JP2007024193A

JP2007024193A - 高圧容器

Info

Publication number: JP2007024193A
Application number: JP2005207667A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Miho; 佳孝美保; Tomofumi Yoshinaga; 知文吉永
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】高圧容器への水素充填作業性の悪化を招くことなく、充填時での高圧容器内の温度上昇を抑える。
【解決手段】高圧容器の水素充填口１に口元バルブ３を設け、この口元バルブ３内の水素流通孔１１ａに対して接近離反移動する弁体１３を、流量可変ブロック１１内に設ける。弁体１３の背面に形成したチャンバ１１ｃには、容器内温度の上昇に応じて熱膨張するシリコーンオイル１５を収容する。シリコーンオイル１５が水素充填に伴う温度上昇に対応して膨張することで、弁体１３を移動させて水素流通孔１１ａを絞り、充填水素量を制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体を高圧で貯蔵する高圧容器に関する。

燃料電池における燃料として使用する水素は、高圧気体とした状態で燃料容器に貯蔵する必要があり、このため水素貯蔵用の燃料容器は耐圧性に優れた高圧容器であることが要求される。このような高圧容器に対する水素充填時には、容器内の断熱圧縮により、充填水素流量に応じて容器内温度が上昇する。

ところが、現状では、外気温度や充填水素量を考慮すると、充填時の容器内温度は、高圧容器の熱信頼性保証温度範囲を越えてしまう可能性があるため、作業者が充填水素流量の制限や充填停止を行うか、あるいは充填速度を低下させる措置を講じる必要あり、水素充填作業性の悪化を招いている。

このように、高圧容器内への水素充填時には、容器内温度が高まることから、充填水素量を減少させるなどの作業が必要となる。

一方、温度に応じて流体の流量を変化させるバルブ構造を備えるものとしては、例えば下記特許文献１，２に記載されているように、ワックスの熱膨張によって流路を可変とするものがある。
特開昭６０−３７４７９号公報特開平８−２７７９６４号公報

しかしながら、上記した特許文献１，２に記載のものは、いずれも高圧容器に適用したものではなく、したがって現状では、気体充填時での高圧容器内の温度上昇を抑えることができず、水素充填作業性の悪化を改善することができない。

そこで、本発明は、高圧容器への気体充填作業性の悪化を招くことなく、充填時での高圧容器内の温度上昇を抑えることを目的としている。

本発明は、気体を高圧で貯蔵する高圧容器において、前記気体を容器内に充填するための充填口に口元バルブを設け、この口元バルブに、前記充填される気体の流量を容器内温度に応じて変化させる流量可変手段を設けたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、充填口に設けた口元バルブに、充填する気体の流量を容器内温度に応じて変化させる流量可変手段を設けたため、作業者が充填流量制限や停止を行うなどの充填作業性の悪化を招くことなく、高圧容器の熱信頼性保証温度を超えない流量で気体を充填することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す高圧容器の気体充填口付近の断面図である。ここでの高圧容器は、燃料電池における燃料として使用する水素（気体）を貯蔵するものとしているが、水素に限るものではない。

高圧容器の水素充填口１には、口元バルブ３を装着している。水素充填口１は、容器外方に突出する円筒部を備え、この円筒部内面に形成した雌ねじ部５に、口元バルブ３の締結部７を締結固定する。

締結部７の容器外側の端部には、図示しない配管や水素充填作業時に使用するノズルを接続する接続部９を一体化して設けている。一方、締結部７の容器内側の端部には、締結部７より僅かに小径の流量可変ブロック１１を一体化して設けている。

上記した接続部９から締結部７および流量可変ブロック１１にわたり、容器内に充填する水素が通過する口元バルブ内流路１２となる水素流通孔９ａ，７ａ，１１ａをそれぞれ形成している。このうち締結部７および流量可変ブロック１１に設けた水素流通孔７ａおよび１１ａは、水素充填口１の中心に対し図１中で左側にずれた位置に形成している。

そして、流量可変ブロック１１の図１中で上下方向ほぼ中央位置には、水素流通孔１１ａの図１中で右側部分に連通する弁体収容穴１１ｂを形成している。さらに、弁体収容穴１１ｂに連続して水素流通孔１１ａと反対側にはチャンバ１１ｃを設け、チャンバ１１ｃの水素流通孔１１ａと反対側の端部は、薄肉の隔壁板１１ｄで覆っている。

図２は、上記した弁体収容穴１１ｂおよびチャンバ１１ｃに対応するＡ−Ａ線に沿う断面図である。

弁体収容穴１１ｂには、流量可変手段としての弁体１３を、水素流通孔１１ａに対して接近離反する方向に移動可能に設けるとともに、弁体１３と隔壁板１１ｄとの間のチャンバ１１ｃには、熱変形材としてのシリコーンオイル１５を封入している。シリコーンオイルの熱膨張率は、水や鉱物油に比べて大きく、その比重や容積は温度により大きく変化する。例えば、ジメチルシリコーンオイルの熱膨張率は、粘度により異なるが、約１×１０^-3である。

弁体１３は、図１に示すように先端が断面三角錐形状の頭部１３ａと、頭部１３ａの後面に一体化している摺動ピストン部１３ｂとからなり、摺動ピストン部１３ｂの外周にはシール材１７を設けている。

次に作用を説明する。容器内への水素充填開始前の常温下では、シリコーンオイル１５の体積が小となっており、このため弁体１３は図１中で右側の後退位置にあって水素流通孔１１ａを開放し、水素が流通する流路を確保している。

この状態で水素充填作業を継続していくと、容器内の断熱圧縮により容器内温度が上昇する。この温度上昇を薄肉の隔壁板１１ｄを介して感知するシリコーンオイル１５が、温度上昇に伴って膨張し、弁体１３を図１中で左方向に移動させ、図３のように水素流通孔１１ａを絞り、あるいは遮断して流量を制御する。

これにより、高圧容器の熱信頼性保証温度を超えない流量で水素を充填することができ、この際作業者が水素充填作業を停止したり、あるいは充填速度を低下させるなどの措置を講じる必要がなく、水素充填作業性の悪化を防止することができる。

また、弁体１３がシリコーンオイル１５の膨張により徐々に水素流通孔１１ａを絞る構造になっているため、水素が水素流通孔１１ａを流れる際の圧損が少なくて済む。

さらに、水素流通孔１１ａを流れる水素流量を制御する弁体１３やシリコーンオイル１５は、水素充填口１の口元バルブ３に組み込んであるため、口元バルブ３と別体に設けた場合に比較して部品点数が少なくなりコスト低減、質量減少が可能になる。また、これら弁体１３やシリコーンオイル１５を、容器内に設置しているため、容器外部に設置する場合に比較して、例えば本高圧容器を車両などの限られたスペースに搭載する際のレイアウト性が向上する。

また、シリコーンオイル１５を収容するチャンバ１１ｃの隔壁板１１ｄを薄肉としているので、容器内の熱をシリコーンオイル１５に効率よく伝達することができ、弁体１３の移動応答性が向上して水素流通孔１１ａを絞ることによる流量制御精度を高めることができる。

なお、弁体１３をセラミックなどの断熱材により構成することで、水素流通孔１１ａを流れる、容器内水素より低温の水素の熱影響をシリコーンオイル１５に与えないようにすることができ、これにより流量制御精度を高めることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態を示す高圧容器全体の断面図である。この実施形態は、ケース１９内に収容したシリコーンオイル２１を、容器内壁面２３に取り付けている。

ここでの高圧容器は、前記図１に示した第１の実施形態と同様に、燃料電池における燃料として使用する水素を貯蔵するものであり、上記した容器内壁面２３を有して容器のシール機能を発揮する金属ライナ２５と、外壁を構成する樹脂補強部材である繊維強化樹脂（ＦＲＰ）２７との少なくとも二層構造としている。

そして、金属ライナ２５は、容器長手方向（図４中で上下方向）両端部を厚肉部２５ａとし、厚肉部２５ａ相互間の胴部を薄肉部２５ｂとしている。一方、ＦＲＰ２７は、金属ライナ２５とは逆に、容器長手方向両端を薄肉部２７ａとし、薄肉部２７ａ相互間の胴部を厚肉部２７ｂとしている。

このような二層構造の容器における、金属ライナ２５の薄肉部２５ｂとＦＲＰ２７の厚肉部２７ｂとを重ね合わせた容器胴部の長手方向ほぼ中央の前記した容器内壁面２３に、シリコーンオイル２１を設置している。

また、ケース１９の外側は、さらに外側ケース２９で覆っている。外側ケース２９には、絞り部としての多数の孔２９ａを設けてあり、容器内に水素を充填する際に、外側ケース２９の外側から同内側に向けて孔２９ａを水素が通過し、このときオリフィスのように絞り作用が発生するようにしている。

一方、水素充填口１の口元バルブ３の流量可変ブロック１１には、前記した第１の実施形態と同様に弁体１３を設けている。そして、この弁体１３の後面側の空間と、前記したシリコーンオイル２１を収容するケース１９内とを、シリコーンオイル収容配管３１で接続し、これら接続空間にシリコーンオイル２１と同様のシリコーンオイルを充填する。

したがって、この実施形態においても、シリコーンオイル２１が、容器内温度を感知することで水素充填に伴う容器内温度上昇とともに膨張し、これに伴いシリコーンオイル収容配管３１内のシリコーンオイルも全体的に弁体１３側に変位して弁体１３を図４中で左方向に移動させ、水素流通孔１１ａを絞り、あるいは遮断して充填水素流量を制御する。

これにより、第１の実施形態と同様に、高圧容器の熱信頼性保証温度を超えない流量で水素を充填することができ、この際作業者が水素充填作業を停止したり、あるいは充填速度を低下させるなどの措置を講じる必要がなく、水素充填作業性の悪化を防止することができる。

また、この実施形態では、容器内への水素充填時に、外側ケース２９の多数の孔２９ａから外側ケース２９内に水素が流れ込むことで流速が高まって圧力降下し、いわゆるジュール・トムソン効果により外側ケース２９内の温度が上昇する。このため、シリコーンオイル２１の熱膨張が促進され、弁体１３の移動による流量制御も確実に行うことができる。

また、温度感知部となるシリコーンオイル２１を容器内壁面２３に取り付けているため、温度管理を行ないたい容器に接する水素温度を効率よく感知することができ、流量制御精度を高めることができる。

さらに、温度感知部となるシリコーンオイル２１を、容器内に充填した水素の蓄熱量が金属ライナ２５の厚肉部２５ａに比較して小さい同薄肉部２５ｂに取り付けているため、容器内温度を精度よく感知することができる。

また、温度感知部となるシリコーンオイル２１を、容器内に充填した水素の外部への放熱量がＦＲＰ２７の薄肉部２７ａに比較して小さい同厚肉部２７ｂに取り付けているため、容器内温度を精度よく感知することができる。

図５は、本発明の第３の実施形態を示す、前記図１に相当する断面図である。この実施形態は、口元バルブ３の締結部７および流量可変ブロック１１における水素流通孔７ａおよび１１ａを、締結部７および流量可変ブロック１１の中心部に形成した上で、流量可変ブロック１１の水素流通孔１１ａの図５中で左右両側に、弁体１３を一対設置している。

また、弁体１３の後面側のチャンバ１１ｃには、第１の実施形態と同様にしてシリコーンオイル１５を充填しているが、このチャンバ１１ｃは、弁体収容穴１１ｂに対し、弁体１３の移動方向に直交する面の面積が大きくなるよう拡大している。

そして、チャンバ１１ｃの弁体収容穴１１ｂと反対側の容器内水素の雰囲気に接する壁部となる隔壁板３３には、熱伝達手段としての凹凸部３３ａを形成している。

したがって、この実施形態においても、シリコーンオイル２１が、容器内の温度を隔壁板３３を介して感知することで水素充填に伴う容器内温度上昇とともに膨張し、一対の弁体１３を互いに接近する方向に移動させて水素流通孔１１ａを絞り、あるいは遮断して流量を制御する。

また、第３の実施形態では、水素流通孔１１ａを挟んでその両側に弁体１３およびシリコーンオイル１５を設けているので、同一流量を流す際に、これらを一方側にのみ設けた第１の実施形態と比較して、一方側のシリコーンオイル２１の熱膨張による弁体１３の移動量が少なくて済み、したがって熱変形材として第１の実施形態で使用するシリコーンオイル１５よりも熱膨張率の小さいもの使用することが可能になるなど、熱膨張する熱変形材の選択肢が広がってコスト削減を達成することができる。

さらに、第３の実施形態では、シリコーンオイル１５と容器内雰囲気とを隔てる隔壁板３３に凹凸部３３ａを形成して熱交換効率を高めているので、容器内の熱をシリコーンオイル１５に効率よく伝達することができ、水素流通孔１１ａを絞ることによる流量制御精度を高めることができる。

また、弁体１３を収容する弁体収容穴１１ｂに対し、シリコーンオイル１５を充填するチャンバ１１ｃを拡大し、シリコーンオイル１５の受熱部の面積を、弁体１３における摺動ピストン部１３ｂのシリコーンオイル１５に対向する面の面積に対して大きくしているので、シリコーンオイル１５の少ない熱膨張で弁体１３の移動量を多くとることができる。この結果、水素流通孔１１ａを流れる水素流量を、容器内温度に応じて制御する際の応答性を高めることができる。

本発明の第１の実施形態を示す高圧容器の充填口付近の断面図である。図１の高圧容器における弁体収容穴に対応するＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１の高圧容器において流量を制御した状態を示す断面図である。本発明の第２の実施形態を示す高圧容器全体の断面図である。本発明の第３の実施形態を示す、前記図１に相当する断面図である。

符号の説明

１水素充填口
３口元バルブ
１２口元バルブ内流路
１３弁体（流量可変手段）
１５，２１シリコーンオイル（熱変形材）
１９シリコーンオイルを収容するケース
２３容器内壁面
２５金属ライナ
２５ｂ金属ライナの薄肉部
２７繊維強化樹脂（樹脂補強部材）
２７ｂ繊維強化樹脂の厚肉部
２９ケースを覆う外側ケース
２９ａ外側ケースの孔（絞り部）
３３ａ隔壁板の凹凸部（熱伝達手段）

Claims

気体を高圧で貯蔵する高圧容器において、前記気体を容器内に充填するための充填口に口元バルブを設け、この口元バルブに、前記充填される気体の流量を容器内温度に応じて変化させる流量可変手段を設けたことを特徴とする高圧容器。
容器内温度に応じて熱変形して前記流量可変手段を移動させる熱変形材を、容器内に設置したことを特徴とする請求項１に記載の高圧容器。
前記流量可変手段は、前記熱変形材の熱変形に伴い移動して前記口元バルブ内流路の流路面積を変化させる弁体で構成したことを特徴とする請求項２に記載の高圧容器。
前記弁体の前記口元バルブ内流路と反対側にチャンバを設け、このチャンバ内に前記熱変形材を収容したことを特徴とする請求項３に記載の高圧容器。
前記熱変形材を、容器内壁面に取り付けたことを特徴とする請求項２または３に記載の高圧容器。
容器壁部を、内壁を構成する金属ライナと、外壁を構成する樹脂補強部材との少なくとも二層構造とし、前記熱変形材を、前記金属ライナの薄肉部に取り付けたことを特徴とする請求項５に記載の高圧容器。
容器壁部を、内壁を構成する金属ライナと、外壁を構成する樹脂補強部材との少なくとも二層構造とし、前記熱変形材を、前記樹脂補強部材の厚肉部に取り付けたことを特徴とする請求項５に記載の高圧容器。
前記弁体を、前記口元バルブ内流路の両側部に一対設け、この一対の弁体に対応して前記チャンバをそれぞれ設けたことを特徴とする請求項４に記載の高圧容器。
前記チャンバの容器内雰囲気と接する壁部に、容器内の温度を前記熱変形材に伝達する熱伝達手段を設けたことを特徴とする請求項４または８に記載の高圧容器。
前記弁体を断熱材で構成したことを特徴とする請求項３ないし９のいずれか１項に記載の高圧容器。
前記熱変形材の受熱部の面積を、前記弁体の前記熱変形材に対向する面の面積より大きくしたことを特徴とする請求項４，８，９，１０のいずれか１項に記載の高圧容器。
前記熱変形材をケース内に収容し、このケースをさらに外側ケースで覆い、この外側ケース内と外側ケース外の容器内とを連通する絞り部を設けたことを特徴とする請求項２，３，５，６，７，１０のいずれか１項に記載の高圧容器。