JP4833819B2 - 車両用水素供給システム - Google Patents
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Description
本発明は、水を電気分解して高圧水素を生成する水電解装置と、車両に搭載され、前記水電解装置から前記高圧水素が充填される少なくとも第１水素タンク及び第２水素タンクとを備える車両用水素供給システムに関する。
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ために、水を電気分解して水素（及び酸素）を発生させる水電解装置が用いられている。
この水電解装置で発生する水素を燃料とする車両では、複数の高圧水素タンクを搭載する構成が採用されている。例えば、特許文献１に開示されている車両用水素ガス供給装置では、図４に示すように、車両１に複数の高圧水素タンク２ａ〜２ｄが搭載されるとともに、各高圧水素タンク２ａ〜２ｄには、充填バルブ３ａ〜３ｄ、放出バルブ４ａ〜４ｄ、圧力センサ５ａ〜５ｄ及び温度センサ６ａ〜６ｄが設けられている。
そして、水素ガス消費時には、複数の高圧水素タンク２ａ〜２ｄの中から１つの高圧水素タンクを選択し、該高圧水素タンクから優先的に水素を消費機器７に供給し、その圧力を低下させている。水素充填時には、先ず、優先的に水素を消費した高圧水素タンクに対して他の高圧水素タンクから水素を移送し、他の高圧水素タンクの温度を低下させている。
ところで、上記の特許文献１では、各高圧水素タンク２ａ〜２ｄに高圧水素が満充填される際、それぞれの満充填圧力が相当に高圧となっている。このため、特に、水電解装置から各高圧水素タンク２ａ〜２ｄに、直接、高圧水素を充填する際、前記水電解装置は、常時、高圧水素を製造する必要がある。これにより、水電解装置におけるエネルギロスが大きくなり、高圧水素の充填処理が効率的に遂行され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、車両に搭載された水素タンクに水素を充填する際のエネルギ消費を良好に削減することができ、効率的且つ経済的に水素充填作業を行うことが可能な車両用水素供給システム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生成する水電解装置と、車両に搭載され、前記水電解装置から前記高圧水素が充填される少なくとも第１水素タンク及び第２水素タンクと、前記車両の水素充填口から該車両に供給された前記高圧水素を、前記第１水素タンクが配設される第１供給路と、前記第２水素タンクが配設される第２供給路とに、選択的に連通して供給する三方切替バルブとを備えている。
そして、第１水素タンクは、第２水素タンクよりも少ない容量であり、予め定められた日常走行距離に則した容量及び満充填圧力に設定されるとともに、前記第２水素タンクは、前記第１水素タンクよりも高圧であり、予め定められた長距離走行距離に則した容量及び満充填圧力に設定され、前記水電解装置は、前記第１水素タンクに充填する際、該第１水素タンクの満充填圧力と同期した圧力で水素製造を行う一方、前記第２水素タンクに充填する際、該第２水素タンクの満充填圧力と同期した圧力で水素製造を行う。
本発明によれば、満充填圧力の小さな第１水素タンクが、常用水素タンクとして使用されるため、前記第１水素タンクに高圧水素を充填する水電解装置は、比較的低圧の水素を製造することで対応することができる。これにより、水電解装置で消費されるエネルギを有効に削減することが可能になり、効率的且つ経済的な水素充填作業を行うことができる。
一方、例えば、長距離運転が行われる際には、予備水素タンクである第２水素タンクに充填される比較的高圧な水素ガスが使用される。従って、走行途上で水素ガスを充填する作業が不要になり、長距離運転を連続して行うことが可能になる。
図１は、本発明の実施形態に係る車両用水素供給システム１０の概略構成説明図である。
水素供給システム１０は、例えば、家庭で使用されるものであり、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が供給され、この純水を電気分解することによって高圧水素を製造する水電解装置１４と、前記水電解装置１４から水素導出路１６に導出される前記高圧水素に含まれる水分を除去する気液分離器（気液分離部）１８と、前記気液分離器１８から水素供給路２０に供給される前記高圧水素に含まれる水分を吸着して除去する吸着部２２と、車両２４に搭載され、前記吸着部２２からドライ水素供給路２６を介して送出される高圧ドライ水素が、直接、充填される複数、例えば、第１水素タンク２８ａ及び第２水素タンク２８ｂとを備える。
水電解装置１４は、複数の高圧水電解セル３０が積層されるとともに、常圧〜７０ＭＰａまでの高圧水素を任意の圧力で製造することができる。高圧水電解セル３０の積層方向一端には、純水供給装置１２に連通して純水の循環が行われる配管３２ａ、３２ｂと、水素導出路１６を介して気液分離器１８に連通する配管３２ｃとが設けられる。水素導出路１６には、バルブ３４が配設される。
気液分離器１８には、純水循環路３６の一端が接続され、前記純水循環路３６は、純水供給装置１２を介装して水電解装置１４の配管３２ａに接続される。気液分離器１８の底部には、純水循環路３６に連通するドレンバルブ３８ａ、３８ｂが設けられる。
気液分離器１８と吸着部２２とを連通する水素供給路２０には、バルブ４０が接続される。吸着部２２は、水素に含まれる水蒸気（水分）を物理的吸着作用で吸着するとともに、加熱により水分を蒸発脱着して再生される水分吸着剤を充填した単一（又は複数）の吸着塔４２を備える。水分吸着剤としては、例えば、活性炭、合成ゼオライト、多孔質アルミナ又はシリカが用いられる。吸着塔４２は、通常、ＴＳＡ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置の熱吸着塔が使用される。なお、吸着部２２は、ＴＳＡ装置の熱吸着塔に代えて、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置の吸着塔を使用してもよい。
ドライ水素供給路２６には、バルブ４４が配設されるとともに、前記ドライ水素供給路２６の端部には、車両２４のドライ水素充填口４６に接続自在な供給接続部４８が設けられる。車両２４は、ドライ水素充填口４６に三方切替バルブ５０を介して第１供給路５２ａと第２供給路５２ｂと選択的に連通自在であり、前記第１供給路５２ａには、第１水素タンク２８ａが配設される一方、前記第２供給路５２ｂには、第２水素タンク２８ｂが配設される。
第１水素タンク２８ａは、容量が２ｋｇのタンクである一方、第２水素タンク２８ｂは、容量が３ｋｇのタンクである。第１水素タンク２８ａの満充填圧力は、例えば、１０ＭＰａに設定されるとともに、第２水素タンク２８ｂの満充填圧力は、前記第１水素タンク２８ａよりも高圧の、例えば、３５ＭＰａに設定される。
第１水素タンク２８ａは、常用タンクであり、日常走行に使用される一方、第２水素タンク２８ｂは、予備水素タンクであり、週末等の長距離走行時に使用される。
第１水素タンク２８ａ及び第２水素タンク２８ｂの容量及び満充填圧力は、それぞれ想定される日常走行距離及び長距離走行距離に対応して設定される。例えば、車両２４の燃費が６０ｍｉｌｅ／ｋｇとし、前記車両２４に搭載される総タンク容量が５ｋｇとする条件のもと、日常走行距離が３０ｍｉｌｅ以下で且つ、週末の長距離走行距離が２１０ｍｉｌｅ以下であるとして、上記の種々の値が設定される。具体的に、第１水素タンク２８ａでは、０．５７ｋｇの水素が充填されて３４ｍｉｌｅの走行が可能である一方、第２水素タンク２８ｂでは、３ｋｇの水素が充填されて１８０ｍｉｌｅの走行が可能である。なお、総走行距離は、２１４ｍｉｌｅである。
なお、常用タンクである第１水素タンク２８ａの満充填圧力は、車両２４が使用されるときの走行距離に応じて変更可能である。また、第２水素タンク２８ｂは、日常走行時には使用されていないが、３５ＭＰａの満充填圧力でドライ水素が充填されている。
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、以下に説明する。
先ず、純水供給装置１２では、市水から水が供給されるとともに、純水循環路３６に純水が導出されており、この純水は、水電解装置１４を構成する配管３２ａに供給される。水電解装置１４では、各高圧水電解セル３０において水が電気により分解されて高圧水素（１ＭＰａ〜７０ＭＰａ）が得られ、この高圧水素は、配管３２ｃを介して水電解装置１４の外部に取り出し可能となる。一方、反応により生成した酸素と、使用済みの水とは、配管３２ｂを介して純水供給装置１２に戻される。
図２に示すように、水電解装置１４で生成された水蒸気を含む比較的高圧の水素は、水素導出路１６を介して気液分離器１８に送られる。この気液分離器１８では、高圧水素に含まれる水蒸気が、この高圧水素から分離されて純水循環路６３に戻される一方、前記高圧水素は、水素供給路２０に供給される。
水素供給路２０に供給された高圧水素は、吸着部２２を構成する吸着塔４２に導入される。この吸着塔４２内では、高圧水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の高圧水素（高圧ドライ水素）が得られ、この高圧ドライ水素が前記吸着塔４２からドライ水素供給路２６に導出される。
ドライ水素供給路２６に導出された高圧ドライ水素は、供給接続部４８に接続されるドライ水素充填口４６から車両２４内に供給され、三方切替バルブ５０を介して第１供給路５２ａから第１水素タンク２８ａに充填される。
この場合、本実施形態では、第１水素タンク２８ａの満充填圧力が、比較的低圧な１０ＭＰａに設定されており、水電解装置１４の水素製造（供給）圧力は、前記第１水素タンク２８ａのタンク圧力である満充填圧力と同期している。その際、タンク圧力と水素製造に係るシステム効率とは、図３に示す関係を有している。
このため、第１水素タンク２８ａにドライ水素を充填する際に、水素製造作業に消費されるエネルギを有効に削減することができる。これにより、効率的且つ経済的に水素充填作業を行うことが可能になるという効果が得られる。
さらに、各家庭において、第１水素タンク２８ａへのドライ水素の充填作業を夜間に行う際には、比較的時間をかけて水素の製造を行うことができる。従って、水素製造効率が一層向上するという利点がある。
第１水素タンク２８ａへのドライ水素の充填作業は、毎夜間行われる一方、第２水素タンク２８ｂへのドライ水素の充填作業は、予め、休日等を使用して行われている。すなわち、平日走行時には、第１水素タンク２８ａに充填されているドライ水素を用いて車両２４が走行される。
一方、週末や旅行等のために比較的長距離走行が必要な際には、満充填圧力が第１水素タンク２８ａの満充填圧力（１０ＭＰａ）に比べて高圧（３５ＭＰａ）に設定され、且つ容量が前記第１水素タンク２８ａの容量２ｋｇよりも大容量（３ｋｇ）に設定される第２水素タンク２８ｂに充填されているドライ水素が用いられる。このため、長距離走行時には、走行途上で水素ガスを充填する作業が不要になり、長距離運転を連続して良好に行うことが可能になる。
ここで、実施例として、平日に３０ｍｉｌｅの走行を５日間行うとともに、週末に６０ｍｉｌｅの走行を２日間行い、この走行を４週間繰り返し行う場合について説明する。なお、車両燃費は、６０ｍｉｌｅ／ｋｇに設定されている。
先ず、比較例として、家庭用水素充填装置（図示せず）を用いて図示しない車両の水素タンク（５ｋｇ）に毎日水素を充填する際、約３５ＭＰａの水素が、（０．５ｋｇ×５＋１ｋｇ×２）×４＝１８ｋｇだけ必要となる。そして、３５ＭＰａの圧力時におけるシステム効率が７０％であるとすると、３５ＭＰａの水素を１ｋｇだけ生成するために必要な電力は５６．５ｋＷｈ／ｋｇであり、１８ｋｇだけ生成するために必要な全電力としては、１０１７ｋＷｈだけ必要となる。
これに対して、本実施形態において、第１水素タンク２８ａの満充填圧力を１０ＭＰａとする一方、第２水素タンク２８ｂの満充填圧力を２０ＭＰａとする。その際、約１０ＭＰａの水素が、０．５×５×４＝１０ｋｇで、約２０ＭＰａの水素が、１×２×４＝８ｋｇとなる。そして、１０ＭＰａの圧力時のシステム効率が７５％で、２０ＭＰａの圧力時のシステム効率が７２％であるとすると、５２．９×１０＋５５．１×８＝９７０ｋＷｈの電力が必要となる。
従って、車両２４で走行する距離は、本実施形態と比較例とで同一に設定されているものの、使用されるエネルギは、本実施形態では、比較例に比べて約５％の低減を図ることができる。これにより、水電解装置１４で使用されるエネルギの削減が図られ、効率的な水素製造作業が遂行される。
なお、本実施形態では、車両２４に第１水素タンク２８ａと第２水素タンク２８ｂとを設けているが、これに限定されるものではなく、例えば、３以上の水素タンクを分割して備え、必要に応じて常用タンク及び予備タンクとして使用することもできる。
１０…水素供給システム １２…純水供給装置
１４…水電解装置 １６…水素導出路
１８…気液分離器 ２０…水素供給路
２２…吸着部 ２４…車両
２８ａ、２８ｂ…水素タンク ４２…吸着塔
５２ａ、５２ｂ…供給路
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Claims (1)
- 水を電気分解して高圧水素を生成する水電解装置と、
車両に搭載され、前記水電解装置から前記高圧水素が充填される少なくとも第１水素タンク及び第２水素タンクと、
前記車両の水素充填口から該車両に供給された前記高圧水素を、前記第１水素タンクが配設される第１供給路と、前記第２水素タンクが配設される第２供給路とに、選択的に連通して供給する三方切替バルブと、
を備え、
前記第１水素タンクは、前記第２水素タンクよりも少ない容量であり、予め定められた日常走行距離に則した容量及び満充填圧力に設定されるとともに、
前記第２水素タンクは、前記第１水素タンクよりも高圧であり、予め定められた長距離走行距離に則した容量及び満充填圧力に設定され、
前記水電解装置は、前記第１水素タンクに充填する際、該第１水素タンクの満充填圧力と同期した圧力で水素製造を行う一方、前記第２水素タンクに充填する際、該第２水素タンクの満充填圧力と同期した圧力で水素製造を行うことを特徴とする車両用水素供給システム。
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