JP2017187154A - 水素貯蔵装置、水素利用の電力供給システム及び水素貯蔵タンクの水素残量評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素貯蔵材料の温度管理に必要なエネルギを抑制して、水素貯蔵装置の運用効率を向上できること。
【解決手段】供給された電力を用いて水素を製造する水素製造装置５と、この水素製造装置により製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置６と、この水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電を行い、発電した電力を電力負荷部４へ供給する燃料電池発電装置７と、を有する水素利用の電力供給システム１であって、水素貯蔵装置６は、水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料が収容された水素貯蔵タンクを備え、水素貯蔵材料の組成により定まる運転温度の異なる水素貯蔵タンクが複数設けられ、外気温に近い運転温度の水素貯蔵タンクが選択されて運転されるよう構成されたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、水素貯蔵装置、水素利用の電力供給システム、及び水素貯蔵装置の水素貯蔵タンクに対して実施される水素貯蔵タンクの水素残量評価方法に関する。

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギは負荷変動が顕著であり、電力の貯蔵による平準化が不可欠である。電力貯蔵技術の中でも水素による貯蔵は、余剰電力を用いて水素を製造して貯蔵し、この水素を必要に応じて燃料電池により電力に変換することが可能であるため、大規模且つ長期間の電力貯蔵に適している。

水素の利用に際しては、再生可能エネルギなどの電力による水素の製造及び貯蔵、水素から電力への変換を行う必要がある。なかでも、水素の貯蔵技術は、タンク内への圧縮水素ガスや液体水素の貯蔵、アンモニアやケミカルハイドライドによる水素の貯蔵、または水素化物による水素の貯蔵などがある。このうち、水素化物による水素の貯蔵は、水素の貯蔵密度が高くてコンパクトな水素貯蔵である点で優位である。

この水素化物による水素の貯蔵のうち、炭化水素による水素の貯蔵は、メタンやエタノールなどでの貯蔵が挙げられるが、ＣＯ_２等の温室効果ガスの放出が避けられない。また、錯体水素化物は一般に大気中で不安定であり、可逆的な水素の吸蔵・放出ができないため実用に至っていない。金属水素化物、なかでも常温、常圧近傍において可逆的な水素の吸蔵・放出が可能な水素吸蔵合金は、水素貯蔵材料として好適である。

特開平１１−１０６８５９号公報 特開平６−６６７８７号公報 特開２００９−２２２２００号公報

ところで、水素利用の電力供給システムにおける水素貯蔵装置には、この水素貯蔵装置の運用効率向上の観点と水素残量評価の観点において課題がある。

本発明における実施形態の目的は、水素貯蔵材料の温度管理に必要なエネルギを抑制して水素貯蔵装置の運用効率を向上できる水素貯蔵装置、及びこの水素貯蔵装置を備えた水素利用の電力供給システムを提供することにある。

本発明の実施形態における水素貯蔵装置は、水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料と、前記水素貯蔵材料を収容する複数の水素貯蔵タンクを有し、前記複数の水素貯蔵タンクは、前記水素貯蔵材料の組成により運転温度が異なるよう構成されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態における水素利用の電力供給システムは、供給された電力を用いて水素を製造する水素製造装置と、この水素製造装置により製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、この水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電を行い、発電した電力を電力負荷部へ供給する燃料電池発電装置と、を有する水素利用の電力供給システムであって、前記水素貯蔵装置は、水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料が収容された水素貯蔵タンクを備え、前記水素貯蔵材料の組成により定まる運転温度の異なる前記水素貯蔵タンクが複数設けられ、外気温に近い運転温度の前記水素貯蔵タンクが選択されて運転されるよう構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明の実施形態における水素利用の電力供給システムは、供給された電力を用いて水素を製造する水素製造装置と、この水素製造装置により製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、この水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電を行い、発電した電力を電力負荷部へ供給する燃料電池発電装置と、を有する水素利用の電力供給システムであって、前記水素貯蔵装置は、水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料が収容された水素貯蔵タンクを備え、前記水素貯蔵タンク内に組成の異なる前記水素貯蔵材料が収容されることで、この水素貯蔵タンクの運転温度が、同一組成の前記水素貯蔵材料が前記水素貯蔵タンク内に収容される場合よりも広範囲に設定されるよう構成されたことを特徴とするものである。

更に、本発明の実施形態における水素貯蔵タンクの水素残量評価方法は、水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料が収容された水素貯蔵タンクの水素残量評価方法であって、前記水素貯蔵材料は、組成の異なる水素貯蔵材料、または熱処理条件により調整された単一組成の水素貯蔵材料であって、水素の吸蔵または放出時における単位重量当たりの水素量の変化に対する圧力変化の割合が２ｋＰａ／（ＮＬ／ｋｇ）以上に設定されており、前記水素貯蔵タンク内の圧力及び温度の計測値を用い、前記水素貯蔵材料の前記割合に基づいて、前記水素貯蔵タンク内に残存する水素残量を評価することを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、水素貯蔵材料の温度管理に必要なエネルギを抑制して、水素貯蔵装置の運用効率を向上できる。

第１実施形態に係る水素利用の電力供給システム等を示す系統図。 図１の水素貯蔵装置を示す構成図。 図２の水素貯蔵タンクを示す断面図。 図３における水素貯蔵材料（水素吸蔵合金）の圧力組成等温線を示すグラフ。 図３の水素貯蔵タンクを熱媒配管で接続した状態を示す変形形態の断面図。 第２実施形態に係る水素利用の電力供給システムに用いられる水素貯蔵タンク内の水素貯蔵材料（水素吸蔵合金）の動作状態での圧力組成等温線の一部を示すグラフ。 （Ａ）は、図６の水素貯蔵材料（水素吸蔵合金）における非動作状態（平衡状態）での圧力組成等温線の一部を模式的に示すグラフ、（Ｂ）は、図６の水素貯蔵材料（水素吸蔵合金）の変形形態における非動作状態（平衡状態）での圧力組成等温線の一部を模式的に示すグラフ。 第３実施形態に係る水素利用の電力供給システムの運搬状況を説明するものであり、（Ａ）が水素製造装置の、（Ｂ）が水素貯蔵装置の、（Ｃ）が燃料電池発電装置の、（Ｄ）が蓄電装置及び制御装置のそれぞれ運搬状況を説明する説明図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図５）
図１は、第１実施形態に係る水素利用の電力供給システム等を示す系統図である。また、図２は、図１の水素貯蔵装置を示す構成図である。図１に示すように、水素利用の電力供給システム１は、自然エネルギ発電装置２と常用または非常用電力系統３と電力負荷部４とに接続されて、電力負荷部４に電力を供給するものである。そして、この電力供給システム１は、水素製造装置５、水素貯蔵装置６、燃料電池発電装置７、蓄電装置８及び制御装置９を有して構成される。

水素製造装置５は、自然エネルギ発電装置２が自然エネルギを利用して発電した電力と、常用または非常用電力系統３から供給された電力との少なくとも一方の電力を用いて、水素を製造する。この自然エネルギ発電装置２は、太陽光発電装置や風力発電装置、地熱発電装置、水力発電装置、海洋エネルギ発電装置、熱電発電装置などが挙げられるが、それらに限定されず、他の自然エネルギを用いた発電装置であってもよい。

水素貯蔵装置６は、後に詳説するが、水素製造装置５にて製造された水素を貯蔵する。また、燃料電池発電装置７は、電力需要に応じて、水素貯蔵装置６に貯蔵された水素を用いて発電を行い、この発電により得た電力を電力負荷部４へ供給する。更に、蓄電装置８は、自然エネルギ発電装置２から供給された電力を蓄電し、この蓄電した電力を電力負荷部４、水素製造装置５、水素貯蔵装置６、燃料電池発電装置７へ供給する。

制御装置９は、自然エネルギ発電装置２から供給される電力供給量と、常用または非常用電力系統３から供給される電力供給量と、電力負荷部４にて使用される電力使用量に応じて、水素製造装置５、水素貯蔵装置６、燃料電池発電装置７及び蓄電装置８のそれぞれの動作を制御する。

前述の水素貯蔵装置６は、図１での水素貯蔵装置６の断面図である図２に示すように、装置筐体１０内に、複数本の水素貯蔵タンク１１を載置する架台１２が配置されると共に、ヒータ１３、チラー１４及び制御ユニット１５が配置される。尚、これらの架台１２、ヒータ１３、チラー１４、制御ユニット１５のうちの一部は、装置筐体１０の外部に配置されてもよく、また、装置筐体１０自体が存在しなくてもよい。

水素貯蔵タンク１１は、図２及び図３に示すように、水素を貯蔵し放出する水素貯蔵材料として、水素貯蔵密度の高い水素吸蔵合金１６が、タンク容器１７内に充填されて収容されたものである。図３は図２の紙面垂直方向を長手方向とした図である。このタンク容器１７内には、タンク容器１７の長手方向に延びる内側配管１８と、タンク容器１７内をタンク容器１７の長手方向に複数の領域２０に区画する複数枚のフィン１９が配置されている。これらの各領域２０内に水素吸蔵合金１６が充填される。また、内側配管１８は、例えば多孔質材から構成されるか、または管厚方向に貫通する多数の貫通孔２１を備える。これにより、内側配管１８は、配管内をその長手方向に水素が流れると共に、管厚方向にも水素が流通可能に設けられる。

内側配管１８の一端に、水素製造装置５からの水素を流入させる水素流入配管２２が接続され、内側配管１８の他端に、水素を燃料電池発電装置７へ流出させるための水素流出配管２３が接続される。これらの水素流入配管２２、水素流出配管２３には、タンク容器１７の近傍に流入弁２４、流出弁２５がそれぞれ配設される。流入弁２４の開弁時には、水素製造装置５にて製造された水素は、水素流入配管２２を経て水素貯蔵タンク１１に導かれ、内側配管１８内を長手方向に流れた後にこの内側配管１８を管厚方向に通過し、各領域２０の水素吸蔵合金１６に吸蔵される。また、流出弁２５の開弁時には、水素貯蔵タンク１１内の水素吸蔵合金１６から放出された水素は、内側配管１８を管厚方向に通過した後にこの内側配管１８内を長手方向に流れ、水素流出配管２３を経て燃料電池発電装置７へ導かれる。

上述の内側配管１８と水素流入配管２２、水素流出配管２３とのそれぞれの接続部分にはフィルタ２６が配設されて、タンク容器１７内の水素吸蔵合金１６が水素流入配管２２及び水素流出配管２３内へ侵入することが防止される。また、各水素貯蔵タンク１１におけるタンク容器１７の外周面には媒体配管２７が巻き回されて配設される。これらの各水素貯蔵タンク１１の媒体配管２７は、ヒータ１３及びチラー１４にそれぞれ並列に接続されて、この媒体配管２７内に、ヒータ１３及びチラー１４により温度が調整された熱媒体が流れる。この熱媒体の温度調整を行うヒータ１３及びチラー１４は、制御ユニット１５によって制御される。

更に、タンク容器１７の外側は、このタンク容器１７に巻き回された媒体配管２７を含めて断熱材２８により被覆される。この断熱材２８は、タンク容器１７内の水素吸蔵合金１６及び媒体配管２７内の熱媒体の、外気温の変化に対する温度変化を抑制する。なお、タンク容器１７を複数の領域２０に区画する前記フィン１９は、タンク容器１７内に充填された水素吸蔵合金１６とタンク容器１７との間での伝熱機能を果たす。また、水素貯蔵タンク１１は、タンク容器１７内の水素吸蔵合金１６の温度を測定する温度計２９を備える。また、水素流入配管２２または水素流出配管２３（例えば水素流入配管２２）のタンク容器１７近傍には、このタンク容器１７内の圧力を測定する圧力計３０が配設されている。

前述の水素吸蔵合金１６は、例えばＬａ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｃｅ_ｘＮｄ_ｙＰｒ_ｚＮｉ_{（５＋ａ−ｂ−ｃ−ｄ）}Ｍｎ_ｂＡｌ_ｃＣｏ_ｄ（ｘ、ｙ、ｚ＜１；０≦ａ＜０．５；ｂ、ｃ、ｄ＜５）等のＡＢ５型の水素吸蔵合金が好ましいが、ＡＢ型、ＡＢ２型、Ａ２Ｂ７型、ＢＣＣ型の水素吸蔵合金であってもよい。また、水素吸蔵合金１６は、上述のＬａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｏ以外の他の元素が含まれるものでもよい。

この水素吸蔵合金１６では、図４の圧力組成等温線に示すように、固溶相から水素を吸蔵して水素化物へ移行する過程での圧力（プラトー圧Ｐ）が略一定となる。本第１実施形態の水素貯蔵タンク１１に収容される水素吸蔵合金１６は、プラトー圧Ｐが、水素製造装置５から供給される水素の圧力Ｐａよりも低く、且つ燃料電池発電装置７に供給する水素の圧力Ｐｂよりも高くなるように、その組成が設定される。

また、水素吸蔵合金１６は、水素の吸蔵時が発熱反応であり、水素の放出時が吸熱反応であって、水素の吸蔵時と放出時とで反応熱により温度が変動する。従って、図２に示す制御ユニット１５は、変動する温度を一定の温度の保つべく、水素吸蔵合金１６による水素の吸蔵時には、温度計２９の計測値に基づきチラー１４を動作させて、所定温度に冷却された熱媒体を媒体配管２７に流し、水素吸蔵合金１５から発生した熱を、フィン１９及びタンク容器１７介して熱媒体に吸熱させ、水素吸蔵合金１６を、その温度上昇を抑制して一定温度に保つ。また、制御ユニット１５は、水素吸蔵合金１６による水素の放出時には、温度計２９の計測値に基づきヒータ１３を動作させて、所定温度に加熱された熱媒体を媒体配管２７に流し、この熱媒体の熱を、タンク容器１７及びフィン１９を介して水素吸蔵合金１６に与えることで、この水素吸蔵合金１６を、その温度低下を抑制して一定温度に保つ。

この図２に示す水素貯蔵装置６は、その水素貯蔵タンク１１による水素貯蔵量が１００Ｎｍ^３未満の比較的小さな水素利用の電力供給システム１から適用可能であるが、望ましくは５００Ｎｍ^３以上、更に望ましくは１０００Ｎｍ^３以上の水素貯蔵量を有した比較的大規模な水素利用の電力供給システム１に適用可能である。尚、Ｎｍ^３は、標準状態（０℃、１気圧）における体積（ｍ^３）の意である。

ところで、図３に示す水素吸蔵合金１６は、その組成を異ならせることで水素の吸蔵・放出の特性を効率良く行う温度が変化する。即ち、水素吸蔵合金１６は、一の組成では、低温で効率良く水素を吸蔵し放出する特性を有し、他の組成では、高温で効率良く水素を吸蔵し放出する特性を有する。従って、１本の水素貯蔵タンク１１のタンク容器１７に同一組成の水素吸蔵合金１６が収容されている場合には、水素を効率的に吸蔵し放出し得るその水素貯蔵タンクの運転温度は、収容される水素吸蔵合金１６の組成によって決定される。

例えば、水素吸蔵合金１６が前述のＬａ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｃｅ_ｘＮｄ_ｙＰｒ_ｚＮｉ_{（５＋ａ−ｂ−ｃ−ｄ）}Ｍｎ_ｂＡｌ_ｃＣｏ_ｄ（ｘ、ｙ、ｚ＜１；０≦ａ＜０．５；ｂ、ｃ、ｄ＜５）である場合、この水素吸蔵合金１６のｂ、ｃ、ｄのいずれかを大きくし、且つｘ、ｙ、ｚ、ａのいずれかを小さく設定して、この水素吸蔵合金１６が高温で効率良く水素を吸蔵し放出する特性を有すようにすることで、水素貯蔵タンク１１の運転温度を上昇させることが可能になる。また、水素吸蔵合金１６が同様に、Ｌａ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｃｅ_ｘＮｄ_ｙＰｒ_ｚＮｉ_{（５＋ａ−ｂ−ｃ−ｄ）}Ｍｎ_ｂＡｌ_ｃＣｏ_ｄ（ｘ、ｙ、ｚ＜１；０≦ａ＜０．５；ｂ、ｃ、ｄ＜５）である場合、この水素吸蔵合金１６のｘ、ｙ、ｚ、ａのいずれかを大きくし、且つｂ、ｃ、ｄのいずれかを小さく設定して、この水素吸蔵合金１６が低温で効率良く水素を吸蔵し放出する特性を有すようにすることで、水素貯蔵タンク１１の運転温度を低下させることが可能になる。

この水素貯蔵タンク１１の運転温度は、１℃単位で設定可能であり、また、その上限及び下限は共に任意に設定可能であるが、−４０℃〜８０℃の範囲が望ましく、更に望ましくは−１０℃〜４０℃の範囲である。また、水素貯蔵タンク１１毎に設定する設定温度の間隔は、１０℃であることが望ましく、更に望ましくは３℃〜５℃である。

そして、制御ユニット１５は、運転温度が異なる複数の水素貯蔵タンク１１のうち、外気温に近い（好ましくは外気温に最も近い）運転温度の水素貯蔵タンク１１を選定し、この水素貯蔵タンク１１に対応する流入弁２４または流出弁２５を開弁動作させることで、この水素貯蔵タンク１１に水素の吸蔵または放出運転を実行させる。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）図２及び図３に示すように、水素吸蔵合金１６の組成により定まる運転温度の異なる複数の水素貯蔵タンク１１のうち、外気温に近い（好ましくは最も近い）運転温度の水素貯蔵タンク１１が選択されて運転される。このため、水素貯蔵タンク１１の使用本数が減少するものの、昼夜、季節もしくは地域による外気温の変化に対して水素貯蔵タンク１１毎に水素吸蔵合金１６の温度を管理するためのヒータ１３及びチラー１４の運転出力を抑制できる。この結果、水素貯蔵装置６の運用効率、ひいては水素利用の電力供給システム１の運用効率を共に向上させることができる。

（２）水素貯蔵タンク１１毎に設定される運転温度の間隔が狭く（例えば３℃〜５℃）設定される場合には、外気温に対応した最適な運転温度の水素貯蔵タンク１１を選択できるので、ヒータ１３及びチラー１４の運転出力を更に抑制でき、水素貯蔵装置６及び水素利用の電力供給システム１の運用効率を更に向上させることができる。

ここで、図５に示す第１実施形態の変形形態について説明する。この変形形態の水素貯蔵装置６Ａでは、運転温度が順次相違する水素貯蔵タンク１１間で媒体配管２７が連続して接続され、複数の水素貯蔵タンク１１が媒体配管２７によりヒータ１３及びチラー１４に直列に接続されている。このため、複数の水素貯蔵タンク１１間では、運転状態の水素貯蔵タンク１１に発生しまたは吸収される熱（発熱反応または吸熱反応の反応熱）を、媒体配管２７内の熱媒体により、運転温度が順次相違する他の水素貯蔵タンク１１に伝熱することが可能になる。これにより、この他の水素貯蔵タンク１１の温度を運転温度に近づけて、この他の水素貯蔵タンク１１を運転させることが可能になる。従って、水素貯蔵装置６Ａによれば、次の効果（３）を奏する。

（３）複数の水素貯蔵タンク１１間で、運転状態の水素貯蔵タンク１１に発生しまたは吸収される反応熱を、運転温度が順次相違する他の水素貯蔵タンク１１に伝熱し、これにより、この他の水素貯蔵タンク１１の温度を運転状態に近づけてこの他の水素貯蔵タンク１１を運転させる。従って、運転温度が外気温から離れた水素貯蔵タンク１１であっても、ヒータ１３及びチラー１４の運転出力を抑制して、この水素貯蔵タンク１１を運転させることができる。この結果、より多数本の水素貯蔵タンク１１を運転状態にできるので、水素貯蔵装置６Ａの運用効率、ひいては水素利用の電力供給システム１の運用効率を共に向上させることができる。

［Ｂ］第２実施形態（図１〜図３、図６、図７）
図６は、第２実施形態における水素利用の電力供給システムに用いられる水素貯蔵タンク内の水素貯蔵材料（水素吸蔵合金）の動作状態での圧力組成等温線の一部を示すグラフである。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態の水素利用の電力供給システム４１が第１実施形態と異なる点は、その水素貯蔵装置４２が１本または複数本（本第２実施形態では複数本）の水素貯蔵タンク４３を備え、これらの各水素貯蔵タンク４３内に収容される水素貯蔵材料としての水素吸蔵合金４４が、異なる組成の水素吸蔵合金が混合された水素吸蔵合金、または熱処理条件により調整された単一組成の水素吸蔵合金である点である。

つまり、１本の水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内に異なる組成の水素吸蔵合金４４が混合して収容されている場合、水素吸蔵合金４４の非動作状態（平衡状態）では、図７（Ａ）に示すように、異なる組成の水素吸蔵合金（即ち水素吸蔵合金Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）のそれぞれのプラトー圧が階段状となるが、水素吸蔵合金４４の動作状態では、図６に示すように、異なる組成の水素吸蔵合金４４のそれぞれのプラトー圧が滑らかに連続した曲線Ｘ、Ｙ、Ｚとなる。この図６の曲線Ｘ、Ｙ、Ｚは、水素吸蔵合金４４の温度がそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３の場合の水素吸蔵合金４４の圧力組成等温線を示す。また、水素吸蔵合金Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥのそれぞれのプラトー圧は、水素製造装置５から供給される水素の圧力Ｐａと燃料電池発電装置７に供給する水素の圧力Ｐｂとの間に設定されたものである。

また、１本の水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内に単一組成の水素吸蔵合金４４が収容されている場合でも、この水素吸蔵合金４４が熱処理条件により調整されたもの、例えば均質化熱処理を施さないようにされたものにあっては、その圧力組成等温線は図６に示すものとなる。

上述の如く水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内に収容された水素吸蔵合金４４は、図６の圧力組成等温線（曲線Ｘ、Ｙ、Ｚ）に示すように、水素の吸蔵または放出時における単位重量当たりの水素量の変化に対する圧力変化の割合、即ちプラトー圧の傾きαが２ｋＰａ／（ＮＬ／ｋｇ）以上に設定されている。この水素量の変化に対する圧力変化の割合の値は、圧力計３０（図３）による計測誤差に対して、図６の圧力組成等温線（曲線Ｘ、Ｙ、Ｚ）から、水素貯蔵タンク４３内の水素残量を高精度に評価するために必要な値である。

従って、水素貯蔵装置４２の制御ユニット１５は、上述の水素吸蔵合金４４における単位重量当たりの水素量の変化に対する圧力変化の割合（２ｋＰａ／（ＮＬ／ｋｇ））に基づき、水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内の圧力及び温度の計測値を用いて、水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内に残存する水素残量を評価する。

つまり、この水素残量の評価に際しては、まず、制御ユニット１５は、水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内に収容された水素吸蔵合金４４について、図６に示すように、温度毎に異なる圧力組成等温線を予め用意しておく。次に、制御ユニット１５は、水素貯蔵タンク４３の温度計２９の計測値に対応する圧力組成等温線を、予め用意された水素吸蔵合金４４の圧力組成等温線から選択して決定する。この決定した水素吸蔵合金４４の圧力組成等温線では、圧力と水素残量との間に一意の関係がある。そこで、制御ユニット１５は、水素貯蔵タンク４３の圧力計３０の計測値から、温度計２９の計測温度に基づいて決定した水素吸蔵合金４４の圧力組成等温線（図６）を用いて、タンク容器１７内の水素吸蔵合金４４に残存する水素残量を評価する。

ここで、水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内に収容された水素吸蔵合金４４が、熱処理条件により調整された単一組成の水素吸蔵合金であって図６に示す圧力組成等温線を示すものでは、水素の吸蔵、放出を繰り返すことによって、この水素の吸蔵、放出に関する反応性が低下する場合がある。これに対し、組成の異なる水素吸蔵合金が混合された水素吸蔵合金４４であって図６に示す圧力組成等温線を示すものは、水素の吸蔵、放出が繰り返し行われても、その水素の吸蔵、放出に関する反応性が低下しにくい水素吸蔵合金を用いることで、水素貯蔵装置４２のメンテナンス性を向上させることが可能になる。

この組成の異なる水素吸蔵合金４４が混合されて水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内に収容された場合、この水素貯蔵タンク４３が効率的に水素を吸蔵し放出し得る水素貯蔵タンク４３の運転温度は、水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内に同一組成の水素吸蔵合金が収容される場合よりも広範囲に設定される。これは、水素吸蔵合金の組成が異なることで水素の吸蔵・放出を効率良く行う温度が異なり、この組成の異なる複数の水素吸蔵合金が混合されて１本の水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７に収容されているからである。

以上のように構成されたことから、本第２実施形態によれば、次の効果（４）及び（５）を奏する。
（４）水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内に収容された水素吸蔵合金４４は、水素の吸蔵または放出時における単位重量当たりの水素量の変化に対する圧力変化の割合が、図６の曲線Ｘ、Ｙ、Ｚに示すように、２ｋＰａ／（ＮＬ／ｋｇ）以上に設定されたので、水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内の水素残量と圧力とが一意の関係になる。このため、この水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内の温度を温度計２９により、圧力を圧力計３０によりそれぞれ計測し、これらの温度及び圧力の計測値を用い、水素吸蔵合金４４の前記水素量の変化に対する圧力変化の割合に基づいて、この水素貯蔵タンク４３のタンク容器１７内の水素残量を高精度に評価できる。しかも、水素貯蔵タンク４３から流出する水素の流量を計測する高価な流量計が必要ないので、コストを低減できる。

（５）組成の異なる水素吸蔵合金４４が収容された水素貯蔵タンク４３では、その１本の水素貯蔵タンク４３の運転温度が広範囲に設定される。従って、この水素貯蔵タンク４３を例えば特定の地域で年間を通じて運転させることができ、且つその運転に対して水素貯蔵タンク４３内の水素吸蔵合金４４の温度を管理するためのヒータ１３及びチラー１４の運転出力を抑制できる。この結果、ヒータ１３及びチラー１４の運転出力を抑制しつつ、水素貯蔵装置４２内の多数本または全ての水素貯蔵タンク４３を同時に運転させることができるので、水素貯蔵装置４２の運用効率、ひいては水素利用の電力供給システム４１の運用効率を共に向上させることができる。

ここで、本第２実施形態の第１及び第２変形形態について説明する。まず、第１変形形態では、水素貯蔵タンク４３Ａ（図３）のタンク容器１７内に収容される水素貯蔵材料としての水素吸蔵合金４５は、水素製造装置５から供給される水素の圧力Ｐａと燃料電池発電装置７に供給する水素の圧力Ｐｂとの間でプラトー圧が設定される、異なる組成の水素吸蔵合金（例えば図７（Ａ）の水素吸蔵合金Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）のほかに、水素製造装置５から供給される水素の圧力Ｐａよりも高いプラトー圧の水素吸蔵合金と、燃料電池発電装置７に供給する水素の圧力Ｐｂよりも低いプラトー圧の水素吸蔵合金との少なくとも一方が組み合わされた、組成の異なる水素吸蔵合金である。このような水素吸蔵合金４５が水素貯蔵タンク４３Ａのタンク容器１７内に収容されることで、この水素貯蔵タンク４３Ａの運転温度が、水素貯蔵タンク４３の場合よりも一層広範囲に設定される。

例えば、図７（Ａ）に示すように、水素製造装置５から供給される水素の圧力Ｐａと燃料電池発電装置７に供給する水素の圧力Ｐｂとの間でプラトー圧が設定される水素吸蔵合金Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅがタンク容器１７に収容された水素貯蔵タンク４３の運転温度がＴ１であったとき、この水素貯蔵タンク４３が運転温度Ｔ１よりも高い環境温度Ｔ２の地域で使用されると、図７（Ｂ）に示すように水素吸蔵合金Ａ〜Ｅのプラトー圧が上昇して、このうちの一部の水素吸蔵合金（例えば水素吸蔵合金Ａ及びＢ）は、プラトー圧が水素製造装置５から供給される水素の圧力Ｐａを上回り、水素を吸蔵できなくなる恐れがある。

そこで、第１変形形態の水素貯蔵タンク４３Ａように、燃料電池発電装置７に供給する水素の圧力Ｐｂよりも低いプラトー圧の水素吸蔵合金Ｆ、Ｇが水素吸蔵合金Ａ〜Ｅに予め追加された水素吸蔵合金４５を、水素貯蔵タンク４３Ａのタンク容器１７内に収容する。このとき、水素貯蔵タンク４３Ａにおいては、水素吸蔵合金４５のうちの水素吸蔵合金Ｃ〜Ｇが環境温度Ｔ２において水素の吸蔵・放出機能を果たすことになり、水素貯蔵タンク４３Ａの温度を、水素吸蔵合金Ａ〜Ｅが機能する運転温度Ｔ１に調整するためにヒータ１３及びチラー１４を運転させる必要がない。これにより、第１変形形態によれば、次の効果（６）を奏する。

（６）水素貯蔵タンク４３Ａのタンク容器１７には、水素製造装置５から供給される水素の圧力Ｐａと燃料電池発電装置７に供給する水素の圧力Ｐｂとの間にプラトー圧が設定される組成の異なる水素吸蔵合金のほかに、水素製造装置５から供給される水素の圧力Ｐａよりも高いプラトー圧の水素吸蔵合金と、燃料電池発電装置７に供給する水素の圧力Ｐｂよりも低いプラトー圧の水素吸蔵合金との少なくとも一方が組み合わされた水素吸蔵合金４５が収容されている。従って、水素貯蔵タンク４３Ａは運転温度が広範囲になり、このため、ヒータ１３及びチラー１４を運転させることなく広い地域で年間を通じて運転することができる。この結果、同一仕様の水素貯蔵タンク４３Ａを大量に製造することで、その量産効果により水素貯蔵タンク４３Ａのコストを低減できる。

次に、第２変形形態の水素貯蔵タンク４３Ｂ（図３）は、タンク容器１７における互いに隣接する複数の領域２０のそれぞれに、組成が異なる水素吸蔵合金４６が収容されて、この互いに隣接する領域２０に収容された水素吸蔵合金４６で、水素の吸蔵、放出を効率良く行なう温度が順次変化するものである。このため、水素貯蔵タンク４３Ｂが運転状態にあるときには、効率良く動作している領域２０内の水素吸蔵合金４６と、この領域２０に隣接する他の領域２０内の水素吸蔵合金４６との間で、水素を吸蔵する際に発熱する熱、水素を放出する際に吸収される熱がフィン１９を介して伝熱されることになる。従って、この第２変形形態によれば、次の効果（７）を奏する。

（７）水素貯蔵タンク４３Ｂのタンク容器１７内がフィン１９により区画されることで形成された複数の領域２０のそれぞれに、組成の異なる水素吸蔵合金４６が収容され、これらの各領域２０間で、水素吸蔵合金４６が水素を吸蔵するときに発生する熱、または水素を放出するときに吸収される熱が伝熱されるよう構成されている。この結果、水素貯蔵タンク４３Ｂ内の水素吸蔵合金４６の温度を管理するためのヒータ１３及びチラー１４の運転出力を抑制できるので、この水素貯蔵タンク４３Ｂを備えた水素貯蔵装置４２の運用効率を向上させることができる。

［Ｃ］第３実施形態（図８）
図８は、第３実施形態における水素利用の電力供給システムの運搬状況を説明するものであり、（Ａ）が水素製造装置の、（Ｂ）が水素貯蔵装置の、（Ｃ）が燃料電池発電装置の、（Ｄ）が蓄電装置及び制御装置のそれぞれ運搬状況を説明する説明図である。この第３実施形態において、第１及び第２実施形態と同様な部分については、第１及び第２実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第３実施形態の水素利用の電力供給システム５１が第１及び第２実施形態と異なる点は、水素製造装置５、水素貯蔵装置６（４２）、燃料電池発電装置７、蓄電装置８、制御装置９がパッケージ化されて運搬可能に構成された点である。

水素利用の電力供給システム５１における水素製造装置５、水素貯蔵装置６（４２）、燃料電池発電装置７、蓄電装置８、制御装置９のパッケージ化は、それぞれ個別にパッケージ化されてもよいし、組み合わされてパッケージ化（例えば水素製造装置５と水素貯蔵装置６とが組み合わされてパッケージ化）されてもよい。また、パッケージ化された水素製造装置５、水素貯蔵装置６（４２）、燃料電池発電装置７、蓄電装置８、制御装置９は台車５２に載置可能に設けられる。この台車５２は、車両に限らず、機関車や船舶、飛行機であってもよい。

従って、本第３実施形態によれば、次の効果（８）を奏する。
（８）水素利用の電力供給システム５１の水素製造装置５、水素貯蔵装置６（４２）、燃料電池発電装置７、蓄電装置８、制御装置９がパッケージ化されて運搬可能に構成されたので、使用場所を選ぶことなく電力負荷部４に電力を供給することができ、特に、災害地域や臨時仮設施設、離島などのように既存の電力網から独立した場所においても、この電力供給システム５１から速やかに電力を供給することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…水素利用の電力供給システム、２…自然エネルギ発電装置、３…常用または非常用電力系統、４…電力負荷部、５…水素製造装置、６、６Ａ…水素貯蔵装置、７…燃料電池発電装置、１１…水素貯蔵タンク、１５…制御ユニット、１６…水素吸蔵合金、１８…内側配管、２０…領域、２７…媒体配管、４１…水素利用の電力供給システム、４２…水素貯蔵装置、４３、４３Ａ、４３Ｂ…水素貯蔵タンク、４４、４５、４６…水素吸蔵合金、５１…水素利用の電力供給システム。

Claims (15)

1. 水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料と、
   前記水素貯蔵材料を収容する複数の水素貯蔵タンクを有し、
   前記複数の水素貯蔵タンクは、前記水素貯蔵材料の組成により運転温度が異なるよう構成されたことを特徴とする水素貯蔵装置。
2. 複数の前記水素貯蔵タンク間で、運転状態の前記水素貯蔵タンクにて発生しまたは吸収される熱が他の前記水素貯蔵タンクへ伝熱されることで、この他の前記水素貯蔵タンクの温度を運転温度に近づけて、この他の前記水素貯蔵タンクが運転されるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵装置。
3. 水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料と、
   前記水素貯蔵材料を収容する水素貯蔵タンクを有し、
   前記水素貯蔵タンク内に組成の異なる前記水素貯蔵材料が収容されることで、この水素貯蔵タンクの運転温度が、同一組成の前記水素貯蔵材料が前記水素貯蔵タンク内に収容される場合よりも広範囲に設定されるよう構成されたことを特徴とする水素貯蔵装置。
4. 前記水素貯蔵タンク内には、水素製造装置から供給される水素の圧力と燃料電池発電装置に供給する水素の圧力との間でプラトー圧が設定される組成の異なる水素貯蔵材料が収容されることを特徴とする請求項３に記載の水素貯蔵装置。
5. 前記水素貯蔵タンクは内部が複数の領域に区画され、各領域に組成の異なる水素貯蔵材料が収容され、前記各領域間で、前記水素貯蔵材料が水素を吸蔵する際に発生する熱、または水素を放出する際に吸収される熱が伝熱されるよう構成されたことを特徴とする請求項３または４に記載の水素貯蔵装置。
6. 前記水素貯蔵タンク内に収容された組成の異なる水素貯蔵材料は、水素の吸蔵または放出時における単位重量当たりの水素量の変化に対する圧力変化の割合が２ｋＰａ／（ＮＬ／ｋｇ）以上に設定され、
   内臓する制御ユニットが、前記水素貯蔵タンク内の圧力及び温度の計測値を用い、前記水素貯蔵材料の前記割合に基づいて、前記水素貯蔵タンク内に残存する水素残量を評価するよう構成されたことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の水素貯蔵装置。
7. 供給された電力を用いて水素を製造する水素製造装置と、この水素製造装置により製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、この水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電を行い、発電した電力を電力負荷部へ供給する燃料電池発電装置と、を有する水素利用の電力供給システムであって、
   前記水素貯蔵装置は、水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料が収容された水素貯蔵タンクを備え、
   前記水素貯蔵材料の組成により定まる運転温度の異なる前記水素貯蔵タンクが複数設けられ、外気温に近い運転温度の前記水素貯蔵タンクが選択されて運転されるよう構成されたことを特徴とする水素利用の電力供給システム。
8. 複数の前記水素貯蔵タンク間で、運転状態の前記水素貯蔵タンクにて発生しまたは吸収される熱を他の前記水素貯蔵タンクへ伝熱することで、この他の前記水素貯蔵タンクの温度を運転温度に近づけて、この他の前記水素貯蔵タンクを運転させるよう構成されたことを特徴とする請求項７に記載の水素利用の電力供給システム。
9. 供給された電力を用いて水素を製造する水素製造装置と、この水素製造装置により製造された水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、この水素貯蔵装置に貯蔵された水素を用いて発電を行い、発電した電力を電力負荷部へ供給する燃料電池発電装置と、を有する水素利用の電力供給システムであって、
   前記水素貯蔵装置は、水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料が収容された水素貯蔵タンクを備え、
   前記水素貯蔵タンク内に組成の異なる前記水素貯蔵材料が収容されることで、この水素貯蔵タンクの運転温度が、同一組成の前記水素貯蔵材料が前記水素貯蔵タンク内に収容される場合よりも広範囲に設定されるよう構成されたことを特徴とする水素利用の電力供給システム。
10. 前記水素貯蔵タンク内には、前記水素製造装置から供給される水素の圧力と前記燃料電池発電装置に供給する水素の圧力との間でプラトー圧が設定される組成の異なる水素貯蔵材料が収容されたことを特徴とする請求項９に記載の水素利用の電力供給システム。
11. 前記水素貯蔵タンク内には、前記水素製造装置から供給される水素の圧力よりも高いプラトー圧の水素貯蔵材料と、前記燃料電池発電装置に供給する水素の圧力よりも低いプラトー圧の水素貯蔵材料との少なくとも一方が収容されたことを特徴とする請求項９または１０に記載の水素利用の電力供給システム。
12. 前記水素貯蔵タンクは内部が複数の領域に区画され、各領域に組成の異なる水素貯蔵材料が収容され、前記各領域間で、前記水素貯蔵材料が水素を吸蔵する際に発生する熱、または水素を放出する際に吸収される熱が伝熱されるよう構成されたことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の水素利用の電力供給システム。
13. 前記水素貯蔵タンク内に収容された組成の異なる水素貯蔵材料は、水素の吸蔵または放出時における単位重量当たりの水素量の変化に対する圧力変化の割合が２ｋＰａ／（ＮＬ／ｋｇ）以上に設定され、
    前記水素貯蔵装置が備える制御ユニットは、前記水素貯蔵タンク内の圧力及び温度の計測値を用い、前記水素貯蔵材料の前記割合に基づいて、前記水素貯蔵タンク内に残存する水素残量を評価するよう構成されたことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の水素利用の電力供給システム。
14. 前記水素製造装置、前記水素貯蔵装置、前記燃料電池発電装置がパッケージ化されて運搬可能に構成されたことを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１項に記載の水素利用の電力供給システム。
15. 水素を吸蔵し放出する水素貯蔵材料が収容された水素貯蔵タンクの水素残量評価方法であって、
    前記水素貯蔵材料は、組成の異なる水素貯蔵材料、または熱処理条件により調整された単一組成の水素貯蔵材料であって、水素の吸蔵または放出時における単位重量当たりの水素量の変化に対する圧力変化の割合が２ｋＰａ／（ＮＬ／ｋｇ）以上に設定されており、
    前記水素貯蔵タンク内の圧力及び温度の計測値を用い、前記水素貯蔵材料の前記割合に基づいて、前記水素貯蔵タンク内に残存する水素残量を評価することを特徴とする水素貯蔵タンクの水素残量評価方法。

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