氢填充系统及其运转方法.pdf

1、10申请公布号CN102340013A43申请公布日20120201CN102340013ACN102340013A21申请号201110201998822申请日20110719201016269920100720JPH01M8/04200601F17C5/0620060171申请人本田技研工业株式会社地址日本东京都72发明人中泽孝治冈部昌规武内淳74专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司11021代理人雒运朴54发明名称氢填充系统及其运转方法57摘要本发明提供一种能够以简单且紧凑的结构向搭载于燃料电池车辆的氢燃料罐迅速地填充氢，而且作业性优良的氢填充系统及其运转方法。氢填充系统10具备电解

2、水而产生氢和氧的高压水电解装置14；将高压水电解装置14和向氢燃料罐40填充氢的喷嘴部42相连的氢配管16；配设于氢配管16，并以氢燃料罐40的最大填充压力积存通过高压水电解装置14制造的氢的第一及第二氢积存罐46、50；配置在第一及第二氢积存罐46、50的下游的第一阀机构44、48；绕过第一及第二氢积存罐46、50及第一阀机构44、48而与氢配管16连接的旁通配管64；配置于旁通配管64的第二阀机构。30优先权数据51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图6页CN102340026A1/2页21一种氢填充系统，其用于向搭载于燃料电池车辆的氢燃料

3、罐填充氢，所述氢填充系统的特征在于，具备高压水电解装置，其通过来自直流电源的通电而电解水，能够产生氧及与所述氢燃料罐的最大填充压力相同的压力的所述氢；氢配管，其将向所述氢燃料罐填充所述氢的填充机构及所述高压水电解装置之间相连；氢积存罐，其配设于所述氢配管，并以与所述氢燃料罐的最大填充压力相同的压力积存通过所述高压水电解装置制造的所述氢；第一阀机构，其配置在所述氢积存罐的下游，仅允许所述氢从该氢积存罐朝向所述填充机构流动；旁通配管，其配设于所述氢配管，并绕过所述氢积存罐及所述第一阀机构而将所述高压水电解装置和所述填充机构连接；第二阀机构，其配置于所述旁通配管，仅允许所述氢从所述高压水电解装置朝向

4、所述填充机构流动。2根据权利要求1所述的氢填充系统，其特征在于，所述第一及第二阀机构具备止回阀。3根据权利要求1或2所述的氢填充系统，其特征在于，所述氢积存罐的容量设定为所述氢燃料罐的容量以下。4根据权利要求13中任一项所述的氢填充系统，其特征在于，所述氢积存罐设置有多个，并且多个所述氢积存罐的总容量设定为所述氢燃料罐的容量以下。5一种氢填充系统的运转方法，其特征在于，所述氢填充系统为了向搭载于燃料电池车辆的氢燃料罐填充氢而具备高压水电解装置，其通过来自直流电源的通电而电解水，能够产生氧及与所述氢燃料罐的最大填充压力相同的压力的所述氢；氢配管，其将向所述氢燃料罐填充所述氢的填充机构及所述高压水

5、电解装置之间相连；氢积存罐，其配设于所述氢配管，并以与所述氢燃料罐的最大填充压力相同的压力积存通过所述高压水电解装置制造的所述氢；第一阀机构，其配置在所述氢积存罐的下游，仅允许所述氢从该氢积存罐朝向所述填充机构流动；旁通配管，其配设于所述氢配管，并绕过所述氢积存罐及所述第一阀机构而将所述高压水电解装置和所述填充机构连接，所述氢填充系统的运转方法包括将所述填充机构与所述氢燃料罐连接，从所述氢积存罐向所述氢燃料罐填充所述氢，并同时经由所述旁通配管将通过所述高压水电解装置的运转而制造的所述氢向所述氢燃料罐填充的工序；当所述氢积存罐的内压与所述氢燃料罐的内压相同时，从所述氢配管将该氢积存罐隔断，而仅从

6、所述高压水电解装置向所述氢燃料罐填充所述氢的工序。权利要求书CN102340013ACN102340026A2/2页36根据权利要求5所述的氢填充系统的运转方法，其特征在于，在所述氢积存罐的下游配置有仅允许所述氢从该氢积存罐朝向所述填充机构流动的第一阀机构，并且在所述旁通配管配置有仅允许所述氢从所述高压水电解装置朝向所述填充机构流动的第二阀机构。权利要求书CN102340013ACN102340026A1/6页4氢填充系统及其运转方法技术领域0001本发明涉及用于向搭载于燃料电池车辆上的氢燃料罐填充氢的氢填充系统及其运转方法。背景技术0002例如，在燃料电池车辆中，通常搭载有固体高分子型燃料电

7、池。该燃料电池通过向阳极侧电极供给燃料气体主要含氢的气体，例如氢气，并向阴极侧电极供给氧化剂气体主要含氧的气体，例如空气，而得到直流的电能。0003通常，为了制造作为燃料气体的氢气而采用水电解装置。该水电解装置为了使分解水而产生氢及氧，使用固体高分子电解质膜离子交换膜。在固体高分子电解质膜的两面设有电极催化剂层而构成电解质膜电极结构体，并且在所述电解质膜电极结构体的两侧配设供电体而构成单元。即，单元实质上与上述的燃料电池同样构成。0004因此，为了将通过水电解装置制造出的氢气向搭载于燃料电池车辆上的燃料气体罐填充，而采用各种氢填充系统。例如，在专利文献1中，如图6所示，具备对搭载于车辆的车载罐

8、1填充氢的氢供给站2。0005氢供给站2具有在将储存的氢的压力级PT分成不同的多级的多个储存罐3中分别储存氢的罐单元4；用于将所述罐单元4内的氢向车载罐1供给的供给线5；对与所述供给线5连接的所述储存罐3进行切换的切换装置6。0006氢供给站2构成为，随着氢向车载罐1的填充进行，可以操作切换装置6而将与供给线5连接的储存罐3依次切换为压力级PT高的储存罐3。0007【专利文献1】日本特开200569332号公报0008然而，在上述的专利文献1中，具备多个、例如7个储存罐3，罐单元4相当大型。因此，氢供给站2的设置空间增大，而存在设置位置受限制这一问题。0009而且，在排出氢后的储存罐3中，需要

9、更换成填充有氢的新的储存罐3。因此，存在储存罐3的更换作业相当烦杂这一问题。发明内容0010本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种能够以简单且紧凑的结构向搭载于燃料电池车辆的氢燃料罐迅速地填充氢，而且作业性优良的氢填充系统及其运转方法。0011本发明涉及用于向搭载于燃料电池车辆的氢燃料罐填充氢的氢填充系统。0012该氢填充系统具备高压水电解装置，其通过来自直流电源的通电而电解水，能够产生氧及与氢燃料罐的最大填充压力相同的压力的氢；氢配管，其将向所述氢燃料罐填充所述氢的填充机构及所述高压水电解装置之间相连；氢积存罐，其配设于所述氢配管，并以与所述氢燃料罐的最大填充压力相同的压力积存通过所述高

10、压水电解装置制造的所述氢；第一阀机构，其配置在所述氢积存罐的下游，仅允许所述氢从该氢积存罐朝向所述填充机构流动；旁通配管，其配设于所述氢配管，并绕过所述氢积存罐及所述第一阀机构而将所述说明书CN102340013ACN102340026A2/6页5高压水电解装置和所述填充机构连接；第二阀机构，其配置于所述旁通配管，仅允许所述氢从所述高压水电解装置朝向所述填充机构流动。0013另外，在该氢填充系统中，优选第一及第二阀机构具备止回阀。0014此外，在该氢填充系统中，优选氢积存罐的容量设定为氢燃料罐的容量以下。0015另外，在该氢填充系统中，优选氢积存罐设置有多个，并且优选多个所述氢积存罐的总容量设

11、定为氢燃料罐的容量以下。0016另外，本发明涉及一种氢填充系统的运转方法，所述氢填充系统为了向搭载于燃料电池车辆的氢燃料罐填充氢而具备高压水电解装置，其通过来自直流电源的通电而电解水，能够产生氧及与所述氢燃料罐的最大填充压力相同的压力的所述氢；氢配管，其将向所述氢燃料罐填充所述氢的填充机构及所述高压水电解装置之间相连；氢积存罐，其配设于所述氢配管，并以与所述氢燃料罐的最大填充压力相同的压力积存通过所述高压水电解装置制造的所述氢；第一阀机构，其配置在所述氢积存罐的下游，仅允许所述氢从该氢积存罐朝向所述填充机构流动；旁通配管，其配设于所述氢配管，并绕过所述氢积存罐及所述第一阀机构而将所述高压水电解

12、装置和所述填充机构连接。0017氢填充系统的运转方法包括将填充机构与氢燃料罐连接，从氢积存罐向所述氢燃料罐填充氢，并同时经由所述旁通配管将通过高压水电解装置的运转而制造的所述氢向所述氢燃料罐填充的工序；当所述氢积存罐的内压与所述氢燃料罐的内压相同时，从所述氢配管将该氢积存罐隔断，而仅从所述高压水电解装置向所述氢燃料罐填充所述氢的工序。0018此外，在该运转方法中，优选在所述氢积存罐的下游配置有仅允许氢从该氢积存罐朝向填充机构流动的第一阀机构，并且在旁通配管配置有仅允许所述氢从高压水电解装置朝向所述填充机构流动的第二阀机构。0019发明效果0020根据本发明，能够在从氢积存罐向氢燃料罐填充氢的同

13、时，从高压水电解装置经由旁通配管向所述氢燃料罐填充所述氢。因此，能够迅速且容易地向氢燃料罐填充氢。0021而且，高压水电解装置能够产生与氢燃料罐的最大填充压力相同的压力的氢，并且氢积存罐能够以与所述氢燃料罐的最大填充压力相同的压力积存所述氢。由此，例如，无需通过机械式压缩机等使氢升压，能够尽可能地削减消耗能量。因此，能够抑制多余的能量消耗，比较经济。附图说明0022图1是本发明的实施方式的氢填充系统的简要结构说明图。0023图2是说明所述氢填充系统的运转方法的流程图。0024图3是所述氢填充系统的动作说明图。0025图4是所述氢填充系统的动作说明图。0026图5是所述氢填充系统的动作说明图。0

14、027图6是专利文献1中公开的氢供给站的简要说明图。0028符号说明002910氢填充系统说明书CN102340013ACN102340026A3/6页6003012纯水供给装置003114高压水电解装置003216氢配管003316A、16B配管部003418气液分离器003520冷却器003622水吸附筒003724背压阀003826水分解单元003930电解电源004038燃料电池车辆004140氢燃料罐004242喷嘴部004344、48阀机构004444A、44B、48A、48B、66止回阀004546、50氢积存罐004652、58供排路004754、60开闭阀004856、62压

15、力传感器004964旁通配管具体实施方式0050如图1所示，本发明的实施方式涉及的氢填充系统10具备供给通过纯水供给装置12从市政供水生成的纯水，并通过电解该纯水而制造氢的高压水电解装置14；将从所述高压水电解装置14向氢配管16导出的高压的所述氢中含有的水分除去的气液分离器18；对从所述气液分离器18排出的氢进行冷却的冷却器例如，珀耳帖元件20；将从所述冷却器20排出的冷却后的水分水滴除去的排水分离器21；吸附并除去氢中含有的水分的水吸附筒22；配置在所述水吸附筒22的下游，并将向所述氢配管16排出的所述氢维持成比常压高的高压例如，20MPA35MPA的背压阀24。氢填充系统10由控制器25

16、控制。向氢配管16排出的氢的压力不局限于到35MPA，例如也可以为70MPA。0051高压水电解装置14层叠有多个水分解单元26，在所述水分解单元26的层叠方向两端配设有端板28A、28B。在高压水电解装置14上连接有作为直流电源的电解电源30。高压水电解装置14的阳极ANODE与电解电源30的正极连接，而阴极CATHODE与所述电解电源30的负极连接。0052在端板28A上连接有配管32A，并且在端板28B上连接有配管32B、32C。配管32A、32B通过配设于循环路34的水泵36从纯水供给装置12开始进行纯水的循环，而作为氢排出口的配管32C经由氢配管16与气液分离器18连接。0053水吸

17、附筒22具备填充有水分吸附材料的吸附塔未图示，该水分吸附材料利用物理性吸附作用来吸附氢中含有的水蒸气水分，并将水分向外部排出而进行再生。在水说明书CN102340013ACN102340026A4/6页7吸附筒22的下游侧出口侧经由背压阀24而连接有氢配管16。需要说明的是，也可以取代背压阀24，而使用电磁阀等各种阀。0054在氢配管16的下游端部前端部设有用于向燃料电池车辆38的氢燃料罐40填充氢的喷嘴部填充机构42。喷嘴部42中内置有未图示的阀机构，当与氢燃料罐40连接时，所述阀机构被打开，而当从所述氢燃料罐40脱离时，所述阀机构被闭塞而将氢配管16内保持成高压。氢配管16在中途分支成第一

18、配管部16A和第二配管部16B后，合流成所述氢配管16。0055在第一配管部16A经由第一阀机构44而配设有第一氢积存罐46，而在第二配管部16B经由第一阀机构48而配设有第二氢积存罐50。0056第一阀机构44具备仅允许氢沿着第一配管部16A向下游侧流动的第一止回阀44A、44B，所述第一止回阀44A、44B串联配置。在第一止回阀44A、44B之间连通有第一供排路52的一端，并且在所述第一供排路52中经由第一开闭阀54而连接有第一氢积存罐46。在该第一氢积存罐46配设有第一压力传感器56。0057第一阀机构48具备仅允许氢沿着第二配管部16B向下游侧流动的第一止回阀48A、48B，所述第一止

19、回阀48A、48B串联配置。在第一止回阀48A、48B之间连通有第二供排路58的一端，并且在所述第二供排路58中经由第二开闭阀60而连接有第二氢积存罐50。在该第二氢积存罐50配设有第二压力传感器62。0058旁通配管64绕过第一及第二配管部16A、16B更具体而言，绕过第一阀机构44、第一阀机构48、第一氢积存罐46及第二氢积存罐50而与氢配管16连接。在旁通配管64上配设有仅允许氢从水吸附筒22朝向喷嘴部42流动的第二阀机构，例如，配设有第二止回阀66。0059氢燃料罐40的容量V1、第一氢积存罐46的容量V2及第二氢积存罐50的容量V3设定为V1V2V3的关系。需要说明的是，为了简化说明

20、，例如使V1V2V3，V2V3。0060将氢燃料罐40的最大填充压力、通过高压水电解装置14制造的氢的压力、以及积存在第一氢积存罐46及第二氢积存罐50中的氢的最大填充压力设定为同一压力。0061以下，通过与本实施方式的运转方法的关联，按照图2所示的流程图来说明这样构成的氢填充系统10的动作。0062首先，将氢填充系统10的起动电源接通ON，起动启动所述氢填充系统10步骤S1。因此，如图1所示，将通过纯水供给装置12从市政供水生成的纯水向高压水电解装置14供给。在该高压水电解装置14中，通过从电解电源30通电，将纯水电解而开始生成氢。0063在高压水电解装置14内生成的氢经由氢配管16向气液分

21、离器18输送。在该气液分离器18中，将氢中含有的水蒸气从该氢分离。除去水蒸气后的氢通过冷却器20向水吸附筒22输送，另一方面，因冷却而冷凝的水滴由排水分离器21除去。0064在水吸附筒22中，吸附氢中含有的水蒸气而能得到干燥状态的氢干氢。在该水吸附筒22的下游配设有背压阀24。因此，能够将氢在所述水吸附筒22内加压保持至水吸附筒22内的氢压力达到设定压力。0065然后，当水吸附筒22内的氢压力达到设定压力时，背压阀24被打开，干氢以下，简称为氢被从所述水吸附筒22向氢配管16导出。导出到氢配管16中的氢填充到该氢说明书CN102340013ACN102340026A5/6页8配管16内，并被导

22、入第一配管部16A及第二配管部16B。0066在此，例如，第一氢积存罐46及第二氢积存罐50内的氢未填充规定量时，首先，打开第一开闭阀54，而闭塞第二开闭阀60。因此，被导入到第一配管部16A中的氢通过第一止回阀44A而从第一供排路52向第一氢积存罐46供给。0067例如，通过第一压力传感器56检测出第一氢积存罐46内达到规定的氢压力时，闭塞第一开闭阀54而打开第二开闭阀60。因此，被导入到第二配管部16B中的氢通过第一止回阀48A而从第二供排路58向第二氢积存罐50供给。例如，通过第二压力传感器62检测第二氢积存罐50内是否达到规定的氢压力。0068当判断为第一氢积存罐46及第二氢积存罐50

23、装满时步骤S2为是，进入步骤S3，氢填充系统10移向待机状态。另一方面，当判断为第一氢积存罐46及第二氢积存罐50未装满时步骤S2为否，进入步骤S4，继续上述的氢积存处理。0069然后，当存在向燃料电池车辆38的氢燃料罐40的氢填充要求时步骤S5为是，进入步骤S6。该氢填充要求除了通过使用者按下填充按钮未图示而向控制器25发送填充信号之外，还通过喷嘴部42与燃料电池车辆38的氢燃料罐40连接这一信号向所述控制器25的发送等来进行。0070在步骤S6中，从第一氢积存罐46及第二氢积存罐50向氢燃料罐40的氢的填充和通过高压水电解装置14的运转制造的氢向所述氢燃料罐40的填充同时进行。0071在此

24、，由于从第一氢积存罐46及第二氢积存罐50向氢燃料罐40的氢的填充利用各自的罐内氢压力的压力差，因此能得到大量的氢流量，能将氢一下子填充快速填充。另一方面，通过高压水电解装置14的运转利用电解反应制造的氢直接向氢燃料罐40填充，因此氢流量与利用罐内氢压力的压力差的情况相比，量相当少低速填充。0072具体而言，如图3所示，打开第一开闭阀54，而闭塞第二开闭阀60。由此，能够将积存在第一氢积存罐46内的氢从第一供排路52导入第一配管部16A，在第一止回阀44A、44B的作用下朝向喷嘴部42侧施加高压的氢压力M1。需要说明的是，预先以最大填充压力M1在第一氢积存罐46内填充氢。0073在高压水电解装

25、置14中，进行氢的制造。因此，经由背压阀24从氢配管16对配设于旁通配管64的第二止回阀66朝向喷嘴部42侧施加高压的氢压力M1。0074因此，对第一止回阀44B的下游及第二止回阀66的下游施加高压的氢压力M1。由此，当喷嘴部42与比较低压氢压力M2M2M1的氢燃料罐40连接时，对氢燃料罐40同时进行来自第一氢积存罐46的氢的快速填充和来自高压水电解装置14的氢的低速填充。0075继续上述的填充处理时，氢燃料罐40内的氢压力M2上升，而第一氢积存罐46内的氢压力M1下降。然后，当通过第一压力传感器56检测到氢压力M2与氢压力M1成为同等程度例如，M2M1时，闭塞第一开闭阀54，而打开第二开闭阀

26、60。0076因此，如图4所示，积存在第二氢积存罐50内的氢从第二供排路58导入第二配管部16B，在第一止回阀48A、48B的作用下朝向喷嘴部42侧施加高压的氢压力M1。因此，对氢燃料罐40同时进行来自第二氢积存罐50的氢的快速填充和来自高压水电解装置14的氢的低速填充。0077来自第二氢积存罐50的氢的快速填充结束时步骤S7为是，进入步骤S8，闭塞说明书CN102340013ACN102340026A6/6页9第二开闭阀60，仅对氢燃料罐40继续进行来自高压水电解装置14的氢的低速填充参照图5。0078此外，向氢燃料罐40的氢填充处理结束时步骤S9为是，进入步骤S10，来自高压水电解装置14

27、的氢被积存到第一氢积存罐46及第二氢积存罐50中。然后，当将氢填充系统10的起动电源断开OFF时，所述氢填充系统10的运转停止步骤S11为是。0079这种情况下，在本实施方式中，能够在从第一氢积存罐46或第二氢积存罐50向氢燃料罐40填充氢的同时，从高压水电解装置14经由旁通配管64向所述氢燃料罐40填充氢。因此，能得到能够迅速且容易地向氢燃料罐40填充氢这一效果。0080而且，高压水电解装置14能够产生与氢燃料罐40的最大填充压力相同的压力的氢，并且第一氢积存罐46及第二氢积存罐50能够以与所述氢燃料罐40的最大填充压力相同的压力积存所述氢。由此，例如，无需通过机械式压缩机等使氢升压，而能够

28、尽可能地削减消耗能量。因此，能够抑制多余的能量消耗，比较经济。0081此外，氢燃料罐40的容量V1、第一氢积存罐46的容量V2及第二氢积存罐50的容量V3设定为V1V2V3的关系。更具体而言，具有V1V2V3，V2V3的关系。0082在此，假设氢燃料罐40为容量V1且氢压力0KPA时，第一氢积存罐46及第二氢积存罐50分别为容量1/2V1且氢压力MKPA的情况。0083首先，当从第一氢积存罐46向氢燃料罐40填充氢时，根据1/2V1M1/2V1V1N氢压力，得到N1/3MKPA。接着，当从第二氢积存罐50向氢燃料罐40填充氢时，根据1/2V1M1/3MV13/2V1N氢压力，得到N055MKP

29、A。0084相对于此，当使用单一的氢积存罐，并且该氢积存罐的容量V1、氢压力为MKPA时，在氢填充后的氢燃料罐40中，氢压力为05MKPA。0085因此，在本实施方式中，与使用单一的氢积存罐的情况相比，能得到实现约1成的填充压力的增加，并能够得到完成快速填充而有效地缩短装满氢燃料罐40的时间这一效果。0086需要说明的是，在本实施方式中，具备第一氢积存罐46及第二氢积存罐50作为氢积存罐，但并不局限于此，也可以具备三个以上的氢积存罐。此时，全部的氢积存罐的总容积设定为氢燃料罐40的容积以下。说明书CN102340013ACN102340026A1/6页10图1说明书附图CN102340013ACN102340026A2/6页11图2说明书附图CN102340013ACN102340026A3/6页12图3说明书附图CN102340013ACN102340026A4/6页13图4说明书附图CN102340013ACN102340026A5/6页14图5说明书附图CN102340013ACN102340026A6/6页15图6说明书附图CN102340013A