(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルコール、ガソリン等の原料から水素を生成する改質器（３）と、前記改質器（３）により生成された水素を第１の供給管路（４Ａ）を通して吸蔵し、次いでその吸蔵水素を放出して水素を燃料とする機器（２）に第２の供給管路（４Ｂ）を通して供給することが可能な水素貯蔵器（ＨＳ）とを有すると共に、その水素貯蔵器（ＨＳ）が、前記第１，第２の供給管路（４Ａ，４Ｂ）間に互いに並列に介装されて水素吸蔵材（ＭＨ）を各々内蔵した複数のタンク（４３，４５，４７）を備えており、
その複数のタンク（４３，４５，４７）には、各タンク（４３，４５，４７）内の水素吸蔵材（ＭＨ）を加熱することで吸蔵水素の放出を促すためのガス式加熱装置（４９）及び電気式加熱回路（５０）が付設され、
前記電気式加熱回路（５０）が、各タンク（４３，４５，４７）内の水素吸蔵材（ＭＨ）を個別に加熱し得る複数のヒータ（５６，５７，５８）と、各ヒータ（５６，５７，５８）に通電し得る電源部（５９）とを備え、
前記ガス式加熱装置（４９）が、前記第１の供給管路（４Ａ）にその途中をバイパスするように接続され、前記改質器（３）で生じた改質ガスを流通させて該改質ガスの熱で各タンク（４３，４５，４７）内の水素吸蔵材（ＭＨ）を個別に加熱し得る複数の加熱管路（５３，５４，５５）を備え、
前記機器（２）の運転開始をそれらタンク（４３，４５，４７）の少なくとも１つからの放出水素で行い、また前記機器（２）の運転継続下では、少なくとも１つの前記タンク（４３，４５，４７）が水素放出状態にあるとき、別の少なくとも１つの前記タンク（４３，４５，４７）が水素吸蔵状態にあり、且つ少なくとも１つの前記タンク（４３，４５，４７）が水素放出状態を終了する前に、別の少なくとも１つの前記タンク（４３，４５，４７）が水素放出状態にあるようにした、水素を燃料とする機器への水素供給システムであって、
前記機器（２）の運転開始時には、水素吸蔵量が満状態にある少なくとも１つのタンク（４３，４５，４７）を対応する前記ヒータ（５６，５７，５８）で加熱して該少なくとも１つのタンク（４３，４５，４７）を水素放出状態にすると共に、前記改質器（３）を始動させ、その後、前記改質器（３）からの改質ガスが所定温度に達するのに応じて該ヒータ（５６，５７，５８）による加熱を停止させると共に、該少なくとも１つのタンク（４３，４５，４７）を、前記ガス式加熱装置（４９）の対応する前記加熱管路（５３，５４，５５）により加熱するようにし、
また前記機器（２）の運転継続下では、水素放出状態にある少なくとも１つの前記タンク（４３，４５，４７）の水素放出終了準備開始点を、次に水素放出状態となる少なくとも１つの前記タンク（４３，４５，４７）の水素吸蔵終了時点とするようにしたことを特徴とする、水素を燃料とする機器への水素供給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を燃料とする機器への水素供給システム、特に、水素を燃料とする機器に水素を供給すべく、アルコール、ガソリン等の原料から水素を生成するようにした水素供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の水素供給システムは、水素生成のために改質器を備えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状の改質器は、起動するまでの時間が長く、そのため、前記機器としての燃料電池を電源とする電気自動車においては始動スイッチを入れても直ちに発進することができない、といった問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水素貯蔵器を備え、そこからの放出水素のみを機器に供給するようにし、これにより、改質器が持つ問題点が機器への水素供給に影響しないようにした前記水素供給システムを提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、アルコール、ガソリン等の原料から水素を生成する改質器と、前記改質器により生成された水素を第１の供給管路を通して吸蔵し、次いでその吸蔵水素を放出して水素を燃料とする機器に第２の供給管路を通して供給することが可能な水素貯蔵器とを有すると共に、その水素貯蔵器が、前記第１，第２の供給管路間に互いに並列に介装されて水素吸蔵材を各々内蔵した複数のタンクを備えており、その複数のタンクには、各タンク内の水素吸蔵材を加熱することで吸蔵水素の放出を促すためのガス式加熱装置及び電気式加熱回路が付設され、前記電気式加熱回路が、各タンク内の水素吸蔵材を個別に加熱し得る複数のヒータと、各ヒータに通電し得る電源部とを備え、前記ガス式加熱装置が、前記第１の供給管路にその途中をバイパスするように接続され、前記改質器で生じた改質ガスを流通させて該改質ガスの熱で各タンク内の水素吸蔵材を個別に加熱し得る複数の加熱管路を備え、前記機器の運転開始をそれらタンクの少なくとも１つからの放出水素で行い、また前記機器の運転継続下では、少なくとも１つの前記タンクが水素放出状態にあるとき、別の少なくとも１つの前記タンクが水素吸蔵状態にあり、且つ少なくとも１つの前記タンクが水素放出状態を終了する前に、別の少なくとも１つの前記タンクが水素放出状態にあるようにした、水素を燃料とする機器への水素供給システムであって、前記機器の運転開始時には、水素吸蔵量が満状態にある少なくとも１つのタンクを対応する前記ヒータで加熱して該少なくとも１つのタンクを水素放出状態にすると共に、前記改質器を始動させ、その後、前記改質器からの改質ガスが所定温度に達するのに応じて該ヒータによる加熱を停止させると共に、該少なくとも１つのタンクを、前記ガス式加熱装置の対応する前記加熱管路により加熱するようにし、また前記機器の運転継続下では、水素放出状態にある少なくとも１つの前記タンクの水素放出終了準備開始点を、次に水素放出状態となる少なくとも１つの前記タンクの水素吸蔵終了時点とするようにしたことを特徴とする、水素を燃料とする機器への水素供給システムが提供される。
【０００６】
例えば、機器の休止中において改質器を作動させ、その改質器で生成された水素を水素貯蔵器の１つ以上のタンクに吸蔵させる。そして、機器の運転開始時には、例えば１つのタンクから水素を放出させて機器に供給する。この放出水素の供給は、機器の運転開始時に同時に始動させた改質器が定常状態に到った後、例えば水素放出状態のタンクの水素が無くなるまで行われる。そして、水素放出状態にあるタンクが、その状態を終了する前に、別のタンクが水素放出状態となるので、機器には間断無く水素が供給され、これにより機器の運転が継続される。したがって、この水素供給システムによれば、改質器の応答遅れ等の問題点が機器への水素供給に影響することを回避することができる。
【０００７】
また水素放出状態にあるタンクの水素放出終了準備開始点、例えば加熱終了時点を、次に水素放出状態となるタンクの水素吸蔵終了時点、したがって加熱開始時点とすると、水素放出状態にあるタンクからは、その余熱を利用した水素吸蔵材の吸熱反応で水素の放出が続行され、これは、そのタンクの温度降下を発生させて、次の水素吸蔵モードを再開する際のタイムラグの減少、といった効果をもたらす。一方、これから水素放出状態となるタンクの加熱を十分余裕を以て開始し得るので、両タンクの水素放出状態を確実にオーバラップさせることが可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に示す水素供給システム１は、水素を燃料とする機器としての燃料電池２を電源とする電気自動車に搭載される。
【０００９】
水素供給システム１において、改質器３は、アルコール、ガソリン等の原料から水素を主成分とする改質ガスを生成するもので、その供給側が水素貯蔵器ＨＳの入口側に供給管路４Ａを介して接続され、また水素貯蔵器ＨＳの出口側は燃料電池２の水素入口側に供給管路４Ｂを介して接続される。水素貯蔵器ＨＳは改質器３により生成された水素を吸蔵し、次いでその吸蔵水素を放出して燃料電池２に供給することが可能である。空気用供給管路５において、その導入側にエアクリーナ６、モータ７を持つスーパチャージャ８およびインタクーラ９が装置され、また導出側は燃料電池２の空気入口側に接続される。その空気用供給管路５の燃料電池２近傍に第１二方弁Ｖ１が装置される。燃料電池２の一対の接続端子は一対の導線１０を介して車両駆動モータ１１に接続され、またそれら導線１０にモータ駆動用補助バッテリ１２の一対の接続端子が一対の導線１３を介して接続される。
【００１０】
燃料電池２の水素出口側および空気出口側はそれぞれ排出管路１４，１５を介して蒸発器用燃焼器１６に接続され、また空気用排出管路１５の燃焼器１６近傍に第２二方弁Ｖ２が装置される。蒸発器１７の一方の入口側にメタノールタンク１８の一方の出口側が供給管路１９を介して接続され、その供給管路１９にポンプ２０が装置される。また蒸発器１７の他方の入口側には水タンク２１の出口側が供給管路２２を介して接続され、その供給管路２２にポンプ２３が装置される。蒸発器１７の出口側はメタノールおよび水分よりなる混合蒸気用供給管路２４を介して改質器３の導入側に接続される。またメタノールタンク１８の他方の出口側は別の供給管路２５を介して改質器始動用燃焼器２６に接続され、その供給管路２５にメタノールタンク１８側より順次、ポンプ２７および第３二方弁Ｖ３が装置される。また供給管路２５において、ポンプ２７および第３二方弁Ｖ３間がさらに別の供給管路２８を介して蒸発器用燃焼器１６の電気ヒータキャタライザ２９に接続され、その供給管路２８の電気ヒータキャタライザ２９近傍に第４二方弁Ｖ４が装置される。改質器始動用燃焼器２６は、グロープラグ３０およびバッテリ、スイッチ等を有する電源部３２を持つ加熱回路３１を備えている。
【００１１】
改質器側の供給管路４Ａに、その改質器３側より順次、第５二方弁Ｖ５、ガス浄化器３４、第６二方弁Ｖ６、熱交換器３５および流量計３６が装置される。空気用供給管路５において、燃料電池２近傍の第１二方弁Ｖ１上流側から分岐した供給管路３７がさらに二つに分岐して改質器始動用燃焼器２６および改質器３に接続され、その供給管路３７の燃焼器２６近傍および改質器３近傍にそれぞれ第７、第８二方弁Ｖ７、Ｖ８が装置される。空気は、燃焼器２６においては燃焼と温度制御のために用いられ、また改質器３においては温度制御のために用いられる。ガス浄化器３４および第６二方弁Ｖ６間はバイパス管路３８を介して燃料電池２の改質ガス用排出管路１４に接続される。そのバイパス管路３８に流量制御弁３９が装置される。
【００１２】
水素貯蔵器ＨＳにおいて、両供給管路４Ａ，４Ｂに３本の第１〜第３管路４０，４１，４２が並列に接続される。第１管路４０には供給管路４Ａ側より順次、第９二方弁Ｖ９、第１タンク４３、第１０二方弁Ｖ１０および流量計４４が装置される。また第２管路４１には供給管路４Ａ側より順次、第１１二方弁Ｖ１１、第２タンク４５、第１２二方弁Ｖ１２および流量計４６が装置される。さらに第３管路４２には供給管路４Ａ側より順次、第１３二方弁Ｖ１３、第３タンク４７、第１４二方弁Ｖ１４および流量計４８が装置される。第１〜第３タンク４３，４５，４７には水素吸蔵材としての水素吸蔵合金ＭＨが充填されている。水素吸蔵合金ＭＨとしてはＬａＮｉ−Ｃｏ−Ａｌ系合金が用いられる。
【００１３】
また第１〜第３タンク４０〜４２にはガス式加熱装置４９と、電気式加熱回路５０とが付設される。
【００１４】
ガス式加熱装置４９は、改質器３および第５二方弁Ｖ５間において、供給管路４Ａに接続され、且つ第１５二方弁Ｖ１５を有する導入管路５１と、第５二方弁Ｖ５およびガス浄化器３４間において供給管路４Ａに接続された導出管路５２と、導入管路５１および導出管路５２間に並列に接続されて、各タンク４３，４５，４７内の水素吸蔵合金用加熱路を含む第１〜第３加熱管路５３，５４，５５とよりなる。第１加熱管路５３において、第１タンク４３に関し入口側と出口側になる部分にそれぞれ第１６、第１７二方弁Ｖ１６、Ｖ１７が装置される。また第２加熱管路５４において、第２タンク４５に関し入口側と出口側になる部分それぞれ第１８、第１９二方弁Ｖ１８、Ｖ１９が装置される。さらに第３加熱管路５５において、第３タンク４７に関し入口側と出口側になる部分それぞれ第２０、第２１二方弁Ｖ２０、Ｖ２１が装置される。
【００１５】
電気式加熱回路５０は、各タンク４３，４５，４７内の水素吸蔵合金ＭＨを加熱する三個のヒータ５６，５７，５８およびバッテリ、スイッチ等を有する電源部５９とを備えている。
【００１６】
燃料電池２、車両駆動モータ１１、グロープラグ３０を有する加熱回路３１の電源部３２、各ポンプ２０，２３，２７ならびにヒータ５６〜５８を有する加熱回路５０の電源部５９等は、始動スイッチ６０をＯＮ状態にすることによってＥＣＵ６１を介して作動制御され、一方、始動スイッチ６０をＯＦＦ状態にすることによって不作動となる。
【００１７】
次に、図１〜図４を参照して始動モードおよびタンク切換えモードについて説明する。
【００１８】
Ａ．始動モード
このモード開始前において、水素貯蔵器ＨＳの第１タンク４３における水素吸蔵量は満状態にあり、他のタンク４５，４７は空状態であるとする。第１〜第２１二方弁Ｖ１〜Ｖ２１および流量制御弁３９は「閉」状態である。
【００１９】
図１、図２において、始動スイッチ６０をＯＮ状態にすると、スーパチャージャ８が作動し、空気がエアクリーナ６、スーパチャージャ８およびインタクーラ９を経て、第１二方弁Ｖ１が「開」で、燃料電池２に供給され、また第７、第８二方弁Ｖ７、Ｖ８が「開」で、改質器３の燃焼器２６および改質器３にそれぞれ供給される。燃料電池２から排出された空気は、第２二方弁Ｖ２が「開」で、蒸発器用燃焼器１６に導入される。
【００２０】
蒸発器用燃焼器１６の電気ヒータキャタライザ２９が通電され、それが昇温すると、ポンプ２７が作動すると共に第４二方弁Ｖ４が「開」で、メタノールが電気ヒータキャタライザ２９に噴射され、そのメタノールを燃焼器１６で燃焼させて蒸発器１７の加熱が行われる。
【００２１】
第１タンク４３のヒータ５６が通電され、その第１タンク４３がヒータ５６により加熱される。そして、第１タンク４３の出口部分の圧力を検知して、その圧力が所定圧力に達すると、第１タンク４３の吸蔵水素が放出されると共に第１０二方弁Ｖ１０が「開」で、その放出水素が燃料電池２に供給され、それが運転を開始する。第１タンク４３からの供給水素量は流量計４４により検知される。燃料電池２における余剰水素は蒸発器用燃焼器１６に導入され、そこで燃焼されて蒸発器１７の加熱に利用される。
【００２２】
改質器始動用燃焼器２６のグロープラグ３０が通電される。第３二方弁Ｖ３が「開」で、メタノールが燃焼器２６に噴射され、そのメタノールの燃焼により改質器３が加熱される。改質器３の供給口部分のガス温度を検知して、それが所定値に達したときを改質器３の加熱完了としてグロープラグ３０への通電が停止される。
【００２３】
蒸発器１７にメタノールおよび水が噴射されてメタノールおよび水分よりなる混合蒸気が生成され、その混合蒸気が改質器３に供給されて改質が行われる。
【００２４】
改質ガスは、かなりのＣＯを含んでおり、第５二方弁Ｖ５が「開」で、ガス浄化器３４に導入され、次いで、流量制御弁３９が「開」で、バイパス管路３８を経て燃焼器１６に導入され、そこで水素等の可燃成分が燃焼される。
【００２５】
改質ガスのＣＯ濃度を検知するか、または改質ガス温度と時間との関係からＣＯ濃度を調べ、そのＣＯ濃度が所定値以下になったとき、第６、第１３二方弁Ｖ６、Ｖ１３が「開」で、ガス浄化器３４からの清浄な改質ガスが、熱交換器３５により温度を下げられた後第３タンク４７へ供給されて、水素の吸蔵が開始される。
【００２６】
第３タンク４７への清浄改質ガスの供給を優先させるべく、流量制御弁３９により、燃焼器１６への清浄改質ガスの供給量が調節される。
【００２７】
改質器３の供給口部における改質ガスの温度が、例えば２００℃程度に達したとき、その改質器３が定常モードに達した、と判断され、第１タンク４３のヒータ５６への通電が停止される。同時に、加熱装置４９の第１５、第１６、第１７二方弁Ｖ１５、Ｖ１６、Ｖ１７が「開」で、且つ第５二方弁Ｖ５が「閉」で、２００℃程度の清浄改質ガスが導入管路５１、第１加熱管路５３および導出管路５２を流通し、これにより第１タンク４３が加熱されてそこからの水素の放出が続行されるので燃料電池２の運転が継続される。加熱装置４９から排出された清浄改質ガスは燃焼器１６および第３タンク４７へ供給される。
【００２８】
以後自立運転モードに移行する。
【００２９】
Ｂ．タンク切換えモード（定常走行）
このモード開始時には、第１タンク４３が水素放出状態にあり、また第２タンク４５は空状態にあり、さらに第３タンク４７が水素吸蔵状態にあるとする。
【００３０】
図３に示すように、水素放出順序は、第１タンク４３→第３タンク４７→第２タンク４５→第１タンク４３であり、また水素吸蔵順序は、第３タンク４７→第２タンク４５→第１タンク４３→第３タンク４７である。
【００３１】
図１、図４に示すように、タンク切換えモードの開始に伴い、運転マネジメントフローにより改質器３の生成改質ガス量が決定される。
【００３２】
改質器３側の流量計３６により第３タンク４７に供給された改質ガス量が検知される。
【００３３】
第３タンク４７が満状態か否かが判断され、満状態でなければ、再び検知が続行される。
【００３４】
第３タンク４７が満状態のときは、第１３二方弁Ｖ１３が閉じられる。
【００３５】
加熱装置４９における第１加熱管路５３の第１６、第１７二方弁Ｖ１６、Ｖ１７が「閉」で、且つ第３加熱管路５５の第２０、第２１二方弁Ｖ２０、Ｖ２１が「開」で、第１タンク４３の加熱が終了され、一方、第３タンク４７の加熱が開始される。第１タンク４３からは、その余熱を利用した水素吸蔵合金ＭＨの吸熱反応で水素の放出が続行される。
【００３６】
第１１二方弁Ｖ１１が「開」で、第２タンク４５における水素の吸蔵が開始される。
【００３７】
第３タンク４７の出口部分の圧力を検知して、その圧力が所定圧力に達すると、第３タンク４３の吸蔵水素が放出され、第１４二方弁Ｖ１４が「開」で、その放出水素が燃料電池２に供給される。この時点では第１タンク４３の水素放出が続行している。
【００３８】
第１タンク４３の出口側に在る流量計４４により第１タンク４３から放出された水素量が検知される。
【００３９】
第１タンク４３が空状態か否かが判断され、空状態でなければ、再び検知が続行される。
【００４０】
第１タンク４３が空状態のときは、第１０二方弁Ｖ１０が閉じられて、次の水素吸蔵に備えられる。
【００４１】
以後の工程は、前記同様のシーケンス制御で行われるので、詳細な説明は省略する。図４に以後の工程を簡略に示す。
【００４２】
なお、本発明にはタンクを２個以上使用する水素供給システムに適用される。また水素を燃料とする機器としては、燃料電池の外に内燃機関を挙げることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、機器の運転開始をそれらタンクの少なくとも１つからの放出水素で行い、また機器の運転継続下では、少なくとも１つのタンクが水素放出状態にあるとき、別の少なくとも１つのタンクが水素吸蔵状態にあり、且つ少なくとも１つのタンクが水素放出状態を終了する前に、別の少なくとも１つのタンクが水素放出状態にあるので、機器の運転開始を迅速に行い、また機器への水素供給を間断なく行って、その運転を確実に継続することが可能であって、改質器が持つ問題点が水素供給に影響しないようにした水素供給システムを提供することができる。
【００４４】
さらに水素放出状態にある少なくとも１つのタンクの水素放出終了準備開始点を、次に水素放出状態となる少なくとも１つのタンクの水素吸蔵終了時点とするので、水素吸蔵材の吸放出幅を狭い範囲で利用することにより、その水素吸蔵材の膨脹収縮幅を小さくすることができ、これにより水素吸蔵材の微細化の進行を遅らせてその水素吸蔵材の耐久性を向上させ、延いては各タンクの寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  水素供給システムの説明図である。
【図２】  始動モードのフローチャートである。
【図３】  タンクの水素吸蔵・放出タイミングの説明図である。
【図４】  タンク切換えモードのフローチャートである。
【符号の説明】
１……………水素供給システム
２……………燃料電池（機器）
３……………改質器
４３…………第１タンク
４５…………第２タンク
４７…………第３タンク
４９…………ガス式加熱装置
５０…………電気式加熱回路
５６，５７，５８……ヒータ
５３，５４，５５……加熱管路
５９…………電源部
ＨＳ…………水素貯蔵器
ＭＨ…………水素吸蔵合金（水素吸蔵材）
【図１】
0004384773.tif 000002
【図２】
0004384773.tif 000003
【図３】
0004384773.tif 000004
【図４】
0004384773.tif 000005