特開 2024-75310 水素供給システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024075310

(43)【公開日】2024-06-03

(54)【発明の名称】水素供給システム

(51)【国際特許分類】

   F17C 13/00 20060101AFI20240527BHJP

   F17C 11/00 20060101ALI20240527BHJP

   F17C 5/06 20060101ALI20240527BHJP

【ＦＩ】

F17C13/00 301Z

F17C11/00 C

F17C5/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022186677

(22)【出願日】2022-11-22

(71)【出願人】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】久野 篤

(72)【発明者】

【氏名】吉田 賢吾

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 旬

(72)【発明者】

【氏名】平野 哲郎

(72)【発明者】

【氏名】蜂須賀 徹

(72)【発明者】

【氏名】騎馬 祐貴

(72)【発明者】

【氏名】野内 宗一

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 里夏

【テーマコード（参考）】

3E172

【Ｆターム（参考）】

3E172AA02

3E172AA05

3E172AA09

3E172AB01

3E172BA01

3E172BB13

3E172BD03

3E172DA90

3E172EA02

3E172EA10

3E172EA35

3E172EA48

3E172EA49

3E172EA51

3E172EB02

3E172EB05

3E172EB17

3E172EB18

3E172FA01

(57)【要約】

【課題】運転中のエネルギーの損失を低減しつつ、貯蔵可能な水素の量を多くすることができる水素供給システムを提供する。
【解決手段】水素供給システム１は、水素供給源Ｓから供給される水素を水素負荷Ｌに導くことができるように構成されており、水素供給源Ｓに接続された水素導入部２と、水素負荷Ｌに接続された水素導出部７と、水素導入部２と水素導出部７との両方に接続されたメインタンク３と、水素導入部２に接続された昇圧ポンプ４と、昇圧ポンプ４に接続された流路切替部５と、流路切替部５に接続されたサブタンク６と、を有している。水素供給システム１は、水素負荷Ｌに水素を供給する場合に、まずメインタンク３内の水素を使用し、その後サブタンク６内の水素を使用するように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素供給源から供給される水素を水素負荷に導くことができるように構成された水素供給システムであって、
前記水素供給システムは、前記水素供給源に接続され、前記水素供給源から供給される水素を前記水素供給システムに導入可能に構成された水素導入部と、
前記水素負荷に接続され、前記水素供給システムから前記水素負荷に水素を導出可能に構成された水素導出部と、
前記水素導入部と前記水素導出部との両方に接続されたメインタンクと、
前記水素導入部に接続され、水素の圧力を上昇させることができるように構成された昇圧ポンプと、
前記昇圧ポンプに接続され、複数の出口を有するとともに、前記各出口の開閉を切り替え可能に構成された流路切替部と、
前記流路切替部の複数の前記出口のうち第１の出口に接続され、水素吸蔵合金を備えたサブタンクと、を有し、
前記流路切替部の複数の前記出口のうち第２の出口が前記メインタンクに接続されており、
前記メインタンクは、前記水素導入部との間に、開閉可能に構成されたメインタンク入口弁を有しており、
前記メインタンク入口弁は、前記水素導入部における、前記メインタンク入口弁の下流の圧力が前記メインタンク内の圧力より高い場合に開放され、前記メインタンク入口弁の下流の圧力が前記メインタンク内の圧力以下の場合に閉鎖されるように構成されたメインタンク入口弁を有しており、
前記昇圧ポンプは、前記メインタンク入口弁が閉鎖されている場合に動作するように構成されており、
前記流路切替部は、前記メインタンク内の圧力が、前記水素供給源から供給される水素の圧力以上の値である第１の閾値以下の場合には前記第１の出口を閉鎖するとともに前記第２の出口を開放し、前記メインタンク内の圧力が前記第１の閾値よりも高い場合には前記第１の出口を開放するとともに前記第２の出口を閉鎖するように構成されており、
前記サブタンクは、前記メインタンク内の圧力が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値以下の場合に前記水素吸蔵合金から水素を放出するように構成されている、水素供給システム。

【請求項2】

前記サブタンクは、前記水素導入部にも接続されており、前記サブタンクから放出された水素を前記水素導入部に供給することができるように構成されている、請求項１に記載の水素供給システム。

【請求項3】

前記水素導入部は、前記水素供給源に接続された水素導入配管と、
前記水素導入配管に接続され、複数の出口を備えた第２流路切替部と、
前記第２流路切替部の複数の前記出口のうち第１の出口と前記水素導出部とを接続するバイパス配管と、
前記第２流路切替部の複数の前記出口のうち第２の出口と前記メインタンク入口弁及び前記昇圧ポンプとを接続する分岐配管と、を有しており、
前記第２流路切替部は、前記バイパス配管内の圧力が第３の閾値以下の場合に前記第１の出口を開放するとともに前記第２の出口を閉鎖し、前記バイパス配管内の圧力が第３の閾値よりも高い場合に前記第１の出口を閉鎖するとともに前記第２の出口を開放するように構成されている、請求項１に記載の水素供給システム。

【請求項4】

前記サブタンクは、前記分岐配管にも接続されており、前記サブタンクから放出された水素を前記分岐配管に供給することができるように構成されている、請求項３に記載の水素供給システム。

【請求項5】

前記水素供給システムは、複数の前記サブタンクを有しており、複数の前記サブタンクから一部のサブタンクを選択し、当該サブタンクから水素を放出させることができるように構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の水素供給システム。

【請求項6】

前記水素供給システムは、複数の前記サブタンクから一部のサブタンクを選択し、当該サブタンクに水素を供給することができるように構成されている、請求項５に記載の水素供給システム。

【請求項7】

前記水素供給システムは、２本以上のサブタンクから構成されるサブタンク群を複数有しており、前記サブタンク群ごとに水素の供給及び水素の放出を行うことができるように構成されている、請求項６に記載の水素供給システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素供給システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、化石燃料の消費量を低減するため、再生可能エネルギーやバイオマス、有機廃棄物等を利用して発生させた水素を水素負荷に導き、水素負荷において水素を使用する技術が検討されている。しかし、このようにして水素を発生させる場合、例えば再生可能エネルギーの出力の変動等に応じて水素の発生量が変動することがある。また、水素負荷における水素の使用量も一定ではないことが多い。そのため、水素供給源と水素負荷との間に設けられる水素供給システムには、水素の需要量と供給量とのバランスを調整する機能が求められることがある。

【0003】

この種の水素供給システムにおいては、水素の需給のバランスを調整可能な範囲をより広くするため、水素供給システムに貯蔵可能な水素の量を多くすることが望まれている。そこで、水素供給システムにおける水素の容量を高めるため、水素吸蔵合金を備えたタンクが用いられることがある。例えば、特許文献１には、水素吸蔵合金を内蔵するタンクを備え、水素供給源からの水素を前記水素吸蔵合金内に蓄え、水素負荷に対して前記蓄えた水素を供給可能な水素吸蔵合金タンクシステムが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１－９９５１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる場合や水素吸蔵合金から水素を放出させる場合に、水素吸蔵合金を冷却または加熱する必要がある。このような水素吸蔵合金の温度の変更にはエネルギーが必要となるため、特許文献１の水素吸蔵合金タンクシステムは、運転中に生じるエネルギーの損失が大きくなりやすいという問題がある。

【0006】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、運転中のエネルギーの損失を低減しつつ、貯蔵可能な水素の量を多くすることができる水素供給システムを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、水素供給源から供給される水素を水素負荷に導くことができるように構成された水素供給システムであって、
前記水素供給システムは、前記水素供給源に接続され、前記水素供給源から供給される水素を前記水素供給システムに導入可能に構成された水素導入部と、
前記水素負荷に接続され、前記水素供給システムから前記水素負荷に水素を導出可能に構成された水素導出部と、
前記水素導入部と前記水素導出部との両方に接続されたメインタンクと、
前記水素導入部に接続され、水素の圧力を上昇させることができるように構成された昇圧ポンプと、
前記昇圧ポンプに接続され、複数の出口を有するとともに、前記各出口の開閉を切り替え可能に構成された流路切替部と、
前記流路切替部の複数の前記出口のうち第１の出口に接続され、水素吸蔵合金を備えたサブタンクと、を有し、
前記流路切替部の複数の前記出口のうち第２の出口が前記メインタンクに接続されており、
前記メインタンクは、前記水素導入部との間に、開閉可能に構成されたメインタンク入口弁を有しており、
前記メインタンク入口弁は、前記水素導入部における、前記メインタンク入口弁の下流の圧力が前記メインタンク内の圧力より高い場合に開放され、前記メインタンク入口弁の下流の圧力が前記メインタンク内の圧力以下の場合に閉鎖されるように構成されたメインタンク入口弁を有しており、
前記昇圧ポンプは、前記メインタンク入口弁が閉鎖されている場合に動作するように構成されており、
前記流路切替部は、前記メインタンク内の圧力が、前記水素供給源から供給される水素の圧力以上の値である第１の閾値以下の場合には前記第１の出口を閉鎖するとともに前記第２の出口を開放し、前記メインタンク内の圧力が前記第１の閾値よりも高い場合には前記第１の出口を開放するとともに前記第２の出口を閉鎖するように構成されており、
前記サブタンクは、前記メインタンク内の圧力が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値以下の場合に前記水素吸蔵合金から水素を放出するように構成されている、水素供給システムにある。

【発明の効果】

【0008】

前記水素供給システムは、水素導入部における圧力がメインタンク内の圧力よりも高い場合に、水素導入部から導入された水素がメインタンクに直接導かれるように構成されている。また、前記水素供給システムは、メインタンク内の圧力がある程度上昇し、水素導入部の圧力よりも高くなった場合に、昇圧ポンプによって圧力を高めた水素をメインタンクに供給するように構成されている。そして、前記水素供給システムは、メインタンク内の圧力がさらに上昇した場合に、昇圧ポンプによって圧力を高めた水素をメインタンクに供給するように構成されている。このように、水素供給源から供給された水素を貯蔵する場合に、まずメインタンクに水素を貯蔵し、その後にサブタンクに貯蔵することにより、水素の貯蔵時におけるエネルギーの損失の増大を抑制しつつ水素供給システム全体として貯蔵可能な水素の量を多くすることができる。

【0009】

同様に、前記水素供給システムは、メインタンク内の水素の圧力が比較的高い場合に、メインタンクに貯蔵された水素を水素負荷に供給するように構成されている。そして、メインタンク内の水素の圧力が低下した場合に、サブタンクから水素を放出して水素負荷に水素を供給するように構成されている。このように、水素負荷に水素を供給する際に、まずメインタンクの水素を使用し、その後にサブタンクの水素を使用することにより、水素の供給中におけるエネルギーの損失の増大を抑制することができる。

【0010】

以上のごとく、上記態様によれば、運転中のエネルギーの損失を低減しつつ、貯蔵可能な水素の量を多くすることができる水素供給システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施形態１における水素供給システムの概略構成を示す説明図である。

【図2】図２は、実施形態１の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図3】図３は、実施形態１の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図4】図４は、実施形態１の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図5】図５は、実施形態１の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図6】図６は、実施形態１の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図7】図７は、実施形態２における、バイパス配管を備えた水素供給システムの概略構成を示す説明図である。

【図8】図８は、実施形態２の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図9】図９は、実施形態２の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図10】図１０は、実施形態２の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図11】図１１は、実施形態２の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図12】図１２は、実施形態３における、複数のサブタンクを備えた水素供給システムの概略構成を示す説明図である。

【図13】図１３は、実施形態３の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図14】図１４は、実施形態３の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図15】図１５は、実施形態３の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【図16】図１６は、実施形態３の水素供給システムにおける水素の流れの一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（実施形態１）
前記水素供給システムに係る実施形態を、図１～図６を参照しつつ説明する。本形態の水素供給システム１は、図１に示すように、水素供給源Ｓから供給される水素を水素負荷Ｌに導くことができるように構成されている。水素供給システム１は、水素供給源Ｓに接続された水素導入部２と、水素負荷Ｌに接続された水素導出部７と、水素導入部２と水素導出部７との両方に接続されたメインタンク３と、水素導入部２に接続された昇圧ポンプ４と、昇圧ポンプ４に接続された流路切替部５と、流路切替部５に接続されたサブタンク６と、を有している。

【0013】

本形態の水素供給システム１に接続される水素供給源Ｓは特に限定されることはない。例えば、水素供給源Ｓは、太陽光や風力等の再生可能エネルギーを利用した水素発生装置であってもよく、有機廃棄物やバイオマスの発酵を利用した水素発生装置であってもよく、アルミニウムを利用して水素を発生させる水素発生装置であってもよい。水素供給源Ｓから発生する水素の最高圧力は、水素供給源Ｓの態様に応じて異なるが、例えばゲージ圧で０．０２ＭＰａ（Ｇ）以上０．３ＭＰａ（Ｇ）以下の範囲内であることが好ましい。

【0014】

また、水素供給システム１に接続される水素負荷Ｌも、種々の態様を取り得る。例えば、水素負荷Ｌは、燃料電池等の発電装置であってもよく、水素を燃料として用いる水素バーナーであってもよい。水素負荷Ｌの運転に必要な水素の最低圧力は、水素負荷Ｌの態様に応じて異なるが、例えばゲージ圧で０．０１ＭＰａ（Ｇ）以上０．６ＭＰａ（Ｇ）以下の範囲内であればよい。より具体的には、水素負荷Ｌが燃料電池である場合、水素の最低圧力は、ゲージ圧で０．１ＭＰａ（Ｇ）以上０．６ＭＰａ（Ｇ）以下であることが好ましい。また、水素負荷Ｌが水素バーナーである場合、水素の最低圧力は、ゲージ圧で０．０１ＭＰａ（Ｇ）以上０．１ＭＰａ（Ｇ）以下であることが好ましい。

【0015】

水素導入部２は、水素供給源Ｓから供給される水素を水素供給システム１に導入することができるように構成されている。水素導入部２の具体的な構成は種々の態様を取り得る。例えば、本形態の水素導入部２は、水素供給源Ｓ、メインタンク３及び昇圧ポンプ４のそれぞれに接続された水素導入配管２１を有している。また、水素導入配管２１には、水素導入部２内の圧力を計測するための圧力計２２が取り付けられている。水素導入配管２１には、必要に応じて、開閉弁や逆止弁等の、水素の流れを制御するための流体制御機器等が取り付けられていてもよい。

【0016】

水素導出部７は、水素供給システム１を通過した水素を水素負荷Ｌに導出することができるように構成されている。水素導出部７の具体的な構成は種々の態様を取り得る。例えば、本形態の水素導出部７は、メインタンク３に接続された水素導出配管７１と、水素導出配管７１上に設けられたレギュレータ７２とを有している。また、水素導出配管７１には、水素負荷Ｌに導出される水素の圧力を計測するための圧力計７３が取り付けられている。水素導出配管７１には、必要に応じて、開閉弁や逆止弁等の、水素の流れを制御するための流体制御機器等が取り付けられていてもよい。

【0017】

本形態のメインタンク３は、水素導入部２の水素導入配管２１と、水素導出部７の水素導出配管７１との間に設けられており、両者に接続されている。メインタンク３の内部には水素吸蔵合金が充填されておらず、空洞になっている。これにより、メインタンク３は、水素導入部２から供給された水素を気体の状態で貯蔵することができるように構成されている。

【0018】

メインタンク３には、メインタンク３内の圧力を計測するための圧力計３１が設けられている。また、メインタンク３は、水素導入配管２１との間に設けられたメインタンク入口弁３２を有している。本形態のメインタンク入口弁３２は、水素導入部２における、メインタンク入口弁３２の下流の圧力がメインタンク３内の圧力より高い場合に開放され、メインタンク入口弁３２の下流の圧力がメインタンク３内の圧力以下の場合に閉鎖されるように構成されている。より具体的には、メインタンク入口弁３２は、水素導入配管２１に設けられた圧力計２２の圧力と、メインタンク３に設けられた圧力計３１の圧力とを比較し、前者の値が後者の値より高い場合に開放され、前者の値が後者の値以下の場合に閉鎖されるように構成されている。

【0019】

また、本形態のメインタンク３は、水素導出配管７１との間に開閉可能に構成されたメインタンク出口弁３３を有している。メインタンク出口弁３３は、水素負荷Ｌが停止しており、水素の需要がない場合に閉鎖され、水素負荷Ｌが運転されており、水素の需要がある場合に開放されるように構成されている。

【0020】

メインタンク３の容積は３００ｍ^３以下であることが好ましい。メインタンク３の容積を３００ｍ^３以下とすることにより、メインタンク３の安全性を高め、メンテナンスをより簡易化することができる。同様の観点から、メインタンク３の最高使用圧力は、ゲージ圧において１ＭＰａ（Ｇ）以下であることが好ましい。

【0021】

本形態の昇圧ポンプ４は、水素導入部２の水素導入配管２１に接続されており、水素導入配管２１から供給される水素の圧力を上昇させることができるように構成されている。昇圧ポンプ４は、メインタンク入口弁３２が閉鎖されている場合、つまり、メインタンク３内の水素の圧力が水素導入部２内の圧力よりも高い場合に動作し、水素の圧力を上昇させるように構成されている。昇圧ポンプ４の具体的な態様は特に限定されることはなく、例えば、機械式の水素圧縮機や水素吸蔵合金を利用した水素圧縮機などを使用することができる。

【0022】

昇圧ポンプ４には、複数の出口５１を有するとともに、各出口５１の開閉を切り替え可能に構成された流路切替部５が接続されている。本形態の流路切替部５は２つの出口５１（５１ａ、５１ｂ）を有しており、流路切替部５の第１の出口５１ａには水素吸蔵合金を備えたサブタンク６が接続されている。また、流路切替部５の第２の出口５１ｂはメインタンク３に接続されている。

【0023】

流路切替部５は、メインタンク３内の圧力が、水素供給源Ｓから供給される水素の圧力以上の値である第１の閾値以下の場合には、第１の出口５１ａを閉鎖するとともに第２の出口５１ｂを開放し、メインタンク３内の圧力が第１の閾値よりも高い場合には第１の出口５１ａを開放するとともに第２の出口５１ｂを閉鎖するように構成されている。流路切替部５をこのように動作させることにより、メインタンク３内に貯蔵される水素の量をできるだけ多くすることができる。その結果、サブタンク６への水素の貯蔵をできるだけ回避し、水素供給システム１の運転中に生じるエネルギーの損失を低減することができる。

【0024】

流路切替部５の動作における第１の閾値は、水素供給源Ｓから供給される水素をできるだけメインタンク３に導き、水素の貯蔵時におけるエネルギーの損失を低減する観点から、水素供給源Ｓから供給される水素の圧力以上の値に設定される。第１の閾値を高くすることにより、サブタンク６の使用をできるだけ回避し、水素の貯蔵時におけるエネルギーの損失をより低減することができる。一方、第１の閾値の上限は、メインタンク３内の圧力の過度の上昇を回避する観点から、メインタンク３の最高使用圧力である。メインタンク３内の圧力の過度の上昇をより確実に回避しつつ、メインタンク３に貯蔵可能な水素の量をより多くする観点から、第１の閾値はメインタンク３の最高使用圧力に対して０．７倍以上１倍以下の範囲であることが好ましく、０．７５倍以上０．９５倍以下の範囲であることがより好ましく、０．８倍以上０．９倍以下の範囲であることがさらに好ましい。

【0025】

流路切替部５の具体的な態様は特に限定されることはなく、水素導入部２から導入された水素の供給先を切り替えることができるように構成されていれば種々の態様を取り得る。例えば、流路切替部５は、３つ以上のポートを備えた方向切替弁であってもよい。また、流路切替部５は、複数の開閉弁の組み合わせにより水素の供給先を切り替えることができるように構成されていてもよい。本形態の流路切替部５は、具体的には３つのポートを有する方向切替弁であり、水素導入配管２１に接続されたポートと第１の出口５１ａとが連通した状態、水素導入配管２１に接続されたポートと第２の出口５１ｂとが連通した状態、及び全てのポートが閉鎖された状態の３つの状態を切り替えることができるように構成されている。

【0026】

流路切替部５の第１の出口５１ａは、前述したようにサブタンク６に接続されている。水素供給システム１に設けられるサブタンク６の数は、所望する水素の容量に応じて適宜設定すればよい。例えば、本形態の水素供給システム１は、１本のサブタンク６を有している。

【0027】

サブタンク６内には水素吸蔵合金が充填されており、流路切替部５を介してサブタンク６に供給された水素を吸蔵することができるように構成されている。サブタンク６の具体的な構成は特に限定されることはないが、例えば、本形態のサブタンク６は、サブタンク６内の水素吸蔵合金を冷却するための冷却部（図示略）と、サブタンク６内の水素吸蔵合金を加熱するための昇温部（図示略）と、を有している。冷却部は、サブタンク６内に低温の熱媒体を流通させることができるように構成されている。冷却部に低温の熱媒体を流通させることにより、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることができる。また、昇温部は、サブタンク６内に高温の熱媒体を流通させることができるように構成されている。昇温部に高温の熱媒体を流通させることにより、水素吸蔵合金から水素を放出させることができる。

【0028】

また、サブタンク６は、メインタンク３内の圧力が第１の閾値よりも低い第２の閾値以下の場合に水素吸蔵合金に吸蔵された水素を放出することができるように構成されている。サブタンク６をこのように動作させることにより、メインタンク３内に水素供給源Ｓから供給される水素の供給量が水素負荷Ｌにおける水素の需要量に対して不足している場合等においても、サブタンク６に貯蔵された水素を放出し、水素負荷Ｌにおける水素の需要量を容易に充足させることができる。

【0029】

サブタンク６の動作における第２の閾値は、水素負荷Ｌにおける水素の需要量を充足させる観点から、水素負荷Ｌの運転に必要な水素の最低圧力以上の値に設定される。一方、第２の閾値を低くすることにより、サブタンク６内の水素吸蔵合金の加熱または冷却をできるだけ回避し、サブタンク６の使用に伴うエネルギーの損失をより低減することができる。水素の需要量と釣り合う供給量を確保しつつ、サブタンク６の使用に伴うエネルギーの損失をより低減する観点から、第２の閾値は水素負荷Ｌの運転に必要な水素の最低圧力の１倍以上１０倍以下の範囲であることが好ましく、１．５倍以上７倍以下の範囲であることがより好ましく、２倍以上５倍以下の範囲であることがさらに好ましい。

【0030】

サブタンク６から放出される水素の供給先は特に限定されることはない。例えば、サブタンク６は、水素導出部７に水素を供給することができるように構成されていてもよく、メインタンク３に水素を供給することができるように構成されていてもよい。

【0031】

本形態のサブタンク６は、流路切替部５の第１の出口５１ａに接続されているとともに、水素導入部２の水素導入配管２１にも接続されている。また、サブタンク６と水素導入配管２１との間には、開閉可能に構成されたサブタンク出口弁６１が設けられている。サブタンク出口弁６１は、サブタンク６から水素が放出されている場合に開放され、サブタンク６から水素が放出されていない場合に閉鎖されるように構成されている。

【0032】

本形態のサブタンク６のように、サブタンク６と水素導入部２とを接続することにより、サブタンク６から放出された水素を、水素供給源Ｓから導入された水素と同様に、メインタンク３内の圧力と水素導入部２の圧力との大小関係に応じてメインタンク入口弁３２から直接的に、または昇圧ポンプ４を通じて間接的にメインタンク３に供給することが可能となる。

【0033】

次に、図２～図４を参照しつつ、水素の供給量が需要量に対して過剰である場合の水素供給システム１の動作の一例を説明する。水素供給源Ｓから水素導入部２内に水素が導入されると、水素導入部２内の圧力が上昇する。この時、水素導入部２内の圧力がメインタンク３内の圧力よりも高い場合にはメインタンク入口弁３２が開放されている。従って、水素供給源Ｓから供給された水素Ｈは、図２に示すように、水素導入部２、メインタンク３及び水素導出部７を通り、水素導出部７から水素負荷Ｌに供給される。

【0034】

一方、水素導入部２内の圧力がメインタンク３内の圧力に近い場合には、水素導入部２から供給された水素がメインタンク３に流入しにくくなる。そのため、水素導入部２内の圧力がメインタンク３内の圧力以下の場合には、水素供給システム１はメインタンク入口弁３２を閉鎖するとともに、昇圧ポンプ４の動作を開始させる。これにより、図３に示すように、水素導入部２内の水素Ｈは昇圧ポンプ４に導かれる。昇圧ポンプ４において圧力が上昇した水素Ｈは、流路切替部５に導かれる。

【0035】

また、水素導入部２内の圧力がメインタンク３内の圧力以下の場合であっても、水素の供給量が需要量に対して過剰であると、水素負荷Ｌで消費しきれない水素がメインタンク３内に蓄積される。そのため、メインタンク３内の圧力が次第に上昇し、水素導入部２内の圧力がメインタンク３内の圧力以下となる。この場合においても、メインタンク入口弁３２が閉鎖されるとともに昇圧ポンプ４が動作を開始し、図３に示すように、昇圧ポンプ４により昇圧された水素Ｈが流路切替部５に導かれる。

【0036】

昇圧ポンプ４が動作を開始したときのメインタンク３内の圧力が、水素供給源Ｓから供給される水素の圧力以上、第１の閾値以下である場合には、流路切替部５における第１の出口５１ａが閉鎖され、第２の出口５１ｂが開放されている。そのため、この場合には、昇圧ポンプ４により昇圧された水素Ｈが流路切替部５の第２の出口５１ｂからメインタンク３内に供給される。メインタンク３内に供給された水素Ｈは、メインタンク出口弁３３を通過して水素導出部７に導かれ、水素導出部７から水素負荷Ｌに供給される。

【0037】

一方、メインタンク３内の圧力が第１の閾値に近くなると、メインタンク３内にさらに水素を貯蔵することが難しくなる。そのため、昇圧ポンプ４が動作を開始したときのメインタンク３内の圧力が第１の閾値より高い場合には、水素供給システム１は、流路切替部５における第１の出口５１ａを開放するとともに、第２の出口５１ｂを閉鎖する。これにより、図４に示すように、昇圧ポンプ４により昇圧された水素Ｈが流路切替部５の第１の出口５１ａからサブタンク６内に供給される。このとき、冷却部によってサブタンク６内の水素吸蔵合金を冷却することにより、サブタンク６に供給された水素Ｈを水素吸蔵合金に吸蔵させることができる。

【0038】

また、昇圧ポンプ４が動作を開始したときのメインタンク３内の圧力が、水素供給源Ｓから供給される水素の圧力以上、第１の閾値以下であっても、水素の供給量が需要量に対して過剰であると、水素負荷Ｌで消費しきれない水素がメインタンク３内に蓄積される。そのため、メインタンク３内の圧力が次第に上昇し、メインタンク３内の圧力が第１の閾値に到達する。この場合においても、流路切替部５の第１の出口５１ａが開放され、第２の出口５１ｂが閉鎖される。これにより、図４に示すように、流路切替部５を通過した水素が第１の出口５１ａを通ってサブタンク６に供給され、サブタンク６内の水素吸蔵合金に吸蔵される。

【0039】

このように、本形態の水素供給システム１は、水素導入部２における圧力がメインタンク３内の圧力よりも高い場合には、図２に示すように、水素導入部２から導入された水素がメインタンク３に直接導かれるように構成されている。これにより、メインタンク３内の圧力が比較的低い場合における、運転に伴うエネルギーの損失を低減することができる。

【0040】

また、水素供給システム１は、メインタンク３内の圧力がある程度上昇し、水素導入部２の圧力よりも高くなった場合には、図３に示すように、昇圧ポンプ４によって圧力を高めた水素をメインタンク３に供給するように構成されている。前述したように、メインタンク３には水素吸蔵合金が設けられていないため、昇圧ポンプ４を動作させた場合においても、運転に伴うエネルギーの損失の増大を抑制することができる。

【0041】

そして、水素供給システム１は、メインタンク３内の圧力がさらに上昇した場合には、図４に示すように、昇圧ポンプ４によって圧力を高めた水素をサブタンク６に供給するように構成されている。これにより、水素供給システム１全体として貯蔵可能な水素の量を多くすることができる。

【0042】

次に、図５～図６を参照しつつ、水素の需要量が供給量に対して過剰である場合の水素供給システム１の動作の一例を説明する。水素負荷Ｌにおいて水素が使用されると、まず、図５に示すように、メインタンク３内に貯蔵された水素Ｈが水素負荷Ｌに供給される。これにより、メインタンク３内の圧力が低下する。メインタンク３内の圧力が低下し、第２の閾値に到達すると、サブタンク６が水素の放出を開始する。サブタンク６から放出された水素は、例えば、図６に示すようにサブタンク出口弁６１、水素導入部２、メインタンク３及び水素導出部７を順次通過し、水素負荷Ｌに供給される。

【0043】

このように、本形態の水素供給システム１は、水素負荷Ｌに水素を供給する場合に、図５に示すように先にメインタンク３内の水素を使用し、メインタンク３内の水素の圧力が低下した場合に、図６に示すようにサブタンク６内の水素を使用するように構成されている。これにより、水素供給システム１から水素を供給する際のエネルギーの損失の増大を抑制することができる。

【0044】

（実施形態２）
本形態においては、水素導入部２０２にバイパス配管２４を設けた水素供給システム１０２の例を示す。なお、本形態以降において用いた符号のうち、既出の形態において用いた符号と同一の符号は、特に示さない限り、既出の形態における構成要素と同様の構成要素等を表す。

【0045】

図７に示すように、本形態の水素供給システム１０２は、水素供給源Ｓに接続された水素導入部２０２と、水素負荷Ｌに接続された水素導出部７と、水素導入部２０２と水素導出部７との両方に接続されたメインタンク３と、水素導入部２０２に接続された昇圧ポンプ４と、昇圧ポンプ４に接続された流路切替部５と、流路切替部５に接続されたサブタンク６と、を有している。本形態の水素供給システム１０２における水素導出部７、メインタンク３、昇圧ポンプ４及び流路切替部５の構成及び動作は、実施形態１と同様である。

【0046】

本形態の水素導入部２０２は、水素供給源Ｓに接続された水素導入配管２１と、水素導入配管２１に接続され、複数の出口２３１（２３１ａ、２３１ｂ）を備えた第２流路切替部２３と、第２流路切替部２３の複数の出口２３１のうち第１の出口２３１ａと水素導出部７とを接続するバイパス配管２４と、第２流路切替部２３の複数の出口２３１のうち第２の出口２３１ｂとメインタンク入口弁３２及び昇圧ポンプ４とを接続する分岐配管２５と、を有している。

【0047】

バイパス配管２４には、バイパス配管２４内の圧力を計測するための圧力計２４１と、水素導出部７からバイパス配管２４への水素の逆流を防止するための逆止弁２４２とが設けられている。また、第２流路切替部２３は、バイパス配管２４内の圧力が第３の閾値以下の場合に第１の出口２３１ａを開放するとともに第２の出口２３１ｂを閉鎖し、バイパス配管２４内の圧力が第３の閾値よりも高い場合に第１の出口２３１ａを閉鎖するとともに第２の出口２３１ｂを開放するように構成されている。本形態の水素供給システム１０２は、水素導入部２０２をこのように構成することにより、水素供給源Ｓから供給された水素を、バイパス配管２４を介して水素負荷Ｌに供給することができる。また、水素供給源Ｓからの水素の供給量が水素負荷Ｌにおける水素の需要量に対して過剰である場合には、まずメインタンクに水素を貯蔵し、次いでサブタンクに水素を貯蔵することができる。これにより、水素供給システム１０２における水素の容量を高めつつ、水素供給システム１０２の運転中に生じるエネルギーの損失をさらに低減することができる。

【0048】

第２流路切替部２３の動作における第３の閾値は、水素供給源Ｓから供給される水素をできるだけバイパス配管２４を介して水素導出部７に導く観点から、水素負荷Ｌの運転に必要な水素の最低圧力以上の値に設定される。第３の閾値を高くすることにより、メインタンク３及びサブタンク６の使用をできるだけ回避し、水素供給時のエネルギーの損失をより低減することができる。一方、第３の閾値が水素供給源Ｓから供給される水素の圧力よりも高くなると、水素供給源Ｓから供給される水素がバイパス配管２４に進入しにくくなる。従って、水素供給源Ｓからの水素の供給を継続して行う観点から、第３の閾値の上限は、水素供給源Ｓから供給される水素の最高圧力である。水素を安定的に水素負荷Ｌに供給しつつ、水素供給時のエネルギーの損失をより低減する観点から、第３の閾値は水素供給源Ｓから供給される水素の最高圧力に対して０．５倍以上１倍以下の範囲であることが好ましく、０．６倍以上０．９倍以下の範囲であることがより好ましく、０．７倍以上０．８倍以下の範囲であることがさらに好ましい。

【0049】

第２流路切替部２３の具体的な態様は特に限定されることはなく、水素導入配管２１から導入された水素の供給先を切り替えることができるように構成されていれば種々の態様を取り得る。例えば、第２流路切替部２３は、３つ以上のポートを有する方向切替弁であってもよい。また、第２流路切替部２３は、複数の開閉弁の組み合わせにより水素の供給先を切り替えることができるように構成されていてもよい。本形態の第２流路切替部２３は、具体的には３つのポートを有する方向切替弁であり、水素導入配管２１に接続されたポートと第１の出口２３１ａとが連通した状態、水素導入配管２１に接続されたポートと第２の出口２３１ｂとが連通した状態、及び全てのポートが閉鎖された状態の３つの状態を切り替えることができるように構成されている。

【0050】

本形態のサブタンク６は、流路切替部５の複数の出口５１（５１ａ、５１ｂ）のうちの第１の出口５１ａと、水素導入部２０２における分岐配管２５との両方に接続されており、サブタンク６から放出された水素を分岐配管２５に供給することができるように構成されている。また、サブタンク６と分岐配管２５にとの間には、開閉可能に構成されたサブタンク出口弁６１が設けられている。サブタンク出口弁６１は、サブタンク６から水素が放出されている場合に開放され、サブタンク６から水素が放出されていない場合に閉鎖されるように構成されている。

【0051】

水素導入部２０２が水素導入配管２１、第２流路切替部２３及び分岐配管２５を有している場合、本形態のサブタンク６のように、サブタンク６と分岐配管２５とを接続することにより、サブタンク６から放出された水素を、水素供給源Ｓから導入された水素と同様に、メインタンク３内の圧力と水素導入部２０２の圧力との大小関係に応じてメインタンク入口弁３２から直接、または昇圧ポンプ４を通じて間接的にメインタンク３に供給することが可能となる。

【0052】

なお、図には示さないが、サブタンク６から放出される水素の供給先を、分岐配管２５に替えて、水素導入配管２１またはバイパス配管２４とすることも可能である。

【0053】

次に、図８～図１１を参照しつつ、本形態の水素供給システム１０２において、水素の供給量が需要量に対して過剰である場合の動作の一例を説明する。水素供給源Ｓから供給された水素は、水素導入配管２１を通り、第２流路切替部２３に到達する。この時、バイパス配管２４内の圧力が第３の閾値以下である場合には、水素供給システム１０２は、第２流路切替部２３の第１の出口２３１ａを開放するとともに第２の出口２３１ｂを閉鎖している。そのため、図８に示すように、水素供給源Ｓから供給された水素Ｈは、水素導入配管２１、第２流路切替部２３及びバイパス配管２４を通って水素導出部７に導かれる。

【0054】

一方、バイパス配管２４内の圧力が第３の閾値に近い場合には、水素供給源Ｓから供給された水素がバイパス配管２４に進入しにくくなる。そのため、バイパス配管２４内の圧力が第３の閾値を超える場合には、水素供給システム１０２は、第２流路切替部２３の第１の出口２３１ａを閉鎖するとともに第２の出口２３１ｂを開放する。これにより、図９に示すように、第２流路切替部２３を通過した水素Ｈは分岐配管２５に導かれる。

【0055】

また、バイパス配管２４内の圧力が第３の閾値以下の場合であっても、水素の供給量が需要量に対して過剰であると、水素負荷Ｌで消費しきれない水素がバイパス配管２４内に蓄積される。そのため、バイパス配管２４内の圧力が次第に上昇し、バイパス配管２４内の圧力が第３の閾値に到達する。この場合においても、第１の出口２３１ａが閉鎖されるとともに第２の出口２３１ｂが開放され、図９に示すように、水素供給源Ｓから供給された水素Ｈが分岐配管２５に流入する。

【0056】

その他の動作は、実施形態１の水素供給システム１と同様である。すなわち、メインタンク入口弁３２の下流の圧力、つまり圧力計２２によって計測される分岐配管２５内の圧力が、圧力計３１によって計測されるメインタンク３内の圧力よりも高い場合には、メインタンク入口弁３２が開放される。従って、この場合には、水素供給源Ｓから供給された水素Ｈは、図９に示すように、水素導入配管２１、第２流路切替部２３及び分岐配管２５を通ってメインタンク３内に供給され、メインタンク３に貯蔵される。メインタンク３内に貯蔵された水素Ｈは、必要に応じて水素負荷Ｌに供給される。

【0057】

また、分岐配管２５内の圧力がメインタンク３内の圧力以下になると、メインタンク入口弁３２が閉鎖されるとともに、昇圧ポンプ４が動作を開始する。昇圧ポンプ４により昇圧された水素Ｈは、図１０に示すように、流路切替部５の第２の出口５１ｂからメインタンク３内に供給され、メインタンク３に貯蔵される。メインタンク３内に貯蔵された水素Ｈは、必要に応じて水素負荷Ｌに供給される。

【0058】

メインタンク３内の圧力が第１の閾値以上となった場合には、流路切替部５の第１の出口５１ａが開放され、第２の出口５１ｂが閉鎖される。これにより、流路切替部５を通過した水素Ｈは、図１１に示すように、第１の出口５１ａを通ってサブタンク６に供給され、サブタンク６内の水素吸蔵合金に吸蔵される。

【0059】

本形態の水素供給システム１０２の水素導入部２０２は、第２流路切替部２３と、第２流路切替部２３と水素導出部７とを接続するバイパス配管２４とを有しており、第２流路切替部２３の動作が前述したように構成されている。このように構成された水素供給システム１０２においては、水素供給源Ｓから供給された水素Ｈを、図８に示すように、まずバイパス配管２４を介して水素導出部７へ導くことができる。また、バイパス配管２４を介して供給される水素の供給量が需要量に対して過剰となる場合には、図９～図１１に示すように、余剰の水素Ｈをメインタンク３またはサブタンク６に貯蔵することができる。それ故、本形態の水素供給システム１０２は、貯蔵可能な水素の量を多くしつつ、運転中に生じるエネルギーの損失をさらに低減することができる。

【0060】

（実施形態３）
本形態では、複数のサブタンク６０３を有する水素供給システム１０３の例を説明する。図１２に示すように、本形態の水素供給システム１０３は、水素供給源Ｓに接続された水素導入部２０２と、水素負荷Ｌに接続された水素導出部７と、水素導入部２０２と水素導出部７との両方に接続されたメインタンク３と、水素導入部２０２に接続された昇圧ポンプ４と、昇圧ポンプ４に接続された流路切替部５と、流路切替部５に接続された複数のサブタンク６０３と、を有している。本形態の水素供給システム１０３における水素導入部２０２、水素導出部７、メインタンク３、昇圧ポンプ４及び流路切替部５の構成及び動作は、実施形態２と同様である。

【0061】

本形態の水素供給システム１０３は、６本のサブタンク６０３を有している。各サブタンク６０３は、その入り口にサブタンク開閉弁６２を有しており、サブタンク６０３の内部と外部とが連通した開放状態と、サブタンク６０３の内部が外部から遮断された閉鎖状態とを切り替えることができるように構成されている。

【0062】

また、６本のサブタンク６０３は、３本のサブタンク６０３からなる第１サブタンク群６３ａと、残る３本のサブタンク６０３からなる第２サブタンク群６３ｂとに分かれている。第１サブタンク群６３ａを構成する３本のサブタンク６０３は、昇圧ポンプ４に対して並列に接続されている。第１サブタンク群６３ａと流路切替部５との間には、開放状態と閉鎖状態とを切り替え可能に構成された第１サブタンク群入口弁６３１ａが設けられている。また、第１サブタンク群６３ａは、水素導入部２０２の分岐配管２５に対しても並列に接続されている。第１サブタンク群６３ａと分岐配管２５との間には、開放状態と閉鎖状態とを切り替え可能に構成された第１サブタンク群出口弁６３２ａが設けられている。

【0063】

第２サブタンク群６３ｂを構成する３本のサブタンク６０３は、流路切替部５の第１の出口５１ａに対して並列に接続されている。また、第２サブタンク群６３ｂは、水素導入部２０２の分岐配管２５に対しても並列に接続されている。第２サブタンク群６３ｂと分岐配管２５との間には、開放状態と閉鎖状態とを切り替え可能に構成された第２サブタンク群出口弁６３２ｂが設けられている。

【0064】

本形態の水素供給システム１０３は、複数のサブタンク６０３を有しており、複数のサブタンク６０３から一部のサブタンク６０３を選択し、当該サブタンク６０３に水素を供給することができるように構成されている。例えば図１３に示すように、水素供給源Ｓから供給される水素Ｈを第１サブタンク群６３ａを構成する３本のサブタンク６０３に導く場合には、流路切替部５における第１の出口５１ａ及び第２の出口５１ｂの両方を閉鎖するとともに、第１サブタンク群入口弁６３１ａ及び各サブタンク６０３のサブタンク開閉弁６２を開放すればよい。この際、３本のサブタンク６０３のうち一部のサブタンク６０３のサブタンク開閉弁６２を閉鎖することにより、第１サブタンク群６３ａを構成する３本のサブタンク６０３のうち一部のサブタンク６０３に水素を供給することもできる。

【0065】

また、例えば図１４に示すように、第２サブタンク群６３ｂを構成する３本のサブタンク６０３に水素を供給しようとする場合には、流路切替部５の第１の出口５１ａを開放し、第２の出口５１ｂを閉鎖するとともに、各サブタンク６０３のサブタンク開閉弁６２を開放すればよい。この際、３本のサブタンク６０３のうち一部のサブタンク６０３のサブタンク開閉弁６２を閉鎖することにより、第２サブタンク群６３ｂを構成する３本のサブタンク６０３のうち一部のサブタンク６０３に水素を供給することもできる。

【0066】

このように、複数のサブタンク６０３から任意に選択したサブタンク６０３に水素を供給すると、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるサブタンク６０３以外のサブタンク６０３の冷却が不要となる。これにより、サブタンク６０３に水素を吸蔵させる際のエネルギーの損失の増大を回避することができる。

【0067】

また、本形態の水素供給システム１０３は、複数のサブタンク６０３から一部のサブタンク６０３を選択し、当該サブタンク６０３から水素を放出させることができるように構成されている。例えば図１５に示すように、第１サブタンク群６３ａを構成する３本のサブタンク６０３から水素を放出させようとする場合には、第１サブタンク群出口弁６３２ａ及び各サブタンク６０３のサブタンク開閉弁６２を開放し、サブタンク６０３内の水素吸蔵合金を加熱すればよい。この際、３本のサブタンク６０３のうち一部のサブタンク６０３のサブタンク開閉弁６２を閉鎖する、あるいは一部のサブタンク６０３の水素吸蔵合金のみを加熱する等の方法により、第１サブタンク群６３ａを構成する３本のサブタンク６０３のうち一部のサブタンク６０３から水素を放出させることもできる。

【0068】

また、例えば図１６に示すように、第２サブタンク群６３ｂを構成する３本のサブタンク６０３から水素を放出しようとする場合には、第２サブタンク群出口弁６３２ｂ及び各サブタンク６０３のサブタンク開閉弁６２を開放し、サブタンク６０３内の水素吸蔵合金を加熱すればよい。この際、３本のサブタンク６０３のうち一部のサブタンク６０３のサブタンク開閉弁６２を閉鎖する、あるいは一部のサブタンク６０３の水素吸蔵合金のみを加熱する等の方法により、第２サブタンク群６３ｂを構成する３本のサブタンク６０３のうち一部のサブタンク６０３から水素を放出させることもできる。

【0069】

このように、複数のサブタンク６０３のうち一部のサブタンク６０３を選択し、当該サブタンク６０３から水素を放出させることにより、サブタンク６０３から放出される水素の圧力の過度な上昇を抑制することができる。また、サブタンク６０３からの水素の放出が進行し、サブタンク６０３内に吸蔵された水素の残量が少なくなった場合であっても、他のサブタンク６０３から水素を放出させることができる。これにより、サブタンク６０３から放出される水素の圧力を容易に維持することができる。

【0070】

さらに、本形態の水素供給システム１０３は、２本以上のサブタンク６０３から構成されるサブタンク群６３（６３ａ、６３ｂ）を複数有しており、サブタンク群６３ごとに水素の供給及び水素の放出を行うことができるように構成されている。それ故、例えばいずれかのサブタンク群６３から水素を放出した後に水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる場合に、当該サブタンク群６３とは異なるサブタンク群６３の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることができる。この場合、水素を吸蔵させるサブタンク群６３における水素吸蔵合金の温度は、水素を放出させた後のサブタンク群６３における水素吸蔵合金の温度よりも低くなっている。それ故、水素を放出させた直後のサブタンク群６３とは別のサブタンク群６３に水素を吸蔵させることにより、水素吸蔵合金の冷却に必要なエネルギーをより低減することができる。

【0071】

さらに、水素を放出させた直後のサブタンク群６３とは別のサブタンク群６３に水素を吸蔵させることにより、水素の放出が完了したサブタンク群６３の温度を外気との熱交換によって自然に低下させることができる。その結果、水素吸蔵合金の冷却に必要なエネルギーをさらに低減することができる。

【0072】

従って、２つ以上のサブタンク群６３を有する場合には、サブタンク群６３ごとに水素の供給及び水素の放出を行うことにより、水素供給システム１０３の運転中に生じるエネルギーの損失をより低減することができる。

【0073】

以上、実施形態１～３に基づいて本発明に係る水素供給システムの態様を説明したが、本発明に係る水素供給システムの具体的な態様は、実施形態に示した態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。

【符号の説明】

【0074】

１、１０２、１０３ 水素供給システム
２、２０２ 水素導入部
３ メインタンク
３２ メインタンク入口弁
４ 昇圧ポンプ
５ 流路切替部
５１ 出口
６、６０３ サブタンク
７ 水素導出部
Ｓ 水素供給源
Ｌ 水素負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】