(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された燃料タンクに水素を充填する水素ステーションであって、
前記燃料タンクへの充填以外の目的で放出される水素ガスを燃料に用いて発電する燃料電池を有し、前記燃料電池で発電した電力が前記水素ステーションにおける電気負荷又は蓄電装置に供給されるように構成され、
前記水素ステーションは、前記燃料タンクに着脱可能に装着される充填ノズルと、前記充填ノズルに高圧水素ガスを供給するための水素ガス配管と、前記水素ガス配管内の水素ガスを外部に放出するための水素ガス放出管と、を含み、
前記燃料電池は、前記燃料タンクへの水素ガスの充填後に前記充填ノズルの水素ガス供給方向における上流側を減圧するために実施される脱圧処理時に前記水素ガス放出管から放出される水素ガスを燃料に用いる、
水素ステーション。
【請求項２】
車両に搭載された燃料タンクに水素を充填する水素ステーションであって、
前記燃料タンクへの充填以外の目的で放出される水素ガスを燃料に用いて発電する燃料電池を有し、前記燃料電池で発電した電力が前記水素ステーションにおける電気負荷又は蓄電装置に供給されるように構成され、
前記水素ステーションは、液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵タンクを含み、
前記燃料電池は、前記液体水素貯蔵タンク内で気化して前記液体水素貯蔵タンクから放出される水素ガスを燃料に用いる、
水素ステーション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両（例えば燃料電池車）に搭載された燃料タンクに水素を充填するための水素ステーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガソリン車に代わる環境負荷の小さい自動車として、水素を燃料とする燃料電池車が注目されている。前記燃料電池車の燃料タンクへの水素の供給は、通常、水素ステーションにおいて行われる。前記水素ステーションには、他の場所で製造された水素が輸送されるオフサイト型水素ステーションと、その場で水素を製造するオンサイト型ステーションがある。また、オフサイト型とオンサイト型の両方の機能を備えた水素ステーションも知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２０２６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記水素ステーションの多くは、高圧水素ガスを貯蔵する蓄圧器を有し、前記燃料タンクに装着される充填ノズルを用いて前記蓄圧器に貯蔵された水素ガスを前記燃料タンクに充填するように構成されている。そして、このような水素ステーションにおいては、前記燃料タンクへの水素ガスの充填後、前記充填ノズルを前記燃料タンクから取り外す前に、いわゆる脱圧が行われて所定量の水素ガスが大気中に放出される。
【０００５】
前記脱圧は前記燃料タンクに水素ガスを充填する毎に行われるため、大気中に放出される水素ガスの量は少なくない。このため、前記脱圧時に放出される水素ガスを有効に利用することが求められている。また、水素ガスは可燃性ガスであるため、放出される水素ガスの量（濃度）はできるだけ少ない（低い）ほうが好ましい。なお、これらのことは、前記脱圧時に放出される水素ガスに限るものではなく、前記水素ステーションにおいて大気中に放出される水素ガス（水素を主成分とする、いわゆる水素リッチガスを含む）について共通するものである。
【０００６】
そこで、本発明は、このような課題に対処し得る水素ステーションを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面によると、車両に搭載された燃料タンクに水素を充填する水素ステーションは、前記燃料タンクへの充填以外の目的で放出される水素ガスを燃料に用いて発電する燃料電池を有し、前記燃料電池で発電した電力が前記水素ステーションにおける電気負荷又は蓄電装置に供給されるように構成されている。ここで、前記水素ステーションは、前記燃料タンクに着脱可能に装着される充填ノズルと、前記充填ノズルに高圧水素ガスを供給するための水素ガス配管と、前記水素ガス配管内の水素ガスを外部に放出するための水素ガス放出管と、を含み、前記燃料電池は、前記燃料タンクへの水素ガスの充填後に前記充填ノズルの水素ガス供給方向における上流側を減圧するために実施される脱圧処理時に前記水素ガス放出管から放出される水素ガスを燃料に用いる。あるいは、前記水素ステーションは、液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵タンクを含み、前記燃料電池は、前記液体水素貯蔵タンク内で気化して前記液体水素貯蔵タンクから放出される水素ガスを燃料に用いる。
【発明の効果】
【０００８】
前記水素ステーションによれば、前記燃料タンクへの充填以外の目的で放出される水素ガスの有効利用が図れると共に、前記水素ステーションの安全性をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による水素ステーションの概略構成を示す図である。
【図２】第１変形例による水素ステーションの概略構成を示す図である。
【図３】第２変形例による水素ステーションの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による水素ステーション１Ａの概略構成を示している。本実施形態による水素ステーション１Ａは、主に燃料電池車２０などの水素を燃料とする車両に搭載された燃料タンク２０ａに水素ガスを充填するための設備である。水素ステーション１Ａは、いわゆるオンサイト型水素ステーション及びオフサイト型ステーションのいずれでもあり得る。
【００１１】
図１に示すように、水素ステーション１Ａは、圧縮機２と、蓄圧器３と、圧縮機２と蓄圧器３とを接続する接続管４と、充填ノズル５と、一端が蓄圧器３に接続されると共に他端が充填ホース６を介して充填ノズル５に接続された水素ガス供給管７と、水素ガス供給管７の途中から分岐した水素ガス放出管８と、制御装置９と、を有する。
【００１２】
圧縮機２は、図示省略した水素供給源から供給される水素ガスを所定圧力に昇圧する。圧縮機２は、その稼働時に、接続管４に配設された第１開閉弁３１及び第２開閉弁３２が開かれることによって高圧水素ガスを蓄圧器３に供給する。前記水素供給源は、圧縮機２に水素ガスを供給できるものであればよく、特に制限されないが、例えば、水素ガスを貯蔵した水素ガス貯蔵容器、水素ガスを製造する水素製造装置、液体水素を気化させて供給する水素供給装置である。前記水素ガス貯蔵容器は、水素カードルや水素トレーラーなどであり得る。前記水素製造装置は、脱硫ガソリンやエタノールなどの燃料を改質して水素を製造する改質装置やメチルシクロヘキサンなどの有機ハイドライドから水素を取り出す脱水素装置などの水素製造装置などであり得る。前記水素供給装置は、例えば液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵容器（タンク）と気化器とを有して構成される。
【００１３】
蓄圧器３は、圧縮機２で昇圧されて接続管４を介して供給される水素ガス（高圧水素ガス）を貯蔵する。なお、図１には、蓄圧器３が一つしか示されていないが、水素ステーション１Ａが複数の蓄圧器３を有してもよいことはもちろんである。
【００１４】
充填ノズル５は、燃料タンク２０ａに着脱可能に構成されている。充填ノズル５は、燃料タンク２０ａに水素ガスを充填する際に燃料タンク２０ａに装着されて、蓄圧器３から水素ガス供給管７及び充填ホース６を介して供給される水素ガスを燃料タンク２０ａに充填する。
【００１５】
水素ガス供給管７は、主に蓄圧器３内の高圧水素ガスを充填ノズル４に供給するための配管である。水素ガス供給管７には、蓄圧器３に接続される前記一端から前記他端（充填ホース６との接続端）に向かって、換言すれば、水素ガス供給方向における上流側から順に、第３開閉弁３３、流量調整弁３４、ガス流量計３５、第４開閉弁３６、プレクーラー３７及び第５開閉弁３８が配設されている。プレクーラー３７は、水素ガス供給管７を流通する水素ガスを冷却する装置であり、例えば、水素ガス供給管７を流通する水素ガスと冷媒との熱交換を行う熱交換器３７ａと、前記冷媒を冷却して循環させる冷凍機３７ｂとを含む。したがって、燃料タンク２０ａに充填される水素ガスは、プレクーラー３７によってあらかじめ冷却される。
【００１６】
水素ガス放出管８は、水素ガス供給管７内の水素ガスを外部に放出するための配管である。本実施形態において、水素ガス放出管８は、水素ガス供給管７の第５開閉弁３８と前記他端（充填ホース６との接続端）との間の部位から分岐している。また、水素ガス放出管８には水素ガスを放出する際に開弁される放出弁３９が配設されている。
【００１７】
制御装置９は、水素ステーション１Ａの主な構成要素、例えば、圧縮機２、第１〜５開閉弁３１〜３３，３６，３８、流量制御弁３４、プレクーラー３７（冷凍機３７ｂ）、放出弁３９を制御する。
【００１８】
水素ステーション１Ａにおいて燃料電池車２０の燃料タンク２０ａに水素ガスを充填する場合には、まずオペレータ等が充填ノズル５を燃料タンク２０ａに装着し、その後、充填ノズル５の近傍に配置された図示省略の入力部、例えば、充填ノズル５を含むディスペンサーの入力部に充填開始指令を入力する。すると、制御装置９は、前記充填開始指令に基づいて第３〜第５開閉弁３３，３６，３８を開く。これにより、蓄圧器３内の（高圧の）水素ガスが蓄圧器３と燃料タンク２０ａとの差圧によって水素ガス供給管７、充填ホース６及び充填ノズル５を介して燃料タンク２０ａに充填される。その際、制御装置９は、流量制御弁３４を制御して水素ガス供給管７を流通する水素ガスの流量を調整することができる。その後、制御装置９は、例えばガス流量計３５の出力が所定値以下となると、燃料タンク２０ａへの水素ガスの充填が終了したと判断する。
【００１９】
制御装置９は、燃料タンク２０ａへの水素ガスの充填が終了したと判断すると、主に充填ノズル５を燃料タンク２０ａから安全に取り外すため、充填ノズル５の前記水素ガス供給方向における上流側を減圧する脱圧処理を実施する。具体的には、制御装置９は、第３〜第５開閉弁３３，３６，３８を閉じると共に放出弁３９を開く。これにより、第５開閉弁３８から充填ノズル４までの間に滞留している水素ガス、すなわち、水素ガス供給管７及び充填ホース６に残留した水素ガスが、水素ガス放出管８から外部に放出され、充填ノズル５の前記水素ガス供給方向における上流側が減圧される。そして、制御装置９は、例えば放出弁３９を開いてから（前記脱圧処理の開始から）所定時間が経過すると、放出弁３９を閉じる。これにより、前記脱圧処理が終了する。
【００２０】
前記脱圧処理が終了すると、制御装置９は、その旨をオペレータ等に知らせるため、充填ノズル５の近傍に配置された図示省略の表示部、例えば前記ディスペンサーの表示部に燃料タンク２０ａへの水素ガスの充填が完了したことを表示する。そして、オペレータ等は、前記表示部によって燃料タンク２０ａへの水素ガスの充填が完了したことを確認して充填ノズル５を燃料タンク２０ａから取り外す。
【００２１】
また、制御装置９は、例えば蓄圧器３内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ（図示省略）の出力に基づき蓄圧器３に対する水素ガスの充填を行う。例えば、制御装置９は、前記圧力センサの出力が第１所定値以下となると、前記水素供給源から圧縮機２への水素ガスの供給を開始し、圧縮機２を駆動し、第１開閉弁３１及び第２開閉弁３２を開く。これにより、圧縮機２で昇圧された（高圧の）水素ガスが蓄圧器３に充填される。そして、制御装置９は、例えば前記圧力センサの出力が第２所定値（＞前記第１所定値）を超えると、前記水素供給源から圧縮機２への水素ガスの供給を終了し、圧縮機２を停止させ、第１開閉弁３１及び第２開閉弁３２を閉じる。これにより、蓄圧器３に対する水素ガスの充填が終了する。
【００２２】
ところで、水素ステーション１Ａにおいては、上述のように、燃料タンク２０ａに水素ガスを充填する毎に実施される前記脱圧処理によって、所定量の水素ガスが水素ガス放出管８から放出される。そこで、本実施形態において、水素ステーション１Ａは、前記脱圧処理時に放出される水素ガスを有効に利用すると共に、水素ステーション１における安全性をより高めるため、さらに燃料電池ユニット１０を有している。
【００２３】
本実施形態において、燃料電池ユニット１０は、燃料電池スタック１１と、燃料ガス供給管１２と、空気供給装置１３と、蓄電装置１４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５と、インバータ１６と、ユニットコントローラ１７と、を含む。なお、ここで説明される燃料電池ユニット１０の構成は一例にすぎず、燃料電池ユニット１０の構成は適宜変更し得る。
【００２４】
燃料電池スタック１１は、水素ガスを燃料に用いて発電する発電装置である。本実施形態においては、水素ガス放出管８から放出される水素ガス（燃料ガス）が燃料ガス供給管１２を介して燃料電池スタック１１に供給されると共に、空気供給装置１３によって空気（酸化剤ガス）が燃料電池スタック１１に供給されるように構成されている。すなわち、燃料電池スタック１１は、水素ガス放出管８から放出される水素ガスを燃料に用いて発電するように構成されている。なお、ここでは水素ガス放出管８が燃料ガス供給管１２に接続されているが、水素ガス放出管８が燃料ガス供給管１２を構成してもよい。
【００２５】
空気供給装置１３は、空気供給管１３１、空気圧縮機１３２及び加湿器１３３を含み、外部の空気を空気圧縮機１３１で圧縮（昇圧）し、加湿器１３２で加湿して燃料電池スタック１１に送り込むように構成されている。
【００２６】
蓄電装置１４は、燃料電池スタック１１で発電した電力を蓄えるための装置である。蓄電装置１４は、特に制限されるものではないが、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などであり得る。
【００２７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、昇圧機能及び降圧機能を有した双方向性の電力変換装置である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、例えば、燃料電池スタック１１の発電電力を蓄電装置１４の充電に適した電圧に調整したり、蓄圧装置１３の出力電圧を水素ステーション１Ａにおける電気負荷ＥＬの駆動に適した電圧に調整したりすることが可能である。ここで、電気負荷ＥＬは、電力で作動する装置等であればよく、特に制限されないが、水素ステーション１Ａの主な構成要素、例えば、圧縮機２、制御装置９、プレクーラー３７、前記水素製造装置及び前記水素供給装置の少なくとも一つや、水素ステーション１Ａに設置された各種の電気機器であり得る。
【００２８】
インバータ１６は、燃料電池スタック１１の発電した電力又は蓄電装置１３から出力された直流電力を交流電流に変換して電気負荷ＥＬに供給する。
【００２９】
ユニットコントローラ１７は、通信線（図示省略）を介して制御装置９に接続されている。ユニットコントローラ１７は、主に空気供給装置１３（空気圧縮機１３１，加湿器１３２）、蓄電装置１４、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５及びインバータ１６を制御する。
【００３０】
例えば、ユニットコントローラ１７は、制御装置９から放出弁３９が開かれたこと（すなわち、前記脱圧処理が開始されたこと）を示す信号を受信すると、空気圧縮機１３１及び加湿器１３２を駆動して燃料電池スタック１１に空気を供給する。そして、ユニットコントローラ１７は、制御装置９から放出弁３９が閉じられたこと（すなわち、前記脱圧処理が終了したこと）を示す信号を受信すると、空気圧縮機１３２及び加湿器１３２を停止して燃料電池スタック１１への空気の供給を停止する。また、ここでの詳細な説明は省略するが、ユニットコントローラ１７は、制御装置９から例えば電気負荷ＥＬの動作状態を示す信号や水素ステーション１Ａにおける電力需要を示す信号などを受信して、蓄電装置１４、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５及び／又はインバータ１６を制御するように構成されてもよい。この場合、水素ステーション１Ａの稼働状況等に応じて、蓄電装置１４の電力が電気負荷ＥＬに供給され及び／又は燃料電池スタック１１の発電電力が調整され得る。
【００３１】
本実施形態による水素ステーション１Ａは、前記脱圧処理時に水素ガス放出管８から放出される水素ガスを燃料に用いて発電する燃料電池スタック１１を有する。そして、水素ステーション１Ａは、燃料電池スタック１１で発電された電力が水素ステーション１Ａにおける電気負荷ＥＬ又は蓄電装置１４に供給されるように構成されている。このため、前記脱圧処理時に放出される水素ガスの有効利用を図ることができ、また、大気中に放出される水素ガスの量（濃度）が低減されて水素ステーション１Ａの安全性をより高めることができる。ここで、さらに安全性を高めるため、図１中に一点鎖線で示すように、燃料電池スタック１１から排出される燃料オフガスに窒素ガスを混入させるようにしてもよい。
【００３２】
なお、上述の実施形態において、燃料電池スタック１１は前記脱圧処理時に水素ガス放出管８から放出される水素ガスを燃料に用いて発電するように構成されている。しかし、これに限るものではない。燃料電池スタック１１は、水素ステーションにおいて前記燃料タンクへの充填以外の目的、例えば安全性の確保や機能低下の抑制のために放出される水素ガスを燃料に用いて発電するように構成されていればよい。以下に上述の実施形態の変形例としていくつか説明する。なお、以下においては上述の実施形態と同じ構成要素については同じ符号を用いてその説明は省略する。
【００３３】
（変形例１）
図２は、第１変形例による水素ステーション１Ｂの概略構成を示している。上述の実施形態による水素ステーション１Ａとの主な相違は、第１変形例による水素ステーション１Ｂにおいては、前記水素供給源として水素製造装置５１が用いられ、水素製造装置５１から放出される水素ガスが燃料ガス供給管５２を介して燃料電池スタック１１に供給されることである。すなわち、第１変形例による水素ステーション１Ｂにおいて、圧縮機２には水素製造装置５１で製造された水素ガスが供給されると共に、燃料電池スタック１１は、調整運転中や運転中の水素製造装置５１から放出される水素ガスを燃料に用いて発電するように構成されている。
【００３４】
第１変形例による水素ステーション１Ｂにおいては、水素製造装置５１と燃料電池スタック１１とを接続する燃料ガス供給管５２の途中に放出弁５３が配置され、この放出弁５３は例えば水素製造装置５１の制御装置５４によって制御される。制御装置５４は通信線（図示省略）を介してユニットコントローラ１７に接続されている。そして、ユニットコントローラ１７は、例えば制御装置５４から放出弁５３が開かれたことを示す信号を受信すると、空気圧縮機１３１及び加湿器１３２を駆動して燃料電池スタック１１に空気を供給する。その後、ユニットコントローラ１７は、例えば制御装置５４から放出弁５３が閉じられたことを示す信号を受信すると、空気圧縮機１３２及び加湿器１３２を停止して燃料電池スタック１１への空気の供給を停止する。
【００３５】
なお、図示省略するが、水素ステーション１Ｂにおいて、水素ガス放出管８から放出される水素ガスと水素製造装置５１から放出される水素ガスとが選択的に燃料電池スタック１１に供給されてもよい。例えば、水素ステーション１Ｂにおいて、水素ガス放出管８が燃料ガス供給管５２に接続されると共にその接続部に管路切替弁が配設され、前記管路切替弁がユニットコントローラ１７によって制御されるように構成する。この場合、燃料電池スタック１１は、前記脱圧処理時においては水素ガス放出管８から放出される水素ガスを燃料に用いて、水素製造装置５１の調整運転中や運転中においては水素製造装置５１から放出される水素ガスを燃料に用いて発電することができる。
【００３６】
（第２変形例）
図３は、第２変形例による水素ステーション１Ｃの概略構成を示している。上述の実施形態による水素ステーション１Ａとの主な相違は、第２変形例による水素ステーション１Ｃにおいては、前記水素供給源として液体水素貯蔵タンク６１と気化器６２とを有した水素供給装置６３が用いられ、液体水素貯蔵タンク６１から放出される水素ガスが燃料ガス供給管６４を介して燃料電池スタック１１に供給されることである。すなわち、第２変形例による水素ステーション１Ｃにおいて、圧縮機２には気化器６２で気化された水素ガスが供給されると共に、燃料電池スタック１１は、液体水素貯蔵タンク６１内において気化して液体水素貯蔵タンク６１から放出される水素ガスを燃料に用いて発電するように構成されている。
【００３７】
第２変形例による水素ステーション１Ｃにおいては、液体水素貯蔵タンク６１と燃料電池スタック１１とを接続する燃料ガス供給管６４の途中に放出弁６５が配置され、この放出弁６５は例えば水素供給装置６３の制御装置６６によって制御される。制御装置６６は通信線（図示省略）を介してユニットコントローラ１７に接続されている。そして、ユニットコントローラ１７は、例えば制御装置６６から放出弁６５が開かれたことを示す信号を受信すると、空気圧縮機１３１及び加湿器１３２を駆動して燃料電池スタック１１に空気を供給する。その後、ユニットコントローラ１７は、例えば制御装置６６から放出弁６５が閉じられたことを示す信号を受信すると、空気圧縮機１３２及び加湿器１３２を停止して燃料電池スタック１１への空気の供給を停止する。
【００３８】
なお、図示省略するが、水素ステーション１Ｃにおいて、水素ガス放出管８から放出される水素ガスと液体水素貯蔵タンク６１から放出される水素とが選択的に燃料電池スタック１１に供給されてもよい。例えば、水素ステーション１Ｃにおいて、水素ガス放出管８が燃料ガス供給管６４に接続されると共にその接続部に管路切替弁が配設され、前記管路切替弁がユニットコントローラ１７によって制御されるように構成する。この場合、燃料電池スタック１１は、前記脱圧処理時においては水素ガス放出管８から放出される水素ガスを燃料に用いて、液体水素貯蔵タンク６１からの水素ガス放出時においては液体水素貯蔵タンク６１から放出される水素ガスを燃料に用いて発電することができる。
【００３９】
また、水素ステーション１Ａ〜１Ｃでは、燃料タンク２０ａに水素ガスを充填するようにしているが、本発明は、液体水素燃料電池車に液体水素を直接供給する水素ステーションにも適用可能である。このような水素ステーションは、通常、液体水素貯蔵タンクを有しているので、第２変形例による水素ステーション１Ｃと同様に、燃料電池スタック１１が前記液体水素貯蔵タンク内において気化して前記液体水素貯蔵タンクから放出される水素ガスを燃料に用いて発電するように構成すればよい。
【００４０】
なお、上述の実施形態及びその変形例において、水素ステーション１Ａ〜１Ｃは燃料電池車２０に搭載された燃料タンク２０ａに水素を充填している。しかし、これに限るものではなく、水素ステーション１Ａ〜１Ｃは、燃料電池車２０だけではなく、水素を燃料とする水素燃料車（レシプロエンジン車やロータリエンジン車などを含む）に搭載された燃料タンクに水素を充填可能であることはもちろんである。
【００４１】
以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態やその変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、種々の改良や変更が可能であることは当然である。
【符号の説明】
【００４２】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…水素ステーション、２…圧縮機、３…蓄圧器、５…充填ノズル、７…水素ガス供給管、８…水素ガス放出管、９…制御装置、１０…燃料電池ユニット、１１…燃料電池スタック、１２…燃料ガス供給管、１３…空気供給装置、１４…蓄電装置、５１…水素製造装置、３９…放出弁、５２…燃料ガス供給管、５３…放出弁、６１…水素供給装置、６２…液体水素貯蔵タンク、６３…気化器、６４…燃料ガス供給管、６５…放出弁、ＥＬ…電気負荷
【図１】
0006353406.tif 000002
【図２】
0006353406.tif 000003
【図３】
0006353406.tif 000004