JP2009032630A - 燃料電池用水素供給装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は燃料電池用水素供給装置に関し、更に詳しくは、高圧の圧縮水素ガスを貯蔵するにあたり、高圧タンク内部に金属水素化物（ＭＨ）タンクを装着し、高圧タンクに水素を充填する際はＭＨタンクから水素を放出し、高圧タンクから水素を排出する際にはＭＨタンクに水素を充填することで、温度を補償することができるようにした燃料電池用水素供給装置に関する。
【解決手段】 本発明は、高圧タンクの両端に設置された第１および第２電磁弁、高圧タンクと並列に連結されるバッファータンク、および高圧タンクまたはＭＨタンクから水素が供給されるスタックとを含めて構成されることを特徴とする燃料電池用水素供給装置を提供する。
【選択図】 図３
【解決手段】 本発明は、高圧タンクの両端に設置された第１および第２電磁弁、高圧タンクと並列に連結されるバッファータンク、および高圧タンクまたはＭＨタンクから水素が供給されるスタックとを含めて構成されることを特徴とする燃料電池用水素供給装置を提供する。
【選択図】 図３
Description
本発明は燃料電池用水素供給装置に係り、更に詳しくは、タンク内部に高圧の圧縮水素ガスを貯蔵するにあたり、高圧タンク内部に水素貯蔵密度が高い金属水素化物（ＭＨ；Ｍｅｔａｌ Ｈｙｂｒｉｄ）タンクを装着し、高圧タンクに水素を充填する際はＭＨタンクから水素を放出し、高圧タンクから水素を排出する際にはＭＨタンクに水素を充填することで、高圧タンクの充填・排出時、ＭＨタンクを利用して温度を補償することができるようにした燃料電池用水素供給装置に関する。
一般的に、燃料電池は燃料が持っている化学エネルギーを燃焼により熱に変えずに電池内で電気化学的に直接電気エネルギーに変える装置であり、自動車の電源、レーザー電気器具の電源などとして研究されている無公害発電装置である。
このような燃料電池では電気を生産する単位電池が積層されている燃料電池セルアッセンブリーおよびその周辺部品とで構成される燃料電池スタックが、アノードで燃料気体である水素の供給を受け、カソードで酸化剤である酸素の供給を受けて電気を生産する。
このように、燃料電池を駆動源とする車両では前述した電気生産のために、車両に予め貯蔵させた水素を燃料電池スタックに供給しなければならないため、車両には車両外部の水素充填設備から供給された水素を貯蔵するための別途の水素貯蔵タンクが具備される。
即ち、燃料電池の発電に必要な水素は、一度車両に具備された水素貯蔵タンクに貯蔵された後、発電が行われる燃料電池スタックに供給される。
従って、燃料電池スタックでの連続した発電のためには適切な時期に水素貯蔵タンクを充填させなければならないため、水素充填設備は水素供給タンクおよび圧縮機などを含み、水素供給タンクから供給される水素は圧縮機で圧力が高くなった後、車両の水素貯蔵タンクに供給されるようになっている。
一方、燃料である水素の貯蔵方式としては液体水素貯蔵、高圧圧縮方式および水素貯蔵材料（金属水酸化物、多孔性ナノ材料）を利用した水素貯蔵方式などがある。
現在、商用化に最も近接した技術は高圧圧縮方式であり、水素貯蔵材料を利用した方式も非常に活発に研究されている。
図１は高圧圧縮方式の燃料供給を表す模式図である。水素充填所１で高圧水素タンク２に水素を充填し、後圧レギュレータ３および低圧レギュレータ４を通して圧力を調節し、必要時に高圧水素タンク２からスタック（燃料電池スタック）に水素を供給する。
この時、前記高圧水素タンク２の一端部には電磁弁５が設置され、その他端部にはエンドプラグ（栓）が設置され、電磁弁５を通してガスを充填し、前記電磁弁５に作動シグナルを送り、バルブがオン／オフされる。
現在、燃料電池システムにおいての水素貯蔵方法は３５０ｂａｒまたは７００ｂａｒの高圧で圧縮する方式である。
しかし、この方式は容量貯蔵密度が低いため走行距離を確保するためには同一容量の圧縮圧力を高めなければならず、同一圧縮圧力では貯蔵容積が大きくならなければならないが、これは安定性および車両搭載の側面で不利である。
また、高圧貯蔵水素タンクに水素を圧縮し、貯蔵する途中に圧力の影響により発生する温度上昇は安全性の側面で不利である。
そして、図２は水素貯蔵物質の水素吸放出を表す図面であり、水素貯蔵材料に水素を貯蔵する時は放熱反応により熱が発生し、外部から熱を加えると水素が放出される特性がある。
しかし、前記水素貯蔵材料を利用すると、高圧圧縮水素貯蔵方式に比べて重量貯蔵密度が非常に高いという長所を有しているが、水素の吸放出速度および発生する熱管理の側面で高圧圧縮方式に比べて技術的に不利である。
特開２００５−２９９８６５７号公報
本発明は前記のような点を勘案してなされたものであり、本発明の目的は高圧タンク内部に金属水素化物タンクを装着し、高圧タンク両端に電磁弁を設置し、高圧タンクの水素を充填・排出する際、水素の出入方向をＭＨタンクと互いに反対となるように電磁弁を制御して温度を補償することで、効率的な熱管理および安全性確保に寄与することができるようにした燃料電池用水素供給装置を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明は燃料電池用水素供給装置において、
水素充填所から充填が可能であり、内部に金属水素化物（ＭＨ）タンクが別個に貯蔵可能となるように装着された高圧タンク、高圧タンクの両端に設置された第１および第２電磁弁、高圧タンクと並列に連結されるバッファータンク、および高圧タンクまたはＭＨタンクから水素が供給されるスタックとを含めて構成され、第１電磁弁を通して水素が水素充填所から高圧タンクに充填および排出され、第２電磁弁を通してＭＨタンクに充填および排出され、高圧タンクに水素を充填する際、第１および第２電磁弁が同時に開きながらＭＨタンクの水素が排出され、ＭＨタンクから排出された水素はバッファータンクに貯蔵された後、スタックに供給されることを特徴とする。
水素充填所から充填が可能であり、内部に金属水素化物（ＭＨ）タンクが別個に貯蔵可能となるように装着された高圧タンク、高圧タンクの両端に設置された第１および第２電磁弁、高圧タンクと並列に連結されるバッファータンク、および高圧タンクまたはＭＨタンクから水素が供給されるスタックとを含めて構成され、第１電磁弁を通して水素が水素充填所から高圧タンクに充填および排出され、第２電磁弁を通してＭＨタンクに充填および排出され、高圧タンクに水素を充填する際、第１および第２電磁弁が同時に開きながらＭＨタンクの水素が排出され、ＭＨタンクから排出された水素はバッファータンクに貯蔵された後、スタックに供給されることを特徴とする。
好ましい具現例として、ＭＨタンクに水素を充填する際、第１および第２電磁弁が同時に開きながら高圧タンクの水素が排出され、高圧タンクから排出された水素はバッファータンクに貯蔵された後、スタックに供給されることを特徴とする。
更に好ましい具現例として、第１電磁弁には第１温度センサーが設置され、高圧タンクに水素を充填する際、第１温度センサーが高圧タンクの温度を測定し、測定された温度が上昇すると、第２電磁弁が開きながらＭＨタンクの水素が排出されることを特徴とする。
また、第２電磁弁には第２温度センサーが設置され、ＭＨタンクに水素を充填する際、第２温度センサーがＭＨタンクの温度を測定し、測定された温度が上昇すると、第１電磁弁が開きながら高圧タンクの水素が排出されることを特徴とする。
更に、第１電磁弁に第１圧力センサーが設置され、バッファータンクに第３圧力センサーが設置され、第１圧力センサーで測定された圧力値が第３圧力センサーの測定値より大きい場合、第１電磁弁が開きながら高圧タンクの水素がバッファータンクに排出されることを特徴とする。
また、第２電磁弁に第２圧力センサーが設置され、第１圧力センサーを通して測定された高圧タンクの圧力値より第２圧力センサーを通して測定されたＭＨタンクの圧力値が更に高い場合、第２電磁弁が開きながらＭＨタンクの水素がバッファータンクに排出されることを特徴とする。
特に、バッファータンクおよびスタックの間には高圧および低圧レギュレータが設置され、バッファータンクの水素は高圧および低圧レギュレータを通して減圧された後、スタックに供給されることを特徴とする。
本発明による燃料電池用水素供給装置によると、高圧タンクの内部に装着された金属水素化物タンクを利用して高圧タンクに圧縮水素を注入する際、高圧タンクの温度が上昇すると、ＭＨタンクの電磁弁を開いて水素を放出しながら高圧タンクを冷却する効果がもたらされ、ＭＨタンクに圧縮水素を注入する際、ＭＨタンクの温度が上昇すると、高圧タンクの電磁弁を開いて水素を放出しながら高圧タンクの内部温度は冷却され、ＭＨタンクから水素を注入する際に発生する温度で補償することで、効率的な熱管理および安全性を確保することができ、水素充填速度を向上させることができる。
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照にして詳しく説明する。
図３は高圧タンク充填時の本発明の一実施例による燃料電池用水素供給装置の水素フローを表す模式図であり、図４はＭＨタンク充填時の本発明の一実施例による燃料電池用水素供給装置の水素フローを表す模式図であり、図５は走行時の本発明の一実施例による燃料電池用水素供給装置の水素フローを表す模式図である。
燃料電池車両で使用される燃料である水素の貯蔵形態は、水素を圧縮して一定の体積空間を有するボンベに高圧で充填することが一般的であるが、圧縮水素間の距離が遠いためボンベに充填される水素の量には限界があり、高圧タンク１０に水素を充填／排出する際に発生する熱の変化により安全性の側面で問題がある。
また、金属水素化物（以下、ＭＨ）は低温時に水素を吸入して貯蔵し、高温となると貯蔵した水素を放出する金属であり、このようなＭＨを利用して水素を貯蔵する場合、水素貯蔵容量は非常に大きいが、水素貯蔵合金の重量が大きいため、これを動かすのにエネルギーが大量に所要されるという問題がある。
本発明の一実施例による水素貯蔵タンクは大きく、圧縮水素ガス貯蔵用高圧タンク１０と、金属水素化物を利用したＭＨタンク１１と、高圧タンク１０またはＭＨタンク１１のいずれか一つから排出される水素を貯蔵するバッファータンク１２に分けることができる。
圧縮水素ガス貯蔵用高圧タンク１０は圧縮水素を貯蔵するのに一般的に使用されるボンベとして、アルミニウムライナーチューブの両側の先端部分をスピニング加工した後、ネジ加工する。
ＭＨタンク１１は高圧タンク１０の内部に装着される水素貯蔵タンクとして、タンクのサイズは小さいが、金属内部に貯蔵される水素原子間の距離が短いため貯蔵される水素貯蔵容量は同一サイズの高圧タンク１０に比べて多い。
ここで、ＭＨタンク１１を高圧タンク１０の内部に装着するための製作方法は下記の通りである。まず、アルミニウムライナーチューブの一端部をスピニング加工した後、一方の入口部分（ボス部位）をネジ加工した後、既製作されているＭＨタンク１１を高圧タンク内部に装着する。
次いで、アルミニウムライナーチューブの多端部をスピニング加工およびネジ加工した後、フィラメントワインディング工程を経て樹脂硬化して完成する。
このように内部にＭＨタンク１１が装着された高圧タンク１０の一端には高圧タンクの水素出入を開閉する第１電磁弁１３、第１温度センサーおよび第１圧力センサーが設置され、高圧タンク１０の他端にはＭＨタンク１１の水素出入を開閉する第２電磁弁１４、第２温度センサーおよび第２圧力センサーが設置されている。
また、高圧タンク１０と並列にバッファータンク１２が設置され、第１電磁弁１３は水素充填所１７から高圧タンク１０への充填および高圧タンク１０からバッファータンク１２に排出され、第２電磁弁１４は水素充填所１７からＭＨタンク１１への充填およびＭＨタンク１１からバッファータンク１２に排出される構造で設置されなければならない。
このような構造は高圧タンク１０に水素を充填すると同時にＭＨタンク１１から水素を排出したり、また、ＭＨタンク１１に水素を充填すると同時に高圧タンク１０から水素を排出する構造であるため、高圧タンク１０またはＭＨタンク１１に水素が入力されると、残りの一方から水素が出力されるようにするためにバッファータンク１２が設置される。
この時、バッファータンク１２の一側には第１電磁弁１３と連結される第３電磁弁１５、第３温度センサーおよび第３圧力センサーが設置され、バッファータンク１２の他側には第２電磁弁１４と連結される第４電磁弁１６、第４温度センサーおよび第４圧力センサーが設置されている。
前記温度センサーおよび圧力センサーは電磁弁１３〜１６に装着される。
このような構成による本発明の一実施例による燃料電池用水素供給装置の作動状態を説明すると下記の通りである。
１）高圧タンクに圧縮水素注入時
水素充填所１７から高圧の圧縮水素を高圧タンク１０に注入して充填させ、高圧タンク側の温度センサー（第１温度センサー）を通して高圧タンク１０内部の温度を測定する。
水素充填所１７から高圧の圧縮水素を高圧タンク１０に注入して充填させ、高圧タンク側の温度センサー（第１温度センサー）を通して高圧タンク１０内部の温度を測定する。
測定された温度が上昇すると、ＭＨタンク側の第２電磁弁１４に制御シグナルを送り、回路をオープンさせた後、ＭＨタンク１１内の水素がバッファータンク１２に放出されるようにする。
従って、前記圧縮水素が高圧タンク１０に充填される間、上昇する温度はＭＨタンク１１の水素放出により冷却される効果を得ることができ、バッファータンク１２の水素はスタック１８に供給される。
２）ＭＨタンク１１に圧縮水素注入時
水素充填所１７から高圧の圧縮水素をＭＨタンク１１に注入して充填させると、ＭＨタンク１１内の温度が上昇する。この時発生する温度をＭＨタンク１１側に設置された第２温度センサーを通して測定する。
水素充填所１７から高圧の圧縮水素をＭＨタンク１１に注入して充填させると、ＭＨタンク１１内の温度が上昇する。この時発生する温度をＭＨタンク１１側に設置された第２温度センサーを通して測定する。
測定された温度が上昇すると、高圧タンク１０側に設置された第１電磁弁１３に制御シグナルを送り、回路をオープンさせた後、高圧タンク１０内の水素がバッファータンク１２に放出されるようにする。
従って、圧縮水素がＭＨタンク１１に充填される間、上昇する温度は高圧タンク１０の水素放出により冷却され、バッファータンク１２の水素はスタック１８に供給される。
３）走行時
燃料電池システムの運転のためにバッファータンク側に設置された第４電磁弁１６をオープンさせ、高圧レギュレータ２０で１次的に圧力を１０ｂａｒまで減圧させた後、低圧レギュレータ２１で２次的に圧力を０．２ｂａｒに減圧する。
燃料電池システムの運転のためにバッファータンク側に設置された第４電磁弁１６をオープンさせ、高圧レギュレータ２０で１次的に圧力を１０ｂａｒまで減圧させた後、低圧レギュレータ２１で２次的に圧力を０．２ｂａｒに減圧する。
その後、０．２ｂａｒに減圧された水素はスタック１８に供給され、空気と反応し、残った水素は再循環ブロワー１９を通して再循環される。
第１および第３圧力センサーを通して圧力をモニタリングし、高圧タンク１０の圧力がバッファータンク１２の圧力より大きい場合、第１電磁弁１３（高圧タンク側）を開いた状態になるようにする。
第１および第３圧力センサーから測定された圧力値が第２圧力センサー（ＭＨタンク側）の測定値より低い場合、第２電磁弁１４（ＭＨタンク側）を開き、ＭＨタンク１１の水素を放出させて使用する。
ＭＨタンク１１の水素貯蔵量は多いが、圧力が低いため、走行時に水素が使用される順序はバッファータンク１２→高圧タンク１０→ＭＨタンク１１の順である。
従って、高圧タンク１０の側面では、高圧水素充填時に発生する圧力熱をＭＨタンク１１の水素放出時に起きる冷却効果により減少させるため、より早い速度で充填することができる（現在はタンク温度が８５℃を超えない範囲で速度を高圧タンク１０の水素充填速度を制限）。
更に、ＭＨタンク１１の側面では高圧水素の充填・排出時に発生する吸熱および発熱は高圧タンク１０の圧縮熱および放出熱で補償することができる。
図６は水素充填時の温度上昇を表すグラフであり、タンクの温度上昇を考慮して約３〜４分の充填時間で充填した場合、タンク内部の温度は８０℃まで上昇し、米国エネルギー省（ＤＯＥ；Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ）の基準である２分以内に充填をすると、温度は更に上昇する。
図７は水素放出時の温度下降を表すグラフであり、１０分間水素を放出する場合、−４０℃まで冷却される現象が発生し、更に大きい流路を確保して放出する場合、更に大きく下降する。
１０ 高圧タンク
１１ ＭＨタンク
１２ バッファータンク
１３〜１６ 第１〜第４電磁弁
１７ 水素充填所
１８ スタック
１９ 再循環ブロワー
２０ 高圧レギュレータ
２１ 低圧レギュレータ
１１ ＭＨタンク
１２ バッファータンク
１３〜１６ 第１〜第４電磁弁
１７ 水素充填所
１８ スタック
１９ 再循環ブロワー
２０ 高圧レギュレータ
２１ 低圧レギュレータ
Claims (7)
- 燃料電池用水素供給装置において、
水素充填所から充填が可能であり、内部に金属水素化物（ＭＨ）タンクが別個に貯蔵可能となるように装着された高圧タンク、
前記高圧タンクの両端に設置された第１および第２電磁弁、
前記高圧タンクと並列に連結されるバッファータンク、および
前記高圧タンクまたは前記ＭＨタンクから水素が供給されるスタック
を含めて構成され、前記第１電磁弁を通して水素が前記水素充填所から前記高圧タンクに充填および排出され、前記第２電磁弁を通して前記ＭＨタンクに充填および排出され、前記高圧タンクに水素を充填する際、前記第１および前記第２電磁弁が同時に開きながら前記ＭＨタンクの水素が排出され、前記ＭＨタンクから排出された水素は前記バッファータンクに貯蔵された後、前記スタックに供給されることを特徴とする燃料電池用水素供給装置。 - 前記ＭＨタンクに水素を充填する際、前記第１および前記第２電磁弁が同時に開きながら前記高圧タンクの水素が排出され、前記高圧タンクから排出された水素は前記バッファータンクに貯蔵された後、前記スタックに供給されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池用水素供給装置。
- 前記第１電磁弁には第１温度センサーが設置され、前記高圧タンクに水素を充填する際、前記第１温度センサーが前記高圧タンクの温度を測定し、測定された温度が上昇すると、前記第２電磁弁が開きながら前記ＭＨタンクの水素が排出されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池用水素供給装置。
- 前記第２電磁弁には第２温度センサーが設置され、前記ＭＨタンクに水素を充填する際、前記第２温度センサーが前記ＭＨタンクの温度を測定し、測定された温度が上昇すると、前記第１電磁弁が開きながら前記高圧タンクの水素が排出されることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池用水素供給装置。
- 前記第１電磁弁に第１圧力センサーが設置され、前記バッファータンクに第３圧力センサーが設置され、前記第１圧力センサーで測定された圧力値が第３圧力センサーの測定値より大きい場合、前記第１電磁弁が開きながら前記高圧タンクの水素が前記バッファータンクに排出されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池用水素供給装置。
- 前記第２電磁弁に第２圧力センサーが設置され、前記第１圧力センサーを通して測定された高圧タンクの圧力値より前記第２圧力センサーを通して測定された前記ＭＨタンクの圧力値が更に高い場合、前記第２電磁弁が開きながら前記ＭＨタンクの水素が前記バッファータンクに排出されることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池用水素供給装置。
- 前記バッファータンクおよび前記スタックの間には高圧および低圧レギュレータが設置され、前記バッファータンクの水素は前記高圧および前記低圧レギュレータを通して減圧された後、前記スタックに供給されることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池用水素供給装置。
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