JP7216232B1 - 水素充填設備、水素提供システム及び水素提供方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存のボンベデリバリーの流通方式に適応できる水素ボンベに水素を充填する水素充填設備、水素提供システム及び水素提供方法を提供する。【解決手段】水素１２を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金を内蔵し、外気との熱交換により水素吸蔵合金の水素反応熱を除熱するボンベ２２と、ボンベ２２を縦置き状態で複数格納する筐体２３と、筐体２３内に配置され、水素１２が放出された空の使用済ボンベ２２Ｂを縦置き状態で着脱自在に配列するボンベ支持部２４と、筐体２３の長手方向の背面側に設けられ、ボンベ２２の配列方向と直交する方向からボンベを空冷する空冷装置であるファン２５と、を備え、水素製造装置で製造された水素１２を水素充填ラインＬ1により、空の使用済ボンベ２２Ｂに充填してなる。【選択図】図１

Description

本発明は、水素充填設備、水素提供システム及び水素提供方法に関する。

近年、余剰の再生可能エネルギーを利用して生成した水素を少しずつ吸収するとともに、大量に貯蔵した水素を少しずつ放出するような水素吸蔵合金を利用した水素貯蔵タンクの需要が多くなりつつある（特許文献１）。

一方、水素を充填した小タンクを縦置き輸送でき、かつ着脱可能とする給水素システムの提案がある（特許文献２）。

特開平７－１１２７９６号公報 特開２０１７－２１１０２９号公報

水素吸蔵合金は水素を吸蔵する際に発熱、水素を放出する際に吸熱といった水素反応熱を伴い、この反応熱が十分に除熱できないと水素吸蔵放出性能が劣ってしまうので、従来の水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵システムでは液体の熱媒を合金タンク内部または外周部に流すような構造としている。前述したシステムにおいても同様な除熱方式を取っている。

特許文献１の提案においては、小タンク内には熱媒配管が挿入された水冷式ものであり、高い密閉性が必要な合金タンクの内部に熱媒配管を通すことは、構造面及び費用面からも問題がある。
さらに、熱媒配管経路の保護や、矩形タンクの強度を考慮するとタンク単体での所謂デリバリー輸送は困難である。

また、特許文献２の提案においては、仕切り板で仕切られた各列の区画内に、複数個の水素吸蔵合金容器が縦にした状態で並べられており、ヘッダとなる水素系統から水素を供給するものであり、縦に設置された複数タンクの表面にはアルコールなどの熱媒が常に密着し、熱媒との熱交換により合金反応熱を除熱する。タンク着脱時に付着した熱媒除去作業や、熱媒自体の漏洩、タンク出入りによる熱媒の汚染などが懸念されるため、この方式で充填したタンクをデリバリーすることはできない、という問題がある。

また、従来の高圧の水素タンクに水素を充填する場合には、水素をコンプレッサーにより昇圧しているので、コンプレッサー等の昇圧設備にコストが嵩むと共に、高圧ガスボンベの取り扱いには法規制上の課題があり、簡易にデリバリーすることができないという問題がある。

以上の問題に鑑み、本発明は、現在汎用されている例えばＬＰＧタンク等と同等な既存のボンベ又はタンクのデリバリーの流通方式に適応できる水素ボンベに水素を充填する水素充填設備、水素提供システム及び水素提供方法を提供する。

本発明に係る１つの態様の水素充填設備は、
合金温度３０℃以上において、１ＭＰａＧ未満の圧力で水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金を内蔵し、外気との熱交換により水素吸蔵時の水素反応熱を除熱することで、雰囲気温度３０℃以下で、かつ製造水素圧力が１ＭＰａＧ未満の条件で水素吸蔵が可能なボンベと、
前記ボンベを縦置き状態で複数格納すると共に、格納する前記ボンベを内部から取り出す全面開口部を有する筐体と、
前記筐体内に配置され、前記水素が放出された空のボンベを縦置き状態で着脱自在に配列するボンベ支持部と、
前記筐体の長手方向の背面側に設けられ、前記ボンベの配列方向と直交する方向から、外部からの空気で縦置き状態の前記ボンベ側面を空冷する空冷装置と、を備える、ことを特徴とする。
また、別の態様の１つの態様の水素充填設備は、水素を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金を内蔵し、外気との熱交換により水素吸蔵時の水素反応熱を除熱するボンベと、
前記ボンベを縦置き状態で複数格納する筐体と、
前記筐体内に配置され、前記水素が放出された空のボンベを縦置き状態で着脱自在に配列するボンベ支持部と、
前記筐体の長手方向の背面側に設けられ、前記ボンベ配列方向と直交する方向から前記ボンベを空冷する空冷装置と、を備え、
水素製造装置で製造された前記水素を水素充填ラインにより、前記空のボンベに充填してなると共に、収納コンテナ内に収納されてなることを特徴とする。

また、本発明に係る別の１つの態様の水素提供システムは、水素を製造する水素製造装置と、前記水素充填設備と、前記水素充填設備で水素が充填された水素充填済ボンベを搬送する搬送手段と、搬送された前記水素充填済ボンベからの前記水素を利用する水素利用設備と、を備えたことを特徴とする。

さらに、本発明に係る別の１つの態様の水素提供方法は、水素を製造する水素製造工程と、前記水素充填設備による水素充填工程と、前記水素充填工程で水素充填された水素充填済ボンベを搬送する搬送工程と、搬送された水素充填済ボンベからの前記水素を利用する水素利用工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、再生エネルギー由来の水素をコンプレッサーによる昇圧なしに、水素吸蔵合金ボンベに直接充填することができ、水素充填した水素充填済ボンベのデリバリー供給が可能となる。これにより、従来用いていたコンプレッサーなどの設備の削減を図ることができる。また、水素吸蔵合金ボンベを、従来の高圧ガスボンベと同等重量、同等水素貯蔵量にすることで、既存の流通方式を用いた水素デリバリーが構築できる。

図１は、本発明に係る第１の実施形態の水素充填設備の斜視図である。 図２は、本発明に係る第１の実施形態の水素充填設備の分解斜視図である。 図３は、本発明に係る第１の実施形態の水素充填設備の平面図である。 図４は、本発明に係る第１の実施形態の水素充填設備の斜視図である。 図５は、本発明に係る第２の実施形態の水素充填設備の斜視図である。 図６は、本発明に係る第４の実施形態の水素提供システムを示す概略図である。 図７は、本発明に係る第５の実施形態の水素提供システムを示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書の実施形態においては、全体を通じて、同一の部材には同一の符号を付している。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る第１の実施形態の水素充填設備の斜視図である。図２は水素充填設備の分解斜視図である。図３は、本発明に係る第１の実施形態の水素充填設備の平面図である。図４は、本発明に係る第１の実施形態の水素充填設備の斜視図である。

図１、図２に示すように、水素充填設備２０は、任意の大気温度環境下で外部熱源なしに水素１２を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金（図示せず）を内蔵した水素吸蔵合金ボンベ（以下「ボンベ」と称する。）２２と、ボンベ２２を縦置き状態で複数格納すると共に、一側面側にボンベ取出し用の全面開口部２６を形成した筐体２３と、筐体２３内に配置され、水素が放出された空のボンベ（以下「使用済ボンベ」ともいう。）２２Ａを縦置き状態で着脱自在に配列するボンベ支持部２４と、筐体２３の長手方向の背面部２３Ａ－３に設けられ、ボンベ２２の配列方向と直交する方向からボンベ２２を空冷する空冷装置であるファン２５と、を備え、水素製造装置（後述の図６では符号１１）で製造された水素１２を、水素充填ラインＬ１により、使用済ボンベ２２Ａに充填してなるものである。

筐体２３は、ボンベ収納部２３Ａと水素供給ヘッダ部２３Ｂとから構成されている。このボンベ収納部２３Ａは、基台２３Ａ－１と、この基台２３Ａ－１から立設された矩形立体構造のフレーム２３Ａ－２と、から構成されている。フレーム２３Ａ－２の上部には水素供給ヘッダ部２３Ｂが設けられている。

また、図２に示すように、水素供給ヘッダ部２３Ｂは、天板２３Ｂ－１と側板２３Ｂ－２、２３Ｂ－３とで内部を閉塞している。なお、筐体２３はフレーム枠から構成されてもよく、材質は特に限定されるものではない。

図１に示すように、水素供給ヘッダ部２３Ｂ内には、使用済ボンベ２２Ａと接続される、自動切換弁Ｖ₁と流量計Ｆと圧力計Ｐとが備えられた水素充填ラインＬ₁と、安全弁Ｖ₂を備えた安全弁ラインＬ₂とが設けられている。また使用済ボンベ２２Ａの表面の温度を計測する温度計（Ｔ₁～Ｔ₄）が設置されている。また、制御コントローラ（図示せず）は、自動切換弁Ｖ₁と流量計Ｆと圧力計Ｐと温度計（Ｔ₁～Ｔ₄）のセンサの計測信号を入力し、自動切換弁（Ｖ_１、Ｖ₃）や後述するボンベ空冷用ファン２５などを制御している。なお、当該制御コントローラにより満充填と判断したら、その際、自動切換弁Ｖ₁で水素充填経路を遮断する機能を備えている。

筐体２３の前側は全面開口部２６となっており、使用済ボンベ２２Ａを内部に設置したり、水素充填済ボンベ２２Ｂを内部から取り出したりすることができる開口（高さ×横）を備えている。筐体２３の前面側が長方形に完全開口されていることから、ボンベ２２（使用済ボンベ２２Ａ・水素充填済ボンベ２２Ｂ）の取り出しが容易となる。

図２に示すように、ボンベ収納部２３Ａの背面部２３Ａ－３にはボンベを設置するボンベ支持部２４が設けられている。このボンベ支持部２４は、ボンベ２２を保持する凹部２４ａと、ボンベ２２を固定する固定ワイヤ２４ｂと、ボンベ２２を設置した際の脱落を防止する固定バー２４ｃとから構成されている。

これにより、使用済ボンベ２２Ａを設置する場合、凹部２４ａに、複数本のボンベ２２を縦置き状態で横並び設置することができる。なお、ボンベ上部に設けたヘッダ２３Ｂにおいては、ボンベ２２とヘッダ２３Ｂ内の充填ラインＬ₁との連結は、例えばフレキシブル配管を用いて行うことで、取り外し可能としている。

また、配管の取外しにあたり、配管内に大気の混入を防ぐために自動切換弁（水素投入側）Ｖ₁とボンベの間の配管にパージ用の自動切換弁（水素パージ側）Ｖ₃を設けている。そして、使用済みボンベ２２Ａを取り付けた後、使用済みボンベ２２Ａのバルブを開放する前に、自動切換弁（水素投入側）Ｖ₁とパージ用の自動切換弁（水素パージ側）Ｖ₃とを短時間断続的に開閉させることで安全弁ラインＬ₂を介して、混入した大気を屋外に排気するようにしている。

使用済ボンベ２２Ａに水素を充填する際に、ボンベを空冷するファン２５は、ボンベ収納部２３Ａの背面部２３Ａ－３の所定箇所に設置されている。そして、ボンベ２２Ａに水素１２を充填する際に発生する反応熱を、ファン２５により縦置きボンベ２２の側面に向けて外部からの空気を送風することで、強制対流状態を作り、大気との熱交換作用を促し、除熱するようにしている。

また、ファン２５の電源側にはインバータが付帯しており、前述した制御コントローラにより、例えばボンベ内圧、ボンベ温度、水素流量、建屋内温度などの情報から、その状態に適した風量に応じた周波数信号をインバータに送信し、ファンを適正な風量で制御することができる。この制御により省エネルギー運転が可能となる。

上述したような熱交換作用により、室温環境(例えば３０℃以下)であれば、外部熱源なしに、水素を吸蔵する際における水素合金から発生する反応熱を、効率よく除熱することができる。また建屋内温度が十分低いときは、ファンを停止した自然対流状態での運転となり、外部からのエネルギーを全く投入しないで水素の充填が可能となる。

水素吸蔵放出を繰り返し、微粉化を防止するために横置き状態として複数本設置した空冷・空温システムの場合、ボンベへの送風の流れは、ボンベの軸方向となる。複数本横置きにした状態で送風方向を軸と直交方向にすると、風の上流側から２列目以降のボンベには、前列のボンベによる送風障害となるため、空気の流れが乱れかつ低下し、熱交換性が著しく低下してしまうこととなる。

これに対し、本発明では、この使用済ボンベ２２Ａの冷却において、ファン２５から同一の風量（風速）、同一の温度の空気（風）を送る場合、使用済ボンベ２２Ａの軸方向と直交する方向（側面側）から空冷しているので、熱伝導率が向上する。この結果、ボンベ２２に水素１２を充填するに際して、水素吸蔵放出を繰り返し、微粉化を防止するために横置き状態に設置し、ファンによりボンベの軸方向と同一方向に空冷する場合と比べて、冷却効率が向上する。なお、ファン２５の代わり別途ラジエータを用いて、別途気体や液体の熱を用いて冷却するようにしてもよい。

また、ボンベ配列方向の筐体２３の両側面には、平滑パネル２９を設けるようにしている。この平滑パネル２９の設置により、筐体２３の側面から、ファンによる空気が逃げることが防止され、ファン２５からの空気流れをより平滑化することができる。

ここで水素を充填するボンベ２２は、使用最大圧力（ボンベ内に水素を充填した後の最大圧力）は１ＭＰａＧ（１０気圧）としている。従来の高圧の水素吸蔵合金ボンベに較べて、使用最大圧力が格段に低いのでボンベ筐体の材質の軽量化(鋼、非鉄、その他樹脂、複合材料など)および薄肉化が可能になるので、合金重量を含めても、従来に比べて重量の差は抑えることができる。

例えば、直径が１３９ｍｍ×長さが１２００ｍｍの水素吸蔵ボンベを用いる場合であれば、総重量は約６５Ｋｇで水素貯蔵量は５Ｎｍ³とすることができる。なお、水素吸蔵ボンベの大きさは一例であり、ボンベの大きさはこれに限定されるものではなく、後述の水素デリバリーに適する大きさを適宜設定することができる。

前述したシステムにより、大気熱利用にて合金反応熱が除熱できる条件は、充填設備に装着されるボンベ総量による貯蔵量と、充填水素流量との比により決まり、その比は、０．１[(Ｎｍ³／h)／Ｎｍ³]以下となる。例えば、前述したような貯蔵量が５Ｎｍ³ボンベに対してこの条件を適用すると、ボンベ１本で０．５Ｎｍ³／hの水素を充填できることになる。

本発明の水素吸蔵合金としては、微粉化割合が少ない又は微粉化しない水素吸蔵合金を用いるのが好ましい。ここで、微粉化しない水素吸蔵合金としては、例えば特許第4602926号に開示される「合金粉末の製造方法、及び当該製造方法により得られた合金粉末」によるものが好ましいが、これに限定されるものではない。

この合金粉末の製造方法は、混合エンタルピーが負となる金属の組み合わせからなる金属原料粉末を、ボールミリングによりナノレベルの結晶粒となるまで粉砕処理する粉砕処理工程と、当該粉砕処理により得られた金属原料粉末の粉砕物を、製造しようとする合金の融点の３５％以上の温度で、真空状態で加熱処理する加熱処理工程を含むものである。

また、ボベ内部の鉛直軸方向に複数のスペースを設け、この各スペースに水素吸蔵合金を充填させるようにしてもよい。これによれば、微粉化してもスペースがあるので、微粉化した際にボンベ内部の底部側に堆積することがないので、水素吸蔵量の低減が穏やかとなる。

前述のナノ化した水素吸蔵合金の代替として、水素吸蔵合金を樹脂コンパウンドして微細化を防ぐようにしてもよい。
また、本発明に適用される水素吸蔵合金のその他特性として、水素吸蔵性能が挙げられる。例えば当該実施例では、段落［００２３］から［００２８］において前述したとおり、ボンベ設置雰囲気温度が３０℃以下で、かつ製造水素圧力が１ＭＰａＧ未満の条件で、運用することが示されている。この運用条件に適用される水素吸蔵合金は、少なくとも合金温度が３０℃以上かつ水素ガス圧力が１ＭＰａＧ未満で水素を吸蔵できるものでなければならない。

また、図１，図３に示すように、ボンベ支持部２４に配置するボンベ同士２２，２２の設置間隔（Ｗ₁）は、ボンベ２２の直径（Ｄ：例えば１４０ｍｍ）の１／３（例えば１４０ｍｍ×１/３＝４７ｍｍ）以上～直径（例えば：１４０ｍｍ）以下とするのが好ましい。

これは、設置間隔がボンベ２２の直径（Ｄ：例えば１４０ｍｍ）の１／３（例えば１４０ｍｍ×１/３＝４７ｍｍ）未満や、直径を超える場合には、ファン２５からの冷風による冷却効果が低減し、一方直径（Ｄ：１４０ｍｍ）以下とするのが好ましい。

また、図３，図４に示すように、本発明の水素充填設備は、大型のコンテナ５０内に複数の水素充填設備２０（本実施形態では３個の水素充填設備２０－１、２０－２、２０－３）を収納してなり、水素１２を連続して順次充填することができる。

例えば長さが２０ｆｔのようなコンテナを用いる場合には、水素貯蔵量として約４００Ｎｍ³を確保することができ、長さが１２ｆｔのようなコンテナを用いる場合には、水素貯蔵量として約２００Ｎｍ³を確保することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、図３に示すように、大型の収納コンテナ５０内に、水素充填設備２０を複数列収納・配置（２０－１、２０－２、２０－３）した水素充填設備とする場合は、ボンベ支持部２４のボンベ設置方向の少なくとも一方側に作業員の出入りスペース（側壁との距離（Ｗ₂）が少なくとも４００ｍｍ以上）を有するようにし、ボンベ取り出しの際の作用員の作業効率の向上を図るようにしてもよい。また、収納コンテナ５０の長手方向の両サイドには換気口および換気扇が設けられており、水素充填運転中は常時換気を行っている。なお、運転停止時は換気口を例えばシャッター等で閉鎖するようにしてもよい。

また、水素充填設備２０を複数列配置（２０－１、２０－２、２０－３）する際の設置間隔（Ｗ３）としては、４５０ｍｍ以上とするのが好ましい。これにより、作業員が第１列の水素充填設備２０－１の右側面側から作業員が入り込み、第２列の水素充填設備２０－２へ移動してボンベを着脱する際の作業及びアクセスを容易とすることができる。なお、符号Ｌは水素充填設備２０の長さ、Ｗ４は水素充填設備２０の各幅を各々図示する。

筐体２３内に設置するボンベ２２は、その直径にもよるが、例えば１０本から２０本を横並び設置し、３列構成で設置することでボンベを出し入れする動線スペースを確保するようにしている。これにより、水素をボンベ２２内に充填したら、作業員がそのまま取り出して、後述する搬送手段によりデリバリーに寄与することができる。

本実施形態に係る水素充填設備によれば、例えば再生エネルギー由来の水素をコンプレッサーによる昇圧なしに、水素吸蔵合金ボンベに直接充填することができ、水素充填済ボンベ２２Ｂのデリバリー供給が可能となる。これにより、コンプレッサーなどの設備の削減を図ることができる。

また、水素吸蔵合金ボンベを、従来の高圧ガスボンベと同等重量、同等水素貯蔵量にすることで、既存の流通方式を用いた水素デリバリーが構築できる。また、ＬＰＧボンベと混在して積載することができる。

法規制限の少ない低圧の水素吸蔵ボンベを従来の流通を用いたデリバリーができることで、地域分散型の水素利用に貢献できる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明に係る第２の実施形態の水素充填設備の斜視図である。図５に示すように、本実施形態の水素充填設備を収納してなる収納コンテナ５０は、水素充填設備２０（２０－１、２０－２，２０－３）の筐体２３の天井側に、水３１を供給する水供給ラインＬ₃が接続された気化式冷却装置３２が設けられている。この気化式冷却装置３２からはドライミスト冷却用のミスト３３を噴霧している。

そして、水素１２を充填する際、反応熱で発熱するボンベ２２の周囲にミスト３３を気化式冷却装置（ミスト噴霧装置）３２から噴霧し、冷却をしている。

ここで、建屋内の雰囲気は、適度の換気を行うことで、秋、冬、春の季節では、十分室温環境以下を保持できるが、夏季における約２ヶ月間は、なんらかの冷却を行う必要がある。コンテナ（建屋）の壁面に遮熱処理を行うことの他に、コンテナ（建屋）内の冷却設備も施すようにしている。このため、外気温度と５℃以上の温度差を保つように、水冷装置３２からミスト３３を噴霧している。

ミスト３３を噴霧する方法は、図示しない建屋内の温度センサにより単独で制御することもできるし、前述の水素充填設備に付帯した制御コントローラと連携し、使用済ボンベ２２Ａへの水素充填の状況をもとに効率的なミスト運転制御を行うこともできる。このように、夏場において、外気温が高い場合において、市水や地下水などの利用によるドライミスト冷却などの気化熱を用いて、極少ないエネルギーにて雰囲気温度３０℃以下でボンベ２２に水素を安定して充填することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る水素充填設備２０を備えた水素充填設備は、水素充填設備２０を収納した収納コンテナ５０に隣接して水素充填済ボンベ２２Ｂを専用に保管する保管コンテナ５１（後述する図７参照）を備えるものである。水素充填設備２０と同一敷地内にボンベ保管用の保管コンテナを設置することで、貯蔵容量を自在に調整できる。保管用の保管コンテナだけであれば、水素吸蔵合金の反応熱の除熱設備は不要であるので、例えば２０ｆｔコンテナを用いて保管した場合には、水素充填済ボンベ２２Ｂを密に保管することで、最大で約１，３００Ｎｍ³分の水素を充填した水素貯蔵ボンベとして貯蔵できる。

また、総重量が大きくなる保管用コンテナを建屋の１階側に設置し、２階に水素充填設備２０を収納した収納コンテナ５０である水素充填設備を設置するようにしてもよい。これによれば、単位設置面積あたりの水素貯蔵量は非常に大きくなる。なお一般的な球形低圧ガスホルダーと比べても、約１／４以下のコンパクト性を発揮することができる。

保管コンテナ５１は、例えば２セット用意し、水素が空のこれから水素を充填する使用済ボンベ２２Ａ用の保管コンテナと、水素を充填して出荷できる充填済みボンベ２２Ｂ用コンテナとに分けておくようにしてもよい。これにより、水素製造工程とボンベ保管工程と配送・返却工程との運用を円滑に行うことができる。

［第４の実施形態］
図６は、本発明に係る第４の実施形態の水素提供システムを示す概略図である。
図６に示すように、第４の実施形態に係る水素提供システム１０は、水素１２を製造する水素製造装置１１と、水素製造装置１１で製造された水素１２を充填する水素充填設備２０と、水素充填設備２０で水素１２が充填された水素充填ボンベ２２Ｂを搬送する搬送手段１３と、配送された充填ボンベ２２Ｂを設置し、水素１２を用いて発電する燃料電池１４と、を備えたものである。

前述した第１乃至第３の実施形態にかかる水素充填設備２０内に、使用済ボンベ２２Ａを設置し、水素製造装置１１からの水素１２を水素充填ラインＬ₁により、雰囲気温度３０℃以下で充填する。その後、水素製造装置１１から水素充填済ボンベ２２Ｂを取り出し、搬送手段であるトラック１３に積載し、所定の供給設備（例えば家屋、商業施設、屋台、災害地）等にデリバリーする。水素充填済ボンベ２２Ｂの供給を受けた設備では、水素充填済ボンベ２２Ｂをトラック１３から降ろして水素利用設備である燃料電池１４側に付帯する水素供給用設備６５に装着し、水素１２を燃料電池１４に水素供給ラインＬ₄を介して供給する。

例えば水素を利用する水素利用設備に付帯した水素供給用設備６５は、前述の水素充填システムのボンベを利用形態に合わせて本数を少量調整したものであり、例えば５ｋＷの燃料電池に付帯される設備では、デリバリーボンベが６本の構成となる。
水素供給設備６５の構造としては、前述した水素充填設備２０の送風ファン２５を、ファン６２を備えたラジエータ６１に替えたものとなる。水素供給用設備６５としては、水素放出時の水素吸蔵合金の反応熱は吸熱となるため、反応熱の除熱には温風が必要になる。本実施形態では、その温風は利用者側の水素利用設備（例えば燃料電池１４）での排熱６３を用いて、排熱供給ラインＬ₅を介して水素供給用設備６５に供給し、排熱を有効に利用することとしている。

ここで、水素を利用する水素利用設備としては、燃料電池１４に限定されるものではなく、燃料電池以外にも工業用途としたものや水素を燃料とした燃焼装置などを例示することができるが、特に限定されるものではない。

水素利用設備として、例えば燃料電池を用いて水素を利用する場合、空冷式燃料電池では温風排気６３を水素供給用設備に流すことでファン６２稼働による温風強制対流が可能となり、水冷式燃料電池の場合は排熱温水６３を付帯する貯湯機を経由して水素供給用設備のラジエータ６１に供給することで、やはり温風強制対流が可能となる。その他工業用途の水素利用設備の場合は、工場設備で発生する排熱を温水として水素供給用設備のラジエータに供給することで温風強制対流を可能とする。

ここで水素充填済ボンベ２２Ｂを搬送する搬送手段としては、トラック１３に限定されるものではなく、例えば乗用車、貨物自動車、バイク等の陸上輸送手段や、例えばドローン、ヘリコプター、飛行機等の空中輸送手段、船やボート等の水上輸送手段を用いることができる。

本実施形態に係る水素提供方法は、水素１２を製造する水素製造工程と、水素製造装置１１で製造された水素１２を、水素充填設備２０を用いて充填する水素充填工程と、水素充填設備２０で水素充填された水素充填ボンベ２２Ｂを例えばトラック１３等で配送する配送工程と、配送された充填ボンベ２２Ｂを設置し、水素利用設備である例えば燃料電池１４などに水素１２を供給する水素供給工程とを有するものである。

本システムで水素充填可能とする流量(速度)は、当該システムの総貯蔵量との比によって以下の式（１）のように表される。
Ｆ_a=０．１×Ｑ_r・・・（１）
ここで、Ｆ_aは許容流量(Ｎｍ³／ｈ)、Ｑ_rはシステム総貯蔵量(Ｎｍ³)を各々示す。
この係数に従い水素製造量能力(Ｎｍ³／ｈ)に応じた水素充填設備としての貯蔵量が定まる。ここで試算される総貯蔵量が製造量に対して過大だと過大な設備投資につながり事業性に悪影響を及ぼす。

例えば設備利用率が５０％(洋上風力発電や水力発電)では、1日あたりの発生水素の貯蔵量を水素充填設備として確保すれば、その設備の定格水素流量分は、十分充填することができる。例えば定格１００ｋＷの水力発電による水電解水素製造設備では、付帯設備も含めたシステム全体の定格水素発生流量は一般的に１６Ｎｍ³／ｈとなる。これを設備利用率５０％運転となると当該設備にて、１６Ｎｍ³／ｈ×２４時間×５０％＝１９２Ｎｍ³の水素が１日で発生することになる。

これに対し前記式（１）で示した係数にて許容充填流量を求めると、１９．２Ｎｍ³／hとなり、１日分の水素製造量を貯蔵できるだけのデリバリーボンベを用意すれば、そのデリバリーボンベにて直接充填が可能になることを意味する。
この方法で、設備利用率が２５％(陸上風力発電)による水素製造設備として検討すると、２日分の発生水素の貯蔵量を確保すれば、その設備の定格水素流量分は賄うことができる。また、設備利用率が１５％(太陽光発電)では、３日分の発生水素の貯蔵を確保すれば、その設備の定格流量分は賄うことができる。
以上のように、各再生可能エネルギー形態による水素製造の１～３日分に相当する水素貯蔵量をデリバリー用ボンベで用意すれば、本発明の水素充填設備で示した水素吸蔵合金反応熱除熱方式にて十分製造水素を充填することが可能となるので、事業性の観点からも十分実用性が高いものであることが分かる。

運用方法としては、設定した水素充填設備２０を格納した収納コンテナ５０を１セットとしたとき、運用上とすれば、これを２セット用意する。
設備利用率５０％の再エネ設備でも２セットあれば、片側が水素充填用、他方がボンベ出し入れ用として運用できる。これにより再エネ由来水素を製造・貯蔵し続けながらボンベ出し入れ作業時間を１日確保できる。

特に近年では、再生可能エネルギー（例えば太陽光や地熱、風や水、波力、バイオマス等のように、自然界に存在する環境や資源を利用するエネルギー）から水電解水素製造装置により水素を製造することが全世界的に進められている。これらの装置から発生される水素は、１ＭＰａＧ未満であるので、再エネ由来水素の地域への分散的な供給において、水素吸蔵合金ボンベによる貯蔵およびデリバリーは、有望なＳＣ（サプライチェーン）ツールにすることができる。

［第５の実施形態］
図７は、本発明に係る第５の実施形態の水素提供システムを示す概略図である。
図７に示すように、第５の実施形態に係る水素提供システム１０は、図６に示す水素提供システム１０において、収納コンテナ５０とは別に、第３の実施形態で説明した保管コンテナ５１を設置するものである。この保管コンテナ５１内には、空冷設備が不要であるので、水素充填済ボンベ２２Ｂを密状態で保管することができる。また、収納コンテナ５０に隣接しても良いが、収納コンテナ５０を二階とし、その下段の一階側に保管コンテナ５１を配置して、設置スペースが、小スペースであっても多数の水素充填済ボンベ２２Ｂを保管可能としている。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１０ 水素提供システム
１１ 水素製造装置
１２ 水素
１３ 搬送手段
１４ 燃料電池
２０ 水素充填設備
２２ 水素吸蔵合金ボンベ
２２Ａ 使用済ボンベ
２２Ｂ 水素充填済ボンベ
２３ 筐体
２３Ａ ボンベ収納部
２３Ｂ 水素供給ヘッダ部
２４ ボンベ支持部
２５ ファン
２６ 全面開口部
２９ 平滑パネル
３１ 水
３２ 気化式冷却装置
３３ ミスト
５０ 収納コンテナ
５１ 保管コンテナ
６５ 水素供給用設備

Claims (10)

1. 合金温度３０℃以上において、１ＭＰａＧ未満の圧力で水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金を内蔵し、外気との熱交換により水素吸蔵時の水素反応熱を除熱することで、雰囲気温度３０℃以下で、かつ製造水素圧力が１ＭＰａＧ未満の条件で水素吸蔵が可能なボンベと、
   前記ボンベを縦置き状態で複数格納すると共に、格納する前記ボンベを内部から取り出す全面開口部を有する筐体と、
   前記筐体内に配置され、前記水素が放出された空のボンベを縦置き状態で着脱自在に配列するボンベ支持部と、
   前記筐体の長手方向の背面側に設けられ、前記ボンベの配列方向と直交する方向から、外部からの空気で縦置き状態の前記ボンベ側面を空冷する空冷装置と、を備える、ことを特徴とする水素充填設備。
2. 水素を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金を内蔵し、外気との熱交換により水素吸蔵時の水素反応熱を除熱するボンベと、
   前記ボンベを縦置き状態で複数格納する筐体と、
   前記筐体内に配置され、前記水素が放出された空のボンベを縦置き状態で着脱自在に配列するボンベ支持部と、
   前記筐体の長手方向の背面側に設けられ、前記ボンベ配列方向と直交する方向から前記ボンベを空冷する空冷装置と、を備え、
   水素製造装置で製造された前記水素を水素充填ラインにより、前記空のボンベに充填してなると共に、収納コンテナ内に収納されてなることを特徴とする水素充填設備。
3. 請求項１又は２において、
   前記ボンベ支持部に配置するボンベ同士の設置間隔は、前記ボンベの直径の１／３以上、直径以下である水素充填設備。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一つにおいて、
   前記筐体の天井側において、前記充填中のボンベを気化熱により冷却する装置を備える水素充填設備。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一つにおいて、
   水素製造装置により、１ＭＰａＧ未満の圧力で製造された前記水素を水素充填ラインにより、前記空の前記ボンベに充填してなる水素充填設備。
6. 請求項１において、
   収納コンテナ内に収納されてなることを特徴とする水素充填設備。
7. 請求項６において、
   水素充填済のボンベを密状態で格納する保管コンテナを備えてなり、
   前記保管コンテナは、
   前記収納コンテナの階下に設置又は、
   前記収納コンテナに隣接して設置してなる水素充填設備。
8. 水素を製造する水素製造装置と、
   請求項１乃至請求項７のいずれか一つの水素充填設備と、
   前記水素充填設備で水素が充填された水素充填済ボンベを搬送する搬送手段と、
   搬送された水素充填済ボンベからの前記水素を利用する水素利用設備と、を備えた水素提供システム。
9. 請求項８の水素提供システムにおいて、
   前記水素利用設備に付帯して設けられ、前記水素を前記水素利用設備に供給する水素供給設備を備え、
   前記水素利用設備側の排熱を前記水素供給設備に供給し、前記充填済ボンベからの水素放出時の水素吸蔵合金の反応熱の除熱として利用する水素提供システム。
10. 水素を製造する水素製造工程と、
    請求項１乃至請求項７のいずれか一つの水素充填設備を用いて水素を充填する水素充填工程と、
    前記水素充填工程で水素充填された水素充填済ボンベを搬送する搬送工程と、
    搬送された水素充填済ボンベからの前記水素を利用する水素利用工程と、を有する水素提供方法。

Images