JP2011133085A - 燃料収容ユニットおよび燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】充填水素容量のロスを防ぎながら、水素吸蔵合金の伝熱性を向上させる。
【解決手段】燃料収容ユニットは、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金１５０を収容するための容器１１０と、容器内壁に接触するように設けられ、水素吸蔵合金１５０の体積変化を許容しながら水素吸蔵合金１５０を容器内壁に付勢するための支持体１３０と、容器１１０内に設けられた水素流路１７０と、を備える。支持体１３０は、水素吸蔵合金１５０が膨張した状態で水素流路１７０における水素の流通を確保するよう構成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料収容ユニットおよび燃料電池モジュールに関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

従来、燃料ガスとしての水素を燃料電池本体とは別に収容する燃料収容ユニットと、これを搭載した燃料電池モジュールが知られている。燃料収容ユニットは、水素を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金によって水素を収容し、燃料電池本体に供給している。水素吸蔵合金は、水素吸蔵時に発熱し、水素放出時に吸熱する。そのため、水素吸蔵時に生じた熱の放散と水素放出時に必要な熱の供給とを効率よく行えること、すなわち、水素吸蔵合金の伝熱性を向上させることが水素の収容性の向上につながる。また、水素吸蔵合金は、水素吸蔵時に体積が増大する。そのため、水素吸蔵合金を体積膨張できるように燃料収容ユニット内に収容する必要がある。

ここで、燃料収容ユニットへの水素吸蔵合金の収容構造としては、次の２通りが知られている。１つは、水素吸蔵合金粉末をそのまま収容する構造である。また、他の１つは、水素吸蔵合金粉末の圧縮成形体を収容する構造である。

粉末を収容する構造は、水素の吸蔵・放出を繰り返したときに、水素吸蔵合金の粒子が割れて微粉化してしまい、水素吸蔵合金の微粒子が重力によって容器の鉛直方向下方に偏在してしまう場合があった。この場合、水素吸蔵合金の膨張によって燃料収容ユニットに局所的な応力集中が起こり、燃料収容ユニットに損傷を与えるおそれがあった。また、水素吸蔵合金の容器鉛直方向下方への沈降により、アルミニウム粉末と水素吸蔵合金との接触効率が低下するため、伝熱性が低下していく。

一方、圧縮成形体を収容する構造は、粉末を圧縮成形するため、粉末を収容する構造で生じ得る粒子の偏在は軽減できる。しかしながら、粉末の場合には粉末間の隙間で体積変化をある程度吸収できるのに対して、圧縮成形体の場合には体積変化を吸収することができない。したがって、圧縮成形体の場合、水素の吸蔵・放出によって起こる体積変化が大きくなってしまう。そのため、圧縮成形体を収容する構造では、水素吸蔵合金の膨張を許容できるように、水素吸蔵合金と容器との間に予め隙間を設けるなどの対策が必要であった。しかしながら、予め隙間を設けた場合には、伝熱特性の向上を図ることが困難となってしまう。一方、隙間がなくなると伝熱特性は改善されるが、逆に水素流通性が低下するため、水素充填時間が長くなってしまったり、急激な負荷変動に対応できなかったりするおそれがあり、また、圧縮成形体の膨張によって圧縮成形体または容器壁面に応力が生じ、これらの割れや破壊に至るおそれがある。

これに対し、特許文献１には、水素吸蔵合金の圧縮体（ペレット）と容器との間に隙間を設け、この隙間にアルミニウム粉末の集合体を充填した構造が開示されている。この構造では、水素吸蔵合金の体積膨張が軟質なアルミニウム粉末間の空隙によって吸収される。また、水素吸蔵合金の熱はアルミニウム粉末を介して容器側に放出される。

また、特許文献２には、円筒状の容器内に、外側に拡がる拡張力を有する巻筒体からなる押当て機能材が収容され、容器内壁と押当て機能材の外壁との間に水素吸蔵合金が収容され、押当て機能材の内側に水素流路が形成された構造が開示されている。この構造は、押当て機能材がその拡張力で水素吸蔵合金を容器内壁に付勢することで放熱性を確保し、水素吸蔵合金が体積膨張した際は押当て機能材を構成する巻筒体の径が小さくなることで体積膨張を許容している。また、水素吸蔵合金が体積膨張しても、巻筒体の内側に水素流路が確保されており、これにより水素吸蔵合金に水素を供給することができる。

特開平５−２４８５９８号公報 特開２００１−８２６９７号公報

上述のアルミニウム粉末を充填する構造では、水素吸蔵合金の膨張・収縮が繰り返されると、水素吸蔵合金の体積変化に対するアルミニウム粉末の追従性が低下してしまう場合があった。この場合には、水素吸蔵合金とアルミニウム粉末との間の接触度合いが低下して、伝熱性が低下してしまうおそれがある。また、水素を吸蔵しないアルミニウム粉末を充填するため、燃料収容ユニットの充填可能な水素容量（充填水素容量）にロスが生じてしまう。

また、上述の容器内に巻筒体を設けた構成では、水素の流通経路を巻筒体中に確保できるが、水素吸蔵合金が粉末の場合は上述の微粉化の問題がある。また、容器内壁と巻筒体とが接触していないため、水素吸蔵合金の伝熱性を向上させる余地があった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、充填水素容量のロスを防ぎながら、水素吸蔵合金の伝熱性を向上させることができる技術を提供することにある。

本発明のある態様は、燃料収容ユニットである。当該燃料収容ユニットは、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための容器と、容器内壁に接触するように設けられ、水素吸蔵合金の体積変化を許容しながら水素吸蔵合金を容器内壁に付勢するための支持体と、容器内に設けられた水素流路と、を備え、支持体は、水素吸蔵合金が膨張した状態で水素流路における水素の流通を確保するよう構成されたことを特徴とする。

この態様によれば、充填水素容量のロスを防ぎながら、水素吸蔵合金の伝熱性を向上させることができる。

上記態様において、支持体は、水素流路と水素吸蔵合金とを連絡する孔を有してもよい。

また、上記態様において、支持体は、弾性を有する板状体を有し、板状体は、水素吸蔵合金と面接触し、水素吸蔵合金の体積変化に応じて弾性変形してもよい。また、支持体は、板状体と、当該板状体を水素吸蔵合金の体積変化に応じて変位させながら水素吸蔵合金に付勢する弾性部材とを有してもよい。

また、上記態様において、支持体は、少なくとも２つの板状体を有し、水素流路は、２つの板状体の間に設けられ、容器は、水素流路を挟んで２つの水素吸蔵合金を収容可能に構成されてもよい。

また、上記態様において、支持体は、互いに独立に変形可能に分割されてもよい。また、容器に収容された水素吸蔵合金を備え、水素吸蔵合金は、互いに独立に体積変化するよう分割されてもよい。

本発明の他の態様は、燃料電池モジュールである。当該燃料電池モジュールは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、電解質膜の他方の面に設けられたアノードとを含む燃料電池と、上述したいずれかの態様の燃料収容ユニットと、燃料収容ユニットに収容された水素吸蔵合金から放出された水素を燃料電池に向けて供給する供給路と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、充填水素容量のロスを防ぎながら、水素吸蔵合金の伝熱性を向上させることができる。

実施形態１に係る燃料電池モジュールの外観を示す概略斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。 容器の外観を示す概略斜視図である。 図４（Ａ）は、支持体の外観を示す概略斜視図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。 図５（Ａ）は、燃料収容ユニットの水素吸蔵前の状態を示す概略部分平面図であり、図５（Ｂ）は、燃料収容ユニットの水素吸蔵前の状態を示す概略部分斜視図である。 図６（Ａ）は、燃料収容ユニットの水素吸蔵後の状態を示す概略部分平面図であり、図６（Ｂ）は、燃料収容ユニットの水素吸蔵後の状態を示す概略部分斜視図である。 図７（Ａ）は、水素吸蔵前の支持体の状態を示す概略部分断面図であり、図７（Ｂ）は、水素吸蔵後の支持体の状態を示す概略部分断面図である。 図８（Ａ）は、変形例に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵前の支持体の状態を示す概略部分断面図であり、図８（Ｂ）は、変形例に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵後の支持体の状態を示す概略部分断面図である。 図９（Ａ）は、実施形態２に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵前の支持体の状態を示す概略部分断面図であり、図９（Ｂ）は、実施形態２に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵後の支持体の状態を示す概略部分断面図である。 実施形態３に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵合金と、支持体とが容器に組み込まれた状態を示す概略断面図である。 図１１（Ａ）、および図１１（Ｂ）は、実施形態３に係る燃料収容ユニットにおける、支持体の外観を示す概略斜視図である。 他の変形例に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵合金と、支持体とが容器に組み込まれた状態を示す概略部分平面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る燃料電池モジュールの外観を示す概略斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

燃料電池モジュール１は、燃料収容ユニット１００と、レギュレータ部２００と、燃料電池部３００（燃料電池）とを主な構成として備える。

燃料収容ユニット１００は、蓋体１０２と、底体１０６と、容器１１０とを備える。蓋体１０２は、略筒状である容器１１０の一方の開口を覆うように容器１１０に固定され、底体１０６は、容器１１０の他方の開口を覆うように容器１１０に固定されている。燃料収容ユニット１００は、底体１０６がレギュレータ部２００側を向くように配置されて、燃料電池部３００のアノード側の側面に接するように設けられている。

蓋体１０２には水素充填口１０４が設けられている。水素充填口１０４は、容器１１０の水素吸蔵合金収容室１１２と連通しており、水素充填口１０４に水素が充填された外部ボンベ（図示せず）を接続することにより、水素吸蔵合金収容室１１２内に水素を注入することができる。

容器１１０は、燃料電池部３００に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金１５０を収容するための部材である。水素吸蔵合金１５０は、容器１１０の水素吸蔵合金収容室１１２に格納される。水素吸蔵合金１５０は、水素の吸蔵と、吸蔵した水素の放出とが可能であり、たとえば、希土類系のＭｍＮｉ_4.32Ｍｎ_0.18Ａｌ_0.1Ｆｅ_0.1Ｃｏ_0.3（Ｍｍはミッシュメタル）である。なお、水素吸蔵合金１５０は、希土類系の合金に限られず、たとえばＴｉ−Ｍｎ系合金、Ｔｉ−Ｆｅ系合金、Ｔｉ−Ｚｒ系合金、Ｍｇ−Ｎｉ系合金、Ｚｒ−Ｍｎ系合金等であってもよい。具体的には、水素吸蔵合金１５０としてＬａＮｉ_５合金、Ｍｇ_２Ｎｉ合金、Ｔｉ_１＋ｘＣｒ_２−ｙＭｎ_ｙ（ｘ＝０．１〜０．３、ｙ＝０〜１．０）合金などを挙げることができる。

底体１０６には水素送出口１０８が設けられている。水素送出口１０８は、一端が水素吸蔵合金収容室１１２と連通し、他端がレギュレータ部２００と連通している。水素吸蔵合金収容室１１２に格納された水素吸蔵合金１５０から放出された水素は、水素送出口１０８を通ってレギュレータ部２００に送り出される。燃料収容ユニット１００の構造については後に詳細に説明する。

レギュレータ部２００は、水素供給路２０２（供給路）と、レギュレータ２０４とを主な構成として備える。水素供給路２０２は、燃料収容ユニット１００の内部と燃料電池部３００の内部とを連通している。具体的には、水素供給路２０２は、燃料収容ユニット１００および燃料電池部３００の側面に沿って設けられており、水素供給路２０２の一端と燃料収容ユニット１００の水素送出口１０８とがレギュレータ２０４を介して連通している。レギュレータ２０４により、外部ボンベから水素吸蔵合金１５０に水素が補充される際や、水素吸蔵合金１５０から水素が放出される際に、燃料電池部３００に供給される水素の圧力が低減され、燃料電池部３００のアノード触媒層が保護される。また、水素供給路２０２の他端には、水素供給路２０２と燃料電池部３００の内部とを連通する水素供給口２０６が設けられている。

燃料電池部３００は、筐体３０１と、筐体３０１に収容された膜電極接合体３０２とを主な構成として備える。筐体３０１には、膜電極接合体３０２のカソード側に対向する面（図１、２の上部）に複数の空気取入口３０４が設けられている。空気取入口３０４を通して、外部から筐体３０１の内部に酸化剤としての空気が流入可能である。

膜電極接合体３０２は、電解質膜３０６、カソード触媒層３０８（カソード）、およびアノード触媒層３１０（アノード）を含む。

電解質膜３０６は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、カソード触媒層３０８とアノード触媒層３１０との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜３０６は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜３０６の厚さは、たとえば１０〜２００μｍである。

カソード触媒層３０８は、電解質膜３０６の一方の面に設けられている。カソード触媒層３０８には、外部から空気取入口３０４を経由して空気が供給される。また、アノード触媒層３１０は、電解質膜３０６の他方の面に設けられている。筐体３０１とアノード触媒層３１０との間には、水素が充填される空間である燃料ガス室３２２が設けられており、燃料ガス室３２２には水素供給口２０６が接続されている。燃料収容ユニット１００に収容された水素吸蔵合金１５０から放出された水素は、水素供給路２０２を通って燃料ガス室３２２に充填され、燃料ガス室３２２を経由してアノード触媒層３１０に供給される。一対のカソード触媒層３０８とアノード触媒層３１０との間に電解質膜３０６が狭持されることで単セルが構成される。単セルは、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。

カソード触媒層３０８およびアノード触媒層３１０は、それぞれイオン交換樹脂ならびに触媒粒子を有し、場合によってさらに炭素粒子を有する。

カソード触媒層３０８およびアノード触媒層３１０が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜３０６とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。このイオン交換樹脂は、例えば電解質膜３０６と同様の高分子材料から形成されたものである。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列元素の中から選ばれる単体や合金が挙げられる。また触媒を担持する炭素粒子としては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いることができる。なお、カソード触媒層３０８およびアノード触媒層３１０の厚さは、それぞれ、たとえば１０〜４０μｍである。

ガスケット３１２は、カソード触媒層３０８の周囲に位置する電解質膜３０６（電解質膜３０６のカソード側の外周部）と筐体３０１のカソード側内周側面に設けられたカソード側固定部材３１４との間に設けられている。

ガスケット３１６は、アノード触媒層３１０の周囲に位置する電解質膜３０６（電解質膜３０６のアノード側の外周部）と筐体３０１のアノード側内周側面に設けられたアノード側固定部材３１８との間に設けられている。ガスケット３１６により、燃料ガス室３２２の密封性が高められ、燃料の漏洩が抑制されている。

続いて、燃料収容ユニット１００の構成について、図３〜図７を参照しながら詳細に説明する。燃料収容ユニット１００は、容器１１０と、支持体１３０と、水素流路１７０と、を主な構成として備える。

図３は、容器の外観を示す概略斜視図である。容器１１０は、燃料電池部３００に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金１５０を収容する。容器１１０と、外界あるいは燃料電池部３００との接触面積を増大させて、外界あるいは燃料電池部３００と、水素吸蔵合金１５０との間の伝熱効率を高めるために、容器１１０は矩形状であることが好ましい。より好ましくは、容器１１０は、扁平な直方体形状である。容器１１０は、たとえばＳＵＳやアルミニウムなどの材料を切削あるいは形取りすることで形成することができる。蓋体１０２および底体１０６は、容器１１０とは別に作製されてネジなどの締結部材（図示せず）で容器１１０に固定される。

容器１１０には複数の水素吸蔵合金収容室１１２が設けられている。水素吸蔵合金収容室１１２は、蓋体１０２と接する容器１１０の端面から底体１０６と接する容器１１０の端面まで延びる筒状とされ、複数並んで配置されている。水素吸蔵合金収容室１１２は、その長手方向に垂直な断面が角の丸い矩形状となっている。これにより、断面が円形の場合と比べて水素吸蔵合金１５０の積載容量を増やすことができる。また、断面が円形の場合と比べて水素吸蔵合金収容室１１２内での水素吸蔵合金１５０の動きを規制することができる。

蓋体１０２には、水素充填口１０４と各水素吸蔵合金収容室１１２とをつなぐ分岐路（図示せず）が設けられており、底体１０６には、各水素吸蔵合金収容室１１２と水素送出口１０８とをつなぐ集合路（図示せず）が設けられている。水素充填口１０４から注入された水素は、分岐路を介して各水素吸蔵合金収容室１１２に供給される。また、各水素吸蔵合金収容室１１２の水素吸蔵合金１５０から放出された水素は、集合路を介して水素送出口１０８に送り出される。

水素吸蔵合金収容室１１２の内壁には、支持体１３０の後述する保持体１３４が係合するように構成されたガイドスリット１１４が設けられている。ガイドスリット１１４は、水素吸蔵合金収容室１１２の対向する一組の内壁のそれぞれに、蓋体１０２と接する側の容器１１０の端面から底体１０６と接する側の容器１１０の端面まで延びるように形成されている。

図４（Ａ）は、支持体の外観を示す概略斜視図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。支持体１３０は、容器内壁に接触するように設けられ、水素吸蔵合金１５０の体積変化を許容しながら水素吸蔵合金１５０を容器内壁に付勢するための部材である。具体的には、支持体１３０は、板状体１３２と、板状体１３２の両端を保持する１組の保持体１３４とを主な構成として備える。本実施形態では、支持体１３０は、２つの板状体１３２を有し、この２つの板状体１３２が所定の間隔をあけるようにして１組の保持体１３４で保持されている。２つの板状体１３２で挟まれた空間は、支持体１３０および水素吸蔵合金１５０が容器１１０に組み込まれた状態で水素流路１７０を構成する。また、支持体１３０は、蓋体１０２と接する側の容器１１０の端面から底体１０６と接する側の容器１１０の端面まで延びる程度の長さを有する。

板状体１３２は、弾性を有する部材からなり、水素吸蔵合金１５０の体積変化に応じて弾性変形可能である。板状体１３２は、たとえばステンレスや銅合金などの金属材料からなる。板状体１３２は、このような熱伝導性の高い材料からなるため、水素吸蔵合金１５０で発生した熱を容器１１０側に放出し、水素の放出に必要な熱を容器１１０側から水素吸蔵合金１５０に供給するための伝熱部材として機能することができる。板状体１３２は、板状体１３２の一方の主表面側の空間と他方の主表面側の空間とを連絡する孔１３６を有する。

保持体１３４は、略直方体形状であり、板状体１３２の一辺の長さと略同一の長さの溝部１３５を一側面に有する。１組の保持体１３４は、板状体１３２を挟んで、互いの溝部１３５が設けられた一側面が対向するように配置され、一方の保持体１３４の溝部１３５に板状体１３２の一側面側の端部が差し込まれ、他方の保持体１３４の溝部１３５に当該一側面と対向する側面側の端部が差し込まれる。このようにして、１組の保持体１３４は板状体１３２を保持している。本実施形態では、２つの板状体１３２に対応して、２つの溝部１３５が各保持体１３４に設けられている。水素吸蔵合金１５０の体積変化に応じた板状体１３２の弾性変形を許容するように、板状体１３２の端部は溝部１３５内で固定されておらず、自由端となっている。

図５（Ａ）は、燃料収容ユニット１００の水素吸蔵前の状態を示す概略部分平面図であり、図５（Ｂ）は、燃料収容ユニット１００の水素吸蔵前の状態を示す概略部分斜視図である。図６（Ａ）は、燃料収容ユニット１００の水素吸蔵後の状態を示す概略部分平面図であり、図６（Ｂ）は、燃料収容ユニット１００の水素吸蔵後の状態を示す概略部分斜視図である。なお、図５（Ｂ）では、説明の便宜上、容器および水素吸蔵合金の一部を切断して示している。また、図６（Ｂ）では、説明の便宜上、容器の一部を切断して示している。

図５（Ａ）、および図５（Ｂ）に示すように、支持体１３０は、保持体１３４が容器１１０のガイドスリット１１４に係合するようにして容器１１０に組み込まれている。支持体１３０が容器１１０に組み込まれた状態で、水素吸蔵合金収容室１１２は２つの小室１１２ａ，１１２ｂに分割されている。小室１１２ａおよび小室１１２ｂのそれぞれには、水素吸蔵合金１５０が収容されている。水素吸蔵合金１５０は、上述した水素吸蔵合金の粉末にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）デイスパージョンなどの結着剤を混合し、プレス機で圧縮成形した圧縮成形体（ペレット）である。必要に応じて、圧縮成形後に焼結処理がなされていてもよい。水素吸蔵合金１５０は、水素吸蔵合金収容室１１２の形状に合わせて、角の丸い矩形状である。

水素を吸蔵する前の状態で、水素吸蔵合金１５０は、ガイドスリット１１４が形成された容器内壁との間に隙間をもって小室１１２ａ，１１２ｂ内に収容されている。また、水素吸蔵合金１５０は、一側面が板状体１３２の主表面と面接触し、当該一側面に対向する側面が容器内壁に接している。水素吸蔵合金１５０は、板状体１３２と、板状体１３２と対向する容器内壁とで挟まれて水素吸蔵合金収容室１１２内での動きが規制されている。水素吸蔵合金１５０の動きを規制するためには、水素を吸蔵する前の状態で板状体１３２が付勢力をもって水素吸蔵合金１５０と接していることが好ましい。しかしながら、板状体１３２は単に水素吸蔵合金１５０に接触しているだけでもよい。また、水素吸蔵合金１５０は、水素吸蔵時に水素吸蔵合金収容室１１２の長手方向に膨張することを考慮して、その長手方向の長さが水素吸蔵合金収容室１１２の長さよりも小さく設定されている。

水素流路１７０は、２つの板状体１３２の間に設けられている。したがって、容器１１０は、各水素吸蔵合金収容室１１２において、水素流路１７０を挟んで２つの水素吸蔵合金１５０を収容している。水素流路１７０は、一端が蓋体１０２の分岐路に接続され、他端が底体１０６の集合路に接続されている。

板状体１３２には複数の孔１３６が設けられているため、水素流路１７０と水素吸蔵合金１５０とが孔１３６を介して連通する。そのため、水素充填口１０４から注入され、水素流路１７０を流れる水素を、孔１３６を介して水素吸蔵合金１５０に供給することができる。また、水素吸蔵合金１５０から放出された水素を、孔１３６を介して水素流路１７０に送出することができる。

図６（Ａ）、および図６（Ｂ）に示すように、水素吸蔵合金１５０は、水素流路１７０から供給された水素を吸蔵すると、膨張して体積が増大する。膨張によって、ガイドスリット１１４が形成された容器内壁と対向する水素吸蔵合金１５０の側面が当該内壁に当接し、これにより、当該内壁に向かう方向（図６（Ａ）における左右方向）への水素吸蔵合金１５０のさらなる膨張が抑制される。また、膨張によって、板状体１３２と面接触する水素吸蔵合金１５０の一側面が板状体１３２を押圧する。また、水素吸蔵合金１５０の当該一側面に対向する側面が板状体１３２と対向する容器内壁を押圧するが、容器内壁の反力によって水素吸蔵合金１５０が板状体１３２側に変位し、板状体１３２がさらに押圧される。これにより、板状体１３２は水素流路１７０側に膨らむように弾性変形する。

小室１１２ａに収容された水素吸蔵合金１５０と小室１１２ｂに収容された水素吸蔵合金１５０とがそれぞれ膨張するため、各水素吸蔵合金１５０に当接する２枚の板状体１３２は、互いに近づくように変形する。ここで、板状体１３２は、その両端が保持体１３４に差し込まれて保持されている。そのため、板状体１３２と面接触する水素吸蔵合金１５０が板状体１３２を押圧した場合、保持体１３４から遠い部分ほど、すなわち板状体１３２の中心線に近い部分ほど変形しやすい。特に、水素吸蔵合金１５０は断面形状が角の丸い矩形状であり、板状体１３２の保持体１３４に近い部分はあまり押圧されないため、その傾向が大きい。そのため、２つの板状体１３２の間に設けられた水素流路１７０は、板状体１３２が変形した場合であっても完全に閉塞されず、保持体１３４の近傍領域に水素の流通が可能な空間が残る。したがって、支持体１３０は、水素吸蔵合金１５０が膨張した状態であっても、水素流路１７０における水素の流通を確保することができる。このように、水素流路１７０における水素の流通を確保することができるため、水素充填口１０４から遠い側にある水素吸蔵合金１５０に対しても水素を確実に供給することができる。また、水素吸蔵時にも水素流路１７０の一部が確保されるため、水素流通経路における圧力損失の増大を防ぐことができる。

水素吸蔵合金１５０が膨張して板状体１３２が押圧された状態で、水素吸蔵合金１５０は板状体１３２の弾性力によって容器内壁に付勢される。すなわち、板状体１３２は、水素吸蔵合金１５０の体積変化を許容しながら水素吸蔵合金１５０を容器内壁に付勢することができる。これにより、水素吸蔵合金１５０による水素の吸蔵で発生した熱は容器１１０側に放出され、水素吸蔵合金１５０の水素吸蔵が効率よく行われる。また、板状体１３２は、両端が保持体１３４を介して容器内壁に接触し、かつ水素吸蔵合金１５０と面接触している。そのため、水素吸蔵合金１５０による水素の吸蔵で発生した熱を、板状体１３２を介して容器１１０側に放出することができる。

図７（Ａ）は、水素吸蔵前の支持体の状態を示す概略部分断面図であり、図７（Ｂ）は、水素吸蔵後の支持体の状態を示す概略部分断面図である。図７（Ａ）に示すように、水素吸蔵合金１５０が水素を吸蔵する前の状態では、板状体１３２の一方の主表面に水素吸蔵合金１５０が当接し、板状体１３２の他方の主表面の端部が溝部１３５の壁面に当接している。このようにして板状体１３２は容器１１０内で位置決めされている。

そして、図７（Ｂ）に示すように、水素吸蔵合金１５０が水素の吸蔵によって膨張すると、板状体１３２は、押圧されて水素流路１７０側に膨らむように湾曲する。板状体１３２の端部は、溝部１３５内で自由端となっているため、板状体１３２の変形によって溝部１３５から引き出される方向に移動する。これにより、板状体１３２は、水素吸蔵合金１５０の体積膨張に追従して変形することができる。また、板状体１３２の変形によって板状体１３２の端部は溝部１３５から引き出される方向に移動するが、板状体１３２の変形量が所定量を超えると、水素吸蔵前の状態で板状体１３２が当接していた壁面と対向する溝部１３５の壁面に板状体１３２の先端が引っかかる。また、水素吸蔵合金１５０に当接する主表面と反対側の板状体１３２の主表面が他方の板状体１３２に当接する。これらにより、板状体１３２のさらなる変形が抑制され、板状体１３２の保持体１３４からの抜け落ちが防止される。水素吸蔵合金１５０が水素を放出して体積が減少した場合には、板状体１３２は、その弾性力によって水素吸蔵合金１５０を容器内壁に付勢しながら初期状態（図７（Ａ）に示す状態）に戻る。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料収容ユニット１００は、水素吸蔵合金１５０を収容するための容器１１０と、容器内壁に接触するように設けられ、水素吸蔵合金１５０の体積変化を許容しながら水素吸蔵合金１５０を容器内壁に付勢する支持体１３０と、水素流路１７０とを備える。そして、支持体１３０は、水素吸蔵合金１５０が膨張した状態で水素流路１７０における水素の流通を確保している。具体的には、水素吸蔵合金１５０の一面が容器内壁に接する状態で配置され、支持体１３０の板状体１３２が水素吸蔵合金１５０を容器内壁に付勢しながら水素吸蔵合金１５０の膨張に追随して変形する。これにより、水素吸蔵合金１５０を容器１１０に常に接触させることができる。したがって、水素吸蔵合金１５０と容器内壁との隙間に金属粉末を充填する場合と比べて、燃料収容ユニット１００の充填水素容量ロスを抑えながら、水素吸蔵合金１５０と容器１１０との間の伝熱性を確保することができる。また、板状体１３２は、保持体１３４に近い部分が変形しにくいため、水素吸蔵合金１５０が膨張しても、水素流路１７０における水素の流通を確保することができる。

また、板状体１３２は、両端が保持体１３４を介して容器内壁に接続され、一方の主表面が水素吸蔵合金１５０に接触している。そのため、水素吸蔵合金１５０で発生した熱を支持体１３０を介して容器１１０側に放熱することができ、水素の放出に必要な熱を支持体１３０を介して容器１１０側から水素吸蔵合金１５０に供給することができる。そのため、水素吸蔵合金１５０の伝熱性をより高めることができる。板状体１３２にアルミニウムや銅などの高熱伝導性の金属を採用した場合には、さらなる伝熱性の向上が可能である。

また、支持体１３０の端部が容器内壁に接触した構造であるため、水素吸蔵合金収容室１１２の長手方向に垂直な断面の形状を矩形状とすることができ、したがって、水素吸蔵合金１５０の断面形状を矩形状とすることができる。これにより、水素吸蔵合金１５０の断面が円形である場合と比べて、容器１１０への水素吸蔵合金１５０の充填率および積載量を増やすことができ、体積容量密度のロスを低減することができる。

また、巻筒体で円筒状の合金を押圧する従来の構成では、巻筒体を中空の圧縮成形体に対して均等に圧縮しながら収容する必要があったため、製造工程が複雑であった。また、巻筒体がずれて配置されると、水素の吸蔵・放出にともなう圧縮成形体の体積変化によって、巻筒体と圧縮成形体の接触面において圧力分布が不均等となり、圧縮成形体が圧壊するなどの恐れがあった。これに対し、本実施形態の支持体１３０は、板状体１３２を水素吸蔵合金１５０の一側面に当接させて、水素吸蔵合金１５０を一方向に押圧している。そのため、従来の構成と比べて、製造工程の簡略化が可能であり、また、水素吸蔵合金１５０と板状体１３２の接触面における圧力分布を均一にすることができる。そのため、水素吸蔵合金１５０の圧壊を防ぐことができる。

また、支持体１３０は、２つの板状体１３２を有し、水素流路１７０は２つの板状体１３２の間に設けられ、容器１１０には水素流路１７０を挟んで２つの水素吸蔵合金１５０が収容されている。これにより、水素吸蔵合金収容室１１２の体積を同じくした場合に、水素流路１７０を水素吸蔵合金収容室１１２の片側に寄せて配置した場合と比べて、水素吸蔵合金１５０の各部から水素流路１７０までの距離を短くすることができる。そのため、水素吸蔵合金１５０の全体に均一に水素を供給することができる。

また、板状体１３２には、水素流路１７０と水素吸蔵合金１５０とを連絡する孔１３６が設けられている。そのため、水素充填口１０４から注入された水素を効率よく水素吸蔵合金１５０に供給することができる。また、水素吸蔵合金１５０から放出された水素を効率よくレギュレータ部２００側に送出することができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池モジュール１は、上述の構成を備えた燃料収容ユニット１００を搭載しているため、充填水素容量のロスを抑えながら、発電電力を増大させることができる。

（変形例）
実施形態１に係る燃料収容ユニットには、次のような変形例を挙げることができる。図８（Ａ）は、変形例に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵前の支持体の状態を示す概略部分断面図であり、図８（Ｂ）は、変形例に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵後の支持体の状態を示す概略部分断面図である。

図８（Ａ）に示すように、変形例に係る燃料収容ユニット１００では、各保持体１３４が固定支柱１３８を有する。各保持体１３４は、２つの板状体１３２に対応して２つの固定支柱１３８を有する。そして、板状体１３２は、端部が固定支柱１３８に巻き付くように変形しており、端部が固定支柱１３８に巻き付くことで、板状体１３２が保持体１３４に連結されている。板状体１３２の端部は、固定支柱１３８に固定されておらず、自由端となっている。

そして、図８（Ｂ）に示すように、水素吸蔵合金１５０が水素の吸蔵によって膨張すると、板状体１３２が押圧されて水素流路１７０側に膨らむように湾曲する。板状体１３２の変形によって、板状体１３２の端部には保持体１３４から引き出される方向の力がかかり、固定支柱１３８に巻き付いていた端部の一部分が保持体１３４から引き出される。これにより、板状体１３２は、水素吸蔵合金１５０を容器内壁に付勢しながら、水素吸蔵合金１５０の膨張に追従して変形することができる。板状体１３２は、変形した状態で固定支柱１３８に巻き付いた部分が残るように設定されており、これにより、板状体１３２の保持体１３４からの抜け落ちが防止される。

（実施形態２）
実施形態２に係る燃料収容ユニットは、支持体１３０の構造が実施形態１と異なる。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池モジュール１の構造や、支持体１３０を除く燃料収容ユニット１００の他の部分の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。

図９（Ａ）は、実施形態２に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵前の支持体の状態を示す概略部分断面図であり、図９（Ｂ）は、実施形態２に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵後の支持体の状態を示す概略部分断面図である。

図９（Ａ）に示すように、本実施形態の支持体１３０は、２つの板状体１３２と、１対の保持体１３４とを主な構成として備える。各保持体１３４は、可動支柱１４０と、弾性部材１４２とを備える。可動支柱１４０は、２つの板状体１３２に対応して２つ設けられている。また、保持体１３４には可動支柱１４０の両端部が嵌めこまれるレール（図示せず）が設けられている。可動支柱１４０はこのレール内を移動できるようになっている。弾性部材１４２は、たとえばバネなどであり、２つの可動支柱１４０の間に配置されて、一端が一方の可動支柱１４０に連結され、他端が他方の可動支柱１４０に連結されている。板状体１３２は、端部が保持体１３４に差し込まれており、この端部に可動支柱１４０が当接している。板状体１３２は、可動支柱１４０を介して伝わる弾性部材１４２の付勢力によって水素吸蔵合金１５０側に付勢されている。

図９（Ｂ）に示すように、水素吸蔵合金１５０が水素の吸蔵によって膨張すると、水素吸蔵合金１５０によって板状体１３２が押圧される。その結果、板状体１３２が弾性部材１４２の付勢力に逆らって水素流路１７０側に変位する。板状体１３２は、弾性部材１４２の付勢力により、水素吸蔵合金１５０を容器内壁に付勢しながら、水素吸蔵合金１５０の体積膨張に追従して変位することができる。また、弾性部材１４２が収縮しきった状態で、板状体１３２が水素吸蔵合金１５０によってさらに押圧されると、板状体１３２の両端には水素吸蔵合金１５０側への力がかかり、板状体１３２の中央領域には水素流路１７０側への力がかかる。これにより、板状体１３２は、水素吸蔵合金１５０の膨張を許容する方向に弾性変形する。なお、本実施形態では、弾性部材１４２が板状体１３２を水素吸蔵合金１５０に付勢するとともに、板状体１３２を水素吸蔵合金１５０の体積変化に応じて変位させている。そのため、板状体１３２は弾性を有していなくてもよい。

２つの板状体１３２の間には、２つの可動支柱１４０と、弾性部材１４２とが介在している。そのため、水素吸蔵合金１５０が膨張して２つの板状体１３２が互いに近づくように変位しても、両者の間に、２つの可動支柱１４０の直径と収縮した弾性部材１４２の厚さ分の空間を保つことができる。したがって、水素吸蔵合金１５０が膨張した状態でも、水素流路１７０における水素の流通を確保することができる。

以上説明した実施形態２に係る燃料収容ユニット１００によっても、実施形態１と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態に係る燃料収容ユニット１００では、弾性部材１４２によって、板状体１３２を水素吸蔵合金１５０の体積変化に応じて変位させながら水素吸蔵合金１５０に付勢している。したがって、板状体１３２が弾性を有していなくてもよい。そのため、実施形態１と比べて支持体１３０の部品点数は増えるが、板状体１３２の材料の選択自由度を高めることができ、燃料収容ユニット１００の製造コストの削減を図り得る。

（実施形態３）
実施形態３に係る燃料収容ユニットは、支持体１３０および水素吸蔵合金１５０が分割された構造を有する。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池モジュール１の構造や、支持体１３０および水素吸蔵合金１５０が分割されていることを除く燃料収容ユニット１００の他の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。

図１０は、実施形態３に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵合金と、支持体とが容器に組み込まれた状態を示す概略断面図である。図１１（Ａ）、および図１１（Ｂ）は、実施形態３に係る燃料収容ユニットにおける、支持体の外観を示す概略斜視図である。なお、図１０は、図３のＣ−Ｃ線の位置で切断した概略断面図に相当する。

図１０に示すように、本実施形態に係る燃料収容ユニット１００は、支持体１３０の長手方向の長さ（支持体１３０が容器１１０に収容された状態で、水素吸蔵合金収容室１１２の長手方向に平行な長さ）が水素吸蔵合金収容室１１２の長手方向の長さに比べて短い。そのため、本実施形態では、容器１１０の各水素吸蔵合金収容室１１２において、複数の支持体１３０が水素吸蔵合金収容室１１２の長手方向に積層されている。すなわち、支持体１３０は、互いに独立に変形可能に分割されている。

また、支持体１３０と同様に、水素吸蔵合金１５０も長手方向の長さ（水素吸蔵合金１５０が容器１１０に収容された状態で、水素吸蔵合金収容室１１２の長手方向に平行な長さ）が水素吸蔵合金収容室１１２の長手方向の長さに比べて短い。そのため、本実施形態では、容器１１０の各水素吸蔵合金収容室１１２において、複数の水素吸蔵合金１５０が水素吸蔵合金収容室１１２の長手方向に積層されている。すなわち、水素吸蔵合金１５０は、互いに独立に体積変化するよう分割されている。

図１１（Ａ）、および図１１（Ｂ）に示すように、保持体１３４は、その長手方向に垂直な２つの面のうち、一方の面に凸部１４４が設けられ、他方の面に凹部１４６が設けられている。そして、複数の支持体１３０は、凹部１４６が設けられた面側から容器１１０に差し込まれる。これにより、複数の支持体１３０が容器１１０内で積層された状態で、隣接する２つの支持体１３０のうちの一方の支持体１３０の凸部１４４と他方の支持体１３０の凹部１４６とが嵌合して、隣接する支持体１３０同士が連結される。底体１０６の所定位置には、凸部１４４と同一形状の凸部（図示せず）が形成されており、この凸部は、底体１０６と接する支持体１３０の凹部１４６に挿入される。これにより、支持体１３０が底体１０６に連結される。

以上説明した実施形態３に係る燃料収容ユニット１００によっても、実施形態１と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態では、支持体１３０が互いに独立に変形可能に分割されている。そのため、水素吸蔵合金１５０の体積変化が場所によって異なる場合であっても支持体１３０を各場所に応じて変形させることができるため、支持体１３０に過剰な負荷がかかって破損してしまう事態を回避することができる。

また、本実施形態では、水素吸蔵合金１５０が互いに独立に体積変化するように分割されている。そのため、各水素吸蔵合金１５０の体積変化が互いに異なる場合であっても、各水素吸蔵合金１５０に過剰な負荷がかかって破損してしまう事態を回避することができる。

さらに、本実施形態では、支持体１３０の保持体１３４に凸部１４４と凹部１４６を設け、隣接する支持体１３０の凸部１４４と凹部１４６とを嵌合させることで、複数の支持体１３０を連結することができる。そのため、支持体１３０を簡単に積層することができ、燃料収容ユニット１００の製造工程を簡略化することができる。

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、上述の実施形態１では、保持体１３４に設けた溝部１３５に板状体１３２を差し込んでいるが、容器内壁に溝部１３５に相当する切り欠きを設け、保持体１３４を介することなく、直接容器内壁に板状体１３２を差し込むようにしてもよい。

また、上述の各実施形態では、２つの板状体１３２の間に水素流路１７０が設けられ、水素流路１７０を挟んで２つの水素吸蔵合金１５０が収容されているが、特にこの構成に限定されない。たとえば、図１２に示すように、１つの板状体１３２を有する支持体１３０が容器内壁寄りに設けられていてもよい。図１２は、他の変形例に係る燃料収容ユニットにおける、水素吸蔵合金と、支持体とが容器に組み込まれた状態を示す概略部分平面図である。この場合には、板状体１３２と容器内壁との間に水素流路１７０が配置され、板状体１３２を挟んで水素流路１７０と反対側に水素吸蔵合金１５０が収容される。この構成は、水素吸蔵合金１５０の長手方向に垂直な断面の面積が比較的小さい場合に適用することが好ましい。水素吸蔵合金１５０の断面積が大きくなると、水素流路１７０からの距離が長くなって、水素吸蔵合金１５０の全体に均一に水素を吸蔵させることが難しくなるためである。

また、水素吸蔵合金収容室１１２の大きさ等に応じて、２つの板状体１３２を有する支持体１３０を２以上設け、水素吸蔵合金収容室１１２内を３以上の小室に分割するようにしてもよい。

１ 燃料電池モジュール、 １００ 燃料収容ユニット、 １１０ 容器、 １１２ 水素吸蔵合金収容室、 １１４ ガイドスリット、 １３０ 支持体、 １３２ 板状体、 １３４ 保持体、 １３５ 溝部、 １３６ 孔、 １３８ 固定支柱、 １４０ 可動支柱、 １４２ 弾性部材、 １４４ 凸部、 １４６ 凹部、 １５０ 水素吸蔵合金、 １７０ 水素流路、 ３０６ 電解質膜。

Claims (8)

1. 燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための容器と、
   容器内壁に接触するように設けられ、水素吸蔵合金の体積変化を許容しながら水素吸蔵合金を容器内壁に付勢するための支持体と、
   前記容器内に設けられた水素流路と、を備え、
   前記支持体は、水素吸蔵合金が膨張した状態で前記水素流路における水素の流通を確保するよう構成されたことを特徴とする燃料収容ユニット。
2. 前記支持体は、前記水素流路と水素吸蔵合金とを連絡する孔を有する請求項１に記載の燃料収容ユニット。
3. 前記支持体は、弾性を有する板状体を有し、
   前記板状体は、水素吸蔵合金と面接触し、水素吸蔵合金の体積変化に応じて弾性変形する請求項１または２に記載の燃料収容ユニット。
4. 前記支持体は、板状体と、当該板状体を水素吸蔵合金の体積変化に応じて変位させながら水素吸蔵合金に付勢する弾性部材とを有する請求項１または２に記載の燃料収容ユニット。
5. 前記支持体は、少なくとも２つの板状体を有し、
   前記水素流路は、前記２つの板状体の間に設けられ、
   前記容器は、前記水素流路を挟んで２つの水素吸蔵合金を収容可能に構成された請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料収容ユニット。
6. 前記支持体は、互いに独立に変形可能に分割された請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料収容ユニット。
7. 前記容器に収容された水素吸蔵合金を備え、
   前記水素吸蔵合金は、互いに独立に体積変化するよう分割された請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料収容ユニット。
8. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソードと、前記電解質膜の他方の面に設けられたアノードとを含む燃料電池と、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料収容ユニットと、
   前記燃料収容ユニットに収容された水素吸蔵合金から放出された水素を前記燃料電池に向けて供給する供給路と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。

Images