(57)【要約】【課題】水素吸蔵合金内に貯蔵された水素を有効に利用する。【解決手段】水素があらかじめ吸蔵されている水素吸蔵合金３１ａを収容した水素タンク３１を具備し、水素吸蔵合金３１ａから放出された水素を燃料電池１０に供給する。水素タンク３１内の圧力が許容下限を越えて低くなったか否かを判断し、水素タンク３１内の圧力が許容下限を越えて低くなったときには、減圧ポンプ３３により水素タンク３１内を減圧して水素吸蔵合金内の残存水素を取り出し、取り出された残存水素を昇圧ポンプ３５により昇圧し、燃料電池１０に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素があらかじめ吸蔵されている水素吸蔵合金を収容した水素タンクを具備し、該水素吸蔵合金から水素を放出させると共に該放出された水素を供給先に供給するようにした水素供給装置において、減圧ポンプを具備し、水素タンク内の圧力が許容下限を越えて低くなったか否かを判断し、水素タンク内の圧力が許容下限を越えて低くなったときには、該減圧ポンプにより水素タンク内を減圧して水素吸蔵合金内の残存水素を取り出すと共に該取り出された残存水素を供給先に供給するようにした水素供給装置。
【請求項２】
前記減圧ポンプにより水素タンク内を負圧まで減圧するようにした請求項１に記載の水素供給装置。
【請求項３】
前記取り出された残存水素を昇圧して前記供給先に供給する昇圧ポンプをさらに具備した請求項１又は２に記載の水素供給装置。
【請求項４】
前記水素タンクと前記供給先との間に配置されて水素を一時的に蓄える水素バッファをさらに具備した請求項１から３までのいずれか一項に記載の水素供給装置。
【請求項５】
水素を貯蔵した追加の水素タンクをさらに具備し、前記水素タンク内の圧力が許容下限を越えて低くなったときには、該追加の水素タンク内の水素を前記水素タンクから取り出された残存水素と共に供給先に供給するようにした請求項１から４までのいずれか一項に記載の水素供給装置。
【請求項６】
車両制動エネルギを回生する回生装置を備えた車両に前記水素供給装置が設けられており、該回生装置により回生されたエネルギでもって前記減圧ポンプを駆動するようにした請求項１から５までのいずれか一項に記載の水素供給装置。
【請求項７】
前記取り出された残存水素を昇圧して前記供給先に供給する昇圧ポンプをさらに具備し、前記減圧ポンプ及び該昇圧ポンプのうち少なくとも一方を前記回生装置により回生されたエネルギでもって駆動するようにした請求項６に記載の水素供給装置。
【請求項８】
前記供給先が燃料電池である請求項１から７までのいずれか一項に記載の水素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素があらかじめ吸蔵されている水素吸蔵合金を収容した水素タンクを具備し、水素吸蔵合金から水素を放出させると共に放出された水素を燃料電池に供給するようにした水素供給装置が公知である（特許文献１参照）。このように水素吸蔵合金を用いると、ボンベを用いる場合に比べて、一定量の水素を貯蔵するのに必要な容積ないし空間を低減することができ、さらに水素を安全に貯蔵することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２５３２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、水素タンクを例えば大気圧に解放したとしても、水素吸蔵合金内に貯蔵されているすべての水素を水素吸蔵合金から放出させることはできず、水素吸蔵合金内には水素がいわゆる死蔵量だけ残存してしまう。すなわち、水素吸蔵合金内に貯蔵された水素を有効に利用することができないという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために本発明によれば、水素があらかじめ吸蔵されている水素吸蔵合金を収容した水素タンクを具備し、該水素吸蔵合金から水素を放出させると共に該放出された水素を供給先に供給するようにした水素供給装置において、減圧ポンプを具備し、水素タンク内の圧力が許容下限を越えて低くなったか否かを判断し、水素タンク内の圧力が許容下限を越えて低くなったときには、該減圧ポンプにより水素タンク内を減圧して水素吸蔵合金内の残存水素を取り出すと共に該取り出された残存水素を供給先に供給するようにしている。
【発明の効果】
【０００６】
水素吸蔵合金内に貯蔵された水素を有効に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は車両用発電システムに本発明を適用した場合を示している。
【０００８】
図１を参照すると、発電システム１は燃料電池１０と、燃料電池１０に酸素を供給する酸素供給装置２０と、燃料電池１０に水素を供給する水素供給装置３０と、電子制御ユニット７０とを具備する。
【０００９】
酸素供給装置２０は大気のような酸素源２１を具備し、酸素源２１は酸素流通管２２を介して酸素ポンプ２３の吸入側に連結され、酸素ポンプ２３の吐出側は酸素供給管２４を介して燃料電池１０に連結される。酸素供給管２４内には電磁弁からなる酸素供給弁２５が配置される。
【００１０】
水素供給装置３０は水素源である水素タンク３１を具備し、水素タンク３１の水素放出口は水素放出管３２を介して流体圧駆動式の減圧ポンプ３３の吸入側に連結される。減圧ポンプ３３の吐出側は水素流通管３４を介して流体圧駆動式の昇圧ポンプ３５の流入側に連結され、昇圧ポンプ３５の吐出側は水素高圧管３６を介して高圧で水素を蓄える水素バッファ３７に連結され、水素バッファ３７は水素供給管３８を介して燃料電池１０に連結される。水素放出管３２内には調圧機能付きの電磁弁からなる水素放出弁３９が配置され、水素高圧管３６内には逆止弁４０が配置され、水素供給管３８内には電磁弁からなる水素供給弁４１が配置される。また、水素タンク３１及び水素バッファ３７には水素タンク３１内及び水素バッファ３７内の圧力をそれぞれ検出するための圧力センサ４２，４３がそれぞれ取り付けられる。
【００１１】
水素タンク３１内には水素吸蔵合金３１ａが収容されている。この水素吸蔵合金３１ａは例えばＴｉＣｒＶ材やＴｉＣｒＭｎ材から構成されるが、他の材料から構成することもできる。また、水素タンク３１は耐圧容器から構成される。本発明による実施例では、水素タンク３１内に水素が水素吸蔵合金３１ａの吸蔵時平衡圧よりも高い圧力のもとであらかじめ充填されている。この場合、水素の一部は水素吸蔵合金３１ａ内に水素化物の形で貯蔵され、残りは水素吸蔵合金３１ａ周りの水素タンク３１内部空間内に気体の形で貯蔵される。
【００１２】
減圧ポンプ３３は水素タンク３１内を減圧するためのものである。本発明による実施例では、減圧ポンプ３３は水素タンク３１内を負圧まで減圧することができる。一方、昇圧ポンプ３５は水素を昇圧して水素バッファ３７内に送り込むためのものである。本発明による実施例では昇圧ポンプ３５は数気圧から数十気圧まで水素を昇圧することができる。
【００１３】
図１に示される実施例では発電システム１が電気駆動式車両５０に搭載されている。この車両５０は唯一の駆動源として電気モータ５１を具備し、電気モータ５１の出力軸５２はディファレンシャルギア５３を介して車軸５４に連結される。この電気モータ５１には発電システム１から電気エネルギが供給される。また、車両５０は車両制動エネルギを回生する回生装置５５を具備する。この回生装置５５は例えば電気モータ５１の出力軸５２に取り付けられたギアポンプ５６を具備し、このギアポンプ５６は車両制動時又は減速時に低圧室５７内の作動流体を圧縮して高圧室５８内に送り込み、したがって高圧室５８内には高圧の作動流体が蓄えられている。高圧室５８は調圧機能付きの電磁弁からなる作動流体制御弁５９，６０をそれぞれ介して減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５に連結される。なお、車両５０を、駆動源として電気モータ５１及びエンジンを具備したいわゆるハイブリッド型車両から構成することもできる。
【００１４】
電子制御ユニット７０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス７１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）７２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）７３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）７４、入力ポート７５及び出力ポート７６を具備する。圧力センサ４２，４３の出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器７７を介して入力ポート７５に入力される。出力ポート７６は対応する駆動回路７８を介して酸素ポンプ２３、酸素供給弁２５、水素放出弁３９、水素供給弁４１、作動流体制御弁５９，６０にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット７０からの信号に基づいて制御される。
【００１５】
さて、燃料電池１０で発電を行うべきときには酸素供給弁２４が開弁されると共に酸素ポンプ２３が作動され、水素供給弁４１が開弁される。その結果、酸素源２１の酸素ないし空気が酸素供給管２２を介して、水素バッファ３７内の水素が水素供給管３８を介して、それぞれ燃料電池１０に供給される。
【００１６】
水素タンク３１から水素を供給すべきとき、すなわち例えば水素バッファ３７内の圧力が許容下限を越えて低下したときには、水素放出弁３９が開弁される。その結果、水素タンク３１の内部空間内に貯蔵された水素が水素タンク３１から放出され、又は水素が水素吸蔵合金３１ａから離脱して水素タンク３１から放出される。なお、水素吸蔵合金３１ａから水素を離脱させるために水素吸蔵合金３１ａを加熱する装置も設けることもできる。この放出された水素は水素放出管３２、水素流通管３４及び水素高圧管３６内を順次流通して水素バッファ３７内に充填される。この場合、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５は作動停止されており、水素は減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５の作用を受けることなく減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５を通過する。
【００１７】
水素タンク３１からの水素放出が継続されると、図２に示されるように水素タンク３１内の圧力ＰＴが低下する。次いで、図２にＸで示されるようにタンク内圧ＰＴが許容下限ＰＸ（例えば、大気圧）を越えて低下すると、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５が作動される。その結果、水素タンク３１内が負圧ＰＮ（例えば約０．１３Ｐａ（１０−３ｔｏｒｒ）程度）まで減圧され、それにより水素吸蔵合金３１ａ内の残存水素が水素吸蔵合金３１ａから取り出される。この取り出された水素は次いで昇圧ポンプ３５において昇圧された後に水素バッファ３７に供給される。
【００１８】
次いで、水素タンク３１内に水素が充填されて水素タンク内圧ＰＴが許容下限ＰＸよりも高くなると、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５が作動停止される。
【００１９】
このように本発明による実施例では、水素吸蔵合金３１ａに負圧を印加して水素を取り出しているので、水素吸蔵合金３１ａ内に吸蔵された水素を有効に利用することができる。実際、減圧ポンプ３３を作動させたときに０．３から０．５ｗｔ％程度の水素を取り出すことができる。また、水素吸蔵合金３１ａから多量の水素が放出されて水素吸蔵合金３１ａ内の残存水素が少なくなるので、次の水素タンク３１内への水素充填時に水素吸蔵合金３１ａ内に多量の水素を吸蔵させることができ、水素吸蔵合金３１の劣化を抑制することもできる。さらに、取り出された水素を昇圧ポンプ３５によって昇圧し水素バッファ３７に供給しているので、水素を確実に水素バッファ３７に供給することができる。
【００２０】
なお、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５を電動式ポンプから構成することもできる。しかしながら、このようにすると、残存水素を取り出すために発電する必要があり、すなわち取り出された残存水素のすべてを車両駆動等のために利用することができない。
【００２１】
そこで本発明による実施例では、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５を流体圧駆動式ポンプから構成し、残存水素を取り出すために水素を消費することがないようにしている。もっとも、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５を、電気又は流体圧を駆動源とするポンプから構成し、流体圧のみで駆動することができないときに限り、これら減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５を電気により駆動するようにしてもよい。また、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５のうち少なくとも一方を流体圧駆動式ポンプから構成するようにすることもできる。
【００２２】
図３は本発明による実施例の水素供給制御ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとに実行される。
【００２３】
図３を参照すると、まずステップ１００では水素タンク３１から水素バッファ３７に水素を供給すべきか否かが判別される。水素を供給すべきでないと判断されたときには次いでステップ１０１に進み、水素放出弁３９が閉弁される。続くステップ１０２では減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５が作動停止される。これに対し、水素を供給すべきと判断されたときにはステップ１００からステップ１０３に進み、水素放出弁３９が開弁される。続くステップ１０４では水素タンク３１内の圧力ＰＴが許容下限ＰＸを越えて低下したか否かが判別される。ＰＴ≧ＰＸのときにはステップ１０２に進み、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５の作動停止が継続される。これに対し、ＰＴ＜ＰＸのときにはステップ１０４からステップ１０５に進み、作動流体制御弁５９，６０が開弁されて減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５が作動される。
【００２４】
図４は本発明による別の実施例を示している。図４を参照すると、水素供給装置３０が追加の水素タンク８０を具備する。この追加の水素タンク８０の水素放出口は追加の水素放出管８１に連結され、追加の水素放出管８１は減圧ポンプ３３と昇圧ポンプ３５を間の水素流通管３４に連結される。また、追加の水素放出管８１内には調圧機能付きの電磁弁からなる追加の水素放出弁８２が配置される。図４に示される例では、追加の水素タンク８０内に水素吸蔵合金が収容されていないが、追加の水素タンク８０内に水素吸蔵合金を収容することもできる。
【００２５】
図５に示されるように、水素タンク３１内の圧力ＰＴが許容下限ＰＸよりも高い通常時には、上述の実施例と同様に、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５は作動停止されている。また、このとき追加の水素放出弁８２は通常は閉弁されており、したがって水素タンク３１から水素放出が行われ、追加の水素タンク８０からの水素放出は行われない。次いで、図５にＸで示されるように水素タンク３１内の圧力ＰＴが許容下限ＰＸを越えて低下すると、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５が作動されると共に、追加の水素放出弁８２が開弁される。その結果、水素タンク３１内の水素吸蔵合金３１ａから残存水素が取り出され、追加の水素タンク８０から水素が放出される。これら水素は次いで昇圧ポンプ３５により昇圧され、水素バッファ３７に供給される。
【００２６】
次いで、水素タンク３１内に水素が充填されて水素タンク内圧ＰＴが許容下限ＰＸよりも高くなると、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５が作動停止され、追加の水素放出弁８２が閉弁される。
【００２７】
減圧ポンプ３３によって水素吸蔵合金３１ａから残存水素を取り出せるといっても、この取り出された水素の総量は車両を一定距離だけ走行させるのには十分でないおそれがある。そこで本発明による別の実施例では、追加の水素タンク８０を設け、減圧ポンプ３３によって水素吸蔵合金３１ａから残存水素を取り出すときにはこの追加の水素タンク８０からも水素を追加的に供給するようにしている。このようにすると、車両が例えば水素スタンドまで確実に走行することが可能となる。
【００２８】
図６は本発明による別の実施例の水素供給制御ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとに実行される。
【００２９】
図６を参照すると、まずステップ２００では水素タンク３１から水素バッファ３７に水素を供給すべきか否かが判別される。水素を供給すべきでないと判断されたときには次いでステップ２０１に進み、水素放出弁３９及び追加の水素放出弁８２が閉弁される。続くステップ２０２では減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５が作動停止される。これに対し、水素を供給すべきと判断されたときにはステップ２００からステップ２０３に進み、水素放出弁３９が開弁される。続くステップ２０４では水素タンク３１内の圧力ＰＴが許容下限ＰＸを越えて低下したか否かが判別される。ＰＴ≧ＰＸのときにはステップ２０２に進み、減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５の作動停止が継続される。これに対し、ＰＴ＜ＰＸのときにはステップ２０４からステップ２０５に進み、作動流体制御弁５９，６０が開弁されて減圧ポンプ３３及び昇圧ポンプ３５が作動されると共に、追加の水素放出弁８２が開弁される。
【００３０】
これまで述べてきた各実施例では、減圧ポンプ３３が作動開始されるのと同時に昇圧ポンプ３５も作動開始される。しかしながら、例えば図７に示されるように、水素タンク３１内の圧力ＰＴが許容下限ＰＸよりも高く設定された設定圧力ＰＹを越えて低下したときに昇圧ポンプ３５のみを作動開始し、次いで水素タンク３１内の圧力ＰＴが許容下限ＰＸを越えて低下したときに減圧ポンプ３３を作動開始するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による実施例の発電システムの全体図である。
【図２】本発明による実施例を説明するタイムチャートである。
【図３】本発明による実施例の水素供給制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【図４】本発明による別の実施例の発電システムの全体図である。
【図５】本発明による別の実施例を説明するタイムチャートである。
【図６】本発明による別の実施例の水素供給制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【図７】本発明によるさらに別の実施例を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１    発電システム
１０    燃料電池
３０    水素供給装置
３１    水素タンク
３１ａ    水素吸蔵合金
３３    減圧ポンプ
３５    昇圧ポンプ
３７    水素バッファ
５０    電気駆動式車両
５５    回生装置
８０    追加の水素タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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