WO2003032425A1 - Raccord hydraulique a combustible - Google Patents

Description

明細書 燃料流体用継ぎ手 技術分野

本発明は、 いわゆる水素デリバリーシステムのような燃料電池への燃 料ガス供給システムにおいて用いられる燃料ガス用継ぎ手に関するもの である。 背景技術

燃料電池は、 燃料気体である水素及び酸素 （空気） を供給することで 発電体において起電力を発生させる装置であり、 通常、 電解質膜 （プロ トン伝導体膜） を気体電極で挟んだ構造を有し、 所望の起電力を得る構 造となっている。 このような燃料電池は、 電気自動車やハイブリッ ト式 車両への応用が期待されており、 実用化に向けて開発が進められている が、 かかる用途の他、 軽量化や小型化が容易であるという利点を活かし て、 これとは全く異なる新たな用途への応用も検討されている。 例えば 携帯可能な電気機器において、 現状の乾電池や充電式電池に代わる新た な電源としての用途等である。

ところで、 上記いずれの用途においても、 必要に応じて燃料電池に燃 料気体である水素を手軽に安定供給できることが必要であり、 いわゆる 水素デリバリーシステムの構築が不可欠である。

このような水素デリバリーシステムを構築する場合、 燃料ガスのサー バ （水素サーバ） と燃料電池間のインターフェースを確保することが重 要である。 例えば、 燃料ガスの貯蔵部をカートリッジ化して燃料カート リッジとし、 これを介して水素サーバから燃料電池の発電体へと水素を 供給するシステムでは、 必要充填量や最適ガス流量、 燃料カートリッジ に用いられている吸蔵体の種類等の情報が不可欠であり、 これら情報に 応じてサーバ等を適正に制御する必要がある。

また、 例えば燃料カートリッジの温度管理等も必要である。 吸蔵体に よる燃料ガス （水素ガス） の吸蔵 ·放出を利用する場合、 通常、 吸蔵体 は燃料ガスの,吸蔵時に発熱し、 逆に放出時には吸熱するが、 これに応じ て、 温度コントロールを行うことが好ましい。

本発明は、 これら種々の要求に応えることを目的に提案されたもので ある。 すなわち、 本発明は、 各種情報を記憶、 表示、 伝達する機能を有 する新規な燃料ガス用継ぎ手を提供することを目的とする。 本発明はま た、 温度コントロールが可能な燃料ガス用継ぎ手を提供することを目的 とする。 発明の開示

本発明の燃料ガス用継ぎ手によれば、 各種情報を記憶、 表示、 伝達す ることが可能であり、 これら情報に基づいて燃料ガス供給サーバ等を適 正に制御することが可能である。 また、 本発明の燃料ガス用継ぎ手は、 温度コン卜ロールが可能であり、 例えば燃料ガス貯蔵部の吸蔵体が発熱 した場合には速やかに放熱を促すことが可能である。 図面の簡単な説明

図 1は本発明を適用した燃料ガス用継ぎ手 （水素デリバリ一） を用い た水素デリバリ一システムの一例を示す模式図である。

図 2はガス流量調整機構の一例を示す要部概略断面図である。

図 3 Aは形状記憶合金を用いた温度調整機構のコイルパネが縮んだ 状態、 3 Bは形状記憶合金を用いた温度調整機構のコイルパネが開いた 状態の一例を示す模式図である。

図 4はペルチェ素子を用いた温度調整機構の一例を示す模式図であ る。

図 5は光による情報伝達機構の一例を示すプロック図である。

図 6は燃料電池の基本的な構造例を示す分解斜視図である。

図 7は燃料電池の電極の構成例を示す概略断面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明を適用した燃料ガス用継ぎ手について、 図面を参照しな がら詳細に説明する。

図 1は、 燃料ガスである水素ガスを水素サーバから燃料電池の発電セ ルへ供給する水素デリバリーシステムの一例を示すものである。 この水 素デリバリ一システムにおいては、水素サーバ 1から供給される水素を、 燃料ガス用継ぎ手に相当する水素デリバリ一 2を介して燃料電池の発電 セル 3に供給する。

上記水素デリバリー 2は、 水素ガスを吸蔵 ·放出する水素吸蔵体を収 容した水素カートリッジ 2 1を備え、 連結部 2 2において水素サーバ 1 の連結部 1 1 と接続され、 水素ガスの授受が行われる。 同様に、 連結部 2 3において発電セル 3の連結部 3 1と連結され、 水素ガスの授受が行 われる。 したがって、 水素サーバ 1から供給される水素ガスは、 一度水 素デリバリ一 2の水素カートリッジ 2 1に吸蔵され、 流量を調整しなが ら発電セル 3へと供給される。

ここで特徴的なのは、 上記水素デリバリー 2が、 各種情報を記憶、 表 示、 あるいは伝達する機能を有することである。 例えば、 本例の水素デ リバリー 2は、 必要充填量情報、 充填回数情報、 燃料ガス流量情報、 燃 料ガス残量情報、吸蔵体種類情報等の情報を記憶することが可能であり、 これを表示したり、 さらには水素サーバ 1側、 あるいは燃料電池の発電 セル 3側へ伝達する機能を有する。

これらの機能を具体的に説明すると、先ず、上記水素デリバリ一 2は、 水素サーバ 1 と接続される水素ガス流入側及び発電セル 3と接続される 水素ガス流出側に、 それぞれ流量計及び流入量メモリ （あるいは流出量 メモリ） からなる流量計測部 2 4 a， 2 4 bを搭載している。 ここで、 水素サーバ 1から供給される水素ガスの流量は、 上記流量計測部 2 4 a の流量計で計測され、 流入量メモリに記憶される。 同様に、 発電セル 3 へ供給される水素ガスの流量は、 上記流量計測部 2 4 bの流量計で計測 され、 流出量メモリに記憶される。 そして、 これら流入量メモリと流出 量メモリとから水素カートリッジ 2 1における水素残量が算出され、 残 量表示部 2 5に表示される。

上記残量が算出されれば、 上記水素カートリッジ 2 1への必要充填量 を計算することができる。 上記水素デリバリ一 2は、 水素サーバ 1へ情 報を伝達するための情報伝達部 2 6 a及び発電セル 3へ情報を伝達する ための情報伝達部 2 6 bを有するが、 この必要充填量情報は、 情報伝達 部 2 6 aを介して水素サーバ 1へと伝達され、 水素力一トリッジ 2 1へ の水素充填量が制御される。

上記水素デリバリー 2は、 上記必要充填量情報の他、 水素ガスの充填 回数の表示や伝達も可能である。 この充填回数情報は、 水素デリバリー 2の水素サーバ 1への接続回数、 あるいは上記流量計の動作回数により カウントすることができる。 例えば、 水素デリバリ一 2が水素サーバ 1 に接続された時に接点の接続回数を電気的、 あるいは機械的にカウント し、 充填回数メモリ 2 7において記憶する。 この記憶された充填回数情 報は、 充填回数表示部 2 8において表示されるとともに、 水素サーバ 1 から水素デリバリ一 2に水素ガスを供給し吸蔵させる時に、 上記情報伝 達部 2 6 aを介して水素サーバ 1側へと伝達される。 水素サーバ 1は、 この伝達された充填回数情報に基づいて供給圧力等を適正な値に調整す る。 水素力一トリッジ 2 1に収容される吸蔵体は、 一般的に、 吸蔵 · 放 出を繰り返すうちに水素吸蔵能がある程度劣化する。 このような場合、 劣化の程度に応じて最適供給圧を設定することが望ましく、 上記充填回 数情報に基づく供給圧力の調整は有効である。

なお、 上記水素カートリッジ 2 1を交換した場合には、 上記充填回数 情報はリセッ トされ、 新たにカウントされる。 この充填回数情報のリセ ットは、 例えば水素カートリッジ 2 1を水素デリバリー 2から取り外し た時にこれを検知し、 充填回数メモリ 2 7に記憶された充填回数をリセ ットすればよい。

上記水素デリバリー 2は、 上記の他、 水素カートリッジ 2 1に収容さ れる吸蔵体の種類を記憶、 表示し、 水素サーバ 1等へ伝達する機能も有 する。水素カートリッジ 2 1に収容される水素吸蔵体の種類が異なると、 最適供給圧や充填可能容量等が異なることが多く、 したがって、 吸蔵体 の種類に応じて水素サーバ 1の供給圧力等を適正に設定することが望ま しい。 そこで、 水素力一トリッジ 2 1に収容される吸蔵体の種類をメモ リに記憶しておき、 これを吸蔵体種類表示部 2 9に表示する。 また、 水 素デリバリ一 2が水素サーバ 1と接続された時に、 吸蔵体種類情報を上 記情報伝達部 2 6 aを介して水素サーバ 1側に伝達し、 これに応じて水 素サーバ 1の供給圧や充填容量等を調整する。 このとき、 上記吸蔵体の 種類は、 吸蔵体を水素力一トリッジ 2 1に入れた時点でメモリに入力す ればよい。

以上は、 主に水素デリバリー 2側の情報の記憶、 表示、 伝達に関する ものであるが、 例えば燃料電池の発電セル 3側の情報を水素デリノ リ一 2側に伝達し、 これに基づいて水素デリバリ一 2を制御するようにする ことも可能である。 具体的には、 発電セル 3からの必要流量情報に基づ き、 水素デリバリ一 2からの供給ガス流量を調整する。

図 2は、 水素デリバリ一 2及び発電セル 3間におけるガス流量調整機 構を示すものである。 水素デリバリ一 2から燃料電池の発電セル 3への 水素ガスの供給は、 水素デリバリー 2に設けられた連結部 2 3と発電セ ル 3の連結部 3 1とを連結することによって行われる。 水素デリバリ一 2の連結部 2 3は、 発電セル 3の連結部 3 1に挿入されることによって 流路が連通されており、 O—リング 3 2、 3 3によって密閉状態が保た れている。 発電セル 3の連結部 3 1の中心には、 ガス流量情報ピン 3 4 が設けられており、 その先端が水素デリバリー 2の連結部 2 3の開口部 2 3 aに挿入された形になっている。 したがって、 水素デリバリー 2か らの水素ガスは、 水素デリバリー 2の開口部 2 3 aを通り、 当該開口部 2 3 aとガス流量情報ピン 3 4の間隙を通って、 発電セル 3側の連結部 3 1に設けられたガス導入孔 3 5から発電セル 3へと供給される。

このとき、 上記ガス流量情報ピン 3 4の先端形状が先細り形状とされ ており、 この発電セル 3側のガス流量情報ピン 3 4の長さによって水素 デリバリー 2側のニードル （開口部 2 3 a ) の絞り量を決定するような 構造とされている。 例えば、 発電セル 3側のガス流量情報ピン 3 4の長 さが長くなれば、 水素デリバリ一 2側の開口部 2 3 aとの間隔が小さく なり、 水素ガスの流量が少なくなる。 逆に、 発電セル 3側のガス流量情 報ピン 3 4の長さが短くなれば、 水素デリバリー 2側の開口部 2 3 aと の間隔が大きくなり、 水素ガスの流量が多くなる。 したがって、 発電セ ル 3の適正流量に応じて上記ガス流量情報ピン 3 4の長さを決定してお' けば、 水素デリバリー 2と発電セル 3とを連結したときに、 自ずと最適 流量に設定されることになる。

本例の水素デリバリー 2には、 上述の情報記憶、 情報表示、 情報伝達 の機能の他、 内部温度を検出し制御する温度制御機構を備えている。 以 下、 この温度制御機構について説明する。

上記温度制御機構は、例えば、水素デリバリ一 2内部の温度を検出し、 パイメタルや形状記憶合金等を用い、 放熱板の角度や間隔の調整により 温度コントロールを行うものである。 図 3 Aは、 形状記憶合金のコイル を用いた温度制御機構の一例であり、 本例では、 温度が上昇したときに 伸び （間隔が開き） たものを。 また、 図 3 Bでは、 形状記憶合金のコィ ルが冷却されたときに縮む（間隔が狭まる）ものを示している。図 3 A、 3 Bのように形状記憶させた形状記憶合金製のコイルバネ 4 1に 1ター ン毎に多数の冷却フィン （放熱板） 4 2を取り付け、 温度コントロール を行うような構造を採用している。 '

この温度制御機構では、 温度が低い状態では、 図 3 Aに示すように、 コイルバネ 4 1は縮んだ状態を保ち、 各冷却フィン 4 2は互いに密接し て、 いわば閉じた状態となっている。 この状態では放熱効率が悪く、 放 熱効果は少ない。これに対して、水素デリバリ一 2の温度が上昇すると、 図 3 Bに示すように、 形状記憶合金製のコイルバネ 4 1が開き、 コイル バネ 4 1の 1ターン毎に取り付けられた冷却フソィン 4 2同士の間隔が開 き、 実質的な放熱面積が増大する。 これによつて放熱効果が増し、 水素 デリバリ一 2の温度を下げる方向に機能する。

なお、 上記の構造を採用した場合、 水素デリバリー 2の温度が低すぎ る場合の温度制御が難しい。 そこで、 そのような場合には、 発電セル 3 の発熱を利用して、 温度コントロールを行えばよく、 上記放熱機構と組 み合わせることで、 広い温度範囲での温度制御が可能となる。

また、 温度制御機構の構成としては、 これに限らず、 例えばペルチェ 素子に電流を流すことで温度制御を行うことも可能である。 図 4は、 ぺ ルチェ素子を利用した温度制御機構の一例を示すものである。すなわち、 この温度制御機構では、 水素デリバリ一 2の表面に Λルチェ素子を組み 込んだペルチェモジュール 4 3を貼り付け、 ペルチェ素子に流す電流を 制御する電流制御部 4 4を接続しておく。 また、 水素デリバリー 2の表 面には、 温度センサ 4 5を併せて貼り付けておく。 そして、 温度センサ 4 5からの温度情報に応じて、ペルチェ素子に所定の向きの電流を流し、 冷却または加熱を行う。 ペルチェ素子は、 流す電流の方向によって冷却 と加熱が切り替わる。そこで、水素デリバリ一 2の温度が高い場合には、 これを冷却するように所定の方向に電流を流す。 水素デリバリ一 2の温 度が低い場合には、逆方向に電流を流し、水素デリバリ一 2を加熱する。 次に、 燃料充填器 （水素サーバ 1 ) から水素カートリッジ （水素デリ バリ一 2 )へ水素ガスを充填する場合のシーケンス例について説明する。 本例は、 水素吸蔵体を収容した携帯型の水素カートリッジ （水素デリバ リ一2 ) に高圧水素タンクを持つ燃料充填器 （水素サーバ 1 ) から水素 を充填する場合の例である。

先ず、 水素サーバ 1側は、 下記のような制御パラメータと管理アイテ ムを有する。

•水素デリバリー 2に使用されている吸蔵体の種類毎の充填圧力、 充填 容量、 充填時の許容最高温度等。

•水素デリバリ一 2の容量と充填ガス量の最大値。

·効率的な充填を行うための充填量と時間との関係曲線。

一方、 水素デリバリー 2側は、 水素サーバ 1に関する下記の情報を有 する。

•使われている吸蔵体の種類

-水素力一卜リッジ 2 1の最大容量

，周囲温度

•水素カー卜リッジ 2 1内の温度 水素デリバリー 2を水素サーバ 1に接続し、 水素ガスの充填を行う際 には、 水素サーバ 1に水素デリバリ一 2を接続し、 充填を開始する。 こ のとき、 先ず、 水素サーバ 1から水素デリバリ一 2側に対して接続確認 信号を送信する。 ここで水素デリバリ一 2側から接続確認信号の返信が 無ければ、 アラームを発して水素ガスの充填を中止する。 水素デリバリ 一 2側から接続確認信号が来た場合には、 水素デリバリ― 2の水素カー トリッジ 2 1の仕様、 例えば吸蔵体の種類や容量等を確認する。 水素デ リパリ一 2側は、 水素サーバ 1に対して前記仕様の情報を送信する。 水 素サーバ 1は、 水素デリバリ一 2から送られた情報と予め用意された各 種パラメータを基にして、 充填圧力、 許容充填量等を計算し、 充填のた めの制御を決定する。

次いで、 水素サーバ 1は水素デリバリ一 2側に充填開始のメッセージ を送信し、 水素デリバリ一 2は水素サーバ 1に充填開始の確認メッセ一 ジを送信する。 これにより、 先に定めた充填制御方法に従い水素ガスの 充填を開始する。 水素ガス充填中、 水素サーバ 1は水素デリバリ一 2に • 対して、 適当な時間間隔で水素カートリッジ 2 1内外の温度や圧力等を 問い合わせる。 そして、 充填中に異常な温度上昇や圧力変化があった場 合には、 直ちに充填を中止する。

全てのシーケンスが終了した時点で、水素サーバ 1は水素デリバリー 2 側に充填終了メッセージを送信する。 水素デリバリ一 2は、 水素サーバ 1側に充填終了確認のメッセージを送信する。 これにより水素サーバ 1 は、 バルブや圧力調整弁等をクローズする。 水素デリバリー 2側も同様 にクローズし、 それを水素サーバ 1側に返信する。 水素ガスの充填全ェ 程が終了したことを確認した後、 水素カー卜リッジ取り外し可能である ことを知らせる。 以上が水素デリバリー 2 (水素カートリッジ 2 1 ) へ の充填シーケンスの例である。 なお、上記において、水素サーバ 1と水素デリバリ一 2の間の通信は、 例えば連結部の水素ガス流路を利用して光の通信によって行う。図 5は、 光の通信によって情報の授受を行うようにした場合の水素サーバ及び水 素デリバリ一の構成例を示すものである。

図 5に示すように、 水素サーバ 5 1は、 水素タンク 5 2を備えるとと もに、 この水素タンク 5 2の圧力を調整する圧力調整機構 5 3及びバル ブ 5 4を備え、 これらを入出力回路 5 5によって制御するような構成を 有している。 この入出力回路 5 5には、 圧力センサ 5 6及び温度センサ 5 7の情報が入力されるとともに、 水素デリバリーとの間の情報の授受 を行う受光部 5 8からの信号が増幅回路 5 9及び復調回路 6 0を介して 入力されるようになっている。また、逆に入出力回路 5 5からの信号が、 変調回路 6 2及び増幅回路 6 1を経て、 発光部 6 3へと出力されるよう になっている。

上記水素サーバ 5 1は、 固定情報としてタンク容量、 許容最大圧力、 吸蔵体の種類、過去の使用回数等を持ち、 さらには、接続の有無の判断、 センサ読み込み、 固定情報の処理、 残量の計算、 充填条件の計算、 充填 時間の算出等の演算処理機能を有する。

一方、 水素デリバリー 7 1も、 通信のための受光部 7 2及び発光部 7 3を備え、 水素ガスの流路である燃料受け渡し管 7 4を介して光による 情報の伝達が可能。である。 したがって、 上記充填シーケンスにおける情 報の伝達は、 上記水素サーバ 5 1の受光部 5 8及び発光部 6 3と、 この 水素デリバリー 7 1の受光部 7 2及び発光部 7 3間での信号のやり取り によつて行われる。

最後に、 燃料電池の発電セル 3の基本的な構成及び起電力が発生する メカニズムについて説明する。 燃料電池の発電セルは、 例えば図 6、 図 7に示すように、 燃料気体である水素が接する燃料極 8 1と、 同じく空 気 （酸素） が接する空気極 8 2とを電解質 8 3を介して重ね合わせてな るものであり、 その両側を集電体 84で挟み込むことにより構成されて いる。 集電体 84は、 集電性能が高く酸化水蒸気雰囲気下でも安定な緻 密質のグラフアイ トなどからなり、 燃料極 8 1と対向する面には水素が 供給される水平方向の溝 84 aが、 空気極 8 2と対向する面には空気が 供給される垂直方向の溝 84 bが形成されている。

上記燃料極 8 1や空気極 8 2は、 図 7に示すように、 電解質 8 3を挟 んで形成されており、 それぞれガス拡散電極 8 l a, 8 2 aと触媒層 8 1 b , 8 2 bとからなる。 ここで、 ガス拡散電極 8 1 a, 8 2 aは、 多 孔質材料などからなり、 触媒層 8 1 b 8 2 bは、 例えば白金などの電 極触媒を担持させたカーボン粒子と電解質の混合物からなる。

燃料電池は、 以上を基本単位 （燃料電池セル） として、 例えばこれを 複数積層したスタック構造を有しており、 これら複数の燃料電池セルが 直列接続されることにより所定の電圧を得るような構成となっている。 上記構成の燃料電池においては、 水素ガスを上記燃料極 8 1 と接する ように集電体 8 4に形成された水平方向の溝 84 a内に流入させるとと もに、 空気 （酸素） を上記空気極 8 2と接するように溝 8 4 b内に流入 させると、 燃料極 8 1側では反応式

H ₂→ 2 H + + 2 e - で示される反応が起こるとともに、 空気極 8 2側では反応式

l /^/ 20₂ + 2 H++ 2 e—→H₂ O +反応熱 Q

で示される反応が起こり、 全体では

H 2 , + 1 / Z 20 , 2→ H 2 O

で示される反応が起こることになる。 すなわち、 燃料極 8 1にて水素が 電子を放出してプロトン化し、 電解質 8 3を通って空気極 8 2側に移動 し、 空気極 8 2にて電子の供給を受けて酸素と反応する。 かかる電気化 学反応に基いて起電力が得られる。 産業上の利用可能性

本発明の燃料ガス用の継ぎ手は、 必要充填量情報、 充填回数情報、 燃 料ガス流量情報、 燃料ガス残量情報、 吸蔵体種類情報などの各種情報を 記憶、 表示、 伝達することが可能であり、 これら情報に基づいて燃料ガ ス供給サ一バなどを適正に制御することが可能となり、 温度制御機構を 有することにより、 温度コントロールが可能となり、 燃料ガス貯蔵部の 吸蔵体が発熱した場合には速やかに放熱を促すことが可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料流体流入口及び燃料流体流出口を有し、燃料流体供給サーバと 発電体の間に介在される燃料流体用継ぎ手において、

燃料流体を吸蔵する吸蔵体が収容された燃料流体貯蔵部を有し、 情報 の記憶、 情報の表示、 情報の伝達のうちの少なくとも 1以上の機能を有 することを特徴とする燃料流体用継ぎ手。

2 . 記憶、 表示、 または伝達される情報が、 必要充填量情報、 充填回数 情報、 燃料流体流量情報、 燃料流体残量情報、 吸蔵体種類情報のうちの 少なくとも 1以上であることを特徴とする請求項 1記載の燃料流体用継 ぎ手。

3 . 燃料流体流入側及び燃料流体流出側に流量計を備えることを特徴 とする請求項 1記載の燃料流体用継ぎ手。

4 . 上記流量計により計測される流入量及び流出量を記憶するメモリ を有し、 流入量メモリと流出量メモリから残量を算出して表示すること を特徴とする請求項 3記載の燃料流体用継ぎ手。

5 . 上記発電体からの情報により必要流量が調整されることを特徴と する請求項 1記載の燃料流体用継ぎ手。

6 . 上記発電体に設けられたガス流量情報ピンにより上記必要流量が 調整されることを特徴とする請求項 5記載の燃料流体用継ぎ手。

7 . 上記ガス流量情報ピンの長さにより流出口の絞り量が調整される ことを特徴とする請求項 6記載の燃料流体用継ぎ手。

8 . 接続回数をメモリに記憶し、燃料流体の充填回数を表示することを 特徴とする請求項 2記載の燃料流体用継ぎ手。

9 . 上記燃料流体貯蔵部の脱着により上記メモリに記憶された接続回 数がリセットされることを特徴とする請求項 8記載の燃料流体用継ぎ手

1 0 . 上記接続回数の情報が燃料流体供給サーバに伝達され、燃料流体 供給サーバ側の供給圧力が調整されることを特徴とする請求項 8記載の 燃料流体用継ぎ手。

1 1 . 温度制御機構を有することを特徴とする請求項 1記載の燃料流 体用継ぎ手。

1 2 . 上記温度制御機構は、放熱板の間隔または角度を調整することに より温度制御を行う構造を有することを特徴とする請求項 1 1記載の燃 料流体用継ぎ手。

1 3 . 上記放熱板の間隔または角度の調整は ィメタルまたは形状記 憶合金により行うことを特徴とする請求項 1 2記載の燃料流体用継ぎ手:

1 4 . 上記温度制御機構は、形状記憶合金からなるコイルパネに放熱板 を取り付けた構造を有することを特徴とする請求項 1 3記載の燃料流体 用継ぎ手。

1 5 . 上記温度制御機構は、温度センサとペルチェ素子とから構成され ることを特徵とする請求項 1 1記載の燃料流体用継ぎ手。