JPH024521B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、単一の装置で、水素の貯蔵、精製、
昇圧、熱回収などの多目的に使用できる金属水素
化物利用の多目的装置に関するものである。

ここで、金属水素化物とは、周囲条件を変える
ことにより水素の吸蔵、放出を可逆的に行うこと
ができる金属又は合金であつて、水素吸蔵前のも
の及び水素放出後のものの総称である。

従来の技術 ある種の金属又は合金、例えばMg、Ti、Ti―
Fe、Mm（ミツシユタル）―Niなどが水素と選択
的に結合し、平衡水素圧よりも高い水素圧におい
ては、水素化物を生成すると同時に熱を発生し、
またこの水素化物に熱を加えると平衡水素圧に相
当する圧力で水素を放出することはよく知られて
いることである。これらの金属水素化物は、優れ
た可逆性を示し、反応速度が速く、かつ反応熱が
大きいことから、水素の貯蔵、輸送、精製、昇
圧、熱回収などに利用され、これまで、そのため
の装置も種々提案されている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、従来提案されている装置は、い
ずれも水素の貯蔵用容器、水素の精製用装置、水
素の輸送用装置、熱回収装置、ヒートポンプシス
テムなど単一の目的に供せられるもので、単一の
装置で多目的に共通して使用しうるものは知られ
ていなかつた。

しかも、金属水素化物が水素の吸蔵、放出の繰
り返しにより微粉化し、熱伝導性が低下するこ
と、吸蔵容器の熱応力性、ヒートロスが大きいこ
となど解決すべき問題点が多いため、実用化可能
なものは小容量のものに限られ、大容量のものは
実現していないのが実情である。

本発明の目的は、単一の装置で金属水素化物の
活性化、水素の貯蔵、精製、昇圧、熱回収などを
行うことができ、かつ大容量のものとしても実用
化可能な金属水素化物利用の多目的装置を提供す
ることである。

問題点を解決するための手段 本発明者らは、金属水素化物利用の多目的装置
を開発するために、種々研究を重ねた結果、低圧
用水素吸蔵容器、中圧用水素吸蔵容器及び場合に
より高圧用水素吸蔵容器をそれぞれ相互に特定の
管路及び弁を用いて連絡すると共に、各水素ガス
管にパージガス管、水素ヘツダーを設けることに
よつてその目的を達成しうることを見出し、この
知見に基づいて本発明をなすに至つた。

すなわち、本発明は、熱交換器を内蔵し、熱交
換用流体の入口及び出口、水素ガスの吸排出口を
備え、かつそれぞれに水素平衡圧特性の異なる金
属水素化物を充てんした低圧用、中圧用及び場合
により高圧用の２〜３個の水素吸蔵容器１，２，
３をもつて構成された装置において、 (イ) 低圧用容器１と中圧用容器２からの水素ガス
管を弁を備えた２本の連結管１４，１４により
相互に連絡し、場合により併用する高圧用容器
３からの水素ガス管１９を弁を介して前記連結
管の一方に連結して低圧用容器１及び中圧用容
器２と連絡すること、 (ロ) 低圧用容器１及び中圧用容器２からの各水素
ガス管のもう一方の連結管に水素供給源８から
の水素ガス供給管１５を連結すること、 (ハ) 低圧用容器１と中圧用容器２からの各水素ガ
ス管９，１０の連結管の一方に通じる管路１７
の末端に中低圧水素ヘツダー１８を、また場合
により併用する高圧用容器３からの水素ガス管
１１の末端に高圧水素ヘツダー２２を設けるこ
と、及び (ニ) 各容器からの水素ガス管９，１０，１１のそ
れぞれにパージガス管１２，１３，２０を連結
し、このパージガス管をガスホルダー４を介し
て真空ポンプ５に接続させることを特徴とする
多目的装置を提供するものである。

実施例 次に添付図面に従い、実施例によつて本発明を
詳細に説明する。

図面は、本発明の一実施例のフローシートであ
つて、低圧用容器１、中圧用容器２及び高圧用容
器３から構成された例を示すものである。この中
の高圧用容器３は、使用目的によつては省略する
ことができる。

この図において、各容器１，２，３には、それ
ぞれ熱交換器、フイルターが内蔵され、かつ熱交
換用流体の入口及び出口が設けられ、それぞれに
熱交換用流体の導入管６ａ，６ｂ，６ｃ及び排出
管７ａ，７ｂ，７ｃが取り付けられている。

また、これらの容器には、それぞれ水素平衡圧
特性の異なる金属水素化物が充てんされ、その充
てん部には水素ガス管９，１０，１１を接続する
ための水素ガスの吸排出口が設けられている。そ
して、低圧用容器１からの水素ガス管９と中圧用
容器からの水素ガス管１０とは、２本の連結管１
４，１４′により弁を介して連絡しており、さら
にこの連結管の一方には高圧用容器３からの水素
ガス管１１が弁を介して連絡している。上記連結
管のもう一方にはさらに水素ガス流量計１６を経
て中低圧用水素ヘツダー１８に連絡する管路１７
が連結しており、これはまた水素供給源からの水
素供給源１５とも連結している。他方、高圧用容
器３からの水素ガス管１１は管路２１を経て高圧
水素ガスヘツダー２２に接続している。

また、各容器の水素ガス管９，１０，１１には
それぞれパージガス管１２，１３，２０が連結
し、これらのパージガス管は１本に集合され、ガ
スホルダー４を経て管路２５，２６を形成し、こ
の管路には真空ポンプ５が接続している。図中の
２３は圧力計、２４は安全弁を示す。

作 用 以上のような構成を有する装置を用いて、水素
の貯蔵、中低圧、高圧水素の発生、水素の精製等
を行うには、水素吸蔵容器の低圧用容器１に水素
平衡圧の一番低い第一の金属水素化物を、中圧用
容器２には、それより水素平衡圧の高い第二の金
属水素化物を、また高圧用容器３には、さらに水
素平衡圧の高い第三の金属水素化物をそれぞれ充
てんする。

ここで用いる金属水素化物は、２成分系又はそ
れ以上の多成分系合金の金属水素化物であり、所
定温度、例えば常温における水素平衡圧が相互に
異なるものの中から適宜２種又は３種選択し組合
せて使用する。

このような金属水素化物としては、例えばCa
―Ni，La―Ni，Fe−Ti，Mm―Ni，La―Co，
Ti―Mm，Ca―Al―Ni，Mm―Ti―Ni，Ti―
Zr―Cr―Mn系合金の水素化物などがある。

これらの金属水素化物は、使用に先立ちあらか
じめ水素ガスにて活性化を行うことが必要であ
る。管路１２，１３，２０から真空ポンプ５、パ
ージガス管２６に至る管路、機器はそのための設
備で、低圧用容器１に充てんした第一の金属水素
化物の活性化の場合を例にとつて説明すると、容
器に充てんされた金属又は合金は、当初、酸素分
子その他の不純ガスが金属表面に吸着されている
ので、先ず真空ポンプ５によつて管路１３、ガス
ホルダー４、管路２５を経て真空引きする。次に
水素供給源８例えばボンベから水素ガスを１５，
９ラインを通じて導入、吸蔵させ、飽和吸蔵後１
３，２５ラインより減圧して排出する。

このような操作を数回ないし、十数回繰り返す
ことによつて、金属の表面積が増大し、活性度の
大きい金属水素化物となつて活性化が終了する。
他の容器の金属又は合金を活性化するには、パー
ジガス管及び１２，１４，１５，１９，２０を使
用して同様に吸蔵、真空引きを繰り返すことによ
つて行う。

活性化の終わつた金属水素化物を用いて、例え
ば水素の大量貯蔵を行うには、水素供給源８、供
給管１５より直接低圧用及び中圧用容器１，２管
路１４，１９を経て、間接的に高圧用容器３に室
温の水素を導入し、吸蔵させる。水素化により生
じる発熱は、低温熱交換用流体（例えば冷却水）
を管路６ａ，６ｂ，６ｃから容器内蔵の熱交換器
に通して冷却する。

金属水素化物に吸蔵した水素を取り出すには、
管路６ａ，６ｂ，６ｃを高温熱交換用流体（例え
ば排熱水）に切替えて、金属水素化物を熱交換器
により加熱することによつて水素を放出させる。
中低圧水素は水素ガス管９，１０より、流量計１
６、管路１７を通り、１８の中低圧水素ヘツダー
から得られる。高圧水素は管路２１より直接、高
圧水素ヘツダー２２に送られる。上記操作におい
て、水素吸蔵容器の圧力を、例えば低圧用容器１
は10気圧未満、中圧用容器２は20気圧程度、高圧
用容器３は50気圧とすると、中圧水素ガスヘツダ
ーからは約20気圧以下、高圧水素ガスヘツダーか
らは50気圧の水素ガスが取得できる。これらの圧
力は使用する金属水素化物の種類を変えることに
よつて所望の値に設定することが可能である。

水素供給源が低圧で、例えば10気圧以下であ
り、これより圧力の高い中圧又は高圧の水素ガス
を得るには、はじめに低圧用容器１の第一の金属
水素化物に低圧水素を吸蔵させ、内蔵熱交換器に
高温熱交換用流体を通して加熱し、はじめの供給
圧力より高い圧力の水素ガスを発生させ、これを
連結管１４を経て中圧用容器２の比較的水素平衡
圧の高い第二の金属水素化物に吸蔵させる。この
際中圧用容器２は管路６ｂからの低温流体（冷却
水）により常温に冷却しておく。水素の吸蔵が終
わつたなら管略６ｂから高温流体（熱水）を供給
し加熱すると、中圧容器より例えば20気圧の水素
が発生する。さらに高圧の水素を得るには中圧用
容器で発生した中圧水素を、管路１４１９を経
て、より高い水素平衡圧力をもつた第三の金属水
素化物を充てんした高圧用容器３で吸蔵させ、前
記同様加熱することによつて、例えば50気圧とい
う、より高い圧力の水素ガスを発生する。以上説
明したように、本発明の装置によればコンプレツ
サー、動力などを必要としないで、連続して低圧
水素より高圧水素を得ることができる。

なお、金属水素化物の種類を変えることによ
り、百数十気圧の水素を発生させることも可能で
あり、管路１５を通して、高圧水素をボンベに充
てんし、取得することもできる。

次に水素の精製（純度アツプ）に使用する場合
について説明する。通常、製造される粗水素はそ
の製造原料、製法によつて、アルゴン、ヘリウ
ム、などの不活性希ガス、酸素、窒素、一酸化炭
素、炭酸ガス、アンモニア、メタン、エタンなど
の炭化水素ガス、水分などの不純分を含有する
が、最近水素は化学工業原料のほか、電子産業、
燃料電池原料などその用途も拡大しており、高純
度水素の需要も増大している。このような粗水素
ガスは、本発明に従い金属水素化物の水素選択吸
蔵性を利用すれば、比較的簡単に水素の精製が可
能である。

すなわち、図において、粗水素ガスは水素供給
源８又は中低圧水素ヘツダー１８、高圧水素ヘツ
ダー２２より、供給圧力に応じて低圧用容器１又
は中圧用容器２、高圧用容器３のうちの適当な容
器に水素ガス管９，１０，１１を通して吸蔵させ
る。この場合、低温流体にて冷却することは水素
貯蔵などの場合と同様である。吸蔵後、容器空間
部及び管路内に吸蔵されずに残つた不純分をガス
ホルダー４にパージしたのち、高温流体を通し水
素を吸蔵した金属水素化物を加熱すると、水素ガ
ス管９，１０，１１より初期供給のものより、よ
り高純度の水素が得られる。この操作を何回も繰
り返すことによつて、最終的には初期供給水素よ
りもはるかに高純度の水素を得ることができる。

以上の操作は、低圧、中圧、高圧用容器を並列
に交互に切り替え使用して連続して水素の精製を
行うことも、低中圧容器と高圧容器を直列に使用
して、半回分式に水素の純度アツプを行うこと
も、可能である。精製水素は要求する圧力によ
り、中低圧水素ガスヘツダー１８又は高圧水素ガ
スヘツダー２２より取得する。

なお、吸蔵操作後、吸蔵されなかつた不純ガス
は管路９，１３又は１０，１２又は１１，１２よ
り管路２５，２６へ放出される。

本発明の装置を、熱回収又は熱エネルギー変換
に利用するには次のように行う。すなわち水素側
の金属水素化物への吸蔵、放出は水素貯蔵の場合
と同様であるが、媒体側の低温流体を高温流体に
昇温するには、水素吸蔵時の水素化反応熱を内蔵
熱交換器を通して低温流体に与え加熱する。反対
に高温流体を利用して低温流体を得るには金属水
素化物の水素放出時の吸熱作用による。この流体
としては水又は排ガス、空気などが利用でき、熱
交換流体は各容器に並列に通すことも、また直列
に通して遂次高温流体、又は低温流体とすること
もできる。

以上の説明では低圧用、中圧用、高圧用の３個
の容器と３種の金属水素化物を使用する例につい
て説明したが、２個の容器及び同様配管の装置に
２種の金属水素化物を充てんして使用することも
できる。

また、水素吸蔵容器を２個２系列、金属水素化
物を２種（１系列１種）使用し、排熱を回収し冷
熱を発生させることもでき、この場合は、一方の
系列で冷水をつくり、他方で水素吸蔵操作（再
生）を行うというように、交互に冷却、再生を繰
り返すことによつて連続的に冷水をつくることが
できる。また、適当なアクセサリーを付設すれ
ば、この冷水を使用して、室内の冷房などを行う
ことも可能である。

発明の効果 本発明の装置は、各容器が直列にも並列にも使
用でき、一組の装置で金属水素化物の活性化、水
素の貯蔵、精製、昇圧、熱回収などを種々の目的
に使用可能であり、多目的なユーザーの要求に対
応できるばかりでなく、省エネルギーと操作性に
優れ、実用的でしかも今までにない大容量の水素
取扱いを可能とする効果がある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の１実施例を示すフローシートであ
る。 １：低圧用容器、２：中圧用容器、３：高圧用
容器、５：真空ポンプ、８：水素供給源、１８：
中低圧水素ヘツダー、２２：高圧水素ヘツダー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱交換器を内蔵し、熱交換用流体の入口及び
   出口、水素ガスの吸排出口を備え、かつそれぞれ
   に水素平衡圧特性の異なる金属水素化物を充てん
   した低圧用及び中圧用の２個の水素吸蔵容器をも
   つて構成された装置において、 (イ) 低圧用容器１と中圧用容器２の水素ガス管
   ９，１０を弁を備えた連結管１４により相互に
   連絡すること、 (ロ) 前記連結管１４に水素供給源８からの水素ガ
   ス供給管１５を連結すること、 (ハ) 前記連結管１４に通じる管路１７の末端に中
   低圧水素ヘツダー１８を設けること、及び (ニ) 各容器からの水素ガス管９，１０のそれぞれ
   にパージガス管１２，１３を連結し、これらの
   パージガス管をガスホルダー４を介して真空ポ
   ンプ５に接続させること を特徴とする金属水素化物利用の多目的装置。 ２ 熱交換器を内蔵し、熱交換用流体の入口及び
   出口、水素ガスの吸排出口を備え、かつそれぞれ
   に水素平衡圧特性の異なる金属水素化物を充てん
   した低圧用、中圧用及び高圧用の３個の水素吸蔵
   容器をもつて構成された装置において、 (イ) 低圧用容器１と中圧用容器２からの水素ガス
   管９，１０を弁を備えた２本の連結管１４，１
   ４により相互に連絡し、かつ高圧用容器３から
   の水素ガス管１９を弁を介して前記連結管の一
   方に連結して低圧用容器１及び中圧用容器２と
   連絡すること、 (ロ) 低圧用容器１及び中圧用容器２からの各水素
   ガス管９，１０のもう一方の連結管に水素供給
   源８からの水素供給管１５を連結すること、 (ハ) 低圧用容器１と中圧用容器２からの各水素ガ
   ス管９，１０の連結管の一方に通じる管路１７
   の末端に中低圧水素ヘツダー１８を、また高圧
   用容器３からの水素ガス管１１の末端に高圧水
   素ヘツダー２２をそれぞれ設けること、及び (ニ) 各容器からの水素ガス管９，１０，１１のそ
   れぞれにパージガス管１２，１３，２０を連結
   し、このパージガス管をガスホルダー４を介し
   て真空ポンプ５に接続させることを特徴とする
   金属水素化物利用の多目的装置。