JP6951737B2 - 水素ガス移動体システム - Google Patents
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Description
しかしながら、一般的な電動フォークリフトでは、1回の充電に6〜8時間かかるため、充電が煩雑であるという問題があった。そこで、これまでは、バッテリ交換方式或は急速充電方式が多く採用されてきた。
しかし、例えばバッテリ交換方式とすると、充電設備とそれに伴う大量の充電用バッテリが必要となり、広大な保管・充電用スペースが必要になるという問題があった。
しかしながら、燃料電池をフォークリフトのエネルギー源として用いるためには、水素供給インフラとなる水素ステーションの整備が不可欠である。
通常、従来の水素ステーションに用いられる蓄圧器は、水素ガスを高圧で貯蔵するため、多くの本数が必要になる。また、従来の水素ステーションでは、水素ガスを圧縮する圧縮機が必要になる。さらに、燃料電池自動車に高圧の水素ガスを充填する場合において、直接燃料タンクに供給すると、高圧ガスの温度を安全性の基準温度80℃以下にすることが困難となるため、燃料タンクに供給する前に冷却が必要で、そのための冷却設備を設けることから、水素ガス充填装置の大型化は避けられない。
また、水素吸蔵合金を用いた水素ガス蓄圧器であれば、低圧域の水素ガスを充填することも可能であるが、その場合は別途、水素吸蔵合金を加温冷却できるシステムが必要となる。
しかしながら、例えば、フォークリフトのような機器においては、燃料電池に使用する際の水素ガスの圧力は0.1MPa程の低圧域でも可能である。そうだとすれば、加温冷却の際の温度変化が比較的小さな範囲であっても、蓄圧器に水素吸蔵合金を利用することは可能である。
しかしながら、上記特許文献2に開示された水素ガス充填装置では、フォークリフトのように、燃料電池に使用する際の水素ガスの圧力が低圧域でもよい機器の場合に、安全性を維持しつつ、より低コスト化を図り得る構成については、開示されていない。
これにより、圧縮機の設置や運用に関するコストを削減できるだけでなく、排熱利用により、省エネが図れ、加温のためのコストも削減できる。
なお、冷却液としては、水やエチレングリコール、又は、水に凍結防止剤(エチレングリコール,プロピレングリコールなどの有機物、食塩,塩化カルシウムなど)を添加したものが使用できる。
そして、水素ガス発生手段は、水酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属系水酸化物、又は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属系水酸化物の少なくとも何れかを含む水溶液に、少なくとも1つのアルミニウム片、少なくとも1枚のシート状アルミニウム、又は、少なくとも1枚のシート状アルミニウムを複数回巻回したロール状アルミニウムを浸漬させることにより、水素ガスを発生させる反応容器であることが好ましい。
アルミニウムを用いることにより、容易に水素ガスを発生させることが可能となり、低コスト化を図ることができる。アルミニウム片には、廃アルミなどのリサイクル品を用いることも可能であり、リサイクルされたアルミニウムを用いることにより水素ガス発生コストを更に低減化できる。また、シート状又はロール状のアルミニウムが用いられるのは、粉末状アルミニウムよりも表面積が小さく、短時間で大量の水素ガスが発生してしまうことを防止でき、継続的な発生に好適だからである。
アルカリ金属系水酸化物やアルカリ土類金属系水酸化物としては、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが用いられ、特に、水酸化カルシウムが好適に用いられる。
例えば、太陽光パネルで発電した電力を利用して、水を電気分解することで発生した水素ガスを蓄積する場合、発生した水素ガスが低圧域のガスであることから、これまではガスボンベに充填するために、複数台の圧縮機を用いて高圧域の水素ガスとしていた。しかしながら、本発明の水素ガス移動体システムにおいては、低圧域の水素ガスをそのまま充填することが可能であるため、環境に配慮した自然エネルギーを有効に利用することが可能である。また電気としてではなく、水素ガスとして貯蔵することにより、エネルギーロスの少ない効率的な貯蔵が可能となる。
比較的安価な低圧域のボンベを利用できることにより、低コスト化を図ることができる。また、低圧域の水素ガスを充填すればよいため、圧縮機を用いる必要がなく、かかる点においても低コスト化を図ることができる。
例えば、アルミニウムを用いた水素ガス発生手段の場合、50℃程度が反応を進める温度として適温である。
このように、水素ガス移動体システム1は、予め発生した水素ガスを運び、水素吸蔵合金内蔵容器に充填するものとは異なり、水素ガスを供給するその場所で水素ガスを発生させて充填するものである。
水素吸蔵合金内蔵容器2の内部には、図示しないが、水素吸蔵合金が設けられており、水素吸蔵合金内蔵容器2内の水素吸蔵合金を加温すると、水素吸蔵合金内蔵容器2の内部は昇圧し、逆に、水素吸蔵合金内蔵容器2内の水素吸蔵合金を冷却すると、水素吸蔵合金内蔵容器2の内部は減圧する構造となっている。水素吸蔵合金内蔵容器2には、約60リットルのサイズの容器に約1kgの水素ガスが充填可能である。水素吸蔵合金内蔵容器2は、少なくとも1つ設けられればよいが、必要に応じて2つ以上搭載することも可能である。
反応容器10は、上部に開閉式の蓋部10aが設けられた箱状を呈しており、反応容器10の内部には、アルミ箔11及び水酸化カルシウム12が備えられている。図3に示すように、蓋部10aを開けた状態で容器13aから水13bを流し込み、蓋部10aを閉じて化学反応を起こし、水素ガスを発生させる構造である。このように、反応容器10に給水するだけで水素ガスを発生させることができるので、操作が容易である。
反応容器10の側部には排出孔10bが設けられており、発生した水素ガスを排出することができる。
なお、水素ガス発生装置9において発生する水素ガスの圧力は1MPa未満であり、かつ、1時間以内に100(NL;ノルマルリットル)の水素ガスを発生させて、安定的に水素吸蔵合金に貯めることができる仕様となっている。なお、1時間で1NLとは、基準状態(圧力0.1013MPa、温度0℃、湿度0%)の空気が1時間で1リッター発生することを意味する。
供給先の移動体は燃料電池フォークリフト5であり、燃料電池フォークリフト5は燃料電池自動車等とは異なり、一般に、工場や倉庫等の限られた範囲内の場所で使用されるものであるから、発生する水素ガスの圧力は1MPa未満であっても問題はないといえる。
図5は、水素吸蔵時の水素吸蔵合金内蔵容器の冷却イメージ図を示している。図5に示すように、加温冷却ユニット4は、水素吸蔵合金内蔵容器2の内部及び燃料電池ユニット3の周囲を矢印(41,42)に示す循環方向に冷却液が流れる構造となっている。加温冷却ユニット4内を流れる冷却液は、矢印(41,42)に示す循環方向いずれの場合にも、同じ冷却液が用いられており、図示しないバルブを開閉することで、流路を変更することができる。
ここで、外部に(図示しない)恒温槽を設け、矢印41に示す循環方向の冷却液の循環配管の一部の周囲を取り囲む配管に、恒温槽から一定温度の水を流れ込ませることにより、冷却温度を制御することも可能である。例えば、恒温槽が2種類の温度(50℃、10℃)の水を排出できる場合、50℃の温水ならば、冷却液の温度が上昇し、反対に、10℃の冷水ならば、冷却液の温度が更に下降することになる。このように、恒温槽から一定温度の水を流れ込ませることにより、冷却温度を制御できる。
ここで、矢印42に示す循環方向の循環液の循環配管の一部であって、水素吸蔵合金内蔵容器2の入口付近に、循環液の温度調整用のラジエータ(液体の熱を放熱する装置)を設けてもよい。水素吸蔵合金内蔵容器2の内部の水素吸蔵合金の温度を調整し、水素ガス8の放出速度を調整する。
なお、上記の加温冷却機能は、水素吸蔵合金内蔵容器2への水素ガス8の充填と、燃料電池ユニット3への水素ガス8の供給のスイッチ(図示せず)の切り替えによって容易に行うことが可能である。
水素吸蔵合金内蔵容器2の内部に貯められた水素ガスが少なくなってきた場合には、外部から水素ガスを供給することなく、燃料電池フォークリフト50の内部で発生させた水素ガス8を水素吸蔵合金内蔵容器2へと充填することができる。したがって、水素ガス発生装置9及びバッファタンク15が備えられていない燃料電池フォークリフト5よりも、航続距離が長くなっている。
なお、水素吸蔵合金内蔵容器2への充填は、燃料電池フォークリフト50の内部に設けられた水素ガス発生装置9によってのみ行われるわけではなく、外部に設けられた水素ガス供給手段による充填も可能である。
また、水素吸蔵合金内蔵容器20と燃料電池フォークリフト5の間には加温冷却ユニット40が設けられている。加温冷却ユニット40は、水素吸蔵合金内蔵容器20と燃料電池フォークリフト5に搭載されている水素吸蔵合金内蔵容器(図示せず)との間を繋ぎ、水やエチレングリコールなどを循環液として用いて、熱交換を行う。
また一方で、水素吸蔵合金内蔵容器20から燃料電池フォークリフト5の水素吸蔵合金内蔵容器への水素ガス8の供給の際には、水素吸蔵合金内蔵容器20内の水素吸蔵合金から水素ガスが放出されることにより、水素吸蔵合金内蔵容器20の内部は減圧し、水素吸蔵合金内蔵容器20内の水素吸蔵合金は冷却される。そこで、かかる排熱を利用して循環液を冷却し、矢印44に示す循環方向に循環液が流れる。
このように、水素吸蔵合金内蔵容器20からの排熱と、燃料電池フォークリフト5の水素吸蔵合金内蔵容器からの排熱を、循環液を用いて循環させることで、効率的に水素吸蔵合金内蔵容器20から燃料電池フォークリフト5の水素吸蔵合金内蔵容器への水素ガスの充填を行うことができる。
恒温槽16は、2種類の温度(50℃、10℃)の水を排出できる構成となっている。配管16aは、矢印43に示す循環方向に流れる循環液の配管(図示せず)の一部の周囲を取り囲むように設けられる。また、配管16bは、矢印44に示す循環方向に流れる循環液の配管(図示せず)の一部の周囲を取り囲むように設けられる。
すなわち、恒温槽16から、配管16aを通じて50℃の温水が排出されることにより、矢印43に示す循環方向に流れる循環液の温度を上昇させることができる。また、恒温槽16から、配管16bを通じて10℃の冷水が排出されることにより、矢印44に示す循環方向に流れる循環液の温度を下降させることができる。このように、恒温槽16から一定温度の水を流すことにより、加温冷却温度を制御できる。
水素ガス発生装置は、太陽光等の自然エネルギーにより発電した電力により、水を電気分解することで水素ガスを発生させる装置であってもよい。
2,20 水素吸蔵合金内蔵容器
3 燃料電池ユニット
4,40 加温冷却ユニット
5,50 燃料電池フォークリフト
6 水素ガスボンベ
7 ディスペンサー
7a 充填カプラ
8 水素ガス
9 水素ガス発生装置
9a 不純物除去装置
9b 温度コントロールデバイス
10 反応容器
10a 蓋部
10b 排出孔
11 アルミ箔
12 水酸化カルシウム
13a 容器
13b 水
14,140,141 水素ガス供給手段
15 バッファタンク
16 恒温槽
16a,16b 配管
41〜44 矢印
Claims (7)
- 1MPa未満の低圧域の水素ガスを供給できる水素ガス供給手段と、
水素ガスをエネルギー源として使用する移動体、から成る水素ガス移動体システムであって、
前記移動体は、
水素吸蔵合金が内蔵された水素吸蔵合金内蔵容器と燃料電池ユニットを備え、
前記水素吸蔵合金内蔵容器は、
前記水素吸蔵合金内蔵容器内部又は外部に設けた配管に冷却水を流すことにより、前記水素吸蔵合金内蔵容器内の水素吸蔵合金を冷却し減圧して水素吸蔵合金に、前記水素ガス供給手段から水素ガスを吸着させて蓄積し、前記燃料電池ユニットからの排熱を利用した温水を、前記配管に流すことにより、前記水素吸蔵合金内蔵容器内の水素吸蔵合金を加温し昇圧して水素吸蔵合金に吸蔵された水素ガスを放出して、前記燃料電池ユニットに1MPa未満の低圧域の水素ガスを供給し、
システム内で、水素ガスを高圧域乃至中圧域に昇圧することなく、低圧域の水素ガスを使用して、前記移動体へ水素ガスを充填する際のエネルギー効率を向上させ、
前記水素ガス供給手段は、
水素ガス発生手段と、発生した水素ガスの蓄ガス手段と、蓄ガスされた水素ガスを流量調整して前記水素吸蔵合金内蔵容器に供給する供給手段とから構成され、
前記蓄ガス手段は、水素吸蔵合金が内蔵された水素吸蔵合金内蔵容器であり、
前記蓄ガス手段である水素吸蔵合金内蔵容器と、前記移動体に搭載された水素吸蔵合金内蔵容器との間には、循環液を用いて熱交換を行う加温冷却ユニットが設けられ、
前記蓄ガス手段である水素吸蔵合金内蔵容器からの排熱と、前記移動体の水素吸蔵合金内蔵容器からの排熱を、循環液を用いて循環させることで、効率的に水素ガスを充填できる、
ことを特徴とする水素ガス移動体システム。 - 温水と冷水が個別に排出される恒温槽が更に設けられ、
前記温水が排出される配管は、前記加温冷却ユニットにおける、前記移動体の水素吸蔵合金内蔵容器からの排熱を循環させる配管の一部の周囲を取り囲むように設けられ、
前記冷水が排出される配管は、前記加温冷却ユニットにおける、前記蓄ガス手段である水素吸蔵合金内蔵容器からの排熱を循環させる配管の一部の周囲を取り囲むように設けられ、
ることを特徴とする請求項1に記載の水素ガス移動体システム。 - 前記水素ガス発生手段は、
水酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属系水酸化物、又は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属系水酸化物の少なくとも何れかを含む水溶液に、少なくとも1つのアルミニウム片、少なくとも1枚のシート状アルミニウム又は少なくとも1枚の前記シート状アルミニウムを複数回巻回したロール状アルミニウムを浸漬させることにより、水素ガスを発生させる反応容器である、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の水素ガス移動体システム。 - 前記水素ガス発生手段において、前記反応容器における温度を制御するための反応容器温度制御手段が更に設けられたことを特徴とする請求項3に記載の水素ガス移動体システム。
- 前記水素ガス発生手段において、性能劣化原因となる水などの不純物を除去するための不純物除去装置が更に設けられたことを特徴とする請求項3に記載の水素ガス移動体システム。
- 前記移動体には、前記水素ガス供給手段が搭載されたことを特徴とする請求項3〜5の何れか一項に記載の水素ガス移動体システム。
- 前記移動体は、工場施設内で稼働するフォークリフトを含む産業用車両、燃料電池列車又は、船舶であることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の水素ガス移動体システム。
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