JP2021004627A - オフサイト型水素ステーション - Google Patents

Abstract

【課題】安全性と機能性を向上しつつ採算運用を実現し得る水素ステーションを提案する。【解決手段】 燃料電池車４０に水素ガス２１を補給するためのオフサイト型水素ステーション１であって、ガス運搬車２０により運搬されてきた水素ガス２１を充填する１以上の水素ガスタンク１０と、該水素ガスタンク１０から水素ガス２１の供給を受け燃料電池車４０に水素ガス２１を補給するための水素補給手段３０と、該水素ガスタンク１０から水素ガス２１の供給を受け発電する燃料電池５０と、該燃料電池５０が排気する窒素リッチガス５４を貯留する窒素ガスタンク６０と、該窒素ガスタンク６０から窒素リッチガス５４の供給を受け該窒素リッチガス５４を外部へ供給するための窒素供給手段８０と、が具備されている構成を採用する。【選択図】図1

Description

本発明は、水素ステーションに関し、より詳しくは、オフサイト型水素ステーションに付設される電源に関するものである。

内燃機関の出力で走行する自動車は、ＣＯ２排出の問題が存する。前記問題を解決するため、電動機の出力で走行する自動車が提案されている。電動機の出力で走行する自動車としては、燃料電池の電力によって電動機を出力させる燃料電池車が存している。

燃料電池車は、自ら燃料電池で消費される水素を発生させる手段を搭載していない。これは、燃料電池車で消費される量を供給可能な水素発生装置が比較的大型であることに起因する。そのため、前記燃料電池車が必要とする水素を供給するための設備が要されている。前記設備としては、水素ステーションが代表的に挙げられる。

水素ステーションの態様としては、自らは水素ガスの製造手段及び昇圧手段を有さないオフサイト型と、それらを有するオンサイト型に大別される。

水素ステーションで燃料電池車に補給される水素は、極めて爆発性の高いガスである。したがって、それらを取り扱う設備や施設は、防爆性が高いものでなければならない。このことは、水素を運搬してくる運搬車に対しても同様である。

また、水素ステーションは、危険性の高い設備であるので、設備を制御もしくは監視するための装置に供給される電力は、商用電源だけではなく、バックアップ電源も提供されていることが望ましい。

水素ステーションの建設が普及しない要因として、コストの問題が挙げられる。すなわち、水素ステーションの建設コストは、上記した防爆性を確保するための設備を整えなければならないことから高額となり、さらに、水素ガスの値段も現在１００円／Ｎｍ３と高価であるため、結局のところ費用対効果の面で採算の確保が困難であり、水素ステーション建設が思うように普及しない要因といわれている。

水素ステーションにおける先行技術としては、特許文献１にかかる技術提案が公知である。しかしながら、特許文献１かかる技術提案においては、水素ステーションにバックアップ電源が必要であると言う発想が存していない。したがって、商用電源停止時におけるステーションの制御手段も停止してしまう可能性が存している。また、特許文献１にかかる技術提案によれば、水素の貯蔵設備などに対する防爆性の担保方法が存していない。したがって、水素ガスが漏出するなどした場合の誘爆の危険性が存していた。これらの問題点は、システムの安全稼動もしくは安全停止への担保性が提供されていないということに尽きるものである。

さらに、特許文献１にかかる技術提案によれば、水素ステーションにおける採算をとるための手段については何ら考慮されていない。したがって、水素ステーションの普及に貢献し得るアイデアを提供するものではなかった。

ところで、水素ガスを基に発電を行う燃料電池は、その副産物として窒素リッチガスを排出する。この窒素リッチガスは、不活性ガスであって、保安・パージといった安全性向上の目的で幅広い分野で利用し得るものである。

また、窒素リッチガスは、アンモニアの生成に不可欠なものであり、該アンモニアは、医薬品や肥料などの原料として広く利用されている。このアンモニアの生成は、一般に窒素ガスと水とを４００℃以上の高温と１００気圧を超える高圧という過酷な環境下で反応させなければならず、エネルギー消費量の増大ならびにアンモニア価格の高騰を招く要因であった。

アンモニア生成における近年の研究では、モリブデンという金属化合物を触媒として、レアアースであるサマリウムを使った還元剤を用いることで、常温・常圧下で窒素ガスと水を反応させ、アンモニアを生成する方法が開発されている。かかる方法によれば、熱や圧力を加える必要がないことから、手法が容易でエネルギー消費量の削減にも資するものとして期待されている。しかしながら、そもそも窒素ガスの生成には、常法として空気を−２００℃まで冷却して沸点の差を利用して空気中から窒素ガスを取り出す手法が一般的であり、この窒素ガスの生成段階で多量のエネルギー消費が必要とされるため、根本的解決に至っていないのが現状である。

本出願人は、これら従来における種々問題点に着目し、水素ステーションにおいて安全性確保と採算運用の両立を実現することができないものかとの着想の下、燃料電池の副産物として生成される窒素リッチガスを適宜に有効利用することでこれらの諸問題の一挙解決を図ることが可能な水素ステーションの仕組みを開発し、本発明にかかる「オフサイト型水素ステーション」の提案に至るものである。

特開２００６−３１６８１７号公報

本発明は、上記背景技術に鑑み、安全性と機能性を向上しつつ採算運用を実現し得る水素ステーションを提案することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、本発明は、燃料電池車に水素ガスを補給するためのオフサイト型水素ステーションであって、ガス運搬車により運搬されてきた水素ガスを充填する１以上の水素ガスタンクと、該水素ガスタンクから水素ガスの供給を受け燃料電池車に水素ガスを補給するための水素補給手段と、該水素ガスタンクから水素ガスの供給を受け発電する燃料電池と、該燃料電池が排気する窒素リッチガスを貯留する窒素ガスタンクと、該窒素ガスタンクから窒素リッチガスの供給を受け外部へ該窒素リッチガスを供給するための窒素供給手段と、が具備されている手段を採る。

また、本発明は、前記窒素ガスタンクから前記窒素供給手段へ窒素リッチガスを供給する窒素供給管路が具備され、該窒素供給管路の所定中間箇所に増圧弁が具備されている手段を採る。

さらに、本発明は、前記水素ガスタンクから前記水素補給手段もしくは前記燃料電池へ水素ガスを供給する水素供給管路が具備され、該水素ガスタンクは、該水素補給手段を介して燃料電池車に水素ガスを供給するための第一水素ガスタンクと、該燃料電池に水素ガスを供給するための第二水素ガスタンクと、から成る手段を採る。

またさらに、本発明は、前記水素ガスタンクが隔絶された区画に配置されるとともに、該区画が前記燃料電池の排気する窒素リッチガスによってパージされている手段を採る。

本発明にかかるオフサイト型水素ステーションによれば、燃料電池が具備され、該燃料電池により副産物として生成される窒素リッチガスを適宜外部へ供給して、該窒素リッチガスの有効利用を図ることができる、といった優れた効果を奏する。

窒素リッチガスの供給先として、第一にガス運搬車が挙げられる。ガス運搬車は、当初は水素ガスを運搬し、水素ステーションにおける水素ガスタンクに該水素ガスを充填するものであるが、充填後の空のガス運搬車に窒素リッチガスを供給充填することで、該ガス運搬車が窒素リッチガスでパージされるため、防爆性の向上が図られると共に、窒素リッチガスを必要とする場所へ運搬して販売することも可能であり、また、ガス運搬車の運転効率の向上に資し、さらに、燃料電池の副産物として生成された窒素リッチガスを価値ある採算手段として有効利用することができる。

窒素リッチガスの供給先として、第二に水素ガスタンクが隔絶された区画が挙げられる。水素ガスタンクが隔絶された区画を窒素リッチガスでパージすることで、該水素ガスタンクの防爆性の向上に資する。

窒素リッチガスの供給先として、第三に車両のタイヤが挙げられる。近年、ゴムの透過率が低いことや、温度による空気圧の変動が少ないこと、ゴムの劣化を遅らせることができることから、タイヤに窒素ガスを充填することが行われている。一般に窒素ガスの充填はコストがかかるが、燃料電池の副産物として生成された窒素リッチガスを有効活用し、水素ステーションに来た車両に対し、安価にタイヤへ窒素リッチガスを充填することが可能となる。

また、本発明にかかるオフサイト型水素ステーションによれば、燃料電池の発する電力を水素ステーションのバックアップ用電源として利用することで、ステーションの制御手段や安全機構の機能停止を防止することができると共に、燃料電池の発する電力を外部送電可能とすることで、バックアップ用電源以外でも電源を売電などに有効利用することができる。

さらに、本発明にかかるオフサイト型水素ステーションによれば、水素ガスタンクが水素自動車への水素補給源である第一水素ガスタンクと、燃料電池への水素供給源である第二水素ガスタンク用とに分かれており且つ平時においてこれらは連通していない態様を採ることで、相互のタンクの脈圧、とりわけ第一水素ガスタンクから第二水素ガスタンクへの脈圧の波及を防止することができる。

本発明にかかるオフサイト型水素ステーションの実施形態を示すシステム構成概略図である。

本発明にかかるオフサイト型水素ステーション１は、１以上の水素ガスタンク１０と、該水素ガスタンク１０から水素ガス２１の供給を受け燃料電池車４０に水素ガス２１を補給するための水素補給手段３０と、該水素ガスタンク１０から水素ガス２１の供給を受け発電する燃料電池５０と、該燃料電池５０が排気する窒素リッチガス５４を貯留する窒素ガスタンク６０と、該窒素ガスタンク６０から窒素リッチガス５４の供給を受け外部へ該窒素リッチガス５４を供給するための窒素供給手段８０と、が具備されている構成を最大の特徴とする。
以下、本発明にかかるオフサイト型水素ステーション１の実施形態、すなわち、システム構成と動作とを、図面に基づいて説明する。
なお、ガス運搬車２０、水素補給手段３０、燃料電池車４０、並びに燃料電池５０は、既に公知のものであるので、説明の詳細については省略する。

さらに、本発明にかかるオフサイト型水素ステーション１は、以下に述べる実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内、すなわち同一の作用効果を発揮できる機器や前記機器の素材もしくは形状などに関して適宜変更することができる。

図１は、本発明にかかるオフサイト型水素ステーション１の実施形態を示すシステム構成概略図である。
本発明にかかるオフサイト型水素ステーション１は、主要な構成として、１以上の水素ガスタンクと、該水素ガスタンク１０から水素ガス２１の供給を受け燃料電池車４０に水素ガス２１を補給するための水素補給手段３０と、該水素ガスタンク１０から水素ガス２１の供給を受け発電する燃料電池５０と、該燃料電池５０が排気する窒素リッチガス５４を貯留する窒素ガスタンク６０と、該窒素ガスタンク６０から窒素リッチガス５４の供給を受け外部へ窒素リッチガス５４を供給するための窒素供給手段８０と、で構成されている。

オフサイト型水素ステーション１は、燃料電池車４０に水素ガス２１を補給するための補給所である。燃料電池車４０に補給される水素ガス２１は、水素ガスタンク１０内部に充填され、水素ガス２１の計量を行う水素補給手段３０を介して燃料電池車４０へと送気・充填される。

水素ガスタンク１０は、水素ガス２１を貯蔵し、水素補給手段３０及び燃料電池５０へ該水素ガス２１を送気する目的で備えられる。

水素ガスタンク１０は、第一水素ガスタンク１１及び第二水素ガスタンク１２が配設される態様が望ましい。これは、燃料電池５０を後から設置する場合の施工的な利便性や、脈圧の相互の波及防止のためである。
水素ガスタンク１０や周囲の配管（１３乃至１５）は、およそ７０ＭＰａの超高圧に耐える必要があり、設置の後に加工するとそれらの耐圧が下がってしまう恐れがある。
また、燃料電池車４０に水素ガス２１が送気されている状態は、送気開始や送気停止などで急激な圧力変動（アンダーシュート・オーバーシュート）が起りやすい。その際、燃料電池５０の出力する電力（電圧）が変化してしまうことが多い。その意味で、第一水素ガスタンク１１の脈圧が燃料電池５０へ伝達されるのを防止するために、第一水素ガスタンク１１と第二水素ガスタンク１２とに分けられるという態様が好適となる。

第一水素ガスタンク１１より水素補給手段３０、第二水素ガスタンク１２より燃料電池５０への水素ガス２１の供給は、それぞれ別系統の水素供給管路１３によって行われる。

第一水素ガスタンク１１と第二水素ガスタンク１２とは、連通管路１５によって連通される。また、連通管路１５の所定中間箇所には、解放バルブ１６が備えられている。
解放バルブ１６は、平時は閉弁されていて、第一水素ガスタンク１１もしくは第二水素ガスタンク１２のどちらかの圧力が所定圧を下回った場合に解放・開弁される。その場合、解放バルブ１６が解放・開弁されると、圧力が高い側のタンクより低い側のタンクへ、両者の圧が均衡するまで水素ガス２１が供給される。つまり、圧力が低い側のタンクへ圧力が高い側のタンクから水素ガス２１を供給することで、圧力が低い側の水素ガス２１の残存量を増やすのである。これは、使用量（需要量）の多い側への便宜を図る目的である。
なお、解放バルブ１６の開閉圧はチャタリング様の動作を防止するため、開弁圧と閉弁圧とに所定差をつけることが望ましい。この場合、開弁圧が閉弁圧より低圧とすればよい。

第一水素ガスタンク１１と第二水素ガスタンク１２には、充填口１９及び充填管路１４を介して水素充填車２０から水素ガス２１の充填が行われる。充填管路１４の所定中間箇所には逆止弁１８と充填遮断バルブ１７が配設される。充填遮断バルブ１７は、水素ガス２１が水素タンク１０に充填されている時のみ開弁されればよく、逆止弁１８はそのバックアップである。

充填管路１４と連通管路１５とは、同じ管路である重複箇所を有する態様が望ましい。これは、施工のし易さと部材節減とによる。
その場合、解放バルブ１６は第一水素ガスタンク１１もしくは第二水素ガスタンク１２側に、逆止弁１８と充填遮断バルブ１７とは、充填口１９側にそれぞれ配設される必要が存する。

水素補給手段３０は、第一水素ガスタンク１１より水素供給管路１３を介して供給される水素ガス２１を、燃料電池車４０へ補給・充填する。

燃料電池５０は、酸素５２と水素ガス２１とを水５３とする反応によって電力５１を発生させる。
前記反応により、窒素リッチガス５４と水５３とが排気・排水される。
前記酸素５２については、大気中に含まれるものであり、すなわち、前記反応に供される酸素５２が除かれたその余が窒素リッチガス５４である。
多くの場合、窒素リッチガス５４の窒素濃度は略９０乃至９５％である。残り略４乃至９％が酸素、略１％がその他のガスである。
なお、通常、大気の窒素濃度は略８０%程度である。

燃料電池５０の発する電力５１は、外部送電が可能であり、且つ、水素ステーション１内の電力を要する機器のバックアップ用電源として使用可能である。
このとき、平時には外部送電を行い、商用電源の喪失時に水素ステーション１の電力５１を要する機器のバックアップ用電源とする動作態様が望ましい。
また、燃料電池５０の発する電力は、直流であるので、ＤＣ−ＡＣ変換を行うためのインバーターや、周波数変換手段（周波数変換装置）、電圧変換手段（トランス・キュービクル）などを介して出力される構成も想定される。

燃料電池５０から排気された窒素リッチガス５４は、窒素ガスタンク６０に貯留される。すなわち、窒素ガスタンク６０は、窒素リッチガス５４を貯蔵し、窒素供給手段８０へ該窒素リッチガス５４を送気する目的で備えられる。

窒素ガスタンク６０から窒素供給手段８０への窒素リッチガス５４の供給は、窒素供給管路６１によって行われる。該窒素供給管路６１の所定中間箇所には、逆止弁６３が配設される。

また、窒素供給管路６１において、その所定中間箇所に増圧弁７０を具備する態様が望ましい。該増圧弁７０は、窒素ガスタンク６０から供給される窒素リッチガス５４を増圧して窒素供給手段８０へ送気する目的で装備されるもので、常法の増圧弁７０を使用すれば足りる。かかる増圧弁７０を具備した態様を採る場合、逆止弁６３は該増圧弁７０の後段に配設される。

窒素供給手段８０は、窒素ガスタンク６０より窒素供給管路６１を介して供給される窒素リッチガス５４を、ガス運搬車２０の空になったタンクや、燃料電池車４０のタイヤなど、必要箇所へ供給・充填するものである。かかる窒素供給手段８０の具体的構造については、水素補給手段３０と同様、既に公知のガス供給装置を使用するもので、説明の詳細については省略する。

水素ステーション１の防爆をより担保するための手段として、第一水素ガスタンク１１や第二水素ガスタンク１２について、遮蔽され隔絶されている区画Ａに配置される構成が想定される。
さらに、その区画Ａの内部には、燃料電池５０が排出する窒素リッチガス５４がパージされる構成が想定される。
区画Ａが遮蔽され隔絶されると共に、酸素濃度が低い窒素リッチガス５４が区画Ａにパージされることで、水素ガスタンク１０から水素ガス２１が漏出した場合であっても、爆発が起こり難くなる。

以上の構成から成る本発明にかかるオフサイト型水素ステーション１は、燃料電池５０が具備され、該燃料電池５０により副産物として生成される窒素リッチガス５４を適宜供給して、該窒素リッチガス５４の有効利用を図ることができるもので、ガス運搬車２０の空になったタンクに窒素リッチガス５４を供給充填することにより、タンクが窒素リッチガス５４でパージされて防爆性向上が見込まれ、且つ、水素ガス２１を運搬してきたガス運搬車２０を窒素リッチガス５４の運搬に利用することにより、該ガス運搬車２０の運転効率の向上が見込まれ、いままで燃料電池５０において捨てられてきた窒素リッチガス５４の有効活用と採算運用に資することとなる。

本発明にかかるオフサイト型水素ステーションは、以上の構成及び動作態様を有することで、「発明の効果」記載の通り、水素ステーションとして多くの効果を奏するものである。
したがって、産業上の利用可能性は大であると思料する。

１ 水素ステーション
１０ 水素ガスタンク
１１ 第一水素ガスタンク
１２ 第二水素ガスタンク
１３ 水素供給管路
１４ 充填管路
１５ 連通管路
１６ 解放バルブ
１７ 充填遮断バルブ
１８ 逆止弁
１９ 充填口
２０ ガス運搬車
２１ 水素ガス
３０ 水素補給手段
４０ 燃料電池車
５０ 燃料電池
５１ 電力
５２ 酸素（大気）
５３ 水
５４ 窒素リッチガス
６０ 窒素ガスタンク
６１ 窒素供給管路
６３ 逆止弁
７０ 増圧弁
８０ 窒素供給手段
Ａ 区画

Claims (4)

1. 燃料電池車に水素ガスを補給するためのオフサイト型水素ステーションであって、
   ガス運搬車により運搬されてきた水素ガスを充填する１以上の水素ガスタンクと、
   該水素ガスタンクから水素ガスの供給を受け燃料電池車に水素ガスを補給するための水素補給手段と、
   該水素ガスタンクから水素ガスの供給を受け発電する燃料電池と、
   該燃料電池が排気する窒素リッチガスを貯留する窒素ガスタンクと、
   該窒素ガスタンクから窒素リッチガスの供給を受け該窒素リッチガスを外部へ供給するための窒素供給手段と、
   が具備されていることを特徴とするオフサイト型水素ステーション。
2. 前記窒素ガスタンクから前記窒素供給手段へ窒素リッチガスを供給する窒素供給管路が具備され、該窒素供給管路の所定中間箇所に増圧弁が具備されていることを特徴とする請求項１に記載のオフサイト型水素ステーション。
3. 前記水素ガスタンクから前記水素補給手段もしくは前記燃料電池へ水素ガスを供給する水素供給管路が具備され、
   前記水素ガスタンクは、前記水素補給手段を介して燃料電池車に水素ガスを供給するための第一水素ガスタンクと、前記燃料電池に水素ガスを供給するための第二水素ガスタンクと、から成ることを特徴とする請求項１または２に記載のオフサイト型水素ステーション。
4. 前記水素ガスタンクが隔絶された区画に配置されるとともに、該区画が前記燃料電池の排気する窒素リッチガスによってパージされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のオフサイト型水素ステーション。