JP2017538905A - 複数の積層された階層を備える金属水素化物水素貯蔵タンク - Google Patents

Abstract

本発明は、水素吸蔵材料（Ｍ）への吸収によって水素を貯蔵するタンクに関し、前記タンクは、容器と、水素供給入口と、水素放出出口と、水素吸蔵材料を格納するための内部構造体（Ｓ１）であって、吸蔵材料（Ｍ）を包含するための長手方向軸（Ｘ）に沿った少なくとも２つの階層の積層体を備える内部構造体とを備え、各階層が分配カップ（１２）と、吸蔵材料の収容カップ（１４）と、収集カップ（１６）とを備え、分配カップ（１２）、収容カップ（１４）および収集カップ（１６）が上下に積層されかつ互いに堅固に密封されて接続されている。本発明はまた、各階層で、水素が吸蔵材料（Ｍ）を通過することによって各分配カップ（１２）から収集カップ（１６）へと水素が流れるように、分配カップ（１２）において水素を平行に分配する分配パイプ（２２）に関する。

Description

本発明は、水素充填が向上した金属水素化物水素貯蔵タンクに関する。

石油埋蔵量の減少のために、石油に代わるエネルギーが求められている。これらのエネルギー源の有望な方向が水素であり、水素は電気を生成するための燃料電池において使用することができる。

水素は、世界中に非常に広範囲にわたって存在する元素であり、天然ガスまたはその他の炭化水素から生成することができ、または例えば太陽もしくは風力エネルギーによって生成されたエネルギーを使用した水の電気分解によっても生成することができる。

水素燃料電池は、例えば電気自動車など特定の応用において既に使用されているが、取扱いに注意しなければならないこと、および水素貯蔵の困難性のため、依然としてそれほど広範囲には使用されていない。

水素は、３５０から７００ｂａｒの間の圧縮形態で貯蔵され得る。そのため、この圧力に耐えることができるタンクを提供する必要があり、さらには、このようなタンクは、自動車に搭載される場合には衝撃を受け得る。

水素は液体形態で貯蔵され得るが、この貯蔵では低い貯蔵容量しか確保できず、長期間貯蔵することができない。通常の圧力および温度条件の下で水素が液体状態から気体状態へと推移すると、およそ８００倍その体積が増加する。液体形態の水素のタンクは一般的に、機械的衝撃に高い耐久性を有するものではなく、安全について重要な問題を提起する。

水素化物の形態における水素のいわゆる「固体」貯蔵もまた存在する。この貯蔵は、全体的な水素の出力連鎖、すなわち生成からエネルギーへの変換への貯蔵のエネルギーの影響を最小化すると同時に、重要な貯蔵体積密度を許容し、中程度の水素の圧力を満たす。

水素化物形態での水素の固体貯蔵の原理は以下の通りである：特定の材料および特に特定の金属が水素を吸収して水素化物を形成し、この反応は吸収と呼ばれる。形成された水素化物は、再び気体水素および金属を与え得る。この反応は脱着と呼ばれる。吸収または脱着は、水素の分圧および温度に応じて起こる。
メタン粉末またはマトリクスＭへの水素の吸収および脱着は、以下の反応によって行われる。

Ｍは金属粉末またはマトリクス、
ＭＨｘは金属水素化物

例えば、金属粉末は水素と接して配置され、吸収現象が発生し、金属水素化物が形成される。水素の放出は、脱着機構によって行われる。
水素の貯蔵は発熱反応、すなわち熱を放出する反応であり、水素の放出は吸熱反応、すなわち熱を吸収する反応である。
さらに、水素を吸収している材料は、体積の増加が見られる。

材料が水素を吸収する場合、熱の放出があり、その圧力を超えると材料に水素が充填される平衡圧が上昇し、水素供給圧力にすぐに到達し、これは水素化物化（ｈｙｄｒｉｄａｔｉｏｎ）反応を阻害する。タンクの高速充填に悪影響を及ぼすこの現象を抑制するために、材料を冷却することが必要である。逆に、水素の放出という意味では、平衡圧を上昇させ、タンクの出口で有することが望まれる圧力を超える圧力源を利用可能にするために、熱の摂取が行われなければならない。充填または放出段階のいずれかに応じて、タンク内部の材料と冷却源または熱源との間の熱交換を確実にするための手段が提供される。

第１のタイプのタンクは、水素化物から遮断分離された循環路における水などの熱伝達流体の循環の実施によってこれらの熱交換が得られる。

第２のタイプのタンクは、熱伝達流体として直接水素を使用してこれらの熱交換が得られる。冷却された水素は、水素吸収段階に投入される。投入された水素の一部は、タンクの一定容量を押し流し、熱を抽出し、次いで冷却すべきタンクから出て、再度タンクへと再投入される。潜在的に脱着段階では、水素化物に水素が含まれるタンクに加熱された水素が投入される。加熱された水素は熱を供給し、次いで加熱または冷却すべきタンクから出て、タンクへと再度再投入される。脱着段階では、投入される量よりも多くの水素がタンクから排出され、吸収段階では、投入される量よりも少ない水素が排出される。一般的に、脱着または吸収される水素の部分は、熱交換に関してタンクに投入される水素の量と比較して少ない。

文献ＷＯ０１／８１８５０には、吸収段階において水素の投入によって冷却が得られる、水素化形態で水素を貯蔵するタンクの例が記載されている。

タンクの内部構造は、板の対流冷却を実現するために互いに積層して配列された水素吸蔵板と、板同士の間に水素を流す板と板との間の流路とを備える。水素は、その第１の長手方向端部の階層でタンクに投入され、第１の端部に対向する第２の長手方向端部で回収される。水素は、第１の長手方向端部から流路を通って第２の長手方向端部へと流れ、タンクから排出される。吸収の間に生成する熱は水素化物内で生成され、熱は、水素の流れによって放出されることができる板の表面に到達しなければならない。熱の放出は比較的遅く、吸収反応速度を低下させる。吸収速度を上昇させるために、有用な水素の流量を使用しなければならない。

国際公開第０１／８１８５０号

したがって、本発明の目的は、熱交換流体として水素を使用し、従来の装置と比較して実質的に高い充填速度を提供する単純な構造の水素貯蔵装置を提供することである。

上記目的は、容器と、水素吸蔵材料を格納するベッドの形態の複数の階層を区切る内部構造体とを備える吸蔵材料用タンクであって、水素が全厚さにわたって吸蔵材料のベッドを通過するように、各階層が水素の流れの方向を考慮した吸蔵材料の上流に吸蔵材料における水素の分配領域と、吸蔵材料の下流に水素の収集領域とを備えるタンクによって成し遂げられる。したがって、水素吸蔵材料の中心部が確実に冷却または加熱される。さらに、冷却または加熱は、水素吸蔵材料のベッド全体で均一である。加えて、各階層には、水素が平行に供給されるため、実質的に同一温度を有する水素のフローが全てのベッドを通過し、全ての階層が実質的に同量の熱を交換することができる。

言い換えると、タンクは、吸蔵材料によって形成された粒状媒体の細孔に水素を浸透させるために水素に平行な分配および収集ネットワークを含む層状の内部構造体を備える。
例示的実施形態では、内部構造体はカップで形成され、各階層が３つのカップを備え、１つが水素供給用、１つが水素吸蔵材料を含み、もう１つが水素の収集用である。水素吸蔵材料を含むカップに水素を循環させる水素を透過する領域および水素を透過しない領域が、水素吸蔵材料に水素を通過させる。
したがって、タンクに導入されるほぼ全ての水素が水素吸蔵材料と接触する。

別の例示的実施形態では、分配領域は、下部階層と上部階層との間で収集領域と同様に共有される。
本発明の主題は、粉末水素吸蔵材料への吸収によって水素を貯蔵するタンクであって、
容器と、
少なくとも１つの水素供給入口と、
少なくとも１つの水素放出出口と、
水素吸蔵材料を格納するための内部構造体であって、吸蔵材料を包含するための長手方向軸に沿った少なくとも２つの階層の積層体を備え、各階層が吸蔵材料の収容領域と、長手方向軸に沿った収容領域のいずれかの側に位置する水素の収集領域と水素の分配領域とを備える、内部構造体と、
各階層で、水素が前記吸蔵材料の前記収容領域を通過することによって、前記分配領域の各々から前記収集領域へと水素が流れるように、前記分配領域において水素を平行に分配する分配手段と、を備える貯蔵タンク。

例えば、分配領域における水素分配手段は、長手方向端部が供給入口に接続されかつ別の長手方向端部が閉鎖された分配パイプを備え、前記分配パイプは前記領域の全てを貫通するかまたは隣接しかつ分配領域に現れる開口部を備える。
貯蔵タンクは、好ましくは、全ての収集領域を放出出口に接続する手段を備える。
例示的実施形態では、各階層は、その分配領域およびその収集領域を備える。

各階層は、分配カップと、吸蔵材料の収容カップと、収集カップとを備えてよく、前記分配カップ、収容カップ、および収集カップがこの順で積層され、互いに堅固に密封接続される。

例えば、収容カップは分配カップに堅く嵌合され、収集カップは収容カップに堅く嵌合される。例えば、階層は互いに堅く嵌合され、上の階層の分配カップは下の階層の収集カップに堅く嵌合される。

分配カップは、水素に対して密封された底部と、水素に対して密封された側壁とを備えてよく、かつ／または収容カップは、少なくとも部分的に水素を透過しかつ粉末吸蔵材料に対して密封された底部と、水素に対して密封された側壁とを備えてよく、かつ／または収集カップは、少なくとも部分的に水素を透過する底部と、水素に対して密封された側壁とを備える。

追加の特性によると、収集カップを放出出口に接続する手段は、全てのカップを貫通しかつ収集カップの各々に現れる開口部を備える、少なくとも１つの長手方向の収集パイプを備え得る。

有利には、分配パイプおよび／または収集パイプは、分配カップ、収容カップ、および収集カップに属するパイプの部分を含み、分配カップ、収容カップ、および収集カップを互いに積層する間に前記パイプの部分が端と端を接続して配置される。
別の例示的実施形態では、タンクは、２つの階層に１つの分配領域を備え、２つの階層に１つの収集領域を備える。

分配領域は、供給入口に接続された長手方向の分配パイプに現れ得、収集領域は、容器および内部構造体によって区切られた周辺チャネルに現れ得、前記周辺チャネルは放出出口に接続される。代替的に、分配領域は容器および内部構造体によって区切られた周辺チャネルに現れ得、収集領域は放出出口に接続された長手方向の分配パイプに現れ得、前記周辺チャネルは供給入口に接続される。

好ましくは、分配領域および／または収集領域は、水素を透過しかつ２つの連続した収容領域の２つの底部の間のスペーサを形成する構造体を備える。前記構造体は、例えば多孔性材料、発泡体、多孔性焼結材料であるか、または１つもしくは複数の格子を含む。

タンクは、第１タイプの要素および第２タイプの要素の交互の積層体を備えてよく、第１タイプの要素および第２タイプの要素は互いに堅固に接続され、分配領域および収集領域は、第１タイプの要素と第２タイプの要素との間に形成される。
例えば、第１タイプの要素および第２タイプの要素は、水素に対して密封された側壁と、少なくとも水素を透過する底部とを備える。

追加の特性によると、分配領域と分配パイプとの間の接続部および収集領域と収集チャネルとの間の接続部の階層を除いて、第１タイプの要素および第２タイプの要素は、互いに密封接続され得る。第１タイプの要素および第２タイプの要素は互いに嵌合されてよく、第１タイプの要素と第２タイプの要素との間にシールが設けられる。

第１タイプの要素および第２タイプの要素は、有利には合成材料で作製され、例えばポリマー材料、例えばポリアミドで作製され得る。
好ましくは、前記階層は、高さ、幅および長さが実質的に等しい平行六面体のセルに少なくとも分割される。
好ましくは、少なくとも部分的に水素を透過する底部は、ポリマー材料または金属で作製されたろ布を備え得る。

別の主題は、水素吸蔵材料、例えば金属水素化物を含む本発明によるタンクを含む水素化物タンクである。
別の主題は、水素が供給される推進システムと、該推進システムおよび脱着段階にタンクを加熱する手段に接続された本発明による貯蔵タンクと、を備えた自動車車両である。

本発明は、以下の説明を利用することによって、また添付の図面からより深く理解されるであろう。

本発明による第１の実施例のタンクの縦断面図である。 図１の拡大図である。 図１の基本積層体の断面図である。 収集カップを含まない図３の基本積層体の等角図である。 収集カップを含む図３の基本積層体の等角図である。 タンクの動作を概略的に示す図１の詳細図である。 タンクの長手方向軸が水平方向である代替の実施形態を概略的に表す詳細図である。 概略的に表された本発明によるタンクの第２の例示的実施形態の長手方向断面図である。 水平構成における第２の例示的実施形態によるタンクの実施形態の長手方向断面図である。 ８Ａおよび８Ｂは、図７の拡大図である。 本発明によるタンクを含む吸収／脱着設備の例の概略図である。

以下の説明において、金属水素化物は、「吸蔵材料」として表される。
以下の説明において、記載されたタンクは円筒形回転形状を有し、好ましい実施形態を示している。しかしながら、長手方向寸法が横方向寸法よりも長い中空要素によって形成され、例えば多角形または楕円体の断面を有するいかなるタンクも本発明の範囲を逸脱しない。
上流および下流は、水素の流れの意味に従って解釈されるべきである。
「下」および「上」との用語は、図面の方向に関して解釈されるべきである。以降において見られるように、タンクの方向は、垂直、水平またはその他であり得る。

図１から図５Ｂには、吸蔵材料が供給されるチャンバ２を備える本発明による第１の例示的実施形態の水素タンクＲ１が示される。チャンバは、上底部５によって上端部が閉鎖され、下底部６によって下端部が閉鎖された長手方向軸Ｘのフェレール４から形成される。示された例では、フェルール４は円形断面である。

チャンバは、典型的には０．１ｂａｒから１０００ｂａｒの間を含む圧力の水素を保持するように構成される。
示される例では、タンクＲ１は、下底部６に作製された水素供給入口８と、上底部５に作製された水素放出出口１０とを備える。

タンクは、水素吸蔵材料の閉じ込めおよび材料内での水素の分配および収集の両方を確実にする内部構造体Ｓ１を備える。内部構造体は、方向Ｘに沿って積層されたいくつかの階層Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…を備える。各階層は、上流から下流へと配列された第１、第２、および第３の領域を含む。

各領域は、カップによって区切られる。第１の領域は分配カップ１２によって区切られ、第２の領域は、以降「水素化物カップ１４」と表される吸蔵材料用の収容カップ１４によって区切られ、第３の領域は収集カップ１６によって区切られる。
カップ１２、１４、１６は積層され、互いに嵌合される。
水素化物カップ１４は、吸蔵材料Ｍを含むことが意図される。該カップは円形断面を有する円筒形状を有する。該カップは、水素および吸蔵材料に対して密封された側壁１４．１と、水素に対して少なくとも部分的に透過性を有しかつ粉末吸蔵材料に対して密封された下底部１４．２と、長手方向軸Ｘに沿って配置された貫通中央供給パイプ１４．３と、長手方向軸Ｘに平行な軸の少なくとも１つの貫通収集パイプ１４．４とを備える。

本発明では、その要素を通過する間に失われる粉末の質量が１％未満である場合、要素が粉末に対して密封されていると解釈する。
側壁１４．１および底部１４．２は、吸蔵材料Ｍを保有するための体積を区切る。有利には、体積は、仕切り１８を利用して分割され、有利には、１：１：１に近い比率を有する、すなわち高さ、幅および長さが実質的に等しいセルに区切る。水素吸蔵の分野において周知の水素化物による水素の吸収／脱着の間の水素化物粉末の膨潤／脱膨張現象の管理は、大きすぎる縦横比を有する容器とは異なって、容易になる。

好ましくは、水素化物カップ１４は、カップ１４の横断面全体にわたって均一な水素の収集を可能にするいくつかの収集パイプ１４．４、例えば示される例では４本の収集パイプ１４．４を備える。

図４Ａに示す例では、４つの仕切り１８が、中央パイプ１４．３を囲み、実質的に四角形の部分のセル２０を区切り、４つの仕切り１８は、セル２０の４つの角を側壁１４．１へと接続し、４つの周辺セル２０を区切る。その他の体積の分割も想定され得る。

水素化物カップ１４の下底部１４．２は、例えば、吸蔵材料の粉末を保持するが水素を通過させることができるポリマーまたは金属製の布によって形成される。

水素化物カップ１４の上流、特に水素化物カップ１４の下底部１４．２の上流に配置された収集カップ１２は、いずれも水素に対して密封された側壁１２．１および下底部１２．２を備える。

下底部は、下底部１２．２の中央に形成された供給口１２．３と、少なくとも１つの収集パイプ１２．４とを備える。収集チューブ１２．４は、水素化物カップ１４が分配カップ１２上に装着されたときに、各収集パイプ１２．４が収集パイプ１４．４と並ぶように、下底部１２．２に配置される。好ましくは、分配カップ１２は、収集パイプ１４．４と同数の収集パイプ１２．４を備える。収集パイプ１２．４と収集パイプ１４．４と間の接続は、水素に対して密封される。

水素化物カップ１４の下流に配置された収集カップ１６は、側壁１６．１、下底部１６．２、中央パイプ１６．３、および少なくとも１つの接続口１６．４を備える。接続口１６．４は、収集カップ１６が水素化物カップ１４上に装着されたときに、各接続口１６．４が収集パイプ１４．４と並ぶように、下底部１６．２に形成される。収集パイプ１４．４と接続口１６．４との間の接続は、水素に対して密封される。

収集カップ１６は、収集パイプ１４．４および１２．４と同数の接続口１６．４を備える。
下底部１６．２は、水素の流れに沿って粉末が運ばれることを避けるために、水素を透過し、粉末吸蔵材料に対して密封される。
側壁１６．１は、水素に対して密封される。

下底部１２．２、１４．２および１６．２は、実質的に同一の外径を有する。好ましくは、分配カップ１２の側壁１２．１は、水素化物カップ１４の底部が適合するように張り出した自由端を備える。好ましくは、水素化物カップ１４の側壁１４．１は、収集カップ１６の底部が適合するように張り出した自由端を備える。また、好ましくは、収取カップ１６の側壁１６．１は、上の階層の分配カップ１２の底部が適合するように張り出した自由端を備える。さらに、カップ１２、１４、１６の側壁は、互いに適合するように、供給チャネルおよび収集チャネルよりも大きなＸ軸に沿った寸法を有する。
好ましくは、３つのカップの張り出した自由端は、実質的に同一の外径を有する。

密封された部分は、例えばシート金属で作製される。収集および供給パイプは、例えば圧着によって堅く接続される。密封された部分と水素を透過する部分との間の堅固な接続は、例えば互いに嵌合することによって実現される。代替の実施形態では、密封された部分は、ポリマー例えばポリアミドで作製され得る。

水素化物カップは、例えば、穴があけられた板上にろ布を接着または溶接することによって、または穴があけられた２つの板の間にろ布を配置することによって製造することができ、２つの板の穴は一致する。

以下において、カップの組み立てについて説明する。
供給口１２．３が供給パイプ１４．３と並び、収集パイプ１２．４が収集口１４．４と並ぶように、水素化物カップ１４が分配カップ１２に嵌合される。

次いで、供給パイプ１６．３が供給パイプ１４．３および供給口１２．３と並び、接続口１６．４が収集パイプ１４．４および１２．４と並ぶように、収集カップが水素化物カップ１２の自由端に嵌合される。収集カップ１６の下底部１６．２は、水素化物カップ１４のカバーを実質的に形成する。

有利には、カップは、内部構造体の外に漏れるのを防ぐために水素に対して実質的に密封されて一体に適合するように、互いに堅く装着される。密封の実施は省略してよい。代替の実施形態では、カップ同士の調整は堅く締められず、密封を使用してよい。

吸蔵材料は、収集カップ１６を所定の位置に配置する前に水素化物カップ１４内の所定の位置に配置される。水素化物粉末は、水素を吸収すると膨張し、脱着すると戻ることが想起される。膨張の間に水素化物カップに過剰な負荷がかからないようにするために、水素化物材料用の体積の全てに充填しないことが好ましい。したがって、この体積は材料によって完全に占有されず、一般的に自由表面を形成する。

このスタックを図３、４Ａおよび４Ｂに示す。
各階層は別々に組み立てられることができ、次いで、内部構造体が組立てられるように、階層が互いに嵌合され得るかまたはカップが積層されて互いに嵌合され得る。第１の実施形態のカップの構造は、３種類のカップのみを使用して完全な内部構造を製造することができる。
変形例として、互いに嵌合することによって階層を別々に作製すること、および互いに嵌合すること以外によって互いに組立てることが想定され得る。

全ての階層が組立てられると、内部構造体は分配カップ１２に現れる横開口部２４が設けられた主中央供給チャネル２２をその全高にわたって備える。内部構造体は、内部構造体の全高にわたって少なくとも１本の収集パイプ２６、有利にはいくつかの収集パイプ２６を備え、収集パイプ２６は、収集カップ１６に現れる横開口部２８を備える。主供給パイプ２２および収集パイプ２６は、図２に見ることができる。

主供給チャネル２２は、示された例では下端部であるそこを通してチャネル２２に水素が供給される開口した長手方向端部２２．１を備える。
供給入口８は、加圧水素源に接続されることが意図される。タンクに投入される水素は、いずれかの側の壁１２．１、１４．１、１６．１にかかる圧力を等しくするように、フェルール４においてスタックに行き渡る。主供給チャネル２２はさらに、例えばプラグ２３によって閉鎖され、それにより水素が開口部２４を通って分配カップへと流れるようにする長手方向端部２２．２を備える。
収集パイプ２６は、放出出口１０に接続された長手方向端部と、プラグによって密封された対向する長手方向端部とを有する。

図１のタンクは、図１に示すように、垂直方向の長手方向軸Ｘが使用され得る。長手方向軸Ｘを水平方向に使用してもその他の中間方向に使用してもよい。水平方向では、粉末の層の底部が水素化物カップ１４の側壁１４．１の一部および仕切り１８によって形成される。図５Ｂに概略的に示すように、１４．５と表示される底部１４．２の上部は、粉末と接しない。吸蔵材料の短絡化を避けるために、吸蔵材料と接する底部の部分１４．６のみが水素を透過するように作製される。透過領域１４．６は、その全表面にわたって均一な透過度を有するかまたは、材料の自由面の方向において徐々に低下する透過度を有することが想定され得る。

図１のタンクの動作について、長手方向軸Ｘが垂直方向である図５Ａとともに説明する。
貯蔵段階、すなわち水素化物による水素の吸収段階では、吸収の速度が低下しないようにタンクから熱を抽出しなければならず、例えば−５０℃から４００℃の間の冷却された水素がタンクへ導入される。水素は、供給入口８を介してタンクに供給され、その流量は、一方で水素化物に貯蔵される水素を供給し、他方で水素化物から熱量を抽出することを可能にする熱伝達流体の流れを供給するものである。

矢印Ｆで示される水素の流れは、主供給パイプ２２内を流れ、次いで横開口部２４を介して各分配カップ１２へと流れる。分配カップ１２の下底部１２．２は水素に対して密封され、水素化物カップの下底部１４．２および側壁１２．１は水素を透過し、水素は、水素化物カップ１４の下底部１４．２を通過する。水素の通過は、下底部１４．２を通して広がり、均一に起こる。水素は次いで、その全厚にわたって水素化物粉末によって形成された多孔性媒体へと浸透し、収集カップ１６の下底部１６．２を通って再度放出される。側壁１４．１もまた水素に対して密封されていることが想起される

上の階層の分配カップ１２の下底部１２．２は水素に対して密封されており、下の階層で収集された水素は収集パイプ２６を循環して放出出口１０を介して放出される。収集される水素の量は、吸収のために投入される量よりも少なく、水素の流れには熱交換による温度上昇が見られた。

脱貯蔵段階、すなわち水素化物による水素の脱着段階では、好ましいやり方では、例えばフェルールを取り囲む抵抗または熱伝達流体の循環によって、外部からの水素化物の再加熱が提供され、それについて以下で説明される。

しかしながら、例えば０℃から５００℃の間に加熱された水素をタンクに投入することも想定され得る。水素の循環は貯蔵段階と同一である。収集される水素の量は、脱着のために投入される量よりも多く、水素の流れには熱交換による温度低下が見られた。

このように、各階層での水素の分配および各階層での水素の収集は、平行して行われる。
熱伝達流体の循環は吸蔵材料の中心部で得られ、それにより吸蔵材料の中心での加熱または冷却が保証される。こうして反応速度が向上する。

さらに、水素は内部構造体の全ての階層に実質的に同一温度で均一に分配される。結果として、全ての階層を同一の熱伝達流体が循環するタンクとは異なって、吸収および脱着反応は構造体の全ての階層で実質的に同一の速度を有する。
さらに、吸蔵材料の粉末は、水素の流れとともに粉末が運ばれるのを防ぐために、水素化物カップと収集カップとの間に閉じ込められている。

例として、車載用、例えばトラクタでは、カップの直径は２００ｍｍと同等であり得る。要素１２および１６は４ｍｍの高さを有する。要素１４は６０ｍｍの高さを有する。例えば、１５カップが積層される。

図６から８Ｂには、水素の収集が内部構造体とフェルールの内面との間で行われる点で、図１から５Ｂとは異なるタンクＲ２の別の例示的実施形態が示される。

内部構造体Ｓ２もまた長手方向軸Ｘに沿って互いに積層されたいくつかの階層Ｇ１’、Ｇ２’、Ｇ３’、…を備える。分配領域３０は、分配領域が水素を２つの階層に同時に分配するように、２つの階層の間に２つの階層毎に提供される。収集領域３０は、収集領域３０が２つの階層から同時に水素を収集するように、２つの階層の間に２つの階層毎に提供される。

図６の表示では、各階層は、側壁３２と、下底部３４と、上底部３６と、中央パイプ３８とを備える。側壁３２および中央パイプは水素に対して密封され、下底部３４および上底部３６は少なくとも部分的に水素を透過しかつ吸蔵材料の粉末に対して密封される。

側壁は、フェルールとともに収集チャネル３９を画定する。
ある階層の上底部３６は、上の階層の下底部３４から一定距離を維持して収集領域または分配領域を区切る。
各分配領域は２つの連続した階層の間に側壁４０を備え、各収集領域は２つの連続した階層の間に円筒壁４２を備える。

このように、内部構造体は、２つの階層毎に分配領域に現れる開口部４６を含む主中央供給パイプ４４を備え、内部構造体は、収集チャネル３９に現れる収集口４８を備える。

図７、８Ａおよび８Ｂには、図６のタンクの例示実施形態が示される。
有利には、各階層は、セル、例えば大部分が平行６面体の部分に区分化される。セルの別々の寸法間の比が１：１：１であると有利である。

示される例では、内部構造体Ｓ２は、中央パイプの側に別の供給口と収集チャネル３９の側に別の収集口を得るために互いに嵌合された少なくとも２つの別々の要素ＡおよびＢの積層体を備える。

要素Ａは、第１の長手方向端部５２．１が要素Ｂの放射状外壁５４の第１の長手方向端部５４．１と密封して協働する放射状外壁５２を備える。要素Ａは、放射状内壁５６の第１の長手方向端部５６．１と、端部５６．１に面する放射状内壁５８の第１の長手方向端部５８．１との間に、要素ＡおよびＢに面する２つの底部間に配置された分配領域にアクセスするために中央パイプへと水素を流す隙間が配置されるように、要素Ｂの放射状内壁５８と協働する放射状内壁５６を備える。

要素Ａは底部６０を備え、要素Ｂは少なくとも部分的に水素を透過しかつ吸蔵材料の粉末に対して密封された底部６２を備える。底部は、例えばろ布で作製され、前記布は壁５２および５４上に例えば接着または熱溶接される。

有利には、水素を透過する厚く堅い部材６８が分配領域に配置される。それにより、水素の循環を維持するように要素ＡおよびＢの底部６０、６２間のスペーサを形成することによって分配領域の厚さを維持することが可能となる。さらに、その剛性によって、底部のろ布を吸蔵材料の膨張から保護することが可能となる。

部材６８は、多孔性焼結材料、多孔性材料から作製することができ、またはポリマーもしくは金属タイプの合成材料で作製された１つまたは複数の格子、または開放気孔を有する発泡もしくは焼結材料を含み得る。要素の底部が粉末を保持するため、部材６８は粉末に対して密封されなくてよい。代替の実施形態では、ろ布を省略することができ、部材６８は粉末を保持して水素を透過し、部材５２または５４と接触する階層で粉末の密封を保障するように構成される。

示された例では、部材６８は、要素Ａの放射状外壁５２の内面に形成されたショルダ６９と、要素Ｂの第１の端部５４．１との間、および端部５６．１と５８．１との間に収容される。

有利には、密封を強化するために、第１の端部５２．１と５４．１との間にシール７０、例えばＯリングが提供され得る。示された例では、シール７０は第１の端部５４．１溝に装着されている。

分配領域の側の端部で対向する要素ＡおよびＢの第２の長手方向端部は、水素が吸蔵材料Ｍを通過した後に要素ＡおよびＢから水素が出ることを可能にする。
２つの要素ＡおよびＢの積層体の場合、分配領域を介して２つの要素に水素が供給され、水素は要素ＡおよびＢの長手方向自由端を介して排出される。

２つの要素ＡおよびＢより多くの積層体、例えば図６から８Ｂに示されるように２つの要素Ａおよび１つの要素Ｂ（明確化のために第２の要素ＡはＡ’と表される）の場合、第１の長手方向端部５４．１と対向する要素Ｂの放射状外壁の第２の長手方向端部５４．２は、要素Ａ’の放射状外壁の第２の端部５２．２と協働する。したがって、第２の長手方向端部５４．２と５２．２との間に空間が配置され、収集および放出領域は、要素の底部の間で区切られる。放射状内壁の第２の端部５６．２および５８．２は、密封協働する。有利には、密封の強化のために、シール７２、例えばＯリングが提供され得る。示される例では、シール７２は、要素Ｂの放射状内壁５８の第２の端部５８．２の溝に装着される。

分配領域に関しては、収集および放出領域に水素を透過する厚く堅い部材７１が配置され得る。これにより、水素の循環を維持するように要素ＡおよびＢの底部の間にスペーサを形成しつつ、収集および放出領域の厚さを維持することが可能となる。さらに、その剛性により、吸蔵材料の膨張から底部のろ布を保護することが可能となる。

部材７１は、多孔性材料、多孔性焼結材料から作製することができ、またはポリマーもしくは金属タイプの合成材料で作製された１つまたは複数の格子、または発泡材料を含み得る。要素ＡおよびＢの底部６０、６２が粉末を保持するため、部材７１は粉末に対して密封されなくてよい。部材６８に関しては、部材はろ布を省略することができるように構成され得る。

示された例では、部材７１は、第２の要素Ｂの放射状内壁５８の内面に形成されたショルダ７４と要素Ａ’の放射状内壁５６の第２の端部５６．２との間、および要素Ｂと要素Ａ’の放射状内壁の端部の間に堅く締めて維持される。

要素ＡおよびＢの積層体は連続し得る。こうして形成された内部構造体は、２つの要素ＡおよびＢに共通の分配領域、ならびに端部の階層を除いて２つの要素ＡおよびＢに共通の収集および放出領域を備える。

図６に概略的に示されるように、中央パイプ４４は、一方の端部が水素供給源に接続され、他方の長手方向端部は水素を分配領域へと広げるように密封される。
例えば、有利には、要素Ａ、Ｂ、Ａ’は、ポリマー、例えばポリアミドなどの合成材料で作製され、例えば成形加工によって製造が簡略化される。

次に、第２の例示的実施形態によるタンクの動作について説明する。充填および放出段階は区別されない。フローは矢印Ｆで表示される。

中央パイプに水素が供給され、水素は２つのセル間の分配領域へと広がり、部材６８へと流れ、セルＡおよびＢへと流れ、吸蔵材料に浸透し、収集および放出領域を介して周辺チャネルへと放出される。周辺チャネルは、放出出口と接続されている。充填または放出段階のいずれかに応じて、投入される水素は事前に冷却または加熱される。

第２の例示的実施形態によるタンクは、以下の通り製造され得る。
第１に、要素ＡおよびＢは、例えば成形によって製造され、ろ布で形成された底部の１つが成形の前に型に配置され得る。次いで、シール７０、７２が要素Ｂの所定位置に配置される。シールは、要素Ａのみによって、または一方が要素Ａ、他方が要素Ｂによって支持され得ることを理解すべきである。さらに、要素ＡおよびＢの成形の間にシールがオーバーモールドされることが想定され得る。

積層体が要素Ａ上にある場合、要素Ａは粉末で充填され、粉末の量は膨張が考慮される。
次いで、ろ布が要素Ａの開放端部を閉鎖する。ろ布は、接着、熱接着、または単に配置されることができ、その後積層体全体が圧縮され、その後前記布が部材６８によって部材Ａに対して押し付けられる。次いで、ろ布上に部材６８が配置される。次いで、要素Ｂが部材６８上に配置され、要素Ａの放射状外壁に嵌合される。要素Ｂが粉末で充填される。ろ布が要素Ｂの開放端部を閉鎖し、ろ布上に部材７１が配置される。別の要素Ａが要素Ｂに嵌合され、所望の数の階層に達するまでステップが繰り返される。

中央パイプの長手方向上端は、水素に対して密閉される。こうして形成された内部構造体は、フェルール内部に装着され、下底部上に置かれる。中央パイプ４４の開放端部は、供給入口８に接続される。周辺チャネル３９は、放出出口１０に接続される。

例として、タンクＲ２の要素の寸法値が与えられる。要素ＡおよびＢは、水素化物を含む、１ｃｍから２０ｃｍの辺の平行６面体セルを含み得る。部材６８および７１は、例えば０．２ｍｍから１０ｍｍの間を含む厚さを有する。要素ＡおよびＢの直径は、２０ｍｍから５００ｍｍの間を含み、例えば２００ｍｍである。積層される要素の数は、２から１００の間を含み、典型的に１０であり得る。

第２の例によるタンクは、全ての要素に水素を平行かつほぼ同時に分配することを可能にし、吸蔵材料の中心部での水素の熱交換を可能にする。

説明した２つの例では、要素およびカップは組み合わされているが、例えばクリップリンク、バヨネットリンクまたは外部機械手段によって要素およびカップを互いに堅固に連結することが想定され得ることを理解すべきである。こうして、内部構造体は、より容易に取り扱うことが可能となる。

２つの例示的実施形態を組み合わせることができることが理解される。例えば、第１の例示的実施形態のタンクにおいて収集カップ１６が周辺チャネルに現れることが想定され、それにより全ての階層を貫通する収集パイプを排除することが可能となる。

第１の例示的実施形態では、２つの水素化物カップに共通の共通分配容積および収集容積を備えた内部パイプが想定され得る。
さらに、２つの例示的実施形態において、水素の流れの向きは反転され得る。第１の例示的実施形態において上から供給し、第２の例示的実施形態において周辺チャネルを介して供給し、中央パイプによって収集することが想定され得る。

本発明によって、水素は水素化物の体積を通過して吸蔵材料の粒子と直接接して熱交換し、粉末の粒子の長さにわたってのみ反応の熱が移動されるため、熱勾配が低減される。さらに、気体との交換が、粉末の比表面である非常に大きな表面にわたって行われる。
例えば、粒子が０．１ｍｍ未満の直径を有する粉末では、気体が局所的に粉末と同一の温度であることが考えられ得る。

例えば、タンクの充填の間、粒子は０．１μｍから５ｍｍの間を含むサイズを有する。運転の間、水素の吸収‐脱着サイクルは、粒子が小さな粒子へと自然に破裂するいわゆるデクレピテーション現象をもたらし、この現象は、第１の水素化物化（ｈｙｄｒｉｄａｔｉｏｎ）サイクルにおいて起こり、次第に減少する。
粒子の平衡サイズは水素化物材料に依存し、典型的にマイクロメートルサイズである。

タンクの充填の間、デクレピテーション現象により充填および放出とともに粉末へと変形する水素化物の塊を使用することを想定することができる。タンクの速度は初めは非常に遅く、一定数のサイクルの後に使用可能となるが、この段階は一般的に活性化段階と呼ばれる。

使用される金属水素化物は例えば、ＴｉＶＣｒ、ＴｉＶＭｎ、ＬａＮｉ_５、ＴｉＦｅ、ＴｉＣｒＭｎ、ＴｉＶＣｒＭｏ、Ｍｇ_２Ｎｉ、ＴｉＦｅＭｎ、ＬｉＢＨ_４＋ＭｇＨ_２、ＮａＡｌＨ_４、Ｍｇ、ＫＳｉ、等である。
加えて、吸蔵材料は、気体を透過し粉末を透過しないセル内に配置される。
さらに、水素分配システムは、全ての貯蔵材料を比較的小型にすることを可能にする。

第１の例によると収集パイプにおいてスタック内部を循環するのに対して、第２の例示的実施形態は、吸蔵材料を通過した後に加熱または冷却された水素が積層体の外を循環するという利点を有する。さらに、異なる部材の数が低減されるため、システムが簡略化される。さらに、第２の例によるタンクはより小型である。

本発明によるタンクは、トラクタ型の重機に搭載する水素の貯蔵に有利に適用することができる。
図９には、タンクを水素で充填することを可能にし、例えばこの水素を水素セルへと放出することを可能にする設備の例の概略図を示す。
設備は、本発明によるタンク、例えばタンクＲ１と、タンクＲ１の開口部８に接続された高圧水素供給装置７６と、を備える。
該設備は、第１の吸収ループＩにおいて、熱交換機７８と、タンクＲ１の出口に接続された再循環装置８０とを備える。

該設備は、第２の脱着ループＩＩにおいて、水素を消費する装置、例えば燃料電池８２を備える。
該設備はまた、タンクを加熱する手段８４を備える。有利には、作動中燃料電池によって加熱される熱伝達流体および水素化物を再加熱するためのタンクＲ１のシェルと接する循環路８５によって形成される。熱伝達流体の循環およびラジエータ８８にはポンプ８６が設けられる。有利には、熱伝達流体は水素から形成される。

第２のループＩＩは、例えば自動車に搭載される。
設備の動作は以下の通りである。

吸収段階では、流量Ｄｂの冷たい水素がタンクＲ１へ入り、このフローはタンクＲ１に含まれる水素化物へと向かい、水素の一部Ｅが水素化物によって吸収され、水素化物が加熱され、水素の残りの部分Ｄｂ−Ｅは水素化物と接して加熱されて水素化物を冷却し、タンクＲ１から排出される。次いで、水素は、熱交換器７８を通過して冷却された後、循環装置８０へと入ってループＩの循環を再開する。このループＩには、水素化物によって吸収された気体の一部を補填し、ループＩ全体の圧力を高めるために、高圧供給装置７６によって水素が供給される。水素は、熱伝達流体および貯蔵するための気体の両方である。

脱着段階では、タンクＲ１が加圧され、水素化物が水素で充填されると、タンクＲ１は、燃料電池８２に供給するためにループＩから分離される。燃料電池からの熱は、液体熱伝達流体によって脱着の熱を供給するためにタンクＲ１へと向かい、次いでラジエータ８８、その後ポンプ８６へと向かう。

２ 容器
８ 水素供給入口
１０ 水素放出出口
１２ 分配カップ
１４ 収容カップ
１６ 収集カップ
２２ 分配パイプ
２６ 収取パイプ
２８ 開口部
３９ 周辺チャネル
４４ 分配パイプ
Ｍ 粉末水素吸蔵材料
Ｓ１、Ｓ２ 内部構造体
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３ 階層

Claims (24)

1. 粉末水素吸蔵材料（Ｍ）への吸収によって水素を貯蔵するタンクであって、
   容器（２）と、
   少なくとも１つの水素供給入口（８）と、
   少なくとも１つの水素放出出口（１０）と、
   水素吸蔵材料を格納するための内部構造体（Ｓ１，Ｓ２）であって、吸蔵材料（Ｍ）を包含するための長手方向軸（Ｘ）に沿った少なくとも２つの階層（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ１’，Ｇ２’，Ｇ３’）の積層体を備え、各階層（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ１’，Ｇ２’，Ｇ３’）が前記吸蔵材料（Ｍ）の収容領域と、長手方向軸（Ｘ）に沿った前記収容領域のいずれかの側に位置する水素の収集領域と水素の分配領域とを備える、内部構造体（Ｓ１、Ｓ２）と、
   各階層（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ１’，Ｇ２’，Ｇ３’）で、水素が前記吸蔵材料（Ｍ）の前記収容領域を通過することによって、前記分配領域の各々から前記収集領域へと水素が流れるように、前記分配領域において水素を平行に分配する分配手段と、
   を備える貯蔵タンク。
2. 前記分配領域における水素分配手段が、長手方向端部が前記供給入口（８）に接続されかつ別の長手方向端部が閉鎖された分配パイプ（２２，４４）を備え、前記分配パイプ（２２，４４）が前記領域の全てを貫通するかまたは隣接しかつ前記分配領域に現れる開口部を備える、請求項１に記載の貯蔵タンク。
3. 全ての前記収集領域を前記放出出口に接続する手段を備える、請求項１または２に記載の貯蔵タンク。
4. 各階層（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）が分配領域および収集領域を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の貯蔵タンク。
5. 各階層（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）が分配カップ（１２）と、前記吸蔵材料の収容カップ（１４）と、収集カップ（１６）とを備え、前記分配カップ（１２）、前記収容カップ（１４）、および前記収集カップ（１６）がこの順で積層され、互いい堅固に密封接続されている、請求項４に記載の貯蔵タンク。
6. 前記収容カップ（１４）が前記分配カップ（１２）に堅く嵌合され、前記収集カップ（１６）が前記収集カップ（１４）に堅く嵌合されている、請求項５に記載の貯蔵タンク。
7. 前記階層（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）が互いに堅く嵌合され、上の階層の前記分配カップ（１２）が下の階層の収集カップ（１６）に堅く嵌合されている、請求項５または６に記載の貯蔵タンク。
8. 前記分配カップ（１２）が、水素に対して密封された底部（１２．２）と、水素に対して密封された側壁（１２．１）とを備え、前記収容カップ（１４）が、少なくとも部分的に水素を透過しかつ粉末吸蔵材料（Ｍ）に対して密封された底部（１４．２）と、水素に対して密封された側壁（１４．１）とを備え、前記収集カップ（１６）が少なくとも部分的に水素を透過する底部（１６．２）と、水素に対して密封された側壁（１６．１）とを備える、請求項５から７のいずれか一項に記載の貯蔵タンク。
9. 前記収集カップ（１６）を前記放出出口に接続する手段が、前記カップの全てを貫通し、かつ前記収集カップ（１６）の各々に現れる開口部（２８）を備える、少なくとも１つの長手方向の収集パイプ（２６）を備える、請求項３と組み合わせて請求項５から８のいずれか一項に記載の貯蔵タンク。
10. 分配パイプ（２２）および／または収集パイプ（２６）が、分配カップ（１２）、収容カップ（１４）、および収集カップ（１６）に属するパイプの部分を含み、分配カップ（１２）、収容カップ（１４）、および収集カップ（１６）を互いに積層する間に前記パイプの部分が端と端を接続して配置される、請求項２または９に記載の貯蔵タンク。
11. ２つの階層（Ｇ１’，Ｇ２’，Ｇ３’）に１つの分配領域を備え、２つの階層（Ｇ１’，Ｇ２’，Ｇ３’）に１つの収集領域を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の貯蔵タンク。
12. 前記分配領域が前記供給入口（８）に接続された長手方向の分配パイプ（４４）に現れ、前記収集領域が前記容器（２）および前記内部構造体（Ｓ２）によって区切られた周辺チャネル（３９）に現れ、前記周辺チャネル（３９）が前記放出出口（１０）に接続されている、請求項１１に記載の貯蔵タンク。
13. 前記分配領域が前記容器（２）および前記内部構造体（Ｓ２）によって区切られた周辺チャネル（３９）に現れ、前記収集領域が前記放出出口（１０）に接続された長手方向の分配パイプ（４４）に現れ、前記周辺チャネル（３９）が前記供給入口（８）に接続されている、請求項１２に記載の貯蔵タンク。
14. 前記分配領域および／または前記収集領域が、水素を透過しかつ２つの連続した収容領域の２つの底部の間のスペーサを形成している構造体（６８、７１）を備える、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の貯蔵タンク。
15. 前記構造体（６８，７１）が、多孔性材料、発泡体、多孔性焼結材料であるか、または１つもしくは複数の格子を含む、請求項１４に記載の貯蔵タンク。
16. 第１タイプの要素（Ａ）の要素および第２タイプの要素（Ｂ）の要素の交互の積層体を備え、前記第１タイプ（Ａ）の要素および前記第２タイプ（Ｂ）の要素が互いに堅固に接続されており、前記分配領域および前記収集領域が前記第１タイプの要素と前記第２タイプの要素との間に形成されている、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の貯蔵タンク。
17. 前記第１タイプ（Ａ）の要素および前記第２タイプ（Ｂ）の要素が、水素に対して密封された側壁（５２，５４）と、少なくとも水素を透過する底部（６０，６２）と、を備える、請求項１６に記載の貯蔵タンク。
18. 前記分配領域と分配パイプ（４４）との間の接続部および前記収集領域と収集チャネル（３９）との間の接続部の階層を除いて、前記第１タイプ（Ａ）の要素および前記第２タイプ（Ｂ）の要素が互いに堅固にかつ密封して接続されている、請求項１６または１７に記載の貯蔵タンク。
19. 前記第１タイプ（Ａ）の要素および前記第２タイプ（Ｂ）の要素が互いに嵌合され、前記第１タイプ（Ａ）の要素と前記第２タイプ（Ｂ）の要素との間にシール（７０，７２）が設けられている、請求項１８に記載の貯蔵タンク。
20. 前記第１タイプ（Ａ）の要素および前記第２タイプ（Ｂ）の要素が合成材料で作製され、例えばポリマー材料、例えばポリアミドで作製されている、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の貯蔵タンク。
21. 前記階層が、高さ、幅および長さが実質的に等しい平行六面体のセルに少なくとも分割されている、請求項１から２０のいずれか一項に記載の貯蔵タンク。
22. 少なくとも部分的に水素を透過する前記底部が、ポリマー材料または金属で作製されたろ布を備える、請求項８または１７に記載の貯蔵タンク。
23. 水素吸蔵材料、例えば金属水素化物を含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の水素化物タンク。
24. 推進システムおよび脱着段階に前記タンクを加熱する手段に接続された請求項２３に記載の貯蔵タンクおよび水素が供給される推進システムを備えた自動車車両。

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