(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素または他の物質を気相および／または液相で柔軟に貯蔵する極低温対応高圧コンテナであって、
高圧対応の貯蔵容積を包囲し、該高圧対応の貯蔵容器への管理されたアクセスを提供するアクセスポートを備える少なくとも一つの高圧容器（ＨＰＶ）と、
前記ＨＰＶを取り囲む厚さ約５ｍｍ未満の極薄断熱材と、
ほぼ箱形の低圧容器（ＬＰＶ）であって、前記少なくとも一つの高圧容器と前記低圧容器の間に低圧対応の貯蔵容積が形成され、前記少なくとも一つの高圧容器と前記極薄断熱材の間に前記低圧容器が配置されるように、該低圧容器の内側に前記少なくとも一つの高圧容器が入れ子されており、前記低圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートを有する、低圧容器と、
を備え、
前記高圧容器および前記低圧容器は、貯蔵された水素または他の物質を別個の量に区分するように設けられている
ことを特徴とする極低温対応高圧コンテナ。
【請求項２】
前記ＨＰＶがほぼ箱形であることを特徴とする請求項１に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項３】
互いに積み重ねられた構成で固定されほぼ箱形のスタックを形成し、スタックが前記極薄断熱材で取り囲まれた、少なくとも一つの追加のほぼ箱形のＨＰＶをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項４】
前記極薄断熱材が前記ＬＰＶを適合するように取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項５】
前記高圧対応の貯蔵容積を貫通し、前記ＨＰＶの対向する壁を接続する複数の支柱をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項６】
前記ＨＰＶが実質的に円筒形の構造を有することを特徴とする請求項１または４に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項７】
前記極薄断熱材が前記ＨＰＶを適合するように取り囲むことを特徴とする請求項６に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項８】
前記ＬＰＶの内側に入れ子された、少なくとも一つの追加の実質的に円筒形のＨＰＶをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項９】
前記極薄断熱材が前記ＬＰＶを適合するように取り囲むことを特徴とする請求項６に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項１０】
前記高圧対応の貯蔵容積が、その表面に水素を貯蔵する高空隙率の吸着材で少なくとも部分的に満たされていることを特徴とする請求項１に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項１１】
水素または他の物質を気相および／または液相で柔軟に貯蔵する極低温対応高圧コンテナであって、
互いに積み重ねられた構成で固定されほぼ箱形のスタックを形成する少なくとも二つのほぼ箱形の高圧容器（ＨＰＶ）であって、高圧対応の貯蔵容積を包囲し、該高圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートをそれぞれ備える、ＨＰＶと、
前記スタックと低圧容器（ＬＰＶ）の間に低圧対応の貯蔵容積が形成されるようにＬＰＶの内側に前記スタックが入れ子された、ほぼ箱形のＬＰＶであって、前記低圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートを備えるＬＰＶと、
前記ＬＰＶを適合するように取り囲む、厚さ約５ｍｍ未満の極薄断熱材と、
を備えることを特徴とする極低温対応高圧コンテナ。
【請求項１２】
前記高圧対応の貯蔵容積と前記低圧対応の貯蔵容積のうち少なくとも一方が、その表面に水素を貯蔵する高空隙率の吸着材で少なくとも部分的に満たされていることを特徴とする請求項１１に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項１３】
水素または他の物質を気相および／または液相で柔軟に貯蔵する極低温対応高圧コンテナであって、
高圧対応の貯蔵容積を包囲し、該高圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートを備える少なくとも一つの高圧容器（ＨＰＶ）と、
前記ＨＰＶと低圧容器（ＬＰＶ）の間に低圧対応の貯蔵容積が形成されるようにＬＰＶの内側に前記ＨＰＶが入れ子された、ほぼ箱形のＬＰＶであって、前記低圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートを備えるＬＰＶと、
前記ＬＰＶを適合するように取り囲む、厚さ約５ｍｍ未満の極薄断熱材と、
を備えることを特徴とする極低温対応高圧コンテナ。
【請求項１４】
前記低圧対応の貯蔵容積を貫通し、前記ＬＰＶの対向する壁を接続する複数の支柱をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【請求項１５】
前記高圧対応の貯蔵容積と前記低圧対応の貯蔵容積のうち少なくとも一方が、その表面に水素を貯蔵する高空隙率の吸着材で少なくとも部分的に満たされていることを特徴とする請求項１３に記載の極低温対応高圧コンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（仮出願における優先権の主張）
この出願は、「水素搭載車両でコンパクトに貯蔵するための極低温対応高圧コンテナ」と題する、Gene D. Berryらにより２００８年５月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／０５３，７５４号の利益を主張し、参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（連邦支援の研究または開発）
合衆国政府は、合衆国エネルギー省とローレンス・リバモア・ナショナル・セキュリティＬＬＣとの間でのローレンス・リバモア国立研究所の運営についての契約ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４に従って本発明の権利を有する。
【０００３】
（発明の分野）
本発明は、流体の貯蔵に適用される圧力容器（pressure vessel）に関する。より詳細には、本発明は、水素搭載車両においてコンパクトで柔軟性の高い貯蔵をするための極低温対応（cryogenic capable）高圧コンテナに関する。
【背景技術】
【０００４】
水素は、石油の代替燃料として、並びに石油への依存、関連する排気管の大気汚染および温室効果ガスを低減もしくはなくす可能性のあるものとして周知である。しかしながら、水素動力車の広範な使用を制限している主要な技術障壁は、体積、重量、コストおよび燃料補給時間の制約の範囲で高速走行車としては不十分な搭載燃料貯蔵能力である。
【０００５】
自動車の水素貯蔵について三つの技術が知られている。高圧圧縮されたガス貯蔵（ＣＨ２）、多孔質および／または活性材料内に水素を低圧吸収させる貯蔵、並びに液体水素（ＬＨ２）としての極低温貯蔵である。それぞれの技術に課題がある。例えば、圧縮ガスとして貯蔵される水素の欠点の一つは、室温で比較的大きな体積を占めることである。水素を吸収する材料では、典型的にかなりの重量、コスト、温度の複雑性が車載貯蔵システムに追加される。ＬＨ２貯蔵は、流通、運搬、補給操作で蒸発による損失の可能性があり、また環境からの熱伝達のために不活性期間に作られる圧力を解放するために必要なガス抜きでも蒸発による損失の可能性がある。ＬＨ２貯蔵コンテナは熱伝達に対する感度が高いために、典型的に厚さ３ｃｍ以上の高性能の断熱材が用いられてきた。このような蒸発による損失は、通常、極低温の液体を収容する容器と、断熱のために容器から離してその周りを囲むジャケットとからなる従来の低圧極低温タンクの使用と関連づけられる。
【０００６】
ＬＨ２を貯蔵するための従来の低圧極低温タンクの使用に代わるものの一つは、例えば、参照により本明細書に援用される米国特許第６，７０８，５０２号に開示されているような、極低温または室温で極低温の液体燃料または圧縮ガス燃料を柔軟に貯蔵する極低温可能／互換可能な圧力容器である。’５０２特許の極低温対応圧力容器は、燃料貯蔵容積を包み込む内側圧力コンテナと、内側圧力コンテナを取り囲みその間に退避空間（evacuated space）を形成する外側コンテナと、退避空間内で内側圧力コンテナを取り囲み熱伝達を阻害する断熱材と、を有する。加えて、例えば、熱非透過性材料の層でコンテナライナーに裏当てし、退避空間内に充満した燃料を捕捉するか充満した燃料を退避空間から追い出すことによって、退避空間内での燃料充満による体積損失がかなり抑制される。’５０２特許に開示されているもののような極低温対応圧力容器は、従来の極低温タンクよりも熱耐久性が高く、従来の室温圧力容器よりもコンパクトであり、水素吸蔵技術よりも軽量に水素を貯蔵することが可能である。
【０００７】
さらに、このような極低温対応圧力容器は、広範囲の熱力学的状態（例えば、室温の圧縮水素、極低温のＬＨ２など）での水素の補給が可能であり、自らの運転パターンおよび運転特性（走行距離、知覚された安全性、燃料補給コスト、場所、速度など）に最も適した燃料補給をドライバーが選択できるようにすることで、より柔軟性の高い使用形態が実現される。言い換えると、燃料補給オプションの選択は、様々な目的（例えば、走行距離の最大化と燃料コストの最小化）に適合するように水素の貯蔵を最適化する役割を果たす。例えば、必要に応じて、走行距離は伸びるが満タンにするコストが高くなる極低温のＬＨ２か、あるいは極低温または室温の圧縮水素ガスのいずれかで、極低温互換の圧力容器を満たすことができる。圧縮水素ガスを選択すると、走行距離は短くなるが燃料コストがかなり低下し、多数の補給場所へのアクセスが良くなり、短距離および／または低頻度のドライブ旅行となるために不活動状態が増え熱耐久性が延びる。
【０００８】
従来の低圧極低温貯蔵タンクと、高圧で極低温断熱された圧力容器との相違点は、１９９７年６月発行のＵＣＲＬ−ＪＣ−１２８３８８、「自動車の水素貯蔵用の断熱された圧力容器の熱力学」、およびInternational Journal of Hydrogen Energy 25 (2000)、「極低温水素貯蔵用の断熱圧力容器の解析的および実験的評価」と題する出願人による出版物で議論されており、両方とも参照により本明細書に援用される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、水素または他の物質を気相および／または液相で柔軟に貯蔵する極低温対応高圧コンテナを含む。この高圧コンテナは、高圧対応の貯蔵容器を包囲し、高圧対応の貯蔵容器への制限されたアクセスを提供するアクセスポートを備える高圧容器（ＨＰＶ）と、ＨＰＶを取り囲む厚さ約５ｍｍ未満の極薄断熱材と、を備える。
【００１０】
本発明の別の態様は、水素または他の物質を気相および／または液相で柔軟に貯蔵する極低温対応高圧コンテナである。この高圧コンテナは、互いに積み重ねられた構成で固定されほぼ箱形のスタックを形成する少なくとも二つのほぼ箱形の高圧容器（ＨＰＶ）であって、高圧対応の貯蔵容積を包囲し、高圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートをそれぞれ備える、ＨＰＶと、スタックと低圧容器（ＬＰＶ）の間に低圧対応の貯蔵容積が形成されるようにＬＰＶの内側にスタックが入れ子された、ほぼ箱形のＬＰＶであって、低圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートを備えるＬＰＶと、ＬＰＶを適合するように取り囲む、厚さ約５ｍｍ未満の極薄断熱材と、を備える。
【００１１】
本発明の別の態様は、水素または他の物質を気相および／または液相で柔軟に貯蔵する極低温対応高圧コンテナである。この高圧コンテナは、高圧対応の貯蔵容積を包囲し、高圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートを備える少なくとも一つの高圧容器（ＨＰＶ）と、ＨＰＶと低圧容器（ＬＰＶ）の間に低圧対応の貯蔵容積が形成されるようにＬＰＶの内側にＨＰＶが入れ子された、ほぼ箱形のＬＰＶであって、低圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートを備えるＬＰＶと、ＬＰＶを適合するように取り囲む、厚さ約５ｍｍ未満の極薄断熱材と、を備える。
【００１２】
本発明の別の態様は、水素の柔軟な貯蔵方法を含む。この方法は、高圧対応の貯蔵容積を包囲し、高圧対応の貯蔵容積への管理されたアクセスを提供するアクセスポートを備える高圧容器（ＨＰＶ）と、ＨＰＶを取り囲む厚さ約５ｍｍ未満の極薄断熱材と、を有する極低温対応高圧コンテナを準備し、パラ水素とオルト水素の比率が２５対７５である液化水素を用いて極低温対応高圧コンテナを満たすことを含む。
【００１３】
一般に、本発明は、極低温対応高圧容器（ＨＰＶ）と極薄の熱障壁とを最も広い意味で組み合わせて使用する極低温対応高圧コンテナに向けられている。ＨＰＶは、例えば約５０００ｐｓｉよりも大きな高い内圧に対応可能なタイプのものである。極低温貯蔵のアプリケーションで典型的に使用されている従来の厚い断熱材（例えば３ｃｍより大きい）と比較して、本発明の極薄の断熱材／熱障壁は、一般に、柔軟な使用のためにコンテナに求められる熱的要件が削減されているので、厚さ約５ｍｍ未満、例えば１−３ｍｍである。厚さを小さくすることで、燃料を貯蔵するための所与の利用可能な貯蔵空間を最大化することができる。「極薄の熱障壁」は、真空空間または断熱材料の二つの種類のうち一方であってよい。真空空間とする場合、二つの容器（例えば、鋼鉄）は、一方が他方に入れ子され、低伝導率のサポート／スペーサーによって間が空けられることが典型的に求められる。断熱材料の場合には、プラスチックの複数の層が使用されてもよく、これは任意の形状に容易に適合できるからである。極薄の断熱材に加えて、本発明の極低温対応高圧容器を実質的に「箱形」とし、車上で利用可能な同様の「箱形」空間または方形空間に適合させて、従来の形状（例えば、円筒形、楕円形、球形）の極低温可能な高圧容器の容積を超えて燃料容積を最大化してもよい。さらに、ＨＰＶと併せて低圧容器（ＬＰＶ）（５００ｐｓｉ未満の内圧に対応可能）を用いて追加の燃料貯蔵容積を提供してもよい。
【００１４】
本発明の例示的実施形態は、「適合された」極低温対応の高圧コンテナ、２）さらに高い圧力（例えば、１０−２０ｋｐｓｉまたはそれ以上の範囲）で動作する円筒形のＨＰＶを使用する極低温対応の圧力コンテナ、３）水素貯蔵容積を高圧空間と低圧空間とに分割した、極低温対応のＨＰＶと低圧に適合されたＬＰＶ（両方とも極薄の熱障壁／断熱材の内部にある）、を含む。これらの例示的実施形態の全ては、異なる熱力学状態（例えば圧力、温度、相、パラ水素の割合など）および異なる量の水素を補給する柔軟性を提供する。これによりドライバーは、背景技術で説明したような例示要件（燃料補給コスト、場所、時間、輸送範囲、走行距離、容器の休止、熱耐久性）を最も満足させることが可能になる。
【００１５】
本発明の極低温対応高圧コンテナは、米国特許第６，７０８，５０２号で述べられているような極低温両立可能な圧力コンテナを提供するのと同様の方法で構築されてもよい。この点において、例示的実施形態のそれぞれでは、極低温対応高圧コンテナの高圧容器（ＨＰＶ）要素は、圧縮ガスの貯蔵に使用されるものと同様の複合材料ファイバーで包まれた容器であることが好ましい。ＨＰＶは、例えば高圧のＬＨ２などを柔軟に補給可能な高圧対応の貯蔵容積を包囲する。さらに、ガスの放出を削減するような適切な表面処理を選択することで、コンテナの性能を改善し強化することができる。例えば、容器の内部に配置される吸着材料（例えば、カーボンエアロゲル、活性炭または有機金属の骨格）を使用してもよい。吸着材料は、その熱容量のために容器の熱耐久力を改善することができ、またその多孔質のために低圧での水素貯蔵性能を強化することができる。熱応力を低下させるためにアルミニウムの熱膨張係数に接近するファイバー構造を使用することによって、性能を改善することもできる。別の実施形態は、水素の透過を避けるか除去することができるライナー構成を備えるプラスチック製のライナーを使用してもよい（米国特許第６，７０８，５０２号を参照）。高圧対応の貯蔵容積または低圧対応の貯蔵容積への制限されたアクセスを可能にするアクセスポートが設けられる。このようなアクセスポートは、それぞれの貯蔵容積に水素を補給したり水素を引き出したりするための入口と出口を備えてもよい。
【００１６】
水素は、代替燃料車（ＡＦＶ：alternative fuel vehicle）アプリケーションで使用される代替燃料の一般例であり、例えば圧縮天然ガス（ＣＮＧ）などの圧縮ガスの貯蔵および／または極低温液体の貯蔵に適した他の燃料も利用可能であることが認められる。この議論では、本発明の動作を一般説明するための例示的な燃料として水素を使用する。さらに、車両での貯蔵における極低温対応の圧力容器の利点が容易に理解されるが、それのみに限定される訳ではない。本発明は、貯蔵される燃料タイプの柔軟性を要求する任意の応用形態に広く使用することができる。
【００１７】
本開示の一部に組み込まれるかまたは一部を構成する添付の図面は、以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】それぞれがほぼ箱形である複数の高圧容器を有し極薄の断熱材を取り除いた状態で示す、「適合された」コンテナの例示的実施形態を示す図である。
【図２】図１の例示的実施形態の断面図を、極薄の断熱材を適切な位置に配置した状態で示す図である。
【図３】マクロ格子（macrolattice）構造を用いた本発明の適合された高圧容器の別の例示的実施形態の等角図を一部を破壊した状態で示す図である。
【図４】極薄の断熱材と真空空間とを備えた極低温対応超高圧容器である本発明の別の例示的実施形態を示す図である。特に、円筒形の形状と構成を有する超高圧容器が示されている。
【図５】極薄真空断熱の共通の外部熱障壁を持つ、適合された低圧容器の中に入れ子された極低温対応高圧容器を有する本発明の別の例示的実施形態を示す図である。
【図６】図５と類似するが、ＬＰＶの内部の二つのＨＰＶと、ＬＰＶを構造的に強化するためのマクロ格子の支柱とを備える本発明の別の例示的実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図面を参照すると、図１および図２は、参照記号１０で全体的に示され高圧サービス用に構成された、「適合された（conformable）」極低温対応高圧コンテナの第１の例示的実施形態を示す。本明細書および特許請求の範囲で使用される「適合された」という用語は、一般に、実質的に他方の形状を帯びるような形状を意味しており、特に車両に取り付けられ、配置されまたは貯蔵されるための空間の形状を実質的に帯びた形状を有する容器に対する用語である。
【００２０】
車両内の容器取り付け空間（例えばトランク）は、実質的に平坦な面と縁とで形成された典型的に箱形で方形の空間であるため、本発明の適合された実施形態は、このような利用可能な箱形空間（従来の（例えば円筒形の）圧力容器にとっては通常は利用できない）をより満たし、その結果より大きな貯蔵容積が実現するように意図されている。ＨＰＶは単独でも、図１および図２に示す組み合わせスタックとしても、円筒形や球形ではなくほぼ箱形であるために、「適合された」という特徴を有している。「ほぼ箱形」とは、実質的に箱のような形状を有するものとして本明細書で定義され使用される。言い換えると、「ほぼ箱形」は一般に方形または直角プリズムに類似した形状を有するが、それらに厳密に限定される訳ではない。本発明の適合性は、形の整った箱形空間を満たすための形の整った箱形形状を主に提案しているが、形の整っていない箱形空間を満たすための形の整っていない箱形形状も同様に使用できることが認められる。
【００２１】
特に図１および図２に示されているコンテナ１０は、積み重ねられた構成で互いに固定され極薄の断熱材（図２の１６−１８）で囲まれた９つの高圧容器（ＨＰＶ：high pressure vessel）１１−１３を備える。積み重ねるために、少なくとも二つのＨＰＶが必要であることに注意する。特に、９つのＨＰＶは、二つの端のＨＰＶ１１、１２と、それらの間の７つの中間ＨＰＶ１３を含む。ＨＰＶの全てが実質的に箱形、枕型、直角プリズム型、または他の立方体形状（以下、「ほぼ箱形」と称する）であり、四つの接続側面で接合された二つの対向する幅の広い面を含む６つの側面を有する。隣接するＨＰＶは、少なくとも一つの表面に沿って互いに積み重ねられる。
【００２２】
図１および図２から分かるように、中間ＨＰＶは、縦軸方向にＨＰＶを互いに固定することによって生じる積み重ね圧力のため、平坦である対向する表面を有している。対照的に、端のＨＰＶ１１、１２は、一つの平坦な表面と、もう一つの凸状で球形の反対面とを有している。全てのＨＰＶは、ストラップ１４、１５などで結び付けられるか他の方法で固定されており、端のＨＰＶの凸状表面がスタックの反対端にある。代替的に、カーボンファイバーを用いてスタックを包んでＨＰＶを互いに固定し、互いに押し合って平坦面の応力を低減するようにしてもよい。これらのＨＰＶは、堅い壁を持つ複合材料（例えば、カーボンファイバーとエポキシ樹脂）で作られることが好ましい。好ましくは丸く角度のついていない角と縁に６つの面区画の間の平坦な交差部ができ、内圧による接合部での応力を低減していることに注意する。この形状では、（区画が等しい圧力を維持する限り）圧力が平坦面に等しく反対向きの力を及ぼす。これにより、平坦面上の圧力（および曲げ応力）を除去／相殺するという重要な結果が得られる。中間ＨＰＶに加えて、この実施形態は、全ての平坦面における圧力の除去を保証するために、平坦な端部と楕円形の端部とを有する終端セグメントの製造を必要とする。これらのＨＰＶは、ファイバーの経路が異なる（より複雑である）点を除いて、複合材料圧力容器の作成に使用される標準的な手順でプラスチック製ライナーに巻き付けられたファイバーであってもよい。これらのＨＰＶは、金属製ライナー（図示せず）を備えてもよい。
【００２３】
内殻１８と外殻１７を備え、両者の間に真空空間１６を形成する真空断熱材が図２に示されている。内殻と外殻の両方がＨＰＶのスタックを取り囲み、それら自体がほぼ箱形の形状を有している。一実施形態では、内殻１８は、格子空間、すなわちスタックとＬＰＶの間の低圧対応の貯蔵容積への制限されたアクセスを可能にするための独自のアクセスポート（図示せず）を備えた低圧容器（ＬＰＶ：lower pressure vessel）であってもよい。
【００２４】
図３は、ほぼ箱形の構成を有し、全体が３０で示される別の例示的な「適合された」高圧容器ＨＰＶを示す。特に、ＨＰＶ３０は、容器外側のスキン／壁にかかる曲げ応力を低減することによって高い内圧下でもＨＰＶが自身の形状を維持できるようにする内部マクロ格子構造を有する。図３に示すように、容器内部のマクロ格子構造を見せるためにその一部が破られた交差角部を備えた三つの側面３１−３３のみが等角図に示されている。接続点３５で容器の壁に固定された、鋼または複合材料などの堅い材料で作られた支柱３４を備えたマクロ格子構造が示されている。支柱３４は、最適な構造的効果を得るために張力下で作用する。好ましくは、支柱の形状パターンは、全ての利用可能な格子のうちいずれが最適な性能を発揮するかを決定することによって、結晶学の表から取得される。選択された格子は、高い容積効率（外側のスキンを除いて８０％を越える）と製造可能性（任意の所与の点で二つの支柱が交差するだけ）を有する。
【００２５】
図４は、全体が４０で示され、ＨＰＶが実質的に円筒形状を有している、本発明の極低温対応高圧コンテナの別の例示的実施形態を示す。特に、この実施形態４０は室温で高圧の水素を補給するとき、およびより低温で高圧の水素を補給するときの両方で、補給性能を最大化するように設計されている。その最大動作圧力は、同一の取り付け空間で同一の容積を配送する場合、図１および図２のほぼ箱形のＨＰＶよりも数倍高い。その高い圧力性能のために、単位水素容積当たりより多くの構造物が必要になる。この同じ高い圧力性能により熱的性能要件が低くなり、特に、ドライバーが異なる熱力学状態の水素を選択して補給を行うことが可能になる。容器内の残留水素の自己冷却によって燃料が引き出されるので熱耐久性がさらに強化される。この効果は、より高い圧力、温度、水素密度の場合に特に強くなる。図４において、高圧容器から離して断熱シェルが配置され、それらの間に退避空間４４、すなわち真空断熱を形成する。
【００２６】
図４の高圧容器４２は、米国特許第６，７０８，５０２号で述べられているものと同様のタイプであることが好ましい。特に、その内部圧力容器１０３と類似の構成、例えば高圧対応の貯蔵容積４３を取り囲む繊維強化された樹脂マトリックス構造を有する軽量の複合材料を有することが好ましい。ＨＰＶ４２を取り囲んで、極薄の断熱材が示されている。特に、断熱材は、ＨＰＶから外殻を分離する薄い真空空間４４を有してＨＰＶ４２を適合するように取り囲む外殻として示されている。図示するように、ＨＰＶは真空空間に直接接し、高圧対応の貯蔵容積へのアクセスを制御するアクセスポート４５が設けられている。選択的な内部ライナー４２も示されている。
【００２７】
図５は、ＨＰＶよりも低い圧力で水素を貯蔵する適合された低圧容器（ＬＰＶ）と極低温に対応可能なＨＰＶとを組み合わせた、５０で示される本発明の別の例示的実施形態を示す。特に、高圧容器と低圧容器の間に低圧対応の貯蔵容積４７が格子空間内に形成されるように、高圧対応の貯蔵容積を包囲し低圧容器（ＬＰＶ）４６の内部に入れ子された単一シリンダー形状のＨＰＶ４１が示されている。ほぼ箱形の構造を有するＬＰＶが示されている。高圧対応の貯蔵容積への制限されたアクセスを可能にするアクセスポート４５を有するＨＰＶが示されている。ＬＰＶは、低圧対応の貯蔵容積への制限されたアクセスを可能にするアクセスポート（図示せず）を有している。二つの高圧対応の貯蔵容積と低圧対応の貯蔵容積は、熱的に接触している。両方の空間とも、共通の外部極薄熱障壁４８（外殻４９によって作られた真空空間）の内部にあり、環境からいずれの容積への熱伝達を低下させている。この実施形態は、貯蔵された水素を、潜在的に異なる熱力学状態で異なる熱耐久性を有する別個の量に区分する。このコンテナは、ＬＰＶによって形成された追加の容積を利用することで、非常に高い組み合わせ貯蔵性能を実現する。ＬＰＶは（低圧であるために）必要とする構造が少なく、したがってより低コストおよび／または低強度のコンテナを使用することができる。ＨＰＶ内に残る水素容積のために拡張された熱耐久性と優れた自己冷却が可能になる一方、室温の水素を補給するときの適度な水素貯蔵性能が維持される。低圧での適合されたＬＰＶ容積を備える複数の極低温対応ＨＰＶを用いることによって、貯蔵システムのさらに広範囲のアスペクト比が実現される。図５に示すように、ＬＰＶと極薄の熱的障壁もほぼ箱形であり、そのためコンテナのほぼ箱形の取り付け空間に実質的に適合し貯蔵が最大化される。
【００２８】
図６には、コンテナ６０を構成する三つの圧力容器が示される。二つのＨＰＶが４２と５１で示され、それぞれが円筒形であり、高圧対応の貯蔵容積４３と５２を包囲している。両方のＨＰＶともＬＰＶ４６の内部に配置されており、ＨＰＶとＬＰＶの間に低圧対応の貯蔵容積４７を形成している。ＨＰＶの内部だけではなく、ＨＰＶとＬＰＶの間の格子、すなわち低圧対応の貯蔵容積にも水素を貯蔵するというアイデアは、方形空間の占有を高める。ＨＰＶが高圧用でありＬＰＶが低圧用であることを考慮すると、各容器は、それぞれの貯蔵容積を満たしそこから引き出すための別個の専用のアクセスポートを有している。本実施形態は、極薄真空断熱の共通外部熱障壁を有する、複数の極低温対応高圧容器と、低圧の適合されたコンテナとで構成される。この構成により、単一の高圧容器のみを備える貯蔵システムに対してより大きなアスペクト比を柔軟に実現できる。ＨＰＶは高圧で極低温の水素を貯蔵することができ、外側のＬＰＶは低圧（例えば、１−５ａｔｍ）で（追加の）液体水素を貯蔵することができる。高い内圧に備えてＬＰＶの構造を強化するために、マクロ格子構成の内部でＬＰＶの壁に端部５４で固定された支柱５３が示されている。支柱５３と接続部５４、５５を含むコンテナ６０の全ての構成要素が、外殻４９で形成される極薄の断熱材の内部に収容されることが示されている。
【００２９】
さらに、これらのコンテナは、水素のオルト・パラ（ortho-para）核スピン状態で貯蔵可能であり、推進から利用できる自己冷却を利用するように設計することができる。この熱エネルギー貯蔵メカニズムは、自然発生するか、または意図的に加速される。これらの水素貯蔵システムの全てのクラスは、低コスト（パラ水素の平衡分別（equilibrium fraction）よりも低い）の極低温水素の補給可能性から利益を受ける。例えば、分子の２５％が「パラ」として知られる核スピン状態を有し、７５％が「オルト」として知られる核スピン状態を有する多量の液体水素（この水素分子の混合は「標準」水素と称されることが多い）が車両に最初に補給される場合、オルト水素分子の核スピン状態が変化して、液体水素温度でより安定しているパラ水素分子に変換する傾向がある。このプロセスは熱を放出し、貯蔵された水素の圧力を増加させる。これは、車両動作に潜在的に必要である圧力が得られ、熱交換機の必要性を低下させるかなくすという点で、車両の動作にとっては有利である。結果として、水素が４０Ｋから１００Ｋの間の温度に達すると、オルト水素分子に変換する傾向のあるパラ水素分子の割合が増加し、これによって熱を吸収し熱耐久性をかなり向上させる。別の可能性は、補給中に水素分子の核スピン状態を意図的に操作して、コンテナ内にさらに多量の水素を貯蔵することである。例えば、コンテナが液体のパラ水素で満たされ、高圧極低温のパラ水素が継ぎ足されると、内容物の温度が上昇する。この暖まった温度におけるパラ水素の平衡濃度への変換は、燃料を冷却し密度をさらに高める。分子の２５％が「パラ」として知られる核スピン状態を有し、７５％が「オルト」として知られる核スピン状態を有する多量の液体水素（この水素分子の混合は「標準」水素と称されることが多い）で高圧の容器および／または低圧の空間を満たすと、以下の利点がある。このスピン状態の組み合わせを持つ水素は、液体水素の平衡濃度（１００％パラ）よりもかなり低い（−３０％少ない）エネルギーで液化することができる。液体水素温度でのオルト水素は２、３日にわたってパラ水素に変換し、熱を放出して蒸発を高める。これは、大半の応用形態において標準液体水素の使用を不可能にする。本明細書で述べた我々の極低温圧力容器の高圧性能は、オルト−パラ変換なしで車両での標準液体水素の直接利用を可能にし、液化エネルギーを３０％減らすことができる。
【００３０】
特定の操作順序、材料、温度、パラメータ、および特定の実施形態について説明し図解してきたが、これらは限定することを意図していない。修正および変更は当業者にとって明らかであり、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるよう意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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