JP2007032757A - ガス貯蔵タンク - Google Patents

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

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。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。 同燃料電池システムに用いられる高圧水素タンクの設置状態下方からの斜視図である。

符号の説明

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。