金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置

【課題】設備が簡単で、操作が容易になり、また、燃料電池システムが稼働することにより生成されたホットガスを熱源として使用でき、更に、コストを節約できる効果が得られる金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置を提供する。
【解決手段】少なくとも、水素貯蔵缶本体とフィルター、玉弁、圧力調整器、流量調節器及び連結管線から構成され、該水素貯蔵缶本体の外に増設された加熱装置により加熱することにより、室温下、釈放し遅いや釈放し難い水素が、大量且つ快速的に釈放され、増設された固体高分子型燃料電池が、安定の所定の出力パワーの電位値を維持でき、該フィルターにより、金属有機フレーム材料の粉末が、水素貯蔵缶装置の内部の管路全体に対する汚染を防止できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属有機フレーム材料（Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＦｒａｍｅｗｏｒｋ、ＭＯＦ）に適用される水素貯蔵缶装置に関し、特に、加熱により、室温で、釈放遅いや釈放難い水素を、大量且つ快速的に釈放でき、安定の電位値を維持できる。
【背景技術】
【０００２】
水素貯蔵材料は、燃料電池と言えば、極めて重要なエネルギー供給役割を負い、水素を釈放して、もう一つの電極に、酸素を供給し、酸化還元反応を行い、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。その中、該水素貯蔵材料を格納する水素貯蔵缶は、その水素の貯蔵容量が高ければ、高いほど電池の機能が優れ、同時に、釈放された水素の量と速度により、異なるパワーの負荷に適用される。異なる水素貯蔵材料は、その吸収釈放の条件がそれぞれ、異なるため、例えば、水素吸収に必要とする圧力と温度や水素釈放のためのテーブル圧と温度等は、該水素貯蔵缶の設計や作動に影響を与える。
【０００３】
既に発展中の高圧水素貯蔵缶は、設計が簡単であるが、水素貯蔵の重量密度や体積密度を増加するために、その材料と容器の耐圧は、少なくとも、７０メガパスカル（ＭＰａ）以上の圧力を耐えなければならなく、また、安全係数の圧力値を予測しなければならないため、該高圧水素貯蔵缶の開発と作製するために、膨大な資源が掛かられる。Ｍｇ基合金水素化物を、水素貯蔵材料の水素貯蔵カートリッジ（缶）とする場合、吸収と釈放ともに、適当な温度（２００〜３００℃）の範囲内で、作用できるため、水素貯蔵カートリッジ（缶）の内部に、加熱や熱交換器を追加することが必要となり、これにより、水素の注入と排出が行われる。
【０００４】
近年、該水素貯蔵材料の発展において、ナノ穴を有する金属有機フレーム材料（Ｍｅｔａｌ −ＯｒｇａｎｉｃＦｒａｍｅｗｏｒｋ、ＭＯＦ）は、その比表面積が、非常に大きい数値であり、一般として、１７００〜４５００平方メートル／グラム（ｍ^２／ｇ）の範囲であり、その上、そのナノ穴が、一般として、２ナノ（ｎｍ）以下で、また、ナノ穴が、非常に高い体積％を占め、そして、穴が連結されて三次元穴トンネルが形成されるため、その自身は、物理吸付により捕獲した水素吸収量があり、また、該金属有機フレーム材料の他に、活性剤やブドウ糖及び蔗糖等を添加してブリッジ処理を行った後、その水素吸収量が、室温と１０メガパスカル（ＭＰａ）の圧力下、４．７重量％（ｗｔ％）になる。
【０００５】
一般として、上記の金属有機フレーム材料は、その水素吸収量が、圧力の増加とともに増加し、また、室温で常圧下でも、水素を釈放できる特性がある。しかしながら、その水素吸収量と圧力との関係に従って、圧力が比較的に大きい時、釈放される水素量が比較的に多く、速度が速いが、圧力が低下すると、その釈放水素量は、当該特性により、少なくなり、また、水素を釈放する速度も遅くなる。従って、該金属有機フレーム材料が適用できる水素貯蔵缶の設計や作動は、他の水素貯蔵誘電体による水素貯蔵缶と異なり、そのため、従来の一般の水素貯蔵缶には、適用できなく、一般の従来のものは、設計が複雑で、システム全体の重量や体積が膨大であるため、実用的とは言えない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の主な目的は、加熱により、室温で釈放し難いや釈放できない水素を、大量的且つ快速的に釈放でき、固体高分子型燃料電池の安定の電位値を維持できる金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置を提供する。
【０００７】
本発明の他の目的は、設備が簡単で、操作が容易になり、また、電池が稼働することにより生成されたホットガスを熱源として利用し、コストを節約できる金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置を提供する。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、該金属有機フレーム材料粉末を濾過できるフィルター（Ｆｉｌｔｅｒ）があり、水素貯蔵缶装置の内部の管路全体に対する汚染を防止できる金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以上の目的を達成するため、少なくとも、水素貯蔵缶本体（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）とフィルタ、玉弁（ＢａｌｌＶａｌｖｅ）、圧力調整器（ＰｒｅｓｓｕｒｅＲｅｇｕｌａｔｏｒ）、流量調節器（ＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）及び連結管線から構成される金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置である。該水素貯蔵缶本体内の金属有機フレーム材料に対して、水素注入排出期間において、該フィルターにより、発生した金属有機フレーム材料粉末を濾過し、該玉弁をオンすることにより、水素燃料を、該圧力調整器と該流量調節器に通させ、当時の圧力条件を捕獲して水素注入圧力条件として記録し、また、該固体高分子型燃料電池本体の出力パワーワット数に従って、該水素燃料の出口圧力と流速を調整して固定できる。また、該水素貯蔵缶本体は、更に、加熱するための加熱装置が増設され、これにより、室温下、釈放し遅いや釈放し難い水素が、大量且つ快速的に釈放される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１と図２は、それぞれ、本発明の水素貯蔵缶装置構造の概念図と本発明の第１の実施例の概念図である。図のように、本発明は、金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置であり、本発明に係わる水素貯蔵缶装置１は、少なくとも、水素貯蔵缶本体（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）１１とフィルター（Ｆｉｌｔｅｒ）１２、玉弁（ＢａｌｌＶａｌｖｅ）１３、圧力調整器（ＰｒｅｓｓｕｒｅＲｅｇｕｌａｔｏｒ）１４、流量調節器（ＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１５及び連結管線１６から構成され、加熱することにより、室温下で、釈放し遅いや釈放し難い水素が、大量且つ快速的に釈放され、安定の電位値を維持できる。
【００１１】
該水素貯蔵缶本体１１は、金属有機フレーム材料（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＦｒａｍｅｗｏｒｋ、ＭＯＦ）を堆積するための容器である。
【００１２】
該フィルター１２は、該水素貯蔵缶本体１１に連接され、該水素貯蔵缶本体１１において、水素燃料が注入排出期間に発生した金属有機フレーム材料粉末を濾過する。
【００１３】
該玉弁１３は、該フィルター１２に連接され、該水素貯蔵缶本体１１の水素燃料の釈放スイッチを制御する。
【００１４】
該圧力調整器１４は、該玉弁１３に連接され、該水素貯蔵缶本体１１から釈放される水素燃料の出口圧力を調整して固定し、二つの圧力計（ＰｒｅｓｓｕｒｅＧａｕｇｅ）１４１が備えられ、該水素燃料の圧力を示す。
【００１５】
該流量調節器１５は、該圧力調整器１４に連接され、ニードル弁（ＮｅｅｄｌｅＶａｌｖｅ）１５１と流量計（ＦｌｏｗＭｅｔｅｒ）１５２が備えられ、該水素貯蔵缶本体１１から釈放される水素燃料の出口流速を調整して固定する。
【００１６】
該連結管線１６は、該流量調節器１５から燃料電池の陽極燃料入口まで連結し、該水素燃料を該燃料電池に運送する。以上のように、新規の水素貯蔵缶装置１が構成される。
【００１７】
本発明は、該水素貯蔵缶本体１１内の金属有機フレーム材料に対して、水素釈放期間において、該フィルター１２により、発生する金属有機フレーム材料粉末を濾過し、そして、該玉弁１３をオンして、水素燃料を、該圧力調整器１４と該流量調節器１５に通させ、当時の圧力条件を捕獲して、水素注入圧力条件として記録し、また、固体高分子型燃料電池本体（ＰＥＭＦＣｓｔａｃｋ）２の出力パワーワット数に従って、該水素燃料の出口圧力と流速を調整して固定する。そのため、該水素貯蔵缶本体１１の水素燃料出口が、該流量調節器１５上の連結管線１６により、該固体高分子型燃料電池本体２の陽極給気口に連結され、そして、該固体高分子型燃料電池本体２の該水素燃料により生成した電力を電子負荷（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＬｏａｄ）３に出力し、該電子負荷３を駆動できる。
【００１８】
図２と図３は、それぞれ、本発明の第１の実施例の概念図と本発明の第２の実施例の概念図である。図のように、電力の生成状況を確認するため、該固体高分子型燃料電池本体２が、電力を該電子負荷３に出力することのテスト過程において、電池テストステーション（ＴｅｓｔＳｔａｔｉｏｎ）が連接されて、出力された電力に対して、開路電圧値（ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ、ＯＣＶ）をモニタする。該水素貯蔵缶本体１１内にある金属有機フレーム材料が釈放した水素量により、該固体高分子型燃料電池本体２に対して出力される圧力や流速を一定に維持できない時、本発明に係わる該水素貯蔵缶本体１１に増設された加熱装置１７により、釈放された電位値が安定にする。
【００１９】
該加熱装置１７は、パッケージされた加熱ガス容器１７１であり、その内部に、直接に、該水素貯蔵缶本体１１が設置されることができる。當該水素貯蔵装置１が、車両に実装される時、該固体高分子型燃料電池本体２によりエンジンが駆動されることにより生成したホットガスを、該ホットパック式熱交換器１７の加熱ガス容器１７１に導入され、熱源として使用され、同時に、該ホットガスをＰＩＤ制御器５を介して、該ホットガスを運送する電磁弁（ＳｏｌｅｎｏｉｄＶａｌｖｅ）６に対して、ホットガスの流量を制御し、また、水素貯蔵カートリッジが釈放した水素の数量や速度が、所定の圧力や流速を維持できない時、即ち、燃料電池の出力電位やパワーと所定の電位やパワーとの差が比較的に大きい時、該ＰＩＤ制御器５は、該電磁弁６を大きく長く開くように制御し、逆に、該電磁弁６を小さく短く開くように制御する。
【００２０】
該加熱装置１７は、パッケージされた加熱コイル１７２でもよく、該固体高分子型燃料電池本体２が稼働する時、生成した一部の電流について、該ＰＩＤ制御器５により、直接に、電流の大きさや間隔を制御して、該加熱装置１７の加熱コイル１７２に出力し、釈放された水素の数量や流速を一定に維持する。
【００２１】
上記の二つの実施例では、ともに、自動的に安定の出力パワーを制御する機能を有し、これにより、該水素貯蔵缶本体１１に対して、約５０〜６０℃である適当な温度に加熱でき、室温下、釈放し遅いや釈放し難い水素を該金属有機フレーム材料内に格納し、大量且つ快速的に釈放でき、安定の電位値を維持できる。
【００２２】
図４〜図６は、それぞれ、本発明の第１の金属有機フレーム材料の堆積概念図と本発明の第２の金属有機フレーム材料の堆積概念図及び本発明の第３の金属有機フレーム材料の堆積概念図である。図のように、快速的に釈放でき、そして、安定のパワー出力を維持するため、該水素貯蔵缶本体内１１の金属有機フレーム材料４の堆積は、次の３種類があり、
（Ａ）まず、該水素貯蔵缶本体１１内にいおて、２層の金属網１１１で、二つの貯蔵空間に分けられてから、該二つの貯蔵空間に該金属有機フレーム材料４を設置し、また、該２層金属網１１１の間に、水素を注入と排出するための隙間があり、又は、
（Ｂ）まず、該金属有機フレーム材料４を、適当な複数層の金属網１１２で、適当な形状を有する独立体４１に包装して、該水素貯蔵缶本体１１内の貯蔵空間に設置する。この堆積方法は、全体として、また、各独立体４１として、同時に水素を注入と排出でき、同時に、各独立体４１同士の間において、水素の流動空間を維持でき、或いは、
（Ｃ）まず、該金属有機フレーム材料４の粉体をプレス法で、各適当な大きさである円柱状体４２を生成し、該水素貯蔵缶本体１１内の貯蔵空間に設置する。この堆積方法は、最も多い数の金属有機フレーム材料４を設置でき、同時に、水素を注入と排出する時、各円柱状個体４２同士の間において、水素の流動空間を維持できる。
【００２３】
上記のように、拡散して水素の注入と排出速度を加速でき、また、金属有機フレーム材料は、ブリッジ処理された後、その水素吸収量が、室温下、６．９メガパスカル（ＭＰａ）圧力下で、高い４．７重量％（ｗｔ％）になる。
【００２４】
本発明に係わる金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置、当該材料の特性を利用して、新規の水素貯蔵缶の設計と作動概念により、水素貯蔵缶本体の外に増設された加熱装置により加熱され、室温下、釈放の遅いや難い水素が、大量且つ快速的に釈放され、安定の電位値を維持できる。また、設備が簡単で、操作が容易になり、そして、電池が稼働することにより生成したホットガスを熱源として,利用でき、コストを節約できるため、本発明は、より進歩的かつより実用的で、法に従って特許請求を出願する。
【００２５】
以上は、ただ、本発明のより良い実施例であり、本発明は、それによって制限されることが無く、本発明に係わる特許請求の範囲や明細書の内容に基づいて行った等価の変更や修正は、全てが、本発明の特許請求の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係わる水素貯蔵缶装置構造の概念図
【図２】本発明の第１の実施例の概念図
【図３】本発明の第２の実施例の概念図
【図４】本発明の第１の金属有機フレーム材料の堆積概念図
【図５】本発明の第２の金属有機フレーム材料の堆積概念図
【図６】本発明の第３の金属有機フレーム材料の堆積概念図
【符号の説明】
【００２７】
１水素貯蔵缶装置
１１水素貯蔵缶本体
１１１、１１２金属網
１２フィルター
１３玉弁
１４圧力調整器
１４１圧力計
１５流量調節器
１５１ニードル弁
１５２流量計
１６連結管線
１７加熱装置
１７１加熱テープ
１７２加熱コイル
２固体高分子型燃料電池本体
３電子負荷
４金属有機フレーム材料
４１独立体
４２円柱状個体
５ＰＩＤ制御器
６電磁弁

【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属有機フレーム材料（Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＦｒａｍｅｗｏｒｋ、ＭＯＦ）を堆積するための容器である水素貯蔵缶本体（Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ）と、
該水素貯蔵缶本体に連接され、該水素貯蔵缶本体において、水素燃料が注入排出期間に発生した金属有機フレーム材料粉末を濾過するフィルター（Ｆｉｌｔｅｒ）と、
該フィルターに連接され、該水素貯蔵缶本体の水素燃料釈放スイッチを制御する玉弁（ＢａｌｌＶａｌｖｅ）と、
該玉弁に連接され、該水素貯蔵缶本体から釈放される水素燃料の出口圧力を調整して固定する圧力調整器（ＰｒｅｓｓｕｒｅＲｅｇｕｌａｔｏｒ）と、
該圧力調整器に連接され、ニードル弁（ＮｅｅｄｌｅＶａｌｖｅ）と流量計（ＦｌｏｗＭｅｔｅｒ）とが備えられ、該水素貯蔵缶本体から釈放される水素燃料の出口流速を調整して固定する流量調節器（ＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）と、
該流量調節器から燃料電池まで連結し、該水素燃料を、該燃料電池に運送する連結管線と、が含有されることを特徴とする金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項２】
該金属有機フレーム材料の堆積は、まず、該水素貯蔵缶本体内において、２層の金属網で、二つの貯蔵空間に分けられてから、該二つの貯蔵空間に設置することを特徴とする請求項１に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項３】
該２層金属網の間に、水素を注入と排出するための隙間があることを特徴とする請求項２に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項４】
該金属有機フレーム材料の堆積は、まず、該金属有機フレーム材料を、複数層の金属網で、それぞれ、独立体に包装して、該水素貯蔵缶本体内の貯蔵空間に設置することを特徴とする請求項２に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項５】
各独立体の間に、水素を流動させる空間が設けられることを特徴とする請求項４に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項６】
該金属有機フレーム材料の堆積は、まず、該金属有機フレーム材料をプレス法により円柱状体に形成し、該水素貯蔵缶本体内の貯蔵空間に設置することを特徴とする請求項２に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項７】
各円柱状体の間に、水素を流動させる空間が設けられることを特徴とする請求項６に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項８】
該水素貯蔵缶本体は、外に、更に加熱装置が設置されることを特徴とする請求項１に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項９】
該加熱装置は、パッケージされた加熱テープや加熱コイルであることを特徴とする請求項８に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項１０】
該加熱装置は、燃料電池が稼働する時、生成した一部の電流について、ＰＩＤ制御器により、直接に、電流の大きさや間隔を制御して、加熱コイルに出力することを特徴とする請求項８に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項１１】
該加熱装置は、直接に、該水素貯蔵缶本体を内部に設置して、燃料電池が稼働する時、生成したホットガスを、ＰＩＤ制御器により、運送する電磁弁（ＳｏｌｅｎｏｉｄＶａｌｖｅ）を制御し、該電磁弁で、ホットガスについて、流量を制御して、加熱テープに出力することを特徴とする請求項８に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項１２】
該ＰＩＤ制御器は、該ホットガスが出力したパワーと所定のパワーとの差が比較的に大きい場合、該電磁弁を大きくて長く開くように、制御することを特徴とする請求項１１に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項１３】
該水素貯蔵缶本体の水素燃料出口は、該連結管線を介して、該燃料電池の陽極給気口に連結され、該燃料電池が生成した電力を電子負荷（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＬｏａｄ）に出力することを特徴とする請求項１に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項１４】
該圧力調整器は、二つの圧力計（ＰｒｅｓｓｕｒｅＧａｕｇｅ）が備えられることを特徴とする請求項１に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。
【請求項１５】
該燃料電池は、固体高分子型燃料電池本体（ＰＥＭＦＣｓｔａｃｋ）であることを特徴とする請求項１に記載の金属有機フレーム材料に適用される水素貯蔵缶装置。

【図１】