(57)【要約】【課題】水素タンクのコストを抑制する。【解決手段】水素タンクは、タンク本体と、タンク本体に設けられ、タンク本体の内部の水素の圧力を受ける弁体であって、水素と接触する第１部位と、水素と接触しない第２部位とを有する弁体と、第１部位と第２部位との間に配置され水素を遮断するシール部材と、を有する溶栓弁と、第２部位に設けられ、弁体のひずみを測定するひずみセンサと、を備える。【選択図】図２
2019044863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素タンクであって、
タンク本体と、
前記タンク本体に設けられ、前記タンク本体の内部の水素の圧力を受ける弁体であって、前記水素と接触する第１部位と、前記水素と接触しない第２部位とを有する弁体と、前記第１部位と前記第２部位との間に配置され前記水素を遮断するシール部材と、を有する溶栓弁と、
前記第２部位に設けられ、前記弁体のひずみを測定するひずみセンサと、
を備える、
水素タンク。
【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タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給路には、水素タンクの内部の圧力を測定する圧力センサが設置されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２０４４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料ガス供給路に設置された圧力センサは、水素に晒されるので、水素脆化が生じる恐れがある。水素脆化を抑制するために、高価な耐水素脆化材料で作製された圧力センサを用いると、コストが増加してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、水素タンクが提供される。この水素タンクは、タンク本体と、前記タンク本体に設けられ、前記タンク本体の内部の水素の圧力を受ける弁体であって、前記水素と接触する第１部位と、前記水素と接触しない第２部位とを有する弁体と、前記第１部位と前記第２部位との間に配置され前記水素を遮断するシール部材と、を有する溶栓弁と、前記第２部位に設けられ、前記弁体のひずみを測定するひずみセンサと、を備える。
この形態の水素タンクによれば、ひずみセンサは弁体における水素と接触しない第２部位に設けられているので、水素との接触に伴う水素脆化を防止または抑制するために高価な耐水素脆化のひずみセンサを使用する必要がなく、コストの増加を抑制できる。また、溶栓弁の弁体のひずみを測定することによってタンク本体の内部の圧力を測定できるので、別途圧力センサを設ける必要がなく、コストを低減させることできる。
【０００７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、水素タンク用溶栓弁等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態における水素タンクのバルブアセンブリ周りの拡大図。
【図２】溶栓弁付近の拡大図。
【図３】溶栓弁の弁体に加わる荷重と水素タンクの内部の圧力との関係を示す図。
【図４】水素が放出される際の溶栓弁の状態を示す図。
【図５】第２実施形態における溶栓弁付近の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における水素タンク２００のバルブアセンブリ１４０周りを拡大して示す概略構成図である。水素タンク２００は、タンク本体１００と、タンク本体１００に設けられたバルブアセンブリ１４０とを備える。図示の便宜上、タンク本体１００は断面図で示しており、バルブアセンブリ１４０は内部構成を示す透視図で示している。水素タンク２００は、例えば高圧の水素を貯蔵し、燃料電池に水素を供給する供給源として利用される。
【００１０】
タンク本体１００は、ライナ１１０と、補強層１２０と、口金１３０とを有する。ライナ１１０は、タンク本体１００の内層を成し、中空の円筒部１１１と、円筒部１１１の両側の開口端を塞ぐ２つの蓋部１１２とを有する。２つの蓋部１１２のうちの一方は、開口部１１３を有する。補強層１２０は、ライナ１１０の外周面上に形成される、例えば繊維強化樹脂を含む外層であり、ライナ１１０を補強する。口金１３０は、ライナ１１０の蓋部１１２の開口部１１３に配置され、補強層１２０によってライナ１１０と一体に固定されている。口金１３０は、ライナ１１０の内部に導通する貫通孔１３１を有する略円筒状体である。水素は内層であるライナ１１０内に貯蔵される。
【００１１】
バルブアセンブリ１４０は、大径部１４５と小径部１４６とを有する略円柱状体である。バルブアセンブリ１４０は、小径部１４６の雄ねじ（図示せず）が口金１３０の貫通孔１３１の雌ねじ（図示せず）と螺合することによって、タンク本体１００に固定されている。バルブアセンブリ１４０は、導入部１２と、流入通路１４と、流出通路１６と、排出部１８と、放出通路３２と、溶栓弁３４とを有する。導入部１２は、外部の水素源からタンク本体１００に水素を充填するために用いられる。流入通路１４は、導入部１２から充填された水素をタンク本体１００に導くために用いられる。流出通路１６は、タンク本体１００内の水素を排出部１８に導くために用いられる。排出部１８は、タンク本体１００内の水素を燃料電池（図示せず）に供給するために用いられ、水素を燃料電池に導くガス供給路（図示せず）と接続されている。また、流入通路１４及び流出通路１６には、図示しない主止弁や手動弁、逆止弁等が設けられている。流入通路１４には、タンク本体１００から水素をタンク外部に放出させるための放出通路３２が接続されている。タンク外部と連通する放出通路３２の開口部には、溶栓弁３４が設けられている。溶栓弁３４は、その一部がバルブアセンブリ１４０の表面から突出するように設けられている。
【００１２】
図２は、バルブアセンブリ１４０の溶栓弁３４付近の拡大図である。図示の便宜上、バルブアセンブリ１４０と溶栓弁３４とは断面図で示されている。バルブアセンブリ１４０の放出通路３２は、溶栓弁３４と連通する第１通路３２ａと、第１通路３２ａから分岐して外部と連通する第２通路３２ｂとを有する。溶栓弁３４は、弁ハウジング４０と、溶栓部４４と、ピン４６と、バネ部材４８と、弁体５０とを有する。
【００１３】
弁ハウジング４０は、バルブアセンブリ１４０の表面から突出しており、中空の箱状の形状を有する。弁ハウジング４０は、第１壁４０ｕと、バルブアセンブリ１４０に当接している第２壁４０ｓと、第１壁４０ｕの反対側に配置された第３壁４０ｄとを有する。弁ハウジング４０の第１壁４０ｕには、貫通孔４１が形成されており、第２壁４０ｓには、貫通孔４２が形成されている。貫通孔４２は、バルブアセンブリ１４０の放出通路３２の第１通路３２ａと連通している。
【００１４】
溶栓部４４とピン４６とバネ部材４８とは、図示の順序で弁ハウジング４０の内部に収容されている。この状態において、溶栓部４４は、弁ハウジング４０の第１壁４０ｕの貫通孔４１を塞ぎ、ピン４６は、弁ハウジング４０の第２壁４０ｓの貫通孔４２を塞いでいる。バネ部材４８は、圧縮された状態でピン４６と弁ハウジング４０の第３壁４０ｄとの間に配置されている。バネ部材４８は、ピン４６及び溶栓部４４に弾性力を加え、ピン４６を介して溶栓部４４を弁ハウジング４０の第１壁４０ｕに押圧している。
【００１５】
溶栓部４４は、周囲の温度が所定の温度（例えば１１０℃）を超えると溶解する金属材料、例えば鉛やスズ等、によって形成されている。溶栓部４４が溶解すると、ピン４６は、バネ部材４８の弾性力によって弁ハウジング４０の内部を第１壁４０ｕに向かって摺動され、溶解した溶栓部４４は、摺動するピン４６によって第１壁４０ｕの貫通孔４１から弁ハウジング４０の外部に排出される。
【００１６】
弁体５０は、弁ハウジング４０の貫通孔４２とバルブアセンブリ１４０の放出通路３２の第１通路３２ａに摺動可能に挿入されている。弁体５０は、略円柱形の形状を有する。弁体５０は、第１部位５２と、第２部位５４とを有する。弁体５０の第１部位５２は、放出通路３２の第１通路３２ａ内に配置され、第２部位５４は、貫通孔４２を介して弁ハウジング４０内のピン４６と接触している。放出通路３２の第１通路３２ａは、流入通路１４（図１）を介してタンク本体１００（図１）内部と連通しているので、第１部位５２は、第１通路３２ａ内の水素と接触し、弁体５０は、タンク本体１００の内部に貯蔵されている水素の圧力を受ける。弁体５０の第１部位５２と第２部位５４との間には、シール部材６０が配置されている。シール部材６０は、例えばＯリングであり、弁体５０の外周面と第１通路３２ａの内周面との隙間を封止している。シール部材６０が第１通路３２ａにおける水素の流動を遮断しているので、弁体５０の第２部位５４は水素と接触しない。また、シール部材６０は、第１通路３２ａと第２通路３２ｂを遮断しており、第１通路３２ａ内の水素は外部に放出されない。
【００１７】
溶栓弁３４には、弁体５０のひずみを測定するひずみセンサ７０が設けられている。ひずみセンサ７０は、ＣＰＵと不揮発性メモリとを備えるマイクロコンピュータとして構成された圧力測定部８０と接続されている。ひずみセンサ７０は、ひずみゲージ７１とひずみ検出回路７２とを有する。図２の例では、ひずみゲージ７１は、金属の抵抗体を有する金属ひずみゲージであり、弁体５０の第２部位５４に設けられている。ひずみゲージ７１は、バルブアセンブリ１４０の内部に設けられた溝１４１を挿通する導線Ｃ１を介して、バルブアセンブリ１４０の表面に設置されたひずみ検出回路７２と電気的に接続されている。弁体５０がタンク本体１００の内部の水素の圧力を受けて変形すると、ひずみゲージ７１も同率で変形して抵抗体の抵抗値が変化する。抵抗値の変化はひずみ検出回路７２によって検出され、弁体５０のひずみ値に変換される。変換されたひずみ値は、圧力測定部８０に送信される。圧力測定部８０は、受信したひずみ値を用いて、タンク本体１００の内部の水素により弁体５０に加えられた荷重を算出する。荷重の算出は、例えば式（１）によって行われる。
Ｗ＝Ａ×Ｅ×ε  …（１）
Ｗ：弁体５０に加えられた荷重
Ａ：弁体５０の断面積
Ｅ：弁体５０の弾性係数
ε：弁体５０のひずみ値
【００１８】
算出された荷重は、例えば、予め定めた弁体５０に加わる荷重とタンク本体１００の内部の圧力とを対応付けるマップを用いて、タンク本体１００の内部の圧力に換算される。マップは、予め圧力測定部８０内の不揮発性メモリに格納されている。なお、ひずみ検出回路７２は、溶栓弁３４の弁ハウジング４０の表面に設置されてもよい。
【００１９】
図３は、直径が４ｍｍの弁体５０に加わる荷重とタンク本体１００の内部の圧力との関係を示す図であり、本発明の発明者の計算によって得られたものである。図３によれば、例えば、上記式（１）によって算出された荷重が１００Ｋｇｆの場合、タンク本体１００の内部の圧力は約８０Ｍｐａである。
【００２０】
図４は、タンク本体１００の内部に貯蔵されている水素が放出される際の溶栓弁３４の状態を示す図であり、図２に対応する図である。溶栓弁３４の溶栓部４４が溶解すると、溶解した溶栓部４４は、バネ部材４８の弾性力を受けているピン４６に押されて貫通孔４１から弁ハウジング４０の外部に排出される。ピン４６の摺動に伴い、貫通孔４２が開放され、水素の圧力が印加されている弁体５０は、ピン４６が存在した空間、すなわち弁ハウジング４０の内部に移動する。この結果、放出通路３２の第１通路３２ａと第２通路３２ｂが連通し、タンク本体１００の内部の水素が外部に放出される。このとき、弁体５０に設けられたひずみゲージ７１に接続されていた導線Ｃ１は、ひずみゲージ７１と分離する。
【００２１】
以上説明したように、第１実施形態では、ひずみセンサ７０のひずみゲージ７１は弁体５０における水素と接触しない第２部位５４に設けられているので、水素との接触に伴う水素脆化を防止または抑制するために高価な耐水素脆化のひずみゲージを使用する必要がなく、コストの増加を抑制できる。また、第１実施形態によれば、溶栓弁３４の弁体５０のひずみを測定することによってタンク本体１００の内部の圧力を測定できるので、別途圧力センサを設ける必要がなく、コストを低減させることできる。なお、ひずみセンサ７０が水素タンク２００と一体化されているので、水素タンク２００の交換や運搬、保管時において、水素タンク２００の内部の圧力を容易に測定できる。
【００２２】
・第２実施形態：
図５は、第２実施形態におけるバルブアセンブリ１４０の溶栓弁３４ａ付近を拡大した図であり、図２に対応する図である。図２に示した第１実施形態との違いは、溶栓弁３４ａの弁体５０ａの形状、及び、ひずみセンサ７０ａのひずみゲージ７１ａの寸法であり、他の構成は第１実施形態とほぼ同様である。図５において、溶栓弁３４ａの弁体５０ａの第２部位５４ａは、直径が第１部位５２の直径よりも小さな小径部５５を有する。ひずみゲージ７１ａは、小径部５５に固定されている。こうすれば、ひずみセンサ７０ａの測定感度を向上させることができる。但し、小径部５５の直径は、小径部５５がタンク本体１００の内部の水素の圧力に対して座屈しないように設定されることが好ましい。なお、第２実施形態においても、ひずみゲージ７１ａが弁体５０ａの第２部位５４ａに設けられているので、高価な耐水素脆化のひずみゲージを使用する必要がなく、コストの増加を抑制できる。また、溶栓弁３４ａの弁体５０ａのひずみを測定することによってタンク本体１００の内部の圧力を測定できるので、別途圧力センサを設ける必要がなく、コストを低減させることできる。
【００２３】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１２…導入部
１４…流入通路
１６…流出通路
１８…排出部
３２…放出通路
３２ａ…第１通路
３２ｂ…第２通路
３４，３４ａ…溶栓弁
４０…弁ハウジング
４０ｄ…第３壁
４０ｓ…第２壁
４０ｕ…第１壁
４１…貫通孔
４２…貫通孔
４４…溶栓部
４６…ピン
４８…バネ部材
５０，５０ａ…弁体
５２…第１部位
５４，５４ａ…第２部位
５５…小径部
６０…シール部材
７０，７０ａ…ひずみセンサ
７１，７１ａ…ひずみゲージ
７２…ひずみ検出回路
８０…圧力測定部
１００…タンク本体
１１０…ライナ
１１１…円筒部
１１２…蓋部
１１３…開口部
１２０…補強層
１３０…口金
１３１…貫通孔
１４０…バルブアセンブリ
１４１…溝
１４５…大径部
１４６…小径部
２００…水素タンク
Ｃ１…導線
【図１】
2019044863.tif 000003
【図２】
2019044863.tif 000004
【図３】
2019044863.tif 000005
【図４】
2019044863.tif 000006
【図５】
2019044863.tif 000007