JP4941750B2

JP4941750B2 - ガスの安全リリーフシステム

Info

Publication number: JP4941750B2
Application number: JP2007200922A
Authority: JP
Inventors: 力大塚; 俊哉宇野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-08-01
Also published as: JP2009036297A

Description

本発明は、安全弁を備えたガスタンクに関し、特に、該ガスタンクに異常が生じた場合などにタンク内に残留しているガスを安全に外部へ放出する技術に関する。

近年、燃料ガスを利用した燃料電池自動車が注目されている。例えば、燃料電池自動車では、水素ガス等が用いられ、ガス燃料自動車では、ＬＰＧ（液化石油）ガスやＣＮＧ（圧縮天然）ガスが用いられている。これらの燃料ガスは、高圧化された状態でガスタンクに貯蔵されており、該燃料ガスが貯蔵されたガスタンクが車両に搭載されている。

このようなガスタンクには、火災などが生じた場合にタンク内のガスを外部へ逃がすための安全弁（安全弁）が設けられている。ここで、従来の安全弁は、例えば火災による熱によって安全弁が過熱されると、この安全弁部分の溶栓が溶け出して作動し、これによりタンク内のガスが外部に放出される構成が一般的であった（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−３１５２９４号

しかしながら、安全弁とは離れた部位においてガスタンクが局所的に加熱された場合には、安全弁部分の溶栓が溶け出す前にタンク本体が熱によるダメージを受け、最悪の場合にはガスタンクが爆発してしまう等の問題が懸念されていた。

本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、ガスタンクが局所的に加熱されるような場合にも、該ガスタンク内に残留するガスを安全、かつ確実に外部へ逃すことが可能な安全リリーフシステムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る安全リリーフシステムは、ガスを貯蔵するガスタンクと、前記ガスタンク近傍の輻射エネルギーを検出する少なくとも１つ以上の輻射センサと、前記輻射センサの検出結果に基づいて前記ガスタンクに異常が生じたか否かを判断する判断手段と、前記ガスタンクに異常が生じたと判断された場合に前記ガスタンクに残存するガスを外部に放出する放出手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、ガスタンクの近傍の輻射エネルギーを検出する輻射センサが少なくとも1つ以上設けられ、この輻射センサの検出結果に基づいてガスタンクに異常が生じたか否かが判断される。そして、異常が生じていると判断した場合にはガスタンクに残存するガスを外部に放出するため、例えば、ガスタンクの一部が局所的に炎に曝されるような場合にも、輻射センサによる検出結果に基づいてガスタンクに異常が生じたと判断することができる。これにより、ガスタンクが爆発などする前に、タンク内に残存する水素ガスを安全かつ迅速に外部にリリーフすることが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記判断手段は、少なくとも１つ以上の前記輻射センサによって検知される輻射エネルギーの強度レベルがレベル閾値を越えている場合に、前記ガスタンクに異常が生じたと判断する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記判断手段は、少なくとも１つ以上の前記輻射センサによって所定以上の輻射エネルギーが検出され、かつ、所定以上の輻射エネルギーを検知する時間が時間閾値を超えている場合に、前記ガスタンクに異常が生じたと判断する態様も好ましい。

さらにまた、上記構成にあっては、前記輻射センサを複数備え、前記各輻射センサは、前記ガスタンクを中心に略一定の間隔をおいて配置されている態様も好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、ガスタンクが局所的に加熱されるような場合にも、該ガスタンク内に残留するガスを安全、かつ確実に外部へ逃すことが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．本実施形態
図１は、本実施形態に係る高圧ガスの安全リリーフシステム１００を搭載した燃料電池自動車２００の要部構成を示す図である。本実施形態では、駆動源として燃料電池１４０を搭載した燃料電池自動車２００を想定するが、これに限定する趣旨ではなく、例えば駆動源として燃料電池を搭載した二輪車や船舶、飛行機、電車、歩行ロボット等の様々な移動体にも適用可能である。さらに、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として燃料電池を搭載した定置型の燃料電池システム、さらには燃料電池を搭載した携帯用の燃料電池システムにも適用可能である。

また、本実施形態では、ガスタンクの一例として水素タンク１１０を例示するが、当該水素ガス以外のガス（例えば天然ガス）を貯蔵する様々なガスタンクに適用可能である。

安全リリーフシステム１００は、水素タンク１１０と、燃料電池１４０と、複数の輻射センサ１６０−ｋ（ｋ≧２）と、制御装置１５０とを備えて構成される。なお、以下の説明において各輻射センサ１６０−ｋを特に区別する必要がない場合には、単に輻射センサ１６０と呼ぶ。

水素タンク１１０は、水素ガスを高圧状態で貯蔵する略円柱形状のタンク本体１１１と、第１配管１２０上に設けられた安全弁１１２と、第２配管１３０上に設けられた開閉弁１１３とを備えている。

タンク本体１１１は、合成樹脂製のライナーの外周側を炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastics ;CFRP)で覆った構成を有している。
第１配管１２０と第２配管１３０は、それぞれ独立して水素タンク１１０に接続されており、いずれも水素ガス流路を形成する。詳述すると、第１配管１２０は、輻射センサ１６０によって水素タンク１００の異常が検知された場合に、水素タンク１１０に残存する水素ガスを大気中に逃がす（リリーフする）ための水素ガス流路を形成する一方、第２配管１３０は、水素タンク１１０から燃料電池１４０に水素ガスを供給するための水素ガス流路を形成する。

第１配管１２０上に設けられた安全弁１１２は、制御装置１５０による制御のもと、輻射センサ１６０によって水素タンク１１０の異常が検出された場合に水素タンク１１０に残存する水素ガスを大気中に逃がす一方、第２配管１３０上に設けられた開閉弁１１３は、制御装置１５０による制御のもと、水素タンク１１０から燃料電池１４０に供給される水素ガスのガス流量を調整する。なお、第２配管１３０上には開閉弁１１３のほか、調圧弁や減圧弁、遮断弁（いずれも図示略）などが設けられている。

燃料電池１４０は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造が採用される。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。燃料電池１４０は、制御装置１５０による制御のもと、水素タンク１１０から供給される水素ガスと、エアコンプレッサ（図示略）などから供給される酸化ガスとを電気化学反応させることで、所望の電力を発生する。

輻射センサ１６０は、水素タンク１１０の異常を検知するためのセンサであり、水素タンク１１０の近傍に複数設けられている。輻射センサ１６０は、例えば光電子素子などによって形成され、水素タンク近傍の輻射光（輻射エネルギー）を検知し、検知結果を輻射レベル情報として制御装置１５０に通知する。制御装置１５０は、各輻射センサ１６０から供給される輻射レベル情報に基づき、水素タンク１１０に異常が生じているか否かを判断する（詳細は後述）。なお、輻射センサ１６０は、光電子素子に限る趣旨ではなく、例えば輻射熱を検知することができる吸熱板と反射板とを備えた熱流速センサなど、輻射エネルギーの検知が可能なあらゆるセンサに適用可能である。

ここで、図２は、水素タンク１１０と輻射センサ１６０との位置関係を例示した図である。図２に示すように、複数の輻射センサ１６０は、水素タンク１１０を中心として、長手方向（Ｘ軸方向）、左右方向（Ｙ軸方向）、上下方向（Ｚ軸方向）のそれぞれについて略一定の間隔をおいて均等に配置されている。

制御装置１６０は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、燃料電池自動車２００の各部を中枢的に制御する。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

また、制御装置（判断手段、放出手段）１６０は、各輻射センサ１６０から供給される輻射レベル情報に基づき、水素タンク１１０に異常が生じているか否かを判断し、異常が生じていると判断した場合には、安全弁１１２を開く制御を行うことで水素タンク１１０に残存する水素ガスを安全かつ迅速に外部にリリーフ（放出）する。

ここで、制御装置１６０には、水素タンク１１０に異常が生じているか否かを判断するための輻射判断マップＭＰが格納されている。詳述すると、輻射判断マップＭＰには、例えば輻射光の強度レベルの閾値をあらわす輻射レベル閾値Ｒｌや、輻射光の検知時間の閾値をあらわす輻射時間閾値Ｒｔなどが登録されている。そして、制御装置１６０は、各輻射センサ１６０から供給される輻射レベル情報に示される輻射光の強度レベル（以下、検知強度レベル）が輻射レベル閾値Ｒｌを超えているかを判断する。制御装置１６０は、少なくとも1つ以上の輻射センサ１６０から供給される検知強度レベルが輻射レベル閾値Ｒｌを超えている場合には、水素タンク１１０の少なくとも一部が一定値以上の輻射（例えば火炎）に曝されていると判断し、安全弁１１２を開く制御を行う。

なお、検知強度レベルにのみ基づいて水素タンク１１０に異常が生じているか否かを判断するのではなく、検知強度レベルが所定値を超え、かつ、検知強度レベルが所定値を超えている時間（以下、検知輻射時間）が輻射時間閾値Ｒｔを超えている場合に、水素タンク１１０の少なくとも一部が一定値以上の輻射(例えば火炎）に曝されていると判断しても良い。

制御装置１６０がこのような制御を行うことで、水素タンク１１０の全体が炎に曝されるような火災でない場合でも（別言すれば水素タンク１１０の一部が局所的に炎に曝されるような場合にも）、水素タンク１００が爆発する前に、タンク内に残存する水素ガスを安全かつ迅速に外部にリリーフすることが可能となる。

以下、安全リリーフシステム１００による水素ガスのリリーフ制御処理につい詳細に説明する。図３は、制御装置１５０によって実行されるリリーフ制御処理を示すフローチャートである。
制御装置１５０は、例えば燃料電池自動車２００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＮ操作等によって、燃料電池４０の発電開始が指示されると、各輻射センサ１６０に輻射光の検出を開始すべき指令を送る（ステップＳ１００）。各輻射センサ１６０は、制御装置１５０からの指令に従って輻射光の検出を開始し、検出結果を輻射レベル情報として制御装置１５０に送る。上述したように、輻射レベル情報には、検知強度レベルや検知輻射時間をあらわす情報が含まれている。

制御装置１５０は、各輻射センサ１６０から輻射レベル情報を受け取ると、上述したように輻射判断マップＭＰに登録されている輻射レベル閾値Ｒｌや輻射時間閾値Ｒｔと比較し、水素タンク１１０の少なくとも一部に異常が生じているか否かを判断する（ステップＳ２００）。制御装置１５０は、いずれの輻射レベル情報も正常であることから、水素タンク１１０に異常が生じていないと判断した場合には（ステップＳ２００；ＮＯ）、ステップＳ１００に戻って上述した処理を繰り返し実行する。一方、制御装置１５０は、いずれかの輻射レベル情報に異常が認められた場合には、水素タンク１１０に異常が生じていると判断し(ステップＳ２００；ＹＥＳ）、安全弁１１２を開く（作動させる）ことで、水素タンク１１０に残存する水素ガスを外部にリリーフし（ステップＳ３００）、処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、複数の輻射センサ１６０を利用して水素タンク１１０の少なくとも一部に異常が生じているか否かを判断し、異常が生じていると判断した場合には安全弁１１２を開くことで水素タンク１１０に残存する水素ガスを外部にリリーフする。

従って、水素タンク１１０の一部が局所的に炎に曝されるような場合（例えば事故によって燃料電池自動車２００が横転し、水素タンク１１０の一部が局所的に炎にされる場合）にも、水素タンク１００が爆発する前に、タンク内に残存する水素ガスを安全かつ迅速に外部にリリーフすることが可能となる。

Ｂ．変形例
＜変形例１＞
上述した本実施形態では、輻射判断マップＭＰに登録する情報として輻射レベル閾値Ｒｌや輻射時間閾値Ｒｔを例示したが、どのような情報を登録するかは任意に設定・変更可能である。また、本実施形態では、いずれか１つの輻射センサ１６０によって検知される輻射レベル情報に異常が認められた場合には、安全弁１１２を開く制御を行う構成としたが、例えば隣接する２つ以上の輻射センサ１６０によって検知される輻射レベル情報に異常が認められた場合にのみ安全弁１１２を開く制御を行っても良い。かかる構成によれば、輻射センサ１６０（例えば、輻射センサ１６０−４）の故障などによって誤検出が生じたとしても、隣接する複数の輻射センサ（例えば、輻射センサ１６０−３、１６０−５）によって検出される内容を踏まえて水素タンクに異常が生じているか否かが判断されるため、より精度の高い異常検出が可能となる。もちろん、全ての輻射センサ１６０によって検知される輻射レベル情報に異常が認められた場合にのみ安全弁１１２を開く制御を行っても良く、どのような条件下で安全弁１１２を開く制御を行うかは任意に設定可能である。

＜変形例２＞
上述した本実施形態では、複数の輻射センサ１６０が水素タンク１１０を中心として、長手方向（Ｘ軸方向）、左右方向（Ｙ軸方向）、上下方向（Ｚ軸方向）のそれぞれについて一定間隔で略均等に配置（離間配置）される態様を例示したが、輻射センサ１６０の配置位置や配置数は任意に設定可能である。例えば、水素タンク１１０の長手方向の両端部に輻射センサ１６０を設けたり、いずれ一方の端部にのみ輻射センサ１６０を設けたりしても良い。

本実施形態に係る燃料電池自動車の要部構成を示す図である。同実施形態に係る水素タンクと輻射センサとの位置関係を例示した図である。同実施形態に係るリリーフ制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

２００・・・燃料電池自動車、１００・・・安全リリーフシステム、１１０・・・水素タンク、１１１・・・タンク本体、１１２・・・安全弁、１１３・・・開閉弁、１２０・・・第１配管、１３０・・・第２配管、１４０・・・燃料電池、１５０・・・制御装置、ＭＰ・・・判断マップ、１６０・・・輻射センサ。

Claims

ガスを貯蔵するガスタンクと、
前記ガスタンク近傍の輻射エネルギーを検出する少なくとも１つ以上の輻射センサと、
前記輻射センサの検出結果に基づいて前記ガスタンクに異常が生じたか否かを判断する判断手段と、
前記ガスタンクに異常が生じたと判断された場合に前記ガスタンクに残存するガスを外部に放出する放出手段とを備え、
前記輻射センサを複数備え、前記各輻射センサは、前記ガスタンクを中心に略一定の間隔をおいて配置されていることを特徴とするガスの安全リリーフシステム。
前記判断手段は、少なくとも１つ以上の前記輻射センサによって検知される輻射エネルギーの強度レベルがレベル閾値を越えている場合に、前記ガスタンクに異常が生じたと判断することを特徴とする請求項１に記載のガスの安全リリーフシステム。
前記判断手段は、少なくとも１つ以上の前記輻射センサによって所定以上の輻射エネルギーが検出され、かつ、所定以上の輻射エネルギーを検知する時間が時間閾値を超えている場合に、前記ガスタンクに異常が生じたと判断することを特徴とする請求項１に記載のガスの安全リリーフシステム。