水素タンク
【課題】水素タンクにおけるガス漏れに起因する問題発生を抑え、水素タンクの耐久性を向上させる。
【解決手段】水素タンク１０は、水素を貯蔵するための内部タンク２０と、内部タンク２０の外側を覆うと共に、水素分子をプロトン化する活性を有する金属薄膜から成る触媒金属層２２と、触媒金属層を覆い、絶縁体によって形成される誘電体層２４と、誘電体層２４を覆う外部タンク２６と、外部タンク側２６が正電圧、内部タンク２０側が負電圧となるように電圧を印加して、誘電体層２４に電界を発生させる電界発生部３２と、を備える。
【解決手段】水素タンク１０は、水素を貯蔵するための内部タンク２０と、内部タンク２０の外側を覆うと共に、水素分子をプロトン化する活性を有する金属薄膜から成る触媒金属層２２と、触媒金属層を覆い、絶縁体によって形成される誘電体層２４と、誘電体層２４を覆う外部タンク２６と、外部タンク側２６が正電圧、内部タンク２０側が負電圧となるように電圧を印加して、誘電体層２４に電界を発生させる電界発生部３２と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素を貯蔵するための水素タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
内部にガスを貯蔵するガスタンクでは、貯蔵するガスの圧力に対する充分な強度が要求されると共に、タンクからのガス漏れに対する対策が求められる。このような強度およびガス漏れに対する対策を考慮したタンクの一例として、液化ガスを貯蔵するための内槽とこれを収容する外槽とを備える二重槽構造を有すると共に、内槽と外槽との間に活性炭を充填したタンクが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構成とすることで、内槽に亀裂が入るなどにより内槽からガスが漏れ出した場合にも、漏れ出したガスが活性炭に吸着されることによって外槽に掛かるガス圧の上昇を抑えることができ、二重構造とすることで強度に対する信頼性を向上させることができる。
【０００３】
【特許文献１】実開昭６３−１１５９９４号公報
【特許文献２】実公平７−８４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、内槽と外槽との間に活性炭を充填する構成では、内槽から漏れ出すガス量が増加すると、ガスが漏れ出している位置で局所的に活性炭の吸着能が限界に達して吸着反応がそれ以上進行し難くなり、漏れ出したガスが外槽に達してしまう場合がある。特に、ガスタンク内に水素を貯蔵する場合には、漏れ出した水素が外槽に達することで外槽の劣化（例えば水素脆化）が引き起こされて、ガスタンクの耐久性が低下する可能性がある。また、ガスタンク内に水素を貯蔵する場合には、水素の分子が極めて小さいため、亀裂などの損傷が生じなくても、ガスタンク壁面内を水素が拡散・透過することによって、経時的に内槽からの水素の漏れ出しが生じるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素タンクにおけるガス漏れに起因する問題発生を抑え、水素タンクの耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、水素を貯蔵する水素タンクであって、
水素を貯蔵するための内部タンクと、
前記内部タンクの外側を覆うと共に、水素分子をプロトン化する活性を有する金属薄膜から成る触媒金属層と、
前記触媒金属層を覆い、絶縁体によって形成される誘電体層と、
前記誘電体層を覆う外部タンクと、
前記外部タンク側が正電圧、前記内部タンク側が負電圧となるように電圧を印加して、前記誘電体層に電界を発生させる電界発生部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の水素タンクによれば、内部タンクと外部タンクとの間に、触媒金属層と誘電体層とを配置すると共に、外部タンク側が正電圧、内部タンク側が負電圧となるように誘電体層に電圧を印加するため、内部タンクにおいて水素漏れが生じた場合にも、漏れ出した水素をプロトン化すると共に、生じたプロトンの外部タンクへの到達を抑制することができる。したがって、水素あるいはプロトンと接触することによる外部タンクの劣化を抑え、水素タンク全体の耐久性を向上させることができる。
【０００８】
本発明の水素タンクにおいて、前記誘電体層は、空気よりも誘電率が大きな絶縁体によって形成されることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、誘電体層に対して印加する電圧を抑えつつ、誘電体層においてより強度の強い電界を発生させ、プロトンの外部タンクへの到達を抑制することが可能となる。
【００１０】
本発明の水素タンクにおいて、
前記内部タンクは、導電性材料によって形成され、
前記電界発生部は、前記外部タンクと前記内部タンクとの間に電圧を印加することとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、外部タンクと内部タンクの間に設けた誘電体層全体に、電界を発生させることができる。
【００１２】
本発明の水素タンクにおいて、前記電界発生部は、交流電圧を印加することとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、電界発生部によって誘電体層に電界を発生させる際の消費エネルギを削減することが可能になる。
【００１４】
本発明の水素タンクにおいて、さらに、
前記触媒金属層に接続して設けられ、前記触媒金属層で水素分子がプロトン化する際に生じる電子を前記触媒金属層の外部に導く電子排出部を備えることとしても良い。
【００１５】
このような構成とすれば、電子排出部によって触媒金属層から電子が排出されるため、触媒金属層に電子が滞留してプロトン化反応を抑制することがない。そのため、内部タンクからの水素漏れが起こったときには、支障なくプロトン化反応が起こるため、水素の外部タンクへの到達が抑制される。
【００１６】
このような本発明の水素タンクにおいて、前記電子排出部は、アースであることとしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、抵抗を生じることなく、触媒金属層から電子を排出させることができる。
【００１８】
あるいは、このような本発明の水素タンクにおいて、前記電子排出部は、電力を消費する負荷であることとしても良い。
【００１９】
このような構成とすれば、触媒金属層から排出された電子を利用可能となる。
【００２０】
本発明の水素タンクにおいて、前記誘電体層は、水素および／またはプロトンを吸着する吸着材を備えることとしても良い。
【００２１】
このような構成とすれば、触媒金属層で生じたプロトンを吸着材によって吸着させることで、プロトンの外部タンクへの到達を抑制する効果をより高めることができる。また、触媒金属層で解離反応することなく水素が触媒金属層を通過することがあっても、この水素を誘電体層内で捕捉することができる。これにより、水素あるいはプロトンに起因する外部タンクの劣化を抑え、水素タンクの耐久性を向上させる効果を高めることができる。
【００２２】
本発明の水素タンクにおいて、さらに、
前記外部タンクへのプロトンの到達を検出するプロトン検出部と、
前記プロトン検出部が、前記外部タンクへのプロトンの到達を検出したときに、前記誘電体層に対して印加する電圧が上昇するように前記電界発生部を制御する電界制御部と
を備えることとしても良い。
【００２３】
このような構成とすれば、内部タンクからの水素の漏れ出しが継続して外部タンクへのプロトンの到達が検出されたときには、誘電体層に発生する電界強度が強められる。したがって、内部タンクからの水素の漏れ出しが継続する場合にも、水素あるいはプロトンに起因する外部タンクの劣化を抑制する効果を維持することができる。また、プロトンの外部タンクへの到達が検出された時に印加電圧を上昇させるため、内部タンクからの水素の漏れ出し量が少ないときには印加電圧が抑えられ、電界発生のためのエネルギ消費量を抑えることができる。
【００２４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、水素タンクにおける水素脆化抑制方法や、水素タンクを備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例の水素タンク１０の構成：
Ｂ．誘電体層における反応：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００２６】
Ａ．第１実施例の水素タンク１０の構成：
図１は、本発明の第１実施例の水素タンク１０の概略構成を現わす断面模式図である。本実施例の水素タンク１０は、高圧の水素ガスを貯蔵するためのタンクである。図１に示すように、水素タンク１０は、内部タンク２０と、触媒金属層２２と、誘電体層２４と、外部タンク２６と、コネクタ部２８と、を備えている。このように、本実施例の水素タンク１０は、内部タンク２０および外部タンク２６を備える二重構造とすることで、高圧の水素を貯蔵するタンクとしての機能、すなわち、強度および封じ込め性を確保している。なお、本実施例の水素タンク１０は、燃料電池を駆動用電源として搭載する電気自動車に、燃料電池と共に搭載されており、燃料ガスとして燃料電池に供給するための水素を内部に貯蔵している。
【００２７】
内部タンク２０は、一端に開口部が形成された中空の容器であり、この内部の空間に高圧の水素ガスが充填されて、これを保持する。ここで、内部タンク２０は、内部に充填される水素ガスに応じた強度を有する必要がある。また、内部タンク２０は、水素に直接接触するため、水素脆化し難い材料によって形成することが望ましい。さらに、内部タンク２０に対しては、後述するように誘電体層２４に電界を形成するために負電圧が印加されるため、導電体により形成する必要がある。これらの条件を満たすために、内部タンク２０は、例えば、異種金属同士を冶金的に一体化接合して成るクラッド鋼、あるいはクロム−モリブデン合金等の金属や、カーボン繊維等の導電性樹脂によって形成することができる。
【００２８】
誘電体層２４は、内部タンク２０の外側を覆って設けられ、絶縁体によって形成される層である。誘電体層２４は、例えば、樹脂やセラミックによって形成することができる。このような誘電体層２４を形成するには、例えば誘電体層２４を熱可塑性樹脂によって形成する場合には、上記樹脂をゲル状にして用意し、このゲルを内部タンク表面に塗布することによって、誘電体層２４を形成すれば良い。
【００２９】
触媒金属層２２は、誘電体層２４の内部において、内部タンク２０を覆って配置されており、水素分子がプロトン化する反応を促進する活性を有する金属の薄膜として形成されている。すなわち、本実施例では、誘電体層２４は、内部タンク２０に沿って形成された２つの層から成り、この２層の間に、触媒金属層２２が形成されている。また、触媒金属層２２は、誘電体層２４の内部に配置するのではなく、誘電体層２４と内部タンク２０との間に配置しても良く、内部タンク２０の外側を覆っていれば良い。この場合には、例えば、内部タンク２０上に誘電体層２４を形成するのに先立って、内部タンク２０の外表面を上記触媒金属によってメッキすることにより、触媒金属層２２を形成すればよい。
【００３０】
水素分子がプロトン化する反応を促進する活性を有する触媒金属としては、例えば、パラジウムや白金を挙げることができる。触媒金属層２２を、パラジウム（Ｐａ）のように水素透過性能を有する金属によって形成する場合には、触媒金属層２２は、緻密な薄膜として形成すればよい。このような構成とすれば、内部タンク２０から漏れ出して触媒金属層２２に到達した水素分子は、プロトンに解離すると共に触媒金属層２２内を透過し、外部タンク２６側の誘電体層２４内へと放出される。また、触媒金属層２２を、白金（Ｐｔ）のように水素透過性能の低い、あるいは水素透過性を実質的に有しない金属によって形成する場合には、触媒金属層２２は、多孔質な薄膜として形成すればよい。このような構成とすれば、内部タンク２０から漏れ出して触媒金属層２２に到達した水素分子は、触媒金属層２２に形成された微細孔を介して外部タンク２６側の誘電体層２４へと移動する際に、触媒金属層２２表面においてプロトンと電子とに解離する。
【００３１】
外部タンク２６は、誘電体層２４を覆って配置され、上記内部タンク２０、触媒金属層２２および誘電体層２４を内部に収容する中空の金属製容器であり、内部タンク２０の開口部と重なる位置に、開口部を有している。水素タンク１０では、外部タンク２６の内側に水素ガスを充填するための既述した内部タンク２０が設けられているが、外部タンク２６は、水素タンク１０において水素ガスの封じ込めを最終的に保証するための構造であり、内部タンク２０内に充填される水素ガスのガス圧に応じた強度を有している。ここで、水素は、分子が極めて小さいため、既述した金属や樹脂によって内部タンク２０を構成しても、例えば金属結晶内の拡散や微小な間隙を介した拡散により、長期的には、内部タンク２０からの水素の漏れ出しが進行する。本実施例の水素タンク１０では、タンクをこのような二重構造にすることによって、水素タンク１０外部への水素ガスの漏れ出しを抑制している。内部タンク２０から漏れ出した水素がさらに外部タンク２６の壁面内を拡散することによる水素の漏れ出しを抑制する効果や、外部タンク２６としての強度を考慮すると、外部タンク２６は、金属製とすることが望ましい。特に、水素タンク１０全体の軽量化のためには、軽量性と強度とを両立するチタンやジェラルミンによって外部タンク２６を形成することが望ましい。外部タンク２６は、例えば、その形状を半分ずつ２つの部材として予め成形し、誘電体層２４および触媒金属層２２を形成した内部タンク２０を内部に収納した上で、上記２つの部材を溶接などにより接合することにより作製すればよい。
【００３２】
コネクタ部２８は、内部タンク２０および外部タンク２６の既述した開口部に嵌め込まれて、内部タンク２０および外部タンク２６を密閉するための部材であり、例えば、ステンレス鋼等の金属によって形成することができる。なお、コネクタ部２８は、内部タンク２０および外部タンク２６の開口部に対して、図示しない絶縁性部材を介して嵌め込まれており、水素タンク１０の内部でコネクタ部２８を介した短絡が生じることはない。
【００３３】
また、水素タンク１０においては、触媒金属層２２に接続してアース３０が設けられている。このアース３０は、コネクタ部２８を介して触媒金属層２２に接続している。触媒金属層２２において後述するように電子が発生すると、発生した電子はアース３０によって触媒金属層２２から排出される。
【００３４】
さらに、水素タンク１０には、内部タンク２０と外部タンク２６との間に電圧を印加する電界発生部３２が設けられている。電界発生部３２が電圧を印加することによって、誘電体層２４では、外部タンク２６側が正電圧（高電位）、内部タンク２０側が負電圧（低電位）となるように、電界が発生する。
【００３５】
Ｂ．誘電体層における反応：
図２は、図１に示すＡ領域を拡大して、誘電体層２４において進行する反応の様子を模式的に表わす説明図である。水素タンク１０において、内部タンク２０から水素が漏れ出すと、漏れ出した水素は、内部タンク２０を覆って形成された触媒金属層２２に至る。この触媒金属層２２において、水素分子からプロトンと電子とが生じる。なお、内部タンク２０内に貯蔵される水素ガスは、圧力が１５０〜３５０ａｔｍ程度であって温度が７０〜８０℃程度となっている。また、水素分子が内部タンク２０の壁面を透過して漏れ出す際にはさらに水素分子が発熱する。そのため、触媒金属層２２に到達する水素分子は、８０℃程度に昇温している。このように昇温した水素が到達することにより、触媒金属層２２は充分な触媒活性を示し、触媒金属層２２では、水素分子が滞ることなく、水素からプロトンを生じる反応が充分な速度で進行する。
【００３６】
触媒金属層２２上で生じたプロトンは、誘電体層２４内を浮遊することになる。このとき、誘電体層２４には、既述したように、外部タンク２６側が正電圧、内部タンク２０側が負電圧となるように、電界発生部３２によって電圧が印加されている。このように電圧が印加されると、正電圧が印加されている外部タンク２６と、プラスに帯電しているプロトンとの間では、反発力が生じる。このような反発力によって、内部タンク２０から漏れ出した水素から生じたプロトンの、外部タンク２６への到達が抑制される。
【００３７】
また、本実施例の水素タンク１０では、触媒金属層２２に接続してアース３０が設けられているため、このアース３０によって電子が水素タンク１０の外部に導かれる。すなわち、触媒金属層２２で水素がプロトンと電子とに解離し、生じたプロトンが誘電体層２４内に放出されて誘電体層２４内を浮遊する際に、触媒金属層２２に残った電子が、アース３０によって水素タンク１０の外部へと排出される。したがって、触媒金属層２２に電子が蓄積して、新たに水素がプロトンと電子とに解離する反応が抑制されることがなく、内部タンク２０からの水素の漏れ出しが継続する場合にも、触媒金属層２２における水素のプロトン及び電子への解離反応が、支障なく継続される。
【００３８】
以上のように構成された本実施例の水素タンク１０によれば、内部タンク２０と外部タンク２６との間に、触媒金属層２２と誘電体層２４とを配置すると共に、外部タンク２６側が正電圧、内部タンク２０側が負電圧となるように誘電体層２４に電圧を印加する電界発生部３２を備えるため、内部タンク２０において水素漏れが生じた場合にも、漏れ出した水素をプロトン化すると共に、生じたプロトンの外部タンク２６への到達を抑制することができる。したがって、水素あるいはプロトンと接触することによる外部タンク２６の水素脆化を抑え、水素タンク１０全体の耐久性を向上させることができる。特に、外部タンク２６を、軽量性および強度に優れたチタンやジェラルミンによって形成する場合には、外部タンク２６は水素脆化の影響を受け易くなるが、触媒金属層２２、誘電体層２４および電界発生部３２を設けることにより、外部タンク２６の構成材料として上記優れた特性を有する金属を用いつつ、水素タンクの耐久性の向上を図ることができる。
【００３９】
なお、本実施例の誘電体層２４において、さらに、水素および／またはプロトンを吸着する吸着材を備えさせることとしても良い。誘電体層２４が吸着材を備えるならば、触媒金属層２２で生じたプロトンを吸着材によって吸着させることで、プロトンの外部タンク２６への到達を抑制する効果をより高めることができる。また、触媒金属層２２で解離反応することなく水素が触媒金属層２２を通過することがあっても、この水素を誘電体層２４内で捕捉することができる。これにより、外部タンク２６の水素脆化を抑え、水素タンク１０の耐久性を向上させる効果を高めることができる。このような吸着材としては、例えば、活性炭を用いることができる。誘電体層２４を、樹脂やセラミックスによって形成する場合には、このような誘電体層２４を構成する材料に予め活性炭などの吸着材を混合した上で、誘電体層２４を形成すればよい。このとき、吸着材として導電性材料を用いる場合には、吸着材によって内部タンク２０と外部タンク２６との間が短絡することの無いように、吸着材を誘電体層２４内で充分に分散させておけば良い。あるいは、吸着材の他の配置方法として、誘電体層２４の内部に、吸着材から成ると共に内部タンク２０に沿った形状の層を形成しても良い。
【００４０】
また、本実施例では、アース３０を、触媒金属層２２から電子を外部に導く電子排出部として設け、触媒金属層２２における水素の解離反応を促進しているが、このように触媒金属層２２から電子を外部に導く電子排出部は、アース以外によって構成しても良い。例えば、触媒金属層２２に、電子排出部として電力を消費可能な負荷を接続しても良い。ただし、負荷を電子排出部として用いる場合には、このような負荷は抵抗として働き、電子の流れが抑制されてしまうため、抵抗を生じないという意味では、電子排出部はアースとすることが望ましい。なお、触媒金属層２２から電子を外部に導く電子排出部は必須の構成要素ではなく、電子排出部が無くても、内部タンク２０と外部タンク２６との間に印加する電圧を上げれば、プロトンの外部タンク２６への到達を抑制する効果を高く維持することができる
【００４１】
Ｃ．第２実施例：
図３は、第２実施例の水素タンク１１０の概略構成を現わす断面模式図である。第２実施例の水素タンク１１０において、第１実施例の水素タンク１０と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
【００４２】
水素タンク１１０は、水素タンク１０と同様に、内部タンク２０、誘電体層２４、触媒金属層２２、外部タンク２６、および、触媒金属層２２に接続するアース３０を備えている。また、水素タンク１１０は、さらに、電界発生部３２に代えて電界発生部１３２を備えると共に、さらに、外部タンク２６における電位変化を検出する電位検出部１３４と、電界発生部１３２が印加する電圧を調節する制御部１３８とを備えている。
【００４３】
電位検出部１３４は、プラスに帯電したプロトンが１個から数個の単位で外部タンク２６に到達したときに、このプロトンの到達を、外部タンク２６における電位変化として検出することができる微弱電圧計によって構成されている。あるいは、プロトン到達時には、その到達したミクロな場所では一時的に電流が流れた状態になるため、電位検出部１３４を、微弱電流計によって構成しても良い。この微弱電流計としては、例えば、ＥＣＧ（Electro cardiogram）心電測定器と同様の測定器を用いることができる。このような微弱電圧計や微弱電流計を用いる場合には、外部タンク２６にプローブを接触させておけば、電圧値や電流値の波形のリップルとして、プロトン到達を検出することができる。あるいは、電位検出部１３４として機能する電圧計や電流計の代わりに、例えばシンチレーションカウンタやＧＭ（ガイガーミューラーカウンタ）を用いて、電荷を持った粒子であるプロトンの到達そのものを検出しても良く、外部タンク２６へのプロトンの到達を検出可能なプロトン検出部であればよい。
【００４４】
電界発生部１３２は、印加電圧の大きさを調節可能な交流電源１３５と、交流電源１３５によって印加される一次電圧を、交流電圧である２次電圧へと降圧させるトランス１３６と、トランス１３６によって降圧された交流電圧を直流電圧へと変換する整流回路１３７と、を備える。
【００４５】
制御部１３８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート等を備えている。この制御部１３８は、電位検出部１３４からの検出信号を取得し、電位検出部１３４においてプロトンの到達を示すリップルが検出されると、電界発生部１３２に対して駆動信号を出力して、交流電源１３５によって印加される一次電圧を上昇させ、電界発生部１３２による印加電圧がより大きくなるように制御する。
【００４６】
第２実施例の水素タンク１１０では、第１実施例の水素タンク１０と同様に、内部タンク２０から水素が漏れ出したときには、この水素は触媒金属層２２においてプロトン化し、生じたプロトンは、誘電体層２４に発生する電界によって、外部タンク２６への到達が抑制される。このとき、内部タンク２０からの水素の漏れ出しが継続し、触媒金属層２２で生じるプロトン量が増えるときには、生じたプロトンの一部が外部タンク２６に到達するようになる。第２実施例では、このように水素漏れ出し量が増加してプロトンの外部タンク２６への到達が電位検出部１３４によって検出されると、制御部１３８が電界発生部１３２による印加電圧を上昇させる。そのため、誘電体層２４に発生する電界強度が強まり、外部タンク２６側へと拡散しようとするプロトンを押し戻す力が強まる。
【００４７】
以上のように構成された第２実施例の水素タンク１１０によれば、第１実施例の水素タンク１０と同様の効果を奏すると共に、さらに、内部タンク２０からの水素の漏れ出しが継続する場合にも、外部タンク２６へのプロトン到達の抑制を維持できるという効果を奏する。このとき、外部タンク２６へのプロトンの到達を示すリップルが検出される度に印加電圧を上昇させるならば、内部タンク２０から漏れ出した水素に起因するプロトンが外部タンク２６に到達しない程度に、誘電体層２４に発生する電界強度を強く維持することができる。また、第２実施例の水素タンク１１０によれば、プロトンの外部タンク２６への到達が検出される時に印加電圧を上昇させているため、内部タンク２０からの水素の漏れ出し量が少ないときには印加電圧が抑えられ、電圧印加のためのエネルギ消費量を抑えることができる。
【００４８】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４９】
Ｄ１．変形例１：
第１実施例の水素タンク１０が備える電界発生部３２、および、第２実施例の水素タンク１１０が備える電界発生部１３２は、内部タンク２０と外部タンク２６との間に直流電圧を印加しているが、交流電圧を印加しても良い。交流電圧を印加する場合には、直流電圧を印加する場合に比べて、電圧印加のための消費電力を削減することが可能となる。
【００５０】
Ｄ２．変形例２：
第１および第２実施例では、誘電体層２４は、樹脂やセラミックなどの材料によって形成しているが、紙、あるいはオイルを含浸させた紙など、異なる絶縁性材料によって形成しても良い。ただし、誘電体層２４は、誘電率がより高い物質によって形成した方が、誘電体層２４に発生する電界の強度がより強くなるため、プロトンの外部タンク２６への到達を抑制する効果を高めることができて望ましい。例えば、内部タンク２０と外部タンク２６との間の空間を、空気が満たされた空間として、誘電体層２４を形成することも可能であるが、誘電体層２４に印加する電圧を抑えつつ、外部タンク２６へのプロトン到達を抑制する効果を充分に得るためには、誘電体層２４を構成する材料は、空気よりも誘電率が高いことが望ましい。
【００５１】
ここで、誘電体層２４を、誘電率がより高い絶縁体によって形成すれば、電界発生部１３２における消費エネルギを抑えつつ、誘電体層２４においてより大きな電界を発生させ、外部タンク２６側へと拡散しようとするプロトンを押し戻す力を発生させることができる。また、誘電体層２４を構成する絶縁体の誘電率が比較的低い場合であっても、電界発生部による印加電圧をより高くすれば、誘電体層２４に発生する電界をより大きくして、外部タンク２６へのプロトン到達を抑制する効果を確保することができる。
【００５２】
Ｄ３．変形例３：
第１および第２実施例では、電界発生部によって、内部タンク２０と外部タンク２６との間に電圧を印加しているが、異なる構成としても良い。例えば、内部タンク２０を絶縁性材料によって形成する場合であっても、触媒金属層２２と外部タンク２６との間に同様に電圧を印加することができる。内部タンク２０および外部タンク２６に沿って設けられた層であって、触媒金属層２２と外部タンク２６との間に設けられた誘電体層２４の少なくとも一部に対して、外部タンク２６側が高電位となるように電圧を印加可能であればよい。
【００５３】
Ｄ４．変形例４：
第１および第２実施例では、外部タンク２６は金属によって形成されているが、異なる材料によって外部タンク２６を形成しても良い。例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によって外部タンクを形成することができる。このような水素タンクは、例えば、実施例と同様に内部タンクの外側に触媒金属層２２および誘電体層２４を形成し、その後、誘電体層２４の外側に、エポキシ樹脂などを含浸させた炭素繊維を巻き付け、含浸させた樹脂を硬化させて外部タンクとすることにより形成すれば良い。金属以外の材料によって外部タンク２６を形成する場合であっても、本願構成を適用することにより、水素あるいはプロトンに起因する外部タンク２６の劣化を抑制する同様の効果が得られる。
【００５４】
Ｄ５．変形例５：
第１および第２実施例では、水素タンクは、高圧の水素ガスを貯蔵するタンクとしたが、異なる構成としても良い。例えば、内部タンク２０内に、水素吸蔵合金をさらに備え、気体の状態で貯蔵する他、水素吸蔵合金中に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。あるいは、水素タンクを、液体水素を貯蔵するタンクとしても良い。内部タンクと外部タンクとを備え、水素を貯蔵する内部タンク２０から気体の水素が漏れ出す可能性のある水素タンクであれば、本発明を適用することにより、水素あるいはプロトンに起因する外部タンクの劣化を抑えて水素タンクの耐久性を向上させる同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１実施例の水素タンク１０の概略構成を現わす断面模式図である。
【図２】誘電体層２４において進行する反応の様子を模式的に表わす説明図である。
【図３】第２実施例の水素タンク１１０の概略構成を現わす断面模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０，１１０…水素タンク
２０…内部タンク
２２…触媒金属層
２４…誘電体層
２６…外部タンク
２８…コネクタ部
３０…アース
３２，１３２…電界発生部
１３４…電位検出部
１３５…交流電源
１３６…トランス
１３７…整流回路
１３８…制御部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素を貯蔵するための水素タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
内部にガスを貯蔵するガスタンクでは、貯蔵するガスの圧力に対する充分な強度が要求されると共に、タンクからのガス漏れに対する対策が求められる。このような強度およびガス漏れに対する対策を考慮したタンクの一例として、液化ガスを貯蔵するための内槽とこれを収容する外槽とを備える二重槽構造を有すると共に、内槽と外槽との間に活性炭を充填したタンクが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構成とすることで、内槽に亀裂が入るなどにより内槽からガスが漏れ出した場合にも、漏れ出したガスが活性炭に吸着されることによって外槽に掛かるガス圧の上昇を抑えることができ、二重構造とすることで強度に対する信頼性を向上させることができる。
【０００３】
【特許文献１】実開昭６３−１１５９９４号公報
【特許文献２】実公平７−８４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、内槽と外槽との間に活性炭を充填する構成では、内槽から漏れ出すガス量が増加すると、ガスが漏れ出している位置で局所的に活性炭の吸着能が限界に達して吸着反応がそれ以上進行し難くなり、漏れ出したガスが外槽に達してしまう場合がある。特に、ガスタンク内に水素を貯蔵する場合には、漏れ出した水素が外槽に達することで外槽の劣化（例えば水素脆化）が引き起こされて、ガスタンクの耐久性が低下する可能性がある。また、ガスタンク内に水素を貯蔵する場合には、水素の分子が極めて小さいため、亀裂などの損傷が生じなくても、ガスタンク壁面内を水素が拡散・透過することによって、経時的に内槽からの水素の漏れ出しが生じるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素タンクにおけるガス漏れに起因する問題発生を抑え、水素タンクの耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、水素を貯蔵する水素タンクであって、
水素を貯蔵するための内部タンクと、
前記内部タンクの外側を覆うと共に、水素分子をプロトン化する活性を有する金属薄膜から成る触媒金属層と、
前記触媒金属層を覆い、絶縁体によって形成される誘電体層と、
前記誘電体層を覆う外部タンクと、
前記外部タンク側が正電圧、前記内部タンク側が負電圧となるように電圧を印加して、前記誘電体層に電界を発生させる電界発生部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の水素タンクによれば、内部タンクと外部タンクとの間に、触媒金属層と誘電体層とを配置すると共に、外部タンク側が正電圧、内部タンク側が負電圧となるように誘電体層に電圧を印加するため、内部タンクにおいて水素漏れが生じた場合にも、漏れ出した水素をプロトン化すると共に、生じたプロトンの外部タンクへの到達を抑制することができる。したがって、水素あるいはプロトンと接触することによる外部タンクの劣化を抑え、水素タンク全体の耐久性を向上させることができる。
【０００８】
本発明の水素タンクにおいて、前記誘電体層は、空気よりも誘電率が大きな絶縁体によって形成されることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、誘電体層に対して印加する電圧を抑えつつ、誘電体層においてより強度の強い電界を発生させ、プロトンの外部タンクへの到達を抑制することが可能となる。
【００１０】
本発明の水素タンクにおいて、
前記内部タンクは、導電性材料によって形成され、
前記電界発生部は、前記外部タンクと前記内部タンクとの間に電圧を印加することとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、外部タンクと内部タンクの間に設けた誘電体層全体に、電界を発生させることができる。
【００１２】
本発明の水素タンクにおいて、前記電界発生部は、交流電圧を印加することとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、電界発生部によって誘電体層に電界を発生させる際の消費エネルギを削減することが可能になる。
【００１４】
本発明の水素タンクにおいて、さらに、
前記触媒金属層に接続して設けられ、前記触媒金属層で水素分子がプロトン化する際に生じる電子を前記触媒金属層の外部に導く電子排出部を備えることとしても良い。
【００１５】
このような構成とすれば、電子排出部によって触媒金属層から電子が排出されるため、触媒金属層に電子が滞留してプロトン化反応を抑制することがない。そのため、内部タンクからの水素漏れが起こったときには、支障なくプロトン化反応が起こるため、水素の外部タンクへの到達が抑制される。
【００１６】
このような本発明の水素タンクにおいて、前記電子排出部は、アースであることとしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、抵抗を生じることなく、触媒金属層から電子を排出させることができる。
【００１８】
あるいは、このような本発明の水素タンクにおいて、前記電子排出部は、電力を消費する負荷であることとしても良い。
【００１９】
このような構成とすれば、触媒金属層から排出された電子を利用可能となる。
【００２０】
本発明の水素タンクにおいて、前記誘電体層は、水素および／またはプロトンを吸着する吸着材を備えることとしても良い。
【００２１】
このような構成とすれば、触媒金属層で生じたプロトンを吸着材によって吸着させることで、プロトンの外部タンクへの到達を抑制する効果をより高めることができる。また、触媒金属層で解離反応することなく水素が触媒金属層を通過することがあっても、この水素を誘電体層内で捕捉することができる。これにより、水素あるいはプロトンに起因する外部タンクの劣化を抑え、水素タンクの耐久性を向上させる効果を高めることができる。
【００２２】
本発明の水素タンクにおいて、さらに、
前記外部タンクへのプロトンの到達を検出するプロトン検出部と、
前記プロトン検出部が、前記外部タンクへのプロトンの到達を検出したときに、前記誘電体層に対して印加する電圧が上昇するように前記電界発生部を制御する電界制御部と
を備えることとしても良い。
【００２３】
このような構成とすれば、内部タンクからの水素の漏れ出しが継続して外部タンクへのプロトンの到達が検出されたときには、誘電体層に発生する電界強度が強められる。したがって、内部タンクからの水素の漏れ出しが継続する場合にも、水素あるいはプロトンに起因する外部タンクの劣化を抑制する効果を維持することができる。また、プロトンの外部タンクへの到達が検出された時に印加電圧を上昇させるため、内部タンクからの水素の漏れ出し量が少ないときには印加電圧が抑えられ、電界発生のためのエネルギ消費量を抑えることができる。
【００２４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、水素タンクにおける水素脆化抑制方法や、水素タンクを備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例の水素タンク１０の構成：
Ｂ．誘電体層における反応：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００２６】
Ａ．第１実施例の水素タンク１０の構成：
図１は、本発明の第１実施例の水素タンク１０の概略構成を現わす断面模式図である。本実施例の水素タンク１０は、高圧の水素ガスを貯蔵するためのタンクである。図１に示すように、水素タンク１０は、内部タンク２０と、触媒金属層２２と、誘電体層２４と、外部タンク２６と、コネクタ部２８と、を備えている。このように、本実施例の水素タンク１０は、内部タンク２０および外部タンク２６を備える二重構造とすることで、高圧の水素を貯蔵するタンクとしての機能、すなわち、強度および封じ込め性を確保している。なお、本実施例の水素タンク１０は、燃料電池を駆動用電源として搭載する電気自動車に、燃料電池と共に搭載されており、燃料ガスとして燃料電池に供給するための水素を内部に貯蔵している。
【００２７】
内部タンク２０は、一端に開口部が形成された中空の容器であり、この内部の空間に高圧の水素ガスが充填されて、これを保持する。ここで、内部タンク２０は、内部に充填される水素ガスに応じた強度を有する必要がある。また、内部タンク２０は、水素に直接接触するため、水素脆化し難い材料によって形成することが望ましい。さらに、内部タンク２０に対しては、後述するように誘電体層２４に電界を形成するために負電圧が印加されるため、導電体により形成する必要がある。これらの条件を満たすために、内部タンク２０は、例えば、異種金属同士を冶金的に一体化接合して成るクラッド鋼、あるいはクロム−モリブデン合金等の金属や、カーボン繊維等の導電性樹脂によって形成することができる。
【００２８】
誘電体層２４は、内部タンク２０の外側を覆って設けられ、絶縁体によって形成される層である。誘電体層２４は、例えば、樹脂やセラミックによって形成することができる。このような誘電体層２４を形成するには、例えば誘電体層２４を熱可塑性樹脂によって形成する場合には、上記樹脂をゲル状にして用意し、このゲルを内部タンク表面に塗布することによって、誘電体層２４を形成すれば良い。
【００２９】
触媒金属層２２は、誘電体層２４の内部において、内部タンク２０を覆って配置されており、水素分子がプロトン化する反応を促進する活性を有する金属の薄膜として形成されている。すなわち、本実施例では、誘電体層２４は、内部タンク２０に沿って形成された２つの層から成り、この２層の間に、触媒金属層２２が形成されている。また、触媒金属層２２は、誘電体層２４の内部に配置するのではなく、誘電体層２４と内部タンク２０との間に配置しても良く、内部タンク２０の外側を覆っていれば良い。この場合には、例えば、内部タンク２０上に誘電体層２４を形成するのに先立って、内部タンク２０の外表面を上記触媒金属によってメッキすることにより、触媒金属層２２を形成すればよい。
【００３０】
水素分子がプロトン化する反応を促進する活性を有する触媒金属としては、例えば、パラジウムや白金を挙げることができる。触媒金属層２２を、パラジウム（Ｐａ）のように水素透過性能を有する金属によって形成する場合には、触媒金属層２２は、緻密な薄膜として形成すればよい。このような構成とすれば、内部タンク２０から漏れ出して触媒金属層２２に到達した水素分子は、プロトンに解離すると共に触媒金属層２２内を透過し、外部タンク２６側の誘電体層２４内へと放出される。また、触媒金属層２２を、白金（Ｐｔ）のように水素透過性能の低い、あるいは水素透過性を実質的に有しない金属によって形成する場合には、触媒金属層２２は、多孔質な薄膜として形成すればよい。このような構成とすれば、内部タンク２０から漏れ出して触媒金属層２２に到達した水素分子は、触媒金属層２２に形成された微細孔を介して外部タンク２６側の誘電体層２４へと移動する際に、触媒金属層２２表面においてプロトンと電子とに解離する。
【００３１】
外部タンク２６は、誘電体層２４を覆って配置され、上記内部タンク２０、触媒金属層２２および誘電体層２４を内部に収容する中空の金属製容器であり、内部タンク２０の開口部と重なる位置に、開口部を有している。水素タンク１０では、外部タンク２６の内側に水素ガスを充填するための既述した内部タンク２０が設けられているが、外部タンク２６は、水素タンク１０において水素ガスの封じ込めを最終的に保証するための構造であり、内部タンク２０内に充填される水素ガスのガス圧に応じた強度を有している。ここで、水素は、分子が極めて小さいため、既述した金属や樹脂によって内部タンク２０を構成しても、例えば金属結晶内の拡散や微小な間隙を介した拡散により、長期的には、内部タンク２０からの水素の漏れ出しが進行する。本実施例の水素タンク１０では、タンクをこのような二重構造にすることによって、水素タンク１０外部への水素ガスの漏れ出しを抑制している。内部タンク２０から漏れ出した水素がさらに外部タンク２６の壁面内を拡散することによる水素の漏れ出しを抑制する効果や、外部タンク２６としての強度を考慮すると、外部タンク２６は、金属製とすることが望ましい。特に、水素タンク１０全体の軽量化のためには、軽量性と強度とを両立するチタンやジェラルミンによって外部タンク２６を形成することが望ましい。外部タンク２６は、例えば、その形状を半分ずつ２つの部材として予め成形し、誘電体層２４および触媒金属層２２を形成した内部タンク２０を内部に収納した上で、上記２つの部材を溶接などにより接合することにより作製すればよい。
【００３２】
コネクタ部２８は、内部タンク２０および外部タンク２６の既述した開口部に嵌め込まれて、内部タンク２０および外部タンク２６を密閉するための部材であり、例えば、ステンレス鋼等の金属によって形成することができる。なお、コネクタ部２８は、内部タンク２０および外部タンク２６の開口部に対して、図示しない絶縁性部材を介して嵌め込まれており、水素タンク１０の内部でコネクタ部２８を介した短絡が生じることはない。
【００３３】
また、水素タンク１０においては、触媒金属層２２に接続してアース３０が設けられている。このアース３０は、コネクタ部２８を介して触媒金属層２２に接続している。触媒金属層２２において後述するように電子が発生すると、発生した電子はアース３０によって触媒金属層２２から排出される。
【００３４】
さらに、水素タンク１０には、内部タンク２０と外部タンク２６との間に電圧を印加する電界発生部３２が設けられている。電界発生部３２が電圧を印加することによって、誘電体層２４では、外部タンク２６側が正電圧（高電位）、内部タンク２０側が負電圧（低電位）となるように、電界が発生する。
【００３５】
Ｂ．誘電体層における反応：
図２は、図１に示すＡ領域を拡大して、誘電体層２４において進行する反応の様子を模式的に表わす説明図である。水素タンク１０において、内部タンク２０から水素が漏れ出すと、漏れ出した水素は、内部タンク２０を覆って形成された触媒金属層２２に至る。この触媒金属層２２において、水素分子からプロトンと電子とが生じる。なお、内部タンク２０内に貯蔵される水素ガスは、圧力が１５０〜３５０ａｔｍ程度であって温度が７０〜８０℃程度となっている。また、水素分子が内部タンク２０の壁面を透過して漏れ出す際にはさらに水素分子が発熱する。そのため、触媒金属層２２に到達する水素分子は、８０℃程度に昇温している。このように昇温した水素が到達することにより、触媒金属層２２は充分な触媒活性を示し、触媒金属層２２では、水素分子が滞ることなく、水素からプロトンを生じる反応が充分な速度で進行する。
【００３６】
触媒金属層２２上で生じたプロトンは、誘電体層２４内を浮遊することになる。このとき、誘電体層２４には、既述したように、外部タンク２６側が正電圧、内部タンク２０側が負電圧となるように、電界発生部３２によって電圧が印加されている。このように電圧が印加されると、正電圧が印加されている外部タンク２６と、プラスに帯電しているプロトンとの間では、反発力が生じる。このような反発力によって、内部タンク２０から漏れ出した水素から生じたプロトンの、外部タンク２６への到達が抑制される。
【００３７】
また、本実施例の水素タンク１０では、触媒金属層２２に接続してアース３０が設けられているため、このアース３０によって電子が水素タンク１０の外部に導かれる。すなわち、触媒金属層２２で水素がプロトンと電子とに解離し、生じたプロトンが誘電体層２４内に放出されて誘電体層２４内を浮遊する際に、触媒金属層２２に残った電子が、アース３０によって水素タンク１０の外部へと排出される。したがって、触媒金属層２２に電子が蓄積して、新たに水素がプロトンと電子とに解離する反応が抑制されることがなく、内部タンク２０からの水素の漏れ出しが継続する場合にも、触媒金属層２２における水素のプロトン及び電子への解離反応が、支障なく継続される。
【００３８】
以上のように構成された本実施例の水素タンク１０によれば、内部タンク２０と外部タンク２６との間に、触媒金属層２２と誘電体層２４とを配置すると共に、外部タンク２６側が正電圧、内部タンク２０側が負電圧となるように誘電体層２４に電圧を印加する電界発生部３２を備えるため、内部タンク２０において水素漏れが生じた場合にも、漏れ出した水素をプロトン化すると共に、生じたプロトンの外部タンク２６への到達を抑制することができる。したがって、水素あるいはプロトンと接触することによる外部タンク２６の水素脆化を抑え、水素タンク１０全体の耐久性を向上させることができる。特に、外部タンク２６を、軽量性および強度に優れたチタンやジェラルミンによって形成する場合には、外部タンク２６は水素脆化の影響を受け易くなるが、触媒金属層２２、誘電体層２４および電界発生部３２を設けることにより、外部タンク２６の構成材料として上記優れた特性を有する金属を用いつつ、水素タンクの耐久性の向上を図ることができる。
【００３９】
なお、本実施例の誘電体層２４において、さらに、水素および／またはプロトンを吸着する吸着材を備えさせることとしても良い。誘電体層２４が吸着材を備えるならば、触媒金属層２２で生じたプロトンを吸着材によって吸着させることで、プロトンの外部タンク２６への到達を抑制する効果をより高めることができる。また、触媒金属層２２で解離反応することなく水素が触媒金属層２２を通過することがあっても、この水素を誘電体層２４内で捕捉することができる。これにより、外部タンク２６の水素脆化を抑え、水素タンク１０の耐久性を向上させる効果を高めることができる。このような吸着材としては、例えば、活性炭を用いることができる。誘電体層２４を、樹脂やセラミックスによって形成する場合には、このような誘電体層２４を構成する材料に予め活性炭などの吸着材を混合した上で、誘電体層２４を形成すればよい。このとき、吸着材として導電性材料を用いる場合には、吸着材によって内部タンク２０と外部タンク２６との間が短絡することの無いように、吸着材を誘電体層２４内で充分に分散させておけば良い。あるいは、吸着材の他の配置方法として、誘電体層２４の内部に、吸着材から成ると共に内部タンク２０に沿った形状の層を形成しても良い。
【００４０】
また、本実施例では、アース３０を、触媒金属層２２から電子を外部に導く電子排出部として設け、触媒金属層２２における水素の解離反応を促進しているが、このように触媒金属層２２から電子を外部に導く電子排出部は、アース以外によって構成しても良い。例えば、触媒金属層２２に、電子排出部として電力を消費可能な負荷を接続しても良い。ただし、負荷を電子排出部として用いる場合には、このような負荷は抵抗として働き、電子の流れが抑制されてしまうため、抵抗を生じないという意味では、電子排出部はアースとすることが望ましい。なお、触媒金属層２２から電子を外部に導く電子排出部は必須の構成要素ではなく、電子排出部が無くても、内部タンク２０と外部タンク２６との間に印加する電圧を上げれば、プロトンの外部タンク２６への到達を抑制する効果を高く維持することができる
【００４１】
Ｃ．第２実施例：
図３は、第２実施例の水素タンク１１０の概略構成を現わす断面模式図である。第２実施例の水素タンク１１０において、第１実施例の水素タンク１０と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。
【００４２】
水素タンク１１０は、水素タンク１０と同様に、内部タンク２０、誘電体層２４、触媒金属層２２、外部タンク２６、および、触媒金属層２２に接続するアース３０を備えている。また、水素タンク１１０は、さらに、電界発生部３２に代えて電界発生部１３２を備えると共に、さらに、外部タンク２６における電位変化を検出する電位検出部１３４と、電界発生部１３２が印加する電圧を調節する制御部１３８とを備えている。
【００４３】
電位検出部１３４は、プラスに帯電したプロトンが１個から数個の単位で外部タンク２６に到達したときに、このプロトンの到達を、外部タンク２６における電位変化として検出することができる微弱電圧計によって構成されている。あるいは、プロトン到達時には、その到達したミクロな場所では一時的に電流が流れた状態になるため、電位検出部１３４を、微弱電流計によって構成しても良い。この微弱電流計としては、例えば、ＥＣＧ（Electro cardiogram）心電測定器と同様の測定器を用いることができる。このような微弱電圧計や微弱電流計を用いる場合には、外部タンク２６にプローブを接触させておけば、電圧値や電流値の波形のリップルとして、プロトン到達を検出することができる。あるいは、電位検出部１３４として機能する電圧計や電流計の代わりに、例えばシンチレーションカウンタやＧＭ（ガイガーミューラーカウンタ）を用いて、電荷を持った粒子であるプロトンの到達そのものを検出しても良く、外部タンク２６へのプロトンの到達を検出可能なプロトン検出部であればよい。
【００４４】
電界発生部１３２は、印加電圧の大きさを調節可能な交流電源１３５と、交流電源１３５によって印加される一次電圧を、交流電圧である２次電圧へと降圧させるトランス１３６と、トランス１３６によって降圧された交流電圧を直流電圧へと変換する整流回路１３７と、を備える。
【００４５】
制御部１３８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート等を備えている。この制御部１３８は、電位検出部１３４からの検出信号を取得し、電位検出部１３４においてプロトンの到達を示すリップルが検出されると、電界発生部１３２に対して駆動信号を出力して、交流電源１３５によって印加される一次電圧を上昇させ、電界発生部１３２による印加電圧がより大きくなるように制御する。
【００４６】
第２実施例の水素タンク１１０では、第１実施例の水素タンク１０と同様に、内部タンク２０から水素が漏れ出したときには、この水素は触媒金属層２２においてプロトン化し、生じたプロトンは、誘電体層２４に発生する電界によって、外部タンク２６への到達が抑制される。このとき、内部タンク２０からの水素の漏れ出しが継続し、触媒金属層２２で生じるプロトン量が増えるときには、生じたプロトンの一部が外部タンク２６に到達するようになる。第２実施例では、このように水素漏れ出し量が増加してプロトンの外部タンク２６への到達が電位検出部１３４によって検出されると、制御部１３８が電界発生部１３２による印加電圧を上昇させる。そのため、誘電体層２４に発生する電界強度が強まり、外部タンク２６側へと拡散しようとするプロトンを押し戻す力が強まる。
【００４７】
以上のように構成された第２実施例の水素タンク１１０によれば、第１実施例の水素タンク１０と同様の効果を奏すると共に、さらに、内部タンク２０からの水素の漏れ出しが継続する場合にも、外部タンク２６へのプロトン到達の抑制を維持できるという効果を奏する。このとき、外部タンク２６へのプロトンの到達を示すリップルが検出される度に印加電圧を上昇させるならば、内部タンク２０から漏れ出した水素に起因するプロトンが外部タンク２６に到達しない程度に、誘電体層２４に発生する電界強度を強く維持することができる。また、第２実施例の水素タンク１１０によれば、プロトンの外部タンク２６への到達が検出される時に印加電圧を上昇させているため、内部タンク２０からの水素の漏れ出し量が少ないときには印加電圧が抑えられ、電圧印加のためのエネルギ消費量を抑えることができる。
【００４８】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４９】
Ｄ１．変形例１：
第１実施例の水素タンク１０が備える電界発生部３２、および、第２実施例の水素タンク１１０が備える電界発生部１３２は、内部タンク２０と外部タンク２６との間に直流電圧を印加しているが、交流電圧を印加しても良い。交流電圧を印加する場合には、直流電圧を印加する場合に比べて、電圧印加のための消費電力を削減することが可能となる。
【００５０】
Ｄ２．変形例２：
第１および第２実施例では、誘電体層２４は、樹脂やセラミックなどの材料によって形成しているが、紙、あるいはオイルを含浸させた紙など、異なる絶縁性材料によって形成しても良い。ただし、誘電体層２４は、誘電率がより高い物質によって形成した方が、誘電体層２４に発生する電界の強度がより強くなるため、プロトンの外部タンク２６への到達を抑制する効果を高めることができて望ましい。例えば、内部タンク２０と外部タンク２６との間の空間を、空気が満たされた空間として、誘電体層２４を形成することも可能であるが、誘電体層２４に印加する電圧を抑えつつ、外部タンク２６へのプロトン到達を抑制する効果を充分に得るためには、誘電体層２４を構成する材料は、空気よりも誘電率が高いことが望ましい。
【００５１】
ここで、誘電体層２４を、誘電率がより高い絶縁体によって形成すれば、電界発生部１３２における消費エネルギを抑えつつ、誘電体層２４においてより大きな電界を発生させ、外部タンク２６側へと拡散しようとするプロトンを押し戻す力を発生させることができる。また、誘電体層２４を構成する絶縁体の誘電率が比較的低い場合であっても、電界発生部による印加電圧をより高くすれば、誘電体層２４に発生する電界をより大きくして、外部タンク２６へのプロトン到達を抑制する効果を確保することができる。
【００５２】
Ｄ３．変形例３：
第１および第２実施例では、電界発生部によって、内部タンク２０と外部タンク２６との間に電圧を印加しているが、異なる構成としても良い。例えば、内部タンク２０を絶縁性材料によって形成する場合であっても、触媒金属層２２と外部タンク２６との間に同様に電圧を印加することができる。内部タンク２０および外部タンク２６に沿って設けられた層であって、触媒金属層２２と外部タンク２６との間に設けられた誘電体層２４の少なくとも一部に対して、外部タンク２６側が高電位となるように電圧を印加可能であればよい。
【００５３】
Ｄ４．変形例４：
第１および第２実施例では、外部タンク２６は金属によって形成されているが、異なる材料によって外部タンク２６を形成しても良い。例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によって外部タンクを形成することができる。このような水素タンクは、例えば、実施例と同様に内部タンクの外側に触媒金属層２２および誘電体層２４を形成し、その後、誘電体層２４の外側に、エポキシ樹脂などを含浸させた炭素繊維を巻き付け、含浸させた樹脂を硬化させて外部タンクとすることにより形成すれば良い。金属以外の材料によって外部タンク２６を形成する場合であっても、本願構成を適用することにより、水素あるいはプロトンに起因する外部タンク２６の劣化を抑制する同様の効果が得られる。
【００５４】
Ｄ５．変形例５：
第１および第２実施例では、水素タンクは、高圧の水素ガスを貯蔵するタンクとしたが、異なる構成としても良い。例えば、内部タンク２０内に、水素吸蔵合金をさらに備え、気体の状態で貯蔵する他、水素吸蔵合金中に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。あるいは、水素タンクを、液体水素を貯蔵するタンクとしても良い。内部タンクと外部タンクとを備え、水素を貯蔵する内部タンク２０から気体の水素が漏れ出す可能性のある水素タンクであれば、本発明を適用することにより、水素あるいはプロトンに起因する外部タンクの劣化を抑えて水素タンクの耐久性を向上させる同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１実施例の水素タンク１０の概略構成を現わす断面模式図である。
【図２】誘電体層２４において進行する反応の様子を模式的に表わす説明図である。
【図３】第２実施例の水素タンク１１０の概略構成を現わす断面模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０，１１０…水素タンク
２０…内部タンク
２２…触媒金属層
２４…誘電体層
２６…外部タンク
２８…コネクタ部
３０…アース
３２，１３２…電界発生部
１３４…電位検出部
１３５…交流電源
１３６…トランス
１３７…整流回路
１３８…制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を貯蔵する水素タンクであって、
水素を貯蔵するための内部タンクと、
前記内部タンクの外側を覆うと共に、水素分子をプロトン化する活性を有する金属薄膜から成る触媒金属層と、
前記触媒金属層を覆い、絶縁体によって形成される誘電体層と、
前記誘電体層を覆う外部タンクと、
前記外部タンク側が正電圧、前記内部タンク側が負電圧となるように電圧を印加して、前記誘電体層に電界を発生させる電界発生部と
を備える水素タンク。
【請求項２】
請求項１記載の水素タンクであって、
前記誘電体層は、空気よりも誘電率が大きな絶縁体によって形成される
水素タンク。
【請求項３】
請求項１または２記載の水素タンクであって、
前記内部タンクは、導電性材料によって形成され、
前記電界発生部は、前記外部タンクと前記内部タンクとの間に電圧を印加する
水素タンク。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の水素タンクであって、
前記電界発生部は、交流電圧を印加する
水素タンク。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の水素タンクであって、さらに、
前記触媒金属層に接続して設けられ、前記触媒金属層で水素分子がプロトン化する際に生じる電子を前記触媒金属層の外部に導く電子排出部を備える
水素タンク。
【請求項６】
請求項５記載の水素タンクであって、
前記電子排出部は、アースである
水素タンク。
【請求項７】
請求項５記載の水素タンクであって、
前記電子排出部は、電力を消費する負荷である
水素タンク。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか記載の水素タンクであって、
前記誘電体層は、水素および／またはプロトンを吸着する吸着材を備える
水素タンク。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか記載の水素タンクであって、さらに、
前記外部タンクへのプロトンの到達を検出するプロトン検出部と、
前記プロトン検出部が、前記外部タンクへのプロトンの到達を検出したときに、前記誘電体層に対して印加する電圧が上昇するように前記電界発生部を制御する電界制御部と
を備える水素タンク。
【請求項１】
水素を貯蔵する水素タンクであって、
水素を貯蔵するための内部タンクと、
前記内部タンクの外側を覆うと共に、水素分子をプロトン化する活性を有する金属薄膜から成る触媒金属層と、
前記触媒金属層を覆い、絶縁体によって形成される誘電体層と、
前記誘電体層を覆う外部タンクと、
前記外部タンク側が正電圧、前記内部タンク側が負電圧となるように電圧を印加して、前記誘電体層に電界を発生させる電界発生部と
を備える水素タンク。
【請求項２】
請求項１記載の水素タンクであって、
前記誘電体層は、空気よりも誘電率が大きな絶縁体によって形成される
水素タンク。
【請求項３】
請求項１または２記載の水素タンクであって、
前記内部タンクは、導電性材料によって形成され、
前記電界発生部は、前記外部タンクと前記内部タンクとの間に電圧を印加する
水素タンク。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の水素タンクであって、
前記電界発生部は、交流電圧を印加する
水素タンク。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の水素タンクであって、さらに、
前記触媒金属層に接続して設けられ、前記触媒金属層で水素分子がプロトン化する際に生じる電子を前記触媒金属層の外部に導く電子排出部を備える
水素タンク。
【請求項６】
請求項５記載の水素タンクであって、
前記電子排出部は、アースである
水素タンク。
【請求項７】
請求項５記載の水素タンクであって、
前記電子排出部は、電力を消費する負荷である
水素タンク。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか記載の水素タンクであって、
前記誘電体層は、水素および／またはプロトンを吸着する吸着材を備える
水素タンク。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか記載の水素タンクであって、さらに、
前記外部タンクへのプロトンの到達を検出するプロトン検出部と、
前記プロトン検出部が、前記外部タンクへのプロトンの到達を検出したときに、前記誘電体層に対して印加する電圧が上昇するように前記電界発生部を制御する電界制御部と
を備える水素タンク。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２７８４８１（Ｐ２００７−２７８４８１Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０９３１７（Ｐ２００６−１０９３１７）
【出願日】平成１８年４月１２日（２００６．４．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１２日（２００６．４．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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