特許 7580268 水素残量予測システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-31

(45)【発行日】2024-11-11

(54)【発明の名称】水素残量予測システム

(51)【国際特許分類】

   F17C 13/02 20060101AFI20241101BHJP

   F17C 11/00 20060101ALI20241101BHJP

   C01B 3/00 20060101ALI20241101BHJP

【ＦＩ】

F17C13/02 301A

F17C11/00 C

C01B3/00 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020218010

(22)【出願日】2020-12-25

(65)【公開番号】P2022102929

(43)【公開日】2022-07-07

【審査請求日】2023-12-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000225201

【氏名又は名称】那須電機鉄工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075410

【弁理士】

【氏名又は名称】藤沢 則昭

(74)【代理人】

【識別番号】100135541

【弁理士】

【氏名又は名称】藤沢 昭太郎

(72)【発明者】

【氏名】徳山 榮基

(72)【発明者】

【氏名】田嶋 一公

【審査官】加藤 信秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１９７２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１８３８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２９８２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１４６９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０６７１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／００１３９２１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１７Ｃ １３／０２

Ｆ１７Ｃ １１／００

Ｃ０１Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素圧力―組成等温線における、水素固溶相と水素化物相が混在するプラトー領域での最大吸蔵点と最低吸蔵点の圧力差が、０．１ＭＰa以上の傾斜特性を有する水素吸蔵合金が充填されている水素吸蔵合金タンクの水素残量を予測する水素残量予測システムであって、当該システムは、
前記タンクの表面の温度を測定するタンク温度センサーと、
前記タンク内部の圧力を測定する圧力計と、
前記タンク内に吸蔵され、前記タンク内から放出された水素の流量を測定する流量計と、
前記タンク温度センサー、前記圧力計、前記流量計から入力された各測定値に基づき、前記タンク内の水素反応が平衡状態になっていることを検知し、
平衡状態において測定された前記タンク内部の圧力及び平衡状態において測定された前記タンク表面温度から算出された前記タンク内の合金温度により、前記タンク内の水素残量を算出する制御手段を備えたことを特徴とする、水素残量予測システム。

【請求項2】

前記タンク内に、複数の伝熱フィンが放射状に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の水素残量予測システム。

【請求項3】

１個又は複数個の前記タンクを収納する筐体を備え、
前記筐体の長手方向の両端部に開閉自在の開口部が設けられ、
前記筐体の一方の端部内に、ラジエータ及び送風機が設けられ、
前記筐体の外部に、前記筐体の長手方向の両端部をつなげる通気経路が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の水素残量予測システム。

【請求項4】

前記筐体内に、当該筐体内の温度を測定する筐体温度センサーが設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の水素残量予測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、水素を吸蔵・放出できる水素吸蔵合金タンク内の水素残量を予測する水素残量予測システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

水素吸蔵合金は、常温・常圧付近の環境下において、液体水素と同等以上の体積密度で水素を貯蔵できる機能性材料である。水素吸蔵合金が、水素を原子状態で金属（結晶）格子中に取り込むことができる特性を有しているからで
ある。

【0003】

水素吸蔵合金の水素吸蔵特性を示すものとして、水素圧力－組成等温線（P-C-T曲線、PCT曲線ともいう。）がある。この曲線は同一温度状態での、圧力と合金中の水素濃度(貯蔵量)との関係を示したものである。P-C-T曲線のイメージ図を、図１５（a）及び（b）に示す。

【0004】

横軸は合金中の水素濃度(貯蔵量)を示し、合金の単位質量あたりの水素貯蔵量を示す単位として質量パーセント（Wt%）で示される。縦軸は、ある貯蔵量で平衡状態となるときの水素圧力（MPa）である。水素の貯蔵量が少ないときは、貯蔵量の増加に伴い圧力の上昇率が大きい。この領域では合金結晶中に水素が固溶される。その後、更に水素貯蔵量が増加すると、圧力の上昇が小さい領域に入るが、この領域では合金の水素固溶相と水素化物相が混在する。さらにその後、水素貯蔵量が増加すると、合金は全て水素化物相となり、以降の領域では、再び水素貯蔵量に対する圧力上昇率が大きくなる。

【0005】

上述した「合金の水素固溶相と水素化物相が混在する領域」は、圧力の変化は小さい一方、水素貯蔵量が吸蔵・放出と可逆的に変化する領域として「プラトー領域」と呼ばれている。このプラトー領域は合金によって様々であり、図１５（a）に示すように、圧力が殆ど変わらないプラトー特性（プラトー領域における特性）が平坦なものから、図１５（b）に示すように、圧力差が生じプラトー特性が斜め傾斜しているものもある。

【0006】

この水素吸蔵合金を使用した水素貯蔵システムの課題の１つは、水素残量の評価が困難な点にある。特に、従来市場で多く利用されている水素吸蔵合金は、図１５（a）に示すように、プラトー特性が平坦なため、圧力値から水素残量が評価できなかった。

【0007】

水素残量評価の最も一般的な方法は、水素流量計を用いて、積算流量を測定し続ける方法である。詳しくは、水素の吸蔵・放出収支の累計値を算出し続けることで、水素残量を把握する。

【0008】

この方法が、最も単純であるが、長期間連続運転を行うシステムでは、流量計による誤差が積み重なり、結果として、誤差が大きくなるという問題があった。また、システムが停止し、流量計による継続的な測定が停止してしまうと、残量評価ができなくなるという問題があった。

【0009】

また、水素吸蔵合金の中には、図１５（b）に示すように、P-C-T曲線について、斜め傾斜のプラトー特性を有するものもある。斜め傾斜のプラトー特性を有する水素吸蔵合金であれば、圧力値から水素残量を予測することができる。

【0010】

しかしながら、このP-C-T曲線は、合金の温度によって大きく変化するため、合金温度に対する補正をどのように行うか、また、タンク内に充填された合金全体の温度をどのように測定するかという点に課題があった。

【0011】

そのため例えば、特許文献１では、温度を変化させて求めたP-C-T曲線を３～４パターン用意し、測定された温度に応じて、用いるP-C-T曲線を選択する構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【文献】特表２００５－５０６４９５号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかし、この特許文献１の構成では、温度変化に対して、離散的に選択したP-C-T曲線により処理を行うため、誤差が生じる要因になる。また、平衡状態におけるタンク内の圧力値と合金温度をどのように求めるかが、タンク内の水素残量の予測の精度を高める上で、重要な点であるが、特許文献１では、タンク配管内のガス温度を合金温度と想定する、あるいは、圧力計周辺の温度を合金温度と想定する構成になっている。また特に、特許文献１では、水素を吸蔵・放出する際の合金自体の反応熱については、一切考慮されていない。従って、特許文献１の構成では、精度の高い、水素残量の予測はできない。

【0014】

また通常、P-C-T曲線は、合金の基礎特性を得るために求めるものであり、その際には、通常数グラムの合金を対象として、測定室を一定温度に保った状態で、長時間かけて平衡状態となる水素圧力を測定し、P-C-T曲線を求める。従って、数十キロ単位の合金タンクを対象として、かつ外気や水素吸蔵放出量が変化する環境の中で、P-C-T曲線と照合できるような平衡状態での合金温度及び水素圧力を測定するのは、難しい。

【0015】

更に、合金の温度を測るには、タンク内部に温度センサーを設置する必要があるが、タンク内にセンサーを設置するためには、水素ガスの漏洩を防止する措置を講じる必要が生じ、機器が複雑化・高コスト化してしまう。また、タンク内部全体の積分量としての合金温度が測定できないと、当該合金温度を、タンク内の水素残量予測には、利用できない。即ち、タンク内部をスポット的に測定した測定結果は利用できないため、タンク内部に複数の合金測定点を設ける必要がある。

【0016】

そこで、上記問題点に対処するため、タンク内部にセンサーを設けることなく、精度良くタンク内部の水素残量予測を行うことのできる、水素残量予測システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
水素圧力―組成等温線における、水素固溶相と水素化物相が混在するプラトー領域での最大吸蔵点と最低吸蔵点の圧力差が、０．１ＭＰa以上の傾斜特性を有する水素吸蔵合金が充填されている水素吸蔵合金タンクの水素残量を予測する水素残量予測システムであって、当該システムは、
前記タンクの表面の温度を測定するタンク温度センサーと、
前記タンク内部の圧力を測定する圧力計と、
前記タンク内に吸蔵され、前記タンク内から放出された水素の流量を測定する流量計と、
前記タンク温度センサー、前記圧力計、前記流量計から入力された各測定値に基づき、前記タンク内の水素反応が平衡状態になっていることを検知し、
平衡状態において測定された前記タンク内部の圧力及び平衡状態において測定された前記タンク表面温度から算出された前記タンク内の合金温度により、前記タンク内の水素残量を算出する制御手段を備えた、水素残量予測システムとした。

【0018】

また、請求項２に係る発明は、
前記タンク内に、複数の伝熱フィンが放射状に設けられている、請求項１に記載の水素残量予測システムとした。

【0019】

また、請求項３に係る発明は、
１個又は複数個の前記タンクを収納する筐体を備え、
前記筐体の長手方向の両端部に開閉自在の開口部が設けられ、
前記筐体の一方の端部内に、ラジエータ及び送風機が設けられ、
前記筐体の外部に、前記筐体の長手方向の両端部をつなげる通気経路が設けられている、請求項１又は２に記載の水素残量予測システムとした。

【0020】

また、請求項４に係る発明は、
前記筐体内に、当該筐体内の温度を測定する筐体温度センサーが設けられている、請求項３に記載の水素残量予測システムとした。

【発明の効果】

【0021】

請求項１～４の発明は、タンク内部に合金温度を測定する温度センサーを設けることなく、合金温度を特定することができ、また、水素の吸蔵・放出を行っているシステム運転中に、タンク内の水素反応の平衡状態を検知することができるため、タンク内の水素残量を精度良く予測することができる。

【0022】

また、請求項２の発明は、伝熱フィンにより、タンク内部の合金の反応熱が速やかにタンクの胴体部に伝えられる。詳しくは、タンク内部に充填されている合金の水素反応熱の平均成分が、タンク胴体の外周に均一に伝達される。また、伝熱フィンにより、大気からの熱も、タンク内部の合金充填層の内部中央まで、均一に伝達される。そのため、タンク内部の合金の反応熱の積分量を、タンク表面の温度に基づき算出することができる。即ち、タンク表面の温度を測定するだけで、タンク内部の合金の温度の代表的な値と相関の強い値を算出することができる。

【0023】

また、請求項３の発明は、タンクを筐体内に収納し、タンクを大気に対して断熱・密閉状態に保たせることで、タンク内合金の水素反応の平衡状態を速やかに作り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】この発明の実施の形態例１の水素残量予測システムの概略構成図である。

【図2】この発明の実施の形態例１の水素残量予測システムの端面図である。

【図3】この発明の実施の形態例１の水素残量予測システムの平面図である。

【図4】この発明の実施の形態例１の水素残量予測システムの筐体の断面図である。

【図5】この発明の実施の形態例１の筐体の開口部自動開閉シャッターを開けた状態を示す要部図である。

【図6】この発明の実施の形態例１の筐体の開口部自動開閉シャッターを閉めた状態を示す要部図である。

【図7】この発明の実施の形態例１の筐体の開口部自動開閉シャッター構造のスライドパネル及びパネル固定枠を取り外した状態の筐体側面正面図である。

【図8】この発明の実施の形態例１の筐体の開口部自動開閉シャッター構造のスライドパネルを閉めた状態のスライドパネル及びパネル固定枠の一部縦断面図である。

【図9】この発明の実施の形態例１の筐体の開口部自動開閉シャッター構造のスライドパネルを閉めた状態のスライドパネル及びパネル固定枠の他の例の一部縦断面図である。

【図10】この発明の実施の形態例１の水素吸蔵合金タンクの断面図である。

【図11】この発明の実施の形態例１の制御コントローラの全体的な構成を例示的に示す概念図である。

【図12】この発明の実施の形態例１の制御コントローラ５０の動作の流れを示す流れ図である。

【図13】この発明の実施の形態例１の制御コントローラ５０の動作の流れを示す流れ図である。

【図14】この発明の実施の形態例１の制御コントローラ５０の動作の流れを示す流れ図である。

【図15】P-C-T曲線のイメージ図であって、（a）はプラトー特性（プラトー領域における特性）が平坦なものを示しており、（b）はプラトー特性（プラトー領域における特性）が傾斜しているものを示している。

【発明を実施するための形態】

【0025】

（実施の形態例１）
以下、添付図面を参照して本発明に係る実施の形態例１を詳細に説明する。ただし、本実施の形態例に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。図１は、本実施の形態例１に係る水素残量予測システムの概略構成図である。水素残量予測システムを構成する機器は、水素吸蔵合金タンクカードルAに収納されている。

【0026】

＜水素残量予測システムの構成＞
水素吸蔵合金タンクカードルAは、中空密閉式の筐体１から構成されている。そして、図２に示すように、当該筐体１内に、多数の水素吸蔵合金タンク２が、相互に間隔を空けて収納されている。これらの多数の各水素吸蔵合金タンク２は、任意の大気温度環境下で外部熱源なしに水素を吸蔵・放出可能である。

【0027】

図１示すように、上記水素吸蔵合金タンク２の長手方向に沿った筐体１の一端部には、タンク配管の集管部であるヘッダー３が設けられている。そして、筐体1のヘッダー3側の一端部の左右側板に夫々、第１自動開閉シャッター４が設けられている。また、上記水素吸蔵合金タンク２の長手方向に沿った筐体１の他端部には第２自動開閉シャッター５が設けられている。そのため、大気等による冷風又は温風は、第２自動開閉シャッター５側が上流となり、第１自動開閉シャッター４側が下流となって流れる。また、第１自動開閉シャッター４及び第２自動開閉シャッター５は自動開閉式となっている。なお、上記第１自動開閉シャッター４や上記第２自動開閉シャッター５は、筐体１の一端部の左右側板ではなく、筐体１の一端部の上下の側板に夫々設ける構成としても良い。

【0028】

また、筐体１の上記他端部の内部であって、前記水素吸蔵合金タンク２の端部にはラジエータチャンバー６が設けられ、当該ラジエータチャンバー６内にラジエータ７及び送風ファン８が収納されている。このラジエータ７及び送風ファン８により、冷風又は温風が筐体１内に流れるようになっており、前記ラジエータ７内に、燃料電池の排熱水、又は外部機器である冷・温水機の循環水等を供給できるようになっている。

【0029】

また、図１に示すように、筐体１の上部には、当該筐体１の上記一端部と他端部、即ち送風の下流側と上流側を、筐体１の外部でつなぐダクト９が設けられている。当該ダクト９は、筐体１の長手方向両端部の上面に夫々、孔を開け、当該各孔に両端を接続したものである。また、このダクト９はカバー１０で被われている。

【0030】

図４に示すように、前記筐体１内には、前記多数の水素吸蔵合金タンク２が三段のタンク支持材１１によって分けて支持され、各段に３個の水素吸蔵合金タンク２が間隔を空けて並べられている。各タンク支持材１１には、冷風又は温風の流れ性を向上させるため、台形断面の剛性平板からなり、前記各水素吸蔵合金タンク２の長手方向に間隔を空けて、長手方向に直角な方向に並べられている。これにより冷風又は温風の流れに対して、障害物の投影面積を低減している。

【0031】

次に、前記第１自動開閉シャッター４及び第２自動開閉シャッター５について図５～図９に基づいて、詳しく説明する。

【0032】

図５及び図６は第１及び第２自動開閉シャッター４、５の双方を示すもので、図５は第１及び第２自動開閉シャッター４、５が開口部１５を開いた状態を示し、図６は第１及び第２自動開閉シャッター４、５が開口部１５を閉じた状態を示す。

【0033】

第１及び第２自動開閉シャッター４、５は断熱性能を有する材質からなるスライドパネル１６から成り、筐体１の側板１ａの四辺形の前記開口部１５を閉塞可能となっている。従って、スライドパネル１６は開口部１５の四辺より大きい四辺を有する構成となっている。なお、断熱構成は、従来の自動開閉シャッターで用いられるような数ｍｍ厚の鉄板に対して少なくとも数十倍以上の熱抵抗値を有するものとし、例えば樹脂（ソリッド）材や発泡樹脂材や、グラスウールやロックウールなどの繊維材などが使われる。

【0034】

そして、当該開口部１５及び当該開口部１５に隣接する側板１ａの上方、下方にパネル固定枠１７が設けられ、こられのパネル固定枠１７に前記スライドパネル１６の上下縁を嵌めて、当該上下のパネル固定枠１７に沿って摺動自在となっている。

【0035】

前記パネル固定枠１７は、図８に示すように、断面Ｌ字型を成し、その内面に低摩擦材１８を設けている。また、図７に示すように、当該パネル固定枠１７と対向する筐体１の側板１ａにもパネル固定枠１７に沿って低摩擦材１８ａが貼られており、さらに、前記開口部１５の周縁の側板１ａにも前記低摩擦材１９が貼られている。

【0036】

図８に示すように、前記スライドパネル１６と接するパネル固定枠１７の内周面及び開口部１５を閉じた状態で当該スライドパネル１６の内側面が接する前記筐体１の側板１ａにそれぞれ低摩擦材１８、１８ａ、１９を設けることで、スライドパネル１６のスライドにおける摺動力の軽減が行え、摺動機構部の簡素化が行える。また、当該接触面の経年的な摩擦も低減できるといった効果もある。これらの低摩擦材には、ポリテトラフルオロエチレンといったフッ素系樹脂や自己潤滑性のあるポリアミド系樹脂やポリアセタール系樹脂などが挙げられる。

【0037】

また、前記パネル固定枠１７は、図５～図６及び図８で示すように、その両端部をボルト２０aとナット２０bにより側板１ａに固定されており、当該ボルト２０aに、ナット２０bを締め付けることにより、スライドパネル１６を筐体１の側板１ａに押し付ける構成となっている。パネル固定枠１７が筐体１に対してボルト２０aとナット２０bで固定されているため、ボルト２０a又はナット２０bの締め付け具合により、パネル固定枠１７によるスライドパネル１６の筐体１への押し付け度合いを調整し易い。

【0038】

従って、前記開口部１５をスライドパネル１６で塞いだ際、スライドパネル１６の内側面は低摩擦材１９に圧接し、密閉される。しかもスライドパネル１６の摺動時はパネル固定枠１７の内周面の低摩擦材１８及び当該パネル固定枠１７に対向する筐体１の側板１ａの低摩擦材１８ａにスライドパネル１６の上下端縁が接触するため、スライドが容易となっている。また、スライドパネル１６はエアーシリンダー２１により駆動する構成となっている。なお、当該エアーシリンダー２１は、これに限らず、電動シリンダー等、他の駆動機器でもよい。このように、エアーシリンダー２１等を用いて、スライドパネル１６を駆動させる構成であるため、開閉制御しやすい。

【0039】

また、図８の前記パネル固定枠１７の内周に低摩擦材１８及び当該パネル固定枠１７に対向する筐体１の側板１ａに低摩擦材１８ａを貼る構成に代えて、図９に示すように、スライドパネル１６の筐体１の側板１ａと接する内側面及びパネル固定枠１７に接する箇所に低摩擦材２２を貼ることによりスライドパネル１６の摺動を容易にすることもできる。さらに、スライドパネル１６自体を低摩擦素材から構成してもよい。このように、スライドパネル１６が接する筐体１外面及びパネル固定枠１７の内面を低摩擦材で構成している、あるいは、スライドパネル１６の全面が低摩擦材で被われている構成であるため、筐体１の各開口部１５の開閉の際、スライドパネル１６がスムーズに動き、自動開閉を安易かつ確実に行うことができる。

【0040】

また、図８及び図９に示すように、前記筐体１の内周には、１５ｍｍ程の断熱材である発泡材２３を貼り、また、前記ダクト９の外周にも断熱材（図示省略）を被覆する。

【0041】

以上の通り、筐体１の開口部１５を開閉させるシャッター構造を摺動自在なスライドパネル１６とし、当該スライドパネル１６を筐体１の外面に押圧する構成となっているため、開口部１５を閉じた際の密閉性を極めて高くすることができる。また、スライドパネル１６であるため当該パネルの厚さや材質によって熱抵抗を容易に調整でき、筐体１の熱抵抗に合わせることができる。従って、筐体１内部の温度を保持し易い。そして、筐体１の両端の開口部を開閉するシャッター４、５を自動開閉機構としながら、筐体１内の温度と大気との温度差を１３°Ｃ以上として外部からの熱供給なしに５時間以上保持できる。従って、このように、密閉性を高く、大気熱遮断性を向上させることにより、水素吸蔵合金タンク２を収納する筐体１に冷風又は温風を効率的に供給することができる。

【0042】

なお。上記実施の形態例１ではパネル固定枠１７は断面Ｌ字型の構成を示したが、この構成に限定されるわけではなく、例えば、断面Ｕ字型、Ｖ字型でもよい。さらに、細長い板体でもよく、その場合、筐体１の側板１ａに対して下端縁のみを当接させ、当該下端縁から斜め上方に上端縁が伸び、両端部が折れ曲がって当該両端部のみを前記側板１ａに当接させて、当該箇所で側板１ａに固定する構成でも良い。

【0043】

また、上記実施の形態例１では筐体１の側板１ａの開口部１５の上下にパネル固定枠１７を設け、スライドパネル１６を左右方向に摺動させる構成を示したが、パネル固定枠１７を開口部１５の左右方向に設け、スライドパネル１６を上下方向に摺動させる構成としても良い。

【0044】

次に、水素吸蔵合金タンク２の構造について、詳しく説明する。

【0045】

図１０は水素吸蔵合金タンク２の断面図である。

【0046】

この水素吸蔵合金タンク２に使用するタンク本体２４は、一端が塞がれた筒体からなり、他端の開口部を図外の蓋で被い、内部を密閉するものである。また、タンク本体２４は鉄、アルミ、ステンレス等、種々の材質のものがある。

【0047】

またこのタンク本体２４には、例えば、銅製の放射フィン２６が嵌め入れられている。図１０に示すように、放射フィン２６は、芯材２７の外周から放射状に多数のフィン２８が突出し、各フィン２８が芯材２７の軸方向に伸びている。

【0048】

各フィン２８の外端縁はタンク本体２４の内周壁面に近接している。そして、この放射フィン２６の各フィン２８に区切られた小室２９に水素吸蔵合金粉末３０が充填されている。なお、水素吸蔵合金粉末３０は、P-C-T曲線におけるプラトー領域での最大吸蔵点と最低吸蔵点の圧力差が、常温（25℃）環境下０．１ＭＰa（メガパスカル）以上で、プラトー特性が傾斜している。

【0049】

このようにして、水素吸蔵合金粉末３０と銅製の放射フィン２６との接触面積を広くすることで、合金反応熱をより速やかに水素吸蔵合金タンク２表面に伝達させて、水素吸蔵合金タンク２外への放熱を促進させ、その結果、高速な水素吸蔵・放出を可能にする。更に、放射フィン２６を銅製としたため、放熱性がより優れ、水素の吸蔵及び放出の速度が一段と向上する。

【0050】

なお、本実施の形態例１では、放射フィン２６を銅製のものとしたが、この構成に限定されるわけではなく、放射フィン２６を鉄やアルミ製とし、少なくともその外周層に銅又は銅と同程度の熱伝導率のものを設けたものでもよい。

【0051】

＜測定器の構成＞
図１に示すように、筐体１には、筐体１内の温度を測定する筐体温度センサー４１（図１中には、「ＣＴ」とも記載されている）、水素吸蔵合金タンク２表面の温度を測定するタンク温度センサー４２（図１中では、「Ｔ」とも記載され、３個設けられている）、水素吸蔵合金タンク２内部の圧力を測定する圧力計４３（図１中には、「P」とも記載されている）、水素吸蔵合金タンク２内に吸蔵された水素の流量を測定する、吸蔵側の流量計４４a（図１中には、「Ｆa」とも記載されている）、水素吸蔵合金タンク２内から放出された水素の流量を測定する、放出側の流量計４４b（図１中には、「Ｆb」とも記載されている）が設けられている。

【0052】

＜制御コントローラ５０の構成＞
また、これらの測定器から測定結果を受信して、冷風や温風の供給を制御する制御コントローラ（制御手段）５０が設けられている。詳しくは、当該制御コントローラ５０は、測定器から受信した測定結果に基づき、前記第１自動開閉シャッター４及び第２自動開閉シャッター５の開閉を行うと共に、外部機器である冷・温水機からの冷・温水又は燃料電池の排熱水の筐体１内への導入を制御したり、送風ファン８の稼働を制御する情報処理装置である。また、制御コントローラ５０は、水素吸蔵合金タンク２の水素残量の予測を行う。

【0053】

制御コントローラ５０は、図１１に示すように、ＣＰＵ５１（＝Central Processing Unit、制御手段の一例）と、ＲＡＭ５２（＝Random Access Memory）、ＲＯＭ５３（＝Read Only Memory）、ＨＤ５４（＝Hard Disk、記憶手段の一例）、表示手段５５、計時手段５６、インタフェイス５７、これらの機器を接続するバス５８を有している。

【0054】

ＣＰＵ５１は、ＨＤ５４等に記憶されているアプリケーションプログラム、オペレーティングシステム（ＯＳ）や制御プログラム等を実行し様々な機能を実現する。また、ＲＡＭ５２にプログラムの実行に必要な情報、ファイル等を一時的に記憶させる。

【0055】

ＲＡＭ５２は各種データ、プログラム等を一時的に記憶するためのものであり、ＣＰＵ５１の主メモリ、ワークエリア等として機能する。ＲＯＭ５３は、内部に基本Ｉ／Ｏプログラム等のプログラム、基本処理において使用する各種データ等を記憶する。

【0056】

ＨＤ５４は補助記憶装置であり、大容量メモリとして機能する。ＨＤ５４には、アプリケーションプログラム、ＯＳ、制御プログラム、関連プログラム等を記憶する。

【0057】

また、ＨＤ５４内には、ステータス情報記憶領域５４１と、数式情報記憶領域５４２が設けられている。

【0058】

ステータス情報記憶領域５４１には、水素を水素吸蔵合金タンク２に吸蔵している「吸蔵状態」であるのか、水素吸蔵合金タンク２から水素を放出している「放出状態」であるのかといったステータス情報が記憶されている。なお、ＣＰＵ５１は、ステータスを判定すると、当該最新のステータス情報を、ステータス情報記憶領域５４１に記憶されている過去のステータス情報に上書きして記憶する。

【0059】

数式情報記憶領域５４２には、水素吸蔵合金タンク２の表面温度と水素吸蔵合金タンク２内部の水素吸蔵合金粉末３０の温度の差と、水素吸蔵流量・放出流量の関係式（タンク内部の熱伝達性を示す設計式）に係る以下の数１と、合金の温度変化に対するP-C-T曲線変化式（P-C-T関数）における圧力の補正に係る以下の数２と、P-C-T関数に係る以下の数３が記憶されている。また、数式情報記憶領域５４２には、積算補正式に係る以下の数４が記憶されている。

【0060】

水素吸蔵合金は、水素の吸蔵で発熱反応、水素の放出で吸熱反応となる。よって水素流量が合金からの熱出力に相当し、合金からの熱出力を水素流量で表すことができる。

【0061】

数１は、合金からの熱出力が、タンク容器（タンク表面）に輸送される際の平衡状態おける、タンク表面温度と合金温度との関係を示したものである。なお、この数１は、当該タンクの実験データから導かれた、経験式である。

【0062】

【数1】

【0063】

FL_a＝実際の水素吸蔵流量測定値、FL_d＝実際の水素放出流量測定値、
T₀＝実際のタンク表面温度測定値、ΔT=タンク表面と合金の温度差
T＝合金温度 ※ACとDCは経験定数が入る。

【0064】

水素吸蔵・放出時の水素吸蔵合金の平衡圧力は、熱力学におけるVan’t Hoffの式により、温度の関数として扱うことができる。

【0065】

数２は、合金温度が温度（T₂）を基準としたときの任意の合金温度（T）の変化による平衡圧力の変化割合をtermとして示したものである。このP₀をtermで除することにより、任意の温度における合金の水素吸蔵または放出における平衡圧力Ｐが求まる。式中のA₁には合金の水素吸蔵・放出におけるエンタルピーの変化を示す定数が入り、A₂には水素吸蔵・放出におけるエントロピーの変化を示す定数が入る。このA₁とA₂は、基準合金温度T_２下における、当該合金のP-C-T曲線の測定結果から導かれる。

【0066】

【数2】

【0067】

「吸蔵」の場合と「放出」の場合で式は２種類。
上記数２のT以外の記号には、経験定数が入る。

【0068】

数３は、基準合金温度T₂により実測したP-C-T曲線データから、近似式として定式化したものである。低圧、中圧、高圧と合金平衡圧力を３分類し、それぞれの圧力範囲で、近似式を構築した。なお中圧の範囲が、プラトー領域を意味する。更に各圧の中で「吸蔵」と「放出」の場合とで２つに分けられているため、式は６種類となる。なお、この数３は、本実施形態例１での一例であり、基準合金温度T₂によるP-C-T曲線を十分近似できるものであれば、どのような関数でも良い。

【0069】

【数3】

【0070】

Ｆh＝水素貯蔵量、P=合金の平衡圧力(吸蔵圧、放出圧)
数３のFh以外の記号には、経験定数が入る。

【0071】

水素残量の予測値が算出されたら、次の予測のタイミングまで、流量計４４からの離散的平均流量値を積算してゆくことで、水素残量を表示手段５５上等に、随時表示できるようにする。数４のF_iは吸蔵放出流量の離散平均値であり、Sはその平均値のデータセット時間（min）である。この平均値にデータセット時間をかけることで、各データセットにおける水素量が求まり、この水素量を予測値に積算することで、次の予測タイミングまでの貯蔵量を求めることができる。なおF_iは吸蔵時はプラス値、放出時はマイナス値とすることで、積算から水素残量を求めることができる。

【0072】

【数4】

【0073】

Qi＝最終予測値（L）、Qe＝P-C-T予測値（L）、
Fi＝流量離散平均値（L/min）、S＝時定数（min）

【0074】

表示手段５５は、例えば液晶ディスプレイ、ドットマトリクスディスプレイであり、算出された水素残量予測値等を表示するものである。

【0075】

計時手段５６は、現在時刻を計測するリアルタイムクロックとしての役割と、所定の時間を計測するタイマとしての役割を果たす。

【0076】

５７はインタフェイスであり、このインタフェイス５７を介して、制御コントローラ５０は、筐体温度センサー４１、第１自動開閉シャッター４等の他の装置との情報や命令のやり取りを行う。バス５８は、制御コントローラ５０内の情報・命令の流れを司るものである。

【0077】

＜ＣＰＵ５１の動作：水素吸蔵合金タンク２の水素残量の予測＞
次に、水素吸蔵合金タンク２の水素残量の予測を実行する際の、制御コントローラ５０に係るＣＰＵ５１の動作について説明する。最初に、水素を水素吸蔵合金タンク２に吸蔵しておらず、水素吸蔵合金タンク２から水素を放出してもいない、つまり、水素の流量がゼロ状態における、水素吸蔵合金タンク２の水素残量の予測を実行する際の動作を、図１２を使用して説明する。

【0078】

ＣＰＵ５１は、吸蔵側の流量計４４aと、放出側の流量計４４bの測定結果に基づき、現在、水素を水素吸蔵合金タンク２に吸蔵している「吸蔵状態」であるか、水素吸蔵合金タンク２から水素を放出している「放出状態」であるかといったステータスを判定する（ステップＳ１２１）。ＣＰＵ５１は、このステータス判定を常時行い、判定結果をステータス情報記憶領域５４１に記憶する。

【0079】

ＣＰＵ５１は、上記判定の結果、水素吸蔵合金タンク２への吸蔵又は水素吸蔵合金タンク２からの放出が所定の流量以下（例えば、２Ｌ/min以下）になったと判断すると、第１自動開閉シャッター４及び第２自動開閉シャッター５を閉めさせ、また、外部機器である冷・温水機の循環水等のラジエータ７への供給を停止させ、断熱状態をつくる（ステップＳ１２２）。

【0080】

ＣＰＵ５１は、吸蔵側の流量計４４aおよび放出側の流量計４４bの測定値を参照し、吸蔵状態ないし放出状態に移行しないこと（測定値が所定の値以下であること）を監視しながら、所定（一定）の時間（例えば、１時間）の経過を待つ（ステップＳ１２３）。この待機は、各機器の顕熱が平衡状態になるのを待っているのである。平衡状態では、「水素吸蔵合金タンク２の表面温度≒水素吸蔵合金粉末３０の温度」となるので、合金温度の変化によるP-C-T曲線変化式（P-C-T関数）により、水素吸蔵合金タンク２内の水素残量を算出（予測）できる。なお、各機器の顕熱が平衡状態になったか否かは、上記の方法の代わりに、あるいは、上記の方法に加えて、筐体温度センサー４１で測定しているカードル内温度とタンク表面温度との温度差により、ＣＰＵ５１が判断する方法としても良い。この温度差が所定値（例えば1℃）未満になったら、ＣＰＵ５１は、各機器の顕熱が平衡状態になったと判断する。

【0081】

ＣＰＵ５１は、タンク温度センサー４２に水素吸蔵合金タンク２表面の温度の測定を実行させ、また、圧力計４３に水素吸蔵合金タンク２内部の圧力の測定を実行させる（ステップＳ１２４）。そして、各測定結果を出力させて、受信する。

【0082】

次に、水素残量の算出を行う（ステップＳ１２５）。以下、詳しく説明する。ＣＰＵ５１は、水素吸蔵合金タンク２への吸蔵及び水素吸蔵合金タンク２からの放出が所定の流量以下になる直前のステータス情報（＝「吸蔵状態」、あるいは「放出状態」）を、ステータス情報記憶領域５４１から呼び出す。その後、ＣＰＵ５１は、数式情報記憶領域５４２から、圧力補正に係る数２（本実施の形態例１では「吸蔵」と「放出」の２種類）の中から適切な圧力補正式を呼び出して、圧力計４３からの圧力測定値（圧力値）に対して、温度測定値を使って補正を行う。

【0083】

吸蔵状態ないし放出状態のステータス情報と、補正後の圧力値に基づき、数式情報記憶領域５４２に格納されている数３（本実施の形態例１では６種類）から適切なP-C-T関数を選択して呼び出す。そして、ＣＰＵ５１は、呼び出したP-C-T関数を使用して、水素吸蔵合金タンク２の水素残量（水素貯蔵量）を予測（算出）する（P-C-T予測値）。

【0084】

次に、水素を水素吸蔵合金タンク２に吸蔵している、あるいは水素吸蔵合金タンク２から水素を放出している、つまり、水素の流量が発生している状態における、水素吸蔵合金タンク２の水素残量の予測を実行する際のＣＰＵ５１の動作を、図１３を使用して説明する。

【0085】

ＣＰＵ５１は、吸蔵側の流量計４４aと、放出側の流量計４４bの測定結果に基づき、現在、水素を水素吸蔵合金タンク２に吸蔵している「吸蔵状態」であるか、水素吸蔵合金タンク２から水素を放出している「放出状態」であるかといったステータスを判定する（ステップＳ１３１）。ＣＰＵ５１は、このステータス判定を常時行い、判定結果をステータス情報記憶領域５４１に記憶する。

【0086】

ＣＰＵ５１は、「吸蔵状態」、あるいは「放出状態」が、所定の時間（例えば、１時間）連続していると判断すると、この連続した時間のうちの所定の時間（例えば、３０分）の水素吸蔵合金タンク２の表面温度の値、水素吸蔵合金タンク２内部の圧力の値、吸蔵側の流量計４４aの値（あるいは、放出側の流量計４４bの値）の移動平均値を、平衡状態における値とみなす（ステップＳ１３２）。

【0087】

ＣＰＵ５１は、数式情報記憶領域５４２から、「水素吸蔵流量・放出流量」と「タンク表面と内部合金の温度差」の関係式に係る数１（本実施の形態例１では「吸蔵」と「放出」の２種類）の中から適切な関係式を呼び出して、当該関係式に基づき、水素吸蔵合金タンク２内部の水素吸蔵合金粉末３０の温度を算出する（ステップＳ１３３）。

【0088】

ＣＰＵ５１は、圧力計４３に水素吸蔵合金タンク２内部の圧力の測定を実行させる。そして、測定結果を出力させて、受信する。

【0089】

そして、ＣＰＵ５１は、合金温度の変化によるP-C-T曲線変化式（P-C-T関数）により、水素吸蔵合金タンク２内の水素残量を算出（予測）する（ステップＳ１３４）。以下、詳しく説明する。

【0090】

ＣＰＵ５１は、数式情報記憶領域５４２から、圧力補正に係る数２（本実施の形態例１では「吸蔵」と「放出」の２種類）の中から適切な圧力補正式を呼び出して、圧力計４３からの圧力測定値（圧力値）に対して、温度測定値を使って補正を行う。

【0091】

ＣＰＵ５１は、吸蔵側の流量計４４aと、放出側の流量計４４bの測定結果により判定したステータス情報（＝「吸蔵状態」、あるいは「放出状態」）を、ステータス情報記憶領域５４１から呼び出して、当該ステータス情報と、補正後の圧力値に基づき、数式情報記憶領域５４２に格納されている数３（本実施の形態例１では６種類）から適切なP-C-T関数を選択して呼び出す。そして、ＣＰＵ５１は、呼び出したP-C-T関数を使用して、水素吸蔵合金タンク２の水素残量（水素貯蔵量）を予測（算出）する（P-C-T予測値）。

【0092】

次に、水素残量の予測値を算出した（ステップＳ１４１）後のＣＰＵ５１の動作について、図１４を使用して説明する。

【0093】

ＣＰＵ５１は、数式情報記憶領域５４２から積算補正式に係る数４を呼び出し、呼び出した積算補正式を使用して、水素残量の予測値（P-C-T予測値）を表示手段５５にて表示させる(ステップＳ１４２)。以下、詳しく説明する。水素残量の予測値（P-C-T予測値）は、前述の２種類のどちらかの予測条件が満たされたタイミングで算出され表示されるが、どちらの条件も満たされない期間は、予測自体を行えない。そこで、予測が行えたら、次の予測が行えるまでの期間に限り、予測結果に吸蔵側の流量計４４aと放出側の流量計４４bの値の差を積算することで予測値を補完し、その値を表示手段５５上に表示させる（ステップＳ１４２）。これを積算補正という。ＣＰＵ５１は、新たなP-C-T予測値の算出の準備が完了するまで、積算補正を繰り返す。

【0094】

新たなP-C-T予測値の算出の準備が完了した時点で、積算補正を停止する（ステップＳ１４３）。

【0095】

新たなP-C-T予測値が算出されると、その値を表示手段５５上に表示させる（ステップＳ１４４）。その後、予測条件が満たされない期間になると、新たに算出された水素残量の予測値に吸蔵側の流量計４４aと放出側の流量計４４bの値の差を積算することで予測値を補完し、その値を表示手段５５上に表示させる（ステップＳ１４２）。ＣＰＵ５１は、新たなP-C-T予測値の算出の準備が完了するまで、この積算補正を繰り返す。

【符号の説明】

【0096】

Ａ：水素吸蔵合金タンクカードル
１：筐体、１a：側板、２：水素吸蔵合金タンク、３：ヘッダー、４：第１自動開閉シャッター、５：第２自動開閉シャッター、６：ラジエータチャンバー、７：ラジエータ、８：送風ファン、９：ダクト、１０：カバー、１１：支持材、１５：開口部、１６：スライドパネル、１７：パネル固定枠、１８：低摩擦材、１８a：低摩擦材、１９：低摩擦材、２０a：ボルト、２０b：ナット、２１：エアーシリンダー、２２：低摩擦材、２３：発泡材、２４：タンク本体、２６：放射フィン、２７：芯材、２８：フィン、２９：小室、３０：水素吸蔵合金粉末、４１：筐体温度センサー、４２：タンク温度センサー、４３：圧力計、４４a：吸蔵側の流量計、４４b：放出側の流量計、５０：制御コントローラ、５１：ＣＰＵ、５２：ＲＡＭ、５３：ＲＯＭ、５４：ＨＤ、５４１：ステータス情報記憶領域、５４２：数式情報記憶領域、５５：表示手段、５６：計時手段、５７：インタフェイス、５８：バス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】