JP7302164B2

JP7302164B2 - 高圧タンク

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Publication number: JP7302164B2
Application number: JP2018220852A
Authority: JP
Inventors: 豊沢田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: JP2020085137A

Description

本発明は、高圧タンクに関する。

従来から、高圧タンクの安全装置の一つとして、熱作動式安全弁（以下、「ＴＰＲＤ」とも呼ぶ）が知られている。このようなＴＰＲＤでは、高圧タンクの近傍で火災などが発生して異常な温度上昇を検知すると、高圧タンクを開弁して容器内のガスを外部に放出する。例えば、特許文献１記載のタンクでは、ＴＰＲＤとは別体の熱収縮部材をタンクの長手方向に沿って設けることで、火災等の異常時に熱収縮部材を収縮させてＴＰＲＤを動作させ、タンク内部のガスを外部に放出させる。

特開２０１６－１４８３９８号公報

ＴＰＲＤは、所定の大きさの熱源に対する動作の保証が求められる。このため、特に、タンクを大型化し、あるいは軸方向に長い形態にしようとする場合、タンクに対する熱源の位置によらず、ＴＰＲＤを動作させるための工夫が求められていた。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］
本開示の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、長手方向の幅が１．６５ｍ以上であるタンク本体と、前記タンク本体の外表面上に積層され、難燃性硬質ウレタンを用いた断熱層と、前記断熱層の外表面上に積層され、ポリアセタールを用いた伝熱層と、前記伝熱層の近傍に備えられ、温度上昇に伴って、前記タンク本体の内部の流体を外部へ放出させる流体放出機構と、を備える。

（１）本発明の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、タンク本体と、前記タンク本体の外表面上の断熱層と、前記断熱層の外表面上の伝熱層と、前記伝熱層の近傍に備えられ、温度上昇に伴って、前記タンク本体の内部の流体を外部へ放出させる流体放出機構と、を備える。この形態の高圧タンクによれば、断熱層の外表面上に伝熱層が形成される。したがって、高圧タンク周囲の熱源からの熱や火炎を、断熱層により高圧タンクの内部へ伝播することを抑制しつつ、伝熱層に沿って流体放出機構まで伝播させることができる。流体放出機構が伝熱層の近傍に備えられることにより、伝熱層からの熱や火炎による温度上昇を検知して高圧タンク内の水素ガスを放出することができる。したがって、高圧タンクに対する熱源の位置によらず、外部からの熱や火炎による温度上昇を、伝熱層を介して流体放出機構まで伝播できる。したがって、高圧タンクの大型化や形状の変更によらず、流体放出機構を動作させることができる。
本発明は、高圧タンク以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、高圧タンクの製造方法や高圧タンクの製造装置、その制御装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

実施形態としての高圧タンクを表す説明図。高圧タンクの端部の拡大断面図。熱源に曝された状態の高圧タンクを表す説明図。高圧タンクの熱の伝播を表す説明図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態の高圧タンク１００を表す説明図である。図１には、高圧タンク１００の中心軸ＡＸを境界に、高圧タンク１００の外観と断面図とが模式的に示されている。

本実施形態の高圧タンク１００は、シール材１８と口金１６，１７とを備えたライナ１０の外表面に、補強層３０と、断熱層４０と、伝熱層５０とを被覆して構成される。高圧タンク１００は、例えば１０～７０ＭＰａの高圧な流体（具体的には、水素ガス）を収容し、燃料電池車両に搭載される。

ライナ１０は、流体を密封するための内部空間を有するタンク容器である。本実施形態において、ライナ１０は、長手方向の幅が１．６５ｍ以上となるように、中心軸ＡＸに沿って長尺な形状で構成されている。ライナ１０は、一つの円筒部１２と、中心軸ＡＸに沿って円筒部１２の両端に設けられた二つのドーム部１４とによって構成される。本実施形態において、ライナ１０は、ナイロン製の樹脂で構成されるが、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル等のように水素ガスに対するガスバリア性を有する種々の樹脂や、金属によって構成されてもよい。

口金１６，１７は、ライナ１０の各ドーム部１４の頂上に、ライナ１０の両端から突出するようにして装着される。口金１６は、高圧タンク１００へのガスの充填、あるいは、高圧タンク１００からのガスの放出のために用いられる。口金１７は、封止されており、製造時の芯出し等に用いられる。口金１６，１７は、ライナ１０の長手方向の両端に設けられているが、口金１６だけを一端に設けてもよい。口金１６，１７を装着された状態のライナ１０を、以下、ライナ本体とも呼ぶ。

本実施形態の高圧タンク１００は、流体放出機構８０を備える。流体放出機構８０は、いわゆるＴＰＲＤであり、例えば火災などによる熱を検知した場合に、温度上昇に伴って高圧タンク１００内のガスを大気中に放出する熱作動式の安全装置である。流体放出機構８０は、外部に形成された図示しない雄ねじを、口金１６の内径側に形成された図示しない雌ねじに嵌め合わされることによって、高圧タンク１００に固定されている。

次に、図１とともに図２を用いて、本実施形態の高圧タンク１００の断面構造と流体放出機構８０の機能について説明する。図２は、高圧タンク１００の口金１６側の端部の拡大断面図である。上述したように、本実施形態の高圧タンク１００では、シール材１８を備えたライナ本体の外表面に、補強層３０と、断熱層４０と、伝熱層５０とが積層されている。

シール材１８は、液状ガスケット（ＦＩＰＧ）であり、ライナ本体のガスシール性を高めている。シール材１８は、ライナ１０の外表面と口金１６，１７との境界部１５の周辺を覆うようにしてライナ１０に装着されている。

補強層３０は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって形成される層である。より具体的には、補強層３０は、シール材１８を含むライナ本体上の表面上に、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を含浸したカーボン繊維の束を、フィラメントワインディング方法（以下、「ＦＷ法」とも呼ぶ）により巻き回し、熱硬化させることによって形成される。熱硬化性樹脂には、エポキシ樹脂のほかポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いてもよい。補強層３０に用いられる繊維は、カーボン繊維のほか、ガラス繊維、アラミド繊維等であってもよく、そのほか、複数種類の繊維によるＦＷ法の巻き回しを順次行うことによって、複数の異なる繊維からなる補強層３０を形成してもよい。ライナ本体にシール材１８および補強層３０を形成した状態をタンク本体とも呼ぶ。

断熱層４０は、高圧タンク１００内部の補強層３０やライナ本体への熱や火炎の伝播を抑制させる目的で用いられる。本実施形態において、断熱層４０は、難燃性の材料で構成される層であり、ラミネート成型によって補強層３０の外表面上の全周囲に亘って形成される。断熱層４０に用いられる材料には、プラスチック発泡体としての難燃性硬質ウレタンが用いられる。難燃性硬質ウレタンのほか、膨張黒鉛を添加した樹脂材料やグラスウール等の種々の難燃性材料を用いてよく、無機材料や金属材料からなる不燃材料を用いてもよい。断熱層４０の形成方法は、ラミネート成型のほか、モールド成型やスラブ成型など、用いられる材料に応じて適宜に設定されてよい。

伝熱層５０は、熱伝導性の高い材料で構成され、熱を断熱層４０の表面上に沿って流体放出機構８０に伝播する目的で用いられる層である。伝熱層５０は、断熱層４０の外表面上の全周囲に亘って形成される。本実施形態において、伝熱層５０は、耐熱温度を１００度とするエンジニアリングプラスチックとしてポリアセタールが用いられる。伝熱層５０は、そのほか、断熱層４０に比べて高い火炎伝播性を有する材料であってもよく、プラスチックやスーパーエンジニアプラスチックなどの種々の合成樹脂や、ゴム材料を含むエラストマー材料が用いられてよい。

流体放出機構８０は、供給口８２と、供給路８４と、排出路８６と、排出口８８と、放出路７２と、溶栓弁７０とを有する。供給口８２は、例えば水素ステーションといった外部の水素源と接続される。供給口８２から供給された水素ガスは、供給路８４を介して高圧タンク１００内に充填される。他方、例えば燃料電池に水素ガスを供給する場合に、高圧タンク１００内の水素ガスは、排出路８６を介して排出口８８に導かれる。供給路８４及び排出路８６には、図示しない主止弁や手動弁、逆止弁等が設けられ、これらにより水素の給排が適宜に調整される。本実施形態において、供給路８４には、高圧タンク１００内の水素を高圧タンク１００の外部に放出させるための放出路７２が接続されている。放出路７２の高圧タンク１００外部側の開口には、溶栓弁７０が設けられている。

溶栓弁７０は、流体放出機構８０の表面から突出するように設けられ、伝熱層５０の近傍に配置される弁機構である。溶栓弁７０の一部は、所定の温度（例えば１１０度）を超えると溶解する金属材料（具体的には、鉛と錫との合金）で構成され、この金属材料によって放出路７２が塞がれている。金属材料が融点を超えて溶解すると、放出路７２が外部と連通し、高圧タンク１００内部の高圧な水素ガスは、放出路７２を介して外部へと排出される。金属材料は、鉛と錫との合金のほか、高圧タンク１００内のガスを流出させるために設定される温度に応じた融点の金属材料を適宜に設定してよい。溶栓弁７０は、ガラス管内の液体を熱膨張することによって、所定の温度でガラス管を破裂させて放出路７２を外部と連通させるガラス球式の弁機構を採用してもよい。

次に図３および図４を用いて、高圧タンク１００の周辺で火災が発生した場合のガスの自動放出の機構について説明する。図３は、熱源に曝された状態の高圧タンク１００を表す説明図である。図４は、高圧タンク１００の熱の伝播の状態を表す説明図である。

図３に示したように、例えば、高圧タンク１００を積載した燃料電池車両に火災が発生した場合、高圧タンク１００は熱源としての火炎Ｆｒに曝される。火炎Ｆｒは、まず高圧タンク１００の最外層である伝熱層５０を熱する。伝熱層５０は、上述したように、下層の断熱層４０に比べて熱伝導性の高い材料を採用している。そのため、図４に示したように、火炎Ｆｒから伝達された熱は、断熱層４０の外表面上に沿って、伝熱層５０を介して高圧タンク１００の全域に亘って伝播する。換言すれば、熱源からの熱は、熱源の位置によらず、伝熱層５０を介して高圧タンク１００の全域に亘って伝播する。

上述したように、流体放出機構８０の溶栓弁７０は、流体放出機構８０の表面から突出し、伝熱層５０の近傍に配置される。これにより、伝熱層５０を伝播する熱は、溶栓弁７０の近傍に到達すると、溶栓弁７０を昇温させる。この昇温によって溶栓弁７０の金属材料が溶融され、高圧タンク１００内の水素ガスが外部へ放出される。

以上のように、本実施形態の高圧タンク１００によれば、断熱層４０の外表面上に伝熱層５０が形成される。これにより、高圧タンク１００周囲の熱源からの熱や火炎を、断熱層４０により高圧タンク１００の内部へ伝播することを抑制しつつ、伝熱層５０に沿って流体放出機構８０まで伝播させることができる。流体放出機構８０が伝熱層５０の近傍に備えられることにより、伝熱層５０からの熱や火炎による温度上昇を検知して高圧タンク１００内の水素ガスを放出することができる。したがって、高圧タンク１００に対する熱源の位置によらず、外部からの熱や火炎による温度上昇を、伝熱層５０を介して流体放出機構８０まで伝播できる。高圧タンク１００の大型化や形状の変更によらず、ＴＰＲＤを動作させることができ、高圧タンク１００の破裂や内部の水素ガスの発火といった不具合を回避することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態では、断熱層４０および伝熱層５０は、高圧タンク１００の全域に亘って形成されているが、高圧タンク１００に対して部分的に形成されてもよい。このような態様において、伝熱層５０は、流体放出機構８０の近傍まで形成されていればよく、断熱層４０は、伝熱層５０の領域よりも大きい領域で、伝熱層５０よりも下層側に配置される。この場合において、伝熱層５０は高圧タンク１００のうち熱源に最も近くなると考えられる位置に配置されることが好ましい。

（Ｂ２）上記実施形態では、高圧タンク１００は、水素ガスを収容し、燃料電池車両に搭載されるが、高圧タンク１００は、窒素や酸素、二酸化炭素などの水素ガス以外のガスを収容してもよく、収容するガスの種類に応じて燃料電池車両以外の用途に用いられてもよい。

（Ｂ３）上記実施形態では、溶栓弁７０が備えられる放出路７２は、流体放出機構８０の供給路８４に接続されるが、放出路７２は、排出路８６に接続されてもよく、排出路８６に備えられる放出路７２に溶栓弁７０を備えてもよい。

（Ｂ４）上記実施形態では、流体放出機構８０は、供給路８４と、排出路８６とを個別に備えるが、高圧タンク１００の内外を繋ぐ一つの共通流路によって水素の給排を行える態様でもよい。共通流路には、主止弁や手動弁、逆止弁等が設けられ、これらにより共通流路での水素の給排が適宜に調整される。このような態様において、放出路７２は、共通流路に接続される。

（Ｂ５）上記実施形態では、流体放出機構８０は、高圧タンク１００の一端側の口金１６にのみ備えられるが、他端側の口金１７にも備えてよい。このような態様において、口金１７は高圧タンク１００の内部と連通する流路を設け、この流路は流体放出機構８０を介して外部へと連通し、この連通する流路に溶栓弁７０を備える構造とすればよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…ライナ、１２…円筒部、１４…ドーム部、１５…境界部、１６…口金、１７…口金、１８…シール材、３０…補強層、４０…断熱層、５０…伝熱層、７０…溶栓弁、７２…放出路、８０…流体放出機構、８２…供給口、８４…供給路、８６…排出路、８８…排出口、１００…高圧タンク

Claims

高圧タンクであって、
長手方向の幅が１．６５ｍ以上であるタンク本体と、
前記タンク本体の外表面上に積層され、難燃性硬質ウレタンを用いた断熱層と、
前記断熱層の外表面上に積層され、ポリアセタールを用いた伝熱層と、
前記伝熱層の近傍に備えられ、温度上昇に伴って、前記タンク本体の内部の流体を外部へ放出させる流体放出機構と、を備える、
高圧タンク。