JPH0674033A

JPH0674033A - 水素ガス貯蔵装置

Info

Publication number: JPH0674033A
Application number: JP22864692A
Authority: JP
Inventors: Motonaga Akagi; 基修赤木; Eiji Sakagami; 英二坂上; Atsutoshi Ikegawa; 敦俊池川; Soichi Matsushita; 宗一松下; Yujiro Oshima; 雄次郎大島; Kazuo Kawahara; 和生河原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc; Aisin Corp
Priority date: 1992-08-27
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1994-03-15
Anticipated expiration: 2015-07-04
Also published as: JP3059587B2

Abstract

(57)【要約】【目的】水素タンク１の底部のガス放出口１１から水素
ガスが漏れることを防止するのに有利な水素ガス貯蔵装
置を提供すること。【構成】この装置は、高圧の水素ガスが封入される封入
室１０をもつ水素タンク１と、封入室１０の底部に貯溜
されガス放出口１１を覆う水Ｗと、ガス放出口１１を開
閉する電磁弁７２と、ガス放出口１１から放出された水
素ガスと水との混合物が気液分離される気液分離装置３
と、気液分離した水素ガスを排気管８で燃焼させる燃焼
系と、水素ガスを発生する水素発生器５とをもつ。封入
室１０の水が所定水位の時に、レベルスイッチ６０の信
号により、水素発生器５が作動して水素ガスを発生し、
その水素ガスを封入室１０に送る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水素ガス貯蔵装置に関す
る。この水素ガス貯蔵装置は、例えば、内燃機関の排気
経路に水素ガスを送り、水素ガスの燃焼で触媒を早期加
熱する装置、あるいは、排気ガスに含まれるＨＣ等の有
害物質を水素ガスの燃焼で浄化する装置に適用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水素ガス貯蔵装置として、高
圧の水素ガスが封入される水素タンクと、水素タンクの
ガス放出口を開閉する弁装置とで構成されたものが知ら
れている。弁装置が開放すると、水素タンクに封入され
ている水素ガスは、ガス放出口から放出される。この弁
装置は、水素ガスの漏れを防止すべく、高いシール性が
要請され、構造、価格等の面で不利となる。

【０００３】また、車載用の排気ガス浄化装置として、
内燃機関のメタノール系燃料から燃料改質装置で水素ガ
スを発生させ、その水素ガスを触媒に送り、水素ガスの
燃焼で触媒を加熱して活性化させるものが知られている
（特開昭６３−６８７１４号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ガス放出口
のシール性を高め、ガス放出口からの水素ガスの漏れ防
止に有利な水素ガス貯蔵装置を提供することを目的とす
る。更に本発明は、水素タンク内の液位が高い時に水素
タンクへ水素ガスを送ることにより、ガス放出口からの
ガス漏れ防止に一層有利な水素ガス貯蔵装置を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の水素ガス貯蔵装
置は、高圧の水素ガスが封入される封入室と封入室と室
外とを連通するガス放出口とをもつ水素タンクと、水素
タンクの封入室の底部に貯溜され水素タンクのガス放出
口を覆う液と、水素タンクのガス放出口を開閉し開放時
に封入室の水素ガスを放出する弁装置とで構成されてい
ることを特徴とするものである。

【０００６】本発明装置では、水素タンク内に溜まった
液の液位を検知する液検知手段と、液位が所定値よりも
低い時に水素タンクヘ給水する給液手段と、液位が所定
値よりも高い時に水素タンクヘ水素ガスを送る水素ガス
供給手段とを設けることができる。この場合、水素タン
ク内の液位が所定値よりも低い時には、給液手段により
水素タンクヘ給液されるので、ガス放出口を覆う液量が
増す。また、水素タンク内の液位が所定値よりも高い時
には、ガス放出口が液で確実に覆われているので、水素
ガス供給手段は水素タンクヘ水素ガスを送る。従って、
水素タンク内の液位が低い時あるいは水素タンク内に液
が溜まっていない時には、水素ガス供給手段は水素タン
クヘ水素ガスを送らない。

【０００７】本発明装置を内燃機関に組込むことができ
る。この場合、弁装置は、内燃機関の始動時にのみ開放
する方式にできる。また、ガス放出口は、内燃機関の排
気経路の点火栓近傍に直接または間接的に連通する方式
にできる。この場合、内燃機関の始動時において、弁装
置が開放すると、水素タンク内の水素ガスは、開放した
弁装置から排気経路に送られ、点火栓により燃焼する。

【０００８】

【作用】弁装置の閉塞時には、高圧の水素ガスが水素タ
ンクの封入室に封入されている。この状態では、水素タ
ンクの封入室の底部に液が貯溜されており、液はガス放
出口を覆っており、従って、ガス放出口からの水素ガス
の漏れは回避される。弁装置の開放時には、水素タンク
の封入室に封入されていた高圧の水素ガスはガス放出口
から液とともに放出される。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図１０参照し
て説明する。図１は本装置全体を概念的に示す構成図で
ある。本装置は、水素タンク１と、気液分離装置３と、
水タンク４と、水素発生器５とで構成されている。水素
タンク１の底部には通常、水Ｗが所定水位で貯水されて
いる。水Ｗの水位は、液検知手段としてのフロートスイ
ッチ６０で検知される。水素タンク１の底部１ｅ側のガ
ス放出口１１と気液分離装置３の入口ポート３ａとは通
路７０で接続されている。通路７０には圧力センサ７
１、水素ガス供給手段としての電磁弁７２が設けられて
いる。

【００１０】後述する様に水素発生器５は水素ガスを水
素タンク１の封入室１０に送るので、水素タンク１の水
面Ｗ１０の上方には、水素ガスが所定圧力（例えば２〜
３ｋｇｆ／ｃｍ²）で圧縮されて封入されており、電磁
弁７２が閉じている状態ではガス放出待機状態とされて
いる。なお、電磁弁７２の閉塞時において、圧力センサ
７１が検知した通路７０の水圧から、水素タンク１内に
封入された水素ガスの圧力が検知される。ここで、水素
タンク１内の水素ガスが高圧である状態で、電磁弁７２
が開放すると、水素ガスと水との混合物がガス放出口１
１から勢いよく通路７０に放出される。従って水素タン
ク１は気液混合物供給手段として機能する。

【００１１】気液分離装置３は水タンク４と一体に配設
されている。ここで、両者は仕切壁１５で仕切られてい
る。気液分離装置３の出口ポート３ｂは、内燃機関の排
気ガスを排出する排気経路としての排気管８に通路８０
を介して接続されている。通路８０にはチェック弁３
３、絞り弁８２が設けられている。チェック弁３３は気
液分離装置３からの水素ガスを排気管８に通すものの、
逆は通さない。

【００１２】水タンク４の吐出ポート４ａと水素発生器
５の給水ポート５ａとは通路７４で接続されており、通
路７４にはチェック弁７５が設けられている。チェック
弁７５は水タンク４の室の水を水素発生器５に通すもの
の、逆は通さない。ここで、水タンク４の水頭圧を利用
して、チェック弁７５は開弁し、水タンク４から電解用
の水が水素発生器５へ自然供給される。

【００１３】水素発生器５の水素放出ポート５ｂに接続
された通路９０はガス放出口１１に連通している。通路
９０にはチェック弁９３が設けられている。チェック弁
９３は水素発生器５から発生した水素を水素タンク１に
通すものの、逆は通さない。水素発生器５の酸素放出ポ
ート５ｅに接続された通路９５の先端９５ａは、水タン
ク４の室上部に至っている。なお、水タンク４と装置外
部とはチェック弁４ｅを介して連通しており、先端９５
ａから放出された酸素が水タンク４に充満することはな
い。

【００１４】通路７４と水タンク１とは通路７７で接続
されており、その通路７７には給液手段としてのポンプ
７６、逆止弁５が設けられている。さて、図３〜図８は
気液分離装置３を示す。図３に示す様に、気液分離装置
３は、ケーシング３０に形成され吹出口３１ａをもつ円
筒状の気液分離室３１と、気液分離室３１に連通する入
口ポート３ａをもつ通路３２と、ケーシング３０にシー
ル部３０ｆを介して保持されたラビリンス部３７と、気
液分離室３１の底に溜まった水を放出する吐出ポート４
ａと、気液分離室３内の水位を検知するフロートスイッ
チ３５とをもつ。ここで、気液分離室３１の底に所定量
の水が溜まると、フロートスイッチ３５がこれを検知
し、電磁弁７８が開くことにより気液分離室３１の底の
水は吐出ポート４ａから水タンク４に放水される。これ
により気液分離室３１の必要空間容積は確保される。

【００１５】更に、図４に示す様に、チェック弁３３は
バルブ室３３１に設けられている。チェック弁３３は、
バルブ室３３１に保持された弁保持部３３４と、弁保持
部３３４に形成されたガイド部材３３５と、ガイド部材
３３５の回りに設けられたリング状のゴム製の弁部３３
６と、弁保持部３３４を付勢して弁部３３６をバルブシ
ート３３３に圧着させるバネ３３７とを備えている。

【００１６】更に図４に示す様に、遮水用のラビリンス
部３７は取付孔３３０にリング状のシール部３７ｆを介
して保持されている。ラビリンス部３７は、通路３７２
をもつ第１ボデー３７０と、通路３７３をもつ第２ボデ
ー３７１と、通路３７４と、リング状の通路３７５と、
リング状の通路３７６と、開口３７７ａをもつ十文字状
の通路３７７と、開口３７８ａをもつ十文字状の通路３
７８と、開口３７９ａをもつ十文字状の通路３７９とを
備えている。通路３７２〜通路３７９でラビリンス通路
が構成される。

【００１７】ここで、図３から理解できる様に、気液分
離装置３の入口ポート３ａに水素ガスと水との混合物が
送られると、混合物は吹出口３１ａから気液分離室３１
に至る。図８から理解できる様に、混合物は気液分離室
３１の内壁面３１ｃにそって旋回し、これにより水は気
液分離室３１の底部に落下して気液分離が行われる。ま
た、気液分離室３１に送られた水素ガスの圧力がバネ３
３７の付勢力に打ち勝つと、弁部３３６及びガイド部材
３３５はバルブシート３３３のシール面３３３ｆから離
れ、弁口３３３ａが開放される。よって、気液分離室３
１内の水素ガスは通路３７２〜通路３７９を図４〜図７
に示す矢印方向に通り、更に弁口３３３ａからバルブ室
３３１を通り、排気管８側へ放出される。このとき、ラ
ビリンス通路を構成する通路３７２〜通路３７９は、互
い違いの縦通路及び横通路からなるので、万一、ラビリ
ンス通路に水が進入しても、水はラビリンス通路で遮蔽
され、排気管８側へは至らない。尚、本実施例では気液
分離室３１の内径を軸方向に略一定の中空円筒状とした
構成を示しているが、この構成に限定されるものではな
く、他に内径を軸方向で異にする、例えば載頭円錐形状
などとしてもよい。

【００１８】さて、水素発生器５について説明を加え
る。水素発生器５は、複数の水素発生セルを積層したも
のであり、各水素発生セルは、プロトン伝導により水分
解を行なう固体高分子電解質の膜により構成されてい
る。すなわち、水素発生器５の各セルの一つは、図９に
示すように、プロトン伝導膜からなる膜エレメント５１
と、該膜エレメント５１の両側に、例えばチタン製エキ
スパンドメッシュにて構成された給電体５２ａを膜エレ
メント５１の両側に形成された電極５１ａの位置に合わ
せて張設した給電エレメント５２と、これら両給電エレ
メント５２の外側に隣接された陽極端子板５３及び陰極
端子板５４から成り、各セルは、それぞれ樹脂製のセパ
レータ５５によって分離されている。膜エレメント５１
は、スルホン酸基をもつフッ素樹脂系イオン交換膜にて
構成され、両側に電極５１ａ（陽極側及び陰極側）がメ
ッキにより形成されており、その厚みは、略０．２ｍｍ
である。給電体５２ａは、導電路と気液の通路を兼ねて
おり、その厚みは、略０．８ｍｍである。陽極及び陰極
端子板５３，５４の厚みは略１ｍｍ，隣接するセル間の
分離を兼ねたセパレータ５５の厚みは、略３ｍｍであ
る。

【００１９】そして、膜エレメント５１，給電エレメン
ト５２，陽極端子板５３，陰極端子板５４及びセパレー
タ５５には、重合された状態で共通に連通して上記給水
ポート５ａ、通路７４へと連絡した通路をなす通孔５
６、同じく共通に連通して上記ポート５ｅ、通路９５へ
と連絡した通路を成す通孔５７及び同じく共通に連通し
て上記ポート５ｂ、通路９０へと連絡した通路を成す通
孔５８が形成されている。通孔５６による通路は、上記
水タンク４からの水を電解液として各セルに灌漑するマ
ニホールドを構成しており、該通孔５６による通路の電
解液は、陽極側の給電体５２ａに供給される。通孔５７
による通路は、水電解の過程で陽極側の給電体５２ａに
供給された水及び陽極側の給電体５２ａに発生する酸素
ガスを水タンク４に帰還させるものである。通孔５８に
よる通路は、陰極側の給電体５２ａに発生する水素ガス
をポート５ｂ、通路９０に導くものである。

【００２０】水素発生器５は、図９に示した構成によ
り、陽極端子板５３及び陰極端子板５４に電圧が印加さ
れることにより、プロトン伝導膜５１ａの陽極側におい
て水電解が起こり、陽極側において酸素ガスが発生し、
陰極側において水素ガスと水が発生する。水素ガスは前
述した様に通孔５８による通路を介してポート５ｂ、通
路９０に導出され、水素タンク１に送給される。また酸
素ガスと電解液である水は、前述した様に通孔５７によ
る通路を介してポート５ｅ、通路９５に導出され、水タ
ンク４に帰還される。

【００２１】さて図１０は内燃機関の排気ガスを排出す
る排気管８の要部を示す。図１０に示す様に、排気管８
には排気ガス浄化用の触媒８５が保持されており、触媒
８５の上流には水素ガス放出用のノズル８６、ノズル８
６に対面した点火栓８７が装備されている。ノズル８６
は前記した通路８０に連通している。ところで、図２は
上記装置の動作を示すタイミングチャートである。図２
において、（ａ）は内燃機関を始動させるイグニッショ
ンスイッチの情報信号を示し、（ｂ）はフロートスイッ
チ６０の情報信号を示し、（ｃ）は圧力スイッチ７１の
出力する情報信号を示し、（ｄ）は電磁弁７２の動作タ
イミングを示し、（ｅ）は点火栓８７への点火信号を示
し、（ｆ）はポンプ６の動作タイミングを示し、（ｇ）
は水素発生器５の動作タイミングを示し、（ｈ）はフロ
ートスイッチ３５の動作タイミングを示し、（ｉ）は電
磁弁７８の動作タイミングをそれぞれ示す。

【００２２】内燃機関の始動時において、イグニッショ
ンスイッチがＯＮされると、電磁弁７２を駆動する信号
（ｄ）がロウレベルからハイレベルに変化する（時刻ｔ
１）。これによって電磁弁７２が開かれ、水素タンク１
のガス放出口１１が開放される。ここで、水素タンク１
内の水素ガスは前述した様に高圧とされているので、ガ
ス放出口１１が開放されると、水素タンク１内の水素ガ
スの圧力が気水分離室３１の圧力に打ち勝って、水素タ
ンク１内の水を泡状にして、即ち、水素ガスと水との混
合物は勢いよくガス放出口１１より通路７０に放出さ
れ、気液分離装置３の入口ポート３ａに至る。そして、
気液分離装置３で混合物が前述した様に気液分離され、
水素ガスは、ラビリンス部３７のラビリンス通路を通っ
て通路８０に導かれ、更に、ノズル８６から排気管８の
点火栓８７側に送られる。また、気液分離の結果、気液
分離室３１の底に所定量の水が溜まると、フロートスイ
ッチ３５がこれを検知し、フロートスイッチ３５の信号
（ｉ）がハイレベルになり、電磁弁７８の信号（ｊ）が
ハイレベルになり、電磁弁７８が開き、気液分離室３１
の水を吐出ポート４ａから水タンク４へ放出する。

【００２３】ところで、前述した様に水素タンク１内の
水素ガスの圧力が水とともにガス放出口１１より通路７
０に放出されると、水素タンク１内の水位が低下し、フ
ロートスイッチ６０がこれを検知し、フロートスイッチ
６０がハイレベルからロウレベルになる（時刻ｔ２）。
すると、点火信号（ｅ）がハイレベルに変わり、図示し
ない点火回路が作動して点火栓８７が放電着火されるの
で、排気管８内に送られた水素ガスが酸素とともに燃焼
する。なお、制御装置のタイマー機能により、点火信号
（ｅ）は時刻ｔ２〜ｔ３の間ハイレベルにある。時刻ｔ
２〜ｔ３間は、触媒８５が活性温度域になるまでの必要
時間を考慮して決定される。

【００２４】ここで、内燃機関の始動時の排気ガス中に
は多量のＨＣ物質が含まれている。この点本実施例で
は、点火栓８７の放電着火による水素ガスの燃焼によ
り、ＨＣ物質も燃焼される。更にその燃焼炎で、触媒８
５を強制加熱して早期に活性化させ得、触媒８５の早期
暖機をすることができる。さて、図２に示す時刻ｔ３に
達すると、電磁弁７２を駆動する信号（ｄ）がロウレベ
ルに変化し、電磁弁７２が閉じ、気液分離装置３への水
素タンク１の水素ガスの送りは停止される。

【００２５】また前述した様に水素ガスの放出に伴ない
水素タンク１内の水位が低下しているので、時刻ｔ３か
らポンプ７６が作動し始め、ポンプ７６により水タンク
４内の水が通路７７を介して水素タンク１に送られる。
そして、水素タンク１内に送られた水は、水素タンク１
の底部に溜まり、ガス放出口１１を覆ってガス放出口１
１をシールする。

【００２６】そして、水素タンク１に溜まった水が所定
水位になると、フロートスイッチ６０がこれを検知し、
フロートスイッチ６０の信号（ｂ）がハイレベルになる
（時刻ｔ４）。このとき、水素タンク１へのシール用の
水の補給が完了しており、水を補給せずとも良いので、
ポンプ７６の作動を停止するとともに、水素発生器５に
通電してこれを作動させ水素ガスを発生させる。水素発
生器５で発生した水素ガスは、ポート５ｂ及び通路９０
を介して水素タンク１に送られ、封入室１０内で圧縮ガ
スとして維持される。また、水素発生器５で発生した酸
素ガスは、ポート５ｅ及び通路９５を介して水タンク４
の上部に送られる。

【００２７】さて、水素タンク１の封入室１０内の水素
ガスの圧力が高圧になると、圧力スイッチ７１がこれを
検知し、圧力スイッチ７１の信号（ｃ）がハイレベルに
なり（時刻ｔ５）、水素発生器５を非作動とし、水素ガ
スの発生を停止する。以上説明した様にこの例では、水
素タンク１内の水素ガスがガス放出口１１から放出され
封入室１０内が一旦空となっても、水素発生器５が作動
して水素ガスを水素タンクへ補給するので、水素タンク
１内の水素ガスの圧力が再び高圧になり、ガス放出待機
状態となる。そのため、内燃機関を始動させる次の機会
においても、イグニッションスイッチの起動と共に、水
素タンク１内の水素ガスを直ちに排気管８に送って燃焼
させ得、内燃機関の始動時に多量に発生する排気ガス中
のＨＣ物質を燃焼させ得る。

【００２８】ところで、この例では、水素タンク１内の
水が所定水位である時には、つまりフロートスイッチ６
０の信号がハイレベルである条件を満たした時に、水素
発生器５は作動する。しかし、水素タンク１内の水が所
定水位未満である時には、つまりフロートスイッチ６０
の信号がロウレベルである時には、水素発生器５は作動
しない。換言すれば、水素タンク１のガス放出口１１を
水素タンク１内の水で確実にシールしていない時には、
水素タンク１への水素ガスの送給は、なされない。その
ため、水素タンク１に水素ガスを送る時には、ガス放出
口１１は常に水で覆われており、常にシールされてい
る。よって、水素タンク１内の圧縮状態の水素ガスのシ
ールに有利である。

【００２９】

【発明の効果】本発明装置によれば、水素タンクの封入
室の底部に貯溜された液で、水素タンクのガス放出口を
覆うため、ガス放出口からの水素ガスの漏れ防止に有利
である。また本発明装置によれば、水素タンク内の液位
が所定値よりも高い時に、つまりガス放出口が液で確実
にシールされている時に、水素ガス供給手段により水素
タンクヘ水素ガスを送る構成とする場合には、ガス放出
口からのガス漏れ防止に一層有利である。

【００３０】また本発明装置によれば、内燃機関の排気
経路に適用し、弁装置を内燃機関の始動時に開放させれ
ば、水素タンク内の水素ガスを排気経路に送って燃焼さ
せることができ、内燃機関の始動時に排気ガスに多く含
まれる有害成分の燃焼に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例を示す装置の構成図。

【図２】同装置の動作を示すタイミングチャート。

【図３】上記実施例に用いた気液分離装置の断面図。

【図４】図３の要部を示す断面図。

【図５】図４におけるＤ−Ｄ線にそう断面図。

【図６】図４におけるＣ−Ｃ線にそう断面図。

【図７】図４におけるＢ−Ｂ線にそう断面図。

【図８】図３におけるＡ−Ａ線にそう断面図。

【図９】上記実施例に用いた水素発生器の主要部の斜
視図。

【図１０】上記実施例に用いた排気管の要部の概略断
面図。

【符号の説明】

１…水素タンク、１０…封入室、３…気液分離装置、４
…水タンク、５…水素発生器、７２…電磁弁（弁装
置）、７６…ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者赤木基修愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内 (72)発明者坂上英二愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内 (72)発明者池川敦俊愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内 (72)発明者松下宗一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者大島雄次郎愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者河原和生愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高圧の水素ガスが封入される封入室と該封
入室と室外とを連通するガス放出口とをもつ水素タンク
と、該水素タンクの封入室の底部に貯溜され該水素タンクの
ガス放出口を覆う液と、該水素タンクのガス放出口を開閉し開放時に該封入室の
水素ガスを放出する弁装置とで構成されていることを特
徴とする水素ガス貯蔵装置。
【請求項２】水素タンク内に溜まった液の液位を検知す
る液検知手段と、該液検知手段の検知に応じて液位が所
定値よりも低い時に該水素タンクヘ給液する給液手段
と、該液検知手段の検知に応じて液位が所定値よりも高
い時に該水素タンクヘ水素ガスを送る水素ガス供給手段
とをもつことを特徴とする請求項１に記載の水素ガス貯
蔵装置。
【請求項３】弁装置は、内燃機関の始動時に開放するも
のであり、ガス放出口は、内燃機関の排気経路の点火栓
近傍に直接または間接的に連通しており、内燃機関の始
動時において、水素タンク内の水素ガスは、開放した該
弁装置から該排気経路に送られることを特徴とする請求
項１に記載の水素ガス貯蔵装置。