(57)【要約】【課題】  水素吸蔵時に高い圧力が必要となる水素貯蔵材料を使用した場合でも、実用可能な軽量の水素貯蔵カートリッジを利用できる水素吸蔵装置及び水素吸蔵方法を提供する。【解決手段】  圧力と加熱により水素を吸蔵することができる水素貯蔵材料を充填した複数個の水素貯蔵カートリッジに水素を吸蔵させる水素吸蔵装置であって、  水素充填圧力に耐えうる、かつ外部に加熱装置を有する耐圧耐熱容器と、該耐圧耐熱容器内に収納された前記複数個の水素貯蔵カートリッジと、該水素貯蔵カートリッジ内に水素を導入する配管と、前記耐圧耐熱容器と前記水素貯蔵カートリッジの隙間に前記加熱装置を熱源として加熱される熱媒体と、を備え、かつ、前記水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差を制御する機構を有することを特徴とする水素吸蔵装置。【選択図】  図２
2007321878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力と加熱により水素を吸蔵することができる水素貯蔵材料を充填した複数個の水素貯蔵カートリッジに水素を吸蔵させる水素吸蔵装置であって、
水素充填圧力に耐えうる、かつ外部に加熱装置を有する耐圧耐熱容器と、該耐圧耐熱容器内に収納された前記複数個の水素貯蔵カートリッジと、該水素貯蔵カートリッジ内に水素を導入する配管と、前記耐圧耐熱容器と前記水素貯蔵カートリッジの隙間に前記加熱装置を熱源として加熱される熱媒体と、を備え、かつ、前記水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差を制御する機構を有することを特徴とする水素吸蔵装置。
【請求項２】
圧力と加熱により水素を吸蔵することができる水素貯蔵材料を充填した複数個の水素貯蔵カートリッジに水素を吸蔵させる水素吸蔵方法であって、
水素充填圧力に耐えうる、かつ外部に加熱装置を有する耐圧耐熱容器に前記複数個の水素貯蔵カートリッジを収納し、該水素貯蔵カートリッジを熱媒体により加熱しながら該水素貯蔵カートリッジ内に水素を導入して圧力をかけるとともに、該水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差が、該水素貯蔵カートリッジの設計圧力を超えないように圧力を制御しながら水素貯蔵カートリッジ内に充填した水素貯蔵材料に水素を吸蔵させることを特徴とする水素吸蔵方法。
【請求項３】
前記水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差が、該水素貯蔵カートリッジの設計圧力の８０％以内になるように圧力を制御しながら前記水素貯蔵カートリッジ内の水素貯蔵材料に水素を吸蔵させていくことを特徴とする請求項２に記載の水素吸蔵方法。
【請求項４】
前記水素貯蔵カートリッジの設計圧力が０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の水素吸蔵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧下で加熱しながら水素貯蔵材料に水素を吸蔵させる水素吸蔵装置及び水素吸蔵方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素貯蔵材料としては古くから水素吸蔵合金が検討され開発が進められてきたが、単位重量あたりの水素吸蔵率が低く、いまだに実用化には至っていないのが現状である。
また、水素吸蔵合金を使用した水素貯蔵タンクについても、いろいろと検討され提案されている。（例えば、特許文献１〜３参照。）
【０００３】
一般に検討されている水素吸蔵合金を中心とする水素貯蔵材料が充填された水素貯蔵タンクは、基本的に車載用のタンクが多く、この場合、水素貯蔵タンクは車に固定されており、水素は直接タンクに充填される。水素を吸蔵する際の化学反応は発熱反応であるため、水素吸蔵合金の場合でも、水素吸蔵の際には水素貯蔵材料を冷却するシステムが必要となる。
また、実用性を考えた場合は水素充填速度が重要視されるが、水素充填速度を上げていくと単位時間当たりの発熱量は多くなり、効率的な冷却システムが重要となる。
【０００４】
一方、水素貯蔵タンクの様式として、タンクごと詰め替える方法も可能性がある。この場合、タンクごと入れ替えるため、出し入れのハンドリングを考えた場合、水素貯蔵材料を含めた水素貯蔵タンクの大きさは小さく、軽い方が好ましい。また、水素の充填はあらかじめ別の場所で実施できることから、車載固定タンクの場合に比べ、水素の充填時間に厳しい制約はない。
【０００５】
最近では、水素吸蔵合金に代えていくつかの高容量の新規水素吸蔵材料が提案されており、高い圧力下で高吸蔵量を示す材料が見出されている。（例えば、特許文献４参照。）
【特許文献１】特開２０００−１２０９９６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２２２９４号公報
【特許文献３】特開２００２−２２１２９７号公報
【特許文献４】特開２００４−１９６６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献４で示されるような水素吸蔵材料を使用する場合は、水素充填圧力に耐えうるよう水素貯蔵タンクの肉厚は厚く設計されなければならず、結果として重い水素貯蔵タンクにならざるを得ない。このため、水素貯蔵材料としては高容量であっても、タンクシステムとしては有効な水素貯蔵密度が得られないという課題があった。
【０００７】
本発明はこの点を鑑み、水素吸蔵時に高い圧力が必要となる水素貯蔵材料を使用した場合でも、実用可能な軽量の水素貯蔵タンク（以下、水素貯蔵カートリッジと呼ぶ）を利用できる水素吸蔵装置及び水素吸蔵方法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】
本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意研究した結果、軽量化が可能な耐圧性能が低い水素貯蔵カートリッジを用いた場合でも、水素を吸蔵させる時に水素充填圧力に耐えうる耐圧容器内に水素貯蔵カートリッジを収納し、その水素貯蔵カートリッジ内に水素圧をかけることが可能で、なおかつ、水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差が水素貯蔵カートリッジの設計圧力を超えないように圧力を制御することが可能な装置を用いることによって、水素貯蔵カートリッジ内に充填された、水素吸蔵時に高い圧力が必要となる水素貯蔵材料に水素を吸蔵させることができること、及び、耐圧容器と水素貯蔵カートリッジの隙間に熱媒体を介在させることで水素貯蔵カートリッジを均一に加熱できるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（４）を提供する。
（１）圧力と加熱により水素を吸蔵することができる水素貯蔵材料を充填した複数個の水素貯蔵カートリッジに水素を吸蔵させる水素吸蔵装置であって、
水素充填圧力に耐えうる、かつ外部に加熱装置を有する耐圧耐熱容器と、該耐圧耐熱容器内に収納された前記複数個の水素貯蔵カートリッジと、該水素貯蔵カートリッジ内に水素を導入する配管と、前記耐圧耐熱容器と前記水素貯蔵カートリッジの隙間に前記加熱装置を熱源として加熱される熱媒体と、を備え、かつ、前記水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差を制御する機構を有することを特徴とする水素吸蔵装置。
（２）圧力と加熱により水素を吸蔵することができる水素貯蔵材料を充填した複数個の水素貯蔵カートリッジに水素を吸蔵させる水素吸蔵方法であって、
水素充填圧力に耐えうる、かつ外部に加熱装置を有する耐圧耐熱容器に前記複数個の水素貯蔵カートリッジを収納し、該水素貯蔵カートリッジを熱媒体により加熱しながら該水素貯蔵カートリッジ内に水素を導入して圧力をかけるとともに、該水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差が、該水素貯蔵カートリッジの設計圧力を超えないように圧力を制御しながら水素貯蔵カートリッジ内に充填した水素貯蔵材料に水素を吸蔵させることを特徴とする水素吸蔵方法。
（３）前記水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差が、該水素貯蔵カートリッジの設計圧力の８０％以内になるように圧力を制御しながら前記水素貯蔵カートリッジ内の水素貯蔵材料に水素を吸蔵させていくことを特徴とする（２）に記載の水素吸蔵方法。
（４）前記水素貯蔵カートリッジの設計圧力が０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満であることを特徴とする（２）または（３）に記載の水素吸蔵方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、水素貯蔵材料を充填した水素貯蔵カートリッジの重量の大幅な軽量化が図られることから、水素貯蔵カートリッジ重量当りの水素重量密度を高く維持することが可能となる。また、水素貯蔵カートリッジの軽量化により搬送が楽になり、単位重量当りの搬送エネルギー、費用が大幅に低減可能となる。
さらに、耐圧容器と水素貯蔵カートリッジの隙間に熱媒体を介在させることで水素貯蔵カートリッジを均一に加熱できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明では、圧力と加熱により水素を吸蔵することができる水素貯蔵材料を充填した複数個の水素貯蔵カートリッジに水素を吸蔵させる水素吸蔵装置であって、
水素充填圧力に耐えうる、かつ外部に加熱装置を有する耐圧耐熱容器と、該耐圧耐熱容器内に収納された前記複数個の水素貯蔵カートリッジと、該水素貯蔵カートリッジ内に水素を導入する配管と、前記耐圧耐熱容器と前記水素貯蔵カートリッジの隙間に前記加熱装置を熱源として加熱される熱媒体と、を備え、かつ、前記水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差を制御する機構を有することを特徴とする水素吸蔵装置提案している。
【００１２】
以下に、本発明の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、７本の水素貯蔵カートリッジを収納できる水素吸蔵装置の構成を模式的に示したものであり、図１は耐圧耐熱容器内での水素貯蔵カートリッジの配置を示す平面図、図２は水素吸蔵装置の概略構成を示す構成模式図である。
図１及び図２に示される本発明に係る水素吸蔵装置の主な構成は、複数個の水素貯蔵カートリッジ１、水素吸蔵時の圧力、温度に耐えうる構造を有する耐圧耐熱容器２、水素貯蔵カートリッジ内に水素を導入する水素導入用配管３、水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差を制御する圧力制御機構４、加熱装置５、温度制御機構６および、耐圧耐熱容器２と水素貯蔵カートリッジ１の隙間に加熱装置５を熱源として加熱される熱媒体Ｎから構成されている。
【００１３】
蓋部７の上部には７つのバルブコネクタ１９が組みこまれており、水素導入用配管３と接続できるようになっている。バルブコネクタ１９はガスの流れに方向性を有しない。水素導入用配管３の、バルブコネクタ１９との接続部分の付近にはそれぞれ、各水素貯蔵カートリッジ１への導入ガス圧力を確認するための圧力計２１が設置されている。また、水素導入用配管３には安全バルブ２０が設置されており、導入される水素ガスの圧力が異常に増大した場合に備えている。
【００１４】
蓋部７の下部には７つの耐圧耐熱容器側コネクタ２２が組みこまれており、カートリッジ側コネクタ２３を有する水素貯蔵カートリッジ１と接続できるようになっている。これらのコネクタは、接続を解除すると開口部が閉じるしくみのものが好ましい。カートリッジ側コネクタ２３はカートリッジ蓋部２５に繋がっており、そのカートリッジ蓋部２５に、カートリッジ容器がネジ方式などで固定され密閉される。
【００１５】
耐圧耐熱容器２には、開閉用のバルブを含む外圧ガス導入用バルブコネクタ２６が設置されている。本バルブコネクタ２６はガスの流れに方向性を有しない。また、水素貯蔵カートリッジ１の温度を測定する温度計１１および耐圧耐熱容器２内のガス圧力を確認するための外圧力計１６が取り付けられている。
【００１６】
この水素吸蔵装置を用いた水素吸蔵方法は、まず、水素貯蔵材料を充填した水素貯蔵カートリッジ１を蓋部７にコネクタ２４を介して接続し、耐圧耐熱容器２に蓋部７をセットし、しっかりと固定した後、水素導入用配管３がバルブコネクタ１９および外圧ガス導入用バルブコネクタ２６の各コネクタに接続される。この際、バルブコネクタ１９のバルブはすべて閉じられている。
【００１７】
なお、これらの一連の操作を外気中で行った場合には、耐圧耐熱容器内には空気が混在しているので、真空引きや不活性ガスを導入し十分に空気を除去することが必要となる。水素貯蔵カートリッジの設計圧力が０．１ＭＰａ未満の場合には、水素貯蔵カートリッジ内も同時に真空引きをすることが望ましい。また、水素貯蔵カートリッジを再生使用する場合に、水素貯蔵カートリッジ内の雰囲気が水素雰囲気以外となっている場合や、不純ガスが混入している場合には、水素貯蔵カートリッジ内も真空引きし、水素導入時に他のガスが混入しないようにすることが好ましい。この場合でも、水素貯蔵カートリッジの内圧と耐圧耐熱容器の内圧との圧力差が、水素貯蔵カートリッジの設計圧力を超えない程度に調整しながら行う。また、水素導入前に水素貯蔵カートリッジ並びに耐圧耐熱容器やそれらに繋がる配管内を真空引きしておくことが好ましい。
【００１８】
水素は圧力制御バルブ１２により所定の圧力に調整されながらバルブコネクタ１９を通って徐々に導入される。圧力は圧力計１３で測定される。水素貯蔵カートリッジ１の内側に水素を導入する配管と、水素貯蔵カートリッジ１の外側すなわちカートリッジ蓋部２５の上部と耐圧耐熱容器２の蓋部７の下部との隙間部に水素を導入する外圧ガス導入用バルブコネクタ２６との配管とは繋がっており、水素貯蔵カートリッジ１の内圧と外圧の圧力差が発生しないようになっている。なお、水素貯蔵カートリッジ内と耐圧耐熱容器内の圧力差を圧力制御計で調整する場合は、水素貯蔵カートリッジにのみ水素を導入し、耐圧耐熱容器内には不活性ガスなどを用いてもよい。
【００１９】
耐圧耐熱容器２の外部には、ヒーターなどの加熱装置５が設置される。温度計１１での測定値は温度制御機構６に伝達され、耐圧耐熱容器２と水素貯蔵カートリッジ１の隙間に加熱装置５を熱源として加熱される熱媒体Ｎが所定の温度になるよう制御される。これにより内部の水素貯蔵材料を好適な温度に制御して、水素充填を円滑に行うことができる。
さらに、より均一に加熱するために耐圧耐熱容器内に攪拌機を取り付けても良い。攪拌機としては、高圧、高回転攪拌に最適なマグネットドライブ方式等を用いることが出来る。
ここで、熱媒体Ｎとしては、シリコ−ンオイル、合成系有機熱媒体や１００℃未満では水などがあり、使用する水素貯蔵材料の水素吸蔵温度によって適時選択すれば良い。
また、熱媒体Ｎは、水素貯蔵カートリッジ１の高さ方向で９割以上が熱媒体中に漬かるような量に耐圧耐熱容器内に満たされることが熱効率の面から好ましい。
【００２０】
所定の温度、圧力で水素貯蔵カートリッジ１の内部の水素貯蔵材料に水素の吸蔵が終了した後は、圧力制御バルブ１２によって徐々に圧力を緩め、さらに温度を低下させ、常圧、常温とする。この場合、水素貯蔵カートリッジ１中の過剰圧の水素はバルブコネクタ１９から放出される。その際、水素貯蔵カートリッジ１内への外気からの空気等の侵入を防ぐために、水素貯蔵カートリッジ１内の水素圧は、常圧〜カートリッジの設計圧力の範囲で与圧とする。
【００２１】
その後、バルブコネクタ１９のバルブをすべて閉じ、安全性確保のため耐圧耐熱容器２内のガスを不活性ガスに置換してから、水素導入用配管３をバルブコネクタ１９および外圧ガス導入用バルブコネクタ２６の各コネクタからはずし、蓋部７を耐圧耐熱容器２からはずしてから、水素貯蔵カートリッジ１を蓋部７からはずす。
【００２２】
このような水素吸蔵装置を用いることにより、水素貯蔵カートリッジ１は設計圧力が低いカートリッジでよく、材質の薄肉化による軽量化が可能である。また、一度の操作で、軽量な、水素貯蔵カートリッジを複数製造することができ、効率を上げることが可能となる。
さらに、耐圧容器と水素貯蔵カートリッジの隙間に熱媒体を介在させることで水素貯蔵カートリッジを均一に加熱することが可能となる。
【００２３】
本発明に係る水素吸蔵方法は、上記で例示したような機構を有する水素吸蔵装置を用いることによって実現できる。すなわち、水素充填圧力に耐えうる耐圧容器内に水素貯蔵カートリッジを収納し、その水素貯蔵カートリッジ内に水素を導入して圧力をかけるとともに、その水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差が、その水素貯蔵カートリッジの設計圧力を超えないように圧力を制御しながら水素を吸蔵させる方法である。
【００２４】
さらに、外部に加熱装置を有する耐圧耐熱容器により、その内部に収納した水素貯蔵カートリッジを加熱装置を熱源として加熱される熱媒体により加熱しながらその水素貯蔵カートリッジ内に水素を導入して圧力をかけるとともに、その水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差が、その水素貯蔵カートリッジの設計圧力を超えないように圧力を制御しながら水素を吸蔵させる方法である。このとき、水素貯蔵カートリッジの外側には、耐圧耐熱容器に導入した水素ガスが熱媒体を加圧することで、カートリッジ内部と同等の圧力が作用する。
内外の圧力差をカートリッジの耐圧未満になるように制御すれば、熱媒体の加圧には、不活性ガスなどを用いても良い。また、耐圧耐熱容器の熱媒体補給口に通じた管を通して外部の昇圧装置により熱媒体を直接加圧しても構わない。
【００２５】
本発明による水素吸蔵方法を用いることにより、水素貯蔵材料を充填した水素貯蔵カートリッジの重量の大幅な軽量化が図られ、その水素貯蔵カートリッジの軽量化により搬送が楽になり、単位重量当りの搬送エネルギー、費用が大幅に低減可能となる。
さらに、耐圧容器と水素貯蔵カートリッジの隙間に熱媒体を介在させることで水素貯蔵カートリッジを均一に加熱できることになる。
また、熱伝導の高い熱媒体を通してカートリッジを加熱することで、熱媒体に浸漬していないカートリッジ上部の耐圧耐熱容器側コネクタおよびカートリッジ側コネクタの温度上昇が抑制されることにより、カートリッジ側コネクタの耐熱温度を下げることができ、容器側コネクタとの分離時に、より密閉性の高いコネクタを選択することが可能となる。
【００２６】
また、上記の水素吸蔵方法において、水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差は、水素貯蔵カートリッジの設計圧力の１００％を超えない範囲で制御されることが必須であり、さらにはその８０％以内に制御されることが好ましい。１００％を超えた場合は水素貯蔵カートリッジの破損の可能性があり、また設計圧力の８０％を超えた場合は安全バルブなどから水素が外へ放出されてしまうため、安全上好ましくない。
【００２７】
また、上記の水素吸蔵方法において、使用する水素貯蔵カートリッジの設計圧力は０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満であることが望ましい。設計圧力が１ＭＰａ未満であれば、水素貯蔵カートリッジの材質として使用できる材料の選択肢が広がり、軽量化の度合いも大きくなり、本発明である水素吸蔵方法の効果を十分に得ることが可能である。また、設計圧力の下限は大気圧である０．１ＭＰａが下限となる。
【００２８】
(実施例)
本発明の水素吸蔵装置を検証するため、小規模の試験装置を作製し、検討を実施した。水素貯蔵カートリッジとして、容量１Ｌ、重量１．８ｋｇ（蓋部含む）、設計圧力０．３ＭＰａの容器を７本使用した。また、熱媒体はシリコンオイル（東芝シリコーン社製ＴＳＦ４５８−１００）を用い、水素貯蔵カートリッジの高さ方向で９割以上がシリコンオイル中に漬かるような量に耐圧耐熱容器内に満たした。
各水素貯蔵カートリッジにリチウムマグネシウム窒化物系水素化物の水素貯蔵材料２５０ｇを充填した。そして、耐圧耐熱容器として、常用耐圧１５ＭＰａ、耐熱２００℃の容器を使用し、水素吸蔵時の条件を１７５℃、９ＭＰａ、２時間とし、水素貯蔵カートリッジの内圧と外圧の圧力差を０．２ＭＰａ以内となるように制御して水素を吸蔵させた。その後、圧力と温度を常温常圧まで下げた。その結果、各水素貯蔵カートリッジは均一に加熱でき、水素貯蔵カートリッジ一個あたりの水素の吸蔵量は平均で１２ｇ（貯蔵材料当り４．８質量％）であった。
【００２９】
一方、本発明のように容器が二重構造でない場合、今回の水素吸蔵条件を考慮すると、容量１Ｌの耐圧耐熱容器を作製した場合、設計圧力は１０ＭＰａ、耐熱は２００℃の設計条件となり、水素貯蔵容器の重量は７．０ｋｇとなる。本実施例による水素貯蔵カートリッジ（蓋部含む）一個は、この水素貯蔵容器と比べ、約４分の１に重量を削減可能となった。更に、水素吸蔵温度の低い水素貯蔵材料を使用した場合、カートリッジの肉厚を薄くできるとともに、比重の小さいアルミニウムやその合金などの素材が使用できるようになり、更なる軽量化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】耐圧耐熱容器内での水素貯蔵カートリッジの配置を示す平面図である。
【図２】水素吸蔵装置の構成を示す構造模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１；水素貯蔵カートリッジ
２；耐圧耐熱容器
３；水素導入用配管
４；圧力制御機構
５；加熱装置
６；温度制御機構
７；蓋部
１１；温度計
１２；圧力制御バルブ
１３，１６，２１；圧力計
１９；バルブコネクタ
２０；安全バルブ
２２；耐圧耐熱容器側コネクタ
２３；カートリッジ側コネクタ
２４；コネクタ
２５；カートリッジ蓋部
２６；外圧ガス導入用バルブコネクタ
Ｎ；熱媒体
【図１】
2007321878.tif 000003
【図２】
2007321878.tif 000004