JP4911443B2 - 燃料電池車の水素供給システム - Google Patents

Description

本発明は、現状のガソリン車の時代から水素を燃料とする燃料電池車の時代への移行期に際し、水素供給所の不足から発生が懸念される、いわゆるガス欠（水素不足）によるトラブルを防止するための水素供給情報・提供システムに関する。

次世代のクリーンエネルギー源として期待される燃料電池は、近年特に同電池を搭載した燃料電池車の技術開発が進み、将来の普及に向けて走行試験が行われている。併せて、この燃料電池車へ水素を供給する水素インフラ整備のため、石油・ガス業界や鉄鋼業界を中心として、各種の水素ステーション建設の検討が進められている。

例えば、経済産業省が中心として進められている燃料電池・実証プロジェクト（略称 ＪＨＦＣ）では、上記の企業が参画して既に関東地区に９基の定置式水素ステーションと１基の移動式水素ステーションが建設され、燃料電池車の走行試験と水素ステーションの運用試験が行われている。

９基の定置式水素ステーションの内訳は、７基はステーション内で水素を製造して供給する、オンサイト型の方式である。残りの２基は水素をステーションと離れた場所で製造し、これを専用の液化水素ローリ車もしくは高圧容器搭載車によりステーションまで運搬し、所定貯槽に貯蔵して供給するオフサイト方式である。また１基は移動式水素ステーションで、高圧の容器に水素を充填し、これをステーション替わりに活用する方式である。ＪＨＦＣプロジェクトでは、現時点でどの方式が最も優れているかの結論は公表されておらず、更に継続して実証試験が行われている。

一方、燃料電池車本体の開発面でも、種々の開発が行われている。特に水素の貯蔵方式に関しては、燃料電池車内で水素を製造して消費する、オンボ−ド方式は現時点では殆ど皆無で、主流は車内に搭載した高圧容器に外部より水素を充填し、消費する方式が採用されている。搭載する高圧容器内の水素の圧力は、従来は約３５０気圧であるが、最近はこの圧力を約７００気圧まで上昇させる傾向にある。（平成１６年１２月４日、スズキが次世代の燃料電池車として発表、中日新聞）

このように燃料電池車の本格的普及に向けて主に「水素の製造」「水素の輸送・運搬」および「水素の搭載・消費」の３部門で、各業界で熾烈な先陣争いが展開されているが、現時点では統一された結論は出ていない。特に水素の輸送・運搬部門では水素インフラの整備、とりわけ全国規模の水素ステーションの建設に関しては、最も難題でかつ緊急な課題とされている。

このような状況下で、現状のガソリン車の時代から燃料電池車の時代への移行を想定すると当分は両車が並行して使用され、その後、環境問題や経済性の原理に従って、徐々に燃料電池車の時代へ移るものと予想される。水素ステーションの建設整備に関しても、この移行に並行して段階的に進められると思われるが、移行の初期段階においては、これ等水素供給所数の不足から来る燃料電池車の燃料水素の欠乏、いわゆるガス欠によるトラブルが頻発する懸念がある。

ガス欠を防止するための方策については、ガソリン車の場合、給油をタイムリ−にかつロスタイムなしに行う方法としては、カ−ナビゲ−ションを用いる方法が有効であり、代表例として次のような方法が提案されている。
特開平０６−１９５５９４ 特開２００２−２５１４３２ 上記の２提案は、現在、全国で約４５、０００ケ所の既存のガソリンスタンドの存在を前提に組み立てられている。また、燃料電池車のガス欠を防止するため、タイムリ−に警報を発して水素供給スタンドまで案内するシステムとしては、次の方法が提案されている。
特開２０００−２９２１９５ 上記の提案では、従来のガソリンスタンドの検索方法を水素供給スタンドの検索に応用した記載がなされている。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、ガソリン車の時代から燃料電池車の時代への移行期において、燃料電池車のガス欠を防止するための水素供給情報・提供システムに関するものである。

水素のガス欠を防止ための水素供給所の検索と誘導を行うには、最初に次世代の水素インフラの姿を推定しなくてはならない。このため本提案では、次世代の水素供給の流れとして、次の流れを想定し、これを図１に示す。

図１では、まず第一に水素の製造方法を想定した。前述したように現在のＪＨＦＣプロジェクトの主流は、石油系原料を出発源とするオンサイト方式である。しかし、石油は資源枯渇の問題があり、長期的には水素源はメタンハイドレ−トや原子力を用いた熱化学法（ＩＳプロセス）等に転換される可能性が大きい。中期的には、石油よりも埋蔵量が豊富な天然ガス（例 ＬＮＧ基地等）や石炭（例 コークス炉ガス等）が中継ぎとして使われると思われるが、これ等を出発原料とした中長期の水素の製法は全てオフサイト方式である。従って本提案における水素の製造方法の前提としては、現在の主流であるオンサイト方式を避け、オフサイト方式とした。

第二には水素の輸送方式の想定である。現在オフサイト型の製造所からの輸送方法として実証テストが行われているのは、液体水素ローリ車かまたは高圧ガス容器搭載車のいずれかで運ぶ方法である。しかし、この両法とも、安全上で問題を抱えている。その最大の問題は、輸送先の水素ステーションにおいて、大型の水素貯蔵設備を設置しなければならないことである。水素は、その臨界温度、空気中の爆発範囲、最小着火エネルギー等の性質から判断して、ガソリンに比べて危険な物質である。特に都市の人口密集地に水素の大型貯蔵設備を設けることは、万一の漏洩を想定した場合、大災害に繋がる恐れがあり、極めて危険である。このため本提案では、水素の輸送方法として、現在の主流である車両による輸送を避け、配管による輸送とした。

配管を用いた水素の輸送方法としては、水素を単独で輸送する方法の他に本発明者が先に提案（出願番号 特願２００４−３５１９４７）したように、水素を単独ガスとせず、水素・窒素の混合ガスとし、配管の敷設には出来るだけ埋設方式を避けて地上方式とすれば、更に安全である。配管の近くに火気等が存在する恐れ があったり、万一漏洩したガスが滞留するような危険場所においては、配管の周囲を外周配管で囲んだ２重構造とし、更に外周配管の内部に可燃性ガス検知器を取り付け、万一可燃性ガスを検知した場合は水素の流れを止める緊急遮断装置を作動させる等の安全対策を実施する。水素製造所から送られるガスが、水素・窒素混合ガスの場合は、混合ガス中の窒素は、燃料電池車へ充填前に分離して、上記２重配管の外周配管部分の窒素シールガス等に使用すれば、安全性は更に向上する。このような安全対策を講じれば配管による水素の輸送は、車両による輸送方法に較べて輸送に伴う事故発生の確率が低いため、これに取って替わる可能性が高い。

第三には燃料電池車への水素の供給方式の想定である。本提案では、配管により接続された定置式水素ステーションと水素充填所を組み合わせる方式を採用した。現在のＪＦＨＣの実証実験では、前述したように供給方式について結論は出ておらず、かつ複数のステーション方式を組み合わせる等の提案は、全くなされていない。本提案では供給所の主体は定置式水素ステーションであり、水素充填所は万一、近くに定置式ステーションがない場合の補完的な供給所と位置付け、水素の大型の貯蔵設備を設けず、必要に応じて、高圧ガス容器または液体水素容器を搭載した水素充填車を配車して水素充填所へ運搬し、水素充填所内で燃料電池車に水素を供給する方式を想定した。また配車にあたっては、水素充填所がスペース的に余裕があり、需要の多い場合は、随時水素充填車を水素充填所に待機させ、予備の水素充填車と交互にピストン輸送を行う等、その運用に自由度を持たせることも可能である。

次に本提案では、上記に示した水素の供給の流れを前提に、水素供給情報の提供システムにつき提案し、これを図２を用いて説明する。燃料電池車からの情報の検索にカーナビゲーションシステムまたは携帯電話を用いることは、ガソリン車について既に提案されている方式と同一である。図の中で定置式水素ステ−ションとは、水素製造所より配管で連結された駐車スペースを持つ水素供給所であり、燃料電池車へ水素を充填できる設備を有する施設をいう。水素充填所とは、同じく駐車スペースを持つ水素供給所であって、水素充填車を使用して水素を運搬し、燃料電池車へ水素を移送できる設備を有する施設をいう。また水素充填車・配車システムの水素充填車とは、水素を高圧のガス状態または液化状態で収納できる容器を搭載して、定置式水素ステーションから水素充填所まで水素を運搬する車両をいう。

図２では、燃料電池車に搭載されたカーナビゲ−ションまたは携帯電話と定置式ステーションおよび水素充填所が通信ネットワークで連結されている。更にこの通信ネットワークには、水素供給情報・提供システムと水素充填所をバックアップする水素充填車の配車システムが連結されている。水素充填車は、水素の大型の貯蔵設備を持たない水素充填所に、水素を供給するために配置される。この通信ネットワークのもとで、水素を供給する側の定置式ステーションおよび水素充填所と水素を供給される側の燃料電池車とが水素供給情報・提供システムと水素充填車・配車システムを使って各々の名称、所在地、お互いの距離、到着までの所要時間、希望する水素充填量、到着予定時刻等の情報の授受を行う。情報の授受の具体的な手順については、実施例の項で説明する。

請求項１の発明によれば、燃料電池車は、通信ネットワークを活用した水素供給情報に基づき定置式ステーションまたは水素充填所のいづれからも水素の供給を受けることができる。水素の補給は本来ならば定置式ステーションだけから供給されるべきであるが、燃料電池車の導入の初期段階で全ての供給所を定置式水素ステーションとすると、その建設の投資は膨大なものとなる。水素の補給を２元化することにより、これ等設備への初期投資額を削減することができる。また水素充填所における水素の供給が、定置式水素ステーションにおける場合に比べて燃料電池車側に不便にならないようバックアップシステムとして、水素配車システムが組み込まれている。

定置式水素ステーションについては、定置式水素ステーションとして高速自動車道または鉄道（以降 高速道路等と略す）周囲近傍のガソリンスタンドを活用できる。水素は前述したようにガソリンに比べ極めて危険な物質であるが、一方で全てのガスの中で最も軽いという特性を持つ。この特性を利用し、配管は高速道路等の架構等を利用した地上方式とすれば、万一の漏洩に対して水素は容易に拡散し、火災、爆発等の危険を回避できる。かつ水素製造所から、これ等の定置式水素ステーションを配管で連結すれば、水素はリアルタイムに供給可能となり、定置式水素ステーション内に大型の貯蔵施設を設けなくともよい。

高速道路等の周辺近傍とは、高速道路等上または同道路等より概略３ｋｍ以内の周囲に設置されるガソリンスタンドを指す。ここでいう３ｋｍの算出根拠は、今後設置される定置式水素ステーションの数を５、０００ケ所と想定し、この数値で、高速道路等の代表値として国内の高路自動車国道の総延長距離，約１５、０００ｋｍを除した値である。配管の敷設方法は、出来るだけ地表から高い位置の地上方式を原則とするが地上方式が不可能な場合は、前述の【００１３】で記載したような安全対策を講じた上で埋設方式または地表に近い配管方式としても良い。

水素充填所については、移動式の水素充填車によりバックアップされた水素充填所として、既存のガソリンスタンドを活用できる。水素充填車による充填は近くに定置式水素ステーションがない場合、一時的な補給に使用されるので大型の貯蔵能力を有する水素充填車は必要ない。かつ、既存のガソリンスタンドの一隅で燃料電池車への充填を行えば、前項と同様に充填所内に大型の貯蔵設備を持つ必要がなく、設備投資額を大幅に節減できる。

水素充填車については、水素充填車として高圧水素ガス容器を搭載した車両を用いることができる。但し、水素充填車の場合は、水素を定置式水素ステーションのようにリアルタイムに供給することが不可能なため、通信ネットワークに連結された配車システムを活用し運転者側の供給に伴うタイムロスを出来るだけ少なくする。

本発明は、新しい水素供給システムに基づき、安全かつ効率的に水素供給所の検索と誘導を行うことができる。更に今後、燃料電池車側の水素の貯蔵方法に技術革新、例えば、現状では３５０気圧以上の高圧ガスとして容器に貯蔵されているが、将来カ−ボンナノホ−ンや新規の水素貯蔵物質が開発され、低圧で水素を貯蔵できれば水素の輸送や充填に係る設備や操作は簡素化されて、本提案の利点は大幅に増大する。

新しい水素供給システムの構築は、新たな法整備の元で実施されなければならない。例えば、現在の高圧ガス保安法では、ガソリンスタンドで水素の充填や移送等を行うには、幾つかの規制がある。これ等の規制のうち、新しい水素時代に不要と考えられる部分については、現在、規制緩和の方向で見直しが行われている。一方、本提案の定置式水素ステーションにおける充填用のための水素の圧縮操作や水素充填所における車両間の移送操作等については、新たな安全対策の強化が必要である。

新たな安全対策としては、例えば定置式水素ステーションの圧縮操作に関しては、充填用の高圧圧縮機室の内部は窒素シールして爆鳴気の生成を避け、火災爆発を防止すること、水素充填所の移送操作に関しては、移送ホースの連結部は局所排気を行い、万一の漏洩時に水素の滞留を防ぐ等が考えられる。

次に具体的な水素供給情報・提供システムの活用法について、図３および図４を用いて説明する。図３は定置式水素ステーション（以降 ステーションと略）の検索と誘導を運転者が行う操作を主体に示したフローチャートである。操作はカーナビゲーションまたは携帯電話（以降 カーナビゲーション等と略す）に検索を開始するためステーションの表示ボタン等を押す（Ｓ１１）ことから開始される。運転者側からＲｋｍ以内にステーションがあれば、その範囲内にある位置が表示（Ｓ１４）される。表示に際しては、運転者側から近い距離の順番に番号等を付しても良い。

Ｒｋｍ以内の範囲にステーションがない場合は、ｎＲ ｋｍ以内のステーションを検索して、同じようにその位置が表示（Ｓ１５）される。ここでＲおよびｎ（ｎ＞１）は、水素供給情報・提供システムで設定される数値で、可変である。当然、燃料電池車の導入の初期段階は、ステーションの数が少ないので、その数値は大きくなるが、ステーションの普及につれ小さく設定することができる。

図３では、ステーションはＲ ｋｍとｎＲ ｋｍの２段階に分けて表示される。この理由は燃料電池の導入の初期段階では、ステーションの数は水素充填所の数に比べて少ないと予想されるので、運転者が効率的に広範囲のステーションを検索できるよう、狭い範囲から広範囲へと検索の順序を付けたためである。運転者が希望するステーションがある場合は、その選択を行うこと（Ｓ１６）により、ステーション側から名称、所在地等の情報が表示（Ｓ１７）される。更にカーナビゲーション等による誘導（Ｓ１８）を希望すれば，ステーションまでの誘導（Ｓ１９〜）が開始される。以降は、通常のガソリン車で行われている誘導方式と同様である。運転者が、ステーションが満車等の理由で他のステーションの検索を希望する場合は、再度検索を繰り返すことができる。

もし、運転者側からｎＲ ｋｍ以内にステーションが無い場合は、図４を用いて水素充填所の検索と誘導を行う。ここでｍは、水素供給情報・提供システムで設定された数値で可変である。運転者が行う操作は、ステーションの検索方法と同様であるが、検索上で図３と異なる点は、希望する充填所を選択した場合（Ｓ３３）には、引き続いて予約の意志の有無を確認後（図４では記載を省略）、充填所へ予約操作（Ｓ３５）を行う。予約操作を行う理由は、通常充填所には水素充填車は待機していないので、運転者が予約操作から充填所に到着するまでの時間に水素充填車をタイムリーに配車するためである。配車システムを利用して運転者側の要望に併せて、水素充填車の配車（Ｓ３７）を行うのは、充填所側の仕事である。予約が終了し、カーナビゲ−ション等にょる誘導を希望（Ｓ３６）すれば、充填所までの誘導（Ｓ３８〜）が開始される。以降は、図３の誘導方式と同様である。

図３と図４は、図中に記載された番号１および２によりお互いに連結されている。運転者は、両方の図を用いて定置式ステーションまたは水素充填所のいずれかを連続した操作で検索することができる。

次世代の燃料電池車向けの水素インフラが、どのような姿になるかは現時点では予想は困難である。もし将来、本発明者が提案するような水素供給システムが構築されるならば、本発明に記載された水素供給所の検索と誘導方法は、ガソリン車から燃料電池車への移行期に有効な手段になるであろう。また現在の高圧ガス保安法では本発明の幾つかはその規制の対象となるが、保安上で十分納得できる安全対策を講ずれば、規制緩和の対象となる可能性が期待できる。

本発明を適用した燃料水素の供給の流れを示す図である。 本発明を適用した水素供給情報・提供システムの概略構成を示す図である。 定置式水素ステーションを検索するため、運転者が行う操作フローチャート。 水素充填所を検索するため、運転者が行う操作フローチャート。

符号の説明

１０ 水素供給情報・提供システム
２０ 通信ネットワーク
３０ 水素充填車配車システム
４０ カーナビゲーション装置
５０ 携帯電話
１ 水素製造所
２ 配管
３ 定置式水素ステーション
４ 水素充填所
５ 水素充填車
６ 燃料電池車

Claims (1)

1. 燃料電池車に水素を供給するため、オフサイト型の水素製造所と配管で連結された定置式水素ステーションと高圧水素ガス容器を搭載した移動式の水素充填車によりバックアップされた水素充填所とからなる水素の供給システムにおいて使用するための水素供給情報・提供システムであって、燃料電池車、定置式水素ステーション、水素充填車、水素充填所及び水素充填車配車システムを同じ通信ネットワークに連結し、燃料電池車からの燃料水素の充填要求に応じて必要な水素供給情報を相互に授受し、更に必要により水素充填所への水素充填車の配車を行なうとともに、燃料電池車に搭載したカーナビゲーション装置または携帯電話により、ＧＰＳ通信衛星からの電波を受けて燃料電池車の位置の表示と定置式水素ステーションまたは水素充填所の位置を表示させて、定置式水素ステーションまたは水素充填所の検索と誘導方法を提供するように構成してなることを特徴とする水素供給情報・提供システム。

Images