JP2006269330A - 水素供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、水素タンクへの水素充填時に水素タンク内の温度上昇を抑制し、充填流量を多くして充填速度を上げ、充填時間を短縮することにある。
【解決手段】この発明は、圧縮した水素が充填された複数の水素タンクから水素を供給される水素消費装置を設け、複数の水素タンクの夫々に上流側を連絡する複数の水素供給通路の各下流側を合流して水素消費装置に連絡し、複数の水素タンクから複数の水素供給通路の夫々に供給される水素の圧力を減圧する減圧弁を設けた水素供給装置において、複数の水素タンクの各内圧を測定可能な内圧検出手段を設け、減圧弁よりも下流側の複数の水素供給通路に夫々通路開閉弁を設け、内圧検出手段により複数の水素タンクの内圧を夫々検出し、最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように通路開閉弁を交互に開閉制御する開閉制御手段を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は水素供給装置に係り、特に、水素タンクへの水素充填時に水素タンク内の温度上昇を抑制することができるので、充填流量を多くして充填速度を上げることができ、 充填時間を短縮することができる水素供給装置に関する。

近時においては、エネルギ源として水素を利用した装置が各種提案されている。このような水素消費装置としては、燃料電池自動車等の車両に搭載された燃料電池システムの燃料電池がある。燃料電池は、水素供給装置から供給される水素により走行用のモータを駆動するための電気エネルギを発生する。

水素消費装置に水素を供給する水素供給装置には、図６に示すものがある。図６において、２０２は水素供給装置、２０４は水素タンク、２０６は水素消費装置である。水素供給装置２０２は、圧縮した水素が充填された水素タンク２０４を設け、この水素タンク２０４から水素を供給される水素消費装置２０６を設け、水素タンク２０４に上流側を連絡するとともに下流側を水素消費装置２０６に連絡する水素供給通路２０８を設け、水素タンク２０４から水素供給通路２０８に供給される水素の圧力を減圧する減圧弁２１０を設けている。

水素供給装置２０２は、水素タンク２０４内の高圧の水素を減圧弁２１０により水素消費装置２０６が要求する設定圧まで減圧して水素供給通路２０８に供給し、水素供給通路２０８により水素消費装置２０６に供給する。

従来の水素供給装置としては、複数の水素タンクの供給口及び排出口にそれぞれ手動で開閉可能な供給側バルブ及び排出側バルブを設け、供給側バルブに水素の供給管を接続し、排出側バルブに水素の排出管を接続し、排出側バルブよりも下流側の排出管に排出停止バルブを設け、排出側バルブと排出停止バルブとの間の排出管に漏洩点検用の気体を供給する点検用供給口を設け、供給側バルブと排出側バルブと排出停止バルブとを閉鎖した状態で、供給管に気体を供給することにより、水素タンクに気体を充填することなく配管の漏れ点検を行うことができ、また、排出管に点検用供給口から気体を供給することにより、水素タンクに気体を充填することなく配管の漏れ点検を行うことができるものである。
特開２００２−３７２１９７号公報

ところで、図６に示す水素供給装置２０２においては、１本の水素タンク２０４内の高圧の水素（例えば、最大７０ＭＰａ）を、減圧弁２１０によって水素消費装置２０６（例えば、燃料電池）での発電に適当な設定圧（例えば、１．０ＭＰａ）にまで減圧している。減圧弁２１０は、下流側の圧力が設定圧よりも下がると、水素タンク２０４内の水素を下流側に流し、下流側の圧力が設定圧よりも上がると、水素の流れを止める。

減圧弁は、機械的な構成により、実際は減圧された下流側の圧力に減圧弁毎に微妙な差が存在する。例えば、図７（Ａ）に示すように、減圧弁２１０−１には、設定圧１．０ＭＰａで動作して水素を流す設定であっても、実際は１．１ＭＰａで動作して水素を流すものがある。また、図７（Ｂ）に示すように、減圧弁２１０−２には、設定圧１．０ＭＰａで動作して水素を流す設定であって、実際に１．０ＭＰａで動作して水素を流すものがある。

一方、図８に示す如く、水素供給装置２０２には、２本の水素タンク２０４−１・２０４−２に２つの水素供給通路２０８−１・２０８−２の上流側を夫々連絡し、これら２つの水素供給通路２０８−１・２０８−２の下流側を合流通路２０８ａに合流して水素消費装置２０６に連絡して設け、２本の水素タンク２０４−１・２０４−２から２つの水素供給通路２０８−１・２０８−２に夫々供給される水素の圧力を減圧する減圧弁２１０−１・２１０−２を設けたものがある。

このように、２本の水素タンク２０４−１・２０４−２を並列に水素消費装置２０６に連絡した水素供給装置２０２において、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように減圧弁２１０−１・減圧弁２１０−２の設定圧が同じであるにもかかわらず動作する圧力が異なる場合には、図９に示す如く、水素タンク２０４−１の下流圧力が水素タンク２０４−２より高いため、水素タンク２０４−１の内圧が水素タンク２０４−２の下流圧力以下となるまで、水素タンク２０４−２の水素消費が開始されない。

この水素供給装置２０２は、水素タンク２０４−１だけが空で水素タンク２０４−２が満量となっている時点で消費を終了し、図９の状態（２）から水素タンク２０４−１・２０４−２ヘの水素充填を開始した場合に、水素タンク２０４−１の１本のみへ水素が流れ込み、水素タンク２０４−１だけが満了のフル充填状態となる。

この場合、充填所からの水素の充填流量は、そのまま水素タンク２０４−１への充填流量となり、比較的容量の小さいタンクを組み合わせて構成している場合にはタンク内圧上昇率が高くなるため、水素ガスの温度上昇が大きくなる問題がある（ボイルシャルルの法則：ＰＶ＝ｎＲＴ）。

水素タンク２０４−１が大容量で１本の場合は、同じ充填流量でも圧力上昇は低くなるため、問題ないが、小容量で１本の水素タンク２０４−１を充填流量を低くせずに充填する場合には、図１０に示す如く、水素ガスの圧力上昇と温度上昇は大きくなり、水素タンク２０４−１の使用温度範囲を超える可能性がある。この場合には、充填を一時中止し、温度低下後に再充填し直すか、充填速度を落とすことが必要となり、充填時間が長くなる不都合がある。

なお、上述従来例においては、２本の水素タンク２０４−１・２０４−２を並列に水素消費装置２０６に連絡した水素供給装置２０２を例示したが、図１１に示す如く、３本の水素タンク２０４−１・２０４−２・２０４−３に３つの水素供給通路２０８−１・２０８−２・２０８−３の上流側を夫々連絡し、これら３つの水素供給通路２０８−１・２０８−２・２０８−３の下流側を合流して合流通路２０８ａにより水素消費装置２０６に連絡した水素供給装置２０２においても、同様の不都合がある。

３本の水素タンク２０４−１・２０４−２・２０４−３を並列に水素消費装置２０６に連絡した水素供給装置２０２において、設定圧１．０ＭＰａの減圧弁２１０−１が実際は１．１ＭＰａで動作して水素を流し、設定圧１．０ＭＰａの減圧弁２１０−２が実際に１．０ＭＰａで動作して水素を流し、設定圧１．０ＭＰａの減圧弁２１０−３が実際は０．９ＭＰａで動作して水素を流すものであり、これにより、減圧弁２１０−１・２１０−２・２１０−３の設定圧が同じであるにもかかわらず動作する圧力が異なる場合には、図１２に示す如く、水素タンク２０４−１の下流圧力が水素タンク２０４−２より高いため、水素タンク２０４−１の内圧が水素タンク２０４−２の下流圧力以下となるまで、水素タンク２０４−２・２０４−３の水素消費が開始されない。

図１１に示す水素供給装置２０２は、水素タンク２０４−１だけが空で水素タンク２０４−２・２０４−３が満量となっている時点で消費を終了し、図１２の状態２からの水素充填時に水素タンク２０４−１内の水素ガスの圧力上昇と温度上昇は大きくなり、水素タンク２０４−１の使用温度範囲を超える可能性がある。この場合には、充填を一時中止し、温度低下後に再充填し直すか、充填速度を落とすことが必要となり、充填時間が長くなる不都合がある。

この発明は、圧縮した水素が充填された複数の水素タンクを設け、これら複数の水素タンクから水素を供給される水素消費装置を設け、前記複数の水素タンクの夫々に上流側を連絡する複数の水素供給通路を設け、これら複数の水素供給通路の各下流側を合流して前記水素消費装置に連絡して設け、前記複数の水素タンクから複数の水素供給通路の夫々に供給される水素の圧力を減圧する減圧弁を設けた水素供給装置において、前記複数の水素タンクの各内圧を測定可能な内圧検出手段を設け、前記減圧弁よりも下流側の複数の水素供給通路に夫々通路開閉弁を設け、前記内圧検出手段により複数の水素タンクの内圧を夫々検出し、最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように前記通路開閉弁を交互に開閉制御する開閉制御手段を設けたことを特徴とする。

この発明の水素供給装置は、内圧検出手段により複数の水素タンクの内圧を夫々検出し、開閉制御手段により最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように通路開閉弁を交互に開閉制御することにより、水素タンクへの水素充填時に水素タンク内の温度上昇を抑制することができるので、充填流量を多くして充填速度を上げることができ、充填時間を短縮することができる。

この発明の水素供給装置は、複数の水素タンクの最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように通路開閉弁を交互に開閉制御することにより、水素タンクへの水素充填時に水素タンク内の温度上昇を抑制し、充填流量を多くして充填速度を上げ、充填時間を短縮するものである。
以下図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１〜図３は、この発明の実施例を示すものである。図２において、２は図示しない車両に搭載された水素供給装置、４は水素タンク、６は水素消費装置、８は水素供給通路、１０は減圧弁である。水素供給装置２は、圧縮した水素が充填された複数の水素タンク４から構成されている。この実施例においては、２本の水素タンク４−１・４−２を設け、これら２本の水素タンク４−１・４−２から水素を供給される水素消費装置６を設けている。水素供給装置６は、車両に搭載された燃料電池である。

水素供給装置２は、２本の水素タンク４−１・４−２の夫々に上流側を連絡する２つの水素供給通路８−１・８−２を設けている。２つの水素供給通路８−１・８−２は、各下流側を合流通路８ａに合流して水素消費装置６に連絡して設けている。２つの水素供給通路８−１・８−２の上流端には、減圧弁１０−１・１０−２を設けている。減圧弁１０−１・１０−２は、２本の水素タンク４−１・４−２から２つの水素供給通路８−１・８−２の夫々に供給される水素の圧力を減圧する。

水素供給装置２は、２本の水素タンク４−１・４−２内の高圧の水素（例えば、最大７０ＭＰａ）を、減圧弁１０−１・１０−２によって水素消費装置６（燃料電池）での発電に適当な設定圧（例えば、１．０ＭＰａ）にまで減圧し、２つの水素供給通路８−１・８−２により水素消費装置６に供給する。

この水素供給装置２は、水素タンク４の内圧を測定可能な内圧検出手段１２を設け、水素供給通路８を開閉可能な通路開閉弁１４を設けている。この実施例においては、２本の水素タンク４−１・４−２の各内圧を測定可能な内圧検出手段１２−１・１２−２を設け、減圧弁１０−１・１０−２よりも下流側の２つの水素供給通路８−１・８−２に夫々通路開閉弁１４−１・１４−２を設けている。なお、通路開閉弁１４−１・１４−２は、装置に既設の開閉弁を利用することもできる。

２つの内圧検出手段１２−１・１２−２と２つの通路開閉弁１４−１・１４−２とは、開閉制御手段１６に接続されている。開閉制御手段１６は、内圧検出手段１２−１・１２−２により２本の水素タンク４−１・４−２の内圧を夫々検出し、最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように、通路開閉弁１４−１・１４−２を交互に開閉制御する。

次に作用を説明する。

図１において、水素供給装置２は、初期状態において（１０２）、内圧検出手段１２により検出した複数の水素タンク４の各内圧を比較し（１０４）、最も高圧な水素タンク４１本に連絡する水素供給通路８に設けた通路開閉弁１４を開放し（１０６）、水素供給通路８の圧力・流量をチェックし、正常であるか異常であるかを判断する（１０８）。

この判断（１０８）が正常である場合は、水素を消費中の水素タンク４と最も高圧な水素タンク４との内圧を比較して、その差圧が設定された規定圧力以上であるか未満であるかを判断する（１１０）。

この判断（１１０）が規定圧力未満である場合は、この判断（１１０）を繰り返す。この判断（１１０）が規定圧力以上である場合は、異常な水素タンク４を除いて、最も高圧な水素タンク４と水素を消費中の水素タンク４とに夫々連絡する水素供給通路８に設けた各通路開閉弁１４を設定された時間だけ開放する（１１２）。

設定された時間が経過した後に、異常な水素タンク４を除いて、最も高圧な水素タンク４に連絡する水素供給通路８に設けた通路開閉弁１４だけを開放し（１１４）、水素の消費が終了したか継続しているかを判断する（１１６）。

この判断（１１６）が継続の場合は、圧力・流量の判断（１０８）に戻る。この判断（１１６）が終了の場合は、全ての水素タンク４に夫々連絡する水素供給通路８に設けた各通路開閉弁１４を全て閉鎖し（１１８）、停止・終了状態とする（１２０）。

一方、前記判断（１０８）において、水素供給通路８の圧力・流量に異常を検出した場合は、異常が検出された水素タンク４を一時的に除外し（１２２）、最も高圧な水素タンク４と水素を消費中の水素タンク４とに夫々連絡する水素供給通路８に設けた各通路開閉弁１４を設定された時間だけ開放する（１２４）。

設定された時間の経過した後に、最も高圧な水素タンク４に連絡する水素供給通路８に設けた通路開閉弁１４だけを開放し（１２６）、水素供給通路８の圧力・流量の異常が決定であるか疑いであるかを判断する（１２８）。

この判断（１２８）が異常決定である場合は、ユーザへの警告を表示手段（図示せず）により表示し（１３０）、異常の水素タンク４を処理全般から除外し（１３２）、全ての水素タンク４が異常であるか一部であるかを判断する（１３４）。

この判断（１３４）が全て異常である場合は、全ての水素タンク４に夫々連絡する水素供給通路８に設けた各通路開閉弁１４を全て閉鎖し（１１８）、停止・終了状態とする（１２０）。この判断（１３４）が一部異常である場合は、最も高圧な水素タンク４に連絡する水素供給通路８に設けた通路開閉弁１４だけを開放し（１３６）、圧力・流量の判断（１０８）に戻る。

また、前記判断（１２８）において、異常の疑いがある場合は、ユーザへの警告を表示手段（図示せず）により表示し（１３８）、何回か異常の疑いが発生したら、異常の疑いのある水素タンク４を処理全般から除外し（１４０）、全ての水素タンク４が異常であるか一部であるかの判断に移行する（１３４）。

このように、この水素供給装置２は、内圧検出手段１２により２本の水素タンク４の内圧を夫々検出し、開閉制御手段１６により最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように通路開閉弁１４を交互に開閉制御することにより、２本の水素タンク４に水素消費を分散して各水素タンク２の消費量を減少させることができ、１本の水素タンク４からだけ水素が消費されることを防止して各水素タンク２の水素を略均等に消費させることができる。

これにより、この水素供給装置２は、図３に示す如く、２本の水素タンク４からの消費で全水素量の半分まで消費した状態から、略均等に消費された２本の水素タンク４に水素を充填する場合に、水素タンク４の１本あたりの充填量を半分にすることができ、水素タンク４の１本あたりの充填流量を少なくすることができるため、水素タンク４への水素充填時に水素タンク４内の温度上昇を１／４に抑制することができ、充填流量を多くして充填速度を上げることができ、充填時間を短縮することができる。

また、開閉制御手段１６は、開放される通路開閉弁１４と閉鎖される通路開閉弁１４との動作を切換える際に、設定された時間が経過するまで、すべての通路開閉弁１４を開放制御することにより、水素を供給する水素タンク４を切換える際に起こる一時的な水素の供給不足を防ぐことができ、水素消費装置６の運転性能の低下を防止することができる。

さらに、開閉制御手段１６は、不具合が検出された水素タンク４に連絡する水素供給通路８に設けた通路開閉弁１４を閉鎖制御することにより、水素タンク４に不具合が検出された場合に、不具合のある水素タンク４を除いた他の水素タンク４から水素を供給して水素消費装置６の運転を継続することができる。

さらにまた、この水素消費装置６は、図示しない車両に搭載された燃料電池であることにより、車両を走行させるには大量の水素を消費するので、開閉制御手段１６を備えた複数の水素タンク４からなる燃料電池システムには特に有効である。

図４・図５は、変形例を示すものである。この水素供給装置２は、図４に示す如く、３本の水素タンク４−１・４−２・４−３の夫々に上流側を連絡する３つの水素供給通路８−１・８−２・８−３を設け、３つの水素供給通路８−１・８−２・８−３の各下流側を合流通路８ａに合流して水素消費装置６に連絡して設け、３つの水素供給通路８−１・８−２・８−３の上流端に供給される水素の圧力を減圧する減圧弁１０−１・１０−２・１０−３を設けている。

この水素供給装置２は、３本の水素タンク４−１・４−２・４−３の各内圧を測定可能な内圧検出手段１２−１・１２−２・１２−３を設け、減圧弁１０−１・１０−２・１０−３よりも下流側の３つの水素供給通路８−１・８−２・８−３に夫々通路開閉弁１４−１・１４−２・１４−３を設け、内圧検出手段１２−１・１２−２・１２−３により３本の水素タンク４−１・４−２・４−３の内圧を夫々検出し、最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように、通路開閉弁１４−１・１４−２・１４−３を交互に開閉制御する開閉制御手段１６を設けたものである。

この水素供給装置２は、内圧検出手段１２により３本の水素タンク４の内圧を夫々検出し、開閉制御手段１６により最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように通路開閉弁１４を交互に開閉制御することにより、３本の水素タンク４に水素消費を分散して各水素タンク２の消費量を減少させることができ、１本の水素タンク４からだけ水素が消費されることを防止して各水素タンク２の水素を略均等に消費させることができる。

これにより、この水素供給装置２は、図５に示す如く、３本の水素タンク４からの消費で全水素量の半分まで消費した状態から、略均等に消費された３本の水素タンク４に水素を充填する場合に、水素タンク４の１本あたりの充填量を半分にすることができ、水素タンク４の１本あたりの充填流量を少なくすることができるため、水素タンク４への水素充填時に水素タンク４内の温度上昇を１／９に抑制することができ、充填流量を多くして充填速度を上げることができ、充填時間を短縮することができる。

なお、この発明は、上述実施例に限定されることなく、種々応用改変が可能である。

例えば、予め３つの水素タンク４−１・４−２・４−３の減少傾向から各減圧弁１０−１・１０−２・１０−３の実際の動作圧力を検出し、この実際の動作圧力の違いから３つの水素タンク４−１・４−２・４−３に設けた各通路開閉弁１４−１・１４−２・１４−３の開閉順序を決定しておき、実際に水素供給装置２により水素消費装置６に水素を供給する場合において、水素消費装置６による水素の消費状態に応じて前記予め決定された開閉順序で通路開閉弁１４−１・１４−２・１４−３を順次に開閉制御することにより、制御のプログラムを簡単にすることができる。

この発明の水素供給装置は、複数の水素タンクの最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように通路開閉弁を交互に開閉制御することにより、水素タンクへの水素充填時に水素タンク内の温度上昇を抑制し、充填流量を多くして充填速度を上げ、充填時間を短縮するものであり、燃料電池自動車の水素タンクだけでなく、外部から高圧のガスを充填する装置全般に応用可能であり、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）車両にも応用することができる。

実施例を示す水素供給装置の制御フローチャートである。 ２本の水素タンクを備えた水素供給装置の概略構成図である。 ２本の水素タンクの充填量と時間との関係を示す図である。 変形例を示す３本の水素タンクを備えた水素供給装置の概略構成図である。 ３本の水素タンクの充填量と時間との関係を示す図である。 従来例を示す１本の水素タンクを備えた水素供給装置の概略構成図である。 （Ａ）は設定圧１．０ＭＰａであって実際は１．１ＭＰａで動作する減圧弁の説明図、（Ｂ）は設定圧１．０ＭＰａであって実際も１．０ＭＰａで動作する減圧弁の説明図である。 従来例を示す２本の水素タンクを備えた水素供給装置の概略構成図である。 ２本の水素タンクの内圧と時間との関係を示す図である。 水素タンクの充填量と圧力上昇との関係を示す図である。 従来例を示す３本の水素タンクを備えた水素供給装置の概略構成図である。 ３本の水素タンクの内圧と時間との関係を示す図である。

符号の説明

２ 水素供給装置
４−１・４−２ 水素タンク
６ 水素消費装置
８−１・８−２ 水素供給通路
１０−１・１０−２ 減圧弁
１２−１・１２−２ 内圧検出手段
１４−１・１４−２ 通路開閉弁
１６ 開閉制御手段

Claims (4)

1. 圧縮した水素が充填された複数の水素タンクを設け、これら複数の水素タンクから水素を供給される水素消費装置を設け、前記複数の水素タンクの夫々に上流側を連絡する複数の水素供給通路を設け、これら複数の水素供給通路の各下流側を合流して前記水素消費装置に連絡して設け、前記複数の水素タンクから複数の水素供給通路の夫々に供給される水素の圧力を減圧する減圧弁を設けた水素供給装置において、前記複数の水素タンクの各内圧を測定可能な内圧検出手段を設け、前記減圧弁よりも下流側の複数の水素供給通路に夫々通路開閉弁を設け、前記内圧検出手段により複数の水素タンクの内圧を夫々検出し、最も高い内圧と最も低い内圧との差圧が設定された圧力以下になるように前記通路開閉弁を交互に開閉制御する開閉制御手段を設けたことを特徴とする水素供給装置。
2. 前記開閉制御手段は、開放される通路開閉弁と閉鎖される通路開閉弁との動作を切換える際に、設定された時間が経過するまで、すべての通路開閉弁を開放制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
3. 前記開閉制御手段は、不具合が検出された水素タンクに連絡する水素供給通路の通路開閉弁を閉鎖制御することを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
4. 前記水素消費装置は、車両に搭載された燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。

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