JP2005506495A - 水素貯蔵媒体の燃料計 - Google Patents
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Abstract
水素ガス貯蔵容器（１０）は、水素ガスを注入・排出するための少なくとも１つの出入口（１４）を有するキャニスター（１２）から構成される。このキャニスター（１２）は、水素ガスを吸収・脱離する水素化物（１２０）を収容し、この水素化物内に残存する水素の容量を測るための計器（２０）を具備する。さらに水素化物（１２０）全体に水素を分布させるために、水素化物における効率的な水素ガスの分布を実現する多孔性マトリックスを水素化物内に設けることも可能である。計器（２０）は、さらに水素容量を測定するための複数のサブアセンブリを構成することが可能で、この場合各サブアセンブリの動作はそれぞれ、金属水素化物（１２０）の異なる特性に依存する。例えば水素容量を示すプラトー圧力に反応する圧力計（１３０）、水素化物（１２０）が密に収容される剛性チャンバーと協働して得られる水素容量を示す圧力変化を検知する圧電センサー（１１６）、あるいは水素化物（１２０）が収容されるチャンバー（４１２）と協働して水素容量を示す抵抗の変化を検知する抵抗センサー（４２０）などを適用することが可能である。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に水素貯蔵器に係り、特に大量の水素を低圧で貯蔵するために金属水素化物を用いる貯蔵器に係る。
【背景技術】
【０００２】
業務用及び商業用機器などの多くに水素が用いられるようになりつつあるという現状に対し、圧力ガスとして水素を貯蔵する従来技術における水素貯蔵法は、望ましくない危険を抱えていることが知られている。水素をガスとして貯蔵する場合、典型的には大型鉄製シリンダーにおいて高圧力（例えば２，０００ｐｓｉ）で実行される。
【０００３】
水素は液体として貯蔵されることも可能で、これは典型的には絶縁された容器において低温度で行われる。ここでは水素液が蒸発あるいは沸騰しないよう温度を低温に保つ必要があり、これにはエネルギーが要される。よって低温水素生成及び貯蔵は、貯蔵器を極低温に維持する必要性から非効率的である。
【０００４】
最近では水素化物として知られる金属化合物において水素を貯蔵する技術が注目されている。金属水素化物は低圧において少量で大量の水素を貯蔵することができる。水素化物を含む容器における水素の低圧貯蔵は比較的に安全であって、この場合に用いられる水素容器は水素ガスを貯蔵する容器とは著しく異なる構成を有することとなる。例えば、本願において参照により導入される特許文献１、特許文献２及び特許文献３中に、低圧水素化物貯蔵容器の構成例が記載されている。
【０００５】
また、本発明の譲受人は，“Ｅｒｇｅｎｉｃｓ ＳＴ−Ｓｅｒｉｅｓ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｕｎｉｔ”という名称で水素貯蔵容器を販売し、また上記水素貯蔵器は、同譲受人が製造する水素化物であるＨＹ−ＳＴＯＲ（登録商標）２０８水素化物合金などを用いる。上記貯蔵器及び水素化物合金についての詳細は、本願の譲受人のホームページｗｗｗ．ｅｒｇｅｎｉｃｓ．ｃｏｍに記載される。さらに水素化が可能な固形物を用いて水素を貯蔵する技術は、例えば特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９などにおいて開示される。
【０００６】
このような金属水素化物貯蔵器は、さまざまな産業／実験機器や環境に適用されうる。よって多様の適用に対応するためには、ユーザーにさまざまな容量の水素を的確に提供することのできる貯蔵システムが要求される。例えば上記のような小型貯蔵器は、一般的に研究所の実験などでの水素源として用いられる。これに対し、車両運搬システムや実用装置においてはより大量の水素を必要とするため、より大きな貯蔵器を用いることとなる。貯蔵器の大きさや容量に関わらず、水素ガスを迅速且つ簡単に使用でき、さまざまな環境条件の下で適正且つ的確に機能することができる貯蔵システムが要求されている。
【０００７】
また、水素貯蔵システムにおいては、必要に応じてユーザーが水素化物容器中の水素ガス量を測ることができるようになっているが、利用可能な水素ガスの量を測ることは困難であり、理想的には正確な計測が望まれるが、一般には計測の正確さが１５−３０％の範囲にあることが望まれている。
【０００８】
特に従来の金属水素貯蔵システムでは、その構造及び動作上、利用可能な水素ガスの量を正確に測ることが困難である。水素をガス状態で貯蔵するガス容器では、理想気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）から、利用可能な水素ガスを正確に推測することが可能である。これは温度が一定に保たれている場合は、水素の量が圧力に比例するからである。すなわち、ガス容器で水素を貯蔵する水素貯蔵システムにおいては、容量Ｖ及び温度Ｔは略一定であり、水素ガスの量ｎが上記システムから排出されている。ここで容器から取り出され使用される水素ガスの使用量（減少量）を水素量ｎとすると、これに比例して圧力の減少量Ｐが得られる。よって、ここでは圧力Ｐを正確に読むことで、容器内の利用可能な水素の量をかなり正確に推測することが可能である。
【０００９】
しかし、水素化物を利用する貯蔵容器の場合は、水素ガスが金属水素化物の格子構造に導入されているため、同容器に残存する利用可能な水素量が圧力Ｐに比例するという前提を適用することができない。したがって、容器内の水素を測定するために、一般内燃自動車における燃料計のような比較的高精度の計測器を具備する必要がある。
【特許文献１】
米国特許番号５，２５０，３６８
【特許文献２】
米国特許番号５，５３２，０７４
【特許文献３】
米国特許番号５，６２３，９８７
【特許文献４】
米国特許番号３，５０８，５１４
【特許文献５】
米国特許番号３，５１６，２６３
【特許文献６】
米国特許番号４，０３６，９４４
【特許文献７】
米国特許番号５，５１８，５２８
【特許文献８】
米国特許番号５，６９７，２２１
【特許文献９】
米国特許番号５，９０６，７９２
【特許文献１０】
米国特許番号４，３９６，１１４
【発明の開示】
【００１０】
よって本願は、ガスを注入・排出するための開口を少なくとも１つ有し、水素ガスを吸収・脱離することができる金属水素化物を収容するキャニスターを具備する水素ガス貯蔵容器と、前記水素化物に残存する水素の容量を測るための燃料計とから構成されることを特徴とする水素ガス貯蔵容器を提案する。さらに、水素を水素化物全体に分布させるために、多孔性のマトリックスを前記金属水素化物に配置し、前記水素化物における効率的な水素の分布を実現させることも可能である。さらに、前記燃料計は、水素の容量を測定するためのサブアセンブリを有することが可能で、種々の原理に基づくことが可能である。例えば、前記燃料計は、水素容量を示すプラトー圧力を提供する圧力計や、水素化物が密接に詰まった剛性チャンバーと共働して水素容量を示す圧力差分を提供する圧電センサーや、水素化物が詰まったチャンバーと共働して水素容量を示す抵抗差分を提供する抵抗センサーを適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る水素ガス貯蔵器１０を示す。この水素貯蔵器１０は、通常スチールあるいはアルミのボトルからなり、水素を貯蔵するための水素化物を収容する貯蔵キャニスター１２を具備する。このキャニスター１２は例えば
【特許文献１０】
において開示されるような構成を有することが可能である。さらに、この水素貯蔵器１０は、開口部１４を有し、この開口部１４から上記キャニスター１２に水素が注入・排出される構成となっている。周知のように、開口部１４は、密封弁１６によって封じられ、ノブ１５によって制御される。すなわちノブ１５を回転させ封止位置におくことによって弁１６は閉鎖され、この弁１６は、キャニスター１２が、同キャニスター１２に貯蔵される水素を用いる燃料電池や、ニッケル水素電気機械セル、水素燃焼エンジンなど、他の接続デバイス（非図示）に接続されていない限り閉鎖されたままである。この弁１６は、流体出入口１８を有し、この流体出入口１８が水素注入接続デバイスあるいは水素排出接続デバイスのいずれかに直接接続される場合に限り、同流体出入口１８を介して水素が注入／排出される。この実施例では、上記弁１６に流体連絡部材２２を介して燃料計２０が付設される。この燃料計２０は、例えば以下に示されるいくつかの実施例の構成のうちの１つを適用することができる。 次に、図１及び図３を参照すると、図３は燃料計２０の斜視図を示す。この燃料計２０は、弁１６との接続を実現するための流体連絡部材２２を有する。すなわちこの流体連絡部材２２は、キャニスター１２に含まれる水素の圧力を示すために燃料計本体２４と弁１６とを流体連絡させる。燃料計本体２４としては、標準的な水素圧力計を適用することが可能である。この燃料計／圧力計２０はさらに前面３２を有し、ここで表示部がキャニスター１２内の水素の圧力を表示する。この表示部は、例えば図示されるような針３０から構成されることができる。
【００１２】
この燃料／圧力計２０の前面３２は、複数のスケール（尺度）を有するという点において他の圧力計と異なる。この詳細については以下において図２を参照しながら説明する。キャニスター１２内に残存する水素の量を正確に測るためにはいくつかのスケールが必要である。水素化の分野では周知であるように、水素化物に貯蔵される水素ガスの圧力は、水素化物を用いない一般的な貯蔵器の場合のようにキャニスター１２内の水素の圧力に直接対応するわけではない。さらに、水素化／脱水素化処理の特徴として、キャニスター１２内の水素化物及び水素ガスの温度によってキャニスター１２内の利用可能な水素ガスの量として示される量が異なる。
【００１３】
次に、図２は、水素化物の水素容量Ｍを水素ガスのキャニスター１２内の圧力ＰＨＳに対応させたグラフを示す。水素化物の特徴から、水素ガスを注入し出した初期の段階においては多くの水素が水素化物によって吸収される必要がある。水素ガスが水素化物によって吸収されていくにつれて、キャニスター１２内の圧力が水素化物に吸収された水素とキャニスター１２内を自由に浮遊する水素ガスとの間の平衡圧力に達する。キャニスター１２内にさらに加圧水素を注入しつづけると、プラトー圧力として知られる圧力平衡曲線におけるある点に達するまで注入された水素は水素化物によって低速で吸収されていく。
【００１４】
図２は、等温線４０、４２、及び４４それぞれのプラトー圧力を示す。定温２０℃での圧力を示す等温線４０におけるプラトー圧力は点５０付近から点５２付近までの間にある。以下においてこの等温線４０を例にとって、水素ガスの圧力が上昇するにつれてキャニスター１２内にさらに加圧水素ガスが導入される圧力により吸収される水素の量が変化する様子を説明する。等温線４０における点５０と点５２との間の等温線カーブの平坦部は水素化の分野においては一般的にプラトー圧力として知られ、このプラトー圧力によって本発明の実施例による効果が得られる。
【００１５】
等温線４０のプラトー圧力から、水素化物への水素ガスの吸収が最も速いのはプラトーにおける圧力の上昇が遅い間、つまり点５０と点５２の間であることがわかる。等温線４０，４２，４４ではプラトー圧力において水素容量が大幅に増加する。よって燃料計をこのプラトー圧力帯付近における圧力の変化に機敏に反応するようにキャリブレーションすることによりキャニスター１２内の水素化物に含まれる水素の容量を比較的正確に示すことができるようになる。
【００１６】
図２に示す、異なる温度での水素化物による水素ガスの吸収は、温度をそれぞれ一定に保った中で平衡圧力の等温線を測定することによって得られる。一方キャニスター１２内の水素ガスの圧力を一定値に保った中では、図２における一定圧力Ｐ１の例で示されるように、水素化物の水素容量Ｍは、温度が低くなるにつれて上昇する。つまり温度が等温線４４（３０℃）から等温線４２（２５℃）に低下すると、水素容量はＭ１からＭ２へと増加する、そして温度がさらに等温線４０（２０℃）へと低下した場合、水素容量はさらにＭ３に増加する。逆に一定の容量（例えばＭ１）においては、温度が高いほど平衡圧力が高い。これは圧力を一定に保って温度を上昇させた場合水素化物の温度が上昇し、水素化物が吸収していた水素が脱離し、その結果キャニスター１２内の圧力が上昇するためである。さらに図２のグラフから明らかであるように、圧力計の各等温線４０，４２，４４におけるプラトー圧力領域内の圧力Ｐ１直下の圧力に対する感性の向上及びキャリブレーションにより、残存容量がより正確に測ることが可能である（容量はより小さな圧力差分により変化するにもかかわらず）。
【００１７】
しかし図２に示されるプラトー圧力は、この圧力が基準とする水素ガスの容量や特定温度において得られる平衡点については示唆しない。図２における一定圧力Ｐ１は、キャニスター１２におけるそれぞれ異なる温度及びキャニスター１２内の水素化物によって水素容量Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を示す。すなわち同一の圧力Ｐ１が、大小複数の水素化物内の水素量を示すこととなる（値Ｐ１がそれぞれの等温線４０，４２，４４と交差する点の値がＭ１，Ｍ２，Ｍ３であることから）。
【００１８】
したがってキャニスター１２内の温度と燃料計２０によって示される圧力との対応付けが必要となる。つまり圧力から水素容量Ｍを正確に示すためにキャニスター１２内の温度を把握し、この温度に基づいて圧力を測定する。再び図３を参照すると、燃料計２０の前面３２はそれぞれ異なる温度に対応する複数のスケール３４、３６、及び３８を有する。また前面３２には温度反応ストリップ３９が設けられ、この温度反応ストリップ３９が変色によりシステム１０における温度を示すことができる。例えばこのストリップ３９が青、緑、赤へと変色することによりそれぞれ２０℃、２５℃、３０℃と異なる温度を示すことができる。等温線４０を例にとって説明すると、針３０によって示される圧力Ｐ１は、温度２０℃では、平衡圧力等温線がキャニスター１２内の水素容量が容量Ｍ３であることを示し、圧力量のキャリブレーションによりスケール３４は容量Ｍ３が、水素化物における水素が満容量に対応することを示す。また、ストリップ３９が青であることにより、システム１０内の温度が２０℃であることがわかる。したがって燃料計２０を読んでいる者は、温度２０℃に対応するスケール、すなわちスケール３４を参照して、キャニスター１２に残存する水素の容量を測ればよい。
【００１９】
また、ストリップ３９が緑である場合、観測者は、２５℃の等温線に対応するスケール３６が現存の燃料の容量を示していることを認識し、この容量が半分であることを認識できる。また、ストリップ３９が赤を示す場合、すなわち３０℃に対応するスケールを参照するよう示唆する場合、観測者は３０℃に対応スケール３８を参照すべきであることを認識し、水素の容量が空に近いことを認識できる。
【００２０】
図４は、本発明における又別の実施例に係る燃料計１３０の前面１３２を示す。同図においては、図３の燃料計２０のように複数のスケールを設ける代わりに、任意の場面において１つのスケールのみが可視表示され、可視表示されるスケールが現在の温度に左右される構成となる。ここでは図３のストリップ３９に用いられるような温度反応材料（コネチカット州スタンフォードのＯｍｅｇａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社のものなど）からなるストリップが、本実施例による燃料計３０の前面１３２の適正箇所に設けられる。燃料計１３０における各スケール１３４，１３６、１３８及び１４０はそれぞれの適正温度に応じて観測者にとって容易に視覚可能な状態で表示される。例えば、温度が２０℃であった場合、青いスケール１３４が表示され、他のスケールは暗くされるかあるいは暗い色で示される。すなわち温度２０℃に対するスケール１３４の温度反応性によりスケール１３４のみが明るく表示され、容易に視覚可能な状態となり、観測者は前面１３２において温度２０℃に対応するスケール１３４のみを参照すべきであることを認識する。同様に、他のスケール１３６，１３８、及び１４０もそれぞれ対応する温度（例えば２５℃、３０℃、３５℃）に反応して点灯するなどして明るく表示される。図４の前面１３２においてこれら他のスケールはそれぞれ点線で示されている。本実施例では、温度に対応して燃料計１３０の前面１３２における適正箇所のみが観測者にとって視覚可能な状態に表示されるため、確実に温度に対応する適正なスケールが参照されることとなる。
【００２１】
また、本発明の別の仕様においては、図５に示されるように貯蔵キャニスター１１２が燃料計１１６の挿入部を構成する部分１１４を有する。図５に示されるように好ましくは、この燃料計１１６は、キャニスター１２の底部に隣接して配置されるこの部分１１４に挿入される。また、この燃料計１１６はキャニスター１１２の側面に配置されることも可能である（非図示）。
【００２２】
図６は上記実施例による燃料計１１６の詳細図である。燃料計１１６は、水素化合金１２０を保持するチャンバー１２２を構成する容器１１８を具備する。容器１１８は好ましくはスチールやその他温度の上昇により膨張しにくい剛性材料からなる。水素化合金１２０はチャンバー１２２内において同チャンバー１２２の長さ方向１２１にのみ膨張することができるように保持される。容器１１８は、この長さ方向に方向付けされ、水素化合金１２０を収容するチャンバー１２２から構成される。この水素化合金１２０は好ましくはキャニスター１１２に含まれる水素化物と同じ材料である。
【００２３】
周知であるように、合金の水素化／脱水素化において、合金は水素の吸収／脱離に応じて伸縮する。例えば水素の吸収過程、つまり容量ゼロから容量フルになるまでの過程において合金の容量は１０〜２５％程度膨張しうる。この水素化合金は好ましくは長さ方向に延びる容器に収容される。この容器の形状により合金の膨張現象が拡大して見られる。したがって、特定の合金において水素容量が増加する際に、合金の水素吸収量によって膨張圧力の大小が決定される。
【００２４】
水素化合金１２０が水素を吸収し、キャニスター１１２内の合金によって吸収される水素の量を示すためには、キャニスター１１２内の圧力と同等の圧力で水素を連絡提供する手段が備えられることが好ましい。よって図６に示されるように、キャニスター１１２とチャンバー１２２との間には、穴あきスクリーン（非図示）や開口部１２６などの連絡手段が設けられる。以下に示す実施例においては、図５の挿入部１１４の構成例を説明する。これらの実施例はキャニスター１１２内に残存する水素の容量を示すそれぞれの圧力反応手段により特徴付けられる。
【００２５】
まず、図６に示されるチャンバー１２２を適用する構成における一実施例では、燃料計１４０がダイヤフラム１５０に接続されこれと直接協働する。この燃料計１４０は、同図に示されるような前面１４２に１つのスケールを有し、針１４４によりチャンバー１２２内の合金の膨張量を示す一般的な燃料計でよい。前面１４２は、例えばキャニスター１１２の壁に設けられる挿入部１１４の寸法・形状と一致する寸法・形状を有する。この実施例において、キャニスター１１２内に残存する水素の容量を計測するには、前面１４２における金属水素化物の膨張量を示す針１４４を参照すればよく、この金属水素化物の膨張量はおおよそ残存水素の容量に対応する。
【００２６】
ここで前面１４２が１つのスケールを適用するのは、収容される金属水素化物の物理的容量の拡大は、この水素化物に含まれる水素の量によって大きく左右されるのであって、水素化物の温度によってはさほど左右されないからである。つまり水素化物の容量拡大の要因として水素吸収量の影響が重要であるため、温度による拡大効果は無視することができる。しかし、温度の上昇による金属水素化物の容量拡大を考慮するより的確な測定が望まれる場合は、図３、図４における前面３２，１３２と同様に前面１４２にもキャリブレーション・スケールを設けることが可能である。
【００２７】
容器１１８のダイヤフラム１５０（図６参照）は、キャニスター１１２の開口部を密封し、流体あるいは気体を遮断する。このダイヤフラム１５０は直接的あるいは間接的に方向１２１に拡張可能な水素化物１２０と接触する。水素化物１２０の方向１２１以外への拡張は容器１１８の剛性側壁によって制約されている。よって水素化物１２０を的確に詰めることによりこの拡張はすべて方向１２１によって示される長さ方向において反映される。ここで水力動作の原理を適用して、ダイヤフラム１５０によって覆われる開口１５２の小さな口径が、水素化物１２０の１０〜２５％容量拡大をダイヤフラム１５０に作用する強力縦長衝動圧力に変換する。このダイヤフラム１５０はポスト１５６によって燃料計１４０に接続され、このポスト１５６の縦長変位が針１４４を金属水素化物１２０における水素容量の的確に示す位置へと導く。
【００２８】
金属水素化物１２０の水素吸収特性をキャニスター１１２内の金属水素化物の水素吸収特性と一致させるために、好ましくは金属水素化物１２０としてはキャニスター１１２内の金属水素化物と同様のものを適用する。つまり、水素化物１２０をうまくパッキングし、流体連絡管１２６を介して導入される水素ガスを効果的に分散することによりキャニスター１１２内と同様の水素吸収が実現され、これにより同様の水素化物容量の拡大が実現される。こうして比較的正確なキャニスター１１２内の水素の容量の測定が可能となる。
【００２９】
また、チャンバー１２２内にはキャニスター１１２内の水素化物よりも拡張しやすい合金材料を用いることも可能である。つまり、キャニスター１２内に収容される一般水素化物よりも膨張する金属水素化物合金を使用することによりチャンバー１２２における水素化物の容量のより大幅な相対変動が実現される。よって前面１４２のスケールをより正確に読み取ることが可能となる。２種類の水素化物が用いられた場合、それぞれの水素化物のプラトー圧力が対応付けられていることを十分確認したうえでスケールのキャリブレーションを行う必要がある。
【００３０】
次に図７を参照してまた別の実施例に係る容器２１８の構成を説明する。図７に示される容器２１８は、図５のキャニスター１１２の部分１１４に挿入されうるような形状及び寸法を有し、剛性壁部２１９、開口２２２、金属水素化物２２０から構成される。金属水素化物２２０は、キャニスター１１２内の水素化物と同様の材料であってよい。またこの容器２１８の剛性壁部２１９が硬質であると同時に水素ガスを通す多孔質の材料からなる場合は、流体連絡管が不要となる。これは上述の実施例においても同様である。このような構成により、チャンバー２１８においてより効率的で均等な水素の分布が得られ、水素ガスが金属水素化物２２０によってより均等に吸収されうる。これにより連続的膨張特性が実現される。
【００３１】
なお、本発明の燃料計における表示手段は、上述のものに限定されるものではない。例えば、ダイヤフラムが電子圧力インジケータなど必要な情報を提供できる指示手段と結合されてもよい。図７において容器２１８は、圧力反応プラスチックからなるダイヤフラム２４０を有し、この圧力反応プラスチックのダイヤフラム２４０は例えば容器２１８内の圧力量によって青から赤へと変色する。この圧力反応プラスチックのダイヤフラム２４０は、金属水素化物２２０に対向してガラスカバー２４２及びねじ込みベゼル２５０により固定されうる。このねじ込みベゼル２５０は、定位置にねじ込まれることによりガラスカバー２４２に突き当たり、開口２２２を密封し、水素ガスがキャニスター１１２外へ流出することを防ぐ。
【００３２】
圧力反応プラスチックのダイヤフラム２４０は、チャンバー２２０内の水素化物２２０によって及ぼされる長手方向の圧力量によって変色する特性を有する。例えば、このダイヤフラムは、多くの水素が水素化物から排出され、水素化物の膨張が見られない状態である場合は青色を示すよう設定されうる。また、水素の容量がおおよそ半分（１／２）である場合、つまり図２におけるプラトー圧力付近の圧力が検出された場合は、緑色を示すよう設定されうる。また、水素化物に水素がフルに吸収されていてこれ以上水素を吸収することができない状態である場合、赤色を示すように設定しうる。なお、ダイヤフラム２４０に圧力を及ぼす水素化物が水素化物２２０によって及ぼされる長手方向の圧力によって影響されることはいうまでもない。また容量拡大圧力はチャンバー２２２内の水素ガスによって及ぼされるガス圧力よりも大きいことが配慮される。したがってベゼル２５０のねじ調整などでキャニスター１１２内の水素化物の水素容量に対するダイヤフラム２４０の変色規則をさらに校正するための手段が必要な場合もありうる。
【００３３】
次に図８を参照して、本発明によるまた別の実施例に係る燃料計３１０の構成を説明する。この燃料計３１０はキャニスター３１２及びポート３１４を有し、このポート３１４を介してリード線３１６，３１８はキャニスター３１２へと延びる。リード線３１６及び３１８はそれぞれキャニスター３１２内の状態を検知する状態センサーに接続される。例えばリード線３１６は、キャニスター３１２内に配置される圧力変換器（非図示）に接続され、この圧力変換器は、キャニスター３１２内の水素ガス圧力を検知するか、より好ましくはキャニスター３１２内に配置される圧電変換器３２０が検知する圧力を検知する。この圧力変換器は直接水素ガス圧力を読み取るか、あるいは容器２１８（図６）同様に容器（非図示）を有し、その中に収容される水素化物の及ぼす圧力に反応する構成にすることも可能である。いずれの場合においても、変換器３２０は、圧力値に対応する電気信号を生成し、これをプログラム可能論理回路（ＰＬＣ）あるいはマイクロプロセッサ３３０に伝送する。このマイクラオプロセッサ３３０は好ましくはキャニスター３１２の外側に配置され、上記信号は線３２６を介して伝送される。
【００３４】
リード線３１８は、キャニスター３１２内に配置され、例えば熱電対あるいは抵抗温度計検出器（ＲＴＤ）などから構成される温度センサー３２２に接続される。この温度センサー３２２はリード線３１８を介して信号を生成し、この信号は線３２８を介して中央プロセッサ３３０に伝送される。
【００３５】
プロセッサ３３０はセンサー３２０，３２２から伝送された信号を受信し、これらを所定のアルゴリズムを用いて電子操作し、キャニスター３１２内の水素容量の値を演算する。この演算値はアナログ値あるいはより好ましくはデジタル値であり、プロセッサ３３０に接続されるディスプレイ３３２によって表示されうる。また、プロセッサ３３０の代わり又はこれと共にセンサー３２０及び３２２によって検知される圧力及び温度の値をそれぞれ独自に検証し、水素容量ディスプレイ３３２が適正なデータを示していることを確認することができる。また、ユーザーが例えば参照テーブルなどを用いてディスプレイ３３６，３３８に示されるリード線３１６，３１８それぞれからのデータに基づいて水素容量を独自に求めることもできる。
【００３６】
また、圧力及び温度の値自体を例えばディスプレイ３３６、３３８に表示することも可能である。つまりディスプレイ３３６にはキャニスター３１２内の水素ガス圧力あるいはより好ましくはキャニスター３１２内の電圧変換器３２０によって検知される電圧力が表示され、ディスプレイ３３８にはキャニスター３１２内の温度が表示されることも可能である。リード線３１６，３１８はセンサーポート３１４に常に取り付けられるか、あるいはこれらリード線は脱着可能に設けられ、キャニスター３１２の状態の情報が求められる際にポート３１４に取り付けられる携帯マイクロプロセッサ３３０を有す構成とすることが可能である。
【００３７】
図９及び図１０は本発明の更なる実施例を示す。本実施例による水素貯蔵器４１０は、貯蔵キャにスター４１２を有し、この貯蔵キャニスター４１２の側面には挿入部４１４は設けられる。なお、この挿入部４１４の配設位置はキャニスター４１２の側面に限らず例えば図５のように底面に配置するかあるいは弁４１６に配置することも可能である。挿入部４１４は、キャニスター４１２内の抵抗部材４２０との電気的接続を実現するための絶縁リード線４１８のためのポートを有する。この詳細については後ほど図１０を参照して説明する。
【００３８】
キャニスター４１２の外部においてリード線４１８は電気抵抗を計測するデバイス４４０に電気的に接続される。このデバイス４４０は例えば抵抗あるいは水素容量を示すディスプレイ４４２を具備しうる。この水素容量は、デバイス４４０内の論理制御回路４４４において校正アルゴリズムを用いてキャニスター４１２内からリード線４１８を介して受信された電気抵抗信号から計算されうる。またリード線４１８は、形態可能な独立抵抗計測デバイス４４０に適用することも可能である。この場合リード線４１８は例えば電気コンセントの構造に似た挿入部４１４内に配置される電気挿入口（非図示）に一時的に挿入される。この構成により、ユーザーは計測デバイス４４０を携帯し、リード線４１８を挿入し、水素容量を計測した後、リード線４１８を挿入口から抜いて、他の貯蔵器４１０をモニターすることができる。
【００３９】
本本実施例による貯蔵器４１０は、水素化物のさらに別の特性である抵抗の増加と水素容量の増加との相関関係に基づいて動作する。この抵抗と容量との直接的相関関係は決定的には確立されていないものの、適切な校正を行えばこの相関関係は水素容量を正確に計測するのには十分な滑性を有する。すなわち抵抗の増加に対する水素化物の容量の増加が既知の相関関係に基づくため、水素化物の局部電気抵抗を空水素容量の値を得ることが可能である。本発明において適用対象とされている金属水素化物においての抵抗は、水素化物が水素を含まない場合の値と水素化物の水素含有量が飽和点付近にある場合の値との間で２００％もの変動がありうる。
【００４０】
図１０は、図９における抵抗部材４２０の断面図を示す。抵抗部材４２０はキャニスター４１２内に配置され、挿入部４１４から挿入される電気リード線４１８を介して電気信号を外部へ伝送する。電気リード線４１８はそれぞれ内部チャンバー４２４内に配置される端子４２２によって終端される。この内部チャンバー４２４には水素化物４３０が密接に詰められていて、好ましくは円柱を形成する円柱側壁部４２６及び端壁部４２８を有し、端子４２２は互いに離れた位置にあって、両端にある端壁部４２８のそれぞれに隣接して配置される。なお、この内部チャンバー４２４の形状は円柱形とどまらず、例えば六角柱や四角柱など他の形状にすることも可能である。
【００４１】
チャンバー４２４の壁部４２６，４２８は水素ガスを透過する電気絶縁材料からなり、例えば、デラウェア州ウィルミントンに本拠地を置くＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ社製のテフロン（登録商標）を用いることが可能である。壁部４２６，４２８を水素透過性材料で構成することにより、チャンバー４２４内の水素化物４３０が自由且つ均等に水素を吸収・脱利することが可能になる。また端子４２２巻の距離を所定距離に設定することにより、所定サイズのチャンバー４２４において端子間における所望の抵抗が得られる。
【００４２】
チャンバー４２４には粉末状の水素化物４３０が所定密度で詰められていて、これによって水素化物４３０の水素容量によって変化する抵抗が所定の抵抗レベルに設定される。また、貯蔵器４１０における水素化物の水素容量を統一させるために、この水素化物４３０は好ましくはキャニスター４１２に含まれる水素化物と同様のものである。これによりキャニスター４１２内の水素化物の水素容量を正確に読み取ることが可能になる。
【００４３】
動作時には、実質的にキャニスター４１２内の水素化物の抵抗と同等である端子４２２間の抵抗を示す信号が抵抗部材４２０から伝送される。この信号は抵抗計測デバイス４４０に送られ、ここで論理制御回路４４においてアクセスされる校正アルゴリズムを用いて信号が分析され、キャニスター４１２内の金属水素化物の水素容量が測定される。この実施例では、抵抗計測デバイス４４０が水素を吸収することができるため、デバイス４４０によって占有される空間が無駄にされず水素貯蔵にも活用されうるという利点がある。
【００４４】
そのほかにも同業者は本願において開示される範囲に基づき多くの変形例を容易に着想することが可能であろう。例えば、本願の実施例で開示されるセンサー及び／又は色指示部の組み合わせを変更することが可能であり、また本願の実施例では詳細に説明されない他の状態を検知するセンサーを適用することも可能である。例えば、重量センサーなどをキャニスターの内部あるいは外部に配置することも可能である。重量センサーが外部に配置された場合は、ボトルや弁の風袋重量を用いて水素容量の別あるいは補足的な計測値が提供されうる。水素化物などの物質のホール効果計は、水素容量の増加に伴いその物質の電磁特性を変更することが知られている。したがって、磁場を誘発し、水素化物の電圧などの電気特性を検知するセンサーなどが容器に収容される水素化物の水素容量の計測に用いられることも考えられる。なお、正確な計測を実現するには、物質の既知の特性に基づく適正な校正が必要となる。
【００４５】
なお、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されうるのであって、上記の実施例は本発明の具体的適用例を示しているに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素貯蔵器の正面図である。
【図２】異なる温度の中での水素の容量と圧力の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料計の斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料計の表示部の図である。
【図５】本発明の又異なる実施形態を示す図である。
【図６】図５に示される水素貯蔵容器の表示部の詳細図である。
【図７】図５の実施形態の変形例を示す図である。
【図８】本発明の又異なる実施形態に係る燃料計システムを示す図である。
【図９】本発明の又異なる実施形態を示す図である。
【図１０】図９に示される水素貯蔵容器の断面図である。
【０００１】
本発明は一般に水素貯蔵器に係り、特に大量の水素を低圧で貯蔵するために金属水素化物を用いる貯蔵器に係る。
【背景技術】
【０００２】
業務用及び商業用機器などの多くに水素が用いられるようになりつつあるという現状に対し、圧力ガスとして水素を貯蔵する従来技術における水素貯蔵法は、望ましくない危険を抱えていることが知られている。水素をガスとして貯蔵する場合、典型的には大型鉄製シリンダーにおいて高圧力（例えば２，０００ｐｓｉ）で実行される。
【０００３】
水素は液体として貯蔵されることも可能で、これは典型的には絶縁された容器において低温度で行われる。ここでは水素液が蒸発あるいは沸騰しないよう温度を低温に保つ必要があり、これにはエネルギーが要される。よって低温水素生成及び貯蔵は、貯蔵器を極低温に維持する必要性から非効率的である。
【０００４】
最近では水素化物として知られる金属化合物において水素を貯蔵する技術が注目されている。金属水素化物は低圧において少量で大量の水素を貯蔵することができる。水素化物を含む容器における水素の低圧貯蔵は比較的に安全であって、この場合に用いられる水素容器は水素ガスを貯蔵する容器とは著しく異なる構成を有することとなる。例えば、本願において参照により導入される特許文献１、特許文献２及び特許文献３中に、低圧水素化物貯蔵容器の構成例が記載されている。
【０００５】
また、本発明の譲受人は，“Ｅｒｇｅｎｉｃｓ ＳＴ−Ｓｅｒｉｅｓ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｕｎｉｔ”という名称で水素貯蔵容器を販売し、また上記水素貯蔵器は、同譲受人が製造する水素化物であるＨＹ−ＳＴＯＲ（登録商標）２０８水素化物合金などを用いる。上記貯蔵器及び水素化物合金についての詳細は、本願の譲受人のホームページｗｗｗ．ｅｒｇｅｎｉｃｓ．ｃｏｍに記載される。さらに水素化が可能な固形物を用いて水素を貯蔵する技術は、例えば特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９などにおいて開示される。
【０００６】
このような金属水素化物貯蔵器は、さまざまな産業／実験機器や環境に適用されうる。よって多様の適用に対応するためには、ユーザーにさまざまな容量の水素を的確に提供することのできる貯蔵システムが要求される。例えば上記のような小型貯蔵器は、一般的に研究所の実験などでの水素源として用いられる。これに対し、車両運搬システムや実用装置においてはより大量の水素を必要とするため、より大きな貯蔵器を用いることとなる。貯蔵器の大きさや容量に関わらず、水素ガスを迅速且つ簡単に使用でき、さまざまな環境条件の下で適正且つ的確に機能することができる貯蔵システムが要求されている。
【０００７】
また、水素貯蔵システムにおいては、必要に応じてユーザーが水素化物容器中の水素ガス量を測ることができるようになっているが、利用可能な水素ガスの量を測ることは困難であり、理想的には正確な計測が望まれるが、一般には計測の正確さが１５−３０％の範囲にあることが望まれている。
【０００８】
特に従来の金属水素貯蔵システムでは、その構造及び動作上、利用可能な水素ガスの量を正確に測ることが困難である。水素をガス状態で貯蔵するガス容器では、理想気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）から、利用可能な水素ガスを正確に推測することが可能である。これは温度が一定に保たれている場合は、水素の量が圧力に比例するからである。すなわち、ガス容器で水素を貯蔵する水素貯蔵システムにおいては、容量Ｖ及び温度Ｔは略一定であり、水素ガスの量ｎが上記システムから排出されている。ここで容器から取り出され使用される水素ガスの使用量（減少量）を水素量ｎとすると、これに比例して圧力の減少量Ｐが得られる。よって、ここでは圧力Ｐを正確に読むことで、容器内の利用可能な水素の量をかなり正確に推測することが可能である。
【０００９】
しかし、水素化物を利用する貯蔵容器の場合は、水素ガスが金属水素化物の格子構造に導入されているため、同容器に残存する利用可能な水素量が圧力Ｐに比例するという前提を適用することができない。したがって、容器内の水素を測定するために、一般内燃自動車における燃料計のような比較的高精度の計測器を具備する必要がある。
【特許文献１】
米国特許番号５，２５０，３６８
【特許文献２】
米国特許番号５，５３２，０７４
【特許文献３】
米国特許番号５，６２３，９８７
【特許文献４】
米国特許番号３，５０８，５１４
【特許文献５】
米国特許番号３，５１６，２６３
【特許文献６】
米国特許番号４，０３６，９４４
【特許文献７】
米国特許番号５，５１８，５２８
【特許文献８】
米国特許番号５，６９７，２２１
【特許文献９】
米国特許番号５，９０６，７９２
【特許文献１０】
米国特許番号４，３９６，１１４
【発明の開示】
【００１０】
よって本願は、ガスを注入・排出するための開口を少なくとも１つ有し、水素ガスを吸収・脱離することができる金属水素化物を収容するキャニスターを具備する水素ガス貯蔵容器と、前記水素化物に残存する水素の容量を測るための燃料計とから構成されることを特徴とする水素ガス貯蔵容器を提案する。さらに、水素を水素化物全体に分布させるために、多孔性のマトリックスを前記金属水素化物に配置し、前記水素化物における効率的な水素の分布を実現させることも可能である。さらに、前記燃料計は、水素の容量を測定するためのサブアセンブリを有することが可能で、種々の原理に基づくことが可能である。例えば、前記燃料計は、水素容量を示すプラトー圧力を提供する圧力計や、水素化物が密接に詰まった剛性チャンバーと共働して水素容量を示す圧力差分を提供する圧電センサーや、水素化物が詰まったチャンバーと共働して水素容量を示す抵抗差分を提供する抵抗センサーを適用することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る水素ガス貯蔵器１０を示す。この水素貯蔵器１０は、通常スチールあるいはアルミのボトルからなり、水素を貯蔵するための水素化物を収容する貯蔵キャニスター１２を具備する。このキャニスター１２は例えば
【特許文献１０】
において開示されるような構成を有することが可能である。さらに、この水素貯蔵器１０は、開口部１４を有し、この開口部１４から上記キャニスター１２に水素が注入・排出される構成となっている。周知のように、開口部１４は、密封弁１６によって封じられ、ノブ１５によって制御される。すなわちノブ１５を回転させ封止位置におくことによって弁１６は閉鎖され、この弁１６は、キャニスター１２が、同キャニスター１２に貯蔵される水素を用いる燃料電池や、ニッケル水素電気機械セル、水素燃焼エンジンなど、他の接続デバイス（非図示）に接続されていない限り閉鎖されたままである。この弁１６は、流体出入口１８を有し、この流体出入口１８が水素注入接続デバイスあるいは水素排出接続デバイスのいずれかに直接接続される場合に限り、同流体出入口１８を介して水素が注入／排出される。この実施例では、上記弁１６に流体連絡部材２２を介して燃料計２０が付設される。この燃料計２０は、例えば以下に示されるいくつかの実施例の構成のうちの１つを適用することができる。 次に、図１及び図３を参照すると、図３は燃料計２０の斜視図を示す。この燃料計２０は、弁１６との接続を実現するための流体連絡部材２２を有する。すなわちこの流体連絡部材２２は、キャニスター１２に含まれる水素の圧力を示すために燃料計本体２４と弁１６とを流体連絡させる。燃料計本体２４としては、標準的な水素圧力計を適用することが可能である。この燃料計／圧力計２０はさらに前面３２を有し、ここで表示部がキャニスター１２内の水素の圧力を表示する。この表示部は、例えば図示されるような針３０から構成されることができる。
【００１２】
この燃料／圧力計２０の前面３２は、複数のスケール（尺度）を有するという点において他の圧力計と異なる。この詳細については以下において図２を参照しながら説明する。キャニスター１２内に残存する水素の量を正確に測るためにはいくつかのスケールが必要である。水素化の分野では周知であるように、水素化物に貯蔵される水素ガスの圧力は、水素化物を用いない一般的な貯蔵器の場合のようにキャニスター１２内の水素の圧力に直接対応するわけではない。さらに、水素化／脱水素化処理の特徴として、キャニスター１２内の水素化物及び水素ガスの温度によってキャニスター１２内の利用可能な水素ガスの量として示される量が異なる。
【００１３】
次に、図２は、水素化物の水素容量Ｍを水素ガスのキャニスター１２内の圧力ＰＨＳに対応させたグラフを示す。水素化物の特徴から、水素ガスを注入し出した初期の段階においては多くの水素が水素化物によって吸収される必要がある。水素ガスが水素化物によって吸収されていくにつれて、キャニスター１２内の圧力が水素化物に吸収された水素とキャニスター１２内を自由に浮遊する水素ガスとの間の平衡圧力に達する。キャニスター１２内にさらに加圧水素を注入しつづけると、プラトー圧力として知られる圧力平衡曲線におけるある点に達するまで注入された水素は水素化物によって低速で吸収されていく。
【００１４】
図２は、等温線４０、４２、及び４４それぞれのプラトー圧力を示す。定温２０℃での圧力を示す等温線４０におけるプラトー圧力は点５０付近から点５２付近までの間にある。以下においてこの等温線４０を例にとって、水素ガスの圧力が上昇するにつれてキャニスター１２内にさらに加圧水素ガスが導入される圧力により吸収される水素の量が変化する様子を説明する。等温線４０における点５０と点５２との間の等温線カーブの平坦部は水素化の分野においては一般的にプラトー圧力として知られ、このプラトー圧力によって本発明の実施例による効果が得られる。
【００１５】
等温線４０のプラトー圧力から、水素化物への水素ガスの吸収が最も速いのはプラトーにおける圧力の上昇が遅い間、つまり点５０と点５２の間であることがわかる。等温線４０，４２，４４ではプラトー圧力において水素容量が大幅に増加する。よって燃料計をこのプラトー圧力帯付近における圧力の変化に機敏に反応するようにキャリブレーションすることによりキャニスター１２内の水素化物に含まれる水素の容量を比較的正確に示すことができるようになる。
【００１６】
図２に示す、異なる温度での水素化物による水素ガスの吸収は、温度をそれぞれ一定に保った中で平衡圧力の等温線を測定することによって得られる。一方キャニスター１２内の水素ガスの圧力を一定値に保った中では、図２における一定圧力Ｐ１の例で示されるように、水素化物の水素容量Ｍは、温度が低くなるにつれて上昇する。つまり温度が等温線４４（３０℃）から等温線４２（２５℃）に低下すると、水素容量はＭ１からＭ２へと増加する、そして温度がさらに等温線４０（２０℃）へと低下した場合、水素容量はさらにＭ３に増加する。逆に一定の容量（例えばＭ１）においては、温度が高いほど平衡圧力が高い。これは圧力を一定に保って温度を上昇させた場合水素化物の温度が上昇し、水素化物が吸収していた水素が脱離し、その結果キャニスター１２内の圧力が上昇するためである。さらに図２のグラフから明らかであるように、圧力計の各等温線４０，４２，４４におけるプラトー圧力領域内の圧力Ｐ１直下の圧力に対する感性の向上及びキャリブレーションにより、残存容量がより正確に測ることが可能である（容量はより小さな圧力差分により変化するにもかかわらず）。
【００１７】
しかし図２に示されるプラトー圧力は、この圧力が基準とする水素ガスの容量や特定温度において得られる平衡点については示唆しない。図２における一定圧力Ｐ１は、キャニスター１２におけるそれぞれ異なる温度及びキャニスター１２内の水素化物によって水素容量Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を示す。すなわち同一の圧力Ｐ１が、大小複数の水素化物内の水素量を示すこととなる（値Ｐ１がそれぞれの等温線４０，４２，４４と交差する点の値がＭ１，Ｍ２，Ｍ３であることから）。
【００１８】
したがってキャニスター１２内の温度と燃料計２０によって示される圧力との対応付けが必要となる。つまり圧力から水素容量Ｍを正確に示すためにキャニスター１２内の温度を把握し、この温度に基づいて圧力を測定する。再び図３を参照すると、燃料計２０の前面３２はそれぞれ異なる温度に対応する複数のスケール３４、３６、及び３８を有する。また前面３２には温度反応ストリップ３９が設けられ、この温度反応ストリップ３９が変色によりシステム１０における温度を示すことができる。例えばこのストリップ３９が青、緑、赤へと変色することによりそれぞれ２０℃、２５℃、３０℃と異なる温度を示すことができる。等温線４０を例にとって説明すると、針３０によって示される圧力Ｐ１は、温度２０℃では、平衡圧力等温線がキャニスター１２内の水素容量が容量Ｍ３であることを示し、圧力量のキャリブレーションによりスケール３４は容量Ｍ３が、水素化物における水素が満容量に対応することを示す。また、ストリップ３９が青であることにより、システム１０内の温度が２０℃であることがわかる。したがって燃料計２０を読んでいる者は、温度２０℃に対応するスケール、すなわちスケール３４を参照して、キャニスター１２に残存する水素の容量を測ればよい。
【００１９】
また、ストリップ３９が緑である場合、観測者は、２５℃の等温線に対応するスケール３６が現存の燃料の容量を示していることを認識し、この容量が半分であることを認識できる。また、ストリップ３９が赤を示す場合、すなわち３０℃に対応するスケールを参照するよう示唆する場合、観測者は３０℃に対応スケール３８を参照すべきであることを認識し、水素の容量が空に近いことを認識できる。
【００２０】
図４は、本発明における又別の実施例に係る燃料計１３０の前面１３２を示す。同図においては、図３の燃料計２０のように複数のスケールを設ける代わりに、任意の場面において１つのスケールのみが可視表示され、可視表示されるスケールが現在の温度に左右される構成となる。ここでは図３のストリップ３９に用いられるような温度反応材料（コネチカット州スタンフォードのＯｍｅｇａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社のものなど）からなるストリップが、本実施例による燃料計３０の前面１３２の適正箇所に設けられる。燃料計１３０における各スケール１３４，１３６、１３８及び１４０はそれぞれの適正温度に応じて観測者にとって容易に視覚可能な状態で表示される。例えば、温度が２０℃であった場合、青いスケール１３４が表示され、他のスケールは暗くされるかあるいは暗い色で示される。すなわち温度２０℃に対するスケール１３４の温度反応性によりスケール１３４のみが明るく表示され、容易に視覚可能な状態となり、観測者は前面１３２において温度２０℃に対応するスケール１３４のみを参照すべきであることを認識する。同様に、他のスケール１３６，１３８、及び１４０もそれぞれ対応する温度（例えば２５℃、３０℃、３５℃）に反応して点灯するなどして明るく表示される。図４の前面１３２においてこれら他のスケールはそれぞれ点線で示されている。本実施例では、温度に対応して燃料計１３０の前面１３２における適正箇所のみが観測者にとって視覚可能な状態に表示されるため、確実に温度に対応する適正なスケールが参照されることとなる。
【００２１】
また、本発明の別の仕様においては、図５に示されるように貯蔵キャニスター１１２が燃料計１１６の挿入部を構成する部分１１４を有する。図５に示されるように好ましくは、この燃料計１１６は、キャニスター１２の底部に隣接して配置されるこの部分１１４に挿入される。また、この燃料計１１６はキャニスター１１２の側面に配置されることも可能である（非図示）。
【００２２】
図６は上記実施例による燃料計１１６の詳細図である。燃料計１１６は、水素化合金１２０を保持するチャンバー１２２を構成する容器１１８を具備する。容器１１８は好ましくはスチールやその他温度の上昇により膨張しにくい剛性材料からなる。水素化合金１２０はチャンバー１２２内において同チャンバー１２２の長さ方向１２１にのみ膨張することができるように保持される。容器１１８は、この長さ方向に方向付けされ、水素化合金１２０を収容するチャンバー１２２から構成される。この水素化合金１２０は好ましくはキャニスター１１２に含まれる水素化物と同じ材料である。
【００２３】
周知であるように、合金の水素化／脱水素化において、合金は水素の吸収／脱離に応じて伸縮する。例えば水素の吸収過程、つまり容量ゼロから容量フルになるまでの過程において合金の容量は１０〜２５％程度膨張しうる。この水素化合金は好ましくは長さ方向に延びる容器に収容される。この容器の形状により合金の膨張現象が拡大して見られる。したがって、特定の合金において水素容量が増加する際に、合金の水素吸収量によって膨張圧力の大小が決定される。
【００２４】
水素化合金１２０が水素を吸収し、キャニスター１１２内の合金によって吸収される水素の量を示すためには、キャニスター１１２内の圧力と同等の圧力で水素を連絡提供する手段が備えられることが好ましい。よって図６に示されるように、キャニスター１１２とチャンバー１２２との間には、穴あきスクリーン（非図示）や開口部１２６などの連絡手段が設けられる。以下に示す実施例においては、図５の挿入部１１４の構成例を説明する。これらの実施例はキャニスター１１２内に残存する水素の容量を示すそれぞれの圧力反応手段により特徴付けられる。
【００２５】
まず、図６に示されるチャンバー１２２を適用する構成における一実施例では、燃料計１４０がダイヤフラム１５０に接続されこれと直接協働する。この燃料計１４０は、同図に示されるような前面１４２に１つのスケールを有し、針１４４によりチャンバー１２２内の合金の膨張量を示す一般的な燃料計でよい。前面１４２は、例えばキャニスター１１２の壁に設けられる挿入部１１４の寸法・形状と一致する寸法・形状を有する。この実施例において、キャニスター１１２内に残存する水素の容量を計測するには、前面１４２における金属水素化物の膨張量を示す針１４４を参照すればよく、この金属水素化物の膨張量はおおよそ残存水素の容量に対応する。
【００２６】
ここで前面１４２が１つのスケールを適用するのは、収容される金属水素化物の物理的容量の拡大は、この水素化物に含まれる水素の量によって大きく左右されるのであって、水素化物の温度によってはさほど左右されないからである。つまり水素化物の容量拡大の要因として水素吸収量の影響が重要であるため、温度による拡大効果は無視することができる。しかし、温度の上昇による金属水素化物の容量拡大を考慮するより的確な測定が望まれる場合は、図３、図４における前面３２，１３２と同様に前面１４２にもキャリブレーション・スケールを設けることが可能である。
【００２７】
容器１１８のダイヤフラム１５０（図６参照）は、キャニスター１１２の開口部を密封し、流体あるいは気体を遮断する。このダイヤフラム１５０は直接的あるいは間接的に方向１２１に拡張可能な水素化物１２０と接触する。水素化物１２０の方向１２１以外への拡張は容器１１８の剛性側壁によって制約されている。よって水素化物１２０を的確に詰めることによりこの拡張はすべて方向１２１によって示される長さ方向において反映される。ここで水力動作の原理を適用して、ダイヤフラム１５０によって覆われる開口１５２の小さな口径が、水素化物１２０の１０〜２５％容量拡大をダイヤフラム１５０に作用する強力縦長衝動圧力に変換する。このダイヤフラム１５０はポスト１５６によって燃料計１４０に接続され、このポスト１５６の縦長変位が針１４４を金属水素化物１２０における水素容量の的確に示す位置へと導く。
【００２８】
金属水素化物１２０の水素吸収特性をキャニスター１１２内の金属水素化物の水素吸収特性と一致させるために、好ましくは金属水素化物１２０としてはキャニスター１１２内の金属水素化物と同様のものを適用する。つまり、水素化物１２０をうまくパッキングし、流体連絡管１２６を介して導入される水素ガスを効果的に分散することによりキャニスター１１２内と同様の水素吸収が実現され、これにより同様の水素化物容量の拡大が実現される。こうして比較的正確なキャニスター１１２内の水素の容量の測定が可能となる。
【００２９】
また、チャンバー１２２内にはキャニスター１１２内の水素化物よりも拡張しやすい合金材料を用いることも可能である。つまり、キャニスター１２内に収容される一般水素化物よりも膨張する金属水素化物合金を使用することによりチャンバー１２２における水素化物の容量のより大幅な相対変動が実現される。よって前面１４２のスケールをより正確に読み取ることが可能となる。２種類の水素化物が用いられた場合、それぞれの水素化物のプラトー圧力が対応付けられていることを十分確認したうえでスケールのキャリブレーションを行う必要がある。
【００３０】
次に図７を参照してまた別の実施例に係る容器２１８の構成を説明する。図７に示される容器２１８は、図５のキャニスター１１２の部分１１４に挿入されうるような形状及び寸法を有し、剛性壁部２１９、開口２２２、金属水素化物２２０から構成される。金属水素化物２２０は、キャニスター１１２内の水素化物と同様の材料であってよい。またこの容器２１８の剛性壁部２１９が硬質であると同時に水素ガスを通す多孔質の材料からなる場合は、流体連絡管が不要となる。これは上述の実施例においても同様である。このような構成により、チャンバー２１８においてより効率的で均等な水素の分布が得られ、水素ガスが金属水素化物２２０によってより均等に吸収されうる。これにより連続的膨張特性が実現される。
【００３１】
なお、本発明の燃料計における表示手段は、上述のものに限定されるものではない。例えば、ダイヤフラムが電子圧力インジケータなど必要な情報を提供できる指示手段と結合されてもよい。図７において容器２１８は、圧力反応プラスチックからなるダイヤフラム２４０を有し、この圧力反応プラスチックのダイヤフラム２４０は例えば容器２１８内の圧力量によって青から赤へと変色する。この圧力反応プラスチックのダイヤフラム２４０は、金属水素化物２２０に対向してガラスカバー２４２及びねじ込みベゼル２５０により固定されうる。このねじ込みベゼル２５０は、定位置にねじ込まれることによりガラスカバー２４２に突き当たり、開口２２２を密封し、水素ガスがキャニスター１１２外へ流出することを防ぐ。
【００３２】
圧力反応プラスチックのダイヤフラム２４０は、チャンバー２２０内の水素化物２２０によって及ぼされる長手方向の圧力量によって変色する特性を有する。例えば、このダイヤフラムは、多くの水素が水素化物から排出され、水素化物の膨張が見られない状態である場合は青色を示すよう設定されうる。また、水素の容量がおおよそ半分（１／２）である場合、つまり図２におけるプラトー圧力付近の圧力が検出された場合は、緑色を示すよう設定されうる。また、水素化物に水素がフルに吸収されていてこれ以上水素を吸収することができない状態である場合、赤色を示すように設定しうる。なお、ダイヤフラム２４０に圧力を及ぼす水素化物が水素化物２２０によって及ぼされる長手方向の圧力によって影響されることはいうまでもない。また容量拡大圧力はチャンバー２２２内の水素ガスによって及ぼされるガス圧力よりも大きいことが配慮される。したがってベゼル２５０のねじ調整などでキャニスター１１２内の水素化物の水素容量に対するダイヤフラム２４０の変色規則をさらに校正するための手段が必要な場合もありうる。
【００３３】
次に図８を参照して、本発明によるまた別の実施例に係る燃料計３１０の構成を説明する。この燃料計３１０はキャニスター３１２及びポート３１４を有し、このポート３１４を介してリード線３１６，３１８はキャニスター３１２へと延びる。リード線３１６及び３１８はそれぞれキャニスター３１２内の状態を検知する状態センサーに接続される。例えばリード線３１６は、キャニスター３１２内に配置される圧力変換器（非図示）に接続され、この圧力変換器は、キャニスター３１２内の水素ガス圧力を検知するか、より好ましくはキャニスター３１２内に配置される圧電変換器３２０が検知する圧力を検知する。この圧力変換器は直接水素ガス圧力を読み取るか、あるいは容器２１８（図６）同様に容器（非図示）を有し、その中に収容される水素化物の及ぼす圧力に反応する構成にすることも可能である。いずれの場合においても、変換器３２０は、圧力値に対応する電気信号を生成し、これをプログラム可能論理回路（ＰＬＣ）あるいはマイクロプロセッサ３３０に伝送する。このマイクラオプロセッサ３３０は好ましくはキャニスター３１２の外側に配置され、上記信号は線３２６を介して伝送される。
【００３４】
リード線３１８は、キャニスター３１２内に配置され、例えば熱電対あるいは抵抗温度計検出器（ＲＴＤ）などから構成される温度センサー３２２に接続される。この温度センサー３２２はリード線３１８を介して信号を生成し、この信号は線３２８を介して中央プロセッサ３３０に伝送される。
【００３５】
プロセッサ３３０はセンサー３２０，３２２から伝送された信号を受信し、これらを所定のアルゴリズムを用いて電子操作し、キャニスター３１２内の水素容量の値を演算する。この演算値はアナログ値あるいはより好ましくはデジタル値であり、プロセッサ３３０に接続されるディスプレイ３３２によって表示されうる。また、プロセッサ３３０の代わり又はこれと共にセンサー３２０及び３２２によって検知される圧力及び温度の値をそれぞれ独自に検証し、水素容量ディスプレイ３３２が適正なデータを示していることを確認することができる。また、ユーザーが例えば参照テーブルなどを用いてディスプレイ３３６，３３８に示されるリード線３１６，３１８それぞれからのデータに基づいて水素容量を独自に求めることもできる。
【００３６】
また、圧力及び温度の値自体を例えばディスプレイ３３６、３３８に表示することも可能である。つまりディスプレイ３３６にはキャニスター３１２内の水素ガス圧力あるいはより好ましくはキャニスター３１２内の電圧変換器３２０によって検知される電圧力が表示され、ディスプレイ３３８にはキャニスター３１２内の温度が表示されることも可能である。リード線３１６，３１８はセンサーポート３１４に常に取り付けられるか、あるいはこれらリード線は脱着可能に設けられ、キャニスター３１２の状態の情報が求められる際にポート３１４に取り付けられる携帯マイクロプロセッサ３３０を有す構成とすることが可能である。
【００３７】
図９及び図１０は本発明の更なる実施例を示す。本実施例による水素貯蔵器４１０は、貯蔵キャにスター４１２を有し、この貯蔵キャニスター４１２の側面には挿入部４１４は設けられる。なお、この挿入部４１４の配設位置はキャニスター４１２の側面に限らず例えば図５のように底面に配置するかあるいは弁４１６に配置することも可能である。挿入部４１４は、キャニスター４１２内の抵抗部材４２０との電気的接続を実現するための絶縁リード線４１８のためのポートを有する。この詳細については後ほど図１０を参照して説明する。
【００３８】
キャニスター４１２の外部においてリード線４１８は電気抵抗を計測するデバイス４４０に電気的に接続される。このデバイス４４０は例えば抵抗あるいは水素容量を示すディスプレイ４４２を具備しうる。この水素容量は、デバイス４４０内の論理制御回路４４４において校正アルゴリズムを用いてキャニスター４１２内からリード線４１８を介して受信された電気抵抗信号から計算されうる。またリード線４１８は、形態可能な独立抵抗計測デバイス４４０に適用することも可能である。この場合リード線４１８は例えば電気コンセントの構造に似た挿入部４１４内に配置される電気挿入口（非図示）に一時的に挿入される。この構成により、ユーザーは計測デバイス４４０を携帯し、リード線４１８を挿入し、水素容量を計測した後、リード線４１８を挿入口から抜いて、他の貯蔵器４１０をモニターすることができる。
【００３９】
本本実施例による貯蔵器４１０は、水素化物のさらに別の特性である抵抗の増加と水素容量の増加との相関関係に基づいて動作する。この抵抗と容量との直接的相関関係は決定的には確立されていないものの、適切な校正を行えばこの相関関係は水素容量を正確に計測するのには十分な滑性を有する。すなわち抵抗の増加に対する水素化物の容量の増加が既知の相関関係に基づくため、水素化物の局部電気抵抗を空水素容量の値を得ることが可能である。本発明において適用対象とされている金属水素化物においての抵抗は、水素化物が水素を含まない場合の値と水素化物の水素含有量が飽和点付近にある場合の値との間で２００％もの変動がありうる。
【００４０】
図１０は、図９における抵抗部材４２０の断面図を示す。抵抗部材４２０はキャニスター４１２内に配置され、挿入部４１４から挿入される電気リード線４１８を介して電気信号を外部へ伝送する。電気リード線４１８はそれぞれ内部チャンバー４２４内に配置される端子４２２によって終端される。この内部チャンバー４２４には水素化物４３０が密接に詰められていて、好ましくは円柱を形成する円柱側壁部４２６及び端壁部４２８を有し、端子４２２は互いに離れた位置にあって、両端にある端壁部４２８のそれぞれに隣接して配置される。なお、この内部チャンバー４２４の形状は円柱形とどまらず、例えば六角柱や四角柱など他の形状にすることも可能である。
【００４１】
チャンバー４２４の壁部４２６，４２８は水素ガスを透過する電気絶縁材料からなり、例えば、デラウェア州ウィルミントンに本拠地を置くＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ社製のテフロン（登録商標）を用いることが可能である。壁部４２６，４２８を水素透過性材料で構成することにより、チャンバー４２４内の水素化物４３０が自由且つ均等に水素を吸収・脱利することが可能になる。また端子４２２巻の距離を所定距離に設定することにより、所定サイズのチャンバー４２４において端子間における所望の抵抗が得られる。
【００４２】
チャンバー４２４には粉末状の水素化物４３０が所定密度で詰められていて、これによって水素化物４３０の水素容量によって変化する抵抗が所定の抵抗レベルに設定される。また、貯蔵器４１０における水素化物の水素容量を統一させるために、この水素化物４３０は好ましくはキャニスター４１２に含まれる水素化物と同様のものである。これによりキャニスター４１２内の水素化物の水素容量を正確に読み取ることが可能になる。
【００４３】
動作時には、実質的にキャニスター４１２内の水素化物の抵抗と同等である端子４２２間の抵抗を示す信号が抵抗部材４２０から伝送される。この信号は抵抗計測デバイス４４０に送られ、ここで論理制御回路４４においてアクセスされる校正アルゴリズムを用いて信号が分析され、キャニスター４１２内の金属水素化物の水素容量が測定される。この実施例では、抵抗計測デバイス４４０が水素を吸収することができるため、デバイス４４０によって占有される空間が無駄にされず水素貯蔵にも活用されうるという利点がある。
【００４４】
そのほかにも同業者は本願において開示される範囲に基づき多くの変形例を容易に着想することが可能であろう。例えば、本願の実施例で開示されるセンサー及び／又は色指示部の組み合わせを変更することが可能であり、また本願の実施例では詳細に説明されない他の状態を検知するセンサーを適用することも可能である。例えば、重量センサーなどをキャニスターの内部あるいは外部に配置することも可能である。重量センサーが外部に配置された場合は、ボトルや弁の風袋重量を用いて水素容量の別あるいは補足的な計測値が提供されうる。水素化物などの物質のホール効果計は、水素容量の増加に伴いその物質の電磁特性を変更することが知られている。したがって、磁場を誘発し、水素化物の電圧などの電気特性を検知するセンサーなどが容器に収容される水素化物の水素容量の計測に用いられることも考えられる。なお、正確な計測を実現するには、物質の既知の特性に基づく適正な校正が必要となる。
【００４５】
なお、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されうるのであって、上記の実施例は本発明の具体的適用例を示しているに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素貯蔵器の正面図である。
【図２】異なる温度の中での水素の容量と圧力の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料計の斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料計の表示部の図である。
【図５】本発明の又異なる実施形態を示す図である。
【図６】図５に示される水素貯蔵容器の表示部の詳細図である。
【図７】図５の実施形態の変形例を示す図である。
【図８】本発明の又異なる実施形態に係る燃料計システムを示す図である。
【図９】本発明の又異なる実施形態を示す図である。
【図１０】図９に示される水素貯蔵容器の断面図である。
Claims (19)
- 壁部及び水素ガスを注入・排出するための出入口を少なくとも１つ有するキャニスターと、
前記キャニスターに収容され、水素ガスを吸収・脱離することができる金属水素化物と、
前記金属水素化物に吸収されていて、前記少なくとも１つの出入口を介して排出されうる水素の容量を計測するための計器と、から構成されることを特徴とする水素貯蔵容器。 - 前記計器は、さらに前記キャニスターと流体交流を行う圧力計から構成され、前記圧力計は、前記水素化物に貯蔵される水素の量を読み取るための尺度を複数有し、各尺度は、それぞれ異なる温度での水素の貯蔵量を示すことを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵容器。
- 前記圧力計は、さらに周辺温度によって変色し、前記複数の尺度のうち適当である尺度を示し、温度に左右される前記水素容を正確に読み取ることを可能にするための温度反応部材から構成されることを特徴とする請求項２に記載の水素貯蔵容器。
- 前記圧力計は、さらに観測者が前記複数の尺度のなかから前記キャニスター内の水素化物の周辺温度に対応する適当な尺度を選択しうるような指示をなす指示部から構成されることを特徴とする請求項３に記載の水素貯蔵容器。
- 前記キャニスターは、さらに前記キャニスター壁部に対向して配置され、前記キャニスター壁部により包囲される空間と流体交流を行う内部を有する剛性チャンバーと、前記キャニスター壁部の外側からみえる開口部と、前記開口部に配置され、前記キャニスター内の水素化物に貯蔵される水素ガスの容量を示す燃料量指示部と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵容器。
- 前記チャンバーは、前記チャンバーによって包囲される空間内に密に詰められる金属水素化物を含み、前記金属水素化物は、前記開口部に対向して配置される圧力反応部と長さ方向において連絡し、前記チャンバー内の水素化物が水素を吸収することによって物理的に膨張する結果、前記チャンバー内の水素化物の容積変化に対応して前記水素化物が及ぼす圧力が変化することを特徴とする請求項５に記載の水素貯蔵容器。
- 前記燃料量指示部は、圧力反応部材を有し、前記チャンバー内の水素化物が膨張・収縮することにより前記燃料量指示部において圧力の変動がみられ、前記燃料量指示部は、前記チャンバー内の水素化物の容積変化に応じた圧力量を示すことを特徴とする請求項６に記載の水素貯蔵容器。
- 前記燃料量指示部は、さらに前記チャンバー内の水素化物の水素容量を示すために変色する圧力反応プラスチック部を有することを特徴とする請求項７に記載の水素貯蔵容器。
- 前記燃料量指示部は、さらに前記チャンバー内の水素化物が及ぼす圧力を示す電気信号を生成する圧電部材を有することを特徴とする請求項７に記載の水素貯蔵容器。
- 前記チャンバー内の水素化物は、前記キャニスター壁部によって包囲される空間に含まれる水素化物と同様のものであることを特徴とする請求項５に記載の水素貯蔵容器。
- 前記チャンバー内の水素化物は、前記キャニスター壁部によって包囲される空間に含まれる水素化物と同様のものであることを特徴とする請求項６に記載の水素貯蔵容器。
- 前記チャンバー内の水素化物は、前記キャニスター壁部によって包囲される空間に含まれる水素化物と同様のものであることを特徴とする請求項９に記載の水素貯蔵容器。
- 温度値を示す電気信号を生成する温度センサーをさらに有する構成において、前記圧電部材及び前記温度センサーの信号は、中央プロセッサにより受信され、前記中央プロセッサでは所定アルゴリズムに基づいて前記信号から水素容量値が算出されることを特徴とする請求項９に記載の水素貯蔵容器。
- 前記中央プロセッサによって算出された水素容量値を受信し、前記水素容量値をデジタル方式で表示するデジタル表示部をさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の水素貯蔵容器。
- 前記キャニスターは、さらに前記キャニスター壁部に配置され、金属水素化物を収容し、前記キャニスター壁部によって包囲される空間と流体交流を行うチャンバーと、前記チャンバーの対向する両側面にそれぞれ配置される端子に接続され、前記キャニスター外部へのアクセスを可能にする複数のリード線と、前記リード線に接続可能であって、前記キャニスター内の水素化物に貯蔵される水素ガスの容量に対応付けられる前記チャンバー内の水素化物における電気抵抗レベルを計測するための抵抗計測器と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵容器。
- 前記チャンバーは、さらに水素ガスを透過する絶縁素材からなる剛性壁部をから構成されることを特徴とする請求項１５に記載の水素貯蔵容器。
- 前記水素ガス透過素材は、さらにポリマー素材から構成されることを特徴とする請求項１６に記載の水素貯蔵容器。
- 前記水素ガス透過素材は、さらにテフロン（登録商標）から構成されることを特徴とする請求項１６に記載の水素貯蔵容器。
- 壁部及び水素ガスを注入・排出するための出入口を少なくとも１つ有するキャニスターと、
前記キャニスター内に収容され、水素ガスを吸収・脱離することが可能な金属水素化物であって、水素ガスの効率的な分布を実現するために多孔性マトリックスを実装する金属水素化物と、
前記金属水素化物に吸収されていて、前記少なくとも１つの出入口を介して排出されうる水素の容量を計測するための計器と、から構成されることを特徴とする水素貯蔵容器。
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