(57)【要約】【課題】本発明は、輸送・供給する水素の圧力を水素吸蔵合金を利用して昇圧することにより、燃料としての水素を輸送するだけでなく、同時に熱エネルギーを高い効率で輸送することのできる水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラを提供することを目的とする。【解決手段】本発明による水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラは、第１平衡圧を有する第１水素吸蔵合金が充填され、加熱手段からの熱量を回収することにより水素を放出する熱回収側手段と、第１平衡圧よりも高い第２平衡圧を有する第２水素吸蔵合金が充填され、熱回収側手段から水素を吸収して放熱し、熱利用設備を加熱する熱利用側手段と、前記熱回収手段から放出される水素により発電する燃料電池とを備え、熱回収手段による水素放出が終了すると第１冷却手段及び第２冷却手段により熱回収手段及び熱利用手段を冷却し、熱回収手段の第１水素吸蔵合金に水素を戻す構成である。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱手段及び第１冷却手段が接続されると共に第１平衡圧を有する第１水素吸蔵合金が充填され、前記加熱手段からの熱量を回収することにより水素を放出する熱回収側手段と、
熱利用設備及び第２冷却手段が接続されると共に前記第１平衡圧よりも高い第２平衡圧を有する第２水素吸蔵合金が充填され、高圧水素ライン及び低圧水素ラインを介して接続された前記熱回収側手段から輸送される水素を吸収して放熱することにより前記熱利用設備を加熱する熱利用側手段と、
前記高圧水素ラインに接続され、前記熱回収側手段から放出される水素により発電する燃料電池と
を備え、前記熱回収手段による水素放出が終了すると前記第１冷却手段及び前記第２冷却手段により前記熱回収手段及び前記熱利用手段を冷却し、前記熱回収手段の前記第１水素吸蔵合金に水素を戻すことを特徴とする水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラ。
【請求項２】
加熱手段及び第１冷却手段が接続されると共に第１平衡圧を有する第１水素吸蔵合金が充填され、前記加熱手段からの熱量を回収することにより水素を放出する熱回収側手段と、
熱利用設備及び第２冷却手段が接続されると共に前記第１平衡圧よりも高い第２平衡圧を有する第２水素吸蔵合金が充填され、高圧水素ライン及び低圧水素ラインを介して接続された前記熱回収側手段から輸送される水素を吸収した後に前記第１冷却手段により前記熱回収側手段を冷却することで水素を放出して吸熱することにより前記熱利用設備を冷却する熱利用側手段と、
前記高圧水素ラインに接続され、前記熱回収側手段から放出される水素により発電する燃料電池と
を備え、前記熱回収手段による水素放出が終了すると前記第１冷却手段により前記熱回収手段を冷却し、前記熱利用手段の水素を放出させることにより、前記熱回収手段の前記第１水素吸蔵合金に水素を戻すことを特徴とする水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラ。
【請求項３】
前記第１平衡圧は、前記熱回収手段の熱回収時において前記第１水素吸蔵合金が０．５ＭＰａＧ以上の水素を放出する平衡圧であることを特徴とする請求項１または２記載の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラ。
【請求項４】
前記高圧水素ライン内の圧力が第１許容範囲の上限以上になった場合には、前記加熱手段による前記第１水素吸蔵合金の加熱を停止することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラ。
【請求項５】
前記熱回収側手段及び前記熱利用側手段はバッチ式の処理が行えるようにぞれぞれ一対ずつ設けられており、前記高圧水素ライン内の圧力が第１許容範囲の下限以下になった場合には、前記熱回収側手段を他方に切り替えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか記載の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラ。
【請求項６】
前記低圧水素ライン内の圧力が第２許容範囲の下限以下になった場合には、系外から水素補給を行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか記載の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クリーンで高効率な分散型電源として注目される燃料電池などの燃料として必要な水素を供給するインフラに関し、特に、水素を輸送するための水素パイプラインに水素吸蔵合金を用いることにより、水素のみならず熱エネルギーの輸送を同時に行うことのできる水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水素供給方式は、既存の天然ガスインフラを利用し、オンサイトで天然ガスを改質して水素を製造し、これをインフラに供給する方式と、純水素を貯蔵し水素パイプラインにより輸送して供給する方式があった。水素を集中的に製造してパイプラインで輸送する場合は、燃料電池を含め燃焼用の燃料輸送の用途に限られていた。
【０００３】
ここで、従来の改質器によるオンサイトでの水素の製造は、下記の通りである。
即ち、天然ガス（ＣＨ４）の供給圧をゲージ圧力で０．００２ＭＰａＧに設定し、一般的に水蒸気による改質を行なう。改質の結果、まずＣＯと３Ｈ２が生成されるが、ＣＯは燃料電池の寿命に悪影響を与えるため、さらに水蒸気による改質を施し、ＣＯをＣＯ２と４Ｈ２に改質する。この結果、燃料電池にはほぼ大気圧（０．００２ＭＰａＧ以下の）のＣＯ２＋４Ｈ２混合ガスが供給されることになる。
【０００４】
また、パイプラインで輸送するための水素をオフサイトで集中的に水素を製造する方式としては、水蒸気による天然ガスを改質して水素を生成する方式、水電解により水素を生成する方式の他、高炉からの複製水素を得る方式があった。水素の圧力は外部からの空気の侵入による爆発事故を避けるために大気圧より若干高くすることが必要であった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−６４５６７号公報（第００２０段落参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の装置は以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。すなわち、燃料電池への水素供給圧力が低く、特に改質器により生成された生成ガスはＣＯ２との混合ガスであり、水素分圧が大気圧程度であった。水素圧力が低いと、燃料電池のスタック全体に水素が均一に供給されなくなり、その結果、燃料電池における発電出力が低下すると共に、スタックの寿命が低下するという課題があった。このような課題を解決するためには、一般に水素の圧力が０．０５ＭＰａＧ以上必要であり、０．１〜０．２ＭＰａＧまで上げることが望ましい。このため、改質器メーカは改質ガスを昇圧する機能を付加している。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、輸送・供給する水素の圧力を水素吸蔵合金を利用して昇圧することにより、燃料電池の発電効率を向上させ、スタックの寿命を維持することと、燃料としての水素を輸送するだけでなく、同時に熱エネルギーを高い効率で輸送することのできる水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラは、加熱手段及び第１冷却手段が接続されると共に第１平衡圧を有する第１水素吸蔵合金が充填され、前記加熱手段からの熱量を回収することにより水素を放出する熱回収側手段と、熱利用設備及び第２冷却手段が接続されると共に前記第１平衡圧よりも高い第２平衡圧を有する第２水素吸蔵合金が充填され、高圧水素ライン及び低圧水素ラインを介して接続された前記熱回収側手段から輸送される水素を吸収して放熱することにより前記熱利用設備を加熱する熱利用側手段と、前記高圧水素ラインに接続され、前記熱回収側手段から放出される水素により発電する燃料電池とを備え、前記熱回収手段による水素放出が終了すると前記第１冷却手段及び前記第２冷却手段により前記熱回収手段及び前記熱利用手段を冷却し、前記熱回収手段の前記第１水素吸蔵合金に水素を戻す。
【０００９】
本発明の他の形態に係る水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラは、加熱手段及び第１冷却手段が接続されると共に第１平衡圧を有する第１水素吸蔵合金が充填され、前記加熱手段からの熱量を回収することにより水素を放出する熱回収側手段と、熱利用設備及び第２冷却手段が接続されると共に前記第１平衡圧よりも高い第２平衡圧を有する第２水素吸蔵合金が充填され、高圧水素ライン及び低圧水素ラインを介して接続された前記熱回収側手段から輸送される水素を吸収した後に前記第１冷却手段により前記熱回収側手段を冷却することで水素を放出して吸熱することにより前記熱利用設備を冷却する熱利用側手段と、前記高圧水素ラインに接続され、前記熱回収側手段から放出される水素により発電する燃料電池とを備え、前記熱回収手段による水素放出が終了すると前記第１冷却手段により前記熱回収手段を冷却し、前記熱利用手段の水素を放出させることにより、前記熱回収手段の前記第１水素吸蔵合金に水素を戻す。
【００１０】
また、前記第１平衡圧は、前記熱回収手段の熱回収時において前記第１水素吸蔵合金が０．５ＭＰａＧ以上の水素を放出する平衡圧である。
【００１１】
また、前記高圧水素ライン内の圧力が第１許容範囲の上限以上になった場合には、前記加熱手段による前記第１水素吸蔵合金の加熱を停止する。
【００１２】
また、前記熱回収側手段及び前記熱利用側手段はバッチ式の処理が行えるようにぞれぞれ一対ずつ設けられており、前記高圧水素ライン内の圧力が第１許容範囲の下限以下になった場合には、前記熱回収側手段を他方に切り替える。
【００１３】
さらに、前記低圧水素ライン内の圧力が第２許容範囲の下限以下になった場合には、系外から水素補給を行う。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラの好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラの構成を概略的に示す図である。この図１に例示的に示す形態では、本発明の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラを焼却場の排熱を回収して水素圧で輸送し温熱に変換してロードヒーティングに利用している。
本発明の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラでは、水素吸蔵合金を利用して水素と熱を同時に輸送する。
【００１６】
図１に示すように、水素吸蔵合金を充填した熱媒と合金が熱交換可能な熱回収側手段である第１水素吸蔵合金容器１Ａ、１Ｂ（以下、第１ＭＨ（Ｍｅｔａｌ　Ｈｙｄｒｉｄｅ：水素吸蔵合金）容器１Ａ、１Ｂと称する。後述する第２ＭＨ容器４Ａ、４Ｂについても同様）を設置し、高圧水素ライン２と低圧水素ライン３の２本で構成される水素パイプラインと連結している。
【００１７】
各パイプライン２、３には、前記第１ＭＨ容器１Ａ、１Ｂに充填された第１水素吸蔵合金とは平衡圧の異なる第２水素吸蔵合金を充填した熱利用側手段である第２ＭＨ容器４Ａ、４Ｂが接続されている。これら第１ＭＨ容器１Ａ、１Ｂ及び第２ＭＨ容器４Ａ、４Ｂは、切り替えバルブ６、７、８、９を介して前記高圧水素ライン２及び低圧水素ライン３に接続されており、それぞれに充填されている第１水素吸蔵合金及び第２水素吸蔵合金からの放熱を吸収する熱媒と、第１水素吸蔵合金及び第２水素吸蔵合金を冷却するために図示しない冷却塔（第１冷却手段及び第２冷却手段）から供給される冷却水とを切り替えて通流させることができる構造である。
【００１８】
第１ＭＨ容器１Ａが加熱手段であるボイラに接続されているときは、第２ＭＨ容器４Ａが熱利用設備であるロードヒーティングに接続され、このとき、第１ＭＨ容器１Ｂ及び第２ＭＨ容器４Ｂは共にそれぞれの冷却塔に接続されている。また、第１ＭＨ容器１Ｂがボイラに接続されているときは、第２ＭＨ容器４Ｂがロードヒーティングに接続され、このとき、第１ＭＨ容器１Ａ及び第２ＭＨ容器４Ａは共にそれぞれの冷却塔に接続される。このように切り替えバルブ６、７、８、９を切り替え、第１ＭＨ容器１Ａ、１Ｂ及び第２ＭＨ容器４Ａ、４Ｂは水素の吸放出をしながら反応熱を出し入れする。
【００１９】
また、高圧水素ライン２には燃料電池を有する燃料電池発電サイト５が接続されている。ここで、燃料電池発電サイト５には、高圧水素ライン２に接続されたレギュレータを介して適当な圧力に調整された水素が供給される。このように燃料電池発電サイト５を高圧水素ライン２に接続するのは、低圧水素ライン３側に接続しても可能であるがパイプライン内の水素圧力変動が大きく圧力制御上不利となるためである。
【００２０】
第１ＭＨ容器１Ａで回収された熱エネルギーと水素燃料は、第２ＭＨ容器４Ａ及び燃料電池発電サイト５での熱電需要に従い、第１ＭＨ容器１Ａから高圧水素として放出されることにより第２ＭＨ容器４Ａ及び燃料電池発電サイト５に供給される。
第２ＭＨ容器４Ａでは熱交換により温水または冷水が生成され、燃料電池発電サイト５では発電が行われる。また、系内の水素が減じた場合は、水素供給手段から水素供給が行われる。
【００２１】
前述したように、第１水素吸蔵合金と第２水素吸蔵合金の平衡圧は異なるように設定されており、第１ＭＨ容器１Ａ、１Ｂに充填される第１水素吸蔵合金の第１平衡圧よりも第２ＭＨ容器４Ａ、４Ｂに充填される第２水素吸蔵合金の第２平衡圧の方が高くされている（図２及び図３参照）。ここで、第１水素吸蔵合金の第１平衡圧は、第１ＭＨ容器１Ａ、１Ｂの熱回収時において第１水素吸蔵合金が０．５ＭＰａＧ以上の水素を放出する平衡圧であればよく、例えば、約１６０℃に加熱された状態で約１．０ＭＰａＧ〜２．０ＭＰａＧ（好適には２．０ＭＰａＧ）の水素を放出する図２に示すような特性を有する。
【００２２】
本発明の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラにおける水素と熱の同時輸送は以下のようにして行われる。ここでは、第１ＭＨ容器１Ａがボイラに接続されているときは、第２ＭＨ容器４Ａが熱利用手段に接続され、このとき、第１ＭＨ容器１Ｂ及び第２ＭＨ容器４Ｂは共にそれぞれの冷却塔に接続されている場合（暖房使用時）について説明する。
【００２３】
▲１▼第１ＭＨ容器１Ａは外部の熱源から高温（例えば１６０℃）で加熱されることにより、高圧（例えば２．０ＭＰａＧ）の水素を高圧水素ライン２に放出する（熱回収）。
▲２▼第２ＭＨ容器４Ａは高圧水素を吸収して発熱し、熱媒に熱を伝達する（熱利用）。例えば８０℃の温水が生成される。
▲３▼第１ＭＨ容器１Ａにおける水素の放出が終了すると、切り替えバルブ６、７、８、９が切り替えられ、第１ＭＨ容器１Ａ及び第２ＭＨ容器４Ａが共に冷却塔に接続される。第１ＭＨ容器１Ａが冷却塔から供給される冷却水で冷却されることにより水素平衡圧が例えば０．１ＭＰａＧ程度まで下がり、第２ＭＨ容器４Ａから第１ＭＨ容器１Ａに水素が戻り始める。第２ＭＨ容器４Ａの第２水素吸蔵合金は水素を放出することにより放熱し、冷却水の温度（３０℃）にまで低下する。
このような熱回収側及び熱利用側での水素のやりとりは、切り替えバルブ６、７、８、９を切り替えることにより、一対ずつ配設された第１ＭＨ容器１Ａ、１Ｂ及び第２ＭＨ容器４Ａ、４Ｂの間で交互に（バッチ式に）行われる。
【００２４】
以上の説明は、図２に示すように熱利用手段を温熱利用する場合の説明であるが、第２平衡圧を図３に示すように（図２に示す平衡圧よりも）より高く設定することにより、▲２▼の行程で第２ＭＨ容器４Ａ、４Ｂの第２水素吸蔵合金を冷却水で冷却しながら水素を吸収し、▲３▼の行程での第２水素吸蔵合金の水素放出時に冷凍ブライン（不凍液）を冷却して冷房に利用することも可能である。
【００２５】
なお、この場合（冷房利用時）は、まず第１ＭＨ容器１Ａをボイラに接続すると共に、第２ＭＨ容器４Ａを冷却塔に接続し、第１ＭＨ容器１Ａから放出される水素を第２ＭＨ容器４Ａ側に輸送する。そして、第１ＭＨ容器１Ａから水素が放出しきると、切り替えバルブ６、７、８、９を切り替えて第１ＭＨ容器１Ａを冷却塔に接続すると共に、第２ＭＨ容器４Ａを熱利用設備に接続し、第２ＭＨ容器４Ａから水素を放出させて吸熱反応を生じさせ、水素を第１ＭＨ容器１Ａに輸送すると共に、熱利用設備を冷却する。
【００２６】
また、これらの水素の放出、吸収行程は上述したようにバッチ式で行われるので、上述のような熱回収サイト（第１ＭＨ容器１Ａ、１Ｂ）と熱利用サイト（第２ＭＨ容器４Ａ、４Ｂ）の組合わせを一対ずつ設けることにより、連続的な熱輸送・熱出力を得られるようにしている。
【００２７】
以上のような構成を有する本発明の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラにおいて、２つのパイプライン２、３内における水素圧力の制御と系内水素量の維持は以下のように行う。
まず、高圧水素ライン２及び低圧水素ライン３内の水素圧力に対して所定の許容範囲をそれぞれ設定する。例えば高圧水素ライン２側を第１許容範囲である２．０±０．２ＭＰａＧに設定し、低圧水素ライン３側を第２許容範囲である０．１±０．０２ＭＰａＧに設定する。
【００２８】
このような第１、第２許容範囲の設定の下、高圧水素ライン２内の圧力が前記第１許容範囲の上限を超えた場合は、熱電の需要がない状態なので第１水素吸蔵合金の加熱を停止する。また、第１許容範囲の下限を下回った場合は熱回収サイトである第１ＭＨ容器１Ａ及び１Ｂのうちの一方が水素を放出しきった状態なので、他方の第１ＭＨ容器１Ａまたは１Ｂの加熱に切り替える。
【００２９】
また、低圧水素ライン３側での運転制御としては、上記第２許容範囲の下限（例えば０．０８ＭＰａＧ）を下回った場合に系外から水素を補充する。なお、低圧水素ライン３内の圧力が第２許容範囲の上限に達しても特に制御は行わない。
【００３０】
これらの制御により２つのパイプライン２、３内の水素圧力をモニタし、各ＭＨ容器１Ａ、１Ｂ、４Ａ、４Ｂの運転サイクル（吸収、放出サイクル）、および水素供給を制御することでシステム全体を制御することができる。
例えば、図１に示す焼却場の排熱を利用した蒸気タービン発電を行いその電力で水電解水素製造を行う場合は、残排熱を第１ＭＨ容器１Ａ、１Ｂにて回収し、高圧水素を放出する。高圧水素は燃料電池発電サイト５を介して近隣の施設の電力需要を賄い、第２ＭＨ容器４Ａ、４Ｂを介して近隣施設の温冷需要、および寒冷地の場合は冬季の道路凍結防止のためのロードヒーティングの熱源に供給される。製造された水素は燃料電池で消費された水素の補充のため低圧水素ライン３に供給される。
【００３１】
以上、本発明の水素吸蔵合金を利用した多機能水素インフラによれば、パイプラインによる水素燃料の輸送と、熱輸送とを同時に行うことができる。また、水素吸蔵合金によって水素を昇圧することにより、水素の圧送と適性水素圧力での燃料電池への水素供給および、これによる燃料電池の発電効率の向上とスタックの短寿命化の防止を図ることができる。さらに、水素吸蔵合金による放熱を利用して暖房、冷房、融雪等を行うことができる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１、２記載の発明によれば、熱回収手段から熱利用手段に水素と熱を同時に輸送して暖房または冷房利用を可能にする共に、燃料電池による発電を行うことのできるインフラを提供することができる。
請求項３記載の発明によれば、従来のように水素を昇圧する手段を設ける必要がなくなり、特に、燃料電池をインフラとして備える場合には、燃料電池のスタック全体に水素を均一に供給できるので、燃料電池における発電出力を向上させることができると共に、スタックの寿命を長期化できるインフラを提供することができる。
請求項４記載の発明によれば、熱電の需要がない状態において無駄に第１水素吸蔵合金を加熱することのない高効率なインフラを提供することができる。
請求項５記載の発明によれば、熱回収側手段の一方が水素を放出しきった状態において熱回収側手段を効率的に切り替えることのできる高効率なインフラを提供することができる。
請求項６記載の発明によれば、系内の水素量を適正値に保持することができる高効率なインフラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水素吸蔵合金を利用した多機能インフラを概略的に示す構成図である。
【図２】本発明の水素吸蔵合金を利用した多機能インフラにおける第１水素吸蔵合金と第２水素吸蔵合金の平衡圧の関係（暖房利用時）を示す特性図である。
【図３】本発明の水素吸蔵合金を利用した多機能インフラにおける第１水素吸蔵合金と第２水素吸蔵合金の平衡圧の関係（冷房利用時）を示す特性図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ　第１ＭＨ容器（熱回収側手段）
２　高圧水素ライン
３　低圧水素ライン
４Ａ、４Ｂ　第２ＭＨ容器（熱利用側手段）
５　燃料電池発電サイト
６、７、８、９　切り替えバルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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