特許 6879889 水素供給装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6879889

(24)【登録日】2021年5月7日

(45)【発行日】2021年6月2日

(54)【発明の名称】水素供給装置

(51)【国際特許分類】

   F17C 13/02 20060101AFI20210524BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20210524BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20210524BHJP

【ＦＩ】

   F17C13/02 301Z

   H01M8/04 J

   H01M8/0606

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-225656(P2017-225656)

(22)【出願日】2017年11月24日

(65)【公開番号】特開2019-94990(P2019-94990A)

(43)【公開日】2019年6月20日

【審査請求日】2020年1月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100166235

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100179936

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 明日香

(72)【発明者】

【氏名】松浦 章雄

【審査官】 家城 雅美

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１１１８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３４００９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２２０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１８２５６１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１７Ｃ１／００−１３／１２

Ｈ０１Ｍ８／０４

Ｈ０１Ｍ８／０６０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素ガスを圧送する水素圧送手段と、
前記水素圧送手段の下流に設けられる第１のバルブと、
前記第１のバルブの下流に設けられる第２のバルブと、
前記第２のバルブの下流に接続されると共に外気に連通する排気経路と、
前記第１のバルブの下流かつ前記第２のバルブの上流に設けられるフィルタと、
前記第１のバルブの下流から前記フィルタの上流までの間の水素ガスの状態変化を検出する状態検出手段と、
前記状態検出手段によって検出される前記水素ガスの状態変化に基いて、前記水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する判定手段と、
前記水素圧送手段の下流に設けられる吐出部と、
前記吐出部と接続可能な受入部と、
前記吐出部が前記受入部に接続されたことを検知する接続検知手段と
を備え、
前記判定手段は、前記吐出部が前記受入部に接続されたことが検知されると、前記状態検出手段によって検出される前記水素ガスの状態変化に基いて、前記水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する、水素供給装置。

【請求項2】

前記状態検出手段は、前記第１のバルブの下流かつ前記第２のバルブの上流に設けられる流量センサであり、
前記判定手段は、前記流量センサによって検出される前記水素ガスの流量に基いて、前記水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する、請求項１に記載の水素供給装置。

【請求項3】

前記判定手段は、前記水素供給装置による水素ガスの供給が終了した後に、前記接続検知手段によって前記吐出部が前記受入部に接続されたことが検知されない場合には、ユーザに対して前記吐出部が前記受入部に接続されていないことを報知する、請求項１または２に記載の水素供給装置。

【請求項4】

水素ガスを圧送する水素圧送手段と、
前記水素圧送手段の下流に設けられる第１のバルブと、
前記第１のバルブの下流に設けられる第２のバルブと、
前記第２のバルブの下流に接続されると共に外気に連通する排気経路と、
前記第１のバルブの下流かつ前記第２のバルブの上流に設けられるフィルタと、
前記第１のバルブの下流から前記フィルタの上流までの間の水素ガスの状態変化を検出する状態検出手段と、
前記状態検出手段によって検出される前記水素ガスの状態変化に基いて、前記水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する判定手段と
を備え、
前記状態検出手段は、前記第１のバルブの下流かつ前記フィルタの上流に設けられる圧力センサであり、
前記判定手段は、前記圧力センサによって検出される前記水素ガスの所定時間あたりの圧力減少量に基いて、前記水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する、水素供給装置。

【請求項5】

前記水素圧送手段の下流に設けられる吐出部と、
前記吐出部と接続可能な受入部と、
前記吐出部が前記受入部に接続されたことを検知する接続検知手段と
をさらに備え、
前記判定手段は、前記水素供給装置による水素ガスの供給が終了した後に、前記接続検知手段によって前記吐出部が前記受入部に接続されたことが検知されない場合には、ユーザに対して前記吐出部が前記受入部に接続されていないことを報知する、請求項４に記載の水素供給装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、水素供給装置に係り、特に燃料電池システムを搭載した車両に水素ガスを供給する水素供給装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、燃料電池システムの実用化が進められている。一般的な燃料電池システムでは、燃料電池スタック（ＦＣスタック）に水素と酸素が供給され、これら水素と酸素がＦＣスタック内で化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが生成される。また、燃料電池システムを普通自動車に搭載した燃料電池自動車（ＦＣＶ）や、燃料電池システムをフォークリフト等の産業車両に搭載したものも既に実用化されている。

【0003】

現在、水素供給装置から車両に水素ガスを供給する際には、水素供給装置に備えられているノズルと車両のレセプタクルとを接続し、水素供給装置から車両に向けて水素ガスを供給する方式が一般的である。特許文献１には、そのような水素供給装置の一例が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−６９３３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

燃料電池システムに供給される水素ガスに異物が混入していると、燃料電池システムの発電効率が悪化するため、水素ガスに異物が混入しないように注意する必要がある。また、車両内に蓄えられている水素ガスに異物が混入していることが発見された場合には、その異物が水素供給装置から供給された水素ガスに既に混入していたのか、あるいは車両内に水素ガスが蓄えられてから混入したのか等、異物の混入経路を特定する必要がある。

【0006】

現在、未使用時の水素供給装置のノズルにキャップを被せることにより、外部から水素供給装置の内部に異物が入り込み、それが水素ガスに混入するのを防止することが行われている。しかしながら、この方法では水素供給装置を構成する部品のさび等、水素供給装置それ自体に由来する異物が水素ガスに混入するのを防止することはできない。そのため、異物の混入経路を特定するという観点からは、水素供給装置が自機から供給される水素ガスに異物が混入しているか否かを自己診断できることが望ましい。

【0007】

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、自機が供給する水素ガスに異物が混入しているか否かを自己診断することができる、水素供給装置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】

【0008】

上記の課題を解決するために、この発明に係る水素供給装置は、水素ガスを圧送する水素圧送手段と、水素圧送手段の下流に設けられる第１のバルブと、第１のバルブの下流に設けられる第２のバルブと、第２のバルブの下流に接続されると共に外気に連通する排気経路と、第１のバルブの下流かつ第２のバルブの上流に設けられるフィルタと、第１のバルブの下流からフィルタの上流までの間の水素ガスの状態変化を検出する状態検出手段と、状態検出手段によって検出される水素ガスの状態変化に基いて、水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する判定手段と、水素圧送手段の下流に設けられる吐出部と、吐出部と接続可能な受入部と、吐出部が受入部に接続されたことを検知する接続検知手段とを備え、判定手段は、吐出部が受入部に接続されたことが検知されると、状態検出手段によって検出される水素ガスの状態変化に基いて、水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する。

【0011】

状態検出手段は、第１のバルブの下流かつ第２のバルブの上流に設けられる流量センサであり、判定手段は、流量センサによって検出される水素ガスの流量に基いて、水素ガスに異物が混入しているか否かを判定してもよい。

【0012】

判定手段は、水素供給装置による水素ガスの供給が終了した後に、接続検知手段によって吐出部が受入部に接続されたことが検知されない場合には、ユーザに対して吐出部が受入部に接続されていないことを報知するようにしてもよい。
また、この発明に係る別の水素供給装置は、水素ガスを圧送する水素圧送手段と、水素圧送手段の下流に設けられる第１のバルブと、第１のバルブの下流に設けられる第２のバルブと、第２のバルブの下流に接続されると共に外気に連通する排気経路と、第１のバルブの下流かつ第２のバルブの上流に設けられるフィルタと、第１のバルブの下流からフィルタの上流までの間の水素ガスの状態変化を検出する状態検出手段と、状態検出手段によって検出される水素ガスの状態変化に基いて、水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する判定手段と、水素圧送手段の下流に設けられる吐出部と、吐出部と接続可能な受入部と、吐出部が受入部に接続されたことを検知する接続検知手段とを備え、判定手段は、吐出部が受入部に接続されたことが検知されると、状態検出手段によって検出される水素ガスの状態変化に基いて、水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する。
水素圧送手段の下流に設けられる吐出部と、吐出部と接続可能な受入部と、吐出部が受入部に接続されたことを検知する接続検知手段とをさらに備え、判定手段は、水素供給装置による水素ガスの供給が終了した後に、接続検知手段によって吐出部が受入部に接続されたことが検知されない場合には、ユーザに対して吐出部が受入部に接続されていないことを報知するようにしてもよい。

【発明の効果】

【0013】

この発明に係る水素供給装置によれば、自機が供給する水素ガスに異物が混入しているか否かを自己診断することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施の形態１に係る水素供給装置とフォークリフトの構成を示す図である。

【図2】実施の形態１に係る水素供給装置の内部構成を示す模式図である。

【図3】実施の形態１に係る水素供給装置の動作を説明するフローチャートである。

【図4】実施の形態１の変形例に係る水素供給装置の内部構成を示す模式図である。

【図5】実施の形態２に係る水素供給装置の内部構成を示す模式図である。

【図6】実施の形態２に係る水素供給装置の動作を説明するフローチャートである。

【図7】実施の形態２の変形例に係る水素供給装置の内部構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．

【0016】

この発明の実施の形態１に係る水素供給装置１０について説明する。図１には、車両に水素ガスを供給する水素供給装置１０と、当該水素供給装置１０によって水素ガスを供給される車両の一例として、燃料電池システム３１を搭載したフォークリフト３０とが示されている。なお、以降の説明では、車両としてフォークリフトを例にとって説明するが、本願発明の適用可能な範囲はこれに限定されるものではなく、燃料電池自動車（ＦＣＶ）等の他の種類の車両であってもよい。

【0017】

水素供給装置１０からフォークリフト３０に水素ガスを供給する際には、水素供給装置１０のホース１４を経由して延びるノズル１５がフォークリフト３０のレセプタクル３２に接続され、水素供給装置１０からフォークリフト３０の燃料電池システム３１に水素ガスが供給される。また、この水素供給装置１０では、車両への水素ガスの供給を行わない未使用時には、ユーザはノズル１５をホルダ２２に設けられたレセプタクル１６に接続するように義務付けられている。

【0018】

図２には、水素供給装置１０の内部構成が模式的に示されている。水素供給装置１０は、水素ガスを圧縮して昇圧する圧縮機１１と、昇圧された水素ガスを貯留する蓄圧器１２と、蓄圧器１２の下流に設けられる減圧弁１３とを備えている。減圧弁１３の下流には、電磁式の開閉バルブＡが設けられており、バルブＡの下流にはホース１４が接続されている。ホース１４の先端にはノズル１５が取り付けられており、このノズル１５は、先述したフォークリフト３０のレセプタクル３２に着脱可能に接続することができる（図１も併せて参照）。

【0019】

また、水素供給装置１０は、ノズル１５に着脱可能に接続することができるレセプタクル１６を備えている。このレセプタクル１６は、フォークリフト３０のレセプタクル３２と同型のものであるが、当該レセプタクル１６にノズル１５が接続されたことを検知可能なリミットスイッチ１７が取り付けられている。レセプタクル１６の下流には、ろ過粒度５μｍの焼結フィルタ１８および電磁式の開閉バルブＢが設けられている。バルブＢの下流は排気経路１９に接続されており、排気経路１９は外気に連通している。

【0020】

また、バルブＡの直下流には、圧力センサ２０が設けられている。ノズル１５がフォークリフト３０のレセプタクル３２に接続されて水素ガスの供給が行われる際には、この圧力センサ２０によって検出される圧力は、ノズル１５から吐出される水素ガスの圧力である。

【0021】

さらに、水素供給装置１０は、マイクロコンピュータ等によって構成される制御ユニット２１を備えている。制御ユニット２１は、リミットスイッチ１７の検知信号および圧力センサ２０の検出信号を受信可能であると共に、バルブＡ、Ｂの開閉状態を制御することができる。

【0022】

次に、実施の形態１に係る水素供給装置１０において行われる、当該水素供給装置１０から供給される水素ガスに異物が混入しているか否かを自己診断する処理について、図３のフローチャートを参照して説明する。なお、この自己診断処理は、ユーザによってノズル１５がレセプタクル１６に接続されると開始される。

【0023】

まず、水素供給装置１０の制御ユニット２１は、自機のノズル１５がレセプタクル１６に接続されたことを示すリミットスイッチ１７からの検知信号を受信すると（Ｓ３０１）、バルブＡを開状態にすると共にバルブＢを閉状態にする（Ｓ３０２）。この際、圧力センサ２０によって検出される圧力は、バルブＡの下流から焼結フィルタ１８の上流までの間の水素ガスの圧力である。

【0024】

次に、制御ユニット２１は、圧力センサ２０によって検出される圧力が所定値に達するまで待機し（Ｓ３０３）、圧力が所定値に達すると（Ｓ３０３＝ＹＥＳ）、バルブＡを閉状態にし（Ｓ３０４）、続いてバルブＢを開状態にする（Ｓ３０５）。これにより、バルブＡの下流から焼結フィルタ１８の上流までの間に存在する水素ガスは、焼結フィルタ１８を通って排気経路１９に向けて流れていき、外気に放出される。

【0025】

この際、水素ガスに異物が混入していない場合には、異物が焼結フィルタ１８に付着することがないため、水素ガスはスムーズに排気経路１９へと流れ、圧力センサ２０によって検出される圧力は短時間で大気圧と等しくなる。一方、例えば圧縮機１１や蓄圧器１２の内部に発生するさび等、水素ガスに異物が混入している場合には、その異物が焼結フィルタ１８に付着するため、排気経路１９へと向かう水素ガスの流れが妨げられ、圧力センサ２０によって検出される圧力が大気圧と等しくなるまでには、比較的長時間を要する。

【0026】

制御ユニット２１は、圧力センサ２０によって検出される圧力Ｐから、所定時間（例えば１秒）あたりの圧力減少量ΔＰを算出し（Ｓ３０６）、これを所定値ΔＰｔと比較する（Ｓ３０７）。ここで、所定値ΔＰｔは、水素ガスに異物が混入していない場合における所定時間あたりの圧力減少量であり、予め実験的に決定される。

【0027】

水素ガスに異物が混入している場合における所定時間あたりの圧力減少量は、水素ガスに異物が混入していない場合における所定時間あたりの圧力減少量ΔＰｔよりも小さくなる。そのため、制御ユニット２１は、ΔＰ＜ΔＰｔである場合（Ｓ３０７＝ＹＥＳ）には、水素ガスに異物が混入していると判定し（Ｓ３０８）、ΔＰ＜ΔＰｔでない場合（Ｓ３０７＝ＮＯ）には、水素ガスに異物が混入していないと判定する（Ｓ３０９）。

【0028】

以上説明したように、実施の形態１に係る水素供給装置１０は、バルブＡの下流から焼結フィルタ１８の上流までの間の水素ガスの圧力を検出可能な圧力センサ２０を備えている。制御ユニット２１は、ノズル１５がレセプタクル１６に接続されたことが検知されると、バルブＡを開状態にすると共にバルブＢを閉状態にすることによって、バルブＡの下流から焼結フィルタ１８の上流までの間の水素ガスの圧力を所定値まで高めた後、バルブＡを閉状態にし、続いてバルブＢを開状態にした際に、圧力センサ２０によって検出される水素ガスの所定時間あたりの圧力減少量ΔＰに基いて、水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する。これにより、水素供給装置１０は、自機が供給する水素ガスに異物が混入しているか否かを自己診断することができる。

【0029】

なお、実施の形態１において焼結フィルタ１８を設ける位置は、レセプタクル１６の下流に限定されるものではなく、バルブＡの下流かつバルブＢの上流であればよい。同様に、圧力センサ２０を設ける位置は、バルブＡの直下流に限定されるものではなく、バルブＡの下流かつ焼結フィルタ１８の上流であればよい。

【0030】

また、図４に示されるように、バルブＡの下流と焼結フィルタ１８の上流とを連通する経路１２３を予め形成しておき、レセプタクル１６の下流は行き止まりにしておいてもよい。このように構成しても、水素供給装置１１０の制御ユニット１２１は、図３のフローチャートに示される処理を行うことにより、自機が供給する水素ガスに異物が混入しているか否かを自己診断することができる。なお、水素供給装置１１０からフォークリフト３０に水素ガスを供給する際には、バルブＢは閉状態にされる。
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る水素供給装置２１０について説明する。なお、以降の説明において、実施の形態１と同一の部分については、その詳細な説明は省略する。

【0031】

図５に示されるように、実施の形態２に係る水素供給装置２１０は、焼結フィルタ１８とバルブＢとの間に設けられる流量センサ２２４を備えている。

【0032】

図６に示されるように、水素供給装置２１０の制御ユニット２２１は、自機のノズル１５がレセプタクル１６に接続されたことを示すリミットスイッチ１７からの検知信号を受信すると（Ｓ６０１）、バルブＡを開状態にすると共にバルブＢを閉状態にし（Ｓ６０２）、圧力センサ２０によって検出される圧力が所定値に達するまで待機する（Ｓ６０３）。

【0033】

圧力センサ２０によって検出される圧力が所定値に達すると（Ｓ６０３＝ＹＥＳ）、制御ユニット２２１は、バルブＡを閉状態にし（Ｓ６０４）、続いてバルブＢを開状態にする（Ｓ６０５）。これにより、実施の形態１と同様に、バルブＡの下流から焼結フィルタ１８の上流までの間に存在する水素ガスは、焼結フィルタ１８を通って排気経路１９に向けて流れていき、外気に放出される。

【0034】

この際、水素ガスに異物が混入していない場合には、異物が焼結フィルタ１８に付着することがないため、水素ガスはスムーズに排気経路１９へと流れる。一方、水素ガスに異物が混入している場合には、その異物が焼結フィルタ１８に付着するため、排気経路１９へと向かう水素ガスの流れが妨げられる。

【0035】

制御ユニット２２１は、流量センサ２２４によって検出される水素ガスの流量Ｆを取得し（Ｓ６０６）、これを所定値Ｆｔと比較する（Ｓ６０７）。ここで、所定値Ｆｔは、異物が混入していない場合の水素ガスの流量であり、予め実験的に決定される。

【0036】

異物が混入している場合の水素ガスの流量は、異物が混入していない場合の流量Ｆｔよりも小さくなる。そのため、制御ユニット２２１は、Ｆ＜Ｆｔである場合（Ｓ６０７＝ＹＥＳ）には、水素ガスに異物が混入していると判定し（Ｓ６０８）、Ｆ＜Ｆｔでない場合（Ｓ６０７＝ＮＯ）には、水素ガスに異物が混入していないと判定する（Ｓ６０９）。

【0037】

以上説明したように、実施の形態２に係る水素供給装置２１０は、バルブＡの下流から焼結フィルタ１８の上流までの間の水素ガスの流量を検出可能な流量センサ２２４を備えている。制御ユニット２２１は、ノズル１５がレセプタクル１６に接続されたことが検知されると、バルブＡを開状態にすると共にバルブＢを閉状態にすることによって、バルブＡの下流から焼結フィルタ１８の上流までの間の水素ガスの圧力を所定値まで高めた後、バルブＡを閉状態にし、続いてバルブＢを開状態にした際に、流量センサ２２４によって検出される水素ガスの流量Ｆに基いて、水素ガスに異物が混入しているか否かを判定する。これにより、水素供給装置２１０は、自機が供給する水素ガスに異物が混入しているか否かを自己診断することができる。

【0038】

なお、実施の形態２において流量センサ２２４を設ける位置は、焼結フィルタ１８とバルブＢとの間に限定されるものではなく、バルブＡの下流かつバルブＢの上流であればよい。

【0039】

また、図７に示されるように、バルブＡの下流と焼結フィルタ１８の上流とを連通する経路３２３を予め形成しておき、レセプタクル１６の下流は行き止まりにしておいてもよい。このように構成しても、水素供給装置３１０の制御ユニット３２１は、図６のフローチャートに示される処理を行うことにより、自機が供給する水素ガスに異物が混入しているか否かを自己診断することができる。なお、水素供給装置３１０からフォークリフト３０に水素ガスを供給する際には、バルブＢは閉状態にされる。

【0040】

その他の実施の形態．
実施の形態１，２において、制御ユニットは、水素供給装置からフォークリフト３０への水素ガスの供給が終了した後に、ユーザによってノズル１５が自機のレセプタクル１６に接続されない場合には、ユーザに対してエラーを報知するようにしてもよい。これにより、未使用時にノズル１５から水素供給装置の内部に異物が混入するのを確実に防止することができる。

【符号の説明】

【0041】

１０，１１０，２１０，３１０ 水素供給装置、１１ 圧縮機（水素圧送手段）、１２ 蓄圧器（水素圧送手段）、１３ 減圧弁（水素圧送手段）、１５ ノズル（吐出部）、１６ レセプタクル（受入部）、１７ リミットスイッチ（接続検知手段）、１８ 焼結フィルタ（フィルタ）、１９ 排気経路、２０ 圧力センサ（状態検出手段、圧力センサ）、２１，１２１，２２１，３２１ 制御ユニット（判定手段）、２２４ 流量センサ（状態検出手段、流量センサ）、Ａ 開閉バルブ（第１のバルブ）、Ｂ 開閉バルブ（第２のバルブ）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】