(57)【要約】【課題】水素貯蔵タンクにおいて、水素吸蔵合金が偏在することによってタンクに働く応力を低減する技術を提供する。【解決手段】水素貯蔵タンクにおいて、水素吸蔵合金ＭＨを充填するチューブ１１０を、複数の充填層１１１が重力方向に積層された多層構造とする。充填層１１１の最下部の床板１１２の上には、水素が流入する空間である水素流路層２１を確保した状態でメッシュ層２０が固定されている。さらに、充填層１１１には、メッシュ層２０の上に水素吸蔵合金ＭＨが充填されている。微粉化した水素吸蔵合金ＭＨが充填層１１１の下部に堆積し偏在しても、水素が、水素流路層２１からメッシュ層２０を通過して水素吸蔵合金ＭＨの堆積層の下から流入するため、水素吸蔵合金ＭＨは水素によって吹き上げられ拡散する。従って、充填層１１１下部において水素吸蔵合金の偏在により応力が発生することを低減することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を貯蔵するための水素貯蔵タンクであって、
水素を供給するための水素用配管と、
前記水素用配管と接続され、水素吸蔵合金を収納する充填部と、
を備え、
前記充填部は、前記水素吸蔵合金を収納する収納部と、前記収納部の空間内に対して重力方向の下部から水素を重力方向の上方に流入する水素流入部とを有することを特徴とする水素貯蔵タンク。
【請求項２】
請求項１記載の水素貯蔵タンクであって、
前記水素流入部は、水素を透過する多孔体層と、前記多孔体層の重力方向の下部を水素が流入する水素流路層とを有することを特徴とする水素貯蔵タンク。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の水素貯蔵タンクであって、
複数の前記充填部が積層した多階層構造を有することを特徴とする水素貯蔵タンク。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の水素貯蔵タンクであって、
前記充填部は、前記収納部の内部を複数の空間に区分する隔壁を有することを特徴とする水素貯蔵タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素吸蔵合金によって水素を貯蔵する水素貯蔵タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素吸蔵合金は、水素を吸蔵する性質を持ち、また、吸蔵した水素を放出することもできる性質を持つ。その性質は水素の貯蔵方法に利用することができ、粉末状の水素吸蔵合金をタンク内に収納することによって、水素を貯蔵する種々の水素貯蔵タンクが提案されている（特許文献１など）。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−８３３９６
【特許文献２】特開平５−９９０７４
【特許文献３】特開２００２−２２０９７
【０００４】
ところで、水素吸蔵合金は水素を吸蔵すると膨張し、水素を放出すると収縮する性質を持っている。また、その吸蔵・放出にともなう膨張・収縮を繰り返す度に、その粒子の大きさが細かくなっていく（微粉化する）性質も持っている。そのため、水素貯蔵タンクを使用し続けていくと、当初はタンクに充填されていた水素吸蔵合金が、微粉化してタンク下部において重力方向に堆積し偏在してしまう場合があった。
【０００５】
そうした状態で、水素吸蔵合金が水素を吸蔵し膨張すると、そのタンク下部に大きな応力が働き、水素貯蔵タンクを実際に使用する上で好ましくなかった。しかし、これまでこうした問題に対して充分な工夫がなされていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、水素貯蔵タンクにおいて、水素吸蔵合金が偏在することによってタンクに働く応力を低減する技術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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、水素を貯蔵するための水素貯蔵タンクであって、水素を供給するための水素用配管と、前記水素用配管と接続され、水素吸蔵合金を収納する充填部とを備え、前記充填部は、前記水素吸蔵合金を収納する収納部と、前記収納部の重力方向の下部から水素を重力方向の上方に流入する水素流入部とを有することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、水素吸蔵合金が充填部の重力方向の下部に堆積し偏在した場合でも、その堆積層の下から水素を流入し供給するため、水素吸蔵合金が吹き上がり拡散する。従って、充填部下部において水素吸蔵合金が偏在することにより働く応力を低減できる。
【０００９】
前記水素流入部は、水素を透過する多孔体層と、前記多孔体層の重力方向の下部を水素が流入する水素流路層とを有することを特徴とするものとしても良い。
【００１０】
この構成によれば、水素を水素流路層から多孔体層を通過させて流入させることができる。
【００１１】
複数の前記充填部が積層した多階層構造を有していることを特徴とするものとしても良い。
【００１２】
この構成によれば、各充填部に水素吸蔵合金を分散して収納でき、各充填部における水素吸蔵合金の偏在によって働く応力を小さくできる。
【００１３】
前記充填部は、前記収納部の内部を複数の空間に区分する隔壁を有することを特徴とするものとしても良い。
【００１４】
この構成によれば、隔壁により区分された空間に収納された水素吸蔵合金が水素により吹き上げられて拡散する範囲を隔壁により制限でき、水素吸蔵合金が充填部内で偏在することを抑制できる。
【００１５】
本件の発明は、好ましくは、収納部内部にて発生している水素吸蔵合金（ＭＨ）偏在化を低減するために水素貯蔵（充填）時に収納部に流入する水素の流れ（例えば、水素を重力方向の下部から流入させる）を利用するものである。
【００１６】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、水素吸蔵合金を備えた水素貯蔵タンク、その水素貯蔵タンクを使用した燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例として水素貯蔵タンク１００の断面の概略を示す説明図である。水素貯蔵タンク１００は、タンク容器１０２の中に、水素吸蔵合金が充填されたチューブ１１０を備えている。
【００１８】
タンク容器１０２は中空の略円柱形状に形成されており、その両端にそれぞれ、水素用配管１０３を通すための第１の開口部１０４と、冷媒用配管１０７を通すための第２の開口部１０５とが設けられている。タンク容器１０２は、例えばアルミニウム合金で形成される。また、その外側の表面には、補強層１０９が設けられている。補強層１０９は、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によって形成される。
【００１９】
チューブ１１０は、略四角柱形状であり、その２つ端部１１５、１１６においてそれぞれ水素用配管１０３及び冷媒用配管１０７と接続されている。チューブ１１０と水素用配管１０３とは、チャンバー１０６によって接続されている。チャンバー１０６は、端部１１５を覆うように接続されており、その接続部において気密性が保たれている。
【００２０】
チューブ１１０は、その内部を床板１１２によって長手方向に仕切られることによって充填層１１１を積層した多層構造を形成している。充填層１１１の内壁には熱交換フィン１１３が形成されている。熱交換フィン１１３は、水素吸蔵合金と後述する冷媒との間の熱交換を促進するフィンとしての機能を有する。なお、充填層１１１の内部には、粉末状の水素吸蔵合金ＭＨが充填されているが、図示は省略してある。
【００２１】
冷媒用配管１０７は、チューブ１１０の端部１１６の手前で分岐する。分岐したそれぞれの冷媒用配管１０７は、チューブ１１０の各充填層１１１に端部１１６を貫通して侵入し、チューブ１１０の反対側の端部１１５の手前まで延びた後、折り返し、再び端部１１６を貫通してチューブ１１０の外部へと出る。チューブ１１０から出た冷媒用配管１０７は、他の充填層１１１から折り返し出てきた配管と合流し、第２の開口部１０５よりタンク容器１０２の外へと出る。
【００２２】
充填層１１１に所定の圧力で水素が供給されると、水素吸蔵合金は、所定の温度に達するまで、水素を吸蔵しつつ昇温する。従って、冷媒用配管１０７を冷媒が通過することによって、充填層１１１を冷却し、水素吸蔵合金による水素吸蔵の動作を促進させることができる。
【００２３】
水素吸蔵合金は、チューブ１１０内の圧力の低下に伴って吸蔵した水素を放出しはじめる。その際に水素吸蔵合金は吸熱するため、冷媒用配管１０７には所定の高温の冷媒を通過させることによって、充填層１１１を加熱し、水素吸蔵合金による水素放出の動作を継続させることができる。
【００２４】
図２は、充填層１１１のうちのひとつを拡大して示した説明図である。なお、冷媒用配管１０７及び熱交換フィン１１３は図示を省略してある。また、以下の説明は、他の充填層１１１においても同様である。
【００２５】
充填層１１１は、その底部において一面にメッシュ層２０が設けられている。メッシュ層２０は、床板１１２との間に水素の流路となる空間である水素流路層２１を確保した状態で固定されている。メッシュ層２０は、例えばステンレス鋼の焼結体で構成される多孔体であり、その目開きは０．５μｍ程度である。メッシュ層２０の上には、粉末状の水素吸蔵合金ＭＨ（直径１mm程度）が充填されている。即ち、水素吸蔵合金ＭＨは、メッシュ層２０によって水素流路層２１と隔てられ充填層１１１に収納されている。
【００２６】
チューブ１１０の端部１１５には、各充填層１１１の水素流路層２１に水素が流入するように貫通孔である水素流入孔２３が設けられている。水素はチャンバー１０６から水素流入孔２３を通過して水素流路層２１へと流入し、メッシュ層２０を通過して、充填層１１１の床一面から重力（鉛直）方向の上方へ流入又は噴出する。なお、ここで「重力（鉛直）方向の上方」とは、重力方向に対して１８０°の角度をなす方向に限らず、斜め上方向、即ち、重力方向に対して９０°より大きく２７０°より小さい角度をなす方向も含んでいる。
【００２７】
水素吸蔵合金ＭＨは、水素を吸蔵すると膨張し、水素を放出すると収縮する。粉末状の水素吸蔵合金ＭＨは、膨張・収縮を繰り返すとその粉末は次第に細かくなる（微粉化する）性質を有している。従って、水素貯蔵タンク１００を使用し続け、水素吸蔵合金ＭＨが膨張・収縮を繰り返すと、水素吸蔵合金ＭＨは、充填層１１１に充填する際には直径１mm程度の粉末状であったものが、数μｍにまで微粉化する場合もある。
【００２８】
その結果、図２に示すように充填層１１１に充填された水素吸蔵合金ＭＨは、図３（Ａ）に示すように次第に充填層１１１の重力方向の下部に堆積し、そのかさが下がり、空隙３０が生じる。さらに水素貯蔵タンク１００に振動が加わった場合、水素吸蔵合金ＭＨは次第に目がつまり、充填層１１１の下部に至るほど密度を増す場合もある。そうした堆積した状態で水素吸蔵合金ＭＨが水素を吸蔵し膨張すると、充填層１１１の下部には大きな応力が働くことになる。その応力によって冷媒用配管１０７及び熱交換フィン１１３などの構成部品が変形・破損する可能性もある。
【００２９】
しかし、本実施例の構成によれば、上記のように、水素が充填層１１１の床一面から鉛直方向の上方へ流入するため、充填層１１１の下部に堆積した水素吸蔵合金ＭＨは、図３（Ｂ）に示すように、吹き上げられ拡散する。従って、上記応力を低減でき、構成部品の変形・破損などの可能性が低減する。
【００３０】
さらに、本実施例においては、チューブ１１０は多層構造を有しているため、水素吸蔵合金ＭＨが各充填層１１１に分散されている。そのため、水素吸蔵合金ＭＨがタンク下部に堆積し偏在しても、それによって各充填層１１１に働く応力は、チューブ１１０が多層構造を有していない場合に較べ小さくなっている。
【００３１】
Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例における水素貯蔵タンクの充填層１１１ａを示す説明図である。この充填層１１１ａは、内部に隔壁４０が設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。充填層１１１ａは、メッシュ層２０の上に設けた隔壁４０によって複数の空間に仕切られている。図５は、図４に示す５−５切断を示す断面図である。充填層１１１ａは、図５に示すように六角形の空間４２によって構成されている。隔壁４０は、例えばアルミニウム合金などで構成できる。
【００３２】
本実施例によれば、隔壁４０が、水素によって吹き上がった水素吸蔵合金ＭＨの拡散する方向を制限するため、充填層１１１ａの長手方向へ水素吸蔵合金ＭＨが偏在する可能性を低減できる。なお、空間４２は、六角形である必要はなくその形状は任意である。
【００３３】
Ｃ．第３実施例：
図６は、第３実施例における水素貯蔵タンクの充填層１１１ｂを示す説明図である。この充填層１１１ｂは、図２に示すメッシュ層２０および水素流路層２１の代わりに水素流入配管６０が設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。
【００３４】
水素流入配管６０は、チューブ１１０の端部１１５に設けられた水素流入孔２３においてチャンバー１０６と接続されている。水素流入配管６０は、水素流入孔２３から端部１１６の手前まで延びており、端部１１６側の配管端部６２は閉じられている。水素流入配管６０には上方向に微小な貫通孔（直径０．５μｍ程度）である水素流入孔６１が設けられている。従って、水素は、チャンバー１０６から水素流入配管６０に流入し、水素流入孔６１から流入して、水素吸蔵合金ＭＨを吹き上げて拡散する。
【００３５】
図７（Ａ）は、図６における７Ａ−７Ａ切断における充填層１１１ｂの断面図を示している。水素流入配管６０は、床板１１２の上に複数本が並列に配置されている。なお、図７（Ａ）に示すように、水素流入配管６０は、隙間無く並べる必要はなく、充填層１１１ｂの一面に水素が流入するように配置されていることが好ましい。ただし、図７（Ｂ）に示すように、床板１１２に溝７０などを設けて、その溝７０に水素流入配管６０を配置するなどし、水素流入配管６０同士の間の隙間に水素吸蔵合金ＭＨが入り込まないようにすることが好ましい。
【００３６】
図７（Ｃ）は、水素流入配管６０の断面を拡大して示している。水素流入孔６１は、水素を鉛直方向の上方に吹き上げるよう設けられていれば良く、図７（Ｃ）に示すように斜め上方向に吹き上げるように設けられているものとしても良い。水素流入孔６１は、充填層１１１ｂの一面に水素が流入するように複数設けられていることが好ましい。また、水素流入孔６１は、水素吸蔵合金ＭＨが水素流入配管６０の内部に入り込まない大きさで設けられていれば良い。
【００３７】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３８】
Ｄ１．変形例１：
上記第１実施例ないし第３実施例において、チューブ１１０は充填層１１１、１１１ａ、１１１ｂが積層された多層構造を採用していたが、１つの充填層からなる単層構造としても良い。
【００３９】
Ｄ２．変形例２：
上記第３実施例において、水素流入配管６０には水素流入孔６１が設けられていたが、その代わりに、水素を鉛直方向の上方に流入するためのノズルなどが設けられていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】水素貯蔵タンクの断面の概略を示す説明図。
【図２】第１実施例における充填層の断面の概略を示す説明図。
【図３】第１実施例における充填層内での水素吸蔵合金の拡散を示す模式図。
【図４】第２実施例における充填層の断面の概略を示す説明図。
【図５】第２実施例における充填層に設けられた空間を示す説明図。
【図６】第３実施例における充填層の断面の概略を示す説明図。
【図７】第３実施例における充填層の断面および水素流入配管の断面を示す説明図。
【符号の説明】
【００４１】
２０…メッシュ層
２１…水素流路層
２３…水素流入孔
３０…空隙
４０…隔壁
４２…空間
６０…水素流入配管
６１…水素流入孔
６２…配管端部
７０…溝
１００…水素貯蔵タンク
１０２…タンク容器
１０３…水素用配管
１０４…第１の開口部
１０５…第２の開口部
１０６…チャンバー
１０７…冷媒用配管
１０９…補強層
１１０…チューブ
１１１…充填層（第１実施例）
１１１ａ…充填層(第２実施例）
１１１ｂ…充填層(第３実施例）
１１２…床板
１１３…熱交換フィン
１１５…端部
１１６…端部
ＭＨ…水素吸蔵合金
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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