JP2024006595A - 車載液体水素タンク、および、その製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】液体水素をより安定して貯蔵できる車載液体水素タンク、および、その製造方法を提供する。【解決手段】車載液体水素タンク10は、液体水素を貯留する内タンク12と、前記内タンク12を収容する外タンク14と、前記内タンク12と前記外タンク14との間隙である断熱間隙18に配され、前記内タンク12を前記外タンク14の内面から離隔させた状態で保持する断熱材16と、を備え、前記断熱間隙18は、前記断熱材16が充填されていない真空領域17と、前記断熱材16が充填されることで前記内タンク12が前記断熱材16により面支持された領域と、を有する。【選択図】図2
Description
特許法第30条第2項適用申請有り (1)令和4年6月3日に動画投稿プラットフォーム「youtube.com」https://www.youtube.com/watch?v=mB6-bOjFg94にて発表 (2)令和4年6月3日に開催された「スーパー耐久(S耐)24時間レース」にて発表
本明細書は、液体水素を貯蔵する車載液体水素タンク、および、その製造方法を開示する。
従来から、水素を液体状態のまま貯蔵する車載液体水素タンクが知られている。例えば、特許文献1には、強化繊維材料からなる外タンクの内部に、金属製の内タンクを配置し、この内タンクに液体水素を貯留する技術が開示されている。特許文献1において、外タンクと内タンクとの間には、真空断熱層が形成されている。また、外タンクと内タンクとの間には、緩衝材が部分的に配置されており、内タンクは、外タンクの内部において、緩衝材により吊り下げ保持されている。かかる車載液体水素タンクによれば、真空断熱層により内タンクへの伝熱が阻害されるため、内タンクの内部を低温に保つことができ、液体水素の気化を抑制できる。
しかしながら、特許文献1の構成の場合、内タンクは、部分的に配置された緩衝材により吊り下げ保持されている。この場合、車載液体水素タンクに強い衝撃がかかると、当該緩衝材の破損や変形が発生し、内タンクが外タンクに衝突し、内タンクが劣化または破損するおそれがある。そして、内タンクが劣化または破損した場合、水素の漏出等、様々な問題が生じるおそれがある。
そこで、本明細書では、液体水素をより安定して貯蔵できる車載液体水素タンク、および、その製造方法を開示する。
本明細書で開示する車載液体水素タンクは、液体水素を貯留する内タンクと、前記内タンクを収容する外タンクと、前記内タンクと前記外タンクとの間隙である断熱間隙に配され、前記内タンクを前記外タンクの内面から離隔させた状態で保持する断熱材と、を備え、前記断熱間隙は、前記断熱材が充填されていない真空領域と、前記断熱材が充填されることで前記内タンクが前記断熱材により面支持された領域と、を有する、ことを特徴とする。
真空領域では、輻射以外で熱が伝達されない。そのため、真空領域を設けることで、内タンクの断熱性を高く保つことができる。その一方、真空領域だけの場合、車両衝突時に内タンクが外タンクに衝突するおそれがある。しかし、上記のように、断熱間隙に、断熱材が充填されることで前記内タンクが前記断熱材により面支持された領域を設けることで、こうした内タンクの外タンクへの衝突を防止できる。つまり、上記構成によれば、高い断熱性を維持しつつ、車両衝突時に内タンクが外タンクに衝突することを防止できる。そして、これにより、内タンクの変形や破損を効果的に防止できるため、液体水素をより安定して貯蔵できる。
この場合、前記断熱材は、金属シートで構成される1以上の熱シールド層と、繊維素材で構成される1以上のスペーサ層と、を積層してなるスーパーインシュレーションを含み、前記断熱間隙は、前記断熱材を配置した状態で真空吸引されていてもよい。
スーパーインシュレーションを用いることで、液体水素の温度上昇をより効果的に防止できる。
また、前記断熱材は、密閉袋に収容されており、前記密閉袋の内部、および、前記断熱間隙、の双方が真空吸引されていてもよい。
かかる構成とすることで、液体水素タンクの製造を簡易化できる。
また、前記外タンクは、前記外タンクの内圧が規定の許容圧力以上になった場合に、破壊されて、前記外タンクの内部を大気開放するラプチャディスクを有してもよい。
かかる構成とすることで、外タンクの内圧が過剰に高くなることを防止でき、液体水素タンクの安全性を向上できる。
また、前記内タンクは、平面部を有する形状であってもよい。
外タンクと内タンクとの間隙に断熱材を配置することで、内タンクの内圧が外タンクおよび断熱材に分散され、内タンクの許容最大圧力が向上する。また、内タンクが変形したとしても、内タンクが外タンクに直接接触しないため、断熱性が維持される。そのため、内タンクを、平面部を有する形状にすることが可能となる。
また、さらに、前記内タンクに貯留された液体水素を加圧して外部に出力する昇圧ポンプを備え、前記内タンクの底部には、下方に陥没し、その内部に前記昇圧ポンプの下端が挿入されるコレクタ部が形成されていてもよい。
かかる構成とすることで、貯留する液体水素の圧力を低く抑えることができ、内タンクに求められる許容最大圧力も低く抑えることができる。そして、これにより、水素タンクに関するコストや重量を低減できる。
本明細書で開示する車載水素タンクの製造方法は、繊維素材を含む断熱材を密閉袋に収容したうえで、前記密閉袋の内部を真空吸引し、前記液体水素を貯留する内タンクを、外タンクの内部に配置するとともに、前記タンクと前記外タンクとの間隙である断熱間隙に前記密閉袋を配置したあとに、前記断熱間隙を真空吸引する、ことを特徴とする。
密閉袋を予め真空吸引することで、断熱材が圧縮される。そのため、断熱材を外タンクと内タンクとの間隙に、容易に配置できる。また、断熱材を配置した後、断熱間隙を真空吸引すると、密閉袋の内外差圧が低下し、断熱材が膨張し、間隙を断熱材で満たすことができる。つまり、上記構成によれば、液体水素をより安定して貯蔵できる液体水素タンクを容易に製造できる。
本明細書で開示する技術によれば、液体水素をより安定して貯蔵できる。
以下、図面を参照して液体水素タンク10(以下「水素タンク10」と呼ぶ)の構成について説明する。図1は、水素タンク10の斜視図である。また、図2は、水素タンク10の断面図である。この水素タンク10は、車両に搭載され、水素を液体状態で貯留する。かかる水素タンク10を搭載する車両の種類は、特に限定されないが、例えば、水素タンク10は、燃料電池自動車または水素エンジン自動車に搭載される。以下の説明では、エンジンシリンダ内に高圧の水素ガスを噴射する直噴式水素エンジンを搭載した水素エンジン自動車に搭載される水素タンク10を例に挙げて説明する。
水素タンク10は、水素を液体状態で貯蔵する。貯蔵される液体水素の圧力は、大気圧と同じ、または、大気圧より若干高い圧力であり、例えば、1Mpa以下である。また、水素タンク10は、液体水素を、沸点(大気圧で-252.9℃)よりも十分に低温に保った状態で貯蔵する。
水素タンク10は、図1に示すように、円筒形の胴部10aと、当該胴部10aの軸方向両端を塞ぐ鏡板部10bと、を有する俵形である。鏡板部10bは、曲面で構成されるドーム状である。また、水素タンク10の底部には、局所的に陥没したコレクタ部20が設けられている。コレクタ部20は、円筒と、当該円筒の端部を塞ぐドーム状部分と、で構成される。ここまでの説明で明らかな通り、水素タンク10は、その構成面のほぼ全てが曲面で構成されている。かかる構成とすることで、水素タンク10にかかる圧力分布を均一に近づけることができる。
水素タンク10の側部には、液体水素充填ポート26および水素ガスリターンポート28が取り付けられている。液体水素充填ポート26は、液体水素の供給を受け付けるポートであり、後述する内タンク12に連通されている。水素ガスリターンポート28は、液体水素の供給時に自然入熱により気化した水素ガス(いわゆるボイルオフガス)を供給源側に吸引するためのポートである。この水素ガスリターンポート28も、内タンク12に連通されている。
さらに、水素タンク10の頂部には、ポンプポート24およびボイルオフポート25を含む複数のポートが設けられている。なお、図1では、ポンプポート24およびボイルオフポート25のみを図示し、その他のポートの図示は省略している。ポンプポート24は、ポンプ22(図2参照)のシリンダが挿通されるポートであり、内タンク12に連通されるポートである。ポンプ22は、水素エンジンからの要求に応じて、水素タンク10に貯留されている液体水素を加圧して汲み上げる昇圧ポンプである。昇圧後の液体水素の圧力は、例えば、5Mpa~数十Mpaである。ポンプ22で汲み上げられた高圧の液体水素は、気化されたうえで、高圧の水素ガスとしてエンジンシリンダに直噴される。すなわち、本例では、水素エンジンで必要とする量の水素だけを加圧して取り出している。かかる構成とすることで、水素タンク10で貯留する液体水素の圧力を小さく抑えることができる。結果として、水素タンク10の許容最大圧力を小さく抑えることができ、水素タンク10に関するコストや重量を低減できる。
なお、ポンプ22のうち、タンク内の液体水素を吸引する吸引口はコレクタ部20に配されている。かかる構成とすることで、タンク内の液体水素の残量が少なくなっても、液体水素をポンプ22で汲み上げることができる。
ボイルオフポート25は、液体水素が自然入熱で気化することで生じる水素ガス、いわゆる、ボイルオフガスをタンクの外部に放出するためのポートである。このボイルオフポート25は、内タンク12に連通している。また、ボイルオフポート25には、ボイルオフバルブ29(図2参照)が接続されている。ボイルオフバルブ29は、水素タンク10(より正確には内タンク12)の内圧が規定の放出圧力以上になった場合に開いて、ボイルオフガスをタンク外部に放出する。
こうした水素タンク10は、図2に示す通り、液体水素を貯留する内タンク12と、内タンク12を収容する外タンク14と、を有する。内タンク12は、低温脆性が生じない金属、例えば、ステンレス、特に、18-8ステンレス等から構成される。この内タンク12は、上述した通り、底部にコレクタ部20を有する俵形である。内タンク12は、その許容最大圧力が、上述の放出圧力の2倍から5倍程度になるように設計されている。
外タンク14は、内タンク12を外側にオフセットした形状である。かかる外タンク14も、内タンク12と同様に、低温脆性がない金属、例えば、ステンレス等から構成される。外タンク14と内タンク12との間には、所定の厚みの間隙である断熱間隙18が設けられている。この断熱間隙18の厚みは、場所によって殆ど変わらず、ほぼ一定である。
断熱間隙18には、断熱材16が部分的に充填されるとともに、当該断熱間隙18は、真空吸引されている。したがって、断熱間隙は、断熱材16が充填されていない真空領域17と、断熱材16が充填されて内タンク12が断熱材16によって面支持された領域と、を有する。断熱材16は、外部から内タンク12への伝熱を阻害するとともに、内タンク12を外タンク14から離隔した状態で保持する部材である。なお、本明細書において、「充填」とは、当該断熱材16が内タンク12および外タンク14の双方に接触するように、断熱材16を断熱間隙18に配置する状態を意味する。
断熱材16の構成は、十分な断熱性能を有するのであれば特に限定されない。本例では、断熱材16として、スーパーインシュレーション34を用いている。スーパーインシュレーション34は、1以上の熱シールド層30と、1以上のスペーサ層32と、を積層して構成される。熱シールド層30は、熱輻射を防止する層であり、例えば、シート状の金属(例えばアルミニウムなど)で構成される。また、スペーサ層32は、伝熱を防止する層であり、繊維素材、例えばグラスウール等で構成される。こうしたスーパーインシュレーション34は、平均熱伝導率が1×10-6cal/sec.cm℃以下となる。
こうした断熱材16および断熱間隙18(ひいては、真空領域17)は、いずれも、真空吸引される。真空吸引されることで、内タンク12への伝熱が効果的に防止される。そして、これにより、液体水素を低温状態のまま貯留できる。外タンク14には、この真空吸引の際に吸引ポンプ(図示せず)に連通され、真空吸引の後に閉鎖されるシールオフバルブ36が設けられている。
また、外タンク14には、さらに、ラプチャディスク38が取り付けられている。ラプチャディスク38は、外タンク14の内圧が、規定の許容圧力を超えた場合に破壊されて、断熱間隙18と外部空間とを連通する。かかるラプチャディスク38を設けることで、外タンク14の内圧が過剰に高くなることを防止でき、水素タンク10の安全性をより確実に確保できる。
ここで、これまでの説明で明らかな通り、本例では、内タンク12と外タンク14との間隙である断熱間隙18に、断熱材16を部分的に充填している。かかる構成とする理由について、比較例と比較して説明する。図8、図9は、比較例の水素タンク10*の模式図である。
比較例の水素タンク10*は、図8に示すように、内タンク12が連結部材40により、外タンク14の内部に吊り下げ保持されている。連結部材40は、内タンク12と外タンク14とを接続する部材で、例えば、樹脂からなる。内タンク12および外タンク14の間の断熱間隙18は、断熱材16は、設けられていないものの、真空吸引されており、高い断熱性を有する。かかる水素タンク10*は、車両に搭載される。この場合、車両が障害物に衝突し、水素タンク10*に強い衝撃が加わると、図9に示すように、連結部材40が破損する場合がある。この場合、重力や慣性力により、内タンク12が、外タンク14に強く衝突し、内タンク12が破損するおそれがあった。内タンク12が破損すると、当然ながら、貯留している水素が漏出し、様々な問題を招く。
一方、本例では、内タンク12の周囲には、断熱材16が部分的に配置されており、内タンク12の外面の一部は、断熱材16が接触している。この断熱材16の厚みは、無負荷状態(すなわち断熱材16の内外の圧力差がほぼゼロの状態)で、断熱間隙18の厚みより大きい。そのため、断熱材16は、内タンク12および外タンク14の双方に密着し、内タンク12を外タンク14から離隔した状態で保持している。
かかる構成において、車両が障害物に衝突したとしても、内タンク12が外タンク14から離隔した状態が維持されるため、内タンク12に加わる衝撃を低減できる。図3は、衝突時における水素タンク10の様子を示す模式図である。図3に示すように、本例によれば、衝突時の衝撃で内タンク12が、外タンク14の内部で僅かに動く場合はある。しかし、外タンク14と内タンク12との間に、断熱材16が介在しているため、内タンク12は、外タンク14から離隔した状態を維持し続ける。そのため、内タンク12と外タンク14との衝突を効果的に防止できる。そして、結果として、内タンク12の破損、ひいては、水素の漏出をより確実に防止できる。換言すれば、本例によれば、水素をより安定して貯蔵できる。また、本例では、断熱間隙18に、断熱材16が充填されていない真空領域17を設けている。真空領域17では、輻射以外で熱が伝達されない。かかる真空領域17を部分的に設けることで、内タンク12の断熱性をより高く保つことができる。
ところで、図4に示すように、外タンク14は、複数の外タンク片50a,50bを溶接して構成される。例えば、外タンク14は、円筒形状の胴部片50aと、当該胴部片50aの端部を塞ぐ鏡板片50bと、を溶接して構成される。水素タンク10を製造する際には、内タンク12の周囲に、外タンク片50を配置するとともに、この外タンク片50と内タンク12との間に、断熱材16を配置し、外タンク片50同士を溶接する。そして、溶接により外タンク14が形成できれば、断熱間隙18を真空吸引する。
ここで、上述した通り、断熱材16の厚みは、無負荷状態で断熱間隙18の厚みより大きい。そのため、水素タンク10の製造過程で、内タンク12と外タンク片50との間に断熱材16を配した場合、図4に示すように、内タンク12または外タンク片50が、断熱材16により押圧され、変形し、最終的に得られる内タンク12または外タンク14の形状が不適切になる場合があった。また、外タンク片50が変形した状態では、外タンク片50を適切に溶接することは難しかった。
そこで、本例では、水素タンク10を製造する際には、予め、断熱材16を密閉袋44に収容し、この密閉袋44を真空吸引している。これについて、図5A、図5Bを参照して説明する。図5A、図5Bは、水素タンク10の製造の様子を示す模式図である。
図5Aに示すように、また、上述した通り、断熱材16は、密閉袋44に収容されている。この密閉袋44は、予め真空吸引されている。水素タンク10を製造する際には、この密閉袋44を、内タンク12と外タンク片50との間の断熱間隙18に配置する。外タンク片50の溶接前の段階において、断熱間隙18は真空吸引されていない。そのため、この時点において、断熱材16は、大気圧により押圧され、圧縮される。結果として、外タンク片50の溶接前の段階において、断熱材16は、図5Aに示すように、断熱間隙18よりも十分に薄い。そのため、断熱間隙18に断熱材16を配置したとしても、内タンク12または外タンク片50が断熱材16からの押圧力により変形することは無い。なお、このとき、密閉袋44が断熱間隙18内で移動しないように、密閉袋44を、内タンク12または外タンク片50に仮接着してもよい。
断熱材16を適正に配置できれば、作業者は、外タンク片50同士を溶接し、外タンク14を形成する。そして、外タンク14が形成された後、作業者は、断熱間隙18を真空吸引する。これにより、密閉袋44の内外差圧が小さくなり、断熱材16の圧縮が解消される。そして、断熱材16は、図5Bに示すように、十分に膨張し、内タンク12および外タンク14の双方に密着する。そして、この状態になれば、内タンク12は断熱材16により外タンク14から離隔した状態で保持される。
なお、この場合、外タンク片50の溶接前の段階で断熱間隙18の厚みを一定に保つことが難しい。そのため、この場合、内タンク12と外タンク片50との間にスペーサ54(図5A、図5B参照)を部分的に配置してもよい。スペーサ54は、断熱間隙18の厚みを一定に保つことができるのであれば、その構成は特に限定されない。したがって、スペーサ54は、樹脂または金属で構成されてもよい。また、スペーサ54は、内タンク12および外タンク14の少なくとも一方に、接着されてもよいし、接着されなくてもよい。また、車両衝突時、スペーサ54を介して内タンク12の一部に集中荷重が伝わることを防止するために、スペーサ54は、比較的、容易に変形、あるいは、破壊される構成でもよい。例えば、スペーサ54は、座屈を誘発するための屈曲部や脆弱部を有してもよい。
図6は、水素タンク10の製造の流れを示すフローチャートである。図6に示すとおり、また、上述した通り、水素タンク10を製造する場合、作業者は、断熱材16を収容した密閉袋44を真空吸引する(S10)。続いて、内タンク12の周囲に、外タンク片50および断熱材16を配置する(S12)。このとき、断熱間隙18の厚みを設計通りに保つために、内タンク12と外タンク片50との間に、スペーサ54を配置してもよい。
次に、作業者は、外タンク片50同士を溶接し、密閉された外タンク14を形成する(S14)。その後、作業者は、シールオフバルブ36を、吸引ポンプ(図示せず)に接続し、断熱間隙18を真空吸引する(S16)。これにより、密閉袋44の内部と外部との差圧が小さくなり、断熱材16が膨張する。膨張した断熱材16は、外タンク14および内タンク12の双方に接触し、内タンク12を、外タンク14から離隔した状態で保持する。
以上の説明で明らかな通り、本例によれば、内タンク12を外タンク14から離隔した状態で保持する断熱材16を設けている。かかる構成とすることで、車両が障害物に衝突し、水素タンク10に強い衝撃が加わった場合でも、内タンク12の破損を効果的に防止できる。
また、本例では、内タンク12にかかる内圧を、断熱材16および外タンク14に分散して伝達できる。そのため、本例によれば、内タンク12および外タンク14の肉厚を増加することなく、水素タンク10の許容最大圧力を増加できる。
また、断熱材16を設けることで、内タンク12の形状の自由度を向上できる。具体的には、内タンク12を、平面部を有する形状にできる。例えば、図7に示すように、内タンク12を複数の平面部60を有する略立方形状にしてもよい。すなわち、断熱間隙18に断熱材16が配置されていない構造で、内タンク12に、平面部60を設けた場合、当該平面部に大きな圧力が作用する。この場合、平面部60において、内タンク12が変形して外タンク14に接触するおそれがあった。そして、内タンク12の一部が外タンク14に接触すると、断熱性能が急激に低下し、液体水素を低温で保つことが難しくなる。そのため、従来の内タンク12は、平面部60を有さず、曲面のみで構成されていた。すなわち、従来の内タンク12は、通常、俵形状、または、球状であることが多かった。
一方、本例のように、断熱間隙18に断熱材16を部分的に設けた場合、内タンク12に平面部60を設けたとしても、当該平面部60にかかる圧力を断熱材16および外タンク14で受け止めることができる。その結果、内タンク12の変形を効果的に防止できる。また、万一、内タンク12が変形しても、当該内タンク12が外タンク14に接触することが効果的に防止でき、高い断熱性能を維持できる。したがって、本例によれば、内タンク12の形状の自由度を向上できる。
なお、これまで説明した構成はいずれも一例であり、少なくとも、内タンク12と外タンク14との間に断熱材16が部分的に充填されているのであれば、その他の構成は変更されてもよい。例えば、上述の説明では、断熱材16を密閉袋44に収容しているが、断熱材16は、密閉袋44に収容されることなく、直接、断熱間隙18に配置されてもよい。また、水素タンク10の形状も、適宜変更可能であり、例えば、球形や、ラグビーボール状、直方形状等でもよい。また、本例では、水素タンク10に昇圧ポンプ22を設けているが、これは無くてもよい。
10,10* 水素タンク、12 内タンク、14 外タンク、16 断熱材、18 断熱間隙、20 コレクタ部、22 ポンプ、24 ポンプポート、25 ボイルオフポート、26 液体水素充填ポート、28 水素ガスリターンポート、29 ボイルオフバルブ、30 熱シールド層、32 スペーサ層、34 スーパーインシュレーション、36 シールオフバルブ、38 ラプチャディスク、40 連結部材、44 密閉袋、50 外タンク片、54 スペーサ、60 平面部。
Claims (7)
- 液体水素を貯留する内タンクと、
前記内タンクを収容する外タンクと、
前記内タンクと前記外タンクとの間隙である断熱間隙に配され、前記内タンクを前記外タンクの内面から離隔させた状態で保持する断熱材と、
を備え、前記断熱間隙は、前記断熱材が充填されていない真空領域と、前記断熱材が充填されることで前記内タンクが前記断熱材により面支持された領域と、を有する、
ことを特徴とする車載液体水素タンク。 - 請求項1に記載の車載液体水素タンクであって、
前記断熱材は、金属シートで構成される1以上の熱シールド層と、繊維素材で構成される1以上のスペーサ層と、を積層してなるスーパーインシュレーションを含み、
前記断熱間隙は、前記断熱材を配置した状態で真空吸引されている、
ことを特徴とする車載液体水素タンク。 - 請求項2に記載の車載液体水素タンクであって、
前記断熱材は、密閉袋に収容されており、
前記密閉袋の内部、および、前記断熱間隙、の双方が真空吸引されている、
ことを特徴とする車載液体水素タンク。 - 請求項1に記載の車載液体水素タンクであって、
前記外タンクは、前記外タンクの内圧が規定の許容圧力以上になった場合に、破壊されて、前記外タンクの内部を大気開放するラプチャディスクを有する、
ことを特徴とする車載液体水素タンク。 - 請求項1に記載の車載液体水素タンクであって、
前記内タンクは、平面部を有する形状である、ことを特徴とする車載液体水素タンク。 - 請求項1に記載の車載液体水素タンクであって、さらに、
前記内タンクに貯留された液体水素を加圧して外部に出力する昇圧ポンプを備え、
前記内タンクの底部には、下方に陥没し、その内部に前記昇圧ポンプの下端が挿入されるコレクタ部が形成されている、
ことを特徴とする車載液体水素タンク。 - 車載液体水素タンクの製造方法であって、
繊維素材を含む断熱材を密閉袋に収容したうえで、前記密閉袋の内部を真空吸引し、
前記液体水素を貯留する内タンクを、外タンクの内部に配置するとともに、前記タンクと前記外タンクとの間隙である断熱間隙に前記密閉袋を配置したあとに、前記断熱間隙を真空吸引する、
ことを特徴とする車載液体水素タンクの製造方法。
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