JP2012513576A - 体積可変式の水素貯蔵 - Google Patents

Abstract

本発明では、イオン液体を用いて気体水素を貯蔵する方法が開示される。イオン液体は、貯蔵タンク内の体積を置き換えるために使用される。イオン液体で貯蔵タンク内の体積を置き換えることによって、貯蔵圧力を一定に保つことができ、「取り残された」ガスをなくすことができる。この一定の圧力はまた、水素補給ステーションで必要な在庫を提供するのに必要な貯蔵タンクの数の低減を可能にする。さらに、この一定の圧力は、完全且つ急速な車両への充填を提供する。

Description

本発明は、一般に気体水素の貯蔵に関し、詳細には、水素補給ステーションでの気体水素の貯蔵におけるイオン液体（ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）の使用に関する。

水素は、航空宇宙から食料生産、石油及びガスの生産及び精製に及ぶ多種多様な産業で利用される。これらの産業では、推進剤、雰囲気、キャリアガス、希釈ガス、燃焼反応のための燃料成分、燃料電池のための燃料として、並びに多数の化学反応及びプロセスにおける還元剤として水素が使用される。さらに、水素は、再生可能で豊富で効率的であり、他の代替燃料とは異なり、排気ガスを出さないため、発電のための代替燃料と考えられている。水素は幅広く消費されており、潜在性はより一層大きいが、水素消費のさらなる増大を妨げる欠点は、広範囲な生成、貯蔵、及び分配を提供するための水素のインフラストラクチャーがないことである。

この問題を克服する１つの方法は、水素補給ステーションの運転によるものである。水素補給ステーションでは、改質器又は電解槽などの水素生成器を使用して、炭化水素を、水素を多く含んでいる気体流に変換する。天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、及びディーゼルなどの炭化水素ベースの燃料は、大部分の燃料電池のための燃料源として使用するのに変換プロセスを必要とする。現在の技術では、最初の変換プロセスといくつかの洗浄プロセスを組み合わせる多ステッププロセスを使用する。最初のプロセスは、水蒸気改質（ＳＲ）、オートサーマル改質（ＡＴＲ）、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）、若しくは無触媒部分酸化（ＰＯＸ）、又はこれらの組合せであることがほとんどである。洗浄プロセスは通常、脱硫、高温水性ガスシフト、低温水性ガスシフト、選択的ＣＯ酸化、選択的ＣＯメタン化、又はこれらの組合せの組合せを含む。精製された水素を多く含んでいる改質物（ｒｅｆｏｒｍａｔｅ）を回収する代替プロセスは、水素選択性の膜反応器及びフィルタの使用を含む。

次いで、気体水素は圧縮され、水素補給ステーションにある定置型の貯蔵タンク内に貯蔵され、内燃エンジン車及び燃料電池車に補給するための在庫を提供する。水素補給ステーションで気体水素を貯蔵することは、水素の密度が低いため、きわめて高価である。十分な在庫を提供するには大量の気体水素が必要であり、その結果、貯蔵のための設置面積が大きくなる。補給ステーションでは空間が手に入りにくいため、設置面積を大きくすることは問題となる。

水素補給ステーションにおける気体水素の貯蔵に必要な空間を取り巻く課題に加えて、車両の完全な充填を保証することは、水素補給ステーションの運転に関係する別の課題である。必要な補給速度を実現するには、貯蔵された気体を車両内へ圧縮するのに法外なまでに大きな圧縮器を必要とするはずである。車両の搭載型貯蔵タンクに補給するには、均圧が使用される。補給プロセスを動かすには、水素補給ステーションの貯蔵と車両の間の圧力差が使用される。「満杯」の充填密度を実現するには、高圧が必要とされる。この高圧は、「低」圧の気体の対応する在庫を必要とする。具体的には、３５０バールを上回る１ｋｇの気体のためには、５ｋｇを超える３５０バールを下回る気体が必要である。その結果、貯蔵タンク内に「取り残された（ｓｔｒａｎｄｅｄ）」ガスが生じる。取り残されたガスとは、ある体積の高圧の気体を分配可能にするために必要であった低圧の気体である。

図１は、実証用水素補給ステーションからのデータからの車両の満杯率と貯蔵在庫の比較を示す。図１に示すように、貯蔵タンク内の水素の在庫が７５％未満であるとき、車両は「満杯」に充填されない。貯蔵タンク内の在庫が「満杯」の７５％より多いとき、車両は「満杯」になる。

車両の完全な充填を保証することに伴う課題に加えて、充填の速度は、水素補給ステーションの運転に関係する別の課題である。貯蔵タンクから車両へ気体水素を動かすには、差圧が使用される。したがって、車両が充填される速度は、貯蔵圧力に依存する。圧力差が大きいことは、流量が多く、補給時間がより短いことに対応する。圧力差が小さいことは、流量が少なく、補給時間がより長いことに対応する。エネルギー省（ＤＯＥ）は、平均充填速度についての目標を提供している。平均充填速度に対する現在の目標は、１ｋｇ／分である（２００６年）。平均充填速度に対する将来の目標は、１．６７ｋｇ／分である（２０１０年）。

貯蔵圧力は、貯蔵タンク内の在庫に関係する。図２は、２つの実証用水素補給ステーションからの充填速度と貯蔵在庫のデータ比較を示す。図２に示すように、貯蔵が満杯ではないとき、平均流量は低減することがある。貯蔵が満杯の８５％未満であるとき、充填速度は目標の１ｋｇ／分を下回ることがある。

本発明は、水素補給ステーションにおける水素貯蔵のコストと寸法の両方を低減させる必要に対処する。さらに、本発明はまた、完全且つ急速な充填を提供する必要に対処する。

本発明では、イオン液体を用いて気体水素を貯蔵する方法が開示される。イオン液体は、貯蔵タンク内の体積を置き換えるために使用される。イオン液体で貯蔵タンク内の体積を置き換えることによって、貯蔵圧力を一定に保つことができ、「取り残された」ガスをなくすことができる。この一定の圧力はまた、水素補給ステーションで必要な在庫を提供するのに必要な貯蔵タンクの数の低減を可能にする。さらに、この一定の圧力は、完全且つ急速な充填を車両に提供する。

添付の図を参照しながら、説明を提示する。

実証用水素補給ステーションからのデータからの車両の満杯率と貯蔵在庫の比較を示す図である。 ２つの実証用水素補給ステーションからの充填速度と貯蔵在庫のデータ比較を示す図である。 気体水素の貯蔵にイオン液体を用いる本発明の方法の一実施形態を示す図である。

本発明は、水素補給ステーションで気体水素を貯蔵する方法を開示する。本発明の方法は、イオン液体を用いて貯蔵タンク内の体積を置き換える。イオン液体を使用して水素貯蔵タンク内の体積を置き換えることによって、貯蔵タンクの体積を変動させることができる。体積を変動させることによって、タンク内の質量が変動させながら、水素貯蔵タンクの圧力を一定に保つことができる。

イオン液体はある種の塩であり、融点は１００℃未満である。イオン液体は、正に帯電したイオン（カチオン）及び負に帯電したイオン（アニオン）を含む。イオン液体は、それだけに限定されるものではないが、無視できるほどの蒸気圧、熱安定性、不燃性、高いイオン伝導率、及び顕著な溶媒和特性を含めて、様々な特性によって区別される。イオン液体は、メルク化学品（Ｍｅｒｃｋ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）などの会社から市販されている。

本発明では、イオン液体を使用して、補給中に水素貯蔵タンク内の体積を置き換える。上記の特性に加えて、イオン液体は、蒸気圧が低いため、高純度の水素を汚染しない。溶解性（イオン液体内）が低いため、イオン液体内への水素の保持を最小にすることができ、水素とイオン液体が分離される。本発明のために選択されるイオン液体は、低い蒸気圧を有するが、当業者には理解されるように、すべてのイオン液体がこの目的に適しているわけではない。

図３を参照すると、図３は、本発明の方法の一実施形態を示す。車両３０１は、補給のために水素補給ステーション３０２を訪れる。気体水素は、分配器３０３を介して車両３０１へ分配される。圧縮器３０４は、水素貯蔵タンク３０５内の気体水素の圧力を約６２５０ｐｓｉｇに増大させる。次いで、車両３０１と貯蔵タンク３０５の間の差圧により、車両３０１の補給を行う。同時に、ポンプ３０６を使用して、イオン液体貯蔵タンク３０７から水素貯蔵タンク３０５へイオン液体を汲み上げる。ポンプ３０６は、水素貯蔵タンク３０５の体積を置き換え、水素貯蔵タンク３０５をイオン液体で充填することによって、補給中に水素貯蔵タンク３０５の圧力を維持する。圧縮器３０４が水素生成器（図示せず）から気体水素貯蔵タンク３０５内の気体水素の在庫を補充すると、イオン液体は置き換えられる。本発明の方法により、水素ガスの圧縮に対するイオン液体の汲み上げにおいて１馬力の節約が生じる。

イオン液体を使用しなければ、３５０バールを上回る１ｋｇの気体には、３５０バールを下回る気体５ｋｇが必要である。この低圧の気体が、「取り残された」ガスである。イオン液体を使用することによって、水素貯蔵タンク３０５内で一定の圧力を維持し「取り残された」ガスをなくすことで、水素補給ステーション３０２に対する必要な在庫を維持するのに必要な貯蔵タンク３０５の数の低減が可能になる。この結果、貯蔵タンクの数を低減させることによって、水素補給ステーションで経済的節約と空間的節約の両方がもたらされる。（余分の貯蔵タンクのコストがなくなり、余分の貯蔵タンクが占める空間がなくなる。）本発明の方法を用いることによって、水素補給ステーションは、常に６２５０ｐｓｉｇの単一の貯蔵タンクで運転できるはずである。さらに、本発明の方法の結果、「使用可能」な水素の量を増大させることによって、経済的節約がもたらされる。

上記の実施形態では、１つの水素貯蔵タンク３０５を示す。当業者には理解されるように、水素補給ステーションでは１つ又は複数の水素貯蔵タンクを使用することができる。これらのタンクは、１つの大きなタンクとして構成することができ、又は「カスケード（ｃａｓｃａｄｅ）」形式で構成することができる。本明細書全体にわたって、「水素貯蔵タンク」は、「複数の水素貯蔵タンク」と区別なく使用され、どちらも、１つ又はそれ以上の水素貯蔵タンクを指す。

水素貯蔵タンク３０５内で一定の圧力を維持することによって、車両３０１は、満杯の充填と急速な充填の両方を実現することができる。満杯の充填と急速な充填はどちらも、水素貯蔵タンク３０５内の圧力に依存する。車両３０１は、それだけに限定されるものではないが、自動車、トラック、スポーツ用多目的車、及びバスを含めて、任意の水素内燃エンジン車又は燃料電池車を含むことができる。

上記の実施形態では、圧縮器は、水素貯蔵タンク内の気体水素の圧力を約６２５０ｐｓｉｇに増大させた。上記に説明した実施形態では、一例として６２５０ｐｓｉｇを使用する。当業者には理解されるように、本発明の方法は、気体水素の圧力を約６２５０ｐｓｉｇの圧力に増大させることに限定されるものではない。たとえば、水素貯蔵は、分配圧に近い圧力で維持することができ、それでもなお分配を行うことができる。

本発明の方法について、好ましい又は例示的な実施形態の点から説明したが、本発明の概念及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載のプロセスに変更を施すこともできることが、当業者には明らかであろう。当業者には明らかなすべてのそのような類似の置換え及び修正は、以下の特許請求の範囲に述べる本発明の範囲及び概念内であると考えられる。

Claims (14)

1. 気体水素を貯蔵する方法であって、
   水素貯蔵タンク内に気体水素を貯蔵するステップ、
   イオン液体貯蔵タンク内にイオン液体を貯蔵するステップ、
   圧縮器によって該気体水素の圧力を増大させるステップ、
   該気体水素を車両へ分配するステップ、及び
   該気体水素が該車両へ分配される間に、ポンプによって該イオン液体貯蔵タンクからの該イオン液体で該水素貯蔵タンク内の体積を置き換えるステップ、
   を含む上記方法。
2. 前記気体水素が水素補給ステーションで貯蔵される、請求項１に記載の方法。
3. 前記気体水素が水素補給ステーションで生成される、請求項１に記載の方法。
4. 前記圧縮器が、前記水素貯蔵タンク内の前記気体水素の圧力を約６２５０ｐｓｉｇに増大させる、請求項１に記載の方法。
5. 前記圧縮器が、前記水素貯蔵タンク内の前記気体水素の圧力を約１２００ｐｓｉｇに増大させる、請求項１に記載の方法。
6. 前記気体水素が差圧によって前記車両へ分配される、請求項１に記載の方法。
7. 前記イオン液体を置き換えながら、前記圧縮器によって前記水素貯蔵タンク内の前記気体水素の在庫を補充するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記イオン液体が低い蒸気圧を有する、請求項１に記載の方法。
9. 水素が前記イオン液体内で低い溶解性を有する、請求項１に記載の方法。
10. 前記水素貯蔵タンクが単一の水素貯蔵タンクを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記水素貯蔵タンクが、単一のタンクとして構成された１群の水素貯蔵タンクを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記車両が自動車を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記車両がバスを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記気体水素が差圧によって分配される、請求項１に記載の方法。