JP2009091165A - 水素供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型、且つ、高容量で、高純度の水素を安定して供給することが可能であり、燃料電池で生成される水が水素貯蔵タンク内へ流入することを抑制できるバッファタンクを備える水素供給システムを提供する。
【解決手段】水素貯蔵タンク７と、該水素貯蔵タンクから送られる水素を一時的に貯蔵するバッファタンク１０と、を備える水素供給システムにおいて、バッファタンクの内部に水素貯蔵材料１を備えることを特徴とする、水素供給システム１００とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型、且つ、高容量で、高純度の水素を安定して供給することが可能であり、燃料電池で生成される水が水素貯蔵タンク内へ流入することを抑制できるバッファタンクを備える水素供給システムに関する。

水素は様々な原料から製造することが可能であり、無尽蔵に存在する。また、水素は燃焼や燃料電池などでの反応後に有毒物質をほとんど発生しない。そのため、大気汚染や地球温暖化の抑制に繋がるクリーンなエネルギー源として注目を集めている。

水素をエネルギー源として利用する装置の具体例としては、燃料電池、水素エンジン、ニッケル水素蓄電池などを挙げることができる。そして、これらの装置に水素を供給する方法としては、水素を高圧圧縮水素として貯蔵した高圧ボンベから供給する方法、水素を液体水素として貯蔵した低温貯蔵タンクから供給する方法、水素を放出することができる水素化物から供給する方法などがある。これらの方法のうち、高密度で水素を貯蔵できるという観点からは、水素化物から供給する方法が望ましい。

しかし、上記のような方法で水素を供給する際には、以下のような問題があった。まず、水素を利用する装置へと水素を供給する際に、水素に不純物が混合されるという問題があった。また、水素化物から水素を供給する場合に、瞬時に水素が放出されない熱分解系（水素を放出する際に加熱を要する）の水素化物を用いると、始動時や多量の水素を必要とする時などの応答性が良くなかった。

上記問題を解決するための手段として、例えば、特許文献１には、タンクから放出された水素ガスを備蓄するバッファタンクを備えることで、始動時や高負荷時に対応するための技術が開示されている。具体的には、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続されて、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクの双方又は一方から可変的に水素が負極側に供給される燃料電池スタックと、前記水素吸蔵タンク、前記水素高圧バッファタンク、及び前記タンク連結配管の少なくとも１箇所に設けられた水素充填部と、を備えることを特徴とする燃料電池システムに関する技術が開示されている。

また、特許文献２及び特許文献３には、水素含有ガスから不純物を除去する技術が開示されている。具体的には、特許文献２には、天然ガス、ガソリン、メタノール等炭化水素系燃料を水蒸気改質法または部分酸化法によって水素を含む改質燃料に変換し、水素吸蔵合金のもつ選択的水素吸蔵機能を用いてこの改質燃料から高純度水素ガスを分離するとともにＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２等の主要な不純物ガスを別に排出または回収して、燃料供給系統を閉鎖系とした燃料電池に水素ガスのみを加圧供給することを特徴とする燃料電池発電装置に関する技術が開示されており、特許文献３には、水素吸蔵合金式水素貯蔵タンクに水素ガスを充填する装置であって、前記水素貯蔵タンクと水素ガス注入口とを連結するパイプの途中に、水素吸蔵合金を含有するフィルター装置が着脱自在に取り付けられていることを特徴とする水素ガス充填装置に関する技術が開示されている。
特開２００４−２５３２５８号公報 特開２０００−１２０６１号公報 特開２００２−５４７９８号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、水素を高圧で圧縮してバッファタンクに貯蔵しており、バッファタンクを小型化することが困難であった。また、特許文献２及び特許文献３に開示されている技術では、水素含有ガスから不純物を除去して燃料電池などの装置に水素を送ることは可能であるが、燃料電池で生成される水（水蒸気）から水素貯蔵タンク内の水素化物を護ることができない。水（水蒸気）が水素貯蔵タンク内に流入すると、水素貯蔵タンク内の水素化物が水と反応し、吸蔵能力（吸蔵量）の低下を招く虞があった。

そこで本発明は、小型、且つ、高容量で、高純度の水素を安定して供給することが可能であり、燃料電池で生成される水が水素貯蔵タンク内へ流入することを抑制できるバッファタンクを備える水素供給システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、水素貯蔵タンクと、該水素貯蔵タンクから送られる水素を一時的に貯蔵するバッファタンクと、を備える水素供給システムにおいて、バッファタンクの内部に水素貯蔵材料を備えることを特徴とする、水素供給システムである。

本発明において、「水素貯蔵タンク」とは、水素の貯蔵、及び、バッファタンクへ水素を送ること、ができる容器であれば特に限定されるのもではない。また、本発明において、「水素貯蔵材料」とは、熱や圧力を利用して、水素を可逆的に吸蔵／放出できる材料を意味する。

また、上記本発明の水素供給システムにおいて、水素貯蔵材料が、複数種類の水素吸蔵合金を備えており、複数種類の水素吸蔵合金が、それぞれ異なる圧力下で水素の吸蔵及び放出を行えることが好ましい。

また、上記本発明の水素供給システムにおいて、水素貯蔵タンクから送られて、バッファタンクの内部に備えられる水素貯蔵材料に吸蔵された後に、該水素貯蔵材料から放出される水素を供給できることが好ましい。

ここに、「水素貯蔵タンクから送られてバッファタンクの内部に備えられる水素貯蔵材料に吸蔵された後に該水素貯蔵材料から放出される水素を供給できる」とは、水素貯蔵タンクからバッファタンクに送られた水素を、一旦、バッファタンクの内部に備えられる水素貯蔵材料に吸蔵させ、その水素貯蔵材料に吸蔵された水素を、水素貯蔵材料から放出させることによって、燃料電池などの水素を利用する装置に水素を供給できることを意味する。かかる形態の具体例としては、一端が燃料電池などの水素を利用する装置へと繋がっており、他端部がバッファタンク内の水素貯蔵材料によって囲まれた空間内にある配管によって、バッファタンクから燃料電池などへと水素を供給する形態などを挙げることができる。

また、上記本発明の水素供給システムにおいて、水素貯蔵タンクに複数のバッファタンクが並列に連結されており、水素供給中には、複数のバッファタンクのうち一部のバッファタンクは専ら水素貯蔵タンクから送られる水素を吸蔵するとともに、他の一部のバッファタンクは専ら水素を供給していることが好ましい。

ここに、「水素貯蔵タンクに複数のバッファタンクが並列に連結されており」とは、水素貯蔵タンクと燃料電池などとの間に、配管を介して複数のバッファタンクが並列に連結されており、水素貯蔵タンクから燃料電池などに送られる水素が、その複数のバッファタンクのうち、いずれかのバッファタンクを介して、燃料電池などに供給される形態であることを意味する。また、「水素供給中には、複数のバッファタンクのうち一部のバッファタンクは専ら水素貯蔵タンクから送られる水素を吸蔵するとともに、他の一部のバッファタンクは専ら水素を供給している」とは、本発明の水素供給システムから燃料電池などに水素が供給される際には、専ら燃料電池などへと水素を供給しているバッファタンクと、専ら水素貯蔵タンクから送られてくる水素を内部の水素貯蔵材料で吸蔵している又は水素の供給も吸蔵もしていないバッファタンクと、があることを意味する。

本発明の水素供給システムによれば、バッファタンク内に水素貯蔵材料が備えられることによって、高密度で水素を貯蔵することができるバッファタンクを得ることができる。したがって、本発明によれば、小型、且つ、高容量のバッファタンクを備える水素供給システム提供することができる。

また、水素貯蔵材料が、複数種類の水素吸蔵合金を備えており、その複数種類の水素吸蔵合金が、それぞれ異なる圧力下で水素の吸蔵及び放出を行えることで、水素を安定して供給することが可能なバッファタンクを得られる。したがって、本発明によれば、小型、且つ、高容量で水素を安定して供給できるバッファタンクを備える水素供給システム提供することができる。

また、一旦、バッファタンク内の水素貯蔵材料に吸蔵された水素を燃料電池などに供給する形態とすることによって、高純度の水素を燃料電池などに供給することができる。さらに、本発明の水素供給システムで燃料電池に水素を供給する場合には、燃料電池と水素貯蔵タンクとの間のガス流通経路にバッファタンク内の水素貯蔵材料が介在する形態となることによって、燃料電池で生成された水が水素貯蔵タンクへと流入することを抑制できる。したがって、本発明によれば、小型、且つ、高容量で、高純度の水素を安定して供給することが可能であり、燃料電池で生成される水が水素貯蔵タンク内へ流入することを抑制できるバッファタンクを備える水素供給システムを提供することができる。

また、複数のバッファタンクが備えられることによって、水素を安定して供給することが容易な水素供給システムを提供することができる。

＜水素供給システム＞
以下、図面を参照しつつ、本発明の水素供給システムについて、具体的に説明する。

図１は、本発明にかかる水素供給システム１００を燃料電池６に使用した場合の一例を概略的に示した図である。バッファタンク１０については、内部の構造を理解し易くするため、断面を概略的に示している。

図１に示すように、本発明の水素供給システム１００には、水素貯蔵タンク７、及びバッファタンク１０が備えられている。バッファタンク１０には、水素貯蔵材料１、水素貯蔵材料１と熱交換できる熱交換器２０、及び圧力計Ｐの圧力計測部が備えられている。そして、水素貯蔵材料１は、平衡圧が低い水素吸蔵合金である低圧ＭＨ材２と、平衡圧が高い水素吸蔵合金であって、低圧ＭＨ材２を覆うように配設されている高圧ＭＨ材３を備えている。また、水素貯蔵材料１の内部には周囲を低圧ＭＨ材２で覆われた空間４が形成されており、バッファタンク１０内は、水素貯蔵材料１によって空間４と空間５に分断されている。そして、バッファタンク１０には、空間４に一端部を有する配管１３が接続されており、その配管１３によってバッファタンク１０と燃料電池６とが連結されている。さらに、バッファタンク１０と水素貯蔵タンク７の間には、配管を介してブースター８が配設されており、水素貯蔵タンク７とブースター８は配管１１で、ブースター８とバッファタンク１０は配管１２で、それぞれ連結されている。さらに、バッファタンク１０の底部には、バッファタンク１０の外部へと不純物を排出させることができる配管１４が接続されており、その配管１４の先には反応器９が備えられている。

本発明に用いることができる水素貯蔵タンク７は、水素の貯蔵、及び、バッファタンクへ水素を送ること、ができる容器であれば特に限定されるものではない。ただし、そもそもバッファタンクを備える目的が、燃料電池の始動時や燃料電池に多量の水素を供給する必要が生じた際の応答性の向上を図ることであるということや、本発明のバッファタンクを備える目的が、高純度の水素を燃料電池に供給することであるということからは、水素貯蔵タンク７には水素を放出するまでに時間がかかるタンク、水素とともに不純物が流出する虞のあるタンクであるときに大きな効果を得られるといえる。そのようなタンクの具体例としては、ＬｉＨとＮＨ_３の反応によって水素を得るタンク、ＢＨ_３ＮＨ_３から水素を得るタンク、ＮａＢＨ_４とＨ_２Ｏの反応から水素を得るタンク、Ｚｒ（ＢＨ_４）_２から水素を得るタンク、メタノール改質器から水素を得るタンクなどを挙げることができる。これらの材料や反応から水素を得るタンクの場合、水素が放出されるまでに時間がかかり、反応ガスや反応に伴って生じる不純物ガスを水素と一緒に放出してしまう虞がある。

水素貯蔵タンク７からバッファタンク１０へと送られる水素を含むガス（以下、単に「水素含有ガス」という。）は、まず配管１１を介してブースター８へと達する。水素貯蔵タンク７から放出された時点での水素含有ガスは低圧（例えば、１００℃、０．１ＭＰａ程度）であるため、ブースター８によって、水素貯蔵材料１が水素を吸蔵できる圧力（例えば、２０〜２５ＭＰａ程度）まで昇圧される。そして、ブースター８によって昇圧された水素含有ガスは、配管１２を介してバッファタンク１０へと送られる。

配管１２からバッファタンク１０へと送られる水素含有ガスは、まず空間５に充満する。水素貯蔵タンク７からバッファタンク１０へと送られる水素含有ガスには、上述したように、水素の他に水素貯蔵タンク７で水素を得るために行った反応での反応ガスや反応に伴って生じた不純物ガスを含む場合がある。これらの不純物は、空間５において水素と分離することができる。具体的には、これらの不純物は水素より重いため、バッファタンク１０の底部に繋げられた配管１４から、バッファタンク１０の外部へと排出させることができる。さらに、配管１４から排出された不純物を、反応器９で完全に燃焼等の処理を行う、又は、水素貯蔵タンク７へと戻すなどの処理を行うことが可能である。

一方、水素貯蔵タンク７からバッファタンク１０へと送られる水素は、ブースター８によって昇圧されているため、圧力の増大により、温度も上昇している（例えば、約１５０℃）。この高温高圧の水素は、水素貯蔵材料１に吸蔵される。まず、高温高圧の水素は高圧ＭＨ材３へと吸蔵され、高圧ＭＨ材３に吸蔵された水素は、平衡圧を維持したまま高圧ＭＨ材３を通過（拡散）し、低圧ＭＨ材２へと吸蔵される。高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２に水素が吸蔵された後、すなわち、バッファタンク１０内の圧力を圧力計Ｐでモニターして高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２が水素を吸蔵したことを確認した後、水素貯蔵タンク７からバッファタンク１０への水素含有ガスの流入が止められる。

このように、バッファタンク１０は内部に水素貯蔵材料１を備えることによって、高密度で水素を貯蔵することが可能である。したがって、バッファタンク１０は小型、且つ、高容量のバッファタンクとすることができる。

バッファタンク１０内で高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２に吸蔵された水素は、高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２から放出されて、空間４から配管１３を介して燃料電池６へと供給される。より具体的には、熱交換器２０を加熱し、加熱された熱交換器２０から熱が高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２へと伝えられ、高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２から水素が放出される。そして、高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２から放出された水素は、空間４から配管１３を介して、燃料電池６へと供給される。

高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２から水素が放出される際には、まず高圧ＭＨ材３から放出され始める。高圧ＭＨ材３から水素が放出され始めると、高圧ＭＨ材３から低圧ＭＨ材２へと水素が拡散され、しばらくして、高圧ＭＨ材３からは水素がほぼ放出されきって、低圧ＭＨ材２には大量の水素が吸蔵されている状態となる。バッファタンク１０内の圧力を圧力計Ｐでモニターすることによって、高圧ＭＨ材３からは水素がほぼ放出されきり、低圧ＭＨ材２には大量の水素が吸蔵されている状態を、容易に把握することができる。したがって、水素供給システム１００では、バッファタンク１０に貯蔵されている水素がなくなってしまう前に、バッファタンク１０に貯蔵されている水素の残量が減少してきたことを容易に把握できるため、安定して水素を供給することができる。

本発明に用いることができる高圧ＭＨ材３としては、例えば、ＴｉＣｒＶＭｏ、ＴｉＣｒＭｎなどを挙げることができる。また、低圧ＭＨ材２としては、例えば、ＴｉＭｎ_１．８系合金、ＴｉＣｒなどを挙げることができる。

上述したように、水素供給システム１００では、水素貯蔵タンク７からバッファタンク１０へと送られる水素含有ガスは、バッファタンク１０で不純物と水素とに分離され、水素貯蔵材料１に一旦吸蔵された水素が、水素貯蔵材料１によって囲われた空間４から、配管１３を介して燃料電池６へと供給される。かかる形態とすることによって、高純度の水素を燃料電池６へと供給することができる。

例えば、１００ｐｐｍのアンモニアを含むガスをバッファタンク１０（空間５）へ送ると、配管１３から燃料電池６へと供給されるガス中では、アンモニアは検出できない程度に減少している。微量（１％以下）のＣＯ_２、ＣＯを含むガスについても同様に、バッファタンク１０（空間５）へ送ると、配管１３から燃料電池６へと供給されるガス中では、ＣＯ_２、ＣＯは検出できない程度に減少している。仮に高濃度の上記のような不純物を含むガスがバッファタンク１０へと供給された場合は、水素貯蔵材料１自体の腐食が始まるため、工業製品への適用は難しい。

一方、燃料電池６から生じた水蒸気については、燃料電池６と水素貯蔵タンク７との間のガス流通経路に水素貯蔵材料１が介在するため、水素貯蔵タンク７へは到達できない。したがって、水蒸気が水素貯蔵タンク７への流入することを防ぐことができる。かかる形態とすることによって、水素貯蔵タンク７内の水素化物が水と反応し、吸蔵能力（吸蔵量）が低下することを防ぐことができる。

図２は、バッファタンク１０を複数備えた形態の、本発明にかかる水素供給システム２００を燃料電池６に使用した場合の一例を概略的に示す図である。図２において、図１と同じ構成を採るものには、図１で用いた符号と同符号を付し、説明を適宜省略する。

図２に示すように、水素供給システム２００は、２つのバッファタンク１０（以下、区別する必要があるときは、「バッファタンク１０ａ」及び「バッファタンク１０ｂ」という。）を備えている。図１と同様に、バッファタンク１０については、断面を概略的に示している。

図２に示すように、水素供給システム２００では、ブースター８とバッファタンク１０の間に配管を介して三方弁２１が配設されている。ブースター８と三方弁２１は配管１５で、三方弁２１とバッファタンク１０ａは配管１６ａで、三方弁２１とバッファタンク１０ｂは配管１６ｂで、それぞれ連結されている。また、バッファタンク１０と燃料電池６とは、バッファタンク１０ａ及びバッファタンク１０ｂ内にそれぞれ形成されている空間４に端部を有する配管１７によって連結されている。

水素貯蔵タンク７からバッファタンク１０へと送られる水素含有ガスは、まず配管１１を介してブースター８へと達する。水素貯蔵タンク７から放出された時点での水素含有ガスは低圧（例えば、１００℃、０．１ＭＰａ程度）であるため、ブースター８によって、水素貯蔵材料１が水素を吸蔵できる圧力（例えば、２０〜２５ＭＰａ程度）まで昇圧される。そして、ブースター８によって昇圧された水素含有ガスは、配管１５を介して三方弁２１へと達し、三方弁２１からは、配管１６ａ、又は配管１６ｂを介してバッファタンク１０ａ、又はバッファタンク１０ｂへと選択的に送られる。

以下に、水素含有ガスが三方弁２１から配管１６ａを介してバッファタンク１０ａへと送られる場合について説明する。

バッファタンク１０ａへと送られる水素含有ガスは、まず空間５に充満する。この水素含有ガスは、上述したように、空間５において水素と不純物とに分離することができる。分離された水素は、ブースター８によって昇圧されているため、圧力の増大により、温度も上昇している（例えば、約１５０℃）。この高温高圧の水素は、水素貯蔵材料１に吸蔵される。まず、高温高圧の水素は高圧ＭＨ材３へと吸蔵され、高圧ＭＨ材３に吸蔵された水素は、平衡圧を維持したまま高圧ＭＨ材３を通過（拡散）し、低圧ＭＨ材２へと吸蔵される。高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２に水素が吸蔵された後、すなわち、バッファタンク１０内の圧力を圧力計Ｐでモニターして高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２が水素を吸蔵したことを確認した後、三方弁２１が閉じられ、水素貯蔵タンク７からバッファタンク１０ａへの水素の流入が止められる。

バッファタンク１０ａ内で高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２に吸蔵された水素は、高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２から放出されて、空間４から配管１７を介して燃料電池６へと供給される。より具体的には、熱交換器２０を加熱し、加熱された熱交換器２０から熱が高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２へと伝えられ、高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２から水素が放出される。そして、高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２から放出された水素は、空間４から配管１７を介して、燃料電池６へと供給される。

高圧ＭＨ材３、及び低圧ＭＨ材２から水素が放出される際には、まず高圧ＭＨ材３から水素が放出され始める。高圧ＭＨ材３から水素が放出され始めると、高圧ＭＨ材３から低圧ＭＨ材２へと水素が拡散され、しばらくして、高圧ＭＨ材３からは水素がほぼ放出されきり、低圧ＭＨ材２には大量の水素が吸蔵されている状態となる。バッファタンク１０ａ内の圧力を圧力計Ｐでモニターすることによって、高圧ＭＨ材３からは水素がほぼ放出されきり、低圧ＭＨ材２には大量の水素が吸蔵されている状態を、容易に把握することができる。そのため、水素供給システム２００では、バッファタンク１０ａにはまだ十分に水素が吸蔵されている段階で、燃料電池６へと水素を供給しているバッファタンクを、バッファタンク１０ａからバッファタンク１０ｂへと余裕を持って切り替えることが可能である。

水素含有ガスが三方弁２１から配管１６ｂを介してバッファタンク１０ｂへと送られる場合も、水素含有ガスがバッファタンク１０ａへと送られる場合と同様の過程を経る。すなわち、水素貯蔵タンク７から放出されてバッファタンク１０ｂへと達した水素は、バッファタンク１０ｂ内の水素貯蔵材料１に吸蔵され、その水素貯蔵材料１から放出された水素が燃料電池６へと供給される。そして、高圧ＭＨ材３からは水素がほぼ放出されきり、低圧ＭＨ材２には大量の水素が吸蔵されている段階で、燃料電池６へと水素を供給しているバッファタンクを、バッファタンク１０ｂからバッファタンク１０ａへと余裕を持って切り替えることが可能である。

＜燃料電池自動車＞
燃料電池自動車に搭載される燃料電池に水素を供給するための水素供給システムとして、バッファタンクを備えた水素供給システムを用いる場合、そのバッファタンクには、常時数１００〜数１０００ＮＬの水素（自動車が数１０分走行するのに必要は水素量に相当する。）が確保されていることが望まれる。したがって、バッファタンクをよりコンパクトにするという観点からは、バッファタンク内に高圧ＭＨ材のみを備えることが好ましいとも考えられる。高圧ＭＨ材のみを備えた場合、１０００Ｌの水素を１Ｌ程度の容量のバッファタンクで貯蔵することが可能である。しかし、バッファタンク内に高圧ＭＨ材のみを備えた場合、バッファタンクから水素を放出している最中にバッファタンク内の圧力が低下し始めた段階で、既にそのバッファタンク内の水素はなくなりかけている。すなわち、バッファタンク内に高圧ＭＨ材のみを備えた場合では、バッファタンク内の水素の残量が減少してきていることを把握するのが困難である。そのため、燃料電池に水素を供給しているバッファタンクを、余裕を持って他のバッファタンクへと切り替えられず、燃料電池自動車の走行に支障をきたす虞があった。

以下に、燃料電池自動車に搭載される燃料電池に水素を供給するための水素供給システムとして、本発明の水素供給システム２００を用いた場合について説明する。

水素供給システム２００では、バッファタンク１０に備えられる水素貯蔵材料１が高圧ＭＨ材３及び低圧ＭＨ材２を備えているので、燃料電池へと水素の供給を行っている一方のバッファタンク１０ａ（又は１０ｂ）内の圧力を圧力計Ｐでモニターすることによって、上述したように、燃料電池へと水素の供給を行っているバッファタンクを、一方のバッファタンク１０ａ（又は１０ｂ）から他方のバッファタンク１０ｂ（又は１０ａ）へと時間的な余裕を持って切り替えることができる。

燃料電池に水素を供給しているバッファタンクをバッファタンク１０ａ（又は１０ｂ）からバッファタンク１０ｂ（又は１０ａ）へと切り替える過程、及びバッファタンク１０に水素を充填する過程について、以下に具体的に説明する。

バッファタンク１０ａ及びバッファタンク１０ｂには、それぞれ水素貯蔵材料１が備えられ、水素貯蔵材料１には高圧ＭＨ材３及び低圧ＭＨ材２が備えられる。この高圧ＭＨ材３及び低圧ＭＨ材２が吸蔵できる水素量が互いに同程度となるように高圧ＭＨ材３及び低圧ＭＨ材２を備え、バッファタンク１０ａ及びバッファタンク１０ｂに貯蔵できる水素量を、水素供給システム２００全体が貯蔵できる最大水素量（以下、「トータル容量」という。）の１０％程度とした場合について考える。この場合、バッファタンク１０ａ及びバッファタンク１０ｂは、それぞれトータル容量の５％程度ずつ貯蔵でき、バッファタンク１０に備えられる高圧ＭＨ材３及び低圧ＭＨ材２はそれぞれトータル容量の２．５％程度（燃料電池自動車を１２ｋｍ程度走行させることができる水素量に相当すると考えられる。）ずつ貯蔵できることになる。

水素貯蔵タンク７から水素を送り出せるまでに５分程度の時間を要し、その水素をブースター８で昇圧して、上記仮定の容量のバッファタンク１０に水素を充填させるのに１０分程度の時間を要するとすると、一方のバッファタンク１０ａ（又は１０ｂ）に水素の充填を開始しようとしてから、そのバッファタンク１０ａ（又は１０ｂ）から燃料電池へと水素の供給を開始させるまでに要する時間は、約１５分ということになる。バッファタンク１０では、低圧ＭＨ材２と高圧ＭＨ材３が備えられているため、バッファタンク１０内の圧力をモニターすることで、高圧ＭＨ材３からはほぼ水素が放出されきり、低圧ＭＨ材２には水素が十分に吸蔵されている状態を容易に把握することができる。上述したように、低圧ＭＨ材２のみが水素を十分に吸蔵している状態では、燃料電池自動車を約１２ｋｍ走行させることが可能である。したがって、燃料電池自動車の平均速度が時速４８ｋｍ（１２ｋｍ／１５分）以下である場合は、高圧ＭＨ材３からはほぼ水素が放出されきった段階から他方のバッファタンク１０ｂ（又は１０ａ）への水素の充填を開始したとしても、時間的に余裕を持ってバッファタンクの切り替えを行うことができる。

平均時速が４８ｋｍ以上での走行時（高速走行時）では、ブースター８の出力を最大にし、バッファタンク１０の切り替え頻度を増すことで対応できる。ブースター８の出力を最大にすることで、バッファタンク１０に５分程度で水素を充填することが可能であるとし、さらに、バッファタンク１０の切り替え頻度を増すことで水素貯蔵タンク７の起動状態を保ち、水素貯蔵タンク７から水素を送り出させるまでの時間を１分程度に短縮できるとすると、一方のバッファタンク１０ａ（又は１０ｂ）に水素の充填を開始しようとしてから、そのバッファタンク１０ａ（又は１０ｂ）から水素の供給を開始させるまでに要する時間は、約６分ということになる。上述したように、低圧ＭＨ材２のみが水素を十分に吸蔵している状態では、燃料電池自動車を約１２ｋｍ走行させることが可能である。したがって、燃料電池自動車の平均速度が時速１２０ｋｍ（１２ｋｍ／６分）以下である場合は、水素を供給している一方のバッファタンク１０ａ（又は１０ｂ）内の高圧ＭＨ材３からはほぼ水素が放出されきった段階から他方のバッファタンク１０ｂ（又は１０ａ）への水素の充填を開始したとしても、時間的に余裕を持ってバッファタンクの切り替えを行うことができる。

これまでの本発明の説明では、１つの水素貯蔵タンクと１つの燃料電池に対して、１つ又は２つのバッファタンクが備えられる形態を例示して説明したが、これらの数は本発明を何ら限定するものではなく、使用状況に応じて適宜変更できるものである。

また、これまでの本発明の説明では、図１及び図２に示すように、バッファタンクから燃料電池へと水素を供給する配管の端部が水素貯蔵材料によって囲われている形態を例示したが、本発明の水素供給システムに備えられるバッファタンク及び配管の配設方法はかかる形態に限定されるものでない。本発明の水素供給システムでは、水素貯蔵タンクからバッファタンクへと送られた水素が、必ずバッファタンク内に備えられる水素貯蔵材料に一旦吸蔵され、その水素貯蔵材料から放出された水素が燃料電池などへと供給される形態であれば良い。本発明の水素供給システムに備えられるバッファタンクの他の形態例を図３に概略的に示す。

図３は、本発明の水素供給システムに備えられるバッファタンク３０の断面、及びバッファタンク３０に接続されている配管を概略的に示す図である。図３では、バッファタンク３０を構成する主要部材である水素貯蔵材料３１と、バッファタンク３０内で水素貯蔵材料３１に分断された空間３４及び空間３５と、バッファタンク３０に接続されている配管３６、配管３７、及び配管３８と、だけを示しており、他の部材は省略している。水素貯蔵材料３１は低圧ＭＨ材３２及び高圧ＭＨ材３３を備えており、配管３６は水素貯蔵タンク（不図示）からバッファタンク３０へと水素含有ガスを送る配管であって、配管３７はバッファタンク３０と燃料電池（不図示）とを結ぶ配管である。また、配管３８は一端がバッファタンク３０の底部に連結されている配管である。

水素含有ガスは、配管３６を介してバッファタンク３０内の空間３５へと送られる。そして、空間３５へと送られた水素含有ガスは、水素と不純物に分離され、不純物は配管３８から排出される。一方、水素は、高圧ＭＨ材３３及び低圧ＭＨ材３２へと吸蔵され、高圧ＭＨ材３３及び低圧ＭＨ材３２へと吸蔵された水素が、高圧ＭＨ材３３及び低圧ＭＨ材３２から放出されて、空間３４から配管３７を介して燃料電池へと供給される。かかる形態とすることによって、水素貯蔵タンクからバッファタンク３０へと送られた水素が、必ずバッファタンク３０内で水素貯蔵材料３１を介して燃料電池へと供給されることになる。ただし、水素貯蔵材料の水素の吸蔵及び放出を効率良く行わせるという観点からは、図１及び図２に示したように、水素貯蔵材料の表面積を大きくする形態が好ましい。

本発明の水素供給システム１００の使用例を概略的に示す図である。 本発明の水素供給システム２００の使用例を概略的に示す図である。 本発明の水素供給システムに備えられるバッファタンクの他の形態例を概略的に示す図である。

符号の説明

１、３１ 水素貯蔵材料
２、３２ 低圧ＭＨ材
３、３３ 高圧ＭＨ材
４、５、３４、３５ 空間
６ 燃料電池
７ 水素貯蔵タンク
８ ブースター
９ 反応器
１０、１０ａ、１０ｂ、３０ バッファタンク
１１、１２、１３、１４、１５、１６ａ、１６ｂ、１７ 配管
２０ 熱交換器
２１ 三方弁
１００、２００ 水素供給システム
Ｐ 圧力計

Claims (4)

1. 水素貯蔵タンクと、該水素貯蔵タンクから送られる水素を一時的に貯蔵するバッファタンクと、を備える水素供給システムにおいて、
   前記バッファタンクの内部に水素貯蔵材料を備えることを特徴とする、水素供給システム。
2. 前記水素貯蔵材料が、複数種類の水素吸蔵合金を備えており、前記複数種類の水素吸蔵合金が、それぞれ異なる圧力下で水素の吸蔵及び放出を行えることを特徴とする、請求項１に記載の水素供給システム。
3. 前記水素貯蔵タンクから送られて、前記バッファタンクの内部に備えられる前記水素貯蔵材料に吸蔵された後に、前記水素貯蔵材料から放出される水素を供給する、請求項１又は２に記載の水素供給システム。
4. 前記水素貯蔵タンクに複数の前記バッファタンクが並列に連結されており、
   水素供給中には、複数の前記バッファタンクのうち一部の前記バッファタンクは専ら前記水素貯蔵タンクから送られる水素を吸蔵するとともに、他の一部の前記バッファタンクは専ら水素を供給していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素供給システム。

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