JP2013511003A - 金属水素化物を有する水素貯蔵タンク - Google Patents

Abstract

本発明は、ある物質の吸収作用を利用して水素を貯蔵するタンクに関し、このタンクは、長手軸（Ｘ）を有し、外側筐体（２）と、複数のレベル（Ｅ１、Ｅ２、．．．）を備える長手方向軸（Ｘ）の内側構造体（４）と、内側構造体（４）の内部にある熱交換システムとを備えており、各々のレベル（Ｅ１、Ｅ２、．．．）は、下方端部壁と、上方端部壁と、長手方向の仕切り（１０）と、横方向の仕切り（１２）とを備え、前記仕切り（１０、１２）が上方および下方端部壁と協働して水素吸蔵材（６）を収容する区画（８）を形成し、該区画では上方および／または下方端部壁と横方向の仕切り（１２）または長手方向の仕切り（１０）が１つの部品として作製される。

Description

本発明は、金属水素化物の形態で水素を貯蔵するためのタンクに関する。

原油の埋蔵量が減少していることから、とりわけ石油に代わるエネルギー源を探している。このようなエネルギー源の担い手として将来性のあるものの１つが水素であり、燃料電池でこれを利用することで電気を生成することができる。

水素は、宇宙および地球上に広がっており、石炭、天然ガスまたは他の炭化水素から生成することが可能であるが、例えば太陽エネルギーまたは風力エネルギーによって生成された電気を利用して、水を電気分解するだけで生成することも可能である。

水素電池は、例えば自動車などのいくつかの用途では既に利用されているが、とりわけ事前の対策を採る必要があること、および水素の貯蔵が難しいことが原因となってまだそれ程広くは利用されていない。

水素は、３５０から７００バールに圧縮された水素として貯蔵することができるが、これにより安全性の問題が生じる。このとき、このような圧力に耐え得るタンクを設ける必要があり、さらにこのようなタンクは、それが車両に搭載される際、衝撃を受ける恐れがあるということに気付くべきである。

水素を液体として貯蔵することもできるが、このような貯蔵では低い貯蔵収率しか得ることができず、長時間貯蔵することは不可能である。標準的な圧力と温度の条件下で液体状態から気体状態に移行する水素の体積は、その体積がおよそ８００倍増大することになる。液体形態の水素タンクは一般に、機械的な衝撃に対して余り耐性がなく、これは深刻な安全性の問題を提起する。

また水素化物としていわゆる「固体」水素を貯蔵する場合もある。このような貯蔵により、高い貯蔵密度が可能になり、適度な水素圧を実現する一方で、その生成から別のエネルギー源への変換までの水素ラインの包括的な収率に対する貯蔵エネルギーの影響力が最小限になる。

水素化物としての水素の固体貯蔵の原理は、以下の通りである。ある種の物質、とりわけある種の金属は、水素を吸収して水素化物を形成する能力があり、このような反応を吸収と呼ぶ。形成された水素化物は、再び水素ガスと特定の金属を提供することができる。このような反応を脱着（ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）と呼ぶ。吸収と脱着は、水素の分圧と温度に応じて生じる。

金属粉末または基材Ｍにおける水素の吸収と脱着は、以下の反応に従って行なわれる。

− Ｍは、金属粉末または基材である。
− ＭＨｘは金属水素化物である。

例えば金属粉末が、水素と接触するように置かれて使用されることで吸収現象が生じ、金属水素化物が形成される。水素の放出は、脱着機構に従って行なわれる。

水素の貯蔵は、発熱反応、すなわち熱を放出するのに対して、水素の放出は、吸熱反応、すなわち熱を吸収する。

とりわけ金属粉末を水素中に迅速に充填する試みがされている。このような迅速な充填を実現するには、この充填中に生成された熱を取り除くことで、金属粉末または基材における水素の吸収が減速するのを阻止しなければならない。水素を取り出す際は、それ故に熱が供給され、冷却および加熱の効率が、充填および取り出しの流速の条件となる。

ある意味系統的に、水素化物と金属は共にタンク内では粉末形態であり、１０％から３０％の密度差がある。

このようなタンク内での密度の変化により、２つの結果が生まれる。
− 一方で、吸収−脱着サイクルにおいて粉末粒子内部にストレスが現れ、これにより粉末粒子がより小さな粒に分かれる。このような現象をデクレピテーション（ｄｅｃｒｅｐｉｔａｔｉｏｎ）と呼ぶ。
− 一方で、水素を吸収する際の粉末粒子の膨張と、脱着における粒の収縮。それゆえこの膨張作用を考慮して粉末より上に自由空間が設けられる。

吸収−脱着サイクルの回数が増えると、デクレピテーション現象および膨張現象が原因となって、粉末層が段階的に高密度化する。実際は、デクレピテーションによってさらに微細な粉末が出現し、この微細な粉末は、重力によって粒子の網を通り抜けてタンクの底部に向かって移動する。さらに水素流の速度が十分に速い場合、粒子はタンク内を移動し、配置し直される。さらに粉末層は収縮する傾向にあり、すなわち脱着中にその体積が縮小し、これによりタンクの壁と、水素吸蔵材層の間に何もない空間が残される。粉末の移動は、重力によってこの空間を介して行なわれ、これを満たす。この後の吸収作用において、形成された水素化物の粉末は、流体として作用しない。とりわけタンク内での粉末層のレベルは、先行する吸収作用において達成されたレベルではない。実際には、粒子同士およびタンク壁に対する摩擦が、粉末層が自由に拡張するのを阻止する。粉末粒子の膨張作用はその後、間隙率の大きさを小さくすることによって補償される。水素／水素化物吸蔵材層はしたがって、水素化サイクルの過程において段階的に密度が高くなる。

「水素化サイクル（ｈｙｄｒｉｄｉｎｇ ｃｙｃｌｅ）」によって、水素脱着過程が後に続く吸収過程を指す。

したがって水素吸蔵材が蓄積するのを避けることが重要であり、これは、タンク構造に損傷を与える恐れのあるストレスを与える恐れがある。

特許文献１は、水素が金属水素化物として貯蔵される水素タンクを記載している。この円筒形状のタンクは、粉末で満たされた長手方向のチャネルを備える。水が循環する管が、いくつかのチャネルの中に設けられることで、熱を取り除く。

一方でこのデバイスは、タンク全体に均一に粉末を分布させることができず、これによりこの構造体を損傷させるストレスを与える可能性がある。一方で熱交換も最適ではない。さらにチャネル構造は、実践するには複雑であり、粉末の充填には時間がかかる。

米国特許出願第２００４／０１２９０４８号明細書

その結果、本発明の１つの目的は、タンクの粉末の均一な分布を維持することができる水素貯蔵タンクを提供することである。また本発明の１つの目的は、簡単な構造の水素タンクを提供することである。

上記に述べられた目的は、長手方向の軸を有し、外側の格納筐体と、金属水素化物を分散させるための内側構造体とを備えた水素タンクによって達成され、構造体は、複数の重ね合わされたステージを有し、各々のステージが、長手方向軸の方向に伸びる複数のチャネルを有し、チャネルは、長手方向軸を横切る壁によって区画に分けられ、各々の区画は、水素を吸収することができる物質を中に含むことが意図されている。タンクはまた、熱交換器を備えている。１つのステージのチャネルは、単独の空間として形成され、各々のチャネルは、底部と２つ長手方向の側壁によって形成される。

本発明のおかげで、厳重な水平方向の分離が簡単に形成される。さらに、その製造は、組み立てるべき部品の数が制限されているため、簡素化されている。

換言すると、粉末は、ステージごとに厳重に収容され、粉末はとりわけ隔室に分散されるため、タンクを損傷させる恐れがあるその移動と蓄積が制限される。

熱交換システムは、例えば熱伝達流体がその中を流れることが意図されたチャネルの形態であり、このチャネルが各々のステージの間に置かれることで、タンク内での均一な熱の捕捉と供給が確実になる。これはとりわけ、水素の「充填」時間を短縮することができる。

その結果、本発明の１つの主題は、ある物質に吸収させることによって水素を貯蔵するタンクを提供することであり、タンクは、長手方向軸を有し、外側筐体と、長手方向軸Ｘを有する内側構造体とを備え、内側構造体は、長手方向軸に平行な面に沿って延びる複数のステージと、内側構造体の内部にある熱交換システムとを備え、各々のステージは、下方底部と上方底部、ならびに長手方向の仕切り壁と横方向の仕切り壁とを備え、仕切り壁が、下方および上方底部と共に水素吸蔵材を収容する区画を形成し、上方底部および／または下方底部ならびに横方向の仕切り壁または長手方向の仕切り壁は、１つの部品として作製される。

とりわけ有利には、上方底部と関連する長手方向の仕切り壁とが１つの部品として作製され、下方底部と関連する長手方向の仕切り壁とが１つの部品として作製される。

上方底部、関連する長手方向の仕切り壁、下方底部、及び関連する長手方向の仕切り壁はそれぞれ、金属の細片を折り畳むことによって作製される。

例えば横方向の仕切り壁は、長手方向の仕切り壁及び横方向の仕切り壁に形成されたスロットが協働することによって、長手方向の仕切り壁に固定される。

本発明によるタンクは、片面に横方向の仕切り壁及び長手方向の仕切り壁が設けられた上方底部と、片面に横方向の仕切り壁及び長手方向の仕切り壁が設けられた下方底部とによって形成される半組立体を備えることができ、この２つの底部は、仕切り壁を支えている面と反対側のそれぞれの面によって互いに取り付けられる。

内側構造体はその場合、半組立体を積み重ねたものを備えてよく、各々の区画は、半組立体の長手方向の仕切り壁と、別の半組立体の長手方向の仕切り壁とを備える。

本発明のタンクは、一体式の上方底部と下方底部との間に画定されるチャネルを備えており、チャネルは、熱交換システムを形成している。

半組立体は、例えば上方底部によって支えられる長手方向の仕切り壁が、下方底部に支えられる長手方向の仕切り壁と同一面内で収容されるものであり、チャネルは長手方向の壁の下に直接的に形成される。折り畳んで長手方向の仕切り壁を形成する際、有利には、仕切り壁の底辺を半円の断面の溝を形成するように成形することができる。互いに面する２つの溝によって形成されたチャネルの中にパイプを収容することができる。

有利にはパイプは、チャネルの壁に蝋付けされる。

タンクは、区画内に水素を供給するための手段、例えば多孔性のパイプによって形成される手段を備えることができる。

例えば横方向の仕切り壁にノッチが形成される。

例えば区画の高さは、その長さの５０から１１０％でありその幅の５０から１００％を占める。

また本発明の別の主題は、本発明によるタンクと、区画内に設けられる水素吸蔵材とを備えた水素貯蔵タンクである。

この物質は有利には、インゴットとして区画内に置かれる。

区画の容積の１２％から６０％を占める自由空間が有利には、各々の区画内に形成される。

水素吸蔵材は、リチウム、カルシウムまたはマグネシウムなどのアルカリ性またはアルカリ土類金属、ジルコニウム、チタンなどの第４または第５列の遷移金属、あるいはランタン、セリウムなどの金属希土類などの安定した水素化物を形成する要素Ａと、クロム、コバルト、ニッケルまたは鉄などの大半の遷移金属などの標準的な条件下で不安定な水素化物を形成する要素Ｂとで構成された少なくとも１つのＡ_ｍＢ_ｎタイプの物質で構成されてよい。

また本発明の別の主題は、本発明による水素貯蔵タンクを作製する方法を提供することであり、この方法は、
ａ）金属の細片を所望の寸法に切断するステップと、
ｂ）細片を折り畳むことにより、長手方向の仕切り壁によって範囲が決められる長手方向のチャネルを形成するステップと、
ｃ）横方向の仕切り壁を設置して、長手方向の仕切り壁と共に区画の範囲を決めるステップと、
ｄ）このように形成された要素を積み重ね、水素吸蔵材で満たすステップと、
ｅ）筐体の中に配置するステップと、
ｆ）筐体の中に水素を取り込むことによって、各々の区画の中の物質が金属水素化物に変換されるステップと、
を含む。

この作製方法は、ステップｄ）の前に、ステップｃ’）を含む場合があり、このステップｃ’）において、２つの要素が、仕切り壁を支えている壁とは反対側のそれぞれの面によって互いに取り付けられ、これにより半組立体を形成し、ステップｄ）においてこの半組立体が積み重ねられる。

ステップｃ’）において、２つの要素の間に熱交換システムのパイプが設けられ、パイプは、各々の要素に蝋付けすることができる。

水素吸蔵材は、有利には区画内に置かれたときにインゴットの形態である。

本発明は、以下の記載および添付の図面を使用することでより適切に理解されるであろう。

本発明によるタンクの例示の一実施形態を部分的に分解し、本発明によるタンクの内側構造体を見ることができるようにした斜視図である。 図１の構造体の１つの切り離された要素の斜視図である。 作製中の本発明による内側構造体の切り離された部分の斜視図である。 作製中の本発明による内側構造体の切り離された部分の斜視図である。 本発明による内側構造体の２つのステージの斜視図である。 金属物質をインゴットとして備えたタンクの内側構造体の詳細の前方図である。 最初に中に収容されたインゴットのデクレピテーション後の、粉末が充填された区画の概略図である。

図１では、本発明による水素タンクの例示の一実施形態を見ることができる。

タンクは、水素圧に耐えることができる外側筐体２と、図５に表される水素吸蔵材６を収容するための内側構造体４とを備える。

外側筐体２は、表示される例では、長手方向軸Ｘを有する円形断面の円筒形状である。この形状は、ちょうど円環形状と同じように圧力に耐えるのに有利であるが、これに限定するものではなく、外側筐体２は、例えば円環状または正方形の断面を有する場合もある。

タンクは、作動中ほぼ水平方向に設けられることが意図されている。したがって軸Ｘは、水平な位置にある、またはほぼ水平な位置になることが意図されている。

一般にタンクは、水素流回路に接続され、この回路は、筐体の長手方向の一端または両端に接続されることで、タンクに水素を充填し、かつそこから水素を取り出す。さらに後に記載する熱交換システムによって、長手方向の一端から他端への熱伝達流体が流れることが保証される。よってタンクは概ね、長手方向に誘導される水素と熱伝達流体の流れに曝される。

タンクは、より具体的には内側構造体はしたがって、長手方向の流れに適した構造を有するのが有利である。しかしながら本発明は、別の方向の流れに好適な場合もある。

本出願において、要素または要素の一部は、それらが図１のタンクの描写において高いまたは低い位置であることが意図される場合、「上方」および「下方」と呼ばれるが、これに限定されるものではない。

外側筐体２は、例えばステンレス鋼、アルミニウムまたは編み込まれた複合材料である。いわゆる低圧の水素化物タンクの場合、筐体が耐える圧力は、ほぼ１から５０バール程度の水素である。これより高い圧力の用途では、筐体が耐える圧力は、５０バールから３５０バールの間、あるいはさらに７００バールである。

内側構造体４は、複数の重ね合わされたステージＥ１、Ｅ２、．．．Ｅｎを備えており、ｎは、整数である。このステージは、長手方向軸に平行な面内に延在している。描写される例では、これらのステージは水平方向である。

各々のステージＥ１、Ｅ２、．．Ｅｎは、区画８に分かれている。より具体的には各々のステージは、下方底部９と、長手方向の仕切り壁１０と、横方向の仕切り壁１２と、上方底部１４とを備えており、それらが区画８の境界を定めている。

有利には、区画は細長さの割合が低く、すなわちその面積に対して高さを縮小することで、水素吸蔵材が膨張したときに仕切り壁の下部にストレスが集中するのを避けている。

例えば２０、３０分程度タンク内で水素吸収性を得る目的で、隔室の寸法は、区画の幅、深さおよび高さが、約２５ｍｍから５０ｍｍである。粉末より上の自由空間は、使用される水素化物の膨張次第で５ｍｍから１０ｍｍの高さである。

内側構造体４はまた、区画から熱を確実に取り除き、かつ区画内に均一に熱を供給することができる熱交換システム１６を備えており、これは水素化物材料のできるだけ近くに配置される。熱交換システム１６は、各々のステージの間に設けられ、とりわけ長手方向の仕切り壁を熱交換面として利用する。

そうするために、熱交換システム１６は、この構造体を貫通して長手方向に延び、下方底部と上方底部１４に沿って伸びるチャネル１８を備える。

とりわけ有利には、下方底部９または上方底部１４と、長手方向の仕切り壁１０を備える要素２６が、例えば図２に見ることができるように金属の細片を折り畳むことによって１つの部品として形成される。この要素２６を１つの部品として形成することで、部品の数が少なくなり、溶接による組み立てが回避されることで製造が簡素化される他に、単純に各々のステージの耐密性を保証し、水素吸蔵材が一つのステージから他のステージに通過する、とりわけ下方のステージに落下するのを阻止するだけでなく、長手方向の仕切り壁を利用することで横方向の耐密性も保証される。

長手方向の仕切り壁１０は、例えば細片の２つの部分を互いに対して折り畳むことによって作製され、それぞれの面の大半において細片の２つの部分の間には空間が残らない。

また極めて有利なことは、ほぼ同様の要素２６を設けることで、下方底部と長手方向の仕切り壁を限定し、上方底部と長手方向の仕切り壁を限定することができる。このような２つの下部構造の組立体が、区画の範囲を定める。

横方向の仕切り壁１２を設置するために、垂直方向の切り抜き２０が、軸Ｘに沿って長手方向の仕切り壁１０の自由端に形成され、その間隔が区画の長さを規定する。同様の切り抜きが、横方向の仕切り壁１２にも形成される。横方向の仕切り壁１２を設置すると、切り抜き同士が対応し、仕切り壁１０、１２が互いに貫入することで、「ラック」を形成する。長手方向の仕切り壁の切り抜きと横方向の仕切り壁の切り抜きは、仕切り壁の高さより低い長さを有する。

長手方向の仕切り壁１０および横方向の仕切り壁１２によって、水素吸蔵材の横方向および長手方向の移動がそれぞれ制限される。

例えばタンクが自動車に搭載される場合、自動車は、いつもほぼ水平な位置であるとは限らず、振動を受ける場合もあるため、粉末が移動し易い傾向にある。さらにこのような仕切り壁によってステージの剛性が保証される。

また特に有利には、長手方向の仕切り壁１０を作製すると、熱交換システムは内側構造体４に組み込まれる。そうするために、長手方向の仕切り壁１０の底辺は、半円の断面の長手方向の軸を有する溝３０によって形成される。上方底部と下方底部を組み立てることによって、両方の溝が互いに面し、チャネル１８を形成する円筒の範囲を定める。

チャネル１８は、熱伝達流体流チャネルを直接形成することができる、またはそうでなければ図１、図３および図４に表されるように、パイプ２４をチャネル１８に導入することができる。有利には、パイプ２４が細片に蝋付けされることで、熱交換を改善させる。

チャネル１８またはパイプ２４は、一端（表示されていない）を介して熱伝達流体供給口に接続され、他端（表示されていない）を介して熱伝達流体放出口に接続されている。パイプ２４は、例えばアルミニウムまたはステンレス鋼である。

水素吸蔵材は、各々の区画内に設けられる。

粉末の上に自由空間２５が設けられることで、水素が充填された結果として物質が膨張する際の物質と上方底部との機械的相互作用が回避される。

このような自由空間２５は、組み立てたときに物質と構造体の間に隙間を設けることによって形成される。配置された物質がインゴットの形態である場合、側部の隙間と、上方底部を含んだ隙間が形成される。種々のデクレピテーションの後、物質は、側壁と接触し自由空間２５によって上方底部から隔てられた粉末層を形成する。

この物質に水素を充填するには、区画の上部において水素を区画内に流すだけでよく、この水素は自由空間２５へと流れる。そのために横方向の壁１２を、好ましくは自由空間２５に対応する上部において切り抜くことができる。

物質が相次ぐデクレピテーションにおいて高密度化することにより、水素吸蔵材と、自由空間２５にある水素と間の浸透が十分でない場合、多孔性の水素供給管２７をさらに加えて、水素吸蔵材の中を通過させることができる。多孔性のパイプが設けられる場合、パイプ２７が中を通過できるように横方向の仕切り壁１２が切り抜かれる。例えば、パイプは区画の列ごとに設けられ、長手方向に沿って延びる。このような管はまた、脱着した水素を採集することもできる。

有利には管２７は、区画の底部に、概ねその長手方向軸に沿って配置される。あるいはそれらは、自由空間２５の中を通過することができる。

横方向の仕切り壁１２が有利には、上方端部に凹部またはノッチ（表示されていない）を備えることで、軸Ｘに沿って１つの区画から次の区画へと水素が流れることができる。

このような凹部は、長手方向の仕切り壁に設けられる場合もある。

脱着したときの水素の採集はまた、区画の自由空間２５によって行なわれる。

構造体４を形成する材料は、効率的な取り出しおよび供給を保証する極めて良好な熱伝導材料であることが優先される。有利には構造体は、アルミニウムで作製される。銅が使用される場合もある。このような材料はさらに、特に折り畳みや切り取りによって予め成形することが可能な点で有利である。ステンレス鋼が使用される場合もある。

図１のタンクを作製するための１つの例示の方法を以下に記載する。

第１ステップでは、金属細片またはシートを所望の寸法に形成する。典型的にはこの細片は、数１００ミクロンの厚さである。

その後のステップにおいて、細片は、図２の要素２６を実現するために、折り畳みパターンに応じて、大きく折り畳まれた長さを形成するように折り畳まれる。図１のタンクは円形の断面を有するため、それぞれのステージは、同一面積ではない。それゆえ大きな寸法の折り畳まれた細片を使用することが有利であり、各々の折り畳まれた構造体２６は、それが配置されるステージを考慮して切り取られる。

その後、２つの要素２６が背中合わせに組み立てられることで、一方の要素の下方底部と他方の要素の上方底部が互いに接触し、下方底部から突出する長手方向の仕切り壁と上方底部から突出する長手方向の仕切り壁とは、２つずつほぼ同一面内になる。この組立体は、図３Ａに描かれており、これはまた下方底部と上方底部の間にチャネル１８の範囲を定める。この組立体は、半組立体２８と呼ばれる。２つの要素２６を背中合わせにする組み立ては、炉内での蝋付けによって行なうことができ、これにより組立体の熱伝導性が改善され、この場合蝋付け材が予めコーティングされた金属細片のロールを利用するのが有利であり得る。組立体はまた、抵抗溶接によってわずかな溶接箇所を形成するだけで作製することができる。熱伝達流体が流れるパイプ２４が設けられる場合、２つの要素２６を組み立てる前に、このパイプを配置することができる。有利には、パイプは溝の中で要素に対して蝋付けされ、これによりパイプと要素との間の熱交換が改善することになる。

これに続くステップで、横方向の仕切り壁１２が、図３Ｂに表されるように垂直方向の切り抜き２０の中に配置される。このとき、下方底部と上方底部には空間が接しており、よって境界を接する空間は、両方の区画の表面に対応している。

これに続くステップにおいて、水素吸蔵材が区画の下方底部に設けられる。この物質は、粉末形態であってよい。

とりわけ有利には、水素吸蔵材は、固体インゴットの形態である。２つのインゴットが、互いから離れた各々の空間内に設けられる。インゴットを実現することにより、その後の半組立体をより配置し易くすることができる。

インゴットの形状は、区画の形状とほとんど似ている。

多孔性の水素供給管も、このステップにおいて配置される。

これに続くステップで、図４に描かれるように２つのインゴットの間で下方の半組立体の２つの長手方向の仕切り壁の間に長手方向の仕切り壁を設けることによって、上方の半組立体が、水素吸蔵材を備えた下方の半組立体の上に設けられる。１つのステージはこのようにして形成される。上方の半組立体の長手方向の仕切り壁の自由端は、第１の半組立体の下方底部に接触しており、下方の半組立体の長手方向の仕切り壁の自由端は、第２の上方の半組立体の底部に接触している。このような接触箇所は耐密なものではないが、大量の物質が１つの区画から他の区画に通過するのを阻止するのに十分な狭さである。また横方向の仕切り壁に関しても、それらは耐密ではないが、十分な障壁を形成している。さらにタンクの軸は、ほぼ水平方向のままであるように意図されることを思い出して欲しい。結果として物質の側方の移動は少ない。一方本発明のおかげで、ステージ同士の分離が１つの部品としてであるため、物質が下方のステージに通過するのが阻止される。

所望のサイズの内側構造体が得られるまで、先のステップが繰り返される。

要素の一部は、互いに対して長手方向および横方向に沿って固定化されるが、これはそれらが横方向の仕切り壁１２、および横方向の仕切り壁１２が挿入される垂直方向の切り抜き２０によって入れ子になるためである。

当然のことながら、最初のステージと最後のステージは厳密には中間のステージのようには形成されない。実際は、描写される例では、最初のステージは、上方底部と長手方向および横方向の仕切り壁のみを備えており、最後の半組立体は、下方底部と、長手方向および横方向の仕切り壁のみを備える。

その後、最終的な構造体が外側筐体２に導入される。多孔性パイプと熱交換システムのパイプの接続が行なわれ、筐体がきっちりと閉められる。

最初の水素充填において、デクレピテーション現象が生じ、すなわち水素が金属インゴットによって吸収され、このインゴットが膨張し破裂して微細な個体になり粉末を形成する。

数回の充填ステップの後、区画は、図６に概略的に描かれるように下方底部、側部および横方向の仕切り壁と接触する粉末を中に含む。

当然のことながら、タンクの内部構造は、要素２６を重ね合わせることによって構築されてよく、これらの要素は、必要な長手方向の仕切り壁を備え、区画の底部と側壁の範囲を定める。

横方向の仕切り壁１２を折り畳むことによって作製することが企図される場合もあるが、その場合長手方向の仕切り壁１０は、横方向の仕切り壁１２に関して記載したようにぴったり嵌め込むことによって設置することができる。

一例として、区画に設けられる物質は、水素を貯蔵するのに利用される１つまたは複数の物質で構成されてよい。このような水素吸蔵材は、例えばＡＢ、Ａ_２Ｂ、Ａ_２Ｂ_７、ＡＢ_２またはＡＢ_５などの異なる族から選択されてよく、あるいはこのような物質の族の混合物であってよい。

化学式Ａ_ｍＢ_ｎの可逆的な金属水素化物は、例えばリチウム、カルシウムまたはマグネシウムなどアルカリ性またはアルカリ土類金属、ジルコニウム、チタンなどの第４または第５列の遷移金属またはランタン、セリウムなどの最終的な金属希土類などの安定した水素化物を形成する要素Ａと、クロム、コバルト、ニッケルまたは鉄などの大半の遷移金属など標準的温度と圧力の条件において不安定な水素化物を形成する要素Ｂとで構成される。

このような物質は、体心立方（ｂｃｃ）構造、面心立方（ｆｃｃ）あるいはＣ−１４またはＣ−１５タイプの結晶構造を有することができる。

例えばこのような物質は、Ｍｇ、Ｍｇ−Ｎｉ、Ｍｇ−Ｃｕ、Ｔｉ−Ｆｅ、Ｔｉ−Ｍｎ、Ｔｉ−Ｎｉ、Ｔｉ−Ｖ、Ｍｎ−Ｎｉ、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｖ−Ｆｅであってよい。使用される圧力および温度に左右される水素吸収力は、水素吸蔵材によって変化する。

他の水素吸収材は、例えばアラネート（ＮａＡｌＨ４）などの軽要素との複合的な化学水素化物、例えばＬｉＢＨ４、ＮａＢＨ４などのリチウムおよびホウ素ベースの水素化物、あるいはそうでなければイミドまたはアミドなどを本発明に記載される幾何学的構成に使用することもできる。

このタンクの作動を以下に説明する。

タンクに水素を充填する必要がある場合、例えば多孔性のパイプを介してタンク内に水素が流される。吸収反応は発熱性であるため、熱が放出される。この熱は同時に、パイプ２４内に冷却用の熱伝達流体を流すことによって排出され、このパイプは、２つの長手方向の仕切り壁の交差点に、一対の下方底部と上方底部との間に配置されている。仕切り壁、とりわけ長手方向の仕切り壁１０と、下方底部及び上方底部とが、冷却フィンとして作動し、熱を捕捉し、パイプ２４を流れる熱伝達流体にこの熱を伝える。より迅速かつより効率的に熱が排出される程、タンクがより迅速に充填される。その後水素充填材が金属水素化物を形成する。既に説明したように、この物質は、吸収することで膨張し、デクレピテーション現象を起こし、粉末を形成する。

タンク内に含まれる水素を使用する必要がある場合、タンク内の水素圧が下げられるおよび／または熱交換器のパイプと、内部構造によって形成されたフィンによって水素化物が加熱される。水素が脱着する。このようにして放出された水素は、仕切り壁１０、１２の上部に形成されたノッチを介して１つの自由空間２５から別の自由空間へと流れ、タンクの長手方向の端部において採集される。

タンクの充填および取り出し温度は、例えば−２０℃から４００℃の範囲である。充填圧力は、例えば０．１バールから２００バールのＨ_２の範囲であり、取り出し圧力は、例えば１００バールから０バール（絶対値）の範囲である。

本発明によるタンクによって、内側構造体４が水素吸蔵材を隔てる加えられる質量と、その結果生じる熱交換効率の極めて良好な引換え条件が提案される。

さらに本発明によって、図４の図を考慮すると、垂直方向に沿ったその寸法が、水平方向の隔室の寸法よりはるかに小さい、あるいは最大でもそれと同程度の大きさであり得る隔室が提供され、これにより区画の下部における機械的ストレスを制限することができる。各々の隔室には、物質が支障なく拡張することができるように十分な空間が設けられてよい。この空間は、組み立てたときインゴットの周囲でそれより上に位置しており、デクレピテーション後に形成される水素化物の粉末層より上に位置している。

さらにそれにより、異なる隔室間で粉末が垂直方向に沿って移動するのが回避される。

一方、内側構造体の各層に熱交換システムが割り当てられており、この構造体と吸蔵材との効率的な熱交換を保証する。

本発明によるタンクは、水素貯蔵を実施する全ての用途に、すなわち大量の貯蔵を実施する分野と、少量の貯蔵を必要とする分野の両方に適用することができる。

例えば本発明は、船舶、潜水艦など、自家用車、バス、貨物自動車、建設および農業用の機械ならびに二輪車などの原動力手段用のタンクとして使用することができる。

本発明はまた、携帯用電子装置（携帯電話、ポータブルコンピュータ等）などの携帯デバイスの電源として利用することもできる。

本発明はまた、風車、太陽電池パネルまたは地熱によるエネルギーにより大量に生成された水素を貯蔵する目的で、例えば生成器セットなどより大量の水素用の貯蔵システムにも適用することができる。

２ 外側筐体
４ 内側構造体
６ 水素吸蔵材
８ 区画
９ 下方底部
１０ 長手方向の仕切り壁
１２ 横方向の仕切り壁
１４ 上方底部
１６ 熱交換システム
１８ チャネル
２０ 切り抜き
２４ パイプ
２５ 自由空間
２６ 要素
２７ 水素供給管
２８ 半組立体
３０ 溝
Ｘ 長手方向軸
Ｅ１、Ｅ２．．． ステージ

Claims (22)

1. ある物質に吸収させることにより水素を貯蔵するタンクであって、
   前記タンクは、長手方向軸（Ｘ）を有し、外側筐体（２）と、長手方向軸Ｘを有する内側構造体（４）とを備え、前記内側構造体（４）が、前記長手方向軸に平行な面に沿って延びる複数のステージ（Ｅ１、Ｅ２、．．．Ｅｎ）と、前記内側構造体（４）の内部にある熱交換システムとを備え、各々のステージ（Ｅ１、Ｅ２、．．．Ｅｎ）が、下方底部（９）と上方底部（１４）と、長手方向の仕切り壁（１０）と横方向の仕切り壁（１２）とを備え、前記仕切り壁（１０、１２）が前記下方底部（９）と上方底部（１４）と共に水素吸蔵材（６）を収容する区画（８）を形成し、前記上方底部（１４）および／または前記下方底部（９）ならびに前記横方向の仕切り壁（１２）または前記長手方向の仕切り壁（１０）が１つの部品として作製されることを特徴とするタンク。
2. 前記上方底部（１４）と関連する長手方向の仕切り壁（１０）とが、１つの部品として作製され、前記下方底部（９）と関連する長手方向の仕切り壁（１０）とが、１つの部品として作製されることを特徴とする、請求項１に記載のタンク。
3. 前記上方底部（１４）、関連する長手方向の仕切り壁（１０）、前記下方底部（９）、及び関連する長手方向の仕切り壁（１０）がそれぞれ、金属の細片を折り畳むことによって作製されることを特徴とする、請求項２に記載のタンク。
4. 前記横方向の仕切り壁（１２）が、前記長手方向の仕切り壁（１０）及び前記横方向の仕切り壁（１２）に形成されたスロットが協働することによって、前記長手方向の仕切り壁（１０）に対して固定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のタンク。
5. 片面に横方向の仕切り壁（１２）及び長手方向の仕切り壁（１０）が設けられた上方底部（１４）と、片面に横方向の仕切り壁（１２）及び長手方向の仕切り壁（１０）が設けられた下方底部（９）とによって形成される半組立体を備え、この２つの底部（９、１４）が、前記仕切り壁（１０、１２）を支えている面と反対側のそれぞれの面によって互いに取り付けられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のタンク。
6. 前記内側構造体（４）が前記半組立体を積み重ねたものを備えており、各々の区画（８）が、半組立体の長手方向の仕切り壁（１０）と、別の半組立体の長手方向の仕切り壁（１０）とを備えることを特徴とする、請求項５に記載のタンク。
7. 互いに取り付けられた前記上方底部（１４）と前記下方底部（９）との間に画定されるチャネル（１８）を備え、前記チャネル（１８）が、前記熱交換システムを形成していることを特徴とする、請求項５または６に記載のタンク。
8. 前記半組立体は、前記上方底部（１４）によって支えられる長手方向の仕切り壁（１０）が、前記下方底部（９）に支えられる長手方向の仕切り壁（１０）と同一面内で収容されるものであり、前記チャネルが前記長手方向の壁（１０）の下に直接的に形成されることを特徴とする、請求項７に記載のタンク。
9. 折り畳んで前記長手方向の仕切り壁（１０）を形成する際、前記仕切り壁（１０）の底辺が半円の断面の溝を形成するように成形されることを特徴とする、請求項７または８に記載のタンク。
10. 互いに面する前記２つの溝によって形成された前記チャネル（１８）の中に収容されたパイプ（２４）を備えることを特徴とする、請求項９に記載のタンク。
11. 前記パイプ（２４）が、前記チャネルの壁に蝋付けされることを特徴とする、請求項１０に記載のタンク。
12. 前記区画内に水素を供給するための手段、例えば多孔性のパイプによって形成される手段（２７）を備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のタンク。
13. 前記横方向の仕切り壁（１２）にノッチが形成されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のタンク。
14. 前記区画の高さが、その長さの５０から１１０％であり、その幅の５０から１１０％を占めることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載のタンク。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載のタンクと、区画（８）内に設けられた水素吸蔵材（６）とを備えることを特徴とする、水素貯蔵タンク。
16. 前記物質が、インゴットとして前記区画内に置かれることを特徴とする、請求項１５に記載の貯蔵タンク。
17. 前記区画（８）の容積の１２％から６０％を占める自由空間（２５）が、各々の区画（８）内に形成されることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の貯蔵タンク。
18. 前記水素吸蔵材（６）が、リチウム、カルシウムまたはマグネシウムなどのアルカリ性またはアルカリ土類金属、ジルコニウム、チタンなどの第４または第５列の遷移金属、あるいは、ランタン、セリウムなどの金属希土類などの安定した水素化物を形成する要素Ａと、クロム、コバルト、ニッケルまたは鉄などの大半の遷移金属などの標準的な条件下で不安定な水素化物を形成する要素Ｂとで構成された少なくとも１つのＡ_ｍＢ_ｎタイプの物質で構成されることを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか一項に記載のタンク。
19. 請求項１５から１９のいずれか一項に記載のタンクを作製する方法であって、
    ａ）金属の細片を所望の寸法に切断するステップと、
    ｂ）前記細片を折り畳むことにより、長手方向の仕切り壁によって範囲が決められる長手方向のチャネルを形成するステップと、
    ｃ）前記横方向の仕切り壁を設置して、前記長手方向の仕切り壁と共に区画の範囲を決めるステップと、
    ｄ）このように形成された要素を積み重ね、前記水素吸蔵材で満たすステップと、
    ｅ）筐体の中に配置するステップと、
    ｆ）前記筐体の中に水素を取り込むことによって、各々の前記区画の中の前期物質が金属水素化物に変換されるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
20. ステップｄ）の前に、ステップｃ’）を含み、このステップｃ’）において、２つの要素が、前記仕切り壁を支えている壁とは反対側のそれぞれの面によって互いに取り付けられ、これにより半組立体を形成し、ステップｄ）において前記半組立体が積み重ねられることを特徴とする、請求項１９に記載の作製方法。
21. ステップｃ’）において、２つの要素の間に前記熱交換システムのパイプが設けられ、前記パイプは、各々の要素に蝋付けすることができることを特徴とする、請求項２０に記載の作製方法。
22. 前記水素吸蔵材が、前記区画内に置かれたときにインゴットの形態であることを特徴とする、請求項１９から２１のいずれか一項に記載の作製方法。