JP2003119586A - Hydrogen supply system - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、水素供給対象物、
例えば、燃料電池の水素吸蔵合金に水素を供給するため
の水素供給装置に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen supply target,
For example, the present invention relates to a hydrogen supply device for supplying hydrogen to a hydrogen storage alloy of a fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、実用化が進んでいる燃料電池は、
燃料である水素を反応させることによって電力を発生さ
せている。従って、燃料電池に水素を補給するために
は、燃料電池の水素吸蔵合金に水素を供給する必要があ
る。従来、燃料電池等の水素供給対象物に水素を供給す
るために水素ボンベ等が使用されてきた。即ち、まず、
オフガスの回収、天然ガスの改質、あるいは水を電気分
解することにより水素を発生させ、水素を水素ボンベ等
に収容して準備する。次いで、燃料電池に水素を補給す
る際に、水素ボンベに燃料電池を連結し、水素ボンベの
バルブを開き、燃料電池の水素吸蔵合金に水素を吸蔵さ
せていた。2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells, which have been put into practical use,
Electric power is generated by reacting hydrogen as fuel. Therefore, in order to supply hydrogen to the fuel cell, it is necessary to supply hydrogen to the hydrogen storage alloy of the fuel cell. Conventionally, a hydrogen cylinder or the like has been used to supply hydrogen to a hydrogen supply target such as a fuel cell. That is, first
Hydrogen is generated by collecting off-gas, reforming natural gas, or electrolyzing water, and storing hydrogen in a hydrogen cylinder or the like for preparation. Next, when replenishing hydrogen to the fuel cell, the fuel cell was connected to the hydrogen cylinder, the valve of the hydrogen cylinder was opened, and hydrogen was stored in the hydrogen storage alloy of the fuel cell.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発生さ
せた水素を一旦、水素ボンベに収容し、その水素を燃料
電池に吸蔵させると、水素補給に要する時間が長くなっ
てしまうという問題がある。また、発生させた大量の水
素をボンベに収容しておくことには、水素爆発事故の潜
在的な危険があるという問題がある。さらに、水素ガス
を完全に密封しておくことは困難であるため、大量の水
素をボンベに収容しておくと、水素が少しずつ外気に漏
れ、発生させた水素が無駄になるという問題がある。However, if the generated hydrogen is once stored in a hydrogen cylinder and stored in the fuel cell, there is a problem that the time required for hydrogen replenishment becomes long. Further, storing a large amount of generated hydrogen in a cylinder has a problem that there is a potential risk of a hydrogen explosion accident. Further, since it is difficult to completely seal the hydrogen gas, if a large amount of hydrogen is stored in the cylinder, there is a problem that the hydrogen gradually leaks to the outside and the generated hydrogen is wasted. .
【０００４】一方、水電解スタックが発生させた水素
を、直接、燃料電池に供給すると、水電解スタック内の
圧力変動が大きくなり、水電解スタックのトラブルの原
因となるという問題がある。On the other hand, when the hydrogen generated by the water electrolysis stack is directly supplied to the fuel cell, the pressure fluctuation in the water electrolysis stack becomes large, which causes a problem of the water electrolysis stack.
【０００５】従って、本発明は、水電解スタックから水
素供給対象物に直接、水素を供給することができ、水電
解スタック内の圧力変動を抑えることができる水素供給
装置を提供することを目的としている。Therefore, an object of the present invention is to provide a hydrogen supply device capable of supplying hydrogen directly from a water electrolysis stack to a hydrogen supply target and suppressing pressure fluctuations in the water electrolysis stack. There is.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明は、水素供給対象物に水素を供給するた
めの水素供給装置において、水を電気分解させることに
よって水素を発生させるための水電解スタックと、水電
解スタックが発生させた水素を、水素供給対象物に導く
ための流量調節可能なバルブと、を有し、水電解スタッ
クが水素を発生させながら、水素が連続的に水素供給対
象物に供給されることを特徴としている。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a hydrogen supply apparatus for supplying hydrogen to a hydrogen supply target, in order to generate hydrogen by electrolyzing water. Water electrolysis stack and a valve with adjustable flow rate for guiding the hydrogen generated by the water electrolysis stack to the hydrogen supply target, while the water electrolysis stack generates hydrogen It is characterized in that it is supplied to an object to be supplied with hydrogen.
【０００７】このように構成された本発明においては、
水電解スタックが水を電気分解することによって水素を
発生させる。発生した水素は、開閉、流量調節可能なバ
ルブを介して、連続的に燃料電池等の水素供給対象物に
導かれる。本発明によれば、水電解スタックが発生させ
た水素を、タンクに溜めることなく、連続的に水素供給
対象物に導くことができる。In the present invention thus constructed,
A water electrolysis stack produces hydrogen by electrolyzing water. The generated hydrogen is continuously guided to a hydrogen supply target such as a fuel cell via a valve capable of opening / closing and controlling the flow rate. According to the present invention, the hydrogen generated by the water electrolysis stack can be continuously guided to the hydrogen supply target without being stored in the tank.
【０００８】また、本発明の水素供給装置は、バッファ
タンクをさらに備え、水電解スタックで発生させた水素
が、バッファタンクを介して水素供給対象物に供給され
るように構成することもできる。このように構成された
本発明によれば、水素供給対象物に供給される水素の圧
力、又は、水電解スタック内の水素の圧力変動を抑制す
ることができる。Further, the hydrogen supply apparatus of the present invention may further include a buffer tank, and the hydrogen generated in the water electrolysis stack may be supplied to the hydrogen supply target object via the buffer tank. According to the present invention thus configured, it is possible to suppress the pressure of hydrogen supplied to the hydrogen supply target or the pressure fluctuation of hydrogen in the water electrolysis stack.
【０００９】また、本発明の水素供給装置は、制御手段
をさらに備え、この制御手段が、バルブを通過する水素
の流量、及び／又は、水電解スタックが発生させる水素
の量を制御するように構成しても良い。このように構成
された本発明によれば、水素供給対象物に供給される水
素の圧力、又は、水電解スタック内の水素の圧力変動を
更に抑制することができる。Further, the hydrogen supply apparatus of the present invention further comprises control means for controlling the flow rate of hydrogen passing through the valve and / or the amount of hydrogen generated by the water electrolysis stack. It may be configured. According to the present invention configured as described above, it is possible to further suppress the pressure of hydrogen supplied to the hydrogen supply target or the pressure fluctuation of hydrogen in the water electrolysis stack.
【００１０】さらに、本発明の水素供給装置は、制御手
段がバッファタンク内の圧力に基づいて、水電解スタッ
クが発生させる水素の量を制御するように構成しても良
く、また、制御手段が水電解スタック内の圧力に基づい
て、水電解スタックが発生させる水素の量を制御するよ
うに構成しても良く、制御手段がバルブを通過する水素
の流量に基づいて、バルブを通過する水素の流量を制御
するように構成しても良い。Further, in the hydrogen supply apparatus of the present invention, the control means may be configured to control the amount of hydrogen generated by the water electrolysis stack based on the pressure in the buffer tank, and the control means It may be configured to control the amount of hydrogen generated by the water electrolysis stack based on the pressure in the water electrolysis stack, and the control means determines the amount of hydrogen passing through the valve based on the flow rate of hydrogen passing through the valve. It may be configured to control the flow rate.
【００１１】或いは、制御手段が、バルブを通過する水
素の流量、及び、バッファタンク内の圧力に基づいて、
バルブを通過する水素の流量を制御するように構成して
も良い。Alternatively, the control means is based on the flow rate of hydrogen passing through the valve and the pressure in the buffer tank,
The flow rate of hydrogen passing through the valve may be controlled.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照して、本発
明の実施形態を説明する。まず、図１乃至図３を参照し
て、本発明の第１実施形態による水素供給装置を説明す
る。図１は、本実施形態による水素供給装置のブロック
図である。本発明の第１実施形態による水素供給装置１
は、水を電気分解させることにより水素を発生させるた
めの水電解スタック２と、水電解スタック２によって発
生させた水素から液体成分を除去するための気液分離機
４と、気液分離機４を通過した水素からドレンを分離す
るためのドレンタンク６と、ドレンタンク６を通過した
水素から不純物を除去するためのＰｄ（パラジウム）触
媒槽８と、Ｐｄ触媒槽８を通過した水素を除湿するため
の除湿器１０（例えば、ＴＳＡ（Temperature Swing Ab
sorption））とを有する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, a hydrogen supply device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 1 is a block diagram of the hydrogen supply device according to the present embodiment. Hydrogen supply device 1 according to the first embodiment of the present invention
Is a water electrolysis stack 2 for generating hydrogen by electrolyzing water, a gas-liquid separator 4 for removing a liquid component from hydrogen generated by the water electrolysis stack 2, and a gas-liquid separator 4 Drain tank 6 for separating drain from hydrogen that has passed through, Pd (palladium) catalyst tank 8 for removing impurities from hydrogen that has passed through drain tank 6, and dehumidifying hydrogen that has passed through Pd catalyst tank 8. Dehumidifier 10 (for example, TSA (Temperature Swing Ab
sorption)).
【００１３】また、水素供給装置１は、除湿器１０の出
口側に取付けられた第１バルブ１２と、第１バルブ１２
を通過した水素を一時的に溜めるためのバッファタンク
１４と、バッファタンク１４の出口側に取付けられた第
２バルブ１６と、を有し、水素吸蔵合金側の装置に備え
られたバルブＶを介して燃料電池の水素吸蔵合金Ａに水
素を供給する。さらに、水素供給装置１は、バッファタ
ンク１４内の圧力に基づいて水電解スタック２による水
素発生量を制御し、第２バルブ１６を通過する水素の流
量に基づいて第２バルブ１６の弁開度を制御するための
制御装置１８を有する。Further, the hydrogen supply device 1 includes a first valve 12 mounted on the outlet side of the dehumidifier 10, and a first valve 12
Having a buffer tank 14 for temporarily storing hydrogen that has passed through and a second valve 16 attached to the outlet side of the buffer tank 14, and via a valve V provided in the device on the hydrogen storage alloy side. To supply hydrogen to the hydrogen storage alloy A of the fuel cell. Further, the hydrogen supply device 1 controls the hydrogen generation amount by the water electrolysis stack 2 based on the pressure in the buffer tank 14, and based on the flow rate of hydrogen passing through the second valve 16, the valve opening degree of the second valve 16. It has a control device 18 for controlling.
【００１４】水電解スタック２、気液分離機４、ドレン
タンク６、Ｐｄ触媒槽８、除湿器１０、及び、第１バル
ブ１２には、適用に合わせて任意適当な装置を使用する
ことができる。本実施形態では、水を電気分解するため
に流す電流に対して、所定量Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］の水素
ガスが生成される水電解スタックを使用している。ま
た、バッファタンク１４は、所定の体積Ｖ2［ｍ3］を有
し、タンク内の圧力を測定するための圧力センサ（図示
せず）を備え、タンク内の圧力に応じた信号を制御装置
１８に送るように構成されている。For the water electrolysis stack 2, the gas-liquid separator 4, the drain tank 6, the Pd catalyst tank 8, the dehumidifier 10 and the first valve 12, any suitable device can be used depending on the application. . In the present embodiment, a water electrolysis stack is used in which a predetermined amount of Q 10 [Nm 3 / h] of hydrogen gas is generated with respect to the electric current flowing for electrolyzing water. Further, the buffer tank 14 has a predetermined volume V 2 [m 3 ] and includes a pressure sensor (not shown) for measuring the pressure in the tank, and a control device that outputs a signal according to the pressure in the tank. It is configured to send to 18.
【００１５】また、第２バルブ１６は、通過する気体の
流量を測定するための流量センサ（図示せず）を備え、
気体の流量に応じた信号を制御装置１８に送るように構
成されている。さらに、第２バルブ１６は、制御装置１
８からの出力信号に応じて、弁開度を調整するためのア
クチュエータ（図示せず）を備えている。制御装置１８
は、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、コンピュータ、コン
ピュータを作動させるためのソフトウェア等によって構
成することができる。The second valve 16 is provided with a flow rate sensor (not shown) for measuring the flow rate of the passing gas,
It is configured to send a signal according to the flow rate of gas to the control device 18. Further, the second valve 16 is connected to the control device 1
An actuator (not shown) for adjusting the valve opening degree is provided according to the output signal from 8. Control device 18
Can be configured by an A / D converter, a D / A converter, a computer, software for operating the computer, and the like.
【００１６】次に、図２及び図３を参照して、本発明の
第１実施形態による水素供給装置１の作用を説明する。
図２は、制御装置１８による制御のブロック線図を示
し、図３は、本実施形態による制御のシミュレーション
結果の一例を示す。Next, the operation of the hydrogen supply device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
FIG. 2 shows a block diagram of control by the control device 18, and FIG. 3 shows an example of a simulation result of control according to the present embodiment.
【００１７】まず、水素吸蔵合金Ａ及びバルブＶを内蔵
した、水素を供給すべき燃料電池を水素供給装置１に連
結する。次に、水電解スタック２を作動させ、水素を発
生させる。気液分離機４、ドレンタンク６、Ｐｄ触媒槽
８、及び、除湿器１０内の圧力である圧力Ｐ1が所定の
圧力Ｐ10［ＭＰａ］に達したならば、第１バルブ１２を
開く。第１バルブ１２を開くことにより、水素ガスがバ
ッファタンク１４内に流入し、バッファタンク１４内の
圧力が上昇する。バッファタンク１４内の圧力Ｐ2が所
定の圧力Ｐ20［ＭＰａ］に達したならば、燃料電池のバ
ルブＶを開き、次いで、制御装置１８を作動させる。First, a fuel cell containing hydrogen storage alloy A and a valve V to supply hydrogen is connected to the hydrogen supply device 1. Next, the water electrolysis stack 2 is operated to generate hydrogen. When the pressure P 1 which is the pressure inside the gas-liquid separator 4, the drain tank 6, the Pd catalyst tank 8 and the dehumidifier 10 reaches a predetermined pressure P 10 [MPa], the first valve 12 is opened. By opening the first valve 12, hydrogen gas flows into the buffer tank 14 and the pressure in the buffer tank 14 rises. When the pressure P 2 in the buffer tank 14 reaches a predetermined pressure P 20 [MPa], the valve V of the fuel cell is opened, and then the control device 18 is operated.
【００１８】制御装置１８は、バッファタンク１４内の
圧力Ｐ2に基づいて水電解スタック２による水素発生量
を制御し、また、第２バルブ１６を通過する水素の流量
に基づいて第２バルブ１６の弁開度を制御する。図２
（ａ）、（ｂ）は、制御装置１８による制御のブロック
線図である。The controller 18 controls the amount of hydrogen generated by the water electrolysis stack 2 based on the pressure P 2 in the buffer tank 14, and the second valve 16 based on the flow rate of hydrogen passing through the second valve 16. Control the valve opening degree of. Figure 2
(A), (b) is a block diagram of control by control device 18.
【００１９】図２（ａ）は第２バルブ１６の弁開度Ｃ
V3Cを制御するための制御系のブロック線図である。図
２（ａ）に示すように、まず、制御系には所定の水素供
給量指令値Ｑ3rが与えられる。この水素供給量指令値Ｑ
3rにはレートリミットがかけられており、指令値の時間
当たりの変化率が制限されている。次に、レートリミッ
トを経た水素供給量指令値Ｑ3rから水素吸蔵合金への実
際の水素供給量Ｑ3が差し引かれ、この水素供給量の偏
差にＰＩ制御ゲイン（ＫP3＋ＫI3／ｓ）、（１／ｓは積
分器）が乗じられ、第２バルブ１６の弁開度ＣV3Cが計
算される。この弁開度ＣV3Cの指令は第２バルブ１６に
送られ、それにより、第２バルブ１６のアクチュエータ
（図示せず）は、第２バルブ１６の弁開度を変化させ
る。弁開度を変化させることにより、水素吸蔵合金への
水素供給量Ｑ3が変化する。第２バルブ１６を通過する
水素供給量Ｑ3は、第２バルブ１６に備えられた流量セ
ンサ（図示せず）によって検出され、フィードバックさ
れる。従って、弁開度ＣV3Cは（数式１）によって計算
される。即ち、弁開度ＣV3CはＰＩ制御される。
ＣV3C＝（ＫP3＋ＫI3／ｓ）（Ｑ3r−Ｑ3） （数式１）FIG. 2A shows the valve opening C of the second valve 16.
It is a block diagram of a control system for controlling V3C . As shown in FIG. 2A, first, a predetermined hydrogen supply amount command value Q 3r is given to the control system. This hydrogen supply amount command value Q
A rate limit is applied to 3r, and the rate of change of the command value over time is limited. Then, rate limit from the hydrogen supply amount command value Q 3r passed through the actual hydrogen supply amount Q 3 to the hydrogen storage alloy is subtracted, PI control gain to the deviation of the hydrogen feed (K P3 + K I3 / s ), (1 / s is an integrator) is multiplied, and the valve opening C V3C of the second valve 16 is calculated. This command for the valve opening degree C V3C is sent to the second valve 16, whereby the actuator (not shown) of the second valve 16 changes the valve opening degree of the second valve 16. By changing the valve opening degree, the hydrogen supply amount Q 3 to the hydrogen storage alloy changes. The hydrogen supply amount Q 3 passing through the second valve 16 is detected by a flow rate sensor (not shown) provided in the second valve 16 and fed back. Therefore, the valve opening C V3C is calculated by (Equation 1). That is, the valve opening C V3C is PI controlled. C V3C = (K P3 + K I3 / s) (Q 3r −Q 3 ) (Formula 1)
【００２０】なお、本実施形態では、水素供給量指令値
Ｑ3rは所定量Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］であり、Ｑ3rには、Ｑ
3rVMax［Ｎｍ3／ｈ／ｍｉｎ］のレートリミット、即
ち、水素供給量指令値が１分間当りＱ3rVMax［Ｎｍ3／
ｈ］以上変化しないように変化率に制限が加えられてい
る。水素供給量指令値Ｑ3rにレートリミットを加えた値
をＱ3r’とする。また、流量の単位［Ｎｍ3／ｈ］は、
１時間当り標準状態（０゜Ｃ、１気圧）の気体が１［ｍ
3］流れることを意味している。また、本実施形態で
は、ゲインＫP3は１／Ｑ10［１／（Ｎｍ3／ｈ）］、即
ち、水素供給量の偏差Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］に対し弁開度
を１００％変化させる大きさとし、ゲインＫI 3は１／
（１２０Ｑ10）［１／（Ｎｍ3／ｈ）／ｓｅｃ］、即
ち、水素供給量の偏差Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］に対し、１２
０秒間で弁開度を１００％変化させる大きさとしてい
る。また、ｓはラプラス演算子である。In this embodiment, the hydrogen supply amount command value Q 3r is a predetermined amount Q 10 [Nm 3 / h], and Q 3r is Q
The rate limit of 3rVMax [Nm 3 / h / min], that is, the hydrogen supply amount command value is Q 3rVMax [Nm 3 / min.
h] The rate of change is limited so that it does not change more than that. The value obtained by adding the rate limit to the hydrogen supply amount command value Q 3r is defined as Q 3r ′. The unit of flow rate [Nm 3 / h] is
Gas of standard condition (0 ° C, 1 atm) per hour is 1 [m
3 ] means flowing. Further, in the present embodiment, the gain K P3 is 1 / Q 10 [1 / (Nm 3 / h)], that is, the valve opening is changed by 100% with respect to the deviation Q 10 [Nm 3 / h] of the hydrogen supply amount. And the gain K I 3 is 1 /
(120Q 10 ) [1 / (Nm 3 / h) / sec], that is, 12 with respect to the deviation Q 10 [Nm 3 / h] of the hydrogen supply amount.
The size is such that the valve opening degree is changed by 100% in 0 second. Further, s is a Laplace operator.
【００２１】図２（ｂ）は水素発生量Ｑ1を制御するた
めのブロック線図である。図２（ｂ）に示すように、バ
ッファタンク圧力設定値Ｐ2r及び水素発生量ベース指令
値Ｑ 1fが制御系に与えられる。まず、バッファタンク圧
力設定値Ｐ2rとバッファタンク１４内の圧力Ｐ2との差
にゲインＫP2が乗じられ、その値に水素発生量ベース指
令値Ｑ1fが加えられたものが水素発生量Ｑ1となる。こ
の水素発生量ベース指令値Ｑ1fには、レートリミットが
かけられており、値の変化率が制限されている。水素発
生量ベース指令値Ｑ1fにレートリミットを加えた値をＱ
1f’とする。水素発生量Ｑ1は、制御装置１８から水電
解スタック２に送られる。水電解スタック２では、水を
電気分解するための、水素発生量Ｑ1に対応した電流が
流され、この電流値に比例した水素が生成される。水電
解スタック２で発生した水素は、気液分離機４、ドレン
タンク６、Ｐｄ触媒８、除湿器１０、及び、第１バルブ
１２を通ってバッファタンク１４に流入し、バッファタ
ンク１４内の圧力Ｐ2を変化させる。バッファタンク１
４内の圧力Ｐ2は、バッファタンク１４に備えられた圧
力センサ（図示せず）によって検出され、制御装置１８
にフィードバックされる。従って、水素発生量Ｑ1は
（数式２）によって計算される。即ち、水素発生量Ｑ1
は、バッファタンク１４内の圧力Ｐ2に基づいて比例制
御される。
Ｑ1＝ＫP2（Ｐ2r−Ｐ2）＋Ｑ1f’ （数式２）FIG. 2 (b) shows the hydrogen generation amount Q.1To control
It is a block diagram for the. As shown in FIG.
Tuffa tank pressure setting value P2rAnd hydrogen generation base command
Value Q 1fIs given to the control system. First, the buffer tank pressure
Force setting value P2rAnd the pressure P in the buffer tank 142Difference from
Gain KP2Is multiplied by
Order Q1fThe amount of hydrogen generated is Q1Becomes This
Hydrogen generation base command value Q1fHas a rate limit
The rate of change is limited. From hydrogen
Quantity-based command value Q1fQ plus the rate limit
1f’ Hydrogen generation Q1From the controller 18
Sent to solution stack 2. In the water electrolysis stack 2,
Hydrogen production Q for electrolysis1The current corresponding to
It is made to flow and hydrogen proportional to this electric current value is generated. Hydroelectric
The hydrogen generated in the solution stack 2 is used in the gas-liquid separator 4 and the drain.
Tank 6, Pd catalyst 8, dehumidifier 10, and first valve
Through 12 into the buffer tank 14,
Pressure P in the link 142Change. Buffer tank 1
Pressure P in 42Is the pressure provided in the buffer tank 14.
A control device 18 is detected by a force sensor (not shown).
Be fed back to. Therefore, hydrogen production Q1Is
It is calculated by (Equation 2). That is, the hydrogen generation amount Q1
Is the pressure P in the buffer tank 14.2Proportional system based on
Controlled.
Q1= KP2(P2r-P2) + Q1f’(Formula 2)
【００２２】なお、本実施形態では、バッファタンク圧
力設定値Ｐ2rを所定値Ｐ20［ＭＰａ］とし、水素発生量
ベース指令値Ｑ1fは所定値Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］であり、
Ｑ1fには、Ｑ1fVMax［Ｎｍ3／ｈ／ｍｉｎ］のレートリ
ミットがかけられている。また、本実施形態では、ゲイ
ンＫP2は（１０Ｑ10／３）［Ｎｍ3／ｈ／ＭＰａ］、即
ち、圧力偏差Ｑ10／１００［ＭＰａ］に対し流量をＱ10
［Ｎｍ3／ｈ］変化させる大きさとしている。In the present embodiment, the buffer tank pressure set value P 2r is set to a predetermined value P 20 [MPa], the hydrogen generation base command value Q 1f is a predetermined value Q 10 [Nm 3 / h],
A rate limit of Q 1fVMax [Nm 3 / h / min] is applied to Q 1f . Further, in the present embodiment, the gain K P2 is (10Q 10/3) [Nm 3 / h / MPa], i.e., Q 10 to flow to the pressure deviation Q 10/100 [MPa]
[Nm 3 / h] The size is changed.
【００２３】図３は、本発明の第１実施形態による水素
供給装置１の作動のシミュレーション結果を示す。図３
（ａ）は水電解スタック２の水素圧力Ｐ1、（ｂ）はバ
ッファタンク１４の圧力Ｐ2、（ｃ）は第２バルブ１６
の弁開度ＣV3C、（ｄ）は水電解スタック２による水素
発生量Ｑ1、（ｅ）は水素吸蔵合金Ａの水素吸蔵量の時
系列波形を示す。FIG. 3 shows a simulation result of the operation of the hydrogen supply device 1 according to the first embodiment of the present invention. Figure 3
(A) is the hydrogen pressure P 1 of the water electrolysis stack 2, (b) is the pressure P 2 of the buffer tank 14, (c) is the second valve 16
The valve opening C V3C , (d) shows the hydrogen generation amount Q 1 by the water electrolysis stack 2, and (e) shows the time series waveform of the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy A.
【００２４】図３（ｅ）に示すように、水素吸蔵合金Ａ
の水素吸蔵量は、制御開始時である時刻０からほぼ直線
的に上昇し、約６４分後に所定の水素吸蔵量であるＶ30
［ｍ 3］に達している。また、図３（ｄ）に示すよう
に、水素発生量Ｑ1は、時刻０から水素発生量ベース指
令Ｑ1fに設定されたレートリミットに従って上昇し、約
５分後にＱ10［Ｎｍ3／ｈ］に達した後、ほぼ一定値と
なるように制御されている。さらに、図３（ｃ）に示す
ように、第２バルブ１６の弁開度ＣV3Cは、時刻０から
時間に比例して開き始め、約５分後に約２５％の弁開度
に達した後、一定の弁開度を維持し、約４０分後に再び
開き始め、約６４分後に全開になるように制御されてい
る。この制御により、図３（ａ）（ｂ）に示すように、
水電解スタック２の水素圧力Ｐ1、及び、バッファタン
ク１４の圧力Ｐ2の値は、圧力変動幅Ｐ 20／１０［ＭＰ
ａ］以下で、ほぼＰ20［ＭＰａ］一定に維持されてい
る。As shown in FIG. 3 (e), the hydrogen storage alloy A
The hydrogen storage capacity of is almost linear from time 0 when the control starts.
Rises, and after about 64 minutes, the predetermined hydrogen storage amount, V30
[M 3] Has been reached. In addition, as shown in FIG.
And the amount of hydrogen generated Q1Is the hydrogen generation base finger from time 0.
Order Q1fRises according to the rate limit set in
Q after 5 minutesTen[Nm3/ H], the value is almost constant.
Is controlled to be. Furthermore, as shown in FIG.
Thus, the valve opening C of the second valve 16V3CFrom time 0
It starts to open in proportion to the time, and after about 5 minutes, about 25% valve opening
After a certain amount of time is reached, maintain a constant valve opening, and after about 40 minutes,
It is controlled to start opening and fully open after about 64 minutes.
It By this control, as shown in FIGS.
Hydrogen pressure P of water electrolysis stack 21, And bufftan
Pressure P of 142Is the pressure fluctuation range P 20/ 10 [MP
a] or less, almost P20[MPa] is kept constant
It
【００２５】本発明の第１実施形態によれば、水電解ス
タックの水素圧力を大きく変動させることなく、水電解
スタックで水素を発生させながら連続的に水素を水素吸
蔵合金に吸蔵させることができる。According to the first embodiment of the present invention, it is possible to continuously occlude hydrogen in the hydrogen storage alloy while generating hydrogen in the water electrolysis stack without greatly changing the hydrogen pressure in the water electrolysis stack. .
【００２６】次に、図４を参照して、本発明の第２実施
形態による水素供給装置の作用を説明する。本発明の第
１実施形態では、第２バルブの弁開度が、第２バルブを
通過する水素の流量に基づいて制御されていたのに対
し、第２実施形態では、第２バルブの弁開度が、第２バ
ルブを通過する水素の流量に加え、バッファタンクの圧
力に基づいて制御される点が異なる。従って、本発明の
第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異
なる部分のみを説明する。Next, the operation of the hydrogen supply device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the first embodiment of the present invention, the valve opening degree of the second valve is controlled based on the flow rate of hydrogen passing through the second valve, whereas in the second embodiment, the valve opening degree of the second valve is opened. The degree is controlled based on the pressure of the buffer tank in addition to the flow rate of hydrogen passing through the second valve. Therefore, description of the same parts as those of the first embodiment of the present invention will be omitted, and only different parts will be described.
【００２７】本発明の第２実施形態による水素供給装置
の全体構成は、図１に示した第１実施形態と同様であ
り、制御装置１８によって実行される制御のみが第１実
施形態と異なる。The overall configuration of the hydrogen supply device according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and only the control executed by the control device 18 is different from that of the first embodiment.
【００２８】次に、図４を参照して、本発明の第２実施
形態の作用を説明する。図４は、第２実施形態による水
素供給装置の制御系のブロック線図である。図４に示す
ように、まず、制御系には所定の水素供給量指令値
Ｑ3r、バッファタンク圧力設定値Ｐ2r、及び、水素発生
量ベース指令Ｑ1fが与えられる。また、水素供給量指令
値Ｑ3r、及び、水素発生量ベース指令Ｑ1fには、レート
リミットがかけられ、夫々Ｑ3r'、Ｑ1f'となる。レート
リミットについては第１実施形態と同様であるので説明
を省略する。Next, the operation of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram of a control system of the hydrogen supply device according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, first, a predetermined hydrogen supply amount command value Q 3r , a buffer tank pressure set value P 2r , and a hydrogen generation amount base command Q 1f are given to the control system. Further, the hydrogen supply amount command value Q 3r and the hydrogen generation amount base command Q 1f are rate-limited, and become Q 3r ′ and Q 1f ′, respectively. Since the rate limit is the same as that in the first embodiment, its explanation is omitted.
【００２９】まず、バッファタンク圧力設定値Ｐ2rとバ
ッファタンク内の圧力Ｐ2との差にゲインＫP2が乗じら
れ、その値に水素発生量ベース指令値Ｑ1f'が加えられ
たものが水素発生量Ｑ1となる。水素発生量Ｑ1は、制御
装置から水電解スタックに送られる。水電解スタックで
は、水を電気分解するための、水素発生量Ｑ1に対応し
た電流が流され、この電流値に比例した水素が生成され
る。水電解スタックで発生した水素は、気液分離機、ド
レンタンク、Ｐｄ触媒、除湿器、及び、第１バルブを通
ってバッファタンクに流入し、バッファタンク内の圧力
Ｐ2を変化させる。バッファタンク内の圧力Ｐ2は、バッ
ファタンクに備えられた圧力センサによって検出され、
制御装置にフィードバックされる。従って、水素発生量
Ｑ1は、前出の（数式２）によって計算される。なお、
本実施形態におけるレートリミット、水素発生量ベース
指令値Ｑ1f、ゲインＫP2の値も第１実施形態と同一であ
る。First, the difference between the buffer tank pressure set value P 2r and the pressure P 2 in the buffer tank is multiplied by the gain K P2 , and the hydrogen generation base command value Q 1f 'is added to that value. The generated amount becomes Q 1 . The hydrogen generation amount Q 1 is sent from the control device to the water electrolysis stack. In the water electrolysis stack, an electric current corresponding to the hydrogen generation amount Q 1 for electrolyzing water is supplied, and hydrogen proportional to this electric current value is generated. Hydrogen generated in the water electrolysis stack flows into the buffer tank through the gas-liquid separator, the drain tank, the Pd catalyst, the dehumidifier, and the first valve, and changes the pressure P 2 in the buffer tank. The pressure P 2 in the buffer tank is detected by a pressure sensor provided in the buffer tank,
It is fed back to the control device. Therefore, the hydrogen generation amount Q 1 is calculated by the above-mentioned (Formula 2). In addition,
The values of the rate limit, hydrogen generation base command value Q 1f , and gain K P2 in this embodiment are also the same as those in the first embodiment.
【００３０】一方、レートリミットを経た水素供給量指
令値Ｑ3r'には、バッファタンク圧力設定値Ｐ2rとバッ
ファタンク内の圧力Ｐ2との差にゲインＫP2を乗じた値
が加えられ、値Ｑ3r''が計算される。次いで、値Ｑ3r''
から水素供給量Ｑ3を減じた値にゲイン（ＫP3＋ＫI3／
ｓ）が乗じられ、第２バルブの弁開度ＣV3Cが計算され
る。この弁開度ＣV3Cの指令は第２バルブに送られ、そ
れにより、第２バルブのアクチュエータは、第２バルブ
の弁開度を変化させる。弁開度を変化させることによ
り、水素吸蔵合金への水素供給量Ｑ3が変化する。第２
バルブを通過する水素供給量Ｑ3は、第２バルブに備え
られた流量センサによって検出され、フィードバックさ
れる。従って、弁開度ＣV3Cは、（数式３）（数式４）
によって計算される。
ＣV3C＝（ＫP3＋ＫI3／ｓ）（Ｑ3r''−Ｑ3） （数式３）
Ｑ3r''＝ＫP2（Ｐ2r−Ｐ2）＋Ｑ3r' （数式４）On the other hand, a value obtained by multiplying the difference between the buffer tank pressure set value P 2r and the pressure P 2 in the buffer tank by the gain K P2 is added to the hydrogen supply amount command value Q 3r 'after the rate limit, The value Q 3r ″ is calculated. Then the value Q 3r ''
The value obtained by subtracting the hydrogen feed Q 3 from the gain (K P3 + K I3 /
s) is multiplied and the valve opening C V3C of the second valve is calculated. This command for the valve opening degree C V3C is sent to the second valve, whereby the actuator of the second valve changes the valve opening degree of the second valve. By changing the valve opening degree, the hydrogen supply amount Q 3 to the hydrogen storage alloy changes. Second
The hydrogen supply amount Q 3 passing through the valve is detected by the flow rate sensor provided in the second valve and fed back. Therefore, the valve opening C V3C is calculated by the following formulas (3) and (4).
Calculated by C V3C = (K P3 + K I3 / s) (Q 3r ″ −Q 3 ) (Equation 3) Q 3r ″ = K P2 (P 2r −P 2 ) + Q 3r ′ (Equation 4)
【００３１】なお、本実施形態における水素供給量指令
値Ｑ3r、ゲインＫP3、及び、ゲインＫI3の値も第１実施
形態と同一である。The hydrogen supply amount command value Q 3r , gain K P3 , and gain K I3 in this embodiment are also the same as those in the first embodiment.
【００３２】本発明の第２実施形態による水素供給装置
においても、第１実施形態同様、水電解スタック及びバ
ッファタンクの圧力変動を充分に抑制できることが確認
されている。また、本発明の第２実施形態によれば、第
２バルブの弁開度が、第２バルブを通過する水素の流量
に加え、バッファタンクの圧力によっても制御されてい
るため、バッファタンクの圧力が何らかの外乱により低
下した場合でも、素早くバッファタンクの設定圧力を回
復させることができる。It has been confirmed that also in the hydrogen supply device according to the second embodiment of the present invention, pressure fluctuations in the water electrolysis stack and the buffer tank can be sufficiently suppressed, as in the first embodiment. Further, according to the second embodiment of the present invention, the valve opening degree of the second valve is controlled by the pressure of the buffer tank in addition to the flow rate of hydrogen passing through the second valve. Even if is decreased due to some disturbance, the set pressure of the buffer tank can be quickly recovered.
【００３３】以上、本発明の好ましい実施形態を説明し
たが、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内におい
て、上記の実施形態に種々の変更を加えることができ
る。特に、本発明の水素供給装置によって水素が供給さ
れる対象物は、燃料電池以外のものであっても良い。ま
た、制御に使用したアルゴリズム及びゲイン等の諸定数
は、上記の実施形態以外のものであっても良い。例え
ば、上記の実施形態では、バッファタンク内の圧力に基
づいて水電解スタックによる水素発生量を制御している
が、水電解スタック内の圧力に基づいて水素発生量を制
御しても良い。Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, various modifications can be made to the above embodiments within the scope of the matters described in the claims. In particular, the object to which hydrogen is supplied by the hydrogen supply device of the present invention may be something other than a fuel cell. Further, the algorithm used for the control and various constants such as the gain may be those other than those in the above embodiment. For example, in the above embodiment, the hydrogen generation amount by the water electrolysis stack is controlled based on the pressure in the buffer tank, but the hydrogen generation amount may be controlled based on the pressure in the water electrolysis stack.
【００３４】[0034]
【発明の効果】本発明によれば、水電解スタックに大き
な圧力変動を与えずに、水電解スタックから水素供給対
象物に直接、水素を供給することができる水素供給装置
が得られる。According to the present invention, it is possible to obtain a hydrogen supply device capable of supplying hydrogen directly from a water electrolysis stack to a hydrogen supply target without giving a large pressure fluctuation to the water electrolysis stack.
【図１】本発明の第１実施形態による水素供給装置のブ
ロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen supply device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１実施形態による水素供給装置の制
御装置による制御のブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram of control by the controller of the hydrogen supply device according to the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第１実施形態による制御のシミュレー
ション結果の一例を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing an example of a simulation result of control according to the first embodiment of the present invention.
【図４】本発明の第２実施形態による水素供給装置の制
御装置による制御のブロック線図である。FIG. 4 is a block diagram of control by a controller of a hydrogen supply device according to a second embodiment of the present invention.
Ａ 水素吸蔵合金 Ｖ バルブ １ 水素供給装置 ２ 水電解スタック ４ 気液分離機 ６ ドレンタンク ８ Ｐｄ触媒槽 １０ 除湿器 １２ 第１バルブ １４ バッファタンク １６ 第２バルブ １８ 制御装置（制御手段） A hydrogen storage alloy V valve 1 Hydrogen supply device 2 Water electrolysis stack 4 gas-liquid separator 6 drain tank 8 Pd catalyst tank 10 Dehumidifier 12 First valve 14 buffer tanks 16 Second valve 18 Control device (control means)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂西 彰博 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 久留 長生 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 橋崎 克雄 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 清水 克俊 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 Ｆターム(参考） 4K021 AA01 BA02 CA09 CA13 DC03 5H027 AA02 BA14 KK05 KK25 MM09 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Akihiro Sakanishi 3-5-1, 717-1, Fukahori-cho, Nagasaki-shi, Nagasaki Hishi Heavy Industries Ltd. Nagasaki Research Center (72) Inventor Nagao Kurume 1-1 Satinoura Town, Nagasaki City, Nagasaki Prefecture Mitsubishi Heavy Industries Nagasaki Shipyard Co., Ltd. (72) Inventor Katsuo Hashizaki 1-1 Satinoura Town, Nagasaki City, Nagasaki Prefecture Mitsubishi Heavy Industries Nagasaki Shipyard Co., Ltd. (72) Inventor Katsutoshi Shimizu 1-1 Satinoura Town, Nagasaki City, Nagasaki Prefecture Mitsubishi Heavy Industries Nagasaki Shipyard Co., Ltd. F-term (reference) 4K021 AA01 BA02 CA09 CA13 DC03 5H027 AA02 BA14 KK05 KK25 MM09
Claims (7)
水素供給装置において、 水を電気分解させることによって水素を発生させるため
の水電解スタックと、 前記水電解スタックが発生させた水素を、前記水素供給
対象物に導くための流量調節可能なバルブと、を有し、 前記水電解スタックが水素を発生させながら、水素が連
続的に前記水素供給対象物に供給されることを特徴とす
る水素供給装置。1. In a hydrogen supply device for supplying hydrogen to a hydrogen supply target, a water electrolysis stack for generating hydrogen by electrolyzing water, and hydrogen generated by the water electrolysis stack, A flow rate adjustable valve for guiding to the hydrogen supply target, wherein hydrogen is continuously supplied to the hydrogen supply target while the water electrolysis stack generates hydrogen. Hydrogen supply device.
解スタックが発生させた水素が、前記バッファタンクを
介して前記水素供給対象物に供給されることを特徴とす
る請求項１記載の水素供給装置。2. The hydrogen supply according to claim 1, further comprising a buffer tank, wherein the hydrogen generated by the water electrolysis stack is supplied to the hydrogen supply target through the buffer tank. apparatus.
が、前記バルブを通過する水素の流量、及び／又は、前
記水電解スタックが発生させる水素の量を制御すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素供給装
置。3. The control means further comprises control means for controlling the flow rate of hydrogen passing through the valve and / or the amount of hydrogen generated by the water electrolysis stack. The hydrogen supply device according to claim 1 or 2.
の圧力に基づいて、 前記水電解スタックが発生させる水素の量を制御するこ
とを特徴とする請求項３記載の水素供給装置。4. The hydrogen supply device according to claim 3, wherein the control means controls the amount of hydrogen generated by the water electrolysis stack based on the pressure in the buffer tank.
の圧力に基づいて、前記水電解スタックが発生させる水
素の量を制御することを特徴とする請求項３記載の水素
供給装置。5. The hydrogen supply apparatus according to claim 3, wherein the control unit controls the amount of hydrogen generated by the water electrolysis stack based on the pressure in the water electrolysis stack.
水素の流量に基づいて、前記バルブを通過する水素の流
量を制御することを特徴とする請求項３記載の水素供給
装置。6. The hydrogen supply device according to claim 3, wherein the control unit controls the flow rate of hydrogen passing through the valve based on the flow rate of hydrogen passing through the valve.
水素の流量、及び、前記バッファタンク内の圧力に基づ
いて、前記バルブを通過する水素の流量を制御すること
を特徴とする請求項３記載の水素供給装置。7. The control means controls the flow rate of hydrogen passing through the valve on the basis of the flow rate of hydrogen passing through the valve and the pressure in the buffer tank. The hydrogen supply device described.
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