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7. タスク７ 水素供給ステーションの研究開発

7.1 研究開発目標
　第�U期研究開発における水素供給ステーションの研究開発目標は、「水素供給ステーションの要素技術およびシステム化技術を確立するため、実用規模の10分の1程度に相当する水素供給能力30Nm³/hの実証試験システムを開発し、水素自動車システムと組み合せた技術実証により、システム性能を検証する」ことである。

　平成11年度は、水素供給ステーション全体システムの検討を行うと共に、主要構成機器である、天然ガス改質型水素発生装置、固体高分子電解質水電解型水素製造方式、水素吸蔵合金貯蔵設備並びに水素ディスペンサーユニットに関し、それぞれの水素供給ステーションで設置・運用を前提として望ましい設備仕様の検討を行い、全体設計を行った。

7.2 平成11年度の研究開発成果

7.2.1 天然ガス改質型水素ステーション

7.2.1.1 全体基本仕様

(1) 基本仕様の検討

　水素供給ステーションとしての基本機器構成と仕様の検討を行い、基本計画であるMH充填系に高圧充填系を付加した全体システムの基本フローを作成した。また、予備段階ながら、水素供給ステーション配置案の検討を行い、必要設置面積の把握を行った。

(2) 冷熱供給量の検討

　開発目標である25Nm³の水素を10分間で車載MHタンクに充填する際の冷熱供給に関し検討を行い、冷媒供給温度、冷凍機能力に関し、一応の指針が得られた。また、冷却温度による電力負荷については、冷却温度が-10℃の場合、20MPaへの昇圧動力とほぼ同程度になることを確認した。

7.2.1.2 天然ガス改質型水素発生装置

(1) 改質ユニット運転条件の検討

　選定した燃料電池用改質ユニットについて、S/C（水蒸気 / 原料炭素モルの比）、改質温度、リサイクルガス比、空燃比を変化させた場合の影響評価により、最適運転条件の把握を行った。この結果、設計条件として、S/C＝2.5、改質温度＝700℃、リサイクルガス比＝0.21、空燃比＝1.3〜2.0を得た。

(2) PSAユニットの検討

<1>圧縮機型式の検討
　揺動式、レシプロ式を候補に型式の検討とレシプロ式採用時の圧力制御方式の検討を行った。型式については、それぞれに得失があり、引き続き検討を行う。

<2>PSA
　水素回収率70%以上を目指した上で、よりコンパクトな設備とするため、吸着塔数、オフガスタンク容量に関し検討を行ったが、最適化の余地があるため継続して検討する。

(3) 基本設計

　上記検討および制御方法の検討をベースに基本フローおよびバランスシートを作成した。

7.2.1.3 水素吸蔵合金貯蔵設備

(1) 最適水素吸蔵合金の選定

　AB5系合金とAB2系合金の比較およびAB5系合金への添加元素（Al、Co、Mn）の平衡水素圧力に対する効果を実施した。結果として、LaNi5合金を基本とし、添加によって水素吸蔵量の減少が少なく、少量で平衡圧調整ができるMnを添加物として選定した。また、平衡圧を上げるためCeを添加したLmNiMn系で組成を決定した。

(3) 最適容器の設計指針の把握

　最適容器の設計指針を得ることを目的として、選定合金を充填した試作容器によりその基本特性を測定した。伝熱面積を増大させた二次試作容器では、総吸蔵量の75〜85%が所定の吸蔵速度を維持できた。この結果に基づいて、設計仕様、運転条件の設定を行った。

7.2.1.4 水素ディスペンサーユニット

(1) 設備仕様の検討と主要構成機器の選定

　設備に求められる要求仕様を踏まえて設備の概要を検討し、ディスペンサーユニットの基本フローを作成した。また、冷却水供給ユニット、流量制御ユニット、継手類の選定を行い、候補機種の絞り込みを行った。配管径は、水素配管で20A（内径23.9mm）、冷却水配管で50A（内径57.2mm）と決定した。

(2) システム検討

　システムのシーケンス制御に関して概略検討を進めた他、複合型ワンタッチコネクタ、満タン検知システム、自動充填制御システムに関して検討を行った。

7.2.2 固体高分子電解質水電解型水素供給ステーション

7.2.2.1 全体システムの検討
　水電解装置、水素吸蔵合金貯蔵設備、およびディスペンサーの各仕様を検討しながら全体システムの基本仕様を決定した。共通ユーテリティ条件、警報システムなどの設 計検討を行い、集中制御システムの検討を行い全体の基本系統を決定した。

ドイツの水素供給ステーションを調査し水電解装置、ディスペンサー、安全システムなど技術の確認が出来た。また、水電解装置、燃料電池などを開発する国内研究機関を調査し水素供給ステーション設備への設計に反映させた。

　設置・実証試験場所の調査検討を行いスペース、電力供給などの条件を明確にした。これらを元に全体システムの系統・仕様をより正確なものとした。

7.2.2.2 水電解装置の開発
　水素供給ステーションの基本仕様の水素製造能力を満たす水電解型装置の基本設計を実施した。水素吸蔵合金貯蔵設備への水素供給条件に適合させるため、精製装置および圧縮装置の設計を行い、水電解型装置と組合せたパッケージ化設計を行った。

7.2.2.3 水素吸蔵合金貯蔵設備の仕様の決定及び設計
　 水電解型水素製造装置仕様との整合性を検討し、連続充填性能満たす貯蔵装置とエネルギー効率の良い冷却・加温装置の仕様を決定し装置の全体設計を行った。

7.2.2.4 ディスペンサーユニットの仕様の決定及び設計
　 水素ディスペンサー及び各種ディスペンサーの調査を行い、本開発条件を満足させるための設計の検討と構成機器の検討を実施。また車側の吸蔵合金貯蔵容器の条件を調査し急速充填の条件を決定し、冷却装置等の機器の設計条件を決定した。

　水素充填量計測機器を調査し精度の良い機器の選定検討が出来た。これらよりユニットの仕様が明確になった。

7.3 今後の進め方および課題
　本年度の検討では、基本的に水素供給ステーション構成機器としての概略仕様の検討を行った。次年度の検討では、本年度の検討で得られた成果に基づいて、個々の構成機器において詳細設計を行い、一部で製作を開始する。また、水素供給ステーション全体システムにおいても、構成機器の確定仕様に基づいた詳細設計を行う他、安全対策を含む制御システムの構築を図る予定である。

　各部における次年度の実施内容、研究開発課題は以下のとおりである。

7.3.1 全体システム

(1) 各構成機器の確定仕様に基づく水素供給ステーション全体システムの詳細設計
(2) 水素供給ステーションの運転方法と全体制御システムの構築
(3) 有効な熱利用システムを導入した設計による高エネルギー効率を図った全体システムの構築
(4) 各種安全対策・管理の検討とシステム構築

7.3.2 天然ガス改質型水素発生装置

(1) 改質ユニット及びPSAユニット（含む吸着塔数、オフガスタンクのコンパクト化）の詳細設計と装置製作
(2) 待機方法を含む制御システムの検討

7.3.3 固体高分子電解質水電解型水素発生装置

(1) スタックの詳細設計と装置試作の促進
(2) 水電解装置の高効率運転条件を事前に評価する方法の確立（供給水温度、発生水素圧力）及び発生水素の純度向上方式の最適化（除湿及び不純物除去）

7.3.4 水素吸蔵合金貯蔵設備

(1) 高速反応ユニットの構造設計、試作および評価の実施
(2) 高速反応ユニットによるサイクル耐久性試験の実施
(3) 水素貯蔵ユニットから自動車用模擬タンクヘの水素払出試験および自動車用MHタンクを想定した水素吸蔵試験

7.3.5 水素ディスペンサーユニット

(1) ディスペンサーユニットの詳細設計と製作
(2) 制御・操作システムの検討（含む満タン検知、自動充填制御）、ワンタッチコネクタの試作・評価

　

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