JP2006302802A - 燃料貯蔵容器の交換方法、燃料貯蔵容器交換システム、および燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 商用電源および人力を必要とせず、燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器を交換可能にすること。
【解決手段】 燃料電池車両１に搭載された高圧水素タンク（燃料貯蔵容器）６を予め水素が充填された他の新たな高圧水素タンク６’と交換する容器交換装置１５を備えた高圧水素タンク交換設備において、容器交換装置１５に対して燃料電池車両１側から電力を供給する。例えば、スイッチ３２ａをＯＦＦ、スイッチ３３ａをＯＮとすることにより、ＤＣ／ＡＣ変換器３１を介して、燃料電池車両１に搭載された二次電池４から容器交換装置１５に給電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池車両とそれに搭載された燃料貯蔵容器を他の燃料貯蔵容器と交換する方法及びシステムに関する。

近年、エンジンに換えて燃料ガス（例えば、水素）と酸化ガス（例えば、空気）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て搭載した燃料電池車両の開発が進められている。燃料電池車両には燃料としての水素ガスが貯蔵された水素貯蔵容器が搭載される。燃料電池車両の走行に伴って水素貯蔵容器内の水素が消費されるため、例えば特許文献１に示されているように、水素ステーションにおいて、残量の少なくなった水素貯蔵容器を、充填済みの水素貯蔵容器と容器ごと交換する作業を適宜行う。
特開２００２−３４３４０５号公報

しかしながら、上記の水素ステーションにおいては、水素貯蔵容器を交換する容器交換装置が電力を必要とする場合、電力供給のない地域、または災害時等の停電状態において水素貯蔵容器の交換を行うことができない。電力を用いずに油圧ポンプにより交換する容器交換装置もあるが、人力が必要となる。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、商用電源および人力を必要とせず、燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器を交換可能な燃料貯蔵容器の交換方法、燃料貯蔵容器交換システム、および燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明においては、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明に係る燃料貯蔵容器の交換方法は、電力の供給を受けて燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器を他の燃料貯蔵容器と交換する容器交換装置を備えた燃料貯蔵容器交換設備における燃料貯蔵容器の交換方法であって、前記容器交換装置の駆動に必要な電力を前記燃料電池車両側から給電する。

このような構成によれば、停電時または電力が供給されていない地域において、燃料電池車両を電源として燃料貯蔵容器交換設備側の容器交換装置に電力が供給される。したがって、燃料貯蔵容器の交換に商用電源または人力が不要となる。

上記燃料貯蔵容器の交換方法においては、前記容器交換装置の駆動に必要な電力を、前記燃料電池車両に搭載された電力貯蔵器から給電してもよい。

このような構成によれば、燃料電池車両側の電力貯蔵器を用いることで、燃料電池を起動させることなく容器交換装置に給電することができる。

上記燃料貯蔵容器の交換方法においては前記容器交換装置の駆動に必要な電力を、前記燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器の残量が所定値以上である場合にのみ、前記燃料電池車両に搭載された燃料電池から給電してもよい。

燃料電池を起動して容器交換装置に電力を供給する場合、燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器の残量が所定量より少ないと、燃料貯蔵容器の交換作業の途中でいわゆるガス欠となり、交換作業が完了しなくなる場合があるところ、上記構成によれば、燃料貯蔵容器の残量がその交換作業に必要な量以上の場合にのみ、燃料電池を電源として容器交換装置に電力を供給するので、作業途中での電力不足を防止することができる。

本発明の燃料貯蔵容器交換システムは、燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料が貯蔵された燃料貯蔵容器と、給電要求に応じて車両外の電気負荷に電力を供給する給電制御手段とを備えた燃料電池車両に対して、該車両外に設置された容器交換装置を用いて前記燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器を他の燃料貯蔵容器と交換する燃料貯蔵容器交換システムであって、前記容器交換装置の駆動に必要な電力が前記燃料電池車両側から給電可能とされている。

このような構成によれば、停電時または電力が供給されていない地域においても、燃料電池車両を電源として車両外の容器交換装置に電力が供給される。したがって、燃料貯蔵容器の交換に商用電源または人力が不要となる。

燃料電池車両側の電源としては、燃料電池またはその発電電力が充電される電力貯蔵器（二次電池、キャパシタ等）の採用が可能である。容器交換装置としては、クレーンおよびそれに付随するクレーンコントローラ、または、リフトおよびそれに付随するリフトコントローラ等の採用が可能である。

上記燃料電池車両の燃料貯蔵容器交換システムにおいては、前記容器交換装置の駆動に必要な電力が、前記燃料電池車両に搭載された電力貯蔵器から給電されてもよい。

このような構成によれば、燃料電池車両側の電力貯蔵器を用いることで、燃料電池を起動させることなく車両外の容器交換装置に給電することができる。

上記燃料電池車両の燃料貯蔵容器交換システムにおいて、前記容器交換装置の駆動に必要な電力は、前記燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器の残量が所定値以上である場合にのみ、前記燃料電池車両に搭載された燃料電池から給電されてもよい。

燃料電池を起動して容器交換装置に電力を供給する場合、燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器の残量が所定量より少ないと、燃料貯蔵容器の交換作業の途中でいわゆるガス欠となり、交換作業が完了しなくなる場合があるところ、上記構成によれば、燃料貯蔵容器の残量がその交換作業に必要な量以上の場合にのみ、燃料電池を電源として容器交換装置に電力を供給するので、作業途中での電力不足を防止することができる。

本発明の燃料電池車両は、燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料が貯蔵された燃料貯蔵容器と、蓄電要求に応じて前記燃料電池で発電した電力の一部又は全部が蓄電される電力貯蔵器と、給電要求に応じて前記電力貯蔵器に蓄電された電力を車両外の電気負荷に供給する給電制御手段とを備えた燃料電池車両であって、前記車両外の電気負荷が当該車両に搭載された燃料貯蔵容器を他の燃料貯蔵容器と交換する容器交換装置であり、前記給電制御手段は前記容器交換装置の駆動に必要な電力を給電する。

このような構成によれば、停電時または電力が供給されていない地域においても、車両外の容器交換装置に電力が供給されるので、商用電源または人力を必要とせずに燃料貯蔵容器の交換が可能となる。

なお、容器交換装置の駆動に必要な電力とは、単に容器交換装置で消費される電力だけをいうものではなく、容器交換装置を制御するコントローラ類を駆動するのに消費される電力をも含むものである。

以上の各構成においては、前記燃料電池車両に搭載された複数の燃料貯蔵容器のうち、ある燃料貯蔵容器から燃料電池に燃料を供給して発電される電力を前記容器交換装置に給電することにより、他の燃料貯蔵容器を交換するようにしてもよい。

本発明によれば、電力が供給されていない地域や、停電時においても、燃料電池車両が搭載する燃料貯蔵容器を人力を用いずに交換することができる。また、電源として燃料電池車両が備える電力貯蔵器を用いることで、燃料電池を起動させることなく車両外の容器交換装置に給電することができる。さらに、燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器の残量が所定値以上の場合にのみ、燃料電池から容器交換装置への給電を許可するので、作業途中での電力不足を防止することができる。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態である燃料電池車両に対する高圧水素タンク交換システム（燃料貯蔵容器交換システム）を示した図である。同図において、符号１は燃料電池車両、２は例えば水素ステーション等の高圧水素タンク交換設備（燃料貯蔵容器交換設備）である。

燃料電池車両１は、車体１ａ内に燃料電池３，燃料電池３によって発電された電力を蓄電する二次電池（電力貯蔵器）４、燃料電池車両１が有する装置系全体の制御を行う車両コントローラ（給電制御手段）５を備える。かかる装置系全体の制御としては、例えば、燃料電池３の発電制御、燃料電池３から二次電池４への充電制御、二次電池４から車両内外の電気負荷への給電制御等がある。

燃料電池車両１内の車体１ａフロア面近傍には、燃料電池３の燃料である水素が貯蔵された高圧水素タンク（燃料貯蔵容器）６が設けられている。燃料電池３と高圧水素タンク６は燃料供給路１０により接続されており、この燃料供給路１０を介して、高圧水素タンク６から燃料電池３に水素が供給される。

燃料電池３は、高圧水素タンク６から供給された水素を燃料ガスとし、この燃料ガスを不図示の酸化ガス（空気）供給系を介して供給された酸化ガスによって酸化させることにより、発電を行う。燃料電池３で発電された電力は、出力配線１１を経て二次電池４に充電されるようになっている。なお、出力配線１１にはスイッチ１２が介装されており、充電を適宜ＯＮ／ＯＦＦ制御することが可能となっている。

高圧水素タンク交換設備２は、容器交換装置１５と、該容器交換装置１５を含む設備系全体を制御するメインコントローラ２０とを備える。容器交換装置１５は、燃料電池車両１を昇降するリフト１６、他の新たな高圧水素タンク６’を搬送する台車１７、及び、リフト１６を制御するリフトコントローラ１８を備える。

メインコントローラ２０には外部の商用電源により電力が供給されており、該電力はメインコントローラ２０から配線１９を介して容器交換装置１５（すなわち、リフトコントローラ１８及びリフト１６）に対しても供給されている。なお、本高圧水素タンク交換設備２が電力供給のない地域に設置される場合においては、メインコントローラ２０に対して商用電源は供給されない。また、符号２０ａはリフト１６を操作する手動レバーである。

メインコントローラ２０とリフトコントローラ１８とは制御信号線２３により接続されており、該制御信号線２３を介してメインコントローラ２０からリフトコントローラ１８に対して制御信号が与えられ、リフトコントローラ１８からメインコントローラ２０に対して誤信号チェック信号が返されるようになっている。

燃料電池車両１および高圧水素タンク交換設備２には、電力供給手段３０として以下の構成が設けられている。燃料電池車両１には、燃料電池車両１からメインコントローラ２０に対して供給される電力をＤＣ／ＡＣ変換するＤＣ／ＡＣ変換器３１と、燃料電池３からＤＣ／ＡＣ変換器３１に電力を供給する電力供給配線３２および該電力供給配線３２に介装されたスイッチ３２ａと、二次電池４からＤＣ／ＡＣ変換器３１に対して電力を供給する電力供給配線３３および該電力供給配線３３に介装されたスイッチ３３ａとを備えている。

電力供給手段３０は上記に加えて更に、燃料電池車両１から高圧水素タンク交換設備２に対して非接触で電力供給する非接触給電装置３５の給電側を構成する給電器３５ａと、同様に信号線を非接触で接続する非接触信号送受信装置３６の燃料電池車両側送受信器３６ａとを備えている。

高圧水素タンク交換設備２は、非接触給電装置３５の受電器３５ｂと、非接触信号送受信装置３６の送受信器３６ｂとを備えている。非接触給電装置３５および非接触信号送受信装置３６は、既知の技術、例えば誘導作用により電力を誘電する非接触給電方法を採用することができる。非接触信号送受信装置３６による信号の送受信は、電力の大小により行うことができる。なお、受電器３５ｂおよび送受信器３６ｂを一つのコネクタにまとめることで、一度の操作で燃料電池車両１側と接続することができる。

ＤＣ／ＡＣ変換器３１とメインコントローラ２０との間は、給電線４０，非接触給電装置３５，および給電線４１により電気的に接続可能であり、車両コントローラ５とメインコントローラ２０との間は、信号線４２，非接触信号送受信装置３６，および信号線４３により接続可能となっている。

なお、車両コントローラ５は燃料電池車両１の各構成要素（燃料電池３，二次電池４、高圧水素タンク６、スイッチ１２，３２ａ，３３ａなど）の制御を行う。車両コントローラ５から各構成要素に対して破線で示した制御信号が送信され、各構成要素から車両コントローラ５に対しては誤信号チェック信号が返される。

車両走行時、燃料電池車両１の車両コントローラ５が車両の走行状態や二次電池４の残容量（ＳＯＣ）等に基づき設定される蓄電要求に応じて、適宜スイッチ１２を閉じ、これにより、燃料電池３によって発電された電力の一部又は全部が二次電池４に蓄電される。走行に伴い高圧水素タンク６の残量が少なくなった場合には、燃料電池車両１は高圧水素タンク交換設備２に立ち寄り、以下のようにして高圧水素タンク６を交換する。
＜商用電源通電時における交換＞
燃料電池車両１をリフト１６に積載し、上昇させる。次いで台車１７により予め水素が充填された新たな高圧水素タンク６’を不図示の貯蔵庫から搬出し、燃料電池車両１の下方に位置決めする。次いで、使用済みの高圧水素タンク６を燃料電池車両１から取り外し、新たな高圧水素タンク６’を燃料電池車両１に取付ける。

そして、リフト１６を下降させて高圧水素タンク６，６’の交換が終了する。使用済みの高圧水素タンク６は、台車１７によって搬送され、所定の貯蔵庫に格納される。リフト１６による燃料電池車両１の昇降は、メインコントローラ２０を介して供給された商用電源によって行う。
＜停電時における交換＞
災害時等、停電によって商用電源が停止した場合、または元々電力供給が行われていない場合には、以下のようにタンクの交換を行う。燃料電池車両１をリフト１６に積載した後、燃料電池車両１と高圧水素タンク交換設備２との間で給電線４０，４１及び信号線４２，４３を接続する。

車両コントローラ５は、スイッチ３２ａをＯＦＦ、スイッチ３３ａをＯＮとすることにより、二次電池４をＤＣ／ＡＣ変換器３１に接続する。これにより、二次電池４に蓄電されている電力がＤＣ／ＡＣ変換器３１から非接触給電装置３５を経てメインコントローラ２０に給電される。メインコントローラ２０は、非接触式信号送受信装置３６によって車両コントローラ５と接続されており、受電に必要な制御信号が車両コントローラ５からメインコントローラ２０との間で送受信される。

メインコントローラ２０は、配線１９を介してリフトコントローラ１８に給電し、さらに制御信号線２３を介してリフトコントローラ１８に交換作業のための制御信号を与える。リフトコントローラ１８は、上記通常時と同様に、リフト１６を用いて燃料電池車両１を昇降し、高圧水素タンク６を新たな高圧水素タンク６’と交換する。

このように、本実施形態の高圧水素タンク交換システムによれば、停電によって商用電源が停止した場合、または元々電力供給が行われていない場合であっても、人力を用いずに燃料電池車両１の高圧水素タンク６の交換を行うことができる。また、二次電池４を電源とすることで、燃料電池３を起動させることなく容器交換装置１５に給電することができる。

＜第２実施形態＞
図２の燃料電池車両１’は、屋根上に高圧水素タンク６が設置されているタイプの車両（例えば、バス等）である。この場合、高圧水素タンク６の容器交換装置２１として、クレーン２２とクレーン２２を制御するクレーンコントローラ２４を用いる。クレーン２２はレール２２ａと該レール２２ａを走行するモータ２２ｂとを備える。モータ２２ｂに対しては、給電配線２５によりクレーンコントローラ２４から電力が供給される。

容器交換装置２１には、上記と同じくメインコントローラ２０を介して商用電源または燃料電池車両１から電力が供給される。このとき、スイッチ３２ａはＯＦＦ、スイッチ３３ａはＯＮとされていて、二次電池４がＤＣ／ＡＣ変換器３１と接続されている。

本実施形態では、以下のようにして高圧水素タンク６が交換される。まず、燃料電池車両１を所定位置に停車させる。次いで、予め水素が充填された他の新たな高圧水素タンク６’を不図示の貯蔵庫からクレーン２２によって搬出し、燃料電池車両１の上方に位置決めする。使用済みの高圧水素タンク６を燃料電池車両１’から取り外し、新たな高圧水素タンク６’を燃料電池車両１’に取付ける。使用済みの高圧水素タンク６は、クレーン２２によって搬送され、所定の貯蔵庫に格納される。

このように、本実施形態においても、停電によって商用電源が停止した場合、または元々電力供給が行われていない場合であっても、容器交換装置２１に二次電池４から電力が供給されるため、人力を用いずに燃料電池車両１の高圧水素タンク６の交換を行うことができる。

＜第３実施形態＞
通常、二次電池４は容器交換装置２１への給電に十分な状態に充電されているため、上記の各実施形態では、二次電池４を電源として給電を行っている。しかしながら、二次電池４の残容量が十分にない場合等においては、燃料電池３を電源としてもよい。この場合は、燃料電池３を発電させるとともにスイッチ３２ａをＯＮ、スイッチ３３ａをＯＦＦとする。さらに二次電池４と燃料電池３を併用してもよい。

ただし、燃料電池３のみを電源として給電する場合、高圧水素タンク６の残量が所定量より少ないと、タンクの交換作業の途中でいわゆるガス欠となり、交換が完了しなくなる場合がある。このため、高圧水素タンク６の残量が、タンクの交換作業に必要な量以上の場合にのみ、燃料電池３を電源として容器交換装置１５，２１に電力を供給する。例えば、水素ガスの残量が４０％以上の場合にのみ燃料電池３を電源とする。これにより、作業途中でのガス欠による電力供給不足を防止することができる。

次に、燃料電池３を電源として給電する場合のタンク交換方法について説明する。まず、高圧水素タンク６を用いて燃料電池３を起動する。燃料電池３によって発電された電力を用いてリフト１６またはクレーン２２を駆動し、予め充填された高圧水素タンク６’を貯蔵庫から取り出して燃料電池車両の近傍に位置決めする。

次いで、残量の少なくなった高圧水素タンク６を燃料電池車両１から取り外し、高圧水素タンク６’を燃料電池車両に取付ける。その後は、充填済みの高圧水素タンク６’内の水素を用いて燃料電池３の発電が行われる。この電力によって、リフト１６の下降、クレーン２２による使用済みの高圧水素タンク６の格納が行われる。

なお、使用済みの高圧水素タンク６を燃料電池車両１から取り外した後、他の新たな高圧水素タンク６’を取付けるまでの間は、高圧水素タンク６，６と燃料電池１とを接続する水素ガス供給配管内や燃料電池３内に残存する水素ガスによる発電が継続される。この電力によって交換作業中の電力が賄われる。この間の発電可能量は少ないため、クレーン作業量等がなるべく少なくなるように、新たな高圧水素タンク６’の位置決めを正しく行うことが好ましい。

＜他の実施形態＞
上記の各実施形態においては、燃料電池車両１から高圧水素タンク交換設備２への給電方法として誘電式の非接触給電方法を採用したが、非接触式でなくともよい。この場合は、コネクタ等を用い燃料電池車両１と高圧水素タンク交換設備２との間で給電線４０，４１及び信号線４２，４３を実際に接続する。

また、燃料電池車両１に複数の高圧水素タンク６が搭載されている場合には、ある高圧水素タンク６から燃料電池１に水素ガスを供給して発電される電力を容器交換装置１５，２１に給電することにより、他の高圧水素タンク６を交換するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態として示した高圧水素タンク交換設備の模式図である。 本発明の第２実施形態として示した高圧水素タンク交換設備の模式図である。

符号の説明

１…燃料電池車両、２…高圧水素タンク交換設備（燃料貯蔵容器交換設備）、３…燃料電池、４…二次電池（電力貯蔵器）、５…車両コントローラ（給電制御手段）、６…高圧水素タンク（燃料貯蔵容器）、１５…容器交換装置、１６…リフト、２０…メインコントローラ、２１…容器交換装置、２２…クレーン

Claims (10)

1. 電力の供給を受けて燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器を他の燃料貯蔵容器と交換する容器交換装置を備えた燃料貯蔵容器交換設備における燃料貯蔵容器の交換方法であって、
   前記容器交換装置の駆動に必要な電力を前記燃料電池車両側から給電する燃料貯蔵容器の交換方法。
2. 前記容器交換装置の駆動に必要な電力を、前記燃料電池車両に搭載された電力貯蔵器から給電する請求項１に記載の燃料貯蔵容器の交換方法。
3. 前記容器交換装置の駆動に必要な電力を、前記燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器の残量が所定値以上である場合にのみ、前記燃料電池車両に搭載された燃料電池から給電する請求項１に記載の燃料貯蔵容器の交換方法。
4. 前記燃料電池車両に搭載された複数の燃料貯蔵容器のうち、ある燃料貯蔵容器から燃料電池に燃料を供給して発電される電力を前記容器交換装置に給電することにより、他の燃料貯蔵容器を交換する請求項1〜３のいずれかに記載の燃料貯蔵容器の交換方法。
5. 燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料が貯蔵された燃料貯蔵容器と、給電要求に応じて車両外の電気負荷に電力を供給する給電制御手段とを備えた燃料電池車両に対して、該車両外に設置された容器交換装置を用いて前記燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器を他の燃料貯蔵容器と交換する燃料貯蔵容器交換システムであって、
   前記容器交換装置の駆動に必要な電力が前記燃料電池車両側から給電可能とされた燃料貯蔵容器交換システム。
6. 前記容器交換装置の駆動に必要な電力が、前記燃料電池車両に搭載された電力貯蔵器から給電される請求項５に記載の燃料貯蔵容器交換システム。
7. 前記容器交換装置の駆動に必要な電力は、前記燃料電池車両に搭載された燃料貯蔵容器の残量が所定値以上である場合にのみ、前記燃料電池車両に搭載された燃料電池から給電される請求項５に記載の燃料貯蔵容器交換システム。
8. 前記燃料電池車両に搭載された複数の燃料貯蔵容器のうち、ある燃料貯蔵容器から燃料電池に燃料を供給して発電される電力を前記容器交換装置に給電することにより、他の燃料貯蔵容器を交換する請求項５〜７に記載の燃料貯蔵容器交換システム。
9. 燃料電池と、該燃料電池に供給される燃料が貯蔵された燃料貯蔵容器と、蓄電要求に応じて前記燃料電池で発電した電力の一部又は全部が蓄電される電力貯蔵器と、給電要求に応じて前記電力貯蔵器に蓄電された電力を車両外の電気負荷に供給する給電制御手段とを備えた燃料電池車両であって、
   前記車両外の電気負荷が当該車両に搭載された燃料貯蔵容器を他の燃料貯蔵容器と交換する容器交換装置であり、前記給電制御手段は前記容器交換装置の駆動に必要な電力を給電する燃料電池車両。
10. 複数の燃料貯蔵容器が搭載され、ある燃料貯蔵容器から燃料電池に燃料を供給して発電される電力を前記容器交換装置に給電することにより、他の燃料貯蔵容器が交換される請求項９に記載の燃料電池車両。

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