JP4796798B2 - 水素供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、水を電気分解して高圧水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から送られる前記水素を燃料電池車両に供給するために貯蔵する水素供給タンクとを備える水素供給システムにおいて、前記水素を前記燃料電池車両の車載水素タンクに供給する水素供給方法に関する。

近年、水素を燃料として電力又は動力を供給するシステム、例えば、燃料電池システムが提案されている。燃料である水素を製造する水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるために、一般的に固体高分子電解膜を用いている。

固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体が配設されてユニット（水電解セル）が形成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、燃料電池と同様に構成されている。

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に純水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。

上記の水電解装置は、通常、燃料電池車両の車載水素タンクに水素を供給するための水素供給システムに組み込まれている。この種の水素供給システムとしては、例えば、特許文献１に開示された高圧水素の製造装置が知られている。この製造装置は、図６に示すように、水電解セル１が収容される高圧容器２を備えており、前記水電解セル１の陽極室（図示せず）には、純水供給管３を介して電解用の純水が供給されている。水電解セル１には、電源４から電気が供給されており、この水電解セル１の陽極室で発生する酸素は、電解用の純水の一部と共に、戻り管５を介して電解用純水層６に送られている。

水電解セル１の陰極室（図示せず）で発生した水素は、高圧容器２内に放出された後、前記高圧容器２の外部に配置された熱交換器７によって冷却され、さらに前記高圧容器２の内部に戻されている。そして、高圧容器２内の水素を使用する際には、この高圧容器２に付設されたバルブ８ａを開放してニードルバルブ８ｂの開度を調整することにより、水素の流出量が制御されている。

その際、高圧容器２内の圧力低下が圧力計９によって検知され、電源４を介して水電解セル１で水電解が行われている。これにより、圧力を略一定に保った水素が、ニードルバルブ８ｂから取り出されることになる。

一方、特許文献２に開示されている水素供給ステーションは、貯蔵する水素の圧力ステージを複数段に異ならせた複数の貯蔵タンクにそれぞれ水素を貯蔵するタンクユニットと、該タンクユニット内の水素を車載タンクへ供給するための供給ラインと、該供給ラインに接続する前記貯蔵タンクを切替える切替装置とを有している。このため、水素充填を行う初期段階では、低い圧力ステージの貯蔵タンクから水素の充填を開始するとともに、車載タンク内の圧力が高くなったときには、前記の貯蔵タンクよりも高い圧力ステージの貯蔵タンクに切り替えて、水素の充填を継続することができる、としている。

特開２００３−２２１６９０号公報（図１） 特開２００５−６９３３２号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、高圧容器２内に水電解セル１が配置されるとともに、この高圧容器２に水素が貯蔵されるため、前記高圧容器２が相当に大型化してしまう。これにより、製造装置全体を有効に小型化することができないという問題がある。

しかも、高圧容器２内からニードルバルブ８ｂにより抜き出された量と同量の水素が、電源４の作用下に水電解セル１で生成されている。このため、電源４から水電解セル１に通電される電気量の制御が煩雑になるとともに、この電源４の消費電力が増大して経済的でないという問題がある。

一方、上記の特許文献２では、複数の貯蔵タンクを備えているため、各貯蔵タンクの配管が複雑になるとともに、制御弁の数が増加してしまい、設備全体の小型化には適さないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池車両に水素を簡単且つ経済的に供給するとともに、設備全体の小型化及び簡素化を図ることが可能な水素供給方法を提供することを目的とする。

本発明は、水を電気分解して高圧水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から送られる前記水素を、燃料電池車両に供給するために貯蔵する水素供給タンクとを備える水素供給システムにおいて、前記水素を前記燃料電池車両の車載水素タンクに供給する水素供給方法である。ここで、高圧水素とは、５Ｍｐａ〜７０Ｍｐａの水素をいう。

この水素供給方法では、水素供給タンク内の第１水素圧力と、車載水素タンク内の第２水素圧力とが検出され、前記第１水素圧力から前記第２水素圧力を引いた差圧が、規定圧力よりも大きいと判断された際、前記差圧により前記水素供給タンク内の前記水素が前記車載水素タンクに供給されている。

一方、前記工程により第２水素圧力が上昇する一方、第１水素圧力が減少することにより、差圧が、規定圧力を下回った場合に、水電解装置を運転して高圧な水素を発生させながら、発生した前記水素の圧力のみで車載水素タンクに前記水素が供給されている。

本発明によれば、水素供給タンク内の第１水素圧力と車載水素タンク内の第２水素圧力との差圧が、規定圧力よりも小さいと判断された際にのみ、水電解装置が運転されている。このため、水電解装置の制御が簡素化するとともに、車載水素タンクへの水素の供給が迅速且つ確実に遂行される。車載水素タンク内の水素圧力が上昇した際には、水電解装置から水素が生成されて水素圧が上昇するため、前記車載水素タンク内への水素の供給が円滑に行われるからである。これにより、燃料電池車両に水素を簡単且つ経済的に供給するとともに、設備全体の小型化及び簡素化を図ることが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る水素供給方法が適用される水素供給システム１０の概略構成説明図であり、図２は、前記水素供給システム１０の詳細説明図である。

水素供給システム１０は、電力を供給するための電源装置１２と、水道水（市水）から純水を製造する純水製造装置１４と、前記純水を電気分解することによって高圧水素（５Ｍｐａ〜７０Ｍｐａ）を製造する水電解装置１６と、製造された前記水素から水分を除去する除湿装置１８と、除湿された前記水素を貯蔵する水素供給タンク２０とを備え、燃料電池自動車（車両）２２の車載水素タンク２４に前記水素を供給する。

図２に示すように、電源装置１２は、水電解装置１６に電力を供給するための１つの手段として、例えば、太陽電池２６（又は、風力発電機等）を備えるとともに、別の手段として商用電源２８を備える。商用電源２８は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３０を介して分配ユニット３２に接続される一方、この分配ユニット３２には、太陽電池２６が接続される。

分配ユニット３２は、ＤＣ／ＡＣコンバータ３４を介して家庭に電力（交流電源）を供給可能であるとともに、エネルギーストレージであるバッテリ３６を介装して配電ユニット３８に接続される。水電解装置１６には、この配電ユニット３８から電力が供給される。

純水製造装置１４は、水電解装置１６から導出される水素及び水蒸気と水道水との間で熱交換を行う熱交換器４０を備える。この熱交換器４０には、前記熱交換器４０により熱交換を行った水道水から純水を製造する純水製造部（ＥＤＩ）４２が給水ライン４４を介して接続される。純水製造部４２で製造された純水は、純水供給ライン４６を介して水電解装置１６の純水供給口（図示せず）に供給される。

水電解装置１６は、所定数の水電解セルが積層される水電解スタック５０を備え、前記水電解スタック５０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２が電気的に接続される。水電解スタック５０から酸素を含む純水が導出される純水ライン５４には、酸素気液分離器５６が接続されるとともに、この酸素気液分離器５６には、前記酸素から分離された純水を水電解装置１６の純水供給口に戻す純水戻しライン５８が接続される。

水電解スタック５０から水素及び水蒸気が導出される水素ライン６０には、水素気液分離器６２が接続される。水素気液分離器６２には、この水素気液分離器６２で水分が除去された水素を熱交換器４０に供給する水素ライン６４と、前記水分を水電解スタック５０に戻す純水戻りライン６５とが接続される。

熱交換器４０で熱交換された水素は、水素供給ライン６６を介して除湿装置１８に送られる。除湿装置１８は、例えば、熱交換器等により構成されており、この除湿装置１８には、水素充填ライン６８を介して水素供給タンク２０が接続される。この水素供給タンク２０には、水素供給ライン７０が接続されるとともに、前記水素供給ライン７０の先端には、ノズル７２が装着される。

水素供給タンク２０には、この水素供給タンク２０内の水素圧を検出するための第１圧力センサ７６が設けられるとともに、車載水素タンク２４には、前記車載水素タンク２４内の水素圧を検出するための第２圧力センサ７８が設けられる。第１及び第２圧力センサ７６、７８の検出信号は、制御回路８０に送られる一方、この制御回路８０では、前記検出信号に基づいて水電解装置１６の運転制御等を行う。制御回路８０は、さらに水素供給システム１０全体の運転制御を行う機能を有する。

このように構成される水素供給システム１０の動作について、図３以降に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、太陽電池２６を使用して水素を製造する際には、この太陽電池２６が発電しているか否かが判断される（ステップＳ１）。太陽電池２６が水素供給システム１０の運転に必要な電力を発電していると判断すると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、水素供給タンク２０の残量が検出される。

なお、必要な電力量が得られないときは、家庭に供給することも可能である。そして、ステップＳ３に進んで、水素を製造すると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、太陽電池２６による発電電力は、分配ユニット３２より配電ユニット３８から水電解装置１６に供給される。

その際、純水製造装置１４では、水道水が熱交換器４０に供給されるため、この水道水は、水電解装置１６から導出される水素及び水蒸気と熱交換を行って加熱された後、純水製造部４２に供給される。さらに、この純水製造部４２で製造された純水は、純水供給ライン４６を介して水電解装置１６の純水供給口に供給される。

水電解装置１６では、水電解スタック５０内で純水が電気分解されて水素と酸素とが得られる。水電解スタック５０内で得られた酸素を含む純水は、純水ライン５４を介して酸素気液分離器５６に供給され、前記酸素から分離された純水が純水戻しライン５８を介して水電解装置１６の純水供給口に戻される。

一方、水電解スタック５０内で製造された水素及び水蒸気は、水素ライン６０を介して水素気液分離器６２に供給される。この水素気液分離器６２で水素から分離された水分は、純水戻りライン６５を介して水電解装置１６に戻されるとともに、前記水分が除去された水素は、水素ライン６４から熱交換器４０に供給される。熱交換された水素は、除湿装置１８に送られて除湿された後、水素充填ライン６８を介して水素供給タンク２０内に充填される。

次に、水素供給タンク２０が満タンであると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、水電解装置１６の運転が停止されて水素製造作業が終了する。

ところで、ステップＳ３において、水素を製造しないと判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、夜間水素供給可能な電力が計算される。なお、制御回路８０には、過去の水素製造量が記録されており、このデータに基づいて、上記の電力の計算が行われる。太陽電池２６で発電された電力は、この計算された電力に基づいて、バッテリ３６に充電され（ステップＳ７）、及び／又は、ＤＣ／ＡＣコンバータ３４を介して家庭用電力として供給される（ステップＳ８）。

次いで、夜間に、燃料電池自動車２２の車載水素タンク２４に水素を充填する際には、先ず、ノズル７２が前記車載水素タンク２４に装着される（図４中、ステップＳ１１）。その際、図示しないモニタには、明日の出発予想時間が表示される（ステップＳ１２）。制御回路８０では、燃料電池自動車２２の毎日の出発時間が記憶されており、この記憶データに基づいて、明日の出発予想時間が表示される。

そこで、明日の出発時間が、表示された予想時間と異なると（ステップＳ１３中、ＮＯ）、ステップＳ１４に進んで、明日の出発時間が入力される。さらに、制御回路８０に記憶されている毎日の供給量、すなわち、消費水素量に基づいて、航続距離の予想が表示される（ステップＳ１５）。そして、表示された航続予想距離に対して、実際の航続（予定）距離が異なるときには（ステップＳ１６中、ＮＯ）、ステップＳ１７に進んで、実際の航続距離が入力される。

制御回路８０では、車載水素タンク２４の残余容量を、例えば、第２圧力センサ７８による検出信号に基づいて受信すると（ステップＳ１８中、ＹＥＳ）、ステップＳ１９に進んで、前記車載水素タンク２４の残量が検出される。次に、ステップＳ２０に進んで、車載水素タンク２４の水素残量と、明日の出発時刻、航続距離から計算される必要水素量とから水素の充填パターンが計算される。

さらに、制御回路８０では、水素供給タンク２０内の第１水素圧力と車載水素タンク２４内の第２水素圧力とが、第１及び第２圧力センサ７６、７８により検出される。そして、第１水素圧力と第２水素圧力との差圧が、規定圧力よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ２１）。

差圧が規定圧力以上であると判断されると（ステップＳ２１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２２に進んで、前記差圧により水素供給タンク２０内の水素が車載水素タンク２４内に充填を開始する。車載水素タンク２４内では、水素が充填されることによって、第２水素圧力が上昇する。この第２水素圧力が設定値に至ることにより（ステップＳ２３中、ＹＥＳ）、車載水素タンク２４内への水素の充填が停止される（ステップＳ２４）。

ところで、水素の充填により車載水素タンク２４内の第２水素圧力が上昇する一方、水素供給タンク２０内では、水素が放出されることにより第１水素圧力が減少する。そして、差圧が規定圧力を下回ると（ステップＳ２１中、ＮＯ）、ステップＳ２５に進む。このステップＳ２５では、家庭における電力消費量が監視されるとともに、ステップＳ２６では、バッテリ３６の残量が検出される。これにより、水素を製造するための電力は、バッテリ３６及び／又は商用電源２８から確保される（ステップＳ２７）。家庭の消費電力を監視するのは、電力消費が家庭の供給容量を超えることがないようにするためである。そして、電力消費が家庭の供給容量を超えないように、バッテリ３６との出力の比が決定される。

上記の電力によって、水電解装置１６による水素の製造が開始される（ステップＳ２８）。このため、水電解装置１６で発生する高圧水素は、水素供給タンク２０側に送られ、前記水電解装置１６により水素を発生させながら、発生した前記水素の圧力によって車載水素タンク２４内に前記水素が供給される。

このように、本実施形態では、水素供給タンク２０内の第１水素圧力と車載水素タンク２４の第２水素圧力との差圧が規定圧力以上であれば、前記差圧により前記水素供給タンク２０内の水素を前記車載水素タンク２４に供給する。一方、差圧が規定圧力以下となる際にのみ、水電解装置１６を運転して水素を発生させながら、発生した前記水素の圧力により車載水素タンク２４に前記水素を供給している。

従って、水電解装置１６の運転を含めた制御全体が簡素化するとともに、車載水素タンク２４への水素の供給が迅速且つ確実に遂行されるという効果が得られる。これにより、燃料電池自動車２２に水素を簡単且つ経済的に供給するとともに、水素供給システム１０全体の小型化及び簡素化を図ることが可能になる。

本発明の実施形態に係る水素供給システムの概略構成説明図である。 前記水素供給システムの詳細説明図である。 前記水素供給システムによる水素製造工程を説明するフローチャートである。 前記水素供給システムによる夜間の水素充填工程を説明するフローチャートの前段である。 前記夜間の水素充填工程を説明するフローチャートの後段である。 特許文献１の製造装置の説明図である。

符号の説明

１０…水素供給システム １２…電源装置
１４…純水製造装置 １６…水電解装置
１８…除湿装置 ２０…水素供給タンク
２２…燃料電池自動車 ２４…車載水素タンク
２６…太陽電池 ２８…商用電源
３２…分配ユニット ３６…バッテリ
３８…配電ユニット ４０…熱交換器
４２…純水製造部 ５０…水電解スタック
５６…酸素気液分離器 ６２…水素気液分離器
７２…ノズル ７６、７８…圧力センサ
８０…制御回路

Claims (1)

1. 水を電気分解して高圧な水素を発生させる水電解装置と、前記水電解装置から送られる前記水素を燃料電池車両に供給するために貯蔵する水素供給タンクとを備える水素供給システムにおいて、前記水素を前記燃料電池車両の車載水素タンクに供給する水素供給方法であって、
   前記水素供給タンク内の第１水素圧力と、前記車載水素タンク内の第２水素圧力とを検出する工程と、
   前記第１水素圧力から前記第２水素圧力を引いた差圧が、規定圧力よりも大きいと判断された際、前記差圧により前記水素供給タンク内の前記水素を前記車載水素タンクに供給する工程と、
   前記工程により前記第２水素圧力が上昇する一方、前記第１水素圧力が減少することにより、前記差圧が前記規定圧力を下回った場合に、前記水電解装置を運転して高圧な水素を発生させながら、発生した前記水素の圧力のみで前記車載水素タンクに前記水素を供給する工程と、
   を有することを特徴とする水素供給方法。

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