JP2018115682A

JP2018115682A - タンク

Info

Publication number: JP2018115682A
Application number: JP2017005338A
Authority: JP
Inventors: 英世大森; Hideyo Omori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2037-01-16
Also published as: JP6677179B2

Abstract

【課題】搭載時の向きによらず、内部温度の正確な測定が可能なタンクを提供する。
【解決手段】タンクは、ガスが充填されるタンクにおいて、前記タンクの内部に前記ガスを噴出する噴出部と、前記タンクの内部の温度を測定する測定部と、前記噴出部と前記測定部を互いに隔てるように前記噴出部を前記ガスの噴出方向に沿って囲む筒状の隔壁とを有し、前記隔壁の先端は、前記噴出部の先端より前記ガスの噴出方向に延び、または、前記ガスの噴出方向における前記噴出部の先端の手前に設けられた前記ガスの流通孔より前記ガスの噴出方向に延び、前記隔壁は、前記噴出部を挟んで前記測定部とは反対側に開口を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、タンクに関する。

ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素ガスと、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。

ＦＣＶには、燃料電池に供給される水素ガスを貯蔵する高圧水素タンクが搭載されている。高圧水素タンクには、タンク内部の温度を検出する温度センサが備えられており（例えば特許文献１−３参照）、水素ガスの充填時、温度センサで検出された温度から水素ガスの充填量が測定される。

特開２０１２−９７８１５号公報特開２０１０−２６６２０７号公報特開２０１３−６４４４０号公報

例えば水素ステーションでは、ＦＣＶに搭載された高圧水素タンクに水素ガスを充填するとき、充填量を増やすため、例えば、プレクーラーにより約―４０℃まで冷却された水素ガスがノズルから高圧水素タンクの内部に噴出される。高圧水素タンクの内部において、ノズルは水素ガスにより冷却されるため、ノズルの周囲の冷たい水素（以下、「冷気」と表記）が対流により下方に移動する。

このとき、温度センサは、ノズルの上方に位置している場合、冷気の影響を受けないが、ノズルの下方に位置している場合、冷気の影響を受けることにより正確な温度を測定することができないおそれがある。温度センサとノズルの位置関係は、ＦＣＶに搭載された高圧水素タンクの向きにより変化するため、搭載時の向きによっては高圧水素タンクの温度が正確に測定されないおそれがある。なお、この問題は、ＦＣＶに搭載される高圧水素タンクに限定されず、他の用途のタンクにも同様に存在する。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、搭載時の向きによらず、内部温度の正確な測定が可能なタンクを提供することを目的とする。

本明細書に記載のタンクは、ガスが充填されるタンクにおいて、前記タンクの内部に前記ガスを噴出する噴出部と、前記タンクの内部の温度を測定する測定部と、前記噴出部と前記測定部を互いに隔てるように前記噴出部を前記ガスの噴出方向に沿って囲む筒状の隔壁とを有し、前記隔壁の先端は、前記噴出部の先端より前記ガスの噴出方向に延び、または、前記ガスの噴出方向における前記噴出部の先端の手前に設けられた前記ガスの流通孔より前記ガスの噴出方向に延び、前記隔壁は、前記噴出部を挟んで前記測定部とは反対側に開口を有する。

本発明によれば、搭載時の向きによらず、タンクの内部温度の正確な測定が可能となる。

搭載時の向きが通常である高圧水素タンクの比較例を示す断面図である。搭載時の向きが反対である高圧水素タンクの比較例を示す断面図である。搭載時の向きが通常である高圧水素タンクと搭載時の向きが反対である高圧水素タンクの水素ガスの充填時の温度変化を示す図である。高圧水素タンクの実施例を示す断面図である。ノズル及び隔壁の一例を示す正面図である。高圧水素タンクの他の実施例を示す断面図である。ノズル及び隔壁の他の例を示す正面図である。

図１は、搭載時の向きが通常である高圧水素タンクの比較例を示す断面図である。高圧水素タンク１ａは、タンクの一例であり、圧縮された状態の水素ガスを貯蔵する。高圧水素タンク１ａ内の水素ガスの圧力は、例えば２（ＭＰａ）〜８５（ＭＰａ）である。

なお、本例では、高圧水素タンク１ａとしてＦＣＶに搭載されるものを挙げるが、これに限定されず、以下に述べる構成は他の用途のタンクにも適用することができる。また、本例では、ガスの一例として水素ガスを挙げるが、これに限定されず、例えばプロパンガスなどの他のガスであってもよい。

高圧水素タンク１ａは、補強層１０と、ライナ１１と、口金１３と、バルブアセンブリ２ａとを有する。また、高圧水素タンク１ａは、バルブアセンブリ２ａを介して、ガス供給管路９２とガス充填管路９１にそれぞれ接続されている。

高圧水素タンク１ａは、内部の水素ガスをガス供給管路９２からレギュレータ９３を介してＦＣＶの燃料電池（不図示）に水素ガスを供給する。また、高圧水素タンク１ａは、例えば水素ステーションのガス充填装置（不図示）がガス充填管路９１のレセプタクル９０に接続されたとき、ガス充填装置から内部に水素ガスが充填される。

ライナ１１は、水素ガスを貯蔵するための樹脂製の容器であり、例えば略円筒形の外形を有する。ライナ１１の一端には開口部１１ｐが設けられており、開口部１１ｐには口金１３とバルブアセンブリ２ａが取付けられている。ライナ１１は、例えば、ポリアミド、ナイロン、エチレンビニルアルコール共重合体（EVOH: Ethylene Vinylalcohol copolymer）、ポリエチレンなどの樹脂により形成されるが、これに限定されず、例えばアルミニウム合金などの金属により形成されてもよい。

補強層１０は、高圧水素タンク１ａの耐圧殻であり、ライナ１１の外周面上に形成されている。補強層１０は、例えば炭素繊維強化プラスチック（CFRP: Carbon-Fiber-Reinforced Plastic ）により形成される。

補強層１０には、ライナ１１の開口部１１ｐに該当する位置に開口部１０ｐが設けられている。ライナ１１の開口部１１ｐと補強層１０の開口部１０ｐは、口金１３の鍔部１３ｐをその両側から挟み込んだ状態で鍔部１３ｐと密着している。このため、口金１３とライナ１１の接合部分からの水素ガスの漏れが防止される。

口金１３は、例えば、ステンレスやアルミニウムなどの金属により形成され、略円筒形の外形を有する。口金１３の外周には鍔部１３ｐが設けられている。口金１３は、ライナ１１の開口部１１ｐに挿入されている。また、口金１３の内周面には、バルブアセンブリ２ａと螺合するための螺子１３ｓが設けられている。

バルブアセンブリ２ａには、高圧水素タンク１ａの内部との間で水素ガスの出し入れを行う経路や弁などが設けられている。バルブアセンブリ２ａは、高圧水素タンク１ａの内部に水素ガスを噴出するノズル２０と、高圧水素タンク１ａの内部の温度を測定する温度センサ３０と、温度センサ３０をバルブアセンブリ２ａに固定するブラケット３１とが設けられている。なお、ノズル２０は噴出部の一例であり、温度センサ３０は測定部の一例である。

ノズル２０は、高圧水素タンク１ａの内部に延びており、その内部には、ガス充填管路９１から供給された水素ガスが充填時に通過する充填流路２００を有する。充填流路２００はガス充填管路９１と高圧水素タンク１ａの内部と流通している。水素ガスは、符号Ｄａで示されるように、充填流路２００内を高圧水素タンク１ａの内部に向かって流れる。

本例において、高圧水素タンク１ａは、温度センサ３０がノズル２０の上方に位置する向きでＦＣＶに搭載されている。つまり、温度センサ３０は、鉛直方向において、ノズル２０の上側に位置する。

例えば水素ステーションでは、ＦＣＶに搭載された高圧水素タンク１ａに水素ガスを充填するとき、充填量を増やすため、例えば、プレクーラーにより約―４０℃まで冷却された水素ガスがノズル２０から高圧水素タンク１ａの内部に噴出される。ノズル２０は水素ガスにより冷却されるため、ノズル２０の周囲の冷気Ｘが対流により下方に移動する。

しかし、温度センサ３０は、ノズル２０の上方に位置しているため、冷気Ｘの影響を受けない。なお、温度センサ３０で測定された高圧水素タンク１ａの内部の温度はバルブアセンブリ２ａ内の配線を介して外部に出力され、水素ガスの充填量の測定に用いられる。

図２は、搭載時の向きが反対である高圧水素タンク１ａの比較例を示す断面図である。図２において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。本例では、高圧水素タンク１ａの搭載の向きが上記の例とは反対である。

高圧水素タンク１ａは、温度センサ３０がノズル２０の下方に位置する向きでＦＣＶに搭載されている。つまり、温度センサ３０は、鉛直方向において、ノズル２０の下側に位置する。このため、ノズル２０の周囲の冷気Ｘが対流により温度センサ３０の近傍に移動する。

このように、温度センサ３０は、ノズル２０の下方に位置しているため、冷気Ｘの影響を受けることにより正確な温度を測定することができないおそれがある。

図３は、搭載時の向きが通常である高圧水素タンク１ａと搭載時の向きが反対である高圧水素タンク１ａの水素ガスの充填時の温度変化を示す図である。符号Ｇ１は、通常の向きに高圧水素タンク１ａを搭載した場合（図１参照）の充填時間に対する温度（℃）の変化を示し、符号Ｇ２は、通常の向きとは反対の向きに高圧水素タンク１ａを搭載した場合（図２参照）の充填時間に対する温度（℃）の変化を示す。

通常の向きに高圧水素タンク１ａを搭載した場合、温度センサ３０は、ノズル２０の上方に位置しているため、冷気Ｘの影響を受けない。したがって、温度は、ほとんど上下に変動することなく、徐々に増加している。

また、通常の向きとは反対の向きに高圧水素タンク１ａを搭載した場合、温度センサ３０は、ノズル２０の下方に位置しているため、冷気Ｘの影響を受ける。したがって、温度は、頻繁に上下に変動しており、正確ではない。

このように、本例の高圧水素タンク１ａでは、ＦＣＶへの搭載時の向きによっては温度が正確に測定されないおそれがある。

そこで、実施例の高圧水素タンクでは、ノズル２０を筒状の隔壁で覆うことによって対流による冷気Ｘの移動を防止する。また、隔壁の先端をノズル２０の先端より水素ガスの噴出方向に延ばすことによりノズル２０と隔壁で構成される吸引管構造を設ける。これにより、ノズル２０と隔壁の隙間にある冷気が、充填流路２００を流れる水素ガスの流れにより高圧水素タンクの内部に向かって移動する。さらに、温度センサ３０とは反対側の隔壁に開口を設けることにより、開口からは冷気より暖かい水素ガスがノズル２０と隔壁の隙間に流れ込む。このため、対流により冷気が温度センサ３０の近傍に移動することが抑制される。

図４は、高圧水素タンクの実施例を示す断面図であり、図５は、ノズル及び隔壁の一例を示す正面図である。図４において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

高圧水素タンク１は、補強層１０と、ライナ１１と、口金１３と、バルブアセンブリ２とを有する。また、高圧水素タンク１は、バルブアセンブリ２を介して、ガス供給管路９２とガス充填管路９１にそれぞれ接続されている。

バルブアセンブリ２には、高圧水素タンク１の内部との間で水素ガスの出し入れを行う経路や弁などが設けられている。バルブアセンブリ２は、高圧水素タンク１の内部に水素ガスを噴出するノズル２０と、筒状の隔壁２１と、高圧水素タンク１の内部の温度を測定する温度センサ３０と、温度センサ３０をバルブアセンブリ２に固定するブラケット３１とが設けられている。

筒状の隔壁２１は、ノズル２０と温度センサ３０を互いに隔てるようにノズル２０を水素ガスの噴出方向（符号Ｄａ参照）に沿って囲む。このため、水素ガスの充填時、冷却されたノズル２０の周辺の冷気が、対流により温度センサ３０の近傍に移動することが防止される。隔壁２１は、一例として円筒形状を有するが、これに限定されない。

また、隔壁２１は、先端２１２がノズル２０の先端２０１より水素ガスの噴出方向に延びている。このため、ノズル２０と隔壁２１により吸引管構造が構成されるため、水素ガスの充填時、ノズル２０と隔壁２１の隙間２１０にある冷気が、符号Ｄｂで示されるように、充填流路２００を流れる水素ガスの流れにより高圧水素タンク１の内部に向かって移動する。

充填流路２００を流れる水素ガスの流れ（符号Ｄａ参照）は、ノズル２０と隔壁２１の隙間２１０にある水素ガスの流れ（符号Ｄｂ参照）を誘引する。そして、ノズル２０の出口において、２つの水素ガスの流れが合流して混合された状態で高圧水素タンク１の内部に向かい噴出する。

また、隔壁２１は、ノズル２０を挟んで温度センサ３０とは反対側に開口２１１を有する。より具体的には、開口２１１は、隔壁２１の上部において隔壁２１の先端２１２より口金１３側に設けられている。開口２１１からは、符号Ｄｃで示されるように、冷気より暖かい水素ガスがノズル２０と隔壁２１の隙間２１０に流れ込み、上記の誘引作用により高圧水素タンク１の内部に向かい噴出する。このため、対流により冷気が温度センサ３０の近傍に移動することが抑制される。

したがって、温度センサ３０は、水素ガスの充填時、冷却されたノズル２０の周囲の冷気から受ける影響が抑制される。よって、本実施例の高圧水素タンク１は、搭載時の向きによらず、高圧水素タンク１の内部温度の正確な測定が可能となる。

また、実施例の高圧水素タンク１は、上記の形態に限定されない。以下の実施例のように、例えば、充填流路２００に仕切り板を設けてもよいし、隔壁２１の開口の周囲に外縁壁を設けてもよい。さらに、ノズル２０は、水素ガスの噴出方向における先端より手前に水素ガスの流通孔を有してもよく、ノズル２０の先端２０１と隔壁２１の先端２１２との間に、隙間２１０を封止する封止部が設けられてもよい。

図６は、高圧水素タンク１の他の実施例を示す断面図であり、図７は、ノズル２０ａ及び隔壁２１ａの他の例を示す正面図である。なお、図６及び図７において、図４及び図５と共通する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

本例のノズル２０ａは、充填流路２００内の仕切り板２２が設けられている点、及び水素ガスの流通孔２０９が設けられている点において上記のノズル２０とは異なる。また、本例の隔壁２１ａは、開口２１１の周囲に外縁壁２１３が設けられている点において上記の隔壁２１とは異なる。なお、本例において、水素ガスの噴出方向（符号Ｄａ’）において、ノズル２０ａの先端２０１と隔壁２１ａの先端２１２の各位置は同じであるが、これに限定されない。

開口２１１からは、外縁壁２１３によって、上記の実施例よりもノズル２０ａから離れた位置の水素ガスが、符号Ｄｃ’で示されるようにノズル２０ａと隔壁２１の隙間２１０に流れ込む。このため、上記の実施例よりも暖かい水素ガスをノズル２０ａと隔壁２１の隙間２１０に取り込むことができる。

また、流通孔２０９は、水素ガスの噴出方向においてノズル２０ａの先端２０１の手前に設けられている。このため、隙間２１０に取り込まれた暖かい水素ガスは、流通孔２０９を通って充填流路２００に流入することができる。したがって、温度センサ３０は、冷却されたノズル２０の周囲の冷気から受ける影響が、より効果的に抑制される。

さらに、ノズル２０ａの先端２０１と隔壁２１ａの先端２１２の間には、隙間２１０を封止する封止壁２９が設けられている。このため、各先端２０１，２１２において隙間２１０が高圧水素タンク１の内部から遮断されることにより、隙間２１０から多くの水素ガスが流通孔２０９を通って充填流路２００に流れ込む。

また、充填流路２００は、仕切り板２２により一部の断面積が小さくなるため、ベンチュリ効果により下流側の流路２００ａが上流側の流路２００ｂより低圧化する。このため開口２１１から水素ガスを十分に隙間２１０に取り込むことができ、さらに、取り込んだ水素ガスを、符号Ｄｄで示されるように充填流路２００から隙間２１０に吸引することができる。

したがって、ノズル２０の周囲の冷気が対流により温度センサ３０の近傍に移動することが、より効果的に抑制される。

本例において、隔壁２１ａの先端２０１は、水素ガスの噴出方向におけるノズル２０の先端２１２の手前に設けられた水素ガスの流通孔２０９より水素ガスの噴出方向に延びている。このため、開口２１１から隙間２１０に取り込んだ暖かい水素ガスと、ノズル２０の周囲の冷気とを、流通孔２０９からノズル２０ａの充填流路２００に取り込むことができる。したがって、暖かい水素ガスによりノズル２０ａ自体の冷却を抑制するとともに、ノズル２０の周囲の冷気が対流により温度センサ３０の近傍に移動することが抑制される。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１，１ａ高圧水素タンク
２０，２０ａノズル
２１，２１ａ隔壁
２０１，２１２先端
２０９流通孔
２１１開口
３０温度センサ

Claims

ガスが充填されるタンクにおいて、
前記タンクの内部に前記ガスを噴出する噴出部と、
前記タンクの内部の温度を測定する測定部と、
前記噴出部と前記測定部を互いに隔てるように前記噴出部を前記ガスの噴出方向に沿って囲む筒状の隔壁とを有し、
前記隔壁の先端は、前記噴出部の先端より前記ガスの噴出方向に延び、または、前記ガスの噴出方向における前記噴出部の先端の手前に設けられた前記ガスの流通孔より前記ガスの噴出方向に延び、
前記隔壁は、前記噴出部を挟んで前記測定部とは反対側に開口を有する、タンク。