JP3202009B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体水素を用いて
燃料電池に水素ガスを供給するシステムに関し、特に不
使用期間における液体燃料の減量を抑制することができ
る車載用燃料電池システムに関する。
燃料電池に水素ガスを供給するシステムに関し、特に不
使用期間における液体燃料の減量を抑制することができ
る車載用燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、理論的には熱エンジンより
効率がよく、大気汚染を伴わないので都市の電力源とし
てばかりでなく自動車用動力源として期待されている。
自動車用燃料電池に水素を供給する車載用水素容器とし
ては、高圧ボンベや水素吸蔵金属を利用した容器がある
が容量や重量に問題があり、水素を液体水素として貯蔵
するタンクを利用することが好ましい。
効率がよく、大気汚染を伴わないので都市の電力源とし
てばかりでなく自動車用動力源として期待されている。
自動車用燃料電池に水素を供給する車載用水素容器とし
ては、高圧ボンベや水素吸蔵金属を利用した容器がある
が容量や重量に問題があり、水素を液体水素として貯蔵
するタンクを利用することが好ましい。
【０００３】しかし、液体水素は沸点が低いので、僅か
な熱が外部から液体水素タンクに流入しただけで水素が
タンク内で蒸発し、発生した水素ガスは安全のため大気
に放出しなければならない。したがって、液体水素タン
クを車両に搭載して利用する場合には、燃料電池システ
ムが停止している期間中に起こる水素の自然蒸発が問題
となる。たとえば１日当たり容量の１％が蒸発するもの
では、運転をしなくても１００日間でタンクは空になる
勘定になる。
な熱が外部から液体水素タンクに流入しただけで水素が
タンク内で蒸発し、発生した水素ガスは安全のため大気
に放出しなければならない。したがって、液体水素タン
クを車両に搭載して利用する場合には、燃料電池システ
ムが停止している期間中に起こる水素の自然蒸発が問題
となる。たとえば１日当たり容量の１％が蒸発するもの
では、運転をしなくても１００日間でタンクは空になる
勘定になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明が解決し
ようとする課題は、液体燃料タンク内の蒸発を抑制する
燃料電池システムを提供することで、特にエンジンを使
用しない期間においても効率よく燃料の逃散を防止する
液体水素を用いた車載用燃料電池システムを提供するこ
とである。
ようとする課題は、液体燃料タンク内の蒸発を抑制する
燃料電池システムを提供することで、特にエンジンを使
用しない期間においても効率よく燃料の逃散を防止する
液体水素を用いた車載用燃料電池システムを提供するこ
とである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と液体水素
タンクを備え、液体水素タンクに冷凍機を備えてそのコ
ールドヘッドをタンクの気相部に取付け、タンクの気相
部から燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス配管と調
節弁を備えて、燃料電池で発生する電力で冷凍機を稼働
させて液体水素タンク内を冷却し、液体水素の蒸発を抑
制することを特徴とする。タンクに貯蔵した液体水素を
燃料源とする燃料電池システムでは、特に燃料電池が停
止している期間中に蒸発する水素の取り扱いが問題とな
る。本発明の燃料電池システムは、従来は大気に放散し
ていた水素ガスの一部を燃料電池に供給し発生電力で冷
凍機を作動させて、タンク内の温度を低下させて自然蒸
発量を低減することにより、燃料電池の停止期間中に貯
蔵した水素が蒸発して減少する量を抑制することができ
る。
め、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と液体水素
タンクを備え、液体水素タンクに冷凍機を備えてそのコ
ールドヘッドをタンクの気相部に取付け、タンクの気相
部から燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス配管と調
節弁を備えて、燃料電池で発生する電力で冷凍機を稼働
させて液体水素タンク内を冷却し、液体水素の蒸発を抑
制することを特徴とする。タンクに貯蔵した液体水素を
燃料源とする燃料電池システムでは、特に燃料電池が停
止している期間中に蒸発する水素の取り扱いが問題とな
る。本発明の燃料電池システムは、従来は大気に放散し
ていた水素ガスの一部を燃料電池に供給し発生電力で冷
凍機を作動させて、タンク内の温度を低下させて自然蒸
発量を低減することにより、燃料電池の停止期間中に貯
蔵した水素が蒸発して減少する量を抑制することができ
る。
【０００６】本発明の燃料電池システムは、小型の副燃
料電池をさらに備えて、主燃料電池が稼働していないと
きに副燃料電池に前記タンク気相部から水素ガスを供給
して発電した電力で冷凍機を運転するようにすることを
特徴とする。このような副燃料電池を用いることによ
り、車両の駆動用モータなど主要機器を停止したときに
大型の主燃料電池を運転しなくても、冷凍に必要な小容
量の副燃料電池を稼働させるだけでタンク内の水素蒸発
を抑制することができるので、不稼働期間における蒸散
防止に効果がある。また、液体水素タンクには液相部と
気相部を繋ぎ中間にヒータおよび圧力調節弁を備えた配
管を設けて、タンク内の圧力を調整するようにすること
が好ましい。タンク内圧力は、水素の蒸発温度を規定す
る。たとえば0.1MPaから0.5MPaに圧力上昇すると、飽和
温度は20Kから25Kに上昇する。冷凍機の冷却能力は冷凍
容量よりも冷凍温度に影響されるので、圧力を高めに調
整することにより冷却効果を向上させることができる。
料電池をさらに備えて、主燃料電池が稼働していないと
きに副燃料電池に前記タンク気相部から水素ガスを供給
して発電した電力で冷凍機を運転するようにすることを
特徴とする。このような副燃料電池を用いることによ
り、車両の駆動用モータなど主要機器を停止したときに
大型の主燃料電池を運転しなくても、冷凍に必要な小容
量の副燃料電池を稼働させるだけでタンク内の水素蒸発
を抑制することができるので、不稼働期間における蒸散
防止に効果がある。また、液体水素タンクには液相部と
気相部を繋ぎ中間にヒータおよび圧力調節弁を備えた配
管を設けて、タンク内の圧力を調整するようにすること
が好ましい。タンク内圧力は、水素の蒸発温度を規定す
る。たとえば0.1MPaから0.5MPaに圧力上昇すると、飽和
温度は20Kから25Kに上昇する。冷凍機の冷却能力は冷凍
容量よりも冷凍温度に影響されるので、圧力を高めに調
整することにより冷却効果を向上させることができる。
【０００７】さらに、水素ガス配管には酸化触媒を備え
た水素処理装置を切替弁を介して接続し、外部に放出す
る水素ガスを酸化させてから放出するようにしてもよ
い。白金など酸化触媒を使用して大気から取り込んだ空
気により水素を酸化し、水あるいは水蒸気にしてから大
気放散すれば、水素に起因する危険が全くなくなり安全
である。したがって、タンク内圧力を減少させるためタ
ンク内気相ガスを大気に放出する必要がある場合など、
切替弁で水素処理装置に送り込んで酸化させてから大気
放散するようにすることができる。水素処理装置の排気
はクリーンなので環境を汚染することがない。なお、水
素と空気の混合条件と触媒の温度条件は蒸発ガス量で決
められる。また、酸化反応により若干の発熱が見られる
が、この熱は燃料電池始動時における液体水素のガス化
に利用することができる。
た水素処理装置を切替弁を介して接続し、外部に放出す
る水素ガスを酸化させてから放出するようにしてもよ
い。白金など酸化触媒を使用して大気から取り込んだ空
気により水素を酸化し、水あるいは水蒸気にしてから大
気放散すれば、水素に起因する危険が全くなくなり安全
である。したがって、タンク内圧力を減少させるためタ
ンク内気相ガスを大気に放出する必要がある場合など、
切替弁で水素処理装置に送り込んで酸化させてから大気
放散するようにすることができる。水素処理装置の排気
はクリーンなので環境を汚染することがない。なお、水
素と空気の混合条件と触媒の温度条件は蒸発ガス量で決
められる。また、酸化反応により若干の発熱が見られる
が、この熱は燃料電池始動時における液体水素のガス化
に利用することができる。
【０００８】なお、液体水素タンクの液相部と燃料電池
の間に設けられる主供給配管に熱交換器を備え、熱交換
器と燃料電池を循環する熱媒配管を設けて、熱媒配管内
に熱媒を循環させて燃料電池で放出される熱を熱交換器
で放散させることにより液体水素をガス化して燃料電池
に供給するようにすることが好ましい。液体水素をガス
化するため空気や水を媒体として熱を供給する。熱が不
足すると結氷、結霜、結露等により熱交換性能がさらに
低下する。ところが、燃料電池の定格運転中は、燃料電
池の発生エネルギーの内約１／２は廃熱として大気に放
散させている。そこで、本発明の上記構成では、この廃
熱を回収して液体水素のガス化に利用する。熱交換器を
主供給配管の途中に設けて水などの熱媒を介して熱交換
してもよく、また燃料電池の壁ないし内部に配管を導い
て直接に熱吸収させてガス化することもできる。なお、
液体水素の輸送はタンク付属のヒータを加熱して液体上
記を蒸発させてタンク内圧力を高めることにより行われ
る。
の間に設けられる主供給配管に熱交換器を備え、熱交換
器と燃料電池を循環する熱媒配管を設けて、熱媒配管内
に熱媒を循環させて燃料電池で放出される熱を熱交換器
で放散させることにより液体水素をガス化して燃料電池
に供給するようにすることが好ましい。液体水素をガス
化するため空気や水を媒体として熱を供給する。熱が不
足すると結氷、結霜、結露等により熱交換性能がさらに
低下する。ところが、燃料電池の定格運転中は、燃料電
池の発生エネルギーの内約１／２は廃熱として大気に放
散させている。そこで、本発明の上記構成では、この廃
熱を回収して液体水素のガス化に利用する。熱交換器を
主供給配管の途中に設けて水などの熱媒を介して熱交換
してもよく、また燃料電池の壁ないし内部に配管を導い
て直接に熱吸収させてガス化することもできる。なお、
液体水素の輸送はタンク付属のヒータを加熱して液体上
記を蒸発させてタンク内圧力を高めることにより行われ
る。
【０００９】さらに、主供給配管に並列に始動用供給配
管を設け、始動用供給配管に小型の熱交換器を備えるこ
とにより、始動時における熱不足を補うようにすること
ができる。燃料電池の起動時は燃料電池における発熱が
小さいため熱交換器における蒸発が盛んでなく、水素ガ
スの供給が不足することになる。始動時に必要とされる
水素ガス量は小さいので、始動時の燃料供給用として細
い配管を熱交換器と並列に設けて小型のヒータを備え、
電気ヒータによる加熱で水素を蒸発させて供給するよう
にすることが好ましい。電気ヒータの電力は蓄電器から
供給することができる。また、水素処理装置における発
熱や大気の温度を利用することもできる。
管を設け、始動用供給配管に小型の熱交換器を備えるこ
とにより、始動時における熱不足を補うようにすること
ができる。燃料電池の起動時は燃料電池における発熱が
小さいため熱交換器における蒸発が盛んでなく、水素ガ
スの供給が不足することになる。始動時に必要とされる
水素ガス量は小さいので、始動時の燃料供給用として細
い配管を熱交換器と並列に設けて小型のヒータを備え、
電気ヒータによる加熱で水素を蒸発させて供給するよう
にすることが好ましい。電気ヒータの電力は蓄電器から
供給することができる。また、水素処理装置における発
熱や大気の温度を利用することもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池システム
について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明す
る。図１は本発明の１実施例における燃料電池システム
のブロック図、図２は本実施例による水素蒸発量節減効
果を説明する線図である。
について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明す
る。図１は本発明の１実施例における燃料電池システム
のブロック図、図２は本実施例による水素蒸発量節減効
果を説明する線図である。
【００１１】図１のブロック図に示した燃料電池システ
ムは、車両の駆動用モータ１に電気を供給するためのシ
ステムであって、自動車などに使用する小型の燃料電池
２と、燃料電池２に水素ガスを供給するために液体水素
を貯蔵する液体水素タンク３を主機として含むものであ
る。本システムには、さらに副燃料電池４や蓄電器５、
さらに電力を使用する各種の補助機器６が含まれる。燃
料電池２には液体水素タンクの液相部と接続された主供
給配管７とタンクの気相部と接続された水素ガス供給配
管８を通して水素が供給されるようになっている。
ムは、車両の駆動用モータ１に電気を供給するためのシ
ステムであって、自動車などに使用する小型の燃料電池
２と、燃料電池２に水素ガスを供給するために液体水素
を貯蔵する液体水素タンク３を主機として含むものであ
る。本システムには、さらに副燃料電池４や蓄電器５、
さらに電力を使用する各種の補助機器６が含まれる。燃
料電池２には液体水素タンクの液相部と接続された主供
給配管７とタンクの気相部と接続された水素ガス供給配
管８を通して水素が供給されるようになっている。
【００１２】液体水素タンク３は真空二重殻により断熱
された保温容器で、気相部にコールドヘッダ１１を挿入
した冷凍機１２が配設されており、液相部にはタンク加
熱用ヒータ１３が配設されている。冷凍機としては、ス
ターリング冷凍機やＧ−Ｍ冷凍機を使用することができ
る。また、液相部と気相部の間にタンク加圧用配管１４
が配設され、タンク加圧用配管１４にはタンク加圧用ヒ
ータ１５と加圧用ヒータライン制御弁１６が備えられて
いる。主供給配管７の途中には、主供給ライン用熱交換
器１８が配設されている。さらに、主供給ライン用熱交
換器１８を迂回する細い始動時用供給配管９が配設され
ていて、始動時用供給配管９には始動時供給ライン用熱
交換器１９が設けられている。
された保温容器で、気相部にコールドヘッダ１１を挿入
した冷凍機１２が配設されており、液相部にはタンク加
熱用ヒータ１３が配設されている。冷凍機としては、ス
ターリング冷凍機やＧ−Ｍ冷凍機を使用することができ
る。また、液相部と気相部の間にタンク加圧用配管１４
が配設され、タンク加圧用配管１４にはタンク加圧用ヒ
ータ１５と加圧用ヒータライン制御弁１６が備えられて
いる。主供給配管７の途中には、主供給ライン用熱交換
器１８が配設されている。さらに、主供給ライン用熱交
換器１８を迂回する細い始動時用供給配管９が配設され
ていて、始動時用供給配管９には始動時供給ライン用熱
交換器１９が設けられている。
【００１３】主供給配管７には主供給ライン制御弁２０
が設けられ、始動時用供給配管９には始動時供給ライン
制御弁２１が設けられている。主供給ライン用熱交換器
１８の熱交換媒体を循環させるため循環ポンプ２２を備
えた熱媒配管１０が設けられており、水などの熱媒を燃
料電池２の放熱部と主供給ライン用熱交換器１８の間で
循環させて流入する液体水素を気化し水素ガスとして燃
料電池２に供給できるようにしている。
が設けられ、始動時用供給配管９には始動時供給ライン
制御弁２１が設けられている。主供給ライン用熱交換器
１８の熱交換媒体を循環させるため循環ポンプ２２を備
えた熱媒配管１０が設けられており、水などの熱媒を燃
料電池２の放熱部と主供給ライン用熱交換器１８の間で
循環させて流入する液体水素を気化し水素ガスとして燃
料電池２に供給できるようにしている。
【００１４】水素ガス供給配管８は途中で分岐してお
り、分岐管に水素処理装置２４が設けられている。分岐
位置に設けられた水素処理切替弁２６により分岐管に流
された水素ガスは水素処理装置２４内で大気から吸引さ
れる空気で触媒の助けにより酸化され水蒸気となって大
気に放散される。また、水素ガス供給配管８には蒸発水
素ライン制御弁２７が設けられている。水素ガス配管８
は、主たる燃料電池２に加えて副燃料電池４にも水素ガ
スを供給する。
り、分岐管に水素処理装置２４が設けられている。分岐
位置に設けられた水素処理切替弁２６により分岐管に流
された水素ガスは水素処理装置２４内で大気から吸引さ
れる空気で触媒の助けにより酸化され水蒸気となって大
気に放散される。また、水素ガス供給配管８には蒸発水
素ライン制御弁２７が設けられている。水素ガス配管８
は、主たる燃料電池２に加えて副燃料電池４にも水素ガ
スを供給する。
【００１５】燃料電池２で生成された電力は直接または
交流変換して駆動用モータ１および主供給ライン用熱交
換器の循環ポンプ２２やタンク加熱用ヒータ１３、燃料
電池用の加湿用水ポンプ、空気コンプレッサ、空調機等
の各種補機類６に供給されるとともに、余剰が生じたと
きは直流のまま蓄電器５に蓄積しておき、運転停止時や
始動時など燃料電池２の出力が不足する場合に蓄電器５
から出力を補うことができる。また、冷凍機１２の電力
は通常時は燃料電池２から供給されるが、燃料電池２を
停止しているときは副燃料電池４から供給される。な
お、副燃料電池４を冷凍機の駆動用に常時運転して電力
供給をするようにすることもできる。
交流変換して駆動用モータ１および主供給ライン用熱交
換器の循環ポンプ２２やタンク加熱用ヒータ１３、燃料
電池用の加湿用水ポンプ、空気コンプレッサ、空調機等
の各種補機類６に供給されるとともに、余剰が生じたと
きは直流のまま蓄電器５に蓄積しておき、運転停止時や
始動時など燃料電池２の出力が不足する場合に蓄電器５
から出力を補うことができる。また、冷凍機１２の電力
は通常時は燃料電池２から供給されるが、燃料電池２を
停止しているときは副燃料電池４から供給される。な
お、副燃料電池４を冷凍機の駆動用に常時運転して電力
供給をするようにすることもできる。
【００１６】
【実施例】本実施例は車載用燃料電池システムに適用さ
れるもので、効率６０％の５０ＫＷ燃料電池に対して、
容量１２５ｌ、液体水素充填量１００ｌ、運転圧力０．
６ＭＰａ、運転時飽和温度２８Ｋの液体水素タンクが使
用されている。なお、液体水素タンクを大気圧下で入熱
に任せて放置したときの水素の自然蒸発量は１％／ｄａ
ｙと見積もられる。液体水素タンクには、冷凍能力０．
１７Ｗ、冷凍効率（動力Ｗ／冷凍能力Ｗ）２４０のスタ
ーリング冷凍機が取付けられている。また、主供給配管
に設けられる熱交換器は水を媒体として使用し、燃料電
池の廃熱の一部を利用して液体水素をガス化する。
れるもので、効率６０％の５０ＫＷ燃料電池に対して、
容量１２５ｌ、液体水素充填量１００ｌ、運転圧力０．
６ＭＰａ、運転時飽和温度２８Ｋの液体水素タンクが使
用されている。なお、液体水素タンクを大気圧下で入熱
に任せて放置したときの水素の自然蒸発量は１％／ｄａ
ｙと見積もられる。液体水素タンクには、冷凍能力０．
１７Ｗ、冷凍効率（動力Ｗ／冷凍能力Ｗ）２４０のスタ
ーリング冷凍機が取付けられている。また、主供給配管
に設けられる熱交換器は水を媒体として使用し、燃料電
池の廃熱の一部を利用して液体水素をガス化する。
【００１７】車両を運転しないときは燃料電池を停止す
るが、停止期間は通常特に長時間に亘るので蒸散により
失われる水素量が問題となる。本実施例では、タンク底
部から燃料電池に水素を供給する主供給配管と始動時用
供給配管を制御弁により遮断し、気相部からの水素ガス
を水素ガス供給配管を介して駆動用燃料電池あるいは副
燃料電池に送る。これら燃料電池は０．３７ｎｌ／ｍｉ
ｎ（０．８３％／ｄａｙ相当）の水素ガスを用いて冷凍
機を運転するために必要な電力（４０Ｗ）を発生する。
冷凍機は０．１７Ｗ冷却能力でタンク内を冷却し０．７
％／ｄａｙ相当分の水素を凝縮して液相に戻し、タンク
における見かけの水素蒸発量は０．８３％／ｄａｙとな
って、大気に放散させる必要がない。なお、この条件に
おいて冷凍機を運転しなければ、タンク内の自然蒸発量
は１．５３％／ｄａｙとなる。なお、場合によっては蓄
電器の出力で冷凍機を運転することもできる。
るが、停止期間は通常特に長時間に亘るので蒸散により
失われる水素量が問題となる。本実施例では、タンク底
部から燃料電池に水素を供給する主供給配管と始動時用
供給配管を制御弁により遮断し、気相部からの水素ガス
を水素ガス供給配管を介して駆動用燃料電池あるいは副
燃料電池に送る。これら燃料電池は０．３７ｎｌ／ｍｉ
ｎ（０．８３％／ｄａｙ相当）の水素ガスを用いて冷凍
機を運転するために必要な電力（４０Ｗ）を発生する。
冷凍機は０．１７Ｗ冷却能力でタンク内を冷却し０．７
％／ｄａｙ相当分の水素を凝縮して液相に戻し、タンク
における見かけの水素蒸発量は０．８３％／ｄａｙとな
って、大気に放散させる必要がない。なお、この条件に
おいて冷凍機を運転しなければ、タンク内の自然蒸発量
は１．５３％／ｄａｙとなる。なお、場合によっては蓄
電器の出力で冷凍機を運転することもできる。
【００１８】また、燃料電池休止中は、タンク内圧力を
燃料電池の定格運転中より高めに保持することが好まし
い。タンク内圧力が高ければ水素の蒸発量が減少し放散
による消費量が減少するばかりでなく、冷凍機の能力も
作動温度が高温になるほど高くなり、特に極低温領域で
は低温になるほど加速的に低下するため僅かに温度が高
くなるだけで能力が大幅に向上するからである。タンク
内圧力を上昇させるには、加圧用ヒータライン制御弁に
よる圧力制御を用いる。この場合にも、必要な水素ガス
量は確保して冷凍機の運転を継続することが好ましいこ
とは言うまでもない。
燃料電池の定格運転中より高めに保持することが好まし
い。タンク内圧力が高ければ水素の蒸発量が減少し放散
による消費量が減少するばかりでなく、冷凍機の能力も
作動温度が高温になるほど高くなり、特に極低温領域で
は低温になるほど加速的に低下するため僅かに温度が高
くなるだけで能力が大幅に向上するからである。タンク
内圧力を上昇させるには、加圧用ヒータライン制御弁に
よる圧力制御を用いる。この場合にも、必要な水素ガス
量は確保して冷凍機の運転を継続することが好ましいこ
とは言うまでもない。
【００１９】図２は、本発明により水素蒸発量が減少す
る様子を説明するグラフである。図２は、冷凍機の効率
をパラメータとして、横軸に冷凍機を付属しない場合の
水素蒸発量、縦軸に冷凍機を付属したときの見かけの水
素蒸発量すなわちタンク内の液体水素減少量を、それぞ
れ％／ｄａｙを単位としてプロットしたものである。冷
凍機を付属しない時の水素蒸発量は外部からの入熱量に
対応するので、横軸には外部入熱を表したスケールを併
記してある。本実施例では冷凍機効率を２４０としてお
り、グラフの上では実線で表した関係を有する。また、
自然蒸発量とカルノー効率における理想蒸発量を点線で
表してある。冷凍機の能力により見かけの蒸発量が変化
するので、異なる効率を有する冷凍機を使用した場合に
ついても表示した。図２のグラフから、入熱量が大きく
なれば蒸発量も大きくなるが、自然蒸発と比較すれば冷
凍機を備えることにより大きく蒸発量が減少し、条件が
異なる場合でも冷凍機を付属させる効果があることが明
白である。
る様子を説明するグラフである。図２は、冷凍機の効率
をパラメータとして、横軸に冷凍機を付属しない場合の
水素蒸発量、縦軸に冷凍機を付属したときの見かけの水
素蒸発量すなわちタンク内の液体水素減少量を、それぞ
れ％／ｄａｙを単位としてプロットしたものである。冷
凍機を付属しない時の水素蒸発量は外部からの入熱量に
対応するので、横軸には外部入熱を表したスケールを併
記してある。本実施例では冷凍機効率を２４０としてお
り、グラフの上では実線で表した関係を有する。また、
自然蒸発量とカルノー効率における理想蒸発量を点線で
表してある。冷凍機の能力により見かけの蒸発量が変化
するので、異なる効率を有する冷凍機を使用した場合に
ついても表示した。図２のグラフから、入熱量が大きく
なれば蒸発量も大きくなるが、自然蒸発と比較すれば冷
凍機を備えることにより大きく蒸発量が減少し、条件が
異なる場合でも冷凍機を付属させる効果があることが明
白である。
【００２０】燃料電池の始動時には、水素ガス供給配管
と主供給配管を閉鎖し、始動時用供給配管を開いて、所
定の少量の液体水素を流して燃料電池を起動する。起動
時に必要とされる液体水素量は０．０５ｌ／ｍｉｎと少
ないため、ガス化に必要な熱量も小さい。したがって、
始動時供給ライン用熱交換器の熱源としては蓄電器の電
力を使用してもよい。なお、燃料電池の停止モードから
始動モードに遷移するため水素ガスを燃料電池への供給
を止めるとタンク内圧力が上昇するので、切替弁を操作
して発生したガスを水素処理装置で処理した後で大気放
散させるが、このときに水素処理装置で発生する酸化反
応熱を燃交換器の熱源として利用することもできる。
と主供給配管を閉鎖し、始動時用供給配管を開いて、所
定の少量の液体水素を流して燃料電池を起動する。起動
時に必要とされる液体水素量は０．０５ｌ／ｍｉｎと少
ないため、ガス化に必要な熱量も小さい。したがって、
始動時供給ライン用熱交換器の熱源としては蓄電器の電
力を使用してもよい。なお、燃料電池の停止モードから
始動モードに遷移するため水素ガスを燃料電池への供給
を止めるとタンク内圧力が上昇するので、切替弁を操作
して発生したガスを水素処理装置で処理した後で大気放
散させるが、このときに水素処理装置で発生する酸化反
応熱を燃交換器の熱源として利用することもできる。
【００２１】さらに、燃料電池の定格運転時には、始動
時用供給配管を閉鎖し、主供給配管の制御弁を働かせ
て、燃料電池の水素消費量０．６１ｌ／ｍｉｎの液体水
素流量になるように調整する。液体水素は熱交換器で加
熱され温度６０℃でガスとして４７０Ｎｌ／ｍｉｎの流
量で燃料電池に供給される。熱媒としての水が搬送する
熱量は１０ＫＷ程度となる。なお、燃料電池からは約５
０ｋＷ程度の熱が発生するが、液体水素のガス化の他に
燃料電池の運転に必要な加湿のために１０ｋＷ程度が利
用され、また一部は暖房用に利用することもできる。こ
れ以外の活用できない熱は廃熱として車外に放出され
る。
時用供給配管を閉鎖し、主供給配管の制御弁を働かせ
て、燃料電池の水素消費量０．６１ｌ／ｍｉｎの液体水
素流量になるように調整する。液体水素は熱交換器で加
熱され温度６０℃でガスとして４７０Ｎｌ／ｍｉｎの流
量で燃料電池に供給される。熱媒としての水が搬送する
熱量は１０ＫＷ程度となる。なお、燃料電池からは約５
０ｋＷ程度の熱が発生するが、液体水素のガス化の他に
燃料電池の運転に必要な加湿のために１０ｋＷ程度が利
用され、また一部は暖房用に利用することもできる。こ
れ以外の活用できない熱は廃熱として車外に放出され
る。
【００２２】
【発明の効果】本発明の燃料電池システムは、上記の通
り液体水素タンクに冷凍機を設けタンク内で蒸発する水
素ガスを使って燃料電池を運転した出力により冷凍機を
稼働させて液体水素の蒸散を抑えるので、自動車用燃料
電池等の外部から動力を供給することが困難な燃料電池
システムにおいても液体水素タンクにおける蒸発消費を
抑制して長期間の水素貯蔵を可能とし、特に運転休止期
間中の燃料目減りを減少させて燃料電池システムの実用
化を促進することができる。また、タンク内の水素を大
気に放出する場合にも、水または水蒸気に変化させてか
ら放出するので、市街地走行時でも危険がない。さら
に、水素をガス化して燃料電池に供給する場合に燃料電
池の発熱を有効利用するので、エネルギの無駄を減少さ
せ、また氷結等による熱交換器性能の劣化を防ぐことが
できる。
り液体水素タンクに冷凍機を設けタンク内で蒸発する水
素ガスを使って燃料電池を運転した出力により冷凍機を
稼働させて液体水素の蒸散を抑えるので、自動車用燃料
電池等の外部から動力を供給することが困難な燃料電池
システムにおいても液体水素タンクにおける蒸発消費を
抑制して長期間の水素貯蔵を可能とし、特に運転休止期
間中の燃料目減りを減少させて燃料電池システムの実用
化を促進することができる。また、タンク内の水素を大
気に放出する場合にも、水または水蒸気に変化させてか
ら放出するので、市街地走行時でも危険がない。さら
に、水素をガス化して燃料電池に供給する場合に燃料電
池の発熱を有効利用するので、エネルギの無駄を減少さ
せ、また氷結等による熱交換器性能の劣化を防ぐことが
できる。
【図１】本発明の１実施例における燃料電池システムの
ブロック図である。
ブロック図である。
【図２】本実施例による水素蒸発量節減効果を説明する
線図である。
線図である。
１ 駆動用モータ ２ 燃料電池 ３ 液体水素タンク ４ 副燃料電池 ５ 蓄電器 ６ 各種補助機器 ７ 主供給配管 ８ 水素ガス供給配管 ９ 始動時用供給配管 １０ 熱媒配管 １１ コールドヘッダ １２ 冷凍機 １３ タンク加熱用ヒータ １４ タンク加圧用配管 １５ タンク加圧用ヒータ １６ 加圧用ヒータライン制御弁 １８ 主供給ライン用熱交換器 １９ 始動時供給ライン用熱交換器 ２０ 主供給ライン制御弁 ２１ 始動時供給ライン制御弁 ２２ 循環ポンプ ２４ 水素処理装置 ２６ 水素処理切替弁 ２７ 蒸発水素ライン制御弁
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−61899（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−254388（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−75467（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−109298（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/06 F17C 5/04 - 6/00
Claims (6)
- 【請求項１】 主燃料電池と液体水素タンクを備えた燃
料電池システムにおいて、液体水素タンクに冷凍機を備
えて該冷凍機のコールドヘッドを該タンクの気相部に取
付け、該タンクの液相部から前記主燃料電池に水素を供
給する主供給配管に加えて該タンクの気相部から前記主
燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス配管と調節弁を
備え、小型の副燃料電池をさらに備えたもので、前記主
燃料電池は発生する電力で前記冷凍機を稼働させて前記
液体水素タンク内を冷却して液体水素の蒸発を抑制する
ものであり、前記副燃料電池は前記主燃料電池が稼働し
ていないときに該副燃料電池に前記タンク気相部から水
素ガスを供給して発電した電力で前記冷凍機を運転する
ものであることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項２】 前記液体水素タンクには液相部と気相部
を繋ぎ中間にヒータおよび圧力調節弁を備えたタンク加
圧用配管を設けて、前記タンク内の圧力を調整するよう
にしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項３】 前記水素ガス配管には酸化触媒を備えた
水素処理装置が切替弁を介して接続されていて、外部に
放出する水素ガスを酸化させてから放出することができ
ることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池シ
ステム。 - 【請求項４】 前記主供給配管に熱交換器を備え、該熱
交換器と前記主燃料電池を循環する熱媒配管を設けて、
該熱媒配管内に熱媒を循環させて前記主燃料電池で放出
される熱を利用して液体水素をガス化して該主燃料電池
に供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか
に記載の燃料電池システム。 - 【請求項５】 前記主供給配管を前記主燃料電池の壁に
導き、該主燃料電池で放出される熱を伝熱により利用し
て、液体水素をガス化して該主燃料電池に供給すること
を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電
池システム。 - 【請求項６】 前記主供給配管に並列に始動用供給配管
を設け、該始動用供給配管に小型の熱交換器を備えたこ
とを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池シス
テム。
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|---|---|---|---|
| JP35194199A JP3202009B2 (ja) | 1999-12-10 | 1999-12-10 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35194199A JP3202009B2 (ja) | 1999-12-10 | 1999-12-10 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001167781A JP2001167781A (ja) | 2001-06-22 |
| JP3202009B2 true JP3202009B2 (ja) | 2001-08-27 |
Family
ID=18420681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35194199A Expired - Fee Related JP3202009B2 (ja) | 1999-12-10 | 1999-12-10 | 燃料電池システム |
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| JP (1) | JP3202009B2 (ja) |
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| JP2005038832A (ja) * | 2003-07-01 | 2005-02-10 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ボイルオフガス処理システム |
| FR2865016B1 (fr) * | 2004-01-12 | 2009-04-10 | Air Liquide | Installation de stockage d'hydrogene pour l'alimentation de pile a combustible, notamment pour vehicule automobile, et vehicule incorporant une telle installation |
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| JP2007018851A (ja) * | 2005-07-07 | 2007-01-25 | Mazda Motor Corp | 燃料電池自動車のボイルオフガス処理装置 |
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| JP2019124365A (ja) * | 2016-05-10 | 2019-07-25 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 低温冷却システム |
| KR102244323B1 (ko) * | 2019-03-28 | 2021-04-26 | (주)메타비스타 | 연료전지 연료공급 시스템 |
| KR102504903B1 (ko) * | 2021-06-16 | 2023-03-06 | 한국철도기술연구원 | 액화수소 기화 및 연료전지 차량 냉각 시스템 |
| CN114267853A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-04-01 | 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 | 利用燃料电池小循环冷却系统热量的液氢气化供应系统 |
| CN115468109B (zh) * | 2022-09-13 | 2023-11-03 | 北京石油化工学院 | 一种新型泵-热协同增压的液氢加氢站系统及其使用方法 |
-
1999
- 1999-12-10 JP JP35194199A patent/JP3202009B2/ja not_active Expired - Fee Related
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