JP2004011851A

JP2004011851A - 水素吸蔵合金を充填した水素貯蔵容器

Info

Publication number: JP2004011851A
Application number: JP2002169029A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Morita; 盛田　芳雄
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】水素吸蔵合金を充填した水素貯蔵容器において水素吸蔵合金の充填率の向上を図る。
【解決手段】水素吸蔵合金インゴット、前記インゴットを収容する容器、ならびに前記インゴットと前記容器内壁との間に介在する弾性体からなる水素貯蔵容器であって、水素貯蔵容器の使用設定条件下での水素化または脱水素化により前記インゴットが膨張または収縮した場合に、前記弾性体が収縮または膨張して前記インゴットを支持することにより、前記インゴットが形状を保持できるようにした水素貯蔵容器。
【選択図】　　　　　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素ガスの吸蔵と放出が可能な水素吸蔵合金は、近年の環境問題ならびにエネルギー問題の観点から、燃料電池用の水素貯蔵・供給部としての期待が高まっている。水素吸蔵合金のなかでもＶ系の合金は、室温で約２．５重量％の水素を貯蔵し得る現在最も有効水素貯蔵量の多い材料として知られている。
燃料電池の広範囲にわたる普及のためには、安全で小型・コンパクトな水素貯蔵容器の開発が必要不可欠であり、このような観点から、水素吸蔵合金による水素の貯蔵方法や、合金の高容量化が図られている。
【０００３】
水素吸蔵合金は、実際の使用に際しては、粉砕されて粉末状態で容器に充填され、水素貯蔵容器として用いられる。しかし、このような粉末充填の場合、充填率は低くなりがちであり、しかも合金が水素吸蔵によって膨張するため、容器内空間に占める合金の充填率は、容積比で４０〜５０％程度が限界である。従って、合金そのものが高容量であっても、水素貯蔵容器としての容量は低くなる傾向がある。
【０００４】
水素吸蔵合金が一般に粉末状態で容器内に充填されるのは、仮に合金を塊状で充填しても、容器への水素加圧による合金の水素吸蔵および容器からの水素減圧による合金の水素放出といったサイクルの繰り返しによって、合金が膨張・収縮を繰り返し、粉体化してしまうからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料電池等に供する水素貯蔵容器として有望な水素吸蔵合金の上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、従来以上に水素吸蔵合金の容器内への充填率を高めることにより、水素貯蔵容器としての容量を高めることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水素吸蔵合金インゴット、前記インゴットを収容する容器、ならびに前記インゴットと前記容器内壁との間に介在する弾性体からなる水素貯蔵容器であって、水素貯蔵容器の使用設定条件下での水素化または脱水素化により前記インゴットが膨張または収縮した場合に、前記弾性体が収縮または膨張して前記インゴットを支持することにより、前記インゴットが形状を保持できるようにした水素貯蔵容器に関する。
前記弾性体は、シート状であることが好ましい。この場合、前記弾性体は、前記インゴットの表面に貼り付けたり、前記容器内壁に貼り付けたりすることができる。
前記弾性体には、前記容器内壁に設けられたバネを用いることができる。
本発明は、また、水素吸蔵合金粉末と弾性体粉末との混合物からなる成形体、ならびに前記成形体を収容する容器からなる水素貯蔵容器に関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
本実施の形態にかかる水素貯蔵容器は、水素吸蔵合金インゴット、前記インゴットを収容する容器、ならびに前記インゴットと前記容器内壁との間に充填された弾性体を具備する。
前記インゴットは、水素貯蔵容器の使用設定条件下での水素化による膨張後においても、前記容器内空間に収容され得る形状を有する。例えば、膨張後の水素吸蔵合金インゴットが容器内壁に接するように、インゴットおよび容器の大きさおよび形状を設計することが好ましい。この場合、容器内空間に占める水素吸蔵合金の充填率は最大となる。ただし、弾性体の収縮率が比較的小さい場合や、弾性体の真体積が大きい場合には、インゴットは、その水素化後の膨張した大きさにおいて容器内壁に接しないような形状に加工することが好ましい。この場合、インゴットの大きさの減少に応じて容器内空間に占める水素吸蔵合金の充填率も減少する。
【０００８】
インゴットと容器内壁との間に充填された弾性体は、インゴットが水素化により徐々に膨張すると、徐々に収縮しながらインゴットを支え、インゴットが脱水素により徐々に収縮すると、徐々に膨張しながらインゴットを支える機能を果たす。そのため、インゴットは形状を保持しながら膨張・収縮を繰り返すことができ、インゴットの崩壊が防がれる。また、インゴットに成形された水素吸蔵合金を容器に収容しているため、無駄な空隙がなくなり、容器内空間に占める水素吸蔵合金の充填率は、粉末の水素吸蔵合金を充填する従来の場合と比べて高くなる。
【０００９】
インゴットの形状は、特に限定されないが、直方体、円柱などの形状が好ましい。また、容器内空間の形状は、インゴット形状とほぼ同様の形状にすることが好ましい。
また、弾性体の種類によって異なるが、水素化後のインゴットの体積をＶ（Ｈ）とすると、容器の内容積は、Ｖ（Ｈ）〜１．２×Ｖ（Ｈ）であることが好ましい。
【００１０】
弾性体としては、例えばポリウレタン、ゴムなどが好ましい。また、弾性体の伸び弾性率は、１０^５〜１０^７Ｎ／ｍ^２であることが好ましい。
容器の材質は、特に限定されないが、ステンレス鋼、アルミニウムなどが好ましい。
水素貯蔵容器の使用設定条件は、使用温度が−５０〜１００℃、容器内に印加する最高水素圧が１０ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００１１】
実施の形態２
本実施の形態にかかる水素貯蔵容器は、インゴットと前記容器内壁との間に弾性体を充填する代わりに、インゴットの表面に弾性体を貼り付けたこと以外、実施の形態１と同様である。この場合、弾性体は、シート状もしくはフィルム状のゴムであることが好ましい。また、弾性体とインゴットとの間は、ゴム弾性を有する接着剤で接合することが好ましい。
【００１２】
本実施の形態においても、インゴットの表面に貼り付けられた弾性体は、インゴットが水素化により徐々に膨張すると、徐々に収縮しながらインゴットを支え、インゴットが脱水素により徐々に収縮すると、徐々に膨張しながらインゴットを支える機能を果たす。そのため、インゴットは形状を保持しながら膨張・収縮を繰り返すことができ、インゴットの崩壊が防がれる。また、インゴットに成形された水素吸蔵合金を容器に収容しているため、無駄な空隙がなくなり、容器内空間に占める水素吸蔵合金の充填率は、粉末の水素吸蔵合金を充填する従来の場合と比べて高くなる。
【００１３】
実施の形態３
本実施の形態にかかる水素貯蔵容器は、インゴットと前記容器内壁との間に弾性体を充填する代わりに、容器内壁に弾性体を貼り付けたこと以外、実施の形態１と同様である。この場合も、弾性体は、シート状もしくはフィルム状のゴムであることが好ましい。また、弾性体と容器内壁との間は、ゴム弾性を有する接着剤で接合することが好ましい。
【００１４】
本実施の形態においても、容器内壁に貼り付けられた弾性体は、インゴットが水素化により徐々に膨張すると、徐々に収縮しながらインゴットを支え、インゴットが脱水素により徐々に収縮すると、徐々に膨張しながらインゴットを支える機能を果たす。そのため、インゴットは形状を保持しながら膨張・収縮を繰り返すことができ、インゴットの崩壊が防がれる。また、インゴットに成形された水素吸蔵合金を容器に収容しているため、無駄な空隙がなくなり、容器内空間に占める水素吸蔵合金の充填率は、粉末の水素吸蔵合金を充填する従来の場合と比べて高くなる。
【００１５】
実施の形態４
本実施の形態にかかる水素貯蔵容器は、インゴットと前記容器内壁との間に弾性体を充填する代わりに、容器内壁に弾性を有するバネを設けること以外、実施の形態１と同様である。バネを設ける位置およびバネの数は、特に限定されないが、インゴットを十分に支えることができるように位置および数を設計する必要がある。
【００１６】
本実施の形態においても、容器内壁に設けられたバネは、インゴットが水素化により徐々に膨張すると、徐々に収縮しながらインゴットを支え、インゴットが脱水素により徐々に収縮すると、徐々に膨張しながらインゴットを支える機能を果たす。そのため、インゴットは形状を保持しながら膨張・収縮を繰り返すことができ、インゴットの崩壊が防がれる。また、インゴットに成形された水素吸蔵合金を容器に収容しているため、無駄な空隙がなくなり、容器内空間に占める水素吸蔵合金の充填率は、粉末の水素吸蔵合金を充填する従来の場合と比べて高くなる。
【００１７】
実施の形態５
本実施の形態にかかる水素貯蔵容器は、水素吸蔵合金粉末と弾性体粉末との混合物からなる成形体、ならびに前記成形体を収容する容器を具備する。成形体は、水素吸蔵合金粉末と弾性体粉末との混合物を、金型でプレス加工することにより作製すればよい。混合物には、他にバインダなどを混入させてもよい。理想的には成形体の体積が、水素吸蔵合金粉末の水素化後の体積に一致することが好ましい。この場合、成形体を容器内に隙間なく充填することができる。
【００１８】
水素吸蔵合金の水素化による膨張率をＸ％とすると、混合物において、水素吸蔵合金粉末１００体積部あたりの弾性体の量は、Ｘ〜１．２×Ｘ体積部であることが好ましい。
この場合、弾性体には、粉末のゴムを用いることが好ましい。弾性体粉末の平均粒径は１０〜１００μｍであることが好ましく、水素吸蔵合金粉末の平均粒径は１０〜１００μｍであることが好ましい。
【００１９】
本実施の形態においては、合金粉末が水素化により徐々に膨張すると、成形体内に合金と共存する弾性体粉末が徐々に収縮しながら容器内壁に対する圧力を緩和し、合金粉末が脱水素により徐々に収縮すると、弾性体粉末が徐々に膨張する機能を果たす。
成形体は、合金粉末と、その空隙を埋める弾性体粉末とからなるため、無駄な空隙がなくなり、容器内空間に占める水素吸蔵合金の充填率は、粉末の水素吸蔵合金のみを充填する従来の場合と比べて高くなる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２１】
《実施例１》
図１は、本実施例にかかる水素貯蔵容器の内部構造を示す断面図である。
図１中、容器１０２の中には、水素吸蔵合金インゴット１０１およびインゴット１０１を覆うように弾性体１０３が収容されている。容器１０２は、水素の供給・排出を行うための水素流通管１０５と連通しており、容器１０２内の水素圧は、水素流通管１０５を通過させる水素流量および水素流通管１０５に設けた水素弁１０４で調節できるようになっている。
【００２２】
ここでは、ｂｃｃ結晶構造を主相とするＶ系の水素吸蔵合金（組成：ＶＴｉ_０．０１）のインゴット１を溶解鋳造法で作製した。インゴット１０１の形状と大きさは、その水素化後の大きさと形状が容器１０２の内空間の大きさと形状に一致するように調整した。なお、容器内空間の形状は縦２ｃｍ×横１ｃｍ×高さ５ｃｍの直方体とした。
【００２３】
水素化後のインゴットの大きさは、実験的に見出すこともできるが、水素化による水素吸蔵合金の膨張率から求めることもできる。水素吸蔵合金の膨張率は、水素化後の水素吸蔵合金の格子定数をＸ線回折法で測定することによって求めることができる。ｂｃｃ結晶構造を主相とするＶ系の水素吸蔵合金は多種あるが、ＶＴｉ_０．０１合金を用い、水素貯蔵容器の使用設計条件として、使用温度を室温、容器に印加する最高水素圧を１ＭＰａとする場合、水素化による合金の膨張率は３０％である。ｂｃｃ結晶構造を主相とする他の水素吸蔵合金あるいはそれ以外の水素吸蔵合金の場合にも、同様に膨張率に応じて合金インゴットの形状と大きさを決定することができる。
【００２４】
インゴット１０１（縦１．８３ｃｍ×横０．９２ｃｍ×高さ４．５７ｃｍ）を、弾性体１０３（ゴム製）を厚さ０．４ｃｍで底に敷いた内容積１０ｃｍ^３の容器１０２に挿入した。さらに容器内壁とインゴットとの隙間に弾性体１０３を充填し、容器に蓋をして密封し、水素貯蔵容器を完成した。なお、ここでは弾性体としてゴム製のものを用いたが、容器の使用温度下において水素雰囲気で安定な物質であれば、いずれの弾性体を用いてもよく、これに限定されるものではない。
【００２５】
次いで、室温下、完成した水素貯蔵容器に、水素流通管１０５から水素を導入した。容器に印加する最高水素圧を１ＭＰａに設定し、平衡状態になるまで水素を導入した後、水素を排出するサイクルを１０回繰り返した。その後、水素貯蔵容器を分解してインゴット１０１を観察したところ、崩壊は見られなかった。
【００２６】
以上より、容器内壁とインゴットとの隙間に充填された弾性体が、インゴットの水素化による膨張時には収縮しながらインゴットを支え、脱水素化によるインゴットの収縮時には膨張しながらインゴットを同様に支えており、インゴットの崩壊を防いでいることがわかる。
【００２７】
また、粉末を充填する従来法では、水素吸蔵合金の容器内空間に占める充填率は最大５０％が限界であるのに比べて、本実施例の場合、水素吸蔵合金の充填率は、７６．９％とかなり高い充填率となった。これは、インゴットの水素化・脱水素化による崩壊を防ぐ工夫を講じているため、水素化によるインゴットの膨張のみを考慮して容器に充填する合金の量を決定することができるからである。そして、合金粉末を充填する従来法と比べて無駄な空隙を無くすことができるからである。従って、本実施例の水素貯蔵容器は、水素吸蔵合金の充填率が非常に高く、コンパクトな水素貯蔵容器であると言える。
【００２８】
なお、インゴットの水素化後の大きさが容器内空間とほぼ同じ場合に最大の充填率となるが、必要に応じてインゴットの大きさを減少して、充填率を減少させてもよい。
【００２９】
《実施例２》
実施例１と同じ合金インゴットと、それを収容する容器を用意した。また、弾性体として、厚さ０．４ｃｍのシート状の樹脂製スポンジを用意した。このスポンジの片面にゴム系接着剤を塗布し、前記インゴットの全表面が覆われるように、スポンジをインゴットに貼り付けた。次いで、スポンジで覆われたインゴットを容器に挿入し、容器に蓋をしてを密封し、水素貯蔵容器を完成した。
【００３０】
なお、弾性体の厚さは、合金インゴットと容器内壁との隙間を埋める程度が良いが、特に大きさを限定する必要はない。また、ここでは弾性体として樹脂製のスポンジを用いたが、容器の使用温度下において水素雰囲気で安定な物質であれば、いずれの弾性体を用いてもよく、これに限定されるものではない。
【００３１】
次いで、室温下、完成した水素貯蔵容器を用いて、実施例１と同様の条件で、容器内に平衡状態になるまで水素を導入した後、水素を排出するサイクルを１０回繰り返した。その後、水素貯蔵容器を分解してインゴットを観察したところ、崩壊は見られなかった。以上より、本実施例においても、実施例１と同様に、インゴットの崩壊を防ぐことができ、その結果、水素吸蔵合金の充填率が非常に高く、コンパクトな水素貯蔵容器が得られることがわかる。
【００３２】
《実施例３》
実施例１と同じ合金インゴットと、それを収容する容器を用意した。また、弾性体として、厚さ０．４ｃｍのシート状の樹脂製スポンジを用意した。このスポンジの片面にゴム系接着剤を塗布し、前記容器の全内壁面が覆われるように、スポンジを内壁に貼り付けた。次いで、その容器内にインゴットを挿入し、容器に蓋をしてを密封し、水素貯蔵容器を完成した。
【００３３】
なお、弾性体の厚さは、合金インゴットと容器内壁との隙間を埋める程度が良いが、特に大きさを限定する必要はない。また、ここでは弾性体として樹脂製のスポンジを用いたが、容器の使用温度下において水素雰囲気で安定な物質であれば、いずれの弾性体を用いてもよく、これに限定されるものではない。
【００３４】
次いで、室温下、完成した水素貯蔵容器を用いて、実施例１と同様の条件で、容器内に平衡状態になるまで水素を導入した後、水素を排出するサイクルを１０回繰り返した。その後、水素貯蔵容器を分解してインゴットを観察したところ、崩壊は見られなかった。以上より、本実施例においても、実施例１と同様に、インゴットの崩壊を防ぐことができ、その結果、水素吸蔵合金の充填率が非常に高く、コンパクトな水素貯蔵容器が得られることがわかる。
【００３５】
《実施例４》
図２は、本実施例にかかる水素貯蔵容器の内部構造を示す断面図である。
サイズを縦０．８６ｃｍ、横１．７５ｃｍ、高さ４．０ｃｍに変更したこと以外は実施例１と同様の合金インゴット２０１と、それを収容するための実施例１で用いたのと同じ容器２０２を用意した。また、片面に４本のコイル状のバネ２０３を設けた厚さ０．０１ｃｍの鋼シート２０６からなる弾性体を６組用意した。各鋼シート２０６の大きさは、それぞれ容器の６つの内壁面（一つは蓋）よりも一回り小さく切り出した。バネ２０３には、コイルの直径が０．０５ｃｍで、完全に縮んだ状態の長さが０．０２ｃｍのものを用いた。これらの弾性体を、容器の各内壁面および蓋の内面に固定し、次いで、その容器内にインゴットを挿入し、容器に蓋をしてを密封し、水素貯蔵容器を完成した。
【００３６】
次いで、室温下、完成した水素貯蔵容器を用いて、実施例１と同様の条件で、水素流通管２０５から水素弁２０４を介して容器内に平衡状態になるまで水素を導入した後、水素を排出するサイクルを１０回繰り返した。その後、水素貯蔵容器を分解してインゴットを観察したところ、崩壊は見られなかった。以上より、本実施例においても、実施例１と同様に、インゴットの崩壊を防ぐことができ、その結果、水素吸蔵合金の充填率が非常に高く、コンパクトな水素貯蔵容器が得られることがわかる。
【００３７】
なお、粉末を充填する従来法では、水素吸蔵合金の容器内空間に占める充填率は最大５０％が限界であるのに比べて、本実施例の場合、水素吸蔵合金の充填率は、６０％とかなり高い充填率となった。これは、インゴットの水素化・脱水素化による崩壊を防ぐ工夫を講じているため、水素化によるインゴットの膨張と、バネおよび鋼シートのデッドスペースとだけを考慮して容器に充填する合金の量を決定することができるからである。そして、合金粉末を充填する従来法と比べて無駄な空隙を無くすことができるからである。従って、本実施例の水素貯蔵容器は、水素吸蔵合金の充填率が非常に高く、コンパクトな水素貯蔵容器であると言える。
【００３８】
《実施例５》
図３は、本実施例にかかる水素貯蔵容器の内部構造を示す断面図である。
実施例１と同じ合金インゴットと、実施例１でインゴットを収容するために用いたのと同じ容器３０２を用意した。また、弾性体として、平均粒径５０μｍのポリウレタン樹脂粉末を用意した。
前記インゴットは、水素化粉砕により平均粒径５０μｍに粉砕した。得られた合金粉末１００体積部に対し、３０体積部の前記樹脂粉末を混合し、得られた混合物をプレス加工して、前記容器内空間と同じ形状・大きさに成形した。得られた成形体３０１を容器３０２内に挿入し、容器に蓋をしてを密封し、水素貯蔵容器を完成した。
【００３９】
次いで、室温下、完成した水素貯蔵容器を用いて、実施例１と同様の条件で、水素流通管３０５から水素弁３０４を介して容器内に平衡状態になるまで水素を導入した後、水素を排出するサイクルを１０回繰り返した。その結果、容器が破損することなく、サイクルを安定して繰り返すことができた。以上より、本実施例においても、実施例１と同様に、水素吸蔵合金の充填率が非常に高く、コンパクトな水素貯蔵容器が得られることがわかる。すなわち、粉末を充填する従来法では、水素吸蔵合金の容器内空間に占める充填率は最大５０％が限界であるのに比べて、本実施例の場合、水素吸蔵合金の充填率は、７６．９％とかなり高い充填率となった。以上より、成形体３０１中に含まれている弾性体が、合金粉末間の空隙を埋めるとともに、合金粉末の水素化による膨張時には収縮することによって、容器内壁に及ぼす圧力を緩和しており、容器の破損を防いでいることがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高容量かつコンパクトな水素貯蔵容器を提供することができる。従って、燃料電池のような水素発生装置を備えた水素利用装置の小型化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１にかかる水素貯蔵容器の断面図である。
【図２】本発明の実施例４にかかる水素貯蔵容器の断面図である。
【図３】本発明の実施例５にかかる水素貯蔵容器の断面図である。
【符号の説明】
１０１　水素吸蔵合金インゴット
１０２　　容器
１０３　　弾性体
１０４　水素弁
１０５　水素流通管
２０１　水素吸蔵合金インゴット
２０２　容器
２０３　バネ
２０４　水素弁
２０５　水素流通管
２０６　鋼シート
３０１　成形体
３０２　容器
３０４　水素弁
３０５　水素流通管

Claims

水素吸蔵合金インゴット、前記インゴットを収容する容器、ならびに前記インゴットと前記容器内壁との間に介在する弾性体からなる水素貯蔵容器であって、水素貯蔵容器の使用設定条件下での水素化または脱水素化により前記インゴットが膨張または収縮した場合に、前記弾性体が収縮または膨張して前記インゴットを支持することにより、前記インゴットが形状を保持できるようにした水素貯蔵容器。
前記弾性体が、シート状であり、前記インゴットの表面に貼り付けられている請求項１記載の水素貯蔵容器。
前記弾性体が、シート状であり、前記容器内壁に貼り付けられている請求項１記載の水素貯蔵容器。
前記弾性体が、前記容器内壁に設けられたバネからなる請求項１記載の水素貯蔵容器。
水素吸蔵合金粉末と弾性体粉末との混合物からなる成形体、ならびに前記成形体を収容する容器からなる水素貯蔵容器。