JP7083126B2 - 水素供給システム及び水素供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素供給システム及び水素供給方法に関する。

２０１４年４月に閣議決定されたエネルギー基本計画において、水素を日常の生活や産業活動で利活用する「水素社会」の実現に向け取り組みを加速することが定められ、国や東京都では２０２０年東京五輪での水素の積極活用、その後の水素社会普及に向けた動きが活発化している。２０１２年７月の再生可能エネルギーの固定価格買取制度（ＦＩＴ）の導入は、非住宅用の太陽光発電市場（公共・産業分野）を大きく変えることとなった。ＪＰＥＡ ＰＶ ＯＵＴＬＯＯＫ ２０３０によると、国内総出荷に占める非住宅用の割合は、２０１２年度で（国内総出荷量３．８ＧＷに対し）５０％、２０１３年度で（同８．４ＧＷに対し）７３％、２０１４年度上半期で（上期国内総出荷量４．３ＧＷに対し）７７％と大幅に伸張している。

太陽光発電の大量の設備認定量に伴い、それらが全て稼動した場合、電力需要の小さい軽負荷期に太陽光発電の供給電力量が需要電力量を上回る懸念が出てきたため、指定電気事業者において「無制限・無補償の出力抑制」を条件として系統接続を行うこととなった。今後、更なる太陽光発電の系統接続量の増加に伴い、電力需給調整を目的とした出力抑制実施は現実のものとなりつつある。

一方で、わが国では、公共建物の他、住宅やオフィスビル、病院などの建築物において、年間の消費エネルギー量を大幅に削減する建築物（ネット・ゼロ・エネルギー・ビル、以下ＺＥＢと記す）を目指す取組みを進めている。２０１４年のエネルギー基本計画において、２０２０年頃までに新築公共建築等で、２０３０年までに新築建築物の平均でＺＥＢを実現することを目指すことが明記されている。

このような社会背景から、出力抑制に伴う余剰電力の発生量、頻度ともに増加が予想され、再生可能エネルギーの余剰電力を利用して一旦、ＣＯ２フリー水素を製造し、例えば電力需要が増加した際に必要に応じて貯蔵しておいた水素を再度、電力に変換して街区で活用する技術が注目されている。水素の貯蔵には、例えば特許文献１に記載されているように、水素吸蔵合金を使用することが考えられる。

このような電力管理システムでは、例えば半径数１０ｋｍ程度の広域範囲を地産地消エリアとして、オフサイト立地のメガソーラー等の再生可能エネルギー発電所にて、余剰電力を効率よく活用してＣＯ２フリー水素を製造し、高圧水素ガスとする。この高圧水素ガスを高圧水素輸送車両にて収集した後、当該エリア内の中核となる街区に輸送・利用することで、街区内で建物のＺＥＢ化に必要な創エネ相当量を賄う。また街区内のオンサイトに設置される太陽光発電などの再生可能エネルギーの余剰電力を効率的に利用して水素製造が可能である。

特開２００２－０６０２０１号公報

外部調達されるＣＯ２フリー水素は高圧ガスとして街区へ輸送される。現在は「カードル」と呼ばれるボンベを束ねた形状の輸送容器に高圧水素ガスを充填して輸送、或いはより大量に輸送する場合は、約２０ＭＰａの高圧力に耐えることができる大型ボンベを束ねた「トレーラー」に水素ガスを加圧充填して輸送することが一般的である。このような高圧水素輸送車両等から街区或いは敷地内に設置した水素吸蔵合金タンクへ移送・貯蔵することにより、大量水素貯蔵が可能になる。

しかしながら、水素は用途地域毎に最大貯蔵量の制限が定められている。高圧水素輸送車両等の建物近傍での停車時間が長くなると最大貯蔵量の制限に抵触するケースが発生するため、水素輸送車両の停車時間を可能な限り短時間に限定する必要がある。そのため、水素吸蔵合金タンクへの移送に急速充填が求められる。

上述の課題を鑑み、本発明は、輸送された水素を急速充填することができる水素供給システム及び水素供給方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る水素供給システムは、第１水素吸蔵合金が封入された第１タンクと、前記第１水素吸蔵合金とは特性の異なる第２水素吸蔵合金が封入された第２タンクとを有し、前記第１タンクへの水素の移送を開始してから終了するまでの間、移送されてきた水素を前記第１タンクに貯蔵し、前記第１タンクと前記第２タンクとの間で冷媒を用いて熱交換を行うことで前記第１タンクに貯蔵した水素を前記第２タンクに移し替え、前記第２タンクに貯蔵した水素を中断することなく放出して燃料電池へ供給することを特徴とする。

本発明の一態様に係る水素供給方法は、第１水素吸蔵合金が封入された第１タンクと、前記第１水素吸蔵合金とは特性の異なる第２水素吸蔵合金が封入された第２タンクとを用意し、移送されてきた水素を前記第１タンクに貯蔵する手順と、前記第１タンクと前記第２タンクとの間で冷媒を用いて熱交換を行い、前記第１タンクに貯蔵した水素を前記第２タンクに移し替える手順と、前記第１タンクへの水素の移送を開始してから終了するまでの間、前記第２タンクに貯蔵した水素を中断することなく放出して燃料電池へ供給する手順とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、特性の異なる水素吸蔵合金が封入された第１タンクと第２タンクとの２種類の水素吸蔵合金タンクを備えており、水素輸送車両から輸送されてきた水素を第１タンクに充填した後、第１タンクと第２タンクとの間で冷媒を用いて熱交換を行うことで、第１タンクから第２タンクに水素を移し替える。これにより、移送されてきた水素をタンクに短時間に充填できる。

本発明の実施形態に係る電力管理システムの設備構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る水素貯蔵タンクの構成を示す図である。 温度の異なるＰＣＴ線図を模式的に示した図である。 本発明の実施形態で選定される水素吸蔵合金のＰＣＴ特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る水素供給システムの運用手順の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電力管理システム１（水素供給システム）の設備構成を示す図である。

図１において、再生可能エネルギー電源１０は、再生可能エネルギーを建物７０に供給する再生可能エネルギー電源であり、再生可能エネルギーのうちの余剰電力を蓄電池２０、直流電源３０に対して出力する。なお、再生可能エネルギー電源１０としては、太陽光発電の他、風力発電等を用いても良い。

水素製造装置４０は、再生可能エネルギー電源１０が出力する余剰電力のうち、蓄電池２０の充電電力に対応する蓄電池放電電力と水素製造電力とを直流電源３０で受電し、その受電した電力を用いて水素を製造する。

水素貯蔵タンク５０は、水素製造装置４０によって製造された水素を、水素吸蔵合金に吸蔵させることで貯蔵する。また、水素貯蔵タンク５０は、水素輸送車両８０で輸送された水素を、水素吸蔵合金に吸蔵させることで貯蔵する。なお、水素貯蔵タンク５０については、後に詳述する。

燃料電池６０は、水素貯蔵タンク５０が放出する水素を利用して発電し、発電した電力を建物７０に供給する。

建物７０には、照明機器、空調機器、各種電気・電子機器等が設置されている。これらは、電力を消費する需要家負荷となる。

このように、本発明の実施形態に係る電力管理システム１では、水素貯蔵タンク５０に、水素製造装置４０によって製造された水素が貯蔵されるとともに、水素輸送車両８０で輸送された水素が貯蔵される。水素輸送車両８０から街区或いは敷地内に設置した水素貯蔵タンク５０へ移送・貯蔵することにより、大量水素貯蔵が可能になる。この際、建物７０の近傍での水素輸送車両８０の停車時間が短くなるように、水素貯蔵タンク５０への急速充填が要望される。

図２は、本発明の実施形態に係る水素貯蔵タンク５０の構成を示す図である。図２において、水素貯蔵タンク５０は、ＰＣＴ特性の異なる２種類の水素吸蔵合金が封入された第１タンク１０１及び第２タンク１０２の２つの水素吸蔵合金タンクを備えている。

第１タンク１０１は、水素輸送車両８０から輸送されてきた水素を急速に充填させるためのタンクである。第１タンク１０１には、水素吸蔵合金Ａが封入されている。第１タンク１０１内の水素は、第１タンク１０１と第２タンク１０２との間で冷媒１１１を用いて熱交換を行うことで、漸次、第２タンク１０２に移し替えられる。

第２タンク１０２は、水素製造装置４０で製造された水素や、第１タンク１０１から移し替えられた水素を貯蔵し、燃料電池６０に送るためのタンクである。第２タンク１０２には、水素吸蔵合金Ｂが封入されている。

ここで、水素吸蔵合金タンクは、水素吸蔵合金をタンクに封入し、水素を水素吸蔵合金に吸蔵／放出することで、水素をコンパクトかつ安全に貯蔵するものである。水素吸蔵合金の特性は、ＰＣＴ（Pressure Composition Temparature）線図により表される。

図３は、温度の異なるＰＣＴ線図を模式的に示した図である。図３において、Ｘ軸は水素貯蔵量を示し、Ｙ軸は水素ガス圧力を示す。特性Ｃ１は温度Ｔ度のときの特性を示し、特性Ｃ２は、それより低い温度（Ｔ－α）度のときの特性を示す。図３に示すように、水素吸蔵合金のＰＣＴ線図には、略一定の水素圧力となるような領域がある。このような領域はプラトー領域と呼ばれている。

図３において、例えば、温度Ｔ度のときの特性Ｃ１の点Ｑ１の状態から、温度（Ｔ－α）度に冷却すると、特性Ｃ２の点Ｑ２の状態に移り、水素吸蔵が開始される。これとは反対に、温度（Ｔ－α）度の特性Ｃ２の点Ｑ２の状態から、温度Ｔ度の特性Ｃ１の点Ｑ１の状態に加熱すると、水素の放出が開始される。このように、水素吸蔵合金タンクでは、基本的に、冷却により水素吸蔵が開始され、加熱により水素放出が開始される。

図４は、本発明の実施形態で選定される水素吸蔵合金Ａ及び水素吸蔵合金ＢのＰＣＴ特性を示す図である。本実施形態では、第１タンク１０１に封入される水素吸蔵合金Ａ（第１水素吸蔵合金）と、第２タンク１０２に封入される水素吸蔵合金Ｂ（第２水素吸蔵合金）とでは、ＰＣＴ特性が異なっている。図４において、特性Ｃ１０１は水素吸蔵合金Ａの水素放出時の特性を示し、特性Ｃ１０２は水素吸蔵合金Ｂの水素吸蔵時の特性を示す。水素吸蔵合金Ａと水素吸蔵合金Ｂとしては、以下のような特性のものが選定される。

（１）水素吸蔵合金Ａは、水素吸蔵合金Ｂと比較して水素吸蔵容量が大きい。
（２）同一温度において、プラトー領域の水素吸蔵合金Ａの水素放出開始時の水素ガス圧力の方が、水素吸蔵合金Ｂの水素吸蔵開始時の水素ガス圧力より高い。
（３）水素吸蔵合金Ｂのプラトー領域は平坦であることが好適である。

図４において、Ｐｅｍｐで示す水素ガス圧力は、水素吸蔵合金Ｂに関するＰＣＴ線図上の利用領域の下限圧力である。よって、水素ガス圧力Ｐｅｍｐのときには、第２タンク１０２の利用可能な水素が「空」でことを意味する。また、Ｐｆｕｌｌで示す水素ガス圧力は、水素吸蔵合金Ｂに関するＰＣＴ線図上の利用領域の上限圧力である。よって、水素ガス圧力Ｐｆｕｌｌのときには、第２タンク１０２の水素貯蔵量が「満タン」であることを意味する。水素ガス圧力Ｐｅｍｐになるときの水素貯蔵量と水素ガス圧力Ｐｆｕｌｌになるときの水素貯蔵量との間の貯蔵量が第２タンク１０２で利用可能な水素の有効貯蔵量となる。

水素吸蔵合金Ａ及び水素吸蔵合金Ｂについて、以上のような特性のものを選定することで、後に説明するように、第１タンク１０１に、水素輸送車両８０から輸送されてきた水素を短時間に充填できる。また、第１タンク１０１に貯蔵されていた水素を第２タンク１０２に容易に移し替えることができる。

図５は、本発明の実施形態に係る電力管理システム１の運用手順の説明図である。
（手順Ｓ１）水素輸送車両８０から輸送されてきた水素を第１タンク１０１に移送する。第１タンク１０１への水素の移送は、熱供給系１１０を利用して冷熱し、急速充填に伴う水素吸蔵合金Ａの温度上昇を抑えることで、短時間で水素輸送車両８０から第１タンク１０１に水素を移送することができる。第１タンク１０１への水素の移送が終了したら、水素輸送車両８０は立ち去る。

（手順Ｓ２）第１タンク１０１から第２タンク１０２に、逐次、水素を移し替える。
（ａ）その際、第１タンク１０１と第２タンク１０２との間で、冷媒１１１を循環させることにより、第２タンク１０２を冷却し、第１タンク１０１を加熱する。
（ｂ）第２タンク１０２は、冷却されることで水素吸蔵を開始し、第１タンク１０１は加熱することにより水素放出を開始する。この操作を継続すると、第１タンク１０１と第２タンク１０２との間で熱交換が行われ、第１タンク１０１と第２タンク１０２の温度は略等温になる。
（ｃ）図４のＰＣＴ線図に示す通り、水素吸蔵合金Ａの水素放出開始時の水素ガス圧力の方が水素吸蔵合金Ｂの水素吸蔵開始時の水素ガス圧力より高いため、水素は第１タンク１０１から第２タンク１０２に移る。
（ｄ）第２タンク１０２では、図４のＰＣＴ線図における第２タンク１０２の水素吸蔵合金Ｂは、点Ｑ１０２の状態から特性Ｃ１０２に沿った経路で水素貯蔵量が増加していく。
（ｅ）同様に、第１タンク１０１の水素吸蔵合金Ａは、点Ｑ１０１の状態から特性Ｃ１０１に沿った経路で水素放出していく。
（ｆ）双方の点Ｑ１０１及びＱ１０２が圧力Ｐｆｕｌｌに達するまで、第１タンク１０１の水素吸蔵合金Ａは水素放出を行い、第２タンク１０２の水素吸蔵合金Ｂは水素吸蔵を行い、第１タンク１０１から第２タンク１０２への水素の移送が行われる。

（手順Ｓ３）第２タンク１０２に移し替えられた水素を燃料電池６０に供給する。燃料電池６０は、送られてきた水素を用いて発電を行うことができる。

（手順Ｓ４）第２タンク１０２の水素貯蔵量が一定値を以上か否かを判定する。第２タンク１０２の水素貯蔵量が一定値を以上なら（手順Ｓ４：Ｙｅｓ）、手順Ｓ３に戻り、第２タンク１０２から燃料電池６０への水素の供給を継続する。第２タンク１０２の水素貯蔵量が一定値を下回ったら（手順Ｓ４：Ｎｏ）、手順Ｓ５に進む。

（手順Ｓ５）第１タンク１０１の水素貯蔵量が一定値以上か否かを判定する。第１タンク１０１の水素貯蔵量が一定値以上なら（手順Ｓ５：Ｙｅｓ）、手順Ｓ２に戻り、第１タンク１０１から第２タンク１０２への水素の移し替えを行う。第１タンク１０１の水素貯蔵量が一定値を下回ったら（手順Ｓ５：Ｎｏ）、手順Ｓ１に戻り、再度、外部調達水素の急速充填を行う。

上述のように、本発明の実施形態に係る電力管理システム１では、水素貯蔵タンク５０は、ＰＣＴ特性の異なる水素吸蔵合金が封入された第１タンク１０１と第２タンク１０２との２種類の水素吸蔵合金タンクを備えている。これにより、水素輸送車両８０から輸送されてきた水素を短時間に充填できる。その結果、建物附帯での高圧ガス保管に係る制約を受けることを回避でき、外部調達されたＣＯ２フリー水素によって街区内で建物のＺＥＢ化に必要なエネルギー相当量を賄うことができる。

また、本発明の実施形態に係る電力管理システム１では、第１タンク１０１と第２タンク１０２との間で、冷媒１１１を循環させることで、第１タンク１０１に貯蔵されていた水素は、第２タンク１０２に容易に移し替えることができる。また、外部調達されたＣＯ２フリー水素を第１タンク１０１に受け入れている最中でも、第２タンク１０２の水素を放出させることで、燃料電池６０での発電を中断することなく継続できる。その際も第１タンク１０１と第２タンク１０２との間で冷媒１１１を循環させることで熱交換するので、専用熱源を必要とせず、省エネルギー化が図れる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１０：再生可能エネルギー電源、５０：水素貯蔵タンク、８０：水素輸送車両、１０１：第１タンク、１０２：第２タンク、１１１：冷媒

Claims (4)

1. 第１水素吸蔵合金が封入された第１タンクと、
   前記第１水素吸蔵合金とは特性の異なる第２水素吸蔵合金が封入された第２タンクとを有し、
   前記第１タンクへの水素の移送を開始してから終了するまでの間、移送されてきた水素を前記第１タンクに貯蔵し、前記第１タンクと前記第２タンクとの間で冷媒を用いて熱交換を行うことで前記第１タンクに貯蔵した水素を前記第２タンクに移し替え、前記第２タンクに貯蔵した水素を中断することなく放出して燃料電池へ供給するようにした水素供給システム。
2. 前記第１水素吸蔵合金は、前記第２水素吸蔵合金より水素吸蔵容量が大きいものを用いるようにした請求項１に記載の水素供給システム。
3. 前記第１水素吸蔵合金の水素放出開始時の水素ガス圧力は、前記第２水素吸蔵合金の水素吸蔵開始時の水素ガス圧力より高いものを用いるようにした請求項１又は２に記載の水素供給システム。
4. 第１水素吸蔵合金が封入された第１タンクと、前記第１水素吸蔵合金とは特性の異なる第２水素吸蔵合金が封入された第２タンクとを用意し、
   移送されてきた水素を前記第１タンクに貯蔵する手順と、
   前記第１タンクと前記第２タンクとの間で冷媒を用いて熱交換を行い、前記第１タンクに貯蔵した水素を前記第２タンクに移し替える手順と、
   前記第１タンクへの水素の移送を開始してから終了するまでの間、前記第２タンクに貯蔵した水素を中断することなく放出して燃料電池へ供給する手順と
   を含むようにした水素供給方法。

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