JP2005221057A - 水素貯蔵残量管理方法、水素貯蔵残量管理システム及び水素エネルギー利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素貯蔵材料に化学結合や物理的トラップ等で吸蔵されている水素が徐々に放出されていく過程で、時々刻々の水素残量を逐次把握する方法を提供し、水素エネルギー利用システムの現時点以降の使用継続可能時間を確認可能とすること
【解決手段】水素燃料利用装置と、水素貯蔵材料を充填した着脱式の水素貯蔵容器とを組み合わせた水素エネルギー利用システムにおいて、水素貯蔵容器には、該水素貯蔵容器からの最大放出可能水素量の値を記憶させる記憶手段と、情報の送受信手段とを有し、水素燃料利用装置には、水素貯蔵容器からの水素流出量を計測可能な流量計と、情報を送受する送受信手段と、受信した最大放出可能水素量の値と流量計の積算値を基に、水素貯蔵容器から現時点以降取り出し可能な水素残量を計算する演算手段と、を有することを特徴とする水素貯蔵残量管理システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素エネルギーを利用するシステムにおける水素貯蔵容器内の水素貯蔵残量の管理方法、同方法を実現するための管理システム及び該管理システムを有する水素エネルギー利用システムに関する。

水素を燃焼させたり、燃料電池に用いたりする水素エネルギー利用システムは、二酸化炭素が発生せず、有害物質の発生も少ないため、地球温暖化や大気汚染等の環境問題の解決に大きく寄与するものと期待されている。

この水素エネルギーを実用化するためには、水素の製造から輸送、貯蔵、更に利用に至るまで、広範囲での技術開発が必要とされている。特に、水素エネルギーは、体積あたりのエネルギー密度が非常に小さいという性質があるため、より密度を高めた、安全且つ多量の輸送、貯蔵ができる供給方法が不可欠である。

現在具体的に提唱されている水素の貯蔵・供給方法としては、（１）液体水素として断熱・冷却性能のあるタンクに貯蔵、（２）高圧ガスとして高圧ボンベに貯蔵、（３）水素貯蔵合金、ケミカルハイドライド、カーボンナノチューブ等のカーボン系材料などの材料に化学結合、物理的なトラップ等により吸蔵させ、該吸蔵した貯蔵材料を容器に充填する、といった方法がある。

液体水素による貯蔵には、冷却に多くのエネルギーを要すること、蒸発による損失があることなどの問題点がある。高圧ボンベによる貯蔵には、圧縮に多くのエネルギーを要すること、超高圧に耐える容器が要求されることなどの問題点がある。

水素吸蔵合金、ケミカルハイドライド、カーボン系材料等の水素貯蔵材料に水素を化学結合、物理的なトラップ等により吸蔵させる方法は、１０質量％程度（貯蔵材料単位質量当たりの水素質量）の大きな貯蔵能力を有する材料が見出されつつあることから、エネルギー密度の高い水素貯蔵方法として期待されている。

しかしながら、水素貯蔵材料に貯蔵した水素を放出させて利用する場合、水素の残量の把握が困難となる。液体水素や高圧ガスの場合には、液体のレベルやガスの圧力を測定することで水素残量を把握できるが、化学結合や物理的トラップで吸蔵されている水素が徐々に放出されていく途上で、残留している水素残量を正確に把握することは難しい。したがって、水素エネルギー利用システムの現時点以降の使用継続可能時間を確認するために、精度の高い水素残量の把握方法が求められている。

このため、特許文献１では、金属水素化物生成エネルギーが異なる第１の水素吸蔵合金と第２の水素吸蔵合金とを収容した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクを加熱することで前記水素吸蔵合金から水素を放出させる伝熱媒体とを備え、前記水素吸蔵タンクから水素を放出中の前記水素吸蔵タンク内の温度変化を検知し、前記温度変化に基づいて、前記第１の水素吸蔵合金内の水素をほぼ放出し終えたことを検知する水素残量検知手段とを備えたことを特徴とする水素吸蔵タンクの水素残量検知装置が開示されている。

特開２００２−３３３１００号公報

特許文献１の技術によれば、確かに第1の水素吸蔵合金が水素を放出し終えた時点では、水素吸蔵タンク内の水素残量を把握することが可能であるが、しかし時々刻々の水素残量を逐次確認できないので、水素エネルギー利用システムの今後の利用計画を立てる上で非常に不便であった。

本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、水素貯蔵材料に化学結合や物理的トラップ等で吸蔵されている水素が徐々に放出されていく過程で、時々刻々の水素残量を逐次把握する方法を提供し、水素エネルギー利用システムの現時点以降の使用継続可能時間を確認可能とすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明者は鋭意検討を行った結果、水素貯蔵容器からの水素流出量の積算値と、該水素貯蔵容器使用開始時からの最大放出可能水素量の値とを用いて、現時点以降取出し可能な水素残量を把握することが効果的であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち請求項１の発明は、負荷と、水素燃料利用装置と、水素貯蔵材料を充填した着脱式の水素貯蔵容器とを組み合わせた水素エネルギー利用システムにおいて、水素貯蔵材料を充填した着脱式の水素貯蔵容器からの水素流出量の積算値と、該水素貯蔵容器に取り付けた記憶手段に記憶させた最大放出可能水素量の値とを用いて、前記水素貯蔵容器から現時点以降取り出し可能な水素残量を把握することを特徴とする水素貯蔵残量管理方法である。

ここで、水素燃料利用装置とは、負荷と水素貯蔵容器の間を繋ぎ、水素の持つ化学エネルギーを負荷で有効に活用できるエネルギー形態に返還する燃料電池等の返還手段を内蔵する装置をいう。

請求項１に記載の発明によれば、水素貯蔵容器を着脱式としているため、該容器中の水素貯蔵材料への水素の吸蔵を専用の工場等で行うことができる。したがって、水素貯蔵時の諸条件を正確に管理することができる。

ここで前記正確に管理された水素貯蔵時の諸条件、例えば１）貯蔵材料の種類、２）貯蔵容器に充填された貯蔵材料の量、３）貯蔵材料単位量当たりに吸蔵させた水素の量、等の情報を基に最大放出可能水素量の値を算出し、前記工場での吸蔵作業時に前記記憶手段に記憶させる。

水素燃料利用装置の側では、記憶手段に記憶された最大放出可能水素量の値と、当該水素貯蔵容器から水素放出を開始して以降の水素流出量の積算値との差から、時々刻々現時点以降取り出し可能な水素残量を把握することができ、水素エネルギー利用システムの現時点以降の使用継続可能時間を確認可能となる。

請求項２の発明は、水素貯蔵材料が、ケミカルハイドライド系又はカーボン系の水素貯蔵材料であることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵残量管理方法である。

請求項２の発明によれば、液体のレベルやガスの圧力を測定することによる水素残量の把握ができないばかりでなく、水素貯蔵合金のように電気抵抗等の測定により簡易に水素残量を把握できる可能性もない、ケミカルハイドライド系又はカーボン系の水素貯蔵材料を用いる場合でも、的確に水素残量を把握可能で、これら水素貯蔵材料の持つ高エネルギー密度の水素貯蔵という利点を有効に活用できる。ケミカルハイドライド系の水素貯蔵材料としては、水素化リチウム等の無機水素化物、シクロヘキサン等の有機水素化物等が提唱されている。カーボン系の水素貯蔵材料としては、カーボンナノチューブやグラファイトナノファイバー等が提唱されている。

請求項３の発明は、負荷と、水素燃料利用装置と、水素貯蔵材料を充填した着脱式の水素貯蔵容器とを組み合わせた水素エネルギー利用システムにおいて、前記水素貯蔵容器には、該水素貯蔵容器からの最大放出可能水素量の値を記憶させる記憶手段と、情報の送受信手段とを有し、
前記水素燃料利用装置には、前記水素貯蔵容器からの水素流出量を計測可能な流量計と、情報を送受する送受信手段と、受信した最大放出可能水素量の値と前記流量計の積算値を基に、前記水素貯蔵容器から現時点以降取り出し可能な水素残量を計算する演算手段と、を有することを特徴とする水素貯蔵残量管理システムである。

請求項３の発明によれば、水素貯蔵容器を着脱式としているため、該容器中の水素貯蔵材料への水素の吸蔵を専用の工場等で行うことができる。したがって、水素貯蔵時の諸条件を正確に管理することができる。

また、水素貯蔵容器には記憶手段を有しているので、前記正確に管理された水素貯蔵時の諸条件、例えば１）貯蔵材料の種類、２）貯蔵容器に充填された貯蔵材料の量、３）貯蔵材料単位量当たりに吸蔵させた水素の量、等の情報を基に最大放出可能水素量の値を算出し、前記工場での吸蔵作業時に前記記憶手段に記憶させることができる。

前記貯蔵容器及び前記水素燃料利用装置には、それぞれ情報の送受信手段があり、水素燃料利用装置には前記水素貯蔵容器からの水素流出量を計測可能な流量計と、演算手段とを有するので、該演算手段においては、受信した最大放出可能水素量の値と前記流量計の積算値を基に、前記水素貯蔵容器から現時点以降取り出し可能な水素残量を計算し、水素貯蔵残量を管理することができる。

請求項４の発明は、前記水素貯蔵容器が有する記憶手段及び送受信手段が、ＩＣタグであることを特徴とする請求項３に記載の水素貯蔵残量管理システムである。

請求項４の発明によれば、水素貯蔵条件の情報がある程度大容量となってもＩＣタグを用いることで収納可能で、しかも送受信手段を非接触とできるので、水素貯蔵容器の着脱を簡便にすることができる。

請求項５の発明は、水素燃料利用装置が、燃料電池を備えた装置であり、請求項３または４のいずれかに記載の水素貯蔵残量管理システムを備えることを特徴とする水素エネルギー利用システムである。

請求項５の発明によれば、水素エネルギー利用装置として、最も広範な応用が期待されている燃料電池搭載の水素エネルギー利用システムにおいて、的確に水素残量を把握し、現時点以降の使用継続可能時間を確認可能となる。

上述のように、本発明よれば、水素貯蔵材料に化学結合や物理的トラップ等で吸蔵されている水素が徐々に放出されていく過程で、時々刻々の水素残量を逐次把握する方法を提供し、水素エネルギー利用システムの現時点以降の使用継続可能時間を確認可能とすることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はここに記載される形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る水素エネルギー利用システムの１例を示す。この水素エネルギー利用システム１は、大別して、燃料電池４を備えた水素燃料利用装置２と、水素貯蔵容器１４と、負荷３とからなる。

燃料電池４は、水素と酸素とが結合して水になる際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して取出す装置であり、ここでは、現在活発に開発が進められ広い用途への適用が期待されている固体高分子型燃料電池を用いている。この他燃料電池にはアルカリ水溶液型、リン酸水溶液型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の種類があり、本発明では特に燃料電池の種類は限定されない。

水素貯蔵容器１４は、金属製の円筒状のもので、一端に水素燃料利用装置２への接続部１３を有し、着脱式となっている。接続部１３の形式は、着脱が容易で、ガスの漏れを防止できる形式であれば、特に限定されない。１台の水素燃料利用装置に対し複数の水素貯蔵容器を装着可能としてもよい。

水素貯蔵容器１４にはケミカルハイドライド系、カーボン系等の水素貯蔵材料の粉末を一定量充填する。水素を高圧ガスとして貯蔵する容器には超高圧に耐える仕様が、液体水素として貯蔵する容器には極低温を維持する冷却装置が要求されるが、水素貯蔵材料の様に化学結合、物理的トラップ等により吸蔵させる材料を用いる場合には、そのような特殊な仕様は必要とされない。

ケミカルハイドライド系、カーボン系等の水素貯蔵材料から水素を放出させるには、数１０℃〜２００℃程度の温度に材料を加熱する必要がある。このためには、容器外部から加熱する方法と、容器内部から加熱する方法があるが、本実施例では接続部１３から容器内部に熱媒体流通管１０を挿入し、内部から加熱する仕組みを採用している。この場合、水素貯蔵容器１４の外周には保温または断熱層を設けることが望ましい。

熱媒体流通管１０は熱媒体循環装置９に接続されており、オイル等の液体の熱媒体を水素貯蔵容器１４における水素放出に必要な温度に加熱して循環させている。

熱媒体流通管１０には、水素流出管７が一体化されている。水素流出管の先端開口部にはフィルタ１９が装着されており、ここから流出する水素ガスに随伴して水素貯蔵材料の粉体が飛散しない構造となっている。

水素貯蔵容器１４の接続部１３の内側には、シール部２０があり、挿入された熱媒体流通管１０の周囲からのガス、粉体の漏洩を防止している。また、シール部の内側にはシャッター２１があり、水素貯蔵容器１４の水素燃料利用装置からの脱離時にはこのシャッター２１が閉じて、粉体の漏出を防止する構造となっている。

前記水素流出管７と一体化された熱媒体流通管１０の水素燃料利用装置２側には、バイブレータ１２が装着されており、この振動により、フィルタ１９の粉体による閉塞を防止するとともに、熱媒体流通管１０の周囲に付着する粉体を脱離させ、蠢動させることにより、伝熱抵抗の上昇を防止している。

水素貯蔵容器１４内で水素貯蔵材料から放出された水素ガスは、水素流出管７をとおり水素燃料利用装置２に導かれる。ここで、水素流量計１１で流量を測定され、バルブ８で流量の調整が行われた後、燃料電池４に供給される。燃料電池４には、空気供給管６及びブロワー５を経て空気が供給されており、該空気中の酸素と、前記水素ガスとの反応により、燃料電池で発電が行われ、負荷３に電力が供給される。

水素流量計１１としては、サーマルマスフローメーターが用いられるが、これに限定されるものではなく、気体の質量流量を正確に測定できるものであればよい。

負荷３としては、車両の駆動装置、携帯電子機器、家庭用の電気機器等が代表的なものであるが、これらに限定されるものではなく、燃料電池の持つ高発電効率、低公害性といった特長や、本発明の持つ水素残量の的確な把握という特長を有効に活用できる電気機器であればよい。

水素貯蔵容器１４には、記憶手段及び送受信手段としてのＩＣタグ１５が装着されている。ＩＣタグ１５としては、非接触で通信できる無線ＩＣタグが望ましい。また、電池を内蔵する必要のないパッシブ・タグが好ましい。無線ＩＣタグの通信周波数には数種類があるが、水素燃料利用装置２側の送受信装置との距離を考慮し、通信距離の制約、金属の影響等をクリアできるものを選定する。

水素貯蔵容器内１４の水素貯蔵材料の粉体を一定温度に加熱するためには、粉体温度を測定し、熱媒体循環装置９における熱媒体の加熱温度を調整することが望ましいが、このための図示しない粉体温度計を水素貯蔵容器１４内に設置し、その測定データを前記ＩＣタグ１５を通じて送信することができる。

次に、水素貯蔵残量を管理するための、各種情報の流れを説明する。水素貯蔵材料の水素貯蔵容器１４への充填及び、該水素貯蔵材料への水素の吸蔵を行った工場において、１）貯蔵材料の種類、２）貯蔵容器に充填された貯蔵材料の量、３）貯蔵材料単位量当たりに吸蔵させた水素の量、等の情報を基に最大放出可能水素量の値を算出し、ＩＣタグ１５に記憶させる。

水素貯蔵容器１４が水素燃料利用装置２に装着されたときに、ＩＣタグ１５内の最大放出可能水素量の情報は水素燃料利用装置２に設置された送受信手段１６に送られる。送受信手段１６で受信された情報は、ＣＰＵ（演算手段）１７に送られる。

一方、水素流量計１１からは水素流出管７内の水素の瞬間流量が測定され、その値が逐次ＣＰＵ（演算手段）１７に送られる。ＣＰＵ（演算手段）１７ではその瞬間流量値を積算し、前記最大放出可能水素量の値から差し引いて、現時点以降取出し可能な水素残量を計算し、表示器１８に時々刻々表示する。

水素エネルギー利用システム１の管理者は、前記表示器１８に表示された現時点以降取出し可能な水素残量を見て、該水素エネルギー利用システム１の現時点以降の使用継続可能性を確認し、今後の利用計画を立案することができる。

本発明にかかる水素エネルギー利用システムの構成を示す概略図である。 一体化された熱媒体流通管及び水素流出管、並びにシール部付近の断面形状を示す概略図である。

符号の説明

１ 水素エネルギー利用システム
２ 水素燃料利用装置
３ 負荷
４ 燃料電池
５ ブロワー
６ 空気供給管
７ 水素流出管
８ バルブ
９ 熱媒体循環装置
１０ 熱媒体流通管
１１ 水素流量計
１２ バイブレータ
１３ 接続部
１４ 水素貯蔵容器
１５ ＩＣタグ（記憶手段及び送受信手段）
１６ 送受信手段
１７ ＣＰＵ（演算手段）
１８ 表示器
１９ フィルタ
２０ シール部
２１ シャッター

Claims (5)

1. 負荷と、水素燃料利用装置と、水素貯蔵材料を充填した着脱式の水素貯蔵容器とを組み合わせた水素エネルギー利用システムにおいて、前記水素貯蔵容器からの水素流出量の積算値と、該水素貯蔵容器に取り付けた記憶手段に記憶させた最大放出可能水素量の値とを用いて、前記水素貯蔵容器から現時点以降取り出し可能な水素残量を把握することを特徴とする水素貯蔵残量管理方法。
2. 前記水素貯蔵材料が、ケミカルハイドライド系又はカーボン系の水素貯蔵材料であることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵残量管理方法。
3. 負荷と、水素燃料利用装置と、水素貯蔵材料を充填した着脱式の水素貯蔵容器とを組み合わせた水素エネルギー利用システムにおいて、
   前記水素貯蔵容器には、該水素貯蔵容器からの最大放出可能水素量の値を記憶させる記憶手段と、情報の送受信手段とを有し、
   前記水素燃料利用装置には、前記水素貯蔵容器からの水素流出量を計測可能な流量計と、情報を送受する送受信手段と、受信した最大放出可能水素量の値と前記流量計の積算値を基に、前記水素貯蔵容器から現時点以降取り出し可能な水素残量を計算する演算手段と、
   を有することを特徴とする水素貯蔵残量管理システム。
4. 前記水素貯蔵容器からの最大放出可能水素量の値を記憶させる記憶手段及び情報の送受信手段が、ＩＣタグであることを特徴とする請求項３に記載の水素貯蔵残量管理システム。
5. 前記水素燃料利用装置が、燃料電池を備えた装置であり、請求項３または４のいずれかに記載の水素貯蔵残量管理システムを備えることを特徴とする水素エネルギー利用システム。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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