(57)【要約】【課題】  燃料電池に対し、信頼性及び経済性を損ねることなくガスを供給する。【解決手段】  ガス供給システム１０において、燃料電池３０が起動される際には、電磁開閉弁３２０が開放されることによって、圧力低減部３００が動作する。電磁開閉弁３２０が開放されると、水素ガス流路２１０から補助流路３１０及びオリフィス３３０を経由する経路で、燃料電池３０に対して水素ガスが供給される。圧力低減部３００の動作時間が所定の値に達すると、制御部３００は、２次供給部２００における電磁開閉弁２２０を開放し、燃料電池３０に対し、水素ガス流路２１０から水素ガスを供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に対してガスを供給するためのガス供給システムであって、
前記ガスを貯蔵する貯蔵手段と、
前記貯蔵手段からのガスを所定の圧力に減圧するための減圧手段と、
前記減圧手段と前記燃料電池とを繋ぐ第１のガス流路に設けられる第１の開閉弁と、
前記第１のガス流路内のガスを、前記第１の開閉弁を介さずに前記ガス供給システム内において流動させることによって、前記第１のガス流路内の圧力を低減することが可能な圧力低減手段と
を具備することを特徴とするガス供給システム。
【請求項２】
前記圧力低減手段は、前記燃料電池が起動される場合に、前記第１のガス流路内のガスを流動させる
ことを特徴とする請求項１に記載のガス供給システム。
【請求項３】
前記第１のガス流路内の圧力状態に応じて前記第１の開閉弁を開閉する制御手段を更に具備することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス供給システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記圧力低減手段が前記第１のガス流路内のガスを流動させ始めてから予め定められた時間が経過した後に前記第１の開閉弁を開放する
ことを特徴とする請求項３に記載のガス供給システム。
【請求項５】
前記第１のガス流路内の圧力を計測する計測手段を更に具備し、
前記制御手段は、前記計測された圧力が前記所定の圧力以下である場合に前記第１の開閉弁を開放する
ことを特徴とする請求項３に記載のガス供給システム。
【請求項６】
前記圧力低減手段は、前記第１のガス流路内の圧力状態に応じて前記第１のガス流路内のガスを流動させる
ことを特徴とする請求項１に記載のガス供給システム。
【請求項７】
前記第１のガス流路内の圧力を計測する計測手段を更に具備し、
前記圧力低減手段は、前記計測された圧力が前記所定の圧力よりも大きい場合に、前記第１のガス流路内のガスを流動させる
ことを特徴とする請求項６に記載のガス供給システム。
【請求項８】
前記圧力低減手段は、
前記第１のガス流路に対して前記第１の開閉弁を迂回する様に分岐及び合流する補助流路と、
前記補助流路に設けられた第２の開閉弁と、
前記第２の開閉弁と相前後する様に前記補助流路に設けられ、通過するガスの流量を制限する制限手段とを具備する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のガス供給システム。
【請求項９】
前記圧力低減手段は、
前記第１のガス流路から、前記減圧手段を介さずに前記貯蔵手段へ繋がる第２のガス流路と、
前記第２のガス流路に設けられ、前記第１のガス流路内のガスを前記貯蔵手段へ充填する充填手段とを具備する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のガス供給システム。
【請求項１０】
前記充填手段は更に、前記貯蔵手段により貯蔵されるガスと同種のガスを前記貯蔵手段よりも低圧で貯蔵する外部貯蔵手段と接続可能に構成されており、前記第１の流路内のガス及び前記外部貯蔵手段に貯蔵されるガスのうち少なくとも一方を前記貯蔵手段へ充填する
ことを特徴とする請求項９に記載のガス供給システム。
【請求項１１】
前記充填手段は更に、前記充填手段に対し前記充填に要する動力を供給する動力供給手段と接続可能に構成される
ことを特徴とする請求項１０に記載のガス供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池にガスを供給するためのガス供給システムの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなガス供給システムの一例として、特許文献１に開示されたシステム（以下、「従来の技術」と称する）がある。
【０００３】
従来の技術によれば、タンク内の水素ガスが減圧弁によって所定の圧力まで減圧される際、減圧弁の故障等によってガスが十分に減圧されない場合は、ガス圧が所定の値に戻るまでこの高圧のガスを外界に放出することにより、燃料電池に高圧のガスが供給されることが防止されるとされている。
【０００４】
尚、高圧ガス用の圧力弁やレギュレータとしては、従来から各種の装置が開発されている（特許文献２及び３参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３７０５５０号公報
【特許文献２】特開平７−２１５２８９号公報
【特許文献３】実開平３−１０４２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術は、以下に示す問題点を有する。
【０００７】
未使用のガスを大気中に放出することは、ガスの有効利用の観点からは不適切であり、非経済的である。また、ガスの種類によっては大気中に放出すること自体が好ましくない場合がある。即ち、従来の技術では、信頼性及び経済性に優れたガスの供給が困難である。
【０００８】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、信頼性及び経済性に優れたガス供給システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するため、本発明に係るガス供給システムは、燃料電池に対してガスを供給するためのガス供給システムであって、前記ガスを貯蔵する貯蔵手段と、前記貯蔵手段からのガスを所定の圧力に減圧するための減圧手段と、前記減圧手段と前記燃料電池とを繋ぐ第１のガス流路に設けられる第１の開閉弁と、前記第１のガス流路内のガスを、前記第１の開閉弁を介さずに前記ガス供給システム内において流動させることによって、前記第１のガス流路内の圧力を低減することが可能な圧力低減手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る「燃料電池」とは、電解質膜を挟持するアノード電極及びカソード電極において生じる電気化学反応によって起電力を得る態様を有するものを総称し、例えば、固体高分子型燃料電池の一セル、又は当該セルが積層されたスタックを指す。このアノード電極、及びカソード電極には、夫々水素を含む燃料ガス、及び酸素を含む酸化剤ガスが供給される。本発明に係る「ガス」とは、例えば、これら燃料ガス又は酸化剤ガスを指すが、燃料電池に供給されるガスである限りにおいて、係るガスは如何なるガスであっても構わない。
【００１１】
本発明に係る「貯蔵手段」とは、本発明に係る「ガス」を貯蔵することが可能な手段であり、例えば、ガスボンベ又はガスタンク等がこれに相当する。係る貯蔵手段の態様は、ガスを貯蔵可能である限りにおいて何らの限定を受けないが、例えば、ガスボンベやガスタンク等は、ガスを高圧状態で貯蔵することが可能である。尚、この「高圧状態」とは、大気圧よりも高圧であることを指し（現行法律では１０気圧以上を指す）、特に車載燃料電池システムにおいては、３５０から７００気圧程度で貯蔵することが検討されている。尚、本発明において、貯蔵手段の数量は何ら限定されない。
【００１２】
この様に高圧状態で貯蔵されるガスは、例えば、減圧弁等、本発明に係る「減圧手段」によって燃料電池に供給可能な圧力、即ち、本発明に係る「所定の圧力」まで減圧される。一般に、係る所定の圧力とは数気圧、例えば、３気圧以下であるから、通常複数回の減圧を経て得られるが、本発明に係る「減圧手段」とは、減圧手段の個数、及び減圧の回数に依らず、貯蔵からのガスを最終的に所定の圧力まで減圧することが可能であるもの全てを総称するものである。尚、ここで「所定の圧力」は、厳密に単一の数値として規定されていてもよいが、燃料電池に供給可能な一定の圧力範囲として規定されていてもよい。
【００１３】
本発明に係るガス供給システムによれば、その動作時には、減圧手段によって所定の圧力に減圧されたガスが、減圧手段と燃料電池とを繋ぐ第１のガス流路に設けられた第１の開閉弁を介して燃料電池に供給される。
【００１４】
ここで、例えば、減圧手段が減圧弁である場合、減圧弁に異常や故障等が無くとも、その構造上、減圧弁を高圧側及び低圧（即ち、所定の圧力）側から押圧する力は夫々拮抗し、弁が無負荷に近くなっており、高圧側からガスが漏れやすくなっている。とりわけ、ガスが水素ガスである場合には、水素自体が軽いことと、比較的に高圧（例えば、３５０気圧）で貯蔵されること等に起因して、ガスが第１のガス流路内に漏れ易くなると考察される。係る事態に際し、仮に何らの対策もなされなければ、時間経過と共に第１のガス流路内の圧力は限りなく減圧手段の高圧側と等しい圧力となり、この状態で第１の開閉弁を開放すれば、燃料電池に過大な圧力波がかかり、異音が発生するだけでなく、燃料電池の破損又は損傷を招く恐れがある。特に、長時間放置しておくと、僅かの漏れによって、第１のガス流路内の圧力は限りなく減圧手段の高圧側と等しい圧力となり易い。
【００１５】
しかしながら、本発明に係るガス供給システムは、第１のガス流路内の圧力を低減可能な圧力低減手段を備えている。この圧力低減手段は、その動作時に、第１のガス流路内のガスを、第１の開閉弁を介さずにガス供給システム内において流動させる。圧力低減手段は、例えば、ガス供給システム内において、貯蔵手段内や第１のガス流路内よりも低圧力の部分と第１のガス流路内とを連通する。例えば、第１のガス流路内のガスを、貯蔵手段に戻したり、ガス供給システム内における他の部分に戻したりする。減圧手段からガスが漏れる速度は小さいから、この様にガス供給システム内を流動させることによって、比較的短時間である時間経過と共に、或いは瞬時に、第１のガス流路内の圧力は低減される。また、減圧手段は、元々貯蔵手段に高圧で貯蔵されるガスを所定の圧力まで減圧するために設けられるから、貯蔵手段内がガス欠乏しない限りは、第１のガス流路内の圧力は所定の圧力未満とはならない。即ち、本発明に係る減圧手段の作用によって、第１のガス流路内の圧力は徐々に所定の圧力に近付く様に低減される。従って、第１のガス流路内が所定の圧力よりも大きい圧力となっている場合には、圧力低減手段によって圧力を低減させた後に水素ガスを燃料電池に供給することが可能となり、燃料電池に対し、高圧のガスが供給されることがない。更には、この第１のガス流路内のガスは、本発明に係るガス供給システム内を流動するだけであるから、外部（外界）に対してガスが放出されることもない。従って、極めて信頼性及び経済性に優れているのである。
【００１６】
本発明に係るガス供給システムの一の態様では、前記圧力低減手段は、前記燃料電池が起動される場合に、前記第１のガス流路内のガスを流動させる。
【００１７】
減圧手段からガスが漏れる場合、時間経過と共に第１のガス流路内の圧力は高まる。ここで、燃料電池が動作中（即ち、発電中）であれば、燃料電池に対して絶えず、又は一定の時間間隔をおいて所定の圧力のガスが供給されているので、問題にならない。従って、第１のガス流路内が高圧となり易いのは、停止状態にある燃料電池が相応の停止期間を経て再び起動される場合である。係る態様では、この様に燃料電池が起動される場合に圧力低減手段が第１のガス流路内のガスを流動させるので、燃料電池に対し、効率的にガスを供給することが可能である。尚、ここで述べられる「起動される場合」とは、停止状態から起動される場合全てであってもよいし、第１のガス流路内の圧力が所定の圧力よりも大きくなったと判断される時間経過を経て起動される場合を指してもよい。
【００１８】
本発明に係るガス供給システムの他の態様では、前記第１のガス流路内の圧力状態に応じて前記第１の開閉弁を開閉する制御手段を更に具備する。
【００１９】
この態様によれば、第１の開閉弁は、制御手段によって、第１のガス流路内の圧力状態に応じて開閉が制御される。係る「圧力状態に応じて」とは、厳密に第１のガス流路内の圧力をパラメータとすることに限定されない。第１のガス流路内の圧力状態が変化する又は変化したと判断し得る、時間的、物理的又は化学的な変化によって、圧力状態が類推される場合も含んだ概念、例えば、圧力低減手段の動作時間等であってもよい。この態様によれば、この様に、第１の開閉弁が第１のガス流路内の圧力状態に応じて開閉されるため、燃料電池に対して効率良くガスの供給を行うことが可能となる。
【００２０】
制御手段を備えるガス供給システムの一の態様では、前記制御手段は、前記圧力低減手段が前記第１のガス流路内のガスを流動させ始めてから予め定められた時間が経過した後に前記第１の開閉弁を開放する。
【００２１】
本発明に係る制御手段は、第１のガス流路内の圧力状態に応じて第１の開閉弁を制御するが、係る圧力状態は、第１のガス流路及びこのガス流路と連通する他のガス流路、即ち、圧力低減手段によってガスが流動する経路となる流路の容積が決定されていれば、予めシミュレーション等によって予測することが可能であり、また、この様な容積が判明していなくとも、実験的又は経験的に取得又は予測が可能である。従って、第１のガス流路内の圧力は、必ずしも実測される必要性はない。この様に、第１のガス流路内の圧力が、実験的、経験的、又はシミュレーション等によって取得又は予測可能な場合には、第１のガス流路内の圧力が所定の圧力まで減圧されたと判断し得る時間経過に従って第１の開閉弁が開放されることによって、燃料電池に対して効率的にガスを供給することが簡便にして可能となる。尚、既に述べた様に、第１のガス流路内の圧力は、理論的には所定の圧力未満とはならないから、上述の予測を伴わない単純な時間経過と共に第１の開閉弁が開放されてもよい。この際には、相応のマージンが付与された比較的に見て長い時間経過と共に第１の開閉弁が開放されてもよい。
【００２２】
制御手段を備えるガス供給システムの他の態様では、前記第１のガス流路内の圧力を計測する計測手段を更に具備し、前記制御手段は、前記計測された圧力が前記所定の圧力以下である場合に前記第１の開閉弁を開放する。
【００２３】
係る態様によれば、第１のガス流路内の圧力が計測手段によって計測されると共に、第１の開閉弁は係る圧力が所定の圧力以下である場合に開放されるから、燃料電池に対して極めて安全にガスを供給することが可能となる。
【００２４】
本発明に係るガス供給システムの他の態様では、前記圧力低減手段は、前記第１のガス流路内の圧力状態に応じて前記第１のガス流路内のガスを流動させる。
【００２５】
この態様によれば、圧力低減手段が、第１のガス流路内の圧力状態に応じてガスを流動させる。ここで述べられる「圧力状態に応じて」とは、即ち、前述した様に、厳密に係る圧力の値に基づく場合も、何らかの方法により予め予測又は取得されている第１のガス流路内の圧力に基づく場合も含まれる。この様に、圧力状態に応じて第１のガス流路内のガスを流動させる場合には、燃料電池に対する効率的なガスの供給が可能となる。
【００２６】
圧力低減手段が第１のガス流路内の圧力状態に応じてガスを流動させるガス供給システムの一の態様では、前記第１のガス流路内の圧力を計測する計測手段を更に具備し、前記圧力低減手段は、前記計測された圧力が前記所定の圧力よりも大きい場合に、前記第１のガス流路内のガスを流動させる。
【００２７】
第１のガス流路内の圧力が、所定の圧力とみなし得る範囲にある場合には、第１のガス流路内の圧力を低減する必要性は特別生じない。この態様では、第１のガス流路内の圧力が計測されるので、第１のガス流路内の圧力が所定の圧力よりも大きい場合に第１のガス流路内のガスを流動させることが可能である。従って、燃料電池に対し、極めて効率的にガスを供給することが可能となる。
【００２８】
本発明に係るガス供給システムの他の態様では、前記圧力低減手段は、前記第１のガス流路に対して前記第１の開閉弁を迂回する様に分岐及び合流する補助流路と、前記補助流路に設けられた第２の開閉弁と、前記第２の開閉弁と相前後する様に前記補助流路に設けられ、通過するガスの流量を制限する制限手段とを具備する。
【００２９】
この態様によれば、圧力低減手段の動作時、第１のガス流路内のガスは、第１の開閉弁を迂回する様に設けられた補助流路を通り、開放された第２の開閉弁、及び制限手段を介して燃料電池に供給される。ここで、「制限手段」とは、この制限手段を通過するガスの流量を制限することが可能なものとして定義され、例えば、オリフィス等である。制限手段をオリフィスとした場合には、補助流路内の圧力を簡便にして低減可能であるが、オリフィスに限らず、係る定義の範囲で制限手段の態様は自由である。例えば、流路抵抗の大きい多孔質のフィルターであっても良い。
【００３０】
この様に、この補助流路に導かれるガスは、係る制限手段の作用によって相応に減圧された後、燃料電池に供給されるから、燃料電池が高圧のガスによって破損又は損傷することがない。また、この態様では、第１のガス流路内の圧力が所定の圧力より大きくても、燃料電池にガスを供給することが可能であるから、係る圧力を所定値に戻すまでの時間遅延を低減することが可能となり効果的である。
【００３１】
尚、第１のガス流路内の圧力が所定の圧力に戻った、又は戻ったと判断された際には、第１の開閉弁が開放されてもよい。また、第１の開閉弁が開放されたのに伴って、第２の開閉弁が閉鎖されてもよい。即ち、第１のガス流路内の圧力を低減させようとする時間内において、第１及び第２の開閉弁が夫々閉鎖及び開放されている限りにおいて、第１及び第２の開閉弁の開閉のタイミングは自由に決定されてよい。
【００３２】
本発明に係るガス供給システムの他の態様では、前記圧力低減手段は、前記第１のガス流路から、前記減圧手段を介さずに前記貯蔵手段へ繋がる第２のガス流路と、前記第２のガス流路に設けられ、前記第１のガス流路内のガスを前記貯蔵手段へ充填する充填手段とを具備する。
【００３３】
この態様によれば、圧力低減手段の動作時、第１のガス流路内のガスは、第１のガス流路から減圧手段を介することなく貯蔵手段へ繋がる第２のガス流路に導かれ、この第２の流路上に設けられた充填手段によって、貯蔵手段に再び貯蔵される。従って、第１のガス流路内の圧力は徐々に低減される。また、例えば、第１のガス流路内の圧力が、第１の開閉弁が閉じられたまま、減圧手段によって提供される所定の圧力まで低減された場合には、第１のガス流路内のガスは、貯蔵手段、減圧手段、及び圧力低減手段を含む循環経路で循環する。
【００３４】
ここで、「充填手段」とは、減圧手段から第２の流路を通って貯蔵手段へ向かうガスの流れを生じさせることが可能であれば如何なる態様を有していてもよいが、例えば、コンプレッサ等の圧縮機であれば、貯蔵手段に効率よくガスを充填することが可能である。また、この第２のガス流路から貯蔵手段へと向かう経路には、貯蔵手段からのガスの逆流を防ぐ目的から、何らかの逆流防止手段が講じられていてもよい。
【００３５】
この態様によれば、ガスを極めて効率良く使用可能となって、高い経済性が提供される。
【００３６】
このような充填手段を備えるガス供給システムにおいては、前記充填手段は更に、前記貯蔵手段により貯蔵されるガスと同種のガスを前記貯蔵手段よりも低圧で貯蔵する外部貯蔵手段と接続可能に構成されており、前記第１の流路内のガス及び前記外部貯蔵手段に貯蔵されるガスのうち少なくとも一方を前記貯蔵手段へ充填してもよい。或いは、前記充填手段は更に、前記充填手段に対し前記充填に要する動力を供給する動力供給手段と接続可能に構成されてもよい。
【００３７】
このような場合、例えば、この態様に係るガス供給システムを備える燃料電池システムが搭載された自動車などに対し、家庭などに設置された電気分解装置から発生するガスを、充填手段を介して充填することが簡便にして可能となる。或いは、この際に充填手段の動力及び制御用の電源など充填に要する動力を外部から取り込むことが可能となる。従って、貯蔵手段内のガスが不足した場合にも簡便にガスを充填することが可能である。尚、この場合、第２のガス供給路と、係る外部からの充填に係るガス流路とは、少なくとも一部が相互に共通に構成されていてもよい。
【００３８】
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態により明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
＜実施形態＞
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
＜ガス供給システム１０の構成＞
始めに、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るガス供給システムの構成について説明する。ここに、図１は、ガス供給システム１０の概略構成図である。
【００４０】
図１において、ガス供給システム１０は、１次供給部１００、２次供給部２００、圧力低減部３００、及び制御部４００を備える。また、１次供給部１００には、補充部２０が、また２次供給部には燃料電池３０が夫々接続されている。
【００４１】
１次供給部１００は、水素ガスタンク１１０、補充用配管１２０、逆流防止弁１３０、供給用配管１４０、１次減圧弁１５０、供給用集合配管１６０、補充用集合配管１７０、及び２次減圧弁１８０を備える。
【００４２】
水素ガスタンク１１０は、本発明に係る「貯蔵手段」の一例であり、本発明に係る「ガス」の一例たる水素ガスを約３５０気圧の高圧で貯蔵している。水素ガスタンク１１０は、ガス供給システム１０内に全部で４本設置されており、夫々同一の構成を有している。尚、水素ガスタンク１１０に貯蔵される際の水素ガスの内圧は、ここで述べる３５０気圧に限定されることはなく、通常のガスボンベ等と同様に２００気圧前後であってもよいし、更に高圧の７００気圧程度であってもよい。
【００４３】
水素ガスタンク１１０は、補充用配管１２０を備える。この補充用配管１２０は、水素ガスタンク１１０内の水素ガスが、後述する燃料電池３０の動作過程において欠乏した、又は欠乏すると予測される場合に、図示せぬ補充源から水素ガスタンク１１０に対し、後述する補充部２０を介して水素ガスを適宜補充することが可能に構成されている。また、補充用配管１２０には、逆流防止弁１３０が設けられており、この逆流防止弁１３０は、水素ガスタンク１１０内の水素ガスが、補充用配管１２０を介して外部に逆流することを防止するように構成されている。更に、各水素ガスタンク１１０に設けられた補充用配管１２０は、補充用集合配管１７０と夫々気密を保って連通している。
【００４４】
補充部２０は、この補充用集合配管１７０の端部に接続されており、水素ガス補充用カプラ２１、及び逆流防止弁２２を備える。水素ガス補充用カプラ２１は、係る補充の際に、図示せぬ補充源と気密を保って接続することが可能に構成されている。また、逆流防止弁２２は、逆流防止弁１３０と同様に、水素ガスが水素ガス補充用カプラ２１から補充源の方向に向かって逆流することを防止することが可能な様に、補充用集合配管１７０上に設けられている。
【００４５】
水素ガスタンク１１０は、補充用配管１２０とは別に、供給用配管１４０を備える。この供給用配管１４０には１次減圧弁１５０が設けられており、各水素ガスタンク１１０から伸びる供給用配管１４０は、夫々この１次減圧弁１５０を介して、供給用集合配管１６０に気密を保って連通している。この供給用集合配管１６０の端部には、２次減圧弁１８０が設けられている。
【００４６】
２次供給部２００は、水素ガス流路２１０、及び電磁開閉弁２２０を備える。
【００４７】
水素ガス流路２１０は、本発明に係る「第１のガス流路」の一例であり、２次減圧弁１８０を介して、供給用集合配管１６０と気密を保って連通している。水素ガス流路２１０は、水素ガスタンク１１０内に貯蔵される水素ガスが、この水素ガス流路２１０を介して燃料電池３０に供給される様に構成されている。
【００４８】
電磁開閉弁２２０は、本発明に係る「第１の開閉弁」の一例であり、水素ガス流路２１０上に設けられている。この電磁開閉弁２２０は、後述する制御部４００によって、開放又は閉鎖の何れかの状態に制御されており、開放された状態において、水素ガス流路２１０内の水素ガスが燃料電池３０に供給される様に構成されている。
【００４９】
尚、補充用配管１２０と補充用集合配管１７０とは、最初から一本の配管として構成されていてもよい。同様に、供給用配管１４０と供給用集合配管１６０とが一本の配管として構成されていてもよい。更に、供給用集合配管１６０と水素ガス流路２１０とが一本の配管として構成されていてもよい。
【００５０】
ここで、燃料電池３０について説明する。燃料電池３０は、本発明に係る「燃料電池」の一例たる固体高分子型燃料電池のスタックである。このスタックは、複数の燃料電池セルから構成されている。個々燃料電池セルは、アノード電極、カソード電極、及びこれらの間に挟持された電解質膜（何れも図示を省略する）を有しており、アノード電極の水素と、カソード電極の酸素とを、電解質膜を介して電気化学的に反応させることによって起電力を生成することが可能なように構成されている。このアノード電極の水素とは、即ち、水素ガス流路２１０を介して燃料電池３０に供給される水素ガスであり、ガス供給システム１０は、この燃料電池３０への水素ガスの供給を制御するためのシステムである。
【００５１】
尚、図１において、燃料電池３０のカソード電極に対して酸素を含んだ酸化剤ガスを供給するための経路は省略されている。
【００５２】
圧力低減部３００は、補助流路３１０、補助流路３１０上に設けられた電磁開閉弁３２０、及び補助流路３２０上で、電磁開閉弁３２０の後段に設けられたオリフィス３３０を備える。
【００５３】
補助流路３１０は、電磁開閉弁２２０よりも２次減圧弁１８０側において、水素ガス流路２１０から分岐すると共に、電磁開閉弁２２０よりも燃料電池３０側において再び水素ガス流路２１０に合流する様に構成されている。補助流路３１０は、即ち、電磁開閉弁２２０を迂回する、本発明に係る「補助流路」の一例である。尚、補助流路３１０は、水素ガス流路２１０と同様の材質及び形状を有する流路であるが、後述する、本実施形態に係る効果を阻害しない範囲で、その材質及び形状は自由である。
【００５４】
電磁開閉弁３２０は、本発明に係る「第２の開閉弁」の一例であり、電磁開閉弁２２０と同様に、制御部４００と電気的に接続されている。電磁開閉弁３２０は、制御部４００による制御に従って、開放又は閉鎖の何れかの状態に制御される。
【００５５】
オリフィス３３０は、本発明に係る「制限手段」の一例である。ここで、オリフィス３３０について、図２を参照して説明する。ここに、図２は、オリフィス３３０の略断面図である。尚、図２（ａ）は、補助流路に沿った方向の断面を示しており、図２（ｂ）は、補助流路に直交する方向の断面を示している。
【００５６】
図２（ａ）において、オリフィス３３０は、金属製の円筒部３３１と、円筒部３３１内に設置された円板部３３２からなる。円筒部３３１は、補助流路３１０（図２では省略）と内径が等しくなる様に、また気密を保って連通しており、従って、円板部３３２を除けば、補助流路３１０とオリフィス３３０とは、一つの流路を構成している。尚、このオリフィス３３０を構成する材料は、水素ガスに対して化学的に安定である限りにおいて自由である。
【００５７】
図２（ｂ）において、円板部３３２は、円板状の基材３３２ａに複数の絞り孔３３２ｂを有してなり、その設置箇所において、円筒部３３１の断面を気密的且つ部分的に覆っている。従って、この円板部３３２の設置箇所においては排気抵抗が増大するため、通過するガスの流量が変化する。尚、オリフィス３３０において、絞り孔３３２ｂの数量及びサイズはオリフィス３３０を通過するガスに何らかの排気抵抗を付与することが可能な限りにおいて、如何なる限定も受けるものではなく、それに伴い、オリフィス３３０の内部構造も何ら限定されるものではない。例えば、オリフィス３３０は、円板部３３２が複数配された構成を有していてもよい。
【００５８】
図１に戻り、圧力低減部３００は、補助流路３１０内の水素ガスが、電磁開閉弁３２０及びオリフィス３３０を通過した後に水素ガス流路２１０に合流する様に構成されている。
【００５９】
制御部４００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１０、及びメモリ４２０を備える。
【００６０】
ＣＰＵ４１０は、本発明に係る「制御手段」の一例であり、電磁開閉弁２２０及び電磁開閉弁３２０に夫々電気的に接続され、これらの開閉状態を制御する。メモリ４２０は、ＣＰＵ４１０と電気的に接続された記憶手段であり、ＣＰＵ４１０が電磁開閉弁２２０及び電磁開閉弁３２０を開閉する際の開閉条件、例えば、後述する経過時間のリファレンス値Ｔ０等を記憶している。メモリ４２０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）の様な読み出し専用の記憶手段であってもよいし、また、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の書き換え可能な記憶媒体であってもよい。
【００６１】
また、制御部４００は、図示せぬ制御装置から発信される、燃料電池３０を起動するための起動命令及び燃料電池３０を停止させるための停止命令に基づいて、ＣＰＵ４１０が上述の開閉動作を制御することが可能な様に構成されている。
＜ガス供給システム１０の動作＞
次に、同じく図１を参照して、上記構成を有するガス供給システム１０の動作について説明する。
【００６２】
水素ガスは、水素ガスタンク１１０内において、３５０気圧の内圧で貯蔵されている、供給用配管１４０に設けられた１次減圧弁１５０は、係る水素ガスの圧力を数十気圧程度の１次圧力まで減圧する。従って、この１次減圧弁１５０と連通する供給用集合配管１６０内の圧力は、係る１次圧力に保たれている。
【００６３】
２次減圧弁１８０は、係る１次圧力を、更に燃料電池３０への供給に適した２次圧力Ｐ０まで減圧する。この２次減圧弁１８０によって、水素ガス流路２１０内の圧力は、通常、圧力Ｐ０に保たれている。１次減圧弁１５０及び２次減圧弁１８０は、本発明に係る「減圧手段」の一例であり、圧力Ｐ０とは即ち、本発明に係る「所定の圧力」の一例である。尚、本実施形態において、「圧力Ｐ０」とは、単一の値で規定される圧力ではなく、燃料電池３０を適正に動作させ得る、予め定められた圧力範囲内で規定される圧力を指すこととする。
【００６４】
ところで、相応の停止期間を経た燃料電池３０においては、２次減圧弁１８０から漏れた水素ガスによって、水素ガス流路２１０内の圧力が圧力Ｐ０を超えている場合がある。係る圧力は、停止期間が長時間に亘る場合には、例えば、供給用集合配管１６０内と同等な圧力、即ち、数十気圧程度まで上昇する。更に、減圧手段が、本実施形態の様に二段構成でなく、水素ガスタンク１１０から一回の減圧で圧力Ｐ０まで減圧する様に構成されている場合には、水素ガス流路２１０内は数百気圧まで上昇することも考えられる。この様な高圧のガスが何らの減圧もなされぬまま燃料電池３０に供給された場合には、燃料電池３０が破損又は損傷する恐れがある。そこで、ガス供給システム１０は、燃料電池３０の起動時において、以下に説明する起動処理を行うことによって、燃料電池３０に対する安定な水素ガスの供給を可能としている。
＜起動処理の詳細＞
以下に、図３を参照して、ガス供給システム１０における起動処理について説明する。ここに、図３は、起動処理のフローチャートである。尚、ガス供給システム１０において、燃料電池３０が停止している状態では、電磁開閉弁２２０及び電磁開閉弁３２０は共に閉鎖されている。
【００６５】
図３において、始めに、ＣＰＵ４１０は、燃料電池３０の起動命令の有無を判別する（ステップＳ２０１）。ガス供給システム１０において、ＣＰＵ４１０は、燃料電池３０が停止している状態において、一定のクロックタイミング毎に起動命令の有無を監視している。起動命令が無いと判別された場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）、ＣＰＵ４１０は、起動命令が有るまでステップＳ２０１を繰り返す。
【００６６】
燃料電池３０の起動を指示する起動命令を受け取ると（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ４１０は、電磁開閉弁３２０を開放し、水素ガス流路２１０内の水素ガスを補助流路３１０、及びオリフィス３３０を介して燃料電池３０に供給する（ステップＳ２０２）。
【００６７】
オリフィス３３０を通過した水素ガスは、絞り孔３３２ｂによって増大した排気抵抗によって減速しているため、燃料電池３０には、水素ガス流路２１０内の圧力よりも圧力が低減された状態で水素ガスが供給される。
【００６８】
一方、電磁開閉弁３２０を開放すると、ＣＰＵ４１０は、内蔵するタイマによって、電磁開閉弁３２０が開放された時点からの経過時間Ｔ１の監視を開始する（ステップＳ２０３）。メモリ４２０には、水素ガス流路２１０内の圧力が圧力Ｐ０以下となったか否かを判別するための経過時間のリファレンス値Ｔ０が予め記憶されている。ＣＰＵ４１０は、経過時間Ｔ１が、係るリファレンス値Ｔ０以上であるか否かを判別する（ステップＳ２０４）。
経過時間Ｔ１が、Ｔ０に満たない場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）、ＣＰＵ４１０は、ステップＳ２０４を繰り返すと共に、経過時間Ｔ１が、Ｔ０以上となった場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、ＣＰＵ４１０は、電磁開閉弁２２０を開放し、水素ガス流路２１０を介して燃料電池３０に水素ガスを供給する（ステップＳ２０５）。
【００６９】
ここで、メモリ４２０に記憶される経過時間のリファレンス値Ｔ０は、圧力低減部３００が動作している時間（即ち、電磁開閉弁３２０が開放されている時間）と、水素ガス流路２１０内の圧力との相関関係に基づいて、水素ガス流路２１０内の圧力が圧力Ｐ０以下となる（厳密には、平常時には２次減圧弁１８０の作用によって、圧力Ｐ０未満にはならない）、又は、圧力Ｐ０以下になると予想される値に設定されている。尚、係る相関関係は、予め、経験的、実験的、又はシミュレーション等により取得されている。また、圧力上昇が生じると予想される水素ガス流路２１０の容積は、燃料電池３０に対して十分小さいから、係る相関関係が明確に取得されていない場合であっても、水素ガス流路２１０内の圧力がＰ０以下となる時間が予測できる場合には、その様な時間、又はその様な時間にマージンを付加した時間がリファレンス値Ｔ０として設定されてもよい。また、これとは逆に、所望の経過時間で水素ガス流路２１０内の圧力が圧力Ｐ０に戻る様に、オリフィス３３０及び補助流路３１０が構成されていてもよい。
【００７０】
電磁開閉弁２２０が開放されると、ＣＰＵ４１０は、電磁開閉弁３２０を閉鎖し（ステップＳ２０６）、本実施形態に係る起動処理が終了する。電磁開閉弁３２０が閉鎖されることによって、燃料電池３０に水素ガスを供給するための経路は、水素ガス流路２１０のみとなり、補助流路３１０を併用している場合と比較すれば、水素ガスを効率的に使用することが可能となる。但し、電磁開閉弁２２０が開放された時点で、水素ガス流路２１０内の圧力はＰ０以下となっているはずであるから、電磁開閉弁３２０は閉鎖されなくても何らの問題も生じない。即ち、この水素ガス流路２１０と補助流路３１０の両者を介して燃料電池３０に水素ガスが供給されてもよい。この場合、電磁開閉弁２２０が開放された時点で係る起動処理が終了してもよい。或いは、ステップＳ２０２〜Ｓ２０４における電磁開閉弁３２０の開放によって水素ガス流路２１０内の減圧が十分に行われた後であれば、ステップＳ２０６における電磁開閉弁３２０の閉鎖を、ステップＳ２０５における電磁開閉弁２２０の開放に先立って行うことも可能である。
【００７１】
尚、既に述べた様に、ＣＰＵ４１０は燃料電池３０を停止させるための停止命令も取得可能に構成されている。係る停止命令に基づいて燃料電池３０を停止させる場合、ＣＰＵ４１０は、電磁開閉弁２２０を（場合によっては更に電磁開閉弁３２０を）閉鎖し、燃料電池３０への水素ガスの供給を停止させることによって、燃料電池３０を停止させる。
【００７２】
この様に、本実施形態に係るガス供給システム１０によれば、水素ガス流路２１０内の圧力が圧力Ｐ０よりも大きいと考えられる、燃料電池３０の起動時には、圧力低減部３００が動作し、減圧された水素ガスを燃料電池３０に供給することが可能であるから、極めて高い信頼性を有している。また、水素ガス流路２１０内のガスは、経路は異なっても最終的に燃料電池３０の発電に供されることに変わりはなく、水素ガスが無駄に消費されることがない。従って、極めて経済性に優れている。
【００７３】
尚、ＣＰＵ４１０は、燃料電池３０が停止してからの時間経過を取得可能に構成されていてもよい。停止してからの経過時間は、一定の時間範囲においては水素ガス流路２１０内の圧力上昇と相関を有するから、係る経過時間に応じて、経過時間のリファレンス値が異なっていてもよい。この際、メモリ４２０には、係る複数のリファレンス値が記憶されていれば好適である。この場合には、例えば、燃料電池３０を常に最適に起動することが可能となる。
＜第２実施形態＞
本発明に係るガス供給システムの実施の態様は、上述の第１実施形態に係るガス供給システム１０に限定されない。以下に、本発明の第２実施形態に係るガス供給システムについて説明する。
＜ガス供給システム４０の構成＞
始めに、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係るガス供給システムの構成について説明する。ここに、図４は、ガス供給システム４０の概略構成図である。尚、図４において、上述の図１と夫々重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７４】
図４において、ガス供給システム４０は、第１実施形態に係るガス供給システム１０と比較して、圧力低減部３００の代わりに圧力低減部５００を備える点が異なっている。
【００７５】
圧力低減部５００は、水素ガス流路２１０から補充用集合配管１７０へと連通する循環流路５１０、循環流路５１０上に設けられた圧縮機５２０、圧縮機６３０を駆動するモータ５３０、及び水素ガス流路２１０内の圧力を測定可能な圧力計５４０を備える。
【００７６】
循環流路５１０は、水素ガス流路２１０と同様の構成をもった流路であり、一方の端部において水素ガス流路２１０と気密を保って連通している。この循環流路５１０の他端部は、補充用集合配管１７０と気密を保って連通している。循環流路５１０は、本発明に係る「第２のガス流路」の一例である。
【００７７】
圧縮機５２０は、水素ガス流路２１０から補充用集合配管１７０へと向かうガス流を作り出すことが可能に構成された、本発明に係る「充填手段」の一例である。
【００７８】
モータ５３０は、制御部４００と電気的に接続されており、ＣＰＵ４１０の制御に従って、圧縮機５２０を駆動することが可能に構成されている。
【００７９】
圧力計５４０は、水素ガス流路２１０内の圧力を測定可能に構成された、本発明に係る「計測手段」の一例である。圧力計５４０も、モータ５３０と同様に制御部４００と電気的に接続されており、ＣＰＵ４１０による制御に従って、係る圧力を測定することが可能である。この測定された圧力は、一定のタイミングで、絶えず制御部４００によって監視されている。尚、メモリ４２０には、水素ガス流路２１０内の圧力のリファレンス値（即ち、圧力Ｐ０に相当する値）が予め記憶されている。圧力低減部５００は以上の様に構成されている。
＜起動処理の詳細＞
次に、図５を参照して、ガス供給システム４０における起動処理について説明する。ここに、図５は、ガス供給システム４０における起動処理のフローチャートである。尚、図５において、上述の図３と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８０】
図５において、ＣＰＵ４１０は、起動命令が有った場合、圧力計５４０によって測定された水素ガス流路２１０内の圧力Ｐ１が、メモリ４２０に記憶された圧力のリファレンス値Ｐ０以下であるか否かを判別する（ステップＳ３０１）。水素ガス流路２１０内の圧力が何らかの原因により圧力Ｐ０よりも大きかった場合（ステップＳ３０１：ＮＯ）、ＣＰＵ４１０は、モータ５３０を動作させ、圧縮機５２０を動作させる（ステップＳ３０２）。また、ステップＳ３０１において、既に水素ガス流路２１０内の圧力が圧力Ｐ０以下であった場合には（ステップＳ３０１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ４１０は、処理をステップＳ２０５まで移行させる。
【００８１】
圧縮機５２０が動作すると、水素ガス流路２１０内の存在する水素ガスは、圧縮機５２０が作り出すガス流によって、循環流路５１０内を補充用集合配管１７０の方向へ流れ始める。補充用集合配管１７０は、逆流防止弁２２の作用によって、ガス流が水素ガス補充用カプラ２１を外部に向かって通過することが防止されているため、補充用配管１２０を通って、各水素ガスタンク１１０へと供給される。即ち、圧縮機５２０の作用により、一旦水素ガス流路２１０まで供給された水素ガスが再び水素ガスタンク１１０まで還流することとなる。
【００８２】
この様な水素ガスの還流が続くと、徐々に水素ガス流路２１０内の圧力は低減され、２次減圧弁１８０によって制御される水素ガス流路２１０の圧力（即ち、圧力Ｐ０）に近づく。但し、圧力Ｐ０未満まで瞬間的に水素ガス流路２１０内の圧力が下がったとしても、瞬時に２次減圧弁１８０が開放されて水素ガスが水素ガス流路２１０内に供給されるため、水素ガス流路２１０内の圧力は、圧力Ｐ０に保たれる。この状態では、結局、水素ガスは、水素ガス流路２１０から循環流路５１０、補充用集合配管１７０、補充用配管１２０、供給用配管１４０、及び供給用集合配管１６０を順次通過する経路で再び水素ガス流路２１０に戻ることとなる。即ち、水素ガスは単にガス供給システム４０内を循環するのみである。
【００８３】
ＣＰＵ４１０は、圧縮機５２０を動作させると、再び、水素ガス流路２１０内の圧力Ｐ１がリファレンス値以下であるかを判別する（ステップＳ３０３）。水素ガス流路２１０内の圧力が圧力Ｐ０よりも大きい場合（ステップＳ３０３：ＮＯ）、ＣＰＵ４１０は、ステップＳ３０３を繰り返し、水素ガス流路２１０内の水素ガスを水素ガスタンク１１０に充填すると共に、水素ガス流路２１０内の圧力がリファレンス値以下であると判別された場合には（ステップＳ３０３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ４１０は、モータ５３０を停止させて、圧縮機５２０の動作を停止させる（ステップＳ３０４）。圧縮機５２０の動作が停止すると、循環流路５１０を介した水素ガスの流動は停止する。また、圧縮機５２０を停止させると、ＣＰＵ４１０は、処理をステップＳ２０５に移行させる。
【００８４】
ステップＳ２０５において、ＣＰＵ４１０は、電磁開閉弁２２０を開放し、燃料電池３０に対して水素ガスを供給する。電磁開閉弁２２０を介して、水素ガス流路２１０から燃料電池３０に対して水素ガスが供給されると、本実施形態に係る起動処理が終了する。
【００８５】
以上説明した様に、本実施形態によれば、水素ガス流路２１０内の圧力が絶えず監視されており、燃料電池３０へ適切に水素ガスを供給することが可能となって、信頼性が一層向上する。
【００８６】
尚、上述の第１実施形態に係る圧力低減部３００が、水素ガス流路２１０内の圧力を測定する圧力計を備えていてもよい。逆に、本実施形態に係る圧力低減部５００は、圧力計を備えずともよい。この場合、第１実施形態と同様に、経過時間に基づいて圧縮機５２０の動作が制御されれば、同等の効果を得ることが可能である。
【００８７】
尚、図５においては、燃料電池３０の起動時に係る起動処理が示されているが、圧力低減部５００を動作させるタイミングは、燃料電池３０の起動時に限定されない。例えば、水素ガス流路２１０内の圧力がリファレンス値Ｐ０よりも大きい場合、ＣＰＵ４１０が、燃料電池３０の状態に依らず圧力低減部５００を動作させ、水素ガス流路２１０内の圧力を調整してもよい。また、係る圧力調整の実行の可否を決定する第２のリファレンス値が、メモリ４２０に記憶され、係る第２のリファレンス値に基づいて圧力調整が実行されてもよい。この様に、本実施形態によれば、水素ガス流路２１０内の圧力が、常に監視されているため、水素ガス流路２１０内の圧力を常に圧力Ｐ０に保つことも可能である。更に、燃料電池３０の発電中に、何らかの原因で水素ガス流路２１０内が圧力Ｐ０より大きくなった場合であっても、適切に対処することが可能である。
＜変形例＞
尚、ガス供給システム４０において、水素ガスタンク１１０は、外部に設置されたガス供給源から、圧縮機５２０を介してガスを補充可能に構成されていてもよい。このような本発明の変形例について、図６を参照して説明する。ここに、図６は、ガス供給システム５０の概略構成図である。尚、同図において、図４と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８８】
図６において、ガス供給システム５０は、外部ガス供給装置５１、外部供給流路５２、逆流防止弁５３、電磁開閉弁５４、及び外部電源５５を備える点においてガス供給システム４０と異なっている。
【００８９】
外部ガス供給装置５１は、例えば、家庭などに設置された、水の電気分解装置であり、水を電気分解して水素ガスを生成することが可能に構成された装置である。外部供給配管５２は、外部ガス供給装置５１と圧縮機５２０とを気密を保って繋ぐことが可能に構成された配管である。逆流防止弁５３は、外部供給配管５２上に設けられ、配管内のガスが外部供給装置５１の方向に逆流しないように構成されている。電磁開閉弁５４は、外部供給配管５２上に設けられ、ＣＰＵ４１０の制御に従って開閉動作を行うことが可能に構成されている。外部電源５５は、例えば、家庭用の電源、又は家庭用電源に適宜変換機が備わった電源であり、図示略のコネクタによって、制御部４００及び圧力低減部５００と電気的に接続され、これらに対し、本発明に係る「充填に要する動力」の一例たる電力を供給可能に構成されている。
【００９０】
このような構成をもったガス供給システム５０の動作時において、ＣＰＵ４１０は、圧縮機５２０を動作させると共に、電磁開閉弁５４を開放し、外部ガス供給装置５１によって生成された水素ガスを圧縮して昇圧し、水素ガスタンク１１０へ供給する。
【００９１】
このように、ガス供給システム５０によれば、水素ガス流路２１０内の圧力低減のために設けられた循環流路５１０及び圧縮機５２０を、水素ガスタンクへの水素ガス補充用としても使用することが可能である。従って、例えば家庭などで、水素ガスタンク１１０への水素ガスの充填が比較的簡単に実行可能である。
【００９２】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うガス供給システムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガス供給システム１０の概略構成図である。
【図２】ガス供給システム１０におけるオリフィス３３０の略断面図である。
【図３】ガス供給システム１０における起動処理のフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態に係るガス供給システム４０の概略構成図である。
【図５】ガス供給システム４０における起動処理のフローチャートである。
【図６】本発明の変形例に係るガス供給システム５０の概略構成図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０…ガス供給システム、２０…補充部、２１…水素ガス補充用カプラ、２２…逆流防止弁、３０…燃料電池、４０…ガス供給システム、５０…ガス供給システム、５１…外部ガス供給装置、５２…外部供給配管、５３…逆流防止弁、５４…電磁開閉弁、５５…外部電源、１００…１次供給部、１１０水素ガスタンク、１２０…補充用配管、１３０…逆流防止弁、１４０…供給用配管、１５０…１次減圧弁、１６０…供給用集合配管、１７０…補充用集合配管、１８０…２次減圧弁、２００…２次供給部、２１０…水素ガス流路、２２０…電磁開閉弁、３００…圧力低減部、３１０…補助流路、３２０…電磁開閉弁、３３０…オリフィス、４００…制御部、４１０…ＣＰＵ、４２０…メモリ、５００…圧力低減部、５１０…循環流路、５２０…圧縮機、５３０…モータ、５４０…圧力計。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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