JP2014080329A - 水素吸蔵放出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水素吸蔵放出装置1は、一端側の水素含有ガス供給口6と他端側のオフガス排出口7とを有する円筒状のタンク2と、このタンク2内に充填され、水素吸蔵合金を含む充填剤5と、この充填剤5を加熱及び冷却する温度制御手段4とを備える水素吸蔵放出装置1であって、上記タンク2の内面に突設され、ガスが軸心方向に沿ってジグザグ状又は螺旋状に流通するよう規制するフィン3を備えている。
【選択図】図1
Description
一端側の水素含有ガス供給口と他端側のオフガス排出口とを有する円筒状のタンクと、
このタンク内に充填され、水素吸蔵合金を含む充填剤と、
この充填剤を加熱及び冷却する温度制御手段と
を備える水素吸蔵放出装置であって、
上記タンクの内面に突設され、ガスが軸心方向に沿ってジグザグ状又は螺旋状に流通するよう規制するフィンを備えていることを特徴とする。
<水素吸蔵放出装置>
図1の水素吸蔵放出装置1は、水素の精製を行うものであり、タンク2、フィン3、温度制御手段4及び充填剤5を主に備えている。以下、各部について説明する。
タンク2は、内部に充填剤5を充填する有端円筒状のものであり、圧力の局部集中を低減すべく両端が凸状に湾曲している。タンク2は、一端側に水素含有ガスの供給及び水素ガスの取り出しを行う水素含有ガス供給口6を有し、他端側にオフガスの排出を行うオフガス排出口7を有する。この水素含有ガス供給口6には、水素含有ガスをタンク2に供給する水素含有ガス供給管8と、精製された水素ガスをタンク2から取り出す精製水素ガス取り出し管9とが連結されている。また、オフガス排出口7には、オフガスを排出するオフガス排出管10が連結されている。それぞれの管にはバルブが取り付けられている。また、水素含有ガス供給口6が設けられた側のタンク2の端部には、充填剤をタンク2内に充填するための開閉自在な充填口(図示せず)が設けられている。
フィン3は、タンク2の内面に突設される板状体であり、タンク2の軸心方向を中心軸とする螺旋形状に形成されている。この螺旋状のフィン3により、水素含有ガス供給口6から供給された水素含有ガスが軸心方向に沿って螺旋状にオフガス排出口7へ流通する。このフィン3の材料としては、上記タンク2と同様である。
温度制御手段4は、タンク2の外周面に付設され、タンク2ひいてはフィン3を加熱及び冷却するよう構成されている。温度制御手段4は、タンク2の周囲を覆う熱媒体流通部11を有し、熱媒体流通部11に熱媒体を流通させる。この熱媒体流通部11の一端側には、冷却用熱媒体を供給する冷却用熱媒体供給管12と、加熱用熱媒体を供給する加熱用熱媒体供給管13とが連結されている。一方、熱媒体流通部11の他端側には、冷却用熱媒体を排出する冷却用熱媒体排出管14と、加熱用熱媒体を排出する加熱用熱媒体排出管15とが連結されている。これらの管にはそれぞれバルブが設けられており、各バルブの開閉操作によって冷却用熱媒体及び加熱用熱媒体の供給開始及び供給停止が行われる。冷却用熱媒体には例えば冷水を、加熱用熱媒体には例えば温水を採用可能である。このように水を用いることで、温度制御が容易になる。
充填剤5は、少なくとも水素吸蔵合金が含まれる。この水素吸蔵合金は、通常、粒子状のものが用いられる。また、充填剤5としては、水素吸蔵合金以外に、水素非吸蔵性粒子が挙げられる。水素吸蔵合金と水素非吸蔵性粒子の両者からなる場合、両者は十分に混合された状態で用いられる。水素吸蔵合金粒子の粒径としては、特に限定されないが、50メッシュアンダーが好ましく、75メッシュアンダーが特に好ましい。かかる粒径の小さい水素吸蔵合金を用いることで、水素吸蔵時に生じる容器に対する応力が抑えられる。水素吸蔵合金の粒径の下限としては、特に限定されないが、300メッシュアンダーが好ましい。300メッシュアンダーより小さい場合、オフガス排出口7から流出するおそれがある。
水素吸蔵放出装置1を用いた水素ガスの精製方法は、水素吸蔵工程、パージ工程及び水素放出工程を含む。
水素含有ガス供給管8より水素含有ガスをタンク2内に供給し、タンク2内の充填剤5内に流通させる。充填剤5内を流通させ、水素吸蔵合金に水素を吸蔵された後のオフガスはオフガス排出管10から排出する。水素吸蔵反応は発熱反応なので、除熱のためにタンク2の外側に設けられた熱媒体流通部11に冷却用熱媒体を流通させ、タンク2及びフィン3を介して充填剤5を冷却しながら吸蔵を行う。水素吸蔵合金の種類によっては、加圧状態で吸蔵を行う。オフガス中の水素濃度が許容範囲を超えた時点や、予め定めた時間が経過した時点で水素吸蔵工程を終了する。
水素吸蔵工程終了後、水素含有ガス供給管8からの水素含有ガスの供給を停止し、タンク2内の圧力が常圧程度になるまで待機し、タンク2に残存しているオフガスをオフガス排出管10から排出する。
パージ工程終了後、熱媒体流通部11に加熱用熱媒体を流通させ、タンク2及びフィン3を介して充填剤5を加熱し、充填剤5が吸蔵した水素ガスを放出させる。水素吸蔵工程において、加圧状態で水素含有ガスを精製した場合には、タンク2の減圧した状態で充填剤5を加熱する。タンク2の減圧は、精製水素ガス取り出し管9に真空ポンプを取り付けて、タンク2内の水素ガスを吸引すればよい。また、水素ガスを放出させるには、加熱のみを行った上でタンク2の内圧を上昇させて水素ガスを放出させてもよい。
当該水素吸蔵放出装置1は、フィン3がタンク2の内面に突設され、フィン3とタンク2の内面との間に間隙がない。従って、水素吸蔵放出装置1を横置きにする場合にも、水素含有ガスが水素含有ガス供給口6からオフガス排出口7に充填剤5を通らずに流通する空間、つまりショートパスがフィン3の上方に生じないように適切な量(例えば、タンク2の内容積の50%以上)の充填剤5を充填する。そうすることで、水素含有ガスがフィンに沿って充填剤5中を螺旋状に流通し、流路が長くなるため、水素精製の効率が良くなる。また、充填剤5中にフィン3が存在するため、タンク2及びフィン3を温度制御手段4によって加熱及び冷却することで、充填剤5が加熱及び冷却され、水素の吸蔵・放出反応が促進される。さらに、フィン3とタンク2の内面との間に間隙がないので、温度制御手段4がタンク2の外周面を加熱及び冷却することにより、フィン3を介して充填剤5の温度制御を容易に行うことができる。また、当該水素吸蔵放出装置1は、螺旋状のフィン3によりタンク2内が区画されたような状態になるため、充填剤5の自重や水素吸蔵合金の吸蔵時の水素印圧による下部への圧密を分散でき、水素吸蔵合金の固着を低減することができる。
タンク2の設置状態としては、略水平な横置き状態でも略鉛直な縦置き状態でも使用可能であるが、横置き状態での使用が特に好ましい。図2(a)に示すようなタンク2が縦置きの場合、充填剤5が膨張したときに、応力Fがタンク2の内面に垂直に加わるので、タンク2が破損するおそれがある。しかし、図2(b)に示すような横置きの場合、応力Fがタンク2の内面に斜めに加わるので、応力Fが内面に垂直な方向の分力F1と内面の接線方向の分力F2に分散し、充填剤5が内面に沿って移動できる。従って、タンク2が横置き状態での使用の方が縦置き状態よりも内面に垂直な応力が減少し、タンク2が破損するおそれが少なくなる。当該水素吸蔵放出装置1は、フィン3によりタンク2内が螺旋状に区画されているため、縦置き状態でも充填剤5の自重が全て下方にかからず、上述の破損等の不都合が低減される。但し、当該水素吸蔵放出装置1を横置き状態での使用することで、上述の破損等の不都合が格段に低減される。
図3の水素吸蔵放出装置21は、タンク22、フィン3、温度制御手段23及び充填剤5を主に備えている。このフィン3及び充填剤5は、図1の水素吸蔵放出装置1と同様であるので、同一番号を付して説明を省略し、相違点を特記する。タンク22は、上記タンク2と同様の外殻24と、この外殻24の内面に積層される断熱層25とを備えている。従って、フィン3は、断熱層25の内面に突設されている。
図4の水素吸蔵放出装置31は、タンク2、フィン32、温度制御手段4及び充填剤5を備えている。このタンク2、温度制御手段4及び充填剤5は、図1の水素吸蔵放出装置1と同様であるため、同一番号を付して説明を省略し、相違点を特記する。このフィン32は、タンク2の内部の径方向の一方側に配設される複数の第1フィン32aと、この第1フィン32aと対向するよう上記径方向の他方側に配設される複数の第2フィン32bとを有している。これらの第1フィン32aと第2フィン32bとは、タンク2の軸心方向に沿って交互にかつ略等間隔で配設されている。第1フィン32a及び第2フィン32bは、半円形より大きい板状体であり、被規制部つまり開口部の位置がそれぞれ径方向の対向位置になる。タンク2を横置きにする場合、第1フィン32aと第2フィン32bの内のいずれか一方が上方に位置し、他方が下方に位置するようにする。
本発明の水素吸蔵放出装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、当該水素吸蔵放出装置は、上記水素精製用途に限定されず、その他に水素の貯蔵等にも適用でき、同様の理由で貯蔵等の効率を向上することができる。また、フィンの形態としては、上記螺旋状等に限定されず、タンクの内面に突設され、ガスが軸心方向に沿ってジグザグ状又は螺旋状に流通するよう規制するいかなる形態でもよい。さらに、螺旋状のフィンに関し、中心軸部が開口した形態でもよく、横置き状態での使用の場合でもその中心開口より上方まで充填剤を充填することで、本発明の効果を奏する。一方、交互に遮蔽壁を形成し、ガスが軸心方向に沿ってジグザグ状に流通するよう規制するフィンにおいても、半円形状に限定されず、被規制部のタンク横断面への投影位置が異なればよく、3種類以上のフィンでも採用される。さらに、タンク内面の断熱層は、必ずしも必要でない。さらに、タンクの外周面を加熱及び冷却する構成として、外周面をファンによって冷却するような構成にしてもよいし、外周面をヒータによって加熱するような構成にしてもよい。
第1の実施形態で示した水素吸蔵放出装置1を用い、タンク2を横置きにして、下記の条件で水素の精製を行った。
充填剤:下記の水素吸蔵合金と水素非吸蔵性粒子とを十分に混合して用いた。充填剤の充填に際しては、充填剤の充填後にタンク2を横置きにし、タンク2を振動させながら回転させて、タンク2の軸心方向に均一に充填した。
水素吸蔵合金:20℃における平衡圧が0.2MPaとなるように調整した粒子状のAB5系水素吸蔵合金(平均粒径10μm)
水素非吸蔵性粒子:アトマイズ鉄粉(平均粒径10μm)
水素非吸蔵性粒子の充填剤に対する割合:37.5%
水素含有ガスの組成:H2が80体積%、CO2が20体積%
充填剤の充填率:タンク2の容積の50%
タンク2の内径:46mm
タンク2の内部の軸心方向長さ:500mm
フィンピッチL:60mm
(1)最初に活性化処理として、タンク2内を150℃に加熱し、加熱した状態で真空引きを2時間行った。
(2)(水素吸蔵工程)真空引きに続いて、熱媒体流通部11に20℃の冷水を流通させてタンク2を冷却しながら、水素含有ガスを、入り側で(圧力:0.9MPa、温度:20℃、流量:2.0NL/min)の条件でタンク2内に30分間流通させ、充填剤5に水素を吸蔵させながらオフガスを排出した。
(3)(パージ工程)水素吸蔵工程終了後、水素含有ガス供給管8からの水素含有ガスの供給を停止し、オフガスがオフガス排出管10から排出されてタンク2内の圧力が0.1MPaになるまで待機した。
(4)(水素放出工程)80℃の温水を熱媒体流通部11に流通させて加熱し、充填剤5から放出された水素ガスを精製水素ガス取り出し管9から取り出した。
(5)上記(水素吸蔵工程)(パージ工程)(水素放出工程)のサイクルを、10回繰り返した。
第2の実施形態で示した水素吸蔵放出装置21を用いて、他の条件は実施例1と同一にして水素の精製を行った。ただし、充填剤5の充填量は実施例1と同量としたが、熱媒体流通管26と断熱層25のためにタンク2の内容積が実施例1よりも小さくなる。従って、充填剤の充填率はタンク2の容積の55%となった。
第1の実施形態の水素吸蔵放出装置からフィン3を取り除いた構成の水素吸蔵放出装置を用い、タンク2を横置きにして、実施例1と同様の条件で水素精製を行った。
比較例1と同一構成の水素吸蔵放出装置を用い、タンク2を縦置きにして、実施例1と同様の条件で水素精製を行った。
2 タンク
3 フィン
4 温度制御手段
5 充填剤
6 水素含有ガス供給口
7 オフガス排出口
8 水素含有ガス供給管
9 精製水素ガス取り出し管
10 オフガス排出管
11 熱媒体流通部
12 冷却用熱媒体供給管
13 加熱用熱媒体供給管
14 冷却用熱媒体排出管
15 加熱用熱媒体排出管
21 水素吸蔵放出装置
22 タンク
23 温度制御手段
24 外殻
25 断熱層
26 熱媒体流通管
31 水素吸蔵放出装置
32 フィン
33a 第1フィン
33b 第2フィン
Claims (10)
- 一端側の水素含有ガス供給口と他端側のオフガス排出口とを有する円筒状のタンクと、
このタンク内に充填され、水素吸蔵合金を含む充填剤と、
この充填剤を加熱及び冷却する温度制御手段と
を備える水素吸蔵放出装置であって、
上記タンクの内面に突設され、ガスが軸心方向に沿ってジグザグ状又は螺旋状に流通するよう規制するフィンを備えていることを特徴とする水素吸蔵放出装置。 - 上記フィンが螺旋状である請求項1に記載の水素吸蔵放出装置。
- 上記フィンとして、被規制部のタンク横断面への投影位置が異なる複数種のフィンを有し、
これらの複数種のフィンが軸心方向に沿って交互に配設されている請求項1に記載の水素吸蔵放出装置。 - 上記タンクが、略水平な横置き状態で使用される請求項1、請求項2又は請求項3に記載の水素吸蔵放出装置。
- 上記充填剤の充填量が、タンク内容積の75%以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の水素吸蔵放出装置。
- 上記温度制御手段が、上記タンクの外周面を加熱及び冷却する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の水素吸蔵放出装置。
- 上記温度制御手段が、上記タンク内に上記フィンと接合するよう配設され、内部に熱媒体を流通するよう構成される管を有している請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の水素吸蔵放出装置。
- 上記充填剤が、上記水素吸蔵合金を主成分とする粒子と水素非吸蔵性粒子との混合物である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の水素吸蔵放出装置。
- 上記充填剤における上記水素非吸蔵性粒子の含有率が5質量%以上50質量%以下である請求項8に記載の水素吸蔵放出装置。
- 上記水素非吸蔵性粒子が、Cu、Fe及びZnからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属粒子、又はCu、Fe及びZnからなる群から選ばれる2種以上の金属の合金粒子である請求項8又は請求項9に記載の水素吸蔵放出装置。
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