JP4984329B2 - 高圧タンク用のバルブ装置および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧タンク用のバルブ装置およびこれを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、この反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いている。この燃料電池に供給される燃料ガスは、高圧に圧縮されたうえで高圧タンク内に貯留される。この高圧タンクには、高圧タンク用バルブが設けられており、この高圧タンク用バルブには、高圧タンクに燃料ガスを流入させるための流入流路およびこの流入流路に設けられた逆止弁等を含むガス流入機構と、高圧タンクに貯留された燃料ガスを燃料電池に供給させるための供給流路およびこの供給流路に設けられた電磁弁等を含むガス供給機構とが設けられている（下記特許文献１および２参照）。
特開２００５−１８０４９６号公報 特開２００２−２０６６９６号公報

ところで、上述した従来の高圧タンク用バルブには、ガス流入機構とガス供給機構とが独立して設けられている。したがって、例えば、高圧タンクを複数搭載する燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）では、燃料ガスの充填口から各高圧タンク用バルブのガス流入機構までを接続する高圧配管と、各高圧タンク用バルブのガス供給機構から燃料ガスを燃料電池に供給するための燃料ガス供給流路までを接続する高圧配管とが、それぞれ高圧タンクの本数分設けられる。そして、高圧タンク用バルブに接続される高圧配管の本数が多いほど、コスト高、重量増、組み付け性悪化という各種の問題が深刻化する。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、高圧タンク用のバルブ装置に接続される高圧配管の本数を極力減少させることができる高圧タンク用のバルブ装置およびこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る高圧タンク用のバルブ装置は、高圧ガスを貯留する高圧タンクに装着される高圧タンク用のバルブ装置であって、高圧タンク内に貯留された高圧ガスを高圧タンク外に供給させ、高圧タンク内に貯留する高圧ガスを高圧タンク外から流入させるためのガス流路と、ガス流路から分岐し、分かれたまま前記高圧タンク内に通ずるガス供給流路およびガス流入流路と、ガス供給流路に設けられ、高圧タンク内から高圧タンク外への高圧ガスの供給を遮断または許容する遮断弁と、ガス流入流路に設けられ、高圧タンク内から高圧タンク外への高圧ガスの逆流を阻止する逆止弁と、を備え、上記ガス供給流路は、高圧タンク内から高圧タンク外側に向けて高圧ガスを供給させるための流路であり、上記ガス流入流路は、高圧タンク外側から高圧タンク内に向けて高圧ガスを流入させるための流路であり、前記逆止弁における流路面積が、前記遮断弁における流路面積よりも大きい、ことを特徴とする。

この発明によれば、高圧ガスの供給や流入を行う際に、高圧タンク用のバルブ装置に設けられた一のガス流路を介して高圧ガスの供給や流入を行うことができるため、高圧タンク用バルブ装置のガス流路に接続させる高圧配管を、高圧ガスの供給機能と流入機能とを兼ね備えた一本の高圧配管にすることができる。これにより、高圧タンク用バルブ装置に接続される高圧配管の本数を高圧タンクの本数と同数に抑えることができる。また、本発明によれば、上記逆止弁における流路面積を、上記遮断弁における流路面積よりも大きくすることができる。これにより、高圧ガスを充填しているときに、遮断弁側に流入する高圧ガスの量を、逆止弁側に流入する高圧ガスの量よりも少なくすることができるため、遮断弁の耐久性を向上させることができる。

本発明に係る燃料電池システムは、高圧ガスを貯留する一または複数の高圧タンクと、上述した高圧タンク用のバルブ装置と、高圧ガスを高圧タンクに充填する際の充填口と、高圧タンクから高圧ガスの供給を受ける燃料電池と、充填口から流入された高圧ガスを高圧タンク側に流入するための第一の高圧ガス流路と、高圧タンク側から燃料電池に高圧ガスを供給するための第二の高圧ガス流路と、第一の高圧ガス流路および第二の高圧ガス流路とバルブ装置のガス流路との間を接続するための第三の高圧ガス流路と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、高圧タンクから燃料電池に対して行われる高圧ガスの供給、および充填口から高圧タンクに対して行われる高圧ガスの流入を、高圧タンク用のバルブ装置に設けられた一のガス流路を介して行うことができるため、高圧ガスの供給機能と流入機能とを兼ね備えた第三の高圧ガス流路のみを高圧タンク用バルブ装置に接続させることができる。したがって、高圧タンク用バルブ装置に接続される第三の高圧ガス流路の本数を高圧タンクの本数と同数に抑えることができる。また、本発明によれば、上記逆止弁における流路面積を、上記遮断弁における流路面積よりも大きくすることができる。これにより、高圧ガスを充填しているときに、遮断弁側に流入する高圧ガスの量を、逆止弁側に流入する高圧ガスの量よりも少なくすることができるため、遮断弁の耐久性を向上させることができる。

本発明によれば、高圧タンク用バルブ装置に接続される高圧配管の本数を極力減少させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る高圧タンク用のバルブ装置およびこれを備える燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

本発明に係る高圧タンク用のバルブ装置およびこれを備える燃料電池システムは、高圧タンク用バルブ装置の燃料電池側および充填口側における燃料ガスの出入り口を一個所に集中させることで、燃料電池側の配管および充填口側の配管と高圧タンク用バルブ装置の上記出入り口とを接続するための高圧配管の本数を、高圧タンクの本数と同数に抑えるものである。以下に、このような特徴を有する高圧タンク用のバルブ装置およびそれを備える燃料電池システムの構成について詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガス（高圧ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

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

水素供給流路４１には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４３が設けられている。これにより、水素供給流路４１のうちのレギュレータ４３の上流側にあたる流路（第二の高圧ガス流路）には、高圧の水素ガスが流れ、水素供給流路４１のうちのレギュレータ４３の下流側にあたる流路には、二次圧に調圧（降圧）された後の水素ガスが流れることになる。

燃料供給源系５は、水素供給流路４１の上流側に並列に配置された水素タンク５０と、水素タンク５０の水素供給流路４１側に設けられる高圧バルブ５１（高圧タンク用のバルブ装置）と、水素ガスを水素タンク５０に充填する際の充填口５３と、充填口５３から流入された水素ガスを水素タンク５０側に流入させるための充填用流路５４（第一の高圧ガス流路）と、水素供給流路４１および充填用流路５４を連結する連結部５５と、連結部５５と高圧バルブ５１との間を接続するための高圧配管５２（第三の高圧ガス流路）と、を有する。

水素供給流路４１、充填用流路５４および高圧配管５２は、連結部５５を介して互いに接続される。

なお、水素タンク５０は二本であることには限定されない。例えば、一の水素タンクのみを水素供給流路４１の上流側に配置してもよいし、三本以上の複数の水素タンクを水素供給流路４１の上流側に並列に配置することとしてもよい。

ここで、図２を参照して、本実施形態における高圧タンク用のバルブ装置である高圧バルブ５１の構成について説明する。図２は、高圧バルブ５１を含む燃料供給源系５を模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料供給源系５は、水素タンク５０と、高圧バルブ５１と、高圧配管５２と、充填口５３と、充填用流路５４を有する。高圧バルブ５１は、水素ガス流出流路５１１（ガス供給流路）と、電磁弁５１２（遮断弁）と、水素ガス流入流路５１３（ガス流入流路）と、逆止弁５１４と、マニュアル弁５１５と、安全弁５１６とを有する。

水素ガス流出流路５１１は、水素タンク５０に貯留された水素ガスを水素タンク５０外にある燃料電池２に向けて供給させるための流路である。水素ガス流出流路５１１の一端は、継部５１７を介して高圧配管５２と接続されている。

電磁弁５１２は、水素ガス流出流路５１１に設けられ、水素タンク５０内から水素タンク５０外への水素ガスの供給を遮断または許容する弁である。電磁弁５１２は、パイロット型、直動型、マグナリフト型のいずれの電磁弁であってもよい。

水素ガス流入流路５１３は、水素タンク５０外の充填口５３から水素タンク５０内に向けて水素ガスを流入させるための流路である。水素ガス流入流路５１３は、水素ガス流出流路５１１のうち、マニュアル弁５１５と電磁弁５１２との間にある水素ガス流出流路５１１から水素タンク５０内に向けて分岐している。言い換えると、水素ガス流出流路５１１は、マニュアル弁５１５と電磁弁５１２との間を起点にし、水素タンク５０内に向けて水素ガス流出流路５１１と水素ガス流入流路５１３とに分岐する。

したがって、水素ガス流出流路５１１のうち、水素ガス流出流路５１１と水素ガス流入流路５１３とが合流している部分（ガス流路）は、水素タンク５０内に貯留された水素ガスを水素タンク５０外に供給させ、水素タンク５０内に貯留する水素ガスを水素タンク５０外から流入させるための流路となる。

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

ここで、一般に、電磁弁は、閉弁状態であるときには、ばねの力で弁体を閉弁状態に維持させるものが多い。したがって、閉弁状態である電磁弁に対して、電磁弁の二次側（下流側）から大きな圧力が加えられると、ばねの力では閉弁状態を維持することができなくなり、燃料ガスが流出してしまうことがある。このような現象が繰り返し行われると、電磁弁の寿命が短くなる等の不具合が生ずるおそれがある。したがって、本実施形態における高圧バルブ５１では、逆止弁５１４における流路面積を、電磁弁５１２における流路面積よりも大きくしている。

これにより、水素ガスを充填しているときに、電磁弁５１２側に流入する水素ガスの量を、逆止弁５１４側に流入する水素ガスの量よりも少なくすることができる。したがって、電磁弁の耐久性を向上させることができる。

なお、電磁弁の耐久性を向上させるためには、逆止弁５１４における流路面積を電磁弁５１２における流路面積よりも極力大きくすることが望ましい。ただし、この場合に、電磁弁５１２における流路面積は、燃料電池２に対して燃料ガスを十分に供給することができる面積を確保させる必要がある。

マニュアル弁５１５は、燃料電池システム１の点検時等に水素ガスの流出を遮断させるための手動式の弁である。安全弁５１６は、水素タンク５０内の温度が所定温度以上に上昇した場合に開弁させる弁である。フィルタＦ１〜Ｆ３は、水素ガスに含まれるゴミ等を取り除くことで水素ガスを濾過する装置である。

図１に示す水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。また、水素循環流路４２には、気液分離器４５および排気排水弁４６を介して排出流路４７が接続されている。気液分離器４５は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４６は、制御部６からの指令に従って、気液分離器４５で回収された水分と水素循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４６から排出された水素オフガスは、希釈器４８によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４４モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

ここで、制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、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ＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰや温度センサＴ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、水素ポンプ４４、排気排水弁４６および高圧バルブ５１等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システムにおける燃料ガス供給処理等の各種処理を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、水素タンク５０から燃料電池２への水素ガスの供給、および充填口５３から水素タンク５０への水素ガスの流入を、高圧バルブ５１に設けられた水素ガス流出流路５１１を介して行うことができるため、水素ガスの供給機能と流入機能とを兼ね備えた高圧配管５２のみを、高圧バルブ５１の水素ガス流出流路５１１の一端に接続させることができる。したがって、高圧バルブ５１に接続する高圧配管５２の本数を水素タンク５０の本数と同数に抑えることができる。

また、高圧バルブ５１に接続する高圧配管５２の本数を抑えることで、コストの低下、軽量化の促進、組み付け性の向上という各種の効果を奏することができる。

なお、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 実施形態における高圧バルブを含む燃料供給源系を模式的に示す構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…燃料供給源系、６…制御部、４１…水素供給流路、４３…レギュレータ、５０…水素タンク、５１…高圧バルブ、５２…高圧配管、５３…充填口、５４…充填用流路、５１１…水素ガス流出流路、５１２…電磁弁、５１３…水素ガス流入流路、５１４…逆止弁。

Claims (2)

1. 高圧ガスを貯留する高圧タンクに装着される高圧タンク用のバルブ装置であって、
   前記高圧タンク内に貯留された高圧ガスを前記高圧タンク外に供給させ、前記高圧タンク内に貯留する高圧ガスを前記高圧タンク外から流入させるためのガス流路と、
   前記ガス流路から分岐し、分かれたまま前記高圧タンク内に通ずるガス供給流路およびガス流入流路と、
   前記ガス供給流路に設けられ、前記高圧タンク内から前記高圧タンク外への高圧ガスの供給を遮断または許容する遮断弁と、
   前記ガス流入流路に設けられ、前記高圧タンク内から前記高圧タンク外への高圧ガスの逆流を阻止する逆止弁と、を備え、
   前記ガス供給流路は、前記高圧タンク内から前記高圧タンク外側に向けて高圧ガスを供給させるための流路であり、前記ガス流入流路は、前記高圧タンク外側から前記高圧タンク内に向けて高圧ガスを流入させるための流路であり、
   前記逆止弁における流路面積が、前記遮断弁における流路面積よりも大きい、
   ことを特徴とする高圧タンク用のバルブ装置。
2. 高圧ガスを貯留する一または複数の高圧タンクと、
   請求項１記載の高圧タンク用のバルブ装置と、
   高圧ガスを前記高圧タンクに充填する際の充填口と、
   前記高圧タンクから高圧ガスの供給を受ける燃料電池と、
   前記充填口から流入された高圧ガスを前記高圧タンク側に流入するための第一の高圧ガス流路と、
   前記高圧タンク側から前記燃料電池に高圧ガスを供給するための第二の高圧ガス流路と、
   前記第一の高圧ガス流路および前記第二の高圧ガス流路と前記バルブ装置の前記ガス流路との間を接続するための第三の高圧ガス流路と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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