JP2005282828A

JP2005282828A - 水素貯蔵タンクおよびこれを搭載した移動体

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Publication number: JP2005282828A
Application number: JP2004101759A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Fujii; 博信藤井; Takayuki Ichikawa; 貴之市川; Shigeru Matsuura; 茂松浦; Kenji Ogawa; 賢治小川
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP4729674B2

Abstract

【課題】単位重量または単位体積あたりの水素貯蔵量を増加させる水素貯蔵タンクを提供する。
【解決手段】８０℃以上の温度で水素を吸蔵または放出する機能が活性化される水素吸蔵材料と前記水素吸蔵材料の水素の吸蔵および放出を促進する触媒とを含む固体の水素貯蔵体２と、前記水素貯蔵体を封入する容器３と、外部に連通するとともに、前記容器の内部において水素ガスの流路を形成する流路形成部材７，４と、前記水素貯蔵体を８０℃以上の温度に加熱する加熱手段６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を吸蔵放出する水素貯蔵体を含む水素貯蔵タンクならびにその水素貯蔵タンクを搭載した移動体に関する。

従来から、水素ボンベに代わって、小さい容積で多量の水素を貯蔵できる水素貯蔵タンクが研究開発されてきた。そのような水素貯蔵タンクに用いられる水素貯蔵材料としては水素吸蔵合金の開発が進められおり、水素吸蔵合金を使用した水素貯蔵タンクについて提案がなされている（特許文献１〜４）。一方、近年、新たな水素貯蔵材料として、ＮａＡｌＨ_４などアラネート系材料や、カーボンナノチューブなどのカーボン系材料も研究開発されている。特に、リチウム系材料が発明者らにより最近見出され、提案がなされている。
特開２０００−１２０９９６号公報特開２００２−１２２２９４号公報特開２００２−２２１２９７号公報特開２００２−３４０４３０号公報

しかしながら、水素吸蔵合金は単位重量あたりの水素吸蔵率が低く、水素吸蔵合金を使用した水素貯蔵タンクは実用化には至っていない。また、リチウム系材料等の新たな水素貯蔵材料は、従来の吸蔵合金とは異なる粉体特性や水素吸蔵放出特性を示すことから、それらを用いた貯蔵タンクは、その特性にあった構造にしなければ、単位体積あたりの水素ガス貯蔵量を十分に確保することができない。上記のような新たな水素貯蔵材料を用いた貯蔵タンクに関する開発は十分になされていない。

本発明は、単位重量または単位体積あたりの水素貯蔵量を増加させる水素貯蔵タンクを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る水素貯蔵タンクは、８０℃以上の温度で水素を吸蔵または放出する機能が活性化される水素吸蔵材料と前記水素吸蔵材料の水素の吸蔵および放出を促進する触媒とを含む固体の水素貯蔵体と、前記水素貯蔵体を封入する容器と、外部に連通するとともに、前記容器の内部において水素ガスの流路を形成する流路形成部材と、前記水素貯蔵体を８０℃以上の温度に加熱する加熱手段と、を備えることを特徴としている。

これにより、加熱手段で水素貯蔵体が加熱された場合には、水素貯蔵体の水素を吸蔵または放出する機能が活性化するため、速やかに水素の吸蔵・放出を行なうことができる。その結果、本発明の水素貯蔵タンクを燃料電池自動車などに搭載される水素供給装置、定置式燃料電池用のバッファータンクや水素ステーションの貯蔵容器システムにも利用することができ、今後期待される水素エネルギー社会における水素貯蔵装置全般に、応用することができる。

また、水素貯蔵タンクは、リチウムイミド、リチウムアミドと水素化リチウムとの組み合わせ、またはリチウムイミドとリチウムアミドと水素化リチウムとの組み合わせからなるリチウム系水素吸蔵材料と前記リチウム系水素吸蔵材料の水素の吸蔵および放出を促進する触媒とを含む固体の水素貯蔵体と、前記水素貯蔵体を封入する容器と、外部に連通するとともに、前記容器の内部において水素ガスの流路を形成する流路形成部材と、前記水素貯蔵体を８０℃以上の温度に加熱する加熱手段と、を備えることを特徴としている。

これにより、加熱手段で水素貯蔵体が加熱された場合には、水素貯蔵体の水素を吸蔵または放出する機能が活性化するため、速やかに水素の吸蔵・放出を行なうことができる。その結果、リチウム系材料に最適な水素貯蔵タンクを提供することができる。また、水素吸蔵合金等に比べ、リチウム系材料は単位重量あたりの水素吸蔵量が大きいため、タンクの質量あたりの水素貯蔵量を増加させることができる。その結果、本発明の水素貯蔵タンクを燃料電池自動車などに搭載される水素供給装置、定置式燃料電池用のバッファータンクや水素ステーションの貯蔵容器システムにも利用することができ、今後期待される水素エネルギー社会における水素貯蔵装置全般に、応用することができる。

また、水素貯蔵タンクは、前記加熱手段は、１００℃以上の沸点を有する熱媒体と、前記容器の外部と内部との間で循環路を形成する循環パイプと、前記熱媒体を加熱するヒータと、前記熱媒体を前記循環パイプ内で圧送する循環ポンプと、を備えることが好適である。これにより、効率よく水素貯蔵体を加熱することができ、水素の吸蔵および放出を短時間で行なうことができる。

また、水素貯蔵タンクは、前記内部流路形成部材は、水素ガスを透過する多孔質の管壁を有するらせん状のガス流通管であることが好適である。これにより、ガス流通管の表面積を大きくし、水素貯蔵体が水素を吸蔵または放出する効率を上げることができる。

また、移動体は、上記の水素貯蔵タンクを搭載することが好適である。これにより、たとえば軽くて、一回の補給で走れる走行距離の長い燃料電池自動車または水素エンジン自動車を実現することができる。

本発明に係る水素貯蔵タンクによれば、加熱手段で水素貯蔵体が加熱された場合には、水素貯蔵体の水素を吸蔵または放出する機能が活性化するため、速やかに水素の吸蔵・放出を行なうことができる。

その結果、特にリチウム系材料に最適な水素貯蔵タンクを提供することができる。また、水素吸蔵合金等に比べ、リチウム系材料は単位重量あたりの水素吸蔵量が大きいため、タンクの質量あたりの水素貯蔵量を増加させることができる。その結果、本発明の水素貯蔵タンクを貯蔵燃料電池自動車などに搭載される水素供給装置、定置式燃料電池用のバッファータンクや水素ステーションの貯蔵容器システムにも利用することができ、今後期待される水素エネルギー社会における水素貯蔵装置全般に、応用することができる。

また、本発明に係る水素貯蔵タンクによれば、効率よく水素貯蔵体を加熱することができ、水素の吸蔵および放出を短時間で行なうことができる。

また、本発明に係るに水素貯蔵タンクよれば、ガス流通管の表面積を大きくし、水素貯蔵体が水素を吸蔵または放出する効率を上げることができる。

また、本発明に係るに移動体よれば、たとえば軽くて、一回の補給で走れる走行距離が長い燃料電池自動車または水素エンジン自動車を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

［実施形態１］
図１は、本発明に係る水素貯蔵タンクの断面図である。図１に示すように、水素貯蔵タンク１は、水素貯蔵体２、容器３、内部流通管４、安全バルブ５、ヒータ６、外部流通管７、フィルタ８により構成されている。水素貯蔵体２の主な材料としては、リチウムアミド（ＬｉＮＨ_２）および水素化リチウム（ＬｉＨ）、またはリチウムイミド（Ｌｉ_２ＮＨ）が使用される。なお、材料としては、リチウム系貯蔵材料以外であっても８０℃以上で水素を吸蔵または放出する機能が活性化するものであればよい。たとえば、リチウム系以外の金属アミドおよび金属アミド化合物、金属水素化物、ＮａＡｌＨ_４などアラネート系材料や、カーボンナノチューブなどのカーボン系材料を用いてもよい。

さらに、水素貯蔵体２は、水素の吸蔵および放出を促進する触媒成分を含む。触媒成分としては、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｌｉ、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｉｎ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｇから選ばれた１種または２種以上の化合物があげられる。これら、リチウム系貯蔵材料と触媒成分から構成された固体が、水素貯蔵体２である。水素貯蔵体２は、たとえば粉体、顆粒体、または成形体として形成される。水素貯蔵体２の作製手法としては、リチウムアミドと水素化リチウムを適量配合し、水素ガスまたは不活性ガスの雰囲気においてミリングによりメカノケミカルに混合粉砕し、触媒材料を適量加える方法が好適であるが、必ずしもこの方法に限定されるものではない。

容器３は、水素貯蔵体２を収容し、水素ガスを流通させる開口部を除いて気密な構造を有している。容器３は、たとえば１０ＭＰａまでの圧力に耐えうる材料および形状が選ばれる。水素貯蔵体２に水素を吸蔵させる際の数ＭＰａ程度の圧力に耐える材料および形状であれば、特に限定はされない。これにより、水素放出の際に急激な放出による圧力上昇を伴う場合であっても、容器の強度としては十分であり、安全を維持できる。図１に示すように、容器３の形状はエッジを丸くした円筒形である。たとえば、自動車に搭載する場合には、無駄なスペースを無くすためリアシートに合わせた形状としてもよい。さらに、容器には１０ＭＰａ未満の一定圧力で開放するように設定された安全バルブ５が設置されている。このような安全バルブ５は、必要により設けることがあるが、設けなくてもよい。なお、容器３には水素貯蔵体２を出し入れすることのできる開閉可能な出入口等の出入機構を設けてもよい。その場合には、水素貯蔵体２をカートリッジ式で容器３に出し入れすることができるような機構としてもよい。

流路形成部材としての内部流通管４は、水素貯蔵体２に水素を送り込み、水素貯蔵体２から放出された水素を容器３の外部に放出する流通経路を形成する。流路形成部材とは、吸蔵または放出のための水素ガスの流路を形成する部材である。内部流通管４は、水素ガスを透過する多孔質の管壁により円筒形状に構成される流通管であって、管の一端は容器３の開口部を通して容器外部に連通し、他端は閉じられている。このように、内部流通管４は水素貯蔵体２に挿通されている。挿通された内部流通管４の管壁全体から水素ガスが一様に透過するため、効率よく水素ガスを吸蔵または放出することができる。

加熱手段としてのヒータ６は、容器３の外部に設けられた電熱式のヒータである。加熱手段とは、直接、または容器３を介して間接に水素貯蔵体２を８０℃以上の温度に加熱する手段をいう。ヒータ６は、８０℃以上の温度に加熱可能な機能を有しており、２５０℃まで加熱可能であることが好ましい。

このようにヒータ６が設けられていることにより、ヒータ６で水素貯蔵体２が加熱された場合には、水素貯蔵体２の水素を吸蔵または放出する機能が活性化するため、速やかに水素の吸蔵・放出を行なうことができる。その結果、リチウム系材料に最適な水素貯蔵タンク１を提供することができる。また、水素吸蔵合金等に比べ、リチウム系材料は単位重量あたりの水素吸蔵量が大きいため、タンクの質量あたりの水素貯蔵量を増加させることができる。その結果、水素貯蔵タンク１を燃料電池自動車などに搭載される水素供給装置、定置式燃料電池用のバッファータンクや水素ステーションの貯蔵容器システムにも利用することができ、今後期待される水素エネルギー社会における水素貯蔵装置全般に、応用することができる。

このように、水素貯蔵体２として、リチウム系の貯蔵材料を主とする材料を用いる場合には、効率よく水素の吸蔵および放出を行なうのに１００〜２５０℃の温度に調整するのが好適である。水素貯蔵体２を加熱することにより放出時のみならず吸蔵時にも極めて短い時間で吸蔵処理が可能となる。ヒータ６には電源（図示せず）が接続されている。また、電源には水素放出量をフィードバックされた制御システム（図示せず）が併設されている。これにより、水素放出量をコントロールすることができる。

流路形成部材としての外部流通管７は、水素ガスを透過させない管壁により構成されている。外部流通管７の内部には酸素、水蒸気などの水素以外の反応性ガスが進入することができない機能をもつフィルタ８が設けられている。これにより、水素貯蔵体が酸素や水蒸気等と反応して劣化するのを防止し、その吸蔵性能を維持することができる。このようなフィルタ８は、必要により設けることがあるが、設けなくてもよい。フィルタ８の材料としては、たとえばパラジウム合金（Ａｕ：５％、Ａｇ：２０％、Ｐｄ：７０％）などの水素透過物質が好適である。なお、フィルタ８は、内部流通管４の内部に設けてもよい。また、フィルタ８の代わりに、内部流通管４の内側または外側の表面に水素透過物質の膜を設けるか、あるいは内部流通管４の管壁の材料に水素透過物質を用いてもよい。

次に、水素貯蔵タンク１の動作について説明する。水素ガスを水素貯蔵タンク１に貯蔵する場合には、まずヒータ６により水素貯蔵体２を加熱し、十分に水素の吸蔵機能を発揮する温度、たとえば１２０℃に維持しておく。外部流通管７に連結されるコンプレッサ（図示せず）により、水素ガスを１０ＭＰａ程度の圧力で圧送し、内部流通管４を通して水素貯蔵体２に吸蔵させる。吸蔵の際には、水素貯蔵体２においてＬｉ_２ＮＨ+Ｈ_２→ＬｉＮＨ_２+ＬｉＨの反応が生じる。一方、水素ガスを水素貯蔵タンク１から放出する場合には、まずヒータ６により水素貯蔵体２を加熱し、十分に水素の放出機能を発揮する温度、たとえば２００℃に維持しておく。加熱により水素貯蔵体２から水素ガスが放出され、内部流通管４を通して、外部流通管７へ水素ガスが送られる。放出の際には、水素貯蔵体２においてＬｉＮＨ_２+ＬｉＨ→Ｌｉ_２ＮＨ+Ｈ_２の反応が生じる。

［実施形態２］
実施形態１では、加熱手段として容器３の外部にヒータ６が設けられているが、図２に示すように、容器３の内部にヒータ１０を設けてもよい。ヒータ１０は、電熱式のヒータであり、機能は実施形態１のヒータ６と同様である。このように内部にヒータ１０を設けることにより、水素貯蔵体２の温度を制御し易くし、水素の吸蔵および放出の効率をあげることができる。また、ヒータ１０には熱伝導性を向上させるために周囲に伝熱フィンを設けてもよい。

なお、この場合も、ヒータ１０に電源（図示せず）が接続されている。水素放出量をコントロールする必要性から、電源には水素放出量をフィードバックされた制御システム（図示せず）が併設されている。

［実施形態３］
実施形態１では、加熱手段として容器３の外部にヒータ６が設けられているが、図３に示すように、少なくとも１００℃以上の沸点を有する熱媒体（図示せず）と、容器３の外部と内部との間で熱媒体の循環路を形成する循環パイプ２０と、熱媒体を加熱するヒータ２１と、熱媒体を循環パイプ２０内に圧送する循環ポンプ２２とを設けてもよい。ヒータ２１は、電熱式のヒータであり、外部システムとして電源（図示せず）がヒータ２１に接続されている。水素放出量をコントロールする必要性から、電源には水素放出量をフィードバックされた制御システム（図示せず）が併設されている。これにより、効率よく水素貯蔵体２を加熱することができ、水素の吸蔵および放出を短時間で行なうことができる。なお、この加熱手段を用いる場合には、熱媒体の温度は沸点以下に維持しておく。また、循環パイプ２０には熱伝導性を向上させるために周囲に伝熱フィンを設けてもよい。

［実施形態４］
実施形態１では、流路形成部材として、円筒形状の内部流通管４が設けられているが、図４に示すように、らせん状のガス流通管として内部流通管３０が設けられていてもよい。これにより、内部流通管３０の表面積を大きくし、水素貯蔵体が水素を吸蔵または放出する効率を上げることができる。

［実施形態５］
また、図５に示すように、水素貯蔵タンク４１を移動体としての燃料電池自動車に搭載してもよい。これにより、軽くて、一回の補給で走れる走行距離の長い燃料電池自動車を実現することができる。水素貯蔵タンク４１では、外部流通管４７が水素ガス吸蔵用の外部流通管４７ａおよび水素ガス放出用の外部流通管４７ｂに分岐している。水素ガス吸蔵用の外部流通管４７ａおよび水素ガス放出用の外部流通管４７ｂは、管を閉じることができる蓋またはバルブ等を備えている。水素ガス放出用の外部流通管４７ｂは、後部タイヤ５０に連結されている後部シャフト５１の上を跨ぐように形成され、燃料電池６０に連結されている。水素貯蔵タンク４１は温度が高くなるため、その周囲を断熱材で覆うことが好ましい。一方、車体の水素貯蔵タンク４１とは反対側には、酸素吸入管６１が、コンプレッサ６２に連結されて設けられている。コンプレッサ６２の酸素吸入管６１とは反対側には、圧送管６３が燃料電池６０に連結されている。また、燃料電池６０には、水放出管６４が設けられている。

燃料電池６０には、発生した電力を導通する導線７０が接続され、導線７０の他端はバッテリ７１に接続されている。バッテリ７１には導線７２が接続され、その他端はモータ８０に接続されている。モータ８０には、モータ８０の動力を前部タイヤ８１に伝える前部シャフト８２が回転可能に取り付けられている。図５では、簡単のために、前部シャフト８２はモータ８０に直接取り付けられているように表現しているが、実際にはモータ８０の動力をプーリやクラッチ機構を用いて、前部タイヤに動力を伝える。

なお、水素貯蔵タンク４１の容器４３に水素貯蔵体２を出し入れすることのできる出入機構を設ける場合には、水素貯蔵タンク４１を自動車４０に搭載したまま出し入れ可能な機構としてもよいし、水素貯蔵タンク４１を取り外し別の場所で出し入れする機構としてもよい。また、水素貯蔵タンクを搭載する移動体は、燃料電池自動車に限られず水素エンジン自動車であってもよく、移動体には、自動車、バイク等の車両、船および飛行機も含まれる。

次に、自動車４０の動作を説明する。まず、自動車４０に水素ガスを補充する場合には、水素補充のシステムが整備されている水素ステーション等で、水素貯蔵タンク４１を最適な温度に加熱し、図５に示す矢印Ａの方向に外部流通管４７ａから水素ガスを圧送する。このとき外部流通管４７ｂは閉じられている。このようにして、水素ガスは水素貯蔵タンク４１内の水素貯蔵体に吸蔵される。

自動車４０を駆動させる場合には、まず外部流通管４７ａを閉じた状態で、水素貯蔵タンク４１の加熱手段により内部の水素貯蔵体を最適な温度に加熱し、外部流通管４７ｂに水素ガスを送り込む。一方、コンプレッサ６２を始動させ、図５に示す矢印Ｂ方向に酸素（空気）を酸素吸入管６１から、圧送管６３を通して燃料電池６０に送り込む、燃料電池６０を働かせて、電力をバッテリ７１に蓄える。このとき、反応により生じた水は水放出管６４から外部に放出する。バッテリ７１に蓄えられた電力でモータ８０を駆動させて、前部シャフト８２および前部タイヤ８１を回転させる。このようにして、自動車４０を駆動させる。なお、これらの実施形態は例示であって、本発明がこれらの実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る水素貯蔵タンクの第１の実施形態を示す断面図である。本発明に係る水素貯蔵タンクの第２の実施形態を示す断面図である。本発明に係る水素貯蔵タンクの第３の実施形態を示す断面図である。本発明に係る水素貯蔵タンクの第４の実施形態を示す断面図である。本発明に係る移動体の一例を示す概略図である。

符号の説明

１水素貯蔵タンク
２水素貯蔵体
３容器
４内部流通管（流路形成部材）
５安全バルブ
６ヒータ（加熱手段）
７外部流通管（流路形成部材）
８フィルタ
１０ヒータ（加熱手段）
２０循環パイプ
２１ヒータ
２２循環ポンプ
３０内部流通管（流路形成部材）
４０自動車（移動体）
４１水素貯蔵タンク
４３容器
４７ａ外部流通管（流路形成部材）
４７ｂ外部流通管（流路形成部材）

Claims

８０℃以上の温度で水素を吸蔵または放出する機能が活性化される水素吸蔵材料と前記水素吸蔵材料の水素の吸蔵および放出を促進する触媒とを含む固体の水素貯蔵体と、
前記水素貯蔵体を封入する容器と、
外部に連通するとともに、前記容器の内部において水素ガスの流路を形成する流路形成部材と、
前記水素貯蔵体を８０℃以上の温度に加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする水素貯蔵タンク。
リチウムイミド、リチウムアミドと水素化リチウムとの組み合わせ、またはリチウムイミドとリチウムアミドと水素化リチウムとの組み合わせからなるリチウム系水素吸蔵材料と前記リチウム系水素吸蔵材料の水素の吸蔵および放出を促進する触媒とを含む固体の水素貯蔵体と、
前記水素貯蔵体を封入する容器と、
外部に連通するとともに、前記容器の内部において水素ガスの流路を形成する流路形成部材と、
前記水素貯蔵体を８０℃以上の温度に加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする水素貯蔵タンク。
前記加熱手段は、
１００℃以上の沸点を有する熱媒体と、
前記容器の外部と内部との間で循環路を形成する循環パイプと、
前記熱媒体を加熱するヒータと、
前記熱媒体を前記循環パイプ内で圧送する循環ポンプと、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素貯蔵タンク。
前記内部流路形成部材は、水素ガスを透過する多孔質の管壁を有するらせん状のガス流通管であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水素貯蔵タンク。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水素貯蔵タンクを搭載した移動体。