氫填充系統及其運轉方法
2023-05-31 20:50:46
專利名稱：氫填充系統及其運轉方法
技術領域：
本發明涉及用於向搭載於燃料電池車輛上的氫燃料罐填充氫的氫填充系統及其運轉方法。
背景技術：
例如，在燃料電池車輛中，通常搭載有固體高分子型燃料電池。該燃料電池通過向陽極側電極供給燃料氣體(主要含氫的氣體，例如氫氣)，並向陰極側電極供給氧化劑氣體 (主要含氧的氣體，例如空氣)，而得到直流的電能。通常，為了製造作為燃料氣體的氫氣而採用水電解裝置。該水電解裝置為了使分解水而產生氫(及氧)，使用固體高分子電解質膜(離子交換膜)。在固體高分子電解質膜的兩面設有電極催化劑層而構成電解質膜-電極結構體，並且在所述電解質膜-電極結構體的兩側配設供電體而構成單元。即，單元實質上與上述的燃料電池同樣構成。因此，為了將通過水電解裝置製造出的氫氣向搭載於燃料電池車輛上的燃料氣體罐填充，而採用各種氫填充系統。例如，在專利文獻1中，如圖6所示，具備對搭載於車輛的車載罐1填充氫的氫供給站2。氫供給站2具有在將儲存的氫的壓力級Pt分成不同的多級的多個儲存罐3中分別儲存氫的罐單元4 ；用於將所述罐單元4內的氫向車載罐1供給的供給線5 ；對與所述供給線5連接的所述儲存罐3進行切換的切換裝置6。氫供給站2構成為，隨著氫向車載罐1的填充進行，可以操作切換裝置6而將與供給線5連接的儲存罐3依次切換為壓力級Pt高的儲存罐3。專利文獻1日本特開2005-69332號公報然而，在上述的專利文獻1中，具備多個、例如7個儲存罐3，罐單元4相當大型。 因此，氫供給站2的設置空間增大，而存在設置位置受限制這一問題。而且，在排出氫後的儲存罐3中，需要更換成填充有氫的新的儲存罐3。因此，存在儲存罐3的更換作業相當煩雜這一問題。
發明內容
本發明用於解決此種問題，其目的在於提供一種能夠以簡單且緊湊的結構向搭載於燃料電池車輛的氫燃料罐迅速地填充氫，而且作業性優良的氫填充系統及其運轉方法。本發明涉及用於向搭載於燃料電池車輛的氫燃料罐填充氫的氫填充系統。該氫填充系統具備高壓水電解裝置，其通過來自直流電源的通電而電解水，能夠產生氧及與氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力的氫；氫配管，其將向所述氫燃料罐填充所述氫的填充機構及所述高壓水電解裝置之間相連；氫積存罐，其配設於所述氫配管，並以與所述氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力積存通過所述高壓水電解裝置製造的所述氫； 第一閥機構，其配置在所述氫積存罐的下遊，僅允許所述氫從該氫積存罐朝向所述填充機構流動；旁通配管，其配設於所述氫配管，並繞過所述氫積存罐及所述第一閥機構而將所述高壓水電解裝置和所述填充機構連接；第二閥機構，其配置於所述旁通配管，僅允許所述氫從所述高壓水電解裝置朝向所述填充機構流動。另外，在該氫填充系統中，優選第一及第二閥機構具備止回閥。此外，在該氫填充系統中，優選氫積存罐的容量設定為氫燃料罐的容量以下。另外，在該氫填充系統中，優選氫積存罐設置有多個，並且優選多個所述氫積存罐的總容量設定為氫燃料罐的容量以下。另外，本發明涉及一種氫填充系統的運轉方法，所述氫填充系統為了向搭載於燃料電池車輛的氫燃料罐填充氫而具備高壓水電解裝置，其通過來自直流電源的通電而電解水，能夠產生氧及與所述氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力的所述氫；氫配管，其將向所述氫燃料罐填充所述氫的填充機構及所述高壓水電解裝置之間相連；氫積存罐，其配設於所述氫配管，並以與所述氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力積存通過所述高壓水電解裝置製造的所述氫；第一閥機構，其配置在所述氫積存罐的下遊，僅允許所述氫從該氫積存罐朝向所述填充機構流動；旁通配管，其配設於所述氫配管，並繞過所述氫積存罐及所述第一閥機構而將所述高壓水電解裝置和所述填充機構連接。氫填充系統的運轉方法包括將填充機構與氫燃料罐連接，從氫積存罐向所述氫燃料罐填充氫，並同時經由所述旁通配管將通過高壓水電解裝置的運轉而製造的所述氫向所述氫燃料罐填充的工序；當所述氫積存罐的內壓與所述氫燃料罐的內壓相同時，從所述氫配管將該氫積存罐隔斷，而僅從所述高壓水電解裝置向所述氫燃料罐填充所述氫的工序。此外，在該運轉方法中，優選在所述氫積存罐的下遊配置有僅允許氫從該氫積存罐朝向填充機構流動的第一閥機構，並且在旁通配管配置有僅允許所述氫從高壓水電解裝置朝向所述填充機構流動的第二閥機構。發明效果根據本發明，能夠在從氫積存罐向氫燃料罐填充氫的同時，從高壓水電解裝置經由旁通配管向所述氫燃料罐填充所述氫。因此，能夠迅速且容易地向氫燃料罐填充氫。而且，高壓水電解裝置能夠產生與氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力的氫，並且氫積存罐能夠以與所述氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力積存所述氫。由此，例如，無需通過機械式壓縮機等使氫升壓，能夠儘可能地削減消耗能量。因此，能夠抑制多餘的能量消耗，比較經濟。
圖1是本發明的實施方式的氫填充系統的簡要結構說明圖。圖2是說明所述氫填充系統的運轉方法的流程圖。圖3是所述氫填充系統的動作說明圖。圖4是所述氫填充系統的動作說明圖。圖5是所述氫填充系統的動作說明圖。圖6是專利文獻1中公開的氫供給站的簡要說明圖。符號說明10…氫填充系統
12. 純水供給裝置
14. 高壓水電解裝置
16. 氧配管
16a、16b…配管部
18. 氣液分離器
20. 冷卻器
22. 水吸附筒
24. 背壓閥
26. 水分解單元
30. 電解電源
38. 燃料電池車輛
40. 氫燃料罐
42. 噴嘴部
44、48···閥機構
44a、44b、48a、48b、66 …止回閥
46、50…氫積存罐
52、58…供排路
54,60…開閉閥
56、62…壓力傳感器
64. 旁通配管
具體實施例方式如圖1所示，本發明的實施方式涉及的氫填充系統10具備供給通過純水供給裝置12從市政供水生成的純水，並通過電解該純水而製造氫的高壓水電解裝置14 ；將從所述高壓水電解裝置14向氫配管16導出的高壓的所述氫中含有的水分除去的氣液分離器18 ； 對從所述氣液分離器18排出的氫進行冷卻的冷卻器(例如，珀耳帖元件)20 ；將從所述冷卻器20排出的冷卻後的水分(水滴)除去的排水分離器21 ；吸附並除去氫中含有的水分的水吸附筒22 ；配置在所述水吸附筒22的下遊，並將向所述氫配管16排出的所述氫維持成比常壓高的高壓(例如，20MPa 35MPa)的背壓閥M。氫填充系統10由控制器25控制。 向氫配管16排出的氫的壓力不局限於到35Mpa，例如也可以為70Mpa。高壓水電解裝置14層疊有多個水分解單元沈，在所述水分解單元沈的層疊方向兩端配設有端板觀^觀13。在高壓水電解裝置14上連接有作為直流電源的電解電源30。高壓水電解裝置14的陽極(anode)與電解電源30的正極連接，而陰極(cathode)與所述電解電源30的負極連接。在端板28a上連接有配管32a，並且在端板28b上連接有配管32b、32c。配管32a、 32b通過配設於循環路34的水泵36從純水供給裝置12開始進行純水的循環，而作為氫排出口的配管32c經由氫配管16與氣液分離器18連接。水吸附筒22具備填充有水分吸附材料的吸附塔(未圖示)，該水分吸附材料利用物理性吸附作用來吸附氫中含有的水蒸氣(水分)，並將水分向外部排出而進行再生。在水吸附筒22的下遊側(出口側)經由背壓閥M而連接有氫配管16。需要說明的是，也可以取代背壓閥M，而使用電磁閥等各種閥。在氫配管16的下遊端部(前端部)設有用於向燃料電池車輛38的氫燃料罐40填充氫的噴嘴部(填充機構)42。噴嘴部42中內置有未圖示的閥機構，當與氫燃料罐40連接時，所述閥機構被打開，而當從所述氫燃料罐40脫離時，所述閥機構被閉塞而將氫配管16 內保持成高壓。氫配管16在中途分支成第一配管部16a和第二配管部16b後，合流成所述氫配管16。在第一配管部16a經由第一閥機構44而配設有第一氫積存罐46，而在第二配管部 16b經由第一閥機構48而配設有第二氫積存罐50。第一閥機構44具備僅允許氫沿著第一配管部16a向下遊側流動的第一止回閥 44a、44b，所述第一止回閥44a、44b串聯配置。在第一止回閥44a、44b之間連通有第一供排路52的一端，並且在所述第一供排路52中經由第一開閉閥M而連接有第一氫積存罐46。 在該第一氫積存罐46配設有第一壓力傳感器56。第一閥機構48具備僅允許氫沿著第二配管部16b向下遊側流動的第一止回閥 48a、48b，所述第一止回閥48a、48b串聯配置。在第一止回閥48a、48b之間連通有第二供排路58的一端，並且在所述第二供排路58中經由第二開閉閥60而連接有第二氫積存罐50。 在該第二氫積存罐50配設有第二壓力傳感器62。旁通配管64繞過第一及第二配管部16a、16b (更具體而言，繞過第一閥機構44、 第一閥機構48、第一氫積存罐46及第二氫積存罐50)而與氫配管16連接。在旁通配管64 上配設有僅允許氫從水吸附筒22朝向噴嘴部42流動的第二閥機構，例如，配設有第二止回閥66。氫燃料罐40的容量VI、第一氫積存罐46的容量V2及第二氫積存罐50的容量V3 設定為Vl彡V2+V3的關係。需要說明的是，為了簡化說明，例如使Vl = V2+V3，V2 = V3。將氫燃料罐40的最大填充壓力、通過高壓水電解裝置14製造的氫的壓力、以及積存在第一氫積存罐46及第二氫積存罐50中的氫的最大填充壓力設定為同一壓力。以下，通過與本實施方式的運轉方法的關聯，按照圖2所示的流程圖來說明這樣構成的氫填充系統10的動作。首先，將氫填充系統10的起動電源接通(ON)，起動(啟動)所述氫填充系統10 (步驟Si)。因此，如圖1所示，將通過純水供給裝置12從市政供水生成的純水向高壓水電解裝置14供給。在該高壓水電解裝置14中，通過從電解電源30通電，將純水電解而開始生成
Μ,ο在高壓水電解裝置14內生成的氫經由氫配管16向氣液分離器18輸送。在該氣液分離器18中，將氫中含有的水蒸氣從該氫分離。除去水蒸氣後的氫通過冷卻器20向水吸附筒22輸送，另一方面，因冷卻而冷凝的水滴由排水分離器21除去。在水吸附筒22中，吸附氫中含有的水蒸氣而能得到乾燥狀態的氫(幹氫)。在該水吸附筒22的下遊配設有背壓閥M。因此，能夠將氫在所述水吸附筒22內加壓保持至水吸附筒22內的氫壓力達到設定壓力。然後，當水吸附筒22內的氫壓力達到設定壓力時，背壓閥對被打開，幹氫(以下， 簡稱為氫)被從所述水吸附筒22向氫配管16導出。導出到氫配管16中的氫填充到該氫配管16內，並被導入第一配管部16a及第二配管部16b。在此，例如，第一氫積存罐46及第二氫積存罐50內的氫未填充規定量時，首先，打開第一開閉閥討，而閉塞第二開閉閥60。因此，被導入到第一配管部16a中的氫通過第一止回閥4 而從第一供排路52向第一氫積存罐46供給。例如，通過第一壓力傳感器56檢測出第一氫積存罐46內達到規定的氫壓力時，閉塞第一開閉閥討而打開第二開閉閥60。因此，被導入到第二配管部16b中的氫通過第一止回閥48a而從第二供排路58向第二氫積存罐50供給。例如，通過第二壓力傳感器62檢測第二氫積存罐50內是否達到規定的氫壓力。當判斷為第一氫積存罐46及第二氫積存罐50裝滿時(步驟S2為是)，進入步驟 S3，氫填充系統10移向待機狀態。另一方面，當判斷為第一氫積存罐46及第二氫積存罐50 未裝滿時(步驟S2為否)，進入步驟S4，繼續上述的氫積存處理。然後，當存在向燃料電池車輛38的氫燃料罐40的氫填充要求時(步驟S5為是)， 進入步驟S6。該氫填充要求除了通過使用者按下填充按鈕(未圖示)而向控制器25發送填充信號之外，還通過噴嘴部42與燃料電池車輛38的氫燃料罐40連接這一信號向所述控制器25的發送等來進行。在步驟S6中，從第一氫積存罐46及第二氫積存罐50向氫燃料罐40的氫的填充和通過高壓水電解裝置14的運轉製造的氫向所述氫燃料罐40的填充同時進行。在此，由於從第一氫積存罐46及第二氫積存罐50向氫燃料罐40的氫的填充利用各自的罐內氫壓力的壓力差，因此能得到大量的氫流量，能將氫一下子填充(快速填充)。 另一方面，通過高壓水電解裝置14的運轉利用電解反應製造的氫直接向氫燃料罐40填充， 因此氫流量與利用罐內氫壓力的壓力差的情況相比，量相當少(低速填充)。具體而言，如圖3所示，打開第一開閉閥54，而閉塞第二開閉閥60。由此，能夠將積存在第一氫積存罐46內的氫從第一供排路52導入第一配管部16a，在第一止回閥44a、 44b的作用下朝向噴嘴部42側施加高壓的氫壓力Ml。需要說明的是，預先以最大填充壓力 Ml在第一氫積存罐46內填充氫。在高壓水電解裝置14中，進行氫的製造。因此，經由背壓閥M從氫配管16對配設於旁通配管64的第二止回閥66朝向噴嘴部42側施加高壓的氫壓力Ml。因此，對第一止回閥44b的下遊及第二止回閥66的下遊施加高壓的氫壓力Ml。由此，當噴嘴部42與比較低壓(氫壓力Μ》(M2 < Ml)的氫燃料罐40連接時，對氫燃料罐40 同時進行來自第一氫積存罐46的氫的快速填充和來自高壓水電解裝置14的氫的低速填充。繼續上述的填充處理時，氫燃料罐40內的氫壓力M2上升，而第一氫積存罐46內的氫壓力Ml下降。然後，當通過第一壓力傳感器56檢測到氫壓力M2與氫壓力Ml成為同等程度(例如，M2 = Ml)時，閉塞第一開閉閥54，而打開第二開閉閥60。因此，如圖4所示，積存在第二氫積存罐50內的氫從第二供排路58導入第二配管部16b，在第一止回閥48a、48b的作用下朝向噴嘴部42側施加高壓的氫壓力Ml。因此，對氫燃料罐40同時進行來自第二氫積存罐50的氫的快速填充和來自高壓水電解裝置14的氫的低速填充。來自第二氫積存罐50的氫的快速填充結束時(步驟S7為是)，進入步驟S8，閉塞第二開閉閥60，僅對氫燃料罐40繼續進行來自高壓水電解裝置14的氫的低速填充(參照圖5)。此外，向氫燃料罐40的氫填充處理結束時(步驟S9為是)，進入步驟S10，來自高壓水電解裝置14的氫被積存到第一氫積存罐46及第二氫積存罐50中。然後，當將氫填充系統10的起動電源斷開(OFF)時，所述氫填充系統10的運轉停止(步驟Sll為是)。這種情況下，在本實施方式中，能夠在從第一氫積存罐46 (或第二氫積存罐50)向氫燃料罐40填充氫的同時，從高壓水電解裝置14經由旁通配管64向所述氫燃料罐40填充氫。因此，能得到能夠迅速且容易地向氫燃料罐40填充氫這一效果。而且，高壓水電解裝置14能夠產生與氫燃料罐40的最大填充壓力相同的壓力的氫，並且第一氫積存罐46及第二氫積存罐50能夠以與所述氫燃料罐40的最大填充壓力相同的壓力積存所述氫。由此，例如，無需通過機械式壓縮機等使氫升壓，而能夠儘可能地削減消耗能量。因此，能夠抑制多餘的能量消耗，比較經濟。此外，氫燃料罐40的容量VI、第一氫積存罐46的容量V2及第二氫積存罐50的容量V3設定為Vl彡V2+V3的關係。更具體而言，具有Vl = V2+V3, V2 = V3的關係。在此，假設氫燃料罐40為容量Vl且氫壓力OkPa時，第一氫積存罐46及第二氫積存罐50分別為容量1/2V1且氫壓力MkPa的情況。首先，當從第一氫積存罐46向氫燃料罐40填充氫時，根據1/2V1XM = (1/2V1+V1) Xn(氫壓力)，得到η = l/3M(kPa)。接著，當從第二氫積存罐50向氫燃料罐 40 填充氫時，根據 1/2V1XM+1/3MXV1 = 3/2V1 Xn(氫壓力)，得到 η = 0. 55…M(kPa)。相對於此，當使用單一的氫積存罐，並且該氫積存罐的容量VI、氫壓力為MkPa時， 在氫填充後的氫燃料罐40中，氫壓力為0. 5MkPa。因此，在本實施方式中，與使用單一的氫積存罐的情況相比，能得到實現約1成的填充壓力的增加，並能夠得到完成快速填充而有效地縮短裝滿氫燃料罐40的時間這一效^ ο需要說明的是，在本實施方式中，具備第一氫積存罐46及第二氫積存罐50作為氫積存罐，但並不局限於此，也可以具備三個以上的氫積存罐。此時，全部的氫積存罐的總容積設定為氫燃料罐40的容積以下。
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權利要求
1.一種氫填充系統，其用於向搭載於燃料電池車輛的氫燃料罐填充氫，所述氫填充系統的特徵在於，具備高壓水電解裝置，其通過來自直流電源的通電而電解水，能夠產生氧及與所述氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力的所述氫；氫配管，其將向所述氫燃料罐填充所述氫的填充機構及所述高壓水電解裝置之間相連；氫積存罐，其配設於所述氫配管，並以與所述氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力積存通過所述高壓水電解裝置製造的所述氫；第一閥機構，其配置在所述氫積存罐的下遊，僅允許所述氫從該氫積存罐朝向所述填充機構流動；旁通配管，其配設於所述氫配管，並繞過所述氫積存罐及所述第一閥機構而將所述高壓水電解裝置和所述填充機構連接；第二閥機構，其配置於所述旁通配管，僅允許所述氫從所述高壓水電解裝置朝向所述填充機構流動。
2.根據權利要求1所述的氫填充系統，其特徵在於， 所述第一及第二閥機構具備止回閥。
3.根據權利要求1或2所述的氫填充系統，其特徵在於， 所述氫積存罐的容量設定為所述氫燃料罐的容量以下。
4.根據權利要求1 3中任一項所述的氫填充系統，其特徵在於，所述氫積存罐設置有多個，並且多個所述氫積存罐的總容量設定為所述氫燃料罐的容量以下。
5.一種氫填充系統的運轉方法，其特徵在於，所述氫填充系統為了向搭載於燃料電池車輛的氫燃料罐填充氫而具備高壓水電解裝置，其通過來自直流電源的通電而電解水，能夠產生氧及與所述氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力的所述氫；氫配管，其將向所述氫燃料罐填充所述氫的填充機構及所述高壓水電解裝置之間相連；氫積存罐，其配設於所述氫配管，並以與所述氫燃料罐的最大填充壓力相同的壓力積存通過所述高壓水電解裝置製造的所述氫；第一閥機構，其配置在所述氫積存罐的下遊，僅允許所述氫從該氫積存罐朝向所述填充機構流動；旁通配管，其配設於所述氫配管，並繞過所述氫積存罐及所述第一閥機構而將所述高壓水電解裝置和所述填充機構連接， 所述氫填充系統的運轉方法包括將所述填充機構與所述氫燃料罐連接，從所述氫積存罐向所述氫燃料罐填充所述氫， 並同時經由所述旁通配管將通過所述高壓水電解裝置的運轉而製造的所述氫向所述氫燃料罐填充的工序；當所述氫積存罐的內壓與所述氫燃料罐的內壓相同時，從所述氫配管將該氫積存罐隔斷，而僅從所述高壓水電解裝置向所述氫燃料罐填充所述氫的工序。
6.根據權利要求5所述的氫填充系統的運轉方法，其特徵在於， 在所述氫積存罐的下遊配置有僅允許所述氫從該氫積存罐朝向所述填充機構流動的第一閥機構，並且在所述旁通配管配置有僅允許所述氫從所述高壓水電解裝置朝向所述填充機構流動的第二閥機構。
全文摘要
本發明提供一種能夠以簡單且緊湊的結構向搭載於燃料電池車輛的氫燃料罐迅速地填充氫，而且作業性優良的氫填充系統及其運轉方法。氫填充系統(10)具備電解水而產生氫和氧的高壓水電解裝置(14)；將高壓水電解裝置(14)和向氫燃料罐(40)填充氫的噴嘴部(42)相連的氫配管(16)；配設於氫配管(16)，並以氫燃料罐(40)的最大填充壓力積存通過高壓水電解裝置(14)製造的氫的第一及第二氫積存罐(46、50)；配置在第一及第二氫積存罐(46、50)的下遊的第一閥機構(44、48)；繞過第一及第二氫積存罐(46、50)及第一閥機構(44、48)而與氫配管(16)連接的旁通配管(64)；配置於旁通配管(64)的第二閥機構。
文檔編號H01M8/04GK102340013SQ201110201998
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月19日 優先權日2010年7月20日
發明者中澤孝治, 岡部昌規, 武內淳 申請人:本田技研工業株式會社