(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが高圧で貯蔵されるタンク室を有するタンク本体と、
充填時に、外部から前記タンク室に充填される燃料ガスが通る配管であって、その一端が外部に開口すると共に、前記タンク室、外部を順に経由し、その他端が前記タンク室に開口している充填用配管と、
充填時に、前記充填用配管の前記タンク室を経由する部分を通る燃料ガスと、前記タンク室との間で熱交換させる第１熱交換器と、
充填時に、前記充填用配管の外部を経由する部分を通る燃料ガスと、外部との間で熱交換させる第２熱交換器と、
放出時に、前記タンク室から外部に放出される燃料ガスが通る配管であって、その一端が前記タンク室に開口すると共に、外部、前記タンク室を順に経由し、その他端が燃料ガスを消費する燃料ガス消費機器に接続され、かつ、その前記タンク室を経由する部分が前記充填用配管の前記タンク室を経由する部分と連結し、前記充填用配管と異なる放出用配管と、
放出時に、前記放出用配管の外部を経由する部分を通る燃料ガスと、外部との間で熱交換させる第３熱交換器と、
放出時に、前記放出用配管の前記タンク室を経由する部分を通る燃料ガスと、前記タンク室との間で熱交換させる第４熱交換器と、
を備えることを特徴とする燃料ガスタンク。
【請求項２】
前記タンク本体の外形は円柱状であり、
前記充填用配管の前記タンク室を経由する部分は、前記タンク本体の中心軸線上を、前記タンク本体の一端側から他端側に向かって延びた後、折り返して、前記一端側に向かって延びており、
前記放出用配管の前記タンク室を経由する部分は、前記タンク本体の中心軸線上を、前記タンク本体の他端側から一端側に向かって延びた後、折り返して、前記他端側に向かって延びており、
前記充填用配管の前記タンク室を経由する部分の折り返し部と、前記放出用配管の前記タンク室を経由する部分の折り返し部とを連結する連結構造を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料ガスタンク。
【請求項３】
前記充填用配管に設けられ、燃料ガスの逆流を防止する逆流防止弁と、
前記放出用配管に設けられ、燃料ガスの放出を制御する開閉弁と、
前記放出用配管に設けられ、放出される燃料ガスの圧力を調整する調圧弁と、
を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料ガスタンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素や天然ガス等の燃料ガスが高圧で貯蔵される燃料ガスタンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車や天然ガス自動車、水素内燃機関自動車は、水素、天然ガス等の燃料ガスを、強化プラスチック製や金属製の燃料ガスタンクに収めて搭載している。因みに、燃料ガスは、２５ＭＰａ〜７０ＭＰａ程度の高い圧力で燃料ガスタンクに充填される。
【０００３】
ところが、水素を高圧下で充填する際、水素が断熱圧縮により高温になるため、そのまま充填すると、水素タンクが昇温してしまう。そこで、圧縮により高温となった水素を、一旦タンク内を経由させることでタンクの熱を吸熱し、そして、この水素を外部を経由させ放熱した後に、タンクに充填する技術が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９８３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような燃料ガスタンクについても、簡易な構成とし、製造コストの低減が要求されている。
そこで、本発明は、簡易な構成で、好適に燃料ガスを充填・放出可能な燃料ガスタンクを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガスが高圧で貯蔵されるタンク室を有するタンク本体と、充填時に、外部から前記タンク室に充填される燃料ガスが通る配管であって、その一端が外部に開口すると共に、前記タンク室、外部を順に経由し、その他端が前記タンク室に開口している充填用配管と、充填時に、前記充填用配管の前記タンク室を経由する部分を通る燃料ガスと、前記タンク室との間で熱交換させる第１熱交換器と、充填時に、前記充填用配管の外部を経由する部分を通る燃料ガスと、外部との間で熱交換させる第２熱交換器と、放出時に、前記タンク室から外部に放出される燃料ガスが通る配管であって、その一端が前記タンク室に開口すると共に、外部、前記タンク室を順に経由し、その他端が燃料ガスを消費する燃料ガス消費機器に接続され、かつ、その前記タンク室を経由する部分が前記充填用配管の前記タンク室を経由する部分と連結し、前記充填用配管と異なる放出用配管と、放出時に、前記放出用配管の外部を経由する部分を通る燃料ガスと、外部との間で熱交換させる第３熱交換器と、放出時に、前記放出用配管の前記タンク室を経由する部分を通る燃料ガスと、前記タンク室との間で熱交換させる第４熱交換器と、を備えることを特徴とする燃料ガスタンクである。
【０００７】
このような燃料ガスタンクによれば、燃料ガスの充填時において、燃料ガスは、充填用配管の一端から、その内部を通り、他端を介してタンク室に充填される。この場合において、燃料ガスは、第１熱交換器を介してタンク室と熱交換し、タンク室の熱を吸熱する。次いで、この燃料ガスは、第２熱交換器を介して外部と熱交換し、外部に放熱する。このように、タンク室の熱を充填される燃料ガスに一旦移動させ、そして、この熱を外部に放熱できるので、タンク室が高温になることを防止できる。
【０００８】
一方、燃料ガスの放出時において、燃料ガスは、放出用配管の一端から、その内部を通り、他端を介して燃料ガス消費機器に放出される。この場合において、放出時に膨張し、温度低下した燃料ガスは、第３熱交換器を介して外部と熱交換し、外部の熱を吸熱する。次いで、この燃料ガスは、第４熱交換器を介して、タンク室と熱交換し、タンク室に放熱する。このように、放出される水素に外部の熱を一旦移動させ、そして、この熱をタンク室に放熱できるので、タンク室を暖めることができる。これにより、タンク本体の内部やこれに付属するバルブ等の温度が極低温になることを防止でき、シール等の最低使用可能温度を下回らないようにすることができる。
【０００９】
また、このような燃料ガスタンクは、充填用配管及び放出用配管を所定に配管し、第１〜第４熱交換器を所定に設けることで製造できる簡易な構成である。よって、このような燃料ガスタンクによれば、製造コストを低減することができる。
【００１０】
前記燃料ガスタンクにおいて、前記タンク本体の外形は円柱状であり、前記充填用配管の前記タンク室を経由する部分は、前記タンク本体の中心軸線上を、前記タンク本体の一端側から他端側に向かって延びた後、折り返して、前記一端側に向かって延びており、前記放出用配管の前記タンク室を経由する部分は、前記タンク本体の中心軸線上を、前記タンク本体の他端側から一端側に向かって延びた後、折り返して、前記他端側に向かって延びており、前記充填用配管の前記タンク室を経由する部分の折り返し部と、前記放出用配管の前記タンク室を経由する部分の折り返し部とを連結する連結構造を備えることが好ましい。
【００１１】
前記燃料ガスタンクにおいて、前記充填用配管に設けられ、燃料ガスの逆流を防止する逆流防止弁と、前記放出用配管に設けられ、燃料ガスの放出を制御する開閉弁と、前記放出用配管に設けられ、放出される燃料ガスの圧力を調整する調圧弁と、を備えることが好ましい。
このような燃料ガスタンクによれば、逆流防止弁により、充填用配管における燃料ガスの逆流を防止することができる。そして、開閉弁により、燃料ガスを放出するか否かを制御することができる。また、調圧弁により、放出される燃料ガスの圧力を調節することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡易な構成で、好適に燃料ガスを充填・放出可能な燃料ガスタンクを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態について、図１を参照して説明する。
【００１４】
図１に示す水素タンク１（燃料ガスタンク）は、水素（燃料ガス）を消費する燃料電池スタック５０（水素消費機器）と共に、燃料電池自動車（図示しない）に搭載されたものであって、燃料電池スタック５０に水素を供給するものである。
【００１５】
≪水素タンクの構成≫
水素タンク１は、外形が略円柱状であって、その内部に水素が貯蔵されるタンク室１１を有するタンク本体１０と、タンク本体１０に水素を充填する際に動作する水素充填系と、タンク本体１０から水素を放出する際に動作する水素放出系と、を備えている。
【００１６】
＜水素充填系＞
水素充填系は、充填用配管２１と、水素充填口２２と、第１フィン２３（第１熱交換器）と、第２フィン２４（第２熱交換器）と、逆止弁２５（逆流防止弁）と、を備えている。
【００１７】
充填用配管２１は、水素の充填時に、例えば、水素ステーション（外部）からタンク室１１に充填される水素が通る配管であり、その上流端２１ａ（一端）は、水素充填口２２を介して、外部に開口している。そして、水素充填口２２から下流に向かって、充填用配管２１は、一旦、タンク室１１を経由した後、タンク本体１０の外部に引き出され、この外部を経由した後、タンク室１１に戻されており、下流端２１ｂ（他端）はタンク室１１に開口している。
【００１８】
第１フィン２３は、充填用配管２１のタンク室１１を経由する部分に設けられており、この部分を通る水素と、タンク室１１の水素（タンク室１１の内部）との間で、第１フィン２３を介して熱交換するようになっている。
第２フィン２４は、タンク室１１の後、充填用配管２１の外部を経由する部分に設けられており、この部分を通る水素と、外部（例えば空気や、パワープラントあるいはモータ等の冷却水、車体やフレーム等のヒートマスを冷却に用いることも可能）との間で、第２フィン２４を介して熱交換するようになっている。
逆止弁２５は、水素充填時の圧力以上で開く弁であり、第２フィン２４が設けられた部分よりも下流の充填用配管２１に設けられており、タンク室１１の水素が逆流しないようになっている。
【００１９】
＜水素放出系＞
水素放出系は、放出用配管３１と、第３フィン３２（第３熱交換器）と、第４フィン３３（第４熱交換器）と、インタンク型の遮断弁３４（開閉弁）と、調圧弁３５とを備えている。
【００２０】
放出用配管３１は、水素の放出時、つまり、水素タンク１から燃料電池スタック５０に向かって放出される水素が通る配管であり、その上流端３１ａ（一端）は、タンク室１１に開口している。そして、上流端３１ａから下流に向かって、放出用配管３１は、一旦、タンク本体１０の外部に引き出され、外部を経由した後、タンク本体１０内に戻され、タンク室１１を経由した後、再び外部に引き出され、その下流端３１ｂは燃料電池スタック５０に接続されている。
【００２１】
第３フィン３２は、放出用配管３１のうち、一旦外部に引き出されたことによって外部を経由する部分に設けられており、この部分を通る水素と、外部（例えば空気や、パワープラントあるいはモータ等の冷却水、車体やフレーム等のヒートマスを冷却に用いることも可能、また、排気系から直接的／間接的に熱を伝達させることも有効）との間で、第３フィン３２を介して熱交換するようになっている。
第４フィン３３は、放出用配管３１のタンク室１１を経由する部分に設けられており、この部分を通る水素と、タンク室１１の水素（タンク室１１の内部）との間で、第４フィン３３を介して熱交換するようになっている。
遮断弁３４、調圧弁３５は、上流端３１ａと第３フィン３２との間における放出用配管３１に、この順で設けられている。なお、遮断弁３４は、水素の放出時に、ＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置、図示しない）により開かれる電磁弁である。そして、調圧弁３５は、水素を所定圧力に減圧させる一次減圧弁である。
【００２２】
また、タンク本体１０の中心軸線上を、その内側に延びる充填用配管２１と、放出用配管３１とは、適宜な連結構造４０を介して連結している。これにより、タンク室１１において、充填用配管２１と放出用配管３１とが、タンク本体１０の径方向に拘束され、対振動性が高められている。
【００２３】
≪水素タンクの動作・効果−充填時≫
次に、水素タンク１の水素充填時における動作・効果について説明する。
外部の水素ステーション等から水素充填口２２を介して水素が高圧で充填されると、タンク室１１は、圧縮により高温となる。このとき、第１フィン２３が設けられた充填用配管２１内を通流する水素の温度は、タンク室１１に圧縮充填された水素の温度よりも低い。このため、水素がタンク室１１を経由する充填用配管２１を通る際に、第１フィン２３を介して、タンク室１１のガスと熱交換し、タンク室１１の熱を吸熱する（Ｑ１）。
【００２４】
そして、タンク室１１の熱を吸熱して温度の上昇した水素が、外部を経由する充填用配管２１を通る際に、第２フィン２４を介して、外部と熱交換し（放熱）、前記第１フィン２３を介して吸収した熱を、外部に放熱する（Ｑ２）。これにより、温度の低下した水素が、逆止弁２５、下流端２１ｂを介して、タンク室１１に充填される。
【００２５】
このように、第１フィン２３を介してタンク室１１の熱を、充填される水素に一旦吸熱させ、この吸収した熱を第２フィン２４を介して外部に放熱した後、水素がタンク室１１に充填される。これにより、タンク室１１を冷却することができる。よって、充填時において、水素タンク１が過剰に昇温することを防止できる。
なお、水素残量が少なく、タンク室１１の圧力が低いときに、水素を高圧で充填すると、僅かな時間で、タンク室１１の温度が著しく上昇する。
【００２６】
≪水素タンクの動作・効果−放出時≫
次に、水素タンク１の水素放出時における動作・効果について説明する。
ＥＣＵ（図示しない）によって、遮断弁３４が開かれると、タンク室１１の水素は、調圧弁３５により、その圧力が下がると共に膨張し、その温度が下がる。そして、この温度が下がった水素は、一旦外部を経由する放出用配管３１を通る際に、第３フィン３２を介して外部と熱交換し、外部の熱を吸熱する（Ｑ３）。
【００２７】
そして、この水素は、タンク室１１を経由する放出用配管３１を通る際に、第４フィン３３を介してタンク室１１の水素と熱交換し、前記第３フィン３２を介して吸収した熱を、タンク室１１に放熱され（Ｑ４）、タンク室１１が暖められる。次いで、このように放熱した水素は、燃料電池スタック５０に供給される。
【００２８】
このように、第３フィン３２を介して外部の熱を、放出される水素に一旦吸熱させ、この吸収した熱を第４フィン３３を介してタンク室１１に放熱し、タンク室１１を暖めた後、水素が燃料電池スタック５０に供給される。このようにして、外部に放出される水素を利用して、タンク室１１の水素を暖めることができるので、その後、放出される水素が膨張により極低温になることを防止できる。その結果、タンク本体１０の内部やこれに付属するバルブ（遮断弁３４、調圧弁３５等）の温度が極低温になることを防止でき、シール（Ｏリング等）の最低使用可能温度を下回らないようにすることができる。
【００２９】
≪その他効果≫
また、このような水素タンク１は、充填用配管２１及び放出用配管３１を所定に配管し、第１フィン２３、第２フィン２４、第３フィン３２及び第４フィン３３を所定に設けることで製造できる簡易な構成である。よって、このような水素タンク１、その製造コストを低減することができる。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
【００３１】
前記した実施形態では、燃料ガスが水素である場合を例示したが、これに限定されず例えは、天然ガスであってもよい。また、燃料ガス消費機器は燃料電池スタック５０に限定されず、例えば、天然ガスや水素を燃焼させる内燃機関であってもよい。
また、前記した実施形態では、燃料ガスタンクが、燃料電池自動車に組み込まれた場合を例示したが、その他に例えば、燃料ガスタンクが、家庭用の定置式の燃料電池システムに組み込まれた構成でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態に係る水素タンクの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１      水素タンク（燃料ガスタンク）
１０    タンク本体
１１    タンク室
２１    充填用配管
２１ａ  上流端（一端）
２１ｂ  下流端（他端）
２３    第１フィン（第１熱交換器）
２４    第２フィン（第２熱交換器）
２５    逆止弁（逆流防止弁）
３１    放出用配管
３１ａ  上流端（一端）
３１ｂ  下流端（他端）
３２    第３フィン（第３熱交換器）
３３    第４フィン（第４熱交換器）
３４    遮断弁（開閉弁）
３５    調圧弁
５０    燃料電池スタック（燃料ガス消費機器）
【図１】
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