JP3986285B2 - 水素供給装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素供給対象物、例えば、燃料電池の水素吸蔵合金に水素を供給するための水素供給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、実用化が進んでいる燃料電池は、燃料である水素を反応させることによって電力を発生させている。従って、燃料電池に水素を補給するためには、燃料電池の水素吸蔵合金に水素を供給する必要がある。従来、燃料電池等の水素供給対象物に水素を供給するために水素ボンベ等が使用されてきた。即ち、まず、オフガスの回収、天然ガスの改質、あるいは水を電気分解することにより水素を発生させ、水素を水素ボンベ等に収容して準備する。次いで、燃料電池に水素を補給する際に、水素ボンベに燃料電池を連結し、水素ボンベのバルブを開き、燃料電池の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発生させた水素を一旦、水素ボンベに収容し、その水素を燃料電池に吸蔵させると、水素補給に要する時間が長くなってしまうという問題がある。また、発生させた大量の水素をボンベに収容しておくことには、水素爆発事故の潜在的な危険があるという問題がある。さらに、水素ガスを完全に密封しておくことは困難であるため、大量の水素をボンベに収容しておくと、水素が少しずつ外気に漏れ、発生させた水素が無駄になるという問題がある。
【0004】
一方、水電解スタックが発生させた水素を、直接、燃料電池に供給すると、水電解スタック内の圧力変動が大きくなり、水電解スタックのトラブルの原因となるという問題がある。
【0005】
従って、本発明は、水電解スタックから水素供給対象物に直接、水素を供給することができ、水電解スタック内の圧力変動を抑えることができる水素供給装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、水素供給対象物に水素を供給するための水素供給装置において、水を電気分解させることによって水素を発生させるための水電解スタックと、この水電解スタックが発生させた水素を一時的に溜めるバッファタンクと、このバッファタンクに一時的に溜められた水素を、水素供給対象物に導くための流量調節可能なバルブと、このバルブを通過する水素の流量、及び、バッファタンク内の圧力に基づいてバルブの弁開度を調整し、バルブを通過する水素の流量を制御する制御手段と、を有し、水電解スタックが水素を発生させながら、水素が連続的に水素供給対象物に供給されることを特徴としている。
【0007】
このように構成された本発明においては、水電解スタックが水を電気分解することによって水素を発生させる。発生した水素は、バッファタンク、及び流量調節可能なバルブを介して、連続的に燃料電池等の水素供給対象物に導かれる。また、制御手段は、バルブを通過する水素の流量、及び、バッファタンク内の圧力に基づいてバルブの弁開度を調整し、バルブを通過する水素の流量を制御する
本発明によれば、水電解スタックが発生させた水素を、タンクに溜めることなく、連続的に水素供給対象物に導くことができる。また、本発明によれば、水素供給対象物に供給される水素の圧力、又は、水電解スタック内の水素の圧力変動を抑制することができる。
【0008】
また、本発明の水素供給装置は、制御手段が、さらに、水電解スタックが発生させる水素の量を制御するように構成しても良い。
このように構成された本発明によれば、水素供給対象物に供給される水素の圧力、又は、水電解スタック内の水素の圧力変動を更に抑制することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。まず、図1乃至図3を参照して、本発明の第1実施形態による水素供給装置を説明する。図1は、本実施形態による水素供給装置のブロック図である。本発明の第1実施形態による水素供給装置1は、水を電気分解させることにより水素を発生させるための水電解スタック2と、水電解スタック2によって発生させた水素から液体成分を除去するための気液分離機4と、気液分離機4を通過した水素からドレンを分離するためのドレンタンク6と、ドレンタンク6を通過した水素から不純物を除去するためのPd(パラジウム)触媒槽8と、Pd触媒槽8を通過した水素を除湿するための除湿器10(例えば、TSA(Temperature Swing Absorption))とを有する。
【0013】
また、水素供給装置1は、除湿器10の出口側に取付けられた第1バルブ12と、第1バルブ12を通過した水素を一時的に溜めるためのバッファタンク14と、バッファタンク14の出口側に取付けられた第2バルブ16と、を有し、水素吸蔵合金側の装置に備えられたバルブVを介して燃料電池の水素吸蔵合金Aに水素を供給する。さらに、水素供給装置1は、バッファタンク14内の圧力に基づいて水電解スタック2による水素発生量を制御し、第2バルブ16を通過する水素の流量に基づいて第2バルブ16の弁開度を制御するための制御装置18を有する。
【0014】
水電解スタック2、気液分離機4、ドレンタンク6、Pd触媒槽8、除湿器10、及び、第1バルブ12には、適用に合わせて任意適当な装置を使用することができる。本実施形態では、水を電気分解するために流す電流に対して、所定量Q10[Nm3/h]の水素ガスが生成される水電解スタックを使用している。また、バッファタンク14は、所定の体積V2[m3]を有し、タンク内の圧力を測定するための圧力センサ(図示せず)を備え、タンク内の圧力に応じた信号を制御装置18に送るように構成されている。
【0015】
また、第2バルブ16は、通過する気体の流量を測定するための流量センサ(図示せず)を備え、気体の流量に応じた信号を制御装置18に送るように構成されている。さらに、第2バルブ16は、制御装置18からの出力信号に応じて、弁開度を調整するためのアクチュエータ(図示せず)を備えている。制御装置18は、A/D変換器、D/A変換器、コンピュータ、コンピュータを作動させるためのソフトウェア等によって構成することができる。
【0016】
次に、図2及び図3を参照して、本発明の第1実施形態による水素供給装置1の作用を説明する。図2は、制御装置18による制御のブロック線図を示し、図3は、本実施形態による制御のシミュレーション結果の一例を示す。
【0017】
まず、水素吸蔵合金A及びバルブVを内蔵した、水素を供給すべき燃料電池を水素供給装置1に連結する。次に、水電解スタック2を作動させ、水素を発生させる。気液分離機4、ドレンタンク6、Pd触媒槽8、及び、除湿器10内の圧力である圧力P1が所定の圧力P10[MPa]に達したならば、第1バルブ12を開く。第1バルブ12を開くことにより、水素ガスがバッファタンク14内に流入し、バッファタンク14内の圧力が上昇する。バッファタンク14内の圧力P2が所定の圧力P20[MPa]に達したならば、燃料電池のバルブVを開き、次いで、制御装置18を作動させる。
【0018】
制御装置18は、バッファタンク14内の圧力P2に基づいて水電解スタック2による水素発生量を制御し、また、第2バルブ16を通過する水素の流量に基づいて第2バルブ16の弁開度を制御する。図2(a)、(b)は、制御装置18による制御のブロック線図である。
【0019】
図2(a)は第2バルブ16の弁開度CV3Cを制御するための制御系のブロック線図である。図2(a)に示すように、まず、制御系には所定の水素供給量指令値Q3rが与えられる。この水素供給量指令値Q3rにはレートリミットがかけられており、指令値の時間当たりの変化率が制限されている。次に、レートリミットを経た水素供給量指令値Q3rから水素吸蔵合金への実際の水素供給量Q3が差し引かれ、この水素供給量の偏差にPI制御ゲイン(KP3+KI3/s)、(1/sは積分器)が乗じられ、第2バルブ16の弁開度CV3Cが計算される。この弁開度CV3Cの指令は第2バルブ16に送られ、それにより、第2バルブ16のアクチュエータ(図示せず)は、第2バルブ16の弁開度を変化させる。弁開度を変化させることにより、水素吸蔵合金への水素供給量Q3が変化する。第2バルブ16を通過する水素供給量Q3は、第2バルブ16に備えられた流量センサ(図示せず)によって検出され、フィードバックされる。従って、弁開度CV3Cは(数式1)によって計算される。即ち、弁開度CV3CはPI制御される。
CV3C=(KP3+KI3/s)(Q3r−Q3) (数式1)
【0020】
なお、本実施形態では、水素供給量指令値Q3rは所定量Q10[Nm3/h]であり、Q3rには、Q3rVMax[Nm3/h/min]のレートリミット、即ち、水素供給量指令値が1分間当りQ3rVMax[Nm3/h]以上変化しないように変化率に制限が加えられている。水素供給量指令値Q3rにレートリミットを加えた値をQ3r’とする。また、流量の単位[Nm3/h]は、1時間当り標準状態(0゜C、1気圧)の気体が1[m3]流れることを意味している。また、本実施形態では、ゲインKP3は1/Q10[1/(Nm3/h)]、即ち、水素供給量の偏差Q10[Nm3/h]に対し弁開度を100%変化させる大きさとし、ゲインKI3は1/(120Q10)[1/(Nm3/h)/sec]、即ち、水素供給量の偏差Q10[Nm3/h]に対し、120秒間で弁開度を100%変化させる大きさとしている。また、sはラプラス演算子である。
【0021】
図2(b)は水素発生量Q1を制御するためのブロック線図である。図2(b)に示すように、バッファタンク圧力設定値P2r及び水素発生量ベース指令値Q1fが制御系に与えられる。まず、バッファタンク圧力設定値P2rとバッファタンク14内の圧力P2との差にゲインKP2が乗じられ、その値に水素発生量ベース指令値Q1fが加えられたものが水素発生量Q1となる。この水素発生量ベース指令値Q1fには、レートリミットがかけられており、値の変化率が制限されている。水素発生量ベース指令値Q1fにレートリミットを加えた値をQ1f’とする。水素発生量Q1は、制御装置18から水電解スタック2に送られる。水電解スタック2では、水を電気分解するための、水素発生量Q1に対応した電流が流され、この電流値に比例した水素が生成される。水電解スタック2で発生した水素は、気液分離機4、ドレンタンク6、Pd触媒8、除湿器10、及び、第1バルブ12を通ってバッファタンク14に流入し、バッファタンク14内の圧力P2を変化させる。バッファタンク14内の圧力P2は、バッファタンク14に備えられた圧力センサ(図示せず)によって検出され、制御装置18にフィードバックされる。従って、水素発生量Q1は(数式2)によって計算される。即ち、水素発生量Q1は、バッファタンク14内の圧力P2に基づいて比例制御される。
Q1=KP2(P2r−P2)+Q1f’ (数式2)
【0022】
なお、本実施形態では、バッファタンク圧力設定値P2rを所定値P20[MPa]とし、水素発生量ベース指令値Q1fは所定値Q10[Nm3/h]であり、Q1fには、Q1fVMax[Nm3/h/min]のレートリミットがかけられている。また、本実施形態では、ゲインKP2は(10Q10/3)[Nm3/h/MPa]、即ち、圧力偏差Q10/100[MPa]に対し流量をQ10[Nm3/h]変化させる大きさとしている。
【0023】
図3は、本発明の第1実施形態による水素供給装置1の作動のシミュレーション結果を示す。図3(a)は水電解スタック2の水素圧力P1、(b)はバッファタンク14の圧力P2、(c)は第2バルブ16の弁開度CV3C、(d)は水電解スタック2による水素発生量Q1、(e)は水素吸蔵合金Aの水素吸蔵量の時系列波形を示す。
【0024】
図3(e)に示すように、水素吸蔵合金Aの水素吸蔵量は、制御開始時である時刻0からほぼ直線的に上昇し、約64分後に所定の水素吸蔵量であるV30[m3]に達している。また、図3(d)に示すように、水素発生量Q1は、時刻0から水素発生量ベース指令Q1fに設定されたレートリミットに従って上昇し、約5分後にQ10[Nm3/h]に達した後、ほぼ一定値となるように制御されている。さらに、図3(c)に示すように、第2バルブ16の弁開度CV3Cは、時刻0から時間に比例して開き始め、約5分後に約25%の弁開度に達した後、一定の弁開度を維持し、約40分後に再び開き始め、約64分後に全開になるように制御されている。この制御により、図3(a)(b)に示すように、水電解スタック2の水素圧力P1、及び、バッファタンク14の圧力P2の値は、圧力変動幅P20/10[MPa]以下で、ほぼP20[MPa]一定に維持されている。
【0025】
本発明の第1実施形態によれば、水電解スタックの水素圧力を大きく変動させることなく、水電解スタックで水素を発生させながら連続的に水素を水素吸蔵合金に吸蔵させることができる。
【0026】
次に、図4を参照して、本発明の第2実施形態による水素供給装置の作用を説明する。本発明の第1実施形態では、第2バルブの弁開度が、第2バルブを通過する水素の流量に基づいて制御されていたのに対し、第2実施形態では、第2バルブの弁開度が、第2バルブを通過する水素の流量に加え、バッファタンクの圧力に基づいて制御される点が異なる。従って、本発明の第1実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【0027】
本発明の第2実施形態による水素供給装置の全体構成は、図1に示した第1実施形態と同様であり、制御装置18によって実行される制御のみが第1実施形態と異なる。
【0028】
次に、図4を参照して、本発明の第2実施形態の作用を説明する。図4は、第2実施形態による水素供給装置の制御系のブロック線図である。図4に示すように、まず、制御系には所定の水素供給量指令値Q3r、バッファタンク圧力設定値P2r、及び、水素発生量ベース指令Q1fが与えられる。また、水素供給量指令値Q3r、及び、水素発生量ベース指令Q1fには、レートリミットがかけられ、夫々Q3r'、Q1f'となる。レートリミットについては第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
【0029】
まず、バッファタンク圧力設定値P2rとバッファタンク内の圧力P2との差にゲインKP2が乗じられ、その値に水素発生量ベース指令値Q1f'が加えられたものが水素発生量Q1となる。水素発生量Q1は、制御装置から水電解スタックに送られる。水電解スタックでは、水を電気分解するための、水素発生量Q1に対応した電流が流され、この電流値に比例した水素が生成される。水電解スタックで発生した水素は、気液分離機、ドレンタンク、Pd触媒、除湿器、及び、第1バルブを通ってバッファタンクに流入し、バッファタンク内の圧力P2を変化させる。バッファタンク内の圧力P2は、バッファタンクに備えられた圧力センサによって検出され、制御装置にフィードバックされる。従って、水素発生量Q1は、前出の(数式2)によって計算される。なお、本実施形態におけるレートリミット、水素発生量ベース指令値Q1f、ゲインKP2の値も第1実施形態と同一である。
【0030】
一方、レートリミットを経た水素供給量指令値Q3r'には、バッファタンク圧力設定値P2rとバッファタンク内の圧力P2との差にゲインKP2を乗じた値が加えられ、値Q3r''が計算される。次いで、値Q3r''から水素供給量Q3を減じた値にゲイン(KP3+KI3/s)が乗じられ、第2バルブの弁開度CV3Cが計算される。この弁開度CV3Cの指令は第2バルブに送られ、それにより、第2バルブのアクチュエータは、第2バルブの弁開度を変化させる。弁開度を変化させることにより、水素吸蔵合金への水素供給量Q3が変化する。第2バルブを通過する水素供給量Q3は、第2バルブに備えられた流量センサによって検出され、フィードバックされる。従って、弁開度CV3Cは、(数式3)(数式4)によって計算される。
CV3C=(KP3+KI3/s)(Q3r''−Q3) (数式3)
Q3r''=KP2(P2r−P2)+Q3r' (数式4)
【0031】
なお、本実施形態における水素供給量指令値Q3r、ゲインKP3、及び、ゲインKI3の値も第1実施形態と同一である。
【0032】
本発明の第2実施形態による水素供給装置においても、第1実施形態同様、水電解スタック及びバッファタンクの圧力変動を充分に抑制できることが確認されている。また、本発明の第2実施形態によれば、第2バルブの弁開度が、第2バルブを通過する水素の流量に加え、バッファタンクの圧力によっても制御されているため、バッファタンクの圧力が何らかの外乱により低下した場合でも、素早くバッファタンクの設定圧力を回復させることができる。
【0033】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、上記の実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、本発明の水素供給装置によって水素が供給される対象物は、燃料電池以外のものであっても良い。また、制御に使用したアルゴリズム及びゲイン等の諸定数は、上記の実施形態以外のものであっても良い。例えば、上記の実施形態では、バッファタンク内の圧力に基づいて水電解スタックによる水素発生量を制御しているが、水電解スタック内の圧力に基づいて水素発生量を制御しても良い。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、水電解スタックに大きな圧力変動を与えずに、水電解スタックから水素供給対象物に直接、水素を供給することができる水素供給装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による水素供給装置のブロック図である。
【図2】本発明の第1実施形態による水素供給装置の制御装置による制御のブロック線図である。
【図3】本発明の第1実施形態による制御のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図4】本発明の第2実施形態による水素供給装置の制御装置による制御のブロック線図である。
【符号の説明】
A 水素吸蔵合金
V バルブ
1 水素供給装置
2 水電解スタック
4 気液分離機
6 ドレンタンク
8 Pd触媒槽
10 除湿器
12 第1バルブ
14 バッファタンク
16 第2バルブ
18 制御装置(制御手段)
Claims (2)
- 水素供給対象物に水素を供給するための水素供給装置において、
水を電気分解させることによって水素を発生させるための水電解スタックと、
この水電解スタックが発生させた水素を一時的に溜めるバッファタンクと、
このバッファタンクに一時的に溜められた水素を、前記水素供給対象物に導くための流量調節可能なバルブと、
このバルブを通過する水素の流量、及び、前記バッファタンク内の圧力に基づいて前記バルブの弁開度を調整し、前記バルブを通過する水素の流量を制御する制御手段と、を有し、
前記水電解スタックが水素を発生させながら、水素が連続的に前記水素供給対象物に供給されることを特徴とする水素供給装置。 - 前記制御手段は、さらに、前記水電解スタックが発生させる水素の量を制御することを特徴とする請求項1記載の水素供給装置。
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