JP4608753B2

JP4608753B2 - 水素貯蔵装置およびこれを備える燃料電池システム並びに移動体

Info

Publication number: JP4608753B2
Application number: JP2000281381A
Authority: JP
Inventors: 智善上木; 研司江崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2020-09-18
Also published as: JP2002089792A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素貯蔵装置およびこれを備える燃料電池システム並びに移動体に関し、詳しくは、水素吸蔵合金を内蔵する水素貯蔵タンクを有する水素貯蔵装置およびこの水素貯蔵装置と水素を用いて発電する燃料電池とを有する燃料電池システム並びにこうした燃料電池システムを備える移動体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素を用いて発電する燃料電池を搭載する自動車における水素貯蔵の手法の一つとして水素吸蔵合金を内蔵する水素貯蔵タンクを用いることが提案されている。こうした水素貯蔵装置では、水素吸蔵合金の温度−水素放出圧力の特性から、水素貯蔵タンクに水素を充填するときには水素貯蔵タンクを冷却し、逆に水素貯蔵タンクから水素を取り出すときには水素貯蔵タンクを加熱する熱交換器などの温度調節装置が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
こうした水素貯蔵タンクへの水素の充填時や水素貯蔵タンクからの水素の放出時の熱エネルギの供給や回収または有効利用などの熱収支に対する工夫は装置全体のエネルギ効率の向上という観点からみると重要な問題である。こうした課題に対して、燃料電池の運転の際に生じる熱を用いて水素貯蔵タンクを加熱するものや水素貯蔵タンクを備える燃料電池システムと冷房装置との熱の有効利用を図るコンバインシステム（例えば、出願人による提案の特開平７−９９０５７号公報など）などが種々提案されている。
【０００４】
本発明の水素貯蔵装置およびこれを備える燃料電池システム並びに移動体は、水素貯蔵タンクへの水素の充填時の熱エネルギを有効利用してエネルギ効率の向上を図ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の水素貯蔵装置およびこれを備える燃料電池システム並びに移動体は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の水素貯蔵装置は、水素吸蔵合金を内蔵する水素貯蔵タンクを有する水素貯蔵装置であって、前記水素貯蔵タンク内の水素吸蔵合金を冷却する冷却手段と、前記水素貯蔵タンク表面に生じる結露水を回収する結露水回収手段と、該回収した前記結露水を貯蔵する結露水貯蔵手段とを備え、前記結露水回収手段は、前記水素貯蔵タンクの下部外周に配置された前記結露水の集水流路と、前記結露水が生じる前記水素貯蔵タンクの表面に形成され、前記水素貯蔵タンクの前記表面に生じた前記結露水を集めて前記集水流路に導くための複数の集水溝と、から構成されることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の水素貯蔵装置では、水素貯蔵タンクに水素を充填する際などに行なわれる冷却手段による水素貯蔵タンク内の水素吸蔵合金の冷却により水素貯蔵タンクの表面に結露する水を回収して貯蔵する。したがって、この貯蔵した水を種々の目的に利用することができる。また、結露水回収手段が、集水流路と、水素貯蔵タンクの表面に形成された集水溝とを備えているので、結露水の回収をより効率よく行なうことができる。
【０００９】
また、本発明の水素貯蔵装置において、前記結露水貯蔵手段に貯蔵された結露水の少なくとも一部を電気分解する電気分解手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、結露水を電気分解により生じる水素と酸素として利用することができる。この態様の本発明の水素貯蔵装置において、前記電気分解手段は、太陽エネルギを用いて発電する太陽発電手段を備え、該発電された電力を用いて前記結露水を電気分解する手段であるものとすることもできる。
【００１０】
こうした電気分解手段を備える態様の本発明の水素貯蔵装置において、前記電気分解手段により生じる水素の少なくとも一部を前記水素貯蔵タンクに充填する水素充填手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、電気分解により生じる水素を貯蔵することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、
水素を用いて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に水素を供給可能な前述の各態様のいずれかの本発明の水素貯蔵装置と、
前記結露水貯蔵手段に貯蔵された結露水の少なくとも一部を前記燃料電池に用いられる水として供給する水供給手段と
を備えることを要旨とする。
【００１２】
この本発明の燃料電池システムでは、水素貯蔵装置の結露水貯蔵手段に貯蔵された結露水を燃料電池に用いられる水として利用するから、水素貯蔵装置で用いられたエネルギの有効利用を図ることができると共にシステム全体としてのエネルギ効率を向上させることができる。
【００１３】
電気分解手段を備える態様の本発明の水素貯蔵装置を備える本発明の燃料電池システムにおいて、前記電気分解手段により生じる水素の少なくとも一部を前記燃料電池に供給する水素供給手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池による発電電力を増加することができるから、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記水供給手段は、結露水を前記燃料電池の冷却水として供給する手段であるものとすることもできる。
【００１５】
本発明の移動体は、各態様のいずれかの本発明の燃料電池システムを備えることを要旨とする。
【００１６】
この本発明の移動体は、本発明の燃料電池システムを備えることにより、エネルギ効率の高いものとすることができる。移動体は、燃料電池システムを搭載するスペースが限られており、燃料電池に用いる水素の貯蔵のスペースも限られている。したがって、熱収支に関するエネルギ効率が高い水素貯蔵装置およびこれを備える燃料電池システムを搭載することにより、移動可能距離を長くしたり、乗員のためのスペースを広く確保することができるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例としての車両に搭載された燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池システム２０は、図示するように、水素と酸素とを燃料として発電する燃料電池３０と、燃料電池３０に水素を供給する水素貯蔵タンク４０と、水素貯蔵タンク４０に水素を充填する際に水素貯蔵タンク４０の表面に生じる結露水を回収する結露水回収部５０と、回収された結露水を電気分解する電気分解部７０とを備える。
【００１８】
燃料電池３０は、例えばフッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜を有する単電池を複数積層してなる固体高分子型燃料電池として構成され、そのアノードに水素貯蔵タンク４０からの水素を供給すると共にカソードにブロア３２からの空気を供給することにより、次式（１）および式（２）に示す電極反応を行なって化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。なお、燃料電池３０は、熱交換媒体としての水を循環する電池温度調節装置３４が接続されており、始動時には暖機されると共に定常運転時には冷却される。
【００１９】
アノード反応Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
カソード反応２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ（２）
【００２０】
水素貯蔵タンク４０は、内部に水素吸蔵合金が充填されており、水素吸蔵合金による水素の吸蔵と放出とにより水素の貯蔵と水素の供給とを行なう。水素貯蔵タンク４０には、水素吸蔵合金の温度が低いほど水素の放出圧力が小さくなる温度特性のために、水素の充填の際には冷却し水素の放出の際には過熱するタンク温度調節装置４２が取り付けられている。水素貯蔵タンク４０の出入口は、水素供給管４４により燃料電池３０のアノードへの水素供給口に接続されており、水素供給管４４には水素の供給を司る水素供給弁４５が取り付けられている。また、水素供給管４４の分岐管４４ａには、電磁弁４６とカプラ４７とが取り付けられており、カプラ４７に水素充填機側のカプラを取り付けることにより水素充填機による水素の充填ができるようになっている。
【００２１】
結露水回収部５０は、水素貯蔵タンク４０の結露水を集める集水部５２と、集めた結露水をイオン交換濾過する濾過器５４と、イオン交換濾過された水を貯蔵する結露水貯蔵タンク５６とを備える。結露水回収部５０の具体的な一例を図２に示す。図示するように、結露水回収部５０の集水部５２は、水素貯蔵タンク４０の表面に形成された複数の集水溝５２ａと、水素貯蔵タンク４０の下方外周部にトイとして取り付けられた集水流路５２ｂとから構成されている。なお、複数の集水溝５２ａは、水素貯蔵タンク４０の表面に生じた結露水を集めて集水流路５２ｂに導くために設けられている。
【００２２】
結露水貯蔵タンク５６に貯蔵された結露水は、水ポンプ５８により水供給管５９を介して電池温度調節装置３４の熱交換媒体としての水として補給されると共に水供給管５９の分岐管５９ａを介して電気分解部７０に供給される。なお、水供給管５９には電池温度調節装置３４への水の補給を司る水調節弁６０が取り付けられており、水供給管５９の分岐管５９ａには電気分解部７０への水の供給を司る水調節弁６２が取り付けられている。
【００２３】
電気分解部７０は、車両ボディ上部に取り付けられ太陽エネルギにより発電する太陽電池７２と、太陽電池７２からの電力を用いて結露水貯蔵タンク５６から供給された結露水を電気分解する電気分解槽７４とを備える。電気分解槽７４のカソードの上部空間に形成された水素捕集空間７６は、水素利用管７８により水素供給管４４に接続されており、水素利用管７８に設けられた水素加圧器８０により加圧された水素が燃料電池３０に供給できるようになっている。また、水素利用管７８の分岐管７８ａは、水素供給管４４の分岐管４４ａに接続され、加圧された水素が水素貯蔵タンク４０にも充填できるようになっている。なお、水素利用管７８には水素の燃料電池３０への供給を司る水素供給弁８２が取り付けられており、水素利用管７８の分岐管７８ａには水素貯蔵タンク４０への水素の充填を司る水素充填弁８４が取り付けられている。
【００２４】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池システム２０の動作、特に水素貯蔵タンク４０の表面に生じる結露水の回収とその利用の動作について説明する。水素供給管４４の分岐管４４ａの先端に取り付けられたカプラ４７に水素充填機が取り付けられて電磁弁４６を開成することにより水素貯蔵タンク４０への水素の充填が開始されると、水素の放出圧力を低下させるためにタンク温度調節装置４２により水素貯蔵タンク４０が冷却される。この際の冷媒の温度は、水素貯蔵タンク４０や水素貯蔵タンク４０への水素充填量によっても異なるが、実施例では−５度程度とした。こうした水素貯蔵タンク４０への水素の充填により、水素貯蔵タンク４０の表面温度は下がり、結露水が生じる。結露水は、水素貯蔵タンク４０の表面に形成された集水溝５２ａを伝わって集水流路５２ｂに至り、濾過器５４でイオン交換濾過された後に結露水貯蔵タンク５６に貯蔵される。
【００２５】
そして、電池温度調節装置３４の熱交換媒体としての水の量が不足すると、水ポンプ５８を駆動すると共に共に水調節弁６０を開成して結露水貯蔵タンク５６に貯蔵された結露水を電池温度調節装置３４に補給する。また、太陽電池７２により得られる電力を用いて加水分解することにより電気分解槽７４の水位が下がると、水ポンプ５８を駆動すると共に水調節弁６２を開成して結露水貯蔵タンク５６に貯蔵された結露水を電気分解槽７４に供給する。
【００２６】
電気分解部７０では、太陽電池７２により得られる電力を用いて電気分解槽７４で水を電気分解し、燃料電池３０が運転されているときには水素加圧器８０を駆動すると共に水素供給弁８２を開成して燃料電池３０に生成した水素を供給し、燃料電池３０が運転されていないときには水素加圧器８０を駆動すると共に水素充填弁８４を開成して水素貯蔵タンク４０に生成した水素を充填する。
【００２７】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、水素貯蔵タンク４０へ水素を充填する際に水素貯蔵タンク４０の表面に生じる結露水を回収することができる。しかも、この結露水を、燃料電池３０の温度を調節する電池温度調節装置３４の熱交換媒体としての水として補給したり、太陽電池７２により得られる電力を用いて電気分解して生成する水素を燃料として用いることができる。この結果、システム全体としてのエネルギ効率を向上させることができる。このようにエネルギ効率が高く資源の有効利用率が高いシステムは限られたスペースに搭載する車両用として好適である。
【００２８】
実施例の燃料電池システム２０では、水素貯蔵タンク４０の表面に複数の集水溝５２ａを形成するものとしたが、集水溝５２ａを形成しないものとしてもよい。また、実施例の燃料電池システム２０では、水素貯蔵タンク４０の下部外周にトイとしての集水流路５２ｂを設けるものとしたが、水素貯蔵タンク４０の下部全体に受け皿状の集水器を設けるものとしてもよい。
【００２９】
実施例の燃料電池システム２０では、結露水貯蔵タンク５６に貯蔵された結露水の一部を電池温度調節装置３４の熱交換媒体としての水として補給するものとしたが、燃料電池３０を備える装置が用いる他の用途としての水に用いるものとしてもよい。また、実施例の燃料電池システム２０では、結露水貯蔵タンク５６に貯蔵された結露水の一部を電気分解部７０により電気分解して水素を生成したが、電気分解部７０を備えないものとしても差し支えない。
【００３０】
実施例の燃料電池システム２０では、電気分解部７０により生成した水素を、燃料電池３０が運転されているときには燃料電池３０に供給し、燃料電池３０が運転されていないときには水素貯蔵タンク４０に充填するものとしたが、電気分解部７０により生成した水素を、燃料電池３０の運転に拘わらず、水素貯蔵タンク４０に充填するものとしてもよい。また、電気分解部７０により生成した水素を別に備えた水素貯蔵タンクに貯蔵するものとしてもよい。
【００３１】
実施例の燃料電池システム２０では、太陽電池７２により得られる電力を用いて結露水を電気分解したが、燃料電池３０により得られる余剰の電力を用いて結露水を電気分解するものとしてもかまわない。
【００３２】
実施例では、燃料電池システム２０を車両に搭載するものとしたが、車両以外の移動体、例えば船舶や航空機などに燃料電池システム２０を搭載するものとしてもよい。また、燃料電池システム２０を車両などに移動体に搭載せずに、据え置き型のシステムとしてもかまわない。
【００３３】
実施例では、結露水回収部５０を燃料電池３０を備える燃料電池システム２０として構成したが、水素貯蔵タンク４０への水素の充填を伴う他のシステムに結露水回収部５０を組み込むものとしてもよい。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての車両に搭載された燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】結露水回収部５０の具体的な一例を示す構成図である。
【符号の説明】
２０燃料電池システム、３０燃料電池、３２ブロア、３４電池温度調節装置、４０水素貯蔵タンク、４２タンク温度調節装置、４４水素供給管、４４ａ分岐管、４５水素供給弁、４６電磁弁、４７カプラ、５０結露水回収部、５２集水部、５２ａ集水溝、５２ｂ集水流路、５４濾過器、５６結露水貯蔵タンク、５８水ポンプ、５９水供給管、５９ａ分岐管、６０水調節弁、６２水調節弁、７０電気分解部、７２太陽電池、７４電気分解槽、７６水素捕集空間、７８水素利用管、７８ａ分岐管、８０水素加圧器、８２水素供給弁、８４水素充填弁。

Claims

水素吸蔵合金を内蔵する水素貯蔵タンクを有する水素貯蔵装置であって、
前記水素貯蔵タンク内の水素吸蔵合金を冷却する冷却手段と、
前記水素貯蔵タンクの表面に生じる結露水を回収する結露水回収手段と、
該回収した前記結露水を貯蔵する結露水貯蔵手段と、
を備え、
前記結露水回収手段は、
前記水素貯蔵タンクの下部外周に配置された前記結露水の集水流路と、
前記結露水が生じる前記水素貯蔵タンクの表面に形成され、前記水素貯蔵タンクの前記表面に生じた前記結露水を集めて前記集水流路に導くための複数の集水溝と、
から構成されている水素貯蔵装置。
前記結露水貯蔵手段に貯蔵された前記結露水の少なくとも一部を電気分解する電気分解手段を備える請求項１に記載の水素貯蔵装置。
前記電気分解手段は、太陽エネルギを用いて発電する太陽発電手段を備え、
該発電された電力を用いて前記結露水を電気分解する手段である請求項２に記載の水素貯蔵装置。
前記電気分解手段により生じる水素の少なくとも一部を前記水素貯蔵タンクに充填する水素充填手段を備える請求項２または３に記載の水素貯蔵装置。
水素を用いて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に水素を供給可能な請求項１ないし４のいずれか１に記載の水素貯蔵装置と、
前記結露水貯蔵手段に貯蔵された前記結露水の少なくとも一部を前記燃料電池に用いられる水として供給する水供給手段と、
を備える燃料電池システム。
前記電気分解手段により生じる前記水素の少なくとも一部を前記燃料電池に供給する水素供給手段を備える請求項２ないし４のいずれか１に記載の水素貯蔵装置を備える請求項５に記載の燃料電池システム。
前記水供給手段は、前記結露水を前記燃料電池の冷却水として供給する手段である請求項５または６に記載の燃料電池システム。
請求項５ないし７のいずれか１に記載の燃料電池システムを備える移動体。