WO2006080551A1 - 燃料タンクシステム - Google Patents

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WO2006080551A1
WO2006080551A1 PCT/JP2006/301706 JP2006301706W WO2006080551A1 WO 2006080551 A1 WO2006080551 A1 WO 2006080551A1 JP 2006301706 W JP2006301706 W JP 2006301706W WO 2006080551 A1 WO2006080551 A1 WO 2006080551A1
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fuel tank
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filling
pressure
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Naohiro Yoshida
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel tank system that fills and uses fuel gas.
  • the fuel gas is once filled in the fuel tank and then gradually supplied to the fuel consuming device according to the load.
  • Patent Document 1 Utility Model Registration No. 30 09 4 4 8
  • the filling port and the fuel tank communicate with each other through a filling pipe, and two check valves are provided in the filling pipe. According to this, it was possible to prevent the check valve closing operability from becoming insensitive to the differential pressure generated when an overflow occurred.
  • Patent Document 1 Utility Model Registration No. 3 0 9 0 4 4 8 (FIG. 1, paragraph 0 0 0 6) Disclosure of Invention
  • the present invention provides a fuel tank system that can suppress fuel stagnation between check valves.
  • the purpose is to provide a program.
  • Another object of the present invention is to provide a fuel tank system that can effectively use the fuel gas retained in the fuel filling passage.
  • Another object of the present invention is to provide a fuel tank system capable of correctly detecting a valve malfunction.
  • the present invention provides a fuel tank system comprising a fuel filling passage for supplying fuel from a filling port to a fuel tank, wherein the fuel filling passage is provided with at least two check valves in series, The valve opening pressure of the check valve provided on the fuel tank side is set smaller than the valve opening pressure of the check valve provided on the filling port side.
  • the check valve provided on the downstream side opens at a lower pressure than the check valve provided on the upstream side (filling port side).
  • the upstream check valve is closed first, and the fuel gas remaining between the check valves is closed. It is discharged to the downstream fuel filling passage via the downstream check valve. For this reason, it can suppress that fuel gas stagnates between check valves.
  • the fuel gas is a gas generated by the vaporization of the liquid fuel, while the “fuel” supplied to the fuel tank.
  • the fuel gas is said gaseous fuel.
  • This type of liquid fuel includes liquid hydrogen or liquefied natural gas.
  • This type of gaseous fuel includes hydrogen gas or natural gas.
  • valve opening pressure of the check valve means the minimum operating pressure or cracking pressure of the check valve.
  • the at least two check valves may be two check valves near the filling port, or may be two check valves near the fuel tank.
  • the fuel tank system of the present invention further includes a fuel consuming device that consumes fuel, a fuel supply path that connects the fuel consuming device and the fuel filling path, and a fuel And a first shut-off valve provided in the supply path.
  • the first shut-off valve is opened based on the internal pressure of the fuel filling path.
  • the first shut-off valve may be not only one valve means but also a plurality of valves.
  • the fuel supply path is connected to the downstream side of the fuel filling path with respect to at least two check valves. By doing so, the fuel gas discharged from between the check valves can be reliably guided to the fuel supply path.
  • the first shut-off valve is opened based on an internal pressure between at least two check valves among the internal pressures of the fuel filling passage.
  • the first shut-off valve may be opened based on the internal pressure of the fuel filling passage on the downstream side of at least two check valves.
  • the fuel tank system when the fuel is a liquid fuel and the fuel tank is a liquid fuel tank that stores liquid fuel, the fuel tank system further vaporizes from the liquid fuel in the liquid fuel tank.
  • the fuel supply path has a supply path that communicates the gaseous fuel tank and the fuel consuming device, and the fuel consuming device may consume gaseous fuel.
  • the filling path communicates between the liquid fuel tank and the plurality of gaseous fuel tanks, and the supply path communicates between the plurality of gaseous fuel tanks and the fuel consuming device.
  • the accumulation of gaseous fuel between the check valves is suppressed.
  • a large amount of gaseous fuel can be stored.
  • the first shut-off valve is closed based on the pressure in the supply path.
  • the first shut-off valve may be closed based on the pressure of the fuel supply passage or the opening time of the first shut-off valve. Once fuel gas is supplied from the first shut-off valve to the fuel supply path, the pressure in the fuel supply path changes. Also, since the volume of the fuel filling path is usually limited, the supply time of the staying fuel gas is relatively short. In this regard, according to the present invention, the first shut-off valve is appropriately closed based on the pressure change in the fuel supply path and the fuel gas supply time.
  • the fuel tank system according to the present invention is provided on the fuel tank side when the second shutoff valve at the fuel tank inlet of the fuel filling passage and the decompression of the fuel filling passage is completed by opening and closing the first shutoff valve.
  • a control unit that determines a failure of the second cutoff valve based on an internal pressure between the check valve and the second cutoff valve. If the second shut-off valve is defective, the fuel gas in the fuel tank may leak and flow backward, changing the internal pressure of the fuel filling path. By monitoring this internal pressure value, it is possible to detect a failure of the second shut-off valve.
  • the fuel tank system of the present invention is configured so that, when the decompression of the fuel filling passage is completed by opening and closing the first shut-off valve, the fuel filling passage of the fuel filling passage is based on the internal pressure between adjacent or successive check valves.
  • the fuel tank system of the present invention can take various preferable modes as follows.
  • the at least two check valves include at least one check valve attached to the fuel tank and at least one check valve provided at a position away from the fuel tank. And one check valve. Since at least one check valve is provided attached to the fuel tank, even if the fuel flows back from the fuel tank, the backflow can be prevented or suppressed in the vicinity of the fuel tank.
  • the “position removed from the fuel tank” means that the fuel tank is not attached to the fuel tank, for example, a position on the fuel filling path from the filling port.
  • At least one check valve attached to the fuel tank is incorporated in a valve assembly connected to the fuel tank base.
  • the handling of the check valve can be improved.
  • the fuel is a gaseous fuel.
  • gaseous fuel is stored in the fuel tank, and gaseous fuel flows in the fuel filling path.
  • the fuel tank system includes: a fuel cell that consumes gaseous fuel; and a supply path that communicates the fuel cell and the fuel tank. Therefore, the fuel tank system can be applied to the fuel cell system.
  • FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment equipped with a fuel tank system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining the fuel tank residual gas utilization processing according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment equipped with a fuel tank system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a part of the fuel tank according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a system block diagram of a fuel cell system to which the fuel tank system of the present invention is applied.
  • the fuel cell system 200 is mounted on a moving body such as an automobile, and includes a plurality of filling tanks 11 to 13 as filling means for filling boil-off gas generated from liquid hydrogen as fuel gas.
  • the volume of the filling tanks 11 to 13 can be changed according to the amount of the ball off gas.
  • the present fuel cell system 200 has a hydrogen gas supply system 1 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell stack 100 and an air supply for supplying air as an oxidizing gas.
  • System 2 a cooling system 3 for cooling the fuel cell stack 100, a power system 4 for charging / discharging the power generated by the fuel cell stack 100, and a control unit 50 for controlling the entire system. Yes.
  • the hydrogen gas supply system 1 is configured around a fuel tank 10 and filling tanks 11 to 13 so as to be able to fill and supply boil-off gas generated from liquid hydrogen as fuel gas.
  • the hydrogen gas supply system 1 fills the fuel tank 10 as the liquid fuel tank with liquid hydrogen as the liquid fuel, and supplies the fuel gas (boil-off gas) as the gaseous fuel vaporized from the liquid hydrogen in the fuel tank 10.
  • Fill tank 1 1 to 1 3 The hydrogen gas supply system 1 supplies the fuel gas in the filling tanks 11 to 13 to the fuel cell stack 100.
  • the fuel gas in the filling tanks 1 1 to 1 3 is stored at a high pressure (for example, 35 MPa), and is gradually reduced by a regulating valve or the like, which will be described later. 1 0 0.
  • the fuel tank 10 has a vacuum double structure, and can store liquid hydrogen with a very low boiling point (about 20 K). It also has a pressure-resistant structure that can store the boil-off gas generated from this liquid hydrogen up to a certain high pressure.
  • the fuel tank 10 is provided with a relief valve for lowering the internal pressure when the internal pressure becomes considerably high.
  • the fuel tank 10 is provided with a level gauge LG for checking the amount of liquid fuel remaining in the liquid phase so that it can be read from the control unit 50, and measures the liquid level position of the liquid fuel. This makes it possible for the control unit 50 to grasp the amount of liquid fuel present as a liquid.
  • Each of the filling tanks 11 to 13 has a similar structure, and is configured to be able to fill the boil-off gas from the fuel tank 10 to a certain high pressure. These filling tanks 11 to 13 are also provided with relief valves that lower the internal pressure when the internal pressure reaches a predetermined value or more. The structure of the filling tanks 11 to 13 and the arrangement of the valves will be described later with reference to FIG.
  • a fuel filling path 16 is laid from the liquid fuel filling port FI to the fuel tank 10, and a filling pipe 17 is laid from the fuel tank 10 to the inlet side of the filling tanks 1 1 to 1 3 in a structure communicating with each other. ing.
  • the outlet side of the filling tanks 11 to 13 is laid with a structure in which first fuel supply passages 18 for supplying the boiler off gas from each tank in common are communicated with each other.
  • 1 8 is connected to the second fuel supply path 1 9 (main pipe).
  • the fuel filling path 16 is a communication path from the liquid fuel filling port FI to the fuel tank 10 and is used when liquid fuel is filled.
  • a check valve RV1, RV2, a manual valve H1, and a shut-off valve L1 are installed in the fuel filling path 16 in order from the liquid fuel filling port FI.
  • the liquid fuel filling port FI is filled with liquid hydrogen at a liquid fuel stand, etc.
  • a connector (not shown) is also provided so that the supply nozzle of the filler can be connected and communication is possible between the liquid hydrogen filling machine and the control unit 50 of the fuel cell system 20.
  • the check valves R V 1 and R V 2 are related to the present invention and have a double structure connected in series. With a check valve, it is possible to prevent liquid hydrogen from flowing backward even if a valve failure such as a seal failure occurs in any of the valves. In addition, the amount of fuel gas staying between the check valves R V 1 and R V 2 can be reduced as much as possible by setting the valve opening pressure described later.
  • the pressure sensors p 1 and p 2 are provided to measure the pressure in each section of the fuel filling path 16 divided by the check valves R V 1 and R V 2.
  • the manual valve H 1 is a service valve that is manually opened and closed during adjustment and service during manufacture, and is opened at a predetermined opening during normal use.
  • the shut-off valve L 1 is composed of an electromagnetic valve that can be opened and closed by the control unit 50, and is controlled to open when liquid fuel is supplied.
  • a pressure sensor p 3 for measuring the tank internal pressure, that is, the pressure of the boil-off gas generated by vaporization of liquid hydrogen, and a temperature sensor t for measuring the internal temperature of the boil-off gas 1 is provided.
  • the filling pipe 17 (filling path) communicates the fuel tank 10 with each of the filling tanks 11 to 13, and a manual valve H 2 is provided near the outlet of the fuel tank 10.
  • check valves RV 3 to RV 5 and manual valves H 3 to H 5 corresponding to each filling tank are provided on the filling tank inlet side after branching to each filling tank 11 to 13 respectively. .
  • the check valves RV 3 to RV 5 are configured to automatically open when a predetermined valve opening pressure is reached.
  • the manual valves H3 to H5 are service valves that are manually opened and closed during adjustment during service, and are kept open at a predetermined opening during normal use.
  • Pressure sensors p4 to p6 for measuring the lu-off gas pressure and temperature sensors t2 to t4 for measuring the internal temperature of each tank are provided.
  • the first fuel supply path 18 is for connecting the filling tanks 11 to 13 to the second fuel supply path 19.
  • the branch pipes corresponding to the respective filling tanks 1 1 to 1 3 in the first fuel supply path 1 8 include regulating valves R 1 to R 3, manual valves H 6 to H 8, and shut-off valves G 1 to G 3 are associated with each other.
  • Regulating valves R1 to R3 regulate the supply pressure from each filling tank 11 to 13 to the first fuel supply path 18 and output boil-off gas at a predetermined differential pressure.
  • the manual valves H6 to H8 are service valves that are manually opened and closed during adjustment and service during manufacture, and are kept open at a predetermined opening during normal use.
  • Part 1 8a of the first fuel supply channel 1 8 is provided with a shutoff valve L2, and one end of part 1 8a is connected to the downstream side of the two shutoff valves RV1 and RV2.
  • A is connected to the fuel filling path 16. That is, the fuel filling path 16 and the first fuel supply path 18 can be bypassed via the cutoff valve L 2 (first cutoff valve). This is because the boil-off gas remaining in the fuel filling path 16 is quickly supplied to the first fuel supply path 18 via the shut-off valve L 2 and consumed by the fuel cell stack 100.
  • the shut-off valve L 2 is composed of, for example, an electromagnetic valve, and is controlled to be opened and closed by the control unit 50.
  • the “fuel supply path” described in the claims is used in a broad sense, and is a fuel cell that is supplied and consumed from a fuel tank 10 filled with fuel.
  • the flow path up to the stack 100 is referred to as a filling pipe 17, a first fuel supply path 18, a part 18 a thereof, and a second fuel supply path 19.
  • the “fuel supply path” described in the claims is a “supply” consisting of the first fuel supply path 18 and the second fuel supply path 19 except for part 18a. ”, A“ connecting path ”composed of a part 1 8 a of the first fuel supply path 1 8, and a filling pipe 1 7.
  • the “supply path” connects or communicates the filling tanks 11 to 13 which are gaseous fuel tanks and the fuel cell stack 100.
  • the “connection path” connects or communicates the “supply path” and the fuel filling path 16.
  • the “fuel supply path” described in the claims corresponds to the supply path, the connection path, and the filling pipe 17 in the present embodiment.
  • the pressure regulating valves R 4 and R 5 are configured to regulate and output the boil-off gas from the first fuel supply path 18.
  • the pressure regulating valves R 4 and R 5 are doubled diaphragms in order to cope with poor sealing.
  • Each of the pressure regulating valves R 4 and R 5 is provided with a relief valve in the vicinity thereof for reducing the pressure when the pressure in the pipe exceeds a predetermined level.
  • the shut-off valve L 3 is configured to open and close in response to the start and stop of power generation, and to control whether boil-off gas is supplied on the second fuel supply path 19.
  • the pressure sensor p 10 is provided so as to be able to measure the internal pressure in the first fuel supply path 18, and the pressure sensor p 11 is provided so as to be able to measure the internal pressure between the pressure regulating valves R 4 and R 5.
  • p 1 2 is provided so that the internal pressure of the fuel cell stack 100 can be measured, and the pressure sensor p 13 is provided so that the inlet pressure of the hydrogen pump 15 can be measured.
  • the fuel cell stack 100 has a stack structure in which a plurality of power generation structures called single cells are stacked. Each unit cell uses a power generator called MEA (Membrane Electrode Assembly) to flow hydrogen gas (boil-off gas), air, and cooling water. It has a structure sandwiched by a pair of separators provided with a path.
  • MEA consists of a polymer electrolyte membrane sandwiched between two electrodes, an anode and a force sword.
  • the anode has an anode catalyst layer provided on the porous support layer
  • the cathode has a cathode catalyst layer provided on the porous support layer.
  • the boil-off gas supplied to the anode of the fuel cell stack 100 is supplied to each single cell via the hold, flows through the fuel gas flow path of the separator, and causes an electrochemical reaction at the anode of the MEA. ing.
  • the boil-off gas (hydrogen off-gas) discharged from the fuel cell stack 100 is supplied to the gas-liquid separator 14.
  • the gas-liquid separator 14 is configured to remove moisture and other impurities generated by the electrochemical reaction of the fuel cell stack 10 0 0 during normal operation from the hydrogen gas and discharge them to the outside through the shutoff valve L 4 It has been done.
  • the hydrogen pump 15 constitutes a circulation path by forcibly circulating the hydrogen off-gas and returning it to the second fuel supply path 19.
  • the purge shut-off valve L5 is opened at the time of purge, but is shut off during normal operation and judgment of gas leakage in the pipe.
  • the hydrogen off gas purged from the purge shutoff valve L 5 is processed in an exhaust system including a diluter 2 5.
  • the air supply system 2 includes an air cleaner 21, a compressor 2 2, a humidifier 23, a gas-liquid separator 24, a diluter 25, and a silencer 26.
  • the air cleaner 2 1 purifies outside air and introduces it into the fuel system.
  • the compressor 22 changes the amount of air supplied and the air pressure by compressing the introduced air according to the control of the control unit 50.
  • the air supplied to the cathode of the fuel cell stack 100 is supplied to each single cell via the manifold, flows through the air flow path of the separator, and is electrochemically operated in the MEA power sword. Causes a reaction.
  • Humidifier 2 3 exchanges air off gas and moisture to the compressed air to add appropriate humidity.
  • the air supplied to the fuel cell stack 1 0 0 It is supplied to each single cell via the hold, flows through the air flow path of the separator, and causes an electrochemical reaction in the MEA force sword. Excess water is removed from the air off-gas discharged from the fuel cell stack 100 in the gas-liquid separator 24.
  • the diluter 25 is configured to mix and dilute the hydrogen off-gas supplied from the purge shut-off valve L 5 with air off-gas, and to equalize it to a concentration at which no oxidation reaction can occur.
  • the silencer 26 is configured to be able to discharge with a reduced noise level of the mixed exhaust gas.
  • the cooling system 3 includes a radiator 3 1, a fan 3 2, a cooling pump 3 3, a cooling device 3 4, and rotary valves C 1 to C 4.
  • the radiator 31 includes a number of pipes, and the diverted coolant is forcibly air-cooled by the fan 32.
  • the cooling pump 33 is configured to circulate and supply the coolant into the fuel cell stack 100.
  • the coolant that has entered the fuel cell stack 100 is supplied to each single cell via the manifold, flows through the coolant flow path of the separator, and takes heat generated by power generation.
  • the cooling device 3 4 includes a capacitor and the like, has a cooling performance that exceeds that of air cooling, and can reduce the temperature of the coolant.
  • the cooling system 3 can select any one of the cooling paths 3 5 to 3 7 by switching the rotary valve C 1 or C 2.
  • the cooling path 35 is a path for supplying coolant to the cooling pump 33 without air cooling by the radiator 31, and the cooling path 36 is a path for forced air cooling by the radiator 31.
  • the cooling path 37 is a circulation path for cooling the filling tanks 11 to 13 of the present invention.
  • the rotary valve c 1 switches between the cooling path 3 7 force and the cooling path 3 5 ⁇ 3 6 for the filling tanks 1 1 to 1 3, and the rotary valve C 2 starts from the filling tanks 1 1 to 1 3
  • the circulating coolant is switched between the cooling path 3 5 without air cooling or the cooling path 3 6 for cooling with air.
  • rotary valves C3 and C4 are provided in the cooling path 37.
  • Rotary One valve C 3 is configured to select whether or not to supply coolant to the filling tank 1 1
  • the rotary valve C 4 is configured to select whether or not to supply coolant to the filling tank 1 2.
  • Cooling path 37 is piped to cool the vicinity of the ball-off gas input / output port (check valve RV 3 to RV 5 and pressure regulating valve R: close to! To 3) in each filling tank 11 to 13 The pressure can be reduced by controlling the temperature of the boil-off gas.
  • the rotary valves c 1 and C 2 are controlled so that the coolant circulates in the cooling path 35 when starting up. This is to prevent the cooling liquid from flowing into the radiator 31 and the filling tanks 11 to 13 at the time of start-up, thereby preventing the destruction by the thermal shock caused by the supply of the cooling liquid having a large temperature difference.
  • the electric power system 4 includes a DC-DC converter 40, a battery 41, a traction inverter 4 2, a traction motor 4 3, an auxiliary inverter 4 4, a high voltage auxiliary machine 4 5 and the like.
  • the fuel cell stack 100 is formed by connecting single cells in series, and a predetermined high voltage (for example, about 500 V) is generated between the anode A and the force sword C.
  • DC—DC converter 40 is a battery having a terminal voltage different from the output voltage of fuel cell stack 10 0 0) 4 Bidirectional voltage conversion is performed between battery 1 and battery 4 as an auxiliary power source for fuel cell stack 100 1 can be used, or the battery 41 can be charged with surplus power from the fuel cell stack 100.
  • the DC-DC converter 40 can set the terminal voltage corresponding to the control of the control unit 50.
  • the battery 41 has battery cells stacked so that a constant high voltage is used as a terminal voltage, and it is possible to charge surplus power or supply auxiliary power under the control of a battery computer (not shown).
  • the Traction Inverter 42 converts the direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the Traction Motor 43.
  • the traction motor 43 is, for example, a three-phase motor, and is a main power source of an automobile on which the fuel cell system 200 is mounted.
  • Auxiliary inverter 4 4 This is a direct current to alternating current conversion means for driving the high pressure auxiliary machine 45.
  • the high-pressure auxiliary machine 45 is various motors necessary for the operation of the fuel cell system 200, such as the compressor 22, the hydrogen pump 15, the fan 32, and the cooling pump 33.
  • the control unit 50 includes a RAM, a ROM, an interface circuit, etc. as a general-purpose converter.
  • the control unit 50 sequentially executes software programs stored in the built-in ROM, etc., so that the entire fuel cell system 20 0 including the hydrogen gas supply system 1, the air supply system 2, the cooling system 3, and the power system 4 It is possible to control.
  • the valve opening pressure Po2 of the check valve RV 2 provided on the fuel tank 10 side is increased to the filling port FI side. It is characterized by being set smaller than the valve opening pressure Pol of the check valve RV 1 provided (Pol> Po2). With this setting, the check valve RV 2 provided on the downstream side (fuel tank 10 side) has a lower pressure than the check valve RV 1 provided on the upstream side (fill port FI side). To open the valve.
  • the control unit 50 measures the pressure p 1 between the check valves RV 1 and RV 2 and the pressure p 2 of the fuel filling path 16 between the check valve RV 2 and the shutoff valve L 1 (S 1)
  • the pressure p 1 between the stop valve RV 1 and RV2 is equal to or higher than the specified pressure P j 1 or the pressure p 2 between the check valve RV2 and the shutoff valve L 1 is It is determined whether the pressure is equal to or higher than a predetermined pressure P j 2 (S 2).
  • the control unit 50 uses the shutoff valve L 2 for communicating with the first fuel supply path 18.
  • shut-off valve L 3 that controls the flow of the second fuel supply path 19 is opened (S 3).
  • the fuel gas that has accumulated between the check valves RV 1 _RV 2 and discharged from the check valve RV 2 having a low valve opening pressure to the fuel filling passage 16 further flows into the shutoff valves L 2 and L 3.
  • the fuel cell stack 100 is supplied.
  • the shutoff valve L 2 corresponds to the “first shutoff valve” recited in the claims.
  • shutoff valve L2 is based on the changes in pressure pi and p2, the internal pressure of first fuel supply passage 18 and second fuel supply passage 19 and the opening time of shutoff valve L3. Is judged. That is, when the pressure p 1 between the check valves RV 1 and RV2 is less than the predetermined pressure P j 3 or the pressure p 2 between the check valve RV 2 and the shutoff valve L 1 is less than the predetermined pressure pj 4 Therefore, it is determined that the pressure in the fuel filling path 16 has been sufficiently lowered, and the remaining fuel gas has been supplied to the fuel cell stack 100.
  • the internal pressures p 1 1, p 12 and pi 3 in the first fuel supply path 18 and the second fuel supply path 19 are equal to or greater than one of the predetermined values P jll, P jl 2 and P jl 3.
  • the internal pressure of the first fuel supply path 18 and the second fuel supply path 19 increases, indicating that the remaining fuel gas is supplied to the fuel cell stack 100.
  • the valve opening time of the shutoff valve L 2 is equal to or longer than the predetermined time t 1, a sufficient time for the remaining fuel gas to be discharged from the fuel filling passage 16 having a relatively small capacity. It can be judged that it has passed. Therefore, when either of these is met (S4: YES), the control unit 50 opens the shutoff valve L2 (S5).
  • shutoff valve L2 or the shutoff valve L1 Since the process of supplying the remaining fuel gas to the fuel cell stack 100 has already been completed, in such a case, it is considered that the shutoff valve L2 or the shutoff valve L1 has a seal failure. If the pressure is P j 5 or more (S8: YES), turn on the warning lamp etc. indicating the seal failure of shutoff valve L2 or shutoff valve L1 (S9).
  • the shutoff valve L 1 corresponds to the “second shutoff valve” described in the claims.
  • the pressure p 1 between the check valves RV 1 and RV 2 should be maintained at the valve opening pressure set to the check valve RV2 when these check valves are operating normally. It is. If the pressure p1 becomes smaller than the opening pressure of the check valve RV2, there is a possibility that the air pressure is approaching the external pressure due to the poor seal of the upstream check valve RV1. Therefore, if the pressure p 1 is less than the predetermined pressure P j 7 which is lower than the valve opening pressure set for the check valve RV 2 (S 12: YES), the upstream check valve RV 1 is judged as a seal failure, a warning is given indicating that a malfunction has occurred in the check valve RV 1, and a stop sequence of the fuel cell system 200 is executed if necessary (S13).
  • the check valve RV 2 provided on the downstream side opens at a lower pressure than the check valve RV 1 provided on the upstream side.
  • the fuel gas can be effectively used by suppressing the retention of fuel gas.
  • the shutoff valve L 2 (L 3) is opened when the internal pressure of the fuel filling path 16 rises, so that the fuel gas staying in the fuel filling path 16 is the first
  • the fuel is supplied to the fuel cell stack 100 as a fuel consuming device via the fuel supply path 18 and the second fuel supply path 19 and can be effectively consumed.
  • the closing of the shutoff valve L2 is controlled based on the pressure change in the first fuel supply passage 18 and the second fuel supply passage 19 and the opening time of the shutoff valve L2. Therefore, the temporary communication state between the fuel filling path 16 and the first fuel supply path 18 can be canceled for the time being regardless of whether or not a valve failure occurs.
  • the internal pressure between the check valve R V 2 and the shutoff valve L 1 at the inlet of the fuel tank 10 is monitored. If the shutoff valve L 1 (L 2) is defective, the fuel gas in the fuel tank 10 leaks and flows backward to change the internal pressure of the fuel filling passage 16. According to the present invention, since it is configured to monitor the value of the internal pressure, it is possible to correctly detect the failure of the shutoff valve L1.
  • the internal pressure between the continuous check valves RV1 and RV2 is monitored.
  • the check valve RV 2 is shut off below the valve opening pressure if the staying fuel gas is discharged, but if the check valve RV 2 is defective, the check valve RV 2 will also be released after the staying fuel gas is released.
  • the internal pressure between RV 1 and RV 2 increases. Based on the internal pressure between the check valve R V I and R V 2, it is possible to detect a failure of the check valve R V 2 on the downstream side. (Modification)
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified and applied.
  • liquid hydrogen is described as an example of the liquid fuel to be handled.
  • the present invention can be similarly applied as long as it includes gas-phase fuel. Noh.
  • the liquid fuel may be liquefied natural gas.
  • the two check valves R V 1 and R V 2 provided in the fuel-electric charging path 16 have been described, of course, two or more check valves may be provided. If three or more check valves are provided, the opening pressure of each check valve should be set so that it decreases in order from the upstream side (filling port FI side) to the downstream side (fuel tank 10 side).
  • the two check valves may be provided in the fuel filling path 16 as in the present embodiment, or may be provided in the vicinity of the fuel tank 10 (for example, a tank base). It may be provided on either side.
  • the number of fuel tanks 10 is not limited to one and may be plural.
  • a fuel cell system 200 to which the fuel tank system according to the second embodiment of the present invention is applied will be described focusing on the differences from the first embodiment.
  • liquid hydrogen is not used, but hydrogen gas is directly filled into the fuel tank 110 to 130 (corresponding to the filling tank of the first embodiment) from the outside, and this filling is performed.
  • the hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack 200.
  • the same parts, devices or systems as those in the first embodiment will be denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.
  • FIG. 3 is a system block diagram of the fuel cell system 200 according to the second embodiment.
  • the fuel cell system 200 is mounted on a moving body such as an automobile, for example, and includes a fuel cell stack 100, a hydrogen gas supply system 1, an air supply system 2, a cooling system 3, a power system 4, and a control. Part 50 is provided.
  • the hydrogen gas supply system 1 includes a plurality of fuel tanks 110 to 130 as gas fuel tanks that are filled with fuel gas supplied from the outside through the filling port FI.
  • the fuel tanks 1 1 0 to 1 3 0 all have a similar structure. Although it has the same structure as the filling tanks 11 to 13 of the embodiment, the arrangement of the valves is different as will be described later.
  • the fuel filling path 16 communicates with each other from the fuel filling port FI to the inlet side of the fuel tanks 110 to 130, and is used when fuel gas is filled.
  • Fuel tank 1 10 to 1 30 The outlet side of the fuel tank 1 is laid with a structure in which a first fuel supply path 18 for supplying fuel gas from each tank in common is communicated with each other, and the first fuel supply path 1 8 is connected to the second fuel supply path 19 (main pipe).
  • the fuel filling port FI has a structure capable of connecting the supply nozzle of the hydrogen gas filling machine with a fuel gas stand or the like.
  • check valves RV 1 and RV 2 are provided in order from the fuel filling port F I at positions away from the fuel tanks 110 to 1 30.
  • the check valves RV 1 and RV2 are related to the present invention and have a double structure connected in series.
  • the check valves RV 1 and RV2 allow the flow of fuel gas from the fuel filling port F I to the fuel tank 110 to 130, and prevent this back flow.
  • the amount of fuel gas remaining between the check valves R V 1 and R V 2 can be minimized by setting the valve opening pressure described later.
  • the pressure sensors p 1 and p 2 are provided for measuring the pressure in each section of the fuel filling path 16 defined by the check valves RV 1 and RV2.
  • the fuel filling path 1 6 has check valves RV 3 to RV5 corresponding to the fuel tanks 1 to 1-30 on the fuel tank inlet side after branching for the fuel tanks 1 to 1 to 30, and manually. Valves H3 to H5 are provided respectively. Check valve RV3 ⁇ RV
  • the control valves R 1 to R 3, manual valves H 6 to H 8, and shut-off valves G 1 to G 3 correspond to the branch pipes corresponding to the fuel tanks 1 10 to 1 30, respectively. It is attached.
  • the regulating valves R1 to R3 depressurize the fuel gas.
  • the shut-off valves G 1 to G 3 are composed of, for example, solenoid valves, and are controlled to be opened and closed by the control unit 50.
  • the fuel tank 110 includes a container main body 3 10 including a liner 301 and an outer shell 302, and a base 320 attached to one end of the container main body 2 in the longitudinal direction.
  • the container body 310 is configured to be capable of storing high-pressure fuel gas, for example, 35 MPa or 70 MPa hydrogen gas. If the fuel gas is compressed natural gas (CNG gas), the container body 310 stores, for example, 2 OMPa of CNG gas.
  • the container body 310 is formed by insert-molding a base 320 at the center of its hemispherical end wall.
  • a female thread 322 is formed on the inner peripheral surface of the opening of the base 320, and a valve assembly 340 is screwed and connected thereto.
  • the valve assembly 340 is a module in which piping elements such as valves and fittings, various gas sensors, and the like are integrated into the housing 350 in addition to the gas passage.
  • the valve assembly 10 is provided so as to extend inside and outside the fuel tank 110.
  • a male screw that is screwed into the female screw 322 is formed on the outer peripheral surface of the neck portion of the housing 350.
  • the housing 350 and the base 320 are hermetically sealed by a plurality of seal members (not shown).
  • a part of the flow path 16 c of the fuel filling path 16, a part of the first fuel supply path 18, a flow path 18 c, and a relief path 351 are formed inside the housing 350. It is.
  • the flow path 16 c communicates the inside of the container body 3 10 and the fuel filling port FI via the external pipe 16 d of the fuel filling path 16.
  • the check valve RV3, the manual valve H3, and the pressure sensor P4 are provided in the flow path 16c.
  • a plurality of check valves RV 3 are provided in the flow path 16 c, and a plurality of check valves are provided in the fuel tank 1 10. You can attach it.
  • the flow path 18 c communicates the inside of the container main body 3 10 and the second fuel supply path 19 through the external pipe 18 d of the first fuel supply path 18.
  • the flow path 18 c is provided with the shut-off valve Gl, the manual valve H6, and the adjusting valve R1.
  • the relief flow path 351 is provided with a relief valve 360 that lowers the internal pressure when the internal pressure of the fuel tank 110 reaches a predetermined value or more.
  • the arrangement (upstream / downstream) of the shutoff valve G1 and the regulating valve R1 may be reversed.
  • the configuration after the second fuel supply path 19 is the same as that of the first embodiment.
  • the gas-liquid separator 14 and the shut-off valve L 4 pass through the pressure regulating valves R 4 and R 5, the shut-off valve L 3, and the flow path in the fuel cell stack 100.
  • a hydrogen pump 15 and a purge shutoff valve L5 are provided.
  • the fuel gas in the fuel tanks 1 10 to 1 30 is depressurized stepwise by the pressure regulating valves R 1, R 4, and R 5 and supplied to the fuel cell stack 100 at a pressure state of approximately IMpa. Further, pressure sensors p 11 to P 13 are provided in the second fuel supply path 19.
  • the air supply system 2 includes an air cleaner 21, a compressor 22, a humidifier 23, a gas-liquid separator 24, a diluter 25, and a silencer 26.
  • the cooling system 3 includes a radiator 3 1, a fan 32, a cooling pump 33, and a rotary valve C 2.
  • the cooling system 2 may include a cooling device 34, cooling paths 35 to 37, and rotary valves C1, C3, and C4.
  • the electric power system 4 includes a DC-DC converter 40, a battery 41, a traction inverter 42, a traction motor 43, an auxiliary inverter 44, a high voltage auxiliary machine 45, and the like.
  • the control unit 50 includes a RAM, a ROM, an interface circuit, and the like as a general-purpose converter.
  • the control unit 50 mainly executes hydrogen software by sequentially executing software programs stored in the built-in ROM or the like.
  • the entire fuel cell system 200 including the supply system 1, the air supply system 2, the cooling system 3, and the power system 4 can be controlled.
  • the valve opening pressure Po2 of the check valve RV2 provided on the fuel tank 1 10 to 130 side is the filling port FI. It is characterized by being set smaller than the valve opening pressure Pol of the check valve RV1 provided on the side (Pol> Po2). With this setting, the downstream check valve RV 2 opens at a lower pressure than the upstream check valve RV 1.
  • the upstream check valve RV 1 is closed first, and the fuel gas remaining between the check valves R VI and RV 2 is removed. It is discharged to the downstream fuel filling passage 16 via the non-closed downstream check valve RV 2. For this reason, it is possible to suppress the fuel gas from staying between the check valves RV 1 and RV2.
  • valve opening pressures Po3 to Po5 of the check valves RV3 to RV 5 are as follows:
  • the valve opening pressure of 2 is set smaller than Po2.
  • the multiple fuel filling passages 16 are provided. Since the number of check valves are sequentially closed from the upstream side, the fuel gas can be prevented from staying between the check valves and the fuel gas can be used effectively. Industrial applicability
  • the present invention described above is applicable not only to vehicles such as vehicles, ships, and aircraft equipped with the fuel cell system 200, but also to the fuel cell system 200 placed in a closed space such as a building or a house. I can do it. In other words, any system that can be used while refilling with fuel gas can be used.
  • the fuel cell system 200 has been described as an example of a system to which the fuel tank system is applied.
  • the fuel tank system may include another fuel consuming device different from the fuel cell stack 100.
  • the other fuel consuming device may be a hydrogen engine (internal combustion engine) that consumes hydrogen gas vaporized by liquid hydrogen, or a natural gas engine that consumes natural gas vaporized by liquefied natural gas. May be.

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Abstract

燃料充填路における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。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。

Description

明細書 燃料タンクシステム 技術分野
本発明は、 燃料ガスを充填し利用する燃料タンクシステムに関する。 背景技術
燃料タンクを用いるシステムでは、 燃料ガスは一旦燃料タンクに充填され てから、 負荷量に応じて徐々に燃料消費装置に供給される。
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 3 0 9 0 4 4 8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。
[特許文献 1 ] 実用新案登録第 3 0 9 0 4 4 8号公報 (図 1、 段落 0 0 0 6 ) 発明の開示
しかしながら、 逆止弁が複数設けられると、 燃料充填路中の逆止弁間や逆 止弁と燃料タンクとの間に燃料ガスが滞留するため、 これらの区間に滞留し た燃料ガスを有効に利用することができない。
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、 を有するとよレ、。 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 レ、。 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プ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。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1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プロック構成図である。
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 するフローチヤ一トである。
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プ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。 発明を実施するための最良の形態
本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。 以下の実施形態は、 本発明の例示であり、 本発明は以下の実施形態に限定されることなく種々に 変形して実施可能である。
[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 2 0 0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 1 1〜1 3を備えており、 ボ ィルオフガスの量に応じて充填タンク 1 1〜1 3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 2 0 0は、 燃料電池スタック 1 0 0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 1 0 0を冷却する冷却系 3、 燃料電池スタック 1 0 0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 5 0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 1 0及び充填タンク 1 1〜1 3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 1 0に充填し、 燃料タンク 1 0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 1 1〜1 3に充填する。 そして、 水素ガス供給系 1は、 この充填タンク 1 1〜 1 3内の燃料ガスを燃料電池スタック 1 0 0に供給する。 充填タンク 1 1〜 1 3内の燃料ガスは、 高圧 (例えば 3 5 M P a ) 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 I M p aの圧力状態で燃料電池スタ ック 1 0 0に供給される。
燃料タンク 1 0は、 真空二重構造を備えており、 沸点が極めて低い (およ そ 2 0 K) 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 1 0には、 内圧がかなり高くなつた場合に内圧を下 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 1 0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 L Gが制御部 5 0 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 5 0に把握させることが可能 になっている。
充填タンク 1 1〜1 3はいずれも類似の構造を備えており、 燃料タンク 1 0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 1 1〜1 3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 1 1〜1 3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 F I から燃料タンク 1 0までは燃料充填路 1 6が敷設され、 燃料タンク 1 0から 充填タンク 1 1〜1 3の入口側までは充填配管 1 7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 1 1〜 1 3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 1 8が互いに連通し た構造で敷設され、 第 1の燃料供給路 1 8が第 2の燃料供給路 1 9 (主配 管) に接続されている。
燃料充填路 1 6は、 液体燃料充填口 F Iから燃料タンク 1 0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 1 6には液体燃 料充填口 F Iから順に逆止弁 R V 1、 R V 2、 手動弁 H 1、 遮断弁 L 1が設 けられている。 液体燃料充填口 F I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 2 0 0の制御部 5 0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 R V 1及び R V 2は本発明に係り、 直列接続された二重構造になつ 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 R V 1— R V 2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 p 1及び p 2は、 逆止弁 R V 1及ぴ R V 2で区画される燃料充 填路 1 6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 H 1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 L 1は制御部 5 0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 1 0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 p 3、 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 t 1が設けられている。
充填配管 1 7 (充填路) は、 燃料タンク 1 0と各充填タンク 1 1〜1 3と を連通させるものであり、 燃料タンク 1 0の出口近傍に手動弁 H 2が設けら れている。 また各充填タンク 1 1〜1 3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 R V 3〜R V 5、 手動弁 H 3〜H 5が それぞれ設けられている。
逆止弁 R V 3〜R V 5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 H 3〜H 5は、 製造時の調整ゃサ 一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 1 1〜1 3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 p 4〜p 6、 及び各タンクの内 部温度を計測するための温度センサ t 2〜 t 4が設けられている。
第 1の燃料供給路 1 8は、 各充填タンク 1 1〜1 3を連通させ第 2の燃料 供給路 1 9に接続するためのものである。 第 1の燃料供給路 1 8のうち各充 填タンク 1 1〜1 3に対応した枝管部分には、 調整弁 R 1〜R 3、 手動弁 H 6〜H 8、 遮断弁 G 1〜G 3がそれぞれ対応づけられて設けられている。 調 整弁 R 1〜R 3は、 各充填タンク 1 1〜1 3から第 1の燃料供給路 1 8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 H 6〜H 8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 1 8の一部 1 8 aには遮断弁 L 2が設けられ、 一部 1 8 aの一端部は、 二つの遮断弁 R V 1, R V 2よりも下流側の接続点 Aで燃料 充填路 1 6に接続されている。 つまり、 燃料充填路 1 6と第 1の燃料供給路 1 8とは、 遮断弁 L 2 (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 1 6内に残留しているボイルオフガスを速やかに遮断弁 L 2経由で第 1の燃料供給路 1 8に供給し燃料電池スタック 1 0 0で消費させ るためである。 遮断弁 L 2は、 例えば電磁弁からなり、 制御部 5 0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 1 0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 1 0 0までの流路をいい、 本実施形態では、 充填配管 1 7、 第 1の燃料供給路 1 8、 その一部 1 8 a及び第 2の燃料供給 路 1 9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 1 8 aを 除く第 1の燃料供給路 1 8の通路及び第 2の燃料供給路 1 9からなる 「供給 路」 と、 第 1の燃料供給路 1 8の一部 1 8 aからなる 「接続路」 と、 充填配 管 1 7と、 を有する。 「供給路」 は、 気体燃料タンクたる充填タンク 1 1〜 1 3と燃料電池スタック 1 0 0とを接続又は連通する。 「接続路」 は、 「供 給路」 と燃料充填路 1 6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 1 7に相当する。
第 2の燃料供給路 1 9以降の構成について説明する。 第 2の燃料供給路 1 9の上流側から順に、 調圧弁 R 4 , R 5、 遮断弁 L 3、 燃料電池スタック 1 0 0内の流路を経て、 気液分離器 1 4及び遮断弁 L 4、 水素ポンプ 1 5、 並 びにパージ遮断弁 L 5が設けられている。 第 2の燃料供給路 1 9の一部 (遮 断弁 L 3の下流側) は、 燃料電池スタック 1 0 0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 R 4及び R 5は、 第 1の燃料供給路 1 8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 R 4及び R 5はダイァフラムが二重化されたものである。 調圧弁 R 4や R 5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 L 3は、 発電の開始 '停止に応じ て開閉し、 第 2の燃料供給路 1 9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 p 1 0は、 第 1の燃料供給路 1 8における内圧 を計測可能に設けられ、 圧力センサ p 1 1は、 調圧弁 R 4— R 5間の内圧を 計測可能に設けられ、 圧力センサ p 1 2は、 燃料電池スタック 1 0 0の内圧 を計測可能に設けられ、 圧力センサ p 1 3は、 水素ポンプ 1 5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 1 0 0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、 M E A (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一ター対によって挟み込んだ構造を備えている。 M E Aは高分子電解質膜をアノード及び力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 1 0 0のアノードに供給されたボイルオフガスは、 マ- 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、 M E A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 1 0 0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 1 4に供給される。 気液分離器 1 4は、 通常運転時において燃料電池 スタック 1 0 0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ォ フガス中から除去し、 遮断弁 L 4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 1 5は、 水素オフガスを強制循環させて第 2の燃料供給路 1 9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 L 5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 L 5からパージされた水素オフガスは希釈器 2 5 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 2 1、 コンプレッサ 2 2、 加湿器 2 3、 気 液分離器 2 4、 希釈器 2 5、 及び消音器 2 6を備えている。 エアクリーナ 2 1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 2 2は、 取り入れられた空気を制御部 5 0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 1 0 0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二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、 M E Aの力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 1 0 0から排出された空気 (空気オフガ ス) 加湿器 2 3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つ て適度な湿度を加える。 燃料電池スタック 1 0 0に供給された空気は、 マ二 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、 M E Aの力ソードにおいて電気化学反応を生じるようになつている。 燃料電池ス タック 1 0 0から排出された空気オフガスは、 気液分離器 2 4において過剰 な水分が除去される。 希釈器 2 5は、 パージ遮断弁 L 5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 2 6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、 ラジェタ 3 1、 ファン 3 2、 冷却ポンプ 3 3、 冷却装置 3 4、 及びロータリーバルブ C 1〜C 4を備えている。 ラジェタ 3 1は、 多数の配 管を備え、 分流された冷却液がファン 3 2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 3 3は、 冷却液を燃料電池スタック 1 0 0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 1 0 0内に入った冷却液 は、 とマ二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 3 4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 3 5〜3 7のいずれかをロータリーバルブ C 1 または C 2を切り替えることで選択可能になっている。 冷却経路 3 5は、 ラ ジエタ 3 1による空冷無しで冷却液を冷却ポンプ 3 3に供給する経路であり、 冷却経路 3 6は、 ラジェタ 3 1による強制空冷をする経路である。 冷却経路 3 7は、 本発明の充填タンク 1 1〜1 3を冷却するための循環経路である。 ロータリーバルブ c 1は、 充填タンク 1 1〜1 3のための冷却経路 3 7力 、 冷却経路 3 5 · 3 6かを切り替えるものであり、 ロータリーバルブ C 2は、 充填タンク 1 1〜1 3から循環してきた冷却液を、 空冷無しの冷却経路 3 5 を通すか、 空冷させる冷却経路 3 6を通すかを切り替えるものである。 冷却 経路 3 7には、 ロータリーバルブ C 3及び C 4が設けられている。 ロータリ 一バルブ C 3は充填タンク 1 1に冷却液を供給するか否かの選択を、 ロータ リーバルブ C 4は充填タンク 1 2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 3 7は、 各充填タンク 1 1〜 1 3においてボ ィルオフガスの入出力口付近 (逆止弁 R V 3〜R V 5や調圧弁 R:!〜 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 c 1と C 2は、 起動時に冷却経路 3 5に冷却液が循 環するように制御される。 起動時にラジェタ 3 1や充填タンク 1 1〜1 3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、 D C—D Cコンバータ 4 0、 ノくッテリ 4 1、 トラクシヨンィ ンバータ 4 2、 トラクシヨンモータ 4 3、 補機インバ一タ 4 4 , 高圧補機 4 5等を備えている。 燃料電池スタック 1 0 0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と力ソード Cとの間に所定の高圧電圧 (例え ば約 5 0 0 V) が発生する。 D C— D Cコンバータ 4 0は燃料電池スタック 1 0 0の出力電圧と異なる端子電圧を有するバッテリ) 4 1との間で双方向 の電圧変換を行い、 燃料電池スタック 1 0 0の補助電源としてバッテリ 4 1 の電力を利用したり、 または、 燃料電池スタック 1 0 0からの余剰電力をバ ッテリ 4 1に充電したりすることが可能になっている。 当該 D C— D Cコン バータ 4 0は制御部 5 0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 4 1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。 トラクシヨンインバ一タ 4 2は 直流電流を三相交流に変換し、 トラクシヨンモータ 4 3に供給するものであ る。 トラクシヨンモータ 4 3は例えば三相モータであり、 当該燃料電池シス テム 2 0 0が搭載される自動車の主動力源である。 補機インバータ 4 4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ビュ 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 いるソフトウエ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 20 0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 1 6に設けられた逆止弁 RV 1及び RV 2について、 燃料タンク 10側に設けられた逆止弁 RV 2の開弁圧力 Po2が、 充填口 F I側に設けられた逆止弁 RV 1の開弁圧力 Polよりも小さく設定さ れていることに特徴がある (Pol > 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 RV 2の方が上流 側 (充填口 F I側) に設けられた逆止弁 RV 1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 RV 1が先に閉弁し、 逆止弁 RV 1—RV 2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 R V 2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 RV 1 _RV 2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 RV 2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 RV 1 -RV 2 間の燃料ガスは逆止弁 RV 2より下流側に流れる。 制御部 50は、 この逆止 弁 RV 1— RV 2間の圧力 p 1及び逆止弁 RV 2—遮断弁 L 1間の燃料充填 路 1 6の圧力 p 2を計測し (S 1) 、 逆止弁 RV 1— RV2間の圧力 p 1が 所定の圧力 P j 1以上か、 または、 逆止弁 RV2—遮断弁 L 1間圧力 p 2が 所定の圧力 P j 2以上かを判定する (S 2) 。 その結果、 圧力 p 1か p 2が が所定の圧力を超えている場合には (S 2 ; YE S) 、 制御部 50は第 1の 燃料供給路 1 8へ連通させるための遮断弁 L 2と、 第 2の燃料供給路 1 9の 流通を制御する遮断弁 L 3と、 を開弁させる (S 3) 。 この処理により、 逆 止弁 RV 1 _RV 2間に滞留しており、 開弁圧力の低い逆止弁 RV 2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 L 2及び L 3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 L 2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 p iや p 2の推移、 第 1の燃料供給路 18や第 2の燃料供給 路 1 9の内圧や遮断弁 L 3の開弁時間に基づいて、 遮断弁 L 2の閉弁タイミ ングが判断される。 すなわち、 逆止弁 RV 1— RV2間の圧力 p 1が所定の 圧力 P j 3以下か、 逆止弁 RV 2—遮断弁 L 1間の圧力 p 2が所定の圧力 p j 4以下である場合には、 燃料充填路 1 6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 1 9の内圧 p 1 1, p 12, p i 3が所定値 P j l l、 P j l 2, P j l 3のいずれか以上にな つている場合には、 第 1の燃料供給路 1 8や第 2の燃料供給路 1 9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 1 00に供給されている ことを示している。 また、 遮断弁 L 2の開弁時間が所定の時間 t 1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 (S 4 : YES) 、 制御部 50は遮断弁 L 2を開 弁させる (S 5) 。
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 (S 6 : YES) 、 燃料充填路 1 6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 RV 2—遮断弁 L 1間の燃料充填路 16の圧力 p 2がある程度高かった場合、 逆止弁 RV 2の下流側の燃料充填 路 1 6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 L 2または遮断弁 L 1のシール不良と考えられる, そこで、 圧力 p 2が所定の圧力 P j 5以上であった場合には (S 8 : YE S) 、 遮断弁 L 2または遮断弁 L 1のシール不良を示す警告ランプ等を点灯 させる (S 9) 。 なお、 遮断弁 L 1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 RV 1— RV 2間の圧力 p 1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 RV 2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 RV 2のシール不 良と考えられる。 そこで、 圧力 p iが所定の圧力 P j 6以上であった場合に は (S 1 0 : YES) 、 逆止弁 RV 2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 (S 1 1) 。
一方、 逆止弁 RV 1— RV 2間の圧力 p 1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 p 1がこの逆止弁 RV 2の開弁圧力よりも小さくなつ た場合には、 今度は上流側の逆止弁 RV 1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 p 1が逆止弁 RV 2に設定された開弁圧 力よりも小さい所定の圧力 P j 7以下である場合には (S 1 2 : YE S) 、 上流側の逆止弁 RV 1のシール不良と判断し、 逆止弁 RV 1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 (S 13) 。
以上、 本実施形態によれば、 下流側に設けられた逆止弁 RV 2の方が上流 側に設けられた逆止弁 RV 1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 1 6の内圧が上昇した場合に遮断弁 L 2 ( L 3 ) を開弁させるので、 燃料充填路 1 6に滞留している燃料ガスは 第 1の燃料供給路 1 8と第 2の燃料供給路 1 9経由で燃料消費装置である燃 料電池スタック 1 0 0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 1 8、 第 2の燃料供給路 1 9の圧力変化や遮断弁 L 2の開弁時間に基づいて、 遮断弁 L 2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 1 6と第 1の燃料供給路 1 8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 R V 2と燃料タンク 1 0の入口の 遮断弁 L 1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 L 1 ( L 2 ) に不良が生じていると、 燃料タンク 1 0中の燃料ガスが漏れ出て 逆流し燃料充填路 1 6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 L 1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 L 2の開閉により燃料充填路 1 6の減圧が終了した場合に、 連続する逆止弁 R V 1一 R V 2間の内圧が監視 される。 逆止弁 R V 2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 R V 2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 R V 1—R V 2間の内圧が上昇する。 この逆止弁 R V I 一 R V 2間の内圧に基づけば下流側の逆止弁 R V 2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 1 6に設けた二つの逆止弁 R V 1 , R V 2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 F I側) から下流側 (燃 料タンク 1 0側) にかけて順に小さくなるように設定すればよレ、。 なお、 二 つの逆止弁は、 本実施形態のように燃料充填路 1 6に設けられてもよいし、 燃料タンク 1 0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 1 0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 2 0 0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 1 1 0〜1 3 0 (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 2 0 0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 2 0 0のシステムブロック 図である。
燃料電池システム 2 0 0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 1 0 0、 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 5 0を備えている。
水素ガス供給系 1は、 充填口 F I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 1 1 0〜 1 3 0を備えて いる。 燃料タンク 1 1 0〜1 3 0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 1 1〜1 3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 F Iから燃料タンク 1 10〜1 30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 1 10〜1 30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 1 8が第 2の燃料供給路 1 9 (主配管) に接続されている。
燃料充填口 F I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 1 6には、 燃料タンク 1 10〜1 3 0から外れた位置に、 燃料充填口 F Iから順に逆止弁 RV 1、 RV2が設け られている。 逆止弁 RV 1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 RV 1及び RV2は、 燃料充填口 F Iから燃料タ ンク 1 10〜1 30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 R V 1— R V 2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 p 1及び p 2は、 逆止弁 RV 1及び RV2で区画される燃料充填路 1 6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 1 6は、 各燃料タンク 1 10〜1 30用に分岐した後の燃料タ ンク入口側には、 各燃料タンク 1 10〜1 30に対応させた逆止弁 RV 3〜 RV5、 手動弁 H3〜H5がそれぞれ設けられている。 逆止弁 RV3〜RV
5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 1 10〜1 30の入口には、 圧力センサ p 4〜p
6、 及び温度センサ t 2〜 t 4が設けられている。
第 1の燃料供給路 1 8は、 各燃料タンク 1 10〜 1 30に対応した枝管部 分に、 調整弁 R 1〜R3、 手動弁 H6~H8、 遮断弁 G 1〜G 3がそれぞれ 対応づけられて設けられている。 調整弁 R 1〜R3は、 燃料ガスを減圧する。 遮断弁 G 1〜G 3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ぴ弁の配置等につ いて燃料タンク 1 1 0を例に説明する。
燃料タンク 1 10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 3 10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 3 5MP aあるいは 70MP a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 2 OMP aの CNGガスを貯蔵する。 容器本体 3 10は、 その半球面状を した端壁部の中心に口金 320をィ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 バルブアッセンプリ 340がねじ込み接続されている。
バルブアッセンプリ 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 ユールをいう。 バルブアッセンブリ 1 0は、 燃料タンク 1 10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 1 6の一部の流路 16 cと、 第 1の燃料供給路 1 8の一部の流路 1 8 cと、 リ リーフ流路 351とが形成さ れている。 流路 1 6 cは、 燃料充填路 1 6の外部配管 16 dを介して、 容器 本体 3 10の内部と燃料充填口 F I とを連通する。 流路 1 6 cには、 上記の 逆止弁 RV3、 手動弁 H 3及び圧力センサ P 4が設けられている。 なお、 流 路 16 cに複数の逆止弁 RV 3を設けて、 燃料タンク 1 10に複数の逆止弁 を付属させてもよレ、。 流路 1 8 cは、 第 1の燃料供給路 1 8の外部配管 1 8 dを介して、 容器本体 3 10の内部と第 2の燃料供給路 1 9とを連通する。 流路 1 8 cには、 上記の遮断弁 G l、 手動弁 H 6及び調整弁 R 1が設けられ ている。 リリーフ流路 351には、 燃料タンク 1 10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 G 1及び調整弁 R 1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 1 9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 1 9の上流側から順に、 調圧弁 R4, R5、 遮断弁 L 3、 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 L 4、 水素ポンプ 1 5、 並びにパージ遮断弁 L 5が設けられている。 燃料タン ク 1 10〜1 30内の燃料ガスは、 調圧弁 R 1, R4, R 5で段階的に減圧 され、 およそ IMp a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 1 9には、 圧力センサ p 1 1〜P 1 3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、 コンプレツ 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、 ラジェタ 3 1、 ファン 32、 冷却ポンプ 33、 及びロータリーバルブ C 2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 C l、 C 3, C 4を備えてもよレヽ。 さらに、 電力系 4は、 DC— DCコンバータ 40、 ノくッテリ 41、 トラクシヨンインバータ 42、 トラク シヨンモータ 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ビュ —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 いるソフトウエ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 20 0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 1 6に設けられた逆止弁 RV 1及び RV2に ついて、 燃料タンク 1 10〜1 30側に設けられた逆止弁 RV2の開弁圧力 Po2が、 充填口 F I側に設けられた逆止弁 RV1の開弁圧力 Polよりも小さ く設定されていることに特徴がある (Pol > Po2) 。 このような設定と することにより、 下流側の逆止弁 RV 2の方が上流側の逆止弁 RV 1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 1 6の圧力が低下して いくと上流側の逆止弁 RV 1が先に閉弁し、 逆止弁 R VI— RV 2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 RV 2経由で下流側の 燃料充填路 1 6に排出される。 このため、 逆止弁 RV 1— 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 R V 2と逆止弁 RV 3〜R V 5についても、 逆止弁 RV3 ~RV 5の開弁圧力 Po3〜Po5は、 次式に示すように、 その上流の逆止弁 R V 2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 1 6の圧力が低下し ていくと、 逆止弁 RV 1、 RV 2の順に閉弁した後、 逆止弁尺 3〜11 5 が閉弁していく。 このため、 逆止弁 RV2— RV3間、 逆止弁 RV2— RV 4間.、 及び逆止弁 RV 2—RV 5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 R V 3〜R V 5経由で下流側の燃料充填路 1 6に排出さ れる。 このため、 逆止弁 RV 2— 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。 産業上の利用可能性
以上説明した本発明は、 燃料電池システム 2 0 0を搭載する車両、 船舶、 航空機などの移動体のみならず、 ビル、 家屋などの閉空間に定置された燃料 電池システム 2 0 0にも適用することが出来る。 つまり、 燃料ガスの再充填 しながら利用していくシステムであれば利用可能な構成だからである。 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 2 0 0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 1 0 0とは異なる他の燃料消費装置を具備するものであつ 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ェンジンであってもよい。

Claims

請求の範囲
1 . 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。
2 . 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。
3 . 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。
4 . 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。
5 . 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。
6 . 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。
7 . 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。
8 . 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。
9 . 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。
1 0 . 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 Ίのいずれか一項に記載の燃料タンクシステム。
1 1 . 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 1 0のいずれか一項に記載の燃料タンクシステム。
1 2 . 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 1 0のいずれか一項 に記載の燃料タンクシステム。
1 3. 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。
14. 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プリに組み込まれている、 請求項 1 3に記載の燃料タンクシステム。
1 5. 前記燃料タンクは、 複数ある、 請求項 1、 1 3又は 14に記載の燃 料タンクシステム。
16. 前記燃料は、 気体燃料である、 請求項 1、 1 3、 14又は 1 5に記 載の燃料タンクシステム。
1 . 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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