JPWO2006080551A1 - 燃料タンクシステム - Google Patents
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Abstract
Description
従来、このような燃料タンクシステムとして、例えば実用新案登録第3090448号公報(特許文献1)に記載のものがある。この公報では、充填口と燃料タンクとが充填用配管で連通しており、充填用配管に逆止弁が二つ設けられている。これによれば、過流発生時に生じる差圧に対して逆止弁の閉弁作動性が鈍感になることを防止できていた。
また、燃料充填路に滞留した燃料ガスが消費された場合でも逆止弁が複数あると、配管の内圧が下がらない区間が出てくるので、弁のシール不良を正しく検出することができない。
そこで、本発明は、逆止弁間の燃料の滞留を抑制できる燃料タンクシステムを提供することを目的とする。また、本発明の一態様では、燃料充填路に滞留した燃料ガスを有効に利用可能な燃料タンクシステムを提供することを目的とする。さらに、本発明の別の一態様では、弁の不具合を正しく検出可能な燃料タンクシステムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明は、充填口から燃料タンクへ燃料を供給するための燃料充填路を備えた燃料タンクシステムにおいて、該燃料充填路に少なくとも二つの逆止弁を直列に備え、該燃料タンク側に設けられた該逆止弁の開弁圧力が、該充填口側に設けられた該逆止弁の開弁圧力よりも小さく設定されている。
上記構成によれば、下流側(燃料タンク側)に設けられた逆止弁の方が上流側(充填口側)に設けられた逆止弁よりも低い圧力で開弁する。これにより、充填が終了した後に燃料充填路の圧力が低下していくと上流側の逆止弁が先に閉弁し、逆止弁間に滞留していた燃料ガスが、閉弁していない下流側の逆止弁経由で下流側の燃料充填路に排出される。このため、逆止弁間に燃料ガスが滞留することを抑制できる。
ここで、燃料ガスは、燃料タンクに供給される「燃料」が液体燃料である場合には、その液体燃料が気化することで発生したガスをいい、一方、燃料タンクに供給される「燃料」が気体燃料である場合には、その気体燃料をいう。この種の液体燃料としては、液体水素又は液化天然ガスが挙げられる。この種の気体燃料としては、水素ガス又は天然ガスが挙げられる。
ここで、逆止弁の開弁圧力とは、逆止弁の最低作動圧力又はクラッキング圧力を意味する。
少なくとも二つの逆止弁は、充填口近傍の二つの逆止弁であってもよいし、燃料タンク近傍の二つの逆止弁であってもよい。
好ましくは、本発明の燃料タンクシステムは、さらに燃料を消費する燃料消費装置と、燃料消費装置と燃料充填路とを連通させる燃料供給路と、燃料供給路に設けられる第1遮断弁と、をさらに備える。そして、第1遮断弁は、燃料充填路の内圧に基づいて開弁される。このシステムによれば、逆止弁間から燃料ガスが排出された場合には燃料充填路の内圧がある程度上がるところ、この内圧に応じて第1遮断弁が開弁される。これにより、燃料充填路に滞留している燃料ガスは燃料供給路経由で燃料消費装置に供給され、有効に消費されることができる。ここで、第1遮断弁は一つの弁手段のみならず複数の弁であってもよい。
より好ましくは、燃料供給路は、燃料充填路において少なくとも二つの逆止弁よりも下流側に接続される。こうすることで、逆止弁間から排出される燃料ガスを燃料供給路に確実に導くことができる。
好ましくは、第1遮断弁は、燃料充填路の内圧のうち、少なくとも二つの逆止弁の間の内圧に基づいて開弁される。別の好ましい態様では、第1遮断弁は、燃料充填路の内圧のうち、少なくとも二つの逆止弁よりも下流側の内圧に基づいて開弁されてもよい。
本発明の一態様において、燃料は液体燃料であり、且つ燃料タンクは液体燃料を貯蔵する液体燃料タンクである場合には、燃料タンクシステムは、さらに、液体燃料タンク内の液体燃料から気化した気体燃料を貯蔵する気体燃料タンクと、液体燃料タンクと気体燃料タンクとを連通し、液体燃料タンクから気体燃料タンクに気体燃料を充填するための充填路と、を有するとよい。そして、燃料供給路は、気体燃料タンクと燃料消費装置とを連通する供給路を有し、燃料消費装置は、気体燃料を消費するとよい。かかる構成では、液体燃料及び気体燃料の併用システムにおいて、液体燃料が燃料充填路で気化した気体燃料が逆止弁間に滞留することを有効に抑制できる。
好ましくは、気体燃料タンクは、複数あり、充填路は、液体燃料タンクと複数の気体燃料タンクとを連通し、供給路は、複数の気体燃料タンクと燃料消費装置とを連通する。こうすることで、逆止弁間の気体燃料の滞留を抑制しながら、大量の気体燃料を貯蔵できる。
好ましくは、第1遮断弁は、供給路の圧力に基づいて閉弁される。
また、第1遮断弁は、燃料供給路の圧力または第1遮断弁の開弁時間に基づいて閉弁されるものであってもよい。一旦第1遮断弁から燃料ガスが燃料供給路に供給されると、燃料供給路の圧力が変化する。また燃料充填路の容積は通常限られたものであるため、滞留した燃料ガスの供給時間は比較的短い。この点、本発明によれば、燃料供給路の圧力変化や燃料ガスの供給時間に基づいて第1遮断弁が適切に閉弁される。
好ましくは、本発明の燃料タンクシステムは、燃料充填路の燃料タンク入口に第2遮断弁と、第1遮断弁の開閉により燃料充填路の減圧が終了した場合に、燃料タンク側に設けられた逆止弁と第2遮断弁との間の内圧に基づいて、第2遮断弁の不良を判定する制御部と、を備える。もしも第2遮断弁に不良が生じていると、燃料タンク中の燃料ガスが漏れ出て逆流し燃料充填路の内圧を変化させる可能性がある。この内圧の値を監視することで、第2遮断弁の不良を検出可能である。
好ましい一態様では、本発明の燃料タンクシステムは、第1遮断弁の開閉により燃料充填路の減圧が終了した場合に、隣接する又は連続する逆止弁間の内圧に基づいて、燃料充填路の下流側の逆止弁の不良を判定する制御部を備えてもよい。逆止弁は滞留する燃料ガスが排出されれば開弁圧力を下回り遮断されるが、もしも逆止弁に不良が生じていれば、滞留する燃料ガス放出後にも逆止弁間の内圧が上昇する。この逆止弁間の内圧に基づけば下流側の逆止弁の不良を検出可能である。
また、本発明の燃料タンクシステムは、以下のような様々の好ましい一態様をとることができる。
好ましくは、少なくとも二つの逆止弁は、燃料タンクに付属された少なくとも一つの逆止弁と、燃料タンクから外れた位置に設けられた少なくとも一つの逆止弁と、で構成されている。燃料タンクに付属して少なくとも一つの逆止弁を設けているので、燃料タンクから燃料が逆流したとしても、その逆流を燃料タンクの近傍で阻止又は抑制できる。ここで、「燃料タンクから外れた位置」とは、燃料タンクに付属していないことを意味し、例えば充填口よりの燃料充填路上の位置をいう。
好ましくは、燃料タンクに付属された少なくとも一つの逆止弁は、燃料タンクの口金に接続されたバルブアッセンブリに組み込まれている。こうすることで、逆止弁の取扱いを高めることができる。
好ましくは、燃料タンクは複数ある。
好ましくは、燃料は気体燃料である。このため、燃料タンクには気体燃料が貯蔵され、燃料充填路には気体燃料が流れる。
好ましくは、燃料タンクシステムは、気体燃料を消費する燃料電池と、燃料電池と燃料タンクとを連通する供給路と、を備える。よって、燃料タンクシステムは燃料電池システムに適用することができる。
以上説明した本発明の燃料タンクシステムによれば、逆止弁間の燃料の滞留を抑制できる。
図2は、本発明の第1実施形態に係る燃料タンク残留ガス利用処理を説明するフローチャートである。
図3は、本発明の第2実施形態に係る燃料タンクシステムを搭載した実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。
図4は、本発明の第2実施形態に係る燃料タンクの一部を模式的に示す断面図である。
[第1実施形態]
図1は、本発明の燃料タンクシステムを適用した燃料電池システムのシステムブロック図である。燃料電池システム200は、例えば自動車等の移動体に搭載されるもので、燃料ガスとして液体水素から発生するボイルオフガスを充填する充填手段として複数の充填タンク11〜13を備えており、ボイルオフガスの量に応じて充填タンク11〜13の容積を変更可能に構成されている。
図1に示すように、本燃料電池システム200は、燃料電池スタック100に、燃料ガスである水素ガスを供給する水素ガス供給系1、酸化ガスである空気を供給する空気供給系2、燃料電池スタック100を冷却する冷却系3、燃料電池スタック100で発電された電力を充放電する電力系4、およびシステム全体を制御する制御部50を備えている。
水素ガス供給系1は、燃料ガスとして液体水素から発生するボイルオフガスを充填・供給可能に、燃料タンク10及び充填タンク11〜13を中心として構成されている。つまり、水素ガス供給系1は、液体燃料である液体水素を液体燃料タンクたる燃料タンク10に充填し、燃料タンク10内の液体水素から気化した気体燃料たる燃料ガス(ボイルオフガス)を充填タンク11〜13に充填する。そして、水素ガス供給系1は、この充填タンク11〜13内の燃料ガスを燃料電池スタック100に供給する。充填タンク11〜13内の燃料ガスは、高圧(例えば35MPa)で貯蔵されており、後述する調整弁等で段階的に減圧され、およそ1Mpaの圧力状態で燃料電池スタック100に供給される。
燃料タンク10は、真空二重構造を備えており、沸点が極めて低い(およそ20K)液体水素を貯蔵可能となっている。また、この液体水素から発生するボイルオフガスをある程度の高圧まで貯蔵することが可能な耐圧構造を備えている。燃料タンク10には、内圧がかなり高くなった場合に内圧を下げるためのリリーフ弁が設けられている。また、燃料タンク10には、液体燃料が液相で残留している量を調べるためのレベルゲージLGが制御部50から読み取り可能に設けられており、液体燃料の液面位置を計測することで液体燃料が液体として存在している量を制御部50に把握させることが可能になっている。
充填タンク11〜13はいずれも類似の構造を備えており、燃料タンク10からのボイルオフガスをある程度の高圧まで充填可能に構成されている。これらの充填タンク11〜13にも、所定値以上に内圧が達した場合に内圧を下げるリリーフ弁が設けられている。なお、充填タンク11〜13の構造及び弁の配置については、図4を参照に後述する。
これらタンク間を連通する配管・弁構造を説明する。液体燃料充填口FIから燃料タンク10までは燃料充填路16が敷設され、燃料タンク10から充填タンク11〜13の入口側までは充填配管17が互いに連通した構造で敷設されている。また充填タンク11〜13の出口側は各タンクからのボイルオフガスを共通して供給するための第1の燃料供給路18が互いに連通した構造で敷設され、第1の燃料供給路18が第2の燃料供給路19(主配管)に接続されている。
燃料充填路16は、液体燃料充填口FIから燃料タンク10への連通路であり、液体燃料充填時に利用されるものである。燃料充填路16には液体燃料充填口FIから順に逆止弁RV1、RV2、手動弁H1、遮断弁L1が設けられている。液体燃料充填口FIは、液体燃料スタンドなどで液体水素充填機の供給ノズルを接続可能な構造を備え、液体水素充填機と当該燃料電池システム200の制御部50との間で通信可能なように、図示しないコネクタも設けられている。
逆止弁RV1及びRV2は本発明に係り、直列接続された二重構造になっている。逆止弁により、万一いずれかの弁においてシール不良等の弁不全が生じたとしても液体水素が逆流することを防止することが可能になっている。また後述する開弁圧力設定により逆止弁RV1−RV2間に滞留する燃料ガスの量を極力少なくすることが可能になっている。
圧力センサp1及びp2は、逆止弁RV1及びRV2で区画される燃料充填路16の各区間の圧力を計測するために設けられている。
手動弁H1は、製造時の調整やサービス時に手動開閉されるサービス用弁であり、通常使用時には所定の開度で開弁されている。遮断弁L1は制御部50によって開閉制御が可能な電磁弁で構成されており、液体燃料供給時には開弁するよう制御されるものである。燃料タンク10の入口側にはタンク内圧、すなわち液体水素が気化して発生したボイルオフガスの圧力を計測するための圧力センサp3、及びボイルオフガスの内部温度を計測するための温度センサt1が設けられている。
充填配管17(充填路)は、燃料タンク10と各充填タンク11〜13とを連通させるものであり、燃料タンク10の出口近傍に手動弁H2が設けられている。また各充填タンク11〜13に分岐した後の充填タンク入口側には、各充填タンクに対応させた逆止弁RV3〜RV5、手動弁H3〜H5がそれぞれ設けられている。
逆止弁RV3〜RV5は本発明に係り、所定の開弁圧力に達すると自動的に開弁するように構成されている。手動弁H3〜H5は、製造時の調整やサービス時に手動開閉されるサービス用弁であり、通常使用時には所定の開度で開弁維持されている。各充填タンク11〜13の入口にはタンク内のボイルオフガス圧力を計測するための圧力センサp4〜p6、及び各タンクの内部温度を計測するための温度センサt2〜t4が設けられている。
第1の燃料供給路18は、各充填タンク11〜13を連通させ第2の燃料供給路19に接続するためのものである。第1の燃料供給路18のうち各充填タンク11〜13に対応した枝管部分には、調整弁R1〜R3、手動弁H6〜H8、遮断弁G1〜G3がそれぞれ対応づけられて設けられている。調整弁R1〜R3は、各充填タンク11〜13から第1の燃料供給路18への供給圧力をそれぞれ規定するもので、所定の差圧でボイルオフガスを出力するように調整されている。手動弁H6〜H8は、製造時の調整やサービス時に手動開閉されるサービス用弁であり、通常使用時には所定の開度で開弁維持されている。
第1の燃料供給路18の一部18aには遮断弁L2が設けられ、一部18aの一端部は、二つの遮断弁RV1,RV2よりも下流側の接続点Aで燃料充填路16に接続されている。つまり、燃料充填路16と第1の燃料供給路18とは、遮断弁L2(第1遮断弁)を介してバイパス可能になっている。これは燃料充填路16内に残留しているボイルオフガスを速やかに遮断弁L2経由で第1の燃料供給路18に供給し燃料電池スタック100で消費させるためである。遮断弁L2は、例えば電磁弁からなり、制御部50により開閉制御される。
なお、請求の範囲に記載の「燃料供給路」は、広義の意味で用いられており、燃料を充填された燃料タンク10から、その充填された燃料が供給されて消費される燃料電池スタック100までの流路をいい、本実施形態では、充填配管17、第1の燃料供給路18、その一部18a及び第2の燃料供給路19に相当する。
別の見方をすれば、請求の範囲に記載の「燃料供給路」は、一部18aを除く第1の燃料供給路18の通路及び第2の燃料供給路19からなる「供給路」と、第1の燃料供給路18の一部18aからなる「接続路」と、充填配管17と、を有する。「供給路」は、気体燃料タンクたる充填タンク11〜13と燃料電池スタック100とを接続又は連通する。「接続路」は、「供給路」と燃料充填路16とを接続又は連通する。このように、請求の範囲に記載の「燃料供給路」は、本実施形態では、供給路、接続路及び充填配管17に相当する。
第2の燃料供給路19以降の構成について説明する。第2の燃料供給路19の上流側から順に、調圧弁R4,R5、遮断弁L3、燃料電池スタック100内の流路を経て、気液分離器14及び遮断弁L4、水素ポンプ15、並びにパージ遮断弁L5が設けられている。第2の燃料供給路19の一部(遮断弁L3の下流側)は、燃料電池スタック100に対して水素ガスを循環供給するための水素ガスの循環経路を構成している。
調圧弁R4及びR5は、第1の燃料供給路18からのボイルオフガスを調圧して出力するように構成されている。シール不良に対応するため調圧弁R4及びR5はダイアフラムが二重化されたものである。調圧弁R4やR5のいずれも、その近傍に、配管内が所定以上の圧力になった場合に減圧するためのリリーフ弁が設けられている。遮断弁L3は、発電の開始・停止に応じて開閉し、第2の燃料供給路19上でボイルオフガスの供給の有無を制御可能に構成される。圧力センサp10は、第1の燃料供給路18における内圧を計測可能に設けられ、圧力センサp11は、調圧弁R4−R5間の内圧を計測可能に設けられ、圧力センサp12は、燃料電池スタック100の内圧を計測可能に設けられ、圧力センサp13は、水素ポンプ15の入口圧力を計測可能に設けられている。
燃料電池スタック100は、単セルという発電構造体を複数積層したスタック構造を備える。各単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly)といわれる発電体を、水素ガス(ボイルオフガス)、空気、及び冷却水の流路が設けられたセパレーター対によって挟み込んだ構造を備えている。MEAは高分子電解質膜をアノード及びカソードの二つの電極を挟み込んで構成されている。アノードはアノード用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソードはカソード用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。
燃料電池スタック100のアノードに供給されたボイルオフガスは、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの燃料ガス流路を流れて、MEAのアノードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池スタック100から排出されたボイルオフガス(水素オフガス)は、気液分離器14に供給される。気液分離器14は、通常運転時において燃料電池スタック100の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁L4を通じて外部に放出するように構成されている。水素ポンプ15は、水素オフガスを強制循環させて第2の燃料供給路19に戻すことにより、循環経路を構成している。パージ遮断弁L5は、パージ時に開放されるが、通常の運転状態及び配管内ガス漏れ判定時には遮断されている。パージ遮断弁L5からパージされた水素オフガスは希釈器25を含む排気系で処理される。
空気供給系2は、エアクリーナ21、コンプレッサ22、加湿器23、気液分離器24、希釈器25、及び消音器26を備えている。エアクリーナ21は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ22は、取り入れられた空気を制御部50の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するようになっている。燃料電池スタック100のカソードに供給された空気は、ボイルオフガスと同じくマニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの空気流路を流れて、MEAのカソードにおいて電気化学反応を生じる。燃料電池スタック100から排出された空気(空気オフガス)加湿器23は圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える。燃料電池スタック100に供給された空気は、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの空気流路を流れて、MEAのカソードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池スタック100から排出された空気オフガスは、気液分離器24において過剰な水分が除去される。希釈器25は、パージ遮断弁L5から供給された水素オフガスを空気オフガスで混合・希釈し、酸化反応が生じ得ない濃度にまで均一化するよう構成されている。消音器26は、混合された排気ガスの騒音レベルを低減させて排出可能に構成されている。
冷却系3は、ラジエタ31、ファン32、冷却ポンプ33、冷却装置34、及びロータリーバルブC1〜C4を備えている。ラジエタ31は、多数の配管を備え、分流された冷却液がファン32の送風により強制空冷されるようになっている。冷却ポンプ33は、冷却液を燃料電池スタック100内部に循環供給するようになっている。燃料電池スタック100内に入った冷却液は、とマニホールド経由で各単セルに供給されセパレータの冷却液流路を流れ、発電によって生じる熱を奪うようになっている。冷却装置34はコンデンサ等を備えており、空冷を上回る冷却性能を備え、冷却液の温度を低下させることが可能になっている。
当該冷却系3は、冷却経路35〜37のいずれかをロータリーバルブC1またはC2を切り替えることで選択可能になっている。冷却経路35は、ラジエタ31による空冷無しで冷却液を冷却ポンプ33に供給する経路であり、冷却経路36は、ラジエタ31による強制空冷をする経路である。冷却経路37は、本発明の充填タンク11〜13を冷却するための循環経路である。ロータリーバルブC1は、充填タンク11〜13のための冷却経路37か、冷却経路35・36かを切り替えるものであり、ロータリーバルブC2は、充填タンク11〜13から循環してきた冷却液を、空冷無しの冷却経路35を通すか、空冷させる冷却経路36を通すかを切り替えるものである。冷却経路37には、ロータリーバルブC3及びC4が設けられている。ロータリーバルブC3は充填タンク11に冷却液を供給するか否かの選択を、ロータリーバルブC4は充填タンク12に冷却液を供給するか否かの選択をするように構成されている。冷却経路37は、各充填タンク11〜13においてボイルオフガスの入出力口付近(逆止弁RV3〜RV5や調圧弁R1〜3付近)を冷却可能に配管されており、ボイルオフガスの温度を制御して圧力を低減させることが可能になっている。
特にロータリーバルブC1とC2は、起動時に冷却経路35に冷却液が循環するように制御される。起動時にラジエタ31や充填タンク11〜13に冷却液が流れないようにすることで、温度差が大きい冷却液が供給されて生ずる熱衝撃によって破壊を抑制するためである。
電力系4は、DC−DCコンバータ40、バッテリ41、トラクションインバータ42、トラクションモータ43、補機インバータ44,高圧補機45等を備えている。燃料電池スタック100は単セルが直列接続されて構成されるもので、そのアノードAとカソードCとの間に所定の高圧電圧(例えば約500V)が発生する。DC−DCコンバータ40は燃料電池スタック100の出力電圧と異なる端子電圧を有するバッテリ)41との間で双方向の電圧変換を行い、燃料電池スタック100の補助電源としてバッテリ41の電力を利用したり、または、燃料電池スタック100からの余剰電力をバッテリ41に充電したりすることが可能になっている。当該DC−DCコンバータ40は制御部50の制御に対応した端子間電圧を設定可能である。バッテリ41は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ42は直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ43に供給するものである。トラクションモータ43は例えば三相モータであり、当該燃料電池システム200が搭載される自動車の主動力源である。補機インバータ44は、高圧補機45を駆動するための直流−交流変換手段である。高圧補機45は、コンプレッサ22、水素ポンプ15、ファン32、冷却ポンプ33等の燃料電池システム200の運転に必要な各種モータ類である。
制御部50は、RAM、ROM、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。制御部50は、内蔵ROM等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主として水素ガス供給系1、空気供給系2、冷却系3、電力系4を含む燃料電池システム200全体を制御することが可能になっている。
特に本実施形態では、燃料充填路16に設けられた逆止弁RV1及びRV2について、燃料タンク10側に設けられた逆止弁RV2の開弁圧力Po2が、充填口FI側に設けられた逆止弁RV1の開弁圧力Po1よりも小さく設定されていることに特徴がある(Po1 > Po2)。このような設定とすることにより、下流側(燃料タンク10側)に設けられた逆止弁RV2の方が上流側(充填口FI側)に設けられた逆止弁RV1よりも低い圧力で開弁する。充填が終了した後に燃料充填路16の圧力が低下していくと上流側の逆止弁RV1が先に閉弁し、逆止弁RV1−RV2間に滞留していた燃料ガスが、閉弁していない下流側の逆止弁RV2経由で下流側の燃料充填路16に排出される。このため、逆止弁RV1−RV2間に燃料ガスが滞留することを抑制できる。
図2に示すフローチャートに基づいて、本実施形態の燃料タンク残留ガス利用処理を説明する。本発明に係る逆止弁RV1と逆止弁RV2の開弁圧力設定により、液体水素の充填がされていない場合には逆止弁RV1−RV2間の燃料ガスは逆止弁RV2より下流側に流れる。制御部50は、この逆止弁RV1−RV2間の圧力p1及び逆止弁RV2−遮断弁L1間の燃料充填路16の圧力p2を計測し(S1)、逆止弁RV1−RV2間の圧力p1が所定の圧力Pj1以上か、または、逆止弁RV2−遮断弁L1間圧力p2が所定の圧力Pj2以上かを判定する(S2)。その結果、圧力p1かp2かが所定の圧力を超えている場合には(S2;YES)、制御部50は第1の燃料供給路18へ連通させるための遮断弁L2と、第2の燃料供給路19の流通を制御する遮断弁L3と、を開弁させる(S3)。この処理により、逆止弁RV1−RV2間に滞留しており、開弁圧力の低い逆止弁RV2から燃料充填路16に排出された燃料ガスがさらに遮断弁L2及びL3をとおって燃料電池スタック100に供給される。なお、遮断弁L2は、請求の範囲に記載の「第1遮断弁」に相当する。
次いで、圧力p1やp2の推移、第1の燃料供給路18や第2の燃料供給路19の内圧や遮断弁L3の開弁時間に基づいて、遮断弁L2の閉弁タイミングが判断される。すなわち、逆止弁RV1−RV2間の圧力p1が所定の圧力Pj3以下か、逆止弁RV2−遮断弁L1間の圧力p2が所定の圧力pj4以下である場合には、燃料充填路16の圧力が十分に下がり、残留している燃料ガスがほとんど燃料電池スタック100に供給されたものと判断される。また、第1の燃料供給路18や第2の燃料供給路19の内圧p11,p12,p13が所定値Pj11、Pj12,Pj13のいずれか以上になっている場合には、第1の燃料供給路18や第2の燃料供給路19の内圧が高まり、残留していた燃料ガスが燃料電池スタック100に供給されていることを示している。また、遮断弁L2の開弁時間が所定の時間t1以上である場合には、比較的容量の少ない燃料充填路16から残留している燃料ガスが排出されるのに十分な時間が経過したものと判断できる。そこで、これらのいずれかに合致する場合(S4:YES)、制御部50は遮断弁L2を開弁させる(S5)。
次いで、燃料充填路16から十分残留している燃料ガスが排出されたか否か、すなわち配管内の減圧が完了したかが検査され、配管減圧が完了している場合には(S6:YES)、燃料充填路16に設けられている弁のシール不良等の検出に移行する。まず、逆止弁RV2−遮断弁L1間の燃料充填路16の圧力p2がある程度高かった場合、逆止弁RV2の下流側の燃料充填路16に比較的多めに燃料ガスが存在していることを示している。既に残留した燃料ガスを燃料電池スタック100に供給する処理は済んでいるので、このような場合は、遮断弁L2または遮断弁L1のシール不良と考えられる。そこで、圧力p2が所定の圧力Pj5以上であった場合には(S8:YES)、遮断弁L2または遮断弁L1のシール不良を示す警告ランプ等を点灯させる(S9)。なお、遮断弁L1は、請求の範囲に記載の「第2遮断弁」に相当する。
一方、逆止弁RV1−RV2間の圧力p1がある程度高かった場合、本来は十分減圧されているべき当該区間に逆止弁RV2を通して下流側の燃料ガスが逆流していることを示している。この原因は、逆止弁RV2のシール不良と考えられる。そこで、圧力p1が所定の圧力Pj6以上であった場合には(S10:YES)、逆止弁RV2のシール不良である旨を示す警告ランプ等を点灯させる(S11)。
一方、逆止弁RV1−RV2間の圧力p1は、これら逆止弁が正常に動作している場合には、ほぼ逆止弁RV2に設定された開弁圧力に維持されるはずである。もしも圧力p1がこの逆止弁RV2の開弁圧力よりも小さくなった場合には、今度は上流側の逆止弁RV1のシール不良等で外気圧に近づいている可能性がある。そこで、圧力p1が逆止弁RV2に設定された開弁圧力よりも小さい所定の圧力Pj7以下である場合には(S12:YES)、上流側の逆止弁RV1のシール不良と判断し、逆止弁RV1に動作不具合が発生していることを示す警告をし、必要に応じて燃料電池システム200の停止シーケンスを実行する(S13)。
以上、本実施形態によれば、下流側に設けられた逆止弁RV2の方が上流側に設けられた逆止弁RV1よりも低い圧力で開弁するので、逆止弁間に燃料ガスが滞留することを抑制し、燃料ガスを有効利用できる。
また本実施形態によれば、燃料充填路16の内圧が上昇した場合に遮断弁L2(L3)を開弁させるので、燃料充填路16に滞留している燃料ガスは第1の燃料供給路18と第2の燃料供給路19経由で燃料消費装置である燃料電池スタック100に供給され、有効に消費させることができる。
さらに本実施形態によれば、第1の燃料供給路18、第2の燃料供給路19の圧力変化や遮断弁L2の開弁時間に基づいて、遮断弁L2の閉弁が制御されるので、弁不良の発生の有無に拘わらず、取りあえず一時的な燃料充填路16と第1の燃料供給路18との連通状態を解除することができる。
さらにまた本実施形態によれば、逆止弁RV2と燃料タンク10の入口の遮断弁L1との間の内圧を監視するように構成されている。もしも遮断弁L1(L2)に不良が生じていると、燃料タンク10中の燃料ガスが漏れ出て逆流し燃料充填路16の内圧を変化させる。本発明によれば、この内圧の値を監視するよう構成されているので、正しく遮断弁L1の不良を検出可能である。
またさらに、本実施形態によれば、遮断弁L2の開閉により燃料充填路16の減圧が終了した場合に、連続する逆止弁RV1−RV2間の内圧が監視される。逆止弁RV2は滞留する燃料ガスが排出されれば開弁圧力を下回り遮断されるが、もしも逆止弁RV2に不良が生じていれば、滞留する燃料ガス放出後にも逆止弁RV1−RV2間の内圧が上昇する。この逆止弁RV1−RV2間の内圧に基づけば下流側の逆止弁RV2の不良を検出可能である。
(変形例)
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、上記各実施形態では、取り扱う液体燃料として液体水素を例にして説明しているが、気相の燃料を含むものであれば、同様に本発明を適用可能である。例えば、液体燃料は、液化天然ガスであってもよい。
また、燃料電充填路16に設けた二つの逆止弁RV1,RV2について説明したが、もちろん逆止弁は二以上であってもよい。三以上の逆止弁を設けた場合には、各逆止弁の開弁圧力が上流側(充填口FI側)から下流側(燃料タンク10側)にかけて順に小さくなるように設定すればよい。なお、二つの逆止弁は、本実施形態のように燃料充填路16に設けられてもよいし、燃料タンク10の近傍(例えばタンク口金)に設けられてもよいし、これらのどちらか一方に設けられてもよい。
さらに、燃料タンク10は一つに限らず、複数であってもよい。
[第2実施形態]
次に、図3及び図4を参照して、本発明の第2実施形態に係る燃料タンクシステムを適用した燃料電池システム200について、第1実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態は、液体水素を用いたものではなく、水素ガスを外部から燃料タンク110〜130(第1実施形態の充填タンクに相当する。)に直接充填し、この充填された水素ガスを燃料電池スタック200に供給するものである。以下では、第1実施形態と同一の部品、装置又は系統については第1実施形態と同一の符号を付して、適宜その詳細な説明を省略する。
図3は、第2実施形態に係る燃料電池システム200のシステムブロック図である。
燃料電池システム200は、例えば自動車等の移動体に搭載されるものであり、燃料電池スタック100、水素ガス供給系1、空気供給系2、冷却系3、電力系4、および制御部50を備えている。
水素ガス供給系1は、充填口FIを介して外部から供給される燃料ガスを充填する気体燃料タンクとして、複数の燃料タンク110〜130を備えている。燃料タンク110〜130はいずれも類似の構造を備えており、第1実施形態の充填タンク11〜13と同じ構造で構成されているが、後述するように弁の配置が異なっている。
燃料充填路16は、燃料充填口FIから燃料タンク110〜130の入口側までを互いに連通するものであり、燃料ガスの充填時に利用される。燃料タンク110〜130の出口側は各タンクからの燃料ガスを共通して供給するための第1の燃料供給路18が互いに連通した構造で敷設され、第1の燃料供給路18が第2の燃料供給路19(主配管)に接続されている。
燃料充填口FIは、燃料ガススタンドなどで水素ガス充填機の供給ノズルを接続可能な構造を備える。燃料充填路16には、燃料タンク110〜130から外れた位置に、燃料充填口FIから順に逆止弁RV1、RV2が設けられている。逆止弁RV1及びRV2は本発明に係り、直列接続された二重構造になっている。逆止弁RV1及びRV2は、燃料充填口FIから燃料タンク110〜130への燃料ガスの流れを許容し、この逆流を阻止する。また後述する開弁圧力設定により逆止弁RV1−RV2間に滞留する燃料ガスの量を極力少なくすることが可能になっている。圧力センサp1及びp2は、逆止弁RV1及びRV2で区画される燃料充填路16の各区間の圧力を計測するために設けられている。
燃料充填路16は、各燃料タンク110〜130用に分岐した後の燃料タンク入口側には、各燃料タンク110〜130に対応させた逆止弁RV3〜RV5、手動弁H3〜H5がそれぞれ設けられている。逆止弁RV3〜RV5は本発明に係り、所定の開弁圧力に達すると自動的に開弁するように構成されている。各燃料タンク110〜130の入口には、圧力センサp4〜p6、及び温度センサt2〜t4が設けられている。
第1の燃料供給路18は、各燃料タンク110〜130に対応した枝管部分に、調整弁R1〜R3、手動弁H6〜H8、遮断弁G1〜G3がそれぞれ対応づけられて設けられている。調整弁R1〜R3は、燃料ガスを減圧する。遮断弁G1〜G3は、例えば電磁弁で構成され、制御部50により開閉制御される。
ここで、図4を参照して、燃料タンクの具体的な構造及び弁の配置等について燃料タンク110を例に説明する。
燃料タンク110は、ライナー301及びその外側のシェル302からなる容器本体310と、容器本体2の長手方向の一端部に取り付けられた口金320と、を具備している。容器本体310は、高圧の燃料ガス、例えば35MPaあるいは70MPaの水素ガスを貯蔵可能に構成されている。なお、燃料ガスが圧縮天然ガス(CNGガス)の場合には、容器本体310は例えば20MPaのCNGガスを貯蔵する。容器本体310は、その半球面状をした端壁部の中心に口金320をインサート成形されることで形成される。口金320の開口部の内周面には、めねじ322が形成されており、ここにバルブアッセンブリ340がねじ込み接続されている。
バルブアッセンブリ340とは、ガス通路のほか、バルブや継手等の配管要素や、各種ガスセンサなどをハウジング350に一体的に組み込んだモジュールをいう。バルブアッセンブリ10は、燃料タンク110の内外に亘るように設けられている。ハウジング350のネック部の外周面には、めねじ322に螺合するおねじが形成されている。ねじ込み接続された状態では、ハウジング350と口金320との間は、図示省略した複数のシール部材により気密にシールされる。
ハウジング350の内部には、燃料充填路16の一部の流路16cと、第1の燃料供給路18の一部の流路18cと、リリーフ流路351とが形成されている。流路16cは、燃料充填路16の外部配管16dを介して、容器本体310の内部と燃料充填口FIとを連通する。流路16cには、上記の逆止弁RV3、手動弁H3及び圧力センサP4が設けられている。なお、流路16cに複数の逆止弁RV3を設けて、燃料タンク110に複数の逆止弁を付属させてもよい。流路18cは、第1の燃料供給路18の外部配管18dを介して、容器本体310の内部と第2の燃料供給路19とを連通する。流路18cには、上記の遮断弁G1、手動弁H6及び調整弁R1が設けられている。リリーフ流路351には、燃料タンク110の内圧が所定値以上に達した場合に内圧を下げるリリーフ弁360が設けられている。なお、遮断弁G1及び調整弁R1の配置(上下流)を逆にしてもよい。
再び、図3に戻って説明する。
第2の燃料供給路19以降の構成は、第1実施形態と同様である。すなわち、第2の燃料供給路19の上流側から順に、調圧弁R4,R5、遮断弁L3、燃料電池スタック100内の流路を経て、気液分離器14及び遮断弁L4、水素ポンプ15、並びにパージ遮断弁L5が設けられている。燃料タンク110〜130内の燃料ガスは、調圧弁R1,R4,R5で段階的に減圧され、およそ1Mpaの圧力状態で燃料電池スタック100に供給される。また、第2の燃料供給路19には、圧力センサp11〜P13が設けられている。
空気供給系2は、第1実施形態と同様に、エアクリーナ21、コンプレッサ22、加湿器23、気液分離器24、希釈器25、及び消音器26を備えている。また、冷却系3は、本実施形態では、ラジエタ31、ファン32、冷却ポンプ33、及びロータリーバルブC2を備えている。なお、第1実施形態と同様に、冷却系2は、冷却装置34、冷却経路35〜37及びロータリーバルブC1、C3,C4を備えてもよい。さらに、電力系4は、DC−DCコンバータ40、バッテリ41、トラクションインバータ42、トラクションモータ43、補機インバータ44,高圧補機45等を備えている。
制御部50は、RAM、ROM、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。制御部50は、内蔵ROM等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主として水素ガス供給系1、空気供給系2、冷却系3、電力系4を含む燃料電池システム200全体を制御することが可能になっている。
本実施形態では、燃料充填路16に設けられた逆止弁RV1及びRV2について、燃料タンク110〜130側に設けられた逆止弁RV2の開弁圧力Po2が、充填口FI側に設けられた逆止弁RV1の開弁圧力Po1よりも小さく設定されていることに特徴がある(Po1 > Po2)。このような設定とすることにより、下流側の逆止弁RV2の方が上流側の逆止弁RV1よりも低い圧力で開弁する。充填が終了した後に燃料充填路16の圧力が低下していくと上流側の逆止弁RV1が先に閉弁し、逆止弁RV1−RV2間に滞留していた燃料ガスが、閉弁していない下流側の逆止弁RV2経由で下流側の燃料充填路16に排出される。このため、逆止弁RV1−RV2間に燃料ガスが滞留することを抑制できる。
同様に、逆止弁RV2と逆止弁RV3〜RV5についても、逆止弁RV3〜RV5の開弁圧力Po3〜Po5は、次式に示すように、その上流の逆止弁RV2の開弁圧力Po2よりも小さく設定されている。
Po2 > Po3
Po2 > Po4
Po2 > Po5
こうすることにより、充填が終了した後に燃料充填路16の圧力が低下していくと、逆止弁RV1、RV2の順に閉弁した後、逆止弁RV3〜RV5が閉弁していく。このため、逆止弁RV2−RV3間、逆止弁RV2−RV4間、及び逆止弁RV2−RV5間に滞留していた燃料ガスが、閉弁していない下流側の逆止弁RV3〜RV5経由で下流側の燃料充填路16に排出される。このため、逆止弁RV2−RV3〜5間に燃料ガスが滞留することを抑制できる。
以上、本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、燃料充填路16の複数の逆止弁はその上流側から順に閉弁するので、逆止弁間に燃料ガスが滞留することを抑制し、燃料ガスを有効利用できる。
また、上記実施形態では、燃料タンクシステムを適用したシステムとして燃料電池システム200を例に説明した。もちろん、燃料タンクシステムは、燃料電池スタック100とは異なる他の燃料消費装置を具備するものであってもよい。例えば、他の燃料消費装置は、液体水素が気化した水素ガスを消費する水素エンジン(内燃機関)であってもよいし、又は、液化天然ガスが気化した天然ガスを消費する天然ガスエンジンであってもよい。
Claims (17)
- 充填口から燃料タンクへ燃料を供給するための燃料充填路を備えた燃料タンクシステムにおいて、
該燃料充填路に少なくとも二つの逆止弁を直列に備え、
該燃料タンク側に設けられた該逆止弁の開弁圧力が、該充填口側に設けられた該逆止弁の開弁圧力よりも小さく設定されている、燃料タンクシステム。 - 前記燃料を消費する燃料消費装置と、
前記燃料消費装置と前記燃料充填路とを連通する燃料供給路と、
前記燃料供給路に設けられる第1遮断弁と、をさらに備え、
前記第1遮断弁は、前記燃料充填路の内圧に基づいて開弁される、請求項1に記載の燃料タンクシステム。 - 前記燃料供給路は、前記燃料充填路において前記少なくとも二つの逆止弁よりも下流側に接続されている、請求項2に記載の燃料タンクシステム。
- 前記第1遮断弁は、前記燃料充填路の内圧のうち、前記少なくとも二つの逆止弁の間の内圧に基づいて開弁される、請求項2又は3に記載の燃料タンクシステム。
- 前記第1遮断弁は、前記燃料充填路の内圧のうち、前記少なくとも二つの逆止弁よりも下流側の内圧に基づいて開弁される、請求項2又は3に記載の燃料タンクシステム。
- 前記燃料は液体燃料であり、且つ前記燃料タンクは当該液体燃料を貯蔵する液体燃料タンクであり、
当該燃料タンクシステムは、さらに、
前記液体燃料タンク内の前記液体燃料から気化した気体燃料を貯蔵する気体燃料タンクと、
前記液体燃料タンクと前記気体燃料タンクとを連通し、当該液体燃料タンクから当該気体燃料タンクに前記気体燃料を充填するための充填路と、を有し、
前記燃料供給路は、前記気体燃料タンクと前記燃料消費装置とを連通する供給路を有し、
前記燃料消費装置は、前記気体燃料を消費する、請求項2ないし5のいずれか一項に記載の燃料タンクシステム。 - 前記気体燃料タンクは、複数あり、
前記充填路は、前記液体燃料タンクと前記複数の気体燃料タンクとを連通し、
前記供給路は、前記複数の気体燃料タンクと前記燃料消費装置とを連通する、請求項6に記載の燃料タンクシステム。 - 前記第1遮断弁は、前記供給路の圧力に基づいて閉弁される、請求項6又は7に記載の燃料タンクシステム。
- 前記第1遮断弁は、前記燃料供給路の圧力に基づいて閉弁される、請求項2ないし7のいずれか一項に記載の燃料タンクシステム。
- 前記第1遮断弁は、当該第1遮断弁の開弁時間に基づいて閉弁される、請求項2ないし7のいずれか一項に記載の燃料タンクシステム。
- 前記燃料充填路の前記燃料タンク入口に第2遮断弁と、
前記第1遮断弁の開閉により前記燃料充填路の減圧が終了した場合に、前記燃料タンク側に設けられた前記逆止弁と前記第2遮断弁との間の内圧に基づいて、前記第2遮断弁の不良を判定する制御部と、を備えた、請求項2ないし10のいずれか一項に記載の燃料タンクシステム。 - 前記第1遮断弁の開閉により前記燃料充填路の減圧が終了した場合に、連続する前記逆止弁間の内圧に基づいて、前記燃料充填路の下流側の逆止弁の不良を判定する制御部を備えた、請求項2ないし10のいずれか一項に記載の燃料タンクシステム。
- 前記少なくとも二つの逆止弁は、前記燃料タンクに付属された少なくとも一つの逆止弁と、前記燃料タンクから外れた位置に設けられた少なくとも一つの逆止弁と、で構成されている請求項1に記載の燃料タンクシステム。
- 前記燃料タンクに付属された少なくとも一つの逆止弁は、前記燃料タンクの口金に接続されたバルブアッセンブリに組み込まれている、請求項13に記載の燃料タンクシステム。
- 前記燃料タンクは、複数ある、請求項1、13又は14に記載の燃料タンクシステム。
- 前記燃料は、気体燃料である、請求項1、13、14又は15に記載の燃料タンクシステム。
- 前記気体燃料を消費する燃料電池と、
前記燃料電池と前記燃料タンクとを連通する供給路と、を備えた、請求項16に記載の燃料タンクシステム。
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