JP5403233B2

JP5403233B2 - ガス供給システム

Info

Publication number: JP5403233B2
Application number: JP2009115288A
Authority: JP
Inventors: 栄治大川内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: JP2010265912A

Description

本発明は、ガス供給対象に所定のガスを供給するガス供給システムに関する。

移動体へのガス供給システムとして、例えば燃料電池車両に供給する燃料ガスとしての水素を貯蔵しておき、この貯蔵水素を水素補充に来た燃料電池車両に搭載されているガス貯蔵タンクへ供給する水素ステーションがある。

また、この種の水素ステーションには、ガス供給対象側のタンクへの不純物の混入を防止するべく、水素ガス流路内に水素ガスから水分や異物等の不純物を捕捉して除去するフィルタ部と、捕捉された不純物のフィルタ部からの脱離を促進するために当該フィルタ部を加熱する加熱手段とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３２２８０１号公報

しかしながら、水素ステーションの建設中は、配管組み立て時に水分を含んだ外気が水素ガス流路内に不可避的に浸入してしまう。また、水素ステーションの運転開始後であっても、フィルタ部等をメインテナンス（例えば定期、不定期の交換）する時のように配管を取り外して再度組み立てる時には、水分を含んだ外気が水素ガス流路内に不可避的に浸入してしまう。

このため、たとえフィルタ部を設けておいたとしても、建設時やメインテナンス時にフィルタ部の下流側に混入した大気中の水分や湿気が結露してこの結露水が移動体側ガス貯蔵タンクへ混入してしまうことを防ぐことは困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ガス供給対象側への水分混入を抑制することが可能なガス供給システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のガス供給システムは、ガス供給源と、前記ガス供給源からのガスを冷却する冷却部と、前記冷却部で冷却されたガスをガス供給対象へ放出する放出部と、前記冷却部内または前記冷却部よりも下流側に水分除去部が設けられ、前記冷却部は、前記ガス供給源からのガスが流通するガス配管と、このガス配管内を流通するガスとの熱交換により当該ガスを冷却する冷媒が流通する冷媒配管と、これらガス配管及び冷媒配管を収納するケースと、を備えてなり、前記水分除去部は、前記ガス配管に接続された状態で前記ケース内に収納され、前記前記ガス配管に接続され、前記水分除去部の温度を検出する温度センサと、前記温度センサで検出される温度に基づいて、前記冷却部の温度制御を行うことにより前記水分除去部の温度を所定温度以下にする制御部が設けられたものである。

かかる構成によれば、ガス供給源からのガスが冷却部で冷却されて放出部から放出されることになり、その際に、冷却部内または冷却部よりも下流側に設けられた水分除去部がガスから水分を凍結させて捕捉することになる。

本発明のガス供給システムにおいて、前記所定温度は、前記水分除去部で捕捉する水分を凍結させることが可能な−５℃以下としてもよい。

かかる構成によれば、水分除去部で捕捉する水分を凍結させることができるため、ガス中に含まれる水分を水分除去部によってより一層効果的に捕捉することができる。

また、本発明のガス供給システムにおいて、前記ガス供給源に水素が貯蔵されており、前記ガス供給対象が水素を燃料ガスとして当該燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池が搭載された燃料電池車両であっても良い。

本発明のガス供給システムによれば、ガス供給対象側への水分混入を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るガス供給システムを示す構成図である。本発明の第１実施形態に係るガス供給システムの水分セパレータを示す断面図である。本発明の第１実施形態に係るガス供給システムの水分セパレータの別の例を示す断面図である。本発明の第２実施形態に係るガス供給システムを示す構成図である。本発明の第３実施形態に係るガス供給システムを示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態に係るガス供給システムについて説明する。このガス供給システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池が搭載された燃料電池車両に対して燃料ガスである水素ガスを供給する水素ステーションに適用されるものである。

第１実施形態に係るガス供給システム１は、図１に示すように、水素を貯蔵する水素カードル２（ガス供給源）と、燃料電池車両に搭載されている水素タンク（ガス供給対象）に向けて水素ガスを放出するノズル３（放出部）と、これらを結ぶガス供給流路４とを有している。ノズル３は、いわゆるディスペンサに設けられている。

ガス供給流路４には、水素カードル２側から順に、水素カードル２からの水素ガスを圧縮して吐出する圧縮機６と、圧縮機６から吐出された水素ガスを蓄える蓄圧器７と、蓄圧器（ガス供給源）７の下流側のガス供給流路４を開閉する手動弁８と、導入された水素ガスから水分を捕捉して除去する水分セパレータ９（水分除去部）と、水分セパレータ９の下流側のガス供給流路４を開閉する手動弁１０と、ガス供給流路４の端末近傍に設けられてノズル３からの水素ガスの放出を制御する遮断弁１１とが設けられている。

また、ガス供給システム１は、上記した水分セパレータ９を通るパージ流路１４を有している。パージ流路１４には、一端にパージ用の不活性ガスである窒素等を貯蔵するパージ用ガスボンベ１５が、他端側にフレームアレスタや水封装置等の逆火防止装置１６が設けられており、パージ用ガスボンベ１５と水分セパレータ９との間に手動弁１７が、逆火防止装置１６と水分セパレータ９との間に手動弁１８が設けられている。パージ流路１４の開放端は、逆火防止装置１６を通過後のガスを大気に放出するようになっている。

さらに、ガス供給システム１は、上記した水分セパレータ９で捕捉した水分を外部（ガス供給流路４外）に放出する排出流路２０を有しており、排出流路２０には、手動弁２１が設けられている。

上記した水分セパレータ９は、いわゆる気液分離器であり、図２に示すように、内側に空間部２５が形成された有底円筒状のセパレータ本体２６と、このセパレータ本体２６にその上部開口部を閉塞するように取り付けられるプラグ２７と、セパレータ本体２６とプラグ２７との隙間をシールするＯリング２８とを有するもので、低コストでメンテナンス容易な構造となっている。

そして、上部に配置されるプラグ２７には空間部２５に連通する導入口３０および導出口３１が形成され、セパレータ本体２６には、底部に空間部２５に連通する排出口３２が形成され、かつ、側壁部に導入口３３および導出口３４が形成されている。水分セパレータ９は、プラグ２７の導入口３０がガス供給流路４の手動弁８側に、プラグ２７の導出口３１がガス供給流路４の手動弁１０側に、セパレータ本体２６の導入口３３がパージ流路１４の手動弁１７側に、セパレータ本体２６の導出口３４がパージ流路１４の手動弁１８側に、セパレータ本体２６の排出口３２が排出流路２０に、それぞれ接続される。

水分セパレータ９は、セパレータ本体２６の底部を下にして設置されることで、プラグ２７の導入口３０から導入されプラグ２７の導出口３１から排出される水素ガスから水分を捕捉することになり、捕捉した水分を空間部２５内で底部上に溜める。ここで、パージ流路１４は、水分セパレータ９からの水の浸入を抑制するため、水分セパレータ９への接続部分以外を水分セパレータ９よりも上方に設置するのが好ましい。

なお、水分セパレータ９としては、例えば、図３に示すように、Ｕ字配管３７にその曲部３８をバイパスするようにバイパス配管３９を設けたものを用いてもよい。この場合、Ｕ字配管３７の一端が上記した導入口３０となり、Ｕ字配管３７の他端が上記した導出口３１となって、導入口３０から導入され導出口３１から排出される水素ガスから水分を捕捉してＵ字配管３７のバイパス配管３９よりも下側の曲部３８に溜めることになる。そして、曲部３８に、上記した排出口３２、導入口３３および導出口３４が形成されている。

そして、第１実施形態に係るガス供給システム１は、図１に示すように、水分セパレータ９がプレクーラ４１（冷却部）内に設けられている。
本実施形態に係るプレクーラ４１は、不図示の冷媒供給源から供給される例えば低温窒素ガス等の冷媒が流通する冷媒配管５ａ，５ｂと、この冷媒配管５ａ，５ｂに内挿あるいは外挿され且つ蓄圧器７から手動弁８を介して供給される水素ガスが流通するガス配管４ａ，４ｂとを有する二重管構造の熱交換部と、この熱交換部を覆うプレクーラケースとを備えて構成されている。

図１での図示は省略しているが、熱交換部を構成している冷媒配管５ａ，５ｂおよびガス配管４ａ，４ｂは、熱交換面積の拡大を図るべく蛇行流路を形成するように構成されており、この蛇行流路の途中、より好ましくは下流側（プレクーラ４１の出口側）に水分セパレータ９が接続されている。ただし、水分セパレータ９は、蛇行流路の任意の位置に接続することが可能である。

プレクーラケースは、熱交換部の保護および熱交換部と外気との断熱に資するものであり、熱交換部全体を当該熱交換部から所定の間隔をおいて覆うように構成されている。したがって、本実施形態の水分セパレータ９は、熱交換部と共にプレクーラケース内に収納されていることになる。これにより、冷媒配管５ａ，５ｂ内を流通する冷媒は、ガス配管４ａ，４ｂ内を流通する水素ガスを冷却するだけでなく、熱交換部周辺の雰囲気すなわちプレクーラケース内の雰囲気をも冷却するので、水分セパレータ９の全体がプレクーラ４１内で冷却可能になっている。

また、水分セパレータ９より上流側のプレクーラ４１内にあるガス供給流路４には、当該ガス供給流路４内の温度を検出する温度センサ４２が設けられており、温度センサ４２には、この温度センサ４２の検出値に基づいてプレクーラ４１の温度制御を行う制御部４３が接続されている。

なお、温度センサ４２は、水分セパレータ９の近傍のガス供給流路４内の温度を検出するため、水分セパレータ９内の温度に相当する温度を検出することができるが、水分セパレータ９内の温度を直接検出しても良い。また、プレクーラ４１として、ガス供給対象の温度を所定温度以下に抑えつつ可能な限り短時間で水素ガス充填を行なうために設置されるプレクーラを共用してもよいし、そのようなプレクーラとは別個に設置するようにしてもよい。

第１実施形態に係るガス供給システム１は、通常状態では、パージ流路１４の手動弁１７および手動弁１８が閉じられ、ガス供給流路４の手動弁８および手動弁１０が開かれており、プレクーラ４１がオン状態で使用される。

つまり、この状態で供給対象にノズル３を接続して遮断弁１１を開くと、水素カードル２から圧縮機６で圧縮され蓄圧器７に溜められていた水素ガスが、開状態の手動弁８、水分セパレータ９、開状態の手動弁１０、開状態の遮断弁１１、ノズル３を介して供給対象に供給される。その際、水素ガスは主として水分セパレータ９の通過時にプレクーラ４１で予め冷却されてノズル３から供給対象に放出される。

上記の最中に、水素ガス中に含まれる水分は、水分セパレータ９で捕捉されることになり、その際に水分セパレータ９がプレクーラ４１で冷却されているため、水分が凍結状態で水分セパレータ９に溜められることになる。なお、制御部４３は、水分セパレータ９で捕捉する水分を凍結させるため、水分セパレータ９内の温度を所定温度である０℃以下、好ましくは過冷却を考慮して−５℃〜−１０℃以下とするように、温度センサ４２で検出される温度に基づいてプレクーラ４１を制御する。

つまり、水分セパレータ９内の温度が所定温度以下であれば、プレクーラ４１の設定温度をそのまま維持し、水分セパレータ９内の温度が所定温度より高ければ、プレクーラ４１の設定温度を１℃下げるといった制御を行う。

水分セパレータ９内に捕捉した水分を除去する場合、ガス供給流路４の手動弁８および手動弁１０を閉じることで、水分セパレータ９と、ノズル３および蓄圧器７との連通を遮断した状態とし、この状態で、パージ流路１４の手動弁１７および手動弁１８を開いて水分セパレータ９内の水素ガスをパージ用ガスボンベ１５からの窒素ガスでパージし、逆火防止装置１６を介して大気に放出する。

このようにして水分セパレータ９内の水素濃度を低下させた状態で、手動弁１８を閉じるとともにプレクーラ４１をオフして、水分セパレータ９内に捕捉され凍結されていた水分を液体とする。そして、排出流路２０の手動弁２１を開いて水分を水分セパレータ９から、窒素ガスの圧力を利用して排出する。

その後、排出流路２０の手動弁２１を閉じ、パージ流路１４の手動弁１７を閉じてから、ガス供給流路４の手動弁８および手動弁１０を開いて通常状態に戻す。

以上に述べた第１実施形態に係るガス供給システム１によれば、水素ガスがプレクーラ４１で冷却されてノズル３から放出されることになり、その際に、プレクーラ４１内に設けられた水分セパレータ９において水素ガスに混入した水分を凍結させて捕捉することになる。

よって、水素ガスの温度上昇を抑制しつつ水分を除去することが可能となる。特に、ガス供給システム１への水素ガスの初回充填時やメンテナンス時においては大気中の水分がガス供給システム１へ混入しやすいが、このような場合でも水分を良好に除去することができる。また、水分セパレータ９の全体がプレクーラ４１に覆われてプレクーラ４１で冷却可能となっているため、水分セパレータ９で捕捉した水分を良好に凍結させることができる。

さらに、水分セパレータ９内の水素ガスの温度を温度センサ４２が設けられているため、プレクーラ４１によって水分セパレータ９内の水素ガスの温度を良好に制御できる。また、フィルタではなく水分セパレータ９で水分を排出可能に捕捉するため、フィルタのように劣化して交換する頻度が高くなく、メンテナンスのためにガス供給流路４内に水分を含んだ外気が浸入することを抑制できる。

なお、上記したパージ流路１４、パージ用ガスボンベ１５、逆火防止装置１６、手動弁１７および手動弁１８は、必ずしも設けなくても良い。

次に、第２実施形態に係るガス供給システムを、図４を参照して、第１実施形態に係るガス供給システムとの相違部分を中心に説明する。

第１実施形態に係るガス供給システム１では、プレクーラ４１内に水分セパレータ９を設ける構成としたが、第２実施形態に係るガス供給システム１では、プレクーラ４１をガス供給流路４における水分セパレータ９の上流側、具体的には手動弁８の上流側に配置している。言い換えれば、ガス供給流路４におけるプレクーラ４１よりも下流側に水分セパレータ９を設けている。

このような第２実施形態に係るガス供給システム１でも、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。しかも、プレクーラ４１と水分セパレータ９とを別々にしているため、水分セパレータ９のメンテナンスが容易であるとともに、水分セパレータ９が外気にさらされることにより水分セパレータ９内の水分の解凍に要する時間を短くできる。

次に、第３実施形態に係るガス供給システムを、図５を参照して、第１実施形態に係るガス供給システムとの相違部分を中心に説明する。

第１実施形態に係るガス供給システム１では、プレクーラ４１内に水分セパレータ９を設ける構成としたが、第３実施形態に係るガス供給システム１では、プレクーラ４１をガス供給流路４における水分セパレータ９の上流側および下流側、具体的には手動弁８の上流側および手動弁１０の下流側に配置している。

すなわち、本実施形態のプレクーラ４１は、蓄圧器７と手動弁８との間に位置するガス供給流路４の一部（以下、第１のガス配管４ａ）と、手動弁１０と遮断弁１１との間に位置するガス供給流路４の一部（以下、第２のガス配管４ｂ）とが、水分セパレータ９を内包しない一つのプレクーラケースに収納されていると共に、このプレクーラケース内における第１のガス配管４ａ及び第２のガス配管４ｂにそれぞれ外挿あるいは内挿された第１の冷媒配管５ａ及び第２の冷媒配管５ｂを備え、これら第１及び第２の冷媒配管５ａ，５ｂ内に、第１及び第２のガス配管内４ａ，４ｂを流通する水素ガスを冷却する冷媒が流通する構成になっている。

このような第３実施形態に係るガス供給システム１でも、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。しかも、第２実施形態と同様にプレクーラ４１と水分セパレータ９とを別々にしているため、水分セパレータ９のメンテナンスが容易であるとともに、水分セパレータ９が外気にさらされることにより水分セパレータ９内の水分の解凍に要する時間を短くできる。

さらに、水分セパレータ９を通過することで若干温められた水素ガスをプレクーラ４１で再び冷却してノズル３から供給先へ供給できる。

なお、この第３実施形態では、水分セパレータ９の上流側に位置する第１のガス配管４ａ及び第１の冷媒配管５ａと、水分セパレータ９の下流側に位置する第２のガス配管４ｂ及び第２の冷媒配管５ｂとが、一つのプレクーラケース内に収納されている例について説明したが、第１のガス配管４ａ及び第１の冷媒配管５ａを一つのプレクーラケース内に収納し、この第１のプレクーラケースとは別体をなす第２のプレクーラケース内に第２のガス配管４ｂ及び第２の冷媒配管５ｂを収納する構成としてもよい。

この場合には、第１のガス配管４ａと第１の冷媒配管５ａと第１のプレクーラケースとにより一つの冷却部が構成され、この冷却部とは別個に、第２のガス配管４ｂと第２の冷媒配管５ｂと第２のプレクーラケースとにより第２の冷却部が構成されることになる。

なお、図５に示すプレクーラ４１は、第１のガス配管４ａ及び第１の冷媒配管５ａを収納する第１のプレクーラケースと、第２のガス配管４ｂ及び第２の冷媒配管５ｂを収納する第２のプレクーラケースとが一つのプレクーラケースによって共用されているとも云えるので、水分セパレータ９の上流側と下流側のそれぞれに冷却部及び第２の冷却部を備えていると云うことができる。

１…ガス供給システム、２…水素カードル（ガス供給源）、３…ノズル（放出部）、４ａ…第１のガス配管（ガス配管）、４ｂ…第２のガス配管（ガス配管）、５ａ…第１の冷媒配管（冷媒配管）、５ｂ…第２の冷媒配管（冷媒配管）、７…蓄圧器（ガス供給源）、９…水分セパレータ（水分除去部）、４１…プレクーラ（冷却部、第２の冷却部）。

Claims

ガス供給源と、
前記ガス供給源からのガスを冷却する冷却部と、
前記冷却部で冷却されたガスをガス供給対象へ放出する放出部と、
前記冷却部内または前記冷却部よりも下流側に水分除去部が設けられ、
前記冷却部は、前記ガス供給源からのガスが流通するガス配管と、このガス配管内を流通するガスとの熱交換により当該ガスを冷却する冷媒が流通する冷媒配管と、これらガス配管及び冷媒配管を収納するケースと、を備えてなり、
前記水分除去部は、前記ガス配管に接続された状態で前記ケース内に収納され、
前記前記ガス配管に接続され、前記水分除去部の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサで検出される温度に基づいて、前記冷却部の温度制御を行うことにより前記水分除去部の温度を所定温度以下にする制御部が設けられているガス供給システム。
請求項１に記載のガス供給システムにおいて、
前記所定温度は、前記水分除去部で捕捉する水分を凍結させることが可能な温度である−５℃以下とするガス供給システム。
請求項１又は２に記載のガス供給システムにおいて、
前記ガス供給源に水素が貯蔵されており、
前記ガス供給対象が水素を燃料ガスとして当該燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応に
より発電を行なう燃料電池が搭載された燃料電池車両であるガス供給システム。