JP5246530B2 - タイヤへの窒素充填設備 - 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おいて、水素の充填作業と並行して、窒素をタイヤへ充填する方法に関する。

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、同電池を搭載した燃料電池車の技術開発が進み、走行試験が行われている。併せて、水素の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れている。

水素ステーションの種別については、従来までは、各種の化石燃料を水素源として、ステーション内でこれを分解して水素を製造する、所謂オンサイト型の水素ステーションが主流であった。一部には化学工場や製鉄所等から副生する水素を高圧または液化状態で水素ステーションへ運搬する、所謂オフサイト型の水素ステーションも併せて実証試験が行われている。

この他に、極く一部ではあるが大型製造所で水素を大量生産し、これに水素による爆発等の危険度を抑制する目的で、窒素を混入して爆発範囲を回避し、配管を通して各地の水素ステーションへ輸送する方法も提案されている。
特開２００２−２３５９００号公報 特開２００４−２２０８０２号公報

一方、水素の貯蔵に関しては、燃料電池車の車両内に高圧ガス・タンクを搭載し、これに所定量の水素を充填する、所謂車上搭載方式が、本命と考えられている。また、同車両に使われる部品に関しては、水素はガソリンに比べ広い爆発範囲を有し、かつ最小着火エネルギーが小さい等、爆発や火災の危険度が高いため、車両内に可燃性ガス検知器を設置する等、従来のガソリン車の基準を上回る安全対策が求められている。

主要な自動車部品の中で、可燃性物質の一つであるタイヤについても、この対策の強化は重要である。航空機やレーシングカー等のタイヤの充填ガスについては、空気に代えて窒素を用いてバースト等の火災事故を回避する対策が、既に実用化されている。しかし、価格面や充填設備の複雑さ等の理由で、一般の自動車用は無論のこと燃料電池車用のタイヤに窒素を充填することは、未だ行われていない。

本発明は、上記、問題点に鑑みてなされたもので、窒素を自動車用のタイヤに簡単に充填する窒素ガス充填設備を提供する。

本発明の窒素ガス充填設備は、燃料電池車用に水素を供給するため、水素製造所から送られる水素・窒素の混合ガスを配管で連結して受け入れる水素ステーションにおいて、水素・窒素分離器を用いて水素・窒素の混合ガス中の水素を分離して燃料電池車の水素貯蔵設備に充填し、残った窒素を水素除去設備により窒素中に含まれる水素を除去して窒素貯蔵設備に蓄え、タイヤの充填ガスとして使用する窒素ガス充填設備とした。

本発明の窒素充填設備では、前記、水素除去設備として水素貯蔵物質を使用する設備を利用することができる。また前記、窒素貯蔵設備としては、該設備に受け入れる窒素中の水素含有量が予め定めた上限値を越える場合には、窒素の受け入れを遮断する機能および同設備の窒素をタイヤに充填する際に充填する窒素中の水素含有量を測定し、その測定値を記録する機能を有することが好ましい。また前記水素ステーションとして既存のガソリンスタンドの近傍に設置された設備を利用することができ、かつタイヤに窒素を充填する車両は、燃料電池車および一般の自動車であってもよい。

請求項１の発明によれば、窒素は水素・窒素混合ガスとして水素と共に輸送されてくるので、水素ステーション内に窒素の高圧ボンベ等の貯蔵設備を設けたり、窒素を発生させる設備を持つ必要はない。この結果、極めて狭いスペースでタイヤへの窒素の充填が可能となる。

請求項２の発明によれば、窒素中に含まれる水素を。燃料電池車の貯蔵設備に用いられる水素貯蔵物質と同様な物質の中から、定置式の水素除去設備に最も適する物質を選択することができる。又、水素貯蔵物質から水素を放出する技術やその再生技術についても、燃料電池車向けに開発された技術をそのまま応用できる。

請求項３の発明によれば、水素ステーション側が負う充填ガスに関する品質保証の責任範囲に歯止めをかけることが出来る。従来の窒素ガスの充填設備では、窒素中に水素が混入する危険性は皆無であるから、請求項３に提示するような対策は必要ない。しかし、本提案では必須である。この対策によりタイヤへの水素ガスの混入の危険性が防止され、水素によるタイヤの劣化を防止するための品質保証が計られる。

請求項４の発明によれば、窒素をタイヤに充填する対象は燃料電池車に限定されない。本提案の窒素ガス充填設備は、水素ステーション内に設置される。更にこの水素ステーションは、既存のガソリンスタンドに併設しやすいように配慮されている。この結果、窒素の充填は燃料電池車に限らず、一般の自動車用のタイヤも対象とすることができる。

図１に本発明の窒素ガス充填設備と水素ステーションとの関係を示す。本発明で水素製造所から水素ステ−ションへ輸送されてくるガスは、水素単独ではなく、水素窒素の混合ガスである。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を上限値とし、水素・窒素混合ガス供給配管２を通して各所の水素ステーション８に送られる。水素／窒素の濃度比は、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。

更に、水素ステーション８に到達した水素・窒素の混合ガスは、本発明者が先に提案（特開２００６−２０７７８５）したように水素・窒素分離器５を通して水素と窒素に分離され、水素は図１の上段のブロックに示す流れに従い、燃料電池車の水素貯蔵設備７に充填される。水素を分離して残った窒素は、１０気圧以下の低圧のガスとして、水素ステーショ８内で各種、保安対策に活用される。

水素と窒素の分離に関しては、昨今その技術開発が進み、水素はほぼ完全に分離することが可能となった。水素の純度に関しては燃料電池側から厳しい要求があり、現在、膜分離法を始め既に実用可能な技術が確立し、高品質の水素を得ることができるようになった。一方、窒素の純度の関しては、本提案では重要な課題である。特にタイヤ等の有機物の劣化に関して、強いマイナス影響を与えるといわれる水素の含有量については、特段の配慮が必要である。

具体的な数値では、前述の膜分離法による水素・窒素分離技術では、水素中の窒素については、燃料電池側の品質規格、例えば５０ｐｐｍ（容量比）以下の厳しい値を既にクリアしている。しかし、水素の回収率については、一般的に９９．９％程度といわれている。この値は、窒素の純度で見れば、窒素中に最大１０００ｐｐｍ（容量比）程度の水素を含有していることになる。この値はタイヤの劣化に与える水素濃度としては無視できない値であり、低減のため何らかの対策が必要である。

このため、本提案では窒素中に水素が混入するトラブルを防止するため、水素除去設備１０と高感度の水素検知器１１を利用した検知・監視システムとを組み込み合わせた、次の三つの対策を実施する。この概要を図１の下段のブロック図に示す。

第一の対策は窒素中に混入する微量の水素を除去する対策である。窒素と水素を分離するには、一般的には膜分離法やモレキュラシ−ブ等を活用する吸着法が使われるが、本提案では現在、主として燃料電池車向けに開発中の水素貯蔵物質を使用する。水素貯蔵物質とは、純粋な水素を単独で貯蔵したり、本提案のように水素を含む混合ガスから選択的に水素を貯蔵する能力を持つ物質である。

水素を貯蔵する物質として、古くから各種の水素貯蔵合金が知られており、最近はカーボンナノチューブ、カーボングラファイトファイバ−等、特異な構造を有する炭素材料が注目されている。また、新しい貯蔵物質として、例えばえ錯イオンである水素化アルミニウムイオンとアルカリ金属との塩であるアラネ−ト等に代表されるような新しい化合物を水素貯蔵材料として利用する研究も盛んに行われている。

このような技術開発の背景には、燃料電池車の水素貯蔵設備として、現在、主流と考えられている高圧ガス・タンクによる貯蔵方法が、万一の衝突事故等における水素ガスの漏洩を想定した場合、安全面で不安があり、これに代わる新しい貯蔵技術の開発が急務であるからである。今後とも、水素貯蔵技術については、激しい開発競争が続き、更に新たな水素貯蔵物質の発見が期待される。

本提案の水素除去設備に使用される水素貯蔵物質としては、窒素の存在下でも水素を選択的に貯蔵でき、かつ水素貯蔵量が、例えば６％以上（重量比）と大きく、かつ再生の容易な物質が選択される。但し、本提案の場合は燃料電池車の場合と異なり、定置式であるので、燃料電池車に求められるような貯蔵物質本体の重量については大きな制約はない。

水素貯蔵物質は、再生により繰り返し使うことが可能である。再生については、燃料電池車の水素放出の技術をそのまま活用でき、水素の放出条件がマイルドか否かが、再生のやり易さを決める要因となる。かつ本提案のように窒素中の水素の含有量が低いケースでは、水素貯蔵物質の寿命は長く、再生の頻度は低いので、再生作業は窒素の需要の少ない時間帯、例えば深夜等に時間を定めて定期的に行えば良い。

本提案における水素貯蔵物質の一例として、窒素雰囲気下で処理されたリチウム系の金属窒化物等は、特に有望な候補の一つである。しかし本提案では、水素貯蔵物質を利用した水素除去設備およびその設備を組み込んだ水素除去システムについては言及するが、どの水素貯蔵物質を選択するかについては言及しない。

第二の対策は、窒素中へ万一水素が混入した場合に備えた緊急遮断対策である。このためには図１に示すように、窒素貯蔵設備の入口側でガス成分を検知する水素検知器１１を取り付け、窒素中の水素濃度が予め設定された濃度、例えば３０ｐｐｍ（容量比）を越えた場合は、窒素受け入れ遮断弁１２を閉じ、大気への窒素放出緊急弁１３を開く。

水素検知器としては、一般には接触燃焼方式の検知器が使われるが、近年、燃料電池車の安全対策の開発と共に、半導体等を利用した高感度な検知器が次々に開発されており、この対応は難しくない。しかし本提案では、この緊急遮断システムについては言及するが、水素検知器本体の選定については言及しない。

第三の対策は、窒素貯蔵設備１４の出口側で、水素ガスを検知し、かつその値、例えば水素濃度、３０ｐｐｍ（容量比）以下と記録して、充填時利用者に「タイヤ充填用として窒素の純度に問題ない」ことを証明する。この場合の水素検知器については、前記と同様に選択すればよい。以上の三つの対策を組み合わせることにより、窒素中に水素が混入して、タイヤを劣化せる危険を防止できる。

窒素貯蔵設備１４から、窒素を充填用フレキシブルホース１９等を使ってタイヤ２０に連結し、充填する方法や設備等については、既に各種の提案があり本発明では言及しない。なお、図１中３ａについては混合ガス計量器、３ｂは窒素ガス計量器、６ａは水素圧縮機、６ｂは窒素圧縮機、１５は圧力検出器、１６は圧力調節弁、１７は充填用元弁、１８は充填用アダプタ−をそれぞれ示している。

本発明の実施にあたっては、次の４項目に留意することが重要である。第一の留意点は、窒素をタイヤに充填する場所が、水素ステーションであり、かつ水素ステ−ションは、既設のガソリンスタンドの一角に設置されること。

第二の留意点は、窒素を充填する車の対象が、燃料電池車だけではなくガソリン車を始めとする一般の乗用車であること。以上の二つの課題を解決するための共通な留意点は、将来の水素ステーションをどのような形式とするかである。この課題は世間では現時点で未だ結論が出ていない。

現在、水素ステ−ションとして本命とされる、所謂オンサイト型の水素ステーションの場合、例えば都市部での新設を想定した際、その最大の難点は水素ステ−ションのための用地確保の問題である。この点、本提案は水素を配管で輸送するという、省スペース型の提案であり、既設のガソリンスタンドに併設できる可能性が大きい。しかし、この結論が出るには、もう暫く時間を待たなくてはならない。

第三の留意点は、充填する窒素の品質保証の問題である。窒素がタイヤの劣化防止に有効なことは、既に公知であるが、窒素中に含まれる不純物が、マイナス影響を与えるのでは意味がない。本提案では、万一の水素の混入防止に細心の注意が必要であり、本提案で示した対策が不可欠である。

第四の留意点は、窒素の充填コストの問題である。一般の消費者にとって、タイヤへのガス充填が有料であるという感覚は、極めて少ない。多くの消費者は最初の空気置換を含む初期充填以外、窒素補充はガソリンスタンド側のサービス業務と考えている。従って、窒素充填のために新たに窒素ボンベを配置したり、窒素の発生装置を新設する提案では、コスト面で競合できない。本提案のように、水素の安全性確保のために水素に混合されてきた窒素を分離し再利用すれば、この課題を解決できる。

以上の留意点を解決した後、残る問題は水素と窒素の消費バランスの懸念である。即ち、水素と窒素の需要の大小により、どちらかのガスに過不足が生じる。窒素が不足する場合は、その補給を一時中止して待機するか、または短期的に何らかの小規模なバックアップ設備を供給側で付加すれば解決できる。また、燃料電池が普及した時点のように長期的な観点では、窒素は必ず余剰サイドと予想される。その場合は図１に示すように、窒素貯蔵設備の圧力を検出して、余剰の窒素は大気へ放出すれば良い。

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窒素充填設備を使って、窒素は極めて簡潔な方法でタイヤの充填ガスとして利用でき、燃料電池車、ガソリン車を問わず、全ての自動車に対して、タイヤの寿命と安全性の向上に有効な手段となる。

本発明の窒素ガス充填設備と水素ステーションとの関係を示す概略図である。

１ 水素製造所
２ 水素・窒素混合ガス供給配管
３ａ 混合ガス計量器
３ｂ 窒素ガス計量器
４ 中間タンク
５ 水素・窒素分離器
６ａ 水素圧縮機
６ｂ 窒素圧縮機
７ 燃料電池車の水素貯蔵設備
８ 水素ステーション
９ 窒素ガス充填設備
１０ 水素除去設備
１１ 水素検知器
１２ 窒素受け入れ遮断弁
１３ 窒素放出緊急弁
１４ 窒素貯蔵設備
１５ 圧力検出器
１６ 圧力調整弁
１７ 充填用元弁
１８ 充填用アダプタ−
１９ 充填用フレキシブルホース
２０ タイヤ

Claims (2)

1. 燃料電池車用に水素を供給するため、水素製造所から送られる水素・窒素の混合ガスを導管で連結して受け入れる水素ステーションにおいて、水素貯蔵物質を使用した水素・窒素分離器を用いて前記水素・窒素の混合ガスから水素を分離した後、残った窒素を窒素貯蔵設備に受け入れてタイヤの充填ガスとして使用する窒素ガス充填装置であって、前記、窒素貯蔵設備は窒素中の水素含有量が予め定めた上限値を超える場合には、窒素の受け入れを遮断する機能を有し、前記窒素ガス充填装置は窒素をタイヤに充填する際に、充填する窒素中の水素含有量を測定し、その測定値を記録する機能を有することを特徴とする窒素ガス充填設備。
2. 前記、水素ステーションが、既存のガソリンスタンドの近傍に設置され、かつタイヤに窒素を充填する車両が、燃料電池車および一般の自動車であることを特徴とする請求項１に記載の窒素ガス充填設備。

Images