(57)【要約】【課題】水素タンク用の高圧バルブに接続される高圧配管の本数を極力減少させ、水素タンクへの水素ガスの充填効率を向上させる。【解決手段】高圧バルブ５１を有する高圧タンク用のバルブシステムであって、水素タンク５０内に貯留された水素ガスを水素タンク外に供給させ、水素タンク５０内に貯留する水素ガスを水素タンク外から流入させるためのガス流路５１１と、水素タンク内から水素タンク外への水素ガスの供給を遮断または許容する電磁弁５２と、水素タンクの外面に装着され、水素タンクの温度上昇に応じて電磁弁５２に電流を供給するペルチェ素子とを備え、電磁弁５２は、弁体５２１を電磁力により移動させるためのソレノイドコイル５２３を有し、ペルチェ素子からソレノイドコイルに電流が供給された場合に、この電流量に応じて弁体を開弁方向に移動させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスを貯留する高圧タンクに用いられる高圧タンク用のバルブ装置を含む高圧タンク用のバルブシステムであって、
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、
前記高圧タンクの外面に装着され、前記高圧タンクの温度上昇に応じて前記遮断弁に電流を供給する熱発電素子と、
前記遮断弁に含まれる弁体の開閉を制御する制御手段と、を備え、
前記遮断弁は、前記弁体を電磁力により移動させるためのコイルを有し、前記熱発電素子から前記コイルに電流が供給された場合に、当該供給された電流量に応じて前記弁体を開弁方向に移動させることを特徴とする高圧タンク用のバルブシステム。
【請求項２】
前記熱発電素子と前記コイルとを電気的に接続するための配線をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の高圧タンク用のバルブシステム。
【請求項３】
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または２記載の高圧タンク用のバルブシステムと、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンク用のバルブシステムおよびこれを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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る。下記特許文献１には、高圧タンク用バルブのガス供給機構を構成する電磁弁に関する技術が開示されている。そして、この特許文献１に開示されている電磁弁を含む従来の電磁弁では、閉弁するときに、ばねの付勢力を利用して弁体を弁座に押し付けることでシール圧を発生させている。
【特許文献１】特開２００５−２８２８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。この問題を解決するために、上述した従来の高圧タンク用バルブに含まれる燃料ガスの流入流路と供給流路とを統合して一の共有流路にし、この共有流路に電磁弁を設けることが考えられる。
【０００４】
しかしながら、共有流路に電磁弁を設けた場合には、燃料ガスを供給するときには従来と同様に機能させることができるものの、燃料ガスを流入（充填）させるときには、上述したばねの付勢力等により生じるクラッキング圧の分だけ高圧タンク内に充填させる燃料ガスの圧力が減少し、高圧タンクへの燃料ガスの充填効率が低減してしまう。具体的に説明すると、例えば、燃料ガスの元圧が７０ＭＰａである場合に、３ＭＰａのクラッキング圧が生じるとすると、高圧タンク内に充填される燃料ガスの圧力は６７ＭＰａに目減りしてしまう。ここで、クラッキング圧とは、電磁弁の入口側の圧力を上昇させ、燃料ガスが出口側に流れ始めるときの圧力をいう。
【０００５】
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とともに、高圧タンクへの燃料ガスの充填効率を向上させることができる高圧タンク用のバルブシステム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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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システムは、高圧ガスを貯留する高圧タンクに用いられる高圧タンク用のバルブ装置を含む高圧タンク用のバルブシステムであって、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、高圧タンクの外面に装着され、高圧タンクの温度上昇に応じて遮断弁に電流を供給する熱発電素子と、遮断弁に含まれる弁体の開閉を制御する制御手段と、を備え、上記遮断弁は、弁体を電磁力により移動させるためのコイルを有し、熱発電素子からコイルに電流が供給された場合に、当該供給された電流量に応じて弁体を開弁方向に移動させることを特徴とする。
【０００７】
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、高圧タンク内に高圧ガスが充填されて高圧タンクの温度が上昇すると、高圧タンクに装着された熱発電素子から遮断弁に電流が供給され、この電流に応じて遮断弁の弁体を開弁方向に移動させることができるため、高圧ガスを充填する際に発生する遮断弁におけるクラッキング圧を低減させることができる。
【０００８】
上記高圧タンク用のバルブシステムにおいて、熱発電素子とコイルとを電気的に接続するための配線をさらに備えることとしてもよい。
【０００９】
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システムと、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。
【００１０】
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、高圧タンク内に高圧ガスが充填されて高圧タンクの温度が上昇すると、高圧タンクに装着された熱発電素子から遮断弁に電流が供給され、この電流に応じて遮断弁の弁体を開弁方向に移動させることができるため、高圧ガスを充填する際に発生する遮断弁におけるクラッキング圧を低減させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、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とともに、高圧タンクへの燃料ガスの充填効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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システム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。
【００１３】
本発明に係る高圧タンク用のバルブシステム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とともに、高圧タンクに熱発電素子を装着し、高圧タンクの温度上昇に応じて遮断弁を開弁方向に移動させることで、高圧ガスを充填する際に生じる遮断弁におけるクラッキング圧を低減させるものである。以下に、このような特徴を有する高圧タンク用のバルブシステム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。
【００１４】
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。
【００１５】
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（制御手段）とを有する。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
燃料供給源系５は、水素供給流路４１の上流側に配置される水素タンク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５６と、充填口５６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５７（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５７を連結する連結部５８と、連結部５８と高圧バルブ５１との間を接続するための高圧配管５５（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５７および高圧配管５５は、連結部５８を介して互いに接続される。
【００２１】
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システムの構成について説明する。図２は、高圧タンク用のバルブシステムを模式的に示した断面図である。
【００２２】
高圧タンク用のバルブシステムは、高圧バルブ５１と、水素タンク５０に装着される熱発電素子としてのペルチェ素子５３（図１参照）とを有する。
【００２３】
高圧バルブ５１は、ガス流路５１１と電磁弁５２とを有する。ガス流路５１１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である。
【００２４】
電磁弁５２は、ガス流路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遮断弁である。電磁弁５２は、弁体５２１と、弁座５２２と、ソレノイドコイル５２３（コイル）と、ばね５２４とを有する。ソレノイドコイル５２３には、ペルチェ素子５３との間を電気的に接続するための配線５４がつながれている。なお、ソレノイドコイル５２３には、この配線５４の他にも、例えば燃料電池やバッテリ等の駆動源との間を電気的に接続するための配線が別途つながれているが、その図示は簡略化のため省略する。
【００２５】
弁体５２１は、ガス流路５１１の軸線方向（水素ガスの流れ方向）に移動可能に収容保持されている。弁体５２１が軸線方向に移動することでガス流路５１１の開閉が行われる。弁体５２１は、ソレノイドコイル５２３により駆動されて移動（ストローク）する。具体的には、駆動源からソレノイドコイル５２３に供給される電流が制御部６によって制御されることで弁体５２１が移動する。電磁弁５２における閉弁状態および開弁状態の保持は、ソレノイドコイル５２３による電磁力を利用して以下のように制御される。
【００２６】
弁体５２１には、ばね５２４の付勢力や水素ガスの流体圧力が閉弁方向に作用している。したがって、無制御状態であるときには、上記閉弁方向に作用する力によって弁体５２１が弁座５２２に押し付けられ、電磁弁５２が閉弁状態となる。一方、駆動源からソレノイドコイル５２３に電流が供給されることで磁気が発生し、弁体５２１に電磁力が作用する。この電磁力が上記閉弁方向に作用する力を上回ったときに、電磁弁５２が開弁状態となる。
【００２７】
なお、図２に示す電磁弁５２は、直動型の電磁弁であるが、電磁弁の種類はこれに限定されない。例えば、パイロット型やマグナリフト型の電磁弁であってもよい。
【００２８】
ペルチェ素子５３は、水素タンク５０の外面に装着される。ペルチェ素子５３は、ペルチェ素子５３の水素タンク側と大気側（水素タンクとは反対側）との間に生じる温度差を電流に変換して出力する熱発電素子である。ペルチェ素子５３から出力された電流は、配線５４を介して電磁弁５２のソレノイドコイル５２３に供給される。これにより、ソレノイドコイル５２３に磁気が発生し、弁体５２１に電磁力が作用する。そして、弁体５２１が開弁方向に移動させられることになる。
【００２９】
つまり、電磁弁５２は、ペルチェ素子５３からソレノイドコイル５２３に電流が供給された場合に、この供給された電流量に応じて弁体５２１を開弁方向に移動させる。言い換えると、電磁弁５２は、ペルチェ素子５３から供給される電流量が増大するほど、弁体５２１に作用させる開弁方向に移動させるための電磁力を増大させる。
【００３０】
ここで、水素ガスの充填を開始すると、水素タンク５０の温度が上昇する。この温度上昇により、ペルチェ素子５３の水素タンク側の温度が上昇し、大気側の温度との間に温度差が生じる。つまり、水素ガスの充填を開始すると、ペルチェ素子５３からソレノイドコイル５２３に電流が供給されることになる。
【００３１】
本願発明は、水素ガスの充填時にペルチェ素子５３から出力されるこの電流を利用してソレノイドコイル５２３に磁気を生じさせ、弁体５２１に電磁力を作用させることで、ばねの付勢力等によって閉弁状態に保持されようとしている弁体５２１を開弁方向に移動させることとした。
【００３２】
これにより、水素タンク５０内に水素ガスを充填させる際に、電磁弁５２に生じるクラッキング圧を低減させることができる。そして、低減させたクラッキング圧の分だけ水素タンク５０内に充填する水素ガスの圧力を増大させることができるため、水素タンク５０への水素ガスの充填効率を向上させることができる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
制御部６は、駆動源からソレノイドコイル５２３に供給させる電流量を制御することで電磁弁５２の弁体５２１の移動量を制御する。これにより、電磁弁５２における閉弁状態および開弁状態が制御される。
【００３６】
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、圧力センサや温度センサ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および電磁弁５２等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００３７】
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電磁弁５２の開閉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。
【００３８】
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５６から水素タンク５０への水素ガスの流入を、高圧バルブ５１に設けられたガス流路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５５のみを、高圧バルブ５１のガス流路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５５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。そして、高圧バルブ５１に接続する高圧配管５５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。
【００３９】
また、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内に水素ガスが充填されて水素タンク５０の温度が上昇すると、水素タンク５０の外面に装着されたペルチェ素子５３から電磁弁５２のソレノイドコイル５２３に電流が供給され、この電流に応じて電磁弁５２の弁体５２１を開弁方向に移動させることができるため、水素ガスを充填する際に発生する電磁弁５２におけるクラッキング圧を低減させることができる。そして、低減させたクラッキング圧の分だけ水素タンク５０内に充填する水素ガスの圧力を増大させることができるため、水素タンク５０への水素ガスの充填効率を向上させることができる。
【００４０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】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。
【図２】実施形態における高圧タンク用のバルブシステムを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
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…電磁弁、５３…ペルチェ素子、５４…配線、５５…高圧配管、５６…充填口、５７…充填用流路、５１１…ガス流路、５２１…弁体、５２２…弁座、５２３…ソレノイドコイル、５２４…ばね。
【図１】
2009168166.tif 000003
【図２】
2009168166.tif 000004