水素タンク

水素タンクとは

水素タンクとは、水素を貯蔵するタンクのことです。

車では燃料電池で駆動する燃料電池車に用いられます。燃料電池車の場合には車に搭載された水素タンクに圧縮した水素が貯蔵されており、FCスタックへ水素を供給可能です。

車に用いられる水素タンクは、天然ガス用のタンクに比べて高い圧力負荷が生じるため、高圧に耐える必要があります。材料には、炭素繊維強化プラスチックなどを使用した耐圧強度を高める加工が加えられた水素タンクが用いられます。

水素タンクの使用用途

水素タンクは、水素を貯蔵するために用いられます。燃料電池車に搭載されたり、水素ステーションの水素貯蔵に使用されます。

水素はとても軽く、そのままの状態で保管するには非常に大きなスペースが必要です。そのため、一般的に水素を貯蔵するには高圧で圧縮したり、低温で液化したり、金属に吸着させたり、別の物質に変えます。

一般的には、気体のまま高圧で貯蔵する貯蔵法が多く用いられており、高圧の水素タンクが必要です。

水素タンクの原理

燃料電池車で用いられる水素タンクは、燃料電池車を構成するために必要な構成物です。燃料電池車の車両に水素を貯蔵する方法として低圧の水素タンクは、気体のまま貯蔵を行いFCスタックへの供給燃料として容易に使用可能です。

しかし、タンク容積を大きくする必要があります。水素を供給するインフラ整備の負荷は軽くなり、少量の水素貯蔵を前提とした電動カートなどに適用されます。高圧の水素タンクは量産されている燃料電池車にも実用化されており、

一般的な水素の貯蔵方法です。水素タンクの貯蔵スペースに制約があるため、水素を圧縮貯蔵して車両の走行距離を延ばせます。水素を超低温まで冷却すると液化し、液化水素タンクに貯蔵可能です。

液化をすると気体と比べて体積は大幅に減り、小型化に強く寄与します。ただし、温度が上昇すると気化するため、温度管理が重要です。

水素タンクの構造

水素タンクの構造は方式によって異なります。

1. 高圧水素タンク

アルミニウム合金、特殊ステンレス鋼、高分子複合材料などが用いられます。高圧水素タンクには鋼鉄を使用できません。鋼鉄のような金属中に高圧の水素が入って脆くするためです。

2. 液化水素タンク

液化水素タンクは水素を-253°Cに冷却し、真空部分に挟まれた二重構造の容器に入れて液体として保管可能です。真空部分は外部と熱が伝わらず、水素の温度上昇を妨げます。

ただし、完全な真空ではなく振動でも熱が生じ、一部の水素は気体になります。安全に気体になった水素ガスを除去する技術や真空に近づけて気化量を減少させる研究が重要です。

3. 水素吸蔵合金

水素吸蔵合金はニッケル水素電池での貯蔵が実用化されています。さらに、トルエンと水素の反応によってメチルシクロヘキサンに変えるなど、水素を別の物質に変換して貯蔵する方法も近年研究されています。

水素タンクの種類

水素タンクの方式には複数の種類があります。

1. 低圧水素タンク

気体として貯蔵できますが、低圧のため大きいタンクが必要です。小容積の水素の貯蔵に使用されます。

2. 高圧水素タンク

車両にはタンクの搭載スペースに限りがあるため、同じタンク容積で圧力を高めるとより多くの水素を貯蔵可能です。

3. 液化水素タンク

超低温で液化した水素を断熱構造のタンクで貯蔵します。液化によって気体の800分の1の体積になるため、車両搭載に有利です。

4. 水素吸蔵合金

水素の原子径は小さいため、特殊な合金の分子間に吸蔵すると貯蔵可能です。水素を吸蔵合金から取り出すときには、熱を与えます。水素1kgの貯蔵に80kgほどの吸蔵合金が必要となり、車載では重量が課題です。

また、カーボンナノチューブや表面積が非常に大きい分子の表面に水素を吸蔵可能です。

5. ハイブリッド型水素タンク

水素吸蔵合金と高圧水素タンクを組み合わせた構造を使用しています。