JP7103876B2 - 水素出荷装置および水素出荷システム - Google Patents

Description

この発明は、水素を圧縮して、圧縮した水素ガスを水素ガスキャニスター、水素ガスシリンダー、水素ガスカードル、ガスパイプライン、水素ステーションなどに出荷することができる水素出荷装置および水素出荷システムに関するものである。

従来、水素ガスを出荷する設備としては、特許文献１～３等で提案されている装置が知られている。
特許文献１で提案されているものは、圧縮機ユニットと、蓄圧器ユニットと、蓄圧器ユニットから充填設備に流入したガスを冷却するプレクールシステムにて構成されたガス供給システムであり、蓄圧器ユニットには低圧領域、中圧領域、高圧領域のガス蓄圧器が用いられ、圧縮機に吸入されるガスを外部から受け入れる受け入れユニットを備えていることが記載されており、圧縮機の排熱は活用されていない。

特許文献２に記載された圧縮機では、圧縮機の排熱を利用する構成を有しているものである。この装置では、圧縮機で回収した排熱を、排熱利用機器に対し安定した熱として供給することを可能にするものであるが、排熱利用機器は主設備外のものであり、圧縮機を含む装置の効率を上げることにはつながっていない。

特許文献３では、ガス圧縮機の排熱を利用する装置が提案されているが、排熱を熱源として発電し、ガス圧縮機内の補機の駆動に利用するものであり、排熱回収装置と発電装置が必要となる。
さらに、特許文献４や特許文献５では、燃料電池等の発電装置の排熱を水素吸蔵合金の水素放出用熱源に利用しているが、あくまで水素利用側にて効果のあるものであり、水素出荷設備に対しての効果はない。

特開２０１５－２３２３８４号公報 特開２００８－８８８６８号公報 特開２０１４－０８０９１２号公報 特開平８－６４２２０号公報 特開２００３－８６２２７号公報

従来の水素ガスの出荷装置は以上のように構成されているので、圧縮機の排熱は設備外の機器に利用されるか、もしくは利用されていない。
例えば、特許文献２では、圧縮機の排熱は、圧縮機システム外の排熱利用機器に利用することが想定されている。したがって、排熱利用機器での消費熱量が少ない場合に原動機の速度制限などの運転制御を行うことで熱供給を行うことを特徴としている。逆に排熱利用機器の消費熱量が多い場合は、高速運転を継続することになっている。
特許文献２では、圧縮されるガス種の記載はないが、水素出荷設備に用いられる圧縮機では、このような運用をすることはできない。また、排熱を発電装置に利用する場合、機器点数の増加に繋がるとともに、効率の良い排熱利用方法にはなっていない。

また、圧縮機の運転では一定流量の水素供給が必要となる。再生可能エネルギー等により製造される水素量は、時間により大きく変動するため、そのままでは水素を圧縮機に供給することができず、１ＭＰａ未満の球形ガスタンク等に一旦貯蔵する方法しかない。
水素出荷設備においては大量の水素を貯蔵する必要があるため、設置面積等の問題から現実的な方法ではない。

これらの点を鑑みると、圧縮機への水素を供給するための一旦貯蔵に、水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステムを設置することが考えられるが、そのような例は、これまでみられていない。これは、圧縮機へ水素を供給するためには、水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステムへ、水素吸蔵合金の吸熱反応熱に相当する熱を供給する必要があり、外部に発熱装置を具備する必要があるためである。この発熱装置へは電力などのエネルギーを具備しなければならず、エネルギー利用が増大してしまうという問題がある。
一方、水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステムが水素を放出する際、他の機器の排熱を利用する例はみられるものの、燃料電池などの発電装置が稼動した際の排熱を利用するものである。すなわち、水素利用側での排熱活用方法は考えられているものの、水素出荷設備に対しての効果は得られていない。

本発明は、上記のような従来のものの課題を解決するためになされたものであり、圧縮機で発生する熱を利用して水素吸蔵合金で水素を放出することが可能になり、省エネルギーに優れ、かつ安全性の高い水素ガス出荷を可能にする水素出荷装置および水素出荷システムを提供することを目的としている。

すなわち、本発明の水素出荷装置のうち、第１の形態は、
水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵合金タンクと、
前記水素吸蔵合金タンクに連結され、前記水素吸蔵合金から放出されて前記水素吸蔵合金タンク外に移動する水素を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された水素を出荷するための出荷部と、
前記水素吸蔵合金タンクを熱駆動する媒体経路と、を備え、
前記媒体経路は、前記圧縮機で発生した圧縮熱を受けた媒体が移動する圧縮機排熱経路に連なっており、
さらに前記媒体経路は、前記水素吸蔵合金を経た媒体が前記圧縮機の冷却に用いる圧縮機冷却経路に連なっていることを特徴とする。

他の形態の水素出荷装置は、前記形態の発明において、前記出荷部には、水素ガスキャニスター、水素ガスシリンダー、水素ガスカードル、ガスパイプラインおよび水素ステーションのいずれかが接続されることを特徴とする。

他の形態の水素出荷装置は、前記形態の発明において、前記媒体経路が一系列である。

他の形態の水素出荷装置は、前記形態の発明において、前記圧縮機排熱経路に加熱部が設けられており、前記圧縮機冷却経路に冷却部が設けられている。

他の形態の水素出荷装置は、前記形態の発明において、前記加熱部と前記冷却部とにおける設定温度を調整する調整部を有する。

他の形態の水素出荷装置は、前記形態の発明において、前記調整部は、前記水素吸蔵合金タンクにおける水素放出に際し、予め定めた所定の温度で前記水素吸蔵合金タンクを熱駆動することを特徴とする。

他の形態の水素出荷装置は、前記形態の発明において、前記温度は、前記圧縮機の圧縮能力に対応して前記水素吸蔵合金で定められる平衡水素圧で使用される温度よりも高い温度に設定されている。

他の形態の水素出荷装置は、前記形態の発明において、前記温度が、前記水素吸蔵合金における水素吸蔵と水素放出とが同時に行われる温度である。

他の形態の水素出荷装置は、前記形態の発明において、前記調整部は、前記水素吸蔵合金タンク内の水素圧力の検知結果を受け、前記媒体を送る媒体ポンプの動作と、前記水素吸蔵合金に対する設定温度を調整する制御を行うことを特徴とする。

他の形態の水素出荷装置は、前記形態の発明において、前記水素吸蔵合金タンクは、再生可能エネルギーを利用する水電解装置によって製造された水素が導入される水素導入部を有する。

本発明の水素出荷システムのうち、第１の形態は、水素発生装置と、前記形態の水素出荷装置とを備える。

他の形態の水素出荷システムは、前記形態の発明において、前記水素発生装置が水電解装置からなり、前記水電解装置は、再生可能エネルギーにより発電された電力が印加されるものである。

以上説明したように、本発明によれば、圧縮機への水素の供給を、水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステムから行う構成とし、水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステムが水素を放出する際に必要となる熱に、水素を圧縮機で昇圧する際に必ず生じる気体の断熱圧縮による発熱を利用することができ、水素吸蔵合金タンクシステムにおいて水素放出時に必要とする熱を供給する加熱装置を省略することで水素吸蔵合金容器へのエネルギー供給をなくす、または小さくすることができる。この結果、省エネルギー性に優れた効果が得られ、かつ１ＭＰａ未満の低圧側の気体の水素を一旦貯蔵しなくてもよいこと並びに高圧側の不具合により十分な断熱圧縮熱が得られない際には水素の供給量が受動的に減少するなど、安全性を高くすることができる。さらに、機器点数を減らし、低コスト性に優れた装置等が得られる効果がある。

本発明の一実施形態の水素出荷装置および水素出荷システムの概略を示す図である。 再生可能エネルギーによる発電装置と、水素発生装置の例を示す概念図である。 実施形態における水素吸蔵合金タンクシステムの概略を示す図である。 実施形態における一例の合金ＡにおけるＰＣＴ線図を示す図である。 実施形態における他例の合金ＢによるＰＣＴ線図を示す図である。 実施形態における温度によるＰＣＴ線図を示す図である。 実施形態における水素圧力に応じた媒体温度調整を説明するＰＣＴ線図である。 従来の水素出荷装置の概略を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
水素出荷装置１は、水素吸蔵合金タンクを有する水素吸蔵合金タンクシステム２０を有しており、水素吸蔵合金タンクシステム２０には、水素製造装置１０が水素導入路５１で接続されており、水素製造装置１０で製造された水素が水素吸蔵合金タンクに導入される。水素導入路５１は、この実施形態では、本発明の水素導入部に相当する。
水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステム２０は、水素製造装置１０から発生した水素を貯蔵する設備であり、水素導入路５１を通して水素が供給される。水素製造装置１０から水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステム２０に水素が供給される際は、必要に応じて水素吸蔵合金を冷却するための媒体が流される。
なお、水素製造装置１０は、本発明の水素出荷装置１に含まれるものではなく、水素製造装置１０と、水素出荷装置１とは、本発明の水素出荷システムを構成する。

水素吸蔵合金タンクシステム２０の水素排出路５２は、圧縮機３０のガス導入側に接続されている。
水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステム２０は、圧縮機３０へ水素を供給する設備でもあり、水素排出路５２を通じて水素を供給する。
圧縮機３０の圧縮水素排出路５３は、利用サイト４０に接続されており、圧縮した水素の出荷が可能になっている。したがって、圧縮水素排出路５３は、本発明の出荷路に相当する。
利用サイト４０は特に限定されるものではないが、水素を利用するために必要となる水素ガスキャニスター、水素ガスシリンダー、水素ガスカードル、ガスパイプラインおよび水素ステーション等が挙げられ、複数の利用サイトで水素が利用されるものであってもよい。

水素吸蔵合金タンクシステム２０では、水素吸蔵合金の温度を調整する媒体が移動する媒体経路６１を有しており、媒体経路６１の水素吸蔵合金に向かう往路には、圧縮機の排熱を回収した圧縮機排熱経路６２Ａが位置している。なお、媒体経路６１と、圧縮機排熱経路６２Ａとが異なる経路からなり、それぞれが接続されているものでもよいが、媒体経路６１と、圧縮機排熱経路６２Ａとが一体になっているものであってもよい。要は、圧縮機排熱経路６２Ａを流れる媒体が、媒体経路６１に導入される構成を有していればよい。
媒体経路６１は、水素吸蔵合金と熱交換した復路には、圧縮機を冷却する圧縮機冷却経路６２Ｂが位置している。圧縮機冷却経路６２Ｂは、圧縮機の排熱を回収した後、圧縮機排熱経路に連なっている。なお、媒体経路６１と、圧縮機冷却経路６２Ｂとは異なる経路からなり、それぞれが接続されているものでもよいが、媒体経路６１と、圧縮機冷却経路６２Ｂとが一体になっているものであってもよい。要は、媒体経路６１を流れる媒体が、圧縮機冷却経路６２Ｂに導入されて、圧縮機を冷却するものであればよい。

上記構成により、圧縮機３０が稼動した際に必ず生じる気体の断熱圧縮による熱は回収され、圧縮機排熱経路６２Ａを流れる媒体を利用して、水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステム２０に送られる。水素吸蔵合金は水素放出に伴い、吸熱反応により合金温度が低下し、平衡水素圧力が低下するため、そのままでは圧縮機３０への水素供給ができなくなるが、圧縮機排熱経路６２Ａを通じて送られる媒体によって合金温度が増加し、圧縮機３０への水素供給が継続できるようになる。温度が下がった媒体は、圧縮機冷却経路６２Ｂを通じて圧縮機３０に戻され、圧縮機を冷却するとともに排熱を回収する。
このようなシステムを構築することで、従来は圧縮機３０、水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステム２０の各々に備えられていた冷却設備、加熱設備を省略することが可能となる。

図２は、水素製造装置１０を水電解装置１１Ａとした場合の一例を示すものである。
水電解装置１１Ａには、再生可能エネルギーを利用した発電装置２から給電線３によって電力が印加されている。
発電装置２としては、風力発電装置２Ａ、太陽光発電装置２Ｂ、バイオマス発電装置２Ｃや図示していない地熱発電装置などを用いることができる。
なお、水素製造装置としては、水電解装置に限定されるものではなく、例えば、炭化水素を改質して水素を発生させる装置などを用いることができる。

図６は、従来装置を適用した装置を示すものである。なお、上記で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
圧縮機３０に対しては、冷却経路６３を通じて冷却器７０が接続されており、圧縮機３０の排熱回収は行われない構成になっている。なお、従来の装置の構成として、排熱を外部で利用するようにしてもよい。

水素吸蔵合金タンクシステム２０では、冷却経路６４を通じて冷媒タンク７１が接続されており、水素吸蔵合金で水素を吸収する際には、冷媒タンク７１の媒体を用いて水素吸蔵合金を冷却する。
また、水素吸蔵合金タンクシステム２０には、加熱経路６５を通じて温媒タンク７２が接続されており、水素吸蔵合金で水素を放出する際には、温媒タンク７２の媒体を用いて水素吸蔵合金を加熱する。
上記のように、従来の装置を利用する場合、圧縮機の排熱を出荷装置において有効に利用することができず、また、水素吸蔵合金の吸放出は、二系統の媒体経路が必要になっている。

次に、本実施形態の媒体経路および水素経路の詳細を図３に基づいて説明する。
水素吸蔵合金タンクシステム２０には、水素の吸放出側で、二つの水素吸蔵合金タンク２１Ａ、２１Ｂを有し、水素吸蔵合金タンク２１Ａ、２１Ｂの水素の吸放出側で、水素吸蔵合金タンク２１Ａに、開閉弁２２０Ａを介して水素移送経路２２Ａが接続され、水素吸蔵合金タンク２１Ｂに、開閉弁２２０Ｂを介して水素移送経路２２Ｂが接続され、それぞれのタンク端部側が、開閉弁２２０Ａ、２２０Ｂの手前で、経路２２１が接続されている。経路２２１には、水素導入路２２２と水素排出路２２３とが接続されている。また、水素吸蔵合金タンク２１Ａにはタンク内の温度を測定する温度計２１１Ａが設けられ、水素吸蔵合金タンク２１Ｂにはタンク内の温度を測定する温度計２１１Ｂが設けられている。
また、水素吸蔵合金タンク２１Ａでは、圧力計２１２Ａによって、水素吸蔵合金タンク２１Ｂでは、圧力計２１２Ｂによって、タンク内の圧力が測定可能になっている。

水素導入路２２２には、逆止弁２２２Ａが介設され、さらに圧力計２２２Ｂが設けられている。
水素排出路２２３には、逆止弁２２３Ａが介設され、さらに圧力計２２３Ｂ、減圧弁２２３Ｃ、フィルター２２３Ｄが介設されている。
また、水素吸蔵合金タンク２１Ａ、２１Ｂでは、リリーフ弁を介してリリーフライン２２４が接続されて、圧抜き必要時に圧力リリースを行っている。

水素吸蔵合金タンク２１Ａ、２１Ｂの媒体側では、水素吸蔵合金タンク２１Ｂへの入り側に媒体経路の一部である経路２３Ｂが接続され、出側に媒体経路の一部である経路２４Ｂが接続されている。経路２３Ｂと経路２４Ｂとは連なっている。
水素吸蔵合金タンク２１Ａでは、入り側に媒体経路の一部である経路２３Ａが接続され、出側に媒体経路の一部である経路２４Ａが接続されている。経路２３Ａと経路２４Ａとは連なっており、経路２４Ｂと経路２３Ａとが連結されている。

経路２３Ｂの基端側には水タンク２３０が接続されており、経路２３Ｂの水タンクに近接した側にポンプ２３１が設けられ、さらに経路２３Ｂ内の温度を測定する温度計２３２が設けられている。
経路２４Ａは、下流側先端側が水タンク２３０に接続されており、その途中に冷却器２４０が介設されている。冷却器２４０と水素吸蔵合金タンク２１Ａとの間で、経路２４Ａ内の媒体温度を測定する温度計２４１が設けられており、冷却器２４０の下流側で経路２４Ａにフィルター２４２が介設されている。フィルター２４２の下流側の経路２４Ａと、ポンプ２３１の下流側の経路２３Ｂとの間に連絡路２５０が接続されており、連絡路２５０には開閉弁２５１が介設されている。

水タンク２３０には、圧縮機排熱経路６２Ａが接続されており、冷却器２４０の下流側の経路２４Ａでは、圧縮機３０を冷却する媒体が送られる圧縮機冷却経路６２Ｂが接続されている（図３では圧縮機冷却経路６２Ｂは省略している）。
また、水素吸蔵合金タンクシステム２０では、圧力計２１２Ａ、２１２Ｂの圧力測定結果および温度計２３２、２４１、２１１Ａ、２１１Ｂの測定結果を受けて、開閉弁２２０Ａ、２２０Ｂ、２５１の開閉動作、ポンプ２３１の運転の制御を行う調整部２６０を有している。調整部２６０で制御を行う構成では、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラム、プログラムや動作パラメータを格納する記憶部などを有している。

水素吸蔵合金タンクシステムにおける動作を以下に説明する。
圧縮機３０の排熱を受けた媒体（この実施形態では水）は、圧縮機排熱経路６２Ａを通じて水タンク２３０に適宜時期または常時に導入される。水タンク２３０の排熱を受けた水は、ポンプ２３１で経路２３Ｂの下流側に送り出される。この際の媒体（水）の温度は温度計２３２で測定されて測定結果は調整部２６０に送られる。このとき媒体の温度が設定温度よりも高ければ、開閉弁２５１を開けて温度の低い水を媒体に混合して媒体の温度を低下させる。開閉弁２５１の開閉時間を調整することで、媒体の温度を所望の温度に調整することができる。一方、媒体の温度が設定の温度よりも低ければ、水タンク２３０や経路２３Ｂに設けた図示しない加熱部によって媒体の温度を上昇させることができる。さらに、媒体が送られる水素吸蔵合金タンク２１Ａ、２１Ｂの温度計２１１Ａ、２１１Ｂの測定結果に応じて媒体の温度調整を行うものとしてもよい。

温度調整された媒体は、経路２３Ｂを通って水素吸蔵合金タンク２１Ｂに送られて内部の水素吸蔵合金の熱駆動を行い、さらに、経路２４Ｂ、２３Ａを通じて水素吸蔵合金タンク２１Ａに送られて内部の水素吸蔵合金の熱駆動を行い、経路２４Ａを通じて排出される。排出された媒体は冷却器２４０に送られて、必要に応じて所望の温度に冷却される。
媒体は、フィルター２４２を通った後、水タンク２３０に環流される。また、冷却器２４０を経た媒体は、必要に応じて連絡路２５０を通じて一部が経路２３Ｂに送られる。
また、冷却器２４０を経た媒体は、一部が冷却経路６３を通じて圧縮機３０に送られて、動作している圧縮機を冷却し、圧縮熱を受熱する。なお、圧縮機３０が動作していないときは、冷却経路６３を通じた媒体の送液を停止することができる。
本実施形態では、媒体の経路を相互のエネルギー利用が可能な一系統で構築することができ、循環系のように媒体を移動させることができる。

上記媒体の移動に伴って、水素吸蔵合金タンク２１Ａ、２１Ｂでは、水素の吸蔵、放出が生じる。この実施形態では、所定の温度において水素の吸蔵、放出を生じることができる合金である、なお、水素の吸蔵、放出を並行して生じさせるために、媒体は、±１０℃の温度範囲内に動作温度を設定するのが望ましい。なお、この実施形態では、水素吸蔵合金としては、ＡＢ_５系の合金のＭｍＮｉＭｎＣｏなどを用いることができる。ただし、本発明では、水素吸蔵合金の組成がＡＢ_５合金に限られるものではなく、適宜材料を用いることができ、例えば、ＡＢ_２、ＢＣＣ系、ＴｉＦｅ系などを用いることができる。
なお、水素の吸蔵、放出を並行して行わず、いずれかを選択して動作させるようにしてもよい。その際には、水素の吸蔵、放出に応じて媒体の温度を調整する。

次に、水素の吸放出の動作について説明する。
水素導入路２２２には、水素製造装置１０から水素が送り込まれる。この際に、開閉弁２２０Ａ、２２０Ｂの開閉動作によって、水素吸蔵合金タンク２１Ａ、２１Ｂのいずれか一方、または両方に水素が導入されて、熱駆動されている水素吸蔵合金に吸収される。この際には、逆止弁２２２Ａによって水素の逆流が阻止されており、導入される水素の圧力は圧力計２２２Ｂによって測定される。上記した開閉弁２２０Ａ、２２０Ｂの開閉動作は、調整部２６０で制御することができ、圧力計２２２Ｂの測定結果は調整部２６０で受けて開閉弁２２０Ａ、２２０Ｂの開閉動作を制御することができる。例えば、圧力が所定値を超えるような場合は、開閉弁を閉じるように制御し、さらに圧力が閾値を超える場合は、リリーフ弁を開いてリリーフライン２２４より水素ガスをリリースする。
なお、水素導入路２２２から送られる水素の一部または全部は、直接水素排出路２２３に送ることができる。

水素排出路２２３は、水素吸蔵合金タンク２１Ａ、２１Ｂの一方または両方から水素を排出することができる。
この際に、開閉弁２２０Ａ、２２０Ｂの開閉動作によって、水素吸蔵合金タンク２１Ａ、２１Ｂのいずれか一方、または両方において熱駆動されている水素吸蔵合金から水素が放出される。水素排出では、フィルター２２３Ｄは、水素排出路２２３の送り先に異物などが送られないように異物を捕集し、逆止弁２２３Ａによって水素の逆流が阻止されている。排出される水素の圧力は圧力計２２３Ｂによって測定される。水素は、減圧弁２２３Ｃを経て圧縮機に送られる。上記した開閉弁２２０Ａ、２２０Ｂの開閉動作、減圧弁２２３Ｃの減圧動作は、調整部２６０で制御することができ、圧力計２２３Ｂの測定結果は調整部２６０で受けて開閉弁２２０Ａ、２２０Ｂの開閉動作や減圧弁２２３Ｃの減圧量を制御することができる。例えば、測定された圧力が所定の圧力よりも高い場合は、開閉弁を閉じたり、減圧弁２２３Ｃによって減圧を大きくしたりするように制御し、測定された圧力が所定の圧力よりも低い場合は、減圧弁２２３Ｃの減圧量を小さくすることができる。また、圧力が閾値を超えるような場合は、リリーフ弁を開いてリリーフライン２２４より水素ガスをリリースする。

なお、水素吸蔵合金タンクシステム２０から圧縮機３０に送る水素の圧力は、圧縮機３０の圧縮能力に応じて、水素吸蔵合金における最適な平衡水素圧が採用されるのが通常である。この最適圧力に応じて媒体の最適温度が決定される。
例えば、圧縮機の一次圧力の使用範囲内で圧力を放出可能な水素吸蔵合金の選定が行われる。水素吸蔵合金では、高圧ガス保安法などを考慮して、１ＭＰａ以下の圧力で水素を吸蔵し、水素の放出量の効率性や熱媒体に用いるエネルギーの効率性などを考慮して出力圧力を定めており、多くの場合、０．１ＭＰａＧ～０．２ＭＰａＧ程度で放出する。
具体的な方法の例としては、圧縮機３０の一次圧力が０．２ＭＰａ（０．１ＭＰａＧ）の場合、図４Ａに示すように、ＭｍＮｉ系水素吸蔵合金の合金Ａを使用することができる。ここで、合金温度が３３℃程度以上となるように媒体温度を設定することで、圧縮機３０への水素を一定流量で流すことが可能となる。例えば横軸１０ｃｃ／ｇのところまで水素を放出させようとすると、２０℃放出では０．１ＭＰａＧを下回ってしまうため、この温度では水素を全量放出できない。そのため、２０℃よりも高い温度で合金温度を保持する必要があり、ある程度の差圧を維持した状態で、且つ最低限の昇温に留めるとして計算した結果、３３℃の放出温度であれば、最後まで一定流量での水素放出が可能になる。
また、圧縮機３０の一次圧力が０．１ＭＰａ（０ＭＰａＧ）の場合、合金温度が１０℃程度以上となるように媒体温度を設定することで、圧縮機３０への水素を一定流量で流すことが可能となる。

一方、図４Ｂに示すように、ＭｍＮｉ系水素吸蔵合金の合金組成を変更した合金Ｂを使用することも可能である。ここで、例えば、圧縮機３０の一次圧力が０．１ＭＰａ（０ＭＰａＧ）の場合、合金温度が０℃程度以上となるように媒体温度を設定することで、圧縮機３０への水素を一定流量で流すことが可能となる。
このように、圧縮機３０の一次圧力を考慮して、合金組成を変更することで水素吸蔵合金の平衡水素圧力を調整することができる。この際に媒体の温度により平衡水素圧力を調整するものとしてもよい。

一方、この最適圧力に対し、さらに圧力を高めて圧縮機３０に送り込むことで、圧縮機のエネルギー効率を高めることができる。最適圧力に対し、温度を高めた場合のＰＣＴ線図の例を図４Ｃに示す、例えば、最適温度Ｔ１において、平衡水素圧力を０．３５ＭＰａにしている場合に、熱駆動を行う媒体温度を２４℃高めた温度Ｔ２に設定すると、平衡水素圧力を０．７ＭＰａに高めることができる。この圧力の水素を圧縮機３０に導入すると、一次圧力０．１ＭＰａで冷却器等の補機動力を有する圧縮機と比較して、使用電力量を５２％改善することができる。この際の圧縮機３０の定格は１００～１１０ｋＷとなるが、一次圧力０．１ＭＰａの圧縮機の定格は１３０～１４０ｋＷ必要となることが必要エネルギー量に大きく影響を与えている。
従来の水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステムでは、水素放出圧力を０．１～０．２ＭＰａとすることが多いが、圧縮機への一次圧力を０．１～０．２ＭＰａから０．７ＭＰａに上昇させる効果で、圧縮機の使用電力量を２８％削減できる。
ただし、水素吸蔵合金タンクの水素放出圧力を上昇させるために温度の高い熱媒が必要で、水素吸蔵合金の昇温専用のエネルギーが必要となると全体エネルギー効率は低下するが、圧縮機の圧縮熱の一部または全部を利用することで全体エネルギー効率を高めたシステム化が可能となる。

なお、水素の吸放出においては、前記したように媒体温度を設定して行うが、水素吸蔵合金タンクの内圧に応じて制御することができる。その動作例について、図５のＰＣＴ線図を用いて以下に説明する。
すなわち、上記動作では、必要に応じて冷却器２４０の動作と水タンク２３０における排熱回収によって水素の吸蔵と放出とを制御する。
上記動作では、主とする制御として水素吸蔵合金容器内の圧力に基づいて熱媒体である水の温度を制御する。

水素吸蔵合金タンクが水素を吸収し発熱反応を起こした場合、合金温度が上昇し、平衡水素圧力が上昇する。平衡水素圧力がＰａに達したときに、冷却器２４０を運転し冷媒を流すことで合金温度が低下し、平衡水素圧力も減少する。一方、水素吸蔵合金タンクが水素を放出し吸熱反応を起こした場合、合金温度が低下し、平衡水素圧力が減少する。平衡水素圧力がＰｂに達したときに、排熱を供給し、加熱された媒体を流すことで合金温度が上昇し、平衡水素圧力も増加する。一般的な水素製造方法である水電解装置の場合、水素の供給圧力は０．９ＭＰａであり、例えばＰａとＰｂを０．６ＭＰａ近傍に設定することで、水素吸収と水素放出が同時にできる水素吸蔵合金タンクシステムが可能となる。

この制御方法は、図５のＰＣＴ線図に基づいて、圧力によりポンプ、ヒーターおよび冷却器を制御する。圧力は容器内圧力を使用し、圧力Ｐａ、Ｐｂの範囲で冷却器や加熱部を制御する。また、異なる圧力を設定して、水素吸収のみの運転、水素放出のみの運転、あるいは水素吸収と水素放出を同時に行う運転を選択して行うことができる。
本実施形態では、制御を容器圧力によりポンプ、ヒーターおよび冷却器を制御することでシステムを簡略化し、水素貯蔵タンクへの水素吸収、水素貯蔵タンクからの水素放出、
あるいは水素吸収と放出を並行に行うことが可能になる。

本実施形態によれば、圧縮機で昇圧する際に必ず生じる気体の断熱圧縮による発熱を水素吸蔵合金タンクシステムに供給することで、水素吸蔵合金タンクシステムが水素を放出する際に必要となる熱供給源のように作用して、圧縮機は独自の冷却装置を具備する必要がなくなる。また、水素吸蔵合金タンクシステムは、熱供給に応じて水素放出圧力を上昇することができるため、水素吸蔵合金タンクシステム自体が昇圧機のように動作する。それによって、圧縮機に供給する水素の一次圧力を上昇させることができ、圧縮機の電力使用量を削減することができるとともに、水素ガス出荷設備において、圧縮機・水素吸蔵合金タンクシステムに必要な相互の加熱・冷却装置の省略と、外部からのエネルギー供給が不要のようになるので、設備費および運転経費を低減することができる。

また、本実施形態で使用される水素吸蔵合金タンクシステムには、熱媒体システムを１系列とし、媒体タンクには圧縮機からの排熱供給ラインを、媒体ライン内には冷却器を設け、水素吸蔵合金タンクシステムの加熱および冷却を水素吸蔵合金タンクの内圧により、媒体ポンプ、媒体タンクの排熱供給ラインおよび冷却器を制御するシステムを備えることができる。

水素吸蔵合金タンクシステムに対して、水素の吸収および放出が同時に行われる場合、従来の装置では、水素吸収のために低温媒体を流した水素吸蔵合金タンクと、水素放出のために高温媒体を流した水素吸蔵合金タンクの２台が必要で、それを交互に使用することが必要であり、装置が複雑になる他、例えば圧縮機へ水素を供給するタンクにおいては、供給すべき水素の全量を水素吸蔵合金タンクから放出する必要があるため、熱媒体へのエネルギー供給量が増加するとともに、使用において水素吸蔵合金の劣化が早いシステムとなってしまう。

しかし、水素吸蔵合金タンクが水素を放出する際に必要となる熱供給と、水素を吸収する際に生じる熱を処理する際に利用する熱媒体を同じ温度に統一することにより、一般的な圧縮水素用のガスタンクのように直ちに水素供給と水素貯蔵を切り替えることができるシンプルかつ運用が平易な水素吸蔵合金タンクシステムが提供可能となる。これによって、水素吸蔵合金タンクシステムは必要最低限の水素吸蔵しか行わず、熱媒体の顕熱を有効活用するように作用して、水素供給と水素需要の差分のみを水素吸蔵合金タンクに貯蔵する一般的な水素ガスタンクのように動作する。これにより水素吸蔵合金タンクシステムはエネルギー利用効率が高くなるとともに、２台の水素吸蔵合金タンクを備えて吸収と放出とを行う場合と比較して機器点数を大幅に減らすことができるので、省エネルギーかつ、水素吸蔵合金の劣化低減により利用可能期間を大幅に延伸でき、トータルコスト低減が可能となる。

なお、水素吸蔵合金タンクシステムから水素が放出されるタイミングは、圧縮機が稼動しているタイミングと同一であることにより熱の相互利用が効果的に行われるものである。この点が特許文献１の装置などと異なる点である。特許文献１では、排熱利用機器が熱を必要とするタイミングと圧縮機が熱を発生するタイミングとがリンクしていないことから運転制御等が必要となるが、本実施形態では、圧縮機が水素ガスを圧縮するときには水素吸蔵合金が水素を放出しているので、熱が発生するタイミングと排熱を利用するタイミングが同じになっている。さらに圧縮機の排熱によって、水素吸蔵合金の水素放出圧力を高めに維持でき、圧縮機へ供給する一次水素圧力を増加させる効果が生まれ、圧縮機の消費電力を低下させることができるという副次的な効果も生まれる。

また、圧縮機の前段で水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵合金タンクシステムにて水素を貯蔵する場合、低圧で大量の水素を貯蔵できることから、従来の高圧水素ガス蓄圧器で貯蔵された場合と比較して、安全性、コンパクト性に優れたシステムとなる。ここで、水素吸蔵合金タンクに供給される水素は、いかなる製造方法によるものでも構わない。水素製造方法としては、電気分解法、水蒸気改質法、副生水素、石炭ガス化法、熱化学法、高温水蒸気電気分解法、放射線分解法、バイオマス、光分解法などが挙げられる。また、圧縮機は、冷却機構が備わっているものであればいかなるものでも構わない。

以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施形態に対する様々な変更が可能である。

１ 水素出荷装置
２ 発電装置
２Ａ 風力発電装置
２Ｂ 太陽光発電装置
２Ｃ バイオマス発電装置
１０ 水素製造装置
１１Ａ 水電解装置
２０ 水素吸蔵合金タンクシステム
２１Ａ 水素吸蔵合金タンク
２１Ｂ 水素吸蔵合金タンク
２２Ａ 水素移送経路
２２Ｂ 水素移送経路
３０ 圧縮機
４０ 利用サイト
５１ 水素導入路
５２ 水素排出路
５３ 圧縮水素排出路
６１ 媒体経路
６２Ａ 圧縮機排熱経路
６２Ｂ 圧縮機冷却経路
２１１Ａ 温度計
２１１Ｂ 温度計
２１２Ｂ 圧力計
２１３Ｂ 圧力計
２２０Ａ 開閉弁
２２０Ｂ 開閉弁
２２２ 水素導入路
２２２Ｂ 圧力計
２２３Ｂ 圧力計
２２３ 水素排出路
２２３Ｂ 圧力計
２２３Ｃ 減圧弁
２３０ 水タンク
２３１ ポンプ
２３２ 温度計
２４０ 冷却器
２４１ 温度計
２５１ 開閉弁
２６０ 調整部

Claims (12)

1. 水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵合金タンクと、
   前記水素吸蔵合金タンクに連結され、前記水素吸蔵合金から放出されて前記水素吸蔵合金タンク外に移動する水素を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された水素を出荷するための出荷部と、
   前記水素吸蔵合金タンクを熱駆動する媒体経路と、を備え、
   前記媒体経路は、前記圧縮機で発生した圧縮熱を受けた媒体が移動する圧縮機排熱経路に連なっており、
   さらに前記媒体経路は、前記水素吸蔵合金を経た媒体が前記圧縮機の冷却に用いる圧縮機冷却経路に連なっていることを特徴とする水素出荷装置。
2. 前記出荷部には、水素ガスキャニスター、水素ガスシリンダー、水素ガスカードル、ガスパイプラインおよび水素ステーションのいずれかが接続されることを特徴とする請求項１記載の水素出荷装置。
3. 前記媒体経路が一系列である請求項１または２に記載の水素出荷装置。
4. 前記圧縮機排熱経路に加熱部が設けられており、前記圧縮機冷却経路に冷却部が設けられている請求項１～３のいずれか１項に記載の水素出荷装置。
5. 前記加熱部と前記冷却部とにおける設定温度を調整する調整部を有する請求項４記載の水素出荷装置。
6. 前記調整部は、前記水素吸蔵合金タンクにおける水素放出に際し、予め定めた所定の温度で前記水素吸蔵合金タンクを熱駆動することを特徴とする請求項５記載の水素出荷装置。
7. 前記温度は、前記圧縮機の圧縮能力に対応して前記水素吸蔵合金で定められる平衡水素圧で使用される温度よりも高い温度に設定されている請求項６記載の水素出荷装置。
8. 前記温度が、前記水素吸蔵合金における水素吸蔵と水素放出とが同時に行われる温度である請求項６または７に記載の水素出荷装置。
9. 前記調整部は、前記水素吸蔵合金タンク内の水素圧力の検知結果を受け、前記媒体を送る媒体ポンプの動作と、前記水素吸蔵合金に対する設定温度を調整する制御を行うことを特徴とする請求項５～８のいずれか１項に記載の水素出荷装置。
10. 前記水素吸蔵合金タンクは、再生可能エネルギーを利用する水電解装置によって製造された水素が導入される水素導入部を有する請求項１～９のいずれか１項に記載の水素出荷装置。
11. 水素発生装置と、請求項１～１０のいずれか１項に記載の水素出荷装置を備える水素出荷システム。
12. 前記水素発生装置が水電解装置からなり、前記水電解装置は、再生可能エネルギーにより発電された電力が印加されるものである請求項１１記載の水素出荷システム。

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