| 【発明の名称】 |
水素貯蔵装置及び水素貯蔵システム |
| 【発明者】 |
【氏名】中村 賢治
【氏名】蓑原 雄敏
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| 【要約】 |
【課題】水素吸蔵合金の局在化を防止し、迅速な水素放出を実現する。
【解決手段】水素貯蔵装置２０はその長手方向に所定間隔で配列されている複数の多孔質性成形体３０を有し、各成形体３０の間および各成形体３０と断熱絶縁材２５との間には導電性緩衝材３２が挿入されている。導電性緩衝材３２は断熱絶縁材２５と成形体３０の上下端面との間に挿入される第１の導電性緩衝材３２ａおよび断熱絶縁材２５左右端面との間に挿入される第２の導電性緩衝材３２ｂとを含んでいる。成形体列の両端には成形体３０の体積変化に起因する寸法変化に伴って可動であると共に成形体３０を付勢して成形体３０および蓋４０、４１との物理的接触を常時維持する可動式付勢電極６０、６１が配置されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵装置であって、粉体状の水素吸蔵合金を所定形状に成形して得られる成形体と、前記成形体の温度を制御する温度制御装置とを備える水素貯蔵装置。
【請求項２】 請求項１に記載の水素貯蔵装置において、前記温度制御装置は前記成形体に電流を通電する電極を含む水素貯蔵装置。
【請求項３】 請求項１に記載の水素貯蔵装置であって、さらに、前記成形体を内包する水素貯蔵容器と、その水素貯蔵容器中にて前記成形体を保持すると共に前記成形体の体積変化に伴う前記成形体と前記水素貯蔵容器の内面との接触を緩衝する緩衝材を備える水素貯蔵装置。
【請求項４】 請求項３に記載の水素貯蔵装置において、前記成形体は所定方向に沿って複数個配列され、前記緩衝材は絶縁性を有すると共に配列されている前記各成形体間に配置され、前記電極は前記成形体の配列方向に沿って対向配置されていると共に、前記成形体の体積変化に応じて移動する可動機構および前記成形体の径方向端部を付勢する付勢機構を有し、前記成形体の径方向端部と常に接触を維持する水素貯蔵装置。
【請求項５】 請求項３に記載の水素貯蔵装置において、前記成形体は所定方向に沿って複数個配列され、前記緩衝材は導電性を有すると共に配列されている前記各成形体間に配置され、前記電極は前記成形体の体積変化に応じて移動する可動機構および前記成形体を付勢する付勢機構を有すると共に前記複数個の成形体のうち両端に配置されている成形体と常に接触を維持する水素貯蔵装置。
【請求項６】 請求項５に記載の水素貯蔵装置において、前記緩衝材は、前記成形体の配列方向に垂直な方向において前記各成形体と前記水素貯蔵容器内面との間に配置され、前記緩衝材のうち少なくとも１つの緩衝材は他の緩衝材とは異なる方向において前記成形体と前記水素貯蔵容器内面との間に配置される水素貯蔵装置。
【請求項７】 請求項４ないし請求項６のいずれかの請求項に記載の水素貯蔵装置において、前記電極の接触面は前記成形体の接触面の形状に対応する形状を有する水素貯蔵装置。
【請求項８】 請求項２ないし請求項７のいずれかの請求項に記載の水素貯蔵装置において、前記温度制御装置は前記電極に対して電流を通電する電源を有し、前記成形体の内部抵抗値を電源の内部抵抗値にほぼ一致させる内部抵抗可変機構を備える水素貯蔵装置。
【請求項９】 請求項２ないし請求項７のいずれかの請求項に記載の水素貯蔵装置が複数個接続されてなる水素貯蔵システムであって、前記水素貯蔵装置に対して電流を通電する電源と、前記各水素貯蔵装置に内包されている前記成形体の合計内部抵抗値を電源の内部抵抗値にほぼ一致させる抵抗値制御機構とを備える水素貯蔵システム。
【請求項１０】水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵装置であって、粉体状の水素吸蔵合金を所定形状に成形して得られる成形体と、前記成形体とは別個に設けられていると共に、前記成形体の温度を制御する温度制御装置とを備える水素貯蔵装置。
【請求項１１】請求項１０に記載の水素貯蔵装置であって、さらに、前記成形体を内包する水素貯蔵容器と、その水素貯蔵容器中にて前記成形体を保持すると共に前記成形体の体積変化に伴う前記成形体と前記水素貯蔵容器の内面との接触を緩衝する緩衝材を備える水素貯蔵装置。
【請求項１２】請求項１１に記載の水素貯蔵装置において、前記成形体は所定方向に沿って複数個配列され、前記緩衝材は配列されている前記各成形体間に配置されている水素貯蔵装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵装置および水素貯蔵システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を放出させる一般的な技術として、発熱体によって生成された熱を熱伝導を利用して水素吸蔵合金全体に行き渡らせる技術が知られている。この技術では発熱体の熱容量と水素吸蔵合金の熱容量との総和が総熱容量となる。したがって、水素放出のために要求されるエネルギの一部は発熱体の加熱のために消費されることとなり、水素吸蔵合金の比較的長い加熱時間を要すると共に必ずしもエネルギ効率が高いとは言えなかった。
【０００３】これに対して、水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を迅速に放出させるべく容器内に封入されている粉末状の水素吸蔵合金に直接通電し、水素吸蔵合金を自家発熱させる技術が知られている。すなわち、この技術では、水素吸蔵合金の有する抵抗によって水素吸蔵合金自身が発熱体として発熱するため、発熱体は不要となり、システム全体の総熱容量は水素吸蔵合金の有する熱容量のみとなる。また、水素吸蔵合金自身が発熱するため、熱伝導により水素吸蔵合金全体を加熱する場合と比較して理論上はより迅速に水素を放出させることが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような粉末状の水素吸蔵合金を用いる場合には、水素吸放出の繰り返しにより水素吸蔵合金がより微細化することにより、特に容器底部に高密度で充填される（圧密化）傾向がある。かかる場合には、容器内部の粉末密度分布にばらつきが発生し、電流経路が局在化してしまうという問題があった。すなわち、一般的には、微細化した水素吸蔵合金が容器底部に局在化し、これにより容器底部の抵抗値が低下するため容器底部に電流経路が局在してしまう。かかる状態では容器底部の水素吸蔵合金は自家発熱するものの、他の位置に在る水素吸蔵合金は発熱部位からの熱伝達によってのみ加熱されることになるため、全体が加熱されるまでに時間を要する。したがって、特に、水素貯蔵装置の冷間時に水素を迅速に放出することができないという問題があった。
【０００５】また、容器底部に微細化した水素吸蔵合金が局在化することにより、水素吸蔵時には水素吸蔵合金の体積膨張に起因して容器底部に不測の負荷がかかり、亀裂等の損傷をもたらすという問題があった。
【０００６】さらに、両電極端子間の電気抵抗は水素吸放出に伴う水素吸蔵合金の体積変化に起因する接触抵抗変化の影響を受けるため、通電による水素吸蔵合金の温度制御が困難になるという問題があった。また、粉末体の場合には水素吸蔵合金は定形を有していないため、電極端子と水素吸蔵合金との物理的な接触を常時維持することは困難であった。
【０００７】また、水素貯蔵装置、すなわち水素吸蔵合金の有する内部抵抗は一定であるため、電力供給源の内部抵抗が変化する環境下においては、必ずしも水素吸蔵合金の発熱量は最大とならず、極短時間で水素吸蔵合金を加熱することができず、その結果、水素が迅速に放出されないという問題があった。
【０００８】本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、水素吸蔵合金の局在化を防止し、迅速な水素放出を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵装置を提供する。この水素貯蔵装置は、粉体状の水素吸蔵合金を所定形状に成形して得られる成形体と、前記成形体の温度を制御する温度制御装置とを備えることを特徴とする。この第１の態様によれば、成形体を用いることによって水素吸蔵合金の局在化を防止し、この成形体の温度を制御することによって迅速な水素放出を実現することができる。
【００１０】ここで、前記温度制御装置は前記成形体に電流を通電する電極を含んでも良く、かかる場合には、成形体が自己発熱するため迅速な水素放出を実現することができる。
【００１１】第１の態様に係る水素貯蔵装置はさらに、前記成形体を内包する水素貯蔵容器と、その水素貯蔵容器中にて前記成形体を保持すると共に前記成形体の体積変化に伴う前記成形体と前記水素貯蔵容器の内面との接触を緩衝する緩衝材を備えても良い。かかる構成を備える場合には、水素貯蔵容器との接触に起因する成形体の損傷を防止することができる。
【００１２】また、第１の態様に係る水素貯蔵装置において、前記成形体は所定方向に沿って複数個配列され、前記緩衝材は絶縁性を有すると共に配列されている前記各成形体間に配置され、前記電極は前記成形体の配列方向に沿って対向配置されていると共に、前記成形体の体積変化に応じて移動する可動機構および前記成形体の径方向端部を付勢する付勢機構を有し、前記成形体の径方向端部と常に接触を維持する構成を備えることもできる。かかる構成を備える場合には、複数の成形体の内のいくつかが損傷しても、水素貯蔵装置の機能を維持することができる。また、電極は、成形体の体積変化に影響されることなく、常に成形体と接触を維持することができる。また、電極は、成形体を付勢しているので、水素貯蔵装置内における成形体の位置を一定位置に維持することができる。
【００１３】さらに、第１の態様に係る水素貯蔵装置において、前記成形体は所定方向に沿って複数個配列され、前記緩衝材は導電性を有すると共に配列されている前記各成形体間に配置され、前記電極は前記成形体の体積変化に応じて移動する可動機構および前記成形体を付勢する付勢機構を有すると共に前記複数個の成形体のうち両端に配置されている成形体と常に接触を維持する構成を備えることもできる。かかる構成を備える場合には、電極は、成形体の体積変化に影響されることなく、常に成形体と接触を維持することができる。また、電極は、成形体を付勢しているので、水素貯蔵装置内における成形体の位置を一定位置に維持することができる。
【００１４】また、第１の態様に係る水素貯蔵装置において、前記緩衝材は、前記成形体の配列方向に垂直な方向において前記各成形体と前記水素貯蔵容器内面との間に配置され、前記緩衝材のうち少なくとも１つの緩衝材は他の緩衝材とは異なる方向において前記成形体と前記水素貯蔵容器内面との間に配置される構成を備えることもできる。かかる構成を備える場合には、体積変化に起因する成形体の損傷がより低減化されると共に、各成形体間の導電性および十分な水素の流動距離を確保することができる。また、多方向における各成形体と水素貯蔵容器との接触をより効果的に防止することができる。
【００１５】さらにまた、第１の態様に係る水素貯蔵装置において、前記電極の接触面は前記成形体の接触面の形状に対応する形状を有する構成を備えても良い。かかる構成を備える場合には、電極と成形体とをより確実に接触させることができる。
【００１６】また第１の態様に係る水素貯蔵装置において、前記温度制御装置は前記電極に対して電流を通電する電源を有し、前記成形体の内部抵抗値を電源の内部抵抗値にほぼ一致させる内部抵抗可変機構を備えることができる。かかる構成を備える場合には、電源の内部抵抗値が変動する場合であっても、成形体である水素吸蔵合金の発熱量を最大とすることができる。
【００１７】本発明の第２の態様は、第１の態様に係る水素貯蔵装置が複数個接続されてなる水素貯蔵システムを提供する。この水素貯蔵システムは、前記水素貯蔵装置に対して電流を通電する電源と、前記各水素貯蔵装置に内包されている前記成形体の合計内部抵抗値を電源の内部抵抗値にほぼ一致させる抵抗値制御機構とを備える。この第２の態様に係る水素貯蔵システムによれば、電量供給源の内部抵抗値が変動する場合であっても、成形体である水素吸蔵合金の発熱量を最大とすることができる。
【００１８】本発明の第３の態様は、水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵装置を提供する。この水素貯蔵装置は、粉体状の水素吸蔵合金を所定形状に成形して得られる成形体と、前記成形体とは別個に設けられていると共に、前記成形体の温度を制御する温度制御装置とを備えることを特徴とする。この第３の態様によれば、成形体を用いることによって水素吸蔵合金の局在化を防止し、この成形体の温度を制御することによって迅速な水素放出を実現することができる。
【００１９】また、第３の態様に係る水素貯蔵装置は、前記成形体を内包する水素貯蔵容器と、その水素貯蔵容器中にて前記成形体を保持すると共に前記成形体の体積変化に伴う前記成形体と前記水素貯蔵容器の内面との接触を緩衝する緩衝材を備えることができる。かかる構成を備える場合には、水素貯蔵容器との接触に起因する成形体の損傷を防止することができる。
【００２０】さらに、第３の態様に係る水素貯蔵装置は、前記成形体は所定方向に沿って複数個配列され、前記緩衝材は配列されている前記各成形体間に配置されている構成を備えることができる。かかる構成を備える場合には、水素貯蔵容器との接触に起因する成形体の損傷をさらに良く防止することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る水素貯蔵装置について、図面を参照していくつかの好適な実施例に基づき説明する。
【００２２】・第１実施例：図１は第１の実施例に従う水素貯蔵装置の外形正面図である。図２は図１に示す水素貯蔵装置の側面図である。図３は図１に示す水素貯蔵装置２０の本体２１および蓋４０、４１を縦に切断した縦内部構成図である。
【００２３】水素貯蔵装置２０は矩形筒状断面を有する金属製の本体２１、本体２１の内部に配置されている水素吸蔵合金の多孔質性成形体３０（図３参照）、本体２１の両端部を閉じるための金属製の矩形の蓋４０、４１を備えている。本体２１の両端部にはフランジ部２２、２３が形成されており、本体２１の上側中央部には水素導入出口２４が形成されている。本体２１のフランジ部２２、２３と蓋４０、４１との間には、本体２１と蓋４０、４１とを電気的に絶縁すると共に、水素貯蔵装置２０の内部を密封状態にするために絶縁パッキン５０、５１が配置されている。絶縁パッキン５０、５１は電気絶縁体であって水素に対する十分な気密性を有していれば良く、例えば、無孔質セラミックスが用いられ得る。本体２１と蓋４０、４１は、フランジ部２２、２３および蓋４０、４１に形成されているボルト孔を貫通する複数のボルト５２およびナット５３によって結合されている。また、ボルト５２と蓋４０、４１およびナット５３とフランジ部２２、２３の間には、ボルト５２およびナット５３を介した本体２１と蓋４０、４１との電気的短絡を防ぐためにワッシャ状の絶縁碍子５４がそれぞれ介装されている。
【００２４】次に図３〜図６を参照して水素貯蔵装置２０の内部構造並びに成形体３０の構造について詳細に説明する。図４は図１に示す水素貯蔵装置２０の本体２１および蓋４０、４１を横に切断したの横内部構成図である。図５は図３における５−５切断線によって切断された水素貯蔵装置２０の横断面図である。図６は図３における６−６切断線によって切断された水素貯蔵装置２０の横断面図である。
【００２５】蓋４０、４１は本体２１内部に延伸する電極案内部４２、４３をそれぞれ備えている。電極案内部４２、４３内にはそれぞれ、成形体３０の体積変化に起因する寸法変化に伴って可動であると共に成形体３０を付勢して成形体３０および蓋４０、４１との物理的接触を常時維持する可動式付勢電極６０、６１が収容されている。可動式付勢電極６０、６１は、一対の電極板４４ａ、４４ｂ、および４５ａ、４５ｂと、一対の電極板４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂを互いに離間する方向に付勢する導電性弾性体、すなわちコイルスプリング４６とを備えている。
【００２６】このコイルスプリング４６の付勢力によって、電極板４４ａ、４５ａはそれぞれ成形体３０に押圧され、電極板４４ｂ、４５ｂはそれぞれ蓋４０、４１に押圧されている。この結果、蓋４０、４１、電極板４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ、および成形体３０間の物理的接触が常時維持される。なお、導電性弾性体はコイルスプリングに限られるものでなく、例えば、リーフスプリング、導電性プラスチック、導電性ゴム等といった導電性並びに弾性を有しているものであれば用いられ得る。また、可動式付勢電極６０、６１の機構は図示のものに限定されるものでなく、例えば、導電性弾性体の一端が電極板に結合され他端が蓋４０、４１に対して直接結合されていても良い。
【００２７】本体２１の内壁には、水素導入出口２４を除きその全域にわたって断熱絶縁材２５が配置されている。この断熱絶縁材２５は、水素吸蔵時における生成熱の水素貯蔵装置２０外部への伝達を防止し、また電極案内部４２、４３ならびに後述する導電性緩衝材３２と本体２１の内壁との電気的導通を防止する。断熱絶縁部材２５としては、例えば、多孔質セラミックスが用いられ得る。
【００２８】本実施例においては、複数の多孔質性成形体３０が水素貯蔵装置２０の長手方向に所定間隔で配列されている。多孔質の成形体３０は、水素吸蔵合金の粉末体と結着材との混練体を大きい略板状の形態を有するように型に入れ成形・乾燥（無加圧）させることにより、あるいは、金型プレス成形後に乾燥させることにより得られる。より詳細には、水素吸蔵合金としてＡＢ５系（ＭｍＮｉＡｌＣｏＭｎ系）あるいはＢＣＣ系（ＴｉＣｒＶ系）等の合金が用いられる。また、結着材としてはＳＢＲ（スチレン−ブタジエン−ラバー）あるいはＳＥＢＳ（スチレン−エチレン−ブチレン−スチレンブロック共重合体）等の材料が用いられる。成形体３０の製造方法としては、この他に水素吸蔵合金の粉末を型枠に満たした後に焼結結合させるといった手法も採用することができる。
【００２９】成形体３０は、例えば、各辺が約４５ｍｍ程度の正方形状、あるいは、約４５ｍｍ程度の長辺および約３５ｍｍ程度の短辺を有する長方形状に成形される。成形体３０の厚さは、平面寸法よりも小さければ任意であり、例えば約１０ｍｍ程度である。なお、成形体３０の寸法は、以下に説明する導電性緩衝材３２の挿入厚さ、可動式付勢電極６０、６１の移動寸法および体積膨張時における寸法変化を考慮し、体積膨張時に成形体３０に対して許容値以上の応力がかからないように決定される。
【００３０】このように水素吸蔵合金を成形体形状で用いることにより、水素吸蔵合金を粉末体形状で用いた場合に問題となっていた、圧密化、電流経路の局在化、容器の損傷を防止することができる。また、通電による水素吸蔵合金の温度調整を極めて容易に実行することができる。さらに、これに加えて、成形体３０を多孔質状に成形することにより、水素の拡散経路が十分に確保されるため、粉末体と同等の水素吸蔵効率を確保することができる。
【００３１】各成形体３０の間および各成形体３０と断熱絶縁材２５との間には導電性緩衝材３２が挿入されている。この導電性緩衝材３２は、例えば、厚さ約５ｍｍ程度の金属繊維のフェルトであり、成形体３０の保持および成形体３０の体積変化（膨張）時における寸法変化を考慮して各成形体３０間および各成形体３０と断熱絶縁材２５との直接接触を防止（緩衝）することができる程度、例えば、約３ｍｍ程度にまで圧縮された状態で各成形体３０間および各成形体３０と断熱絶縁材２５との間に挿入される。このように導電性緩衝材３２を圧縮することにより、その弾性力によって各成形体３０が適当に押圧され本体２１内部で保持されるとともに、各成形体３０の体積膨張等に起因する少なくとも各成形体３０同士および各成形体３０と断熱絶縁材２５との直接接触の一方が防止され、また、成形体３０に作用する衝撃が緩衝されることにより損傷が防止される。
【００３２】図３〜図６および図７を参照して、導電性緩衝材３２について詳述する。図７は、水素貯蔵装置２０内に配置されている成形体３０および導電性緩衝材３２の一部を取り出し、両者の配置関係を示す斜視図である。導電性緩衝材は、図３〜図７から見て取れるように、第１の導電性緩衝材３２ａ（第１の緩衝材）（図３、図５および図７参照）と第２の導電性緩衝材３２ｂ（第２の緩衝材）（図４、図６および図７参照）とを含んでいる。第１の導電性緩衝材３２ａは、図５ないし図７に示す位置関係において、本体２１の内部上面および内部下面に配置されている断熱絶縁材２５と成形体３０の上下端面との間に挿入される第１の位置にて配置される。同様に、第２の導電性緩衝材３２ｂは、本体２１の内部側面に配置されている断熱絶縁材２５と成形体３０の左右端面との間に挿入される第２の位置にて配置される。
【００３３】このような配置によって、第１の導電性緩衝材３２ａは、成形体３０が体積変化に伴い上下方向へ寸法変化する場合に本体２１の内部上下面に配置されている断熱絶縁材２５と成形体３０の上下端面との直接接触を防止すると共に成形体３０にかかる衝撃を緩衝して成形体３０の損傷を防止する。また、第２の導電性緩衝材３２ｂは、成形体３０が体積変化に伴い左右方向へ寸法変化する場合に本体２１の内部側面に配置されている断熱絶縁材２５と成形体３０の左右端面との直接接触を防止すると共に成形体３０にかかる衝撃を緩衝して成形体３０の損傷を防止する。なお、いずれの場合も、その位置関係は図５および図６における位置関係に基づくものとする。
【００３４】導電性緩衝材３２には、成形体３０に対する通電を許容するために導電性を有すること、水素の流れを妨げない（水素を透過させる）こと、水素吸蔵・放出反応時における約１５０度程度の温度に対する耐熱性を備えること、弾性を有すること等が要求される。かかる要件を満たす導電性緩衝材としては、例えば、ステンレス鋼繊維、発泡ニッケルがある。ステンレス鋼繊維としては、例えば、日本精線株式会社のナスロンウェブ、ナスロンフェルト、ナスロン織布、ナスロンフィルタ（いずれも商品名）等が、発泡ニッケルとしては、住友電工株式会社のセルメット（商品名）等が用いられ得る。
【００３５】次に、成形体３０が水素を吸放出する際における水素貯蔵装置２０の作用について説明する。先ず、水素吸蔵時には水素導入出口２４から水素ガスが導入され、導入された水素ガスの水素原子は各成形体３０内に吸着される。ここで、本実施例においては、水素透過性の導電性緩衝材３２を介して多孔質性の成形体３０が複数個配列される構成を備えている。したがって、導入された水素ガスの拡散経路を十分に取ることができるとともに、水素ガスと成形体３０との総接触面積を増大化することができる。この結果、水素吸蔵合金、すなわち成形体３０による水素原子の吸着（吸蔵）が効率よく実行され得る。
【００３６】水素吸蔵合金である成形体３０は、水素原子の吸着に伴ってその体積を増大させる。体積増大に伴う成形体３０の厚さ方向（水素貯蔵装置２０の長軸方向）への厚さ寸法増大分は、各成形体３０間に挿入配置されている導電性緩衝材３２および可動式付勢電極６０、６１によって吸収される。すなわち、成形体３０の厚さ方向への寸法増大分が導電性緩衝材３２および可動式付勢電極６０、６１の収縮によって吸収される。したがって、成形体列の両端に位置する成形体と可動式付勢電極６０、６１との物理的な接触を保持しつつ、各成形体３０同士の接触が防止されると共に各成形体３０に作用する応力が緩衝されて成形体３０の損傷を防ぐことができる。また、体積増大に伴う成形体３０の平面方向（水素貯蔵装置２０の短軸方向）への変化分は、各成形体３０と断熱絶縁材２５との間に挿入配置されている導電性緩衝材３２によって吸収される。したがって、少なくとも各成形体３０同士の接触および各成形体３０と断熱絶縁材２５との接触の一方が防止されると共に各成形体３０に作用する応力が緩衝され、成形体３０の損傷を防ぐことができる。
【００３７】本実施例では、図８に等価回路で示すように、水素貯蔵装置２０から水素を取り出すために、水素貯蔵合金である成形体３０に対して直接通電して自己発熱させる。すなわち、水素放出時には外部の電力供給源８０から蓋４０、４１に対して所定電圧が印加される。この結果、蓋４０、４１、および可動式付勢電極６０、６１（電極板４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ）を介して成形体３０に電流が通電される。通電すると、各成形体３０は自己の有する内部抵抗によって発熱体として発熱し、この発熱によって各成形体３０に吸着されている水素原子が各成形体３０から放出される。放出された水素原子（水素ガス）は水素導入出口２４から外部回路へ導出される。水素吸蔵合金すなわち各成形体３０は水素原子の放出に伴ってその体積を元の体積まで減少させる。このとき、本実施例においては電極に成形体３０を付勢する可動式付勢電極６０、６１を用いているため、コイルスプリング４６によって付勢されている電極板４４ａ、４５ａは成形体３０の体積減少に伴う寸法変化（寸法減少）に追随して物理的接触を維持しつつ移動する。また、水素貯蔵装置２０の径方向における各成形体３０の寸法変化分は、導電性緩衝材３２が弾性変形することにより補完され、各成形体３０は水素貯蔵装置２０内部にて保持される。
【００３８】また、本実施例では、成形体状の水素吸蔵合金を用いているので、水素吸蔵合金を粉末体の形状で用いていた従来例で問題とされている、圧密化（微粉末が高密度で充填される現象）が防止される。したがって、直接通電する際に電流経路が成形体３０内部に均一に分散され効率の良い発熱を実現することが可能となり、成形体３０を迅速に加熱することができる。さらに、成形体３０は定形を有しているため、導電性緩衝材３２および可動式付勢電極６０、６１を採用することにより、成形体３０と可動式付勢電極６０、６１との物理的な接触を常に維持することができる。
【００３９】ここで、理想状態における水素吸蔵合金の加熱時間に関する比較例を図９を参照いて説明する。図９は水素吸蔵合金成形体通電加熱（直接加熱）Ａ、水素吸蔵合金成形体ヒータ加熱（間接加熱）Ｂ、水素吸蔵合金粉末体ヒータ加熱（間接加熱）Ｃの時間に対する温度変化の関係を示すグラフである。
【００４０】この比較例では、０〜１０秒までの間通電し、その後２０秒まで放置した際の温度変化を比較した。図示されるグラフから理解されるように、水素吸蔵合金の成形体を通電加熱する場合（Ａ）には、到達温度が極めて高く、水素吸蔵合金から迅速な水素の放出が期待される。これに対して、ヒータ加熱により水素吸蔵合金を加熱する場合（Ｂ、Ｃ）には、温度上昇が遅く、到達温度も低い。したがって、水素の迅速な放出および十分な水素の放出量を実現することができない。
【００４１】このように、粉末体の水素吸蔵合金を多孔質状の成形体３０に成形することにより、また、成形体３０に通電して成形体３０を自家発熱させることにより、極めて迅速な水素の放出および十分な水素の放出量を実現することができる。この利点は、例えば、水素貯蔵装置２０を車両に搭載した場合に有利に作用する。実用上、車両の始動に許容される時間は僅かであり、車載の水素貯蔵装置には、特に迅速な立ち上がりが要求されるからである。あるいは、間欠運転が実行される水素利用システム、例えば、改質器により水素を得るシステム、水素を燃料として発電する燃料電池等においても、かかる利点は有益である。
【００４２】・第２実施例：第２実施例では、水素貯蔵装置、例えば、第１実施例において説明した水素貯蔵装置２０を複数個接続し、抵抗値制御機構８２によって水素貯蔵装置２０の接続パターンを切り替えることにより、水素貯蔵装置２０内における水素吸蔵合金の内部抵抗を電流供給源８０の有する内部抵抗に一致させることを特徴とする。一般的に、水素貯蔵装置２０内の水素吸蔵合金（成形体３０）を最短時間で加熱するためには、水素吸蔵合金に対して電力供給源８０から最大の電力を供給しなければならない。ここで、図８に図示される第１実施例の等価回路における水素吸蔵合金の発熱出力Ｐは以下の式によって定義される。
【００４３】
Ｐ＝ＩＶ＝Ｉ2Ｒ＝Ｖ2Ｒ／（ｒ＋Ｒ）2 （式１）
ここで、Ｖは電力供給源８０により供給される電圧、Ｉは図９に図示される電気回路を流れる電流、Ｒは水素吸蔵合金の抵抗、ｒは電力供給源の内部抵抗をそれぞれ示す。ＲをＰの変数と見なした場合におけるＰが最大値を採るための条件、すなわち式１の最大値は、ｄＰ／ｄＲ＝（Ｒ−ｒ）Ｖ2／（ｒ＋Ｒ）3＝０を満たすＲ＝ｒのときに得られる。したがって、水素吸蔵合金の抵抗Ｒと電力供給源の内部抵抗ｒとが一致する場合に水素吸蔵合金の発熱量は最大となる。この結果に基づき、水素貯蔵装置２０に対して常に一定電流を通電することができる場合には、予め水素貯蔵装置２０内の水素吸蔵合金の抵抗を電力供給源８０の内部抵抗に一致させておくことにより常に水素吸蔵合金の発熱量を最大とすることができる。
【００４４】第２実施例においては、図１０および図１１に図示するように、複数個の水素貯蔵装置２０から構成される水素貯蔵システムを採用し、水素貯蔵装置２０間の接続態様を抵抗値制御機構８２によって切り替えることにより水素貯蔵システムにおける水素吸蔵合金の抵抗Ｒを電力供給源８０である二次電池の内部抵抗ｒに一致させる。図１０は水素貯蔵システムが低い抵抗を有する場合における水素貯蔵装置２０間の接続態様を示す。図１１は水素貯蔵システムが高い抵抗を有する場合の水素貯蔵装置２０間の接続態様を示す。
【００４５】図１０および図１１においては、それぞれ断面積Ｓ、長さＬ、比抵抗ρを有する水素吸蔵合金の成形体を用いた。図１０の接続形態における水素貯蔵システムの抵抗Ｒ１は、Ｒ1＝（Ｌ／２Ｓ）ρで表される。これに対して図１１の接続形態における水素貯蔵システムの抵抗Ｒ2は（２Ｌ／Ｓ）ρで表される。ここで、Ｒ1とＲ２との間には、Ｒ2＝４Ｒ1の関係が成立する。したがって、電力供給源８０の内部抵抗ｒが高い場合には、例えば、抵抗値制御機構８２により、図１１の接続形態に切り替えることによって水素貯蔵システムの内部抵抗を電力供給源８０の内部抵抗ｒに一致、あるいは、近づけることができる。この結果、電力供給源８０から水素吸蔵合金に対して実質的に最大の電力が供給されることとなり、水素吸蔵合金を迅速に発熱させることができる。
【００４６】ここで、車両における電力供給源８０としては二次電池が用いられることが一般的であるが、二次電池は一般的にその内部抵抗が温度変化に依存するため、特定の温度環境下における二次電池の内部抵抗ｒに水素吸蔵合金の抵抗Ｒを一致させておいたとしても、使用に伴って内部抵抗ｒと抵抗Ｒとが一致しなくなることも多い。しかしながら、本実施例に係る構成を備えることにより、水素貯蔵装置２０を車両に搭載する場合であっても、二次電池の内部抵抗変化に関わらず水素吸蔵合金を迅速に発熱させることができる。したがって、水素を迅速に供給（放出）することができる。
【００４７】なお、本実施の形態では、抵抗値制御機構８２を介して水素貯蔵装置２０を複数個接続した水素貯蔵システムにおいて、水素貯蔵装置２０の合計内部抵抗を電力供給源８０の内部抵抗ｒに一致あるいは近づける構成を備える。これに対して、図１２に示すように、単一の水素貯蔵装置２０において、可動式付勢電極６０、６１および６２間に介在させる成形体３０の数を内部抵抗可変機構８４によって調整することにより水素貯蔵装置２０の内部抵抗を変更しても良い。例えば、可動式付勢電極板６２を予め所定間隔毎に成形体間に配置しておき、内部抵抗可変機構８４によって電力供給源８０接続する電極板を切り替えることにより、水素貯蔵装置２０の内部抵抗は変更され得る。
【００４８】・第３実施例：本発明に従う第３実施例に係る水素貯蔵装置１００について図１３を参照して説明する。第３実施例における水素貯蔵装置１００は複数の多孔質状の成形体３０を用いる代わりに一体の多孔質状の成形体１１０を用いる点で第１実施例における水素貯蔵装置２０と相違する。成形体１１０および緩衝材１２０を除く他の構成は第１実施例における構成と同一であるから、同一の符号を付してその説明を省略する。水素貯蔵装置１００は可動式付勢電極６０、６１の間に一体の水素吸蔵合金の成形体１１０を有している。この成形体１１０は、第１実施例において説明したように粉末状の水素吸蔵合金と結着材の混練物を、所望の形状、ここでは、矩形断面を有する柱状成形体に成形・乾燥させることにより得られる。成形体１１０は、可動式付勢電極６０、６１によって押圧されており、成形体１１０と可動式付勢電極６０、６１とは常に物理的な接触を維持している。また、成形体１１０の長軸方向への寸法増加分は可動式付勢電極６０、６１が収縮することによって吸収される。
【００４９】成形体１１０の本体２１内部との各対向面とこれに対応する本体２１内部の各面に配置されている断熱絶縁材２５との間には緩衝材１２０が挿入されている。この緩衝材１２０は、水素吸蔵時における成形体１１０の体積膨張に伴う上下左右方向（図１３において紙面に対する垂直方向を左右方向、紙面に平行な上下方向を上下方向とする）への寸法変化時にも成形体１１０に許容値以上の応力が賞しない程度に圧縮された状態で成形体１１０と断熱絶縁材２５との間に挿入配置される。より詳細には、緩衝材１２０は、成形体１１０の上下面とこれに対応する断熱絶縁材２５との間に配置されている第１緩衝材１２０ａ、成形体１１０の左右面とこれに対応する断熱絶縁材２５との間に配置されている第２緩衝材１２０ｂとを有している。また、第１実施例とは異なり、緩衝材１２０は成形体１１０に対する通電方向には配置されていないので、緩衝材１２０には導電性は必ずしも要求されない。また、緩衝材１２０は水素拡散経路を保持するようにして配置されているので、水素透過性は必ずしも要求されるものでないが、水素透過性を備えることは好ましい。なお、本実施例では、第１実施例にて例示した導電性緩衝材３２を緩衝材１２０として用いるものとする。
【００５０】本実施例に係る水素貯蔵装置１００では、水素吸蔵時における成形体１１０の体積膨張に伴う長軸方向の寸法変化は可動性付勢電極６０、６１によって吸収され、径方向の寸法変化は第１および第２導電性緩衝材１２０ａ、１２０ｂによって吸収される。これにより成形体１１０と断熱絶縁材２５との直接接触が防止されると共に成形体１１０に作用する衝撃が緩衝され成形体１１０の損傷が防止される。これに対して、水素放出時における成形体１１０の体積減少に伴う長軸変化分は、可動性付勢電極６０、６１が成形体１１０を付勢しつつ伸長することによって補完される。
【００５１】したがって、成形体１１０の両端と可動性付勢電極６０、６１との物理的な接触を維持することができる。また、径方向の寸法変化分は第１および第２導電性緩衝材１２０ａ、１２０ｂが弾性変形することによって補完され、成形体１１０は水素貯蔵装置１００内にて断熱絶縁材２５と接触しないように保持される。このように、本実施例においても成形体状の水素吸蔵合金を用いることによる利益を有することができる。
【００５２】以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る水素貯蔵装置を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【００５３】例えば、上記第１実施例では矩形板状の多孔質性成形体３０を用いたが、円板状、多角形状の成形体を用いても良い。どのような形状の成形体を用いても第１実施例において得られる利益を得ることができると共に、どのような形状の成形体を用いるかは設計事項だからである。
【００５４】また、第１実施例では、第１導電性緩衝材３２aおよび第１導電性緩衝材３２ａに対して９０度ずらして配置される第２導電性緩衝材３２ｂを交互に配置しているが、全ての導電性緩衝材のうち少なくとも１つの導電性緩衝材が他の導電性緩衝材の配置向きとは異なる向きに配置されていればよい。また、成形体が円板状に成形されている場合には、各導電性緩衝材を所定角度ずつずらして配置しても良い。これらの場合にも、成形体３０の体積変化（膨張）に起因する、各方向における成形体３０と断熱絶縁材２５との衝突が緩衝され、成形体３０の損傷を防止することができるからである。
【００５５】さらに、第１実施例では、可動式付勢電極６０、６１を成形体３０の配列方向に対して交差するように配置、すなわち、成形体３０を電気的に直列接続するように配置した。しかしながら、図１４に示すように、可動式付勢電極１６０、１６１を成形体３０の配列方向に沿って配置、すなわち、成形体３０を電気的に並列接続するように配置しても良い。この場合には、成形体３０相互間の電気的に絶縁する必要があるので、緩衝材として絶縁性緩衝材１３２を用いる。また、成形体３０の径寸法は、成形体３０の通電加熱に要求される電気抵抗値を実現するように決定される。
【００５６】かかる構成を備える場合には、複数個配列されている成形体３０の内の１個あるいはいくつかが損傷した場合であっても、水素貯蔵装置１２０としての機能を保持することができるという利点を有する。
【００５７】また、第１実施例における導電性緩衝材３２の形状は一例であり、例えば、図１４に緩衝材１３２として示すように、２つの成形体３０間に挟まれると共にその両端部が２つの成形体３０の端部に跨るように配置されても良い。すなわち、断面視にて各端部が略Ｔ字状をなすように配置されても良い。この場合には、１つの導電性緩衝材３２によって、隣接する成形体３０を本体２１の内面（断熱絶縁材２５）との接触による損傷からより効果的に保護することができる。
【００５８】また、第３実施例では四角柱状の成形体１１０を用いたが、円柱状、多角柱状の成形体を用いても良い。かかる場合にも、成形体１１０であることに変わりなく、成形体状の水素吸蔵合金を用いた場合の利益を有するからである。
【００５９】上記各実施例にて説明したように本発明に係る水素貯蔵装置は迅速な水素放出を実現するため、例えば、燃料電池を利用する水素利用システム、メタノール改質器を用いる水素利用システムの冷間始動時における水素供給源として有用である。しかしながら、大型の水素貯蔵装置と併用することで定常運転中にシステム全体の最大水素流量を増大させて、水素供給先である燃料電池等の最大出力を向上させることができる。
【００６０】また、必要に応じて小型水素貯蔵装置と大型水素貯蔵装置の容量比を調整する事も有用である。さらに、水素貯蔵装置全体を通電可能な小部屋に分割した構造を備えることもできる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年９月１日（１９９９．９．１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９６８１７
【弁理士】
【氏名又は名称】五十嵐 孝雄 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−６５７９７（Ｐ２００１−６５７９７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月１６日（２００１．３．１６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２４７３４２ |
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