(57)【要約】【課題】水素の供給開始時に、レギュレータ上流側における急激な圧力上昇を抑制して、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避することができる水素燃料供給システムを提供すること。【解決手段】水素タンク３１２から水素供給通路３１４を介して燃料電池３１０へ水素ガスの供給を行う水素燃料供給システム３０１において、水素タンク３１２から水素供給通路３１４への水素ガスの供給と遮断を切り換える主止弁３１８と、水素ガスの圧力を減圧する高圧レギュレータ３２２と、燃料電池３１０へ供給する水素ガスの流量を調節するインジェクタ３５４とを有し、主止弁３１８、高圧レギュレータ３２２、燃料供給装置３５４は、この順番で水素タンク３１２側から水素供給通路３１４上に配置されており、主止弁３１８と高圧レギュレータ３２２との間には、絞り部３０２が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素タンクから燃料供給通路を介して燃料電池へ水素ガスの供給を行う水素燃料供給システムにおいて、
前記水素タンクから前記燃料供給通路への水素ガスの供給と遮断を切り換える主止弁と、
水素ガスの圧力を減圧する高圧レギュレータと、
燃料電池へ供給する水素ガスの流量を調節する燃料供給装置とを有し、
前記主止弁、前記高圧レギュレータ、前記燃料供給装置は、この順番で前記水素タンク側から燃料供給通路上に配置されており、
前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間には、絞り部が設けられている
ことを特徴とする水素燃料供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載する水素燃料供給システムにおいて、
前記高圧レギュレータはニードル部を備えており、
前記ニードル部の開口面積は、前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間における前記燃料供給通路の通路断面積より小さく、
前記絞り部の開口面積は、前記ニードル部の開口面積以上であって前記燃料供給通路の通路断面積未満である
ことを特徴とする水素燃料供給システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する水素燃料供給システムにおいて、
前記絞り部は、前記主止弁に近接して配置されている
ことを特徴とする水素燃料供給システム。
【請求項４】
水素タンクから燃料供給通路を介して燃料電池へ水素ガスの供給を行う水素燃料供給システムにおいて、
前記水素タンクから前記燃料供給通路への水素ガスの供給と遮断を切り換える主止弁と、
水素ガスの圧力を減圧する高圧レギュレータと、
前記燃料電池へ供給する水素ガスの流量を調節する燃料供給装置とを有し、
前記主止弁、前記高圧レギュレータ、前記燃料供給装置は、この順番で前記燃料供給通路上に前記水素タンク側から配置され、
前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間には、チャンバが設けられており、
前記チャンバの体積が、前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間における前記燃料供給通路の体積の２倍以上である
ことを特徴とする水素燃料供給システム。
【請求項５】
請求項４に記載する水素燃料供給システムにおいて、
前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間に、絞り部が設けられている
ことを特徴とする水素燃料供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃料電池に供給するための水素燃料供給システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素燃料供給システムにおいては、高圧の水素ガスを所定の圧力まで減圧して燃料電池に供給している。このような水素燃料供給システムとして、例えば、燃料電池と、水素供給源（水素タンク）から供給される水素ガスを燃料電池へと流すための燃料ガス供給通路と、燃料ガス供給通路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、可変ガス供給装置よりも上流側の燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガス供給路における水素ガス圧の変動を抑えるサージタンクとを備え、サージタンクの流入ポートにオリフィスが設けられているものがある。また、この水素燃料供給システムには、可変ガス供給装置の上流側に、水素供給源側から遮断弁と水素調圧弁（レギュレータ）が設けられている。
【０００３】
そして、この水素燃料供給システムでは、オリフィスにより水素ガスの脈動の衝撃を吸収し、サージタンクによる脈動抑制の効果を高めて、燃料ガス供給通路中の水素ガスに脈動が生じないようにし、水素ガスの脈動に起因する振動や騒音の発生を抑えるようにしている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３０４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の水素燃料供給システムでは、水素タンクから水素ガスの供給を開始したとき、水素ガスが燃料供給通路内に一気に浸入し、急激な圧力上昇が生じてしまう場合がある。そして、レギュレータの上流側で急激な圧力上昇が生じると、レギュレータに備わるフィルタが潰れる、レギュレータの調圧にオーバーシュートが生じる、レギュレータのリップシール部からの漏れが生じる等の問題が発生するおそれがあった。
【０００６】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、水素の供給開始時に、レギュレータ上流側における急激な圧力上昇を抑制して、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避することができる水素燃料供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、水素タンクから燃料供給通路を介して燃料電池へ水素ガスの供給を行う水素燃料供給システムにおいて、前記水素タンクから前記燃料供給通路への水素ガスの供給と遮断を切り換える主止弁と、水素ガスの圧力を減圧する高圧レギュレータと、燃料電池へ供給する水素ガスの流量を調節する燃料供給装置とを有し、前記主止弁、前記高圧レギュレータ、前記燃料供給装置は、この順番で前記水素タンク側から燃料供給通路上に配置されており、前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間には、絞り部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
この水素燃料供給システムでは、主止弁と高圧レギュレータとの間に絞り部が設けられているため、絞り部で水素ガスの流量が絞られるため、主止弁が開弁されて水素タンクから水素ガスが供給される際に、水素ガスが燃料供給通路内に一気に浸入することを抑制することができる。また、絞り部で大きな圧力損失が生じるため、水素ガスの圧力も低減される。これらにより、高圧レギュレータの上流側での急激な圧力上昇の発生を抑制することができるので、高圧レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避することができる。
【０００９】
そして、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記高圧レギュレータはニードル部を備えており、前記ニードル部の開口面積は、前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間における前記燃料供給通路の通路断面積より小さく、前記絞り部の開口面積は、前記ニードル部の開口面積以上であって前記燃料供給通路の通路断面積未満であることが望ましい。
【００１０】
このように設定することにより、絞り部の開口面積を、水素燃料供給システムにおいて流路断面積が最小となる高圧レギュレータにおけるニードル部の開口面積以上にすることができるため、水素供給の追従性を悪化させることなく、高圧レギュレータの上流側での急激な圧力上昇の発生を確実に抑制することができる。
【００１１】
また、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記絞り部は、前記主止弁に近接して配置されていることが好ましい。
【００１２】
このような構成にすることにより、水素ガスが主止弁から流出した後、直ちに絞り部を通過するとともに、絞り部の下流側において高圧レギュレータまでの燃料供給通路の体積をより多く確保することができる。これらにより、水素ガスの圧力低減効果を高めることができるため、高圧レギュレータの上流側での急激な圧力上昇の発生を効果的に抑制することができる。
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明の別形態は、水素タンクから燃料供給通路を介して燃料電池へ水素ガスの供給を行う水素燃料供給システムにおいて、前記水素タンクから前記燃料供給通路への水素ガスの供給と遮断を切り換える主止弁と、水素ガスの圧力を減圧する高圧レギュレータと、前記燃料電池へ供給する水素ガスの流量を調節する燃料供給装置とを有し、前記主止弁、前記高圧レギュレータ、前記燃料供給装置は、この順番で燃料供給通路上に前記水素タンク側から配置され、前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間には、チャンバが設けられており、前記チャンバの体積が、前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間における前記燃料供給通路の体積の２倍以上であることを特徴とする。
【００１４】
この水素燃料供給システムでは、主止弁と高圧レギュレータとの間における燃料供給通路の体積の２倍以上であるチャンバが、主止弁と高圧レギュレータとの間に設けられているので、チャンバ内で水素ガスが膨張するため、チャンバを通過した水素ガスの圧力が低減（半減より大きく低減）される。そのため、高圧レギュレータの上流側での急激な圧力上昇の発生を抑制することができるので、高圧レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避することができる。
【００１５】
そして、上記した水素燃料供給システムにおいて、前記主止弁と前記高圧レギュレータとの間に、絞り部が設けられていることが望ましい。
なお、絞り部は、チャンバの上流側あるいは下流側のいずれに配置されても良い。
【００１６】
このような構成にすることにより、絞り部による水素ガスの圧力低減効果も得ることができるため、水素ガスの圧力低減効果を一層高めることができる。そのため、高圧レギュレータの上流側での急激な圧力上昇の発生をより効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る水素燃料供給システムによれば、水素の供給開始時に、レギュレータ上流側における急激な圧力上昇を抑制して、レギュレータにおけるフィルタ潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部からの漏れの発生を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る水素供給ユニットを適用した燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】高圧レギュレータの断面図である。
【図３】ニードル部の開口面積を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の水素供給ユニットを具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。ここでは、車両に搭載される燃料電池システムに、本発明を適用したものを例示する。
【００２０】
まず、本実施形態に係る水素供給ユニットを適用した燃料電池システムについて、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る水素供給ユニットを適用した燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池システム３００は、図１に示すように、燃料電池（ＦＣ）３１０、水素タンク３１２、水素供給通路３１４、水素排出通路３１６、主止弁３１８、第１切換弁３２０、高圧レギュレータ３２２、水素供給ユニット３２４などを有している。
【００２１】
この燃料電池システム３００は、電動自動車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するために使用される。燃料電池３１０は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしてのエアの供給を受けて発電を行う。燃料電池３１０で発電した電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給される。水素タンク３１２には、高圧（例えば、８０〜９０Ｍｐａ程度）の水素ガスが蓄えられる。
【００２２】
燃料電池３１０のアノード側には、水素燃料供給システム３０１が設けられている。この水素燃料供給システム３０１は、水素タンク３１２から供給先の燃料電池３１０へ水素ガスを供給するための水素供給通路３１４と、燃料電池３１０から導出される水素オフガスを排出するための水素排出通路３１６とを備えている。水素タンク３１２の直下流の水素供給通路３１４には、水素タンク３１２から水素供給通路３１４への水素ガスの供給と遮断を切り換える主止弁３１８が設けられる。水素排出通路３１６には、電磁弁よりなる第１切換弁３２０が設けられる。
【００２３】
主止弁３１８より下流の水素供給通路３１４には、水素ガスの圧力を減圧するための高圧レギュレータ３２２が設けられる。主止弁３１８と高圧レギュレータ３２２との間の水素供給通路３１４には、絞り部３０２と、チャンバ３０３とが設けられている。本実施形態では、絞り部３０２がチャンバ３０３より上流側に配置されているが、両者の配置関係はこれに限定されず、チャンバ３０３が絞り部３０２より上流側に配置されても良い。
【００２４】
絞り部３０２は、その開口面積が後述する高圧レギュレータ３２２におけるニードル部１３１の開口面積以上であって、主止弁３１８と高圧レギュレータ３２２との間における水素供給通路３１４の通路断面積未満に設定されている。なお、本実施形態では、絞り部３０２の開口面積は、ニードル部１３１の開口面積とほぼ同じである。
【００２５】
そして、本実施形態のように絞り部３０２がチャンバ３０３より上流側に配置されている場合には、絞り部３０２は、主止弁３１８に近接して配置されていると良い。水素ガスが主止弁３１８から流出した後、直ちに絞り部３０２を通過するとともに、絞り部３０２の下流側において高圧レギュレータ３２２までの水素供給通路３１４の体積をより多く確保することができるからである。
【００２６】
チャンバ３０３は、その体積が主止弁３１８と高圧レギュレータ３２２との間における水素供給通路３１４の体積の２倍以上に設定されている。
なお、本実施形態では、絞り部３０２とチャンバ３０３とが設けられているが、いずれか一方だけが設けられても良い。
【００２７】
そして、このチャンバ３０３の下流側に、水素供給通路３１４内の圧力（高圧レギュレータ３２２の上流側圧力）を１次圧Ｐ１として検出するための１次圧センサ３３８が設けられている。なお、高圧レギュレータ３２２の詳細については後述する。
【００２８】
高圧レギュレータ３２２より下流の水素供給通路３１４には、燃料電池３１０へ供給される水素ガスの流量及び圧力を調節するための水素供給ユニット３２４が設けられる。この水素供給ユニット３２４は、導入通路３５０と、導出通路３５２と、インジェクタ３５４（本実施形態では３つ）と、２次圧センサ３５６と、３次圧センサ３５８などを備えている。
【００２９】
ここで、高圧レギュレータ３２２の構造について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、高圧レギュレータの断面図である。図３は、ニードル部の開口面積を示す図である。
高圧レギュレータ３２２は、上流に位置する上流圧力調整弁１と、下流に位置する下流圧力調整弁２と、上流圧力調整弁１による減圧後であって下流圧力調整弁２による減圧前の水素ガスが通過する中通路３と、当該中通路３に接続された逆止弁４とをボデー部材７に備え、水素ガスを多段階に減圧しながら所望の圧力に調整する多段圧力調整弁である。高圧レギュレータ３２２は、アルミ合金製のボデー部材７の内部に、上流圧力調整弁１、下流圧力調整弁２、中通路３、逆止弁４等が形成されている。上流圧力調整弁１と下流圧力調整弁２とは、直列に接続されている。
【００３０】
上流圧力調整弁１は、入口８と連通される弁室１２と、弁室１２内を上下動する弁体１３と、弁室１２の下端に形成され弁体１３と当接、離間する弁座１４と、弁座１４の下方に位置し弁体１３が上方へ移動したとき弁室１２と連通される調圧室１１と、調圧室１１内を上下動するピストン１５と、ピストン１５を上方へ付勢するコイルばね１６と、を備えている。
【００３１】
入口８と弁室１２との間には、入口通路８１が垂直状に形成されている。この入口通路８１の上流側にフィルタ３０が設けられている。フィルタ３０は、下流端（下端）が開口している中空円筒状をなしており、高圧レギュレータ３２２内への異物侵入を阻止する部材である。このフィルタ３０は、抑えばね３１により固定されている。入口８から流入する水素ガスは、フィルタ３０の外側から内側へ通過して入口通路８１へ流出するようになっている。
【００３２】
弁室１２と弁体１３との間には、弁体１３を下方へ付勢する弁ばね１３３が介装されている。弁体１３には、弁ばね１３３が装着された本体部の下方に弁座１４と当接するテーパ部１３２が形成されている。テーパ部１３２の下方には、ニードル部１３１が形成されている。ニードル部１３１は、弁座１４に形成された貫通孔１４ａを貫通して調圧室１１まで延伸されている。そのため、ニードル部１３１の開口部は、貫通孔１４ａの内周とニードル部１３１の外周とで形成される円環状の部分となり、その開口面積は図３に示す斜線領域となる。この開口面積は、主止弁３１８と高圧レギュレータ３２２との間における水素供給通路３１４の通路断面積よりも小さい。そして、ニードル部１３１の下端は、ピストン１５の本体部上端に突設された軸突部１５３の上端に当接している。
【００３３】
ピストン１５の本体部外周縁には、調圧室１１の内周縁と摺接して調圧室１１をシールするリップシール部材１５１が嵌装されている。リップシール部材１５１は、上方へＶ字状に開くリップ状断面を有する。
【００３４】
下流圧力調整弁２は、出口６と連通される調圧室２１と、調圧室２１内を上下動するピストン２４と、ピストン２４を上方へ付勢するコイルばね２５と、調圧室２１の下方に形成された弁室２２と、ピストン２４の軸部に沿って弁室２２まで延設された略円筒状の弁体２４１と、を備えている。
【００３５】
調圧室２１は、ボデー部材７の右上端から嵌装される蓋部材２３によってシールされている。蓋部材２３の軸下方には、ピストン２４の上端部に当接して、ピストン２４の上方への移動を規制する円柱状凸部が形成されている。円柱状凸部がピストン２４の上端部に当接した時には、調圧室２１には円環状空間が形成される。
【００３６】
ピストン２４及び弁体２４１の軸中心には、円柱状の貫通孔２４１１がピストン２４の上端部から弁体の下端部まで形成されている。ピストン２４の本体部外周縁には、調圧室２１の内周縁と摺接して調圧室２１をシールするリップシール部材２４２が嵌装されている。リップシール部材２４２は、上方へＶ字状に開くリップ状断面を有する。
【００３７】
このような構成の高圧レギュレータ３２２により、水素タンク３１２から供給される水素ガスを、例えば、上流圧力調整弁１にて約３．０〜２．５Ｍｐａ程度まで減圧し、下流圧力調整弁２にて約３．０〜２．５Ｍｐａ程度から約１．０〜１．５Ｍｐａ程度まで減圧する。これにより、インジェクタ３４８には、１．０〜１．５Ｍｐａ程度の水素ガスが供給される。
【００３８】
一方、燃料電池３１０のカソード側には、燃料電池３１０にエアを供給するためのエア供給通路３３０と、燃料電池３１０から導出されるエアオフガスを排出するためのエア排出通路３３２とが設けられている。エア供給通路３３０には、燃料電池３１０に供給されるエア流量を調節するためのエアポンプ３３４が設けられている。エアポンプ３３４より下流のエア供給通路３３０には、エア圧力Ｐ４を検出するためのエア圧センサ３４０が設けられる。エア排出通路３３２には、電磁弁よりなる第２切換弁３３６が設けられる。
【００３９】
このような燃料電池システム３００では、水素タンク３１２から導出される水素ガスは、水素供給通路３１４を通り、主止弁３１８、高圧レギュレータ３２２、水素供給ユニット３２４を介して燃料電池３１０に供給される。この際、高圧レギュレータ３２２には、非常に高圧の水素ガスが供給される。例えば、水素タンク３１２に水素ガスが充填された後に主止弁３１８が開弁されたとき等に、非常に高圧の水素ガスが一気に水素供給通路３１４に浸入し、急激な圧力上昇が生じてしまう。そして、高圧レギュレータ３２２では、レギュレータ上流側で生じた急激な圧力上昇により、フィルタ３０が潰れる、調圧にオーバーシュートが生じる、リップシール部材１５１の上下で圧力差がなくなってリップシール部材１５１から漏れが生じる等の問題が発生するおそれがある。
【００４０】
ところが、本実施形態では、主止弁３１８が開弁されて水素タンク３１２から高圧の水素ガスが高圧レギュレータに３２２に供給される前に、絞り部３０２を通過する。この絞り部３０２により、水素ガスの流量が絞られるため、水素ガスが水素供給通路３１４内に一気に浸入することが抑制される。また、絞り部３０２において大きな圧力損失が生じるため、水素ガスの圧力が低減される。なお、絞り部３０２の開口面積がニードル部１３１の開口面積以上が確保されているため、絞り部３０２を設けることにより水素供給の追従性が悪化することはない。
【００４１】
そして、絞り部３０２を通過した水素ガスは、チャンバ３０３を通過して高圧レギュレータ３２２に流入する。ここで、チャンバ３０３の体積が、主止弁３１８と高圧レギュレータ３２２との間における水素供給通路３１４の体積の２倍以上であるため、チャンバ３０３によって水素ガスの圧力が十分に低減（半減よりも大きく低減）される。そのため、高圧レギュレータ３２２の上流側での急激な圧力上昇の発生を確実に抑制することができる。従って、高圧レギュレータ３２２におけるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避することができる。
【００４２】
その後、高圧レギュレータ３２２により所定圧に調圧（減圧）された水素ガスは、水素供給ユニット３２４に供給されて、インジェクタ３５４によって燃料電池３１０に供給される。燃料電池３１０に供給された水素ガスは、燃料電池３１０にて発電に使用された後、燃料電池３１０から水素オフガスとして水素排出通路３１６及び第１切換弁３２０を介して排出される。
【００４３】
また、エアポンプ３３４によりエア供給通路３３０へ吐出されたエアは燃料電池３１０に供給される。燃料電池３１０に供給されたエアは、燃料電池３１０にて発電に使用された後、燃料電池３１０からエアオフガスとしてエア排出通路３３２及び第２切換弁３３６を介して排出される。
【００４４】
以上、詳細に説明したように本実施形態に係る水素燃料供給システム３０１によれば、主止弁３１８と高圧レギュレータ３２２との間に設けられた絞り部３０２とチャンバ３０３とにより、主止弁３１８が開弁されて水素タンク３１２から高圧レギュレータ３２２に供給されるまでに、水素ガスの流量が絞られるとともに圧力が低減される。従って、高圧レギュレータ３２２の上流側での急激な圧力上昇の発生を確実に抑制することができ、高圧レギュレータ３２２におけるフィルタ３０の潰れ、調圧のオーバーシュート、リップシール部材１５１からの漏れの発生を確実に回避することができる。
【００４５】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４６】
１    上流圧力調整弁
２    下流圧力調整弁
３    中通路
３０  フィルタ
１５１  リップシール部材
３００  燃料電池システム
３０１  水素燃料供給システム
３０２  絞り部
３０３  チャンバ
３１０  燃料電池
３１２  水素タンク
３１４  水素供給通路
３１８  主止弁
３２２  高圧レギュレータ
【図１】
2016184490.tif 000003
【図２】
2016184490.tif 000004
【図３】
2016184490.tif 000005