燃料電池自動車ミライの水素貯蔵量の疑問

トヨタの燃料電池自動車ミライについて調べたところ、以下のスペックが記載されていました。
　・水素タンク容積：122.4L (前後計)
　・水素貯蔵量：5.0kg
　・充填圧力：70MPa
　・温度：20℃

理想気体で計算してみたのですが、容積122.4Lのタンクに20℃で5kgの水素を圧縮充填すると、
圧力は49.24MPaにしかなりません。

高速充填の際、断熱圧縮で温度上昇した状態で70MPaなのかもしれない、と考えましたが、
容積122.4Lのタンクに5kgの水素を圧縮充填して、圧力が70MPaになるためには、
温度が143.3℃になってしまいます。
タンクの許容温度は85℃とのことで、充填時にそこまで温度が上がるわけでもなさそうです。

容積122.4Lに20℃で70MPaを正とすると、水素の重量は7.1kgとなってしまい、
貯蔵量5.0kgの記載と矛盾します。

70MPa@20℃で5kgを正とすると、タンク容積は86.16Lと、
公称値122.4Lの70%となってしまいます。

水素の臨界点は、－240℃と非常に低いため、
これらの矛盾が、理想気体と実在気体のズレであると考えるには、あまりに大きな差だと思います。
上記の条件のうち、どの３つを正としても、残る１つに矛盾が生じます。
これは、どういうことなのでしょうか？

No.8 回答者： SortaNerd 回答日時： 2016/03/13 02:21

理想気体からのずれには2種類あり、

ひとつがファンデルワールス力で分子が引かれる事による圧力が下がる方向のずれ
もうひとつが分子に体積がある事による圧力が上がる方向のずれです。
「ガスのような液のようなどちらともつかないような状態となるため」と言っているのは1つめのずれですね。
詳しくは分かりませんがたぶん2つめを考慮にいれると説明できるのではないでしょうか。

参考: https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1 …

No.7 回答者： lupan344 回答日時： 2016/03/12 21:30

いろいろ調べてみたら、水素ガスの圧縮係数が、25℃、70.928MPaで1.4579になる事がわかりました。

また、水素ガスの25℃、70.928MPaの密度は、39.5658kg/m3となります。
理由は、その数値が書かれている、日本産業・医療ガス協会の「水素の有効利用ガイドブック」の水素の基本特性を一読してください。
http://www2.jimga.or.jp/dl/sangyo/all/book/list/ …

No.6 回答者： lupan344 回答日時： 2016/03/12 21:04

ホンダの資料を見てみたら、70MPa容器で、貯蔵温度が20℃の場合は、貯蔵量は約40kg/m3となるグラフがありました。

122.4Lの場合は、40×0.1224＝4.896kgとなるので、トヨタのタンクとデータは変わらないようです。

No.5 回答者： lupan344 回答日時： 2016/03/12 20:47

お礼ありがとうございます。

圧力が2倍になっても、充填量が1.45倍程度にしかならないと言うのは、トヨタの論文からの引用です。
http://www.hess.jp/Search/data/30-02-045.pdf
ちなみに、ファンデルワース方程式で、a＝24.4×10^-3[m^6/mol^2]、b＝26.2×10^-6[m^3/mol]、R＝8.31[J/K・mol]、T＝273.15＋20＝293.15[K]、5kgのH2ガスのmol値＝5000/2＝2500、1molあたりの容積V＝（122.4×10^-3）/2500＝49.0×10^-6[m^3]から、P＝（RT/(V-b))－(a/V^2)≒96.85MPaとなります。
実際は、70MPaですから、ファンデルワース方程式もこの範囲の近似はあまり良くありません。

No.4 回答者： angkor_h 回答日時： 2016/03/12 16:13

確かに「公称使用圧力70Mpa」とありますが、

70Mpaとはタンクの仕様であって、運用上は50Mpa(70%で利用)、
と考えれば合います。
世界初の市販車であり、やはり安全利用が優先している、
しかし、70Mpaタンク開発は唄いたい、…
ま、推定ですが。

この回答へのお礼

それは、ないです。
少し調べれば分かることですが、ミライの水素タンクは87.5MPaまで対応しており、
2016年以降に運用開始見込みの新規格水素ステーションでは、82MPa充填が可能になります。

お礼日時：2016/03/12 17:37

No.3 回答者： doc_somday 回答日時： 2016/03/12 16:05

高圧ガス保安協会にも居た事がありますが、この記事はデタラメに近い。

水素を高圧で詰めるのは非常に危険で、既に他界したうちの親父は化学工学屋でしたが、高圧水素だけは
絶対に手を出すなとうるさい程言われました、分子量が小さいので拡散係数Ｄが大きく微少な隙間から
漏れ出し、その時に静電気を生ずるために直ちに引火、炭素が無いので炎は無色透明さらに高温で燃え
燃えているのか消し止めたかも直ぐには分からない、高温のため鋼鉄の機器が熔けます。
燃料電池では無く通常のオットーサイクルエンジンの経産省企画書には、千気圧以上で詰めると
記載されていたのでやめてくれと頼みました。本来の職場である独法の研究所で超高圧水素反応を
行っていた先輩が居ましたが全てのバルブはスイス製で目玉が飛び出る程高価、
大きな困難をクリアしないと高速・高圧充填は無理です。

この回答へのお礼

何だか文章が高尚過ぎて、私には理解ができませんでした。
大きな困難を既にクリアしているからこそ、現存する水素ステーションでは、
わずか3分間で70MPaの水素を充填できているのですが、
いったい何がデタラメだと仰っているのでしょうか？
KHK、大丈夫？？

お礼日時：2016/03/12 17:34

No.2 回答者： ginlime 回答日時： 2016/03/12 13:27

高圧ガス保安法で表示（ボンベ容積、圧力、充填量など）

の基準はきちんとしていますので、表示の間違いは法的に
許されないと思います。よって計算上の
ずれは、理想気体からのずれと解釈すべきです。

この回答へのお礼

No.1の方のお礼にも書きましたが、理想気体の挙動からずれるとしたら、
122.4Lのタンクに20℃で5kgの水素を充填すると、理想気体では49.24MPaに
なるはずなのに、実際には45MPaとか40MPaとか、もっと小さい値になるはずだと思うのです。
例えは、モノシランは、47L容器に10kg充填が一般的ですが、
理想気体で計算すると、20℃で16MPaほどの圧力になりますが、
実際には7MPa程度にしかなりません。
NF3の47L_20kg充填は、理想気体として計算すると、20℃で14.5MPaほどになりますが、
実際には10MPa弱にしかなりません。
超高圧の水素の場合は、上記の例と逆に、充填量を上げていくと圧力の上昇が大きくなるのですか？

お礼日時：2016/03/12 17:30

No.1 回答者： lupan344 回答日時： 2016/03/12 13:01

70MPa程度だと、かなり理想気体と状態が離れるようなので、実際の充填量は、理想気体で計算した値に比べて70％程度になってしまうようです。

（35MPa～70MPaに充填圧力を上げても、貯蔵量は約1.45倍程度にしかならないようです）

この回答へのお礼

実在気体が理想気体の挙動からずれる一例として、
臨界温度の高いガスが、充填量の増加に伴い圧力の上昇が鈍くなってくることが挙げられます。
これは、圧力が上がるにつれて、充填容器内がガスのような液のような
どちらともつかないような状態となるため、理想気体の挙動からずれてくることが
原因であると考えられます。

それに対して、水素のような臨界温度の低いガスは、室温付近では
圧力は充填量に対してほぼリニアに上がっていきます。
しかし、超高圧域では、確かに理想気体の挙動からずれてくるのだろうとは思います。

だとしたら、「詰めても詰めても圧力が上がってこない」となるはずであって、
理想気体で49.24MPaにしかならないのが、実際には70MPaにもなる、というのは
真逆の現象となってしまいます。
「35MPaから70MPaまで圧力を倍加しても充填量が1.45倍にしかならない」というのは、
何を根拠に仰っているのでしょうか？

お礼日時：2016/03/12 17:37