(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体水素を貯留する断熱容器と、
前記断熱容器内に配設された水素吸着部材と、
前記断熱容器の内壁と前記水素吸着部材とに囲まれた空間に液体水素を導入する導入管と、
前記液体水素から生ずる水素ガスを前記断熱容器内から排出させる排出管と、
を備え、前記水素ガスが前記水素吸着部材内を通過した後に前記断熱容器内から排出されるように前記導入管と前記水素吸着部材と前記排出管とを配置した水素貯蔵装置。
【請求項２】
前記水素吸着部材と前記空間とを仕切る仕切部材をさらに備えた請求項１に記載の水素貯蔵装置。
【請求項３】
前記断熱容器内で前記水素吸着部材と前記空間とが水平方向に配置されるようにした請求項２に記載の水素貯蔵装置。
【請求項４】
前記水素ガスが前記水素吸着部材内を蛇行して通過するように前記水素吸着部材内に隔壁が設けられた請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水素貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年水素を燃料として用いる燃料電池やエンジン等が開発され、それと同時にこれらのエンジンや燃料電池等に供給される水素を吸蔵或いは貯蔵する方法、装置等についても開発が進められている。
【０００３】
従来から存在する水素の貯蔵方法としては、例えば２０ＭＰａ程度の圧力を水素に加えて高圧水素ボンベに水素を貯蔵する方法や、約２０Ｋにまで冷却され液化された水素を液体水素ボンベに貯蔵する方法がある。さらに、細孔を有する炭素材料と該炭素材料を収容した容器とを含む水素貯蔵装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−２２０１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の水素貯蔵装置では、水素を貯蔵する容器として例えば、ステンレス製のタンクやボンベが用いられる。しかし、ステンレス製のタンク等では液体水素を貯蔵する際に外界からの熱を十分に遮断できず長期間の水素貯蔵が困難な場合があった。
【０００５】
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、長期間にわたって水素貯蔵が可能な水素貯蔵装置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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の水素貯蔵装置は、液体水素を貯留する断熱容器と、前記断熱容器内に配設された水素吸着部材と、前記断熱容器の内壁と前記水素吸着部材とに囲まれた空間（以下、この空間を「液体水素貯留部」と称することがある。）に液体水素を導入する導入管と、前記液体水素から生ずる水素ガスを前記断熱容器内から排出させる排出管と、を備え、前記水素ガスが前記水素吸着部材内を通過した後に前記断熱容器内から排出されるように前記導入管と前記水素吸着部材と前記排出管とを配置したものである。
【０００７】
本発明の水素貯蔵装置は断熱容器を用いるため、外界から断熱容器内への熱の伝導を抑制することができ、水素貯蔵装置内に貯留された液体水素の気化を抑えることができる。
【０００８】
液体水素貯留部に導入管を通して液体水素が導入されると、断熱容器の内壁に接触することにより液体水素が沸騰して水素ガスが生ずる。この水素ガスは水素吸着部材内を通過した後に排出管から排出される。液体水素の沸騰により生じた水素ガスの温度は液体水素の沸点（２０．４Ｋ）と略同等であり、この低温の水素ガスが水素吸着部材内を通過する際に水素吸着部材から熱を奪いながら断熱容器外に排出される。そのため、効率よく断熱容器内の熱を容器外に放出することが可能となる。
【０００９】
なお、本発明において水素吸着部材とはその表面に水素分子を吸着して保持可能な物質からなる部材をいい、該物質は、原子状水素を捉えて吸蔵する水素吸蔵合金とは区別されるものである。
【００１０】
また、水素ガスが水素吸着部材内を通過する際に、その一部は水素吸着部材に吸着されて保持される。水素吸着部材に保持された水素は、水素貯蔵装置内に貯留された液体水素が全て蒸発した後でも該装置内に保持されるため、本発明の水素貯蔵装置は長期間にわたる水素貯蔵が可能である。
【００１１】
本発明の水素貯蔵装置は、水素吸着部材と液体水素貯留部とを仕切る仕切部材をさらに備えてもよい。仕切部材を備えることにより液体水素を導入する際に液体水素と水素吸着部材とが直接接触するのを抑制できる。このため、液体水素の突沸を防ぐことができる。
【００１２】
本発明の水素貯蔵装置においては、断熱容器内で水素吸着部材と液体水素貯留部とを水平方向に配置してもよい。この場合、本発明の水素貯蔵装置には水素吸着部材と液体水素貯留部とを仕切る仕切部材が設けられる。水素吸着部材と液体水素貯留部とを水平方向に配置することにより、水素貯蔵装置のレイアウトの自由度を拡げることができる。
【００１３】
本発明の水素貯蔵装置においては、水素ガスが水素吸着部材内を蛇行して通過するように水素吸着部材内に隔壁を設けるようにしてもよい。水素ガスを水素吸着部材内で蛇行させることにより、水素吸着部材と水素ガスとの接触面積を増やすことができ、水素吸着能力を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、長期間にわたって水素貯蔵が可能な水素貯蔵装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の水素貯蔵装置を図面を参照して説明する。なお、同様の機能を有する部材には、全図面を通じて同じ符合を付与し、その説明を省略することがある。
【００１６】
＜第一実施形態＞
図１は本発明の第一実施形態に係る水素貯蔵装置を示す図であり、図１（Ａ）は水素貯蔵装置の斜視図を表し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図を表す。第一実施形態に係る水素貯蔵装置は、断熱容器１０と、断熱容器１０の上部に設けられた導入管２０及び排出管３０と、を有する。
【００１７】
断熱容器１０は、図１（Ｂ）に示すようにタンク１２とタンク１２の外側を覆う断熱材１４とで構成される。
【００１８】
タンク１２としては、ＳＵＳ又はステンレス製のタンク等を用いることができるがこれに限定されるものではない。
【００１９】
断熱材１４としては、多層インシュレーション（ＭＬＩ）を用いることができる。ＭＬＩは、反射率の高い薄膜状の放射シールド材とシールド材間の熱伝導を防ぐスペーサ材とを交互に積層することにより構成される。シールド材としては片面あるいは両面アルミ蒸着されたポリエステルフィルム等が、スペーサ材としてはガラス繊維の布や紙、ナイロンネット等が用いられる。ＭＬＩは、シールド材をＮ枚挿入すると輻射による進入熱量を１／（Ｎ＋１）に減少させることができる。
【００２０】
断熱容器１０の内部には水素吸着部材４０が配置される。水素吸着部材４０を構成する水素吸着材としては、活性炭、カーボンナノチューブ、Ｚｎ4Ｏ（１，４−ベンゼンジカルボン酸ジメチル）3等のＭＯＦ（多孔性金属有機構造）等が挙げられる。これらの材料は、顆粒状、ペレット状又はこれらの材料の粉末を袋に詰めた状態で用いられる。本実施形態では、ペレット状の活性炭を用いた。
【００２１】
断熱容器１０の内壁と水素吸着部材４０とに囲まれた空間である液体水素貯留部５０には導入管２０が連通され、液体水素が水素吸着部材４０に直接触れることなく断熱容器１０内に供給できるようになっている。
【００２２】
導入管２０及び排出管３０の各々にはバルブ６０が設けられている。バルブ６０は断熱材１４に覆われており、水素ガス自体が熱媒となる熱進入を防ぐことができるようになっている。
【００２３】
次に、第一実施形態に係る水素貯蔵装置に液体水素を貯蔵する際の各構成部材の作用について説明する。
【００２４】
導入管２０を通じて液体水素貯留部５０に液体水素を供給すると、タンク１２の内壁の温度にもよるが、液体水素の一部が気化して液体水素温度近傍の水素ガスが生ずる。この水素ガスは水素吸着部材４０を通過した後に排出管３０を通じて断熱容器１０内から排出される。水素吸着部材４０を通過する際に水素ガスと水素吸着部材４０との間で熱交換がおこり、水素吸着部材４０を冷却すると共にその一部が水素吸着部材４０に吸着されて保持される。水素ガスは水素吸着部材４０から熱を奪った後に断熱容器１０内から排出されるため、断熱容器１０内を効率的に冷却することができる。また、水素吸着部材４０に水素ガスが吸着される際に吸着熱が生ずるが、断熱容器１０内から排出される水素ガスによって吸着熱も断熱容器１０外に排出される。
【００２５】
タンク１２の内壁が冷却されるに従い液体水素の気化が収まり、液体水素が液体水素貯留部５０に貯留される。ペレット状の活性炭により構成された水素吸着部材４０は、ペレット間に空隙を有するため、液体水素貯留部５０の体積以上の液体水素を断熱容器１０内に貯留することができる。水素吸着部材４０に十分水素が吸着された後は、水素吸着部材４０に液体水素が触れても吸着熱が発生せず、液体水素の突沸が生じない。
【００２６】
また、ペレット状の活性炭により構成された水素吸着部材４０を用いることにより圧損を小さくすることができ、その結果として液体水素の充填時間を短くすることができる。
【００２７】
液体水素の供給終了後、液体水素を保存する際に外部から断熱容器１０内へ熱が進入することにより液体水素が沸騰して液体水素温度近傍の水素ガスがさらに生ずることがある。この場合も水素吸着部材４０を通過した後に該水素ガスが断熱容器１０内から排出されるため、効率よく断熱容器１０内を冷却することができる。
【００２８】
上述のように、本発明の水素貯蔵装置によれば液体水素温度近傍の水素ガスを断熱容器１０内の冷却に有効利用することができるため、液体水素の貯蔵効率を向上させることが可能となると共に液体水素の長期間保存が可能となる。
【００２９】
次に、第一実施形態に係る水素貯蔵装置の変形例について説明する。図２は、第一実施形態の第一の変形例に係る水素貯蔵装置のＡ−Ａ線断面図を表す。図２に係る水素吸着部材４０にはスリット４２が設けられている。これにより、水素ガスと水素吸着部材４０との間の熱交換の速度及び水素ガスの吸着速度を高めることができ、液体水素の導入速度を向上させることができる。
【００３０】
水素吸着部材４０にスリット４２を設ける代わりに、液体水素貯留部５０側から排出管３０側に進むに従い水素吸着部材４０を構成する活性炭（ペレット）の直径が小さくなるように該ペレットを配置することもできる。これにより、水素吸着部材４０にスリット４２を設けた場合と同様の効果が得られる。
【００３１】
図３は、第一実施形態の第二の変形例に係る水素貯蔵装置のＡ−Ａ線断面図を表す。水素ガスが水素吸着部材４０内を蛇行して通過可能なように水素吸着部材４０内に隔壁４４が設けられている。これにより、水素ガスと水素吸着部材４０との間の熱交換の速度及び水素ガスの吸着速度を高めることができ、液体水素の導入速度を向上させることができる。
【００３２】
＜第二実施形態＞
図４は、本発明の第二実施形態に係る水素貯蔵装置を示す図であり、図４（Ａ）は水素貯蔵装置の斜視図を表し、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図を表す。第二実施形態に係る水素貯蔵装置においては、水素吸着部材４０と液体水素貯留部５０とが水平方向に配置されている。仕切部材７０が水素吸着部材４０と液体水素貯留部５０とを仕切ることにより、液体水素が導入管２０から供給された際に液体水素と水素吸着部材４０とが直接接触することを防ぐことができる。このため、吸着熱による液体水素の突沸を防止し、液体水素の導入速度を向上させることができる。
【００３３】
本発明の水素貯蔵装置をこのような態様とすることにより、タンク１２の形状を細くすることができる。そのため当該水素貯蔵装置を例えば燃料電池自動車の燃料タンクとして用いる際に、搭載上有利となる。
【００３４】
＜第三実施形態＞
図５は、本発明の第三実施形態に係る水素貯蔵装置を示す図であり、図５（Ａ）は水素貯蔵装置の斜視図を表し、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図を表す。第三実施形態に係る水素貯蔵装置においては、水素吸着部材４０と液体水素貯留部５０とが水平方向に配置されている。
【００３５】
液体水素貯留部５０には、円筒状の液体水素受け皿８０が備えられている。液体水素受け皿８０の底はタンク１２と当接している。液体水素受け皿８０はＳＵＳ系材料又はアルミなどで形成可能である。
【００３６】
導入管２０を通じて供給された液体水素は、まず液体水素受け皿８０に貯留される。液体水素受け皿８０はタンク１２と比較して低熱容量であるため、液体水素の突沸を抑制することができる。さらに、液体水素受け皿８０の底とタンク１２とは当接しているため、液体水素受け皿８０は液体水素からタンク１２への伝熱を促進することができる。
【００３７】
排出管３０の排出口近傍にはパラ−オルソ変換触媒である多孔質磁性体９０が設けられている。水素には、スピン間の角運動量の違いに基づくパラ水素とオルソ水素とがある。常温ではオルソ水素とパラ水素とは３：１の比率で存在している一方、低温下ではパラ水素の方がエネルギーが低いため全てがパラ水素として存在する。そして、パラ−オルソ変換は吸熱反応である。
【００３８】
水素吸着部材４０を通過し排出管３０を通じて断熱容器１０外に放出される水素ガスは、パラ水素である。排出管３０の排出口近傍にパラ−オルソ変換触媒を配置することにより吸熱反応であるパラ−オルソ変換が生ずる。これにより、排出管３０のパラ−オルソ変換触媒の配置された箇所は冷却され、排出管３０を通してタンク１２に熱が伝わるのを阻止することができる。
【００３９】
パラ−オルソ変換触媒の具体例としては、酸化鉄等が挙げられる。
【００４０】
なお、上述した第一乃至第三実施形態に係る水素貯蔵装置には、排出管３０と通ずる空隙が存在するが、この空隙は水素ガスの排出を効率よく行うために設けられているものであり、本発明では必ずしもこの空隙が設けられていなくともよい。
【００４１】
また、排出管３０から水素ガスを取り出すようにしてもよいし、排出管３０よりも小口径の水素取り出し管をさらに設け、液体水素を供給する際（大量の水素ガスを放出する必要がある場合）には排出管３０から水素ガスを放出させ、水素ガスを使用する際（小量の水素ガスを放出する必要がある場合）には水素取り出し管から水素ガスを取り出すようにしてもよい。
【００４２】
本発明においては、断熱容器１０内で水素吸着部材４０が占める体積と液体水素貯留部５０が占める体積との比率は水素貯蔵装置の使用目的などを勘案して適宜決定されるものであり、特に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第一実施形態に係る水素貯蔵装置を表す図であり、（Ａ）は水素貯蔵装置の斜視図を、（Ｂ）はＡ−Ａ線断面図を表す。
【図２】第一実施形態の第一の変形例に係る水素貯蔵装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】第一実施形態の第二の変形例に係る水素貯蔵装置のＡ−Ａ線断面図である
【図４】本発明の第二実施形態に係る水素貯蔵装置を表す図であり、（Ａ）は水素貯蔵装置の斜視図を、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図を表す。
【図５】本発明の第三実施形態に係る水素貯蔵装置を表す図であり、（Ａ）は水素貯蔵装置の斜視図を、（Ｂ）はＣ−Ｃ線断面図を表す。
【符号の説明】
【００４４】
１０   断熱容器
１２   タンク
１４   断熱材
２０   導入管
３０   排出管
４０   水素吸着部材
４２   スリット
４４   隔壁
５０   液体水素貯留部
６０   バルブ
７０   仕切部材
８０   液体水素受け皿
９０   多孔質磁性体
【図１】
0004706384.tif 000002
【図２】
0004706384.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004706384.tif 000005
【図５】
0004706384.tif 000006