JPH0566881B2

JPH0566881B2 -

Info

Publication number: JPH0566881B2
Application number: JP62093198A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Ebato; Keiji Tamura; Hiroshi Yoshida; Tomohiro Yasunaga
Original assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 1987-04-17
Filing date: 1987-04-17
Publication date: 1993-09-22
Also published as: JPS63259300A

Description

【発明の詳細な説明】（産業状の利用分野）本発明は、熱交換器ユニツト、とくに金属水素
化物を利用した水素貯蔵、蓄熱、ヒートポンプ等
に用いる水素吸蔵合金用熱交換器ユニツトに関す
る。

（従来の技術）一般に水素吸蔵合金として知られるLa−Ni合
金、Mm−Ni合金（Mmはミツシユメタル）、
Mg−Ni合金、Fe−Ti合金などは水素と可逆的
に反応し、〔MH〕＋Ｑ〔Ｍ〕＋H₂ （Ｍは合金、Ｑは反応熱）なる関係がある。

水素吸蔵合金に含まれる水素は標準状態で水素
ガスの約1000倍の水素密度を有し、優れた蓄水素
能力を有する。また、安全性、経済性の上からも
液体水素、固体水素に優るため、水素吸蔵合金を
用いた水素貯蔵・輸送システムが考えられてい
る。

また、上式で示したように、水素吸蔵合金が水
素と可逆的に反応するときに反応熱を吸収、放出
することを利用することにより、水素吸蔵合金を
蓄熱体として、太陽熱、風力、工場排熱等を蓄熱
し、必要に応じて熱を取り出し利用する蓄熱シス
テムの開発が行われている。

また、同く排熱等を用いて、ある一定の間隔で
水素の吸蔵、放出を繰り返し、そのときの反応吸
熱あるいは反熱発熱を利用するヒートポンプシス
テムの開発も行われている。

上記何れのシステムにおいても、最も重要とな
るのは、速やかな水素と水素吸蔵合金との反応で
あり、その反応速度と反応量とによつてそのシス
テムの性能が決定される。水素吸蔵合金は一般に
水素と反応することにより30％程度の体積膨張を
伴い、そのため微粉化してしまう。微粉体状水素
吸蔵合金は熱伝導率が1w／ｍＫと銅の約1/300程
度しかなく、また粉体粒径も数ミクロン〜数十ミ
クロン程度と細かいために、粉末層状の水素吸蔵
合金内の熱伝導及び水素の透過が、水素吸蔵合金
の反応を速める目的に対して最も大きな障害とな
る。

特開昭56−114802号公報では熱伝導性多孔質材
料の塊状体に微粉状金属水素化物を充填させ、塊
状体を金属水素化物の粒径よりも小さい目をもつ
フイルターで覆われた水素吸蔵ユニツトを開示し
ている。特開昭57−23796号公報では水素ガスを
保持する圧力容器と、その内部に熱交換部とを有
し、熱交換部は適度の通気性と強度を有する材料
で形成された容器と、その壁体の内面に適度の保
温性、通気性及び体積弾性を有する保温材と、保
温材で囲繞されて形成される空間内に配設された
熱交換管と、空間内に充填された水素貯蔵合金粒
子とから構成され、圧力容器は熱交換器外の水素
ガス配管に、熱交換管両端部は圧力容器内に配設
された管を介して熱交換器外の熱交換流体配管に
それぞれ接続された水素貯蔵合金を利用した熱交
換器を開示している。実公昭62−478号公報では
複数の水素吸蔵用の薄い肉厚の管容器を平行に並
べ、高圧の操作圧にも耐えられ、管容器と熱交換
部材と間挿部材とを結束帯で密着結束した比較的
小型かつ軽量化された水素化吸蔵容器を提案して
いる。また、実公昭62−479号公報ではケース内
に水素吸蔵合金を載置する凹状受板を上下方向に
おいて所定間隔を隔てて多段に配置し、凹状受板
で形成される各区画室はそれぞれの外周部で連通
するように設定し、ケースの水素の供給口と排出
口とを設けると共に、凹状受板に熱媒通路管を貫
通させた水素吸蔵容器を提案している。一般に水
素吸蔵合金を利用する熱交換器ユニツトは、水素
ガス保持部、水素吸蔵合金充填部、断熱部、熱交
換器及びフイルター部とから構成される。

（発明が解決しようとする問題点）従来、このような熱交換器ユニツトにおいて
は、水素吸蔵合金が水素を吸蔵したときの体積膨
張を見込んで、水素ガス保持部として水素吸蔵合
金の体積の30％以上の空隙を設けていたが、水素
吸蔵合金の膨張を見込んで空隙を設けた場合、水
素吸蔵合金粉体間の接触が弱く、水素吸蔵合金の
熱伝導率の低下を招いてしまう。また、熱交換器
と水素吸蔵合金との接触も弱く、ここでも熱交換
率が低下することを免れない。一方、水素吸蔵合
金の膨張量よりも水素ガス保持部の空隙を小さく
し、水素ガス保持容器によつて水素吸蔵合金を押
さえ込むようにした場合には、水素ガス圧力と水
素吸蔵合金膨張圧力が容器にかかるため容器の設
計を過大な耐圧構造としなければならず、重量増
となり好ましくない。また、水素吸蔵合金に押し
圧力を掛け、密な充填層とした場合には水素の流
れが低下し、水素吸蔵合金の熱伝導が向上しても
水素が水素吸蔵合金に供給されにくい。

本発明の目的は、水素吸蔵合金を利用した熱交
換器ユニツトにおいて問題となる水素吸蔵合金と
熱交換器との熱伝導率の向上による反応速度の促
進及び水素ガスの水素吸蔵合金への速やかな供給
確保により、熱交換率を向上することができると
共に、大型化も容易にでき、簡単な構造により製
造コストを低減することができる水素吸蔵合金用
熱交換器ユニツトを提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、水素ガス管継手を有する水素ガス圧
力保持用外筒と、その内部に水素吸蔵合金と熱交
換器とを収容する熱交換用内筒よりなり、前記外
筒と内筒とは断熱及び水素流路を兼ねる空間で隔
てられ、前記内筒の一部に設けた窓孔にはプレー
ト状の水素透過用フイルターを、水素吸蔵合金の
中にはパイプ状の水素透過用フイルターをそれぞ
れ設けてなるものにおいて、粉末層状に充填され
た、水素吸蔵合金中に、粒径：0.04〜４mmの樹技
状もしくは、粒径：0.04〜４mmのフレーク状の良
熱伝導性金属粉体を、５〜30％分散混入したこと
を特徴とする水素吸蔵合金用熱交換器ユニツト。
に関し、このように構成することによつて上述し
た問題点を解決しようとするものである。

次に本発明を図面にもとづいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明水素吸蔵合金用熱交換器ユニツ
トの縦断面図を示し、水素ガス圧力を保持する外
筒１と、その内部に粉末層状の水素吸蔵合金（以
下、単に「合金」という）１０と熱交換器９とを
収容する内筒２とから構成されており、第２図は
内筒２の縦断面図を示し、第３図は第１図のＡ−
A′断面図である。

外筒１と内筒２とは、溶接によつて気密に接続
されている。これはフランジ構造などの他の接合
法であつても構わない。外筒１と内筒２とは断熱
及び水素粒路を兼ねた空間５で隔てられている。
断熱材としてカオウール、ガラスウール等の通気
性材料を充填してもよい。外筒１には水素ガス管
継手３が取り付けられている。内筒２は、熱媒体
の流入口４、流出口４′、熱交換器９、合金１０、
合金充填用蓋８及び内筒２の一部に設けた窓孔１
２に固定されたプレート状の水素透過用フイルタ
ー７、端末層状の合金１０の中に配置されたパイ
プ状の水素透過用フイルター６とから構成され
る。内筒２の内壁には断熱材が貼付されてもよ
い。外筒１、内筒２及び合金充填用蓋８の材質と
しては適度な強度を有する耐水素性鉄鋼、ステン
レス鋼などがよい。また、前記パイプ状のフイル
ター６、プレート状のフイルター７の材質として
は銅、ステンレス鋼など金属粉末の焼結体が適当
である。また、熱交換器９の材質としては熱伝導
率の高い銅チユーブ、耐食性の高いステンレス鋼
チユーブなどがよい。熱交換器９は、熱媒体流入
口４に接続され、更に内筒２内でＵターンし、熱
媒体流出口４′に接続された複数本のチユーブか
らなる。

内筒２内に合金１０を充填する場合は合金１０
が水素を吸蔵して膨張した際に過度の内圧を生じ
ず、また、合金１０の上部に余裕空間が残らない
ように充填して、合金充填用蓋８をビス止めで固
定する。しかる後に、内筒２を外筒１に挿入し、
内筒２と外筒１の接続部１１を溶接し、固定する
と同時に気密を保つことにより、この装置の組立
が終了する。

次に、本装置の作用を説明する。

この装置において合金１０に水素を吸蔵させる
場合には、所定の温度、水素圧力条件下で、水素
ガス管継手３から水素ガスを供給することによ
り、水素ガスは空間５を通つて、外筒１内に行き
わたり、プレート状のフイルター７及びパイプ状
のフイルター６からの合金１０に入り、吸蔵され
る。このとき合金１０からは、水素との反応熱が
発生し、熱交換器９を介して熱媒体に伝達され
る。次に、合金１０から水素を放出させる場合に
は、所定の温度の熱媒体を熱媒体流入口４から供
給する。このとき、熱媒体の温度は熱交換器９を
介して合金１０に伝えられ、所定の圧力の水素を
放出し同時に吸熱する。合金１０から放出された
水素は、プレート状のフイルター７及びパイプ状
のフイルター６を通り、空間５を通つて水素ガス
管継手３から放出される。この装置においては、
空間５を通して水素圧を内筒２に均一にかけるこ
とにより速やかに合金１０に水素を供給すること
ができる。このとき、内筒２の内・外は速やかに
同圧になるので内筒は水素ガス耐圧構造でなくて
もよい。また、このような構造であるため、水素
供給のために、高価なフイルターを使用すること
を最小限にとどめることができコスト低減に大き
く寄与する。また、合金１０は、内筒２により包
囲されているため、合金１０が水素を吸蔵すると
きの合金の膨張により若干押さえつけられる。こ
のため、合金１０は熱交換器９との接触が密にな
り熱交換率が向上するだけでなく、合金１０の空
隙率が低下し合金１０自体の熱伝導率が向上す
る。従つて、合金１０と水素との反応が促進され
実用上の熱効率が向上する。このとき内筒２は合
金１０が膨張しようとする若干の圧力を受ける
が、水素ガス容器である外筒１への影響はない。
また、断熱作用をする空間５を有するために、合
金１０の反応熱が外部に漏れることから防止され
熱効率がよくなる。

システムを大型化し装置を大きくする必要が生
じる場合は長手方向に大きくすることは全く影響
を与えないが、直径方向に大きくした場合には合
金１０自体の抵抗によつて、水素の透過が悪くな
るので、合金１０の直径に併せてパイプ状のフイ
ルター６を増やすことにより、本装置を大型化し
ても、小型のときと同様に合金１０に速やかに水
素を供給することができる。

従来、合金１０に銅、アルミニウム等の良熱伝
導金属粉体を混入した後に、CIP（冷間静水圧法）
などにより圧縮成形し、合金１０の熱伝導率を向
上させる方法などが考えられているが、工程が複
雑であり、コスト高にもなる。一方、本装置にお
いては、合金１０に樹技状の銅または鉄あるいは
フレーク状の銅、アルミニウムまたは鉄からなる
粒径がそれぞれ0.04〜４mmの金属粉体を５〜30％
混入するだけで、後は水素を吸蔵するときの合金
１０の膨張力により自然に適度に圧縮成形され、
かつ樹技状の銅または鉄あるいはフレーク状の
銅、アルミニウム、または鉄が相互に接触し合う
ことが分かつた。このため合金１０の密充填と混
入金属粉体との相乗効果により合金１０の熱伝導
率を大幅に向上させることができた。

ここで金属粉体を樹技状あるいはフレーク状と
した理由は、比表面積の大きな形状の粉体とする
ためである。例えば球状、粒状などでは合金１０
の伝熱性をよくするために多量に混入しなければ
ならず、それに伴つて無駄な顕熱損失を招き、熱
効率を低下させる。また、金属粉体の粒径を0.04
〜４mmとした理由は、0.04mm未満では混入する金
属粒子間で接触する点ないし面が多過ぎて伝熱性
が低下し、また金属粒子が小さすぎて粉末混合な
どの点でハンドリングが行いにくくなる一方、４
mmを超えると混入する金属粉体の間隙が大き過ぎ
て伝熱性が予期した以上に上がらなくなる。

また、金属粉体の混入率を５〜30％とし理由
は、５％未満では金属粉体相互の接触が保たれな
いため伝熱性の向上が図れず、他方、30％を超え
ると伝熱性の向上に寄与しない余剰の金属粉体が
生じて顕熱損失、すなわち熱効率の低下を招く。

実施例１本発明の水素吸蔵合金用熱交換器ユニツトを用
いて反応速度を調べた結果を示す。

（条件）粉末層状の水素吸蔵合金：：Ti−Fe系水素吸蔵合金10Kg H₂の供給量：600N 上記の条件で実施した場合の反応速度は８分で
あつた。比較例としてパイプ状の水素透過用フイ
ルター６を設けない熱交換器ユニツトを用いて、
上記の条件と同一にして実施した場合の反応速度
は10分であつた。これにより本発明ユニツトの反
応速度の方が２分速いことが分かる。

実施例２実施例１においてTi−Fe系水素吸蔵合金10Kg
に、樹枝の銅粉末3.3Kgを混合して実施したとこ
ろ、反応速度は５分であつた。これよりTi−Fe
系水素吸蔵合金のみの場合より反応速度が３分速
いことが分かる。

実施例３実施例１においてTi−Fe系水素吸蔵合金10Kg
に、フレーク状のアルミニウム粉末1.8Kgを混合
して実施したところ、反応速度は５分であつた。
これよりTi−Fe系水素吸蔵合金のみの場合より
反応速度が３分速いことが分かる。

（発明の効果）本発明の水素吸蔵合金用交換器ユニツトによれ
ば、粉末層状の水素吸蔵合金と熱交換器との熱伝
導率向上による反応速度の促進及び水素ガスの水
素吸蔵合金への速やかな供給確保により、熱交換
率を向上することができ、しかも大型化も容易に
でき、簡単な構造なので製造コストを低減するこ
とができ、その効果はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る水素吸蔵合金用熱交換器
ユニツトの縦断面図、第２図は第１図内筒の縦断
面図、第３図は第１図のＡ−A′断面図である。１……水素ガス圧力保持用外筒、２……内筒、
３……水素ガス管継手、４……熱媒体流入口、
４′……熱媒体流出口、５……空間、６……パイ
プ状の水素透過用フイルター、７……プレート状
の水素透過用フイルター、８……水素吸蔵合金充
填用蓋、９……熱交換器、１０……粉末層状の水
素吸蔵合金、１１……内筒と外筒の接続部、１２
……窓孔。

Claims

【特許請求の範囲】

１水素ガス管継手を有する水素ガス圧力保持用
外筒と、その内部に水素吸蔵合金と熱交換器とを
収容する熱交換用内筒よりなり、前記外筒と内筒
とは断熱及び水素流路を兼ねる空間で隔てられ、
前記内筒の一部に設けた窓孔にはプレート状の水
素透過用フイルターを、水素吸蔵合金の中にはパ
イプ状の水素透過用フイルターをそれぞれ設けて
なるものにおいて、粉末層状に充填された、水素
吸蔵合金中に、粒径：0.04〜４mmの樹枝状もし
は、粒径：0.04〜４mmのフレーク状の良熱伝道性
金属粉体を、５〜30％分散混入したことを特徴と
する水素吸蔵合金用熱交換器ユニツト。