JP4611924B2

JP4611924B2 - 水素圧縮機システム

Info

Publication number: JP4611924B2
Application number: JP2006089835A
Authority: JP
Inventors: 慎一郎栗田; 茂新井; 彰規赤沼; 陽一郎深井; 治雄三浦
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: EP1839975A2; US8151834B2; DE602007013962D1; EP1839975A3; EP1839975B1; JP2007263245A; US20070227614A1

Description

本発明は水素圧縮機システムに係り、特に燃料電池車に水素ガスを供給する水素ステーションに用いて好適な水素圧縮機システムに関する。

燃料電池車に水素を供給するための水素ステーションの例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の水素ステーションは、いわゆるオン−サイト型のステーションであり、水を電気分解して水素を得ている。オン−サイト型のステーションでは、発生する水素ガスの圧力が０.６ＭＰａ程度なので、燃料電池車に水素を供給するために加圧用の水素圧縮機システムを必要とする。この公報では、加圧用に水素圧縮機を用いており、その圧縮機を水潤滑して、圧縮機の構成の簡素化を図っている。

燃料電池車に水素を供給する他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の水素供給システムは、いわゆるオフ−サイト型の水素供給システムであり、精製した水素ガスを水素カードルに高圧で充填し燃料電池車に供給している。水素カードルを使用した本公報に記載のシステムでは、水素ガスの充填ロードの高低にかかわらず、必要水素量を燃料電池車に供給できる。

特開２００３−１９４２９７号公報特開２００５−２７３８１１号公報

燃料電池車に用いる純水素は爆発限界が広く、自然界から多量に得られる可能性が高く、かつ環境負荷も低いので、石油に代わるエネルギー源として期待されている。ただし、広範な使用に対応するためには、低価格な燃料供給システムが求められる。

そこで、上記特許文献１に記載の従来の水素供給システムでは、水を電気分解して水素を得る水素発生装置を用いている。この装置では、起動から水素発生の定常状態に至るまでに多くの時間を要するので、燃料電池車への水素充填ロードが低い時には装置を停止させて運用経費を節減することが望まれている。しかしながら、圧縮機等を有しており短時間の起動停止には不向きである。その結果、燃料電池車への充填負荷が低い時などには、発生した水素ガスの一部は余剰になり、水素ガスを無駄に燃焼させるかそのまま大気に放出せざるを得ない。

一方、特許文献２に記載のオフ−サイト型の燃料電池車への水素供給方法では、充填負荷にかかわらず水素を所定量だけ供給できるが、加圧用の圧縮機の圧縮段数を考慮すると、圧縮機の吸い込み圧力を６ＭＰａ程度までにせざるを得ない。その結果、燃料電池車に供給できずに水素カードル内に残存する水素の量が多くなり、水素カードルの運用効率が低下する。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、水素発生装置で発生した水素をできるだけ有効に利用することにある。本発明の他の目的は、水素を燃料とする燃料電池車の運用コストを低減することにある。本発明のさらに他の目的は、燃料電池車に水素を供給する水素ステーションを効率化することにある。余剰水素を捨てることなくできる限り回収し、また水素カードル内の残存水素を減少させる。そして本発明は、これら目的の少なくともいずれかを達成することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、水素発生装置と、この水素発生装置で発生した水素を加圧して燃料電池車に供給可能とする多段の圧縮段を有する多段圧縮機とを有し、オン−サイト型の水素ステーションとオフ−サイト型の水素ステーションとに切り換えて使用可能に形成された水素ステーションに備えられた水素圧縮機システムにおいて、前記多段圧縮機の各圧縮段を同一のモータで駆動し、この多段圧縮機の中間段の吸込み側に遠隔操作バルブを介して高圧ボンベカードルユニットを接続し、前記多段の圧縮段の中でこの高圧ボンベカードルユニットに接続された圧縮段よりも前段側の各段では、吸込み側と吐出側とをバイパスバルブを介して接続してバイパス流路を形成するとともに吐出側に制御バルブを設け、前記高圧ボンベカードルユニットに高圧ボンベカードルをバルブを介して取り付け、この高圧ボンベカードルに前記多段圧縮機の中間段から圧縮された水素ガスを供給可能にするとともに、中間段または外部から供給された水素ガスを前記多段圧縮機の初段または中間段に供給可能とし、前記水素ステーションをオン−サイト型として使用する時には前記各バイパスバルブを閉じるとともに、前記水素発生装置で発生した水素を前記多段圧縮機で圧縮して燃料電池車に供給し、前記水素ステーションをオフ−サイト型として使用するときには前記各バイパスバルブを開くとともに前記遠隔操作バルブを開き、前記高圧ボンベカードルに貯蔵された水素ガスを前記多段圧縮機で圧縮して燃料電池車に供給するようにしたことにある。

そしてこの特徴において、前記水素発生装置は改質器であり、前記多段圧縮機は５段の往復動型の圧縮機で最終段の吐出圧が７０ＭＰａ以上あり、前記中間段は第４段圧縮段であることが望ましく、前記多段圧縮機の第１段ないし第３段圧縮段はピストンを有し、第４段および第５段圧縮段はプランジャを有し、第３段圧縮段の吐出圧が１５〜２０ＭＰａであるのがさらに望ましい。

また上記特徴において、前記多段の圧縮段の初段から前記中間段までの各段の吸込み側を、各段ごとに設けた遠隔操作バルブを介して前記高圧ボンベカードルユニットに接続し、オン−サイト型としての使用時に、前記高圧ボンベカードルに貯蔵された水素ガスの元圧の低下に応じて、各段ごとに設けた遠隔操作バルブの開状態を順次低圧側に変え、前記高圧ボンベカードルに貯蔵された水素ガスを前記多段圧縮機で圧縮して燃料電池車に供給するようにしてもよい。

本発明によれば、改質器で発生した水素ガスを圧縮機と高圧ボンベカードルの双方に供給可能とし、高圧ボンベカードルのガスを初段圧縮機または中間段圧縮機に供給可能としたので、改質器で発生した水素を有効に利用できる。また、水素を燃料とする燃料電池車の運用コストを低減できる。さらに、燃料電池車に水素を供給する水素ステーションの運用効率が増す。余剰水素を捨てることなくできる限り回収し、水素カードル内の残存水素を減少させることが可能になる。

以下、本発明に係る水素ステーションの一実施例を、図面を用いて説明する。図１に、燃料電池車６に燃料である水素を供給する水素ステーション１００を模式的に示す。燃料電池車６に水素ガスを供給する方法は、上述したようにオン−サイト型とオフ−サイト型の２種類がある。オン−サイト型では、アルコールや石油燃料を改質器１で改質して、燃料用の水素を得ている。または、図示しないが、水を電気分解して純水素を発生させる。改質器１や水の電気分解装置で純水素ガスを発生させる水素発生装置を備える水素ステーション１００では、発生する水素ガスの圧力は０.６ＭＰａ程度になる。

一方、オフ−サイト型の水素ステーション１００では、副生水素などから純水素ガスを取り出し、高圧でボンベ２に封入する。この高圧のボンベを、ガスボンベカードル２と呼ぶ。ガスボンベカードル２には、１５〜２０ＭＰａ程度の圧力で水素ガスが充填される。本実施例で示す水素ステーション１００は、オン−サイト型およびオフ−サイト型の双方の特徴を有している。

改質器１またはガスボンベカードル２のいずれかから供給された水素ガスは、そのままの圧力で燃料電池車６に供給するには供給圧力が低すぎるので、昇圧する必要がある。この昇圧のために、詳細を後述する圧縮機ユニット３が改質器１やガスボンベカードル２の下流側に接続されている。

圧縮機ユニット３で所定の圧力まで段階的に昇圧された水素ガスは、一旦、蓄圧器ユニット４に貯蔵される。昇圧された水素ガスを燃料電池車６に供給するために、燃料電池車１の供給口に適合するアダプターを備えたディスペンサー５が、蓄圧器ユニット４に接続されている。

図１に示した水素ステーション１００に用いる圧縮機ユニット３の詳細を、図２にブロック図で示す。圧縮機ユニット３は、モータ１９の出力軸に接続されたクランクシャフト８を有し、このクランクシャフト８には５段の圧縮要素が取り付けられている。すなわち図２において、クランクシャフト８のクランク部には、左端側から順に第１段ピストンシャフト１４，第２段ピストンシャフト１５，第３段ピストンシャフト１６，第４段ピストンシャフトピストン１７および第５段ピストンシャフト１８が取り付けられている。

各ピストンシャフト１４〜１８の先端部には、第１段シリンダ９〜第５段シリンダ１３内を往復動するピストン１４ａ〜１８ａが取り付けられている。各ピストンシャフト１４〜１８およびクランクシャフト８は、フレーム７内に収容されている。なお図２ではクランクシャフト８を水平に延びるシャフトとし、このシャフト８の直角方向であって上下方向にピストンシャフト１４〜１８が往復動するように記載したが、図１に示すようにピストンシャフト１４〜１８は、クランクシャフト８と直交する、異なる２方向に往復動するようにしてもよい。このように配置すれば、クランクシャフト８の長さを短くできる。

第１段シリンダ９と第１段ピストン１４ａにより形成される第１段圧縮段の吸い込み側１Ｓには、第１段吸い込み制御バルブ１０１を介して第１段スナッバ２２が接続されている。第１段吐出側１Ｄと第２段吸い込み側２Ｓの間には、第１段吐出制御バルブ１０３および第１段インタークーラ１Ｃを介して第２段スナッバ２３が接続されている。以下同様に、第２段吐出側２Ｄと第３段吸い込み側３Ｓには第２段吐出制御バルブ１０５および第２段インタークーラ２Ｃを介して第３段スナッバ２４が、第３段吐出側３Ｄと第４段吸い込み側４Ｓには第３段吐出制御バルブ１０７および第３段インタークーラ３Ｃを介して第４段スナッバ２５が、第４段吐出側４Ｄと第５段吸い込み側５Ｓとの間には第４段吐出制御バルブ１０８および第４段インタークーラ４Ｃを介して第５段スナッバ２６が接続されている。

さらに、第１段圧縮段から第３段圧縮段においては、吸い込み側配管と吐出側配管とをバイパスバルブ１０２，１０４，１０６を介してそれぞれ接続している。最終圧縮段である第５段圧縮段の吐出配管には、アフタークーラ５Ｃおよび逆止弁３３、吐出スナッバ２７，フィルタ２８，第５段吐出制御バルブ１０９が直列に接続されている。なお、フレーム７内に漏れた水素ガスは、逆止弁３２を介在させた戻りライン３５を経て第１段スナッバ２２に戻される。

このように構成した水素圧縮機に水素を供給する供給源は、上述したようにオン−サイト型の場合には改質器２１であり、オフ−サイト型の場合には、高圧ボンベカードルユニット４０１になる。本実施例では、オン−サイト型として、第１段スナッバ２２と改質器６とを、開閉弁３１を介して接続している。また、オフ−サイト型として、高圧ボンベカードルユニット４０１を第１段から第３段スナッバ２２〜２４に接続している。

高圧ボンベカードルユニット４０１は、複数の高圧ボンベカードル４１１〜４１４を有しており、各高圧ボンベカードル４１１〜４１４はバルブ４０３〜４０６を介してヘッダ４０２に接続されている。ヘッダ４０２と第１段スナッバ２２とをライン４２１で接続し、ライン４２１には遠隔操作バルブ２０１およびコントロールバルブ３０１とを介在させている。同様に、ヘッダ４０２と第２段スナッバ２３とをライン４２２で接続し、ライン422には遠隔操作バルブ２０２およびコントロールバルブ３０２を設けており、ヘッダ４０２と第３段スナッバ２４とをライン４２３で接続し、ライン４２３には遠隔操作バルブ203およびコントロールバルブ３０３を設けている。各段のコントロールバルブ３０１〜309は、それぞれの段のスナッバ２２〜２４が発信した制御信号で駆動される。さらに、第４段スナッバ２５とヘッダ４０２とを遠隔操作バルブ２０４を介してライン４２４で接続する。

このように構成した本実施例に示した水素ステーションの動作を以下に説明する。オン−サイト型の水素供給ステーションとして使用するときには、改質器２１から発生した水素ガスを、第１段スナッバ２２および第１段吸い込み制御バルブ１０１を介して第１段シリンダ９に導く。第１段シリンダ９に導かれた水素ガスは、第１段シリンダ９で圧縮された後、制御バルブ１０３を経て第１段インタークーラ１Ｃで冷却され、第２段スナッバ
２３に貯蔵される。

第２段スナッバ２３に貯蔵された水素ガスは、第２段スナッバ２３から第２段シリンダ１０の吸込側２Ｓに導かれ、第２段シリンダ１０で圧縮されて吐出側２Ｄから吐出される。そして、第２段制御バルブ１０５を経て、第２段インタークーラ２Ｃで冷却され、第３段スナッバ２４に貯蔵される。以下同様の手順を経て、水素ガスは、第３段シリンダ１１，第４段シリンダ１２，第５段シリンダ１３で圧縮され、順次その圧力を高めていく。第５段シリンダ１３で所定圧力まで圧縮された水素ガスは、アフタークーラ５Ｃで冷却された後、吐出スナッバ２７，フィルタ２８を経て図示しない蓄圧器に貯蔵される。

ところで、本実施例で示した水素圧縮機３の第３段シリンダ１１における吐出圧力は
１５〜２０ＭＰａ程度になる。そこで、オフ−サイト型の水素ステーションとしても作動できるように、第４段スナッバ２５に高圧ボンベカードルユニット４０１をライン４２４で接続している。オフ−サイト型の水素ステーションとして使用するときは、バイパスバルブ１０２，１０４，１０６を開いて、第１〜第３段のシリンダ９〜１１をアンロードさせ、第４段のライン４２４に介在させた遠隔操作バルブ２０４を開く。高圧ボンベカードル４１１〜４１４の充填時圧力は、１５〜２０ＭＰａ程度なので、ちょうど第４段スナッバ２５の所要圧力程度であるから、オフ−サイト型のステーションとしても運用できる。

オフ−サイト型の水素ステーションでは、高圧ボンベカードル４１１〜４１４に充填された水素ガスを利用する。この充填される水素ガスは外部から供給されてよいことはもちろんであるが、本実施例では圧縮機３の運用効率を図るために、改質器２１で作成された水素ガスを水素ガス使用量の少ないときに高圧ボンベカードル４１１〜４１４に充填することも可能にしている。この詳細を、以下に説明する。

オン−サイト型の水素ステーションでは、改質器２０などの水素発生設備を短時間だけ起動／停止させることが困難である。そこで従来は、改質器２０を連続的に運転し、燃料電池車６への水素充填負荷が少ないときには、改質器２０で発生したガスを燃焼させるかあるいは大気に捨てていた。水素ステーションを効率的に運営するためには、無駄な水素の使用をできるだけ避ける必要がある。そこで、燃料電池車６への水素充填負荷が少ないときには、第４段スナッバ２５から高圧ボンベカードルユニット４０１の高圧ボンベカードル４１１〜４１４に水素ガスを、圧力１５〜２０ＭＰａ程度で充填する。

一方、燃料電池車６への水素充填負荷が多いときには、高圧ボンベカードル４１１〜
４１４に充填された１５〜２０ＭＰａ程度の圧力の水素ガスを使用する。その際、遠隔操作バルブ２０４を開いて、第４段スナッバ２５から水素ガスを吸い込み、第４段および第５段シリンダ１２，１３で８０ＭＰａ程度まで圧縮する。

第４段シリンダ１２にヘッダ４０２から供給される水素ガスが加えられるから、圧縮機３全体としては、相対的に圧縮比が低下し、圧縮機３の電力消費量が削減され、経済効率が向上する。水素ガスを燃料電池車６に供給すると、高圧ボンベカードル４１１〜４１４の元圧は徐々に低下する。

高圧ボンベカードル４１１〜４１４の圧力が、第４段圧縮段の許容吸い込み圧力以下になったら、第４段スナッバ２５に連通するライン４２４に介在させた遠隔操作バルブ204を閉じる。そして、第３段スナッバ２４に連通するライン４２３に介在させた遠隔操作バルブ２０３を開く。

これにより、高圧ボンベカードル４１１〜４１４に蓄えられた圧力が低下した水素ガスは、第４段スナッバ２５から第３段スナッバ２４に供給先が変更される。第３段スナッバに供給された水素ガスは、第３〜５段シリンダ１１〜１３で順次圧力を高められ、最終的に８０ＭＰａ程度まで圧縮される。高圧ボンベカードル４１１〜４１４の圧力がさらに低下したときは、ヘッダ４０２に接続されたライン４２２，４２１を切り換えて、高圧ボンベカードル４１１〜４１４内の水素の供給先スナッバを、第２段スナッバ２３および第１段スナッバ２２に順次変更する。

最終的には、第１段スナッバ２２に連通するライン４２１に介在させた遠隔操作バルブ２０１を開き、その他の遠隔操作バルブ２０２〜２０４を閉じる。この状態では、高圧ボンベカードル４１１〜４１４内の圧力がほぼ０.６ＭＰａに低下するまで、水素ガスを無駄に使用することなく、圧縮機３を動作させることができる。したがって、高圧ボンベカードル４１１〜４１４に充填された水素ガスをほぼ使い切ることができる。

本実施例では、オン−サイト型とオフ−サイト型の双方を備える水素ステーションを取り扱ったが、オフ−サイト型だけを備える水素ステーションでも、同様に運用できる。また本実施例では、各バルブを水素ガス供給ラインの圧力を検出して制御しているので、自動でバルブの開閉を制御できる。その結果、人手による複雑な運転作業を必要としない。以上述べたように、改質器で発生した水素ガスを燃焼させたり大気に捨てる等の無駄な使用を低減でき、圧縮機のランニングコストを低減できる。また、水素ステーションのエネルギー効率を向上させる。

本発明に係る水素ステーションの一実施例の模式図。図１に示した水素ステーションの詳細ブロック図。

符号の説明

１…改質器、２…高圧水素ボンベカードル、３…圧縮機ユニット、４…蓄圧器ユニット、５…ディスペンサー、６…燃料電池車、７…フレーム、８…クランクシャフト、９…第１段シリンダ、１０…第２段シリンダ、１１…第３段シリンダ、１２…第４段シリンダ、１３…第５段シリンダ、１４ａ…第１段ピストン、１５ａ…第２段ピストン、１６ａ…第３段ピストン、１７ａ…第４段ピストン（プランジャ）、１８ａ…第５段ピストン（プランジャ）、１９…モータ、２１…改質器（水素発生装置）、２２…第１段スナッバ、２３…第２段スナッバ、２４…第３段スナッバ、２５…第４段スナッバ、２６…第５段スナッバ、２７…吐出スナッバ、２８…フィルタ、１０１…第１段吸い込み制御バルブ、１０２…第１段バイパスバルブ、１０３…第１段吐出制御バルブ、１０４…第２段バイパスバルブ、１０５…第２段吐出制御バルブ、１０６…第３段バイパスバルブ、１０７…第３段吐出制御バルブ、１０８…第４段吐出制御バルブ、１０９…第５段吐出制御バルブ、２０１〜２０４…遠隔操作バルブ、３０１〜３０３…コントロールバルブ、４０１…高圧ボンベカードルユニット、１Ｃ…第１段インタークーラ、２Ｃ…第２段インタークーラ、３Ｃ…第３段インタークーラ、４Ｃ…第４段インタークーラ、５Ｃ…アフタークーラ。

Claims

水素発生装置と、この水素発生装置で発生した水素を加圧して燃料電池車に供給可能とする多段の圧縮段を有する多段圧縮機とを有し、オン−サイト型の水素ステーションとオフ−サイト型の水素ステーションとに切り換えて使用可能に形成された水素ステーションに備えられた水素圧縮機システムにおいて、
前記多段圧縮機の各圧縮段を同一のモータで駆動し、この多段圧縮機の中間段の吸込み側に遠隔操作バルブを介して高圧ボンベカードルユニットを接続し、前記多段の圧縮段の中でこの高圧ボンベカードルユニットに接続された圧縮段よりも前段側の各段では、吸込み側と吐出側とをバイパスバルブを介して接続してバイパス流路を形成するとともに吐出側に制御バルブを設け、前記高圧ボンベカードルユニットに高圧ボンベカードルをバルブを介して取り付け、この高圧ボンベカードルに前記多段圧縮機の中間段から圧縮された水素ガスを供給可能にするとともに、中間段または外部から供給された水素ガスを前記多段圧縮機の初段または中間段に供給可能とし、
前記水素ステーションをオン−サイト型として使用する時には前記各バイパスバルブを閉じるとともに、前記水素発生装置で発生した水素を前記多段圧縮機で圧縮して燃料電池車に供給し、前記水素ステーションをオフ−サイト型として使用するときには前記各バイパスバルブを開くとともに前記遠隔操作バルブを開き、前記高圧ボンベカードルに貯蔵された水素ガスを前記多段圧縮機で圧縮して燃料電池車に供給することを特徴とする水素圧縮機システム。
前記水素発生装置は改質器であり、前記多段圧縮機は５段の往復動型の圧縮機で最終段の吐出圧が７０ＭＰａ以上あり、前記中間段は第４段圧縮段であることを特徴とする請求項１に記載の水素圧縮機システム。
前記多段圧縮機の第１段ないし第３段圧縮段はピストンを有し、第４段および第５段圧縮段はプランジャを有し、第３段圧縮段の吐出圧が１５〜２０ＭＰａであることを特徴とする請求項２に記載の水素圧縮機システム。
前記多段の圧縮段の初段から前記中間段までの各段の吸込み側を、各段ごとに設けた遠隔操作バルブを介して前記高圧ボンベカードルユニットに接続し、オン−サイト型としての使用時に、前記高圧ボンベカードルに貯蔵された水素ガスの元圧の低下に応じて、各段ごとに設けた遠隔操作バルブの開状態を順次低圧側に変え、前記高圧ボンベカードルに貯蔵された水素ガスを前記多段圧縮機で圧縮して燃料電池車に供給することを特徴とする請求項１に記載の水素圧縮機システム。