水素貯蔵容器および水素吸放出装置
【課題】水素吸放出のための貯蔵体の加熱の効率が高く、ガスの流通性を損なうことなく、構造が単純で軽量である水素貯蔵容器および水素貯蔵装置を提供する。
【解決手段】水素貯蔵体３０を流動可能に充填した水素貯蔵容器１００であって、複数の蓄熱媒体１０を充填し、水素貯蔵体及び蓄熱媒体を混合攪拌流動化する攪拌翼４１と攪拌軸４０を含む流動化部と、水素貯蔵体及び蓄熱媒体を加熱する加熱部６０と、外部と通気可能に装着された水素出入部と、を備える。
【解決手段】水素貯蔵体３０を流動可能に充填した水素貯蔵容器１００であって、複数の蓄熱媒体１０を充填し、水素貯蔵体及び蓄熱媒体を混合攪拌流動化する攪拌翼４１と攪拌軸４０を含む流動化部と、水素貯蔵体及び蓄熱媒体を加熱する加熱部６０と、外部と通気可能に装着された水素出入部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を吸蔵放出する水素貯蔵体を含む水素貯蔵容器および水素吸放出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、容器に充填された水素吸蔵合金等の水素貯蔵体を容器の外から加熱して、水素の吸蔵および放出を行なう水素貯蔵容器が知られている。水素貯蔵体とは、一定の温度以上に加熱して活性化させると、水素を吸蔵または放出させることのできる粉体である。
一方で、水素吸蔵体への熱の伝導性を向上させるため、熱媒管と熱媒管から延出するフィン部とを容器に嵌めこんだ水素貯蔵タンクが提案されている（たとえば、特許文献1）。このような貯蔵タンクでは、外筒部材、熱媒管、およびフィンにより画定される空間に水素吸蔵金属が収納され、熱媒が容器内部の熱媒管を流れ、熱媒管からフィンを介して水素吸蔵金属に熱が伝達される。
又、特許文献２には、水素再吸蔵時に水素が十分に接触できるように、水素貯蔵体周囲に熱媒配管を配した発明が開示されている。
【特許文献１】特開平6−281097号公報
【特許文献２】特開２００２−３６４９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、一般的な水素貯蔵体は粉体であり、容器の外から加熱しても熱伝導性が悪く、容器内の水素貯蔵体を均一に加熱することは困難である。特に、容器の容量が大きくなればなるほど、水素貯蔵体の均一な加熱が困難となる。
【０００４】
一方、特許文献1に例示される容器のように、水素貯蔵容器の内部に熱媒管を配管し、熱媒管内に熱溶媒を流し、その熱媒管に連結して設けた熱伝導フィンにより熱拡散を促す方式があるが、この場合には容器の構造が複雑になり、水素貯蔵体の粉体を効率充填に不向きである。また、熱媒管およびこれに連結される熱伝導フィンを設けると、そのために容器全体の重量が大きくなる。
【０００５】
また、水素貯蔵容器では、水素貯蔵体へ水素を吸蔵させ、水素貯蔵体から水素を放出させるため、ガスの流通性を確保する必要があるが、上記のように熱媒管や熱伝導フィンが設けられると、ガスの流通性が阻害される。特に、無機錯体系の水素貯蔵体は、従来の合金系の水素貯蔵体に比べて、熱伝導率が悪いために水素吸放出のための貯蔵体の加熱の効率は、更に低下している。ここに、粉体系の水素貯蔵体は、Ｌａ−Ｎｉ系、Ｔｉ−Ｃr−V系などの水素吸蔵合金、MｇH2、AｌH3などのなどの金属水素化物、ＮａＡｌＨ4などアラネート系材料、リチウム−窒素系あるいはリチウム−ボロン系材料や、グラファイトやカーボンナノチューブなどのカーボン系材料が利用でき、特に限定されない。更に、無機錯体系粉体の水素貯蔵体は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の金属アミドと前記金属水素化物との混合部及び反応物が用いられるが、その吸蔵、放出の熱履歴により、粉体が固結しやすく、効率的な熱伝達を阻害し、水素貯蔵体の本来の水素吸蔵・放出能力を十分に引き出せない欠点があった。
【０００６】
本発明は、水素吸放出のための貯蔵体の加熱の効率が高く、ガスの流通性を損なうことなく、構造が単純で軽量である水素貯蔵容器および水素貯蔵装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明に係る水素貯蔵容器は、水素貯蔵体を流動可能に充填した水素貯蔵容器であって、更に、複数の蓄熱媒体を充填し、前記水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を混合攪拌流動化する攪拌翼と攪拌軸を含む流動化部と、前記水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を加熱する加熱部と、外部と通気可能に装着された水素出入部と、を備えることを特徴とする水素貯蔵容器。
【０００８】
更に、本発明に係る水素吸放出装置は、温度制御可能な加熱部により所定温度で、前記流動化部を駆動させながら、水素を吸蔵し、更に、所定温度で、前記水素出入部から水素を放出する水素吸放出装置であり、流動部化の駆動に、前記放出水素の燃焼エネルギーや化学反応エネルギーを用いることを特徴とする。
【０００９】
本発明の本発明の蓄熱媒体は、通常、カプセル構造を有し、その表面の熱伝導が良く、内部に蓄熱可能である。蓄熱媒体を介して加熱部から水素貯蔵体への熱伝導を向上させることができる。また、容器内に充填された水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を攪拌する攪拌翼と攪拌軸を含む流動化部により、前記貯蔵体を、蓄熱媒体とともに、容器内を循環するため、水素貯蔵体全体を均一に混合することができる。本混合によって、熱伝導は、より効率的となる。水素貯蔵体は、蓄熱媒体が混合媒体の役割を担うため、水素貯蔵体全体に効率よく熱が伝わりやすい。さらに、全体が流動化しているので、固結防止も可能で、固結による水素吸蔵放出反応阻害を防止することができる。また、これにより、高い熱伝導性を維持しつつ水素ガスの通気性を良くすることができる。
【００１０】
また、熱媒管を容器内部全体に通すような内部加熱方式の構成に比べ、簡易な構成とすることができる。また、加熱方法が、熱媒管等を用いる内部加熱ではなく、外部加熱方式を採用することができ、衝撃を受けた場合にも、熱媒管が損傷し、加熱媒体がもれる不都合が生じない。
【００１１】
また、水素貯蔵容器は、外形を概略円柱、概略多角柱に形成することが好適である。これにより、複数の水素貯蔵容器を並べて集合体にして用いることができ、必要な容量に応じて水素貯蔵装置を作製することができる。また、外形が多角柱であると、水素貯蔵容器をコンパクトに並置することができる。また、ユニットとして量産することにより、製造コストを低くすることができる。
【００１２】
また、本発明の水素貯蔵装置は、外部と通気可能に装着された水素出入部を備え、その加熱部の温度制御を行なう温度制御部とを備えることが好ましい。また、水素を流通させる流路を形成する流路形成部を、容器外部に備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素貯蔵容器は、加熱部から熱を効率良く水素貯蔵体に伝達可能で、水素放出反応阻害を防止することができる。
【００１４】
また、外部加熱方式を採用することができるので、このときは、熱媒管を容器内部全体に通すような内部加熱方式の構成に比べ、簡易な構成とすることができる。また、加熱方法が、熱媒管等を用いた内部加熱方式でも、加熱部を容器内の一部に限定して設けることができ、この部分を堅固にすれば、なんらかの衝撃を受けたときも、加熱媒体がもれる不都合が生じない。
【００１５】
また、水素貯蔵容器は、外形を概略円柱、概略多角柱に形成されていることが好適である。これにより、複数の水素貯蔵容器を並べて集合体にして用いることができ、必要な容量に応じて水素貯蔵装置を作製することができる。また、外形を概略多角柱とすると、密に充填することができる。また、ユニットとして量産することにより、製造コストを低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１７】
図1は、水素貯蔵容器1００の断面図である。水素貯蔵容器1００は、蓄熱媒体１０を充填容器２０内に流動可能に水素貯蔵体３０とともに充填し、両者を攪拌する攪拌翼４１と攪拌軸４２を含む流動化部４０を備える横型置きタイプである。攪拌軸４２と充填容器４０の接する部分は、水素吸蔵圧力や放出圧力でもガス漏れの生じないメカニカルシール機構、ウィルソンシール機構や軸シール機構などを有するものが好ましい。更に、外部と通気可能に装着された水素出入部５０と、前記水素貯蔵体３０を加熱する加熱部６０を備え、その加熱部の温度制御を行なう温度制御部（図示せず）とを備えることが好ましい。また、水素を流通させる流通管５１を、フィルター部５０からの水素を流通するように充填容器２０と連結し水素出入部としている。蓄熱媒体１０及び水素貯蔵体３０の充填口は、容器蓋２１、容器側面に設ける。または、特別に充填口を設けず、容器蓋２１の一部をはずした状態で、これらを充填容器に充填しても良い。水素出入部は複数個を設けて、出部と入部に機能を分けて、水素の流路を整えることができる。加熱部60として、充填容器の外部に電熱式のヒータが設けられている。
【００１８】
蓄熱媒体１０は、蓄熱材を封入するカプセル構造のもの、或いは、金属製球体であることが好ましい。
（１）形状等
図３にその外形を示す。図３（a）は、コア−シェルカプセル型の蓄熱媒体を示す。外殻（シェル）に蓄熱材が封入されている。図４にその製造工程を模式的に示す。これは、半球状や上部が開いた球状のシェル図４（ａ）に、コアとなる蓄熱材を充填して（図４（ｂ）に示す。）開口部を封入して（図４（ｃ），図４（ｄ））作製する。この場合、蓄熱材を融点以上の温度で加熱して融液状として充填しても良いし、粉末状、塊状とした物を充填しても良い。この時、コア部の相変化に伴う体積膨張がある場合はこれを吸収できるように、シェルの上部には空間を設けておくことが好ましい。次に、蓄熱材の充填後、シェル部の開いた部分をロウ材や半田などを使用して塞ぐ。カプセルの上部を蓋で閉める場合には、シェルの蓋部と本体部とをロウ材などで接合する。
【００１９】
図３(b)は、薬剤カプセル型の蓄熱媒体を示す。その製造工程の概略を、図５に図示する。工程順を矢印であらわす。シェル形成にパイプを使用し、蓄熱材料をあらかじめ充填する。パイプの切断部分の圧縮、絞り、両側からの引っ張りなどによって、蓄熱材料を封入する。パイプの該当部位の径をあらかじめ細くしておき、コアとなる蓄熱材料を充填しても良い。次に、径を細くした部分を切断し、孔をロウ材や半田などで封止する。
【００２０】
なお、コアおよびシェルの厚さは、適時変えても良い。図３（a）のコアーシェルカプセル型では、例えば、直径５〜５０ｍｍの球形で厚さ１〜１０ｍｍ程度のものが好適に用いられる。図３(b)は、薬剤カプセル型では、直径５〜５０ｍｍの円形底面で長さ２０〜５０ｍｍの概略円柱状のものが好適に用いられる。図３（C）の球状型では、アルミニウムやその合金、銅などの金属球が用いられる。
【００２１】
(2)材質等
水素貯蔵体の加熱温度が100℃以下であるか、100℃以上であるかにより、シェルの材質を適時使い分ける。加熱温度が、100℃以下の場合は、合成樹脂製のシェルを用いることが可能である（冷暖房用など）。しかし、例えば、Li-Mg-N-H系水素貯蔵体(150〜200℃加熱)を用いた場合は、100℃以上を必要とするので、合成樹脂は、耐熱性に問題がある。アルミニウム、Al合金、銅などの金属製シェルが耐熱性、熱伝導率の点で好ましい。また、コアに充填する充填材は、低融点合金（融点160〜210℃程度）を用いることが好ましい。例えば、150℃で使用する場合は、Sn-Pb42-Cd18合金（融点160℃)、200℃で使用する場合は、Sn-Ag3.5-Bi0.5-In8合金（融点204℃）を用いることができる。シェル封止に用いる接合材は、アルミニウム・ロウ、アルミニウム用半田、銅ロウなどが好適に用いられる。
【００２２】
（3）熱伝導率
Li-Mg-N-H系水素貯蔵材料は、熱伝導率が0.2W/mK（水素1MPa中：0.5W/mK）であり、金属アルミニウム：236W/mK、金属銅：390W/mKであり、水素貯蔵材料の熱伝導率はシェルの金属に比べて非常に小さいため、熱交換器からの熱エネルギーを効率良く伝達できない。しかしながら、水素貯蔵体より熱伝導率の良い蓄熱媒体を用いれば、加熱部からの熱エネルギーを熱伝導の良い材料のシェルで一旦吸熱し、コア部の相転移物質(ここでは固体・液体の相転移、水素吸放出温度より高い相転移温度が良い)へ蓄熱させ、流動させながらこの熱を水素貯蔵材料に伝達させることで、水素貯蔵材料全体に効率的に熱エネルギーを伝達させることができる。相転移物質は、例えば、低融点合金（例えば、Sn-Pb42-Cd18合金）である。潜熱が大きいパラフィン系（例えば、炭素数14〜16のもの）などの炭化水素類や無機水和塩（例えば、CaCl2・6H2OやNH4Al(SO4)2・12H2O）などを好適に用いることができる。
【００２３】
充填容器は、外部から加熱する場合は熱伝導の良い金属製の容器が良く使用圧力および温度により、アルミニウム製やＳＵＳ製の容器を適時選択可能である。容器の材料および形状は、水素貯蔵体３０に水素を吸蔵させる際の圧力に耐える材料および形状であれば、特に限定はされない。水素放出の際に急激な放出による圧力上昇を伴う場合であっても、容器の強度としては十分であり、安全を確保できる。また、充填容器４１は、加熱されることから、使用温度における温度上昇、降下の繰返しにも、変形や変質の少ないものが使用される。金属であれば限定されず、2種以上の合金であってもよい。特に外部加熱方式であるときは、熱伝導の面から検討すると、銅の熱伝導率は403W／mK、アルミニウムの熱伝導率は236W／mKであり、銅およびアルミニウムは、熱伝導率が高い。また、アルミニウムの密度は2．70×10-3kg／m3、マグネシウムの密度は1．74×10-3kg／m3で、アルミニウムおよびマグネシウムは密度が小さい。これらの優れた特性から、特に、銅、アルミニウム、またはマグネシウムを主成分とする金属であっても良い。さらには、銅の密度が8．96×10-3kg／m3と高く、一方、マグネシウムの熱伝導率は157W／mKと低いことから、熱伝導性および密度のバランスを考慮すると、アルミニウムを主成分とする金属であることも好ましい。
【００２４】
図１に示すとおり、充填容器の形状は、その底面の中心を攪拌軸４２が通る円形である円柱形状としている。攪拌翼は、ヘリカル翼、パドル翼、マリンプロペラ翼、タービン翼、アンカー翼等を用いることができる。ヘリカル翼、パドル翼、マリンプロペラ翼は、被攪拌物を一定方向に流動化する機能があり、蓄熱媒体と水素貯蔵体を広範囲に混合し、接触を密にする効果がある。タービン翼、アンカー翼は、被攪拌物を流動化する効果は少ないが、充填容器中に、いわゆる「邪魔板」を備えて混合を促進することができる。いわゆる「連れ回り」を防止するためである。ヘリカル翼、パドル翼、マリンプロペラ翼でも、流路を一部遮断して、乱流をつくることにより、混合を促進できる。なお、水素貯蔵媒体、蓄熱媒体は、混合して、またはそれぞれ単独に、攪拌軸を回転しながら、充填容器内に充填するとスムースに充填できる。
【００２５】
水素出入部は、充填容器の底面又は側面の開口部と、必要に応じて、フィルター５０及び流通管５１とを備える。１５０〜２００℃と加熱温度が高い場合には、フィルター５０には耐熱性が必要とされるので、金属性の焼結フィルターが好適に用いられる。フィルターは、容器外へ水素貯蔵体及び蓄熱媒体が排出されることを防止し、水素ガスである気体のみを通過させる。また、水素吸蔵時の固形物の充填容器中への持ち込みを防止することができる。流通管は、安全弁を取り付けることができる。
【００２６】
加熱部６０は、温度制御部（図示せず）が接続される。さらに電源（図示せず）が接続されている。加熱部６０には、このように収容器の外側から収容器の外壁を通して水素貯蔵体３０を加熱するものだけではなく、容器内にヒータに連結した熱伝導のための固定部材を設け、固定部材を加熱することにより、水素貯蔵体を加熱するものも含む。また、加熱部６０は、80℃以上の温度に加熱可能な機能を有しており、300℃まで加熱可能であることが好ましい。効率よく水素の吸蔵および放出を行なうために、使用される水素貯蔵材料の特性に応じて100℃〜300℃の温度に調整される。
【００２７】
加熱部６０で水素貯蔵体３０が加熱された場合には、水素貯蔵体３０の水素を吸蔵または放出する機能が活性化するため、速やかに水素の吸蔵・放出を行なうことができる。更に、加熱部３０は、充填容器２０に装着され、内部の温度測定のための熱電対（図示せず）、熱電対の一般的な温度コントローラを含む温度制御部を備えることができる。
【００２８】
次に、図１の水素貯蔵容器1００の動作について説明する。水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０は、流動可能に充填容器２０に充填され、容器上部には、空隙部がある。水素ガスを水素貯蔵容器1００に貯蔵する場合には、外部に設けられた加熱部６０を吸蔵の所定温度に制御し、攪拌軸４２を回転させながら攪拌翼４１で水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０を混合攪拌する。水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０は、その場で混合・攪拌される。十分に水素の吸蔵機能を発揮する温度に維持しておく。加熱部から、容器内壁に近い蓄熱部材及び水素貯蔵体に伝熱される。蓄熱部材に伝えられた熱は、これに接触または近接する水素貯蔵体に更に伝熱する。そして、攪拌・流動化により均一に且つ速やかに容器内全体の水素貯蔵体３０に伝えられることとなる。ヘリカル翼、パドル翼、マリンプロペラ翼等の攪拌翼を選定することで、図示する矢印等の方向に容器内循環をさせることも特に好ましい。蓄熱体の蓄熱作用については、既述したとおりである。次いで、流通管に連結されるコンプレッサ（図示せず）により、水素ガスを水素流通管から水素貯蔵容器１００内部へ圧送し、水素貯蔵体３０に吸蔵させる。一方、水素ガスを水素貯蔵容器１００から放出する場合には、まず加熱部６０を水素放出の所定温度に制御し、蓄熱部材１０を介して水素貯蔵体３０を加熱し、十分に水素の放出機能を発揮する温度に維持する。こうして、水素貯蔵体から水素ガスが放出され、ガス流通管５１へ水素ガスが送られる。
【００２９】
図２には、竪置タイプの水素貯蔵容器の斜視図を示す。本発明に係る水素貯蔵容器の別の実施形態となる。本タイプでは、回転軸４０をほぼ垂直に立てて、容器内上部に空隙を設けた充填をおこない、水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０を混合しながら、上方へ引き上げるような流動化をおこない、充填容器２０の壁に沿った水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０の流下をおこなうとより効率的な循環と熱交換を実現できる。
【００３０】
更に、水素貯蔵容器を水素エンジン又は燃料電池を用いた自動車等の移動体に搭載した場合には、前述の通り、温度制御可能な前記加熱部により所定温度で、前記流動化部を駆動させながら、水素を吸蔵し、更に、所定温度で、前記水素出入部から水素を放出する水素吸放出装置であり、流動部の駆動に、移動体からの駆動エネルギーを用いる。例えば図6に示すように、自動車の車輪軸からの回転力を一部取り出し、流動部の攪拌軸を駆動することができる。こうして、前記水素燃焼エネルギー又は、水素と酸素との電極での化学反応による電気エネルギーを用いることを特徴とする水素吸放出装置を実現することができる。このように、水素貯蔵容器を搭載する移動体は、燃料電池自動車に限られず水素エンジン自動車であってもよく、移動体には、自動車、バイク等の車両、船および飛行機も含まれる。
【００３１】
なお、水素貯蔵容器１００を燃料電池自動車などに搭載される水素供給装置、定置式燃料電池用のバッファータンクや水素ステーションの貯蔵容器システムにも利用することができ、今後期待される水素エネルギー社会における水素貯蔵装置全般に、応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る水素貯蔵容器の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る水素貯蔵容器の別の実施形態を示す斜視図である。
【図３】３種の蓄熱媒体の模式図。
【図４】コア−シェルカプセル型蓄熱媒体の製造方法を示す模式図である。
【図５】薬剤カプセル型蓄熱媒体の製造方法を示す模式図である。
【図６】本発明に係る水素吸放出装置の実施形態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３３】
100，110；水素貯蔵容器
120；水素吸放出装置
200；移動体
210；駆動部
220；燃料電池
10；蓄熱媒体
20；充填容器
21；容器蓋
30；水素貯蔵体
40；攪拌軸
41；攪拌翼
50；フィルター
51；水素流通管
60；加熱部
70；軸受部（メカニカルシール）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を吸蔵放出する水素貯蔵体を含む水素貯蔵容器および水素吸放出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、容器に充填された水素吸蔵合金等の水素貯蔵体を容器の外から加熱して、水素の吸蔵および放出を行なう水素貯蔵容器が知られている。水素貯蔵体とは、一定の温度以上に加熱して活性化させると、水素を吸蔵または放出させることのできる粉体である。
一方で、水素吸蔵体への熱の伝導性を向上させるため、熱媒管と熱媒管から延出するフィン部とを容器に嵌めこんだ水素貯蔵タンクが提案されている（たとえば、特許文献1）。このような貯蔵タンクでは、外筒部材、熱媒管、およびフィンにより画定される空間に水素吸蔵金属が収納され、熱媒が容器内部の熱媒管を流れ、熱媒管からフィンを介して水素吸蔵金属に熱が伝達される。
又、特許文献２には、水素再吸蔵時に水素が十分に接触できるように、水素貯蔵体周囲に熱媒配管を配した発明が開示されている。
【特許文献１】特開平6−281097号公報
【特許文献２】特開２００２−３６４９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、一般的な水素貯蔵体は粉体であり、容器の外から加熱しても熱伝導性が悪く、容器内の水素貯蔵体を均一に加熱することは困難である。特に、容器の容量が大きくなればなるほど、水素貯蔵体の均一な加熱が困難となる。
【０００４】
一方、特許文献1に例示される容器のように、水素貯蔵容器の内部に熱媒管を配管し、熱媒管内に熱溶媒を流し、その熱媒管に連結して設けた熱伝導フィンにより熱拡散を促す方式があるが、この場合には容器の構造が複雑になり、水素貯蔵体の粉体を効率充填に不向きである。また、熱媒管およびこれに連結される熱伝導フィンを設けると、そのために容器全体の重量が大きくなる。
【０００５】
また、水素貯蔵容器では、水素貯蔵体へ水素を吸蔵させ、水素貯蔵体から水素を放出させるため、ガスの流通性を確保する必要があるが、上記のように熱媒管や熱伝導フィンが設けられると、ガスの流通性が阻害される。特に、無機錯体系の水素貯蔵体は、従来の合金系の水素貯蔵体に比べて、熱伝導率が悪いために水素吸放出のための貯蔵体の加熱の効率は、更に低下している。ここに、粉体系の水素貯蔵体は、Ｌａ−Ｎｉ系、Ｔｉ−Ｃr−V系などの水素吸蔵合金、MｇH2、AｌH3などのなどの金属水素化物、ＮａＡｌＨ4などアラネート系材料、リチウム−窒素系あるいはリチウム−ボロン系材料や、グラファイトやカーボンナノチューブなどのカーボン系材料が利用でき、特に限定されない。更に、無機錯体系粉体の水素貯蔵体は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の金属アミドと前記金属水素化物との混合部及び反応物が用いられるが、その吸蔵、放出の熱履歴により、粉体が固結しやすく、効率的な熱伝達を阻害し、水素貯蔵体の本来の水素吸蔵・放出能力を十分に引き出せない欠点があった。
【０００６】
本発明は、水素吸放出のための貯蔵体の加熱の効率が高く、ガスの流通性を損なうことなく、構造が単純で軽量である水素貯蔵容器および水素貯蔵装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明に係る水素貯蔵容器は、水素貯蔵体を流動可能に充填した水素貯蔵容器であって、更に、複数の蓄熱媒体を充填し、前記水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を混合攪拌流動化する攪拌翼と攪拌軸を含む流動化部と、前記水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を加熱する加熱部と、外部と通気可能に装着された水素出入部と、を備えることを特徴とする水素貯蔵容器。
【０００８】
更に、本発明に係る水素吸放出装置は、温度制御可能な加熱部により所定温度で、前記流動化部を駆動させながら、水素を吸蔵し、更に、所定温度で、前記水素出入部から水素を放出する水素吸放出装置であり、流動部化の駆動に、前記放出水素の燃焼エネルギーや化学反応エネルギーを用いることを特徴とする。
【０００９】
本発明の本発明の蓄熱媒体は、通常、カプセル構造を有し、その表面の熱伝導が良く、内部に蓄熱可能である。蓄熱媒体を介して加熱部から水素貯蔵体への熱伝導を向上させることができる。また、容器内に充填された水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を攪拌する攪拌翼と攪拌軸を含む流動化部により、前記貯蔵体を、蓄熱媒体とともに、容器内を循環するため、水素貯蔵体全体を均一に混合することができる。本混合によって、熱伝導は、より効率的となる。水素貯蔵体は、蓄熱媒体が混合媒体の役割を担うため、水素貯蔵体全体に効率よく熱が伝わりやすい。さらに、全体が流動化しているので、固結防止も可能で、固結による水素吸蔵放出反応阻害を防止することができる。また、これにより、高い熱伝導性を維持しつつ水素ガスの通気性を良くすることができる。
【００１０】
また、熱媒管を容器内部全体に通すような内部加熱方式の構成に比べ、簡易な構成とすることができる。また、加熱方法が、熱媒管等を用いる内部加熱ではなく、外部加熱方式を採用することができ、衝撃を受けた場合にも、熱媒管が損傷し、加熱媒体がもれる不都合が生じない。
【００１１】
また、水素貯蔵容器は、外形を概略円柱、概略多角柱に形成することが好適である。これにより、複数の水素貯蔵容器を並べて集合体にして用いることができ、必要な容量に応じて水素貯蔵装置を作製することができる。また、外形が多角柱であると、水素貯蔵容器をコンパクトに並置することができる。また、ユニットとして量産することにより、製造コストを低くすることができる。
【００１２】
また、本発明の水素貯蔵装置は、外部と通気可能に装着された水素出入部を備え、その加熱部の温度制御を行なう温度制御部とを備えることが好ましい。また、水素を流通させる流路を形成する流路形成部を、容器外部に備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素貯蔵容器は、加熱部から熱を効率良く水素貯蔵体に伝達可能で、水素放出反応阻害を防止することができる。
【００１４】
また、外部加熱方式を採用することができるので、このときは、熱媒管を容器内部全体に通すような内部加熱方式の構成に比べ、簡易な構成とすることができる。また、加熱方法が、熱媒管等を用いた内部加熱方式でも、加熱部を容器内の一部に限定して設けることができ、この部分を堅固にすれば、なんらかの衝撃を受けたときも、加熱媒体がもれる不都合が生じない。
【００１５】
また、水素貯蔵容器は、外形を概略円柱、概略多角柱に形成されていることが好適である。これにより、複数の水素貯蔵容器を並べて集合体にして用いることができ、必要な容量に応じて水素貯蔵装置を作製することができる。また、外形を概略多角柱とすると、密に充填することができる。また、ユニットとして量産することにより、製造コストを低くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１７】
図1は、水素貯蔵容器1００の断面図である。水素貯蔵容器1００は、蓄熱媒体１０を充填容器２０内に流動可能に水素貯蔵体３０とともに充填し、両者を攪拌する攪拌翼４１と攪拌軸４２を含む流動化部４０を備える横型置きタイプである。攪拌軸４２と充填容器４０の接する部分は、水素吸蔵圧力や放出圧力でもガス漏れの生じないメカニカルシール機構、ウィルソンシール機構や軸シール機構などを有するものが好ましい。更に、外部と通気可能に装着された水素出入部５０と、前記水素貯蔵体３０を加熱する加熱部６０を備え、その加熱部の温度制御を行なう温度制御部（図示せず）とを備えることが好ましい。また、水素を流通させる流通管５１を、フィルター部５０からの水素を流通するように充填容器２０と連結し水素出入部としている。蓄熱媒体１０及び水素貯蔵体３０の充填口は、容器蓋２１、容器側面に設ける。または、特別に充填口を設けず、容器蓋２１の一部をはずした状態で、これらを充填容器に充填しても良い。水素出入部は複数個を設けて、出部と入部に機能を分けて、水素の流路を整えることができる。加熱部60として、充填容器の外部に電熱式のヒータが設けられている。
【００１８】
蓄熱媒体１０は、蓄熱材を封入するカプセル構造のもの、或いは、金属製球体であることが好ましい。
（１）形状等
図３にその外形を示す。図３（a）は、コア−シェルカプセル型の蓄熱媒体を示す。外殻（シェル）に蓄熱材が封入されている。図４にその製造工程を模式的に示す。これは、半球状や上部が開いた球状のシェル図４（ａ）に、コアとなる蓄熱材を充填して（図４（ｂ）に示す。）開口部を封入して（図４（ｃ），図４（ｄ））作製する。この場合、蓄熱材を融点以上の温度で加熱して融液状として充填しても良いし、粉末状、塊状とした物を充填しても良い。この時、コア部の相変化に伴う体積膨張がある場合はこれを吸収できるように、シェルの上部には空間を設けておくことが好ましい。次に、蓄熱材の充填後、シェル部の開いた部分をロウ材や半田などを使用して塞ぐ。カプセルの上部を蓋で閉める場合には、シェルの蓋部と本体部とをロウ材などで接合する。
【００１９】
図３(b)は、薬剤カプセル型の蓄熱媒体を示す。その製造工程の概略を、図５に図示する。工程順を矢印であらわす。シェル形成にパイプを使用し、蓄熱材料をあらかじめ充填する。パイプの切断部分の圧縮、絞り、両側からの引っ張りなどによって、蓄熱材料を封入する。パイプの該当部位の径をあらかじめ細くしておき、コアとなる蓄熱材料を充填しても良い。次に、径を細くした部分を切断し、孔をロウ材や半田などで封止する。
【００２０】
なお、コアおよびシェルの厚さは、適時変えても良い。図３（a）のコアーシェルカプセル型では、例えば、直径５〜５０ｍｍの球形で厚さ１〜１０ｍｍ程度のものが好適に用いられる。図３(b)は、薬剤カプセル型では、直径５〜５０ｍｍの円形底面で長さ２０〜５０ｍｍの概略円柱状のものが好適に用いられる。図３（C）の球状型では、アルミニウムやその合金、銅などの金属球が用いられる。
【００２１】
(2)材質等
水素貯蔵体の加熱温度が100℃以下であるか、100℃以上であるかにより、シェルの材質を適時使い分ける。加熱温度が、100℃以下の場合は、合成樹脂製のシェルを用いることが可能である（冷暖房用など）。しかし、例えば、Li-Mg-N-H系水素貯蔵体(150〜200℃加熱)を用いた場合は、100℃以上を必要とするので、合成樹脂は、耐熱性に問題がある。アルミニウム、Al合金、銅などの金属製シェルが耐熱性、熱伝導率の点で好ましい。また、コアに充填する充填材は、低融点合金（融点160〜210℃程度）を用いることが好ましい。例えば、150℃で使用する場合は、Sn-Pb42-Cd18合金（融点160℃)、200℃で使用する場合は、Sn-Ag3.5-Bi0.5-In8合金（融点204℃）を用いることができる。シェル封止に用いる接合材は、アルミニウム・ロウ、アルミニウム用半田、銅ロウなどが好適に用いられる。
【００２２】
（3）熱伝導率
Li-Mg-N-H系水素貯蔵材料は、熱伝導率が0.2W/mK（水素1MPa中：0.5W/mK）であり、金属アルミニウム：236W/mK、金属銅：390W/mKであり、水素貯蔵材料の熱伝導率はシェルの金属に比べて非常に小さいため、熱交換器からの熱エネルギーを効率良く伝達できない。しかしながら、水素貯蔵体より熱伝導率の良い蓄熱媒体を用いれば、加熱部からの熱エネルギーを熱伝導の良い材料のシェルで一旦吸熱し、コア部の相転移物質(ここでは固体・液体の相転移、水素吸放出温度より高い相転移温度が良い)へ蓄熱させ、流動させながらこの熱を水素貯蔵材料に伝達させることで、水素貯蔵材料全体に効率的に熱エネルギーを伝達させることができる。相転移物質は、例えば、低融点合金（例えば、Sn-Pb42-Cd18合金）である。潜熱が大きいパラフィン系（例えば、炭素数14〜16のもの）などの炭化水素類や無機水和塩（例えば、CaCl2・6H2OやNH4Al(SO4)2・12H2O）などを好適に用いることができる。
【００２３】
充填容器は、外部から加熱する場合は熱伝導の良い金属製の容器が良く使用圧力および温度により、アルミニウム製やＳＵＳ製の容器を適時選択可能である。容器の材料および形状は、水素貯蔵体３０に水素を吸蔵させる際の圧力に耐える材料および形状であれば、特に限定はされない。水素放出の際に急激な放出による圧力上昇を伴う場合であっても、容器の強度としては十分であり、安全を確保できる。また、充填容器４１は、加熱されることから、使用温度における温度上昇、降下の繰返しにも、変形や変質の少ないものが使用される。金属であれば限定されず、2種以上の合金であってもよい。特に外部加熱方式であるときは、熱伝導の面から検討すると、銅の熱伝導率は403W／mK、アルミニウムの熱伝導率は236W／mKであり、銅およびアルミニウムは、熱伝導率が高い。また、アルミニウムの密度は2．70×10-3kg／m3、マグネシウムの密度は1．74×10-3kg／m3で、アルミニウムおよびマグネシウムは密度が小さい。これらの優れた特性から、特に、銅、アルミニウム、またはマグネシウムを主成分とする金属であっても良い。さらには、銅の密度が8．96×10-3kg／m3と高く、一方、マグネシウムの熱伝導率は157W／mKと低いことから、熱伝導性および密度のバランスを考慮すると、アルミニウムを主成分とする金属であることも好ましい。
【００２４】
図１に示すとおり、充填容器の形状は、その底面の中心を攪拌軸４２が通る円形である円柱形状としている。攪拌翼は、ヘリカル翼、パドル翼、マリンプロペラ翼、タービン翼、アンカー翼等を用いることができる。ヘリカル翼、パドル翼、マリンプロペラ翼は、被攪拌物を一定方向に流動化する機能があり、蓄熱媒体と水素貯蔵体を広範囲に混合し、接触を密にする効果がある。タービン翼、アンカー翼は、被攪拌物を流動化する効果は少ないが、充填容器中に、いわゆる「邪魔板」を備えて混合を促進することができる。いわゆる「連れ回り」を防止するためである。ヘリカル翼、パドル翼、マリンプロペラ翼でも、流路を一部遮断して、乱流をつくることにより、混合を促進できる。なお、水素貯蔵媒体、蓄熱媒体は、混合して、またはそれぞれ単独に、攪拌軸を回転しながら、充填容器内に充填するとスムースに充填できる。
【００２５】
水素出入部は、充填容器の底面又は側面の開口部と、必要に応じて、フィルター５０及び流通管５１とを備える。１５０〜２００℃と加熱温度が高い場合には、フィルター５０には耐熱性が必要とされるので、金属性の焼結フィルターが好適に用いられる。フィルターは、容器外へ水素貯蔵体及び蓄熱媒体が排出されることを防止し、水素ガスである気体のみを通過させる。また、水素吸蔵時の固形物の充填容器中への持ち込みを防止することができる。流通管は、安全弁を取り付けることができる。
【００２６】
加熱部６０は、温度制御部（図示せず）が接続される。さらに電源（図示せず）が接続されている。加熱部６０には、このように収容器の外側から収容器の外壁を通して水素貯蔵体３０を加熱するものだけではなく、容器内にヒータに連結した熱伝導のための固定部材を設け、固定部材を加熱することにより、水素貯蔵体を加熱するものも含む。また、加熱部６０は、80℃以上の温度に加熱可能な機能を有しており、300℃まで加熱可能であることが好ましい。効率よく水素の吸蔵および放出を行なうために、使用される水素貯蔵材料の特性に応じて100℃〜300℃の温度に調整される。
【００２７】
加熱部６０で水素貯蔵体３０が加熱された場合には、水素貯蔵体３０の水素を吸蔵または放出する機能が活性化するため、速やかに水素の吸蔵・放出を行なうことができる。更に、加熱部３０は、充填容器２０に装着され、内部の温度測定のための熱電対（図示せず）、熱電対の一般的な温度コントローラを含む温度制御部を備えることができる。
【００２８】
次に、図１の水素貯蔵容器1００の動作について説明する。水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０は、流動可能に充填容器２０に充填され、容器上部には、空隙部がある。水素ガスを水素貯蔵容器1００に貯蔵する場合には、外部に設けられた加熱部６０を吸蔵の所定温度に制御し、攪拌軸４２を回転させながら攪拌翼４１で水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０を混合攪拌する。水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０は、その場で混合・攪拌される。十分に水素の吸蔵機能を発揮する温度に維持しておく。加熱部から、容器内壁に近い蓄熱部材及び水素貯蔵体に伝熱される。蓄熱部材に伝えられた熱は、これに接触または近接する水素貯蔵体に更に伝熱する。そして、攪拌・流動化により均一に且つ速やかに容器内全体の水素貯蔵体３０に伝えられることとなる。ヘリカル翼、パドル翼、マリンプロペラ翼等の攪拌翼を選定することで、図示する矢印等の方向に容器内循環をさせることも特に好ましい。蓄熱体の蓄熱作用については、既述したとおりである。次いで、流通管に連結されるコンプレッサ（図示せず）により、水素ガスを水素流通管から水素貯蔵容器１００内部へ圧送し、水素貯蔵体３０に吸蔵させる。一方、水素ガスを水素貯蔵容器１００から放出する場合には、まず加熱部６０を水素放出の所定温度に制御し、蓄熱部材１０を介して水素貯蔵体３０を加熱し、十分に水素の放出機能を発揮する温度に維持する。こうして、水素貯蔵体から水素ガスが放出され、ガス流通管５１へ水素ガスが送られる。
【００２９】
図２には、竪置タイプの水素貯蔵容器の斜視図を示す。本発明に係る水素貯蔵容器の別の実施形態となる。本タイプでは、回転軸４０をほぼ垂直に立てて、容器内上部に空隙を設けた充填をおこない、水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０を混合しながら、上方へ引き上げるような流動化をおこない、充填容器２０の壁に沿った水素貯蔵体３０及び蓄熱部材１０の流下をおこなうとより効率的な循環と熱交換を実現できる。
【００３０】
更に、水素貯蔵容器を水素エンジン又は燃料電池を用いた自動車等の移動体に搭載した場合には、前述の通り、温度制御可能な前記加熱部により所定温度で、前記流動化部を駆動させながら、水素を吸蔵し、更に、所定温度で、前記水素出入部から水素を放出する水素吸放出装置であり、流動部の駆動に、移動体からの駆動エネルギーを用いる。例えば図6に示すように、自動車の車輪軸からの回転力を一部取り出し、流動部の攪拌軸を駆動することができる。こうして、前記水素燃焼エネルギー又は、水素と酸素との電極での化学反応による電気エネルギーを用いることを特徴とする水素吸放出装置を実現することができる。このように、水素貯蔵容器を搭載する移動体は、燃料電池自動車に限られず水素エンジン自動車であってもよく、移動体には、自動車、バイク等の車両、船および飛行機も含まれる。
【００３１】
なお、水素貯蔵容器１００を燃料電池自動車などに搭載される水素供給装置、定置式燃料電池用のバッファータンクや水素ステーションの貯蔵容器システムにも利用することができ、今後期待される水素エネルギー社会における水素貯蔵装置全般に、応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る水素貯蔵容器の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る水素貯蔵容器の別の実施形態を示す斜視図である。
【図３】３種の蓄熱媒体の模式図。
【図４】コア−シェルカプセル型蓄熱媒体の製造方法を示す模式図である。
【図５】薬剤カプセル型蓄熱媒体の製造方法を示す模式図である。
【図６】本発明に係る水素吸放出装置の実施形態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３３】
100，110；水素貯蔵容器
120；水素吸放出装置
200；移動体
210；駆動部
220；燃料電池
10；蓄熱媒体
20；充填容器
21；容器蓋
30；水素貯蔵体
40；攪拌軸
41；攪拌翼
50；フィルター
51；水素流通管
60；加熱部
70；軸受部（メカニカルシール）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素貯蔵体を流動可能に充填した水素貯蔵容器であって、
更に、複数の蓄熱媒体を充填し、
前記水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を混合攪拌流動化する攪拌翼と攪拌軸を含む流動化部と、
前記水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を加熱する加熱部と、
外部と通気可能に装着された水素出入部と、
を備えることを特徴とする水素貯蔵容器。
【請求項２】
温度制御可能な前記加熱部により所定温度で、前記流動化部を駆動させながら、水素を吸蔵し、更に、所定温度で、前記水素出入部から水素を放出する水素吸放出装置であり、流動部化の駆動に、前記放出水素の燃焼エネルギーや化学反応エネルギーを用いることを特徴とする水素吸放出装置。
【請求項１】
水素貯蔵体を流動可能に充填した水素貯蔵容器であって、
更に、複数の蓄熱媒体を充填し、
前記水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を混合攪拌流動化する攪拌翼と攪拌軸を含む流動化部と、
前記水素貯蔵体及び前記蓄熱媒体を加熱する加熱部と、
外部と通気可能に装着された水素出入部と、
を備えることを特徴とする水素貯蔵容器。
【請求項２】
温度制御可能な前記加熱部により所定温度で、前記流動化部を駆動させながら、水素を吸蔵し、更に、所定温度で、前記水素出入部から水素を放出する水素吸放出装置であり、流動部化の駆動に、前記放出水素の燃焼エネルギーや化学反応エネルギーを用いることを特徴とする水素吸放出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−３１５５４６（Ｐ２００７−３１５５４６Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４７７２４（Ｐ２００６−１４７７２４）
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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