JP2018150950A - 高圧タンク - Google Patents

高圧タンク Download PDF

Info

Publication number
JP2018150950A
JP2018150950A JP2017045421A JP2017045421A JP2018150950A JP 2018150950 A JP2018150950 A JP 2018150950A JP 2017045421 A JP2017045421 A JP 2017045421A JP 2017045421 A JP2017045421 A JP 2017045421A JP 2018150950 A JP2018150950 A JP 2018150950A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
liner
inner container
pressure tank
gas
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017045421A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6720898B2 (ja
Inventor
近藤 俊行
Toshiyuki Kondo
俊行 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2017045421A priority Critical patent/JP6720898B2/ja
Priority to US15/877,473 priority patent/US10473266B2/en
Publication of JP2018150950A publication Critical patent/JP2018150950A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6720898B2 publication Critical patent/JP6720898B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C1/00Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
    • F17C1/02Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge involving reinforcing arrangements
    • F17C1/04Protecting sheathings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C1/00Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C13/00Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F17C13/04Arrangement or mounting of valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/01Shape
    • F17C2201/0104Shape cylindrical
    • F17C2201/0109Shape cylindrical with exteriorly curved end-piece
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/05Size
    • F17C2201/056Small (<1 m3)
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/05Size
    • F17C2201/058Size portable (<30 l)
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0602Wall structures; Special features thereof
    • F17C2203/0604Liners
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2203/00Vessel construction, in particular walls or details thereof
    • F17C2203/06Materials for walls or layers thereof; Properties or structures of walls or their materials
    • F17C2203/0634Materials for walls or layers thereof
    • F17C2203/0658Synthetics
    • F17C2203/0663Synthetics in form of fibers or filaments
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2205/00Vessel construction, in particular mounting arrangements, attachments or identifications means
    • F17C2205/03Fluid connections, filters, valves, closure means or other attachments
    • F17C2205/0302Fittings, valves, filters, or components in connection with the gas storage device
    • F17C2205/0305Bosses, e.g. boss collars
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2205/00Vessel construction, in particular mounting arrangements, attachments or identifications means
    • F17C2205/03Fluid connections, filters, valves, closure means or other attachments
    • F17C2205/0388Arrangement of valves, regulators, filters
    • F17C2205/0394Arrangement of valves, regulators, filters in direct contact with the pressure vessel
    • F17C2205/0397Arrangement of valves, regulators, filters in direct contact with the pressure vessel on both sides of the pressure vessel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2221/00Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/01Pure fluids
    • F17C2221/012Hydrogen
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/01Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0107Single phase
    • F17C2223/0123Single phase gaseous, e.g. CNG, GNC
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/03Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2223/036Very high pressure (>80 bar)
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2260/00Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/01Improving mechanical properties or manufacturing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2260/00Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/03Dealing with losses
    • F17C2260/035Dealing with losses of fluid
    • F17C2260/037Handling leaked fluid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00Applications
    • F17C2270/01Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0184Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/32Hydrogen storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】ライナーを構成する素材自体は従来の素材をそのまま用いることができ、かつ、ライナー内の容積効率の低下もわずかでありながら、断熱圧縮による温度上昇の影響がライナーに及ぶのを大きく緩和できるようにした、高圧タンクを提供する。【解決手段】高圧タンク100は、ガスの透過を抑制するライナー10と、ライナー10の内部とタンク外部とを連通および遮断するバルブ装置20と、ライナー10の内周面との間に隙間40が形成されるようにしてライナー内部に配置される内容器50と、内容器50に形成された貫通穴54とを備え、さらに、バルブ装置20の第1の連通路22にはライナー10と内容器50との間に形成される隙間40内に伸びる配管60が接続しており、配管60は複数個の穴61が形成されている。バルブ装置20に供給されるガスは、配管60に形成された穴61から、前記隙間40内に供給され、隙間40から内容器50に形成された貫通穴54を通って、内容器50の内部に高圧充填される。【選択図】図1

Description

本発明は、ガスを高圧状態で内部に貯留するための高圧タンクに関する。
ガスを高圧状態で内部に貯留するための高圧タンクは知られている。また、燃料ガスとしての水素ガスを高圧状態で貯留した高圧水素ガスタンクを車載した燃料電池車も知られている。
通常、この種の高圧タンクは、例えば特許文献1に記載されるように、貯留すべきガスの透過を抑制するバリア層としての役割を果たすライナーと、該ライナーの外周面を覆うことで高圧タンクとしての強度を確保するための繊維強化樹脂層と、ライナー内へガスを供給しかつガスの利用時にはライナー内から利用先へガスを排出するバルブ装置とを備えている。
ライナー内へバルブ装置を通してガスを急速充填するときに、充填ガスはライナー内で断熱圧縮を受けて熱を発生する。発生した熱によってライナーの温度が上昇する。この温度上昇によって高圧タンクの構成部材、特にライナーが損傷を受ける恐れがある。そのために、燃料ガスとしての水素ガスを貯留した高圧水素ガスタンクを車載した燃料電池車において、水素ガス充填時での高圧水素ガスタンク内の温度が、一定温度、例えば85℃を超えることがないようにする手段が講じられている。
その一つとして、充填前の水素ガスを−40℃程度の低温に冷却しておく(プレクール)ことが行われている。また、他の手段として、高圧水素ガスタンクに対して、断熱圧縮時での高圧タンクの温度上昇を抑制できる手段を施すことが提案されている。後者の例が、特許文献2あるいは特許文献3などに記載されている。
特許文献2に記載の高圧タンクでは、ライナーとして樹脂製ライナーを用い、かつ、その厚み方向の熱伝導率が1W/mK以上、10W/mK未満となるように、樹脂に熱伝導性充填材を配合するようにしている。特許文献3の高圧タンクでは、長尺なライナーを具備するガス貯蔵用容器において、ライナー内部に、ガスを排出するためのガス排出管と、ガス排出管から排出されたガスを衝突させるための衝突部材と、衝突部材からの熱を伝達するための放熱部材または衝突部材からの熱を吸収するための熱吸収材とを備えるようにしている。
特開2008−232243号公報 特開2014−020440号公報 特開2008−151280号公報
特許文献2に記載される手段は、タンクの製造にあたり、ライナーを構成する樹脂に熱伝導性充填材を配合するという新たな処理を必要とする。特許文献3に記載の高圧タンクは、ライナー内に、ガス排出管から排出されたガスを衝突させるための衝突部材およびそこからの熱に対する放熱部材あるいは熱吸収材を配置する必要があり、構成が複雑化するとともに、ライナー内部の容積効率も低下する。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ライナーを構成する素材自体は従来の素材をそのまま用いることができ、かつ、ライナー内の容積効率の低下もわずかでありながら、断熱圧縮による温度上昇の影響がライナーに及ぶのを大きく緩和できるようにした、高圧タンクを提供することを課題とする。
本発明のよる高圧タンクは、ガスの透過を抑制するライナーと、前記ライナーの内部とタンク外部とを連通および遮断するバルブ装置と、前記ライナーの内周面との間に隙間が形成されるようにしてライナー内部に配置される内容器と、前記内容器に形成された貫通穴と、を少なくとも有しており、前記バルブ装置は、前記ライナーと前記内容器との間に形成される前記隙間と前記タンク外部とを連通し前記タンク外部から前記隙間にガスを供給する第1の連通路と、前記内容器内と前記タンク外部とを連通し前記内容器内からタンク外にガスを放出する第2の連通路と、を備えることを特徴とする高圧タンクである。
前記高圧タンクの一態様では、前記内容器に形成された貫通穴は、内容器の鉛直方向に対しての中心よりも下方領域に形成されている。
前記高圧タンクの他の態様では、前記バルブ装置の前記第1の連通路には前記ライナーと前記内容器との間に形成される前記隙間内に伸びる配管が接続しており、前記配管は複数個の穴を有している。この態様において、好ましくは、前記配管は前記ライナーの鉛直方向頂部に位置している。
上記の高圧タンクの一態様では、前記ガスは水素ガスである。また、一態様では、前記ライナーと前記内容器は同一素材からなる。好ましくは、前記同一素材が樹脂材料である。
本発明によれば、ライナーを構成する素材自体は従来の素材をそのまま用い、かつ、ライナー内の容積効率の低下もわずかでありながら、充填するガスの断熱圧縮によって生じる熱がライナーに直接影響するのを大きく緩和することのできる高圧タンクが得られる。そのために、所期の設定温度以下にライナーの温度を維持することが容易となり、ライナーに熱劣化が生じるのを回避することができる。同時に、充填前の水素ガスの温度(プレクール温度)を引き上げることが可能となり、外部の高圧ガスステーション側の運転コストを低減することが可能となる。
本発明による高圧タンクの一実施の形態を示す図。 図1のb−b線に沿う断面図。 高圧タンクの製造方法の一例を示す第1の図。 高圧タンクの製造方法の一例を示す第2の図。 高圧タンクの製造方法の一例を示す第3の図。 高圧タンクの製造方法の一例を示す第4の図。 高圧タンクの他の実施の形態を示す中心軸線に直交する方向での断面図。 高圧タンクのさらに他の実施の形態を示す中心軸線に沿う方向での断面図。
以下、本発明による高圧タンクのいくつかの実施の形態を説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明による高圧タンクの第1の実施の形態を示す図であり、図1は、中心軸線に沿う方向での断面図、図2は中心軸線に直交する方向での断面図、すなわち、図1のb−b線に沿う断面図である。
高圧タンク100は、貯留するガスが透過しない材料で作られたライナー10を有する。ライナー10は、円筒状の胴部11と、該胴部11の一方側の端部に一体に形成された半円球状の第1のドーム部12と、胴部11の他方側の端部に一体に形成された半円球状の第2のドーム部13とで形成されている。第1のドーム部12の中央部には、バルブ装置20が装着されている。ライナー10の素材は、金属材料であってもよく、樹脂材料であってもよい。
バルブ装置20は、前記ライナー10の内部とタンク外部とを連通状態とし、また遮断状態とするためのものであり、図示しない口金内に一体に組み付けられている。バルブ装置20は、逆止弁21を備えた第1の連通路22と、開閉弁23を備えた第2の連通路24を備えている。
前記ライナー10の外周面には、繊維強化樹脂層30がフィルムワインディング法により形成されている。繊維強化樹脂層30は、ライナー10を補強して高圧タンク100の剛性や耐圧性等の機械的強度を向上させる機能を有する。繊維強化樹脂層30は、熱硬化性樹脂および強化繊維束から構成される。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、およびエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが好ましく、特に、機械的強度等の観点からエポキシ樹脂を用いることが好ましい。強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、および炭素繊維等を用いることができる。
なお、高圧タンク100における上記の構成は、例えば前記特許文献1に記載される従来の高圧タンクと同じであってよい。
本実施の形態による高圧タンク100は、さらに、前記ライナー10の内周面との間に隙間40が形成されるようにしてライナー10の内部に配置された内容器50を備えている。内容器50は、限定されないが、好適には、ライナー10を3次元方向にわずか縮小した、相似形状のものであり、胴部51と、該胴部の一方側の端部に一体に形成された半円球状の第1のドーム部52と、胴部51の他方側の端部に一体に形成された半円球状の第2のドーム部53とで形成されている。第1のドーム部52の中央部には、前記バルブ装置20が装着されている。さらに、高圧タンク100を横置きした姿勢としたとき、前記内容器50における鉛直方向の最下部には、適数個の貫通穴54が形成されている。
内容器50を構成する材料は、高圧タンク100内に貯留するガスが透過しない材料であることを条件に、前記ライナー10を構成する材料と同じであってもよく、異なっていてもよい。後記するように、内容器50は、高温である内容器50内のガスと、それと比較して低温である内容器外のガス、すなわち前記隙間40に位置するガス、との間での温度隔壁としての機能と、高温である内容器50内のガスの温度を前記ライナー10に伝えにくくするための断熱壁としての機能を果たす。また、充填時および貯留時において、内容器50の内外はほぼ同圧となるので、内容器50に強度機能を持たせることも要しない。内容器50内に生じる高温度によって変形しない、すなわち形状保持できる程度の薄板構造であってよい。なお、前記のように、内容器50内に生じる高温度は、充填されるガスが断熱圧縮されることによって生じる。
本実施の形態による高圧タンク100は、さらに、高圧タンク100を横置きした状態での前記隙間40における高圧タンク100の鉛直方向の最上位部に、配管60を備えている。配管60は、一方端部を前記バルブ装置20に形成された、逆止弁21を備えた第1の連通路22のガス放出口に接続している。また、配管60の他方端は閉じられている。そして、配管60には全長に亘り等間隔で適数個の貫通穴61が形成されている。該貫通穴61は、好ましくは、前記配管60の上下面ではなく、図2に示すように、配管60の両側面の側に形成される。
内容器50の内部は、バルブ装置20の前記開閉弁23を備えた第2の連通路24に連通しており、内容器50に貯留された高圧ガスは、前記開閉弁23が開となったときに、前記第2の連通路24を通して、図示しないガス消費部に送給される。高圧タンク100に貯留されるガスに制限はなく、任意のガスを貯留することができる。
以下、水素ガスを例として、高圧タンク100に水素ガスが貯留されるときの状態を説明する。水素ガスは、高圧タンク100のバルブ装置20に形成された第1の連通路22のガス導入口側に、外部の水素ステーション1に設置された充填機6の供給ノズルを接続することで、蓄ガス器7に貯留されている高圧の水素ガスが、高圧タンク100内に導入される。導入された水素ガスは、配管60内に流入し、配管60に形成された貫通穴61を通って、隙間40内に充満する。隙間40内に充満した水素ガスは、内容器50に形成された貫通穴54を通って、内容器50の内部空間55内に入り込み、そこに貯留される。配管60からの高圧水素ガスの供給が継続すると、内容器50の内部空間55に貯留される水素ガスは次第に昇圧してき、断熱圧縮が生じる。それにより、内容器50内の温度は上昇し、内容器50自体の温度も上昇する。
一方、外部の水素ステーション1に設置された蓄ガス器7に貯留されている水素ガスの圧力は、高圧タンク100の定格最大貯留圧力P(例えば、80MPa)よりも高圧であるとともに、蓄ガス器7内で水素ガスは例えば−40℃程度に冷却(プレクール)されている。そのような環境下にある高圧かつ冷却された水素ガスが、前記定格圧力Pになるまで、内容器50内へ継続して供給される。
水素ガスの継続供給により、内容器50内は、供給される水素ガスの断熱圧縮により次第に昇温していく。一方、配管60から前記隙間40内に放出される水素ガスの温度は前記のようにプレクールされているために、内容器50の外周面は低温の水素ガスによって継続して冷却を受ける。そのために、内容器50は、内部空間55の温度よりも低い温度を維持できる。また、充填の過程では、内容器50内には先に送られてきた水素ガスが存在し、後から送られてくる水素ガスは、先に送られてきた水素ガスよりも圧縮比が小さくなる。そのために、内容器50内での断熱圧縮による温度上昇は次第にゆるやかになる。
それらにより、水素ガスの充填過程において、内容器50内の温度よりも、内容器50の外周面とライナー10の内周面との間に形成されている隙間40の温度は、より低温に維持される。すなわち、内容器50の周囲壁は、前記したように、高温である内容器50内の水素ガスと隙間40に位置するより低温な水素ガスとの間での温度隔壁としての機能と、高温である内容器50内のガスの温度をライナー10に伝えにくくするための断熱壁としての機能を果たすことができる。
また、充填時において、内容器50内の圧力と隙間40内の圧力は、ほぼ同圧であり、内容器50に大きな力は作用しない。したがって、内容器50に機械的強度を持たせることは不要であり、定格時での温度環境において形状保持できる程度の薄板で作ることが可能である。素材としては、前記断熱壁としての機能をより充実させるために、熱を通し難い薄板樹脂が好ましいが、金属板であっても差し支えない。
以上のように、この高圧タンク100では、内容器50が存在することにより、内容器50内の温度が例えば85℃以上であっても、ライナー10および繊維強化樹脂層30等であるタンク強度構造体の接ガス部の温度を85℃以下に保持することが可能となる。言い換えると、高圧タンク100のガス充填時での最大定格温度が85℃である場合、タンク内容積の大部分を占める内容器50内の温度が85℃以上となっても、ライナー10の温度を85℃以下に保持することが可能となる。このことは、水素ガス充填時での前記プレクール温度を、より高い温度側に緩和できることを意味しており、水素ステーション1側でのコストの低減ももたらされる。
現行の規格基準(GTRNo.13、SAEJ2579、SAEJ2601)では、高圧水素容器の充填時最高温度を85℃と規定しており、容器(ライナー)の種類は、金属ライナーと樹脂ライナーを規定している。熱伝導・放熱性の悪い樹脂ライナーの場合でも、3分の急速充填を行い、かつ容器(ライナー)の上限温度85℃を守るためには、前記のように充填ガスを予め−40℃程度まで冷却(プレクール)することが必要となっている。一方、金属ライナーの場合には、−20℃程度まで冷却(プレクール)すれば、目的を達成することができる。しかし、樹脂ライナーは金属ライナーよりも質量効率に優れるため、例えば車両にこの種の高圧タンクを使用する場合、樹脂ライナーを採用することが推奨される。
上記したように、この高圧タンク100を使用することにより、質量効率に優れる樹脂ライナーと採用と、水素ステーション側での水素ガスプレクール温度を−20℃程度とすることでのコスト低減、の双方を同時に満足することができるようになる。
具体的に、図1および図2に示した高圧タンク100においては、高圧タンク100に導入される水素ガスは、高圧タンク100を横置きした状態での鉛直方向の最上部に位置する配管60に導かれ、その配管60に形成された貫通穴61から、内容器50の周面方向に分配される。この分配された水素ガスは、内容器50の垂直方向の下面に形成された貫通穴54より、内容器50内に導入される。充填された水素ガスを使用するときには、前記した開閉弁23を備えた第2の連通路24から、水素ガス消費部に向けて吐き出される。
前記したように、高圧タンク100に導入された水素ガスは、内容器50内の温度より低温(密度:高)のため、配管60から出た後、重力によるマイナス浮力によって、内容器50の外周面に沿って周方向に落下していく。これにより、充填による圧縮熱で内容器50内の温度は上昇していくにもかかわらず、内容器50の外周面の温度を内容器50内の温度よりも確実に低い温度(例えは、<85℃)に維持することができる。
また、充填後の内容器50内の水素ガスの温度は、内容器50外の温度よりも必ず高くなるために、浮力により内容器50の下面の貫通穴54から内容器50の外へ出ることはなく、充填後もライナー10の内周面に内容器50内の高温ガスが直接に接することはない。また、前記のように、内容器50の周囲壁および隙間40が断熱層として機能するために、内容器50の温度は大幅に緩和されてライナー10の壁面に伝熱されるようになる。
充填後に、車両走行等で水素ガスを使用する場合にも、内容器50内から直接にバルブ装置20の第2の連通路24を通して水素ガスを吐き出すこととなるので、内容器50内の高温の水素ガスがライナー10の内周面に接することは依然としてない。したがって、ガス吐出時にも、ライナー10の温度は上昇しない。また、内容器50内のガスは金属製のバルブ装置20を通して吐出されるので、そこで吸・放熱が進行し、タンク下流、すなわち外部に高温ガス(85℃超)が流れ出ることもない。
図3〜図6は、図1および図2に示した高圧タンク100を製造する方法の一例を示している。最初に、図3に示すように、内容器50を成形し、第1のドーム部52の中央部に第1の口金70aを取り付ける。また、第2のドーム部53の中央部に第2の口金70bを取り付ける。第1の口金70aと第2の口金70bは共通の中心軸線Lを備えるように配置される。第1の口金70aは軸線方向の貫通穴71を有し、該貫通穴71の一部には、前記中心軸線Lの鉛直方向に向けて、第1の口金70aの外部に連通する垂直穴72が形成されている。一方、第2の口金70bは貫通穴を有しない。図3に示すように、前記中心軸線Lを水平方向としたときの、内容器50の鉛直方向の下部に、適数の貫通穴54を形成する。中心軸線L方向の適所で2分割あるいは3分割した部材を一体に接合することで、内容器50とすることもできる。
次に、図4に示すように、前記配管60を前記中心軸線Lと平行に取り付ける。取り付けに当たっては、配管60の一端部62が第1の口金70aに形成した前記垂直穴72と連通するようにして接続する。また、他端部63を第2の口金70bの一部に接続する。
次に、内容器50の外側に、ライナー10を取り付ける。取り付けに当たっては、ライナー10を前記中心軸線Lの方向で、鉛直方向に2分割したものを用意する。そして、一方の分割ライナー10aを、その開口部を右側とした姿勢で、図5で左側から右側に移動し、第1のドーム部12の中央部が第1の口金70aの左方部分に当接した姿勢として、両者を一体に接合する。また、他方の分割ライナー10bを、その開口部を左側とした姿勢で、図5で右側から左側に移動し、第2のドーム部13の中央部が第2の口金70bの右方部分に当接した姿勢となったときに、第2のドーム部13の中央部と第2の口金70bと一体化する。その姿勢では、分割ライナー10aの開放縁部と分割ライナー10bの開放縁部は衝接した状態となっているので、2つの縁部を溶着等で一体に接合する。
それにより、図5に示すように、中心軸線Lを共通している第1の口金70aと第2の口金70bを長手方向の両端部とし、その間に、内側に内容器50が位置し、外側にライナー10が位置している構造体80が得られる。そして、内容器50とライナー10との間には前記隙間40が形成されており、該隙間40には、軸線方向に延びる1本の配管60が位置している。
次に、図6に示すよう、前記構造体80における第1の口金70aと第2の口金70bに対して、適宜の回転駆動力を与えて、構造体80を回転させながら、いわゆるフィルムワインディング法によって、繊維強化樹脂30aを捲装して繊維強化樹脂層30を形成する。
最後に、図1に示した、逆止弁21を備えた第1の連通路22と、開閉弁23を備えた第2の連通路24を備えているバルブ装置20を、前記第1の口金70aに形成されている貫通穴71を利用して、取り付ける。その際に、第1の連通路22の開放端が第1の口金70aに形成した前記垂直穴72と連通するように接続し、第2の連通路24の開放端が内容器50の内部空間55に連通するように接続する。それにより、図1に示した高圧タンク100が完成する。なお、前記したように、図1では、単に分かり易さの観点で、第1の口金70aと第2の口金70bは図示されていない。
[第2の実施の形態]
図7は、高圧タンクの他の実施の形態を示している。図7は、第1の実施の形態である高圧タンク100の断面を示す図2に相当する断面図である。図7に示す高圧タンク200は、前記内容器50に形成した貫通穴54が、図1に示した第1の実施の形態である高圧タンク100のように内容器50の鉛直方向の最下部のみにではなく、高圧タンク200を横置きしたときでの内容器50の鉛直方向の中心線Pよりも下方の領域全体に分散して形成されている点で、第1の実施の形態である高圧タンク100と構成を異にしている。他の構成は第1の実施の形態である高圧タンク100と同じであり、同じ部材には同じ符号を付している。この形態の高圧タンク200は、図1および図2に示した第1の実施の形態の高圧タンク100と比較して、内容器50内へのガス充填時間を短縮できる利点がある。
[第3の実施の形態]
図8は、第3の実施の形態の高圧タンク300を、その中心軸線Lに沿う方向での断面で示している。図8に示す高圧タンク300は、前記配管60を備えない点、前記内容器50に形成される貫通穴54は内容器50における前記バルブ装置20が取り付けられている端部とは反対側の端部領域、すなわち前記した第2のドーム部53に形成されている点、前記バルブ装置20には、逆止弁21を備えた第1の連通路22のガス放出口が、1つではなく、中心軸線Lの周囲に放射方向に2個以上形成されている点、で相違している。他の構成は第1の実施の形態である高圧タンク100と同じであり、同じ部材には同じ符号を付している。
その形態の高圧タンク300も、第1の実施の形態である高圧タンク100と同様な作用効果を奏することができる。特に、高圧タンク300は、中心軸線Lを縦方向にして配置する、すなわち縦置きして配置するような場合に、特に有効である。
[他の実施の形態]
図1および図2に示した第1の実施の形態の高圧タンク100において、配管60を互いに平行に2本以上、取り付けることもできる。
[シミュレーション結果]
次に、図1および図2に示した第1の実施の形態の高圧タンク100の奏する効果について、本発明者らがガスの断熱圧縮による発熱および外部への放熱をベースとする充填シミュレーションを行った結果を以下に記載する。
1.充填条件
ガスの充填条件は以下のように設定した。
外気温:40℃、タンク内での昇圧率:28.5MPa/分、充填時間:167秒(1MPa〜80MPaまで昇圧する時間)、容器(ライナー10および内容器50)種類:樹脂。
2.結果
2−1.従来タンクの場合
従来タンク、すなわち、図1および図2に示した第1の実施の形態の高圧タンク100から内容器50および配管60を除去した高圧タンクの場合。
プレクール温度:−30℃の設定で、80MPaまで高圧充填したときのガス温度:85℃。
プレクール温度:−5℃の設定で、80MPaまで高圧充填したときのガス温度:109℃。
2−2.本発明による高圧タンクの場合
図1および図2に示した高圧タンク100の場合。具体的には、内容器50とライナー10の材料:高密度ポリエチレン、内容器50の板厚:2mm、隙間40の厚み:5mm、充填ガス:水素、水素ガスの物性値:熱伝導率:0.214W/mK、比熱:14486kg/m、内容器50内での密度:36.7kg/m(容器内圧力80MPaにおいて)。
上記の条件でのシミュレーション結果は、プレクール温度:−5℃の設定で、80MPaまで高圧充填したときのガス温度は、内容器50内では114℃、隙間40では84℃となった。
2−3.評価
2−2の結果からわかるように、本発明による高圧タンクの場合、容器の種類が樹脂(高密度ポリエチレン)でありながら、プレクール温度が−5℃であっても、隙間40でのガス温度を85℃以下(84℃)に維持できることがわかる。また、内容器50内では114℃となっているが、内容器50の周壁および隙間40が断熱材あるいは断熱層として機能するために、内容器50内の温度は大幅に緩和されてライナー10の壁面に伝熱されることがわかる。プレクール温度が−5℃であっても、樹脂製ライナー10の温度を規定値以下(85℃以下)に保持することが可能であり、タンクとしての容積効率の向上と水素ステーション側での低コスト化の双方をともに満足できることがわかる。
100、200、300…高圧タンク、
10…ライナー、
10a、10b…分割されたライナー、
11…ライナーの胴部、
12…ライナーの第1のドーム部、
13…ライナーの第2のドーム部、
20…バルブ装置、
22…バルブ装置の第1の連通路、
24…バルブ装置の第2の連通路、
30…繊維強化樹脂層、
30a…繊維強化樹脂、
40…ライナーの内周面と内容器の外周面との間に形成される隙間、
50…内容器、
51…内容器の胴部、
52…内容器の第1のドーム部、
53…内容器の第2のドーム部、
54…内容器の鉛直方向の最下部に形成された貫通穴、
60…隙間40に配置された配管、
61…配管に形成された貫通穴、
70a…第1の口金、
70b…第2の口金、
71…第1の口金の貫通穴、
72…第1の口金に形成した垂直穴。

Claims (7)

  1. 高圧タンクであって、
    ガスの透過を抑制するライナーと、
    前記ライナーの内部とタンク外部とを連通および遮断するバルブ装置と、
    前記ライナーの内周面との間に隙間が形成されるようにしてライナー内部に配置される内容器と、
    前記内容器に形成された貫通穴と、
    を少なくとも有しており、
    前記バルブ装置は、前記ライナーと前記内容器との間に形成される前記隙間と前記タンク外部とを連通し前記タンク外部から前記隙間にガスを供給する第1の連通路と、前記内容器内と前記タンク外部とを連通し前記内容器内からタンク外にガスを放出する第2の連通路と、を備えることを特徴とする高圧タンク。
  2. 請求項1に記載の高圧タンクであって、前記内容器に形成された貫通穴は、内容器の鉛直方向に対しての中心面よりも下方領域に形成されていることを特徴とする高圧タンク。
  3. 請求項1または2に記載の高圧タンクであって、前記バルブ装置の前記第1の連通路には前記ライナーと前記内容器との間に形成される前記隙間内に伸びる配管が接続しており、前記配管は複数個の穴を有していることを特徴とする高圧タンク。
  4. 請求項3に記載の高圧タンクであって、前記配管は前記ライナーの鉛直方向の頂部に位置していることを特徴とする高圧タンク。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の高圧タンクであって、前記ガスが水素ガスであることを特徴とする高圧タンク。
  6. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の高圧タンクであって、前記ライナーと前記内容器は同一素材からなることを特徴とする高圧タンク。
  7. 請求項6に記載の高圧タンクであって、前記同一素材が樹脂材料であることを特徴とする高圧タンク。
JP2017045421A 2017-03-09 2017-03-09 高圧タンク Expired - Fee Related JP6720898B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017045421A JP6720898B2 (ja) 2017-03-09 2017-03-09 高圧タンク
US15/877,473 US10473266B2 (en) 2017-03-09 2018-01-23 High-pressure tank

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017045421A JP6720898B2 (ja) 2017-03-09 2017-03-09 高圧タンク

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018150950A true JP2018150950A (ja) 2018-09-27
JP6720898B2 JP6720898B2 (ja) 2020-07-08

Family

ID=63444486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017045421A Expired - Fee Related JP6720898B2 (ja) 2017-03-09 2017-03-09 高圧タンク

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10473266B2 (ja)
JP (1) JP6720898B2 (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11353160B2 (en) * 2014-02-27 2022-06-07 Hanwha Cimarron Llc Pressure vessel
WO2017091595A1 (en) * 2015-11-23 2017-06-01 Quantum Fuel Systems Llc Composite vessel fire protection system
DE102017221073A1 (de) * 2017-11-24 2019-05-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einer Auslöseleitung sowie Druckbehältersystem
DE102019203258A1 (de) * 2019-03-11 2020-09-17 Siemens Mobility GmbH Gas-Tank-System, Verfahren zum Betreiben des Gas-Tank-Systems und Zug mit Gas-Tank-System
US11649927B2 (en) 2020-01-30 2023-05-16 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Dual-inlet valve refilling of a single fuel cylinder
FR3120678B1 (fr) * 2021-03-10 2023-12-08 Faurecia Systemes Dechappement Réservoir de gaz sous haute pression
CN114110431B (zh) * 2021-11-16 2023-07-18 华海(北京)科技股份有限公司 一种集成空压站节能供气系统及其调控方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3514500C1 (de) * 1985-04-22 1986-05-22 Daimler-Benz Ag, 7000 Stuttgart Wasserstoffspeicher
US6742554B1 (en) * 2002-12-09 2004-06-01 General Motors Corporation Device for overheat protection for a type 4 compressed gas container
JP2004293784A (ja) 2003-03-11 2004-10-21 Showa Denko Kk 圧力容器、燃料タンク及び車両
US7172825B2 (en) * 2003-07-29 2007-02-06 Societe Bic Fuel cartridge with flexible liner containing insert
JP2008151280A (ja) 2006-12-19 2008-07-03 Honda Motor Co Ltd ガス貯蔵用容器
JP4941732B2 (ja) 2007-03-20 2012-05-30 トヨタ自動車株式会社 圧力容器
US20090142636A1 (en) * 2007-11-30 2009-06-04 Kiyoshi Handa Carbon Fiber Warming System for Fiber Composite Gas Storage Cylinders
DE112010004075B4 (de) * 2010-05-12 2015-07-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem, Verfahren zu dessen Versorgung mit Brenngas, und mobiler Körper
EP2466187A1 (en) * 2010-12-16 2012-06-20 Air Products And Chemicals, Inc. A gas storage container
JP2014020440A (ja) 2012-07-17 2014-02-03 Jfe Container Co Ltd 水素貯蔵用容器
FR3034836B1 (fr) * 2015-04-10 2017-12-01 Air Liquide Station et procede de remplissage d'un reservoir avec un gaz carburant
US10627048B2 (en) * 2015-12-16 2020-04-21 Hexagon Technology, As Pressure vessel dome vents
EP3196533A1 (en) * 2016-01-25 2017-07-26 Plastic Omnium Advanced Innovation and Research Leakage detection system for pressure vessel

Also Published As

Publication number Publication date
US20180259124A1 (en) 2018-09-13
JP6720898B2 (ja) 2020-07-08
US10473266B2 (en) 2019-11-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2018150950A (ja) 高圧タンク
KR101682841B1 (ko) 압력 용기 및 그 생산 방법
US7326281B2 (en) Hydrogen storage tank
KR102322373B1 (ko) 후프층 및 헬리컬층이 와인딩된 고압용기
EP2163805A2 (en) Apparatus for gas storage
US20080142523A1 (en) Hydrogen Storage Tank and Manufacturing Method for the Same
KR102298962B1 (ko) 방열 및 체류 가스 배출 구조를 가지는 고압용기 및 그 제조 방법
US20150260347A1 (en) Gas containing tank
KR102463415B1 (ko) 보스부가 강화된 구조를 가지는 고압용기
US20220170595A1 (en) Pressure Vessel and Method for Producing a Pressure Vessel
JP2022051863A (ja) プロテクタを有する高圧タンク
US20110226782A1 (en) Gas temperature moderation within compressed gas vessel through heat exchanger
US11204021B2 (en) Hydrogen compressor with metal hydride
KR20190010744A (ko) 고압 가스 용기 및 고압 가스 용기의 제조 방법
US20200353704A1 (en) Method of manufacturing a composite vessel assembly
CN106870931B (zh) 车辆的非圆柱型复合材料压力容器
JP2010038216A (ja) 圧力容器
JP2004270861A (ja) 圧力容器
KR100673149B1 (ko) 잠수함
JP4073649B2 (ja) ガスタンクの製造方法およびガスタンク
KR102429178B1 (ko) 곡면 형상 라이너를 포함하는 고압용기
JP2007298131A (ja) 水素貯蔵容器
US20240142056A1 (en) High-pressure tank
JP2023072536A (ja) 高圧タンク
JP5915366B2 (ja) ガス貯蔵容器

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20181120

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190909

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191023

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20191218

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200519

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200601

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6720898

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees