WO2011055652A1

WO2011055652A1 - ガスタンク

Info

Publication number: WO2011055652A1
Application number: PCT/JP2010/068913
Authority: WO
Inventors: 圭判田
Original assignee: 本田技研工業株式会社
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2011-05-12
Also published as: US8919597B2; JP5391281B2; US20120217251A1; EP2497667A1; CN102596620B; CN102596620A; JPWO2011055652A1; EP2497667B1; EP2497667A4

Abstract

内部に充填されるガスの圧力が上昇しにくいガスタンクを提供する。水素が充填される容器本体（１０）と、容器本体（１０）の外表面（１１）に設けられた第１熱発泡性断熱層（２１）と、容器本体１０の外表面１１の一部に仮想的に設けられたベルト取付領域（１６）と、その表面の一部である裏面（３５）がベルト取付領域（１６）に接すると共に、車体（１４１）に固定されることで容器本体（１０）を車体（１４１）に固定するベルト（３１）と、裏面３５以外のベルト（３１）の表面に設けられた第２熱発泡性断熱層（４１）と、を備える水素タンク（１）である。

Description

ガスタンク

　本発明は、ガスタンクに関する。

　近年、燃料電池を搭載し、その電力で走行する燃料電池車の開発が進められている。このような燃料電池車には、燃料電池の他、燃料電池に水素（燃料ガス）を供給する水素タンク（ガスタンク）、空気を供給するコンプレッサ、燃料電池を経由するように冷媒を循環させる冷媒ポンプ、直流電力を交流電力に変換するＰＤＵ（Power Drive Unit）、走行用のモータ、モータの駆動力を駆動輪に伝達するドライブトレイン等も搭載される。
　ここで、コンプレッサ、冷媒ポンプ、ＰＤＵ、ドライブトレイン等の外部機器は、その作動に伴って発熱する。

　また、水素タンクには水素が高圧で充填され、さらに、水素タンクから燃料電池に供給される水素が通流する水素供給流路には、複数の減圧弁（レギュレータ）が設けられる。そして、アクセル開度等に基づいて算出された発電要求量に従って水素の目標圧力を設定し、そして、前記減圧弁の二次側圧力が算出された目標圧力となるように、前記減圧弁を制御している。

　このような水素タンクに充填される水素（ガス）とは異なるが、液体燃料（ガソリン）が貯溜される燃料タンクにて入熱により燃料蒸気が発生し、燃料消費等に影響が及ぶのを抑えるために、放熱構造を取り入れた燃料タンクの構造について提案されている（特開２００１－１３０２７１号公報）。

　しかしながら、燃料電池車は、真夏の高温環境下で走行したり、また、前記したようにコンプレッサ等の外部機器の発熱によって、水素タンクに熱が入力されると、水素が膨張し、水素タンク内の圧力が上昇してしまう。
　このように、水素タンクにおける水素の圧力が上昇してしまうと、前記した減圧弁の一次側圧力も上昇することになり、前記目標圧力よりも高い圧力で、水素が燃料電池に供給される虞がある。そして、このように高い圧力で水素が供給されると、水素が燃料電池で良好に消費されず、そのまま車外に排出され、水素の消費効率（燃費）が低下する虞がある。

　ここで、制御範囲が広いワイドレンジの減圧弁を搭載する方法も考えられるが、このようなワイドレンジの減圧弁は非常に高価であるため、コストを要してしまう。

　そこで、本発明は、内部に充填されるガスの圧力が上昇しにくいガスタンクを提供することを課題とする。

　前記課題を解決するための手段として、本発明は、ガスが充填される容器本体と、前記容器本体の外表面に設けられた第１断熱部と、前記容器本体の外表面の一部に設けられた固定部材取付領域と、その表面の一部である取付面が前記固定部材取付領域に接すると共に、外部に固定されることで前記容器本体を外部に固定する固定部材と、前記取付面以外の前記固定部材の表面に設けられた第２断熱部と、を備えることを特徴とするガスタンクである。

　このようなガスタンクによれば、容器本体の外表面に第１断熱部が設けられているので、ガスタンクの周囲に配置される外部機器（コンプレッサ等）の熱は、第１断熱部で断熱される。
　また、固定部材の表面の一部である取付面が容器本体の固定部材取付領域に接すると共に、固定部材が外部（後記する実施形態では車体）に固定されているので、容器本体は、固定部材を介して、外部に固定される。
　さらに、固定部材の前記取付面以外の表面には、第２断熱部が設けられているので、外部機器の熱は、第２断熱部で断熱される。すなわち、外部機器の熱は、第２断熱部及び固定部材の内部を伝達しにくく、容器本体に入力されにくくなる。

　このようにして、外部機器の熱が、容器本体の外表面に設けられた第１断熱部と、固定部材の取付面以外の表面に設けられた第２断熱部とで断熱されるので、容器本体に充填されたガスの温度は上昇しにくくなる。これにより、ガスは膨張、つまり、体積増加しにくくなり、容器本体内のガスの圧力は上昇しにくくなる。

　また、このような第１断熱部及び第２断熱部は、後記する実施形態で説明するように、前記したワイドレンジの減圧弁に対して低コストで容易に構成できるので、ガスタンクを安価で製造可能となる。

　また、前記したガスタンクにおいて、前記第１断熱部及び前記第２断熱部は、液状又はゲル状の熱発泡性断熱塗料が塗布されることで形成され、温度上昇すると発泡し断熱層となる層であることを特徴とする。

　このようなガスタンクは、液状又はゲル状の熱発泡性断熱塗料を塗布するだけで、第１断熱部及び第２断熱部を容易に構成できる。

　また、前記したガスタンクにおいて、前記第１断熱部は、前記容器本体に液状又はゲル状の熱発泡性断熱塗料が塗布されることで形成され、温度上昇すると発泡し断熱層となる層であり、前記第２断熱部は、前記固定部材に固定された固体物である断熱部材（断熱性を有する断熱部品）から構成されていることを特徴とする。

　このようなガスタンクは、液状又はゲル状の熱発泡性断熱塗料を塗布することにより、第１断熱部を容易に構成し、固体物である断熱部材（断熱性を有する断熱部品）を固定部材に固定することにより、第２断熱部を容易に構成できる。

　また、前記ガスタンクは、燃料電池を備える燃料電池車に搭載され、前記ガスは前記燃料電池に供給される燃料ガスであることを特徴とする。

　このようなガスタンクによれば、容器本体に充填された燃料ガスの圧力が上昇しにくいので、ガスタンクと燃料電池との間に設けられる減圧弁（レギュレータ）の一次側圧力が、温度に伴って大きく変化しにくくなる。
　したがって、減圧弁において、アクセル開度等に基づいて算出された目標圧力となるように制御しやすくなる。よって、燃料ガスが過剰に供給され、燃料電池で消費されずそのまま排出されにくくなり、燃料ガスの消費効率、つまり、燃料電池車の燃費も向上する。

　本発明によれば、内部に充填されるガスの圧力が上昇しにくいガスタンクを提供することができる。そして、本発明の諸側面および効果、並びに、他の効果およびさらなる特徴は、添付の図面を参照して後述する本発明の例示的かつ非制限的な実施の形態の詳細な説明により、一層明らかとなるであろう。

本実施形態に係る燃料電池車の側面図である。本実施形態に係る水素タンクの側面図である。本実施形態に係る水素タンクの側面図であり、ベルトを省略している。本実施形態に係る水素タンクの輪切り方向における断面図（図２のＸ１－Ｘ１線断面図）である。図４に示すＡ部分の拡大図であり、第２熱発泡性断熱層４１の通常時（発泡前）を示している。図４に示すＡ部分の拡大図であり、第２熱発泡性断熱層４１が発泡し、第２断熱層４１Ａが形成された状態を示している。変形例に係り、図４に示すＡ部分の拡大図に対応した図である。変形例に係る水素タンクの輪切り方向における断面図である。

　以下、本発明の一実施形態について、図１～図６を参照して説明する。

≪燃料電池車の構成≫
　本実施形態に係る燃料電池車１００（車両、移動体）は、燃料電池スタック１１０（燃料電池）と、水素タンク１（ガスタンク）と、減圧弁１２１と、コンプレッサ１３１と、希釈器１３２と、を備えている。
　なお、燃料電池車１００の具体的種類には、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車等がある。

　燃料電池スタック１１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１１１（燃料ガス流路）及びカソード流路１１２（酸化剤ガス流路）が形成されている。

　水素タンク１は、アノード流路１１１に供給される水素（燃料ガス）が充填されるタンクである。そして、水素タンク１は、配管１２１ａ、減圧弁１２１（レギュレータ）、配管１２１ｂを介して、アノード流路１１１の入口に接続されており、水素タンク１の水素が、配管１２１ａ等を通って、アノード流路１１１に供給されるようになっている。

　すなわち、配管１２１ａと配管１２１ｂとで水素供給流路（燃料ガス供給流路）が構成されており、この水素供給流路に減圧弁１２１が設けられている。また、水素供給流路には、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）によって開閉制御される常閉型の遮断弁も設けられている。なお、減圧弁及び遮断弁は、例えば、下流に向かって、一次遮断弁、一次減圧弁、二次遮断弁、二次減圧弁のように複数で設けられる。

　減圧弁１２１は、例えば、本願出願人による特開２００４－１８５８３１号公報に記載されるように、配管１２１ｃから入力されるパイロット圧に基づいて、アノード流路１１１における水素の圧力と、カソード流路１１２における空気の圧力とがバランスするように、水素の圧力を下げるものである。なお、配管１２１ｃの上流端は、カソード流路１１２に向かう空気が通流する配管１３１ａに接続されている。

　アノード流路１１１の出口は、配管１２１ｄを介して、希釈器１３２に接続されている。そして、アノード流路１１１から排出されたアノードオフガスは、配管１２１ｄを通って、希釈器１３２に排出されるようになっている。

　コンプレッサ１３１は、配管１３１ａを介して、カソード流路１１２の入口に接続されており、ＥＣＵからの指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込んで圧縮し、これをカソード流路１１２に圧送するようになっている。なお、コンプレッサ１３１は、燃料電池スタック１１０や高圧バッテリ（図示しない）を電源としている。

　また、コンプレッサ１３１は作動すると作動熱を発生する熱源であり、本実施形態では、この作動熱の一部が水素タンク１に伝達する場合を例示する。すなわち、コンプレッサ１３１は、水素タンク１からみて、発熱する外部機器である。なお、このように発熱する外部機器は、コンプレッサ１３１の他、ＥＣＵ、冷媒ポンプ、高圧バッテリ、ＰＤＵ、ドライブトレイン等、種々挙げられる。

　カソード流路１１２の出口は、配管１３２ａを介して、希釈器１３２に接続されている。そして、カソード流路１１２から排出されたカソードオフガスは、配管１３２ａを通って希釈器１３２に排出されるようになっている。
　なお、配管１３２ａには、ＥＣＵによって開度が制御される常開型の背圧弁（図示しない）が設けられている。すなわち、ＥＣＵは、アクセル開度に基づいて、発電要求量、目標空気圧力、目標水素圧力を算出し、目標空気圧力となるように、背圧弁の開度及びコンプレッサ１３１の回転速度を制御するようになっている。

　希釈器１３２は、配管１２１ｄからのアノードオフガス中の水素を、配管１３２ａからのカソードオフガスで希釈し、水素濃度を低減させるものであり、その内部に希釈空間を有している。そして、希釈後のガスは、配管１３２ｂを通って車外に排出されるようになっている。

≪水素タンクの構成≫
　次に、水素タンク１の具体的構造について、図２～図６を参照して説明する。
　図２～図４に示すように、水素タンク１は、略円柱状の外形を有しており、燃料電池車１００に対して横置きで搭載されている（図１参照）。
　水素タンク１は、内部に水素が充填される容器本体１０と、容器本体１０の外表面１１の全体に設けられた第１熱発泡性断熱層２１（第１断熱部）と、容器本体１０を固定するための２本のベルト３１、３１（固定部材）と、各ベルト３１の表面３２（取付面以外の表面）に設けられた第２熱発泡性断熱層４１（第２断熱部）と、を備えている。

＜容器本体＞
　容器本体１０は、アルミニウム合金製のライナ１２と、ライナ１２の外表面に設けられ、ライナ１２を補強するＣＦＲＰ層１３（Carbon Fiber Reinforced Plastic層、炭素繊維強化プラスチック層）と、を備え、ライナ１２の内部が、水素が充填されるタンク室１４となっている。ライナ１２の口金部（図示しない）には、ＥＣＵによって開閉制御されるインタンク電磁弁（一次遮断弁）を内蔵する弁装置１５が螺合されている（図２、図３参照）。

　ＣＦＲＰ層１３は、例えば、熱硬化性樹脂が含浸された長い炭素繊維を、ライナ１２に所定に巻回した後、前記熱硬化性樹脂を硬化させることで得られる。
　ただし、容器本体１０の具体的構造は、このようにライナ１２とＣＦＲＰ層１３との二重構造に限定されず、例えば、合成樹脂製または金属製のライナのみから構成された一重構造のものでもよい。

＜第１熱発泡性断熱層＞
　第１熱発泡性断熱層２１は、例えばポリ燐酸アンモニウム等の発泡剤を成分とする層であり、外部から加熱され温度上昇し、発泡温度に到達するとガスを発生することで発泡し、内部に多数の気泡が形成された第１断熱層（発泡層）を形成する層である。このような第１熱発泡性断熱層２１は、例えばポリ燐酸アンモニウム等の発泡剤を成分とする公知である液状又はゲル状の熱発泡性断熱塗料を、容器本体１０の外表面１１全体に塗布することで容易に形成される。

　第１熱発泡性断熱層２１が発泡する発泡温度は、温度上昇することでガスを発生させる発泡剤を変更することで、適宜に設計変更される。すなわち、第１熱発泡性断熱層２１の発泡温度は、発熱するコンプレッサ１３１等の外部機器の温度に対応して、適宜に設計変更される。

　また、第１熱発泡性断熱層２１は、一層構造に限定されず、発泡温度が異なる多層構造としてもよい。さらに、第１熱発泡性断熱層２１と容器本体１０との間に下塗り層を介在させてもよいし、第１熱発泡性断熱層２１の上に上塗り層を形成してもよい。

＜ベルト＞
　２本のベルト３１は、容器本体１０を燃料電池車１００の車体１４１（外部、周囲部材）に固定するための帯状体であり、本実施形態では、耐久性の高い金属製である。各ベルト３１は、第１熱発泡性断熱層２１の上から容器本体１０に周方向で巻回されると共に、各ベルト３１の両端部３３、３３がボルト３４Ａ及びナット３４Ｂで締結されることで、各ベルト３１は容器本体１０に固定されている。

　すなわち、容器本体１０の外表面１１の一部には、仮想的に、２本のベルト３１、３１が巻回される（取り付けられる）周方向に２本のベルト取付領域１６（固定部材取付領域）が設けられている（図３参照）。そして、各ベルト３１の表面の一部である裏面３５（取付面、図４参照）が、第１熱発泡性断熱層２１を介して、ベルト取付領域１６に、それぞれ接している。よって、ベルト取付領域１６に形成された第１熱発泡性断熱層２１は、径方向において、容器本体１０とベルト３１とで挟まれていることになる。

　この他、ベルト取付領域１６には、第１熱発泡性断熱層２１が形成されず、各ベルト３１の裏面３５が、ベルト取付領域１６に直接的に接する構造でもよい。また、ベルト３１の巻回方向は、容器本体１０の周方向に限定されず、例えば、容器本体１０に対して斜めで巻回してもよいし、横置きされた容器本体１０の長手周囲に沿うように巻回してもよい。

　各ベルト３１の適所には、２つの取付片３６、３６が溶接等により一体に形成されている。各取付片３６は、ボルト３７によって、車体１４１を構成するクロスメンバ１４２に設けられた取付台座１４３とそれぞれ締結されており、容器本体１０は車体１４１に固定されている。

＜第２熱発泡性断熱層＞
　第２熱発泡性断熱層４１、４１は、図５に示すように、各ベルト３１の表面３２にそれぞれ設けられた帯状の層である。各第２熱発泡性断熱層４１は、第１熱発泡性断熱層２１と同様に、外部から加熱され温度上昇するとガスを発生することで発泡し、内部に多数の気泡が形成された第２断熱層４１Ａ（発泡層）を形成する層である（図６参照）。第２熱発泡性断熱層４１の具体的組成、形成方法は、第１熱発泡性断熱層２１と同様であるので、ここでの説明は省略する。

≪水素タンクの作用効果≫
　このような水素タンク１によれば次の作用効果を得る。
　コンプレッサ１３１等の作動熱によって、第１熱発泡性断熱層２１の温度が所定の発泡温度に上昇すると、第１熱発泡性断熱層２１は発泡し、第１断熱層となる。また、第２熱発泡性断熱層４１も所定の発泡温度に上昇すると発泡し、第２断熱層４１Ａとなる（図６参照）。

　すなわち、容器本体１０は、第１断熱層と第２断熱層４１Ａとで覆われた状態となり、コンプレッサ１３１等の作動熱は、第１断熱層と第２断熱層４１Ａとで断熱され、作動熱は容器本体１０に伝達しにくくなり、充填された水素の温度も上昇しにくくなる。
　つまり、ベルト取付領域１６における第１熱発泡性断熱層２１は、ベルト３１と容器本体１０とで挟まれているので、発泡しにくいが、ベルト３１の表面３２に設けられた第２熱発泡性断熱層４１が発泡し、第２断熱層４１Ａを形成するので、作動熱は第２熱発泡性断熱層４１で断熱され、ベルト３１部分を通って容器本体１０に伝熱しない。

　このようにして、充填された水素の温度は上昇しにくく、そして、膨張しにくいので、水素タンク１内の水素の圧力が上昇しにくくなる。したがって、図１に示す減圧弁１２１の一次側圧力が、コンプレッサ１３１の作動熱等の影響を受けて上昇することはない。

　よって、制御範囲が広範囲であるワイドレンジの減圧弁１２１を備える必要はなく、燃料電池車１００を低コストで製造可能となる。そして、減圧弁１２１は、水素を適切な圧力に減圧・調整することができ、水素が適切な圧力でアノード流路１１１に供給され、過剰な水素供給による燃料電池スタック１１０の劣化も防止される。また、水素が燃料電池スタック１１０をそのまま通り抜けることも低減され、燃料電池車１００の燃費、つまり、水素の消費効率は高まる。

　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更できる。

　前記した実施形態では、ベルト３１の表面３２に第２熱発泡性断熱層４１が設けられた構成を例示したが（図５参照）、図７に示すように、ベルト３１の表面３２に、最初から断熱性を有し固体物である断熱部材４２（断熱部品、第２断熱部）が接着剤等によって、貼り付け、つまり、接着固定された構成でもよい。

　なお、このような構成にすれば、第２熱発泡性断熱層４１を形成するための熱発泡性断熱塗料の塗布工程を省略し、この工程よりも簡易な断熱部材４２の接着工程を実行することで、水素タンク１を得ることができる。
　ただし、断熱部材４２の固定方法は、接着剤等による接着固定方法に限定されず、例えば、ボルトで固定する方法でもよい。また、断熱部材４２に爪を形成し、この爪によって断熱部材４２を容器本体１０にスナップフィット結合させる方法でもよい。

　前記した実施形態では、ベルト３１で容器本体１０を車体１４１に固定する構成を例示したが、図８に示すように、台座６１と押さえ治具６５（いずれも固定部材）とで容器本体１０を挟持し、車体１４１に固定する構成でもよい。さらに説明すると、台座６１は、ボルト６２、６２によって、クロスメンバ１４２に固定されており、押さえ治具６５は、ボルト６６、６６よって、車体１４１と一体であるブラケット１４４、１４４に着脱自在に固定されている。

　そして、台座６１の上面には、容器本体１０の外形に対応して下方に凹んだ取付面６３が形成されており、取付面６３は容器本体１０の外周面の下部に仮想的に設定された帯状の台座取付領域３８Ａ（固定部材取付領域）に、第１熱発泡性断熱層２１を介して接している。
　また、押さえ治具６５の下面には、容器本体１０の外形に対応して上方に凹んだ取付面６７が形成されており、取付面６７は容器本体１０の外周面の上部に仮想的に設定された帯状の押さえ治具取付領域３８Ｂ（固定部材取付領域）に、第１熱発泡性断熱層２１を介して接している。

　また、台座６１の取付面６３以外の表面（両側面、両端面、下面等）には熱発泡性断熱塗料が塗布されてなる第２熱発泡性断熱層６４（第２断熱部）が設けられており、押さえ治具６５の取付面６７以外の表面（両側面、両端面、上面等）には、第２熱発泡性断熱層６８が設けられている。
　そして、コンプレッサ１３１の作動熱等によって、所定の発泡温度に上昇すると、第２熱発泡性断熱層６４及び第２熱発泡性断熱層６８は、それぞれ発泡して、断熱層を形成するようになっている。これにより、コンプレッサ１３１の作動熱等は、前記断熱層で良好に断熱され、台座６１又は押さえ治具６５内を伝達することはない。

　前記した実施形態では、水素が充填される構成を例示したが、充填されるガスの種類はその他に例えば、酸素、窒素、天然ガス（メタン）等でもよい。

　前記した実施形態では、容器本体１０の外表面１１に第１熱発泡性断熱層２１（第１断熱部）が設けられた構成としたが、その他に例えば、外表面１１に断熱部材４２（図７参照）と同様の断熱部材と固定し、この断熱部材を第１断熱部としてもよい。

　前記した実施形態では、水素タンク１が燃料電池車１００に搭載された構成を例示したが、水素タンク１の使用箇所はこれに限定されず、例えば、船舶、航空機に搭載される燃料電池システムや、据え置き型の燃料電池システムに組み込まれたものでもよい。
　また、ガスが天然ガスであり、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas）車に搭載されたものでもよいし、ガス燃料を充填して内燃機関や外燃機関に用いられてもよい。

　１　　　水素タンク（ガスタンク）
　１０　　容器本体
　１１　　外表面
　１６　　ベルト取付領域（固定部材取付領域）
　２１　　第１熱発泡性断熱層（第１断熱部）
　３１　　ベルト（固定部材）
　３２　　表面（取付面以外の表面）
　３５　　裏面（取付面）
　３８Ａ　台座取付領域（固定部材取付領域）
　３８Ｂ　押さえ治具取付領域（固定部材取付領域）
　４１　　第２熱発泡性断熱層（第２断熱部）
　４１Ａ　第２断熱層
　４２　　断熱部材（第２断熱部）
　６１　　台座（固定部材）
　６５　　押さえ治具（固定部材）
　１００　燃料電池車
　１１０　燃料電池スタック（燃料電池）
　１４１　車体（外部）

Claims

　ガスが充填される容器本体と、
　前記容器本体の外表面に設けられた第１断熱部と、
　前記容器本体の外表面の一部に設けられた固定部材取付領域と、
　その表面の一部である取付面が前記固定部材取付領域に接すると共に、外部に固定されることで前記容器本体を外部に固定する固定部材と、
　前記取付面以外の前記固定部材の表面に設けられた第２断熱部と、
　を備える
　ことを特徴とするガスタンク。
　前記第１断熱部及び前記第２断熱部は、液状又はゲル状の熱発泡性断熱塗料が塗布されることで形成され、温度上昇すると発泡し断熱層となる層である
　ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のガスタンク。
　前記第１断熱部は、前記容器本体に液状又はゲル状の熱発泡性断熱塗料が塗布されることで形成され、温度上昇すると発泡し断熱層となる層であり、
　前記第２断熱部は、前記固定部材に固定された固体物である断熱部材から構成されている
　ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のガスタンク。
　燃料電池を備える燃料電池車に搭載され、前記ガスは前記燃料電池に供給される燃料ガスである
　ことを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のいずれか１項に記載のガスタンク。