2013 Fiscal Year Research-status Report
マイクロ金属線を用いた容器による水素の高速高圧充填化に関する研究
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25420106
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
尹 鍾晧 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教 (30456256)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 高圧水素 / 圧力容器 / ガス温度 / 準等温化 |
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| Research Abstract |
本研究では、水素の温度を急に上昇させることなく、安全かつ省エネルギーで充填時間を短縮するため、容器内に金属製綿を封入することで容器内温度変化を抑制する技術を用いた準等温化圧力容器を開発する。水素燃料電池自動車の容器における70MPa(G)までの高圧充填に掛かる時間の革新的に短縮化し、その研究基盤を確立することを目的とする。
本年度は耐圧35MPa(G)まで充填が可能な10Lの高圧水素用アルミ容器を一個試作した。水素における温度変化を35MPa(G)までの圧力領域で充填実験を行うため、実験は福岡にある水素エネルギー製品研究試験センター（HyTReC）の設備を利用して35 MPa(G)まで充填試験を行った。
一方、本年度は準等温化の技術を「水素充填容器」の題名で国内特許出願を行った。また、独立行政法人科学技術振興機構（JST）で主催するイノベーション・ジャパン2013に採択され、2013.8.29（木）から30日（金）まで東京ビッグサイトで「準等温化圧力容器を用いた水素充填における時間の短縮化」の内容で展示を行った。国内発表としては2013年10月に東京工業大学百年記念館及び蔵前会館で開催される計測自動制御学会 2013年度産業応用部門大会に参加し「準等温化圧力容器における水素充填による温度変化」の内容で発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は耐圧35MPa(G)まで充填が可能な10Lの高圧水素用アルミ容器を一個試作し、実験は福岡にある水素エネルギー製品研究試験センター（HyTReC）の設備を利用して35 MPa(G)まで充填試験を行った。
試験は容器に金属製綿が封入されていない空圧力容器の場合と、金属製綿が封入されている準等温化圧力容器の場合において行った。準等温化圧力容器の内部には直径50μmの銅線を入れ、銅線の体積充填率を6%にした。四つの温度センサを圧力容器内の中央部に沿って設置して充填による二つの容器内の時間による温度変化を計測した。容器の表面にも三つの温度計を設置を充填における温度変化を計測した。10Lの細長い容器であるため容器内に温度分布が生じましたが、準等温化圧力容器の温度上昇の抑制性を実験により確認した。
等温化原理の有効性を確認するため、先行研究を参考に集中定数系における数値解析を行い、タンク素材および充填材の観点から有効性を検証した。まず空のタンクと充填材を封入したタンクでは熱容量による温度抑制効果が表れた。次に等温材と同程度の熱容量を持つ銅の丸棒を封入したタンクと等温化原理を用いたタンクでは伝熱面積の差による充填直後の温度上昇の抑制効果が表れた。以上の結果より、等温化原理の効果として熱容量の増加による全体的な温度抑制と伝熱面積の増大における充填直後の急激な温度上昇の抑制が確認された。またタンク素材の観点では熱伝導率の悪いタンクである程、等温化原理の効果が大きいことがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
35 MPa(G)までの高圧水素における充填実験を行い、容器内の温度変化を実験によい検討する。耐圧50MPa(G)まで充填が可能な高圧水素用容器を一個試作する。容器はステンレスに炭素繊維強化プラスチック（carbon-fiber- reinforced plastic、CFRP）を巻き付け、強度を高めたものを使用する。CFRPの強度は鉄の10倍、重さは1/5倍といわれており、50 MPa(G)まで耐えられる容器を作製する。圧力容器の入口、中央、末端部に温度センサと100MPa用圧力センサを設置し、充填による二つの容器内の時間による温度変化と圧力変化を計測する。圧力センサは準等温化圧力容器に金属綿があるため流れに圧力損失の大きさを計測するため設置されている。
高圧水素による準等温化圧力容器の性能を検証するため、作製した圧力容器の温度変化を空容器と金属綿がある場合おいて比較を行う。高圧水素を使用するため、実験は福岡にある水素エネルギー製品研究試験センターの設備を利用して10～35 MPa(G)までの試験を行う。この試験センターの水素供給圧力は100 MPa(G)で、70 MPa(G)まで充填試験ができる。
容器内に封入する金属製綿の表面積と熱容量の変化による温度抑制効果を調べるため、金属綿の充填率を変えて試験を行う。金属綿の量は4％から2%と6%に変えて充填比率に対する検討を実験を行う。この実験結果から高圧水素ガスにおける準等温化圧力容器の温度変化と伝熱の関係を明らかにする。
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