(57)【要約】【課題】ガス吸蔵・吸着材が収容された容器にガスを充填する際、温度が上昇することを抑制する。【解決手段】ガス貯蔵用容器１０を構成する容器１２内には、該容器１２の長手方向にわたって延在する長尺なガス分配管３０が収容されている。ガスを排出する排出口３２はガス分配管３０の側周壁にのみ設けられており、従って、排出されたガスは、容器の側方内壁側に指向して進行する。ガス分配管３０はガス吸蔵・吸着材１４によって囲繞されており、一方、ガス吸蔵・吸着材１４は、該ガス吸蔵・吸着材と蓄熱材とが混合された混合物１６で囲繞されている。この中の蓄熱材によって、熱が吸収される。【選択図】図１
2008151282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺な容器の内部にガス吸蔵・吸着材及び蓄熱材が収容されたガス貯蔵用容器であって、
前記容器の内部に収容され、該容器の長手方向に沿って延在するとともに、該容器の側方内壁側に指向してガスを排出可能な排出口が設けられたガス分配管を有し、
前記ガス分配管が前記ガス吸蔵・吸着材に囲繞され、
且つ前記ガス吸蔵・吸着材が前記蓄熱材と前記ガス吸蔵・吸着材との混合物に囲繞されていることを特徴とするガス貯蔵用容器。
【請求項２】
請求項１記載のガス貯蔵用容器において、前記容器の中心から側方内壁までの距離を１００としたとき、前記中心から前記ガス吸蔵・吸着材と前記混合物との境界線までの距離が３０以上であることを特徴とするガス貯蔵用容器。
【請求項３】
請求項１記載のガス貯蔵用容器において、さらに、前記混合物がガス吸蔵・吸着材に囲繞されていることを特徴とするガス貯蔵用容器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス貯蔵用容器において、前記蓄熱材は、４５〜８５℃で相変化を起こす物質であることを特徴とするガス貯蔵用容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス貯蔵用容器に関し、一層詳細には、容器内にガス吸蔵・吸着材を収容したガス貯蔵用容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、周知のように、アノードに水素等の燃料ガスが供給される一方でカソードに酸素等の酸化剤ガスが供給されて発電する。従って、例えば、燃料電池を搭載した燃料電池車では、水素を充填したガス貯蔵用容器が搭載される。燃料電池車は、酸化剤ガスとしての大気と、前記ガス貯蔵用容器から供給された水素とを反応ガスとして走行する。
【０００３】
このことから諒解されるように、ガス貯蔵用容器の水素収容量が大きいほど燃料電池車を長距離にわたって走行させることができる。しかしながら、過度に大きなガス貯蔵用容器を搭載することは、燃料電池車の重量を大きくすることになり、結局、燃料電池の負荷が大きくなるという不具合を招く。この観点から、ガス貯蔵用容器の体積を小さく維持しながら水素収容量を向上させる様々な試みがなされている。その一手法としては、例えば、特許文献１に記載されるように、水素吸蔵合金をはじめとするガスを吸蔵ないし吸着する物質（以下、ガス吸蔵・吸着材という）を容器内に収容することが挙げられる。
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されたガス貯蔵用容器では、容器内に粉末状の水素吸蔵合金をそのまま収容するようにしている。一般に、ガス吸蔵・吸着材がガスを吸蔵ないし吸着する反応は発熱反応であり、しかも、ガスを容器内に充填する際には該ガスの断熱圧縮を伴う。従って、この種のガス貯蔵用容器に対して水素ガスを充填した場合、容器内の温度が過度に上昇すると、ガス吸蔵・吸着材へのガスの吸蔵ないし吸着が阻害されるようになる。勿論、このような状態が生じると、ガス収容量が小さくなる。
【０００５】
そこで、特許文献１では、容器内の温度が上昇することを抑制するべく、該容器の略中心部に熱交換器を配設することも提案されている。
【０００６】
また、特許文献２には、温度変化に応じて潜熱の吸収及び放出を生じる相変化物質をマイクロカプセル中に封入して蓄熱材とし、該蓄熱材をガス吸着材と混合した上で容器内に収容することが提案されている。この場合、容器にガスを充填する際に発生する熱を前記蓄熱材が吸収する、とのことである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１０８５７０号公報（特に段落［００１９］）
【特許文献２】特開２００１−１４５８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１、２に記載されているように熱を吸収するための物体ないし物質を容器内に配設したとしても、内部に粉末状のガス吸蔵・吸着材が充填された容器に対し、該容器の上方に設けられた充填口からガスを導入すると、上方のガス吸蔵・吸着材からガスを吸蔵ないし吸着し始める。すなわち、容器内において局所的に高温となる部位が発生することを回避することができない。このような事態が生じると、容器に熱膨張量が互いに相違する部位が生じることもあり、場合によっては、容器を構成する外殻とライナとが剥離することが懸念される。
【０００９】
また、熱交換器を設ける場合、高温となる部位が発生することを回避するためには、大型のものを採用せざるを得ず、このことに伴い、容器の体積や重量も大きくする必要が生じる。
【００１０】
一方、蓄熱材を収容する場合、容器内が局所的に高温となるために吸熱が不十分となる懸念がある。従って、確実に吸熱を行うためには、多量の蓄熱材を用いる必要がある。しかしながら、蓄熱材はガスの吸蔵ないし吸着に何ら関与しないので、多量の蓄熱材を用いながらもガス収容量を大きくするためには、容器の体積や重量も大きくしなければならない。
【００１１】
このように、ガスの充填時に高温となることを回避するためには、容器の体積や重量を大きくせざるを得ないという不具合が顕在化している。
【００１２】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、小型且つ軽量でありながらもガスの充填時に温度が上昇することを抑制可能で、単位体積当たり又は単位重量当たりのガス貯蔵密度が大きいガス貯蔵用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】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明は、長尺な容器の内部にガス吸蔵・吸着材及び蓄熱材が収容されたガス貯蔵用容器であって、
前記容器の内部に収容され、該容器の長手方向に沿って延在するとともに、該容器の側方内壁側に指向してガスを排出可能な排出口が設けられたガス分配管を有し、
前記ガス分配管が前記ガス吸蔵・吸着材に囲繞され、
且つ前記ガス吸蔵・吸着材が前記蓄熱材と前記ガス吸蔵・吸着材との混合物に囲繞されていることを特徴とする。
【００１４】
以上のように構成された本発明においては、長尺なガス分配管が容器の長手方向に沿って延在するので、容器の長手方向に沿って略均等に温度を上昇させることができる。換言すれば、長手方向に沿って温度ムラが生じることを回避することができる。
【００１５】
また、ガスを容器の側方内壁側に指向して排出させるようにしているので、該ガス分配管を囲繞するガス吸蔵・吸着材は、ガスの充填時、ガス分配管から排出される低温のガスによって冷却される。このため、蓄熱材をガス分配管の近傍に配置する必要がないので蓄熱材の使用量を低減することができ、相対的に、ガス吸蔵・吸着材の使用量を増加することができる。このため、ガス収容量が大きくなる。
【００１６】
しかも、容器の側方内壁近傍では、混合物に含まれる蓄熱材によって熱が吸収される。このため、温度上昇が抑制されるので、この混合物中のガス吸蔵・吸着材のガス吸蔵ないし吸着が阻害されることが抑制される。結局、容器の側方内壁近傍においてもガス吸蔵・吸着材によってガスが効率的に吸蔵ないし吸着されるので、大量のガス吸蔵・吸着材を収容するために容器の体積を大きくすることなくガス収容量を向上させることができる。その結果、小型且つ軽量であり、単位体積当たり又は単位重量当たりのガス貯蔵密度が大きいガス貯蔵用容器を構成することができる。
【００１７】
ガス収容量と温度上昇抑制との均衡を図るためには、容器の中心から側方内壁までの距離を１００としたとき、前記中心からガス吸蔵・吸着材と混合物との境界線までの距離を３０以上とすることが好ましい。この場合、ガスを十分に吸蔵ないし吸着することができる一方、温度上昇を抑制することもできる。
【００１８】
なお、混合物の外方にガス吸蔵・吸着材をさらに配置するようにしてもよい。この場合においても蓄熱材の作用下に容器の内部の温度上昇が抑制されるので、容器の側方内壁近傍にガス吸蔵・吸着材のみを配置したとしても、このガス吸蔵・吸着材のガス吸蔵ないし吸着はほとんど阻害されない。従って、ガス吸蔵・吸着材の使用量をさらに増加することができ、このため、ガス収容量をさらに大きくすることができる。
【００１９】
いずれの場合においても、蓄熱材として、４５〜８５℃で相変化を起こす物質を使用することが好ましい。この相変化に伴って大量の熱が吸収されるので、温度上昇抑制効果が顕著であるからである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、蓄熱材によって吸熱を行うことで温度上昇を抑制するようにしているので、混合物に含まれるガス吸蔵・吸着材のガス吸蔵能ないしガス吸着能が低下することを回避することができる。これによりガス吸蔵・吸着材が十分な量のガスを吸蔵ないし吸着することが可能となるので、容器の体積を大きくすることなくガス収容量を大きくできる。結局、単位体積当たり又は単位重量当たりのガス貯蔵密度が大きいガス貯蔵用容器が構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係るガス貯蔵用容器につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態に係るガス貯蔵用容器１０の長手方向に沿う全体概略断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。このガス貯蔵用容器１０は、容器１２の内部に、ガス吸蔵・吸着材１４と、ガス吸蔵・吸着材及び蓄熱材の混合物１６とが各々層状に収容されることで構成されている。
【００２３】
この場合、容器１２は、断面が略真円形状である長尺体である（図２参照）。なお、両端部は緩やかに縮径されることで湾曲形成されている（図１参照）。
【００２４】
容器１２は、外殻１８と、該外殻１８の内壁に添着されたライナ２０とを有し、この中の外殻１８は、例えば、繊維強化樹脂からなる。一方のライナ２０の材質は、ポリエチレン等の樹脂材であってもよいが、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属であってもよい。このように熱伝導度が高い金属をライナ２０の材質とした場合、蓄熱材からの熱が速やかに外殻１８に伝達されるので、後述するガスの充填時に発生する熱を除去することが容易となるという利点がある。
【００２５】
容器１２の一端部には開口２２が形成されており、該開口２２は、閉塞部材２４によって閉塞されている。そして、この閉塞部材２４の略中心に設けられた貫通孔２６には、ガス供給管２８の一端部が通されている。その一方で、このガス供給管２８の他端部は、図示しないガス供給源に接続されている。
【００２６】
さらに、ガス供給管２８の先端部には、中空円筒体形状のガス分配管３０が連結されている。図１から諒解されるように、このガス分配管３０は容器１２の長手方向に沿って該容器１２の略全域にわたって延在しており、且つその直径中心が容器１２の直径中心に略一致する（図２参照）。すなわち、ガス分配管３０と容器１２とは、断面形状において同心円を形成する。
【００２７】
ガス分配管３０の側周壁には、複数個の排出口３２が貫通形成されている。このため、ガス供給管２８を経てガス分配管３０の内部に到達したガスは、図１及び図２に矢印で示すように、容器１２の側方内壁側に指向して排出口３２から排出される。なお、ガス分配管３０の底部は閉塞されており、従って、ガスが容器１２の底部内壁側に指向して排出されることはない。
【００２８】
このような構成のガス分配管３０は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材を円筒形状としてその開口一端部に閉塞板を溶接等の所定の接合方法で接合して閉塞したり、又は、セラミックスの中空焼結体の一端部にプラグを充填したりすることで作製することができる。ガス分配管３０の材質は、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂材であってもよい。
【００２９】
前記ガス吸蔵・吸着材１４は、ガス分配管３０を外方から囲繞するようにして容器１２内に収容されている。なお、本実施の形態において、ガス吸蔵・吸着材１４は粉末であり、例えば、図示しない可撓性の柔軟な容器に収容されている。
【００３０】
ガス吸蔵・吸着材１４は、ガスを吸蔵ないし吸着可能な物質であれば如何なるものであってもよい。例えば、水素吸蔵合金であってもよいし、有機金属錯体であってもよい。
【００３１】
また、ガス吸蔵・吸着材１４は、水素を吸蔵ないし吸着可能な物質に限定されるものではなく、例えば二酸化炭素等、他のガスを吸蔵ないし吸着可能な物質であってもよい。
【００３２】
前記混合物１６は、前記ガス吸蔵・吸着材１４を外方から囲繞するようにして容器１２内に収容されている。すなわち、この場合、ガス分配管３０、ガス吸蔵・吸着材１４と混合物１６との境界線、容器１２（ライナ２０）の側方内壁とは同心円を形成する。そして、容器１２の軸心（中心）から側方内壁までの距離を１００としたとき、軸心からガス吸蔵・吸着材１４と混合物１６との境界線に至るまでの距離は３０以上であることが好ましい。この場合、十分なガス収容量を確保することができるとともに、ガスの充填時に熱を十分に吸収することができるからである。
【００３３】
該混合物１６に含まれる蓄熱材は、顕熱蓄熱材であってもよいし、潜熱蓄熱材であってもよい。顕熱蓄熱材の好適な例としては、アルミナ、ムライト、ジルコニア等のセラミックスや、アルミニウム等の金属が挙げられる。
【００３４】
一方の潜熱蓄熱材とは、所定量の熱を吸収して融解・凝固等の相変化を起こす物質を指称し、その好適な例として、ガス貯蔵用容器１０の一般的な使用温度（環境温度４０℃以下）よりも高温の４５〜８５℃で相変化を起こす物質が挙げられる。具体的には、塩化ナトリウム水和物、塩化カルシウム水和物、硝酸ナトリウム水和物、硫酸ナトリウム水和物等の各種無機化合物の水和物や、テトラデカン、ペンタデカン、オクタデカン、エイコサン、ドコサン等の各種直鎖脂肪族炭化水素、又はパラフィンワックスや脂肪酸が例示される。なお、容器１２内の温度が１００℃を超える場合には、エリスリトール、ソルビトール、キシリトール等の潜熱蓄熱材を用いるようにすればよい。
【００３５】
上記したような潜熱蓄熱材を使用する場合には、潜熱蓄熱材をマイクロカプセル等に封入してガス吸蔵・吸着材１４に混合することが好ましい。吸熱によって潜熱蓄熱材が相変化を起こして融解した場合であってもマイクロカプセルから流出することがないので、例えば、潜熱蓄熱材が内方のガス吸蔵・吸着材１４に浸透することを回避することができるようになるからである。
【００３６】
混合物１６に含まれるガス吸蔵・吸着材と蓄熱材との割合は、ガス吸蔵・吸着材のガス吸蔵ないし吸着量、蓄熱材の可能吸熱量、ガス貯蔵用容器１０の許容温度等を考慮して決定すればよい。
【００３７】
本実施の形態に係るガス貯蔵用容器１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００３８】
前記ガス供給源からガス供給管２８を経てガス分配管３０の内部に到達したガスは、該ガス分配管３０の側周壁に貫通形成された排出口３２から排出される。ガス分配管３０の側周壁が容器１２の側方内壁に臨んでいるので、排出されたガスは、図１及び図２に矢印で示したように容器１２の側方内壁側に指向して進行し、その最中に、ガス分配管３０を囲繞するガス吸蔵・吸着材１４によって順次吸蔵ないし吸着される。
【００３９】
この吸蔵ないし吸着に伴ってガス吸蔵・吸着材１４が発熱を起こすこと、及びガスが断熱圧縮を起こすことによって、容器１２内の温度が上昇する。上記したようにガス分配管３０が容器１２の長手方向の略全域にわたって延在するので、長手方向では、略均等に温度が上昇する。
【００４０】
ガスが容器１２の側方内壁側に向かって進行することに伴い、ガス吸蔵・吸着材１４では、ガス分配管３０側から混合物１６側に向かって温度が上昇するものの、ガス吸蔵・吸着材１４がガス分配管３０の近傍に位置するため、ガス分配管３０から排出される低温のガスによって冷却される。従って、ガス吸蔵・吸着材１４の温度上昇は若干である。
【００４１】
このため、ガス分配管３０の近傍に蓄熱材を配置する必要がない。すなわち、本実施の形態によれば、蓄熱材の使用量を少なくすることができるので、相対的に、ガス吸蔵・吸着材１４を多く使用することができ、結局、ガス収容量を大きくすることができる。
【００４２】
ガス分配管３０からの距離が大きくなるにつれ、該ガス分配管３０から排出されたガスによる冷却効果が小さくなる。従って、図３に示すように、ガス吸蔵・吸着材１４を収容したのみでは、ガス分配管３０から離間するに従って容器１２内の温度が上昇する。このように高温となったガス吸蔵・吸着材１４では、ガスの吸蔵ないし吸着が阻害される。
【００４３】
これに対し、本実施の形態においては、上記したように、ガス吸蔵・吸着材１４の外方に蓄熱材を含む混合物１６を配置している。従って、混合物１６中のガス吸蔵・吸着材１４がガスを吸蔵ないし吸着することに伴って発生した熱やガスの断熱圧縮によって発生した熱が、蓄熱材によって吸収される。その結果、図３に併せて示すように、容器１２内の温度が過度に上昇することが阻止される。なお、図３は、容器１２の半径を１とし、半径方向に沿う温度分布を表している。
【００４４】
この効果は、４５〜８５℃で相変化を生じる潜熱蓄熱材を使用した場合に一層顕著となる。すなわち、潜熱蓄熱材が相変化を起こす際に大量の熱を吸収するので、温度上昇を一層抑制することができるようになるからである。
【００４５】
以上のように、本実施の形態によれば、蓄熱材によって吸熱を行うことで温度上昇を抑制するようにしているので、混合物１６に含まれるガス吸蔵・吸着材のガス吸蔵能ないしガス吸着能が低下することを回避することができる。要するに、ガス吸蔵・吸着材１４、及び混合物１６に含まれるガス吸蔵・吸着材の双方が十分な量のガスを吸蔵ないし吸着することが可能となり、従って、容器１２の体積を大きくしてガス吸蔵・吸着材１４の収容量を大きくする必要がない。このため、ガス貯蔵用容器１０の重量が大きくなることを回避することができる。換言すれば、単位体積当たり又は単位重量当たりのガス貯蔵密度が大きいガス貯蔵用容器１０を構成することができる。
【００４６】
なお、上記した実施の形態においては、ガス吸蔵・吸着材１４と混合物１６との２層構成としているが、図４及び図５に示すように、混合物１６の外方にガス吸蔵・吸着材１４のさらなる層を設け、３層構成としてもよい。最外層をガス吸蔵・吸着材１４のみとするこの場合においても、混合物１６中の蓄熱材によって容器１２内の温度上昇が十分に抑制されるので、最外のガス吸蔵・吸着材１４もガスを十分に吸蔵ないし吸着することが可能となる。このため、蓄熱材の使用量を低減する一方、ガス吸蔵・吸着材１４の使用量を増加することができるので、ガス収容量を一層増加させることができる。
【００４７】
３層構成とする場合、前記容器１２の中心から側方内壁までの距離を１００としたとき、例えば、前記中心から内側のガス吸蔵・吸着材１４と混合物１６との境界線までの距離を３０とし、前記中心から混合物１６と外側のガス吸蔵・吸着材１４との境界線までの距離を９５とすればよいが、特にこれに限定されるものでないことはいうまでもない。
【００４８】
また、容器１２の断面形状は真円である必要はなく、楕円形であってもよいし、多角形形状であってもよい。いずれの場合においても、長手方向に直交する断面において、容器１２の中心とガス分配管３０の中心とを略一致させることが好ましい。
【００４９】
さらに、ガス分配管３０も円筒形状である必要はなく、例えば、直方体形状等であってもよい。
【００５０】
さらにまた、容器１２の外殻１８を設ける必要は特にない。
【実施例１】
【００５１】
図１に示す形状で、内径が１６４ｍｍ、内部容量が８．２リットルのアルミニウム合金からなる容器を作製した。さらに、ステンレス鋼製の円筒形状中空焼結体の一端部を封止し、ガス分配管とした。このガス分配管を、閉塞部材の貫通孔に通されたガス供給管に連結し、前記閉塞部材で容器の開口を閉塞することで該容器の内部に収容した。なお、容器内には、ガス吸蔵・吸着材としての活性炭、及び活性炭とパラフィンマイクロカプセル（蓄熱材）との混合物も併せて収容した。
【００５２】
具体的には、ガスを透過可能である厚み０．２ｍｍのポリウレタン製の伸縮性膜材で作製した半径６６ｍｍの円筒型容器を、ガス分配管を囲繞するように配置し、該円筒型容器内に、平均粒径が０．５ｍｍの活性炭を２．５６ｋｇ収容した。すなわち、活性炭は、容器の内径（中心から内壁までの距離）を１００としたとき、０（中心）から８０に到達するまでを占めた。
【００５３】
その一方で、１．４４ｋｇの前記活性炭と、平均粒径０．１ｍｍのパラフィンマイクロカプセル０．６６ｋｇとを機械的に撹拌して混合物とした。なお、パラフィンマイクロカプセルは、５０℃において固相から液相への相変化を起こす。
【００５４】
この混合物の２．１ｋｇを、前記円筒型容器の外方と容器の内壁との間に収容し、ガス貯蔵用容器を構成した。なお、ガス貯蔵用容器の内部には、温度測定用の熱電対を挿入した。
【００５５】
このようにして構成されたガス貯蔵用容器の内部に、二酸化炭素ガス供給源から供給されて減圧弁の作用下に圧力１ＭＰａに減圧された二酸化炭素ガスを、前記ガス供給管及び前記ガス分配管を介して充填した。これを実施例１とする。
【００５６】
また、円筒型容器の半径を４９ｍｍとし、これにより容器の内径を１００としたときに活性炭が０（中心）から６０に到達するまでを占めるようにする一方、その外方を前記混合物で囲繞したことを除いては実施例１と同様にしてガス貯蔵用容器を構成し、その内部に二酸化炭素ガスを充填した。これを実施例２とする。
【００５７】
比較のため、４ｋｇの活性炭のみを収容したことを除いては実施例１、２に準拠してガス貯蔵用容器を構成し、その内部に二酸化炭素ガスを充填した。これを比較例とする。
【００５８】
以上の実施例１、２及び比較例において、ガス貯蔵用容器の半径を１とした場合の半径方向に沿う温度分布を図６に示す。この図６から、蓄熱材が収容されていない比較例では半径方向外方になるにつれて温度が上昇しているのに対し、実施例１、２では、蓄熱材が存在する０．８以上の領域（実施例１）、０．６以上の領域で温度上昇が抑制されていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施の形態に係るガス貯蔵用容器の長手方向に沿う全体概略断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図３】ガス吸蔵・吸着材のみが収容されたガス貯蔵用容器、及び蓄熱材が併せて収容されたガス貯蔵用容器における容器の半径方向に沿う温度分布を示すグラフである。
【図４】別の実施の形態に係るガス貯蔵用容器の長手方向に沿う全体概略断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。
【図６】実施例１、２及び比較例のガス貯蔵用容器における容器の半径方向に沿う温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１０…ガス貯蔵用容器                １２…容器
１４…ガス吸蔵・吸着材              １６…混合物
２８…ガス供給管                    ３０…ガス分配管
３２…排出口
【図１】
2008151282.tif 000003
【図２】
2008151282.tif 000004
【図３】
2008151282.tif 000005
【図４】
2008151282.tif 000006
【図５】
2008151282.tif 000007
【図６】
2008151282.tif 000008