JP2024509978A - 加圧ガス、特に水素を貯蔵するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、略角柱形状を有し、加圧ガスを収容することができ、複合シェルを備えるタンクに関し、複合シェルは、繊維強化材と、角柱の６つの面にわたって連続的に延在するマトリックスとを有し、複数の開放セルを備える封止された内部空洞を境界画定し、タンクは、複合シェル内に延在して複合シェルに接合され、更にタンクの２つの対向する面の間の内部空洞を通って延在する連続繊維強化材を備える。タンクは、有利には、車両の床（７０１、７０２）、特に航空機の構造に一体化される。

Description

本発明は、加圧ガスを貯蔵するための輸送可能なタンクに関する。本発明は、より詳細には、限定するものではないが、道路、航空、船舶又は鉄道の分野において、車両を移動させるために使用されるエネルギーを生成するために水素が燃料として使用される輸送の分野における、加圧状態での二水素の貯蔵に関するものである。

しかしながら、本発明は、静的であろうと搭載型であろうと、二水素を生成するための手段に関連する貯蔵にも適している。

輸送可能なタンク内への加圧ガスの貯蔵は、一般に、金属又は複合材料で作られた円筒形又は球形のタンク内で行われる。

その低密度のために、水素ガスは、比較的高い圧力、一般に２００バール～７００バール（２×１０^７～７×１０^７Ｐａ）で貯蔵される。

従来技術でのこのタイプのタンクは、その形状及びその容積によって、車両に一体化することが困難であり、この一体化は、一般に、車両の客室を犠牲にして行われる。

タンクは加圧ガスが収容しているので、タンクは、車両が受ける可能性のある衝撃から保護されなければならず、これにより、タンクの一体化が更に複雑になる。加えて、高圧下のガスを収容するために不可欠であるタンクの機械的強度は、衝撃が発生時の車両の挙動に関して困難をもたらし、タンクは、車両の構造が変形するときに行うように衝撃のエネルギーを吸収することはできない。

したがって、燃料として水素を使用する車両、特に自動車では、二水素の予備は、通常、車両のいくつかの場所に分散されたいくつかのタンクに貯蔵され、この予備の管理をより複雑にする。

７００バールの圧力は、特に安全上の理由だけでなく、従来の円筒形又は球形のタンクの大きさ及び重量のための、限界であると考えられる。

従来技術の別の実施形態によれば、水素は金属水素化物の形態で低圧で貯蔵される。この貯蔵形態は、従来技術による最も安全な形態の１つであると考えられることが多いが、それは、１０バール（１０^６Ｐａ）程度の低圧下で水素を貯蔵することを可能にするからである。

この貯蔵原理は、特定の熱力学的条件下で、特定の金属、例えばマグネシウム（Ｍｇ）又は特定の化合物による水素の可逆的吸収に基づいている。

このようなタンクには、粉末形態のこれらの金属又は化合物が充填される。タンクは、その中に二水素ガス（Ｈ_２）を導入することによって充填され、このガスは、平衡圧力下で発熱反応において金属粒子によって吸収される。

吸熱排出は、タンクを平衡圧力より低い圧力と連通させることによって、及び／又はタンクを加熱することによって行われる。

水素化物形態の水素貯蔵の例は、国際公開第ＷＯ２００７／０１１４７６号に記載されている。

このタイプの貯蔵は、比較的多数の充填／排出サイクルを可能にするが、そのようなタンクの貯蔵容量は、時間と共に劣化する。実際、水素化物粒子は、水素が吸収されるにつれて充填中に膨張し、排出中に収縮する。

これらの収縮－膨張サイクルは、特にこれらの効果が重力の効果と組み合わさる場合に、タンク内の粉末の圧縮をもたらす。これらの圧縮された堆積物は、タンクの貯蔵性能に有害であり、安全性の問題にさえつながる可能性があり、このように圧縮された粒子は、充填中に膨張する際に著しい応力を生じる。

米国特許第８，６５１，２６８号は、従来技術のこの実施形態に対する改良であり、外部シェルと、特に接着によって外部シェルに接合された内部構造充填材料とを備える、ガス、特に二水素を収容することができる実質的に角柱形状のタンクを記載している。

充填材料は、例えば、ガスを吸収することができる水素化物粒子を含む結合剤から構成される。

外側シェルに結合されるので、充填材料は、タンクの機械的強度に関与するが、この改善は、充填材料と外側シェルとの間の界面の強度に限定されたままである。加えて、従来技術のこの装置の用途は、５００ｃｍ^３未満又は更には５ｃｍ^３未満の容積を有する小型タンクを製造するように適合されており、したがって、ほとんどの車両用のエネルギー源として水素を輸送するのに適していない。

２ｋｇの水素を貯蔵するためには、２３．６ｋｇの水素化マグネシウム（ＭｇＨ）_２が必要とされるので、水素化マグネシウムにおける貯蔵のためのこの解決策もまた、質量の問題がある。

最後に、一度にかなりの電力を有する必要があるモビリティベースの使用の文脈では、単なる圧力差による水素化物からの水素の放出は遅すぎ、タンクを３００℃程度の温度まで加熱する必要がある。

ＰＣＴ国際出願公開公報ＷＯ２００７／０１１４７６ 米国特許第８，６５１，２６８号

本発明は、従来技術の欠点を克服することを目的とし、その目的のために、略角柱形状を有し、繊維強化材と、角柱のすべての面にわたって連続的に延在し、複数の開放セルを含む内部空洞を画定するマトリックスとを有する複合シェルを備えるタンクであって、複合シェル内に延在して複合シェルに接合され、更にタンクの２つの面の間の内部空洞を通って延在する、横方向強化材と呼ばれる連続繊維強化材を備え、外部シェルと内部空洞との間の封止されたライナと、空洞の２つの面の間に延在するスペーサとを備えるタンクに関する。

したがって、本発明の主題であるタンクは、その角柱形状によって、車両、特に床又は壁に一体化することがより容易であり、その一部を形成しながら面の間に延在する横方向繊維強化材は、タンクの機械的強度に関与し、一方では、特に水素貯蔵圧力に適合する高圧に耐えることを可能にし、他方では、構造への一体化のために、特に屈曲時にタンクの横方向剛性を増加させることを可能にする。

外側シェルは、複合材料の分野における従来の製造技術によって製造することができる。

本発明は、有利には、以下に開示される実施形態及び変形形態に従って実装され、これらの実施形態及び変形形態は、個別に又は任意の技術的に有効な組み合わせに従って考慮されるべきである。

一実施形態によれば、スペーサは中空であり、横方向強化材は中空スペーサの内側に延在する。この実施形態は、大量生産により適している。

別の実施形態によれば、スペーサは、３次元不織布で作られている。この実施形態は、特に個別製造又はカスタム製造に対して、より経済的である。

有利には、本発明によるタンクは、複合シェルを固定するために複合シェルと一体化されたフランジを備える。したがって、タンクは、構造に組み込むことがより容易である。

有利には、本発明によるタンクは、複合シェルを通って内部空洞内に延在する部分を含むカップリングを備える。

１つの代替的な実施形態によれば、内部空洞内に延在するカップリングの部分は、ねじ切りされている。

別の代替的な実施形態によれば、内部空洞内に延在するカップリングの部分は、円錐形の針である。

更に別の変形例によれば、内部空洞内に延在するカップリングの部分は、リブ付きの針である。

これらの異なる代替的な実施形態は、繊維を損傷することなく、カップリングがタンクの内部空洞に入ることを可能にする。

有利には、カップリングは、タンクを囲む保持ストリップによって保持される。保持ストリップは、タンクの耐圧性にも関与する。

本発明によるタンクは、有利には、２００バール～１０００バールの圧力下で水素を収容するために使用される。実際、本発明によるタンクの構造は、その機械的強度においてセル状貯蔵空洞が関与しており、従来技術のものよりも高い圧力での安全な使用を可能にする。

この目的のために、タンクは、有利には、構造、特に車両又は航空機の床の構造に一体化される。

本発明は、図１～図８を参照して、決して限定的ではないその好ましい実施形態に従って以下に開示される。

本発明によるタンクの一実施形態の斜視上面図を示す。 一実施形態によるタンクの内部構造を、画定された断面図ＤＤ（図１）で概略的に示す。 スペーサを備える、図２Ａの実施形態の一変形例によるタンクの内部構造を、画定された断面図ＤＤ（図１）で概略的に示す。 カップリングの例示的な実施形態の、ＡＡ（図１）に沿って画定された部分断面図であり、カップリングの切断詳細図を含む。 カップリングの別の例示的な実施形態を、画定された部分断面図ＢＢ（図１）で示す。 本発明によるタンク用カップリングの第３の実施形態を、画定された部分断面図ＣＣ（図１）で示す。 本発明によるタンクの構造の変形実施形態を、画定された断面図ＤＤ（図１）で示す。 本発明によるタンクの航空機の床への一体化の例を、斜視図で示す。 本発明によるタンクの自動車フレームへの一体化の例を、斜視図で示す。

図１で、一実施形態によれば、本発明によるタンク（１００）は、ここでは長方形の基部を有する略角柱形状であり、任意選択的に、任意の手段によって、特にボルト締めによって、任意の構造、特に車両の構造に取り付けることを可能にするフランジ（１１０）を備える。フランジは、有利には、タンクの製造中に複合シェルに一体化され、シェルと同じ部品で作られる。

タンク（１００）は、それが収容するガスの充填及び引き込みを可能にするためのカップリング（１３０、１４０、１５０）を備える。

図１は、同じタンク上のカップリングの３つの例示的な実施形態を示し、当業者は、これらの実施形態のいずれか１つによる１つのカップリングのみが必要であり、同じタンク上の複数のカップリングの可能性を排除しない、ということを理解する。

図２Ａで、一実施形態によれば、タンクは、連続繊維強化材を有する複合材料で作られる。

非限定的な実施形態によれば、繊維（２０１、２０２、２０３、２０４）は、意図された用途に応じて、圧力、衝撃及びへこみに対する機械的強度並びに耐性のタンク特性を与えるように、単独又は任意の組み合わせのいずれかで、炭素、ガラス、又はアラミド繊維である。

この例示的な実施形態によれば、繊維網は、角柱の側面を接続する緯糸繊維（２０１）と、断面配向がそれぞれ０°～４５°で変化して角柱の側面間並びに上面と下面との間の結合を確実にするように織られた経糸繊維（２０２、２０３）とを含む、一般にインターロックと呼ばれる織り合わせタイプの伸縮性３次元織物の形態である。それは、繊維網を通過する横方向強化材（２０４）を更に含む。

横方向強化材（２０４）は、２つの非隣接面の間の両方に、２つの面に対して実質的に垂直に延在するが、面厚みにも、これらの面に対して実質的に平行に延在する。

タンクは、繊維が熱可塑性又は熱硬化性の連続ポリマーマトリックス内に捕捉され、したがって連続繊維強化材を有する複合シェルを構成する外部シェル（２１０）を備える。このシェル（２１０）は、角柱の６つの面にわたって延在し、その内面上に封止されたライナ（２２０）を備える。

この封止されたライナ（２２０）は、ガス、特に二水素が加圧状態で含まれる内部空洞（２９０）を境界画定する。

角柱の面のうちの１つの上の外側シェル内に含まれる繊維（２０１、２０２、２０３、２０４）は、そこでマトリックス内に捕捉され、シェルの別の面まで延在し、そこでやはりポリマーマトリックス内に捕捉され、タンクの内部空洞（２９０）を通過する。

空洞（２９０）内の繊維含有量は、外側シェル内よりも著しく低く、繊維は、連続マトリックスを構成することなくポリマーで含浸され、その結果、内部空洞は、繊維によって境界画定された複数の開放セルを含むセル容積である。

加圧ガスは、内部空洞内に収容され、圧力は、この空洞内に収容された繊維に張力をかけ、その結果、これらの繊維は、横方向強化材を構成し、タンクの機械抵抗に関与する。

有利なことに、繊維密度は、耐圧性を向上させるように、シェル（２１０）において外面に向かって増加する。

したがって、一実施形態によれば、繊維含有量は、外側シェルにおいて４０％～６５％であり、内部空洞（２９０）の中心において４％～１０％である。

外側シェルに含まれ、２つの面の間の空洞を通って延在する繊維は、内圧及び外部応力の両方に関してタンクの機械的強度に関与するが、加圧ガスを収容することができるセル容積を空洞内に提供する。

上に示した繊維含有量の値は、タンクの機械的強度と容量との間の妥協に関する好ましい実施形態を示しているが、当業者は、空洞内の繊維含有量が、意図された用途に応じて、容量を犠牲にして機械的強度を増加させるために有利に上昇されるか、又はその逆であることを理解する。

図２Ｂで、１つの代替的な実施形態によれば、繊維網は、貯蔵容積を生成するために、内部空洞内にスペーサ（２９１）を含む。この変形形態では、繊維網は、タンクの側面を接続し、スペーサによって局所的に分離された、交差方向のあや織りタイプ又はタフタタイプの織物（２０５_１、２０５_２）のスタックからなる。

代替的な実施形態によれば、スペーサ（２９１）は、一般的な指定では、異なるタイプの開放セルフォーム、透過性マット、及び不連続構造又はセル構造を有する他の媒質を包含する３次元不織布から構成される。

同様に、繊維網は、タンクの対向面間に延在する横方向強化材（２０４）によって強化される。

図３で、一実施形態によれば、カップリング（１３０）は、それにダクトを接続するための外側部分と、タンクの複合シェル（２１０）を通って内部空洞（２９０）内に延在する内側部分（３３１）とを備える。カップリング（１３０）は、例えば、意図される用途に応じて、水素脆化の現象に耐性があるように選択される金属材料、例えば、銅又はアルミニウム合金で作られる。

この例示的な実施形態によれば、タンクの内側に延在するカップリングの部分（３３１）はねじ切りされている。このねじ（１３１）は、繊維を損傷することなく、カップリングに引き裂き抵抗を与える。

好ましくは、カップリングは、マトリックスを構成するポリマーによる外側シェル（２１０）の含浸の前に、繊維プリフォームに一体化される。

図４で、別の実施形態によれば、カップリング（１４０）は、意図される用途に応じて、水素脆化の現象に耐えるように選択される金属材料、例えば、銅又はアルミニウム合金で作られたカップリングブロック（４４０）に一体化される。

図４及び図１は雌カップリング（１４０）を表すが、当業者は、雄カップリングが同じ原理の下で実現され得ることを理解する。

カップリングブロック（４４０）は、好ましくは円錐形の針（４４１）を備え、この針は、繊維を損傷することなく、ガスを含む空洞（２９０）内の繊維スタック内に貫通することができる。

カップリングブロック（４４０）は、好ましくは、マトリックスを構成するポリマーによる外側シェル（２１０）の含浸の前に、プリフォームの段階でタンクに一体化され、その結果、繊維は、カップリングブロックの設置によって劣化せず、封止が確実になる。

金属又は好ましくはフィラメントワインディングによって得られる複合材料で作られた１つ以上の保持ストリップ（１６０）が、タンクの周りに延在し、加圧タンクに対するカップリングブロック（４４０）の保持を保証する。

図５で、別の実施形態によれば、カップリング（１５０）は、外側シェル（２１０）及び繊維スタックを貫通してタンクの空洞（２９０）の内側に達するリブ付きの針（５５１）を備える。前述の実施形態によれば、カップリング（１５０）は、銅又はアルミニウム合金などの、適切な場合には水素脆化に耐性のある金属材料で作られ、マトリックスを構成するポリマーによる外側シェルの含浸の前にタンクのプリフォームに導入される。

この例示的な実施形態によれば、カップリングは、１つ以上の保持ストリップ（１６０）によっても保持される金属フランジ（５５０）によって所定の位置に保持される。

図６で、１つの代替的な実施形態によれば、本発明によるタンクは、内側シェル（６２０）を備え、内側シェルは、内側シェルの２つの面の間に延在し、これら２つの面の表面全体にわたって分散された複数の中空スペーサ（６９１）を備える。

中空スペーサ（６９１）は任意の形状であるが、内側シェル（６２０）の内部容積の部分を封止しないように不連続である。同様に、スペーサは、それらが間に延在する壁に対して必ずしも垂直である必要はない。

この実施形態によれば、管状スペーサ（６９１）は円筒形であり、内側シェルの壁と同じ部品から作られ、それらのボア（６９２）は壁を貫通する。

内側シェル（６２０）は、ガスを収容することができる封止された内部空洞（６９０）を境界画定する。内側シェルは、例示的な実施形態によれば、高密度ポリエチレン又はポリアミド（ＰＡ６）から作られる。

例として、それはプラスチック射出技術によって得られる。

外側シェル（６１０）は、４０％～６５％の炭素、アラミド、若しくはガラス繊維、又はこれらの任意の組み合わせの繊維含有量のための、複数の強化方向の繊維プライのスタックを含む、連続ポリマー及び繊維強化材マトリックスを有する複合材料から作られるが、これらの例は限定ではない。

繊維（６０４）は、外側シェル（６１０）内及びその面の間に延在し、タンクの内部空洞（６９０）を通過して中空スペーサ（６９１）のボア（６９２）内に入る。これらの繊維（６０４）は、中空スペーサのボア（６９２）を充填する外側シェルのマトリックスを構成する熱硬化性又は熱可塑性のポリマーで含浸される。したがって、繊維（６０４）を含む中空スペーサ（６９１）は横方向強化材を構成し、内部空洞（６９０）内の圧力によって引っ張られ、タンクの強度及び抵抗に関与する。それらはまた、タンクによって形成される複合プレートの剛性及び曲げ強度に寄与する補強材を構成し、空洞の内側に開放セルを境界画定する。

横方向強化材（６０４）は、２つの非隣接面の間の両方に、中空スペーサ内で、２つの面に対して実質的に垂直に延在するが、面の厚みにも、これらの面に対して実質的に平行に延在する。

カップリングは、図３～図５を参照して上述したものと同様の方法で、この変形例に従って製造されたタンクに一体化される。

寸法の例として、実施形態にかかわらず、炭素繊維強化材を用いて、７００バールで４．４ｋｇの水素を収容することができる本発明によるタンクは、辺が１ｍ×０．８ｍで厚さが１０ｃｍの長方形プレートの形態である。外側シェルは３～５ｍｍの厚さを有し、内側シェル又はライナは１ｍｍ～３ｍｍの厚さを有する。したがって、そのようなタンクの外部容積は０．０８ｍ^３であり、これは、この形状因子がタンクを収容することができる角柱容積として定義される場合、その形状因子に等しい。

比較として、シェルが炭素繊維の連続繊維強化材を有する複合材料からなり、厚さが９ｍｍであり、同じ容量を有する、半球状端部を有する従来の円筒形タンクは、直径が３２ｃｍであり、外部体積が０．０８ｍ^３である。しかしながら、その容積は、本発明によるタンクの容積よりも２５％～４０％大きい。

その形状及び機械的特性により、本発明によるタンクは、構造要素の代わりに、貨物又は乗客を輸送するように意図された構造に、構造の客室又は作業容積を変更することなく、容易に一体化される。

実際、本発明によるタンクは、必要に応じて、加圧ガスの容量に加えて、タンクが置き換わる構造要素と同じ構造的特徴を提供するように設計されているので、構造へのタンクの一体化は、従来技術の解決策と比較して低減された質量寄与で行われる。

したがって、１つの使用例によれば、本発明によるタンク（７０１、７０２）は、例えば、航空機（７００）の構造内、乗客エリア内、又は貨物エリア内の床に一体化される。

図８で、別の使用例によれば、本発明による１つ以上のタンク（８０１、８０２）は、燃料電池を有する電気車両のシャーシ（８００）に一体化される。

これらの例は限定的なものではなく、本発明の主題であるタンクは、船舶、鉄道車両又は産業車両に有利に一体化される。

２９０、６９０ 内部空洞
２１０、６１０ 複合シェル
２０１、２０２、２０３、２０４、６０４ 繊維強化材
２２０、６２０ ライナ
２９１、６９１ スペーサ
１１０ フランジ
１３０、１４０、１５０ カップリング
４４１ 円錐形の針
５５１ リブ付きの針
１６０ 保持ストリップ
７０１、７０２ タンク
７００ 航空機
８００ シャーシ

Claims (12)

1. 略角柱形状を有し、加圧ガスを収容することができ、繊維強化材と、前記角柱のすべての面にわたって連続的に延在し、複数の開放セルを含む封止された内部空洞（２９０、６９０）を境界画定するマトリックスとを有する複合シェル（２１０、６１０）を備えるタンクであって、前記複合シェル（２１０、６１０）内に延在して前記複合シェル（２１０、６１０）に接合され、加えて前記タンクの２つの面の間の前記内部空洞を通って延在する、繊維強化材（２０１、２０２、２０３、２０４、６０４）を備え、前記外部シェル（２１０、６１０）と前記内部空洞（２９０、６９０）との間の封止されたライナ（２２０、６２０）と、前記空洞の２つの面の間に延在するスペーサ（２９１、６９１）とを備えることを特徴とする、タンク。
2. 前記スペーサ（６９１）が中空であり、前記横方向強化材（６０４）が前記中空スペーサ（６９１）の内側に延在する、請求項１に記載のタンク。
3. 前記スペーサ（２９１）が３次元不織布から作られている、請求項１に記載のタンク。
4. 前記複合ケーシングの固定のために、前記複合ケーシングと共になる材料で作られたフランジ（１１０）を備える、請求項１に記載のタンク。
5. 前記複合シェル（２９０、６９０）を通って前記内部空洞（２９０、６９０）内に延在する部分（３３１、４４１、５５１）を含むカップリング（１３０、１４０、１５０）を備える、請求項１に記載のタンク。
6. 前記内部空洞（２９０、６９０）内に延在する前記カップリングの前記部分（３３１）がねじ切りされている、請求項５に記載のタンク。
7. 前記内部空洞（２９０、６９０）内に延在する前記カップリングの前記部分が円錐形の針（４４１）である、請求項５に記載のタンク。
8. 前記内部空洞（２９０、６９０）内に延在する前記カップリング（１５０）の前記部分がリブ付きの針（５５１）である、請求項５に記載のタンク。
9. 前記カップリングが、前記タンクを囲む保持ストリップ（１６０）によって保持される、請求項５に記載のタンク。
10. ２００バール～１０００バールの圧力下で水素を収容するための、請求項１に記載のタンクの使用。
11. 前記タンク（７０１、７０２）が航空機（７００）の床構造に一体化されている、請求項１０に記載の使用。
12. 前記タンク（８０１、８０２）が、燃料電池によって電力供給される電気自動車のシャーシ（８００）の床構造に一体化されている、請求項１０に記載の使用。

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