(57)【要約】      （修正有）【課題】水素吸蔵物質を用いる水素貯蔵装置において、水素吸蔵物質と水素ガスとを均一に接触させ、水素を迅速に吸蔵させる。【解決手段】水素ガス注入口３および水素ガス放出口４を備える容器１にナノ炭素材料２を充填し、前記水素ガス注入口から延設された水素ガス注入管５の先端６が前記ナノ炭素材料の内部において開口するように配置して、注入された水素ガスによって前記ナノ炭素材料を撹拌する。【選択図】図１
2005155823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス注入口および水素ガス放出口を備える容器と、該容器に充填されたナノ炭素材料とを有し、前記水素ガス注入口から延設された水素ガス注入管の先端が前記ナノ炭素材料の内部において開口していることを特徴とする水素貯蔵装置。
【請求項２】
前記ナノ炭素材料がフッ素化アモルファスナノ炭素材料である請求項１に記載の水素貯蔵装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の水素貯蔵装置を備えた燃料電池装置。
【請求項４】
容器に充填されたナノ炭素材料の内部に水素ガスを噴出させ、噴出した水素ガスによって前記ナノ炭素材料を撹拌しながら、前記ナノ炭素材料に水素を吸蔵させる水素貯蔵方法。
【請求項５】
前記ナノ炭素材料がフッ素化アモルファスナノ炭素材料である請求項４に記載の水素貯蔵方法。                                            
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池装置において燃料として用いられる水素の貯蔵技術に関するものであって、特にナノ炭素系水素吸蔵物質へ迅速に水素を吸蔵・放出させることのできる水素貯蔵装置および水素貯蔵方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、燃料電池を実用化し普及させようとする動きが活発になってきた。燃料電池は水素と酸素との電気化学反応によって電力を取り出す発電装置の一種であり、排出ガスが水蒸気のみである、極めて環境負荷の小さい優れた発電方法として知られている。
【０００３】
燃料電池は水素ガスを燃料として用いるが、水素は大気中にほとんど存在せず、また気体であるがゆえに希薄で低密度であり、さらに分子サイズが小さいので漏洩しやすく爆発の危険を伴う。したがって燃料電池を各種機器やオンサイト発電装置や自動車に搭載して普及させられるかどうかは、燃料である水素ガスをいかに高密度かつ安全に貯蔵できるかにかかっている。
【０００４】
水素ガスの貯蔵方法としては、高圧水素ガスボンベおよび液化水素ボンベが実用化されている。しかしながら水素を気体状態で高密度に貯蔵するには、相当の高圧でボンベに充填する必要があり、高圧化に伴って爆発や漏洩の危険が増すという問題がある。一方、水素を液化するには20Kという極低温まで冷却しなければならず、そのために複雑なシステムと莫大なエネルギーが必要となる。
【０００５】
この他の水素貯蔵方法として、水素吸蔵合金を用いる方法が知られている。水素吸蔵合金にはランタン−ニッケル系合金、バナジウム系合金、マグネシウム系合金などがあり、いずれも体積あたりの水素吸蔵量は高いが、重量あたりの水素吸蔵量は未だ改善の余地がある。
【０００６】
水素吸蔵合金に代わる水素吸蔵物質として、カーボンナノチューブ等のナノ炭素材料に注目が集まっている。ナノ炭素材料の一種であるカーボンナノチューブは、黒鉛シート（グラフェンシートともいう）が円筒状に丸まった構造を有するものであって、円筒を構成する炭素層が一層である単層カーボンナノチューブ（シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）ともいう）、二層以上である多層カーボンナノチューブ（マルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）ともいう）がある。カーボンナノチューブは黒鉛シートの巻き方や構成単位である六員環炭素の配列などにより構造や水素吸蔵能が異なるため、効率よく水素を吸蔵できるカーボンナノチューブの開発が盛んに行われている。
【０００７】
また最近発明されたナノ炭素材料の一種であるフッ素化アモルファスナノ炭素材料（特願２００３−３２７２１９）は、従来知られているナノ炭素材料よりも水素吸蔵能に優れる材料として期待されている。
【０００８】
水素吸蔵合金やナノ炭素材料などの水素吸蔵物質を用いる水素貯蔵装置は、水素ガスの注入口および放出口を備えた容器に水素吸蔵物質を充填した構造を持ち、注入口から水素ガスを高圧で注入することによって水素吸蔵物質に水素が吸蔵される。逆に圧力を開放すると水素が水素吸蔵物質から脱離し、放出口から外部に放出される。水素の吸蔵現象は水素吸蔵物質と水素ガスとの接触によっておこるため、容器に充填された水素吸蔵物質に迅速に水素を吸蔵させるには、水素吸蔵物質と水素ガスとを十分に撹拌・混合し、均一に接触させる必要がある。特許文献１に記載されている水素貯蔵装置は、従来の水素貯蔵装置
の一例であって、水素吸蔵物質として水素吸蔵合金を用いるものである。
【特許文献１】特開平６−１２７９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池装置は大規模発電施設等に限らず、小規模のオンサイト発電やパーソナルコンピュータ等のモバイル機器用電源としても応用が期待されている。このような用途の燃料電池装置に用いる水素貯蔵装置は軽量かつ小型であることが求められ、かつ基本的な性能として水素を迅速に吸蔵・放出できることが必要である。
【００１０】
従来の水素貯蔵装置では、水素吸蔵物質を収めた容器内で水素吸蔵物質と水素ガスとを均一に接触させるため、スクリューコンベヤ等の大掛かりで複雑な機構が用いられている。実用に最も近い水素吸蔵物質は比重が大きい水素吸蔵合金であり、撹拌・混合に大きなエネルギーを要すること、また燃料電池による大規模な発電施設への適用が前提とされていること等がその理由である。このような大掛かりな機構を備えた水素貯蔵装置は小型化することが難しい。さらに製造コストや保守コストも莫大なものとなるため、家庭用のオンサイト発電用やモバイル機器用など、小規模な燃料電池装置用の水素貯蔵装置としては不適当である。さらにスクリューコンベヤ等の撹拌機構の駆動には、動力源として外部からのエネルギー供給が必須であり、このような水素貯蔵装置を水素源とする燃料電池装置は電力供給システム全体としての効率が低下するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するための水素貯蔵装置として、本発明は、
「水素ガス注入口および水素ガス放出口を備える容器と、該容器に充填されたナノ炭素材料とを有し、前記水素ガス注入口から延設された水素ガス注入管の先端が前記ナノ炭素材料の内部において開口していることを特徴とする水素貯蔵装置（請求項１）」
および、
「前記ナノ炭素材料がフッ素化アモルファスナノ炭素材料である請求項１に記載の水素貯蔵装置（請求項２）」
を提供する。
【００１２】
また上記の課題を解決するための水素貯蔵方法として、本発明は、
「容器に充填されたナノ炭素材料の内部に水素ガスを噴出させ、噴出した水素ガスによって前記ナノ炭素材料を撹拌しながら、前記ナノ炭素材料に水素を吸蔵させる水素貯蔵方法（請求項４）」
および、
「前記ナノ炭素材料がフッ素化アモルファスナノ炭素材料である請求項４に記載の水素貯蔵方法（請求項５）」
を提供する。
【００１３】
また本発明は、
「請求項１または請求項２に記載の水素貯蔵装置を備えた燃料電池装置（請求項３）」
を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る水素貯蔵装置は、水素ガス注入管の先端が、容器に充填されたナノ炭素材料の内部において開口しているので、注入された水素ガスによってナノ炭素材料が撹拌され、水素を迅速に吸蔵させることができる。また本発明に係る水素貯蔵方法を用いれば、ナノ炭素材料への水素吸蔵が迅速に行われるので、水素貯蔵装置の運転効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明に係る水素貯蔵装置の第一の実施形態を示す概略図である。容器１には水素吸蔵物質としてナノ炭素材料２が充填されており、水素ガス注入口３から容器１内に延設された水素ガス注入管５の先端６は、充填されたナノ炭素材料２の内部で開口している。水素ガス注入時において、ナノ炭素材料２の内部にある水素ガス注入管の先端６から噴出した水素ガスは、その運動量によってナノ炭素材料を容器１内で飛散させ、ナノ炭素材料と水素ガスとが撹拌・混合されることによって水素が迅速に吸蔵される。
【００１７】
水素ガス注入管の先端６はナノ炭素材料２の内部で開口していれば最低限の効果は得られるが、ナノ炭素材料全体をより効果的に撹拌するためには、できうる限りナノ炭素材料２の底部近くで開口させることが望ましい。
【００１８】
ナノ炭素材料２は、撹拌効率を高めるため、容器１の上部に空間７を空けて充填されていることが望ましい。空間を空けず、容器１内全体にナノ炭素材料が充填されている場合には、注入される水素ガスの圧力によっては撹拌が不十分になる恐れがあるためである。水素ガス放出管４の先端８は空間７に開口しており、ナノ炭素材料２から放出された水素ガスは水素ガス放出管４を通じて外部に供給される。水素ガス注入管５および水素ガス放出管４には水素ガス注入バルブ９および水素ガス放出バルブ１０が取り付けられており、それぞれ独立に開閉することができる。また図示はしていないが、より迅速に水素ガスを放出させるため、容器１の外部または内部に加熱機構を設けても良い。
【００１９】
ナノ炭素材料２としては、フラーレン、金属内包フラーレン、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、非晶質カーボンナノチューブ、ナノ炭素粒子など水素吸蔵能を有する公知のナノ炭素材料を特に制限なく用いることができ、特に水素吸蔵能に優れたフッ素化アモルファスナノ炭素材料を用いれば、水素貯蔵密度の高い水素貯蔵装置を実現することができる。
【００２０】
これらのナノ炭素材料は、容器１内に粉末状で充填されていることが望ましい。粉末状であれば、水素ガス注入管５の先端６から噴出する水素ガスによって容易に撹拌されうるからである。ナノ炭素材料の粉末を造粒して粒径をある程度大きくした造粒物であっても、水素ガスによって撹拌される程度の粒径や比重であれば、本発明におけるナノ炭素材料として使用可能である。
【００２１】
第一の実施形態に係る水素貯蔵装置は、水素ガス注入管の先端６が、容器１に充填されたナノ炭素材料２の内部において開口しているので、注入された水素ガスの運動量によってナノ炭素材料が撹拌され、水素を迅速に急増させることができる。またナノ炭素材料は比重が小さく微細な形態を有するため、水素ガス放出時にはナノ炭素材料自身から脱離した水素ガスの圧力によって自動的に容器内で分散することになり迅速に水素を放出させることができる。
【００２２】
第一の実施形態に係る水素貯蔵装置は、水素吸蔵時にナノ炭素材料を撹拌するために複雑な機構を必要としないので、小型かつ軽量に構成することができるほか、製造コストおよび保守コストが低減され、水素エネルギーシステムの普及に資するものである。またナノ炭素材料が水素ガス自身の運動量によって撹拌されるため、従来の水素貯蔵装置と異なり、撹拌のための動力を外部から別途供給する必要がない。その結果、水素貯蔵装置に水素を供給する水素ステーション等の構成も極めて簡単なものとなり、水素エネルギーシステムに関するインフラ整備・運転コストが低減され、電力供給システム全体としてエネル
ギー効率が向上する。
【００２３】
図２は本発明に係る水素貯蔵装置の第二の実施形態を示す概略図である。容器１内にはナノ炭素材料２が充填され、さらにナノ炭素材料２との間に撹拌効率を高めるための空間１２を空けてフィルター１１が取り付けられる。水素ガス放出管４は、フィルター１１のナノ炭素材料２と反対の側に設けられ、ナノ炭素材料２から放出された水素ガスはフィルター１１を透過した後に水素ガス放出管４を通って外部の燃料電池装置等に供給される。その他の構成要素は図１に示した第一の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００２４】
フィルター１１は、水素ガス放出時にナノ炭素材料が水素ガス放出管を通って外部に流出することを抑制するために取り付けられるものであり、その孔径は、ナノ炭素材料を濾別することができ、かつ水素ガス流量が十分確保できる程度であることが望ましい。フィルターの目詰まりを防止するため孔径の異なるフィルターを複数段もうけることも可能である。フィルター素材は水素ガスと反応しないものが好ましく、具体的にはガラス繊維製やフッ素樹脂製のフィルターが好適である。
【００２５】
第二の実施形態に係る水素貯蔵装置は、第一の実施形態に係る水素貯蔵装置の特徴に加え、ナノ炭素材料が水素ガスと共に外部へ流出することが抑制されるという特徴を有し、水素貯蔵量の低下や、燃料電池セルへのナノ炭素材料の流入による性能低下などの悪影響が低減される。
【００２６】
図３は本発明に係る水素貯蔵装置の第三の実施形態を示す概略図である。説明を容易にするためナノ炭素材料は図示しないが、容器１内には第一および第二の実施形態と同様にナノ炭素材料が充填される。第三の実施形態における水素ガス注入管５の先端部は４分割され、卍状に屈曲した形状を有している。その他の構成要素については第一の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００２７】
第三の実施形態においては、水素ガス注入管５の先端部が卍状の形状を有しているため、該先端部からナノ炭素材料中に噴出した水素ガスは容器１内部で渦状の流れを生じ、容器１内のナノ炭素材料を一方向に回転・撹拌する。このため水素ガスとナノ炭素材料との混合がより効果的に行われ、より迅速に水素が吸蔵される。
【００２８】
本発明に係る水素貯蔵装置の実施形態として、第一および第二の実施形態では水素ガス注入管の先端部が直管であるものを、また第三の実施形態では水素ガス注入管の先端部が分岐・屈曲しているものを示したが、これらはあくまで実施形態の一例である。本発明に係る水素貯蔵装置において、水素ガス注入管の先端部形状は、水素ガスとナノ炭素材料との撹拌・混合に適した水素ガス流を作り出せる形状であれば、分岐や屈曲の形態を問わず適用することができる。
【００２９】
次に、図２に示した第二の実施形態の水素貯蔵装置を例にとり、本発明に係る水素貯蔵方法の実施形態を説明する。
【００３０】
水素貯蔵装置に水素を貯蔵する際には、水素ガス注入口３に外部水素源を接続し、水素ガス注入バルブ９を開け水素ガス放出バルブ１０を閉じる。この状態で外部水素源から水素ガス注入管５を通して高圧水素ガスを注入する。外部水素源としては、高圧水素ガスを供給できるものであれば特に制限はなく、高圧水素ガスボンベや液化水素ボンベと気化器の組み合わせ、また各種水素発生装置と昇圧ポンプの組み合わせ等を接続することができる。外部水素源から注入する水素ガスの圧力は、ナノ炭素材料２の性能や必要とされる水素貯蔵量、容器１の耐圧等にしたがって適宜決定すればよい。
【００３１】
外部水素源から注入された高圧水素ガスは、水素注入管５の先端部６からナノ炭素材料２の内部に噴出する。ナノ炭素材料２は比重が小さく微細な形態を有するため、噴出した水素ガスの運動量によって、容器１内で撹拌される。その結果ナノ炭素材料は容器１内で水素ガスと混合された状態となり、迅速に水素ガスを吸蔵することになる。このような現象は比重が極めて大きい従来の水素吸蔵合金では見られないものであって、水素吸蔵物質としてナノ炭素材料を用いることにより初めて生じる効果である。
【００３２】
なお、図２で示したように、充填された状態のナノ炭素材料２の上部には空間１２が空けられているので、容器１内には十分な量の水素ガスを導入することができ、撹拌が良好に行われる。
【００３３】
上記の手順により必要量の水素ガスを吸蔵させた後、水素ガス注入バルブ９を閉じることによって水素が貯蔵される。本発明に係る水素貯蔵装置では、貯蔵されている水素の大部分はナノ炭素材料に吸蔵された形態で存在し、一部は容器内の空間部分に気体状で存在する。
【００３４】
水素が貯蔵されている水素貯蔵装置から水素を放出する際は、水素ガス放出バルブ１０を開くと、まず容器内の空間部分にあった気体状水素が流出し、次いで容器内の圧力低下によってナノ炭素材料に吸蔵されていた水素が容器内に放出される。このとき水素ガスはナノ炭素材料全体から一様に放出されるため、ナノ炭素材料は自身が放出した水素ガスの圧力によって容器内に飛散し、水素ガス中にナノ炭素材料が分散した状態となる。ナノ炭素材料が分散することによって容器内における水素ガスの流通抵抗が低下し、水素ガス放出が迅速に行われるのである。
【００３５】
水素ガス放出時には、容器１内部はナノ炭素材料が水素ガスに分散した状態となるため、水素ガス放出管４から水素ガスと共にナノ炭素材料が流出してしまう恐れがある。第二の実施形態では容器１内部にフィルター１１が設置されており、ナノ炭素材料から放出された水素ガスはフィルター１１を透過した後に水素ガス放出管４に流入するため、ナノ炭素材料の流出を抑制することができる。
【００３６】
次に、本発明に係る燃料電池装置の実施形態を説明する。図４は本発明に係る燃料電池装置の実施形態を示す概略構成図であって、固体高分子型燃料電池に適用した例を示すものである。
【００３７】
水素貯蔵装置２５は本発明に係る水素貯蔵装置であって、ここでは一例として、先に第二の実施形態として示した水素貯蔵装置と同様の構造を有するものを用いる。水素貯蔵装置２５の容器１の空間部１２には圧力計２０が取り付けられ、ナノ炭素材料２と吸着平衡にある容器１内の水素ガス圧力を計測することができる。水素貯蔵装置２５に水素を貯蔵する際は、水素ガス注入バルブ９を開き水素ガス放出バルブ１０を閉じた状態で、水素ステーション等の外部水素源からの高圧水素ガスを、配管２１を通して水素貯蔵装置２５に注入する。このとき水素ガス注入管５の先端からナノ炭素材料２の内部に噴出した水素ガスは、ナノ炭素材料２を撹拌し、水素吸蔵が迅速に行われる。圧力計２０の指示が所定値に達したところで水素ガス注入バルブ９を閉じれば、水素貯蔵装置２５に水素が貯蔵された状態となる。
【００３８】
貯蔵された水素を燃料として電力を取り出す際は、水素放出バルブ１０を開き、圧力調整器２６により圧力を調整しながら水素ガスを放出させる。水素ガスは加湿器２７を通して燃料電池セル１９の燃料極２２に供給され、一方、空気極２３には空気供給装置１８から加湿器１６を通して空気が供給される。燃料電池セル１９内では電気化学反応によって起電力が生じ、出力端子２４から電流を取り出すことができる。
【００３９】
本実施形態に係る燃料電池装置は、全体を小型かつ軽量に構成することができ、モバイル用途を含む広い分野に応用が可能である。また燃料である水素の補充を迅速に行うことができるため運転効率が高く、さらに燃料電池セルへの水素供給速度を高められるので大きな電流密度が実現可能である。
【００４０】
以上、本発明に係る燃料電池装置の実施形態を、固体高分子型燃料電池装置を例に説明したが、本発明に係る燃料電池装置はアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、または固体酸化物型のいずれの形式であっても良く、本発明に係る水素貯蔵装置を備えることによって、同一の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る水素貯蔵装置の第一の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明に係る水素貯蔵装置の第二の実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明に係る水素貯蔵装置の第三の実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明に係る燃料電池装置の実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１：容器、２：ナノ炭素材料、３：水素ガス注入口、４：水素ガス放出管、５：水素ガス注入管、６：水素ガス注入管の先端、７：空間、８：水素ガス放出管の先端、９：水素ガス注入バルブ、１０：水素ガス放出バルブ、１１：フィルター、１２：空間、１６：加湿器、１８：空気供給装置、１９：燃料電池セル、２０：圧力計、２１：配管、２２：燃料極、２３：空気極：２４：出力端子、２５：水素貯蔵装置、２６：圧力調整器、２７：加湿器                               
【図１】
2005155823.tif 000003
【図２】
2005155823.tif 000004
【図３】
2005155823.tif 000005
【図４】
2005155823.tif 000006