JP2009144901A - 燃料電池自動車用水素貯蔵システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 体積貯蔵密度及び水素貯蔵量を向上させることができパッケージングに有利な構造を有する燃料電池自動車用水素貯蔵システムを提供する。
【解決手段】本発明は、高温で水素を放出する第1貯蔵合金粉末が充填された外部空間と、燃料電池スタックから発生する熱のみで水素を排出する第2貯蔵合金粉末を充填した内部空間と、前記内部及び前記外部空間を区画するように前記内部空間と前記外部空間の間に配列された金属フィルターと、燃料電池スタックとラジエーターとの間で冷却ループの一構成を成しながら、前記内部空間の長さ方向に沿って配列される第2熱交換チューブと、前記第1貯蔵合金粉末の水素放出のために外部空間に別途に連結される独立熱交換ループと、を含めて構成されることを特徴とする。
【選択図】 図4

Description

本発明は燃料電池自動車用水素貯蔵システムに係り、より詳しくは、体積貯蔵密度および水素貯蔵量を向上させることができ、パッケージングに有利な構造を有する金属水素化物を利用した燃料電池自動車用水素貯蔵システムに関する。
燃料電池自動車の商用化に必須な要件の一つが1充電走行距離の達成である。
例えば、300マイルの走行距離を達成するには、5kg以上の水素を車両に搭載できる技術が必要である。
現在、燃料電池自動車には高圧(350barまたは700bar)水素貯蔵システムが適用されているが、ガス状態の水素は低密度であるため水素貯蔵量を増加させるのに限界がある。
即ち、350barの高圧水素貯蔵システムで5kgの水素を貯蔵するためには、約215Lの内容積の貯蔵タンクが必要であり、車両に搭載することは不可能である。
700barの高圧水素貯蔵システムの場合は、水素5kgを貯蔵するために必要な体積が125Lであり、車両パッケージの側面では350barの水素貯蔵システムより有利であると考えられるが、システムの重さ、価格、貯蔵効率の側面で不利であり、綿密な検討が必要である。これに加えて、水素充電所等基幹施設も普及させなければならないという課題を抱いている。
そこで、各燃料電池自動車開発業者は新規の水素貯蔵システムに対する研究を進めており、高圧水素貯蔵システムを代替するための代案として、液体水素、固体状態の水素貯蔵材料、スラリー状態の水素発生材料などを利用したシステムが研究されている。
液体水素貯蔵装置は水素液化温度が−253℃と低いため、液化に要するエネルギーが水素の有するエネルギーの30%以上であり、効率が良くない。更に、極低温状態で水素を貯蔵するため、継続的に蒸発が起き、貯蔵タンクの内圧が上昇するため、発生した水素ガス(3%/1日)を貯蔵タンク外部に放出させなければならないという問題がある。
スラリー状態の水素発生装置の場合は、主にガス分解を利用して水素を発生させるが、水素が発生した後に残る副産物を車両搭載状態で処理することが難しいという問題がある。
反面、固体状態で水素を可逆的に貯蔵/放出させることができる水素貯蔵材料を利用する場合、上のシステムが有する問題点を補完することができるため、最近活発に研究されている。
このように水素を可逆的に貯蔵/放出させることのできる固体状態の貯蔵材料としては、水素貯蔵合金、炭素系ナノ材料、多孔性ナノ構造体などがある。これらの材料中、ナノ材料の場合、水素を可逆的に貯蔵することに関する基礎研究が進められている。反面、水素貯蔵合金の場合、Ni−MHバッテリーなどの商用化に関して多くの研究が進められており、新規応用分野として、車両用水素貯蔵システムへの適用の可能性が模索されている。
水素貯蔵合金は固体状態で水素と反応して水素を貯蔵するため、重量貯蔵密度は1.5〜2.5wt%で比較的低いが、高圧水素気体に比べて優れた体積貯蔵密度を有しているため、車両パッケージの面で有利である。
更に、高圧(350bar以上)システムに比べて低い圧力(約100bar)で水素を貯蔵、放出することができるため、安全上の懸念も解消できる利点がある。
このような水素貯蔵合金にはAB5、AB2、BCCなどの構造を有する材料があるが、これらは水素放出温度が燃料電池で発生する熱を利用することができる程に低いという長所がある反面、重量貯蔵密度が1〜2.5wt%と低いため、システムの重量が重くなるという問題を有している。
これに比べ、Mg系MHまたは複合金属水素化物(complex metal hybrid:NaAlH4、LiAlH4など)のような材料は、水素貯蔵密度が5〜10wt%以上で伝統的な金属水素化物(MH)材料よりは高いが、水素放出温度が約150〜400℃と高いため、燃料電池の廃熱は困難という短所を有する。
水素貯蔵合金として知られた伝統的な金属は、特定圧力と温度条件で水素と発熱反応し、MHを形成しながら水素を貯蔵し、MHは適切な熱の供給を受け、水素を放出することができる。
水素貯蔵時、貯蔵合金と水素が反応して熱が発生するが、発生する熱を効果的に除去することで反応が継続して起きる。
更に、MHに適当な熱を加えると水素が放出されるが、このときはMHの温度が低くなるため、適当な量の熱を持続的、効率的に供給する必要がある。
このように、MHを燃料電池自動車用水素貯蔵システムとして使用するためには、効果的な熱伝達が可能な構造を必要とするため、当分野の研究者は熱交換器を内蔵させた貯蔵タンクの技術を特許出願している。
その代表的な技術として、MHハイブリッド水素貯蔵タンク(図6参照)、csの水素内燃機関用MH水素貯蔵タンク(図7参照)、コンパクトMH水素貯蔵タンク(図8参照)などがある。
前記のようなMH水素貯蔵タンクを車両に搭載する場合、基本的に図5のようなシステムが構築される。
即ち、MH水素貯蔵タンク100に対し、冷却水ポンプ500およびラジエーター400を含む燃料電池スタック300の冷却ループを利用して水素を充電する時は冷却し、水素を放出する時は加熱する。
MH水素貯蔵タンク100内のMHは、水素放出温度が低いため、燃料電池スタック300で発生する廃熱でも燃料電池スタックで要求する水素供給条件を満足することができるが、重量貯蔵密度が低く、システムの重量が非常に重くなるという短所がある。
反面、Mg系MHや複合金属水素化物のような貯蔵物質は、水素貯蔵密度が5〜10wt%以上であるが、水素放出時の温度が150〜400℃と高いため、燃料電池で発生した廃熱ではスタックで要求する水素供給条件を満たすことができないという短所がある。
特開2006−026567号公報
本発明は前記のような従来の諸般問題点を勘案してなされたものであり、本発明の目的は、一般的な水素貯蔵合金と、水素貯蔵密度は高いが、水素放出温度が高い水素貯蔵材料を共に用いることで、体積貯蔵密度及び水素貯蔵量を向上させることができるパッケージングに有利な構造を有する燃料電池自動車用水素貯蔵システムを提供することにある。
前記目的を達成するための本発明は、高温で水素を放出する第1貯蔵合金粉末が充填された外部空間と、燃料電池スタックから発生する熱のみで水素を排出する第2貯蔵合金粉末を充填した内部空間と、前記内部及び前記外部空間を区画するように前記内部空間と前記外部空間の間に配列された金属フィルターと、燃料電池スタックとラジエーターとの間で冷却ループの一構成を成しながら、前記内部空間の長さ方向に沿って配列される第2熱交換チューブと、前記第1貯蔵合金粉末の水素放出のために外部空間に別途に連結される独立熱交換ループと、を含めて構成されることを特徴とする。
前記第1貯蔵合金粉末は、Mg系水素化物、NaAlH、LiBH、LiAlH、MgH合金の中から選択されたいずれか1種であり、前記第2貯蔵合金粉末は、BCC系金属水素化物、AB5、AB2、BCC系合金の中から選択されたいずれか1種であることを特徴とする。
ここで、AB2型は、チタン、マンガン、ジルコニウム、ニッケルなどの遷移元素の合金をベースとしたもので、結晶が六方晶ベースの構造をもつものを、AB5型は、希土類元素、ニオブ、ジルコニウム1に対して触媒効果を持つ遷移元素(ニッケル、コバルト、アルミニウムなど)5を含む合金をベースとしたもの(LaNi5などが代表)を、BCC(Body−Centered Cubic lattice)は、Ti−Fe系、V系など比較的空隙の多い体心立方晶の金属間化合物をなすものを言う。
前記金属フィルターの外径面には、その長さ方向に沿って等間隔で前記熱伝達用フィンが一体に形成されることを特徴とする。
前記第1貯蔵合金粉末は、金属フィルターの外径面と前記熱伝達用フィンとの間の空間に充填されることを特徴とする。
前記独立熱交換ループは、前記外部空間でその長さ方向に沿って配列される複数個の第1熱交換チューブと、前記第1熱交換チューブの一先端(入口)に連結される入口チャンバーと、前記第1熱交換チューブの他先端(出口)に連結される出口チャンバーと、前記入口チャンバー内に設置されて第1熱伝達媒体を加熱させる加熱手段と、前記入口チャンバー内に連結される第1熱伝達媒体流入ラインと、前記出口チャンバーに連結される第1熱伝達媒体排出ラインと、前記第1熱伝達媒体流入ラインと第1熱伝達媒体排出ラインとの間の空間に配列されるポンプ及び第1熱伝達媒体用タンク(reservoir)と、を含めて構成されることを特徴とする。
前記加熱手段には温度調節手段が連結され、この温度調節手段は前記入口チャンバーに設置された温度センサーの情報を通して、前記第1貯蔵合金粉末が一定温度に維持されるように前記加熱手段の温度を調節することを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池スタックで発生する熱のみでも水素放出が可能な貯蔵合金粉末以外に、水素貯蔵密度は高いが、水素放出温度が高いため、燃料電池車両用水素貯蔵タンクに適用することができない貯蔵合金、即ち、高温で水素を放出させる貯蔵合金を共に利用することで、燃料電池車両用水素貯蔵システムの水素貯蔵容量を増大させることができる。
また、高温で水素放出が可能な貯蔵合金を使用することにより、システムの重量が多少増加するが、システムの重量増加を考慮しても燃料電池自動車の最大目標である1充電走行距離を満足させることができるという長所を有する。
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。
図1は本発明による燃料電池自動車用水素貯蔵システムの水素貯蔵タンクの断面図である。
図1に示す通り、シリンダー形のMH水素貯蔵タンク100の内部で、外部空間V1には相対的に高温で水素を放出させることができる第1貯蔵合金粉末10を充填させ、内部空間V2にはスタックで発生する熱のみでも水素を放出させることができる、即ち、低温で水素を放出させることができる第2貯蔵合金粉末12を充填させる。
この時、第1貯蔵合金粉末10は金属フィルター14の外径側に、第2貯蔵合金粉末12は、金属フィルター14の内径空間に各々分けて充填される。金属フィルター14を使用した理由は、内外部空間V1,V2を水素は通過できるようにし、金属粉末は通過できないようにするためである。
MH水素貯蔵タンク100の外部空間V1には、燃料電池スタックの冷却ループとは独立して作動するように、高温用貯蔵材料、即ち、第1貯蔵合金粉末10を通過する複数個の第1熱交換チューブ16を含む独立熱交換ループ200を連結する。
MH水素貯蔵タンク100の内部空間V2には、燃料電池スタック300から出てくる冷却ループである複数個の第2熱交換チューブ18が第2貯蔵合金粉末12を通過する。
例えば、MH水素貯蔵タンク100の外部空間V1には、水素貯蔵量が7wt%であり、水素放出温度が約300℃で、高いMg系水素化物を充填し、MH水素貯蔵タンク100の内部空間V2には、水素貯蔵量が2wt%であり、室温でも水素を放出することができるBCC系金属水素化物を充填させる。
好ましくは、MH水素貯蔵タンク100の内部空間V2には、水素放出温度が燃料電池スタック300の運転温度より低いAB5、AB2、BCC系合金などを充填することができ、外部空間V1には、水素放出温度が燃料電池スタック300の運転温度より高いNaAlH、LiBH、LiAlH、MgHなどの合金を充填することができる。前記の合金以外にも多様な合金を組合せて充填させることができることはもちろんである。
MH水素貯蔵タンク100の構造において、タンクの中心点から外部空間V1の最外郭までの半径R1を20cmに、タンクの中心点から内部空間V2の最外郭までの半径R2を10cmに、そしてMH水素貯蔵タンク100のシリンダーの長さLを90cmと仮定すると、MH水素貯蔵タンク100の外部空間V1及び内部空間V2の体積は各々85L、28Lであり、タンク全体の体積は113Lとなる。
即ち、外部空間V1には、Mg系水素化物を内部熱交換器(第1熱交換チューブ16)の体積約5Lを除外して80L満たすことができ、内部空間V2には、BCC系水素化物を内部熱交換器(第2熱交換チューブ18)の体積(約3L)を除外して25L満たすことができる。
この時、各々外部空間V1および内部空間V2の与えられた体積内に、Mg系合金は96kg(粉末密度約1.2g/cc)を、BCC系合金は90kg(粉末密度約3.6g/cc)を充填することができ、水素貯蔵量はMg系合金に6.7kg、BCC系合金に1.8kgずつ総8.5kgを貯蔵することができる。
このように、MH水素貯蔵タンク100の外部空間V1に充填される水素放出温度が高い水素貯蔵材料であるMg系水素化物と、MH水素貯蔵タンク100の内部空間V2に充填され、水素を低温(室温)で放出させる水素貯蔵合金としてBCC系金属水素化物を一緒に使用することにより、発生するシステムの重量増加を考慮したとしても(システム重量約250kg)、燃料電池自動車の1充電走行距離を満足させることができる。
ここで、本発明の水素貯蔵システムとして、MH水素貯蔵タンクの構造およびその動作をより具体的に説明する。
図2および図3は、本発明による燃料電池自動車用水素貯蔵システムの水素貯蔵タンクの内部および外観を示す斜視図であり、図4は本発明による燃料電池自動車用水素貯蔵システムを説明する構成図である。
まず、本発明によるMH水素貯蔵タンクの内部空間構造およびその熱伝達作用として水素が貯蔵される流れを説明する。
MH水素貯蔵タンク100の内部空間V2は、シリンダー形状であり、金属フィルター14の内部空間となり、ここにスタックで発生する熱のみでも水素を放出させることができる前記の第2貯蔵合金粉末12を充填させ、この第2貯蔵合金粉末12を通過しながら複数個の第2熱交換チューブ18が配列される。
第2熱交換チューブ18は、燃料電池スタック300の冷却ループを成す一構成要素として、第2熱交換チューブ18の一先端(入口)は燃料電池スタック300の出口側と連結され、他先端(出口)はラジエーター400側に連結される。
次いで、燃料電池スタック300からスタックを冷却した後、供給される第2熱伝達媒体(冷却水)が第2熱交換チューブ18内を流れる時、内部空間V2に充填された第2貯蔵合金粉末12と熱交換をする。
従って、内部空間V2に充填された第2貯蔵合金粉末12、即ち、BCC系金属水素化物は燃料電池スタック300で発生する熱のみでも水素を放出させる作用を行う。
即ち、燃料電池スタック300の冷却ループとして、第2熱交換チューブ18を間に置き、燃料電池の運転時に発生する熱を除去する機能を行うラジエーター400と、冷却ループに冷却水を円滑に循環させる機能を行う冷却水ポンプ500が連結されており、MH水素貯蔵タンク100に水素を充電させる時は、燃料電池スタック300を通過しないループを通して冷却水を循環させて水素貯蔵合金タンク100を冷却し、燃料電池スタック300を運転する時は、燃料電池スタック300の冷却水を第2熱交換チューブ18に流し、第2貯蔵合金粉末12が燃料電池スタック300で発生する熱のみで水素を放出させる作用を行う。
ここで、本発明によるMH水素貯蔵タンクの外部空間構造、およびその熱伝達作用により水素が貯蔵される流れを説明する。
外部空間V2は、金属フィルター14の外径面と水素貯蔵タンク100の内径面との間の空間となり、ここに高温で水素を放出させることができる第1貯蔵合金粉末10を充填させ、この第1貯蔵合金粉末10を通過しながら複数個の第1熱交換チューブ16が配列される。
この時、金属フィルター14の外径面には、その長さ方向に沿って等間隔で円板形の熱伝達用フィン20が一体形成され、実質的に第1貯蔵合金粉末10は熱伝達用フィン20との間の空間に充填され、第1熱交換チューブ16は熱伝達用フィン20を貫通して配列される。
更に、金属フィルター14の両先端の外径面には、第1熱伝達媒体のための入口チャンバー22および出口チャンバー24が装着される。
次いで、第1熱交換チューブ16の一先端(入口)は入口チャンバー22に連結され、他先端(出口)は出口チャンバー24に連結される。
特に、入口チャンバー22には、第1熱伝達媒体を加熱できる加熱手段26が装着され、この加熱手段26には温度調節手段28が連結され、加熱手段26の加熱温度を調節することができるようにする。
より詳しくは、温度調節手段28は、入口チャンバー22に設置される温度センサー30の情報を通して、第1貯蔵合金粉末10が一定温度で維持されるように、加熱手段26の温度を調節する。
更に、入口チャンバー22には、熱伝達媒体流入ライン32が連結され、出口チャンバー24には熱伝達媒体排出ライン34が連結される。
また、熱伝達媒体流入ライン32と熱伝達媒体排出ライン34との間の区間には、ポンプ36と熱伝達媒体貯蔵用タンク38が配列され、熱伝達媒体貯蔵用タンク38は熱伝達流体を保管すると共に、水素充電時、熱伝達媒体を冷却させるラジエーター機能も有する。
従って、ポンプ36の駆動により、熱伝達媒体貯蔵用タンク38内の第1熱伝達媒体が熱伝達媒体流入ライン→入口チャンバー→第1熱交換チューブ→出口チャンバー→熱伝達媒体排出ライン→タンクの順で循環され、このような第1熱伝達媒体の循環時、入口チャンバー22内の第1熱伝達媒体は、加熱手段26により加熱される。
この時、熱伝達媒体貯蔵用タンク38全体を加熱せず、第1熱伝達媒体が流れる入口チャンバー22の内側に加熱手段26を装着することで、水素貯蔵タンク全体に加熱手段を置くよりも少ないエネルギーにて第1貯蔵合金粉末10に熱伝達を行うことができる。
これによって、記加熱手段26により加熱された第1熱伝達媒体が入口チャンバー22から第1熱交換チューブ16内を流れる時、第1貯蔵合金粉末10に対する加熱が行われ、同時に、熱伝達用フィン20に伝達され、熱により第1貯蔵合金粉末10に対する加熱が更に行われ、MH水素貯蔵タンク100の外部空間V1に充填された水素放出温度が高い水素貯蔵材料である第1貯蔵合金粉末10、即ち、Mg系水素化物から水素放出が行われる。
このように、高温で水素を放出する第1貯蔵合金粉末10の場合は、燃料電池スタック300で発生した熱のみで水素を放出させることができるため、前記のように、追加加熱手段26、およびこれを運転するための熱伝達媒体タンク38、ポンプ36、温度調節手段28などを独立熱交換ループ200とで構成することで、第1貯蔵合金粉末10の水素放出を容易にすることができる。
一方、図3に示す通り、本発明の水素貯蔵タンクが密閉された状態で製作された後、その一側部に水素ガス出入口40を形成し、前記のように、第1および第2貯蔵合金粉末10,12から生成された水素を抜き出すことができる。
本発明による燃料電池自動車用水素貯蔵システムの水素貯蔵タンクの断面図である。 本発明による燃料電池自動車用水素貯蔵システムの水素貯蔵タンクの内部を示す斜視図である。 本発明による燃料電池自動車用水素貯蔵システムの水素貯蔵タンクの外観を示す斜視図である。 本発明による燃料電池自動車用水素貯蔵システムを説明する構成図である。 既存の燃料電池自動車用水素貯蔵システムを説明する構成図である。 既存の燃料電池自動車用水素貯蔵システムに使用される水素貯蔵タンクの構図を示す概略図である。 既存の燃料電池自動車用水素貯蔵システムに使用される水素貯蔵タンクの構図を示す概略図である。 既存の燃料電池自動車用水素貯蔵システムに使用される水素貯蔵タンクの構図を示す概略図である。
符号の説明
10 第1貯蔵合金粉末
12 第2貯蔵合金粉末
14 金属フィルター
16 第1熱交換チューブ
18 第2熱交換チューブ
20 熱伝達用フィン
22 入口チャンバー
24 出口チャンバー
26 加熱手段
28 温度調節手段
30 温度センサー
32 熱伝達媒体流入ライン
34 熱伝達媒体排出ライン
36 ポンプ
38 熱伝達媒体貯蔵用タンク
40 水素ガス出入口
100 水素貯蔵タンク
200 独立熱交換ループ
300 燃料電池スタック
400 ラジエーター
500 冷却水ポンプ

Claims (7)

  1. 高温で水素を放出する第1貯蔵合金粉末が充填された外部空間と、
    燃料電池スタックから発生する熱のみで水素を排出する第2貯蔵合金粉末を充填した内部空間と、
    前記内部及び前記外部空間を区画するように前記内部空間と前記外部空間の間に配列された金属フィルターと、
    燃料電池スタックとラジエーターとの間で冷却ループの一構成を成しながら、前記内部空間の長さ方向に沿って配列される第2熱交換チューブと、
    前記第1貯蔵合金粉末の水素放出のために外部空間に別途に連結される独立熱交換ループと、
    を含めて構成されることを特徴とする燃料電池自動車用水素貯蔵システム。
  2. 前記第1貯蔵合金粉末は、Mg系水素化物、NaAlH、LiBH、LiAlH、MgH合金の中から選択されたいずれか1種であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池自動車用水素貯蔵システム。
  3. 前記第2貯蔵合金粉末は、BCC系金属水素化物、AB5、AB2、BCC系合金の中から選択されたいずれか1種であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池自動車用水素貯蔵システム。
  4. 前記金属フィルターの外径面には、その長さ方向に沿って等間隔で前記熱伝達用フィンが一体に形成されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池自動車用水素貯蔵システム。
  5. 前記第1貯蔵合金粉末は、金属フィルターの外径面と前記熱伝達用フィンとの間の空間に充填されることを特徴とする請求項1または4記載の燃料電池自動車用水素貯蔵システム。
  6. 前記独立熱交換ループは、
    前記外部空間でその長さ方向に沿って配列される複数個の第1熱交換チューブと、
    前記第1熱交換チューブの一先端(入口)に連結される入口チャンバーと、
    前記第1熱交換チューブの他先端(出口)に連結される出口チャンバーと、
    前記入口チャンバー内に設置されて第1熱伝達媒体を加熱させる加熱手段と、
    前記入口チャンバー内に連結される第1熱伝達媒体流入ラインと、
    前記出口チャンバーに連結される第1熱伝達媒体排出ラインと、
    前記第1熱伝達媒体流入ラインと第1熱伝達媒体排出ラインとの間の空間に配列されるポンプ及び第1熱伝達媒体用タンク(reservoir)と、
    を含めて構成されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池自動車用水素貯蔵システム。
  7. 前記加熱手段には温度調節手段が連結され、この温度調節手段は前記入口チャンバーに設置された温度センサーの情報を通して、前記第1貯蔵合金粉末が一定温度に維持されるように前記加熱手段の温度を調節することを特徴とする請求項6記載の燃料電池自動車用水素貯蔵システム。
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