(57)【要約】【課題】燃料ガス供給システムにおける燃料ガス充填時の減圧弁への負荷を軽減して減圧弁を長寿命化し、加えて減圧弁の故障時の燃料ガスの無駄を抑制する。【解決手段】燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス供給ステム１２において、水素ガス充填部３０から水素ガスタンク３１に通じるガス充填流路３２と、ガス充填流路３２の水素ガス充填部３０と水素ガスタンク３１との間に接続され、燃料電池１０に通じるガス供給流路３３を有する。ガス供給流路３３には、水素ガスタンク３１側の相対的に高い圧力を燃料電池１０側の相対的に低い圧力に減圧する減圧弁４２が設けられており、さらにガス供給流路３３の減圧弁４２の上流側には、所定の流量を超えるガスの流れを遮断する過流防止弁４１が設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス充填部から燃料ガス貯留部に燃料ガスを充填し、当該燃料ガス貯留部から燃料ガス消費部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ステムであって、
燃料ガス充填部から燃料ガス貯留部に通じるガス充填流路と、
前記ガス充填流路の燃料ガス充填部と燃料ガス貯留部との間に接続され、燃料ガス消費部に通じるガス供給流路と、を有し、
前記ガス供給流路には、前記燃料ガス貯留部側の相対的に高い圧力を前記燃料ガス消費部側の相対的に低い圧力に減圧する減圧弁が設けられており、
さらに前記ガス供給流路の減圧弁の上流側には、所定のガス流量を超えた場合に燃料ガスの流れを遮断する過流防止弁が設けられていることを特徴とする、燃料ガス供給システム。
【請求項２】
前記過流防止弁は、前記燃料ガス消費部の燃料ガス消費時に前記燃料ガス貯留部から前記燃料ガス消費部側に供給される所定のガス流量よりも多い燃料ガスが流れた場合に、燃料ガスの流れを遮断することを特徴とする、請求項１に記載の燃料ガス供給システム。
【請求項３】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、
請求項１又は２に記載の燃料ガス供給システムを有し、
当該燃料ガス供給システムによって、燃料電池に燃料ガスを供給してい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、燃料ガス供給システムと、その燃料ガス供給システムを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、外部のステーションから燃料ガスタンクに燃料ガスを充填し、その燃料ガスタンクから燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給システムが設けられている。この燃料ガス供給システムには、部品数を削減するため、充填ラインと供給ラインを一部共通化したものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２８６１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば上述の燃料ガス供給システムは、図４に示すように燃料ガス充填部１００から高圧の燃料ガスタンク１０１に通じるガス充填ライン１０２に、燃料電池側に通じるガス供給ライン１０３が接続され、その接続部Ａと燃料ガスタンク１０１との区間が、燃料ガスの充填と供給の共通ラインになっている。ガス供給ライン１０３には、通常は減圧弁１０４が設けられており、高圧に充填されている燃料ガスタンク１０１内の燃料ガスを所定の圧力に減圧して、燃料電池側に送るようになっている。
【０００５】
しかしながら、上記燃料ガス供給システムにおいて、例えば空に近い燃料ガスタンク１０１に燃料ガスを充填するような場合には、燃料ガス充填部１００から高圧の燃料ガスが充填され、ガス充填ライン１０２に大流量の燃料ガスが流れ込む。このガス充填ライン１０２には、ガス供給ライン１０３が連通しており、そのガス供給ライン１０３の減圧弁１０４は、このとき下流側が調圧値であれば通常閉弁しているため、減圧弁１０４は、燃料ガスの大流量の流入により大きな衝撃を受けることになる。このように、燃料ガスの充填時には、減圧弁１０４に大きな負荷がかかりやすくなっており、これによって、減圧弁１０４の寿命が短くなる恐れがあった。
【０００６】
また、何らかの理由により減圧弁１０４が故障した場合には、ガス供給ライン１０３に大流量の燃料ガスが流れ込み、例えば下流側にあるリリーフ弁１０５から大量の燃料ガスが放出されることがある。この場合、大量の燃料ガスが無駄になる。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、上述のような燃料ガス供給システムにおいて、燃料ガス充填時の減圧弁への負荷を軽減して減圧弁を長寿命化し、加えて減圧弁の故障時の燃料ガスの無駄を抑制することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、燃料ガス充填部から燃料ガス貯留部に燃料ガスを充填し、当該燃料ガス貯留部から燃料ガス消費部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ステムであって、燃料ガス充填部から燃料ガス貯留部に通じるガス充填流路と、前記ガス充填流路の燃料ガス充填部と燃料ガス貯留部との間に接続され、燃料ガス消費部に通じるガス供給流路と、を有し、前記ガス供給流路には、前記燃料ガス貯留部側の相対的に高い圧力を前記燃料ガス消費部側の相対的に低い圧力に減圧する減圧弁が設けられており、さらに前記ガス供給流路の減圧弁の上流側には、所定のガス流量を超えた場合に燃料ガスの流れを遮断する過流防止弁が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、ガス供給流路の減圧弁の上流側に過流防止弁が設けられるので、例えば燃料ガス充填部から大流量の燃料ガスが充填された際に、当該大流量の燃料ガスがガス供給流路の減圧弁に流れ込むことを防止できる。このため、燃料ガスの流入による減圧弁に対する衝撃が抑えられ、燃料ガス充填時の減圧弁への負荷が軽減される。これにより、減圧弁の長寿命化が図られる。また、減圧弁が故障した場合に、下流に大量の燃料ガスが流れて例えばリリーフ弁から放出されることも抑制できるので、高価な燃料ガスが無駄になることを抑制できる。
【００１０】
前記過流防止弁は、前記燃料ガス消費部の燃料ガス消費時に前記燃料ガス貯留部から前記燃料ガス消費部側に供給される所定のガス流量よりも多い燃料ガスが流れた場合に、燃料ガスの流れを遮断するようにしてもよい。かかる場合、ガス供給流路の減圧弁側に、燃料ガス消費時の所定のガス流量よりも多い燃料ガスが流れ込むことがないので、減圧弁に通常使用時を超える負荷がかかることがなくなる。このため、燃料ガス充填時の減圧弁に対する負荷が十分に軽減される。
【００１１】
別の観点による本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、上記燃料ガス供給システムを有し、当該燃料ガス供給システムによって、燃料電池に燃料ガスを供給していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料ガス充填時の減圧弁への負荷を軽減して減圧弁を長寿命化できる。また、減圧弁の故障時の燃料ガスの無駄を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料ガス供給システムを有する燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。
【００１４】
燃料電池システム１は、図１に示すように反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料ガス消費部としての燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する、本実施の形態に係る燃料ガス供給システムとしての水素ガス供給システム１２と、燃料電池システム１全体を統合制御する制御装置１３等を備えている。
【００１５】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１０ａが取り付けられている。
【００１６】
酸化ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給する供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出する排気流路２３を備えている。供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。
【００１７】
水素ガス供給システム１２は、例えば外部のステーションから水素ガスを充填するための燃料ガス充填部としての水素ガス充填部３０と、水素ガス充填部３０から燃料ガス貯留部としての水素ガスタンク３１に通じ、水素ガスタンク３１に水素ガスを充填するためのガス充填流路３２と、水素ガスタンク３１から燃料電池１０に水素ガスを供給するためのガス供給流路３３と、燃料電池１０から排出された水素オフガスをガス供給流路３３に戻すための循環流路３４を備えている。
【００１８】
水素ガス充填部３０は、例えば水素ガス充填口や、当該水素ガス充填口側への逆流を防止する逆止弁を備えている。水素ガスタンク３１は、例えば高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留できる。
【００１９】
ガス供給流路３３は、例えば上流側がガス充填流路３２の途中に接続され、下流側が燃料電池１０に通じている。このため、ガス充填流路３２の一部、すなわちガス供給流路３３との接続点Ａと水素ガスタンク３１までの区間は、水素ガスタンク３１への水素ガスの充填と、燃料電池１０への水素ガスの供給の両方を行う共通流路３２ａになっている。このガス充填流路３２の共通流路３２ａには、水素ガスタンク３１の元弁として機能し、水素ガスタンク３１への水素ガスの充填と水素ガスタンク３１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁（高圧バルブ）４０が設けられている。
【００２０】
ガス供給流路３３には、例えば下流側への所定の流量を超える水素ガスの流れを遮断する過流防止弁４１と、水素ガスタンク３１側の水素ガスの高圧を予め設定した二次圧（例えば１ＭＰａ）に減圧する減圧弁４２と、所定の流量以上のガス流を外部に放出するためのリリーフ弁４３と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタ４４が、上流側からこの順で設けられている。
【００２１】
過流防止弁４１は、例えば燃料電池１０の水素ガスの消費時に水素ガスタンク３１から燃料電池１０側に供給される、予め設定されている所定流量よりも水素ガスの流量が多くなった場合に、ガス流を遮断するように設定されている。過流防止弁４１には、例えば完全密封式のものではなく、上流側からの流れが止まれば開弁するものが用いられる。
【００２２】
循環流路３４には、燃料電池１０から排出された水素オフガスから水を分離するための気液分離器５０と、循環流路３４内の水素オフガスを加圧してガス供給流路３３側へ圧送する水素ポンプ５１が設けられている。気液分離器５０には、気液分離器５０により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路５２が接続されている。当該排出流路５２には、気液分離器５０からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁５３が設けられている。
【００２３】
制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ４４の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭ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。
【００２４】
制御装置１３は、車両に設けられた加速操作装置（アクセルペダル等）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を消費する負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置は、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ５１、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。
【００２５】
制御装置１３には、燃料電池１０の発電量を検出する電流センサ１０ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報等が入力される。制御装置１３は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ２４、遮断弁４０、及びインジェクタ４４等を駆動制御して、燃料電池１０に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給する。
【００２６】
次に、以上のように構成された水素ガス供給システム１２の作用について説明する。例えば図２に示すように水素ガスタンク３１に水素ガスが充填される際には、遮断弁４０が開放された状態で、水素ガス充填部３０から高圧の水素ガスが充填される。このとき、例えば水素ガスタンク３１の残留量が少ないと、ガス充填流路３２に大流量の水素ガスが流れ込む。ガス充填流路３２は、ガス供給流路３３にも連通しているため、ガス供給流路３３側へも大流量の水素ガスが流れ込もうとする。しかし、このとき、通常のシステム稼働時（水素ガス消費時）の燃料電池１０側へのガスの供給流量よりも多い流量のガスが流れようとするため、過流防止弁４１が作動し、そのガスの流れを遮断する。これにより、下流の減圧弁４２側にガスが流れ込むことがなく、ガス流入時の減圧弁４２への衝撃が抑制される。
【００２７】
また、例えば図３に示すように燃料電池１０側に水素ガスが供給される際には、遮断弁４０が開放され、水素ガスタンク３１の高圧の水素ガスが、減圧弁４２で減圧されて、インジェクタ４４側に送られる。このとき、水素ガスの供給流量は、通常のシステム稼働時の流量であるので、過流防止弁４１が作動せず、水素ガスは、そのまま減圧弁４２側に流れる。なお、このとき、水素ガス充填部３０には、逆止弁があるので、水素ガスタンク３１から水素ガス充填口に逆流することはない。また、インジェクタ４４側に送られた水素ガスは、水素ガスの流量やガス圧が高精度に調整されて、燃料電池１０側に供給される。
【００２８】
また、仮に遮断弁４０が故障した場合には、過流防止弁４１により、ガス供給流路３３に流れるガス流量が制限される。つまり、水素ガスは、通常のシステム稼働時の供給流量以下の場合には、下流側に流され、通常のシステム稼働時の供給流量を超える場合には、遮断される。
【００２９】
以上の実施の形態によれば、ガス供給流路３３の減圧弁４２の上流側に過流防止弁４１が設けられるので、例えば水素ガス充填部３０から大流量の水素ガスが充填された際に、その大流量の水素ガスが減圧弁４２に流れ込むことを防止できる。このため、水素ガスの流入時の減圧弁４２に対する衝撃が抑制され、水素ガス充填時の減圧弁４２への負荷を軽減できる。この結果、減圧弁４２の長寿命化が図られる。また、減圧弁４２が故障した場合に、下流に大量の水素ガスが流れてリリーフ弁４３から放出されることも抑制できるので、水素ガスが無駄になることを抑制できる。
【００３０】
また、過流防止弁４１は、水素ガスの消費時に水素ガスタンク３１から燃料電池１０側に供給される、予め設定された所定のガス流量よりも多い水素ガスが流れた場合に、水素ガスの流れを遮断するように設定されている。このため、ガス供給流路３３の減圧弁４２側に、水素ガス消費時の所定のガス流量よりも多い水素ガスが流れ込むことがないので、減圧弁４２に通常使用時を超える負荷がかかることがなくなる。この結果、水素ガス充填時の減圧弁４２に対する負荷が十分に軽減される。
【００３１】
また、本実施の形態では、上記水素ガス供給システム１２を、燃料電池システム１に適用したので、燃料電池１０への水素ガスの供給を適正に行い、例えば当該燃料電池システム１のメンテナンスの回数等を減らすことができる。
【００３２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３３】
例えば以上の実施の形態で記載した水素ガス供給システム１２は、燃料ガスとして水素ガスを供給するものであったが、燃料ガスとして他のガスを供給する場合にも本発明は適用できる。また、以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システムについて説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、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したものであってもよい。さらに、以上の実施の形態が、燃料ガス消費部が燃料電池であったが、燃料電池以外の他の燃料ガス消費部の場合にも、本発明は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】水素ガスの充填時の水素ガスの流れを示す説明図である。
【図３】水素ガスの供給時の水素ガスの流れを示す説明図である。
【図４】改善前の水素ガス供給システムの要部の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料電池システム
１２  水素ガス供給システム
３０  水素ガス充填部
３１  水素ガスタンク
３２  ガス充填流路
３３  ガス供給流路
４１  過流防止弁
４２  減圧弁
４３  リリーフ弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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