JP5048814B2

JP5048814B2 - 水素充填システムの運転方法

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Publication number: JP5048814B2
Application number: JP2010162699A
Authority: JP
Inventors: 孝治中沢; 昌規岡部; 淳武内
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-07-20
Also published as: CN102340013B; US8991445B2; CN102340013A; JP2012026463A; US20120018033A1

Description

本発明は、燃料電池車両に搭載された水素燃料タンクに、水素を充填するための水素充填システムの運転方法に関する。

例えば、燃料電池車両では、通常、固体高分子型燃料電池が搭載されている。この燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素（及び酸素）を発生させるため、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）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、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。

そこで、水電解装置により製造された水素ガスを、燃料電池車両に搭載されている燃料ガスタンクに充填するために、種々の水素充填システムが採用されている。例えば、特許文献１では、図６に示すように、車両に搭載された車載タンク１に対して水素を充填する水素供給ステーション２を備えている。

水素供給ステーション２は、貯蔵する水素の圧力ステージＰｔを複数段に異ならせた複数の貯蔵タンク３にそれぞれ水素を貯蔵するタンクユニット４と、前記タンクユニット４内の水素を車載タンク１へ供給するための供給ライン５と、前記供給ライン５に接続する前記貯蔵タンク３を切り替える切替装置６とを有している。

水素供給ステーション２は、車載タンク１への水素の充填が進行するにつれて、切替装置６を操作して、供給ライン５に接続される貯蔵タンク３を、逐次圧力ステージＰｔの高い貯蔵タンク３に切り替えることができるように構成されている。

特開２００５−６９３３２号公報

ところで、上記の特許文献１では、複数本、例えば、７本の貯蔵タンク３を備えており、タンクユニット４が相当に大型化している。このため、水素供給ステーション２の設置スペースが大きくなり、設置場所が制限されるという問題がある。

しかも、水素が放出された貯蔵タンク３では、水素が充填されている新たな貯蔵タンク３と交換する必要がある。従って、貯蔵タンク３の交換作業が相当に煩雑化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池車両に搭載された水素燃料タンクに、水素を迅速に充填することが可能な、しかも作業性に優れる水素充填システムの運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池車両に搭載された水素燃料タンクに水素を充填するために、直流電源からの通電により水を電気分解し、酸素及び前記水素燃料タンクの最大充填圧力と同一圧力の前記水素を発生させることができる高圧水電解装置と、前記水素燃料タンクに前記水素を充填させる充填機構及び前記高圧水電解装置の間を繋ぐ水素配管と、前記水素配管に配設され、前記高圧水電解装置により製造される前記水素を、前記水素燃料タンクの最大充填圧力と同一圧力で貯留する水素貯留タンクと、前記水素貯留タンクの下流に配置され、該水素貯留タンクから前記充填機構に向かう前記水素の流れのみを許容する第１弁機構と、前記水素配管に配設され、前記水素貯留タンク及び前記第１弁機構をバイパスして前記高圧水電解装置と前記充填機構とを接続させるバイパス配管と、前記バイパス配管に配置され、前記高圧水電解装置から前記充填機構に向かう前記水素の流れのみを許容する第２弁機構とを備える水素充填システムの運転方法に関するものである。

この運転方法は、水素燃料タンクに充填機構を接続し、水素貯留タンクから前記水素燃料タンクに水素を充填すると同時に、高圧水電解装置による水素製造を継続し、前記高圧水電解装置の運転により製造される前記水素を、バイパス配管を介して前記水素燃料タンクに充填する工程と、前記水素貯留タンクの内圧が前記水素燃料タンクの内圧と同一になった際、該水素貯留タンクを前記水素配管から遮断し、前記高圧水電解装置のみから前記水素燃料タンクに前記水素を充填する工程とを有している。

本発明によれば、水素貯留タンクから水素燃料タンクに水素を充填すると同時に、高圧水電解装置からバイパス配管を介して前記水素燃料タンクに前記水素を充填することができる。このため、水素燃料タンクに水素を迅速且つ容易に充填することが可能になる。

しかも、高圧水電解装置は、水素燃料タンクの最大充填圧力と同一圧力の水素を発生させることができるとともに、水素貯留タンクは、前記水素を前記水素燃料タンクの最大充填圧力と同一圧力で貯留することができる。これにより、例えば、機械式コンプレッサ等によって水素を昇圧させる必要がなく、消費エネルギを可及的に削減することが可能になる。従って、無駄なエネルギ消費が抑制され、経済的である。

本発明の実施形態に係る水素充填システムの概略構成説明図である。前記水素充填システムの運転方法を説明するフローチャートである。前記水素充填システムの動作説明図である。前記水素充填システムの動作説明図である。前記水素充填システムの動作説明図である。特許文献１に開示された水素供給ステーションの概略説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る水素充填システム１０は、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水素を製造する高圧水電解装置１４と、前記高圧水電解装置１４から水素配管１６に導出される高圧な前記水素に含まれる水分を除去する気液分離器１８と、前記気液分離器１８から排出される水素を冷却する冷却器（例えば、ペルチェ素子）２０と、前記冷却器２０から排出される冷却された水分（水滴）を除去するドレインセパレータ２１と、水素に含まれる水分を吸着して除去する水吸着筒２２と、前記水吸着筒２２の下流に配置され、前記水素配管１６に排出される前記水素を、常圧よりも高圧（例えば、２０ＭＰａ〜３５ＭＰａ）に維持する背圧弁２４とを備える。水素充填システム１０は、コントローラ２５により制御される。

高圧水電解装置１４は、複数の水分解セル２６が積層されており、前記水分解セル２６の積層方向両端には、エンドプレート２８ａ、２８ｂが配設される。高圧水電解装置１４には、直流電源である電解電源３０が接続される。高圧水電解装置１４の陽極（アノード）は、電解電源３０のプラス極に接続される一方、陰極（カソード）は、前記電解電源３０のマイナス極に接続される。

エンドプレート２８ａには、配管３２ａが接続されるとともに、エンドプレート２８ｂには、配管３２ｂ、３２ｃが接続される。配管３２ａ、３２ｂは、循環路３４に配設される水ポンプ３６を介して純水供給装置１２から純水の循環が行われる一方、水素排出口である配管３２ｃは、水素配管１６を介して気液分離器１８に接続される。

水吸着筒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、水分を外部に放出して再生される水分吸着材を充填した吸着塔（図示せず）を備える。水吸着筒２２の下流側（出口側）には、背圧弁２４を介して水素配管１６が接続される。なお、背圧弁２４に代えて、電磁弁等の種々の弁を使用してもよい。

水素配管１６は、下流端部（先端部）に燃料電池車両３８の水素燃料タンク４０に水素を充填するためのノズル部（充填機構）４２が設けられる。ノズル部４２には、図示しない弁機構が内蔵されており、水素燃料タンク４０に接続される際、前記弁機構が開放される一方、前記水素燃料タンク４０から離脱した際、前記弁機構が閉塞されて水素配管１６内を高圧に保持する。水素配管１６は、途上で第１配管部１６ａと第２配管部１６ｂとに分岐した後、前記水素配管１６に合流する。

第１配管部１６ａには、第１弁機構４４を介して第１水素貯留タンク４６が配設される一方、第２配管部１６ｂには、第１弁機構４８を介して第２水素貯留タンク５０が配設される。

第１弁機構４４は、第１配管部１６ａに沿って下流側にのみ水素の流れを許容する第１逆止弁４４ａ、４４ｂを備え、前記第１逆止弁４４ａ、４４ｂは、直列に配置される。第１逆止弁４４ａ、４４ｂ間には、第１給排路５２の一端が連通するとともに、前記第１給排路５２には、第１開閉弁５４を介して第１水素貯留タンク４６が接続される。この第１水素貯留タンク４６には、第１圧力センサ５６が配設される。

第１弁機構４８は、第２配管部１６ｂに沿って下流側にのみ水素の流れを許容する第１逆止弁４８ａ、４８ｂを備え、前記第１逆止弁４８ａ、４８ｂは、直列に配置される。第１逆止弁４８ａ、４８ｂ間には、第２給排路５８の一端が連通するとともに、前記第２給排路５８には、第２開閉弁６０を介して第２水素貯留タンク５０が接続される。この第２水素貯留タンク５０には、第２圧力センサ６２が配設される。

水素配管１６には、第１及び第２配管部１６ａ、１６ｂをバイパスして（より具体的には、第１弁機構４４、第１弁機構４８、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０をバイパスして）、バイパス配管６４が接続される。バイパス配管６４には、水吸着筒２２からノズル部４２に向かう水素の流れのみを許容する第２弁機構、例えば、第２逆止弁６６が配設される。

水素燃料タンク４０の容量Ｖ１、第１水素貯留タンク４６の容量Ｖ２及び第２水素貯留タンク５０の容量Ｖ３は、Ｖ１≧Ｖ２＋Ｖ３の関係に設定される。なお、説明の簡略化を図るため、例えば、Ｖ１＝Ｖ２＋Ｖ３、Ｖ２＝Ｖ３とする。

水素燃料タンク４０の最大充填圧力と、高圧水電解装置１４により製造される水素の圧力と、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０に貯留される水素の最大充填圧力とは、同一の圧力に設定される。

このように構成される水素充填システム１０の動作について、本実施形態に係る運転方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、水素充填システム１０のスタート電源がオン（ＯＮ）されて、前記水素充填システム１０が始動（起動）される（ステップＳ１）。このため、図１に示すように、純水供給装置１２を介して市水から生成された純水が高圧水電解装置１４に供給される。この高圧水電解装置１４では、電解電源３０から通電されることにより、純水が電気分解されて水素の生成が開始される。

高圧水電解装置１４内に生成された水素は、水素配管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、水素に含まれる水蒸気が、この水素から分離される。水蒸気が除去された水素は、冷却器２０を通過して水吸着筒２２に送られる一方、冷却により凝縮された水滴は、ドレインセパレータ２１により除去される。

水吸着筒２２では、水素に含まれる水蒸気が吸着されて乾燥状態の水素（ドライ水素）が得られる。この水吸着筒２２の下流には、背圧弁２４が配設されている。このため、水吸着筒２２内の水素圧力が設定圧力に至るまで、水素を前記水吸着筒２２内に加圧保持することができる。

そして、水吸着筒２２内の水素圧力が設定圧力に至ると、背圧弁２４が開放されて、前記水吸着筒２２から水素配管１６にドライ水素（以下、単に水素ともいう）が導出される。水素配管１６に導出された水素は、この水素配管１６内に充填されるとともに、第１配管部１６ａ及び第２配管部１６ｂに導入される。

ここで、例えば、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０内の水素が所定量だけ充填されていない際には、先ず、第１開閉弁５４が開放される一方、第２開閉弁６０が閉塞される。このため、第１配管部１６ａに導入された水素は、第１逆止弁４４ａを通って第１給排路５２から第１水素貯留タンク４６に供給される。

第１水素貯留タンク４６内が所定の水素圧力に至ったことが、例えば、第１圧力センサ５６により検出されると、第１開閉弁５４が閉塞される一方、第２開閉弁６０が開放される。従って、第２配管部１６ｂに導入された水素は、第１逆止弁４８ａを通って第２給排路５８から第２水素貯留タンク５０に供給される。第２水素貯留タンク５０内が所定の水素圧力に至ったか否かは、例えば、第２圧力センサ６２により検出される。

第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０が、満タンであると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、水素充填システム１０が待機状態に移行する。一方、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０が、満タンでないと判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、上記の水素貯留処理が継続される。

そして、燃料電池車両３８の水素燃料タンク４０への水素充填要求がなされると（ステップＳ５、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。この水素充填要求は、使用者が充填ボタン（図示せず）を押すことによりコントローラ２５に充填信号が送られる他、ノズル部４２が、燃料電池車両３８の水素燃料タンク４０に接続されたという信号が前記コントローラ２５に送られること等によりなされる。

ステップＳ６では、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０から水素燃料タンク４０への水素の充填と、高圧水電解装置１４の運転により製造される水素の前記水素燃料タンク４０への充填とが、同時に行われる。

ここで、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０から水素燃料タンク４０には、それぞれのタンク内水素圧力の差圧を利用するため、多量の水素流量が得られ、水素が一気に充填される（急速充填）。一方、高圧水電解装置１４の運転により電解反応により製造される水素は、そのまま水素燃料タンク４０に充填されるため、水素流量がタンク内水素圧力の差圧を利用する場合に比べて相当に少量になる（押し込み充填）。

具体的には、図３に示すように、第１開閉弁５４が開放される一方、第２開閉弁６０が閉塞される。これにより、第１水素貯留タンク４６内に貯留されている水素は、第１給排路５２から第１配管部１６ａに導入され、第１逆止弁４４ａ、４４ｂの作用下にノズル部４２側に向かって高圧な水素圧力Ｍ１を付与することができる。なお、予め、第１水素貯留タンク４６内には、最大充填圧力Ｍ１で水素が充填されているものとする。

高圧水電解装置１４では、水素の製造が行われている。このため、背圧弁２４を介して水素配管１６からバイパス配管６４に配設されている第２逆止弁６６には、ノズル部４２側に向かって高圧な水素圧力Ｍ１が付与されている。

従って、第１逆止弁４４ｂの下流及び第２逆止弁６６の下流には、高圧な水素圧力Ｍ１が付与されている。これにより、ノズル部４２が、比較的低圧（水素圧力Ｍ２）（Ｍ２＜Ｍ１）な水素燃料タンク４０に接続されると、水素燃料タンク４０には、第１水素貯留タンク４６からの水素の急速充填と、高圧水電解装置１４からの水素の押し込み充填とが、同時に行われる。

上記の充填処理が継続されると、水素燃料タンク４０内の水素圧力Ｍ２が上昇する一方、第１水素貯留タンク４６内の水素圧力Ｍ１が低下する。そして、水素圧力Ｍ２が水素圧力Ｍ１と同等程度（例えば、Ｍ２＝Ｍ１）になったことを第１圧力センサ５６により検出すると、第１開閉弁５４が閉塞される一方、第２開閉弁６０が開放される。

このため、図４に示すように、第２水素貯留タンク５０内に貯留されている水素は、第２給排路５８から第２配管部１６ｂに導入され、第１逆止弁４８ａ、４８ｂの作用下にノズル部４２側に向かって高圧な水素圧力Ｍ１を付与する。従って、水素燃料タンク４０には、第２水素貯留タンク５０からの水素の急速充填と、高圧水電解装置１４からの水素の押し込み充填とが、同時に行われる。

第２水素貯留タンク５０からの水素の急速充填が終了すると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、第２開閉弁６０が閉塞され、水素燃料タンク４０には、高圧水電解装置１４からの水素の押し込み充填のみが継続される（図５参照）。

さらに、水素燃料タンク４０への水素充填処理が終了すると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、高圧水電解装置１４からの水素は、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０に貯留される。そして、水素充填システム１０のスタート電源がオフ（ＯＦＦ）されると、前記水素充填システム１０の運転が停止される（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）。

この場合、本実施形態では、第１水素貯留タンク４６（又は第２水素貯留タンク５０）から水素燃料タンク４０に水素を充填すると同時に、高圧水電解装置１４からバイパス配管６４を介して前記水素燃料タンク４０に水素を充填することができる。このため、水素燃料タンク４０に水素を迅速且つ容易に充填することが可能になるという効果が得られる。

しかも、高圧水電解装置１４は、水素燃料タンク４０の最大充填圧力と同一圧力の水素を発生させることができるとともに、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０は、前記水素を前記水素燃料タンク４０の最大充填圧力と同一圧力で貯留することができる。これにより、例えば、機械式コンプレッサ等によって水素を昇圧させる必要がなく、消費エネルギを可及的に削減することが可能になる。従って、無駄なエネルギ消費が抑制され、経済的である。

さらに、水素燃料タンク４０の容量Ｖ１、第１水素貯留タンク４６の容量Ｖ２及び第２水素貯留タンク５０の容量Ｖ３は、Ｖ１≧Ｖ２＋Ｖ３の関係に設定されている。より具体的には、Ｖ１＝Ｖ２＋Ｖ３、Ｖ２＝Ｖ３の関係を有している。

ここで、水素燃料タンク４０が、容量Ｖ１且つ水素圧力０ｋＰａである際、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０が、それぞれ容量１／２Ｖ１且つ水素圧力ＭｋＰａである場合を想定する。

先ず、第１水素貯留タンク４６から水素燃料タンク４０に水素を充填すると、１／２Ｖ１×Ｍ＝（１／２Ｖ１＋Ｖ１）×ｎ（水素圧力）から、ｎ＝１／３Ｍ（ｋＰａ）が得られる。次いで、第２水素貯留タンク５０から水素燃料タンク４０に水素を充填すると、１／２Ｖ１×Ｍ＋１／３Ｍ×Ｖ１＝３／２Ｖ１×ｎ（水素圧力）から、ｎ＝０．５５…Ｍ（ｋＰａ）が得られる。

これに対して、単一の水素貯留タンクを用いるとともに、この水素貯留タンクが、容量Ｖ１且つ水素圧力ＭｋＰａである際、水素充填後の水素燃料タンク４０では、水素圧力０．５ＭｋＰａとなる。

従って、本実施形態では、単一の水素貯留タンクを使用する場合に比べ、約１割の充填圧力の増加が図られ、急速充填が遂行されて水素燃料タンク４０を満タンにする時間を有効に短縮化することができるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、水素貯留タンクとして、第１水素貯留タンク４６及び第２水素貯留タンク５０を備えているが、これに限定されるものではなく、３以上の水素貯留タンクを備えることができる。その際、全ての水素貯留タンクの総容積は、水素燃料タンク４０の容積以下に設定される。

１０…水素充填システム１２…純水供給装置
１４…高圧水電解装置１６…水素配管
１６ａ、１６ｂ…配管部１８…気液分離器
２０…冷却器２２…水吸着筒
２４…背圧弁２６…水分解セル
３０…電解電源３８…燃料電池車両
４０…水素燃料タンク４２…ノズル部
４４、４８…弁機構
４４ａ、４４ｂ、４８ａ、４８ｂ、６６…逆止弁
４６、５０…水素貯留タンク５２、５８…給排路
５４、６０…開閉弁５６、６２…圧力センサ
６４…バイパス配管

Claims

燃料電池車両に搭載された水素燃料タンクに水素を充填するために、直流電源からの通電により水を電気分解し、酸素及び前記水素燃料タンクの最大充填圧力と同一圧力の前記水素を発生させることができる高圧水電解装置と、
前記水素燃料タンクに前記水素を充填させる充填機構及び前記高圧水電解装置の間を繋ぐ水素配管と、
前記水素配管に配設され、前記高圧水電解装置により製造される前記水素を、前記水素燃料タンクの最大充填圧力と同一圧力で貯留する水素貯留タンクと、
前記水素貯留タンクの下流に配置され、該水素貯留タンクから前記充填機構に向かう前記水素の流れのみを許容する第１弁機構と、
前記水素配管に配設され、前記水素貯留タンク及び前記第１弁機構をバイパスして前記高圧水電解装置と前記充填機構とを接続させるバイパス配管と、
前記バイパス配管に配置され、前記高圧水電解装置から前記充填機構に向かう前記水素の流れのみを許容する第２弁機構と、
を備える水素充填システムの運転方法であって、
前記水素燃料タンクに前記充填機構を接続し、前記水素貯留タンクから前記水素燃料タンクに前記水素を充填すると同時に、前記高圧水電解装置による水素製造を継続し、該高圧水電解装置の運転により製造される前記水素を、前記バイパス配管を介して前記水素燃料タンクに充填する工程と、
前記水素貯留タンクの内圧が前記水素燃料タンクの内圧と同一になった際、該水素貯留タンクを前記水素配管から遮断し、前記高圧水電解装置のみから前記水素燃料タンクに前記水素を充填する工程と、
を有することを特徴とする水素充填システムの運転方法。