JP2008190699A - Fuel cell system and fuel gas tank - Google Patents
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Abstract
Description
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する燃料電池システムと、燃料電池システムにおいて、燃料ガスとしての水素ガスが充填される燃料ガスタンクとに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, and a fuel gas tank filled with hydrogen gas as a fuel gas in the fuel cell system.
近年、エネルギー発生システムとして、例えば燃料ガスと酸化ガス(以下、これらを反応ガスという。)との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とした燃料電池システムが注目されている。燃料ガスとしては、例えば水素ガスが用いられ、酸化ガスとしては、例えば空気が用いられる。また、このような燃料電池システムを車両に搭載した燃料電池車両の開発も進められている。 In recent years, as an energy generation system, for example, a fuel cell system using a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas (hereinafter referred to as a reaction gas) has attracted attention. For example, hydrogen gas is used as the fuel gas, and air is used as the oxidizing gas, for example. In addition, development of a fuel cell vehicle in which such a fuel cell system is mounted on a vehicle is also in progress.
車両用燃料電池システムにおいては、システムの軽量化を図ることが重要である。そのため、燃料ガスとして用いられる水素ガスが充填される燃料ガスタンクについても、樹脂材料を用いる等、軽量化するための様々な工夫がなされている。 In a vehicle fuel cell system, it is important to reduce the weight of the system. Therefore, various measures for reducing the weight of the fuel gas tank filled with hydrogen gas used as the fuel gas, such as using a resin material, have been made.
最近では、ライナー(内側の容器)を樹脂材料によって成型し、その周囲に金属材料を配置することにより強度を向上させた、複層構造を有するガスタンクが製造されている。或いは、炭素繊維やガラス繊維に樹脂を含浸させた繊維強化樹脂をライナーの周囲に巻き付けることにより、強度を向上させることもある。 Recently, a gas tank having a multilayer structure in which a liner (inner container) is molded from a resin material and a metal material is disposed around the liner to improve the strength has been manufactured. Alternatively, the strength may be improved by winding a fiber reinforced resin obtained by impregnating carbon fiber or glass fiber with a resin around the liner.
このような燃料ガスタンクは、車両への搭載スペースの制約から、通常、大容量のものを1つ搭載するのではなく、比較的小型のものが複数個搭載される。さらに、車両の航続距離を伸ばすために、燃料ガスタンクは高圧化(例えば圧力を70MPaとする)されている。 Such a fuel gas tank is usually mounted with a plurality of relatively small ones instead of mounting one large-capacity tank due to restrictions on the mounting space on the vehicle. Further, in order to extend the cruising distance of the vehicle, the fuel gas tank is increased in pressure (for example, the pressure is set to 70 MPa).
ところで、一般に、気体は様々な材料を透過するが、その内でも水素は非常に高い透過性を有する。そのため、水素ガスをガスタンクに充填すると、タンク本体の壁を透過した水素ガスは、微量ながら恒常的に放出される。特に、高圧化されたガスタンクにおいては、水素ガスは更に透過し易くなる。 By the way, in general, gas permeates various materials, but hydrogen has very high permeability among them. Therefore, when hydrogen gas is filled in the gas tank, the hydrogen gas that has permeated through the wall of the tank body is constantly released in a small amount. In particular, in a high-pressure gas tank, hydrogen gas is more easily transmitted.
しかしながら、複層構造のガスタンクにおいては、ライナー部分である樹脂層が比較的水素ガスを透過させ易いのに対して、その周囲の金属層や繊維強化樹脂層は水素ガスを透過させ難い。そのため、ガスタンク内に充填された水素ガスは、樹脂層を透過し、樹脂層と金属層等との境界に滞留してしまう。その結果、そのような水素ガスが、例えばバルブ取付け部等の僅かな隙間に集中し、濃度の高くなった水素ガスがそこから漏れ出してくる。このような水素の放出量は、ガスタンクのサイズ(特に、表面積)に伴って増加する。 However, in a gas tank having a multi-layer structure, the resin layer as the liner portion is relatively easy to permeate hydrogen gas, whereas the surrounding metal layer and fiber reinforced resin layer are difficult to permeate hydrogen gas. Therefore, the hydrogen gas filled in the gas tank permeates the resin layer and stays at the boundary between the resin layer and the metal layer. As a result, such hydrogen gas concentrates in a small gap such as a valve mounting portion, and the hydrogen gas having a high concentration leaks from there. Such hydrogen release increases with the size (especially the surface area) of the gas tank.
一方、ガスタンクは高圧ガス元であるので、安全確保のため、その周囲におけるガス漏れ検査は必須である。また、複数のガスタンクが搭載されている場合には、ガスタンクに接続されている配管の継ぎ手部もガス漏れ検査の対象となる。そのため、燃料電池システムの稼動時には、ガスタンクの周囲に設置された水素検知器によってガス漏れの有無がモニタされており、また、ハンディ検知器を用いたガス漏れ検査も随時行われている。 On the other hand, since the gas tank is a source of high-pressure gas, in order to ensure safety, a gas leak inspection around it is essential. Further, when a plurality of gas tanks are mounted, the joint portion of the pipe connected to the gas tank is also subject to gas leak inspection. Therefore, when the fuel cell system is in operation, the presence or absence of gas leakage is monitored by a hydrogen detector installed around the gas tank, and a gas leakage inspection using a handy detector is also performed as needed.
ところが、このようなガス漏れ検査において、ガスタンクの壁部を透過することによって自然に放出される水素ガスが検出されることがある。しかし、一旦水素ガスが検出されてしまうと、その水素ガスが、部品(例えば、弁や、配管の継ぎ手部)の不具合に起因する漏れなのか、或いは、自然な透過に起因するものなのかについて判別することができない。そのため、ガス漏れ検査の結果が曖昧となり、信頼性が低下してしまう。また、水素ガスの検出量が警報レベルに達していない場合においても、検出結果に何らかの変化が生じていれば点検の対象となる可能性があるので、燃料電池システムの稼動に支障が出るおそれがある。 However, in such a gas leak test, hydrogen gas that is naturally released by passing through the wall of the gas tank may be detected. However, once hydrogen gas is detected, whether the hydrogen gas is a leak due to a malfunction of a component (for example, a valve or a joint of a pipe) or a natural permeation. It cannot be determined. For this reason, the result of the gas leak inspection becomes ambiguous and the reliability is lowered. Even if the detected amount of hydrogen gas does not reach the alarm level, if there is any change in the detection result, it may be subject to inspection, which may hinder the operation of the fuel cell system. is there.
関連する技術として、特許文献1には、タンク収納空間を形成するルーフカバーに換気口を設け、水素ボンベから漏出した水素ガスを外部に流出させることが開示されている。また、特許文献2には、ルーフカバーに上方外気導入口を設け、水素タンクから漏れた水素ガスを希釈することが開示されている。さらに、特許文献3には、水素タンクを透過した水素をタンクに貯め、このタンク内に貯まった水素ガスを燃料させることが記載されている。
しかしながら、上記の特許文献1〜3に記載された発明はいずれも、ガスタンク内から染み出し、ガスタンク収納空間に滞留した水素ガスを処理するものであり、複層構造のガスタンクの一部から染み出す濃度の高い水素ガスの処理については、一切触れられていない。 However, any of the inventions described in Patent Documents 1 to 3 above treats hydrogen gas that oozes out from the gas tank and stays in the gas tank storage space, and oozes out from a part of the gas tank having a multilayer structure. There is no mention of high-concentration hydrogen gas treatment.
そこで、本発明は、樹脂層を含む複層構造を有する燃料ガスタンクにおいて、濃度の高い水素ガスの漏れを抑制することを目的とする。また、本発明は、そのような燃料ガスタンク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。 Therefore, an object of the present invention is to suppress leakage of hydrogen gas having a high concentration in a fuel gas tank having a multilayer structure including a resin layer. Moreover, an object of this invention is to provide a fuel cell system provided with such a fuel gas tank.
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点に係る燃料ガスタンクは、燃料ガスが充填される燃料ガスタンクであって、燃料ガスに対して透過性を有する材料によって形成された第1の層と、前記第1の層の外側に、前記第1の層よりも前記燃料ガスに対する透過性が低い材料によって形成された第2の層とを備え、前記第2の層には、該第2の層を厚さ方向に貫通する開口が形成されている。
このような構成とすることにより、燃料ガスタンクの内側から第1の層を透過した水素ガスを、第2の層の開口から希釈しつつ外部に放出することができる。
In order to achieve the above object, a fuel gas tank according to a first aspect of the present invention is a fuel gas tank filled with fuel gas, and is a first layer formed of a material that is permeable to fuel gas. And a second layer formed of a material that is less permeable to the fuel gas than the first layer outside the first layer, and the second layer includes the second layer. An opening that penetrates the layer in the thickness direction is formed.
With such a configuration, the hydrogen gas that has permeated the first layer from the inside of the fuel gas tank can be discharged to the outside while being diluted from the opening of the second layer.
ここで、前記第1の層と前記第2の層との間の少なくとも一部に、空間が形成されていても良い。それにより、第1の層を透過した水素ガスを、より容易に外部に放出することができる。 Here, a space may be formed in at least a part between the first layer and the second layer. Thereby, the hydrogen gas which permeate | transmitted the 1st layer can be discharge | released outside more easily.
本発明の第2の観点に係る燃料ガスタンクは、燃料ガスが充填される燃料ガスタンクであって、燃料ガスに対して透過性を有する材料によって形成された第1の層と、前記第1の層の外側に、前記燃料ガスの酸化を促進する触媒材料によって形成された触媒層と、前記触媒層の外側に、前記第1の層よりも前記燃料ガスに対する透過性が低い材料によって形成された第2の層とを備える。
このような構成とすることにより、燃料ガスタンクの内部から第1の層を透過した水素ガスを、触媒の作用により燃焼して消費させることができる。
A fuel gas tank according to a second aspect of the present invention is a fuel gas tank filled with fuel gas, the first layer formed of a material having permeability to the fuel gas, and the first layer. A catalyst layer formed by a catalyst material that promotes the oxidation of the fuel gas, and a material formed by a material that is less permeable to the fuel gas than the first layer outside the catalyst layer. Two layers.
With such a configuration, the hydrogen gas that has passed through the first layer from the inside of the fuel gas tank can be burned and consumed by the action of the catalyst.
ここで、前記触媒層は、固体高分子材料に前記触媒材料を混入させることによって形成されていても良い。それにより、触媒の作用による水素ガスの燃焼反応が固体高分子材料内において生じるので、隣接する第1及び第2の層に対する影響を抑制することができる。 Here, the catalyst layer may be formed by mixing the catalyst material into a solid polymer material. Thereby, since the combustion reaction of hydrogen gas by the action of the catalyst occurs in the solid polymer material, the influence on the adjacent first and second layers can be suppressed.
本発明の第3の観点に係る燃料ガスタンクは、燃料ガスが充填される燃料ガスタンクであって、燃料ガスに対して透過性を有する材料によって形成された第1の層と、前記第1の層の外側に配置された燃料電池層と、前記燃料電池層の外側に、前記第1の層よりも前記燃料ガスに対する透過性が低い材料によって形成された第2の層とを備え、前記燃料電池層は、電解質と、該電解質の前記第1の層側に配置された燃料極と、前記電解質の前記第2の層側に配置された酸素極とを含む。
このような構成とすることにより、燃料ガスタンクの内側から第1の層を透過した水素ガスを、燃料電池において消費することができる。
A fuel gas tank according to a third aspect of the present invention is a fuel gas tank filled with fuel gas, the first layer formed of a material having permeability to the fuel gas, and the first layer. A fuel cell layer disposed outside the fuel cell layer; and a second layer formed of a material that is less permeable to the fuel gas than the first layer outside the fuel cell layer, The layer includes an electrolyte, a fuel electrode disposed on the first layer side of the electrolyte, and an oxygen electrode disposed on the second layer side of the electrolyte.
With such a configuration, hydrogen gas that has passed through the first layer from the inside of the fuel gas tank can be consumed in the fuel cell.
ここで、前記燃料電池層に接続された集電層をさらに備えることにより、燃料電池において発生した電気を外部に逃がしたり、利用したりすることが容易になる。 Here, by further providing a current collecting layer connected to the fuel cell layer, it becomes easy to release or use the electricity generated in the fuel cell to the outside.
本発明の第1の観点に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、上記第1〜第3の観点に係る燃料ガスタンクとを備える。
このような構成とすることにより、燃料ガスタンクにおける自然な透過に起因する水素ガスの漏れを抑制できるので、燃料電池システムの通常のガス漏れ検査においてガス漏れが検出された場合に、漏れの原因を判別することが容易になる。
A fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, and the fuel gas tank according to the first to third aspects.
With such a configuration, hydrogen gas leakage due to natural permeation in the fuel gas tank can be suppressed. Therefore, when a gas leak is detected in a normal gas leak inspection of the fuel cell system, the cause of the leak is reduced. It becomes easy to discriminate.
本発明の第2の観点に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、上記第3の観点に係る燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンクの前記燃料電池層において発生した電気エネルギーを蓄積する蓄電手段とを備える。
このような構成とすることにより、第1の層を透過した水素ガスを有効に活用し、燃料電池システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
A fuel cell system according to a second aspect of the present invention includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, a fuel gas tank according to the third aspect, and the fuel cell layer of the fuel gas tank. Power storage means for storing the electrical energy generated in step.
With such a configuration, it is possible to effectively use the hydrogen gas that has permeated through the first layer, and to improve the energy efficiency of the entire fuel cell system.
本発明の第3の観点に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、上記第3の観点に係る燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンクの前記燃料電池層において発生した電流の値を測定する電流計と、前記燃料ガスタンク内の温度に対応する値を測定する温度測定手段と、前記電流計による測定値と前記温度測定手段による測定値とに基づいて、前記燃料ガスタンク内の圧力を求める圧力算出手段とを備える。
このような構成とすることにより、燃料ガスタンク内の圧力をリアルタイム且つ正確に求めることができる。
A fuel cell system according to a third aspect of the present invention includes a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, a fuel gas tank according to the third aspect, and the fuel cell layer of the fuel gas tank. On the basis of an ammeter for measuring the value of the current generated in the step, a temperature measuring means for measuring a value corresponding to the temperature in the fuel gas tank, a measured value by the ammeter and a measured value by the temperature measuring means, Pressure calculating means for determining the pressure in the fuel gas tank.
By setting it as such a structure, the pressure in a fuel gas tank can be calculated | required accurately in real time.
本発明によれば、第1の層を透過した水素ガスを外部に放出又は消費するので、第1の層と第2の層との間に水素ガスが滞留したり、滞留したガスが集中することにより濃度の高くなった水素ガスが燃料ガスタンクから漏れ出すのを抑えることができる。従って、そのような燃料ガスタンクを備える燃料電池システムにおいて、ガス漏れ検査の信頼性を向上させることが可能になる。 According to the present invention, the hydrogen gas that has permeated through the first layer is released or consumed outside, so that the hydrogen gas stays between the first layer and the second layer, or the staying gas concentrates. Thus, it is possible to suppress the hydrogen gas having a high concentration from leaking out of the fuel gas tank. Therefore, in the fuel cell system including such a fuel gas tank, it is possible to improve the reliability of the gas leak inspection.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料ガスタンクを示す断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係る燃料ガスタンク110は、燃料ガスとしての水素が充填されるタンクであり、水素ガスを供給或いは供給を停止する主止弁H100が設けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same reference number is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fuel gas tank according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the
燃料ガスタンク110は、ライナー(内側の容器)を形成する樹脂層111と、その外側に配置された補強層112とを含んでいる。
樹脂層111は、例えば、高密度ポリエチレン(HDPE)や、ポリアミド(PA)系樹脂等の樹脂材料によって形成されている。
The
The
一方、補強層112は、例えば、繊維強化樹脂(炭素繊維やガラス繊維等に樹脂を含浸させた材料)や、金属材料(例えば、ステンレス、アルミニウム合金)によって形成されている。また、補強層112には、その厚さ方向に貫通する少なくとも1つの開口113が形成されている。なお、図1には、複数の開口113が示されている。また、開口113の直径は、例えば数十μm、望ましくは50μm前後である。
On the other hand, the reinforcing
補強層112にこのような開口113を設けることにより、燃料ガスタンク110の内側から樹脂層111を透過した水素ガスは、開口113を通り、希釈された状態で外部に放出される。また、開口113を通じて樹脂層111と補強層112との境界に外気が導入されることにより、そこに滞留した水素ガスも希釈されつつ開口113から放出される。それにより、燃料ガスタンク110の一部(例えば、主止弁H100の取付け部114等の僅かな隙間)から、濃度の高い水素ガスが漏れ出すのを抑制することができる。
By providing such an
次に、本発明の第2の実施形態に係る燃料ガスタンクについて、図2を参照しながら説明する。
図2に示す燃料ガスタンク120は、ライナーを形成する樹脂層111と、その外側に配置された補強層121とを含んでいる。
Next, a fuel gas tank according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The
燃料ガスタンク120の側面1aにおいて、樹脂層111と補強層121との間には、幅が、例えば数十μm、望ましくは50μm前後の空間122が全周に渡って形成されている。この空間122は、燃料ガスタンク120の上面1b及び下面1cに開口する4つの通気口123により外気と連通しており、それにより、空間122は常に換気された状態となっている。
On the
補強層121をこのように配置することにより、燃料ガスタンク120の内側から樹脂層111を透過した水素ガスは、空間122において希釈され、通気口123を通って外部に放出される。それにより、燃料ガスタンク120の一部から濃度の高い水素ガスが外部に漏れ出すのを抑制することができる。
By disposing the reinforcing
なお、図2においては、通気口123が燃料ガスタンク120の上面1b及び下面1cに開口するように配置されているが、通気口123の位置は特に限定されず、例えば、燃料ガスタンク120の側面1aに開口するように形成しても良い。また、通気口123の数についても4つに限定されず、外気を流通させるためには、少なくとも2つ設ければ良い。さらに、樹脂層111と補強層121との間に形成される空間122の位置は、側面1aに限定されず、上面1b側及び下面1c側に形成しても良いし、樹脂層111の周囲全体に形成しても良い。
In FIG. 2, the
次に、本発明の第3の実施形態に係る燃料ガスタンクについて、図3を参照しながら説明する。
図3に示す燃料ガスタンク130は、ライナーを形成する樹脂層111と、その外側に配置された触媒層131と、その外側に配置された補強層112とを含んでいる。先に説明したように、補強層112には複数の開口113が形成されている。
Next, a fuel gas tank according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
A
触媒層131は、水素ガスの酸化を促進する触媒(所謂燃焼触媒)材料によって形成されている。触媒材料としては、例えば、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、コバルト(Co)、金(Au)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、バナジウム(V)等の金属や、それらの内の少なくとも1つを含有する合金が挙げられる。
The
このような触媒層131を設けることにより、燃料ガスタンク130の内側から樹脂層111を透過した水素ガスは、触媒の作用により、補強層112の開口113から流入する空気中の酸素と反応して燃焼する。それにより、水素ガスを消費することができ、燃料ガスタンクから濃度の高い水素ガスが漏れ出すのを抑制することができる。
By providing such a
次に、本発明の第4の実施形態に係る燃料ガスタンクについて、図4を参照しながら説明する。
図4に示す燃料ガスタンク140は、ライナーを形成する樹脂層111と、その外側に配置された触媒含有高分子層141と、その外側に配置された補強層112とを含んでいる。先に説明したように、補強層112には複数の開口113が形成されている。
Next, a fuel gas tank according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
A
触媒含有高分子層141は、例えば、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、コバルト(Co)、金(Au)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、バナジウム(V)等の金属や、それらの内の少なくとも1つを含有する合金のように、水素ガスの酸化を促進する触媒材料を、固体高分子材料に混入させたものである。この固体高分子材料としては、一般的な固体高分子型燃料電池において電解質として用いられる材料、即ち、フッ素系樹脂等の固体高分子の主鎖に、スルホン基やカルボン酸基等の側鎖を付けた、イオン交換機能を有する導電性材料が用いられる。
The catalyst-containing
このような触媒含有高分子層141を設けることにより、燃料ガスタンク140の内側から樹脂層111を透過した水素ガスは、触媒含有高分子層141の層内において、触媒の作用により、補強層112の開口113から流入する空気中の酸素と反応して燃焼する。それにより、水素ガスを消費することができる。
By providing such a catalyst-containing
本実施形態によれば、水素ガスの燃焼反応を触媒含有高分子層141の層内において生じさせるので、他の部材(例えば、隣接する樹脂層111や補強層112)に対する影響を抑制することが可能になる。
According to this embodiment, the combustion reaction of hydrogen gas is caused in the layer of the catalyst-containing
次に、本発明の第5の実施形態に係る燃料ガスタンクについて、図5を参照しながら説明する。
図5に示す燃料ガスタンク150は、ライナーを形成する樹脂層111と、その外側に配置された燃料電池層151と、その周囲に配置された集電層152と、さらに外側に配置された補強層112とを含んでいる。先に説明したように、補強層112には複数の開口113が形成されている。
Next, a fuel gas tank according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The
燃料電池層151は、電解質層と、該電解質層の一方の側に形成された燃料極と、該電解質層の他方の側に形成された酸素極とを含む固体高分子型燃料電池構造を有している。本実施形態において、燃料電池層151は、その燃料極側が樹脂層111に相対するように配置されている。また、集電層152は、金属ネットや、望ましくは通気口が形成された金属膜等の導電材料によって形成されている。
The
燃料ガスタンク150の内側から樹脂層111を透過した水素ガスは、燃料電池層151の燃料極に供給される。一方、補強層112の開口113から侵入した空気(外気)は、酸素極に供給される。それにより、燃料電池層151において電気化学反応が生じ、電気が発生して集電層152により収集される。その際に、例えば、燃料ガスタンク150を後述する燃料電池システムに組み込んで車載している場合には、発生した電気を、集電層152及び車体を通じて逃がすことができる(所謂、車体アース)。
The hydrogen gas that has passed through the
このように、本実施形態によれば、樹脂層111を透過した水素ガスを、燃料電池層151において発電により消費することができる。なお、本実施形態においては、燃料電池層151の外側(酸素極側)にのみ集電層152を設けたが、内側(空気極側)にも集電層を設けても良い。
Thus, according to the present embodiment, the hydrogen gas that has permeated through the
以上の第1〜第5の実施形態においては、ライナーを樹脂材料によって形成し、ライナーを保護及び強化する補強層を繊維強化樹脂や金属材料によって形成する場合について説明した。しかしながら、ライナー及び補強層の材料については、それらに限定されず、ライナーに比較して、補強層における水素ガスの透過性が低い場合には、本発明を適用することが可能である。 In the above 1st-5th embodiment, the liner was formed with the resin material, and the case where the reinforcement layer which protects and strengthens a liner was formed with fiber reinforced resin or a metal material was demonstrated. However, the material of the liner and the reinforcing layer is not limited thereto, and the present invention can be applied when hydrogen gas permeability in the reinforcing layer is lower than that of the liner.
図6は、本発明の第1〜第5の実施形態に係る水素ガスボンベが適用される燃料電池システムを概略的に示している。
以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載燃料電池システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶,航空機,電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物(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への適用も可能である。また、図6においては、図1に示す燃料ガスタンク110を燃料電池システムに適用した例が示されているが、図2〜図5に示す燃料ガスタンク120〜150についても同様に適用することができる。
FIG. 6 schematically shows a fuel cell system to which the hydrogen gas cylinder according to the first to fifth embodiments of the present invention is applied.
Hereinafter, the case where this fuel cell system is applied to an in-vehicle fuel cell system of a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to such an application example, and can be applied to any moving body such as a ship, an aircraft, a train, and a walking robot. And, for example, a stationary power generation system in which a fuel cell is used as a power generation facility for a building (house, building, etc.) is also possible. 6 shows an example in which the
図6に示す燃料電池システムにおいて、燃料ガスとしての水素ガスは、燃料ガスタンク110から水素供給路74を介して燃料電池20の水素供給口に供給される。水素供給路74には、燃料ガスタンク110から水素を供給しあるいは供給を停止する主止弁H100、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、及び燃料電池20の水素供給口と水素供給路74間を開閉する遮断弁H21が設けられている。なお、図6には、1つの燃料ガスタンク110が示されているが、搭載スペースや要求される航続距離等に応じて、所望の数の燃料ガスタンク110を搭載しても良い。
In the fuel cell system shown in FIG. 6, hydrogen gas as fuel gas is supplied from the
燃料電池20で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス(燃料ガスのオフガス)として水素循環路75に排出され、水素供給路74の水素調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置H42、回収した生成水を水素循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプH50が設けられている。
The hydrogen gas that has not been consumed in the
遮断弁H21は、燃料電池20のアノード側を閉鎖する。水素オフガスは、水素供給路74で水素ガスと合流し、燃料電池20に供給されて再利用される。
水素循環路75は、排出制御弁H51を介して、パージ流路76によって排気路72に接続されている。
The shut-off valve H21 closes the anode side of the
The
一方、酸化ガスとしての空気(外気)は、空気供給路71を介して燃料電池20の空気供給口に供給される。空気供給路71には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA3、及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。コンプレッサA3は、モータによって駆動される。
On the other hand, air (outside air) as the oxidizing gas is supplied to the air supply port of the
燃料電池20から排出される空気オフガス(酸化オフガス、加湿ガス)は、排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、圧力調整弁A4、及び加湿器A21が設けられている。圧力調整弁A4は、燃料電池20への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。燃料電池20への供給空気圧や供給空気流量は、コンプレッサA3を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁A4の開度面積を調整することにより設定される。
Air off-gas (oxidation off-gas, humidified gas) discharged from the
燃料電池20は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池20が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うDC−DCコンバータなどが備えられている。
The
図7は、本発明の別の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示している。
図7に示す燃料電池システムは、燃料電池20への燃料ガス供給源として燃料電池層151を有する燃料ガスタンク150と、蓄電手段200とを備えている。
FIG. 7 schematically shows a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
The fuel cell system shown in FIG. 7 includes a
蓄電手段200は、車両の駆動モータに電力を供給するインバータや、補機類(例えばコンプレッサ、水素ポンプ、冷却ポンプのモータ等)や、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や、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等を含む電力消費装置に供給される電気を蓄積する手段である。蓄電手段200は、所謂充電式のバッテリであっても良いし、キャパシタであっても良い。 The power storage means 200 includes an inverter that supplies power to a vehicle drive motor, auxiliary equipment (for example, a compressor, a hydrogen pump, a cooling pump motor, etc.), and various devices (transmissions, wheel control devices, etc.) that are involved in vehicle travel. , An actuator used in a steering device, a suspension device, etc.), an air conditioner (air conditioner) for passenger space, a means for accumulating electricity supplied to a power consuming device including lighting, audio, and the like. The power storage means 200 may be a so-called rechargeable battery or a capacitor.
燃料ガスタンク150に配置されている燃料電池層151は、蓄電手段200に接続されている。燃料電池層151において発生した電気により、蓄電手段200が充電される。それにより、電気の有効利用を図り、燃料電池システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
The
図8は、本発明の別の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示している。
図7に示す燃料電池システムは、燃料電池20への燃料ガス供給源として燃料電池層151を有する燃料ガスタンク150と、電流計300と、温度測定部310と、圧力算出部320とを備えている。
FIG. 8 schematically shows a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
The fuel cell system shown in FIG. 7 includes a
電流計300は、燃料ガスタンク150の燃料電池層151に接続されており、燃料電池層151において発生した電流の強さを測定し、その電流値に出力する。また、温度測定部310は、例えば熱電対を備えており、燃料ガスタンク150内の温度に対応する測定値(具体的には電圧値)を圧力算出部320に出力する。
The
圧力算出部320は、電流計300から出力された電流値と、温度測定部310から出力された測定値とに基づいて、燃料ガスタンク150内の圧力値を算出する。ここで、燃料ガスタンク150内の圧力が高いほど、樹脂層111から透過する水素ガスの量も増えるので、燃料電池層151において発生する電流も強くなる。従って、電流値を測定し、燃料ガスタンク150内の温度との相関を取ることにより、圧力を推定することができる。そのようにして算出された圧力値は、例えば制御部330に出力され、各種の弁や装置の制御に用いられる。
The
1a 側面、1b…上面、1c…下面、20…燃料電池、110、120、130、140、150…燃料ガスタンク、111…樹脂層、112、121…補強層、113…開口、122…空間、123…通気口、131…触媒層、141…触媒含有高分子層、151…燃料電池層、152…集電層、200…蓄電手段、300…電流計、310…温度測定部、320…圧力算出部、330…制御部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
燃料ガスに対して透過性を有する材料によって形成された第1の層と、
前記第1の層の外側に、前記第1の層よりも前記燃料ガスに対する透過性が低い材料によって形成された第2の層と、
を備え、
前記第2の層には、該第2の層の厚さ方向に貫通する開口が形成されている、燃料ガスタンク。 A fuel gas tank filled with fuel gas,
A first layer formed of a material that is permeable to fuel gas;
A second layer formed of a material having a lower permeability to the fuel gas than the first layer outside the first layer;
With
The fuel gas tank, wherein an opening penetrating in the thickness direction of the second layer is formed in the second layer.
燃料ガスに対して透過性を有する材料によって形成された第1の層と、
前記第1の層の外側に、前記燃料ガスの酸化を促進する触媒材料によって形成された触媒層と、
前記触媒層の外側に、前記第1の層よりも前記燃料ガスに対する透過性が低い材料によって形成された第2の層と、
を備える、燃料ガスタンク。 A fuel gas tank filled with fuel gas,
A first layer formed of a material that is permeable to fuel gas;
A catalyst layer formed by a catalyst material that promotes oxidation of the fuel gas outside the first layer;
A second layer formed of a material having a lower permeability to the fuel gas than the first layer outside the catalyst layer;
A fuel gas tank.
燃料ガスに対して透過性を有する材料によって形成された第1の層と、
前記第1の層の外側に配置された燃料電池層と、
前記燃料電池層の外側に、前記第1の層よりも前記燃料ガスに対する透過性が低い材料によって形成された第2の層と、
を備え、
前記燃料電池層は、電解質と、該電解質の前記第1の層側に配置された燃料極と、前記電解質の前記第2の層側に配置された酸素極とを含む、燃料ガスタンク。 A fuel gas tank filled with fuel gas,
A first layer formed of a material that is permeable to fuel gas;
A fuel cell layer disposed outside the first layer;
A second layer formed of a material having a lower permeability to the fuel gas than the first layer outside the fuel cell layer;
With
The fuel cell layer includes an electrolyte, a fuel electrode disposed on the first layer side of the electrolyte, and an oxygen electrode disposed on the second layer side of the electrolyte.
請求項1〜6のいずれか1項記載の燃料ガスタンクと、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas;
The fuel gas tank according to any one of claims 1 to 6,
A fuel cell system comprising:
請求項5記載の燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクの前記燃料電池層において発生した電気エネルギーを蓄積する蓄電手段と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas;
A fuel gas tank according to claim 5;
Power storage means for storing electrical energy generated in the fuel cell layer of the fuel gas tank;
A fuel cell system comprising:
請求項5記載の燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクの前記燃料電池層において発生した電流の値を測定する電流計と、
前記燃料ガスタンク内の温度に対応する値を測定する温度測定手段と、
前記電流計による測定値と前記温度測定手段による測定値とに基づいて、前記燃料ガスタンク内の圧力を求める圧力算出手段と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas;
A fuel gas tank according to claim 5;
An ammeter for measuring a value of current generated in the fuel cell layer of the fuel gas tank;
Temperature measuring means for measuring a value corresponding to the temperature in the fuel gas tank;
Pressure calculating means for determining the pressure in the fuel gas tank based on the measured value by the ammeter and the measured value by the temperature measuring means;
A fuel cell system comprising:
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