(57)【要約】【課題】低コストの水素ガス導入・導出管を使用可能とするとともに、この水素ガス導入・導出管をタンク補強材として機能させ、タンク本体の構造上の強度を高め、タンクの低コスト化、軽量化をも実現する。【解決手段】タンク内部に充填された水素吸蔵合金に吸蔵用水素を導入するとともに、該水素吸蔵合金から放出された水素を導出する水素吸蔵合金タンク用水素ガス導入・導出管において、水素ガス導入・導出管は、長さ方向に水素ガスが通過する小孔（１）が複数形成された金属管（２）からなり、タンク壁（３）の両端壁を貫通して、この両端壁により両持ち支持するよう取り付ける。この金属管（２）の内部には、小孔（１）を覆い、微粒子化した前記水素吸蔵合金の排出を防止する小孔用金属製メッシュ（５）が配置されていることを特徴とする水素吸蔵合金タンク用水素ガス導入・導出管。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク内部に充填された水素吸蔵合金に吸蔵用水素を導入するとともに、該水素吸蔵合金から放出された水素を導出する水素吸蔵合金タンク用水素ガス導入・導出管において、
前記水素ガス導入・導出管は、長さ方向に水素ガスが通過する小孔が複数形成された金属管からなり、タンクの両端壁を貫通して、この両端壁により両持ち支持するよう取り付けられるとともに、
該金属管の内部には、前記小孔を覆い、微粒子化した前記水素吸蔵合金の排出を防止する金属製メッシュが配置されていることを特徴とする水素吸蔵合金タンク用水素ガス導入・導出管。
【請求項２】
前記金属製メッシュは、前記金属管の内部において、螺旋状に巻かれていることを特徴とする請求項１記載の水素吸蔵合金タンク用水素ガス導入・導出管。
【請求項３】
前記金属管の外端には、内部に焼結ステンレスフィルターを有するフィルターユニットが着脱自在に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の水素吸蔵合金タンク用水素ガス導入・導出管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は水素貯蔵用水素吸蔵合金タンクに使用される水素ガス導入・導出管に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素を安全且つ大容量で貯蔵できる手段として、水素吸蔵合金を内蔵した水素吸蔵合金タンクが注目されている。
今後、こうした水素吸蔵合金タンクは、ソーラー発電等の自然エネルギーを利用した発電、夜間の余剰電力貯蔵、さらには、燃料電池車等に広く採用されることが予想される。
【０００３】
水素吸蔵合金タンクの基本構造は、水素吸蔵合金の粒子を充填したタンク本体と、水素吸蔵時、この水素吸蔵合金粒子に水素を供給するとともに、水素放出時、水素吸蔵合金粒子から排出された水素を導出する水素ガス導入・導出管からなる。
【０００４】
水素吸蔵合金は、水素吸蔵時、水素ガス導入・導出管から供給される水素と反応して、水素化物を形成し水素を保持するものであり、この時、水素吸蔵合金は膨張・発熱する。
一方、タンクを加熱することにより、水素吸蔵合金が吸熱し、水素化物の状態で吸蔵した水素を、水素ガス導入・導出管から放出して、元の合金状態へと戻る。
このような水素吸蔵と放出の繰り返しにより水素吸蔵合金は微粒化してゆく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９５１１７０号公報
【特許文献２】特開平８−２３３２００号公報
【特許文献３】特開２００１−２０８４４４号公報
【０００６】
このように、水素吸蔵時の放熱・膨張、水素放出時の吸熱・収縮による温度変化、圧力変化にも十分な耐久性が得られるよう、タンク本体には、耐久性、耐圧性、熱伝導性に優れた、肉厚のステンレス鋼、アルミニウム合金などを使用しているため、コストが高く、しかも、重量増、大型化を招く。
【０００７】
また、水素ガス導入・導出管についても、タンク内において、水素吸蔵合金粒子が水素吸蔵時に膨張し、高い応力に曝されることから、高い強度が要求され、吸蔵・放出に伴う合金の膨張・収縮、さらには、微粒化した水素吸蔵合金粉が外部に漏れないようするため、水素ガス導入・導出管には通常、強度のある多孔質体の焼結ステンレス棒等が使用される。
焼結ステンレス棒を使用した場合、水素流路の実効断面積を確保し、タンク内に均一に水素を供給するため、また、破損した場合に備え、複数本挿入することが必要である。
しかし、棒状の焼結ステンレスの製作には、専用の製造装置を必要として、価格が高く、これが水素吸蔵合金タンクのコストを引き上げる要因の１つとなっている。
【０００８】
こうした水素ガス導入・導出管は、タンク内において、水素吸蔵時の水素吸蔵合金粒子の膨張により、高い応力に曝されることから、上記特許文献１〜３に記載された水素吸蔵合金タンクにおいては、いずれも、タンク内壁の一方の端面に、その一端を、溶接等により、片持ち状にタンク壁に固着し、他端を自由端とすることにより、高い応力に曝されたとき、その弾性でこれを吸収し、タンク壁に負荷をかけないようにしている。
【０００９】
特許文献１には、水素ガス導入・導出管として、片持ち状に支持された中空棒状の水素噴出部材を採用し、内部にフィルタを固着し、長手方向に直交する方向に形成された噴出孔から、水素を噴出させることが示されているが、横方向の噴出を防止するため、やはり、他端側を案内板で封止する片持ち構造となっており、しかも、フィルタが、拡径部の内部に固着された構造であるため、単独で取り外すことができず、片持ち支持部は、通常タンク壁に固着されているため、水素噴出部材全体を交換せざるを得ず、保守上、さらにコストアップを招くという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
水素ガス導入・導出管と、タンク壁との結合部は、水素を確実に遮断のため、溶接等を用いて確実に封止する必要があるが、片持ち状に保持させることを前提にすると、一端で保持するため、高い結合強度を要求され、しかも、他端が自由端であるため、水素に曝されながら、片持ち端を支点とした屈曲を繰り返すため、金属疲労を招きやすく、これを防止するため、高い強度が要求され、さらなるコストアップを招いてしまう。
【００１１】
そこで、本発明では、水素吸蔵・放出に伴い、水素ガス導入・導出管に作用する応力を解析した上で、水素ガス導入・導出管をタンク内壁の両端面に、両持ち状に固着する構造として、より低コストの水素ガス導入・導出管を使用可能とするとともに、この水素ガス導入・導出管をタンク補強材として機能させ、タンク本体の構造上の強度を高めることにより、タンクの低コスト化、軽量化をも併せて実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の水素吸蔵合金タンク用水素ガス導入・導出管は、長さ方向に水素ガスが通過する開口部が複数形成された金属管からなり、タンクの両端壁を貫通して、この両端壁により両持ち支持するよう取り付けられるとともに、この金属管の内部に開口部を覆い、微粒子化した前記水素吸蔵合金の排出を防止する金属製メッシュを配置した。
【００１３】
この金属製メッシュを、金属管の内部において、螺旋状に巻くようにしてもよい。
また、金属管の外端に、内部に焼結ステンレスフィルターを有するフィルターユニットを着脱自在に取り付けるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、タンクの両端壁における、金属管の支持部にさほど大きな応力が発生しないので、金属管の強度、タンクの両端壁の強度、さらには両者の接合強度とも、設計上大きな値を要求されない。このため、低コストの金属管を使用することにより、タンク本体の構造上の強度を高め、タンクの低コスト化、軽量化をも併せて実現することができる。しかも、両端で支持されていることから、金属管の自由端が大きく撓むことがなく、曲げ応力が大きく低減されるとともに、金属疲労も低減されるため、長期にわたって、水素漏れ抑止効果を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】水素吸蔵合金タンク用水素ガス導入・導出管の全体構造を示す図である。
【図２】水素吸蔵合金タンク内部の構造を詳細に示す側面断面図、及び中央断面図である。
【図３】水素吸蔵・放出を３回繰り返し行った時の吸蔵時の応力計測結果を示す図である。
【図４】タンク内圧力（Pressure）と組成（Composition＝Ｈ／Ｍ）の関係を表すＰ−Ｃ曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
水素吸蔵合金タンクへの水素導入・導出を行う水素導入・導出管の低コスト化を図るためには、従来技術で使用しているような、長い棒状に加工した特殊な焼結ステンレス材料等を使用することなく、且つ微粒子を排するフィルタ機能と合金の膨張に耐え得ることが必要である。
水素導入・導出管自体に要求される強度を設計上低減するためには、従来の片持ち支持に代え、水素導入・導出管をタンクの両側壁で両持ち支持することが有効である。
そこで、図１に示されるように、略円筒状タンク壁３の左右両端壁に開口部４を設け、この開口部４とほぼ同じ直径のステンレス管２を貫通させ、両端を外方に突出させた状態で、タンク壁２左右両端壁の外壁側から溶接等により密封固着する。
【００１７】
このステンレス管２の上面、側面には、直径３ｍｍ程度の小孔１が長さ方向に４、５箇所に設けられており、また、ステンレス管２の内部には、１００μ程度の水素吸蔵合金の微粒子を補足できるよう、メッシュが選択された小孔用スクリーンステンレスメッシュ５を螺旋状に巻いた状態で内部に挿入している。なお、この実施例では、開口部４、４から突出したステンレス管２の左右端に、フィルタ６を介して、水素導入量、導出量を調整するためのバルブ７、７が接続されている。
【００１８】
図２は、タンク内部の構造を詳細に示した側面断面図で、この実施例では、水素導入・導出管となるステンレス管２を一本のみ使用し、タンク本体内部の上部において、タンク壁２左右両端壁を貫通するよう配置されている。
タンク内には、その内壁全周に沿って、水素吸蔵合金用スクリーンメッシュ８が、図において右端から左端に到る円筒状に配置されている。タンク壁３の右側端壁の下方には、水素吸蔵合金粒子１９が水素を吸蔵する際に発生する熱量を回収するとともに、水素放出時に、加熱するための熱交換パイプ１６が設けられている。循環水供給管１７から供給された熱媒体（この実施例では水）は、水素吸蔵合金用スクリーンメッシュ８の内側において、タンク内部の大径と小径の２重螺旋を形成する熱交換パイプ１６により右端から左端に流れた後、再び右端に戻るように流れ、循環水排出管１８から排出される。この構成により、水素吸蔵合金用スクリーンメッシュ８の内部に充填された水素吸蔵合金粒子１９と効率的な熱交換が行えるようにしている。
【００１９】
この状態で、タンク内部の水素吸蔵合金粒子１９に、水素吸蔵、水素放出を繰り返し行い、特に、水素吸蔵時の水素吸蔵合金の膨張に伴い、タンク壁３の各所にどのような応力が作用するか、検証するため、図２に示されるように、タンク壁３の外周壁のうち、底面と側壁中央部に、周方向と軸方向の応力測定が可能な歪ゲージ９ａ、９ｂを張り付け、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の応力測定を行った。なお、１０、１１は、それぞれ、温度測定のための熱電対、シース熱電対であり、１２は圧力計、１３は圧力トランスデューサ、１４は安全弁、１５は白金抵抗温度計である。
【００２０】
水素吸蔵・放出を３回繰り返し行った時の応力計測結果を図３に示す。
図３ａ〜図３ｃは、それぞれ、初回目、２回目、３回目の水素吸蔵時の実験結果を表しており、Ｈをタンク内の水素量、Ｍをタンク内の水素吸蔵合金粒子１９による最大水素吸蔵量としたとき、組成Ｈ／Ｍに対し各歪ゲージで読み取った応力値をプロットしている。なお、実験で用いた水素吸蔵合金タンクのＭは７７４３ＮＬである。
【００２１】
図３ａから分かるように初回の水素吸蔵終了時、タンク側面の周方向の応力は９１．９ＭＰａであった。一方、タンク底部の周方向の応力値は負値を示しており、膨張する水素吸蔵合金により、圧縮されていることが分かる。
この実験結果から水素吸蔵合金タンクは、水素吸蔵時、水素吸蔵合金粒子１９の膨張により、図３ｄの実線で示すようにタンク断面が楕円形に変形していたことが分かる。
【００２２】
また、図３ａ〜図３ｃより、周方向応力が大きいことからタンクの径方向に対する変形が著しいことが分かるが、軸方向の応力は、タンク側面でも、タンク底面でも、それほど大きくなく、むしろ、各方向の応力の値は吸蔵の回数が増すにつれ小さくなって行くことが分かる。
この実験結果から分かるように、水素導入・導出管となるステンレス管２を、タンク壁３を両端壁で両持ち支持することにより、タンク壁３の軸方向の伸びはほとんど発生しない。
【００２３】
このことから、タンク壁３の両端壁における、ステンレス管２の支持部に発生する軸方向の応力もさほど大きくないので、ステンレス管２の強度、タンク３の両端壁の強度、さらには両者の接合強度とも、設計上大きな値を要求されない。
しかも、両端で支持されていることから、ステンレス管の自由端が大きく撓むことがなく、曲げ応力が大きく低減されるとともに、金属疲労も低減されるため、長期にわたって、水素漏れ抑止効果を維持することができる。
【００２４】
この実施例では、図１、図２に示すように、ステンレス管の水素を導入・導出させる側の管端（図１、図２の右端）には、市販の焼結ステンレスフィルターを着脱自在に設置し、その下流に、水素導入量、導出量を調整するバルブが取り付けられている。また、反対側の管端（図１、図２の左端）は、プラグ等で封止してもよいが、この実施例では、Ｌ字管を介して、市販の焼結ステンレスフィルターを着脱自在に装着し、その下流に圧力測定用のトランスデューサ、圧力計及び安全弁を設置している。
もちろん、このような利用形態の他に、両端から水素の導入・導出を行わせるようにしてもよい。
【００２５】
さらに、導入した水素ガスをタンク内の水素吸蔵合金粒子１９に均等に行き渡らせるよう、ステンレス管２を、水素吸蔵前の状態では水素吸蔵合金に接しないタンクの上部の空間に位置するよう設置するとともに、２重のスクリーンメッシュ８を水素吸蔵合金タンクの内壁に沿わせて円筒状に配し、その内側に水素吸蔵合金粒子１９を入れることにより、水素ガスがタンク内壁の隙間から水素ガスが出入りしやすくなるようにした。
【００２６】
この水素吸蔵タンクを、統合型水素利用システム（THEUS）に適用し、定格運転条件の下、水素吸蔵と水素放出を別々に行った時の実験結果を図４に示す。
定格運転条件での水素吸蔵は、水素流量を１０ＮＬ／ｍｉｎ、循環水入口温度３２℃、循環水流量０.９６Ｌ／ｍｉｎとし、９時間で５４００ＮＬの水素ガスの吸蔵を行う。
一方、水素の放出は、水素流量を６.９ＮＬ／ｍｉｎ、循環水入口温度１２℃、循環水流量０.３９Ｌ／ｍｉｎとし１３時間をかけて同量の水素ガスを放出させる。
【００２７】
図４ａはタンク内圧力（Pressure）と組成（Composition＝Ｈ／Ｍ）の関係を表しており、Ｐ−Ｃ曲線と呼ばれる。
定格運転条件では吸蔵をＨ／Ｍ＝０.１８から開始するとしているので、吸蔵終了時点の組成はＨ／Ｍ＝０.８８となる。
なお、米国では高圧ガス保安法の適用を受けないことから、水素吸蔵合金の吸・放出特性を高めの圧力で設計しており、実線で繋いだ丸と三角が、この合金材料の３２℃と１２℃の平衡圧力を表す。これらのデータは合金を製作した（株）日本重化学工業から提供されたものである。
【００２８】
丸印と三角が今回の水素吸蔵・放出の実験結果を表しており、吸蔵の際、合金は発熱反応を示す。その反応熱によりタンク内温度が３２℃より高くなるため内部圧力は３２℃の平衡圧力よりも高くなる。
一方、放出時は吸熱反応となりタンク内温度は１２℃よりも低下していることが分かる。
【００２９】
図４ｂ、４ｃはそれぞれ水素吸蔵時と水素放出時の水素吸蔵合金タンク内各位置の温度、循環水入口と出口の温度、及びタンク内圧力の時間変化を示す。これらの図から水素吸蔵時の各温度は比較的安定しているが、水素放出実験の後半でタンク内温度が少し低下していることが分かる。
循環水入口と出口の温度差、及び循環水流量から算出した合金反応熱回収量は吸蔵で５.９７ＭＪ、放出で５.０３ＭＪであり、合金反応熱回収率は吸蔵時９０.２％、放出時７９.５％という結果を得た。
この結果から、両持ち支持される１本のステンレス管を使用した水素導入・導出管でも、スペック上問題なく水素吸蔵・放出が行われていることが、この実験でも検証された。
【００３０】
また、タンク側からみても、１本のステンレス管が両持ち支持されることで、負荷が分散されるため、片持ち支持の場合と比較して、端部の接合強度を低減することが可能となり、しかも、このステンレス管が補強材となり、タンク自身の剛性を高めることができるので、タンクに使用するステンレスの肉厚を薄くすることができ、大幅な軽量化、低コスト化の実現が可能となる。
【００３１】
さらに、最終的に微粒子化した水素吸蔵合金の飛散を防止するため、ステンレス管の外端に、市販の焼結ステンレスフィルターユニットを着脱自在に装着しているため、これが目詰まりした際には、フィルターユニットのみ交換すればよい。
【００３２】
上記の実施例では、タンク、水素ガス導入・導出管、スクリーンメッシュとして、ステンレスを使用したが、ステンレスに限らず、アルミ合金など種々の金属、合金を使用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    小孔
２    ステンレス管
３    タンク壁
４    開口
５    小孔用スクリーンステンレスメッシュ
６    フィルタ
７    バルブ
８    水素吸蔵合金用スクリーンメッシュ
１９  水素吸蔵合金粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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