JPH0730878B2

JPH0730878B2 - 水素吸蔵合金用容器

Info

Publication number: JPH0730878B2
Application number: JP61220677A
Authority: JP
Inventors: 実今福; 智羽坂
Original assignee: Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1986-09-18
Filing date: 1986-09-18
Publication date: 1995-04-10
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPS6376997A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、水素吸蔵合金を利用して水素を精製あるい
は貯蔵するための水素吸蔵合金用容器に関する。

「従来の技術」 LaNi₅、TiMn_1.5、FeTiなどの水素吸蔵合金（以下、単に
合金と称する。）は、その水素吸蔵、放出特性を利用し
て、水素の貯蔵、輸送、水素精製などの用途に使用され
つつある。

このような用途に合金を使用する場合には、耐圧性で熱
交換機能を有する容器に合金を収容して使われる。

従来、この種の容器としては、例えば水素ガスを導入、
導出する水素出入管が設けられた有底筒状の金属製の容
器本体内に合金が充填され、出入管の近傍に合金の出入
管への移動を防止するフィルターが設けられたものなど
が知られている。そして、この容器では、容器本体の外
側に設けられたジャケット内に熱媒体を流すことによ
り、合金の水素吸蔵による発熱あるいは水素放出による
吸熱に対応して合金を冷却あるいは加熱することができ
るようになっている。

ところで、一般に合金は、数回の水素吸蔵、放出を繰り
返すと、粉化し、径が数μｍの微粉末となることが知ら
れている。

「発明が解決しようとする問題点」ところが、このような容器にあっては、次のような問題
点があった。

〔１〕容器内に合金が移動自在に充填されているため、
合金が粉末化した状態で水素の吸蔵、放出を繰り返し行
なうと、水素吸蔵は通常５〜10kg/cm²の加圧下で行なわ
れ、放出は常圧もしくは吸蔵時の圧力より若干低い圧力
下で行なわれることから、放出から吸蔵に切換わる際
に、この圧力差によって粉末状合金が容器本体内で移動
せしめられて、吸蔵、放出を繰り返すごとに合金粉末が
容器本体内の一箇所に偏在する。そして、水素吸蔵時に
は、特に合金の体積が15〜20％増加し、膨張するため、
偏在した合金により容器の一部に応力が集中し、容器の
変形や破壊につながる恐れがあった。また、合金が容器
本体内に偏在すると、合金が団塊になり、その表面積が
減少し、水素吸蔵量や吸蔵速度などが低下する不都合も
あった。このため、従来では合金の偏在を防止するため
に容器内に緩衝材を入れたり、容器の内圧による破壊を
防止するために容器の壁面を肉厚にしたりするなどの種
々の方策が講じられているが、根本的な解決とはなって
いなかった。

〔２〕容器本体の壁面を介して合金と熱媒体とが熱交換
を行なうようになっているが、熱交換に係る容器本体の
壁面の表面積が小さいため、熱交換効率が低く、合金に
よる水素吸蔵および放出に多大な時間と膨大なエネルギ
ーが必要であった。

〔３〕合金が充填される容器本体と熱媒体が流れるジャ
ケットとに分割構成され、かつ伝熱面積が小さいため、
水素吸蔵、放出能力を向上させる目的で合金の充填量を
増やそうとすると、全体の容積や重量を大きくする必要
があり、そのため合金単位重量当たりの容器の体積や重
量も大きくなって、コンパクト化や軽量化が難しいなど
の問題もあった。

「問題点を解決するための手段」そこで、この発明の第１の発明の水素吸蔵合金用容器
は、熱交換部を、複数の金属プレートと小孔が形成され
た複数の金属製波板とを交互に積層し接合一体化するこ
とにより多段構造体とした上、偶数段目および奇数段目
をそれぞれまとめて２系統の流通部を構成するととも
に、これら流通部をなす熱交換部に水素吸蔵合金を充填
しかつ熱交換部に多項質の水素ガス出入管を設けた構造
としたことにより、上記の問題点を解消するようにし
た。

また、この発明の第２の発明の水素吸蔵合金用容器は、
熱交換部を、複数の金属プレートと小孔が形成された複
数の金属製波板とを交互に積層しかつ接合一体化するこ
とに多段構成体とした上、偶数段目および奇数段目をそ
れぞれまとめて２系統の流通部を構成するとともに、こ
れら流通部をなす熱交換部のいずれか一方に水素吸蔵合
金を充填しかつ多孔質の水素ガス出入管を設け、他方の
熱交換部を熱媒体用としたことにより、上記の問題点を
解消するようにした。

「実施例」以下、図面を参照してこの発明を詳しく説明する。

第１図〜第６図は、この発明の水素吸蔵合金用容器の一
例を示すもので、図中符号１は、水素吸蔵合金用容器で
ある。この水素吸蔵合金用容器１は、金属製耐圧容器で
あって、このものは、容器本体２と熱交換部３と合金４
から概略構成されている。

容器本体２は、第１図および第２図に示すように、角筒
状の耐圧容器である。この容器本体２の両開口端部に
は、それぞれの開口端部を塞ぐフランジ５、６が接合さ
れ、これらフランジ５、６の中央部には、それぞれ容器
本体２内に水素を導入あるいは容器本体２から水素を導
出するための水素吸配管７、８が接続されている。

この容器本体２の内部には、第２図〜第４図に示すよう
に、多段式の熱交換部３が設けられている。この熱交換
部３は、二枚の金属プレート９、９の間に金属フィン
（金属製波板）10が挟着されたユニットが多段に積層さ
れてなるものである。

金属プレート９は、矩形の薄板であって、このものの板
厚は、この金属プレート９を形成する金属の種類などに
応じて決められるが、アルミニウム製の場合、約１〜5m
m程度の範囲とされる。

金属フィン10は、第５図に示すように、波板11…と、水
素出入管12…と、仕切板13と、閉塞板14とからなるもの
である。

波板11は、矩形の薄板に互いに平行な波11が複数個形成
されてなるものであって、この波の高さおよび波のピッ
チは、それぞれ５〜20mm程度の範囲であることが好まし
い。この波板11には、波板11の表裏を連通する複数の小
孔15…が形成されており、この小孔15の内径は、0.5〜3
mm程度の範囲とされ、その密度は波板11の約１〜5cm²当
たり１個の割合とされる。

この波板11は、波方向に直交する方向に複数個、所定間
隔を置いて並べられており、これら波板11と金属プレー
ト９との間の隙間には、第５図に示すように波方向に沿
って水素出入管12…がそれぞれ配設されている。この水
素出入管12は、第６図に示すように、その周壁に一様に
水素ガスを通過させるが合金を通過させない数μｍの微
細孔が形成された多孔質パイプであって、このものの両
端面には、数μｍの微細孔が形成された円板状の多孔質
フィルター16が溶接等によって接合されている。また、
この水素出入管12を形成する材料としては、加工性、耐
熱性および耐圧性などを勘案して焼結金属、セラミッ
ク、合成樹脂などが好適に用いられる。

そして、交互に並べられた波板11…および水素出入管12
…の両側部には、水素出入管12の長手方向を直交する方
向にそれぞれ矩形の仕切板13と閉鎖板14とが固定されて
いる。これら仕切板13と閉塞板14とは、それぞれ金属フ
ィン10を挟む金属プレート９、９間の両開口端を塞ぐも
のであって、このうち仕切板13には、水素出入管12の多
孔質フィルター16が接合された側の端部が嵌着する円形
の貫通孔17…が形成されている。

このような構成の金属プレート９と金属フィン10とから
は、金属フィン10が二枚の金属プレート９、９間に挟着
されることによりユニットが構成される。そして、この
ユニットは、その閉塞板14が第１図に示す容器本体２の
フランジ５側およびフランジ６側に順次交互に配される
ように多段に積層され、それぞれ接する箇所でブレージ
ング溶接等によって接合一体化されている。

このようにして積層され、接合一体化されたユニット
は、いわゆるプレートフィン型の熱交換部３を構成して
いる。そして、この熱交換部３を形成する材料として
は、熱交換性を考慮して伝熱係数が大きく、かつ多段構
造を考慮して機械強度の高いものが選ばれ、具体的には
アルミニウムやステンレスなどが好適に用いられる。な
お、互いに隣合うユニットは、この例において金属プレ
ート９を互いに共用している。

このような熱交換部３には、各ユニットの金属プレート
９…と金属フィン10…との間に合金４が充填されてい
る。この合金４には、冷却または加圧すると、水素を吸
蔵して発熱反応を伴って金属水素化物となり、逆にこの
金属水素化物を加熱または減圧下に置くと、吸熱反応を
伴って水素を放出する特性を有するもののうち、特に水
素吸蔵能力および経済性などを加味したものが選ばれ、
具体的には、LaNi₅、TiMn_1.5、FeTiなどが用いられる。
また、合金４の充填量は、金属プレート９と金属フィン
10との間隔やこれら金属プレート９および金属フィン10
の大きさにより適宜決められる。

そして、このような熱交換部３には、第１図〜第４図に
示すように、容器本体２のフランジ５側に奇数段目のユ
ニットの仕切板13…が配されたＡ系統と、フランジ６側
に偶数段目のユニットの仕切板13…が配されたＢ系統の
２系統からなる流通部が形成されている。そして、この
熱交換部３のＡ系統側の端部とフランジ５との間には、
第４図に示すように水素ガスの流路となる空隙が形成さ
れ、図示しないＢ系統側の熱交換部３の端部とフランジ
６との間にも上記と同様の空隙が形成されている。

次に、上記の構成からなる水素吸蔵合金用容器１を用い
た水素ガスの精製方法の一例を説明する。まず、第１図
において、２系統の流通部のうち、Ａ系統の水素吸排管
７から容器本体２内に水素ガスを含む混合ガスを加圧供
給する。この混合ガスは、フランジ５側の多孔質フィル
ター16…を介して水素出入管12…にそれぞれ供給され、
水素出入管12…の周壁の微細孔から各ユニットの金属プ
レート９、９間の間隙に導入され、さらに波板11の小孔
15…を通じて上記間隙内に万遍なく満たされる。ここ
で、上記の混合ガスは、水素出入管12…の微細孔から水
素出入管12…の半径方向外方に緩やかに噴出せしめられ
る。したがって、この混合ガスの導入により、合金４が
移動せしめられることがなく、合金４は偏在しない。

次いで、混合ガス中の水素ガスは、各ユニットの金属プ
レート９…と金属フィン10…との間に充填された合金４
に選択的に吸蔵される。このとき、Ａ系統側の合金４
は、水素吸蔵に伴う発熱反応により昇温するが、常温に
なるまで放冷される。次いで、Ａ系統側から水素吸排管
７を通じて外部に水素ガス中の不純ガスを排気し、この
Ａ系統側の流通部を常圧あるいは吸蔵時の圧力より若干
低い圧力のときに閉じる。

次に、Ｂ系統の水素吸排管８から容器本体２内に水素ガ
スを含む混合ガスを加圧供給する。このとき、混合ガス
中の水素ガスは、Ｂ系統側の合金４に選択的に吸蔵さ
れ、この吸蔵に伴う熱が金属プレート９…および金属フ
ィン10…を介してＡ系統側の合金４に伝熱される。Ａ系
統側の流通部では、上記の熱により合金４から吸蔵保持
していた水素ガスが放出され、純度の高い水素ガスが得
られる。

このようにしてＡ系統側およびＢ系統側の両流通部で、
水素ガスの吸排時期を同時に行なえば、水素ガスの吸蔵
を行なうＢ系統側で発せられる熱をＡ系統側で利用で
き、Ａ抵抗側で水素ガスの放出を行なうことができ、よ
って水素ガスの吸蔵、放出を連続的に行なうことができ
る。また、Ａ系統側の水素吸排管７とＢ系統側の水素吸
排管８とを接続し、Ａ抵抗側で吸蔵した水素ガスをＢ系
統側に放出してＢ系統側の合金４に吸蔵させる操作を繰
り返すことにより、漸次、水素ガスの高純度化を図るこ
ともできる。

次に、上記の水素吸蔵合金用容器１を用いた水素ガスの
貯蔵方法の一例を説明する。この場合の容器１を、例え
ば、金属フィン10…の波11…のピッチを小さくして、Ａ
系統側の流通部伝熱面積をＢ系統側の流通部伝熱面積に
比べて大きく構成する。容器１を上記のような構成とし
た上で、Ａ系統側の流通部内に合金４を充填し、Ｂ系統
側の流通部に熱媒を満たす。次いで、Ａ系統側の流通部
内に水素ガスを加圧供給して、合金４に水素ガスを吸蔵
させる。この水素ガスの吸蔵に伴う熱をＢ系統側の熱媒
で冷却する。次に、使用時に、Ｂ系統側の熱触媒でＡ抵
抗側の合金４を加熱して合金４から水素ガスを放出させ
る。

この例の水素吸蔵合金用容器１にあっては、次のような
実施例効果が得られるものとなる。

〔１〕熱交換部３に多孔質の水素出入管12…が配設され
た構成であるので、合金４が充填された熱交換部３に緩
やかに水素ガスを導入することが可能である。したがっ
て、水素ガスが緩やかにに導入されるので、合金４がそ
の水素ガスにより移動せしめられることがなく、よって
合金４の偏在が生じないこともなく、この合金４の偏在
および合金４の体積膨張による容器破壊が防止される。

〔２〕熱交換部３が、金属プレート９…と金属フィン10
…とからなるユニットが積層された多段構造であるの
で、熱交換を行なう伝熱面積が大きくとれ、かつ各段ご
とに熱交換が行なわれることから、高い熱交換効率が得
られる。したがって、合金４による水素の吸蔵および放
出が速やかに行なわれる。

上記の実施例では、水素出入管12…を第６図に示すよう
に、水素出入管12…の周壁全体に微細孔が形成されたも
のとしたが、第７図および第８図に示すように、周壁の
一部に微細孔が形成された構成であってもよい。すなわ
ち、第７図に示す出入管18は、周壁全体のうち両端部お
よび中央部の三つの部分に微細孔が形成されたものであ
る。この出入管18を用いれば、水素ガスを同時にかつ複
数箇所から噴出させることができる。

また、第８図に示す出入管19は、この管19の長手方向に
沿う周壁の帯状部分に微細孔が形成されたものである。
この場合、管19の長手方向に沿って特定方向に向けて水
素ガスを噴出させることができるとともに、水素ガスを
熱交換部３内の合金４に直接当てることがないので、合
金４の移動防止が可能となる。

また、上記の実施例では、熱交換部３を互いに平行なＡ
系統およびＢ系統の２系統の流通部から構成したが、こ
れら２系統の流通部を互いに直交させた構成であっても
よい。

以下、実験例を示してこの発明の作用効果を明確にす
る。

（実験例１）第１図〜第６図に示したアルミニウム製の水素吸蔵合金
用容器（イ）を製作し、この容器（イ）内の熱交換部に
合金としてLaNi₅を充填した。この容器（イ）の熱交換
部に各段ごとに２本ずつ水素出入管を配設した。

容器（イ）（実施例）；幅150mm×高さ150mm×奥行き15
0mm。ピッチ8mm、波高さ6.5mmの金属フィンを20段使用
した。合金充填量は、7kgであった。

水素出入管は、内径3mmの焼結金属製パイプで、その周
壁には、約２μｍ程度の微細孔が多数形成されたもので
あった。

また、従来の多管式の水素吸蔵合金用容器（ロ）を製作
し、同様に合金としてLaNiを充填した。

容器（ロ）（比較例）；合金充填管に太い金属パイプ
（内径400mm×全長2000mm）を使用し、この金属パイプ
内に細い熱媒流通管の金属パイプ（内径20mm×全長1500
mm）を20本配管した。合金充填量は500kgであった。

これらの水素吸蔵合金用容器に対して、それぞれ伝熱面
積、合金の単位重量当たりの容器重量、合金の単位重量
当たりの容器容積について測定した。この測定結果を第
１表に示した。

第１表から明らかなように、容器（イ）は、従来の容器
（ロ）に比べて大きな伝熱面積を有し、かつ軽量コンパ
クト化が可能であることがわかる。

（実験例２）実験例１で作成した容器（イ）と、この容器（イ）から
水素出入管を外した容器（ニ）とを用いて、下記の測定
項目について調べ、その結果を第２表に示した。

《１》水素を吸蔵するのに要した時間（吸蔵時間）；水
素を容器内に加圧供給する際の水素温度を40℃とし、水
素圧10kg/cm²とした。

《２》水素を放出するのに要した時間（放出時間）；水
素放出時の容器内の温度を60℃とし、放出圧力を大気圧
とした。

《３》水素の吸蔵、放出を300回繰り返した後の合金団
塊発生の有無。

第２表から明らかなように、容器（イ）は、比較の容器
（ニ）に比べて水素の吸蔵および放出に要する時間が短
く、また容器内で合金が移動しにくいことから団塊が発
生しないことがわかる。

「発明の効果」以上説明したように、この発明の水素吸蔵合金要容器
は、熱交換部に多孔質の水素出入管が配設された構成で
あるので、この水素出入管より熱交換部内に水素が緩や
かに導入され、したがって水素や吸排時の圧力差により
熱交換部内に充填された合金が移動せしめられることが
ないことから、熱交換部内で合金が偏在することがな
く、よって合金の偏在および合金の水素吸蔵時の体積膨
張による容器破壊が防止される。

また、この容器は、熱交換部が金属プレートと金属製波
板とを交互に積層しかつ接合一体化した多段構造体であ
るので、熱伝達が各段ごとに行なわれ、熱交換を行なう
伝熱面積が大きいことから、高い熱交換効率が得られ
る。したがって、この多段構造体の熱交換部に充填され
た合金に対する熱交換を迅速に行なうことができるの
で、この合金による水素ガスの吸蔵および放出を速やか
に行なうことが可能となる。

さらにまた、この容器は、交互に積層された２系統の流
通部を有する熱交換器であるので、系統ごとに合金によ
る水素ガスの吸排時期を同時に行なうと、両系統間で熱
を利用し合うことができ、よって合金に対する加熱おび
冷却熱が不要となるとともに、水素ガスの吸蔵および放
出を連続して行なうことが可能となる。

さらに、この容器にあっては、熱交換部が多段構造体で
あることから、高い熱交換能力を維持したままで熱交換
部のサイズを小さくすることができ、さらに合金単位重
量当たりの容器の重量も小さくすることができるので、
容器全体のコンパクト化や軽量化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は、この発明の水素吸蔵合金用容器の一
例を示すものであって、第１図は容器全体の構成を示す
概略斜視図、第２図は熱交換部の構成を示す概略斜視
図、第３図は熱交換部の要部を拡大視した概略斜視図、
第４図は容器の要部を拡大視した概略断面図、第５図は
金属製波板の構成を示す概略斜視図、第６図は水素出入
管の構成を示す概略斜視図である。第７図〜第８図は、この発明の水素吸蔵合金用容器に用
いられる水素出入管の他の例を示す概略斜視図である。１……水素吸蔵合金用容器、３……熱交換器（熱交換
部）、４……合金（水素吸蔵合金）、９……金属プレー
ト、10……金属フィン（金属製波板）、15……小孔、1
2、18、19……水素出入管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】耐圧容器の内部に、水素ガスを吸蔵および
放出する水素吸蔵合金と、この水素吸蔵合金と熱交換を
行なう熱交換部が配されてなる水素吸蔵合金用容器にお
いて、上記熱交換部を、複数の金属プレートと小孔が形
成された複数の金属製波板とを交互に積層しかつ接合一
体化することにより多段構造体とした上、偶数段目にお
よび奇数段目をそれぞれまとめて２系統の流通部を構成
するとともに、これら流通部をなす熱交換部に水素吸蔵
合金を充填しかつ熱交換部に多孔質の水素ガス出入管を
設けた構造としたことを特徴とする水素吸蔵合金用容
器。
【請求項２】耐圧容器の内部に、水素ガスを吸蔵および
放出する水素吸蔵合金と、この水素吸蔵合金と熱交換を
行なう熱交換部が配されてなる水素吸蔵合金用容器にお
いて、上記熱交換部を、複数の金属プレートと小孔が形
成された複数の金属製波板とを交互に積層しかつ接合一
体化することにより多段構造体とした上、偶数段目およ
び奇数段目をそれぞれまとめて２系統の流通部を構成す
るとともに、これら流通部をなす熱交換部のいずれか一
方に水素吸蔵合金を充填しかつ多孔質の水素ガス出入管
を設け、他方の熱交換部を熱媒体用としたことを特徴と
する水素吸蔵合金用容器。