特開 2024-179223 圧力容器ユニット及び燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024179223

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】圧力容器ユニット及び燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241219BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20241219BHJP

   F17C 7/00 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/0662

F17C7/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023097904

(22)【出願日】2023-06-14

(71)【出願人】

【識別番号】000003001

【氏名又は名称】帝人株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100141977

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 勝

(74)【代理人】

【識別番号】100117019

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 陽一

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100160705

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】近常 哲也

【テーマコード（参考）】

3E172

5H127

【Ｆターム（参考）】

3E172AA02

3E172AA05

3E172AB01

3E172BA01

3E172BB13

3E172BB17

3E172BD05

3E172EB02

3E172JA08

5H127AC02

5H127AC14

5H127BA22

5H127EE13

5H127EE19

5H127EE27

(57)【要約】

【課題】軽量且つ簡易な構成でフィルタの異常を判別できる圧力容器ユニット及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】圧力容器ユニット１００が、水素ガスが充填された圧力容器１１０と、燃料ガスの排出口１１１と、圧力容器１１０と排出口１１１とを接続する第１流路１１２とを具備し、別体の燃料電池ユニット２００に対して排出口１１１を介して水素ガスを供給し、第１流路１１２には、第１圧力測定部１１４と、第１圧力測定部１１４の下流にフィルタ１１６と、フィルタ１１６の下流に第２圧力測定部１２０と、第２圧力測定部１２０の下流に減圧弁１１７とが配置されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスが充填された圧力容器と、燃料ガスの排出口と、前記圧力容器と前記排出口とを接続する流路とを具備し、別体の燃料電池ユニットに対して前記排出口を介して燃料ガスを供給するための圧力容器ユニットにおいて、
前記流路には、第１圧力測定部と、前記第１圧力測定部の下流にフィルタと、前記フィルタの下流に第２圧力測定部と、前記第２圧力測定部の下流に減圧弁とが配置されていることを特徴とする圧力容器ユニット。

【請求項2】

前記第１圧力測定部及び前記第２圧力測定部の少なくとも一方が、測定された圧力値を送信可能な通信部を有する請求項１に記載の圧力容器ユニット。

【請求項3】

前記第１圧力測定部と前記フィルタとの間に開閉弁が配置されている請求項２に記載の圧力容器ユニット。

【請求項4】

前記減圧弁と前記排出口との間に遮断弁が配置されている請求項３に記載の圧力容器ユニット。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧力容器ユニットと、前記圧力容器ユニットから供給された燃料ガスを用いて発電可能な燃料電池を有する燃料電池ユニットとを具備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、圧力容器ユニット及び燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料ガス、例えば水素が充填された圧力容器を収納する圧力容器ユニットと、圧力容器ユニットから供給された水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池を収納する燃料電池ユニットと、を有する燃料電池システムが公知である（特許文献１）。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、圧力容器ユニットと燃料電池ユニットとを別体とすることで、独立して運搬が可能となるように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平９－９２３１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、燃料電池システムは、弁（バルブ）や燃料電池等を保護することによって燃料電池システム全体として正常に動作させる目的で、燃料ガスの流路内に混入した異物等を除去可能なフィルタを有することが好ましい。すなわち、異物等は、例えば圧力容器の交換時等に流路内に侵入しうる。フィルタがないと、水素等の流量の低下等による発電量の低下を生じさせる虞がある。そのため、燃料電池システムは、フィルタを有することが好ましく、且つ、異物の捕捉等に起因した目詰まり等のフィルタの異常を判別できることが好ましい。

【0005】

特に、特許文献１に記載の燃料電池システムのように、圧力容器ユニット及び燃料電池ユニットが別体で構成され、可搬性が要求される場合、軽量且つ簡易な構成で、フィルタの異常を判別できることが好ましい。

【0006】

本発明は、軽量且つ簡易な構成でフィルタの異常を判別できる圧力容器ユニット及び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】

【0007】

本発明の一態様によれば、燃料ガスが充填された圧力容器と、燃料ガスの排出口と、前記圧力容器と前記排出口とを接続する流路とを具備し、別体の燃料電池ユニットに対して前記排出口を介して燃料ガスを供給するための圧力容器ユニットにおいて、
前記流路には、第１圧力測定部と、前記第１圧力測定部の下流にフィルタと、前記フィルタの下流に第２圧力測定部と、前記第２圧力測定部の下流に減圧弁とが配置されていることを特徴とする圧力容器ユニットが提供される。

【0008】

前記第１圧力測定部及び前記第２圧力測定部の少なくとも一方が、測定された圧力値を送信可能な通信部を有していてもよい。前記第１圧力測定部と前記フィルタとの間に開閉弁が配置されていてもよい。前記減圧弁と前記排出口との間に遮断弁が配置されていてもよい。

【0009】

また、別態様によれば、上記圧力容器ユニットと、前記圧力容器ユニットから供給された燃料ガスを用いて発電可能な燃料電池を有する燃料電池ユニットとを具備する燃料電池システムが提供される。

【発明の効果】

【0010】

本発明の態様によれば、軽量且つ簡易な構成でフィルタの異常を判別できる圧力容器ユニット及び燃料電池システムを提供するという共通の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の実施形態による燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図１を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。

【0013】

燃料電池システム１は、燃料ガスとして水素が充填された圧力容器１１０を収納する圧力容器ユニット１００と、圧力容器ユニット１００から供給された水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池２１０を収納する燃料電池ユニット２００と、を有している。燃料電池システム１は、管理端末、例えば携帯端末３００を含んでいてもよい。

【0014】

圧力容器ユニット１００は、筐体１０１と、圧力容器ユニット１００を移動可能に支持し且つ筐体１０１に設けられた運搬手段として、複数の車輪１０２を有している。筐体１０１の内部には、３つの圧力容器１１０が配置されている。筐体１０１には排出口１１１が設けられ、排出口１１１と３つの圧力容器１１０の各々とは、第１流路１１２によって連通している。第１流路１１２には、圧力容器１１０から排出口１１１に向かって上流から順に、注入弁１１３と、第１圧力測定部１１４と、開閉弁１１５と、フィルタ１１６と、第２圧力測定部１２０と、減圧弁１１７とが配置されている。

【0015】

圧力容器１１０は水素ボンベである。３つの圧力容器１１０は筐体１０１内に横置きされ、ピラミッド状に積層配置されている。そのため、圧力容器ユニット１００の全高を低くすることができ、圧力容器１１０を筐体１０１内に効率的に配置することができ、さらには、圧力容器１１０を容易に交換することができる。

【0016】

注入弁１１３は、例えば機械的な逆止弁である。圧力容器１１０内の水素が減少した場合、開閉弁１１５を閉弁した状態で注入弁１１３から水素を注入することによって、圧力容器１１０内に水素を充填することができる。このとき、第１圧力測定部１１４によって測定された第１流路１１２内の圧力を確認しながら水素を注入することによって、圧力容器１１０内に適切な圧力で水素を充填することができる。圧力容器１１０に対して水素を充填可能であることから、圧力容器１１０自体の交換頻度を最低限にすることができる。

【0017】

第１圧力測定部１１４は、機械的に圧力を測定する機械式圧力計である。第２圧力測定部１２０は、感圧素子を備えた測定子１２１を有している。第２圧力測定部１２０は、測定子１２１によって測定された圧力を電気信号に変換して圧力値として出力可能なデジタル式圧力計である。第２圧力測定部１２０は、第１通信部１２２とバッテリ１２３とをさらに有している。第１通信部１２２は、無線による通信手段であり、例えばＷｉＦｉモジュール又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュールである。バッテリ１２３は、一次電池であり、例えば小型のボタン型電池である。第１通信部１２２は、バッテリ１２３によって給電され、測定子１２１によって測定された圧力値を送信可能である。第２圧力測定部１２０は、測定された圧力値を表示可能な表示部を有していてもよい。

【0018】

なお、上流側の第１圧力測定部を、上述した第２圧力測定部１２０と同様のデジタル式圧力計とし、且つ、下流側の第２圧力測定部１２０を、上述した第１圧力測定部１１４と同様の機械式圧力計としてもよい。第１圧力測定部及び第２圧力測定部の両方を、上述した第１圧力測定部１１４と同様の機械式圧力計としてもよく、又は、第１圧力測定部１１４及び第２圧力測定部１２０の両方を、上述した第２圧力測定部１２０と同様のデジタル式圧力計としてもよい。要するに、第１圧力測定部及び第２圧力測定部の少なくとも一方が、測定された圧力値を送信可能な通信部を有することが好ましい。

【0019】

開閉弁１１５及び減圧弁１１７は、手動操作可能な機械式のバルブである。開閉弁１１５は、上述したように、圧力容器１１０内に水素を充填するときや圧力容器ユニット１００を使用しないときに閉弁される。減圧弁１１７は、圧力容器ユニット１００から排出口１１１を介して流出する水素の圧力を減圧する調整弁である。フィルタ１１６は、水素を透過させるが金属水素化物は透過させない濾過性能を有する焼成金属フィルタであり、例えば多孔質焼結金属から形成される。

【0020】

なお、減圧弁１１７と排出口１１１との間に遮断弁を配置してもよい。遮断弁は、過剰な水素の流出があった場合、自動で機械的に動作して閉弁し、圧力容器ユニット１００の外部へ大量の水素が流出するのを防止する。

【0021】

燃料電池ユニット２００は、筐体２０１と、燃料電池ユニット２００を移動可能に支持し且つ筐体２０１に設けられた運搬手段として、複数の車輪２０２を有している。筐体２０１の内部には、燃料電池２１０と、燃料ガス供給部２２０と、電力部２３０と、入出力部２４０とを有している。筐体２０１には流入口２１１が設けられ、流入口２１１と燃料電池２１０とは、第２流路２１２によって連通している。

【0022】

燃料ガス供給部２２０は、上述した第２流路２１２を有している。燃料ガス供給部２２０では、第２流路２１２において、流入口２１１から燃料電池２１０に向かって上流から順に、フィルタ２２１と、排気口２２２を介して第２流路２１２を大気と連通させる安全弁２２３と、減圧弁２２４と、排気口２２２を介して第２流路２１２を大気と連通させるパージ弁２２５とが配置されている。フィルタ２２１は、水素を透過させるが金属水素化物は透過させない濾過性能を有する焼成金属フィルタであり、例えば多孔質焼結金属から形成される。安全弁２２３は、第２流路２１２内の圧力が閾値を超えたときに機械的に作動して、水素ガスを排気口２２２から大気へ放出する。減圧弁２２４及びパージ弁２２５は、燃料電池２１０又は後述するバッテリ２３１から給電されて動作する電磁式のバルブである。

【0023】

電力部２３０は、バッテリ２３１と、ＤＣ／ＡＣコンバータ２３２と、ＤＣ／ＡＣコンバータ２３２によって１１０Ｖに変換された交流電圧を出力するＡＣ出力部２３３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３４によって１２Ｖに変換された直流電圧を出力するシガーソケット２３５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３６によって５Ｖに変換された直流電圧を出力するＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポート２３７とを有している。バッテリ２３１は、リチウムイオン電池等の二次電池である。バッテリ２３１は、燃料電池２１０によって発電された余剰電力を蓄電したり、燃料電池２１０が発電していないときに放電して電力を供給したりするのに使用される。

【0024】

入出力部２４０は、第２通信部２４１と、操作部２４２と、表示部２４３と、水素検知器２４４と、アラーム２４５と、ヒーター２４６と、ファン２４７とを有している。第２通信部２４１は、無線による通信手段であり、例えばＷｉＦｉモジュール又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール、ＬＴＥ、ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅ、４Ｇ、５Ｇ等の携帯電話網の通信モジュールである。操作部２４２は、例えば表示部２４３と一体となったタッチパネルである。操作部２４２を操作することによって、例えば燃料電池ユニット２００による発電の開始又は停止を行うことができる。表示部２４３には、燃料電池２１０による発電量及びバッテリ２３１の蓄電量等の状態量も表示される。水素検知器２４４は、水素の漏出を検知し、アラーム２４５によって警告が発せられる。ヒーター２４６は、外気温が低いと流路内に水が溜まる等の不具合が生じるため、燃料電池ユニット２００の昇温に使用される。ファン２４７は、燃料電池ユニット２００の冷却に使用される。

【0025】

制御部２５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、メモリと、入出力インタフェースとを有する電子制御ユニットであり、例えばマイクロコンピュータである。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行するものであり、種々の処理や制御を行う。メモリは、例えばＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を有している。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶し、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。制御部２５０の入出力インタフェースは、燃料ガス供給部２２０と電力部２３０と入出力部２４０とに対して相互的に接続され、それによって、制御部２５０は、燃料電池ユニット２００の全体的な動作を統括的に制御する。例えば、制御部２５０は、燃料ガス供給部２２０の減圧弁２２４を制御し、燃料電池２１０に供給される水素ガス量を調整する。

【0026】

携帯端末３００は、例えば携帯電話である。携帯端末３００は、第３通信部３０１と、操作部３０２と、表示部３０３とを有している。第３通信部３０１は、無線による通信手段であり、例えばＷｉＦｉモジュール又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール、ＬＴＥ、ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅ、４Ｇ、５Ｇ等の携帯電話網の通信モジュールである。操作部３０２は、例えば表示部３０３と一体となったタッチパネルである。

【0027】

圧力容器ユニット１００と燃料電池ユニット２００とは、チューブ２によって接続されている。すなわち、チューブ２の一端は圧力容器ユニット１００の排出口１１１に接続され、チューブ２の他端は燃料電池ユニット２００の流入口２１１に接続されている。それによって、圧力容器ユニット１００の第１流路１１２と燃料電池ユニット２００の第２流路２１２とが流体的に連通する。圧力容器ユニット１００の圧力容器１１０の水素は、第１流路１１２、チューブ２及び第２流路２１２を介して、制御部２５０によって制御された燃料ガス供給部２２０の動作に従って、燃料電池２１０に対して供給される。

【0028】

第２圧力測定部１２０によって測定された第１流路１１２の圧力値は、第１通信部１２２によって、燃料電池ユニット２００の第２通信部２４１に対して送信される。第２通信部２４１によって受信された圧力値は、表示部２４３に表示されるようにしてもよい。第２通信部２４１によって受信された圧力値は、第２通信部２４１によって、携帯端末３００の第３通信部３０１に対して送信される。第３通信部３０１によって受信された圧力値は、表示部３０３によって表示されるようにしてもよい。なお、圧力容器ユニット１００の第１通信部１２２をＬＴＥ、ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅ、４Ｇ、５Ｇ等の携帯電話網の通信モジュールとし、第１通信部１２２から直接的に携帯端末３００の第３通信部３０１に対して送信されるようにしてもよい。

【0029】

圧力容器ユニット１００は、第１圧力測定部１１４によってフィルタ１１６の上流側の第１流路１１２内の圧力を、第２圧力測定部１２０によってフィルタ１１６の下流側の第１流路１１２内の圧力を、それぞれ測定することができる。上述したように、第１圧力測定部１１４は、機械式圧力計であり、第１圧力測定部１１４に表示された圧力値をそのまま読み取ることができる。他方、第２圧力測定部１２０は、デジタル式圧力計であり、測定された圧力値を携帯端末３００の表示部３０３を介して確認することができる。なお、上述したように、第２圧力測定部１２０自体が表示部を有している場合、その表示から圧力値を読み取ることができる。

【0030】

フィルタ１１６に目詰まり等がなく、フィルタ１１６が正常に機能している場合には、フィルタ１１６に対して上流側及び下流側の第１流路１１２内の圧力は同一となる。他方、フィルタ１１６に対して上流側及び下流側の第１流路１１２内の圧力が同一ではない場合、具体的には、下流側の第１流路１１２内の圧力が、上流側の第１流路１１２内の圧力よりも低い場合、フィルタ１１６に目詰まり等が生じている。第１圧力測定部１１４による圧力値と第２圧力測定部１２０による圧力値との差、すなわち差圧が所定値（閾値）以上の場合、フィルタ１１６に異常が生じていると判断し、フィルタ１１６が交換される。また、定期的に、又は、水素ガスの所定の消費量毎に、差圧を確認することによって閾値を超える時期の予測をすることも可能となる。

【0031】

燃料電池システム１によれば、圧力容器ユニット１００と燃料電池ユニット２００とが別体で構成されていることによって、個別に容易に運搬することが可能となる。圧力容器ユニット１００は、第２圧力測定部１２０のためのバッテリ１２３以外に、電源及び配線等を有しておらず、その他の構成要素はすべて機械的に動作し又は手動で操作される。そのため、圧力容器ユニット１００を軽量且つ簡易に構成することが可能となり、可搬性がより向上する。圧力容器ユニット１００及び燃料電池ユニット２００は、車輪１０２及び車輪２０２によって移動しないように、ブレーキ機構を有していてもよい。

【0032】

以上より、燃料電池システム１によれば、軽量且つ簡易な構成でフィルタの異常を判別できる。

【符号の説明】

【0033】

１ 燃料電池システム
２ チューブ
１００ 圧力容器ユニット
１０１ 筐体
１０２ 車輪
１１０ 圧力容器
１１１ 排出口
１１２ 第１流路
１１３ 注入弁
１１４ 第１圧力測定部
１１５ 開閉弁
１１６ フィルタ
１１７ 減圧弁
１２０ 第２圧力測定部
１２１ 測定子
１２２ 第１通信部
１２３ バッテリ
２００ 燃料電池ユニット
２０１ 筐体
２０２ 車輪
２１０ 燃料電池
２１１ 流入口
２１２ 第２流路
２２０ 燃料ガス供給部
２２１ フィルタ
２２２ 排気口
２２３ 安全弁
２２４ 減圧弁
２２５ パージ弁
２４０ 入出力部
２５０ 制御部
３００ 携帯端末

【図1】