(57)【要約】【課題】            外部からの冷却や加熱のためのエネルギーを小さくでき、水素ガスの吸収、放出特性が低下することがなく、水素発生器に悪影響を与えることがない安定した操業が可能な水素貯蔵・供給装置を得る。【解決手段】        水素吸蔵合金と、水素吸蔵合金が水素ガスを吸収する時に発生する熱を蓄えるとともに水素吸蔵合金が水素ガスを放出する時に必要な熱を与える潜熱蓄熱材と、水素吸蔵合金と熱交換を行う熱交換器と、水素吸蔵合金、潜熱蓄熱材及び熱交換器を収める圧力容器を備え、潜熱蓄熱材を複数の密閉容器に収めて水素吸蔵合金の中に混入する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素吸蔵合金と、上記水素吸蔵合金が水素ガスを吸収する時に発生する熱を蓄えるとともに上記水素吸蔵合金が水素ガスを放出する時に必要な熱を与える潜熱蓄熱材と、上記水素吸蔵合金と熱交換を行う熱交換器と、上記水素吸蔵合金、上記潜熱蓄熱材及び上記熱交換器を収める圧力容器を備え、上記潜熱蓄熱材が複数の密閉容器に収められて上記水素吸蔵合金の中に混入されていることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項２】
上記密閉容器の外側に突出して設けられ、上記水素吸蔵合金と接する複数の外側熱交換部を備えていることを特徴とする請求項１記載の水素貯蔵・供給装置。
【請求項３】
上記密閉容器の内側に突出して設けられ、上記潜熱蓄熱材と接する複数の内側熱交換部を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の水素貯蔵・供給装置。
【請求項４】
樹脂材料からなる上記密閉容器に金属材料からなる熱交換用部材を貫通状態に固定し、上記外側熱交換部及び上記内側熱交換部を形成したことを特徴とする請求項１記載の水素貯蔵・供給装置。
【請求項５】
上記内側熱交換部に複数の突起を備えていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の水素貯蔵・供給装置。
【請求項６】
上記圧力容器が水素ガス発生器と配管で接続され、上記配管途中に上記水素ガス発生器から上記圧力容器に水素ガスを流すことができる逆止弁を備えたことを特徴とする請求項１記載の水素貯蔵・供給装置。
【請求項７】
上記圧力容器が水素ガス利用機器と配管で接続され、上記水素ガス利用機器側の圧力を変化させずに上記圧力容器側の圧力を下げる手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の水素貯蔵・供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵・供給装置に関し、水素を円滑に貯蔵・供給する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素を貯蔵・供給する技術は、燃料電池や水素エンジンなどの他、例えば太陽光発電による余剰電力の有効利用(水の電気分解による水素生成)などに際して有用となる。水素吸蔵合金を用いると、常圧付近の圧力で水素を貯蔵することができ、水素ガスの常温常圧における体積の1000分の1程度に縮小して貯蔵できる。
従来の水素貯蔵・供給装置においては、水素吸蔵合金が水素を貯蔵する場合には発生する熱を除去し、水素吸蔵合金が水素を供給する場合には必要となる熱を供給する(例えば、特許文献１参照)。
この発生する熱の除去と必要となる熱の供給を補償するために、水素吸蔵合金の粒子の間隙を熱緩衝物質で満たし、その融解、凝固の潜熱を利用する方法が提案されている(特許文献２参照)。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−６０２０１号公報(第１−６頁、第６図)
【特許文献２】特開平１０−１９４７０１号公報(第１−３頁、第１図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の水素供給装置では水素の貯蔵・供給のために水素吸蔵合金を冷却・加熱するための熱交換器が合金とともに容器に収められていて、水素を貯蔵する場合には熱交換器に冷却水を流して発生する熱を除去し、水素を供給する場合には熱交換器に温水を流して合金を加熱するが、このために多大なエネルギーを要するという問題点があった。
特許文献２の方法では、発生する熱の除去と必要となる熱の供給を補償するために、水素吸蔵合金の粒子の間隙を熱緩衝物質で満たすが、これにより水素吸蔵合金表面が覆われ、水素ガスの吸収、放出特性が低下するという問題点があった。
また、熱緩衝物質を使用する方法では、水素を貯蔵する時に水素発生器側の圧力が下がった場合、熱緩衝物質から熱が水素吸蔵合金に与えられることにより水素平衡圧が高く維持されると、水素吸蔵合金が水素ガスを放出してしまい、水素発生器に悪影響を与えるという問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、外部からの冷却や加熱のためのエネルギーを小さくでき、水素ガスの吸収、放出特性が低下することがなく、水素発生器に悪影響を与えることがない安定した操業が可能な水素貯蔵・供給装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に関わる水素貯蔵・供給装置においては、水素吸蔵合金と、水素吸蔵合金が水素ガスを吸収する時に発生する熱を蓄えるとともに水素吸蔵合金が水素ガスを放出する時に必要な熱を与える潜熱蓄熱材と、水素吸蔵合金と熱交換を行う熱交換器と、水素吸蔵合金、潜熱蓄熱材及び熱交換器を収める圧力容器を備え、潜熱蓄熱材が複数の密閉容器に収められるとともに水素吸蔵合金中に混入されている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、水素吸蔵合金と、潜熱蓄熱材と、熱交換器と、これらを収める圧力容器を備え、潜熱蓄熱材が複数の密閉容器に収められるとともに水素吸蔵合金中に混入されているので、水素ガスの吸収、放出特性が低下することがなく、外部からの冷却や加熱のためのエネルギーを小さくできる水素貯蔵・供給装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る水素貯蔵・供給装置に係る実施の形態１を示す構成図である。図において、粉末状又は粒状の水素吸蔵合金１０が熱交換器７０とともに圧力容器３１に収められている。水素吸蔵合金１０内には、潜熱蓄熱材１１が収められた密閉容器１２が多数混入されている。水素発生器４１が圧力容器３１に配管Ａ５１により接続され、配管Ａ５１には逆止弁Ａ４２が設けられている。圧力容器３１と水素利用機器４９とは、２本の配管Ｂ５２、Ｃ５３により接続され、一方の配管Ｂ５２にはバルブＣ４７が設けられている。また、他方の配管Ｃ５３には、バルブＡ４４、バルブＢ４６を介して過冷却防止タンク４５が設けられている。
図２は、密閉容器１２の拡大断面図である。密閉容器１２は樹脂製の成形品からなる球状体で構成され、潜熱蓄熱材１１が収められた後、図示しない蓋により密閉されている。密閉容器１２を貫通するように金属製の板状又は棒状の熱交換用部材１２aが複数本固着され、所定寸法だけ外部に突出して水素吸蔵合金１０に接する外側熱交換部１２bと、所定寸法だけ内部に突出して潜熱蓄熱材１１に接する内側熱交換部１２cを形成している。密閉容器１２の製造方法としては、例えば球状体の成形時に上記板状又は棒状の熱交換用部材１２aをインサートしておく方法がある。上記熱交換用部材１２aの材料としては、熱伝導性の良いAl、Cu、これらの合金等が用いられる。
【０００９】
水素吸蔵合金１０は、一例としてLaNi5であり、1wt％程度の水素を吸蔵することができる。水素吸蔵合金の温度と水素平衡圧の関係を図３に示す。LaNi5の場合、T1＝50℃に対してP1＝約0.46MPa、T2＝-10℃に対してP2＝約0.03MPaとなる。潜熱蓄熱材１１は、一例としてCaCl2・6H2Oである。この場合、潜熱蓄熱材１１の融点は約30℃である。
密閉容器１２の外周面に複数の外側熱交換部１２bが突き出ることにより、その先端に他の密閉容器１２自体、あるいはその外側熱交換部が当ることで、各容器間の距離が保たれ、潜熱蓄熱材１１が粉末状又は粒状の水素吸蔵合金１０内で偏って存在することがないようにされている。
熱交換器７０は外部から冷却・加熱するための水(冷却水・温水)を流すパイプである。潜熱蓄熱材１１の冷却能力(熱容量)が十分ある場合、熱交換器７０は電気ヒーターでもよい。圧力容器３１は外部との断熱性を良くするために、グラスウール等で覆われている。
水素発生器４１は一例として水電解装置、水素利用機器４９は一例として燃料電池である。
【００１０】
次に動作について説明する。初期において、水素吸蔵合金１０の水素貯蔵量は少なく、バルブＣ４７、バルブＡ４４は閉じられており、圧力容器３１内の温度は潜熱蓄熱材１１の融点(約30℃)より低いものとする。
水素発生器４１で発生した水素ガスは、配管５１内を逆止弁Ａ４２を通り圧力容器３１に流入する。圧力容器３１に収められた水素吸蔵合金１０は流入した水素ガスを吸収するとともに発熱する。この発熱のエネルギーは、密閉容器１２内の潜熱蓄熱材１１を加熱し、蓄えられる。熱交換用部材１２aの外側熱交換部１２bと内側熱交換部１２cは熱伝導性の良い金属製であるので、それぞれが接触する潜熱蓄熱材１１と水素吸蔵合金１０との熱エネルギー交換が促進される。
温度が潜熱蓄熱材１１の融点(約30℃)に達すると、潜熱蓄熱材１１は融解し、水素吸蔵合金１０の発熱のエネルギーは潜熱として大量に蓄えられる。水素ガスの吸収は水素ガスの圧力に対応した温度以下で進行するので(図２のグラフに示す通り、温度が低いほど平衡圧が低くなる)、潜熱蓄熱材１１が全て溶融し圧力容器３１内が一定温度より高くなった場合、熱交換器７０に冷却水を流し発生した熱を除去する。ただし、潜熱蓄熱材１１の熱容量が十分ある場合には圧力容器３１内が一定温度より高くならないので、熱交換器７０に冷却水を流す動作は不要となる。
逆止弁Ａ４２は圧力容器３１の圧力より水素発生器４１の圧力が高い場合に水素を流すようになっているので、水素吸蔵合金１０が水素を吸収しかつ潜熱蓄熱材１１が潜熱を蓄熱した状態において水素発生器４１側の圧力が下がっても、圧力容器３１から水素発生器４１への逆流は生じない。
【００１１】
一方、水素ガスを放出して供給する時はバルブＣ４７を開き、水素利用機器４９に水素ガスを流出する。この時圧力容器３１に収められた水素吸蔵合金１０は水素ガスを放出するとともに吸熱状態になる。このエネルギーは、密閉容器１２内の潜熱蓄熱材１１から水素吸蔵合金１０に与えられる。熱交換用部材１２aの外側熱交換部１２bと内側熱交換部１２cは熱伝導性の良い金属製であるので、それぞれが接触する潜熱蓄熱材１１と水素吸蔵合金１０との熱エネルギー交換が促進される。
潜熱蓄熱材１１が溶融状態から凝固する場合には、潜熱として大量に蓄えられたエネルギーが利用される。水素ガスの放出は水素ガスの圧力に対応した温度以上で進行するので(図２のグラフに示す通り、温度が高いほど平衡圧が高くなる)、潜熱蓄熱材１１が全て凝固し圧力容器３１内が一定温度より低くなった場合、熱交換器７０に外部から温水を流し水素吸蔵合金１０を加熱する。
潜熱として蓄えられたエネルギーを利用するためには、潜熱蓄熱材１１を凝固させる必要があるが、温度が融点より低くなっても凝固しない過冷却という現象が生じることがある。この場合、水素吸蔵合金１０を十分加熱できず水素ガスの供給速度が遅くなるという問題が生じる。
過冷却現象を防ぐ方法として、圧力容器３１内を急速に減圧させることが有効である。過冷却防止タンク４５はこのために設けられているもので、減圧動作の手順は以下の通りである。なお、図では下記制御に必要な圧力容器３１の温度、圧力、およびタンク４５の圧力を検知するセンサーの記載を省略している。
（１）過冷却防止タンク４５内の圧力を下げておく。
（２）圧力容器３１内の温度が融点(凝固点)近くになったことを検知する。
（３）バルブＣ４７を閉める。
（４）バルブＡ４４を開ける。
（５）圧力容器３１内の圧力が瞬間的に減少した後、増加したこと(凝固熱エネルギーが水素吸蔵合金１０に加えられ、水素ガスが放出されたこと)を確認する。
（６）バルブＡ４４を閉める。
以後、バルブＣ４７を開けて水素利用機器４９に水素ガス供給を行う。また、適宜バルブＢ４６を開けて、上記動作により過冷却防止タンク４５内に貯まった水素ガスを水素利用機器４９に供給する。
【００１２】
以上、この実施の形態によれば、水素を貯蔵する時に潜熱蓄熱材に水素吸蔵合金からの発熱のエネルギーを蓄え、水素を供給する時に潜熱蓄熱材に蓄えられたエネルギーを与えることで、外部からの冷却や加熱のためのエネルギーを小さくできる。
また、潜熱蓄熱材が密閉容器に収められているので、水素吸蔵合金表面が潜熱蓄熱材に覆われて水素ガスの吸収、放出特性が低下することがない。
また、水素発生器と圧力容器の間には逆止弁が設けられているので、水素発生器に悪影響を与えることがない。
また、過冷却現象を防ぐ手段を備えているので、水素ガスの供給速度が遅くなるという問題は生じない。
【００１３】
実施の形態２．
図４は、他の実施の形態を示す水素貯蔵・供給装置の構成図、図５は、同じく密閉容器の拡大断面図である。本実施形態では、実施の形態１で使用した過冷却防止タンクを使用しない点、また、熱交換用部材１２aの内側熱交換部１２cの先端付近に針状の突起１２dを設けている点で相違し、他の構成は実施の形態１と同様である。
【００１４】
次に動作について説明する。水素吸蔵合金１０が水素ガスを吸収する場合は実施の形態１と同様である。水素吸蔵合金１０が水素ガスを放出する場合、熱交換用部材１２aの内側熱交換部１２cの針状の突起１２dが過冷却現象を防ぐ作用をする。すなわち、溶融状態の潜熱蓄熱材１１の温度が凝固点付近まで下がると、突起の先端が核となり、ここから凝固が進展し過冷却が防止される。したがって、本実施例では過冷却防止タンクは不要となる。
なお、針状の突起１２dを設ける代わりに、内側熱交換部１２cの先端を直接突起形状に形成しても同等の過冷却防止効果が得られる。
【００１５】
上記実施の形態１、実施の形態２では、密閉容器１２を樹脂製の球状体とした例を示したが、この球状体を熱伝導性の良いAl、Cu、あるいはこれらの合金等の金属としてもよい。この場合、密閉容器１２自身の熱伝導性が良いので、棒状の熱交換用部材は密閉容器１２を貫通することなく、外側熱交換部と内側熱交換部をそれぞれ別個に設けて密閉容器１２の表裏面に直接固定するか、あらかじめ一体に形成するようにしてもよい。
また、密閉容器１２は角形状でもよく、この場合も複数の外側熱交換部と複数の内側熱交換部を備えているものとする。
【００１６】
また、上記実施の形態１、実施の形態２では、圧力容器と水素利用機器の間にバルブを設けた例を示したが、バルブの代わりに逆止弁を用いても良い。この場合、バルブの開閉動作は不要となる。
【００１７】
また、上記実施の形態１、実施の形態２では、潜熱蓄熱材としてCaCl2・6H2Oを用いた例を示したが、潜熱蓄熱材として水(H2O)を用いてもよい。この場合、融点は0℃であるので、CaCl2・6H2Oを用いる場合より低温での使用に適している。
【００１８】
ところで上記説明では、水素発生器は水電解装置、水素利用機器は燃料電池であるとしたが、その他の水素発生器、水素利用機器についても適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態１を示す水素貯蔵・供給装置の構成図である。
【図２】実施の形態１に係る密閉容器の拡大断面図である。
【図３】水素吸蔵合金の温度と水素平衡圧の関係を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２を示す水素貯蔵・供給装置の構成図である。
【図５】実施の形態２に係る密閉容器の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０：水素吸蔵合金
１１：潜熱蓄熱材
１２：密閉容器
１２a：熱交換用部材
１２b：外側熱交換部
１２c：内側熱交換部
１２d：突起
３１：圧力容器
４１：水素発生器
４２：逆止弁Ａ
４４：バルブＡ
４５：過冷却防止タンク
４６：バルブＢ
４７：バルブＣ
４９：水素利用機器
７０：熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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