JP2004327297A

JP2004327297A - 燃料充填制御システム

Info

Publication number: JP2004327297A
Application number: JP2003121940A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Idoguchi; 隆一井戸口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】燃料充填時の制御を車両側で適切に行うことができ、また、そのための電力供給を車両駆動用の車両搭載電源や外部電源等を用いることなく実現できるようにする。
【解決手段】車両外部の燃料供給装置１から供給される燃料を車両搭載部２の高圧燃料容器１２に充填するためのシステムにおいて、車両搭載部２の燃料充填用レセプタクル１１と高圧燃料容器１２との間の燃料充填ライン１３に充填保護装置１６を配設する。充填保護装置１６は、開閉動作によって燃料充填ライン１３を連通或いは閉塞させる電磁遮断弁や、この電磁遮断弁に電力供給を行う小型燃料電池を備える構成とする。小型燃料電池への燃料の供給は、車両外部の燃料供給装置１から供給される燃料の一部を分圧、減圧することで実現する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵手段に対して、車両外部の燃料供給装置から供給される燃料を充填するための燃料充填制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両搭載用の燃料電池システムでは、燃料電池本体に供給する燃料を何らかのかたちで貯蔵して、車両に搭載しておく必要がある。このため、一般的には、高圧燃料容器等の燃料貯蔵手段を燃料電池本体と共に車両に搭載し、この燃料貯蔵手段に車両外部の燃料供給装置から供給される燃料を充填しておき、システム運転時には、燃料貯蔵手段に貯蔵された燃料を燃料電池本体に供給するようにしている。
【０００３】
車両外部の燃料供給装置から供給される燃料を燃料電池車両に搭載された高圧燃料容器等の燃料貯蔵手段に充填する場合、従来の技術では、設備側（燃料供給装置側）が単独で燃料充填の主制御を行っており、例えば供給燃料の圧力異常時における高圧ガス燃料遮断等の制御は、設備側が行うようにしているのが一般的である（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００４】
また、例えばＣＮＧ（圧縮天然ガス）等を燃料とする天然ガス自動車の場合には、車両側の燃料充填ラインには、逆止弁を内蔵した充填レセプタクルや、燃料フィルタ、手動の燃料供給用弁等が設置されているだけで、供給される燃料の圧力を判断して異常時にこれを遮断するような特別な充填制限構造を持たないものが多い（例えば、特許文献２等を参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３０６９００号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平９−２６４１９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これらの従来技術では、設備側の誤動作等による異常圧力時に、あたかも車両側の燃料充填系が故障して不具合が起きたように捉えられため、車両側で独自に燃料充填系の制御を行うシステムの構築が望まれている。
【０００８】
燃料充填系の制御を車両側で行う場合、燃料供給系に通常用いられる過流防止弁等を燃料充填系に用いて異常時の燃料遮断等を行うことも考えられるが、過流防止弁は流体の流量で動作する為、異常作動する場合があった。例えば、燃料電池車両における燃料供給設備仕様は、国内、北米、欧州等で統一されておらず、その動作原理も様々である。このため設備側の燃料供給方法で決まる特性によっては、車両に搭載された燃料貯蔵手段の燃料残圧が低く、かつ設備側から高圧、大容量の燃料が供給されるような場合には、設備と車両側の充填接続を行った際の車両側への燃料の突入流量が増大することもある。したがって、これまで燃料供給系に用いられていた過流防止弁をそのまま燃料充填系に適用したのでは、このような燃料の突入流量増大に反応して過流防止弁が誤動作し、燃料の充填が不用意に遮断されるといった問題が懸念される。
【０００９】
さらに、車両側の燃料充填系に電磁弁を設け、供給燃料の異常圧力時にこの電磁弁で燃料充填経路を遮断するといった方法を採用することも考えられるが、この場合には、電磁弁を動作させるための電源の供給が問題となる。すなわち、電磁弁を動作させるための電力を車両駆動用の車両搭載電源から供給する方法では、燃料の充填中においても車両搭載電源が使用されることになるため、トータルの車両燃費が悪化したり、緩充填により電源が長時間使用される場合には、車両の駆動にも悪影響を及ぼす虞れがあった。
【００１０】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて提案されたものであって、燃料充填時の制御を車両側で適切に行うことができ、また、そのための電力供給を車両駆動用の車両搭載電源や外部電源等を用いることなく実現できる燃料充填制御システムを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料充填制御システムは、燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵手段に車両外部の燃料供給装置から供給される燃料を充填するための制御システムであり、燃料供給装置の燃料供給用ノズルと嵌合する燃料電池車両に設置された燃料充填用レセプタクルと、この燃料充填用レセプタクルと燃料貯蔵手段との間の燃料充填経路に配設された燃料遮断弁と、燃料電池車両への供給燃料の一部を用いて発電する燃料充填時専用発電手段とを有する。そして、この燃料充填制御システムでは、燃料充填時専用発電手段からの電力を用いて、燃料電池車両への燃料供給時には燃料遮断弁を開弁して燃料充填経路を連通させると共に、燃料電池車両への非燃料供給時には燃料遮断弁を閉弁して燃料充填経路を閉塞させるようにしている。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料充填制御システムによれば、燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵手段への供給燃料の充填制御が、燃料電池車両側で独自に行われることになるので、車両外部の燃料供給装置の制御仕様や特性等に拘わらず、異常時には適切に車両を保護することができる。また、供給燃料の経路である燃料充填経路を連通／遮断するための燃料遮断弁の駆動電力が燃料充填時専用発電手段から得られるため、車両駆動用の車両搭載電源や外部電源等を用いる必要がなく、車両燃費等を悪化させることなく燃料充填制御を適切に行うことができると共に、ハーネス等の配線も省略可能で、システム構造の簡略化を図ることも可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料充填制御システムについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、高圧水素ガスを燃料とする燃料電池車両を対象とし、この燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵手段としての高圧燃料容器に燃料である高圧水素ガスを充填するための燃料充填制御システムに本発明を適用した例について説明する。
【００１４】
本実施形態の燃料充填制御システムは、図１に示すように、例えば水素ステーション等の燃料供給設備等に設置された車両外部の燃料供給装置１と、燃料電池車両に搭載される車両搭載部２とから構成される。
【００１５】
燃料供給装置１は、燃料供給用ノズル３や燃料ホース４、圧力計５、温度計６、遮断弁７、燃料供給用貯蔵装置８、コントローラ９等を備える。そして、燃料供給装置１での制御は、温度計６からの検出信号や、圧力計５からの検出信号等に基づき、コントローラ９にて実行されるようになっており、燃料電池車両に高圧水素ガスを供給する際は、コントローラ９による制御のもとで遮断弁７が開放されて、燃料供給用貯蔵装置８から昇圧された高圧水素ガスが取り出され、この高圧水素ガスが、温度計６、圧力計５等を経由して、燃料ホース４から燃料供給用ノズル３に到達する。そして、この燃料供給用ノズル３に嵌合される車両搭載部２の燃料充填用レセプタクル１１から燃料電池車両へと高圧水素ガスが供給されることになる。
【００１６】
一方、車両搭載部２は、燃料供給装置１の燃料供給用ノズル３と嵌合する燃料充填用レセプタクル１１と、燃料電池車両の駆動用電源である燃料電池に供給する水素を貯蔵する高圧燃料容器１２とを備えており、この燃料充填用レセプタクル１１と高圧燃料容器１２との間に、燃料充填ライン（燃料充填経路）１３が設けられている。また、高圧燃料容器１２と燃料電池との間には、燃料供給ライン１４が設けられている。
【００１７】
燃料充填ライン１３を構成する配管には、高圧燃料容器１２の手前位置に逆止弁１５、中途位置に本発明の要部をなす充填保護装置１６がそれぞれ配設されている。そして、燃料充填用レセプタクル１１から燃料電池車両へと供給された高圧水素ガスは、燃料充填ライン１３に配設されたこれら充填保護装置１６、逆止弁１５をそれぞれ経由して、高圧燃料容器１２に充填される。
【００１８】
また、燃料供給ライン１４を構成する配管には、過流防止弁１７及び減圧弁１８が配設されており、高圧燃料容器１２内の高圧水素ガスは、過流防止弁１７によって流量制御され、減圧弁１８によって適正な圧力に調整されて、燃料電池へと送り込まれる。
【００１９】
高圧燃料容器１２は、容器内の温度を計測する温度センサ１９や容器内の圧力を計測する圧力センサ２０を備えており、また、容器首部には、逆止弁２１や、燃料電池への水素供給時に開弁される遮断弁２２、安全性確保のための溶栓弁２３等が設けられた容器元弁が設置されている。さらに、高圧燃料容器１２には、車両搭載部２における燃料充填制御を司るコントローラ２４が接続されている。このコントローラ２４は、高圧燃料容器１２に設けられた温度センサ１９や圧力センサ２０からの検出信号に基づき、高圧燃料容器１２への高圧水素ガスの充填可否を判断し、それに応じて充填保護装置１６の動作を制御する。
【００２０】
以上の構成を有する燃料充填制御システムにおいては、車両搭載部２の燃料充填ライン１３に設けられた充填保護装置１６の動作によって、燃料電池車両での充填制御が行われる。以下、この保護装置１６の具体的構成について説明する。
【００２１】
この充填保護装置１６の構造を図２に断面図で示す。図２に示すように、充填保護装置１６は、燃料充填ライン１３の配管と連通される充填経路燃料配管３１と、この充填経路燃料配管３１を開放或いは閉塞する電磁遮断弁３２と、この電磁遮断弁３２に電力を供給する燃料充填時専用発電手段である小型燃料電池３３と、車両外部の燃料供給装置１から供給されて燃料充填ライン１３を流れる高圧水素ガスの一部を分圧、減圧して小型燃料電池３３に供給する副燃料流路３４とを主要な構成要素として組み立てられている。
【００２２】
燃料充填ライン１３を流れる高圧水素ガスは、充填保護装置１６の内部においいて基本的には充填経路燃料配管（主燃料流路）３１に導かれるが、この充填経路燃料配管３１から副燃料流路３４が分岐されており、高圧水素ガスの一部は、この副燃料流路３４に導かれることになる。副燃料流路３４には、この副燃料流路３４内で作動する機構として、ダイヤフラムを用いた分減圧機構３５と、遮断機構３６とが設けられている。
【００２３】
また、副燃料流路３４の下流位置には、小型燃料電池３３が設置されてる。小型燃料電池３３は、中央を分離膜（電解質膜）３３ａで分けられた水素極３３ｂと空気極３３ｃの両極を持ち、水素極３３ｂに副燃料流路３４で大気圧近傍まで分減圧された水素、空気極３３ｃには大気がそれぞれ導入されることで、電力を発生させる。このため、小型燃料電池３３の水素極３３ｂには副燃料流路３４の先端部分が接続され、また、空気極３３ｃと対向する充填保護装置１６の壁面には、大気孔３７が設けられている。なお、発電に伴い小型燃料電池３３において副生成物として発生する水は、小型燃料電池３３の分離膜３３ａを加湿する用途で自己消費される。
【００２４】
前記小型燃料電池３３は、本例では円筒形状をしており、その中央部分が刳り抜かれ、ここに後述の電磁遮断弁３２のコイル部３２ｂを収容するような形となっている。
【００２５】
また、主燃料流路である充填経路燃料配管３１には、ノーマルクローズ動作の電磁遮断弁３２が配設されており、前記小型燃料電池３３により発生した電力を用いてこの電磁遮断弁３２が動作されることで、充填経路燃料配管３１の遮断と開放の切り替え、すなわち、充填保護装置１６を挟んだ両側の燃料充填ライン１３の閉塞と連通の切り替えが行われるようになっている。
【００２６】
電磁遮断弁３２は、充填経路燃料配管３１を開閉するプランジャ３２ａと、このプランジャ３２ａを上下動させるコイル部３２ｂとからなり、さらにコイル部３２ｂはバスバー３２ｃを介して前記小型燃料電池３３と電気的に接続され、電力の供給を受けるようになっている。以上の構成の充填保護装置１６において、電磁遮断弁３２の電力供給源として用いられる小型燃料電池３３は、電磁遮断弁３２のコイル部３２ｂの空隙にレイアウトされており、したがって充填保護装置１６の容積としては大型化することはない。
【００２７】
次に、以上のように構成される充填保護装置１６の動作について説明する。まず、車外の燃料供給装置１から燃料電池車両の車両搭載部２に対して燃料である高圧水素ガスが供給されていない場合（非燃料供給時）には、燃料充填ライン１３及び充填保護装置１６内の充填経路燃料配管３１、副燃料流路３４には燃料圧が無いため、副燃料流路３４を通る水素ガスを燃料とする小型燃料電池３３での発電が行われない。このため、電磁遮断弁３２のコイル部３２ｂに電力が供給されず、プランジャ３２ａによって充填経路燃料配管３１が遮断されたままとなる。
【００２８】
車外の燃料供給装置１から燃料電池車両の車両搭載部２に対して燃料である高圧水素ガスの供給が開始されると（燃料供給時）、燃料充填用レセプタクル１１から燃料充填ライン１３に流入した高圧水素ガスが充填保護装置１６に到達し、充填保護装置１６内の充填経路燃料配管３１及び副燃料流路３４には、図３に示すように、その上流側から供給燃料圧力ＰＳが加わることになる。そして、図中矢印で示すように、高圧水素ガスの一部が充填経路燃料配管３１から副燃料流路３４へと分岐して、供給燃料圧力ＰＳが規定上限圧力ＰＳＳ以下であれば、分減圧機構３５で大気圧相当まで減圧された後、遮断機構３６をそのまま通過して小型燃料電池３３の水素極３３ｂに供給される。
【００２９】
また、このとき、小型燃料電池３３の空気極３３ｃには、大気孔３７から充填保護装置１６内に導入された空気が供給され、これにより、小型燃料電池３３が発電を行うことになる。この小型燃料電池３３により発電された電力は電磁遮断弁３２に供給されて、電磁遮断弁３２のコイル部３２ｂが通電される。そしてコイル部３２ｂの電磁力によってプランジャ３２ａが摺動して、電磁遮断弁３２が開状態となり、充填経路燃料配管３１が開放される。その結果、充填保護装置１６を挟んだ両側の燃料充填ライン１３が連通して、高圧燃料容器１２に対する高圧水素ガスの充填が実行される。
【００３０】
以上のような燃料供給時において、何らかの要因で、車外の燃料供給装置１から燃料電池車両の車両搭載部２に対して供給される高圧水素ガスの圧力（供給燃料圧力）ＰＳが規定上限圧力ＰＳＳよりも高くなり、充填保護装置１６内の副燃料流路３４に規定上減圧力ＰＳＳを越える供給燃料圧力ＰＳが加わった場合には、図４に示すように、副燃料流路３４に設けられた遮断機構３６が作動して副燃料流路３４が閉塞され、小型燃料電池３３への燃料供給が遮断される。これにより、小型燃料電池３３での発電が停止して電磁遮断弁３２が閉状態とされ、充填経路燃料配管３１が遮断される。その結果、充填保護装置１６を挟んだ両側の燃料充填ライン１３が閉塞されて、高圧燃料容器１２に対する高圧水素ガスの充填が停止されることになる。
【００３１】
このように、充填保護装置１６は、何らかの要因で供給燃料圧力が異常に高くなった場合には、上述したコントローラ２４からの指令等とは独立して高圧燃料容器１２に対する高圧水素ガスの充填を停止させることができ、車両搭載部２側の保護を図ることが可能となっている。また、この充填保護装置１６では、副燃料流路３４に設けられた分減圧機構３５が故障した場合にも、同様に遮断機構３６が作動して副燃料流路３４が閉塞され、電磁遮断弁３２が閉状態とされることで、高圧水素ガスの充填を停止できるようになっている。
【００３２】
また、低温起動時には、小型燃料電池３３での発熱量が小さいため、通常、別熱源を用いてこれを安定出力が得られる適正温度にまで暖める必要があるが、本実施形態のように、小型燃料電池３３をノーマルクローズの電磁遮断弁３２のコイル部３２ｂに近接させて配置する構成では、低温時の起動において、一旦、出力可能温度で小型燃料電池３３を発電させて電磁遮断弁３２を開放した後は、コイル部３２ｂの自己発熱により小型燃料電池３３を暖めることで、小型燃料電池３３を迅速に適正温度に高めて、この適正温度に維持することができる。したがって、特別な保温装置を用いなくとも、小型燃料電池３３から安定的に電力を得ることができ、電磁遮断弁３２を適切に駆動し続けることができる。
【００３３】
以上説明したように、本発明を適用した燃料充填制御システムによれば、車両外部の燃料供給装置１から供給される高圧水素ガスを車両搭載部２の高圧燃料容器１２に充填する際の制御が、コントローラ２４の指令や充填保護装置１６の動作によって、燃料電池車両側で独自に行われることになるので、車両外部の燃料供給装置１の制御仕様や特性等に拘わらず、異常時には適切に車両を保護することができる。また、燃料充填ライン１３を連通／遮断するための充填保護装置１６の電磁遮断弁３２に供給する電力が、燃料充填時専用発電手段として充填保護装置１６に設けられた小型燃料電池３３から得られるため、車両駆動用の車両搭載電源や外部電源等を用いる必要がなく、車両燃費等を悪化させることなく燃料充填制御を適切に行うことができると共に、ハーネス等の配線も省略可能で、システム構造の簡略化を図ることも可能となる。
【００３４】
また、充填保護装置１６に設けた小型燃料電池３３を電磁遮断弁３２のコイル部３２ｂに近接させて配置したことで、コイル部３２ｂの空隙を有効利用して省スペース化を図ることができると共に、低温起動時においては小型燃料電池３３の暖機促進をコイル部３２ｂの自己発熱によって実現でき、効果的な電磁遮断弁３２の駆動を行うことができる。
【００３５】
さらに、燃料充填ライン１３に連続する充填経路燃料配管３１、この充填経路燃料配管３１を遮断／開放する電磁遮断弁３２、この電磁遮断弁３２の駆動電力を供給する小型燃料電池３３、充填経路燃料配管３１から分岐される副燃料流路３４を一体化して、充填保護装置１６として構成したことで、外部に露出するハーネスや端子を省略することができると共に、取り扱い性を良好なものとしてシステムの構築を容易に行うことができ、さらには、既存のシステムにこの充填保護装置１６を組み込むことで、本発明の燃料充填制御システムとすることも可能である。
【００３６】
以上、本発明を適用した具体的な実施形態について説明してきたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、以上の例では、簡略化のために、小型燃料電池３３が単セル構造のものであるとしてとして説明したが、勿論、小型燃料電池３３が単セル構造に限られるものではなく、例えば複数枚のセルを重ねたスタック構造のもの等であってもよい。
【００３７】
また、以上の例では、小型燃料電池３３への水素の供給を副燃料流路３４を利用して行い、燃料供給装置１から車両搭載部２に供給された水素の一部を分圧して小型燃料電池３３へと供給するようにしているが、例えば水素吸蔵合金やカーボンナノチューブ等に水素を吸蔵させておき、ここから小型燃料電池３３に水素を供給するようにしてもよい。
【００３８】
また、電磁遮断弁３２を駆動するための燃料充填時専用発電手段としては、小型燃料電池３３に限らず各種の発電手段が利用可能であり、また、例えば設備側（燃料供給装置１側）にも発電手段を設け、電力供給を２重の系にすることも可能である。ただし、この場合には、車両側を優先する回路構成とする必要がある。これは、設備側に異常が起きた場合に、車両側でこれを回避し燃料充填を遮断し得るようにすることが要求されるためである。
【００３９】
また、以上の例では、燃料供給装置１を水素ステーション等に設置される定置式の燃料供給装置として説明しているが、燃料供給装置１が移動式であっても、以上の例と同様に、本発明を有効に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料充填制御システムの全体構成を示す図である。
【図２】前記燃料充填制御システムが備える充填保護装置の構造を示す概略断面図である。
【図３】燃料充填時における前記充填保護装置の動作を説明する図である。
【図４】燃料充填時に供給燃料圧力が異常に高まった場合における前記充填保護装置の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１燃料供給装置
２車両搭載部
３燃料供給用ノズル
１１燃料充填用レセプタクル
１２高圧燃料容器
１３燃料充填ライン
１６充填保護装置
２４コントローラ
３１充填経路燃料配管
３２電磁遮断弁
３２ａプランジャ
３２ｂコイル部
３３小型燃料電池
３４副燃料流路
３５分減圧機構
３６遮断機構

Claims

燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵手段に車両外部の燃料供給装置から供給される燃料を充填するための燃料充填制御システムであって、
前記燃料供給装置の燃料供給用ノズルと嵌合する燃料電池車両に設置された燃料充填用レセプタクルと、
前記燃料充填用レセプタクルと前記燃料貯蔵手段との間の燃料充填経路に配設された燃料遮断弁と、
燃料電池車両への供給燃料の一部を用いて発電する燃料充填時専用発電手段とを有し、
前記燃料充填時専用発電手段からの電力を用いて、燃料電池車両のへの燃料供給時には前記燃料遮断弁を開弁して前記燃料充填経路を連通させると共に、燃料電池車両への非燃料供給時には前記燃料遮断弁を閉弁して前記燃料充填経路を閉塞させることを特徴とする燃料充填制御システム。
前記燃料充填経路は、燃料電池車両への供給燃料を分圧するように構成される副燃料流路を備え、
前記副燃料流路で分圧された供給燃料を用いて発電する補助燃料電池を、前記燃料充填時専用発電手段として備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料充填制御システム。
前記副燃料流路内で作動する流路遮断機構を備え、
燃料電池車両への供給燃料の圧力が規定上限圧力よりも高い場合には、前記遮断機構により副燃料流路を閉塞して、前記補助燃料電池の発電を停止させることで、前記燃料供給経路を前記燃料遮断弁により閉塞させることを特徴とする請求項２に記載の燃料充填制御システム。
前記燃料遮断弁は開閉操作のためのコイル部を備えると共に、前記補助燃料電池は前記燃料遮断弁のコイル部に近接して配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料充填制御システム。
前記副燃料流路と補助燃料電池とが前記燃料遮断弁と一体化された構造を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料充填制御システム。