JP2003521640A - 合金の同伴防止のために多孔質保護材料を組入れた水素冷却水素化物貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多孔質保護層（４）を有する水素貯蔵合金材料（２）が開示される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の分野） 本発明は、一般的には水素貯蔵装置に、より具体的には水素ガス冷却貯蔵装置
に関する。貯蔵装置は、貯蔵材料から水素化物生成熱を過剰水素へ伝達し貯蔵装
置から除去するため過剰な水素流を用いる時に、粘着性のない粒子が逃散するの
を防ぐ、水素貯蔵合金を包み保護する多孔質材料を備えている。

【０００２】 （発明の背景） 本発明出願が、水素基盤の経済に有用な水素貯蔵装置を初めて既述している。
貯蔵装置は、気体水素を直接対流性熱伝達媒体として用いて、その高速且つ効率
的な冷却及び／又は加熱を考慮に入れている。本発明の貯蔵要素は、完全な基幹
設備体系の副設備間で効率的且つ経済的に熱を伝達することを可能とする。この
ような基幹設備体系（「資源から車輪まで」）は、「水素基盤環境対応設備」と
題した同時係属米国特許出願番号０９／４４４,８１０、オブシンスキー他、１
９９９年１１月２２日出願（’８１０出願）の主題であり、此処に参考にして取
り入れてある。この基幹設備は、これまで解決不能と考えられてきた化学的、物
理的、電子的並びに触媒的障壁を克服した水素貯蔵合金によっても同様に可能と
なった。これらの合金は、オブシンスキー他に対して１９９９年１１月６日に受
け付けられた、「水素基盤の環境対応装置を実現する大貯蔵容量合金」と題する
同時係属出願の米国特許出願第０９／４３５，４９７号（「’４９7出願」）に
完全に説明されており、此処に参考にして取り入れてある。’４９７出願は、一
般的且つ厳密に表現して、内燃機関及び燃料電池にエネルギーを供給するなどの
水素を基盤とする経済活動に燃料を供給するのに、安全且つ効率的な水素の貯蔵
をするための、例外的な速さの速度論的性質を伴い、且つ十分な水素貯蔵容量を
有するという、現在まで解答が為されていない問題を解決できる合金に関するも
のである。‘４９７出願において発明者等は、約6重量%より大きな水素貯蔵容量
と、並外れた速度論的性質の両者を併有するMgベース合金の生産を初めて開示し
た。この革命的な発明は、材料を一つの系として考え、それにより化学的改質剤
並びにスタンフォードR.オブシンスキーにより開拓された不規則性と局所規則性
の原理を用い、表面など必要とされる触媒局所規則性環境を提供すると同時に、
貯蔵と高速の充填／放出サイクルに対して材料全体の特性を設計するという方法
で、可能となった。別の言葉で言えば、これらの原理は、粉体粒子径と結晶粒径
、トポロジー、表面状態、触媒活性度、微細構造、及び全体としての貯蔵容量に
対する相互作用環境を制御することにより、材料を注文通りに仕立ることを念頭
に置いたものであった。

【０００３】 ’８１０及び ’４９７出願の組み合わせが、「究極の燃料」の利用を妨げて
いる、対を為す基本的な障害即ち水素貯蔵容量と水素基幹設備とを解決する。’
４９７出願の合金を用いて、固体形態である水素を安全に小舟、荷船、列車、ト
ラックなどにより輸送できる。しかしながら、’８１０出願の基幹設備は、設備
全体を通じての熱管理及び効率的な熱利用を必要としている。本発明は、基幹設
備の副設備間で必要とされる熱伝達を、簡単で効率的且つ経済的なものにする。

【０００４】 世界の人口が膨張しその経済活動が増大するにつれて、二酸化炭素の大気濃度
が地球を暖めて気候変動を引き起こしている。しかし、地球のエネルギー体系は
、燃焼して有害ガスを生成する炭素を多く含んだ燃料から、着実に離れつつある
。専門家は、大気の二酸化炭素の水準が、次の世紀の終わりには前産業時代の二
倍に成ると言っているが、同時にその水準は、ここ100年以上続いている低炭素
燃料へ向かう傾向が無かったならば、もっと高いものになるであろうとも言って
いる。更に、化石燃料は汚染の原因であり、国家間の 戦略的軍事抗争の原因と
なる一因子である。更にエネルギー価格の変動は世界の経済的不安定さの一原因
である。

【０００５】 約一世紀半の間、炭素を多量に含んだ燃料は、より炭素含有量の少ないものに
よって次第に置き換えられてきた。最初に、炭素の多い木材が、19世紀末により
炭素含有量の低い石炭によって領域を侵された。次いで、更に炭素含有量の低い
石油が、1960年代に石炭に置き換わった。現在、アナリストは、更に炭素量の低
い天然ガスがその絶頂期にあり、水素の時代−炭素を全く含まない燃料を提供す
る−は、終に、将にその夜明けであると言っている。結果として、専門家は、自
動車産業において炭素基盤の燃料が未だに使用されているにもかかわらず、今日
の世界の経済活動がエネルギー単位当たり1860年に産出していた量の三分の二未
満の炭素を燃やしているにすぎない、と算定している。

【０００６】 米国においては、より低炭素燃料へ向かう傾向が、エネルギー効率の向上と相
まって、経済生産の各単位に対して放出する炭素量を1950年以来約半分に減らし
た。このように、エネルギー体系の脱炭素化は、最近20年の体系についての分析
から分かった唯一最も重要な事実である。この発展は21世紀の終わりまでに無炭
素エネルギー体系をもたらすであろうと予測されている。本発明は、この期間を
数年の問題に短縮するのに役立つ。近い時期に、水素は、宇宙飛行体を周回させ
る動力を既に提供しているように、乗用車、トラック及び産業用設備の燃料電池
に用いられるようになるであろう。しかし究極的には、水素は全ての燃料需要に
答えられる全般的な無炭素燃料をも提供することになるであろう。

【０００７】 最近の新聞記事で注目されるように、大企業は、特にアメリカにおいて、地球
が温暖化しているという主張を永らく疑って来たし、気候変動の科学を声高に否
定してきた。とりわけ電気事業は初期の頃、気候変動についての国際条約が経済
の成長を縮小し且つ仕事にも費用が掛かるようにするという立場をとった。問題
が最終的に認められ、それらを解決するための努力が終に現在なされているとい
う、劇的な変化が将に起こっている。それ故、今や二つの欧州の大石油会社、ロ
イヤル・ダッチ／シェルやBPアモコなど世界最大の企業の幾つかが、嘗ては異端
説と考えられた： 地球温暖化は現実であり直ちに行動するのに値する、という
ことを率直に述べているのは非常に勇気付けられることである。多くのアメリカ
の事業が彼等の発電所によって大気に為される害を減らす方法を見つけることを
誓約している。世界最大の化学製品会社デュポンでさえも、温室効果ガスの放出
を十年で1990年の水準の35%に自主的に削減するであろうと宣言している。温室
効果ガス及びその他の汚染物質（車両からの放出の具体的削減にもかかわらず）
の放出に対する実質的な寄与者である自動車産業は、彼等の電気又はハイブリッ
ド車により証明されるように、変革が必要であることを認識している。この分野
においては、本発明の譲受人が、電気及びハイブリッド車を可能にするオボニッ
ク・ニッケル金属水素化物電池を開発している。

【０００８】 信頼できる工業上の原典から採った図1は、1800年代初期の薪の使用に始まり「
水素」経済の始まりであるほぼ2010年に終わる時間の関数として、無炭素環境へ
向かう社会の動きを示すグラフである。1800年代においては、燃料は炭素に対す
る水素の割合が約0.1である薪が基本であった。社会が石炭及び石油の利用に切
り換えた時、炭素に対する水素の割合は1.3次いで2に増大した。現在は、社会は
炭素対水素の比が更に4（メタンは安全、価格及び基幹設備において深刻な問題
を抱えている）に増大するメタンの利用に少しずつ近づいている。しかし、社会
にとっての究極の目標は無炭素燃料、即ち最も広く存在する元素、純水素を採用
することである。障害物は、固形状態での貯蔵容量及び基幹設備の不足であった
。 ’４９７及び ’８１０出願の発明者等は、特に優れた吸収／脱着の速度論的
性質、即ち２分未満で少なくとも８０％の充填、を有する７％貯蔵材料（７％は
最適化された数字ではなく、速度論的性質と一緒に改善されると思われる）並び
にこれらの貯蔵合金を利用する基幹設備を発明することによりそれを可能とした
。これらの合金は、純水素の貯蔵、輸送及び配達をする安全で大容量の手段を初
めて念頭に置いたものである。

【０００９】 水素は「究極の燃料」である。無尽蔵であり、次の１０００年間の「唯一の」燃
料であると大部分の人に考えられている。水素は宇宙で最も豊富にある元素（全
物質の９５％を超える）であり、「ビッグ・バン」により創造された最初の元素
であった。水素は我々の惑星に清浄なエネルギー源を提供でき、水を水素と酸素
に分解する種々の方法によって生産できて、その上水素は固体状態の形態で貯蔵
し且つ輸送することができる。例えば、米国特許番号第４,６７８,６７９号（そ
の開示内容は此処に参考にして取り入れてある）に発表されているような、経済
的で軽い三重接合非晶質シリコン太陽電池（スタンフォードＲ．オブシンスキー
により開拓された発明）は水に隣接して配置することができ、電池の本質的に高
い開路電圧は水を成分ガスに解離させるのに使うことができ、そのようにして生
産された水素は捕集することができる。これらの高効率太陽パネルを近くの農場
、水中又は陸上に設置することもできる。水を分解して水素を形成する光起電力
過程が、世界的な水浄化の問題解決に向かっての一歩と成り得ることは注目すべ
きである。電気を発生させて輸送し、大貯蔵容量、軽量金属水素化物合金から成
る金属水素化物貯蔵吸着床へ、水素をポンプで注入することができる。’４９７
出願の合金の超大容量が、最終用途のための安全で経済的な形態で荷船、タンカ
ー、列車又はトラックにより輸送されることと、この水素を固体形態で貯蔵する
ことを可能とする。エネルギーは、今日の如何なる社会にとっても生活と文化の
基本的必需品であり、エネルギーの基本的資源として此処で説明した方法により
水素を使用することは、化石燃料を支配するために戦われる戦争の可能性を最少
にするであろう。「油田から車輪まで」の代わりに今やこの句は「資源から車輪
まで」と成るであろう。

【００１０】 過去において、燃料又は補助燃料としての水素の利用にかなりの注目が払われ
てきた。世界の石油備蓄が枯渇する可能性がある一方、水素の供給は事実上限界
が無い。水素は、石油、天然ガス及びその他の炭化水素から生産できるけれども
、主に水素から成りそれ自身が巨大な水素「炉」と考えられる太陽からのエネル
ギーにより、水の電気分解から水素を生成することが好ましい。しかし水素は、
他の如何なる形態の経済的エネルギー（例えば、風力、波力、地熱、水力、原子
力など）を用いても、水の電気分解により化石燃料を利用しないで生産すること
ができる。更に水素は、本質的に低価格燃料である。水素は、化学燃料の中で単
位重量当たり最大のエネルギー密度を有し、水素を「燃やす」時の主な副産物は水
であるから、本質的に汚染が無い。このように水素は、気候変動、汚染、石油へ
の戦略的依存、など世界のエネルギー関連問題の多くを解決できると同時に、発
展途上国を援助する手段を提供する。

【００１１】 水素は燃料としての広い潜在的用途を持っているけれども、その利用、特に車
両に動力を供給するような移動性の用途における主な欠点は、許容できる軽量な
水素貯蔵媒体の不足であった。圧縮ガスとしての水素の貯蔵は、大きく且つ重い
容器の使用を伴う。従って、図２に示すように、５０００ｐｓｉにおける圧縮水
素は僅か３１g／リットルの水素密度である。加えて、圧縮ガスとして水素を貯
蔵するのには非常に高価な圧縮機が必要であり、圧縮水素ガスは非常に重大な爆
発／火災危険物である。

【００１２】 水素は液体としても貯蔵できる。しかし液体での貯蔵は、水素が極度に可燃性
であるので自動車用燃料として利用される場合は、重大な安全上の問題が生ずる
。液体水素は−２５３℃以下の極低温に保たなければ成らず、もしこぼすと揮発
性が高い。その上液体水素は生産するのに費用がかかり、液化工程が必要とする
エネルギーが水素を燃やすことで発生できるエネルギーの大半を占める。液体で
の貯蔵のもう一つの欠点は、一日当たり５％という高さに成り得る蒸発による水
素の高額な損失である。同様に、液体水素の貯蔵密度は図２に示すように僅か７
１ｇ／リットルである。

【００１３】 固体水素化物としての水素の貯蔵が、’４９７出願の原子レベルで設計した合
金を用いて、圧力タンク内での高圧ガス又は液体としての貯蔵よりも、一層大き
な重量パーセントの貯蔵を初めて可能とする。同時に、固体水素化物中での水素
の貯蔵は安全であり、ガス又は液体として容器中に貯蔵された水素がもたらす危
険な問題を生じないが、それは固体水素化物の形態で貯蔵された水素が自由エネ
ルギーの最も低い状態に在るからである。再び図２に示すように、７％オボニッ
ク熱的水素貯蔵合金における水素の貯蔵は、圧縮水素ガスの密度の３倍を超える
１０３ｇ／リットルの水素密度を提供する。

【００１４】 気体又は液体水素の貯蔵に伴う問題に加えて、このような形態における水素の
輸送に伴う問題も存在する。例えば液体水素の輸送は、重くて嵩張り且つ破裂や
爆発を起こしやすい超絶縁タンクを必要とするであろう。亦、大きな熱損失を蒙
ることになるタンクの加熱冷却作業を避けるために、液体水素の一部は常にタン
ク中に残すことが必要である。気体水素の輸送にについては、加圧タンク車が少
量水素に対して使用できるが、これも亦破裂や爆発を起こしやすい。大量の場合
には、全く新しい水素輸送管輸送体系が建設されるか、又は天然ガスに対する現
存の輸送管の圧縮機ステーション、弁及びガスケットを水素用に調整することや
、改造することが必要となるであろう。勿論、これは現存する輸送管の建設材料
が水素輸送に適合することを仮定している。

【００１５】 本発明は、’８１０出願の基幹設備体系においても有用である。水素が貯蔵吸
着床に移行し水素と金属材料が反応して水素化物を形成すると、熱が放散される
。この熱は、水素化物化反応を完結するまで進行させるために除去しなければな
らない。反対に、水素化物が水素を解放するために分解する時熱が吸収され、水
素の十分な解放速度を与えるために水素化物は分解時に加熱されることが好まし
い。

【００１６】 過去において、金属水素化物材料の加熱及び冷却は、材料が保持されている容
器を加熱冷却すること、又は水素化物材料の吸着床を貫通した管を一定間隔に配
置して管内に熱交換媒体を循環させることを含む、従来技術により達成されてき
た。このような技術においては、金属水素化物へ伝達される熱の量は、金属水素
化物の伝導性熱伝達特性と同様に、容器の面積又は吸着床内に延びる管の表面積
に依存する。水素ガス自身を対流性エネルギー担体として用い、上述の技術の限
界をそれにより克服することもまた示唆されてきた。加えて、水素化物の直接冷
却及び加熱は、充填と放出の間の速い繰り返しを可能にし、それにより特定の設
備の効率を向上させる。ミズーリ州セントルイスで１９７６年６月７〜１０日に
開かれたＳＡＥの燃料及び潤滑油会議において、ブルックヘブン国立研究所のホ
フマン氏他により呈示された論文番号７６０５６９で提案されたように、水素を
容器中の金属水素化物を貫通して循環させ、熱を必要な所へ直接に運ぶことが出
来るであろう。熱交換は、外部熱交換器内の水素とで行なわれ、熱は水素へ供給
されるであろう。この技術は、１９８０年１月２９日にウーリー氏に対して発行
された米国特許番号第４,１８５,９７９号でも用いられている。しかし、熱的水
素貯蔵吸着床の直接対流性水素冷却はこの技術分野でよく知られているにもかか
わらず、この型の冷却に対して水素貯蔵装置を設計ないしは最適化した者は居ら
ず、従ってこの技術分野においてこのような最適化された水素貯蔵装置に対する
必要性が存在する。

【００１７】 （発明の要約） 本発明は、水素流路を備えた水素貯蔵合金材料を含む、水素ガス冷却水素貯蔵
要素を提供する。流路は高速水素ガス流を考慮した水素貯蔵材料を貫通する通路
を与える。高速水素流の一部は貯蔵材料内に貯蔵されて水素化物生成熱を放出す
る。水素の残部は水素化物生成熱を除去するのに十分な質量流量で水素貯蔵材料
を貫通して流れる。

【００１８】 水素貯蔵合金材料粉は、圧縮成形及び／又は焼結により水素貯蔵材料の帯状物
に形成され、支持手段を含むことがある。支持手段は、一般的に網、格子、マッ
ト、箔、気泡体及び板から成る群から選ばれた少なくとも一つであり、Ｎｉ、Ａ
ｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、及びそれらの混合物又は合金から成る群から選ばれた金属から
形成される。貯蔵合金粉は、支持手段を用いる限りはそれへ物理的に結合され、
次いで、多孔質材料をコイルの渦巻の中に挟み込みながら、渦巻状にコイルに巻
かれる。多孔質材料は、多孔質の薄板であることが好ましい。この薄い多孔質板
は、ポリプロピレン薄板又はポリテトラフルオロエチレン薄板などの多孔質重合
体薄板から形成することが出来る。亦、金属又は黒鉛などの材料の多孔質薄板で
あってもよい。薄板は水素貯蔵材料を保護膜として包み、貯蔵材料の粘着性がな
い粒子が大流量水素中に同伴されるのを防ぐ。水素貯蔵材料の帯状物は、帯状物
がコイルに巻かれたとき高速水素流路を創生するように、波型形状も与えられて
いる。

【００１９】 （発明の詳細な説明） 本特許と同時に出願されたステットソン他の「水素冷却水素化物貯蔵装置」と
題する同時係属米国特許出願番号０９／４６５,９０４（開示内容が此処に参考
にして取り入れてある）には、水素冷却貯蔵装置が開示されている。装置は、充
填又は放出時にそれぞれ装置を冷却又は加熱するために、水素貯蔵合金内の流路
を貫通する（好ましくは、波型にされた材料を合金内へ組み込むことによって）
過剰水素流を採用する。大流量水素により対流で冷却される水素貯蔵装置を提供
するために、装置は貯蔵材料が大流量水素流を念頭に置いたものであることを必
要とする。従って、冷却材ガスである水素を貯蔵装置の外面、又は円筒貯蔵材料
の単一の内面を覆って単に流すのではなく、水素は冷却材路内に直接水素貯蔵材
料を貫通して大流量で流れる必要がある。それ故、貯蔵材料は、それを貫通する
、水素冷却材の大流量を考慮した流路を必要とするであろう。

【００２０】 本発明者等は亦、貯蔵材料を貫通して高速ガスが流れるので、材料が水素流中
へ同伴されるのを抑制する必要があるということを発見した。本発明の貯蔵装置
は、貯蔵材料を貫通する高速水素流を考慮しており、従って効率的な対流的加熱
冷却を念頭に置いているが、一方圧縮成形／焼結された貯蔵合金から破砕した粘
着性のない粒子が同伴されることを避けている。これは、以下に述べるように、
焼結／圧縮成形された合金が多孔質材料を用いて保護膜で包まれることにより達
成される。

【００２１】 水素を安全に且つ効率的に貯蔵し解放する合金でさえあれば、本発明の貯蔵装
置に使用されるであろう。特に有用な合金は、Ｔｉ−ＺｒベースのＡＢ₂室温水
素貯蔵合金及びＭｇベース貯蔵合金などである。最も有用なのは、’４９7出願
の大容量、高速度論的性質の合金である。一般に、合金は約９０重量％を超える
マグネシウムを含有し、少なくとも一つの改質剤元素を含有する。この少なくと
も一つの改質剤元素が、少なくとも６.９重量％の水素を貯蔵することが出来、
且つ水素の全貯蔵容量の８０％を３００℃で１.５分未満に吸収出来るマグネシ
ウム合金を創生する。改質剤元素は、主としてＮｉ及びＭｍ(ミッシュメタル)を
含み、更に追加の元素としてＡｌ、Ｙ及びＳｉを含むことが出来る。従って合金
は、典型的には、０.５〜２.５重量％ニッケル及び約１.０〜４.０重量％Ｍｍ（
主としてＣｅ及びＬａ及びＰｒを含む）を含有する。合金は、３〜７重量％Ａｌ
、０.１〜１.５重量％Ｙ及び０.３〜１.５重量％シリコンの一つ以上を含有する
こともある。

【００２２】 図３は、本発明の水素冷却貯蔵装置の部分切断図である。装置は、特に、貯蔵
材料を保護膜で包まれた多孔質材料４の薄板、その薄板が挟み込まれ渦巻状にま
かれた水素貯蔵合金帯状物３、それにより構成される貯蔵材料２、それを収納す
る外装１を含んでいる。

【００２３】 水素貯蔵合金帯状物３は、水素貯蔵合金の圧縮成形／焼結された帯状物である
。水素貯蔵合金は、もし必要ならば、支持手段へ結合されることもある。一般に
、外部保護膜薄板に積層される場合は、合金材料の帯状物が必ずしも支持手段へ
結合される必要はない。しかし、本出願の幾つかの形態においては、このような
支持手段を用いることは有益であろう。

【００２４】 支持手段は、前記水素貯蔵合金の内外へ熱伝達する助けと成りうるような、適
切な熱力学特性をもつ種々の材料から形成されるであろう。支持手段用に有用な
材料は金属と非金属の両方を含む。好ましい金属は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ及
びそれらの混合物又は合金から成る群からのものを含む。金属から形成できる支
持手段の例は、ワイヤの網、エキスパンド金属及び気泡金属である。支持材料は
水素を貯蔵することもあり、それは貯蔵装置全体の性能を改善するであろう。

【００２５】 水素貯蔵合金材料は、支持手段に圧縮成形及び／又は焼結処理を用いて物理的
に結合されることがある。合金材料は先ず微細粉末に変換される。粉末は次いで
、場合に応じて支持手段上へ、圧縮成形されて貯蔵材料の帯状物を形成する。圧
縮成形処理は、粉末をそれ自身に、及びもし用いられるならば支持手段に、付着
させ且つ一体化させる。圧縮成形した後、合金粉末を付着された何らかの支持手
段を含む帯状物は、予熱され次いで焼結される。予熱工程は、過剰の湿気を放出
して合金粉末の酸化を妨げる。焼結は、水素を含んだ高温の実質的に不活性雰囲
気で行なわれる。温度は、合金材料の粒子と粒子の結合と同時に、合金材料の何
らかの支持手段への結合を促進するのに十分な高さである。

【００２６】 水素貯蔵合金帯状物は、次いで、大流量水素中への水素貯蔵材料の同伴を防ぐ
ような挟み込まれた保護膜薄板４と一緒に、渦巻状にコイルに巻かれる。保護膜
薄板４は、多孔質の薄板から形成され、コイルに巻く時に貯蔵材料の帯状物に挟
み込まれるか、又は形成時に貯蔵合金材料３の帯状物上へ圧縮される。多孔質薄
板は重合体から形成されることがあるけれども、金属などの熱伝導性の材料又は
熱伝導性の非金属から成ることが好ましい。重合体の実例は多孔質ポリプロピレ
ン薄板及び多孔質ポリテトラフルオロエチレン薄板であろう。金属は水素を貯蔵
することが出来ることもあり、それにより系全体の貯蔵容量を高める。有用な金
属は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ及びそれらの混合物乃至合金である。有用な非金属は、
熱伝導性のセラミックス及び熱伝導性黒鉛を含むであろう。繰り返すが、非金属
は水素を貯蔵することがあり、それにより系の貯蔵容量を高める。

【００２７】 合金材料を支持手段上へ圧縮成形し且つ焼結することは、合金材料の重点密度
を向上し、それにより水素貯蔵体系の熱力学的速度論的特性を改善する。支持手
段と合金材料の間の密接な接触は、水素が吸収・脱着するときの水素貯蔵合金材
料内外への熱伝達の効率を改善する。加えて、容器内部全体に亘る貯蔵合金支持
手段の均一な分布は、合金材料の吸着床全体に亘る均一な温度及び熱の分布を与
える。これは、全体に亘る均一な水素吸収脱着速度をもたらし、従ってより効率
的なエネルギー貯蔵装置を創生する。

【００２８】 水素貯蔵吸着床に合金粉だけを使用するとき（支持手段無しで）の一つの問題
は、粒径低減に起因する自己圧縮成形の問題である。即ち、繰り返される水素化
物化及び脱水素化物化サイクルの間に合金材料は水素を吸収し脱着するにつれて
膨張収縮する。幾つかの合金材料は、材料の格子中に水素を導入しそれから解放
する結果として、体積で２５％という大きな膨張・収縮をすることが見出されて
いる。合金材料の寸法変化の結果として、割れを起こし、破壊して更により細か
い粒子へと分裂する。サイクルを繰り返した後で、微細な粒子は自己圧縮成形さ
れ、非効率的な水素伝達と同時に貯蔵容器の壁に向かって働く高い応力の原因と
なる。亦、本発明の系においては、貯蔵材料の粒子が大流量ガス流中に同伴され
、貯蔵装置外へ運ばれることもある。

【００２９】 しかし、合金材料を支持手段上へ固着させるために用いる処理が、吸収及び脱
着の繰り返しの間中、合金粒子をお互いの間ばかりでなく支持手段に対しても、
強力に結合された状態に保つ。更にその上、容器内に支持手段がきっちり詰め込
まれた装填状態は、材料の膨張、収縮及び破壊に際して合金粒子を適切な位置に
保つための機械的支持体として役立つ。

【００３０】 一旦、貯蔵材料の帯状物が生産されると、保護膜材料とコイルに巻かれた時に
水素流路波形形状がコイルの中に組み込まれるように、片面又は両面に波型が形
成される。代りに、保護膜が基板材料の帯状物の上に積層されて、次いでコイル
に巻かれる以前に積層体の片面又は両面が波型にされることもある。この二番目
の技術は、特に多孔質金属薄板保護膜を用いた用途に適合されている。もう一つ
の代替案は、波型にされた材料を、保護膜で包まれた水素貯蔵材料の帯状物と一
緒に、コイルに巻くことである。いずれにしても、’９０４出願によるように、
ある形態の波型形状が、高速水素流に装置を冷却又は加熱させるのに必要である
。

【００３１】 コイル２は、最終用途により要求される軸長と直径のものになろう。しかし、
経済的費用及び生産機械設備の物理的可能性／実用性も配慮しなければならない
。本発明者等により生産されたコイルは、軸長が２〜５インチで直径が１〜４イ
ンチである。コイルは、望ましい場合は、中心環状開口を備えることが出来るが
、必要欠くべからざるものではない。中心環状開口は、もし水素の解放の援助が
必要ならば、又最終用途応用品で必要ならば、燃焼物又は電気加熱器を挿入する
ことが出来る。

【００３２】 一旦、コイルが製造されると、水素貯蔵装置に容量を追加することは、単一又
は複数の外装中へ複数のコイルを詰め込むという簡単なものである。図４に示す
ように、多くのコイル２が一つの外装１の中に置かれて、貯蔵装置５を形成する
。これは、コイル自身の簡単で経済的な製造、並びに多くのコイルを一つの装置
に組み合わせた大容量の装置を考慮している。

【００３３】 一旦、複数のコイル２が外装１に挿入されて装置５を形成すると、複数の装置
を束ねて完全な貯蔵吸着床にすることが出来る。図５は、複数の装置５がどのよ
うにして外殻６の中に詰め込まれてこのような吸着床９（水素の入口と出口、及
び多岐管は示されていない）を形成するかを示す。吸着床９は、口７及び８を通
して各装置の外装の外側で冷却／加熱が行われる。外側からの加熱／冷却は、水
素ガス又はその他の有用な気体又は液体熱伝達媒体により達成できる。特定の吸
着床９の形及び設計が描かれているけれども、当業者はこれらの要因を変更して
もなお本発明の精神と範囲内に在るようにすることが出来るであろう、という事
実に注目すべきである。

【００３４】 図６は、水素が自動車貯蔵吸着床９内の水素化物生成熱を如何に捕らえて、そ
の熱をスタンド主水素化物貯蔵吸着床１０に伝達し、主貯蔵吸着床からの水素の
解放を助けるかを具体的に示す、水素供給スタンドの様式的描写である。特に、
大流量水素が、「ポンプ」１３から冷水素供給配管１１a を通って自動車の水素
貯蔵吸着床９へと分配される。水素の幾らかは吸着床中の水素貯蔵材料に吸収さ
れ、それにより水素化物生成熱を放出する。この熱は過剰冷水素により除去され
る。ここで加熱された水素は、貯蔵吸着床９を離れ温水素返送配管１２aを通っ
てポンプ１３へ伝達される。温水素は、次いでポンプ１３から温水素返送配管１
２bを通ってスタンド主水素貯蔵吸着床１０へ輸送される。温水素は、吸着床１
０内の水素貯蔵材料にその熱を放出し、必要な熱（脱水素化熱）を供給するのを
助け、其処に貯蔵されている水素を解放する。解放された水素、ここでは冷たい
方の、は、冷水素供給配管１１bを通ってポンプ１３に供給され、究極的には再
び自動車の水素貯蔵吸着床９に送られる。この仕組みは、自動車貯蔵吸着床の急
速充填を考慮しており、しかも放出された熱の浪費及び吸着床の過熱が排除され
る。

【００３５】 （水素により動力供給される内燃機関及び燃料電池車輌） 本貯蔵装置は、多くの用途に対して水素供給源として有用である。このような
応用の一つは自動車の分野である。特に貯蔵装置は水素を自動車に供給する手段
として利用でき、貯蔵設備は、内燃機関（ＩＣＥ）自動車又は燃料電池（ＦＣ）
自動車用の水素源として使用できる。

【００３６】 図７は、ICE自動車用水素ガス供給装置の概略表現で、水素エンジン２１に水
素ガスを供給するためのものである。装置は、水素ガス貯蔵吸着床９及びエンジ
ン廃熱伝達供給路２３を備え、後者はエンジン２１から排出されたエンジン廃熱
（廃ガス又はエンジン冷却液の形で）を水素ガス貯蔵吸着床９へと導く。装置は
同じく、水素貯蔵材料を加熱するのに使った何らかのエンジン冷却液をエンジン
２１に戻すための復路２４、及び使用済みの排ガスを放出するための排ガス通気
孔２７を備えている。装置は更に、水素ガス供給路２５を備え、水素ガスを水素
ガス貯蔵吸着床９からエンジン２１へと導く。エンジン廃熱伝達供給路２３は、
温度調節部２６を備えており、水素ガス貯蔵吸着床９に導入される廃熱の温度を
調節する。このような装置を用いることにより、ＩＣＥ内で発生した廃熱は、水
素貯蔵材料を加熱して其処からＩＣＥ中で用いる水素を開放するのに効率的に使
用できる。

【００３７】 図８は、ＦＣ自動車用水素ガス供給装置の概略表現で、燃料電池２８に水素ガ
スを供給するためのものである。装置は、水素ガス貯蔵吸着床９及び燃料電池廃
熱／水素伝達供給路２９を備え、後者は燃料電池２８から排出された廃熱及び未
使用水素を水素ガス燃焼器３０へと導く。燃料電池からの廃熱は、加熱ガス又は
加熱水溶性電解液の形態であろう。水素燃焼器３０は、燃料電池２８からの廃熱
を利用し更に水素を燃焼させることにより、熱伝達媒体（好ましくは、燃料電池
からの水溶性電解液の形態における）を加熱する。水素は、燃料電池２８からの
未使用水素並びに、水素貯蔵吸着床９から水素供給配管３４を経由して供給され
る新鮮水素によって燃焼器３０に供給される。加熱された熱伝達媒体は、供給配
管３３を経由して水素貯蔵吸着床９へ供給される。装置は同じく、水素貯蔵材料
を加熱するのに使った燃料電池水溶性電解液を燃料電池２８に戻すための復路３
６、及び使用済みの燃焼器ガスを放出するための排ガス通気孔３５を備えている
。装置は更に、水素ガス供給路３１を備え、水素ガスを水素ガス貯蔵吸着床９か
ら燃料電池２８へと導く。 発明は好ましい実施態様と手順との関連において説明したが、発明を記載され
た実施態様及び手順に限定することは意図されていないことを理解すべきである
。反対に、以下に添付された特許請求の範囲により限定された発明の精神及び範
囲内に入るであろう、全ての代替物、修正物、及び等価物を包含することが意図さ
れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 横軸に時間、縦軸にH/C比をプロットしたグラフで、このグラフは燃料の無炭
素資源に向かう社会動向を明示する。

【図２】 圧縮水素、液体水素、及び７％オボニック固体水素化物貯蔵材料として貯蔵さ
れる水素の、ｇ／リットルで表した水素貯蔵密度の棒グラフである。

【図３】 本発明による水素貯蔵装置の部分切断概略図である。

【図４】 単一外装中に複数の貯蔵コイルを含む、本発明による水素貯蔵装置の概略図で
ある。

【図５】 本発明による水素貯蔵装置を含む水素貯蔵吸着床の概略図である。

【図６】 水素供給スタンドの様式的描写である。

【図７】 内燃機械車両に動力を供給するための、本発明の合金を利用する水素ガス供給
装置の概略図を示す。

【図８】 燃料電池車両に動力を供給するための、本発明の合金を利用する水素ガス供給
装置の概略図を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｆ２８Ｄ 20/00 Ｈ (72)発明者 ステットソン、 ネッド ティー． アメリカ合衆国 ミシガン州 48362 レ ーク オリオン パーク アヴェニュー 359 (72)発明者 ホランド、 アーサー アメリカ合衆国 ミシガン州 48304 ブ ルームフィールド ヒルズ ブロックムー ア レーン 679 (72)発明者 スティーヴンソン、 トレヴァー イギリス国 チェスター スィーエイチ２ ３キュージェイ ウッドランズ ドライ ブ 105 Ｆターム(参考） 4G140 AA12 AA16 AA24 AA33 AA34 5H027 AA02 BA14

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 以下の構成から成る水素ガス冷却水素貯蔵要素： 水素貯蔵合金； 前記水素貯蔵合金内に備えられた水素流路、前記流路は高速水素ガス流を考慮
   した前記水素貯蔵合金を通る通路を与え、前記水素の一部は前記貯蔵材料内に貯
   蔵されて水素化物生成熱を放出し、前記水素の残部は前記水素化物生成熱を除去
   するのに十分な質量流量で前記水素貯蔵材料を通して流れる；及び 前記水素貯蔵合金を取り巻く多孔質保護材料、それにより前記水素貯蔵合金が
   前記高速水素ガス流に同伴されるのを防ぐ。
2. 【請求項２】 前記水素貯蔵合金が、圧縮成形された粉末合金の帯状体であ
   ることを特徴とする、請求項１の水素ガス冷却水素貯蔵要素。
3. 【請求項３】 前記水素貯蔵合金が、支持手段に物理的に結合されている圧
   縮成形された粉末合金の帯状物であることを特徴とする、請求項２の水素ガス冷
   却水素貯蔵要素。
4. 【請求項４】 前記水素貯蔵合金が、圧縮成形及び／又は焼結により前記支
   持手段へ物理的に結合されていることを特徴とする、請求項３の水素ガス冷却水
   素貯蔵要素。
5. 【請求項５】 前記支持手段が、網、格子、マット、箔、気泡体及び板から
   成る群から選ばれた少なくとも一つから成ることを特徴とする、請求項３の水素
   ガス冷却水素貯蔵要素。
6. 【請求項６】 前記支持手段が金属から形成されることを特徴とする、請求
   項３の水素ガス冷却水素貯蔵要素。
7. 【請求項７】 前記支持手段が、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、及びそれらの混
   合物又は合金から成る群から選ばれた一つ以上の金属から形成されることを特徴
   とする、請求項６の水素ガス冷却水素貯蔵要素。
8. 【請求項８】 圧縮成形した粉末合金の帯状物が、渦巻状にコイルに巻かれ
   ていることを特徴とする、請求項２の水素ガス冷却水素貯蔵要素。
9. 【請求項９】 前記水素流路が、前記帯状物を渦巻状にコイルに巻く以前に
   、前記帯状物の少なくとも一つの面を波型にすることによって与えられることを
   特徴とする、請求項８の水素ガス冷却水素貯蔵要素。
10. 【請求項１０】 前記水素貯蔵合金を取り巻く前記多孔質保護材料が、薄い
    多孔質板であることを特徴とする、請求項９の水素ガス冷却水素貯蔵要素。
11. 【請求項１１】 前記水素貯蔵合金を取り巻く前記多孔質保護材料が、薄い
    多孔質の重合体板であることを特徴とする、請求項１０の水素ガス冷却水素貯蔵
    要素。
12. 【請求項１２】 前記水素貯蔵合金を取り巻く前記多孔質保護材料が、薄い
    多孔質ポリプロピレン板であることを特徴とする、請求項１１の水素ガス冷却水
    素貯蔵要素。
13. 【請求項１３】 前記水素貯蔵合金を取り巻く前記多孔質保護材料が、薄い
    多孔質ポリテトラフルオロエチレン板であることを特徴とする、請求項１１の水
    素ガス冷却水素貯蔵要素。
14. 【請求項１４】 前記水素貯蔵合金を取り巻く前記多孔質保護材料が、薄い
    多孔質金属板であることを特徴とする、請求項９の水素ガス冷却水素貯蔵要素。
15. 【請求項１５】 前記多孔質金属板が、前記帯状物の少なくとも一つの面を
    波型にする以前に、圧縮成形粉末合金の前記帯状物に積層されることを特徴とす
    る、請求項１４の水素ガス冷却水素貯蔵要素。
16. 【請求項１６】 前記多孔質金属板が、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ及びそれらの混合
    物又は合金から選ばれた少なくとも一つの金属から形成されることを特徴とする
    、請求項１４の水素ガス冷却水素貯蔵要素。
17. 【請求項１７】 前記水素貯蔵合金を取り巻く前記多孔質保護材料が、薄い
    多孔質黒鉛板であることを特徴とする、請求項９の水素ガス冷却水素貯蔵要素。