JP2005336040A

JP2005336040A - 水素吸蔵合金容器

Info

Publication number: JP2005336040A
Application number: JP2004161106A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Tada; 博文多田; Yoshinori Kawarasaki; 芳徳河原崎; Harunobu Takeda; 晴信竹田; Yasushi Yoshinaga; 泰吉永; Hisafumi Aoki; 寿文青木
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: JP4420445B2

Abstract

【課題】本発明は、収容容器内に複数の水素吸蔵合金ユニットを膨張緩衝材を介して直列に配設することにより、水素吸蔵合金の膨張時の破損を防止することを目的とする。
【解決手段】本発明による水素吸蔵合金容器は、収納容器(4)内に長手方向(A)に沿って設けられた複数の水素吸蔵合金ユニット(7)と、前記各水素吸蔵合金ユニット(7)を貫通して設けられた水素導入放出配管(2)と、前記各水素吸蔵合金ユニット(7)間に位置する膨張緩衝材(20)と、前記収納容器(4)の外周に設けられた伝熱ユニット(8)とを備えた構成である。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素吸蔵合金容器に関し、特に、収納容器に挿入される各水素吸蔵合金ユニットの間に膨張緩衝材を設けて水素吸蔵合金の膨張時の破損等を防止し、信頼性を向上させるための新規な改良に関する。

従来、この種の水素吸蔵合金容器としては、例えば、図９及び図１０に示される特許文献１に開示された構成、及び、図１１から図１３に示された構成を挙げることができる。
すなわち、図９において符号１で示されるものは全体形状が容器形をなす冷温水ジャケットであり、この冷温水ジャケット１内にはチューブ２に支持された多数のプレートフィンが設けられ、この各プレートフィン３ｂ間に図示しない水素吸蔵合金が設けられる構成である。

図１０において符号１で示されるものは容器本体４の外周に設けられた熱媒配管であり、この容器本体４内にはチューブ２とプレートフィン３ｂが組み合わされて内設されている。

また、図１１から図１３において全体形状が長手の容器本体４内には、その長手方向Ａに沿って複数の水素吸蔵合金ユニット７が直列状に挿入して設けられている。
前記各水素吸蔵合金ユニット７にはチューブを介して複数のフィン３ａが取付けられている。
前記各水素吸蔵合金ユニット７の外周位置には、熱媒配管１を有する筒状の伝熱ユニット８が設けられている。

前述の図９から図１３で示される従来構成の場合、何れの構成においても、フィン３ａ及びプレートフィン３ｂの間に水素吸蔵合金５を充填し、チューブ２を介して水素の導入と放出を行うために熱媒配管１による加熱／冷却を行っている。

特開２００３−１３０２９２号公報

従来の水素吸蔵合金容器は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、容器内に充填する合金の種類により、合金の膨張量が異なることから、合金粉体の充填率を合金の種類に合わせて変えたり、容器内部の膨張吸収構造などを採用したりして、合金の膨張による充填する容器に合金の膨張による負荷がかからない様に設計し充填している。この場合、合金の充填率が大きく取れないこと、容器内部への構造部材の追加などにより、容器体積や重量が大きくなるなどの問題から、移動体への搭載時において課題となっていた。
また、合金充填率を高くしたり、内部構造材を省略した場合、合金の膨張や合金粉体の偏在による合金充填率の不均一が発生し、高密度になった部分から容器の局部変形がおき、繰り返し使用による変形の進行が起こり、容器の使用期間中にこの変形による破損などが起きることなどから、高密度に充填することが出来なかった。

本発明による水素吸蔵合金容器は、容器状をなす収納容器内に長手方向に沿って設けられた複数の水素吸蔵合金ユニットと、前記各水素吸蔵合金ユニットを貫通して設けられた水素導入放出配管と、前記各水素吸蔵合金ユニット間に位置する膨張緩衝材と、前記収納容器の外周に設けられた伝熱ユニットとを備え、前記水素吸蔵合金ユニットに設けられた水素吸蔵合金の膨張を前記膨張緩衝材で吸収するようにした構成であり、また、前記伝熱ユニットの外側に位置し前記収納容器を収納するための外殻容器を備えた構成であり、また、前記収納容器の板厚と容器径の比（ｔ／Ｄ）は、０．０１〜０．２とした構成である。

本発明による水素吸蔵合金容器は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、収納容器内に設けられる各水素吸蔵合金ユニット間に膨張緩衝材が設けられているため、容器内に充填する合金の種類によって合金の膨張率が変化した場合でも十分に吸収することができ、合金の充填率を大きく取ることができ、容器の設計製作時および運用時の安全性や信頼性が大幅に向上する。また、変形などが制御されることにより水素貯蔵容器のシステムへの装着などにおける制度や安全性や信頼性も向上する。
また、製造時に収納容器による初期水素吸蔵処理が可能であるため、製造時の不具合や装填するときの作業性など向上するなどの効果がある。また、水素吸蔵合金に対する伝熱性能の確保なども従来の高密度充填容器に比べ向上する。
また、収納容器の伝熱ユニットの外側に外殻容器が設けられているため、収納容器に対する安全性を大幅に向上させることができる。

本発明は、収納容器に挿入される各水素吸蔵合金ユニットの間に膨張緩衝材を設けて水素吸蔵合金の膨張時の破損等を防止し、信頼性を向上させることを目的とする。

以下、図面と共に、本発明による水素吸蔵合金容器の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分については同一符号を用いて説明する。
図１において、符号４で示されるものは全体形状が長手状をなす収納容器であり、この収納容器４内には複数のフィン３ａを有する複数の水素吸蔵合金ユニット７が長手方向Ａに沿って挿入されている。

前記各水素吸蔵合金ユニット７間には、膨張緩衝材２０が配設されており、この膨張緩衝材２０及び各水素吸蔵合金ユニット７の内孔７ａを貫通するように水素導入放出配管２が設けられている。
また、前記膨張緩衝材２０は、例えば、アルミニウムを使用したハニカム材料やＮｉの発泡材などが使用される。
前記水素導入放出配管２の先端２ａは前記収納容器４の内部に向けて開口しており、収納容器４内に水素を導入すると共に、内部の水素を放出することができるように構成されている。

次に、図２は図１で示した収納容器４を実際に外殻容器２１内に装着する場合を示している。
すなわち、収納容器４内に各水素吸蔵合金ユニット７を挿入する。水素吸蔵合金ユニット７は、収納容器４と密着性を確保するため、外周にスリットや切込み等の加工した構造を有するもの等が採用される。又、場合によっては、スポット等による溶接が行われる。このため、各水素吸蔵合金ユニット７と収納容器４とが一体状に接続される。

前述の溶接の完了した収納容器４は、その外周に熱媒配管１を有する伝熱ユニット８が設けられており、この収納容器４は外殻容器２１内に装着され、接続部２２がボルト２３によって締結されている。又、フランジを有しない外殻容器２１内に装着された後、溶接によってフタを取り付けることも可能である。

図３及び図４は、合金の種類や充填率などにより合金の膨張量が大きくなると想定される場合等は、収納容器４を密閉可能な構造とすることにより、収納容器４の各水素吸蔵合金ユニット７に合金を充填した合金充填状態で、外殻容器２１に挿入する前に合金に最初の水素を吸蔵させ合金の膨張により収納容器４を膨張させた状態を示すものである。この収納容器４に装填した状態で処理することを可能とすることにより、収納容器４の破損による不具合や伝熱ユニット８の膨張による破損や伝熱性の減少などを防止することが可能となる。尚、膨張させた状態は図３及び図４の点線で示している。

図５〜図７は、収納容器４内に装填される合金の合金充填率を大きくするのに伴い、水素吸蔵処理時の容器の塑性変形を伴う膨張量が大きくなることを実験的に調査した時の結果の例を概念的に示したものである。
また、その実験結果は図８に示すように、容器４の形状（ｔ／Ｄ＝板厚／容器径）と合金充填率に伴う合金収納容器膨張量の関係が得られることから、合金の充填率を向上させた合金充填容器の設計製作が可能となる。すなわち、容器４の許容される膨張量は、容器４の使用材料における許容塑性変形量により設定される。また、実験でｔ／Ｄ＝０．１程度のアルミニウム容器に、ＢＣＣ合金を充填率を約４５％〜５５％程度充填することにより、容器の膨張率は、数％〜約１０％程度破損することなく膨張し、使用可能なことが確認され、本特許の有効性が確認されている。尚、この収納容器４の材質としては強度及び伸びの大きい材料が適しており、例えば、ＳＵＳ３０４、ＡＬ６０００シリーズ等を挙げることができる。

本発明は、種種実験の結果、実用的容器寸法であるｔ／Ｄ＝０．０１〜０．２、長さは、〜数十メートルの範囲で有効である。
また、容器構造材、合金系に対し図８に示すように、容器の形状（ｔ／Ｄ＝板厚／容器径）合金充填率に伴う合金収納容器膨張量の関係を求めればよいことから、合金及び容器材料による制約なく有効である。
また、収納容器４に装着する伝熱ユニット８は、水素吸蔵合金ユニット７内に充填される水素吸蔵合金は水素吸蔵時の膨張と水素放出時に収縮すること、また水素吸蔵合金の種類や充填率などの条件により、水素吸蔵の回数に伴い合金充填部及び装着された収納容器４はこの水素吸蔵合金の膨張収縮や微粉化挙動に伴い、回数と共に膨張するか収縮する挙動が起きると考えられ、伝熱ユニット８の機能として伝熱媒体の供給ばかりではなく、この膨張収縮挙動に追従する最適な材料または装置を具備したものとなっている。
次に作用について説明する。本発明による収納容器４は、各水素吸蔵合金ユニット７間の膨張緩衝材２０の採用及び板厚と容器径の比の設定により、合金の種類や合金の充填率に伴う膨張量を前述のように制御可能な構造とすることにより、水素吸蔵合金に水素ガスを付加し水素吸蔵放出する時に発生する合金膨張を収納容器４の塑性変形を伴う拘束を付加することにより収納容器４の膨張を制御可能な量まで減少させ、収納容器４や伝熱ユニット８の変形による構造の信頼性や安全性を向上させるものである。

従って、塑性変形を可能とした合金充填部である各水素吸蔵合金ユニット７の内部に高密度に水素吸蔵合金を充填した後、複数のこの水素吸蔵合金ユニット７を収納容器４内に直接挿入する。次に、この収納容器４の外部に水素吸蔵放出に伴う発熱や吸熱に伴う熱の供給に必要となる伝熱ユニット８を装着する。この伝熱ユニット８の装填された収納容器４を外部及び内部の圧力や温度などの環境に対応可能とした外殻容器２１に挿入する。次に、この水素吸蔵合金ユニット７が挿入された収納容器４内部に水素ガスを封入し水素吸蔵合金に水素を収蔵させ、水素を合金に貯蔵放出可能な状態とする。この時水素ガスを吸蔵した水素吸蔵合金が膨張するため、水素吸蔵合金ユニット７を挿入した収納容器４及び収納容器４に装填された伝熱ユニット８は合金膨張と共に収納容器４により制御された状態で膨張するため、水素吸蔵合金ユニット７や伝熱ユニット８と収納する外殻容器２１が使用期間中に破損することはなくなるので、水素吸蔵合金の種類や合金充填率を多くでき、安全でかつ信頼性の高い運用が可能となる。
従って、合金の種類や充填率により、合金の膨張量が大きい場合等は、収納容器４により合金の膨張の制御に加え水素吸蔵合金ユニット７が膨張するような構造をとることや膨張可能な膨張緩衝材２０を配置することなどを行うことにより、最適な膨張制御を行うことが可能となる。

本発明は、水素吸蔵合金容器に限ることなく、多ブロック型の空気室又は水室を有する船体等に対しても適用可能である。

本発明による水素吸蔵合金容器の水素吸蔵合金ユニットを示す断面図である。図１の水素吸蔵合金容器を外殻容器に装着する工程（Ａ〜Ｃ）を示す工程図である。図１の収納容器の膨張状態を示す側断面図である。図１の収納容器の膨張状態を示す正面断面図である。図１の収納容器の合金充填率Ａの場合の膨張状態を示す説明図である。図１の収納容器の合金充填率Ｂの場合の膨張状態を示す説明図である。図１の収納容器の合金充填率Ｃの場合の膨張状態を示す説明図である。図５から図７の収納容器の合金充填率Ａ、Ｂ、Ｃの膨張量を示す特性図である。従来の水素吸蔵合金容器を示す断面図である。従来の水素吸蔵合金容器の他の形態を示す断面図である。従来の水素吸蔵合金容器の他の形態を示す断面図である。図１１の要部を示す拡大構成図である。図１２の水素吸蔵合金ユニットの側面図である。

符号の説明

２水素導入放出配管
３ａフィン
３ｂプレートフィン
４収納容器
５水素吸蔵合金
７水素吸蔵合金ユニット
８伝熱ユニット
１０水素吸蔵合金容器
２０膨張緩衝材

Claims

容器状をなす収納容器(4)内に長手方向(A)に沿って設けられた複数の水素吸蔵合金ユニット(7)と、前記各水素吸蔵合金ユニット(7)を貫通して設けられた水素導入放出配管(2)と、前記各水素吸蔵合金ユニット(7)間に位置する膨張緩衝材(20)と、前記収納容器(4)の外周に設けられた伝熱ユニット(8)とを備え、前記水素吸蔵合金ユニット(7)に設けられた水素吸蔵合金の膨張を前記膨張緩衝材(20)で吸収するように構成したことを特徴とする水素吸蔵合金容器。
前記伝熱ユニット(8)の外側に位置し前記収納容器(4)を収納するための外殻容器(21)を備えたことを特徴とする請求項１記載の水素吸蔵合金容器。
前記収納容器(4)の板厚(t)と容器径(D)の比(t/D)は０．０１〜０．２であることを特徴とする請求項１又は２記載の水素吸蔵合金容器。