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成果報告書詳細
管理番号20160000000910
タイトル平成27年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) 再生可能エネルギーを用いた省エネルギー型水素昇圧システムの開発
公開日2017/11/14
報告書年度2015 - 2015
委託先名株式会社神戸工業試験場 国立大学法人広島大学 ハイドロラボ株式会社
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約本事業では、水素ステーションのコストアップ要因となっている機械的な圧縮技術の代替として,異なる解離圧を持つ水素貯蔵材料を組み合わせて、熱のみで非機械的に水素ガスを昇圧する技術を開発する。昇圧に際して機械的な駆動部分を用いず、太陽熱やその他250℃程度の排熱のマネジメントのみで水素を昇圧していくことで、過剰な強度を付与しない低コストで安全な昇圧システムの構築を目指す。水素貯蔵材料を格納した反応容器の温度・圧力を制御することで(i)水素貯蔵材料に低圧の水素を吸蔵させる(ii)水素貯蔵材料を昇温する(iii)水素貯蔵材料から高圧の水素を放出させるといった(i)~(iii)のプロセスを繰り返し、水素ガスの昇圧が可能である。2種類の水素貯蔵材料を用いて、大気圧程度から20MPa程度、20MPa程度から82MPa程度まで、二段階で水素を昇圧させるシステムを開発した。まず、文献調査を基に、本システムで要求される熱力学特性を有し、且つコスト面で優位な希土類元素を含まない合金として、Ti~Cr~Mn系、Ti~Cr~V系合金を候補材料として選定した。昇圧1段階目で使用する材料としてTi32Cr48V20を、2段階目の材料としてTi1.1CrMnを採用し、水素吸蔵・放出特性と昇温時の昇圧挙動を調査した。室温での水素吸蔵・放出特性は概ね要求性能を満たしており、それぞれの材料の昇温による昇圧の結果、約300℃で水素圧力20 MPaおよび約240℃で水素圧力82 MPaがそれぞれ得られた。Ti~Cr~V系及びTi~Cr~Mn系の水素貯蔵材料は、一般的に水素吸蔵能力を発現しにくい材料として知られているため、メカニカルミリング処理を用いた表面改質による初期活性化の技術開発を行った。ミリング処理を行っていないものについては水素吸蔵が見られなかったが、ミリング処理を行ったものは、試験開始直後から水素吸蔵が見られ、活性化の効果を確認した。量産化を視野に入れ、大容量のミリングポットを用いた場合でも、ミリング処理による活性化が確認できた。候補材料として選定したTi32Cr48V20及びTi1.1CrMnについて、それぞれ100及び10サイクル(昇温~降温)の昇圧耐久性評価を行った。その結果、いずれの合金の場合も、サイクル後に昇圧特性の明確な劣化は見られず、目標圧力までの昇圧が可能であった。一方で、水素吸蔵量の低下及び合金の特性変化に伴う室温時の圧力変化が観測された。本研究開発の反応器はtube~in~tube型を採用し、内側の容器に水素貯蔵材料を封入し、外側の容器に熱媒を流して温度を制御する構造とした。水素貯蔵材料の選定結果を踏まえた使用温度及び圧力を設定した反応容器を設計・作製した。実験室での動作確認の後、作製した昇圧システムの実証試験を公益財団法人水素エネルギー製品研究試験センターにおいて実施した。低圧反応容器及び高圧反応容器にTi~Cr~V系、Ti~Cr~Mn系合金をそれぞれ格納し、水素貯蔵材料に水素を充填した。その後、低圧反応容器を125℃まで昇温し、水素ガス圧力20 MPaまで昇圧した(昇圧第一段階)。低圧反応容器から高圧反応容器(室温)へ水素の移充填を行った後、高圧反応容器を189℃まで昇温し、水素ガス圧力80 MPaまで水素を昇圧した(昇圧第二段階)。190℃程度の熱のみで非機械的に水素を80 MPa の高圧域まで昇圧させる実証試験に成功した。
英文要約The heat-driven hydrogen (H2) gas compressor system utilizing a combination of H2 storage materials (HSM) which have different H2 desorption pressure was developed in this project .This can be an alternative technology for conventional mechanical compressor which partly causes an increase in cost for construction of H2 filling stations. Because excess material strength is required for components of the compressor using mechanical actuation during compression, H2 compression by HSM and heat, e.g., solar heat and/or waste heat of around 250 degC, would be low-cost and safe compression method. It is possible to compress H2 gas by controlling temperature and pressure of vessel containing HSM in the following process: (i) store low-pressure (LP) H2 gas in the HSM at room temperature (RT), (ii) heat the HSM, (iii) release high pressure (HP) H2 gas from HSM. 2-stage H2 compressor system consist of two different HSMs was developed, where H2 compression from atmospheric pressure to around 20 MPa in 1st stage and 20 MPa to around 82 MPa in 2nd stage.Ti32Cr48V20 and Ti1.1CrMn alloys, which have favorable thermodynamic properties based on literature and are less expensive than alloys containing rare earth elements, were selected as candidate materials for 1st and 2nd stages of H2 compression, respectively. It is confirmed that H2 absorption/desorption properties of these materials at RT mostly met the requirements. H2 pressure up to 20 MPa at around 300 degC and up to 82 MPa at around 240 degC were obtained by heating of hydrogenated materials for 1st and 2nd stages, respectively. Durability of the alloys was investigated, and as a result, compression up to the target pressures was possible after cycles in both of the alloys, while degradation of H2 storage capacity and change in absorption pressure at RT was found.It is also known that selected alloys are difficult to be hydrogenated without preliminary activation. Therefore, initial activation method by surface modification using mechanical milling was developed, and the effect was confirmed.The reaction vessel of the H2 compressor system developed in this R&D is tube-in-tube type, where inner vessel contains HSM and heat transfer fluid is circulating in outer vessel to control temperature. The reaction vessel was designed and fabricated based on the requirements of target temperatures and pressures for selected HSMs.Demonstration test of the developed system was performed in Hydrogen Energy Test and Research Center. Ti-Cr-V and Ti-Cr-Mn alloys were loaded in the LP and HP vessels, respectively, and hydrogenated at RT. Then, the LP vessel was heated up to 125 degC to obtain H2 pressure of 20 MPa. After H2 was transferred from the LP vessel at elevated temperature to the HP vessel at RT, the HP vessel was heated up to 189 degC and H2 pressure reached to 80 MPa. H2 compression up to HP region of around 80 MPa by using heat around 190 degC instead of mechanical method was successfully demonstrated.
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