JP2011099511A - 水素吸蔵合金タンクシステム - Google Patents

Abstract

【課題】水素吸蔵合金の特性を利用したエネルギー貯蔵・反応列利用複合システムにおいて、反応熱を高効率で利用する。
【解決手段】水素供給源１１からの水素を水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ内に蓄え、水素負荷１２に対して蓄えた水素を供給可能な水素吸蔵合金タンクシステムであって、対となる水素吸蔵合金タンクＡ、Ｃと水素吸蔵合金タンクＢ、Ｄにおいて、一方の水素吸蔵合金タンクの水素吸蔵過程終了後と他方の水素吸蔵合金タンクの水素吸蔵過程開始前、または一方の水素吸蔵合金タンクの水素放出過程終了後と他方の水素吸蔵合金タンクの水素放出過程開始前との間に、対となるタンク相互間で熱交換が行なわれる。各水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける水素放出時の冷熱は、熱交換器２を介して、冷熱利用系３に供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次エネルギーとしての水素を体積的に高密度に貯蔵する、水素吸蔵合金タンクシステムに関するものである。

発電所の電力負荷率の向上、並びにエネルギーコスト及び炭酸ガス排出量の低減の観点から、深夜電力によりエネルギーを貯蔵し、昼間に利用するエネルギーの貯蔵・供給システムが種々提案されている。実用化されている代表的な技術として、水蓄熱システム及び氷蓄熱システム等があるが、水素吸蔵合金は、二次エネルギーとしての水素を体積的に高密度に貯蔵することができ、また水素の吸蔵と放出を可逆的に繰り返すことが容易なため、それを利用して高密度のエネルギーの貯蔵・供給システムを構築できる。

水素吸蔵合金は、通常、密閉容器であるタンク内に収容されて使用される。タンク内で十分に活性化処理された水素吸蔵合金は、タンク内の所定の温度・圧力によって水素を吸蔵・放出する特性を持つ。そしてタンク内に水素を供給して昇圧させると、水素吸蔵合金は水素平衡圧力（水素吸蔵合金の水素ガスの吸蔵・放出に対する平衡圧力）を維持しようとタンク内の水素を吸蔵する。その際に水素吸蔵合金は発熱反応を起こす。発熱によって水素吸蔵合金が加熱されると、温度に応じて水素吸蔵合金の水素平衡圧力が高くなり、タンク内の圧力が高くなる。水素の供給元よりもタンク内の圧力が高くなるとそれ以上水素をタンクに供給できなくなる。そのためタンク内に配備された配管を通じて、水素吸蔵合金よりも低温の水を循環させて除熱することで、水素平衡圧力を低下させて連続的に水素を吸蔵させることができる。但し、水素吸蔵の総量が当該水素吸蔵合金の限界量を超えると、水素平衡圧力が急激に高くなり、除熱してもそれ以上の水素を吸蔵できなくなる。

一方、タンク内を減圧させると、水素吸蔵合金は水素平衡圧力を維持しようと水素をタンク内に放出する。その際に水素吸蔵合金は吸熱反応を起こす。吸熱によって水素吸蔵合金が冷却されると、温度に応じて水素平衡圧力が低くなり、タンク内の圧力が徐々に低くなる。水素の放出先よりもタンク内の圧力が低くなるとそれ以上タンクから水素を放出できなくなる。そのためタンク内に配備した配管を通じて、水素吸蔵合金よりも高温の水を循環させて加熱することで、水素平衡圧力を上昇させて連続的に水素を放出させることができる。但し、水素放出の総量が当該水素吸蔵合金の限界量を超えると、水素平衡圧力が急激に低くなり、加熱してもそれ以上の水素を放出できなくなる。

このように水素吸蔵合金は、水素放出時には吸熱反応、水素吸蔵時には発熱反応を起こすため、当該水素の吸蔵・放出時の反応熱を水素の貯蔵以外の目的に利用することができる。かかる水素吸蔵合金の特性を活用して構築される、エネルギー貯蔵・反応熱利用複合システムとしては、例えば次のようなシステムが考えられる。すなわち、夜間に安価な深夜電力により水を電気分解し、発生した水素を水素吸蔵合金に吸蔵する。一方昼間には、水素吸蔵合金から水素を放出し、その水素を燃料とした燃料電池により建物の電力需要を賄う。そのような二次エネルギーとしての水素を貯蔵すると共に、水素の吸蔵・放出に伴う反応熱を、たとえば改組吸蔵合金を内蔵したタンクとの間で熱交換する水を循環させることでこれを取り出し、建物の熱需要に利用するシステムである。これをより具体化して提案されたものに、特許文献１に開示された技術がある。

特開２００９−７１９５９号公報

特許文献１は、供給電力の平準化を図るために、前記した水素吸蔵合金の特性を巧みに利用したものであるが、水素放出時の吸熱反応を一般空調用の冷熱に利用できる温度にする場合、水素吸蔵合金の組成に起因する特性及び循環水の水量にもよるが、循環水出口温度を５〜７℃程度（冷熱需要に必要な現実的温度）とした場合、水素放出時の水素吸蔵合金の運転温度（循環水入口温度）は１２℃程度であり、他方、水素吸蔵時の発熱反応を一般の冷却塔で除熱できる温度の３７℃とすれば、概ね水素吸蔵時の水素吸蔵合金の運転温度（循環水入口温度）は３２℃程度になる。

このような冷熱利用時の現実的な運転条件を設定したとき、水素吸蔵過程から水素放出過程に切り替えて、放出の際に発生する冷熱を利用するには、水素吸蔵合金を２０℃程度冷却する必要がある。かかる場合、水素吸蔵合金自らの放出時の吸熱反応で冷却することができるが、水素吸蔵合金が１２℃以下に冷却されるまで、水素吸蔵合金の反応熱の冷熱利用はできなくなる。したがってシステムからのエネルギー利用量が低下する。

また、水素放出過程から水素吸蔵過程に切り替える際には、水素吸蔵合金を２０℃程度加熱する必要がある。前記した冷熱利用を目的としたシステムでは、水素吸蔵時の反応熱を冷却塔で除熱することを想定しており、水素吸蔵時の反応熱を利用することを想定していないため、システムからのエネルギー利用量の低下にはならない。しかし、水素吸蔵過程の反応熱（温熱）を利用するシステムを構築した場合、水素吸蔵合金が所定の温度（例えば６０℃）以上に加熱されるまで、水素吸蔵合金の反応熱の温熱利用はできなくなる。したがってこの場合は、熱利用の観点からは、システムからのエネルギー利用量が低下する。

さらにまた大規模なビル等に水素吸蔵合金を利用したエネルギー貯蔵・供給システムを適用しようとする場合、大量の水素吸蔵合金が必要になり、それを貯蔵するために巨大なタンクが必要になる。水素吸蔵合金は大量の水素を安全に貯蔵できるというメリットがあるが、質量が極めて大きい。巨大なタンクを一箇所に設置する場合、重量増に伴う建築構造物の強化、装置の設置工事の負担増を招いてしまう。また圧力容器に係る規制に留意しなければならず、管理コストの上昇を招き、今後の普及を阻む恐れがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、前記したような水素吸蔵合金の特性を利用したエネルギー貯蔵・反応熱利用複合システムにおいて、反応熱を高効率で利用でき、しかも大規模なビル等に適用しても、前記した質量の問題を緩和することを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明は、水素吸蔵合金を内蔵するタンクを備え、水素供給源からの水素を前記水素吸蔵合金内に蓄え、水素負荷に対して前記蓄えた水素を供給可能な水素吸蔵合金タンクシステムであって、水素吸蔵合金タンクの対を形成する偶数の水素吸蔵合金タンクと、熱利用系との間で熱交換を行なう熱交換器に接続される水の往管、還管に各々接続され、各水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行なうための個別往管、個別還管とを有している。そして前記対となる水素吸蔵合金タンクにおいて、一方の水素吸蔵合金タンクの水素吸蔵過程終了後と他方の水素吸蔵合金タンクの水素吸蔵過程開始前、または一方の水素吸蔵合金タンクの水素放出過程終了後と他方の水素吸蔵合金タンクの水素放出過程開始前との間に、対となるタンク相互間で熱交換が行なわれることを特徴としている。

本発明の水素吸蔵合金タンクシステムにおいては、水素供給源（例えば水電解装置）からの水素が水素吸蔵合金内に蓄えられ、水素負荷（例えば燃料電池）に対しては、水素吸蔵合金内に蓄えられた水素が供給される。そして水素吸蔵合金の水素吸蔵、水素放出の際に発生した温熱、冷熱は、個別往管、往管を流れる水を介して熱交換器へ移動し、熱交換器によって熱利用系へと供給可能である。したがって、当該外部配管に、冷熱を利用する冷房装置等や、温熱を利用する暖房装置などを接続することで、これらの熱需要の全部または一部を担うことができる。そして、例えば、対となる水素吸蔵合金タンクにおいて、一方の水素吸蔵合金タンクの水素吸蔵過程終了後と他方の水素吸蔵合金タンクの水素吸蔵過程開始前に、これら対となるタンク相互間で熱交換が行なわれるので、水素吸蔵過程終了後の高温タンクと、水素放出終了後の低温タンクとの間で熱交換され、水素吸蔵終了後のタンクは降温し、水素放出終了後の低温タンクは昇温する。したがって、水素吸蔵過程終了後のタンクが次に水素放出過程を実施する際、当該放出過程の際に発生する冷熱を、前記熱交換器を介して熱利用系で利用できるまでの時間が、吸蔵後、放出の際の自己冷却によって達成するまでの時間よりも短縮でき、その結果、水素吸蔵、放出によって発生した顕熱を無駄なく利用することができる。

例えば、既述した水素放出時の吸熱反応を、熱利用系として一般空調用の冷熱に利用する場合に即して説明すれば、従来、水素吸蔵過程から水素放出過程に切り替える際には、水素吸蔵合金を３２℃から１２℃へと２０℃程度冷却する必要があったのが、吸蔵過程終了後の３２℃のタンクと、例えば放出過程終了後の１２℃のタンクを熱交換することで、タンクの温度は２２℃となっているので、１０℃冷却すればよいことになる。したがってその分、吸蔵過程終了から水素放出過程における冷熱利用可能温度である１２℃にするまでの時間が短縮され、結果としてシステムから外部に取り出せる冷熱利用量を高めることができる。

同様に、水素吸蔵過程の発熱反応を利用して温熱を熱利用系（例えば一般空調用の温熱に利用する系）に対して供給する場合においても、水素放出過程終了後の低温タンクと水素吸蔵過程終了後のタンクとを熱交換することで、温熱利用できる温度に達する時間を短縮でき、水素吸蔵合金からの発熱量のうち顕熱ロスで利用できない量を半減させることができる。

そして本発明の水素吸蔵合金タンクシステムにおいては、水素吸蔵合金タンクの対を形成する偶数の水素吸蔵合金タンクによって、全体としてみれば、１台の巨大な水素吸蔵合金タンクを偶数に分割した構成となっており、建築構造物への重量負荷の分散化、装置の設置工事の簡素化が可能になる。

前記熱利用系は冷熱利用系配管であり、前記往管及び還管は、冷却塔との間に配管された冷却水配管と熱交換を行なう他の熱交換器にも接続され、前記水は、前記熱交換器または他の熱交換器との間で切り替え供給可能であってもよい。

前記熱利用系は、例えば温水コイルに通ずる温熱利用系配管であってもよい。

前記対となる水素吸蔵合金タンク相互間では、個別往管と個別還管、および個別還管と個別往管とが接続されて循環水配管が形成され、前記熱交換は、当該循環水配管を流れる水によって行なわれるようにしてもよい。この場合、前記水素供給源および水素負荷と、各水素吸蔵合金タンクとの間に各々配管された水素配管、並びに前記循環水配管には夫々制御弁が設けられ、これら制御弁と、前記循環水配管に設けられた循環ポンプによって、水素吸蔵合金タンクにおける水素吸蔵、水素放出および熱交換のタイミングが個別に制御されるようにしてもよい。

前記対となる水素吸蔵合金タンク相互間には、タンク内を互いに加熱・冷却できるヒートパイプが設けられ、前記熱交換は、当該ヒートパイプによって行なわれるようにしてもよい。この場合、前記水素供給源および水素負荷と、各水素吸蔵合金タンクとの間に各々配管された水素配管、並びに前記ヒートパイプには夫々制御弁が設けられ、これら制御弁によって、水素吸蔵合金タンクにおける水素吸蔵、水素放出および熱交換のタイミングが個別に制御されるようにしてもよい。

前記対となる水素吸蔵合金タンク相互間には、気液の密度差によってタンク内を一方で加熱、他方で冷却できる冷媒、ここでは例えばフロン系冷媒の循環路が設けられ、前記熱交換は、当該循環路によって行なわれるようにしてもよい。この場合、前記水素供給源および水素負荷と、各水素吸蔵合金タンクとの間に各々配管された水素配管、並びに前記循環路には夫々制御弁が設けられ、これら制御弁によって、水素吸蔵合金タンクにおける水素吸蔵、水素放出および熱交換のタイミングが個別に制御されるようにしてもよい。

水素吸蔵合金タンクの数は、２対以上の偶数、すなわち４台以上あってもよく、かかる場合、一対の水素吸蔵合金タンク相互間で熱交換している間、他の対における一の水素吸蔵合金タンクにおいて水素吸蔵過程または水素放出過程が行なわれるようにすることで、熱交換過程を実施している間も、あたかも１台の水素吸蔵合金タンクのように、連続的に水素吸蔵運転、水素放出運転、あるいは水素吸蔵と水素放出の繰返運転を行うことができる。

本発明によれば、水素吸蔵合金の特性を利用したエネルギー貯蔵・反応熱利用複合システムにおいて、反応熱を高効率で利用でき、しかも大規模なビル等に適用しても、質量を分散させることが可能である。

実施の形態にかかる水素吸蔵合金タンクシステムの構成の概略を示す説明図である。 各水素吸蔵合金タンクシステムの吸蔵過程、放出過程、熱交換過程と、そのときの各バルブの開閉状態を示すタイミングチャートである。 対となる水素吸蔵合金タンク間の熱交換にヒートパイプを用いた水素吸蔵合金タンクシステムの構成の概略を示す説明図である。 対となる水素吸蔵合金タンク間の熱交換に冷媒の自然循環配管を用いた水素吸蔵合金タンクシステムの構成の概略を示す説明図である。 温熱利用系に適用した水素吸蔵合金タンクシステムの構成の概略を示す説明図である。

以下、本実施の形態にかかる水素吸蔵合金タンクシステムについて説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる水素吸蔵合金タンクシステムの系統の概略を示しており、この実施の形態は、水素吸蔵合金の反応熱（水素放出時の冷熱）を冷熱利用系に用いるシステムであり、４台の水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有するシステムとして構成され、水素吸蔵合金タンクＡ、Ｃが１つの対を構成し、水素吸蔵合金タンクＢ、Ｄが他の１つの対を構成している。

各水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、同一構成であり、気密性を有するタンク内部に水素吸蔵合金（図示せず）を収容している。各水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄには、水素配管１０を介して、例えば水電解装置などの水素供給源１１からの水素が供給可能であり、供給された水素は、タンク内の水素吸蔵合金で貯蔵することが可能である。またタンク内の水素吸蔵合金に貯蔵された水素は、例えば燃料電池などの水素負荷１２に対して、供給可能である。水素配管１０は、本管１０ａと、本管１０ａと水素供給源１１との間に配管された枝管１０ｂ、本管１０ａと水素負荷１２との間に配管された枝管１０ｃ、本管１０ａと各水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ内に配管された枝管１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇとを有している。各枝管１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇには、各々対応する制御弁としてのバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６が設けられている。

水素吸蔵合金タンクＡには、個別還管２１、個別往管２２が配管されており、個別還管２１に流れる水は、熱交換部Ａ１（たとえばタンクに巡らされた配管）においてタンクと熱交換された後、個別往管２２から、往管１に流れるようになっている。往管１は熱交換器２と接続されており、往管１から熱交換器２に入った冷媒、この例では水は、冷熱利用系３に通ずる配管４内の冷媒と熱交換されて、その後還管５へと流れ、還管５から再び個別還管２１に流れる。したがって、水素吸蔵合金タンクＡと熱交換器２との間には、個別還管２１、熱交換部Ａ１、個別往管２２、往管１、熱交換器２、還管５、個別還管２１という水の循環系が構成されている。かかる水の循環は、たとえば還管５に設けられたポンプ６によって行なわれる。

同様に、他の水素吸蔵合金タンクＢ、Ｃ、Ｄにも各々個別還管２１、対応する熱交換部Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、個別往管２２が配管されている。

水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各個別還管２１には、各々対応するバルブＶ７ａ、Ｖ８ａ、Ｖ９ａ、Ｖ１０ａが設けられ、水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各個別往管２２には、各々対応するバルブＶ７ｂ、Ｖ８ｂ、Ｖ９ｂ、Ｖ１０ｂが設けられている。

対となる水素吸蔵合金タンクＡ、Ｃ間では、水素吸蔵合金タンクＡの個別還管２１と水素吸蔵合金タンクＣの個別往管２２とが、配管２３によって接続され、水素吸蔵合金タンクＡの個別往管２２と水素吸蔵合金タンクＣの個別還管２１とが、配管２４によって接続されている。これによってバルブＶ７ａ、Ｖ７ｂ、Ｖ９ａ、Ｖ９ｂを閉止することで、水素吸蔵合金タンクＡの個別還管２１→熱交換部Ａ１→個別往管２２→配管２４→水素吸蔵合金タンクＣの個別還管２１→熱交換部Ｃ１→個別往管２２→配管２３→水素吸蔵合金タンクＡの個別還管２１という水の循環系が構成される。かかる循環は、たとえば配管２３に設けたポンプ２５によって行なわれる。配管２４には、制御弁としてのバルブＶ１１ａが設けられ、一方配管２３には、制御弁としてのバルブＶ１１ｂが設けられている。

他の対となる水素吸蔵合金タンクＢ、Ｄ間では、水素吸蔵合金タンクＢの個別還管２１と水素吸蔵合金タンクＤの個別往管２２とが、配管２６によって接続され、水素吸蔵合金タンクＢの個別往管２２と水素吸蔵合金タンクＤの個別還管２１とが、配管２７によって接続されている。これによって、バルブＶ８ａ、Ｖ８ｂ、Ｖ１０ａ、Ｖ１０ｂを閉止することで、水素吸蔵合金タンクＢの個別還管２１→熱交換部Ｂ１→個別往管２２→配管２７→水素吸蔵合金タンクＤの個別還管２１→熱交換部Ｄ１→個別往管２２→配管２６→水素吸蔵合金タンクＤの個別還管２１という水の循環系が構成される。かかる循環は、たとえば配管２６に設けたポンプ２８によって行なわれる。配管２７には、制御弁としてのバルブＶ１２ａが設けられ、一方配管２６には、制御弁としてのバルブＶ１２ｂが設けられている。

往管１には、分岐した分岐往管１ａが接続され、この分岐往管１ａの水は、他の熱交換器３１において、冷却塔３２において除熱され冷却水配管３３を流れる冷却水と熱交換され、分岐還管５ａに戻って来る。往管１の熱交換器３１寄りの箇所には、制御弁としてのバルブＶ１３ａが設けられ、同じく還管５には制御弁としてのバルブＶ１３ｂが設けられ、分岐往管１ａには、制御弁としてのバルブＶ１４ａが設けられ、同じく分岐還管５ａには制御弁としてのバルブＶ１４ｂが設けられている。

また水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのタンク内の圧力は常に高圧ガスの適用下限圧力（１．１ ＭＰａ（ａｂｓ））を下回るようにし、水素の供給先である水素負荷１２の圧力（燃料電池とすると一般的に０．１５〜０．２ ＭＰａ（ａｂｓ））を上回るように設定される。これによって、高圧ガスの規制法令を適用されずに、発生熱の空調冷熱への利用が可能な水素吸蔵合金システムとして構築できる。

本実施の形態にかかる水素吸蔵合金タンクシステムの配管系は以上のような系統を有しており、制御弁としてのバルブＶ１〜Ｖ１４ｂ、ポンプ６．２５，２８は、制御装置（図示せず）によって、その開閉タイミング、動作タイミングが制御されている。次に本実施の形態にかかる水素吸蔵合金タンクシステムの運転例について説明する。

この運転例は、１日２４時間において、０時から１２時までは水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ全体として水素吸蔵過程を実施し、１２時から２４時までは水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ全体として水素放出過程を実施するものである。すなわち、０時から１２時までは水素供給源１１から水素が供給され、これを水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれかで吸蔵する運転を行い、１２時から２４時までは水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれかで放出運転を行なって、水素負荷１３に対して、水素を供給することが行なわれる。

そして個別のタンクの運転例については、図２のチャートに示したように、まず、０時から３時までは水素供給源１１からの水素は、水素吸蔵合金タンクＡにて吸蔵され、３時から６時までは水素吸蔵合金タンクＢにて吸蔵され、６時から９時までは水素吸蔵合金タンクＣにて吸蔵され、９時から１２時までは水素吸蔵合金タンクＤにて吸蔵される。そして水素吸蔵合金タンクＡにて水素が吸蔵される際に、発生する反応熱（温熱）は、熱交換部Ａ１、個別往管２２、往管１、熱交換器３１、還管５、個別還管２１を介して循環する循環水によって、熱交換器３１において、冷却塔３２からの冷却水と熱交換され、除熱される。このときのバルブの開閉状況は、図２のチャートに示したように、バルブＶ１、Ｖ３、Ｖ７、Ｖ１４ａ、Ｖ１４ｂが開、他のバルブは全て閉である。なお図３のチャートにおける下段のバルブ開閉状況を示す表において、○は開、無印は閉を示しており、同期して開閉する１対のバルブ、たとえばＶ１４ａ、Ｖ１４ｂなどは、表中は一括して単に「Ｖ１４」と記載した。

同様に、水素吸蔵合金タンクＢ、Ｃ、Ｄにて水素が吸蔵されている間に発生する反応熱（温熱）も、順次熱交換器３１を介して冷却塔３２で除熱される。

そして３時から６時まで水素吸蔵合金タンクＢにて水素が吸蔵されている間、水素吸蔵過程を終えた水素吸蔵合金タンクＡと、水素吸蔵合金タンクＡの対となる、水素吸蔵過程開始前の水素吸蔵合金タンクＣとの間では、水素吸蔵合金タンクＡの個別還管２１→熱交換部Ａ１→個別往管２２→配管２４→水素吸蔵合金タンクＣの個別還管２１→熱交換部Ｃ１→個別往管２２→配管２３→水素吸蔵合金タンクＡの個別還管２１によって構成される水の循環系により、熱交換される。これによって、水素吸蔵過程を終えて高温となっている水素吸蔵合金タンクＡの熱が、水素吸蔵合金タンクＣへと移動し、水素吸蔵合金タンクＣは昇温し、水素吸蔵合金タンクＡは降温する。その結果、水素吸蔵合金タンクＡは、外部からのエネルギーを付与することなく、次の水素放出過程を実施する場合に、速やかに（熱交換しない場合の半分の時間で）所定の温度（例えば１０〜１２℃）まで降温させることができ、適切に水素放出過程を実施できるとともに、熱交換部Ａ１を通じて循環水により、所定の冷熱を取り出すことができる。すなわち熱交換器２を介して冷熱利用系３に供する冷熱を取り出すことができる。

かかるプロセスと同様に、６時〜９時までの間、水素吸蔵合金タンクＣにて水素が吸蔵されている間、水素吸蔵過程を終えた水素吸蔵合金タンクＢと、水素放出過程開始前の水素吸蔵合金タンクＤとの間で熱交換される。

そして１２時以降は、システムとしては水素放出運転に入り、１２時〜１５時の間は、既述したように、水素吸蔵合金タンクＣとの熱交換を終えて降温した水素吸蔵合金タンクＡが、水素放出過程を実施し、その際発生する冷熱は、循環水を通じて、個別往管２２、往管１を経て、熱交換器２を介し、冷熱利用系３に供される。このとき、図２のチャートに示したように、予め水素吸蔵合金タンクＣとの熱交換を終えて水素吸蔵合金タンクＡの温度はある程度低下しているので、冷熱取り出しに必要な温度まで低下する時間が短く、その分顕熱ロスが少ない。したがってシステムからのエネルギーの利用効率は高いものである。

以後、同様にして、１５時〜１８時の間は、水素吸蔵合金タンクＢが水素放出運転を実施し、１８時〜２１時の間は水素吸蔵合金タンクＣが水素放出運転を実施し、２１時〜２４時の間は水素吸蔵合金タンクＤが水素放出運転を実施する。そしてその間、水素放出運転を実施している水素吸蔵合金タンクからは、放出時に発生する冷熱が循環水によって取り出され、個別往管２２、往管１を経て、熱交換器２を介し、冷熱利用系３に供される。

また１５時から１８時まで水素吸蔵合金タンクＢにて水素が放出されている間、水素放出過程を終えた水素吸蔵合金タンクＡと、水素吸蔵合金タンクＡの対となる、水素放出過程開始前の水素吸蔵合金タンクＣとの間では、水素吸蔵合金タンクＡの個別還管２１→熱交換部Ａ１→個別往管２２→配管２４→水素吸蔵合金タンクＣの個別還管２１→熱交換部Ｃ１→個別往管２２→配管２３→水素吸蔵合金タンクＡの個別還管２１によって構成される水の循環系により、熱交換される。これによって、水素放出過程を終えて低温となっている水素吸蔵合金タンクＡの冷熱が、水素吸蔵合金タンクＣへと移動し、水素吸蔵合金タンクＣは降温し、水素吸蔵合金タンクＡは昇温する。その結果、水素吸蔵合金タンクＡは、外部からのエネルギーを付与することなく、次の水素吸蔵過程を実施する場合に、速やかに（熱交換しない場合の半分の時間で）所定の温度（例えば３２℃）まで昇温させることができ、適切に水素吸蔵過程を実施できるとともに、熱交換部Ａ１を通じて循環水により、所定の温熱を速やかに取り出すことができる。

このように本実施の形態によれば、水素吸蔵後のタンクと水素吸蔵前のタンク、あるいは水素放出後のタンクと水素放出前のタンクを、循環水を介して熱交換することにより反応熱の顕熱ロスを半減し、空調等に利用できる反応熱量を、理論的に、倍増することができる。すなわち、全体として１の巨大なタンクを４分割して、順次、熱交換による熱回収運転を実施するようにしたので、水素吸蔵合金からの発熱量のうち、顕熱ロスで利用できない量を半減させることができる。しかもシステム全体して４台の水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを備え、３時間ごとにこれらの運転を切り替えるようにしたので、２４時間連続して、水素吸蔵運転、次いで水素放出運転を実施することができる。

さらにまた、システム全体しては、１の巨大なタンクを４台に分割したことになるので、何かしらの原因で水素吸蔵合金が劣化したり、あるいはタンクが破損したりした場合、通常は全ての水素吸蔵合金タンクを交換する必要があるが、実施の形態の場合には、交換するのは、実質的に４分割されたうちの１台のタンクのみで済む。したがって、故障リスクを１／４に低減することができる。そしてシステム全体しては、質量の大きい水素吸蔵合金タンクを、１／４の大きさのタンクに分けて配置することになるから、大きさ、耐重量の点で、設置場所の自由度が向上し、それに伴って必要な工事も大掛かりなものとならない。

ところで、水素吸蔵合金は、吸蔵過程あるいは放出過程において、その時点でのタンク内の水素残量を外部から容易に把握することができない。そのため一般的には質量流量計（マスフローメータ）を水素配管１０に設置し、水素流量の積算値を計測して把握する。しかしながら質量流量計は非常に高価であり、且つ誤差が生じやすいことから、使用せずにシステムを構築することができれば、大きなメリットが生まれる。

この点に関し、質量流量計を使用せずに水素残量を把握する方法としては、水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと外部との物質や熱の出入りを断熱材等で遮断して、タンク内の温度が定常になるまで待って温度と圧力を計測する方法が提案できる。この場合、予め求めておいた水素吸蔵合金の温度−圧力の特性線図を元に、定常での温度と圧力から、タンクの水素残量を特定することができる。しかし、タンク内の温度が定常になるまでには、一般的に数十分から数時間を要し、その間は水素の吸蔵・放出を行うことができない。また、一般的な水素吸蔵合金には、プラトー領域（水素吸蔵量が増加しても圧力が変化しない平坦な部分）が存在するため、温度が定常になっても水素残量を特定できない場合がある。

その点、実施の形態にかかる水素吸蔵合金タンクによれば、システム全体としてみれば、タンクが４分割されているので、凡その水素残量を把握することができる。すなわち、４分割の場合、未使用タンクが２台あれば、少なくとも５０％以上は残量があることを把握できる。この場合、分割数を増やすほど、より正確な水素残量を把握することができる。

前記実施の形態では、対となる水素吸蔵合金タンクＡと水素吸蔵合金タンクＣ、水素吸蔵合金タンクＢと水素吸蔵合金タンクＤとの間の熱交換を実施するに当たり、個別往管２２、個別還管２１との間に配管した配管２３、２４、ならびに配管２６，２７を用い、各々ポンプ２５、２８を作動させて、循環水を循環させることで、これを実施するようにしたが、かかる水の循環配管系に替えて、図３に示したようなヒートパイプ４１、４２を用いてもよい。

すなわち、図３に示したシステムでは、対となる水素吸蔵合金タンクＡと水素吸蔵合金タンクＣとの間には、複数のヒートパイプ４１が設けられ、水素吸蔵合金タンクＢと水素吸蔵合金タンクＤとの間には、複数のヒートパイプ４２が設けられている。これらヒートパイプ４１、４２は、管の内壁に毛細管構造を持たせた金属製のパイプであり、内部は真空で少量の水もしくはＲ−１３４ａ等の冷媒が封入された構造を有している。かかるヒートパイプ４１、４２を対となる水素吸蔵合金タンクＡと水素吸蔵合金タンクＣ、水素吸蔵合金タンクＢと水素吸蔵合金タンクＤとの間に渡し設けることにより、ヒートパイプ４１、４２の各一端から他端へ高速で効率良く熱を移動させることができる。すなわち、水素吸蔵合金タンクＡと水素吸蔵合金タンクＣの間の熱交換、水素吸蔵合金タンクＢと水素吸蔵合金タンクＤとの間の熱交換を、速やかに行なうことができる。しかも図１の例で使用していた循環水を循環させるためのポンプ２５、２８は不要で、しかもこれらポンプを作動させるための動力エネルギーも不要となり、より省エネルギー化が図られる。なお熱交換過程の実施は、各ヒートパイプ４１、４２に設けたバルブＶ２１、Ｖ２２の開閉で制御される。

さらに前記した循環水配管やヒートパイプに替えて、図４に示したように、対となる水素吸蔵合金タンクＡと水素吸蔵合金タンクＣの間、水素吸蔵合金タンクＢと水素吸蔵合金タンクＤとの間に、各々独立した冷媒の自然循環配管５１、５２を設けてもよい。

この自然循環配管５１、５２内には、例えばＲ−１３４ａなどの冷媒が封入されており、気液の密度差によって２つのタンク間で、一方で加熱、他方で冷却でき、ヒートパイプと同様、循環用のポンプや、当該ポンプを作動させるための動力エネルギーも要さず、対となるタンク間での熱交換を実施することができる。なお熱交換過程の実施は、各自然循環配管５１、５２に設けられたバルブＶ２３、Ｖ２４の開閉で制御される。

前記したシステム例は、いずれも冷熱利用系に適用したものであったが、もちろん本発明は、温熱利用系にも適用が可能である。図５は、図１に示したシステム構成の主要部を利用して、温熱利用系に適用した例を示し、図５中、図１と同一符号で示される部材、構成は、既述の実施の形態と同一のものを示している。

この図５のシステム例では、熱交換器２において往管１からの水と熱交換される対象が、温熱利用系７に流れる温水となっている。したがって、各水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける水素吸蔵運転の際に発生した、例えば６０℃の循環水が、熱交換器２において、温熱利用系７からの戻り温水（例えば５０℃）と熱交換され、これによって例えば５５℃に昇温した温水が、温熱利用系７へと送られ、他方５５℃に降温した循環水は、還管５から各水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄへと戻される。

なおこのシステム例において、各水素吸蔵合金タンクＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが水素放出運転を実施した際に発生する、例えば３０〜４０℃の冷熱は、機械の冷却等によって得られる、例えば４０℃以上の低温廃熱系６１を熱源として、熱交換機器６２によって加熱される。

なお前記したシステム例は、水素吸蔵合金の吸蔵、放出時の温度差が、概ね２０〜３０℃である合金を用いたので、冷熱利用系と温熱利用系とを、各々異なったシステム例として構成したものであったが、前記温度差が、例えば４０℃以上の合金を用いたり、あるいは２種類の温度特性の異なる２種類の合金（例えば放出時と吸蔵時とでは、１２℃〜３２℃、３５℃〜５５℃の温度の高低差がある異種の水素吸蔵合金）を個別に収容した、より多数、例えば８台の水素吸蔵合金タンクを用意して、冷熱利用系と温熱利用系とで、運転する水素吸蔵合金タンクの種類を切り替えるようにすれば、１のシステムで、冷熱利用と温熱利用の双方に対応することができる。

図１に示したシステム例を、下記の条件で運転した際の結果について説明する。
［計算条件］
（１）水素吸蔵合金の質量：５０ｋｇ
（２）タンク（ＳＵＳ）の質量：１００ｋｇ
（３）銅配管（全ての水配管系に用いた配管）：２ｍ×４８本（１２．７ｍｍφ、厚さ１ｍｍ）＋８ｍ
（４）前記銅配管の内部には、水が充填されているものと仮定
（５）合金の水素利用率：８０％
（６）水素吸蔵タンクの吸蔵・放出運転時の温度差：２０℃（高温３２℃、低温１２℃）

［物性値］
（１）水素吸蔵合金の反応熱：２８ｋＪ／ｍｏｌ−Ｈ_２
（２）水素吸蔵合金の理論水素吸蔵量：０．１５６Ｎｍ^３／ｋｇ
（３）水素吸蔵合金の比熱：０．４１ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）
（４）ＳＵＳの比熱：０．５０ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）
（５）銅の比熱：０．３８ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）
（６）銅の密度：０．００８９ｋｇ／ｍ^３
（７）水の比熱：４．２ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）
（８）水の密度：１，０００ ｋｇ／ｍ^３

［反応熱と熱容量の比較］
（１）合金の反応熱Ｑ_１
Ｑ_１ ＝ ０．１５６Ｎｍ^３／ｋｇ×５０ｋｇ×０．８×４４．６４ｍｏｌ
−Ｈ_２／Ｎｍ^３×２８ｋＪ／ｍｏｌ−Ｈ_２ ＝７，８００ｋＪ
（２）温度差２０℃のときの熱容量
水素吸蔵合金の熱容量Ｃ_１＝０．４１ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）×５０ｋｇ×２０Ｋ＝４１０ｋＪ
タンクの熱容量Ｃ_２＝０．５０ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）×１００ｋｇ×２０
＝１，０００ｋＪ
銅配管の熱容量Ｃ_３＝０．３８ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）×｛（１２．７×３．１４×１）／１００００００×（２×４８＋８）｝×０．００８９ｋｇ／ｍ^３×２０Ｋ＝０．０００２８ｋＪ
銅配管内の水の熱容量Ｃ_４＝４．２ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）×｛（１２．７／２）^２×３．１４／１００００００×（２×４８＋８）｝×１，０００ｋｇ／ｍ^３×２０Ｋ＝１，１０６ｋＪ
全ての熱容量Ｃ_２０＝Ｃ_１＋Ｃ_２＋Ｃ_３＋Ｃ_４ ＝４１０＋１０００＋０．０００２８＋１１０６＝２５１６ｋＪ
Ｑ_１に対する割合Ｃ_２０／Ｑ_１＝２５１６／７８００＝３２％
（３）温度差１０℃のときの熱容量
熱容量Ｃ_１０ ＝Ｃ_２０／２＝２５１６／２＝１，２５８ｋＪ
Ｑ_１に対する割合Ｃ_１０／Ｑ_１ ＝１２５８／７８００＝１６％

代表例として、前記条件で計算した結果、水素吸蔵合金からの反応熱のうち、顕熱ロスで利用できない割合は、対となる水素吸蔵合金間で熱交換を行なわない運転で３２％であるのに対して、本実施の形態では１６％に低減されることが確認できた。なおここでの計算条件は、タンクの肉厚や内部構造によって変わるものではあるが、大凡の目安となる。

本発明は、水素を二次エネルギーとして貯蔵し、かつ水素吸蔵合金の反応熱を熱利用系に利用するエネルギー貯蔵・反応熱利用複合システムにおいて有用である。

１ 往管
２、３１ 熱交換器
３ 冷熱利用系
４ 配管（冷熱利用系）
５ 還管
６、２５、２８ ポンプ
７ 温熱利用系
１０ 水素配管
１１ 水素供給源
１２ 水素負荷
２１ 個別還管
２２ 個別往管
２３、２４、２６、２７ 配管（循環系）
３２ 冷却塔
３３ 冷却水配管
４１、４２ ヒートパイプ
５１、５２ 自然循環配管
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 水素吸蔵合金タンク
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１ 熱交換部
Ｖ１〜Ｖ１４、Ｖ２１〜Ｖ２４ バルブ

Claims (10)

1. 水素吸蔵合金を内蔵するタンクを備え、水素供給源からの水素を前記水素吸蔵合金内に蓄え、水素負荷に対して前記蓄えた水素を供給可能な水素吸蔵合金タンクシステムであって、
   水素吸蔵合金タンクの対を形成する偶数の水素吸蔵合金タンクと、
   熱利用系に通ずる外部配管との間で熱交換を行なう熱交換器に接続される水の往管、還管に各々接続され、各水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行なうための個別往管、個別還管とを有し、
   前記対となる水素吸蔵合金タンクにおいて、一方の水素吸蔵合金タンクの水素吸蔵過程終了後と他方の水素吸蔵合金タンクの水素吸蔵過程開始前、または一方の水素吸蔵合金タンクの水素放出過程終了後と他方の水素吸蔵合金タンクの水素放出過程開始前との間に、対となるタンク相互間で熱交換が行なわれることを特徴とする、水素吸蔵合金タンクシステム。
2. 前記熱利用系は冷熱利用系であり、前記往管及び還管は、冷却塔との間に配管された冷却水配管と熱交換を行なう他の熱交換器にも接続され、前記水は、前記熱交換器または他の熱交換器との間で切り替え供給可能であることを特徴とする、請求項１に記載の水素吸蔵合金タンクシステム。
3. 前記熱利用系は温熱利用系であることを特徴とする、請求項１に記載の水素吸蔵合金タンクシステム。
4. 前記対となる水素吸蔵合金タンク相互間では、個別往管と個別還管、および個別還管と個別往管とが接続されて循環水配管が形成され、前記熱交換は、当該循環水配管を流れる水によって行なわれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の水素吸蔵合金タンクシステム。
5. 前記水素供給源および水素負荷と、各水素吸蔵合金タンクとの間に各々配管された水素配管、並びに前記循環水配管には夫々制御弁が設けられ、これら制御弁と、前記循環水配管に設けられた循環ポンプによって、水素吸蔵合金タンクにおける水素吸蔵、水素放出および熱交換のタイミングが個別に制御されることを特徴とする、請求項４に記載の水素吸蔵合金タンクシステム。
6. 前記対となる水素吸蔵合金タンク相互間には、タンク内を一方で加熱、他方で冷却できるヒートパイプが設けられ、前記熱交換は、当該ヒートパイプによって行なわれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の水素吸蔵合金タンクシステム。
7. 前記水素供給源および水素負荷と、各水素吸蔵合金タンクとの間に各々配管された水素配管、並びに前記ヒートパイプには夫々制御弁が設けられ、これら制御弁によって、水素吸蔵合金タンクにおける水素吸蔵、水素放出および熱交換のタイミングが個別に制御されることを特徴とする、請求項６に記載の水素吸蔵合金タンクシステム。
8. 前記対となる水素吸蔵合金タンク相互間には、気液の密度差によってタンク間を一方で加熱、他方で冷却できる冷媒の循環路が設けられ、前記熱交換は、当該循環路によって行なわれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の水素吸蔵合金タンクシステム。
9. 前記水素供給源および水素負荷と、各水素吸蔵合金タンクとの間に各々配管された水素配管、並びに前記循環路には夫々制御弁が設けられ、これら制御弁によって、水素吸蔵合金タンクにおける水素吸蔵、水素放出および熱交換のタイミングが個別に制御されることを特徴とする、請求項８に記載の水素吸蔵合金タンクシステム。
10. ２対以上の偶数の水素吸蔵合金タンクを有し、一対の水素吸蔵合金タンク相互間で熱交換している間、他の対における一の水素吸蔵合金タンクにおいて水素吸蔵過程または水素放出過程が行なわれることを特徴とする、請求項１〜９に記載の水素吸蔵合金タンクシステム。

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