JPH09227101A

JPH09227101A - 加熱器付水素吸蔵合金充填容器

Info

Publication number: JPH09227101A
Application number: JP8036446A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sato; 広一佐藤; Koichi Nishimura; 康一西村; Shin Fujitani; 伸藤谷; Ikuro Yonezu; 育郎米津; Koji Nishio; 晃治西尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1996-02-23
Publication date: 1997-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池等に水素ガスを供給する水素吸蔵合
金が充填された容器について、水素ガス放出中、水素吸
蔵合金の吸熱反応による温度低下を防止するために、電
気、ガス等の外部熱源を用いることなく、容器を加熱す
る。【解決手段】容器１の壁面又はその近傍に、触媒２１
を具えた加熱器２を配備する。容器内の水素吸蔵合金か
ら放出される水素ガスの一部が、水素流路４を通って加
熱器に供給され、加熱器での触媒燃焼によって、容器温
度は上昇する。容器内部の温度は温度センサー６によっ
て検知され、制御部５により、水素流路に設けられた弁
７の動作がコントロールされ、水素ガスの供給量が調節
され、加熱器内での触媒燃焼量が調節され、水素吸蔵合
金は所定温度に維持される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池等に水素
ガスを供給する水素吸蔵合金が充填された容器の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、水素ガスをエネルギー源とする燃
料電池、水素自動車、ヒートポンプ等の装置が開発さ
れ、これら装置への水素ガスの供給は、水素を可逆的に
吸蔵／放出する水素吸蔵合金を利用して行なわれる。水
素吸蔵合金は、粉末または成形体の形態で所定の容器に
充填される。容器(１)は、図１７に示す如く、壁面に水
素ガスの放出口となる水素配管(３)が連繋され、その他
端は燃料電池等の所望の装置(図示せず)に接続されてい
る。

【０００３】ところで、水素吸蔵合金が水素ガスを放出
する反応は、吸熱反応であるため、水素ガス放出に伴っ
て水素吸蔵合金の温度は低下し、水素ガスの放出量が次
第に減少する。このため、水素吸蔵合金から十分な水素
ガスを放出させるには、水素吸蔵合金をある程度加熱し
て、温度低下を防止する必要がある。そこで、例えば、
図１７に示す如く、熱媒が流通する管(81)を容器(１)の
壁面から内部に挿入し、電気、ガス等の外部エネルギー
源によって作動する外部熱源(８)により加熱された熱媒
体を熱媒管(81)の中を通過させて、水素吸蔵合金を昇温
させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、水素ガスをエ
ネルギー源とする燃料電池、水素自動車等は、外部電
源、ガス等の他のエネルギー源を確保し難い場所で使用
されることが多く、水素吸蔵合金を外部熱源によって加
熱することは支障がある。外部熱源にバッテリー等を接
続し、充電したバッテリーにより外部熱源を作動させる
ことも可能であるが、装置の規模が大きくなる。また、
熱媒管(81)を容器の内部に挿入した場合、粉末(11)状の
水素吸蔵合金の充填には問題ないが、成形体状の水素吸
蔵合金を充填することは困難である。

【０００５】本発明の目的は、外部熱源を必要とせず
に、水素吸蔵合金を所定温度に維持できる容器を提供す
ることであり、容器内に貯蔵された水素ガスを燃料電池
等に安定供給できるようにすることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、容器(１)の壁
面又はその近傍に、触媒(21)を具えた加熱器(２)を配備
し、容器(１)に充填された水素吸蔵合金から放出される
水素ガスの一部を加熱器(２)に供給し、水素ガスを加熱
器(２)内の触媒(21)と反応させて触媒燃焼させることに
より、容器(１)の温度を上昇させることができるように
したものである。

【０００７】望ましくは、本発明の容器(１)は、温度セ
ンサー(６)によって容器(１)内の水素吸蔵合金の温度を
検知し、容器(１)から加熱器(２)に連通する水素流路
(４)に、水素流路(４)の開閉を行なう弁(７)を設け、温
度センサー(６)と弁(７)に連繋された制御部(５)により
弁(７)の動作をコントロールし、温度センサー(６)が検
知した温度に応じて、加熱器(２)内で触媒燃焼させるべ
き水素ガスの供給量を調節し、容器(１)内の水素吸蔵合
金を所定温度に維持できるようにする。即ち、温度セン
サー(６)により検出した水素吸蔵合金の温度が設定温度
より低いとき、弁(７)が開いて容器(１)から水素ガスが
加熱器(２)に供給され、加熱器(１)内で水素ガスを触媒
燃焼させる。燃焼熱は容器(１)の壁面を通じて水素吸蔵
合金に伝達され、容器(１)内の水素吸蔵合金の温度が上
昇する。一方、温度センサー(６)による検出温度が設定
温度以上のときは、弁(７)が閉じて加熱器(２)への水素
ガスの供給を停止する。より微妙な温度コントロールを
所望する場合、弁(７)は、開度を調節できるものを使用
し、温度センサー(６)により検出した水素吸蔵合金の温
度が設定温度より低いとき、弁(７)の開度を大きくして
より多くの水素ガスを加熱器(２)に供給し、一方、温度
センサー(６)による検出温度が設定温度以上のときは、
弁(７)の開度を絞って加熱器(２)への水素ガス供給量を
少なくすればよい。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１及び図２を参照すると、容器
(１)はステンレス鋼製の円筒容器である。以下の説明で
は、図１の矢印Ａ方向を「上」、逆方向を「下」とした
縦向きの容器として説明するが、容器(１)は横向きに使
用することもできる。容器(1)の中に、水素吸蔵合金の
粉末(11)が充填される。水素吸蔵合金は、図１２に示さ
れる如く、粉末に代えて、成形体(13)を積み重ねたもの
でもよい。

【０００９】容器(１)の上面には、水素吸蔵合金から放
出された水素ガスが通過する配管(３)が接続され、配管
(３)の他端側は燃料電池等の装置に接続されている。配
管(３)の途中には、ストップバルブ(31)が設けられてお
り、該ストップバルブの開閉により、装置への水素ガス
の放出と停止が調節される。

【００１０】図示の加熱器(２)は、下端が開口したステ
ンレス製の環状構造であり、容器(１)の外側壁面のほぼ
全周に亘って当接するように配備される。加熱器(２)の
上部には、配管(３)から分岐した水素流路(４)が接続さ
れ、加熱器(２)と容器(１)の内部とは連通している。な
お、水素流路(４)は、配管(３)と分離させて、容器(１)
に直接接続してもよいことは勿論である。加熱器(２)の
下端を開口させるのは、触媒燃焼に必要な空気が加熱器
の中に進入できるようにするためである。加熱器(２)
は、容器内の水素吸蔵合金を効率良く昇温させるため
に、図１に示す如く、容器(１)の壁面全体に接触するよ
うに設けることが好ましいが、必要に応じて、容器(１)
の壁面の一部分のみが当接するように設けてもよいし、
容器(１)の壁面の近傍位置に設けることもできる。加熱
器(２)は容器(１)の底面に設けることもできるが、容器
(１)の形状が円筒形または断面角形の場合、容器(１)の
外周壁面に設けるのが好ましい。また、図１６に示す如
く、容器(１)を環状構造にして、加熱器(２)を容器(１)
の中央の貫通孔の壁面及び／又は外周壁面に設けること
もできる。

【００１１】加熱器(２)の内部は、好ましくは上部に隙
間(22)をあけて、その下方に触媒(21)が収容される。水
素流路(４)から水素ガス導入口(41)を通って加熱器(２)
に流入した水素ガスは、隙間(22)部分で円周方向に拡散
して、触媒(21)に供給される。水素流路(４)から分岐し
て複数の水素ガス導入口(41)を設けることにより、水素
ガスの触媒(21)への供給はより均一に行なうことができ
る。

【００１２】触媒(21)は、例えば、Ｐｔ(白金)を含有し
たγ−Ａｌ₂Ｏ₃が、２ＭｇＯ−２Ａｌ₂Ｏ₃−５ＳｉＯ₂
からなる支持体に担持されたハニカム構造のものを使用
することができる。水素ガスがハニカム構造を通過して
Ｐｔと接触すると、空気の存在下でいわゆる触媒燃焼が
起こる。なお、加熱器(２)に、空気供給用の送風ファン
(図示せず)を設けると、触媒(21)に大量の空気を供給す
ることができ、触媒燃焼の効率を高めることができる。

【００１３】水素流路(４)の途中には、弁(７)が設けら
れ、弁(７)の開閉により容器(１)から加熱器(２)への水
素ガス供給量が調節される。弁(７)は、例えば電磁バル
ブ、サーマルバルブ、ピエソバルブ等が用いられる。こ
の弁(７)は、微妙な流量調節を行なうには開度を調節で
きるものが好ましいが、開位置と閉位置の２位置切換え
式のものでも構わない。

【００１４】容器(１)に充填された水素吸蔵合金の温度
を検知するために、温度センサー(６)が容器(１)に取り
付けられる。温度センサー(６)は、温度検知部(61)が容
器(１)の底部壁面の略中央部から容器(１)の内部に挿入
されており、この温度検知部により水素吸蔵合金の温度
が検出される。温度センサー(６)の温度検知部(61)は、
上記のように、水素吸蔵合金の温度を直接検出できる位
置に配備することが望ましいが、容器(１)の壁面に取り
付けて、容器(１)の温度から間接的に水素吸蔵合金の温
度を知ることもできる。

【００１５】温度センサー(６)と弁(７)には、コンパレ
ータ等を具えてフィードバック制御を行なうことのでき
る制御部(５)が電気的に接続されている。制御部(５)に
よる弁(７)の動作コントロール状況を以下に説明する。
図４(ａ)を参照すると、温度センサー(６)により、容器
(１)の内部の水素吸蔵合金の温度を測定する(ステップ
１)。この温度測定値の信号は制御部(５)に送られ、制
御部(５)にて、設定温度(例えば、２５℃)以上である
か、設定温度よりも低いかが判断される(ステップ２)。
温度測定値が設定温度よりも低い場合、温度差が大きい
ほどより多くの水素ガスが加熱器(２)に供給されるよう
に弁(７)の開度が決定される(ステップ３)。ステップ３
の指令は弁(７)に送られ、弁(７)は開方向に作動する
(ステップ４)。ステップ２での温度測定値が設定温度以
上のとき、温度差が大きいほど水素ガスの供給量が少な
くなるように弁(７)の開度が決定される(ステップ５)。
ステップ５の指令は弁(７)に送られ、弁(７)は閉方向に
作動する(ステップ６)。図４(ｂ)は、温度センサー(６)
の測定値と、加熱器(２)への水素ガス供給量との関係を
示している。

【００１６】弁(７)が、開位置と閉位置の２位置切換え
式の場合、図５(ａ)に示す如く、温度測定値が設定温度
より低い場合、弁(７)は開位置となるように決定され
(ステップ３)、弁(７)が開く(ステップ４)。一方、温度
測定値が設定温度以上のとき、弁(７)は閉位置となるよ
うに決定され(ステップ５)、弁(７)は閉じる(ステップ
６)。図５(ｂ)は、温度センサー(６)の測定値と、加熱
器(２)への水素ガス供給量との関係を示している。

【００１７】容器(１)内の温度が上昇すると、水素吸蔵
合金の水素ガス解離圧が上昇して水素ガスの放出量は増
大するが、水素ガスの放出に伴う吸熱反応により、水素
吸蔵合金の温度は再び低下する。温度が設定温度よりも
低下すると、制御部(５)の指令により弁(７)が開き、水
素ガスが加熱器(２)に供給される。加熱器(２)での触媒
燃焼により、容器(１)は昇温し、再び水素吸蔵合金の温
度は上昇する。このようにして、水素ガスの放出中、水
素吸蔵合金を所定の温度範囲に維持することができる。
これら制御部(５)、弁(７)等の動作は、乾電池等の電源
を利用して行なうことができる。

【００１８】容器(１)内の水素吸蔵合金の温度を、使用
する水素吸蔵合金の平衡特性に応じた最適値に設定する
ことにより、平衡水素圧力の低いＬａＮｉ_4.8Ｍｎ_0.2等
の水素吸蔵合金を用いることが可能となる。平衡水素圧
力の低い水素吸蔵合金を用いた場合、容器(１)の肉厚を
薄くできる利点がある。

【００１９】水素吸蔵合金充填容器(１)を使用する前
に、予め加熱器(２)に水素ガスを供給して、触媒燃焼さ
せ、水素吸蔵合金を予熱させておくと、低温時でも、起
動開始時から安定して水素ガスを燃料電池等に供給する
ことができる。

【００２０】なお、加熱器(２)に供給する水素ガスは、
容器(１)から放出されたものを直接利用しているが、容
器(１)から燃料電池等の装置に供給された水素ガスの未
反応ガスを水素流路(４)を通じて加熱器(２)に供給する
構成とし、未反応ガス中に残存する水素ガスを触媒燃焼
させることもできる。

【００２１】

【実施例】次に、容器に水素吸蔵合金の粉末を充填した
実施例(実施例１)と、成形体を充填した実施例(実施例
２)について夫々説明する。使用した容器は、両実施例
とも、直径６０mm、高さ８０mm、厚さ１.２mmのステン
レス鋼製の円筒容器である。

【００２２】実施例１この実施例では、水素吸蔵合金の粉末を充填した容器を
使用する。容器の内部には、ＬａＮｉ_4.9Ａｌ_0.1の水素
吸蔵合金の粉末を８３０ｇ充填した。ＬａＮｉ_4.9Ａｌ
_0.1合金の２５℃及び１０℃での平衡特性を図３に示
す。容器内の水素吸蔵合金を活性化処理し、水素を吸蔵
させた後、水素放出実験を行なった。活性化は、水素吸
蔵合金充填容器内を真空引きを施しながら、温風を当て
て約６０℃に加熱し、２時間保持した。その後、９kg/c
m²の水素ガスを容器内に加圧充填しながら、容器に冷風
を当て、水素吸蔵合金を冷却しながら水素ガスを吸蔵さ
せた。１１０Ｎｌの水素ガスを合金が吸蔵したことを確
認して水素の吸蔵を完了した。

【００２３】外気温２５℃にて、水素吸蔵合金に吸蔵さ
れた水素ガスを放出した。水素の放出量は、ストップバ
ルブ(31)を通る水素ガスが約４Ｎｌ/minとなるように調
節し、水素放出時間に対する合金温度、容器内圧力、水
素流量の関係を夫々測定した。結果を図６乃至図８に示
す。また、比較のため、加熱器を取り付けていない容器
(以下「比較容器」)について、同様の実験を行なった。
結果を図９乃至図１１に示す。

【００２４】合金温度は、図６から明らかなように、加
熱器付容器(以下「本発明容器」)は、水素ガスの放出に
伴って初期段階で温度の低下が見られるが、その後、水
素吸蔵合金の温度は約２４℃に保たれている。なお、合
金の温度が設定温度の２５℃に到達しないのは、粉末状
態の合金は、伝熱係数が小さいためと考えられる。比較
容器は、図９に示すとおり、水素ガスの放出に伴って、
ほぼ比例的に温度が低下しており、１０分経過後には、
水素吸蔵合金の温度は約９℃まで低下している。これ
は、水素ガスの放出による吸熱反応によるものである。
この温度低下により、図３に示す平衡特性グラフの水素
ガス放出曲線は、一点鎖線に示す如く下方に移動する結
果、水素吸蔵合金からの水素放出量が低下する。

【００２５】容器内部の圧力は、図７に示されるとお
り、本発明容器は、約２０分経過時点まで、約２atmの
圧力を保持している。これは、加熱器内での触媒燃焼に
より、水素吸蔵合金が一定温度に保持されており、合金
から水素ガスが十分に安定して放出されているためであ
る。それに比べて、比較容器は、図１０に示す通り、時
間の経過と共に容器内圧力が、ほぼ比例的に低下してお
り、約１０分経過時には、大気圧(１atm)となり、これ
以上水素ガスを放出できない状態となっている。これ
は、水素吸蔵合金の温度低下により、水素ガスの放出量
が低下したことによる。

【００２６】水素流量との関係は、図８から明らかなと
おり、本発明容器は、約２０分経過時点まで、初期の設
定通りの約４Ｎｌ/minを確保している。これは、上記と
同様、加熱器内での触媒燃焼により、水素吸蔵合金が一
定温度に保持されているためである。なお、約２２分経
過後、水素流量が約０.５Ｎｌ/minとなった時点で、実
験を終了した。それに比べて、比較容器は、図１１に示
すとおり、水素流量が４Ｎｌ/minに到達することはな
く、約１分経過時に最大流量約３.５Ｎｌ/minとなった
後は、ほぼ比例的に水素流量が低下し、約１０分経過
後、０Ｎｌ/minとなった。

【００２７】上記実験から明らかなとおり、本発明容器
は、加熱器内での水素ガスの触媒燃焼の熱が供給される
ため、吸熱反応による水素吸蔵合金の温度低下を防止す
ることができる。水素吸蔵合金の温度は略一定に保たれ
るから、水素吸蔵合金の水素ガス放出量も安定してお
り、放出時間も従来の約２倍以上長くなっている。

【００２８】実施例２この実施例では、水素吸蔵合金の成形体を充填した容器
を使用する。ＬａＮｉ_4.9Ａｌ_0.1合金の粉末を直径５５
mm、厚さ１０mmに加圧成形した成形体を作製し、図１２
に示す如く、容器に８個(合計重量８７０ｇ)を縦積みし
て充填した。容器の下部に充填される成形体は、中央部
に、温度センサーの温度検知部を収容する貫通孔が開設
されている。

【００２９】容器内の水素吸蔵合金を活性化処理し、水
素を吸蔵させた後、水素放出実験を行なった。活性化
は、水素吸蔵合金充填容器内を真空引きを施しながら、
温風を当てて約６０℃に加熱し、２時間保持した。活性
化の後、９kg/cm²の水素ガスを容器内に加圧充填しなが
ら、容器に冷風を当て、水素吸蔵合金を冷却しながら水
素ガスを吸蔵させた。１２０Ｎｌの水素ガスを合金が吸
蔵したことを確認して水素の吸蔵を完了した。

【００３０】外気温２５℃にて、水素吸蔵合金に吸蔵さ
れた水素ガスを放出した。水素の放出量は、ストップバ
ルブ(31)を通る水素ガスが約４Ｎｌ/minとなるように調
節し、水素放出時間に対する合金温度、容器内圧力、水
素流量の関係を夫々測定した。結果を図１３乃至図１５
に示す。

【００３１】図１３に示されるとおり、合金の温度は、
設定温度の２５℃で安定している。実施例１の図６は、
合金の温度は設定温度よりも１℃低い２４℃であった
が、この違いは、成形体の方が伝熱係数が大きいためと
考えられる。従って、容器に充填される水素吸蔵合金
は、粉末よりも成形体の方が有利である。図１４及び図
１５に示す容器内圧力、水素流量は、実施例１の本発明
容器とほぼ同じであり、圧力約２atm、流量約４Ｎｌ/mi
nの高い状態を保持していることがわかる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の加熱器付水素吸蔵合金充填容器
は、水素吸蔵合金を一定の温度に昇温して、水素吸蔵合
金から水素ガスをより多く、安定して放出することがで
きる。また、水素吸蔵合金の昇温は、水素吸蔵合金から
放出される水素ガスの一部を利用して行なわれるため、
外部熱源が不要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加熱器付素吸蔵合金充填容器の断面図
である。

【図２】図１の水素吸蔵合金充填容器の平面図である。

【図３】水素吸蔵合金の平衡特性を示すグラフである。

【図４】弁の動作を説明するフローチャートと、温度測
定値と加熱器への水素ガス供給量の関係を示す図であ
る。

【図５】弁の動作を説明するフローチャートと、温度測
定値と加熱器への水素ガス供給量の関係を示す図であ
る。

【図６】本発明の実施例の水素放出時間と合金温度を示
すグラフである。

【図７】本発明の実施例の水素放出時間と容器内圧力を
示すグラフである。

【図８】本発明の実施例の水素放出時間と水素流量を示
すグラフである。

【図９】比較例の水素放出時間と合金温度を示すグラフ
である。

【図１０】比較例の水素放出時間と容器内圧力を示すグ
ラフである。

【図１１】比較例の水素放出時間と水素流量を示すグラ
フである。

【図１２】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図１３】他の実施例の水素放出時間と合金温度を示す
グラフである。

【図１４】他の実施例の水素放出時間と容器内圧力を示
すグラフである。

【図１５】他の実施例の水素放出時間と水素流量を示す
グラフである。

【図１６】本発明の更に異なる実施例を示す断面図であ
る。

【図１７】従来の外部熱源を用いた水素吸蔵合金充填容
器の断面図である。

【符号の説明】

(１) 水素吸蔵合金充填容器 (２) 加熱器 (21) 触媒 (４) 水素流路 (６) 温度センサー (７) 弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者米津育郎大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者西尾晃治大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に水素吸蔵合金が充填され、壁面に
水素ガス放出用の配管(３)が接続された容器(１)に於い
て、容器(１)の壁面又はその近傍に、触媒(21)を具えた
加熱器(２)が配備され、加熱器(２)と容器(１)は水素流
路(４)を介して連繋されており、容器内の水素吸蔵合金
から放出される水素ガスの一部が、水素流路(４)を通っ
て加熱器(２)に供給され、加熱器(２)の中で触媒燃焼す
るようにしていることを特徴とする加熱器付水素吸蔵合
金充填容器。
【請求項２】容器(１)内の水素吸蔵合金の温度を検知
する温度センサー(６)と、水素流路(４)中に設けられ水
素流路(４)の開閉を行なう弁(７)と、温度センサー(６)
及び弁(７)に連繋され温度センサー(６)が検知した温度
に応じて弁(７)の動作をコントロールする制御部(５)を
具えており、容器(１)内の水素吸蔵合金を所定温度に維
持するために、弁(７)の動作により、加熱器(２)内で触
媒燃焼させるべき水素ガスの供給量を制御する請求項１
に記載の加熱器付水素吸蔵合金充填容器。
【請求項３】水素流路(４)は、水素配管(３)から分岐
している請求項１又は２に記載の加熱器付水素吸蔵合金
充填容器。
【請求項４】容器(１)の内部には、水素吸蔵合金の成
形体(13)が充填されている請求項１乃至３の何れかに記
載の加熱器付水素吸蔵合金充填容器。
【請求項５】触媒(21)はＰｔであり、ハニカム構造の
支持体に担持されている請求項１乃至４の何れかに記載
の加熱器付水素吸蔵合金充填容器。