JP5762271B2 - 高圧容器付きガス消費システム - Google Patents

Description

この発明は、高圧容器付きガス消費システムに関するものである。

燃料電池車両に搭載された燃料電池システムでは、燃料電池の燃料となる水素を充填した高圧水素タンクを車両に搭載している。
こうした車両では、各搭載機器の軽量化が求められており、この軽量化を目的とした高圧水素タンクとして、水素を透過し難い樹脂で形成されたライナーと、ライナーを囲繞するように設けられ繊維強化材料で形成された補強体とから構成されたものが知られている。

この高圧水素タンクでは、タンク内に水素が大量に充填されて高圧状態にあるときに、分子量の小さい水素がライナーを透過してライナーと補強体の間に残留してしまい、この状態でタンク内の水素を急激に減圧すると、ライナーと補強体の間に残留した水素が膨張し、ライナーをタンク内側に変形させるバックリングと称される現象が起こり得る。

このバックリングの防止策として、図７に示すように、タンク内の圧力が規定の圧力値Ｐａまで低下したときには、水素の供給を停止する（燃料電池の出力を「０」にする）ことで、タンク内の圧力が前記規定の圧力値Ｐａを下回らないようにする技術が知られている（以下、第１の防止策という）。
ここで、前記規定の圧力値Ｐａとは、図８（Ａ）に示すように、タンク内のガス圧力（タンク内圧力）が、ライナーと補強体の間に残留したガスの圧力（残留ガス圧力）よりも低下し、その圧力差ΔＰが閾値ΔＰｌｉｍに達してバックリングが起こり始めるときのタンク内の圧力値Ｐａである。なお、図８（Ｂ）は、燃料電池で消費可能な水素の消費量上限値のタイムチャートであり、タンク内の圧力が圧力値Ｐａに達するまでは、消費量上限値は燃料電池の最大出力時における水素消費量に設定されており、タンク内の圧力が圧力値Ｐａに達するとそれ以降は消費量上限値は「０」に設定されることとなる。

また、別の防止策として、特許文献１に開示されているように、ライナーの内側に水素透過性の低い合成ゴムのバリア層を形成することで、水素の透過量を減少させてライナーと補強体の間に残留する水素を減少させる技術が知られている（以下、第２の防止策という）。

特開２００２−１８８７９４号公報

しかしながら、前記第１の防止策の場合には、高圧水素タンク内に規定の圧力を残すことから、燃料電池で使用可能な水素量が減少してしまい、燃料電池車両の場合には航続距離が短くなり、商品性が低下するという課題がある。
また、第２の防止策の場合には、バリア層を加えることから、高圧水素タンクの部品点数が増加し、生産性も悪くなり、コストアップにつながるという課題がある。

そこで、この発明は、簡単な構成ながらバックリングを抑制しつつ、使用可能な水素量を増大させることができる高圧容器付きガス消費システムを提供するものである。

この発明に係る高圧容器付きガス消費システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、内部に高圧のガスが充填される樹脂製の容器本体（例えば、後述する実施例におけるライナー２１）および該容器本体を囲繞する補強体（例えば、後述する実施例における補強体２２）を有する高圧容器（例えば、後述する実施例における水素タンク２）と、前記高圧容器に充填されている前記ガスを消費するガス消費装置（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、前記容器本体内の圧力を検知する圧力検知手段（例えば、後述する実施例における圧力センサ８）と、前記ガス消費装置で消費可能な前記ガスの消費量上限値を設定するガス消費量上限値設定手段（例えば、後述する実施例における出力制限部３１）と、を備え、前記ガス消費量上限値設定手段は、前記圧力検知手段により検出された検知圧力が予め設定された制限開始圧力値よりも大きいときには、前記消費量上限値を前記ガス消費装置の最大負荷時に消費されるガス量である最大消費量に設定し、前記検知圧力が前記制限開始圧力値以下に低下したときには、前記消費量上限値を前記最大消費量よりも小さい消費量に設定するとともに、前記検知圧力が小さくなるにしたがって漸次小さくしていき、前記検知圧力と、前記容器本体と前記補強体との間に残留する残留ガスの圧力と、の圧力差が所定の閾値になったときに０になるように設定することを特徴とする高圧容器付きガス消費システムである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記高圧容器内の温度を検知する温度検知手段（例えば、後述する実施例における温度センサ１０）と、前記温度検知手段により検知された検知温度が高いときには該検知温度が低いときよりも前記制限開始圧力値を大きい値に補正する補正手段と、をさらに備えることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記ガス消費装置は車両に搭載された燃料電池であり、前記車両上にて完結していることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、高圧容器内の圧力が制限開始圧力値以下に低下したときには、消費量上限値を最大消費量よりも小さい消費量に設定し、且つ、高圧容器内の圧力が小さくなるにしたがって消費量上限値を漸次小さい消費量に設定するので、容器本体が内側に変形するバックリングを抑制することができるとともに、高圧容器に収容されたガスにおいて使用不能となる死残量を低減することができ、すなわち使用可能なガス量を増大させることができる。

請求項２に係る発明によれば、樹脂製の容器本体は温度が高いほど機械的強度が低下し、バックリングし易いという特性があるので、高圧容器内の温度が高いほど制限開始圧力値を大きい値に補正することにより、高圧容器内の温度に関わらずバックリングを確実に抑制することができる。

請求項３に係る発明によれば、車両内の装置および手段のみで高圧容器内のガスの死残量を低減して、使用可能なガス量を増大させることができるので、車両の航続距離を延ばすことができる。

この発明に係る高圧容器付きガス消費システムの概略構成図である。 （Ａ）はこの発明に係る高圧容器付きガス消費システムにおけるタンク内圧力と残留ガス圧力の変化を示す図であり、（Ｂ）はこの発明に係る高圧容器付きガス消費システムにおける消費量上限値のタイムチャートである。 この発明に係る高圧容器付きガス消費システムにおける消費量上限値の変化（Ａ）と、従来技術における消費量上限値の変化（Ｂ）とを比較した図である。 気体透過理論の１次元モデルを示す図である。 高圧容器内にガスが満充填されているときのライナーと補強体におけるガス圧力分布を示す図である。 タンク内の温度に応じて出力制限開始圧力を補正する場合を説明する図である。 従来技術における燃料電池の消費量上限値の変化を示す図である。 （Ａ）は従来技術におけるタンク内圧力と残留ガス圧力の変化を示す図であり、（Ｂ）は従来技術における消費量上限値のタイムチャートである。

以下、この発明に係る高圧容器付きガス消費システムの実施例を図１から図６の図面を参照して説明する。
図１は、高圧容器付きガス消費システムの概略構成図であり、この実施例では、燃料電池車両に搭載されて駆動源としてのモータ等に電力を供給する燃料電池システムとしての態様である。

この燃料電池システムは、その全ての構成が車両に搭載されていて、車両上にて完結している。
図１に示すように、燃料電池システムは、高圧ガスとしての高圧の水素が充填された水素タンク（高圧容器）２と、水素タンク２に充填されているガスである水素を消費する燃料電池スタック（ガス消費装置）１とを備えている。

燃料電池スタック１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池である。燃料電池スタック１は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。

水素タンク２は、長手方向の両端が略半球状の筒状をなし、タンク内側に配置されて容器本体を構成するライナー２１と、ライナー２１の外表面を囲繞するように配置された補強体２２とから構成されている。ライナー２１は、軽量で機械的強度が大きく水素透過性の低い高密度樹脂、例えば高密度ポリエチレンやポリアミド樹脂等で形成されている。補強体２２は、ライナー２１を補強して機械的強度を上げるもので、繊維強化プラスチック、例えば炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic 、略してＣＦＲＰ）で構成されている。

水素タンク２の長手方向の一端の開口部２ａには主止弁４が取り付けられており、開口部２ａは主止弁４によって塞がれている。主止弁４は、水素タンク２に水素を充填するときに開弁する充填用バルブとしての機能と、水素タンク２に充填されている水素を燃料電池スタック１に供給する際に開弁する供給用バルブとしての機能を有しており、制御装置３０によりその機能に応じた流路に切り換え制御されるようになっている。

燃料電池スタック１には、水素タンク２の主止弁４から放出された水素が、所定圧力に調整されて水素供給流路（ガス供給流路）３を介して供給されるとともに、図示しない空気供給装置を介して酸素を含む空気が所定圧力および所定流量で供給される。

水素供給流路３には、その上流側から、減圧弁５、リリーフ弁６、中圧デバイス７が設けられている。水素タンク２の主止弁４から放出される高圧（例えば、３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａ等）の水素は、減圧弁５によって所定の圧力（例えば、１ＭＰ以下）に減圧されて中圧デバイス７に供給される。ここで、中圧デバイス７とは、減圧弁５と燃料電池スタック１との間に配置されるデバイスの総称であり、エゼクタ、インジェクタなどが含まれる。エゼクタは、燃料電池スタック１から排出される水素オフガスを循環利用するために水素オフガスを再び水素供給流路３に戻すデバイスであり、インジェクタは燃料電池スタック１に供給する水素流量を調整するデバイスである。また、燃料電池スタック１に供給される水素を加湿したいときには、加湿器も中圧デバイス７として配置される場合がある。中圧デバイス７としていずれのデバイスが組み込まれるかは燃料電池システムの全体構成により決定される。

水素供給流路３には、減圧弁５よりも上流側に圧力センサ８と温度センサ１０が設けられており、減圧弁５とリリーフ弁６との間に圧力センサ９が設けられている。圧力センサ８で検知される圧力は、水素タンク２内の圧力とほぼ一致する。したがって、圧力センサ８は、水素タンク２内の圧力を検知する圧力検知手段と言うことができる。また、温度センサ１０で検知される温度は、水素タンク２内の温度とほぼ一致する。したがって、温度センサ１０は、水素タンク２内の温度を検知する温度検知手段と言うことができる。なお、圧力センサ８と温度センサ１０を主止弁４に配置して、水素タンク２内の圧力および温度を直接検知するようにしてもよい。これらセンサ８，９，１０は、検知した圧力値や温度値に応じた電気信号を制御装置３０に出力する。

燃料電池スタック１の出力（発電量）は、車両から要求される負荷量（主にアクセルペダルの踏み込み量）に基づいて制御装置３０により制御される。制御装置３０は、燃料電池スタック１の出力制限を行う出力制限部３１を備えている。なお、燃料電池スタック１の出力は、発電のために消費する水素の量と相関があるので、出力制限部３１は、「燃料電池スタック１で消費可能な水素の消費量上限値を設定するガス消費量上限設定手段」と言うことができる。

次に、制御装置３０の出力制限部３１において行われる燃料電池スタック１の出力制限の制御について説明する。なお、以下の説明では、燃料電池スタック１の出力制限を、「燃料電池スタック１で消費させることが可能な水素の消費量上限値の制限」に置き換えて説明する。

前述したように、水素タンク２は、樹脂製のライナー２１とＣＦＲＰ製の補強体２２とから構成されており、ライナー２１は水素透過性が低いとは言え、水素を完全に封止することはできない。そのため、水素タンク２内に充填されている高圧の水素がライナー２１を僅かながら透過し、ライナーと補強体２２との間に残留する。以下、ライナーと補強体２２との間に残留するガス（水素）を残留ガスと称す。また、補強体２２も水素透過性は低いながら、水素を完全に封止することはできないため、残留ガスは補強体２２を透過して徐々に大気へと放出される。
ここで、水素タンク２内の圧力（以下、タンク内圧力という場合もある）Ｐが残留ガスの圧力（以下、残留ガス圧力という）Ｐｒよりも低くなり、その圧力差ΔＰが閾値ΔＰｌｉｍを越えると、ライナー２１が内側に変形する所謂バックリング現象が起こる。

従来は、図８に示すように、圧力差ΔＰが閾値ΔＰｌｉｍを越えるまでは、ガスの消費量上限値Ｇｌｉｍを、燃料電池スタック１の最大出力時に消費される水素量である最大消費量Ｇｍａｘに設定することで実質的に無制限とし、圧力差ΔＰが閾値ΔＰｌｉｍを越えたとき（タンク内圧力ＰがＰａとなったとき）に、一気にガスの消費量上限値Ｇｌｉｍを「０」に制限し、すなわち水素の供給を停止していた。しかしながら、このようにガスの消費量上限値Ｇｌｉｍを制御すると、水素タンク２内に貯留されていながら使用することができない水素量、すなわち水素の死残量が多くなり、燃料電池車両の航続距離が短くなってしまう。

そこで、この実施例の燃料電池システムでは、図２に示すように、タンク内圧力Ｐが残留ガス圧力Ｐｒよりも大きいときは、バックリングが起こる虞がないので、ガスの消費量上限値Ｇｌｉｍを燃料電池スタック１の最大消費量Ｇｍａｘに設定することで実質的に無制限とし、タンク内圧力Ｐが残留ガス圧力Ｐｒ以下に低下したときには、消費量上限値Ｇｌｉｍを、最大消費量Ｇｍａｘよりも小さい消費量に設定し、且つ、タンク内圧力Ｐが小さくなるにしたがって漸次小さくしていき、タンク内圧力Ｐと残留ガス圧力Ｐｒとの圧力差ΔＰが閾値ΔＰｌｉｍになったときに消費量上限値Ｇｌｉｍが「０」になるように変化させていく。なお、この実施例では、タンク内圧力Ｐが小さくなるにしたがって消費量上限値Ｇｌｉｍを一次関数的に低減させている。

このように消費量上限値Ｇｌｉｍを制御することにより、タンク内圧力Ｐが残留ガス圧力Ｐｒ以下となってからのタンク内圧力Ｐの低下速度を低下させることができ、タンク内圧力Ｐと残留ガス圧力Ｐｒとの圧力差ΔＰが閾値ΔＰｌｉｍになるまでにかかる時間を、従来よりも長くすることができる。その結果、図２に示すように、圧力差ΔＰが閾値ΔＰｌｉｍになるときのタンク内圧力Ｐｂを従来よりも低くすることができ（Ｐｂ＜Ｐａ）、水素の死残量を少なくできるので、燃料電池車両の航続距離を従来よりも延ばすことができる。
図３は、この実施例の消費量上限値Ｇｌｉｍの制御の方が、従来の消費量上限値Ｇｌｉｍの制御よりも、使用可能水素量が増大することを説明した図であり、図３（Ａ）はこの実施例の場合を示し、図３（Ｂ）は従来の場合を示している。

前述したように、この実施例では、タンク内圧力Ｐが残留ガス圧力Ｐｒに一致したときが、消費量上限値Ｇｌｉｍを最大消費量Ｇｍａｘよりも小さい値に制限する制御の開始点となる。
この制御開始点のときのタンク内圧力である制限開始圧力値Ｐｓは、次のようにして決定することができる。
図４は、気体透過理論の１次モデルを示す図である。１次モデルは、ガス透過性を有する平板試料を間に挟んで一方の部屋に圧力Ｐ１のガスを収容し、他方の部屋に圧力Ｐ２のガスを収容したモデルである。平板試料の透過係数をｋ、平板試料の厚さすなわち拡散距離をＬ、平板試料の透過面積をＡとすると、ガスの透過量Ｑは、［数１］の式から求めることができる。

ところで、水素タンク２内にガス（水素）が満充填されていて、ライナー２１と補強体２２内にガスが拡散し平衡状態となったときに、ライナー２１と補強体２２との間に残留するガスの圧力、すなわち残留ガス圧力Ｐｒが最も高くなる。そして、この状態からタンク内圧力Ｐが低下していき残留ガス圧力Ｐｒよりも下がるときが、最もバックリングが発生し易い状況となる。したがって、水素タンク２内にガス（水素）が満充填されていて、ライナー２１と補強体２２内にガスが拡散し平衡状態となるときのタンク内圧力Ｐ（＝残留ガス圧力Ｐｒ）を制限開始圧力値Ｐｓとするのが好ましい。

図５は、水素タンク２にガスが満充填されているときのライナー２１と補強体２２におけるガス圧力分布を示す図である。この場合、ライナー２１の内面（タンク内側）におけるガス圧力は満充填時のガス圧力すなわち水素タンク２の最大使用圧力Ｐ０であり、補強体２２の外面（タンク外側）におけるガス圧力は大気圧Ｐａｔｍである。
ここで、ライナー２１のガス透過係数をｋ１、厚みをＬ１とし、補強体２２のガス透過係数をｋ２、厚みをＬ２とする。ガスの拡散が平衡状態となったときには、ライナー２１を透過するガスの透過量Ｑ１と補強体２２を透過するガスの透過量Ｑ２は等しくなるので（Ｑ１＝Ｑ２）、［数２］の式が成立する。

これから、ライナー２１と補強体２２内にガスが拡散し平衡状態となったときの残留ガス圧力Ｐｒは、［数３］から求めることができる。

このようにして求めた残留ガス圧力Ｐｒを制限開始圧力値Ｐｓとすると、ライナー２１のバックリングを確実に抑制することができる。

また、ライナー２１に用いられるポリエチレンやポリアミド樹脂等の樹脂は、温度が高くなるほど強度が減少することが知られており、ライナー２１の強度が低下するほどバックリングが発生し易い環境となる。
そこで、温度センサ１０により水素タンク２内の温度を検知し、図６に示すように、検知された水素タンク２内の温度が高いほど、制限開始圧力値Ｐｓを高い値に補正するようにするのが好ましい。このように水素タンク２内の温度に応じて制限開始圧力値Ｐｓを補正すると、水素タンク２内の温度が高いときには該温度が低いときよりも早く消費量上限値Ｇｌｉｍの制限制御が開始されるので、水素タンク２内の温度に関わらずバックリングを確実に抑制することができる。
なお、このようにする場合には、制御装置３０に、水素タンク２内の温度が高いほど制限開始圧力値Ｐｓを高い値に補正する補正手段を設ける。ただし、補正手段は必須ではなく、補正手段がなくてもこの発明は成立する。

〔他の実施例〕
この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、ガス消費装置は燃料電池に限るものではなく、高圧のガスは水素に限るものでもない。水素以外のガスを消費するガス消費装置であってもよい。
また、ガス消費装置が燃料電池である場合、車両用に限るものではなく、定置式の燃料電池および定置式の水素タンクであってもよい。

１ 燃料電池スタック（ガス消費装置）
２ 水素タンク（高圧容器）
８ 圧力センサ（圧力検知手段）
１０ 温度センサ（温度検知手段）
２１ ライナー（容器本体）
２２ 補強体
３０ 制御装置
３１ 出力制限部（ガス消費量上限値設定手段）

Claims (3)

1. 内部に高圧のガスが充填される樹脂製の容器本体および該容器本体を囲繞する補強体を有する高圧容器と、
   前記高圧容器に充填されている前記ガスを消費するガス消費装置と、
   前記容器本体内の圧力を検知する圧力検知手段と、
   前記ガス消費装置で消費可能な前記ガスの消費量上限値を設定するガス消費量上限値設定手段と、
   を備え、
   前記ガス消費量上限値設定手段は、前記圧力検知手段により検出された検知圧力が予め設定された制限開始圧力値よりも大きいときには、前記消費量上限値を前記ガス消費装置の最大負荷時に消費されるガス量である最大消費量に設定し、前記検知圧力が前記制限開始圧力値以下に低下したときには、前記消費量上限値を前記最大消費量よりも小さい消費量に設定するとともに、前記検知圧力が小さくなるにしたがって漸次小さくしていき、前記検知圧力と、前記容器本体と前記補強体との間に残留する残留ガスの圧力と、の圧力差が所定の閾値になったときに０になるように設定することを特徴とする高圧容器付きガス消費システム。
2. 前記高圧容器内の温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段により検知された検知温度が高いときには該検知温度が低いときよりも前記制限開始圧力値を大きい値に補正する補正手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の高圧容器付きガス消費システム。
3. 前記ガス消費装置は車両に搭載された燃料電池であり、前記車両上にて完結していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高圧容器付きガス消費システム。

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