JP2017503135A - 熱交換を行う金属水素化物を含む水素吸蔵タンク - Google Patents

Abstract

長手軸線（Ｘ）を含み二つの長手端部で閉鎖されているシェル（４）と、水素供給源および排出水素用出口と、シェル（４）に横向きに設置されてシェル（４）の内面との接触状態にある少なくとも一つの熱伝達要素（８）とを含む、水素吸蔵材料への吸着による水素貯蔵タンクであって、熱伝達要素は、水素補給排出段階での温度変化中に熱伝達要素（８）とシェル（４）との間の接触が維持されるように、シェル（４）の内面との弾性接触状態にあるタブから形成される外周縁部を有し、タンクに収容される吸蔵材料に対する熱伝達を行うように熱伝達要素（８）が設計されている。

Description

本発明は、金属水素化物を含む水素吸蔵タンクと、このようなタンクを少なくとも一つ含む水素吸蔵システムとに関する。

特に石油備蓄の枯渇により、石油の代替エネルギーを見出そうとする試みが行われている。これらのエネルギー源の方向性として将来有望な一つは、電気を発生させるのに燃料電池で使用されうる水素である。

水素は、宇宙および地上で非常に多く存在する元素であり、天然ガスまたは他の炭化水素から発生されうるが、例えば太陽または風力エネルギーにより発生される電気を使用する簡単な水の電気分解によっても発生されうる。

水素電池は、ある用途、例えばある種の自動車ですでに使用されているが、特に、講じなければならない予防策と水素の吸蔵に関する困難さのため、まだ普及していない。

水素は、３５０〜７００バールの間で圧縮された形で吸蔵され、これは、安全と、気体圧縮のためのエネルギー消費とに関する問題を生じる。タンクはこれらの圧力に耐えうる必要があり、車両に設置される時にこれらのタンクに衝撃が加えられうることが特に知られている。

水素は液体の形で吸蔵されるが、このタイプの吸蔵の吸蔵効率は低く、長期間にわたる吸蔵には使用されない。通常の圧力および温度条件で液体状態から気体状態へ変化する際の水素の容積変化は、約８００程度、容積を増加させる。液体の形での水素の貯蔵のためのタンクは通常、機械的衝撃に対してあまり耐性を備えず、これは深刻な安全上の問題を引き起こす。

水素化物の形での水素の「固体」吸蔵のためのシステムも存在する。この吸蔵は、高い吸蔵能力を可能にして適度な水素圧力を使用する一方で、水素チェーン、つまりその発生から別のエネルギーへの変換までの全体効率に対する吸蔵のエネルギーインパクトを最小にする。

水素化物の形での水素の固体吸蔵の原理は、ある材料、特にある金属は水素を吸収して水素化物を形成する能力を有するということであり、この反応は吸着と呼ばれる。そして形成された水素化物は気体水素と金属に戻る。この反応は脱着と呼ばれる。

吸着および脱着は、水素の部分圧および温度に応じて行われる。

粉末または金属基Ｍに対する水素の吸着および脱着は、以下の反応に従って行われる。

−Ｍは粉末または金属基
−ＭＨ_ｘは金属水素化物

例えば、水素との接触状態に置かれた金属粉末が使用されると、吸着現象が発生して金属水素化物が形成される。水素は、脱着機構で放出される。

水素吸蔵は発熱反応である、つまり熱を放出するのに対して、水素の放出は吸熱反応である、つまり熱を吸収する。

さらに、材料の容積は、水素を吸着する際に増加する。

材料が水素を吸着すると、熱の放出と平衡圧力が生じる、言い換えると、それ以上であると材料が水素を吸着する圧力が上昇して、急速に水素供給圧力に達し、こうして水素化物化反応を効果的に防止する。タンクの高速補給を妨げるこの現象を抑制するため、材料は冷却されなければならない。逆に、水素を放出する時には、平衡圧力を上昇させて、タンクの出口で必要とされる圧力よりも高い圧力源を設けるため、熱が加えられなければならない。そして、補給と排出の両段階について、タンクの内側の材料とヒートシンクまたは熱源との間の熱交換を可能にする手段が設けられなければならない。

特許文献１は、水素化物を収容しているボックスが重ねられている円筒形タンクを含む金属水素化物吸蔵システムを開示している。各ボックスは、下部の後退部を囲繞する外フランジを備える上部を含み、このフランジはタンクの内面と接触しており、こうして内側と外側との間で熱の交換を行う。

ボックスとタンクとの間に良好な接触を設け、タンクを通して良好な熱伝導を達成することが望ましい。

第一にシェル材料とボックス材料との間の膨張差のため、第二に幾何学的な欠陥のため、シェルとボックスとの間の良好な熱接触が保証されないことがある。

米国特許第４，６６７，８１５号明細書

本発明の目的の一つは、熱交換が改良された水素吸蔵システムを提供することである。

タンクに設置されてタンクの内側との接触状態にある吸蔵材料と熱伝達要素とを保持するように構成されている長手軸線を持つタンクを含む吸蔵システムにより、上述の目的が達成される。吸蔵材料は、熱伝達要素と熱を交換するようにタンクに載置される。

この要素は、膨張差および／または幾何学的欠陥にも関わらず熱伝達要素とタンクとの間の接触が達成されるように、タンクの内面との弾性接触状態にある外周縁部を含み、伝導要素とシェルとの間の熱伝達が維持される。

周縁部の弾性は、タンクと熱伝達要素との間の幾何学的変化を補い、こうして補給および排出サイクルを通して熱伝達を維持する。

好ましくは、熱伝達要素が中央ゾーンを含み、この中央ゾーンに対して折り曲げられた複数のタブを周縁部が含み、タブは、タンクの壁部と接触するとともに、その折り曲げ軸線を中心に変形する。

好ましくは、中央ゾーンとタブとが一体的に設けられる。

より好ましくは、中央ゾーンは、熱伝達要素に高い可撓性を付与して熱伝達要素が高い変形能力を有することを可能にする径方向切抜き部を含む。

そして本発明の主題は、長手軸線を含み二つの長手端部で閉鎖されたシェルと、水素供給源および放出水素用出口と、シェルに横向きに設置されてシェルの内面と接触している少なくとも一つの熱伝達要素とを含む、水素吸蔵材料への吸着による水素貯蔵のためのタンクであり、水素補給および排出段階での温度変化の間に熱伝達要素とシェルとの間の接触が維持されるように、熱伝達要素は、シェルの内面との弾性接触状態にある外周縁部を有し、タンクに収容される吸蔵材料に対する熱伝達を行うように熱伝達要素が設計されている。

好ましい一例では、熱伝達要素はほぼ平坦な中央ゾーンを含み、周縁部は、中央ゾーンを囲繞するタブを含み、タブは中央ゾーンと角度を成す。

好ましくは、タブは中央ゾーンと一体的に製作され、中央ゾーンに対して折り曲げられている。

例えば、シェルは略円形の断面を有し、熱伝達要素は略円形の形状を有し、中央ゾーンに接続されたタブの基部とタブの自由端部との間の寸法は、シェルの内径の０．５％と７５％との間に等しい。

熱伝達要素は少なくとも一つの貫通孔を含みうる。

熱伝達要素は、水素を通過させるが粉末状の吸蔵材料の通過は防止する手段を含む複数の貫通孔を含みうる。

タンクは、シェル内で長手軸線に沿って延在して、貫通孔で熱伝達要素を貫通する少なくとも一つの導管を含みうる。熱伝達要素の貫通孔は、好ましくは、導管との弾性接触状態にあるタブにより囲繞されうる。貫通孔から始まる径方向切抜き部を熱伝達要素が含む中央ゾーンの中央に貫通孔が配置されると、好ましい。

タンクは好ましくは、水素を通過させるとともに、少なくとも周縁部のタブおよび／または貫通孔のタブの間に配置される粉末状の吸蔵材料の通過防止可能な手段を含む。

一実施形態において、熱伝達要素は、周縁部から延出して中央孔で開口していない径方向切抜き部を含みうる。

有利な一例で、タンクは、熱伝達要素に配置された少なくとも一つの容器を含み、この容器は、水素吸蔵材料を収容するように設計されている。容器とシェルの内面との間には間隙が設けられている。

一つの実施形態において、容器の底部は熱伝達要素により形成される。

タンクは、有利な形では、容器に追加される熱伝導構造を含む。

タンクは幾つかの熱伝達要素を含み、熱伝達要素ペアは、蓄熱材料を収容する区画を画定する。

好ましくは、二つの熱伝達要素の間に接触状態で容器が載置される。

熱管理システムは、有利な形では、シェルの外側との接触状態で設けられる。

タンクは、粉末状の吸蔵材料を含み、少なくとも一つの容器に収容されている粉末や粉末状の吸蔵材料、または二つの熱伝達要素の間に接触状態で配設されているペレット状の吸蔵材料に熱伝達要素が埋設され、水素拡散要素が可能であればペレットとの接触状態で設けられる。

本発明は、以下の説明および添付の図を読んだ後に、より理解されるだろう。
本発明による熱伝達要素の上面図である。 本発明による熱伝達要素の側面図である。 本発明による熱伝達要素の斜視図である。 図１Ａの要素の一部の長手断面図である。 図１Ａ〜１Ｃの熱伝達要素を使用するアセンブリ装置の例の線図である。 図１Ａ〜１Ｃの熱伝達要素を使用するアセンブリ装置の例の線図である。 図１Ａ〜１Ｃの熱伝達要素を使用するアセンブリ装置の例の線図である。 図１Ａ〜１Ｃの熱伝達要素を使用するアセンブリ装置の例の線図である。 図１Ａ〜１Ｃの熱伝達要素を使用するアセンブリ装置の例の線図である。 本発明による熱伝達要素の別の実施形態の斜視図である。 本発明による熱伝達要素の別の実施形態の上面図である。 第１変形状態および第２変形状態における図３Ａおよび３Ｂの要素のＡＡ平面での断面図である。 本発明による熱伝達要素を使用する吸蔵システムの別の実施形態を示す異なる図である。 本発明による熱伝達要素を使用する吸蔵システムの別の実施形態を示す異なる図である。 本発明による熱伝達要素を使用する吸蔵システムの別の実施形態を示す異なる図である。

金属水素化物は、以降の説明では「吸蔵材料」と称される。

＜＜水素化物化サイクル＞＞は、水素脱着段階の後に続く吸着段階である。

以下の説明では、開示のタンクは円筒形の回転形状を有し、これは好適な実施形態である。なお、横寸法より大きな長手寸法を持ち、任意の断面、例えば多角形や楕円形を持つ中空要素から形成されるいかなるタンクも、本発明の範囲に含まれる。

本発明による水素吸蔵システムは、吸蔵材料を収容する一つまたは幾つかのタンクと、吸蔵材料での水素の放出および吸蔵のためそれぞれ熱を追加および除去するように設計されている熱管理システムとを含む。

図２Ａから２Ｃは、吸蔵材料タンクの線図を示している。

タンク２は、長手軸Ｘを含み下端部で底部６により閉鎖されるシェル４を含む。タンクは、シェル４の上端部を閉鎖する上部（不図示）も含む。図の例で、シェル４は断面が円形である。

タンクは通常、長手軸線Ｘが重力ベクトルの方向とほぼ一致するように配向されている。しかし、搭載使用の場合には特に、この配向が使用中に変化しうる。

タンクは、水素を供給するとともに水素を収集する手段（不図示）を含む。

タンクはまた、シェル４の内側に設置される熱伝達要素８を含む。これらの熱伝達要素の一つの実施形態が図１Ａから１Ｃに示されている。これらの手段は、吸蔵材料Ｍとシェルとの間での横向きの熱伝導を保証する。

熱伝達要素８は、中央ゾーン１０を含んで、中央ゾーン１０の平面に対して傾斜しているタブ１２を径方向外周部に備える平坦底部の略円形カップ状である。タブ１２は、好ましくは、切断と折り曲げにより中央ゾーン１０と一体的に設けられる。

タブはほぼ平面であるか湾曲しており、湾曲している場合には、タブとシェルとの間の接触は接線方向に行われ、シェルとの接触が直線状である平面タブの場合よりも広い。

図１Ｄに示されている例では、タブと中央ゾーン１０との間の角度αは９０°以上である。

シェルへの熱伝達要素の組立中に、タブ１２は径方向内向きに弾性変形される。わずかな塑性ひずみが生じるが、タブの弾性戻り部により常に接触が行われる。

熱伝達要素８は、銅やアルミニウムなど、吸蔵材料に対する良好な熱伝導性、好ましくは非常に良好な熱伝導性を有する材料から製作される。好ましくは、熱伝達要素に使用される材料の熱伝導性は、吸蔵材料の熱伝導性の少なくとも１０倍高い。

例えば、中央ゾーン１０に固定されているタブ１２の端部とその自由端部との間の距離は、シェルの内径の数パーセントと数十パーセントの間、例えばシェルの内径の０．５％と７５％との間、例えば１０％である。ゆえに、熱を伝導するのに充分な、シェル４の内面との接触エリアを有している。

熱伝導要素８の寸法は、シェルに設置されるように、またタブが弾性変形されるように選択される。好ましくは、要素８とシェルとの間に良好な熱的接触を達成するように、タブの周囲の径(peripheral diameter)はシェルの内径よりも若干大きい。

タブの周囲での熱伝達要素の直径は、シェルの内径よりも１〜２ｍｍ大きい。この値は、シェルで測定される幾何学的欠陥に左右される。

好ましくは、タブの周囲の直径φ_１の値は、設置後のシェルの平均直径と等しい時に熱伝達要素８の材料の降伏応力で決定される。この直径の値φ_１は、シェルが完全には円形でないので、すべてのタブと接触するようにこの直径とシェルの最大直径との差φ_１−φ_{ｍａｘ ｓｈｅｌｌ}だけ増加する。さらに大きい直径φ_１を選択することが可能であり、この場合にタブは塑性領域ではより変形される。

シェル４への熱伝達要素８の組立中に、タブ１２は主として弾性により変形するが、いくらかの塑性ひずみも発生する。残存弾性は、各タブとシェルの内壁との間での永久接触を保証する。

水素の補給と排出の速度が異なるので、熱伝達要素の厚さは、対象となる用途に応じて選択される。熱伝達要素の厚さは、伝導により除去される熱流束に応じて選択される。例えば、熱伝達要素は厚さ１ｍｍ程度のものである。

図２Ａは、シェル４に設置された熱伝達要素８を図示している。熱伝達要素８は、タブ１２の径方向弾性変形によりシェル４に保持されている。

熱伝達要素は、吸蔵材料のための区画を画定している。

熱伝達要素とシェルとの間の接触応力は、熱伝達要素が貯蔵材料を支持するのに充分であるとよい。代替的に、以下でより詳しく開示されるように、重ねられたバケット２０により材料が支持され、バケットの間に要素８が挿入される（図２Ａおよび４Ｂ）。変形として、各段は、その下の段の粉末に支持されている（図２Ｃ）。

この材料は異なる形であってもよい。他の材料とともに圧縮された水素化物から形成されるペレットの形でよく、例えば水素化物が炭素と混合されてペレットの結合を達成するとともに熱伝導を向上させる。これらのペレットは、水素化物化サイクル中にその一般形状を維持する（図２Ｃ）。

吸蔵材料は遊離粉末の形であり、吸蔵システムには粉末が直接に充填される（図２Ａまたは２Ｂ）。

吸蔵材料は固体ケークまたはインゴットの形であり、より一般的には数ミリメートルまたは数センチメートルの寸法を持つ多面体の形の小片である。これらの様々な形の材料は充填を簡単にする。材料は、水素化物化サイクル中に水素を吸収すると膨潤する傾向がある。材料に固有の不均質な膨潤は粉末への細分化を引き起こし、当業者はデクレピテーション（decrepitation）の語も使用する。この場合は、図２Ａおよび２Ｂの例に対応している。

図１Ａから１Ｃの例で、熱伝達要素は、補給および排出段階で水素が一つの区画から他の区画へ通過するための、中央ゾーン１０に分散された孔１４を含む。これらの孔１４は、同じ断面または異なる断面を有する。吸蔵材料がデクレピテーションを行う粉末またはケークの形である場合には、水素の通過を可能にするが粉末の通過は防止する手段により孔１４が閉鎖される。これらの手段は例えば、微小格子、メタルファブリック、多孔焼結材料、または有機材料やポリマー製のフィルタで構成され、水素化物材料が使用される温度および圧力条件では、水素吸蔵材料も水素自体も汚染されるべきではないという唯一の制約が含まれる。図の例では、孔は異なる断面を有し、径方向に最も外側の孔は大きな断面を有している。孔は一定の断面を有してもよい。孔の総断面は、これを通過しなければならない水素流に応じて決定される。

例えば、孔を粉末が通過するのを防止する手段は、水素化物粒子の通過を防止するように選択され、例えばＬａＮｉ５タイプの水素化物の場合には１μｍと５μｍの間である。

図２Ａと２Ｃの図の実施形態では特に、水素は、熱伝達要素８の周囲でもタブの間を通過しうる。

図の例では、熱伝達要素の中央ゾーンは、熱伝達要素の軸線に向かう配向を持つタブ１８が周囲に設けられた中央通路１６を含む。

例えば、この中央通路１６は、水素化物化サイクルのステップに応じて熱を取り込むか熱を取り出す熱輸送流体の流れのための導管（不図示）の貫通に使用されうる。タブ１８は管により弾性変形され、こうして良好な接触が達成されて、導管と熱伝達要素との間で良好な熱伝達を行う。導管との弾性接触状態にあるタブ１８は、導管と貫通孔の縁部との間の間隙を少なくとも部分的に閉鎖し、こうして下方区画への粉末の落下を少なくとも部分的に防止する。

好ましくは、上記のようなフィルタ要素は、粉末状の水素化物材料がタブ１２と１８の間の隙間を通過するのを防止して水素の通過は防止しないように具現されうる。例えば、水素化物材料を支持しているタブの上方に細かいフィルタリング格子を載置することが可能であろう。

代替的に、この貫通孔１６は、水素供給および収集導管の貫通に使用されてもよい。導管は例えば多孔材料で製作され、例えばＰｏｒａｌ（登録商標）から製作されるか、貫通孔が穿設されて水素供給収集回路に接続されてもよい。管の孔のサイズは、粉末の通過を防止するのに充分なほど小さい。例えば、１μｍのサイズに調整された多孔材料で製作された導管が使用されて、水素化物粉末に対して非透過性であって水素は通過させてもよい。

この場合、熱伝達要素と水素供給収集導管との間の熱交換の必要がないため、タブ１８は必要ない。それにもかかわらず、上述のように、導管との弾性接触状態にあるタブ１８は導管と貫通孔の縁部との間の間隙を部分的に閉鎖することで下方区画への粉末の落下を少なくとも部分的に防止する。

幾つかの導管の貫通のために幾つかの貫通孔が設けられてもよく、一つまたは幾つかの熱輸送流体循環導管、および／または一つまたは幾つかの水素供給収集導管を設けることが可能である。

本発明による熱伝達要素を含むタンクの様々な例を、これから説明する。

図２Ａでは、各区画にある粉末状の吸蔵材料Ｍが、熱伝導要素に支持されている容器に受容されている。容器は、その側壁がシェルと接触状態になく、シェルと容器との間に側方間隙が残ることで、吸蔵材料が膨潤した時にシェルに力が印加されるのを防止する。この側方間隙はまた、水素を通過させる。

この容器２０は粉末を保持し、シェルの壁とこれが接触するのを防止するとともに、熱伝達要素との接触により熱伝導を行う。容器は積み重ねられ、下方の容器が上方の容器を支持している。

容器は例えば、ステンレス鋼、銅、アルミニウムで製作されうる。あるいは、容器の側壁はプラスチック材料で製作されてもよく、容器の底部が要素８により直接形成されてもよい。この時に粉末吸蔵材料Ｍは、粉末を部分的に保持するプラスチック材料を使用しながら、材料と要素との間で良好な熱伝達を行う要素８と直接接触状態にある。

好ましくは、区画の容器２０は、その上端部を通して上方区画２０の熱伝達要素８と接触状態にあるとよい。上方区画の熱伝達要素８は、容器の上部からの粉末の漏出を制限する蓋部を形成し、この接触も熱交換を可能にする。こうして、この好ましい実施形態では、容器の下部と容器の上部とで熱交換が行われる。

図２Ｂでは、粉末状の吸蔵材料がシェルと直接接触状態にある。この実施形態では、粉末床の高さは粉末床の直径より小さくなるように選択されるため、シェル上の粉末により印加される機械的圧力は、水素により印加される圧力と比較すると無視できるものである。

この実施形態で、横板２２を設置することによりタンク内に段が設けられ、本発明による熱伝達要素８は粉末の厚みの中に載置される。図の例では、熱伝達要素８は粉末に埋め込まれ、各熱伝達要素はその下面およびその上面を通して粉末と熱交換を行う。この例で、各熱伝達要素は、その二つの面で粉末から機械的圧力を受ける。材料が補給される際に膨張すると、シェルの軸線に沿って要素８が摺動する。要素とシェルとの間の応力に応じて、要素８は各補給／排出段階にシェル内で摺動するか、ほぼ固定位置に達する。有利な形では、粉末を保持して水素を通過させる手段は、孔１４と、タブ１２とシェルとの間およびタブ１８と導管との間の隙間で、粉末が要素８を通過するのを防止するように設計されている。

図２Ｃでは、貯蔵材料Ｍはペレットの形である。各ペレットは、熱伝達要素に載置されている。図の例において有利な形では、各ペレットは、その下面および上面を通して熱伝達要素との接触状態にあり、熱交換を増加させるとともに各ペレットでの均質な熱交換を保証する。

この例で、多孔材料製の板は、長手軸線と垂直に多孔材料に配置されて、水素拡散を向上させる。ペレットは高密度であり、その多孔率は低い。多孔板はペレット上方のあらゆるところに水素を分散して、ペレットでの水素の拡散距離を最小にする。

図２Ｄは、熱伝達要素８が粉末吸蔵材料Ｍのための支持要素も形成する、本発明の好適な実施形態を示している。要素は、水素を通過させるとともに粉末吸蔵材料を保持して、タンクの底部に材料が蓄積するのを防止するように、タブの間のゾーンと、可能であれば孔１４と、設けられている場合に通路１６とに設置される。補給段階での吸蔵材料の膨潤を可能にするとともに、粉末と上方熱交換要素との間の相互作用を防止するため、粉末の上部と上方熱伝達要素の底部との間に自由容積Ｖが設けられている。この例で、要素８は摩擦によりシェル内の定位置に保たれている。

図２Ｅは、熱伝達要素８が長期間にわたって互いに正しい位置であるように、熱伝達要素８の間にスペーサ１７が設けられている、図２Ｄのタンクの変形を示す。例えば、衝撃の後、またはタンクが落下した場合に、一つまたは幾つかの要素８がシェルに沿って上向きに摺動することがありうる。スペーサは例えば、要素８の底部に固定された細い柱体から形成される。あるいは、図２Ｅに図示されているように、細い柱体が単一のリングにより支持されてもよい。

要素の間の空間は、これらのスペーサにより維持されている。

多数の段を持つタンクの場合には、これらのスペーサを使用することが特に有益である。

図４Ａから４Ｃは、各々が段を画定する複数の熱伝達要素８を含む、本発明による吸蔵タンクの実用的な実施形態を示す。各段は、熱伝達要素８に支持されている容器２０を含む。容器は、水素化物が薄い床を形成する、つまり低い直径高さ比を持つようなものである。さらに、容器は、シェルと機械的に接触しないように設計されている。

図の例において有利な形では、各容器２０は、容器に小区画を画定するボックス構造２８を含み、水素化物床の厚みでの熱伝達を向上させるとともに、操作中にタンクが傾斜した場合に水素化物床が側方に流れるのを防止する。小区画は図の例では方形または矩形であるが、例えばハニカムとして配置されることも可能である。

好ましくは、図４Ｂおよび４Ｃに示されているように、水素の通過を促進するためボックスの自由縁部に切欠き２９が設けられる。これらの切欠きは、明瞭化のため図４Ａには示されていない。

タンクはまた、熱輸送流体が循環してサイクルの段階に応じて熱を取り入れるか取り出すシェル４の外側表面に巻きつけられた管体３０を含む熱管理システムを含む。好ましい実施形態によれば、液状の熱輸送流体の槽にシェル４を浸すことが可能である。

非常に有利な形では、容器の底部は熱伝達要素により直接形成されて、粉末と熱伝達要素との間の伝達をさらに向上させる。

例えば、タンクは以下の特徴を有しうる。
・熱伝達要素は銅製で、２ｍｍの厚さである。
・熱伝達要素は１０ｍｍの高さである。
・シェルの直径は３００ｍｍである。
・水素化物床は２０ｍｍの厚さである。
・挿入構造のピッチは２０ｍｍを上回る。

熱伝達要素の実施形態をこれから開示する。

第１ステップでは、例えば銅またはアルミニウム製の板から切り抜くことにより、熱伝達要素が製作される。

次のステップではタブが切り抜かれる。あるいは、このステップが第１ステップと同時に行われてもよい。折り曲げられた時にタブが重複するのを防止するように、材料が切除される。

タブ１２は、若干外向きに傾斜して、中央部分１０の外径より大きな外径を画定するように、次のステップで折り曲げられる。

熱伝達要素が孔を含む場合、これらの孔は例えばポンチを使用して、また孔が異なる断面寸法を有する場合には幾つかのポンチを使用して製作される。孔は好ましくは、タブが折り曲げられる前に製作される。

貫通孔１６がタブ１８により囲繞されている場合、タブ１２について説明したようにタブが製作される。タブ１８のために材料が切除されることはない。

そのため、原価の低い熱伝達要素を製作することが非常に容易である。

タンクは以下のように製作される。

第１熱伝達要素８がシェル４へ圧入され、タブ１２は上向きである。主として弾性により、タブ１２が径方向内向きに折り曲げられる。熱伝達要素８は、必要な位置に達するまでシェルの内側で長手方向に動かされる。

残存弾性のため、熱伝達要素８はシェル４内の位置に保持され、タブ１２はシェル４の内面との接触状態にある。

それから吸蔵材料Ｍが、粉末、ケーク、またはペレットの形で載置される。容器２０は、材料の形に応じて粉末を収容するように設けられている。あるいは、材料Ｍを収容するタンクの内部構造が用意され、そしてアセンブリがシェルへ挿入されてもよい。

第２熱伝達要素８がシェル４へ圧入され、必要な位置、例えば前に設置されたペレットとの接触状態に達するまで動かされる。

上述したステップが、必要な回数だけ反復される。それからタンクが閉鎖され、水素供給収集回路および熱管理システムへの接続が設けられる。

一つまたは幾つかの導管がシェル内で長手方向に延在し、これらは熱伝達要素が設置される前に設置される。熱伝達要素は貫通孔を備えている。熱伝達要素がシェルに設置されると、導管は熱伝達要素を貫通する。

これから熱伝達要素の動作について説明する。

図４Ａおよび４Ｃに示されているように、熱管理システムは、例えば、熱輸送流体が循環するタンクに巻かれている管体３０により形成され、この熱輸送流体は、シェルとの熱交換により熱を抽出するか熱を取り込む。

あるいは、内側にタンクが載置された熱輸送流体槽により、またはタンクを囲繞するライナにより、熱管理システムが形成されていてもよい。

水素化段階、つまり水素の補給時に、水素がタンクに供給される。異なる区画を通過するか、シェル４と熱伝達要素８との間、タブ１２の間、および／または熱伝達要素８に形成されている孔１４を循環する多孔導管に、水素が導入される。

吸蔵材料による水素の吸着は、熱の発生を引き起こす。この熱は、水素化物化を遅くせず停止もさせないように除去されなければならない。タブ１２を通る熱伝達要素８の存在とシェル４との永久接触のため、熱伝達要素８を通って熱が外向きに抽出される。例えば、材料Ｍの高さが材料Ｍの直径と比較して大きい場合に、熱は、熱伝達要素を通過することなく径方向にも通過できる。

熱伝達要素８の膨張係数がシェル４のものより高い場合でも、この差は、周縁タブ１２の弾性変形により吸収される。ひずみは弾性成分を含むので、吸着／脱着サイクルでの水素タンクの動作中に、長期間の接触が維持されうる。

水素化物化または排出の段階で、水素反応は入熱を必要とする。それから、熱輸送流体によりそれ自体が加熱されているシェル４との接触状態にある熱伝達要素８によって、熱が取り込まれる。

本発明は、シェルの真円度および直径欠陥を克服できるという利点も有している。板金加工で製作される管体の原価はそれでも魅力的であるが、これらの管体は通常、良好な幾何学的精度は有していない。タブにより行われる弾性変形は、所与のシェル真円度および直径欠陥のために熱接触を維持する。

特にタンク補給および排出速度に関する用途仕様に従って、タンクの特徴は用途に応じて変化することが理解されるだろう。

図３Ａから３Ｃは、中央オリフィス２３と、中央オリフィスから中央ゾーン１１０の半径の一部に延在する第１径方向切抜き部２４と、中央オリフィスに向かって径方向外縁部から延在して半径の一部に延在する第２径方向切抜き部２６とを含む熱伝達要素１０８の別の実施形態を示す。

好ましくは、切抜き部はほぼ径方向に延在する。

好ましくは、第１および第２切抜き部２４，２６は、中央オリフィスを中心として均一な角度で分散されている。

タブの間には第２径方向切抜き部が設けられている。第２径方向切抜き部が二つの第１径方向切抜き部の間に設けられることも考えられる。

切抜き部２４か切抜き部２６のみを含む要素は、本発明の範囲に含まれる。

例えば、二つの切り抜き部２４または二つの切り抜き部２６の間の角度は５°〜７０°の間である。

切抜き部は図の例では直線状である。他のいかなる形状であってもよい。

図の例では、中央孔は多角形の形状である。変形として、孔は丸くてもよい。

変形として、中央孔の周囲にタブが設けられてもよい。これらは、外側フィンと反対の方向、図の例では下向きに配向されているため、内外のタブが同時に離間する。

こうして製造された熱伝達要素は、より可撓性を持つ。熱伝達要素の外径は、広い弾性変形範囲を使用して変化しうる。この変化の幅は、図１Ａから１Ｃに示された熱伝達要素で得られるものよりはるかに大きい。

このタイプの熱伝達要素のための一つの好ましい組立方法は、フィンとシェルとの間の組立間隙を補うため弾性の向上を利用してこれらを設置することである。ゆえに標準的な組立は、図３Ｃの上部に示されているように要素タイプ１０８が円錐状の形態を有しなければならないことを意味する。この時、弾性ひずみの幅はタイプ８要素のものより高い。この幅は、要素１０８の形態（図３Ｃの上部）と平坦な休止形態（図３Ｃの下部）との間の大きな直径差により実現される。積重ね体を組み立てる時に、要素１０８は二つのペレットの間で平坦にされ、こうして、要素１０８の外径の増加を引き起こして、結果的にタブとシェルの壁との接触が得られる。こうして、接触により、要素８の場合よりも弾性変形を多く蓄積する。このタイプの設置は、組立中（シェルへの挿入中）にわずかの接触のみを設けることを可能にし、こうして、タブと壁の間の摩擦が少ないため組立を促進する。

そのため、この熱伝達要素はシェル直径の変化に適応している。シェルの図が線図であって例示目的のみで挙げられていることが理解されるだろう。

例えば、３００ｍｍの外径を持つ厚さ２ｍｍのアルミニウムで製作された図３Ａから３Ｃの熱伝達要素は、２９９ｍｍと３０１ｍｍとの間の内径を持つシェルに適応している。

この実施形態は、弾性変形の大きな蓄積による幾何学的欠陥を克服できるという利点を有している。切抜き部は、大きな周方向弾性変形性を実際に生じる。

孔については、粉末が下方区画へ落下するのを防止する手段が、切抜き部に、好ましくは孔の上方に設置され、例えばこの手段は、格子、ファブリック、またはＰｏｒａｌでよい。

これらの切抜き部は、水素の通過を可能にするのにも使用され、切抜き部の分布は、好ましくは水素を均一に供給および収集する。

中央孔は、熱輸送流体導管または水素供給／収集導管の貫通のために使用されうる。

本発明によるシステムは、燃料電池や熱的燃焼エンジンのための搭載型水素吸蔵のため、水素の固定吸蔵のために水素を輸送するのに使用されうる。

そのため、例えば燃料電池や熱的燃焼エンジンを設けるため、船舶、潜水艦、自動車、バス、トラック、現場機械類、オートバイなどの輸送手段のための搭載タンクとしてシステムが使用されうる。携帯電話やコンピュータ等のような可搬電子機器用のバッテリなど、輸送可能エネルギーの動力源としても使用されうる。

本発明によるシステムは、風力タービン、光電池、地熱等から生じる電気による電気分解によって大量に発生される水素の吸蔵のための、発電装置など大量エネルギー用の固定吸蔵システムとしても使用されうる。

例えば、炭化水素の改質、または他の水素捕捉方法（光触媒、生物学的、または地質学的反応等）から生じる他の水素供給源も、保管されうる。

２ タンク
４ シェル
６ 底部
８ 熱伝達要素
１０ 中央ゾーン
１２ タブ
１４ 貫通孔
１６ 中央通路
１７ スペーサ
１８ タブ
２０ 容器
２２ 横板
２３ 中央オリフィス
２４ 第１径方向切抜き部
２６ 第２径方向切抜き部
２８ ボックス構造
２９ 切欠き
３０ 管体
１０８ 熱伝達要素
１１０ 中央ゾーン
α タブと中央ゾーンとの間の角度
Ｍ 吸蔵材料

Claims (22)

1. 水素吸蔵材料への吸着による水素吸蔵のためのタンクであって、長手軸線（Ｘ）を有して前記長手軸線方向の両端で閉鎖されるシェル（４）と、水素供給源および排出水素用出口と、前記シェル（４）に横向きに設置されて前記シェル（４）の内面と接触している少なくとも一つの熱伝達要素（８）とを有し、
   前記熱伝達要素は、水素充填および排出段階での温度変化の間中前記熱伝達要素（８）と前記シェル（４）との間の接触が維持されるように、前記シェル（４）の前記内面と弾性接触している外周縁部を有し、
   前記熱伝達要素（８）は前記タンクに収容される前記吸蔵材料に熱伝達を行うように設計されている、タンク。
2. 前記熱伝達要素（８）がほぼ平坦な中央ゾーン（１０）を有し、
   前記周縁部が前記中央ゾーン（１０）を囲繞するタブ（１２）を有し、
   前記タブ（１２）が前記中央ゾーン（１０）と角度を成す、請求項１に記載のタンク。
3. 前記タブ（１２）が前記中央ゾーン（１０）と一体的に設けられ、前記中央ゾーン（１０）に対して折り曲げられている、請求項２に記載のタンク。
4. 前記シェル（４）が略円形の断面を有し、
   前記熱伝達要素（８）が略円形の形状を有し、
   前記中央ゾーン（１０）に接続されている前記タブ（１２）の基部と前記タブ（１２）の自由端部との間の寸法が、前記シェル（４）の前記内径の０．５％から７５％である、請求項２または３に記載のタンク。
5. 前記熱伝達要素（８）が少なくとも一つの貫通孔（１４，１６，２３）を含む、請求項１または２に記載のタンク。
6. 前記熱伝達要素（８）が、粉末状の前記吸蔵材料の通過は防止しつつ水素を通過させる手段を含む複数の貫通孔（１４）を含む、請求項５に記載のタンク。
7. 前記シェルの前記長手軸線に沿って延在して、前記貫通孔（１６）により前記熱伝達要素（８）を貫通する少なくとも一つの導管を含む、請求項５または６に記載のタンク。
8. 前記熱伝達要素（８）の前記貫通孔（１６）が、前記導管との弾性接触状態にあるタブ（１８）に囲繞されている、請求項７に記載のタンク。
9. 前記貫通孔（２３）が前記中央ゾーンの中央に配置され、前記熱伝達要素は前記貫通孔（２３）に臨む径方向切抜き部（２４）を有する、請求項５から８のいずれか一項に記載のタンク。
10. 少なくとも前記周縁部の前記タブおよび／または前記貫通孔の前記タブの間に配置されて水素を通過させるとともに粉末状の吸蔵材料の通過を防止可能な手段を有する、請求項２と組み合わされた請求項１から９のいずれか一項に記載のタンク。
11. 前記熱伝達要素が、前記周縁部から延在して前記中央孔（２３）では開口しない径方向切抜き部（２６）を有する、請求項５から１０のいずれか一項に記載のタンク。
12. 前記熱伝達要素が区画を画定し、前記熱伝達要素が前記熱吸蔵材料を支持する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のタンク。
13. 前記熱伝達要素（８）に配置されている少なくとも一つの容器（２０）を有し、前記容器（８）が前記水素吸蔵材料を収容するように設計されている、請求項１２に記載のタンク。
14. 前記容器（２０）と前記シェル（４）の前記内面との間に間隙が設けられている、請求項１３に記載のタンク。
15. 前記容器（２０）の前記底部が前記熱伝達要素（８）により形成されている、請求項１３または１４に記載のタンク。
16. 前記容器（２０）に追加された熱伝導構造（２８）を有する、請求項１３から１５のいずれか一項に記載のタンク。
17. 水素吸蔵材料を収容する一対の区画を画定する複数の熱伝達要素（８）を含む、請求項１２から１６のいずれか一項に記載のタンク。
18. 前記容器（２０）が二つの熱伝達要素（８）の間に接触状態で設けられている、請求項１７に記載のタンク。
19. 前記シェル（４）の外側と接触している熱管理システムを含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載のタンク。
20. 粉末状の吸蔵材料を有し、前記熱伝達要素（８）が前記粉末に埋設されている、請求項１から１９のいずれか一項に記載のタンク。
21. 少なくとも一つの容器（２０）に収容される粉末状の吸蔵材料を有する、請求項１３から１６のいずれか一項に記載のタンク。
22. 二つの熱伝達要素（８）の間に接触状態で設けられたペレット状の吸蔵材料を有し、水素拡散要素が可能であれば前記ペレットとの接触状態で設けられている、請求項１から１９のいずれか一項に記載のタンク。

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