JP5208567B2 - 水素ガス放出・吸蔵システム - Google Patents
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Description
本発明は、水素ガス放出・吸蔵システムに係り、特に、潜熱蓄熱材と水素吸蔵合金を組み合わせてなる水素ガス放出・吸蔵システムに関する。
最近では、潜熱蓄熱材が様々な分野で利用されている（例えば、特許文献１）。この特許文献１では、コモンレールなどの燃料供給経路の周囲に潜熱蓄熱材を収容する潜熱蓄熱材収容室を形成し、この潜熱蓄熱材収容室の周囲に冷却水通路を形成している。エンジンの始動時には、トリガーによる発核操作で潜熱蓄熱材の過冷却状態が解除され、その際に発生する凝固熱で燃料が加熱される。エンジンが始動した後は、廃熱で加熱された冷却水を冷却水通路に流し、凝固した蓄熱材を再度溶解させて次回のエンジン始動時に備えることになる。
他方、水素吸蔵合金も蓄熱装置をはじめとしてさまざまな分野で利用されている（例えば、特許文献２）。この蓄熱装置では、燃焼排気ガスの熱エネルギーで水素吸蔵合金を加熱し、放出された水素ガスを水素ガス収納タンクに蓄えられる。熱を利用するときには、水素ガス収容タンクの水素ガスを水素吸蔵合金タンクに送り、水素ガスが吸蔵されるときに熱が発生し、この熱を暖房などに利用するようになっている。
また、潜熱蓄熱方式と水素吸蔵合金方式を複合させて水素の貯蔵および供給に応用する技術も提案されている（特許文献３）
特許文献３に記載された発明は、水素吸蔵合金と、水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵する時に発生する熱を蓄えるとともに水素吸蔵合金が水素ガスを放出する時に必要な熱を与える潜熱蓄熱材と、水素吸蔵合金と熱交換を行う熱交換器と、水素吸蔵合金、潜熱蓄熱材及び熱交換器を納める圧力容器を備え、潜熱蓄熱材が複数の密閉容器に収められるとともに水素吸蔵合金中に混入されている、というものである。
特許文献３に記載された発明は、水素吸蔵合金と、水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵する時に発生する熱を蓄えるとともに水素吸蔵合金が水素ガスを放出する時に必要な熱を与える潜熱蓄熱材と、水素吸蔵合金と熱交換を行う熱交換器と、水素吸蔵合金、潜熱蓄熱材及び熱交換器を納める圧力容器を備え、潜熱蓄熱材が複数の密閉容器に収められるとともに水素吸蔵合金中に混入されている、というものである。
この特許文献３の発明では、圧力容器内の水素吸蔵合金に水素ガスを吸蔵させるときには、そのときに発生する熱で、潜熱蓄熱材が加熱される。潜熱蓄熱材の温度が融点（約３０℃）に達すると、水素吸蔵合金の発熱エネルギーは潜熱として潜熱蓄熱材に蓄えられる。潜熱蓄熱材が一定温度より高くなると、水素ガスの吸収効率が低下するので、圧力容器を熱交換器で冷却するようになっている。
水素ガスを放出して供給するときには、潜熱蓄熱材を凝固させ、このときの放出される潜熱を利用して水素吸蔵合金を加熱するようになっている。この引用文献３の発明では、潜熱蓄熱材が過冷却した状態にあると、水素ガスの供給速度が遅くなる問題があることから、潜熱蓄熱材を過冷却させないようにする防止装置が設けられている。
特開２００６−３１６７７５号公報
特許第２５７３８６２号公報
特開２００６−１７７４３４号公報
しかしながら、特許文献３の発明では、潜熱蓄熱材を過冷却しないため、水素ガスの放出と吸蔵の間を連続させており、システムを休止させた後に、時間をおいて適宜水素ガスの放出を行うというようなことができない。
また、過冷却防止装置を設けるため、システムの構成が複雑になるという問題がある。
そこで、本発明の目的は、前記従来技術が有する問題点を解決し、潜熱蓄熱材の凝固熱と、水素吸蔵合金の水素吸蔵熱を合理的に無駄なく自己完結的に利用して、水素ガスの放出、吸蔵を行えるエネルギー効率の高い水素ガス放出・吸蔵ユニットを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、必要な時に、必要なだけ水素吸蔵合金の加熱が行え、必要な量の水素ガスの放出を可能とする水素ガス放出・吸蔵システムを提供することにある。
前記の目的を達成するために、本発明は、水素吸蔵合金と、その周囲に配置され過冷却状態で発核させることで凝固熱を発生する潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除するトリガー手段と、を備えた水素ガス放出・吸蔵ユニットであって、前記水素ガス放出・吸蔵ユニットは、二重構造の隔壁によって前記水素吸蔵合金を収容する密閉容器が形成され、前記二重構造の隔壁内部の空間に潜熱蓄熱材が充填され、前記潜熱蓄熱材の発生する凝固熱を利用して前記水素吸蔵合金を加熱するプロセスと、前記水素吸蔵合金の水素吸蔵熱を利用して前記潜熱蓄熱材を溶解させるプロセスと、が自己完結する閉じた循環系をなしていることを特徴とするものである。
また、本発明は、水素吸蔵合金と、その周囲に配置され過冷却状態で発核させることで凝固熱を発生する潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除するトリガー手段と、を備えた水素ガス放出・吸蔵ユニットであって、二重構造の隔壁によって前記水素吸蔵合金を収容する密閉容器が形成され、前記二重構造の隔壁内部の空間に潜熱蓄熱材が充填され、前記潜熱蓄熱材の発生する凝固熱を利用して前記水素吸蔵合金を加熱するプロセスと、前記水素吸蔵合金の水素吸蔵熱を利用して前記潜熱蓄熱材を溶解させるプロセスと、が自己完結する閉じた循環系をなしている水素ガス放出・吸蔵ユニットと、前記各水素ガス放出・吸蔵ユニットから放出され、および各水素ガス放出・吸蔵ユニットに吸蔵される水素ガス流路を形成し、前記各水素ガス放出・吸蔵ユニットを並列に接続する水素ガス配管と、 各水素ガス放出・吸蔵ユニット毎に設けられ、水素ガス流路を個別に開閉するバルブと、 前記各水素ガス放出・吸蔵ユニットの前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除するトリガー手段を個別に作動させる操作と各バルブの個別の開閉操作を統合的に制御する制御装置と、からなることを特徴とするものである。
また、本発明は、水素吸蔵合金と、その周囲に配置され過冷却状態で発核させることで凝固熱を発生する潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除するトリガー手段と、を備えた水素ガス放出・吸蔵ユニットであって、二重構造の隔壁によって前記水素吸蔵合金を収容する密閉容器が形成され、前記二重構造の隔壁内部の空間に潜熱蓄熱材が充填され、前記潜熱蓄熱材の発生する凝固熱を利用して前記水素吸蔵合金を加熱するプロセスと、前記水素吸蔵合金の水素吸蔵熱を利用して前記潜熱蓄熱材を溶解させるプロセスと、が自己完結する閉じた循環系をなしている水素ガス放出・吸蔵ユニットと、前記各水素ガス放出・吸蔵ユニットから放出され、および各水素ガス放出・吸蔵ユニットに吸蔵される水素ガス流路を形成し、前記各水素ガス放出・吸蔵ユニットを並列に接続する水素ガス配管と、 各水素ガス放出・吸蔵ユニット毎に設けられ、水素ガス流路を個別に開閉するバルブと、 前記各水素ガス放出・吸蔵ユニットの前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除するトリガー手段を個別に作動させる操作と各バルブの個別の開閉操作を統合的に制御する制御装置と、からなることを特徴とするものである。
本発明によれば、潜熱蓄熱材の凝固熱と、水素吸蔵合金の水素吸蔵熱を合理的に無駄なく自己完結的に利用して、水素ガスの放出、吸蔵を行え、必要な時に、必要なだけ水素吸蔵合金の加熱が行え、必要な量の水素放出を可能とする。
また、一回の過冷却解除操作ですべての潜熱蓄熱材から凝固熱が放出されることなく潜熱蓄熱材の所要量による加熱を行え、水素ガスの放出に凝固熱を有効活用できるとともに、次回の水素ガスの放出に備えて必要な分だけ水素吸蔵合金により潜熱蓄熱材を加熱できるので、次回の水素ガスの放出に支障が生じることなく、エネルギー効率の高い水素ガス放出・吸蔵システムを構築することができる。
以下、本発明による水素ガス放出・吸蔵システムの一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態による水素ガス放出・吸蔵システムの構成単位を示す。この図１において、参照番号１０は、水素ガス放出・吸蔵ユニットを示す。この実施形態では、図２に示されるように、水素ガス放出・吸蔵ユニット１０を４つ並列に接続してシステムを構成した例が示されている。
図１は、本実施形態による水素ガス放出・吸蔵システムの構成単位を示す。この図１において、参照番号１０は、水素ガス放出・吸蔵ユニットを示す。この実施形態では、図２に示されるように、水素ガス放出・吸蔵ユニット１０を４つ並列に接続してシステムを構成した例が示されている。
図１において、水素ガス放出・吸蔵ユニット１０の本体部は密閉容器１１から構成されている。この密閉容器１１の内部には、水素吸蔵合金収容室１２が形成されており、水素吸蔵合金１４が収容されている。密閉容器１１の周壁はその内部が空洞になった二重構造の壁になっており、空洞は潜熱蓄熱材収容室１５として潜熱蓄熱材１６が充填されている。この潜熱蓄熱材１６を過冷却状態にあって発核させると凝固熱を発生する。それぞれ水素ガス放出・吸蔵ユニット１０は、相互に影響を及ぼさない独立のユニットとして形成されるとともに、集合体全体でひとつの水素ガス放出・吸蔵システムを構成する要素になっている。
図２において、それぞれの水素ガス放出・吸蔵ユニット（以下、それぞれ参照番号１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとして区別する）は、水素ガス配管１８によって並列に接続されている。水素ガス配管１８は、分岐管１８ａ乃至１８ｄを含み、これら分岐管１８ａ乃至１８ｄは、各水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄの水素ガス出入り口１９ａ乃至１９ｄに接続されている。各分岐管１８ａ乃至１８ｄには、流路を開閉するバルブ２０ａ乃至２０ｄが設けられている。これらの分岐管１８ａ乃至１８ｄは合流して水素ガス配管１８に連続する。水素ガス配管１８は、水素ガス需要機器２２、水素ガス供給系２３と切換バルブ２４を介して接続されている。水素ガス需要機器２２としては、燃料電池発電装置、燃料電池、水素エンジンをはじめとする水素ガスを消費する種々の装置、システムがある。
次に、図２において、参照番号２４ａ乃至２４ｄは、それぞれの水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄの潜熱蓄熱材１６を発核させるため過冷却状態を解除するトリガー手段を示す。このトリガー手段は、例えば、潜熱蓄熱材１６に刺激を与えるもので、加熱ヒータなどがある。
次に、図２において、参照番号２４ａ乃至２４ｄは、それぞれの水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄの潜熱蓄熱材１６を発核させるため過冷却状態を解除するトリガー手段を示す。このトリガー手段は、例えば、潜熱蓄熱材１６に刺激を与えるもので、加熱ヒータなどがある。
これらトリガー手段２４ａ乃至２４ｄは、制御装置２６から送信される信号によって作動する。制御装置２６は、任意のトリガー手段２４ａ乃至２４ｄを個別に作動させることができる。また、トリガー手段２４ａ乃至２４ｄのうち、複数を任意に組み合わせ、あるいはすべてを作動させることもできる。
また、制御装置２６は、各バルブ２０ａ乃至２０ｄの開閉操作を個別に、あるいは、いずれかを組み合わせて開閉させる動作を制御する。この場合、トリガー手段２４ａ乃至２４ｄの作動と、各バルブ２０ａ乃至２０ｄの開閉操作は、制御装置２６によって統合されている。
本実施形態による水素ガス放出・吸蔵システムは、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。
本実施形態による水素ガス放出・吸蔵システムは、相互に独立した水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄの集合体からなっている。各水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄでは、水素吸蔵合金１４の周囲に配置された潜熱蓄熱材１６の凝固熱によって、水素吸蔵合金１４が加熱されて水素ガスを放出する。逆に、水素ガスが水素吸蔵合金１４に吸蔵されると、その水素吸蔵熱で潜熱蓄熱材１６が溶解される。これらの水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄでは、個別に水素ガスの放出、吸蔵を行える。
本実施形態による水素ガス放出・吸蔵システムは、相互に独立した水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄの集合体からなっている。各水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄでは、水素吸蔵合金１４の周囲に配置された潜熱蓄熱材１６の凝固熱によって、水素吸蔵合金１４が加熱されて水素ガスを放出する。逆に、水素ガスが水素吸蔵合金１４に吸蔵されると、その水素吸蔵熱で潜熱蓄熱材１６が溶解される。これらの水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄでは、個別に水素ガスの放出、吸蔵を行える。
そこで、まず水素ガスを放出する場合の作用についてより詳しく説明する。
この実施形態では、制御装置２６でトリガー手段２４ａ乃至２４ｂのうち任意のトリガー手段を作動させ、バルブ２０ａ乃至２０ｄのうち任意のバルブを開閉することができるようになっている。例えば、水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａだけから水素ガスを放出させる場合には、バルブ２０ａだけを開き、残りのバルブ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは閉じたままにしておく。そして、トリガー手段２４ａを作動させて、水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａの潜熱蓄熱材１６の過冷却状態を解除する。水素吸蔵合金１４は、潜熱蓄熱材１６に回りを囲まれているので、凝固熱によって水素吸蔵合金１４は加熱され、水素ガスが発生する。水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａから放出された水素ガスは、分岐管１８ａから水素ガス配管１８を流れて水素ガス需要機器２２に供給される。水素ガスの供給を停止するときには、バルブ２０ａを閉めればよい。
同様に、水素ガス需要機器２２での水素ガスの需用が多く、水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄのうち、３つのユニットで需要に対応する場合には、例えば、バルブ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを開き、バルブ２０ｄは閉じておく。トリガー手段２４ａ乃至２４ｃを作動させると、水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｃのそれぞれにおいて水素吸蔵合金１４が潜熱蓄熱材１６の凝固熱によって加熱されて水素ガスを発生する。水素ガスは水素ガス配管１８で合流して水素ガス需要機器２２に送られることになる。
水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄのすべてのユニットで需要に対応する場合も同様である。
水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄのすべてのユニットで需要に対応する場合も同様である。
このように、水素ガス需要機器２２での水素ガスの需要の変動に対応できるように、任意の水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄを選択して、必要な時に必要な量だけ水素ガスを供給することができる。とりわけ、水素ガス需要機器２２で短時間の水素ガス需要しかない場合には、必要な水素ガスを短時間だけ供給することができる。このため、水素ガスの放出量に対して潜熱蓄熱材１６で発生する凝固熱が過剰になって、有効に活用されない不都合を回避することができる。また、長時間、システムが休止していたような場合に潜熱蓄熱材１６を発核させていつでも過冷却状態を解除して水素吸蔵合金１４の加熱を行い、ただちに水素放出を行うことができる。しかも、廃熱等を熱源にするのと異なり、潜熱蓄熱材１６に蓄熱された熱を利用できるので、設置場所を選ばず、外部からのエネルギーの供給の必要のない効率の良い自己完結的な閉じた系をなすシステムにすることができる。
次に、水素ガスを吸蔵する場合の作用について説明する。
例えば、水素が放出された後の水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａに再び水素ガスを吸蔵させる場合、まずバルブ２０ａだけを開き、残りのバルブ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは閉じたままにしておく。次に、水素ガス供給系２３から水素ガス供給管１８を通じて水素ガスを水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａに送ると、水素吸蔵合金１４に水素ガスが吸蔵されると同時に、水素吸蔵熱が発生する。この水素吸蔵熱は、水素吸蔵合金１４を取り囲むように配置された潜熱蓄熱材１６を溶解する。こうして、水素を吸蔵した後の水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａをいつでも水素を放出可能な状態にすることができる。
例えば、水素が放出された後の水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａに再び水素ガスを吸蔵させる場合、まずバルブ２０ａだけを開き、残りのバルブ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは閉じたままにしておく。次に、水素ガス供給系２３から水素ガス供給管１８を通じて水素ガスを水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａに送ると、水素吸蔵合金１４に水素ガスが吸蔵されると同時に、水素吸蔵熱が発生する。この水素吸蔵熱は、水素吸蔵合金１４を取り囲むように配置された潜熱蓄熱材１６を溶解する。こうして、水素を吸蔵した後の水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａをいつでも水素を放出可能な状態にすることができる。
同様に、水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄのうち、３つの水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃで水素ガスを放出してしまった場合には、例えば、バルブ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを開き、バルブ２０ｄは閉じておく。そして、水素ガス供給系２３から水素ガスを水素ガス供給管１８を通じてそれぞれ水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃに送り込む。
それぞれの水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃでは、水素吸蔵合金１４に水素が吸蔵されるのと同時に、水素吸蔵熱が発生する。この水素吸蔵熱は、水素吸蔵合金１４を取り囲むように配置された潜熱蓄熱材１６を溶解することで蓄熱される。こうして、水素を吸蔵した後の水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａでは、潜熱蓄熱材１６の過冷却状態を解除させれば、システムの休止があった場合、連続運転の場合を問わず、いつでも水素を放出可能な状態にすることができる。
水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄのすべてのユニットに水素を吸蔵させる場合も同様である。
このように、任意の水素ガス放出・吸蔵ユニット１０ａ乃至１０ｄを選択して、水素ガス需要機器２２での水素ガス需要の一時的な変動に対応して、必要な量だけ水素ガスを供給した後、再び、水素ガスを吸蔵させて水素ガスを放出可能な状態することができるので、次回の水素ガス放出に支障が生じることがなくなる。
なお、以上の実施形態では、本発明の用途として、燃料電池発電システムなどに適用する形態を挙げて説明したが、本発明は、この他にも、水素ガスの輸送、水素ガスの需要変動に対応するための水素の一時貯蔵に利用することが可能である。
１０ａ〜１０ｄ 水素ガス放出・吸蔵ユニット
１１ 密閉容器
１２ 水素吸蔵合金収容室
１４ 水素吸蔵合金
１５ 潜熱蓄熱材収容室
１６ 潜熱蓄熱材
１８ 水素ガス配管
１８ａ〜１８ｄ 分岐管
２０ａ〜２０ｄ バルブ
２２ 水素ガス需要機器
２３ 水素ガス供給系
２４ トリガー手段
１１ 密閉容器
１２ 水素吸蔵合金収容室
１４ 水素吸蔵合金
１５ 潜熱蓄熱材収容室
１６ 潜熱蓄熱材
１８ 水素ガス配管
１８ａ〜１８ｄ 分岐管
２０ａ〜２０ｄ バルブ
２２ 水素ガス需要機器
２３ 水素ガス供給系
２４ トリガー手段
Claims (3)
- 水素吸蔵合金と、その周囲に配置され過冷却状態で発核させることで凝固熱を発生する潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除するトリガー手段と、を備えた水素ガス放出・吸蔵ユニットであって、前記水素ガス放出・吸蔵ユニットは、二重構造の隔壁によって前記水素吸蔵合金を収容する密閉容器が形成され、前記二重構造の隔壁内部の空間に潜熱蓄熱材が充填され、前記潜熱蓄熱材の発生する凝固熱を利用して前記水素吸蔵合金を加熱するプロセスと、前記水素吸蔵合金の水素吸蔵熱を利用して前記潜熱蓄熱材を溶解させるプロセスと、が自己完結する閉じた循環系をなしていることを特徴とする水素ガス放出・吸蔵ユニット。
- 水素吸蔵合金と、その周囲に配置され過冷却状態で発核させることで凝固熱を発生する潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除するトリガー手段と、を備えた水素ガス放出・吸蔵ユニットであって、二重構造の隔壁によって前記水素吸蔵合金を収容する密閉容器が形成され、前記二重構造の隔壁内部の空間に潜熱蓄熱材が充填され、前記潜熱蓄熱材の発生する凝固熱を利用して前記水素吸蔵合金を加熱するプロセスと、前記水素吸蔵合金の水素吸蔵熱を利用して前記潜熱蓄熱材を溶解させるプロセスと、が自己完結する閉じた循環系をなしている水素ガス放出・吸蔵ユニットと、
前記各水素ガス放出・吸蔵ユニットから放出され、および各水素ガス放出・吸蔵ユニットに吸蔵される水素ガス流路を形成し、前記各水素ガス放出・吸蔵ユニットを並列に接続する水素ガス配管と、
各水素ガス放出・吸蔵ユニット毎に設けられ、水素ガス流路を個別に開閉するバルブと、
前記各水素ガス放出・吸蔵ユニットの前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除するトリガー手段を個別に作動させる操作と各バルブの個別の開閉操作を統合的に制御する制御装置と、
からなることを特徴とする水素ガス放出・吸蔵システム。 - 前記水素ガス放出・吸蔵ユニットは、各水素ガス放出・吸蔵ユニットが相互に影響を及ぼさない独立のユニットとして形成され、これらが集合体をなすことを特徴とする請求項３に記載の水素ガス放出・吸蔵システム。
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| Publication Number | Publication Date |
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