JP2010268956A - 水素取扱施設における安全設備 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ステーション等の水素関連施設の安全性を向上させるための有効適切な安全設備を提供する。
【解決手段】水素を取り扱う施設を対象として水素漏洩による火災や爆発を防止するための安全設備であって、水素貯蔵室１等の水素を取り扱う室内に不活性気体を供給して室内酸素濃度を水素着火限界濃度以下に常時維持するとともに、水素取扱室の上部に漏洩水素を外部に放出するための排気筒１１を設け、室内における水素濃度を監視して水素漏洩を検知した際に排気筒内に不活性気体を供給することにより、漏洩水素を着火限界濃度以下に希釈して外部に放出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば水素を製造する施設や水素を輸送する施設あるいは水素を貯蔵する施設等の水素を取り扱う各種施設（以下、水素取扱施設と総称する）を対象として水素漏洩による火災や爆発を防止するための安全設備、特に燃料電池自動車に対して燃料としての水素を随時供給するための施設であるいわゆる水素ステーションに適用して好適な安全設備に関する。

水素を燃料とする燃料電池により走行する車両（燃料電池自動車）の開発が進められているが、その普及を図るためには燃料電池自動車に対して燃料としての水素を随時供給するためのシステムが不可欠であり、近い将来にはそのための施設である水素ステーション（従来のガソリンスタンドに相当するもの）が各地に多数設置されることが想定されている。

そのような水素ステーションは多量の水素を取り扱いかつ貯蔵する施設であり、しかも市街地や繁華街等にも設置されるものであるから、水素の万一の爆発（より厳密には爆発を伴う燃焼、すなわち爆燃や爆轟）を想定した安全対策が不可欠であり、そのため、たとえば特許文献１や特許文献２に示されるような不活性化方法の採用により施設安全性を確保することが検討されている。

特開２０００−１７８５６０号公報 特表２００８−５２６４０９号公報

しかし、水素が万一爆発した際のエネルギーは極めて大きいことから、特許文献１や特許文献２に示されるような従来一般の不活性化手法のみでは充分ではなく、より万全の安全対策が必要であると考えられている。

以上のことは水素ステーションのみならず水素を取り扱う諸施設全般に共通する課題でもあり、したがって燃料電池自動車の普及を図るためには水素ステーションをはじめとする水素関連施設の安全性の確立が必要であり、特に可及的に簡便かつ低コストで安全性を確保することのできる有効適切な安全設備の開発が求められている。

本発明は、水素を取り扱う施設を対象として水素漏洩による火災や爆発を防止するための安全設備であって、水素取扱室内に不活性気体を供給して室内酸素濃度を水素着火限界濃度以下に常時維持するとともに、前記水素取扱室の上部に漏洩水素を外部に放出するための排気筒を設け、前記水素取扱室内における水素濃度を監視して水素漏洩を検知した際に前記排気筒内に不活性気体を供給することにより、漏洩水素を着火限界濃度以下に希釈して外部に放出することを特徴とする。

本発明によれば、万一の水素漏洩が生じてたとえ火種（静電気等）にふれたとしても着火や爆発、爆轟といった重大な事態に至ることが未然に防止されることはもとより、漏洩水素を不活性気体により希釈してから外部に放出するので、仮に水素が大量に漏洩した場合であっても室内における水素濃度が高濃度になることはないし、外部における万一の着火や爆発をも確実に防止でき、水素を取り扱う各種施設の安全性を充分に高めることができる。

本発明の実施形態である安全設備の概略構成を示す図である。 同、安全濃度および希釈濃度についての説明図である。

図１は本発明の安全設備を水素ステーションに適用した場合の実施形態を示すものである。図中、符号１は地階に設けられた水素貯蔵室であり、その内部には水素の蓄圧タンク２や昇圧圧縮機３が設置され、別室に配置される輸送用水素ボンベ４からの水素を昇圧圧縮機３により圧縮して蓄圧タンク３に充填して貯蔵するようになっている。この水素貯蔵室１はそれらの内部設置機器からの万一の水槽漏洩による火災や爆発が想定されることから、それを防止するための安全設備が付設されている。

本実施形態の安全設備は、水素貯蔵室１内にたとえば二酸化炭素や窒素化合物等の不活性気体を常時充満させてその濃度を安全濃度に維持することにより漏洩水素を不活性化することを基本とする。
すなわち、本実施形態の安全設備は、水素取扱室１の外部に設置した不活性気体源５から日常補給ライン６を通して水素貯蔵室１内に不活性気体を供給するとともに、その室内濃度を不活性気体濃度センサ７により検知し、その検知信号に基づいて受信機８、制御盤９を介して制御弁１０を操作することによりその濃度を所定値以上となるように供給量を制御し、それによって水素貯蔵室１内の酸素濃度を低下させて水素着火限界濃度以下に常時維持するようにされている。
これにより、万一の水素漏洩が生じても漏洩水素は不活性気体と自ずと混合され、特に床面付近からの漏洩水素が室内を上昇する際に不活性気体と充分に混合されて希釈されてしまい、したがってたとえ火種（静電気等）にふれたとしても着火や爆発、爆轟といった重大事態に至ることは防止されるようになっている。

加えて、本実施形態の安全設備では、水素貯蔵室１内の上部に漏洩水素を外部に放出するための排気筒１１を設置しておくとともに、水素貯蔵室１内における水素濃度を監視して水素漏洩を検知した際にはその排気筒１１内に不活性気体を緊急に供給することによって、漏洩水素を安全濃度（着火限界濃度以下）に希釈してから外部に放出するようになっている。
すなわち、水素貯蔵室１の天井部には水素漏洩を検知するための水素濃度センサ１２が設置され、その検知信号が上記の受信機８、制御盤９に入力されて水素漏洩の有無を検知可能とされている。そして、水素漏洩を検知した際には制御弁１３が操作されて不活性気体源５から緊急放出ライン１４を通して排気筒１１内に直ちに不活性気体が供給されるようになっており、それにより漏洩水素が充分に希釈されてから外部に放出されるようになっている。
なお、排気筒１１内に水素漏洩量を検知するための速度計１５や酸素（空気）濃度センサ１６を設置して水素の漏洩量や希釈濃度の監視を行うと良く、さらにそれらの検知信号に基づいて室内や排気筒１１内への不活性気体の供給を制御することでも良い。

このような漏洩水素の放出経路を確保することにより、仮に水素が大量に漏洩した場合であっても室内における水素濃度が高濃度になって施設全体が破壊されてしまうような爆発事故に至る重大な事態は防止し得るし、漏洩水素を希釈してから放出することにより外部における万一の着火や爆発をも確実に防止し得るものとなっている。
なお、水素貯蔵室１内の気圧は気温変動や内部機器の発熱その他の条件により刻々と変動するので、上記の排気筒１１はそのような室内の日常的な気圧変動を吸収する機能を兼用するものとして設けておけば良い。

本発明の安全設備によって維持するべき不活性気体の安全濃度、および外部に放出する漏洩水素の希釈濃度について図２を参照して説明する。
図２において点Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ水素、空気（単成分として扱う）、不活性気体が１００％の状態を表し、辺ＡＢ、ＢＣ、ＣＡ上の点はそれぞれ水素／空気、空気／不活性気体、不活性気体／水素の混合気体を表す。また、三角形内部の点、たとえば点Ｑは、直線ＣＱの延長と辺ＡＢの交点をＳとすると、水素：空気の濃度比がＢＳ：ＡＳである。同様に、直線ＡＱの延長と辺ＢＣの交点をＲ、直線ＢＱの延長と辺ＣＡの交点をＴとすると、空気：不活性気体、不活性気体：水素の濃度比が、それぞれＣＲ：ＢＲ、ＡＴ：ＣＴである混合気体を表す。
空気中における水素の可燃範囲は、一般に、水素濃度が燃焼の下限界（４％）から上限界（７５％）と言われているので、それぞれの点をＬ，Ｈで表すと、点Ｌ，Ｈは辺ＡＢ上に存在し、ＢＬ／ＡＢ＝０．０４、ＢＨ／ＡＢ＝０．７５になる。

不活性気体が混合されると燃焼温度が低下するために可燃範囲は減少して、ＬｐからＨｐの範囲になる。空気に注入する不活性気体の割合を上げると可燃範囲は狭まり、ある点Ｑで消滅する。したがって、三角形ＬＱＨの内部が可燃範囲であり、この三角形内の組成の混合気が形成されないようにすれば着火の危険性が排除できる。一般に点Ｑは、点Ａを通る直線ＡＲ上で燃焼温度が最も高くなる組成付近に現れるので、点Ｑにおける水素：空気の濃度比は当量に近い値（ＢＳ：ＡＳ＝１：１．８８１）になる
そこで、予め空気中の不活性気体の濃度をＢＲ／ＢＣ以上にしておけば、漏洩した水素と如何なる比率で混合してもその組成は三角形ＡＲＣの内部にあり、可燃範囲にならないことになる。

一方、点Ｂを通る直線ＢＱＴ上では不活性気体と水素の濃度比がＡＴ：ＣＴで一定であるので、この直線上の点は不活性気体中の水素濃度がＣＴ／ＡＣである混合気が空気中に放出された状態を示す。したがって、漏洩した水素が外気に放出される前に不活性気体でＣＴ／ＡＣ以下の濃度に希釈されれば、空気と混合した後の組成は三角形ＢＴＣの内部にあり、着火の危険性がなくなる。
したがって本発明の安全設備では、水素貯蔵室内の不活性気体の濃度を常にＢＲ／ＢＣ以上に保つことによって漏洩した水素が室内で着火することを防止できるばかりでなく、漏洩水素を四角形ＱＲＣＴ内の組成になるまで希釈したうえで室外に放出することによって、放出後に外気と如何なる比率で混合しても着火の危険性を排除できるのである。

以上で本発明を水素ステーションに適用する場合の実施形態について説明したが、本発明は水素ステーションにおける水素貯蔵室に限らず、水素を製造したり輸送するための施設等も含めて水素を取り扱う施設全般に広く適用できることはいうまでもない。
但し、本発明の安全設備は対象室内の酸素濃度を常時低下させておく関係上、当然ながら作業員の自由な立ち入りを制限する必要があり、作業員が室内に立ち入る際には事前に大気と同等の酸素濃度を回復するか、さもなくば酸素マスクを着用することが前提となる。
また、本発明において使用する不活性気体としては、二酸化炭素や窒素化合物をはじめとして水素に対する不活性化が可能なものであれば特に限定されるものではないが、いずれにしても環境に対して大きな負荷とならないものが好ましい。また、空気に比べて比重の小さい水素を効率的に放出するために排気筒は室内の上部に設けるべきであるから、室内に充満させる不活性気体の比重は空気よりも大きい方が好ましく、その観点からは二酸化炭素が好適であり現実的である。

なお、本発明のように漏洩水素を排気筒を通して外部に放出することを前提としてその放出濃度を希釈することに代えて、逆に水素貯蔵室を充分に気密にして漏洩水素の外部への漏出を確実に防止することも考えられなくはないが、その場合には日常的な内部気圧変動を吸収し得ないし、万一の漏洩時には室内での漏洩水素が高濃度になって爆発の危険性が増大することにもつながるので、水素貯蔵室を高度に気密化することは安全対策上は好ましくなく現実的ではない。

１ 水素貯蔵室（水素取扱室）
２ 蓄圧タンク
３ 昇圧圧縮機
４ 輸送用水素ボンベ
５ 不活性気体源
６ 日常補給ライン
７ 不活性気体濃度センサ
８ 受信機
９ 制御盤
１０ 制御弁
１１ 排気筒
１２ 水素濃度センサ
１３ 制御弁
１４ 緊急放出ライン
１５ 速度計
１６ 酸素（空気）濃度センサ

Claims (1)

1. 水素を取り扱う施設を対象として水素漏洩による火災や爆発を防止するための安全設備であって、
   水素取扱室内に不活性気体を供給して室内酸素濃度を水素着火限界濃度以下に常時維持するとともに、前記水素取扱室の上部に漏洩水素を外部に放出するための排気筒を設け、前記水素取扱室内における水素濃度を監視して水素漏洩を検知した際に前記排気筒内に不活性気体を供給することにより、漏洩水素を着火限界濃度以下に希釈して外部に放出することを特徴とする水素取扱施設における安全設備。

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