JP2006134843A - 水素の供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃料電池向けの水素の安全な供給方法を提供する。
【解決手段】燃料電池向けの水素を配管を用いて供給する際、万一水素または水素を含有するガスが配管より漏洩し滞留した場合、水素による爆発等の危険性を回避するための方法を提供する。水素を含むガスの流れる供給配管１の外周を放出管３を有する非密閉型の配管２で囲む構造とし、放出管３の内部に設けた水素濃度の検知センサ−４が一定の濃度以上の水素を検知した場合、当該配管１に設置された緊急遮断装置５を作動させ、水素を含むガスの流れを遮断し、漏洩したガスを着火源の恐れのない大気へ放出する。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は移動式または定置式の燃料電池への水素の供給方法に関する。

次世代の効率的エネルギー源の一つとして期待される燃料電池は、近年特に、同電池を搭載した燃料電池車の技術開発が急速に進み、実用化の段階に達している。このため石油業界やガス業界を中心として水素を供給するインフラ整備のため、将来の水素ステ−ション建設を想定した検討が進められている。

燃料電池向けの水素を供給する水素ステーションの方式としては、主に石油や天然ガス等の化石原料を出発原料としステーション内で水素を製造し精製して供給するオンサイト方式と製鉄所や石油精製所等で製造し精製された水素を何らかの輸送手段を用いて水素ステーションまで輸送するオフサイト方式に大別される。

現在、水素・燃料電池実証プロジェクト（略称ＪＨＦＣ）では、約１０ケ所の水素ステーションが既に建設され、実証試験が行われている。その大部分はオンサイト方式である。この主たる理由は、水素は沸点が約−２０°Ｋと極めて低く、その貯蔵や輸送が難しく、かつ空気中で広い爆発範囲を有する等、危険度の高いガスであるため、その取り扱いには細心の注意を要するが、オンサイト方式は、オフサイト方式に比べ取り扱いエリアが限定されているため、安全への管理が容易で、かつ輸送に掛かる安全対策か不要のためである。

一方、オフサイト方式は、オンサイト方式に比べて供給規模や水素単独の製造コストでは有利と考えられており、長期的には原子力の高温の熱を利用して水を熱分解する方法や日本近海に多量に埋蔵すると推定されるメタンハイドレ−トを出発原料として水素に改質する方法が、石油に依存しない新しい水素供給源として近年、注目されている。これ等の水素の供給工場は、全てオフサイト方式に依らなければならない。しかし、オフサイト方式が水素供給の主流となるためには、水素を消費先まで安全に輸送する手段を確立しなければならない。

水素を輸送する手段としては、主として高圧のガス状態で容器に充填して輸送する方法、水素を液化して液化水素とし特殊容器に充填して輸送する方法、中低圧のガス状で配管を通して輸送する方法の３法がある。このうち、現在の主流は、前者の２法であり、前述したＪＨＦＣプロジェクトのオフサイト方式で採用されている方式もこの２法に依っている。

水素を配管を用いて供給する方法は、石油化学コンビナートや化学工場では極く普通に利用されている方法である。しかし、現在これを燃料電池を目的とした広範囲の水素インフラに活用するという具体的な計画や実施例は公表されていない。この最大の理由は、新しい水素の配管網を全国的に敷設するためには、多大の費用と時間を要し、かつ水素の危険度から考えて、これを安全に輸送するための方策が見い出せないためである。

燃料電池向けを対象として、水素を配管を用いて供給する提案は極めて少ないが以下の方法が提案されている。

文献特許１

特開２００２−２３５９００号公報

文献特許２

特開２００４−１４６３１２号公報

文献特許３

特開２００４−２２０８０２号公報

また配管等から水素の漏洩を検知する方法としては、配管等を囲む密閉型の容器に取り付けた濃度センサ（例えば特許文献４参照）を用いる方法や圧力センサ（例えば特許文献５参照）等を活用する方法が提案されている。

文献特許４

特開平８−３１４３６号公報

文献特許５

特開２００４−２２９３５７

本発明が解決しようとする課題

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので水素を配管を用いて、水素供給源である大型のオフサイト型の供給工場から、消費先の全国の各水素ステ−ションまで安全に輸送しようとするものである。水素は、現在我々が燃料として広く使用しているガソリンや都市ガスに比べ、安全上極めて危険な物質である。水素の持つ危険性とは次の３点である。その第一は、空気中で水素は容量比で４％から７５％の間で着火するという広い爆発範囲を有する。第二の理由は、その貯蔵方法が難しく、例えばガス状態で実用的に車両で輸送するには３５０気圧程度の高圧に加圧して貯蔵し輸送しなければならない。第三の理由は、水素の濃度が上記の爆発範囲内にあれば、微少の着火源で容易に着火する。着火のし易さを示す最小着火エネルギ−で見ると水素は約０．０２ｍＶで、この値は人体に帯電する静電気による火花でも着火する可能性があることを示す。

課題を解決しようとする手段

水素を配管を用いて安全に輸送する手段として、水素単独ではなく水素と例えば窒素のような不活性ガスとを混合して輸送し、消費の直前で不活性ガスを分離し、水素のみを燃料電池に供給する方法が考えられる。、例えば文献１に見られるように水素濃度を窒素等で希釈し、万一空気中に漏洩しても爆発を起こさない濃度以下の組成に調整して輸送する方法が提案されている。しかし、この方法では窒素中の水素濃度は爆発下限値から推算して５％（容量比）以下としなければならない。これでは１容量の水素を輸送するために約２０容量の窒素も輸送しなければならず、輸送効率が極めて悪い。

これに対し、文献２、文献３には、水素と窒素の混合ガスの組成を爆発範囲内ではあるが、爆発の中でも最も怖い『爆ごう現象』や『逆火現象』を回避する濃度に調整して輸送する方法が記されている。しかし、例え、この現象を回避する濃度に調整したとしても、万一の爆発の可能性は残存しており、その輸送には十分の安全対策が不可欠である。

水素の持つ危険性については

で前述したが、水素の特性として安全上で、もう一つ着眼すべきことは『水素はあらゆる気体の中で最も軽い』という性質である。水素の比重は、空気の約１／１５に過ぎない。この特性を活かし、かつ水素を窒素等の不活性ガスの混合ガスとした上、本発明に示すような輸送上の安全対策を実施すれば、配管による水素の輸送も不可能ではない。

この場合の水素と窒素の混合比率は、取り扱う人間の熟練度等によるが、同類の危険物の爆発範囲から判断して、混合ガス中の水素濃度は高くても５０％（容量比）程度以下と予想される。即ち、水素を含むガスを配管で輸送する場合は、その組成を水素の単独組成とせず、水素と窒素などの不活性ガスとの混合ガスとして、爆発範囲を同類の危険物並に押さえた後、その供給配管は着火源を避けて、地表からできるだけ高い位置を選んで敷設する。水素の漏洩時には漏洩したガスを放出管を経由して、できるだけ速やかに大気へ放出する。この位置に供給配管を敷設すれば、万一配管から水素が漏洩しても、水素は軽いため容易に上部空間に拡散して希釈され、爆発による災害を極力、回避することができる。

輸送のための配管を高い位置に敷設する場所の候補としては、まず第一に高速道路の架構が挙げられる。日本国内の都市の高速道は、殆どが高架式である。この架構を活用すれば、都市部では主要の水素配管を新しく地下に埋設する必要はなくなる。第二の候補は、高架鉄道である。無論、両候補とも敷設に際しては通過する車両等が着火源にならないような配慮が必要であるが、道路外側の側面を利用する等、安全な敷設のスペ−スの確保は可能と思われる。第三の候補は、都市以外の地方にあっては、地上の高速道路や鉄道の側面のエリアである。この場合、供給配管の設置場所は、必ずしも高所とはいえないが、人口の密集地ではないので着火源の存在する確率は低く、爆発の起きる可能性は低いと考えられる。

配管の敷設にかかる費用は、他の輸送手段、例えば高圧ガス容器による輸送や液化水素のローリ車による輸送の費用に見合う金額を輸送コストとして、配管を敷設した会社が実際に水素を供給する会社から輸送費用として回収すれば良い。また安全面から見ても、高速道路や市街地を液化水素ローリ車が走行したり、液化水素や高圧ガスの貯槽を市街地に設置する等の危険度に比べると、配管を用いる輸送方法の安全度は格段に高くなる。

高速道路や鉄道の架構や側面等を活用する際の最大の難問は、例えばトンネルのように漏洩したガスが拡散しにくい空間において、如何に安全に配管を敷設するかである。このため本発明では、図１に示すような水素供給方法を提案する。図１には、その代表例として地上にあるトンネル７の内部に水素または水素を含む配管を敷設する例を示す。

水素または水素を含むガスを供給する配管１の周囲に、大気に通じる放出管３ａ，３ｂ（以下、特にこれ等を区別しない場合には単に放出管３と称す）を有する非密閉型の外周配管２を取り付ける。外周配管２を取り付ける区間は、トンネル入口の直前から出口直後までの範囲とする。放出管３は、トンネルの外部に設置され、通常はトンネルの入口前と出口後に各々１ケ所づつ合計２本である。放出管３は場合によっては単独で１本でも良いし、またはトンネルの内部にも追加して合計３本以上設けても良い。

放出管３の内部には水素濃度の検出センサ４ａ，４ｂ（以下、特にこれ等を区分しない場合には検出センサ４と称す）を取付ける。検出センサ−４としては、通常、可燃性ガスの検知に用いられる接触燃焼方式または半導体方式の検知器が使われる。また放出管４が大気に通じる出口の近傍には、フレ−ムアレスタ６ａ，６ｂが取付けられる。（以下、これ等を特別に区分しない場合にはフレームアレスタ６と称す）フレ−ムアレスタ６とは、金属製の金網を多層に積み重ねた構造を有し、万一外部から火花等の着火源が飛んで来ても、その熱エネルギを吸収して逆火の発生を防止する装置である。

これ等の機器の取り付けに際し、重要なことは、外部配管や放出管が常に大気と同じ圧力になるようにして、決してこの系を密閉型にしないで、万一、水素を含むガスが当該配管から漏洩を生じたとしても、漏洩したガスが容易に大気へ放散できるよう、非密閉型に保つことである。

水素濃度の検出センサ４は、放出管３を経由して可燃性の水素ガスが流れ込み、その濃度が所定の濃度以上に達した時、信号を発して水素を含むガスを供給する当該配管１に取付けられた緊急遮断装置５を作動させ、当該配管内の水素ガスの流れを遮断する。ここでいう所定の水素濃度とは、水素の空気中の爆発下限値である４％（容量比）以下とするが、あまり小さい値に設定すると関連する計器類の誤作動の原因となる恐れがあるので、好ましくは０．１〜１．０％（容量比）の範囲から選ばれた値とする。

次に発明の形態のうち、図１に示すような地上または海底トンネル以外に、この方法を利用するシステムについて説明する。第一は、オフサイトに設置される水素の供給工場から近くの高速道または高架鉄道の架構等に至る配管に利用する例である。これ等のは配管は、近くに高速道等が無い場合には、通常は地下に埋設されるケ−スが多い。この場合は、供給工場から上記の架構に至る配管を前述のトンネルで示した方法と類似の方式で設置すればよい。ここでいう類似の方法とは、埋設される配管部が、トンネル内の配管部と同一で、他の放出管や緊急遮断装置類は地上に設置するという意味である。この際、放出管の出口は近くに着火源が無く、かつできるだけ高い場所を選ばなくてはならない。

第二は、高速道または高架鉄道の架構等から移動式または固定式の燃料電池に水素を供給する場所までの配管に利用する例である。これ等の配管は通常は比較的短い距離ではあるが、地下に埋設されるケースが多い。この場合も、前述のトンネルに示した方法と類似の方式で設置すればよい。ここでいう類似とは、前項で記載した類似と同じ意味である。この際も、放出管の出口は近くに着火源が無く、かつできるだけ高い場所を選ばなくてはならない。もし、水素中に一定濃度の窒素等の不活性ガスを加えて供給される場合は、これ等の窒素等は燃料電池向けに消費する前に分離されるので、この窒素等を回収して当該配管の外周配管２へ送り、外周配管２の内部を常時、窒素等で封入しながら放出管３から大気に放出すれば、安全上更に好ましい。

以上に述べた方式は、従来の提案に見られるように水素設備の周りに更に密閉型の容器を設け、その中に水素の濃度センサや圧力センサを設置して、水素の漏洩に対処する方法とは、その利用面で大きく異なっている。従来の方法では、燃料電池車の内部や水素の格納場所といった狭い密閉空間における安全対策には有効であるが、全国規模の水素供給網の設置を想定した場合、これ等の設備からの水素の漏洩に対する安全対策としては、全く役に立たないからである。

本発明による効果

本発明によれば、燃料電池の燃料としてオフサイト型の水素供給工場から消費先まで、水素を中低圧のガス状態でリアルタイムに供給することができる。かつ従来考えられていた液化水素等の輸送方法と比較して、遥かに安全に供給することが可能である。また消費先では、多量の水素を常時貯蔵する必要が無くなり、現状の関連法令を大きく改正しなくても、既存のガソリンスタンドと隣接して対応が可能となる。この結果、水素ステーションの建設コストを大幅に削減できる。

本発明のシステムの概要を示す図である。

符号の説明

１……水素を含むガスの供給配管（当該配管）
２……外周配管（非密閉型）
３……放出管
４……水素濃度の検知センサ
５……緊急遮断装置
６……フレ−ムアレスタ
７……トンネル

Claims (6)

1. 水素または水素を含むガスを供給する配管と、大気に通じる放出管を有する非密閉型の外周配管と、放出管の内部に設置された水素濃度の検知センサを備え、前記検知センサによって放出管内の水素濃度が予め定められた所定濃度以上に達した時、水素または水素を含むガスを供給する配管に取り付けられた緊急遮断装置を作動させて当該配管のガスの流れを遮断することを特徴とする水素供給装置。
2. 前記に示す水素供給装置であって、これを地表トンネルまたは海底トンネルに設置することを特徴とする請求項１に記載する水素の供給方法。
3. 前記に示す水素供給装置であって、これを水素または水素を含むガスの供給工場から埋設方式を用いて地表に設けられた架構まで当該配管を設置することを特徴とする請求項１に記載する水素の供給方法。
4. 前記に示す水素供給装置であって、これを地表に設けられた架構から埋設方式を用いて移動式の燃料電池に水素を供給するための設備まで当該配管を設置することを特徴とする請求項１に記載する水素の供給方法。
5. 前記に示す水素供給装置であって、これを地表に設けられた架構から埋設方式を用いて固定式の燃料電池に水素を供給するための設備まで当該配管を設置することを特徴とする請求項１に記載する水素の供給方法。
6. 前記に示す請求項４および請求項５に示す水素供給装置であって、埋設方式を用いて移動式または固定式の燃料電池に水素を供給する設備から、地表に設けられた架構までの当該配管の外周配管の内部に窒素を供給し、ここより放出管を経由して大気へ放出することを特徴とする請求項１に記載する水素の供給方法。

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