JP2013167291A - 燃料利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】不具合発生を未然に防止することができる燃料利用システムを提供する。
【解決手段】減圧機構と遮断機構とを備えた１次減圧弁３０を備えた燃料電池車１００Ａにおいて、１次減圧弁３０に締切不良が発生し、水素供給ステーション２００から水素タンク２への水素の充填中、配管ａ６に設けられた圧力センサ５２の検出値Ｐ２が配管ａ６での常用圧力領域よりも高く設定された所定値を超えた場合、制御部５０は、水素供給ステーション２００に対して充填停止信号を送信して、充填を停止する処理を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧ガスを燃料とするガス供給装置を搭載した燃料利用システムに関する。

特許文献１には、補給装置（外部装置）から収容部（燃料タンク）に燃料ガスの補給が開始される場合にガス漏れ検出を行い、移動体内部の収容部および補給路からのガス漏れを検知する燃料利用の移動体が記載されている。このような移動体には外部の補給装置と通信する通信部が設けられており、通信部は、ガス漏れが検知されたときに補給装置からの燃料ガスの補給を停止させる制御信号を送信し、補給装置からの燃料ガスの補給を停止させる。

特開２０１１−９４６５２号公報（図１および図３）

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、移動体の燃料ガスの補給路または収容部からのガスが実際に漏れたことを検出した後に燃料ガスの補給を停止する制御信号を送信するものである。このため、未然にガス漏れを防ぐことはできず、しかも移動体のガス漏れ以外の異常発生時には対応できないという問題がある。

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、不具合発生を未然に防止することができる燃料利用システムを提供することを課題とする。

本発明は、燃料ガスを利用する燃料利用体と、前記燃料ガスを貯留する貯留部と、外部装置から前記貯留部に燃料ガスを送る接続口である充填口と、前記貯留部からの燃料ガスを前記燃料利用体に向かわせる第１供給経路と、前記第１供給経路の燃料ガスを減圧する締切機構付レギュレータと、前記締切機構付レギュレータで減圧された燃料ガスを前記燃料利用体に向かわせる第２供給経路と、前記第２供給経路の圧力を検出する第２供給経路圧力センサと、前記外部装置を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記外部装置から前記貯留部への燃料ガスの供給中、前記第２供給経路圧力センサの検出値が前記第２供給経路での常用圧力領域よりも高く設定された所定値を超えた場合、前記外部装置による燃料ガスの供給を停止させる処理を実行することを特徴とする。

ところで、燃料ガスの補給中に締切機構付レギュレータに高圧が印加された場合、締切機構付レギュレータに締切不良が発生していると、第１供給経路の下流に位置する第２供給経路の圧力が上昇する。例えば、第２供給経路にリリーフ弁が設けられている場合、第１供給経路の高い圧力が第２供給経路に加わることになり、リリーフ弁のフェール設定値を超えて、リリーフ弁から燃料ガス漏れが発生し、燃料ガスの漏れを遮断できず、リリーフ弁から燃料ガスが継続的に漏れることになる。

そこで、本発明によれば、燃料ガスの補給中に第２供給経路圧力センサの検出値に基づいて締切機構付レギュレータの締切不良を検出することにより、検出値が第２供給経路の常用圧力領域よりも高く設定された所定値を超えたときに、外部装置に対して燃料ガスの補給を停止させる制御を行うことで、リリーフ弁から燃料ガスが継続して漏れるのを防止することができる。このように、燃料ガス漏れが継続することを防止できるので、燃料ガス補給時における燃料利用システム（例えば、燃料電池システム）での不具合を未然に防止することができる。

また、前記第１供給経路の圧力を検出する第１供給経路圧力センサを備え、前記制御部は、前記外部装置から前記貯留部への燃料ガスの供給中、前記第１供給経路圧力センサの検出値が前記第１供給経路の常用圧力領域であり、かつ、前記第２供給経路圧力センサの検出値が前記第２供給経路の常用圧力領域よりも高く設定された所定値を超えた場合、前記締切機構付レギュレータに不具合が発生していると判定して、前記外部装置による燃料ガスの供給を停止させる処理を実行することを特徴とする。

これによれば、締切機構付レギュレータに不具合が発生していると確定することができるので、後のメンテナンス作業が容易になる。

また、前記第１供給経路は、前記貯留部から前記燃料利用体へ向かう供給経路と前記充填口から前記貯留部に向かう補給経路とを兼用していることを特徴とする。

これによれば、供給経路と補給経路を兼用する構成、つまり燃料ガスの補給時と供給時とで燃料ガスが通る流路を共有にすることで、貯留部に設けられる弁（主止弁）は補給時に開いている必要性が生じ、締切機構付レギュレータには必ず高い圧力が加わることになり、締切機構付レギュレータの締切不良を確実に検出することが可能になる。

本発明によれば、不具合発生を未然に防止することが可能な燃料利用システムを提供できる。

本実施形態の燃料利用システムを搭載した燃料電池車を示す全体構成図である。 燃料タンクに設けられる主止弁の一例を示す側断面図である。 １次減圧弁の一例を示す側断面図である。 水素充填時の動作を示すフローチャートである。 圧力センサの検出値と時間との関係を示すグラフである。 水素充填時の別の動作を示すフローチャートである。 燃料電池車の変形例を示す全体構成図である。

本実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、燃料利用システムのうち、燃料電池システムを搭載した車両として燃料電池車１００Ａ，１００Ｂを例に挙げて説明するが、燃料電池車１００Ａ，１００Ｂに限定されるものではなく、燃料電池システムを搭載した船舶や航空機などの移動体であってもよく、水素タンク（貯留部）を備えて適宜充填を行う定置式の燃料電池システムであってもよく、または燃料を利用するものとして水素エンジンシステムを用いていてもよい。これら例示のように燃料を利用する様々なものに適用できる。

図１は、本実施形態の燃料利用システムを搭載した燃料電池車を示す全体構成図である。
燃料電池車１００Ａは、燃料電池１（燃料利用体）、水素タンク２（貯留部）、充填口３、１次減圧弁３０（締切機構付レギュレータ）、中圧デバイス４０、制御部５０、圧力センサ５１（第１供給経路圧力センサ）、５２（第２供給経路圧力センサ）などを含む燃料電池システムを備えている。

燃料電池１は、例えば、複数の固体高分子型の単セル（不図示）が積層されることで構成された燃料電池スタックであり、複数の単セルが電気的に直列で接続されて構成されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、このＭＥＡを挟む導電性を有するアノードセパレータ（不図示）およびカソードセパレータ（不図示）と、を備えている。

ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノードおよびカソードとを備えている。アノードおよびカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノードおよびカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するための溝などで形成されたアノード流路１ａが形成されている。カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気（酸化剤ガス）を給排するための溝などで形成されたカソード流路１ｂが形成されている。

そして、アノード流路１ａを介して各アノードに水素が供給されるとともに、カソード流路１ｂを介して各カソードに空気（酸素）が供給されると、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池１と外部負荷（走行モータ、高圧バッテリなど）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池１が発電するようになっている。

図２は燃料タンクに設けられる主止弁の一例を示す側断面図である。
水素タンク２は、高純度の水素ガスが高圧で充填され、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に水素ガスを高圧で貯留するライナー（タンク室）２ａ（一部のみ図示）を有し、そのライナー２ａの周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー２ｂ（参照、一部のみ図示）で覆うことで構成されている。

また、水素タンク２は、常閉式のキックパイロット式電磁弁からなる主止弁２０が開口部２ｃに取り付けられている。なお、主止弁２０の詳細な構造については後記する。

図１に戻って、充填口３は、水素タンク２への水素充填時に、外部の水素供給ステーション２００（外部装置）の充填ノズル２０３が接続される部分であり、例えば車両側部に設けられている。また、充填口３は、配管ａ２を介して主止弁２０と接続されている。また、充填口３には、充填ノズル２０３から水素タンク２への流れのみを許容する逆止弁（不図示）が設けられている。この逆止弁は、充填ノズル２０３が充填口３に接続され、水素供給ステーション２００から水素タンク２への水素の充填が開始されたときに開弁するようになっている。なお、配管ａ２には、充填口３の逆止弁とは別の逆止弁（充填ノズル２０３から水素タンク２への流れのみを許容する逆止弁）が設けられていてもよい。

充填ノズル２０３は、燃料電池車１００Ａと通信を行うための通信コネクタ２０４が一体に設けられており、充填ノズル２０３が充填口３に接続されたときに、通信コネクタ２０４が充填口３の近傍に設けられたコネクタ受部４と接続されるように構成されている。コネクタ受部４は、後記する制御部５０と電気的に接続されている。

１次減圧弁３０は、水素タンク２から供給される高圧（例えば、３５ＭＰａ、７０ＭＰａなど）の水素を、所定の圧力（例えば、１ＭＰａ以下）に減圧する機能を有し、配管ａ４（第１供給経路）を介して主止弁２０と接続されている。また、１次減圧弁３０は、減圧機構とともに遮断機構（締切機構）を備えたものであり、例えば水素補給時において、１次減圧弁３０から下流への水素の流れを遮断する機能を有する。このように、減圧機能と遮断機能とを併せ持つことにより、１次減圧弁３０をコンパクトに構成することが可能になる。なお、１次減圧弁３０の詳細な構造については後記する。

中圧デバイス４０は、例えば、上流側から順に、リリーフ弁４１、２次減圧弁４２を備えて構成され、配管ａ６（第２供給経路）を介して１次減圧弁３０と接続されている。

リリーフ弁４１は、配管ａ６に接続され、１次減圧弁３０と２次減圧弁４２との間の中圧ラインの常用圧力領域（例えば、３００〜１０００ｋＰａ）よりも高い圧力（例えば、１３００ｋＰａ）が印加されたときに開放するように構成されている。なお、常用圧力領域とは、中圧ライン（配管ａ６）において、燃料電池車１００Ａの走行時（燃料電池１の発電時）に通常用いられている圧力範囲である。

２次減圧弁４２は、１次減圧弁３０で減圧された水素の圧力を、図示しない低圧デバイスに供給される水素の圧力が適切な圧力（低圧）となるように減圧する機能を有する。なお、この２次減圧弁４２は、例えば、後記するコンプレッサ７からカソード流路１ｂに向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力され、入力された空気の圧力に基づいて水素の圧力を制御するようになっている。また、２次減圧弁４２は、電気的な信号によって減圧するものであってもよい。

なお、２次減圧弁４２とアノード流路１ａの入口とを接続する配管ａ８には、低圧デバイスとして、例えば、エゼクタ（不図示）が設けられている。エゼクタは、燃料電池１のアノード流路１ａから排出された水素オフガス（燃料オフガス）を戻し配管（不図示）を介して再び配管ａ８に戻して水素タンク２からの水素と合流させて再循環させる機能を有する。

制御部５０は、燃料電池車１００Ａを電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェースなどの電子回路（不図示）を含んで構成されている。また、制御部５０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。

制御部５０は、水素タンク２に水素を充填する際、外部の水素供給ステーション２００が備えるディスペンサ（水素充填装置）２０２との間で通信を行う。すなわち、制御部５０は、コネクタ受部４および通信コネクタ２０４を介して水素供給ステーション２００のディスペンサ２０２との間で通信を行い、ディスペンサ２０２に対して充填開始信号、充填停止信号、水素タンク２の許容圧力（３５ＭＰａ、７０ＭＰａ）に関する信号などを送信する。充填停止信号は、後記する圧力センサ５１の検出値Ｐ１、または、圧力センサ５１の検出値Ｐ１および圧力センサ５２の検出値Ｐ２に基づいて送信される。充填停止信号を受けたディスペンサ２０２は、ディスペンサ２０２から充填ノズル２０３への水素の供給を停止して、水素タンク２への水素の充填を停止する。

なお、制御部５０がディスペンサ２０２に対して送信する情報（充填通信情報）としては、充填開始信号や充填停止信号の他、水素タンク２内の水素圧力や水素温度、水素タンク２の材質（アルミニウム合金製、樹脂製等）や、この材質に応じた水素タンク２の許容温度および許容圧力、水素タンク２の使用期限、水素の充填回数などが挙げられる。なお、これらの情報は、制御部５０の図示しない記憶部に記憶され、通信を行う際には記憶部（図示せず）から読み出してディスペンサ２０２に送信する。

圧力センサ５１は、主止弁２０と１次減圧弁３０との間の配管ａ４（高圧ライン）の圧力を検出する機能を有する。制御部５０は、圧力センサ５１の検出値Ｐ１に基づいて、配管ａ４の圧力が高圧ラインの常用圧力領域であるか否かを判定する。

圧力センサ５２は、１次減圧弁３０と２次減圧弁４２との間の配管ａ６（中圧ライン）の圧力を検出する機能を有する。制御部５０は、圧力センサ５２の検出値Ｐ２に基づいて、配管ａ６の圧力が中圧ラインの常用圧力領域（例えば、３００〜１０００ｋＰａ）であるか否かを判定する。

なお、カソード流路１ｂの上流側に接続される配管ａ１０には、上流側から順に、車外（外部）から酸素を含む空気を取り込むコンプレッサ７、加湿器（不図示）などが設けられている。また、カソード流路１ｂの下流側に接続される配管ａ１２には、カソード流路１ｂに供給される空気の圧力（カソード圧）を制御する背圧制御弁（不図示）、希釈器（不図示）などが上流側から順に設けられている。また、アノード流路１ａの下流側に接続される配管ａ１４には、アノード循環流路から不純物等を含む水素を排出するパージ弁（不図示）などが設けられている。パージ弁の下流の配管ａ１４は、希釈器に接続され、アノード循環流路から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）に含まれる水素（燃料ガス）をカソードオフガス（酸化剤オフガス）で希釈して車外（外部）に排出するように構成されている。

また、燃料電池車１００Ａは、ＩＧ５３およびフューエルリッドオープナスイッチ５４を備えている。

ＩＧ５３は、燃料電池車１００Ａの起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。ちなみに、制御部５０はＩＧ５３と接続されており、ＩＧ５３のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。

フューエルリッドオープナスイッチ５４は、フューエルリッド１４を開くためのスイッチであり、運転席周りに設けられている。なお、フューエルリッドオープナスイッチ５４は、電気的な方式に限定されるものではなく、運転席周りに設けられた開放レバー（不図示）がワイヤケーブル（不図示）を介してフューエルリッド１４と接続される機械的な方式でもよい。

次に、燃料電池車１００Ａに燃料ガスである水素を供給する水素供給ステーション２００（外部装置）について、簡単に説明する。
水素供給ステーション２００は、水素貯蔵タンク２０１と、ディスペンサ２０２と、充填ノズル２０３と、通信コネクタ２０４と、を備えている。

水素貯蔵タンク２０１は、燃料電池車１００Ａに水素を供給するための水素を高圧で貯蔵している。

ディスペンサ２０２は、水素貯蔵タンク２０１と接続されており、燃料電池車１００Ａの水素タンク２に供給する水素の充填開始および停止、水素を充填する際の圧力や流量などを制御する。また、ディスペンサ２０２は、燃料電池車１００Ａの水素タンク２に水素を充填する際に、コネクタ受部４および通信コネクタ２０４を介して、制御部５０との間で通信を行う。そして、ディスペンサ２０２は、通信を行うことによって、水素タンク２内の水素圧力や水素温度などの情報を取得し、当該情報に基づいて水素貯蔵タンク２０１から供給される水素の圧力などを調整して、燃料電池車１００Ａの水素タンク２に水素を充填する。

充填ノズル２０３は、ディスペンサ２０２を介して水素貯蔵タンク２０１と接続されており、燃料電池車１００Ａの水素タンク２に水素を充填する際、充填口３に差し込まれる。また、充填ノズル２０３が充填口３に接続されると、図示しないロック機構によってロックされる。水素供給ステーション２００の水素貯蔵タンク２０１から供給された水素は、充填口３、配管ａ２、主止弁２０を介して水素タンク２に充填される。

図２に示すように、主止弁２０は、弁箱２１、開閉弁本体２２、パイロット弁体２３、ソレノイド２４、コイルばね２５（付勢部材）、連動機構部Ｍなどで構成されている。

弁箱２１は、内部に開閉弁本体２２、パイロット弁体２３、ソレノイド２４、コイルばね２５、連動機構部Ｍを収容する略円筒状の収容部２１ｓを有し、配管ａ２に接続される導入路２０ａと配管ａ４に接続される導出路２０ｂとを備えている。また、弁箱２１は、導入路２０ａおよび導出路２０ｂに連通する第１連通孔２１ａと、水素タンク２内に連通する第２連通孔２１ｂ，２１ｂと、を備えている。なお、第２連通孔２１ｂは、２箇所に限定されるものではなく、１箇所であっても、３箇所以上であってもよい。

このように、主止弁２０は、水素が充填口３から水素タンク２に導入される際の補給流路（第１連通孔２１ａ、後記する開閉弁流路Ｑ２および第２連通孔２１ｂ）と、水素が水素タンク２から燃料電池１に導出される際の供給流路（第２連通孔２１ｂ、後記する開閉弁流路Ｑ２および第１連通孔２１ａ）とを兼用する（共有する）構成になっている。

また、弁箱２１は、外周面にねじ溝が形成されており、このねじ溝と、水素タンク２の開口部２ｃに形成されたねじ溝とが、螺合することにより、主止弁２０が水素タンク２に取り付けられている。なお、水素タンク２と主止弁２０とは、オーリングなどのシール部材（不図示）を介して互いに接合され、水素タンク２内の水素が外部に漏れ出ないように構成されている。

また、弁箱２１の内部には、開閉弁本体２２が着座することで第１連通孔２１ａと水素タンク２内とを遮断し、開閉弁本体２２が離座することで第１連通孔２１ａと水素タンク２内とを連通する開閉弁弁座２１ｃが設けられている。この開閉弁弁座２１ｃは、例えば、弁箱２１内において凹面が図示下側を向くように形成された凹部２１ｅが周方向に環状に形成されるとともに、この凹部２１ｅにゴム製や樹脂製のシール部材２１ｆが嵌合されて構成されている。このように、開閉弁本体２２の先端（図示上端）の周縁部がシール部材２１ｆに当接することで、第１連通孔２１ａと水素タンク２内との連通が遮断される。

開閉弁本体２２は、主止弁２０のメイン弁として動作するものであり、例えば、断面視略Ｔ字状に形成され、開閉弁本体２２の先部（図示上部）が、第１連通孔２１ａの開口径よりも大きく、かつ、シール部材２１ｆに当接可能となっている。なお、本実施形態では、第１連通孔２１ａと対向する開閉弁本体２２の上面が、ガス充填時に水素の圧力（ガス圧力）を受ける受圧面２２ｐとなっている。

また、開閉弁本体２２には、径方向の中心に軸Ｏ方向に沿って貫通するパイロット通路２２ｂが形成されている。また、開閉弁本体２２の基端（一端、図示下端）は、後記するパイロット弁体２３のパイロット弁座２２ｃとして機能するように構成されている。

パイロット弁体２３は、開閉弁本体２２と同軸Ｏとなるように配置され、開閉弁本体２２に形成されたパイロット通路２２ｂと対向する位置に配置されている。また、パイロット弁体２３は、ゴムや樹脂などの弾性材料で形成され、パイロット通路２２ｂの通路径よりも大径に形成されている。このように、開閉弁本体２２とパイロット弁体２３とが互いに同軸Ｏに配置されることにより、主止弁２０の径方向の寸法を短くすることが可能になり、水素タンク２の開口部２ｃの径を細くすることができる。

ソレノイド２４は、開閉弁本体２２およびパイロット弁体２３を開弁させる際の駆動力を発生させるものであり、プランジャ２４ａ、固定コア２４ｂ、電磁コイル２４ｃなどで構成されている。

プランジャ２４ａは、磁性材料で形成され、軸Ｏ方向に棒状に延びる略円柱形状を呈している。また、プランジャ２４ａの先端（一端、図示上端）には、パイロット弁体２３が嵌め込まれている。なお、プランジャ２４ａも、開閉弁本体２２およびパイロット弁体２３と互いに同軸になるように配置されている。

固定コア２４ｂは、磁性材料で形成され、弁箱２１に形成された収容部２１ｓの底部に固定されている。また、固定コア２４ｂは、略凹形状を呈し、プランジャ２４ａと同軸Ｏとなるように、プランジャ２４ａの基端（図示下端）と対向して配置されている。

電磁コイル２４ｃは、図示しないボビンに巻回されて構成され、プランジャ２４ａおよび固定コア２４ｂの周囲を取り囲むように配置されている。

コイルばね２５は、一端がプランジャ２４ａの基端（他端）の凹部に挿入されて支持され、かつ、他端が固定コア２４ｂの凹部に挿入されて支持され、プランジャ２４ａを押圧して、開閉弁本体２２を開閉弁弁座２１ｃの方向に付勢している。なお、コイルばね２５のばね力は、水素充填時（ガス充填時）に、水素タンク２内が予め設定された充填目標圧力（タンク内が予め設定された流体圧力）に達したときに開閉弁本体２２を閉じるように設定されている。充填目標圧力とは、例えば、水素タンク２内が満タンとなる圧力である。

連動機構部Ｍは、開閉弁本体２２とプランジャ２４ａとを所定の遊びを持って連動させるものであり、支持部材２６ａと、係合ピン２６ｂと、プランジャ２４ａに形成された連結孔２４ｓと、で構成されている。

支持部材２６ａは、軸Ｏ方向に延びる略円筒状に形成され、開閉弁本体２２に外嵌して固定されている。また、支持部材２６ａには、プランジャ２４ａの一部（図示上部）が挿入され、支持部材２６ａとプランジャ２４ａとの間に水素の通流を可能にするガス通流部Ｑ１が形成されている。

係合ピン２６ｂは、軸Ｏ方向に直交する方向に延びて配置され、支持部材２６ａの下部に挿通されて固定されている。一方、プランジャ２４ａには、係合ピン２６ｂの高さ位置において、係合ピン２６ｂが挿通される連結孔２４ｓが貫通して形成されている。この連結孔２４ｓは、内部で係合ピン２６ｂが移動可能となる幅（高さ）で形成されるとともに、係合ピン２６ｂの上部（開閉弁本体２２側、パイロット弁体２３側）に隙間（遊び）Ｓが形成されるように構成されている。

また、弁箱２１と、開閉弁本体２２および支持部材２６ａとの間には、開閉弁本体２２が開弁したときに水素が通流する開閉弁流路Ｑ２が形成されている。この開閉弁流路Ｑ２は、水素充填時に、第１連通孔２１ａから水素が導入された後に第２連通孔２１ｂから水素が導出されるように通流し、水素供給時に、第２連通孔２１ｂから水素が導入された後に第１連通孔２１ａから水素が導出されるように通流するようになっている。このように開閉弁流路Ｑ２は、水素充填時と水素供給時とで流路を共有している。よって、水素充填時に、開閉弁本体２２が開弁することにより、水素タンク２内の高圧が必ず１次減圧弁３０に印加されるようになっている。

次に、主止弁２０の動作について簡単に説明する。
水素タンク２に水素を充填する場合には、充填口３側の圧力によって、開閉弁本体２２の受圧面２２ｐが押圧され、開閉弁本体２２が開閉弁弁座２１ｃから離座して、開閉弁流路Ｑ２を介して水素が水素タンク２内に充填される。そして、水素タンク２内の圧力が予め設定された所定圧（例えば、目標充填圧、水素タンク２が満タンになる圧力）に達すると、コイルばね２５の付勢力によって開閉弁本体２２がパイロット弁体２３とともに押圧されて、開閉弁本体２２が開閉弁弁座２１ｃに着座し、水素の充填が完了する。

一方、水素タンク２から水素を燃料電池１に向けて供給する場合、ガス充填完了直後で水素タンク２の内部と外部（配管ａ４）とで圧力がほぼ等しいときには、ソレノイド２４が励磁されることにより、パイロット弁体２３が開弁せずに、直ちに開閉弁本体２２が開閉弁弁座２１ｃから離座して、開閉弁本体２２が開弁する。なお、水素タンク２から燃料電池１に水素を供給する場合、充填口３や配管ａ２に設けられた図示しない逆止弁により、水素が充填口３側に流れないようになっている。

また、水素タンク２において、内部と外部（配管ａ４）との差圧が非常に大きいときには、ソレノイド２４が励磁されると、プランジャ２４ａが図示下向きに吸引され、パイロット弁体２３がパイロット弁座２２ｃから離座し、まずパイロット弁体２３が開弁する。なお、このとき開閉弁本体２２の前後差圧は非常に大きいので、ソレノイド２４を励磁したとしても開閉弁本体２２は開弁することがない。水素タンク２内の水素は、第２連通孔２１ｂ、ガス通流部Ｑ１、パイロット通路２２ｂ、第１連通孔２１ａを通って、水素タンク２から流出する。その後、配管ａ４内の圧力が高まり、水素タンク２の内外の圧力がほぼ等しくなったときに、ソレノイド２４の吸引力によってプランジャ２４ａがさらに吸引され、開閉弁本体２２が開閉弁弁座２１ｃから離座する。

図３は、１次減圧弁の一例を示す側断面図である。
１次減圧弁３０は、水素を減圧する減圧機構と、その弁体３２を閉位置で保持することで水素を遮断する遮断機構と、を備えるものである。

すなわち、１次減圧弁３０は、ハウジング３１と、ハウジング３１内を所定方向（図３では上下方向）において往復する弁体３２と、ダイヤフラム３３と、を備えている。そして、ハウジング３１内は、隔壁３１ａによって、一次側圧力室Ｒ１と二次側圧力室Ｒ２とに仕切られている。一次側圧力室Ｒ１には配管ａ４の水素が流入し、二次側圧力室Ｒ２の水素は配管ａ６に流出するようになっている。

隔壁３１ａには、一次側圧力室Ｒ１と二次側圧力室Ｒ２とを連通する連通ポート３１ｂが形成されており、連通ポート３１ｂには弁体３２の後記する弁棒３２ｂが遊挿されている。また、連通ポート３１ｂを囲む隔壁３１ａの一次側圧力室Ｒ１側には、環状の弁座３１ｃが形成されている。

弁体３２は、一次側圧力室Ｒ１に配置された円板状の弁頭３２ａと、弁頭３２ａの中心から二次側圧力室Ｒ２側に延びる棒状の弁棒３２ｂと、を備えている。そして、弁頭３２ａが弁座３１ｃに着座すると１次減圧弁３０が閉状態となり、弁頭３２ａが弁座３１ｃから離座すると１次減圧弁３０が開状態となる。

ダイヤフラム３３は、その正面側が二次側圧力室Ｒ２に臨むように設けられ、その背面側（隔壁３１ａと反対側）に大気と連通する大気室Ｒ３を形成している。ダイヤフラム３３の中心部分はアダプタ３３ａ、アダプタ３３ｂで挟まれており、アダプタ３３ｂは弁棒３２ｂの先端部と連結されている。これにより、ダイヤフラム３３と弁体３２とは一体となって図３の上下方向で動作するようになっている。

また、１次減圧弁３０は、大気室Ｒ３において、ダイヤフラム３３（アダプタ３３ａ）とハウジング３１との間に介装された圧縮コイルばね３４を備えている。圧縮コイルばね３４は、アダプタ３３ａおよびアダプタ３３ｂを介して、弁体３２を開方向（図３の下方向）に付勢するようになっている。

また、１次減圧弁３０は、プランジャ３５と、圧縮コイルばね３６と、ソレノイド３７と、を備えている。プランジャ３５は、弁頭３２ａの背面側（弁座３１ｃと反対面側）で、弁棒３２ｂと同軸線上で進退自在に配置されている。圧縮コイルばね３６は、プランジャ３５とハウジング３１との間に介装されており、プランジャ３５を弁体３２に向かって付勢している。ソレノイド３７は、制御部５０によってＯＮ（通電）／ＯＦＦ（非通電）制御されることで、プランジャ３５を進退させるものである。

１次減圧弁３０の遮断機構について説明する。ソレノイド３７がＯＦＦされると、圧縮コイルばね３６で付勢されるプランジャ３５は弁頭３２ａの背面に当接し、弁頭３２ａが弁座３１ｃに着座するようになっている。このように弁頭３２ａが弁座３１ｃに着座すると、弁体３２が閉位置で保持され、水素が遮断されるようになっている。

また、１次減圧弁３０の減圧機構について説明する。なお、減圧機構は、ソレノイド３７がＯＮされ、プランジャ３５が弁頭３２ａから離間した状態（図示省略）において機能する。

二次側圧力室Ｒ２の圧力が高く、二次側圧力室Ｒ２の水素がダイヤフラム３３を図３の上向きに付勢する力と、一次側圧力室Ｒ１の水素が弁体３２を図３の上向きに付勢する力との合力が、圧縮コイルばね３４がダイヤフラム３３を図３の下向きに付勢する力よりも大きい場合、弁頭３２ａが弁座３１ｃに着座し、１次減圧弁３０が閉じた状態となる。

燃料電池１で水素が消費され、二次側圧力室Ｒ２の圧力が低くなり、二次側圧力室Ｒ２の水素がダイヤフラム３３を図３の上向きに付勢する力と、一次側圧力室Ｒ１の水素が弁体３２を図３の上向きに付勢する力との合力が、圧縮コイルばね３４がダイヤフラム３３を図３の下向きに付勢する力よりも小さくなると、弁頭３２ａが弁座３１ｃから離座し、１次減圧弁３０が開いた状態となる。なお、その後、水素が一次側圧力室Ｒ１から二次側圧力室Ｒ２に流入し、二次側圧力室Ｒ２の圧力が高くなると、１次減圧弁３０が閉じた状態となる。

ここで、弁体３２が着座／離座する圧力、つまり、１次減圧弁３０の二次側圧力は、圧縮コイルばね３４のばね力を変更することにより、適宜に設定される。なお、圧縮コイルばね３４のばね力は、圧縮コイルばね３４を構成する線材の太さ、材質等を変更することで可変される。

このように、１次減圧弁３０において減圧機構と遮断機構とを一体に構成することにより、１次減圧弁３０を小型化することが可能になる。

図４は、水素充填時の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１１０において、制御部５０は、ＩＧ５３がオフ状態となっているか否かを判定する。制御部５０は、ＩＧ５３がオフ状態となっている場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２０に進み、ＩＧ５３がオフ状態となっていない場合（Ｎｏ）、ステップＳ１１０の判定を繰り返す。

ちなみに、制御部５０は、ＩＧ５３がオフ状態であることを検知すると、主止弁２０を閉弁し、コンプレッサ７を停止する。これにより、燃料電池１への水素と空気の供給が停止され、燃料電池１での発電が停止する。また、ソレノイド２４ｃへの通電が断たれれば、制御部５０の制御によらずとも、主止弁２０は閉になる。

ステップＳ１２０において、制御部５０は、充填ノズル２０３が接続されたか否かを判定する。すなわち、フューエルリッドオープナスイッチ５４が操作されて、フューエルリッド１４が開かれ、水素供給ステーション２００の充填ノズル２０３が、燃料電池車１００Ａの充填口３に接続されたか否かが判定される。なお、充填ノズル２０３が充填口３に接続されたことは、充填ノズル２０３の接続と同時に通信コネクタ２０４がコネクタ受部４と接続され、燃料電池車１００Ａと水素供給ステーション２００との間で通信可能な状態となることで判定できる。

ステップＳ１２０において、制御部５０は、充填ノズル２０３が接続されたと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３０に進み、充填ノズル２０３が接続されていないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２０の判定を繰り返す。

ステップＳ１３０において、制御部５０は、充填開始信号を送信して充填を開始する。つまり、制御部５０は、図示しない記憶部から水素タンク２内の水素圧力および／または水素温度を含む情報などを読み出し、コネクタ受部４および通信コネクタ２０４を介してディスペンサ２０２に送信する。

水素が充填ノズル２０３から供給されると、水素の充填圧力によって主止弁２０が開弁し、水素が配管ａ２、導入路２０ａ、第１連通孔２１ａ、開閉弁流路Ｑ２、第２連通孔２１ｂを介して水素タンク２内に充填される。

ステップＳ１４０において、制御部５０は、圧力センサ５２で検出した検出値Ｐ２が、所定値を超えているか否かを判定する。ちなみに、本実施形態では、補給流路と供給流路とを兼用にした構成であるので、水素充填時には、主止弁２０が必ず開弁する必要があり、水素タンク２内の圧力が導出路２０ｂおよび配管ａ４を介して１次減圧弁３０に作用することになる。よって、１次減圧弁３０の遮断機構に不具合がある場合（締切不良が発生している場合）、高圧の水素が配管ａ４から１次減圧弁３０を介して配管ａ６に導入されることになる。なお、締切不良とは、例えば圧縮コイルばね３６に不具合が発生し、ソレノイド３７の非通電時において、弁体３２が弁座３１ｃから離座している場合である。したがって、このように締切不良が発生すると、配管ａ６に設けられた圧力センサ５２の検出値Ｐ２が上昇することになる。

なお、所定値は、図５に示すように、配管ａ６（中圧ライン、第２供給経路）での常用圧力領域よりも高く、かつ、リリーフ弁４１が開放する圧力（リリーフ弁４１のフェール設定値、不図示）より低い圧力に設定される。

ステップＳ１４０において、制御部５０は、圧力センサ５２の検出値Ｐ２が所定値を超えたと判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０に進み、検出値Ｐ２が所定値を超えていないと判定した場合（Ｎｏ）、ステップＳ１７０に進む。

ステップＳ１５０において、制御部５０は、ディスペンサ２０２に対して充填停止信号を送信して充填を停止する。例えば、図５に示すように、時刻ｔ０で充填が開始された後に、水素充填とともに検出値Ｐ２（図５の太実線）が上昇し、中圧ラインを超えて、時刻ｔ１において所定値を超えたときに充填停止信号を送信する。

これにより、検出値Ｐ２の上昇が止まり、配管ａ６の圧力がリリーフ弁４１の開放設定圧力（フェール設定値）を超えて開放するのを防止できる。よって、リリーフ弁４１を介して水素が継続的に漏れ出るのを防止することが可能になる。

充填停止後、ステップＳ１６０において、制御部５０は、例えば、警告ランプ（図示せず）を点灯させて運転者に警告する。なお、警告ランプでの警告と併せて音声により充填作業者や運転者に警告してもよい。

ステップＳ１７０において、制御部５０は、充填が完了したか否かを判定する。なお、水素タンク２内の圧力や温度、ディスペンサ２０２から供給される水素の充填流量や充填時間に基づいて水素タンク２への充填量や充填圧力を算出して、算出した充填量が充填され、水素タンク２の圧力が水素タンク２の許容圧力（例えば、３５ＭＰａ、７０ＭＰａ）に至ったという充填完了信号を制御部５０がディスペンサ２０２から受け取ったときに、充填が完了したと判定する。

ステップＳ１７０において、制御部５０は、水素の充填が完了していないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１４０に戻り、水素の充填が完了したと判定した場合には（Ｙｅｓ）、水素充填処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池車１００Ａによれば、１次減圧弁３０（締切機構付レギュレータ）を備え、水素供給ステーション２００（外部装置）から水素タンク２（貯留部）への水素（燃料ガス）の供給中（充填中）、圧力センサ５２（第２供給経路圧力センサ）の検出値Ｐ２が配管ａ６（第２供給経路、中圧ライン）での常用圧力領域（図５参照）よりも高く設定された所定値を超えた場合、水素供給ステーション２００による水素の供給を停止させる処理を実行するので、１次減圧弁３０において締切不良が発生していたとしても、リリーフ弁４１が開放する前に水素の充填を停止でき、リリーフ弁４１が開放して車外（外部）に水素が継続して漏れ出るのを防止することができる。このように、水素充填時における燃料電池車１００Ａでの不具合を未然に防止することができる。

また、燃料電池車１００Ａでは、水素タンク２から燃料電池１への水素の供給経路と、充填口３から水素タンク２への水素の補給経路とを兼用している、換言すると水素充填時と水素供給時とで共通の経路（開閉弁流路Ｑ２）を通るように構成されているので、水素充填時には、水素タンク２の主止弁２０が開く必要があり、１次減圧弁３０には必ず高圧が加わり、１次減圧弁３０の締切不良を容易に判定することができる。よって、水素充填時における燃料電池車１００Ａでの不具合を未然に防止することが容易になる。

図６は、燃料電池車の動作を示す別のフローチャートである。なお、図４と同一の処理については、同一のステップ符号を付して、重複した説明を省略する。

すなわち、ステップＳ１３５において、制御部５０は、圧力センサ５１の検出値Ｐ１が常用圧力領域（常用圧力）であるか否かを判定する。ここでの常用圧力領域は、燃料電池１の発電時（燃料電池車１００Ａの走行時）に配管ａ４（高圧ライン、第１供給経路）において通常用いられている圧力範囲である。例えば、水素タンク２内と同等の圧力が作用する。

ステップＳ１３５において、制御部５０は、検出値Ｐ１が高圧ラインの常用圧力領域であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４０に進み、検出値Ｐ１が高圧ラインの常用圧力領域でないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１５０に進む。ちなみに、検出値Ｐ１が高圧ラインの常用圧力領域でない場合（Ｓ１３５、Ｎｏ）とは、例えば、主止弁２０が開弁しない場合である。

ステップＳ１４０において、制御部５０は、検出値Ｐ２が所定値を超えると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０に進み、検出値Ｐ２が所定値以下であると判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１７０に進む。

図６に示す実施形態によれば、検出値Ｐ１が高圧ラインの常用圧力領域であり（Ｓ１３５、Ｙｅｓ）、かつ、検出値Ｐ２が所定値を超えている場合には（Ｓ１４０、Ｙｅｓ）、１次減圧弁３０（締切機構付レギュレータ）の故障（不具合発生）と判定して、充填を停止することができる。このように、１次減圧弁３０が故障していることを確実に判定できるので、その後のメンテナンス作業が容易になる。

図７は、燃料電池車の変形例を示す全体構成図である。
燃料電池車１００Ｂは、主止弁２０Ａが取り付けられた水素タンク２を備えている。主止弁２０Ａを除くその他の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

主止弁２０Ａは、水素充填時の流路（補給経路）と、水素供給時の流路（供給経路）とが別々の流路によって構成され、配管ａ２側に逆止弁２７が接続され、配管ａ４側に遮断弁２８が接続されて構成されている。

逆止弁２７は、充填口３を介して供給された水素を、水素タンク２に向かって一方向に流れるようにした弁構造のものである。遮断弁２８は、例えば、電磁作動式のものであり、制御部５０の指令によって開弁するようになっている。したがって、遮断弁２８は、水素充填時にはオフ（非通電状態）であり、水素供給時にはオン（通電状態）である。

このような燃料電池車１００Ｂにおいても、水素充填時に、遮断弁２８および１次減圧弁３０の双方に締切不良が発生している場合には、水素供給ステーション２００（外部装置）から逆止弁２７を介して水素タンク２に充填された水素が、配管ａ４（１次供給経路、高圧ライン）、１次減圧弁３０を介して配管ａ６（２次供給経路、中圧ライン）に高い圧力が作用することになる。

そこで、図７に示す実形態の場合においても図４に示す制御を適用することにより、水素充填時に配管ａ６内の圧力が上昇したとしても、リリーフ弁４１が開弁するのを防止することができ、水素充填時における燃料電池車１００Ｂ側での不具合を未然に防止することが可能になる。

なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。例えば、本実施形態では、単一の水素タンク２（貯留部）を備える場合について説明したが、複数の水素タンク２を備える構成であってもよい。

１ 燃料電池（燃料利用体）
２ 水素タンク（貯留部）
３ 充填口
４ コネクタ受部
２０，２０Ａ 主止弁
２１ａ 第１連通孔（補給経路、供給経路）
２１ｂ 第２連通孔（補給経路、供給経路）
３０ １次減圧弁（締切機構付レギュレータ）
４０ 中圧デバイス
４１ リリーフ弁
４２ ２次減圧弁
５０ 制御部
５１ 圧力センサ（第１供給経路圧力センサ）
５２ 圧力センサ（第２供給経路圧力センサ）
１００Ａ，１００Ｂ 燃料電池車
２００ 水素供給ステーション（外部装置）
２０１ 水素貯蔵タンク
２０２ ディスペンサ
２０３ 充填ノズル
２０４ 通信コネクタ
ａ４ 配管（第１供給経路）
ａ６ 配管（第２供給経路）
Ｑ２ 開閉弁流路（補給経路、供給経路）

Claims (3)

1. 燃料ガスを利用する燃料利用体と、
   前記燃料ガスを貯留する貯留部と、
   外部装置から前記貯留部に燃料ガスを送る接続口である充填口と、
   前記貯留部からの燃料ガスを前記燃料利用体に向かわせる第１供給経路と、
   前記第１供給経路の燃料ガスを減圧する締切機構付レギュレータと、
   前記締切機構付レギュレータで減圧された燃料ガスを前記燃料利用体に向かわせる第２供給経路と、
   前記第２供給経路の圧力を検出する第２供給経路圧力センサと、
   前記外部装置を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記外部装置から前記貯留部への燃料ガスの供給中、前記第２供給経路圧力センサの検出値が前記第２供給経路での常用圧力領域よりも高く設定された所定値を超えた場合、前記外部装置による燃料ガスの供給を停止させる処理を実行することを特徴とする燃料利用システム。
2. 前記第１供給経路の圧力を検出する第１供給経路圧力センサを備え、
   前記制御部は、前記外部装置から前記貯留部への燃料ガスの供給中、前記第１供給経路圧力センサの検出値が前記第１供給経路の常用圧力領域であり、かつ、前記第２供給経路圧力センサの検出値が前記第２供給経路の常用圧力領域よりも高く設定された所定値を超えた場合、前記締切機構付レギュレータに不具合が発生していると判定して、前記外部装置による燃料ガスの供給を停止させる処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料利用システム。
3. 前記第１供給経路は、前記貯留部から前記燃料利用体へ向かう供給経路と前記充填口から前記貯留部に向かう補給経路とを兼用していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料利用システム。

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