JP2008045648A - 高圧水素貯蔵容器 - Google Patents

Abstract

【課題】配置される冷媒配管や冷媒ポンプの小型軽量化を図る高圧水素貯蔵容器を提供する。
【解決手段】本発明は、水素を吸蔵または吸着する材料Ｘが充填される水素容器５と、この水素容器を内装するライナー２とを備える高圧水素貯蔵容器において、前記材料は、水素を吸蔵または吸着する特性が異なる複数の材料からなることを特徴とする高圧水素貯蔵容器。
【選択図】図５

Description

本発明は、高圧水素貯蔵容器、特に水素吸蔵材料または水素吸着材料を内装した高圧水素貯蔵容器の改良に関するものである。

従来の水素吸蔵材料等を内装した高圧水素貯蔵容器を適用した燃料電池システムの一例として、特許文献１に記載の技術がある。

この技術は、低温型の水素吸蔵合金を内蔵した起動用高圧水素貯蔵容器と高温型の水素吸蔵合金を内蔵した運転用高圧水素貯蔵容器を備えるシステムである。このシステムでは、運転条件に応じて水素を供給する高圧水素貯蔵容器を切り換えるとともに、運転用高圧水素貯蔵容器からの水素を用いて起動用高圧水素貯蔵容器に水素を充填可能としたため、高圧水素貯蔵容器が空となることに伴って水素の供給が停止することを防止するものである。

通常、高圧水素貯蔵容器を備えた燃料電池システムには、高圧水素貯蔵容器の水素吸蔵に伴う発熱を放熱するための熱交換装置を備えており、この熱交換装置は、設置される高圧水素貯蔵容器の発熱量に応じて、その放熱性能が設定される。つまり、高圧水素貯蔵容器の単位時間当たりの最大発熱量に対応する放熱量が設定される。
特開２００１−３０２２０１号公報

しかしながら、高圧水素貯蔵容器の放熱のために設けられる熱交換装置の放熱性能は、高圧水素貯蔵容器の単位時間当たりの最大放熱量に応じて設定されるため、熱交換装置が大型化し、重量が増大し、結果として吸蔵できる水素量の減少または居住スペースの減少を招くという課題がある。

したがって、本発明の目的は、単位時間当たりの最大放熱量を低減して、熱交換装置の小型化を図ることのできる高圧水素貯蔵容器を提供することである。

本発明は、水素を吸蔵または吸着する材料が充填される水素容器と、この水素容器を内装するライナーとを備える高圧水素貯蔵容器において、前記材料は、水素を吸蔵または吸着する特性が異なる複数の材料からなることを特徴とする。

本発明では、異なる水素を吸蔵または吸着する特性を有する複数の材料を水素容器内に充填するので、水素の吸蔵または吸着に伴う各材料の最大発熱量のタイミングをずらし、単位時間当たりの最大放熱量を低減することができる。このため、前記材料の放熱のための冷媒の配管の管径や板厚、冷媒を循環させるためのポンプ等の要求性能を低下させて、軽量化、低コスト化を図ることができる。

図１は、本発明の高圧水素貯蔵容器を適用する燃料電池システムの構成図である。図中、一点鎖線で囲まれた部分は、水素吸蔵合金Ｘの熱を放出するための熱交換システム部を示す。

１は、水素を吸蔵、放出する水素吸蔵合金Ｘを内装する高圧水素貯蔵容器であり、１０は、水素配管１１を介して高圧水素貯蔵容器１に水素を充填する水素供給源である。

熱交換システム部に示された実線の矢印は、冷媒の流れを示し、水素吸蔵合金Ｘを冷却し、昇温した冷媒は、高圧水素貯蔵容器１から第１冷媒配管１２を通じてラジエータ１３に送られ、冷却される。冷却された冷媒は、燃料電池スタック１４の放熱のために第２冷媒配管１５を通じて燃料電池スタック１４に送られる。なお、高圧水素貯蔵容器１から送られた冷媒の温度が所定温度未満である場合には、ラジエータ１３をバイパスする第１バイパス配管１６が第１冷媒配管１２と第２冷媒配管１５とを接続し、第１バイパス配管１６と第２冷媒配管１５との合流部に冷媒の流れを制御する第１三方弁１７を設置する。また、第２冷媒配管１５には、モータ２２により駆動されるポンプ２１が設置される。

燃料電池スタック１４を冷却した冷媒は、第３冷媒配管１８を通じて高圧水素貯蔵容器１に送られ、高圧水素貯蔵容器１の放熱のために用いられる。ここで、燃料電池スタック１４をバイパスする第２バイパス配管１９が第２冷媒配管１５と第３冷媒配管１８間に設けられ、燃料電池スタック１４に供給される冷媒の温度が所定温度に達しない場合には、冷媒は、燃料電池スタック１４に送られることなく、高圧水素貯蔵容器１に送られる。この第２バイパス配管１９への冷媒の流れを制御する第２三方弁２０が第２冷媒配管１５と第２バイパス配管１９との合流部に設けられる。

燃料電池システムを統合制御するコントローラ２３が設置されており、このコントローラ２３は、ラジエータ１３から排出された冷媒の温度を検出する温度センサ２４の出力信号、燃料電池スタック１４に流入、流出する冷媒の温度を検出する温度センサ２５、２６の出力信号及び高圧水素貯蔵容器１の温度を検出する温度センサ２７の出力信号を読み込み、検出したこれら温度に基づいて第１、第２三方弁１７、２０、モータ２２、後述する高圧水素貯蔵容器１のバルブユニット４ａ、４ｂ及び水素供給源１０を制御する。

図２は、高圧水素貯蔵容器１の構成図である。

高圧（例えば３５ＭＰａ）に耐え得る耐圧容器である高圧水素貯蔵容器１は、ライナー２と、ライナー２を補強する補強部材３と、高圧水素貯蔵容器１内の水素、及び水素吸蔵合金Ｘの冷却のための冷媒の出入りを制御する一対のバルブユニット４ａ、４ｂと、水素吸蔵合金Ｘを内装する水素吸蔵合金容器５とから構成されている。

ライナー２は、円筒状の本体部２ａと、この本体部２ａの開口端部を塞ぐ略半球状のドーム部２ｂ、２ｃと、このドーム部２ｂ、２ｃに形成され、高圧水素貯蔵容器１内と外部とを連通する貫通孔２ｄを備えたボス部２ｅとからなる。

補強部材３は、ライナー２の外周面に巻き付けられ、例えば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から形成される。ライナー２が補強部材３により補強されることで、強度を確保しつつ、軽量化を図ることができる。

バルブユニット４ａ、４ｂはドーム部２ａ、２ｂのボス部２ｅに形成された貫通孔２ｄに取り付けられ、コントローラ２３により制御され、高圧水素貯蔵容器１への水素及び冷媒の流入量、流出量を調整する。

図２に示すように、水素吸蔵合金容器５は、水素吸蔵合金Ｘを充填する有蓋円筒状の容器であり、円筒状の本体部５ａと、その開口両端を塞ぐ平板状の蓋部５ｂと、容器中心にて蓋部５ｂ間を接続する支持棒５ｃからなる。水素吸蔵合金容器５内には、水素吸蔵合金Ｘを冷却する冷媒が流通する冷媒配管６が設けられ、冷媒配管６は、各蓋部５ｂに形成された集合部６ａと、各蓋部５ｂの集合部６ａを中心軸方向に連結する複数の冷媒管６ｂと、一方の蓋部５ｂの集合部６ａと一方のバルブユニット４ｂを繋ぐ入口配管６ｃとからなる。さらに、支持棒５ｃの内部を貫通し、他方の集合部６ａと連通する貫通孔６ｄを設け、冷媒配管６は、この貫通孔６ｄと、貫通孔６ｄと一方のバルブユニット４ｂとを連通する出口配管６ｅから形成される。

このように構成された冷媒配管６は、バルブユニット４ｂから冷媒が供給され、水素吸蔵合金Ｘの熱を吸収した後、バルブユニット４ｂから排出するように構成される。また、熱伝導性に優れた薄板状のフィンを軸直方向に配置して、フィンを支持棒５ｃや冷媒管６ｂに固定し、水素吸蔵合金がフィンに接触して熱交換を促し、より効率よく水素吸蔵合金Ｘの熱を放出するように構成してもよい。

次に、水素吸蔵合金容器５に充填される水素吸蔵合金Ｘについて説明する。

本実施形態の水素吸蔵合金Ｘは、所定温度での水素吸蔵合金の水素圧力と組成（水素吸蔵量）との特性、いわゆるＰＣＴ（Pressure Composition Temperature；圧力・組成−温度）特性の異なる水素吸蔵合金を複数種類、混合させたものである。

図３は、水素吸蔵合金の代表的なＰＣＴ特性と水素吸蔵時に生じる熱量、言い換えると水素吸蔵合金を冷却する冷媒が吸熱する熱量を示す。水素吸蔵合金は、一般に水素圧力、すなわち水素吸蔵合金容器５内の圧力が上昇すると水素吸蔵量の増加し、ある圧力（プラトー圧）で水素の吸蔵量が増大する領域（プラトー領域）を経て、その後、圧力上昇に対する吸蔵量を鈍化させる。このようなＰＣＴ特性を備える水素吸蔵合金の発熱量は、プラトー圧でその発熱量が最大となり、単位圧力当たり（または単位時間当たり）の水素吸蔵量が減ると、発熱量も減少するという傾向を示す。

このＰＣＴ特性は、前述のように水素吸蔵合金により異なる特性を示し、例えば、図４に示すように、プラトー圧違いで水素吸蔵合金を選択することが可能である。

ここで、図３に示すような単一の水素吸蔵合金で水素の吸蔵を行う場合には、水素吸蔵合金の放熱を司る熱交換システム部を構成する冷媒配管、ポンプ２１やモータ２２等の性能や仕様をプラトー圧での水素吸蔵合金の最大放熱量に対応した性能、仕様として、冷媒配管の管径、板厚、ポンプ２１容量の増大やモータ２２の出力のアップが必要となる。このため、熱交換システム部が大型化、高コスト化を招くことになる。

そこで本実施形態では、水素吸蔵合金容器５内に充填する水素吸蔵合金ＸをＰＣＴ特性の異なる複数種類の水素吸蔵合金Ａ〜Ｅから構成することを特徴とする。図４を用いて、水素吸蔵特性の異なる複数種類からなる水素吸蔵合金Ｘを用いた場合の効果を説明する。

図４は、水素吸蔵合金容器内に充填する５種類の水素吸蔵合金Ａ〜Ｅの水素吸蔵特性を示す。この水素吸蔵特性は、いわゆるＰＣＴ特性であって、水素吸蔵合金Ａ〜Ｅは、それぞれのＰＣＴ特性のプラトー圧が搭載される車両の使用環境温度において上限圧と下限圧の間にある水素吸蔵合金であって、略等間隔にプラトー圧差が生じるような水素吸蔵合金Ａ〜Ｅを選択する。また、水素吸蔵合金Ａ〜Ｅの総水素吸蔵量は、図３に示す単一の水素吸蔵合金と略同等となるように各水素吸蔵合金を選択する。ここで、上限圧は、高圧水素貯蔵容器１の許容圧力であり、下限圧は、要求される水素供給圧から設定され、例えば燃料電池スタック１４での発電が可能な最低水素供給圧力に対応する圧力である。

前述の通り、それぞれの水素吸蔵合金Ａ〜Ｅはプラトー圧が異なり、また各水素吸蔵合金Ａ〜Ｅの水素吸蔵合金容器５内に充填される量は１種類の水素吸蔵合金を水素吸蔵合金容器５内に充填する場合に比して減少するため、これら水素吸蔵合金Ａ〜Ｅの個々の放熱量は少なくなり、かつその最大放熱量の発生する圧力が一致することがない。このため、水素吸蔵合金Ａ〜Ｅの合計の放熱量は図に示す如く、最大放熱量が維持される台形特性となり、最大放熱量の生じる時間（圧力）を長くなるように放熱特性を設定できる。したがって、図３に示す単一の水素吸蔵合金の合計放熱量Ａと図４に示す複数種類の水素吸蔵合金の合計放熱量Ｂを同一とすると、単位時間当たりの最大放熱量は複数種類の水素吸蔵合金を用いた場合の方が小さくなることが明らかである。

なお、単位時間当たりの最大放熱量を減少させつつ、水素吸蔵量が増大するように水素吸蔵量の多い水素吸蔵合金の割合を多くなるように選択してもよい。

このように、水素吸蔵合金容器５内に充填する水素吸蔵合金をプラトー圧の異なる複数の水素吸蔵合金Ａ〜Ｅから構成することにより、水素吸蔵量を維持しつつ、単位時間当たりの最大放熱量を低減させることができる。単位時間当たりの最大放熱量が低減することにより、冷媒流量を低下させ、この結果、冷媒配管の管径、板厚の縮小、ポンプ２１及びモータ２２の小型化等が可能となり、熱交換システム部の小型化、軽量化および低コスト化を図ることができる。また、複数の水素吸蔵合金を混合して水素吸蔵合金容器５に充填するため、従来の水素吸蔵合金容器を変更なしに使用することができる。

次に図を用いて水素吸蔵合金の水素吸蔵合金容器内の充填方法について説明する。

前述の図２では、複数の水素吸蔵合金を混合した状態で、水素吸蔵合金容器５内に充填した。対して図５に示す方法では、仕切板７を用いて水素吸蔵合金容器５内を区画し、各水素吸蔵合金Ａ〜Ｅを各区画ごとに充填する構成とした。各水素吸蔵合金Ａ〜Ｅ間を仕切る仕切板７は、同心円状に設置されるように径違いの円筒状に形成され、この仕切板７は各水素吸蔵合金Ａ〜Ｅが混合することなく、かつ水素が通過可能に、例えばメッシュ状に形成される。水素吸蔵合金容器５内には、等間隔に冷媒管６ｂが配置され、発熱した水素吸蔵合金Ａ〜Ｅを冷却する。

図６は冷媒管６ｂ近傍の部分断面図を示し、冷媒管６ｂに固定され、軸直方向に延出する円板状のフィン６ｆを設け、このフィン６ｆに各水素吸蔵合金を仕切る仕切板７を固定する。

また、水素吸蔵合金Ａ〜Ｅは、外周側にプラトー圧の低い水素吸蔵合金Ａを充填し、内側ほどプラトー圧の高い水素吸蔵合金Ｅを充填し、冷媒をまず外側の水素吸蔵合金Ａの放熱に用いるように供給することで、効率よく水素吸蔵合金の熱交換を行うことができる。

なお、仕切板７を用いれば、水素吸蔵合金容器５内を任意に区画することができ、ＰＣＴ特性の異なる水素吸蔵合金を適宜配置することで、水素吸蔵合金と冷媒との熱交換を効率よく行うことができる。

また、本実施形態においては、例えばTiZrCrFeNiMnCu系（AB2系）、TiCrV系（BCC系）やMmNiMnCo系（AB5系）の各合金に代表される水素吸蔵合金を例として説明してきたが、合金に限らず水素を吸蔵する水素吸蔵材料であるＭＯＦ（多孔性金属有機構造材料）等でもよい。また、吸蔵に限らず水素を吸着する水素吸着材料、例えば錯体炭素材、カーボンナノチューブ、カーボンナノキューブや活性炭等を用いてもよいことは言うまでもない。さらには、ＰＣＴ特性を備え、水素吸蔵（吸着）時及び放出時に熱の出入りを生じる材料であれば本発明が適用可能である。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

第１の実施形態の燃料電池システムの構成図である。 高圧水素貯蔵容器の構成図である。 １種類の水素吸蔵合金のＰＣＴ特性を示す図である。 複数種類の水素吸蔵合金のＰＣＴ特性を示す図である。 他の高圧水素貯蔵容器の構成図である。 冷媒管近傍の部分断面図である。

符号の説明

１：高圧水素貯蔵容器
２：ライナー
３：補強部材
４ａ、４ｂ：バルブユニット
５：水素吸蔵合金容器
６：冷媒配管
６ａ：集合部
６ｂ：冷媒管
７：仕切板
Ａ〜Ｅ、Ｘ：水素吸蔵合金

Claims (10)

1. 水素を吸蔵または吸着する材料が充填される水素容器と、
   この水素容器を内装するライナーとを備える高圧水素貯蔵容器において、
   前記材料は、水素を吸蔵または吸着する特性が異なる複数の材料からなることを特徴とする高圧水素貯蔵容器。
2. 前記材料は、異なるプラトー圧を備えることを特徴とする請求項１に記載の高圧水素貯蔵容器。
3. 前記各材料は、前記高圧水素貯蔵容器が搭載される車両の使用環境温度において、前記プラトー圧が所定の圧力範囲に維持されることを特徴とする請求項２に記載の高圧水素貯蔵容器。
4. 前記圧力範囲の上限圧は前記高圧水素貯蔵容器の許容圧力であり、下限圧は要求される最低水素供給圧であることを特徴とする請求項３に記載の高圧水素貯蔵容器。
5. 前記材料間のプラトー圧の差が等しいことを特徴とする請求項３に記載の高圧水素貯蔵容器。
6. 前記各材料の水素の吸蔵または吸着に伴う発熱量が等しくなるように前記各材料量を設定することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の高圧水素貯蔵容器。
7. 前記複数の材料を混合して前記水素容器内に充填することを特徴とする前記請求項１から６のいずれか一つに記載の高圧水素貯蔵容器。
8. 前記水素容器内を複数の区画に仕切る仕切板を設け、前記区画ごとに異なる前記材料を充填することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の高圧水素貯蔵容器。
9. 前記仕切板は、水素が通過可能で、かつ各材料が不通過となるように形成されることを特徴とする請求項８に記載の高圧水素貯蔵容器。
10. 前記仕切板は、メッシュ状に形成されることを特徴とする請求項９に記載の高圧水素貯蔵容器。