(57)【要約】【課題】水素貯蔵合金容器において、安定して高精度に水素量を検知可能とする。【解決手段】水素量検出装置は、水素吸蔵合金が収容された水素貯蔵合金容器内に設置される水素量検出装置であって、センサー用水素吸蔵合金を有し、前記センサー用水素吸蔵合金の体積変化に基づいて水素量を検出する水素量センサーと、前記水素量センサーの周囲を囲って周囲の水素吸蔵合金に対する保護空間を形成する保護壁とを有し、水素貯蔵合金容器は、水素吸蔵合金が収容された水素貯蔵合金容器であって、水素吸蔵合金の収容空間内に、前記水素量検出装置の一部または全部が配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素吸蔵合金が収容された水素貯蔵合金容器内に設置される水素量検出装置であって、
センサー用水素吸蔵合金を有し、前記センサー用水素吸蔵合金の体積変化に基づいて水素量を検出する水素量センサーと、
前記水素量センサーの周囲を囲って周囲の水素吸蔵合金に対する保護空間を形成する保護壁と、を有することを特徴とする水素量検出装置。
【請求項２】
前記保護壁は、前記水素吸蔵合金の収縮、膨張による変形に対し対抗するものであることを特徴とする請求項１記載の水素量検出装置。
【請求項３】
前記保護空間は、前記センサー用水素吸蔵合金の膨張による体積変化を阻害しないものであることを特徴とする請求項１または２に記載の水素量検出装置。
【請求項４】
前記センサー用水素吸蔵合金がＡＢ５型合金であり、
前記水素量センサーの体積変化方向において、前記保護空間の体積が、前記水素量センサーの体積の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素量検出装置。
【請求項５】
前記保護壁は、ステンレス製またはセラミックス製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素量検出装置。
【請求項６】
前記保護壁は、水素が通過する通過部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素量検出装置。
【請求項７】
水素量センサーと保護壁を水素貯蔵合金容器に固定する固定具を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素量検出装置。
【請求項８】
前記水素量センサーが前記保護壁の一部に直接または間接的に接触して配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素量検出装置。
【請求項９】
水素吸蔵合金が収容された水素貯蔵合金容器であって、
前記水素吸蔵合金の収容空間内に、請求項１〜８のいずれか１項に記載の水素量検出装置の一部または全部が配置されていることを特徴とする水素貯蔵合金容器。
【請求項１０】
前記水素量検出装置は、前記水素貯蔵合金容器の所定方向の中心部に設けられていることを特徴とする請求項９記載の水素貯蔵合金容器。
【請求項１１】
前記水素量検出装置における水素量センサーは、前記水素吸蔵合金の収容空間内に全部が位置していることを特徴とする請求項９または１０に記載の水素貯蔵合金容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素吸蔵合金が収容された水素貯蔵合金容器において貯蔵されている水素量を検出する水素量検出装置および水素貯蔵合金容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を貯蔵する容器として、内部に水素吸蔵合金を収容した水素貯蔵合金容器が知られている。水素貯蔵合金容器は水素の体積貯蔵密度に優れることから普及し始めているが、容器内の水素残量を知るための手がかりが得られにくいという課題があり、昨今、容器内の水素残量を検出するためのセンサーの開発が進められている。
【０００３】
例えば、特許文献１による水素残量の計測方法では、水素を吸収した水素吸蔵合金が膨張する性質から、センサーのケーシング内にセンサー用の水素吸蔵合金を収容し、ケーシング内の水素吸蔵合金の体積膨張によってケーシングを体積変化させ、ケーシングに発生したひずみを検知することで水素量を検知している。
【０００４】
また、特許文献２では、表面処理による水素ガス吸着膜が形成された水晶振動子を水素の貯蔵タンクに設け、水素ガス吸着膜に吸着される水素ガスの量に応じて変化する水晶振動子の固有振動数を測定すると共に、測定した水晶振動子の固有振動数に基づく演算を行って貯蔵タンク内の水素残量を推定する方法が記載されている。
特許文献３では、静電容量式レベルセンサーの電極の先端を粒状の水素吸蔵合金内に埋没させ、水素吸蔵合金の体積変化に伴って変化する電極間の静電容量を検知し、静電容量に基づいて水素残量を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８０６８２号公報
【特許文献２】特開２００３−２７０１１３号公報
【特許文献３】特開平５−２２３０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水素吸蔵合金を収容した水素貯蔵合金容器では、水素吸蔵合金ができるだけ隙間がないように充填されている。このため、容器内に設置することで水素量の検出が可能となるセンサーでは、検出が可能な構成部分が設置される空間を確保する必要がある。しかし、容器内部の水素吸蔵合金は水素を吸収して体積が膨張するため、センサーが設置されている空間が圧迫され、センサーの出力に悪影響を与える。
特に、センサー内の水素吸蔵合金の膨張量を検出する水素残量センサーでは、内部の水素吸蔵合金の体積膨張をケーシングに正確に伝達することが重要であるが、センサーが周囲の水素吸蔵合金によって拘束されるとセンサー内の水素吸蔵合金の膨張力が抑制され、異常出力の原因となりうる。
特許文献１〜３では、上記課題の提言やこの課題を解決するための記載はない。
【０００７】
本発明は上記課題を背景としてなされたものであり、安定して高精度に水素量を検知可能な水素量検出装置および水素貯蔵合金容器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】
【０００８】
すなわち、本発明の水素量検出装置のうち、第１の形態は、水素吸蔵合金が収容された水素貯蔵合金容器内に設置される水素量検出装置であって、
センサー用水素吸蔵合金を有し、前記センサー用水素吸蔵合金の体積変化に基づいて水素量を検出する水素量センサーと、
前記水素量センサーの周囲を囲って周囲の水素吸蔵合金に対する保護空間を形成する保護壁と、を有することを特徴とする。
【０００９】
他の形態の水素量検出装置の発明は、他の形態の発明において、前記保護壁は、前記水素吸蔵合金の収縮、膨張による変形に対し対抗するものであることを特徴とする。
【００１０】
他の形態の水素量検出装置の発明は、他の形態の発明において、前記保護空間は、前記センサー用水素吸蔵合金の膨張による体積変化を阻害しないものであることを特徴とする。
【００１１】
他の形態の水素量検出装置の発明は、他の形態の発明において、前記センサー用水素吸蔵合金がＡＢ５型合金であり、前記水素量センサーの体積変化方向において、前記保護空間の体積が、前記水素量センサーの体積の１．５倍以上であることを特徴とする。
【００１２】
他の形態の水素量検出装置の発明は、他の形態の発明において、前記保護壁は、ステンレス製またはセラミックス製であることを特徴とする。
【００１３】
他の形態の水素量検出装置の発明は、他の形態の発明において、前記保護壁は、水素が通過する通過部を有することを特徴とする。
【００１４】
他の形態の水素量検出装置の発明は、他の形態の発明において、水素量センサーと保護壁を水素貯蔵合金容器に固定する固定具を備えることを特徴とする。
【００１５】
他の形態の水素量検出装置の発明は、他の形態の発明において、前記水素量センサーが前記保護壁の一部に直接または間接的に接触して配置されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の水素貯蔵合金容器の発明のうち第１の形態は、水素吸蔵合金が収容された水素貯蔵合金容器であって、
前記水素吸蔵合金の収容空間内に、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素量検出装置の一部または全部が配置されていることを特徴とする。
【００１７】
他の形態の水素貯蔵合金容器の発明は、他の形態の発明において、前記水素量検出装置は、前記水素貯蔵合金容器の所定方向の中心部に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
他の形態の水素貯蔵合金容器の発明は、他の形態の発明において、前記水素量検出装置における水素量センサーは、前記水素吸蔵合金の収容空間内に全部が位置していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、水素貯蔵合金が収納された水素貯蔵合金容器において、安定して高精度に水素量の検出を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態の水素量検出装置における水素量センサーの断面構造および該水素センサーの水素の吸放出に伴う変形を示す模式図である。
【図２】同じく、水素量検出装置および水素貯蔵合金容器の構成の概略を示す図である。
【図３】本発明の実施例における、容器内の水素量とセンサーのひずみ出力との関係を示すグラフである。
【図４】同じく、センサーの保護構造を有さない容器における水素量とセンサーのひずみ出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
まず、本発明で使用される水素量センサーの一実施形態について説明する。
図１は、水素量センサー１の断面、および水素量センサー１の水素の吸放出に伴う変形を示す模式図である。
【００２２】
水素量センサー１は、内部の水素吸蔵合金の体積変化に基づいて水素量を検知するものであり、円筒形状を有するケーシングであるセンサー本体２と、ケーシング内に充填されたセンサー用水素吸蔵合金３とを有している。
センサー本体２は、適度な強度と弾性を有する金属によって構成することができ、例えば、アルミニウムや各種スチール等を用いることができる。また、熱膨張率が少ないインバー材を用いた場合、温度変化による出力変化を低減することができる。十分な強度と弾性と有していれば、樹脂等の金属以外の材質を使用することもできる。
センサー用水素吸蔵合金３は、その合金の種類は特に限定されず、ＬａＮｉ５を基本組成とするＡＢ５型、ＴｉＭｎ２やＴｉＣｒ２を基本組成とするＡＢ２型、Ｍｇ２Ｎｉを基本組成とするＴ２Ｂ型、ＴｉＦｅを基本組成とするＡＢ型、あるいはＴｉＣｒＶなどのＢＣＣ型などを使用することができる。ただし、センサーが設置される容器内の水素吸蔵合金と同種であることが望ましい。いずれの金属も、水素を吸収すると膨張し、水素を放出すると収縮する性質を有している。
【００２３】
センサー本体２には、その一部において軸方向全長に亘って切り欠き部４が形成されている。このため、センサー本体２は断面Ｃ型形状を有している。切り欠き部４に対向する位置の筒壁は、内部の水素吸蔵合金が膨張・収縮した際に応力が集中する易歪み部５となっており、易歪み部５の外側壁面には歪ゲージ６が配置されている。歪ゲージ６はセンサー本体２の形状の変化を検知することができる。歪みゲージ６には図示しない出力線が接続されており、出力線に接続された図示しないデータ収集装置によって歪みデータの収集が可能となる。
【００２４】
水素量センサー１の周囲の水素濃度が増加すると、センサー用水素吸蔵合金３が水素を吸収して膨張し、センサー本体２は切り欠き部４が開く方向に弾性変形して拡径する。すると、切り欠き部４に対向する位置の易歪み部５に圧縮応力が生じて収縮するため、そのひずみ量が歪ゲージ６によって検出される。
一方、周囲の水素濃度が減少すると、センサー用水素吸蔵合金３は水素を放出して収縮し、センサー本体２は切り欠き部４が閉じる方向に弾性変形して縮径する。この結果、切り欠き部４に対向する位置の易歪み部５に圧縮応力が減少し、歪みゲージ６においてひずみの減少が検知される。
上記のように、センサーが設置された空間の水素量に応じて歪ゲージ６の出力が変化するため、歪ゲージにおける歪みの検知量に基づいて容器内の水素残量を検知することが可能となる。
【００２５】
なお、本実施形態では、水素量センサー１が円筒形状を有しているものとしたが、本発明としてはセンサーの形状が特に限定されるものではなく、例えば、角筒形状や三角筒形状を有していてもよい。
また、水素量センサー１には切り欠き部４を有しているが、本発明としては切り欠き部が必須ではなく、切り欠き部を有していないセンサーであってもよい。例えば、センサー本体の一部において壁の厚さを薄くして応力を集中させ、その部分に歪センサーを配置して歪を検知するものを用いても良い。
また、水素量センサー１には歪ゲージが設けられており、歪ゲージによって水素吸蔵合金の体積変化を検出しているが、本発明としては、センサー用水素吸蔵合金の体積変化を検知する方法は特に限定されず、例えば、板バネ等の機構を用いて体積変化を検出しても良い。  
【００２６】
次に、本発明の水素量検出装置および水素貯蔵合金容器の一実施形態について説明する。
水素貯蔵合金容器１０は、水素吸蔵合金が収容されている容器本体１１を有しており、容器本体の上部には継手１２が設けられている。継手１２には、水素の移動を調整する水素バルブ１３が設けられている。
【００２７】
容器本体１１の内部には、水素吸蔵合金１４が充填されている。水素吸蔵合金１４は、樹脂と混合された水素吸蔵合金樹脂混合物として充填されている。水素吸蔵合金１４の種類は特に限定されず、ＬａＮｉ５を基本組成とするＡＢ５型、ＴｉＭｎ２やＴｉＣｒ２を基本組成とするＡＢ２型、Ｍｇ２Ｎｉを基本組成とするＴ２Ｂ型、ＴｉＦｅを基本組成とするＡＢ型、あるいはＴｉＣｒＶなどのＢＣＣ型などを使用することができるが、センサー内の水素吸蔵合金と同種であることが望ましい。なお、容器本体１１内の収容物は、水素吸蔵合金は必須として含まれるが、その他の材料については本発明として特に限定されるものではなく、その混合比率が特定のものに限定されるものではない。
【００２８】
水素吸蔵合金１４の中心部には円柱形状の導入孔が設けられており、該導入孔には、内部に保護空間を有する円筒形状の保護管１５が挿入されている。保護管１５の中には水素量センサー１が設けられている。保護管１５は、本発明の保護壁に相当し、保護管１５は、容器本体１１に固定されている。この際に、継手１２に固定されているものであってもよい。固定方法が特に限定されるものではない。
保護管１５は、下面側が開口されており、下面の開口部は本発明の通過部として機能する。なお、本発明としては、保護壁が全面を囲むものであってもよく、その壁面において通過孔などの通過部を適宜設けることができる。
この実施形態では、水素量センサー１と保護管１５とは、本発明の水素量検出装置を構成している。
【００２９】
保護管１５は、内部の保護空間が、水素量センサー１が収納可能な大きさを有しており、保護空間の大きさが、水素量センサー１の水素吸収後の体積膨張時の大きさ以上となっている。これにより、内部に設置された水素量センサーが水素を吸収して膨張する際に、水素センサー１は体積変化が妨げられることなく膨張することができる。保護管１５の大きさは、水素量センサー１の形状やセンサー用水素吸蔵合金３の種類に基づいて決定することができる。例えば、ＡＢ５系の水素吸蔵合金を用いる場合、水素を吸収すると合金の体積が１．２〜１．３倍に膨張するため、膨張方向において、保護管１５の内部空間は水素センサーの１．５倍以上の体積を有していることが望ましい。
【００３０】
また、周囲の水素吸蔵合金の膨張によって保護管１５の形状が変化してしまうと、水素量センサー１を拘束し、センサー内の水素吸蔵合金の膨張が妨げられてしまうため、異常出力の原因となってしまう。そのため、保護管１５は、外部の水素吸蔵合金の体積膨張によってその形状が変化しない、または変化しにくい強度を有している必要があり、例えば、ＳＵＳ３０４ステンレス等の金属やセラミックを用いて構成することが望ましい。
【００３１】
水素量センサー１の歪みゲージ６からの出力線７は、継手１２を通じて外部に引き出されて図示しないデータ収集装置に接続されており、センサーの歪みを随時記録することで水素残量の検出が可能となっている。出力線７は、水素量センサー１を保護管１５内で吊り下げる機能を有しており、容器本体１１に固定する固定具としての機能を有している。なお、出力線７とは別に水素量センサー１を固定するための固定具を有するものとしてもよい。固定に際しては、容器本体１１に直接固定するものであってもよく、また、保護管１５などを介して固定されるものであってもよい。
【００３２】
なお、保護管１５は円筒形状を有しているものとしたが、本発明としては保護管の形状が特に限定されるものではなく、水素量センサーを収納し、その体積膨張を阻害しない形状であれば良く、例えば箱型であってもよい。また、センサーの形状に合わせて保護管の形状を変更してもよい。
【００３３】
本実施形態によれば、水素が充填された水素貯蔵合金容器内に保護管を設け、保護管の内部に水素量センサー１を設置することにより、合金膨張等の外乱から水素量センサーが保護されてセンサーの挙動が阻害されなくなり、センサー内の水素吸蔵合金の体積変化が歪ゲージに正確に伝達する。これにより、安定して高精度に水素量の検出を行うことが可能となる。
さらに、容器の径方向などの中心に保護管を設けることにより、測定容器の中心部に水素量センサーを設置することが可能となるため、容器内の合金の温度変化を水素量センサーにおいて精密に検知することが可能となり、高精度に水素量を検出することが可能となる。
【実施例】
【００３４】
以下に本発明の実施例を説明する。
図１に示す構造の水素量センサーを用意した。水素量センサーとして、直径５．０ｍｍ、長さ２０ｍｍのＣ型ケーシング内にセンサー用としてＡＢ５系合金を充填し、ケーシングの開口の対向側の外面にひずみゲージを貼り付けたものを用いた。
測定対象の容器としては、図２に示す形状の容器を使用した。容器内には、センサー内に充填したものと同種の水素吸蔵合金を有する樹脂混合物を３．５ｋｇ充填した。
センサーの出力検出部は直径５．０ｍｍであり、合金としてはＡＢ５合金を使用したため、測定容器内に直径８ｍｍの導入孔を設け、直径８ｍｍ、肉厚０．３ｍｍのステンレス管（ＳＵＳ３０４）を保護管として使用し、この保護管内に前記した水素量センサーを設置した。
ひずみゲージの出力線は継手を通じて外部に引き出され、データ収集装置に繋いでひずみを随時記録できるようにした。また、水素貯蔵合金容器には、図２に示すように水素の導入バルブを取り付けた。
【００３５】
容器および水素残量センサー内の水素吸蔵合金に対する活性化処理は、８０℃で１２時間、ロータリーポンプで真空脱ガス後、２５℃の水槽につけて、１．０ＭＰａで１２時間程度水素加圧した。活性化後、１０回の水素給放出を繰り返して出力を安定化させた後、出力評価を行った。
出力評価は、試験容器を２５℃の水槽につけたまま、１．０ＭＰａで１２時間程度加圧した後、最大５．０ＮＬ／ｍｉｎの水素流量で水素を大気圧まで放出し、そのときのひずみ変化を記録・評価した。
水素貯蔵合金容器の水素量を横軸に、そのときのひずみ量を縦軸にプロットしたグラフを図３に示す。なお、水素量は、高精度の質量流量計を用いて流量を計測し、流量を積算した値を百分率化したものである。
図３に示すように、本発明の保護構造を適用した場合は、ひずみ量は水素放出とともにおおむね直線に沿ってひずみが増加していく（圧縮ひずみが解消していく）傾向が見られた。
【００３６】
また、保護壁を適用しなかった場合においても同様の測定を行い、水素量センサーの出力を評価した。
図４に、保護壁を用いた試験結果に加えて、保護壁を適用しなかった水素量検出装置のセンサー出力評価の結果を示した。
図４に示されるように、保護構造を適用しなかった場合、保護構造を適用していた場合と異なり、水素残量に対しセンサー出力はいびつに曲線化しており、容器内の水素量を正確に検出できていないことが確認できた。例えば、水素残量が１００％の時点では、保護構造を適用した水素量センサーではひずみ出力が−１６００με程度であったのに対し、保護構造を適用しなかった場合はひずみ出力が−３００με程度であり、両者に大きな開きが存在していた。  以上の結果から、本発明の保護管を適用することにより、水素貯蔵合金容器内の水素量を正確に検出可能となることが確認された。
【００３７】
以上、本発明について上記実施形態および上記実施例に基づいて説明をしたが、本発明の範囲は上記説明に限定されるものではなく、上記実施形態は、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  水素量センサー
２  センサー本体
３  センサー用水素吸蔵合金
４  切り欠き部
５  易歪み部
６  歪みゲージ
７  出力線
１０  水素貯蔵合金容器
１１  容器本体
１２  継手
１３  水素バルブ
１４  水素吸蔵合金
１５  保護管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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