(57)【要約】【課題】構造が簡単で、応答性に優れ、余剰水素の処理も不要な燃料電池の水素供給装置を提供する。【解決手段】液体水素タンク３と燃料電池２とを接続する水素供給流路１１に、水素ポンプ４、蒸発器５、圧力水素タンク７を設け、燃料電池２の廃熱を冷却回路１４を介して蒸発器５に供給可能にする。液体水素タンク３の液体水素は蒸発器５において燃料電池２の廃熱で加熱され気化して水素ガスとなり、圧力水素タンク７に貯蔵される。圧力水素タンク７内の圧力が所定圧力になるように、液体水素タンク３から流出する水素の流量を水素ポンプ４によって制御する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体水素タンクから流出した水素をガス状で貯蔵し貯蔵した水素ガスを燃料電池に供給する圧力水素タンクと、
前記液体水素タンクから前記圧力水素タンクへ供給する水素の流量を制御する水素供給量制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の水素供給装置。
【請求項２】
前記圧力水素タンクの圧力に応じて前記水素供給量制御手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素供給装置。
【請求項３】
前記圧力水素タンクの圧力が所定圧力になるように前記水素供給量制御手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の水素供給装置。
【請求項４】
前記液体水素タンクの外部に液体水素の気化を促進させる蒸発器を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池の水素供給装置。
【請求項５】
前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷却回路を備え、この冷却回路を介して燃料電池の廃熱が前記蒸発器に供給されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の水素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体水素タンクから燃料電池に水素を供給する水素供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体水素タンクから燃料電池に水素を供給する水素供給装置としては、液体水素タンク内に蒸発器を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この水素供給装置では、燃料電池への水素供給量が増大したときには多くの水素を蒸発させるために蒸発器への供給熱量（例えば、電気ヒータ等により発生させる熱量）を増大制御し、燃料電池への水素供給量が減少したときには水素の蒸発量を低減するために蒸発器への供給熱量を減少制御する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１３０６９２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の水素供給装置は、燃料電池への水素供給量の増減に応じて蒸発器への供給熱量を制御する必要があり、これに起因して以下の問題が生じた。
燃料電池の出力増大要求があって水素の蒸発量を増大させる場合、供給熱量の増大に時間がかかるため、実際に水素供給量が増大するまでに応答遅れが生じる。
また、蒸発器への供給熱量を減少させて水素の蒸発量を低減させる場合、蒸発器の熱容量によって水素が必要以上に蒸発してしまい、余剰となった水素の処理を行う必要があった。
さらに、蒸発器が液体水素タンクの内部に設けられているため、蒸発器に熱を供給するための電気ヒータ用配線や加熱用配管等を液体水素タンクに貫通して設けなければならず、液体水素タンクの構造が複雑になった。
そこで、この発明は、構造が簡単で、応答性に優れ、余剰水素の処理も不要な燃料電池の水素供給装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、液体水素タンク（例えば、後述する実施の形態における液体水素タンク３）から流出した水素をガス状で貯蔵し貯蔵した水素ガスを燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）に供給する圧力水素タンク（例えば、後述する実施の形態における圧力水素タンク７）と、前記液体水素タンクから前記圧力水素タンクへ供給する水素の流量を制御する水素供給量制御手段（例えば、後述する実施の形態における水素ポンプ４、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４）と、を備えることを特徴とする燃料電池の水素供給装置（例えば、後述する実施の形態における水素供給装置１）である。
このように構成することにより、液体水素タンクから流出しガス状になった水素を圧力水素タンクに一旦貯蔵してから燃料電池に供給することができるので、燃料電池において消費される水素量が増大しそれに対して液体水素タンクから圧力水素タンクへの水素ガスの供給が遅れても、圧力水素タンクに貯蔵されている水素ガスを持ち出すことで燃料電池の要求水素量を満足させることができ、逆に、燃料電池において消費される水素量が減少しそれに対して液体水素タンクから圧力水素タンクへの水素ガスの供給が余剰になっても、その余剰の水素ガスを圧力水素タンクに貯蔵しておくことができる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記圧力水素タンクの圧力に応じて前記水素供給量制御手段を制御することを特徴とする。
このように構成することにより、圧力水素タンクの圧力を所望に制御することができる。
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記圧力水素タンクの圧力が所定圧力になるように前記水素供給量制御手段を制御することを特徴とする。
このように構成することにより、圧力水素タンクに貯蔵される水素ガス量を所定量に保持することができる。
【０００７】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記液体水素タンクの外部に液体水素の気化を促進させる蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器５）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、液体水素を蒸発器で積極的に気化させることができる。また、蒸発器を液体水素タンクの外部に設けているので、液体水素タンクの構造が簡単になる。
【０００８】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷却回路（例えば、後述する実施の形態における冷却回路１４）を備え、この冷却回路を介して燃料電池の廃熱が前記蒸発器に供給されることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の廃熱を蒸発器の熱源に利用して液体水素の気化促進を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の水素供給装置の一実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態では、水素供給装置を燃料電池自動車に搭載した態様で説明する。
図１に燃料電池の水素供給装置１の概略構成を示す。燃料電池２は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１０】
液体水素タンク３には液体水素が貯蔵されており、液体水素タンク３から流出した水素は水素供給流路１１を介して燃料電池２のアノードに供給される。一方、空気はコンプレッサ２０によって燃料電池２のカソードに供給される。
水素供給流路１１には、液体水素タンク３に近い側から順に、水素ポンプ４、蒸発器５、逆止弁６、圧力水素タンク７、開閉弁８が設けられている。
液体水素タンク３の液体水素は水素ポンプ４によって、液体水素タンク３の外部に設けられた蒸発器５に供給され、蒸発器５において気化されて水素ガスとなる。
【００１１】
なお、この実施の形態では、燃料電池２の廃熱を利用して液体水素の気化を促進させている。詳述すると、燃料電池２の冷却水通路２ａと蒸発器５の加熱管５ａは、冷却水ポンプ９を備えた第１冷却水流路１２と、ラジエター１０を備えた第２冷却水流路１３によって接続されており、冷却水通路２ａ、加熱管５ａ、第１冷却水流路１２、第２冷却水流路１３は、冷却水（冷媒）を燃料電池２と蒸発器５との間で循環する冷却回路１４を構成する。冷却水は、燃料電池２の冷却水通路２ａから第１冷却水流路１２を流通して蒸発器５の加熱管５ａに供給され、蒸発器５の加熱管５ａから第２冷却水流路１３を流通して燃料電池２の冷却水通路２ａに戻る。この間、冷却水は燃料電池２の発電に伴い発生する熱を奪って燃料電池２を冷却し、温度上昇した冷却水は蒸発器５において液体水素に熱を奪われて冷却され、さらにラジエター１０において冷却される。その結果、蒸発器５では冷却水によって液体水素が加熱され、液体水素の気化が促進される。
【００１２】
蒸発器５から流出した水素ガスは逆止弁６を通って圧力水素タンク７に供給される。逆止弁６は蒸発器５から圧力水素タンク７に向かって流体が流通するのを許可し、その逆の方向への流体の流通を阻止する弁である。逆止弁６は内蔵されたスプリングによって所定の開弁圧に設定されており、逆止弁６はその上流と下流との差圧がこの開弁圧以上になったときに開いて蒸発器５から圧力水素タンク７に向けて水素ガスを流通させる。
逆止弁６を流通した水素ガスは圧力水素タンク７に一旦貯蔵され、燃料電池２の要求水素量に応じて、圧力水素タンク７に貯蔵された水素ガスが開閉弁８を介して燃料電池２に供給される。圧力水素タンク７には圧力水素タンク７内の圧力を検出するタンク圧センサ２１が設けられている。
【００１３】
ところで、圧力水素タンク７内の圧力は、圧力水素タンク７の耐圧限界値と、燃料電池２に供給するために最低限必要な圧力値（以下、ＦＣ供給圧限界値という）の間に制御する必要がある。そこで、この水素供給装置１では、前記耐圧限界値と前記ＦＣ供給圧限界値の間で、タンク圧上限値ＰＨとタンク圧下限値ＰＬを設定し、圧力水素タンク７内の圧力がタンク圧上限値ＰＨを越えたときには、蒸発器５に供給する液体水素量を減少させることによって蒸発器５における水素ガス発生量を減少させ、圧力水素タンク７への水素ガス供給量を減少させて圧力水素タンク７内の圧力上昇を抑制し、圧力水素タンク７内の圧力がタンク圧下限値ＰＬより下回ったときには、蒸発器５に供給する液体水素量を増大させることによって蒸発器５における水素ガス発生量を増大させ、圧力水素タンク７への水素ガス供給量を増大させて、圧力水素タンク７内の圧力低下を防止するようにしている。
【００１４】
また、蒸発器５への液体水素供給量の制御は、タンク圧センサ２１の出力信号に基づいて電子制御装置（ＥＣＵ）２２が水素ポンプ４を制御することよって実行される。
蒸発器５への液体水素供給量制御を図２のフローチャートを参照して説明する。なお、この制御ルーチンは一定時間毎にＥＣＵ２２により実行される。
まず、タンク圧センサ２１で検出された圧力水素タンク７内の圧力（以下、タンク内圧力と略す）がタンク圧上限値ＰＨを越えているか否か判定する（ステップＳ１０１）。
【００１５】
タンク内圧力がタンク圧上限値ＰＨを越えていると判定された場合には、液体水素供給量を減少させるように水素ポンプ４を制御して（ステップＳ１０２）、本ルーチンの実行を一旦終了する。
タンク内圧力がタンク圧上限値ＰＨ以下と判定された場合には、タンク内圧力がタンク圧下限値ＰＬよりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
【００１６】
タンク内圧力がタンク圧下限値ＰＬ以上であると判定された場合には、液体水素供給量を現状維持させて、本ルーチンの実行を一旦終了する。
これに対して、タンク内圧力がタンク圧下限値ＰＬよりも低いと判定された場合には、液体水素供給量を増大させるように水素ポンプ４を制御して（ステップＳ１０４）、本ルーチンの実行を一旦終了する。
なお、この実施の形態においては、ＥＣＵ２２により実行されるステップＳ１０１〜Ｓ１０４の一連の処理、および水素ポンプ４によって、水素供給量制御手段が実現される。
【００１７】
このように液体水素供給量を制御したときの圧力水素タンク７内の圧力変化の様子を図３に示す。
燃料電池２の要求水素量（以下、ＦＣ要求水素量と略す）が一定だった状態から、時間ｔ１でＦＣ要求水素量が増大した場合、タンク内圧力が時間ｔ１から急激に減少する。そして、時間ｔ２においてタンク内圧力がタンク圧下限値ＰＬを下回ると、水素ポンプ４による液体水素供給量増大制御が実行され、その結果、蒸発器５への液体水素供給量が徐々に増大していく。蒸発器５への液体水素供給量が増大してから蒸発器５において液体水素の気化量が増大するまでには若干の時間遅れがあるので、時間ｔ２を経過しても若干の間はタンク内圧力は減少を続けるが、その後、徐々に圧力を上昇させていく。そして、時間ｔ３でタンク内圧力がタンク圧下限値ＰＬまで回復すると、水素ポンプ４による液体水素供給量増大制御を終了する。その後は、増大制御終了時の供給量を維持して一定供給量で液体水素が蒸発器５に供給される。
【００１８】
そして、時間ｔ４でＦＣ要求水素量が減少すると、タンク内圧力が徐々に上昇していき、時間ｔ５においてタンク圧上限値ＰＨを越えると、水素ポンプ４による液体水素供給量減少制御が実行され、その結果、蒸発器５への液体水素供給量が徐々に減少していく。蒸発器５への液体水素供給量が減少してから蒸発器５において液体水素の気化量が減少するまでには若干の時間遅れがあるので、時間ｔ５を経過しても若干の間はタンク内圧力は上昇を続けるが、その後、徐々に圧力を低下させていく。そして、時間ｔ６でタンク内圧力がタンク圧上限値ＰＨまで低下すると、水素ポンプ４による液体水素供給量減少制御を終了する。その後は、減少制御終了時の供給量を維持して一定供給量で液体水素が蒸発器５に供給される。
このように蒸発器５への液体水素供給量を制御することにより、圧力水素タンク７内の圧力を耐圧限界値とＦＣ供給圧限界値の範囲内に確実に制御することができる。その結果、圧力水素タンク７に貯蔵される水素ガス量を常に所定範囲に保持することができる。
【００１９】
この水素供給装置１によれば、液体水素タンク３から流出した液体水素を蒸発器５で気化して水素ガスとし、この水素ガスを圧力水素タンク７に一旦貯蔵してから燃料電池２に供給しており、且つ、タンク内圧力がＦＣ供給圧限界値以上に保持されるので、燃料電池２において消費される水素量が増大しそれに対して液体水素タンク３から圧力水素タンク７への水素ガスの供給が遅れても、圧力水素タンク７に貯蔵されている水素ガスを持ち出すことで燃料電池２の要求水素量を満足させることができるので、燃料電池２への水素供給の応答性が向上する。また、燃料電池２において消費される水素量が減少しそれに対して液体水素タンク３から圧力水素タンク７への水素ガスの供給が余剰になっても、その余剰の水素ガスを圧力水素タンク７に貯蔵しておくことができるので、余剰水素に対する特別な処理が不要で、ガス化した水素を無駄なく有効利用することができる。
【００２０】
また、この水素供給装置１によれば、蒸発器５を液体水素タンク３の外部に設けているので、液体水素タンク３の内部に液体水素加熱手段を設ける必要もなく、液体水素タンク３の構造が簡単になる。しかも、液体水素を蒸発器５で積極的に気化させることができるので、燃料電池２の要求水素量の増大に対して水素ガスを迅速に増大させて圧力水素タンク７に供給することができる。
さらに、この水素供給装置１によれば、液体水素の気化を促進するための熱源に燃料電池２の廃熱を利用しているので、液体水素の気化促進のための新たな熱源が不要になり、装置を簡略化することができる。
【００２１】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では液体水素の気化促進の熱源に燃料電池の廃熱を利用しているが、燃料電池の廃熱を用いる代わりに電気ヒータ等の加熱手段を用いることも可能である。
また、前述した実施の形態では、水素供給量制御手段として水素ポンプを用いたが、例えば、蒸発器へ供給される熱量を制御することで、圧力水素タンクへ供給される水素の流量、圧力を制御することもできる。
さらに、圧力水素タンク内の圧力に応じて水素供給量制御手段を制御すればよく、圧力水素タンクの圧力に応じて水素ポンプの回転数を予め設定しておいたマップなどを備えていてもよい。その場合には、圧力水素タンクの圧力が高いほど水素ポンプの回転数が低くなるように設定しておくことが好ましい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池において消費される水素量が増大しそれに対して液体水素タンクから圧力水素タンクへの水素ガスの供給が遅れても、圧力水素タンクに貯蔵されている水素ガスを持ち出すことで燃料電池の要求水素量を満足させることができるので、燃料電池への水素供給の応答性が向上するという優れた効果が奏される。一方、燃料電池において消費される水素量が減少しそれに対して液体水素タンクから圧力水素タンクへの水素ガスの供給が余剰になっても、その余剰の水素ガスを圧力水素タンクに貯蔵しておくことができるので、余剰水素に対する特別な処理が不要で、ガス化した水素を無駄にせず有効利用することができるという優れた効果が奏される。
【００２３】
請求項２に係る発明によれば、圧力水素タンクの圧力を所望に制御することができる。
請求項３に係る発明によれば、圧力水素タンクに貯蔵される水素ガス量を所定量に保持することができるので、燃料電池への水素供給量増大に対する応答性がさらに向上する。
【００２４】
請求項４に係る発明によれば、液体水素を蒸発器で積極的に気化させることができるので、燃料電池の要求水素量の増大に対して水素ガスを迅速に増大させて圧力水素タンクに供給することができる。また、蒸発器を液体水素タンクの外部に設けているので、液体水素タンクの構造が簡単になる。
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の廃熱を蒸発器の熱源に利用して液体水素の気化促進を図ることができるので、液体水素の気化促進のための新たな熱源が不要になり、装置を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池の水素供給装置における一実施の形態の概略構成図である。
【図２】前記実施の形態における水素供給装置の液体水素供給量制御を示すフローチャートである。
【図３】前記液体水素供給量制御実行時の圧力水素タンク内の圧力変化を示す図である。
【符号の説明】
１  水素供給装置
２  燃料電池
３  液体水素タンク
４  水素ポンプ（水素供給量制御手段）
５  蒸発器
７  圧力水素タンク
１４  冷却回路
Ｓ１０１〜Ｓ１０４  水素供給量制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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