JP6615523B2 - 水素圧縮装置および水素充填システム - Google Patents

水素圧縮装置および水素充填システム Download PDF

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Description

本発明は、水素圧縮装置および水素充填システムに関し、特に、燃料電池車用の水素ガスを作動ガスとして高圧力で吐出する水素圧縮装置および水素充填システムに関する。
従来の強制給油式の往復圧縮機の例が特許文献1(特開平7−119638号公報)に開示されている。この往復圧縮機は、圧縮機内部の摺動部へ油を供給することで、摺動部の過度な磨耗を防ぎ、摺動部品の寿命を延ばしている。
特開平7−119638号公報
従来の強制給油式の往復圧縮機では、シリンダ内部のピストンやプランジャが挿入されている個所に油が供給される。このため、多段式往復圧縮機においては、各圧縮段に設置された圧力脈動を低減するためのスナッバの容器や、ガス中に含まれる油分を除去するためのフィルタの容器の内部に油が溜まる。
ところで、燃料電池車に充填する水素ガスは、高純度でかつ高圧力(例えば40MPaを超える高い圧力)であることが求められる。このため、水素ガスを取り扱う強制給油式の往復圧縮機においては、吐出する高圧水素ガスの純度を高く保つことが重要である。
ここで、燃料電池車用の水素ガスを取り扱う往復圧縮機として、水素ガスの純度を高く保つためにオイルフリー圧縮機が適用される場合がある。しかし、オイルフリー圧縮機は、その摺動部品が無潤滑状態で高圧条件下に晒されるため強制給油式の圧縮機の摺動部品と比べて寿命が短く、長期運転にはあまり好適ではない。
これに対して、強制給油式の圧縮機は、摺動部に油を供給するため、摺動部品は長寿命である。一方、強制給油式の圧縮機では、前記したように吐出する高圧水素ガスの純度を高く保つために、最終段の圧縮段の下流側に設けられるスナッバの容器やフィルタの容器の内部で油分をトラップして、吐出ガスに含まれる油分を限りなく低減させる必要がある。しかし、トラップされた油は、高圧力条件下のスナッバの容器やフィルタの容器の内部に溜まるため、下記するような課題が生じる。
すなわち、容器内には該容器の容積分だけ油を溜めることが可能であるが、溜まった油の容器からの排出を圧縮機の運転中に行わずに圧縮機を停止させて行う場合、圧縮機の長時間運転を行うことができない。
一方、圧縮機の運転中に容器内に溜まった油を強制的に自動駆動弁を用いて排出する場合、高圧力条件下にある容器内の油のレベルの低下速度が速く、自動駆動弁の閉動作が間に合わず、昇圧された水素ガスが油とともに油排出用配管から排出されるおそれがある。このように水素ガスが漏出してしまうと、燃料電池車等の下流側の充填対象への水素ガスの充填時間が長くなる。
また、容器内に溜まった油のレベル監視を行わずに一定期間毎に作業者が手動でバルブを開けて油の排出を行う場合、作業者が油の排出作業をし忘れたり間違ったバルブを開けてしまったりする等のオペレーションミスやヒューマンエラー等が生じる可能性がある。この場合、容器内に溜まった油が溢れて圧縮機の下流側のディスペンサ(充填装置)や燃料電池車側にオーバーフローしてしまうおそれがある。
なお、前記した特許文献1に記載の技術は、水素ガスを作動ガスとして高純度でかつ高圧力で吐出する場合については考慮しておらず、前記した課題を解決する手段を提示するものではない。
本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものであり、吐出ガス中からトラップされて容器に溜まった油を確実に圧縮機の運転中でも排出して水素ガスの純度を高めるとともに、水素ガスが油排出用配管から漏れることを防止することができる水素圧縮装置および水素充填システムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明に係る水素圧縮装置は、水素ガスを圧縮する複数の圧縮段を有する多段式往復圧縮機と、最終段の前記圧縮段の下流側に設けられるスナッバまたはフィルタの容器と、前記容器の底部に接続される油排出用配管と、前記容器内に溜まる油の液位を検出する液位検出装置と、前記油排出用配管に設置され、前記液位検出装置の検出値に基づいて開閉する自動駆動弁と、前記油排出用配管に設置され、該油排出用配管内の油の流量を調整する弁と、前記油排出用配管に設置され、水素ガスを検知する水素検知器と、を備え、前記自動駆動弁は、前記水素検知器によって水素ガスを検知した場合に閉弁する。
また、本発明に係る水素充填システムは、前記水素圧縮装置と、該水素圧縮装置の下流側出口に接続され、水素ガスを燃料電池車に充填する充填装置と、を備えている。
本発明によれば、吐出ガス中からトラップされて容器に溜まった油を確実に圧縮機の運転中でも排出して水素ガスの純度を高めるとともに、水素ガスが油排出用配管から漏れることを防止することができる水素圧縮装置および水素充填システムを提供できる。
本発明の一実施形態に係る水素圧縮装置を備える水素充填システムの概略構成を示す図である。 図1に示される多段式往復圧縮機の概略構成を示す図である。 (a)は図1に示されるスナッバの周辺を一部断面にして示す拡大図、(b)は図1に示されるフィルタの周辺を一部断面にして示す拡大図である。
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下に示す図面において、同種の部材には同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る水素圧縮装置101を備える水素充填システム100の概略構成を示す図である。本実施形態に係る水素充填システム100は、水素ガスを圧縮して燃料電池車51に直接充填するシステムである。
図1に示すように、水素充填システム100は、水素圧縮装置101と、ディスペンサ(充填装置)50と、を備えている。水素圧縮装置101は、ガス供給設備52から送られる水素ガスを圧縮して燃料電池車51に供給可能な高圧力(例えば40MPaを超える高い圧力)まで昇圧する装置である。また、ディスペンサ50は、燃料電池車51の水素供給口に適合するアダプタ(図示せず)を備えており、水素ガスを燃料電池車に充填する装置である。
水素圧縮装置101は、作動ガスとしての水素ガス(以下、単に「ガス」ともいう)を段階的に昇圧する強制給油式の多段式往復圧縮機(以下、単に「圧縮機」ともいう)102と、圧縮機102から吐出されるガス中の油分を除去して排出する自動油排出装置103とを備えている。
図2は、図1に示される圧縮機102の概略構成を示す図である。
図2に示すように、圧縮機102は、水素ガスを圧縮する複数(ここでは5段)の圧縮段を有している。すなわち、圧縮機102は、第1段圧縮段1、第2段圧縮段2、第3段圧縮段3、第4段圧縮段4a,4b、および第5段圧縮段5a,5bが上流側から順に配置されて構成されている。
第1段圧縮段1では、シリンダ内にピストン30が収容されており、第2段圧縮段2および第3段圧縮段3では、シリンダ内にピストン31が収容されている。また、第4段圧縮段4a,4bでは、各シリンダ内にプランジャ32a,32bがそれぞれ収容されており、第5段圧縮段5a,5bでは、各シリンダ内にプランジャ33a,33bがそれぞれ収容されている。
各ピストン30,31およびプランジャ32a,32b,33a,33bは、モータ等の回転駆動源(図示せず)に接続されたクランクシャフト34に、それぞれ接続されている。圧縮機102は、各ピストン30,31およびプランジャ32a,32b,33a,33bの端部と各シリンダとの間に形成された圧縮室35,36,37,38a,38b,39a,39b内にてガスを圧縮する。
圧縮機102の上流側に設けられるガス供給設備52(図1参照)から供給されたガスは、吸入クッションタンク29(図1参照)を経て、第1段吸込みライン40を通って、圧縮機102に送られる。第1段吸込みライン40を通ったガスは、第1段吸入口41a,41bから第1段圧縮段1に流入する。第1段圧縮段1の圧縮室35内にて圧縮されたガスは、第1段吐出口42a,42bから吐出され、第1段吐出配管43を経てインタークーラ(第1段クーラ)6に流入する。インタークーラ6で冷却されたガスは、第2段吸入スナッバ12を経て、第2段吸入口44から次の第2段圧縮段2に流入する。このようなガスの流れが第5段圧縮段5a,5bまで行われて、圧縮機102から吐出されるガスの吐出圧力が、例えば80MPa以上まで高められる。
なお、図2中の符号7,8,9,10は、それぞれ第2段クーラ、第3段クーラ、第4段クーラ、アフタークーラを示す。また、図2中の符号13,14,15は、それぞれ第3段吸入スナッバ、第4段吸入スナッバ、第5段吸入スナッバを示す。
図1に示すように、圧縮機102で圧縮されて高圧になったガスは、アフタークーラ10(図2参照)で冷却されて、第5吐出スナッバとして設置されるスナッバ16に送られる。各スナッバ12〜16は、圧力脈動を低減するためのものである。その後、ガスは、ガス中に含まれる油分を除去するための1次フィルタ17、2次フィルタ18に送られる。そして、各フィルタ17,18の容器60(図3(b)参照)内部のフィルタエレメント73,74によって、ガス中の油分が許容値以下になるように濾過される。各フィルタ17,18を経たガスは、水素圧縮装置101の下流側出口49からディスペンサ50を経て、燃料電池車51に送られる。なお、下流側(ディスペンサ50側)にガスを送らない場合には、各フィルタ17,18を経たガスは、下流側出口49から分岐して設けられるキックバック配管45を通り、キックバッククーラ11で冷却された後、圧縮機102の吸入側に戻る。
図2に示す各ピストン30,31およびプランジャ32a,32b,33a,33bの摺動部には、摺動部品としてピストンリングおよびロッドパッキン(図示せず)がそれぞれ設置されている。ピストンリングは各ピストン30,31に装着され、ロッドパッキンはパッキンケースに収納されており、これらは摺動部における隙間をシールする。これにより、圧縮ガスの漏れが防止される。本実施形態では、摺動部品の寿命を延ばすため、各圧縮段1、2、3、4a,4b,5a,5bに備わる各シリンダやパッキンケースに設けられた給油穴から内部に油が供給される。そして、このように供給される油は、圧縮対象のガス中に混入する。
図1に示すように、自動油排出装置103は、スナッバ16、フィルタ17,18、液位検出装置としてのレベルセンサ22,23,24、およびセンサ挿入容器19,20,21を備えている。スナッバ16およびフィルタ17,18は、最終段の圧縮段(最終圧縮段)である第5段圧縮段5a,5bの下流側に設けられており、油を貯溜可能な容器60をそれぞれ有している。各容器60の底部には、油排出用配管46,47,48がそれぞれ接続されている。レベルセンサ22,23,24は、各容器60内に溜まる油のレベル(液位)を検出する。ここでは、レベルセンサ22,23,24は、所定の高レベルを検出したときにH信号を出力し、所定の低レベルを検出したときにL信号を出力する。所定のL信号は、油排出用配管46,47,48へのガスの流出を防止するレベル(値)に設定され、容器60内部には常に一定の油が保持される。
油排出用配管46,47,48には、レベルセンサ22,23,24の検出値に基づいて開閉する自動駆動弁25,26,27がそれぞれ設置されている。具体的には、自動駆動弁25,26,27は、それぞれ、レベルセンサ22,23,24のH信号に基づいて開き、L信号に基づいて閉じるように構成されている。例えば、レベルセンサ22,23,24の検出値が制御装置(図示せず)に入力され、該制御装置がレベルセンサ22,23,24の検出値に基づいて自動駆動弁25,26,27の開閉を制御する。
また、油排出用配管46,47,48は、自動駆動弁25,26,27の下流側で合流して、一つの油排出用配管53を構成している。油排出用配管53には、油排出用配管53内の油の流量を調整する弁として高圧用の例えばニードルバルブ等の手動弁28が設置されている。油排出用配管53を経て排出される油は、圧縮機102内の油溜め部(図示せず)に回収される。
圧縮機102の運転中で容器60内部に掛かる高圧な圧力条件下において、レベルセンサ22,23,24の検出値に基づいて自動駆動弁25,26,27が開いた場合は、容器60と油排出用配管53との差圧により、容器60内部に滞留した油が油排出用配管53に一気に流れ出し、オイルレベルが急激に低下することが考えられる。その際に、再度、自動駆動弁25,26,27が閉じる動作をする場合において、何らかの原因でタイミングが遅れても油排出用配管53にガスが漏れ出して圧縮機102の昇圧運転に支障をきたすことがないように、手動弁28の開度を絞る方向に調整することで、圧縮機102運転中の油排出動作の際に容器60と油排出用配管53との差圧による急激な油の流れ込みと容器60内部のレベル低下を防止することを可能とする。手動弁28の開度の調整は、例えば試運転の際に実施される。
さらに、油排出用配管46,47,48の自動駆動弁25,26,27の上流側には、水素ガスを検知する水素検知器54が設置されている。そして、自動駆動弁25,26,27は、水素検知器54によってガスを検知した場合に閉弁するように構成されている。例えば、水素検知器54の検知信号が制御装置に入力され、該制御装置が水素検知器54の検知信号に基づいて自動駆動弁25,26,27の開閉を制御する。このため、万が一、手動弁28の故障等によって容器60内の油のレベルの低下速度を調整できなくなり、ガスが油排出用配管46,47,48に流入した場合でも、ガスの検知に基づいて自動駆動弁25,26,27が強制的に閉じられるようになっている。
図3(a)は、図1に示されるスナッバ16の周辺を一部断面にして示す拡大図、(b)は図1に示されるフィルタ17,18の周辺を一部断面にして示す拡大図である。
図3(a)に示すように、スナッバ16の容器60は、上フランジ61と、中空(有底円筒状)に形成されたボトル容器62とを有している。上フランジ61とボトル容器62とをボルト63およびナット64で締め付けて結合することによって、耐圧性を有する容器60が構成される。レベルセンサ22は、水素ガスの検出子であるセンサロッドRを有している。レベルセンサ22は、センサロッドRがセンサ挿入容器19内に挿入されるようにして、センサ挿入容器19に取り付けられる。
ボトル容器62とセンサ挿入容器19とは、側面における高位置(容器60内の油の高レベルに対応)と低位置(容器60内の油の低レベルに対応)の2箇所で、接続管67を介して接続されている。ボトル容器62とセンサ挿入容器19とを接続管67でつなげることで、容器60内部に溜まる油のレベルが常に監視可能となっている。
接続管67内部の圧力損失を最小にするために、接続管67の内径として極力大きいサイズを選定し、スナッバ16の容器60とセンサ挿入容器19とは極力近付けることが好ましい。レベルセンサ22のセンサロッドRの長さは、レベルセンサ22を取り付けるスナッバ16の容器60の長さに応じて適宜決定される。
ガスが上フランジ61のフランジ入口68から流入してボトル容器62の内部に送られると、ガス中に含まれる油分がボトル容器62内の底面62aに滴下し、ボトル容器62の内部に油が溜まる。油がボトル容器62内に一定量溜まると接続管67を経てセンサロッドRに伝わることによって、レベルセンサ22はスナッバ16の容器60内部の油のレベルを検出する。
なお、レベルセンサ22は、前記した構成に特に限定されるものではない。また、レベルセンサ22は,計測対象の油を溜める容器60の大きさによって、容器60への取付け方が変更されてもよい。例えば、図示しないが大型のスナッバやフィルタの容器の場合には、接続管67を用いずにレベルセンサ22が直接容器の下部に取り付けられてもよい。
ガスは、スナッバ16の容器60内部に流入した後、上フランジ61のフランジ出口70から下流側の配管に吐出される。ボトル容器62の底部に形成された油排出口71には、油排出用配管46が接続されている。
図3(b)に示すように、フィルタ17,18の容器60の外側部分、レベルセンサ23,24およびセンサ挿入容器20,21は、スナッバ16の容器60の外側部分、レベルセンサ22およびセンサ挿入容器19とそれぞれ同様である。このため、両者に共通する部分の説明を省略する。
フィルタ17,18の容器60内部には、円筒状の内フィルタエレメント73および外フィルタエレメント74が、同軸の位置に二重に設置されている。各フィルタエレメント73,74は、その中央に配置される専用の留具75に取り付けられた受け皿76と、上フランジ61の下端部との間に組み付けられている。留具75は、上フランジ61にねじ締結によって植え込まれている。各フィルタエレメント73,74の材質としては、例えば過フッ化炭化水素樹脂で結合されたマイクログラスファイバーが使用される。フィルタ17,18の各フィルタエレメント73,74で分離された油分は、各フィルタエレメント73,74には直接染み込まずに、重力で各フィルタエレメント73,74から分離する。分離した油は、ボトル容器62内の底面62aに滴下し、ボトル容器62の内部に油が溜まる。そして、レベルセンサ23,24が、フィルタ17,18の容器60内部の油のレベルを検出する。
前記したように本実施形態に係る水素圧縮装置101は、圧縮機102の最終段の圧縮段である第5段圧縮段5a,5bの下流側に設けられるスナッバ16およびフィルタ17,18の各容器60を備える。また、水素圧縮装置101は、容器60の底部に接続される油排出用配管46,47,48と、容器60内に溜まる油のレベルを検出するレベルセンサ22,23,24とを備える。そして、油排出用配管46,47,48には、レベルセンサ22,23,24の検出値に基づいて開閉する自動駆動弁25,26,27が設置される。また、油排出用配管46,47,48が合流してなる油排出用配管53には、油排出用配管53内の油の流量を調整する手動弁28が設置される。
このような構成によれば、容器60に溜まる油をレベルセンサ22,23,24を用いて常に監視して排出でき、圧縮機102の最終段の圧縮段からディスペンサ50や燃料電池車51等の下流側への油のオーバーフローを防止できる。
また、手動弁28の開度を調整することによって、圧縮機102運転中の油排出動作の際に容器60と油排出用配管53との差圧による急激な油の流れ込みと容器60内部のレベル低下を防止することができる。これにより、レベルセンサ22,23,24のL信号に基づいて、再度、自動駆動弁25,26,27が閉じる動作をする場合において、何らかの原因でタイミングが遅れても油排出用配管53にガスが漏れ出して圧縮機102の昇圧運転に支障をきたすことは無い。また、油のみを排出することで、スナッバ16、フィルタ17,18の容器60内部における昇圧されたガスの圧力が低下することは無い。このため、燃料電池車51等の下流側の充填対象へのガスの充填時間の遅延を防止できる。
すなわち、本実施形態によれば、吐出ガス中からトラップされて容器60に溜まった油を確実に圧縮機102の運転中でも排出して水素ガスの純度を高めるとともに、水素ガスが油排出用配管46,47,48から漏れることを防止することができる水素圧縮装置101および水素充填システム100を提供できる。
また、本実施形態では、自動駆動弁25,26,27は、水素検知器54によってガスを検知した場合に閉弁するように構成されている。このため、万が一、手動弁28の故障等によって容器60内の油の急激なレベル低下を防止できなくなり、ガスが油排出用配管46,47,48に流入した場合でも、水素検知器54によるガスの検知に基づいて自動駆動弁25,26,27が強制的に閉じられる。したがって、昇圧された水素ガスが油とともに油排出用配管46,47,48から排出されて漏れることをより確実に防止することができる。
また、本実施形態に係る水素充填システム100は、前記した水素圧縮装置101と、該水素圧縮装置101の下流側出口49に接続され、水素ガスを燃料電池車51に充填するディスペンサ50と、を備える。ここで、前記した水素圧縮装置101では、手動弁28の設置によって、高圧力条件下にある容器60内の油のレベルが急激に低下して油排出用配管46,47,48へガスが流入することが防止されるため、昇圧されたガスの圧力が低下することは無い。このため、水素充填システム100は、水素圧縮装置101の下流側出口49に畜圧器を介することなくディスペンサ50を接続した直接充填式のシステムとして構築した場合でも、燃料電池車51へのガスの充填時間の遅延が無く好ましい。
以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
例えば、前記した実施形態では、圧縮機102は、5段の圧縮段を有する構成とされているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば3段等の任意の複数の圧縮段を有する構成とされてもよい。
また、前記した実施形態では、圧縮機102の最終段の圧縮段の下流側に、スナッバ16およびフィルタ17,18の両方が設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、スナッバおよびフィルタの一方が設けられていてもよい。また、フィルタの設置個数は2個に限定されるものではなく、例えば1個であってもよい。
また、前記した実施形態では、圧縮機102は、ピストン30,31およびプランジャ32a,32b,33a,33bの両方を備える構成とされているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ピストンおよびプランジャの一方を備える構成とされてもよい。
また、前記した実施形態では、自動駆動弁25,26,27の下流側に備わる手動弁28で開度を調整し、容器60に滞留する油の急激なレベル低下を防止していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、手動弁28をセンサの検出値によって動作する調整弁に変更し、調整弁の2次側(下流側)に流量センサまたは圧力センサを設置し、その検出値によって調整弁の開度が制御される構成とされてもよい。流量センサを設置する場合は、油の排出流量を限りなく小さい値で流れるように調整弁を制御し、圧力センサを設置する場合は、油排出用配管内部の圧力が一定となるように調整弁を制御するものとする。
1 第1段圧縮段
2 第2段圧縮段
3 第3段圧縮段
4a,4b 第4段圧縮段
5a,5b 第5圧縮段
16 スナッバ
17 1次フィルタ
18 2次フィルタ
22,23,24 レベルセンサ(液位検出装置)
25,26,27 自動駆動弁
28 手動弁(弁)
46,47,48 油排出用配管
49 下流側出口
50 ディスペンサ(充填装置)
51 燃料電池車
53 油排出用配管
54 水素検知器
60 容器
100 水素充填システム
101 水素圧縮装置
102 多段式往復圧縮機

Claims (2)

  1. 水素ガスを圧縮する複数の圧縮段を有する多段式往復圧縮機と、
    最終段の前記圧縮段の下流側に設けられるスナッバまたはフィルタの容器と、
    前記容器の底部に接続される油排出用配管と、
    前記容器内に溜まる油の液位を検出する液位検出装置と、
    前記油排出用配管に設置され、前記液位検出装置の検出値に基づいて開閉する自動駆動弁と、
    前記油排出用配管に設置され、該油排出用配管内の油の流量を調整する弁と、
    前記油排出用配管に設置され、水素ガスを検知する水素検知器と、を備え
    前記自動駆動弁は、前記水素検知器によって水素ガスを検知した場合に閉弁することを特徴とする水素圧縮装置。
  2. 請求項に記載の水素圧縮装置と、
    前記水素圧縮装置の下流側出口に接続され、水素ガスを燃料電池車に充填する充填装置と、を備えることを特徴とする水素充填システム。
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