JP2010255747A - ガス供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム内の水分を効率的に除去することが可能なガス供給システムを提供する。
【解決手段】水素カードル２と、水素ガスをガス供給対象へ放出するノズル３と、これらを結ぶガス供給流路４と、ガス供給流路４に設けられて水素カードル２からの水素ガスを所定圧力に昇圧させた状態で溜めておく蓄圧器７と、を備えたガス供給システム１であって、ガス供給流路４における蓄圧器７の下流側から分岐する放出流路１２を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス供給対象に所定のガスを供給するガス供給システムに関する。

従来より、圧縮されたガス中に含まれる油成分を回収するオイルトラップが設けられているガス供給装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このオイルトラップは、制御弁の下流に位置するガス供給管路から分岐されたドレン管路と、ドレン管路の端部にネジ止めされたナット形状の栓とよりなる。そして、制御弁で流量が絞られたガスは、制御弁から吐出されることにより膨張して温度が下がり、ガス中に気化した油蒸気及び水分がガス供給管路の管路内壁に結露する。

そのため、制御弁より下流のガス供給管路の管路内壁に結露した油滴及び水滴は、ガス供給管路よりも低い位置に配設されたドレン管路に流入し、徐々に垂下管路に集まる。これにより、ガス充填時、自動車側の充填容器に油成分及び水分が供給されることを防止することができる。

特開２０００−１８４９３号公報

ところで、自動車等の移動体へのガス供給システムとして、例えば燃料電池車両に供給する燃料ガスとしての水素を所定圧力まで圧縮した状態で蓄圧器に溜めておき、この蓄圧器に貯蔵されている水素を、水素補充に訪れた燃料電池車両に搭載されているガス貯蔵タンクへ供給する水素ステーションがある。

しかしながら、水素ステーションの建設中は、配管組み立て時に水分を含んだ外気が水素ガス流路内に不可避的に浸入してしまうことがあり、また、水素ステーションの運転開始後であっても、メインテナンス時のように配管を取り外して再度組み立てる時には、水分を含んだ外気が水素ガス流路内に不可避的に浸入してしまう。
このため、水素ステーションのようなガス供給システムにおいても、システム内の水分を効率的に除去するための対策が強く望まれているが、上記特許文献１に記載の技術を適用しても、水分の溜まり易い蓄圧器から効率的に水分を除去することは困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、システム内の水分を効率的に除去することが可能なガス供給システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のガス供給システムは、ガス供給源と、水素ガスをガス供給対象へ放出する放出部と、これらガス供給源および放出部を結ぶガス供給流路と、前記ガス供給流路に設けられて前記ガス供給源からの水素ガスを所定圧力に昇圧させた状態で溜めておく蓄圧器と、を備えたガス供給システムであって、前記ガス供給流路における前記蓄圧器の下流側から分岐する放出流路を設けたものである。

かかる構成によれば、水分が溜まりやすい蓄圧器からその下流側に設けられた放出流路によってガス供給流路内の水分を効率的に除去することができる。

また、本発明のガス供給システムにおいては、前記放出流路に水分除去部を設けても良い。

また、本発明のガス供給システムにおいては、前記放出流路にパージガスを供給するパージガス供給部を設けても良い。

また、本発明のガス供給システムにおいては、前記蓄圧器の下流側にガス加熱部を設けても良い。

また、本発明のガス供給システムにおいては、前記蓄圧器の上流側に圧縮機を設け、前記ガス加熱部が前記圧縮機の排熱を利用しても良い。

また、本発明のガス供給システムにおいては、前記ガス供給源に水素が貯蔵されており、前記ガス供給対象が水素を燃料ガスとして当該燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池が搭載された燃料電池車両であっても良い。

本発明のガス供給システムによれば、システム内の水分を効率的に除去することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るガス供給システムを示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係るガス供給システムの水分セパレータを示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係るガス供給システムの水分セパレータの別の例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るガス供給システムを示す構成図である。 本発明の第３実施形態に係るガス供給システムを示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態に係るガス供給システムについて説明する。このガス供給システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池が搭載された燃料電池車両に対して燃料ガスである水素ガスを供給する水素ステーションに適用されるものである。

第１実施形態に係るガス供給システム１は、図１に示すように、水素を貯蔵する水素カードル２（ガス供給源）と、燃料電池車両に搭載されている水素タンク（ガス供給対象）に向けて水素ガスを放出するノズル３（放出部）と、これらを結ぶガス供給流路４とを有している。ノズル３は、いわゆるディスペンサに設けられている。

ガス供給流路４には、水素カードル２側から順に、水素カードル２からの水素ガスを圧縮して吐出する圧縮機６と、圧縮機６によって所定圧力まで昇圧された水素ガスを蓄えておく蓄圧器７と、ガス供給流路４の端末近傍に設けられてノズル３からの水素ガスの放出を制御する遮断弁１１とが設けられている。

ここで、蓄圧器７に蓄圧されている水素ガスの圧力は、少なくともガス供給対象である燃料電池車両に搭載されている水素貯蔵タンクの設定貯蔵圧力よりも大きい圧力に設定される。例えば、水素タンクの設定貯蔵圧力が７０Ｍｐａである場合には、それよりも３〜４割程度高い圧力で蓄圧され、好ましくは９０〜９５ＭＰａで蓄圧される。

そして、ガス供給流路４における蓄圧器７の下流側、具体的には蓄圧器７と遮断弁１１との間位置から分岐して放出流路１２が設けられている。
この放出流路１２には、上流側から順に、放出流路１２を開閉する遮断弁８と、導入された水素ガスから水分を捕捉して除去する水分セパレータ９（水分除去部）と、水分セパレータ９の下流側の放出流路１２を開閉する手動弁１０と、フレームアレスタや水封装置等の逆火防止装置１６とが設けられている。放出流路１２の開放端は、逆火防止装置１６を通過後のガスを大気に放出するようになっている。

また、ガス供給システム１は、上記した水分セパレータ９に連通するパージ流路１４を有している。

パージ流路１４には、一端にパージ用の不活性ガス（パージガス）である窒素等を貯蔵するパージ用ガスボンベ１５（パージガス供給部）が設けられており、パージ用ガスボンベ１５と水分セパレータ９との間に手動弁１７が設けられている。

さらに、ガス供給システム１は、上記した水分セパレータ９で捕捉した水分を外部（ガス供給流路４外）に放出する排出流路２０を有しており、排出流路２０には、手動弁２１が設けられている。

上記した水分セパレータ９は、いわゆる気液分離器であり、図２に示すように、内側に空間部２５が形成された有底円筒状のセパレータ本体２６と、このセパレータ本体２６にその上部開口部を閉塞するように取り付けられるプラグ２７と、セパレータ本体２６とプラグ２７との隙間をシールするＯリング２８とを有するもので、低コストでメンテナンス容易な構造となっている。

そして、上部に配置されるプラグ２７には空間部２５に連通する導入口３０および導出口３１が形成され、セパレータ本体２６には、底部に空間部２５に連通する排出口３２が形成され、かつ、側壁部に導入口３３が形成されている。水分セパレータ９は、プラグ２７の導入口３０が放出流路１２の遮断弁８側に、プラグ２７の導出口３１が放出流路１２の手動弁１０側に、セパレータ本体２６の導入口３３がパージ流路１４に、セパレータ本体２６の排出口３２が排出流路２０に、それぞれ接続される。

水分セパレータ９は、セパレータ本体２６の底部を下にして設置されることで、プラグ２７の導入口３０から導入されプラグ２７の導出口３１から排出される水素ガスから水分を捕捉することになり、捕捉した水分を空間部２５内で底部上に溜める。ここで、パージ流路１４は、水分セパレータ９からの水の浸入を抑制するため、水分セパレータ９への接続部分以外を水分セパレータ９よりも上方に設置するのが好ましい。

なお、水分セパレータ９としては、例えば、図３に示すように、Ｕ字配管３７にその曲部３８をバイパスするようにバイパス配管３９を設けたものを用いてもよい。この場合、Ｕ字配管３７の一端が上記した導入口３０となり、Ｕ字配管３７の他端が上記した導出口３１となって、導入口３０から導入され導出口３１から排出される水素ガスから水分を捕捉してＵ字配管３７のバイパス配管３９よりも下側の曲部３８に溜めることになる。そして、曲部３８に、上記した排出口３２および導入口３３が形成されている。

第１実施形態に係るガス供給システム１は、通常状態では、放出流路１２の遮断弁８および手動弁１０が閉じられ、パージ流路１４の手動弁１７が閉じられている。つまり、この状態で供給対象にノズル３を接続して遮断弁１１を開くと、ガス供給流路４によって、水素カードル２から圧縮機６で圧縮されて蓄圧器７に溜められていた水素ガスが、開状態の遮断弁１１およびノズル３を介して供給対象に供給される。

また、ガス供給システム１において、流路内の水分を除去する場合には、遮断弁１１を閉じたまま放出流路１２の遮断弁８および手動弁１０を開く。すると、水素カードル２から圧縮機６で圧縮されて蓄圧器７に溜められていた水素ガスが、放出流路１２の遮断弁８、水分セパレータ９、手動弁１０および逆火防止装置１６を介して大気に放出される。

その際に、水素ガス中に含まれる水分は、水分セパレータ９で捕捉されて水分セパレータ９に溜められることになる。なお、放出流路１２から水素ガスを大気に放出するのではなく、水素カードル２に戻しても良い。その場合、不図示のプレクーラで水分セパレータ９内の温度を制御する等して水素カードル２に戻す水素ガスの温度を０℃以下にする。

その後、水分セパレータ９内に捕捉した水分を除去する場合、放出流路１２の遮断弁８を閉じることで、水分セパレータ９と、蓄圧器７との連通を遮断した状態とし、この状態で、パージ流路１４の手動弁１７を開いて水分セパレータ９内の水素ガスをパージ用ガスボンベ１５からの窒素ガスでパージし、逆火防止装置１６を介して大気に放出する。

このようにして水分セパレータ９内の水素濃度を低下させた状態で、手動弁１０を閉じた後、排出流路２０の手動弁２１を開いて水分を水分セパレータ９から、窒素ガスの圧力を利用して排出する。放出流路１２の遮断弁８を閉じた後は、ガス供給流路４によって水素ガスの供給が可能となる。

その後、排出流路２０の手動弁２１を閉じ、パージ流路１４の手動弁１７を閉じて通常状態に戻す。

以上に述べた第１実施形態に係るガス供給システム１によれば、蓄圧器７の下流側に放出流路１２を設けたため、水分が溜まりやすい蓄圧器７からその下流側に設けられた放出流路１２によって水分を効率的に除去することが可能となる。また、ガス供給流路４から分岐して放出流路１２を設けたため、供給対象に水素ガスを供給する前に、単独で放出流路１２に水素ガスを流すことが可能となり、ガス供給流路４の水分を水素ガスの供給前に除去することができる。

さらに、放出流路１２に水分セパレータ９を設けたため、水素ガスから水分を効率良く捕捉して除去することができる。また、ガス供給流路４から分岐した放出流路１２に水分セパレータ９を設けたため、メンテナンスが容易であり、またメンテナンス中にもガス供給流路４を使用することができる。さらに、放出流路１２にパージガスを供給するパージ用ガスボンベ１５を設けたため、水分を効率よく排出することができる。

なお、第１実施形態に係るガス供給システム１においては、放出流路１２に水分セパレータ９を備えた例について説明したが、必ずしも水分セパレータ９を備えていなくても良い。かかる場合には、水分セパレータ９に接続しているパージ流路１４と、このパージ流路１４に備えられているパージ用ガスボンベ１５及び手動弁１７、並びに排出流路２０とこの排出流路２０に設けられている手動弁２１も不要である。

次に、第２実施形態に係るガス供給システムを、図４を参照して、第１実施形態に係るガス供給システムとの相違部分を中心に説明する。

第２実施形態においては、ガス供給流路４における蓄圧器７と、放出流路１２の分岐点との間に、蓄圧器７側から順に、水素ガスを加温するヒータ４１と、温度センサ４２とが設けられている。そして、温度センサ４２に接続された制御部４３が温度センサ４２の検出結果に基づいてヒータ４１を制御する。つまり、温度センサ４２の検出温度が所定温度以上であれば、ヒータ４１の設定温度をそのまま維持し、温度センサ４２の検出温度が所定温度より低ければ、ヒータ４１の設定温度を１℃上げるといった制御を行う。

制御部４３は、ガス供給流路４によって供給対象へ水素ガスを供給可能な通常状態ではヒータ４１をオフしている。

そして、ガス供給システム１の流路内の水分を除去する場合に、制御部４３は、ヒータ４１をオンし、温度センサ４２の温度が所定温度以上となり、放出流路１２から放出する水素ガスの温度を例えば１００℃以上とすることが可能になると、放出流路１２の遮断弁８および手動弁１０を開く。

すると、水素カードル２から圧縮機６で圧縮され蓄圧器７に溜められていた水素ガスが、ヒータ４１で加温され、放出流路１２の遮断弁８、水分セパレータ９、手動弁１０および逆火防止装置１６を介して大気に放出される。その際に、水素ガス中に含まれる水分はヒータ４１で水蒸気となり、液滴状態である場合よりも放出流路１２から良好に放出されることになる。その後、第１実施形態と同様にして、水分セパレータ９内に捕捉した水分を除去する。

以上に述べた第２実施形態に係るガス供給システム１によれば、水素ガス中に含まれる水分をヒータ４１で加温して放出するため、簡素な構成で水分を効率良く除去することができる。

なお、第２実施形態に係るガス供給システム１においても、放出流路１２に水分セパレータ９を備えた例について説明したが、必ずしも水分セパレータ９を備えていなくても良い。かかる場合には、水分セパレータ９に接続しているパージ流路１４と、このパージ流路１４に備えられているパージ用ガスボンベ１５及び手動弁１７、並びに排出流路２０とこの排出流路２０に設けられている手動弁２１も不要である。

次に、第３実施形態に係るガス供給システムを、図５を参照して、第２実施形態に係るガス供給システムとの相違部分を中心に説明する。

第３実施形態に係るガス供給システム１では、第２実施形態におけるヒータ４１が設けられておらず、その代わりに圧縮機６の排熱を利用して水素ガスを加温するようになっている。つまり、ガス供給流路４における蓄圧器７の下流側から分岐する放出流路１２を熱交換可能に圧縮機６に通過させる。例えば、圧縮機６がレシプロ式圧縮機である場合には、ガス供給流路４におおける圧縮後の水素ガスを排出する部分の配管温度が高いため、この配管部分に放出流路１２の配管を抱き合わせて保温材等で包むようにする。

そして、放出流路１２のガス供給流路４からの分岐点と圧縮機６との間に遮断弁８が設けられている。

ガス供給システム１の流路内の水分を除去する場合には、放出流路１２の遮断弁８を開くとともに手動弁１０を開く。すると、水素カードル２から圧縮機６で圧縮されて蓄圧器７に溜められていた水素ガスが、放出流路１２を通過中に圧縮機６の余熱で加温された後に水分セパレータ９、手動弁１０および逆火防止装置１６を介して大気に放出される。

その際に、水素ガス中に含まれる水分は圧縮機６の余熱で水蒸気となり、液滴状態である場合よりも放出流路１２から良好に放出されることになる。その後、第１実施形態と同様にして、水分セパレータ９内に捕捉した水分を除去する。
以上に述べた第３実施形態に係るガス供給システム１によれば、水素ガス中に含まれる水分を圧縮機６の余熱で加温して放出するため、簡素な構成で水分を除去することができる。

なお、上記第２実施形態に係るガス供給システム１と本第３実施形態に係るガス供給システム１を組み合わせて、水分除去時に水素ガスを、圧縮機６の余熱を利用しつつヒータ４１で加温し、その際に、温度センサ４２および制御部４３によってヒータ４１の温度制御を行うようにしても良い。

また、第３実施形態に係るガス供給システム１においても、放出流路１２に水分セパレータ９を備えた例について説明したが、必ずしも水分セパレータ９を備えていなくても良い。かかる場合には、水分セパレータ９に接続しているパージ流路１４と、このパージ流路１４に備えられているパージ用ガスボンベ１５及び手動弁１７、並びに排出流路２０とこの排出流路２０に設けられている手動弁２１も不要である。

１…ガス供給システム、２…水素カードル（ガス供給源）、３…ノズル（放出部）、４…ガス供給流路、６…圧縮機（ガス加熱部）、７…蓄圧器、１２…放出流路、９…水分セパレータ（水分除去部）、１５…パージ用ガスボンベ（パージガス供給部）、４１…ヒータ（ガス加熱部）。

Claims (6)

1. ガス供給源と、
   水素ガスをガス供給対象へ放出する放出部と、
   これらガス供給源および放出部を結ぶガス供給流路と、
   前記ガス供給流路に設けられて前記ガス供給源からの水素ガスを所定圧力に昇圧させた状態で溜めておく蓄圧器と、を備えたガス供給システムであって、
   前記ガス供給流路における前記蓄圧器の下流側から分岐する放出流路を設けたガス供給システム。
2. 請求項１に記載のガス供給システムにおいて、
   前記放出流路に水分除去部を設けたガス供給システム。
3. 請求項１または２に記載のガス供給システムにおいて、
   前記放出流路にパージガスを供給するパージガス供給部を設けたガス供給システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス供給システムにおいて、
   前記蓄圧器の下流側にガス加熱部を設けたガス供給システム。
5. 請求項４に記載のガス供給システムにおいて、
   前記蓄圧器の上流側に圧縮機が設けられており、前記ガス加熱部は前記圧縮機の排熱を利用するガス供給システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス供給システムにおいて、
   前記ガス供給源に水素が貯蔵されており、
   前記ガス供給対象が水素を燃料ガスとして当該燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池が搭載された燃料電池車両であるガス供給システム。

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