JP2017026145A

JP2017026145A - 水素自動車に燃料補給する方法および水素自動車のための家庭用充填システム

Info

Publication number: JP2017026145A
Application number: JP2016106413A
Authority: JP
Inventors: シュタイナーディートマー; Steiner Dietmar; ヴェーバーカイ; Weber Kay; ウッツアニカ; Utz Annika
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2036-05-27
Also published as: DE102015209870A1; JP6779665B2

Abstract

【課題】水素自動車に燃料補給する家庭用充填システムの提供。
【解決手段】局所的な設備においてエネルギ担体としての水素を製造しかつ提供するステップ２１と、前記水素を局所的に低圧貯蔵するステップ２２と、前記自動車に低圧水素管路を介して連結しかつ燃料補給するステップ２３と、前記自動車内にある前記水素を圧縮するステップ２４と、前記自動車内にある前記水素を高圧貯蔵するステップ２５と、を有する、水素自動車に燃料補給する方法に向けられている。また、この方法により水素自動車に燃料補給する家庭用充填システムも含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素自動車に燃料補給する方法に向けられている。この方法では、定置の設備が低圧水素でのみ作業する。この場合、低圧とは、水素を金属水素化物貯蔵器に貯蔵することができる圧力、すなわち、約３ＭＰａ（＝３０ｂａｒ）未満の圧力を意味している。

背景技術
水素で運転される燃料電池車両には、支障のない使用のために、水素補給ステーションのインフラストラクチャが必要となる。個人で使用する車両のためには、補給ステーションを家庭の設備（「家庭用充填ステーション」）によって大部分カバーすることも可能である。これによって、まれな長距離の走行の場合を除いて、補給ステーションまでの走行が不要となる。このために、好適には、水素を光起電設備からの電流によって得ることができる。このことは、ＣＯ_２ゼロモビリティに貢献する。

公知のシステムでは、水素が補給ステーションにおいて高圧貯蔵器に、たとえば７０ＭＰａ（＝７００ｂａｒ）の圧力で貯蔵され、補給の際にも、この圧力で車両内に供給される。このようなシステムは、家庭用充填ステーションに対しても提案されている（独国特許出願公開第１０２０１１１０８１４７号明細書参照）。しかしながら、このような設備は、（圧力機器ガイドラインに適合する）この場合に注意すべき高い安全基準と、このために必要となる管理・保守作業とのため、家庭用充填ステーションにおいて前提としなければならないような訓練を受けていない人による利用には、条件付きでしか適していない。

発明の開示
本発明は、水素自動車に燃料補給する方法を示している。この方法では、家庭用充填ステーションが専ら水素によって低圧で運転される。燃料補給される車両には、これに対して補足的に装備が施されてよい。この場合、本発明を実現するために、金属水素化物水素貯蔵器と電気化学的なコンプレッサとを組み合わせて使用することができる。

本発明は、第１の態様では、
− 局所的な設備においてエネルギ担体としての水素を製造しかつ提供するステップと、
− 水素を低圧で局所的に貯蔵するステップと、
− 燃料補給の目的で自動車に低圧水素管路を介して連結するステップと、
− 自動車内にある水素を圧縮するステップと、
− 自動車内にある水素を高圧貯蔵器内に貯蔵するステップと
を有している、水素自動車に燃料補給する方法に向けられている。

本発明の別の態様は、定置のユニットと可動のユニットとから成る、水素自動車に燃料補給する家庭用充填システムであって、
定置のユニットが、
エネルギ担体として低圧で水素を製造する電解装置と、
低圧における水素用の貯蔵器と、
燃料補給の目的で自動車に低圧水素管路を介して連結することに適しているように構成かつ施設された連結装置の定置側の部材と
を有しており、
可動のユニットが、
燃料補給の目的で自動車に低圧水素管路を介して連結することに適しているように構成かつ施設された連結装置の可動側の部材と、
水素用のコンプレッサと、
高圧における水素用の貯蔵器と
を有している、水素自動車に燃料補給する家庭用充填システムである。

発明の利点
本発明によって、特別な訓練を受けていない人により定期的に実施される、固有のガレージ内での車両への燃料補給を高い圧力で行わなければならないことが、もはや必要なくなる。車両内での水素の貯蔵は、容積および重量の理由から、高い圧力下でしか可能とならない；しかしながら、圧縮は車両内で初めて行われ、コンプレッサの、付加的に必要となる試験を、車両の、いずれにせよ必要となるテュフ（ＴＵＥＶ）検査に問題なく統合することができる。

本発明によって、複数の補給ステーションを距離的に緊密に結び付けるシステムを予め構築する必要なしに、個々の車両に対応した家庭用充填ステーションを用いて、水素自動車の支障のない使用が可能となり、長距離の走行のためには、高速道路の補給ステーションで十分となる。

家庭用充填ステーション内での水素の貯蔵には、高圧水素で作業する補給ステーションのような圧縮もしくは減圧の際のエネルギに対する手間のかかる熱マネージメントが不要となる。

さらなる利点は、本発明に係る方法もしくは本発明に係る家庭用充填システムの実施態様によって提供される。

エネルギ担体としての水素の製造および提供は、好適には、電解装置を用いた水の電気分解によって行われる。この電解装置には、少なくとも部分的にＤＣ／ＤＣコンバータを介して光起電設備から電流が供給される。このことは、ＣＯ_２ゼロモビリティに大幅に貢献することができる。これに対して補足的には、公共の送電網からの電流をＡＣ／ＤＣコンバータを介して利用することができ、これによって、光起電設備に対する条件が不利な場合でも、車両への燃料補給が確保される。

水素の局所的な貯蔵は、少なくとも部分的に金属水素化物貯蔵器において行われる。この金属水素化物貯蔵器はスペースを節約し、貯蔵器の比較的高い重量は、オンボードでの水素の貯蔵と異なり、定置の使用に対して問題とはならない。

オンボードでの水素の圧縮は、電気化学的なコンプレッサによって行われる。このコンプレッサには、補給時に低圧水素が供給され、コンプレッサ自体が高圧貯蔵器に水素を充填する。走行中には、減圧器としてのこの構成部材を介して、燃料電池に水素が低圧で供給され、この燃料電池により発生させられた電流が、車両の電気モータを駆動する。

本発明の１つの実施の形態に係る、水素自動車に燃料補給する方法の概略図である。本発明の別の実施の形態に係る、水素自動車に燃料補給する家庭用充填システムの概略図である。

図１は、本発明の根底にある方法を説明している。この方法は、局所的な設備においてエネルギ担体としての水素を製造しかつ提供するステップ（２１）で始まる。このことは、水の電気分解によって行うことができる。このために必要となる電気的なエネルギは、局所的に光起電式に発生させられてもよいし、送電網から全てまたは部分的に取り出されてもよい。

第２のステップでは、水素を局所的に低圧貯蔵するステップ（２２）が行われる。このためには、金属水素化物貯蔵器が特に適している。

十分な量の水素が貯蔵されている場合には、車両に連結しかつ燃料補給するステップ（２３）が行われる。このことは、解離可能なカップリングを有する低圧管路を介して行われる。

その後、車上で、つまり、オンボードで水素を高い圧力、たとえば７０ＭＰａ（＝７００ｂａｒ）に圧縮するステップ（２４）が行われる。このためには、たとえばＰＥＭ（プロトン交換膜；Proton Exchange Membran）ベースの水素コンプレッサが使用されてよい。

最後に、水素をオンボードで高圧貯蔵するステップ（２５）が行われる。

図２には、上述した方法ステップを実現する、水素自動車に燃料補給する家庭用充填システムの形態の本発明の実施の形態が示してある。この家庭用充填システムは、２つのユニット、つまり、
− たとえば燃料補給される車両の所有者のガレージ内に位置するかもしくは定例の場所に位置する定置のユニット（１１）と、
− オンボードの可動のユニット（１２）と
から成っている。

定置のユニット（１１）は、水素を低圧でエネルギ担体として製造する電解装置（５）を有している。この電解装置（５）によって、水が水素と酸素とに分解される。このために必要となる電流の形態のエネルギは、好適には光起電設備（１）によって得られ、一般的にＤＣ／ＤＣコンバータ（２）を介して電解装置（５）に供給される。補足的には、電解装置（５）にＡＣ／ＤＣコンバータ（２ａ）を介して送電網から電流が供給されてもよい。

電解装置（５）は、水を水素と酸素とに分解する。その際、酸素は取り除かれる。このためには、水が極めて少ない伝導性を有していなければならない。したがって、水は、システム自体において超純水処理装置（３）内で、たとえばイオン交換カートリッジまたは電気脱イオンユニットによって浄化され、その後、電解装置（５）に供給される。この場合には、この設備を水管路に直接接続することができる。択一的には、この設備が、定期的に充填されなければならない特別な脱イオン水タンク（４）を有していてもよい。

電解装置（５）により生成された水素は、金属水素化物貯蔵器として形成された低圧貯蔵器（６）内に貯蔵される。金属水素化物貯蔵器には、３ＭＰａ（＝３０ｂａｒ）未満の圧力で水素を充填することができ、また、放出することができる。したがって、電解装置（５）は、付加的な圧縮段なしに貯蔵器への充填を可能にするために、好ましくは差圧で運転されることが望ましい。電解装置により生成された酸素は取り除かれ、周辺に放出される。

車両の連結および車両への燃料補給のためには、適合する固定装置を有する解離可能な連結装置（７）を備えた低圧水素管路が使用される。連結装置は、定置のユニット（１１）に定置側の部材（７ａ）を有していて、可動のユニット（１２）、すなわち、車両に可動側の部材（７ｂ）を有している。

車両内での水素の貯蔵は、たとえば７０ＭＰａ（＝７００ｂａｒ）の高い圧力下のガスとして行われる。それというのも、車両では、金属水素化物貯蔵器の使用がその高い重量のため不可能であり、低い圧力のガス形態での貯蔵が、非実用的なほど大きな容積を必要とするからである。したがって、低圧で車両内に供給された水素が、コンプレッサ（８）内で高い圧力に圧縮されなければならず、その後、自動車基準に対応する高圧貯蔵器（９）に供給されるようになっている。

コンプレッサ（８）として、ＰＥＭ（プロトン交換膜；Proton Exchange Membran）ベースの水素コンプレッサが好適である。この水素コンプレッサは、たとえば特に小さなバッテリを介して電気的に運転される。このバッテリは、減圧による車両タンクの放圧時に再び解放されたエネルギだけでなく、制動中に制動エネルギも回生する。択一的には、車両が、燃料補給中、たとえば定置のユニット（１１）に設けられた外部の電源に接続されてもよい。

走行中には、車両の駆動のために、水素が高圧貯蔵器（９）から取り出され、燃料電池（Fuel Cell; FC）に供給される。この燃料電池は電流を電気モータ（Ｍ）のために放出する。

家庭用充填システムの実施の形態については、年間約１８０００ｋｍ、すなわち、平均して一日に５０ｋｍ走行する、燃料補給されるコンパクトクラスの乗用車（たとえばVW Golf）を前提とする。これについて、水素消費量が２５ｋＷｈ／１００ｋｍで見積もられ、１回のタンク充填に対する航続距離が７００ｋｍであるとすると、このためには、Ｈ_２５．２ｋｇに相当する１７５ｋＷｈのタンクサイズが必要となる。この場合、光起電設備による１回の完全なタンク充填のためには、平均して１４日の太陽光入射が必要となる。一日あたり平均して３時間の全負荷での太陽光入射であるとすると（一年あたり１２００時間に相当）、２回の完全な燃料補給過程の間に電解装置に対して４２時間の運転時間が得られる。効率が７５％の場合には、約３５ｍ^２の面積の光起電モジュールによって得ることができる５．３ｋＷｐの光起電設備の所要出力が算出される。

金属水素化物貯蔵システムは、典型的には、Ｈ_２１ｋｇあたり２５ｌの容積を有している。したがって、１回のタンク充填のために、１３０ｌの容積が必要となる。電解装置（５ｋＷｐスタック）は１０ｌ未満の容積を有している。１回のタンク充填のための外的な超純水として、約５０ｌが必要とされ、このために、対応するタンクが必要となる。択一的に内的に水道水が処理される場合には、１０ｌ未満の容積を有する１つのカートリッジしか必要とならない。全体として、本実施の形態によるシステムは、５０×５０×７５ｃｍ^３の寸法を有するボックス内に格納することができる。

Claims

水素自動車に燃料補給する方法であって、
局所的な設備においてエネルギ担体としての水素を製造しかつ提供するステップ（２１）と、
前記水素を局所的に低圧貯蔵するステップ（２２）と、
前記自動車に低圧水素管路を介して連結しかつ燃料補給するステップ（２３）と、
前記自動車内にある前記水素を圧縮するステップ（２４）と、
前記自動車内にある前記水素を高圧貯蔵するステップ（２５）と、
を有することを特徴とする、水素自動車に燃料補給する方法。
エネルギ担体としての水素を製造しかつ提供する前記ステップ（２１）を、電解装置（５）を用いた水の電気分解によって行う、請求項１記載の方法。
前記電解装置（５）に少なくとも部分的に光起電設備（１）から電流を供給する、請求項２記載の方法。
前記水素を局所的に貯蔵する前記ステップ（２２）を、少なくとも部分的に金属水素化物貯蔵器（６）において行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
前記自動車内にある前記水素を圧縮する前記ステップ（２４）を、電気化学的なコンプレッサ（８）において行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
水素を高圧貯蔵器（９）から燃料電池（ＦＣ）に低圧で供給し、該燃料電池（ＦＣ）により発生させられた電流によって、前記自動車の電気モータ（Ｍ）を駆動する、請求項５記載の方法。
定置のユニットと可動のユニットとから成る、水素自動車に燃料補給する家庭用充填システムであって、
前記定置のユニット（１１）は、
エネルギ担体としての水素を低圧で製造する電解装置（５）と、
水素用の低圧貯蔵器（６）と、
燃料補給の目的で前記自動車に低圧水素管路を介して連結することに適しているように構成かつ施設された連結装置（７）の定置側の部材（７ａ）と、
を有し、
前記可動のユニット（１２）は、
前記自動車に低圧水素管路を介して連結しかつ燃料補給することに適しているように構成かつ施設された連結装置（７）の可動側の部材（７ｂ）と、
コンプレッサ（８）と、
水素用の高圧貯蔵器（９）と
を有することを特徴とする、水素自動車に燃料補給する家庭用充填システム。
前記電解装置（５）を光起電設備（１）に接続することができるＤＣ／ＤＣコンバータ（２）を備える、請求項７記載の家庭用充填システム。
前記電解装置（５）を送電網に接続することができるＡＣ／ＤＣコンバータ（２ａ）を備える、請求項７または８記載の家庭用充填システム。
水素用の前記低圧貯蔵器（６）は、金属水素化物貯蔵器である、請求項７から９までのいずれか１項記載の家庭用充填システム。
前記定置のユニット（１１）は、超純水処理装置（３）を有する、請求項７から１０までのいずれか１項記載の家庭用充填システム。
前記可動のユニット（１２）の前記コンプレッサ（８）は、電気化学的なコンプレッサである、請求項７から１１までのいずれか１項記載の家庭用充填システム。