JPS5954601A - 金属水素化物反応器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は金属水素化物に水素の吸蔵。放出反応を起こ
させる金属水素化物反応器に関する。

殆どの金属、合金は水素を可逆的に吸蔵、放出すること
ができ、反応に伴って発熱、吸熱を生じる。この金属水
素化物（水素をほゞ完全に放出し金属状態のものも金属
水素化物という）の性質を利用して水素貯蔵装置、感温
装置、水素精製装置、熱交換装置、熱輸送装置、廃熱回
収装置、ヒートポンプ装置、熱エネルギー機械（電気）
エネルギー変換装置等を構成することができる。水素の
吸蔵、放出能力が大きい、使用に好適な金属水素化物と
してはＬａ−Ｎｉ系、Ｍｍ−Ｎｉ系（Ｍｍはミッシュメ
タル）、Ｍｇ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｔｉ系、Ｔｉ−Ｍｎ系の
各合金がある。

これらの金属水素化物中の水素密度は液体水素のそれに
匹敵し、ｌｍｏｌの水素ガスを吸蔵した時に放出される
反応熱は５〜１５Ｋｃａｌである。

金属水素化物が充填され、水素吸蔵、放出を起こさせる
金属水素化物反応器としては、水素ガスの拡散が良好で
あることと、内部の熱伝導が良好であることが条件とな
る。出願人は、先に長繊維の束を入れた金屈水素化物反
応器を提案した。（特願昭５６−２８８９５号）しかし
ながら、この金属水素化物反応器では、反応速度がより
大きい装置を構成する場合に、水素拡散性と熱伝導性が
充分ではなく、熱効率、出力、感応速度の向上が果せな
かった。

本発明者は上記の従来の金属水素化合物反応器の欠点を
解消すべく、鋭意研究の結果、水素拡散性及び熱伝導性
を良好し、しかも構造の極めて簡単な金属水素化物反応
器を完成した。

本発明の目的は水素拡散性及び熱伝導性が良好であつて
、金属水素化物を利用した装置の熱効率、出力、感応速
度を向上することのできる金属水素化物反応器を得るこ
とにある。

本発明の別の目的は、金属水素化物が水素を吸蔵した時
に生じる体積膨脹を吸収し、金属水素化物を充填した容
器が体積膨張による応力で破壊しないようになした金属
水素化物反応器を得ることにある。

本発明の更に別の目的は、金属水素化物の体積膨張を吸
収することにより、容器の破壊を防止し、容器の壁厚を
消くなし、容器の熱容量を抑え、装置の熱効率、出力、
感応速度を向上することのできる金属水素化物反応器を
得ることにある。

本発明のもう一つの目的は、構造が簡単であり、製造が
容易となり、製造、資材に要する費用を削減し、金属水
素化物を利用した装置を安価に提供することのできる金
属水素化物反応器を得ることにある。

本発明の要旨は、水素導入及び導出のための一つ以上の
開口が端部に設けられた略筒状の容器に、金属水素化物
が充填され、該容器の中心付近に軸方向に沿って繊維束
が設置され、該繊維束の端部が容器の開口に近接するよ
うになされ、且つ該繊維束の端部と該開口の間に柔軟な
材質からなるフィルター部材が設けられていることを特
徴とする金属水素化物反応器に存する。

次に本発明の一例について図面と共に説明する。

第１図は本発明金属水素化物反応器の一例の要部を示す
縦断面図である。１は略円筒状の容器であり、水素脆性
のない熱伝導性の良好なステンレス鋼、銅、アルミニウ
ムなどにより形成されている。該容器１は内径２〜１０
０ｍｍ程度になされている。内径２ｍｍ未満であれば、
金属水素化物の充填量は少なくなり、充填も困難となる
。内径１００ｍｍを越えると金属水素化物の層が厚くな
り、熱伝導が不充分となって熱効率、出力、感応速度が
低下する。何故なら、通常微粉状態となっている金属水
素化物は密に充填した状態でも熱伝導度が金属の以下で
あるからである。

容器１の肉厚は０．１〜４ｍｍ程度になされている。

肉厚が０．１ｍｍ未満であれば金属水素化物の微量の体
積膨張、収縮あるいは内圧の変化に耐えられなくなる。

又、肉厚が４を越えると、容器１の熱容量が大きくなっ
て熱効率、出力、感応速度が低下する。

容器１の端部には水素導入及び導出のための開口２が設
けられている。開口２は容器１の両端部に設けられ、水
素導入と導出を区別してもよい。該開口２には小径の水
素流通管３が接続されている。

該容器１の中には金属水素化物４が充填されている。金
属水素化物４は容積１ｃｃ当り２〜５ｇ程度が充填でき
る。略円筒状の容器１の中心付近には、容器１の軸方向
に沿って繊維束５が設置されている。繊維束５は水素ガ
スを流通させ容器１全体に即時に水素を拡散させるもの
である。又、絨絣束５は金属水素化物４の体質変化を吸
収することができる。繊維束５はガラス、炭素などの無
機繊維、ナイロンなどの有機繊維、ステンレス鋼などの
金属繊維等からなる。

繊維束５は繊維の紡績糸でも、中に束ねたものでもよい
。又、紡績糸を撚り合わせロープ、縄状になしたもので
あってもよい。更に繊維束５がばらばらに離脱しないよ
うに別の糸状のもので縛りつけてもよい。

繊維束５は繊維間あるいは糸間が水素ガスの流通路とな
り、金属水素化物４の体積膨張による圧縮があっても繊
維束５は破壊することはなく、水素ガスの流通阻害は限
られた範囲に止まることになる。繊維束５が容器１の中
心付近に位置していることにより、金属水素化物４と容
器１内壁の間の熱伝導を阻害することはなく、金属水素
化物４の充填層が薄くなって良好な熱伝導が保たれる。

容器１外から導入、導出される水素ガスが容器１内全体
に即に拡散させるため、繊維束５の端部は開口２に近接
するようになされている。

そして繊維束５の端部と開口２の間に柔軟な材質からな
るフィルター部材６が設けられている。

フィルター部材６としては綿、羊毛、ナイロン、ポリア
クリルニトリルなどの天然繊維、合成繊維のからみあっ
た状態のもの、フェルト状体、又はガラス繊維、金属繊
維、ロッククールなどのからみあった状態のもの、ある
いはろ紙をいく枚か重ねたものが使用できる。柔軟な材
質とはフィルター部材６が小さな力で容易に変形しうる
ことを章味する。フィルター部材６が柔軟な材質からな
るこにより、図示したように容器１の開口２付近の不規
則な曲面に密着して沿わしめ、金属水素化物４が容器１
の外部に洩出しないすることができる。金属水素化物４
は数μｍ〜１０数μｍの微粉体となっているため、フィ
ルター部材６は本来同程度のろ過精度が必要であるが、
フィルター部材６を柔軟な材料から形成し、金属水素化
物４を容器Ｉに密封し、移動しないようになすことと、
繊維束５やフィルタ下部材６が金属水素化物４の体積膨
張を吸収することにより、フィルター部材６は金属水素
化物４の透過を防止できる。

容器１の他端部にもフィルター部材６ａが詰められてい
る。該フィルター部材６ａは金属水素化物４の体積膨張
の吸収と、製造上の理由による。即ち、パイプ状体から
本発明金属水素化物反応器を作る場合、容器１の一端部
に開口２を股けて水素流通管３を接続し、容器１内にフ
ィルター部材６、繊維束５、金属水素化物４を充填し、
容器１他端部を溶接して密封する際に、フィルター部材
６ａが緩衡となり、金属水素化物４の変質と，繊維束５
の融解を防止できる。

フィルター部材６が柔軟な材質からなるものであるから
、容器１の開口２付近の不規則な曲面に沿うよう成形す
る必要がなく、剛性の大きな金属焼結フィルターの如く
、溶接、接着を行なうことも不要となり、製造上のメリ
ットが大きい。

第２図、第３図は、第１図の例に代る本発明金属水素化
物反応器の例である。第２図は、容器１ａの一端部にね
じ着できる苔仕７が設けられており、他端部は既に密閉
されている。蓋体７には複数の開口２、２が設けられて
おり、夫々の開口２，２に水蓋流通管３，３が接続され
ている。そして、開口２，２の付近にフィルター部材６
が設けられ、容器１ａの中心付近に軸方向に沿って繊維
束５が設置され、その周りに金属水素化物４が充填され
ている。複数の開口２、２と水素流通管３，３を使用し
て、水素導入、導出のバルブ操作を容易に行なえ、水素
貯蔵、水素精製に便利となる。第３図は容器１ｂの両端
部に開口２、２が設けられ、水素流通管３，３が接続さ
れている。一方の開口２を水素導入、他方の開口２を水
素導出に利用し、一方向の水素の流れを形成し、一方の
開口２より粗水素ガスを導入して、金属水素化物４に吸
蔵させ、不純ガスと金属水素化物４からの放出による精
製された水素ガスを分離して、他方の開口２より引抜く
ことができる。

金属水素化物４を充填した後、本発明金属水素化物反応
器は金属水素化物４を活性化する必要がある。金属水素
化物４の活性化は、水素流通管３の途中に接続部８を設
け、該接続部８を介して高圧水素ボンベのような水素供
給系（図示せず）、及び真空ポンプのような真空脱気系
（図示せず）と連結し、容器１を加熱しながらの真空脱
気と、容器１を冷却しながらの水素印加を１〜数回繰返
して行なう。尚、容器１に開口２、水素流通管３とは別
の開口を設け水素供給系と真空脱気系と連結し、金属水
素化物４の活性化終了後にその開口を密封するようにな
してもよい。

本発明金屈水素化物反応器は、容器１の簡略化された構
造と、容器１の肉厚を抑え、容器１の熱容量を小さくし
ていることにより、使用金属水素化物量の小さい、小容
量の水素貯蔵装置、感温装置のような機器を構成するの
が好適である。しかしながら、多数の容器１を用意する
ことにより、大容量の水素貯蔵装置、水素精製装置、排
熱回収装置、ヒートポンプ装置他の機器にも、勺論適用
可能である。尚、ヒートポンプ装置などでは、種別の金
属水素化物４を充填した容器１，１を連結し、容器１，
１間で水素を交換して、水素の吸蔵放出に伴う発熱、吸
熱を利用することができる。係るヒ−トポンプ装置の構
造、駆動方法については特願昭５５−１６０５２７号に
おいて詳細に説明した。本発明金属水素化物反応器にお
いては、使用する金属水素化物４の種類、使用温度範囲
と容器１の耐圧性を考慮した圧力範囲、必要とする水素
ガス放出（吸蔵）量が設定され＼ば、金属水素化物反応
器のスケールと金属水素化物４の量が決定される。例え
ば、ｌａＮｉ＋ｓ５ＡＩＴＩ＋５のような合金を金属水
素化物４として使用すると、１ｋｇの合金で最大約１５
０Ｎｌの水素ガスを吸蔵でき、１σの容積に葯４ｇの合
金属を充填できる。

感温装置において、必要水素ガス放出（吸蔵）量が０７
〜ＩＮｌとすれば、必要金属水素化物量は約０５−１０
ｇとなり、充填容積は約０１〜２，５ｃｃとなる。

水素貯蔵装置においては、金属水素化物量を１Ｋｇにな
せば常温、常圧付近の条件で約１５０Ｎ１の水素ガスが
貯蔵でき、充填容積は約２５０へとなる。

第４図〜第６図は本発明金属水素化物反応器を感温装置
に適用した例を示している。末発明金属水素化物反応器
を用いた感温装置は、種々の用途に使用できる。即ち、
水素ガスの吸蔵、放出を機械的仕事に変換し、温度計、
温度スイッチ、住居や温室の換気窓の開閉、自動車のラ
ジエーターグリルの開閉、散水弁の開閉、簡易吸上げポ
ンプの運転を行なわせることができる。

第４図では金属水素化物反応器の水素流通管３が直接シ
リンダー９に連通されている。シリンダー９内にはピス
トン１０が設けられ、金属水素化物の水素吸蔵、放出反
応に伴ってシリンダ−９の内圧が上下してピストン１０
及びピストン棒１１が左右に摺動する。

第５図では水素流通管３の途中に接続部８が設けられ、
接続部８を介してシリンダー９に連通されている。シリ
ンダー９内には外圧式のベローズ１２が設けられ、内圧
の変化に応じてベローズ１２が伸縮し、連結棒１３が摺
動する。接続部８は雄部８１と雌部８２が着脱自在にな
っており、接続するとガスが流通し、離脱させると夫々
が密閉し、内部に空気が注入しない。このような接続部
８を形成するものとして（：ｒ＊ｗｆｎｒ（ＩＦｉ口ｉ
ｎｋＣｎｍｐａ＋＋ｙ／７）Ｓｒイｚｙｉｒ！ｒｌｏｂ
Ｑ旧（１（ＣｎｎｎｅｃＩｑが使用できる。

第６図では、接続部８ａを介して連通されたシリンダー
９には内圧式のべローズ１２ａが設けられている。内圧
式のべローズ１２ａはやはり伸縮して連結棒１３を摺動
させる。接続部８ａは雌ねじ部８３及び開閉弁８４、又
雄ねじ部８５及び開閉弁８６が一組になされている。

＜実施例＞ 本発明金属水素化物反応器の性能を確認するため、第７
図に示すような実験を行った。恒温槽１４に金属水素化
物４を充填した容器１を浸漬した。金属水素化物はＬａ
Ｎｉ４８ｔｉΔｌ０１５を２ｇ用い、容器１は内径６ｍ
ｍ、肉厚１ｍｍ、金長８０ｍｍの銅管を加工して作成し
た。

繊維束５は径６μｍのフィラメントを撚合わせた単糸を
１０本を更に撚合わせた、みかけの径約１ｍｍのガラス
繊維束を使用した。柔軟な材質からなるフィルター部材
６としては、ＡｌＯ及びＳｉＯを主成分とする無機物の
溶融繊維（イソライト工業株式会社製セラミック・ファ
イバー）を容器１の両端部に約５ｍｍの厚さに詰めた。

水素流通管３に連結されたシリンダーは内径２ｃｍで、
ピストン１００ストローク長け５０ｍｍであった３、ピ
ストン棒１１の端部にけ２０ｋｇの荷重を掛けている。

そして、金属水素化物４を活性化後、所要量の水素ガス
を充填して、７０℃に昇温され＼ば水素ガスが放出され
ピストン１０をストローク一杯押すように設置した。恒
温槽１４を１０℃／内の速度で室温から昇温させた所、
第８図に示すような挙動を示してピストン１０が持上げ
られた。

本発明金属水素化物反応器の良好な熱伝導性水素拡散性
により感応温度（７１℃）、感応時間（６ｓｅｃ）に殆
んどずれがなく感温していることが理解できる。又、ス
トローク長一杯迄ピストン１０が持上げられる迄６２ｓ
ｅｃ経過した。

以上、昇温特性を１０回確認した後、容器１を切断し、
フィルター部材６を取出して目視及び顕微鏡で調べたが
金属水素化物４が容器１外に洩出した形跡はなかった。

〈比較例〉 実施例の装置において、容器１に繊維束５を入れずに、
その効果を確認してみた。結果は第８図に昇温挙動を示
しているが、水素拡散性が低下した結果、感応速度が著
しく低下しているのが確認された。

実施例表比較例の結果を表にまとめる。

尚、金属水素化物４自体が水素放出速度が大となるべく
、特性が改着されゝば、感応してからピストン摺動が終
る迄の時間は短縮される。

又、ピストン１０を摺動させるには、金属水素化物４か
ら所定量の水紫ガスの放出がなければならないから、金
属水素化物４の量を大にして金属水素化物４単位量当り
の放出水素ガス量を小さくして、感応してからピストン
摺動が終る迄の時間は短縮される。しかしながら、金属
水素化物４量が大きくなる熱容量が大きくなり、容器１
も大きくなって熱伝導速度が低下するので、要求される
感温特性により決定しなければならない。

本発明金属水素化物反応器は水素拡散性及び熱伝導性が
良好であるので、金属水素化物を利用した装置の熱効率
、出力、感応速度が向上する。

又、金属水素化物の水素吸蔵放出に伴なう体積膨張は、
繊維束及び柔軟な材質からなるフィルター部材により有
効に吸収され、容器の応力破壊が防止され、容器の熱容
量低減に効果がある。

本発明金属水素化物反応器は構造が簡単であり、製造が
容易となり、金属水素化物を利用した装置を安価に提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明金属水素化物反応器の要部を示
す縦断面図、第４図〜第６図は本発明金属水素化物反応
器により構成した感温装置の要部を示す縦断面図、第７
図は本発明金属水素化物反応器の特性を確認するための
実験の説明図、第８図は第７図の実験の結果を示すグラ
フである。 １，Ｉａ，ｌｂは容器、２は開口、３は水素流通管，４
は金属水素化物、５は繊維束、６，６ａは柔軟な材質か
らなるフィルター部材、７は蓋体、８，８ａは接続部、
９はシリンダー、１０はピストン、ｌ１はピストン棒、
１２、１２ａはベローズ、１３は連結棒、１４は恒温槽

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、水素導入及び導出のための一つ以上の開口が端部に
   設けられた略筒状の容器に、金属水素化物が充填され、
   該容器の中心付近に軸方向に沿って絨維束が設置され、
   該繊維束の端部が容器の開口に近接するようになされ、
   且つ該繊維束の端部と該開口の間に柔軟な材質からなる
   フィルター部材が設けられていることを特徴とする金属
   水素化物反応器