JPH0253362B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水素吸蔵・放出装置の運転方法に関
し、詳細には水素吸蔵用金属（金属及び金属水素
化物の総称：以下同じ）と熱媒体の仕切壁を可及
的に薄くすることを可能とし、それにより熱交換
効率を向上させると共に、水素ガスの吸蔵・放出
速度を早めることに成功した水素吸蔵・放出装置
の運転方法に関するものである。

水素吸蔵用金属の収納部と熱媒体の通過経路を
熱交換壁によつて仕切ることにより構成される水
素吸蔵・放出装置としては、第１図及び第２図
（第１図における−線断面矢視図）に示す外
部熱媒体流路型と第３図及び第４図（第３図にお
ける−線断面矢視図）に示す内部熱媒体流路
型がある。尚第１〜４図において、１はシエル、
６は水素吸蔵用金属の収納容器、６ａは熱交換
壁、７は水素ガス管、７ａは水素ガス分配及び収
集用ヘツダ、１３はフイルターを夫々示し、フイ
ルター１３を介して容器６内に水素ガスを供給
し、又排出する構造となつている。そして第１，
２図では水素吸蔵用金属Ｍを収納した容器６の周
りに熱媒体Ｌを流すことによつて熱交換を行ない
ながら水素ガスの吸蔵又は放出が行なわれ、又第
３，４図では収納容器６内に熱媒体通路を形成
し、該通路に熱媒体Ｌを矢印Ａ，Ｂで示す如く流
すことによつて熱交換を行ないながら同じく水素
ガスの吸蔵又は放出を行なう。ところでこの様な
形式の水素吸蔵・放出装置では水素吸蔵用金属Ｍ
と熱媒体Ｌとの熱交換壁６ａは相当厚肉とする必
要があつた。即ち下記反応式 金属＋H₂金属水素化物 における平衡解離圧は、水素吸蔵用金属の種類や
運転温度によつて変わるが、例えば水素吸蔵用金
属をLaNi₅とし、運転温度を80℃とすると約21
Kg／cm²にも及ぶことが知られている。これに対し
熱媒体側の圧力は熱媒体供給ポンプの吐出力にも
よるが一般に低く、通常は４Kg／cm²以下であるか
ら、熱交換壁６ａを挾む圧力差は17Kg／cm²以上と
なる。従つて熱交換壁６ａについては、この様な
大きい圧力差を十分に考慮した耐圧設計を施す必
要があつた。その結果、熱交換壁６ａの肉厚を厚
くしなければならず下記の様な欠点に甘んじなけ
ればならなかつた。

(1) 水素吸蔵用金属における水素ガス吸蔵及び放
出の各反応速度は、一般に伝熱速度に支配され
ているが、熱交換壁の肉厚が大きい為に伝熱速
度が低下し水素ガスの吸蔵・放出速度が低下す
る。

(2) 水素吸蔵・放出のサイクルを繰返す際には収
納容器の温度も上昇・降下を繰返すが、熱交換
壁の肉厚が大きいと収納容器の熱容量が大きく
なる。従つて顕熱ロスが大きくなり水素吸蔵・
放出装置の熱効率が低下する。

(3) 水素吸蔵用金属は通常微粉体状で充填されて
いるが、水素ガスを吸蔵することによつて金属
格子が膨張し金属粉体は一層微粉化されて嵩密
度が低下し、その結果金属粉体全体の体積が膨
張する。一方圧力容器では可撓性のある材料で
製作したり、可撓性を付与する加工を行なうこ
とが不可能であり、しかも耐圧設計の為に容器
の肉厚を大きくしなければならないので容器の
弾性変形能力は殆んどなく、金属粉体層の膨張
は微粉体同士の圧密増大力や熱交換壁面への押
圧力となつて表われる。これらの圧力は意外に
大きいもので、例えばLaNi₅における実験では
450Kg／cm²にも達する。そして熱交換壁面に加
わる押圧力が過大になると容器が塑性変形を起
こし極端な場合には破壊に至る。

(4) 微粉体に加わる圧縮力が一定値を越えると金
属粉体が焼結固化しはじめ水素ガスの通過抵抗
が増大する。その結果収納熱容器内部において
水素ガスの流動方向に圧力分布が形成される。
ところで水素吸蔵・放出反応速度は、吸熱・発
熱のし易さに左右されるが勿論水素ガス圧力、
正確には水素ガス圧力と平衡解離圧との差圧の
影響も受ける。従つて収納容器内に水素ガス圧
力の分布があると均一反応が起こり難くなり水
素吸蔵・放出装置の運転効率が低下する。尚収
納容器の変形や破壊あるいは金属粉体層の焼結
固化を防止する為に、収納容器における水素吸
蔵用金属の充填率を下げるという対策あるいは
水素圧自体を低下させるという対策もあり得る
が、これらの対策全ては当然水素ガス吸蔵・放
出能力を犠牲にすることになり水素吸蔵・放出
装置としての実用的価値を喪失してしまう。

以上の様に従来装置では熱交換壁の肉厚が大き
くなるということの為に種々の欠点を生じ、熱交
換壁厚さを可及的に小さくすることが望まれてい
た。

本発明はこうした事情に着目してなされたもの
であつて、水素を吸蔵・放出させるに当り、装置
を損耗させることがないと共に、優れた熱効率並
びに水素吸蔵・放出速度を得ることができる様な
水素吸蔵・放出装置の運転方法を提供しようとす
るものである。

しかして本発明の運転方法は、水素吸蔵用金属
の収納部に接して熱媒体を通過させる様にした水
素吸蔵・放出装置の運転方法であつて、前記収納
部内外の圧力差を均圧操作により可及的に少なく
して運転する点に要旨を有するものである。

以下実施例図面を参照しながら本発明の構成及
び作用効果を説明する。

第５図は本発明方法を実施する為の水素吸蔵・
放出装置例を示すフロー図で、１はシエル、２は
熱媒体送給ポンプ、４は均圧装置、９は熱媒体加
熱・冷却装置（以下加熱・冷却装置という）を
夫々示す。図示する水素吸蔵・放出装置５は前述
の外部熱媒体流路型であり、シエル１内には水素
吸蔵用金属Ｍを収納した容器６が複数個配設され
ると共に、収納容器６の一方端側にヘツダ７ａを
介して水素ガス管７が接続されている。尚水素ガ
ス管７には開閉バルブ３が介設されている。

又シエル１には熱媒体導入管８及び熱媒体排出
管８ａが取付けられ、シエル１、加熱・冷却装置
９及び熱媒体送給ポンプ２が上記熱媒体導入管８
や排出管８ａ等で連結されることによつて熱媒体
循環系を形成している。

一方図例の均圧装置４は、装置内を摺動できる
ピストン１１によつて２室に区画されたものであ
り、熱媒体導入管８からの分岐管８ｂが一方の室
に、又水素ガス管７からの分岐管７ｂが他方の室
に、夫々接続されている。

本図例装置によつて水素ガスの吸蔵運転を行な
う場合には、加熱・冷却装置９によつて冷却され
た熱媒体Ｌをシエル１内に流しながら水素ガス管
７から収納容器６内に水素ガスを圧入する。一方
水素ガスの放出運転を行なう場合には、加熱・冷
却装置９によつて加熱された熱媒体Ｌをシエル１
内に流しつつ、収納容器６内の水素吸蔵用金属Ｍ
から水素ガスを解離させて水素ガス管７に集め系
外へ取出す。

ところで前述の通り、水素ガス圧力と熱媒体圧
力は分岐管７ｂ，８ｂを介して夫々均圧装置４に
伝達されているので、上記水素吸蔵操作並びに水
素放出操作の各工程中を含む全ての状態におい
て、水素ガス圧力が高い場合には均圧装置４内の
ピストン１１が熱媒体側へ押されて摺動し、熱媒
体Ｌの圧力を上昇させる。又水素ガス圧力の方が
低い場合には前記とは反対にピストン１１が水素
ガス側へ摺動し、熱媒体Ｌの圧力を低下させる。
即ち熱交換壁６ａを内面から押圧する水素ガス圧
力と外面側から押圧する熱媒体圧力は、均圧装置
の働きによつて常に同等になろうとするので、熱
交換壁６ａを挾む内外からの圧力差は極めて小さ
くなり、従つて従来の様に熱交換壁６ａの肉厚を
大きくする必要がなくなつた。即ち比較的薄肉で
構成しても変形や破損の恐れはなくなつた。その
結果、熱交換壁６ａを介する熱伝達は速やかに行
なわれると共に収納容器６自体の熱容量も小さ
く、顕熱ロスも大巾に低減されたので熱交換効率
は極めて高いものとなる。

本発明の基本的構成は上記の通りであるが、均
圧操作を行なう為の具体的な手段及び装置として
は、以下に示す様な実施態様に依ることもでき
る。第６図はシリンダーＳ内にベローズ１８を設
けた例であり、ベローズ１８内は水素ガス分岐管
７ｂ、シリンダーＳとベローズ１８の間の空間は
熱媒体分岐管８ｂに、夫々連通されている。尚ベ
ローズ１８の代りにダイヤフラムを用いることも
できる。又第７図は均圧装置を２つのシリンダー
室S₁，S₂から構成した例であり、両シリンダー室
S₁，S₂内に配設したピストン１１ａ，１１ｂ同士
をロツド２２で連結している。そして一方のシリ
ンダーS₁を水素ガス分岐管７ｂに連通し、他方の
シリンダー室S₂を熱媒体分岐管８ｂに連通したも
のである。その他、熱媒体が液体であつて、上記
運転温度における蒸気圧が小さいと共に、微量の
蒸気が水素ガス中に混入しても差支えない場合に
は第５図に示す均圧装置においてピストン１１を
省略したものであつてもよい。

尚上記実施例においてはいずれも均圧装置を使
用したが、要は水素吸蔵用金属収納容器の熱交換
壁を挾んで内圧と外圧の圧力差が可及的に少なく
なれば良いのであるから上記以外の手段として例
えば第５図において均圧装置の設置を省略すると
共に水素ガス管７並びに熱媒体導入管８に夫々圧
力検出装置を取付け、水素ガスの圧力と熱媒体の
圧力が同等となる様に例えば収納シエルへの熱媒
体押込圧を調整する方法をとつてもよい。

以上の様に水素ガス圧力と熱媒体の圧力を実質
的に同等とすることにより、従来のように熱交換
壁を耐圧設計する必要がなくなるので多くの制約
条件が解消され、装置の熱効率及び装置効率を向
上させることが可能となつた。

本発明方法は以上の様な構成を有しているもの
であるから熱交換壁を薄く形成することが可能で
あり、従来当分野で使用されていなかつた様な構
造の装置を設計製造することが可能である。その
代表例としては第８〜１９図に示す様な装置が例
示される。

第８図及び第９図（第８図における−線断
面図）は、伝熱フイン付フイルター管１３を内装
してなる水素吸蔵用金属収納容器６を示し、容器
６は可撓性を有する金属薄板からなる波板１２に
側板１０を接合して成形されると共に、一端に水
素吸蔵用金属Ｍの充填口１４を設け、且つ他端に
フイルター管１３に連通する水素ガス管７を取付
けている。尚充填口１４は水素吸蔵用金属Ｍを容
器１２内に収納した後は封鎖される。又容器が波
板状に形成されているのは水素吸蔵用金属Ｍが水
素を吸蔵して体積膨張した場合に波板１２の谷部
がふくらんで膨張分を吸収させる為である。一方
伝熱フイン１５は、フイルター管１３に端縁が固
設された横板１６と、容器１２のふくらみ部分に
相当する位置に前記横板１６に対して直交する方
向に付設された縦板１７からなり、水素吸蔵用金
属Ｍに埋まる様に容器６内に収納されている。そ
してこの様な伝熱フイン１５は熱交換壁を介して
侵入してきた熱を速やかに伝達させ収納容器６内
の熱分布を均質化させる機能を発揮することによ
り伝熱効果を一層向上させ、迅速な水素ガスの吸
蔵・放出サイクルが可能となる。

第１０図は第８，９図に示した収納容器６を、
複数本の棒状スペーサ１８を介して組み合わせて
なる水素吸蔵・放出体５ａを示す一部破断側面図
で、熱媒体Ｌは導入口８ｃからシエル１内に入り
スペーサ１８及び前記容器１２の間をぬつて通過
し、更に排出口８ｄから放出される。尚水素吸
蔵・放出体５ａの組合わせに当つては枠で固定す
ることも可能である。組合わされた水素吸蔵・放
出体５ａはシエル１内壁に取付具２３等を用いて
固定する。

第１１図は他の適用例を示す一部破断斜視図
で、薄肉金属板製の箱状収納容器６ｂの内部に
は、伝熱部材として作用する波形金属板１７が配
設されると共に、波形金属板１７の長手方向一端
（図面では左手前側開口部）にはフイルター１３
を介して水素ガス収集通路１９が形成され、該水
素ガス収集通路１９はヘツダー管を介して水素ガ
ス管７に連通している。又波形金属板１７の長手
方向他端（図では右向う側開口部）は水素吸蔵用
金属充填口１４に通じており、充填口１４は金属
充填後には封鎖される。この様な収納容器６を複
数個組合わせるに当つては前記波形金属板１７と
同様形状の波形スペーサ２０を、夫々直交する様
に交互に組合わせ水素吸蔵・放出体５ａが形成さ
れる。そして熱媒体Ｌはスペーサ２０の波に沿つ
て矢印Ｃ方向へ流されている。この様な水素吸
蔵・放出体５ａを第１２図に示す様にシエル１内
に組込めば外部熱媒体流路型の水素吸蔵・放出装
置５を製造することができる。又第１３図は内部
熱媒体流路型の水素吸蔵・放出装置５を示す模式
側面図で、第１１図に示す水素吸蔵・放出体５ａ
において水素ガス収集通路１９を省略した形に相
当する水素吸蔵・放出体５ｂ（但しフイルター１
３ａ及びスペーサ２０はそのまま取付けられてい
る）を用いると共にスペーサ２０の長手方向両端
開口部に若干の空間を封じ込める様に蓋板２１を
取付け、且つ該蓋板２１に蓋板２１を貫通して前
記封じ込め空間に連通する熱媒体導入管８ｅ並び
に熱媒体排出管８ｆを取付けてシエル１内に納め
たものである。尚シエル１には水素ガス管７を取
付けているが各容器６ｂにはヘツダー管を取付け
る必要がない。

第１４図及び第１５図（第１４図における
−線断面矢視図）は、径の異なる複数の円筒
形収納容器６をスペーサ２０を介して層状に組合
わせてなる水素吸蔵・放出体５ｃの例を示し、熱
媒体Ｌは導入管８ａからシエル１内を通り出口管
８ｂへ流れる。

第１６図及び第１７図（第１６図における
−線断面矢視図）は、平板状の収納容器を渦
巻状に湾曲させた適用例でフイルター管１３が最
外層の終端縁に沿つて内装されている。

第１８図及び第１９図（第１８図における
−線断面矢視図）は、上記と同様渦巻状収納
容器例を示すが、フイルター管１３も渦巻状に湾
曲して片側の渦巻状端縁に沿つて内装されてい
る。

上記第１４図から第１９図に示される適用例は
いずれも熱交換壁を薄くしたために採用できる構
造であり、小容積のシエル内に収納容器を緻密に
配設することができるので、単位容積当りの伝熱
面積を大きくとることができ、優れた伝熱効率を
得ることができる。

本発明は以上の様に構成されており、以下要約
する効果を得ることができた。

(1) 収納容器内の水素ガス圧力と熱媒体の圧力を
ほぼ均等とするので、収納容器の肉厚を薄くす
ることができ、熱交換壁を介して行なわれる熱
伝達効率が極めて良くなつた。例えば水素吸蔵
用合金としてLaNi₅を用いる場合、これを外径
21.7mmのステンレスパイプに充填し、110℃で
熱媒体と熱交換を行なうと、水素の解離圧が48
Kg／cm²Ｇになるので、従来法であればステンレ
スパイプの肉厚を３mm以上必要としたが、本発
明方法では熱媒体と水素の圧力差を４Kg／cm²Ｇ
以内にとどめることができるのでパイプの肉厚
は１mm以下でよいことになる。このため伝熱速
度は約５％よくなつた。

(2) 収納容器の熱交換壁厚を薄くすることができ
たので収納容器の熱容量が小さくなり、水素吸
蔵・放出サイクルに伴い顕熱ロスが僅かとなり
熱効率が向上した。上述の例において、ステン
レスチユーブ内に合金を40容量％充填した場合
には、従来法では合金１Kg当りの熱容量は
0.37cal／ｇであつたのに対し、本発明ではチ
ユーブの肉厚を薄くできるので熱容量は
0.09cal／ｇとなり、その結果顕熱ロスが34％
減少する。

(3) 熱交換壁を薄肉とすることができたので、容
器の加工性が向上し、可撓性を有するタイプや
形状の複雑なタイプ等でも自在に形成すること
が可能となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は外部熱媒流路型の収納容器を示す側面
説明図、第２図は第１図における−線断面矢
視図、第３図は内部熱媒流路型の収納容器を示す
側面図、第４図は第３図における−線断面矢
視図、第５図は本発明方法を適用した水素吸蔵・
放出装置のフロー図、第６図及び第７図は均圧装
置の実施例図、第８〜１９図は本発明方法を適用
した収納容器の説明図である。 １……シエル、４……均圧装置、５……水素吸
蔵・放出装置、６……収納容器、７……水素ガス
管、８……熱媒体導入管、８ａ……同排出管、１
３……フイルター、２０……スペーサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水素吸蔵用金属の収納部に接して熱媒体を通
   過させる様にした水素吸蔵・放出装置の運転方法
   であつて、前記収納部内外の圧力差を均圧操作に
   より可及的に少なくして運転することを特徴とす
   る水素吸蔵・放出装置の運転方法。