JP2006207719A - 水素貯蔵容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明では、主として、パイプの肉厚を厚くする構造よりも、容器全体の軽量化を図ることができる水素貯蔵容器を提供することを目的とする。
【解決手段】 水素タンク１０は、両端が開放された筒状の胴部１１と、この胴部１１の両端に設けられる一対の鏡部１２，１３とからなるタンク部Ｔと、このタンク部Ｔ内に収容される水素吸蔵合金ＭＨに対して熱量の受け渡しを行う冷却水が通る流路Ｒと、この流路Ｒ内の冷却水の熱を水素吸蔵合金ＭＨに伝達するとともに、水素吸蔵合金ＭＨの熱を冷却水に伝達するフィン１１ａとを有する熱交換部Ｈと、を備えている。そして、フィン１１ａは、一対の鏡部１２，１３のうちの１つである第２鏡部１３に接続されるとともに、流路Ｒは、フィン１１ａが接続される第２鏡部１３内に設けられる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素吸蔵合金を内蔵した水素貯蔵容器に関するものである。

近年、水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵容器として、温度条件等を適宜変更することによって水素ガスの吸蔵・放出が可能な水素吸蔵合金を内蔵したものが知られている。そして、この水素貯蔵容器としては、水素ガスの吸蔵・放出を効率良く行うために、水素吸蔵合金から発せられる熱を効率良く回収し、または、水素吸蔵合金に効率良く熱を与えるための熱交換部を有するものが知られている。以下に、この熱交換部を有する水素貯蔵容器について、２つの例を挙げて説明する。

第１例の水素貯蔵容器としては、円筒状の胴部および胴部の両端に取り付けられる鏡部からなるタンク部と、このタンク部の胴部内に配設される熱交換部と、この熱交換部内に設けられる水素吸蔵合金とを有するものがある（特許文献１参照）。具体的には、この水素貯蔵容器に内蔵される熱交換部は、一方の鏡部から他方の鏡部近傍まで延び、かつ、この他方の鏡部近傍で折り曲げられて一方の鏡部まで延びるＵ字状の冷媒用のパイプと、このパイプの軸方向に直交するように積層される複数の円盤状のフィンと、これらのフィンを収容するように形成され、かつ、水素ガスを透過可能なフィルタと、で構成されている。このような構造によれば、熱交換部における複数のフィンとフィルタとの間で形成される空間に設けられる水素吸蔵合金と、パイプ内を流れる冷媒とが、複数のフィンとパイプの外壁といった大きな伝熱面積にて、効率良く熱交換を行うことが可能となるため、水素ガスの吸蔵・放出が効率良く行われるようになっている。

第２例の水素貯蔵容器としては、第１例の構造におけるＵ字状のパイプに代えて、胴部の長さと略同じに長さに形成される複数の直線状のパイプと、タンク部の外部から供給される冷媒を複数のパイプに分配させる第１マニホールドプレートと、複数のパイプから出てくる冷媒を集合させてタンク部の外部へ排出させる第２マニホールドプレートとを設けたものがある（特許文献２参照）。この構造によれば、パイプを複数にした分、伝熱面積がさらに大きくなるので、水素ガスの吸蔵・放出をさらに効率良く行うことができるようになっている。

特開２００４−２２５８５２号公報（段落００２０〜００３５、図１） 特開２００４−２８６１７７号公報（段落００１９〜００２４、図１）

しかしながら、前記した２つの例では、ともに冷媒用のパイプを、高圧の水素ガスを貯蔵しておくための胴部内に配設するので、パイプの肉厚を高圧に耐えられるような厚さに設定しなければならず、その分水素貯蔵容器全体としての重量が増加するといった問題が生じていた。

また、前記した２つの例では、ともにパイプを通すための孔をフィンに開ける必要があるなどといった手間の掛かる作業が必要となるため、その分生産性が悪いといった問題もあった。さらに、第２例では、重量物である熱交換部を胴部の内部に抱えたまま、胴部の両端部を絞り加工するので、生産性が悪いといった問題もあった。

そこで、本発明では、主として、パイプの肉厚を厚くする構造よりも、容器全体の軽量化を図ることができる水素貯蔵容器を提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、両端が開放された筒状の胴部と、この胴部の両端に設けられる一対の鏡部とを有し、かつ、その内部に水素吸蔵合金が収容されるタンク部と、前記水素吸蔵合金に対して熱量の受け渡しを行う媒体が通る流路と、この流路内の媒体の熱を前記水素吸蔵合金に伝達するとともに、前記水素吸蔵合金の熱を前記媒体に伝達する伝熱部材とを有する熱交換部と、を備えた水素貯蔵容器であって、前記伝熱部材は、前記一対の鏡部のうちの少なくとも一方に接続されるとともに、前記流路は、前記伝熱部材が接続される鏡部内に設けられることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、タンク部の一部である鏡部内に媒体の流路が設けられるので、この流路とタンク部内とを仕切る仕切り壁の厚さを所定の条件の厚さとするだけで、流路の耐圧性を確保することができる。なお、この構造では、水素吸蔵合金と媒体との熱の受け渡しが、仕切り壁を介して行われる他、伝熱部材および仕切り壁を介しても行われるので、伝熱性能も高く維持される。

請求項２に記載の発明は、前記伝熱部材が、前記胴部の軸方向に沿って延在し、かつ、前記胴部の内面に一体に形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、伝熱部材が胴部の軸方向に沿って延在しているので、大きな伝熱面積を確保することができる。また、伝熱部材が胴部の内面に一体に形成されているので、伝熱部材の剛性を確保することができる。さらに、このような構造とすることによって、伝熱部材と胴部とを押出成型によって同時に成型することができるので、製造が容易となる。

請求項３に記載の発明は、前記伝熱部材が、複数の薄板状に形成され、前記伝熱部材の間に、波状に屈曲形成された波型フィンを配設したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、伝熱部材が複数の薄板状に形成されるとともに、これらの間に波状に屈曲形成された波型フィンが配設されるので、伝熱面積をさらに大きくすることができる。

請求項１に記載の発明によれば、鏡部内の流路とタンク部内とを仕切る仕切り壁の厚さを所定の条件の厚さとするだけで、流路の耐圧性を確保することができるので、従来のように胴部の両端にわたって屈曲形成されるパイプの肉厚を厚くする構造に比べ、容器全体の軽量化を図ることができる。なお、流路を設けるために鏡部の厚さを従来よりも厚くした場合であっても、流路によって鏡部が肉抜きされているので、従来の構造に比べ、重量の増加を抑制でき、容器全体の軽量化を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、伝熱部材が、胴部の軸方向に沿って延在し、かつ、胴部の内面に一体に形成されるので、大きな伝熱面積を確保することができるとともに、伝熱部材の剛性を確保することができる。また、このような構造とすることによって、伝熱部材と胴部とを押出成型によって同時に成型することができるので、製造が容易となる。

請求項３に記載の発明によれば、伝熱部材が複数の薄板状に形成されるとともに、これらの間に波状に屈曲形成された波型フィンが配設されるので、伝熱面積をさらに大きくすることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本発明に係る水素タンク（水素貯蔵容器）を備えた燃料電池システムを示す構成図であり、図２は水素タンクの詳細を示す断面図である。また、図３は図２のＡ−Ａ断面図（ａ）と図３（ａ）のＣ部拡大図（ｂ）であり、図４は図２のＢ−Ｂ断面図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、水素タンク（水素貯蔵容器）１０と、冷却水循環系２０とで主に構成されている。

燃料電池ＦＣは、水素タンク１０から水素ガス供給路１０ａを介して供給される水素ガスと、図示せぬコンプレッサから供給される空気とを電気化学反応させることにより発電するものである。そして、この燃料電池ＦＣは、発電によって発熱すると、その熱が冷却水循環系２０内で循環している冷却水（媒体）によって奪われることによって、冷却されるようになっている。なお、水素ガス供給路１０ａには、遮断弁や圧力調整弁などを仕様に応じて適宜設けるようにしてもよい。

水素タンク１０は、図２に示すように、胴部１１および一対の鏡部１２，１３（以下、「第１鏡部１２」、「第２鏡部１３」ともいう。）からなるタンク部Ｔと、第２鏡部１３を含めて構成される熱交換部Ｈとを備えている。なお、タンク部Ｔは、その外周面が炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ；Carbon Fiber Reinforced Plastics）３０によって補強されている。

胴部１１は、両端が開放された円筒状のアルミ製部品であり、その内面には、軸方向に沿って延在する複数の薄板状のフィン（伝熱部材）１１ａが互いに平行となるように一体に形成されている（図３参照）。なお、このフィン１１ａを有する胴部１１は、押出成型によって簡単に形成することができる。

第１鏡部１２は、胴部１１の一端側の開口を塞ぐためにカップ状に形成されたアルミ製部品であり、その開口縁が胴部１１の一端側の開口縁に、溶接または摩擦攪拌接合（ＦＳＷ；Friction Stir Welding）などによって強固に接合されている。また、この第１鏡部１２の底部には、タンク部Ｔ内の水素ガスを出し入れするための水素出入口１２ａが形成されており、この水素出入口１２ａには、水素ガスの出し入れを切り替えるためのバルブＶが設けられている。

なお、本実施形態においては、第１鏡部１２と胴部１１の各フィン１１ａとが密着するようになっているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１鏡部１２と各フィン１１ａとの間に所定の空間を設けたり、または、断熱材を設けることによって、各フィン１１ａから第２鏡部１３へ熱がより伝わりやすくなる構造としてもよい。

第２鏡部１３は、胴部１１の他端側の開口を塞ぐために略円盤状（詳しくは、その外周部が緩やかなＲ形状となるように面取りされた円盤状）に形成されたアルミ製部品であり、内側部分を構成する内側パーツ１５と外側部分を構成する外側パーツ１６の２つの部品に分割されて構成されている。

内側パーツ１５は、略円盤状に形成されており、その内面１５ａには、胴部１１に一体形成された複数のフィン１１ａを差し込むための差込溝１５ｂが複数形成されている。そして、この内側パーツ１５の外周部と胴部１１の他端側の開口縁とが、溶接または摩擦攪拌接合などによって強固に接合されるとともに、フィン１１ａと差込溝１５ｂとが、ロウ付けなどの簡易な方法によって接合されるようになっている。なお、内側パーツ１５の厚さは、後記する流路Ｒの耐圧性を考慮した所定の厚さに形成されている。

外側パーツ１６は、内側パーツ１５よりも一回り小さな略円盤状に形成されており、その内面１６ａには、冷却水が通る流路Ｒの一部を構成する流路溝１６ｂが形成されている。なお、流路Ｒは、流路溝１６ｂの開口が内側パーツ１５の外面１５ｃで塞がれることによって形成されるようになっている。ここで、外側パーツ１６と内側パーツ１５は、その合わせ面の外周部分が、溶接または摩擦攪拌接合などによって強固に接合されるようになっている。

また、流路溝１６ｂは、図４に示すように、冷却水が導入される側となる端部１６ｃと、冷却水が排出される側となる端部１６ｄとが、外側パーツ１６の外周縁から所定距離だけ離れた適所に形成されるとともに、これらの端部１６ｃ，１６ｄから一旦外側に回された後、これらの端部１６ｃ，１６ｄよりも内側で複数回屈曲されるように形成されている。そして、このように流路溝１６ｂの端部１６ｃ，１６ｄを外側パーツ１６の外周縁から所定距離だけ離すことによって、これらの端部１６ｃ，１６ｄに連通する冷却水導入孔１６ｅおよび冷却水排出孔１６ｆ（図２参照）を、Ｒ形状部１６ｇでない平坦な部分に開口させることができるようになっている。

図２に示すように、熱交換部Ｈは、前記した胴部１１のフィン１１ａおよび第２鏡部１３（特に流路Ｒ）を備える他、図３（ａ）に示す波型フィン４０を備えて構成されている。波型フィン４０は、波状に屈曲形成された板状部品であり、水素タンク１０の完成状態において、第２鏡部１３と接触した状態となるように各フィン１１ａの間に配設されるようになっている。そして、このように波型フィン４０が配設されることによって、波型フィン４０とフィン１１ａおよび第２鏡部１３とが互いに熱伝達可能な状態となっている。

なお、本実施形態では、波型フィン４０を第２鏡部１３に接触させるだけとしたが、本発明はこれに限定されず、第２鏡部１３に波型フィン４０を差し込むための波型の溝を形成するとともに、第２鏡部１３および波型フィン４０をロウ付けにて接合させるようにしてもよい。また、各波型フィン４０と第１鏡部１２との間に所定の空間を設けたり、または、断熱材を設けることによって、各波型フィン４０から第２鏡部１３へ熱がより伝わりやすくなる構造としてもよい。さらに、波型フィン４０は、必ずしもフィン１１ａと第２鏡部１３の両方に接触している必要はなく、これらのうちの少なくとも一方に接触していればよい。

そして、波型フィン４０と胴部１１との間の空間や波型フィン４０とフィン１１ａとの間の空間には、水素吸蔵合金ＭＨ（図３（ｂ）参照）が充填されるようになっている。水素吸蔵合金ＭＨは、所定の温度（第一温度）まで冷却されることで周囲の水素ガスを吸蔵することが可能となり、また、前記第一温度よりも高い所定の温度（第二温度）まで加熱されることで吸蔵していた水素を水素ガスとして放出することが可能となる性質を有している。

なお、このような水素吸蔵合金ＭＨとしては、例えば以下のようなものを使用することができる。
ＡＢ₂型合金（ラーベス相合金）；ＴｉＣｒ₂、（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅ）₂・・ＡＢ₅型合金；ＬａＮｉ₅、ＭｎＮｉ₅・・ＢＣＣ系合金；Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｖ−Ｍｎ・・その他；Ｍｇ系合金

続いて、図１に戻って冷却水循環系２０の説明を行う。
冷却水循環系２０は、燃料電池ＦＣから出てきた冷却水を冷却するためのラジエータ２１と、ラジエータ２１、水素タンク１０および燃料電池ＦＣに冷却水を導くための循環流路２２と、この循環流路２２内において冷却水を一方向に送り出すことで循環させるポンプ２３とで主に構成されている。また、循環流路２２には、燃料電池ＦＣから出てくる冷却水をラジエータ２１を通さずに直接水素タンク１０へ導くためのバイパス流路２４が設けられるとともに、バイパス流路２４の出口には、冷却水の経路をラジエータ２１側とバイパス流路２４側とに切り替えるための三方弁２５が設けられている。

次に、水素タンク１０の製造方法について説明する。
図２に示すように、まず、フィン１１ａを有する胴部１１を、押出成型によって形成する。次に、第２鏡部１３の差込溝１５ｂを胴部１１のフィン１１ａの他端側（図示右側）に嵌め込んでロウ付けした後、胴部１１と第２鏡部１３とを摩擦攪拌接合などによって接合する。ここで、第２鏡部１３は、別工程（内側パーツ１５と外側パーツ１６の接合工程）において予め製造しておくのが望ましい。

続いて、波型フィン４０（図３参照）を、胴部１１の一端側（図示左側）から第２鏡部１３に当接するまで、各フィン１１ａの間またはフィン１１ａと胴部１１との間に差し込んでいく。そして、全ての波型フィン４０の差し込みが終わったら、波型フィン４０と各フィン１１ａとの間または波型フィン４０と胴部１１との間に水素吸蔵合金ＭＨを充填してから、胴部１１の一端側に第１鏡部１２を、摩擦攪拌接合などによって接合する。

その後は、樹脂含浸された炭素繊維を、タンク部Ｔの周囲（水素出入口１２ａ、冷却水導入孔１６ｅ、冷却水排出孔１６ｆの部分を除く）に巻き付けた後、熱処理することによって、タンク部Ｔの周囲に炭素繊維強化プラスチックの層を形成させる。そして、最後に、水素出入口１２ａに、バルブＶを取り付けることによって、水素タンク１０の製造が終了する。

次に、本実施形態に係る水素タンク１０の熱交換部Ｈの作用について説明する。
まず、水素吸蔵合金ＭＨから水素ガスを放出するときの作用について図１および図２を参照して説明する。なお、この説明においては、燃料電池ＦＣは、例えば図示せぬ別の水素供給源から水素ガスが供給されるとともに、図示せぬコンプレッサから空気が供給されることによって、既に発電が行われており、その結果発熱している状態となっているものとする。

図１に示すように、水素タンク１０内の水素吸蔵合金ＭＨから水素ガスを放出させるには、まず、三方弁２５を切り替えることによって、燃料電池ＦＣから出てくる冷却水をラジエータ２１を通さないで直接水素タンク１０に供給させる。これにより、燃料電池ＦＣで加熱された冷却水が、ラジエータ２１で冷却されずに水素タンク１０に供給されることとなる。

加熱された冷却水は、図２に示すように、冷却水導入孔１６ｅから流路Ｒ内を通って冷却水排出孔１６ｆから出て行くことになるが、この際、冷却水の熱は、第２鏡部１３の内側パーツ１５を介して水素吸蔵合金ＭＨに伝達される他、内側パーツ１５および各フィン１１ａ，４０を介して水素吸蔵合金ＭＨに伝達される。これにより、タンク部Ｔ内の水素吸蔵合金ＭＨが効率良く加熱されて、水素吸蔵合金ＭＨから良好に水素ガスが放出されることとなる。

続いて、水素吸蔵合金ＭＨに水素ガスを吸蔵させるときの作用について図１および図２を参照して説明する。なお、この説明においては、例えば燃料電池ＦＣの停止後に、図示せぬ別の水素供給源と水素タンク１０とを繋げることによって、その水素供給源から水素タンク１０内に水素ガスを充填するものとする。

図１に示すように、水素タンク１０内の水素吸蔵合金ＭＨに水素ガスを吸蔵させるには、まず、三方弁２５を切り替えることによって、燃料電池ＦＣから出てくる冷却水をラジエータ２１を通してから水素タンク１０に供給させる。これにより、冷却水がラジエータ２１で冷却されて、水素タンク１０に供給されることとなる。

その後、図示せぬ別の水素供給源から水素タンク１０内に水素ガスを導入させると、図２に示すように、水素タンク１０内の水素吸蔵合金ＭＨが吸蔵反応によって発熱する。そして、この水素吸蔵合金ＭＨから発せられる熱は、各フィン１１ａ，４０および内側パーツ１５を介して流路Ｒ内の冷却水に伝達される他、内側パーツ１５のみを介して流路Ｒ内の冷却水に伝達される。これにより、タンク部Ｔ内の水素吸蔵合金ＭＨの熱が効率良く冷却水に吸収されて（すなわち、冷却水によって水素吸蔵合金ＭＨが効率良く冷却されて）、水素吸蔵合金ＭＨによる水素ガスの吸蔵が良好に行われることとなる。

以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
流路Ｒとタンク部Ｔ内とを仕切る内側パーツ１５の厚さを所定の条件の厚さとするだけで、流路Ｒの耐圧性を確保することができるので、従来のように胴部の両端にわたって屈曲形成されるパイプの肉厚を厚くする構造に比べ、容器全体の軽量化を図ることができる。

フィン１１ａが、胴部１１の軸方向に沿って延在する複数の薄板状に形成され、かつ、胴部１１の内面に一体に形成されるので、大きな伝熱面積を確保することができるとともに、フィン１１ａの剛性を確保することができる。また、このような構造とすることによって、フィン１１ａと胴部１１とを押出成型によって同時に成型することができるので、製造が容易となり、生産性を向上させることができる。

複数の薄板状のフィン１１ａの間に波型フィン４０が配設されるので、伝熱面積をさらに大きくすることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、伝熱部材として薄板状のフィン１１ａを採用したが、本発明はこれに限定されず、例えば第２鏡部１３に棒状の部材やパイプ状の部材などを接合することによって、これらを伝熱部材として利用してもよい。
前記実施形態では、タンク部Ｔを胴部１１および一対の鏡部１２，１３の３つに分割して構成したが、本発明はこれに限定されず、例えば流路Ｒが形成されない側の第１鏡部１２を、胴部１１の一端部を絞り加工することによって胴部１１と一体に形成してもよい。

前記実施形態では、第２鏡部１３にのみ流路Ｒを設けるようにしたが、本発明はこれに限定されず、第１鏡部１２にのみ、または、両方の鏡部１２，１３に流路Ｒを設けるようにしてもよい。なお、この場合、例えば第１鏡部１２にのみ流路Ｒを設けた場合は、第１鏡部１２にのみ各フィン１１ａ，４０を接続し、また、両方の鏡部１２，１３に流路Ｒを設けた場合は、両方の鏡部１２，１３に各フィン１１ａ，４０を接続すればよい。

前記実施形態では、流路Ｒを、外側パーツ１６の流路溝１６ｂと内側パーツ１５の外面１５ｃを合わせることによって形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、複数回にわたって屈曲形成したパイプを型に入れ、その型にアルミを流し込むといったインサート成型によって第２鏡部１３を製造することで、パイプで流路Ｒを構成するようにしてもよい。

本発明に係る水素タンク（水素貯蔵容器）を備えた燃料電池システムを示す構成図である。 水素タンクの詳細を示す断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図（ａ）と、図３（ａ）のＣ部拡大図（ｂ）である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 水素タンク（水素貯蔵容器）
１１ 胴部
１１ａ フィン（伝熱部材）
１２ 第１鏡部
１３ 第２鏡部
１５ 内側パーツ
１５ｃ 外面
１６ 外側パーツ
１６ｂ 流路溝
１６ｅ 冷却水導入孔
１６ｆ 冷却水排出孔
４０ 波型フィン
Ｖ バルブ
Ｈ 熱交換部
ＭＨ 水素吸蔵合金
Ｒ 流路
Ｔ タンク部

Claims (3)

1. 両端が開放された筒状の胴部と、この胴部の両端に設けられる一対の鏡部とを有し、かつ、その内部に水素吸蔵合金が収容されるタンク部と、
   前記水素吸蔵合金に対して熱量の受け渡しを行う媒体が通る流路と、この流路内の媒体の熱を前記水素吸蔵合金に伝達するとともに、前記水素吸蔵合金の熱を前記媒体に伝達する伝熱部材とを有する熱交換部と、を備えた水素貯蔵容器であって、
   前記伝熱部材は、前記一対の鏡部のうちの少なくとも一方に接続されるとともに、
   前記流路は、前記伝熱部材が接続される鏡部内に設けられることを特徴とする水素貯蔵容器。
2. 前記伝熱部材は、前記胴部の軸方向に沿って延在し、かつ、前記胴部の内面に一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵容器。
3. 前記伝熱部材は、複数の薄板状に形成され、
   前記伝熱部材の間に、波状に屈曲形成された波型フィンを配設したことを特徴とする請求項２に記載の水素貯蔵容器。

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