JPS621561B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水素の利用に関し、特に、水素を貯
蔵するためおよび、水素化され得る材料から水素
を回収するための器具に関する。

水素は、豊富に入手し得、従前から多くの化学
操作に用いられているが、今や、産業により水素
の新しい用途が広められ、水素を安全、簡便に貯
蔵する必要が増大してきた。

水素は、通常は、ガスとして高圧（例えば、
13.79MPaすなわち、2000psi）で鋼製シリンダ中
に貯蔵されるかまたは、液体として低圧で、絶縁
された容器中に貯蔵されるが、上記いずれの貯蔵
法も比較的大きな貯蔵容器を要する。このような
容器は、扱い悪い寸法であるのに加えて、シリン
ダ中にガス状で貯蔵する場合には高圧を要する不
便があり、液状で貯蔵する場合には、液の蒸発に
より発生する水素ガスによる危険が常に存する。

近年に至つて、「水素を種々な物質の金属化合
物（すなわち、水素化物）として貯蔵すること」
に多大の関心が寄せられるに至つた。金属水素化
物は、粉末の形で、多量の水素を比較的小さい体
積中に低圧で（大気圧以下においても）貯蔵し
得、この低圧貯蔵は比較的安全であり、水素容器
の構造を、従前のものと相当異なる形にすること
を許す。

水素の貯蔵の外に、水素化物は最近、ガス圧
縮、太陽熱貯蔵、加熱および冷凍、水素純化、ピ
ーク荷重の低下、重水素分離、電気化学的エネル
ギの貯蔵のための電極、無パイロツト点火器およ
び内燃機関に対して有用なものとされてきた。

水素化され得る金属には、弁付き容器中に加圧
されたガス状水素を入れることにより水素が添加
される（水素化される）。水素ガスは金属と発熱
的に反応して化合物を形成する。金属水素化物か
らの水素放出は、容器の弁を開いて、金属水素化
物の分解（吸熱反応）を許すことにより行われ
る。水素ガスを貯蔵容器から取出したいときに
は、容器を加熱して水素の流れを増大する（すな
わち、水素に大気圧以上の圧力を与える）ことが
望ましい。

吸着／放出操作の間に、水素化され得る金属
は、金属の結晶格子中への水素の進入および格子
からの水素の離脱の結果として、体積において25
％におよぶ膨張および収縮を示し、このような寸
法変化により金属粉末の粒子が微細な粒子に破壊
される。数回のこのようなサイクルの後、微細な
粉末が自己凝集し、よつて、熱伝達が低下し、し
たがつて水素伝達も低下する。さらに、これより
重大な問題として、粉末の凝集および、水素形成
の際の膨張による高い応力が貯蔵容器の壁に対し
て向けられる。粉末内の応力は、容器の降伏強度
を超える迄集積し、ここに至ると、容器は塑性変
形し、坐屈または膨出し、ついには破壊する。こ
のような破壊は極めて危険である。これは微細
な、屡々自然性の粉末が、加圧された可燃性水素
ガスにより激しく追出されるからである。事実、
前述の型の小な実験用シリンダが、繰返し水素添
加および放出が行われると破裂することが発見さ
れている。

特に、産業廃熱および太陽エネルギの如き低級
熱源の回収のために金属水素化物法を満足に用い
ることは次の問題により従前から妨げられてい
る。すなわち、上記問題とは、 (1) 金属水素化物の粉末床を通過する熱伝達が本
来低いこと、 (2) 水素化物の前述の傾向（すなわち、水素を吸
収するときに生ずる水素化物の膨張）が相当な
機械的な力を発生し、よつて、経済的な水素化
物容器の設計の使用を妨げること、 (3) 水素化物床を通過する際の水素の圧力降下が
過大になり、よつて、ガス伝達が著しく妨げら
れること、 などである。

上述の問題を解決するために現在行われている
方法は、水素化物を収容するのに円筒形カプセル
を用いることである（米国特許第4135621号参
照）。カプセルが水平姿勢に置かれたときには、
上記方法は有害な凝集の問題を排除し得るが、し
かし、熱伝達が悪いことおよび、過大な圧力降下
が生ずることなどの問題を解決するにはさらに進
んだ研究が必要である。

ここにおいて、本発明は、水素貯蔵−回収−熱
交換管を提供するものであり、この管内には、実
質的にその全長に亘つて延びる、予応力をかけら
れた中空ばねが軸心方向に置かれ、上記ばねと上
記管の内壁との間の空隙中に、水素化され得る材
料のベツド（床）が充填され、上記管の一端はシ
ールされる。

上記ばねは水素の導管として働き、水素流の方
向は、容器が水素化されるか脱水素化（水素放
出）されるかにより異なる。上記ばねは上記管の
ための背骨としても働き、水素化物の粉末を不動
化し、その浮動を防ぐ。

以下、本発明を図面に示す実施例により説明す
る。

第１図は、本発明による、水素貯蔵−回収−熱
交換器１０の一部断面側面図を示す。

上記器具１０は、中空ばね１４を囲む管１２を
有し、上記ばね１４としては、予応力をかけられ
たガーターばねが用いられることが望ましい。上
記ばね１４は、管１２の実質的に全長に亘つて軸
心方向に延びる。適当な水素化され得る材料１６
〔例えば、“HY−STOR”（本願出願人の登録商
標）系の金属水素化物（上記譲受人から市販され
ている）〕がばね１４と管１２の内壁との間に詰
められる。この際、水素化物１６が中空ばね１４
中に入らないように注意されることが必要であ
る。

ばね１４は、器具１０内に明確な水素通路を与
え、よつて、器具１０の水素化または脱水素化
（水素放出）の際に水素はばね１４の針金外殻中
を通つて水素化物１６の方へ、または水素化物１
６から流れ得る。しかし、ばね１４の機械的予応
力により、水素化物は不動化され（静置され）、
浮動することを防がれる。しかも、ばね１４は如
何なる形にも曲げられ得、器具１０全体を撓ませ
ることができ、その際、ばねの針金は相互に離れ
ようとするから水素は容易に横方向に流れ得る。

所望によつては、過孔の寸法を極小にするた
めおよび、水素化物の粉末の漏洩を防ぐために多
孔質の過鞘１８をばね１４にかぶせることがで
き、また、同様に、グラスウールから作られた栓
２０をばね１４の閉鎖端に置いて、ばね１４の中
空内部中に水素化物が入ることを防ぐこともでき
る。

多数の間隔片３６（その１つのみが図示されて
いる）が、ばね１４を管１２内で中心位置に保つ
ために用いられる。

さてここで、本発明の理解を容易にするため
に、本発明の原理について一言する。

前述した如く、水素は安全かつ簡便に貯蔵され
なければならず、さらに、水素化され得る材料の
性質を最大に利用するためには、上記材料の熱伝
達性が阻害されてはならない。

本発明においては、上記ばねと水素化物との間
の大きな接触面積を有効に利用することにより、
上述の目的が容易に達せられる。第一に、器具１
０の物理的形状の結果として、水素が水素化物の
実質的にすべてと殆ど瞬間的に反応することが許
され、よつて、従前においては水素化物床を通過
する水素流を妨げた水素“衝撃波”の発生を防止
する。上記衝撃波が、容器の変形および破損を起
こさせることは前から知られている。事実、本発
明においては、異なる率における多数回（50回以
上）の水素化および脱水素化（水素放出）の後に
おいても、変形または、機械的性質の低下は認め
られなかつた。

第二に、ばねと水素化物との間の接触面積が増
大されると共にばね１４の隣り合つた一巻のコイ
ルの間の隙間が従来の多孔性フイルタの過孔よ
り大きく形成されるので、ばね１４の隙間を通る
水素の流速が小にされ、よつて、水素利用体（す
なわち、貯蔵タンク、内燃機関、温度感知器、な
ど）３４と水素化物との間の圧力降下が極小にさ
れ、このように圧力降下が小にされることによ
り、水素化物容器の熱伝達率が高められ、また、
低水素化物（すなわち、より安定な、すなわち、
形成熱の高い水素化物）を用いることが可能にさ
れ、よつて、系統の熱効率が高められる。

さらに、圧力降下が極小にされるので、比較的
長い薄壁管が用いられ得、よつて、管の一定長当
りについて、問題を起こす可能性のあるジヨイン
トの数を少なくすることができる。

管１２の表面積が比較的大であり、ばね１４の
表面積が小であることにより、器具１０の熱伝達
性が大いに高められる。さらに、水素化に対する
器具１０のハードウエア（構成部分）の比を充分
小にして、高い熱伝達性が低下されないようにす
ることができる。例えば、0.95cm（3/8in）の外
径の管は僅か0.127cm（0.05in）の隙間（すなわ
ち、管１２とばね１４との間の距離）を呈するの
みであり、この場合には、熱は、水素化物に所望
の影響を与えるには、上記の極めて短かい距離を
通過することを要するのみである。事実、0.95cm
（3/8in）の外径を有する薄壁銅管１２は、米国特
許第4135621号に示された1.27cm（1/2in）径のア
ルミニウムカプセルの約７倍の熱伝達能力を示
す。

器具１０の熱伝達性を高めたことにより、低級
の熱源をヒートポンピング、加熱および冷凍、お
よび水素圧縮に手軽に用いることが可能にされ
る。

さらに、従前の凝集（かたまること）の問題が
なくなるから、従来の形と異なる如何なる容器形
も用いられ得る。

第２図は、器具１０の用法の一例を示し、この
例においては、器具１０は、熱感知器および作動
器として用いられている。水素化された粉末を充
填された管１２は、作動ピストン室２２の圧力側
に連結される。温度の適当な変化が生じると、上
記粉末が脱水素化して水素をばね１４中に放出す
る。やがて、水素の圧力がばね２４の力に打克つ
に至ると、ピン２６が押されて隔膜３２を貫通
し、よつて、カートリツジ２８の内容物が出口３
０から放出されて使用される（米国特許第
4282931号を参照されたい）。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置（器具）の一部断面
側面図、第２図は上記装置の使用例を示す断面図
である。 １０……水素貯蔵および回収器、１２……管、
１４……ばね、１６……水素化物、１８……過
鞘、２０……栓、３６……間隔片。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管と、この管内に配設されるばねと、このば
   ねの外面と上記管の内壁との間に形成される空間
   と、この空間内に詰め込まれる水素化され得る材
   料とからなることを特徴とする水素を貯蔵および
   回収するための可撓器具。 ２ 上記ばねは可撓ばねであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の水素を貯蔵および
   回収するための可撓器具。 ３ 上記管の一端はシールされていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の水素を貯蔵
   および回収するための可撓器具。 ４ 多孔性の鞘が上記ばねを囲むことを特徴とす
   る特許請求のに範囲第１項に記載の水素を貯蔵お
   よび回収するための可撓器具。 ５ 上記管と上記ばねとの間には少なくとも１つ
   の間隔片が置かれていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の水素を貯蔵および回収す
   るための可撓器具。 ６ 水素を利用するための装置に連結されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   水素を貯蔵および回収するための可撓器具。 ７ 上記管は伝熱体であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の水素を貯蔵および回収
   するための可撓器具。 ８ 上記ばねはガーターばねであることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項に記載の水素を貯蔵お
   よび回収するための可撓器具。