JP2007303625A - 水素充填方法、水素充填装置及びこの水素充填装置を搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】水素を水素タンクに充填する際に、水素タンク内での温度上昇を低減することで充填量を十分に確保すると共に、システム構成を簡素化する。
【解決手段】水素充填装置１０は、水素貯蔵タンク１８に配管３４ａを介して連結される熱交換器３６と、熱交換器３６に流入した水素を水素タンク２０へと流通させる配管３４ｃと、熱交換器３６に設けられた水素吸蔵合金４０と、水素吸蔵合金４０と水素タンク２０との間で水素を流通させる配管４２と、配管４２を開閉する開閉バルブ４４とを備える。水素吸蔵合金４０としては、水素タンク２０の予定充填圧力における吸蔵平衡温度が予定最高外気温以上であり、且つ、予定最低外気温における放出平衡圧力が燃料電池への供給に必要な圧力以上のものが用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素が高圧で貯蔵されている水素貯蔵源から水素タンクに水素を充填するための水素充填方法、水素充填装置及びこの水素充填装置を搭載した車両に関する。

例えば、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池において、燃料としての水素は、水素タンクに高圧で貯蔵されて前記燃料電池の近傍に配置される。このような水素タンクの水素量が低下した場合には、前記水素タンクは、該水素タンクよりも高圧の水素が貯蔵されている水素貯蔵源に接続されて水素が充填（補充）される。

ところで、上記のように、高圧の水素を水素貯蔵源から水素タンクに充填する際には、充填される側の水素タンク内で水素が断熱圧縮により温度上昇することが知られており、水素充填終了直後の水素タンク内温度は外気温度よりも高くなる。このような場合、水素充填終了直後の水素タンク内の水素圧力は、上記のような温度上昇後の高温状態での圧力である。このため、その後、水素タンク内の温度が外気温度程度まで低下すると、水素タンク内の水素圧力も水素充填終了直後に比べて低下することになる。

従って、水素充填時に温度上昇が生じた際には、水素タンクへの水素の充填量が不足することになる。また、このような温度上昇を避けるために水素の充填流量（充填速度）を低下させると、充填終了までに多くの時間を費やしてしまう。

そこで、水素充填時における水素タンク内の温度上昇を抑制する方法として、特許文献１には、水素が充填される水素タンク内部に、水素吸蔵合金を収容する吸熱ユニットを配置した高圧ガス貯蔵容器が記載されている。この高圧ガス貯蔵容器では、前記水素吸蔵合金が水素を放出する際の吸熱反応によって、水素充填時の水素タンク内での温度上昇を低減させる。また、前記放出された水素は、容器外部に設けたサブタンク内の水素吸蔵合金に吸蔵させ、充填が終了すると、返送ポンプを利用してサブタンクから吸熱ユニットへと水素を返送することで、該吸熱ユニットの水素吸蔵合金を再生している。

特開２００４−１６２８１２号公報

しかしながら、上記従来の構成では、水素タンク自体の構造が複雑なものとなってしまう。また、前記吸熱ユニットの水素吸蔵合金から放出された水素を一時的に貯蔵するサブタンクが必要とされると共に、サブタンクから吸熱ユニットの水素吸蔵合金へは返送ポンプを用いて水素を移動させるため、システム構成の複雑化や、返送ポンプの駆動に係る電力消費量が増大する等の問題がある。

本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、水素を水素タンクに充填する際に、水素タンク内での温度上昇を低減し、充填量を十分に確保することを可能とする水素充填方法を提供することを目的とする。また、本発明は、複雑なシステム構成を用いることなく十分な充填量の確保を可能とする水素充填方法、水素充填装置及びこの水素充填装置を搭載した車両を提供することを目的とする。

本発明の水素充填方法は、水素貯蔵源と水素タンクとの間に水素吸蔵合金を収容した熱交換器を設け、前記水素貯蔵源に貯蔵されている水素を前記熱交換器を介して前記水素タンクに充填する水素充填方法であって、前記水素吸蔵合金から水素を放出させ、該放出された水素を前記水素タンクへ導入する工程と、前記水素貯蔵源に貯蔵されている水素を、前記水素吸蔵合金から水素が放出された際の吸熱反応により冷却された該水素吸蔵合金により冷却しながら、前記水素タンクへ充填する工程と、を有することを特徴とする。

上記方法によれば、水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を放出させて水素タンクへ充填し、さらに、水素放出により自身が冷却された水素吸蔵合金により水素貯蔵源からの水素を冷却しながら充填することが可能となる。従って、水素充填時における水素タンクでの温度上昇を低減しながら、水素タンクへ十分な量の水素を迅速に充填することができる。

さらに、前記水素タンク内に充填された水素を前記水素吸蔵合金に返送し、吸蔵させる工程を有すると、水素タンクへの充填終了後、容易に水素吸蔵合金の再生を行うことが可能となる。

本発明の水素充填装置は、水素貯蔵源に貯蔵されている水素を水素タンクへ充填する水素充填装置であって、前記水素貯蔵源に第１の流路を介して連結される熱交換器と、前記第１の流路から前記熱交換器に流入した水素を、該熱交換器から前記水素タンクへと流通させる第２の流路と、前記第１の流路から前記第２の流路へと流通する水素と熱交換可能な状態で前記熱交換器に収容された水素吸蔵合金と、前記水素吸蔵合金と前記水素タンクとの間で水素の流通が可能なように、前記熱交換器から前記第２の流路又は前記水素タンクに連結される第３の流路と、前記第３の流路における水素流通の可否を切換る開閉バルブと、を備え、前記水素吸蔵合金は、前記水素タンクの予定充填圧力における吸蔵平衡温度が予定最高外気温以上であり、且つ、予定最低外気温における放出平衡圧力が燃料電池への供給に必要な圧力以上であることを特徴とする。

上記構成によれば、熱交換器により水素貯蔵源から水素タンクへと充填される水素の冷却が可能となる。このため、水素充填時における水素タンクでの温度上昇を低減でき、水素タンクへの充填量を十分に確保することができる。また、熱交換器に収容される水素吸蔵合金が、水素タンクの予定充填圧力での吸蔵平衡温度が予定最高外気温以上であることにより、ポンプ等の動力を用いることなく、充填後の水素タンクから水素吸蔵合金に水素を返送し吸蔵させることができる。さらに、前記水素吸蔵合金が、予定最低外気温における放出平衡圧力が燃料電池への供給に必要な圧力以上であることにより、水素タンク内の水素が全て無くなった際に、水素吸蔵合金から（非常用として）水素を燃料電池に供給できる。

外気温が予定最低外気温程度まで低下した際にも、水素吸蔵合金から水素タンクへと水素を放出させることができる。

さらに、前記熱交換器に流入する水素の温度及び前記水素吸蔵合金の温度に応じて、前記開閉バルブを開閉制御する制御手段を備えると、水素吸蔵合金の再生が一層容易となるため好ましい。

さらに、前記開閉バルブを開閉制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記水素貯蔵源から前記水素タンクへの水素の充填時、前記開閉バルブを開くことで前記水素吸蔵合金から水素を放出させ、前記水素タンクへの水素充填終了前に前記開閉バルブを閉じ、前記水素タンクへの水素充填終了後には、前記開閉バルブを再び開くことで、前記水素タンクから前記水素吸蔵合金に水素を返送し、吸蔵させる制御を行うように構成することもできる。

本発明の車両は、上記請求項３〜５のいずれか１項に記載の水素充填装置を搭載していることを特徴とする。

また、本発明の車両は、水素タンクを有し、該水素タンク内に貯蔵されている水素を燃料として走行する車両であって、水素が供給される水素供給口と、前記水素供給口に第１の流路を介して連結される熱交換器と、前記第１の流路から前記熱交換器に流入した水素を、該熱交換器から前記水素タンクへと流通させる第２の流路と、前記第１の流路から前記第２の流路へと流通する水素と熱交換可能な状態で前記熱交換器に収容された水素吸蔵合金と、前記水素吸蔵合金と前記水素タンクとの間で水素の流通が可能なように、前記熱交換器から前記第２の流路又は前記水素タンクに連結される第３の流路と、前記第３の流路における水素流通の可否を切換る開閉バルブと、を備え、前記水素吸蔵合金は、前記水素タンクの予定充填圧力における吸蔵平衡温度が予定最高外気温以上であり、且つ、予定最低外気温における放出平衡圧力が燃料電池への供給に必要な圧力以上であることを特徴とする。

上記車両によれば、車両自体で充填される水素を冷却する装備を有するため、水素貯蔵源を有する水素充填ステーション等の設備に依存することなく、充填される水素を冷却することができる。このため、水素充填時における水素タンクでの温度上昇を低減でき、水素タンクへの充填量を十分に確保することができる。さらに、熱交換器に収容される水素吸蔵合金が、水素タンクの予定充填圧力での吸蔵平衡温度が予定最高外気温以上であることにより、ポンプ等の動力を用いることなく、充填後の水素タンクから水素吸蔵合金に水素を返送し吸蔵させることができる。このため、車両の軽量化等を図ることが可能となる。

本発明によれば、水素貯蔵源から水素タンクへと水素が充填される流路の途中に、水素吸蔵合金を収容した熱交換器を設けることにより、水素タンクへと充填される水素の冷却が可能となる。このため、水素充填時における水素タンクでの温度上昇を低減でき、水素タンクへの充填量を十分に確保することができる。

また、熱交換器に収容される水素吸蔵合金を水素タンクの予定充填圧力での平衡温度が予定最高外気温以上であるものとすることにより、ポンプ等の動力を用いることなく、簡単なシステム構成を用いて充填後の水素タンクから水素吸蔵合金に水素を返送して吸蔵させることができる。さらに、前記水素吸蔵合金を予定最低外気温における放出平衡圧力が燃料電池への供給に必要な圧力以上であるものとすることにより、水素タンクが空になった場合でも、非常用として水素吸蔵合金から水素を燃料電池に供給できる。

以下、本発明の水素充填方法について、それを実施する水素充填装置及びこの水素充填装置が搭載される車両との関係での好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る水素充填装置１０を備えた水素充填システム１２を示す概略構成図である。図１中、二重線は水素が流通する配管を、実線は信号線を示している。この水素充填システム１２は、水素充填ステーション１４に備えられている水素貯蔵タンク１８内の水素を、燃料電池車両１６に搭載されている水素タンク２０へと充填するものである。

本実施形態において、水素充填装置１０は燃料電池車両１６（車両）に搭載されている。水素充填装置１０は、水素充填ステーション１４の水素貯蔵タンク１８（水素貯蔵源）に高圧で貯蔵されている水素を、燃料電池車両１６に搭載されている水素タンク２０に充填する際に用いられる。なお、図１中の一点鎖線により囲まれる部分は、燃料電池車両１６に備えられている構成要素を示している。

図１に示すように、水素充填システム１２において、水素充填ステーション１４には、水素が高圧で貯蔵されている水素貯蔵タンク１８と、水素貯蔵タンク１８からの配管２２が接続されるディスペンサ２４と、ノズル２６とが設けられている。ノズル２６は、一端が配管２８によりディスペンサ２４に接続されおり、他端は充填コネクタ２６ａにより燃料電池車両１６の接続部３０に連結自在である。すなわち、ノズル２６の充填コネクタ２６ａが接続部３０に連結されると、水素充填ステーション１４側から燃料電池車両１６側への水素供給が可能となる。

このような水素充填ステーション１４において、水素貯蔵タンク１８としては、例えば、複数のタンク（図１では３個）が連結された水素カードルが用いられる。

ディスペンサ２４は、燃料電池車両１６に供給する水素の充填流量や充填速度等を制御する制御部２４ａを有し、充填量等の情報を図示しない表示部に表示可能である。

ノズル２６は、通常時にはディスペンサ２４に取り付けられている。そして、充填時には操作者（充填者）がノズル２６をディスペンサ２４から取り外し、燃料電池車両１６の接続部３０（水素供給口、燃料口）に接続する。これにより、水素充填ステーション１４と燃料電池車両１６とが水素充填可能に連結される。

一方、水素充填システム１２において、燃料電池車両１６には、水素貯蔵タンク１８から接続部３０を介して供給される水素ガスが充填される水素タンク２０と、接続部３０と水素タンク２０との間に配設される水素充填装置１０と、水素タンク２０から燃料としての水素が供給される燃料電池３２とが設けられている。

水素充填装置１０には、接続部３０から水素タンク２０に至る配管３４と、熱交換器３６とが設けられている。配管３４は、熱交換器３６の入口側（接続部３０側）の配管３４ａ（第１の流路）と、熱交換器３６を構成する熱交換部３４ｂと、熱交換器３６の出口側（水素タンク２０側）の配管３４ｃ（第２の流路）とからなる。

熱交換器３６は、例えば、シェルアンドチューブ構造である。熱交換器３６におけるシェル３７の内部には、水素貯蔵タンク１８からの水素が流通する熱交換部３４ｂが配置されている。熱交換部３４ｂは、内部を流通する水素の伝熱面積を大きくするため蛇行形状とされている。また、シェル３７の内部において熱交換部３４ｂの周囲に形成される空間である封入部３８には、例えば、粉末状の水素吸蔵合金４０（ＭＨ）が封入（収容）されている。水素吸蔵合金４０は、熱交換部３４ｂ内を流通する水素と熱交換可能とされる。

そして、封入部３８は、配管４２（第３の流路）を介して水素タンク２０と連通している。すなわち、配管４２は、水素吸蔵合金４０（封入部３８）と水素タンク２０とを連通するように接続されており、熱交換器３６と水素タンク２０との途中には開閉バルブ４４が設けられている。なお、配管４２は、配管３４ｃの途中に合流するようにしてもよい。また、封入部３８と配管４２との連結部には、水素を通過させ、水素吸蔵合金４０を通過させない膜体４５（フィルタ）が設けられている。これにより、水素吸蔵合金４０が配管４２へと流出することが防止される。

また、熱交換器３６内に配置される熱交換部３４ｂには、水素吸蔵合金４０と、熱交換部３４ｂ内を流通する水素との伝熱効率を一層高めるために、多数のフィン４６が形成されている。フィン４６は、例えば、アルミニウム等からなる薄板であり、該薄板を熱交換部３４ｂが貫通している。

さらに、水素充填装置１０には、装置各部の温度を測定するための温度センサ４８、５０、５２、５４と、これらの測定温度に基づいて開閉バルブ４４の開閉制御を行う制御装置５６とが設けられている。温度センサ４８は、水素貯蔵タンク１８から熱交換器３６へと流入する直前の水素の温度を測定するために、熱交換器３６の入口側（１次側）の配管３４ａに設けられる。温度センサ５０は、水素吸蔵合金４０の温度を測定するために、封入部３８内に設けられる。温度センサ５２は、熱交換器３６を通過した直後の水素ガスの温度を測定するために、熱交換器３６の出口側（２次側）の配管３４ｃに設けられる。温度センサ５４は、外気温を測定するための外気温センサである。

水素タンク２０は、燃料電池３２（ＦＣ）のアノード電極側に水素を供給するためのものである。水素タンク２０の充填口（図示しない遮断弁等が配設されている口金部分）には、配管３４ｃ、配管４２及び燃料電池３２へと連通する配管５８が接続されている。ここで、配管３４ｃ及び配管５８と、前記充填口とが接続されている部分には、図示しない逆止弁が配設されている。すなわち、配管３４ｃ及び配管５８では、通常、図１中の矢印で示す方向にのみ水素が流通可能である。

ここで、水素吸蔵合金における水素の吸蔵反応及び放出反応について、図２を参照して説明する。図２は、一般的な水素吸蔵合金における温度［Ｋ］−圧力［Ｐａ］特性を示すグラフである。

一般に、水素吸蔵合金における吸蔵（水素化）反応及び放出（脱水素化）反応における平衡圧力は、温度によって支配される。換言すれば、上記のような反応は圧力と温度によって変化する。このような水素吸蔵合金は、その種類毎に、温度に応じて固有の平衡圧力（水素の吸蔵と放出とが釣り合う状態となるときの水素圧力。平衡水素圧）を示すという性質を有する。

図２に示すように、例えば、常温（Ｔ０）での平衡圧力がＰ０である水素吸蔵合金を、Ｐ０よりも低圧力下（Ｐ１）においた場合、その圧力Ｐ１における平衡状態をとろうとして水素を放出し、その吸熱反応熱で自身を冷やしながらＴ１まで温度を下げようとする。ここで、外部からさらに熱を加えると、水素吸蔵合金はその圧力・温度での平衡を保とうとするので、水素を放出し圧力Ｐ１での平衡状態を保持しようとする。逆に、圧力Ｐ０よりも高圧力下（Ｐ２）においた場合、圧力Ｐ２における平衡状態をとろうとして水素を吸蔵し、その発熱反応熱で自身を温めながらＴ２まで温度を上げようとする。ここで、外部から温度を下げようと冷却すると、Ｐ２・Ｔ２の平衡状態を保持しようとするため、水素を吸蔵してその平衡状態を保持しようとする。

以上のような一般的な性質を有する水素吸蔵合金であるが、水素充填装置１０に適用可能な水素吸蔵合金４０の種類としては、例えば、ＡＢ₂型合金（ラーベス相合金）、ＡＢ₅型合金、ＢＣＣ系合金又はその他の合金（Ｍｇ系合金等）等が適用可能である。ＡＢ₂型合金としては、例えば、ＴｉＣｒ₂や、Ａ群として（Ｚｒ、Ｔｉ）から選択され、且つ、Ｂ群として（Ｎｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ）から選択される組成のものが挙げられる。ＡＢ₅型合金としては、例えば、ＬａＮｉ₅やＭｎＮｉ₅等が挙げられる。ＢＣＣ（体心立方格子）系合金としては、例えば、Ｔｉ−Ｖ−ＣｒやＴｉ−Ｖ−Ｍｎ等が挙げられる。

そして、水素充填装置１０に適用可能な水素吸蔵合金４０の条件は、上記のような各種合金において、さらに、水素タンク２０の予定充填圧力（設計圧力）ＰＡでの平衡温度が、予定最高外気温（設計最高外気温）Ｔｍａｘ以上であり、且つ、予定最低外気温（設計最低外気温）Ｔｍｉｎでの平衡圧力が、燃料電池３２への供給に必要な圧力（燃料電池３２の運転最高圧力。例えば、大気圧）ＰＢ以上の範囲にあるものを用いることができるが（図６参照）、詳細は後述する。

基本的には以上のように構成される水素充填システム１２において、次に、水素貯蔵タンク１８から水素タンク２０へ水素を充填する際の水素充填方法について、図３〜図５を参照して説明する。図３は、本実施形態に係る水素充填方法を説明するためのフローチャートである。図４は、本実施形態に係る水素充填方法による水素充填時の水素充填装置１０における各部の温度［℃］と圧力［ＭＰａ］を示す説明図である。図５Ａは、水素充填開始前の水素充填装置１０の状態を説明するための説明図であり、図５Ｂは、水素充填開始時の水素充填装置１０の状態を説明するための説明図であり、図５Ｃは、水素充填終盤（冷却終了後）の水素充填装置１０の状態を説明するための説明図であり、図５Ｄは、水素吸蔵合金４０の再生時の水素充填装置１０の状態を説明するための説明図である。

なお、本実施形態において、水素充填開始前の水素タンク２０内の水素圧力は、例えば、１ＭＰａであって、水素タンク２０内の水素圧力が３５ＭＰａになるまで水素貯蔵タンク１８（例えば、４２ＭＰａの水素が貯蔵）から水素充填を行うものとする。また、水素吸蔵合金４０には、予め３５ＭＰａの水素が充填（吸蔵）されているものとする（図５Ａ参照）。

先ず、図３におけるステップＳ１において、水素タンク２０を搭載する燃料電池車両１６が水素充填ステーション１４に到着し、所定位置（水素充填位置）に停車される。そして、燃料電池車両１６のイグニッションがＯＦＦとされ、燃料電池３２等の運転が停止される。次いで、操作者（充填者）が、ノズル２６をディスペンサ２４から取り外し、ノズル２６の充填コネクタ２６ａを燃料電池車両１６の接続部３０に接続する。これにより、水素タンク２０への水素充填が開始される。

次に、ステップＳ２において、図５Ｂに示すように、上記のような水素の充填開始と同時に、制御装置５６の制御下に、開閉バルブ４４を開弁する。すなわち、水素の充填開始と共に開閉バルブ４４を開弁することで、封入部３８と水素タンク２０とが配管４２により連通され、その圧力が同等となることで水素吸蔵合金４０の温度が急激に低下する（図４の時点ｔ１）。

この際、外気温と略同温度である水素貯蔵タンク１８から供給される水素は、熱交換器３６の熱交換部３４ｂにて水素吸蔵合金４０により冷却された後、水素タンク２０へと充填される。ここで、水素吸蔵合金４０には、充填される水素から熱交換部３４ｂを介して熱が供給されるため、水素の放出を継続することができる。なお、水素吸蔵合金４０から放出された水素は、水素タンク２０に供給される。

上記のような水素の充填が行われることにより、次第に水素タンク２０内の水素圧力が上昇すると、水素吸蔵合金４０の温度も図４に示すように次第に上昇し始める。

そこで、ステップＳ３において、制御装置５６の制御下に、水素吸蔵合金４０の温度（温度センサ５０にて測定）が充填される水素の温度（温度センサ４８にて測定）と同等となったとき、すなわち、水素吸蔵合金温度＝熱交換器入口温度、となったときに、次にステップＳ４において、図５Ｃに示すように、開閉バルブ４４を閉弁する（図４の時点ｔ２）。これにより、さらに水素圧力が上昇しても水素吸蔵合金４０の温度が充填される水素の温度よりも高くなり、熱交換器３６にて水素を温めてしまうような事態を回避することができる。

ステップＳ５では、水素タンク２０に所定量の水素が充填されるまで水素充填が継続される。そして、水素タンク２０に所定量の水素が充填されると、充填終了となる（ステップＳ６）。

このように水素タンク２０への水素充填が終了すると、次に、ステップＳ７において、操作者はノズル２６を接続部３０より取り外す。

次いで、ステップＳ８において、燃料電池車両１６のイグニッションがＯＮとされると、次にステップＳ９が実行される。なお、このステップＳ８は必ずしも必要ではなく、ステップＳ７の後、ステップＳ８を省略してステップＳ９を実行するようにすることも可能である。

ステップＳ９では、開閉バルブ４４が開弁される。これにより、図５Ｄに示すように、水素タンク２０内に充填された水素が、配管４２を流通して（図１では点線矢印で示す）水素吸蔵合金４０へと返送され、吸蔵される。この際、水素吸蔵合金４０は吸蔵反応熱により発熱して昇温することになるが、上記のように水素吸蔵合金４０の吸蔵平衡温度は予定最高外気温、この場合には４０℃以上（例えば、４５℃）と設定されている。このため、例えば、外気温が４０℃と高温である場合であっても水素吸蔵合金４０が外気により冷却できるため、水素吸蔵合金４０に水素を吸蔵（再生）させることが可能である。

そして、上記のような水素吸蔵合金４０の再生から所定時間経過後、外気温と水素吸蔵合金４０の温度とが同等になると（ステップＳ１０）、次に、開閉バルブ１１を閉弁する（ステップＳ１１）。これにより、水素吸蔵合金４０の再生操作が終了する（ステップＳ１２）。

本実施形態に係る水素充填システムでは、以上のようにして水素タンク２０への水素充填が行われる。この場合、上記ステップＳ１〜ステップＳ７までが水素充填工程であり、ステップＳ８〜ステップＳ１２までが水素吸蔵合金４０の再生工程である。このように、水素充填装置１０では、充填される水素を水素吸蔵合金４０により冷却した後、水素タンク２０に充填された水素を返送して水素吸蔵合金４０を再生することが可能である。

ここで、上記のような冷却及び再生の作用を実現するための本実施形態に係る水素充填装置１０に適用可能な水素吸蔵合金４０の条件について、図６を参照して説明する。図６は、各種特性を有する水素吸蔵合金における温度［Ｋ］−圧力［Ｐａ］特性を示す説明図である。

上記のように、水素充填装置１０に適用可能な水素吸蔵合金は、水素タンク２０の予定充填圧力（設計圧力）ＰＡでの平衡温度が、予定最高外気温（設計最高外気温）Ｔｍａｘ以上であり、且つ、予定最低外気温（設計最低外気温）Ｔｍｉｎでの平衡圧力が、燃料電池３２への供給に必要な圧力（燃料電池３２の運転時の最高圧力）ＰＢ以上のものである。すなわち、このような水素吸蔵合金は、図６において、点Ａから矢印Ｘにて示す範囲に予定充填圧力ＰＡでの平衡温度が存在し、且つ、点Ｂから矢印Ｙにて示す範囲に予定最低外温度Ｔｍｉｎでの平衡圧力が存在するものである。

このような水素吸蔵合金としては、例えば、図６に実線で示すＭＨＡ、ＭＨＡ´や、一点鎖線で示すａ、ｂ、ｃ、ｄ等の特性を示すものが挙げられる。具体的には、例えば、予定最高外気温Ｔｍａｘ＝＋４０℃、予定最低外気温Ｔｍｉｎ＝−４０℃、予定充填圧力ＰＡ＝３５ＭＰａ、燃料電池３２への供給に必要な圧力ＰＢ＝１ＭＰａとすると、３５ＭＰａでの平衡温度が＋４０℃以上、且つ、−４０℃での平衡圧力が１ＭＰａ以上である水素吸蔵合金が好適である。

なお、熱交換器３６での冷却効果を高めるためには、図６の点Ａにより近い位置を通過する特性を有するものが好ましい。このような特性を有する水素吸蔵合金を用いると、低圧時の温度を一層低温にすることができ、熱交換器３６での冷却効果が高くなる。従って、図６に示す２本の直線ＭＨＡとＭＨＡ´とで挟まれる範囲にある水素吸蔵合金がより好ましく、特に、図６の斜線で示す範囲に平衡圧力を持つ水素吸蔵合金が最も好ましい。

以上のように、水素貯蔵タンク１８から水素タンク２０への水素充填時、本実施形態に係る水素充填装置１０を用いることにより、水素充填時における水素吸蔵合金４０からの水素の放出により、充填される水素を熱交換器３６にて冷却することができる。このため、充填時、水素タンク２０における温度上昇を低減することが可能となり、十分な水素充填量を確保することが可能となる。

また、水素吸蔵合金４０から放出される水素が流通する配管４２を水素タンク２０又は水素充填用の配管３４ａに連結することにより、従来では２つ必要としていた水素吸蔵合金用のタンクを１つ（熱交換器３６のみ）とすることができる。このため、システム構成を簡素化することができる。

さらに、熱交換器３６に用いる水素吸蔵合金４０を、水素タンク２０の予定充填圧力ＰＡでの平衡温度が、予定最高外気温Ｔｍａｘ以上であるものとすることで（図６参照）、予定最高外気温Ｔｍａｘにまで外気温が上昇した場合であっても、外気による水素吸蔵合金４０の冷却が可能である。このため、ポンプ等の動力を用いることなく、充填後の水素タンク２０から配管４２を介して、水素吸蔵合金４０に水素を供給し、吸蔵（自己再生）させることができる。

さらにまた、水素吸蔵合金４０を、予定最低外気温Ｔｍｉｎでの平衡圧力が、燃料電池３２への供給に必要な圧力ＰＢ（例えば、大気圧）以上のものとすることで（図６参照）、水素タンク２０が空でも、非常用（緊急用）として水素吸蔵合金４０から水素を燃料電池３２に供給することができる。

また、燃料電池車両１６では、水素充填装置１０を搭載していることにより、水素充填ステーション１４のように充填される水素の冷却設備を有していない水素充填ステーションであっても、本発明に係る水素充填方法を適用して、水素を充填することができる。すなわち、水素充填装置１０を搭載する燃料電池車両１６は、水素充填ステーションの設備に依存することなく、充填される水素の冷却が可能となり、このため、水素タンク２０に十分な量の水素を充填可能である。

以上、上記実施形態により本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。

例えば、上記実施形態では、水素タンク２０が搭載される車両として燃料電池車両１６を例示したが、水素タンクが搭載される車両であれば燃料電池車両に限られるものではなく、水素エンジン車両等にも本発明は適用可能である。

本発明の一実施形態に係る水素充填装置を備えた水素充填システムを示す概略構成図である。 一般的な水素吸蔵合金における温度［Ｋ］−圧力［Ｐａ］特性を示すグラフである。 前記実施形態に係る水素充填方法を説明するためのフローチャートである。 前記実施形態に係る水素充填方法による水素充填時の水素充填装置における各部の温度と圧力を示す説明図である。 図５Ａは、水素充填開始前の水素充填装置の状態を説明するための説明図であり、図５Ｂは、水素充填開始時の水素充填装置の状態を説明するための説明図であり、図５Ｃは、水素充填終盤（冷却終了後）の水素充填装置の状態を説明するための説明図であり、図５Ｄは、水素吸蔵合金の再生時の水素充填装置の状態を説明するための説明図である。 各種特性を有する水素吸蔵合金における温度［Ｋ］−圧力［Ｐａ］特性を示す説明図である。

符号の説明

１０…水素充填装置 １２…水素充填システム
１４…水素充填ステーション １６…燃料電池車両
１８…水素貯蔵タンク ２０…水素タンク
２４…ディスペンサ ２６…ノズル
２６ａ…充填コネクタ ３０…接続部
３２…燃料電池 ３４ｂ…熱交換部
３６…熱交換器 ３７…シェル
３８…封入部 ４０…水素吸蔵合金
４４…開閉バルブ ４６…フィン
４８、５０、５２、５４…温度センサ ５６…制御装置

Claims (7)

1. 水素貯蔵源と水素タンクとの間に水素吸蔵合金を収容した熱交換器を設け、前記水素貯蔵源に貯蔵されている水素を前記熱交換器を介して前記水素タンクに充填する水素充填方法であって、
   前記水素吸蔵合金から水素を放出させ、該放出された水素を前記水素タンクへ導入する工程と、
   前記水素貯蔵源に貯蔵されている水素を、前記水素吸蔵合金から水素が放出された際の吸熱反応により冷却された該水素吸蔵合金により冷却しながら、前記水素タンクへ充填する工程と、
   を有することを特徴とする水素充填方法。
2. 請求項１記載の水素充填方法において、
   さらに、前記水素タンク内に充填された水素を前記水素吸蔵合金に返送し、吸蔵させる工程を有することを特徴とする水素充填方法。
3. 水素貯蔵源に貯蔵されている水素を水素タンクへ充填する水素充填装置であって、
   前記水素貯蔵源に第１の流路を介して連結される熱交換器と、
   前記第１の流路から前記熱交換器に流入した水素を、該熱交換器から前記水素タンクへと流通させる第２の流路と、
   前記第１の流路から前記第２の流路へと流通する水素と熱交換可能な状態で前記熱交換器に収容された水素吸蔵合金と、
   前記水素吸蔵合金と前記水素タンクとの間で水素の流通が可能なように、前記熱交換器から前記第２の流路又は前記水素タンクに連結される第３の流路と、
   前記第３の流路における水素流通の可否を切換る開閉バルブと、
   を備え、
   前記水素吸蔵合金は、前記水素タンクの予定充填圧力における吸蔵平衡温度が予定最高外気温以上であり、且つ、予定最低外気温における放出平衡圧力が燃料電池への供給に必要な圧力以上であることを特徴とする水素充填装置。
4. 請求項３記載の水素充填装置において、
   さらに、前記熱交換器に流入する水素の温度及び前記水素吸蔵合金の温度に応じて、前記開閉バルブを開閉制御する制御手段を備えることを特徴とする水素充填装置。
5. 請求項３記載の水素充填装置において、
   さらに、前記開閉バルブを開閉制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記水素貯蔵源から前記水素タンクへの水素の充填時、前記開閉バルブを開くことで前記水素吸蔵合金から水素を放出させ、
   前記水素タンクへの水素充填終了前に前記開閉バルブを閉じ、
   前記水素タンクへの水素充填終了後には、前記開閉バルブを再び開くことで、前記水素タンクから前記水素吸蔵合金に水素を返送し、吸蔵させる制御を行うことを特徴とする水素充填装置。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の水素充填装置を搭載することを特徴とする車両。
7. 水素タンクを有し、該水素タンク内に貯蔵されている水素を燃料として走行する車両であって、
   水素が供給される水素供給口と、
   前記水素供給口に第１の流路を介して連結される熱交換器と、
   前記第１の流路から前記熱交換器に流入した水素を、該熱交換器から前記水素タンクへと流通させる第２の流路と、
   前記第１の流路から前記第２の流路へと流通する水素と熱交換可能な状態で前記熱交換器に収容された水素吸蔵合金と、
   前記水素吸蔵合金と前記水素タンクとの間で水素の流通が可能なように、前記熱交換器から前記第２の流路又は前記水素タンクに連結される第３の流路と、
   前記第３の流路における水素流通の可否を切換る開閉バルブと、
   を備え、
   前記水素吸蔵合金は、前記水素タンクの予定充填圧力における吸蔵平衡温度が予定最高外気温以上であり、且つ、予定最低外気温における放出平衡圧力が燃料電池への供給に必要な圧力以上であることを特徴とする車両。

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