JP2012072819A - 燃料電池車両の燃料用水素供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 中圧ガスタンク（リザーブタンク）や大規模な蒸発器を備えることなく構成でき、またボイルオフガスの発生を抑制することができる燃料電池車両の燃料用水素供給システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、液遮蔽板２によってガス部２Ａと液部２Ｂに分割された水素タンク１と、この水素タンク１を覆うように配置される断熱真空容器５と、この断熱真空容器５内部の真空槽５Ａ内に設けた機械的熱伝導スイッチＡと、水素ガスを前記水素タンク１から燃料電池３に供給するための高圧ガス配管４とを備え、前記機械的熱伝導スイッチＡをオンにすることにより、前記水素タンク１を加熱し、前記液部２Ｂに貯蔵された液体水素を気化させ、前記水素ガスを前記燃料電池３に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両や燃料電池搭載車両に適用される、燃料電池車両の燃料用水素供給システムに関するものである。

昨今、燃料電池車両の開発が行われている（下記非特許文献１〜２参照）。
燃料電池に供給する水素ガスは、専ら高圧容器に高圧ガスとして貯蔵するようにしている。現状では３５ＭＰａ用の容器が用いられているが、現在、７０ＭＰａ用の容器が開発されつつある。
一方、水素を液体としてタンクに貯蔵し、必要に応じて加熱することによって水素ガスを供給する方式がある。鉄道車両を考えた場合、自動車に比べて大量の水素を要するものの、床下に機器スペースがあることを考慮すると、高圧容器を用いる方式に代わる手段として、液体水素タンクを保有する方式も考えられる。ただし、液体水素タンク方式の有益性を得るためには、ボイルオフ（蒸発）によるロスの低減と効率の良い供給方式、および有効な冷熱利用を検討する必要がある。

山本 貴光，古谷 勇真，米山 崇，小川 賢一，「燃料電池車両の開発〜１００ｋＷ級燃料電池による走行試験結果概要〜」，ＲＲＲ ２００７．８，ｐｐ．１４−１７ 山本 貴光，長谷川 均，古谷 勇真，小川 賢一，「燃料電池・バッテリーハイブリッド試験電車の概要」，ＲＲＲ ２００９．３，ｐｐ．２−５

液体水素タンクを用いた場合、高圧容器方式と比べて有益性を得るための具体策として、軽量化を図るためにガス貯蔵部としての中圧タンクを設けることなく、燃料電池稼働中、如何に常時ガスを供給し続けるかが課題である。また、水素ガスを使用しない燃料電池停止中、熱侵入によって液体水素が気化しボイルオフガスが発生することによるロス（外部放出）を抑える必要がある。

本発明は、上記状況に鑑みて、中圧ガスタンク（リザーブタンク）や大規模な蒸発器を備えることなく構成でき、またボイルオフガスの発生を抑制することができる、燃料電池車両の燃料用水素供給システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、液遮蔽板によってガス部と液部に分割された水素タンクと、この水素タンクを覆うように配置される断熱真空容器と、この断熱真空容器内部の真空槽内に設けた機械的熱伝導スイッチと、水素ガスを前記水素タンクから燃料電池に供給するための高圧ガス配管とを備え、前記機械的熱伝導スイッチをオンにすることにより、前記水素タンクを加熱し、前記液部に貯蔵された液体水素を気化させ、前記水素ガスを前記燃料電池に供給することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記機械的熱伝導スイッチが、熱伝導体、磁石及びバネによって構成され、前記機械的熱伝導スイッチをオンにすると、前記バネが前記水素タンクの表面に接触することにより、前記水素タンクを加熱することを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記燃料電池の運転停止中又は軽負荷中には、前記水素タンクを所定圧力まで封じきり状態で昇圧し、保圧して待機するようにしたことを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記水素タンクを前記水素ガスを燃料とする鉄道車両の燃料貯蔵装置として使用することを特徴とする。
〔５〕上記〔４〕記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記水素タンクの形状を長尺状の容器形状とすることを特徴とする。

〔６〕上記〔５〕記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記高圧ガス配管を前記水素ガスの貯蔵部として利用することを特徴とする。

本発明の燃料電池車両の燃料用水素供給システムは、簡便な構成により、燃料電池の稼働状況に応じて水素ガスを効率的に供給することができる。

本発明の実施例を示す加圧機構付タンクを有する燃料電池車両の燃料用水素供給システムの模式図である。 本発明の実施例を示す加圧機構付タンクを有する燃料電池車両の燃料用水素供給システムの機械的熱伝導スイッチ（加圧機構）の模式図である。

本発明の燃料電池車両の燃料用水素供給システムは、液遮蔽板によってガス部と液部に分割された水素タンクと、この水素タンクを覆うように配置される断熱真空容器と、この断熱真空容器内部の真空槽内に設けた機械的熱伝導スイッチと、水素ガスを前記水素タンクから燃料電池に供給するための高圧ガス配管とを備え、前記機械的熱伝導スイッチをオンにすることにより、前記水素タンクを加熱し、前記液部に貯蔵された液体水素を気化させ、前記水素ガスを前記燃料電池に供給する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す加圧機構付タンクを有する燃料電池車両の燃料用水素供給システムの模式図、図２はその機械的熱伝導スイッチ（水素ガス加圧機構）の模式図であり、図２（ａ）は機械的熱伝導スイッチのオン状態を示す図、図２（ｂ）はそのオフ状態を示す図である。

この図において、１は０．２ＭＰａ（最大０．９ＭＰａ）の水素タンク、２はガス部（上部）２Ａと液部（下部）２Ｂを遮蔽する液遮蔽板であり、この液遮蔽板２は、ガス部２Ａと液部２Ｂとの間に設けられ、液揺動を防止し、ガス部２Ａ上方の温度低下を防ぐ役割を果たしている。３は燃料電池、４はガスとして貯蔵する高圧ガス配管、５は水素タンク１を覆う断熱真空容器、５Ａはその断熱真空容器５内部の真空槽、６は熱伝導体、７，９は磁石、８はバネであり、真空槽５Ａ内の熱伝導体６と磁石７，９及びバネ８により機械的熱伝導スイッチ（水素ガス加圧機構）Ａを構成している。１０は熱交換器、ＳＶ１，Ｖ１，ＲＶ１，ＲＶ２，ＳＶＡ１，ＳＶＡ２，ＳＶＢ１，ＳＶＢ２は制御バルブである。なお、ＲＶ２は、システムの停止時の遮断弁として、低温部位の配管と常温側配管を仕切る位置に配置される。

本発明は、従来のように貯槽内の液を汲み出して蒸発させたり、加圧用の内部配管を組み込んだりせずに、機械的熱伝導スイッチＡを用いて、真空槽５Ａ内で熱伝導体６による熱伝導を行わせることにより、機械的に水素タンク１に熱を加えるように構成している。つまり、制御バルブＳＶＡ，ＳＶＢによる供給圧力によりバネ８を水素タンク表面１Ａに接触させて水素タンク１の液部２Ｂを加熱するようにしている。

このとき、燃料電池３の負荷状況による水素ガス消費量に応じて供給を行うようにしている。燃料電池３の稼働時には、バルブＳＶＡが開かれると共にバルブＳＶＢが閉じられて、機械的熱伝導スイッチＡがオンとなり、熱伝導によって液部２Ｂに熱が加わることで液体水素の気化が促進される。発生した水素ガスは、ガス部２Ａから高圧ガス配管４を介して燃料電池３に供給される。一方、燃料電池３の停止時には、バルブＳＶＡが閉じられると共にバルブＳＶＢが開かれて、機械的熱伝導スイッチＡがオフとなり、液体水素の気化が抑制されてボイルオフの発生が最小限に抑えられる。

このように、燃料電池３の運転停止中（又は軽負荷時）は、水素タンク１を所定圧力まで封じきり状態で昇圧、保圧して待機するようにしている。
このように、本発明によれば、液体水素を汲み出して強制加温するのではなく、水素タンク１内部で液体水素を加熱して低温ガスを生成することができる。さらに、水素タンク１のガス部２Ａを水素ガスの貯蔵に利用し、０．９ＭＰａ程度のの圧力で蓄圧しておくことで、中圧ガスタンクや大規模な蒸発器を組み込む必要をなくしている。また、ボイルオフガスが発生しても、ガス部２Ａにある程度は保有しておくことができる。

なお、図１に示したように、機械的熱伝導スイッチＡを複数組み合わせ、オンオフを独立に制御できるようにすることによって、燃料電池３の負荷（水素ガス消費量）に応じて熱伝導量を調整することができる。それにより、水素ガスの発生の促進・抑制を調整するとともに、その結果として、水素タンク内部の圧力も調整することができる。
本発明の燃料用水素供給システムは、鉄道車両に適用する際、鉄道車両の特性を生かして、水素タンク１を長尺状の容器形状とすることができ、それに伴って高圧ガス配管４も長尺とすることができるので、その高圧ガス配管４を水素ガスの貯蔵部として利用することもできる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の燃料電池車両の燃料用水素供給システムは、中圧ガスタンク（リザーブタンク）や大規模な蒸発器を備えることなく構成でき、またボイルオフガスの発生を抑制することができる、燃料電池車両の燃料用水素供給システムとして利用可能である。

１ 水素タンク
１Ａ 水素タンク表面
２ 液遮蔽板
２Ａ ガス部（上部）
２Ｂ 液部（下部）
３ 燃料電池
４ 高圧ガス配管
５ 断熱真空容器
５Ａ 断熱真空容器内部の真空槽
６ 熱伝導体
７，９ 磁石
８ バネ
１０ 熱交換器
Ａ 機械的熱伝導スイッチ（水素ガス加圧機構）
ＳＶ１，Ｖ１，ＲＶ１，ＲＶ２，ＳＶＡ１，ＳＶＡ２，ＳＶＢ１，ＳＶＢ２ 制御バルブ

Claims (6)

1. （ａ）液遮蔽板によってガス部と液部に分割された水素タンクと、
   （ｂ）該水素タンクを覆うように配置される断熱真空容器と、
   （ｃ）該断熱真空容器内部の真空槽内に設けた機械的熱伝導スイッチと、
   （ｄ）水素ガスを前記水素タンクから燃料電池に供給するための高圧ガス配管とを備え、
   （ｅ）前記機械的熱伝導スイッチをオンにすることにより、前記水素タンクを加熱し、前記液部に貯蔵された液体水素を気化させ、前記水素ガスを前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池車両の燃料用水素供給システム。
2. 請求項１記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記機械的熱伝導スイッチが、熱伝導体、磁石及びバネによって構成され、前記機械的熱伝導スイッチをオンにすると、前記バネが前記水素タンクの表面に接触することにより、前記水素タンクを加熱することを特徴とする燃料電池車両の燃料用水素供給システム。
3. 請求項１記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記燃料電池の運転停止中又は軽負荷中には、前記水素タンクを所定圧力まで封じきり状態で昇圧し、保圧して待機するようにしたことを特徴とする燃料電池車両の燃料用水素供給システム。
4. 請求項１から３の何れか一項記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記水素タンクを前記水素ガスを燃料とする鉄道車両の燃料貯蔵装置として使用することを特徴とする燃料電池車両の燃料用水素供給システム。
5. 請求項４記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記水素タンクの形状を長尺状の容器形状とすることを特徴とする燃料電池車両の燃料用水素供給システム。
6. 請求項５記載の燃料電池車両の燃料用水素供給システムにおいて、前記高圧ガス配管を前記水素ガスの貯蔵部として利用することを特徴とする燃料電池車両の燃料用水素供給システム。