JP3214626U - 金属水素化物反応炉内の水素配分改善システム - Google Patents

Abstract

【課題】金属水素化物反応炉内の水素ガス配分を改善する水素ガス配分システムを提供する。【解決手段】水素ガス配分システム１００を水素配分ダクト１０２と外側金属管１０１間に円環状空間を規定するように金属管１０１内部に設置する水素配分ダクト１０２で構成する。水素配分ダクト１０２は水素ガスフロー通路となる。水素貯蔵金属粉末または水素貯蔵合金粉末を含む金属スポンジ母材を円環状空間に充填する。本システムは水素貯蔵金属／合金粉末の粒子全体に渡ってより均一な水素配分を可能にし、水素配分ダクトの機械的支持となり、粉末式金属／合金床の熱伝導率を改善し、反応炉１０９のサイズと生産費を削減する。【選択図】図１

Description

本考案は金属水素化物反応炉に関する。具体的には、本考案は金属水素化物反応炉内の水素ガス配分を改善するシステムに関する。

金属水素化物反応炉内で金属または合金は水素と発熱反応して金属水素化物を形成し、この金属水素化物は可逆的吸熱反応により水素ガスを放出する。ＬａＮｉ_５Ｈ_ｘ、ＭｍＮｉ_５Ｈ_ｘ、ＭｍＣｏ_５Ｈ_ｘ、ＦｅＴｉＨ_ｘ、ＶＮｂＨ_ｘ、Ｍｇ_２ＣｕＨは大量の水素を閉じ込めて大量の反応熱を放出することが可能なよく見られる金属水素化物の例である。多様な金属水素化物装置が知られる。これらの例としてはヒートポンプやエアコン装置を挙げることができ、以上の金属水素化物の物性を利用して加熱や冷却を可能にしている。こうした金属水素化物装置においては、水素を冷却材として使用して、金属水素化物は吸収材として使用する。

従来の金属水素化物反応炉は金属水素化物粉末を殻側、伝熱液を管側に使用する殻・管方式熱交換器を具備する。従来の金属水素化物反応炉内では、水素ガスは水素貯蔵金属／合金粉末床全体に均等に配分されず、このため金属/合金粉末による水素吸着率が低い。このため反応炉の効率を下げる。

水素ガス配分には従来焼結管を使用してきた。米国特許番号４４５７１３６において示されているものは種類の金属水素化物反応炉であって水素ガス配分用の焼結管を具備している。これらの管はサイズと厚みが原因で反応炉の小型化を制約し、このためシステム全体の性能を制限している。

反応炉管の直径は伝熱性能と質量移動性能に逆比例するので、管の直径が大きいほど反応炉のサイズが増し、性能を下げる。焼結プロセスの限界により、焼結管は典型的に最小直径が４〜６ｍｍである。このため反応炉管径が最小１０〜１６ｍｍにならざるを得なくしている。しかし金属水素化物反応炉の性能を改善するには、直径３〜６ｍｍの金属管と直径１〜３ｍｍの水素配分管が望まれるが、典型的な焼結プロセスでは製造が困難である。

さらに、焼結管は最小の厚みが必要であるため、反応炉の計量化を制約し、それ故、金属水素化物反応炉の性能を下げる。焼結管と焼結プロセスのために必要な原材料は高価であって、金属水素化物反応炉のコスト増につながる。これはシステム容量に応じて多数の反応炉が水素貯蔵やヒートポンプ応用のために必要になるためである。

欧州出願特許ＥＰ００９３８８５は小径の金属ワイヤーメッシュ製水素配分管を使用して従来の焼結管の微々たる改善を提案している。この場合ワイヤーの最大直径が０．０４ｍｍとなっている。しかし、ＥＰ００９３８８５ではこれほど径が小さいワイヤーからなるワイヤーメッシュ製小径管の不安定性への対処が欠如している。ＥＰ００９３８８５に開示された管はメッシュワイヤーの直径が小さく、一端のみクランプし、他端は自由に垂れ下がった状態としており、管の剛性が無い。このため数千回の運用周期を一貫して発生する膨張と収縮に耐えない、垂れ下がった管に帰結する。こうした管は変形や窪み、曲げが発生しやすく、このため金属水素化物粉末がその周囲への均一な分布を妨げ、システム性能を下げる。

さらに、所望の長さでかつそれほど管径と厚みが小さいメッシュワイヤー管は本質的に垂れ下がったり曲がりやすく、こうした管は一端のみを支持する格好では真っ直ぐな状態や適正な芯合わせが維持されない。

さらに、従来の金属水素化物反応炉の場合、金属／合金粉末床の有効熱伝導率は低く、典型的に０．〜０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲である。高性能にするには水素貯蔵用金属／合金の床有効熱伝導率値が高いことが望ましい。金属／合金粉末床の熱伝導率が低いと熱伝統と質量移動性能に劣り、これが金属／合金粉末材料の必要量、反応炉のサイズ、反応炉のコストを高め、逆にシステム性能を劣化する。
こうした背景から、従来の金属水素化物反応炉の上記欠点を克服した金属水素化物反応炉内の水素ガス配分の改善システムが必要である。これをもって性能や力学的安定性の改善および上記問題に付随したコスト削減を実現することを目指すことが可能となる。

本考案によるシステムの目的の一部は本明細書において少なくとも１つの実施例で十分であり、以下のものである。

本考案の一つの目的は金属水素化物反応炉内の水素ガス配分改善型システムを提供することである。本考案のもう一つの目的は運用周期を一貫して発生する収縮、膨張に対して位置と形状を維持する水素配分ダクトから成る金属水素化物反応炉内の水素ガス配分改善型システムを提供することである。

本考案のさらに別の目的は反応炉全体のサイズを小型化する金属水素化物反応炉内の水素ガス配分改善型システムを提供することである。本考案のさらにもう一つの目的は粉末式金属／合金床の熱伝導率を改善し、反応炉の生産費を削減する金属水素化物反応炉内の水素ガス配分改善型システムを提供することである。本考案のその他の目的と優位性は本考案の範囲をこれに限定することは意図されていない付随する図面を参照しつつ読むと以下の説明からさらに明らかとなる。

本考案に従い、金属水素化物反応炉内の水素ガス配分改善型システムを提供する。前記システムは、（１）金属管と、（２）前記金属管内部に設置され、前記金属管との間に円環状空間を規定する水素配分ダクトであって、その中を通る水素ガス流量の経路となるように適合される水素配分ダクトと、（３）前記円環状空間を占有する金属スポンジ母材であって、水素貯蔵金属粉末または水素貯蔵合金粉末を格納するように適合する金属スポンジ母材と、を具備する。

典型的に、水素配分ダクトは金属メッシュワイヤー導管である。金属メッシュワイヤー導管用の金属はステンレススチール、銅、銅合金の中から選択することができる。さらに、金属スポンジ母材は銅、銅合金、アルミニウムから選択する伝熱性金属とするか、炭素製のものであってもよい。

水素配分ダクトは金属管内部の芯に位置し、金属管の使用長全体に渡っていてよい。水素配分ダクトは金属スポンジからの離脱周期において水素ガスの流入を、金属スポンジへの吸収周期においてその流出を、ダクト外圧との対比におけるダクト内圧調節により可能にするように構成される。さらに、水素配分ダクトのメッシュ孔径は、水素貯蔵金属粉末または水素貯蔵合金粉末の水素配分ダクトへの流入を阻止するに十分小さいものとする。典型的にメッシュ孔径の範囲は２〜５μｍとする。水素配分ダクトの使用両端部にコネクターを具備することは可能である。

本考案の金属水素化物反応炉内の水素ガス配分システムについて付帯図面を用いて説明する。図面は以下の通りである。
金属水素化物反応炉内水素ガス配分システムのアセンブリを図解したものである。 水素フロー通路、ヘッダー側コネクター、水素配分ダクトの接続を図解したものである。 水素配分ダクトへの水素通路を図解したものである。 水素ガス配分システムの軸断面を図解したものである。 水素ガス配分システムの横断面を図解したものである。 水素ガス配分システムの端点間接続の断面図を図解したものである。 本考案の水素ガス配分システム性能を従来の水素配分システムと対比して図解したものである。

本考案のシステムと方法について考案の範囲と目的を制限しない実施形態を参照しつつ説明する。

本考案の実施例ならびに様々な特長および優位性の詳細を限定することのない実施例を参照することによって以下に説明する。確立している既存のコンポーネントならびに処理技術についての説明は省略し、本考案の実施例についての理解を不要に困難にしないようにした。本考案に使用されている例は単に本考案の実施例を実用化可能にする方法の理解を容易にし、この分野の技能を持つ者が本考案の実施例を実施することを可能にすることのみを目的としている。従って、例によって本考案の実施例の範囲を限定するものと解釈されてはならない。

本考案のシステムは金属水素化物反応炉内の水素ガス配分を改善して水素貯蔵システムの全体的性能を強化することを目指している。金属水素化物反応炉１０９内の本考案による水素配分システム１００のアセンブリを図１に図解してある。システム１００は外側金属管１０１内部に格納された水素配分ダクト１０２で構成しており、この構成で円環状空間をこれらの間に形成している。図４（ａ）、４（ｂ）に示す金属スポンジ母材１０３は外側金属缶１０１と水素配分ダクト１０２間の円環状空間を占有する。スポンジ母材１０３は一定サイズの水素貯蔵金属または合金の粉末を保持し、水素配分ダクト１０２は水素ガスの流れる通路を成す。水素貯蔵金属／合金粉末は叩いて振動することにより金属スポンジ母材１０３内で均一に配分される。金属スポンジ母材１０３は金属／合金粉末床の熱伝導率を改善する。

水素配分ダクト１０２の厚みと直径は削減され、反応炉全体のサイズが小さくなる。このサイズ削減は水素配分ダクト１０２に焼結管ではなく、金属メッシュワイヤーを使用することによって実現する。水素配分ダクト１０２の撓みの問題を克服するため、運用周期を一貫して発生する収縮や膨張に対するダクト１０２の位置と形状の維持を補助するための機械的支持をダクト１０２に具備する。

水素配分ダクト１０２は外側金属管１０１内部の芯に合わせて配置することができ、金属管１０１と金属スポンジ母材１０３の使用全長に渡るように配置する。水素配分ダクト１０２は金属スポンジからの離脱周期において水素ガスの流入を、金属スポンジへの吸収周期においてその流出を可能にするが、水素貯蔵金属や合金粉末はこのダクトを通過できないかたちで構成する。

水素配分ダクト１０２は金属ワイヤーメッシュ、優先的にステンレススチールワイヤーメッシュ製である。この代わりに、銅または銅合金メッシュワイヤーを使用してもよい。水素配分ダクト１０２のメッシュ孔径を水素ガスは通過できるが、金属／合金粉末は通過できない。金属スポンジ母材１０３は優先的に銅または銅合金製である。アルミニウム、炭素その他任意の導体製とすることができる。システム１００の水素配分ダクト１０２と金属スポンジ母材１０３はこれらの間を最適な水素フローが可能になるように触れ合す。水素配分ダクト１０２は外側管１０１とスポンジ母材１０３の全長に渡って配置することができ、金属スポンジ母材１０３に貯蔵された金属／合金粉末粒子への水素ガス均一な配分を確実にする。図４（ａ）は水素ガス配分システム１００の軸断面、図４（ｂ）はその横断面を表す。

本考案で金属メッシュワイヤー水素配分ダクト１０２を利用する水素配分管のサイズと厚みの極小化に対する制約を克服できる。直径約(限定せずに)１〜３ｍｍの水素配分ダクトはメッシュ孔径が約(限定せずに)２〜５μｍの金属ワイヤーメッシュを使用して製造することができる。メッシュは最大直径０．０１５ｍｍ、厚み０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの極細ワイヤーで製造することができる。これでダクト厚みと反応炉全体重量の削減上の制約に関する問題を克服できる。

メッシュワイヤーを使用する水素配分ダクト１０２の製造は次の段階から成るメッシュを必要サイズと必要長さの円周より５％大きいサイズに切断し、メッシュを必要な直径まで圧延し、若干の重複部（０．１ｍｍ以上）を付け、ダクト外側端部をレーザー溶接で長さ方向に密封する。

金属スポンジ母材１０３を水素配分ダクト１０２の周りに緊密に巻き付けることにより金属管１０１に水素配分ダクト１０２を適正に芯合わせすることができる。水素配分ダクト１０２と金属スポンジ母材１０３で作ったこのアセンブリを外側金属管１０１に挿入する。スポンジと水素配分ダクトアセンブリの外側直径は金属管内径に近似する。こうすることで水素配分ダクトを金属管内で芯合わせすることができるばかりではなく、水素配分ダクトの水素配分ダクトと金属スポンジ間の接触点への確実な固定を維持するための機械的支持も確実にすることができる。

水素配分ダクトの使用両端部にコネクターを取付ける。図１、２、３、５は水素配分ダクト１０２の使用量端部に取り付けたコネクター（１０４、１０５）を図解したものである。水素配分ダクト１０２は一端ではヘッダー側コネクター１０４と、反対側ではブランクコネクター１０５と溶接１０６して接続する。ヘッダー１０７（図１）をヘッダー側コネクター１０４と金属管１０８を使用して接続する。金属水素化物反応炉１０９内の水素配分システム１００アセンブリを図１に示す。ヘッダー側コネクター１０４は水素ガス用の水素フロー通路１１０を提供する。図２は水素フロー通路１１０、ヘッダー側コネクター１０４、水素配分ダクト１０２間の接続を図解したものである。図３は水素配分ダクト１０２内への水素フロー通路１１０を図解したものである。図５は水素ガス配分システム１００の端点間接続の断面を図解したものである。ヘッダー側コネクター１０４、ブランクコネクター１０５、金属スポンジ母材１０３が一体となって、薄型メッシュワイヤー水素配分ダクト１０２を芯位置に確実に固定し、運用周期を一貫して発生する収縮や膨張に対して大幅な変形がない元の形状を維持する補助となる。

システム１００はヘッダー側コネクター１０４とブランクコネクター１０５の水素配分ダクト１０２へのレーザー溶接による固定と、ダクト１０２周囲への金属スポンジ母材１０３の緊密な巻き付けによって組み立てる。ダクト１０２と金属スポンジ母材１０３のアセンブリを金属管１０１内部に設置する。

本考案のシステム１００は従来のシステムと対比して金属スポンジ母材１０３に充填した金属／合金粉末全体への水素ガス配分を改善する。図６は本考案によるシステム１００の性能改善の様子を定温状態に置いて従来の水素配分システムと対比して図解したものである。ここで、ｘ軸は秒単位の時間、ｙ軸に重量％単位の吸収水素量を測っており、Ａ線は本考案による水素配分システムの性能を、Ｂ線は従来の水素配分システムの性能を表す。スポンジ母材１０３への粉末床充填密度は、母材に封じ込められていない自由分散型金属／合金粉末を使用した従来の床の充填密度より少ないので、本考案システムの性能は改善を表している。スポンジ母材１０３は配分充填空隙率のより均一な分布を可能にする。充填空隙率の均一性改善によって水素ガスの追加的フロー通路／空間が提供されスポンジ全体での粉末式金属／合金粒子への均一な流れが可能になった。従って、水素ガスと水素貯蔵金属／合金粒子のより均質的混合物が金属水素化物反応炉の反応領域全体に行き渡り、水素ガスの金属／合金粒子による吸着率が改善した。本考案のシステムは水素貯蔵金属/合金粉末をより少なく使用するので、反応炉１０９の生産費も下がる。

スポンジ母材中で金属/合金床の充填空隙率増加により水素のフロー通路が増大するのに伴い、水素配分ダクトから金属水素化物床への水素フロー圧降下が軽減され、この逆の場合は逆の効果を生む。水素フロー圧降下が軽微であることはシステム運用のために極めて望ましい条件であり、結果として、一般的には水素貯蔵システム内の金属水素化物反応炉の性能、具体的にはヒートポンプシステムの性能が改善する。

床熱伝導率が乏しいことによる制約も本考案の水素配分システムによって解決される。金属スポンジ母材は優先的に銅または銅合金製であって、これが有効熱伝導率を増大させ、システム内の伝熱性を改善する。金属／合金床への伝熱性改善によって反応炉の性能が良くなり、金属／合金粉末の必要量が減り、さらに、反応炉のサイズとコストも削減される。

本考案に開示されたような金属水素化物反応炉内水素ガス配分の改善システムにはいくつかの技術的優位性があって、これには限定せずに、以下のことの実現を含む。
ａ）水素貯蔵金属/合金粉末粒子全体への水素配分改善
ｂ）水素配分ダクト用機械的支持の改善、それによる運用周期を一貫して発生する収縮、膨張に対する前記ダクトの位置と形状の維持
ｃ）粉末式金属/合金床熱伝導率の改善
ｄ）反応炉の生産費削減
ｅ）反応炉サイズ全体の削減

本明細書を一貫して用語「成す」「構成する」やその類語としての「組成する」または「なしている」は記載されている要素、整数または手順または要素、整数または手順の群を含むがその他の要素、整数または手順またはその他の要素、整数または手順の群を除くことなくこれらを含むことを含意している。

「少なくとも」または「少なくとも１つの」という表現の使用は、１つまたは複数の目的物質または結果を得るために、本考案の実施例において使用される場合があることに従い、１つまたは複数の要素または成分または数量の使用を示唆している。

本明細書に含めた文書、行為、素材、デバイス、商品または同類のものについての議論は、本考案のための文脈を成す目的のためにのみ含まれている。任意のまたはすべての以上の事項が既知の考案技術の基礎の一部を構成する、または、本出願優先日以前に任意の場所に存在していた本考案関連分野における共有されている一般的知識である、という是認と解釈されてはならない。

異なる物理的パラメータ、変数、寸法や数量を表す数値は概数であって、パラメータ、変数、寸法や数量に代入された数値より高い/低い値を本考案の範囲に含むことが意図されている。但し、明細書に異なる記載がある場合はこの限りではない。

前記の具体的実施例は本考案の実施例が持つ一般的性質を十分に明らかにしているので、現状の知識を適用することにより他者は前記の一般的概念から乖離することなく前記の具体的実施例を異なる用途のために変更および／または適合することができる。従って、同適合や変更は本考案の実施例と同等の物としての意味およびその範囲で理解されることが意図されるべきであり、意図されている。本明細書に使用されている句節の用法や用語は説明目的のためであって限定するために使用されてはいない。従って、本明細書に記載された実施例は優先的実施例に基いて説明されていると同時に、同分野の技能を有する者は本明細書に記載された実施例が本明細書で説明された実施例の意図および範囲で変更しても実践可能であることが認められる。

Claims (9)

1. 金属水素化物反応炉（１０９）内の水素ガス配分システム（１００）であって、
   金属管（１０１）と、
   前記金属管（１０１）内部に設置され、前記金属管（１０１）との間に円環状空間を規定する水素配分ダクト（１０２）であって、その中を通る水素ガス流量の経路となるように適合される水素配分ダクト（１０２）と、
   前記円環状空間を占有する金属スポンジ母材（１０３）であって、水素貯蔵金属粉末または水素貯蔵合金粉末を格納するように適合する金属スポンジ母材（１０３）と、を具備する水素ガス配分システム（１００）。
2. 前記水素配分ダクト（１０２）が金属メッシュワイヤー導管である請求項１記載の金属水素化物反応炉内の水素ガス配分システム（１００）。
3. 前記金属メッシュワイヤー導管がステンレススチール、銅、銅合金のいずれかの少なくとも１種類の金属製である請求項２記載の金属水素化物反応炉内の水素ガス配分システム（１００）。
4. 前記金属スポンジ母材（１０３）は銅、銅合金、アルミニウムから選択される伝熱性金属製又は炭素製である請求項１記載の金属水素化物反応炉内の水素ガス配分システム（１００）。
5. 前記水素配分ダクト（１０２）が前記金属管（１０１）内で芯合わせされて設置され、前記金属管（１０１）の使用全長に渡る請求項１記載の金属水素化物反応炉内の水素ガス配分システム（１００）。
6. 前記水素配分ダクト（１０２）が金属スポンジからの離脱周期において水素ガスの流入を、金属スポンジへの吸収周期においてその流出を、ダクト外圧との対比におけるダクト内圧調節により可能にするように構成されている請求項１記載の金属水素化物反応炉内の水素ガス配分システム（１００）。
7. 前記水素配分ダクト（１０２）は前記水素貯蔵金属粉末または前記水素貯蔵合金粉末の前記水素配分ダクトへの流入を阻止するように構成されたメッシュ孔径を有する請求項２記載の金属水素化物反応炉内の水素ガス配分システム（１００）。
8. 前記メッシュ孔径が２〜５μｍの範囲である請求項７記載の金属水素化物反応炉内の水素ガス配分システム（１００）。
9. コネクター（１０４、１０５）が前記水素配分ダクト（１０２）の使用両端部に取付けられている請求項１記載の金属水素化物反応炉内の水素ガス配分システム（１００）。