JP2004176885A - 水素貯蔵容器 - Google Patents

Abstract

【課題】内層材と外層材との間に水素が滞留することによって、外層材と内層材との間に発生する水素脆化や剥離を防止すること。
【解決手段】水素を含む気体を内部に貯蔵して該気体からの内圧に耐える外層材２と、外層材２の内周面を覆うように設けられ、耐水素性を有する材料によって形成された内層材３とを備える水素貯蔵容器１において、内層材３と外層材２との間には、外部へと導かれる流路を設けた構成とした。また、流路を、螺旋状とした。また、滞留した水素を排除する流体が外部へ流れるように、流路に流体を供給する流体供給手段を設ける構成とした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含む気体を貯蔵する水素貯蔵容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素ステーションでの水素の貯蔵や燃料電池での水素の貯蔵には、水素貯蔵容器が使用される。
水素貯蔵容器には、外層材と内層材の二層構造により形成されたものと、外層材の内面にライニングを施したものとがある。
前者の、外層材と内層材の二層構造により形成された水素貯蔵容器においては、内層材と外層材と両端に設けられた蓋とによって構成されている。内層材は、外層材の内周面を覆うように配置されている。内層材と両端に設けられた蓋とによって閉じた空間が形成され、この空間に水素が貯蔵されている。
【０００３】
外層材は円筒状とされており、炭素鋼や低合金鋼によって形成されている。外層材の軸方向における両端にはねじ部が形成されている。外層材は、内圧に耐え得るように、内層材よりもはるかに厚く製造されている。
内層材は円筒状であり、オーステナイト系ステンレス鋼によって形成されている。
【０００４】
蓋は円柱状とされており、側部にはねじ部が形成されている。外層材に形成されたねじ部と蓋に形成されたねじ部とが螺合することによって、外層材に対して蓋が固定されている。蓋と内層材とはＯリングやＣリング等のシール材によって気密に取り付けられている。また、一方の蓋には水素ガス導入口が設けられている。
【０００５】
上記のように構成された水素貯蔵容器においては、内部に圧縮された水素が封入されて圧力容器として機能する。
【０００６】
外層材は、強度を有しかつ廉価であるということから炭素鋼や低合金鋼によって形成されている。しかし、炭素鋼や低合金鋼は水素と接触すると水素脆化や侵食が起こる。
水素脆化とは、鉄鋼材料の結晶の間隙に水素原子が侵入し、結晶内部で水素原子が結合して水素分子となり水素の体積が増加するので結晶内部で破壊が起こることである。
侵食とは、炭素鋼内部に侵入した水素原子と炭素鋼内の炭素とが次のような化学反応を起こして炭素鋼が脱炭されて、強度、靭性、延性が低下することである。
【０００７】
Ｆｅ_３Ｃ＋４Ｈ→ ＣＨ_４＋３Ｆｅ
【０００８】
そのため、外層材と水素とが接触しないように、内層材が外層材の内周面を覆うように設けられている。内層材のオーステナイト系ステンレス鋼は耐水素性が高いのでこの内層材で水素の漏れを防ぎ外層材まで到達しないようになっている。
【０００９】
一方、水素雰囲気で使用される圧力容器に関しては、内層材であるステンレス鋼内のＮｉ、Ｃｒの含有量を調節して耐食、耐剥離割れ性に優れた圧力容器を提供することが報告されている（例えば特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特公平６−３０８３１号公報 （第３−７頁、第１図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の水素貯蔵容器においては、内部の水素が内層材を透過して内層材と外層材との間に滞留してしまうために、水素と外層材とが接触して水素脆化や剥離を引き起こすといった問題があった。
剥離とは、ステンレス鋼によって形成された内層材と炭素鋼によって形成された外層材とで構成された二層構造の容器で起こる現象である。水素は、内層材を透過し外層材内部に入り込んで拡散する。その後、外層材側から内層材側への拡散においては、内層材内部の拡散速度が外層材内部の拡散速度に比べて著しく低いので、水素が外層材と内層材との間に滞留し、ついには剥離割れを引き起こす恐れがある。
【００１２】
また、水素脆化や剥離が生じることによって水素貯蔵容器に水素を封入した際の圧力により水素貯蔵容器が破壊し、圧力容器として機能できなくなる恐れがあった。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、内層材と外層材との間に水素が滞留することによって、内層材と外層材との間に発生する水素脆化や剥離を防止することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成を採用する。
すなわち本発明に係る請求項１記載の水素貯蔵容器は、水素を含む気体を内部に貯蔵して該気体からの内圧に耐える外層材と、該外層材の内周面を覆うように設けられ、耐水素性を有する材料によって形成された内層材とを備える水素貯蔵容器において、前記内層材と前記外層材との間には、外部へと導かれる流路が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
本発明においては、内層材と外層材との間に流路を設けたことにより、内層材と外層材との間に滞留した水素が流路へ流れ込み、その後この流路を通って水素貯蔵容器の外部へ排除される。
ここで、「水素を含む気体」とは、主として水素を含む場合のみならず、純水素も包含するものである。
【００１６】
請求項２記載の水素貯蔵容器は、請求項１記載の水素貯蔵容器において、前記流路は、螺旋状であることを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、流路を螺旋状としたことにより、水素貯蔵容器全体に渡って流路が形成されることになる。また、このように流路が全体に行き渡るので、内層材と外層材との間に滞留した水素が水素貯蔵容器全体に渡って排除される。
また、流路を螺旋状としたことにより、流路が軸方向に対して略垂直に形成されるので、内圧に対して応力集中が生じ難い。
【００１８】
請求項３に記載の水素貯蔵容器は、請求項１または２記載の水素貯蔵容器において、流体が外部へ流れるように前記流路に流体を供給する流体供給手段を備えていることを特徴とする。
【００１９】
本発明においては、流路に流体を流すことで、滞留する水素が強制的に排除される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る水素貯蔵容器の第１の実施形態を、図１ないし図２に示して説明する。
水素貯蔵容器１は、図１に示すように、外層材２と、外層材２の内周面を覆うように配置された内層材３と、外層材２及び内層材３の軸方向における両端部を塞ぐように配置された蓋４とを備えている。
【００２１】
外層材２は円筒状とされており、水素貯蔵容器１の外周面を取り囲んでいる。また、外層材２は、強度を有しかつ廉価であるということから炭素鋼や低合金鋼により形成されており、９０ＭＰａの内圧に耐え得るように設計されている。外層材の軸方向における両端部付近には、ねじ部５Ａが形成されている。
【００２２】
内層材３は、外層材２の内周面を覆うように配置されており、円筒状とされている。また、オーステナイト系ステンレス鋼によって形成されていて、単価が高いために外層材２と比べてはるかに薄肉に形成されている。
【００２３】
蓋４は、円柱状であり水素貯蔵容器１の軸方向両端を塞いでいる。一方の蓋４には水素を封入するための水素導入口６が設けられている。蓋４の側部にはねじ部５Ｂが形成されている。
外層材２、内層材３及び蓋４によって内部空間７が閉じられている。内部空間７には水素が封入されている。内層材３は、外層材２の内周部に配置されていて、外層材２と蓋４とは、それぞれのねじ部５Ａとねじ部５Ｂとの螺合によって締結されている。
内層材３の軸方向の長さは、一方のねじ部３による螺合部分の内側端部から、もう一方のねじ部３による螺合部分の内側端部までである。内層材３と蓋４とが重なっている部分にはＯリング８が設けられていて、内部空間７の気密性が保たれている。
【００２４】
本実施形態における水素貯蔵容器１の各部の寸法は、軸長が３ｍとされており、外層材２の外径が５００ｍｍで内層材の内径が３４０ｍｍとされている。内層材３の厚みは５〜１０ｍｍとされている。
【００２５】
内層材３の外周部には流路９が設けられている。図２（ａ）のＡ部分の拡大図を図２（ｂ）に示す。流路９は、外層材２と内層材３との間に形成されており、内層材３の外周面に設けられている。流路９は、軸方向に対して螺旋状に延びていて、水素貯蔵容器１の全体に渡って流路９が配置されている。螺旋状の流路９のピッチは５〜１０ｍｍである。この図では、流路９の断面が二つのみ示されているが、実際は内層材３の一方の端部から他方の端部まで多数の断面が形成されている。また、流路は全て繋がっていて、一本の流路９である。また、蓋４の一方には、流路９に通じる流体導入口１０が設けてある。また、水素貯蔵容器１の外部には流体供給手段が設けられ、流体導入口１０に通じている。
【００２６】
上記のように構成された水素貯蔵容器１の内部に水素（純水素）を貯蔵すると、水素が内層材３を透過して内層材３と外層材２との間に水素が滞留する。
上記水素貯蔵容器１においては、内層材３の外周面に流路９を設けたことにより、外層材２と内層材３との間に滞留した水素が、内層材３の外周面に設けられた流路９へ流れ込み、その後この流路９を通って水素貯蔵容器１の外部に導かれる。このように、内層材３と外層材２との間に滞留した水素が水素貯蔵容器１の外部へ排除される。
これにより、内層材３と外層材２との間に滞留した水素によって発生する水素脆化や剥離の発生を防止できる。また、水素脆化や剥離に伴う水素貯蔵容器１の破壊を抑えることができる。
【００２７】
また、流路９を螺旋状としたことにより、水素貯蔵容器１全体に渡って流路９が行き渡る。また、流路９が全体に行き渡ることで、内層材３と外層材２との間に滞留した水素が全体に渡って排除される。
【００２８】
その際、螺旋状に延びた流路９の間に存在する水素は、内層材３と外層材２との間に厳密には隙間があるために、その隙間を通って水素が流路９に入り込み、流路９を通って水素が外部へ排除される。
【００２９】
また、流路９を螺旋状としたことで、流路９が軸方向に対して略垂直に形成されるので、応力の大きな周方向に対して応力集中を起こし難い形状となる。応力集中を起こし難いために、より大きな内圧に対して耐えることができるので、さらに圧縮させて水素の貯蔵量を増加させることができる。また、内圧による破損を防ぐことができる。
【００３０】
また、水素貯蔵容器１の外部に流体供給手段を設けたことにより、内層材３の外周面に設けた流路９に圧縮空気を流すことで、内層材３と外層材２との間に滞留した水素が強制的に排除される。
また、水素貯蔵容器１の内部が、化学反応や外部からの加熱によって高温となり、内層材３を透過する水素の量が増加して、滞留する水素量が多くなった場合には、流路９に圧縮空気を流すことによって多量の水素が確実に除去される。
【００３１】
流路９は、滞留した水素を流すための最小限の深さの溝で良く、逆に、流路９を設けることによって応力集中を引き起こさないように最小限の深さとしている。
【００３２】
なお、本実施形態において、封入した水素は純水素としたが、水素を含んだ混合気体としても構わない。
また、本実施形態においては、流体供給手段によって流路９に流した流体を圧縮空気としたが、流路９に流した流体と、内層材を透過した気体、内層材、あるいは外層材とが化学反応を起こさないように圧縮空気を不活性ガスとしても良い。
また、本実施形態においては、流路９を螺旋状としたが、応力集中を考慮しなければ水素貯蔵容器１の中心軸に平行な直線状としても良い。その際、周方向に対して等間隔に流路９を配置して水素貯蔵容器１の全体に渡って流路を設けるようにすることが望ましい。
また、本実施形態においては、流路９を一本の螺旋状の溝としたが、複数の溝によって形成しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る水素貯蔵容器によれば、内層材と外層材との間に流路を設けたことにより、内層材と外層材との間に滞留した水素が流路を通って水素貯蔵容器の外部へ排除されるので、内層材と外層材との間に発生する水素脆化や剥離を防止できる。また、水素脆化や剥離に伴う水素貯蔵容器の破壊を抑えることができる。
【００３４】
また、本発明に係る水素貯蔵容器によれば、内層材と外層材との間に設けた流路を螺旋状としたことにより、水素貯蔵容器全体に渡って流路が行き渡るので、内層材と外層材との間に滞留した水素を水素貯蔵容器の全体に渡って排除できる。また、応力集中が起こり難いので、水素貯蔵容器がより大きな内圧から耐えることができ、さらに水素を圧縮させてより多くの水素を貯蔵させることができる。また、内圧による破損を防ぐことができる。
【００３５】
また、本発明に係る水素貯蔵容器によれば、流路に流体を流す流体供給手段を設けることで、流路に流体を流して内層材と外層材との間に滞留した水素を強制的に排除するので、滞留する水素の量が多くても水素を効果的に排除できる。
また、容器内が高温となって水素の透過量が増加し、内層材と外層材との間に滞留する水素量が多くなっても水素を有効に排除できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における水素貯蔵容器の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における水素貯蔵容器の断面図の拡大図である。
【符号の説明】
１ 水素貯蔵容器
２ 外層材
３ 内層材
９ 流路

Claims (3)

1. 水素を含む気体を内部に貯蔵して該気体からの内圧に耐える外層材と、該外層材の内周面を覆うように設けられ、耐水素性を有する材料によって形成された内層材とを備える水素貯蔵容器において、
   前記内層材と前記外層材との間には、外部へと導かれる流路が設けられていることを特徴とする水素貯蔵容器。
2. 前記流路は、螺旋状であることを特徴とする請求項１記載の水素貯蔵容器。
3. 流体が外部へ流れるように前記流路に流体を供給する流体供給手段を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の水素貯蔵容器。

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