JP5099466B2 - 水素充填設備 - 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に際し、燃料電池車の水素貯蔵設備へ水素を充填する設備に関する。

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、近年特に燃料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供給システムの整備のため、各種の水素ステーションが建設され実証試験が行われている。水素ステーションとしては水素を製造する場所により、オンサイト型とオフサイト型に区分されるが、水素の原料面、製造コスト面および輸送面で各々長所、短所があり、現時点ではどの方式が最適かは結論が出ていない。

燃料電池車の本体でも、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ー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へ外部より水素を充填して消費する万式である。搭載する高圧容器内の水素の圧力は、現時点では最高で約３５０気圧であるが、最近は更に約７００気圧まで上昇させ、走行距離を延ばす改善が進められている。

しかし高圧容器に水素を充填することは、万一の漏洩の危険性を増大させる恐れがあり、出来るだけ低い圧力でかつ効率良く水素を貯蔵する技術の開発も進められている。ここでいう効率とは、貯蔵設備における重量当たりの水素密度（重量％）と体積当たりの水素密度（ｋｇ水素／ｍ^３）をいう。その代表例として、カーボンナノチューブやカーボンナノホーンを使った次の文献（例えば特許文献１〜特許文献２）が公開されている。

特開２００４−２９２１８７号公報

特開２００４−０２６６０４号公報

これ等の貯蔵設備への水素の充填方式に関しては、下記に代表される文献（例えば特許文献３〜特許文献６）が公開されている。これ等の文献は純度１００％の高純度水素を貯蔵設備に充填することを前提に記載されている。

特開平 ０６−１０３９８７号公報

特開２００１−０１０８０１号公報

特開２００３−０８２４８６号公報

特開２００３−１３０２９１号公報

以上のように燃料電池の実用化に向けて、水素の製造、輸送、充填、貯蔵および消費の各分野に関して、熾烈な競争が行われているが、いずれも単一分野での改善に止まり、製造から消費に至たる分野で一貫した考えに基づく提言は、現時点では見当たらない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明者が新たに提言する水素供給システムの下で、水素を安全にかつ効率良く燃料電池車の水素貯蔵設備に充填する設備の提供に関するものである。

図１に本発明の設備の構成を示す。本発明では水素製造所１から輸送されて来るガスは、水素単独ではなく水素・窒素の混合ガスである。かつ、この混合ガスは水素・窒素ガス供給配管２を通して、１０気圧以下の低圧で供給される。混合ガスの組成は、本発明者が先に提案（特開２００４−１４６３１２）したように水素／窒素の濃度比（容量）は１．０を上限の標準値とする。この値は、水素の着火・爆発の危険性を極力、回避するため燃料電池車の導入の初期は小さくし、水素の取り扱いの習熟度の向上に伴い徐々に大きくする。

図１では、まず混合ガスはガス計量器３に導入される。混合ガスの導入圧力は、１０気圧以下であるから計量は一般的に行なわれているオリフィス式や容量式等の計器で行われる。混合ガス中の水素だけの流量を知りたい場合は、混合ガスの流量に水素の濃度を乗ずるかまたは水素・窒素分離器５から保安用窒素供給設備８へ送られる窒素の流量を同時に計量して、これを混合ガス流量から差し引くことで算出される。

次に混合ガスは中間タンク４に導入される。通常は、中間タンク４内の圧力は一定値に保たれ、圧力が低下すると水素・窒素ガス供給配管２から混合ガスが自動的に中間タンク４に導入される。中間タンク４とは、水素・窒素供給配管２からガスを受け入れる役目とガスを循環させる際、万一系外から空気を吸入させないためガスの流れを緩衝する役目を持つ小型貯槽のことで、操作圧力は１０気圧以下の正圧である。通常は図１に示す位置に設置されるが、必要に応じては水素ガス圧縮機６ａ、ガス圧縮機６ｂの前等に緩衝用として増設して設置しても良い。

次に混合ガスは水素・窒素分離器５に導入される。水素・窒素分離器５としては膜分離法、吸着分離法が利用できる。水素と窒素は分子の大きさ等で物理的性質が大きく異なるため、両者の分離は容易である。膜分離法とは、混合ガスをポリイミド等の高分子膜やゼオライト等の無機膜を使った分離膜に通して、水素を選択的に分離する方法である。吸着分離法とは、対象ガスの分子の大きさ、形状、極性等の違いを利用しモレキュラーラーシーブ等の吸着剤を用いて水素分子と窒素分子を吸着分離する方法である。吸着材は再生により繰り返し使えるので寿命も長い。但し、吸着材の再生に伴う圧力等の操作条件については、本発明では特に指定しない。更に図１には記載されていないが充填作業時、充填ホースの脱着に伴い混入した空気等の不純物を除去する目的で、活性炭等を用いた吸着設備を付加しても良い。これ等の機種の選択の上で大切なことは、操作条件として低い正圧、出来れば１０気圧以下の圧力にすることである。

次に水素・窒素分離器５で窒素を分離された水素ガスは、燃料電池車の水素貯蔵設備７に送られ、水素を貯蔵する。水素貯蔵設備としては。カーボンナノチューブやカ−ボンナノホ−ン等を活用できる。この他にも水素貯蔵合金や、現在開発中の新規の水素貯蔵物質も活用可能である。本発明では、これ等の貯蔵設備の種類は特に指定しないが、大切なことはこれ等各種の水素貯蔵設備のいずれにも対応が可能でかつ、その操作条件で低い正圧、出来れば１０気圧以下の圧力で充填と貯蔵が可能なことである。水素・窒素分離器５で分離された窒素は、保安用窒素供給設備８に送られ、後述する用途に活用される。

燃料電池車の水素貯蔵設備７に貯蔵しきれなかった水素は、先の中間タンク４にリサイクルされ、再び循環して使用される。ガスのリサイクルは、水素の貯蔵を出来るだけ迅速にかつ無駄なく行うために実施される。この流れの中で、分離や貯蔵の効率を更に高める目的で、中間タンク４と水素・窒素分離器５の間もしくは水素・窒素分離器５と燃料電池車の水素貯蔵設備７の間に水素ガス圧縮機６ａまたはガス圧縮機６ｂを設置する。更に図１には記載されていないが、循環系に冷却器を設け。ガスの圧縮や吸着に伴い発生する熱量を除去することも貯蔵の効率を高めるために有効である。水素ガス圧縮機６ａ、ガス圧縮機６ｂの操作条件で大切なことは、低い正圧、出来れば１０気圧以下の圧力で操作できることである。

燃料電池車の水素貯蔵設備７への貯蔵は、通常は図１に示すように水素ガスを循環しながら行うが、水素貯蔵設備７の型式や性能によっては、循環系から貯蔵のための配管を分岐し、循環を中間タンクの手前で停止して貯蔵する方法もある。特に後述する高圧容器に水素を貯蔵する場合には、この方法が採用される。この場合の水素ガス圧縮機６ａ以降の操作圧力は、１０気圧以下にこだわらない。

水素・窒素分離器５で分離された窒素は、保安用窒素供給設備８に送られ水素充填設備およびその関連設備の安全対策に活用する。図２に代表的な用途を示す。

第一の用途は、水素圧縮機室１０の内部の窒素シール用である。水素は、万一漏洩し水素圧縮機室１０のような密閉された空間に滞留すると、微小な着火源で着火し爆発の危険性がある。このため、爆鳴気を生成させないように窒素シールを行う。この際、圧縮機室１０の内部には酸素濃度検出器１４を設置して水素圧縮機室１０内の酸素濃度を監視し、その濃度が水素に対し限界酸素濃度以下になるように保つ。限界酸素濃度とは、爆発を起こさせない酸素濃度の上限値をさし、対象ガスが水素の場合には５．０％（容量）である。また酸素濃度検知器１４を図示省略の酸素警報装置に繋ぎ、酸素濃度を建屋の入口等に表示すれば、保守点検作業等で人間が建屋内に立ち入る際の酸素欠乏による災害の防止に役立つ。図２の中で、１３は水素圧縮機室１０からの窒素ブロー配管を示す。

第二の用途は、水素製造所からの水素・窒素受入配管１１が、埋設方式等で万一漏洩があった場合、着火・爆発の危険が懸念される配管の窒素シールに用いる。これ等の配管は図２に示すように水素・窒素受入配管１１部を２重の構造とし、二重配管の外周配管１２を窒素シールして爆鳴気の生成を防ぐ。この方式の施工法については、本発明者が先に提案した方法（特願２００４−３５１９４７）が有効である。
この他に余剰の窒素は自動車タイヤへの窒素封入、充填ホースの連結部分の局所換気等に活用しても良い。更に将来 水素を家庭，商店、病院等を対象にした熱・電気コジェネレーション方式による定置型燃料電池に使用する場合には、その運転起動時や停止時における安全対策や燃料電池の劣化防止のパージガスとして活用することができる。

以上の構成の中で、機器の選定に当たっても最も大切なことは、これ等の操作条件は、いずれも低い正圧、出来れば１０気圧以下の圧力とすることである。本発明では、水素充填操作を既存のガソリンスタンドの一角で行うことを想定している。この際各設備は低い圧力で操作を行うこと、大型の高圧水素貯槽を保有しないこと、および液状または高圧のガス状の水素輸送車を配車しないことが、現行の各法令の規制をクリアして水素充填操作を行うための重要な条件である。

発明の効果

請求項１の発明によれば、水素は何時でも希望する時間に補給できるので、水素を充填するための大型水素貯槽を設置する必要がなくなる。将来の水素製造所における水素製造コストだけを比較すれば、その方式は、水素を供給する場所と同じ現地で水素を製造する、所謂オンサイト方式に比べ、供給地から離れた場所で水素を大量に生産できる、所謂オフサイト方式が有利といわれている。本提案であれば、オフサイト方式の長所を活かしつつ、かつ同方式の短所といわれる高圧容器輸送車や液化水素ロ−リ車による配車が不要となり、各種の水素貯蔵設備に適合した極めて安全かつ簡単な設備で水素の充填と計量が可能となる。

請求項２の発明によれば、水素・窒素分離器や水素貯蔵設備が要求する条件に併せて、最適な位置に圧縮機を設置して水素ガスを循環することができる。例えば、水素・窒素分離器が低圧条件を要求し、かつ水素貯蔵設備が高圧条件を要求するなら、水素圧縮機は、水素・窒素分離器の下流に設置すれば良い。また逆に水素・窒素分離器から以降の設備が特に高い圧力条件を要求しないなら、水素ガス圧縮機を水素・窒素分離器の上流に設置し必要最小限の低い圧力で運転すれば、充填設備内に滞留する水素量が少なくなり、水素充填設備は、より安全な構成となる。更に、水素ガス圧縮機を各設備の最適な圧力条件に併せて、独立して複数基、設置することも可能である。

請求項３の発明によれば、水素・窒素分離器として既に実績のある機器の中から、本発明に最適な分離器を選択する。請求項に示す膜分離法や吸着分離法は、本提案の循環系に組み込むことにより、水素の製造、供給、充填、貯蔵および消費の各操作が連結され、初めてその機能を発揮できる。また水素製造所から輸送される混合ガスは通常、深冷分離工程を経て精製されるので、同伴する水分や不純物が極めて少なく膜分離法と吸着分離法に最適なガス組成となっている。両法は、通常単独で設置されるが、混合ガスの性状によっては両法を組み合わせて設置することも可能である。

請求項４の発明によれば、水素製造所から送られてくる窒素ガスを水素充填設備で安全対策に再活用できるので、設備内に新たな窒素源を求める必要がない。水素充填場で常時、保安上の窒素を確保できることは、安全管理の面で大きな長所である。特に、高圧ガス保安法を始めとする各種の法令の規制緩和を検討する際、新たな保安対策の付加が必須となろうから、この窒素を安全対策用に有効に活用できる。

本発明は、水素充填設備は将来の水素供給システムの一環として位置付け、出来るだけ現在の法規制を順守する考えで提案されている。例えば、現行の高圧ガス保安法では、ガソリンスタンドで水素の移送や充填を行うには、幾つかの規制があるが、本発明は、この規制の範囲内での実施を目指している。

現在の高圧ガス保安法の条文の多くは、過去の事故の経験に基づき、その再発防止を目的に制定されている。現在、専門部会で水素社会の到来に備えて規制の見直しが行われている。今後の条文改正、特に規制緩和については、安全面の確認のため、多少の検討期間を要すると予想されるが、本発明に示す機能は、同法の改正後も安全上で、適応できるよう配慮がなされている。

法改正の上で、最も影響の大きい課題は、水素貯蔵設備の操作圧力である。もし、１０気圧以下の低圧で貯蔵できる水素貯蔵設備が開発されるならば、本発明は現在の法規制の殆ど全てを順守して、その利点を最大限に発揮できる。しかし、水素貯蔵法として現在の主流である高圧容器に貯蔵する方法が採用される場合は、高圧水素圧縮機の設置が必要であり高圧ガス保安法の規制の対象となる。この場合は［００２２］で記載した水素圧縮機室への安全対策等を付加して、同法の規制緩和を求める等の対応が必要である。

本発明は、将来の水素供給システムが未定であるが、本発明者が既に提案した幾つかの発明が実施に際し有効である。本提案の実施には次の３つの前提条件に立つ。第一は、水素製造所からの水素は、配管で供給されるという前提である。このためには、水素の組成と配管の敷設に際し独自の安全対策が必要である。水素の組成については、本発明者が先に提案したように、水素ガス単独でなく、水素・窒素の混合ガスとし爆ごう等の危険性を回避して輸送する方法（特開２００４−１４６３１２）が有効である。また、配管の敷設方法については、同じく本発明者が先に提案したように、配管の外周を非密閉型の２重配管構造とし、ガス検知システムと緊急遮断装置を組み合わせ、万一の漏洩時の危険性を回避する方法（特願２００４−３５１９４７）が有効である。

第二の前提は、水素の貯蔵技術の開発である。現状の高圧容器によるガス貯蔵は燃料電池の導入期において、十分管理された消費者を対象にする場合に限って可能である。将来、不特定多数の消費者を対象とした場合には、万一の衝突事故や車両の保管場所における漏洩を想定すると、安全上で万全とはいえない。一方、低圧の貯蔵法として実績のある水素貯蔵合金による方法は、現状の貯蔵効率では重量あたりの水素貯蔵量が不足し、燃料電池車には最適でない。従って、貯蔵効率の高い水素貯蔵物質による低圧貯蔵技術の開発は、今後最も重要な課題である。水素の新たな低圧貯蔵法が開発された場合、本発明と組み合わせることは、安全上全く問題はない。また本発明の請求項では、水素貯蔵設備については特に限定しないが、例え燃料電池車の導入期において高圧容器による貯蔵が行われた場合でも、本発明と組み合わせることは可能である。

第三は、現在のガソリン時代から水素時代への移行は、段階的に徐々に進行するであろうから、燃料電池車の導入時に水素スタンドを一気に建設することは投資の無駄を生じる恐れがある。このため本発明では、燃料電池車の導入期間に新設される水素充填場は、既存のガソリンスタンドを活用するという前提に立つ。消費者にとって、燃料はガソリン車であれ、燃料電池車であれ、同じ場所で燃料を補給できるという便宜性がなければ、燃料電池車の普及は困難であろう。既存のガソリンスタンドの活用については、本発明者が先に提案したように、定置式水素ステーションと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を組み合わせた、新しい水素供給システムの構築に関する提案（特願２００４−３８２４３２）が有効である。

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充填設備は、その安全性、経済性、便宜性の面で有効な手段となるであろう。

本発明の設備の構成を示す図である。 本発明により、水素・窒素分離器からの窒素を安全対策に用いた例を示す図である。

１ 水素製造所
２ 水素・窒素ガス供給配管
３ ガス計量器
４ 中間タンク
５ 水素・窒素分離器
６ａ 水素ガス圧縮機
６ｂ ガス圧縮機
７ 燃料電池車の水素貯蔵設備
８ 保安用窒素供給設備
９ 水素充填設備
１０ 水素圧縮機室
１１ 水素・窒素受入配管
１２ 外周配管
１３ 窒素ブロー配管
１４ 酸素濃度検知器

Claims (4)

1. 燃料電池車に水素を供給するため充填時の操作圧力が１０気圧以下の水素充填設備であって、ガスを計量するためのガス計量器３とガスを循環させるための中間タンク４とガス圧縮機６ｂと水素・窒素分離器５を備え、水素・窒素ガス供給配管２を用いて水素製造所１から送られる水素・窒素の混合ガスをガス計量器３に接続し、中間タンク４とガス圧縮機６ｂと水素・窒素分離器５を通して燃料電池車の水素貯蔵設備７に連結し、水素・窒素分離器５で分離した水素・窒素の混合ガス中の水素ガスを燃料電池車の水素貯蔵設備７に充填すると同時に、余剰の水素ガスを燃料電池車の水素貯蔵設備７より配管を用いて再び中間タンク４へ循環させるように構成してなることを特徴とする燃料電池車用の水素充填設備。
2. 前記中間タンク４と水素・窒素分離器５の間に設置したガス圧縮機６ｂに代えて水素・窒素分離器５と燃料電池車の水素貯蔵設備７の間に水素ガス圧縮機６ａを備えてなること特徴とする請求項１に記載の燃料電池車用の水素充填設備。
3. 前記水素・窒素分離器５として膜分離法または吸着分離法による水素・窒素分離器を用いることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車用の水素充填設備。
4. 前記水素・窒素分離器５で分離された窒素ガスを保安用窒素供給設備８に送り、水素充填設備９の保安用の不活性ガスとして利用するように構成してなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車用の水素充填設備。

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