JP4706384B2 - Hydrogen storage device - Google Patents
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Description
本発明は水素貯蔵装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen storage device.
近年水素を燃料として用いる燃料電池やエンジン等が開発され、それと同時にこれらのエンジンや燃料電池等に供給される水素を吸蔵或いは貯蔵する方法、装置等についても開発が進められている。 In recent years, fuel cells, engines, and the like using hydrogen as fuel have been developed, and at the same time, methods and devices for storing or storing hydrogen supplied to these engines, fuel cells, etc. are being developed.
従来から存在する水素の貯蔵方法としては、例えば20MPa程度の圧力を水素に加えて高圧水素ボンベに水素を貯蔵する方法や、約20Kにまで冷却され液化された水素を液体水素ボンベに貯蔵する方法がある。さらに、細孔を有する炭素材料と該炭素材料を収容した容器とを含む水素貯蔵装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1に記載の水素貯蔵装置では、水素を貯蔵する容器として例えば、ステンレス製のタンクやボンベが用いられる。しかし、ステンレス製のタンク等では液体水素を貯蔵する際に外界からの熱を十分に遮断できず長期間の水素貯蔵が困難な場合があった。 In the hydrogen storage device described in Patent Document 1, for example, a stainless steel tank or cylinder is used as a container for storing hydrogen. However, in a tank made of stainless steel or the like, when storing liquid hydrogen, heat from the outside cannot be sufficiently blocked, and it may be difficult to store hydrogen for a long period of time.
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、長期間にわたって水素貯蔵が可能な水素貯蔵装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a hydrogen storage device capable of storing hydrogen over a long period of time.
上記目的を達成するための本発明の水素貯蔵装置は、液体水素を貯留する断熱容器と、前記断熱容器内に配設された水素吸着部材と、前記断熱容器の内壁と前記水素吸着部材とに囲まれた空間(以下、この空間を「液体水素貯留部」と称することがある。)に液体水素を導入する導入管と、前記液体水素から生ずる水素ガスを前記断熱容器内から排出させる排出管と、を備え、前記水素ガスが前記水素吸着部材内を通過した後に前記断熱容器内から排出されるように前記導入管と前記水素吸着部材と前記排出管とを配置したものである。 To achieve the above object, the hydrogen storage device of the present invention includes a heat insulating container for storing liquid hydrogen, a hydrogen adsorbing member disposed in the heat insulating container, an inner wall of the heat insulating container, and the hydrogen adsorbing member. An introduction pipe for introducing liquid hydrogen into an enclosed space (hereinafter, this space may be referred to as “liquid hydrogen storage part”), and a discharge pipe for discharging hydrogen gas generated from the liquid hydrogen from the inside of the heat insulating container. The introduction pipe, the hydrogen adsorption member, and the discharge pipe are arranged so that the hydrogen gas passes through the hydrogen adsorption member and is discharged from the heat insulating container.
本発明の水素貯蔵装置は断熱容器を用いるため、外界から断熱容器内への熱の伝導を抑制することができ、水素貯蔵装置内に貯留された液体水素の気化を抑えることができる。 Since the hydrogen storage device of the present invention uses a heat insulating container, heat conduction from the outside to the heat insulating container can be suppressed, and vaporization of liquid hydrogen stored in the hydrogen storage device can be suppressed.
液体水素貯留部に導入管を通して液体水素が導入されると、断熱容器の内壁に接触することにより液体水素が沸騰して水素ガスが生ずる。この水素ガスは水素吸着部材内を通過した後に排出管から排出される。液体水素の沸騰により生じた水素ガスの温度は液体水素の沸点(20.4K)と略同等であり、この低温の水素ガスが水素吸着部材内を通過する際に水素吸着部材から熱を奪いながら断熱容器外に排出される。そのため、効率よく断熱容器内の熱を容器外に放出することが可能となる。 When liquid hydrogen is introduced into the liquid hydrogen storage part through the introduction pipe, the liquid hydrogen boils by contacting the inner wall of the heat insulating container to generate hydrogen gas. This hydrogen gas is discharged from the discharge pipe after passing through the hydrogen adsorbing member. The temperature of the hydrogen gas generated by the boiling of liquid hydrogen is substantially the same as the boiling point of liquid hydrogen (20.4 K), and when this low-temperature hydrogen gas passes through the hydrogen adsorbing member, it takes heat from the hydrogen adsorbing member. It is discharged outside the insulated container. Therefore, it becomes possible to efficiently release the heat in the heat insulating container to the outside of the container.
なお、本発明において水素吸着部材とはその表面に水素分子を吸着して保持可能な物質からなる部材をいい、該物質は、原子状水素を捉えて吸蔵する水素吸蔵合金とは区別されるものである。 In the present invention, the hydrogen adsorbing member refers to a member made of a substance capable of adsorbing and holding hydrogen molecules on its surface, which is distinguished from a hydrogen storage alloy that captures and stores atomic hydrogen. It is.
また、水素ガスが水素吸着部材内を通過する際に、その一部は水素吸着部材に吸着されて保持される。水素吸着部材に保持された水素は、水素貯蔵装置内に貯留された液体水素が全て蒸発した後でも該装置内に保持されるため、本発明の水素貯蔵装置は長期間にわたる水素貯蔵が可能である。 Further, when hydrogen gas passes through the hydrogen adsorbing member, a part thereof is adsorbed and held by the hydrogen adsorbing member. Since the hydrogen held in the hydrogen adsorption member is held in the device even after all the liquid hydrogen stored in the hydrogen storage device has evaporated, the hydrogen storage device of the present invention can store hydrogen for a long period of time. is there.
本発明の水素貯蔵装置は、水素吸着部材と液体水素貯留部とを仕切る仕切部材をさらに備えてもよい。仕切部材を備えることにより液体水素を導入する際に液体水素と水素吸着部材とが直接接触するのを抑制できる。このため、液体水素の突沸を防ぐことができる。 The hydrogen storage device of the present invention may further include a partition member that partitions the hydrogen adsorption member and the liquid hydrogen storage unit. By providing the partition member, it is possible to suppress the direct contact between the liquid hydrogen and the hydrogen adsorption member when introducing the liquid hydrogen. For this reason, bumping of liquid hydrogen can be prevented.
本発明の水素貯蔵装置においては、断熱容器内で水素吸着部材と液体水素貯留部とを水平方向に配置してもよい。この場合、本発明の水素貯蔵装置には水素吸着部材と液体水素貯留部とを仕切る仕切部材が設けられる。水素吸着部材と液体水素貯留部とを水平方向に配置することにより、水素貯蔵装置のレイアウトの自由度を拡げることができる。 In the hydrogen storage device of the present invention, the hydrogen adsorbing member and the liquid hydrogen storage unit may be disposed in the horizontal direction in the heat insulating container. In this case, the hydrogen storage device of the present invention is provided with a partition member that partitions the hydrogen adsorption member and the liquid hydrogen storage unit. By arranging the hydrogen adsorbing member and the liquid hydrogen storage portion in the horizontal direction, the degree of freedom of the layout of the hydrogen storage device can be expanded.
本発明の水素貯蔵装置においては、水素ガスが水素吸着部材内を蛇行して通過するように水素吸着部材内に隔壁を設けるようにしてもよい。水素ガスを水素吸着部材内で蛇行させることにより、水素吸着部材と水素ガスとの接触面積を増やすことができ、水素吸着能力を向上させることができる。 In the hydrogen storage device of the present invention, a partition wall may be provided in the hydrogen adsorbing member so that hydrogen gas meanders and passes through the hydrogen adsorbing member. By causing the hydrogen gas to meander in the hydrogen adsorbing member, the contact area between the hydrogen adsorbing member and the hydrogen gas can be increased, and the hydrogen adsorption capacity can be improved.
本発明によれば、長期間にわたって水素貯蔵が可能な水素貯蔵装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen storage apparatus which can store hydrogen over a long period can be provided.
以下に、本発明の水素貯蔵装置を図面を参照して説明する。なお、同様の機能を有する部材には、全図面を通じて同じ符合を付与し、その説明を省略することがある。 The hydrogen storage device of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is provided to the member which has the same function throughout all drawings, and the description may be abbreviate | omitted.
<第一実施形態>
図1は本発明の第一実施形態に係る水素貯蔵装置を示す図であり、図1(A)は水素貯蔵装置の斜視図を表し、図1(B)は、図1(A)のA−A線断面図を表す。第一実施形態に係る水素貯蔵装置は、断熱容器10と、断熱容器10の上部に設けられた導入管20及び排出管30と、を有する。
<First embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a hydrogen storage device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1 (A) shows a perspective view of the hydrogen storage device, and FIG. 1 (B) shows A in FIG. A cross-sectional view taken along the line -A. The hydrogen storage device according to the first embodiment includes a
断熱容器10は、図1(B)に示すようにタンク12とタンク12の外側を覆う断熱材14とで構成される。
As shown in FIG. 1B, the
タンク12としては、SUS又はステンレス製のタンク等を用いることができるがこれに限定されるものではない。
As the
断熱材14としては、多層インシュレーション(MLI)を用いることができる。MLIは、反射率の高い薄膜状の放射シールド材とシールド材間の熱伝導を防ぐスペーサ材とを交互に積層することにより構成される。シールド材としては片面あるいは両面アルミ蒸着されたポリエステルフィルム等が、スペーサ材としてはガラス繊維の布や紙、ナイロンネット等が用いられる。MLIは、シールド材をN枚挿入すると輻射による進入熱量を1/(N+1)に減少させることができる。
Multilayer insulation (MLI) can be used as the
断熱容器10の内部には水素吸着部材40が配置される。水素吸着部材40を構成する水素吸着材としては、活性炭、カーボンナノチューブ、Zn4O(1,4−ベンゼンジカルボン酸ジメチル)3等のMOF(多孔性金属有機構造)等が挙げられる。これらの材料は、顆粒状、ペレット状又はこれらの材料の粉末を袋に詰めた状態で用いられる。本実施形態では、ペレット状の活性炭を用いた。
A
断熱容器10の内壁と水素吸着部材40とに囲まれた空間である液体水素貯留部50には導入管20が連通され、液体水素が水素吸着部材40に直接触れることなく断熱容器10内に供給できるようになっている。
The
導入管20及び排出管30の各々にはバルブ60が設けられている。バルブ60は断熱材14に覆われており、水素ガス自体が熱媒となる熱進入を防ぐことができるようになっている。
Each of the
次に、第一実施形態に係る水素貯蔵装置に液体水素を貯蔵する際の各構成部材の作用について説明する。 Next, the operation of each component when liquid hydrogen is stored in the hydrogen storage device according to the first embodiment will be described.
導入管20を通じて液体水素貯留部50に液体水素を供給すると、タンク12の内壁の温度にもよるが、液体水素の一部が気化して液体水素温度近傍の水素ガスが生ずる。この水素ガスは水素吸着部材40を通過した後に排出管30を通じて断熱容器10内から排出される。水素吸着部材40を通過する際に水素ガスと水素吸着部材40との間で熱交換がおこり、水素吸着部材40を冷却すると共にその一部が水素吸着部材40に吸着されて保持される。水素ガスは水素吸着部材40から熱を奪った後に断熱容器10内から排出されるため、断熱容器10内を効率的に冷却することができる。また、水素吸着部材40に水素ガスが吸着される際に吸着熱が生ずるが、断熱容器10内から排出される水素ガスによって吸着熱も断熱容器10外に排出される。
When liquid hydrogen is supplied to the
タンク12の内壁が冷却されるに従い液体水素の気化が収まり、液体水素が液体水素貯留部50に貯留される。ペレット状の活性炭により構成された水素吸着部材40は、ペレット間に空隙を有するため、液体水素貯留部50の体積以上の液体水素を断熱容器10内に貯留することができる。水素吸着部材40に十分水素が吸着された後は、水素吸着部材40に液体水素が触れても吸着熱が発生せず、液体水素の突沸が生じない。
As the inner wall of the
また、ペレット状の活性炭により構成された水素吸着部材40を用いることにより圧損を小さくすることができ、その結果として液体水素の充填時間を短くすることができる。
Moreover, pressure loss can be made small by using the
液体水素の供給終了後、液体水素を保存する際に外部から断熱容器10内へ熱が進入することにより液体水素が沸騰して液体水素温度近傍の水素ガスがさらに生ずることがある。この場合も水素吸着部材40を通過した後に該水素ガスが断熱容器10内から排出されるため、効率よく断熱容器10内を冷却することができる。
When liquid hydrogen is stored after the supply of liquid hydrogen is finished, liquid hydrogen may boil due to heat entering the
上述のように、本発明の水素貯蔵装置によれば液体水素温度近傍の水素ガスを断熱容器10内の冷却に有効利用することができるため、液体水素の貯蔵効率を向上させることが可能となると共に液体水素の長期間保存が可能となる。
As described above, according to the hydrogen storage device of the present invention, the hydrogen gas in the vicinity of the liquid hydrogen temperature can be effectively used for cooling the inside of the
次に、第一実施形態に係る水素貯蔵装置の変形例について説明する。図2は、第一実施形態の第一の変形例に係る水素貯蔵装置のA−A線断面図を表す。図2に係る水素吸着部材40にはスリット42が設けられている。これにより、水素ガスと水素吸着部材40との間の熱交換の速度及び水素ガスの吸着速度を高めることができ、液体水素の導入速度を向上させることができる。
Next, a modified example of the hydrogen storage device according to the first embodiment will be described. FIG. 2: represents the sectional view on the AA line of the hydrogen storage apparatus which concerns on the 1st modification of 1st embodiment. The
水素吸着部材40にスリット42を設ける代わりに、液体水素貯留部50側から排出管30側に進むに従い水素吸着部材40を構成する活性炭(ペレット)の直径が小さくなるように該ペレットを配置することもできる。これにより、水素吸着部材40にスリット42を設けた場合と同様の効果が得られる。
Instead of providing the
図3は、第一実施形態の第二の変形例に係る水素貯蔵装置のA−A線断面図を表す。水素ガスが水素吸着部材40内を蛇行して通過可能なように水素吸着部材40内に隔壁44が設けられている。これにより、水素ガスと水素吸着部材40との間の熱交換の速度及び水素ガスの吸着速度を高めることができ、液体水素の導入速度を向上させることができる。
FIG. 3: represents the sectional view on the AA line of the hydrogen storage apparatus which concerns on the 2nd modification of 1st embodiment. A
<第二実施形態>
図4は、本発明の第二実施形態に係る水素貯蔵装置を示す図であり、図4(A)は水素貯蔵装置の斜視図を表し、図4(B)は、図4(A)のB−B線断面図を表す。第二実施形態に係る水素貯蔵装置においては、水素吸着部材40と液体水素貯留部50とが水平方向に配置されている。仕切部材70が水素吸着部材40と液体水素貯留部50とを仕切ることにより、液体水素が導入管20から供給された際に液体水素と水素吸着部材40とが直接接触することを防ぐことができる。このため、吸着熱による液体水素の突沸を防止し、液体水素の導入速度を向上させることができる。
<Second embodiment>
FIG. 4 is a view showing a hydrogen storage device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 (A) is a perspective view of the hydrogen storage device, and FIG. 4 (B) is a view of FIG. 4 (A). A sectional view taken along line BB is shown. In the hydrogen storage device according to the second embodiment, the
本発明の水素貯蔵装置をこのような態様とすることにより、タンク12の形状を細くすることができる。そのため当該水素貯蔵装置を例えば燃料電池自動車の燃料タンクとして用いる際に、搭載上有利となる。
By making the hydrogen storage device of the present invention into such an embodiment, the shape of the
<第三実施形態>
図5は、本発明の第三実施形態に係る水素貯蔵装置を示す図であり、図5(A)は水素貯蔵装置の斜視図を表し、図5(B)は、図5(A)のC−C線断面図を表す。第三実施形態に係る水素貯蔵装置においては、水素吸着部材40と液体水素貯留部50とが水平方向に配置されている。
<Third embodiment>
FIG. 5 is a view showing a hydrogen storage device according to the third embodiment of the present invention, FIG. 5 (A) is a perspective view of the hydrogen storage device, and FIG. 5 (B) is a view of FIG. 5 (A). A CC line sectional view is shown. In the hydrogen storage device according to the third embodiment, the
液体水素貯留部50には、円筒状の液体水素受け皿80が備えられている。液体水素受け皿80の底はタンク12と当接している。液体水素受け皿80はSUS系材料又はアルミなどで形成可能である。
The
導入管20を通じて供給された液体水素は、まず液体水素受け皿80に貯留される。液体水素受け皿80はタンク12と比較して低熱容量であるため、液体水素の突沸を抑制することができる。さらに、液体水素受け皿80の底とタンク12とは当接しているため、液体水素受け皿80は液体水素からタンク12への伝熱を促進することができる。
The liquid hydrogen supplied through the
排出管30の排出口近傍にはパラ−オルソ変換触媒である多孔質磁性体90が設けられている。水素には、スピン間の角運動量の違いに基づくパラ水素とオルソ水素とがある。常温ではオルソ水素とパラ水素とは3:1の比率で存在している一方、低温下ではパラ水素の方がエネルギーが低いため全てがパラ水素として存在する。そして、パラ−オルソ変換は吸熱反応である。
A porous
水素吸着部材40を通過し排出管30を通じて断熱容器10外に放出される水素ガスは、パラ水素である。排出管30の排出口近傍にパラ−オルソ変換触媒を配置することにより吸熱反応であるパラ−オルソ変換が生ずる。これにより、排出管30のパラ−オルソ変換触媒の配置された箇所は冷却され、排出管30を通してタンク12に熱が伝わるのを阻止することができる。
The hydrogen gas that passes through the
パラ−オルソ変換触媒の具体例としては、酸化鉄等が挙げられる。 Specific examples of the para-ortho conversion catalyst include iron oxide and the like.
なお、上述した第一乃至第三実施形態に係る水素貯蔵装置には、排出管30と通ずる空隙が存在するが、この空隙は水素ガスの排出を効率よく行うために設けられているものであり、本発明では必ずしもこの空隙が設けられていなくともよい。
In the hydrogen storage device according to the first to third embodiments described above, there is a gap that communicates with the
また、排出管30から水素ガスを取り出すようにしてもよいし、排出管30よりも小口径の水素取り出し管をさらに設け、液体水素を供給する際(大量の水素ガスを放出する必要がある場合)には排出管30から水素ガスを放出させ、水素ガスを使用する際(小量の水素ガスを放出する必要がある場合)には水素取り出し管から水素ガスを取り出すようにしてもよい。
Further, hydrogen gas may be taken out from the
本発明においては、断熱容器10内で水素吸着部材40が占める体積と液体水素貯留部50が占める体積との比率は水素貯蔵装置の使用目的などを勘案して適宜決定されるものであり、特に限定されるものではない。
In the present invention, the ratio of the volume occupied by the
10 断熱容器
12 タンク
14 断熱材
20 導入管
30 排出管
40 水素吸着部材
42 スリット
44 隔壁
50 液体水素貯留部
60 バルブ
70 仕切部材
80 液体水素受け皿
90 多孔質磁性体
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記断熱容器内に配設された水素吸着部材と、
前記断熱容器の内壁と前記水素吸着部材とに囲まれた空間に液体水素を導入する導入管と、
前記液体水素から生ずる水素ガスを前記断熱容器内から排出させる排出管と、
を備え、前記水素ガスが前記水素吸着部材内を通過した後に前記断熱容器内から排出されるように前記導入管と前記水素吸着部材と前記排出管とを配置した水素貯蔵装置。 An insulated container for storing liquid hydrogen;
A hydrogen adsorbing member disposed in the heat insulating container;
An introduction pipe for introducing liquid hydrogen into a space surrounded by the inner wall of the heat insulating container and the hydrogen adsorbing member;
A discharge pipe for discharging hydrogen gas generated from the liquid hydrogen from the inside of the heat insulating container;
And a hydrogen storage device in which the introduction pipe, the hydrogen adsorption member, and the discharge pipe are arranged so that the hydrogen gas passes through the hydrogen adsorption member and is then discharged from the heat insulating container.
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