JP2004526101A - 統合的熱管理装置を備えた水素貯蔵床装置 - Google Patents

Abstract

圧力容器、圧力容器内に配置された水素貯蔵合金、及び圧力容器内に一体化されて配置された統合的熱管理装置を備えた、水素貯蔵床装置。積層熱管理装置は、熱発生手段、冷却手段、熱分配手段を備えている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、今日まで水素貯蔵床装置の悩みの種であった煩雑な熱管理上の諸問題を解決する。この革命的な設計には、次の千年間乃至それ以上に亘り最も普遍的で究極の燃料源である水素を、初めて現実に使用することができる水素貯蔵合金を、均一且つ効率的に加熱し冷却する統合的熱管理装置が包含されている。詳しく言えば、触媒燃焼器などの熱発生器、熱交換器などの冷却装置、及び熱分配フィンと組み合わせた熱バスバー又はヒート・パイプなどの熱分配装置、の統合成果が説明されている。
【背景技術】
【０００２】
燃料としての水素は、非常に大きなエネルギー容量を持ち、酸化又は燃焼した時、燃焼生成物として水のみを生成する。燃焼の容易さ、効果的で汚染の無い燃焼という事実は、内燃機関を含む既存動力源を比較的容易に改変して適応できることと組み合わされて、水素をエネルギー消費度の高い経済活動に対して理想的なエネルギー源となる。スタンフォード・オブシンスキーとそのエネルギー・コンバージョン・デバイシズ社の研究チームは、究極の燃料としての水素の将来性を長年にわたって認識してきた。その認識に基づいて、水素経済（ＵＳＳＮ０９／４４４，８１０、出願１９９９年１１月２２日）を支える社会基盤を含む水素の輸送、並びに貯蔵手段（ＵＳＳＮ０９／４３５，４９７、出願１９９９年１１月６日）を支える開発努力が続けられてきた。
【０００３】
水素は究極の燃料である一方では貯蔵と輸送に困難性が認められる。液体状態では、水素は蒸発に起因する著しい損減が起こり、加えて液体状態にするための圧縮及び冷却のため初期に多大のエネルギーの損失がある。気体状態では、経済的な貯蔵容量に達するために水素は圧縮しなければならず、このような圧縮気体の収納には、壁の厚い容器を必要としその容器自身も重くて頑丈な造りでなければならない。オブシンスキーのチームは、上で言及したように、水素貯蔵合金、比較的低い温度における高い水素の充填及び放出速度と同時に、大きな水素貯蔵容量を有する金属又は金属合金、の開発を通じてこれらの必要性に焦点を当ててきた。
【０００４】
材料の分子又は結晶構造の中に水素が貯蔵されるような大容量固体貯蔵材料の開発は、水素エネルギーを基礎とする経済組織内での、関連はしているがまた別の問題を解決する鍵であった。それは、携帯用使途、特に携帯用動力供給源としての、信頼性があり、繰返し可能な、少量の水素の貯蔵及び放出である。このような用途に対しては、水素燃焼エンジン、電気自動車を走行させる水素燃料電池、又はその他の水素を使う動力装置である動力源を動かすように車載されている貯蔵材料を、信頼性よく且つ効率よく、完全に充填したり放出したり出来ることが必要である。これらの必要性と共に、このような装置及びその収納容器が、動力輸送に伴う絶え間ない振動に耐えられることを保証するという必要性がある。オブシンスキーのチームによって以前説明されたように、一般的な固体状態水素貯蔵の手段として、また輸送用途における動力用に信頼性があり必要な際に即座に水素の貯蔵及び供給をするための手段として、金属水素化物材料が最近一般の興味の的となってきた。
【０００５】
動力用のエネルギー生産は、地球の大気へ継続的に莫大な量で増加している処理困難な「温室ガス」への寄与の割合が大きく、且つ増加している。これらの中で、呼吸器障害をおこすとという別の難点があるもう一つの温室ガスの一酸化炭素と並んで、より大量に生産されている二酸化炭素は、、炭素基燃料の燃焼生成物として著しく多量に生産されるというだけの理由によっても、これらの中では特に対応困難なものである。燃料としての水素の使用は実際に炭素の酸化物を全く生産することなく、その燃焼生成物として水のみを生成する。ガソリン、液化石油ガス（ＬＰＧ）、アルコール、燃料油、又はその他の炭素をベースとした燃料を水素で置き換えることは、特に動力機器燃料の用途においては、このような地球温暖化及び毒性物質の生成と放出の大幅な低減をもたらす。
【０００６】
前に述べた‘８１０出願で言及したように、金属水素化物又はその他の貯蔵材料の信頼度の高い水素化物化・脱水素化物化サイクル、又は水素充填・放出サイクルには水素貯蔵材料の注意深い熱管理が決定的に重要である。本発明者等は、燃料を充填又は再補給する際の熱の放出を制御する手段並びに水素貯蔵材料の車載された貯蔵容器又は貯蔵床から燃料を放出又は使用する際の熱の発生または供給を制御する手段をここに提供する。これら発明者等は、発電のための走行中の使用並びに「充填ステーション」での「ガス・タンク」の燃料再補給の両方に必要とされる貯蔵床を、選択的又は均等に加熱又は冷却する手段を既に開発し、ここにそれを開示する。これは貯蔵材料の貯蔵床内部に、加熱及び冷却手段又はそれらの組合せを設計し、このような貯蔵床内の加熱又は冷却能力を遠隔領域へ伝達する手段と組合せることにより達成される。このような燃料貯蔵床によって作動される動力移動車が、その種類の如何にかかわらず滑らかな動作をするように、意図された熱管理がなされることを保証すために、大気から貯蔵容器の内部を熱的に絶縁することは同様に考慮すべき点で、以下に説明する発明の一部をなす事項である。
【０００７】
加えて、この発明の貯蔵容器は、一般的に容積と寸法には制限は全く無いため、多様で適当な寸法の容器を追加してシステムに加えることも出来る。事実上、発明者等は、乗用車、トラック、汽車、航空機、船舶を含みそれらに限定されない、如何なる用途、形状、又は寸法の動力移動車にも用いることが出来る水素燃料輸送及び貯蔵容量手段を今此処に開発し提供する。これらの乗物を動かすのに水素燃料を適用することは、現在進行中で時により災害事件も発生している地球温暖化の実質的で有効な低減への大きな一歩となるであろう。
【０００８】
（発明の要約）
本発明は、圧力容器、圧力容器内に配置された水素貯蔵合金、及び圧力容器内に一体化されて配置された統合的熱管理装置を備えた水素貯蔵床装置を包含する。統合的熱管理装置は、熱発生手段、冷却手段、熱分配手段を含む。
【０００９】
熱発生手段は、電気発熱体及び触媒燃焼器の少なくとも一つから成り、後者がより好ましい。触媒燃焼器は、水素、ガソリン、燃料油、プロパン、ディーゼル燃料、及び天然ガスの少なくとも一つを燃焼させるよう設計されており、プロパンと水素が好ましい。冷却手段は、空気、水素、水、又は有機冷却剤を使用するよう設計された管型熱交換器を含む。空気、水素及び水が好ましい冷却剤である。熱発生手段及び冷却手段は、組み合わせて、加熱及び冷却を行なうよう設計された単一装置にすることも出来る。
【００１０】
熱分配手段は、前記熱発生手段及び前記冷却手段の両者に熱的に連結された吸熱源、及び前記吸熱源と熱的に連結され且つ水素貯蔵合金内部に分散配置された熱分配フィンを備えることも出来る。熱分配フィン及び吸熱源は、熱伝導性黒鉛、ステンレス鋼、マグネシウム及びマグネシウム合金から成る群から選ばれた材料から形成される。或いは、熱分配手段は、前記熱発生手段及び前記冷却手段の両者に熱的に連結されたヒート・パイプを吸熱源の代わりに備えてもよい。熱分配フィンはヒート・パイプと熱的に連結され、且つ水素貯蔵合金内部に分散配置されている。熱分配フィンはこの場合も、熱伝導性黒鉛、ステンレス鋼、マグネシウム及びマグネシウム合金から成る群から選ばれた材料から形成される。
【００１１】
水素貯蔵合金は、Ｔｉ−Ｚｒベースの合金及びマグネシウム・ベースの合金から成る群から選ばれる。好ましい大容量Ｍｇベースの貯蔵合金は、約９０重量％を超えるマグネシウムを含有し、少なくとも一つの変性剤元素を含有する。この少なくとも一つの変性剤元素は、少なくとも７重量％の水素を貯蔵することが出来、且つ３００℃で１.５分以内に水素の最大貯蔵容量の８０％を吸収できるマグネシウム・ベースの合金を生成する。変性剤元素は、主としてＮｉ及びＭｍ（ミッシュ・メタル）を含み、更に、Ａｌ、Ｙ及びＳｉなどの添加元素を含んでもよい。従って合金は、通常は、０.５〜２.５重量％ニッケル及び約１.０〜４.０重量％Ｍｍ（ＣｅとＬａとＰｒを主に含有する）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％珪素の少なくとも一つを更に含有することが出来る。水素貯蔵合金は、粉体、ペレット、又はそれらの混合物の形態であり、後者が好ましい。
【００１２】
圧力容器は、ステンレス鋼又は繊維強化ポリマーから成る群から選ばれた少なくとも一つの材料から形成される。好ましい圧力容器は、１）水素及び前記貯蔵合金との反応性が無く、且つ装置の作動温度に耐えられる軽量材料から形成された内層；２）軽量絶縁材料から形成された中間層；及び３）貯蔵床装置の作動圧力に耐えられる、繊維強化ポリマー複合材から形成された外層；を備えた三層構造物などの多層構造物である。
【００１３】
水素貯蔵床装置は、水素貯蔵合金の水素放出領域における温度のスパイク型変化を観察することにより装置の水素充填状態を測定するために、合金の内部全体に亘って配置された、複数の熱電対を更に備えることが出来る。
【００１４】
最後に、装置は、前記貯蔵合金の水素化物化／脱水素化物化の速度を向上するために、水素ガス分配装置を備えることことが出来る。分配装置は、普通、分配多岐管及び少なくとも一つの水素透過性ガス分配管を備えている。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
本発明は、一体化された熱発生及び熱交換装置を伴う、固相の金属−水素化物の水素貯蔵床装置を包含している。本貯蔵装置は、水素貯蔵とそれに続き、例えば、自動車に動力を与えるような用途への使用のために水素を吸着し脱着する貯蔵合金を含む。本貯蔵床装置は、水素貯蔵合金から貯蔵された水素を放出するのに必要な熱を供給するための、少なくとも一つの一体化された熱発生装置を含む。熱発生装置は、貯蔵合金が水素で充填される時の水素化物生成熱を除去する冷却装置と更に一体化されている。システム装置は更に、加熱／冷却装置から離れた所にある装置内の各位置相互間に熱を伝達するための熱分配手段を含む。熱分配手段は、全装置に均一に熱を供給し／除去するために備えられ、それにより全装置に亘って均一な温度が保たれる。本発明の詳細は、特定の実施態様に関連して以下で説明する。
【００１６】
図１は、本発明の水素貯蔵床装置１の一実施態様の横断面図を概略的に描写したものである。システム装置１は、水素貯蔵合金３が収納される圧力容器２を含んでいる。統合的熱管理装置は、熱発生手段４及び冷却手段５を含んでいる。此処で用いられる「加熱手段」と「熱発生手段」という用語は、相互に交換できるものとして用いられており、装置内の熱発生手段を指すことが意図されている。加熱手段と冷却手段は、分布した熱分配フィン７を有する吸熱源６を備えた熱分配装置と密接な熱的接触状態にある。水素貯蔵合金３に水素を充填する際に、水素化物生成によって貯蔵合金３中に発生する熱は、熱分配フィン７に伝達され、次いで吸熱源６にそして最後に冷却手段５へ伝達される。貯蔵合金３から水素を放出する際は、熱を加熱手段４において発生させ、それが吸熱源６に伝達され、更に熱分配フィン７に、最終的には貯蔵合金３に伝達されて、其処で水素を放出するために使用される。
【００１７】
圧力容器２は、貯蔵床装置１の作動温度において水素の平衡圧に耐えられる如何なる材料乃至素材からでも作成することができる。この材料は更に、貯蔵された水素及び水素貯蔵合金３と非反応性でなければならず、システム装置の一般的な作動温度に耐えなければならない。この材料は更に、水素の拡散透過をさせてはならず、容器の使用寿命の間に水素脆性に影響されてはならない。この温度と圧力は勿論具体的な使用される貯蔵合金３に依存する。通常は、マグネシウム・ベース合金の場合は圧力は２０バールにまで及ぶことがあり、温度は４５０℃にまで達する。圧力容器２の典型的な構成材料は、ステンレス鋼などの金属を含む。圧力容器２はまた、容器を断熱性材料で作ることによって、金属など熱伝導性の材料の外側または内側を遮熱することによって、熱的に絶縁することが出来る。圧力容器２を熱的に絶縁するか否かは、圧力容器の外部からの加熱冷却を採用するか否かに依存する。もし外部から加熱及び冷却する場合は、圧力容器２を熱的に絶縁することはその目的を無効にすることになる。圧力容器２は、炭素繊維強化エポキシ材料などの繊維強化ポリマー材料からも、単独又は他の材料と組合せて（即ち、多層圧力容器）作製することが出来る。このような繊維強化ポリマー及び多層構成材料の利点は重量の軽減である。図２は、多層圧力容器２、水素出／入口１４及び加熱／冷却口１３を有する本発明による貯蔵床装置１の外観図を描写している。図２の挿入図は圧力容器２の多層構造を示す。内層１０は、水素及び貯蔵合金３と非反応性である軽量材料で形成され、装置の作動温度に耐えることが出来る。中間層１１は、貯蔵床装置から外界への熱損失を最少にするよう特別に設計された軽量絶縁材料である。最後に外層は、貯蔵床装置の作動圧力に耐える繊維強化ポリマー複合材である。
【００１８】
水素を安全且つ効率的に貯蔵し、放出する合金でさえあれば、本発明の貯蔵装置１内の水素貯蔵合金３として使用してもよい。特に有用なのは、Ｔｉ−ＺｒベースのＡＢ₂型水素室温貯蔵合金と大容量Ｍｇベースの貯蔵合金である。最も有用なのは、 “High Storage Capacity Alloys Enabling a Hydrogen-based Ecosystem”と題する１９９９年１１月６日オブシンスキー他による出願の、同時継続米国特許出願番号０９／４３５,４９７号（「’４９７出願」）に詳細に説明されてある大容量で高い反応速度を持つ合金である。一般に、大容量Ｍｇベースの貯蔵合金は、約９０重量％を超えるマグネシウムを含有し、少なくとも一つの変性剤を含有する。この少なくとも一つの変性剤元素により、少なくとも７重量％の水素を貯蔵することが可能で、３００℃で１.５分以内に水素の全貯蔵容量の８０％を吸収できるマグネシウム・ベース合金を作ることが出来る。変性剤元素としては、主としてＮｉ及びＭｍ（ミッシュ・メタル）が含まれ、Ａｌ、Ｙ及びＳｉなどの添加元素が含まれることもある。従ってこの合金は、通常、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、Ｌａ及びＰｒを含有する）を含有する。合金は更に、３〜７重量％Ａｌ、０.１〜１.５重量％Ｙ及び０.３〜１.５重量％珪素の一つ以上を更に含有することがある。
【００１９】
貯蔵合金３は、貯蔵装置１において粉体の形で使用することもできるし、又は“Safe, Economical Transport of Hydrogen in Pelletized Form”と題する２０００年８月８日オブシンスキー他による出願の、米国特許出願番号０９／６３４,６７８号に説明されているようにペレット状にすることも出来る。粉体材料の使用は、場合によっては、システム装置内への粉体の装入を容易にする。しかし、粉体は取り扱いが困難で且つ使用に危険が伴うので、場合によってはシステム装置１にペレット状にした貯蔵合金を装入することが便利である。加えて、粉体だけを使うと、貯蔵床装置１内に貯蔵合金３の十分高い充填密度を得ることは困難であることが多い。従って、粉体とペレット状物の混合物の形態で、貯蔵床装置１内へ貯蔵合金３を装入することも便利である。
【００２０】
上述の水素貯蔵合金３に貯蔵された水素を放出する際に、水素を合金から解放するのに熱が必要である。一般に、この熱を供給できる多くの方法がある。例えば、水素が内燃機関に供給されるような場合、熱はエンジン自身の排気から得ることが出来る。しかし、本発明は、燃料電池に水素を供給される場合のように外部からの熱がほとんど又は全く利用できない場合に使用するよう設計されている。従って、他の熱源が必要とされる。
【００２１】
熱発生手段４は、貯蔵された水素を放出するのに必要な熱を供給する。熱発生手段４は、貯蔵合金３から水素を放出するのに必要な熱を装置内で発生する手段であれば如何なるものでもよい。特に、熱発生手段は、電気的発熱体、触媒燃焼器を含む。触媒燃焼器及び触媒燃焼法はこの技術分野で周知であり、熱発生には好ましい手段である。本来、触媒燃焼器は、燃料と酸化剤がそれと接触して反応し燃焼生成物と熱を生成するような触媒の存在下で、燃料（水素又は炭化水素など）及び酸化剤（酸素又は空気など）を化合させることにより作動する。この熱は、次いで直接又は間接的に周囲環境（本発明の場合は水素貯蔵合金）に伝達される。
【００２２】
触媒燃焼器は、本発明の水素貯蔵合金３を加熱するための内部熱源を提供する。典型的な触媒燃焼器は、燃焼器の内部と金属水素化物材料又はその他の熱伝達手段との間に酸素、水素又は燃焼生成物を流通させないような非通気性の室を含む。好ましくは、室は非通気性の熱伝導性材料で形成される。触媒はこの室内に収納される。一般に、触媒は燃焼反応の活性化エネルギーを低下出来るものである。燃料は、圧縮空気又は酸素と一緒に燃焼器に入ってそれを通過する。触媒は、燃料と酸素（又は空気中の酸素）間の反応の触媒作用を行なう。触媒燃焼により発生した熱は、水素化物材料が水素を脱着する温度までに貯蔵装置内の水素貯蔵合金を加熱するのに使用される。この時点においては、燃焼器で生成された熱は二つのことを行なう：（１）金属水素化物材料の温度を維持する（即ち、材料外への熱伝達を相殺する）、及び（２）水素貯蔵合金からの水素の脱着熱を供給する。
【００２３】
水素自身は燃えたり、触媒的に燃焼することにより貯蔵された水素を放出するのに必要な熱を供給できるけれども、これは燃料電池など他の装置に動力を与えるのに利用できる使用可能な水素を減らし、従って一定量の水素を供給するのに必要な貯蔵床の重量及び体積を増大させる。例えば、通常の燃料電池車においては、貯蔵された全水素を放出し、周囲の部品（即ち、ケーシング、熱伝達部品、など）を加熱するのに必要な熱を供給するのに、貯蔵された水素の内の幾らかが必要となる。明らかに、利用できる水素のこの損失を最少にすることが必要である。従って補助燃料が使用されることがある。補助燃料は、容易に入手でき、高価でなく、簡単に貯蔵できるものであれば如何なる燃料でもよい。このような燃料の実例は、ガソリン、燃料油、プロパン、ディーゼル燃料、天然ガスなどである。好ましい燃料はプロパンであり、プロパンを貯蔵する好ましい方法は液体の形態におけるものである。特に、典型的な水素動力燃料電池車で３００マイルを走行するのに必要な全貯蔵水素を解放するためには、僅か二ガロンのプロパンが要求されるにすぎないことが注目される。このことは、この車を超低排出ガス車にする。
【００２４】
冷却手段５は、水素貯蔵合金３を充填する際に生成する熱を除去する。即ち、貯蔵合金３に水素を充填する際に熱が放出される（即ち水素化物化熱）。充填の際の適切な作動温度を維持するためにはこの熱を除去しなければならない。通常は冷却手段５は、管又はその他の閉空間を貫流する冷却剤などの熱交換装置である。冷却剤は、空気又は水のなどの通常の冷却剤の何れかであってもよい。“A Hydrogen Cooled Hydrogen Storage Unit Having Maximized Cooling Efficiency”と題する２０００年４月２６日オブシンスキー他による出願の米国特許出願番号０９／５５８,８２７号に説明されているように、冷却剤は優れた冷却用媒体である水素であってもよい。冷却剤は、この技術分野で冷却剤として用いられる有機材料の何れかであってもよい。熱交換器を形成する材料は、勿論使用する特定の冷却剤に依存する。その材料は、冷却剤、水素、及び貯蔵合金３と非反応性でなければならず、且つ装置１の典型的な作動温度に耐えられなければならない。選択した材料は熱伝導性でなければならず、それにはステンレス鋼又はその他の熱伝導性材料を含む。
【００２５】
別の実施態様において、熱発生手段４及び冷却手段５は、一つの手段に組み合される（例えば図６を参照）ことが出来る。これら二つの手段を一つに組み合わせることにより、貯蔵床装置１の全体としての重量と体積は著しく低減される。この組合せは空気又は水素が冷剤材媒体として用いられる時に最も効果的に行なわれる。これは、装置を加熱する（放出に必要）際に、燃料と空気の両方が触媒燃焼器の中へ装入され、反応して貯蔵床装置１を加熱するからである。また冷却する（充填時に必要）際に、空気又は水素は別々に触媒燃焼器に装入され、装入されたガスは冷却剤として働いて水素化物生成熱を除去する。若しもこの代替案が用いられる場合には、冷却剤媒体への熱伝達を向上させるために、加熱手段の内面に接触している触媒の被覆率を下げることが必要な場合がある。
【００２６】
吸熱源６は、熱発生手段４及び冷却手段５と熱的に接続されている。吸熱源６は、水素の放出の際に熱を加熱手段４から熱分配フィン７へ均一に分配し、水素の充填の際に熱を熱分配薄板７から受け取り冷却手段５へ伝達する。吸熱源６と熱分配フィン７の組合せは、貯蔵床装置１全体に亘る適切な熱伝達を保証し、更に貯蔵床装置１全体ができる限り均一な温度になることを保証する。吸熱源６及び熱分配フィン７は、必要条件ではないが同じ材料で形成されるのが好ましい。材料は出来るだけ軽量であるべきだが、熱伝導性であることも必要である。材料は更に、貯蔵された水素又は水素貯蔵合金と反応性があってはならず、装置１の典型的な作動温度に耐えることが出来なければならない。
【００２７】
吸熱源６及び熱分配フィン７は、ステンレス鋼などの金属から形成されるのが好ましく、好ましい金属としてマグネシウム又は構造用マグネシウム合金もある。マグネシウムとその合金は熱伝導性、軽量、熱的且つ構造的に健全で、通常は貯蔵された水素及び貯蔵合金３と非反応性である。吸熱源６及び熱分配フィン７は、熱伝導性黒鉛から作ることも出来る。吸熱源６は熱が装置１の中へまたは外へ伝達され時に、その吸熱体又は熱保持体として働くほど十分に大きい。大きな容量の吸熱体は、装置１内の熱が、システム（即ち、水素貯蔵材料および熱分配フィン７）の全体に亘ってかなり均一に分布することを保証する。吸熱源６は、熱分配フィン７の全てが水素貯蔵合金３の全体に亘って均一に配置されるように、成形されている。
【実施例】
【００２８】
貯蔵床装置１を図１の実施態様に従って作成した。システム装置１は、ステンレス鋼で形成された円筒形圧力容器２及びその内部に収納されているマグネシウム・ベースの水素貯蔵合金３からなる。 。Ｍｇ合金、略称FC-76 は、９５.６重量％Ｍｇ、１.６重量％Ｎｉ、０.８重量％Ｓｉ、２.０重量％Ｍｍの組成を有していた。統合的熱管理装置は、電気的熱発生手段４、及び空気及び水冷却剤の両方が貫流する管型熱交換冷却手段５を含む。加熱及び冷却手段は、純マグネシウムで形成されほぼ長方形の厚板状に成形されて円筒形圧力容器２内に配置された吸熱源６と密接な熱的接触をしており、厚板の長さが円筒の長さを差し渡し、厚板の幅が円筒の直径を差し渡すようになっている。熱分配フィン７は、吸熱源６に熱的に接続している。熱分配フィン７は、吸熱源６から突き出ており水素貯蔵合金３の全体に亘ってほぼ均一に分布している。熱分配フィン７は、純マグネシウムで形成されて長方形の板状に成形されている。長方形の板又は箔状熱分配フィン７は、その長さが円筒の長さを差し渡すように、円筒形圧力容器内に配置される。長方形板状熱分配フィン７の一端は吸熱源６と熱的接触をしており、他端は圧力容器２に隣接している。
【００２９】
ＦＣ−７６マグネシウム・ベースの水素貯蔵合金粉３の三分の一キログラムを、約０.６ｇ／ｃｃの充填密度（これは粉体とペレットの両者を充填することで改善できる）で貯蔵床装置１内に充填した。装置は、充填され、水素貯蔵容量は約８５グラムであった。分単位で表した時間の関数として貯蔵水素のグラム数をプロットした図３に示すように、空冷及び水冷の両方法は適切な充填をさせるのに有効であった。曲線Ａは空冷の場合の貯蔵水素量を時間の関数として示し、曲線Ｂは水冷の場合を示す。両方の冷却剤とも有効であるが、水冷のほうが明らかに早く充填させ、殆ど１０分未満で充填サイクルを完了させることがわかる。
【００３０】
図４は、貯蔵床装置から水素を放出する際の、時間の関数として温度をプロットしたものである。温度は貯蔵床全体に分布した熱電対によって測定された。曲線Ａは合金を加熱する即ち貯蔵水素を放出するのに使用された電熱器の温度（同様に熱電対で測定された）をプロットしたものである。貯蔵床装置の温度は全体に亘ってほぼ均一であることが明瞭であり、本熱管理装置が有効であることを証明している。曲線の終わり近くでの温度上昇は、水素の充填量が枯渇したときの装置の温度上昇を示している。
【００３１】
図５は、本発明の水素貯蔵床装置１の第二実施態様の横断面図を概略的に描写したものである。図１の装置同様、この実施態様の装置１は、水素貯蔵合金３を収納する圧力容器２を備えている。この装置の統合的熱管理は、七つの加熱手段と七つの冷却手段（これらは二重目的加熱冷却手段に一体化できる）を備えている。加熱及び冷却手段は、均等に分布した熱分配フィン７を有する三つの吸熱源６を備え、熱分配装置と密接に熱的接触をしている。この装置において、三つの吸熱源６は、圧力容器２全体に亘ってほぼ均等な空間を置いて配置されており、熱分配フィン７の幾つかは、他端が二つの吸熱源６と熱的に接触するように配置されている。
【００３２】
図６は、本発明の水素貯蔵床装置１の第三実施態様の横断面図を概略的に描写したものである。装置１は、水素貯蔵合金３を収納する円筒形圧力容器２を備えている。統合的熱管理装置は、円筒形圧力容器２内に配置された中空の螺旋状コイルである、複合加熱／冷却手段８を備え、中空の螺旋状コイルの中心軸は円筒形圧力容器２の中心軸と一致している。中空の螺旋状コイルの内面は、触媒燃焼器を形成するよう触媒物質で被覆する。従って、中空の螺旋状コイルの内面は、燃料と酸化剤が通される時は加熱器として、冷却剤ガス（空気又は水素などの）が通される時は冷却器として働く。
【００３３】
中空の螺旋状コイルは、水素貯蔵合金３と密接な熱的接触をし、且つその合金の全体に亘って広範に分布しているので、吸熱源及び熱分配フィンなどの余分の熱分配部品を必要としないということに注目すべきである。しかし、熱が装置１内で均等に分布しない時には、これらの熱分配部品が必要に応じて追加されることがある。
【００３４】
図７は、本発明の水素貯蔵床装置１の第四実施態様の横断面図を概略的に描写したものである。装置１は、水素貯蔵合金３を収納した圧力容器２を備えている。圧力容器は長方形又は正方形の断面を持ち、軸方向に延伸しているか又は立方体により近い形状である。水素貯蔵合金３は、圧力容器内に層をなして配置され、それらの層間に、複合加熱／冷却手段８を備えた統合的熱管理装置が配置される。複合加熱／冷却手段８は、水素貯蔵合金３の間に配置された中空の板である。中空板の内面は、触媒燃焼器を形成するよう触媒材料で被覆されている。従って、中空板の内面は、燃料と酸化剤が通される時は加熱器として、冷却剤ガス（空気又は水素などの）が通される時は冷却器として働く。中空板は、水素貯蔵合金３と密接な熱的接触をし、且つその全体に亘って広範に分布しているので、吸熱源及び熱分配フィンなどの追加の熱分配部品を必要としないということに注目すべきである。しかし、熱が装置１内で均等に分布しない時には、これらの熱分配部品が必要に応じて追加されることが出来る。
【００３５】
図８ａは、本発明の水素貯蔵床装置１の第五実施態様の縦断面図を概略的に描写したものである。装置１は、水素貯蔵合金３を収納した円筒形の圧力容器２を備えている。統合的熱管理装置は、円筒形圧力容器２内に配置された中空円板である、少なくとも一つの複合加熱／冷却手段８を備え、中空円板の中心軸は円筒形圧力容器２の中心軸に一致している。中空円板の内面は、触媒燃焼器を形成するよう触媒材料で被覆されている。従って、中空円板の内面は、燃料と酸化剤が通される時は加熱器として、冷却剤ガス（空気又は水素などの）が通される時は冷却器として働く。複合加熱／冷却手段８は、ヒート・パイプ９及び分布した熱分配フィン７を備えた熱分配装置と密接な熱的接触をしている。ヒート・パイプ９の一端は、複合加熱／冷却手段中空円板８の円板面と熱的に接触している。ヒート・パイプは、円筒形圧力容器２の長手方向に沿って、複合加熱／冷却手段８から円筒形圧力容器２の端部へと両方向に延伸している。熱分配フィン７は、複合加熱／冷却手段８と円筒形圧力容器２の端部との間の円筒形圧力容器２内に均等に配置された円筒形円板である。熱分配フィン７の中心軸は円筒形圧力容器２の中心軸に一致している。熱分配フィン７は、ヒート・パイプ９と熱的に接触しており、円筒形圧力容器２の内壁へと軸方向に延伸している。
【００３６】
図８ｂは、図８ａの水素貯蔵床装置１の第五実施態様の横断面図を概略的に描写したものである。図は、円筒形圧力容器２と水素貯蔵合金３のシステム装置１内での位置を示す。ヒート・パイプ９の装置１内での分布の仕方、及びヒート・パイプ９が円筒形圧力容器２の長手方向に沿ってどのように延伸しているかが特に示されている。
【００３７】
ヒート・パイプは、蒸発と凝縮を利用して、高温領域又は熱入力領域から低温領域又は熱出力領域へ、温度低下を最少にして熱を伝達する装置である。ある型のヒート・パイプは、蒸発性液体で飽和された灯心材料の層を内部に含んでいる閉じた容器からなり、熱入力領域から熱出力領域へと延伸している。容器の熱入力領域へ加えられた熱は、そこに供給されている液体を蒸発させる。蒸気は、容器の熱出力領域へ移動し、其処で凝縮する。凝縮した液体は、灯心材料の毛細管作用により熱入力領域へ戻される。本発明の特定の実施態様において説明したヒート・パイプは管状であるが、最近のヒート・パイプ技術ではほぼどのような中空形状でもヒート・パイプ形成に使用できるので、他の形状も可能であり且つ有益なこともあるということを、注目すべきである。
【００３８】
図９ａは、本発明の水素貯蔵床装置１の第六実施態様の縦断面図を概略的に描写したものである。システム装置１は、水素貯蔵合金３を収納した円筒形の圧力容器２を備えている。統合的熱管理装置は少なくとも一つの複合加熱／冷却手段８を備えており、該手段は円筒形圧力容器２内に配置され、中空長方形板の長さが円筒の長さを差し渡し、中空長方形板の幅が円筒の直径を差し渡すように配置された中空長方形板である。加熱／冷却手段８は、ヒート・パイプ９及び分布した熱分配フィン７を備えた熱分配装置と密接な熱的接触をしている。ヒート・パイプ９の一端は、複合加熱／冷却手段中空板８の大きな長方形の面と、熱的に接触している。加熱／冷却手段８と熱的に接触しているヒート・パイプは、ほぼ垂直方向に外側へ、複合加熱／冷却手段中空板８の大きな長方形面から、円筒形圧力容器２の壁へと延伸している。熱分配フィン７は、長方形の板又は箔で、その長さが円筒の長さを差し渡すように、円筒形圧力容器２内に配置されている。長方形の板又は箔は、加熱／冷却手段中空板８にほぼ平行に円筒形圧力容器２内に配置されており、長方形の板又は箔の長さが円筒の長さを差し渡し、その平板の幅が円筒内壁の一点から円筒内壁のもう一つの点へ差し渡している。熱分配フィン７は、ヒート・パイプと熱的に接触している。
【００３９】
図９ｂは、図９ａの水素貯蔵床装置の第六実施態様の横断面図を概略的に描写したものである。図は、円筒形圧力容器２と水素貯蔵合金３の装置１内での位置を示す。特に示されているのは、ヒート・パイプ９の装置１内での分布の仕方、及びヒート・パイプが円筒形圧力容器の直径幅方向に沿ってどのように延伸しているか、並びに熱分配フィン７の配置である。
【００４０】
本発明の複数の貯蔵床装置は一つに束ねてより大きな容器内に設置できるということに注目すべきである。この容器は絶縁することが出来、貯蔵床装置に外部から加熱冷却を提供することが出来る。容器は更に圧力に耐える容器であることも出来る。加えて、装置の異なる部分全部にわたって温度をモニターするために、熱電対が貯蔵床装置内に配置され、こうして異なった場所での温度のスパイクを測定することにより、残存燃料の体積を決定することが出来る。
【００４１】
最後に、本発明の水素貯蔵床装置１は、貯蔵合金の水素化物化／脱水素化物化速度を向上するために水素ガス分配装置を備えることができる。分配装置は、通常は分配多岐管と水素吸蔵合金全体に亘って分布した少なくとも一つの水素透過性ガス分配管とを備えている。
【００４２】
本発明を好ましい実施態様及び方法との関連において説明したが、発明をここに説明した実施態様及び方法に限定することは意図していないことが理解されるべきである。反対に、添付された特許請求の範囲によって規定されるような、発明の精神と範囲内に包含されるであろう全ての代替物、修正物及び等価物を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の水素貯蔵床装置の一つの実施態様に関する横断面図を概略的に描写したものである。
【図２】多層圧力容器を有する本発明による貯蔵床装置１の外観図を描写している。
【図３】本発明による貯蔵床装置１の空冷及び水冷の両方に対して、分単位の時間の関数として貯蔵水素のグラム数をプロットしたものである。
【図４】本発明による貯蔵床装置１から水素を放出する際の、時間の関数として温度をプロットしたもので、貯蔵床全体に分布した熱電対によって得られた温度は、熱管理装置が効果的であることを示している。
【図５】図１の装置に似ているがそれより大きな、本発明の水素貯蔵床装置の第二実施態様に関する横断面図を概略的に描写したものである。
【図６】複合加熱／冷却手段を備えた、本発明の水素貯蔵床装置の第三実施態様に関する横断面図を概略的に描写したものである。
【図７】水素貯蔵合金の層間に、積層された平板状複合加熱／冷却手段を備えた、本発明の水素貯蔵床装置の第四実施態様に関する横断面図を概略的に描写したものである。
【図８ａ】熱分配手段において吸熱源の代わりにヒート・パイプを備えた、本発明の水素貯蔵床装置の第五実施態様に関する縦断面図を概略的に描写したものである。
【図８ｂ】図５ａの水素貯蔵床装置の第五実施態様に関する横断面図を概略的に描写したものである。
【図９ａ】異なった形体のヒート・パイプを備えた、本発明の水素貯蔵床装置の第六実施態様に関する縦断面図を概略的に描写したものである。
【図９ｂ】図６ａの水素貯蔵床装置の第六実施態様に関する横断面図を概略的に描写したものである。

Claims (36)

1. 以下の構成から成る水素貯蔵床装置：
   圧力容器；
   前記圧力容器内に配置された水素貯蔵合金；及び
   以下の手段を備え且つ前記圧力容器内に一体化されて配置された統合的熱管理装置：
   熱発生手段；
   冷却手段；及び
   熱分配手段。
2. 前記熱発生手段が、電気的発熱体及び触媒燃焼器から成る群から選ばれることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
3. 前記熱発生手段が、一つ以上の触媒燃焼器であることを特徴とする、請求項２の水素貯蔵床装置。
4. 前記触媒燃焼器が、水素、ガソリン、燃料油、プロパン、ディーゼル燃料、及び天然ガスから成る群から選ばれた、少なくとも一つの燃料を燃焼させるよう設計されていることを特徴とする、請求項３の水素貯蔵床装置。
5. 前記触媒燃焼器が、プロパンを燃焼させるように設計されていることを特徴とする、請求項４の水素貯蔵床装置。
6. 前記冷却手段が、管型熱交換器から成ることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
7. 前記管型熱交換器が、空気、水素、水、及び有機冷却材からなる群から選ばれた少なくとも一つの冷却材を使用するよう設計されていることを特徴とする、請求項６の水素貯蔵床装置。
8. 前記管型熱交換器が、冷却材として空気を使用するよう設計されていることを特徴とする、請求項７の水素貯蔵床装置。
9. 前記管型熱交換器が、冷却材として水素を使用するよう設計されていることを特徴とする、請求項７の水素貯蔵床装置。
10. 前記管型熱交換器が、冷却材として水を使用するよう設計されていることを特徴とする、請求項７の水素貯蔵床装置。
11. 前記熱発生手段及び冷却手段が、複合化されて、触媒的にプロパン又は水素を燃焼させ、且つ冷却材として空気又は水素を用いるよう設計された、単一装置になっていることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
12. 前記熱分配手段が、前記熱発生手段及び前記冷却手段の両者に熱的に連結された、熱溜めを備えていることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
13. 前記熱分配手段が、前記熱溜めと熱的に連結され且つ前記水素貯蔵合金内部に分散された、熱分配フィンを更に備えていることを特徴とする、請求項１２の水素貯蔵床装置。
14. 前記熱分配フィン及び前記熱溜めが、熱伝導性黒鉛、ステンレス鋼、マグネシウム及びマグネシウム合金から成る群から選ばれた材料を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１３の水素貯蔵床装置。
15. 前記熱分配手段が、前記熱発生手段及び前記冷却手段の両者に熱的に連結された、ヒート・パイプを備えていることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
16. 前記熱分配手段が、前記ヒート・パイプと熱的に連結され且つ前記水素貯蔵合金内部に分散された、熱分配フィンを更に備えていることを特徴とする、請求項１５の水素貯蔵床装置。
17. 前記熱分配フィンが、熱伝導性黒鉛、ステンレス鋼、マグネシウム及びマグネシウム合金から成る群から選ばれた材料を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１６の水素貯蔵床装置。
18. 前記水素貯蔵合金が、Ｔｉ−Ｚｒ基合金及びマグネシウム基合金から成る群から選ばれることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
19. 前記水素貯蔵合金が、マグネシウム基合金であることを特徴とする、請求項１８の水素貯蔵床装置。
20. 前記合金が、少なくとも９０重量％のマグネシウムを含有することを特徴とする、請求項１９の水素貯蔵床装置。
21. 前記合金が、更に０.５〜２.５重量％のニッケルを含有することを特徴とする、請求項２０の水素貯蔵床装置。
22. 前記合金が、更に１.０〜４.０重量％のミッシュ・メタルを含有することを特徴とする、請求項２１の水素貯蔵床装置。
23. 前記合金が、更に１.０〜４.０重量％のミッシュ・メタルを含有することを特徴とする、請求項２２の水素貯蔵床装置。
24. 前記ミッシュ・メタルが主としてＣｅ、Ｌａ及びＰｒから構成されることを特徴とする、請求項２３の水素貯蔵床装置。
25. 前記合金が、更に３〜７重量％Ａｌ、０.１〜１.５重量％Ｙ及び０.３〜１.５重量％Ｓｉから成る群の一つ以上を含有することを特徴とする、請求項２３の水素貯蔵床装置。
26. 前記水素貯蔵合金が、粉体、ペレット、又はそれらの混合物の形体であることを特徴とする、請求項１９の水素貯蔵床装置。
27. 前記水素貯蔵合金が、粉体とペレットの混合物の形体であることを特徴とする、請求項２６の水素貯蔵床装置。
28. 前記圧力容器が、ステンレス鋼又は繊維強化重合体から成る群から選ばれた一つ以上の材料を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
29. 前記圧力容器が、多層構造物であることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
30. 前記圧力容器が、三層構造物であることを特徴とする、請求項２９の水素貯蔵床装置。
31. 前記三層構造物が以下の構成から成ることを特徴とする、請求項３０の水素貯蔵床装置：
    水素及び前記貯蔵合金と反応性が無く、且つ装置の動作温度に耐えられる軽量材料から形成された内層；
    軽量絶縁物から形成された中間層；及び
    貯蔵床装置の動作圧力に耐えられる、繊維強化重合体複合材から形成された外層。
32. 前記装置が、前記合金の放出領域における温度急変部を観察することにより前記装置の充填状態を確定するために、前記水素貯蔵合金の内部全体に亘って配置された複数の熱電対を更に備えることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
33. 前記装置が、前記貯蔵合金の水素化物化／脱水素化物化の速度を向上するために、更に水素ガス分配装置を備えることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置。
34. 前記水素ガス分配装置が、前記水素貯蔵合金全体にわたって分布した、分配多岐管及び一つ以上の水素透過性ガス分配管を備えていることを特徴とする、請求項３３の水素貯蔵床装置。
35. 前記統合的熱管理装置が更に以下の構成から成ることを特徴とする、請求項１の水素貯蔵床装置：
    前記水素貯蔵合金と熱伝達接触状態にあり、前記圧力容器内に延伸し且つ分布している熱伝導突起物；及び
    前記圧力容器内に配置され、前記熱伝導突起物に対し並びに前記熱発生手段及び前記冷却手段に対し、熱伝達関係を保って接続されている加熱／冷却熱溜め；
    これらにより、前記熱発生手段から前記水素貯蔵合金へ、前記水素貯蔵合金から前記冷却手段へと、前記熱伝導突起物及び前記加熱／冷却熱溜めを通して、熱が伝達される。
36. 前記マグネシウム基合金が、９５.６重量％Ｍｇ、１.６重量％Ｎｉ、０.８重量％Ｓｉ及び２.０重量％ミッシュ・メタルの組成を有することを特徴とする、請求項１９の水素貯蔵床装置。

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