JP2007032757A - ガス貯蔵タンク - Google Patents
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Abstract
【課題】 過渡的な圧力変動時においても温度を均一化することができるガス貯蔵タンクを提供すること。
【解決手段】 タンク本体30a内にガスが貯蔵される高圧水素タンク30において、タンク本体30aと外部との熱交換量を、当該タンク本体30aが設置された状態での鉛直方向位置に応じて、異ならせる熱交換部31を備える。熱交換部31としては、リチウムの採用が可能である。熱交換部31に熱交換フィン32を設けることで、熱交換効率を更に向上させることができる。
【選択図】 図2
【解決手段】 タンク本体30a内にガスが貯蔵される高圧水素タンク30において、タンク本体30aと外部との熱交換量を、当該タンク本体30aが設置された状態での鉛直方向位置に応じて、異ならせる熱交換部31を備える。熱交換部31としては、リチウムの採用が可能である。熱交換部31に熱交換フィン32を設けることで、熱交換効率を更に向上させることができる。
【選択図】 図2
Description
本発明は、例えば燃料電池システムに好適なガス貯蔵タンクに関し、特に、ガス貯蔵タンクの温度管理に関する。
近年、エンジンに換えて水素ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源として搭載した燃料電池車の開発が進められている。燃料電池に供給される燃料としての水素ガスは、例えば特許文献1に開示のガス貯蔵タンクに貯蔵され、該ガス貯蔵タンクから取り出されて発電に用いられる。該ガス貯蔵タンクの水素残量が少なくなった場合には、ガス貯蔵タンクに対して水素ガスの充填が行われる。
特開2002−327898号公報
ガス貯蔵タンクは、水素ガス放出時にタンク内の圧力が急激に変化し、設置状態での鉛直方向下部が他部と比較して相対的に低温となる。これとは逆に、水素ガス充填時にはタンク内の圧力が急激に上昇し、鉛直方向上部が他部と比較して相対的に高温となる。このように、タンク内に過渡的な圧力変動が生じると、タンクの鉛直方向に温度差が生じ、充填効率の低下やタンク寿命の低下等の問題が生ずる。
特許文献1には、水素貯蔵タンクにフィンを設けた技術が開示されているが、これらのフィンは鉛直方向に均一に形成されているため、上記過渡的な圧力変動時に生じる温度差を解消することはできない。
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、過渡的な圧力変動時にもタンク温度を均一化することが可能な貯蔵タンクを提供することを目的とする。
本発明においては、上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、本発明のガス貯蔵タンクは、タンク本体内にガスが貯蔵されるガス貯蔵タンクにおいて、前記タンク本体と外部との熱交換量を、当該タンク本体が設置された状態での鉛直方向位置に応じて、異ならせる熱交換手段を備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、ガス充填時やガス放出時等の過渡的な圧力変動時にタンクに生ずる鉛直方向の温度差を解消することが可能となる。
熱交換手段としては、タンク本体の一部が急激に温度上昇した場合にはタンク本体から熱を吸熱し、タンク本体の一部が急激に温度降下した場合にはタンク本体に熱を放熱することにより、タンク本体との間で熱交換を行う熱吸収材料を採用することができる。このような熱吸収材料としては、熱容量の大きい材料を選択することが好ましい。熱交換手段は、外気とタンク本体との熱交換を促進する熱交換フィンでもよい。
上記ガス貯蔵タンクにおいては、前記タンク本体の鉛直方向下部または上部のいずれか一方が他方よりも前記熱交換量が大きくてもよい。
このような構成によれば、ガス充填時の温度上昇、ガス放出時の温度降下のいずれか一方の温度管理に重きを置いて温度差対策を施すことができる。熱交換手段として熱吸収材料を採用する場合には、例えばタンク本体の下部または上部のいずれか一方に熱吸収材料を設置すればよい。
上記ガス貯蔵タンクにおいて、前記熱交換手段は、前記タンク本体の鉛直方向下部または上部を含むように設けられた熱交換フィンであってもよい。
このような構成によれば、熱交換部の表面積が大きくなり、当該部分での熱交換効率が向上する。例えばタンクから外気へ放熱する場合には、熱交換フィンによって外気への放熱作用が円滑化する。
本発明のガス貯蔵タンクによれば、過渡的な圧力変動時であってもガス貯蔵タンクの温度を均一化することができる。これにより、ガス充填効率の低下やタンク寿命の低下等の発生を抑制することができる。
次に、本発明に係るガス貯蔵タンクを備えた燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶,航空機,電車等のあらゆる移動体や歩行ロボットへの適用が可能である他、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
図1に示すように、酸化ガスとしての空気(外気)は、空気供給路71を介して燃料電池20の空気供給口に供給される。空気供給路71には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA3、供給空気圧を検出する圧力センサP4、及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。コンプレッサA3は、モータ(補機)によって駆動される。モータは、後述の制御部50によって駆動制御される。なお、エアフィルタA1には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ(流量計)が設けられる。
燃料電池20から排出される空気オフガスは、排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、排気圧を検出する圧力センサP1、圧力調整弁A4、及び加湿器A21の熱交換器が設けられている。圧力センサP1は、燃料電池20の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁(減圧弁)A4は、燃料電池20への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。
燃料ガスとしての水素ガスは、高圧水素タンク(ガス貯蔵タンク)30から燃料供給路74を介して燃料電池20の水素供給口に供給される。なお、高圧水素タンク30の詳細な構造については後述する。
燃料供給路74には、高圧水素タンク30から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁H100、高圧水素タンク30からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサP6、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、水素調圧弁H9の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサP9、燃料電池20の水素供給口と燃料供給路74間を開閉する遮断弁H21、及び水素ガスの燃料電池20の入口圧力を検出する圧力センサP5が設けられている。
燃料電池20で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路75に排出され、燃料供給路74の水素調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスの温度を検出する温度センサT31、燃料電池20と水素循環路75を連通/遮断する遮断弁H22、水素オフガスから水分を回収する気液分離器H42、回収した生成水を水素循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、水素オフガスを加圧する水素ポンプH50、及び逆流阻止弁H52が設けられている。
水素循環路75は、排出制御弁H51を介して、パージ流路76によって排気路72に接続される。排出制御弁H51は、電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出(パージ)する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。
更に、燃料電池20の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路73が設けられる。冷却路73には、燃料電池20から排水される冷却水の温度を検出する温度センサT1、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ(熱交換器)C2、冷却水を加圧して循環させるポンプC1、及び燃料電池20に供給される冷却水の温度を検出する温度センサT2が設けられている。ラジエータC2には、モータによって回転駆動される冷却ファンC13が設けられている。
燃料電池20は、燃料電池セル(単位セル)を所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池20が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うDC−DCコンバータなどが備えられている。
制御部50は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
図2は、車両に搭載した高圧水素タンク30を斜め下方より見た斜視図である。高圧水素タンク30は、水素ガスが貯蔵されるタンク本体30aが複数(図2では、2つ)隣接して構成されている。タンク本体30aは耐圧性を持たせるために円筒形をなしており、その軸方向を略水平に向けて車両の所定位置に設置される。タンク本体30aが円筒形であることから、各タンク本体30aの間には隙間が形成されるが、この隙間には熱交換部(熱交換手段)31が設けられている。
熱交換部31は、タンク本体30aの車両への設置状態における鉛直方向下部に対し、外気からの熱を放熱するものであり、タンク本体30aの鉛直下半分に接して設けられている。これにより、タンク本体30aが外部と熱交換する熱交換量は、タンク上半分よりも下半分が大きくなる。すなわち、タンク本体30aと外部との熱交換量は、車両へのタンク設置状態における鉛直方向位置に応じて異なることとなる。
さらに、熱交換部31は、その側面31a及び下面31bに熱交換フィン32を有する。熱交換フィン32の材質としては、熱交換部31本体と同じでもよいが、放熱効果を高めるために熱伝導率のよい材料(金属等)を採用することが好ましい。
熱交換部31は、熱容量の大きな材料(少なくともタンク本体30aと同等の熱容量)であることが好ましく、例えば、リチウムを用いることが可能である。例えばリチウムを用いる場合、その使用量は以下のように定めることができる。
例えば、タンク本体30aの容量を36Lとし、ガス充填時の圧力が70MPaの状態から35MPaになるまで水素ガスを使用したとすると、熱交換部31が設けられていない場合には、タンク温度は50℃低下する。本実施形態では、この温度低下を25℃に抑制すべく、以下の量のリチウムを熱交換部31として用いて、外気から熱を吸熱し該熱をタンク本体30aに放熱させる。
まず、タンク本体30aに貯蔵されている水素ガスの量を求めると、36L×350気圧=12600NL=562molとなる。次に、使用するリチウムの量をMkgとおくと、リチウムの熱容量が3552J/(kg・K)、水素の熱容量が29J/(mol・K)であることから、562mol×29J/(mol・K)×50K=Mkg×3552J/(kg・K)×25Kの式を得る。
この式を解くと、M=9.2kgとなる。そして、リチウムの密度は0.534(kg/L)であるから、リチウムの使用量は、9.2kg/0.534(kg/L)=約17Lであればよいことになる。但し、以上の計算は、熱交換部31に熱交換フィン32が設けられてない構成を想定したものである。
したがって、上記実施形態のように、熱交換部31に熱交換フィン32が設けられていること等によって、熱交換部31と大気との間の熱交換が熱交換部31だけからなる場合よりも促進されている場合には、上記計算で求めたリチウム使用量(=17L)よりも少ない量のリチウムで足りる。
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システムにおいては、高圧水素タンク30からのガス放出時には、タンク本体30a内の圧力が急激に低下するため、タンク本体30aの鉛直方向下部が上部よりも低温になるところ、タンク本体30aの鉛直方向下部に設けられた熱交換部31を介して、当該タンク本体30aに外部(外気)から熱が移動するので、タンク本体30aの鉛直方向下部における温度低下が抑制される。
さらに、熱交換部31に熱交換フィン32が設けられていることにより、熱交換部31の表面積が大きくなり、熱交換部31が大気と熱交換する熱交換量が増大する。すなわち、熱交換部31自体の低温化を防ぎ、熱交換部31を介してタンク本体30aと大気との間で高い熱交換効率を得ることができる。したがって、大気からタンク本体30aへの熱吸収作用が円滑化され、タンク本体30aの鉛直方向下部における温度低下の抑制効果が高まる。
このように、熱交換部31によりガス放出時におけるタンク本体30aの鉛直方向下部の低温化を抑制することで、タンク本体30aの鉛直方向位置の相違による温度差の発生を抑制することができる。したがって、水素ガスの充填効率の低下やタンク寿命の低下等を抑制することができる。
さらに、熱交換部31が隣り合うタンク本体30a間に形成された隙間に設けられているので、空間の有効利用が可能となり、特に設置スペースが限られる車両用の燃料電池システムとして好適である。
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、上記実施形態においては、ガス放出時におけるタンク本体30aの鉛直方向下部での温度降下を抑制すべく、熱交換部31をタンク本体30aの下部に設けているが、これに代えて、ガス充填時におけるタンク本体30aの鉛直方向上部での温度上昇を抑制すべく、熱交換部31をタンク本体30aの鉛直方向上部に設けてもよい。
この場合、ガス充填に伴う急激な圧力上昇により、大気(外部)よりも高温となった高圧水素タンク30の鉛直方向上部から熱交換部31に熱が吸収され、該熱が高圧水素タンク30の外部に放熱される。これにより、タンク本体30aが設置された状態での鉛直方向の温度差の発生を抑えることができる。
また、熱交換部31としては、リチウム以外に鉄、セラミックス等を採用することが可能である。
さらにまた、上記実施形態では、ガス貯蔵タンクとして高圧水素タンク30を示したが、過渡的な圧力変動時等に急激な温度変化が生ずるタンクであれば、いかなる方式のタンクであってもよく、例えば水素吸蔵合金を用いたタンクに本発明を適用することも可能である。
30…高圧水素タンク(ガス貯蔵タンク)、30a…タンク本体、31…熱交換部(熱交換手段)、32…熱交換フィン、
Claims (3)
- タンク本体内にガスが貯蔵されるガス貯蔵タンクにおいて、
前記タンク本体と外部との熱交換量を、当該タンク本体が設置された状態での鉛直方向位置に応じて、異ならせる熱交換手段を備えたことを特徴とするガス貯蔵タンク。 - 前記タンク本体の鉛直方向下部または上部のいずれか一方が他方よりも前記熱交換量が大きいことを特徴とする請求項1に記載のガス貯蔵タンク。
- 前記熱交換手段は、前記タンク本体の鉛直方向下部または上部を含むように設けられた熱交換フィンであることを特徴とする請求項1または2に記載のガス貯蔵タンク。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005219273A JP2007032757A (ja) | 2005-07-28 | 2005-07-28 | ガス貯蔵タンク |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2005219273A JP2007032757A (ja) | 2005-07-28 | 2005-07-28 | ガス貯蔵タンク |
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JP2007032757A true JP2007032757A (ja) | 2007-02-08 |
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JP2005219273A Pending JP2007032757A (ja) | 2005-07-28 | 2005-07-28 | ガス貯蔵タンク |
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JP (1) | JP2007032757A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112803040A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-05-14 | 河南氢枫能源技术有限公司 | 一种用于氢燃料电池车的储氢瓶组 |
-
2005
- 2005-07-28 JP JP2005219273A patent/JP2007032757A/ja active Pending
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