JP2017219152A

JP2017219152A - 水素供給施設および水素供給方法

Info

Publication number: JP2017219152A
Application number: JP2016115638A
Authority: JP
Inventors: 敦史加藤; Atsushi Kato; 理亮川上; Riryo Kawakami; 彰利藤澤; Akitoshi Fujisawa
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-09
Also published as: JP6829014B2

Abstract

【課題】ガス貯蔵容器に充填された水素をより効率的に利用できる水素供給施設を提供する。
【解決手段】水素供給施設は、ガス貯蔵容器と圧縮機と吸蔵媒体とを備える。ガス貯蔵容器には、圧縮水素が充填される。圧縮機は、供給される水素を規定の圧力で水素の供給対象に圧送する。吸蔵媒体は、水素の吸蔵および放出が可能であり、ガス貯蔵容器の圧力が圧縮機に要求される所定吸込み圧力に満たない場合にはガス貯蔵容器に接続され、ガス貯蔵容器内に残留した水素を吸蔵する。吸蔵媒体に吸蔵されている水素は、圧縮機が供給対象に水素を圧送するときに圧縮機に放出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素供給施設および水素供給方法に関する。

近年、将来的な枯渇が懸念される化石燃料に代わる新たなエネルギー源として、水素が研究されている。水素は、例えば、燃料電池で稼働する燃料電池自動車等に対して供給される。燃料電池自動車等に水素を供給する水素供給施設としては、水素ステーションが挙げられる。

水素供給施設は、水素を調達する方式によってオンサイト型とオフサイト型とに分類できる。オンサイト型の水素供給施設では、供給する水素が施設内で製造される。オフサイト型の水素供給施設では、水素は施設内では水素は製造されず、外部の水素製造工場から調達される。オフサイト型の水素供給施設は、圧縮水素を保管する方式と液体水素を保管する方式とに分類できる。

圧縮水素は、水素製造工場でガス貯蔵容器に充填される。圧縮水素が充填されたガス貯蔵容器は複数本単位で束ねられる。複数本単位のガス貯蔵容器の束をカードルと称する。圧縮水素を保管する方式の水素供給施設では、カードルがトレーラー等で水素供給施設に搬送される。水素供給施設は、搬送されたカードルを水素の供給源として燃料電池自動車等に水素を供給する。

水素供給施設では、燃料電池自動車等に供給する水素の圧力が、例えば７０MPaと規定
されている。なお、本明細書に記載の圧力はゲージ圧力である。圧縮水素を保管する方式の水素供給施設では、水素の供給が進むにつれて水素供給施設に保管されたカードル内の水素の圧力が低下し、既定された圧力の水素を供給できなくなる虞がある。そこで、水素供給施設における水素の圧力低下を抑制する技術が提案されている。

例えば、以下の特許文献１では、カードルから供給された水素を昇圧した状態で蓄積する蓄圧器に蓄積された水素の圧力低下を抑制する技術が提案されている。特許文献１では、一部の蓄圧器内の水素を圧縮機を介して他の蓄圧器に移送することで、移送先の蓄圧器内の水素の圧力を高くすることができる。

特開２０１４−１１１９８４号公報

水素供給施設では、カードルのガス貯蔵容器内の水素を圧縮機等で規定の圧力に調整して燃料電池自動車等に供給する。水素の供給が進むと、ガス貯蔵容器内の水素の圧力は低下する。水素供給施設では、ガス貯蔵容器内の水素の圧力が圧縮機等によっても規定の圧力に調整できない圧力にまで低下した場合、水素の圧力が低下したカードルは、ガス貯蔵容器内に水素が残留していても別のカードルに切り替えられる。水素の圧力が低下したカードルは、トレーラー等によって水素製造工場に搬送される。そのため、ガス貯蔵容器内に残留した水素は、利用されることなく水素製造工場に搬送される。

そこで、開示の技術の１つの側面は、ガス貯蔵容器に充填された水素をより効率的に利
用できる水素供給施設を提供することを課題とする。

開示の技術の１つの側面は、次のような水素供給施設によって例示される。水素供給施設は、ガス貯蔵容器と圧縮機と吸蔵媒体とを備える。ガス貯蔵容器には、圧縮水素が充填される。圧縮機は、供給される水素を規定の圧力で水素の供給対象に圧送する。吸蔵媒体は、水素の吸蔵および放出が可能であり、ガス貯蔵容器の圧力が圧縮機に要求される所定吸込み圧力に満たない場合にはガス貯蔵容器に接続され、ガス貯蔵容器内に残留した水素を吸蔵する。吸蔵媒体に吸蔵されている水素は、圧縮機が供給対象に水素を圧送するときに圧縮機に放出される。

このような水素供給施設によれば、ガス貯蔵容器内に残留した水素を吸蔵媒体が吸蔵し、吸蔵した水素を放出することで、ガス貯蔵容器内に残留する水素の量を低減できる。そのため、本水素供給施設は、ガス貯蔵容器に充填された水素をより効率的に利用できる。

さらに、本水素供給施設は、次の特徴を有してもよい。吸蔵媒体は、冷却されると水素を吸蔵するとともに発熱し、加熱されると吸蔵した水素を放出するとともに吸熱する水素吸蔵合金によって形成される。吸蔵媒体として水素吸蔵合金を採用することで、吸蔵媒体として中空タンクを採用する場合よりもより狭い設置面積でより多くの水素を吸蔵できる。

さらに、本水素供給施設は、次の特徴を有してもよい。水素供給施設は、水素吸蔵合金で製造された吸蔵媒体を加熱する第１の熱源と、吸蔵媒体を冷却する第２の熱源と、を更に備える。吸蔵媒体は、第１の熱源によって可能な温度範囲の加熱で圧縮機に要求される所定吸込み圧力以上の圧力の水素を放出可能であり、第２の熱源によって可能な温度範囲の冷却でガス貯蔵容器内の水素を吸蔵可能に製造される。このような水素供給施設であれば、熱源によって加熱または冷却できる範囲でガス貯蔵容器内の水素の利用効率を高めることができる。

さらに、本水素供給施設は、次の特徴を有してもよい。水素吸蔵合金で製造された吸蔵媒体は、互いに熱的に接触する２つの吸蔵媒体を含む。一方の吸蔵媒体が水素を吸蔵する際の発熱によって他方の吸蔵媒体を加熱して他方の吸蔵媒体による水素の放出を促進させるとともに、他方の吸蔵媒体による水素の放出の際の吸熱によって一方の吸蔵媒体を冷却して一方の吸蔵媒体による水素の吸蔵を促進させる。このような水素供給施設であれば、より性能の低い熱源を利用しても、吸蔵媒体による水素の吸蔵・放出が可能となる。

さらに、本水素供給施設は、次の特徴を有してもよい。水素供給施設は、再生可能エネルギーを利用した発電によって供給される電力によって水素を製造する水素製造装置を更に備える。吸蔵媒体は、水素製造装置から単位時間あたりに供給される水素の量が水素供給施設が要求する水素の量よりも多い場合には水素製造装置に接続され、水素製造装置によって製造された水素を吸蔵する。吸蔵媒体は、水素製造装置から単位時間あたりに供給される水素の量が水素供給施設が要求する水素の量に満たない場合には圧縮機に接続され、吸蔵した水素を放出する。このような水素供給施設であれば、水素製造工場によって製造される水素の量の気象条件等による変動分を吸蔵媒体によって吸収できる。その結果、本水素供給施設は、水素を安定して供給できる。

さらに、開示の技術は、ガス貯蔵容器と圧縮機と吸蔵媒体とを備えた水素供給施設による水素供給方法として把握することも可能である。

本水素供給施設は、ガス貯蔵容器に充填された水素をより効率的に利用できる。

図１は、比較例に係る水素ステーションの構成の一例を示す図である。図２は、実施形態に係る水素ステーションの構成の一例を示す図である。図３は、水素吸蔵合金に吸蔵された水素の量と圧力の変化の一例を示す図である。図４は、水素ステーションの運用の流れの一例を示す図である。図５は、残留水素の利用によって上昇する売上高とカードルの移送回数の関係を示すグラフの一例である。図６は、第１変形例に係る水素ステーションの構成の一例を示す図である。図７は、第２変形例の構成の一例を示す図である。図８は、第３変形例の構成の一例を示す図である。図９は、水素製造工場の構成の一例を示す図である。図１０は、第４変形例の構成の一例を示す図である。図１１は、第４変形例の構成の一例を示す図である。図１２は、水素製造工場の構成の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、一実施形態に係る水素ステーションについて説明する。以下に示す実施形態の構成は例示であり、開示の技術は実施形態の構成に限定されない。

＜比較例＞
まず、比較例について説明する。図１は、比較例に係る水素ステーション５００の構成の一例を示す図である。以下、図１を参照して、比較例に係る水素ステーション５００について説明する。

（水素ステーション５００の構成）
水素ステーション５００は、例えば、燃料電池自動車に水素を供給する。燃料電池自動車は、供給される水素に対して、例えば７０MPaの圧力を要求する。そのため、水素ステ
ーション５００は、燃料電池自動車の要求する圧力まで昇圧した水素を燃料電池自動車に供給する。水素ステーション５００は、水素製造施設を有さないオフサイト型の水素ステーションである。水素ステーション５００は、カードル１ａ、１ｂ、圧縮機２、蓄圧器３、ディスペンサー４、弁５ａ、５ｂおよび減圧弁６を備える。

減圧弁６は、カードル１ａ、カードル１ｂおよび圧縮機２と配管によって接続される。カードル１ａと減圧弁６との間には、弁５ａが設けられる。カードル１ｂと減圧弁６との間には、弁５ｂが設けられる。蓄圧器３は、圧縮機２およびディスペンサー４と配管によって接続される。

カードル１ａ、１ｂは、水素が充填されたガス貯蔵容器を複数本束ねたものである。カードル１ａ、１ｂを総称して、カードル１と称する。カードル１は、水素ステーション５００において、水素の供給源として利用される。

弁５ａ、５ｂは、配管内の水素の流路を開閉する弁である。弁５ａ、５ｂを総称して、弁５と称する。弁５は、配管内の水素の流路を開閉できるものであればどのような弁であってもよい。弁５は、例えば、電磁弁である。

減圧弁６は、カードル１から供給される水素の圧力を減圧して圧縮機２へ供給する。減圧弁６は、例えば、カードル１から供給される水素の圧力を０．７MPaに減圧する。

圧縮機２は、カードル１から減圧弁６を介して供給された水素を規定の圧力まで昇圧し、昇圧した水素を蓄圧器３に圧送する。圧縮機２は、例えば、減圧弁６によって０．７MPaに減圧された水素を８２MPaに昇圧して蓄圧器３に圧送する。

蓄圧器３は、圧縮機２から圧送された水素を蓄える。蓄圧器３は、ディスペンサー４の要求に応じて、ディスペンサー４に対し高圧の水素を供給する。蓄圧器３は、アキュムレータとも称する。

ディスペンサー４は、例えば、燃料電池自動車に対し、蓄圧器３から供給された高圧の水素を図示しないプレクーラーで冷却した後、供給する。

（水素ステーション５００の運用）
水素ステーション５００による燃料電池自動車への水素の供給は、以下のように行われる。オフサイト型の水素ステーションである水素ステーション５００では、水素は外部の水素製造工場から搬送される。水素製造工場で製造された水素は、例えば２０MPaの圧力
でガス貯蔵容器に充填される。水素製造工場では、水素を充填したガス貯蔵容器が複数本束ねられてカードル１となる。カードル１は、トレーラー等で水素製造工場から水素ステーション５００に搬送される。

搬送されたカードル１は、水素ステーション５００に留め置かれる。この時に留め置かれたカードル１は、図１のカードル１ａであったとする。水素ステーション５００では、弁５ａを開状態にして、カードル１ａからの水素の供給が開始される。カードル１ａからの水素の供給が続くと、カードル１ａのガス貯蔵容器内の圧力が低下する。カードル１ａのガス貯蔵容器内の圧力が、例えば３MPaまで低下すると、ガス貯蔵容器と圧縮機２との
間の圧力損失等によって圧縮機２の吸い込み圧力が低下し、圧縮機２は燃料電池自動車が要求する圧力まで水素を昇圧できなくなる。そこで、水素ステーション５００では、カードル１ａのガス貯蔵容器内の圧力が３MPaまで低下する前に、カードル１ｂが水素製造工
場から搬送され、水素ステーション５００に留め置かれる。カードル１ｂが水素ステーション５００に留め置かれると、弁５ａを閉状態にしてカードル１ａからの水素の供給が停止されるとともに、弁５ｂを開状態にしてカードル１ｂからの水素の供給が開始される。ガス貯蔵容器内の圧力が低下したカードル１ａは、トレーラーによって水素製造工場に搬送され、水素が充填される。

水素ステーション５００では、カードル１のガス貯蔵容器内の圧力が、燃料電池自動車の要求する圧力まで昇圧できない圧力にまで低下すると、カードル１からの水素供給は難しくなる。そのため、ガス貯蔵容器内に水素が残っている状態であっても、圧力が低下したカードル１は、水素製造工場に搬送されることになる。この時のガス貯蔵容器内の圧力が、仮に３MPaであったとすると、２０MPaで充填されたガス貯蔵容器内の水素のうち１５パーセント程度が利用されずに水素製造工場に搬送されることになる。

＜実施形態＞
比較例に係る水素ステーション５００では、カードル１は、ガス貯蔵容器内に水素が残っている状態で水素製造工場に搬送された。実施形態では、ガス貯蔵容器内に残留した水素を水素吸蔵合金タンクによって吸蔵することで水素の利用効率を高めた水素ステーションについて説明する。図２は、実施形態に係る水素ステーション１００の構成の一例を示す図である。水素ステーション１００は、燃料電池自動車に水素を供給する。燃料電池自動車は、「水素を動力源とする車両」の一例である。比較例と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。以下、図面を参照して、実施形態について説明する。

水素吸蔵合金タンク７は、冷却されると水素を吸蔵し、加熱されると水素を放出する水素吸蔵合金を利用したタンクである。水素吸蔵合金タンク７の水素を吸蔵し、また、放出する単位時間あたりの水素の量は、水素吸蔵合金タンク７に与える温度によって制御可能である。すなわち、水素吸蔵合金タンク７をより高い温度で加熱することで単位時間当たりの水素の放出量を増加させ、水素吸蔵合金タンク７を低い温度で冷却することで単位時間当たりの水素の吸蔵量を増加させることができる。換言すれば、水素吸蔵合金タンク７に与える温度を制御することで、水素吸蔵合金タンク７が吸蔵または放出する水素の圧力を制御できる。水素吸蔵合金タンク７は、カードル１のガス貯蔵容器内に残留した水素を吸蔵する。ところで、カードル１のガス貯蔵容器内にある程度の水素が残留していないと、カードル１のガス貯蔵容器内に空気が混入する虞がある。そこで、ガス貯蔵容器内に０．１MPa程度の水素を残した状態で、カードル１が水素製造工場に搬送される事が好まし
い。本明細書において、ガス貯蔵容器内の水素の圧力が０．１MPa程度になった状態をガ
ス貯蔵容器が空になった状態とする。水素吸蔵合金タンク７の水素を吸蔵する性能は、水素ステーション１００の運用時における冷却温度において、カードル１のガス貯蔵容器内の圧力が０．１MPa未満となるまで水素を吸蔵可能とすればよい。また、水素吸蔵合金７
の水素を放出する性能は、水素ステーション１００の運用時における加熱温度において、圧縮機２が要求する圧力で水素を放出できるようにすればよい。水素吸蔵合金タンク７は、配管を介してカードル１ａ、１ｂおよび圧縮機２と接続される。水素吸蔵合金タンク７とカードル１ａとの間には、弁５ｄが設けられる。水素吸蔵合金タンク７とカードル１ｂとの間には、弁５ｅが設けられる。水素吸蔵合金タンク７と圧縮機２との間には、弁５ｃが設けられる。水素吸蔵合金タンク７は、「吸蔵媒体」の一例である。

図３は、水素吸蔵合金に吸蔵された水素の量と圧力の変化の一例を示す図である。図３に例示されるように、水素吸蔵合金は、吸蔵した水素の量が０に近い範囲および当該水素吸蔵合金が吸蔵可能な上限に近い範囲では吸蔵された水素の圧力が急激に変化する。そのため、水素吸蔵合金は、これらの急激に圧力が変化する領域を避けて図３の領域Ａの範囲で利用されることが多い。そこで、水素吸蔵合金タンク７は、図３の領域Ａの範囲でカードル１のガス貯蔵容器内に残留した水素を全て吸蔵できるように設計されることが好ましい。

冷却源８は、水素吸蔵合金タンク７を冷却する。冷却源８は、熱を伝熱する熱源配管１１を介して水素吸蔵合金タンク７と熱的に接触する。熱源配管１１内には冷媒が流れており、冷却源８で冷却された冷媒が水素吸蔵合金タンク７を冷却する。冷媒は、例えば、水である。冷却源８は、吸熱するものであれば特に限定は無い。冷却源８は、例えば、冷却塔である。冷却源８は、例えば、水道管であってもよい。冷却源８は、「第２の熱源」の一例である。

熱源９は、水素吸蔵合金タンク７を加熱する。熱源９は、熱源配管１１を介して水素吸蔵合金タンク７と接続される。熱源配管１１内には、上述の通り冷媒が流れており、熱源９によって加熱された冷媒が水素吸蔵合金タンク７を加熱する。熱源９は、冷媒を加熱可能なものであれば特に限定は無い。熱源９は、例えば、圧縮機２またはディスペンサー４の図示しないプレクーラの排熱を利用してもよい。また、熱源９は、電気ヒーターまたはヒートポンプを利用してもよい。熱源９は、「第１の熱源」の一例である。

熱源配管１１上の水素吸蔵合金タンク７、冷却源８および熱源９の間には、弁５ｇおよび弁５ｆが設けられる。弁５ｆと弁５ｇとは、熱源配管１１における冷媒の流路を開閉する三方弁である。弁５ｆおよび弁５ｇの冷却源８側に接続された流路を閉じ、弁５ｆおよび弁５ｇの熱源９および水素吸蔵合金タンク７側に接続された流路を開いた状態のときは熱源９によって加熱された冷媒が熱源配管１１内を流れ、水素吸蔵合金タンク７が加熱さ
れる。弁５ｆおよび弁５ｇの熱源９側に接続された流路を閉じ、冷却源８および水素吸蔵合金タンク７側に接続された流路を開いた状態のときは、冷却源８によって冷却された冷媒が熱源配管１１内を流れ、水素吸蔵合金タンク７が冷却される。すなわち、弁５ｆおよび弁５ｇの操作によって、熱源配管１１内の冷媒の流路を変更し、水素吸蔵合金タンク７の加熱および冷却が切り替えられる。

ポンプ１０は、熱源配管１１内を流れる冷媒を循環させるポンプである。ポンプ１０は、熱源配管１１内の冷媒を循環可能なものであれば特に限定は無い。

（水素ステーション１００の運用）
図４は、水素ステーション１００の運用の流れの一例を示す図である。図４では、各弁５の開閉状態がON（弁が開いた状態）、OFF（弁が閉じた状態）によって例示され、弁５
の開閉に伴って水素を供給するカードル１が例示される。また、図４の下方には、カードル１ａ、１ｂのガス貯蔵容器および水素吸蔵合金タンク７の圧力の変化が例示される。以下、図４を参照して、水素ステーション１００の運用の流れについて説明する。

図４のＳ１では、弁５ａが開いており、弁５ｄ、５ｃ、５ｂおよび５ｅは閉じている。すなわち、弁５ａが開くことでカードル１ａから減圧弁６への水素の流路が確保され、カードル１ａから水素が供給される。図４を参照すると、カードル１ａから水素が供給されるにつれて、カードル１ａのガス貯蔵容器内の水素の圧力が低下していることがわかる。カードル１ａのガス貯蔵容器内の圧力が、圧縮機２によって要求される圧力（例えば３MPaであり、図４では所定圧力１と記載）に満たなくなると、水素ステーション１００はＳ
２の状態に遷移する。所定圧力１は、「圧縮機に要求される所定圧力」の一例である。

Ｓ２では、カードル１ａのガス貯蔵容器内の圧力が圧縮機２によって要求される圧力に満たなくなった状態の処理が例示される。Ｓ２では、弁５ａが閉じられ、弁５ｄおよび５ｂが開かれる。弁５ａが閉じられることで、カードル１ａから減圧弁６への水素の供給が停止される。また、弁５ｄが開くことで、カードル１ａから水素吸蔵合金タンク７への水素の流路が確保される。ここで、図４には例示されていないが、Ｓ２では、弁５ｆおよび弁５ｇの操作によって冷却源８によって冷却された冷媒の水素吸蔵合金タンク７への流路が確保され、冷媒によって水素吸蔵合金タンク７は冷却される。冷却された水素吸蔵合金タンク７は、カードル１ａのガス貯蔵容器内に残留した水素を吸蔵する。水素吸蔵合金タンク７が吸蔵する単位時間当たりの水素の量は、カードル１ａのガス貯蔵容器内に残留した水素の量やカードル１ａを回収するトレーラーの到着時間等を基に適宜定められれば良い。図４を参照すると、カードル１ａのガス貯蔵容器内の圧力が低下するとともに、水素吸蔵合金タンク７の圧力が上昇している。また、カードル１ｂから水素が供給されるにつれて、カードル１ｂのガス貯蔵容器内の水素の圧力が低下していることがわかる。水素吸蔵合金タンク７がカードル１ａのガス貯蔵容器内に残留した水素を全て吸蔵すると、水素ステーション１００はＳ３の状態に遷移する。なお、上述の通り、ガス貯蔵容器内に残留した水素を全て吸蔵した状態とは、ガス貯蔵容器内の水素の圧力が０．１MPa程度になっ
た状態である。

Ｓ３では、水素吸蔵合金タンク７が、カードル１ａのガス貯蔵容器から吸蔵した水素を放出する。Ｓ３では、弁５ｄが閉じられ、弁５ｃが開かれる。弁５ｄが閉じられることで、カードル１ａから水素吸蔵合金タンク７への水素の流路が閉じられる。弁５ｃが開かれることで、水素吸蔵合金タンク７から圧縮機２への水素の流路が確保される。ここで、図４には例示されていないが、Ｓ３では、弁５ｆおよび弁５ｇの操作によって熱源９によって加熱された冷媒の水素吸蔵合金タンク７への流路が確保され、冷媒によって水素吸蔵合金タンク７は加熱される。加熱された水素吸蔵合金タンク７は、カードル１ａから吸蔵した水素を放出する。すなわち、Ｓ３では、カードル１ｂから減圧弁６を経た水素と水素吸
蔵合金タンク７から放出された水素とが、圧縮機２に供給される。水素吸蔵合金タンク７が放出する単位時間当たりの水素の量は、カードル１ｂから供給される水素の圧力や圧縮機２の性能等を基に適宜定められれば良い。図４を参照すると、カードル１ｂおよび水素吸蔵合金タンク７から水素が供給されるにつれて、カードル１ｂのガス貯蔵容器および水素吸蔵合金タンク７の圧力が低下していることがわかる。水素吸蔵合金タンク７が吸蔵した全ての水素の放出を終えると、水素ステーション１００はＳ４の状態に遷移する。

Ｓ４では、水素吸蔵合金タンク７は、吸蔵した水素の放出を終えている。そのため、水素ステーション１００では、カードル１ｂから水素が供給され、水素吸蔵合金タンク７からは水素が供給されていない。なお、カードル１ｂからの水素の供給が続いている間に、新たなカードル１ａがトレーラーによって水素工場から水素ステーション１００に搬送される。搬送された新たなカードル１ａは、水素ステーション１００に留め置かれる。また、水素吸蔵合金タンク７に残留した水素を吸蔵されたカードル１ａは、トレーラーによって水素工場に搬送され、水素が充填される。カードル１ｂのガス貯蔵容器内の圧力が、圧縮機２によって要求される圧力（図４では、所定圧力１と記載）に満たなくなると、水素ステーション１００はＳ５の状態に遷移する。

Ｓ５では、新たなカードル１ａから水素が供給され、カードル１ｂのガス貯蔵容器内に残留した水素は水素吸蔵合金タンク７によって吸蔵される。Ｓ５では、弁５ａおよび弁５ｅが開かれ、弁５ｂが閉じられる。弁５ａが開かれることでカードル１ａから減圧弁６への水素の流路が確保され、弁５ｅが開かれることでカードル１ｂから水素吸蔵合金タンク７への水素の流路が確保される。また、弁５ｂが閉じられることで、カードル１ｂから減圧弁６への水素の流路が閉じられる。ここで、図４には例示されていないが、Ｓ５では、弁５ｆおよび弁５ｇの操作によって冷却源８によって冷却された冷媒の水素吸蔵合金タンク７への流路が確保され、冷媒によって水素吸蔵合金タンク７が冷却される。冷却された水素吸蔵合金タンク７は、カードル１ｂのガス貯蔵容器内に残留した水素を吸蔵する。図４を参照すると、カードル１ｂのガス貯蔵容器内の圧力が低下するとともに、水素吸蔵合金タンク７の圧力が上昇している。また、カードル１ａから水素が供給されるにつれて、カードル１ａのガス貯蔵容器内の水素の圧力が低下していることがわかる。水素吸蔵合金タンク７がカードル１ｂのガス貯蔵容器内に残留した水素を全て吸蔵すると、水素ステーション１００はＳ６の状態に遷移する。

Ｓ６では、水素吸蔵合金タンク７が、カードル１ｂのガス貯蔵容器から吸蔵した水素を放出する。Ｓ６では、弁５ｅが閉じられ、弁５ｃが開かれる。弁５ｅが閉じられることで、カードル１ｂから水素吸蔵合金タンク７への水素の流路が閉じられる。弁５ｃが開かれることで、水素吸蔵合金タンク７から圧縮機２への水素の流路が確保される。ここで、図４には例示されていないが、Ｓ６ではＳ３と同様に、弁５ｆおよび弁５ｇの操作によって熱源９によって加熱された冷媒の水素吸蔵合金タンク７への流路が確保され、冷媒によって水素吸蔵合金タンク７が加熱される。加熱された水素吸蔵合金タンク７は、カードル１ｂから吸蔵した水素を放出する。すなわち、Ｓ６では、カードル１ａから減圧弁６を経た水素と水素吸蔵合金タンク７から放出された水素とが、圧縮機２に供給される。図４を参照すると、カードル１ａおよび水素吸蔵合金タンク７から水素が供給されるにつれて、カードル１ａのガス貯蔵容器および水素吸蔵合金タンク７の圧力が低下していることがわかる。水素吸蔵合金タンク７が吸蔵した全ての水素の放出を終えると、水素ステーション１００はＳ７の状態に遷移する。

Ｓ７では、弁５ｃが閉じられることで水素吸蔵合金タンク７から圧縮機２への水素の流路が閉じられる。なお、カードル１ａからの水素の供給が続いている間に、新たなカードル１ｂがトレーラーによって水素工場から水素ステーション１００に搬送される。搬送された新たなカードル１ｂは、水素ステーション１００に留め置かれる。また、残留した水
素を水素吸蔵合金タンク７に吸蔵されたカードル１ｂは、トレーラーによって水素工場に搬送され、水素が充填される。その後、水素ステーション１００はＳ１の状態に遷移する。

ところで、水素ステーション１００では、水素ステーション５００と比較して水素吸蔵合金タンク７が追加で設置されるため、水素ステーションの設置に係る初期費用が高くなりやすい。そこで、水素ステーション１００によって利用可能となった残留水素の活用によって、初期費用の回収にどの程度の期間がかかるかを検討する。

図５は、残留水素の利用によって上昇する売上高とカードル１の移送回数の関係を示すグラフの一例である。図５に例示されるグラフの試算条件は、まず、カードル１の条件として、内容積０．７m³のガス貯蔵容器を２０本束ね、水素をガス貯蔵容器内に１９．６MPaの圧力になるまで充填したものを想定した。次にカードル１に残留する水素の量の条件
として、ガス貯蔵容器の残圧が２MPaの場合と３MPaの場合において０．１MPaまで水素吸
蔵合金タンク７に吸蔵させると想定した。また、水素の価格の条件として、４０円／Nm³
の場合と１００円／Nm³の場合を想定した。

図５によれば、カードル１の移送回数が増えることで、水素ステーション１００の水素の売上高は、水素吸蔵合金タンク７を設置する初期費用を回収する以上になると見込まれる。この売上高は、ガス貯蔵容器内に残留した水素を利用しなければ発生しなかったものである。そのため、図５に例示される売上高のほぼ全額は利益とみなすことができる。水素製造工場から水素ステーション１００間のカードル１の移送を２０年間毎日行ったとすると、その移送回数は約７，３００回であり、水素ステーション１００の稼働率が向上すればそれに近いカードル１の移送を行うことになる。すると初期投資の費用とカードル１の搬送費用を上回る利益が確保できると思われる。そのため、水素吸蔵合金タンク７にガス貯蔵容器内に残留した水素を吸蔵させる水素ステーション１００は、比較例の水素ステーション５００よりも経済性を高めることができる。なお、図５の試算では、水素の吸蔵および放出に伴う熱供給に係るコストも電力単価に基づいて考慮してある。そのため、水素吸蔵合金タンク７の熱源として排熱を利用できれば、水素ステーション１００の運用による利益をさらに高めることができる。

実施形態では、カードル１のガス貯蔵容器内に残留した水素を水素吸蔵合金タンク７に吸蔵させた。水素吸蔵合金タンク７は、吸蔵した水素を圧縮機２へ放出する。そのため、実施形態の水素ステーション１００は、比較例の水素ステーション５００よりもカードル１のガス貯蔵容器内に残留する水素の量を低減できる。換言すれば、水素ステーション１００は、水素ステーション５００よりもガス貯蔵容器内の水素の利用効率を高める事ができる。

カードル１のガス貯蔵容器内に残留した水素を吸い出す方法として、中空タンクを用いる方法も考えられる。しかしながら、中空タンクを採用した場合、カードル１のガス貯蔵容器内の圧力と中空タンク内の圧力とが等しくなると、それ以降は中空タンクへの水素の移送ができない。中空タンクの容積を大きくすることで、カードル１のガス貯蔵容器から移送できる水素の量を増やすことはできるが、その分中空タンクの設置面積が広大になる。実施形態の水素吸蔵合金タンク７は、中空タンクよりも狭い設置面積で設置可能であり、水素吸蔵合金タンク７に与える熱を調節することで、カードル１のガス貯蔵容器内に残留した水素を全て吸蔵できる。また、中空タンクから水素を放出する場合、放出される水素の圧力を制御する事は難しい。しかしながら、水素吸蔵合金タンク７であれば水素吸蔵合金タンク７に与える熱を制御することで、水素吸蔵合金タンク７から放出される水素の圧力を中空タンクを採用した場合よりも容易に制御可能である。

また、カードル１のガス貯蔵容器内に残留した水素を吸い出す方法として、コンプレッサーを用いて中空タンクに水素を吸い出す方法も考えられる。コンプレッサーを用いることで、カードル１のガス貯蔵容器内の圧力より中空タンク内の圧力が高くなる状態まで水素を吸い出すことが可能となる。しかしながら、コンプレッサーが設置されると、コンプレッサーの運転に伴い圧力の変動が生じるため、この圧力の変動を吸収するためのバッファタンク等の手段が水素ステーション１００内に設置される。水素吸蔵合金タンク７を採用した水素ステーション１００は、バッファタンク等の手段を設置しなくともよいため、コンプレッサーを採用した水素ステーションよりも狭い設置面積で設置可能である。また、水素吸蔵合金タンク７はコンプレッサーとは異なり機械部品を有さないため、水素吸蔵合金タンク７はコンプレッサーよりも容易にメンテナンス可能である。

＜第１変形例＞
図６は、第１変形例に係る水素ステーション１００ａの構成の一例を示す図である。実施形態に係る水素ステーション１００では、水素吸蔵合金タンク７は１つであったが、第１変形例に係る水素ステーション１００ａでは、水素吸蔵合金タンク７ａが追加される。実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。以下、図６を参照して、第１変形例に係る水素ステーション１００ａについて説明する。

水素吸蔵合金タンク７ａは、水素吸蔵合金タンク７と同様に、水素を蓄え、また、放出する性質を有する水素吸蔵合金を利用したタンクである。水素吸蔵合金タンク７ａは、熱源配管１１ａによって水素吸蔵合金タンク７と接続されている。水素吸蔵合金タンク７と水素吸蔵合金タンク７ａと接続する熱源配管１１ａ上にはポンプ１０ａが接続される。ポンプ１０ａは、熱源配管１１ａ内の冷媒を循環させる。水素吸蔵合金タンク７と圧縮機２との間には、弁５ｉが設けられる。水素吸蔵合金タンク７と弁５ｅ、弁５ｄとの間には弁５ｈが設けられる。水素吸蔵合金タンク７ａと圧縮機２との間には、弁５ｋが設けられる。水素吸蔵合金タンク７ａと弁５ｅ、弁５ｄとの間には弁５ｊが設けられる。

水素ステーション１００ａでは、水素吸蔵合金タンク７、７ａのうち、一方がいずれかのカードル１のガス貯蔵容器内に残留した水素の吸収を行い、他方が既に吸蔵した水素の放出を行う。水素吸蔵合金タンク７と水素吸蔵合金タンク７ａとは、上述の通り、熱源配管１１ａによって接続され熱源配管１１ａ内の冷媒はポンプ１０ａによって循環している。

ここで、水素吸蔵合金タンク７がカードル１ａのガス貯蔵容器内に残留した水素を吸蔵し、水素吸蔵合金タンク７ａが吸蔵済みの水素を放出する場合を例にとって、水素ステーション１００ａの運用について説明する。カードル１ａから減圧弁６への水素の供給を停止するため、弁５ａが閉状態となる。カードル１ａと水素吸蔵合金タンク７との間の水素の流路を確保するため、弁５ｄおよび弁５ｈが開状態となる。カードル１ｂと水素吸蔵合金タンク７ａとの間の水素の流路を閉塞するため、弁５ｊが閉状態となる。カードル１ｂから水素吸蔵合金タンク７、７ａへの水素の流路を閉塞するため、弁５ｅは閉状態となる。カードル１ｂから減圧弁６への水素の流路を確保するため、弁５ｂは開状態となる。水素吸蔵合金タンク７から圧縮機２への水素の流路を閉塞するため、弁５ｉは閉状態となる。水素吸蔵合金タンク７ａから圧縮機２への水素の流路を確保するため、弁５ｋは開状態となる。

水素吸蔵合金タンク７は、カードル１ａのガス貯蔵容器内に残留した水素を吸蔵するとともに、水素吸蔵時の発熱反応によって熱源配管１１ａ内の冷媒を加熱する。加熱された冷媒は、ポンプ１０ａによって熱源配管１１ａ内を循環し、水素吸蔵合金タンク７ａを加熱する。加熱された水素吸蔵合金タンク７ａは、吸蔵済みの水素を放出するとともに、水素放出時の吸熱反応によって熱源配管１１ａ内の冷媒を冷却する。冷却された冷媒は、ポ
ンプ１０ａによって熱源配管１１ａ内を循環し、水素吸蔵合金タンク７を冷却する。冷却された水素吸蔵合金タンク７は、カードル１ａのガス貯蔵容器内に残留した水素の吸蔵を継続する。

すなわち、水素ステーション１００ａでは、水素吸蔵合金タンク７、７ａ間での水素吸蔵または水素の放出に用いる熱を互いに融通する。そのため、第１変形例の水素ステーション１００ａでは、水素吸蔵合金タンク７、７ａの冷却を行う冷却源８および加熱を行う熱源９の性能が実施形態の水素ステーション１００よりも低いものを採用できる。

＜第２変形例＞
図７は、第２変形例の構成の一例を示す図である。図７では、水素ステーション１００およびビル２００が例示されている。ビル２００は、燃料電池２０を備える。第２変形例では、燃料電池自動車に加えてビル２００の燃料電池２０へも水素を供給する。実施形態または第１変形例と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。以下、図７を参照して、第２変形例について説明する。

ビル２００は、燃料電池２０を備える。燃料電池２０は、水素を燃料として発電する電池であり、ビル２００の各所に電力を供給する。燃料電池２０は、配管によって減圧弁６および弁５ｃと接続されている。燃料電池２０は、配管を通じてカードル１または水素吸蔵合金タンク７から水素の供給を受ける。さらに、燃料電池２０は、図示しない熱源配管によって、発電時に発生する熱を水素吸蔵合金タンク７に伝熱可能である。

第２変形例では、水素ステーション１００は、燃料電池自動車に加えてビル２００の燃料電池２０へも水素を供給した。そのため、燃料電池自動車による水素の利用が少ない場合でも、ビル２００の燃料電池２０へ水素を供給することで、水素ステーション１００の水素の利用量を確保できる。

さらに、図示しない熱源配管によって燃料電池２０と水素吸蔵合金タンク７とが接続されるため、水素吸蔵合金タンク７からの水素の放出に燃料電池２０からの熱を利用できる。そのため、第２変形例によれば、熱源９の省略またはより性能の低い熱源９の採用が可能である。

＜第３変形例＞
図８は、第３変形例の構成の一例を示す図である。図８では、水素ステーション１００および水素ステーション１００と配管で接続された水素製造工場３００が例示されている。実施形態、第１変形例および第２変形例では、水素製造工場でカードル１に充填された水素がトレーラーによって水素ステーション１００、１００ａに運搬された。第３変形例では、トレーラーによるカードル１の搬送に加えて、水素製造工場３００で製造された水素が、配管によって水素ステーション１００に供給される。実施形態、第１変形例または第２変形例と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。以下、図８を参照して、第３変形例について説明する。

水素製造工場３００は、水素を製造する工場である。図９は、水素製造工場３００の構成の一例を示す図である。水素製造工場３００は、太陽光発電機３０、水素製造装置４０および水素吸蔵合金タンク７ｂを有する。太陽光発電機３０は、太陽光をエネルギー源として発電を行う。水素製造装置４０は、太陽光発電機３０から供給される電力によって水電解を行う事で水素を製造する。水素吸蔵合金タンク７ｂは、水素製造装置４０によって製造された水素を吸蔵したり、吸蔵した水素を水素ステーション１００に供給したりする。太陽光は、「再生可能エネルギー」の一例である。

水素製造工場３００では、上述の通り、太陽光発電機３０から供給される電力によって水素製造装置４０が水素を製造する。太陽光発電機３０の発電量は、気象条件等によって変動する。そのため、水素製造工場３００で製造される水素の量は、気象条件等によって変動する。水素製造工場３００から供給される水素の量が水素ステーション１００が要求する量よりも多い場合、水素製造工場３００で製造された水素は水素吸蔵合金タンク７ｂに吸蔵されればよい。また、水素製造工場３００から供給される水素の量が水素ステーション１００が要求する量よりも少ない場合、水素吸蔵合金タンク７ｂに吸蔵された水素が放出されればよい。

第３変形例では、水素製造装置４０の水素供給量の変動が水素吸蔵合金タンク７ｂによって吸収された。そのため、第３変形例によれば、供給される電力量の不安定等によって水素製造装置４０が製造する水素の量に変動があっても、燃料電池自動車に水素を安定して供給できる。

第３変形例では、水素製造工場３００内に配置した水素吸蔵合金タンク７ｂによって水素製造装置４０の水素供給量の変動が吸収されたが、水素製造装置４０の水素供給量の変動は水素ステーション１００の水素吸蔵合金７で吸収されてもよい。

第３変形例では、太陽光発電機３０によって発電された電力を利用して水素を製造したが、水素製造工場３００は、他の再生可能エネルギーをエネルギー源として発電された電力によって水素を製造してもよい。他の再生可能エネルギーとしては、例えば、水力、波力、潮汐力、風力、地熱等が挙げられる。

＜第４変形例＞
第２変形例では燃料電池２０が、第３変形例では水素製造装置４０が、水素ステーション１００に接続された。第４変形例では、燃料電池および水素製造装置の双方が水素ステーション１００に接続される構成について説明する。

図１０および図１１は、第４変形例の構成の一例を示す概念図である。図１０および図１１では、水素ステーション１００および水素ステーション１００と配管で接続されたビル２００ａが例示される。実施形態または第１〜第３変形例と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。以下、図１０および図１１を参照して、第４変形例について説明する。

ビル２００ａは、燃料電池と水素製造装置の双方の機能を兼ね備える水電解・燃料電池一体型セル５０を有する水素製造工場３００ａを有する点で、第２変形例のビル２００と異なる。図１２は、水素製造工場３００ａの構成の一例を示す図である。水素製造工場３００ａは、太陽光発電機３０、水素吸蔵合金タンク７ｃおよび水電解・燃料電池一体型セル５０を備える。

水電解・燃料電池一体型セル５０は、太陽光発電機３０から供給される電力によって水電解を行って水素を製造する。水電解・燃料電池一体型セル５０は、水素を燃料として発電し、発電した電力をビル２００ａの図１０に例示される貯湯タンク等各所に供給する。水電解・燃料電池一体型セル５０は、配管によって圧縮機２、減圧弁６および弁５ｃと接続される。

水電解・燃料電池一体型セル５０には、第２変形例と同様に、配管を通じてカードル１または水素吸蔵合金タンク７から水素の供給を受けて発電する。さらに、水電解・燃料電池一体型セル５０は、図示しない熱源配管によって、発電時に発生する熱を水素吸蔵合金タンク７に伝熱可能である。

水電解・燃料電池一体型セル５０が製造した水素の量が水素ステーション１００が要求する量よりも多い場合は、水素製造工場３００ａで製造された水素は、水素吸蔵合金タンク７ｃに吸蔵されればよい。また、水電解・燃料電池一体型セル５０が製造した水素の量が水素ステーション１００が要求する量よりも少ない場合は、水素吸蔵合金タンク７ｃに吸蔵された水素を放出すればよい。

第４変形例では、水素ステーション１００は、燃料電池自動車に加えてビル２００ａの水電解・燃料電池一体型セル５０へも水素を供給した。そのため、燃料電池自動車による水素の利用が少ない場合でも、ビル２００ａの水電解・燃料電池一体型セル５０へ水素を供給することで、水素ステーション１００の稼働率を高める事ができる。

第４変形例では、水電解・燃料電池一体型セル５０の水素供給量の変動を水素吸蔵合金タンク７ｃによって吸収した。そのため、第４変形例によれば、供給される電力量の不安定等によって水電解・燃料電池一体型セル５０が製造する水素の量に変動があっても、燃料電池自動車に水素を安定して供給できる。

第４変形例では、水素ステーション１００は、燃料電池自動車に加えてビル２００ａの水電解・燃料電池一体型セル５０へも水素を供給した。そのため、燃料電池自動車による水素の利用が少ない場合でも、ビル２００ａの水電解・燃料電池一体型セル５０へ水素を供給することで、水素ステーション１００の水素の利用量を確保できる。

以上で開示した実施形態や変形例はそれぞれ組み合わせる事ができる。

１００、１００ａ、５００・・・水素ステーション
１ａ、１ｂ・・・カードル
２・・・圧縮機
３・・・蓄圧器
４・・・ディスペンサー
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｋ・・・弁
６・・・減圧弁
７、７ａ・・・水素吸蔵合金タンク
８・・・冷却源
９・・・熱源
１０、１０ａ・・・ポンプ
１１、１１ａ・・・熱源配管
２０・・・燃料電池
２００、２００ａ・・・ビル
３００、３００ａ・・・水素製造工場
３０・・・太陽光発電機
４０・・・水素製造装置
５０・・・水電解・燃料電池一体型セル

Claims

圧縮水素が充填されたガス貯蔵容器と、
供給される水素を規定の圧力で前記水素の供給対象に圧送する圧縮機と、
水素の吸蔵および放出が可能な吸蔵媒体と、を備え、
前記吸蔵媒体は、前記ガス貯蔵容器の圧力が前記圧縮機に要求される所定吸込み圧力に満たない場合には前記ガス貯蔵容器に接続され、前記ガス貯蔵容器内に残留した前記水素を吸蔵し、
前記吸蔵媒体に吸蔵されている水素は、前記圧縮機が前記供給対象に前記水素を圧送するときに前記圧縮機に放出される、
水素供給施設。
前記吸蔵媒体は、冷却されると水素を吸蔵するとともに発熱し、加熱されると吸蔵した水素を放出するとともに吸熱する水素吸蔵合金によって形成された、
請求項１に記載の水素供給施設。
前記吸蔵媒体を加熱する第１の熱源と、
前記吸蔵媒体を冷却する第２の熱源と、を更に備え、
前記吸蔵媒体は、
前記第１の熱源によって可能な温度範囲の加熱で前記所定吸込み圧力以上の圧力の水素を放出可能であり、前記第２の熱源によって可能な温度範囲の冷却で前記ガス貯蔵容器内の水素を吸蔵可能に製造された、
請求項２に記載の水素供給施設。
前記吸蔵媒体は、互いに熱的に接触する２つの吸蔵媒体を含み、
一方の吸蔵媒体が水素を吸蔵する際の発熱によって他方の吸蔵媒体を加熱して前記他方の吸蔵媒体による水素の放出を促進させるとともに、前記他方の吸蔵媒体による水素の放出の際の吸熱によって前記一方の吸蔵媒体を冷却して前記一方の吸蔵媒体による水素の吸蔵を促進させる、
請求項２または３に記載の水素供給施設。
再生可能エネルギーをエネルギー源とした発電によって供給される電力によって水素を製造する水素製造装置を更に備え、
前記吸蔵媒体は、
前記水素製造装置から単位時間あたりに供給される水素の量が前記水素供給施設が要求する水素の量よりも多い場合には前記水素製造装置に接続され、前記水素製造装置によって製造された水素を吸蔵し、
前記水素製造装置から単位時間あたりに供給される水素の量が前記水素供給施設が要求する水素の量に満たない場合には前記圧縮機に接続され、吸蔵した前記水素を放出する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の水素供給施設。
圧縮水素が充填されたガス貯蔵容器と、
供給される水素を規定の圧力で前記水素の供給対象に圧送する圧縮機と、
水素の吸蔵および放出が可能な吸蔵媒体と、を備えた水素供給施設によって水素を供給する水素供給方法であって、
前記ガス貯蔵容器の圧力が前記圧縮機に要求される所定吸込み圧力に満たない場合には前記吸蔵容器を前記ガス貯蔵容器に接続し、前記ガス貯蔵容器内に残留した前記水素を前記吸蔵媒体に吸蔵し、
前記圧縮機が前記供給対象に前記水素を圧送するときに前記吸蔵媒体に吸蔵した水素を
前記圧縮機に放出する、
水素供給方法。