JP7399389B2 - 水素充填装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池式フォークリフト（ＦＣフォークリフト）に水素を充填するための水素充填装置に関する。

クリーンな次世代エネルギーである水素を燃料とする産業機械として、燃料電池式フォークリフトが開発されている。
そして、燃料電池式フォークリフトに燃料である水素を充填する水素充填装置も開発されており、その様な水素充填装置を配置した水素ステーションも開発されている。

ここで、水素充填装置には圧縮機が必要である。
しかし、水素充填装置の圧縮機としては、運転コストが低く、小規模水素ステーションから中規模水素ステーションに好適に用いられることが要求される。それと共に、同一の構造で低圧と高圧の双方の水素圧縮が可能であり、振動、騒音が無く、コンパクト設計が可能であることが要求される。
従来の機械式圧縮機、電気式圧縮機では、その様な要請に応えることは出来なかった。

その他の従来技術として、燃料電池式フォークリフトに水素を充填するための水素充填装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術（特許文献１）は、例えば燃料電池自動車と燃料電池式フォークリフトを誤認して水素充填することを防止するための技術である。そのため、特許文献１の従来技術では、圧縮機の運転コストが低く、低圧と高圧の双方の水素圧縮が可能であり、振動、騒音が無く、コンパクト設計が可能でなければならない問題を解消することが出来ない。

特開２０２１－３８８１２号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、運転コストが低く、低圧と高圧の双方の水素圧縮が可能であり、振動、騒音が無く、コンパクト設計が可能な圧縮機を備えた水素充填装置であって、燃料電池式フォークリフトに水素を充填することが出来る水素充填装置の提供を目的としている。

本発明の水素充填装置（５０）は、燃料電池式フォークリフト（６０）に水素を充填する水素充填装置（５０）において、
水素供給源から供給される水素を加圧する電気化学式水素圧縮機（４０）を備え、
当該電気化学式水素圧縮機（４０）は、
アノード（１Ａ）とカソード（１Ｃ）により電解質膜（１Ｂ：固体高分子電解質膜：ＰＥＭ）を挟み込んで構成されたセル（１）を複数備え、複数のセル（１）を収容するセル用ケーシング（１１）と、水分離装置（２）と、水分離装置（２）を収容する水分離装置用ケーシング（１２）と、バブラー（３）と、バブラー（３）を収容するバブラー用ケーシング（１３）を有し、
セル（１）を収容するセル用ケーシング（１１）と、水分離装置（２）を収容する水分離装置用ケーシング（１２）と、バブラー（３）を収容するバブラー用ケーシング（１３）は一体的に結合されたことを特徴としている。

上述の構成を具備する本発明によれば、電気化学式水素圧縮機（４０：ＥＨＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）を圧縮機（或いはポンプ）として用いているので、大容量化することにより大幅に水素ステーションの運転コストを削減できる可能性がある。そのため、小規模水素ステーションから中規模水素ステーションに用いられる圧縮機として最適である。
また、電気化学式水素圧縮機（４０）であれば、同一構造で水素を低圧に圧縮する場合と高圧に圧縮する場合の双方に対応可能であり、振動、騒音が無い。しかも、コンパクトに設計することが可能である。
そのため、電気化学式水素圧縮機（４０）を備えた本発明の水素充填装置（５０）は、水素ステーションに配置するために要求される特性を充足することが出来る。

特に、本発明で用いられる電気化学式水素圧縮機（４０）は、アノード（１Ａ）とカソード（１Ｃ）により電解質膜（１Ｂ：固体高分子電解質膜：ＰＥＭ）を挟み込んで構成されたセル（１）を複数備え、複数のセル（１）を収容するセル収容部外殻（１１：セル用ケーシング）と、水分離装置（２）と、水分離装置（２）を収容する水分離装置用ケーシング（１２）と、バブラー（３）と、バブラー（３）を収容するバブラー用ケーシング（１３）を有し、セル（１）を収容するセル用ケーシング（１１）と、水分離装置（２）を収容する水分離装置用ケーシング（１２）と、バブラー（３）を収容するバブラー用ケーシング（１３）は一体的に結合されているので、電気化学式水素圧縮機（４０）全体の寸法を小さくして、極めてコンパクトに設計することが可能である。
また、本発明で用いられる電気化学式水素圧縮機（４０）は、セル（１）がバブラー（３）、水分離装置（２）と一体的に構成されており、複数のセル（１）が圧力容器状のセル収容部外殻（１１：セル用ケーシング）に収容されているので、電解質膜（１Ｂ：固体高分子電解質膜：ＰＥＭ）には圧力容器としての基準（４倍圧の基準）は適用されない。そのため、例えば燃料電池自動車の水素充填に用いられる場合（８０ＭＰａの高圧水素が要求される場合）に、バブラー用ケーシング（１３）及び水分離装置用ケーシング（１２）と一体に構成されたセル収容部外殻（１１）が４倍圧の基準を充足すれば（３２０ＭＰａでも無事稼働することが出来れば）、セル収容部外殻（１１）に収容されたセル（１）或いはその電解質膜（１Ｂ：固体高分子電解質膜：ＰＥＭ）は圧力容器としての基準（４倍圧の基準：例えば３２０ＭＰａ）を充足する必要がない。
そして、チェック弁等の低圧回路保護機構を設けることにより圧力容器を守ることが出来るので、電解質膜（１Ｂ）が圧力容器としての基準を満たす必要がない。仮に電解質膜（１Ｂ）が少々破損したとしても、セル（１）全体を交換する必要は無く、セル交換のため電気化学式水素圧縮機（４０）の稼働を中止する必要も無くなる。

本発明で用いられる電気化学式水素圧縮機（４０）において、バブラー（３）で生じた水素と水蒸気の混合気は、セル用ケーシング（１１）内に収容された複数のセル（１）内のポート及び溝を連通して構成した部分を有する水素ガス流路（４）を介してセル（１）に供給され、セル（１）のアノード（１Ａ）で発生したオフガスは当該水素ガス流路（４）を介してバブラー（３）に戻される様に構成すれば、セル（１）或いはセルスタック外にオフガス循環系統を構成しなくても、バブラー用ケーシング（１３）及びセル収容部外殻（１１）内でオフガスを循環させることが出来る。
そのため、複数のセル（１）を積層或いは密集して配置してもオフガス循環系統と干渉する恐れはなく、複数のセル（１）を積層或いは密集してセル収容部外殻（１１）内に配置（収容）することが出来る。従って、複数のセル（１）を配置するのに大きなスペースは必要とせず、各セル（１）とオフガス循環系統との干渉を防止するレイアウトを考慮する必要がない。

本発明で用いられる電気化学式水素圧縮機（４０）において、セル収容部外殻（１１）の上方に水分離装置（２）を設け、カソード（１Ｃ）の圧縮水素は水（水蒸気）と共に水分離装置２の内部空間に供給され、水分離装置（２）の内部空間には水が貯留しており、カップフロート（２５）が配置されており、カップフロート（２５）は中心部に棒状部（２５Ｂ）を有し、棒状部（２５Ｂ）の先端（下端）にはバルブ本体（２５Ｃ）が設けられ、水分離装置（２）の内部空間の中心部とバブラー（３）を連通する水降下用パイプ（２６）が設けられて、水降下用パイプ（２６）は水分離装置用ケーシング（１２）を貫通してバブラー（３）に連通しており、水降下用パイプ（２６）の上端部（２６Ａ）は水分離装置（２）の内部空間の下方で開放され、カップフロート（２５）に設けられたバルブ本体（２５Ｃ）が座着可能な弁座を構成すれば、セル（１）のカソード（１Ｃ）から水分離装置（２）に移動した水素はカップフロート（２５）を介して水分離装置（２）内の水中を浮上する。そして、高圧の水素ガスは水分除去装置（１８）へ移動する。
水分離装置（２）内の水によりカップフロート（２５）に浮力が作用して浮き上がると、カップフロート（２５）に設けられたバルブ本体（２５Ｃ）は弁座である水降下用パイプ（２６）の上端開口部（２６Ａ）から離隔する。そして、水分離装置２内の水は水降下用パイプ２６内を降下し、バブラー（３）側に戻される。
一方、水分離装置（２）内の水量が減少すると、カップフロート（２５）が下降し、バルブ本体（２５Ｃ）が弁座である水降下用パイプ（２６）の上端開口部（２６Ａ）に座着して閉鎖する。その状態では、水分離装置（２）内の水はバブラー（３）側に下降することはなく、水分離装置（２）内に留まる。
すなわち、水分離装置（２）内の水は、水分離装置（２）の内部空間の中心部とバブラー（３）を連通する水降下用パイプ（２６）によりバブラー（３）に戻されるので、従来技術の様にセルスタック外部に別途水循環系統を形成する必要がない。そして、セルスタック外部に水循環系統を形成する必要がないため、セルを集積し易く、レイアウトが容易になる。
さらに、カップフロート（２５）は下方に開口部（２５Ｄ）を有し、内部空間が開空間であるため、高圧下においてもカップフロート（２５）内外の圧力差が無い。そのため、外殻が薄いカップフロート（２５）を高圧環境下の水分離装置（２）内に設けても潰れることはない。

さらに、本発明で用いられる電気化学式水素圧縮機（４０）において、バブラー（３）とセル（１）の間をヒートチューブ（５）で接続し、ヒートチューブ（５）の一端はヒートチューブ受熱部（５Ａ）が複数分散設置（固体伝熱）されて複数のセル（１）の各々に接続（固体接続）されており、ヒートチューブ（５）の他端をヒートチューブ放熱部（５Ｂ）としてバブラー（３）の液相領域（３Ｂ）に浸漬すれば、セル（１）における熱量が複数分散設置（固体伝熱）したヒートチューブ受熱部（５Ａ）に伝熱され、ヒートチューブ（５）の受熱部（５Ａ）を介して当該熱量はヒートチューブ（５）内の純水に伝達されて純水を水蒸気に気化し、当該水蒸気がヒートチューブ（５）内を移動してバブラー（３）の液相領域（３Ｂ）に投与されることにより、セル（１）を運転状態に応じてセルフ冷却をすることが出来る。そのため、セル（１）には高品質のチラーを設ける必要がない。
さらに、バブラー用ケーシング（１３）にフィン（６）を設け、ブロワ（７）により熱風或いは冷風をフィン（６）に向かって噴射すれば、バブラー（３）の温度調整が可能である。或いは、バブラー（３）を加熱するヒーター機構（８）及び／又はバブラーを冷却するクーラー機構を設ければ、バブラー（３）の温度調整が可能である。さらに、バブラーに供給される水素の温度を温調装置（９）により調節することで、バブラー（３）の温度調整が出来る。そのため、電気化学式水素圧縮機（４０）のバブラー（３）の温度調整に高品質な機器であるチラーを設ける必要がなく、その分だけ、電気化学式水素圧縮機（４０）及び水素充填装置（５０）の製造コストを低く抑えることが出来る。

本発明の実施形態に係る水素充填装置を配置した水素ステーションの説明図である。 図１の水素ステーションで水素を充填する燃料電池式フォークリフトの説明図である。 実施形態に係る水素充填装置の説明図である。 実施形態で用いられる電気化学式水素圧縮機の実施形態を示す説明図である。 実施形態で用いられる電気化学式水素圧縮機における水分離装置を示す説明図である。 実施形態で用いられる電気化学式水素圧縮機におけるバブラーを示す説明図である。 実施形態で用いられる電気化学式水素圧縮機におけるヒートチューブによるセルの冷却を模式的に示す説明図である。 実施形態で用いられる電気化学式水素圧縮機において起動時にバブラーを加熱する機構を示す説明図である。 図４と同様な説明図であって、実施形態で用いられる電気化学式水素圧縮機におけるセルが積層されている態様を具体的に示す説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１において、水素充填装置５０は、水素充填ホース５１の先端には設けられた水素充填ノズル５２により、燃料電池式フォークリフト６０（ＦＣフォークリフト）に搭載された水素タンク６１に水素を充填している。
ＦＣフォークリフト６０に充填された水素により、ＦＣフォークリフト６０は、走行及びフォーク６２の昇降を行うことが出来る。

図２において、ＦＣフォークリフト６０は燃料電池６３（ＦＣ）を内蔵しており、燃料電池６３で生じた電気を蓄電装置６４に蓄電して、ＦＣフォークリフト６０の駆動輪用のモータ６５と、フォーク６２昇降用のモータ６６を駆動する。ＦＣフォークリフト６０における蓄電制御はコントローラ６７により実行される。図２において、符号６８は水タンクを示している。
ここで、図示の実施形態に係る水素充填装置５０で水素充填されるＦＣフォークリフト６０は、図２で示す構造のフォークリフトに限定される訳ではない。図２は、あくまでもＦＣフォークリフト６０の例示である。

水素充填装置５０について、図３を参照して説明する。
図３において、水素充填装置５０はスタックエリア５３、バルブユニット５４、蓄圧器５５、計量ユニット５６、制御エリア５７を有している。スタックエリア５３は電気化学式水素圧縮機４０（ＥＨＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）を内蔵している。また、計量ユニット５６からは水素供給充填用ホース５１が延設され、水素供給充填ホース５１の先端には水素充填ノズル５２が設けられている。
明示しない水素供給源は、配管５８により電気化学式水素圧縮機４０に連通しており、電気化学式水素圧縮機４０に水素を供給する。水素を加圧する機能を有する電気化学式水素圧縮機４０における構成、作用については、図４～図９を参照して後述する。
スタックエリア５３の電気化学式水素圧縮機４０で加圧された水素は図示しない水素流路を介して蓄圧器５５（ボンベなど）に供給され、貯蔵される。

図示はされていないが、図３において、計量器ユニット５６は流量計、計数部、流量調整弁、漏洩検知装置その他の検知装置等を包含している。ＦＣフォークリフト６０（図１、図２）に水素を供給するに際しては、計量ユニット５６の水素充填ノズル５２をＦＣフォークリフト６０の水素タンク６１（図１、図２）のレセプタクル（図示せず）と接続し、蓄圧器５５内の高圧水素を、バルブユニット５４、計量ユニット５６の水素供給充填用ホース５１、水素充填ノズル５２を介して、ＦＣフォークリフト６０の水素タンク６１に充填する。バルブユニット５４では、高圧水素がＦＣフォークリフト６０の水素タンク６１に充填される際に、関連バルブの開閉制御を実行する機能を有している。
図３において、水素供給源からの水素は、スタックエリア５３において電気化学式水素圧縮機４０により加圧され、加圧された水素は蓄圧器５５（ボンベ等）に貯蔵される。
ＦＣフォークリフト６０の水素タンク６１に水素を供給するに際しては、蓄圧器５５内の高圧水素は、計量ユニット５６、水素供給充填用ホース５１、水素充填ノズル５２を介して、ＦＣフォークリフト６０に充填される。
水素充填装置５０の制御エリア５７は、水素充填装置５０における水素充填を制御する機能を有している。制御エリア５７は水素ステーションの管理機構である保安制御盤７０と通信ライン５９を介して電気通信で接続されており、制御エリア５７で実行、対応する制御の中で、火災検出、ガス検出、その他の重大な事象に対応する際には、制御エリア５７と保安制御盤７０は相互に連携を図る事が出来る。

次に、図示の実施形態で用いられる電気化学式水素圧縮機４０（ＥＨＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）について、図４～図９を参照して説明する。
電気化学式水素圧縮機４０は、大容量化することによって水素ステーションの運転コストを削減することが出来て、特に小規模水素ステーションから中規模水素ステーションで用いられるのに適している。
また、電気化学式水素圧縮機４０であれば、同一構造で水素を低圧に圧縮する場合と高圧に圧縮する場合の双方に対応可能であり、振動、騒音が無い。しかも、コンパクトに設計することが可能である。

図４において、図示の実施形態に係る電気化学式水素圧縮機４０は、複数のセル１（セルスタック：図９参照）と、複数のセル１を収容するセル用ケーシング１１と、水分離装置２と、水分離装置２を収容する水分離装置用ケーシング１２と、バブラー３と、バブラー３を収容するバブラー用ケーシング１３を有している。
セル１を収容するセル用ケーシング１１と、水分離装置２を収容する水分離装置用ケーシング１２と、バブラー３を収容するバブラー用ケーシング１３は、例えばボルト１４（図４では中心軸を一点鎖線で示す）により一体的に結合されている。

セル用ケーシング１１内には、セル１が例えば４０個程度収容されている。図４では明示されていないが、セル１は電極であるアノード１Ａと、カソード１Ｃと、電解質膜である固体高分子電解質膜１Ｂ（ＰＥＭ）を有しており、アノード１Ａとカソード１Ｃにより電解質膜１Ｂを挟み込んでセル１を構成している。
セル１の各々は、１枚で８０ＭＰａ程度まで水素ガスを加圧する機能を有する様に構成されている。図示の実施形態では、例えば８０ＭＰａという高圧は、複数のセルを直列につないで、セルごとに数ＭＰａずつ加圧して得ている訳ではなく、水素を８０ＭＰａまで加圧できる能力を有する個々のセルを、複数（例えば４０個）、積層している。

従来の電気化学式圧縮機では、低圧側と高圧側に曝されるセル或いは電解質膜に対して、圧力容器としてのハードな基準を充足することが要求される。例えば、電解質膜が４倍圧の基準（例えば、８０ＭＰａの高圧ガスを充填する充填機に用いられる電気化学室水素圧縮機では、３２０ＭＰａでも無事稼働するという基準）をクリアしなければならなかった。
図示の実施形態では、セル１がバブラー３、水分離装置２と一体的に構成されており、複数のセル１が圧力容器状のセル用ケーシング１１（セル収容部外殻）に収容されているので、電解質膜１Ｂ（固体高分子電解質膜：ＰＥＭ）そのものには圧力容器としての基準（４倍圧の基準）は適用されない。そのため、例えば燃料電池自動車の水素充填に用いられる場合（８０ＭＰａの高圧水素が要求される場合）に、セル用ケーシング１１が４倍圧の基準を充足すれば（３２０ＭＰａでも無事稼働することが出来れば）、セル用ケーシング１１に収容されたセル１或いは固体高分子電解質膜１Ｂ（ＰＥＭ）には、圧力容器としての基準（４倍圧の基準）を充足することは要求されない。また、チェック弁等の低圧回路保護機構（図示せず）を設けることにより守ることが出来るので、固体高分子電解質膜１Ｂ（ＰＥＭ）には圧力容器としての基準は要求されない。
そのため、固体高分子電解質膜１Ｂ（ＰＥＭ）には気密性のみが要求され、４倍圧の基準に耐える様な耐圧性は必要なく、一般高圧容器程度の耐圧性を有していれば足りる。

図示の実施形態ではセル１或いは固体高分子電解質膜１Ｂ（ＰＥＭ）は４倍圧の様な厳しい基準を充足する必要がないので、バブラー３（を収容するバブラー用ケーシング１３）、水分離装置２（を収容する水分離装置用ケーシング１２）と一体的に構成されたセル用ケーシング１１が圧力容器としての基準を充足するのであれば、仮に固体高分子電解質膜１Ｂ（ＰＥＭ）が僅かに破損したとしても、セル１全体としては水素を圧縮する機能を発揮する限り、破損したセル１を交換することなく、アノード１Ａ側にチャッキ弁（図示せず）を配置して、水素や水が排出される様に構成して、稼働し続けることが出来る。

図４において、水素供給源から、配管１５及び温調装置９を経由して供給された水素は、バブラー３内の気泡発生器１６（図６参照：図４では図示せず）に供給される。配管１５には、水循環ポンプ３３を介装した水供給源からの配管２８が合流している。
水素供給源から流路１５を介して供給された水素は、バブラー３の液相領域３Ｂ内に貯留された水（純水）内を大量の気泡となって浮上し、その際に水蒸気を連行する。そして、水素と水蒸気の混合気体は、バブラー３の気相領域３Ａから水素ガス流路４（図４の左側の水素ガス流路４）を流れ、セル１のアノード１Ａ（図５）に供給される。符号２９は気体用ポンプを示している。
明確には図示されていないが、セル用ケーシング１１内に収容された複数のセル１内のポート及び溝を連通して、水素ガス流路４が構成されている。
セル1のアノード１Ａに供給された水素は、イオン化されて電解質膜１Ｂ（固体高分子電解質膜：ＰＥＭ）（図５）を透過してカソード１Ｃ（図５）側に移動して水素に戻り、圧縮された状態で水分離装置２に送られて、水分離される。
一方、カソード１Ｃ側に移動しなかった水素はオフガスとして水素ガス流路４（図４の右側の水素ガス流路４）を流れてバブラー３に戻される。
図４では水素ガス流路４がアノード１Ａ側に向かう流路と、アノード１Ａ側から戻る流路を、象徴的に、単一の太い配管状に表示しているが、実機では、アノード１Ａ側に向かう水素ガス流路４と、アノード１Ａ側から戻る水素ガス流路４は、セル１の数に応じて必要な数だけ分岐、合流して構成されている。

図４において、カソード１Ｃ（図５）側に移動した水素は、図５を参照して後述する水分離装置２を流過した後、配管１７により水分除去装置１８に供給され、水分除去装置１８で水分を除去される。符号１９は、水分離装置２内の高圧水素を水分除去装置１８に送るための気体ポンプを示している。
水分を除去された水素は、例えば、図示しない水素充填装置（ディスペンサー）を介して高圧水素容器（例えば、燃料電池自動車の水素容器）に充填される。
水分除去装置１８は、例えばカートリッジ内に吸着剤（ゼオライト等）を充填して構成されている。吸着剤は定期的に交換されるか、或いは、図４で示す様に真空ポンプ２０に直結して再生される。
図４において、水分除去装置１８は配管２１を介して吸着剤再生用ポンプ２０（真空ポンプ）に連通している。水分除去装置１８の吸着剤が水分を十分に吸着したならば、真空ポンプ２０を稼働して、配管２１を介して水分除去装置１８の吸着剤を真空乾燥して、吸着剤から水分を除去して再生させる。吸着剤の再生後、開閉弁２２を開放し、配管２３を介して配管２１を外気に連通して、真空状態を開放する。

上述した様に、セル用ケーシング１１と水分離装置用ケーシング１２とバブラー用ケーシング１３は、図示の実施形態ではボルト１４により一体的に結合されている。
また、水分離装置２とバブラー３は水降下用パイプ２６により連通しており、セル１とバブラー３は水素ガス流路４、ヒートチューブ５等により接続されている。
水分離装置２については図５を参照して後述する。また、バブラー３については図６を参照して後述する。

次に、図５を参照して水分離装置２について説明する。なお、図５では、セル用ケーシング１１の図示は省略している。
図５において、水分離装置２の内部空間には水（ハッチングで示している）が貯留しており、カップフロート２５が浮いている。カップフロート２５は、図５において下方に突出した外方縁部２５Ａを有し、中心部には図５の下方に延在する棒状部２５Ｂを有している。棒状部２５Ｂの先端（下端）にはバルブ本体２５Ｃが形成されている。そしてカップフロート２５は、その下方に開口部２５Ｄを有する開放された形状となっており、カップフロート２５の内部空間は開空間となっている。
水分離装置２の内部空間の中心部と、バブラー３（図４、図６参照：図５では図示せず）は、水降下用パイプ２６により連通されている。水降下用パイプ２６は水分離装置２及び水分離装置用ケーシング１２の底部を貫通して下方（図５では図示しないバブラー３側）に延在して、バブラー３に連通する。水降下用パイプ２６の上端部２６Ａは水分離装置２の内部空間の下方で開放され、カップフロート２５に形成されたバルブ本体２５Ｃが座着可能な弁座を構成している。そして、カップフロート２５のバルブ本体２５Ｃと、水降下用パイプ２６の上端開口部２６Ａにより、上端開口部２６Ａを開閉する機能を有する弁機構（ニードルバルブ）を構成している。

図４を参照して述べた様に、図５における水分離装置２の下方の領域には、セル１が配置されている。セル１のアノード１Ａに供給され、電解質膜１Ｂを経てカソード１Ｃ側に移動した水素は、高圧の圧縮水素として、水（水蒸気）と共に、経路２７によりセル１側から水分離装置２の内部空間に供給される。水は固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）の様な電解質膜１Ｂに必要であり、電解質膜１Ｂを水が透過して、カソード１Ｃ側に溜まるので、水分離装置２側には水が貯留する。
カップフロート２５は、セル１のカソード１Ｃから水分離装置２に移動した水素の全量が、水中を浮上してカップフロート２５の内部空間内に移動する様に構成されており、セル１が作動してカソード１Ｃに水素が移動する限り、当該水素はカップフロート２５の内部空間に移動する様に構成されている。

図５において、下方に開口部２５Ｄを有して内部空間が開空間を形成するカップフロート２５を用いたのは、開口部を有しておらず内部空間が閉空間であるフロートでは、高圧（例えば８０ＭＰａ）に耐えきれないからである。内部空間が閉空間である通常のフロートでは、内部空間は常圧であるため、高圧環境下では内部空間との圧力差でフロートが潰れてしまう。これに対して、当該圧力差の下でも潰れない様にフロートの外殻を厚くすると、フロートが水分離装置２内の水（カソード水）に浮かばない。
それに対して、図示の実施形態におけるカップフロー２５であれば、下方に開口部２５Ｄを有し、内部空間は開空間であるため、高圧下においてもカップフロート２５の内部空間の圧力は水分離装置２内の圧力と等しく、上述した圧力差は存在しない。そのため、カップフロート２５の外殻が薄くても、カップフロート２５が潰れることはない。

水分離装置２内の水によりカップフロート２５に浮力が作用し、カップフロート２５が浮き上がると、カップフロート２５に設けられたバルブ本体２５Ｃは、弁座である水降下用パイプ２６の上端開口部２６Ａから離隔して開弁する。そして、水分離装置２内の水は上端開口部２６Ａから水降下用パイプ２６内を流下して、バブラー３側に戻される。
水分離装置２内の水量が減少すると、カップフロート２５が下降し、バルブ本体２５Ｃが弁座である水降下用パイプ２６の上端開口部２６Ａに座着して、上端開口部２６Ａが閉鎖される。水降下用パイプ２６の上端開口部２６Ａが閉鎖されるので、水分離装置２内の水はバブラー側に下降せず、水分離装置２内に留まる。

図５において、セル１側から水分離装置２の水の中を浮上してカップフロート２５の内部空間に到達して溜まった高圧の水素ガスは、図５において矢印Ｈ２で示す様にカップフロート２５の外側に移動する。セル１側から水分離装置２の水中を浮上してカップフロート２５の内部空間に至る経路と、矢印Ｈ２で示す経路を高圧水素が移動する際に、水分が分離される。カップフロート２５の外側に移動した高圧の水素ガスは、気体ポンプ１９を介して、配管１７を流れて水分除去装置１８へ移動する。
ここで、カップフロート２５内の水を経由してカップフロート２５の外側に移動した高圧の水素ガスが水分を連行したとしても、水素ガスは高圧になるほどドライになる傾向があり、また、水分を連行しても水分吸着除去装置１８で除去されるので、問題はない。

セル１のカソード１Ｃから水分離装置２に移動した水素は、その全量がカップフロート２５の内部空間に移動する様に、カップフロート２５の位置を含めて構成されている。水分離装置２に移動した水素の全量がカップフロート２５の内部空間内に進入する様に構成しないと、カップフロート２５が下降した後（バルブ本体２５Ｃが閉鎖された後）、水素がカップフロート２５内に入らなくなる恐れがあり、水素がカップフロート２５内に入らないとカップフロート２５が浮き上がらなくなり、水降下用パイプ２６の上端開口部２６Ａが開放されなくなってしまうからである。
また、カップフロート２５を長期間放置すると、その内部に水が置換してカップフロート２５が沈んでしまう。しかし図示の実施形態では、カップフロート２５の内部空間内にカソード１Ｃからの水素が進入し続けるので、当該内部空間には常に水素が供給されて、カップフロート２５が沈んでしまうことを防止出来る。
上述した様に、水分離装置２側に移動した水素の全量がカップフロート２５の内部空間に入る様に構成されているので、水分離装置２内の水が増加すれば、カップフロート２５は確実に当該水に浮いた状態を保持するので、水降下用パイプ２６の上端開口部２６Ａが開放しないという事態を防止出来る。

ここで、図６で示すバブラー３内に貯留した純水は、水素と共にセル１のアノード１Ａに供給され、カソード１Ｃから水分離装置２（カソード側）に移動し、水分離装置２内に貯留されるが、上述した様に、カップフロート２５が水に浮いた状態を保持できれば、水分離装置２内の水は確実に水降下用パイプ２６内を流過して、バブラー３内に流れ込む。これにより、バブラー３、セル１、水分離装置２の間で水が循環し続ける。
そのため、従来技術の様にセル１或いはセルスタック外部に別途水循環系統を形成する必要がなく、セルを集積し易く、レイアウトが容易になる。
図示の実施形態では、水分離装置２において水が水素ガスから分離してバブラー３に戻り、バブラー３、セル１、水分離装置２の間で、常時、循環し続ける。しかし、水分離装置２から水分除去装置１８（図４参照）に移動した高圧水素は、図４を参照して上述した様に、水分除去装置１８で水分が吸着除去され、吸着除去された水分はバブラー３には戻されない。水分除去装置１８で除去された分の水を補給する必要がある場合には、図６において水循環ポンプ３３を駆動し、水供給源からの配管２８、バブラー３に水素を供給する配管１５を介して給水すれば良い。係る給水を定期的に行うことも可能である。

図５において、カソード側に水が無くなると電解質膜１Ｂ（固体高分子電解質膜：ＰＥＭ、図５）が乾燥し、ＰＥＭにおける抵抗が増大する。そしてＰＥＭの抵抗が増大するとＰＥＭにおける水素移動の効率が低下する。そのため、カソード側には常に水がある状態にしておくことが好ましい。
図示の実施形態では、水分離装置２に移動した水素は常にカップフロート２５の内部空間に向かって浮上する様に配置されており、且つ、カップフロート２５に設けたバルブ本体２５Ｃが水降下用パイプ２６の上端開口部２６Ａにより構成された弁座に座着しても水分離装置２に水が残留している。明確には図示されていないが、水分離装置２に水が残留している限り、カソード側には常時水が保持される。

次に図６を参照して、バブラー３について説明する。
図６において、バブラー３はウォーターパン或いはドレンパンとして構成されており、上方の領域は気相領域３Ａ（水素と水蒸気の混合気が貯留する領域）であり、下方の領域は液相領域３Ｂ（水が貯留する領域）となっている。
バブラー３の液相領域３Ｂには気泡発生器１６（気化器）が配置されており、気泡発生器１６には、温調装置器９を介装した配管１５を介して水素が供給される。
気泡発生器１６はストーンで構成されるタイプ、メッシュで構成されるタイプ、自然蒸発するタイプの何れのタイプで構成しても良く、その他のタイプの気泡発生器を用いることも出来る。

図５を参照して上述した様に、水分離装置２（図４、図５）内の水をバブラー３内に戻すために、水分離装置２から水降下用パイプ２６がバブラー３まで延設されている。
図６において、温調装置９で温度調節された水素が気泡発生器１６に供給されると、バブラー３内に貯留された水（純水）中に、大量の水素気泡が噴出し、噴出した水素と共に水蒸気がバブラー３の気相領域３Ａへ移動する（矢印ＡＢ）。そして、水素及び水蒸気の混合気は、気体用ポンプ２９を介して、水素ガス流路４（図６の左側の水素ガス流路４）によりセル１のアノード１Ａ（図５）へ供給される（矢印Ａ１）。上述した様に、水素ガス流路４は、複数のセル１内のポート及び溝を連通して構成されている。
アノード１Ａにおけるオフガスはカソード１Ｃ側に移動しなかった水素ガス及び水蒸気を含んでおり、係るオフガスは水素ガス流路４（図６の右側の水素ガス流路４）により、バブラー３の気相領域３Ａに流入する（戻される：矢印Ａ２）。
そのため、セル１或いはセルスタックの外部にオフガス循環系統を構成しなくても、バブラー用ケーシング１３及びセル用ケーシング１１（図４参照）内でオフガスを循環させることが出来る。そして、複数のセル１を積層或いは密集して配置しても、オフガス循環系統と干渉することが防止される。その際、複数のセル１を配置するのに大きなスペースは必要とせず、各セル１とオフガス循環系統との干渉を防止するレイアウトを考慮する必要がない。

従来技術では、チラーによりセルを冷却しているが、図示の実施形態では、バブラー３からセル１（複数のセル群）に亘って配置したヒートチューブ５によりセル１を冷却している。ヒートチューブ５によるセルの冷却について、図７を参照して説明する。
図７において模式的に示す様に、ヒートチューブ５はバブラー３とセル１（実機では、ケーシング１１内の複数のセル１の各々）とを接続している。ヒートチューブ５の一端はヒートチューブ受熱部５Ａとして複数分散設置（固体伝熱）されて、複数のセル１の各々に接続（固体接続）されており、ヒートチューブ５の他端はヒートチューブ放熱部５Ｂとしてバブラー３の液相領域３Ｂに浸漬している。図示の簡略化のため、図７では単一のセル１のみが示されている。
ヒートチューブ５は銅製であり、内管５Ｃ及び外管５Ｄの二重管構造を有しており、内管５Ｃと外管５Ｄはヒートチューブ受熱部５Ａ及びヒートチューブ放熱部５Ｂにおいて連通している。ヒートチューブ５の二重管には純水が充填されており、高速で熱を伝達する機能を有している。そして、ヒートチューブ５の高伝熱特性を利用して、電解質膜１Ｂ（ＰＥＭ、図５）に電流を流す際にセル１に発生した熱をバブラー３内に排出することが出来る。

ヒートチューブ５でセル１を冷却するに際しては、セル１に発生した熱量が複数分散設置（固体伝熱）されたヒートチューブ５の受熱部５Ａに伝熱され、伝熱された熱量は受熱部５Ａを介してヒートチューブ５内の純水に伝達され、純水は気化熱を奪って直ちに気化する。気化した水蒸気はヒートチューブ５の内管５C内を高速で流過して（矢印Ｆ１）、ヒートチューブ５におけるバブラー３の液相領域３Ｂに浸漬された放熱部５Ｂに到達し、放熱部５Ｂで気化熱がバブラー３内に貯留された純水に投与される。
熱量をバブラー３内の純水に投与すると、ヒートチューブ５の内管５Ｃを流過した水蒸気は凝縮して純水となり、当該純水はヒートチューブ５の外管５Ｄ内を再びヒートチューブ５の受熱部５Ａに向かって流れ（矢印Ｆ２）、受熱部５Ａにおいて再びセル１の熱量で気化する。そして、ヒートチューブ５の内管５Ｃ、外管５Ｄ内に純水或いは水蒸気を循環させることにより、継続的にセル１を冷却する。

ここで、セル１とバブラー３内の純水間のヒートチューブ５による熱移動は、セル１における（受熱）温度とバブラー３内の純水（放熱）温度との温度差に依存する。
電解質膜１Ｂ（固体高分子電解質膜：ＰＥＭ）或いはセル１には最適運転温度があり、適正に電気化学式水素圧縮機４０を運転するためには電解質膜１Ｂ（固体高分子電解質膜：ＰＥＭ）或いはセル１を温度調整する必要がある。また、セル１内での結露を防止するために、セル１の温度をバブラー３内の純水よりも所定温度だけ（例えば５℃程度）高めに設定する必要がある。この設定すべき温度差があるので、ヒートチューブ５を介してセル１からバブラー３まで熱を移動することが可能となる。
ここで、バブラー３とセル１をヒートチューブ５でつないだ系は、例えばバブラー３に供給する水素の温度制御をすること、或いは、バブラー３を加熱、冷却することにより、（バブラー３とセル１をヒートチューブ５でつないだ系の）外部から同時に温度調整することが出来て、バブラー３の温度もセル１の温度も、適切にコントロールすることが出来る。
すなわち、セル１とバブラー３は、ヒートチューブ５により熱交換され、セル１、バブラー３、ヒートチューブ５は連鎖的に作用するので、温度制御が容易且つ正確に行うことが出来る。そのため、特別な制御機器を必要とせず、安定的にセル１を冷却することが出来る。そして、セル１に高品質のチラーを設ける必要もない。

図９を参照して、図４～図７を参照して説明した電気化学式圧縮機４０の構造であるが、図４～図７では明示されていない機器について説明する。
図９において、ケーシング１１の内部には５個のセルが示されており、それぞれのセルの電解質膜が符号１Ｂ－１～１Ｂ－５で示されている。実機において、セルの数は５個よりもはるかに多い。
図９において、電解質膜１Ｂ－１～１Ｂ－５の各々の下方がアノード（１Ａ－１～１Ａ－５：図示の煩雑化を避けるため、図９では符号は示していない）であり、電解質膜１Ｂ－１～１Ｂ－５の各々の上方がカソード（１Ｃ－１～１Ｃ－５：図示の煩雑化を避けるため、図９では符号は示していない）である。５つのセルは、絶縁体ＩＳにより仕切られており、図９において絶縁体ＩＳは太い点線で表示されている。
５つのセルに対しては、電源ＰＳから、符号ＥＣで包括的に示す導線を介して電力が供給されている。

図９において、バブラー３の気泡発生器１６の水素の泡ＢＨで加湿された水素ガスは、矢印ＡＢＨで示す様に、循環用ポンプＰＢにより吸い込まれて図９の左側の水素ガス流路４Ｉに吐出される。水素ガス流路４Ｉを流れる水素は水蒸気と共に各セルのアノード１Ａ－１～１Ａ－５（図示せず）に供給される。そして水素イオンとなって電解質膜１Ｂ－１～１Ｂ－５を透過して、カソード１Ｃ－１～１Ｃ－５（図示せず）で水素に戻る。カソード１Ｃ－１～１Ｃ－５の高圧水素は、水素経路４２、４２（図９では２本のみ示すが、実機ではそれ以上の本数を設けている）を介して水分離装置２に移動する。図９では、水分離装置２に移動する高圧の水素は、水素経路４２における上方に向かう矢印として表示されている。
各セルのアノード１Ａ－１～１Ａ－５に水素と水蒸気を供給した水素ガス流路４Ｉは、水平方向（図９では左右方向）に延在する水素ガス流路４Ｈを経由して図９の右側の水素ガス流路４Ｏに到達し、アノード１Ａ－１～１Ａ－５のオフガスは水素ガス流路４Ｈ、４Ｏを介して、バブラー３に戻る。

カソード１Ｃ－１～１Ｃ－５から水素経路４２を介して水分離装置２に移動した高圧の水素ガスは、泡Ｈ_２と矢印ＡＨ_２として水分離装置２内を移動して、配管１７を流れ、水分除去装置１８（図４）に送られる。そして水分離装置２において高圧の水素ガスから分離された水は、水降下用パイプ２６を流れてバブラー３に戻される。
バブラー３にはヒートチューブ５が設けられており、ヒートチューブ５については、図４、図７で前述した通りである。

図９において、水分離用ケーシング１２にはコンディショニングポートＣＰが形成されており、電気化学式コンプレッサーのメンテナンスの際に、コンディショニングポートＣＰを介して電解質膜１Ｂ－１～１Ｂ－５に酸素を供給する様に構成されている。図９において、コンディショニングポートＣＰは水素経路４２に連通している様にも見えるが、コンディショニングポートＣＰは水素経路４２に連通してはおらず、図示しない流路を介して各セルのカソード１Ｃ－１～１Ｃ－５に連通している。
電気化学式コンプレッサーの運転前に、コンディショニングポートＣＰから酸素を供給し且つバブラー３から水素を供給することにより、電解質膜１Ｂ－１～１Ｂ－５において燃料電池と同様に ２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋電気 という反応が行われ、これにより電解質膜１Ｂ－１～１Ｂ－５の状態が向上する。

図示の実施形態で、起動時等においてセル１を加熱するためには、例えば図８（Ａ）で示す様に、バブラー３を収容するバブラー用ケーシング１３には加熱用のフィン６を設け、起動時には、ブロワ７により熱風をフィン６に噴射する（矢印Ｈ）。これにより、バブラー３が加熱され、バブラー３内の水も加熱され、昇温した水がヒートチューブ５を介してセル１を好適な温度まで加熱する。
一方、ブロワ７により冷風をバブラー用ケーシング１３のフィン６に噴射すればバブラー３の温度が低下し、バブラー３内の水の温度も低下し、温度が低下した水がヒートチューブ５を介してセル１を好適な温度まで低下させる。

また、バブラー３を加熱する機構としては、図８（Ｂ）で示す様に、バブラー３を収容するバブラー用ケーシング１３にセル起動用のヒーター８を設け、ヒーター８によりバブラー用のケーシング１３を加熱しても良い。
一方、バブラー３を冷却する機構としては、バブラー冷却用のクーラー（図示せず）を用いることが出来る。
バブラー３を加熱或いは冷却するには、図示した以外の機構も選択することが可能である。
さらに、配管１５（図４、図６）を介してバブラー３に供給される水素の温度を温調装置９（図４、図６）により調節することにより、バブラー３内の水の温度を調節して、セル１を好適な温度に調節することも出来る。
係る構成を採用可能であるため、図示の実施形態では、バブラー３の温度調整に高品質機器であるチラーを設ける必要がない。

従来技術ではバブラーとセルの間をチューブで接続している。そのため、当該チューブに特別な被覆をして断熱しないと結露を生じ、セルに悪影響を及ぼしてしまう。そして、特別な被覆で断熱されていないチューブでバブラーとセルを接続する場合には、バブラー、セル、その間の空間、チューブの温度をコントロールして、チューブにおける結露を防止しなければならない。
それに対して図示の実施形態では、ヒートチューブ５は、複数分散設置（固体伝熱）したヒートチューブ受熱部５Ａ内が各セル１に接続（固体接続）した部分を有しており、バブラー３から供給される水素と水蒸気の混合気が流れる水素流路４はヒートチューブ５とは異なるレイアウト（経路）となっており、水素流路４を流れる気体（水素と水蒸気の混合気）はヒートチューブ５とは接触せず、水素流路４、ヒートチューブ５は結露しない。すなわち、ヒートチューブ５内を流れる冷媒である純水と、水素流路４を流れる気体は接触せず、熱交換することは無いため、水素流路４、ヒートチューブ５は結露しない。そのため、従来技術における結露防止の温度制御或いは特別な被覆による断熱が不要である。
そして、パブラやチラーの温度制御のため、高品質の機器を使用する必要も無い。

上述した構成を有する図示の実施形態で用いられる電気化学式水素圧縮機４０は、レイアウトの自由度が高く、水素及び水を装置内で循環させるための特別な装置をセルスタック外部に設ける必要が無く、高価な設備を必要とせず、セルの温度管理も容易である。
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

１・・・セル
１Ａ・・・アノード
１Ｂ・・・電解質膜（固体高分子電解質膜：ＰＥＭ）
１Ｃ・・・カソード
２・・・水分離装置
３・・・バブラー
３Ａ・・・気相領域
３Ｂ・・・液相領域
４・・・水素ガス流路
５・・・ヒートチューブ
５Ａ・・・ヒートチューブ受熱部
５Ｂ・・・ヒートチューブ放熱部
１１・・・セル用ケーシング（セル収容部外殻）
１２・・・水分離装置用ケーシング
１３・・・バブラー用ケーシング
４０・・・電気化学式水素圧縮機
５０・・・水素充填装置
６０・・・燃料電池式フォークリフト（ＦＣフォークリフト）

Claims (1)

1. 燃料電池式フォークリフトに水素を充填する水素充填装置において、
   水素供給源から供給される水素を加圧する電気化学式水素圧縮機を備え、
   当該電気化学式水素圧縮機は、
   アノードとカソードにより電解質膜を挟み込んで構成されたセルを複数備え、複数のセルを収容するセル用ケーシングと、水分離装置と、水分離装置を収容する水分離装置用ケーシングと、バブラーと、バブラーを収容するバブラー用ケーシングを有し、
   セルを収容するセル用ケーシングと、水分離装置を収容する水分離装置用ケーシングと、バブラーを収容するバブラー用ケーシングは一体的に結合されていることを特徴とする水素充填装置。
   

Images