特許 7407903 断熱支持体および断熱支持体を含む自動車用液化水素の貯蔵容器

(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】

(24)【登録日】2023-12-21

(45)【発行日】2024-01-04

(54)【発明の名称】断熱支持体および断熱支持体を含む自動車用液化水素の貯蔵容器

(51)【国際特許分類】

   F17C 1/12 20060101AFI20231222BHJP

   F16J 12/00 20060101ALI20231222BHJP

   B60K 15/03 20060101ALI20231222BHJP

【ＦＩ】

F17C1/12

F16J12/00 E

B60K15/03 B

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022211147

(22)【出願日】2022-12-28

(65)【公開番号】P2023099518

(43)【公開日】2023-07-13

【審査請求日】2022-12-28

(31)【優先権主張番号】10-2021-0193663

(32)【優先日】2021-12-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】518115573

【氏名又は名称】ドンスン ファインテック カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＤＯＮＧＳＵＮＧ ＦＩＮＥＴＥＣ ＣＯ．，ＬＴＤ

【住所又は居所原語表記】１２０， Ｈｙｅｏｐｄｏｎｇｄａｎｊｉ－ｇｉｌ， Ｍｉｙａｎｇ－ｍｙｅｏｎ， Ａｎｓｅｏｎｇ－ｓｉ， Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】キム、カプス

(72)【発明者】

【氏名】キム、ソンジュン

(72)【発明者】

【氏名】ウォン、サンウ

【審査官】佐藤 正宗

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１１００５４１２２（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許第６０２９４５６（ＵＳ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－００５９２９５（ＫＲ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１６９７０４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００７－５３６４８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００６／００６８９９３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１７Ｃ １／００－１３／１２

Ｆ１６Ｊ １２／００

Ｂ６０Ｋ １５／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部容器と外部容器とからなる液化水素の貯蔵容器の真空が形成された前記内部容器と前記外部容器との間に配置されて前記内部容器を支持する断熱支持体であって、
一端が前記内部容器と接触し、他端が前記外部容器と接触し、複数回折り曲げて複数層で形成される、断熱支持体。

【請求項2】

樹脂材および強化繊維を含む複合材料で形成される、請求項１に記載の断熱支持体。

【請求項3】

前記複数層における層と層との間は真空である、請求項２に記載の断熱支持体。

【請求項4】

中央領域にキャビティが形成される、請求項３に記載の断熱支持体。

【請求項5】

前記重なる層の間に充填材が満たされる、請求項４に記載の断熱支持体。

【請求項6】

前記内部容器の円周方向へ複数個設けられる、請求項５に記載の断熱支持体。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか一項に記載の断熱支持体を含む自動車用液化水素の貯蔵容器。

【請求項8】

前記液化水素の貯蔵容器での内部容器の一端部は、外部容器に固定された、請求項７に記載の自動車用液化水素の貯蔵容器。

【請求項9】

前記液化水素の貯蔵容器での内部容器の反対側の端部は、長手方向に移動可能となるように固定されていない、請求項７に記載の自動車用液化水素の貯蔵容器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液化水素の貯蔵容器用断熱支持体およびこの断熱支持体を含む液化水素の貯蔵容器に関し、詳しくは複合素材を適用した断熱支持体およびこの断熱支持体を設けた自動車用液化水素貯蔵容器に関する。

【背景技術】

【0002】

最近、急速な産業化の発展と人口の増加によりエネルギー需要が絶えずに増加しており、これによって化石燃料の枯渇に伴う代替エネルギー需給が切実である。韓国の場合、エネルギー消費量が世界１０位以内に入るほど大量のエネルギーを消費していながらも、使用するエネルギーの９０％以上を外国からの輸入に依存している実情であるだけに、エネルギー確保対策が緊急である。

【0003】

そのため、全世界的に直面している複雑なエネルギー問題を解決するために注目を集めている代替エネルギーとして水素燃料が挙げられている。

【0004】

水素燃料は、地球上で炭素と窒素の次に最も豊富な元素であるだけでなく、燃焼時に極めて微量の窒素酸化物のみを生成させるだけで他の公害物質を全く排出しないクリーンなエネルギー源であり、地球上に存在する豊富な量の水を原料にして作り出すことができ、使用後も再び水に再循環されるため、枯渇の恐れのない最適の代替エネルギー源といえる。

【0005】

水素燃料を利用するための最も重要な課題は、水素の貯蔵方法であり、高圧ガスシリンダや地質学的特性が揃った地下または配管システムなどに圧縮貯蔵する方法と、金属水素化物（Metal hydride）、カーボンナノチューブ（Carbon nanotube）、ガラス微小球体（Glass microspheres）などを用いた固体吸着による貯蔵方法と、極低温状態の容器に液化した状態で貯蔵する方法とがある。

【0006】

特に、液化した状態の水素は極低温状態で貯蔵されるため、外部熱源から伝導、対流および放射などによる微量の熱が伝達されると水素の気化を招き、このような水素の気化による損失率は容器の大きさ、形状、断熱材の形態によって異なる。

【0007】

現在、自動車用に使用されている高圧水素の貯蔵方式は一般に断熱が要求されていないが、液化水素の温度である－２５３℃を維持するためには断熱に優れている貯蔵方法が要求される。

【0008】

従来、液化水素を貯蔵するための高低圧兼用水素燃料の貯蔵容器が、韓国登録特許第０９３７５２０号（特許文献１）から提案された。特許文献１は、図１に示すように、内部容器１０と外部容器２０との二重構造で形成されており、内部容器１０と外部容器２０との間には断熱のための絶縁体３０が装入され、外部容器２０には水素燃料の充填のための充填口４０と、内外部容器１０、２０間の空間を真空状態で組成するための真空ポート５０とがそれぞれ設けられている構成となっている。

【0009】

しかしながら、特許文献１の水素燃料の貯蔵容器は、垂直型貯蔵容器の中心部分を支持する構造であるため、貯蔵容量が増大して重量および大きさが増加したり、熱荷重が加わったりする場合、半径方向に堅固に支持できないという問題がある。また、特許文献１の水素燃料の貯蔵容器は、内部容器１０を支持するために外部容器２０の内部に付着された支持構造物により内部の付着区域で断熱欠陥が生じて断熱効率が低くなる問題がある。

【0010】

自動車用液化水素の貯蔵容器のような水平型液化ガスの貯蔵容器に対する従来技術として、韓国公開特許公報第１０－２０２１－０１００６７５号（特許文献２）に、縦方向端部のうちいずれか１つで第２外側タンク３内に第１内側タンク２を支持するための支持装置１５が提示されている。図２に示すように、前記支持装置１５は、外側タンク３の一端部と内側タンク２の隣接した端部との間に縦方向Ａへ延長される固定された剛性連結部を含む。前記支持装置１５は、カンチレバー方式で縦方向端部で第２タンク３内に第１タンク２をホールド（hold）する水平の機械的連結部を形成する。

【0011】

ところで、特許文献２の水平型液体ガスの貯蔵容器は、支持装置１５の反対側に別個の支持棒１７を除去することにより、第２タンク３内部の付着区域に生じる可能性がある断熱欠陥をなくしてタンクの断熱を改善することができるようにした。しかし、特許文献２の貯蔵容器は、特許文献１のように内部タンクの中心部分をカンチレバー方式で縦方向の中心軸方向へ支持する構造であるため、貯蔵容量が増加して重量および大きさが増加したり、熱荷重が加わったりする場合、半径方向へ堅固に支持できない問題がある。

【0012】

一方、液体ガスの貯蔵容器の外側タンクと内側タンクとの間に結合されて内側タンクを支持する支持体の断熱欠陥を減らすために繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）のような複合材料からなる支持体が使用された。複合材料からなる支持体は、金属からなる支持体より保温性能に優れているものの、これより断熱性能にもっと優れた技術が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【文献】韓国登録特許第１０－０９３７５２０号公報

【文献】韓国公開特許第１０－２０２１－０１００６７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、液化水素の温度を維持するために断熱性能に優れている断熱支持体およびこの断熱支持体を含む自動車用液化水素の貯蔵容器を提供することにある。

【0015】

また、本発明の目的は、貯蔵容量を増やすために重量と大きさが増加する場合、重量による荷重および熱変形による熱荷重に対して安全に支持できる構造を有する液化水素の貯蔵容器用断熱支持体、好ましくは自動車用液化水素の貯蔵容器用断熱支持体、およびこの断熱支持体を含む自動車用液化水素の貯蔵容器を提供することにある。

【0016】

また、本発明の目的は、貯蔵容器の熱変形を吸収することができる構造を有する液化水素の貯蔵容器用断熱支持体、好ましくは自動車用液化水素の貯蔵容器用断熱支持体、およびこの断熱支持体を含む自動車用液化水素の貯蔵容器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

前記課題を解決するための本発明の一実施形態による断熱支持体は、内部容器と外部容器とからなる液化水素の貯蔵容器の真空が形成された、前記内部容器と前記外部容器との間に配置されて前記内部容器を支持する断熱支持体であって、一端が前記内部容器と接触し、他端が前記外部容器と接触し、複数回折り曲げて複数層に形成され得る。

【0018】

また、前記断熱支持体は、樹脂材および強化繊維を含む複合材料で形成されてもよい。

【0019】

また、複数層における層と層との間は真空であり得る。

【0020】

また、中央領域にキャビティが形成されてもよい。

【0021】

前記重なって隣り合う層の間に充填材が満たされることがある。

【0022】

また、前記断熱支持体は、前記内部容器の円周方向へ複数個設けられてもよい。

【0023】

また、本発明の一実施形態による自動車用液化水素の貯蔵容器は、前記断熱支持体を含み得る。

【0024】

また、前記液化水素の貯蔵容器の一端部は、外部容器に固定されてもよい。

【0025】

また、前記液化水素の貯蔵容器において内部容器の反対側の端部は、長手方向へ移動可能となるように固定されていない可能性がある。

【発明の効果】

【0026】

上記したように構成される本発明による液化水素の貯蔵容器用断熱支持体およびこれを含む自動車用液化水素の貯蔵容器は、液化水素の温度を維持するための断熱性能に極めて優れた効果を有する。

【0027】

また、前記断熱支持体は、貯蔵容量の増加のために重量と大きさが増加する場合、重量による荷重および熱変形による熱荷重に対して安全に支持することができる効果がある。

【0028】

また、前記断熱支持体は、熱荷重が加わる場合に貯蔵容器の熱変形を吸収することができる構造を提供し得る。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】従来の垂直型水素燃料の貯蔵容器を示す図である。

【図2】従来の水平型液化ガスの貯蔵容器を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態による自動車用液化水素の貯蔵容器を示す図である。

【図4】図３の貯蔵容器の側断面を示す図である。

【図5】図３および図４の貯蔵容器の内部に設置される断熱支持体の構造を示す図である。

【図6】図５の断熱支持体の断面を示す図である。

【図7】本発明による自動車用液化水素の貯蔵容器用断熱支持体と従来の断熱支持体との断熱性能を比較するための図である。

【図8】本発明による自動車用液化水素の貯蔵容器の内部に設置される断熱支持体の他の実施形態を示す図である。

【図9】本発明による自動車用液化水素の貯蔵容器の内部に設置される断熱支持体のもう一つの実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下では、図３～図９を参照して本発明による自動車用液化水素の貯蔵容器を詳しく説明する。

【0031】

図３は、本発明の一実施形態による自動車用液化水素の貯蔵容器を示し、図４は図３の貯蔵容器の側断面を示す。

【0032】

本発明の一実施形態による自動車用液化水素の貯蔵容器は、水平型貯蔵容器として液化水素を貯蔵する内部容器１１０と、前記内部容器１１０を取り囲みながら収容する外部容器１２０との二重構造で形成される。

【0033】

外部容器２０には水素燃料を充填するための充填口（図示せず）が設けられており、外部容器２０の一端部には内部容器１１０と外部容器１２０との間の離隔空間１３０を真空状態にするための真空ノズル１６０が設けられている。

【0034】

前記内部容器１１０の長手方向の端部のうち前記真空ノズル１６０が設けられている側の端部は、固定体１５０と、この固定体１５０に連結されている固定フレーム１５１とによって前記外部容器１２０に固定される。前記内部容器１１０の反対側の端部は固定されていないため、熱荷重が加えられると、長手方向に自由に移動することができる。

【0035】

前記内部容器１１０と前記外部容器１２０との間には、前記内部容器１１０を支持するための断熱支持体１４０が設けられる。前記断熱支持体１４０の一端は、前記内部容器と接触し、他端は前記外部容器と接触する。

【0036】

前記断熱支持体１４０は、断熱性能に優れている複合材料で形成され、前記内部容器１１０内に貯蔵された液化水素の温度－２５３℃を維持するために外部からの熱伝達を最小化する。

【0037】

また、前記断熱支持体１４０は、樹脂を含む複合材料で形成されており、また幾重にも重なって複数層で形成されるため、熱変形により前記内部容器１１０が長手方向（図３で左側方向）に移動すると、前記断熱支持体１４０によって支持されながらスライディングが可能となる。すなわち、熱荷重によって前記内部容器１１０に熱変形が生じてもこれを吸収することができるため、耐久性が向上する。

【0038】

図４に示すように、前記断熱支持体１４０は、前記内部容器１１０と前記外部容器１２０との間の離隔空間１３０を通して設けられているが、収納容器１００の半径方向へ堅固に支持の役割を果たすために、円周方向に複数個設けられることが好ましい。貯蔵容器に要求される容量が大きくなったり荷重が大きくなったりする場合に、前記したように円周方向に複数の断熱支持体１４０を設けることにより、増加された容量と荷重に対する堅固な支持が可能となる。図４の実施形態は、前記断熱支持体１４０が等間隔で３つ設けられた例示である。

【0039】

図５は、図３および図４の貯蔵容器の内部に設置される断熱支持体１４０の構造を示し、図６は図５の断熱支持体の断面を示す。

【0040】

断熱支持体１４０は、樹脂材１４１ｂおよび強化繊維１４１ａを含む複合材料で形成される。前記複合材料は、樹脂材１４１ｂに強化繊維１４１ａを含浸させて製造されてもよい。断熱支持体１４０は、図５および図６に示すように複数回折り曲げて複数層で形成される。複合材料に含浸される強化繊維１４１ａは、長さが長い繊維形態も可能であり、短い形態の繊維形態も可能である。このような複合材料で形成された断熱支持体１４０は、優れた強度と断熱性能を有するため、貯蔵容器１００の外部容器１２０内の内部容器１１０を支持するために十分な強度を有するとともに、外部からの熱伝達を最小限に抑える断熱機能を遂行することができる。

【0041】

前記断熱支持体１４０は、複合材料本体１４１が幾重にも重なって形成されるが、重なって隣り合う層の間に間隙１４３が存在するようになる。前記断熱支持体１４０が、前記内部容器１１０と前記外部容器１２０との間の離隔空間１３０に設けられながら圧縮され、この状態で前記内部容器１１０を十分に支持することができる。このように幾重にも重なって形成されることにより、前記断熱支持体１４０は、熱荷重によって前記内部容器１１０の長手方向への移動が発生しても、このような熱変形を吸収することができる。

【0042】

以下では、前記断熱支持体１４０の断熱性能について詳しく説明する。

【0043】

液化水素を収容する内部容器と、この内部容器を取り囲む外部容器とからなる液化水素の貯蔵容器で真空断熱のために内部容器と外部容器との間に真空を作る。液化水素の貯蔵容器の真空断熱では、内部容器と外部容器との間に一定の距離を維持することができるようにする支持体が必要である。

【0044】

液化水素の貯蔵容器の場合、内部容器は液化水素の温度である－２５３℃まで温度が下がるため、ＬＮＧタンクによく使われる木材の支持体を使用するのには強度と断熱性能の両方を満たすのに限界がある。

【0045】

液化水素の貯蔵容器の内部のような極低温環境において強度と断熱性能に優れた支持体の材料として繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）のような複合材料からなる支持体を使用することができる。

【0046】

繊維とマットレス樹脂の種類によって異なるが、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の熱伝導度は約０．３Ｗ／ｍＫである。一方、本発明による断熱支持体１４０のように繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の素材が幾重にも重なった複合材料の構造体は、真空状態にある場合、真空状態によって異なるが、ＮＡＳＡ資料によると、１０^-３Ｔｏｒｒの真空環境で６．５×１０^-８Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有すれば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の熱伝導率と比較して４６０万倍の差がある。

【0047】

すなわち、図７（ａ）のような従来の繊維強化プラスチックの素材の支持体の場合、貯蔵タンクの外部から熱がタンクの内部に浸透すると、約０．３Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する繊維強化プラスチックの素材の剛体支持体を媒介にして、極低温環境の内部容器に向かって短い直線経路に沿って（矢印方向）熱が速く伝達され、単位時間当たりの熱浸透量が大きくなって保温性能が低下することになる。

【0048】

ところで、図７（ｂ）のように繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の素材が複数層で重なる複合材料の構造体からなる支持体の場合には、層と層との間の真空を介して熱が伝達される速度よりも、複数層をなしている複合材料の各層に沿って熱が伝達される速度が速いため、ジグザグ経路に沿って（矢印方向）熱が伝達される。すなわち、長い経路に沿って熱が伝達されるため、単位時間当たりの熱浸透量が小さいことから、保温性能が著しく向上する。

【0049】

図８は、本発明による自動車用液化水素の貯蔵容器の内部に設置される断熱支持体の他の実施形態を示す。この実施形態では、断熱支持体１１４０は、複合材料本体１１４１が複数層で重なって形成され、重なる部位の間に間隙１１４３が存在し、断熱支持体１１４０構造の中央領域にキャビティ１４５が形成されている。前記断熱支持体１１４０が前記内部容器１１０を支持するのに十分な支持力を発揮する範囲であれば、キャビティ１４５の大きさや形状は限定されない。

【0050】

図７（ａ）のような複合材料の剛体で形成される支持体と対比して、本発明による図７（ｂ）（図５および図６と同一）の実施形態の断熱支持体１４０、および図８の実施形態の断熱支持体１１４０の断熱性能を数値解析により確認して見た結果は次の通りであった。

【0051】

すなわち、ＡＮＳＹＳ数値解析プログラムを用いて有限要素解析を行った結果、図７（ａ）のような従来の複合材料の剛体支持体の熱フラックス（Heat Flux）は７３５．１７Ｗ／ｍ^２で、図７（ｂ）（図５および図６）の実施形態の断熱支持体１４０の熱フラックスは６．１０Ｗ／ｍ^２で、図８の実施形態の断熱支持体１１４０の熱フラックスは３．３１Ｗ／ｍ^２である。この数値解析の結果、各場合の熱フラックスを比較すると、本発明による断熱支持体１４０、１１４０は、従来の複合材料の支持体よりも断熱効率が約１２０～２２０倍向上することがわかった。

【0052】

図９は、本発明による自動車用液化水素の貯蔵容器の内部に設置される断熱支持体のもう一つの実施形態を示す。

【0053】

本実施形態による断熱支持体２１４０は、複合材料本体２１４１が幾重にも重なって形成され、重なる部位の間に充填材２１４４が満たされている。図５および図６の実施形態による断熱支持体１４０の場合、間隙１４３が存在して荷重により圧縮されて断熱支持体１４０の厚さが減少されうるものの、この間隙１４３に充填材２１４４を満たすことにより、断熱支持体１４０の厚さの減少を減らして支持力を向上させることができる。また、充填材２１４４を満たすことにより、超低温で機械的強度が補強できるようになる。

【0054】

前記充填材２１４４は、伝導および放射の熱伝達を最小限に抑えることができる材料で形成されることが好ましい。例えば、前記充填材２１４４は、ガラスペーパー（Glass paper）やガラスネット（Glass net）と薄板ＡＬ－ｆｉｌｅを積層して複数層で構成して断熱機能を同時に行うことができるようにすることが好ましい。さらに好ましくは、充填材２１４４の厚さは、図６の間隙１４３の数値と類似した範囲で構成して構造的安定性を高めることができる。

【0055】

以上の説明は、本発明の技術的思想を例として説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で多様な修正、変更および置換が可能であろう。したがって、本実施形態は、本発明の技術的思想を限定するものではなく説明するためのものであり、このような実施形態によって本発明の技術的思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術的思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきであろう。

【符号の説明】

【0056】

１００： 貯蔵容器
１１０： 内部容器
１２０：外部容器
１３０： 離隔空間
１４０、１１４０、２１４０：断熱支持体
１４１、１１４１、２１４１：複合材料本体
１４１ａ：強化繊維
１４１ｂ：樹脂材
１４３、１１４３：間隙
１４５： キャビティ
１５０： 固定体
１６０：真空ノズル
２１４４： 充填材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】