JP2007056891A - 燃料ガス貯蔵容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガス貯蔵容器内の温度の変動を抑制する。
【解決手段】 ガス配管１２０は蓋部材２２０を貫通して水素ガスタンク１００の底部に向かって伸びており、先端に出入口１２１を有する。水素ガスタンク１００に充填される水素は、ガス配管１２０を通って出入口１２１から水素ガスタンク１００に充填され、水素ガスタンク１００に貯蔵されている水素は、出入口１２１からガス配管１２０を通って水素ガスタンク１００の外部へ放出される。水素ガスタンク１００に貯蔵されている水素の出入口は出入口１２１のみであるため、放出の際、水素は実線矢印に示すように出入口１２１に向かって流れる。そのため、水素ガスタンク１００内で水素の流動が発生し、水素は出入口１２１に到達するまでに複数の熱交換部材と接触し各熱交換部材において熱交換が行われる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料ガスを収容、供給する燃料ガス貯蔵容器に関する。

燃料電池システムに供給される燃料ガス、例えば水素ガスは、燃料ガス貯蔵容器に高圧で貯蔵されている。燃料ガス貯蔵容器への水素ガスの充填は、充填用の水素ガスが収容貯蔵されている水素供給容器と燃料ガス貯蔵容器とを接続し、燃料ガス貯蔵容器と水素供給容器との圧力差により充填する。

特開２００２−１８１２９５号公報

燃料ガス貯蔵容器は高密度ポリエチレンを材質として形成されている。高密度ポリエチレンは熱伝導率が低く、燃料ガス貯蔵容器内の水素ガスと外気との熱交換効率が低い。そのため、燃料ガス貯蔵容器から圧縮された水素ガスを取り出して燃料電池システムに供給する際、燃料ガス貯蔵容器内で水素ガスが断熱膨張することによって燃料ガス貯蔵容器内の温度の変動が発生し、燃料ガス貯蔵容器自体および燃料ガス貯蔵容器の関連部品、例えば、口金やガス配管を劣化させるおそれがあった。

また、高圧の水素ガスを燃料貯蔵容器へ充填する際、水素ガスが燃料ガス貯蔵容器内で断熱圧縮することによって燃料ガス貯蔵容器内の温度が上昇し、燃料ガス貯蔵容器への水素ガスの充填効率を低下させるおそれがあった。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、燃料ガス貯蔵容器内の温度の変動を抑制することを目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料ガス貯蔵容器において、前記燃料ガス貯蔵容器の開口部に接続されている熱伝導性の熱伝導部材と、前記熱伝導部材と熱的に接続され、前記燃料ガス貯蔵容器内に配置される熱交換部材と、前記燃料ガス貯蔵容器の外部に配置される一端と前記燃料ガス内部に配置される他端とを有しており、前記他端に前記燃料ガス貯蔵容器への燃料ガスの供給もしくは前記燃料ガス貯蔵容器からの燃料ガスの放出の少なくとも一方に用いられる燃料ガス口を有する燃料ガス配管と、を備えることを要旨とする。

本発明によれば、燃料ガス貯蔵容器内部に存在する燃料ガス配管の他端に備えられている燃料ガス口から燃料ガスの供給もしくは放出が行われることにより燃料ガス貯蔵容器内部で燃料ガスの流動が発生する。燃料ガスの流動により、燃料ガス貯蔵容器に貯蔵されている燃料ガスが熱交換部材と接する面積を増加させることができ、燃料ガス貯蔵容器に貯蔵されている燃料ガスの熱交換効率を向上させることができる。従って、燃料ガス貯蔵容器内の温度の急激な変動を抑制でき、燃料ガス貯蔵容器自体および燃料ガス貯蔵容器の関連部品、例えば、口金やガス配管の劣化を抑制することができる。

本発明の燃料ガス貯蔵容器において、少なくとも前記熱伝導部材から、前記熱伝導部材に対向する前記燃料ガス貯蔵容器の底部近傍まで伸びていてもよい。

燃料ガスは燃料ガス配管を通過する際にも熱交換が行われるため、本発明の燃料ガス貯蔵容器によれば、燃料ガスの供給もしくは放出の際に行われる熱交換の効率を向上することができる。

本発明の燃料ガス貯蔵容器において、前記燃料ガス貯蔵容器は、複数の前記熱交換部材を有しており、前記複数の熱交換部材は、前記燃料ガス配管に備えられていてもよい。

本発明の燃料ガス貯蔵容器によれば、熱交換部材は燃料ガス配管を介して熱伝導部材と熱的に接続することができる。また、燃料ガス配管と熱交換部材とを一体化させることができ、燃料ガス貯蔵容器の容積の減少を抑制できる。

本発明の燃料ガス貯蔵容器において、各前記熱交換部材は、所定の間隔で並列されており、前記熱伝導部材から離れるにつれて高い熱伝導率を有していてもよい。

また、本発明の燃料ガス貯蔵容器において、前記燃料ガス貯蔵容器は、複数の前記熱交換部材を有し、各前記熱交換部材は、前記熱伝導部材と、前記熱伝導部材に対向する前記燃料ガス貯蔵容器の底部近傍との間に所定の間隔で並列されており、前記熱伝導部材から離れるにつれて高い熱伝導率を有してもよい。

本発明の燃料ガス貯蔵容器によれば、熱伝導部材から離れるにつれて熱交換効率の高い熱交換部材を設置することにより、効率的に熱交換を行うことができる。

本発明の燃料ガス貯蔵容器において、各前記熱交換部材は、前記熱伝導部材から離れるにつれ大きい面積を有してもよい。

本発明の燃料ガス貯蔵容器によれば、熱伝導部材近傍では面積の小さい熱交換部材を設置し、熱伝導部材から離れ熱交換効率が低くなるにつれて面積の大きい熱交換部材を備えることができる。従って、燃料ガス貯蔵容器の燃料ガスの充填容量を確保しつつ熱交換効率を向上することができる。

本発明の燃料ガス貯蔵容器において、前記熱伝導部材は、前記燃料ガス貯蔵容器の壁面よりも高い熱伝導率を有してもよい。

本発明の燃料ガス貯蔵容器によれば、熱伝導部材と熱交換部材は熱的に接続されているため、熱交換効率を向上することができる。

本発明の燃料ガス貯蔵容器において、前記熱伝導部材は、金属製でもよい。金属は熱交換効率が高いため、本発明の燃料ガス貯蔵容器によれば、熱交換効率を向上させることができる。

本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき、次の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料ガスタンク構成：
図１は、実施例としての車両搭載用水素ガスタンクの構成を概略的に示す説明図である。車両１０は、水素と酸素との電気化学反応により発生する電力を燃料とする燃料電池システム１４０を搭載した車両であり、図示するように、高圧水素ガスを貯蔵した２つの水素ガスタンク１００、水素ガスタンク１０１を備えている。水素ガスタンク１００および水素ガスタンク１０１には、ガス配管１２０が接続されており、水素ガスタンク１００および水素ガスタンク１０１に貯蔵されている水素は燃料電池システム１４０に供給される。水素ガスタンク１００と水素ガスタンク１０１とは同様の構成である。

水素ガスタンク１００の開口部には蓋部材２２０が装着されている。ガス配管１２０は、蓋部材２２０を貫通している。図中、Ａ−Ａ断面で切断した断面図（図２）を用いて、水素ガスタンク１００の内部構造について説明する。

図２は、本実施例における水素ガスタンク１００の断面図である。水素ガスタンク１００は、容器２１０と、口金２００と、蓋部材２２０と、熱交換部材３００〜熱交換部材３０６を有する。容器２１０は、高密度ポリエチレンを材質として形成されている。口金２００、蓋部材２２０およびガス配管１２０の材質はステンレスやアルミなどの金属である。熱交換部材３００〜熱交換部材３０６はガス配管１２０に挿通され固着されている。本実施例では、水素ガスタンク１００の蓋部材２２０の対面が水素タンクの底面である。

口金２００には、雌ねじが切ってあり、蓋部材２２０が装着されている。口金２００、蓋部材２２０、ガス配管１２０は高い熱伝導性を有する。ガス配管１２０は蓋部材２２０を貫通して水素ガスタンク１００の底部に向かって伸びており、先端に出入口１２１を有する。図２に示すように、水素ガスタンク１００には、ガス配管１２０の先端に設けられている出入口１２１以外に水素ガスの出入口は設けられていない。水素ガスタンク１００に充填される水素は、ガス配管１２０を通って出入口１２１から水素ガスタンク１００に充填され、水素ガスタンク１００に貯蔵されている水素は、出入口１２１からガス配管１２０を通って水素ガスタンク１００の外部へ放出される。図２に示す実線矢印は、水素が放出される際の水素ガスタンク１００内の水素の流れを示している。水素ガスタンク１００に貯蔵されている水素の出入口は出入口１２１のみであるため、放出の際、水素は実線矢印に示すように出入口１２１に向かって流れる。そのため、水素ガスタンク１００内で水素の流動が発生し、水素は出入口１２１に到達するまでに複数の熱交換部材と接触し各熱交換部材において熱交換が行われる。

図３を用いて熱交換部材の構造について説明する。図３は、本実施例における熱交換部材３００を例示する説明図である。熱交換部材３００は、熱伝導効率の高いアルミニウム合金により形成されている。熱交換部材３００は、接続部３１０と、フィン３００ａ〜３００ｄとを有する。接続部３１０はガス配管１２０に挿通され、熱交換部材３００がガス配管１２０に固定される。図示するように、フィン３００ａ〜フィン３００ｄは波形形状をしている。フィンを波形形状とすることにより表面積を広くでき、熱交換効率を高くすることができる。また、隣接する各フィンはほぼ等間隔に並列されている。

熱交換部材３０１〜熱交換部材３０６は熱交換部材３００と同様の材質、形状である。ただし、各熱交換部材のフィンは、ガス配管１２０の口金２００からの距離が離れるにつれて、順次、面積の大きいフィンが設置されている。すなわち、熱交換部材３０６のフィンの面積が最も小さく、熱交換部材３００のフィンの面積が最も大きい。口金２００および蓋部材２２０は金属製であり熱交換効率が高いため、口金２００、蓋部材２２０近傍には面積の小さい熱交換部材を配置し、口金２００、蓋部材２２０から距離が遠くなるにつれ面積の大きい熱交換部材を配置する。このように熱交換部材を配置することにより、熱交換を効率的に行うとともに、水素ガスタンク１００の水素の充填容量を確保できる。

各熱交換部材は、出入口１２１の中心との角度が異なるように熱交換部材ごとにずらして設置する。図４を用いて、熱交換部材の配置角度について説明する。図４は、本実施例における水素ガスタンク１００の断面図である。図２に示すＢ−Ｂ断面によって切断した断面図である。図が複雑になることを防止するため、熱交換部材３０３〜熱交換部材３０６の記載を省略した。

フィン３００ａ〜フィン３００ｄは熱交換部材３００のフィンである。同様に、フィン３０１ａ〜フィン３０１ｄは熱交換部材３０１のフィンであり、フィン３０２ａ〜フィン３０２ｄは熱交換部材３０２のフィンである。フィン３００ａとフィン３０１ａを例に説明する。図示するように、フィン３０１ａは出入口１２１を中心としてフィン３００ａから角度αだけ図中右方向に傾いている。これは、異なる熱交換部材のフィン同士が重ならないように、熱交換部材３０１を熱交換部材３００より角度αだけ図の右方向に回転させずらして設置しているためである。各熱交換部材のフィンは各熱交換部材の貫通部に固定されているため、他のフィン３０１ｂ、フィン３０１ｃ、フィン３０１ｄも同様に、フィン３００ｂ、フィン３００ｃ、フィン３００ｄから角度αだけ図中右方向に傾いている。熱交換部材３０２も同様に、熱交換部材３０１より角度αだけ右方向に回転させて設置されており、熱交換部材３０２の各フィンは熱交換部材３０１の各フィンから角度αだけ図中右方向に傾いている。このような構成とすることにより、充填および放出される水素が熱交換部材に触れる機会が増加し、熱交換効率を向上させることができる。

Ａ２．温度変化：
図５は、本実施例における水素タンク内の温度変化を例示するグラフである。本図は、水素ガスタンクから水素を放出する際の温度変化を示している。グラフ４００の横軸は経過時間、縦軸は水素ガスタンク内の温度を示している。また、グラフ４０１は本実施例における温度変化を示しており、グラフ４０２は従来技術における温度変化を示している。

水素ガスタンク１００から水素が放出される際、水素ガスタンク１００内部では水素が断熱膨張し、水素ガスタンク１００内の温度が急激に低下する。グラフ４０２が示すように、従来は熱交換効率が低いため、断熱膨張により水素ガスタンク内の温度はＴ０からＴ２まで低下する。一方、本実施例の水素ガスタンク１００では、グラフ４０１に示すように、従来と同じように断熱膨張によって水素ガスタンク１００内の温度は低下するが、熱交換部材３００〜３０６により外気との熱交換が効率的に行われ、水素ガスタンク１００内の温度はＴ０からＴ２よりも高いＴ１まで低下する。Ｔ０からＴ１までの温度の低下は、Ｔ０からＴ２までの温度の低下の約２／３である。すなわち、本実施例の水素ガスタンク１００従来よりも水素タンク内の温度の低下を２／３程度に抑制できる。

以上説明した実施例の水素ガスタンクによれば、出入口１２１のみから水素が出入りするため、水素の充填および放出時に水素ガスタンク１００内で水素の流動が発生する。水素の流動により、水素ガスタンク１００内の水素が水素ガスタンク１００内に設置された複数の熱交換部材に接するため、水素ガスタンク１００の外部との熱交換を促進することができ、熱交換効率を向上することができる。従って、水素ガスタンク内の温度の急激な変化を抑制でき、水素ガスタンク自体および水素ガスタンクの関連部品、例えば、口金や蓋部材、ガス配管の劣化を抑制することができる。

また、本実施例の水素ガスタンクによれば、口金、蓋部材からの距離が遠くなるほど面積の大きなフィンを配置するため、水素ガスタンクの充填容量を確保しつつ効率的に熱交換を行い、水素ガスタンク内の急激な温度変化を抑制することができる。

また、本実施例の水素ガスタンクによれば、出入口１２１は水素の充填口を兼ねているため、水素を充填する際、水素ガスタンク１００内の水素の断熱圧縮による水素ガスタンク内の温度の上昇を抑制することができ、充填速度を向上させることができる。

Ｂ．変形例：
（１）上述した実施例では、水素ガスタンクの口金からの距離が遠くなるにつれ、面積の大きなフィンを有する熱交換部材を設置することとしたがこれに限られない。例えば、水素ガスタンクの口金からの距離が遠い熱交換部材のフィンを熱交換効率の高い材質で形成してもよい。

（２）上述した実施例では、４つのフィンを有する熱交換部材をガス配管１２０に挿通させて設置したがこれに限られない。例えば、フィンをガス配管１２０に直接固定してもよい。例えば、溶接によってフィンをガス配管１２０に固定してもよい。

（３）上述した実施例では、ガス配管１２０ａは口金２００から水素ガスタンク１００の底面に向けて一直線に伸びているがこれに限られない。例えば、図６に示すように、ガス配管１２０ａを、口金２００近傍から水素ガスタンク１００の底面まで伸ばし、底面付近で湾曲させて出入口１２１ａを口金２００の近傍となるように、略Ｕ字型の形状としてもよい。ガス配管１２０ａの水素の出入口１２１を一つと、ガス配管１２０ａの口金２００と出入口１２１ａとの間にフィンが設けられていれば、本願発明と同様の効果を得られる。

（４）ヒートパイプを用いてガス配管１２０を形成してもよい。また、ガス配管１２０に冷却ジャケットを設けてもよい。ヒートパイプや冷却ジャケットを用いることにより、水素ガスタンク内の温度の急激な上昇を抑制することができる。

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。

実施例としての車両搭載用水素ガスタンクの構成を概略的に示す説明図。 実施例における水素ガスタンクの断面図。 実施例におけるフィンを例示する説明図。 実施例における水素ガスタンクの断面図。 実施例における水素タンク内の温度変化を例示するグラフ。 変形例における水素ガスタンクの断面図。

符号の説明

１０...車両
１００，１０１...水素ガスタンク
１２０，１２０ａ...ガス配管
１２１，１２１ａ...出入口
１４０...燃料電池システム
２００...口金
２１０...容器
２２０...蓋部材
３００，３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６...熱交換部材
３００ａ，３００ｂ，３００ｃ，３００ｄ...フィン
３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ，３０１ｄ...フィン
３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃ，３０２ｄ...フィン
４００，４０１，４０２...グラフ

Claims (8)

1. 燃料ガス貯蔵容器であって、
   前記燃料ガス貯蔵容器の開口部に接続されている熱伝導性の熱伝導部材と、
   前記熱伝導部材と熱的に接続され、前記燃料ガス貯蔵容器内に配置される熱交換部材と、
   前記燃料ガス貯蔵容器の外部に配置される一端と前記燃料ガス内部に配置される他端とを有しており、前記他端に前記燃料ガス貯蔵容器への燃料ガスの供給もしくは前記燃料ガス貯蔵容器からの燃料ガスの放出の少なくとも一方に用いられる燃料ガス口を有する燃料ガス配管と、を備える燃料ガス貯蔵容器。
2. 請求項１記載の燃料ガス貯蔵容器であって、
   前記燃料ガス配管は、少なくとも前記熱伝導部材から、前記熱伝導部材に対向する前記燃料ガス貯蔵容器の底部近傍まで伸びている燃料ガス貯蔵容器。
3. 請求項２記載の燃料ガス貯蔵容器であって、
   前記燃料ガス貯蔵容器は、複数の前記熱交換部材を有しており、
   前記複数の熱交換部材は、前記燃料ガス貯蔵容器内の前記燃料ガス配管に備えられている燃料ガス貯蔵容器。
4. 請求項３記載の燃料ガス貯蔵容器であって、
   各前記熱交換部材は、所定の間隔で並列されており、前記熱伝導部材から離れるにつれて高い熱伝導率を有する燃料ガス貯蔵容器。
5. 請求項１記載の燃料ガス貯蔵容器であって、
   前記燃料ガス貯蔵容器は、複数の前記熱交換部材を有し、
   各前記熱交換部材は、前記熱伝導部材と、前記熱伝導部材に対向する前記燃料ガス貯蔵容器の底部近傍との間に所定の間隔で並列されており、前記熱伝導部材から離れるにつれて高い熱伝導率を有する燃料ガス貯蔵容器。
6. 請求項４または請求項５記載の燃料ガス貯蔵容器であって、
   各前記熱交換部材は、前記熱伝導部材から離れるにつれ大きい面積を有する燃料ガス貯蔵容器。
7. 請求項１記載の燃料ガス貯蔵容器であって、
   前記熱伝導部材は、前記燃料ガス貯蔵容器の壁面よりも高い熱伝導率を有する燃料ガス貯蔵容器。
8. 請求項１記載の燃料ガス貯蔵容器であって、
   前記熱伝導部材は、金属製である燃料ガス貯蔵容器。

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