(57)【要約】【課題】水素タンクにおける水素漏れを、より容易に判別する。【解決手段】水素タンク１０は、内部に水素を貯蔵するための空間が形成された容器部２０と、容器部２０の外側を覆うと共に、水素分子がプロトン化する反応を促進する活性を有する金属薄膜から成る触媒金属層２２と、触媒金属層２２を覆うと共に、水素イオン濃度が上昇したときに色変化する呈色反応液と、該呈色反応液を保持する保持部材と、を備える呈色反応層２４と、呈色反応層２４を覆うと共に、少なくとも一部が透明に形成された外殻層２６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を貯蔵する水素タンクであって、
内部に水素を貯蔵するための空間が形成された容器部と、
前記容器部の外側を覆うと共に、水素分子がプロトン化する反応を促進する活性を有する金属薄膜から成る触媒金属層と、
前記触媒金属層を覆うと共に、水素イオン濃度が上昇したときに色変化する呈色反応液と、該呈色反応液を保持する保持部材と、を備える呈色反応層と、
前記呈色反応層を覆うと共に、少なくとも一部が透明に形成された外殻層と
を備える水素タンク。
【請求項２】
請求項１記載の水素タンクであって、さらに、
前記触媒金属層に接続して設けられ、前記触媒金属層で水素分子がプロトン化する際に生じる電子を前記触媒金属層の外部に導く電子排出部を備える
水素タンク。
【請求項３】
請求項２記載の水素タンクであって、
前記電子排出部は、アースである
水素タンク。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の水素タンクであって、
前記呈色反応液は、メチルオレンジ水溶液である
水素タンク。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の水素タンクであって、
前記触媒金属層は、パラジウム層である
水素タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素を貯蔵するための水素タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、分子の大きさが非常に小さいため、タンク内に封じ込めようとしても、タンク壁面を水素分子が拡散することにより、微量の水素の漏れ出しが進行する可能性がある。また、このような水素透過が継続することによって水素タンク壁面の劣化が進行すると、タンク壁面において微細な亀裂が生じる可能性がある。このような壁面からの水素漏れを検知する方法としては、水素配管の外側に、水素原子の還元により変色する固体化合物である三酸化タングステンを含む変色層を設ける構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平３−３５１３８号公報
【特許文献２】特開平７−２２９８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記酸化タングステンを含む変色層を設ける構成では、水素タンク外壁において局所的で微小な箇所の水素漏れが生じた場合には、変色した微小な特定箇所を見落とすと、水素タンクにおける水素漏れを検知できないことになってしまう。そのため、水素漏れが生じた箇所にかかわらず、より容易に水素漏れを検知可能にすることが望まれていた。また、酸化タングステンを含む変色層を設ける場合には、三酸化タングステンにおいて視認可能な変色を起こすには、その変色箇所において、ある程度の量の水素漏れが進行する必要がある。そのため、例えば水素タンクの外壁に三酸化タングステンを備えさせる場合に、水素タンク全体で水素漏れが徐々に進行するならば、上記外壁が視認可能な程度に変色するときには、タンク全体からすでに相当量の水素の漏れ出しが起こっている可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素タンクにおける水素漏れを、より容易に判別することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、水素を貯蔵する水素タンクであって、
内部に水素を貯蔵するための空間が形成された容器部と、
前記容器部の外側を覆うと共に、水素分子がプロトン化する反応を促進する活性を有する金属薄膜から成る触媒金属層と、
前記触媒金属層を覆うと共に、水素イオン濃度が上昇したときに色変化する呈色反応液と、該呈色反応液を保持する保持部材と、を備える呈色反応層と、
前記呈色反応層を覆うと共に、少なくとも一部が透明に形成された外殻層と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の水素タンクによれば、容器部と外殻層との間に、触媒金属層と、呈色反応液を保持部材に保持した呈色反応層とを備え、容器部において水素漏れが生じた場合には、漏れ出した水素がプロトン化して呈色反応液の水素イオン濃度が上昇することにより呈色反応層が変色する。このように、流動性のある呈色反応液を用いているため、容器部における局所的で微小な箇所の水素漏れが生じた場合に、水素漏れによって引き起こされる呈色反応液の色変化が、呈色反応層全体に広がることができる。したがって、水素漏れの箇所にかかわらず、外殻層の少なくとも一部に形成された透明な箇所を介して、呈色反応層の色変化として水素漏れを検知可能になる。また、容器部全体で水素漏れが徐々に進行する場合であっても、全体の漏れ量がある程度の量に達すれば、呈色反応層が色変化することにより、水素漏れを検知可能になる。
【０００８】
本発明の水素タンクにおいて、さらに、
前記触媒金属層に接続して設けられ、前記触媒金属層で水素分子がプロトン化する際に生じる電子を前記触媒金属層の外部に導く電子排出部を備えることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、電子排出部によって触媒金属層から電子が排出されるため、触媒金属層に電子が滞留してプロトン化反応を抑制することがない。そのため、容器部からの水素漏れが起こったときには、支障なくプロトン化反応が起こることで呈色反応層が変色し、速やかに水素漏れを視認することが可能となる。
【００１０】
このような本発明の水素タンクにおいて、
前記電子排出部は、アースであることとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、抵抗を生じることなく、触媒金属層から電子を排出させることができる。
【００１２】
本発明の水素タンクにおいて、前記呈色反応液は、メチルオレンジ水溶液であることとしても良い。このような構成とすれば、感度良く水素漏れを検知可能となる。
【００１３】
また、本発明の水素タンクにおいて、前記触媒金属層は、パラジウム層であることとしても良い。パラジウムは、水素分子をプロトン化する反応を促進する活性が特に高く、望ましい。また、パラジウムは、水素透過性能を有するため、緻密な金属膜として触媒金属層を形成することができる。
【００１４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、水素タンクにおける水素漏れ検出方法や、水素タンクを備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．水素タンク１０の構成：
Ｂ．呈色反応層における反応：
Ｃ．変形例：
【００１６】
Ａ．水素タンク１０の構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である水素タンク１０の構成の概略を現わす断面模式図である。本実施例の水素タンク１０は、高圧の水素ガスを貯蔵するためのタンクである。図１に示すように、水素タンク１０は、容器部２０と、触媒金属層２２と、呈色反応層２４と、外殻層２６と、コネクタ部２８と、を備えている。なお、本実施例の水素タンク１０は、燃料電池を駆動用電源として搭載する電気自動車に、燃料電池と共に搭載されており、燃料ガスとして燃料電池に供給するための水素を内部に貯蔵している。
【００１７】
容器部２０は、一端に開口部が形成された中空の容器であり、この内部の空間に高圧の水素ガスが充填されて、これを保持する。ここで、容器部２０は、内部に充填される水素ガスに応じた強度を有する必要がある。また、容器部２０は、水素に直接接触するため、比較的水素脆化し難い材料によって形成することが望ましい。そのため、容器部２０は、例えば、異種金属同士を冶金的に一体化接合して成るクラッド鋼、あるいはクロム−モリブデン合金等の金属や、カーボン繊維等の樹脂によって形成することができる。
【００１８】
触媒金属層２２は、容器部２０を覆って配置されており、水素分子がプロトン化する反応を促進する活性を有する金属の薄膜として形成されている。水素分子がプロトン化する反応を促進する活性を有する触媒金属としては、例えば、パラジウムや白金を挙げることができる。このような触媒金属層２２は、例えば、容器部２０の外表面を、上記触媒金属によってメッキすることにより形成することができる。
【００１９】
呈色反応層２４は、液体を保持可能な含水性の保持部材と、この保持部材に含浸されると共に水素イオン濃度が上昇したときに色変化する呈色反応液と、を備えている。保持部材は、液体である呈色反応液を内部に保持することができれば良く、例えば、液体を保持可能な多数の微細孔が内部に形成された多孔質体（例えば、ポリ乳酸エステルなど、アルコール系のエステルから成る多孔質体）の粒子とすることができる。あるいは、保持部材を、吸水性および保水性を有する吸水性ポリマによって形成しても良い。ここで、吸水性ポリマとは、親水基を有するポリマが分子間で架橋されたものである。吸水性ポリマの原料となる親水基を有するポリマは、通常は水溶性であるが、分子間が架橋されることによって三次元的な網目構造が形成され、親水基が水を引き寄せることによって網目構造の中に水が吸収されて、吸水性ポリマは不溶性のハイドロゲルとなることができる。吸水性ポリマが備える親水基は、吸収する呈色反応液中の水素イオン濃度に影響を与えない親水基であることが望ましい。
【００２０】
保持部材を多孔質体とする場合には、例えば、粒子状の多孔質体を用意して、これらの粒子を、容器部２０と外殻層２６との間に形成される空間に充填し、充填した多孔質体粒子に呈色反応液を含浸させることによって呈色反応層２４を形成すればよい。また、保持部材を吸水性ポリマとする場合には、例えば、吸水性ポリマに呈色反応液を含浸させてハイドロゲルと成し、このゲルを、容器部２０と外殻層２６との間に形成される空間に充填することによって、呈色反応層２４を形成すればよい。
【００２１】
呈色反応液は、水素イオン濃度が上昇したときに視認可能な色変化を起こす液である。本実施例では、呈色反応液として、中性からアルカリ性に調製されたときに黄色を呈するメチルオレンジ水溶液を用いている。容器部２０から水素漏れが起きたときに、呈色反応液を備える呈色反応層２４で進行する反応については、後に詳しく説明する。
【００２２】
外殻層２６は、呈色反応層２４を覆って配置され、上記容器部２０、触媒金属層２２および呈色反応層２４を内部に収容する中空の金属製容器であり、容器部２０の開口部と重なる位置に、開口部を有している。この外殻層２６は、呈色反応液を備える呈色反応層２４を保持するための構造であり、例えば、アルミニウムなどの金属や樹脂によって形成することができる。本実施例の外殻層２６は、その一部に、透明な覗き窓２７を備えている。この覗き窓２７を介して、呈色反応層２４の色変化が視認可能となる。透明な覗き窓２７は、例えば、アクリル樹脂や石英ガラスによって形成することができる。なお、外殻層２６は、例えば覗き窓を設けることにより少なくとも一部が透明であれば良く、外殻層２６をアクリル樹脂によって形成して、外殻層２６全体を透明にしても良い。このような外殻層２６は、例えば、その形状を半分ずつ２つの部材として予め成形し、呈色反応層２４および触媒金属層２２を形成した容器部２０を内部に収納した上で、上記２つの部材を溶接などにより接合することにより作製すればよい。
【００２３】
コネクタ部２８は、容器部２０および外殻層２６の既述した開口部に嵌め込まれて、容器部２０および外殻層２６を密閉するための部材である。コネクタ部２８は、例えば、ステンレス鋼等の金属によって形成することができる。
【００２４】
また、水素タンク１０においては、触媒金属層２２に接続してアース３０が設けられている。このアース３０は、コネクタ部２８を介して触媒金属層２２に接続している。触媒金属層２２において後述するように電子が発生すると、発生した電子はアース３０によって触媒金属層２２から排出される。
【００２５】
Ｂ．呈色反応層における反応：
呈色反応層２４は、容器部２０から水素が漏れ出したときに、この水素の漏れ出しを色変化として視認可能にする層である。容器部２０から水素が漏れ出すと、漏れ出した水素は、容器部２０を覆って形成された触媒金属層２２に至る。この触媒金属層２２において、水素分子からプロトンと電子とが生じる。なお、容器部２０内に貯蔵される水素ガスは、圧力が１５０〜３５０ａｔｍ程度であって温度が７０〜８０℃程度となっている。また、水素分子が容器部２０の壁面を透過して漏れ出す際にはさらに水素分子が発熱する。そのため、触媒金属層２２に到達する水素分子は、８０℃程度に昇温している。このように昇温した水素が到達することにより、触媒金属層２２は充分な触媒活性を示し、触媒金属層２２では、水素分子が滞ることなく、水素からプロトンを生じる反応が充分な速度で進行可能となる。
【００２６】
触媒金属層２２上で生じたプロトンは、呈色反応層２４が備える呈色反応液内に溶解する。本実施例では、既述したように、呈色反応液として、中性からアルカリ性に調製されて黄色を呈するメチルオレンジ水溶液を用いている。メチルオレンジは、ｐＨ３．２〜４．４で変色して、これより酸性側ではオレンジ色を呈する。
【００２７】
容器部２０から水素が漏れ出して、触媒金属層２２において生じたプロトンが呈色反応液中に溶解すると、呈色反応液における水素イオン濃度が上昇し、酸性度が強まる。このとき、触媒金属層２２では、プロトンと共に電子が生じるが、生じた電子は、アース３０を介して触媒金属層２２外へと排出される。したがって、容器部２０からの水素漏れが継続する場合にも、触媒金属層２２において電子が溜まることがなく、水素からプロトンおよび電子が生じる反応が支障なく継続する。このように、触媒金属層２２で生じたプロトン量が次第に増加して、呈色反応液の酸性度が、ｐＨ３．２〜４．４よりも強まると、呈色反応液が黄色からオレンジ色へと変化する。このような色変化は、外殻層２６に設けた覗き窓２７から視認可能となる。
【００２８】
以上のように構成された本実施例の水素タンク１０によれば、容器部２０と外殻層２６との間に、触媒金属層２２と、呈色反応液を含浸する呈色反応層２４を備え、容器部２０において水素漏れが生じた場合には、漏れ出した水素がプロトン化して呈色反応液の水素イオン濃度が上昇することにより呈色反応層が変色する。このように、水素漏れが生じた時に色変化する物質として流動性のある呈色反応液を用いているため、容器部２０からの水素の漏れ出しが、覗き窓２７とは重ならない特定部位で生じる場合であっても、水素漏れ出し部位近傍だけでなく、広く呈色反応層２４全体が変色する。したがって、水素漏れが生じている位置にかかわらず、水素漏れが生じていることを、覗き窓２７を介して視認することが可能となる。
【００２９】
なお、容器部２０の特定箇所で水素漏れが起こらなくても、容器部２０の全体で、容器部２０の外壁内を水素分子が拡散することにより経時的に微量の水素透過が進行し得る。この場合には、容器部２０から漏れ出した水素は、それぞれの漏れ出し位置近傍の触媒金属層２２でプロトンを生じて、呈色反応層２４全体で、呈色反応層２４が変色する反応が徐々に進行する。そのため容器部２０全体での水素漏れ量がある程度の量に達すれば、呈色反応層２４が色変化することにより、速やかに水素漏れを検知可能になる。ここで、容器部２０の外壁内を水素分子が透過し続けると、例えば容器部２０を金属材料により形成する場合には容器部２０を構成する金属材料において格子欠陥ができて、容器部２０の劣化が進行する。そのため、本実施例の水素タンク１０によれば、容器部２０の壁面を徐々に水素分子が透過して呈色反応層２４の色が次第に変化したときには、この色変化から、容器部２０の構成材料の経時的な劣化の程度を知ることができる。
【００３０】
また、本実施例では、触媒金属層２２に接続するアース３０を設けており、アース３０によって触媒金属層２２から電子を排出することができるため、触媒金属層２２に電子が滞留してプロトン化反応を抑制することがない。このように、支障なくプロトン化反応が起こることによって、呈色反応層２４の変色が進行し、速やかに水素漏れを視認することが可能となる。
【００３１】
本実施例では、呈色反応液が含有する酸−塩基指示薬としてメチルオレンジを用いたが、他種の酸−塩基指示薬を含む溶液を用いても良い。例えば、メチルレッド、フェノールレッド、ブロモチモールブルー、ブロモフェノールブルーを用いることができる。水素イオン濃度の上昇に応じて色変化し、容器部２０からの水素の漏れ出しや透過を変色により視認可能であれば良い。酸−塩基指示薬を水などの適当な溶媒に溶解して呈色反応液を用意する際には、用いる酸−塩基指示薬が変色するｐＨの値に応じて、水素イオン濃度上昇時に変色するように、適宜塩基性よりのｐＨに調製すればよい。
【００３２】
なお、水素タンク１０において、触媒金属層２２を、パラジウム（Ｐａ）のように水素透過性能を有する金属によって形成する場合には、触媒金属層２２は、緻密な薄膜として形成すればよい。このような構成とすれば、容器部２０から漏れ出して触媒金属層２２に到達した水素分子は、プロトンに解離すると共に触媒金属層２２内を透過し、呈色反応層２４側へと放出される。また、触媒金属層２２を、白金（Ｐｔ）のように水素透過性能の低い、あるいは水素透過性を実質的に有しない金属によって形成する場合には、触媒金属層２２は、多孔質な薄膜として形成すればよい。このような構成とすれば、容器部２０から漏れ出して触媒金属層２２に到達した水素分子は、触媒金属層２２に形成された微細孔を介して呈色反応層２４側へと移動する際に、触媒金属層２２表面においてプロトンと電子とに解離する。
【００３３】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３４】
Ｃ１．変形例１：
実施例では、触媒金属層２２から電子を外部に導く電子排出部を、アース３０によって構成したが、異なる構成としても良い。ただし、電力を消費する負荷を電子排出部として用いる場合には、このような負荷は抵抗として働き、電子の流れが抑制されてしまうため、抵抗を生じないという意味では、電子排出部はアースとすることが望ましい。
【００３５】
Ｃ２．変形例２：
実施例では、水素タンク１０は、高圧の水素ガスを貯蔵するタンクとしたが、異なる構成としても良い。例えば、容器部２０内に、水素吸蔵合金をさらに備え、気体の状態で貯蔵する他、水素吸蔵合金中に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。あるいは、水素タンク１０を、液体水素を貯蔵するタンクとしても良い。容器部と外殻層とを備え、水素を貯蔵する容器部２０から気体の水素が漏れ出す可能性のある水素タンクであれば、本発明を適用することにより、外殻層の水素脆化を抑えて水素タンクの耐久性を向上させる同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】水素タンク１０の構成の概略を現わす断面模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…水素タンク
２０…容器部
２２…触媒金属層
２４…呈色反応層
２６…外殻層
２７…覗き窓
２８…コネクタ部
３０…アース
【図１】
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