JP4423722B2

JP4423722B2 - 水素供給装置

Info

Publication number: JP4423722B2
Application number: JP35976699A
Authority: JP
Inventors: 公良寺尾; 信悟森島; 利宏真船
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: JP2001173898A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（水素吸蔵合金）を有し、水素吸蔵材に蓄えられた水素を解離させることにより水素を供給する水素供給装置に関するもので、水素を燃料として発熱する燃焼式ヒータの燃料供装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵材（以下、吸蔵材と略す。）は、周知のごとく、吸蔵材の雰囲気圧力が解離平衡圧となるように雰囲気中の水素を吸蔵・解離するものであり、解離平衡圧は、吸蔵材の温度及び種類によって一義的に決定されるものである。
【０００３】
そして、解離平衡圧は、吸蔵材の温度が高くなるほど大きくなるように略比例変化するものである。このため、吸蔵材を冷却すると、解離平衡圧が低下するので、吸蔵材は雰囲気圧力が低下した解離平衡圧となるまで水素を吸蔵しようとする。一方、吸蔵材を加熱すると、解離平衡圧が上昇するので、吸蔵材は雰囲気圧力が上昇した解離平衡圧となるまで水素を解離しようとする。
【０００４】
そこで、例えば特開平３−１０１０６２号公報に記載の発明では、吸蔵材を加熱する加熱手段として電気ヒータを用いていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に記載の発明では、電気ヒータ用にバッテリ（蓄電池）等の電源を必要とすると言う問題がある。
【０００６】
この問題に対して、水素を吸蔵材に吸蔵させることなく、水素そのものを水素タンク内に蓄えるといった手段が考えられるが、この手段では、十分な量の水素を蓄えるには、水素を高圧（液化）して水素タンク内に封入する必要があるので、水素タンクの大型化を招いてしまう。
【０００７】
また、吸蔵材を加熱する加熱手段として、電気ヒータに換えて保温タンクに温水を蓄えて温水の顕熱を利用するといった手段も考えられるが、この手段では、十分な量の熱量を蓄えるには、保温性に優れ、かつ、十分な容積を有する保温タンクを必要とするので、水素供給装置の大型化及び製造原価上昇を招いてしまう。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、簡便な手段にて吸蔵材を加熱することができる水素供給装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、酸素と水素とを反応させる反応装置（４０）に水素を供給する水素供給装置であって、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（１１）と、水素吸蔵材（１１）を収納し、水素吸蔵材（１１）が解離した水素を反応装置（４０）に供給する吸蔵材タンク（１０）と、吸着媒体を吸着する際に発熱する吸着材（２１）と、反応装置（４０）の排気を導いて媒体タンク（３０）を加熱することにより、媒体タンク（３０）内の固相の吸着媒体を加熱して融解および気化させる加熱用排気管（４１）と、を備え、媒体タンク（３０）にて気化した吸着媒体を吸着材（２１）に供給し、吸着材（２１）にて発生した熱を水素吸蔵材（１１）に供給することができるように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
これにより、電気ヒータや保温タンクに蓄えられた温水にて水素吸蔵材（１１）を加熱する場合に比べて、簡便、かつ、容易に水素吸蔵材（１１）を加熱することができる。したがって、水素供給装置の大型化及び製造原価上昇を招くことなく、確実に水素吸蔵材（１１）を加熱することができるので、水素を安価、かつ、安定的に供給することができる。
【００１１】
なお、請求項２に記載の発明のごとく、吸蔵材タンク（１０）の外壁周りに吸着材（２１）を配設することにより水素吸蔵材（１１）を加熱するように構成してもよい。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明のごとく、水素吸蔵材（１１）と熱媒体とを熱交換させる吸蔵コア（１２）と、吸着材（２１）と熱媒体とを熱交換させる吸着コア（２２）と、吸蔵コアと吸着コア（２２）との間で熱媒体を循環させるポンプ手段（６０）とを備えて水素吸蔵材（１１）を加熱するように構成してもよい。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、反応装置（４０）によって加熱された熱媒体と水素吸蔵材（１１）とを熱交換するための吸蔵コア（１２）と、熱媒体を反応装置（４０）と吸蔵コア（１２）との間で循環させるポンプ（６０）と、吸着材（２１）が充填された吸着材タンク（２０）と、媒体タンク（３０）内と吸着材タンク（２０）内とを連通させることで媒体タンク（３０）から吸着材（２１）に吸着媒体を供給する連通路（３２）と、連通路（３２）を開閉する第１バルブ（３１）と、加熱用排気管（４１）を開閉する第２バルブ（４２）と、を備え、極低温モードにおいて、第２バルブ（４２）を開くことで反応装置（４０）の排気にて媒体タンク（３０）内の固相の吸着媒体を加熱して気化させるとともに、第１バルブ（３１）を開くことで、気化した吸着媒体を吸着材（２１）に供給し、その後、通常モードに移行し、通常モードにおいて、第１バルブ（３１）および第２バルブ（４２）を閉じ、かつ、ポンプ（６０）を稼働させることを特徴とする。
【００１４】
これにより、例えば外気温度が低く、気相の吸着媒体を供給することが困難な場合であっても、確実に吸着材（２１）に気相の吸着媒体を供給することができるので、確実に吸着熱を発生させて水素吸蔵材（１１）を加熱することができる。
【００１５】
なお、請求項５に記載の発明のごとく、通常モードにおいて、吸着材タンク（２０）内の圧力が所定圧力以上となったときに、第１バルブ（３１）を開いて吸着媒体を吸着材タンク（２０）から媒体タンク（３０）に戻すようになっていてもよい。
また、請求項６に記載の発明のごとく、当該水素供給装置は車両用の水素供給装置であり、媒体タンク（３０）は、車両走行風又はラジエータ冷却風に晒される部位に搭載されていてもよい。
また、請求項７に記載の発明のごとく、反応装置（４０）は、水素と酸素とを化学反応させて電力を起こす燃料電池であってもよい。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明のごとく、反応装置（４０）は、水素を燃焼させることにより熱を発生する燃焼式ヒータ（４０）であってもよい。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明のごとく、吸着材（２１）は、物理吸着により吸着媒体を吸着するものを採用すれば、吸着材（２１）を再生する（吸着していた吸着媒体を脱離放出させる）に必要な熱量を小さくすることができるので、水素供給装置を稼働させるに必要なエネルギを小さくすることができる。
【００１８】
さらに、請求項１０に記載の発明のごとく、吸着媒体として水を用いることが望ましい。
【００１９】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る水素供給装置を燃焼式ヒータを用いた車両用暖房装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係る車両用暖房装置の模式図である。
【００２１】
図１中、１０は水素を吸蔵・解離する吸蔵材１１が収納された吸蔵タンクであり、この吸蔵タンク１０は、吸着材２１が充填された吸着材タンク２０内に収納されている。ここで、吸着剤２１とは、気相状態の吸着媒体（本実施形態では、水）を吸着する際に熱（以下、この熱を吸着熱と呼ぶ。）を発生するとともに、加熱されることにより吸着していた吸着媒体を脱離するものであり、本実施形態では、吸着剤２１としてシリカゲルを採用さしている。このため、吸着材２１が吸着熱を発生すると、吸蔵材１１は、吸蔵タンク１０の外壁周りに存在する吸着材２１から吸着熱が供給されて加熱されることとなる。
【００２２】
なお、本実施形態では、吸蔵タンク１０及び吸着材タンク２０は、共に熱伝導性を考慮してステンレス製としている。
【００２３】
３０は吸着媒体を蓄える媒体タンクであり、３１は媒体タンク３０内と吸着材タンク２０内とを連通させる連通路（配管）３２を開閉する第１バルブである。４０は吸蔵タンク１０から供給された水素を燃焼させて熱を発生する燃焼式ヒータ（以下、ヒータと略す。）であり、５０はヒータ４０にて加熱された熱媒体（水にエチレングリコール系の不凍液を混合した流体）を熱源として車室内に吹き出す空気を加熱するヒータコア（暖房用熱交換器）である。なお、媒体タンク３０は、車両走行風又はラジエータ冷却風に晒される部位に搭載されている。
【００２４】
４１はヒータ４０の燃焼排気を導いて媒体タンク３０の外壁を加熱することにより、媒体タンク３０内の吸着媒体（水）を加熱する加熱用排気管であり、４２は加熱用配管４１を開閉する第２バルブである。
【００２５】
また、吸蔵タンク内には、ヒータコア４０から流出した熱媒体（温水）と吸蔵材１１とを熱交換する熱交換器（吸蔵コア）１２が設けられており、熱媒体はポンプ６０により熱媒体熱交換器１２、ヒータ４０及びヒータコア５０間を循環させられている。
【００２６】
なお、１３は吸蔵タンク１０内の水素ガスをヒータ４０に供給する水素配管であり、１４は水素配管１３を開閉する第３バルブである。また、１５はヒータコア５０から流出した熱媒体を熱交換器１２を迂回させてヒータ４０（ポンプ６０の熱媒体流入側に導くバイパス流路であり、１６は熱交換器１２に流通させる熱媒体流量を調節する第４バルブである。
【００２７】
次に、本実施形態の特徴的に作動を述べる。
【００２８】
１．通常運転モード
この通常運転モードは、吸蔵タンク１０内にヒータ４０を所定時間、連続運転させるに十分な気相の水素（水素ガス）が存在する場合に行われるモードであり、第３バルブ１４を開くとともに、第１、２バルブ３１、４２を閉じ、かつ、ポンプ６０を稼働させてヒータ４０を始動する。
【００２９】
これにより、ヒータ４０にて加熱された熱媒体がヒータコア５０に流入するので、室内に吹き出す空気が暖められるとともに、吸蔵材１１及び吸着材２１が加熱昇温され、吸蔵材１１に吸蔵されていた水素が解離し、一方、吸着材２１に吸着していた吸着媒体が気相の吸着媒体（水蒸気）として脱離する。
【００３０】
なお、上記の所定時間とは、ヒータ４０から流出する熱媒体の熱により、ヒータ４０を連続運転させるに十分な量の水素を吸蔵材１１から解離させることができるようになるまでの時間等に基づいて設定されるものである。
【００３１】
因みに、ヒータ４０に供給する水素量の制御は、第３バルブ１４の開度を調節することにより行い、吸蔵材１１の加熱度合い制御は、第４バルブ１６により熱交換器１２に流入する熱媒体流量を調節することにより行う。
【００３２】
ところで、吸着材２１から脱離した水蒸気は、第１バルブ３１が閉じられているため、吸着媒体の脱離が進行して吸着材タンク２０内の圧力が上昇すると、脱離した水蒸気が再び吸着材２１に吸着されてしまうおそれがある。
【００３３】
そこで、吸着材タンク２０内の圧力が所定圧力以上となったときには、第１バルブ３１を開いて水蒸気を媒体タンク３０に戻す。なお、媒体タンク３０は、車両走行風又はラジエータ冷却風に晒されているので、媒体タンク３０に戻った水蒸気は、冷却されて凝縮する。
【００３４】
２．低温時運転モード
この低温時運転モードは、吸蔵材１１の温度が低く、かつ、吸蔵タンク１０内にヒータ４０を所定時間、連続運転させるに十分な水素ガスが存在しない場合に行われるモードであり、第１、３バルブ３１、１４を開き、ポンプ６０を稼働させてヒータ４０を始動する。
【００３５】
これにより、媒体タンク３０から供給された気相の吸着媒体（水蒸気）が吸着材２１に吸着されるので、吸蔵材１１は吸着熱により加熱昇温され、吸蔵していいた水素を解離放出する。
【００３６】
なお、吸着熱により吸蔵材１１が加熱昇温されて十分な量の水素が発生し、ヒータ４０着火始動した後、熱交換器１２に流入する熱媒体の温度が上昇して吸蔵材１１を吸着熱により加熱する必要がなくなった時には、上記通常運転モードに移行する。
【００３７】
３．極低温運転モード
この極低温運転モードは、外気温度が低く、媒体タンク３０から気相の吸着媒体（水蒸気）を吸着材２１に供給することができない場合に行われるモードである。
【００３８】
具体的には、第３バルブ１３を開いて吸蔵タンク１０内に存在する水素ガスをヒータ４０に供給してヒータ４０を着火始動させるとともに、第２バルブ４２を開いてヒータ４０の燃焼排気にて媒体タンク３０を加熱するとともに、第１バルブ３１を開く。
【００３９】
これにより、媒体タンク３０内の液相又は固相の吸着媒体の気化が促進されて吸着材２１に気相の吸着媒体（水蒸気）が供給されるとともに、吸着媒体の蒸気圧が上昇するので、吸着材２１の水分吸着が促進されて吸着熱が発生し、吸蔵材１１を加熱することができる。
【００４０】
なお、吸蔵材１１から十分な量の水素が解離し、熱交換器１２に流入する熱媒体の温度が上昇して吸蔵材１１を吸着熱により加熱する必要がなくなった時には、上記通常運転モードに移行する。
【００４１】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００４２】
本実施形態によれば、吸着材２１が吸着媒体を吸着する際に発生する吸着熱により吸蔵材１１を加熱するので、電気ヒータや保温タンクに蓄えられた温水にて吸蔵材１１を加熱する場合に比べて、簡便、かつ、容易に吸蔵材１１を加熱することができる。したがって、水素供給装置の大型化及び製造原価上昇を招くことなく、確実に吸蔵材１１を加熱することができるので、水素を安価、かつ、安定的に供給することができる。
【００４３】
ところで、吸着材２１は水蒸気を吸着する際に吸着熱を発生するので、水蒸気を保持するとは、その保持した水蒸気を吸着する際に発生する総吸着熱量を蓄熱するに等しい。ここで、水をシリカゲルにて吸着する際に発生する吸着熱は、水の蒸発潜熱（２４５０ｋＪ／ｋｇ）に略等しいので、本実施形態は、保温タンク内の水の顕熱（４．１９ｋＪ／ｋｇ）にて吸蔵材１１を加熱するための熱量を蓄熱する場合に比べて効率的に熱量を蓄えることができる。
【００４４】
また、外気温度が低く、媒体タンク３０から気相の吸着媒体（水蒸気）を吸着材２１に供給することができない場合には、ヒータ４０の燃焼排気により吸着媒体を加熱し、吸着媒体の気化を促進して水蒸気圧を高めるので、外気温度が低い場合にでも確実に吸着材２１にて吸着熱を発生させることができる。
【００４５】
因みに、水の融解潜熱（３３５ｋＪ／ｋｇ）は、吸着熱（２４５０ｋＪ／ｋｇ）より小さいので、水を融解させるために熱を供給しても、吸蔵材１１を加熱するための熱量を確保（蓄熱）することができる。
【００４６】
また、通常運転モードにおいて吸着材２１から脱離した水蒸気（気相の吸着媒体）を吸着材タンク２０内に蓄えることができるので、その蓄えた水蒸気を次回、吸蔵材１１１を加熱する熱源として利用することができる。したがって、保温タンクにて吸蔵材１１を加熱するための熱量を蓄熱する場合に比べて効率的に熱量を蓄えることができる。
【００４７】
また、本実施形態では、ファン・デル・ワールス力により物質を吸着する物理吸着により吸着媒体（水）を吸着する吸着材（シリカゲル）を採用しているので、水を吸着（吸収）するアンモニア等のように化合物を生成する化学吸着を行う吸着材に比べて、吸着材を再生する（吸着していた冷媒を脱離放出させる）に必要な熱量を小さくすることができる。したがって、水素供給装置１００を稼働させるに必要なエネルギを小さくすることができる。
【００４８】
（第２実施形態）
第１実施形態では、吸着熱により吸蔵タンク１０をその外壁側から加熱することにより吸蔵材１１を加熱したが、本実施形態は、図２に示すように、吸着材２１が表面に接着（接合）された熱交換器（吸着コア）２２と熱交換器（吸蔵コア）１２との間で熱媒体を循環させることで、吸着熱を吸蔵材１１に供給するようにしたものである。なお、熱媒体は、熱交換器（吸着コア）２２→熱交換器（吸蔵コア）１２→ヒータ４０→ヒータコア５０→熱交換器（吸着コア）２２の順に循環する。
【００４９】
これにより、両熱交換器１２、２２を同一構造として両熱交換器１２、２２の構成部品を共通化することにより、水素供給装置の製造原価低減を図ることができる。ここで、両熱交換器１２、２２の構成部品とは、例えば、熱媒体が流通する複数本のチューブ及びこれらチューブの両端に配設されて各チューブに連通するヘッダタンク等を言うものである。
【００５０】
因みに、本実施形態では、媒体タンク３０の表面に表面積を増大させて媒体タンク３０（吸着媒体）の冷却を促進するフィン３３が設けられている。
【００５１】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、ファン・デル・ワールス力により物質を吸着する物理吸着により吸着媒体（水）を吸着する吸着材を用いたが、本発明はこれに限定されることなく、水を吸着（吸収）するアンモニア等のように化合物を生成する化学吸着を行うものであってもよい。
【００５２】
また、上述の実施形態では、暖房用のヒータ４０に水素を供給する水素供給装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、水素と酸素とを化学反応させて電力を起こす燃料電池の水素供給装置等その他の水素供給装置に適用してもよい。
【００５３】
また、上述の実施形態では、吸着媒体を加熱し、その吸着媒体を気化させる加熱手段として水素を燃焼させるヒータ４０を採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガソリンや軽油等のその他の燃料を燃焼させる燃焼式ヒータであってもよい。
【００５４】
また、上述の実施形態では、吸着媒体を加熱し、その吸着媒体を気化させる加熱手段としてヒータ４０を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、エンジン（内燃機関）、燃料電池及び半導体機器の廃熱等のその他の熱を熱源とするものであってもよい。
【００５５】
また、上述の実施形態では、吸着材２１としてシリカゲルを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、吸着材２１として活性炭、ゼオライト、活性アルミナなどを用いてもよい。このとき、吸着熱と再生熱（再生に必要な熱量）との差ができるだけ小さいものが望ましい。
【００５６】
また、上述の実施形態では、吸着媒体として水を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルコール、フロン等の吸着材に吸着されるものであれば、その他の物であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素供給装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る水素供給装置の模式図である。
【符号の説明】
１０…吸蔵タンク、１１…水素吸蔵材、２０…吸着材タンク、
２１…吸着材（シリカゲル）、３０…媒体タンク（水タンク）、
４０…燃焼式ヒータ、５０…ヒータコア。

Claims

酸素と水素とを反応させる反応装置（４０）に水素を供給する水素供給装置であって、
水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（１１）と、
前記水素吸蔵材（１１）を収納し、前記水素吸蔵材（１１）が解離した水素を前記反応装置（４０）に供給する吸蔵材タンク（１０）と、
吸着媒体を吸着する際に発熱する吸着材（２１）と、
前記吸着材（２１）に吸着させる吸着媒体を蓄える媒体タンク（３０）と、
前記反応装置（４０）の排気を導いて前記媒体タンク（３０）を加熱することにより、前記媒体タンク（３０）内の固相の吸着媒体を加熱して融解および気化させる加熱用排気管（４１）と、を備え、
前記媒体タンク（３０）にて気化した吸着媒体を前記吸着材（２１）に供給し、前記吸着材（２１）にて発生した熱を前記水素吸蔵材（１１）に供給することができるように構成されていることを特徴とする水素供給装置。
前記吸蔵材タンク（１０）の外壁周りに前記吸着材（２１）が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
前記水素吸蔵材（１１）と熱媒体とを熱交換させる吸蔵コア（１２）と、
前記吸着材（２１）と熱媒体とを熱交換させる吸着コア（２２）と、
前記吸蔵コアと吸着コア（２２）との間で熱媒体を循環させるポンプ手段（６０）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
前記反応装置（４０）によって加熱された熱媒体と前記水素吸蔵材（１１）とを熱交換するための吸蔵コア（１２）と、
前記熱媒体を前記反応装置（４０）と前記吸蔵コア（１２）との間で循環させるポンプ（６０）と、
前記吸着材（２１）が充填された吸着材タンク（２０）と、
前記媒体タンク（３０）内と前記吸着材タンク（２０）内とを連通させることで前記媒体タンク（３０）から前記吸着材（２１）に吸着媒体を供給する連通路（３２）と、
前記連通路（３２）を開閉する第１バルブ（３１）と、
前記加熱用排気管（４１）を開閉する第２バルブ（４２）と、を備え、
極低温モードにおいて、前記第２バルブ（４２）を開くことで前記反応装置（４０）の排気にて前記媒体タンク（３０）内の固相の吸着媒体を加熱して気化させるとともに、前記第１バルブ（３１）を開くことで、気化した吸着媒体を前記吸着材（２１）に供給し、その後、通常モードに移行し、
前記通常モードにおいて、前記第１バルブ（３１）および前記第２バルブ（４２）を閉じ、かつ、前記ポンプ（６０）を稼働させることを特徴とする請求項１または２に記載の水素供給装置。
前記通常モードにおいて、前記吸着材タンク（２０）内の圧力が所定圧力以上となったときに、前記第１バルブ（３１）を開いて前記吸着媒体を前記吸着材タンク（２０）から前記媒体タンク（３０）に戻すようになっていることを特徴とする請求項４に記載の水素供給装置。
当該水素供給装置は車両用の水素供給装置であり、
前記媒体タンク（３０）は、車両走行風又はラジエータ冷却風に晒される部位に搭載されていることを特徴とする請求項５に記載の水素供給装置。
前記反応装置（４０）は、水素と酸素とを化学反応させて電力を起こす燃料電池であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の水素供給装置。
前記反応装置（４０）は、水素を燃焼させることにより熱を発生する燃焼式ヒータ（４０）であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の水素供給装置。
前記吸着材（２１）は、ファン・デル・ワールス力により物質を吸着する物理吸着により前記吸着媒体を吸着するものであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の水素吸蔵装置。
前記吸着媒体として水を用いたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の水素吸蔵装置。