JP2007303547A - 液体水素タンク - Google Patents

Abstract

【課題】応答性よく液体水素を水素ガスとして取り出すことが可能になる。
【解決手段】断熱容器１１内に貯留された液体水素２０中に浸漬された磁気回転子１２を、断熱容器外に設けられた磁界発生器１３により回転させて、液体水素を直接加熱気化できるようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体水素タンクに係り、詳しくは、選択的にエネルギーを付与して貯留された液体水素を水素ガスとして取り出す液体水素タンクに関する

近年、水素を燃料として用いる燃料電池やエンジン等の水素使用装置が実用化されるに至っており、これらの水素使用装置に供給するための水素を貯蔵する方法や装置等に関する検討が広く行なわれている。

従来、水素の貯蔵方法として、例えば、水素に圧力を加えて高圧水素ボンベに水素を貯蔵する方法や、冷却して液化された液体水素をボンベ等の低温容器に貯蔵する方法などが知られている。

水素を液体水素として貯蔵する場合、液体水素は蒸発しやすい負圧下の状態に保たれることが多く、僅かな例えば流れ等により自己発熱して容易に気化する性質を持っており、断熱性に優れた貯蔵容器内に低温下で貯蔵されるのが通例である。

その一方、水素ガスを外部に供給する際には、貯蔵された液体水素の所望量を要求に応じて応答性よく気化し、供給できることが必要とされる。

従来から、貯蔵容器外部に取り付けられた加熱器や熱交換器によって取り出された気体水素を加熱する等の技術は知られている。ところが、断熱性の貯蔵容器内に貯蔵されている液体水素に直接加熱を行なうことは一般に困難であり、また、加熱を行なうために熱媒循環用などの配管や配線を設置しようとすると、これらの配管等により伝熱経路が形成されて断熱性能が損なわれる。

上記に関連して、電気導電性を有する液化ガス及び／又は容器を電磁誘導により加熱する技術に関する開示がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１６４０４４号公報

しかしながら、電気伝導性を有する液化ガスを利用している場合には、液化ガスを電磁誘導によって直接加熱することは可能であると考えられるが、液体水素では電磁誘導で発熱させることはできない。

また、燃料電池等の要求に応じた水素ガスの供給を行なうには、貯蔵された液体水素の所望量を要求に応じて応答性よく気化できることが要求される。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、断熱性能を保持しつつ、必要に応じて応答性よく液体水素を水素ガスとして取り出すことができる液体水素タンクを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

前記目的を達成するために、本発明の液体水素タンクは、液体水素を貯留する断熱性の容器と、前記容器内に貯留された液体水素に接触させて設けられた回転子と、前記容器外に設けられ、磁界を発生して前記回転子を回転させる磁界発生手段とを設け、回転子を回転させることによって液体水素を直接加熱（気化）するように構成したものである。

本発明の液体水素タンクにおいては、断熱性の容器内に貯留された液体水素に接する位置（例えば液体水素中）に配置された回転子を、容器外の磁性発生手段を駆動して発せられた磁界により回転させて、貯留されている液体水素に渦が生じるようなエネルギーを与えることで、液体水素を直接加熱できるので、温熱源を用いた場合に比し応答性が高くしかも加熱しすぎるおそれもなく、要求に応じて応答性よく液体水素を水素ガスとして取り出すことができる。また、水素ガスの取り出しが不要なときには、磁界の発生を遮断して迅速に回転（液体水素の加熱）を停止できる。

また、非接触で容器内の液体水素を直接加熱することが可能であり、断熱材を貫通するように配管や配線等を設けることによって容器の断熱性を損なうこともなく、また、別途の温熱源も不要である。

本発明においては、回転子は、容器内から液体水素を水素ガスとして取り出すときに回転させるようにすることができる。容器内に貯留されている液体水素を容器外に取り出す際に選択的に回転子を回転させることで、外部からの水素要求に合わせて液体水素の加熱、すなわち水素ガスの供給を応答性よく行なえる。

本発明における回転子は例えば液体水素中に浸漬した状態で配置することができ、この場合には回転させたときに良好な加熱効率が得られるが、さらに回転子自体を磁気材料と蓄熱材料とを用いて構成することにより、貯留時、すなわち回転子を回転させずに液体水素の状態で保持するときには、回転子の蓄熱作用で余分な熱を吸収して低温を維持するので、不要な液体水素の気化を抑えて貯蔵性を保持することができる。

回転子とこの回転子に磁界を与えて回転させる磁性発生手段との組み合わせは、磁石を含む回転子を電磁コイルで回転させるように構成することができる。

本発明によれば、断熱性能を保持しつつ、必要に応じて応答性よく液体水素を水素ガスとして取り出すことができる液体水素タンクを提供することができる。

以下、図１〜図２を参照して、本発明の液体水素タンクの実施形態について詳細に説明する。

本実施形態の液体水素タンクは、断熱性容器に貯留された液体水素の液中となる容器内の底部に回転子を置き、該底部の壁面を介して容器外部に回転子を回転させる磁界発生器を配置して、磁界発生器の駆動により要求に応じて液体水素を気化し、容器外に取り出せるように構成されたものである。

本実施形態の液体水素タンク１０は、図１に示すように、断面円形の筒形状の両端が略球形面で閉塞された構造に構成されており、そのタンク壁には、液体水素を供給して貯留するための水素流入口２１と、液体水素を水素ガスとして取り出すための水素流出口２２とが設けられている。

具体的には、図２に示すように、水素流入口および水素流出口を備えた内筒の外壁面全体が断熱層で覆われた断熱容器１１と、前記内筒の底部の内壁面に載置された磁気回転子１２と、断熱容器１１の磁気回転子１２と器壁を介して対向配置された磁気発生手段である磁気発生器１３とを備えている。

断熱容器１１は、水素流入口および水素流出口を備え、内部中空で断面円形の筒形状の両端部が略球形の面で閉塞されたステンレス合金（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の内筒１４と、内筒１４の外壁面全体を覆う断熱層１５とを設けて構成されている。

内筒１４は、０．５〜３．０ＭＰａ程度の耐圧強度を有し、内容積が７０〜２００Ｌ（リットル；以下同様）程度になるように、ステンレス合金（ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いて筒状に成形し、筒の長さ方向の両端を略球形の面で閉塞した中空容器である。断面形状やサイズは、目的等に応じて、円形以外にも矩形、楕円形などの任意の形状、サイズを選択することができる。また、ステンレス合金以外に、アルミニウム合金、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ等で構成されていてもよい。

水素流入口および水素流出口は、水素流通口として設けられており、水素流入口を介して、外部より液体水素をステンレス製の内筒内に供給し、また、水素流出口を介して、ステンレス製の内筒内に貯留されている液体水素２０を加熱して気化した水素ガスを要求に応じて取り出すことができるようになっている。

断熱容器１１を構成するステンレス製の内筒１４の外壁面には、壁面全体を覆うようにして断熱層１５が設けられている。断熱層１５は、断熱材と厚み１ｍｍ以下のＡｌ板よりなる冷却シールドとで構成されており、断熱材と断熱材との間に冷却シールドを挟んで断熱材を複数積層した積層構造に構成されている。本実施形態では、３層の断熱材が、断熱材／Ａｌ板／断熱材／Ａｌ板／断熱材の積層構造に積層されたものである。

前記断熱材は、ポリエステルフィルムの両面がアルミ蒸着された薄膜の放射シールド材と、放射シールド材同士を非接触に保ち熱伝導を防ぐスペーサ材とが交互に積層された真空積層断熱材（多層インシュレーション；ＭＬＩ）であり、外部からの熱を遮断してステンレス製の内筒およびその内部を長期間低温に保持し、内部に貯留された液体水素２０の急激な蒸発を回避して長期間水素を貯蔵可能なようになっている。

前記放射シールド材は、ポリエステルフィルムの片面のみがアルミ蒸着されたものでもよいし、ポリエステルフィルム以外の樹脂フィルムで構成されたものでもよい。また、スペーサ材としては、ガラス繊維の布や紙、ナイロンネット等が好適に用いられる。ＭＬＩは、シールド材をＮ枚挿入すると輻射による進入熱量を１／（Ｎ＋１）に減少させることができる。

なお、前記断熱層の構成は、目的や場合に応じて適宜選択することができ、断熱材の層数は３層以外に１層または２層あるいは４層以上のいずれでもよく、冷却シールド材もＡｌ板以外に断熱効果の得られる材料を選択して構成することが可能である。

磁気回転子１２は、断面が略円形の長さ３０〜１００ｍｍ程度の磁石の内部に厚み１０〜５０ｍｍ程度の鉛を含ませることによって蓄熱機能を持たせて構成されたものであり、液体水素２０を貯留する内筒の液底側となる底部壁面に載置され、磁界を受けたときに磁界の強さ、方向にしたがって自由に回転が可能なように設けられている。鉛は、液体水素中の熱を吸収し、回転子を回転しない貯留時における液体水素の不要な気化（蒸発）を抑制する。

磁気回転子は、永久磁石のほか、いわゆるマグネティック・スターラーのように磁石を封入してテフロン(登録商標)等の樹脂材でコーティングしたものでもよく、磁界を与えて回転可能なものであれば、任意の形状、サイズ、表面材質のものを適宜選択して用いることができる。

本実施形態のように回転子に蓄熱機能を持たせる場合、磁気回転子の少なくとも一部（一部もしくは全部）に蓄熱材料を設けて構成することができる。蓄熱材料としては、水素よりも温まり難い材料を選択することができ、鉛以外に、例えば、銅、ステンレス鋼、ＥｕＳ、ＧｄＲｈ、Ｅｒ_３Ｎｉ等、その他プラスチックス類を用いることができる。
また、回転子以外に、蓄熱材料を内筒内に配置することもできる。

磁気発生器１３は、図２に示すように、ＤＣモーター１６とＤＣモーター１６で回転されるように取り付けられた永久磁石１７とで構成されている。この磁気発生器１３は、断熱容器１１の底部、具体的には、内筒の底部壁面の磁気回転子１２が載置された側と反対側（外側）に配置されており、ＤＣモーターで永久磁石を回転させて、渦巻き状に回転する磁界を発生させ、内筒内の磁気回転子１２を回転させ得るようになっている。

永久磁石１７は、ＤＣモーター１６に直接的に接合されていてもよいし、ＤＣモーター１６で回転する回転軸を介して取り付けられていてもよい。

磁気発生器１３は、断熱容器１１に貯留された液体水素２０を水素ガスとして取り出すときに選択的に、渦巻状に回転する磁界を発生させ、所望の回転数にて回転させるため、所望のエネルギーを付与して液体水素を直接的に加熱でき、水素要求に応じて応答性よく液体水素を気化し取り出すことが可能である。

磁気回転子の回転条件は、場合に応じて選択できるが、１０ｒ.ｐ.ｍ.〜１０００ｒ.ｐ.ｍ.の範囲とするのが望ましい。

磁気発生器１２のように、渦巻状に回転する磁界を発生する機構については、発生した磁界を受けて磁気回転子が回転させ得る機構であれば制限はなく、上記のように永久磁石をＤＣモーターで回転する機構以外に、電磁コイルなどを用いた機構が適用でき、構成が簡易等の点で電磁コイルを用いた構成は好ましい。

ここで、本実施形態の液体水素タンクを従来の温水加熱型液体水素タンク（図３参照）と対比して説明する。温水加熱型液体水素タンクは、図３に示すように、容器の内部に熱媒を循環させて液体水素を加熱する構成である。

本実施形態の液体水素タンクでは、タンク壁を通過する配管数が２本であるのに対し、従来の温水加熱型液体水素タンクでは４本であり、断熱効果を損なう要因となり得る配管数を低減できた。これにより、侵入熱量に関して１０％程度の低減が可能となる。また、応答性に関しては、瞬時の応答が可能であり、バルブの切替やウォーターポンプの起動、配管内の温度上昇に要する時間がそれぞれ短縮（２〜３秒程度）可能である。
ここでは、温水加熱型液体水素タンクと対比して述べたが、電気ヒータを容器の内部に配置して液体水素を直接加熱する従来のヒーター加熱型タンク（図４参照）との対比でも同様の効果が期待できる。

上記のほか、本実施形態の液体水素タンクでは更に、貯留された液体水素自体の撹拌も行なわれるために温度分布の解消効果も期待でき、また、上記のように磁気回転子を蓄熱材を用いて構成することが可能であるため、蓄熱効果による貯蔵性能の向上効果も期待される。

上記では、磁気回転子及び磁気発生器を単一の断熱容器に１つ設ける場合を示したが、必要に応じて、磁気回転子及び／又は磁気発生器を複数設けて構成することもできる。

本実施形態では、磁石を内装した磁気回転子をモーター回転する永久磁石で回転させる構成とした場合を例に説明したが、磁石をテフロン(登録商標)等の樹脂材でコートした回転子に離れた位置から回転する磁界を与えて該回転子を回転させる、いわゆるマグネティック・スターラー等、磁性の回転子に磁界を与えて非接触で回転するものを選択して用いることができる。

本発明の実施形態に係る液体水素タンクを示す斜視図である。 図１の液体水素タンクのＡ−Ａ´線断面図である。 従来の温水加熱型液体水素タンクの構成を説明するための概略図である。 従来のヒーター加熱型タンクの構成を説明するための概略図である。

符号の説明

１１…断熱容器
１２…磁気回転子
１３…磁界発生器
２０…液体水素

Claims (4)

1. 液体水素を貯留する断熱性の容器と、
   前記容器内に貯留された前記液体水素に接触させて設けられた回転子と、
   前記容器外に設けられ、磁界を発生して前記回転子を回転させる磁界発生手段と、
   を備え、前記回転子の回転により前記液体水素を直接加熱する液体水素タンク。
2. 前記回転子は、前記容器内から前記液体水素を水素ガスとして取り出すときに回転することを特徴とする請求項１に記載の液体水素タンク。
3. 前記回転子は、磁気材料と蓄熱材料とを用いて形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体水素タンク。
4. 前記回転子は磁石を含み、前記磁界発生手段が電磁コイルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体水素タンク。

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