WO2008062805A1

WO2008062805A1 - Système d'alimentation en carburant

Info

Publication number: WO2008062805A1
Application number: PCT/JP2007/072485
Authority: WO
Inventors: Naoki Kanie
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2008-05-29
Also published as: CN101568761A; JP2008128459A; US9017885B2; CN101568761B; KR101281048B1; DE112007002802T5; US20100006596A1; KR20090084883A; JP4849332B2

Description

明細書燃料供給装置技術分野

本発明は、例えば燃料電池システムの一部を構成する燃料供給装置に関し、特に複数の燃料タンクを備えた燃料供給装置に関するものである。背景技術

燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池に供給するための燃料供給装置として、水素ガスを高圧に充填した高圧水素タンクや、水素ガスを可逆的に吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金を充填した水素吸蔵タンクを用いる方式が知られている。例えば特開 2005-22671 5号公報は、燃料電池に対して水素配管を介して複数の水素タンクを並列に接続し、それぞれの水素タンクに開閉弁を設置した燃料供給装置を開示している。この燃料供給装置では、燃料電池システムの運転時に全ての開閉弁を同時に開くようにしている。発明の開示

確かに、特開 2005— 22671 5号公報に記載の燃料供給装置によれば、運転時に複数の水素タンクから水素ガスが放出される構成であるので、水素タンクの使用頻度のバラツキを低減することができる。しかしながら、常に、全ての開閉弁が同時に開くのが必ずしも良いとは限らない。例えば、水素配管の漏れ検査のために水素ガスを流す場合に、全ての開閉弁が同時に開くと、大量の水素ガスが放出されることになる。

本発明は、燃料タンクからの燃料の放出量を減らすことができる燃料供給装置を提供することをの目的としている。上記目的を達成するための本発明の燃料供給装置は、燃料を貯蔵する複数の燃料タンクと、燃料タンクごとに又はいくつかごとに設けられ、燃料タンクから放出される燃料を遮断する複数の開閉弁と、開閉弁を開閉制御する制御装置と、を備える。制御装置は、状況に応じて、同時に開く開閉弁の数を変更する。

この構成によれば、同時に開く開閉弁の数が一律ではなく、その数を状況に応じて変更できる。これにより、状況によっては、全ての燃料タンクから燃料を放出しなくて済み、燃料タンクからの燃料の放出量を減らすことができる。一方で、状況によっては、全ての燃料タンクから燃料を放出することもできるので、使用頻度のバラツキの低減にも配慮することができる。好ましくは、燃料タンクは、燃料供給先装置に対して並列に接続されており、制御装置は、燃料供給先装置に燃料タンクから燃料を供給する場合に、全ての開閉弁を同時に開くとよい。

こうすることで、全ての開閉弁を開いた状態で燃料を供給できるので、燃料タンクの使用頻度のバラツキを低減できる。また、燃料の供給時に複数の開閉弁を同時に開閉する場合には、燃料タンク内の圧力の大小によって、一の燃料タンクから他の燃料タンクへの燃料の逆流が起こり得るが、本発明の構成によれば、このような逆流現象を抑制できる。

ここで、燃料供給先装置としては、例えば、燃料として燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池、及び、燃料として水素ガスや. C N G (圧縮天然ガス）の供給を受けて機械エネルギーや熱エネルギーを発生する内燃機関が挙げられる。

好ましい一態様では、制御装置は、異常検出後に又は燃料供給装置のメンテナンス時に、同時に開く開閉弁の数を減らすとよい。

こうすることで、異常検出の場合やメンテナンスの場合に、燃料の放出量を減らすことができる。他の好ましい一態様では、制御装置は、燃料供給先装置への燃料の供給が不要な場合に、同時に開く開閉弁の数を減らすとよい。

こうすることで、燃料供給先装置への燃料の供給が不要な場合に、燃料の放出量を減らすことができる。

上記目的を達成するための本発明の他の燃料供給装置は、燃料供給先装置に対して並列に接続されて燃料を貯蔵する燃料タンクと、燃料タンクごとに又はいくつかごとに設けられて燃料タンクから放出される燃料を遮断する開閉弁と、第 1の状況のときには開閉弁を全て同時に開閉するように制御する制御装置と、を備える。制御装置は、第 1の状況とは異なる第 2の状況のときに、同時に開く開閉弁の数を減らす。

こうすることで、第 1の状況のときには、燃料タンクの使用頻度のバラッキを低減できる。また、第 2の状況のときには、同時に開く開閉弁の数が減るので、燃料タンクからの燃料の放出量を減らすことができる。

ここで、第 1の状況は、例えば、燃料供給装置の正常時又は通常供給時であり、第 2の状況は、異常検出時又はメンテナンス時である。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の燃料供給装置を適用した燃料電池システムの構成図である。

図 2は、本発明の変形例に係る燃料供給装置を適用した燃料電池システムの構成図である。発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料供給装置を説明する。ここでは、燃料電池システムの燃料ガス供給系統に、本発明の燃料供給装置を適用した例について説明する。図 1は、本実施形態の燃料供給装置 3 0を備えた燃料電池システム 1 0の構成図であり、特に、燃料ガス供給系統を中心に示す図である。

燃料電池システム 1 0は、燃料電池自動車（F C H V)、電気自動車、ハイブリツド自動車などの車両に搭載できる。ただし、燃料電池システム 1 0 は、車両以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池システム 1 0は、燃料電池 2 0を備える。燃料電池 2 0は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化ガスとしての空気との供給を受けて発電する。燃料ガス及び酸化ガスは、反応ガスと総称されるものである。燃料電池 2 0 は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタツク構造を備える。なお、図 1では、説明の便宜上、単セルの構造が燃料電池 2 0に模式的に示されている。

単セルは、電解質膜 2 1、燃料極 2 2及び空気極 2 3からなる M E A (膜電極接合体） 2 4を有する。電解質膜 2 1は、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜からなる。燃料極 2 2及び空気極 2 3は、電解質膜 2 1の両面に設けられている。単セルは、燃料極 2 2及び空気極 2 3を両側から挟みこむように一対のセパレータ 2 5， 2 6を有する。そして、セパレータ 2 5の燃料ガス流路 2 7に燃料ガスが供給され、セパレータ 2 6の酸化ガス流路 2 8に酸化ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池 2 0は電力を発生する。燃料電池 2 0で発電された電力は、トラクシヨンモータなどの負荷 5 0に供給される。

燃料供給装置 3 0は、 4つの燃料タンク 3 1 a〜3 1 dと、 4つの開閉弁 3 2 a〜3 2 dと、を有する。燃料タンク 3 1 a〜 3 1 dは、燃料供給先装置である燃料電池 2 0に対して並列に接続される。開閉弁 3 2 a〜3 2 dは、燃料タンク 3 1 a〜3 1 dごとに対応して設けられる。なお、燃料タンク及び開閉弁の数は任意である。燃料タンク 3 1 a〜3 1 dとしては、高圧水素ガスを貯蔵する高圧水素タンクや、水素を可逆的に吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金を貯蔵する水素吸蔵タンクの何れでもよい。高圧水素タンクであれば、例えば 3 5 M P aあるいは 7 O M P aの水素ガスが貯蔵される。なお、燃料タンク 3 1 a〜3 1 d は、 2 O M P aの圧縮天然ガスを貯蔵するものであってもよい。要するに、燃料タンク 3 1 a〜3 1 dは、燃料供給先装置である燃料電池 2 0に対して、燃料ガスを供給可能に貯蔵するものであればよい。

燃料タンク 3 1 a〜3 1 dから放出される燃料ガスは、供給流路 3 4を経由して燃料電池 2 0内の燃料ガス流路 2 7に供給される。供給流路 3 4は、燃料ガス流路 2 7に接続される集合流路 3 5と、集合流路 3 5から四股分岐された分岐流路 3 6 a〜3 6 dと、を有する。集合流路 3 5には、例えば一つの減圧弁 3 8が介設される。減圧弁 3 8の上流側及び下流側には、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ P 1及び P 2が設けられる。分岐流路 3 6 a 〜3 6 dは、燃料電池 2 0に対して並列に配設され、対応する燃料タンク 3 1 a〜3 1 dに接続される。また、分岐流路 3 6 a〜3 6 dには、対応する開閉弁 3 2 a〜3 2 dが介設される。

開閉弁 3 2 a〜3 2 dは、対応する燃料タンク 3 1 a〜3 1 dから放出される燃料ガスを遮断する。つまり、開閉弁3 2 &〜3 2 ₍1は、各燃料タンク 3 1 a〜3 1 dに対して元弁（主止弁）として機能するものである。開閉弁 3 2 a〜 3 2 dは、例えば電磁遮断弁からなり、制御装置 4 0に電気的に接続される。なお、詳述しないが、開閉弁 3 2 a〜3 2 dは、燃料タンク 3 1 a〜3 1 dの各口金に接続されるバルブアッセンプリに組み込む形式であつてもよいし、バルプアッセンブリの外側の配管に組み込む形式のいずれであつてもよい。また、燃料ガスを減圧するレギユレータを分岐流路 3 6 a〜3 6 dに設けてもよレヽ。

ここで、開閉弁 3 2 a〜3 2 dの口径（流路断面積）は、それぞれ同じサィズで構成され得る。本実施形態では、開閉弁 3 2 a 〜 3 2 dの各口径は、集合流路 3 5の配管径（流路断面積）よりも小さく構成される。一方で、開閉弁 3 2 a〜 3 2 dの各口径の総和は、集合流路 3 5の配管径よりも大きく構成される。したがって、全ての開閉弁 3 2 a〜 3 2 dを開いた場合には、集合流路 3 5の配管径に燃料ガスの流量が律速される。また、開閉弁 3 2 a のみを開いた場合には、開閉弁 3 2 aの口径に燃料ガスの流量が律速される。図 1からわかるように、燃料タンク 3 1 a 〜 3 1 dに貯蔵される燃料ガスは、各開閉弁 3 2 a〜 3 2 dを開弁することで分岐流路 3 6 a 〜 3 6 dに放出され、集合流路 3 5に流入し、燃料電池 2 0に供給される。このような燃料ガスの流れを考慮すれば、供給流路 3 4及び制御装置 4 0を含めて燃料供給装置 3 0として把握することが可能である。

制御装置 4 0は、内部に C P U, R OM, R AMを備えたマイクロコンビユータとして構成される。 C P Uは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、開閉弁 3 2 a 〜 3 2 dの開閉制御及び燃料供給装置 3 0の異常検出など、種々の処理や制御を行う。 R OMは、 C P Uで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。 R AMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置 4 0は、圧力センサ P 1及び P 2のほか、いずれも図示省略した電圧センサ、電流センサ、並びに、車両のアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力される。その入力結果に基づいて、制御装置 4 0 は、燃料電池システム 1 0の各構成要素に制御信号を出力する。特に、制御装置 4 0は、開閉弁 3 2 a 〜 3 2 dを次のように開閉制御する。

燃料電池システム 1 0の通常運転時や、燃料供給装置 3 0の正常時では、制御装置 4 0は、開閉弁 3 2 a 〜 3 2 dを全て同時に開弁する。例えば、燃料電池 2 0の要求出力に応じた燃料ガスを燃料電池 2 0に供給する場合には、全ての開閉弁 3 2 a 〜 3 2 dは同時に開弁され、この開弁状態を維持される。このため、全ての燃料タンク 3 1 a〜3 1 dから燃料ガスが放出される状態となる。そして、燃料電池システム 1 0の運転終了時には、制御装置 4 0は、開閉弁 3 2 a〜 3 2 dを全て同時に閉弁する。

このように、燃料電池システム 1 0の通常運転時に、全ての開閉弁 3 2 a 〜3 2 dを開いておくことで、燃料タンク 3 1 a〜3 1 dの使用頻度のバラツキを低減できると共に、燃料タンク 3 1 a〜3 1 d間での燃料ガスの逆流を防止できる。

より詳細に説明すると、通常運転時に例えば開閉弁 3 2 aのみを開弁し、燃料タンク 3 1 aのみからの燃料ガス放出をある程度行うと、燃料タンク 3 1 aの圧力が他の燃料タンク 3 1 b〜 3 1 dの圧力に比べて低下する。ここで、仮に燃料タンク 3 1 a内の燃料ガスが完全に消費されるのに前後して、開閉弁 3 2 bを開くならば、燃料タンク 3 1 bの燃料ガスは、燃料電池 2 0 のみならず、圧力の低い燃料タンク 3 1 aへと流れ得ることになる。したがつて、このような逆流現象を防止するために、制御装置 4 0は、通常運転時には開閉弁 3 2 a〜3 2 dを全て同時に開閉するようにしている。

ところが、異常時にあっては、供給流路 3 4を構成する配管のき裂等により、燃料ガスの漏れが発生する場合もある。このような燃料ガスの漏れは、配管内の圧力降下を伴うので、圧力センサ P I , P 2によって検出することができる。例えば、減圧弁 3 8の下流側の配管で燃料ガスの漏れが発生すると、圧力センサ P 2が検出する圧力値が減圧弁 3 8の設定二次圧よりも降下することになる。制御装置 4 0は、その圧力降下のレベルに応じて燃料ガスの漏れの有無を判定する。そして、燃料ガスが漏れていると判定されるときには、燃料電池 2 0の発電を停止した状態で燃料ガスを燃料電池 2 0に供給し、供給流路 3 4から実際に漏れが生じているのかを再チェックすることが好ましい。

本実施形態では、このような再チェックを実行する場合に、開閉弁 3 2 a 〜3 2 dを全て同時に開弁するのではなく、同時に開く開閉弁 3 2 a〜3 2 dの数を減らすようにしている。好ましくは、本実施形態では、再チェックする場合に、開閉弁 3 2 a〜3 2 dのいずれか一本のみを開弁するとよい。他の実施態様では、再チェックする場合に、燃料タンク 3 1 a〜3 1 dのうち、燃料ガスの貯蔵量の最も多い又は圧力の最も高い燃料タンクに対応する開閉弁のみを開弁してもよい。

したがって、本実施形態によれば、再チェックする場合に、同時に開く開閉弁 3 2 a〜3 2 dの数を減らしているので、燃料タンク 3 1 a〜3 1 d力らの燃料ガスの放出量を減らすことができる。特に、同時に開く開閉弁 3 2 a〜3 2 dの数を減らすほど、燃料タンク 3 1 a〜3 1 dからの燃料ガスの放出量を減らすことができる。例えば、開閉弁 3 2 aのみを開弁するのであれば、集合流路 3 5を流れる燃料ガスの流量は、集合流路 3 5の配管径ではなくて、それよりも小さい開閉弁 3 2 aの口径に律速される。このため、燃料タンク 3 1 aからの燃料ガスの放出量を最小限にできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料供給装置 3 0の状況に応じて、同時に開く開閉弁 3 2 a〜3 2 dの数を変更できる。よって、燃料供給装置 3 0の正常時等の状況（第 1の状況）では、燃料電池 2 0に燃料ガスを適切に供給しつつ、燃料タンク 3 1 a〜3 1 dをバランスよく使用できる。一方で、燃料供給装置 3 0の異常時等の状況（第 2の状況）では、燃料ガスの放出量を低減できる。また、同時に開く開閉弁 3 2 a〜3 2 dの数が減る分、消費電力も低減できる。

<変形例 >

他の実施態様では、制御装置 4 0は、異常検出後の再チェックの場合以外にも、同時に開く開閉弁 3 2 a〜3 2 dの数を減らしてもよい。例えば、上記のような燃料ガス漏れのために、供給流路 3 4の配管等を交換する場合もある。このような交換におけるメンテナンス時の再チェックの場合にも、同時に開く開閉弁 3 2 a〜3 2 dの数を減らしてもよい。

また、制御装置 4 0は、燃料電池 2 0への燃料ガスの供給がそもそも不要な場合には、同時に開く開閉弁 3 2 a〜3 2 dの数を減らしてもよい。ここで、「不要な場合」とは、上記した異常検出後の再チェックの場合や、メンテナンス時の再チェックの場合のほか、例えば、燃料電池 2 0の発電要求がない場合である。

図 2は、変形例に係る燃料供給装置 3 0 0を備えた燃料電池システム 1 0 を示す構成図である。図 1に示す燃料供給装置 3 0との大きな相違点は、燃料タンク 3 1 a〜3 1 dの二つごとに、開閉弁 3 2 e， 3 2 f を設けたことである。なお、図 1に示した符号と同一符号の装置等は同一の装置等を示すものであり、これらの詳細な説明を省略する。

開閉弁 3 2 e、 3 2 f は、それぞれ、集合流路 3 5から二股分岐された分岐流路 3 6 e， 3 6 f に介設される。分岐流路 3 6 eから分岐されている流路が、上記の分岐流路 3 6 a、 3 6 bであり、分岐流路 3 6 f から分岐されている流路が、上記の分岐流路 3 6 c、 3 6 dである。開閉弁 3 2 eは、燃料タンク 3 1 a、 3 1 bからなる第 1のタンク群に対して元弁として機能するものであり、燃料タンク 3 1 a、 3 1 bから放出される燃料ガスを遮断する。開閉弁 3 2 f は、燃料タンク 3 1 c、 3 1 dからなる第 2のタンク群に対して元弁として機能するものであり、燃料タンク 3 1 c、 3 I dから放出される燃料ガスを遮断する。

したがって、制御装置 4 0は、燃料供給装置 3 0の正常時等の状況（第 1 の状況）であれば、開閉弁 3 2 e、 3 2 f を同時に開閉する。一方、制御装置 4 0は、上記と同様の燃料供給装置 3 0の異常検出時又はメンテナンス時等の状況（第 2の状況）であれば、再チェックの再に、開閉弁 3 2 e、 3 2 f の一方のみを開弁する。これにより、同時に開く開閉弁 3 2 e、 3 2 f の数を減らすことができ、上記と同様に、燃料タンク 3 1 a〜 3 1 dからの燃料ガスの放出量を低減できる。

なお、タンク群に含める燃料タンクの数や開閉弁の数は任意である。要するに、複数の燃料タンクのいくつかごとに開閉弁を設ける構成であればよい。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料を貯蔵する複数の燃料タンクと、

前記燃料タンクごとに又はいくつかごとに設けられ、当該燃料タンクから放出される燃料を遮断する複数の開閉弁と、

前記開閉弁を開閉制御する制御装置と、

を備えた燃料供給装置において、

前記制御装置は、状況に応じて、同時に開く前記開閉弁の数を変更する、、. 燃料供給装置。

2 . 前記燃料タンクは、燃料供給先装置に対して並列に接続されており、前記制御装置は、前記燃料供給先装置に前記燃料タンクから燃料を供給する場合に、全ての前記開閉弁を同時に開く、請求項 1に記載の燃料供給装置。

3 . 前記制御装置は、異常検出後に、同時に開く前記開閉弁の数を減らす、請求項 1又は 2に記載の燃料供給装置。

4 . 前記制御装置は、燃料の漏れが発生した場合に、同時に開く前記開閉弁の数を減らす、請求項 1又は 2に記載の燃料供給装置。

5 . 前記燃料タンクからの燃料が供給される燃料電池を備え、

前記制御装置は、前記燃料電池の発電を停止した状態で、同時に開く前記開閉弁の数を減らす、請求項 4に記載の燃料供給装置。

6 . 前記燃料タンクから前記燃料電池へと燃料が流れる供給流路を備え、前記制御装置は、前記供給流路からの燃料漏れを検出した場合に、同時に開く前記開閉弁の数を減らす、請求項 5に記載の燃料供給装置。

7 . 前記供給流路内の燃料の圧力を検出する少なくとも一つの圧力センサを備え、

前記制御装置は、前記圧力センサに基づいて、前記供給流路からの燃料漏れの有無を判定する、請求項 6に記載の燃料供給装置。

8 . 前記制御装置は、当該燃料供給装置のメンテナンス時に、同時に開く前記開閉弁の数を減らす、請求項 1又は 2に記載の燃料供給装置。

9 . 燃料電池と、

前記燃料タンクから前記燃料電池へと燃料が流れる供給流路と、を備え、前記制御装置は、前記供給流路を構成する配管を交換する場合に、同時に開く前記開閉弁の数を減らす請求項 8に記載の燃料供給装置。

1 0 . 前記制御装置は、前記燃料供給先装置への燃料の供給が不要な場合に、同時に開く前記開閉弁の数を減らす、請求項 2に記載の燃料供給装置。

1 1 . 前記制御装置は、同時に開く前記開閉弁の数を減らす場合、いずれか一つの開閉弁を開く請求項 1ないし 1 0のいずれか一項に記載の燃料供給装置。

1 2 . 前記制御装置は、同時に開く前記開閉弁の数を減らす場合、燃料の貯蔵量の最も多い燃料タンクに対応する開閉弁のみ開弁する、請求項 1ないし 1 0のいずれか一項に記載の燃料供給装置。

1 3 . 前記制御装置は、同時に開く前記開閉弁の数を減らす場合、圧力の最も高い燃料タンクに対応する開閉弁のみ開弁する、請求項 1ないし 1 0のレ、ずれか一項に記載の燃料供給装置。

1 4 . 燃料供給先装置に対して並列に接続され、燃料を貯蔵する燃料タンクと、

前記燃料タンクごとに又はいくつかごとに^けられ、当該燃料タンクから放出される燃料を遮断する開閉弁と、

第 1の状況のときには、前記開閉弁を全て同時に開閉するように制御する制御装置と、

を備えた燃料供給装置において、

前記制御装置は、前記第 1の状況とは異なる第 2の状況のときに、同時に開く前記開閉弁の数を減らす、燃料供給装置。

1 5. 前記第 1の状況は、当該燃料供給装置の正常時である、請求項 14 に記載の燃料供給装置。

16. 前記第 2の状況は、当該燃料供給装置の異常検出時である、請求項 14又は 1 5に記載の燃料供給装置。

1 7. 前記第 2の状況は、当該燃料供給装置のメンテナンス時である、請求項 14又は 1 5に記載の燃料供給装置。