JP4663845B2

JP4663845B2 - 急速放出可能な水素吸蔵合金収納容器

Info

Publication number: JP4663845B2
Application number: JP2000108185A
Authority: JP
Inventors: 高橋誠司; 高橋昌志; 木崎滋和; 縫谷芳雄
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Japan Metals and Chemical Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Japan Metals and Chemical Co Ltd
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP2001289396A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、急速放出可能な水素吸蔵合金収納容器に関するものであり、さらに詳しくは、水素精製用として水素自動車用あるいは燃料電池として好適に使用できる水素吸蔵合金用収納容器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、石油の代替エネルギーとして、水素を発電用燃料とする燃料電池が注目を浴びている。このような燃料電池は燃料極と、酸化剤極からなり、燃料極には水素を、酸化剤極には酸素を供給して、電解質層を介して接触反応させて電気化学反応による電気化学エネルギーを取り出そうとするものである。
この種の燃料電池としては燃料として水素が使用される。この水素は一般的には天然ガス、ナフサ、液化石油ガス、メタノール等の炭化水素燃料を改質し、水素を主成分とする燃料ガスに変換することにより得られる。この際必要とされる水素吸蔵合金を用いた水素の貯蔵装置や炭酸ガスやメタンのような不純物ガスを含む改質ガスから水素を精製する装置は、従来より多くの提案がなされている。
しかし、水素含有量が５０〜７０％と低く、他の不純物ガスを多量に含むメタノール改質ガス等のいわゆる混合ガスから、水素を貯蔵し、貯蔵した水素を燃料電池等の始動時に急速に放出する容器構造や水素自動車として高負荷が必要な時に急速に貯蔵容器から水素を放出するような技術は開示されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、燃料電池や水素エンジン等の始動時または加速時等の高負荷時に貯蔵容器から水素を急速に供給できる水素吸蔵合金収納容器を提供することである。
本発明の他の目的は、貯蔵された水素吸蔵合金容器から急速に水素を放出することのできる水素吸蔵合金容器を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、（１）水素ガス出入口を備え、前記ガス出入口から水素を導入して容器内の水素吸蔵合金に前記水素を吸蔵させ、吸蔵させた水素を水素ガス出入口から放出させる水素吸蔵合金収納容器において、前記水素吸蔵合金収納容器内には、シート状の電気抵抗発熱材料からなる金属多孔質体に水素吸蔵合金粉末を充填又は塗布した水素吸蔵合金シートが積層収納されてなることを特徴とする急速放出可能な水素吸蔵合金収納容器を提供するものである。
上記水素吸蔵合金シートは、巻回状態で容器内に積層収納されていることが好ましく、さらに、この巻回シートは円筒状タンクに収納することが好ましい。このような巻回された水素吸蔵合金シートは、長手方向に分割されて、その分割体が長手方向に複数個直列して上記円筒状タンク内に収納されてもよい。また、上記水素吸蔵合金シートは、巻回さないで、単に平板状のシートを複数枚積層したものでもよい。かかる場合にはシートは一定の間隔で、若しくはシート同士が接した状態で収納することが好ましい。
【０００５】
次に、本発明は、（２）水素ガス出入口を備え、前記ガス出入口から水素を導入して容器内の水素吸蔵合金に前記水素を吸蔵させ、吸蔵させた水素を水素ガス出入口から放出させる水素吸蔵合金収納容器において、該水素吸蔵合金容器内には、水素吸蔵合金粉末を充填した水素吸蔵合金シートと該シート間に介装された電気抵抗発熱材料からなる金属多孔質体が積層収納されてなることを特徴とする急速放出可能な水素吸蔵合金収納容器を提供するものである。
上記水素吸蔵合金シートと発熱抵抗体からなる金属多孔体は、重ね合わされて、かつ巻回状態で容器内に積層収納されていることが好ましく、さらに、この巻回シートは円筒状タンクに収納することが好ましい。このような巻回された水素吸蔵合金シートと金属多孔体は、長手方向に分割されて、その分割体が長手方向に複数個直列して上記容器内に収納されてもよい。また、積層収納された上記水素吸蔵合金シートは、平板状のシートを複数枚積層して上記容器に収納され、該シート間に電気抵抗発熱材料からなる金属多孔体が介装されてもよい。
【０００６】
さらに本発明は、（３）水素ガス出入口を備え、前記ガス出入口から水素を導入して容器内の水素吸蔵合金に前記水素を吸蔵させ、吸蔵させた水素を水素ガス出入口から放出させる水素吸蔵合金収納容器において、前記水素吸蔵合金容器内には、水素吸蔵合金粉末を塗布成形した水素吸蔵合金シートと該シートに外装されたハニカムヒータとが積層収納されてなることを特徴とする急速放出可能な水素吸蔵合金収納容器をも提供するものである。
上記の（１）〜（３）に記載の水素吸蔵合金収納容器は、燃料改質装置の運転中に精製する改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵し、吸蔵した水素を燃料電池に供給するための水素供給収納容器として好適に用いられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の水素吸蔵合金収納容器の態様は、概略すれば、（ｉ）発熱抵抗体からなる金属多孔体に水素吸蔵合金を充填又は塗布したシートを容器に積層収納した容器、（ii）水素吸蔵合金を充填又は塗布した水素吸蔵合金シートと発熱抵抗体からなる金属多孔体を重ね合わせて積層し収納した容器、（iii)積層した水素吸蔵合金シートにハニカムヒーターを外装した収納した容器という構成からなる。このような構成により、本発明の目的である燃料電池や水素エンジン等の始動時または加速時等の高負荷時に貯蔵容器から水素を急速に供給できる水素吸蔵合金容器を提供できる。さらに、本発明は、貯蔵された水素吸蔵合金容器から急速に水素を放出することのできる他の用途にも好適に使用することができる。
【０００８】
以下、図面により本発明をさらに詳細に説明する。図１は、本発明の水素吸蔵合金収納容器の一例を示す組立説明図であり、積層収納された水素吸蔵合金シートが巻回されて収納されていく状態を示す。
本発明の水素吸蔵合金容器に収納される水素吸蔵合金シート１は、水素吸蔵合金に結着剤（バインダー）を加えてペースト状にし、発熱抵抗性を有する金属多孔質体シートに充填又は塗布した後、加圧成形して得られる。ここで、金属多孔質体とは、連続気孔構造を有する金属発泡体、或いは金属の細線からなる織布，不織布，金属製パンチプレート等などの総称をいう。かかる金属多孔質体を構成する金属としては、銅，アルミニウム，ニッケル，コバルト，亜鉛等の熱伝導効率が高い金属が挙げられるが、本発明において水素吸蔵合金を充填又は塗布するこのような金属多孔体は、通電発熱抵抗が生ずるような金属の組み合わせである必要性があり、特にＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金からなる金属多孔体，ＮｉやＣｒなどの発熱合金プレート又はエキスパンドメタルからなる金属多孔体などが好ましい。
【０００９】
また結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。この結着剤は、主として水素吸蔵合金粉末を固定するために用いるのであるが、水素吸蔵合金粉末表面の被毒を抑制する効果をも有する。なお、本発明の水素吸蔵合金収納容器に用いられる水素吸蔵合金としては通常用いられるものであればよく、例えばＬａＮｉ合金，ミッシュメタル系合金，Ｔｉ−Ｚｒ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｃｕ合金などが挙げられる。
図１において、本発明における前記水素吸蔵合金シート１は、図１(a) に示すように水素吸蔵合金シート１ａに、さらに絶縁シート１ｂが重ね合わされて巻回されて水素吸蔵合金シート１が形成され、さらに通電加熱のための接続端子２が巻き回された前記水素吸蔵合金シート１の両端部に取り付けられる。絶縁シート１ｂは、必ずしも必要なものではないが、巻き回された該シート１が通電した際に中間部分で接触して短絡を起こさないために水素吸蔵合金シート１ａ同士の間に重ねられて設けられているものである。
上記接続端子２は、バッテリー等の電源に接続され必要に応じて通電される。また、渦巻状に巻回されて円筒状に形成された水素吸蔵合金シート１は、図１（ｃ）に示すように円筒状タンク４に収納され、該円筒状タンク４の両面に各々水素含有ガスの導入口３と放出口３’とが設けられている。
【００１０】
図２は、水素吸蔵シート１を巻回して収納され円筒状タンク４が複数収納された、本発明の水素吸蔵合金容器を説明するための側面透視図である。図２において、本発明に係る水素吸蔵合金収納容器は、方形の密閉容器６の上下面に各々ガス導入管７と放出管７’とを有し、ガス流量調整用ヘッダー８、８’が配設されている。そして、密閉容器６には、上述した水素吸蔵合金シート１を渦巻状に巻回した状態で収納されている円筒状タンク４が並設され、該円筒状タンク４は容器６の上下面で各々ヘッダー８、８’とパイプ５，５’を介して連結している。そして、円筒状タンク４を加熱又は冷却して水素吸蔵合金シート１に水素を吸蔵・放出するために密閉容器６の側面外側には、熱媒出口９，熱媒入口９’が取り付けられている。同図２において、水素吸蔵合金シート１は、複数に分割して並列して円筒状タンク４に収納されている場合には、水素吸蔵合金シート１の一部が加熱されて、内蔵する水素吸蔵合金の加熱された部分のみ吸蔵水素が取り出されるので好ましい。
【００１１】
また、図３は、本発明の水素吸蔵合金収納容器の他の例を示す説明図であり、円柱形からなる収納容器内に、水素吸蔵合金シート１を渦巻状に巻回した状態で収納されている円筒状タンクが配設されており、この円筒状タンクの作用は図２の円筒状タンクの場合と同様である。上記の水素吸蔵合金収納容器は、その複数個を、直列に配置してもよく、あるいは並列に配置してもよい。
【００１２】
次に、図４は、本発明の水素吸蔵合金容器に収納する水素吸蔵合金シートを平板で容器に積層形成した例を示す説明図である。水素吸蔵合金シート１０は、平板状に成形されたシートが並設された状態を示し、このシートは、それが巻回されず平板に形成されていることを除いては、図１において説明した水素吸蔵合金シート１と同様のシートである。このシート１０は、複数枚が並列して積層されて角形密閉容器１２に収納され、水素吸蔵合金シート１０の積層体と、角型密閉容器１２の側面とを貫通して、水素吸蔵合金シート１０を加熱又は冷却するための熱媒管１１が配設されている。
また、角形密閉容器１２には、両側面又は上下面の外側の任意の位置に水素含有ガスの導入口１３と放出口１３’が設けられている。
ることができる。この水素吸蔵合金収納容器は、その複数個を、直列に配置してもよく、あるいは並列に配置してもよい。
ここで、並設された合金シート１０は、一定間隔で積層しても、重ね合わせて積層することもできる。また、シート１０の間に金属多孔体シートを介装させることもできる。
【００１３】
図５は、ハニカムヒーターを水素吸蔵合金シートに外装させた本発明の水素吸蔵合金収納容器を示す他の例である。本発明の水素吸蔵合金容器に収納される水素吸蔵合金シート１４ａは、水素吸蔵合金に結着剤（バインダー）を加えてペースト状にし、通常の（発熱抵抗を有しない）金属多孔質体シートに塗布又は充填した後、加圧成形して得られ、該シート１４ａには、必要に応じて図５（ａ）に示すように金属多孔体シート１４b を重ね合わせ、巻回されて円筒状容器の水素吸蔵合金シート１４が形成される。水素吸蔵合金シート１４は、その外周にハニカムヒーター１５、好ましくは金属多孔質体で形成されたハニカムヒーター１５が外装され、円筒状容器１６に収納される。ここで、ハニカムヒータ１５は、円筒状のヒータを複数並列して外装し、一部が通電加熱され、水素吸蔵合金シートの一部が加熱されて、内蔵する水素吸蔵合金の加熱された部分の吸蔵水素が取り出されるように構成されている。
このような形状の円筒状容器は、水素吸蔵合金収納容器に収納される。この水素吸蔵合金収納容器の形状構造は、図２または３に示す構造と同様の構造のものである。
【００１４】
さらに、本発明の水素吸蔵合金収納容器を、特に燃料電池用として適用する場合について、図６により詳細に説明する。
・通常運転プロセス（改質運転状態）
この状態は、燃料改質器１８から発生する通常の水素含有改質ガスを、まず吸蔵タンク２０を経由させることなく燃料電池１９の燃料として直接使用する他、吸蔵タンク２０には前記改質ガス中に含まれる水素のみを選択的に吸蔵させる。そして、運転停止の前などにこの吸蔵タンク２０に吸蔵した水素を、燃料電池１９ではなく放出タンク２１に供給してそこに貯蔵するプロセスである。
即ち、放出タンク２１に吸蔵する場合、図７に示すように、燃料改質器１８から吸蔵タンク２０に向かうラインのバルブＶ１および吸蔵タンク２０から燃料電池１９へと向かうラインのバルブＶ２，Ｖ４を開とし、水素含有改質ガスを導入すると同時に、２５℃の冷水を供給することにより、吸蔵タンク２０の内部の水素吸蔵合金に水素を吸蔵する。そして、主として、燃料電池１９の停止の前に、前記バルブＶ１，Ｖ４を閉じると共に吸蔵タンク２０と放出タンク２１との間に介挿してあるバルブＶ２，Ｖ３を開として、吸蔵タンク２０に６０℃の温水を供給して充填した水素吸蔵合金に貯蔵してある高純度の水素ガスを、発生させ、これを放出タンク２１に移送する。このとき、放出タンク２１内には水素ガス吸蔵のために冷水（２０℃程度）を供給してこれを冷却する。本発明の水素吸蔵合金容器は、このような吸蔵タンクとして使用できるが、放出タンクに使用することが最も好ましい。
【００１５】
・始動運転プロセス（改質運転停止状態）
この状態は、燃料改質器１８の停止時において、燃料電池を起動させる時のプロセスである。このときは改質ガスが得られないので、上述した放出タンク２１に貯蔵した高純度の水素ガスを高速度で放出させることで対処する。そのために、燃料改質器１８から貯蔵タンク２０の出口までのバルブＶ１，Ｖ２を閉じ、放出タンク２１から燃料電池１９に向かうバルブＶ３，Ｖ４を開として、該タンク内に６０℃程度の温水を供給して、吸蔵室内に充填した水素吸蔵合金から水素を発生させ、この水素を燃料電池１９に供給する。そして、燃料電池システムが起動し、前記燃料改質器１８の運転が再開された後は、先の定常運転プロセスに戻ることになる。本発明の水素吸蔵合金容器はこの放出タンクとして好適に使用される。
【００１６】
すなわち、燃料電池の始動時には、急速に水素を放出タンクから放出させる必要があり、このような場合には、バッテリーから水素吸蔵合金シートに通電加熱して急速に水素を放出させ、また、追い越しなどを行う際の高負荷時には、不足の水素を前記水素吸蔵合金容器から一時的に放出して、改質器からの水素を補うようにすることができる。
【００１７】
【発明の効果】
上述の如く、本発明における水素吸蔵合金収納容器は、水素吸蔵合金粉末と電気抵抗発熱材料からなる金属多孔質体とを併用した特定構造からなるものであり、燃料電池や水素エンジン等の始動時または加速時等の高負荷時に貯蔵容器から水素を急速に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における水素吸蔵合金シートを巻回積層する状態を説明するための図である。
【図２】本発明の水素吸蔵合金収納容器の一例を示す側面透視図である。
【図３】本発明の水素吸蔵合金収納容器の他の一例を示す側面透視図である。
【図４】本発明における平板状の水素吸蔵合金シートの積層状態を説明するための図である。
【図５】本発明における水素吸蔵合金シートにハニカムヒータを外装した水素吸蔵合金収納容器の一例を示す図である。
【図６】燃料電池システムのフローを示す説明図である。
【図７】燃料電池システムに本発明容器を用いたときの作動を説明するための図である。
【符号の説明】
１，１ａ：水素吸蔵合金シート
１ｂ：絶縁シート
２：接続端子
３，３’：ガス入り口，出口
４：円筒状タンク
５，５’：パイプ
６：方形密閉容器
７，７’：ガス導入管，放出管
８，８’：ヘッダー
９，９’：熱媒入り口，出口
１０：平板状の水素吸蔵合金シート
１１：熱媒用管
１２：角形密閉容器
１３：ガス導入管，放出管
１４：水素吸蔵合金シート
１５：ハニカムヒーター
１６：円筒状容器
１８：燃料改質器
１９：燃料電池
２０：水素吸蔵タンク
２１：水素放出タンク

Claims

水素ガス出入口を備え、前記ガス出入口から水素を導入して容器内の水素吸蔵合金に前記水素を吸蔵させ、吸蔵させた水素を水素ガス出入口から放出させる水素吸蔵合金収納容器において、前記水素吸蔵合金収納容器内には、シート状の電気抵抗発熱材料からなる金属多孔質体に、結着剤を加えてペースト状にした水素吸蔵合金粉末を充填又は塗布した通電加熱可能な水素吸蔵合金シートが積層収納されてなる水素吸蔵合金収納容器であって、
前記水素吸蔵合金シートは、巻回されて上記容器に収納されており、
この巻回して収納された水素吸蔵合金シートは、巻回されて円筒状タンクに収納されおり、該タンクは、ガス入り口と出口とが各々上下面に設けられ、かつガスヘッダーを備えた密閉容器内に上下のガスヘッダーに連結されて複数個並設されていると共に、密閉容器内の空隙部には熱媒体を流入するように形成されており、
前記水素吸蔵合金収納容器は、燃料改質装置の運転中に精製する改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵し、吸蔵した水素を燃料電池に供給するための水素供給容器として用いられ、改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵する場合には、ガス入り口から前記改質ガスを導入し、吸蔵した水素を急速放出する場合には、水素吸蔵合金シートを通電加熱して水素がガス出口から放出されることを特徴とする急速放出可能な燃料電池用水素吸蔵合金収納容器。
上記水素吸蔵合金シートは、長手方向に分割されて、その分割体が長手方向に複数個直列して上記円筒状タンク内に収納されてなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用水素吸蔵合金収納容器。
水素ガス出入口を備え、前記ガス出入口から水素を導入して容器内の水素吸蔵合金に前記水素を吸蔵させ、吸蔵させた水素を水素ガス出入口から放出させる水素吸蔵合金収納容器において、前記水素吸蔵合金収納容器内には、シート状の電気抵抗発熱材料からなる金属多孔質体に、結着剤を加えてペースト状にした水素吸蔵合金粉末を充填又は塗布した通電加熱可能な水素吸蔵合金シートが積層収納されてなる水素吸蔵合金収納容器であって、
前記水素吸蔵合金シートは、平板状のシートを複数枚積層して上記容器に収納されており、
この収納された水素吸蔵合金シートは、平板状のシートを複数枚積層して角型密閉容器に収納されおり、該密閉容器は、ガス入り口と出口とが各々上下面に設けられ、かつガスヘッダーを備えた密閉容器内に上下のガスヘッダーに連結されて複数個並設されていると共に、密閉容器内の空隙部には熱媒体を流入するように形成されており、
前記水素吸蔵合金収納容器は、燃料改質装置の運転中に精製する改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵し、吸蔵した水素を燃料電池に供給するための水素供給容器として用いられ、改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵する場合には、ガス入り口から前記改質ガスを導入し、吸蔵した水素を急速放出する場合には、水素吸蔵合金シートを通電加熱して水素がガス出口から放出されることを特徴とする急速放出可能な燃料電池用水素吸蔵合金収納容器。
水素ガス出入口を備え、前記ガス出入口から水素を導入して容器内の水素吸蔵合金に前記水素を吸蔵させ、吸蔵させた水素を水素ガス出入口から放出させる水素吸蔵合金収納容器において、該水素吸蔵合金収納容器の上下面に各々前記ガス入り口と出口とを有し、該水素吸蔵合金収納容器内には、結着剤を加えてペースト状にした水素吸蔵合金粉末を充填した通電加熱可能な水素吸蔵合金シートと該シート間に介装された電気抵抗発熱材料からなる金属多孔質体が積層収納されてなる水素吸蔵合金収納容器であって、
前記水素吸蔵合金シートと金属多孔体は、重ね合わされて、かつ、巻回されて上記容器に収納されており、
前記水素吸蔵合金シートと金属多孔体は、円筒状タンクに収納されて上記容器に収納されており、
前記水素吸蔵合金収納容器は、燃料改質装置の運転中に精製する改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵し、吸蔵した水素を燃料電池に供給するための水素供給容器として用いられ、改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵する場合には、ガス入り口から前記改質ガスを導入し、吸蔵した水素を急速放出する場合には、水素吸蔵合金シートを通電加熱して水素がガス出口から放出されることを特徴とする急速放出可能な燃料電池用水素吸蔵合金収納容器。
上記水素吸蔵合金シートと金属多孔体は、長手方向に分割されて、その分割体が長手方向に複数個直列して上記円筒状タンク内に収納されてなることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用水素吸蔵合金収納容器。
水素ガス出入口を備え、前記ガス出入口から水素を導入して容器内の水素吸蔵合金に前記水素を吸蔵させ、吸蔵させた水素を水素ガス出入口から放出させる水素吸蔵合金収納容器において、該水素吸蔵合金収納容器の上下面に各々前記ガス入り口と出口とを有し、該水素吸蔵合金収納容器内には、結着剤を加えてペースト状にした水素吸蔵合金粉末を充填した通電加熱可能な水素吸蔵合金シートと該シート間に介装された電気抵抗発熱材料からなる金属多孔質体が積層収納されてなる水素吸蔵合金収納容器であって、
前記水素吸蔵合金シートと金属多孔体は、重ね合わされて、かつ、平板状のシートを複数枚積層して上記容器に収納されており、
前記水素吸蔵合金シートと金属多孔体は、角型密閉容器に収納されて上記容器に収納されており、
前記水素吸蔵合金収納容器は、燃料改質装置の運転中に精製する改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵し、吸蔵した水素を燃料電池に供給するための水素供給容器として用いられ、改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵する場合には、ガス入り口から前記改質ガスを導入し、吸蔵した水素を急速放出する場合には、水素吸蔵合金シートを通電加熱して水素がガス出口から放出されることを特徴とする急速放出可能な燃料電池用水素吸蔵合金収納容器。
水素ガス出入口を備え、前記ガス出入口から水素を導入して容器内の水素吸蔵合金に前記水素を吸蔵させ、吸蔵させた水素を水素ガス出入口から放出させるタイプの水素吸蔵合金収納容器において、該水素吸蔵合金収納容器の上下面に各々前記ガス入り口と出口とを有し、該水素吸蔵合金収納容器内には、結着剤を加えてペースト状にした水素吸蔵合金粉末を充填した通電加熱可能な水素吸蔵合金シートと該シートに外装されたハニカムヒーターとが積層収納されてなる水素吸蔵合金収納容器であって、
前記水素吸蔵合金収納容器は、燃料改質装置の運転中に精製する改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵し、吸蔵した水素を燃料電池に供給するための水素供給容器として用いられ、改質ガスに含まれる水素を選択的に吸蔵する場合には、ガス入り口から前記改質ガスを導入し、吸蔵した水素を急速放出する場合には、水素吸蔵合金シートを通電加熱して水素がガス出口から放出されることを特徴とする急速放出可能な燃料電池用水素吸蔵合金収納容器。