JP5433447B2

JP5433447B2 - スラッシュ水素製造装置

Info

Publication number: JP5433447B2
Application number: JP2010020241A
Authority: JP
Inventors: 憲治中道; 誠一郎木村; 勇一木原; 卓伸神谷; 亮中村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP2010121932A

Description

本発明は、固体水素と液体水素が混在しているスラッシュ水素を製造するスラッシュ水素製造装置に関するものである。

スラッシュ水素を製造するスラッシュ水素製造装置としては、熱交換器の伝熱面に生成した固体水素を、螺旋状（錐状）の刃物を備えたオーガで削り落とすものが知られている（例えば、特許文献１，２）。

特開平６−２８１３２１号公報特許第３６００３８６号公報

しかしながら、上記特許文献に開示されているスラッシュ水素製造装置では、削り落とされた固体水素の粒径を小さくするのに限界があり、スラッシュ水素の固化率を思うように上げることができないといった問題点があった。
また、オーガの刃先と伝熱面との間に所定のクリアランス（例えば、５０μｍ）を設けなければならず、製造しずらいといった問題点もあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、スラッシュ水素の固化率を向上させることができるスラッシュ水素製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明によるスラッシュ水素製造装置は、液体水素容器の内部に貯留された液体水素の中に配置された、平板状の伝熱面を有する板状の熱交換器が複数枚設けられ、前記伝熱面の表面に生成した固体水素が、オーガによって掻き落とされるスラッシュ水素製造装置であって、前記伝熱面と前記伝熱面との間には、これら伝熱面に沿って往復動可能に収容された、前記オーガを構成する板状の振動板がそれぞれ配置されており、前記伝熱面と対向する前記振動板の表面には、前記振動板の幅方向に沿って形成された刃が、前記振動板の高さ方向に沿って、前記振動板の高さ方向と直交するとともに互いに平行になるようにして複数枚設けられており、前記オーガが、往復動アクチュエータもしくは超音波振動子とロッドを介して連結されているとともに、前記往復動アクチュエータもしくは超音波振動子の振動に伴って前記オーガも同じように振動するように構成され、かつ、前記刃が樹脂材料でできているとともに、各刃の先端部が前記伝熱面の表面と当接するように構成されている。
このようなスラッシュ水素製造装置によれば、オーガの刃によって削り落とされた固体水素の粒が、液体水素容器の底部へ落下していく途中で、別の刃と衝突する（出会う）ことによって砕かれることとなるので、固体水素の粒の径をさらに小さく（微粒化）することができる。
このように、固体水素の粒径を小さくすることにより、例えば、燃料電池自動車、水素自動車等の水素を燃料として走行する車両に搭載される車載用水素充填タンクに充填（補充）するような場合には、スラッシュ水素の固化率を上げることができて、車載用水素充填タンク内における水素の蒸発を低減させることができるとともに、水素の利用効率を向上させることができる。
また、このようなスラッシュ水素製造装置によれば、往復動アクチュエータもしくは超音波振動子によりオーガが、微小振動させられることになるので、刃によって削り落とされる固体水素の粒径をさらに小さくすることができる。
また、このようなスラッシュ水素製造装置によれば、伝熱面に生成した固体水素を確実に削り落とすことができて、製造効率を向上させることができる。
また、オーガの刃が伝熱面の表面と接触しても伝熱面の表面を傷つけるおそれがないので、刃の先端と伝熱面の表面との間のクリアランス（間隙）の調整を省略することができる。

本発明によれば、スラッシュ水素の固化率を向上させることができるという効果を奏する。

本発明によるスラッシュ水素製造装置の第１参考実施形態を示す概略構成図である。本発明によるスラッシュ水素製造装置の第２参考実施形態を示す要部拡大図である。本発明によるスラッシュ水素製造装置の第１実施形態を示す要部概略構成図である。本発明によるスラッシュ水素製造装置の第３参考実施形態を示す概略構成図である。本発明によるスラッシュ水素製造装置の第４参考実施形態を示す図であって、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。本発明によるスラッシュ水素製造装置の第５参考実施形態を示す概略構成図であって、（ａ）は液体水素容器の底部へ落下した固体水素の粒が少ないときの状態を示す図、（ｂ）は液体水素容器の底部へ落下した固体水素の粒が多いときの状態を示す図である。

以下、本発明によるスラッシュ水素製造装置の第１参考実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本実施形態によるスラッシュ水素製造装置１０の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態によるスラッシュ水素製造装置１０は、液体水素（例えば、１３．８Ｋの液体水素）Ｌを貯留する液体水素容器１１と、この液体水素容器１１内に配置された円筒状の伝熱面１２を有する熱交換器１３と、伝熱面１２の表面に生成した固体水素（図示せず）を掻き落とすオーガ１４とを主たる要素として構成されている。

液体水素容器１１は、その内部が真空とされ、かつその内面に、例えば、銅板等の輻射シールド板（図示せず）が貼られた断熱真空容器（図示せず）の中に収容されており、これにより、外部から液体水素容器１１へ侵入する熱の低減化が図られることとなる。

熱交換器１３は、液体水素容器１１内に貯溜された液体水素Ｌよりも温度の低い極低温の流体（例えば、ヘリウム）を発生させる極低温流体発生装置１５と、極低温流体供給管１６および極低温流体戻り管１７を介して接続（連結）されている。極低温流体発生装置１５で発生した極低温流体（例えば、ヘリウム）は、極低温流体供給管１６を通って熱交換器１３に供給され、液体水素容器１１内の液体水素Ｌと熱交換させられて伝熱面１２の表面に固体水素を生成させた後、極低温流体戻り管１７を通って極低温流体発生装置１５に戻されるようになっている。

オーガ１４は、伝熱面１２に沿って往復動可能に収容された円筒状の部材であり、その外周面（すなわち、伝熱面１２と対向する面）には、周方向に沿って形成された刃１４ａが、オーガ１４の長手方向（図１において上下方向）に沿って複数枚（本実施形態では１５枚）設けられている。オーガ１４は、ロッド１８を介して駆動用の往復動アクチュエータもしくは超音波振動子１９に接続（連結）されており、往復動アクチュエータもしくは超音波振動子１９が図１中の矢印の方向（上下方向）に振動すると、その振動に伴ってオーガ１４も同じように図１中の矢印の方向（上下方向）に振動し、伝熱面１２に生成した固体水素が、オーガ１４の刃１４ａによって削り落とされ、固体水素の粒２０となって、液体水素容器１１の底部へ落下しスラッシュ水素を形成するようになっている。

本実施形態によるスラッシュ水素製造装置１０によれば、周方向に沿って形成された刃１４ａを、その長手方向に沿って複数枚有するオーガ１４が、往復動アクチュエータもしくは超音波振動子１９により微小振動させられるとともに、伝熱面１２に生成した固体水素が、これら刃１４ａによって削り落とされるようになっているので、固体水素の粒２０の径を小さくすることができる。
また、オーガ１４の刃１４ａによって削り落とされた固体水素の粒２０が、液体水素容器１１の底部へ落下していく途中で、別の刃１４ａと衝突する（出会う）ことによって砕かれることとなるので、固体水素の粒２０の径をさらに小さく（微粒化）することができる。
このように、固体水素の粒２０の径を小さくすることにより、例えば、燃料電池自動車、水素自動車等の水素を燃料として走行する車両に搭載される車載用水素充填タンクに充填（補充）するような場合には、スラッシュ水素の固化率を上げることができて、車載用水素充填タンク内における水素の蒸発を低減させることができるとともに、水素の利用効率を向上させることができる。

本発明によるスラッシュ水素製造装置の第２参考実施形態を、図２を用いて説明する。
図２は本実施形態によるスラッシュ水素製造装置２５は、オーガ１４の刃１４ａが樹脂材料（例えば、ＰＴＦＥ、ＰＣＴＦＥ、ＰＥＥＫ、ＧＦＲＰ等）でできているとともに、各刃１４ａの先端部が伝熱面１２の表面と当接（接触）するように構成されているという点で前述した第１参考実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１参考実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図２の左半分に示すように、往復動アクチュエータもしくは超音波振動子１９が振動して、オーガ１４が一方向（図２において下方向）に移動する場合には、伝熱面１２に生成した固体水素が、オーガ１４の刃１４ａによって削り落とされる（掻き落とされる）こととなる。
一方、図２の右半分に示すように、往復動アクチュエータもしくは超音波振動子１９が振動して、オーガ１４が他方向（図２において上方向）に移動する場合には、伝熱面１２に生成した固体水素が、オーガ１４の刃１４ａによって掻き上げられることとなる。

本実施形態によるスラッシュ水素製造装置２５によれば、オーガ１４の刃１４ａが樹脂材料でできているとともに、各刃１４ａの先端部が伝熱面１２の表面と当接するように構成されているので、伝熱面１２に生成した固体水素を確実に削り落とすことができて、製造効率を向上させることができる。
また、オーガ１４の刃１４ａが伝熱面１２の表面と接触しても伝熱面１２の表面を傷つけるおそれがないので、刃１４ａの先端と伝熱面１２の表面との間のクリアランス（間隙）の調整を省略することができる。
その他の作用効果は、前述した第１参考実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるスラッシュ水素製造装置の第１実施形態を、図３を用いて説明する。
本実施形態におけるスラッシュ水素製造装置３０は、円筒状の伝熱面１２を有する熱交換器１３の代わりに、平坦な（平板状の）伝熱面３１を有する板状の熱交換器３２が複数枚設けられているという点で前述した実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

熱交換器３２は、液体水素容器１１内に貯溜された液体水素Ｌに完全に漬かるように、そして、伝熱面３１と伝熱面３１との間に所定のクリアランスが形成されるように配列されている。
伝熱面３１と伝熱面３１との間には、これら伝熱面３１に沿って往復動可能に収容された、オーガ３３を構成する板状の振動板３４がそれぞれ配置されている。振動板３４の表面（すなわち、伝熱面３１と対向する面）には、振動板３４の幅方向に沿って形成された刃３５が、振動板３４の長手方向（図３において上下方向）に沿って複数枚（本実施形態では１４枚）設けられている。

本実施形態によるスラッシュ水素製造装置３０によれば、上述した実施形態のものよりも広い伝熱面積を確保することができるので、製造効率を向上させることができる。
オーガ３３が、往復動アクチュエータもしくは超音波振動子１９により微小振動させられるとともに、伝熱面３１に生成した固体水素が、これら刃３５によって削り落とされるようになっているので、固体水素の粒２０（図１参照）の径を小さくすることができる。
また、振動板３４に設けられた刃３５によって削り落とされた固体水素の粒２０が、液体水素容器１１（図１参照）の底部へ落下していく途中で、別の刃３５と衝突する（出会う）ことによって砕かれることとなるので、固体水素の粒２０の径をさらに小さく（微粒化）することができる。
このように、固体水素の粒２０の径を小さくすることにより、例えば、燃料電池自動車、水素自動車等の水素を燃料として走行する車両に搭載される車載用水素充填タンクに充填（補充）するような場合には、スラッシュ水素の固化率を上げることができて、車載用水素充填タンク内における水素の蒸発を低減させることができるとともに、水素の利用効率を向上させることができる。
さらに、刃３５が樹脂材料（例えば、ＰＴＦＥ、ＰＣＴＦＥ、ＰＥＥＫ、ＧＦＲＰ等）でできている場合には、図２を用いて説明したように、各刃３５の先端部が伝熱面３１の表面と当接するように構成することができるので、伝熱面３１に生成した固体水素を確実に削り落とすことができて、製造効率を向上させることができる。
さらにまた、刃３５が伝熱面３１の表面と接触しても伝熱面３１の表面を傷つけるおそれがないので、刃３５の先端と伝熱面３１の表面との間のクリアランス（間隙）の調整を省略することができる。

本発明によるスラッシュ水素製造装置の第３参考実施形態を、図４を用いて説明する。
図４は本実施形態によるスラッシュ水素製造装置４０の概略構成図である。図４に示すように、本実施形態によるスラッシュ水素製造装置４０は、液体水素（例えば、１３．８Ｋの液体水素）Ｌを貯留する液体水素容器１１と、この液体水素容器１１内に配置された円筒状の伝熱面１２を有する熱交換器１３と、伝熱面１２の表面に生成した固体水素（図示せず）を掻き落とすオーガ４１と、固体水素送出ポンプ４２と、撹拌機（「粉砕機」あるいは「分散機」ともいう。）４３とを主たる要素として構成されている。
なお、前述した実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

オーガ４１は、伝熱面１２に沿って回転可能に収容された円筒状の部材であり、その外周面（すなわち、伝熱面１２と対向する面）には、長手方向に沿って螺旋状に形成された刃４１ａが設けられている。オーガ４１は、ロッド１８を介して駆動用のモータ４４に接続（連結）されており、モータ４４が回転すると、その回転に伴ってオーガ４１も同じように（図４中の矢印の方向（図４の上方から見て反時計方向）に回転し、伝熱面１２に生成した固体水素が、オーガ４１の刃４１ａによって削り落とされ、固体水素の粒２０となって、固体水素送出ポンプ４２の側へ落下していくようになっている。

固体水素送出ポンプ４２は、オーガ４１の刃４１ａによって削り落とされた固体水素の粒２０を捕集するケーシング４５と、このケーシング４５の内部に収容されたインデューサ（回転羽根）４６とを備えている。インデューサ４６は、ロッド４７を介してオーガ４１に接続（連結）されており、モータ４４およびオーガ４１が回転すると、その回転に伴ってインデューサ４６も同じように回転し、オーガ４１の刃４１ａによって削り落とされた固体水素の粒２０を、ダクト（配管）４８を介して撹拌機４３の側へ送出するようになっている。

撹拌機４３は、ダクト４８を介して導かれた固体水素２０を、往復動アクチュエータもしくは超音波振動子４９を振動させることにより粉砕（分散）した後、ダクト４８の出口４８ａから小径化（微細化）された固体水素を排出するように構成されたものである。

本実施形態によるスラッシュ水素製造装置４０によれば、オーガ４１の刃４１ａによって削り落とされた固体水素の粒２０が、撹拌機４３によって小さく砕かれることとなるので、固体水素の粒２０の径をさらに小さく（微粒化）することができる。
このように、固体水素の粒２０の径を小さくすることにより、例えば、燃料電池自動車、水素自動車等の水素を燃料として走行する車両に搭載される車載用水素充填タンクに充填（補充）するような場合には、スラッシュ水素の固化率を上げることができて、車載用水素充填タンク内における水素の蒸発を低減させることができるとともに、水素の利用効率を向上させることができる。

本発明によるスラッシュ水素製造装置の第４参考実施形態を、図５を用いて説明する。
図５（ａ）は本実施形態によるスラッシュ水素製造装置５０の概略構成図である。図５（ａ）に示すように、本実施形態によるスラッシュ水素製造装置５０は、液体水素（例えば、１３．８Ｋの液体水素）Ｌを貯留する液体水素容器１１と、この液体水素容器１１内に配置された円筒状の伝熱面１２を有する熱交換器１３と、伝熱面１２の表面に生成した固体水素（図示せず）を掻き落とすオーガ４１と、固化率向上機構５１とを主たる要素として構成されている。
なお、前述した実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

固化率向上機構５１は、図５（ｂ）に示すように、板厚方向に貫通した複数個の穴５２を有する平面視円形状を呈する押圧板５３と、この押圧板５３を液体水素容器１１の底部の側へ付勢する付勢機構５４と、押圧板５３を液体水素容器１１の深さ方向（図５（ａ）において上下方向）に往復動させる往復動機構５５とを備えている。
付勢機構５４は、押圧板５３の上面に接続（連結）された複数本のロッド５６と、これらロッド５６を案内するガイド５７と、このガイド５７内に収容され、ロッド５６および押圧板５３を液体水素容器１１の底部の側へ付勢するバネ５８とを備えている。
往復動機構５５は、押圧板５３の上面に接続（連結）された複数本のロッド５９と、これらロッド５９および押圧板５３を液体水素容器１１の深さ方向に往復動させる図示しない駆動源とを備えている。

本実施形態によるスラッシュ水素製造装置５０によれば、押圧板５３の穴５２を通ってあるいは押圧板５３の周縁と液体水素容器１１の内壁面との間を通って、液体水素容器１１の底部へ落下した固体水素の粒が、往復動機構５５によって往復動する押圧板５３の下面によって液体水素容器１１の底部に押し付けられ、その固化率が向上させられることとなる。また、往復動機構５５が作動していないときには、付勢機構５４によって液体水素容器１１の底部の側へ付勢される押圧板５３により、液体水素容器１１の底部に堆積した固体水素の粒が液体水素容器１１の底部に押し付けられたままの状態となり、その固化率が維持されることとなる。
このように、スラッシュ水素の固化率が向上させられることにより、例えば、燃料電池自動車、水素自動車等の水素を燃料として走行する車両に搭載される車載用水素充填タンクに充填（補充）するような場合には、車載用水素充填タンク内における水素の蒸発を低減させることができるとともに、水素の利用効率を向上させることができる。

本発明によるスラッシュ水素製造装置の第５参考実施形態を、図６を用いて説明する。
図６は本実施形態によるスラッシュ水素製造装置６０の概略構成図である。図６に示すように、本実施形態によるスラッシュ水素製造装置６０は、液体水素（例えば、１３．８Ｋの液体水素）Ｌを貯留する液体水素容器１１と、この液体水素容器１１内に配置された円筒状の伝熱面１２を有する熱交換器１３と、伝熱面１２の表面に生成した固体水素（図示せず）を掻き落とすオーガ４１と、固体水素送出ポンプ４２と、固化率向上機構６１とを主たる要素として構成されている。
なお、前述した実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

固化率向上機構６１は、その中央部に、板厚方向に貫通した穴６２を有する平面視円形状を呈する押圧板６３と、この押圧板６３を液体水素容器１１の底部の側へ付勢する付勢機構５４と、押圧板５３を液体水素容器１１の深さ方向（図６において上下方向）に往復動させる往復動機構５５とを備えている。
固体水素送出ポンプ４２のケーシング４５の下端と押圧板６３の上面とは、入れ子式のダクト６４を介して接続（連結）されており、オーガ４１の刃４１ａによって削り落とされた固体水素の粒は、インデューサ４６によってダクト６４の側に送り出された後、ダクト６４内および押圧板６３の穴６２を通って液体水素容器１１の底部に導かれるようになっている。

本実施形態によるスラッシュ水素製造装置６０によれば、押圧板６３の穴６２を通って液体水素容器１１の底部へ落下した固体水素の粒が、往復動機構５５によって往復動する押圧板６３の下面によって液体水素容器１１の底部に押し付けられ、その固化率が向上させられることとなる。また、往復動機構５５が作動していないときには、付勢機構５４によって液体水素容器１１の底部の側へ付勢される押圧板６３により、液体水素容器１１の底部に堆積した固体水素の粒が液体水素容器１１の底部に押し付けられたままの状態となり、その固化率が維持されることとなる。
このように、スラッシュ水素の固化率が向上させられることにより、例えば、燃料電池自動車、水素自動車等の水素を燃料として走行する車両に搭載される車載用水素充填タンクに充填（補充）するような場合には、車載用水素充填タンク内における水素の蒸発を低減させることができるとともに、水素の利用効率を向上させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態のものに限定されるものではなく、適宜必要に応じて変更実施および組合せ実施可能である。

１０スラッシュ水素製造装置
１１液体水素容器
１２伝熱面
１３熱交換器
１４オーガ
１４ａ刃
１８ロッド
１９往復動アクチュエータもしくは超音波振動子
２５スラッシュ水素製造装置
３０スラッシュ水素製造装置
３１伝熱面
３２熱交換器
３３オーガ
３５刃
４０スラッシュ水素製造装置
４１オーガ
４１ａ刃
４３撹拌機
５０スラッシュ水素製造装置
５１固化率向上機構
６０スラッシュ水素製造装置
６１固化率向上機構
Ｌ液体水素

Claims

液体水素容器の内部に貯留された液体水素の中に配置された、平板状の伝熱面を有する板状の熱交換器が複数枚設けられ、前記伝熱面の表面に生成した固体水素が、オーガによって掻き落とされるスラッシュ水素製造装置であって、
前記伝熱面と前記伝熱面との間には、これら伝熱面に沿って往復動可能に収容された、前記オーガを構成する板状の振動板がそれぞれ配置されており、前記伝熱面と対向する前記振動板の表面には、前記振動板の幅方向に沿って形成された刃が、前記振動板の高さ方向に沿って、前記振動板の高さ方向と直交するとともに互いに平行になるようにして複数枚設けられており、
前記オーガが、往復動アクチュエータもしくは超音波振動子とロッドを介して連結されているとともに、前記往復動アクチュエータもしくは超音波振動子の振動に伴って前記オーガも同じように振動するように構成され、かつ、
前記刃が樹脂材料でできているとともに、各刃の先端部が前記伝熱面の表面と当接するように構成されていることを特徴とするスラッシュ水素製造装置。