JP6633959B2 - 水素充填装置 - Google Patents

Description

この発明は、水素充填装置に関するものであり、特に燃料電池車に水素ガスを供給するための水素充填装置に関する。

燃料電池車の燃料電池スタックの内部では、水素タンクから供給される水素ガスと、コンプレッサから供給される空気中の酸素とが反応し、電気エネルギーが発生する。この水素ガスは、水素充填装置によって燃料電池車の内部の水素タンクに補給される。ここで、特許文献１では、水素ステーションの圧縮機によって昇圧された水素ガスが、ディスペンサを介して燃料電池車の水素タンクに供給されている。また、水素ガスが昇圧される際に生じる圧縮熱の一部が回収され、吸収式冷凍機の熱源として利用されている。

特開２００８−２０２６１９号公報

しかしながら、従来の水素充填装置では、燃料電池車の水素タンクへの水素ガスの充填が終わった後は、ディスペンサ等に残った高圧の水素ガスはそのまま排気されてしまう。従って、特許文献１の水素ステーションの水素充填装置は、昇圧された水素ガスの圧縮熱を利用することができる一方で、排気される水素ガスの圧力エネルギーは充分に活用することができなかった。

この発明は、このような問題を解決するためになされ、燃料電池車に供給されるために昇圧された高圧の水素ガスの圧力エネルギーを有効に活用することができる水素充填装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る水素充填装置は、燃料電池車に供給するための水素ガスを昇圧する圧縮機と、圧縮機によって昇圧された水素ガスを蓄積し、燃料電池車に供給する動力蓄積部と、水素ガスが燃料電池車に供給された後に動力蓄積部に残存する水素ガスが外部に向かって流通する排気流通部と、排気流通部に設けられ、水素ガスの圧力エネルギーを機械エネルギーに変換する動力変換部とを備える。
これにより、排気される水素ガスの圧力エネルギーを利用することができる。

また、この発明に係る水素充填装置は、燃料電池車に着脱自在に接続されるとともに、燃料電池車で発生した水が流通する排水流通部と、排水流通部に設けられ、水を送水する排水ポンプとをさらに備え、排水ポンプは機械エネルギーによって駆動されてもよい。

また、水素充填装置は、排気流通部及び排水流通部に接続するとともに、燃料電池車で発生した水が貯留される排水タンクをさらに備え、排水タンクに貯留される水は排気流通部と外部とを遮断してもよい。

さらに、排水タンクは、排気流通部に連通し、水素ガスが流入する排気流入口と、排水流通部に連通し、水が流入する排水流入口とを有し、排気流入口の位置は前記排水流入口の位置よりも低くてもよい。

この発明に係る水素充填装置によれば、燃料電池車に供給されるために昇圧された高圧の水素ガスの圧力エネルギーを有効に活用することができる。

この発明の実施の形態に係る水素充填装置の構成を模式的に示す図である。 図１に示す水素充填装置に接続される燃料電池車の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 図１に示す水素充填装置が燃料電池車に水素ガスを充填する際の手順をフローチャートで示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
まず、図１に示すように、水素充填装置１００は、水素ガスを圧縮し、昇圧するための圧縮機１１を有しており、圧縮機１１には水素供給管Ｌ１が接続される。この水素供給管Ｌ１には、蓄圧器１２が接続されている。また、水素供給管Ｌ１には、蓄圧器１２の下流に減圧弁１４が設けられる。さらに、水素供給管Ｌ１上の減圧弁１４の下流には、開閉弁である第一バルブ１７ａが設けられている。またさらに、第一バルブ１７ａの下流側には、同様に開閉弁である第二バルブ１７ｂが設けられている。なお、水素ガスが流通する配管のうち、第一バルブ１７ａの下流かつ第二バルブ１７ｂの上流の部分を、高圧水素充填管Ｌ１ａとする。高圧水素充填管Ｌ１ａには、第一接続部１９ａを介して燃料電池車２０の水素充填口２１が着脱可能に接続され得る。すなわち、第一接続部１９ａと水素充填口２１とは、カプラ構造によって着脱可能に連結される。また、水素充填口２１には図示しない逆止弁が設けられる。
ここで、高圧水素充填管Ｌ１ａは、動力蓄積部を構成する。

また、水素ガスが流通する配管のうち、第二バルブ１７ｂのさらに下流に設けられる部分を第一排気管Ｌ２とする。第一排気管Ｌ２にはタービン１５が設けられている。さらに、第一排気管Ｌ２において、タービン１５の下流には排水タンク１３が接続される。排水タンク１３には、第一排気管Ｌ２が連通する排気流入口１３ａが形成されている。
ここで、第一排気管Ｌ２は、排気流通部を構成する。また、タービン１５は動力変換部を構成する。

また、水素充填装置１００は第二接続部１９ｂを介して、燃料電池車２０の貯水タンク２２とも着脱可能に接続し得る。すなわち、水素充填装置１００は、燃料電池車２０の貯水タンク２２と第二接続部１９ｂを介して、一端が着脱可能に接続し得る第一排水管Ｌ３を有している。そして、第一排水管Ｌ３の他端には排水タンク１３が接続される。また、第一排水管Ｌ３には排水ポンプ１６が設けられている。また、排水ポンプ１６には、第一排気管Ｌ２のタービン１５が機械的に連結されている。
ここで、第一排水管Ｌ３は、排水流通部を構成する。
また、第一バルブ１７ａ、第二バルブ１７ｂ、タービン１５及び排水ポンプ１６には、制御装置１８が電気的に接続されている。

また、排水タンク１３には、第一排水管Ｌ３が連通する排水流入口１３ｂが形成される。そして、排水流入口１３ｂは、第一排気管Ｌ２に連通する排気流入口１３ａよりも高い位置に設けられている。
さらに、排水タンク１３の上部には、図示しない希釈器を介して外部に連通する第二排気管Ｌ４が接続される。
また、排水タンク１３には、排気流入口１３ａ及び排水流入口１３ｂに対向する側に排水流出口１３ｃが形成される。排水流出口１３ｃには、外部に連通する第二排水管Ｌ５が接続されている。第二排水管Ｌ５には開閉弁１７ｃが設けられる。
なお、排水流出口１３ｃは、排気流入口１３ａよりも高く、排水流入口１３ｂよりも低い位置に設けられている。

次に、燃料電池車２０の燃料電池システム２００の構成について、図２を参照して説明する。
燃料電池システム２００は、燃料電池スタック２５と、燃料電池スタック２５に水素ガスを供給可能な水素タンク２３と、燃料電池スタック２５に酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ２４とを備えている。水素タンク２３と燃料電池スタック２５の水素ガス流入側とは、水素流入管３１を介して接続されている。また、コンプレッサ２４と燃料電池スタック２５の空気流入側とは、空気流入管３２を介して接続されている。
また、水素タンク２３は、水素充填口２１に接続し、水素充填口２１を介して水素充填装置１００の高圧水素充填管Ｌ１ａの第一接続部１９ａと着脱可能に接続することができるようになっている。

また、燃料電池スタック２５の水素流出側には外部に連通する水素流出管３３が接続されている。水素流出管３３には、気液分離器２６が設けられる。そして、気液分離器２６には、水素流出管３３の水素を回収して再利用するための回収管３７の一端が接続される。さらに、回収管３７の他端は水素流入管３１に接続する。また、回収管３７には水素循環ポンプ２８が設けられている。また、水素流出管３３の気液分離器２６の下流側には希釈器２７が設けられている。また、希釈器２７には、貯水タンク２２が接続している。貯水タンク２２は、水排出口２９を介して水素充填装置１００の第一排水管Ｌ３の第二接続部１９ｂに着脱可能に接続できるようになっている。なお、水排出口２９と第二接続部１９ｂとはカプラ構造によって着脱可能に連結される。

さらに、燃料電池スタック２５の空気流出側には空気流出管３４の一端が接続されている。そして、空気流出管３４の他端は、水素流出管３３の気液分離器２６の下流側かつ希釈器２７の上流側に接続される。

また次に、この燃料電池システム２００の動作について説明する。
まず、水素充填装置１００によって水素タンク２３に充填された水素ガスは、水素流入管３１を流通して燃料電池スタック２５に流入する。また、コンプレッサ２４によって空気が空気流入管３２を介して燃料電池スタック２５に送り込まれる。そして、燃料電池スタック２５で水素ガスと空気中の酸素とが反応し、発電が行われるとともに水が生成される。

次に、未反応の水素ガスは、燃料電池スタック２５から、水分を含んだ状態で水素流出管３３を流通し、気液分離器２６に流入し、水素ガスと水に分離される。ここで、気液分離器２６で分離された水素ガスの一部は回収管３７を流通し、水素流入管３１に戻される。そして、気液分離器２６で分離された水は、回収管３７に回収されなかった水素ガスとともに希釈器２７に流入する。また、燃料電池スタック２５から流出した空気も空気流出管３４を流通して希釈器２７に流入する。これにより、希釈器２７内で水素ガスの濃度が希釈されるとともに、希釈器２７に流入した水が回収される。そして、希釈器２７で回収された水は貯水タンク２２に一時的に貯留される。

さらに、燃料電池車２０に水素ガスを供給する水素充填装置１００の動作について、図１及び３を参照して説明する。
まず、圧縮機１１に図示しないボンベから水素ガスが供給される。圧縮機１１は、供給された水素ガスを圧縮する。そして、圧縮機１１の圧縮によって高圧となった水素ガスは蓄圧器１２に貯留される。
なお、圧縮機１１に供給される水素ガスは、水素充填装置１００に設けられる図示しない改質器が都市ガス等を改質して製造したものであってもよい。

次に、水素充填装置１００が、圧縮された水素ガスを燃料電池車２０に供給するための手順を、図３のフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップＳ１において、第一バルブ１７ａ及び第二バルブ１７ｂは閉状態となっている。
そして、次にステップＳ２において、利用者によって水素充填装置１００の第一接続部１９ａが燃料電池車２０の水素充填口２１に接続される。
そして、制御装置１８は、ステップＳ３において、第一バルブ１７ａを開状態とする。これにより、蓄圧器１２に貯留されている高圧の水素ガスは、減圧弁１４によって減圧されるとともに、高圧水素充填管Ｌ１ａに流入する。従って、高圧水素充填管Ｌ１ａには、圧縮機１１によって昇圧された高圧の水素ガスが充満し、蓄積される。
さらに、ステップＳ４において、高圧水素充填管Ｌ１ａに蓄積された水素ガスは第一接続部１９ａを介して水素充填口２１から水素タンク２３に供給される。

次に、ステップＳ５において、水素タンク２３への水素ガスの充填が完了したか否かが判断される。具体的には、高圧水素充填管Ｌ１ａに設けられる図示しない圧力センサによって高圧水素充填管Ｌ１ａの気圧が計測され、計測された気圧が３４．８［ＭＰａ］以上となった時に、水素タンク２３への水素ガスの充填が完了したと判断される。ここで、水素タンク２３への水素ガスの充填が完了していないと判断される場合は、第一バルブ１７ａは開状態のまま、高圧水素充填管Ｌ１ａから燃料電池車２０への水素ガスの供給が続行される。また、水素タンク２３への水素ガスの充填が完了した場合は、制御装置１８はステップＳ６において第一バルブ１７ａを閉状態とし、ステップＳ７において第二バルブ１７ｂを開状態とする。これにより、ステップＳ８において、高圧水素充填管Ｌ１ａに残存している水素ガスは第一排気管Ｌ２を流通して、排水タンク１３、第二排水管Ｌ５及び外部に向かって排気される。なお、水素充填口２１には図示しない逆止弁が設けられているため、燃料電池車２０の水素タンク２３に供給された水素ガスが高圧水素充填管Ｌ１ａに逆流することはない。

次に、ステップＳ９において、高圧水素充填管Ｌ１ａに残存する水素ガスの残圧が約０［ＭＰａ］になったか否かが、高圧水素充填管Ｌ１ａに設けられる図示しない圧力センサによって判断される。ここで、高圧水素充填管Ｌ１ａの気圧が０［ＭＰａ］ではなく、水素ガスが残存していると判断される場合は、第二バルブ１７ｂは開状態のままでさらに排気が続行される。そして、高圧水素充填管Ｌ１ａの気圧が約０［ＭＰａ］となったものと判断される場合は、ステップＳ１０において、制御装置１８は第二バルブ１７ｂを閉状態とする。なお、高圧水素充填管Ｌ１ａの気圧が約０．２［ＭＰａ］以下であれば、高圧水素充填管Ｌ１ａに残存する水素ガスの残圧が約０［ＭＰａ］になったと判断される。
そして次に、ステップＳ１１において、利用者によって燃料電池車２０の水素充填口２１から水素充填装置１００の第一接続部１９ａが取り外され、燃料電池車２０への水素ガスの供給は終了する。

さらに次に、高圧水素充填管Ｌ１ａから排気される水素ガスの流れと、燃料電池車２０の貯水タンク２２から排水される水の流れとについて、図１を参照して説明する。
まず、図３のステップＳ８において高圧水素充填管Ｌ１ａから排気される高圧の水素ガスは、第一排気管Ｌ２を流通し、タービン１５を回転駆動させる。すなわち、タービン１５は、水素ガスの圧力エネルギーを機械エネルギーに変換する動力変換部として機能する。また、タービン１５の回転数は制御装置１８によって制御されている。
そして、第一排気管Ｌ２を流通する水素ガスは、排気流入口１３ａを介して排水タンク１３に流入する。

一方、水素充填装置１００によって燃料電池車２０に水素ガスが供給される際に、水素充填装置１００の第二接続部１９ｂが燃料電池車２０の水排出口２９に連結されることにより、貯水タンク２２の水を排水タンク１３に移して貯留することができる。
この時、第一排気管Ｌ２を流通する水素ガスによってタービン１５が回転駆動されるのに伴い、タービン１５に機械的に連結する排水ポンプ１６が駆動される。すなわち、水素ガスの圧力エネルギーから変換された機械エネルギーが、排水ポンプ１６の駆動力となる。そして、貯水タンク２２の水は排水ポンプ１６によって送水されて第一排水管Ｌ３を流通した後、排水流入口１３ｂを介して排水タンク１３に流入する。
なお、排水ポンプ１６による水の送水量は、制御装置１８によって制御される。

排水タンク１３に貯留される水の水位Ｗは、下限水位Ｗ１と上限水位Ｗ２との間で増減する。ここで、下限水位Ｗ１は排水流出口１３ｃの高さであり、上限水位Ｗ２は排水流入口１３ｂの高さである。従って、排水タンク１３の水の水位Ｗは、排気流入口１３ａよりも高い位置に位置している。すなわち、第一排気管Ｌ２は、排水タンク１３に貯留される水によって外部から遮断されている。そのため、第一排気管Ｌ２から排気流入口１３ａを介して流入した水素ガスは、排水タンク１３に貯留されている水を通った後に、排水タンク１３の上部から第二排気管Ｌ４に流入し、図示しない希釈器によって希釈されるとともに外部へ排気される。

また、水が排水タンク１３に貯留されている間は、第二排水管Ｌ５の開閉弁１７ｃは閉状態となっている。一方で、排水タンク１３の水を外部に排水する際は、開閉弁１７ｃは開状態となり、排水タンク１３の水は第二排水管Ｌ５を流通して外部の図示しない排水処理設備に向かって排出される。

以上より、この実施の形態に係る水素充填装置１００では、第一排気管Ｌ２に設けられるタービン１５によって、排気される高圧の水素ガスの圧力エネルギーが機械エネルギーに変換され、排水ポンプ１６が駆動される。従って、燃料電池車２０に供給されるために昇圧された高圧の水素ガスの圧力エネルギーを有効に活用することができ、水素充填装置１００の省エネルギー化が達成される。

また、水素ガスの圧力エネルギーを利用して排水ポンプ１６を駆動しているため、排水ポンプ１６は電動のものである必要がない。従って、排水ポンプ１６の駆動のために電気が用いられておらず、水素ガスに対する防爆性と安全性がより向上する。
また、電動のポンプを用いないことにより、水素充填装置１００に関する設備コストを抑えることができる。

また、従来の水素充填装置では、排水用の電動ポンプを設けない場合は自重によって水を外部に排出していた。そのため、水素充填装置を外部の排水設備や排水口の近くに設ける必要があったが、この実施の形態に係る水素充填装置１００は電動ではない排水ポンプ１６を有しているため、水をスムーズに排水タンク１３に送水することができ、設置場所も限定されない。

また、排水タンク１３の排気流入口１３ａの位置が排水流入口１３ｂの位置よりも低いことにより、排水タンク１３に貯留される水の水位Ｗよりも排気流入口１３ａの位置が低くなりやすいように構成されている。また、排気流入口１３ａの位置は排水流出口１３ｃの位置よりも低いため、排水流出口１３ｃを介して第二排水管Ｌ５に水が排出された後であっても、排気流入口１３ａの位置は水の下限水位Ｗ１よりも低い状態に保たれる。
従って、排水タンク１３に貯留される水によって、第一排気管Ｌ２は外部から遮断されている。そのため、外部の空気が第一排気管Ｌ２を介して高圧水素充填管Ｌ１ａに混入することが防止される。これにより、高圧水素充填管Ｌ１ａから燃料電池車２０に供給される水素ガスの純度が低下する事態が防止され、燃料電池車２０の燃料電池スタック２５における発電の効率が向上する。
また、高圧水素充填管Ｌ１ａの水素ガスに空気が混入した場合、配管内に錆が発生しやすくなるおそれがあるが、上述のように、この実施の形態に係る水素充填装置１００では水素ガスの純度が維持されているため、配管の劣化が防止される。

また、排水タンク１３に貯留される水が第一排気管Ｌ２と外部とを遮断しているため、万が一、外部において火炎が発生した場合であっても、外部の炎が第一排気管Ｌ２の水素ガスにまで引火して延焼する危険はない。そのため、水素充填装置１００の安全性がより向上する。
さらに、外部に連通する第二排気管Ｌ４にフレイムアレスター等の逆火防止設備を設ける必要がなくなるため、水素充填装置１００に関する設備コストをより抑えることができる。

また、燃料電池車２０で発生した水をそのまま外部に排出せず、水素充填装置１００の排水タンク１３に一旦貯留した上で外部の排水処理設備に排出するため、例えば工場内に設置する場合は、床を濡らしたり商品を濡らしたりするおそれがない。

なお、この実施の形態において、水素ガスの圧力エネルギーはタービン１５によって排水ポンプ１６を駆動するための機械エネルギーに変換されているが、これに限定されず、その他の機器を駆動するために利用されてもよい。

１１ 圧縮機、１３ 排水タンク、１３ａ 排気流入口、１３ｂ 排水流入口、１５ タービン（動力変換部）、１６ 排水ポンプ、２０ 燃料電池車、１００ 水素充填装置、Ｌ１ａ 高圧水素充填管（動力蓄積部）、Ｌ２ 第一排気管（排気流通部）、Ｌ３ 第一排水管（排水流通部）。

Claims (3)

1. 燃料電池車に供給するための水素ガスを昇圧する圧縮機と、
   前記圧縮機によって昇圧された前記水素ガスを蓄積し、前記燃料電池車に供給する動力蓄積部と、
   前記水素ガスが前記燃料電池車に供給された後に前記動力蓄積部に残存する前記水素ガスが外部に向かって流通する排気流通部と、
   前記排気流通部に設けられ、前記水素ガスの圧力エネルギーを機械エネルギーに変換する動力変換部と、
   前記燃料電池車に着脱自在に接続されるとともに、前記燃料電池車で発生した水が流通する排水流通部と、
   前記排水流通部に設けられ、前記水を送水する排水ポンプと、を備え、
   前記排水ポンプは前記機械エネルギーによって駆動される水素充填装置。
2. 前記排気流通部及び前記排水流通部に接続するとともに、前記燃料電池車で発生した前記水が貯留される排水タンクをさらに備え、
   前記排水タンクに貯留される前記水は前記排気流通部と前記外部とを遮断する請求項１に記載の水素充填装置。
3. 前記排水タンクは、
   前記排気流通部に連通し、前記水素ガスが流入する排気流入口と、
   前記排水流通部に連通し、前記水が流入する排水流入口とを有し、
   前記排気流入口の位置は前記排水流入口の位置よりも低い請求項２に記載の水素充填装置。

Images