JP2021119525A

JP2021119525A - 水素流量制御装置

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Publication number: JP2021119525A
Application number: JP2021078548A
Authority: JP
Inventors: 訓範津田; Kuninori Tsuda
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2021-08-12
Also published as: JP2022171698A; JP2018120281A; JP2024053122A

Abstract

【課題】水素ガスの流量を適切な量に制御するとともに、異常を検知した場合に水素ガスの供給を停止することが可能な、水素流量制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】水素ガス供給路と、水素ガス供給路における水素ガスの流量を検知する流量検知手段と、水素ガス供給路に設置され、水素ガスの流量の調整が可能な流量調整手段と、水素ガス供給路に設置され、水素ガスの供給の閉止が可能な開閉弁と、流量調整手段による水素ガスの流量の調整、及び、開閉弁の開閉を制御する制御手段とを備えた水素流量制御装置。【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスを安全に無駄なく供給するための水素流量制御装置に関する。

近年、水素ガスを活用した燃料電池や発電システムなどの開発が進んでいる。例えば、水素ガスを充填したガスボンベ等から燃料電池やエンジンへ水素ガスを供給し、発電することが行われている。このような場合に、電力の需要量に応じて、適正な量の水素ガスを供給することが求められる。また、燃料電池や発電システムに異常等が発生した場合に、水素ガスが過剰に供給されると、事故につながるおそれがあり、緊急時に、確実に水素の供給を停止することが求められる。

本発明は、水素ガスの流量を適切な量に制御するとともに、異常を検知した場合に水素ガスの供給を停止することが可能な、水素流量制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、以下により達成することができる。

［１］水素ガス供給路と、水素ガス供給路における水素ガスの流量を検知する流量検知手段と、水素ガス供給路に設置され、水素ガスの流量の調整が可能な流量調整手段と、水素ガス供給路に設置され、水素ガスの供給の閉止が可能な開閉弁と、流量調整手段による水素ガスの流量の調整、及び、開閉弁の開閉を制御する制御手段とを備えた水素流量制御装置。

［２］さらに、計時手段とを備え、制御手段が、時間に応じて、水素ガスの流量を調整するように流量調整手段を制御する、前記［１］の水素流量制御装置。

［３］水素ガス供給路から水素ガスの供給を受ける水素ガス供給先において水素を用いて発電を行う場合に、制御手段が、発電された電力の使用量に応じて、水素ガスの流量を調整するように流量調整手段を制御する、前記［１］または［２］の水素流量制御装置。

［４］制御手段が、水素ガス供給路から水素ガスの供給を受ける水素ガス供給先からの警告信号を受信した場合に、水素ガスの供給を閉止するように開閉弁を制御する、前記［１］〜［３］のいずれかの水素流量制御装置。

本発明にかかる水素流量制御装置によれば、水素ガスの流量を適切な量に制御するとともに、異常を検知した場合に水素ガスの供給を停止することができる。

本発明にかかる水素流量制御システムの構成の一例を示すブロック図である。本発明にかかる水素流量制御装置の側面方向から視た断面図の一例を表す図である。本発明にかかる水素ガスの流量制御処理のフローチャートの一例を表す図である。本発明にかかる水素ガスの流量制御処理のフローチャートの一例を表す図である。本発明にかかる発電システムの構成の一例を示すブロック図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明するが、本発明は図面及び実施形態に限定されるものではない。

以下、水素流量制御装置について、説明をする。水素流量制御装置は、水素ガス流量計と開閉弁を制御し、燃料電池やエンジンなどの水素ガスの供給先に適切な圧力の水素ガスを供給することができる。図１は、本発明の実施の形態にかかる水素流量制御装置の一例を表す図である。水素流量制御装置１は、水素ガス供給路２、制御部３、水素ガス流量計４及び開閉弁５から構成される。

水素ガスは、複数の水素ガスボンベを有するカードル６ａ〜６ｃから、水素ガス供給路２ａ〜２ｃに供給される。水素ガス供給路２ａ〜２ｃのそれぞれには、水素ガス流量計４ａ〜４ｃと、開閉弁５ａ〜５ｃが設けられている。水素ガス流量計４は、開閉弁５よりも水素ガスの供給もとであるカードル側に設置され、開閉弁５が水素ガス供給先７側に設置されていることが好ましい。

水素ガス流量計４ａ〜４ｃと、開閉弁５ａ〜５ｃを通過した水素ガスは、それぞれ、水素ガス供給先７ａ〜７ｃに供給される。水素ガス供給先７は、水素ガスを使用する設備であれば特に限定されないが、例えば、燃料電池や、エンジンと発電機を備えた発電システムなどがあげられる。また、水素ガス供給先７は、同じ用途ではなく、異なる用途であってもよい。例えば、水素ガス供給先７ａが燃料電池であり、水素ガス供給先７ｂ、７ｃが発電システムであってもよい。

また、図１では、１つの水素ガス供給路２に対して、１つの開閉弁５が対応して設けられていたが、例えば、水素ガス供給路２ａと２ｂが、水素ガス流量計４ａと４ｂの先で連結され、さらにその先に１つの開閉弁５が設置されるような構成としてもよい。

制御部３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、通信インターフェイスなどから構成される。制御部３は、格納された所定のプログラムを実行し、水素ガス流量計４及び開閉弁５の制御を実行する。制御部３は、通信インターフェイスを介して、水素ガス流量計４及び開閉弁５と有線又は無線により通信接続されており、相互に情報を送受信しながら、水素ガス流量計４及び開閉弁５の制御を行う。また、制御部３は時間を計時する内部タイマを備えている。ＲＡＭは、ＣＰＵのワークエリアである。ＨＤＤは、プログラムやデータを保存するための記憶領域である。また、制御部３は、コントロールパネルにより手動で操作することも可能である。

制御部３は、水素ガス流量計４ａ〜４ｃのそれぞれを制御することで、水素ガス供給路２ａ〜２ｃの水素ガスの流量を調整することができる。例えば、制御部３は、内部タイマにより計時した時間に応じて、水素ガスの流量を調整する。例えば、深夜など、所定の時間帯は、他の時間帯よりも、水素ガスの流量を低く抑えて、水素ガスの供給量を少なくすることができる。この場合、水素ガスの流量の上限値は、時間帯ごとに、所定の値が定められている。この場合、水素ガス供給路２ごとに、その流量の設定は異なるものとすることができる。例えば、水素ガス流量計４ａは、８時００分〜１９時５９分と、２０時００分〜翌７時５９分とで、水素ガスの流量を異なるものとして設定し、水素ガス流量計４ｂは、７時００分〜２１時５９分と、２２時００分〜翌６時５９分とで、水素ガスの流量を異なるものとして設定することができる。

また、季節単位で、水素ガスの流量を調整することも可能である。例えば、電力の使用量が多くなる季節（例えば、夏場など）は、燃料電池やエンジンへの水素ガスの供給量を多くし、電力の使用量が少なくなる季節は、水素ガスの供給量を少なくするなどの制御を行うことができる。

このように、時間帯や季節に応じて水素ガスの供給量を調整することで、水素ガスが必要以上に消費されるといったことを防ぐことができる。

制御部３は、水素ガス供給路から水素ガスの供給を受ける水素ガス供給先において水素を用いて発電を行う場合に、発電された電力の使用量に応じて、水素ガスの流量を調整することも可能である。例えば、工場や病院などの事業設備に、本発明にかかる、水素流量制御装置を含む発電システムを導入したような場合に、事業設備において使用される単位時間当たりの電力量に応じて、水素ガスの流量を調整することができる。

この場合、制御部３は、事業設備と通信により接続されており、該単位時間当たりの電力量に関する情報をリアルタイム或いは所定の時間ごとに受信する。事業設備において使用される単位時間当たりの電力量が少なければ、それにあわせて、水素ガスの供給量が少なくなるように、水素ガス流量計４を制御し、単位時間当たりの電力量が多くなれば、それにあわせて、水素ガスの供給量が多くなるように、水素ガス流量計４を制御する。

制御部３は、水素ガス流量計４をそれぞれ別々に制御することができ、例えば、水素ガス供給先７ａと水素ガス供給先７ｂとで、水素ガスの使用量が異なる場合、水素ガス供給路２ａと、水素ガス供給路２ｃの水素ガスの流量も異なるものとなるように、水素ガス流量計４ａと４ｂを制御することができる。

このように、水素ガス供給先７における水素ガスの使用量に応じて水素ガスの供給量を調整することで、水素ガスが必要以上に消費されるといったことを防ぐことができる。

制御部３は、水素ガス供給先７から警告信号を受信した場合、水素ガスの供給を閉止するように開閉弁５を制御することもできる。例えば、燃料電池などで、何らかの異常が発生したような場合に、警告信号が燃料電池から制御部３へ発信される。制御部３にて警告信号を受信すると、開閉弁５を閉止するよう制御することで、燃料電池への水素ガスの供給を止め、危険を回避することができる。

その他、例えば、エンジンを利用した発電機において水素を使用するような場合、エンジンの温度や回転数が所定の範囲外となった場合などに異常が発生したとみなし、エンジン及び発電機を備える発電システムから制御部３へと、警告信号が発信されるような構成とすることもできる。制御部３にて警告信号を受信すると、開閉弁５を閉止するよう制御することで、エンジンへの水素ガスの供給が停止される。

制御部３は、開閉弁５ａ〜５ｃについて、それぞれ個別に制御することができる。例えば、水素ガス供給先７ａから警告信号が発信された場合、水素ガス供給先７ａに対応する水素ガス供給路２ａに設置された開閉弁５ａのみを閉止することができる。

また、制御部３は、水素ガス供給先７のメンテナンス時や水素ガスボンベの交換時に、開閉弁５を閉止するよう制御することもできる。この場合、制御部３に接続されたコントロールパネルを操作することにより、開閉弁５を閉止するように制御する。

また、カードル６の水素ガスボンベが空になった場合は、水素ガス流量計４で、水素ガスの供給量（圧力）が低くなったことを検知し、制御部３へ通知される。制御部３は、水素ガスの供給量が低くなったことが通知されると、開閉弁５を閉止することで、水素ガス供給先７への水素ガスの供給を停止する。水素ガスボンベが新たなものと交換されれば、開閉弁５を制御して、水素ガスの供給が再開される。

なお、図１では、水素流量制御装置１に、複数の水素ガス供給路２を設け、水素ガス供給路２のそれぞれに水素ガス流量計４及び開閉弁５を設ける構成としたが、水素流量制御装置１に設ける水素ガス供給路２の数は、特に限定されない。したがって、制御部３は、１つの水素ガス供給路２に設置された、１つの水素ガス流量計４及び開閉弁５を制御するような構成とすることもできる。

水素ガス流量計４は、水素ガス供給路における水素ガスの流量を検知する機能と、水素ガスの流量を調整する機能を有している。水素ガス流量計４は、１０．０ＭＰａ以上の圧力で水素ガスボンベに充填された水素ガスを、燃料電池やエンジンなどの水素ガス供給先７で使用するのに最適な圧力に減圧するとともに、水素ガス供給先７に供給する水素ガスの流量を、適切な流量に調整する。水素ガス流量計４と制御部３は通信接続されており、検知した水素ガスの流量などの情報を制御部３に送信するとともに、制御部３から流量を制御するための信号を受信する。

開閉弁５は、水素ガスの供給と停止（遮断）を行う部品で、内蔵された電磁弁にて制御を行う。水素ガス供給先７にて何らかの異常が発生した場合に、制御部３が水素ガス供給先７から警告信号を受信すると、開閉弁５が閉止される。また、水素流量制御装置１や水素ガス供給先７のメンテナンス時、水素ガスボンベの交換時などに、開閉弁５を閉じることにより、外部に水素ガスが流出するのを防ぐことができる。

図２は、本発明にかかる水素流量制御装置の側面方向から視た断面図の一例を表す図である。水素流量制御装置１は、制御部３を内蔵したケースの上面に、水素ガス流量計４と開閉弁５、水素流量制御装置１内へ水素ガスを供給するためのバルブ８、水素ガス供給先７へ水素を供給するためのバルブ９を搭載したユニットが設計されている。水素ガスボンベから供給された水素ガスは、バルブ８を介して水素ガス供給路内２へ供給され、水素ガス流量計４を通過する。水素ガス流量計４を通過した水素ガスは、開閉弁５を通過して、バルブ９から水素ガス供給先７へ供給される。燃料電池やエンジンなど水素ガス供給先７への供給量に応じて水素ガス流量が変動するため、水素流量制御装置１の筐体のサイズは、水素ガスの供給量に応じて、その都度、設計することが好ましい。

水素の供給元としては、複数の水素ガスボンベを搭載したカードル式を採用することができる。カードル６は、複数の水素ガスボンベを連結管で接続したものである。カードル６を用いることで、フォークリフトなどで輸送することができ、また、より多くの水素ガスを一度に運ぶことができる。カードル６内の水素ガスボンベは、連結管により結合されており、一つの配管として外部と接続できる構造を有している。

次に、上で述べた、時間に応じて水素ガスの流量を調整する場合における、水素ガスの流量制御処理について説明する。図３は、制御部における水素ガスの流量制御処理についてのフローチャートの一例を表す図である。

まず、水素ガスの流量変更の開始時間となったか否かが判定される（ステップＳ１）。水素ガスの流量変更の開始時間になったと判定された場合は（ステップＳ１においてＹＥＳ）、制御部３から水素ガス流量計４へ水素ガスの流量の調整を要求する信号が発信される（ステップＳ２）。水素ガス流量計４にて信号を受信すると、水素ガスの流量が所定の値となるように調整される。水素ガスの流量が調整されると、ステップＳ１へ戻り、一連の処理が繰り返される。

一方、水素ガスの流量変更の開始時間になっていないと判定された場合は（ステップＳ１においてＮＯ）、水素ガスの流量変更の終了時間となったか否かが判定される（ステップＳ３）。水素ガスの流量変更の終了時間になったと判定された場合は（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御部３から水素ガス流量計４へ水素ガスの流量を変更前に戻すように要求する信号が発信される（ステップＳ４）。水素ガスの流量が変更前に戻されると、ステップＳ１へ戻り、一連の処理が繰り返される。水素ガスの流量変更の終了時間になったと判定された場合は（ステップＳ３においてＮＯ）、ステップＳ１へ戻り、一連の処理が繰り返される。

次に、上で述べた、発電された電力の使用量に応じて、水素ガスの流量を調整する場合における、水素ガスの流量制御処理について説明する。図４は、制御部における水素ガスの流量制御処理についてのフローチャートの一例を表す図である。

まず、対象となる事業設備における単位時間当たりの電力量に関する情報を、盛業部３において事業設備から受信する（ステップＳ１１）。次に、受信した電力量に応じた水素ガスの流量を算定する（ステップＳ１２）。算定した流量に応じて、制御部３から水素ガス流量計４へ水素ガスの流量の調整を要求する信号が発信される（ステップＳ１３）。ステップＳ１１〜Ｓ１３の一連の処理が、繰り返し実行される。

次に、本発明の水素流量制御装置を適用した発電システムについて説明をする。図５は、本発明にかかる発電システムの構成の一例を示すブロック図である。発電システムは、水素流量制御装置１、カードル６、発電機ユニット１０及び電力合成器１６を備える。カードル６には、発電機ユニット１０の燃料として水素流量制御装置１に供給される水素ガスが封入されている。

水素流量制御装置１内の制御部３、カードル６の交換時に、開閉弁５を閉止するよう制御することができる。水素流量制御装置１は、複数のカードル６と接続しているため、カードル６ａを交換している間も、カードル６ｂ〜６ｄによって水素ガスを水素流量制御装置１に供給できる。そのため、カードル６の交換中も、電力を継続的に供給することができる。水素流量制御装置１は、発電機ユニット１０に対して、適切なタイミングで適切な量の水素ガスを供給する。

発電機ユニット１０は、エンジン１１、発電機１２、整流器１３、バッテリー１４、又はインバータ１５によって構成される。発電機ユニット１０は発電システム内に複数設けられているため、発電機ユニット１０ａをメンテナンスしているときでも、発電機ユニット１０ｂ及び１０ｃを稼働して、電力供給を継続的に行うことができる。また、発電機ユニット１０ａをメンテナンスしているときに、商用電源を補助的に活用して電力供給を行ってもよい。この場合、水素流量制御装置１内の制御部３は、稼動している発電機ユニットの数に応じて、水素ガスの流量を調整することができる。

エンジン１１では、水素流量制御装置１から供給された水素ガスが燃焼され、ピストンが運動する。エンジン１１の温度や回転数が所定の範囲外となった場合、発電機ユニット１０から水素流量制御装置１内の制御部へ警告信号が発信され、開閉弁が制御されることにより、発電機ユニット１０への水素ガスの供給が停止される。

発電機１２では、エンジン１１におけるピストンによって得られた運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。発電機１２においても、アース線を設けたり、火花が散らないようにしたりするなど、防爆処理を施しておくことが望ましい。

整流器１３は、発電機１２から出力された交流電力を直流電力に整流し、整流した直流電力をバッテリー１４又はインバータ１５に出力する。バッテリー１４は、整流器１３から出力された直流電力を蓄電する。蓄電された電力は、発電機１２における発電量が低下した場合などに、必要に応じてインバータ１５に出力される。

インバータ１５は、整流器１３又はバッテリー１４から出力された直流電力を交流電力に変換する。インバータ１５は発電機ユニット１０のそれぞれに設けられており、それぞれのインバータ１５が１つの電力合成器１６に連結されている。電力合成器１６は、複数のインバータ１５から出力される交流電力を１つの電力に合成する。

電力合成を行うためには、複数のインバータ１５のうちの１つをマスターインバータ１５ａ、それ以外をスレーブインバータ１５ｂ及び１５ｃとして予め任意に選別し、スレーブインバータ１５ｂ及び１５ｃから出力される交流電力の位相を、マスターインバータ１５ａから出力される交流電力の位相と一致させるように制御する。このように電力合成が行われることにより、複数の発電機ユニット１０でそれぞれ発電された交流電力が、互いに打ち消しあうことなく合成され、発電した電力の損失を抑えることができるようになる。

１水素流量制御装置
２水素ガス供給路
３制御部
４水素ガス流量計
５開閉弁
６カードル
７水素ガス供給先
８バルブ
９バルブ
１０発電機ユニット
１１エンジン
１２発電機
１３整流器
１４バッテリー
１５インバータ
１６電力合成器

Claims

水素ガス供給路と、
水素ガス供給路における水素ガスの流量を検知する流量検知手段と、
水素ガス供給路に設置され、水素ガスの流量の調整が可能な流量調整手段と、
水素ガス供給路に設置され、水素ガスの供給の閉止が可能な開閉弁と、
流量調整手段による水素ガスの流量の調整、及び、開閉弁の開閉を制御する制御手段と
を備えた水素流量制御装置。
さらに、計時手段と
を備え、
制御手段が、時間に応じて、水素ガスの流量を調整するように流量調整手段を制御する、
請求項１に記載の水素流量制御装置。
水素ガス供給路から水素ガスの供給を受ける水素ガス供給先において水素を用いて発電を行う場合に、制御手段が、発電された電力の使用量に応じて、水素ガスの流量を調整するように流量調整手段を制御する、請求項１または２に記載の水素流量制御装置。
制御手段が、水素ガス供給路から水素ガスの供給を受ける水素ガス供給先からの警告信号を受信した場合に、水素ガスの供給を閉止するように開閉弁を制御する、請求項１〜３のいずれかに記載の水素流量制御装置。