特開 2025-25001 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】P2025025001

(43)【公開日】2025-02-21

(54)【発明の名称】水素供給システム

(51)【国際特許分類】

   F17C 11/00 20060101AFI20250214BHJP

【ＦＩ】

F17C11/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023129425

(22)【出願日】2023-08-08

(71)【出願人】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】間宮 尚

(72)【発明者】

【氏名】前田 均

(72)【発明者】

【氏名】小川 博之

【テーマコード（参考）】

3E172

【Ｆターム（参考）】

3E172AA02

3E172AA09

3E172AB01

3E172BA01

3E172BD03

3E172BD05

3E172FA01

(57)【要約】

【課題】水素利用装置の始動時に、水素利用装置に確実に水素を供給する。
【解決手段】水素供給システムＯは、水素利用装置Ｃに供給するための水素を吸蔵する水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂと、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂと水素利用装置Ｃとに接続される流路５２と、流路５２から供給された水素を貯留し、水素利用装置Ｃの始動時に水素利用装置Ｃに水素を供給する水素タンク７０と、流路５２と水素タンク７０とに接続され、流路５２から水素タンク７０に水素を供給する流路７２と、流路５２と水素タンク７０とに接続され、水素タンク７０から流路５２に水素を供給する流路７３と、流路７３に設けられ、水素タンク７０から流路５２への水素の流れを阻止する逆止弁７５と、流路７３に設けられ、水素利用装置Ｃの始動時に開弁して水素タンク７０から流路５２へ水素を供給する開閉弁７６と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素利用装置に供給するための水素を吸蔵する水素吸蔵合金と、
前記水素吸蔵合金と前記水素利用装置とに接続され、前記水素吸蔵合金から脱着された水素を前記水素利用装置に供給する第１供給流路と、
前記第１供給流路から供給された水素を貯留し、前記水素利用装置の始動時に前記水素利用装置に水素を供給する貯留容器と、
前記第１供給流路と前記貯留容器とに接続され、前記第１供給流路から前記貯留容器に水素を供給する第１接続流路と、
前記第１供給流路と前記貯留容器とに接続され、前記貯留容器から前記第１供給流路に水素を供給する第２接続流路と、
前記第１接続流路に設けられ、前記貯留容器から前記第１供給流路への水素の流れを阻止する逆止弁と、
前記第２接続流路に設けられ、前記水素利用装置の始動時に開弁して前記貯留容器から前記第１供給流路へ水素を供給する供給弁と、を備えた水素供給システム。

【請求項2】

請求項１に記載された水素供給システムであって、
前記第１接続流路に設けられ、前記貯留容器に貯留する水素を圧縮する圧縮機をさらに備えた水素供給システム。

【請求項3】

請求項１に記載された水素供給システムであって、
前記水素利用装置の稼働に伴う排熱で前記水素吸蔵合金を加熱する熱交換装置をさらに備えた水素供給システム。

【請求項4】

請求項１に記載された水素供給システムであって、
前記水素吸蔵合金に水素を供給するための第２供給流路と、
前記第２供給流路と前記貯留容器とに接続され、前記第２供給流路から前記貯留容器に水素を供給する第３接続流路と、をさらに備えた水素供給システム。

【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】

特許文献１には、水素吸蔵合金が収容される水素吸蔵合金容器と、水素吸蔵合金との伝熱が行われる熱媒体が移動する熱媒体移動路と、熱媒体移動路で移動する熱媒体の温度調整を行う温度調整部とを備えた水素供給システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－３５４７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された発明では、ヒータによって水タンク内の水（熱媒体）を加熱して、その加熱された水によって水素吸蔵合金を加熱することで、水素吸蔵合金から水素を脱着している。

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載された発明において、例えば、燃料電池(水素利用装置)を始動する時に、停電などによってヒータを作動させる電源が確保できない状態になっている場合には、水素吸蔵合金を加熱できない。この結果、燃料電池に水素を供給することができず、燃料電池を始動できないおそれがある。

【0006】

本発明は、水素利用装置の始動時に、外部から電力供給を受けずとも、水素利用装置に水素を供給することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、水素利用装置に供給するための水素を吸蔵する水素吸蔵合金と、水素吸蔵合金と水素利用装置とに接続され、水素吸蔵合金から脱着された水素を水素利用装置に供給する第１供給流路と、第１供給流路から供給された水素を貯留し、水素利用装置の始動時に水素利用装置に水素を供給する貯留容器と、第１供給流路と貯留容器とに接続され、第１供給流路から貯留容器に水素を供給する第１接続流路と、第１供給流路と貯留容器とに接続され、貯留容器から第１供給流路に水素を供給する第２接続流路と、第１接続流路に設けられ、貯留容器から第１供給流路への水素の流れを阻止する逆止弁と、第２接続流路に設けられ、水素利用装置の始動時に開弁して貯留容器から第１供給流路へ水素を供給する供給弁と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、水素利用装置の始動時に、外部から電力供給を受けずとも、水素利用装置に水素を供給できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る水素供給システムが適用される水素エネルギーシステムＳの概略図である。

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る水素吸蔵合金の吸蔵量と水素貯蔵タンク内の圧力との関係を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

【0011】

水素供給システムＯは、建物やモビリティに設置または搭載される水素ガスを燃料とする発電機や駆動源に水素を供給するものであり、水素発生装置Ｐによって生成された水素ガスを吸蔵または放出する。まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る水素供給システムＯが適用される水素エネルギーシステムＳについて簡単に説明する。

【0012】

図１に示すように、水素エネルギーシステムＳは、水素供給システムＯと、水素供給システムＯに水素を供給する水素発生装置Ｐと、水素供給システムＯから放出された水素を利用する水素利用装置Ｃと、を備える。

【0013】

水素発生装置Ｐは、水を電気分解することで水素を発生させる。水素発生装置Ｐは、発生させた水素の温度を調整する温度調整装置（図示せず）と、発生させた水素の圧力を調整する圧力調整装置（図示せず）と、を備えている。

【0014】

水素利用装置Ｃは、水素供給システムＯから放出された水素が化学反応することでエネルギーを作り出すエネルギー発生源である。具体的には、エネルギー発生源は、燃料電池や水素エンジンである。燃料電池は、水素供給システムＯから放出された水素を酸素と反応させて電気エネルギーを作り出し、水素エンジンは、水素供給システムＯから放出された水素を燃焼させて回転エネルギーを作り出す。なお、燃料電池及び水素エンジンからは、熱及び水ないし水蒸気が排出される。

【0015】

水素供給システムＯは、水素吸蔵する水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂと、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂがそれぞれ収容される水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂと、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂとの間で熱交換を行う水（流体）が循環する循環回路２０Ａ，２０Ｂと、循環回路２０Ａ，２０Ｂを流れる水を冷却する冷却機構３０と、循環回路２０Ａ，２０Ｂを流れる水を加熱する加熱機構４０Ａ，４０Ｂと、を備える。

【0016】

水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂは、水素発生装置Ｐにそれぞれ流路５１Ａ，５１Ｂによって接続され、水素利用装置Ｃにそれぞれ流路５２Ａ，５２Ｂによって接続される。つまり、水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂは、水素発生装置Ｐと水素利用装置Ｃとを接続する流路において、並列に設けられている。

【0017】

流路５１Ａ，５１Ｂには、流路５１Ａ，５１Ｂを開放または遮断する開閉弁５３Ａ，５３Ｂが設けられ、流路５２Ａ，５２Ｂには、流路５２Ａ，５２Ｂを開放または遮断する開閉弁５４Ａ，５４Ｂが設けられる。開閉弁５３Ａ，５３Ｂ及び開閉弁５４Ａ，５４Ｂは、コントローラ６０によって動作が制御される。なお、以下では、水素発生装置Ｐと水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂとを接続する流路全体、すなわち、流路５１Ａ，５１Ｂを流路５１（第２供給流路）といい、水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂと水素利用装置Ｃとを接続する流路全体、すなわち、流路５２Ａ，５２Ｂを流路５２（第１供給流路）という。

【0018】

水素供給システムＯは、水素発生装置Ｐから供給された水素及び水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂから脱着された水素を貯留する水素タンク７０（貯留容器）をさらに備える。

【0019】

水素タンク７０は、高圧の水素を貯留する高圧容器である。水素タンク７０は、流路７１（第３接続流路）を通じて流路５１における開閉弁５３Ａ，５３Ｂの上流側に接続される。また、水素タンク７０は、流路７２（第１接続流路）及び流路７３（第２接続流路）を通じて流路５２における開閉弁５４Ａ，５４Ｂの下流側に接続される。流路７２は、流路５２における流路７３との接続点より上流側に接続される。

【0020】

流路７１には、流路７１を開放または遮断する開閉弁７４が設けられる。開閉弁７４は、コントローラ６０によって動作が制御される。

【0021】

流路７２には、圧縮機８０と、逆止弁７５と、が設けられる。圧縮機８０は、流路５２を流れる水素を圧縮して水素タンク７０に供給する。圧縮機８０は、コントローラ６０によって動作が制御される。

【0022】

逆止弁７５は、流路７２における圧縮機８０の下流側に設けられ、水素タンク７０から圧縮機８０及び流路５２への水素の逆流を防止する。

【0023】

流路７３には、流路７３を開放または遮断する開閉弁７６（供給弁）が設けられる。開閉弁７６は、コントローラ６０によって動作が制御される。

【0024】

流路５２における流路７２との接続点より下流側であって、流路７３との接続点より上流側には、逆止弁７７が設けられる。また、流路５２における流路７３との接続点より下流側には、減圧弁５６が設けられる。減圧弁５６は、コントローラ６０によって設定圧が制御される。減圧弁５６は、流路５２を通じて供給される水素を減圧（例えば、０．１５ＭＰａ（Ｇ）程度）し、水素利用装置Ｃに供給する。

【0025】

続いて、水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂ、循環回路２０Ａ，２０Ｂ、及び加熱機構４０Ａ，４０Ｂについて説明する。なお、水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂ、循環回路２０Ａ，２０Ｂ、及び加熱機構４０Ａ，４０Ｂは同じ構成であるため、以下では、水素貯蔵タンク１０Ａ、循環回路２０Ａ、及び加熱機構４０Ａを中心に説明し、水素貯蔵タンク１０Ｂ、循環回路２０Ｂ、及び加熱機構４０Ｂについては、水素貯蔵タンク１０Ａ、循環回路２０Ａ、及び加熱機構４０Ａと同一の構成には図中に同じ数字の符号を付して説明を省略する。水素貯蔵タンク１０Ａ、循環回路２０Ａ及び加熱機構４０Ａの構成には符号に「Ａ」を付し、水素貯蔵タンク１０Ｂ、循環回路２０Ｂ、及び加熱機構４０Ｂの構成には符号に「Ｂ」を付して区別する。

【0026】

水素貯蔵タンク１０Ａは、圧力容器によって構成され、水素貯蔵タンク１０Ａ内には、水素吸蔵合金１１Ａが収容される。水素吸蔵合金１１Ａとしては、ＡＢ５型、ＡＢ２型、Ａ２Ｂ型、固溶体型（ＢＣＣ合金）などを用いることができる。

【0027】

流路５１Ａにおける開閉弁５３Ａより下流側には、圧力センサ５５Ａが設けられる。圧力センサ５５Ａは、水素吸蔵合金１１Ａの周囲の圧力（水素貯蔵タンク１０Ａの水素の圧力）を検出する。なお、圧力センサ５５Ａは、流路５２Ａにおける開閉弁５４Ａより上流側に設けられていてもよい。

【0028】

水素エネルギーシステムＳでは、開閉弁５３Ａを開弁することで、水素発生装置Ｐによって発生した水素が、流路５１Ａ（流路５１）を通じて水素貯蔵タンク１０Ａに供給される。また、開閉弁５３Ａを閉弁することで、水素発生装置Ｐによって発生した水素の水素貯蔵タンク１０Ａへの供給が遮断される。

【0029】

また、水素エネルギーシステムＳでは、開閉弁５４Ａを開弁することで、水素貯蔵タンク１０Ａ内の水素は、流路５２Ａ（流路５２）及び減圧弁５６を通じて水素利用装置Ｃに供給される。また、開閉弁５４Ａを閉弁することで、水素貯蔵タンク１０Ａ内の水素の水素利用装置Ｃへの供給が遮断される。

【0030】

次に、循環回路２０Ａについて説明する。

【0031】

循環回路２０Ａは、水を循環させて、水素吸蔵合金１１Ａとの間で熱交換を行い、水素吸蔵合金１１Ａの温度調整を行う。

【0032】

図１に示すように、循環回路２０Ａは、循環回路２０Ａ内の水を循環させるためのポンプ２１Ａと、加熱機構４０Ａとの間で熱交換を行う第１熱交換部２２Ａと、水素吸蔵合金１１Ａとの間で熱交換を行う第２熱交換部２３Ａと、循環回路２０Ａ内を流れる水を冷却する冷却機構３０と、冷却機構３０をバイパスするバイパス流路２４Ａと、冷却機構３０及びバイパス流路２４Ａへ流れる流量の分配を制御する制御弁２５Ａと、第２熱交換部２３Ａの入口側の水温を検出する第１温度センサ２６Ａと、第２熱交換部２３Ａの出口側の水温を検出する第２温度センサ２７Ａと、をさらに有する。

【0033】

ポンプ２１Ａは、図示しないモータによって駆動される。ポンプ２１Ａの種類は特に限定はないが、ポンプ２１Ａは、遠心ポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどによって構成される。

【0034】

第１熱交換部２２Ａは、加熱機構４０Ａとの間で熱交換を行い、加熱機構４０Ａからの熱を受け取ることで、循環回路２０Ａ内を循環する水を加熱する。

【0035】

第２熱交換部２３Ａは、水素吸蔵合金１１Ａとの間で熱交換を行うことで、水素吸蔵合金１１Ａの温度を調整する。

【0036】

制御弁２５Ａは、第２熱交換部２３Ａを通過した水を冷却機構３０とバイパス流路２４Ａに分配する。具体的には、制御弁２５Ａは、三方弁によって構成される。制御弁２５Ａは、コントローラ６０によって制御され、冷却機構３０とバイパス流路２４Ａに分配される水の流量を制御する。本実施形態では、制御弁２５Ａを三方弁によって構成した場合を例に示しているが、制御弁２５Ａを２つの二方弁によって構成してもよい。

【0037】

冷却機構３０は、チラーや冷却塔、ラジエータなどによって構成される。冷却機構３０は、少なくとも循環回路２０Ａ内を循環する水の熱を大気へ放出する放熱器としての機能を有していればどのようなものであってもよい。

【0038】

本実施形態では、１つの冷却機構３０によって、循環回路２０Ａ及び循環回路２０Ｂ内を循環する水を冷却している、言い換えると、本実施形態では、冷却機構３０が、循環回路２０Ａ及び循環回路２０Ｂに対して共通化されているが、冷却機構３０は、循環回路２０Ａ及び循環回路２０Ｂに個別に設けられていてもよい。

【0039】

加熱機構４０Ａは、熱媒体としての水が循環する循環回路４１Ａと、循環回路４１Ａ内の水を循環させるためのポンプ４２と、循環回路４１Ａに設けられ第１熱交換部２２Ａとの間で熱交換を行う第３熱交換部４３Ａと、循環回路４１Ａに設けられ水素利用装置Ｃとの間で熱交換を行う第４熱交換部４４と、循環回路４１Ａにおけるポンプ４２と第３熱交換部４３Ａの間に設けられ、ポンプ４２から第３熱交換部４３Ａへの水の流れを許容または遮断する開閉弁４５Ａと、を有する。

【0040】

循環回路４１Ａは、内部の水が循環することによって水素利用装置Ｃで発生した排熱を循環回路２０Ａに伝達する。

【0041】

ポンプ４２は、図示しないモータによって駆動される。ポンプ４２の種類は特に限定はないが、ポンプ４２は、遠心ポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどによって構成される。

【0042】

第３熱交換部４３Ａは、第１熱交換部２２Ａとの間で熱交換を行い、循環回路４１Ａ内を循環する水の熱によって循環回路２０Ａ内を循環する水を加熱する。

【0043】

第４熱交換部４４は、水素利用装置Ｃとの間で熱交換を行い、水素利用装置Ｃを駆動した際に発生する排熱によって循環回路４１Ａ内を循環する水を加熱する。

【0044】

このように、加熱機構４０Ａは、水素利用装置Ｃを駆動した際に発生する排熱を利用して、循環回路４１Ａ内を循環する水を加熱する。

【0045】

なお、本実施形態では、１つのポンプ４２によって、循環回路４１Ａ及び循環回路４１Ｂ内の水を循環させるとともに、１つの第４熱交換部４４によって循環回路４１Ａ及び循環回路４１Ｂ内を循環する水を加熱している、言い換えると、本実施形態では、ポンプ４２及び第４熱交換部４４は、循環回路４１Ａ及び循環回路４１Ｂに対して共通化されているが、ポンプ４２及び第４熱交換部４４は、循環回路４１Ａ及び循環回路４１Ｂにそれぞれ個別に設けられていてもよい。

【0046】

次に、水素吸蔵合金１１Ａにおける水素の吸着及び脱着について、図２を参照しながら説明する。図２は、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂ（水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂ）の圧力と、温度と、水素の吸蔵量との関係を示すグラフである。なお、図２における実線は、吸着時の特性を示し、点線は、脱着時の特性を示している。

【0047】

まず、水素吸蔵合金１１Ａへの水素の吸着について説明する。水素発生装置Ｐによって発生した水素は、開閉弁５３Ａを開弁することによって、流路５１Ａを通じて水素貯蔵タンク１０Ａ内に導かれる。本実施形態では、水素発生装置Ｐから供給される水素の圧力は、０．８ＭＰａ程度である。水素貯蔵タンク１０Ａ内に導かれた水素は、水素吸蔵合金１１Ａによって吸着される。水素吸蔵合金１１Ａが水素を吸着する際には、発熱反応により水素吸蔵合金１１Ａの温度が上昇する。

【0048】

図２に示すように、水素吸蔵合金１１Ａは、同じ圧力では、温度が高くなるほど吸蔵量が減少する。そのため、本実施形態では、吸着時には、ポンプ２１Ａを駆動して、循環回路２０Ａ内の水を循環させる。なお、本実施形態では、ポンプ２１Ａは、吐出流量が一定となるように駆動される。

【0049】

ポンプ２１Ａから吐出された水は、第２熱交換部２３Ａにおいて、水素吸蔵合金１１Ａを冷却する。水素吸蔵合金１１Ａと熱交換することによって温度が上昇した水（第２熱交換部２３Ａを通過した水）は、制御弁２５Ａを通って冷却機構３０に導かれる。冷却機構３０では、通過する水の熱が除熱され、水の温度が低下する。冷却機構３０によって冷却された水は、ポンプ２１Ａに導かれ、再びポンプ２１Ａから吐出される。このように循環回路２０Ａ内の水を循環させることで、水素吸蔵合金１１Ａによって発生した熱を外部へ放出することができる。なお、吸着時には、加熱機構４０Ａのポンプ４２を停止する、あるいは、開閉弁４５Ａを閉弁することで、第１熱交換部２２Ａにおいて熱交換が行われない。これにより、循環回路２０Ａ内の水が加熱されることはない。

【0050】

本実施形態では、水素吸蔵合金１１Ａによって水素を吸着させる際には、水素の圧力が０．８ＭＰａ程度で一定になるように制御する。具体的には、コントローラ６０は、圧力センサ５５Ａによって検出した水素の圧力が低下してきた場合には、制御弁２５Ａを制御して、第２熱交換部２３Ａを通過した水の一部をバイパス流路２４Ａに導く。これにより、バイパス流路２４Ａに導かれた水は、冷却機構３０を通過することなく、つまり、冷却されることなく、再びポンプ２１Ａから吐出される。

【0051】

水素吸蔵合金１１Ａの冷却が強すぎる、つまり、第２熱交換部２３Ａを通過する水の温度が低すぎると、水素の温度が低下してしまい、その結果、水素の圧力が低下してしまう。そこで、第２熱交換部２３Ａを通過した水の一部をバイパス流路２４Ａに導いて冷却機構３０をバイパスさせることで、第２熱交換部２３Ａに導かれる水の温度を上昇させる。このように、水素の圧力が低下した場合には、水素吸蔵合金１１Ａの冷却を抑制することで、水素を一定の圧力に維持することができる。なお、この制御は、予め実験などによって水素の圧力と制御弁２５Ａの開度（冷却機構３０とバイパス流路２４Ａへの流量の分配量）との関係を求めておき、これらの関係をコントローラ６０に記憶させ、この記憶された関係に基づいて制御が行われる。また、圧力センサ５５Ａによって検出された圧力に基づいて、フィードバック制御を行うようにしてもよい。あるいは、循環回路２０Ａに設けられた第１温度センサ２６Ａ及び第２温度センサ２７Ａを用いて制御を行ってもよく、圧力センサ５５Ａと、第１温度センサ２６Ａ及び第２温度センサ２７Ａと、を併用して制御を行ってもよい。

【0052】

水素吸蔵合金１１Ａによる吸着は、開閉弁５３Ａを閉じることによって終了する。

【0053】

次に、水素吸蔵合金１１Ａからの水素の脱着について説明する。水素貯蔵タンク１０Ａ内の水素は、開閉弁５４Ａを開弁することによって、流路５２Ａを通じて水素利用装置Ｃに導かれる。

【0054】

コントローラ６０は、水素利用装置Ｃが始動すると、水素利用装置Ｃに水素を供給するために水素吸蔵合金１１Ａからの水素を脱着させる。具体的には、まず、コントローラ６０は、開閉弁５４Ａを開弁する。これにより、水素貯蔵タンク１０Ａから水素利用装置Ｃに水素が供給される。本実施形態では、水素吸蔵合金１１Ａから脱着された水素の圧力は、０．８ＭＰａ程度で一定になるように制御される。

【0055】

水素吸蔵合金１１Ａは、水素を脱着する際には、吸熱反応により水素吸蔵合金１１Ａの温度が低下する。水素吸蔵合金１１Ａの温度が低下すると、水素吸蔵合金１１Ａから脱着された水素の圧力が低下し脱着しなくなる。そこで、本実施形態では、加熱機構４０Ａを駆動して、循環回路２０Ａ内を循環する水を加熱機構４０Ａによって加熱することで、水素吸蔵合金１１Ａを加熱する。

【0056】

具体的には、コントローラ６０は、ポンプ４２を駆動するとともに開閉弁４５Ａを開弁する。また、コントローラ６０は、ポンプ２１Ａを駆動するとともに、循環回路２０Ａ内を循環する水の全量がバイパス流路２４Ａを通過するように制御弁２５Ａを制御する。これにより、循環回路４１Ａ内の水が循環するとともに、循環回路２０Ａ内の水が冷却機構３０をバイパスしながら循環する。

【0057】

循環回路４１Ａ内を循環する水は、第４熱交換部４４において水素利用装置Ｃとの間で熱交換を行うことで、水素利用装置Ｃの排熱によって加熱される。そして、第４熱交換部４４において加熱された水が、第３熱交換部４３Ａに到達すると、第３熱交換部４３Ａと第１熱交換部２２Ａとの間で熱交換が行われ、循環回路２０Ａ内を循環する水が加熱される。このように、本実施形態では、水素利用装置Ｃの排熱を用いて、水素吸蔵合金１１Ａを加熱する。なお、本実施形態における循環回路２０Ａ，２０Ｂと加熱機構４０Ａ，４０Ｂが、特許請求の範囲における「熱交換装置」に相当する。

【0058】

なお、循環回路２０Ａ内を循環する水の温度が高くなりすぎると、水素吸蔵合金１１Ａから脱着された水素の圧力が上昇してしまう。この場合には、コントローラ６０は、開閉弁４５Ａを制御して、第３熱交換部４３Ａを通過する水の流量を減少させる。これにより、第１熱交換部２２Ａにおいて第３熱交換部４３Ａから受け取る熱量を少なくすることができるので、循環回路２０Ａ内を循環する水の温度上昇を抑制できる。なお、この制御は、圧力センサ５５Ａによって検出された圧力に基づいて、フィードバック制御を行うことで実行される。

【0059】

循環回路２０Ａ内を循環する水の温度が高くなりすぎた場合に、開閉弁４５Ａを制御することに加えて、制御弁２５Ａを制御して、循環回路２０Ａ内を循環する水の一部が冷却機構３０を通過するようにしてもよい。冷却機構３０を通過した水は、冷却機構３０によって冷却され、バイパス流路２４Ａを通過した水と合流する。これにより、循環回路２０Ａ内を循環する水の温度を低下させることができる。また、制御弁２５Ａのみを制御するようにしてもよい。さらに、循環回路２０Ａに設けられた第１温度センサ２６Ａ及び第２温度センサ２７Ａを用いて制御を行ってもよく、圧力センサ５５Ａと、第１温度センサ２６Ａ及び第２温度センサ２７Ａと、を併用して制御を行ってもよい。

【0060】

水素エネルギーシステムＳでは、水素供給システムＯが、２つの水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂを備えている。このため、水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂの一方の水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂが脱着しているときに、一方の水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂにおいて水素を吸着させることができる。これにより、水素利用装置Ｃに安定的に水素を供給することができる。なお、水素貯蔵タンクは、３つ以上であってもよいし、水素エネルギーシステムＳにおける要求が満たされるのであれば、１つであってもよい。

【0061】

ところで、例えば、水素利用装置Ｃが長時間停止していた場合には、水素利用装置Ｃの排熱が生じないため、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂを加熱できなくなるおそれがある。そこで、ヒータなどの発熱装置を設けて、水素利用装置Ｃの始動時に発熱装置によって生じた熱を用いて水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂを加熱し、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂから水素を脱着させることが考えられる。

【0062】

しかしながら、ヒータなどの発熱装置を設けても、停電などによってヒータを作動させる電源が確保できない状態になってしまった場合には、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂを加熱できず、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂから水素を脱着できないおそれがある。この結果、水素利用装置Ｃに水素を供給することができず、水素利用装置Ｃを始動できないおそれがある。

【0063】

そこで、本実施形態の水素供給システムＯでは、電力を用いずに水素利用装置Ｃに水素を供給できるように水素タンク７０を設けている。以下に、水素タンク７０の具体的な作用について説明する。

【0064】

水素利用装置Ｃを始動させる場合には、開閉弁７６を開弁する。これにより、水素タンク７０に貯留されている水素が、流路７３及び流路５２を通って水素利用装置Ｃに供給される。なお、開閉弁７６は、コントローラ６０からの指示によって開閉される電動のバルブである。開閉弁７６は、使用する電力量が小さいため、停電時であってもバッテリなどの非常用電源からの電力供給を受けて作動することができるが、ヒータは、使用する電力量が大きいため、バッテリなどでは作動することができない。

【0065】

このように、水素供給システムＯでは、水素タンク７０が設けられているので、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂを加熱できない状況、具体的には、外部から電力供給を受けられない状況であっても、水素利用装置Ｃを始動することができる。水素利用装置Ｃが始動すれば、発電することが可能になるとともに、水素利用装置Ｃの排熱を利用することが可能になる。これにより、通常の制御を実行することができる。

【0066】

なお、図１に示すように、水素供給システムＯでは、流路５２に逆止弁７７が設けられているので、水素タンク７０から水素利用装置Ｃに水素を供給するために開閉弁７６を開弁したときに、水素タンク７０から排出された水素が、水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂや流路７２に流れ込むことはない。

【0067】

次に、水素タンク７０への水素の充填方法について説明する。

【0068】

水素タンク７０には、水素発生装置Ｐによって発生した水素、あるいは、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂから脱着された水素が充填される。

【0069】

水素発生装置Ｐによって発生した水素を水素タンク７０に充填するか否かの判断は、コントローラ６０が行う。コントローラ６０は、水素タンク７０内の圧力と流路７１における開閉弁７４より上流側の圧力とに基づいて、水素発生装置Ｐによって発生した水素を水素タンク７０へ充填する必要があるか否かの判断を行い、充填する必要があると判断した場合には、開閉弁７４を開弁する。これにより、水素発生装置Ｐによって発生した水素が、流路７１及び開閉弁７４を通じて水素タンク７０内に導かれ、水素タンク７０に貯留される。

【0070】

なお、図１に示す実施形態では、流路７１に開閉弁７４を設けているが、開閉弁７４に換えて、水素発生装置Ｐから水素タンク７０への流れのみを許容する逆止弁を設けてもよい。この場合には、流路７１における逆止弁より上流側の圧力が、水素タンク７０内の圧力より大きい場合に、水素が水素タンク７０に自動的に充填される。

【0071】

水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂから脱着された水素を水素タンク７０に充填する場合には、圧縮機８０を駆動する。水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂから脱着された水素を水素タンク７０に充填するか否かの判断は、コントローラ６０が行う。コントローラ６０は、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂから水素が脱着されているときに、水素タンク７０内の圧力と流路５２内の圧力とに基づいて、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂから脱着された水素を水素タンク７０へ充填するか否かの判断を行い、充填すると判断した場合には、圧縮機８０を駆動する。

【0072】

圧縮機８０を使用することにより、流路５２内の圧力が水素タンク７０内の圧力より低い場合でも、水素タンク７０内により多くの水素を充填することができる。なお、例えば、流路５２内の水素をそのまま水素タンク７０に充填することで、水素利用装置Ｃの始動時に必要な水素量を確保できるのであれば、圧縮機８０を設けなくてもよい。

【0073】

具体的に説明すると、図２から明らかなように、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂの水素吸蔵量が同じでも、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂの温度が異なると水素の圧力が異なる。また、同じ温度でも水素吸蔵量が大きく変化する領域があることが分かる。

【0074】

本実施形態の水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂは、温度が６０℃近傍の時、水素の吸着及び脱着時の水素の圧力は０．８ＭＰａ（Ａ）以上である。一方、本実施形態の水素利用装置Ｃに供給する水素の圧力は０．１５ＭＰａ（Ｇ）程度である。このため、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂの温度が６０℃近傍で作動させる場合には、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂから水素タンク７０への水素の充填時に圧縮機８０によって昇圧しなくてもよい。つまり、このような高圧の水素が脱着される場合には、圧縮機８０を設けなくてもよい。

【0075】

これに対し、水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂが２０℃近傍で作動させる場合には、水素の吸着及び脱着時の水素の圧力は０．２ＭＰａ程度になる。このため、水素利用装置Ｃの始動時に十分な水素を供給することを考えると、水素タンク７０に貯蔵する水素を圧縮機８０で圧縮する（昇圧する）ことが望ましい。

【0076】

なお、圧縮機８０を設けない場合には、流路５２における逆止弁７７より上流側の圧力、すなわち、水素貯蔵タンク１０Ａ，１０Ｂから流路５２に供給された水素の圧力が、水素タンク７０内の圧力より大きい場合に、流路５２から逆止弁７７を通じて水素が水素タンク７０内に自動的に供給される。

【0077】

以上のように構成された水素供給システムＯによれば、次の作用効果を奏する。

【0078】

本実施形態の水素供給システムＯによれば、外部から電力供給を受けずとも、水素利用装置Ｃに確実に水素を供給するができる。これにより、水素利用装置Ｃを確実に始動させることができる。

【0079】

また、水素供給システムＯでは、水素タンク７０内の水素を消費してしまっても、流路５１あるいは流路５２を流れる水素を水素タンク７０に充填することができる。これにより、水素を充填する作業や水素タンク７０を交換する作業が不要となる。また、水素タンク７０内に水素を充填するために、特別な装置を必要としないので、コストの上昇を抑制できる。

【0080】

さらに、水素供給システムＯでは、圧縮機８０を用いて水素を圧縮して水素タンク７０に充填するようにしている。これにより、より多くの水素を水素タンク７０に貯留させることができるので、水素利用装置Ｃの始動時により多くの水素を供給できる。よって、水素利用装置Ｃをより確実に始動させることができる。

【0081】

また、水素供給システムＯでは、水素利用装置Ｃの稼働に伴う排熱で水素吸蔵合金１１Ａ，１１Ｂを加熱しているので、エネルギー効率を向上させることができる。

【0082】

なお、上述のように、水素供給システムＯを備えることにより、外部から電力供給を受けずに、水素利用装置Ｃを始動させて発電することができる。このため、水素エネルギーシステムＳを、非常用発電設備、より具体的には、例えば、電力系統の停電を回避するための非常用発電設備として利用することができる。

【0083】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0084】

上記実施形態では、開閉弁７６の動作をコントローラ６０で制御するようにしているが、開閉弁７６を手動で操作するようにしてもよい。また、開閉弁７６に換えて、減圧弁（供給弁）を設けるようにしてよい。

【0085】

上記実施形態では流路５１の水素を水素タンク７０に充填できるように構成しているが、不要であれば、流路７１及び開閉弁７４は設けなくてもよい。

【0086】

上記実施形態では、加熱機構４０Ａ，４０Ｂとして、水素利用装置Ｃからの排熱を用いて循環回路４１Ａ，４１Ｂを流れる水を加熱する構成を例に説明したが、これに限らず、加熱機構４０Ａ，４０Ｂは、循環回路２０Ａ，２０Ｂ内を循環する水を直接加熱するヒータであってもよい。また、循環回路２０Ａ，２０Ｂ内を循環する水を加温冷却できるチラーなどを備えている場合には、加熱機構４０Ａ，４０Ｂを設けなくてもよい。なお、省エネルギーの観点からは、上記実施形態のように水素利用装置Ｃで発生した排熱を利用した加熱機構４０Ａ，４０Ｂを採用することが望ましい。

【0087】

上記実施形態では、循環回路２０Ａ，２０Ｂを流れる流体として水を例に説明したが、これに限らない。冷却機構３０としてラジエータ、チラーなどを用いる場合には、循環回路２０Ａ，２０Ｂを外部と遮断することができるので、水以外の流体を用いることができる。

【0088】

さらに、上記実施形態では、吸着時に吐出流量が一定になるようにしてポンプ２１Ａを駆動する場合を例に説明したが、これに限らず、水素の圧力や温度の変化に応じて、ポンプ２１Ａの吐出流量を変化させるようにしてもよい。

【0089】

上記実施形態では、圧力が一定になるように制御を行っている場合を例に説明したが、圧力が所定の範囲内になるように制御を行ってもよい。また、冷却温度を低くできる場合には、吸着時の圧力を０．８ＭＰａよりも低く設定してもよい。

【0090】

図１などに示す実施例では、便宜上、第１熱交換部２２Ａと第３熱交換部４３Ａとによって構成される熱交換器を並流式、第１熱交換部２２Ｂと第３熱交換部４３Ｂとによって構成される熱交換器を向流式として記載しているが、これらは、並流式及び向流式のいずれも採用可能である。

【0091】

なお、上記実施形態では、水素発生装置Ｐとして、水を電気分解することで水素を発生させる電解装置を例に説明したが、水素発生装置Ｐは、電解装置のような固定式のものに限らず、例えば、水素トレーラーのような移動式のものであってもよい。

【符号の説明】

【0092】

Ｓ・・・水素エネルギーシステム
Ｐ・・・水素発生装置
Ｏ・・・水素供給システム
Ｃ・・・水素利用装置
１０Ａ，１０Ｂ・・・水素貯蔵タンク
１１Ａ，１１Ｂ・・・水素吸蔵合金
２０Ａ，２０Ｂ・・・循環回路（熱交換装置）
３０・・・冷却機構
４０Ａ，４０Ｂ・・・加熱機構（熱交換装置）
５１，５１Ａ，５１Ｂ・・・流路（第２供給流路）
５２，５２Ａ，５２Ｂ・・・流路（第１供給流路）
６０・・・コントローラ
７０・・・水素タンク（貯留容器）
７１・・・流路（第３接続流路）
７２・・・流路（第１接続流路）
７３・・・流路（第２接続流路）
７５・・・逆止弁
７６・・・開閉弁（供給弁）
８０・・・圧縮機

【図1】

【図2】