成果報告書詳細
管理番号20110000001596
タイトル平成17年度~平成19年度成果報告書 水素安全利用等基盤技術開発 車両関連機器に関する研究開発 水素吸蔵合金と超高圧容器を組み合わせたハイブリッド貯蔵タンクの研究開発
公開日2011/11/9
報告書年度2005 - 2007
委託先名財団法人日本自動車研究所 サムテック株式会社 日本重化学工業株式会社
プロジェクト番号P03015
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約 本研究開発は、水素に係わる「車両関連機器に関する研究開発」の「実用化技術」の分野において、体積貯蔵密度が優れた水素吸蔵合金と重量貯蔵密度に優れる高圧複合容器(Type-3)を組み合わせ、車載用水素貯蔵容器として軽量でコンパクトな水素貯蔵容器の開発を目指すものである。
 ハイブリッド水素貯蔵タンク技術に関しては、従来から用いられている高圧ガス容器による水素貯蔵の場合と水素貯蔵特性、水素放出特性、安全性等の挙動が異なることが想定されることから、車載用水素貯蔵システムとしての水素吸蔵放出時の各種特性に関する調査(性能試験)及び安全性に関する調査(安全性試験)が必要とされている。
 そこで、本研究開発項目では、ハイブリッド貯蔵タンク技術の車載用水素貯蔵システムとしての水素吸蔵放出時の各種特性に関する調査(性能試験)及び安全性に関する調査(安全性試験)を目的として、ハイブリッド貯蔵タンクの開発を実施した。
 ハイブリッド貯蔵タンク用MHカートリッジの開発では、ハイブリッド貯蔵タンクに求められる性能のひとつとして、水素ステーションでの急速充填能力が必要とされ、熱交換器の構造が重要な開発課題とされている。急速充填可能な熱交換器構造について、シミュレーションを用いて最適化を行い、MH充填層のアルミフィンの枚数及び肉厚について調査し、アルミフィンの枚数、肉厚を決定した。試作したハイブリッド貯蔵タンクに溶解・水素化粉砕したV-5at%Ta-15at%Cr水素吸蔵合金を充填し、水素吸蔵合金の初期活性化を実施した。初期活性化は150℃での真空排気処理の後、水素化することにより実施し、設計量の水素化を確認した。体積貯蔵密度、重量貯蔵密度に関して、30Lの内容積で試作したハイブリッド貯蔵タンクは目標を達成することができたが、急速充填結果は、90%-10min.の目標に対して、81%/10min.と、吸蔵速度については目標の90%となり、MHカートリッジの熱交換器構造について改善の余地を残す結果となった。
 広口高圧容器の研究開発では、ハイブリッド貯蔵タンクに適したハイブリッドドーム形状を持つ広口高圧タンクを開発した。開発目標としては、落下試験以外は自動車用圧縮水素容器と同等の安全性を有しているものとした。一般的な高圧容器のドーム形状は、等張力測地線と呼ばれる内圧に耐える形状とするが、今回開発したハイブリッド貯蔵タンク用広口高圧タンクのドームは、MHカートリッジの重量を支持し、かつ広口の口金による大きな曲げモーメントにも耐えるように、新たにハイブリッドドーム形状を開発した。また、MHカートリッジの保持と熱交換用配管および高圧ガス部のシールといった複数の機能を有する口金シール構造を開発した。
開発したハイブリッド貯蔵タンクの性能・安全性評価により、開発したハイブリッド貯蔵タンクを自動車用圧縮水素容器の技術基準(JARI S001)などに準拠した液圧による性能試験を行った結果、何れの試験でも合格する結果となった。このことから、ハイブリッド貯蔵タンクの健全性を確認するとともに現行基準への適応性を確認するとともに、自動車用圧縮水素容器のカテゴリーの一つとして、考慮可能であることがわかった。
英文要約Title:Development for Safe Utilization and Infrastructure of Hydrogen Research and Development of Vehicle Components Development of a hybrid hydrogen storage tank system which is a combination high-pressure vessel and metal hydride. (FY2005-FY2007) (Samtech Corporation, Japan Metals & Chemical Co.,Ltd, Japan Automobile Research Institute)
Hydrogen attracts attention as clean energy of the next generation. In order to put a hydrogen energy system to practical use, the technical development of safe and efficient storage/transportation media is on of the most important subjects. On board hydrogen tank which is under development can be classified into following two types; 1) high pressure hydrogen cylinder, 2) metal hydride storage. However, high-pressure gas cylinder do not meet the requirement for on board storage of hydrogen in volume densities., and metal hydride storage do not meet the requirement for on board storage of hydrogen in weight densities. This research is the development of a hybrid hydrogen storage vessel which is a combination of type3 high-pressure vessel and metal hydride.
At the development of MH cartridge, we investigated hydrogen storage characteristics of the Hybrid Hydrogen Storage tank. The gravimetric densities and volumetric hydrogen densities of Hybrid Hydrogen Storage Tank were calculated. And in order to improve the heat conduction in MH cartridge, we simulated the characteristics of hydrogen absorption. We optimized the aluminum fin for metal hydride cartridge. We designed and manufactured the metal hydride cartridge of Hybrid Hydrogen Storage Tank based on these data.
At the development of wide port cylinder for Hybrid Hydrogen Storage Tank,the hybrid cylinder was designed by using `Hybrid Dome Contour`. This cylinder has same safety factor as current high pressure hydrogen cylinders with the exception of drop test requirements.Development of Dome Contour: Normally, the dome contour for pressure vessels is designed with the assumption to carry only the membrane load that is generated by internal pressure ~ this is called the isotensoid or geodesic dome contour. But, this assumption may not be right for the hybrid (cartridge) cylinder, because the hybrid cylinder has a large port opening that generates a significant bending moment, and also must carry the weight of the cartridge. Therefore, Samtech performed the following studies to establish the optimum dome contour for hybrid cylinder:
Development of gas seal structure: The gas sealing structures that include the support of the internal cartridge, piping for heat exchanger and stop valve were developed. The strength of the internal cartridge support was evaluated by FEA methods.
At the performance and safety evaluation of a Hybrid Hydrogen Storage Tank, in order to investigate hydrogen absorption characteristics under 35MP, we examined hydrogen filling examination. It indicated a hydrogen filling capacity of 1.1kg and a filling rate of 81% in the first 10 minutes. We tested hybrid hydrogen tank by the liquid pressure based on JARI S001 standard. Our developed hybrid hydrogen tank were a passed result.
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