説明

水素貯蔵装置

【課題】 長期間にわたって水素貯蔵が可能な水素貯蔵装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の水素貯蔵装置は、内部空間40と液体水素流入口20と水素ガス流出口30とを有する断熱容器10と、内部空間40に充填された水素吸着材50と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は水素貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年水素を燃料として用いる燃料電池やエンジン等が開発され、それと同時にこれらのエンジンや燃料電池等に供給される水素を吸蔵或いは貯蔵する方法、装置等についても開発が進められている。
【0003】
従来から存在する水素の貯蔵方法としては、例えば20MPa程度の圧力を水素に加えて高圧水素ボンベに水素を貯蔵する方法や、約20Kにまで冷却され液化された水素を液体水素ボンベに貯蔵する方法がある。さらに、細孔を有する炭素材料と該炭素材料を収容した容器とを含む水素貯蔵装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開2001−220101号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に記載の水素貯蔵装置では、水素を貯蔵する容器として例えば、ステンレス製のタンクやボンベが用いられる。しかし、ステンレス製のタンク等では液体水素を貯蔵する際に外界からの熱を十分に遮断できず長期間の水素貯蔵が困難である場合があった。
【0005】
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、長期間にわたって水素貯蔵が可能な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】
【0006】
上記目的を達成するための本発明の水素貯蔵装置は、内部空間と液体水素流入口と水素ガス流出口とを有する断熱容器と、前記内部空間に充填された水素吸着材と、を備えたものである。
【0007】
本発明の水素貯蔵装置は断熱容器を用いるため、外界から内部空間への熱の伝導を抑制することができ、水素貯蔵装置内に貯蔵された液体水素の気化を抑えることができる。さらに、内部空間には水素吸着材が充填される。内部空間に充填された水素吸着材は水素分子を吸着して保持する。水素吸着材に保持された水素は、水素貯蔵装置内に貯蔵された液体水素が全て蒸発した後でも装置内に保持されるため、本発明の水素貯蔵装置は長期間にわたる水素貯蔵が可能である。
【0008】
なお、本発明において水素吸着材とはその表面に水素分子を吸着して保持可能な物質をいい、原子状水素を捉えて吸蔵する水素吸蔵合金とは区別されるものである。
【0009】
本発明の水素貯蔵装置においては、内部空間の一部に水素吸着材が充填された態様であってもよい。内部空間の一部に水素吸着材を充填することにより、内部空間に水素吸着材が充填されていない部分を設けることができ、内部空間への液体水素の充填量を増やすことができる。
【0010】
本発明の水素貯蔵装置においては、水素吸着材は、内部空間の5〜30%を占めるように充填されていてもよい。水素吸着材の占める量が30%以下であれば液体水素の充填量を十分なものとすることができる。また、水素吸着材の占める量が5%以上であれば水素吸着材に保持される水素の量を十分なものとすることができる。水素吸着材は、内部空間の10〜25%を占めるように充填されていることがさらに好ましい。
【0011】
内部空間の一部に水素吸着材が充填される場合、内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が1:1となるように分けたときの反重力方向側(即ち、水素貯蔵装置の上部)に水素吸着材が充填されるようにしてもよい。本発明の水素貯蔵装置をこのような態様とすることにより、重力方向側(即ち、水素貯蔵装置の下部)に水素吸着材が充填されていない部分を設けることができる。水素吸着材が充填されていない部分に液体水素を充填することにより、水素吸着材に液体水素が触れることに起因する液体水素の気化を抑制し、液体水素の充填効率を向上させることができる。
【0012】
また、液体水素を充填する際に生ずる水素ガスは水素貯蔵装置の上部に充填された水素吸着材に吸着保持される。水素吸着材に水素ガスが吸着される際には吸着熱が生ずるが、充填の際に生ずる水素ガスは液体水素温度(20.4K)と略同等であり、この低温の水素ガスが吸着熱を奪うために水素貯蔵装置内の温度上昇を抑制することができる。
【0013】
反重力方向側に水素吸着材が充填される場合、水素ガス流出口は、水素吸着材に吸着された水素を取り出し可能なように設けられてもよい。これにより、気化した水素から取り出すことが可能となる。水素吸着材に吸着された水素を取り出すためには、例えば、水素吸着材の充填されている箇所に水素ガス流出口を設けるようにすればよい。
【0014】
また、内部空間の一部に水素吸着材が充填される場合、内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が1:1となるように分けたときの重力方向側(即ち、水素貯蔵装置の下部)に水素吸着材が充填されるようにしてもよい。水素貯蔵装置の下部に水素吸着材が充填された場合、水素吸着材に水素を十分に吸着させることができる。そのため、装置内に液体水素が存在しなくなった場合であっても多くの水素を保持できる。
【0015】
本発明の水素貯蔵装置においては、内部空間の水素吸着材が充填されていない部分と、液体水素流入口と、を連通する水素流入管をさらに備えるようにしてもよい。このような構成とすることにより、水素貯蔵装置への液体水素供給の際に、液体水素が水素吸着材に触れることなく供給できるため、液体水素の充填効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、長期間にわたって水素貯蔵が可能な水素貯蔵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】
以下に、本発明の水素貯蔵装置を図面を参照して説明する。図1(A)は、本発明の第一実施形態に係る水素貯蔵装置の斜視図を表し、図1(B)は、図1(A)のA−A線断面図を表す。第一実施形態に係る水素貯蔵装置は、断熱容器10と、断熱容器10の上部に設けられた液体水素流入口20及び水素ガス流出口30と、を有する。断熱容器10の内部空間40を、鉛直線Bと直交する面で体積が1:1となるように分けたときの反重力方向側(即ち、水素貯蔵装置の上部)には、水素吸着材50が充填されている。液体水素流入口20と内部空間40の水素吸着材50が充填されていない部分とは、水素流入管60で連通されている。水素ガス流出口30は、水素吸着材50に吸着された水素を取り出し可能なように、断熱容器10の上部に設けられている。
【0018】
断熱容器10には、外面に断熱材(多層インシュレーション:MLI)の設けられたSUS又はステンレス製のタンク等を用いることができるがこれに限定されるものではない。
【0019】
MLIは、反射率の高い薄膜状の放射シールド材とシールド材間の熱伝導を防ぐスペーサ材とを交互に積層することにより構成される。シールド材としては片面あるいは両面アルミ蒸着されたポリエステルフィルム等が、スペーサ材としてはガラス繊維の布や紙、ナイロンネット等が用いられる。MLIは、シールド材をN枚挿入すると輻射による進入熱量を1/(N+1)に減少させることができる。
【0020】
水素吸着材50としては、活性炭、カーボンナノチューブ、Zn4O(1,4−ベンゼンジカルボン酸ジメチル)3等のMOF(多孔性金属有機構造)等が挙げられる。これらの材料は、顆粒状、ペレット状又はこれらの材料の粉末を袋に詰めた状態で用いられる。本実施形態では、ペレット状の活性炭を用いた。
【0021】
内部空間40内に金属メッシュ等で仕切りを形成し、該仕切り内にペレット状の活性炭を充填した。
【0022】
次に、第一実施形態に係る水素貯蔵装置に液体水素を貯蔵する際の各構成部材の作用について説明する。
【0023】
液体水素流入口20から注入された液体水素は水素流入管60を介して内部空間40の水素吸着材50が充填されていない部分に供給される。水素流入管60を介して供給された液体水素は水素吸着材50と直接接触することがない。内部空間40内の温度や、断熱容器10の内壁の温度にもよるが、供給された液体水素の一部は気化して液体水素温度近傍の水素ガスを生ずる。この水素ガスが内部空間40及び水素吸着材50を冷却し、水素ガス流出口30から排出されるとともにその一部が水素吸着材50により吸着されて保持される。水素ガスが水素吸着材50により吸着される際に吸着熱が生ずるが、液体水素温度近傍の水素ガスにより冷却されるため内部空間40内及び水素吸着剤50の温度上昇は抑制される。
【0024】
内部空間40が冷却されるに従い液体水素の気化が収まり、液体水素が内部空間40に充填される。液体水素の充填量は、液体水素の膨張率を勘案して適量充填される。水素吸着材50に十分水素が吸着された後は、液体水素が水素吸着材50に触れてもよい。水素が十分吸着された水素吸着材50に液体水素が触れても吸着熱が発生せず、液体水素の沸騰が生じないためである。この場合、水素吸着材50の充填された部分を膨張した液体水素の緩衝部分とすることもできる。
【0025】
第一実施形態に係る水素貯蔵装置によれば、液体水素と水素吸着材50とが直接触れることによる突沸を防ぎ、液体水素の充填時間を短縮することができる。
【0026】
水素貯蔵装置に充填された水素は、水素ガス流出口30から取り出され、使用される。水素取り出しを容易にするために内部空間40内にヒーターを設けるようにしてもよい。内部空間40内に充填された液体水素がなくなった後でも、水素が水素吸着材50に吸着されているため、本発明に係る水素貯蔵装置は長期間にわたる水素貯蔵が可能である。
【0027】
次に、本発明の水素貯蔵装置の第二実施形態について説明する。図2(A)は、本発明の第二実施形態に係る水素貯蔵装置の斜視図を表し、図2(B)は、図2(A)のC−C線断面図を表す。第二実施形態に係る水素貯蔵装置は、断熱容器10と、断熱容器10の上部に設けられた液体水素流入口20及び水素ガス流出口30と、を有する。断熱容器10の内部空間40を、鉛直線Bと直交する面で体積が1:1となるように分けたときの重力方向側(即ち、水素貯蔵装置の下部)には、水素吸着材50が充填されている。断熱容器10及び水素吸着剤50としは、第一実施形態に記載のものを用いることができる。本実施形態では、ペレット状の活性炭を用い、第一実施形態と同様にして充填した。
【0028】
液体水素流入口20から注入された液体水素は内部空間40に供給される。水素吸着材50と接触することにより液体水素が突沸するおそれがあるときは、水素吸着剤50をあらかじめ冷却しておくことが好ましい。冷却方法としては、少量の液体水素を内部空間40内に徐々に供給して冷却するようにすればよい。水素貯蔵装置に充填された水素は、水素ガス流出口30から取り出され、使用される。第二実施形態に係る水素吸着剤50は、液体水素と接触して多くの水素を吸着、保持することができる。そのため、液体水素がなくなった後でも本発明に係る水素貯蔵装置は長期間にわたる水素貯蔵が可能である。
【0029】
本発明の水素貯蔵装置には、内部空間40の内圧の上昇を抑えるために開放弁をさらに設けてもよい。また、断熱容器の内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が1:1となるように分けたときの反重力方向側(即ち、水素貯蔵装置の上部)及び重力方向側(即ち、水素貯蔵装置の下部)の両方に水素吸着材を充填するようにしてもよい。
【0030】
本発明の水素貯蔵装置は長期間にわたる水素貯蔵が可能であるため、水素ガスを燃料として用いる燃料電池自動車用の水素貯蔵装置に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の第一実施形態に係る水素貯蔵装置の斜視図(A)及び、A−A線断面図(B)を表す。
【図2】本発明の第二実施形態に係る水素貯蔵装置の斜視図(A)及び、C−C線断面図(B)を表す。
【符号の説明】
【0032】
10 断熱容器
20 液体水素流入口
30 水素ガス流出口
40 内部空間
50 水素吸着材
60 水素流入管

【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部空間と液体水素流入口と水素ガス流出口とを有する断熱容器と、
前記内部空間に充填された水素吸着材と、
を備えた水素貯蔵装置。
【請求項2】
前記水素吸着材が、前記内部空間の一部に充填された請求項1に記載の水素貯蔵装置。
【請求項3】
前記水素吸着材が、前記内部空間の5〜30%を占めるように充填された請求項1又は2に記載の水素貯蔵装置。
【請求項4】
前記内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が1:1となるように分けたときの反重力方向側に、前記水素吸着材が充填された請求項2又は3に記載の水素貯蔵装置。
【請求項5】
前記水素ガス流出口が、前記水素吸着材に吸着された水素を取り出し可能なように設けられた請求項4に記載の水素貯蔵装置。
【請求項6】
前記内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が1:1となるように分けたときの重力方向側に、前記水素吸着材が充填された請求項2又は3に記載の水素貯蔵装置。
【請求項7】
前記内部空間の前記水素吸着材が充填されていない部分と、前記液体水素流入口と、を連通する水素流入管をさらに備えた請求項2乃至6のいずれか1項に記載の水素貯蔵装置。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2007−46656(P2007−46656A)
【公開日】平成19年2月22日(2007.2.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−230077(P2005−230077)
【出願日】平成17年8月8日(2005.8.8)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】