高圧タンク
【課題】高圧タンクにおいて、設備費用の低減を図りながら、ガス充填時におけるタンクの過熱化を抑制する。
【解決手段】ガスを貯蔵する容器本体１０を備えてなる高圧タンク１であって、容器本体１０の少なくとも一部を被覆するように設けられた保冷層３０を備える。高圧タンク１からのガス放出時に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を保冷層３０で回収して保存し、高圧タンク１へのガス充填時に容器本体１０が加熱された場合に、保冷層３０によって容器本体１０を冷却する。保冷層３０は、容器本体１０の剛性以下の剛性を有するとともに、外部の衝撃から容器本体１０を保護する緩衝機能を有する。
【解決手段】ガスを貯蔵する容器本体１０を備えてなる高圧タンク１であって、容器本体１０の少なくとも一部を被覆するように設けられた保冷層３０を備える。高圧タンク１からのガス放出時に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を保冷層３０で回収して保存し、高圧タンク１へのガス充填時に容器本体１０が加熱された場合に、保冷層３０によって容器本体１０を冷却する。保冷層３０は、容器本体１０の剛性以下の剛性を有するとともに、外部の衝撃から容器本体１０を保護する緩衝機能を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクに関し、特に、水素ガスや天然ガス等の燃料ガスを高圧で貯蔵する高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車や天然ガス自動車には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガスを貯蔵する高圧タンクが搭載される。従来の高圧タンクは、燃料ガスに直接接触する金属製のライナ（内層）と、このライナの外周面に積層された繊維強化樹脂層（外層）と、から構成されていたが、近年においては、軽量化を図るために樹脂製のライナを用いた高圧タンクが提供されている。
【０００３】
ところが、樹脂製ライナを用いた高圧タンクは、金属製ライナを用いた高圧タンクと比較すると熱伝達率が低いという特性を有するため、以下のような問題を発生させていた。まず、高圧タンクに燃料ガスを充填する際には、燃料ガスの圧縮に伴ってタンク内の温度が急速に上昇するが、樹脂製ライナを用いた高圧タンクは熱伝達率が低いので、外気によってタンクが冷却されて常温に戻るまでの時間が長く、タンクの高温状態が長時間持続して過熱状態となる。そこで、タンクの過熱化に備えて、耐熱性に優れた材料を採用する必要があり、タンクの製造費用が増大してしまうという問題が発生していた。
【０００４】
かかる問題を解決するために、高圧タンクの容器本体を構成するライナの厚肉部外面に冷媒経路としての溝を設け、この溝に冷媒を流すことにより、容器本体内部の燃料ガスと冷媒との熱交換を行って容器本体を冷却する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された技術においては、冷媒経路に外部から冷媒を供給するための設備に加えて、燃料ガスとの熱交換を行って加熱された冷媒を冷却するための放熱装置（ラジエータ等）を別途設ける必要があるため、設備費用が嵩むという問題がある。
【０００６】
また、高圧タンクから燃料ガスを放出する際には、燃料ガスの膨張に伴ってタンク内の温度が低下するが、上記のように高圧タンクは熱伝達率が低いので、外気によってタンクが暖められるよりもタンク内の温度低下のほうが先行し、タンクが過度に冷却された状態となる。そこで、タンクの過冷却を抑制するためにタンクに放冷フィンを設ける等の対策がとられるが、フィンの設置スペースを確保しなければならないという問題が発生していた。
【特許文献１】特開２００３−６５４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、従来の高圧タンクにおいては、燃料ガスを充填する際に起こるタンクの過熱を考慮してその対策が必要であるとともに、燃料ガスを放出する際に起こるタンクの過冷却を考慮してその対策が必要である。このことはすなわち、高圧タンクには、使用するうえで好適な温度帯域が存在することを意味する。そして、従来の高圧タンクにおいては、タンクの温度をその帯域に保つための技術を確立することが強く望まれていた。
【０００８】
本発明は、高圧タンクにおいて、設備費用や設置スペースの低減を図りながら、ガス充填時に起こるタンクの過熱やガス放出時に起こるタンクの過冷却を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明に係る高圧タンクは、ガスを貯蔵する高圧タンクであって、蓄熱材を備えるものである。
【００１０】
前記高圧タンクにおいて、前記蓄熱材は、前記高圧タンクに貯蔵された前記ガスの相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出によって温熱を蓄え、前記相変化とは逆の相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収による過冷却を、前記熱エネルギーが放出される際に蓄えた温熱によって抑制する潜熱蓄熱材であることが好ましい。もしくは、前記蓄熱材は、前記高圧タンクに貯蔵された前記ガスの相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収によって冷熱を蓄え、前記相変化とは逆の相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出による過熱を、前記熱エネルギーが吸収される際に蓄えた冷熱によって抑制する潜熱蓄熱材であることが好ましい。
【００１１】
前記高圧タンクは、ガスを貯蔵する容器本体と、容器本体に取り付けられ、容器本体にガスを充填したり容器本体からガスを放出したりする口金とを備えることが好ましく、蓄熱材は、口金に設けられてもよいし、容器本体の少なくとも一部に設けられてもよい。
【００１２】
かかる構成によれば、ガス放出時に起こるタンクの過冷却が、それ以前のガス充填時に蓄熱材に蓄えられた温熱によって抑制される。また、ガス充填時に起こるタンクの過熱が、それ以前のガス放出時に蓄熱材に蓄えられた冷熱によって抑制される。その結果、タンクの温度が好適な帯域に保たれる。
【００１３】
また、本発明に係る高圧タンクは、ガスを貯蔵する容器本体を備えてなる高圧タンクであって、容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられた保冷層を備えるものである。
【００１４】
かかる構成によれば、保冷層が容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられているので、高圧タンクからのガス放出時に容器本体が冷却されて容器本体が低温になった場合に、その低温を保冷層で回収して保存することができる。従って、高圧タンクへのガス充填時に容器本体が加熱された場合に、保冷層によって容器本体を冷却することができ、タンクの過熱化を抑制することができる。この結果、耐熱材料の採用を低減ないし回避することができ、しかも、別途放熱装置を設ける必要もないので、タンクの製造費用や設備費用を低減することができる。
【００１５】
前記高圧タンクにおいて、保冷層は、容器本体の剛性以下の剛性を有することが好ましい。こうすることにより、加熱や冷却に伴う容器本体の変形を許容することができる。また、保冷層は、外部の衝撃から容器本体を保護する緩衝機能を有することが好ましい。こうすることにより、緩衝材を別途設けることなく容器本体を有効に保護することが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る高圧タンクは、ガスを貯蔵する容器本体を備えてなる高圧タンクであって、容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられ所定の保冷剤が充填される保冷室を備えるものである。
【００１７】
かかる構成によれば、保冷剤が充填される保冷室が容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられているので、高圧タンクからのガス放出時に容器本体が冷却されて容器本体が低温になった場合に、その低温を保冷室で回収して保存することができる。従って、高圧タンクへのガス充填時に容器本体が加熱された場合に、保冷室によって容器本体を冷却することができ、タンクの過熱化を抑制することができる。この結果、耐熱材料の採用を低減ないし回避することができ、しかも、別途放熱装置を設ける必要もないので、タンクの製造費用や設備費用を低減することができる。
【００１８】
前記高圧タンクにおいて、保冷室には、容器本体からガスが放出された後に所定の保冷剤が供給されるように構成することができる。こうすることにより、ガス放出に起因して冷却された容器本体の低温状態を、効率良く保存することができる。また、保冷室には、容器本体にガスが充填された後に所定の保冷剤が供給されるように構成することができる。こうすることにより、ガス充填に起因して加熱された容器本体を、効率良く冷却することができる。
【００１９】
また、前記高圧タンクにおいて、保冷室は、容器本体の剛性以下の剛性を有することが好ましい。こうすることにより、加熱や冷却に伴う容器本体の変形を許容することができる。また、保冷室は、外部の衝撃から容器本体を保護する緩衝機能を有することが好ましい。こうすることにより、緩衝材を別途設けることなく容器本体を有効に保護することが可能となる。
【００２０】
また、前記高圧タンクにおいて、樹脂材料で構成されガスに直接接触する内層と、繊維強化樹脂材料で構成され内層の外側に設けられる外層と、を有するように容器本体を構成することができる。また、前記高圧タンクは、高圧水素ガスを貯蔵するものとし、燃料電池車両に搭載することもできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高圧タンクにおいて、タンクの温度を好適な帯域に保つことにより、設備費用や設置スペースの低減を図りながら、ガス充填時におけるタンクの過熱、およびガス放出時に起こるタンクの過冷却を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高圧タンクについて説明する。以下の各実施形態に係る高圧タンクは、燃料電池車両に搭載する燃料ガス（水素ガス）を貯蔵するためのものである。
【００２３】
＜第１実施形態＞
まず、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る高圧タンク１について説明する。高圧タンク１は、図１に示すように、水素ガスを貯蔵する容器本体１０と、容器本体１０への水素ガスの充填及び容器本体１０からの水素ガスの放出を実現させるガス充填・放出口２０と、容器本体１０を被覆するように設けられた保冷層３０と、を備えている。
【００２４】
容器本体１０は、図１に示すように、円筒状の胴部１１と、この胴部１１の両端に設けられたドーム部１２と、を備えており、これら胴部１１及びドーム部１２は、ライナ（内層）及び繊維強化樹脂層（外層）からなる二層構造の壁体で構成されている。ライナは水素ガスに直接接触する層であり、樹脂材料で構成されている。ライナの肉厚やライナを構成する樹脂材料の種類は、ライナに要求される気密性や成形性に応じて適宜決定するものとする。繊維強化樹脂層はライナの外側を覆うように設けられてライナを補強する層であり、強化繊維及びマトリックス樹脂から構成されている。
【００２５】
なお、ライナや繊維強化樹脂層を構成する樹脂としては、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂を採用することができる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等を採用することができ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等を採用することができる。また、繊維強化樹脂層を構成する強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等を採用することができる。
【００２６】
ガス充填・放出口２０は、容器本体１０の一方のドーム部１２に連設されており、水素ガスの充填・放出を実現させるための図示されていない弁を備えている。また、容器本体１０のガス充填・放出口２０が連設された部位には、環状の口金２１が設けられている。容器本体１０にガス充填・放出口２０から水素ガスを充填させると、水素ガスの圧縮により水素ガスの温度が上昇して容器本体１０が加温される。一方、容器本体１０内の水素ガスをガス充填・放出口２０から放出させると、水素ガスの膨張により水素ガスの温度が低下して容器本体１０が冷却される。
【００２７】
保冷層３０は、容器本体１０のドーム部１２を被覆するように設けられた層であり、高圧タンク１から水素ガスが放出された際に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を回収して保存する保冷機能を有するものである。また、本実施形態における保冷層３０は、外部の衝撃から容器本体１０を保護する緩衝機能を有するものとし、別途緩衝材を設けることを不要としている。また、本実施形態においては、保冷層３０を、容器本体１０の剛性以下の剛性を有する材料（例えば容器本体１０の軸方向剛性の１０％以下の剛性を有する材料）で構成し、加熱や冷却に伴う容器本体１０の変形を許容するようにする。
【００２８】
保冷層３０は、前記した保冷機能及び緩衝機能を有し、かつ、容器本体１０の剛性以下の剛性を有する構成であればいかなる構成を採用することもできる。例えば、寒剤を含有する水溶液をゲル化又は増粘させて合成樹脂袋に封入したもの、寒剤を含有する水溶液を多孔体に含浸させて合成樹脂袋に封入したもの、寒剤として作用する常温ゲル状物質を多孔体に含浸させたもの、等を保冷層３０として採用することができる。寒剤としては、パラ安息香酸エステルと水酸化カルシウムとカルボキシメチルセルロースとを所定の割合で混合させたもの、エチレングリコール、アンモニア等を採用することができる。また、多孔体としては、ウレタンフォーム等の弾性発泡体を採用することができる。
【００２９】
以上説明した実施形態に係る高圧タンク１においては、保冷層３０が容器本体１０のドーム部１２を被覆するように設けられているので、高圧タンク１からの水素ガス放出時に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を保冷層３０で回収して保存することができる。従って、高圧タンク１への水素ガス充填時に容器本体１０が加熱された場合に、保冷層３０によって容器本体１０を冷却することができ、高圧タンク１の過熱化を抑制することができる。この結果、耐熱材料の採用を低減ないし回避することができ、しかも、別途放熱装置を設ける必要もないので、高圧タンク１の製造費用や設備費用を低減することができる。
【００３０】
なお、以上の実施形態においては、容器本体１０のドーム部１２を被覆するように保冷層３０を設けた例を示したが、図２に示すように、容器本体１０の胴部１１や口金２１を被覆するように保冷層４０、５０を設けることもできる。また、容器本体１０全体（胴部１１及びドーム部１２）を被覆するように保冷層を設けてもよい。
【００３１】
＜第２実施形態＞
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態に係る高圧タンク１Ａについて説明する。本実施形態に係る高圧タンク１Ａは、第１実施形態に係る高圧タンク１の保冷層３０に代えて保冷室３０Ａを設けたものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
本実施形態に係る高圧タンク１Ａは、図３に示すように、水素ガスを貯蔵する容器本体１０と、容器本体１０への水素ガスの充填及び容器本体１０からの水素ガスの放出を実現させるガス充填・放出口２０と、容器本体１０を被覆するように設けられた保冷室３０Ａと、を備えている。容器本体１０及びガス充填・流出口２０は第１実施形態で説明したものと実質的に同一であるので、説明を省略する。
【００３３】
保冷室３０Ａは、容器本体１０の胴部１１を被覆するように設けられた中空の筐体であり、その内部に保冷剤Ｃが充填され、高圧タンク１Ａから水素ガスが放出された際に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を回収して保存する保冷機能を有するものである。本実施形態においては、図３に示すように、保冷剤タンク３１Ａに溜められた保冷剤Ｃを、ポンプ３２Ａで下方から保冷室３０Ａに供給するとともに、開閉弁３３Ａの開閉動作を制御することにより、保冷室３０Ａ内における保冷剤Ｃの充填・排出を実現させている。
【００３４】
保冷剤Ｃとしては、寒剤を含有する水溶液を採用することができる。寒剤としては、パラ安息香酸エステルと水酸化カルシウムとカルボキシメチルセルロースとを所定の割合で混合させたもの、エチレングリコール、アンモニア等を採用することができる。
【００３５】
また、本実施形態においては、図示されていない制御装置でポンプ３２Ａの動作を制御することにより、保冷室３０Ａへの保冷剤Ｃの供給のタイミングを調整して、容器本体１０の冷却と、低温の回収と、の双方を効率良く実現させることができるようになっている。具体的には、制御装置は、容器本体１０から水素ガスが放出されて容器本体１０が冷却された直後に保冷室３０Ａに保冷剤Ｃを供給することにより、容器本体１０の低温状態を効率良く保存することができる。一方、制御装置は、容器本体１０に水素ガスが充填されて容器本体１０が加熱された直後に保冷室３０Ａに保冷剤Ｃを供給することにより、容器本体１０を効率良く冷却させることができる。
【００３６】
以上説明した実施形態に係る高圧タンク１Ａにおいては、保冷剤Ｃが充填される保冷室３０Ａが容器本体１０の胴部１１を被覆するように設けられているので、高圧タンク１Ａからの水素ガス放出時に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を保冷室３０Ａで回収して保存することができる。従って、高圧タンク１Ａへの水素ガス充填時に容器本体１０が加熱された場合に、保冷室３０Ａによって容器本体１０を冷却することができ、高圧タンク１の過熱化を抑制することができる。この結果、耐熱材料の採用を低減ないし回避することができ、しかも、別途放熱装置を設ける必要もないので、高圧タンク１Ａの製造費用や設備費用を低減することができる。
【００３７】
また、以上説明した実施形態に係る高圧タンク１Ａにおいて、保冷室３０Ａには、容器本体１０に水素ガスが充填された後に保冷剤Ｃが供給されるようになっているため、水素ガス充填に起因して加熱された容器本体１０を、きわめて効率良く冷却することができる。また、保冷室３０Ａには、容器本体１０から水素ガスが放出された後に保冷剤Ｃが供給されるようになっているため、水素ガス放出に起因して冷却された容器本体１０の低温状態を、きわめて効率良く保存することができる。
【００３８】
なお、以上の実施形態における保冷室３０Ａを、容器本体１０の剛性以下の剛性を有する材料で構成し、加熱や冷却に伴う容器本体１０の変形を許容するようにするのが好ましい。また、保冷室３０Ａを緩衝材としても機能させることにより、別途緩衝材を設けることを不要とすることもできる。また、以上の実施形態においては、容器本体１０の胴部１１を被覆するように保冷室３０Ａを設けた例を示したが、容器本体１０のドーム部１２を被覆するように保冷室を設けることもできる。また、容器本体１０全体（胴部１１及びドーム部１２）を被覆するように保冷室を設けてもよい。また、以上の実施形態においては、保冷室３０Ａの下方から保冷剤Ｃを供給した例を示したが、保冷剤３０Ａの上方や側方から保冷剤Ｃを供給することもできる。
【００３９】
なお、以上の各実施形態においては、ライナを樹脂材料で構成した例を示したが、アルミ合金等の金属でライナを構成することもできる。また、以上の各実施形態においては、樹脂材料からなるライナと、繊維強化樹脂層と、からなる構成される樹脂製の容器本体を採用した例を示したが、金属製の容器本体を採用してもよい。
【００４０】
また、以上の各実施形態においては、本発明を、燃料電池車両用の燃料ガスを貯蔵する高圧タンクに適用した例を示したが、天然ガス等の他のガスを貯蔵する高圧タンクに本発明を適用することもできる。
【００４１】
＜第３実施形態＞
次に、図４から図６を参照して、本発明の第３実施形態に係る高圧タンク１Ｂについて説明する。本実施形態に係る高圧タンク１Ｂは、第１実施形態に係る高圧タンク１の容器本体１０を被覆するように設けられた保冷層３０に代えて、ガス充填・放出口２０に蓄熱材６０を設けたものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
本実施形態に係る高圧タンク１Ｂは、図４および図５に示すように、ガス充填・放出口２０に、蓄熱材６０を内封されている。ガス充填・放出口２０は、容器本体１０のドーム部１２の頭頂部に設けられたタンクボス６１と、タンクボス６１の先端に固定されたバルブ７０とを備えている。タンクボス６１は、アルミニウム合金製の略円筒形の部材であり、内側に形成された断面円形の貫通孔６２を容器本体１０の長手方向に一致させるようにして、ライナ１１に固定されている。
【００４３】
貫通孔６２の内面には、後述するバルブ７０の雄ネジ部７１と螺合する雌ネジ部６３が形成されている。また、タンクボス６１の周囲には、ライナ１１の外面と滑らかに連続するフランジ部６４が形成されている。タンクボス６１は、フランジ部６４の下面（容器本体１０の内側に向いている面）とライナ１１とが接合されることにより、容器本体１０に固定されている。なお、タンクボス６１の素材には、急激な温度の変化に耐え得るものであれば、アルミニウム合金以外の材料が使用可能である。
【００４４】
バルブ７０は、タンクボス６１と同じくアルミニウム合金製の部材であり、上述した雄ネジ部７１と、雄ネジ部７１の基端に形成された頭部７２とを有している。バルブ７０には、水素ガスの充填・放出を実現するための弁（図示略）が設けられている。また、雄ネジ部７１の先端側の側面には、周方向に沿って無端の溝部７３が形成されている。溝部７３には、貫通孔６２と雄ネジ部７１との間を封止するＯリング７４が配設される。Ｏリング７４は、フッ素系のゴム材からなる。
【００４５】
バルブ７０は、溝部７３にＯリング７４がはめ込まれたうえで、雄ネジ部７１が貫通孔６２に挿入され、雌ネジ部６３と螺合することにより、タンクボス６１の先端に固定されている。バルブ７０がタンクボス６１の先端に固定された状態では、タンクボス６１の先端面とバルブ７０の頭部７２の下面（雄ネジ部６３側の面）とが、隙間なく接している。
【００４６】
なお、バルブ７０の素材には、急激な温度の変化に耐え得るものであれば、アルミニウム合金以外の材料が使用可能である。また、Ｏリング７４には、同様に急激な温度の変化に耐え得るものであれば、フッ素系のゴム材以外の材料が使用可能である。
【００４７】
タンクボス６１には、複数の有底の穴６５が、貫通孔６２の延在する方向と同じ方向に形成されている。複数の穴６５は、貫通孔６２の周囲に、隣り合う穴６５どうし等間隔を空けるようにして配置されている。穴６５の内面には、開口部に近い位置に、後述する蓋部材８０の雄ネジ部８１と螺合する雌ネジ部６６が形成されている。また、各穴６５の開口部には、蓋部材８０の頭部８２を収める拡径部６７が形成されている。
【００４８】
さらに、拡径部６７の底面には、無端の溝部６８が形成されている。溝部６８には、穴６５と雄ネジ部８１との間を封止するＯリング６９が配設される。溝部６８の内径は拡径部６７の径よりも小さく、拡径部６７および溝部６８は、穴６５の開口部において段を形成している。
【００４９】
各穴６５には、各穴６５の開口部を塞ぐことによって穴６５の内部に閉じた空間Ｓ１を画成する蓋部材８０が設けられている。蓋部材８０は、タンクボス６１と同種または異種の金属製の部材であり、上述した雄ネジ部８１と、雄ネジ部８１の基端に形成された頭部８２とを有している。なお、図示しないが、蓋部材８０の頭部８２には、蓋部材８０を穴６５に締着するために、締結具を係合させる割溝または断面が多角形状の穴が形成されている。
【００５０】
蓋部材８０は、雄ネジ部８１の基端にＯリング６９がはめられたうえで、雄ネジ部８１が穴６５に挿入され、雌ネジ部６６と螺合することにより穴６５に締着される。蓋部材８０によって開口部を塞がれた穴６５には、上述した蓄熱材６０があらかじめ充填されている。蓋部材８０が穴６５を塞いだ状態では、拡径部６７の底面と蓋部材８０の下面（雄ネジ部８１側の面）とが、隙間なく接している。さらにこの状態では、タンクボス６１の先端面と蓋部材８０の頭部８２の上面とが、平面を形成するように合致している。
【００５１】
バルブ７０には、ひとつの有底の穴７５が、雄ネジ部７１をその軸芯に沿って穿つように形成されている。穴７５の内面には、開口部に近い位置に、後述する蓋部材９０の雄ネジ部９１と螺合する雌ネジ部７６が形成されている。
【００５２】
穴７５には、穴７５を塞ぐことによって穴７５の内部に閉じた空間Ｓ２を画成する蓋部材９０が設けられている。蓋部材９０は、バルブ７０と同種または異種の金属製であり、上述した雄ネジ部９１と、雄ネジ部９１の基端に形成された頭部９２とを有している。頭部９２の下面（雄ネジ部９１側の面）には、無端の溝部９３が形成されている。溝部９３には、穴７５と雄ネジ部９１との間を封止するＯリング９４が配設される。
【００５３】
蓋部材９０は、頭部９２の下面にＯリング９４があてがわれたうえで、雄ネジ部９１が穴７５に挿入され、雌ネジ部７６と螺合することにより穴７５に締着される。蓋部材９０によって開口部を塞がれた穴７５には、穴６５と同様に、蓄熱材６０があらかじめ充填されている。蓋部材９０が穴７５を塞いだ状態では、バルブ７０の上面（頭部７２の頭頂面）と蓋部材９０の下面（雄ネジ部９１側の面）とが、隙間なく接している。
【００５４】
蓄熱材６０には、例えばエチレングリコールの５０パーセント水溶液が使用される。蓄熱材６０は、いわゆる潜熱蓄熱材であって、高圧タンク１Ｂの内部に貯蔵される水素ガスの、気相から液相への相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出によって温熱を蓄え、水素ガスの液相から気相への相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収による過冷却を、熱エネルギーが放出される際に蓄えた温熱によって抑制する。
【００５５】
その一方で、蓄熱材６０は、高圧タンク１Ｂに貯蔵される水素ガスの液相から気相への相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収によって冷熱を蓄え、水素ガスの気相から液相への相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出による過熱を、熱エネルギーが吸収される際に蓄えた冷熱によって抑制する。なお、蓄熱材６０には、Ｏリング７４の材質を考慮し、そのシール性能が損なわれない温度域で凝固するように成分調整されたものが使用される。
【００５６】
また、蓄熱材６０の封入量は、タンク使用時におけるＯリング７４の温度低下を考慮し、蓄熱材６０の凝固によってシール性能が損なわれない温度域を保つように決定される。なお、蓄熱材６０には、エチレングリコール５０パーセント水溶液以外には、上記第１実施形態の保冷層に使用したものが使用可能である。
【００５７】
以上説明した実施形態に係る高圧タンク１Ｂにおいては、水素ガスを充填する際に、水素ガスの圧縮に伴って高圧タンク１Ｂ内の温度が急速に上昇する。つまり、水素ガスが気相から液相に変化するのに伴い、水素ガスが熱エネルギーを放出する。水素ガスが熱エネルギーを放出することにより、ガス充填・放出口２０に内封されている蓄熱材６０が加熱される。蓄熱材６０は、加熱されることによって温熱を蓄える。
【００５８】
水素ガスを放出する際には、水素ガスの膨張に伴って高圧タンク１Ｂ内の温度が急速に低下する。つまり、水素ガスが液相から気相に変化するのに伴い、水素ガスが熱エネルギーを吸収する。高圧タンク１Ｂは、水素ガスが熱エネルギーを吸収することにより、過冷却される。過冷却は、水素ガスが急激に膨張するガス充填・放出口２０の付近で最も顕著に起こる。
【００５９】
しかしながら、ガス充填・放出口２０には、水素ガスが充填される際に温熱を蓄えた蓄熱材６０が内封されているので、高圧タンク１Ｂの過冷却がいくぶん緩められる。つまり、水素ガスを放出する際に、ガス充填・放出口２０と蓄熱材６０との間で熱交換がなされることにより、ガス充填・放出口２０が加熱される一方、蓄熱材６０が冷却される。蓄熱材６０は、冷却されることによって冷熱を蓄える（冷やされて凝固する）。
【００６０】
図６に、水素ガスを放出する際の高圧タンク１Ｂの内圧、およびＯリング７４の温度の時間の経過に伴う変化を示す。水素ガスの放出を開始すると、高圧タンク１Ｂの内圧は下がり始め、時間の経過に伴って単調に下降する。Ｏリング７４の温度は、水素ガスが液相から気相に変化するのに伴って冷却されるため、やはり時間の経過に伴って下降する。しかしながら、蓄熱材６０には、先の水素ガス充填の際に温熱が蓄えられているので、この熱によってＯリング７４の温度低下が二点鎖線で示すように継続することなく抑制される。
【００６１】
Ｏリング７４の温度が蓄熱材６０の凝固点温度を下回ると、あらかじめ決定されていた蓄熱材６０の成分特性ならびに封入量に依存して、Ｏリング７４の温度の低下が蓄熱材６０の凝固点温度付近で抑制される。以降は、水素ガスの放出が完了するまで、Ｏリング７４はほぼ一定に保たれる。
【００６２】
次に水素ガスを充填する際には、水素ガスが気相から液相に変化するのに伴い、先ほどと同様に水素ガスが熱エネルギーを放出する。高圧タンク１Ｂは、水素ガスが熱エネルギーを放出することにより、過熱される。しかしながら、ガス充填・放出口２０には、水素ガスが放出される際に冷熱を蓄えた蓄熱材６０が内封されているので、高圧タンク１Ｂの過熱がいくぶん緩められる。
【００６３】
上記のように、本実施形態の高圧タンク１Ｂによれば、水素ガス放出時に起こるタンクの過冷却、および水素ガス充填時におけるタンクの過熱を、効果的に抑制することができる。例えば、気温の低い冬や寒冷地等では、通常でも高圧タンク１Ｂの温度が低いのに、水素ガスを放出することにより、Ｏリング７４の温度がより低くなる傾向が強まるが、そのような場合でも、タンクの過冷却を効果的に抑制することができる。
【００６４】
ところで、本実施形態においては、水素ガスを放出する際には、それ以前に蓄熱材６０に蓄えられた温熱によってＯリング７４の温度低下が抑制され、水素ガスを充填する際には、それ以前に蓄熱材６０に蓄えられた冷熱によってタンクの過熱が抑制されるように、蓄熱材６０の成分特性ならびに封入量があらかじめ決定されていたが、このようにふたつの機能を蓄熱材６０に与える必要はない。
【００６５】
蓄熱材６０には、少なくとも水素ガスを放出する際にＯリング７４の温度低下を抑制する機能が付与されているだけでもよい。また、本実施形態においては、蓄熱材６０がガス充填・放出口２０に設けられているが、蓄熱材６０は、容器本体１０に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る高圧タンクの側面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る高圧タンクの変形例を示す側面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る高圧タンクの側面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る高圧タンクのガス充填・放出口およびその周辺の構造を示す断面図である。
【図５】図４に示したガス充填・放出口の分解図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る高圧タンクに蓄えた水素ガスを放出する際の高圧タンクの内圧、およびＯリングの温度の時間の経過に伴う変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１，１Ａ…高圧タンク、１０…容器本体、１１…胴部（容器本体の一部）、１２…ドーム部（容器本体の一部）、２０…ガス充填・放出口、２１…口金、３０…保冷層、３０Ａ…保冷室、４０…保冷層、５０…保冷層、６０…蓄熱材、６１…タンクボス、７０…バルブ、Ｃ…保冷剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクに関し、特に、水素ガスや天然ガス等の燃料ガスを高圧で貯蔵する高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車や天然ガス自動車には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガスを貯蔵する高圧タンクが搭載される。従来の高圧タンクは、燃料ガスに直接接触する金属製のライナ（内層）と、このライナの外周面に積層された繊維強化樹脂層（外層）と、から構成されていたが、近年においては、軽量化を図るために樹脂製のライナを用いた高圧タンクが提供されている。
【０００３】
ところが、樹脂製ライナを用いた高圧タンクは、金属製ライナを用いた高圧タンクと比較すると熱伝達率が低いという特性を有するため、以下のような問題を発生させていた。まず、高圧タンクに燃料ガスを充填する際には、燃料ガスの圧縮に伴ってタンク内の温度が急速に上昇するが、樹脂製ライナを用いた高圧タンクは熱伝達率が低いので、外気によってタンクが冷却されて常温に戻るまでの時間が長く、タンクの高温状態が長時間持続して過熱状態となる。そこで、タンクの過熱化に備えて、耐熱性に優れた材料を採用する必要があり、タンクの製造費用が増大してしまうという問題が発生していた。
【０００４】
かかる問題を解決するために、高圧タンクの容器本体を構成するライナの厚肉部外面に冷媒経路としての溝を設け、この溝に冷媒を流すことにより、容器本体内部の燃料ガスと冷媒との熱交換を行って容器本体を冷却する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された技術においては、冷媒経路に外部から冷媒を供給するための設備に加えて、燃料ガスとの熱交換を行って加熱された冷媒を冷却するための放熱装置（ラジエータ等）を別途設ける必要があるため、設備費用が嵩むという問題がある。
【０００６】
また、高圧タンクから燃料ガスを放出する際には、燃料ガスの膨張に伴ってタンク内の温度が低下するが、上記のように高圧タンクは熱伝達率が低いので、外気によってタンクが暖められるよりもタンク内の温度低下のほうが先行し、タンクが過度に冷却された状態となる。そこで、タンクの過冷却を抑制するためにタンクに放冷フィンを設ける等の対策がとられるが、フィンの設置スペースを確保しなければならないという問題が発生していた。
【特許文献１】特開２００３−６５４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、従来の高圧タンクにおいては、燃料ガスを充填する際に起こるタンクの過熱を考慮してその対策が必要であるとともに、燃料ガスを放出する際に起こるタンクの過冷却を考慮してその対策が必要である。このことはすなわち、高圧タンクには、使用するうえで好適な温度帯域が存在することを意味する。そして、従来の高圧タンクにおいては、タンクの温度をその帯域に保つための技術を確立することが強く望まれていた。
【０００８】
本発明は、高圧タンクにおいて、設備費用や設置スペースの低減を図りながら、ガス充填時に起こるタンクの過熱やガス放出時に起こるタンクの過冷却を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明に係る高圧タンクは、ガスを貯蔵する高圧タンクであって、蓄熱材を備えるものである。
【００１０】
前記高圧タンクにおいて、前記蓄熱材は、前記高圧タンクに貯蔵された前記ガスの相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出によって温熱を蓄え、前記相変化とは逆の相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収による過冷却を、前記熱エネルギーが放出される際に蓄えた温熱によって抑制する潜熱蓄熱材であることが好ましい。もしくは、前記蓄熱材は、前記高圧タンクに貯蔵された前記ガスの相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収によって冷熱を蓄え、前記相変化とは逆の相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出による過熱を、前記熱エネルギーが吸収される際に蓄えた冷熱によって抑制する潜熱蓄熱材であることが好ましい。
【００１１】
前記高圧タンクは、ガスを貯蔵する容器本体と、容器本体に取り付けられ、容器本体にガスを充填したり容器本体からガスを放出したりする口金とを備えることが好ましく、蓄熱材は、口金に設けられてもよいし、容器本体の少なくとも一部に設けられてもよい。
【００１２】
かかる構成によれば、ガス放出時に起こるタンクの過冷却が、それ以前のガス充填時に蓄熱材に蓄えられた温熱によって抑制される。また、ガス充填時に起こるタンクの過熱が、それ以前のガス放出時に蓄熱材に蓄えられた冷熱によって抑制される。その結果、タンクの温度が好適な帯域に保たれる。
【００１３】
また、本発明に係る高圧タンクは、ガスを貯蔵する容器本体を備えてなる高圧タンクであって、容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられた保冷層を備えるものである。
【００１４】
かかる構成によれば、保冷層が容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられているので、高圧タンクからのガス放出時に容器本体が冷却されて容器本体が低温になった場合に、その低温を保冷層で回収して保存することができる。従って、高圧タンクへのガス充填時に容器本体が加熱された場合に、保冷層によって容器本体を冷却することができ、タンクの過熱化を抑制することができる。この結果、耐熱材料の採用を低減ないし回避することができ、しかも、別途放熱装置を設ける必要もないので、タンクの製造費用や設備費用を低減することができる。
【００１５】
前記高圧タンクにおいて、保冷層は、容器本体の剛性以下の剛性を有することが好ましい。こうすることにより、加熱や冷却に伴う容器本体の変形を許容することができる。また、保冷層は、外部の衝撃から容器本体を保護する緩衝機能を有することが好ましい。こうすることにより、緩衝材を別途設けることなく容器本体を有効に保護することが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る高圧タンクは、ガスを貯蔵する容器本体を備えてなる高圧タンクであって、容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられ所定の保冷剤が充填される保冷室を備えるものである。
【００１７】
かかる構成によれば、保冷剤が充填される保冷室が容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられているので、高圧タンクからのガス放出時に容器本体が冷却されて容器本体が低温になった場合に、その低温を保冷室で回収して保存することができる。従って、高圧タンクへのガス充填時に容器本体が加熱された場合に、保冷室によって容器本体を冷却することができ、タンクの過熱化を抑制することができる。この結果、耐熱材料の採用を低減ないし回避することができ、しかも、別途放熱装置を設ける必要もないので、タンクの製造費用や設備費用を低減することができる。
【００１８】
前記高圧タンクにおいて、保冷室には、容器本体からガスが放出された後に所定の保冷剤が供給されるように構成することができる。こうすることにより、ガス放出に起因して冷却された容器本体の低温状態を、効率良く保存することができる。また、保冷室には、容器本体にガスが充填された後に所定の保冷剤が供給されるように構成することができる。こうすることにより、ガス充填に起因して加熱された容器本体を、効率良く冷却することができる。
【００１９】
また、前記高圧タンクにおいて、保冷室は、容器本体の剛性以下の剛性を有することが好ましい。こうすることにより、加熱や冷却に伴う容器本体の変形を許容することができる。また、保冷室は、外部の衝撃から容器本体を保護する緩衝機能を有することが好ましい。こうすることにより、緩衝材を別途設けることなく容器本体を有効に保護することが可能となる。
【００２０】
また、前記高圧タンクにおいて、樹脂材料で構成されガスに直接接触する内層と、繊維強化樹脂材料で構成され内層の外側に設けられる外層と、を有するように容器本体を構成することができる。また、前記高圧タンクは、高圧水素ガスを貯蔵するものとし、燃料電池車両に搭載することもできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高圧タンクにおいて、タンクの温度を好適な帯域に保つことにより、設備費用や設置スペースの低減を図りながら、ガス充填時におけるタンクの過熱、およびガス放出時に起こるタンクの過冷却を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高圧タンクについて説明する。以下の各実施形態に係る高圧タンクは、燃料電池車両に搭載する燃料ガス（水素ガス）を貯蔵するためのものである。
【００２３】
＜第１実施形態＞
まず、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る高圧タンク１について説明する。高圧タンク１は、図１に示すように、水素ガスを貯蔵する容器本体１０と、容器本体１０への水素ガスの充填及び容器本体１０からの水素ガスの放出を実現させるガス充填・放出口２０と、容器本体１０を被覆するように設けられた保冷層３０と、を備えている。
【００２４】
容器本体１０は、図１に示すように、円筒状の胴部１１と、この胴部１１の両端に設けられたドーム部１２と、を備えており、これら胴部１１及びドーム部１２は、ライナ（内層）及び繊維強化樹脂層（外層）からなる二層構造の壁体で構成されている。ライナは水素ガスに直接接触する層であり、樹脂材料で構成されている。ライナの肉厚やライナを構成する樹脂材料の種類は、ライナに要求される気密性や成形性に応じて適宜決定するものとする。繊維強化樹脂層はライナの外側を覆うように設けられてライナを補強する層であり、強化繊維及びマトリックス樹脂から構成されている。
【００２５】
なお、ライナや繊維強化樹脂層を構成する樹脂としては、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂を採用することができる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等を採用することができ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等を採用することができる。また、繊維強化樹脂層を構成する強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等を採用することができる。
【００２６】
ガス充填・放出口２０は、容器本体１０の一方のドーム部１２に連設されており、水素ガスの充填・放出を実現させるための図示されていない弁を備えている。また、容器本体１０のガス充填・放出口２０が連設された部位には、環状の口金２１が設けられている。容器本体１０にガス充填・放出口２０から水素ガスを充填させると、水素ガスの圧縮により水素ガスの温度が上昇して容器本体１０が加温される。一方、容器本体１０内の水素ガスをガス充填・放出口２０から放出させると、水素ガスの膨張により水素ガスの温度が低下して容器本体１０が冷却される。
【００２７】
保冷層３０は、容器本体１０のドーム部１２を被覆するように設けられた層であり、高圧タンク１から水素ガスが放出された際に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を回収して保存する保冷機能を有するものである。また、本実施形態における保冷層３０は、外部の衝撃から容器本体１０を保護する緩衝機能を有するものとし、別途緩衝材を設けることを不要としている。また、本実施形態においては、保冷層３０を、容器本体１０の剛性以下の剛性を有する材料（例えば容器本体１０の軸方向剛性の１０％以下の剛性を有する材料）で構成し、加熱や冷却に伴う容器本体１０の変形を許容するようにする。
【００２８】
保冷層３０は、前記した保冷機能及び緩衝機能を有し、かつ、容器本体１０の剛性以下の剛性を有する構成であればいかなる構成を採用することもできる。例えば、寒剤を含有する水溶液をゲル化又は増粘させて合成樹脂袋に封入したもの、寒剤を含有する水溶液を多孔体に含浸させて合成樹脂袋に封入したもの、寒剤として作用する常温ゲル状物質を多孔体に含浸させたもの、等を保冷層３０として採用することができる。寒剤としては、パラ安息香酸エステルと水酸化カルシウムとカルボキシメチルセルロースとを所定の割合で混合させたもの、エチレングリコール、アンモニア等を採用することができる。また、多孔体としては、ウレタンフォーム等の弾性発泡体を採用することができる。
【００２９】
以上説明した実施形態に係る高圧タンク１においては、保冷層３０が容器本体１０のドーム部１２を被覆するように設けられているので、高圧タンク１からの水素ガス放出時に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を保冷層３０で回収して保存することができる。従って、高圧タンク１への水素ガス充填時に容器本体１０が加熱された場合に、保冷層３０によって容器本体１０を冷却することができ、高圧タンク１の過熱化を抑制することができる。この結果、耐熱材料の採用を低減ないし回避することができ、しかも、別途放熱装置を設ける必要もないので、高圧タンク１の製造費用や設備費用を低減することができる。
【００３０】
なお、以上の実施形態においては、容器本体１０のドーム部１２を被覆するように保冷層３０を設けた例を示したが、図２に示すように、容器本体１０の胴部１１や口金２１を被覆するように保冷層４０、５０を設けることもできる。また、容器本体１０全体（胴部１１及びドーム部１２）を被覆するように保冷層を設けてもよい。
【００３１】
＜第２実施形態＞
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態に係る高圧タンク１Ａについて説明する。本実施形態に係る高圧タンク１Ａは、第１実施形態に係る高圧タンク１の保冷層３０に代えて保冷室３０Ａを設けたものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
本実施形態に係る高圧タンク１Ａは、図３に示すように、水素ガスを貯蔵する容器本体１０と、容器本体１０への水素ガスの充填及び容器本体１０からの水素ガスの放出を実現させるガス充填・放出口２０と、容器本体１０を被覆するように設けられた保冷室３０Ａと、を備えている。容器本体１０及びガス充填・流出口２０は第１実施形態で説明したものと実質的に同一であるので、説明を省略する。
【００３３】
保冷室３０Ａは、容器本体１０の胴部１１を被覆するように設けられた中空の筐体であり、その内部に保冷剤Ｃが充填され、高圧タンク１Ａから水素ガスが放出された際に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を回収して保存する保冷機能を有するものである。本実施形態においては、図３に示すように、保冷剤タンク３１Ａに溜められた保冷剤Ｃを、ポンプ３２Ａで下方から保冷室３０Ａに供給するとともに、開閉弁３３Ａの開閉動作を制御することにより、保冷室３０Ａ内における保冷剤Ｃの充填・排出を実現させている。
【００３４】
保冷剤Ｃとしては、寒剤を含有する水溶液を採用することができる。寒剤としては、パラ安息香酸エステルと水酸化カルシウムとカルボキシメチルセルロースとを所定の割合で混合させたもの、エチレングリコール、アンモニア等を採用することができる。
【００３５】
また、本実施形態においては、図示されていない制御装置でポンプ３２Ａの動作を制御することにより、保冷室３０Ａへの保冷剤Ｃの供給のタイミングを調整して、容器本体１０の冷却と、低温の回収と、の双方を効率良く実現させることができるようになっている。具体的には、制御装置は、容器本体１０から水素ガスが放出されて容器本体１０が冷却された直後に保冷室３０Ａに保冷剤Ｃを供給することにより、容器本体１０の低温状態を効率良く保存することができる。一方、制御装置は、容器本体１０に水素ガスが充填されて容器本体１０が加熱された直後に保冷室３０Ａに保冷剤Ｃを供給することにより、容器本体１０を効率良く冷却させることができる。
【００３６】
以上説明した実施形態に係る高圧タンク１Ａにおいては、保冷剤Ｃが充填される保冷室３０Ａが容器本体１０の胴部１１を被覆するように設けられているので、高圧タンク１Ａからの水素ガス放出時に容器本体１０が冷却されて容器本体１０が低温になった場合に、その低温を保冷室３０Ａで回収して保存することができる。従って、高圧タンク１Ａへの水素ガス充填時に容器本体１０が加熱された場合に、保冷室３０Ａによって容器本体１０を冷却することができ、高圧タンク１の過熱化を抑制することができる。この結果、耐熱材料の採用を低減ないし回避することができ、しかも、別途放熱装置を設ける必要もないので、高圧タンク１Ａの製造費用や設備費用を低減することができる。
【００３７】
また、以上説明した実施形態に係る高圧タンク１Ａにおいて、保冷室３０Ａには、容器本体１０に水素ガスが充填された後に保冷剤Ｃが供給されるようになっているため、水素ガス充填に起因して加熱された容器本体１０を、きわめて効率良く冷却することができる。また、保冷室３０Ａには、容器本体１０から水素ガスが放出された後に保冷剤Ｃが供給されるようになっているため、水素ガス放出に起因して冷却された容器本体１０の低温状態を、きわめて効率良く保存することができる。
【００３８】
なお、以上の実施形態における保冷室３０Ａを、容器本体１０の剛性以下の剛性を有する材料で構成し、加熱や冷却に伴う容器本体１０の変形を許容するようにするのが好ましい。また、保冷室３０Ａを緩衝材としても機能させることにより、別途緩衝材を設けることを不要とすることもできる。また、以上の実施形態においては、容器本体１０の胴部１１を被覆するように保冷室３０Ａを設けた例を示したが、容器本体１０のドーム部１２を被覆するように保冷室を設けることもできる。また、容器本体１０全体（胴部１１及びドーム部１２）を被覆するように保冷室を設けてもよい。また、以上の実施形態においては、保冷室３０Ａの下方から保冷剤Ｃを供給した例を示したが、保冷剤３０Ａの上方や側方から保冷剤Ｃを供給することもできる。
【００３９】
なお、以上の各実施形態においては、ライナを樹脂材料で構成した例を示したが、アルミ合金等の金属でライナを構成することもできる。また、以上の各実施形態においては、樹脂材料からなるライナと、繊維強化樹脂層と、からなる構成される樹脂製の容器本体を採用した例を示したが、金属製の容器本体を採用してもよい。
【００４０】
また、以上の各実施形態においては、本発明を、燃料電池車両用の燃料ガスを貯蔵する高圧タンクに適用した例を示したが、天然ガス等の他のガスを貯蔵する高圧タンクに本発明を適用することもできる。
【００４１】
＜第３実施形態＞
次に、図４から図６を参照して、本発明の第３実施形態に係る高圧タンク１Ｂについて説明する。本実施形態に係る高圧タンク１Ｂは、第１実施形態に係る高圧タンク１の容器本体１０を被覆するように設けられた保冷層３０に代えて、ガス充填・放出口２０に蓄熱材６０を設けたものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
本実施形態に係る高圧タンク１Ｂは、図４および図５に示すように、ガス充填・放出口２０に、蓄熱材６０を内封されている。ガス充填・放出口２０は、容器本体１０のドーム部１２の頭頂部に設けられたタンクボス６１と、タンクボス６１の先端に固定されたバルブ７０とを備えている。タンクボス６１は、アルミニウム合金製の略円筒形の部材であり、内側に形成された断面円形の貫通孔６２を容器本体１０の長手方向に一致させるようにして、ライナ１１に固定されている。
【００４３】
貫通孔６２の内面には、後述するバルブ７０の雄ネジ部７１と螺合する雌ネジ部６３が形成されている。また、タンクボス６１の周囲には、ライナ１１の外面と滑らかに連続するフランジ部６４が形成されている。タンクボス６１は、フランジ部６４の下面（容器本体１０の内側に向いている面）とライナ１１とが接合されることにより、容器本体１０に固定されている。なお、タンクボス６１の素材には、急激な温度の変化に耐え得るものであれば、アルミニウム合金以外の材料が使用可能である。
【００４４】
バルブ７０は、タンクボス６１と同じくアルミニウム合金製の部材であり、上述した雄ネジ部７１と、雄ネジ部７１の基端に形成された頭部７２とを有している。バルブ７０には、水素ガスの充填・放出を実現するための弁（図示略）が設けられている。また、雄ネジ部７１の先端側の側面には、周方向に沿って無端の溝部７３が形成されている。溝部７３には、貫通孔６２と雄ネジ部７１との間を封止するＯリング７４が配設される。Ｏリング７４は、フッ素系のゴム材からなる。
【００４５】
バルブ７０は、溝部７３にＯリング７４がはめ込まれたうえで、雄ネジ部７１が貫通孔６２に挿入され、雌ネジ部６３と螺合することにより、タンクボス６１の先端に固定されている。バルブ７０がタンクボス６１の先端に固定された状態では、タンクボス６１の先端面とバルブ７０の頭部７２の下面（雄ネジ部６３側の面）とが、隙間なく接している。
【００４６】
なお、バルブ７０の素材には、急激な温度の変化に耐え得るものであれば、アルミニウム合金以外の材料が使用可能である。また、Ｏリング７４には、同様に急激な温度の変化に耐え得るものであれば、フッ素系のゴム材以外の材料が使用可能である。
【００４７】
タンクボス６１には、複数の有底の穴６５が、貫通孔６２の延在する方向と同じ方向に形成されている。複数の穴６５は、貫通孔６２の周囲に、隣り合う穴６５どうし等間隔を空けるようにして配置されている。穴６５の内面には、開口部に近い位置に、後述する蓋部材８０の雄ネジ部８１と螺合する雌ネジ部６６が形成されている。また、各穴６５の開口部には、蓋部材８０の頭部８２を収める拡径部６７が形成されている。
【００４８】
さらに、拡径部６７の底面には、無端の溝部６８が形成されている。溝部６８には、穴６５と雄ネジ部８１との間を封止するＯリング６９が配設される。溝部６８の内径は拡径部６７の径よりも小さく、拡径部６７および溝部６８は、穴６５の開口部において段を形成している。
【００４９】
各穴６５には、各穴６５の開口部を塞ぐことによって穴６５の内部に閉じた空間Ｓ１を画成する蓋部材８０が設けられている。蓋部材８０は、タンクボス６１と同種または異種の金属製の部材であり、上述した雄ネジ部８１と、雄ネジ部８１の基端に形成された頭部８２とを有している。なお、図示しないが、蓋部材８０の頭部８２には、蓋部材８０を穴６５に締着するために、締結具を係合させる割溝または断面が多角形状の穴が形成されている。
【００５０】
蓋部材８０は、雄ネジ部８１の基端にＯリング６９がはめられたうえで、雄ネジ部８１が穴６５に挿入され、雌ネジ部６６と螺合することにより穴６５に締着される。蓋部材８０によって開口部を塞がれた穴６５には、上述した蓄熱材６０があらかじめ充填されている。蓋部材８０が穴６５を塞いだ状態では、拡径部６７の底面と蓋部材８０の下面（雄ネジ部８１側の面）とが、隙間なく接している。さらにこの状態では、タンクボス６１の先端面と蓋部材８０の頭部８２の上面とが、平面を形成するように合致している。
【００５１】
バルブ７０には、ひとつの有底の穴７５が、雄ネジ部７１をその軸芯に沿って穿つように形成されている。穴７５の内面には、開口部に近い位置に、後述する蓋部材９０の雄ネジ部９１と螺合する雌ネジ部７６が形成されている。
【００５２】
穴７５には、穴７５を塞ぐことによって穴７５の内部に閉じた空間Ｓ２を画成する蓋部材９０が設けられている。蓋部材９０は、バルブ７０と同種または異種の金属製であり、上述した雄ネジ部９１と、雄ネジ部９１の基端に形成された頭部９２とを有している。頭部９２の下面（雄ネジ部９１側の面）には、無端の溝部９３が形成されている。溝部９３には、穴７５と雄ネジ部９１との間を封止するＯリング９４が配設される。
【００５３】
蓋部材９０は、頭部９２の下面にＯリング９４があてがわれたうえで、雄ネジ部９１が穴７５に挿入され、雌ネジ部７６と螺合することにより穴７５に締着される。蓋部材９０によって開口部を塞がれた穴７５には、穴６５と同様に、蓄熱材６０があらかじめ充填されている。蓋部材９０が穴７５を塞いだ状態では、バルブ７０の上面（頭部７２の頭頂面）と蓋部材９０の下面（雄ネジ部９１側の面）とが、隙間なく接している。
【００５４】
蓄熱材６０には、例えばエチレングリコールの５０パーセント水溶液が使用される。蓄熱材６０は、いわゆる潜熱蓄熱材であって、高圧タンク１Ｂの内部に貯蔵される水素ガスの、気相から液相への相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出によって温熱を蓄え、水素ガスの液相から気相への相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収による過冷却を、熱エネルギーが放出される際に蓄えた温熱によって抑制する。
【００５５】
その一方で、蓄熱材６０は、高圧タンク１Ｂに貯蔵される水素ガスの液相から気相への相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収によって冷熱を蓄え、水素ガスの気相から液相への相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出による過熱を、熱エネルギーが吸収される際に蓄えた冷熱によって抑制する。なお、蓄熱材６０には、Ｏリング７４の材質を考慮し、そのシール性能が損なわれない温度域で凝固するように成分調整されたものが使用される。
【００５６】
また、蓄熱材６０の封入量は、タンク使用時におけるＯリング７４の温度低下を考慮し、蓄熱材６０の凝固によってシール性能が損なわれない温度域を保つように決定される。なお、蓄熱材６０には、エチレングリコール５０パーセント水溶液以外には、上記第１実施形態の保冷層に使用したものが使用可能である。
【００５７】
以上説明した実施形態に係る高圧タンク１Ｂにおいては、水素ガスを充填する際に、水素ガスの圧縮に伴って高圧タンク１Ｂ内の温度が急速に上昇する。つまり、水素ガスが気相から液相に変化するのに伴い、水素ガスが熱エネルギーを放出する。水素ガスが熱エネルギーを放出することにより、ガス充填・放出口２０に内封されている蓄熱材６０が加熱される。蓄熱材６０は、加熱されることによって温熱を蓄える。
【００５８】
水素ガスを放出する際には、水素ガスの膨張に伴って高圧タンク１Ｂ内の温度が急速に低下する。つまり、水素ガスが液相から気相に変化するのに伴い、水素ガスが熱エネルギーを吸収する。高圧タンク１Ｂは、水素ガスが熱エネルギーを吸収することにより、過冷却される。過冷却は、水素ガスが急激に膨張するガス充填・放出口２０の付近で最も顕著に起こる。
【００５９】
しかしながら、ガス充填・放出口２０には、水素ガスが充填される際に温熱を蓄えた蓄熱材６０が内封されているので、高圧タンク１Ｂの過冷却がいくぶん緩められる。つまり、水素ガスを放出する際に、ガス充填・放出口２０と蓄熱材６０との間で熱交換がなされることにより、ガス充填・放出口２０が加熱される一方、蓄熱材６０が冷却される。蓄熱材６０は、冷却されることによって冷熱を蓄える（冷やされて凝固する）。
【００６０】
図６に、水素ガスを放出する際の高圧タンク１Ｂの内圧、およびＯリング７４の温度の時間の経過に伴う変化を示す。水素ガスの放出を開始すると、高圧タンク１Ｂの内圧は下がり始め、時間の経過に伴って単調に下降する。Ｏリング７４の温度は、水素ガスが液相から気相に変化するのに伴って冷却されるため、やはり時間の経過に伴って下降する。しかしながら、蓄熱材６０には、先の水素ガス充填の際に温熱が蓄えられているので、この熱によってＯリング７４の温度低下が二点鎖線で示すように継続することなく抑制される。
【００６１】
Ｏリング７４の温度が蓄熱材６０の凝固点温度を下回ると、あらかじめ決定されていた蓄熱材６０の成分特性ならびに封入量に依存して、Ｏリング７４の温度の低下が蓄熱材６０の凝固点温度付近で抑制される。以降は、水素ガスの放出が完了するまで、Ｏリング７４はほぼ一定に保たれる。
【００６２】
次に水素ガスを充填する際には、水素ガスが気相から液相に変化するのに伴い、先ほどと同様に水素ガスが熱エネルギーを放出する。高圧タンク１Ｂは、水素ガスが熱エネルギーを放出することにより、過熱される。しかしながら、ガス充填・放出口２０には、水素ガスが放出される際に冷熱を蓄えた蓄熱材６０が内封されているので、高圧タンク１Ｂの過熱がいくぶん緩められる。
【００６３】
上記のように、本実施形態の高圧タンク１Ｂによれば、水素ガス放出時に起こるタンクの過冷却、および水素ガス充填時におけるタンクの過熱を、効果的に抑制することができる。例えば、気温の低い冬や寒冷地等では、通常でも高圧タンク１Ｂの温度が低いのに、水素ガスを放出することにより、Ｏリング７４の温度がより低くなる傾向が強まるが、そのような場合でも、タンクの過冷却を効果的に抑制することができる。
【００６４】
ところで、本実施形態においては、水素ガスを放出する際には、それ以前に蓄熱材６０に蓄えられた温熱によってＯリング７４の温度低下が抑制され、水素ガスを充填する際には、それ以前に蓄熱材６０に蓄えられた冷熱によってタンクの過熱が抑制されるように、蓄熱材６０の成分特性ならびに封入量があらかじめ決定されていたが、このようにふたつの機能を蓄熱材６０に与える必要はない。
【００６５】
蓄熱材６０には、少なくとも水素ガスを放出する際にＯリング７４の温度低下を抑制する機能が付与されているだけでもよい。また、本実施形態においては、蓄熱材６０がガス充填・放出口２０に設けられているが、蓄熱材６０は、容器本体１０に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る高圧タンクの側面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る高圧タンクの変形例を示す側面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る高圧タンクの側面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る高圧タンクのガス充填・放出口およびその周辺の構造を示す断面図である。
【図５】図４に示したガス充填・放出口の分解図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る高圧タンクに蓄えた水素ガスを放出する際の高圧タンクの内圧、およびＯリングの温度の時間の経過に伴う変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１，１Ａ…高圧タンク、１０…容器本体、１１…胴部（容器本体の一部）、１２…ドーム部（容器本体の一部）、２０…ガス充填・放出口、２１…口金、３０…保冷層、３０Ａ…保冷室、４０…保冷層、５０…保冷層、６０…蓄熱材、６１…タンクボス、７０…バルブ、Ｃ…保冷剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを貯蔵する高圧タンクであって、蓄熱材を備える高圧タンク。
【請求項２】
前記蓄熱材は、前記高圧タンクに貯蔵される前記ガスの相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出によって温熱を蓄え、前記相変化とは逆の相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収による過冷却を、前記熱エネルギーが放出される際に蓄えた温熱によって抑制する潜熱蓄熱材である請求項１に記載の高圧タンク。
【請求項３】
前記蓄熱材は、前記高圧タンクに貯蔵される前記ガスの相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収によって冷熱を蓄え、前記相変化とは逆の相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出による過熱を、前記熱エネルギーが吸収される際に蓄えた冷熱によって抑制する潜熱蓄熱材である請求項１に記載の高圧タンク。
【請求項４】
前記ガスを貯蔵する容器本体と、前記容器本体に取り付けられ、前記容器本体に前記ガスを充填したり前記容器本体から前記ガスを放出したりする口金とを備え、前記蓄熱材は、前記口金に設けられている請求項１又は２に記載の高圧タンク。
【請求項５】
前記ガスを貯蔵する容器本体と、前記容器本体に取り付けられ、前記容器本体に前記ガスを充填したり前記容器本体から前記ガスを放出したりする口金とを備え、前記蓄熱材は、前記容器本体の少なくとも一部に設けられている請求項１又は２に記載の高圧タンク。
【請求項６】
ガスを貯蔵する容器本体を備えてなる高圧タンクであって、
前記容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられた保冷層を備える高圧タンク。
【請求項７】
前記保冷層は、前記容器本体の剛性以下の剛性を有する請求項６に記載の高圧タンク。
【請求項８】
前記保冷層は、外部の衝撃から前記容器本体を保護する緩衝機能を有する請求項６又は７に記載の高圧タンク。
【請求項９】
ガスを貯蔵する容器本体を備えてなる高圧タンクであって、
前記容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられ、所定の保冷剤が充填される保冷室を備える高圧タンク。
【請求項１０】
前記保冷室には、前記容器本体からガスが放出された後に所定の保冷剤が供給される請求項９に記載の高圧タンク。
【請求項１１】
前記保冷室には、前記容器本体にガスが充填された後に所定の保冷剤が供給される請求項９又は１０に記載の高圧タンク。
【請求項１２】
前記保冷室は、前記容器本体の剛性以下の剛性を有する請求項９から１１の何れか一項に記載の高圧タンク。
【請求項１３】
前記保冷室は、外部の衝撃から前記容器本体を保護する緩衝機能を有する請求項９から１２の何れか一項に記載の高圧タンク。
【請求項１４】
前記容器本体は、樹脂材料で構成されガスに直接接触する内層と、繊維強化樹脂材料で構成され前記内層の外側に設けられる外層と、を有する請求項６から１３の何れか一項に記載の高圧タンク。
【請求項１５】
前記ガスは高圧水素ガスであり、燃料電池車両に搭載される請求項６から１４の何れか一項に記載の高圧タンク。
【請求項１】
ガスを貯蔵する高圧タンクであって、蓄熱材を備える高圧タンク。
【請求項２】
前記蓄熱材は、前記高圧タンクに貯蔵される前記ガスの相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出によって温熱を蓄え、前記相変化とは逆の相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収による過冷却を、前記熱エネルギーが放出される際に蓄えた温熱によって抑制する潜熱蓄熱材である請求項１に記載の高圧タンク。
【請求項３】
前記蓄熱材は、前記高圧タンクに貯蔵される前記ガスの相変化に伴って起こる熱エネルギーの吸収によって冷熱を蓄え、前記相変化とは逆の相変化に伴って起こる熱エネルギーの放出による過熱を、前記熱エネルギーが吸収される際に蓄えた冷熱によって抑制する潜熱蓄熱材である請求項１に記載の高圧タンク。
【請求項４】
前記ガスを貯蔵する容器本体と、前記容器本体に取り付けられ、前記容器本体に前記ガスを充填したり前記容器本体から前記ガスを放出したりする口金とを備え、前記蓄熱材は、前記口金に設けられている請求項１又は２に記載の高圧タンク。
【請求項５】
前記ガスを貯蔵する容器本体と、前記容器本体に取り付けられ、前記容器本体に前記ガスを充填したり前記容器本体から前記ガスを放出したりする口金とを備え、前記蓄熱材は、前記容器本体の少なくとも一部に設けられている請求項１又は２に記載の高圧タンク。
【請求項６】
ガスを貯蔵する容器本体を備えてなる高圧タンクであって、
前記容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられた保冷層を備える高圧タンク。
【請求項７】
前記保冷層は、前記容器本体の剛性以下の剛性を有する請求項６に記載の高圧タンク。
【請求項８】
前記保冷層は、外部の衝撃から前記容器本体を保護する緩衝機能を有する請求項６又は７に記載の高圧タンク。
【請求項９】
ガスを貯蔵する容器本体を備えてなる高圧タンクであって、
前記容器本体の少なくとも一部を被覆するように設けられ、所定の保冷剤が充填される保冷室を備える高圧タンク。
【請求項１０】
前記保冷室には、前記容器本体からガスが放出された後に所定の保冷剤が供給される請求項９に記載の高圧タンク。
【請求項１１】
前記保冷室には、前記容器本体にガスが充填された後に所定の保冷剤が供給される請求項９又は１０に記載の高圧タンク。
【請求項１２】
前記保冷室は、前記容器本体の剛性以下の剛性を有する請求項９から１１の何れか一項に記載の高圧タンク。
【請求項１３】
前記保冷室は、外部の衝撃から前記容器本体を保護する緩衝機能を有する請求項９から１２の何れか一項に記載の高圧タンク。
【請求項１４】
前記容器本体は、樹脂材料で構成されガスに直接接触する内層と、繊維強化樹脂材料で構成され前記内層の外側に設けられる外層と、を有する請求項６から１３の何れか一項に記載の高圧タンク。
【請求項１５】
前記ガスは高圧水素ガスであり、燃料電池車両に搭載される請求項６から１４の何れか一項に記載の高圧タンク。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１６９８８（Ｐ２００７−１６９８８Ａ）
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６２２５７（Ｐ２００６−６２２５７）
【出願日】平成１８年３月８日（２００６．３．８）
【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１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月８日（２００６．３．８）
【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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