JP2005187280A - 水素供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素吸蔵合金からの水素放出時に得られる冷熱を冷凍又は冷房に利用することは記載されるが、２種類以上の水素吸蔵合金Ｍａ及びＭｂを用意することを前提としており、装置構成が複雑である。
【解決手段】 水素分離膜１によつて分離された水素を複数のＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に次々に吸蔵させながら、他のＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を次々に放出させ、水素を水素機器８に供給する水素供給装置であつて、各ＭＨ容器３〜６に冷熱出力用媒体ライン１８が切換え可能かつ熱交換可能に接続され、冷熱出力用媒体ライン１８に流す冷熱出力用媒体によつてＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を次々に加熱しながら水素吸蔵合金から放出される水素を水素機器８に供給すると共に、各ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を加熱して温度低下した冷熱出力用媒体を冷熱利用機器４０に導き、冷凍又は冷房を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素供給装置に関するものである。

従来、水素を水素吸蔵合金に吸蔵させて貯蔵して高純度水素を供給する水素供給装置が、例えば特許文献１及び特許文献２において提案されている。

特許文献１に記載されるものは、図８に示すように原料ガスを改質器に通して水素を主成分とする改質ガスを得、この改質ガスを水素透過膜である高分子膜に通して精製された粗精製水素を生成した後、該粗精製水素を少なくとも２基以上の水素吸蔵合金を充填するＭＨ容器Ａ，Ｂに交互に通して水素を分離精製かつ吸蔵させるようにしてなることを特徴とする。Ｓ，Ｔは切換弁である。

ＭＨ容器Ａ，Ｂからの水素放出に、燃料電池の例えば８０℃程度の冷却水を利用できる。水素放出に利用した後に例えば３５℃程度にした冷却水は、水素を分離精製かつ吸蔵中のＭＨ容器Ａ，Ｂに通してその冷却用に利用でき、冷却水は４０℃程度に昇温する。水素吸蔵合金から放出させる水素は、燃料電池の燃料極に供給する。

特許文献２に記載されるものは、平衡水素圧の異なる少なくとも２種類の水素吸蔵合金を充填した水素吸蔵合金ヒートポンプに燃料電池を連結し、該ヒートポンプの熱源として燃料電池の排熱及び改質器の排熱の内の少なくとも一方を利用すると共に、水素吸蔵合金からの水素放出時に得られる冷熱を冷凍又は冷房に利用し、かつ、水素吸蔵合金からの放出水素を燃料電池に供給する。

特に、天然ガスや都市ガス等を改質して得られた水素を主成分とする改質ガスを水素含有ガスとして使用し、これを水素貯蔵装置に導き、冷熱を得ると共に、水素をＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）の燃料として供給する。

水素貯蔵装置は、図９に示すように、特性の異なる水素吸蔵合金Ｍａ及びＭｂを２つの容器１，２にそれぞれ充填する。この場合、同一温度で、Ｍｂの方がＭａよりも平衡水素圧の高い合金を用い、また、両容器はバルブＶ１を介して連結してある。

先ず、（１）バルブＶ１を閉とし、水素含有ガスをＭａの容器へ供給し、水素を選択的に吸蔵させる（図９ａ）。

次に、（２）バルブＶ１を開とし、熱源としてＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）からの電池冷却水（８０〜１００℃程度）を用いて水素吸蔵合金Ｍａの容器を加熱すると、Ｍａが吸熱反応を起こして水素化物ＭａＨが水素を放出する（図９ｂ）。放出水素はＭｂ容器へ移動し、合金Ｍｂに吸蔵されて水素化物ＭｂＨとなる。このとき、例えば４０℃程度の反応熱がでるが、この熱は外部に放出してよい。上記熱源としては、電池冷却水のほか、電池冷却空気、空気極からの排気、燃料極からの排気、改質器からの排熱も利用でき、これらの２種以上を併用して利用してもよい。

その後、（３）Ｍｂ容器の温度は外気温度まで下がるが、ＰＥＦＣへのバルブＶ２を開とすると、Ｍｂ容器の水素化物ＭｂＨは吸熱反応により水素を放出する。このときの吸熱作用により、水が冷やされて冷水を得ることができる、この冷水を利用して室内の冷房を行うことができる。放出水素は、ＰＥＦＣへ供給され、燃料として使用される。
なお、過程（３）を実施するのと同時に、上記（１）の過程を開始してもよい。図９（ｃ）はこの場合を示している。
特開２０００−３２７３０６公報 特開２０００−３４０２４２公報

特許文献１に係る発明の課題は、次の通りである。
水素吸蔵合金からの水素放出時に得られる冷熱を冷凍又は冷房に利用することは記載されれず、吸熱反応時には、８０℃の電池冷却水が７５℃程度に冷却されることからしても冷凍又は冷房を行うことは予定していない。

また、水素吸蔵合金への水素吸蔵時に得られる温熱を暖房に利用することも記載されない。発熱反応時には、３５℃の冷却水が４０℃程度に加熱され、更に、熱交換器において電池冷却水と熱交換させて７０℃程度に昇温させるので、これを暖房に利用することは可能であるが、水素透過膜から二次側に流出する水素含有ガスと熱交換させることは予定されず、この点で水素透過膜から流出する水素含有ガス（５００〜７００℃）の温熱を有効活用することが予定されていない。

特許文献２に係る発明の課題は、次の通りである。
水素吸蔵合金からの水素放出時に得られる冷熱を冷凍又は冷房に利用することは記載されるが、特性の異なる２種類以上の水素吸蔵合金Ｍａ及びＭｂを直列配置することを前提としており、装置構成が複雑である。

Ｍａ，Ｍｂ容器の冷却については、Ｍｂ容器の冷却についてのみ熱は外部に放出してよい、と記載される程度であり、水素吸蔵合金への水素吸蔵時に得られる温熱を暖房に利用することは記載されない。また、水素吸蔵合金Ｍａ及びＭｂを直列配置した状態で、Ｍａ，Ｍｂ容器の冷却に外気以外の特定の冷媒を用いるときは、総合的なエネルギー使用量が多くなり、また、Ｍａ，Ｍｂ容器の冷却をそれぞれ外気で行うときは、冷却効率に劣つて速やかな動作が得られず、かつ、冷熱回収量が少なくなるといつた技術的課題が存在している。

改質器から流出する高温の水素含有ガスを予め冷却することなく容器Ｍａに直接供給しているため、水素吸蔵合金Ｍａにおける水素吸蔵が高温で行われる傾向にあると共に、水素放出時には、水素吸蔵合金Ｍａの温度を昇温させるために比較的高温の熱源であるＰＥＦＣの冷却水（８０〜１００℃程度）が必要となる。その結果、２種類以上の水素吸蔵合金Ｍａ及びＭｂを直列配置することが必須になる。

本発明は、水素供給装置に同一種類の水素吸蔵合金を収容するＭＨ容器の複数個を並列配置することにより、従来よりも簡素なＭＨ容器の構成で、冷熱又は温熱の取り出しが効率的になされ、かつ、消費エネルギーが抑制された水素供給装置を提供することを目的としている。

本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、その構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、水素含有ガス雰囲気下に設置され、水素を選択的に分離して二次側水素ガスライン１９に流す水素分離膜１と、水素分離膜１に二次側水素ガスライン１９を介して切換え可能に並列接続され、同一種類の水素吸蔵合金を収容する複数のＭＨ容器３〜６と、各ＭＨ容器３〜６が切換え可能に接続され、水素を貯留又は使用する水素機器８とを備え、
水素分離膜１によつて分離された水素を前記ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に次々に吸蔵させながら、他のＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を次々に放出させ、水素を水素機器８に供給する水素供給装置であつて、
各ＭＨ容器３〜６に冷熱出力用媒体ライン１８が切換え可能かつ熱交換可能に接続され、冷熱出力用媒体ライン１８に流す冷熱出力用媒体によつて前記ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を次々に加熱しながら水素吸蔵合金から放出される水素を水素機器８に供給すると共に、
各ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を加熱して温度低下した冷熱出力用媒体を冷凍機器及び冷房機器の内の少なくとも一方からなる冷熱利用機器４０に導き、冷凍又は冷房を行うことを特徴とする水素供給装置である。
請求項２の発明は、前記ＭＨ容器３〜６を４個以上装備させ、かつ、各水素吸蔵合金による水素の吸蔵及び放出の時期を異ならせることにより、常時、少なくとも１個のＭＨ容器３〜６に水素の吸蔵を行わせ、かつ、少なくとも１個のＭＨ容器３〜６に水素の放出を行わせることを特徴とする請求項１の水素供給装置である。
請求項３の発明は、前記ＭＨ容器３〜６と水素機器８との間にコンプレッサ７が介在され、ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金から放出される水素を水素機器８に強制的に供給することを特徴とする請求項１又は２の水素供給装置である。
請求項４の発明は、水素含有ガス雰囲気下に設置され、水素を選択的に分離して二次側水素ガスライン１９に流す水素分離膜１と、水素分離膜１に二次側水素ガスライン１９を介して切換え可能に並列接続され、同一種類の水素吸蔵合金を収容する複数のＭＨ容器３〜６と、各ＭＨ容器３〜６が切換え可能に接続され、水素を貯留又は使用する水素機器８とを備え、
水素分離膜１によつて分離された水素を前記ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に次々に吸蔵させながら、他のＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を次々に放出させ、水素を水素機器８に供給する水素供給装置であつて、
各ＭＨ容器３〜６に温熱出力用媒体ライン１７が切換え可能かつ熱交換可能に接続され、かつ、二次側水素ガスライン１９に熱交換器２が配置され、
温熱出力用媒体ライン１７に流す冷却媒体によつて前記ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を次々に冷却しながら水素分離膜１によつて分離された水素を二次側水素ガスライン１９を通して水素吸蔵合金に吸蔵させると共に、該熱交換器２に前記各ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金の冷却に供した後の冷却媒体を流して二次側水素ガスライン１９を流れる水素を冷却し、昇温した該冷却媒体を温熱利用機器３３に導入し暖房及び温水の内の少なくとも１方に利用することを特徴とする水素供給装置である。
請求項５の発明は、水素含有ガス雰囲気下に設置され、水素を選択的に分離して二次側水素ガスライン１９に流す水素分離膜１と、水素分離膜１に二次側水素ガスライン１９を介して切換え可能に並列接続され、同一種類の水素吸蔵合金を収容する複数のＭＨ容器３〜６と、各ＭＨ容器３〜６が切換え可能に接続され、水素を貯留又は使用する水素機器８とを備え、
水素分離膜１によつて分離された水素を前記ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に次々に吸蔵させながら、他のＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を次々に放出させ、水素を水素機器８に供給する水素供給装置であつて、
各ＭＨ容器３〜６に、温熱出力用媒体ライン１７及び冷熱出力用媒体ライン１８がそれぞれ切換え可能かつ熱交換可能に接続され、かつ、水素分離膜１の二次側水素ガスライン１９に熱交換器２が配置され、
前記温熱出力用媒体ライン１７に流す冷却媒体によつて前記ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を次々に冷却しながら水素分離膜１によつて分離された水素を水素吸蔵合金に吸蔵させ、かつ、前記ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金の冷却に供した後の冷却媒体を該熱交換器２に流して二次側水素ガスライン１９を流れる水素を冷却し、昇温した該冷却媒体を温熱利用機器３３に導入し暖房及び温水の内の少なくとも１方に利用すると共に、
前記冷熱出力用媒体ライン１８に流す冷熱出力用媒体によつて前記ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を次々に加熱しながら水素吸蔵合金から放出される水素を水素機器８に供給し、かつ、前記ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を加熱して温度低下した冷熱出力用媒体を冷凍機器及び冷房機器の内の少なくとも一方からなる冷熱利用機器４０に導き、冷凍又は冷房を行うことを特徴とする水素供給装置である。

請求項１によれば、水素分離膜１と水素機器８との間に、同一種類の水素吸蔵合金を収容する複数のＭＨ容器３〜６を１段をなすように並列配置させ、水素分離膜１によつて分離された水素をいずれかのＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に次々に吸蔵させながら、他のＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を次々に放出させ、水素を水素機器８に供給する。

そして、冷熱出力用媒体ライン１８に流す冷熱出力用媒体によつてＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を次々に切換え加熱しながら水素吸蔵合金から放出される水素を水素機器８に供給すると共に、各ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を加熱して自らは温度低下した冷熱出力用媒体を冷凍機器及び冷房機器の内の少なくとも一方からなる冷熱利用機器４０に導き、冷凍又は冷房を行う。

これにより、同一種類の水素吸蔵合金をそれぞれ収容する複数のＭＨ容器を使用する簡素な構造の水素供給装置により、水素貯蔵・供給に加え、冷凍又は冷房を行うことが可能になる。

請求項２によれば、ＭＨ容器３〜６を４個以上装備させ、かつ、各水素吸蔵合金による水素の吸蔵及び放出の時期を異ならせることにより、常時、少なくとも１個のＭＨ容器３〜６に水素の吸蔵を行わせ、かつ、少なくとも１個のＭＨ容器３〜６に水素の放出を行わせる。これにより、水素吸蔵合金の水素吸蔵から水素吸放出への状態変化に要する時間中も水素供給装置を適正に作動させることが可能になり、水素吸蔵合金による水素の吸蔵及び放出並びに冷凍又は冷房を安定して継続的に行うことが可能になる。

請求項３によれば、コンプレッサ７の駆動により、ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金から放出される水素を水素機器８に強制的に供給することができる。その結果、ＭＨ容器３〜６の内部を減圧させて水素吸蔵合金からの水素の放出を促し、水素吸蔵合金による水素放出を低温で行わせることが容易になり、冷熱を回収した冷熱出力用媒体を冷凍、冷房等に供することが容易になる。

請求項４によれば、温熱出力用媒体ライン１７に流す冷却媒体によつてＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金を次々に冷却しながら水素分離膜１によつて分離された水素を二次側水素ガスライン１９を通して水素吸蔵合金に吸蔵させると共に、熱交換器２に各ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金の冷却に供した後の冷却媒体を流して二次側水素ガスライン１９を流れる水素を冷却し、昇温した冷却媒体を温熱利用機器３３に導入し暖房及び温水の内の少なくとも１方に利用する。このように、温熱出力用媒体ライン１７に流す冷却媒体を水素吸蔵合金の冷却及び二次側水素ガスライン１９を流れる水素の冷却の両方に使用するので、冷却媒体を有効活用しながら、水素吸蔵合金を比較的低温に維持して水素供給装置を駆動することができる。その結果、水素放出時に水素吸蔵合金を著しい高温に加熱する必要がなくなり、省エネルギーを図りながら、水素貯蔵・供給に加え、暖房又は温水の利用が可能になる。

請求項５によれば、請求項１及び請求項４の効果を併せて奏することができる。特に、水素吸蔵合金を比較的低温に維持して水素供給装置を駆動することができ、水素放出時に水素吸蔵合金を高温に加熱する必要がなくなるので、省エネルギーを図りながら、水素吸蔵合金による水素放出を低温で行わせることが容易になり、冷熱を回収した冷熱出力用媒体を冷凍、冷房等に供することが容易になる。

図１〜図７は、本発明に係る水素供給装置の１実施の形態を示す。図１中において符号１は水素含有ガスの流路部３０内に設置される水素分離膜であり、袋状をなしている。水素分離膜１は、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｇ合金、若しくはＰｄ、Ｐｄ−Ａｇ合金以外の水素透過性を有する金属若しくは合金で、その表面にＰｄをメッキ若しくはＰｄ粒子を塗布、焼き付けした材料、又は、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｇ合金以外の水素透過性を有する金属若しくは合金で、その表面に水素乖離触媒をメッキ若しくはＰｄ粒子を塗布、焼き付けした材料、更に、高分子膜（例えばポリイミド膜、酢酸セルロース膜、ポリスルホン、その他の高分子膜）によつて形成される。なお、水素分離膜１は、メンブレンリフォーマーに組み込むものであつてもよい。

水素含有ガスは、流入路３１から流路部３０に送り込まれ、水素のみが水素分離膜１を透過し、残余の水素減ガスは流出路３２から外部に流出する。

水素分離膜１の開口部には、二次側水素ガスライン１９の一端部が接続され、二次側水素ガスライン１９の他端部は、並列接続させたガス流入側バルブ９，１０，１１，１２を介して第１〜第４のＭＨ容器３，４，５，６に個別に切換え可能に接続している。１段をなすように並列配置させた各ＭＨ容器３，４，５，６には、同一種類つまり平衡水素圧を含む特性が同一の水素吸蔵合金ＭＨが収容されている。

また、第１〜第４のＭＨ容器３，４，５，６には、それぞれガス放出側バルブ１３，１４，１５，１６を介して水素供給ライン２０の一端部が切換え可能に接続されている。水素供給ライン２０の他端部は、コンプレッサ７を介して、高圧水素ボンベ、燃料電池等からなる水素機器８に接続される。コンプレッサ７は、各ＭＨ容器３，４，５，６の水素放出時に、開放させたガス放出側バルブ１３，１４，１５，１６が接続するＭＨ容器３，４，５，６内の水素を吸引圧縮させ、水素機器８に強制的に送り込む機能を有するが、水素機器８において比較的低圧の水素ガスの使用が可能なときは、省略することが可能である。

この各ＭＨ容器３，４，５，６には、温熱出力用媒体ライン１７及び冷熱出力用媒体ライン１８が切換え可能かつ熱交換可能に接続されている。実際には、各ＭＨ容器に２つの熱交換器が配設され、一方は水素吸蔵時の発熱反応に伴う温熱を回収するための温熱出力用媒体ライン１７と接続され、他方は水素放出時の吸熱反応に伴う冷熱を回収するための冷熱出力用媒体ライン１８と接続されている。温熱出力用媒体ライン１７は、水素吸蔵合金ＭＨの冷却用媒体つまり自らは加熱される媒体を流すラインであり、冷熱出力用媒体ライン１８は、水素吸蔵合金ＭＨの加熱用媒体つまり自らは冷却される媒体を流すラインである。

温熱出力用媒体ライン１７は、各温熱出力用媒体側バルブ９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａを介してＭＨ容器３，４，５，６に切換え可能かつ熱交換可能に設置され、分岐部が合流した後に熱交換器２に接続している。熱交換器２は、水素分離膜１の二次側水素ガスライン１９と熱交換可能に配置され、水素分離膜１によつて分離後の高温水素ガスの冷却と熱回収とを行う機能を有し、一次側では５００〜７００℃の水素ガスを１００℃以下まで冷却し、冷却された水素ガスはＭＨ容器３，４，５，６へと導入され容器内の水素吸蔵合金ＭＨに吸蔵される。熱交換器２を流れる二次側は、流体からなる温熱出力用媒体である水若しくは熱容量の大きな液体又は気体の流量を制御することで出口温度が５０〜６０℃以上の熱源を得ることが可能である。

温熱出力用媒体ライン１７の冷媒は、いずれかのＭＨ容器３，４，５，６及び二次側水素ガスライン１９を流れる高温の水素ガスと熱交換を行い、流動しながら自らは昇温した冷媒は、温熱利用機器３３に導入し、暖房又は温水供給に活用する。すなわち、ＭＨ容器３，４，５，６の水素吸蔵合金ＭＨから回収された熱と二次側水素ガスライン１９を流れる高温水素ガスから回収された熱の両方を、暖房や温水としての利用を目的として熱回収する。

なお、各ＭＨ容器３，４，５，６において、ガス流入側バルブ９，１０，１１，１２は、それぞれの符号に対応してａを付した温熱出力用媒体側バルブ９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａと連動し、個々のＭＨ容器３，４，５，６に付属する開閉バルブである両バルブ９，９ａ、１０，１０ａ、１１，１１ａ、１２，１２ａの開閉状態は、共に同じに制御する。

冷熱出力用媒体ライン１８は、それぞれ冷熱出力用媒体側バルブ１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ，１６ｂを介して各ＭＨ容器３，４，５，６に切換え可能かつ熱交換可能に設置され、分岐部が合流した後に冷熱利用機器４０に接続している。冷熱利用機器４０は、冷凍機器、冷房機器等であり、冷熱利用機器４０において使用後の冷熱出力用媒体を冷熱出力用媒体ライン１８に送り込む機能をも有する。従つて、冷熱出力用媒体は、冷熱出力用媒体側バルブ１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ，１６ｂの開放により、冷熱出力用媒体ライン１８、ＭＨ容器３，４，５，６及び冷熱利用機器４０を循環することができる。

冷熱出力用媒体ライン１８から各ＭＨ容器３，４，５，６に流入する冷熱出力用媒体は、各水素吸蔵合金ＭＨの水素放出時の吸熱反応に伴う冷熱を回収するための液体からなる媒体であり、取り出される媒体温度が１℃以上のときは水、それ以下、特に０℃以下のときは不凍液を使用する。各ＭＨ容器３，４，５，６から流出する冷熱出力用媒体は、予めタンクに貯留させ、タンクから冷熱利用機器４０に供給することもできる。

なお、各ＭＨ容器３，４，５，６において、ガス放出側バルブ１３，１４，１５，１６は、それぞれの符号に対応してｂを付した冷熱出力用媒体側バルブ１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ，１６ｂと連動し、個々のＭＨ容器３，４，５，６に付属する開閉バルブである両バルブ１３ｂ，１３、１４ｂ，１４、１５ｂ，１５、１６ｂ、１６の開閉状態は共に同じに制御する。

次に、図２〜図７を参照して作用について説明する。
当初、第１〜第４ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金ＭＨからは水素が十分に放出されている。この状態から、図２〜図５に斜線を付して示す第１〜第４のＭＨ容器３〜６に次々に水素を吸蔵させる。このとき、白抜きで示すように各ＭＨ容器３〜６に付属するガス流入側バルブ９〜１２及び温熱出力用媒体側バルブ９ａ〜１２ａを次々に開く。これにより、水素ガスライン１９からの水素ガスがＭＨ容器３〜６に次々に流入し、発熱反応を生じながら、水素吸蔵合金に水素が吸蔵され、水素吸蔵に伴う発熱は、温熱出力用媒体ライン１７からの冷却媒体との熱交換によつて吸収される。

ＭＨ容器３〜６で熱交換に供された温熱出力用媒体ライン１７からの冷却媒体は、熱交換器２に導かれ、水素分離膜１によつて分離後の高温水素ガスの冷却及び熱回収を行い、自らは昇温する。これにより、温熱出力用媒体ライン１７からの冷却媒体は、発熱反応を行う水素吸蔵合金ＭＨとの熱交換及び二次側水素ガスライン１９を流れる高温水素ガスとの熱交換の両者によつて昇温し、温熱の回収が行われ、これを温熱利用機器３３に導入し暖房、温水供給に活用する。従つて、水素吸蔵合金ＭＨから回収された熱と二次側水素ガスライン１９を流れる高温水素ガスから回収された熱との両方が、暖房や温水として熱回収・供給される。

一方、第１〜第４ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金ＭＨに水素が適当に吸蔵されたなら、図４〜図７に白抜きで示すように各ガス放出側バルブ１３〜１６及び冷熱出力用媒体側バルブ１３ｂ〜１６ｂを次々に開き、かつ、対応するガス流入側バルブ９〜１２及び温熱出力用媒体側バルブ９ａ〜１２ａを閉じると共に、コンプレッサ７を駆動する。

これにより、冷熱出力用媒体ライン１８を流れる冷熱出力用媒体が水素吸蔵合金ＭＨを加熱しながら自らは冷却され、水素吸蔵合金ＭＨから放出される水素は水素機器８に強制的に送り込まれて水素供給が行われると共に、水素吸蔵合金ＭＨの水素放出時の吸熱反応による冷熱の回収・出力が行われる。冷熱を回収した冷熱出力用媒体は、冷熱利用機器４０に供給され、冷凍、冷房等に供され、使用後の冷熱出力用媒体は冷熱出力用媒体ライン１８に再度送り込まれて循環する。

いま、第１〜第４ＭＨ容器３〜６の水素吸蔵合金ＭＨからは水素が十分に放出されているものとする。また、水素含有ガス雰囲気中に設置した水素分離膜１は、流入路３１から流入する一次側の水素含有ガス中の水素を低圧力状態にある二次側に選択的に透過し、高純度の水素ガスのみを取り出すように動作する。水素減ガスは、流出路３２から外部に流出する。水素分離膜１を透過した高純度の水素ガスは、二次側水素ガスライン１９に流入し、熱回収用熱交換器２を経て二次側の温熱出力用媒体ライン１７と熱交換して冷却された後、後段のＭＨ容器３〜６に流入させることが可能である。

この状態で、図２に斜線を付して示す第１のＭＨ容器３に水素を吸蔵させる。このとき、白抜きで示すように第１のＭＨ容器３に付属するガス流入側バルブ９を開き、また、該バルブ９と連動させて温熱出力用媒体側バルブ９ａを開く。これにより、水素ガスライン１９からの水素ガスがＭＨ容器３に流入し、発熱反応を生じながら、水素吸蔵合金に水素が吸蔵され、水素吸蔵に伴う発熱は、温熱出力用媒体ライン１７からの冷却媒体との熱交換によつて吸収される。

第１のＭＨ容器３で熱交換に供された温熱出力用媒体ライン１７からの冷却媒体は、熱交換器２に導かれ、水素分離膜１によつて分離後の高温水素ガスの冷却及び熱回収を行い、自らは昇温する。これにより、温熱出力用媒体ライン１７からの冷却媒体は、発熱反応を行う水素吸蔵合金ＭＨとの熱交換及び二次側水素ガスライン１９を流れる高温水素ガスとの熱交換の両者によつて昇温し、温熱の回収が行われ、これを温熱利用機器３３に導入し暖房、温水供給に活用する。

このようにして、第１のＭＨ容器３の水素吸蔵合金ＭＨの水素吸蔵量が吸蔵限界のほぼ半分に達したところで、図３に示すように第２のＭＨ容器４に付属するガス流入側バルブ１０及び温熱出力用媒体側バルブ１０ａを開き、第２のＭＨ容器４への水素吸蔵を開始させる。これにより、第２のＭＨ容器４を使用して、第１のＭＨ容器３と同様に、水素吸蔵合金の水素吸蔵に伴う発熱反応を抑制しつつ、温熱の回収・供給が行われる。

次に、第２のＭＨ容器４の水素吸蔵量が吸蔵限界のほぼ半分に達したところで、図４に示すように第３のＭＨ容器５に付属するガス流入側バルブ１１及び温熱出力用媒体側バルブ１１ａを開き、次のＭＨ容器５に水素を吸蔵させる。これにより、第３のＭＨ容器５を使用して、第２のＭＨ容器４と同様に、水素吸蔵合金の水素吸蔵に伴う発熱反応を抑制しつつ、温熱の回収・供給が行われる。

第３のＭＨ容器５に付属するガス流入側バルブ１１及び温熱出力用媒体側バルブ１１ａの開放と同時に、水素吸蔵量がほぼ吸蔵限界に達した第１のＭＨ容器３では、ＭＨ容器３につながるガス流入側バルブ９及び温熱出力用媒体側バルブ９ａを黒塗りで示すように閉じ、白抜きで示すようにガス放出側バルブ１３及び冷熱出力用媒体側バルブ１３ｂを開くと共にコンプレッサ７を駆動する。

これにより、冷熱出力用媒体ライン１８を流れる冷熱出力用媒体が第１のＭＨ容器３の水素吸蔵合金ＭＨを加熱しながら自らは冷却され、水素吸蔵合金ＭＨから放出される水素を水素機器８に強制的に送り込んで水素供給が行われると共に、水素吸蔵合金ＭＨの水素放出時の吸熱反応による冷熱の回収・出力が行われる。冷熱を回収した冷熱出力用媒体は、冷熱利用機器４０に供給され、冷凍、冷房等に供される。

このように、ＭＨ容器３，４，５，６で熱交換に供された温熱出力用媒体ライン１７からの冷却媒体は、熱交換器２に導かれ、水素分離膜１によつて分離後の高温水素ガスの冷却及び熱回収を行い、冷却された水素ガスがＭＨ容器３，４，５，６に流入するため、水素吸蔵時には温熱出力用媒体ライン１７からの冷却媒体によつて水素吸蔵合金ＭＨが冷却されることとも相まつて、水素吸蔵合金ＭＨを比較的低温に維持しながら水素を吸蔵させることが可能になる。これにより、水素吸蔵合金ＭＨによる水素放出を低温で行わせることが容易になり、ＭＨ容器を直列接続することなく、冷熱を回収した冷熱出力用媒体を冷凍、冷房等に供することが容易になる。

また、コンプレッサ７の駆動により、ＭＨ容器３，４，５，６の内部が減圧されるので、水素吸蔵合金ＭＨからの水素の放出が促される。これによつても、水素吸蔵合金ＭＨからの水素放出を低温で行わせることが容易になり、ＭＨ容器を直列接続することなく、冷熱を回収した冷熱出力用媒体を冷凍、冷房等に供することが容易になる。

次に、第３のＭＨ容器５の水素吸蔵量が吸蔵限界のほぼ半分に達したところで、図５に示すように、第４のＭＨ容器６に水素を吸蔵させるために、ＭＨ容器６に付属するガス流入側バルブ１２及び温熱出力用媒体側バルブ１２ａを開く。これにより、第４のＭＨ容器６を使用して、第３のＭＨ容器５と同様に、水素吸蔵合金の水素吸蔵に伴う発熱反応を抑制しつつ、温熱の回収・供給が行われる。

また、第４のＭＨ容器６に付属するガス流入側バルブ１２及び温熱出力用媒体側バルブ１２ａの開放と同時に、水素吸蔵量がほぼ吸蔵限界に達した第２のＭＨ容器４につながるガス流入側バルブ１０及び温熱出力用媒体側バルブ１０ａを黒塗りで示すように閉じ、白抜きで示すようにガス放出側バルブ１４及び冷熱出力用媒体側バルブ１４ｂを開く。これにより、第１のＭＨ容器３と共に第２のＭＨ容器４からの水素供給と水素吸蔵合金の水素放出時の吸熱反応による冷熱の回収・出力を行う。

引き続き、第４のＭＨ容器６の水素吸蔵量が吸蔵限界のほぼ半分に達したところで、図６に示すように、吸蔵水素のほぼ全量が放出された第１のＭＨ容器３に水素を吸蔵させるために、ガス放出側バルブ１３及び冷熱出力用媒体側バルブ１３ｂを閉じると共に、ガス流入側バルブ９及び温熱出力用媒体側バルブ９ａを開く。これにより、第１のＭＨ容器３を使用して、第４のＭＨ容器６と同様に、水素吸蔵合金の水素吸蔵に伴う発熱反応を抑制しつつ、温熱の回収・供給が行われる。

また、第１のＭＨ容器３のガス流入側バルブ９及び温熱出力用媒体側バルブ９ａの開放と同時に、水素吸蔵量がほぼ吸蔵限界に達した第３のＭＨ容器５につながるガス流入側バルブ１１及び温熱出力用媒体側バルブ１１ａを黒塗りで示すように閉じ、白抜きで示すようにガス放出側バルブ１５及び冷熱出力用媒体側バルブ１５ｂを開く。これにより、第３のＭＨ容器５を使用して、第２のＭＨ容器４と同様に、水素供給と水素吸蔵合金の水素放出時の吸熱反応による冷熱の回収・出力を行う。

次に、第１のＭＨ容器３の水素吸蔵量が吸蔵限界のほぼ半分に達したところで、図７に示すように、吸蔵水素のほぼ全量が放出された第２のＭＨ容器４に水素を吸蔵させるために、ガス放出側バルブ１４及び冷熱出力用媒体側バルブ１４ｂを閉じると共に、ガス流入側バルブ１０及び温熱出力用媒体側バルブ１０ａを開く。これにより、第２のＭＨ容器４を使用して、第１のＭＨ容器３と同様に、水素吸蔵合金の水素吸蔵に伴う発熱反応を抑制しつつ、温熱の回収・供給が行われる。

また、第２のＭＨ容器４に付属するガス流入側バルブ１０及び温熱出力用媒体側バルブ１０ａの開放と同時に、水素吸蔵量がほぼ吸蔵限界に達した第４のＭＨ容器６につながるガス流入側バルブ１２及び温熱出力用媒体側バルブ１２ａを黒塗りで示すように閉じ、白抜きで示すようにガス放出側バルブ１６及び冷熱出力用媒体側バルブ１６ｂを開く。これにより、第４のＭＨ容器６を使用して、第３のＭＨ容器５と同様に、水素供給と水素吸蔵合金の水素放出時の吸熱反応による冷熱の回収・出力を行う。

このように、水素分離膜１と水素機器８との間に複数のＭＨ容器３〜６を並列配置し、これらのＭＨ容器３〜６を順次に切り替えて行う一連のサイクルを繰り返すことにより、連続的に水素の吸放出ができるのみならず、温熱及び冷熱の回収及び出力を連続的に行うことが可能である。ＭＨ容器３〜６は、いずれか１個の装備によつて温熱及び冷熱を共に回収・出力することは可能であるが、連続的な出力を得るためには、２個以上のＭＨ容器を用いることが望まれる。

特に、水素吸蔵合金は、水素吸蔵から水素吸放出への状態変化に数秒ないし１分程度の時間が必要なことから、常時、少なくとも１個のＭＨ容器３〜６に水素の吸蔵を行わせ、かつ、少なくとも１個のＭＨ容器３〜６に水素の放出を行わせるるためには、４個以上のＭＨ容器３〜６を使用することが望ましい。すなわち、４個以上のＭＨ容器３〜６を使用すれば、水素吸蔵から水素吸放出への切り換えに時間差を生じても、水素吸蔵を行う容器と水素放出を行う容器とが常に１個以上存在する状態にすることができ、水素の吸蔵・放出ひいては冷・温熱出力を連続して得ることが可能になる。殊に、安定した温度での冷熱の連続出力が可能になる。

本発明の１実施の形態に係る水素供給装置を示す図。 同じく作用説明図。 同じく作用説明図。 同じく作用説明図。 同じく作用説明図。 同じく作用説明図。 同じく作用説明図。 従来の水素供給装置を示す図。 従来の水素供給装置を示す図。

符号の説明

１：水素分離膜
２：熱交換器
３：第１のＭＨ容器（ＭＨ容器）
４：第２のＭＨ容器（ＭＨ容器）
５：第３のＭＨ容器（ＭＨ容器）
６：第４のＭＨ容器（ＭＨ容器）
７：コンプレッサ
８：水素機器
９，１０，１１，１２：ガス流入側バルブ
９ａ，１０ａ，１１ａ，１２ａ：温熱出力用媒体側バルブ
１３，１４，１５，１６：ガス放出側バルブ
１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ，１６ｂ：冷熱出力用媒体側バルブ
１７：温熱出力用媒体ライン
１８：冷熱出力用媒体ライン
１９：二次側水素ガスライン
２０：水素供給ライン
３０：流路部
３１：流入路
３２：流出路
３３：温熱利用機器
４０：冷熱利用機器

Claims (5)

1. 水素含有ガス雰囲気下に設置され、水素を選択的に分離して二次側水素ガスライン（１９）に流す水素分離膜（１）と、水素分離膜（１）に二次側水素ガスライン（１９）を介して切換え可能に並列接続され、同一種類の水素吸蔵合金を収容する複数のＭＨ容器（３〜６）と、各ＭＨ容器（３〜６）が切換え可能に接続され、水素を貯留又は使用する水素機器（８）とを備え、
   水素分離膜（１）によつて分離された水素を前記ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金に次々に吸蔵させながら、他のＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を次々に放出させ、水素を水素機器（８）に供給する水素供給装置であつて、
   各ＭＨ容器（３〜６）に冷熱出力用媒体ライン（１８）が切換え可能かつ熱交換可能に接続され、冷熱出力用媒体ライン（１８）に流す冷熱出力用媒体によつて前記ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金を次々に加熱しながら水素吸蔵合金から放出される水素を水素機器（８）に供給すると共に、
   各ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金を加熱して温度低下した冷熱出力用媒体を冷凍機器及び冷房機器の内の少なくとも一方からなる冷熱利用機器（４０）に導き、冷凍又は冷房を行うことを特徴とする水素供給装置。
2. 前記ＭＨ容器（３〜６）を４個以上装備させ、かつ、各水素吸蔵合金による水素の吸蔵及び放出の時期を異ならせることにより、常時、少なくとも１個のＭＨ容器（３〜６）に水素の吸蔵を行わせ、かつ、少なくとも１個のＭＨ容器（３〜６）に水素の放出を行わせることを特徴とする請求項１の水素供給装置。
3. 前記ＭＨ容器（３〜６）と水素機器（８）との間にコンプレッサ（７）が介在され、ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金から放出される水素を水素機器（８）に強制的に供給することを特徴とする請求項１又は２の水素供給装置。
4. 水素含有ガス雰囲気下に設置され、水素を選択的に分離して二次側水素ガスライン（１９）に流す水素分離膜（１）と、水素分離膜（１）に二次側水素ガスライン（１９）を介して切換え可能に並列接続され、同一種類の水素吸蔵合金を収容する複数のＭＨ容器（３〜６）と、各ＭＨ容器（３〜６）が切換え可能に接続され、水素を貯留又は使用する水素機器（８）とを備え、
   水素分離膜（１）によつて分離された水素を前記ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金に次々に吸蔵させながら、他のＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を次々に放出させ、水素を水素機器（８）に供給する水素供給装置であつて、
   各ＭＨ容器（３〜６）に温熱出力用媒体ライン（１７）が切換え可能かつ熱交換可能に接続され、かつ、二次側水素ガスライン（１９）に熱交換器（２）が配置され、
   温熱出力用媒体ライン（１７）に流す冷却媒体によつて前記ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金を次々に冷却しながら水素分離膜（１）によつて分離された水素を二次側水素ガスライン（１９）を通して水素吸蔵合金に吸蔵させると共に、該熱交換器（２）に前記各ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金の冷却に供した後の冷却媒体を流して二次側水素ガスライン（１９）を流れる水素を冷却し、昇温した該冷却媒体を温熱利用機器（３３）に導入し暖房及び温水の内の少なくとも１方に利用することを特徴とする水素供給装置。
5. 水素含有ガス雰囲気下に設置され、水素を選択的に分離して二次側水素ガスライン（１９）に流す水素分離膜（１）と、水素分離膜（１）に二次側水素ガスライン（１９）を介して切換え可能に並列接続され、同一種類の水素吸蔵合金を収容する複数のＭＨ容器（３〜６）と、各ＭＨ容器（３〜６）が切換え可能に接続され、水素を貯留又は使用する水素機器（８）とを備え、
   水素分離膜（１）によつて分離された水素を前記ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金に次々に吸蔵させながら、他のＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金に吸蔵させた水素を次々に放出させ、水素を水素機器（８）に供給する水素供給装置であつて、
   各ＭＨ容器（３〜６）に、温熱出力用媒体ライン（１７）及び冷熱出力用媒体ライン（１８）がそれぞれ切換え可能かつ熱交換可能に接続され、かつ、水素分離膜（１）の二次側水素ガスライン（１９）に熱交換器（２）が配置され、
   前記温熱出力用媒体ライン（１７）に流す冷却媒体によつて前記ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金を次々に冷却しながら水素分離膜（１）によつて分離された水素を水素吸蔵合金に吸蔵させ、かつ、前記ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金の冷却に供した後の冷却媒体を該熱交換器（２）に流して二次側水素ガスライン（１９）を流れる水素を冷却し、昇温した該冷却媒体を温熱利用機器（３３）に導入し暖房及び温水の内の少なくとも１方に利用すると共に、
   前記冷熱出力用媒体ライン（１８）に流す冷熱出力用媒体によつて前記ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金を次々に加熱しながら水素吸蔵合金から放出される水素を水素機器（８）に供給し、かつ、前記ＭＨ容器（３〜６）の水素吸蔵合金を加熱して温度低下した冷熱出力用媒体を冷凍機器及び冷房機器の内の少なくとも一方からなる冷熱利用機器（４０）に導き、冷凍又は冷房を行うことを特徴とする水素供給装置。

Images