JP5124918B2 - 水素貯蔵装置 - Google Patents

Description

本発明は水素貯蔵装置に関する。

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。

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。）。
特開２００１−２２０１０１号公報

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である場合があった。

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。

上記目的を達成するための本発明の水素貯蔵装置は、内部空間と液体水素流入口と水素ガス流出口とを有する断熱容器と、前記内部空間に充填された水素吸着材と、を備えたものである。

本発明の水素貯蔵装置は断熱容器を用いるため、外界から内部空間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蔵された液体水素の気化を抑えることができる。さらに、内部空間には水素吸着材が充填される。内部空間に充填された水素吸着材は水素分子を吸着して保持する。水素吸着材に保持された水素は、水素貯蔵装置内に貯蔵された液体水素が全て蒸発した後でも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。

なお、本発明において水素吸着材とはその表面に水素分子を吸着して保持可能な物質をいい、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。

本発明の水素貯蔵装置においては、内部空間の一部に水素吸着材が充填された態様であってもよい。内部空間の一部に水素吸着材を充填することにより、内部空間に水素吸着材が充填されていない部分を設けることができ、内部空間への液体水素の充填量を増やすことができる。

本発明の水素貯蔵装置においては、水素吸着材は、内部空間の５〜３０％を占めるように充填されていてもよい。水素吸着材の占める量が３０％以下であれば液体水素の充填量を十分なものとすることができる。また、水素吸着材の占める量が５％以上であれば水素吸着材に保持される水素の量を十分なものとすることができる。水素吸着材は、内部空間の１０〜２５％を占めるように充填されていることがさらに好ましい。

内部空間の一部に水素吸着材が充填される場合、内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が１：１となるように分けたときの反重力方向側（即ち、水素貯蔵装置の上部）に水素吸着材が充填されるようにしてもよい。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、重力方向側（即ち、水素貯蔵装置の下部）に水素吸着材が充填されていない部分を設けることができる。水素吸着材が充填されていない部分に液体水素を充填することにより、水素吸着材に液体水素が触れることに起因する液体水素の気化を抑制し、液体水素の充填効率を向上させることができる。

また、液体水素を充填する際に生ずる水素ガスは水素貯蔵装置の上部に充填された水素吸着材に吸着保持される。水素吸着材に水素ガスが吸着される際には吸着熱が生ずるが、充填の際に生ずる水素ガスは液体水素温度（２０．４Ｋ）と略同等であり、この低温の水素ガスが吸着熱を奪うために水素貯蔵装置内の温度上昇を抑制することができる。

反重力方向側に水素吸着材が充填される場合、水素ガス流出口は、水素吸着材に吸着された水素を取り出し可能なように設けられてもよい。これにより、気化した水素から取り出すことが可能となる。水素吸着材に吸着された水素を取り出すためには、例えば、水素吸着材の充填されている箇所に水素ガス流出口を設けるようにすればよい。

また、内部空間の一部に水素吸着材が充填される場合、内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が１：１となるように分けたときの重力方向側（即ち、水素貯蔵装置の下部）に水素吸着材が充填されるようにしてもよい。水素貯蔵装置の下部に水素吸着材が充填された場合、水素吸着材に水素を十分に吸着させることができる。そのため、装置内に液体水素が存在しなくなった場合であっても多くの水素を保持できる。

本発明の水素貯蔵装置においては、内部空間の水素吸着材が充填されていない部分と、液体水素流入口と、を連通する水素流入管をさらに備えるようにしてもよい。このような構成とすることにより、水素貯蔵装置への液体水素供給の際に、液体水素が水素吸着材に触れることなく供給できるため、液体水素の充填効率を向上させることができる。

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。

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。図１（Ａ）は、本発明の第一実施形態に係る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液体水素流入口２０及び水素ガス流出口３０と、を有する。断熱容器１０の内部空間４０を、鉛直線Ｂと直交する面で体積が１：１となるように分けたときの反重力方向側（即ち、水素貯蔵装置の上部）には、水素吸着材５０が充填されている。液体水素流入口２０と内部空間４０の水素吸着材５０が充填されていない部分とは、水素流入管６０で連通されている。水素ガス流出口３０は、水素吸着材５０に吸着された水素を取り出し可能なように、断熱容器１０の上部に設けられている。

断熱容器１０には、外面に断熱材（多層インシュレーション：ＭＬＩ）の設けられた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。

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。

水素吸着材５０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。

内部空間４０内に金属メッシュ等で仕切りを形成し、該仕切り内にペレット状の活性炭を充填した。

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。

液体水素流入口２０から注入された液体水素は水素流入管６０を介して内部空間４０の水素吸着材５０が充填されていない部分に供給される。水素流入管６０を介して供給された液体水素は水素吸着材５０と直接接触することがない。内部空間４０内の温度や、断熱容器１０の内壁の温度にもよるが、供給された液体水素の一部は気化して液体水素温度近傍の水素ガスを生ずる。この水素ガスが内部空間４０及び水素吸着材５０を冷却し、水素ガス流出口３０から排出されるとともにその一部が水素吸着材５０により吸着されて保持される。水素ガスが水素吸着材５０により吸着される際に吸着熱が生ずるが、液体水素温度近傍の水素ガスにより冷却されるため内部空間４０内及び水素吸着剤５０の温度上昇は抑制される。

内部空間４０が冷却されるに従い液体水素の気化が収まり、液体水素が内部空間４０に充填される。液体水素の充填量は、液体水素の膨張率を勘案して適量充填される。水素吸着材５０に十分水素が吸着された後は、液体水素が水素吸着材５０に触れてもよい。水素が十分吸着された水素吸着材５０に液体水素が触れても吸着熱が発生せず、液体水素の沸騰が生じないためである。この場合、水素吸着材５０の充填された部分を膨張した液体水素の緩衝部分とすることもできる。

第一実施形態に係る水素貯蔵装置によれば、液体水素と水素吸着材５０とが直接触れることによる突沸を防ぎ、液体水素の充填時間を短縮することができる。

水素貯蔵装置に充填された水素は、水素ガス流出口３０から取り出され、使用される。水素取り出しを容易にするために内部空間４０内にヒーターを設けるようにしてもよい。内部空間４０内に充填された液体水素がなくなった後でも、水素が水素吸着材５０に吸着されているため、本発明に係る水素貯蔵装置は長期間にわたる水素貯蔵が可能である。

次に、本発明の水素貯蔵装置の第二実施形態について説明する。図２（Ａ）は、本発明の第二実施形態に係る水素貯蔵装置の斜視図を表し、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図を表す。第二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液体水素流入口２０及び水素ガス流出口３０と、を有する。断熱容器１０の内部空間４０を、鉛直線Ｂと直交する面で体積が１：１となるように分けたときの重力方向側（即ち、水素貯蔵装置の下部）には、水素吸着材５０が充填されている。断熱容器１０及び水素吸着剤５０としは、第一実施形態に記載のものを用いることができる。本実施形態では、ペレット状の活性炭を用い、第一実施形態と同様にして充填した。

液体水素流入口２０から注入された液体水素は内部空間４０に供給される。水素吸着材５０と接触することにより液体水素が突沸するおそれがあるときは、水素吸着剤５０をあらかじめ冷却しておくことが好ましい。冷却方法としては、少量の液体水素を内部空間４０内に徐々に供給して冷却するようにすればよい。水素貯蔵装置に充填された水素は、水素ガス流出口３０から取り出され、使用される。第二実施形態に係る水素吸着剤５０は、液体水素と接触して多くの水素を吸着、保持することができる。そのため、液体水素がなくなった後でも本発明に係る水素貯蔵装置は長期間にわたる水素貯蔵が可能である。

本発明の水素貯蔵装置には、内部空間４０の内圧の上昇を抑えるために開放弁をさらに設けてもよい。また、断熱容器の内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が１：１となるように分けたときの反重力方向側（即ち、水素貯蔵装置の上部）及び重力方向側（即ち、水素貯蔵装置の下部）の両方に水素吸着材を充填するようにしてもよい。

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ため、水素ガスを燃料として用いる燃料電池自動車用の水素貯蔵装置に好適に用いることができる。

本発明の第一実施形態に係る水素貯蔵装置の斜視図（Ａ）及び、Ａ−Ａ線断面図（Ｂ）を表す。 本発明の第二実施形態に係る水素貯蔵装置の斜視図（Ａ）及び、Ｃ−Ｃ線断面図（Ｂ）を表す。

符号の説明

１０ 断熱容器
２０ 液体水素流入口
３０ 水素ガス流出口
４０ 内部空間
５０ 水素吸着材
６０ 水素流入管

Claims (3)

1. 内部空間と液体水素流入口と水素ガス流出口とを有する断熱容器と、
   前記内部空間に充填された水素吸着材と、
   を備えた水素貯蔵装置であって、
   前記内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が１：１となるように分けたときの重力方向側であって液体水素の貯蔵される領域に、前記内部空間の一部を占めるように前記水素吸着材が充填され、
   前記内部空間を、鉛直線と直交する面で体積が１：１となるように分けたときの重力方向側が、前記内部空間の底部である水素貯蔵装置。
2. 前記水素吸着材が、前記内部空間の５〜３０％を占めるように充填された請求項１に記載の水素貯蔵装置。
3. 前記内部空間の前記水素吸着材が充填されていない部分と、前記液体水素流入口と、を連通する水素流入管をさらに備えた請求項１又は２に記載の水素貯蔵装置。

Images