JP5211357B2

JP5211357B2 - 水素吸蔵ステーション、水素供給ステーションおよび複合カートリッジ

Info

Publication number: JP5211357B2
Application number: JP2008059931A
Authority: JP
Inventors: 由継小島; 貴之市川; 千絵大松; 豊之窪川; 和彦常世田
Original assignee: Hiroshima University NUC; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Hiroshima University NUC; Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-03-10
Also published as: JP2009215103A

Description

本発明は、水素との反応によりアンモニアを放出し水素を吸蔵する水素貯蔵材料を用いた水素吸蔵ステーション、水素供給ステーションおよび複合カートリッジに関する。

従来、金属水素化物により構成される水素貯蔵材料が知られている（特許文献１参照）。特許文献１記載の水素貯蔵材料は、アンモニアと反応することにより水素を発生させる。これにより、室温程度の低い温度で水素放出反応を開始することが可能になる。

一方、アンモニア貯蔵部を接続した循環系を用いて水素貯蔵材料を製造するシステムが開示されている（特許文献２参照）。特許文献２記載の水素貯蔵材料の製造方法は、少なくともリチウムとマグネシウムのいずれかを含む原料を混合し、その原料を不活性ガスが循環する反応装置内で加熱し、加熱により発生した水素とアンモニアを循環系外に除去する。このようにしてリチウムイミドと窒化マグネシウムとの混合物および反応物を含有する水素貯蔵材料を製造している。
特開２００５−１５４２３２号公報特開２００７−３０７４５５号公報

上記のアンモニアとの反応により水素を放出する水素貯蔵材料は効率のよい水素の吸蔵および放出が可能であるが、実際のシステムにおいて水素の放出等に利用される段階に至っていない。また、上記のアンモニア貯蔵部を接続した循環系システムは、水素貯蔵材料の製造に用いるものであり水素の放出等を行うのに適さない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、アンモニアの貯蔵または放出により、効率よく水素を吸蔵または放出することができる水素吸蔵ステーション、水素供給ステーションおよび複合カートリッジを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る水素吸蔵ステーションは、水素との反応によりアンモニアを放出し水素を吸蔵する水素貯蔵材料に、水素を吸蔵させる水素吸蔵ステーションであって、水素を導入する水素導入部と、前記水素貯蔵材料を有する水素貯蔵部と、水素吸蔵時に前記水素貯蔵部から放出されるアンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵部と、を備えることを特徴としている。このように本発明の水素吸蔵ステーションは、アンモニア貯蔵部を備えており、水素貯蔵部から放出されるアンモニアをアンモニア貯蔵部に貯蔵することで、効率よく水素を吸蔵させることができる。

（２）また、本発明に係る水素吸蔵ステーションは、水素との反応によりアンモニアを放出し水素を吸蔵する水素貯蔵材料に水素を吸蔵させる水素吸蔵ステーションであって、水素を導入する水素導入部と、前記水素貯蔵材料を有する水素貯蔵カートリッジを取り付け可能とする水素用取付け部と、水素吸蔵時に前記水素貯蔵部から放出されるアンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵部と、を備えることを特徴としている。これにより、水素貯蔵カートリッジを着脱可能にすることで、ユーザの利便性が向上する。このように本発明の水素吸蔵ステーションは、アンモニア貯蔵部を備えており、水素貯蔵部から放出されるアンモニアをアンモニア貯蔵部に貯蔵することで、効率よく水素を吸蔵させることができる。

（３）また、本発明に係る水素吸蔵ステーションは、水素との反応によりアンモニアを放出し水素を吸蔵する水素貯蔵材料に、水素を吸蔵させる水素吸蔵ステーションであって、水素を導入する水素導入部と、前記水素貯蔵材料を有する水素貯蔵カートリッジを取り付け可能とする水素用取付け部と、水素吸蔵時に前記水素貯蔵カートリッジから放出されるアンモニアを貯蔵するために、アンモニア貯蔵カートリッジを取り付け可能とするアンモニア用取付け部と、を備えることを特徴としている。このようにアンモニアの収集により、水素の吸蔵を効率よく行うことができる。また、カートリッジを着脱可能にすることで、ユーザの利便性が向上する。

（４）また、本発明に係る水素吸蔵ステーションは、前記アンモニア貯蔵部またはアンモニア貯蔵カートリッジを冷却する冷却機構を更に備え、前記アンモニア貯蔵部またはアンモニア貯蔵カートリッジは、冷却により液化されたアンモニアを貯蔵することを特徴としている。アンモニア貯蔵部またはアンモニア貯蔵カートリッジを冷却することでアンモニアを液化しアンモニアを収集することが可能になる。また、液化によりアンモニアの貯蔵量は大きくなる。

（５）また、本発明に係る水素吸蔵ステーションは、前記アンモニア貯蔵部またはアンモニア貯蔵カートリッジは、アンモニア分子を吸着するアンモニア吸着材を有することを特徴としている。これにより、効率的にアンモニアを吸着することが可能となる。また、アンモニア吸着材料を用いることで、アンモニアの収集に冷却装置が必要なくなり、水素吸蔵ステーションの構成が容易になる。

（６）また、本発明に係る水素吸蔵ステーションは、前記水素貯蔵部もしくは水素貯蔵カートリッジを加熱する水素用熱交換機構を更に備えることを特徴としている。これにより、水素貯蔵部内の水素貯蔵材料を加熱し水素吸蔵の効率を向上させることができる。また、廃熱エネルギー等があれば利用することができる。

（７）また、本発明に係る水素吸蔵ステーションは、前記水素導入部から出発し、前記水素貯蔵部または水素貯蔵カートリッジを介し、前記アンモニア貯蔵部またはアンモニア貯蔵カートリッジに至り、前記水素導入部に戻る順番でガスを循環させる循環経路を更に備え、前記ガス循環経路には、主に水素を循環させることを特徴としている。これにより、水素を水素貯蔵部に貯蔵する際には、経路に水素を循環させて水素貯蔵材料に水素を吸蔵させることができる。その結果、一回では十分に吸蔵できない水素を吸蔵させることができ、水素の吸蔵量を増加させることができる。

（８）また、本発明に係る水素吸蔵ステーションは、前記ガス循環経路に接続され、吸ガス動作と排ガス動作を繰り返すことでガスを循環させるガス循環駆動部を更に備えることを特徴としている。ガス循環駆動部の排ガス動作により、水素貯蔵部内で水素の圧力を上昇させることができ、水素を吸蔵させることができる。

（９）また、本発明に係る水素供給ステーションは、水素を供給する水素供給ステーションであって、水素供給時に、貯蔵されているアンモニアを放出するアンモニア貯蔵部と、水素貯蔵材料を有し、水素供給時に前記放出されたアンモニアと前記水素貯蔵材料とを反応させて、水素を放出する水素貯蔵部と、を備え、前記水素貯蔵部から放出された水素を供給対象に供給することを特徴としている。このように本発明の水素供給ステーションは、アンモニア貯蔵部を備えており、アンモニア貯蔵部から放出されたアンモニアと水素貯蔵材料とを反応させて、水素を放出することで、効率よく水素の供給を行うことができる。

（１０）また、本発明に係る複合カートリッジは、水素との反応によりアンモニアを放出し水素を吸蔵する水素貯蔵材料を有する水素貯蔵部と、アンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵部と、を備え、前記アンモニア貯蔵部から放出されたアンモニアと前記水素貯蔵部内の水素貯蔵材料とを反応させて水素を放出させることを特徴としている。水素貯蔵カートリッジとアンモニア貯蔵カートリッジとが一体化することで取り扱いが容易となり、ユーザの利便性を向上できる。

本発明によれば、水素貯蔵材料から放出されるアンモニアを貯蔵することで、効率よく水素を吸蔵させることができる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［実施形態１］
（水素吸蔵ステーションの構成）
図１は、水素吸蔵ステーション１の構成を示す概略図である。水素吸蔵ステーション１は、水素貯蔵カートリッジ等に水素を吸蔵させるためのステーションであり、たとえば水素貯蔵カートリッジは自動車の燃料として車載されて用いられる。水素吸蔵ステーション１は、各バルブＶ１〜Ｖ２、ガス流通路Ｌ１〜Ｌ６、ベローズポンプＰ１、水素貯蔵部１０、熱交換機構２０、アンモニア貯蔵部３０および冷却機構４０により構成されている。

水素ガス導入バルブＶ１は、水素貯蔵部１０への水素の吸蔵の際に、水素ガスの導入元からの水素の流入を制御するためのバルブである。水素ガス導入バルブＶ１は、水素ガス導入口として機能している。ガス流通路Ｌ１は、水素ガス導入バルブＶ１とベローズポンプＰ１との間でガスを流通させるガス流通路である。

ベローズポンプＰ１（ガス循環駆動部）は、ガス流通路Ｌ１に接続され、吸ガス動作と排ガス動作を繰り返すことでガスを押し出し循環させる。ベローズポンプＰ１は、特に、水素の吸蔵の際に水素貯蔵部１０内の圧力を高めるために用いられる。ベローズポンプＰ１を用いることで、ダイヤフラムポンプ等に比べ逆方向へのリーク等が生じ難い。ガス流通路Ｌ２は、ベローズポンプＰ１と水素貯蔵部１０との間でガスを流通させる。

水素を放出した状態の水素貯蔵部１０は、容器本体１１、蓋１２、１３、水素貯蔵材料１５、フィン１６を備えている。容器本体１１、蓋１２、１３により、水素貯蔵材料１５を収容する容器を形成している。容器内部には、フィン１６が設けられ、効率よく媒体流路２２から熱を水素貯蔵材料１５に伝えている。

水素貯蔵材料１５は、水素を放出した状態では、水素との反応により水素を吸蔵してアンモニアを放出し、水素を吸蔵した状態では、アンモニアと反応して水素を放出する。たとえば、水素を放出した状態の水素貯蔵材料１５には、金属アミド化合物が含まれた材料が用いられる。このとき、水素を吸蔵した状態の水素貯蔵材料１５には、吸蔵により金属アミド化合物が反応した結果、金属水素化物が含まれている。

金属アミド化合物には、ＬｉＮＨ_２が挙げられる。このときの金属水素化物は、ＬｉＨである。水素の吸蔵反応はＬｉＮＨ_２＋Ｈ_２→ＬｉＨ＋ＮＨ_３であり、吸熱反応である。水素の放出反応はこの逆反応である。その他の金属アミド化合物には、ＮａＮＨ_２が挙げられる。このときの金属水素化物は、ＮａＨである。水素の吸蔵反応はＮａＮＨ_２＋Ｈ_２→ＮａＨ＋ＮＨ_３であり、吸熱反応である。水素の放出反応はこの逆反応である。なお、水素貯蔵材料１５とは、この場合の金属水素化物および金属アミド化合物を含めた概念である。水素を放出した状態の水素貯蔵材料１５は、金属アミド化合物を指し、水素を吸蔵した状態の水素貯蔵材料１５は、金属水素化物を指す。

熱交換機構２０は、循環ポンプＰ２、熱交換器２１および媒体流路２２から構成されている。循環ポンプＰ２は、媒体を送り出しシステム内を循環させる。熱交換器２１は、水素吸蔵時には熱交換により熱源から媒体に熱を伝え、水素放出時には媒体から冷却源に熱を伝える。媒体流路２２は、循環ポンプＰ２および熱交換器２１を介して媒体を循環させる流通路である。媒体流路２２は、管状に形成され、水素貯蔵部１０内を貫通するように設けられ、フィン１６と接触している。ガス流通路Ｌ３は、水素貯蔵部１０とアンモニア貯蔵部３０との間でガスを流通させる。アンモニア貯蔵部３０は、容器３１により形成され、水素吸蔵の際には水素貯蔵部１０から発生するアンモニアガスを液化させて液体アンモニア３２としてトラップする。

冷却機構４０は、アンモニア貯蔵部３０の周囲に設けられ、アンモニア貯蔵部３０を冷却する。冷却機構４０は、冷却器４１、冷却部４２および熱伝導体４３から構成されている。冷却器４１は、媒体を冷却する装置であり、冷却された媒体を冷却部４２に循環させる。熱伝導体４３は、アンモニア貯蔵部３０に周囲から接しており、アンモニア貯蔵部３０の熱を、冷却部４２を介して冷却器４１に伝える。ガス流通路Ｌ４は、アンモニア貯蔵部３０とバルブＶ２との間でガスを流通させる。バルブＶ２は、水素吸蔵時には開けられている。

ガス流通路Ｌ５はガス流通路Ｌ４と圧力センサ５５との間でガスを流通させる。圧力センサ５５は、流通するガスの圧力の異常を検知する。作業者は、水素吸蔵時にガスの圧力に異常がある場合には、水素ガス導入バルブＶ１により水素の導入量を調整することができる。ガス流通路Ｌ６は、圧力センサ５５と水素ガス導入バルブＶ１との間でガスを流通させる。ガス流通路Ｌ１〜Ｌ６は、循環経路を形成している。水素吸蔵時には、バルブＶ２を開けて、水素ガスを循環路に循環させることで水素の吸蔵の効率を向上させることができる。

（水素吸蔵ステーションの動作）
このように構成された水素吸蔵ステーション１の使用方法および動作（水素貯蔵方法）を説明する。水素を水素貯蔵部１０に吸蔵させる場合には、まず、すべてのバルブを閉じた状態から、作業者はバルブＶ２を開ける。そして、熱交換機構２０を作動させて、水素貯蔵材料１５の温度を水素吸蔵の反応が活性化する温度まで加熱する。水素貯蔵材料１５が、リチウムアミドである場合には、水素貯蔵部１０の温度を３００℃以上とすることが好ましい。水素貯蔵材料１５が、ナトリウムアミドである場合には、水素貯蔵部１０の温度を２００℃以上とすることが好ましい。一方で、冷却機構４０を起動しアンモニア貯蔵部３０を冷却する。冷却により維持すべき温度は、アンモニアの気化温度以下であることが好ましく、実際には−５０℃以下、−６０℃以上とすることが好ましい。

水素ガス導入バルブＶ１を開放し、水素ガスを導入する。ベローズポンプＰ１を作動させて、水素貯蔵部１０内の圧力を上昇させる。水素貯蔵材料１５が、リチウムアミドまたはナトリウムアミドである場合には、水素貯蔵部１０内の水素の圧力を０．５ＭＰａ以上とし、４時間程度圧力を維持することが好ましい。水素貯蔵部１０内では水素貯蔵材料１５が水素と反応し水素を吸蔵し、アンモニアを放出する。放出されたアンモニアはガス流通路Ｌ３を介して、アンモニア貯蔵部３０に流入しトラップされる。水素ガスは、ガス流通路Ｌ４〜Ｌ６を流れて水素ガス導入バルブＶ１まで循環する。ベローズポンプＰ１による水素ガスの循環を繰り返すことで水素貯蔵材料１５との反応が効率よく進み十分な水素の吸蔵が可能となる。作業者は圧力センサ５５を監視しベローズポンプＰ１の動作や水素の導入量を調整することができる。このようにして水素貯蔵部１０に水素を貯蔵することができる。

なお、水素貯蔵部１０またはアンモニア貯蔵部３０に代えて、それぞれ水素貯蔵カートリッジまたはアンモニア貯蔵カートリッジを用いてもよい。その場合には、アンモニア貯蔵部３０をガス流通路Ｌ３およびＬ４と接続するアンモニア用取り付け部と、水素貯蔵部１０をガス流通路Ｌ２およびＬ３と接続するための水素用取り付け部とを設けておく（図示せず）。これらの取り付け部は、水素吸蔵ステーション１の構成に含まれるが、水素貯蔵カートリッジやアンモニア貯蔵カートリッジは構成に含まれない。

また、これらのカートリッジは、複合カートリッジとして一体化したものであってもよい。複合カートリッジは、水素との反応によりアンモニアを放出し水素を吸蔵する水素貯蔵材料を有するカートリッジ内の水素貯蔵部と、アンモニアを貯蔵するカートリッジ内のアンモニア貯蔵部とを備えている。そして、複合カートリッジは、カートリッジ内のアンモニア貯蔵部から放出されたアンモニアとカートリッジ内の水素貯蔵部に蓄えられた水素貯蔵材料とを反応させて水素を放出させる。水素貯蔵カートリッジとアンモニア貯蔵カートリッジとが一体化することで取り扱いが容易となり、ユーザの利便性を向上できる。

［実施形態２］
上記の実施形態では、アンモニア貯蔵部３０は、冷却機構４０により冷却されることにより、アンモニアをトラップしているが、アンモニアを吸着する吸着材７２によりアンモニアを吸着するものであってもよい。

図２は、吸着によりアンモニアを貯蔵する水素吸蔵ステーション６１の構成を示す概略図である。水素吸蔵ステーション６１では、冷却によりアンモニアをトラップするアンモニア貯蔵部３０に代えて、吸着材７２（アンモニア吸着材）によりアンモニア分子を吸着するアンモニア貯蔵部７０が設けられている。図２に示すように、アンモニア貯蔵部７０は、容器７１および吸着材７２から構成されている。容器７１は、アンモニアを吸着する吸着材を収容している。吸着材７２は、室温でアンモニアを吸着し、加熱されることによりアンモニアを放出する。加熱温度は、たとえば活性炭の場合は２００℃程度である。

水素吸蔵ステーション６１には、冷却機構４０に代えて、熱交換機構８０が設けられている。熱交換機構８０は、循環ポンプＰ４、熱交換器８１および伝熱部８２を有し、アンモニア貯蔵部７０を加熱または冷却する。循環ポンプＰ４は、媒体を循環させる。水素吸蔵時には、熱交換器８１は媒体から熱を奪う。伝熱部８２は、アンモニア貯蔵部７０に接し、媒体に熱を伝えアンモニア貯蔵部７０を冷却する。冷却された吸着材７２はアンモニアを吸着する。水素吸蔵ステーション６１により水素を吸蔵させる際にはあらかじめ熱交換機構２０により水素貯蔵部１０を加熱しておく。使用時におけるその他の手順は上記の実施形態と同様である。

［実施形態３］
上記の実施形態では、熱交換機構２０の熱源については特定していないが、熱源として上記の水素吸蔵ステーションの水素エネルギーの廃熱等を用いてもよい。図３は、導入された水素の一部を用いた熱源を熱交換機構の熱源とする水素吸蔵ステーション９１の構成を示す概略図である。ガス流通路Ｌ７は、ガス流通路Ｌ５とガスフィルタ５０との間でガスを流通させる。ガスフィルタ５０は、たとえば活性炭、シリカゲル、ゼオライトなどで形成されており、アンモニアガスを遮断し水素ガスを通す。ガス流通路Ｌ８は、ガスフィルタ５０と水素ガス放出バルブＶ３との間でガスを流通させる。水素ガス放出バルブＶ３は、水素ガスを系外に流通させる際に用いられる。

水素吸蔵ステーション９１は、導入された水素の一部を用いた触媒燃焼装置１２０（水素利用機構）を熱交換機構２０の熱源としている。水素ガス導入バルブＶ１から導入された水素の一部として、ガス流通路Ｌ６、Ｌ５、Ｌ７を流通し、ガスフィルタ５０を通過後ガス流通路Ｌ８を流通し、水素ガス放出バルブＶ３から供給された水素は、ガス流通路Ｌ９を流通し、流量制御装置１００、ガス流通路Ｌ１０を介して触媒燃焼装置１２０へ流入する。流量制御装置１００は、触媒燃焼装置１２０への水素の流量を制限している。触媒燃焼装置１２０は、水素を利用する手段の一例である。導入された水素を用いて触媒燃焼装置１２０で熱を発生させることで熱交換機構２０は水素貯蔵部１０を加熱する。その結果、水素吸蔵ステーション９１では、エネルギーを効率的に利用して、水素の吸蔵を行うことができる。

なお、水素吸蔵ステーション９１の起動時には、熱交換機構２０は廃熱利用なしに加熱が可能となっていることが好ましい。水素吸蔵ステーション９１により水素を吸蔵させる際には、まず水素貯蔵部１０を加熱し、その他は上記の実施形態と同様の手順を行い、水素ガス放出バルブＶ３を開放して水素を触媒燃焼装置１２０に供給する。

［実施形態４］
（水素供給ステーションの構成）
図４は、水素供給ステーション２０１の構成を示す概略図である。水素供給ステーション２０１は、アンモニアと水素貯蔵材料とを反応させることで蓄積した水素を放出させ、燃料電池自動車等に水素を供給するステーションである。水素供給ステーション２０１は、各バルブＶ２１〜Ｖ２３、ガス流通路Ｌ２１〜Ｌ２８、ベローズポンプＰ２１、水素貯蔵部２１０、熱交換機構２２０、アンモニア貯蔵部２３０、冷却機構２４０およびガスフィルタ２５０により構成されている。

水素ガス導入バルブＶ２１は、水素ガスの導入元からの水素の流入を制御するためのバルブである。ガス流通路Ｌ２１は、水素ガス導入バルブＶ２１とベローズポンプＰ２１との間でガスを流通させる。

ベローズポンプＰ２１（ガス循環駆動部）は、ガス流通路Ｌ２１に接続され、吸ガス動作と排ガス動作を繰り返すことでガスを押し出し循環させる。ガス流通路Ｌ２２は、ベローズポンプＰ２１と水素貯蔵部２１０との間でガスを流通させる。

水素を放出した状態の水素貯蔵部２１０は、容器本体２１１、蓋２１２、２１３、水素貯蔵材料２１５、フィン２１６を備えている。容器本体２１１、蓋２１２、２１３により、水素貯蔵材料２１５を収容する容器を形成している。

水素貯蔵材料２１５は、水素を放出した状態では、水素との反応により水素を吸蔵してアンモニアを放出し、水素を吸蔵した状態では、アンモニアと反応して水素を放出する。たとえば、水素を放出した状態の水素貯蔵材料２１５には、金属アミド化合物が含まれた材料が用いられる。このとき、水素を吸蔵した状態の水素貯蔵材料２１５には、金属水素化物が含まれている。

金属アミド化合物には、ＬｉＮＨ_２が挙げられる。このときの金属水素化物は、ＬｉＨである。その他の金属アミド化合物には、ＮａＮＨ_２が挙げられる。このときの金属水素化物は、ＮａＨである。なお、水素貯蔵材料２１５とは、この場合の金属水素化物および金属アミド化合物を含めた概念である。水素を放出した状態の水素貯蔵材料２１５は、金属アミド化合物を指し、水素を吸蔵した状態の水素貯蔵材料２１５は、金属水素化物を指す。

熱交換機構２２０は、循環ポンプＰ２２、熱交換器２２１および媒体流路２２２から構成されている。循環ポンプＰ２２は、媒体を送り出しシステム内を循環させる。熱交換器２２１は、水素吸蔵時には熱交換により熱源から媒体に熱を伝える。水素放出時には媒体から冷却源に熱を伝える。媒体流路２２２は、循環ポンプＰ２２および熱交換器２２１を介して媒体を循環させる流通路である。媒体流路２２２は、管状に形成され、水素貯蔵部２１０内を貫通するように設けられ、フィン２１６と接触している。ガス流通路Ｌ２３は、水素貯蔵部２１０とアンモニア貯蔵部２３０との間でガスを流通させる。アンモニア貯蔵部２３０は、容器２３１により形成され、水素吸蔵の際には水素貯蔵部２１０から発生するアンモニアガスを液化させて液体アンモニア２３２としてトラップする。

冷却機構２４０は、アンモニア貯蔵部２３０の周囲に設けられ、アンモニア貯蔵部２３０を冷却する。冷却機構２４０は、冷却器２４１、冷却部２４２および熱伝導体２４３から構成されている。冷却器２４１は、媒体を冷却する装置であり、冷却された媒体を冷却部２４２に循環させる。熱伝導体２４３は、アンモニア貯蔵部２３０に周囲から接しており、アンモニア貯蔵部２３０の熱を、冷却部２４２を介して冷却器２４１に伝える。

ガス流通路Ｌ２４は、アンモニア貯蔵部２３０とバルブＶ２２との間でガスを流通させる。バルブＶ２２は、水素吸蔵時には開けられている。ガス流通路Ｌ２５は、バルブＶ２２からガスフィルタ２５０までガスを流通させる。ガスフィルタ２５０は、たとえば活性炭、シリカゲル、ゼオライトなどで形成されており、アンモニアガスを遮断し水素ガスを通す。ガス流通路Ｌ２６は、ガスフィルタ２５０と水素ガス放出バルブＶ２３との間でガスを流通させる。水素ガス放出バルブＶ２３は、水素放出時に水素ガスを系外にガスの放出を制御するのに用いられる。水素ガス放出バルブＶ２３は、水素の吸蔵時には閉められ、水素の放出時に開けられる。

ガス流通路Ｌ２７はガス流通路Ｌ２５と圧力センサ２５５との間でガスを流通させる。圧力センサ２５５は、流通するガスの圧力の異常を検知する。ガス流通路Ｌ２８は、圧力センサ２５５と水素ガス導入バルブＶ２１との間でガスを流通させる。ガス流通路Ｌ２１〜Ｌ２５、Ｌ２７〜Ｌ２８は、循環経路を形成している。水素吸蔵時には、バルブＶ２２を開けて、水素ガスを循環路に循環させることで水素の吸蔵の効率を向上させることができる。

（水素供給ステーションの動作）
このように構成された水素供給ステーション２０１の使用方法および動作（水素貯蔵方法）を説明する。水素を水素貯蔵部２１０に貯蔵する場合には、まず、すべてのバルブを閉じた状態から、作業者はバルブＶ２２を開ける。そして、熱交換機構２２０を作動させて、水素貯蔵材料２１５の温度を水素吸蔵の反応が活性化する温度まで加熱する。水素貯蔵材料２１５が、リチウムアミドである場合には、水素貯蔵部２１０の温度を３００℃以上とすることが好ましい。水素貯蔵材料２１５が、ナトリウムアミドである場合には、水素貯蔵部２１０の温度を２００℃以上とすることが好ましい。一方で、冷却機構２４０を起動しアンモニア貯蔵部２３０を冷却する。冷却により維持すべき温度は、アンモニアの気化温度以下であることが好ましく、実際には−５０℃以下、−６０℃以上とすることが好ましい。

水素ガス導入バルブＶ２１を開放し、水素ガスを導入する。ベローズポンプＰ２１を作動させて、水素貯蔵部２１０内の圧力を上昇させる。水素貯蔵材料２１５が、リチウムアミドまたはナトリウムアミドである場合には、水素貯蔵部２１０内の水素の圧力を０．５ＭＰａ以上とし、４時間程度圧力を維持することが好ましい。水素貯蔵部２１０内では水素貯蔵材料２１５が水素と反応し水素を吸蔵し、アンモニアを放出する。放出されたアンモニアはガス流通路Ｌ２３を介して、アンモニア貯蔵部２３０に流入しトラップされる。水素ガスは、ガス流通路Ｌ２４、Ｌ２５、Ｌ２７、Ｌ２８を流れて水素ガス導入バルブＶ２１まで循環する。ベローズポンプＰ２１による水素ガスの循環を繰り返すことで水素貯蔵材料２１５との反応が効率よく進み十分な水素の吸蔵が可能となる。このようにして水素貯蔵部２１０に水素を貯蔵することができる。

次に、水素を外部へ供給する際の水素供給ステーション２０１の使用方法および動作を説明する。まず、すべてのバルブを閉じておく。冷却機構２４０は作動させずに、アンモニア貯蔵部２３０を室温に維持する。必要に応じて加熱機構を設け加熱してもよい。その状態で、作業者は水素ガス放出バルブＶ２３を開放する。このとき、アンモニア貯蔵部２３０では、アンモニアが気化し、ガス流通路Ｌ２３を通って水素貯蔵部２１０に流入する。水素貯蔵部２１０の温度は室温に維持するか、もしくは熱交換機構２２０により冷却する。水素貯蔵部２１０内のアンモニアの圧力を０．５ＭＰａに維持する。この際、水素貯蔵部２１０内では、水素を吸蔵した状態の水素貯蔵材料２１５による水素放出の反応が進行する。

放出された水素ガスは、ガス流通路Ｌ２２、Ｌ２１、Ｌ２８、Ｌ２７、Ｌ２５を通ってガスフィルタ２５０に到達する。そして、ガスフィルタ２５０を通過した水素ガスのみが水素ガス放出バルブＶ２３から放出され、水素が外部へ供給される。なお、水素貯蔵部２１０およびアンモニア貯蔵部２３０は、それぞれカートリッジ式であってもよい。その場合には、アンモニア貯蔵部２３０をガス流通路Ｌ２３およびＬ２４と接続するためのアンモニア用取り付け部と、水素貯蔵部２１０をガス流通路Ｌ２２およびＬ２３と接続するための水素用取り付け部とを設けておく（図示せず）。

［実施形態５］
上記の実施形態では、アンモニア貯蔵部２３０は、冷却機構２４０により冷却されることにより、アンモニアをトラップしているが、アンモニアを吸着する吸着材２７２によりアンモニアを吸着するものであってもよい。

図５は、吸着によりアンモニアを貯蔵する水素供給ステーション２６１の構成を示す概略図である。水素供給ステーション２６１では、冷却によりアンモニアをトラップするアンモニア貯蔵部２３０に代えて、吸着材２７２（アンモニア吸着材）によりアンモニア分子を吸着するアンモニア貯蔵部２７０が設けられている。図５に示すように、アンモニア貯蔵部２７０は、容器２７１および吸着材２７２から構成されている。容器２７１は、アンモニアを吸着する吸着材を収容している。吸着材２７２は、室温でアンモニアを吸着し、加熱されることによりアンモニアを放出する。加熱温度は、たとえば活性炭の場合は２００℃程度である。

水素供給ステーション２６１には、冷却機構２４０に代えて、熱交換機構２８０が設けられている。熱交換機構２８０は、循環ポンプＰ２４、熱交換器２８１および伝熱部２８２を有し、アンモニア貯蔵部２７０を加熱または冷却する。循環ポンプＰ２４は、媒体を循環させる。水素吸蔵時には、熱交換器２８１は媒体から熱を奪う。一方、水素放出時には、熱交換器２８１は媒体に熱を伝える。伝熱部２８２は、アンモニア貯蔵部２７０に接し、媒体が伝える熱によりアンモニア貯蔵部２７０を加熱する。加熱された吸着材２７２が活性化し、アンモニアを放出する。水素供給ステーション２６１により水素放出する際にはあらかじめ熱交換機構２８０によりアンモニア貯蔵部２７０を加熱しておく。使用時におけるその他の手順は上記の実施形態と同様である。

［実施形態６］
上記の実施形態では、熱交換機構２２０および熱交換機構２８０の熱源については特定していないが、熱源として上記の水素供給ステーションから放出された水素エネルギーの廃熱等を用いてもよい。図６は、放出された水素を用いた熱源を熱交換機構の熱源とする水素供給ステーション２９１の構成を示す概略図である。

水素供給ステーション２９１は、放出された水素の一部により作動する燃料電池２１１０（水素利用機構）を熱交換機構２８０の熱源とし、放出された水素を用いた触媒燃焼装置２１２０（水素利用機構）を熱交換機構２２０の熱源としている。水素ガス放出バルブＶ２３から供給された水素は、ガス流通路Ｌ２９を流通し、流量制御装置２１００、ガス流通路Ｌ３０を介して燃料電池２１１０へ流入する。流量制御装置２１００は、燃料電池２１１０への水素の流量を制限している。ガス流通路Ｌ３１は、流量制御装置２１００とバルブＶ２４との間でガスを流通させる。バルブＶ２４は、外部への水素供給用のバルブである。熱交換器２８１は、燃料電池２１１０の廃熱を利用して媒体に熱を伝える。このようにして、熱交換機構２８０はアンモニア貯蔵部２７０を加熱する。また、放出された水素を用いて触媒燃焼装置２１２０で熱を発生させることで熱交換機構２２０は水素貯蔵部２１０を加熱する。その結果、水素供給ステーション２９１では、エネルギーの無駄を省き、水素の貯蔵およびアンモニアの放出を効率よく行うことができる。

なお、水素供給ステーション２９１の起動時には、熱交換機構２２０および２８０は廃熱利用なしに加熱が可能となっていることが好ましい。水素供給ステーション２９１に水素を貯蔵する際には、まず水素貯蔵部２１０を加熱し、その他は上記の実施形態と同様の手順を行い、水素ガス放出バルブＶ２３を開放して水素を触媒燃焼装置２１２０に供給する。一方、水素供給ステーション２９１から水素を供給する際には、まずアンモニア貯蔵部２７０を加熱し、その他は上記の実施形態と同様の手順を行い、水素ガス放出バルブＶ２３を開放して水素を燃料電池２１１０に供給する。また、上記の例では、熱交換機構２２０および２８０の熱源がそれぞれ触媒燃焼装置２１２０と燃料電池２１１０とに分かれているが、熱源は一つであってもよい。

［実施形態７］
上記の実施形態では、水素供給ステーションが水素の吸蔵および放出の両方を行うが、水素の放出のみを行うものであってもよい。この場合には、水素ガスをガス流通路により循環させる必要はない。図７は、水素ガスの放出のみを行う水素供給ステーション２１３１の構成を示す概略図である。

水素供給ステーション２１３１は、水素ガス放出バルブＶ２３、ガス流通路Ｌ２１１〜Ｌ２１６、水素貯蔵部２１０、熱交換機構２２０、アンモニア貯蔵部２７０、熱交換機構２８０およびガスフィルタ２５０により構成されている。

アンモニア貯蔵部２７０は、取替えが可能なカートリッジ式であり、容器２７１および吸着材２７２から構成されている。アンモニア貯蔵部２７０をガス流通路Ｌ２１１と接続するためのアンモニア用取り付け部と、水素貯蔵部２１０をガス流通路Ｌ２１２およびＬ２１３と接続するための水素用取り付け部とが設けられている（図示せず）。容器２７１は、あらかじめアンモニアを吸着した吸着材２７２を収容している。ガス流通路Ｌ２１１は、放出されたアンモニアを、流量制御装置２１４０を介して水素貯蔵部２１０まで流通させる。流量制御装置２１４０は、アンモニアの流量が大きくなりすぎないように制限する。水素貯蔵部２１０も、カートリッジ式であることが好ましく、使用時には水素ステーション等によりあらかじめ水素が貯蔵されたものが用いられる。

ガス流通路Ｌ２１３は、水素貯蔵部２１０からガスフィルタ２５０までガスを流通させる。ガス流通路Ｌ２１４は、ガスフィルタ２５０を通過した水素を流通させる。ガス流通路Ｌ２１５は、水素ガス放出バルブＶ２３から流量制御装置２１００まで水素を流通させる。さらに、ガス流通路Ｌ２１６は、流量制御装置２１００から燃料電池２１１０まで水素を流通させる。ガス流通路Ｌ２１７は、流量制御装置２１００とバルブＶ２４との間でガスを流通させる。バルブＶ２４は、外部への水素供給用のバルブである。燃料電池２１１０の廃熱は、熱交換機構２８０で利用され、さらには熱交換機構２８０の媒体により熱交換機構２２０に熱が伝えられる。

なお、水素供給ステーション２１３１を使用する際には、まずアンモニア貯蔵部２７０および水素貯蔵部２１０の加熱を行い、水素ガス放出バルブＶ２３を開放して水素を供給する。このようにして、水素放出専用の水素供給ステーション２１３１を動作させることができる。

実施形態１に係る水素吸蔵ステーションの構成を示す概念図である。実施形態２に係る水素吸蔵ステーションの構成を示す概念図である。実施形態３に係る水素吸蔵ステーションの構成を示す概念図である。実施形態４に係る水素供給ステーションの構成を示す概念図である。実施形態５に係る水素供給ステーションの構成を示す概念図である。実施形態６に係る水素供給ステーションの構成を示す概念図である。実施形態７に係る水素供給ステーションの構成を示す概念図である。

符号の説明

１、６１、９１水素吸蔵ステーション
１０水素貯蔵部
１１容器本体
１２、１３蓋
１５水素貯蔵材料
１６フィン
２０、４０、８０熱交換機構
２１、８１熱交換器
２２媒体流路
３０、７０アンモニア貯蔵部
３１、７１容器
３２液体アンモニア
４１冷却器
４２冷却部
４３熱伝導体
５０ガスフィルタ
５５圧力センサ
７２吸着材（アンモニア吸着材）
８２伝熱部
１００流量制御装置
１２０触媒燃焼装置（水素利用機構）
Ｌ１−１０ガス流通路
Ｐ１ベローズポンプ（ガス循環駆動部）
Ｐ２、Ｐ４循環ポンプ
Ｖ１水素ガス導入バルブ
Ｖ２バルブ
Ｖ３水素ガス放出バルブ
２０１、２６１、２９１、２１３１水素供給ステーション
２１０水素貯蔵部
２１１容器本体
２１２、２１３蓋
２１５水素貯蔵材料
２１６フィン
２２０、２４０、２８０熱交換機構
２２１、２８１熱交換器
２２２媒体流路
２３０、２７０アンモニア貯蔵部
２３１、２７１容器
２３２液体アンモニア
２４１冷却器
２４２冷却部
２４３熱伝導体
２５０ガスフィルタ
２５５圧力センサ
２７２吸着材（アンモニア吸着材）
２８２伝熱部
２１００、２１４０流量制御装置
２１１０燃料電池（水素利用機構）
２１２０触媒燃焼装置（水素利用機構）
Ｌ２１−Ｌ３１、Ｌ２１１−Ｌ２１６ガス流通路
Ｐ２１ベローズポンプ（ガス循環駆動部）
Ｐ２２、Ｐ２４循環ポンプ
Ｖ２１水素ガス導入バルブ
Ｖ２２、Ｖ２４バルブ
Ｖ２３水素ガス放出バルブ

Claims

水素を導入する水素導入部と、
水素を放出した状態では、水素との反応により金属水素化物になるとともにアンモニアを放出して水素を吸蔵し、水素を吸蔵した状態では、アンモニアとの反応により金属アミド化合物になるとともに水素を放出する水素貯蔵材料を有する水素貯蔵部と、
水素吸蔵時に前記水素貯蔵部から放出されるアンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵部と、を備えることを特徴とする水素吸蔵ステーション。
水素を導入する水素導入部と、
水素を放出した状態では、水素との反応により金属水素化物になるとともにアンモニアを放出して水素を吸蔵し、水素を吸蔵した状態では、アンモニアとの反応により金属アミド化合物になるとともに水素を放出する水素貯蔵材料を有する水素貯蔵カートリッジを取り付け可能とする水素用取付け部と、
水素吸蔵時に前記水素貯蔵部から放出されるアンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵部と、を備えることを特徴とする水素吸蔵ステーション。
水素を導入する水素導入部と、
水素を放出した状態では、水素との反応により金属水素化物になるとともにアンモニアを放出して水素を吸蔵し、水素を吸蔵した状態では、アンモニアとの反応により金属アミド化合物になるとともに水素を放出する水素貯蔵材料を有する水素貯蔵カートリッジを取り付け可能とする水素用取付け部と、
水素吸蔵時に前記水素貯蔵カートリッジから放出されるアンモニアを貯蔵するために、アンモニア貯蔵カートリッジを取り付け可能とするアンモニア用取付け部と、を備えることを特徴とする水素吸蔵ステーション。
前記アンモニア貯蔵部またはアンモニア貯蔵カートリッジを冷却する冷却機構を更に備え、
前記アンモニア貯蔵部またはアンモニア貯蔵カートリッジは、冷却により液化されたアンモニアを貯蔵することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の水素吸蔵ステーション。
前記アンモニア貯蔵部またはアンモニア貯蔵カートリッジは、アンモニア分子を吸着するアンモニア吸着材を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の水素吸蔵ステーション。
前記水素貯蔵部もしくは水素貯蔵カートリッジを加熱する水素用熱交換機構を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の水素吸蔵ステーション。
前記水素導入部から出発し、前記水素貯蔵部または水素貯蔵カートリッジを介し、前記アンモニア貯蔵部またはアンモニア貯蔵カートリッジに至り、前記水素導入部に戻る順番でガスを循環させる循環経路を更に備え、
前記ガス循環経路には、主に水素を循環させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の水素吸蔵ステーション。
前記ガス循環経路に接続され、吸ガス動作と排ガス動作を繰り返すことでガスを循環させるガス循環駆動部を更に備えることを特徴とする請求項７記載の水素吸蔵ステーション。
水素供給時に、貯蔵されているアンモニアを放出するアンモニア貯蔵部と、
水素を放出した状態では、水素との反応により金属水素化物になるとともにアンモニアを放出して水素を吸蔵し、水素を吸蔵した状態では、アンモニアとの反応により金属アミド化合物になるとともに水素を放出する水素貯蔵材料を有し、水素供給時に前記放出されたアンモニアと前記水素貯蔵材料とを反応させて、水素を放出する水素貯蔵部と、を備え、
前記水素貯蔵部から放出された水素を供給対象に供給することを特徴とする水素供給ステーション。
水素を放出した状態では、水素との反応により金属水素化物になるとともにアンモニアを放出して水素を吸蔵し、水素を吸蔵した状態では、アンモニアとの反応により金属アミド化合物になるとともに水素を放出する水素貯蔵材料を有する水素貯蔵部と、
アンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵部と、を内部に備え、
前記アンモニア貯蔵部から放出されたアンモニアと前記水素貯蔵部内の水素貯蔵材料とを反応させて水素を放出させることを特徴とする複合カートリッジ。