JP3583857B2 - 水素貯蔵利用装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー源として水素を貯蔵、利用する水素貯蔵利用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、石油等の化石燃料の枯渇と炭酸ガスの増加に起因する地球環境問題から、クリーンな水素エネルギーが注目されている。水素エネルギーを現在の電力システムにかわるエネルギーシステムとして実用化するためには、燃料としての水素を安全且つ経済的に製造、輸送、貯蔵し利用する機器及びシステムの開発が不可欠である。特に、輸送、貯蔵については、その媒体として液化水素が、その軽量とコンパクト性の点から有望視されている。
【０００３】
然し乍ら、液化水素は、沸点が−２５２．９℃と極低温のため、極めて蒸発しやすく、通常の貯蔵状態では、１日に１％程度が気化して、ボイルオフガスとして大気中に逸散してしまう。また、液化水素を液化水素貯蔵容器に充填する際には、全充填量の約１０％にも達する大量の液化水素が気化し、所謂フラッシュ水素ガスとして大気中に逸散してしまう。従って、安全性及び経済性の点から、液化水素は、長期にわたる輸送、貯蔵には適さない。
【０００４】
このため、例えば、特開昭５１−３９４２３号公報や特開平６−２９３２９０号公報に開示されているように、大量の水素と可逆的に反応して、水素を吸収、放出する機能を持つ水素吸蔵合金を補助的な貯蔵媒体として備え、これにボイルオフ水素ガスを吸収、貯蔵させることにより、液化水素貯蔵あるいは輸送の安全性、信頼性及び経済性の向上が図られている。
【０００５】
一方、水素吸蔵合金は、その温度により水素を吸収、放出する境となる圧力（平衡水素圧力）を大きく変化させる。また、これに伴って、水素を吸収、放出す る速度も大きく変化する。特に、水素を放出する際には吸熱するため、適当な加熱機構によりこの反応熱を与えないと、放出反応が停止してしまう。
【０００６】
このため、特開昭６３−１２１２６６号公報に開示されているように、水素利用機器と しての燃料電池の排熱により、水素吸蔵合金を加熱する方法が図られている。
【０００７】
この水素吸蔵合金を補助的な貯蔵媒体として備えた液化水素貯蔵装置及び燃料電池などの水素利用機器からなる水素貯蔵装置においては、蓄熱槽を備えていない。よって、燃料電池などの負荷の稼働状態及び液化水素からの気化水素の発生速度に応じて、安全且つ有効に水素を貯蔵、利用することは極めて難しかった。
【０００８】
また例えば、電力需要は、昼間と夜間で大きく異なるため、水素吸蔵合金容器と燃料電池等の水素利用機器との間に、単に熱交換機構を設けただけでは、電力需要の少ない夜間や、夏日の昼間の急激な気温の上昇時に水素吸蔵合金容器の水素貯蔵容量を超えるボイルオフ水素ガスが発生し、余剰のボイルオフ水素ガスは廃棄せざるを得ない。また、液化水素を液化水素貯蔵容器に充填する際に、発生する大量のフラッシュ水素ガスを急速に安定して吸収、貯蔵する機能がないため、これを廃棄せざるを得ない。
【０００９】
これに対して、水素吸蔵合金容器の水素貯蔵容量及び水素吸収速度を十分に確保するために、用いる水素吸蔵合金の量を多くする方法があるが、装置の大型化と設備コストの上昇が避けられない。
【００１０】
一方、水素吸蔵合金がフラッシュ水素ガスやボイルオフ水素ガスを吸収する際には反応熱が発生し、その値は、水素ガス１ｍｏｌあたり約３０ｋＪである。この値は 、水素の燃焼熱（水素ガス１ｍｏｌあたり２８６ｋＪ）の約１０％にも達する。しかし、従来の液化水素貯蔵と水素吸蔵合金貯蔵を組み合わせた水素貯蔵装置では、この反応熱を回収、利用できないため、水素エネルギーの利用効率が低下してしまう。
【００１１】
このため、例えば、水素利用機器として、高効率な熱併給発電が可能な燃料電池の適用性の高い都市や郊外のエネルギー需要地では、安全性、信頼性及び経済性の点から、水素貯蔵装置及び利用装置として実用に供することは極めて難しかった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みて成されたものであって、液化水素を用いて、フラッシュ水素ガス、ボイルオフ水素ガスを水素吸蔵合金が吸収する際の反応熱を有効利用するものである。
【００１３】
また本発明の課題は、水素貯蔵利用装置のエネルギー効率を向上させるものである。
【００１４】
更に、燃料である水素の貯蔵装置の安全性、信頼性及び経済性の点から適用が困難であった、高効率な熱併給発電が可能な燃料電池を都市や郊外のエネルギー需要地に適用するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液化水素貯蔵容器１への液化水素充填時のフラッシュ水素ガス及び貯蔵時の前記液化水素貯蔵容器１からのボイルオフ水素ガスを吸収する水素吸蔵合金４と、この水素吸蔵合金４を収容する水素吸蔵合金容器３とからなる水素貯蔵装置を備え、この水素貯蔵装置と、水素配管37で連結された燃料電池５とから構成される水素貯蔵利用装置において、次の配管経路を備える。
【００１６】
即ち、前記燃料電池５と蓄熱槽６との間を蓄熱媒体７を介して熱交換する熱交換器９と、前記熱交換器９と前記蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させ
るための第１配管経路と、前記水素吸蔵合金容器３に配置された熱交換器８と前記蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させるための第２配管経路と、低温の蓄熱媒体を前記第２の配管経路に導入するために接続された第３配管経路と、前記低温の蓄熱媒体を前記蓄熱槽６に導入するために接続された第４配管経路とから構成されたものである。
【００１７】
ここで、蓄熱媒体７としては、水が最適である。
【００１９】
そして、水素吸蔵合金4としては、その平衡水素圧力が、40℃で1Mpaを超えないものが好ましい。また、その平衡水素圧力が、100℃で大気圧を超えるようにしてもよい。
【００２０】
上記本発明の水素貯蔵利用装置では、水素吸蔵合金容器内の水素吸蔵合金と水素利用機器との間を蓄熱槽を介して熱交換する熱交換器を備えているため、負荷需要をこえるボイルオフ水素ガスが発生した場合でも、熱交換器で水素利用機器を稼働させて熱に変換して蓄熱することができる。また、蓄熱媒体を水素吸蔵合金容器内の熱交換器を経て蓄熱槽に導入する第１配管経路を備えているため、水素吸蔵合金がフラッシュ水素ガスやボイルオフ水素ガスを吸収する際に発生する反応熱を有効に回収し、蓄熱槽に蓄熱することができる。
【００２１】
このため、液化水素充填時のフラッシュ水素ガスや貯蔵時のボイルオフ水素ガスを貯蔵規模及び負荷規模に見合った、必要最小限の水素貯蔵容量を持つ水素吸蔵合金容器で安定して貯蔵、利用できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例につき詳述する。
【００２３】
本発明の水素貯蔵利用装置の一実施例の構成を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の水素貯蔵利用装置の概略説明図である。この図１において、液化水素貯蔵容器１は、液化水素を貯蔵するものである。ここへの液化水素充填時、フラッシュ水素ガスが発生する。また、液化水素貯蔵時、この液化水素貯蔵容器１からのボイルオフ水素ガスが発生する。これらフラッシュ水素ガス及びボイルオフ水素ガスを吸収させるために、水素吸蔵合金４が用意されている。この水素吸蔵合金４は、水素吸蔵合金容器３に収容されている。これらを水素貯蔵装置と称している。
【００２４】
また、水素配管37で連結された燃料電池５と、上述の水素貯蔵装置とは、水素貯蔵利用装置を構成している。この水素貯蔵利用装置は、以下Ａ〜Ｄの配管経路を備えている。
【００２５】
Ａ（第１配管経路）・・・・燃料電池５と蓄熱槽６との間を蓄熱媒体７を介して熱交換する熱交換器９と、この熱交換器９と蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させるためのもの、
Ｂ（第２配管経路）・・・・水素吸蔵合金容器３に配置された熱交換器８と蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させるためのもの、
Ｃ（第３配管経路）・・・・低温の蓄熱媒体を上記第２の配管経路に導入するために接続されたもの、
Ｄ（第４配管経路）・・・・低温の蓄熱媒体を、蓄熱槽６に導入するために接続されたもの。
【００２６】
更に、詳細に本発明を、説明していく。上述の水素貯蔵装置において、液化水素貯蔵容器１には、液化水素２が充填される。その構成は、例えば、タンクローリー車（岩谷産業株式会社にカタログ掲載）用などに用いられている、従来公知の容器構造のものが使える。
【００２７】
熱交換器８を備えた水素吸蔵合金容器３には、水素吸蔵合金４が充填されている。この熱交換器８の熱交換構造は、例えば特公平１−５９２０２号公報に示されてい るような、従来公知の構造が適用できる。
【００２８】
また、熱交換器９を備えた燃料電池５は、電灯負荷などの電力負荷 10 に、電送線 38 を通じて電力を供給する。この燃料電池５としては、特にその形式に制限は無く、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型や固体高分子膜を電解質に用いたものも適用できる。また、その熱交換構造は、例えばリン酸型燃料電池であれば「燃料電池の技術と経済性 株式会社シーエムシー社発行 1985年18頁」に示されているような、従来公知の構造が適用できる。
【００２９】
これらの液化水素貯蔵容器１、水素吸蔵合金容器３及び燃料電池５内の水素極（図示せず）は、バルブ１３、バルブ１５及びバルブ１６を介して、水素ガスを流通させる水素配管３７で連結されている。また、液化水素貯蔵容器１は、バルブ１２を介して液化水素注入口２７を有している。そして、水素吸蔵合金容器３は、バルブ１４を介して、フラッシュ水素導入口２８を備える。
【００３０】
上記水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８は、蓄熱媒体７を充填した蓄熱槽６と、この蓄熱媒体７を循環させるためのポンプ２１及びバルブ１９を介して、熱媒配管２４で連結されている。また、前記蓄熱槽６には、前記蓄熱媒体７に浸漬された蓄熱媒体入口３０及び蓄熱媒体出口３１が備えられている。そして、蓄熱媒体導入口３６は、バルブ１８を介して、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に浸漬された蓄熱媒体出口２９と熱媒配管３９で連結されている。更に、バルブ１７を介して水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８と蓄熱媒体７を充填した蓄熱槽６とを連結する熱媒配管２４に連結され、蓄熱媒体導入口３６から導入された蓄熱媒体が、水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８を経由して、蓄熱媒体出口３１で蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に連結される。
【００３１】
尚、熱媒体入口３０、バルブ１９、熱交換器８、熱媒配管２４、ポンプ２１及び熱媒体出口３１のルートは、第２配管経路を構成している。
【００３２】
燃料電池５は、蓄熱媒体７を充填した蓄熱槽６及び蓄熱媒体７を循環させるためのポンプ２２を介して熱媒配管２５で連結され、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に浸漬された蓄熱媒体入口３２及び蓄熱媒体出口３３を備える。尚、熱媒体入口３２、熱媒配管２５、熱交換器９、ポンプ２２及び熱媒体出口３３のルートは、第１配管経路を構成している。
【００３３】
給湯負荷などの熱負荷１１は、蓄熱媒体７を充填した蓄熱槽６及び前記蓄熱媒体７を循環させるためのポンプ２３を介して熱媒配管２６で連結され、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に浸漬された蓄熱媒体入口３５及び蓄熱媒体出口３４を備える。
【００３４】
次に、この水素貯蔵利用装置を、１００戸規模の集合住宅用のエネルギー供給装 置として構成した場合の具体例について、説明する。
【００３５】
まず、負荷の規模と、必要な水素貯蔵量について検討する。「１９９３年版、資源エネルギー年鑑、資源エネルギー庁監修、通産資料調査会発行、ｐ６５２」によれば、日本における家庭用電力需要に相当する年間の電灯電力需要総量は、１８２，９０９ ×１０６ｋＷｈである。これを、４人家族の家庭一戸当たり、１日当たりに換算すると、１６．７ｋＷｈ／日となる。また、「１９９３年版、資源エネルギー年鑑、資源エネルギ ー庁監修、通産資料調査会発行、ｐ７２６」によれば、都市ガス需要量は、家庭一戸当たり、一日当たり１４ｋＷｈ／日と推定される。
【００３６】
よって、一戸当たり、一日当たりの電力負荷及び熱負荷を各々、２０ｋＷｈ／（日・ 戸）、２０ｋＷｈ／（日・戸）と想定できる。更に、燃料電池の発電効率及び熱利用効率 を各々、リン酸型燃料電池の典型的な値である４０．０％、５０．０％とすると、１００戸 の集合住宅、一日当たりに必要な水素量として、１，５００Ｎｍ３（＝１，８００ Ｌ−ｌｉｑＨ）と なる。ここで、液化水素の輸送、充填周期を１５日とすると、必要な水素貯蔵量は２３，０００Ｎｍ３（＝２７，１００Ｌ−ｌｉｑＨ）となる。燃料電池の排熱は、２２，５００ｋＷｈ（発電効率４０．０％、熱利用効率５０．０％の場合）であり、これで熱負荷３０，０００ｋＷｈを賄える。
【００３７】
次に、上記の負荷規模に見合う本発明の水素貯蔵利用装置の性能仕様について述べる。まず、３０，０００Ｌ−ｌｉｑＨ規模の液化水素貯蔵容器１のフラッシュ水素ガスとボイルオフ水素ガスを各々、１０ｖｏｌ％／１充填、１ｖｏｌ％／日とし、ボイルオフ水素ガスによる負荷稼働率を８０％とする。この結果、液化水素による貯蔵量は、２３，０００Ｎｍ３（＝２７，１００ Ｌ−ｌｉｑＨ）、フラッシュ水素ガスを吸収する水素吸蔵合金容器 ３による貯蔵量は、２，３００Ｎｍ３となる。
【００３８】
ここで、水素吸蔵合金４として、１〜１．５ｗｔ％の水素貯蔵量を持つ公知のＬａＮｉ５合金を用い、また燃料電池５としては、８０℃程度の排熱回収が可能なリン酸型燃料電池を用いている。更に、この燃料電池５の規模を３００ｋＷとし、蓄熱媒体７と して水を用いて、燃料電池５の排熱で２０℃の水を燃料電池５の排熱温度レベルである８０℃に昇温して蓄熱槽６で蓄熱し、給湯等の熱負荷１１を賄うものとする。尚、蓄熱容量は、有効利用できる排熱の全量に相当する１９，３３２，０００ｋＪとする。ここでは、蓄熱媒体７として水を用いているが、これは、安価で熱容量が大きい上、そのまま給湯等の熱負荷１１に供給できるなど、多くの利点を有するためである。尚、前記燃料電池５の排熱温度が１００℃以上の場合には、加圧水や、オイルを蓄 熱媒体７として用いることができる。
【００３９】
以上の基本条件に、耐圧容器、蓄熱媒体容器等の実際のシステム構成を考慮すると、構成機器の諸元は、表１に示すようになる。尚、ここで用いるＬａＮｉ５合金 は約１９トンである。
【００４０】
【表１】
【００４１】
その結果、液化水素貯蔵容器１と水素吸蔵合金貯蔵容器３及び燃料電池５を含む全システムの体積は２４２ｍ３、重量は９４，６００ｋｇとなる。各構成要素の平均の高さを約３ｍとすると、約９ｍ四方の設置面積となり、１００戸規模の集合住宅への設 置可能性は十分あると言える。また、蓄熱槽６については、水深を約２ｍとすると、１０ｍ×２０ｍ程度の設置スペースとなり、地下水槽として設置できる大きさである。
【００４２】
尚、水素吸蔵合金４としては、ＬａＮｉ５に代表されるＣａＣｕ５型構造の水素吸蔵合金、ＺｒＭｎ２、ＴｉＭｎ２あるいはＭｇ２Ｎｉに代表されるＭｇＺｎ２型構造を持つラベス相水素吸蔵合金、ＴｉＦｅ、ＴｉＣｏに代表されるＣｓＣｌ型の水素吸蔵合金及びこれらの水素吸蔵合金を基に組成多元化などで水素吸収放出特性等の改良を図った水素吸蔵合金を用いることができる。用いる水素吸蔵合金４の特性の内、特に平衡水素圧力と水素吸収量は、設備コストに係わる合金量と、安全性、信頼性に係わる水素吸収、貯蔵、放出圧力の決定因子として重要である。この観点から、本水素貯蔵利用装置が、よりその効果を発揮できる合金性能を、以下に具体的に述べる。
【００４３】
まず、平衡水素圧力については、夏日の日中の最高到達温度に相当する４０℃で通常の耐圧容器の信頼性を確保できる、１ＭＰａを超えないものが好ましい。これ により、本発明水素貯蔵利用装置の適用範囲が、気象条件の過酷な所にも拡がる。このような水素吸蔵合金として、例えば上記のＬａＮｉ５水素吸蔵合金やＣａＮｉ５水素吸蔵合金、ＴｉＣｏ水素吸蔵合金、ＺｒＭｎ２水素吸蔵合金、Ｍｇ２Ｎｉ水素吸蔵合金及びこれらの水素吸蔵合金を基に組成多元化などで特性の改良を図った水素吸蔵合金などが適用できる。
【００４４】
また、水素吸蔵合金４の平衡水素圧力は、１００℃で大気圧を超えることが望ま しい。これにより、蓄熱媒体７として、種々の利点を有する水を用いて水素吸蔵合金４を加熱する。そして、貯蔵されている水素を、燃料電池５など水素利用機器に安定して供給でき、その信頼性が向上する。ここで使用される水素吸蔵合金としては、例えば上記のＬａＮｉ５合金やＣａＮｉ５水素吸蔵合金、ＴｉＦｅ水素吸蔵合金及びこれらの水素吸蔵合金を基に組成多元化などで特性の改良を図った水素吸蔵合金などが適用できる。
【００４６】
次に、液化水素の貯蔵と、利用方法を説明する。液化水素の充填について説明すると、タンクローリーなどで輸送されてきた液化水素は、液化水素注入口２７より液化水素貯蔵容器１に充填される。また、この時に発生するフラッシュ水素ガスは、フラッシュ水素導入口２８から水素吸蔵合金容器３内に導入され、水素吸蔵合金４に吸収される。尚、あらかじめ水素吸蔵合金４が、水素をほとんど放出した状態になるよう、水素吸蔵合金４に貯蔵された水素で燃料電池５を運転しておくことが望ましい。
【００４７】
この時、バルブ１２及びバルブ１３は全閉状態とし、バルブ１４は全開状態とする。バルブ１５及びバルブ１６は、燃料電池５が稼働している時は負荷に応じた水素を供給できる様に、開度が調節される。更に、フラッシュ水素ガスと水素吸蔵合金４との反応熱を回収して蓄熱するために、蓄熱媒体導入口３６から導入された室温レベルの蓄熱媒体７が、水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８を経由して、 蓄熱媒体出口３１で蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に連結されるよう、バルブ１７を全開に、一方バルブ１９を全閉にする。液化水素の充填が完了した時点で、バルブ１２及びバルブ１４を全閉とする。この結果、有効に蓄熱される熱は、８００ｋＷｈにも達する。
【００４８】
尚、従来技術では、これを有効に利用できないばかりか、フラッシュ水素ガスを安定して吸収できず、廃棄せざるを得なかったものである。
【００４９】
次に、このようにして貯蔵した液化水素で燃料電池５を駆動して、電力負荷１０及び熱負荷１１に、電力及び熱を供給する利用方法について述べる。
（１）負荷の電力、熱需要がボイルオフ水素ガスの発生速度を超える場合
昼間の空調負荷などのピークに相当する場合である。この場合は、バルブ１３、バルブ１５及びバルブ１６を全開状態として液化水素貯蔵容器１及び水素吸蔵合金貯蔵容器５より水素ガスを燃料電池に供給する。
【００５０】
この時、バルブ１７を全閉状態に、バルブ１９を全開状態として、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７を水素吸蔵合金貯蔵容器３内の熱交換器８を経由して、蓄熱媒体入口３０と蓄熱媒体出口３１の間で循環させ、水素吸蔵合金４を加熱して水素ガスを放出させる。
（２）負荷の電力、熱需要がボイルオフ水素ガスの発生速度と同等の場合
この場合は、バルブ１３及びバルブ１６を全開状態として、液化水素貯蔵容器１より水素ガスを燃料電池に供給する。
【００５１】
この時、バルブ１７及びバルブ１９を全閉状態として、水素吸蔵合金４が水素ガスを吸収、放出しないようにする。
（３）負荷の電力、熱需要がボイルオフ水素ガスの発生速度を下まわる場合
夜間の負荷が小さい場合である。この場合は、バルブ１３、バルブ１５及びバルブ１６を全開状態として、液化水素貯蔵容器１より水素吸蔵合金貯蔵容器３及び燃料電池に水素ガスを供給する。
【００５２】
この時、水素吸蔵合金貯蔵容器５はボイルオフ水素ガスを吸収して発熱するため、これを蓄熱するために、蓄熱媒体導入口３６から導入された室温レベルの蓄熱媒体７が、水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８を経由して蓄熱媒体出口３１で蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に連結されるよう、バルブ１７を全開に、一方バルブ１９を全閉にする。
（４）負荷の電力、熱需要がボイルオフ水素ガスの発生速度を下まわり、且つ水素吸蔵合金の貯蔵容量を超える場合
長期にわたり負荷が小さい場合あるいは燃料電池５が停止した場合である。この場合は、バルブ１３、バルブ１５及びバルブ１６を全開状態として液化水素貯蔵容器１及び水素吸蔵合金貯蔵容器３より水素ガスを燃料電池５に供給する。この時、燃料電池５の発電量が電力負荷１０に見合うよう運転条件を調節し、余剰の熱は蓄熱槽６内の蓄熱媒体７を燃料電池５内の熱交換器９を経由して蓄熱媒体入口３２と蓄熱媒体出口３３の間で循環させ、蓄熱させる。
【００５３】
また、バルブ１７を全閉状態に、バルブ１９を全開状態として、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７を水素吸蔵合金貯蔵容器３内の熱交換器８を経由して蓄熱媒体入口３０と蓄熱媒体出口３１の間で循環させ、水素吸蔵合金４を加熱して水素ガスを放出し、ボイルオフ水素ガスが吸収できる状態にする。この結果、従来は廃棄せざるを得なかった過剰なボイルオフ水素ガスも有効にエネルギーとして利用できる。
【００５４】
尚、蓄熱媒体導入口36、バルブ17、熱交換器８、熱媒配管24、ポンプ21、熱媒体出口31及び蓄熱槽６のルートは、第３配管経路を構成している。また、蓄熱媒体入口36、熱媒配管39、バルブ18、蓄熱媒体出口 29及び蓄熱槽６のルートは、第４配管経路を構成している。
【００５５】
ここで、燃料電池５の排熱は、常に蓄熱槽６内の蓄熱媒体７を燃料電池５内の熱交換器９を経由して蓄熱媒体入口３２と蓄熱媒体出口３３の間で循環させることにより蓄熱され、その一部は、水素吸蔵合金４を加熱して水素ガスを放出させるエネルギーとして利用される。
【００５６】
更に、蓄熱媒体７は、給湯などの熱負荷１１の熱需要量に応じて、蓄熱媒体入口３５と蓄熱媒体出口３４の間で循環され、一部は熱負荷１１で消費される。このため、バルブ１８及びバルブ２０は、給湯などの熱負荷１１による蓄熱媒体７の消費量に応じて過不足なく蓄熱槽６に供給されるよう、その開度が調整される。
【００５７】
このようにして、本発明の水素貯蔵利用装置では、フラッシュ水素ガス、ボイルオフ水素ガスを水素吸蔵合金が吸収する際の反応熱を回収し、蓄熱槽に蓄熱し、有効利用できるため、高いエネルギー効率が実現できる。同時に、蓄熱槽は、水素吸蔵合金の貯蔵容量を超えるボイルオフ水素ガスが発生した場合でも、これを廃棄することなく、熱として有効に貯蔵、利用でき、効率面のみならず、安全性、信頼性の面でも大きな利点を有する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の水素貯蔵利用装置によれば、液化水素充填時のフラッシュ水素ガス及び貯蔵時のボイルオフ水素ガスを貯蔵規模及び負荷規模に見合った、必要最小限の水素貯蔵容量を持つ水素吸蔵合金容器で安定して貯蔵し、燃料電池の排熱を利用することにより、これをエネルギーとして高効率で利用できる。
【００５９】
また、燃料である水素を利用して高効率な熱併給発電が可能な燃料電池を都市や郊外のエネルギー需要地に適用できるものであり、その工業的価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素貯蔵利用装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１ 液化水素貯蔵容器
２ 液化水素
３ 水素吸蔵合金容器
４ 水素吸蔵合金
５ 燃料電池（水素利用機器）
６ 蓄熱槽
７ 蓄熱媒体
８、９ 熱交換器
１０ 電力負荷
１１ 熱負荷
１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０ バルブ
２１、２２、２３ ポンプ
２４、２５、２６ 熱媒配管
２７ 液化水素注入口
２８ フラッシュ水素導入口、
２９ ３１、３３、３４ 蓄熱媒体出口
３０ ３２、３５ 蓄熱媒体入口
３６ 蓄熱媒体導入口
３７ 水素配管
３８ 電送線
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー源として水素を貯蔵、利用する水素貯蔵利用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、石油等の化石燃料の枯渇と炭酸ガスの増加に起因する地球環境問題から、クリーンな水素エネルギーが注目されている。水素エネルギーを現在の電力システムにかわるエネルギーシステムとして実用化するためには、燃料としての水素を安全且つ経済的に製造、輸送、貯蔵し利用する機器及びシステムの開発が不可欠である。特に、輸送、貯蔵については、その媒体として液化水素が、その軽量とコンパクト性の点から有望視されている。
【０００３】
然し乍ら、液化水素は、沸点が−２５２．９℃と極低温のため、極めて蒸発しやすく、通常の貯蔵状態では、１日に１％程度が気化して、ボイルオフガスとして大気中に逸散してしまう。また、液化水素を液化水素貯蔵容器に充填する際には、全充填量の約１０％にも達する大量の液化水素が気化し、所謂フラッシュ水素ガスとして大気中に逸散してしまう。従って、安全性及び経済性の点から、液化水素は、長期にわたる輸送、貯蔵には適さない。
【０００４】
このため、例えば、特開昭５１−３９４２３号公報や特開平６−２９３２９０号公報に開示されているように、大量の水素と可逆的に反応して、水素を吸収、放出する機能を持つ水素吸蔵合金を補助的な貯蔵媒体として備え、これにボイルオフ水素ガスを吸収、貯蔵させることにより、液化水素貯蔵あるいは輸送の安全性、信頼性及び経済性の向上が図られている。
【０００５】
一方、水素吸蔵合金は、その温度により水素を吸収、放出する境となる圧力（平衡水素圧力）を大きく変化させる。また、これに伴って、水素を吸収、放出す る速度も大きく変化する。特に、水素を放出する際には吸熱するため、適当な加熱機構によりこの反応熱を与えないと、放出反応が停止してしまう。
【０００６】
このため、特開昭６３−１２１２６６号公報に開示されているように、水素利用機器と しての燃料電池の排熱により、水素吸蔵合金を加熱する方法が図られている。
【０００７】
この水素吸蔵合金を補助的な貯蔵媒体として備えた液化水素貯蔵装置及び燃料電池などの水素利用機器からなる水素貯蔵装置においては、蓄熱槽を備えていない。よって、燃料電池などの負荷の稼働状態及び液化水素からの気化水素の発生速度に応じて、安全且つ有効に水素を貯蔵、利用することは極めて難しかった。
【０００８】
また例えば、電力需要は、昼間と夜間で大きく異なるため、水素吸蔵合金容器と燃料電池等の水素利用機器との間に、単に熱交換機構を設けただけでは、電力需要の少ない夜間や、夏日の昼間の急激な気温の上昇時に水素吸蔵合金容器の水素貯蔵容量を超えるボイルオフ水素ガスが発生し、余剰のボイルオフ水素ガスは廃棄せざるを得ない。また、液化水素を液化水素貯蔵容器に充填する際に、発生する大量のフラッシュ水素ガスを急速に安定して吸収、貯蔵する機能がないため、これを廃棄せざるを得ない。
【０００９】
これに対して、水素吸蔵合金容器の水素貯蔵容量及び水素吸収速度を十分に確保するために、用いる水素吸蔵合金の量を多くする方法があるが、装置の大型化と設備コストの上昇が避けられない。
【００１０】
一方、水素吸蔵合金がフラッシュ水素ガスやボイルオフ水素ガスを吸収する際には反応熱が発生し、その値は、水素ガス１ｍｏｌあたり約３０ｋＪである。この値は 、水素の燃焼熱（水素ガス１ｍｏｌあたり２８６ｋＪ）の約１０％にも達する。しかし、従来の液化水素貯蔵と水素吸蔵合金貯蔵を組み合わせた水素貯蔵装置では、この反応熱を回収、利用できないため、水素エネルギーの利用効率が低下してしまう。
【００１１】
このため、例えば、水素利用機器として、高効率な熱併給発電が可能な燃料電池の適用性の高い都市や郊外のエネルギー需要地では、安全性、信頼性及び経済性の点から、水素貯蔵装置及び利用装置として実用に供することは極めて難しかった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みて成されたものであって、液化水素を用いて、フラッシュ水素ガス、ボイルオフ水素ガスを水素吸蔵合金が吸収する際の反応熱を有効利用するものである。
【００１３】
また本発明の課題は、水素貯蔵利用装置のエネルギー効率を向上させるものである。
【００１４】
更に、燃料である水素の貯蔵装置の安全性、信頼性及び経済性の点から適用が困難であった、高効率な熱併給発電が可能な燃料電池を都市や郊外のエネルギー需要地に適用するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液化水素貯蔵容器１への液化水素充填時のフラッシュ水素ガス及び貯蔵時の前記液化水素貯蔵容器１からのボイルオフ水素ガスを吸収する水素吸蔵合金４と、この水素吸蔵合金４を収容する水素吸蔵合金容器３とからなる水素貯蔵装置を備え、この水素貯蔵装置と、水素配管37で連結された燃料電池５とから構成される水素貯蔵利用装置において、次の配管経路を備える。
【００１６】
即ち、前記燃料電池５と蓄熱槽６との間を蓄熱媒体７を介して熱交換する熱交換器９と、前記熱交換器９と前記蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させ
るための第１配管経路と、前記水素吸蔵合金容器３に配置された熱交換器８と前記蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させるための第２配管経路と、低温の蓄熱媒体を前記第２の配管経路に導入するために接続された第３配管経路と、前記低温の蓄熱媒体を前記蓄熱槽６に導入するために接続された第４配管経路とから構成されたものである。
【００１７】
ここで、蓄熱媒体７としては、水が最適である。
【００１９】
そして、水素吸蔵合金4としては、その平衡水素圧力が、40℃で1Mpaを超えないものが好ましい。また、その平衡水素圧力が、100℃で大気圧を超えるようにしてもよい。
【００２０】
上記本発明の水素貯蔵利用装置では、水素吸蔵合金容器内の水素吸蔵合金と水素利用機器との間を蓄熱槽を介して熱交換する熱交換器を備えているため、負荷需要をこえるボイルオフ水素ガスが発生した場合でも、熱交換器で水素利用機器を稼働させて熱に変換して蓄熱することができる。また、蓄熱媒体を水素吸蔵合金容器内の熱交換器を経て蓄熱槽に導入する第１配管経路を備えているため、水素吸蔵合金がフラッシュ水素ガスやボイルオフ水素ガスを吸収する際に発生する反応熱を有効に回収し、蓄熱槽に蓄熱することができる。
【００２１】
このため、液化水素充填時のフラッシュ水素ガスや貯蔵時のボイルオフ水素ガスを貯蔵規模及び負荷規模に見合った、必要最小限の水素貯蔵容量を持つ水素吸蔵合金容器で安定して貯蔵、利用できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例につき詳述する。
【００２３】
本発明の水素貯蔵利用装置の一実施例の構成を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の水素貯蔵利用装置の概略説明図である。この図１において、液化水素貯蔵容器１は、液化水素を貯蔵するものである。ここへの液化水素充填時、フラッシュ水素ガスが発生する。また、液化水素貯蔵時、この液化水素貯蔵容器１からのボイルオフ水素ガスが発生する。これらフラッシュ水素ガス及びボイルオフ水素ガスを吸収させるために、水素吸蔵合金４が用意されている。この水素吸蔵合金４は、水素吸蔵合金容器３に収容されている。これらを水素貯蔵装置と称している。
【００２４】
また、水素配管37で連結された燃料電池５と、上述の水素貯蔵装置とは、水素貯蔵利用装置を構成している。この水素貯蔵利用装置は、以下Ａ〜Ｄの配管経路を備えている。
【００２５】
Ａ（第１配管経路）・・・・燃料電池５と蓄熱槽６との間を蓄熱媒体７を介して熱交換する熱交換器９と、この熱交換器９と蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させるためのもの、
Ｂ（第２配管経路）・・・・水素吸蔵合金容器３に配置された熱交換器８と蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させるためのもの、
Ｃ（第３配管経路）・・・・低温の蓄熱媒体を上記第２の配管経路に導入するために接続されたもの、
Ｄ（第４配管経路）・・・・低温の蓄熱媒体を、蓄熱槽６に導入するために接続されたもの。
【００２６】
更に、詳細に本発明を、説明していく。上述の水素貯蔵装置において、液化水素貯蔵容器１には、液化水素２が充填される。その構成は、例えば、タンクローリー車（岩谷産業株式会社にカタログ掲載）用などに用いられている、従来公知の容器構造のものが使える。
【００２７】
熱交換器８を備えた水素吸蔵合金容器３には、水素吸蔵合金４が充填されている。この熱交換器８の熱交換構造は、例えば特公平１−５９２０２号公報に示されてい るような、従来公知の構造が適用できる。
【００２８】
また、熱交換器９を備えた燃料電池５は、電灯負荷などの電力負荷 10 に、電送線 38 を通じて電力を供給する。この燃料電池５としては、特にその形式に制限は無く、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型や固体高分子膜を電解質に用いたものも適用できる。また、その熱交換構造は、例えばリン酸型燃料電池であれば「燃料電池の技術と経済性 株式会社シーエムシー社発行 1985年18頁」に示されているような、従来公知の構造が適用できる。
【００２９】
これらの液化水素貯蔵容器１、水素吸蔵合金容器３及び燃料電池５内の水素極（図示せず）は、バルブ１３、バルブ１５及びバルブ１６を介して、水素ガスを流通させる水素配管３７で連結されている。また、液化水素貯蔵容器１は、バルブ１２を介して液化水素注入口２７を有している。そして、水素吸蔵合金容器３は、バルブ１４を介して、フラッシュ水素導入口２８を備える。
【００３０】
上記水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８は、蓄熱媒体７を充填した蓄熱槽６と、この蓄熱媒体７を循環させるためのポンプ２１及びバルブ１９を介して、熱媒配管２４で連結されている。また、前記蓄熱槽６には、前記蓄熱媒体７に浸漬された蓄熱媒体入口３０及び蓄熱媒体出口３１が備えられている。そして、蓄熱媒体導入口３６は、バルブ１８を介して、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に浸漬された蓄熱媒体出口２９と熱媒配管３９で連結されている。更に、バルブ１７を介して水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８と蓄熱媒体７を充填した蓄熱槽６とを連結する熱媒配管２４に連結され、蓄熱媒体導入口３６から導入された蓄熱媒体が、水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８を経由して、蓄熱媒体出口３１で蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に連結される。
【００３１】
尚、熱媒体入口３０、バルブ１９、熱交換器８、熱媒配管２４、ポンプ２１及び熱媒体出口３１のルートは、第２配管経路を構成している。
【００３２】
燃料電池５は、蓄熱媒体７を充填した蓄熱槽６及び蓄熱媒体７を循環させるためのポンプ２２を介して熱媒配管２５で連結され、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に浸漬された蓄熱媒体入口３２及び蓄熱媒体出口３３を備える。尚、熱媒体入口３２、熱媒配管２５、熱交換器９、ポンプ２２及び熱媒体出口３３のルートは、第１配管経路を構成している。
【００３３】
給湯負荷などの熱負荷１１は、蓄熱媒体７を充填した蓄熱槽６及び前記蓄熱媒体７を循環させるためのポンプ２３を介して熱媒配管２６で連結され、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に浸漬された蓄熱媒体入口３５及び蓄熱媒体出口３４を備える。
【００３４】
次に、この水素貯蔵利用装置を、１００戸規模の集合住宅用のエネルギー供給装 置として構成した場合の具体例について、説明する。
【００３５】
まず、負荷の規模と、必要な水素貯蔵量について検討する。「１９９３年版、資源エネルギー年鑑、資源エネルギー庁監修、通産資料調査会発行、ｐ６５２」によれば、日本における家庭用電力需要に相当する年間の電灯電力需要総量は、１８２，９０９ ×１０６ｋＷｈである。これを、４人家族の家庭一戸当たり、１日当たりに換算すると、１６．７ｋＷｈ／日となる。また、「１９９３年版、資源エネルギー年鑑、資源エネルギ ー庁監修、通産資料調査会発行、ｐ７２６」によれば、都市ガス需要量は、家庭一戸当たり、一日当たり１４ｋＷｈ／日と推定される。
【００３６】
よって、一戸当たり、一日当たりの電力負荷及び熱負荷を各々、２０ｋＷｈ／（日・ 戸）、２０ｋＷｈ／（日・戸）と想定できる。更に、燃料電池の発電効率及び熱利用効率 を各々、リン酸型燃料電池の典型的な値である４０．０％、５０．０％とすると、１００戸 の集合住宅、一日当たりに必要な水素量として、１，５００Ｎｍ３（＝１，８００ Ｌ−ｌｉｑＨ）と なる。ここで、液化水素の輸送、充填周期を１５日とすると、必要な水素貯蔵量は２３，０００Ｎｍ３（＝２７，１００Ｌ−ｌｉｑＨ）となる。燃料電池の排熱は、２２，５００ｋＷｈ（発電効率４０．０％、熱利用効率５０．０％の場合）であり、これで熱負荷３０，０００ｋＷｈを賄える。
【００３７】
次に、上記の負荷規模に見合う本発明の水素貯蔵利用装置の性能仕様について述べる。まず、３０，０００Ｌ−ｌｉｑＨ規模の液化水素貯蔵容器１のフラッシュ水素ガスとボイルオフ水素ガスを各々、１０ｖｏｌ％／１充填、１ｖｏｌ％／日とし、ボイルオフ水素ガスによる負荷稼働率を８０％とする。この結果、液化水素による貯蔵量は、２３，０００Ｎｍ３（＝２７，１００ Ｌ−ｌｉｑＨ）、フラッシュ水素ガスを吸収する水素吸蔵合金容器 ３による貯蔵量は、２，３００Ｎｍ３となる。
【００３８】
ここで、水素吸蔵合金４として、１〜１．５ｗｔ％の水素貯蔵量を持つ公知のＬａＮｉ５合金を用い、また燃料電池５としては、８０℃程度の排熱回収が可能なリン酸型燃料電池を用いている。更に、この燃料電池５の規模を３００ｋＷとし、蓄熱媒体７と して水を用いて、燃料電池５の排熱で２０℃の水を燃料電池５の排熱温度レベルである８０℃に昇温して蓄熱槽６で蓄熱し、給湯等の熱負荷１１を賄うものとする。尚、蓄熱容量は、有効利用できる排熱の全量に相当する１９，３３２，０００ｋＪとする。ここでは、蓄熱媒体７として水を用いているが、これは、安価で熱容量が大きい上、そのまま給湯等の熱負荷１１に供給できるなど、多くの利点を有するためである。尚、前記燃料電池５の排熱温度が１００℃以上の場合には、加圧水や、オイルを蓄 熱媒体７として用いることができる。
【００３９】
以上の基本条件に、耐圧容器、蓄熱媒体容器等の実際のシステム構成を考慮すると、構成機器の諸元は、表１に示すようになる。尚、ここで用いるＬａＮｉ５合金 は約１９トンである。
【００４０】
【表１】
その結果、液化水素貯蔵容器１と水素吸蔵合金貯蔵容器３及び燃料電池５を含む全システムの体積は２４２ｍ３、重量は９４，６００ｋｇとなる。各構成要素の平均の高さを約３ｍとすると、約９ｍ四方の設置面積となり、１００戸規模の集合住宅への設 置可能性は十分あると言える。また、蓄熱槽６については、水深を約２ｍとすると、１０ｍ×２０ｍ程度の設置スペースとなり、地下水槽として設置できる大きさである。
【００４２】
尚、水素吸蔵合金４としては、ＬａＮｉ５に代表されるＣａＣｕ５型構造の水素吸蔵合金、ＺｒＭｎ２、ＴｉＭｎ２あるいはＭｇ２Ｎｉに代表されるＭｇＺｎ２型構造を持つラベス相水素吸蔵合金、ＴｉＦｅ、ＴｉＣｏに代表されるＣｓＣｌ型の水素吸蔵合金及びこれらの水素吸蔵合金を基に組成多元化などで水素吸収放出特性等の改良を図った水素吸蔵合金を用いることができる。用いる水素吸蔵合金４の特性の内、特に平衡水素圧力と水素吸収量は、設備コストに係わる合金量と、安全性、信頼性に係わる水素吸収、貯蔵、放出圧力の決定因子として重要である。この観点から、本水素貯蔵利用装置が、よりその効果を発揮できる合金性能を、以下に具体的に述べる。
【００４３】
まず、平衡水素圧力については、夏日の日中の最高到達温度に相当する４０℃で通常の耐圧容器の信頼性を確保できる、１ＭＰａを超えないものが好ましい。これ により、本発明水素貯蔵利用装置の適用範囲が、気象条件の過酷な所にも拡がる。このような水素吸蔵合金として、例えば上記のＬａＮｉ５水素吸蔵合金やＣａＮｉ５水素吸蔵合金、ＴｉＣｏ水素吸蔵合金、ＺｒＭｎ２水素吸蔵合金、Ｍｇ２Ｎｉ水素吸蔵合金及びこれらの水素吸蔵合金を基に組成多元化などで特性の改良を図った水素吸蔵合金などが適用できる。
【００４４】
また、水素吸蔵合金４の平衡水素圧力は、１００℃で大気圧を超えることが望ま しい。これにより、蓄熱媒体７として、種々の利点を有する水を用いて水素吸蔵合金４を加熱する。そして、貯蔵されている水素を、燃料電池５など水素利用機器に安定して供給でき、その信頼性が向上する。ここで使用される水素吸蔵合金としては、例えば上記のＬａＮｉ５合金やＣａＮｉ５水素吸蔵合金、ＴｉＦｅ水素吸蔵合金及びこれらの水素吸蔵合金を基に組成多元化などで特性の改良を図った水素吸蔵合金などが適用できる。
【００４６】
次に、液化水素の貯蔵と、利用方法を説明する。液化水素の充填について説明すると、タンクローリーなどで輸送されてきた液化水素は、液化水素注入口２７より液化水素貯蔵容器１に充填される。また、この時に発生するフラッシュ水素ガスは、フラッシュ水素導入口２８から水素吸蔵合金容器３内に導入され、水素吸蔵合金４に吸収される。尚、あらかじめ水素吸蔵合金４が、水素をほとんど放出した状態になるよう、水素吸蔵合金４に貯蔵された水素で燃料電池５を運転しておくことが望ましい。
【００４７】
この時、バルブ１２及びバルブ１３は全閉状態とし、バルブ１４は全開状態とする。バルブ１５及びバルブ１６は、燃料電池５が稼働している時は負荷に応じた水素を供給できる様に、開度が調節される。更に、フラッシュ水素ガスと水素吸蔵合金４との反応熱を回収して蓄熱するために、蓄熱媒体導入口３６から導入された室温レベルの蓄熱媒体７が、水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８を経由して、 蓄熱媒体出口３１で蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に連結されるよう、バルブ１７を全開に、一方バルブ１９を全閉にする。液化水素の充填が完了した時点で、バルブ１２及びバルブ１４を全閉とする。この結果、有効に蓄熱される熱は、８００ｋＷｈにも達する。
【００４８】
尚、従来技術では、これを有効に利用できないばかりか、フラッシュ水素ガスを安定して吸収できず、廃棄せざるを得なかったものである。
【００４９】
次に、このようにして貯蔵した液化水素で燃料電池５を駆動して、電力負荷１０及び熱負荷１１に、電力及び熱を供給する利用方法について述べる。
（１）負荷の電力、熱需要がボイルオフ水素ガスの発生速度を超える場合
昼間の空調負荷などのピークに相当する場合である。この場合は、バルブ１３、バルブ１５及びバルブ１６を全開状態として液化水素貯蔵容器１及び水素吸蔵合金貯蔵容器５より水素ガスを燃料電池に供給する。
【００５０】
この時、バルブ１７を全閉状態に、バルブ１９を全開状態として、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７を水素吸蔵合金貯蔵容器３内の熱交換器８を経由して、蓄熱媒体入口３０と蓄熱媒体出口３１の間で循環させ、水素吸蔵合金４を加熱して水素ガスを放出させる。
（２）負荷の電力、熱需要がボイルオフ水素ガスの発生速度と同等の場合
この場合は、バルブ１３及びバルブ１６を全開状態として、液化水素貯蔵容器１より水素ガスを燃料電池に供給する。
【００５１】
この時、バルブ１７及びバルブ１９を全閉状態として、水素吸蔵合金４が水素ガスを吸収、放出しないようにする。
（３）負荷の電力、熱需要がボイルオフ水素ガスの発生速度を下まわる場合
夜間の負荷が小さい場合である。この場合は、バルブ１３、バルブ１５及びバルブ１６を全開状態として、液化水素貯蔵容器１より水素吸蔵合金貯蔵容器３及び燃料電池に水素ガスを供給する。
【００５２】
この時、水素吸蔵合金貯蔵容器５はボイルオフ水素ガスを吸収して発熱するため、これを蓄熱するために、蓄熱媒体導入口３６から導入された室温レベルの蓄熱媒体７が、水素吸蔵合金容器３に備えられた熱交換器８を経由して蓄熱媒体出口３１で蓄熱槽６内の蓄熱媒体７に連結されるよう、バルブ１７を全開に、一方バルブ１９を全閉にする。
（４）負荷の電力、熱需要がボイルオフ水素ガスの発生速度を下まわり、且つ水素吸蔵合金の貯蔵容量を超える場合
長期にわたり負荷が小さい場合あるいは燃料電池５が停止した場合である。この場合は、バルブ１３、バルブ１５及びバルブ１６を全開状態として液化水素貯蔵容器１及び水素吸蔵合金貯蔵容器３より水素ガスを燃料電池５に供給する。この時、燃料電池５の発電量が電力負荷１０に見合うよう運転条件を調節し、余剰の熱は蓄熱槽６内の蓄熱媒体７を燃料電池５内の熱交換器９を経由して蓄熱媒体入口３２と蓄熱媒体出口３３の間で循環させ、蓄熱させる。
【００５３】
また、バルブ１７を全閉状態に、バルブ１９を全開状態として、蓄熱槽６内の蓄熱媒体７を水素吸蔵合金貯蔵容器３内の熱交換器８を経由して蓄熱媒体入口３０と蓄熱媒体出口３１の間で循環させ、水素吸蔵合金４を加熱して水素ガスを放出し、ボイルオフ水素ガスが吸収できる状態にする。この結果、従来は廃棄せざるを得なかった過剰なボイルオフ水素ガスも有効にエネルギーとして利用できる。
【００５４】
尚、蓄熱媒体導入口36、バルブ17、熱交換器８、熱媒配管24、ポンプ21、熱媒体出口31及び蓄熱槽６のルートは、第３配管経路を構成している。また、蓄熱媒体入口36、熱媒配管39、バルブ18、蓄熱媒体出口 29及び蓄熱槽６のルートは、第４配管経路を構成している。
【００５５】
ここで、燃料電池５の排熱は、常に蓄熱槽６内の蓄熱媒体７を燃料電池５内の熱交換器９を経由して蓄熱媒体入口３２と蓄熱媒体出口３３の間で循環させることにより蓄熱され、その一部は、水素吸蔵合金４を加熱して水素ガスを放出させるエネルギーとして利用される。
【００５６】
更に、蓄熱媒体７は、給湯などの熱負荷１１の熱需要量に応じて、蓄熱媒体入口３５と蓄熱媒体出口３４の間で循環され、一部は熱負荷１１で消費される。このため、バルブ１８及びバルブ２０は、給湯などの熱負荷１１による蓄熱媒体７の消費量に応じて過不足なく蓄熱槽６に供給されるよう、その開度が調整される。
【００５７】
このようにして、本発明の水素貯蔵利用装置では、フラッシュ水素ガス、ボイルオフ水素ガスを水素吸蔵合金が吸収する際の反応熱を回収し、蓄熱槽に蓄熱し、有効利用できるため、高いエネルギー効率が実現できる。同時に、蓄熱槽は、水素吸蔵合金の貯蔵容量を超えるボイルオフ水素ガスが発生した場合でも、これを廃棄することなく、熱として有効に貯蔵、利用でき、効率面のみならず、安全性、信頼性の面でも大きな利点を有する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の水素貯蔵利用装置によれば、液化水素充填時のフラッシュ水素ガス及び貯蔵時のボイルオフ水素ガスを貯蔵規模及び負荷規模に見合った、必要最小限の水素貯蔵容量を持つ水素吸蔵合金容器で安定して貯蔵し、燃料電池の排熱を利用することにより、これをエネルギーとして高効率で利用できる。
【００５９】
また、燃料である水素を利用して高効率な熱併給発電が可能な燃料電池を都市や郊外のエネルギー需要地に適用できるものであり、その工業的価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素貯蔵利用装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１ 液化水素貯蔵容器
２ 液化水素
３ 水素吸蔵合金容器
４ 水素吸蔵合金
５ 燃料電池（水素利用機器）
６ 蓄熱槽
７ 蓄熱媒体
８、９ 熱交換器
１０ 電力負荷
１１ 熱負荷
１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０ バルブ
２１、２２、２３ ポンプ
２４、２５、２６ 熱媒配管
２７ 液化水素注入口
２８ フラッシュ水素導入口、
２９ ３１、３３、３４ 蓄熱媒体出口
３０ ３２、３５ 蓄熱媒体入口
３６ 蓄熱媒体導入口
３７ 水素配管
３８ 電送線
Claims (4)
- 液化水素貯蔵容器１への液化水素充填時のフラッシュ水素ガス及び貯蔵時の前記液化水素貯蔵容器１からのボイルオフ水素ガスを吸収する水素吸蔵合金４と、この水素吸蔵合金４を収容する水素吸蔵合金容器３とからなる水素貯蔵装置を備え、
前記水素貯蔵装置と、水素配管 37 で連結された燃料電池５とから構成される水素貯蔵利用装置において、
前記燃料電池５に配置された熱交換器９と、前記熱交換器９と蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させるための第１配管経路と、
前記水素吸蔵合金容器３に配置された熱交換器８と前記蓄熱槽６との間で、蓄熱媒体７を循環させるための第２配管経路と、
低温の蓄熱媒体を前記第２の配管経路に導入するために接続された第３配管経路と、
前記低温の蓄熱媒体を前記蓄熱槽６に導入するために接続された第４配管経路と、
から構成されたことを特徴とする水素貯蔵利用装置。 - 前記蓄熱媒体７が、水であることを特徴とする請求項１記載の水素貯蔵利用装置。
- 前記水素吸蔵合金４の平衡水素圧力が、 40 ℃で１ MPa を超えないことを特徴とする請求項１記載の水素貯蔵利用装置。
- 前記水素吸蔵合金４の平衡水素圧力が、 100 ℃で大気圧を超えることを特徴とする請求項１記載の水素貯蔵利用装置。
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