JP5415863B2 - 水素の貯蔵供給ステーション - Google Patents

Description

本発明は、水素を燃料とする車輛に水素を供給するための水素の貯蔵供給ステーションに関する。

水素を燃料として使用する燃料電池自動車の開発が進められている。このようなタイプの燃料電池自動車の普及を図るためには、燃料電池や車輛自体の性能向上は勿論のこと、インフラストラクチャー面においても、水素供給ステーションを多くの場所に設置することが必要である。

水素供給ステーションには、他の場所で製造された水素をトレーラ等の専用車輛によって水素供給ステーションまで運搬し、水素供給ステーションでは貯蔵と供給のみを行うタイプや、水素の原料物質をトレーラ等の専用車輛によって水素供給ステーションまで運搬し、水素供給ステーションで水素製造と、貯蔵及び供給を行うタイプがある（例えば、特許文献１）。

水素供給ステーションはその性質上、火災に対する安全性が要求されることから、火災対策を目的とした技術が検討されている。特許文献２には、隔壁と天井で水素タンクを覆い、天井付近に換気口を設ける技術が開示されている。同文献にはまた、水素供給を行う自動車の停止空間の上方に、隔壁を起点として端部に向けて徐々に高くなるように傾斜を設けた屋根を有する給水素ステーションが開示されている。

特開２００７−１２６３５１号公報 特開平７−１０１３１６号公報

これらの技術は水素の滞留を防ぎ火災発生を防止することを目的としているが、水素の貯蔵容器と燃料電池自動車への水素供給スペースとが同一の高さに設けられているため、万が一の火災発生時に利用者に影響が及びやすい。

本発明は、万が一の火災発生時にも、利用者への被害を最小限に抑えることの可能な水素の貯蔵供給ステーションを提供することを目的とする。

本発明の一実施態様による水素の貯蔵供給ステーションは、地下部に位置する、水素を燃料として使用する車輛への水素供給スペースと、地下部よりも上方の地上部に位置する、水素の貯蔵容器と、貯蔵容器に貯蔵された水素を昇圧するための圧縮機と、圧縮機で昇圧された水素を蓄圧するための蓄圧器と、を有し、さらに、車輛に水素を供給するための、水素供給スペースに設けられ蓄圧器に接続された水素供給手段と、車輛を地上部と水素供給スペースとの間で移動させるための、地上部と水素供給スペースとを結ぶ連絡部と、を有し、水素の貯蔵容器は水素供給スペースの上方に位置している。

水素は空気よりも比重が小さいため、万が一水素が漏えいしても、漏えいした水素は上昇する。燃焼によって生じた水蒸気も同様に空気より比重が小さいため、第１の設置レベルに下降しにくい。このため、火災の影響エリアを第２の設置レベルまたはその上方に限定することが容易となり、通常は第１の設置レベルに滞在する利用者への被害を最小限に抑えることができる。

本発明の他の実施態様による水素の貯蔵供給ステーションは、地下部に位置する、水素を燃料として使用する車輛への水素供給スペースと、地下部よりも上方の地上部に位置する、水素の原料物質の貯蔵容器と、原料物質から水素を製造するための水素製造設備と、水素製造設備によって製造された水素の貯蔵容器と、貯蔵容器に貯蔵された水素を昇圧するための圧縮機と、圧縮機で昇圧された水素を蓄圧するための蓄圧器と、を有し、さらに、車輛に水素を供給するための、水素供給スペースに設けられ蓄圧器に接続された水素供給手段と、車輛を地上部と水素供給スペースとの間で移動させるための、地上部と水素供給スペースとを結ぶ連絡部と、を有し、水素の貯蔵容器は水素供給スペースの上方に位置している。
本発明のさらに他の実施態様による水素の貯蔵供給ステーションは、第１の設置レベルに位置する、水素を燃料として使用する車輛への水素供給スペースと、利用者の一時滞在のために使用されるサービスルームと、サービスルームの屋根よりも上方の第２の設置レベルに位置する、水素の貯蔵容器と、貯蔵容器に貯蔵された水素を昇圧するための圧縮機と、圧縮機で昇圧された水素を蓄圧するための蓄圧器と、車輛に水素を供給するための、水素供給スペースに設けられ蓄圧器に接続された水素供給手段と、を有し、第１の設置レベルと第２の設置レベルは互いに高さの異なる地上面であり、第１の設置レベルに車輛の進入路が設けられている。

本発明によれば、万が一の火災発生時にも、利用者への被害を最小限に抑えることの可能な水素の貯蔵供給ステーションを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る水素の貯蔵供給ステーションを示す概念的構成図である。 図１に示す水素の貯蔵供給ステーションの概念的断面図である。 図１に示す水素の貯蔵供給ステーションのフロア毎の概念的平面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例を示す概念的断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る水素の貯蔵供給ステーションのフロア毎の概念的平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る水素の貯蔵供給ステーションを示す概念的構成図である。

以下、図１〜３を参照して、本発明の水素の貯蔵供給ステーションの第１の実施形態について説明する。本実施形態は地面を掘り込み、水素の貯蔵供給ステーションを地下部（第１の設置レベル）とその上方に位置する地上部（第２の設置レベル）の二層構成としていることが特徴である。このため、本実施形態は敷地の利用効率が高く、敷地が限られている場合でも水素の貯蔵供給ステーションの設置が可能となる。なお、図３（ａ）は地上部の、図３（ｂ）は地下部の概念的な平面図を示している。

図１，２を参照すると、地下部２１には、水素を燃料として使用する燃料電池自動車への水素供給スペース１６が設けられている。なお、以下では自動車を例にとって説明するが、水素が供給される対象は水素を燃料として使用する車輛全般である。地上部２２と水素供給スペース１６との間は斜路２３，２３’の形態の連絡部によって接続されており、燃料電池自動車１１は斜路２３，２３’を通って、地上部２２と水素供給スペース１６との間を移動する。勿論、連絡部の形態は斜路２３，２３’に限らず、立体駐車場などで見られる昇降機を用いてもよい。図１，２では、斜路２３は地上部２２の公道２４から地下部２１に延び、そこから斜路２３’となって、反対方向の公道２４’へ抜けている。水素漏えい時に水素を効率的に排出するためにはこのように水素供給スペース１６から２方向に斜路２３，２３’が延びている構成が望ましいが、周囲条件によっては１方向だけに延びる構成であってもよい。

斜路２３，２３’の地下区間及び水素供給スペース１６の天井部２８は、水素供給スペース１６の位置で最深となっており、水素供給スペース１６から斜路２３，２３’の地上部２２との連絡口２５，２５’に向けて徐々に浅くなるよう傾斜している。このため、水素が天井部２８に滞留することなく、スムーズに地上部２２に排出される。必要に応じて、水素供給スペース１６に、水素供給スペース１６の気体を斜路２３，２３’を介して地上部２２に排気するための、排気ファン２６等からなる排気装置を設置してもよい。これらの構成により、水素漏えい時に水素を地下部２１から効率的に排出することができる。

地上部２２には、水素の貯蔵容器２が設置されている。水素の貯蔵容器２は、鋼などで製作された容器である。水素は、貯蔵容器２の内圧を抑えるために、液化された状態または液体成分が支配的な状態で貯蔵されている。（削除）貯蔵供給ステーション１は、水素を圧縮し昇圧する手段である圧縮機１５と、昇圧された水素を蓄圧するための蓄圧器４と、蓄圧器４と後述する水素供給手段６との間に設けられた冷却機５と、を備えている。水素の貯蔵容器２に貯蔵された水素は圧縮機１５で昇圧され、蓄圧器４に送られる。蓄圧器４は水素の車輛への最終充填に用いられる設備で、充填に適した高圧で水素が充填されている。蓄圧器４は、鋼あるいはカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ(Carbon Fiber Reinforced Plastic)）で製作されている。蓄圧器４は車輛の燃料タンクよりも高圧にされており、例えば、車輛の燃料タンクの圧力が７０ＭＰａの場合、蓄圧器４の圧力は８０ＭＰａ程度である。蓄圧器４は、差圧充填用高圧蓄圧器やバンク充填用中間蓄圧器などが用いられる。冷却機５は、水素を車輛へ急速充填する際に水素温度が高くなることから、充填前にあらかじめ水素を冷却するための設備で、場合によっては省略することもできる。水素の貯蔵容器２に貯蔵された、蓄圧器４内の水素より低圧の水素を直接車輛に充填可能とするため、圧縮機１５と蓄圧器４とをバイパスして、水素の貯蔵容器２と水素供給手段６とを配管７を介して直接結ぶラインも設けられている。水素を内包するこれらの蓄圧器４、圧縮機１５及び冷却器５も、地上部２２に設置されている。地上部２２には、以上述べた設備の付帯設備として、冷却器５用の冷媒冷却装置、純水供給設備、圧縮機１５の冷却水供給設備等も設けられている。このように、水素を内包する設備、あるいは水素に関連する設備のほとんどを地上部２２に設けているので、水素漏えい時に水素を空気との比重差により上方に逃がし、安全を確保することが容易である。また、水素はガソリン等と異なり、燃焼時に炎が見えないため、万が一の火災発生時に利用者がそれに気付かず、貯蔵容器２や蓄圧器４などに接近する恐れがある。本実施形態では、水素供給スペース１６と貯蔵容器２や蓄圧器４などが別のフロアに設けられているため、このような事態が起こりにくくなっている。

地下部２１の水素供給スペース１６には、燃料電池自動車１１に水素を供給するための、貯蔵容器２に接続された水素供給手段が設けられている。水素供給手段は例えば、ホース（図示せず）と、ホースの先端に取り付けられ、燃料電池自動車１１が搭載する水素タンクに水素を供給する供給ノズル（図示せず）と、必要な計量装置（図示せず）と、を備えたディスペンサ６である。ディスペンサ６は地上部２２の床面（場合によっては床面と地盤）を貫通する配管７によって水素の貯蔵容器２に接続されている。配管７の長さを短縮するために、水素の貯蔵容器２は水素供給スペース１６の上方に位置している。ディスペンサ６は水素供給スペース１６の天井面から吊り下げられており、これによって配管７の長さをさらに短縮できるだけでなく、水素供給スペース１６のスペース効率を高めることもできる。

地上部２２にはサービスルーム１０も設置されている。サービスルーム１０は、待合室やトイレを備えた利用者の一時滞在エリアで、従来のガソリンスタンドに設置されている設備と同等のものである。サービスルーム１０は利用者の安全のために、水素の貯蔵容器２からできるだけ離れた位置に設けることが望ましい。

図４に示すように、本実施形態の変形例として、サービスルーム１０’を水素供給スペース１６よりも下方の地下空間に設けることもできる。サービスルーム１０’は階段２７等によって水素供給スペース１６と連絡している。万が一の水素漏えい時に、水素は上昇して地上部２２へと排気されるため、サービスルーム１０’に滞在する利用者の安全をより確実なものとすることができる。さらに、水素供給スペース１６とサービスルーム１０’をともに地下設置とすることで、利用者の滞在空間を地下空間に限定することができ、水素の貯蔵容器２などの水素関連設備を利用者の視界から遮断し、安心感や開放感を増加することができる。水素の貯蔵容器２への水素の補給は専用のトレーラなどで行われるが、トレーラや補給作業も利用者の視界から遮断することが可能となる。さらに、地上部２２と地下空間を利用した三層構成としているため、敷地の利用効率が極めて高く、敷地が限られている場合でも水素の貯蔵供給ステーションの設置が可能となる。

なお、貯蔵容器２として２０〜４０ＭＰａ程度の内圧の高圧ガス容器を用いることも可能である。この場合には一例として、タンクを搭載したトレーラ部分をトラクタ部（牽引車）から地上部２２の所定の場所で分離し、分離したトレーラ部分をそのまま水素の貯蔵容器２として用いる、「トレーラ置き」と呼ばれる方法が適用可能である。また、ボンベ状の多数の容器を一組に束ねた貯蔵ユニットをトラック等で運搬し、地上部２２の所定のエリアに設置して水素の貯蔵容器２として用いる、「カードル置き」と呼ばれる方法も適用可能である。これらの場合も、トレーラやカードルに貯蔵されている水素は圧縮機１５で昇圧され、蓄圧器４に送られ、必要に応じて冷却機５を介して、ディスペンサ６に送られる。

図５を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図５（ａ）は地上部の、図５（ｂ）は地下部の概念的な平面図を示している。本実施形態では、水素は貯蔵供給ステーション内に設置された水素製造設備で製造される。原料物質は、水素を製造するための一般的な物質であれば特に限定されないが、例えばナフサ、灯油、ＬＰＧ、都市ガスなどを挙げることができる。貯蔵容器１３は、このような水素の原料物質を貯蔵する。水素製造設備１４は、原料物質から水素を取り出すことが可能であれば特に限定されないが、上記に列挙した原料物質を用いる場合の一例として、水蒸気改質装置や、水素ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）精製装置等を挙げることができる。

水素製造設備１４で製造された水素は貯蔵容器２に送られる。水素の貯蔵容器２よりも下流側の構成は第１の実施形態と同様である。これらの原料物質の貯蔵容器１３と、水素製造設備１４と、蓄圧器４と、圧縮機１５と、冷却機５は地上部２２に設置されている。従って、利用者に対する安全性を一層高めることができる。

図示は省略するが、地下部２１の水素供給スペース１６には、第１の実施形態と同様の水素供給手段（ディスペンサ６）が設けられ、地上部２２には、第１の実施形態と同様のサービスルーム１０が設けられている。

次に、図６を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態は地下部を用いる代わりに、段差のある地上面を利用している。このような段差は自然地形をそのまま利用してもよいし、一方の面を掘り下げ、または一方の面に盛土を施すことによって形成してもよい。第１、第２の実施形態においても互いに高さの異なる第１の設置レベルと第２の設置レベルを利用しているが、第１、第２の実施形態では第１の設置レベル３１が地下にあったのに対し、本実施形態では第１の設置レベルは地上面となっている。なお本明細書では、地盤を掘り下げた場合でも、オープンに掘り下げた場合は、それによって形成された掘削面は「地上面」として扱う。

第１の設置レベル３１と第２の設置レベル３２との間には、自然地形として元々存在し、あるいは法面として新たに形成された斜面３３が位置している。燃料電池自動車１１の進入路３４、すなわち公道との連絡部は第１の設置レベル３１に設けられている。

第１の設置レベル３１は第１の実施形態の地下部２１に相当し、燃料電池自動車１１への水素供給スペース１６が設けられている。第２の設置レベル３２は第１の実施形態の地上部２２に相当し、水素の貯蔵容器２と、蓄圧器４と、圧縮機１５と、冷却機５が設置されている。水素の貯蔵容器２は防火壁３６で囲まれている。第１の実施形態と同様の吊り下げ型の水素供給手段（ディスペンサ６）が、斜面３３を利用して設置されている。

第１の設置レベル３１には、空気を斜面３３に沿って第２の設置レベル３２に向けて送出する、ファン３５などからなる送風手段が設けられている。万が一の水素漏えい時には、ファン３５を起動して第２の設置レベル３２の方向に空気を流すことができる。水素ガスは比重が小さいこともあり、容易に斜面３３を上って第２の設置レベル３２の方に排気され、漏えいした水素の水素供給スペース１６近傍への滞留が防止される。

本実施形態は、特に傾斜した地形や段差のある地形を利用して水素の貯蔵供給ステーションを設置する場合に有利である。敷地の利用効率の面からは第１の実施形態に比べて不利となるが、敷地造成に要する費用が抑えられ、また、利用者は上方にある水素関連設備が視界に入りにくいため、安心感が高められるというメリットもある。

なお、第２の実施形態に相当する設備構成、すなわち水素製造設備を貯蔵供給ステーション内に備える場合も、各設備の設置位置は第２の実施形態と同様に考えることができる。具体的には、第１の設置レベル３１に燃料電池自動車１１への水素供給スペース１６が設けられ、第２の設置レベル３２に、水素の原料物質の貯蔵容器と、水素製造設備と、水素製造設備によって製造された水素の貯蔵容器、蓄圧器、圧縮機、冷却機等が設けられる。

本発明のいくつかの実施形態を燃料自動車用の水素の貯蔵供給ステーションを例に説明したが、本発明は、より一般的な水素の貯蔵供給システムに適用することもできる。

１ 貯蔵供給ステーション
２ 貯蔵容器
４ 蓄圧器
５ 冷却器
６ ディスペンサ
７ 配管
１０，１０’ サービスルーム
１１ 燃料電池自動車
１３ 貯蔵容器
１４ 水素製造設備
１５ 圧縮機
１６水素供給スペース
３１ 第１の設置レベル
３２ 第２の設置レベル
３３ 斜面
３４ 進入路
３５ ファン

Claims (9)

1. 地下部に位置する、水素を燃料として使用する車輛への水素供給スペースと、
   前記地下部よりも上方の地上部に位置する、水素の貯蔵容器と、前記貯蔵容器に貯蔵された水素を昇圧するための圧縮機と、前記圧縮機で昇圧された水素を蓄圧するための蓄圧器と、
   前記車輛に水素を供給するための、前記水素供給スペースに設けられ前記蓄圧器に接続された水素供給手段と、
   前記車輛を前記地上部と前記水素供給スペースとの間で移動させるための、前記地上部と前記水素供給スペースとを結ぶ連絡部と、
   を有し、前記水素の貯蔵容器は前記水素供給スペースの上方に位置している、水素の貯蔵供給ステーション。
2. 地下部に位置する、水素を燃料として使用する車輛への水素供給スペースと、
   前記地下部よりも上方の地上部に位置する、水素の原料物質の貯蔵容器と、前記原料物質から水素を製造するための水素製造設備と、前記水素製造設備によって製造された水素の貯蔵容器と、前記貯蔵容器に貯蔵された水素を昇圧するための圧縮機と、前記圧縮機で昇圧された水素を蓄圧するための蓄圧器と、
   前記車輛に水素を供給するための、前記水素供給スペースに設けられ前記蓄圧器に接続された水素供給手段と、
   前記車輛を前記地上部と前記水素供給スペースとの間で移動させるための、前記地上部と前記水素供給スペースとを結ぶ連絡部と、
   を有し、前記水素の貯蔵容器は前記水素供給スペースの上方に位置している、水素の貯蔵供給ステーション。
3. 前記連絡部は前記地上部と前記地下部とを結ぶ斜路である、請求項１または２に記載の水素の貯蔵供給ステーション。
4. 前記斜路の地下区間及び前記水素供給スペースの天井部は、前記水素供給スペースの位置で最深となっており、前記水素供給スペースから前記斜路の前記地上部との連絡口に向けて徐々に浅くなるよう傾斜している、請求項３に記載の水素の貯蔵供給ステーション。
5. 前記水素供給スペースに設けられ、該水素供給スペースの気体を前記連絡部を介して前記地上部に排気するための排気装置を有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の水素の貯蔵供給ステーション。
6. 利用者の一時滞在エリアが前記水素供給スペースよりも下方の地下空間に設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載の水素の貯蔵供給ステーション。
7. 前記水素供給手段は、前記水素供給スペースの天井面から吊り下げられたディスペンサである、請求項１から６のいずれか１項に記載の水素の貯蔵供給ステーション。
8. 第１の設置レベルに位置する、水素を燃料として使用する車輛への水素供給スペースと、利用者の一時滞在のために使用されるサービスルームと、
   前記サービスルームの屋根よりも上方の第２の設置レベルに位置する、水素の貯蔵容器と、前記貯蔵容器に貯蔵された水素を昇圧するための圧縮機と、前記圧縮機で昇圧された水素を蓄圧するための蓄圧器と、
   前記車輛に水素を供給するための、前記水素供給スペースに設けられ前記蓄圧器に接続された水素供給手段と、
   を有し、
   前記第１の設置レベルと前記第２の設置レベルは互いに高さの異なる地上面であり、前記第１の設置レベルに車輛の進入路が設けられている、水素の貯蔵供給ステーション。
9. 前記第１の設置レベルと前記第２の設置レベルとの間に斜面が位置しており、前記第１の設置レベルに、空気を前記斜面に沿って前記第２の設置レベルに向けて送出する送風手段が設けられている、請求項８に記載の水素の貯蔵供給ステーション。

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