JP2001241599A

JP2001241599A - 水素回収・貯蔵容器

Info

Publication number: JP2001241599A
Application number: JP2000049541A
Authority: JP
Inventors: Seiji Takahashi; 誠司高橋; Masashi Takahashi; 昌志高橋; Koji Uchida; 浩司内田; Kenichi Kobayashi; 賢一小林; Yoshio Nuitani; 芳雄縫谷; Katsuzo Sahoda; 克三佐保田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Japan Metals and Chemical Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Japan Metals and Chemical Co Ltd
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-09-07
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP4663839B2

Abstract

(57)【要約】【課題】天然ガスやメタノールを改質することによっ
て得られる水素と他の不純物ガスから構成される混合ガ
ス（改質ガス）等より、水を効率良く分離回収し、その
水素を貯蔵する機能を持つとともに、水素を供給する水
素タンクとしての機能をも併せ持つ水素回収貯蔵容器お
よび装置を提供すること。【解決手段】水素吸蔵合金に結着剤を加えてペースト
状とし、金属多孔質体シートに塗布又は充填した後、加
圧成形した水素吸蔵性シートを積層して、ガス入り口と
ガス出口とを備えた容器内に収納してなることを特徴と
する水素回収・貯蔵容器である。また、前記水素吸蔵性
シートに、さらに多孔体シートを重ねて張り合わせ積層
したものが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素運搬用、水素
エンジン用あるいは燃料電池などの分野で用いられる水
素回収・貯蔵容器に関する。さらに詳しくは、水素及び
水素を含む混合ガスからの水素回収、水素貯蔵、水素放
出用の装置に適用される水素回収・貯蔵容器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、石油の代替エネルギーとして、水
素を発電用燃料として使用する燃料電池が注目を集めて
いる。この燃料電池は、燃料極と酸化剤極からなり、燃
料極には水素を、そして酸化剤極には酸素を供給し、電
解質層を介して接触させ電気化学反応により発生する電
気エネルギーを両極から取り出すようにしたものであ
る。この種の燃料電池においては、燃料として水素が使
用されている。この水素は、一般に、天然ガス，ナフ
サ，液化石油ガス等の炭化水素（水素含有改質ガス）燃
料を改質し、水素を主成分とする燃料ガスに変換するこ
とにより得られることが知られている。

【０００３】この際必要とされる水素吸蔵合金を用いた
水素の貯蔵装置や微量の不純物ガスを含む水素の精製装
置は、従来より多くの提案がなされている。しかし、水
素含有量が５０〜７０％と低く、他の不純物ガスを多量
に含むメタノール改質ガス等のいわゆる混合ガスから、
水素を効率良く回収しそれを貯蔵する容器や装置は提案
されていない。それは、これまでの水素吸蔵合金を収納
した容器のガス導入口が一箇所であり、そこから混合ガ
スを容器内に導入し水素を吸蔵させた後、同じ導入口か
ら残ガスの排出と水素ガスの供給を行う方式のためであ
る。この方式では、混合ガスから水素を回収していくに
伴って不純物ガスの蓄積が起こり、その結果、水素の回
収効率が大きく減少する。また、水素の貯蔵媒体として
使用される水素吸蔵合金は、水素の吸蔵放出に伴って体
積変化を起こし微粉となっていくため、使用を繰り返す
と容器内で偏りを起こし、一定の性能を維持することが
困難であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような状況下で、
本発明の目的は、天然ガスやメタノールを改質すること
によって得られる水素と他の不純物ガスから構成される
混合ガス（改質ガス）等より、水を効率良く分離回収
し、その水素を貯蔵する機能を持つとともに、水素を供
給する水素タンクとしての機能をも併せ持つ水素回収貯
蔵容器および装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するために鋭意研究した結果、これまで水素ガス
純度の低い混合ガスから、水素ガスだけが水素吸蔵合金
に吸収される過程を詳細に検討した結果、水素吸蔵合金
の表面上に混合ガスを連続して流す事によって、水素の
回収効率が飛躍的に向上することを見い出した。水素吸
蔵合金に結着剤を加えて加圧成形した特定の水素吸蔵性
シートを、ガス入り口とガス出口とを有する容器に収納
してガスフローをすることが有効であることを知見し、
本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、（１）
水素吸蔵合金に結着剤を加えてペースト状とし、金属多
孔質体シートに塗布又は充填した後、加圧成形した水素
吸蔵性シートを積層して、ガス入り口とガス出口とを備
えた容器内に収納してなることを特徴とする水素回収・
貯蔵容器、（２）前記水素吸蔵性シートに、さらに多孔
体シートを重ねて張り合わせ積層したことからなる前記
（１）の水素回収・貯蔵容器、（３）前記水素吸蔵性シ
ートを、さらに多孔体シートと重ね合せて巻回したこと
を特徴とする前記（１）の水素回収・貯蔵容器、（４）
前記（３）により水素吸蔵性シートを巻回して得られた
筒状体を長手方向に分割した後、その分割体を複数個並
べて容器内に収納したことを特徴とする前記（１）の水
素回収・貯蔵容器、（５）水素回収・貯蔵容器の複数個
を、直列あるいは並列に配置したことを特徴とする前記
（１）〜（４）のいずれかの水素回収貯蔵装置、（６）
ガス入口とガス出口とを有し、かつガスヘッダーを備え
た密閉容器内に、水素吸蔵性シートを巻回して収納して
ある筒状内管が複数個並設されており、該筒状内管は上
下のガスヘッダーに連結していると共に、密閉容器内の
空隙部には熱媒体を流入するように形成されていること
を特徴とする前記（１）及び（３）〜（５）のいずれか
の水素回収・貯蔵容器、及び（７）ガス入口とガス出口
とを有した密閉容器内に、平板状からなる前記（１）の
水素吸蔵性シートを複数枚積層して収納されていると共
に、該シートと密閉容器側面とを貫通して熱媒体用の流
入管が複数本並設されていることを特徴とする前記
（１）、（２）及び（５）のいずれかの水素回収・貯蔵
容器、（８）前記水素回収・貯蔵容器は、燃料改質装置
の運転中に生成する改質ガス中に含まれる水素を選択的
に吸蔵し、また、吸蔵した水素を放出タンクに供給する
ために用いられることを特徴とする前記（１）〜（７）
のいずれかの燃料電池用水素回収・貯蔵容器を提供する
ものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明で用いられる水素吸蔵性シ
ートは、水素吸蔵合金に結着剤（バインダー）を加えて
ペースト状にし、金属多孔質体シートに塗布又は充填し
た後、加圧成形して得られる。ここで、金属多孔質体と
は、連続気孔構造を有する金属発泡体、或いは金属の細
線からなる織布，不織布，金属製パンチプレート等など
の総称をいう。かかる金属多孔質体を構成する金属とし
ては、銅，アルミニウム，ニッケル，コバルト，亜鉛等
の熱伝導効率が高い金属が挙げられる。特に軽量化の観
点からは、アルミニウムが好ましい。また結着剤として
は、例えばポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられ
る。この結着剤は、主として水素吸蔵合金粉末を固定す
るために用いるのであるが、水素吸蔵合金粉末表面の被
毒を抑制する効果をも有する。なお、本発明の水素回収
・貯蔵容器に用いられる水素吸蔵合金としては通常用い
られるものであればよく、例えばＬａＮｉ合金，ミッシ
ュメタル系合金，Ｔｉ−Ｚｒ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｃｕ合金な
どが挙げられる。

【０００７】本発明における前記水素吸蔵性シートは、
さらに多孔体シートを重ねて張り合わせ平板状などに積
層されたもの、或いはさらに多孔体シートと重ね合せて
巻回されたものが好ましい。ここで、多孔体シートと
は、前記の金属多孔質体の外にプラスチックス又は有機
質の多孔質体などが挙げられ含まれ、多孔体シートには
ペーストは含まれていない。このように、水素吸蔵性シ
ート（例えば図１における１）を多孔体シート（例えば
図１における１’）と重ねて二重シートとしたものを積
層した場合は、導入ガスが水素吸蔵合金粉末と、より均
一に接触することができるので、特に本発明におけるガ
スフロータイプにおいて混合ガスからの水素の効率的回
収が可能である。本発明の水素回収・貯蔵容器におい
て、上記の水素吸蔵性シート１は、例えば、図１に示す
ように、渦巻状に巻回されて円筒状積層シート２を形成
し、筒状内管３に収納され、該筒状内管の上下面に各々
水素含有ガスの導入口４と放出口４’とを設けることが
できる。ここで、水素回収・貯蔵容器の複数個を、直列
あるいは並列に配置してもよい。また、本発明で用いる
水素吸蔵性シートの形態の他の例として、図２に示す水
素吸蔵性シートは、平板状に成形されたシート５であ
り、この複数枚を積層して箱型密閉容器６に収納され、
この容器の両側面又は上下面の外側の任意の位置に水素
含有ガスの導入口７と放出口７’とを設けることができ
る。ここで、水素回収・貯蔵容器の複数個を、直列ある
いは並列に配置してもよい。

【０００８】次に、特に燃料電池用として適用される本
発明の水素回収・貯蔵容器について、図３〜図７により
詳細に説明する。本発明において好適な水素回収・貯蔵
容器の第１の形態は、少なくとも一個のガス出入管を有
し、かつガスヘッダー１０を備えた密閉容器８の内部
に、前記の水素吸蔵シートを巻回して収納してある筒状
内管３が複数個並設されており、該筒状内管は上下のガ
スヘッダー１０に連結していると共に、密閉容器内の空
隙部には熱媒体が流入するように形成されている水素回
収・貯蔵容器である。ここで、密閉容器はガスの入口と
出口とを有するガスフロータイプのものである。また、
筒状内管の形状は特に限定されるものではないが、円筒
形容器の場合には、該円筒容器内のガス圧が高くても変
形し難い。従って容器の軽量化も可能である。なお、密
閉容器８については特に耐圧性を必要としない。

【０００９】さらに図３により具体的に説明すれば、本
発明に係る水素回収・貯蔵容器は、方形の密閉容器８の
上下面に各々ガス導入管９と放出管９’とを有すると共
にガスヘッダー１０、１０’が配設されている。そし
て、密閉容器８には、水素吸蔵シートを渦巻状に巻回し
た状態で収納されている筒状内管３が並設されると共
に、該筒状内管３は密閉容器８の上下面で各々ガスヘッ
ダー１０、１０’とパイプ１１，１１’を介して連絡し
ている。そして、筒状内管３を加熱又は冷却するために
密閉容器８の側面外側には、熱媒用管１２，１２’が設
けられている。また、上記の第１の形態の他の例とし
て、図４に示す水素回収・貯蔵容器は、円柱形からなる
容器内に、水素吸蔵シートを渦巻状に巻回した状態で収
納されている筒状流通管が配設されており、その作用は
前記の場合と同様である。

【００１０】また、本発明において好適な水素回収・貯
蔵容器の第２の形態は、少なくとも一個のガス出入管を
有した密閉容器１３の内部に、平板状からなる水素吸蔵
性シートが複数枚積層して収納されていると共に、該シ
ートの積層体１４と密閉容器１３の側面とを貫通して熱
媒体用の流入管１６が複数本並設されている水素回収・
貯蔵容器である。ここで、密閉容器はガス入口とガス出
口とを有するガスフロータイプのものである。また、こ
の構造で用いられる平板状の水素吸蔵性シートの積層状
態は、互いに接していてもよいが、各シート毎に所望の
間隔をもって並設されたものでもよい。これらの平板状
の水素吸蔵性シートはそれ自体の形状よりフィン構造を
兼ねることができる。さらに、図５により具体的に説明
すれば、本発明に係る水素回収・貯蔵容器は、密閉容器
１３の内部に平板状の水素吸蔵性シートが複数枚積層さ
れて収納してあると共に、密閉容器１３の上下面には、
各々ガス導入管１５と放出管１５’が設けられている。
そして、水素吸蔵性シート積層体１４と密閉容器１３の
側面とを貫通して、水素吸蔵性シートを加熱又は冷却す
るための熱媒管１６が配設されている。

【００１１】本発明による前記の構成からなる水素回収
・貯蔵容器によれば、水素吸蔵合金の表面上に混合ガス
を連続して流すことによって、水素の回収効率が飛躍的
に向上する。すなわち、混合ガス中の水素が、水素吸蔵
合金中に吸収される始めると、合金表面の残ガス中の水
素濃度は減少していき、水素の分圧は小さくなる。水素
の分圧が、水素吸蔵合金の平衡圧より低くなれば水素の
吸蔵は停止する。一方、本発明では、水素吸蔵合金表面
上に連続して混合ガスを流すことにより、水素以外の不
純物ガスを出口より排出し、合金表面上の水素ガス濃度
を一定にする事によって水素を効率よく回収することが
できる。また、所定の粒度に粉砕された粉状の水素吸蔵
合金を、金属の薄体表面にバインダーを用いて塗布し、
その後圧延することで合金粉を保持し、それに接するよ
うに多孔体上のフィルムを配して、ガスの流路を形成す
ることによって、合金粉が容器内で偏在する事が防止さ
れる。さらに、ガス流路の効果によって混合ガスの導入
量を一定に制御することが可能である。また、水素吸蔵
合金へのガスの接触も常に一定であるため、回収／貯蔵
／放出のサイクルを繰り返しても回収効率が減少するこ
とはない。

【００１２】さらに、前記水素吸蔵性シートと多孔体シ
ートとを重ねて張り合わせ又は巻回積層した場合には、
伝熱性の改良により水素の急速吸蔵・放出が可能であ
り、また不純物の通過が容易となるために水素の回収率
は向上し、さらに、ガス流れの制御が容易となる。ま
た、水素吸蔵性シートを巻回して得られた筒状体を長手
方向に分割した後、その分割体を不連続に複数個並べて
容器内に収納した場合には、流れの集中（パス）が防止
され、ガスはより均一に水素吸蔵合金と接触することが
できる。

【００１３】本発明において、前記の水素回収・貯蔵容
器は、図６に示す如く、燃料電池システムの水素吸蔵タ
ンク２０として用いられる。ところで、一般的な水素供
給装置において、吸蔵タンク２０は、天然ガス，メタノ
ール，メッサ，石炭等の燃料ガスを、燃料改質器１８
（リフォーマー）にて改質して得られる水素含有改質ガ
スから、さらに水素ガスのみを効率よく選択的に吸蔵す
るためのタンクであって、比較的簡単な内部構造とす
る。その理由は、このタンクの役割に拠るのであって、
このタンクの場合、硫黄や一酸化炭素による水素吸蔵合
金の被毒をある程度予測した上で、吸蔵の速さに拘泥す
ることなく、むしろ効率よく水素ガスの吸蔵が起こるよ
うにすることが必要であって、そのためには水素回収率
と貯蔵量の増大に適合させるべく簡単な構造にしなけれ
ばならないからである。もっとも、本発明の水素回収・
貯蔵容器は、水素吸蔵タンク２０としてだけでなく、水
素放出タンク２１としても用いることができる。さらに
は、燃料改質器１８の運転中に余剰水素が発生した場合
に、当該余剰水素をタイミング良くこれらのタンク２
０，２１に吸蔵することができる。

【００１４】次に、上述した燃料電池システムの作動方
法について図６及び図７に基づいて説明する。通常運転プロセス（改質運転状態）この状態は、燃料改質器１８から発生する通常の水素含
有改質ガスを、まず吸蔵タンク２０を経由させることな
く燃料電池１９の燃料として直接使用する他、吸蔵タン
ク２０には前記改質ガス中に含まれる水素のみを選択的
に吸蔵させる。そして、運転停止の前などにこの吸蔵タ
ンク２０に吸蔵した水素を、燃料電池１９ではなく放出
タンク２１に供給してそこに貯蔵するプロセスである。
即ち、放出タンク２１に吸蔵する場合、図７に示すよう
に、燃料改質器１８から吸蔵タンク２０に向かうライン
のバルブＶ１および吸蔵タンク２０から燃料電池１９へ
と向かうラインのバルブＶ２，Ｖ４を開とし、水素含有
改質ガスを導入すると同時に、２５℃の冷水を供給する
ことにより、吸蔵タンク２０の内部の水素吸蔵合金に水
素を吸蔵する。そして、主として、燃料電池１９の停止
の前に、前記バルブＶ１，Ｖ４を閉じると共に吸蔵タン
ク２０と放出タンク２１との間に介挿してあるバルブＶ
２，Ｖ３を開として、吸蔵タンク２０に６０℃の温水を
供給して充填した水素吸蔵合金に貯蔵してある高純度の
水素ガスを、発生させ、これを放出タンク２１に移送す
る。このとき、放出タンク２１内には水素ガス吸蔵のた
めに冷水（２０℃程度）を供給してこれを冷却する。

【００１５】始動運転プロセス（改質運転停止状態）この状態は、燃料改質器１８の停止時において、燃料電
池を起動させる時のプロセスである。このときは改質ガ
スが得られないので、上述した放出タンク２１に貯蔵し
た高純度の水素ガスを高速度で放出させることで対処す
る。そのために、燃料改質器１８から貯蔵タンク２０の
出口までのバルブＶ１，Ｖ２を閉じ、放出タンク２１か
ら燃料電池１９に向かうバルブＶ３，Ｖ４を開として、
該タンク内に６０℃程度の温水を供給して、吸蔵室内に
充填した水素吸蔵合金から水素を発生させ、この水素を
燃料電池１９に供給する。そして、燃料電池システムが
起動し、前記燃料改質器１８の運転が再開された後は、
先の定常運転プロセスに戻ることになる。

【００１６】

【発明の効果】本発明の水素回収・貯蔵容器は、水素吸
蔵合金が結着剤により固定されているために、水素吸蔵
合金粉末の微粉化による脱落が防止される。また、移動
体用としての使用においても振動による水素吸蔵合金粉
末の偏りを生じないので、反応容器内の圧力損失を一定
にすることが可能となり制御が容易となる。さらに、本
発明の水素回収・貯蔵容器は熱伝導が良く急速吸蔵・放
出が可能であり、これを燃料電池システムに適用した場
合には、燃料電池にすばやい水素供給ができ、とりわけ
始動、高出力運転時の応答性能が格段に優れるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における水素吸蔵性シートを巻回積層し
た状態を説明するための図である。

【図２】本発明における平板状の水素吸蔵性シートの積
層状態を説明するための図である。

【図３】本発明に係る水素回収・貯蔵容器（円筒状積層
シート使用）の一例を示す断面透視図である。

【図４】本発明に係る水素回収・貯蔵容器（円筒状積層
シート使用）の他の一例を示す断面透視図である。

【図５】本発明に係る水素回収・貯蔵容器（平板状積層
シート使用）の一例を説明するための図である。

【図６】燃料電池システムのフローを示す説明図であ
る。

【図７】燃料電池システムに本発明装置を用いたときの
作動を説明するための図である。

【符号の説明】

１：水素吸蔵性シート２：円筒状積層シート３：円筒内管４，４’：ガスの導入・放出口５：平板状積層シート６：箱型密閉容器７，７’：ガスの導入・放出口８：密閉容器９，９’：ガス導入・放出管１０，１０’：ガスヘッダー１１：パイプ１２，１２’：熱媒用導入・放出管１３：密閉容器１４：平板状の水素吸蔵性シートの積層体１５，１５’：ガス導入・放出管１６：熱媒管１８：燃料改質器１９：燃料電池２０：水素吸蔵タンク２１：水素放出タンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋昌志茨城県つくば市東光台５丁目９番地６日本重化学工業株式会社筑波研究所内 (72)発明者内田浩司茨城県つくば市東光台５丁目９番地６日本重化学工業株式会社筑波研究所内 (72)発明者小林賢一茨城県つくば市東光台５丁目９番地６日本重化学工業株式会社筑波研究所内 (72)発明者縫谷芳雄埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者佐保田克三埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 4G040 AA24 AA33 FC02 FD04 FE01 5H027 AA02 BA01 BA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素吸蔵合金に結着剤を加えてペースト
状とし、金属多孔質体シートに塗布又は充填した後、加
圧成形した水素吸蔵性シートを積層して、ガス入り口と
ガス出口とを備えた容器内に収納してなることを特徴と
する水素回収・貯蔵容器。
【請求項２】前記水素吸蔵性シートに、さらに多孔体
シートを重ねて張り合わせ積層したことからなることを
特徴とする請求項１に記載の水素回収・貯蔵容器。
【請求項３】前記水素吸蔵性シートを、さらに多孔体
シートと重ね合せて巻回したことからなることを特徴と
する請求項１に記載の水素回収・貯蔵容器。
【請求項４】前記水素吸蔵性シートを、さらに多孔体
シートと重ね合せて巻回して得られた筒状体を、長手方
向に分割した後、その分割体を複数個並べて容器内に収
納してなることを特徴とする請求項１に記載の水素回収
・貯蔵容器。
【請求項５】水素回収・貯蔵容器の複数個を、直列あ
るいは並列に配置したことを特徴とする請求項１〜４の
いずれか一項に記載の水素回収貯蔵装置。
【請求項６】ガス入口とガス出口とを有し、かつガス
ヘッダーを備えた密閉容器内に、水素吸蔵性シートを巻
回して収納してある筒状内管が複数個並設されており、
該筒状内管は上下のガスヘッダーに連結していると共
に、密閉容器内の空隙部には熱媒体を流入するように形
成されていることを特徴とする請求項１及び請求項３〜
５のいずれか一項に記載の水素回収・貯蔵容器。
【請求項７】ガス入口とガス出口とを有した密閉容器
内に、平板状からなる請求項１記載の水素吸蔵性シート
を複数枚積層して収納されていると共に、該シートと密
閉容器側面とを貫通して熱媒体用の流入管が複数本並設
されていることを特徴とする請求項１，２及び５のいず
れか一項に記載の水素回収・貯蔵容器。
【請求項８】前記水素回収・貯蔵容器は、燃料改質装
置の運転中に生成する改質ガス中に含まれる水素を選択
的に吸蔵し、また、吸蔵した水素を放出タンクに供給す
るために用いられることを特徴とする請求項１〜７のい
ずれか一項に記載の燃料電池用水素回収・貯蔵容器。