(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素供給対象物に水素を供給するための水素供給装置において、
水を電気分解させることによって水素を発生させるための水電解スタックと、
この水電解スタックが発生させた水素を一時的に溜めるバッファタンクと、
このバッファタンクに一時的に溜められた水素を、前記水素供給対象物に導くための流量調節可能なバルブと、
このバルブを通過する水素の流量、及び、前記バッファタンク内の圧力に基づいて前記バルブの弁開度を調整し、前記バルブを通過する水素の流量を制御する制御手段と、を有し、
前記水電解スタックが水素を発生させながら、水素が連続的に前記水素供給対象物に供給されることを特徴とする水素供給装置。
【請求項２】
前記制御手段は、さらに、前記水電解スタックが発生させる水素の量を制御することを特徴とする請求項１記載の水素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素供給対象物、例えば、燃料電池の水素吸蔵合金に水素を供給するための水素供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、実用化が進んでいる燃料電池は、燃料である水素を反応させることによって電力を発生させている。従って、燃料電池に水素を補給するためには、燃料電池の水素吸蔵合金に水素を供給する必要がある。従来、燃料電池等の水素供給対象物に水素を供給するために水素ボンベ等が使用されてきた。即ち、まず、オフガスの回収、天然ガスの改質、あるいは水を電気分解することにより水素を発生させ、水素を水素ボンベ等に収容して準備する。次いで、燃料電池に水素を補給する際に、水素ボンベに燃料電池を連結し、水素ボンベのバルブを開き、燃料電池の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発生させた水素を一旦、水素ボンベに収容し、その水素を燃料電池に吸蔵させると、水素補給に要する時間が長くなってしまうという問題がある。また、発生させた大量の水素をボンベに収容しておくことには、水素爆発事故の潜在的な危険があるという問題がある。さらに、水素ガスを完全に密封しておくことは困難であるため、大量の水素をボンベに収容しておくと、水素が少しずつ外気に漏れ、発生させた水素が無駄になるという問題がある。
【０００４】
一方、水電解スタックが発生させた水素を、直接、燃料電池に供給すると、水電解スタック内の圧力変動が大きくなり、水電解スタックのトラブルの原因となるという問題がある。
【０００５】
従って、本発明は、水電解スタックから水素供給対象物に直接、水素を供給することができ、水電解スタック内の圧力変動を抑えることができる水素供給装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、水素供給対象物に水素を供給するための水素供給装置において、水を電気分解させることによって水素を発生させるための水電解スタックと、この水電解スタックが発生させた水素を一時的に溜めるバッファタンクと、このバッファタンクに一時的に溜められた水素を、水素供給対象物に導くための流量調節可能なバルブと、このバルブを通過する水素の流量、及び、バッファタンク内の圧力に基づいてバルブの弁開度を調整し、バルブを通過する水素の流量を制御する制御手段と、を有し、水電解スタックが水素を発生させながら、水素が連続的に水素供給対象物に供給されることを特徴としている。
【０００７】
このように構成された本発明においては、水電解スタックが水を電気分解することによって水素を発生させる。発生した水素は、バッファタンク、及び流量調節可能なバルブを介して、連続的に燃料電池等の水素供給対象物に導かれる。また、制御手段は、バルブを通過する水素の流量、及び、バッファタンク内の圧力に基づいてバルブの弁開度を調整し、バルブを通過する水素の流量を制御する
本発明によれば、水電解スタックが発生させた水素を、タンクに溜めることなく、連続的に水素供給対象物に導くことができる。また、本発明によれば、水素供給対象物に供給される水素の圧力、又は、水電解スタック内の水素の圧力変動を抑制することができる。
【０００８】
また、本発明の水素供給装置は、制御手段が、さらに、水電解スタックが発生させる水素の量を制御するように構成しても良い。
このように構成された本発明によれば、水素供給対象物に供給される水素の圧力、又は、水電解スタック内の水素の圧力変動を更に抑制することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。まず、図１乃至図３を参照して、本発明の第１実施形態による水素供給装置を説明する。図１は、本実施形態による水素供給装置のブロック図である。本発明の第１実施形態による水素供給装置１は、水を電気分解させることにより水素を発生させるための水電解スタック２と、水電解スタック２によって発生させた水素から液体成分を除去するための気液分離機４と、気液分離機４を通過した水素からドレンを分離するためのドレンタンク６と、ドレンタンク６を通過した水素から不純物を除去するためのＰｄ（パラジウム）触媒槽８と、Ｐｄ触媒槽８を通過した水素を除湿するための除湿器１０（例えば、ＴＳＡ（Temperature Swing Absorption））とを有する。
【００１３】
また、水素供給装置１は、除湿器１０の出口側に取付けられた第１バルブ１２と、第１バルブ１２を通過した水素を一時的に溜めるためのバッファタンク１４と、バッファタンク１４の出口側に取付けられた第２バルブ１６と、を有し、水素吸蔵合金側の装置に備えられたバルブＶを介して燃料電池の水素吸蔵合金Ａに水素を供給する。さらに、水素供給装置１は、バッファタンク１４内の圧力に基づいて水電解スタック２による水素発生量を制御し、第２バルブ１６を通過する水素の流量に基づいて第２バルブ１６の弁開度を制御するための制御装置１８を有する。
【００１４】
水電解スタック２、気液分離機４、ドレンタンク６、Ｐｄ触媒槽８、除湿器１０、及び、第１バルブ１２には、適用に合わせて任意適当な装置を使用することができる。本実施形態では、水を電気分解するために流す電流に対して、所定量Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］の水素ガスが生成される水電解スタックを使用している。また、バッファタンク１４は、所定の体積Ｖ2［ｍ3］を有し、タンク内の圧力を測定するための圧力センサ（図示せず）を備え、タンク内の圧力に応じた信号を制御装置１８に送るように構成されている。
【００１５】
また、第２バルブ１６は、通過する気体の流量を測定するための流量センサ（図示せず）を備え、気体の流量に応じた信号を制御装置１８に送るように構成されている。さらに、第２バルブ１６は、制御装置１８からの出力信号に応じて、弁開度を調整するためのアクチュエータ（図示せず）を備えている。制御装置１８は、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、コンピュータ、コンピュータを作動させるためのソフトウェア等によって構成することができる。
【００１６】
次に、図２及び図３を参照して、本発明の第１実施形態による水素供給装置１の作用を説明する。図２は、制御装置１８による制御のブロック線図を示し、図３は、本実施形態による制御のシミュレーション結果の一例を示す。
【００１７】
まず、水素吸蔵合金Ａ及びバルブＶを内蔵した、水素を供給すべき燃料電池を水素供給装置１に連結する。次に、水電解スタック２を作動させ、水素を発生させる。気液分離機４、ドレンタンク６、Ｐｄ触媒槽８、及び、除湿器１０内の圧力である圧力Ｐ1が所定の圧力Ｐ10［ＭＰａ］に達したならば、第１バルブ１２を開く。第１バルブ１２を開くことにより、水素ガスがバッファタンク１４内に流入し、バッファタンク１４内の圧力が上昇する。バッファタンク１４内の圧力Ｐ2が所定の圧力Ｐ20［ＭＰａ］に達したならば、燃料電池のバルブＶを開き、次いで、制御装置１８を作動させる。
【００１８】
制御装置１８は、バッファタンク１４内の圧力Ｐ2に基づいて水電解スタック２による水素発生量を制御し、また、第２バルブ１６を通過する水素の流量に基づいて第２バルブ１６の弁開度を制御する。図２（ａ）、（ｂ）は、制御装置１８による制御のブロック線図である。
【００１９】
図２（ａ）は第２バルブ１６の弁開度ＣV3Cを制御するための制御系のブロック線図である。図２（ａ）に示すように、まず、制御系には所定の水素供給量指令値Ｑ3rが与えられる。この水素供給量指令値Ｑ3rにはレートリミットがかけられており、指令値の時間当たりの変化率が制限されている。次に、レートリミットを経た水素供給量指令値Ｑ3rから水素吸蔵合金への実際の水素供給量Ｑ3が差し引かれ、この水素供給量の偏差にＰＩ制御ゲイン（ＫP3＋ＫI3／ｓ）、（１／ｓは積分器）が乗じられ、第２バルブ１６の弁開度ＣV3Cが計算される。この弁開度ＣV3Cの指令は第２バルブ１６に送られ、それにより、第２バルブ１６のアクチュエータ（図示せず）は、第２バルブ１６の弁開度を変化させる。弁開度を変化させることにより、水素吸蔵合金への水素供給量Ｑ3が変化する。第２バルブ１６を通過する水素供給量Ｑ3は、第２バルブ１６に備えられた流量センサ（図示せず）によって検出され、フィードバックされる。従って、弁開度ＣV3Cは（数式１）によって計算される。即ち、弁開度ＣV3CはＰＩ制御される。
ＣV3C＝（ＫP3＋ＫI3／ｓ）（Ｑ3r−Ｑ3）      （数式１）
【００２０】
なお、本実施形態では、水素供給量指令値Ｑ3rは所定量Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］であり、Ｑ3rには、Ｑ3rVMax［Ｎｍ3／ｈ／ｍｉｎ］のレートリミット、即ち、水素供給量指令値が１分間当りＱ3rVMax［Ｎｍ3／ｈ］以上変化しないように変化率に制限が加えられている。水素供給量指令値Ｑ3rにレートリミットを加えた値をＱ3r’とする。また、流量の単位［Ｎｍ3／ｈ］は、１時間当り標準状態（０゜Ｃ、１気圧）の気体が１［ｍ3］流れることを意味している。また、本実施形態では、ゲインＫP3は１／Ｑ10［１／（Ｎｍ3／ｈ）］、即ち、水素供給量の偏差Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］に対し弁開度を１００％変化させる大きさとし、ゲインＫI3は１／（１２０Ｑ10）［１／（Ｎｍ3／ｈ）／ｓｅｃ］、即ち、水素供給量の偏差Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］に対し、１２０秒間で弁開度を１００％変化させる大きさとしている。また、ｓはラプラス演算子である。
【００２１】
図２（ｂ）は水素発生量Ｑ1を制御するためのブロック線図である。図２（ｂ）に示すように、バッファタンク圧力設定値Ｐ2r及び水素発生量ベース指令値Ｑ1fが制御系に与えられる。まず、バッファタンク圧力設定値Ｐ2rとバッファタンク１４内の圧力Ｐ2との差にゲインＫP2が乗じられ、その値に水素発生量ベース指令値Ｑ1fが加えられたものが水素発生量Ｑ1となる。この水素発生量ベース指令値Ｑ1fには、レートリミットがかけられており、値の変化率が制限されている。水素発生量ベース指令値Ｑ1fにレートリミットを加えた値をＱ1f’とする。水素発生量Ｑ1は、制御装置１８から水電解スタック２に送られる。水電解スタック２では、水を電気分解するための、水素発生量Ｑ1に対応した電流が流され、この電流値に比例した水素が生成される。水電解スタック２で発生した水素は、気液分離機４、ドレンタンク６、Ｐｄ触媒８、除湿器１０、及び、第１バルブ１２を通ってバッファタンク１４に流入し、バッファタンク１４内の圧力Ｐ2を変化させる。バッファタンク１４内の圧力Ｐ2は、バッファタンク１４に備えられた圧力センサ（図示せず）によって検出され、制御装置１８にフィードバックされる。従って、水素発生量Ｑ1は（数式２）によって計算される。即ち、水素発生量Ｑ1は、バッファタンク１４内の圧力Ｐ2に基づいて比例制御される。
Ｑ1＝ＫP2（Ｐ2r−Ｐ2）＋Ｑ1f’          （数式２）
【００２２】
なお、本実施形態では、バッファタンク圧力設定値Ｐ2rを所定値Ｐ20［ＭＰａ］とし、水素発生量ベース指令値Ｑ1fは所定値Ｑ10［Ｎｍ3／ｈ］であり、Ｑ1fには、Ｑ1fVMax［Ｎｍ3／ｈ／ｍｉｎ］のレートリミットがかけられている。また、本実施形態では、ゲインＫP2は（１０Ｑ10／３）［Ｎｍ3／ｈ／ＭＰａ］、即ち、圧力偏差Ｑ10／１００［ＭＰａ］に対し流量をＱ10［Ｎｍ3／ｈ］変化させる大きさとしている。
【００２３】
図３は、本発明の第１実施形態による水素供給装置１の作動のシミュレーション結果を示す。図３（ａ）は水電解スタック２の水素圧力Ｐ1、（ｂ）はバッファタンク１４の圧力Ｐ2、（ｃ）は第２バルブ１６の弁開度ＣV3C、（ｄ）は水電解スタック２による水素発生量Ｑ1、（ｅ）は水素吸蔵合金Ａの水素吸蔵量の時系列波形を示す。
【００２４】
図３（ｅ）に示すように、水素吸蔵合金Ａの水素吸蔵量は、制御開始時である時刻０からほぼ直線的に上昇し、約６４分後に所定の水素吸蔵量であるＶ30［ｍ3］に達している。また、図３（ｄ）に示すように、水素発生量Ｑ1は、時刻０から水素発生量ベース指令Ｑ1fに設定されたレートリミットに従って上昇し、約５分後にＱ10［Ｎｍ3／ｈ］に達した後、ほぼ一定値となるように制御されている。さらに、図３（ｃ）に示すように、第２バルブ１６の弁開度ＣV3Cは、時刻０から時間に比例して開き始め、約５分後に約２５％の弁開度に達した後、一定の弁開度を維持し、約４０分後に再び開き始め、約６４分後に全開になるように制御されている。この制御により、図３（ａ）（ｂ）に示すように、水電解スタック２の水素圧力Ｐ1、及び、バッファタンク１４の圧力Ｐ2の値は、圧力変動幅Ｐ20／１０［ＭＰａ］以下で、ほぼＰ20［ＭＰａ］一定に維持されている。
【００２５】
本発明の第１実施形態によれば、水電解スタックの水素圧力を大きく変動させることなく、水電解スタックで水素を発生させながら連続的に水素を水素吸蔵合金に吸蔵させることができる。
【００２６】
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態による水素供給装置の作用を説明する。本発明の第１実施形態では、第２バルブの弁開度が、第２バルブを通過する水素の流量に基づいて制御されていたのに対し、第２実施形態では、第２バルブの弁開度が、第２バルブを通過する水素の流量に加え、バッファタンクの圧力に基づいて制御される点が異なる。従って、本発明の第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【００２７】
本発明の第２実施形態による水素供給装置の全体構成は、図１に示した第１実施形態と同様であり、制御装置１８によって実行される制御のみが第１実施形態と異なる。
【００２８】
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態の作用を説明する。図４は、第２実施形態による水素供給装置の制御系のブロック線図である。図４に示すように、まず、制御系には所定の水素供給量指令値Ｑ3r、バッファタンク圧力設定値Ｐ2r、及び、水素発生量ベース指令Ｑ1fが与えられる。また、水素供給量指令値Ｑ3r、及び、水素発生量ベース指令Ｑ1fには、レートリミットがかけられ、夫々Ｑ3r'、Ｑ1f'となる。レートリミットについては第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００２９】
まず、バッファタンク圧力設定値Ｐ2rとバッファタンク内の圧力Ｐ2との差にゲインＫP2が乗じられ、その値に水素発生量ベース指令値Ｑ1f'が加えられたものが水素発生量Ｑ1となる。水素発生量Ｑ1は、制御装置から水電解スタックに送られる。水電解スタックでは、水を電気分解するための、水素発生量Ｑ1に対応した電流が流され、この電流値に比例した水素が生成される。水電解スタックで発生した水素は、気液分離機、ドレンタンク、Ｐｄ触媒、除湿器、及び、第１バルブを通ってバッファタンクに流入し、バッファタンク内の圧力Ｐ2を変化させる。バッファタンク内の圧力Ｐ2は、バッファタンクに備えられた圧力センサによって検出され、制御装置にフィードバックされる。従って、水素発生量Ｑ1は、前出の（数式２）によって計算される。なお、本実施形態におけるレートリミット、水素発生量ベース指令値Ｑ1f、ゲインＫP2の値も第１実施形態と同一である。
【００３０】
一方、レートリミットを経た水素供給量指令値Ｑ3r'には、バッファタンク圧力設定値Ｐ2rとバッファタンク内の圧力Ｐ2との差にゲインＫP2を乗じた値が加えられ、値Ｑ3r''が計算される。次いで、値Ｑ3r''から水素供給量Ｑ3を減じた値にゲイン（ＫP3＋ＫI3／ｓ）が乗じられ、第２バルブの弁開度ＣV3Cが計算される。この弁開度ＣV3Cの指令は第２バルブに送られ、それにより、第２バルブのアクチュエータは、第２バルブの弁開度を変化させる。弁開度を変化させることにより、水素吸蔵合金への水素供給量Ｑ3が変化する。第２バルブを通過する水素供給量Ｑ3は、第２バルブに備えられた流量センサによって検出され、フィードバックされる。従って、弁開度ＣV3Cは、（数式３）（数式４）によって計算される。
ＣV3C＝（ＫP3＋ＫI3／ｓ）（Ｑ3r''−Ｑ3）      （数式３）
Ｑ3r''＝ＫP2（Ｐ2r−Ｐ2）＋Ｑ3r'              （数式４）
【００３１】
なお、本実施形態における水素供給量指令値Ｑ3r、ゲインＫP3、及び、ゲインＫI3の値も第１実施形態と同一である。
【００３２】
本発明の第２実施形態による水素供給装置においても、第１実施形態同様、水電解スタック及びバッファタンクの圧力変動を充分に抑制できることが確認されている。また、本発明の第２実施形態によれば、第２バルブの弁開度が、第２バルブを通過する水素の流量に加え、バッファタンクの圧力によっても制御されているため、バッファタンクの圧力が何らかの外乱により低下した場合でも、素早くバッファタンクの設定圧力を回復させることができる。
【００３３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、上記の実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、本発明の水素供給装置によって水素が供給される対象物は、燃料電池以外のものであっても良い。また、制御に使用したアルゴリズム及びゲイン等の諸定数は、上記の実施形態以外のものであっても良い。例えば、上記の実施形態では、バッファタンク内の圧力に基づいて水電解スタックによる水素発生量を制御しているが、水電解スタック内の圧力に基づいて水素発生量を制御しても良い。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、水電解スタックに大きな圧力変動を与えずに、水電解スタックから水素供給対象物に直接、水素を供給することができる水素供給装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による水素供給装置のブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態による水素供給装置の制御装置による制御のブロック線図である。
【図３】本発明の第１実施形態による制御のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態による水素供給装置の制御装置による制御のブロック線図である。
【符号の説明】
Ａ      水素吸蔵合金
Ｖ      バルブ
１      水素供給装置
２      水電解スタック
４      気液分離機
６      ドレンタンク
８      Ｐｄ触媒槽
１０    除湿器
１２    第１バルブ
１４    バッファタンク
１６    第２バルブ
１８    制御装置（制御手段）
【図１】
0003986285.tif 000002
【図２】
0003986285.tif 000003
【図３】
0003986285.tif 000004
【図４】
0003986285.tif 000005