JP7159721B2

JP7159721B2 - 建物

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Publication number: JP7159721B2
Application number: JP2018169361A
Authority: JP
Inventors: 崇晴立石; 貴大石崎; 瑞季木内; 雄亮金子; 和彦宮本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2038-09-11
Also published as: CN110890575A; US10840524B2; US20200083548A1; CN110890575B; JP2020041602A

Description

本発明は、建物に関する。

水素は、産業用途のほか、熱や電気といった種々のエネルギーへの変換に用いられる。近年では、水素を利用した燃料電池システムが普及し、水素の供給を受けた燃料電池によって発電された電力を建物内に供給させるための様々な方法が検討されている。例えば、特許文献１には、外部から供給されたガスから改質装置によって水素を取り出して発電に利用する燃料電池システムを備える建物が記載されている。

特開２００１－２１０３５１号公報

従来の技術では、建物内にガスを供給させるために、ガスの供給元となる設備が建物以外に必要となる。ガスの供給元となる設備を設置しない場合には、建物内に水素を貯蔵するための容器を配置するためのスペースが必要となる。そのため、ガスの供給元となる設備を必要とせず、かつ、建物内に水素の貯蔵するためのスペースを取られることなく、水素を供給させるための技術が望まれていた。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］
本開示の一形態によれば、建物が提供される。この建物は、建物全体の骨格となる構造材と、前記構造材と一体となった水素吸蔵合金と、前記構造材の内部に設けられ、前記構造材の温度を調節する温調器と、前記構造材の内部に設けられ、前記水素吸蔵合金から取り出した水素を流通させる配管と、を備える。
［形態２］
本開示の一形態によれば、災害時の避難所として利用される建物が提供される。この建物は、建物全体の骨格となる構造材と、前記構造材との混合により前記構造材と一体となった水素吸蔵合金と、前記構造材の内部に設けられ、前記構造材の温度を調節する温調器と、前記構造材の内部に設けられ、前記水素吸蔵合金から取り出した水素を流通させる配管と、を備える。

（１）本開示の一形態によれば、建物が提供される。この建物は、建物の骨格となる構造材と、前記構造材と一体となった水素吸蔵合金と、前記構造材の内部に設けられ、前記構造体の温度を調節する温調器と、前記構造材の内部に設けられ、前記水素吸蔵合金から取り出した水素を流通させる配管と、を備える。
この形態の建物によれば、温調器による温度調節によって、建物の骨格となる構造材に含まれる水素吸蔵合金から水素を得ることができ、配管を通じて供給されることができる。これにより、建物以外に水素の供給元となる設備を設置せず、かつ、建物内に水素を貯蔵するための容器を設置することなく水素の供給を得ることができる。
（２）上記形態の建物は、前記水素吸蔵合金は、前記建物の外壁周辺の構造材に配置されてよい。
この形態の建物によれば、建物の外壁周辺の構造材に水素吸蔵合金が配置される。これにより、建物は、温調器による温度調整のほか、太陽熱などの建物の外部からの熱エネルギーを、建物の温度調整や水素吸蔵合金による水素の放出に利用することができる。
（３）上記形態の建物は、前記配管から供給される前記水素および空気の供給を受けて発電する燃料電池を備えてよい。
この形態の建物によれば、建物に備えられる燃料電池と、建物から供給される水素とを利用して、建物による自家発電を行うことができる。これにより、例えば避難所といった非常用の施設として建物を利用することができる。
本開示は、建物以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、水素ガスの供給方法、建物の構造、建物の構造体、建物の製造方法や建物の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態の建物を模式的に表す説明図。建物の電気配線の構成を模式的に表す説明図。図１の建物の外壁周辺の内部構造を模式的に表す拡大図。本実施形態の建物の建造工程を表す説明図。本実施形態の建物に接続された燃料電池の使用方法を表す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態の建物１００を模式的に表す説明図である。本実施形態において、建物１００は、骨組み５０を有する鉄骨コンクリート造の病院である。ただし、建物１００は、病院には限定されず、学校や公民館などの一般的な公共施設であってもよく、災害時の避難所として利用されうる種々の建物であってもよい。建物１００は、制御部４０と、温調器２０とを備える。

制御部４０は、１つ、または、複数のプロセッサであるＣＰＵと、主記憶装置であるメモリーとを備えるコンピュータによって構成される。制御部４０は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサが実行することによって、建物１００の各部を制御し、種々の機能を発揮する。なお、制御部４０は、そうしたコンピュータによって構成される代わりに、各機能の少なくとも一部を実現するための複数の回路を組み合わせた構成により実現されてもよい。

温調器２０は、液体を利用した温度調節装置である。本実施形態において、温調器２０は、建物１００の内部に備えられる。温調器２０は、内部に液体を流通させる温調パイプ２２と、図示しない循環ポンプおよび熱交換器とを有する。温調パイプ２２は、建物１００の骨組み５０の内部に備えられる液体の流路であり、建物１００の内部の全体に亘って張り巡らされている。温調器２０は、熱交換器によって水温を設定値に合わせて調節し、循環ポンプによって温調パイプ２２内に温調水を流通させる。これにより、建物１００の全体に亘る骨組み５０の温度を設定値に合わせて調節する。

次に、図２を用いて建物１００への電力供給方法について説明する。図２は、建物１００の電気配線の構成を模式的に表す説明図である。本実施形態において、建物１００は、上述した制御部４０および温調器２０のほか、接続ユニット６０と、無停電電源６２と、ＤＣ／ＡＣインバータ６４と、ＡＣ／ＤＣ変換器６６と、リレー６８と、給電装置７２と、を備える。建物１００には、平常時、燃料電池３０は接続されておらず、商用電源８０からの電力が供給される。他方、停電などの緊急時には、燃料電池３０が建物１００に接続される。

燃料電池３０は、建物１００とは独立した外部ユニットであり、接続ユニット６０を介して建物１００と接続される。燃料電池３０は、水素と空気（具体的には、酸素）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体を有する燃料電池セルが積層された燃料電池スタックによって構成される。燃料電池３０は、制御部４０と構成を同じくするＦＣ制御部３８を備える。接続ユニット６０は、水素供給管３２と、電力供給部３４と、入出力インターフェース３６とを備える。

水素供給管３２は、建物１００から供給される水素を、燃料電池３０の図示しないアノードガス供給口（マニホールド孔）に供給する配管である。水素供給管３２には、図示しないインジェクタが備えられ、燃料電池３０への水素供給量を調節可能である。建物１００からの水素の供給方法については後述する。

電力供給部３４は、燃料電池３０によって発電された電力を建物１００へ供給するための電源コネクタである。入出力インターフェース３６は、ＦＣ制御部３８と制御部４０との信号の入出力を行う入出力ポートである。

建物１００は、通常、商用電源８０から供給される電力を、リレー６８を介して、温調器２０と、負荷へ電力を供給する給電装置７２と、制御部４０とに供給する。負荷としては、建物１００としての病院内の照明、空調、動力、手術用の各種装置などが想定される。商用電源８０には、ＡＣ／ＤＣ変換器６６が接続され、商用電源８０からの交流電力を直流電力に変換し、二次電池である無停電電源６２に供給して、これを充電している。

建物１００は、停電などによって商用電源８０からの電力の供給が絶たれたとき、リレー６８によって配線が切り換えられる。このとき、無停電電源６２が、商用電源８０に代わる建物１００の初期電源として機能する。無停電電源６２から供給される直流電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ６４によって１００Ｖの交流電力に変換され、リレー６８を介して温調器２０、給電装置７２、制御部４０へと供給される。更に、燃料電池３０が接続ユニット６０を介して建物１００に接続されると、制御部４０は、ＦＣ制御部３８と通信を行い、燃料電池３０による発電を開始する指示を行う。燃料電池３０から供給された電力は、無停電電源６２からの給電を代替または補完する。燃料電池３０から供給された電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ６４を介して、温調器２０、給電装置７２、制御部４０へと供給される。

図３は、図１の建物１００の外壁周辺の内部構造ＢＩを模式的に表す拡大図である。建物１００の骨組み５０は、構造材５２と、配管５４と、外壁５６と、シール部材５８とを備える。

構造材５２は、内部に鉄骨を有する鉄筋コンクリートであり、建物１００全体の骨格をなす。本実施形態において、構造材５２には、水素吸蔵合金が一体となるようにして組み込まれる。「構造材５２と水素吸蔵合金とが一体となった」とは、構造材５２とは別のユニットとして構成される水素吸蔵合金の構造体が構造材５２に組み付けられて、一つの構造材５２を構成することを意味する。ただし、これに限らず、構造材５２と水素吸蔵合金とを混合することによって一つの構造材５２を構成する態様や、構造材５２に水素吸蔵合金が貼り付けられて一つの構造材５２を構成する態様が含まれてよい。水素吸蔵合金とは、金属の結晶格子間に水素を吸蔵できる金属材料のことをいい、水素の吸収と放出とを温度変化によって可逆的に実現する材料をいう。本実施形態では、水素吸蔵合金として、ＡＢ_５型の希土類系合金であるＬａＮｉ_５が用いられる。水素を吸蔵した水素吸蔵合金は、ユニットの内部に含まれた状態で構造材５２に組み込まれ、構造材５２とともに建物１００の骨格の一部を構成する。本実施形態では、内部に水素吸蔵合金を備えたステンレスユニットが用いられ、強度の高い構造材５２として機能する。構造材５２は、平常時、温調器２０による温調パイプ２２内の温調水の循環によって、常温程度に維持される。このとき、構造材５２に組み込まれた水素吸蔵合金は、水素を放出するために必要な反応熱を得られず、内部に水素を貯蔵した状態を維持する。

配管５４は、構造材５２の内部に設けられる空間である。配管５４は、構造材５２の水素吸蔵合金から取り出した水素の流路として機能する。外壁５６は、建物１００の外郭となる壁面である。本実施形態において、外壁５６には水素吸蔵合金を含まない一般的な材料が用いられる。外壁５６は、構造材５２よりも建物１００の外部側に配置され、構造材５２から取り出された水素の外部への流出を防ぐ機能を有する。シール部材５８は、建物１００の居住空間側の壁面に沿って備えられる。シール部材５８は、構造材５２から取り出された水素の居住空間への侵入を防ぐ機能を有する。

図４は、本実施形態の建物１００の建造工程を表す説明図である。建物１００の建造を開始する前に、構造材５２に組み込むための水素吸蔵合金ＬａＮｉ_５からなる複数のユニットが準備される（ステップＳ１０）。このとき、例えば、水素吸蔵合金ＬａＮｉ_５の水素の吸蔵に応じた温度調整と圧力調整とを行い、水素吸蔵合金の表面に水素ガスを吸着させ、水素を原子状に乖離して合金内に侵入させる。水素吸蔵合金ＬａＮｉ_５を含むステンレスユニットには、予め配管５４と温調パイプ２２とが内蔵されている。次に、建物１００の骨組み５０を建造する（ステップＳ１２）。骨組み５０の構造材５２は、上述した水素吸蔵合金ＬａＮｉ_５のユニットを組み込まれる。このとき、水素吸蔵合金ＬａＮｉ_５のユニットの配管および温調パイプは、構造材５２内の配管および温調パイプと接続されて全体として一つの配管５４と温調パイプ２２とを構成する（ステップＳ２０）。シール部材５８と外壁５６とが構造材５２に併せて組み付けられることによって、建物１００の骨組み５０が完成する。建物１００は、骨組み５０の完成と共に、更に、温調器２０と、制御部４０とを組み込まれ、建物１００の各部との電気的な配線や配管の接続を完了して（ステップＳ３０）、建物１００は完成する。

次に、図５とともに図３を用いて、本実施形態の建物１００によって実現される燃料電池３０への水素の供給方法および発電方法について説明する。図５は、本実施形態の建物１００に接続された燃料電池３０の使用方法を表す説明図である。

建物１００において、燃料電池３０による発電が必要となったとき、燃料電池３０は、接続ユニット６０を介して建物１００に接続される（ステップＳ４０）。「燃料電池３０による発電が必要となったとき」とは、例えば、天災地変等による停電時など、燃料電池３０による建物１００への給電を必要とするときをいう。緊急時のほか、使用者による制御部４０への開始操作が実行されたときや、建物１００に燃料電池３０が接続されたときのように、建物１００への給電を必要とする任意のタイミングで設定されてもよい。

燃料電池３０を接続された建物１００は、制御部４０によって温調器２０を制御して燃料電池３０への水素の供給を開始する（ステップＳ５０）。より具体的には、制御部４０は、温調器２０の温調水を熱交換器によって温度ＴＨ近傍まで昇温する。温度ＴＨは、水素吸蔵合金が水素の放出を可能とする温度であり、水素吸蔵合金内に貯蔵される水素の圧力によって規定される温度である。本実施形態では、温度ＴＨは、４０度で設定されている。昇温された温調水は、循環ポンプによって温調パイプ２２を介して建物１００全体に行き渡る。これにより、建物１００内の構造材５２の温度を温度ＴＨ近傍まで昇温させる。図３に示すように、構造材５２に組み込まれた水素吸蔵合金は、温調器２０による温度の上昇によって吸熱反応を生じて水素を放出する。本実施形態の建物１００では、さらに外壁５６に照射された太陽光から吸収される太陽熱といった外部からの熱エネルギーも、水素放出に利用され得る。なお、本実施形態の建物１００では、外部からの熱エネルギーが、緊急時以外での上述した構造材５２の温度を常温に維持する温度調整にも利用されている。構造材５２から放出される水素は、配管５４に導かれる。配管５４内の水素は、建物１００内部を流通し、燃料電池３０の水素供給管３２に導かれる。なお、昇温される温調水の温度は、温度ＴＨに限らず構造材５２に組み込まれた水素吸蔵合金の種類に応じた水素放出のための任意の温度設定であってよい。

燃料電池３０は、建物１００から水素を供給されて運転を開始する（ステップＳ６０）。より具体的には、燃料電池３０は、建物１００から水素供給管３２を介して供給されるアノードガスとしての水素と、外部からエアコンプレッサを介して取り入れたカソードガス供給口に取り入れた空気（具体的には、酸素）との供給を受けて発電を開始する。このとき、設定された駆動周期や開弁時間に応じて、ＦＣ制御部３８がインジェクタを制御して発電量をコントロールする。

燃料電池３０によって発電された電力は、電力供給部３４を介して建物１００への電力の供給を開始する（ステップＳ７０）。上述したように、燃料電池３０から供給される電力は、電力供給部３４によって１００Ｖの交流電力に変換される。これにより、建物１００に設けられた給電装置７２に接続された負荷へ電力の供給が可能となる。以上のように、本実施形態の建物１００は、温調器２０による温度調整によって構造材５２と一体となった水素吸蔵合金から水素を取り出して、燃料電池３０へと供給して発電を開始する。

本実施形態の建物１００によれば、温調器２０による温度調節によって建物１００の骨格となる構造材５２から水素を供給されることができる。これにより、建物１００以外に水素の供給元となる設備を設置せず、かつ、建物１００内に水素を貯蔵するための容器を設置することなく水素の供給を得ることができる。また、建物１００に接続される燃料電池３０と、建物１００から供給される水素とを利用して、建物１００による自家発電を行うことができる。これにより、例えば避難所といった非常用の施設として建物１００を利用することができる。

本実施形態の建物１００によれば、建物１００の外壁５６周辺の構造材５２に水素吸蔵合金が配置される。これにより、建物１００は、温調器２０による温度調整のほか、太陽熱などの建物１００の外部からの熱エネルギーを、建物１００の温度調整や水素吸蔵合金による水素の放出に利用することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態では、建物１００の構造は鉄骨コンクリート造であるが、鉄骨鉄筋コンクリート構造、鉄筋コンクリート構造、鉄骨構造などの種々の建築の構造や工法を採用してもよく、建物の骨組みに水素吸蔵合金を含む構造材を備える種々の構造を採用してよい。

（Ｂ２）上記実施形態では、温調器２０は、液体を利用した温度調節装置であるが、液体に限らず、熱電対など電気を利用した温度調節装置や、ガスを利用した温度調節装置など種々の温度調節装置を採用してよい。

（Ｂ３）上記実施形態の水素吸蔵合金には、ＡＢ_５型の希土類系合金であるＬａＮｉ_５が用いられる。これに対して、同じ結晶構造であるＡＢ_５型の希土類系合金のうち、ＣａＣｕ_５やＭｍＮｉ_５などのＬａＮｉ_５とは異なる別の合金が用いられてもよく、ＡＢ_２型のラーベス相合金、ＡＢ型チタン系合金、Ａ_２Ｂ型のマグネシウム系合金、固溶体型の体心立方晶合金といった、ＡＢ_５型の希土類系合金とは異なる結晶構造を備える種々の水素吸蔵合金が用いられてよい。この場合において、水素を供給させるための温調器２０による昇温される温度は、採用される水素吸蔵合金に応じて設定される。

（Ｂ４）上記実施形態では、燃料電池３０は、建物１００とは独立した外部ユニットであるが、建物１００に燃料電池３０が常備される態様であってもよい。燃料電池３０と、水素吸蔵合金から供給される水素とを建物１００に常備することができ、建物１００による自家発電を早急に行うことができる。

（Ｂ５）上記実施形態では、建物１００の外壁周辺の内部構造ＢＩの構造材５２に水素吸蔵合金が組み込まれた例を示したが、水素吸蔵合金は、建物１００の外壁周辺に限らず建物１００の骨組み５０全体の構造材５２に組み込まれてよい。

（Ｂ６）上記実施形態において、燃料電池３０は、固体高分子形燃料電池が採用されるが、これに限定されず、固体酸化物形のほか、溶融炭酸塩形やリン酸形などの種々の燃料電池であってよい。

（Ｂ７）上記実施形態の建物１００において、水素吸蔵合金から水素が放出される例を示したが、これに限らず、水素を放出した水素吸蔵合金に更に水素を吸蔵させて再充填させてもよい。

（Ｂ８）上記実施形態の建物１００において、水素吸蔵合金から放出される水素が燃料電池３０の発電に利用される例を示したが、建物１００から供給される水素の利用方法はこれに限定されない。例えば、水素を燃焼させる種類のエンジンを備える車両への供給や、緊急表示のためのバルーンへの水素の充填、産業用途などの種々の水素の利用方法に用いられてよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２０…温調器、２２…温調パイプ、３０…燃料電池、３２…水素供給管、３４…電力供給部、３６…入出力インターフェース、３８…ＦＣ制御部、４０…制御部、５２…構造材、５４…配管、５６…外壁、５８…シール部材、６０…接続ユニット、６２…無停電電源、６４…ＤＣ／ＡＣインバータ、６６…ＡＣ／ＤＣ変換器、６８…リレー、７２…給電装置、８０…商用電源、１００…建物

Claims

災害時の避難所として利用される建物であって、
建物全体の骨格となる構造材と、
前記構造材との混合により前記構造材と一体となった水素吸蔵合金と、
前記構造材の内部に設けられ、前記構造材の温度を調節する温調器と、
前記構造材の内部に設けられ、前記水素吸蔵合金から取り出した水素を流通させる配管と、を備える、
建物。
前記配管から供給される前記水素および空気の供給を受けて発電する燃料電池を備える、
請求項１に記載の建物。