JP4427854B2

JP4427854B2 - 水素供給装置

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Publication number: JP4427854B2
Application number: JP2000038216A
Authority: JP
Inventors: 久純大島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: JP2001220117A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を貯蔵するとともに水素消費設備に水素を供給する水素貯蔵供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在各研究機関でカーボンナノチューブやグラファイトナノファイバ等の炭素系材料の水素貯蔵材料としての可能性が研究されている。これらの炭素系材料は単位重量あたりの水素貯蔵量が大きく、軽量小型で大容量の水素貯蔵容器を形成することができるため、水素貯蔵材料として近年注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭素系材料は水素の吸蔵および放出に長時間を要するため、炭素系材料を用いた水素貯蔵容器を水素消費設備（例えば燃料電池）に水素を供給する水素供給装置に適用した場合、次のような問題がある。すなわち、炭素系材料からの水素放出速度が緩やかなため、水素消費設備での急激な水素の消費が行われた場合、水素供給装置からの水素供給が間に合わなくなる場合が考えられる。
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑み、炭素系材料を用いた水素貯蔵容器を備える水素供給装置において、水素供給時の応答性を向上させることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
従来より水素を貯蔵するための材料として、例えば特開平５−４７４００号公報記載の燃料電池システムに用いられているような水素吸蔵合金が知られている。この水素吸蔵合金は単位重量あたりの水素吸蔵量は炭素系材料に比較して小さいものの、水素の吸蔵放出は短時間で行うことができ、水素消費設備における水素の急激な消費に対して高速応答が可能である。
【０００６】
そこで、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素貯蔵材料を備え、水素貯蔵材料に貯蔵した水素を水素消費設備（３）に供給する水素供給装置であって、水素貯蔵材料として炭素系材料（１ａ）および水素吸蔵合金（２ａ）を用いることを特徴としている。
【０００７】
このように水素貯蔵材料として炭素系材料（１ａ）および水素吸蔵合金（２ａ）を組み合わせて用いることで、定常運転時、すなわち水素消費設備（３）にて緩やかな水素の消費が行われる場合には、大容量の炭素系材料（１ａ）からの放出水素を水素消費設備（３）に供給し、水素消費設備（３）にて急激な水素の消費が行われる場合には、応答性のよい水素吸蔵合金（２ａ）からの放出水素を供給することで対応できる。
【０００８】
また、具体的構成としては、請求項２に記載の発明のように、炭素系材料（１ａ）を備えた水素貯蔵容器（１）と、水素吸蔵合金（２ａ）を備えるとともに水素貯蔵容器（１）より水素貯蔵量が小さい補助用水素貯蔵容器（２）とが設けられ、補助用水素貯蔵容器（２）は、水素貯蔵容器（１）から水素消費設備（３）に水素を供給するための水素供給流路（４）に設けることができる。また、請求項３に記載の発明のように、水素吸蔵合金（２ａ）は、炭素系材料（１ａ）を備える水素貯蔵容器（１）から水素消費設備（３）に水素を供給するための水素供給流路（４）に配置することもできる。さらに、請求項４に記載の発明のように、炭素系材料（１ａ）と水素吸蔵合金（２ａ）とは混合された状態で水素貯蔵容器（１）に備えられるようにすることもできる。
【０００９】
また、請求項１に記載の発明では、炭素系材料（１ａ）から放出された水素が水素消費設備（３）に供給される最低圧力をＰｍｉｎ、水素吸蔵合金（２ａ）のプラトー圧をＰｍｈ、水素消費設備（３）への水素供給圧力をＰｃｓとした場合に、Ｐｍｉｎ＞Ｐｍｈ＞Ｐｃｓの関係を満たすように、炭素系材料（１ａ）を備えた水素貯蔵容器（１）に水素が充填されており、炭素系材料（１ａ）として、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバのいずれか一方、あるいは双方を用いることを特徴としている。
【００１０】
このように、Ｐｍｈ＞Ｐｃｓとすることで、炭素系材料（１ａ）からの水素供給が水素消費設備（３）での水素消費に間に合わない場合であっても、水素吸蔵合金（２ａ）により水素消費設備（３）への水素供給を継続することができる。また、Ｐｍｉｎ＞Ｐｍｈとすることで、炭素系材料（１ａ）から水素供給設備（３）に水素供給が行われている際に、水素吸蔵合金（２ａ）に水素を貯蔵させることできる。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明では、水素貯蔵合金（２ａ）を所定温度に温度制御するための制御部（８）が設けられていることを特徴としている。これにより、水素吸蔵合金（２ａ）のプラトー圧を一定に保つことができる。
【００１２】
また、制御部（８）には、請求項６に記載の発明のように、水素消費設備（３）での水素消費量を予測した水素消費予測信号（Ａ）と、水素貯蔵容器（１）の内圧（Ｐ_Ｈ２）に対応する信号（Ｂ）と、水素吸蔵合金（２ａ）の温度に対応する信号（Ｃ）とが入力されることを特徴としている。これにより、制御部（８）による水素吸蔵合金（２ａ）の温度調整を精度よく行うことができる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１および図２に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の水素供給装置は、大容量の主貯蔵容器として用いられる第１の水素貯蔵容器（本発明でいう水素貯蔵容器）１と、小容量の補助貯蔵容器として用いられる第２の水素貯蔵容器（本発明でいう補助用水素貯蔵容器）２の２つの水素貯蔵容器１、２を備えている。これらの水素貯蔵容器１、２は、水素を貯蔵する水素貯蔵材料を備えている。
【００１６】
第１水素貯蔵容器１から水素消費設備（例えば燃料電池、半導体製造装置等）３に水素供給流路４を介して水素が供給されるように構成されている。また、第２水素貯蔵容器２は、水素供給流路４から分岐した流路４ａに接続されている。本実施形態の水素供給装置は、例えば燃料電池を駆動電源とする電気自動車に搭載するように構成できる。
【００１７】
第１の水素貯蔵容器１は、水素貯蔵材料として単位重量当たりの水素貯蔵量が大きい炭素系材料１ａが充填されている。具体的には、水素貯蔵用の炭素系材料１ａとして例えばカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバを用いることができる。カーボンナノチューブやグラファイトナノファイバはそれぞれ単独で用いてもよく、これらを混合して用いてもよい。
【００１８】
第２の水素貯蔵容器２は、水素貯蔵材料として水素吸蔵合金２ａが充填されている。水素吸蔵合金は、炭素系材料に比較して単位重量当たりの水素吸蔵量が小さい一方、水素の吸蔵・放出を短時間で行うことができる。具体的には、水素吸蔵合金２ａとして例えばＬａＮｉ₅やＭｍＮｉＡｌ等を用いることができる。
【００１９】
第１、第２水素貯蔵容器１、２は、それぞれ水素貯蔵容器１、２を加熱あるいは冷却するための第１、第２熱交換器１ｂ、２ｂを備えている。これらの熱交換器１ｂ、２ｂには、熱媒体（例えば温水あるいは冷水）が循環して、これにより水素貯蔵容器１、２を加熱あるいは冷却するように構成されている。なお、本実施形態の水素供給装置では、後述の制御部８からの信号を受けて、第２熱交換器２ｂに循環する熱媒体の温度調整を行う熱媒体温度調整部９が設けられている。
【００２０】
また、第２水素貯蔵容器２には、第２水素貯蔵容器２内の温度（炭素系材料１ａの温度）を検出するための温度センサ２ｃが設けられている。
【００２１】
なお、本実施形態では、第１水素貯蔵容器１の容積を例えば２０リットルとし、第２水素貯蔵容器２の容積を例えば１リットルとしている。
【００２２】
水素供給流路４には、供給弁５および減圧弁６が設けられている。供給弁５を開閉することにより、水素供給装置から水素消費設備３への水素の供給・停止が行われる。また、減圧弁６により、水素貯蔵容器１、２から供給される高圧の水素が水素貯蔵設備３で使用するのに適した所定圧力に減圧される。
【００２３】
第１水素貯蔵容器１と第２水素貯蔵容器２とは、水素供給流路４で接続されているため、これらの内圧は同じになるように構成されている。この水素貯蔵容器１、２の内圧を測定するための圧力計７が、水素供給流路４に設けられている。
【００２４】
通常、水素吸蔵合金２ａのプラトー圧（平衡水素圧）は温度によって変化する。そこで、本実施形態の水素供給装置には、第２水素貯蔵容器２の温度を一定に保つように温度制御を行う制御部８が設けられている。この制御部８には、水素消費設備３での水素消費量を予測した水素消費予測信号Ａと、圧力計７からの圧力信号Ｂと、温度センサ２ｃからの温度信号Ｃとが入力される。なお、水素消費予測信号Ａは、本実施形態の水素供給装置を自動車に適用した場合には、アクセル開度に相当するものである。
【００２５】
制御部８では、これらの信号Ａ〜Ｃに基づいて第２水素貯蔵容器２の使用状況（水素放出状況）に基づく温度変化を予測して、第２水素貯蔵容器２の温度を一定に保つために熱媒体温度調整部９に制御信号Ｄを出力する。熱媒体温度調整部９では、この制御信号Ｄに基づいて熱交換器２ｂを流れる熱媒体の温度調整を行う。これにより、第２水素貯蔵容器２の温度は一定に保たれ、第２水素貯蔵容器２に充填された水素吸蔵合金２ａのプラトー圧を一定に保つことができる。
【００２６】
また、本実施形態の水素供給装置では、第１水素貯蔵容器１から水素消費設備３に水素供給が行われる最低圧力（炭素系材料１ａからの放出水素が水素消費設備３に供給される最低圧力）をＰｍｉｎ、第２の水素貯蔵容器２に備えられた水素吸蔵合金２ａのプラトー圧をＰｍｈ、水素消費設備３に対する水素供給圧力をＰｃｓとした場合に、常にＰｍｉｎ＞Ｐｍｈ＞Ｐｃｓとなるように構成されている。通常、水素吸蔵合金２ａのプラトー圧は水素吸蔵時と水素放出時で値が異なるが、水素吸蔵時および水素放出時のいずれでもＰｍｉｎ＞Ｐｍｈ＞Ｐｃｓが成り立つように構成されている。本実施形態では、便宜上、水素吸蔵合金２ａの水素吸蔵時および水素放出時のプラトー圧Ｐｍｈが等しいものとして説明する。
【００２７】
次に、本実施形態の水素供給装置の作動を図１、図２に基づいて説明する。図２は、第１、第２水素貯蔵容器１、２の内圧（容器内圧）Ｐ_H2と水素消費設備での水素消費予測信号（水素消費予測量）Ａとの対応関係を示している。図２中上側のグラフが水素貯蔵容器１、２の内圧Ｐ_H2（ＭＰａ）を示し、下側のグラフが水素消費予測量（リットル／分）を示している。また、上側グラフ中の一点鎖線は、第２水素貯蔵容器２が設けられていない場合の容器内圧Ｐ_H2を示している。
【００２８】
ここでは、第１水素貯蔵容器１の最低使用圧力Ｐｍｉｎ＝０．５ＭＰａ、水素吸蔵合金２ａのプラトー圧Ｐｍｈ＝０．４ＭＰａ、水素消費設備３への水素供給圧Ｐｃｓ＝０．２ＭＰａとしている。
【００２９】
まず、供給弁５を開くことにより、水素が第１水素貯蔵容器１から水素供給流路４を介して水素消費設備３への供給が開始される。水素は減圧弁６で水素供給圧Ｐｃｓに減圧された後、水素消費設備３に供給される。水素消費設備３で水素消費が開始されていない場合には、容器内圧Ｐ_H2は一定に保たれる（ｔ１）。
【００３０】
次に、水素消費設備３での水素消費量が急激に増加すると、これに伴い容器内圧Ｐ_H2が急激に低下する（ｔ２）。ここで、図２上側グラフ中の一点鎖線のように容器内圧Ｐ_H2が低下し続けて水素供給圧Ｐｃｓを下回ると、水素供給装置からの水素供給ができなくなってしまう。
【００３１】
しかしながら、本実施形態の水素供給装置では第２水素貯蔵容器２を備えているため、容器内圧Ｐ_H2が第２水素貯蔵容器２に充填されている水素吸蔵合金２ａのプラトー圧Ｐｍｈを下回ると、第２水素貯蔵容器２からの水素放出が開始される。これにより容器内圧Ｐ_H2の低下を防止することができ、水素消費設備３への水素供給が継続される。
【００３２】
すなわち、容器内圧Ｐ_H2は、水素吸蔵合金２ａのプラトー圧Ｐｍｈ以上の圧力に保たれることとなる。ここで、第２水素貯蔵容器２から水素消費設備３への水素供給を可能にするためには、水素吸蔵合金２ａのプラトー圧Ｐｍｈが水素貯蔵設備３への水素供給圧Ｐｃｓを上回っていること（Ｐｍｈ＞Ｐｃｓ）が必要である。
【００３３】
このとき、水素吸蔵合金２ａが水素を放出する反応は吸熱反応である。従って、水素放出に伴って水素吸蔵合金２ａの温度が低下し、プラトー圧Ｐｍｈが変動することになる。そこで本実施形態では、制御部８が水素消費予測信号Ａ、容器内圧Ｂ、水素吸蔵合金温度Ｃに基づいて第２水素貯蔵容器２における温度低下を予測し、熱媒体温度調整部９および熱交換器２ｂにより第２水素貯蔵容器２を予め加熱するように構成されている。これにより、水素放出に伴う水素吸蔵合金２ａの温度低下を防ぎ、水素吸蔵合金温度を一定に保ち、プラトー圧Ｐｍｈを一定に保つことができる。
【００３４】
次に、水素消費設備３での水素消費量が一定量（例えば４０リットル／分）になり、第２水素貯蔵容器２からの水素放出が継続される（ｔ３）。
【００３５】
次に、水素消費設備３での水素消費量が再び急激に増加すると、容器内圧Ｐ_H2が若干低下するが（ｔ４）、水素消費量が一定量（例えば６０リットル／分）になると、容器内圧Ｐ_H2は再びプラトー圧Ｐｍｈに回復する（ｔ５）。
【００３６】
次に、水素消費設備３での水素消費量が減少し始める（ｔ６）。第２水素貯蔵容器２からの水素供給が行われている間に、徐々に第１水素貯蔵容器１の炭素系材料１ａからの水素放出量が増え、容器内圧Ｐ_H2が上昇する。そして、容器内圧Ｐ_H2がプラトー圧Ｐｍｈを上回ると、第１水素貯蔵容器１から水素貯蔵設備３に水素供給が行われるようになり、第２水素貯蔵容器２では水素吸蔵合金２ａが水素を吸蔵し始める。これにより、減少していた第２水素貯蔵容器２の水素吸蔵量は元に戻る。
【００３７】
このとき、第１水素貯蔵容器１から放出される水素が、水素消費設備３への供給と同時に第２水素貯蔵容器２に貯蔵されるためには、第１水素貯蔵容器１の最低使用圧力Ｐｍｉｎを第２水素貯蔵容器２の水素吸蔵合金２ａのプラトー圧Ｐｍｈより大きくする必要がある（Ｐｍｉｎ＞Ｐｍｈ）。
【００３８】
なお、水素吸蔵合金２ａが水素を吸蔵する反応は発熱反応であるが、制御部８により水素吸蔵合金２ａの温度上昇を予測した温度制御が行われるため、第２水素貯蔵容器２の温度は一定に保たれ、プラトー圧は一定に保たれる。
【００３９】
補足すれば、図２中ｔａ、ｔｃでは第１水素貯蔵容器１から水素消費設備３に水素が供給され、図２中ｔｂでは第２水素貯蔵容器２から水素が供給される。また、炭素系材料１ａは図２中ｔａ〜ｔｃで水素を放出しているのに対し、水素貯蔵合金２ａは図２中ｔｂでは水素を放出し、ｔａ、ｔｃでは水素を吸蔵している。
【００４０】
以上、本実施形態の水素供給装置のように、単位重量当たりの水素貯蔵量の大きい炭素系材料１ａと、水素吸蔵放出速度が速く応答性に優れた水素吸蔵合金２ａとを組み合わせて用いることで、定常運転時、すなわち水素消費設備３にて緩やかな水素の消費が行われる場合には、大容量の炭素系材料１ａからの放出水素を水素消費設備３に供給し、水素消費設備３にて急激な水素の消費が行われる場合には、応答性のよい水素吸蔵合金２ａからの放出水素を供給することで対応できる。これにより、小型軽量で大容量の水素供給装置であって、水素消費設備での水素消費の急激な変動に対する応答性に優れた水素供給装置を提供することが可能となる。
【００４１】
なお、第１、第２水素貯蔵容器１、２の容積やそれぞれに充填されている炭素系材料１ａあるいは水素吸蔵合金２ａの充填量等は、水素消費設備３の使用状況や水素消費パターンに基づいて任意に設定することができる。
【００４２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。図３では水素貯蔵容器１と水素供給流路４以外の部分を省略している。なお、上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図３に示すように、本第２実施形態の水素供給装置は、上記第１実施形態と比較して水素吸蔵合金を内蔵した第２の水素貯蔵容器（補助用水素貯蔵容器）２を省略したものである。水素吸蔵合金２ａは、炭素系材料１ａが内蔵された水素貯蔵容器１からの供給水素が流れる水素供給流路４内に配置されている。また、水素吸蔵合金２ａを一定温度に保つための熱交換器２ｂは、水素供給流路４における水素吸蔵合金２ａの配置位置の近傍に設けられている。
【００４４】
以上、本第２実施形態の水素供給装置のような構成によっても、上記第１実施形態の水素供給装置と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４に基づいて説明する。図４では水素貯蔵容器１と水素供給流路４以外の部分を省略している。なお、上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４６】
図４に示すように、本第３実施形態の水素供給装置は、上記第１実施形態と比較して水素吸蔵合金を内蔵した第２の水素貯蔵容器（補助用水素貯蔵容器）２を省略したものである。水素吸蔵合金２ａは炭素系材料１ａと混合された状態で水素貯蔵容器１に内蔵されている。
【００４７】
本第３実施形態の水素供給装置では、水素吸蔵合金２ａを一定温度に保つための熱交換器２ｂ、熱媒体温度調整部９、制御部８等は設けられていない。炭素系材料１ａの熱容量が大きいため、水素吸蔵合金２ａの水素放出・吸蔵に伴う温度変動は炭素系材料１ａの熱容量にて吸収され、結果として水素吸蔵合金２ａの温度変化が抑えられるように構成されている。
【００４８】
以上、本第３実施形態の水素供給装置のような構成によっても、上記第１実施形態の水素供給装置と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、熱媒体を用いた熱交換器２ｂ等により水素吸蔵合金２ａの温度調整を行ったが、これに限らず、例えば電気ヒータ等の手段により温度調整を行ってもよい。例えば水素供給装置を燃料電池に適用した場合には、燃料電池で得られた電力により電気ヒータを作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の水素供給装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態の水素供給装置における第１、第２水素貯蔵容器の内圧と水素消費予測信号との関係を示す特性図である。
【図３】第２実施形態の水素供給装置おける水素貯蔵容器と水素供給流路の構成を示す模式図である。
【図４】第３実施形態の水素供給装置おける水素貯蔵容器の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１…第１の水素貯蔵容器（水素貯蔵容器）、１ａ…炭素系材料、２…第２の水素貯蔵容器（補助用水素貯蔵容器）、２ａ…水素貯蔵合金、３…水素消費設備、４…水素供給流路、８…制御部、Ａ…水素消費予測信号。

Claims

水素貯蔵材料を備え、前記水素貯蔵材料に貯蔵した水素を水素消費設備（３）に供給する水素供給装置であって、
前記水素貯蔵材料として炭素系材料（１ａ）および水素吸蔵合金（２ａ）を用いており、
前記炭素系材料（１ａ）から放出された水素が前記水素消費設備（３）に供給される最低圧力をＰｍｉｎ、前記水素吸蔵合金（２ａ）のプラトー圧をＰｍｈ、前記水素消費設備（３）への水素供給圧力をＰｃｓとした場合に、Ｐｍｉｎ＞Ｐｍｈ＞Ｐｃｓの関係を満たすように、前記炭素系材料（１ａ）を備えた水素貯蔵容器（１）に水素が充填されており、
前記炭素系材料（１ａ）として、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバのいずれか一方、あるいは双方を用いることを特徴とする水素供給装置。
前記水素吸蔵合金（２ａ）を備えるとともに前記水素貯蔵容器（１）より水素貯蔵量が小さい補助用水素貯蔵容器（２）が設けられ、
前記補助用水素貯蔵容器（２）は、前記水素貯蔵容器（１）から前記水素消費設備（３）に水素を供給するための水素供給流路（４）に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
前記炭素系材料（１ａ）を備えた水素貯蔵容器（１）が設けられ、
前記水素吸蔵合金（２ａ）は、前記水素貯蔵容器（１）から前記水素消費設備（３）に水素を供給するための水素供給流路（４）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
前記炭素系材料（１ａ）と前記水素吸蔵合金（２ａ）とが混合された状態で備えられた水素貯蔵容器（１）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
前記水素貯蔵合金（２ａ）を所定温度に温度制御するための制御部（８）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の水素供給装置。
前記制御部（８）には、前記水素消費設備（３）での水素消費量を予測した水素消費予測信号（Ａ）と、前記水素貯蔵容器（１）の内圧（ＰＨ２）に対応する信号（Ｂ）と、前記水素吸蔵合金（２ａ）の温度に対応する信号（Ｃ）とが入力されることを特徴とする請求項５に記載の水素供給装置。