燃料電池システム及び燃料ガスタンク
【課題】樹脂層を含む複層構造を有する燃料ガスタンクから濃度の高い水素ガスが放出されるのを抑制する。
【解決手段】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樹脂層１１１と、該樹脂層１１１の外側に、樹脂層よりも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補強層１１２とを備え、上記補強層１１２には、その厚さ方向に貫通する複数の開口１１３が形成されている。
【解決手段】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樹脂層１１１と、該樹脂層１１１の外側に、樹脂層よりも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補強層１１２とを備え、上記補強層１１２には、その厚さ方向に貫通する複数の開口１１３が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【特許文献１】特開２００６−１８８１６６号公報
【特許文献２】特開２００６−１８８１６７号公報
【特許文献３】特開２００４−１６８１５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明の効果】
【００２２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】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２】本発明の第２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３】本発明の第３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４】本発明の第４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５】本発明の第５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６】本発明の第１〜第５の実施形態に係る燃料ガスタンクが適用される燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る燃料ガスタンクが適用される燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る燃料ガスタンクが用いられる別の燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【特許文献１】特開２００６−１８８１６６号公報
【特許文献２】特開２００６−１８８１６７号公報
【特許文献３】特開２００４−１６８１５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明の効果】
【００２２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】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２】本発明の第２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３】本発明の第３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４】本発明の第４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５】本発明の第５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６】本発明の第１〜第５の実施形態に係る燃料ガスタンクが適用される燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る燃料ガスタンクが適用される燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る燃料ガスタンクが用いられる別の燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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る、請求項１記載の燃料ガスタンク。
【請求項３】
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、燃料ガスタンク。
【請求項４】
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る、請求項３記載の燃料ガスタンク。
【請求項５】
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、燃料ガスタンク。
【請求項６】
前記燃料電池層に接続された集電層をさらに備える、請求項５記載の燃料ガスタンク。
【請求項７】
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、
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。
【請求項８】
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、
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。
【請求項９】
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、
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。
【請求項１】
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。
【請求項２】
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る、請求項１記載の燃料ガスタンク。
【請求項３】
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、燃料ガスタンク。
【請求項４】
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る、請求項３記載の燃料ガスタンク。
【請求項５】
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、燃料ガスタンク。
【請求項６】
前記燃料電池層に接続された集電層をさらに備える、請求項５記載の燃料ガスタンク。
【請求項７】
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、
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。
【請求項８】
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、
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。
【請求項９】
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、
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１９０６９９（Ｐ２００８−１９０６９９Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８５４３（Ｐ２００７−２８５４３）
【出願日】平成１９年２月７日（２００７．２．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月７日（２００７．２．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]