JP2004225894A - 水素貯蔵容器の加熱装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素貯蔵容器に対して迅速で効率的な加熱が行なえる水素貯蔵容器の加熱装置及び方法の提供。
【解決手段】内部空間に水素貯蔵容器２を収容する水素貯蔵容器収容体１中に触媒ベッド６が配置され、送風装置５が気流導入管路５２によりノズルセクション５３に連通し、ノズルセクションの気流送出端が混合ガス送出管路５４で触媒ベッドに連通し、熱源燃料タンク３が熱源燃料３１を貯蔵し、並びに熱源燃料供給管路３３、盤状回路３４で該ノズルセクションに連通し、気流が該ノズルセクションを通過する時、該熱源燃料が該ノズルセクションに吸入され、熱源燃料と気流５１が霧状の混合ガス５５を形成し、並びに該混合ガスが触媒ベッドに送られて燃焼し、その発生する熱気により水素貯蔵容器に対する加熱を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は一種の水素貯蔵容器の加熱技術に係り、特に、水素貯蔵容器の加熱装置及び方法であり、水素貯蔵容器に水素を放出させる作業の時に、水素保存容器に対して加熱を行なう方法及び装置に関する。

燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、電気化学反応により、水素含有燃料と空気を利用して電力を発生させる装置である。該燃料電池に電気化学反応を発生させるためには、水素ガス及び空気を適当な水素ガスチャネル及び空気チャネルを通して該燃料電池中に通入する必要がある。

現在の水素ガス貯蔵の技術は、高圧ガス、液体水素と水素吸蔵合金の三種類に分けられる。そのうち、高圧ガス水素貯蔵方式のエネルギー重量密度は比較的高いが、体積が大きく、且つ安全性が低い。液体水素の水素貯蔵方式のエネルギー重量密度は比較的高いが、液化エネルギー消耗が大きく、断熱貯蔵槽を使用しなければならず、大型貯蔵槽に適合する。一般的な応用領域（例えば電気自動車中に使用される小型水素貯蔵容器２）にあって、水素吸蔵合金は比較的実用的である。水素吸蔵合金の技術は、水素貯蔵容器２を水素ガスの貯蔵容器となす。

水素吸蔵合金の種類は非常に多く、操作の圧力及び温度がいずれも異なり、単位重量と単位体積の水素貯蔵量もそれぞれ異なる。現在実用化されている水素吸蔵合金はランタンニッケル系列、鉄チタン系列及びマグネシウム合金系列等があり、よく使用されているものは、鉄チタン系列の合金であり、その発生する圧力、流量と合金重量等野特性は、例えば電気自動車への応用に適合する。

マグネシウム合金系列の水素貯蔵容器は、ランタンニッケル系列、鉄チタン系列のものより水素貯蔵量が高く、即ち同じ重量の容器に貯蔵できる水素ガス量が比較的多い。しかしマグネシウム合金系列の水素貯蔵容器は実際の使用時にある欠点があり、即ち、高温状況、例えば２００〜３００℃でなければ、大きな流量の水素ガスを放出できず、このため適当な加熱装置がなければ使用できないことである。

水素貯蔵容器を燃料電池の水素ガス供給源とする時、簡便で、安全な長所を具備するが、水素貯蔵容器の水素吸蔵、水素放出性能が直接燃料電池の操作性能に影響を与える。水素吸蔵合金が水素放出する時には吸熱により、水素貯蔵容器の温度が下がり、水素吸蔵合金の水素放出速度が下がり、このためこのとき適当な加熱方式で水素貯蔵容器を加熱して水素放出速度を高める必要がある。

現在の技術中、水素貯蔵容器に水素放出作業を行なわせるため水素貯蔵容器を加熱する時、一般には電熱加熱方式或いはエンジン、電池セットの廃熱を回収して加熱の機能を達成しており、このような方式は電力或いは廃熱回収装置により電熱装置の必要な電気エネルギーを供給する。実際の使用時にはその制限がある。さらに、電熱装置で水素貯蔵容器に加熱を行なう時、非常に大きな電気エネルギーが必要であるほか、その加熱速度は緩慢である。現在までの技術には、迅速に加熱でき、加熱温度が高い技術は見当たらない。このほか、プロトン交換膜燃料電池冷却水廃熱を採用する時、廃熱温度は１００℃以下であり、十分な熱量を以てマグネシウム合金系の水素貯蔵容器を加熱することはできない。

ゆえに、本発明の目的は、水素貯蔵容器の加熱装置を提供することにあり、それは、水素貯蔵容器に水素放出作業を行なわせる時に、水素貯蔵容器に対して快速な加熱を行なえるものとする。

本発明のもう一つの目的は、熱源燃料で水素貯蔵容器の加熱に必要な熱エネルギーを提供する装置を提供することにあり、該熱源燃料はメタノールとし、燃料電池の水素貯蔵容器に水素放出作業を行なわせる時に、もう一種の加熱方式の選択が行なえるようにし、これにより各種の異なる応用領域での使用に対応できるようにする。

本発明の別の目的は、高性能の水素貯蔵容器加熱装置を提供することにあり、それはエタノールの触媒ベッドの構造を組み合わせることにより、水素貯蔵容器に迅速及び効率的な加熱を行なえるものとする。

本発明のまた別の目的は、水素貯蔵容器の加熱方法を提供することにあり、それは、簡単な気流供給と熱源燃料の供給を採用し、水素貯蔵容器に迅速で高効率な加熱を行なえる方法とする。

請求項１の発明は、少なくとも一つの水素貯蔵容器に対して加熱を行ない、水素貯蔵容器に水素ガス釈放管路を通して水素ガスを放出させる水素貯蔵容器の加熱装置であり、
内部空間に水素貯蔵容器を収容する水素貯蔵容器収容体と、
該水素貯蔵容器収容体中に配置された触媒ベッドと、
気流を供給する送風装置と、
気流導入端と気流送出端を具え、該気流導入端が気流導入管路により該送風装置に連通し、気流をノズルセクションに導入し、該気流送出端が混合ガス送出管路により触媒ベッドの混合ガス送入端に連通する、ノズルセクションと、
熱源燃料を貯蔵し、熱源燃料供給導管を具え、並びにノズルセクションに連通する熱源燃料タンクと、
を具え、送風装置の発生する気流がノズルセクションを通過する時、該ノズルセクションが気流負圧を形成し、熱源燃料供給管路中に供給された熱源燃料をノズルセクションに吸入し、熱源燃料と気流に混合ガスを形成させ、該混合ガスが混合ガス送出管路により触媒ベッドの混合ガス送入端に送られ、該混合ガスが触媒ベッド中で燃焼後に発生する熱気により、水素貯蔵容器収容体中の水素貯蔵容器が加熱されることを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の水素貯蔵容器の加熱装置において、熱源燃料タンク中に貯蔵された熱源燃料がメタノールとされたことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置としている。
請求項３の発明は、請求項１記載の水素貯蔵容器の加熱装置において、熱源燃料タンクの熱源燃料供給管路に予熱装置が配置され、該熱源燃料タンクの供給する熱源燃料が熱源燃料供給管路によりノズルセクションに供給される間に、該予熱装置により熱源燃料に対する予熱が行なわれることを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置としている。
請求項４の発明は、請求項１記載の水素貯蔵容器の加熱装置において、水素貯蔵容器収容体の内側壁面に複数周の盤状回路が設けられ、該盤状回路が熱源燃料供給管路に連通し、該熱源燃料タンクの熱源燃料が盤状回路を通過してノズルセクションに連通し、触媒ベッドでの燃焼により発生した熱気が、盤状回路中の熱源燃料に対して加熱を行なうことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置としている。
請求項５の発明は、請求項１記載の水素貯蔵容器の加熱装置において、水素貯蔵容器の水素ガス釈放管路に該水素貯蔵容器の放出する水素ガス圧力を調整するための圧力調節弁が配置されたことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置としている。
請求項６の発明は、少なくとも一つの水素貯蔵容器に対して加熱を行ない、水素貯蔵容器に水素ガス釈放管路を通して水素ガスを放出させる水素貯蔵容器の加熱方法であり、
（ａ）送風装置により気流を提供し、並びに気流導入管路によりノズルセクションに送るステップと、
（ｂ）熱源燃料を熱源燃料供給管路に提供し、並びに熱源燃料供給管路を通してノズルセクションの熱源燃料入口に連通させるステップと、
（ｃ）気流がノズルセクションを通過する時に、該熱源燃料を熱源燃料入口よりノズルセクションに吸入し、霧状の混合ガスを形成させるステップと、
（ｄ）混合ガスを触媒ベッドに導入し、混合ガスを触媒ベッド中で燃焼させて熱気を送出するステップと、
（ｅ）触媒ベッドで発生した熱気を水素貯蔵容器周囲に導入して水素貯蔵容器を加熱するステップと、
を具えたことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法としている。
請求項７の発明は、請求項６記載の水素貯蔵容器の加熱方法において、熱源燃料をメタノールとすることを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法としている。
請求項８の発明は、請求項６記載の水素貯蔵容器の加熱方法において、（ｂ）のステップで、熱源燃料を熱源燃料供給管路に供給した後に、予熱ステップにより熱源燃料を予熱することを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法としている。
請求項９の発明は、請求項６記載の水素貯蔵容器の加熱方法において、（ｂ）のステップで、熱源燃料を熱源燃料供給管路に提供した後、さらに水素貯蔵容器収容体の内側壁面に複数周設けられた盤状回路を介して熱源燃料供給導管に熱源燃料を送り、該熱源燃料が該盤状回路を通過する時に、触媒ベッドの発生する熱気により加熱されることを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法としている。
請求項１０の発明は、請求項６記載の水素貯蔵容器の加熱方法において、（ｄ）のステップ中に、触媒ベッドの発生した熱気を回収するステップを更に具えたことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法としている。

本発明によると、内部空間に水素貯蔵容器を収容する水素貯蔵容器収容体中に触媒ベッドが配置され、送風装置が気流導入管路によりノズルセクションに連通し、ノズルセクションの気流送出端が混合ガス送出管路で触媒ベッドに連通し、熱源燃料タンクが熱源燃料を貯蔵し、並びに熱源燃料供給管路、盤状回路で該ノズルセクションに連通し、気流が該ノズルセクションを通過する時、該熱源燃料が該ノズルセクションに吸入され、熱源燃料と気流が霧状の混合ガスを形成し、並びに該混合ガスが触媒ベッドに送られて燃焼し、その発生する熱気により水素貯蔵容器に対する加熱を行なう。本発明の水素貯蔵容器の加熱装置及び方法は、水素貯蔵容器に水素放出作業を行なわせる時に、水素貯蔵容器に対して快速な加熱を行なえる。

図１は本発明の関係部品配置の表示図である。図示されるように、本発明は水素貯蔵容器収容体１の内部空間に例えば二つの水素貯蔵容器２を収容し、この水素貯蔵容器２は連接構造２１により水素ガス釈放管路２２に接続されている。該連接構造２１は例えば係止棒、係合、螺合、圧合等の周知の結合方式が採用され、水素貯蔵容器２を水素ガス釈放管路２２にしっかりと接続する。 該水素ガス釈放管路２２中には流量計２３が配置されて、水素貯蔵容器２の釈放する水素ガスの流量を測定する。該水素ガス釈放管路２２中にはまた該水素貯蔵容器２の釈放する水素ガスの圧力を調節するための圧力調節弁２４が配置されている。

該水素貯蔵容器収容体１の別端にはカバー２５が結合されて水素貯蔵容器収容体１の一端が閉じられている。必要時に水素放出完成した水素貯蔵容器２を該水素貯蔵容器収容体１より取り出す時、該カバー２５を分離させて水素貯蔵容器２を着脱することができる。該カバー２５と水素貯蔵容器１の間にはガスケット２６が挟まれ、且つ水素貯蔵容器収容体１の外壁面がさらに断熱材料層２７で被覆されて、水素貯蔵容器１が良好な保温効果を有するものとされる。

該熱源燃料タンク３中には適当な熱源燃料３１（例えば液体メタノール）が貯蔵され、ポンプ３２で熱源燃料３１が熱源燃料供給管路３３に送り出される。該水素貯蔵容器収容体１の内部に複数周の盤状回路３４が張りめぐらされ、それは水素貯蔵容器収容体１の内側壁面に沿って張りめぐらされている。該盤状回路３４の一端は熱源燃料供給管路３３に連通している。

好ましくは該熱源燃料供給管路３３に盤状回路３４に進入する前に予熱装置４が配置され、それは電熱式加熱装置とされうる。この予熱装置４により熱源燃料タンク３より供給された熱源燃料３１が該熱源燃料供給管路３３を通過する時に、予熱装置４により予熱され、その後、さらに盤状回路３４中に送られる。

送風装置５は気流５１を供給するのに用いられ、該送風装置５の気流送出端は気流導入管路５２によりノズルセクション５３の気流導入端に接続され、これにより気流５１が該ノズルセクション５３に導入される。該ノズルセクション５３の気流送出端は混合ガス送出管路５４を通り触媒ベッド６（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｂｅｄ）の混合ガス送入端６１に連通する。該触媒ベッド６は水素貯蔵容器収容体１の内部空間に配置され、且つこの実施例中、それは二つの水素貯蔵容器２の間に配置されている。

ノズルセクション５３には熱源燃料入口５３１が設けられて、該熱源燃料入口５３１は熱源燃料供給導管３５に接続され、該熱源燃料供給導管３５は水素貯蔵容器収容体１中の盤状回路３４を介して熱源燃料供給管路３３に連通している。

送風装置５の発生する気流５１が気流導入管路５２を通りノズルセクション５３に送られる時、該ノズルセクション５３の直径は気流導入管路５２の直径より小さいため、ノズルセクション５３で気流負圧が形成され、これにより熱源燃料供給導管３５のメタノールがノズルセクション５３に吸入され、メタノールと気流が霧状の混合ガス５５を形成する。

該混合ガス５５が混合ガス送出管路５４を通り触媒ベッド６の混合ガス送入端６１に送り込まれる時、該混合ガス５５は触媒ベッド６中で燃焼し、燃焼端６２で熱気６３を発生し、これにより水素貯蔵容器収容体１中に置かれた水素貯蔵容器２を加熱する。触媒ベッド６の燃焼端６２の発生する熱気６３が該水素貯蔵容器２と該水素貯蔵容器収容体１の間を通過する時、水素貯蔵容器収容体１の内壁の盤状回路３４の外部を通過し、これにより盤状回路３４内部のメタノールがさらに加熱され完全に気化される。

水素貯蔵容器収容体１の熱気排出端にはガス回収装置を設置可能で、これにより燃焼不完全或いは再利用可能な廃熱を回収し再利用に供する。

水素貯蔵容器収容体１の熱気排出末端にはガス処理装置を設置可能で、これにより燃焼不完全な物質を処理し、このような装置は車両のエンジン排気の触媒変換器に類似し、汚染の排出を減らす。

以上の構造により、水素貯蔵容器に対して加熱を行なう時（図２のフローチャート参照）、まず、送風装置５で気流５１を提供し、並びに気流導入管路５２でノズルセクション５３に送る（ステップ１０１）。同時に、ポンプ３２で熱源燃料タンク３中の熱源燃料（液体メタノール）を熱源燃料供給管路３３に供給する（ステップ１０２）。この時、該熱源燃料が該熱源燃料供給管路３３を通過する時に予熱装置４により予熱される（ステップ１０３）。

その後、該熱源燃料がさらに盤状回路３４及び熱源燃料供給導管３５を通りノズルセクション５３の熱源燃料入口５３１に連通する（ステップ１０４）。該熱源燃料が盤状回路３４を通過する時、触媒ベッド６の発生する熱気により更に加熱される。

気流５１が該ノズルセクション５３を通過する時、熱源燃料供給導管３５中の熱源燃料はノズルセクション５３の熱源燃料入口５３１より吸入されてノズルセクション５３中に至り、霧状の混合ガスを形成する（ステップ１０５）。こうしてこの混合ガスが触媒ベッド６中に導入されて（ステップ１０６）、混合ガス５５が触媒ベッド６中で燃焼させられ、並びに熱気を送出する（ステップ１０７）。

最後に、触媒ベッド６の発生する熱気が水素貯蔵容器収容体１の内部空間及び水素貯蔵容器２の周囲に導入され（ステップ１０８）、これにより水素貯蔵容器が加熱される。該触媒ベッド６の発生する熱気は排出される時、触媒ベッドの発生する熱気回収のステップを有し得る（ステップ１０９）。

本発明の関係部品配置表示図である。 本発明の制御フローチャートである。

符号の説明

１ 水素貯蔵容器収容体
２ 水素貯蔵容器
２１ 連接構造
２２ 水素ガス釈放管路
２３ 流量計
２４ 圧力調節弁
２５ カバー
２６ ガスケット
２７ 断熱材料層
３ 熱源燃料タンク
３１ 熱源燃料
３２ ポンプ
３３ 熱源燃料供給管路
３４ 盤状回路
３５ 熱源燃料供給導管
４ 予熱装置
５ 送風装置
５１ 気流
５２ 気流導入管路
５３ ノズルセクション
５３１ 熱源燃料入口
５４ 混合ガス送出管路
５５ 混合ガス
６ 触媒ベッド
６１ 混合ガス送入端
６２ 燃焼端
６３ 熱気

Claims (10)

1. 少なくとも一つの水素貯蔵容器に対して加熱を行ない、水素貯蔵容器に水素ガス釈放管路を通して水素ガスを放出させる水素貯蔵容器の加熱装置であり、
   内部空間に水素貯蔵容器を収容する水素貯蔵容器収容体と、
   該水素貯蔵容器収容体中に配置された触媒ベッドと、
   気流を供給する送風装置と、
   気流導入端と気流送出端を具え、該気流導入端が気流導入管路により該送風装置に連通し、気流をノズルセクションに導入し、該気流送出端が混合ガス送出管路により触媒ベッドの混合ガス送入端に連通する、ノズルセクションと、
   熱源燃料を貯蔵し、熱源燃料供給導管を具え、並びにノズルセクションに連通する熱源燃料タンクと、
   を具え、送風装置の発生する気流がノズルセクションを通過する時、該ノズルセクションが気流負圧を形成し、熱源燃料供給管路中に供給された熱源燃料をノズルセクションに吸入し、熱源燃料と気流に混合ガスを形成させ、該混合ガスが混合ガス送出管路により触媒ベッドの混合ガス送入端に送られ、該混合ガスが触媒ベッド中で燃焼後に発生する熱気により、水素貯蔵容器収容体中の水素貯蔵容器が加熱されることを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置。
2. 請求項１記載の水素貯蔵容器の加熱装置において、熱源燃料タンク中に貯蔵された熱源燃料がメタノールとされたことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置。
3. 請求項１記載の水素貯蔵容器の加熱装置において、熱源燃料タンクの熱源燃料供給管路に予熱装置が配置され、該熱源燃料タンクの供給する熱源燃料が熱源燃料供給管路によりノズルセクションに供給される間に、該予熱装置により熱源燃料に対する予熱が行なわれることを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置。
4. 請求項１記載の水素貯蔵容器の加熱装置において、水素貯蔵容器収容体の内側壁面に複数周の盤状回路が設けられ、該盤状回路が熱源燃料供給管路に連通し、該熱源燃料タンクの熱源燃料が盤状回路を通過してノズルセクションに連通し、触媒ベッドでの燃焼により発生した熱気が、盤状回路中の熱源燃料に対して加熱を行なうことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置。
5. 請求項１記載の水素貯蔵容器の加熱装置において、水素貯蔵容器の水素ガス釈放管路に該水素貯蔵容器の放出する水素ガス圧力を調整するための圧力調節弁が配置されたことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱装置。
6. 少なくとも一つの水素貯蔵容器に対して加熱を行ない、水素貯蔵容器に水素ガス釈放管路を通して水素ガスを放出させる水素貯蔵容器の加熱方法であり、
   （ａ）送風装置により気流を提供し、並びに気流導入管路によりノズルセクションに送るステップと、
   （ｂ）熱源燃料を熱源燃料供給管路に提供し、並びに熱源燃料供給管路を通してノズルセクションの熱源燃料入口に連通させるステップと、
   （ｃ）気流がノズルセクションを通過する時に、該熱源燃料を熱源燃料入口よりノズルセクションに吸入し、霧状の混合ガスを形成させるステップと、
   （ｄ）混合ガスを触媒ベッドに導入し、混合ガスを触媒ベッド中で燃焼させて熱気を送出するステップと、
   （ｅ）触媒ベッドで発生した熱気を水素貯蔵容器周囲に導入して水素貯蔵容器を加熱するステップと、
   を具えたことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法。
7. 請求項６記載の水素貯蔵容器の加熱方法において、熱源燃料をメタノールとすることを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法。
8. 請求項６記載の水素貯蔵容器の加熱方法において、（ｂ）のステップで、熱源燃料を熱源燃料供給管路に供給した後に、予熱ステップにより熱源燃料を予熱することを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法。
9. 請求項６記載の水素貯蔵容器の加熱方法において、（ｂ）のステップで、熱源燃料を熱源燃料供給管路に提供した後、さらに水素貯蔵容器収容体の内側壁面に複数周設けられた盤状回路を介して熱源燃料供給導管に熱源燃料を送り、該熱源燃料が該盤状回路を通過する時に、触媒ベッドの発生する熱気により加熱されることを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法。
10. 請求項６記載の水素貯蔵容器の加熱方法において、（ｄ）のステップ中に、触媒ベッドの発生した熱気を回収するステップを更に具えたことを特徴とする、水素貯蔵容器の加熱方法。
    

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