JP2004360728A - 圧力水素タンクへの水素充填方法および水素充填装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】水素の貯蔵圧力を低くでき、設置スペースを小さくでき、エネルギーロスを低減することができる圧力水素タンクへの水素充填方法および水素充填装置を提供する。
【解決手段】圧力水素タンク５０に水素を充填する水素充填装置１は、水素を加圧貯蔵する水素供給タンク５，６と、水素吸蔵合金を備えた貯蔵部１１と、水素供給タンク５，６と圧力水素タンク５０、および、貯蔵部１１と圧力水素タンク５０を接続するガス流路２７〜３０と、前記水素供給タンクと５，６にガス流路２３，２４，２６を介して接続され水素を吸蔵させることで昇温する水素吸蔵合金を有するヒータ部１２と、を備え、ヒータ部１２によって貯蔵部１１の水素吸蔵合金を加熱する。
【選択図】 図１
【解決手段】圧力水素タンク５０に水素を充填する水素充填装置１は、水素を加圧貯蔵する水素供給タンク５，６と、水素吸蔵合金を備えた貯蔵部１１と、水素供給タンク５，６と圧力水素タンク５０、および、貯蔵部１１と圧力水素タンク５０を接続するガス流路２７〜３０と、前記水素供給タンクと５，６にガス流路２３，２４，２６を介して接続され水素を吸蔵させることで昇温する水素吸蔵合金を有するヒータ部１２と、を備え、ヒータ部１２によって貯蔵部１１の水素吸蔵合金を加熱する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧力水素タンクへの水素充填方法および水素充填装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガスなどを改質して生成した水素を燃料電池車両などに搭載された水素貯蔵手段（例えば、タンク）に充填する装置としては、例えば、特許文献１に開示された水素充填装置が知られている。
この装置では、改質した水素を圧縮機で昇圧して圧力容器に貯蔵しておき、この圧力容器に貯蔵された水素を燃料電池車両の水素貯蔵手段に充填する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１３９４０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の水素充填システムでは、単なる圧力容器に貯蔵された水素を燃料電池車両の水素貯蔵手段に移しているだけであるので、水素貯蔵手段に水素を満充填するためには、圧力容器の貯蔵圧力を水素貯蔵手段の定格圧力（満充填圧力）よりも高圧にしなければならず、そのため圧縮機なども高圧仕様を用いる必要があり、エネルギーロスが大きくなるという問題がある。
【０００５】
また、従来のように単なる圧力容器に貯蔵された水素を燃料電池車両の水素貯蔵手段に移す方法では、圧力容器から水素貯蔵手段への水素移送が可能なのは、圧力容器と水素貯蔵手段の圧力が平衡するまでであり、圧力が平衡してしまうとそれ以上は水素充填が不可能になる。そのため、水素貯蔵手段に定格圧力で水素を満充填するためには、水素貯蔵手段よりも十分に大きな容積の圧力容器が必要であり、システム容積（設置スペース）が大きくなる。
そこで、この発明は、システム容積を小さくでき、貯蔵圧力の低圧化が可能な圧力水素タンクへの水素充填方法および水素充填装置を提供するものである。
【０００６】
【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、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５０）に水素を充填する水素充填装置（例えば、後述する実施の形態における水素充填装置１）であって、水素を加圧貯蔵する水素供給タンク（例えば、後述する実施の形態における水素供給タンク５，６）と、水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金ＭＨ１）を備えた水素貯蔵器（例えば、後述する実施の形態における貯蔵部１１）と、前記水素供給タンクと前記圧力水素タンク、および、前記水素貯蔵器と前記圧力水素タンクを接続する充填用水素流路（例えば、後述する実施の形態におけるガス流路２７〜３０）と、前記水素供給タンクに加熱用水素流路（例えば、後述する実施の形態におけるガス流路２３，２４，２６）を介して接続され、水素を吸蔵させることで昇温する水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金ＭＨ２）を有するヒータ（例えば、後述する実施の形態におけるヒータ部１２）と、を備え、前記ヒータによって前記水素貯蔵器の水素吸蔵合金を加熱することを特徴とする水素充填装置である。
【０００７】
このように構成することにより、水素供給タンクの水素を加熱用水素流路を介してヒータに導入して該ヒータの水素吸蔵合金に吸蔵させることにより該ヒータを昇温することができる。このヒータで水素貯蔵器を加熱することにより該水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を昇圧して放出し、該水素を充填用水素流路を介して圧力水素タンクに充填することが可能になる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記ヒータと水素貯蔵器は一体であることを特徴とする。
このように構成することにより、水素貯蔵器とヒータとの熱交換において熱損失を低減できすることができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記水素供給タンクおよび前記水素貯蔵器の貯蔵圧力は前記圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く、前記水素貯蔵器を加熱することにより該水素貯蔵器の水素の圧力を前記満充填圧力以上にすることを特徴とする。
このように構成することにより、水素供給タンクおよび水素貯蔵器の貯蔵圧力を圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く設定しても、圧力水素タンクに水素を満充填圧力で満充填することができる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、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５０）に水素を充填する方法であって、水素供給タンク（例えば、後述する実施の形態における水素供給タンク５，６）に加圧貯蔵された水素を圧力水素タンクに充填し、次に、前記水素供給タンクに残留した水素をヒータ（例えば、後述する実施の形態におけるヒータ部１２）としての水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金ＭＨ２）に吸蔵させることにより該ヒータを昇温し、このヒータで水素貯蔵器（例えば、後述する実施の形態における貯蔵部１１）を加熱することにより該水素貯蔵器の水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金ＭＨ１）に吸蔵されている水素を昇圧して放出し、該水素を前記圧力水素タンクに充填することを特徴とする圧力水素タンクへの水素充填方法である。
【００１１】
このように構成することにより、水素供給タンクおよび水素貯蔵器の貯蔵圧力を圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く設定しても、圧力水素タンクに水素を満充填圧力で満充填することができる。
また、圧力水素タンクへの高圧側の充填に、水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を充填しているので、高圧充填における充填効率を高めることができる。
さらに、水素供給タンクに残留する余剰の水素をヒータに導入して該ヒータを昇温しているので、外部熱源なしでヒータを昇温することが可能になるとともに、水素を有効に利用することができる。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記圧力水素タンクに水素の充填を終了した後、前記ヒータの水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を、前記水素供給タンクあるいは前記水素貯蔵器に戻すことを特徴とする。
このように構成することにより、ヒータに導入した水素を無駄なく有効に利用することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る圧力水素タンクへの水素充填方法および水素充填装置の実施の形態を図１および図２の図面を参照して説明する。
初めに、図１を参照して水素充填装置の構成を説明する。この実施の形態における水素充填装置１は、燃料電池車両（以下、車両）ＦＣＶに搭載された圧力水素タンク５０に水素を充填する態様である。
【００１４】
水素充填装置１は、改質燃料供給源２から供給される改質燃料（例えば、都市ガスやガソリンなど）を改質してガス状の水素を生成する改質器（水素供給装置）３と、改質器３から流出する水素ガスに含まれる不純物（ＣＯ２やＮ２など）を除去する水素浄化器４と、水素浄化器４により不純物を除去された水素を加圧貯蔵する二つの水素供給タンク５，６と、水素浄化器４により不純物を除去された水素を貯蔵する水素貯蔵タンク１０と、改質器３により改質されたガスを水素浄化器４に圧送するポンプ７と、水素浄化器４により不純物を除去された水素を昇圧して水素供給タンク５，６および水素貯蔵タンク１０に供給するコンプレッサ８を主要構成としている。なお、以下の説明において必要があるときは、二つの水素供給タンク５，６を、ＮＯ．１水素供給タンク５、ＮＯ．２水素供給タンク６として区別する。
【００１５】
水素供給タンク５，６は、内部が空洞の単なる圧力容器で構成されている、
水素貯蔵タンク１０は、二重構造をなし、中央に貯蔵部（水素貯蔵器）１１が形成され、貯蔵部１１の周囲を取り囲むようにヒータ部（ヒータ）１２が形成されている。貯蔵部１１とヒータ部１２は熱伝達性のよい隔壁によって仕切られており、両者の間で熱の授受は可能であるが、両者の間で水素が直接に流通するのは阻止されている。貯蔵部１１とヒータ部１２には解離圧特性を異にする水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２が収納されている。
【００１６】
周知のように、水素吸蔵合金は、水素吸蔵合金の温度が高いほど水素解離圧（水素放出平衡圧）が高くなる特性（すなわち、解離圧特性）を有している。
図２は、この実施の形態に用いられる水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２の解離圧特性図の一例であり、横軸に水素吸蔵合金の絶対温度の逆数（１／Ｔ）、縦軸に水素解離圧の対数（ｌｏｇＰ）をとっている。
この解離圧特性図からわかるように、同一温度条件において比較したときに、貯蔵部１１に収納された水素吸蔵合金ＭＨ１の水素解離圧の方が、ヒータ部１２に収納された水素吸蔵合金ＭＨ２の水素解離圧よりも高く、そのような解離圧特性を有する水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２が選択されている。
【００１７】
なお、図２に示される例では、貯蔵部１１に収納された水素吸蔵合金ＭＨ１は、合金温度が４０°Ｃ弱において水素解離圧が１０ＭＰａ程度となり、合金温度が約７０゜Ｃにおいて水素解離圧が４２ＭＰａとなる解離圧特性を有している。また、ヒータ部１２に収納された水素吸蔵合金ＭＨ２は、合金温度が４０°弱Ｃにおいて水素解離圧が１ＭＰａ弱となり、合金温度が約７０゜Ｃで水素解離圧が４ＭＰａ弱となる解離圧特性を有している。
【００１８】
都市ガス等の改質燃料は改質燃料供給源２から燃料流路２１を介して改質器３に供給され、改質器３で改質されたガスはポンプ７で昇圧されガス流路２２を介して水素浄化器４に供給される。
水素浄化器４で不純物を除去された水素はコンプレッサ８によって昇圧される。コンプレッサ８によって昇圧された水素は、ガス流路２３，２４，２５，２６を介して、ＮＯ．１水素供給タンク５、ＮＯ．２水素供給タンク６、水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１、ヒータ部１２に供給可能にされている。
【００１９】
ＮＯ．１水素供給タンク５に貯蔵された水素はガス流路２７を介してディスペンサユニット９に供給可能にされ、ＮＯ．２水素供給タンク６に貯蔵された水素はガス流路２８を介してディスペンサユニット９に供給可能にされ、水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１に貯蔵された水素はガス流路２９を介してディスペンサユニット９に供給可能にされている。
ディスペンサユニット９はガス流路３０と図示しないコネクタを介して車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０に接続可能にされており、ディスペンサユニット９に供給された水素を圧力水素タンク５０に充填可能にされている。
また、水素貯蔵タンク１０のヒータ部１２に貯蔵された水素はガス流路３１を介してコンプレッサ８のサクション側に導入可能にされている。
【００２０】
また、ＮＯ．１水素供給タンク５の上流および下流にはバルブＶ１，Ｖ２が設けられ、ＮＯ．２水素供給タンク６の上流および下流にはバルブＶ３，Ｖ４が設けられ、水素貯蔵タンク１０の貯留部１１の上流および下流にはバルブＶ５，Ｖ６が設けられ、水素貯蔵タンク１０のヒータ部１２の上流および下流にはバルブＶ７，Ｖ８が設けられ、さらにディスペンサユニット９の下流にはバルブＶ９が設けられている。
【００２１】
ポンプ７、コンプレッサ８、バルブＶ１〜Ｖ９は図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ）により制御される。また、車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０には、圧力水素タンク５０内の圧力を検出する圧力センサ５１が設けられており、ディスペンサユニット９と圧力水素タンク５０をガス流路３０を介して接続すると、圧力センサ５１が前記ＥＣＵに自動的に接続され、圧力センサ５１の出力信号がＥＣＵに入力されるように構成されている。
【００２２】
次に、この水素充填装置１を用いて車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０に水素を満充填する方法を、図３に示すフローチャートに従って説明する。
今、圧力水素タンク５０の定格圧力Ｐｆ、すなわち満充填時の圧力水素タンク内圧力が３５ＭＰａに設定されているものとし、水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１およびヒータ部１２に収納されている水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２がそれぞれ図２に示す解離圧特性を有するものとする。
また、水素充填処理を開始する前の状態では、水素貯蔵タンク１０のヒータ部１２および車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０は殆ど空の状態で、水素が殆ど充填されていないものとし、このときの圧力水素タンク５０内の圧力はほぼ大気圧（約０．１ＭＰａ）である。
さらに、水素供給タンク５，６、および圧力水素タンク５０の内容量は１００リットルで、水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１とヒータ部１２には２０リットルの水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金が収納されているものとする。
【００２３】
初めに、ステップＳ１０１において、コンプレッサ８を運転して水素の圧力を圧力水素タンク５０の定格圧力Ｐｆよりも低い圧力Ｐ１（例えば、３０ＭＰａ。以下、Ｐ１を３０ＭＰａとした場合で説明する）まで昇圧し、バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ５を開き、バルブＶ２，Ｖ４，Ｖ６〜Ｖ９を閉じて、圧力Ｐ１の水素をガス流路２３〜２５を介して水素供給タンク５，６および水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１に満充填する。水素供給タンク５，６および貯蔵部１１内の水素圧力がＰ１になったら、コンプレッサ８を停止し、バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ５を閉じる。
【００２４】
次に、ステップＳ１０２において、バルブＶ２，Ｖ９を開いて、ＮＯ．１水素供給タンク５に貯蔵されている水素をガス流路２７，３０およびディスペンサユニット９を介して圧力水素タンク５０に充填する（以下、ＮＯ．１水素供給タンク５から圧力水素タンク５０への水素充填を第１水素充填と称す）。ここで、ＮＯ．１水素供給タンク５から圧力水素タンク５０への水素の移動は、ＮＯ．１水素供給タンク５内の圧力と圧力水素タンク５０内の圧力がほぼ等圧になると不可能になる。そこで、圧力センサ５１によって検出した圧力が殆ど変動しなくなったとき（例えば、所定時間における圧力上昇幅が所定以下になったとき）を第１水素充填の終点と判定して、バルブ２，Ｖ９を閉じ、第１水素充填を終了することができる。
なお、前述した条件下の場合には、第１水素充填の終了時点で、約１ｋｇの水素がＮＯ．１水素供給タンク５から圧力水素タンク５０に充填され、水素供給タンク５および圧力水素タンク５０の圧力は約１４．５ＭＰａになる。
【００２５】
次に、ステップＳ１０３において、バルブＶ４，Ｖ９を開いて、ＮＯ．２水素供給タンク６に貯蔵されている水素をガス流路２８，３０およびディスペンサユニット９を介して圧力水素タンク５０に充填する（以下、ＮＯ．２水素供給タンク６から圧力水素タンク５０への水素充填を第２水素充填と称す）。第２水素充填の終点は第１水素充填の場合と同様の手法で判定することができるので、第２水素充填の終点であると判定されたときにバルブ４，Ｖ９を閉じ、第２水素充填を終了することができる。
なお、前述した条件下の場合には、第２水素充填の終了時点で、約０．３５ｋｇの水素がＮＯ．２水素供給タンク６から圧力水素タンク５０に充填され、ＮＯ．２水素供給タンク６および圧力水素タンク５０の圧力は約２２．０ＭＰａになる。
【００２６】
次に、ステップＳ１０４において、バルブＶ１，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ９を開き、ＮＯ．１水素供給タンク５に残留する水素をヒータ部１２に供給することによりヒータ部１２を昇温し、貯蔵部１１を加熱して貯蔵部１１に貯蔵されている水素を圧力水素タンク５０に充填する。
詳述すると、バルブＶ１，Ｖ７を開くことにより、ＮＯ．１水素供給タンク５とヒータ部１２とが接続されるので、ＮＯ．１水素供給タンク５に残留する水素がその残圧によってヒータ部１２に供給される。ヒータ部１２はほぼ空の状態であり、そこに水素を供給すると、供給された水素がヒータ部１２の水素吸蔵合金ＭＨ２に吸蔵される。そして、ヒータ部１２の出口側のバルブＶ８が閉ざされていることから、ヒータ部１２内が徐々に昇圧していき、これに伴って水素吸蔵合金ＭＨ２が温度上昇する。このヒータ部１２の熱は貯蔵部１１に伝達され、貯蔵部１１の水素吸蔵合金ＭＨ１を加熱する。
このように、ヒータ部１２に水素を供給することによって貯蔵部１１の水素吸蔵合金ＭＨ１を７０°Ｃまで加熱し、貯蔵部１１に貯蔵された水素の圧力を約４２ＭＰａまで昇圧する。これにより、貯蔵部１１に貯蔵されている水素がガス流路２９，３０およびディスペンサユニット９を介して圧力水素タンク５０に充填される（以下、貯蔵部１１から圧力水素タンク５０への水素充填を第３水素充填と称す）。
【００２７】
次に、ステップＳ１０５において、圧力センサ５１により検出された圧力水素タンク５０内の圧力が定格圧力Ｐｆ（３５ＰＭａ）以上か否かを判定し、判定結果が「ＮＯ」である場合はステップＳ１０４に戻って第３水素充填を継続し、判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、圧力水素タンク５０が満充填されたので、総てのバルブＶ１〜Ｖ９を閉じて、水素充填処理を終了する。
なお、前述した条件下の場合には、第３水素充填の終了時点で、約０．６５ｋｇの水素が貯蔵部１１から圧力水素タンク５０に充填され、第１、第２、第３水素充填によって圧力水素タンク５０には合計約２ｋｇの水素が充填されたことになる。
【００２８】
また、第３水素充填において、ＮＯ．１水素供給タンク５に残留する水素をヒータ部１２に供給するだけでは圧力水素タンク５０を定格圧力にすることができないときには、ＮＯ．２水素供給タンク６に残留する水素をヒータ部１２に供給し、それでも足りないときには、コンプレッサ８を運転して水素浄化器４から水素をヒータ部１２に供給する。
【００２９】
この実施の形態において、ガス流路２３，２４，２６は、水素供給タンク５，６とヒータ部１２とを接続する加熱用水素流路を構成し、ガス流路２７〜３０は、水素供給タンク５，６と圧力水素タンク５０、および、貯蔵部１１と圧力水素タンク５０を接続する充填用水素流路を構成する。
【００３０】
そして、水素充填処理が終了した後、すなわち、圧力水素タンク５０への非充填時に、貯蔵部１１への水素貯蔵およびヒータ部１２からの水素放出処理を行い、次回の水素充填処理のための準備を行う。
以下、貯蔵部１１への水素貯蔵およびヒータ部１２からの水素放出処理について説明する。
まず、バルブＶ８を開き、バルブＶ１〜Ｖ７，Ｖ９を閉じて、ヒータ部１２に残留する水素をガス流路３１を介してコンプレッサ８のサクション側に戻す。
次に、バルブＶ５を開き、コンプレッサ８を運転して、貯蔵部１１に水素を供給する。圧力水素タンク５０への水素充填終了後においては貯蔵部１１はほぼ空の状態になっているので、貯蔵部１１に水素を供給すると、供給された水素が貯蔵部１１の水素吸蔵合金ＭＨ１に吸蔵される。そして、貯蔵部１１の出口側のバルブＶ６が閉ざされていることから、貯蔵部１１内が徐々に昇圧されていき、これに伴って水素吸蔵合金ＭＨ１が温度上昇する。この貯蔵部１１の熱はヒータ部１２に伝達されるので、貯蔵部１１は冷却され、ヒータ部１２は加熱されて水素吸蔵合金ＭＨ２が温度上昇する。ヒータ部１２の水素吸蔵合金ＭＨ２が温度上昇することによりヒータ部１２内の水素が昇圧され、その結果、ヒータ部１２内の水素がガス流路３１を介してコンプレッサ８のサクション側に戻される。ヒータ部１２内の水素が放出されるとヒータ部１２内の水素圧力が低下して、ヒータ部１２の温度が低下する。
【００３１】
このようにヒータ部１２内の水素を放出してヒータ部１２を冷却すると、ヒータ部１２が貯蔵部１１から熱を奪って貯蔵部１１を冷却するので、貯蔵部１１の水素吸蔵合金ＭＨ１により多くの水素を吸蔵させることができる。また、ヒータ部１２から放出させた水素をコンプレッサ８を介して貯蔵部１１に貯蔵することができるので、ヒータ部１２に供給した水素を無駄なく有効に利用することができる。さらに、ヒータ部１２内に残留する水素を減少させることができるので、次回の水素充填処理時にヒータ部１２に水素を供給したときにヒータ部１２を迅速に且つ確実に昇温させることができる。
そして、貯蔵部１１内の圧力がＰ１（３０ＭＰａ）となったならば、バルブＶ５，Ｖ８を閉じて、貯蔵部１１への水素貯蔵処理を終了する。
【００３２】
なお、必要に応じて、ヒータ部１２に加熱手段を設けておき、該加熱手段によってヒータ部１２をさらに加熱し、ヒータ部１２からの水素放出を促進させてもよい。
その場合、図１に示すように、加熱手段をヒータ部１２に設けられた熱媒流路１３によって構成し、熱媒流路１３に熱媒体を流通させることによってヒータ部１２を加熱することができる。さらに、熱媒流路１３に流通させる熱媒体としては燃料電池４０の冷却水を用いることができ、その場合には、熱媒流路１３と燃料電池４０の冷却水通路４１を冷却水流路４２によって接続する。このようにすると、燃料電池４０の廃熱を利用してヒータ部１２を加熱することができる。なお、燃料電池４０の燃料には改質器３で生成された水素を用いることができ、ガス流路２２から分岐したガス流路３２を介して低圧の水素を燃料電池４０に供給する。
ただし、その場合には、改質器３で生成された水素は車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０への水素充填に優先的に使用し、燃料電池４０には余剰水素が発生したときだけ供給されるようにする。
【００３３】
なお、貯蔵部１１への水素貯蔵およびヒータ部１２からの水素放出処理を行っているときに、バルブＶ１，Ｖ３を開いて水素供給タンク５，６への水素充填を同時に行ってもよい。このようにすると、ヒータ部１２から放出させた水素をコンプレッサ８を介して水素供給タンク５，６にも戻すことができる。
また、このように圧力水素タンク５０への非充填時に貯蔵部１１および水素供給タンク５，６への水素貯蔵および充填を行っておくと、次回の圧力水素タンク５０への水素充填処理を実行する際には、ステップＳ１０１の処理を省略することもできる。
【００３４】
以上のように、この実施の形態における水素充填装置１および水素充填方法によれば、水素吸蔵合金ＭＨ１を収納した貯蔵部１１と水素吸蔵合金ＭＨ２を収納したヒータ部１２を備え、ヒータ部１２に水素を供給することでヒータ部１２を昇温し、このヒータ部で貯蔵部１１を加熱し、貯蔵部１１に貯蔵されている水素を放出し圧力水素タンク５０に充填しているので、水素供給タンク５，６、および、貯蔵部１１の水素貯蔵圧力を圧力水素タンク５０の定格圧力（満充填圧力）Ｐｆよりも低く設定して、圧力水素タンク５０に定格圧力Ｐｆの水素を満充填することができる。したがって、コンプレッサ８が比較的に低圧の仕様で間に合うようになり、高圧仕様に伴うエネルギーロスを低減することができる。
【００３５】
特に、この実施の形態では、貯蔵部１１とヒータ部１２を一体にして水素貯蔵タンク１０としているので、貯蔵部１１とヒータ部１２との熱交換において熱損失を低減でき、エネルギーロスを低減することができる。
また、水素供給タンク５，６に残留する余剰の水素をその残留圧力でヒータ部１２に導入し、ヒータ部１２を昇温しているので、水素を有効に利用することができるとともに、水素の圧力エネルギーを有効に利用することができ、さらに、電気ヒータ等の外部熱源が不要になる。
【００３６】
また、２０リットルの水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金が収納された貯蔵部１１とヒータ部１２からなる水素貯蔵タンク１０は、内容積１００リットルの水素供給タンク５，６よりも十分に容積が小さく、水素充填装置を小型にすることができるので、車両のように設置スペースを大きく取れない場合に有利である。
さらに、順次圧力を上げていく多段式の水素充填方法では、高圧段になるほど充填効率が悪くなるが、高圧段に水素貯蔵タンク１０を用いているので、高圧段の充填効率を高くすることができる。
また、水素供給タンク５，６と水素貯蔵タンク１０とを組み合わせているので、水素貯蔵タンク１０だけで構成する場合に比べて、水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２の使用量を減らすことができ、コストを低減することができる。
【００３７】
〔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。
前述した実施の形態では、水素供給タンクを二つにしたが、一つでもよいし、あるいは、三つ以上であってもよい。また、水素貯蔵タンク１０を一つにしたが、貯蔵圧力を異にする複数の水素貯蔵タンク１０を備えてもよい。
水素供給タンク５，６、貯蔵部１１、ヒータ部１２、圧力水素タンク５０の容量は前述した実施の形態のものに限定するものではなく、また、二つの水素供給タンク５，６を同一容量にしなければならないものでもない。
【００３８】
また、前述した実施の形態では、水素供給タンク５，６および水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１の貯蔵圧力Ｐ１を３０ＭＰａに設定した例で説明したが、水素供給タンク５，６、貯蔵部１１、ヒータ部１２、圧力水素タンク５０の容量や、貯蔵部１１およびヒータ部１２に収納される水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２の解離圧特性や、圧力水素タンク５０の定格圧力（満充填圧力）Ｐｆの設定の仕方によって、貯蔵圧力Ｐ１は適宜の値に設定することができる。
【００３９】
また、圧力水素タンクを搭載した車両は、燃料電池車両に限るものではなく、例えば、水素を燃料とするエンジンを備えた水素エンジン車両であってもよい。また、圧力水素タンクは、内部に水素吸蔵合金を備えたものであってもよい。さらに、圧力水素タンクは車両以外の移動体に搭載されていてもよいし、あるいは、可搬式の圧力水素タンクであってもよい。
【００４０】
【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、水素供給タンクの加圧水素を加熱用水素流路を介してヒータに導入して該ヒータの水素吸蔵合金に吸蔵させることにより該ヒータを昇温することができ、水素の圧力エネルギーを有効に利用することができる。
また、このヒータで水素貯蔵器を加熱することにより該水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を昇圧して放出し、該水素を充填用水素流路を介して圧力水素タンクに充填することが可能になるので、水素供給タンクによって容易に加圧水素を得ることができるとともに、圧力水素タンクを充填するために圧縮水素を得るための圧縮エネルギーのロスを削減することができる。
また、水素吸蔵合金を収納した水素貯蔵器とヒータを備えているので、水素充填装置の総容積を小さくすることができる。
【００４１】
請求項２に係る発明によれば、水素貯蔵器とヒータとの熱交換において熱損失を低減できるので、エネルギーロスを低減することができる。
請求項３に係る発明によれば、水素供給タンクおよび水素貯蔵器の貯蔵圧力を圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く設定しても、圧力水素タンクに水素を満充填圧力で満充填することができるので、高圧充填でのエネルギーロスを低減することができる。
【００４２】
請求項４に係る発明によれば、水素供給タンクおよび水素貯蔵器の貯蔵圧力を圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く設定しても、圧力水素タンクに水素を満充填圧力で満充填することができるので、高圧充填でのエネルギーロスを低減することができる。
また、圧力水素タンクへの高圧側の充填には、水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を充填しているので、高圧充填における充填効率を高めることができる。
さらに、水素供給タンクに残留する余剰の水素をヒータに導入してヒータを昇温しているので、外部熱源なしでヒータを昇温することが可能になるとともに、水素を有効に利用することができる。
【００４３】
請求項５に係る発明によれば、ヒータに導入した水素を無駄なく有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る水素充填装置の一実施の形態における概略構成図である。
【図２】前記実施の形態の水素充填装置で使用される水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２の解離圧特性図である。
【図３】前記実施の形態の水素充填装置を用いて圧力水素タンクに水素を充填するときの水素充填処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 水素充填装置
５，６ 水素供給タンク
１１ 貯蔵部（水素貯蔵器）
１２ ヒータ部（ヒータ）
２３，２４，２６ ガス流路（加熱用水素流路）
２７〜３０ ガス流路（充填用水素流路）
５０ 圧力水素タンク
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧力水素タンクへの水素充填方法および水素充填装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガスなどを改質して生成した水素を燃料電池車両などに搭載された水素貯蔵手段（例えば、タンク）に充填する装置としては、例えば、特許文献１に開示された水素充填装置が知られている。
この装置では、改質した水素を圧縮機で昇圧して圧力容器に貯蔵しておき、この圧力容器に貯蔵された水素を燃料電池車両の水素貯蔵手段に充填する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１３９４０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の水素充填システムでは、単なる圧力容器に貯蔵された水素を燃料電池車両の水素貯蔵手段に移しているだけであるので、水素貯蔵手段に水素を満充填するためには、圧力容器の貯蔵圧力を水素貯蔵手段の定格圧力（満充填圧力）よりも高圧にしなければならず、そのため圧縮機なども高圧仕様を用いる必要があり、エネルギーロスが大きくなるという問題がある。
【０００５】
また、従来のように単なる圧力容器に貯蔵された水素を燃料電池車両の水素貯蔵手段に移す方法では、圧力容器から水素貯蔵手段への水素移送が可能なのは、圧力容器と水素貯蔵手段の圧力が平衡するまでであり、圧力が平衡してしまうとそれ以上は水素充填が不可能になる。そのため、水素貯蔵手段に定格圧力で水素を満充填するためには、水素貯蔵手段よりも十分に大きな容積の圧力容器が必要であり、システム容積（設置スペース）が大きくなる。
そこで、この発明は、システム容積を小さくでき、貯蔵圧力の低圧化が可能な圧力水素タンクへの水素充填方法および水素充填装置を提供するものである。
【０００６】
【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、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５０）に水素を充填する水素充填装置（例えば、後述する実施の形態における水素充填装置１）であって、水素を加圧貯蔵する水素供給タンク（例えば、後述する実施の形態における水素供給タンク５，６）と、水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金ＭＨ１）を備えた水素貯蔵器（例えば、後述する実施の形態における貯蔵部１１）と、前記水素供給タンクと前記圧力水素タンク、および、前記水素貯蔵器と前記圧力水素タンクを接続する充填用水素流路（例えば、後述する実施の形態におけるガス流路２７〜３０）と、前記水素供給タンクに加熱用水素流路（例えば、後述する実施の形態におけるガス流路２３，２４，２６）を介して接続され、水素を吸蔵させることで昇温する水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金ＭＨ２）を有するヒータ（例えば、後述する実施の形態におけるヒータ部１２）と、を備え、前記ヒータによって前記水素貯蔵器の水素吸蔵合金を加熱することを特徴とする水素充填装置である。
【０００７】
このように構成することにより、水素供給タンクの水素を加熱用水素流路を介してヒータに導入して該ヒータの水素吸蔵合金に吸蔵させることにより該ヒータを昇温することができる。このヒータで水素貯蔵器を加熱することにより該水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を昇圧して放出し、該水素を充填用水素流路を介して圧力水素タンクに充填することが可能になる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記ヒータと水素貯蔵器は一体であることを特徴とする。
このように構成することにより、水素貯蔵器とヒータとの熱交換において熱損失を低減できすることができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記水素供給タンクおよび前記水素貯蔵器の貯蔵圧力は前記圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く、前記水素貯蔵器を加熱することにより該水素貯蔵器の水素の圧力を前記満充填圧力以上にすることを特徴とする。
このように構成することにより、水素供給タンクおよび水素貯蔵器の貯蔵圧力を圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く設定しても、圧力水素タンクに水素を満充填圧力で満充填することができる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、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５０）に水素を充填する方法であって、水素供給タンク（例えば、後述する実施の形態における水素供給タンク５，６）に加圧貯蔵された水素を圧力水素タンクに充填し、次に、前記水素供給タンクに残留した水素をヒータ（例えば、後述する実施の形態におけるヒータ部１２）としての水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金ＭＨ２）に吸蔵させることにより該ヒータを昇温し、このヒータで水素貯蔵器（例えば、後述する実施の形態における貯蔵部１１）を加熱することにより該水素貯蔵器の水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金ＭＨ１）に吸蔵されている水素を昇圧して放出し、該水素を前記圧力水素タンクに充填することを特徴とする圧力水素タンクへの水素充填方法である。
【００１１】
このように構成することにより、水素供給タンクおよび水素貯蔵器の貯蔵圧力を圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く設定しても、圧力水素タンクに水素を満充填圧力で満充填することができる。
また、圧力水素タンクへの高圧側の充填に、水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を充填しているので、高圧充填における充填効率を高めることができる。
さらに、水素供給タンクに残留する余剰の水素をヒータに導入して該ヒータを昇温しているので、外部熱源なしでヒータを昇温することが可能になるとともに、水素を有効に利用することができる。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記圧力水素タンクに水素の充填を終了した後、前記ヒータの水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を、前記水素供給タンクあるいは前記水素貯蔵器に戻すことを特徴とする。
このように構成することにより、ヒータに導入した水素を無駄なく有効に利用することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る圧力水素タンクへの水素充填方法および水素充填装置の実施の形態を図１および図２の図面を参照して説明する。
初めに、図１を参照して水素充填装置の構成を説明する。この実施の形態における水素充填装置１は、燃料電池車両（以下、車両）ＦＣＶに搭載された圧力水素タンク５０に水素を充填する態様である。
【００１４】
水素充填装置１は、改質燃料供給源２から供給される改質燃料（例えば、都市ガスやガソリンなど）を改質してガス状の水素を生成する改質器（水素供給装置）３と、改質器３から流出する水素ガスに含まれる不純物（ＣＯ２やＮ２など）を除去する水素浄化器４と、水素浄化器４により不純物を除去された水素を加圧貯蔵する二つの水素供給タンク５，６と、水素浄化器４により不純物を除去された水素を貯蔵する水素貯蔵タンク１０と、改質器３により改質されたガスを水素浄化器４に圧送するポンプ７と、水素浄化器４により不純物を除去された水素を昇圧して水素供給タンク５，６および水素貯蔵タンク１０に供給するコンプレッサ８を主要構成としている。なお、以下の説明において必要があるときは、二つの水素供給タンク５，６を、ＮＯ．１水素供給タンク５、ＮＯ．２水素供給タンク６として区別する。
【００１５】
水素供給タンク５，６は、内部が空洞の単なる圧力容器で構成されている、
水素貯蔵タンク１０は、二重構造をなし、中央に貯蔵部（水素貯蔵器）１１が形成され、貯蔵部１１の周囲を取り囲むようにヒータ部（ヒータ）１２が形成されている。貯蔵部１１とヒータ部１２は熱伝達性のよい隔壁によって仕切られており、両者の間で熱の授受は可能であるが、両者の間で水素が直接に流通するのは阻止されている。貯蔵部１１とヒータ部１２には解離圧特性を異にする水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２が収納されている。
【００１６】
周知のように、水素吸蔵合金は、水素吸蔵合金の温度が高いほど水素解離圧（水素放出平衡圧）が高くなる特性（すなわち、解離圧特性）を有している。
図２は、この実施の形態に用いられる水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２の解離圧特性図の一例であり、横軸に水素吸蔵合金の絶対温度の逆数（１／Ｔ）、縦軸に水素解離圧の対数（ｌｏｇＰ）をとっている。
この解離圧特性図からわかるように、同一温度条件において比較したときに、貯蔵部１１に収納された水素吸蔵合金ＭＨ１の水素解離圧の方が、ヒータ部１２に収納された水素吸蔵合金ＭＨ２の水素解離圧よりも高く、そのような解離圧特性を有する水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２が選択されている。
【００１７】
なお、図２に示される例では、貯蔵部１１に収納された水素吸蔵合金ＭＨ１は、合金温度が４０°Ｃ弱において水素解離圧が１０ＭＰａ程度となり、合金温度が約７０゜Ｃにおいて水素解離圧が４２ＭＰａとなる解離圧特性を有している。また、ヒータ部１２に収納された水素吸蔵合金ＭＨ２は、合金温度が４０°弱Ｃにおいて水素解離圧が１ＭＰａ弱となり、合金温度が約７０゜Ｃで水素解離圧が４ＭＰａ弱となる解離圧特性を有している。
【００１８】
都市ガス等の改質燃料は改質燃料供給源２から燃料流路２１を介して改質器３に供給され、改質器３で改質されたガスはポンプ７で昇圧されガス流路２２を介して水素浄化器４に供給される。
水素浄化器４で不純物を除去された水素はコンプレッサ８によって昇圧される。コンプレッサ８によって昇圧された水素は、ガス流路２３，２４，２５，２６を介して、ＮＯ．１水素供給タンク５、ＮＯ．２水素供給タンク６、水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１、ヒータ部１２に供給可能にされている。
【００１９】
ＮＯ．１水素供給タンク５に貯蔵された水素はガス流路２７を介してディスペンサユニット９に供給可能にされ、ＮＯ．２水素供給タンク６に貯蔵された水素はガス流路２８を介してディスペンサユニット９に供給可能にされ、水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１に貯蔵された水素はガス流路２９を介してディスペンサユニット９に供給可能にされている。
ディスペンサユニット９はガス流路３０と図示しないコネクタを介して車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０に接続可能にされており、ディスペンサユニット９に供給された水素を圧力水素タンク５０に充填可能にされている。
また、水素貯蔵タンク１０のヒータ部１２に貯蔵された水素はガス流路３１を介してコンプレッサ８のサクション側に導入可能にされている。
【００２０】
また、ＮＯ．１水素供給タンク５の上流および下流にはバルブＶ１，Ｖ２が設けられ、ＮＯ．２水素供給タンク６の上流および下流にはバルブＶ３，Ｖ４が設けられ、水素貯蔵タンク１０の貯留部１１の上流および下流にはバルブＶ５，Ｖ６が設けられ、水素貯蔵タンク１０のヒータ部１２の上流および下流にはバルブＶ７，Ｖ８が設けられ、さらにディスペンサユニット９の下流にはバルブＶ９が設けられている。
【００２１】
ポンプ７、コンプレッサ８、バルブＶ１〜Ｖ９は図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ）により制御される。また、車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０には、圧力水素タンク５０内の圧力を検出する圧力センサ５１が設けられており、ディスペンサユニット９と圧力水素タンク５０をガス流路３０を介して接続すると、圧力センサ５１が前記ＥＣＵに自動的に接続され、圧力センサ５１の出力信号がＥＣＵに入力されるように構成されている。
【００２２】
次に、この水素充填装置１を用いて車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０に水素を満充填する方法を、図３に示すフローチャートに従って説明する。
今、圧力水素タンク５０の定格圧力Ｐｆ、すなわち満充填時の圧力水素タンク内圧力が３５ＭＰａに設定されているものとし、水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１およびヒータ部１２に収納されている水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２がそれぞれ図２に示す解離圧特性を有するものとする。
また、水素充填処理を開始する前の状態では、水素貯蔵タンク１０のヒータ部１２および車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０は殆ど空の状態で、水素が殆ど充填されていないものとし、このときの圧力水素タンク５０内の圧力はほぼ大気圧（約０．１ＭＰａ）である。
さらに、水素供給タンク５，６、および圧力水素タンク５０の内容量は１００リットルで、水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１とヒータ部１２には２０リットルの水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金が収納されているものとする。
【００２３】
初めに、ステップＳ１０１において、コンプレッサ８を運転して水素の圧力を圧力水素タンク５０の定格圧力Ｐｆよりも低い圧力Ｐ１（例えば、３０ＭＰａ。以下、Ｐ１を３０ＭＰａとした場合で説明する）まで昇圧し、バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ５を開き、バルブＶ２，Ｖ４，Ｖ６〜Ｖ９を閉じて、圧力Ｐ１の水素をガス流路２３〜２５を介して水素供給タンク５，６および水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１に満充填する。水素供給タンク５，６および貯蔵部１１内の水素圧力がＰ１になったら、コンプレッサ８を停止し、バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ５を閉じる。
【００２４】
次に、ステップＳ１０２において、バルブＶ２，Ｖ９を開いて、ＮＯ．１水素供給タンク５に貯蔵されている水素をガス流路２７，３０およびディスペンサユニット９を介して圧力水素タンク５０に充填する（以下、ＮＯ．１水素供給タンク５から圧力水素タンク５０への水素充填を第１水素充填と称す）。ここで、ＮＯ．１水素供給タンク５から圧力水素タンク５０への水素の移動は、ＮＯ．１水素供給タンク５内の圧力と圧力水素タンク５０内の圧力がほぼ等圧になると不可能になる。そこで、圧力センサ５１によって検出した圧力が殆ど変動しなくなったとき（例えば、所定時間における圧力上昇幅が所定以下になったとき）を第１水素充填の終点と判定して、バルブ２，Ｖ９を閉じ、第１水素充填を終了することができる。
なお、前述した条件下の場合には、第１水素充填の終了時点で、約１ｋｇの水素がＮＯ．１水素供給タンク５から圧力水素タンク５０に充填され、水素供給タンク５および圧力水素タンク５０の圧力は約１４．５ＭＰａになる。
【００２５】
次に、ステップＳ１０３において、バルブＶ４，Ｖ９を開いて、ＮＯ．２水素供給タンク６に貯蔵されている水素をガス流路２８，３０およびディスペンサユニット９を介して圧力水素タンク５０に充填する（以下、ＮＯ．２水素供給タンク６から圧力水素タンク５０への水素充填を第２水素充填と称す）。第２水素充填の終点は第１水素充填の場合と同様の手法で判定することができるので、第２水素充填の終点であると判定されたときにバルブ４，Ｖ９を閉じ、第２水素充填を終了することができる。
なお、前述した条件下の場合には、第２水素充填の終了時点で、約０．３５ｋｇの水素がＮＯ．２水素供給タンク６から圧力水素タンク５０に充填され、ＮＯ．２水素供給タンク６および圧力水素タンク５０の圧力は約２２．０ＭＰａになる。
【００２６】
次に、ステップＳ１０４において、バルブＶ１，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ９を開き、ＮＯ．１水素供給タンク５に残留する水素をヒータ部１２に供給することによりヒータ部１２を昇温し、貯蔵部１１を加熱して貯蔵部１１に貯蔵されている水素を圧力水素タンク５０に充填する。
詳述すると、バルブＶ１，Ｖ７を開くことにより、ＮＯ．１水素供給タンク５とヒータ部１２とが接続されるので、ＮＯ．１水素供給タンク５に残留する水素がその残圧によってヒータ部１２に供給される。ヒータ部１２はほぼ空の状態であり、そこに水素を供給すると、供給された水素がヒータ部１２の水素吸蔵合金ＭＨ２に吸蔵される。そして、ヒータ部１２の出口側のバルブＶ８が閉ざされていることから、ヒータ部１２内が徐々に昇圧していき、これに伴って水素吸蔵合金ＭＨ２が温度上昇する。このヒータ部１２の熱は貯蔵部１１に伝達され、貯蔵部１１の水素吸蔵合金ＭＨ１を加熱する。
このように、ヒータ部１２に水素を供給することによって貯蔵部１１の水素吸蔵合金ＭＨ１を７０°Ｃまで加熱し、貯蔵部１１に貯蔵された水素の圧力を約４２ＭＰａまで昇圧する。これにより、貯蔵部１１に貯蔵されている水素がガス流路２９，３０およびディスペンサユニット９を介して圧力水素タンク５０に充填される（以下、貯蔵部１１から圧力水素タンク５０への水素充填を第３水素充填と称す）。
【００２７】
次に、ステップＳ１０５において、圧力センサ５１により検出された圧力水素タンク５０内の圧力が定格圧力Ｐｆ（３５ＰＭａ）以上か否かを判定し、判定結果が「ＮＯ」である場合はステップＳ１０４に戻って第３水素充填を継続し、判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、圧力水素タンク５０が満充填されたので、総てのバルブＶ１〜Ｖ９を閉じて、水素充填処理を終了する。
なお、前述した条件下の場合には、第３水素充填の終了時点で、約０．６５ｋｇの水素が貯蔵部１１から圧力水素タンク５０に充填され、第１、第２、第３水素充填によって圧力水素タンク５０には合計約２ｋｇの水素が充填されたことになる。
【００２８】
また、第３水素充填において、ＮＯ．１水素供給タンク５に残留する水素をヒータ部１２に供給するだけでは圧力水素タンク５０を定格圧力にすることができないときには、ＮＯ．２水素供給タンク６に残留する水素をヒータ部１２に供給し、それでも足りないときには、コンプレッサ８を運転して水素浄化器４から水素をヒータ部１２に供給する。
【００２９】
この実施の形態において、ガス流路２３，２４，２６は、水素供給タンク５，６とヒータ部１２とを接続する加熱用水素流路を構成し、ガス流路２７〜３０は、水素供給タンク５，６と圧力水素タンク５０、および、貯蔵部１１と圧力水素タンク５０を接続する充填用水素流路を構成する。
【００３０】
そして、水素充填処理が終了した後、すなわち、圧力水素タンク５０への非充填時に、貯蔵部１１への水素貯蔵およびヒータ部１２からの水素放出処理を行い、次回の水素充填処理のための準備を行う。
以下、貯蔵部１１への水素貯蔵およびヒータ部１２からの水素放出処理について説明する。
まず、バルブＶ８を開き、バルブＶ１〜Ｖ７，Ｖ９を閉じて、ヒータ部１２に残留する水素をガス流路３１を介してコンプレッサ８のサクション側に戻す。
次に、バルブＶ５を開き、コンプレッサ８を運転して、貯蔵部１１に水素を供給する。圧力水素タンク５０への水素充填終了後においては貯蔵部１１はほぼ空の状態になっているので、貯蔵部１１に水素を供給すると、供給された水素が貯蔵部１１の水素吸蔵合金ＭＨ１に吸蔵される。そして、貯蔵部１１の出口側のバルブＶ６が閉ざされていることから、貯蔵部１１内が徐々に昇圧されていき、これに伴って水素吸蔵合金ＭＨ１が温度上昇する。この貯蔵部１１の熱はヒータ部１２に伝達されるので、貯蔵部１１は冷却され、ヒータ部１２は加熱されて水素吸蔵合金ＭＨ２が温度上昇する。ヒータ部１２の水素吸蔵合金ＭＨ２が温度上昇することによりヒータ部１２内の水素が昇圧され、その結果、ヒータ部１２内の水素がガス流路３１を介してコンプレッサ８のサクション側に戻される。ヒータ部１２内の水素が放出されるとヒータ部１２内の水素圧力が低下して、ヒータ部１２の温度が低下する。
【００３１】
このようにヒータ部１２内の水素を放出してヒータ部１２を冷却すると、ヒータ部１２が貯蔵部１１から熱を奪って貯蔵部１１を冷却するので、貯蔵部１１の水素吸蔵合金ＭＨ１により多くの水素を吸蔵させることができる。また、ヒータ部１２から放出させた水素をコンプレッサ８を介して貯蔵部１１に貯蔵することができるので、ヒータ部１２に供給した水素を無駄なく有効に利用することができる。さらに、ヒータ部１２内に残留する水素を減少させることができるので、次回の水素充填処理時にヒータ部１２に水素を供給したときにヒータ部１２を迅速に且つ確実に昇温させることができる。
そして、貯蔵部１１内の圧力がＰ１（３０ＭＰａ）となったならば、バルブＶ５，Ｖ８を閉じて、貯蔵部１１への水素貯蔵処理を終了する。
【００３２】
なお、必要に応じて、ヒータ部１２に加熱手段を設けておき、該加熱手段によってヒータ部１２をさらに加熱し、ヒータ部１２からの水素放出を促進させてもよい。
その場合、図１に示すように、加熱手段をヒータ部１２に設けられた熱媒流路１３によって構成し、熱媒流路１３に熱媒体を流通させることによってヒータ部１２を加熱することができる。さらに、熱媒流路１３に流通させる熱媒体としては燃料電池４０の冷却水を用いることができ、その場合には、熱媒流路１３と燃料電池４０の冷却水通路４１を冷却水流路４２によって接続する。このようにすると、燃料電池４０の廃熱を利用してヒータ部１２を加熱することができる。なお、燃料電池４０の燃料には改質器３で生成された水素を用いることができ、ガス流路２２から分岐したガス流路３２を介して低圧の水素を燃料電池４０に供給する。
ただし、その場合には、改質器３で生成された水素は車両ＦＣＶの圧力水素タンク５０への水素充填に優先的に使用し、燃料電池４０には余剰水素が発生したときだけ供給されるようにする。
【００３３】
なお、貯蔵部１１への水素貯蔵およびヒータ部１２からの水素放出処理を行っているときに、バルブＶ１，Ｖ３を開いて水素供給タンク５，６への水素充填を同時に行ってもよい。このようにすると、ヒータ部１２から放出させた水素をコンプレッサ８を介して水素供給タンク５，６にも戻すことができる。
また、このように圧力水素タンク５０への非充填時に貯蔵部１１および水素供給タンク５，６への水素貯蔵および充填を行っておくと、次回の圧力水素タンク５０への水素充填処理を実行する際には、ステップＳ１０１の処理を省略することもできる。
【００３４】
以上のように、この実施の形態における水素充填装置１および水素充填方法によれば、水素吸蔵合金ＭＨ１を収納した貯蔵部１１と水素吸蔵合金ＭＨ２を収納したヒータ部１２を備え、ヒータ部１２に水素を供給することでヒータ部１２を昇温し、このヒータ部で貯蔵部１１を加熱し、貯蔵部１１に貯蔵されている水素を放出し圧力水素タンク５０に充填しているので、水素供給タンク５，６、および、貯蔵部１１の水素貯蔵圧力を圧力水素タンク５０の定格圧力（満充填圧力）Ｐｆよりも低く設定して、圧力水素タンク５０に定格圧力Ｐｆの水素を満充填することができる。したがって、コンプレッサ８が比較的に低圧の仕様で間に合うようになり、高圧仕様に伴うエネルギーロスを低減することができる。
【００３５】
特に、この実施の形態では、貯蔵部１１とヒータ部１２を一体にして水素貯蔵タンク１０としているので、貯蔵部１１とヒータ部１２との熱交換において熱損失を低減でき、エネルギーロスを低減することができる。
また、水素供給タンク５，６に残留する余剰の水素をその残留圧力でヒータ部１２に導入し、ヒータ部１２を昇温しているので、水素を有効に利用することができるとともに、水素の圧力エネルギーを有効に利用することができ、さらに、電気ヒータ等の外部熱源が不要になる。
【００３６】
また、２０リットルの水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金が収納された貯蔵部１１とヒータ部１２からなる水素貯蔵タンク１０は、内容積１００リットルの水素供給タンク５，６よりも十分に容積が小さく、水素充填装置を小型にすることができるので、車両のように設置スペースを大きく取れない場合に有利である。
さらに、順次圧力を上げていく多段式の水素充填方法では、高圧段になるほど充填効率が悪くなるが、高圧段に水素貯蔵タンク１０を用いているので、高圧段の充填効率を高くすることができる。
また、水素供給タンク５，６と水素貯蔵タンク１０とを組み合わせているので、水素貯蔵タンク１０だけで構成する場合に比べて、水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２の使用量を減らすことができ、コストを低減することができる。
【００３７】
〔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。
前述した実施の形態では、水素供給タンクを二つにしたが、一つでもよいし、あるいは、三つ以上であってもよい。また、水素貯蔵タンク１０を一つにしたが、貯蔵圧力を異にする複数の水素貯蔵タンク１０を備えてもよい。
水素供給タンク５，６、貯蔵部１１、ヒータ部１２、圧力水素タンク５０の容量は前述した実施の形態のものに限定するものではなく、また、二つの水素供給タンク５，６を同一容量にしなければならないものでもない。
【００３８】
また、前述した実施の形態では、水素供給タンク５，６および水素貯蔵タンク１０の貯蔵部１１の貯蔵圧力Ｐ１を３０ＭＰａに設定した例で説明したが、水素供給タンク５，６、貯蔵部１１、ヒータ部１２、圧力水素タンク５０の容量や、貯蔵部１１およびヒータ部１２に収納される水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２の解離圧特性や、圧力水素タンク５０の定格圧力（満充填圧力）Ｐｆの設定の仕方によって、貯蔵圧力Ｐ１は適宜の値に設定することができる。
【００３９】
また、圧力水素タンクを搭載した車両は、燃料電池車両に限るものではなく、例えば、水素を燃料とするエンジンを備えた水素エンジン車両であってもよい。また、圧力水素タンクは、内部に水素吸蔵合金を備えたものであってもよい。さらに、圧力水素タンクは車両以外の移動体に搭載されていてもよいし、あるいは、可搬式の圧力水素タンクであってもよい。
【００４０】
【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、水素供給タンクの加圧水素を加熱用水素流路を介してヒータに導入して該ヒータの水素吸蔵合金に吸蔵させることにより該ヒータを昇温することができ、水素の圧力エネルギーを有効に利用することができる。
また、このヒータで水素貯蔵器を加熱することにより該水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を昇圧して放出し、該水素を充填用水素流路を介して圧力水素タンクに充填することが可能になるので、水素供給タンクによって容易に加圧水素を得ることができるとともに、圧力水素タンクを充填するために圧縮水素を得るための圧縮エネルギーのロスを削減することができる。
また、水素吸蔵合金を収納した水素貯蔵器とヒータを備えているので、水素充填装置の総容積を小さくすることができる。
【００４１】
請求項２に係る発明によれば、水素貯蔵器とヒータとの熱交換において熱損失を低減できるので、エネルギーロスを低減することができる。
請求項３に係る発明によれば、水素供給タンクおよび水素貯蔵器の貯蔵圧力を圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く設定しても、圧力水素タンクに水素を満充填圧力で満充填することができるので、高圧充填でのエネルギーロスを低減することができる。
【００４２】
請求項４に係る発明によれば、水素供給タンクおよび水素貯蔵器の貯蔵圧力を圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く設定しても、圧力水素タンクに水素を満充填圧力で満充填することができるので、高圧充填でのエネルギーロスを低減することができる。
また、圧力水素タンクへの高圧側の充填には、水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を充填しているので、高圧充填における充填効率を高めることができる。
さらに、水素供給タンクに残留する余剰の水素をヒータに導入してヒータを昇温しているので、外部熱源なしでヒータを昇温することが可能になるとともに、水素を有効に利用することができる。
【００４３】
請求項５に係る発明によれば、ヒータに導入した水素を無駄なく有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る水素充填装置の一実施の形態における概略構成図である。
【図２】前記実施の形態の水素充填装置で使用される水素吸蔵合金ＭＨ１，ＭＨ２の解離圧特性図である。
【図３】前記実施の形態の水素充填装置を用いて圧力水素タンクに水素を充填するときの水素充填処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 水素充填装置
５，６ 水素供給タンク
１１ 貯蔵部（水素貯蔵器）
１２ ヒータ部（ヒータ）
２３，２４，２６ ガス流路（加熱用水素流路）
２７〜３０ ガス流路（充填用水素流路）
５０ 圧力水素タンク
Claims (5)
- 圧力水素タンクに水素を充填する水素充填装置であって、
水素を加圧貯蔵する水素供給タンクと、
水素吸蔵合金を備えた水素貯蔵器と、
前記水素供給タンクと前記圧力水素タンク、および、前記水素貯蔵器と前記圧力水素タンクを接続する充填用水素流路と、
前記水素供給タンクに加熱用水素流路を介して接続され、水素を吸蔵させることで昇温する水素吸蔵合金を有するヒータと、を備え、前記ヒータによって前記水素貯蔵器の水素吸蔵合金を加熱することを特徴とする水素充填装置。 - 前記ヒータと水素貯蔵器は一体であることを特徴とする請求項１に記載の水素充填装置。
- 前記水素供給タンクおよび前記水素貯蔵器の貯蔵圧力は前記圧力水素タンクの満充填圧力よりも低く、前記水素貯蔵器を加熱することにより該水素貯蔵器の水素の圧力を前記満充填圧力以上にすることを特徴とする請求項１に記載の水素充填装置。
- 圧力水素タンクに水素を充填する方法であって、
水素供給タンクに加圧貯蔵された水素を圧力水素タンクに充填し、
次に、前記水素供給タンクに残留した水素をヒータとしての水素吸蔵合金に吸蔵させることにより該ヒータを昇温し、このヒータで水素貯蔵器を加熱することにより該水素貯蔵器の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を昇圧して放出し、該水素を前記圧力水素タンクに充填することを特徴とする圧力水素タンクへの水素充填方法。 - 前記圧力水素タンクに水素の充填を終了した後、前記ヒータの水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を、前記水素供給タンクあるいは前記水素貯蔵器に戻すことを特徴とする請求項４に記載の圧力水素タンクへの水素充填方法。
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