JP4776970B2 - ガス燃料車両および自動排出システム - Google Patents

Description

本発明は、道路上を走行するエンジン式車両のガス貯蔵タンクに関するものである。
本発明は特に、燃料電池を備えた車両に気体水素および／または気体酸素を貯蔵するためのタンクに関するものである。しかし、本発明がこれに限定されるものではない。

車両にガスを貯蔵する際の問題の１つはタンクの近くで火災が起きた時および圧力が過度に上昇した時の危険にある。
液化石油ガス車両の場合には、例えば火災による異常加熱によって圧力が過度に上昇した時に、たとえ一定出力以下で燃料が火災に供給されることになったとしても、コストを度外視して、爆発の危険を回避するために、ガスを徐々に漏出させる吐出弁が提案されている。過熱下で不可逆的に開口する安全弁が提案されている理由はこのためである。
従来技術としては例えば下記文献を参照できる。
特開昭６０／０７３２００号公報

この文献に記載の安全弁はメンブレンであり、このメンブレンがオリフィスをシールしている。メンブレンを確実に開口させる要素は形状記憶合金で作られたペレットである。過熱時にはこの形状記憶合金で作られたペレットの形状が変化し、ペレットに取り付けられた針がメンブレンに押し戻されて、メンブレンを破裂させる。

しかし、火災が起きた時にのみに作動するという安全性を有し且つ火災時に確実に機能し、しかも車両に取り付けるのに必要な強度を有するものは知られていない。

例えば、燃料供給システムが原因で起きたものではない火災が、タンクから漏れたガス燃焼によって拡大するのを防ぐための解決策は知られていない。従って、複数の車両を巻き込んだ事故の場合、その中の一台から漏れた燃料（例えば石油）が道路上に広がった場合、広がった石油に着火し、別の車両がこの火災上で動けなくなっているような著しく危険な状態がありえる。この車両が過度に圧力が上昇した時の吐出弁を備えていると仮定する。しかし、この車両のガス燃料タンクの下で火災が発生したとしても、タンク内の圧力が上昇して安全要素がその役目を果たすまで待つしかない。
また、燃料残留量が少なく、タンク内の圧力が低い場合には、タンクを作っている材料がその機械的特性を失って降伏点に至るため、安全要素が作用するための圧力まで圧力が上昇する前に爆発が起こってしまう。

タンク中のガスをもっと早く抜くことができれば、加圧ガス燃料を貯蔵した車両、特に水素を用いた燃料電池を備えた車両の安全性が向上するはずである。
下記文献には燃料電池で消費されない水素を排出（vent, 排気）する手段を備えた燃料電池車両が記載されている。
国際特許出願０３／０３５４１９号公報

この特許では電池周囲からの漏れを収集し、タンク周囲からの漏れの収集し、タンクに過圧弁を取り付けている。

本発明の目的は、火災時に火災発生場所からできるだけ遠くへ流体を案内することによってできるだけ短時間に自動的に排出（vent, 排気）が行われるようにした車載の加圧流体タンクを提供することにある。

本発明は、加圧下の流体を貯蔵するタンクを備え、このタンクは排出オリフィスと連通した少なくとも１つの排出路に結合され、この排出路が少なくとも１つの安全弁を介してタンクに結合されている車両において、安全弁が通常は閉じられ、温度上昇作用下に自然に開口する熱的開放弁（thermal release valve）であり、安全弁は車両の所定区域に取り付けられ、上記排出オリフィスがこの所定区域から離れた所にあることを特徴とする車両を提案する。

本発明はさらに熱的開放弁を提供する。この熱的開放弁は形状記憶合金で作られた開放要素を用いた開放機構を有し、所定の閾値温度を超える温度上昇を最初に受けたときに、熱的に不可逆的な状態で、予め記憶された形状をとる。

以下では水素タンクに用いた場合の２つの実施例を説明する。
第１実施例で使用する安全弁は形状記憶合金で作られたペレットによって制御される開口機構を有する。第２実施例で提案する安全弁は熱の作用で壊れるカプセルを有する機構によって制御される。これら２つの実施例の利点は車両の全体の運動を制御する電気設備が故障した（作動しない）ときでも機能するという点にある。すなわち、安全弁の制御に必要な要素がサーモメカニカルな原理で機能する。

実際のタンクは例えば車両の後方に取り付けることができる。また、タンクを床の中心部分に取り付けることもできる。事実、重大な車両事故が起きた時でも、床の中心部分は影響を受けにくい場所である。火災の危険の影響を特に受け易い区域を通るときに加圧流体を車両外へ確実に送れる経路で配管でき、その場所に安全弁を取り付けることができる。
例えば、車両の床下に火が存在する危険性があるので、排出路を床の下に配管し、この場所に熱的開放弁を取り付け、排出路を床から離れた所、例えば車両の屋根に配置した排出オリフィスまで導くことができる。この例は以下で詳細に説明する。

他にも多くの適用例が考えられる。エンジン室内で発生した火災を防ぐ必要がある場合には、車両の前方、例えば車両に必要な電気的エネルギーを発生させる燃料電池が収容されているコンパートメントに導かれるように配管し、そこに安全弁を取り付け、排出路を上記コンパートメントから離れた所、例えば車両の後方に配置した排出オリフィスまで配管する。火災が発生する危険が著しく高い区域や火災に起因する結果が重大なため火を消し止めるか、少なくとも弱めたい区域に対しても同様な配管ができる。例えば、車両の客室にも同様な配管ができる。危険なガス、特に上記ガスの全てを収容するタンクに同様な配管ができる。
さらに、同じタンクから導かれる複数の排出路を並行に設け、各排出路を火災が起きやすい車両の区域を通し、そこに熱的開放弁が取り付け、全ての排出路を同じ排出オリフィスに導くこともできる。
以下、下記文献に記載の特定の形式のタンクに本発明を用いた実施例を説明するが、本発明が下記実施例に限定されるものではない。
欧州特許出願第03/028056.4号(2003年12月8日）

［図１］に示す乗用車１の床１０には高圧ガスを貯蔵するための少なくとも１つの車載式のタンク２が取り付けられている。この高圧ガスは高圧貯蔵される任意のガス、例えば液化石油ガス、圧縮天然ガス、圧縮水素または圧縮酸素にすることができる。以下では、タンク２が単一ガス、例えば気体水素の貯蔵タンクであると仮定するが、これに限定されるものではない。

［図２］およびそれ以降の図では、タンク２が互いに連通した多数の小容量のセル２から成る。タンクの基部２１はセルと同じ数の凹部を有し、全ての凹部は第１面２２からその反対面２３まで延びている。全ての凹部は第２面２２で開口し、反対面２2には開口はない。各凹部はキャップ２４で密封されるが、安全弁が取り付けられる場所では安全弁がキャップの代わりになる。キャップ２４は基部２１に螺合され、溝中に入れたガスケット２４Ａ（図５）でシールされている。タンク２の構成の詳細は上記特許文献３（欧州特許出願第０３／０２８０５６．４号）を参照されたい。
タンク２の反対面すなわち下側面２３には保護金属シート２５が取り付けられている。保護金属シート２５の直ぐ下側には車両の前後方向に沿って延びた排出路３が設けられている。この実施例および以下の図面でも、排出路３は極めて平らな四角形断面をしている。排出路３は車両の前部で壁３１によって密封されている。車両の後部では排出路３に管継手３２が接続され、この管継手３２にパイプ３３が連結している。すなわち、排出路３とパイプ３３とが一緒になって排出路（ベント）を形成する。パイプ３３は排出オリフィス３４に通じており、この排出オリフィス３４は車両１の屋根１２の近傍の後部垂直壁１１に位置している。

排出路３の少なくとも一方の大きな方の面には所定数の第１孔３０（図２参照）が形成されている。排出路３の他方の大きな方の面には、第１孔３０の反対の側に所定数の第２孔３０Ｂが形成されている。第１孔３０および第２孔３０Ｂは例えば［図１］に示すように５つの位置に形成されている。第１孔３０および第２孔３０Ｂはタンク２の５つのセル２０の真向かいにある。同様に、保護金属シート２５にもタンク２の同じ５つのセル２０の真向かいに５つの孔を有する。

安全弁は上記の各キャップ２４の位置すなわち上記の５つの真向かいの位置でタンク２に螺合されている。排出路３は保護金属シート２５（従って、タンク２）に押圧維持されて、安全弁と確実に連通し、外部に対する不浸透性が確保されるようになっている。この実施例では３つの熱的開放弁５と２つの圧力閾値弁６とが用いられている。これらの弁の形式および構造は後で説明する。従って、この排出路３は複数のセル２０を並行に分けて、特定のセル２０に取り付けられた一つまたは複数の安全弁が開いたときに一つまたは複数の安全弁から漏れた燃料ガスがこの排出路を介して回収され、一つまたは複数の排出オリフィス３４から排出されるようにすることができる。

次に、熱的開放安全弁５について詳細に説明する。
［図２］と［図３］は第１実施例を示している。
図にはタンク２に螺合されたネジ部５１を有する本体５０が見える。この本体５０はシート（弁座）５２を有し、このシート５２はボール５３によって密封されている。ボール５３はバネ５９によって所定の軽い負荷でシート５２に向かって押されている。セル２０内の流体の圧力が上昇すればするほど、ボール５３はシート５２にしっかりと押圧され、従って、完全な不浸透性が保証される。

シート５２の下に見えるチャンバ５４は本体５０の横壁に形成された導管５５と連通している。本体５０の中心孔を有し、この中心孔には中心ピストン５７を確実に案内するためのスリーブ５６が取り付けられている。本体５０はシート５２の反対側にカラー５８を有し、このカラー５８にシール７０が螺合している。シール７０は中心円筒壁７３と外周リング７２とを有している。シール７０はその内側に形状記憶合金で作られたペレット７を収容している。さらに、ペレット７はリング７１上に支持されている。このリング７１自体は本体５０に取り付けられている。本体５０をタンク２に螺合したときに本体５０がタンク２から突き出ることは理解できよう。排出路３には上記の第１孔３０、第２孔３０Ｂが形成され、保護金属シート２５にも同様の孔が形成されているので、保護金属シートおよび排出路を取付けた後でも本体５０のカラー５８には外からアクセスできる。シール７０を本体５０に螺合すると、排出路３の外壁を押圧するシール７０のリング７２によって保護金属シート２５および排出路３が締め付けられる。これによって本体５０に対する排出路３の密封状態が維持される。

［図２］、［図３］には凹型のシール７０が示してある。このシール７０はペレット７を外部から隔離するための薄い中心円筒壁７３を有している。この構造の利点はペレット７の加熱を遅くしないで外的影響に対して機械的に保護できる点にある。しかし、この中心円筒壁のない固定具を用いてペレット７を熱源（火炎）と最小反応時間で直接接触させることもできる。

本発明が提供する弁は上記の乗用車１以外でも用いることができる。この弁は温度上昇を最初に受けたときに永久に開口するタイプの弁である。この弁はボールとこのボールのシート（弁座）とボールをシートに押圧して通常は弁を閉鎖位置に維持するバネとを有し、さらに、周囲温度で第１形状をなす形状記憶合金で作られたペレットを有し、ボールとペレットとの間にピストンが配置されている。本発明の弁の特徴はペレットが温度上昇を最初に受けたときに予め記憶していた形状をとる形状記憶合金で作られている点にある。すなわち、このペレットが第１形状から予め記憶していた別の形状へ変化した時にピストンがボールをシートから離す。

形状記憶合金は所定の温度範囲を通るときに結晶構造が変化するということは知られている。形状記憶合金の名称はこの特性および変態に由来するものである。従って、形状記憶合金で作られた全ての物品には２つの異なる形状すなわち低温での形状と高温での形状（「予め記憶していた形状」）とを与えることができる。変態が起こる温度範囲は合金組成と所定温度条件で特定の機械的応力を与えて合金に授けた教育とに依存する。

従って、ペレット７は例えばＮｉＴｉ形状記憶合金を用い製造することができる。この合金は冷却すると結晶構造が変化し、オーステナイト構造の硬い状態（高温）から変形が容易な状態（低温）のマルテンサイト構造へ変化する。ペレット７の遷移温度として選択する温度は約９０℃（±５℃）である。必要な特性を有する材料は当業者に周知であり、例えばSpecial Metals Corporation、New Hartford NYから情報が入手可能である。ペレット７の初期形状は球形キャップ形状である（［図３］に示すものに近い）。周囲温度ではペレット７はマルテンサイト状態（軟い）にある。ペレットを機械的に変形してほぼ平らな形状（［図２］に示すディスク形状）にすることは極めて容易である。このペレットは約９０℃の温度に達すると相変化し、マルテンサイト状態からオーステナイト状態（硬い）に移行する。従って、ペレットはその初期形状（予め記憶させた形状）すなわち球形キャップ形状を再びとる。この形状は周囲温度に戻った後も持続する。これは選択された材料の構造は可逆性であるが、形状は不可逆性であることを意味する。すなわち、オーステナイト状態（硬い）からマルテンサイト状態（軟い）へ移行する。再びディスク形状をとるためには外部から機械的作用を加えるしかない。

周囲温度での通常の閉鎖位置ではボール５３をシート５２に対して確実に押圧した状態を維持するために、ペレット７、中心ピストン５７およびボール５３の間にわずかな隙間を残すのが好ましい。［図２］は周囲温度でのペレット７の外見を示す。

［図３］は温度上昇の作用後の上記と同じペレット７の外見（予め記憶させた形状）を示す。変形の程度はペレット７の寸法に依存する。上記ペレットの場合には７５℃の温度に達するとペレット７が変形し始める。組立体の隙間が無くなるとペレットは大きな力を発生させる。ボールが十分に持ち上げられると、ペレットが出す力は減少するが、バネが発生する力には十分に対向できる。［図３］に示す最大変形度はペレット７の温度が１００℃に達したときに得られる。さらに、圧力上昇時（約２００〜３００ｂａｒ）に流体を収容したセル側からボールに加わる内部圧力と保持バネの圧力とに対抗してピストン５７を押し戻すのに十分な大きい力をペレット７は発生できるということがわかっている。

既に述べたように、ペレット７に熱応力を加え、冷却した後に再び初期形状をとりたい場合、例えば熱的開放安全弁５を再調整したい場合には、機械的に変形させる必要がある。ペレット７は予め記憶させた形状を永久にとるので、十分に加熱すると弁５は加熱速度が減速または停止しても所定の開口をし、開口し続ける。

熱的開放安全弁５が形状記憶合金で作られたペレット７を有する上記実施例は形状記憶合金で作られた放出要素を用いた放出機構の好ましい実施例である。この形状記憶合金は温度上昇が所定の温度閾値を初めて超えたときに、熱的に不可逆的な状態で、予め記憶させた形状をとるという特徴を有している。

組立体の完全な不浸透性を保証するためには特定数のシールを用いる必要があるということは理解できよう。従って、シールの詳細は説明しない。本体５０の横壁に至る導管５５は排出路３と直接連通していて、熱的開放安全弁５が開口すると、ガスがチャンバ５４へ逃げ、次いで、導管５５を通って本体５０の横壁を通り、排出路３へ合流する。熱的開放安全弁５の所でガスが排出路３から外的環境に漏れることはない。

他の形式の弁、例えば［図５］に示す圧力閾値弁６を追加できるということも理解できよう。この弁は熱的開放安全弁５の本体と同じ本体５０を利用する。本体５０はタンク側にインサート６３を収容している。このインサート６３は較正された破裂膜（calibrated rupture membrane）を中心６３０に有する。このインサート６３は交換可能なものである。チャンバ５４はキャップ６７で閉じられる。本体５０は［図１］、［図２］で用いた形式と同じ凹んだ型のシール７０のナットでシールされる。

本発明の特に有利な実施例では、車両のタンクが、車両で使用するのに必要な流体を確実に循環させるために、相互に連通したセル組立体を有し、少なくとも２つのセルが排出路で分岐し、各セルは少なくとも１つの安全弁を介して排出路に接合され、安全弁は熱的開放安全弁か、圧力閾値弁であり、圧力閾値弁は所定の圧力閾値を超えると自動的かつ確実に開口する（例えばカバーの破壊によって不可逆的に開口する）。

［図４］に示す変形例は開放機構が熱の作用で破壊されるカプセル（［図１］では使用していない）を用いた熱的開放弁８である。図に示す本体８０はタンク２に螺合されるネジ部５１を有する。この本体８０は中心ピストン８３によって密封された第１孔８２を有する。この中心ピストン８３はヘッド８８とスカート８８０とを含み、このスカート８８０は片側が開口しかつ反対側がヘッド８８で閉じられた中心中空領域を区画している。本体８０は第１孔８２の直径よりわずかに大きい直径を有する第２孔８４を規定する中心通路８６を有する。中心ピストン８３は第２孔８４の内部を案内される。中心通路８６の内部は通路８６の外壁に通じる一つまたは複数の通路８５と連通している。中心通路８６はシール８７で閉じられている。シール８７とピストン８３のヘッド８８に押圧された支持座金９０との間にはカプセル８９が挿入されている。このカプセル８９は所定温度で破壊される。約９０℃の温度で壊れるカプセルは例えばJOB GmbH、Kurt-Fischer-Strasse 30, D-22926 Ahrensburgから入手できる。

本体８０はさらに第３孔９１を有し、この第３孔９１の内部にスリーブ９２が取り付けられ、通路８６の周囲にほぼ環状の空間を規定している。この空間は排出路３と連通している。カプセル８９が破壊されると、セル２０内の流体の圧力が作用している中心ピストン８３がシール８７に当接して後退するのを防ぐものはなくなる。従って、セル２０は通路８６の内部と連通し、一つまたは複数の導管８５、通路を取り囲む環状空間、そして排出路３と連通する。

組立体の完全な不浸透性は図面に示した各種ガスケットによって保証されるが、その説明は省略する。［図４］の弁は中心開放機構を除いて［図２］、［図３］の弁とほぼ同じものであり、同様に使用できる。

本発明の各要素の一般的な配置を示した乗用車の図。 多重燃料タンクに連結された通常は閉じている安全弁の図。 図２と同じ安全弁が開いた時を示す図。 同じ多重燃料タンクに連結された通常は閉じている別の安全弁の図。 同じタンクに連結された通常は閉じているさらに別の安全弁の図。

Claims (7)

1. 加圧下の流体を貯蔵するタンク（２）を備え、このタンク（２）は排出オリフィス（３４）と連通した少なくとも１つの排出路（３、３３）に結合され、この排出路（３、３３）が少なくとも１つの安全弁を介してタンク（２）に結合されている車両（１）において、
   安全弁が、通常は閉じられ、温度上昇作用下に自然に開口する熱的開放弁（５、８）であり、安全弁は車両の火災の影響を受けやすい区域に取り付けられ、上記排出オリフィス（３４）がこの区域から離れた所にあり、
   熱的開放弁が、所定の閾値温度を超える温度上昇を最初に受けた時に、記憶してある形状を熱的に不可逆な状態でとる形状記憶合金からなり、周囲温度で第１形状を有する形状記憶合金で作られた開放要素を用いた開放機構と、弁座（５２）と協働するボール（５３）と、ボールを弁座に向かって押し戻すバネ（５９）と、を有し、
   この開放要素（７）とボール（５３）との間にピストン（５７）が配置され、上記開放要素（７）は温度上昇を最初に受けた時に予め記憶させた上記第１形状とは異なる別の形状をとり、開放要素が第１形状から予め記憶させた別の形状へ変化したときにピストンがボールを弁座から離すことを特徴とする車両。
2. 熱的開放弁（５）がタンク（２）の近傍にある請求項１に記載の車両。
3. 排出オリフィス（３４）が熱的開放弁（５）からできるだけ離れた車両上の位置にある請求項１または２に記載の車両。
4. 車両で使用するのに必要な流体を循環させるためにタンクが相互に連通したセル（２０）の組立体を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両。
5. 排出路に少なくとも２つのセル（２０）が開口し、各セルは少なくとも２つの安全弁を介して排出路に結合し、その一方の安全弁は熱的開放安全弁（５または８）であり、他方の安全弁は所定の圧力閾値を超えると自動的に開口する圧力閾値弁（６）である請求項４に記載の車両。
6. 熱的開放弁が車両の床の下に取り付けられ、排出オリフィスが車両の床と反対側の表面に到る請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両。
7. 車両が燃料電池を有し、タンクが気体水素を貯蔵する請求項１〜６のいずれか一項に記載の車両。

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