(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素貯蔵タンク（１）の内部に収容する水素貯蔵物質（２）の水素残量検出方法であつて、
該水素貯蔵タンク（１）内に設ける一対の支持部（１５）のそれぞれに、検出用水素貯蔵物質（１６ａ）と水素透過性を有するゴム質弾性体（１６ｂ）とを混合した混合成形体（１６）を介して電極（１７）を支持させ、水素貯蔵タンク（１）の空間部（１ａ）に対向配置させる一対の該電極（１７）間の静電容量を検出し、各混合成形体（１６）の所定の体積変化状態での静電容量の値から水素残量を検出することを特徴とする水素残量検出方法。
【請求項２】
水素貯蔵物質（２）を収容する水素貯蔵タンク（１）の内部に配置され、水素貯蔵物質（２）の水素残量を検出する水素残量検出装置であつて、
該水素残量検出装置が、水素貯蔵タンク（１）内に設ける一対の支持部（１５）と、水素貯蔵タンク（１）の空間部（１ａ）に対向配置される一対の電極（１７）と、検出用水素貯蔵物質（１６ａ）と水素透過性を有するゴム質弾性体（１６ｂ）とを混合した混合成形体（１６）とを有し、対応する支持部（１５）と電極（１７）とを混合成形体（１６）によつて連結して形成され、
各混合成形体（１６）の所定の体積変化状態での一対の電極（１７）間の静電容量の値から水素残量を検出することを特徴とする水素残量検出装置。
【請求項３】
検出用水素貯蔵物質（１６ａ）が、水素貯蔵タンク（１）に収容する水素貯蔵物質（２）と同一種類であることを特徴とする請求項２の水素残量検出装置。
【請求項４】
検出用水素貯蔵物質（１６ａ）が、水素貯蔵タンク（１）に収容する水素貯蔵物質（２）と異なる種類であることを特徴とする請求項２の水素残量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素残量検出方法及びその装置に関するものであり、詳しくは水素貯蔵タンクに収容した水素貯蔵物質の水素残量を検出する方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
この種の従来の水素残量検出装置として、水素貯蔵タンク内の水素貯蔵物質の水素吸蔵に伴う体積変化を静電容量式のレベルセンサによつて検出すると共に、この体積変化から水素貯蔵物質の水素吸蔵量を演算し、水素残量を表示するものが知られている（特許第３１４７９６８号）。
【０００３】
これは、水素貯蔵物質が水素を吸蔵するに従つて結晶格子が膨張して体積が増加する性質を利用し、水素貯蔵物質の体積（嵩）を検出して水素残量を推定する。すなわち、電極板が粉粒状の水素貯蔵物質の中に部分的に埋没し得る静電容量式レベルセンサを使用し、表面を絶縁被覆された２枚の電極板の間に存在する水素貯蔵物質の量に応じて変化する静電容量を検出回路により検出し、かつ、水素残量に変換して、表示部へ出力する。
【０００４】
水素を水素貯蔵タンクに充填するとき、熱交換器に冷水を流して水素貯蔵タンク内の水素貯蔵物質を冷却しながら、高圧水素ボンベからの水素をレギュレータによつて減圧させてタンクに導入すると、タンク内の金属（合金）からなる水素貯蔵物質は金属水素化物に変化することによつて水素を吸蔵し、その際に水素貯蔵物質の粒子自体が膨張するので、粉粒体の堆積レベルが上昇する。
【０００５】
従つて、電極板の間に存在する水素貯蔵物質の体積が増加し、電極板の埋没量が増えるので、電極板の間の静電容量が増加する、としている。静電容量は、検出回路によつて電気信号に変換され、かつ、水素残量と静電容量との関係をもとに水素残量に換算され、表示部に表示される。
【０００６】
このように、従来の水素残量検出装置は、水素貯蔵物質の水素貯蔵に伴う体積変化を水素貯蔵量に変換するものではあるが、水素貯蔵物質中に水素が吸収されたときの格子の膨張に伴う水素貯蔵物質の体積変化によつて、水素貯蔵タンク内の水素貯蔵物質の表面の高さが変化することを利用して、静電容量の変化を検出している。
【０００７】
このため、この水素残量検出装置では、長期間にわたつて正確な水素残量を測定することが容易でないという技術的課題を有している。すなわち、水素貯蔵物質は水素の吸収によつて単位格子の体積が２０〜３０％膨張することに起因して、微粉化現象が生じ、また、その粒度は吸放出の繰り返しによつて、より細かくなることが知られている。そして、水素の繰り返し吸放出に伴う粒度変化は、水素貯蔵物質自体の嵩密度を低下させ、体積が増える現象を引き起こす。このため、単純な水素吸蔵による体積膨張だけを検出することができず、長期間にわたつて正確な水素残量を測定することができない。長期間にわたつて水素残量を正確に測定するためには、水素貯蔵物質の微粉化に伴う表面高さの変化に基づく静電容量の検出値を補正する必要があり、水素残量が零のときにリセットするなどの作業を伴う。
【０００８】
加えて、水素残量検出装置は、水素貯蔵物質と接触状態で部分的に埋設し得るように配設するので、水素貯蔵物質を収容する水素貯蔵タンクの内部に配置する必要がある。そのため、水素貯蔵タンク内に収容する水素貯蔵物質の量を制限し、所要の空間部を必ず確保して水素残量検出装置を設けなければならず、設計自由度に劣る。
【０００９】
また、従来の水素残量検出装置として、水素貯蔵時の水素貯蔵物質の電気抵抗の変化を貯蔵量に変換する方法（特開平４−１０４０３７）、水素貯蔵時の水素貯蔵物質の温度変化を貯蔵量に変換する方法（特開平２−１９８３４６）、及び水素貯蔵タンクの圧力変化を直接読み取る方法（特開平６−１９３４８０）も知られている。
【００１０】
しかしながら、水素貯蔵物質の電気抵抗の変化を貯蔵量に変換する方法にあつては、電流が流れるために水素貯蔵物質の薄膜等からなる抵抗体が連続体でなければならないが、水素貯蔵物質は水素の吸・放出を繰り返すと体積膨張により微粉化し連続性が失われてしまう。これにより、断線状態になつたり、電極の剥離が起こることで電流が流れなくなり、電気抵抗を測定できなくなる、という不具合が生じてしまう。
【００１１】
水素貯蔵時の水素貯蔵物質の温度変化を貯蔵量に変換する方法にあつては、水素貯蔵物質が水素を吸収するときに発熱し、放出するときに放熱するため、これらのときには温度変化が明確に起こるが、ある温度で放出を止めれば反応が起こらなくなり温度変化も生じなくなる。従つて、水素貯蔵物質中の水素を連続的に吸・放出しているときには温度によつて水素残量をモニターできるが、スタート・ストップを繰り返すような場合にはモニターできなくなり、発熱量を積算するなどの工夫が必要となり、好ましくない。
【００１２】
また、水素貯蔵タンクの圧力変化を直接読み取る方法にあつては、水素貯蔵物質が固溶状態から水素化物を除々に生成していく過程で固溶と水素化物相とが混在した状態のとき、所定の圧力で平衡圧が一定となる長いプラトー領域をもつことから、その範囲では圧力が一定となり、検出できなくなる。このため、圧力変化が顕著になるプラトー圧の両側、つまりほぼ水素化物のみとなる満タン状態の検出とほぼ固溶のみとなる残量が少ない状態の検出しかできない。但し、水素貯蔵物質の組成を少し変えることでこのプラトー圧に傾きをもたせることができ、この場合には、プラトー領域においても直接水素残量を検出可能になるが、傾きが少ない場合には検出に精度が求められ、逆に傾きが多い場合には水素貯蔵物質の性能悪化になるのであまり好ましくない。
【００１３】
本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、特に、水素貯蔵のために水素貯蔵タンク内に収容する水素貯蔵物質の単純な水素貯蔵に伴う体積変化によつて電極の埋没量の変化を生じさせ、この電極の埋没量の変化から静電容量の変化を検出し、水素残量を求める方法に代えて、検出用水素貯蔵物質を用い、検出用水素貯蔵物質の水素吸蔵に伴う膨張量を一対の電極の間隔変化による静電容量の変化に利用することにより、嵩密度変化が抑制されて精度に優れる静電容量式の水素残量検出方法及びその装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、その構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、水素貯蔵タンク１の内部に収容する水素貯蔵物質２の水素残量検出方法であつて、
該水素貯蔵タンク１内に設ける一対の支持部１５のそれぞれに、検出用水素貯蔵物質１６ａと水素透過性を有するゴム質弾性体１６ｂとを混合した混合成形体１６を介して電極１７を支持させ、水素貯蔵タンク１の空間部１ａに対向配置させる一対の該電極１７間の静電容量を検出し、各混合成形体１６の所定の体積変化状態での静電容量の値から水素残量を検出することを特徴とする水素残量検出方法である。
請求項２の発明は、水素貯蔵物質２を収容する水素貯蔵タンク１の内部に配置され、水素貯蔵物質２の水素残量を検出する水素残量検出装置であつて、
該水素残量検出装置が、水素貯蔵タンク１内に設ける一対の支持部１５と、水素貯蔵タンク１の空間部１ａに対向配置される一対の電極１７と、検出用水素貯蔵物質１６ａと水素透過性を有するゴム質弾性体１６ｂとを混合した混合成形体１６とを有し、対応する支持部１５と電極１７とを混合成形体１６によつて連結して形成され、
各混合成形体１６の所定の体積変化状態での一対の電極１７間の静電容量の値から水素残量を検出することを特徴とする水素残量検出装置である。
請求項３の発明は、検出用水素貯蔵物質１６ａが、水素貯蔵タンク１に収容する水素貯蔵物質２と同一種類であることを特徴とする請求項２の水素残量検出装置である。
請求項４の発明は、検出用水素貯蔵物質１６ａが、水素貯蔵タンク１に収容する水素貯蔵物質２と異なる種類であることを特徴とする請求項２の水素残量検出装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は、本発明に係る水素残量検出装置の１実施の形態を示す。図１中において符号１は水素貯蔵タンクを示し、タンク１の内部には、粉粒状の合金からなる水素貯蔵物質２が所定量収容され、一部（図上で上部）に空間部１ａを形成している。水素貯蔵タンク１には、空間部１ａに位置させて、バルブ４及びレギュレータ２４を備える水素流入ライン５並びにバルブ７及びレギュレータ２７を備える水素放出ライン８の一端が接続されている。バルブ７の開放によつて水素放出ライン８から流出した水素ガスは、レギュレータ２７によつて圧力（又は流量）が調節されながら水素利用装置９、例えば燃料電池、エンジン等に供給されて消費される。水素流入ライン５の他端は、水素ボンベや炭化水素の改質システム等からなる水素源１０に接続され、バルブ４の開放により、水素源１０内の水素ガスがレギュレータ２４によつて圧力（又は流量）が調節されながら水素流入ライン５を通じてタンク１内に流入し、水素貯蔵物質２に補給される。
【００１６】
このため、水素貯蔵タンク１には内部を可及的均一に加熱及び冷却する加熱・冷却手段１２が付属され、加熱・冷却手段１２によつて水素貯蔵物質２を所定温度に加熱することにより、水素貯蔵物質２から水素を放出させ、また、加熱・冷却手段１２によつて水素貯蔵物質２を所定温度に冷却することにより、水素貯蔵物質２に水素を吸蔵させることができるようになつている。但し、水素貯蔵物質２が、大気との熱交換で水素放出の熱量がまかなえる場合は、加熱手段を省略することができ、また、大気との熱交換で水素吸蔵の熱量がまかなえる場合は、冷却手段を省略することができる。
【００１７】
この水素貯蔵タンク１の空間部１ａには、水素貯蔵物質２と常時、つまり水素貯蔵物質２が充分に水素を吸蔵して結晶格子が膨張して体積が増加した状態であつても、非接触状態となるように水素残量検出装置１４を設ける。水素残量検出装置１４は、図２に示すように一対の支持部１５と、各支持部１５に対応する混合成形体１６及び板状の電極１７とを有し、対応する支持部１５と電極１７とを混合成形体１６によつて連結している。一対の電極１７は、水素貯蔵タンク１の空間部１ａに所定間隔にて対向配置され、対応する支持部１５に、混合成形体１６を介して支持されている。
【００１８】
一対の支持部１５は、対向させて本体１５ａに突設され、本体１５ａが水素貯蔵タンク１の開口部に気密に固設されている。混合成形体１６は、粉粒状の合金からなる検出用水素貯蔵物質１６ａと水素透過性を有するゴム質弾性体１６ｂの原料とを混合させて形成したものであり、水素透過性を有するエラストマー又は天然ゴムに水素貯蔵物質２と同種の検出用水素貯蔵物質１６ａを混合させて練り合わせ、所定厚さの矩形、円形等の任意断面形状に成形・固化させたものである。
【００１９】
ゴム質弾性体１６ｂとしては、水素透過性の点からシリコーンゴムが適しているが、エラストマー又は天然ゴムを広く採用することができる。各ゴム質弾性体１６ｂは、複数に分割させ、水素ガスとの接触面積を増加させることもできる。更に、連通孔を有する多孔質体からなるゴム質弾性体１６ｂとして、水素ガスとの接触面積を増加させることも可能であり、ゴム質弾性体１６ｂの原料に粉粒状の合金からなる検出用水素貯蔵物質１６ａを混合させて練り合わせた後に発泡させ、可及的に小さな連通孔を有する多孔質体からなるゴム質弾性体１６ｂを成形・固化させ、検出用水素貯蔵物質１６ａに至る水素透過を促してもよい。
【００２０】
合金からなる検出用水素貯蔵物質１６ａは導電性を有しているから、支持部１５との絶縁を図るために、必要に応じて電極１７の背面に絶縁コーティング１６ｃを設けることができる。但し、ゴム質弾性体１６ｂに含ませる検出用水素貯蔵物質１６ａの量にもよるが、ゴム質弾性体１６ｂ自体に電極１７と支持部１５との間の絶縁を図る機能を与え、或いは本体１５ａ又は支持部１５を電気絶縁体によつて形成すれば、絶縁コーティング１６ｃを省略することができる。また、水素残量検出装置１４は水素貯蔵タンク１内に水素貯蔵物質２と非接触状態で設けるものであるから、水素貯蔵物質２の付着を防止するために、電極１７の対向する表面には絶縁コーティング１６ｃを設けることは必須ではない。
【００２１】
各電極１７には、リード線１９によつて接続する検出手段１８を介して表示部２０が接続され、コンデンサーとして機能する一対の電極１７間の静電容量を検出回路１８によつて電気的諸量として検出し、水素残量に変換する演算を行なつた後、水素貯蔵物質２に吸蔵された水素の残量として表示部２０に表示する。リード線１９は、気密を保持して本体１５ａを貫通している。
【００２２】
混合成形体１６及び電極１７は、水素透過性を有するカバー１３にて覆い、飛散する水素貯蔵物質２の電極１７への付着に伴うショートを防止することができる。カバー１３は、一対の支持部１５に架設状態として支持部１５の下面部のみならず側面部にも設け、電極１７の周囲の全てをカバー１３、本体１５ａ及び支持部１５によつて覆うことができる。
【００２３】
次に、作用について説明する。水素貯蔵タンク１内の水素貯蔵物質２に充分に水素ガスが吸蔵された状態で、加熱・冷却手段１２によつて水素貯蔵物質２を所定温度に加熱して水素貯蔵物質２から水素を放出させ、水素放出ライン８から水素利用装置９に水素ガスを供給し、水素が消費されると、水素貯蔵物質２の水素吸蔵量が次第に減少する。このとき、加熱・冷却手段１２によつて水素貯蔵タンク１内が可及的均一な所定温度に加熱されているから、空間部１ａに位置する水素残量検出装置１４の検出用水素貯蔵物質１６ａもほぼ同様の温度環境下にある。従つて、水素貯蔵物質２の水素吸蔵量が減少すると、水素貯蔵タンク１の空間部１ａに配置した水素残量検出装置１４の検出用水素貯蔵物質１６ａの水素吸蔵量も同様に減少する。
【００２４】
これにより、検出用水素貯蔵物質１６ａの体積が減少し、ゴム質弾性体１６ｂが固化時に戻るように弾性的に収縮するので、混合成形体１６が収縮し、一対の電極１７の間隔が拡大する。一対の電極１７間の静電容量は、電極１７の間隔に反比例するから、一対の電極１７の間隔の拡大により、電極１７間の静電容量が小さくなる。なお、例えば燃料電池に水素を供給する場合、その消費は少量であり、水素貯蔵物質２の体積変動が緩徐になされるため、水素透過性を有するゴム質弾性体１６ｂを介してなされる検出用水素貯蔵物質１６ａの体積変動も、時間的遅れをほとんど生ずることなく、追従してなされる。
【００２５】
加熱・冷却手段１２によつて水素貯蔵物質２を所定温度に冷却しながら、水素源１０内の水素ガスを水素流入ライン５を通じてタンク１内の水素貯蔵物質２に補給すれば、水素貯蔵物質２の水素吸蔵量が次第に増加し、水素貯蔵タンク１の空間部１ａに配置した水素残量検出装置１４の検出用水素貯蔵物質１６ａの水素吸蔵量も同様に増加する。これにより、検出用水素貯蔵物質１６ａの体積が増大し、ゴム質弾性体１６ｂが弾性的に膨張するので、混合成形体１６が膨張し、一対の電極１７の間隔が縮小する。この一対の電極１７の間隔の縮小により、静電容量が大きくなる。かくして、各混合成形体１６の所定の体積変化状態での静電容量の値から、水素貯蔵物質２の水素残量を検出することができる。なお、ゴム質弾性体１６ｂに連通孔を設ける場合には、検出用水素貯蔵物質１６ａの体積増大に伴うゴム質弾性体１６ｂの弾性的膨張（伸張）を完全には阻害しない程度に設ける。
【００２６】
ところで、静電容量の大きさは、電極１７の表面積、雰囲気ガス（電極１７間の物質の比誘電率）及び電極１７の間隔（距離）によつて定まるが、この場合、常時、水素貯蔵タンク１の空間部１ａに位置して水素貯蔵タンク１の内部に収容する水素貯蔵物質２に接触しない電極１７の表面積及び雰囲気ガス（水素）は同じで変化しないから、電極１７の間隔の変化によつて静電容量が変化する。
【００２７】
ガス透過性に優れるゴム質弾性体１６ｂは、検出用水素貯蔵物質１６ａの粉粒体に対してゴム質の保形材として機能する。このため、水素吸蔵に伴う検出用水素貯蔵物質１６ａの膨張を原因とする崩壊現象（微粉化現象）は、見かけ上、物質１６ａのヒビ割れのようになつて止まるので、検出用水素貯蔵物質１６ａが堆積して密集状態にないこととも相まつて、嵩密度の変化は実質的に生じない。従つて、再現性良く体積膨張・収縮を繰り返し生じ、静電容量の所定値を精度良く長期間にわたつて検出できるようになる。
【００２８】
勿論、水素残量検出装置１４の少なくとも一対の電極１７は、静電容量を検出可能にするために、常時、水素貯蔵物質２と非接触状態にあるから、水素貯蔵物質２に充分（１００％）に水素ガスが吸蔵された状態でも、非接触状態が維持されている。
【００２９】
一対の電極１７間の静電容量は、検出手段１８によつて検出・演算し、表示部２０に水素貯蔵物質２に吸蔵された水素の残量として表示する。この表示部２０に表示される水素の残量により、水素貯蔵物質２の吸蔵水素量を知つて、水素貯蔵物質２への水素補充時期に達したか否かを知り、水素貯蔵物質２から水素が放出されつくす前に、水素ガスを補充することができる。
【００３０】
すなわち、水素貯蔵タンク１内の水素貯蔵物質２の水素残量と水素残量検出装置１４の静電容量とは、図３に示す関係を有し、水素残量の減少に従つて静電容量が小さくなるので、静電容量の値から水素残量を連続的に検出することができる。従つて、静電容量の値から、水素残量が減少して補給時期がきたことを適時に知つて、水素源１０内の水素ガスを水素流入ライン５を通じて水素貯蔵タンク１内の水素貯蔵物質２に補給することができる。これにより、水素残量が零になり、水素利用装置９に水素が供給されなくなるという不測の事態を回避することができる。
【００３１】
ところで、上記１実施の形態にあつては、検出用水素貯蔵物質１６ａとして水素貯蔵物質２と同種の物質（合金）を使用したが、検出用水素貯蔵物質１６ａは、水素貯蔵物質２の吸蔵水素量に比例して水素を吸蔵できるものが採用可能であり、水素貯蔵物質２と異なる種類の物質（合金）を使用することも可能である。また、水素残量検出装置１４は、水素貯蔵タンク１の空間部１ａに配置したが、水素貯蔵物質２と非接触状態で配設すれば良く、水素貯蔵タンク１に補助タンクを連通状態で設け、この水素貯蔵タンク１内に含まれる補助タンク内に水素残量検出装置１４を配設し、水素貯蔵タンク１内の水素残量を同様に検出することも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明によつて理解されるように、本発明に係る水素残量検出方法及びその装置によれば、次の効果を奏することができる。
水素貯蔵物質を内部に収容する水素貯蔵タンクにおいて、水素貯蔵物質に貯蔵されている水素の残量を、リアルタイムで、かつ、精度良く検出することが可能になる。
【００３３】
更に、水素残量検出装置は、水素貯蔵物質と非接触状態で配設すると共に、検出用水素貯蔵物質がゴム質弾性体に保持されて嵩密度の変化が良好に防止されているので、水素残量検出装置を水素貯蔵物質と接触状態で配設するものと比較して、接触させることに伴う不具合の全てが解消する。すなわち、水素貯蔵タンク内に収容する水素貯蔵物質の微粉化による体積増加の影響を受けることなく、水素残量を検出することができる。その結果、静電容量の検出値の補正のためにリセットするなどの作業を伴うことなく、長期間、精度良く水素の吸蔵量を検出し、残量を知ることができる。
【００３４】
加えて、水素残量検出装置は、水素貯蔵物質と非接触状態で配設するので、水素貯蔵物質を収容する水素貯蔵タンクの空間部に配置することができるのみならず、水素貯蔵タンクに連通状態で設けた補助タンク内に配設し、水素貯蔵タンク内の水素残量を同様に検出することが可能である。その場合、水素貯蔵タンク内に収容する水素貯蔵物質を制限して、所要の空間部を確保しなくともよく、水素残量検出装置を設ける設計自由度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の１実施の形態に係る水素残量検出装置を示す断面図。
【図２】  同じく水素残量検出装置の要部を示す図。
【図３】  同じく静電容量−水残量特性を示す線図。
【符号の説明】
１：水素貯蔵タンク、１ａ：空間部、２：水素貯蔵物質、９：水素利用装置、１０：水素源、１３：カバー、１５：支持部、１６：混合成形体、１６ａ：検出用水素貯蔵物質、１６ｂ：ゴム質弾性体、１７：電極。
【図１】
0003699052.tif 000002
【図２】
0003699052.tif 000003
【図３】
0003699052.tif 000004