氢填充系统及其运转方法 技术领域 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 例如， 在燃料电池车辆中， 通常搭载有固体高分子型燃料电池。 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。
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。
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 1 填充氢的氢供给站 2。
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。
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。
【专利文献 1】 日本特开 2005-69332 号公报
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。
而且， 在排出氢后的储存罐 3 中， 需要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 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。
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。
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所述填充机构流动。
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。
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。
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 的总容量设定为氢燃料罐的容量以下。
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装置和所述填充机构连接。
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。
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。
发明效果
根据本发明， 能够在从氢积存罐向氢燃料罐填充氢的同时， 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。
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
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。 图 2 是说明所述氢填充系统的运转方法的流程图。 图 3 是所述氢填充系统的动作说明图。 图 4 是所述氢填充系统的动作说明图。 图 5 是所述氢填充系统的动作说明图。 图 6 是专利文献 1 中公开的氢供给站的简要说明图。 符号说明 ： 10…氢填充系统12…纯水供给装置 14…高压水电解装置 16…氢配管 16a、 16b…配管部 18…气液分离器 20…冷却器 22…水吸附筒 24…背压阀 26…水分解单元 30…电解电源 38…燃料电池车辆 40…氢燃料罐 42…喷嘴部 44、 48…阀机构 44a、 44b、 48a、 48b、 66…止回阀 46、 50…氢积存罐 52、 58…供排路 54、 60…开闭阀 56、 62…压力传感器 64…旁通配管具体实施方式
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， 20MPa ～ 35MPa) 的背压阀 24。氢填充系统 10 由控制器 25 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。
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。
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。
水吸附筒 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。
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 在中途分支成第一配管部 16a 和第二配管部 16b 后， 合流成所述 氢配管 16。
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。
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。
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。 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。
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 V1 ≥ V2+V3 的关系。需要说明的是， 为了简化说明， 例如使 V1 ＝ V2+V3， V2 ＝ V3。
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。
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。
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。
在高压水电解装置 14 内生成的氢经由氢配管 16 向气液分离器 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。
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。
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
配管 16 内， 并被导入第一配管部 16a 及第二配管部 16b。
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。
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。
当判断为第一氢积存罐 46 及第二氢积存罐 50 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。
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。 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。
在此， 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 )。
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。
在高压水电解装置 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。
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 M2)(M2 ＜ M1) 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。
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， M2 ＝ M1) 时， 闭塞第一开闭阀 54， 而打开第二开闭阀 60。
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。
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
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)。
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 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 )。
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。
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。
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 V1 ≥ V2+V3 的关系。更具体而言， 具有 V1 ＝ V2+V3， V2 ＝ V3 的关系。
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。
首 先， 当 从 第 一 氢 积 存 罐 46 向 氢 燃 料 罐 40 填 充 氢 时， 根 据 1/2V1×M ＝ (1/2V1+V1)×n( 氢压力 )， 得到 n ＝ 1/3M(kPa)。接着， 当从第二氢积存罐 50 向氢燃料罐 40 填充氢时， 根据 1/2V1×M+1/3M×V1 ＝ 3/2V1×n( 氢压力 )， 得到 n ＝ 0.55… M(kPa)。
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 0.5MkPa。
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。
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。