(57)【要約】【課題】水素供給システム設計の効率化を図ることが可能な水素供給システムの設計方法、及び、水素供給システムの設計装置を提供する。【解決手段】水素貯蔵材料の相が単一か否かを判断する第１工程と、水素貯蔵材料が気体の水素か否かを判断する第２工程と、水素貯蔵材料が液体水素か否かを判断する第３工程と、水素貯蔵材料からの水素放出時に加熱が必要か否かを判断する第４工程と、水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されるか否かを判断する第５工程と、水素貯蔵材料が固体か否かを判断する第６工程及び第７工程と、第４工程で否定判断された場合に水素貯蔵材料からの水素放出時に熱交換が必要か否かを判断する第８工程と、熱交換が必要と判断された場合に熱交換を室温で制御可能か否かを判断する第９工程と、第１工程で否定判断された場合に水素貯蔵材料に液体が含まれるか否かを判断する第１０工程とを有する、水素供給システムの設計方法とする。【選択図】図１
2009200019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素貯蔵タンクへの水素貯蔵、及び、前記水素貯蔵タンクからの水素放出の全過程を通じて、前記水素貯蔵タンクに収容される水素貯蔵材料の相が単一か否かを判断する、第１工程と、
前記第１工程で単一と判断された場合に、前記水素貯蔵材料が気体の水素であるか否かを判断する、第２工程と、
前記第１工程で単一と判断された場合に、前記水素貯蔵材料が液体の水素であるか否かを判断する、第３工程と、
前記第１工程で単一と判断された場合に、前記水素貯蔵材料から水素を放出させる際に燃料電池の廃熱温度以上への加熱が必要か否かを判断する、第４工程と、
前記第４工程で前記加熱が必要と判断された場合に、前記水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されるか否かを判断する、第５工程と、
前記第５工程で前記水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されないと判断された場合に、前記水素貯蔵材料が固体か否かを判断する、第６工程と、
前記第５工程で前記水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されると判断された場合に、前記水素貯蔵材料が固体か否かを判断する、第７工程と、
前記第４工程で前記加熱が不要と判断された場合に、前記水素貯蔵材料から前記水素を放出させる際に熱交換が必要か否かを判断する、第８工程と、
前記第８工程で前記熱交換が必要と判断された場合に、前記熱交換を室温未満の温度で制御可能か否かを判断する、第９工程と、
前記第１工程で単一ではないと判断された場合に、前記水素貯蔵材料に液体が含まれるか否かを判断する、第１０工程と、
を有することを特徴とする、水素供給システムの設計方法。
【請求項２】
前記燃料電池の廃熱温度が８０℃であ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の設計方法。
【請求項３】
前記室温が−３０℃であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の水素供給システムの設計方法。
【請求項４】
水素貯蔵タンクへの水素貯蔵、及び、前記水素貯蔵タンクからの水素放出の全過程を通じて、前記水素貯蔵タンクに収容される水素貯蔵材料の相が単一か否かを判断する、単一相判断手段と、
前記単一相判断手段によって単一と判断された場合に、前記水素貯蔵材料が気体の水素であるか否かを判断する、気体水素判断手段と、
前記単一相判断手段によって単一と判断された場合に、前記水素貯蔵材料が液体の水素であるか否かを判断する、液体水素判断手段と、
前記単一相判断手段によって単一と判断された場合に、前記水素貯蔵材料から水素を放出させる際に燃料電池の廃熱温度以上への加熱が必要か否かを判断する、加熱判断手段と、
前記加熱判断手段によって前記加熱が必要と判断された場合に、前記水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されるか否かを判断する、複数物質判断手段と、
前記複数物質判断手段によって前記水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されないと判断された場合に、前記水素貯蔵材料が固体か否かを判断する、第１固体判断手段と、
前記複数物質判断手段によって前記水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されると判断された場合に、前記水素貯蔵材料が固体か否かを判断する、第２固体判断手段と、
前記加熱判断手段によって前記加熱が不要と判断された場合に、前記水素貯蔵材料から前記水素を放出させる際に熱交換が必要か否かを判断する、熱交換判断手段と、
前記熱交換判断手段によって前記熱交換が必要と判断された場合に、前記熱交換を室温未満の温度で制御可能か否かを判断する、室温制御判断手段と、
前記単一相判断手段によって単一ではないと判断された場合に、前記水素貯蔵材料に液体が含まれるか否かを判断する、液体含有判断手段と、
を有することを特徴とする、水素供給システムの設計装置。
【請求項５】
前記燃料電池の廃熱温度が８０℃であることを特徴とする、請求項４に記載の水素供給システムの設計装置。
【請求項６】
前記室温が−３０℃であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の水素供給システムの設計装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を用いる機器に搭載される水素供給システムの設計方法、及び、当該設計方法を実行することが可能な水素供給システムの設計装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策技術として有望な燃料電池に関する研究が、近年盛んに行われている。燃料電池は、電解質層と一対の電極とを備える構造体で電気化学反応を起こし、電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。この燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等の分野で利用される固体高分子型燃料電池（以下「ＰＥＦＣ」という。）では、水素含有ガスと酸素含有ガスとが用いられる。それゆえ、ＰＥＦＣの実用化を図る上で、水素製造技術及び水素貯蔵技術の確立は不可欠である。
【０００３】
水素貯蔵技術としては、水素ガスを圧縮して高圧水素タンクに貯蔵する形態、液体水素を液体水素タンクに貯蔵する形態、及び、水素を吸蔵した水素吸蔵材料をタンクに貯蔵する形態等が有名であり、化学反応によって水素を発生させ得る物質（以下、「水素発生物質」という。）をタンクに貯蔵する形態についても研究が進められている。これまでに、数百種類の水素貯蔵技術が提案されてきているため、例えば、燃料電池を搭載した自動車（以下において「燃料電池車」という。）に用いる水素貯蔵技術を特定するためには、これらの水素貯蔵技術の特徴を把握した上で、燃料電池車に適用可能な技術を絞り込む過程を経ることが想定される。一方、燃料電池車等に代表される水素を用いる機器（以下において「水素機器」という。）のエネルギー利用効率を増大させるためには、水素放出時に水素貯蔵材料へと付与されるエネルギーを低減すること、及び、搭載される水素貯蔵タンクの小型化・軽量化等を図ること等、様々な条件を充足することが必要とされる。それゆえ、水素機器に搭載される最適な水素供給システムを設計するには、特定の水素機器に適用可能な水素貯蔵技術を絞り込む過程、及び、絞り込まれた水素貯蔵技術の形態を最適化する過程が必要になると考えられる。しかし、これまで、水素機器に適用可能な水素貯蔵技術を抽出する技術は、ほとんど開発されていない。水素機器に適用可能な水素貯蔵技術を抽出する技術が開発されれば、水素供給システム設計の効率化を図ることが可能になると考えられる。
【０００４】
水素を用いる自動車に搭載される機器の設計方法に関する技術として、例えば、特許文献１には、水素エンジンで加熱された熱交換媒体を熱交換媒体流通経路を介して水素吸蔵合金を有する水素吸蔵合金容器内に導入し、前記熱交換媒体と水素吸蔵合金との間で熱交換を行い、水素吸蔵合金から水素を放出させ、この水素を水素エンジンに導いて燃焼させる熱交換システムにおける各熱交換機器又は材料を、熱収支に関する所定の式を満たすように構成したことを特徴とする、水素エンジンを備えた熱交換システムにおける設計方法が開示されている。また、特許文献２には、新規水素吸蔵材料の候補となる候補材料、該候補材料の水素化物、及び水素分子の結晶構造を最適化し、各々の安定構造を決定する安定構造決定ステップと、前記候補材料の安定構造のエネルギー、前記水素化物の安定構造のエネルギー、及び前記水素分子の安定構造のエネルギーを算出するエネルギー算出ステップと、前記水素化物の安定構造のエネルギーから、前記候補材料の安定構造のエネルギーと前記水素分子の安定構造のエネルギーとの和を差し引くことにより、前記候補材料の水素化反応における水素化物生成熱を算出する水素化物生成熱算出ステップと、算出された前記水素化物生成熱の値から、前記候補材料が水素吸蔵材料となり得るかどうかを判断する判断ステップと、を含む水素吸蔵材料の設計方法に関する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１８２６２号公報
【特許文献２】特開２００５−２１８８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術では、水素放出時に発熱反応を伴う水素吸蔵合金について検討されているが、これまでに提案されている水素貯蔵材料の中には、水素放出時に吸熱反応を伴うものも存在する。それゆえ、特許文献１に開示されている技術では、特定の水素機器に適用可能な水素貯蔵技術を適切に抽出することが困難であり、水素供給システム設計の効率化を図り難いという問題があった。かかる問題は、特許文献１に開示されている技術と、特許文献２に開示されている技術とを組み合わせたとしても、解決が困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、水素供給システム設計の効率化を図ることが可能な水素供給システムの設計方法、及び、当該設計方法を実行することが可能な水素供給システムの設計装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、
第１の本発明は、水素貯蔵タンクへの水素貯蔵、及び、水素貯蔵タンクからの水素放出の全過程を通じて、水素貯蔵タンクに収容される水素貯蔵材料の相が単一か否かを判断する第１工程と、第１工程で単一と判断された場合に、水素貯蔵材料が気体の水素であるか否かを判断する第２工程と、第１工程で単一と判断された場合に、水素貯蔵材料が液体の水素であるか否かを判断する第３工程と、第１工程で単一と判断された場合に、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に燃料電池の廃熱温度以上への加熱が必要か否かを判断する第４工程と、第４工程で加熱が必要と判断された場合に、水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されるか否かを判断する第５工程と、第５工程で水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されないと判断された場合に、水素貯蔵材料が固体か否かを判断する第６工程と、第５工程で水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されると判断された場合に、水素貯蔵材料が固体か否かを判断する第７工程と、第４工程で加熱が不要と判断された場合に、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に熱交換が必要か否かを判断する第８工程と、第８工程で熱交換が必要と判断された場合に、熱交換を室温未満の温度で制御可能か否かを判断する第９工程と、第１工程で単一ではないと判断された場合に、水素貯蔵材料に液体が含まれるか否かを判断する第１０工程と、を有することを特徴とする、水素供給システムの設計方法である。
【０００９】
ここに、第１の本発明及び以下に示す本発明において、「水素貯蔵材料の相が単一」とは、例えば、水素貯蔵タンクに気体の水素のみが充填されている場合、気体の水素が水素貯蔵材料に相当し、水素貯蔵材料の相は単一になる。このほか、例えば、水素貯蔵タンクに水素貯蔵材料として水素吸蔵合金が収容され、当該水素吸蔵合金に水素が吸蔵される場合、水素の吸蔵・放出の前後に亘って、水素吸蔵合金の相は固相であるため、この場合も、水素貯蔵材料の相は単一になる。これに対し、化学反応させることにより水素を放出させることが可能な物質が水素貯蔵材料として収容される場合、例えば、固体の水素貯蔵材料と気体の水素貯蔵材料とを反応させて水素を生成させる場合には、水素貯蔵材料の相は、固相及び気相の二相になるため、単一ではないと判断される。また、例えば、水素を放出する前は液体であった水素貯蔵材料から水素を放出させると、固体へと変化する場合、水素貯蔵・放出の全過程を通じて水素貯蔵材料の相を判断すると、固相及び液相の二相になるため、この場合にも、単一ではないと判断される。
【００１０】
また、上記第１の本発明において、燃料電池の廃熱温度を８０℃とすることができる。
【００１１】
また、上記第１の本発明において、室温を−３０℃とすることができる。
【００１２】
第２の本発明は、水素貯蔵タンクへの水素貯蔵、及び、水素貯蔵タンクからの水素放出の全過程を通じて、水素貯蔵タンクに収容される水素貯蔵材料の相が単一か否かを判断する単一相判断手段と、単一相判断手段によって単一と判断された場合に、水素貯蔵材料が気体の水素であるか否かを判断する気体水素判断手段と、単一相判断手段によって単一と判断された場合に、水素貯蔵材料が液体の水素であるか否かを判断する液体水素判断手段と、単一相判断手段によって単一と判断された場合に、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に燃料電池の廃熱温度以上への加熱が必要か否かを判断する加熱判断手段と、加熱判断手段によって加熱が必要と判断された場合に、水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されるか否かを判断する複数物質判断手段と、複数物質判断手段によって水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されないと判断された場合に、水素貯蔵材料が固体か否かを判断する第１固体判断手段と、複数物質判断手段によって水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されると判断された場合に、水素貯蔵材料が固体か否かを判断する第２固体判断手段と、加熱判断手段によって加熱が不要と判断された場合に、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に熱交換が必要か否かを判断する熱交換判断手段と、熱交換判断手段によって熱交換が必要と判断された場合に、熱交換を室温未満の温度で制御可能か否かを判断する室温制御判断手段と、単一相判断手段によって単一ではないと判断された場合に、水素貯蔵材料に液体が含まれるか否かを判断する液体含有判断手段と、を有することを特徴とする、水素供給システムの設計装置である。
【００１３】
また、上記第２の本発明において、燃料電池の廃熱温度を８０℃とすることができる。
【００１４】
また、上記第２の本発明において、室温を−３０℃とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
第１の本発明によれば、第１工程乃至第１０工程によって、これまでに提案されている水素貯蔵技術のほぼ全てを、八形態へ分類することができる。それゆえ、第１の本発明によれば、水素供給システム設計の効率化を図ることが可能な水素供給システムの設計方法を提供することができる。
【００１６】
第２の本発明によれば、単一相判断手段、気体水素判断手段、液体水素判断手段、加熱判断手段、複数物質判断手段、第１固体判断手段、第２固体判断手段、熱交換判断手段、室温制御判断手段、及び、液体含有判断手段によってなされる判断により、これまでに提案されている水素貯蔵技術のほぼ全てを、八形態へ分類することができる。それゆえ、第２の本発明によれば、水素供給システム設計の効率化を図ることが可能な水素供給システムの設計装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明について具体的に説明する。なお、以下に示す形態はあくまでも例示であり、本発明は以下の形態に限定されるものではない。
【００１８】
１．水素供給システムの設計方法
図１は、本発明にかかる水素供給システムの設計方法（以下において「本発明の設計方法」という。）に備えられる工程を示すフローチャートである。図１に示すように、本発明の設計方法は、第１工程（工程Ｓ１）、第２工程（工程Ｓ２）、第３工程（工程Ｓ３）、第４工程（工程Ｓ４）、第５工程（工程Ｓ５）、第６工程（工程Ｓ６）、第７工程（工程Ｓ７）、第８工程（工程Ｓ８）、第９工程（工程Ｓ９）、及び、第１０工程（工程Ｓ１０）を備える。本発明の設計方法では、工程Ｓ１乃至工程Ｓ１０によって、水素貯蔵技術を八つのグループ（第１グループ〜第８グループ）へ分類する。
【００１９】
１．１．工程Ｓ１
工程Ｓ１は、水素貯蔵タンクへの水素貯蔵、及び、水素貯蔵タンクからの水素放出の全過程を通じて、水素貯蔵タンクに収容される水素貯蔵材料の相が単一か否かを判断する工程である。例えば、水素貯蔵タンクに気体の水素が収容（充填）される場合、「水素貯蔵タンクへの水素貯蔵」は、水素貯蔵タンクへ気体の水素を充填することを意味し、「水素貯蔵タンクからの水素放出」は、水素貯蔵タンクに充填された気体の水素を水素貯蔵タンクから放出させることを意味する。
【００２０】
例えば、水素貯蔵タンクに収容される水素貯蔵材料が水素吸蔵合金である場合、水素貯蔵タンクへの水素貯蔵、及び、水素貯蔵タンクからの水素放出の全過程を通じて、水素貯蔵材料の相は単一の固相であるため、この場合は、工程Ｓ１で肯定判断がなされ、後述する工程Ｓ２へと進む。他方、水素貯蔵タンクに複数の水素貯蔵材料が収容され、これら複数の水素貯蔵材料が、固相、液相、気相から選択される二以上の相によって構成される場合（例えば、固体の水素化リチウムと気体のアンモニアとが収容される場合には、固相及び気相の二相によって構成される）、工程Ｓ１では否定判断がなされ、後述する工程Ｓ１０へと進む。すなわち、工程Ｓ１は、水素貯蔵材料が単一相であるか複合相であるかによって、水素貯蔵技術を分類する工程に相当する。
【００２１】
１．２．工程Ｓ２
工程Ｓ２は、上記工程Ｓ１で肯定判断された水素貯蔵技術に対し、水素貯蔵材料が気体の水素（水素ガス）であるか否かを判断する工程である。水素貯蔵材料が水素ガスである場合には、工程Ｓ２で肯定判断がなされ、当該水素貯蔵技術は第３グループへと分類される。これに対し、工程Ｓ２で否定判断された場合には、後述する工程Ｓ３へと進む。
【００２２】
１．３．工程Ｓ３
工程Ｓ３は、上記工程Ｓ１で肯定判断され、かつ、上記工程Ｓ２で否定判断された水素貯蔵技術に対し、水素貯蔵材料が液体の水素（液体水素）であるか否かを判断する工程である。水素貯蔵材料が液体水素である場合には、工程Ｓ３で肯定判断がなされ、当該水素貯蔵技術は第４グループへと分類される。これに対し、工程Ｓ３で否定判断された場合には、後述する工程Ｓ４へと進む。
【００２３】
１．４．工程Ｓ４
工程Ｓ２は、上記工程Ｓ１で肯定判断され、かつ、上記工程Ｓ２及び上記工程Ｓ３で否定判断された水素貯蔵技術に対し、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に８０℃以上への加熱が必要とされるか否かを判断する工程である。本発明の設計方法を用いて、燃料電池車に適用される水素供給システムの形態を特定する場合、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に加熱が不要であれば、水素貯蔵材料から水素を放出させるために水素貯蔵材料を加熱する加熱手段を別途設ける必要がなくなる。また、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に加熱が必要であっても、加熱温度が８０℃未満であれば、燃料電池の廃熱等を用いて水素貯蔵材料を加熱することが可能になるため、この場合も水素貯蔵材料を加熱する加熱手段を別途設ける必要がなくなる。工程Ｓ４で否定判断された場合には、後述する工程Ｓ８へと進む。これに対し、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に８０℃以上へ加熱する必要がある場合には、水素貯蔵材料を加熱する加熱手段を別途設ける必要があり、当該加熱手段が搭載される燃料電池車に最適な水素供給システムの形態を特定することが必要になる。工程Ｓ４で肯定判断された場合には、後述する工程Ｓ５へと進む。
【００２４】
１．５．工程Ｓ５
工程Ｓ５は、上記工程Ｓ４で肯定判断された水素貯蔵技術に対し、水素貯蔵材料が二種以上の物質から構成されるか否かを判断する工程である。ここで、「二種以上の物質」には、触媒として作用する物質は含まれない。工程Ｓ５で肯定判断された場合には、後述する工程Ｓ７へと進む。これに対し、工程Ｓ５で否定判断された場合には、後述する工程Ｓ６へと進む。
【００２５】
１．６．工程Ｓ６
工程Ｓ６は、上記工程Ｓ５で否定判断された水素貯蔵技術に対し、水素貯蔵材料が固体か否かを判断する工程である。工程Ｓ６で肯定判断された水素貯蔵技術は、第１グループへと分類される。これに対し、工程Ｓ６で否定判断された水素貯蔵技術は、第２グループへと分類される。
【００２６】
１．７．工程Ｓ７
工程Ｓ７は、上記工程Ｓ５で肯定判断された水素貯蔵技術に対し、水素貯蔵材料が固体か否かを判断する工程である。工程Ｓ７で肯定判断された水素貯蔵技術は、第１グループへと分類される。これに対し、工程Ｓ７で否定判断された水素貯蔵技術は、第８グループへと分類される。
【００２７】
１．８．工程Ｓ８
工程Ｓ８は、上記工程Ｓ４で否定判断された水素貯蔵技術に対し、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に熱交換が必要か否かを判断する工程である。ここで、「熱交換が必要」とは、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に、水素貯蔵材料を冷却、又は、８０℃未満の温度へ加熱する必要があることを意味し、「熱交換が必要でない」とは、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に、外部から水素貯蔵材料へ熱エネルギーの放出・吸収が必要とされないことを意味する。工程Ｓ８で否定判断された水素貯蔵技術は、第３グループへと分類される。これに対し、工程Ｓ８で肯定判断された場合には、後述する工程Ｓ９へと進む。
【００２８】
１．９．工程Ｓ９
工程Ｓ９は、上記工程Ｓ８で肯定判断された水素貯蔵技術に対し、熱交換を−３０℃未満の温度で制御可能か否かを判断する工程である。ここで、「熱交換を−３０℃未満の温度で制御可能」とは、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に、例えば、−２７０℃以上−３０℃未満（以下において「低温」ということがある。）へと冷却する必要があることを意味する。これに対し、「熱交換を−３０℃未満の温度で制御不能」とは、水素貯蔵材料から水素を放出させる際に、−３０℃以上８０℃未満の温度環境にする必要があることを意味する。工程Ｓ９で肯定判断された水素貯蔵技術は、第４グループへと分類される。これに対し、工程Ｓ９で否定判断された水素貯蔵技術は、第５グループへと分類される。
【００２９】
１．１０．工程Ｓ１０
工程Ｓ１０は、上記工程Ｓ１で否定判断された水素貯蔵技術に対し、水素貯蔵材料に液体が含まれるか否かを判断する工程である。すなわち、水素貯蔵タンクに収容される複数の水素貯蔵材料の中に、液体が含まれるか否かを判断する工程である。工程Ｓ１０で否定判断された水素貯蔵技術は、第６グループへと分類される。これに対し、工程Ｓ１０で肯定判断された水素貯蔵技術は、第７グループへと分類される。
【００３０】
このように、工程Ｓ１乃至工程Ｓ１０を有する本発明の設計方法によれば、水素貯蔵技術を第１グループ〜第８グループへ分類することができる。各グループへと分類された水素貯蔵技術を、例えば燃料電池車に適用する場合、燃料電池車の水素供給システムとして機能させるための基本構成は、各グループ内で共通している。すなわち、燃料電池車の水素供給システムが採り得る基本構成は、八のグループへ大別することができ、当該八のグループと上記第１グループ〜第８グループとがそれぞれ対応している。それゆえ、本発明の設計方法によれば、水素貯蔵タンクに収容される水素貯蔵材料の形態に基づいて、当該水素貯蔵材料が用いられる水素供給システムの形態を容易に特定することができる。ここで、水素貯蔵タンクは、水素貯蔵タンクを備える水素供給システムに応じて設計され、水素供給システムの形態が特定されると、その水素供給システムに備えられる水素貯蔵タンクの形態も特定される。上述のように、本発明の設計方法によれば、水素供給システムの形態を容易に特定することができるので、本発明の設計方法によれば、水素供給システムの形態特定を通じてタンク設計の効率化を図ることも可能になる。本発明によって、水素供給システムの形態を特定したら、形態毎に定まる前提条件に基づいて、体格や重量等を最適化した水素貯蔵タンクを設計すれば良い。以下、第１グループ〜第８グループが燃料電池車に適用される場合について概説する。
【００３１】
＜第１グループ＞
第１グループは、８０℃以上に加熱して水素を放出させる固体の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンクが備えられる形態である。燃料電池車に搭載される燃料電池がＰＥＦＣである場合、ＰＥＦＣの廃熱は８０℃程度になると考えられるため、第１グループでは、水素貯蔵材料を加熱する加熱手段が必要とされる。水素放出時に水素貯蔵材料が加熱されるため、加熱される水素貯蔵材料を収容する水素貯蔵タンクは、耐熱性を有することが必要になる。すなわち、第１グループに分類された水素供給システムを設計する際には、水素貯蔵材料の加熱温度に応じた耐熱性を有する物質によって水素貯蔵タンクを構成し、収容される水素貯蔵材料の重さや加熱手段の重さ・体格等をも考慮することが必要とされる。本発明の設計方法によって第１グループに分類される水素貯蔵材料としては、ＬｉＨ、ＬｉＢＨ４、ＮａＡｌＨ４、ＡｌＨ３、あるいは、ＬｉＨ＋ＬｉＮＨ２、ＬｉＨ＋ＬｉＯＨ等を例示することができる。
【００３２】
＜第２グループ＞
第２グループは、８０℃以上に加熱して水素を放出させる液体の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンクが備えられる形態である。燃料電池車に搭載される燃料電池がＰＥＦＣである場合、ＰＥＦＣの廃熱は８０℃程度になると考えられるため、第２グループでは、上記第１グループと同様に、水素貯蔵材料を加熱する加熱手段が必要とされる。水素放出時に水素貯蔵材料が加熱されるため、加熱される水素貯蔵材料を収容する水素貯蔵タンクは、耐熱性を有することが必要になる。すなわち、第２グループに分類された水素供給システムを設計する際にも、水素貯蔵材料の加熱温度に応じた耐熱性を有する物質によって水素貯蔵タンクを構成し、収容される水素貯蔵材料の重さや加熱手段の重さ・体格等を考慮することが必要とされる。本発明の設計方法によって第２グループに分類される水素貯蔵材料としては、Ｎ−メチル−カルバゾール等を例示することができる。
【００３３】
＜第３グループ＞
第３グループは、水素放出時に８０℃以上へ加熱する必要がなく、かつ、熱交換も必要とされない単一相の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンクが備えられる形態である。水素放出時に加熱が不要である場合には、水素貯蔵材料を加熱する加熱手段が不要になる。また、水素放出時に加熱が必要であっても、加熱温度が８０℃未満であれば、ＰＥＦＣの廃熱を利用して水素貯蔵材料を加熱することが可能になるため、水素貯蔵材料を加熱するための加熱手段を別途設置する必要がなくなる。さらに、第３グループに分類される水素貯蔵材料は、水素放出時に熱交換が必要とされないので、熱交換用の加熱手段や冷却手段も必要とされない。そのため、第３グループの水素供給システムに備えられる水素貯蔵タンクの構成材料は、耐熱性に優れた材料に限定されない。一方、加熱手段が不要な第３グループの水素供給システムに備えられる水素貯蔵タンクには、気体の水素が充填されており、水素貯蔵タンクの圧力を制御することにより、水素貯蔵タンクへの水素充填、及び、水素貯蔵タンクからの水素放出が制御される。それゆえ、第３グループの水素供給システムに備えられる水素貯蔵タンクは、耐圧性を有することが必要とされる。以上より、第３グループに分類された水素供給システムを設計する際には、所定の耐圧性を有する水素貯蔵タンクが備えられる構成を前提とし、収容される水素貯蔵材料の重さ等を考慮することが必要とされる。本発明の設計方法によって第３グループに分類される水素貯蔵材料としては、気体の水素のほか、気体の水素を物理的に吸着する材料（単層カーボンナノチューブ、有機金属系構造体、活性炭等）を例示することができる。
【００３４】
＜第４グループ＞
第４グループは、水素放出時に８０℃以上へ加熱する必要がなく、水素放出時に熱交換が必要であって、かつ、当該熱交換を−３０℃未満の温度で制御可能な単一相の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンクが備えられる形態である。上記第３グループと同様に、第４グループも水素放出時に８０℃以上へ加熱する必要がないので、水素放出時に水素貯蔵材料を加熱するための加熱手段を別途設置する必要がない。一方、第４グループに分類される水素貯蔵材料は、水素放出時に熱交換が必要であり、当該熱交換が低温で制御されるため、水素放出時に水素貯蔵材料を冷却する冷却手段が必要とされる。本グループに分類される水素貯蔵材料は、水素放出時に低温に制御する必要があるため、第４グループに分類される水素供給システムには、水素貯蔵材料を冷却する冷却手段が必要とされる。さらに、水素放出時に水素貯蔵材料が低温に制御されるため、冷却される水素貯蔵材料を収容する水素貯蔵タンクは、断熱性を有することが必要になる。すなわち、第４グループに分類された水素供給システムを設計する際には、水素貯蔵材料の冷却温度に応じた断熱性を有する物質によって水素貯蔵タンクを構成し、収容される水素貯蔵材料の重さや冷却手段の重さ・体格等をも考慮することが必要とされる。本発明の設計方法によって第４グループに分類される水素貯蔵材料としては、液体水素のほか、活性炭、ゼオライト等の高比表面積吸着剤等を例示することができる。
【００３５】
＜第５グループ＞
第５グループは、水素放出時に８０℃以上へ加熱する必要がなく、水素放出時に熱交換が必要であって、かつ、当該熱交換を−３０℃以上８０℃未満の温度で制御可能な単一相の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンクが備えられる形態である。上記第３グループ及び第４グループと同様に、第５グループも水素放出時に８０℃以上へ加熱する必要がないので、水素放出時に水素貯蔵材料を加熱するための加熱手段を別途設置する必要がない。また、第５グループに分類される水素貯蔵材料は、水素放出時の熱交換が−３０℃以上８０℃未満の温度で制御されるため、熱交換手段を設ける必要がある一方、水素貯蔵材料を冷却する冷却手段を設ける必要はない。他方、加熱手段及び冷却手段が不要な第５グループの水素貯蔵タンクには、水素貯蔵材料に吸着・吸蔵させた水素に加えて、気体の水素も充填され得る。そのため、第５グループの水素貯蔵タンクは、耐圧性を有することが必要とされる。以上より、第５グループに分類された水素供給システムを設計する際には、所定の耐圧性を有する水素貯蔵タンクが備えられる構成を前提とし、収容される水素貯蔵材料の重さや熱交換手段の重さ・体格等をも考慮することが必要とされる。本発明の設計方法によって第５グループに分類される水素貯蔵材料としては、改良型有機金属系構造体や金属をドープしたカーボンナノチューブのほか、各種の水素吸蔵合金等を例示することができる。
【００３６】
＜第６グループ＞
第６グループは、固体の水素貯蔵材料及び気体の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンクが備えられる形態である。ここで、「固体の水素貯蔵材料及び気体の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンク」とは、水素貯蔵タンクに予め固体の水素貯蔵材料及び気体の水素貯蔵材料が収容されている形態に限定されるものではなく、固体の水素貯蔵材料と気体の水素貯蔵材料とが水素貯蔵タンク内で反応することにより水素が生成される形態であれば良い。第６グループに分類される水素貯蔵材料としては、金属水素化物（水素化リチウムや水素化マグネシウム等。）及び気体（固体の水素貯蔵材料と反応することにより水素を発生させることが可能な気体。例えばアンモニア等。）等を例示することができる。第６グループに分類された水素貯蔵材料が、水素化リチウム及びアンモニアである場合、他の容器に充填された気体のアンモニアを、水素貯蔵タンクに収容した水素化リチウムへ所定の圧力で供給することにより、水素生成反応を生じさせることができる。当該反応の効率を増大させるには、例えば、加熱手段を用いて、反応が生じる水素貯蔵タンクを所定の温度へ加熱することが好ましいため、第６グループの水素貯蔵タンクは、耐圧性に加えて、耐熱性を有することが好ましい。それゆえ、水素化リチウム及びアンモニア等に代表される、第６グループに分類される水素貯蔵材料を搭載した水素供給システムを設計する場合には、水素貯蔵材料の重さ、気体の水素貯蔵材料を収容する容器の重さ・体格、及び、加熱手段の重さ・体格等を考慮することが必要とされる。
【００３７】
＜第７グループ＞
第７グループは、少なくとも液体の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンクが備えられる形態である。ここで、「少なくとも液体の水素貯蔵材料」とは、液体の水素貯蔵材料に加えて、固体の水素貯蔵材料や気体の水素貯蔵材料も収容され得ることを意味する。さらに、「少なくとも液体の水素貯蔵材料を収容した」とは、水素貯蔵タンクに予め液体の水素貯蔵材料等が収容されている形態に限定されるものではなく、少なくとも液体の水素貯蔵材料が水素貯蔵タンク内で反応することにより水素が生成される形態であれば良い。第７グループには、加水分解反応により水素が生成される水素貯蔵材料のほか、水素放出により液体から固体へと変化する水素貯蔵材料等が分類される。第７グループに分類される水素貯蔵材料としては、「水及び水素化ホウ素ナトリウム」、「水及び水素化マグネシウム」、並びに「水及び水素化リチウム」のほか、デカリン等を例示することができる。第７グループに分類される水素供給システムには、例えば、液体の水素貯蔵材料を収容する容器、及び、水素生成反応を生じさせる容器が備えられ、さらに、加熱手段、熱交換手段、及び、冷却手段も備えられ得る。したがって、第７グループの水素貯蔵タンクを設計する際には、これら各手段の重さ・体格をも考慮することが必要とされる。
【００３８】
＜第８グループ＞
第８グループは、二種類の液体の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンクが備えられる形態である。ここで、「二種類の液体の水素貯蔵材料を収容した」とは、水素貯蔵タンクに予め二種類の液体の水素貯蔵材料が収容されている形態に限定されるものではなく、二種類の液体の水素貯蔵材料が水素貯蔵タンク内で反応することにより水素が生成される形態であれば良い。第８グループに分類される水素貯蔵材料としては、メタノール、エタノール系改質燃料及び水等を例示することができる。第８グループに分類される水素供給システムには、例えば、改質燃料を収容する容器、及び、水素生成反応を生じさせる容器が備えられ、さらに、加熱手段、熱交換手段、及び、冷却手段も備えられ得る。したがって、第８グループの水素貯蔵タンクを設計する際には、これら各手段の重さ・体格をも考慮することが必要とされる。
【００３９】
２．水素供給システムの設計装置
図２は、本発明にかかる水素供給システムの設計装置（以下において「本発明の設計装置」という。）の形態例を概略的に示す概念図である。図２に示すように、本発明の設計装置１０は、上記工程Ｓ１の判断を行う単一相判断手段、上記工程Ｓ２の判断を行う気体水素判断手段、上記工程Ｓ３の判断を行う液体水素判断手段、上記工程Ｓ４の判断を行う加熱判断手段、上記工程Ｓ５の判断を行う複数物質判断手段、上記工程Ｓ６の判断を行う第１固体判断手段、上記工程Ｓ７の判断を行う第２固体判断手段、上記工程Ｓ８の判断を行う熱交換判断手段、上記工程Ｓ９の判断を行う室温制御判断手段、及び、上記工程Ｓ１０の判断を行う液体含有判断手段としての機能を備えるＣＰＵ１、並びに、ＣＰＵ１に対する記憶装置等を備えている。ＣＰＵ１は、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて旺盛され、ＣＰＵ１に対する記憶装置は、例えば、上記工程Ｓ１乃至工程Ｓ１０の判断に必要なプログラムや各種データ（例えば、水素貯蔵材料の材料特性（水素吸着量・水素吸蔵量、水素放出圧、水素放出温度・水素生成温度、嵩密度、水素放出速度、熱容量等））等を記憶するＲＯＭ２と、ＣＰＵ１の作業領域として機能するＲＡＭ３等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ１が、ＲＯＭ２に記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、本発明の設計装置１０が機能する。
【００４０】
水素供給システムの設計（又は、水素供給システムの分類）を行うユーザーがデータを入力する入力手段６（例えば、パソコンのキーボード等）からの出力信号は、入力ポート４を介して、入力信号としてＣＰＵ１へと到達する。ＣＰＵ１は、入力装置６からの信号、及び、ＲＯＭ２に記憶されたプログラムに基づいて、上記工程Ｓ１乃至工程Ｓ１０の判断を行い、出力ポート５を介して、判断結果に関する信号を出力手段７（例えば、パソコン画面等）へと出力し、出力手段７に判断結果が表示される。出力手段７に表示された結果により、ユーザーは、水素供給システムの形態を特定することができ、特定された水素供給システムの形態に応じて、水素貯蔵タンクの設計をすることができる。このように、本発明の設計装置１０によれば、上記工程Ｓ１乃至工程Ｓ１０の判断を実行することができるので、本発明によれば、水素供給システム設計の効率化を図ることが可能な水素供給システムの設計方法を実行し得る、水素供給システムの設計装置１０を提供することができる。
【実施例】
【００４１】
以下に、本発明の設計方法を用いて燃料電池車に搭載される水素供給システムの形態を特定し、形態が特定された水素供給システムに備えられる水素貯蔵タンクの重さ・体格を見積もった実施例を参照しつつ、本発明をさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例では、水素貯蔵タンクの重さ・体格の暫定的な目標を、１００ｋｇ以下、１００Ｌ以下とし、３ｋｇの水素を放出可能な量に相当する水素貯蔵材料（水素吸蔵合金）が、水素貯蔵タンクに収容される形態を仮定した。
【００４２】
燃料電池車に搭載される水素貯蔵タンクは、燃料電池で使用される水素を貯蔵するタンクであり、燃料電池で使用される水素量は、燃料電池車の使用形態に応じて変動する。そのため、燃料電池車に搭載される水素供給システムを設計するには、燃料電池車のエネルギーフローを解析し、燃料電池で使用される水素量を把握した上で、水素貯蔵タンクに要求される特性（水素貯蔵量、水素放出速度等）を特定する必要がある。水素貯蔵タンクに収容される水素貯蔵材料の候補が複数存在する状況下で、水素供給システムに備えられる水素貯蔵タンクの重さ・体格を見積もる場合には、水素貯蔵材料と水素貯蔵タンクの重さ・体格との関係を特定できれば良い。そのため、水素供給システムに備えられる各機器の機能・構成は、簡素に表現しておくことが望ましい。
【００４３】
燃料電池車に搭載される水素貯蔵タンクを設計する上で、考慮すべき条件の一部を、以下に列挙する。
・水素貯蔵タンク：放出水素量、水素放出速度
・バッファタンク：充填水素量、水素放出速度
・燃料電池      ：エネルギー変換効率、補機損失
・二次電池      ：容量、最大出力、出力特性
・電力制御      ：インバータ、モータ、コンバータ
・動力変換      ：ギア、車軸、タイヤ、効率
・車            ：全重量、補機消費電力
ここで、「バッファタンク」とは、燃料電池で使用される水素を充填しておく予備タンクを意味する。このように、水素貯蔵タンクを設計するには、燃料電池車に搭載される水素貯蔵タンク以外の機器に関する条件も必要とされる。それゆえ、最適な水素貯蔵タンクを設計するには、水素貯蔵タンク以外の機器に関する条件も考慮することが必要になる。
【００４４】
水素貯蔵材料として、８０℃未満への加熱により、燃料電池で必要とされる水素を放出させることが可能な水素吸蔵合金（以下において「実施例１の水素吸蔵合金」ということがある。）を用いる場合、本発明の設計方法における第１工程では肯定判断がなされ、第２工程へと進む。次いで、水素吸蔵合金は気体の水素ではなく、液体水素でもないため、第２工程及び第３工程では否定判断がなされ、第４工程へと進む。次いで、実施例１の水素吸蔵合金は水素放出時に加熱を必要とするが、その加熱温度が８０℃未満であるため、第４工程では否定判断がなされ、第８工程へと進む。水素吸蔵合金から水素を放出させる場合には、熱交換が必要とされるため、第８工程では肯定判断がなされ、第９工程へと進む。そして、実施例１の水素吸蔵合金から水素を放出させる際には、加熱が必要とされるため、第９工程では否定判断がなされる。したがって、実施例１の水素吸蔵合金は、第５グループへと分類される。
【００４５】
上述のように、第５グループは、水素放出時に８０℃以上へ加熱する必要がなく、水素放出時に熱交換が必要であって、かつ、当該熱交換を−３０℃以上８０℃未満の温度で制御可能な単一相の水素貯蔵材料を収容した水素貯蔵タンクが備えられる形態である。そして、第５グループに分類される水素供給システムに備えられる水素貯蔵タンクは、所定の耐圧性を有する構成を前提とし、熱交換手段の重さ・体格等を考慮した上で、設計することが必要とされる。
【００４６】
第５グループに分類される水素供給システムの総重量は、例えば下記式１を用いて計算することができる。
総重量＝水素貯蔵材料の重量＋タンク重量＋配管重量＋熱交換器重量      （式１）
ここで、タンク重量とは、水素貯蔵タンクの重量を意味する。水素貯蔵材料が水素吸蔵合金である場合、式１における「水素貯蔵材料の重量」は、下記式２を用いて計算することができる。
水素吸蔵合金の重量＝吸蔵水素量÷（水素吸蔵合金のmass％÷１００）    （式２）
例えば、有効水素吸蔵量が２mass％の水素吸蔵合金に１ｋｇの水素を吸蔵させる場合には、１÷（２÷１００）＝５０ｋｇの水素吸蔵合金を、水素貯蔵タンクに収容することが必要とされる。
【００４７】
１ｋｇの圧縮水素（３０ＭＰａ）、及び、２ｋｇの水素を吸蔵した水素吸蔵合金が、水素貯蔵タンクに収容される場合における、実施例１の水素吸蔵合金の有効水素吸蔵量（mass％）と、水素貯蔵タンクの重さ及び体格との関係を見積もった。結果を図３に示す。
【００４８】
図３より、有効水素吸蔵量が３mass％以上の水素吸蔵合金を収容すれば、重さ１００ｋｇ以下、体格１００Ｌ以下の目標を達成可能であった。すなわち、本発明の設計方法によれば、水素供給システムに備えられる水素貯蔵タンクの重さ・体格の目標値を達成するために水素貯蔵材料が充足すべき条件を、明確化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の設計方法の形態例を示すフローチャートである。
【図２】本発明の設計装置の構成例を示す概念図である。
【図３】有効水素吸蔵量と水素貯蔵タンクの重さ・体格との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…ＣＰＵ（単一相判断手段、気体水素判断手段、液体水素判断手段、加熱判断手段、複数物質判断手段、第１固体判断手段、第２固体判断手段、熱交換判断手段、室温制御判断手段、液体含有判断手段）
２…ＲＯＭ
３…ＲＡＭ
４…入力ポート
５…出力ポート
６…入力手段
７…出力手段
１０…設計装置（水素貯蔵タンクの設計装置）
【図１】
2009200019.tif 000003
【図２】
2009200019.tif 000004
【図３】
2009200019.tif 000005