JP2018066426A - 輸送用の液体水素高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】−253℃の低温脆性に強く、高圧70MPaに耐える高断熱性2重タンク構造の軽量輸送容器の実現。【解決手段】−253℃超低温液体水素、70MPa超高圧水素、液体天然ガス、高圧天然ガス併用可能な移動用タンク（自動車積載用、コンテナ内装用）で、構造材は超低温高強度・高断熱性の高耐圧100MPaの強化プラスチック管体と同ネジカップリングキャップからなるタンク内面に水素透過防止のアルミ箔を積層する耐食層を設け、内部に低温脆性に強いステンレス製容器を内装して2重構造にした断熱材による4連1組構造のタンクとする。【選択図】図４

Description

−253℃液体水素ガス（LH2）、70MPa高圧水素ガス（H2）併用輸送容器、メタンガス（LNG、CNG）適用する強化繊維材料からなる輸送容器

西野義則、田村進一、辰巳泰我、水素ステーションの開発、GPI Journal 1（2）（2015）292〜295、ISSN 2189−3373

水素ガス容器を作るには、物性基本の相図から明らかなように液体水素の温度は−253℃で密度は約70kg/m³で、実用的な圧縮水素ガスは70MPaで常温密度は約56kg/m³であり、前者の容器を作るには断熱性能と超低温脆性破壊強度が必要になり、後者の容器を作るには高強度の材料が必要となる。輸送容器を作る場合はさらに体積当たりの容器重量の軽減が求められる。

従来の液体水素のタンク構造は、大型の2重構造でステンレス製の内容器にLH2を収納して真空断熱の外壁タンクに内挿する構造（通称：魔法瓶構造）で作られて、耐圧容器構造を採用していない断熱構造体からなる。したがって、高圧容器の機能を併せ持たず、衝撃が加わる車載容器には適せず、車載容器は全て高圧ガス容器からできていた。

しかし、水素ガス製造工場から水素ガスの輸送・保管には液体容器が圧力容器に比べて構造材料の必要重量などから約10倍以上の効率（輸送容器の自重などからの比較）があるといわれている。そのため、水素ガスステーションへの水素ガスの供給は液化水素が得策であり、標準的である。一方、車載タンクは低温脆性に弱い金属材料からなる魔法瓶構造の低温タンクが不採用であるため、水素ステーションでは、効率の高い70MPaの高圧水素ガスに圧縮して車上のタンクに供給する必要がある。

車上積載の液体水素タンクが可能となれば、水素製造工場から供給ステーションを介して車載タンクまで全て一貫して、液体水素の状態で供給できれば、高圧ガス化の水素圧縮ポンプなど不要となり、輸送・保管コストが軽減する。

一方、液体水素は密度が約0.07であることから、車載タンクが耐圧70MPaの場合はその時の水素ガス密度が約0.56であることから、タンク要請の充填許容率は80％にすれば、液化水素が気化した場合も安全に機能することができる。さらに、排出安全弁機能を付けていれば、充填許容率100％も可能となる。

同様の機能を要求するのがメタンガスのLNG（液化ガス）とCNG（圧縮ガス）であり、相図から前者が約−140℃、後者が約70MPaで約100％充填許容するので、水素ガスのLH2、H2用途のタンクがメタンガスには余裕をもって対応する。

図１に示す、最適なタンク形態を求めた結果を示す。適用材料は強化繊維複合材料であり、通常のガラス繊維やカーボン繊維では周方向許容強度は約450MPaであり、軸方向は約225MPaである。さらに、車載燃料タンクでは、許容車幅がMax 3 mから、実用Max 1.5 mであるため、小型車向けには1.35 mが最適。この場合には最軽量となる条件は、図1に示す簡易計算結果は、A=39 cm、L=135 cmの大きさで、4本のタンク収納が理論的には最も軽量となる。その理由は、耐圧強度は直径に反比例するが、容積は直径に無関係であるが自重はタンク表面積に比例するためである。 最適値は、LH2はタンク内径が14 cm (78リッター)、LNGが16 cm（102リッター）である。

図２は、超低温を保持するための外層断熱構造を示す。4本の管体水素タンク1を収納する断熱コンテナ容器2は、軽量無機質の衝撃吸収発泡材からなる真空断熱槽を持つ。周囲を構成する材料は強化繊維プラスチックまたはアルミ板からなるフレーム構造をなす。1のタンクは高圧管と管エンドキャップ3から構成される。

図３にタンクのエンドキャップ3の構成を示す。管端部とは共通GPI８ラウンドネジ5で接続され、インサート金具4により内部とタンク外部の圧力伝達配管を可能にする。共通GPI８ラウンドネジ5の固定はエポキシ樹脂などにより行い、管本体1と管のエンドキャップ3とが接着される。

70MPaの物質透過性の高い高圧水素ガスの密封性能を確保することは、非常に困難である。特にネジ部のシールと水素ガスの透過防止層（耐食層）、配管用のインサート金具の界面シールは従来のラバーパッキンなど適用できない。

さらに、耐圧70MPaの管体の構造、製造法と同様にカップリングの構造、製造法は従来の強化繊維複合材のAPI基準設計では適用外の領域である。

また、−253℃の断熱を可能とするタンクの構造、耐圧70MPa許容する構造体は過去に事例がない。

車載に必要な10G（重力加速度の10倍）以上の耐衝撃性能、耐久性を必要とする。

図４は課題を解決するために発明された水素タンクの構造部品の詳細である。70MPaが可能な管体は、GPI標準に示すHグレード（100MPa）管の設計仕様を用いて、図5に示す遠心成形法による高圧管を用いることで、管体タンク1のシリンダーの問題は解決する。

管のエンドキャップはHグレードカップリング6使用（100MPa）を採用することで耐圧100MPa条件の管体1との接続ができる。

エンドキャップ部成形7は6のカップリング成形同様の高圧インジェクション成形によりインサート金具4を挿入した状態で一体成型できることから、エンドキャップは製造できる。

エンドキャップのカップリング部材と管体とのシール機能は、強化繊維内在のV型多層積層の高圧パッキン9収納のグローブボックスによって密封性能を確保する。

一方、水素ガスの透過防止には、耐食層8内に内層するアルミ箔、フレークによる遮蔽材の混入により遮蔽する。

さらに、−253℃の断熱性能を得るためには、図６に示す水素ガスの遮蔽性能と低温脆性の高い例えばSUS316材やクロム・ニッケル鋼主体の2層ステンレス鋼などからなる薄肉の高圧容器に内装するタンクを設け、内装タンクと圧力タンク間を真空にして、熱伝導を無くし、高圧容器内面に内挿するアルミ層と内装タンク面で熱線（赤外）反射による放射熱の遮断を計り、耐衝撃には2層タンク間に衝撃吸収繊維層を部分に設けることで、超低温断熱性能を確保する。

なお、必要によっては、液体水素が温度上昇して、収納瓶の許容圧力に達すると、真空断熱層に水素ガスを導くことで、液化水素容器内の圧力を下げることで、断熱性能保証を行う機能を併せ持つ。さらに、液化水素が全て熱伝導などから気体に変化した場合にも、耐圧容器としての性能を併せ持つ設計を行う。

図７は超低温液化水素・高圧水素併用タンクの最良の形態である。図に示すタンクは、車載タンクの場合は図２に示す収納容器に4本組で収納される。10は管体GPI高圧管で9は共通GPI８ラウンドネジで接続されるエンドキャップである。11はステンレス内装タンクとその緩衝材有機繊維体である。12は2重タンクの内圧自動制御弁である。11のタンク容積の1.2倍の容積が管体10の容積となるように作られている。これにより液体水素が全て70MPaの高圧水素ガスに気化した場合もタンク内容積と許容圧力で安全性が保障される。

タンク許容圧力をオーバする外部加熱など、予期しない火災などの場合には圧力調整弁12が作動して、液化水素・高圧水素の容器として安全性を担保する構造となっている。さらに、液化水素ガスの気化必要熱供給には、圧力調整弁12より大気の注入など行うことで水素ガスの供給機能をサポートする機能も併せ持つ。さらに、タンク内圧力を一定にするガスの排出を行うタンク内注水、アルゴンガスの注入などガス密度差からガス分離でタンク容積変化によるガス排出の使用も可能にする。この時は、タンクは縦型に設置が必要。

GPI：一般社団法人GBS学会帰属、GPI標準化委員会の油井用FRP高圧管技術標準
API：アメリカ石油ガス技術協会、技術標準
MPa：物理単位メガパスカル
GPI８ラウンド：1インチに８山ネジ
LH2：液化水素ガス、 CH2：圧縮水素ガス
LNG：液化天然ガス、 CNG：圧縮天然ガス
図中の丸数字：本文では裸数字とした。

自動車用の水素タンクの最適形状 小型自動車積載の水素燃料タンク1.3＊0.4＊0.4 m（水素ガス約5kg）。海洋コンテナ収納水素タンクも同様であるが、タンク長さが11.5 m、タンク本数が168本、水素ガス約8トン収納となる。（40ftコンテナ） 自動車用水素タンクの基本構造（小型自動車のタンク構造）。 タンク構造のエンドキャップの構造 水素タンクの構造部品の詳細 管体を製造する遠心成形法。高圧管が成形できる均一テンションのワインデイングが可能な2倍の強度が得られる本発明の生産法に採用する遠心成形法(CW)と従来のFW成形法（右）の相違 タンクの耐圧と断熱構造。真空断熱構造の2重タンク。 超低温液体水素・高圧水素併用タンクの構造

Claims (5)

1. 水素ガス及びメタンガスなど低温で液化するガス及び高圧圧縮することで密度が高まるガスを対象とする輸送容器にあって、強化繊維材料からなる容器内に金属製の容器を挿入して内タンクと外タンクをそれぞれタンク外に出入力配管を取り出して、両方の容器内の圧力を調整することができる機能を持つ少なくとも4本の2重タンクを1つの断熱材容器内に収納してなる液体ガス高圧ガス輸送容器。
2. 強化繊維複合材料からなる液体ガス高圧輸送容器において、高圧管体の両端にネジ加工して、両端部に管体のネジ継手（カップリング）を用いて片方を閉型のプラグを入れ込みまたは一体成形、必要によっては端部に金具など配管接続具を内装して、管体の端面とプラグ端面の対応する凹部パッキン面を持ち、内面にガス透過防止の耐食層を設けたことを特徴とする構造を持つ強化プラスチックタンク。
3. 液体ガス高圧タンクにおいて、例えばステンレス製のガス遮蔽性能を有する内装可能な管状タンクを高圧管内部に断熱繊維材によるセパレート、管の少なくとも片方には内装タンクから接続された配管をタンク外部にシールされた状態で取り出し可能にして、同じ面に管内面から連通する配管を外部に取り出した管とネジ接続可能な端面プラグにより高圧密閉、他方のネジ付プラグによりタンク機能に閉鎖する2重タンク構造。
4. 低温液体ガス2重タンクにおいて、内部タンク外表面をクロムメッキなど行う鏡面仕上げし、外部タンク内面樹脂層内在に金属鏡面を持つフィルムなどを積層して、タンク間の放射熱による熱移動を遮断することを特徴とした強化繊維内在樹脂2重構造のタンク。
5. 2重構造タンクの内部タンクと外部タンクの配管取り出し構造において、配管取り出し口は必ずタンク片面に2本集合して配置して端部固定をなし、取り出し配管はタンク内面側より台形状に縮小するフランジ形状で外部とサンドイッチ構造で樹脂タンク壁面と接するシート面シール構造にしたことを特徴とする。
   
   
   
   

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