特許 5876678 水素貯蔵容器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5876678

(24)【登録日】2016年1月29日

(45)【発行日】2016年3月2日

(54)【発明の名称】水素貯蔵容器

(51)【国際特許分類】

   F17C 11/00 20060101AFI20160218BHJP

   F17C 1/00 20060101ALI20160218BHJP

【ＦＩ】

   F17C11/00 C

   F17C1/00 A

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-147548(P2011-147548)

(22)【出願日】2011年7月1日

(65)【公開番号】特開2013-15174(P2013-15174A)

(43)【公開日】2013年1月24日

【審査請求日】2014年1月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000929

【氏名又は名称】ＫＹＢ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075513

【弁理士】

【氏名又は名称】後藤 政喜

(74)【代理人】

【識別番号】100114236

【弁理士】

【氏名又は名称】藤井 正弘

(74)【代理人】

【識別番号】100120260

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅昭

(74)【代理人】

【識別番号】100137604

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 淳

(72)【発明者】

【氏名】中村 善也

(72)【発明者】

【氏名】小林 隆

【審査官】 白川 敬寛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１５１２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３３２８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０３２５１４１０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１７Ｃ １／００−１３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素ガスを貯蔵する水素貯蔵物質を用いて水素ガスを貯蔵する水素貯蔵容器であって、
水素ガスが導かれるライナ開口部を有して水素ガスを貯蔵する中空状のライナと、
前記ライナの内側に配置されて水素貯蔵物質を収容する中空状のサブタンクと、
前記サブタンクの内側に配置されて水素貯蔵物質との間で熱交換を行う熱交換媒体が導かれる熱交換パイプと、
前記ライナ開口部に対して前記サブタンクの端部を支持するサブタンク支持部と、
前記サブタンク支持部を貫通して形成され前記熱交換パイプに熱交換媒体を導く熱交換媒体通路と、を備え、
前記ライナが一対の前記ライナ開口部を有し、
前記サブタンクが一対の前記サブタンク支持部を介して前記ライナ開口部に両持ち支持され、
前記熱交換パイプの両端部が前記サブタンク支持部の前記熱交換媒体通路に挿入されてそれぞれ支持されることを特徴とする水素貯蔵容器。

【請求項2】

前記熱交換パイプは、複数の管凸部が放射状に突出する断面を有することを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵容器。

【請求項3】

前記管凸部が前記熱交換パイプの長手方向について螺旋状に延びることを特徴とする請求項２に記載の水素貯蔵容器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素ガスを貯蔵する水素貯蔵物質を用いて水素ガスを貯蔵する水素貯蔵容器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料電池自動車では、燃料となる水素ガスの供給源として、水素貯蔵容器を搭載する。

【0003】

この種の水素貯蔵容器として、特許文献１に開示されたものは、水素ガスが導かれる一対のライナ開口部を有して水素ガスを貯蔵する中空状のライナと、このライナの内側に配置されて水素貯蔵物質を収容する中空状のサブタンク（カートリッジ本体）と、このサブタンクの外周に螺旋状に巻き付けられて熱交換媒体が導かれる熱交換パイプ（熱交換用流路配管）とを備えている。

【0004】

水素貯蔵容器への水素ガス充填時には、高圧の水素ガスがライナ内に供給されるとともに、熱交換パイプに低温の熱交換媒体（冷却媒体）が供給されて水素貯蔵物質が冷却されることにより、水素貯蔵物質に水素ガスが貯蔵されることが促される。

【0005】

一方、水素貯蔵容器から水素ガスが取り出される時には、熱交換パイプに高温の熱交換媒体が供給されることにより水素貯蔵物質が加熱され、水素貯蔵物質から水素ガスが放出されることが促される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８−１５１２０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、このような従来の水素貯蔵容器にあっては、熱交換パイプがサブタンクの外周に螺旋状に巻き付けられる構造上、熱交換媒体と水素貯蔵物質との間に熱交換パイプとサブタンクが介在しているため、水素貯蔵物質の冷却、加熱を行う熱制御性に改善の余地があった。

【0008】

さらに、熱交換パイプの端部がライナ内に設けられる配管部材に溶接によって接続されているため、振動や衝撃を受けて熱交換パイプの接続部が破損しやすいという問題点があった。

【0009】

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、熱制御性及び耐振動性が改善される水素貯蔵容器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、水素ガスを貯蔵する水素貯蔵物質を用いて水素ガスを貯蔵する水素貯蔵容器であって、水素ガスが導かれるライナ開口部を有して水素ガスを貯蔵する中空状のライナと、前記ライナの内側に配置されて水素貯蔵物質を収容する中空状のサブタンクと、前記サブタンクの内側に配置されて水素貯蔵物質との間で熱交換を行う熱交換媒体が導かれる熱交換パイプと、前記ライナ開口部に対して前記サブタンクの端部を支持するサブタンク支持部と、前記サブタンク支持部を貫通して形成され前記熱交換パイプに熱交換媒体を導く熱交換媒体通路と、を備え、前記ライナが一対の前記ライナ開口部を有し、前記サブタンクが一対の前記サブタンク支持部を介して前記ライナ開口部に両持ち支持され、前記熱交換パイプの両端部が前記サブタンク支持部の前記熱交換媒体通路に挿入されてそれぞれ支持されることを特徴とするものとした。

【発明の効果】

【0011】

本発明によると、熱交換パイプの外表面が水素貯蔵物質に接触するため、熱交換パイプがサブタンクの外周に巻き付けられる従来装置に比べて、熱交換媒体と水素貯蔵物質との間で熱交換が効率よく行われ、水素貯蔵物質の冷却、加熱を行う熱制御性を高められる。

【0012】

熱交換パイプは、そのパイプ端部がサブタンク支持部に支持される構造のため、熱交換パイプの開口端を溶接によって接続する従来装置に比べて、振動や衝撃を受けて熱交換パイプの接続部が破損することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態を示す水素貯蔵容器の断面図。

【図2】同じく水素貯蔵容器の一部を示す断面図。

【図3】他の実施形態を示す水素貯蔵容器の一部を示す断面図。

【図4】同じく熱交換パイプの斜視図。

【図5】他の実施形態を示す熱交換パイプの斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

【0015】

図１、図２に示す水素貯蔵容器１は、例えば水素ガスを燃料とする車両に搭載され、高圧の水素ガスを貯蔵するものである。

【0016】

ハイブリッドタイプの水素貯蔵容器１は、高圧の水素ガスが充填される中空状のライナ（メインタンク）２と、このライナ２の内側に設けられる中空状のサブタンク１１と、このサブタンク１１の内側に収容される水素貯蔵物質９（図２参照）と、この水素貯蔵物質９を冷却、加熱する熱交換パイプ５０とを備える。なお、図１はサブタンク１１に水素貯蔵物質９が収容されていない状態を便宜上示している。

【0017】

サブタンク１１の内側に収容される水素貯蔵物質９として、例えば粉末状の水素貯蔵合金が用いられる。この水素貯蔵合金には、大気中に比べて数１００倍以上の水素ガスが貯蔵される。

【0018】

水素貯蔵容器１への水素ガス充填時には、高圧の水素ガスがライナ２内に供給されるとともに、熱交換パイプ５０に低温の熱交換媒体（冷却媒体）が供給されて水素貯蔵物質９が冷却されることにより、水素貯蔵物質９に水素ガスが貯蔵されることが促される。

【0019】

一方、水素貯蔵容器１から水素ガスが取り出される時には、熱交換パイプ５０に高温の熱交換媒体が供給されることにより水素貯蔵物質９が加熱され、水素貯蔵物質９から水素ガスが放出されることが促される。

【0020】

熱交換パイプ５０に供給される熱交換媒体としては、例えば水が用いられる。

【0021】

水素貯蔵容器１は、高圧の水素ガスが充填される中空状のライナ（メインタンク）２と、このライナ２の外面を包囲する補強スリーブ４を備える。

【0022】

ライナ２は、円筒状のライナ胴部２１と、このライナ胴部２１の両端をドーム状に塞ぐライナ端部２２とを有する。

【0023】

ライナ端部２２は、円筒状のライナ胴部２１の両端からドーム状に絞られるライナ肩部２３と、それぞれの中央部に開口するライナ開口部２４とを有する。

【0024】

ライナ２は、例えばアルミニウム合金を材質として形成される。これにより、ライナ２は、その内面が水素ガスに晒されても脆化することが防止され、耐食性が確保さる。

【0025】

ライナ２の外面を包囲する補強スリーブ４は、ライナ２より引っ張り強度が高く、熱膨張率が小さい金属として、例えば高張力鋼を材質とする。

【0026】

補強スリーブ４は、ライナ胴部２１の外周面に嵌合する円筒状のスリーブ胴部４１と、このスリーブ胴部４１の端部から延びてライナ肩部２３に当接するスリーブ肩部４２とを有する。

【0027】

水素貯蔵容器１への水素ガスが充填される時には、ライナ２の内部圧力が高まってライナ２が膨張するが、ライナ２を囲む補強スリーブ４によってライナ２の膨張が抑えられ、ライナ２に生じる内部応力が低減される。

【0028】

水素貯蔵容器１は、ライナ２の両端に開口して水素ガスが導かれるライナ開口部２４と、このライナ開口部２４に対してサブタンク１１の両端を支持する一対のサブタンク支持部１７を備える。サブタンク１１は、このサブタンク支持部１７によってライナ２内に宙吊りに支持され、ライナ２の内壁面に対して環状の間隙８を持つ。

【0029】

サブタンク支持部１７は、ライナ２の外側からライナ開口部２４に差し込まれるプラグ２５と、ライナ２の内側からプラグ２５に差し込まれるサブタンク支柱３０と、プラグ２５に取り付けられ水素ガスと熱交換媒体をそれぞれ導くポートブロック３５とを備える。

【0030】

プラグ２５は、ライナ開口部２４に差し込まれるプラグ円筒部２６と、ライナ２の端面に当接するプラグフランジ部２７とを有する。

【0031】

プラグ円筒部２６は、その外周にネジが形成され、ライナ開口部２４に螺合して組み付けられる。

【0032】

プラグ円筒部２６は、その端面に開口する取付穴２８を有し、この取付穴２８にサブタンク支柱３０が挿入して組み付けられる。

【0033】

サブタンク１１は、円筒状のサブタンク胴部１２と、このサブタンク胴部１２の両端に装着される円盤状のサブタンク端部１３と、このサブタンク端部１３から突出してライナ２に支持される前記のサブタンク支柱３０とを備える。

【0034】

円筒状のサブタンク支柱３０は、水素貯蔵容器１の中心線Ｏ上に配置され、円盤状のサブタンク端部１３の中央部を貫通して組み付けられる。

【0035】

ライナ２とサブタンク１１は、水素貯蔵容器１の中心線Ｏについて略対称的に形成される。

【0036】

サブタンク胴部１２の内側には各サブタンク端部１３の間に円柱状の空間が画成され、この空間に水素貯蔵物質９と熱交換パイプ５０が共に収容される。

【0037】

円盤状のサブタンク端部１３には、水素ガスを通すフィルタ１５が多孔板１４を介して取り付けられる。円盤状の多孔板１４は、複数のボルト３２を介してサブタンク端部１３に締結される。

【0038】

熱交換パイプ５０は、その両端部としてパイプ基端部５１とパイプ先端部５４がサブタンク支持部１７の通孔３１にそれぞれ挿入されることによってサブタンク１１内に宙吊りに支持される。

【0039】

熱交換パイプ５０は、サブタンク支持部１７の通孔３１から突出されるパイプ基端部５１の先端（図１にて右側の端部）から曲折してコイル状に延びるパイプ螺旋部５２と、このパイプ螺旋部５２の先端（図１にて右側の端部）から曲折してパイプ螺旋部５２の内側にてＵ字状に延びるパイプ往復部５３とを有し、このパイプ往復部５３の先端（図１にて右側の端部）がサブタンク支持部１７の通孔３１に挿入されるパイプ先端部５４となる。

【0040】

熱交換パイプ５０は、水素貯蔵物質９と共にサブタンク１１内に収容され、パイプ螺旋部５２とパイプ往復部５３の外表面が水素貯蔵物質９に接触する。

【0041】

熱交換パイプ５０は、例えばステンレス等の金属材によって形成される。

【0042】

図１にて左側のポートブロック３５には、矢印で示すように水素ガスが給排される水素ガス給排ポート３６と、矢印で示すように熱交換媒体が供給される熱交換媒体供給ポート３７とが形成される。水素ガス給排ポート３６には、水素ガスを導く図示しない配管が接続される。熱交換媒体供給ポート３７には熱交換媒体を導く図示しない配管が接続される。

【0043】

図１にて右側のポートブロック３５には、矢印で示すように水素ガスが給排される水素ガス給排ポート３６と、矢印で示すように熱交換媒体が排出される熱交換媒体排出ポート３８とが形成される。水素ガス給排ポート３６には、水素ガスを導く図示しない配管が接続される。熱交換媒体排出ポート３８には熱交換媒体を導く図示しない配管が接続される。

【0044】

ポートブロック３５とプラグ２５とは、複数のボルト１６を介して締結され、両者の間にはコネクタ４５が介装される。ポートブロック３５とコネクタ４５の間にはフィルタ３９が介装される。

【0045】

各サブタンク支持部１７には、コネクタ４５を介して水素ガスが出入りする水素ガス通路１８と、熱交換媒体が出入りする熱交換媒体通路１９とがそれぞれ設けられる。

【0046】

水素ガス通路１８は、水素ガス給排ポート３６、コネクタ４５の通孔４６、プラグ２５の通孔４７によって構成される。

【0047】

熱交換媒体通路１９は、熱交換媒体供給ポート３７、コネクタ４５の通孔４８、プラグ２５の通孔４９、サブタンク支柱３０の通孔３１によって構成される。

【0048】

水素貯蔵容器１は、以下の工程を経て製造される。
・直円筒状のライナ２に一方のライナ端部２２及びライナ開口部２４を絞り加工によって形成する。
・ライナ２内にサブタンク１１を介装し、このサブタンク１１の一端をライナ開口部２４にサブタンク支持部１７を介して支持する。
・ライナ２に他方のライナ端部２２及びライナ開口部２４を絞り加工によって形成する。
・サブタンク１１の他端をライナ開口部２４にサブタンク支持部１７を介して支持する。
・直円筒状の補強スリーブ４をライナ２に例えば圧入によって嵌合する。
・ライナ２に嵌合した直円筒状の補強スリーブ４の両端部を絞る成形加工を行う。

【0049】

水素貯蔵容器１への水素ガス充填時には、水素ガス給排ポート３６に供給される高圧の水素ガスが、フィルタ３９、コネクタ４５の通孔４６、プラグ２５の通孔４７を通ってライナ２内に流入する。水素ガス通路１８からライナ２内に流入した水素ガスは、間隙８、多孔板１４、フィルタ１５を通ってサブタンク１１の内側に入り、水素貯蔵物質９に貯蔵される。こうして水素貯蔵容器１にはその両端から水素ガスが充填される。

【0050】

上記の水素ガスの充填時には、熱交換媒体供給ポート３７に供給される低温の熱交換媒体（冷却媒体）が、コネクタ４５の通孔４８、プラグ２５の通孔４９、サブタンク支柱３０の通孔３１を通って熱交換パイプ５０へと導かれる。こうして熱交換媒体通路１９から熱交換パイプ５０のパイプ基端部５１へと導かれる熱交換媒体は、パイプ螺旋部５２と、パイプ往復部５３を通り、この過程で熱交換パイプ５０を介して水素貯蔵物質９との間で熱交換し、水素貯蔵物質９を冷却する。これにより、水素貯蔵物質９に水素ガスが貯蔵されることが促される。こうして水素貯蔵物質９の熱を吸収した熱交換媒体は、パイプ先端部５４からサブタンク支柱３０の通孔３１、プラグ２５の通孔４９、コネクタ４５の通孔４８を通って熱交換媒体排出ポート３８から排出される。

【0051】

一方、水素貯蔵容器１から水素ガスが取り出される時には、ライナ２内の水素ガスが、プラグ２５の通孔４７、コネクタ４５の通孔４６、フィルタ３９を通って水素ガス給排ポート３６へと流出する。こうして水素貯蔵容器１に貯蔵された水素ガスは、水素貯蔵容器１の両端から取り出される。

【0052】

上記の水素ガスが取り出し時には、熱交換媒体供給ポート３７に供給される高温の熱交換媒体が、コネクタ４５の通孔４８、プラグ２５の通孔４９、サブタンク支柱３０の通孔３１を通って熱交換パイプ５０へと導かれる。こうして熱交換媒体通路１９から熱交換パイプ５０のパイプ基端部５１へと導かれる熱交換媒体は、パイプ螺旋部５２と、パイプ往復部５３を通り、この過程で熱交換パイプ５０を介して水素貯蔵物質９との間で熱交換し、水素貯蔵物質９を加熱する。これにより、水素貯蔵物質９から水素ガスが放出されることが促される。

【0053】

本実施形態では、ライナ２が一対のライナ開口部２４を有し、サブタンク１１が一対のサブタンク支持部１７を介してライナ開口部２４に両持ち支持される構成としたが、これに限らず、ライナ２が一つのライナ開口部２４を有し、サブタンク１１が一つのサブタンク支持部１７を介してライナ開口部２４に片持ち支持される構成としてもよい。

【0054】

以下、本実施形態の要旨と作用、効果を説明する。

【0055】

本実施形態では、水素ガスを貯蔵する水素貯蔵物質９を用いて水素ガスを貯蔵する水素貯蔵容器１であって、水素ガスが導かれるライナ開口部２４を有して水素ガスを貯蔵する中空状のライナ２と、このライナ２の内側に配置されて水素貯蔵物質９を収容する中空状のサブタンク１１と、このサブタンク１１の内側に配置されて熱交換媒体が導かれる熱交換パイプ５０と、ライナ開口部２４に対してサブタンク１１の端部を支持するサブタンク支持部１７と、このサブタンク支持部１７を貫通し熱交換媒体が導かれる熱交換媒体通路１９とを備え、熱交換パイプ５０のパイプ端部５１がサブタンク支持部１７に支持される構成とする。

【0056】

上記構成に基づき、熱交換パイプ５０の外表面が水素貯蔵物質９に接触するため、熱交換パイプがサブタンクの外周に巻き付けられる従来装置に比べて、熱交換媒体と水素貯蔵物質９との間で熱交換が効率よく行われ、水素貯蔵物質９の冷却、加熱を行う熱制御性を高められる。

【0057】

熱交換パイプ５０は、そのパイプ端部５１がサブタンク支持部１７に支持される構造のため、熱交換パイプの開口端を溶接によって接続する従来装置に比べて、振動や衝撃を受けて熱交換パイプ５０の接続部が破損することを防止できる。

【0058】

本実施形態では、ライナ２が一対のライナ開口部２４を有し、サブタンク１１が一対のサブタンク支持部１７を介してライナ開口部２４に両持ち支持され、熱交換パイプ５０の両パイプ端部５１、５４がサブタンク支持部１７にそれぞれ支持される構成とする。

【0059】

上記構成に基づき、サブタンク１１の両端部が一対のサブタンク支持部１７に支持されるとともに、熱交換パイプ５０の両パイプ端部５１、５４が一対のサブタンク支持部１７にそれぞれ支持される構造のため、振動や衝撃を受けてサブタンク支持部１７や熱交換パイプ５０の接続部が破損することを防止できる。

【0060】

次に図３、図４に示す他の実施形態を説明する。これは図１、図２の実施形態と基本的に同じ構成を有し、相違する部分のみを説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。

【0061】

図３に示すように、熱交換パイプ６０は、前記実施形態における熱交換パイプ５０と同様に、一方のサブタンク支持部１７の通孔３１に挿入されるパイプ基端部６１と、パイプ基端部６１から曲折してコイル状に延びるパイプ螺旋部６２と、このパイプ螺旋部６２から曲折してパイプ螺旋部６２の内側にてＵ字状に延びるパイプ往復部（図示せず）と、他方のサブタンク支持部１７の通孔３１に挿入されるパイプ先端部（図示せず）とを有する。

【0062】

熱交換パイプ６０の断面形状は、パイプ基端部６１とパイプ先端部にて円環状に形成され、サブタンク支持部１７の通孔３１に対する挿入部に隙間が空くことが回避され、熱交換媒体の洩れが防止される。

【0063】

熱交換パイプ６０の断面形状は、パイプ螺旋部６２にて非円環状に形成され、水素貯蔵物質９に対する接触面積が大きく確保される。

【0064】

図４に示すように、熱交換パイプ６０の断面は、放射状に突出する複数（５つ）の管凸部６３と、隣り合う管凸部６３の間で窪む複数（４つ）の管凹部６４とを有する環状に形成される。

【0065】

換言すると、断面Ｕ字状の管凸部６３と断面Ｕ字状の管凹部６４とが周方向について交互に並ぶ環状に形成される。

【0066】

管凸部６３と管凹部６４は、熱交換パイプ６０の軸方向（長手方向）について直線状に延びる。

【0067】

熱交換パイプ６０は、例えばステンレス等の金属材によって形成される。

【0068】

前記実施形態と同様に、熱交換パイプ６０に導かれる熱交換媒体は、熱交換パイプ６０を介して水素貯蔵物質９との間で熱交換を行い、水素貯蔵物質９の冷却、加熱が行われる。

【0069】

本実施形態では、熱交換パイプ６０は、複数の管凸部６３が放射状に突出する環状の断面を有する構成としたため、前記実施形態における円環状の断面を有する熱交換パイプ５０に比べて、それぞれの流路断面積が等しい条件において、表面積（水素貯蔵物質９に対する接触面積）が大きくなり、水素貯蔵物質９との間で熱交換が行われる熱量を高められる。これにより、水素貯蔵物質９の冷却、加熱が効率よく行われ、水素貯蔵物質９による水素ガスの貯蔵、放出を速やかに行うことができる。

【0070】

熱交換パイプ６０は、複数の管凸部６３が放射状に突出する環状の断面を有する構成としたため、振動や衝撃に対する強度を高められる。

【0071】

さらに、他の実施形態として、図５に示すように、熱交換パイプ７０の管凸部７３と管凹部７４が、熱交換パイプ７０の軸方向（長手方向）について螺旋状に延びる構成としてもよい。

【0072】

この場合に、熱交換パイプ７０は、前記実施形態における管凸部７３と管凹部７４が直線状に延びるものに比べて、それぞれの流路断面積が等しい条件において、表面積（水素貯蔵物質９に対する接触面積）が大きくなるとともに、これを通って螺旋状に流れる熱交換媒体に働く遠心力によって管凸部７３内の先端領域における流速が高められるため、水素貯蔵物質９との間で熱交換が行われる熱量を高められる。これにより、水素貯蔵物質９の冷却、加熱が効率よく行われ、水素貯蔵物質９による水素ガスの貯蔵、放出を速やかに行うことができる。

【0073】

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

【符号の説明】

【0074】

１ 水素貯蔵容器
２ ライナ
９ 水素貯蔵物質
１１ サブタンク
１７ サブタンク支持部
１８ 水素ガス通路
１９ 熱交換媒体通路
２４ ライナ開口部
５０ 熱交換パイプ
６０ 熱交換パイプ
６３ 管凸部
７０ 熱交換パイプ
７３ 管凸部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】