JP2008151284A - 水素ガス貯蔵用容器 - Google Patents

Abstract

【課題】内部に水素吸蔵合金を収容した水素ガス貯蔵用容器で、水素ガスの充填圧力を一層増加させることが可能な構成とする。
【解決手段】水素ガス貯蔵用容器１０は、各端部が開口した長尺な容器１２と、該容器１２の各端部を閉塞した蓋部材１４、１６と、これら蓋部材１４、１６によって支持された支持体１８ａ〜１８ｃとを有し、各支持体１８ａ〜１８ｃに水素吸蔵合金２０が収容された膜材２２が支持されている。容器１２には、入口管部２４及び出口管部２６が設けられ、その一方で、蓋部材１４、１６に第１及び第２マニホールド４０がそれぞれ設置される。入口管部２４から容器１２内に水素ガスが導入される際、第１マニホールド３８から冷媒が供給される。冷媒は、支持体１８ａ〜１８ｃを構成する中心軸３０の通路５０に流通し、第２マニホールド４０から排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を可逆的に吸蔵又は放出可能な水素吸蔵合金を容器内に収容した水素ガス貯蔵用容器に関する。

燃料電池は、周知のように、アノードに水素等の燃料ガスが供給される一方でカソードに酸素等の酸化剤ガスが供給されて発電する。従って、例えば、燃料電池を搭載した燃料電池車では、水素ガスを充填した水素ガス貯蔵用容器が搭載される。燃料電池車は、酸化剤ガスとしての大気と、前記水素ガス貯蔵用容器から供給された水素ガスとを反応ガスとして走行する。

このことから諒解されるように、水素ガス貯蔵用容器の水素ガス収容量が大きいほど燃料電池車を長距離にわたって走行させることができる。しかしながら、過度に大きな水素ガス貯蔵用容器を搭載することは、燃料電池車の重量を大きくすることになり、結局、燃料電池の負荷が大きくなるという不具合を招く。この観点から、水素ガス貯蔵用容器の体積を小さく維持しながら水素ガス収容量を向上させる様々な試みがなされている。その一手法として、水素吸蔵合金を容器内に収容することが挙げられる。

水素吸蔵合金は、熱を発しながら水素を吸蔵する一方、熱を吸収しながら水素を放出する。すなわち、水素吸蔵合金の水素吸蔵は発熱反応であり、水素放出は吸熱反応である。このことから諒解されるように、容器に水素ガスを充填する際には、前記の発熱によって該容器の温度が過度に上昇することを回避するべく、熱を除去する必要がある。

この観点から、特許文献１には、容器内に収容された水素吸蔵合金に対し、冷媒を介して熱を除去することが可能な構成が提案されている。すなわち、無機繊維の織布で筒壁が構成された円筒型通気材を該円筒型通気材に比して大径な管体に挿入し、これら円筒型通気材と管体との間のクリアランスに水素吸蔵合金を充填する。このようにして構成されたユニットを容器内に複数個挿入し、前記円筒型通気材の孔に水素ガスを供給するとともに、前記容器と前記管体との間のクリアランスに冷媒を移動させる構成である。

この場合、円筒型通気材の孔に流通された水素ガスは、筒壁を透過した後、水素吸蔵合金に吸蔵される。この際に発生した熱は、冷媒に伝達された後、該冷媒が容器外に導出されることに伴って容器外に除去される。

特開２００２−１５４８０１号公報

ところで、水素ガス貯蔵用容器の水素ガス収容量を向上させる別の一手法として、水素吸蔵合金を用い、さらに、水素ガスの充填圧力を増加することが考えられるが、特許文献１記載の構成で水素ガスの充填圧力を増加する場合、前記管体の耐圧を向上させる必要がある。

しかしながら、耐圧を向上させるべく管体の肉厚を大きくすると、管体、ひいては水素ガス貯蔵用容器の重量が大きくなるという不具合を招く。また、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際には体積膨張を伴うが、この場合、水素吸蔵合金が外方から管体で拘束されているので、水素吸蔵合金は、各管体の内方に位置する円筒型通気材を押圧する方向に体積膨張を起こす。すなわち、水素流路である前記孔の径が縮小することになる。このため、各管体中の水素吸蔵合金の充填量を厳密に管理しなければ、水素吸蔵合金の水素吸蔵時の体積膨張量が管体ごとに異なり、その結果、水素流路の径が相違して、各管体に水素が均一に分配されなくなるという不具合が惹起される。

また、仮に水素吸蔵合金を過度に管体に充填した場合、水素吸蔵合金が体積膨張を起こすと、上記のように水素流路が圧潰されるだけでは体積膨張を吸収することができず、管体が水素吸蔵合金に押圧されて破損する懸念がある。

さらに、円筒型通気材の材質が無機繊維であるので、水素ガスを円筒型通気材の孔に供給するための水素ガス供給機構を構成する金属製部材との接合構造が複雑となる不具合も顕在化している。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、水素吸蔵合金の充填量を厳密に管理する必要がなく、且つ構成が簡素でありながら水素吸蔵合金に水素ガスを略均等に分配させることが可能で、しかも、水素ガスの流通路が閉塞される懸念を払拭した水素ガス貯蔵用容器を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、水素を可逆的に吸蔵又は放出可能な水素吸蔵合金を容器内に収容した水素ガス貯蔵用容器であって、
前記容器内に、水素を透過可能な膜材に収容された水素吸蔵合金を支持した長尺な支持体が配設され、
前記支持体は、延在方向に沿って通路が設けられた中空体を有することを特徴とする。

本発明においては、水素貯蔵合金が水素を吸蔵した際、該水素吸蔵合金は、支持体の中空体を中心として外方に放射状に体積膨張を起こす。すなわち、体積膨張した水素吸蔵合金は、該水素吸蔵合金を収容した収容部を外方に拡大する。これにより、体積膨張が吸収される。

体積膨張量が同じである場合、収容部の体積変化量は、特許文献１記載の従来技術のように収容部（中空部）の内側を膨張させるよりも、外方に膨張させる方が小さい。さらに、水素吸蔵合金を収容した前記膜材が柔軟で可撓性に富むので、該膜材は、水素吸蔵合金の体積膨張に容易に追従して形状変化を起こす。このため、本発明では、水素吸蔵合金の充填量を厳密に管理することなく水素を各水素流路に略均等に分配することが可能となる。

しかも、部品点数がさほど増加しないので、水素ガス貯蔵用容器の体積や重量が過度に大きくなることも回避される。

ここで、支持体は、例えば、前記中空体と、該中空体の延在方向に直交する方向に延在する複数個の堰止用部材と、隣接する前記堰止用部材同士にわたって橋架された複数個の支持用部材とで構成することができる。この場合、水素吸蔵合金が体積膨張を起こしても、堰止用部材及び支持用部材によって押圧されるので該水素吸蔵合金が位置ズレを起こすことを防止できる。

しかも、この場合、水素吸蔵合金の体積膨張は、主に、中空体を中心として放射状に離間する方向に起こる。水素吸蔵合金を収容した膜材が柔軟で可撓性に富むので、該膜材は、この体積膨張に追従して変形する。このため、膜材が破損する懸念が払拭される。

なお、容器が各端部に金属製の蓋部材をそれぞれ有し、且つ前記支持体を構成する前記中空体も金属であることが好ましい。さらに、該中空体の各端部を２個の前記蓋部材の各々に設けられた貫通孔に通すことで、該中空体を容易に支持することができる。この場合、蓋部材と中空体の双方が金属であるので、蓋部材と中空体との間のシール材を配設することで両者間のシールも容易である。すなわち、水素ガス貯蔵用容器の構成を一層簡素化することができる。

また、蓋部材にマニホールドを設置すれば、該マニホールドを介して前記中空体の前記通路に温度調整媒体を供給することも可能となる。これにより、支持体（中空体）が複数個存在する場合であっても、各中空体に温度調整媒体を略均等に分配させることができる。

本発明によれば、水素を吸蔵した水素貯蔵合金の体積膨張を、該水素吸蔵合金を外方に放射状に体積膨張させて収容部を外方に拡大することで吸収するようにしているので、収容部の体積変化量が小さい。しかも、水素吸蔵合金を収容した前記膜材が水素吸蔵合金の体積膨張に容易に追従して形状変化を起こすので、水素吸蔵合金の充填量を厳密に管理することなく水素を各水素流路に略均等に分配することが可能となる。

また、水素吸蔵合金を支持する支持体を容器内に設けるのみであるので、構造が複雑化することがない。すなわち、水素ガス貯蔵用容器を簡素に構成することもできる。

以下、本発明に係る水素ガス貯蔵用容器１０につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る水素ガス貯蔵用容器１０の長手方向に沿う全体概略断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。この水素ガス貯蔵用容器１０は、容器１２と、該容器１２を構成するライナ１３の各端部を閉塞した蓋部材１４、１６と、これら蓋部材１４、１６によって支持された３本の支持体１８ａ〜１８ｃ（図２参照）とを有し、これら支持体１８ａ〜１８ｃの各々に、水素吸蔵合金２０が収容された膜材２２が支持されている。

この場合、ライナ１３は、長手方向にわたって内径及び外径が略同等に設定された長尺な中空円筒体であり、且つその各底部が開口されている。ライナ１３の材質は、ポリエチレン等の樹脂材であってもよいが、水素の圧力に耐え得る剛性を有するステンレス鋼や、水素の圧力に耐え得る厚みを有するアルミニウム合金等であってもよい。また、ライナ１３の各端部には、水素ガスの導入口となる入口管部２４と、排出口となる出口管部２６とが下方に指向して突出形成されている。

蓋部材１４には、貫通孔２８ａ、２８ｂを含む３本の貫通孔が形成されている。各貫通孔には、前記支持体１８ａ〜１８ｃを構成する中心軸３０の一端部（図１における左端部）が通されている。

蓋部材１４には、鉛直上方に延在する第１通路と、該第１通路から略９０°折曲されて水平方向に延在する第２通路とからなる導入通路３２が形成されている。勿論、この導入通路３２は、前記入口管部２４と連通している。換言すれば、入口管部２４は、導入通路３２を介して容器１２の内部に連通している。

一方、蓋部材１６には、前記貫通孔の各々に対応する位置に、貫通孔３４ａ、３４ｂを含む３本の貫通孔が形成されている。各貫通孔には、前記中心軸３０の他端部（図１における右端部）が嵌合されており、これにより、中心軸３０、ひいては支持体１８ａ〜１８ｃが蓋部材１４、１６の双方で支持されている。

蓋部材１６には、水平方向に延在する第１通路と、該第１通路から略９０°折曲されて鉛直下方に延在する第２通路とからなる排出通路３６が形成されている。この排出通路３６は、前記出口管部２６と容器１２の内部とを連通させる役割を担う。

以上の構成において、蓋部材１４、１６は、金属から作製されている。また、ライナ１３及び蓋部材１４、１６は、例えば、繊維強化樹脂からなる外殻３７に被覆され、これにより容器１２を構成している。

なお、後述するように、中心軸３０も金属からなり、蓋部材１４、１６と中心軸３０との間は、図示しないＯリング等のシール部材によってシールされている。前記シール部材の好適な材質としては、例えば、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム等を例示することができる。

蓋部材１４には第１マニホールド３８が設置されており、一方、蓋部材１６には第２マニホールド４０が設置されている。図１から諒解されるように、これら第１マニホールド３８及び第２マニホールド４０の各先端部は、外殻３７から露呈している。また、第１マニホールド３８には蓋部材１４から突出した３本の中心軸３０の各左方先端がすべて収容され、同様に、第２マニホールド４０には蓋部材１６から突出した前記中心軸３０の各右方先端がすべて収容されている。

なお、第１マニホールド３８の略中心には、温度調整用媒体を導入するための導入管部４２が設けられており、一方、第２マニホールド４０の略中心部には、前記温度調整用媒体を排出するための排出管部４４が設けられている。

図３に示すように、支持体１８ａは、中心軸３０と、その直径が前記中心軸３０の延在方向に直交する方向に延在する円盤形状の堰止用部材４６と、堰止用部材４６の隣接するもの同士に橋架された平板形状の支持用部材４８とを有する。この中、中心軸３０には通路５０が設けられている。すなわち、中心軸３０は、その延在方向に沿って通路５０が設けられた中空体である。従って、前記第１マニホールド３８の内部と前記第２マニホールド４０の内部は、中心軸３０の通路５０を介して連通する（図１参照）。

支持体１８ａにおいては、堰止用部材４６の隣接するもの同士に６枚の支持用部材４８が橋架されている（図３参照）。このため、堰止用部材４６の隣接するもの同士の間には、２枚の堰止用部材４６と６枚の支持用部材４８とにより、６個の支持室５２が形成される。本実施の形態では、５枚の堰止用部材４６が設けられているため、２４個の支持室５２が設けられる。

なお、中心軸３０の材質としては耐圧性に優れるステンレス鋼が好適であり、一方、堰止用部材４６及び支持用部材４８の材質としては、熱伝導性に優れる金属、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金が好適である。

勿論、残余の支持体１８ｂ、１８ｃも支持体１８ａと同様に構成されている。

図１及び図４に示すように、前記水素吸蔵合金２０は、支持体１８ａ〜１８ｃの支持室５２の各々に収容され、さらに、膜材２２によって覆われている。そして、膜材２２には、水素吸蔵合金２０が流動することを防止するべく、耐熱ゴム製の固定用バンド５４が複数個巻回されている。

膜材２２は、水素が流通可能な直径０．３〜１０μｍの孔が複数個設けられ、且つその厚みが３０〜３００μｍに設定されている。なお、膜材２２の材質は特に限定されるものではないが、ポリウレタン、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル、エポキシ、アセテート、四フッ化エチレン、ナイロン６，６、繊維状活性炭製の不織布又は織布、ガラス繊維製の不織布又は織布が好適な例として挙げられる。

なお、水素吸蔵合金２０としては、例えば、ＬａＮｉ₅、Ｍｇ₂Ｎｉ、Ｍｇ等、公知の物質を使用すればよい。勿論、有機金属錯体であってもよい。

本実施の形態に係る水素ガス貯蔵用容器１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

上記のように構成された水素ガス貯蔵用容器１０に水素ガスを充填する際には、水素ガス供給源を入口管部２４に接続するとともに、第１マニホールド３８の導入管部４２に、冷却水等の冷媒（温度調整媒体）を供給する冷媒供給源を接続する。なお、出口管部２６には水素ガス回収機構が接続されるとともに、第２マニホールド４０の排出管部４４には冷媒回収源が接続される。

そして、水素ガス供給源から水素を供給する一方、冷媒供給源から冷媒を供給する。水素ガスは、ライナ１３の入口管部２４、及び蓋部材１４の導入通路３２を経由して容器１２の内部に進入する。また、冷媒は、第１マニホールド３８内で拡散して、支持体１８ａ〜１８ｃの各中心軸３０に略均等に分配される。

上記したように、容器１２（ライナ１３）の内部には水素吸蔵合金２０が存在する。従って、水素ガスは、膜材２２を透過して水素吸蔵合金２０に到達し、該水素吸蔵合金２０に吸蔵される。これに伴い、水素吸蔵合金２０は、熱を発するとともに体積膨張を起こす。

この熱は、先ず、支持体１８ａ〜１８ｃに伝達される。支持体１８ａ〜１８ｃを構成する堰止用部材４６、及び支持用部材４８がアルミニウム又はアルミニウム合金等の熱伝導度が高い金属からなるので、支持体１８ａ〜１８ｃに伝達された熱は、第１マニホールド３８を介して支持体１８ａ〜１８ｃの各中心軸３０の通路５０に流通された冷媒に速やかに伝達される。そして、冷媒が通路５０を介して第２マニホールド４０の内部に進行し、さらに、第２マニホールド４０の排出管から水素ガス貯蔵用容器１０の外部に排出されることに伴い、冷媒に伝達された熱が水素ガス貯蔵用容器１０の外部に速やかに除去される。以上のようにして、容器１２や支持体１８ａ〜１８ｃの温度が過度に上昇することが抑制される。

上記したように、支持体１８ａ〜１８ｃの各中心軸３０には冷媒が略均等に分配されている。このため、支持体１８ａ〜１８ｃの間で熱吸収に差が生じて温度ムラが発生する懸念がない。

水素吸蔵合金２０は、堰止用部材４６と支持用部材４８とで形成される支持室５２（図３参照）に収容されているため、支持体１８ａ〜１８ｃの延在方向に沿って体積膨張を起こすことは困難である。一方、膜材２２が比較的柔軟であるため、支持体１８ａ〜１８ｃを構成する中心軸３０の直径方向外方に向かう方向に沿う体積膨張は比較的容易である。このため、水素吸蔵合金２０は、主に、中心軸３０の直径方向外方に向かう方向に向かって体積膨張を起こす。

上記したように、膜材２２は柔軟であり、この体積膨張に追従して変形する。従って、膜材２２が破損することが回避される。

しかも、この場合、水素を吸蔵した水素吸蔵合金２０は、中心軸３０を中心として外方に放射状に体積膨張を起こす。従って、該水素吸蔵合金２０の体積膨張が膜材２２を外方に拡大することで吸収されるので、膜材２２の体積変化量が小さい。しかも、上記したように、水素吸蔵合金２０を収容した膜材２２が該水素吸蔵合金２０の体積膨張に容易に追従して形状変化を起こすので、水素吸蔵合金２０の充填量を厳密に管理することなく水素を各水素ガスの流通路（ライナ１３の内部）に略均等に分配することが可能となる。

このように、本実施の形態によれば、簡素な構成で、水素吸蔵合金２０を収容した部材（膜材２２）が破損することを回避することができ、且つ体積膨張を起こした水素吸蔵合金２０によって水素ガスの分配が不均一となる懸念を払拭することができる。従って、水素ガスの充填圧力を増加させることが可能となり、このため、水素ガス収容量の向上を図ることができる。また、体積膨張を起こした水素吸蔵合金２０によって水素ガスの流通路が閉塞される懸念もない。

さらに、中心軸３０と蓋部材１４、１６との間をシールするためには、上記したようなゴム製のシール材を用い、該シール材を中心軸３０と蓋部材１４、１６との間に介装するのみでよい。すなわち、冷媒を流通させるための中心軸３０を金属で構成したことにより、無機繊維の織布からなる円筒型通気材を金属製の蓋部材と接合してシールする構造に比して著しく簡素な構造とすることができる。

その上、金属製の蓋部材とマニホールドとを介して無機繊維の織布からなる円筒型通気材に水素を流通させる構造は複雑となるが、本実施の形態においては、容器１２に入口管部２４・出口管部２６を設けるとともに蓋部材１４、１６に導入通路３２・排出通路３６を設けるという簡素な構成で、容器１２の内部に水素ガスを充填すること、ひいては水素吸蔵合金２０に水素を吸蔵させることができる。

すなわち、本実施の形態によれば、従来技術に係る水素ガス貯蔵用容器１０に比して構造を著しく簡素化することができるので、その製造も簡素化される。また、部品点数が少ないのでコスト的に有利である。

なお、容器１２内に収容する支持体１８ａの個数は、３個に特に限定されるものではなく、２本であってもよいし、４本以上であってもよい。勿論、各支持体に設ける堰止用部材４６及び支持用部材４８の個数も任意に設定することができる。

また、上記した実施の形態では、水素ガスを充填する際に通路５０に冷媒を流通するようにしているが、水素ガスを放出する際に熱媒に切り換え、水素吸蔵合金２０からの水素の放出を促進するようにしてもよい。

さらに、図５に示すように、ライナ１３のみで容器１２を構成するようにしてもよい。

本実施の形態に係る水素ガス貯蔵用容器の長手方向に沿う全体概略断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 図１の水素ガス貯蔵用容器を構成する支持体の全体概略斜視図である。 図３の支持体の支持室に水素吸蔵合金を収容して膜材で被覆した状態を示す全体概略側面図である。 別の実施の形態に係る水素ガス貯蔵用容器の長手方向に沿う全体概略断面図である。

符号の説明

１０…水素ガス貯蔵用容器 １２…容器
１４、１６…蓋部材 １８ａ〜１８ｃ…支持体
２０…水素吸蔵合金 ２２…膜材
２４…入口管部 ２６…出口管部
３０…中心軸 ３２…導入通路
３６…排出通路 ３８、４０…マニホールド
４２…導入管部 ４４…排出管部
４６…堰止用部材 ４８…支持用部材
５０…通路 ５２…支持室

Claims (4)

1. 水素を可逆的に吸蔵又は放出可能な水素吸蔵合金を容器内に収容した水素ガス貯蔵用容器であって、
   前記容器内に、水素を透過可能な膜材に収容された水素吸蔵合金を支持した長尺な支持体が配設され、
   前記支持体は、延在方向に沿って通路が設けられた中空体を有することを特徴とする水素ガス貯蔵用容器。
2. 請求項１記載の水素ガス貯蔵用容器において、前記支持体は、前記中空体の延在方向に直交する方向に延在する複数個の堰止用部材と、隣接する前記堰止用部材同士にわたって橋架された複数個の支持用部材とを有することを特徴とする水素ガス貯蔵用容器。
3. 請求項１又は２記載の水素ガス貯蔵用容器において、前記容器が各端部に金属製の蓋部材をそれぞれ有し、且つ前記支持体を構成する前記中空体が金属からなるとともに、その各端部が２個の前記蓋部材の各々に設けられた貫通孔に通されていることを特徴とする水素ガス貯蔵用容器。
4. 請求項３記載の水素ガス貯蔵用容器において、前記蓋部材にマニホールドが設置され、前記マニホールドを介して前記中空体の前記通路に温度調整媒体が供給されることを特徴とする水素ガス貯蔵用容器。

Images