JP6684465B2 - ガス充填システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の高圧タンクを備えたガス充填システムに関する。

反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、この反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池を搭載した燃料電池車両が知られている。

この燃料電池に供給される燃料ガスは、高圧に圧縮された上で高圧タンク（以下、タンクとも称する）内に貯留される。下記特許文献１では、この高圧タンクを複数搭載した燃料電池車両が開示されている。詳細には、下記特許文献１に開示された燃料電池車両は、長尺が車両前後方向となるように配置された高圧タンク（以下、第１タンク）と、当該第１タンクの後方に長尺が車両左右方向となるように配置された高圧タンク（以下、第２タンク）とを備え、ガスを充填するための充填口から高圧タンクに接続される流路（充填流路）は、充填口から、第２タンク、第１タンクの順に直列となっている。

ＤＥ１０２００９０３９０７９号公報

長尺が車両の前後方向となるようにタンク（第１タンク）が配置されると、長尺が車両の左右方向となるようにタンクを配置した場合と比べて、タンクが大型化する場合がある。タンク容量が大きいと、タンク容量一杯に充填するのに必要なガスの量が多くなるので、受熱量が多くなる。そのため、第１タンクの温度は上昇しやすく、上昇し過ぎると急速充填ができなくなるおそれがある。また、タンク圧を検知する圧力センサを各タンクに配置していたため、スペースやコストが大きくなっていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高圧タンクへの充填率低下を抑制し、省スペース化且つ低コスト化を図ることができるガス充填システムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るガス充填システムは、燃料ガスが充填される高圧タンクを複数備えたガス充填システムにおいて、前記高圧タンクは、長尺が車両前後方向に配置された第１タンクと、前記第１タンクの後方に長尺が車両左右方向に配置された第２タンクと、を備え、前記第１タンクは前記第２タンクよりも容量が大きく、ガスを導入するための流路は、充填口、前記第１タンク、前記第２タンク、及び減圧弁の順に直列に流通し、前記第２タンクのバルブに圧力センサが設けられている。

かかる構成によれば、第２タンクよりも先に第１タンクにガスが充填されるので、容量の大きい第１タンクの温度上昇を抑制することができる。また、第２タンクのバルブに圧力センサが設けられているので、例えば充填口と第１タンクとの間に圧力センサを設けた場合と比較して、充填時に用いる圧力を正確に測定できる。また、第１タンクに圧力センサを搭載する場合には、流路長を短くするためにタンク間に圧力センサを配置することが必要になるが（流路長が長いと、冷却したガスの温度が上がりやすく、圧損が大きくなるため、タンク間に圧力センサを配置することが必要）、この場合、衝突時にタンク間で挟まれて圧力センサが破損するおそれがある。これに対し、第２タンクのバルブに圧力センサを設けた場合にはこのような事態を防ぐことができ、衝突時の圧力センサの破損を抑制できる。また、第２タンクのバルブに圧力センサが設けられ、充填口から第１タンク、及び第２タンクが直列に接続されているため、各タンクに圧力センサを設けずに、各タンク圧を検知することができる。その結果、省スペース化及び低コスト化を図ることができる。

本発明によれば、高圧タンクへの充填率低下を抑制し、省スペース化且つ低コスト化を図ることができるガス充填システムを提供することができる。

燃料電池システムの一部を模式的に示す構成図である。 車両に搭載された高圧タンクの配置を説明するための図である。 本発明の実施形態におけるガス充填システムの構成を模式的に示す構成図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず、車両に搭載される燃料電池システムについて説明する。図１は、燃料電池システムの一部を模式的に示した構成図である。図１に示す燃料電池システム１は、例えば燃料電池車両の車載発電システムとして用いられる。

燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。なお、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系の構成を図１では省略している。

水素ガス配管系４は、燃料供給源としての高圧タンク５０ａ、５０ｂ（ガスタンク）を有する燃料供給源系５と、高圧タンク５０に貯留された高圧の水素ガス（高圧ガス）を燃料電池２に供給するための水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための水素循環流路４２とを有する。

水素供給流路４１には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４３が設けられている。これにより、水素供給流路４１のうちのレギュレータ４３の上流側にあたる流路には、高圧の水素ガスが流れ、水素供給流路４１のうちのレギュレータ４３の下流側にあたる流路には、二次圧に調圧（降圧）された後の水素ガスが流れることになる。

制御部６は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭのような記憶装置等を含む。当該記憶装置には種々のプログラム、データ、マップ等が記憶されており、制御部６はこれらプログラム等を実行することにより種々の制御を実行する。本実施形態では、制御部６は、例えば圧力センサ５２０（図３参照）が検出した検出信号等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。

なお、水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。また、水素循環流路４２には、気液分離器４５および排気排水弁４６を介して排出流路４７が接続されている。気液分離器４５は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４６は、制御部６からの指令に従って、気液分離器４５で回収された水分と水素循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４６から排出された水素オフガスは、希釈器４８によって希釈されて空気排出流路（図示略）内の酸化オフガスと合流する。

燃料供給源系５（ガス充填システム）は、水素供給流路４１の上流側に配置された高圧タンク５０ａ、５０ｂと、高圧タンク５０ａ、５０ｂの夫々に設けられる高圧バルブ５１ａ、５１ｂ（バルブ）と、水素ガスを高圧タンク５０ａ、５０ｂに充填する際の充填口５３と、充填口５３から流入された水素ガスを高圧タンク５０ａ、５０ｂ側に流入させるための充填用流路５４と、高圧タンク５０ｂの出口側に接続される水素供給流路４１と、水素供給流路４１に配設されるレギュレータ４３（減圧弁）とを備える。

燃料供給源系５の構成について更に説明する。図２は、図１に示した高圧タンクが車両に搭載される場合の配置を説明するための図である。図３は、燃料供給源系５（ガス充填システム）を模式的に示す構成図である。

図２に示すように、車両に複数の高圧タンク５０ａ、５０ｂが搭載される場合には、平面視略Ｔ字に高圧タンク５０ａ、５０ｂが搭載される。具体的には、高圧タンク５０ａ（第１タンク）は、長尺が車両前後方向（図２に示すｙ方向）に配置され、この高圧タンク５０ａの後方に、長尺が車両左右方向（図２に示すｘ方向）となるように高圧タンク５０ｂ（第２タンク）が配置される。本実施形態では、高圧タンク５０ａの容量は、高圧タンク５０ｂの容量よりも大きい。

図３に示すように、ガスを充填するための充填口５３から複数の高圧タンク５０ａ、５０ｂに接続される流路は、充填口５３、高圧タンク５０ａ、高圧タンク５０ｂ、及びレギュレータ４３の順に直列に流通している。言い換えれば、充填口５３に接続される充填用流路５４と、高圧タンク５０ｂの出口側に接続される水素供給流路４１とは、高圧タンク５０ａ、５０ｂを介して直列に接続されている。このように、充填ライン（充填用流路５４）と供給ライン（水素供給流路４１）とを共用化するシステムにすることで、後述する圧力センサを各高圧タンクに設けずにタンク内の状態を検知することができる。これにより、各高圧タンクに圧力センサを設ける構成と比較して圧力センサの個数を削減することができ、省スペース化及び低コスト化を図ることができる。

図３に示すように、燃料供給源系５は、高圧タンク５０ａ、５０ｂと、高圧バルブ５１ａ、５１ｂと、充填口５３と、充填用流路５４と、水素供給流路４１と、レギュレータ４３とを有する。高圧バルブ５１ｂは、水素ガス流出流路５１１と、電磁弁５１２（遮断弁）と、水素ガス流入流路５１３と、逆止弁５１４と、マニュアル弁５１５と、安全弁５１６と、圧力センサ５２０とを有する。

なお、高圧バルブ５１ｂの構成は、高圧バルブ５１ａの構成と比較して、圧力センサ５２０以外は同じ構成であるので、以下では、高圧バルブ５１ｂの構成について説明し、高圧バルブ５１ａの構成の説明は省略する。

水素ガス流入流路５１３は、高圧タンク５０ｂ外の充填口５３から高圧タンク５０ａ内部を通って高圧タンク５０ｂ内に水素ガスを流入させるための流路である。この水素ガス流入流路５１３には、上流側から順に、フィルタＦ２、逆止弁５１４、マニュアル弁５１５が設けられている。

水素ガス流出流路５１１は、高圧タンク５０ｂに貯留された水素ガスを高圧タンク５０ｂ外にある燃料電池２に向けて供給させるための流路である。水素ガス流出流路５１１の一端（出口側）は、水素供給流路４１と接続されている。水素ガス流出流路５１１には、上流側から順に、圧力センサ５２０、安全弁５１６、マニュアル弁５１５、フィルタＦ１、電磁弁５１２、逆止弁５１４が設けられている。

逆止弁５１４は、水素ガス流入流路５１３及び水素ガス流出流路５１１に設けられ、高圧タンク５０ｂ内から高圧タンク５０ｂ外に向けて水素ガスが逆流することを阻止するための弁である。

マニュアル弁５１５は、水素ガス流入流路５１３及び水素ガス流出流路５１１に設けられ、燃料電池システム１の点検時等に水素ガスの流出を遮断させるための手動式の弁である。

安全弁５１６は、高圧タンク５０内の温度が所定温度以上に上昇した場合に開弁させる弁である。

電磁弁５１２は、水素ガス流出流路５１１に設けられ、高圧タンク５０ｂ内から高圧タンク５０ｂ外への水素ガスの供給を遮断又は許容する弁である。電磁弁５１２は、水素ガス流出流路５１１を開閉可能な弁であればいずれの方式の弁を採用することができる。

フィルタＦ１〜Ｆ４は、水素ガスに含まれるゴミ等を取り除くことで水素ガスを濾過する部材である。

圧力センサ５２０は、図３に示すように、高圧バルブ５１ｂに設けられている。本実施形態では、圧力センサ５２０は、高圧タンク５０ｂの上流側、すなわち、高圧バルブ５１ｂの水素ガス流入流路５１３に設けられている。圧力センサ５２０は、高圧タンク５０ａ、高圧タンク５０ｂ内の圧力を検知する。なお、図３に示す例では、圧力センサ５２０は、フィルタＦ２の上流側に設けられているが、これに限定されず、高圧タンク５０ｂの上流側に設けられていれば、適宜その設置箇所を変更することができる。

ところで、図３において、充填口５３から高圧タンク５０ａの間に圧力センサ（図３で破線で示す圧力センサ６００）を設置した場合、高圧タンク５０ａ（長尺タンク）までの配管長さが著しく延長されるため、タンク圧と比較すると圧力センサ６００によって検出された値（センサ値）が著しく高い値を示してしまう。

そこで、本実施形態では、各タンクの状態を検知する圧力センサ５２０を、高圧バルブ５１ｂに設けている。高圧タンク５０ｂまでの配管長さは、高圧タンク５０ａと比べて搭載上著しく延長されることがないため、充填時に用いるセンサ値が正確に測定され、配管延長に伴う充填率（ＳＯＣ）低下を抑制することができる。また、高圧タンク５０ａに圧力センサ５２０を搭載した場合には、衝突時にタンク間で挟まれて破損するおそれがあるが、高圧タンク５０ｂに圧力センサ５２０を搭載した場合には、そのような衝突時の破損が抑制される。

なお、本実施形態では圧力センサ５２０を高圧バルブ５１ｂに設けているが、高圧バルブ５１ｂに設ける構成以外に、例えば、充填用流路５４に設けることや、水素供給流路４１に設けること、或いは、レギュレータ４３（減圧弁）に設けることが挙げられる。

しかしながら、圧力センサを充填用流路５４に設けた場合には、プレクールされたガスを充填する必要があり、別途の装置を設ける必要があることからコストの上昇を招く。また、水素供給流路４１に圧力センサを設けた場合には、新たな分岐部（分岐マニホールド）が必要となり、コストの上昇を招いてしまう。また、レギュレータ４３（減圧弁）に圧力センサを設けた場合には、温度センサへの要求仕様が厳しく、コストの上昇を招いてしまう。

そこで本実施形態のように、圧力センサ５２０を高圧バルブ５１ｂに設置すれば、上記のようなコストの上昇を招くことがない。なお、よりタンク圧に近い高圧タンク５０ｂの上流部に搭載することが望ましい。このように圧力センサ５２０を高圧バルブ５１ｂに設置すれば、衝突時にタンク間に挟まれることなく、出荷時の機密検査も容易に行うことができる。また、本実施形態のように、充填ライン（充填用流路５４）と供給ライン（水素供給流路４１）を共用化するシステムにすることで、圧力センサ５２０を各タンクに設ける必要がなくなり、圧力センサの個数を減らすことができる。その結果、省スペース化及び低コスト化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の実施形態でも実施することが可能である。

１：燃料電池システム
２：燃料電池
４：水素ガス配管系
５：燃料供給源系（ガス充填システム）
６：制御部
４１：水素供給流路
４２：水素循環流路
４３：レギュレータ（減圧弁）
４４：水素ポンプ
４５：気液分離器
４６：排気排水弁
４７：排出流路
４８：希釈器
５０ａ、５０ｂ：高圧タンク
５１ａ、５１ｂ：高圧バルブ（バルブ）
５３：充填口
５４：充填用流路
５１１：水素ガス流出流路
５１２：電磁弁
５１３：水素ガス流入流路
５１４：逆止弁
５１５：マニュアル弁
５１６：安全弁
５２０：圧力センサ

Claims (1)

1. 燃料ガスが充填される複数の高圧タンクと、各高圧タンク内の圧力を検知する一つの圧力センサと、を備えたガス充填システムにおいて、
   前記高圧タンクは、長尺が車両前後方向に配置された第１タンクと、前記第１タンクの後方に長尺が車両左右方向に配置された第２タンクと、を備え、
   前記第１タンクは前記第２タンクよりも容量が大きく、
   ガスを導入するための流路は、充填口、前記第１タンク、前記第２タンク、及び減圧弁の順に直列に流通し、
   前記第２タンクのバルブは、前記第２タンクにガスを導入されるためのガス流入流路を有し、
   前記一つの圧力センサは、前記第２タンクの前記バルブの前記ガス流入流路に設けられていることを特徴とするガス充填システム。