(57)【要約】【課題】水素充填率を向上させると共に水素充填時間を短縮することができるようにした水素貯蔵タンクを提供する。【解決手段】水素貯蔵タンク１は，水素を吸蔵することによって発熱する水素吸蔵合金粉末ＭＨを有する内側タンク５と，内側タンク５を，それの外面との間に冷却用空間６を存して囲む外側タンク７と，水素吸蔵合金粉末ＭＨによる水素の吸蔵に伴い内側タンク５の温度が水素吸蔵合金粉末ＭＨの水素吸蔵温度に上昇したとき，その内側タンク５を介して水素吸蔵合金粉末ＭＨを冷却すべく，冷却用空間６内に水素吸蔵温度よりも低い沸点を持つ液体を噴霧する少なくとも１つのインゼクタ３７とを備えている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を吸蔵することによって発熱する水素吸蔵材（ＭＨ）を有する内側タンク（５）と，前記内側タンク（５）を，それの外面との間に冷却用空間（６）を存して囲む外側タンク（７）と，前記水素吸蔵材（ＭＨ）による水素の吸蔵に伴い前記内側タンク（５）の温度が前記水素吸蔵材（ＭＨ）の水素吸蔵温度に上昇したとき，その内側タンク（５）を介して前記水素吸蔵材（ＭＨ）を冷却すべく，前記冷却用空間（６）内に前記水素吸蔵温度よりも低い沸点を持つ液体を噴霧する少なくとも１つの噴霧器（３７）とを備えていることを特徴とする水素貯蔵タンク。
【請求項２】
前記外側タンク（７）は，前記冷却用空間（６）内に冷却液を流通させるべく，冷却液用供給口（６９）と冷却液用排出口（５５）とを有する，請求項１記載の水素貯蔵タンク。
【請求項３】
前記液体および前記冷却液は水である，請求項１または２記載の水素貯蔵タンク。
【請求項４】
前記水素吸蔵材（ＭＨ）はＭｇ系合金である，請求項１，２または３記載の水素貯蔵タンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素貯蔵タンク，例えば燃料電池に水素を供給すべく車両に搭載される水素貯蔵タンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵材，例えば水素吸蔵合金粉末を有する水素貯蔵タンクへの水素充填過程において，その水素吸蔵合金粉末が水素を吸蔵すると，それに伴いその粉末は発熱する。この場合，水素充填作業を迅速に行うためには水素吸蔵合金粉末を効率良く冷却しなければならない。
【０００３】
そこで，従来は水素貯蔵タンク内に冷却媒体用通路を設け，その通路に冷却媒体としての水，空気等を流通させる，といった手段を採用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，水は水素吸蔵合金粉末の水素吸蔵温度が１００℃未満であれば冷却媒体として有効であるが，その水素吸蔵温度が１００℃以上であるときは冷却媒体として適切ではない。
【０００５】
これに対応するために，例えば，冷却媒体として空気が用いられている。しかしながら空気の熱容量および熱伝導率は水に比べて小さいので，それを補うためには空気の流量を極端に増加させなければならないが，これはエネルギコストおよび設備コストの上昇を招き，それにも拘らず，水素の充填率が低く，また充填時間も長い，という問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は，水素吸蔵材を効率良く冷却して水素充填率を向上させると共に水素充填時間を短縮することができるようにした前記水素貯蔵タンクを提供することを目的とする。
【０００７】
前記目的を達成するため本発明によれば，水素を吸蔵することによって発熱する水素吸蔵材を有する内側タンクと，前記内側タンクを，それの外面との間に冷却用空間を存して囲む外側タンクと，前記水素吸蔵材による水素の吸蔵に伴い前記内側タンクの温度が前記水素吸蔵材の水素吸蔵温度に上昇したとき，その内側タンクを介して前記水素吸蔵材を冷却すべく，前記冷却用空間内に前記水素吸蔵温度よりも低い沸点を持つ液体を噴霧する少なくとも１つの噴霧器とを備えている水素貯蔵タンクが提供される。
【０００８】
前記のように構成すると，液体の霧化による無数の微粒子を内側タンク外面で蒸発させ，その潜熱により内側タンクを介して水素吸蔵材を効率良く冷却することができる。
【０００９】
前記のような液体をそのままの状態で急激に冷却用空間内に大量に供給すると，内側タンク外面で液体が沸騰し，その沸騰層によって熱伝導が妨げられるため水素吸蔵材の冷却効率が極度に低下する。
【００１０】
前記液体の霧化による冷却は，内側タンクが冷却液に対してサーマルショックを起さなくなるまでとし，その後は大量の冷却液を前記空間に供給して流通させることにより水素吸蔵材を迅速に冷却し，これにより水素充填率の向上を図ると共に充填時間を短縮することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において，水素貯蔵タンク１は燃料電池２に水素を供給すべく車両３に搭載されている。水素貯蔵タンク１への水素の充填は水素ステーション４にて行われる。
【００１２】
水素貯蔵タンク１は，水素を吸蔵することによって発熱する水素吸蔵材，例えば水素吸蔵合金粉末を有する内側タンク５と，内側タンク５を，それの外面との間に冷却用空間６を存して囲む外側タンク６とを備えている。
【００１３】
内側タンク５は，ステンレス鋼より構成された横断面円形の耐圧性筒体８と，軸線をほぼ水平にし，且つ筒体８の内面との間に，吸蔵用水素および放出された水素を流通させる通路９となる間隔を存してその筒体８内に収容された円筒状水素貯蔵モジュール１０とを有する。筒体８は複数の支持部材１１を介して外側タンク７の底壁１２内面に支持されている。図２，図３にも示すように，円筒状水素貯蔵モジュール１０は，水素吸蔵材としての水素吸蔵合金粉末ＭＨを収容して外周面のほぼ全体を水素吸蔵放出面１３とした複数の短円筒形水素貯蔵器１４を備え，それら水素貯蔵器１４は軸線をほぼ水平にしてその軸線方向に並び，相隣る両水素貯蔵器１４間にそれぞれ円盤形をなす触媒式加熱器１５が挟持されている。
【００１４】
各水素貯蔵器１４は，その外周壁を構成すべくステンレス鋼よりなる通気性フィルタ１６を備え，そのフィルタ１６は，水素が水素吸蔵放出面１３を通じて出入りし得るように多数の微細孔，例えば，直径が０．１〜１０μｍの孔を有する。フィルタ１６の水素吸蔵放出面１３に，円周上等間隔に複数の熱伝導用フィン１７が設けられ，それらフィン１７の外端縁は筒体８内周面に接合されている。
【００１５】
筒体８の一方の端壁１８上部に，水素用出入口１９が設けられており，その出入口１９に管２０の一端が接続され，その他端は三方弁２１の第１ポートに接続される。三方弁２１の第２ポートは管２２を介して燃料電池２に接続される。また第３ポートには管２３の一端が接続され，その他端のカップリング半体２４は水素ステーション４の水素供給源２５から延出する管２６のカップリング半体２７と着脱自在に接続されている。
【００１６】
車両３には，各触媒式加熱器１５に水素と空気とよりなるガス燃料を供給するガス燃料供給源２８が搭載されている。そのガス燃料供給源２８の出口から延出する供給管２９は２本に分岐され，両分岐管３０は，円筒状水素貯蔵モジュール１０の外周部側において，その一端から他端側の触媒式加熱器１５に至るように串通されていて，各触媒式加熱器１５内に連通する複数の入口孔３１を有する。また両分岐管３０よりも大径の排気管３２が，円筒状水素貯蔵モジュール１０と同軸配置されるように，その他端から一端側の触媒式加熱器１５に至るように串通されていて，各触媒式加熱器１５内に連通する複数の出口孔３３を有する。ガス燃料の水素としては水素貯蔵タンク１から放出された水素が用いられる。
【００１７】
水素貯蔵タンク１と水素ステーション４との間には，水素吸蔵作業において，水素吸蔵合金粉末ＭＨを冷却する１次冷却装置３４と，２次冷却装置３５と，排液装置３６とが構成されるようになっている。１次冷却装置３４は，水素吸蔵合金粉末ＭＨによる水素の吸蔵に伴い内側タンク５，したがって筒体８の温度が水素吸蔵合金粉末ＭＨの水素吸蔵温度（＞１００℃）に上昇したとき，その筒体８を介して水素吸蔵合金粉末を冷却すべく，冷却用空間６内に水素吸蔵温度よりも低い沸点を持つ液体，実施例では水を噴霧する，といった機能を有する。２次冷却装置３４は，１次冷却過程後において，冷却用空間６内に冷却液である水を流通させて水素吸蔵合金粉末ＭＨを冷却する，といった機能を有する。排液装置３６は，水素吸蔵後，冷却用空間６内の冷却液である水を排出する，といった機能を有する。
【００１８】
１次冷却装置３４は次のように構成されている。
【００１９】
即ち，少なくとも１つ，実施例では２つの噴霧器としてのインゼクタ３７が，噴霧口を冷却用空間６内に配置して外側タンク７の両端壁３８，３９下部に取付けられている。一方，水素ステーション４において，水タンク４０の出口から供給管４１が延出し，その供給管４１に，水タンク４０側より順次，水ポンプ４２および第２開閉弁４３が装置され，端部にはカップリング半体４４が設けられている。そのカップリング半体４４に，車両３側に存する管４５の一端に設けられたカップリング半体４６が着脱自在に接続され，その管４５の他端側は２本に分岐すると共に両分岐管４７は両インゼクタ３７にそれぞれ接続されている。
【００２０】
また水素ステーション４において，水精製器４８の入口側に戻し管４９の一端が接続され，その戻し管４９に，水精製器４８側より順次，冷却器５０，第２開閉弁５１が装置され，端部にはカップリング半体５２が設けられている。そのカップリング半体５２に，車両３側に存する管５３の一端に設けられたカップリング半体５４が着脱自在に接続され，その管５３の他端は，外側タンク７の他方の端壁３９上部に設けられた，冷却用空間６の上側排出口５５に接続される。
【００２１】
水精製器４８の出口側は管５６を介して水タンク４０の入口側に接続され，その管５６に，蒸留水補給源５７が第３開閉弁５８を有する管５９を介して接続されている。また外側タンク７の天井６０において，上側排出口５５近傍に貫通孔６１が形成され，その貫通孔６１に逃し弁６２を備えた管６３が接続される。
【００２２】
２次冷却装置３５は次のように構成されている。
【００２３】
即ち，水タンク４０の出口から延出する供給管４１において，水ポンプ４２および第１開閉弁４３間に，第４開閉弁６４を有する供給管６５の一端が接続され，その他端にはカップリング半体６６が設けられている。そのカップリング半体６６に，車両３側に存する管６７の一端に設けられたカップリング半体６８が着脱自在に接続され，その管６７の他端は，外側タンク７の一方の端壁３８下部に設けられて冷却用空間６に連通する，冷却液，つまり水用供給口６９に接続される。この場合の冷却液，つまり，水用排出系統としては，冷却液用排出口としての上側排出口５５，管５３，戻し管４９，水精製器４８および管５６が兼用される。
【００２４】
排液装置３６は次のように構成されている。
【００２５】
即ち，空気ポンプ７０の吐出口から第５開閉弁７１を有する供給管７２が延出し，その供給管７２は，水タンク４０から延出する供給管４１において，第１開閉弁４３とカップリング半体４４との間に接続される。したがって，空気供給系統として，水タンク４０からの供給管４１における第１開閉弁４３の下流側，管４５，両分岐管４７，両インゼクタ３７が兼用される。一方，水精製器４８に接続された戻し管４９において，冷却器５０および第２開閉弁５１間に第６開閉弁７３を有する戻し管７４の一端が接続され，その他端にはカップリング半体７５が設けられている。そのカップリング半体７５に，車両３側に存する管７６の一端に設けられたカップリング半体７７が着脱自在に接続され，その管７６の他端は外側タンク７の底壁１２中央部に存する下側排出口７８に接続される。したがって，排液系統の戻し管４９の第２開閉弁５１下流側，水精製器４８，管５６および水タンク４０が兼用される。
【００２６】
以下，水素吸蔵作業について説明する。
【００２７】
（ａ）水素吸蔵合金粉末ＭＨとして，Ｍｇ系合金であるＭｇ９７Ｎｉ３　合金粉末（数値の単位は原子％）を用いた。この合金粉末ＭＨの水素吸蔵温度は３７０℃，および水素吸蔵圧力は０．９ＭＰａであり，また水素放出温度は，ゲージ圧０．１ＭＰａにおいて，３１０℃である。
【００２８】
（ｂ）三方弁２１を切換えて水素供給源２５を内側タンク５の通路９に連通させた。また第１，第２開閉弁４３，５１を「開」にし，一方，第３，第４，第５，第６開閉弁５８，６４，７１，７３を「閉」にした。
【００２９】
（ｃ）水素供給源２５より内側タンク５の通路９に水素を供給し，その水素を各水素貯蔵器１４の通気性フィルタ１６を通して水素吸蔵合金粉末ＭＨに吸蔵させた。これにより水素吸蔵合金粉末ＭＨが発熱し，その発生熱は通気性フィルタ１６より各フィン１７を経て耐圧性筒体８に伝播され，その筒体８の温度は水素吸蔵合金粉末ＭＨのそれとほぼ同等になった。
【００３０】
（ｄ）耐圧性筒体８の温度が約３７０℃に上昇したとき，水ポンプ４２を駆動し，水タンク４０の水を各インゼクタ３７に供給して冷却用空間６内に噴霧させた。水の霧化による無数の微粒子が耐圧性筒体８外面で蒸発し，その潜熱により耐圧性筒体８，各フィン１７および通気性フィルタ１６を介して水素吸蔵合金粉末ＭＨが効率良く冷却された。
【００３１】
冷却用空間６内の水蒸気は上側排出口５５より冷却器５０に至り，そこで凝縮されて水となり，その水は水精製器４８にて純化され，次いで水タンク４０に戻された。この間に，冷却用空間６内の水蒸気圧が所定値より高くなれば逃し弁６２が開放され，また水タンク４０内の水が規定量よりも減少すれば，その水タンク４０には蒸留水補給源５７より水が供給される。水の霧化による冷却は，耐圧性筒体８が，水に対してサーマルショックを起さなくなるまでとし，この例では耐圧性筒体８の温度が約１２０℃に下降するまでとした。
【００３２】
（ｅ）第１開閉弁４３を「閉」にし，また第４開閉弁６４を「開」にして，室温下の水を水用供給口６９を通じ冷却用空間６に供給した。水は，冷却用空間６をほぼ満たすと共に水素吸蔵合金粉末ＭＨを冷却して約８０℃に温度上昇し，次いで，上側排出口５５より冷却器５０に至り，そこで室温付近まで冷却され，さらに水精製器４８にて純化された後，水タンク４０に戻され，再び冷却用空間６に供給される，といったように循環する。このように大量の水を循環させることにより，水素吸蔵合金粉末ＭＨの冷却を迅速に行って水素の充填率の向上を図ると共に充填時間を短縮することができる。
【００３３】
（ｆ）水素の吸蔵を終了した後，水ポンプ４２の駆動を停止し，また第４，第２開閉弁６４，５１を「閉」にし，さらに第５，第６開閉弁７１，７３を「開」にした。
【００３４】
（ｇ）空気ポンプ７０を駆動して，加圧空気を各インゼクタ３７より冷却用空間６内に噴出させ，その空気圧によって水を下側排出口７８より冷却器５０を経て水精製器４８に排出し，そこで純化した後水タンク４０に回収した。
【００３５】
（ｈ）水回収後，両カップリング半体２４，２７；４４，４６，５２，５４；６６，６８；７５，７７間を切離した。
【００３６】
前記（ｃ）〜（ｇ）過程に要した時間，つまり水素貯蔵タンク１における有効水素量１００％を達成するための水素充填時間は約１５分間であった。一方，冷却用空間６に冷却媒体としての空気を流通させて水素の吸蔵を行ったところ，水素貯蔵タンク１における有効水素量は８０％が限度であり，またそれを達成するために３０分間以上を要した。
【００３７】
燃料電池の運転に当っては，三方弁２１を切換えて水素貯蔵タンク１の水素用出入口１９を燃料電池２に連通させ，次いでガス燃料供給源２８より各触媒式加熱器１５に水素と空気とよりなるガス燃料を供給して燃焼させる。これにより水素吸蔵合金粉末ＭＨから水素が放出されて燃料電池２に供給される。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば，前記のように構成することによって，水素吸蔵材を効率良く冷却して水素充填率を向上させると共に水素充填時間を短縮することが可能な水素貯蔵タンクを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素貯蔵タンクおよびそれと水素ステーションとの関係を示す説明図である。
【図２】図１の２−２線拡大断面図である。
【図３】水素貯蔵器の側面図で，図２の３矢視図に相当する。
【符号の説明】
１　　　水素貯蔵タンク
５　　　内側タンク
６　　　冷却用空間
７　　　外側タンク
３７　　インゼクタ（噴霧器）
５５　　上側排出口（冷却液用排出口）
６９　　水用供給口（冷却液用供給口）
ＭＨ　　水素吸蔵合金粉末（水素吸蔵材）
【図１】
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【図２】
2004060815.tif 000004
【図３】
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