JP2021139375A

JP2021139375A - 水素充填システム

Info

Publication number: JP2021139375A
Application number: JP2020034688A
Authority: JP
Inventors: 純吉田; Jun Yoshida; 強高橋; Tsuyoshi Takahashi
Original assignee: Tokico System Solutions Co Ltd
Current assignee: Tokico System Solutions Co Ltd
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-09-16

Abstract

【課題】エネルギの消費量を少なくすることができる高圧水素ガスを燃料電池用途の燃料として燃料タンクへ充填する水素充填システムを提供すること。【解決手段】液体水素ローリ１で運ばれてきた液体水素を、そのまま貯蔵タンク２に受け入れ、貯蔵するとともに、貯蔵タンク２に貯蔵した液体水素を、高圧水素ガスにして燃料電池用途の燃料として燃料電池車９の燃料タンクへ充填する水素充填システムにおいて、貯蔵タンク２に貯蔵した液体水素を、バッチ式の加圧容器３に供給し、加圧容器３内に熱を供給することにより、加圧容器３内の水素ガスを内部昇圧させる。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術に関し、特に、高圧水素ガスを燃料電池用途の燃料として燃料タンクへ充填する水素充填システムに関するものである。

従来の水素ステーションは、例えば、図１（ａ）に示すように、燃料電池用途の燃料として、燃料電池車９の燃料タンクに対して、７０ＭＰａ程度の水素ガスを、約３分間で充填する必要があり、そのため、８２〜８７．５ＭＰａ程度の高圧水素ガスバンク（高圧水素蓄圧槽）から、ディスペンサを介して差圧充填される。
この充填の際に、燃料電池車９の燃料タンク側の温度を８５℃以下に保つため、充填する水素ガスを−４０℃に冷却するプレクーラが設けられている。通常、このプレクーラは外部の−４５℃クラスの冷凍機によって冷熱が供給されている。供給元の水素ガスは、８２〜８７．５ＭＰａ程度の高圧にする必要があることから、水素圧縮機にて低圧の水素源から順次圧縮されて高圧水素バンクへ導かれる。

ところで、このような一般的な水素ステーションへの水素燃料の供給には、図１（ｂ）に示すように、水素ガスカードルトレーラによる高圧ガスの状態で運ばれる場合と、図１（ｃ）に示すように、液体水素の形態で液体水素ローリで運ばれる２種類がある。

現状の大半は、図１（ｂ）に示す、水素ガスカードル１２による運搬方式がとられ、その運搬可能量はトレーラ１台あたり、２１０〜３６０ｋｇ程度である。この場合、水素ステーションにおいては、図２に示すように、水素ガスは低圧ガスカードルに一旦移されて、水素圧縮機を用いて高圧ガスバンクへ供給している。

一方、一部の水素ステーションでは、図１（ｃ）に示す、液体水素ローリ１で水素燃料を運ぶ方式も普及始めている。液体水素ローリで運べる量は、２，６００ｋｇ程度であり、通常の高圧ガスカードルトレーラの約１２倍の水素が１回で運び入れることができる。現在では、まだ水素ステーションの稼働率（１日あたりの充填回数）が少ないため、高圧ガスカードルトレーラ式で間に合っているが、将来１つの水素ステーションで８０台以上の燃料電池車の充填を行う場合には、１日に４００ｋｇの水素供給が必要となるため、液体水素輸送方式が運用上は圧倒的に優位であるといわれている。

液体水素受入方式の水素ステーションでは、図３に示すように、液体水素ローリで運ばれてきた液体水素は、低圧の液体水素貯槽で受け入れられるが、圧力は低圧である。水素ステーションでは、必要な量を、その都度、空温式等の蒸発器を介して常温の状態で水素圧縮機へ送り、所定の圧力に圧縮され、利用される。

そして、図２及び図３に示すように、供給元の水素ガスは高圧にする必要があることから、水素圧縮機で８２〜８７．５ＭＰａまで圧縮されるが、仮に、普通車クラスの燃料タンク１５５Ｌに３分で５ｋｇの水素を充填するのに必要な流量２３ｇ／ｓを、元圧５ＭＰａから圧縮するためには、動力として１６０ｋＷ程度を必要とする。
このように、水素ステーションにおいて、水素圧縮機の動力が最も大きく、この圧縮工程の動力を下げることが最も重要な設計観点となる。

また、図３の液体水素受入式の水素ステーションの改善案として、図４に示す、液体水素ポンプで液体水素を低温で昇圧してその寒冷を利用してプレクーラに混合器として−４０℃の８２ＭＰａの高圧水素ガスを定常的に作る方式が提案されている。
この方式は、液体水素ポンプ自体がかなりの高ヘッドになり非常に高価になる上に、バッチ的な運用が困難なことに加え、混合器での温度（エネルギ）制御が困難であるため、実用化が容易でないという問題があった。

上記の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術においては、以下の課題があった。
（１）従来の水素ステーションでは水素圧縮機やプレクール冷凍機が最も動力を消費する機器であり、この合理化が求められている。
（２）水素圧縮機は現状のような充填稼働率の低い状況では比較的小型のものがバッチ的に運転されているが、将来、充填稼働率が高くなった状況ではその容量を増大させる必要がある。その水素圧縮機は現状のような充填稼働率の低い状況で比較的小型の圧縮機がバッチ的に運転されているが、将来の充填稼働率が増えた状況では圧縮機事態の容量はさらに上げる必要がある。
（３）現状の液体水素受入式の水素ステーションでは、液体水素の冷熱が有効利用されていない。
（４）液体水素ポンプ方式では、液体水素ポンプ自体がかなりの高ヘッドになり非常に高価になる上に、バッチ的な運用が困難なことに加え、混合器での温度（エネルギ）制御が困難であるため、実用化が容易でない。積極的に低温冷熱を回収するプロセスになっていない。
（５）プレクールには外部冷凍機が用いられてきたが、このため外部エネルギや冷凍設備が必要だった。

本発明は、上記従来の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術の有する問題点に鑑み、エネルギの消費量を少なくすることができる高圧水素ガスを燃料電池用途の燃料として燃料タンクへ充填する水素充填システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の水素充填システムは、水素を液体水素として貯蔵タンクに受け入れ、貯蔵するとともに、該貯蔵タンクに貯蔵した液体水素を、高圧水素ガスにして燃料電池用途の燃料として燃料タンクへ充填する水素充填システムにおいて、前記貯蔵タンクに貯蔵した液体水素を、バッチ式の加圧容器に供給し、該加圧容器内に熱を供給することにより、加圧容器内の水素ガスを内部昇圧させるようにしたことを特徴とする。

この場合において、加圧容器内への熱の供給を、加圧容器にヘリウムガスを循環させることによって行うようにすることができる。

また、加圧容器内の水素ガスの内部昇圧で得られた寒冷熱を、ディスペンサのプレクール用の冷熱として利用するようにすることができる。

また、加圧容器内の水素ガスの内部昇圧で得られた寒冷熱を、高圧水素バンクの冷熱として利用するようにすることができる。

また、加圧容器内の水素ガスの内部昇圧で得られた水素ガスを、ディスペンサに直接供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水素充填システム。

本発明の水素充填システムによれば、貯蔵タンクに貯蔵した液体水素を、バッチ式の加圧容器に供給し、該加圧容器内に熱を供給することにより、加圧容器内の水素ガスを内部昇圧させるようにすることにより、水素圧縮機をほとんど用いることなく供給元の水素ガスを高圧（通常の水素圧縮機の吐出圧）まで高めることができるため、エネルギの消費量を少なくすることができる。

従来の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を示す説明図で、（ａ）はその概要説明図、（ｂ）は水素ガスカードルトレーラの説明図、（ｃ）は液体水素ローリの説明図である。従来の水素ガスカードルトレーラを用いた燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を示す説明図である。従来の液体水素ローリを用いた燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を示す説明図である。従来の液体水素ローリ及び液体水素ポンプを用いた燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を示す説明図である。本発明の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を用いた水素充填システムの第１実施例を示す説明図である。同実施例の加圧容器内の昇圧の状態を示す説明図である。本発明の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を用いた水素充填システムの第２実施例を示す説明図である。本発明の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を用いた水素充填システムの第３実施例を示す説明図である。本発明の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を用いた水素充填システムの第４実施例を示す説明図である。

以下、本発明の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を用いた水素充填システムの実施の形態を、図面に基づいて説明する。

図５に、本発明の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を用いた水素充填システムの第１実施例を示す。
この水素充填システムは、液体水素ローリ１で運ばれてきた液体水素を、そのまま貯蔵タンク２に受け入れ、貯蔵するとともに、貯蔵タンク２に貯蔵した液体水素を、高圧水素ガスにして燃料電池用途の燃料として燃料電池車９の燃料タンクへ充填する水素充填システムにおいて、貯蔵タンク２に貯蔵した液体水素を、バッチ式の加圧容器（例えば、容積２００Ｌ程度）３に供給し、加圧容器３内に熱を供給することにより、加圧容器３内の水素ガスを内部昇圧させるようにしている。
具体的には、液体水素は、まず、加圧容器３に貯蔵タンク２のタンク圧力程度（低圧）に充填され、その後、貯蔵タンク２側とは弁で仕切り、加圧容器３での加圧工程に入る。加圧には外部からの入熱により自己加圧を行うようにしている。
これにより、水素圧縮機６をほとんど用いることなく供給元の水素ガスを高圧（通常の水素圧縮機の吐出圧）まで高めて高圧水素ガス貯蔵タンク５に貯蔵することができるため、エネルギの消費量を少なくすることができる。

この場合において、加圧容器３内に熱を供給する方法としては、加圧容器３に液体水素を低温液体の状態で満たし、これを外部熱で加熱することで、内部の水素を気化・加圧し、水素圧縮機の動力を不要とする（又は大幅に低減する）ようにしている。
この内部昇圧式の加圧容器３は、複数台設置し、交互のバッチ運転を行う（図５には、１系統のみ記載。）ことで、高圧密閉容器に液体水素を貯槽から導入して満たし、これに外部から熱を加えることで、内部加圧を行うものである。
この内部昇圧式の加圧容器３は、容器の容量を増やすか、同時に稼働する容器を複数装備することで大容量化にも適している。

外部熱源として、本実施例においては、水素よりも液化温度が低いヘリウムガスを用いたヘリウムガス回路４を用いるようにしている。
このヘリウムガス回路４は、加圧容器３内にコイル状の熱交換器（耐圧コイル）を配し、常温のヘリウムガスをヘリウムガスブロワを用いて循環させることで、常温レベルのヘリウムガスを加圧容器３内の熱交換器に導くことにより、加圧容器３内の水素へ容器内部に熱を与えるようにしている。なお、ヘリウムガスは、低圧での液化温度が、液体水素の温度より低いため、ヘリウムガス回路４内では液化は行われない。水素よりも液化温度が低いヘリウムガスの循環回路からの入熱により液体水素を加温（加圧）する。

この水素充填システムを用いて、例えば、２００Ｌの高圧密閉容器に入れた液体水素を加熱した場合の内部昇圧の様子を、図６に示す。
この場合、約９分で水素ステーションで扱う８２ＭＰａ（Ｇ）程度まで昇圧可能であることがわかる。

さらに、本実施例においては、加圧の過程で取り出した寒冷エネルギをプレクールに利用するようにしている。
具体的には、高圧水素ガス貯蔵タンク５に貯蔵した内部昇圧された水素ガスを、プレクーラ７を介して、燃料電池車９の燃料タンクへ充填するようにしている。
プレクーラ７の熱媒には、加圧容器３で内部昇圧した水素ガスを使用し、熱媒として使用した水素ガスは、中圧水素ガス貯蔵タンク８に貯留しておき、次の液体注入、内部加圧運転に使用するようにする。
ここで、プレクーラ７の熱媒に使用する水素ガスの冷却に、ヘリウムガス回路４を用いるようにしている。これにより、高圧水素ガス貯蔵タンク５で温度低下したヘリウムガス回路４のヘリウムガスの温度を回復して冷熱を有効利用できるようにしている。ヘリウムガス回路４のヘリウムガスの温度の回復方法は、これに限られるものではなく、冷熱を利用する回路であれば何等制限はない。また、大気との熱交換によって、ヘリウムガス回路４のヘリウムガスの温度を回復することもできる。
また、加圧容器３での加圧工程において、加圧容器３の内圧が中圧（２０ＭＰａ程度）以下の時点では、直接、中圧水素ガス貯蔵タンク８から中圧の水素ガスを吹き込むことができるようにしている。中圧水素ガス貯蔵タンク８から常温の中圧の水素ガスを吹き込むことにより、加圧容器３の水素ガスを加圧昇圧できる。０．２ＭＰａから２０ＭＰａ程度までの初期加圧はこの直接吹き込みが有効であり、加圧容器３の内圧が中圧（２０ＭＰａ）程度になった後は、ヘリウムガス回路４での入熱を実施すれば、より効果的である。

このようにして、加圧容器３で内部昇圧された水素ガスは、高圧水素ガス貯蔵タンク５を介して、あるいは、そのまま高圧水素ガス貯蔵タンク５を介することなく、燃料電池車９の燃料タンクへ充填する充填ガスとして用いることができ、水素圧縮機６の運転を不要又は大幅に低減することができる。
また、高圧水素ガス貯蔵タンク５に充填され、均圧された後は、水素圧縮機６を用いて、再加圧、充填することも可能であると同時に、水素圧縮機６を起動して昇圧補助を行うことができる回路としている。
そして、最終的に、需要側（燃料電池車９の燃料タンク又は高圧水素ガス貯蔵タンク５）と平衡圧に達した後の加圧容器３の残圧分は、次の貯蔵タンク２からの充填が可能な圧力まで、水素圧縮機６の吸入側（低圧水素ガス貯蔵タンク６１）に排出し、次の液体注入、内部加圧運転の準備を行う。

また、加圧容器３で内部昇圧された水素ガスの温度が−８０℃近辺である場合には、プレクールの要件を満たすことから、プレクーラ７の熱媒として用いた水素ガスを、ディスペンサ（吐出システム）１０においてそのまま水素ガスに混合することで、直接充填することも可能である（これらから、少なくともプレクーラ７の冷凍機は不要になる。）。

図７に、本発明の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を用いた水素充填システムの第２実施例を示す。
本実施例においては、第１実施例の水素充填システムに加えて、加圧容器内の水素ガスの内部昇圧で得られた寒冷熱を、高圧水素バンクの冷熱として利用するようにしている。
本実施例においては、加圧容器３での加圧工程、すなわち、外部からの入熱による自己加圧を行う際に、複数の熱源により加圧可能としている。
この熱源としては、上記第１実施例の水素充填システムと同様、ヘリウムガス回路４を用いているが、加圧容器３で温度が低下したヘリウムガスの温度を、種々の方法で回復させて、冷熱を有効利用できるようにしている。
すなわち、本実施例においては、高圧水素ガス貯蔵タンク５及びプレクーラ７で冷熱を利用することにより、ヘリウムガス回路４のヘリウムガスの温度を直接的に回復するようにしている。
このようなプロセスでは、最終的に燃料電池車９の燃料タンクの圧力レベルにより、使い分けることも可能となる。
さらに、本実施例のように、ヘリウムガスをプレクーラ７で温度回復させる回路がある場合には、ヘリウムガスの温度が、非常に低温（例えば、４０〜８０Ｋ）であるため、従来のプレクール冷媒（２２５Ｋ）よりも低いことから、燃料電池車９の燃料タンクへ充填する水素ガスの温度はより容易に安全温度（２３０Ｋ程度）にすることができる。これは、より多くの水素ガスの充填を可能にするため、燃料電池車９の燃料タンクへの充填時間を短縮化することも可能になるという利点をもたらす。
ここで、本実施例においては、中圧水素ガス貯蔵タンク８の元圧が燃料電池車９の燃料タンクの圧力よりも高いときは、中圧水素ガス貯蔵タンク８から水素ガスを燃料電池車９の燃料タンクに供給するようにし、逆に、低いときは、各運用パターンに合わせて、中圧水素ガス貯蔵タンク８の圧力を高圧水素ガス貯蔵タンク５の水素ガスによって加圧する回路を設けるようにしている。
なお、本実施例のその他の構成及び作用は、上記第１実施例の水素充填システムと同様である。

図８に、本発明の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を用いた水素充填システムの第３実施例を示す。
本実施例においては、上記第１及び第２実施例の水素充填システムの動力（消費エネルギ）をさらに軽減するため、小揚程の液体水素ポンプ１１を組み込んで、第１及び第２実施例の水素充填システムより高い初期圧力で加圧容器３における内部加圧を行うことができるようにしている。
また、プレクーラ７の交換器の寒冷源として、加圧容器３で発生した低温の水素ガスを用いるようにしている。
さらに、加圧容器３に対する入熱の熱源に、中圧水素ガス貯蔵タンク８から中圧から高圧（４０〜８０ＭＰａ）の水素ガスを導入することで、加圧容器３においてプレクールを行い、ディスペンサ（吐出システム）１０において、燃料電池車９の燃料タンク側へ直接充填する回路を設けるようにしている。これは、燃料電池車９の燃料タンクへ供給される水素ガスの全量を加圧容器３において冷却すると、当然ながら温度が降下し過ぎるため、より温度の高い水素ガスと合流混合させて適切な温度の水素ガスとして燃料電池車９の燃料タンク側へ水素ガスを充填できるシステムとしている。
なお、本実施例のその他の構成及び作用は、上記第１及び第２実施例の水素充填システムと同様である。

図９に、本発明の燃料電池車等への水素燃料を充填する水素ステーションの熱プロセス技術を用いた水素充填システムの第４実施例を示す。
本実施例においては、上記第３実施例の水素充填システムのヘリウムガス回路４及び液体水素ポンプ１１を省略し、簡単な構造で、加圧容器３における内部加圧を行うことができるようにしている。
具体的には、プレクーラ７の交換器の寒冷源として、加圧容器３で発生した低温の水素ガスを用いるようにしている。
また、加圧容器３に対する入熱の熱源に、中圧水素ガス貯蔵タンク８から中圧から高圧（４０〜８０ＭＰａ）の水素ガスを導入することで、加圧容器３においてプレクールを行い、ディスペンサ（吐出システム）１０において、燃料電池車９の燃料タンク側へ直接充填する回路を設けるようにしている。
以下、本実施例の加圧容器３での加圧工程について説明する。
貯蔵タンク２に貯蔵した液体水素を、加圧容器３に供給、充填する。
中圧水素ガス貯蔵タンク８から中圧から高圧（４０〜８０ＭＰａ）の水素ガスを導入することで、加圧容器３においてプレクールを行い、加温、加圧を開始する。
・段階１（ＰＴ低圧時）：ＰＴ＜Ｐ１＜Ｐ２ＴＩＣ−１Ｂから低温の水素ガスを混合させて、ＴＩＣ−１Ａから充填する。
・段階２（ＰＴ中圧時）：Ｐ２＜ＰＴ＜Ｐ１ＴＩＣ−１Ｂから低温の水素ガスを混合させて、ＴＩＣ−１Ａから充填する（混合量は低下していく。）。
高圧水素ガス貯蔵タンクからの水素ガスで、加圧容器３の加温、加圧を開始する。
・段階３（ＰＴ中圧時）：Ｐ２＜Ｐ１＜ＰＴＴＩＣ−１Ｃから低温の水素ガスを混合させて、ＴＩＣ−１Ａから充填する。このときに、ＰＴ＜Ｐ１となれば、ＴＩＣ−１Ｂも併用する。
ＰＴ充填完了後、Ｐ１の残圧をＰａｂｃやＰ２、Ｐ１へ回収する。
なお、本実施例のその他の構成及び作用は、上記第３実施例の水素充填システムと同様である。

以上、本発明の水素充填システムについて、複数の実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、各実施例に記載した構成を適宜組み合わせる等、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明の水素充填システムは、水素圧縮機をほとんど用いることなく供給元の水素ガスを高圧（通常の水素圧縮機の吐出圧）まで高めることでエネルギの消費量を少なくすることができる高圧水素ガスを燃料電池用途の燃料として燃料タンクへ充填する水素充填システムという特性を有していることから、高圧水素ガスを燃料電池用途の燃料として燃料タンクへ充填する水素充填システムの用途に好適に用いることができる。

１液体水素ローリ
２貯蔵タンク
３加圧容器
４ヘリウムガス回路
５高圧水素ガス貯蔵タンク
６水素圧縮機
６１低圧水素ガス貯蔵タンク
７プレクーラ
８中圧水素ガス貯蔵タンク
９燃料電池車
１０ディスペンサ（吐出システム）
１１液体水素ポンプ
１２水素ガスカードル

Claims

水素を液体水素として貯蔵タンクに受け入れ、貯蔵するとともに、該貯蔵タンクに貯蔵した液体水素を、高圧水素ガスにして燃料電池用途の燃料として燃料タンクへ充填する水素充填システムにおいて、前記貯蔵タンクに貯蔵した液体水素を、バッチ式の加圧容器に供給し、該加圧容器内に熱を供給することにより、加圧容器内の水素ガスを内部昇圧させるようにしたことを特徴とする水素充填システム。
加圧容器内への熱の供給を、加圧容器にヘリウムガスを循環させることによって行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水素充填システム。
加圧容器内の水素ガスの内部昇圧で得られた寒冷熱を、ディスペンサのプレクール用の冷熱として利用するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水素充填システム。
加圧容器内の水素ガスの内部昇圧で得られた寒冷熱を、高圧水素バンクの冷熱として利用するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水素充填システム。
加圧容器内の水素ガスの内部昇圧で得られた水素ガスを、ディスペンサに直接供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水素充填システム。