JP2008039108A - 水素貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱量変化に伴なう水素吸蔵合金の劣化を抑えると共に、エネルギー効率を良好に保ちつつ、水素の吸蔵・放出性能を良好にする。
【解決手段】熱交換管１３ａ〜１３ｃを流通する冷却水の、入口温度センサＳ４で検出された温度と出口温度センサＳ１、Ｓ２またはＳ３で検出された温度との差の絶対値｜ΔＴ｜が所定値Ｔ未満であるときに、｜ΔＴ｜＜所定値Ｔの関係を満たす熱交換管の切替バルブ（Ｖ１〜Ｖ３）の開度を選択的に絞ってＴｉＣｒＶ合金１２の温度制御を行なうようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素貯蔵装置に関し、詳しくは、水素吸蔵合金を用いて水素の給排を行なうのに好適な水素貯蔵装置に関する。

従来より、例えば水素ガスを貯蔵する場合、水素ガスを圧縮してボンベに充填したり、水素吸蔵が可能な水素吸蔵合金や水素吸着材料に吸蔵することが広く行なわれている。

ところが、ボンベでは容積が大きい割りには壁厚が大きいために内容量が小さい。また、水素吸蔵合金等では、水素貯蔵密度が必ずしも大きくなく、例えば車両に搭載する等の場合には、必要とされる貯蔵密度を満すことができない。そのため、水素吸蔵合金の充填密度を高めて多量の水素を吸蔵できる技術に関する検討が種々なされている。

一方、水素吸蔵合金（ＭＨ）は、水素の吸放出に際して発熱、吸熱を伴なうことが知られている。したがって、水素を一時的に貯蔵し、必要に応じて水素を放出する使用形態において、多量の水素量を確保するために、水素の吸放出を一度に多量に行なおうとすると、ＭＨは急激な温度変化を随時伴なうことになる。そして、ＭＨの水素吸蔵時の高温状態や放出時の低温状態、急激な温度変化は、ＭＨの水素の吸蔵放出特性を損なう傾向にある。

上記に関連して、収容された水素吸蔵合金と熱交換可能に、熱媒体が流通する熱媒管が配された水素吸蔵合金収容容器（例えば、特許文献１参照）や、水素吸蔵合金粉末を加熱、冷却するための熱交換用管が配置された水素吸蔵合金粉末収容容器（例えば、特許文献２参照）に関する開示がある。後者では更に、センサーを複数箇所に配備し、センサーにより検出された信号を解析して反応率が低く算出されたセンサー位置に向けて水素管および熱交換用管を移動することが記載されている。

そのほか、熱媒を通過させる配管本数を増やしたり、伝熱用フィンの配置間隔を狭めたり、熱媒体の流量を増す等して、水素吸蔵合金の熱交換効率を向上させ、水素の吸蔵・放出効率を向上が図られている。
特開平１１−７２２００号公報 特開平１１−１０１３９９号公報

上記のように、水素吸蔵合金を用いた場合に、水素吸蔵合金と熱交換できるように管を設けることは広く行なわれているものの、いずれの場合も水素吸蔵合金からの熱を熱交換するための熱媒体は、水素吸蔵合金の反応の未／完の程度に関わらず、管内を一律に流通させるようになっている。したがって、水素の吸蔵・放出反応が完了した領域にも継続的に熱媒体が送られるのが通常である。

また、熱媒を流通させる配管本数を増やすことは容器質量の増加を来たし、伝熱用フィンの間隔を狭めることによる場合も、熱交換器の容積あたりの水素吸蔵合金の容積が小さくなるために、結果として質量の増加を来すことになる。さらに、熱媒体の流量を増す方法によると、システム全体のエネルギー効率が低下してしまう。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、熱量変化に伴なう水素吸蔵合金の劣化が抑えられ、エネルギー効率を良好に保ちつつ、水素の吸蔵・放出を長期間安定に行なうことができる水素貯蔵装置を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

前記目的を達成するために、本発明の水素貯蔵装置は、水素ガスを給排する水素給排口および熱媒体を給排する熱媒給排口を有し、水素吸蔵合金が収容された耐圧タンクと、耐圧タンクの内部に配され、熱媒体が流通して少なくとも前記水素吸蔵合金を冷却する熱媒管と、熱媒管を流通する熱媒体の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された前記熱媒体の温度の変化ΔＴの絶対値が所定値未満であるときに、前記水素吸蔵合金の加熱または冷却を前記熱媒体の流量を絞って行なう熱媒制御手段とで構成したものである。

本発明における熱媒体（heating medium）は、水素吸蔵合金（以下、ＭＨと略記することがある。）を加熱あるいは冷却して所望の温度に制御するために、ＭＨとの間で熱交換して熱を移動させるための流体である。熱媒とも呼ばれる。

本発明の水素貯蔵装置においては、熱交換により少なくとも水素吸蔵合金の熱をやり取りする熱媒体の温度を検出する温度検出手段を設け、検出された熱媒体の温度の変化の絶対値（変化量｜ΔＴ｜）が所定値未満であるとき、すなわち水素吸蔵合金の急激な温度上昇や温度降下が生じない運転状況のときには、水素吸蔵合金を冷却する熱媒管に流通する熱媒体の流量を選択的に絞る（流量０（ゼロ）を含む。）ようにすることで、変化量｜ΔＴ｜の大きい領域、つまり水素の吸蔵・放出反応が盛んに行なわれている領域では熱媒体の流通量を保ち、変化量｜ΔＴ｜の小さい領域、つまり水素の吸蔵・放出反応が未進行もしくは小さい、あるいは反応終了の領域などでは、選択的に熱媒体の流通量を抑えて、水素吸蔵合金（又は水素吸蔵合金および雰囲気）の温度を制御するので、熱交換を必要としない熱媒管にまで一律に熱媒体を流通することによるエネルギー損失が抑えられ、熱量変化による水素吸蔵合金の劣化を防止して、水素の吸蔵・放出を長期間安定に行なうことができる。
また、流量を最も絞った状態も、少量を流し続ければ常時温度変化を監視できるので好ましい。

本発明の水素貯蔵装置を構成する熱媒管には、更に切替バルブまたはポンプを設けることができる。この切替バルブの開度またはポンプの回転数を制御することによって、熱媒管を流通する熱媒体の流量を変え、水素吸蔵合金の温度制御を行なうようにすることができる。

温度検出手段は、一つの熱媒管に複数設けて構成することができる。複数の温度検出手段を設けた場合には、熱媒制御手段により、熱媒管における熱媒体流通方向の上流側の温度Ｔ^１と下流側の温度Ｔ^２との温度差の絶対値をみて、この値が所定値未満であるときに、水素の吸蔵・放出反応が未進行もしくは小さいあるいは反応終了の領域など、変化量｜ΔＴ｜の小さい領域であるとして、（例えば、切替バルブの開度、またはポンプの回転数の切り替えにより）選択的に熱媒体の流通量を抑え、水素吸蔵合金の加熱または冷却（温度制御）を行なえる。
例えば、流通前の温度Ｔ^１（初期温度）として熱媒管の熱媒体が供給される供給端（例えば供給端からＭＨ充填部に至るまで等の供給端近傍を含む）における温度を、水素貯蔵装置内を流通した後の温度Ｔ^２として熱媒管の熱媒体が排出される排出端（例えば排出端からＭＨ充填部に至るまで等の排出端近傍を含む）における温度を用いることができる。

熱媒体が、水素貯蔵装置内に配されている熱媒管の、熱媒体が供給される供給口となる供給端から水素貯蔵装置の内部を流通し、前記供給端と反対側の、熱媒体が排出される排出口となる排出端から排出される過程で変化する温度の変化量（＝｜Ｔ^２−Ｔ^１｜、熱媒管の出入口での温度変化幅）に基づいて制御するので、熱媒管の配されている各領域での水素の吸蔵・放出反応の程度（反応状態）に応じた温度制御が可能である。例えば、水素貯蔵装置内に複数の熱媒管を配して構成した場合は、熱媒管の各々について温度の変化量を把握することができ、変化量の小さい熱媒管の流通量を選択的に減じ、変化量が所定値を超えた熱媒管のみに通常量の熱媒体を流通させるようにすることが可能である。

本発明の水素吸蔵タンクでは、熱媒体の温度の変化ΔＴを、熱媒管の熱媒体が排出される排出端（例えば排出端からＭＨ充填部に至るまで等の排出端近傍を含む）における温度変化のみを利用して制御することもできる。上記のように熱媒体がタンク内の流通距離の短い供給端近傍の温度（Ｔ^１）を利用せずに、タンク内を流通して水素吸蔵合金の冷却に寄与した熱媒体の温度（Ｔ^２）の経時的な変化を、例えば水素吸蔵合金の特性と対比する等して水素の吸蔵・放出反応の程度を把握でき、変化量の大きい熱媒管のみに選択的に熱媒体を流通させるようにすることが可能である。

本発明の水素吸蔵タンクには、耐圧タンク内の圧力を検出する圧力検出手段を更に設けることができる。圧力検出手段を設けた場合には、熱媒制御手段は、上記のように温度の変化ΔＴの絶対値が所定値未満である場合は、熱媒体の流量を絞って水素吸蔵合金の温度制御を行ないながら、圧力検出手段により検出された圧力が所定値未満（例えばシステム起動圧力未満）であるときには、前記水素吸蔵合金の加熱を前記熱媒体の流量を絞らずに行なうようにすることができる。

耐圧タンク内の圧力は、水素吸蔵合金での水素の吸蔵量に応じて変化するため、耐圧タンク内の圧力が小さい（＜所定値Ｐ）ときには、水素の消費量が多く、水素の放出による水素吸蔵合金の吸熱によって温度低下が大きくなる状況にあるので、温度の変化ΔＴの絶対値が大きく、熱媒体の流量を確保する必要がある場合に、水素の消費量に基づいた流量制御による適切な温度制御を行なうことができる。

また、本発明の水素吸蔵タンクには、外部からの水素要求量が所定値以上であるか否かを判定する判定手段を更に設けることができる。判定手段を設けた場合には、熱媒制御手段は、上記のように温度の変化ΔＴの絶対値が所定値未満である場合は熱媒体の流量を絞って水素吸蔵合金の温度制御を行ないながら、判定手段によって水素要求量が所定値以上であると判定されたときには、少なくとも水素吸蔵合金の加熱を、前記熱媒体の流量を増加して行なう構成とすることができる。

水素貯蔵装置の外部に備えられた水素使用装置から要求された水素要求量が多いときには、貯蔵されている水素ガスを多量に放出する必要があり、放出量の増大に伴なって水素吸蔵合金の吸熱（すなわち温度低下）は大きくなる状況にあるので、温度の変化ΔＴの絶対値が大きく、熱媒体の流量を確保する必要がある場合に、水素要求量、換言すれば水素の消費量に基づいた流量制御を行なって適切に温度制御することができる。

本発明によれば、熱量変化に伴なう水素吸蔵合金の劣化が抑えられ、エネルギー効率を良好に保ちつつ、水素の吸蔵・放出を長期間安定に行なうことができる水素貯蔵装置水素貯蔵装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の水素貯蔵装置の実施形態について詳細に説明する。
（第１実施形態）
本発明の水素貯蔵装置の第１実施形態を図１〜図２を参照して説明する。本実施形態の水素貯蔵装置は、耐圧性の単一タンク内に３本の熱媒管を内装して入口温度センサと出口温度センサとの温度差に基づいて熱媒体の流量を変えて水素吸蔵合金の温度を制御するように構成したものである。

本実施形態では、タンク内に充填する水素吸蔵材料としてＴｉ_２５Ｃｒ_５０Ｖ_２５合金を、熱媒体として冷却水を用いた場合を例に説明する。但し、本発明においては下記実施形態に制限されるものではない。

図１に示すように、本実施形態の水素貯蔵装置は、温度検出手段である温度センサを備え、断面円形の耐圧性を有する高圧タンク１１、高圧タンク１１の内部に収容された水素吸蔵合金であるＴｉＣｒＶ合金１２、および温度検出手段である温度センサが取り付けられ、ＴｉＣｒＶ合金中に熱交換が行なえるように埋設された熱媒管である熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃを備えた水素吸蔵タンク１０と、少なくとも温度センサにより検出された温度に基づいて水素吸蔵合金の温度制御を行なう制御装置５０とを備えている。

熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃ中をそれぞれ流通する冷却水の流量は、各熱交換管に取り付けられた切替バルブ（バルブＶ１〜Ｖ３）を制御装置５０により独立に制御して、熱交換管ごとに流量を変えることができるようになっている。

高圧タンク１１の長手方向の一端には、水素給排口１５が形成されており、この水素給排口１５に水素を供給排出するための水素給排管１６が接続されている。この水素給排管１６を流通してタンク内に水素が供給されたときには、供給された水素を高圧タンク１１内のＴｉＣｒＶ合金（水素吸蔵合金）１２に吸蔵させて貯蔵すると共に、外部に設けられた水素使用装置（不図示）から水素の要求があったときには、貯蔵されている水素を水素給排管１６を通じて水素使用装置に供給できるようになっている。

また、高圧タンク１１の他端には、冷却水給排口（熱媒給排口）１７が形成されており、この冷却水給排口１７に入口温度センサＳ４が取り付けられると共に、冷却水供給管１８が接続されている。外部の冷却水供給装置から冷却水供給管１８を通じて供給された冷却水は、一旦保水室１９に貯留された後、水素吸蔵タンク内に内装された熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃに送られるようになっている。

熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、それぞれＵ字型に成形された断面円形の配管であり、配管の２つの端部は保水室１９に接続されて冷却水の循環が可能な構成になっている。熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃの、熱交換後の冷却水を保水室１９に排出する側の各端部近傍には、切替バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３が取り付けられており、各切替バルブ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）の冷却水流通方向の上流側には出口温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が取り付けられている。熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃを流通する冷却水の各温度を出口温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３で検出し、検出された温度を入口温度センサでの検出温度に照らして切替バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開度を調整することにより冷却水の流量を制御することができるようになっている。具体的な制御方法については後述する。

なお、本実施形態では、冷却水給排口１７に入口温度センサＳ４を取り付け、この入口温度センサＳ４の温度を各熱媒管に供給された冷却水の代表値（初期温度Ｔ^１）としたものである。

高圧タンク１１の内部には、水素吸蔵合金（ＭＨ）として、ＴｉＣｒＶ合金１２が収容されており、外部から水素が供給されると水素を吸蔵して貯蔵することができ、必要に応じて加熱したりタンク内圧を低くしたときには、ＭＨに吸蔵されている水素が解離し、貯蔵された水素を外部に放出し、燃料電池等の水素使用装置に供給することができる。

ＭＨは、２元系合金、３元系合金などを挙げることができ、上記のＴｉＣｒＶ系合金以外に、ＴｉＣｒＭｎ系合金、ＬａＮｉ系合金、ＴｉＦｅ系合金、ＴｉＶＭｏ合金、ＴｉＣｒＶＮｉ合金、ＴｉＣｒＭｏＶ系合金などを好適に使用できる。

水素吸蔵合金（ＭＨ）の形態は、粉状、粒状、ペレット状などのいずれの形状、サイズであってもよい。
水素吸蔵合金は、例えば、所望の組成、組成比となるように金属粉をアーク溶解して（好ましくは更にアニールして）粗合金とし、これをボールミル等の粉砕機を用いて粉砕処理する等して得たものを使用することができ、得られた粉状物等のＭＨをタンク内に（好ましくは高密度に）充填する等して本発明に係る水素貯蔵装置を作製することができる。

熱媒体には、冷却水以外に種々の物質を利用できるが、（1）使用できる圧力が適当である、（2）単位体積あたりの熱容量または潜熱が大きく、伝熱係数が大きい、（3）装置を腐食しない、（4）不燃性・安価・無毒などの環境や経済性の面で負担が少ない等の特徴から目的に合わせて選択することができ、例えばオイルや、水にエチレングリコール等を添加したロングライフクーラント（ＬＬＣ）などが挙げられる。

切替バルブＶ１〜Ｖ３、入口温度センサＳ４、出口温度センサＳ１〜Ｓ３等は、制御装置５０と電気的に接続されており、制御装置５０によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御装置５０は、外部に設けられた水素使用装置からの水素要求を受けて外部に水素の供給を行なうと共に、冷却水の温度変化に基づいて冷却水の流量をコントロールして水素吸蔵合金の温度制御をも担うものである。

ここで、水素貯蔵装置の制御装置５０による制御ルーチンについて、特に熱交換管内を流通する冷却水の流量の増減を行なって水素吸蔵合金を温度制御する熱交換制御ルーチンを中心に図２を参照して説明する。

図２は、冷却水供給管１８および熱交換管１３ａ，１３ｂ，１３ｃにそれぞれ取り付けられた入口温度センサ（Ｓ４）と出口温度センサ（Ｓ１〜Ｓ３）との間の温度の変化（ΔＴ）に基づいて流量コントロールを行なって温度制御する熱交換制御ルーチンを示すものである。

本ルーチンが実行されると、ステップ１００において、冷却水給排口１７に取り付けられた入口温度センサＳ４により冷却水の温度（初期温度Ｔ^１）が取り込まれ、ステップ１２０において、出口温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３により、熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃを流通して戻ってきた冷却水の温度（Ｔ^２）が取り込まれる。

次に、ステップ１４０において、各熱交換管ごとに冷却水の初期温度Ｔ^１と熱交換管を流通して熱交換した後の温度Ｔ^２との差の絶対値｜ΔＴ｜（＝｜Ｔ^２−Ｔ^１｜）を求め、得られた絶対値｜ΔＴ｜が所定値Ｔ未満であるか否かが判定される。
このとき、判定条件を「−Ｔ＜ΔＴ＜Ｔ」とした場合も結果は同様であり、「温度の変化ΔＴの絶対値が所定値未満であるとき」に該当するもので本発明の範囲である。

ステップ１４０において、熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃの少なくとも１つにおいて絶対値｜ΔＴ｜が所定値Ｔ未満（｜ΔＴ｜＜Ｔ）であると判定されたときには、この熱媒管の配された領域の水素吸蔵合金に急激な温度上昇や温度下降がなく、冷却水との間の熱交換は非効率となるので、ステップ１６０において、｜ΔＴ｜＜Ｔである熱交換管の切替バルブの開度が絞られ、流量が絞られる。

このように、水素吸蔵合金に局部的に温度差が生じる場合に、所定値以上の大きな温度変化が認められる領域に対して選択的に熱媒の流量を確保し、冷却が不要な領域の熱媒流量を抑制する制御を行なうことによって、不要な熱媒の流通に伴なうエネルギー損失を防止しつつ、水素の吸蔵・放出を効率よく行ない、ひいては熱量変化が大きいことによる水素吸蔵合金の劣化を回避することができる。

ステップ１４０において、熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃのいずれにおいても、絶対値｜ΔＴ｜が所定値Ｔ以上（｜ΔＴ｜≧Ｔ）であると判定されたときには、水素吸蔵合金は広範にわたって温度が急激に上昇もしくは下降しており、冷却水を流通することによる熱交換が高効率に行なわれるので、ステップ１８０において、熱交換管に取り付けられた全ての切替バルブＶ１〜Ｖ３を全開し、各熱交換管に供給される冷却水の流量を最大にする。

ステップ２００において、水素の吸蔵（貯蔵）要求または外部に設けられた水素使用装置からの水素排出要求があるか否かが判定される。ステップ２００において、水素の貯蔵要求または排出要求があると判定されたときには、水素吸蔵合金の温度が局部的に、あるいは広範にわたって急激に上昇もしくは下降する可能性があるので、再びステップ１００に戻って上記と同様に制御がなされる。

ステップ２００において、水素の貯蔵要求または排出要求がないと判定されたときには、水素吸蔵合金の温度が急激に変化する可能性は小さいので、そのまま本ルーチンを終了する。

本実施形態では、入口温度センサを１つと出口温度センサを３つ取り付けて温度制御を行なう場合を中心に説明したが、センサ数や取り付け位置については上記の実施形態に限られるものではなく、熱媒管ごとに入口温度センサと出口温度センサとを各々１つずつ取り付けた形態等であってもよく、温度センサは高圧タンク外に存在する配管に取り付けるようにしてもよい。

また、本実施形態では、熱交換管の冷却水（熱媒体）の入口近傍と出口近傍の双方に温度センサ（入口温度センサおよび出口温度センサ）を設けるようにしたが、冷却水給排口１７には入口温度センサＳ４を設けず、熱交換管１３ａ、１３ｂ、１３ｃを流通する冷却水の各温度を検出する出口温度センサのみを設けるようにしてもよい。この場合は、冷却水の温度を所定のタイミングで検出し、前後する複数の検出値から温度変化（｜ΔＴ｜）を求め、この｜ΔＴ｜に基づいて温度制御するようにすることができる。

（第２実施形態）
本発明の水素貯蔵装置の第２実施形態を図３〜図４を参照して説明する。本実施形態は、熱媒管を内装した耐圧性のタンク４基を配置し、熱交換管のＬＬＣ流通方向下流に取り付けられた出口温度センサの温度変化と各タンクの内圧変化とに基づき、熱媒体の流量を絞って水素吸蔵合金の温度を制御するように構成したものである。

なお、水素吸蔵材料および熱媒体は、第１実施形態で使用したＴｉＣｒＶ合金および冷却水並びに第１実施形態に記載した他の水素吸蔵材料および熱媒体を用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態の水素貯蔵装置は、断面円形の水素の貯蔵および外部供給が可能な４基の水素吸蔵タンク１０Ａと、水素吸蔵タンク１０Ａおよび、水素吸蔵タンク１０Ａに貯蔵された水素が供給されて作動する燃料電池スタック６０の制御を担う制御装置５０とを備えている。

水素吸蔵タンク１０Ａは、第１実施形態と同様に、断面円形の耐圧性を有する高圧タンク１１と、タンク内部に収容された水素吸蔵合金であるＴｉＣｒＶ合金１２と、温度検出手段である温度センサを備え、ＴｉＣｒＶ合金中に熱交換が行なえるように埋設された熱媒管である熱交換管１３とを設けて構成されている。

なお、各高圧タンク内にはバルブが取り付けられていない熱媒管１本のみを配し、高圧タンク１１の他端に形成された熱媒給排口であるＬＬＣ給排口１７（図１参照の冷却水給排口）には入口温度センサＳ４を設けず、熱交換管１３には高圧タンク１１外において出口温度センサを取り付けたこと以外は、具体的な構成については第１実施形態において既述した通りである。

各水素吸蔵タンクを構成する高圧タンク１１は、図３に示すように、各タンクの他端に形成されたＬＬＣ給排口１７を介して、各々の熱交換管１３の一端がそれぞれ循環系配管２５と接続されて、並列に配列して設けられている。また、熱交換管１３の他端は、バルブＶ１３を備えた戻り配管２６と接続されており、戻り配管２６を流通してきたＬＬＣが、ＴｉＣｒＶ合金（水素吸蔵合金）１２を冷却するための熱媒として熱交換管１３に供給されるようになっている。

高圧タンク１１の長手方向の一端に接続された水素給排管１６は、水素貯蔵装置外に設置された水素供給装置７０と一端で接続されており、他端において４つに分岐された分岐端はそれぞれ水素吸蔵タンク１０Ａと接続され、水素給排管１６を介して水素吸蔵タンク１０Ａ内に水素の供給が可能なようになっている。
なお、図示しないが水素給排管１６の他端において燃料電池（ＦＣ）６０への水素供給が可能なように構成されている。

また、４基の水素吸蔵タンク１０Ａを構成する高圧タンク１１の壁面には、それぞれ、タンク内圧を計測するための圧力センサＰ１，Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４が取り付けられており、所定のタイミングで高圧タンク内の圧力を検出することができるようになっている。

循環系配管２５の熱交換管１３が接続されていない側の一端は、ラジエータを備えた冷却配管２７の一端および配管２８の一端と接続されており、冷却配管２７の他端および配管２８の他端は、バルブＶ１１を介して、ＬＬＣを送り出すポンプＰ１０を備えた循環系配管２９の一端と接続されている。

循環系配管２９の他端は、バルブＶ１２を介して、温度センサＳ１５が取り付けられた配管３０および戻り配管２６の各一端と連通されている。戻り配管２６のＬＬＣ流通方向におけるバルブＶ１２の下流側には、配管３０から燃料電池スタック（ＦＣ）６０に供給されたＬＬＣを排出するための、温度センサＳ１６を備えた戻り配管３１が一端で接続されている。

このように、高圧タンク内に設けられた熱交換管１３、熱交換管１３の一端と繋がる循環系配管２５、冷却配管２７、配管２８、循環系配管２９、および循環系配管２９と熱交換管１３の他端とを連通する戻り配管２６、並びにＦＣと連通する配管３０および戻り配管３１によって、ＬＬＣが循環する循環系が構築されている。

燃料電池スタック６０は、制御装置５０と電気的に接続されており、制御装置５０からの信号を受けて作動する。この燃料電池スタック６０は、複数の単セルを用いたスタック構造を有しており、個々の単セルは、フッ素系イオン交換樹脂膜などの高分子電解質膜がアノード拡散電極とカソード拡散電極との間に狭持されてなる膜電極接合体と、膜電極接合体を更に狭持すると共に、アノード拡散電極との間に水素ガスが流通する、すなわち給排される水素ガス流路と、カソード拡散電極との間に空気（エア）が流通する、すなわち給排されるエア流路とを形成する一対のセパレータとで構成することができる。この燃料電池スタック６０は、水素ガス流路に水素密度の高い水素ガスが供給され、エア流路に酸素を含む空気が供給されて、電気化学反応（電池反応）によって外部に電力を供給することができる。

燃料電池スタック（ＦＣ）６０は、アノード側において、スタックを構成する単セルの各水素ガス流路の供給口と連通するように、不図示の水素供給管の一端が接続されており、この水素供給管によって４基の水素吸蔵タンク１０Ａと連通されている。燃料電池スタック６０からの水素要求があると、制御装置５０からの信号を受けて水素吸蔵タンク１０Ａから放出された水素ガスは、ＦＣに供給される。

水素供給装置７０からの水素が水素吸蔵タンク１０Ａの各々に供給されると、水素吸蔵タンクに収容されているＴｉＣｒＶ合金（水素吸蔵合金）１２の吸蔵反応により貯蔵される。このときの反応は、発熱反応であり、ＴｉＣｒＶ合金は熱交換管１３を介してＬＬＣと熱交換し冷却されるが、水素吸蔵合金の熱量が多い（温度上昇が大きい）ときには、熱交換管１３に取り付けられた出口温度センサの温度の経時変化（｜ΔＴ｜）も大きくなる。また、水素放出時の吸熱反応の場合も同様であり、水素の放出量が多いときには、温度下降が大きく、｜ΔＴ｜も大きくなる。その一方、水素吸蔵合金の温度制御をエネルギー効率よく行なうには、タンク内部の圧力や温度、ＦＣ（水素使用装置）からの水素要求量の程度が重要になる。

例えば、水素吸蔵タンク１０Ａにおいて、（1）タンク内圧Ｐが閾値（例えば２〜３ａｔｍ）未満である場合は、水素充填する必要があり、水素の吸蔵反応（発熱反応）による発熱量が大きいため、（2）タンク内温度Ｔが閾値（例えば−２０℃）未満である場合、ＦＣへの水素供給のための水素の放出反応（吸熱反応）が進行しにくいため、また、（3）ＦＣからの水素要求量Ｑが閾値（例えば５００ＮＬ／ｍｉｎ）を超える高負荷状態にある場合、多量の水素を放出する必要があり、水素の放出反応による吸熱量が大きいため、これらの場合に選択的に、熱交換管に取り付けられた出口温度センサの値に基づき、熱交換管を流通するＬＬＣの流量を増大することにより、エネルギ効率を良好に保ちながら、水素の吸蔵、放出を良好に行なうことができる。

上記の温度センサＳ１１〜Ｓ１６、圧力センサＰ１〜Ｐ４、切替バルブＶ１１〜Ｖ１３、ポンプＰ１０、ラジエータ、および燃料電池スタック（ＦＣ）６０等は、制御装置５０と電気的に接続されており、制御装置５０によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御装置５０は、ＦＣの運転制御とそれに伴なうＦＣへの水素供給制御等を行なうと共に、熱交換管を流れるＬＬＣの温度変化に基づいてＬＬＣの流量をコントロールし、水素吸蔵合金の温度制御をも担うものである。

以下、制御装置５０による制御ルーチンについて、本実施形態における水素吸蔵合金を温度制御する際に、熱交換管内を流通するＬＬＣの流量の増減により水素吸蔵合金を温度制御する熱交換制御ルーチンを中心に図４を参照して説明する。

図４は、高圧タンクの内圧と各熱交換管１３に取り付けられた出口温度センサ（Ｓ１１〜Ｓ１４）により検出された温度の変化（｜ΔＴ｜）に基づいて、熱媒体であるＬＬＣの流量コントロールを行なって水素吸蔵合金を温度制御する熱交換制御ルーチンを示すものである。

本実施形態では、出口温度センサ（Ｓ１１〜Ｓ１４）の温度を所定間隔（例えば１秒間）で検出し、検出された前後の温度から求められる変化幅（｜ΔＴ｜）が所定値Ｔ未満であれば、ポンプＰ１０の駆動が抑えられ、ＬＬＣの流量を絞った温度制御が行なわれるようになっている。
そして、本ルーチンが実行されると、ステップ３００において、４基の水素吸蔵タンク１０Ａの各々に取り付けられた圧力センサＰ１〜Ｐ４で計測されたタンク内圧（ｐ^１、ｐ^２、ｐ^３、ｐ^４）が取り込まれる。

ステップ３２０において、取り込まれたタンク内圧（ｐ^１、ｐ^２、ｐ^３、ｐ^４）がそれぞれ所定値Ｐ未満であるか否かが判定される。ステップ３２０において、タンク内圧ｐ^１、ｐ^２、ｐ^３およびｐ^４のいずれかが所定値Ｐ未満であると判定されたときには、所定値Ｐに満たないタンク内の水素貯蔵量は少なく、大きく温度低下している可能性が高く、また、水素供給装置７０から水素給排管１６を流通して水素を供給、吸蔵して貯蔵量を高める必要がある。そのため、まずステップ３４０において、所定値Ｐに満たない水素吸蔵タンクの熱交換管１３に設けた出口温度センサ（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３またはＳ１４）の温度（ｔ^０）が取り込まれる。

なお、ステップ３２０において、タンク内圧ｐ^１、ｐ^２、ｐ^３およびｐ^４のいずれもが所定値Ｐ以上であると判定されたときには、ＬＬＣの流量を変える必要がないため、そのまま本ルーチンを終了する。

次に、ステップ３６０において、タンク内圧が所定値Ｐに満たない水素吸蔵タンクに水素供給装置７０から水素の供給が開始される。供給開始後、供給された水素は、タンク内に収容されているＴｉＣｒＶ合金（水素吸蔵合金）１２に吸蔵される。水素の吸蔵反応は発熱反応であり、水素吸蔵合金の温度が大幅に上昇するおそれがあるため、ステップ３８０において、さらに出口温度センサ（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３またはＳ１４）の温度（ｔ^１）が取り込まれる。

ステップ４００において、取り込まれた温度ｔ^０とｔ^１とから温度の変化量の絶対値｜ｔ^１−ｔ^０｜（＝｜ΔＴ｜）が所定値Ｔを超えているか否かが判定される。ステップ４００において、｜ｔ^１−ｔ^０｜が所定値Ｔを超えていると判定されたときには、水素吸蔵タンク内を流通するＬＬＣの流量を通常の流量以上に多くする必要があるので、ステップ４２０において、ポンプＰ１０を駆動して、ＬＬＣの流量を増加させる。

ステップ４４０において、水素の吸蔵（貯蔵）を行なっている水素吸蔵タンクでの水素の貯蔵が完了したか否かが判定され、水素の貯蔵が完了したと判定されたときには、水素吸蔵合金の温度が急激に高くなるおそれがないので、ステップ４６０において、ポンプＰ１０の駆動を抑えて、ＬＬＣの流量がもとの流量に戻される。
なお、ステップ４４０において、水素の貯蔵が未だ完了していないと判定されたときには、水素の吸蔵反応により更に温度が上昇するおそれが高いので、ＬＬＣの流量を増加させたままＬＬＣの循環を継続する。

ステップ４００において、絶対値｜ｔ^１−ｔ^０｜が所定値Ｔ以下であると判定されたときには、水素吸蔵合金の温度上昇が未だ小さく、冷却能力を向上させるためにＬＬＣの流量を増加させる必要がないので、ステップ３４０に戻って上記同様にステップ３４０〜ステップ３８０の制御を繰り返す。

本実施形態では、ＬＬＣを常に高速で流通せず、上記のように水素吸蔵タンク内の温度が大きく変動する要因が生じた場合に選択的に、熱交換管のタンク出口側に取り付けられた出口温度センサにより検出された温度の変化に基づき、必要に応じてＬＬＣの流量を増大する制御を行なうので、エネルギー効率を良好に保ちつつ、水素の吸蔵・放出を良好に行なうことができる。

本実施形態では、４基の水素吸蔵タンクのタンク内圧、すなわち水素量の低下および水素吸蔵を行なうか否か（ステップ３２０）に基づいてＬＬＣの流量制御、つまり水素吸蔵合金の温度制御を行なうようにしたが、これに限られず、例えば、４基の水素吸蔵タンクのタンク内温度Ｔが閾値となる所定値Ｔを下回っているか（水素放出が可能か）否か（ステップ３２０においてタンク内温度Ｔ＜所定値Ｔを満たすか否か）に基づいて、あるいはＦＣによる制御装置からの水素要求量ｑが閾値となる所定値Ｑを上回っているか（水素放出が多量であるか）否か（ステップ３２０において水素要求量ｑ＞所定値Ｑを満たすか否か）に基づいて、ＬＬＣの流量制御、つまり水素吸蔵合金の温度制御を行なうようにしてもよい。

（第３実施形態）
本発明の水素貯蔵装置の第３実施形態を図５を参照して説明する。本実施形態は、第２実施形態において、熱交換管のＬＬＣ流通方向下流に取り付けられた出口温度センサの温度変化と各タンクの内圧変化とに基づいて熱媒体の流量を絞る別の制御形態に構成したものである。

なお、水素吸蔵材料および熱媒体は、第１実施形態で使用したＴｉＣｒＶ合金および冷却水並びに第１実施形態に記載した他の水素吸蔵材料および熱媒体を用いることができ、また、第１および第２実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態における制御装置５０による制御ルーチンについて、各熱交換管１３に取り付けられた出口温度センサ（Ｓ１１〜Ｓ１４）により検出された温度の変化（｜ΔＴ｜）と圧力センサＰ１〜Ｐ４により検出された圧力（高圧タンクの内圧）とに基づいて、熱媒体であるＬＬＣの流量コントロールを行なって水素吸蔵合金を温度制御する熱交換制御ルーチンを、図５を参照して説明する。

本ルーチンが実行されると、ステップ５００において、４基の水素吸蔵タンク１０Ａの各々の熱交換管１３に設けた出口温度センサ（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３またはＳ１４）の温度（ｔ^０）が取り込まれる。

ステップ５２０では、各水素吸蔵タンクからＦＣ６０に水素の放出が開始される。水素は、ＴｉＣｒＶ合金（水素吸蔵合金；ＭＨ）１２から解離してタンク外に放出される。このとき、熱交換管１３には、ＭＨを加熱させるためのＬＬＣが流通している。水素の放出反応は吸熱反応であり、ＭＨ温度は急激に降下したりあるいは高圧タンク内が冷えすぎている可能性があるため、ステップ５４０において、さらに出口温度センサ（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３またはＳ１４）の温度（ｔ^１）が取り込まれる。

ステップ５６０において、取り込まれた温度ｔ^０とｔ^１とから温度の変化量の絶対値｜ΔＴ｜（＝｜ｔ^１−ｔ^０｜）が所定値Ｔ未満であるか否かが判定される。ステップ５６０において、｜ΔＴ｜が所定値Ｔ未満であると判定されたときには、温度の低下幅が小さく、ＬＬＣの流量を絞り込むことに支障はないため、ステップ５８０に移行する。

逆に、ステップ５６０において、｜ΔＴ｜が所定値Ｔ以上であると判定されたときには、低下幅が大きすぎ、水素吸蔵タンク内を流通するＬＬＣの流量を維持する必要があるので、流量を絞らずにステップ６４０に移行する。

ステップ５８０では、４基の水素吸蔵タンク１０Ａの各々に取り付けられた圧力センサＰ１〜Ｐ４で計測されたタンク内圧（ｐ^１、ｐ^２、ｐ^３、ｐ^４）が取り込まれる。

そして、ステップ６００において、取り込まれたタンク内圧（ｐ^１、ｐ^２、ｐ^３、ｐ^４）が、それぞれ所定のシステム起動圧力Ｐ未満であるか否かが判定される。ステップ６００において、タンク内圧ｐ^１、ｐ^２、ｐ^３およびｐ^４のいずれかがシステム起動圧力Ｐ以上であると判定されたときには、さらにＭＨを加熱する必要性が乏しいので、ステップ６２０において、ポンプＰ１０の駆動を抑えてＬＬＣの流量を絞る。
尚、システム起動圧力は、システムの作動に必要な高圧タンクの内圧である。

ステップ６００において、タンク内圧ｐ^１、ｐ^２、ｐ^３およびｐ^４のいずれかがシステム起動圧力Ｐ未満であると判定されたときには、水素放出量が必ずしも充分でなく、さらに暖める必要があるため、ポンプＰ１０の駆動を維持して流量を絞らず、次のステップ６４０に移行する。

ステップ６４０において、外部からの水素の排出要求が未だあるか否かが判定され、水素の排出要求があると判定されたときには、再びステップ５００に戻って同様の制御を行なう。逆に、ステップ６４０において、水素の排出要求が終了したと判定されたときには、そのまま本ルーチンを終了する。

本実施形態では、循環系配管に設けられた１つのポンプ（ポンプＰ１０）を制御してＬＬＣの流量制御を行なう場合を説明したが、各高圧タンクの熱媒管の各々にバルブを取り付けてタンク毎に流量制御を行なうようにすることもできる。

上記の第２および第３実施形態では、４基の水素吸蔵タンクを並列に配置して構成したが、４基以外に１基または４基以外の複数の基数を所望により選択して構成することができる。

また、第２および第３実施形態では、４基の水素吸蔵タンクを設け、各水素吸蔵タンクごとに１つの出口温度センサのみを設けた構成としたが、センサ数および配置位置については特に制限はなく、例えば、各水素吸蔵タンクごとに入口温度センサおよび出口温度センサをそれぞれ１つ設けて構成したり、あるいは各水素吸蔵タンクに１〜３本の熱交換管を配し、１つの入口温度センサと１〜１２個の範囲で選択される数の出口温度センサとを設けて構成されていてもよい。

さらに、第２および第３実施形態では、４基の水素吸蔵タンクについて単一の制御を行なって温度制御を同時に行なうようにしたが、第１実施形態のように、熱交換管の各々に切替バルブを設けて水素吸蔵タンクごとに流量制御、すなわち水素吸蔵合金の温度制御を行なうようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る水素吸蔵装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る水素吸蔵装置の冷却水の流量制御を行なう熱交換制御ルーチンを示す流れ図である。 本発明の第２実施形態に係る水素吸蔵装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る水素吸蔵装置のＬＬＣの流量制御を行なう熱交換制御ルーチンを示す流れ図である。 本発明の第３実施形態に係る水素吸蔵装置のＬＬＣの流量制御を行なう熱交換制御ルーチンを示す流れ図である。

符号の説明

１０，１０Ａ…水素吸蔵タンク
１１…高圧タンク
１２…ＴｉＣｒＶ合金（水素吸蔵合金）
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３…熱交換管
１５…水素給排口
１７…熱媒給排口
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４…温度センサ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…圧力センサ

Claims (7)

1. 水素ガスを給排する水素給排口および熱媒体を給排する熱媒給排口を有し、水素吸蔵合金が収容された耐圧タンクと、
   前記耐圧タンクの内部に配され、熱媒体が流通して少なくとも前記水素吸蔵合金を加熱または冷却する熱媒管と、
   前記熱媒管を流通する熱媒体の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された前記熱媒体の温度の変化ΔＴの絶対値が所定値未満であるときに、前記水素吸蔵合金の加熱または冷却を前記熱媒体の流量を絞って行なう熱媒制御手段と、
   を備えた水素貯蔵装置。
2. 前記熱媒管が切替バルブまたはポンプを備え、前記熱媒制御手段は、前記切替バルブの開度を切り替え、または前記ポンプの回転数を切り替えることにより、前記熱媒体の流量を絞ることを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵装置。
3. 前記熱媒管の少なくとも一部が複数の前記温度検出手段を備え、
   前記熱媒制御手段は、前記熱媒管における前記熱媒体の流通方向上流側の温度Ｔ^１と流通方向下流側の温度Ｔ^２との温度差の絶対値が所定値未満であるときに、前記熱媒体の流量を絞って加熱または冷却を行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素貯蔵装置。
4. 前記温度Ｔ^１は、前記熱媒管の熱媒体が供給される供給端における温度であり、前記温度Ｔ^２は、前記熱媒管の熱媒体が排出される排出端における温度であることを特徴とする請求項３に記載の水素貯蔵装置。
5. 前記変化ΔＴは、前記熱媒管の熱媒体が排出される排出端における温度変化であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素貯蔵装置。
6. 前記耐圧タンク内の圧力を検出する圧力検出手段を更に備え、
   前記熱媒制御手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力が所定値未満であるときに、前記水素吸蔵合金の加熱を前記熱媒体の流量を絞らずに行なうことを特徴とする請求項５に記載の水素貯蔵装置。
7. 外部からの水素要求量が所定値以上であるか否かを判定する判定手段を更に備え、
   前記熱媒制御手段は、前記判定手段によって水素要求量が所定値以上であると判定されたときに、少なくとも水素吸蔵合金の加熱を前記熱媒体の流量を増加して行なうことを特徴とする請求項５に記載の水素貯蔵装置。

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