JP2009121652A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的長期間に亘って、ＣＦＲＰ層への応力集中を抑制できる圧力容器。
【解決手段】圧力容器１は、口金３とＣＦＲＰ層１２との接触部分の少なくとも一部に、リング状のＧＦＲＰ層９０を介在させたものである。ＧＦＲＰ層９０は、擬似等方積層されてなるとよく、また、口金３の鍔部３４とＣＦＲＰ層１２とに挟まれるように設けられるとよい。ＧＦＲＰ層９０は、ブレイディング法又はハンレドレイアップ法により成形され、鍔部３４の先端側に位置する部位がその基端側に位置する部位よりも厚肉であるとよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば燃料電池システムに搭載される圧力容器に関するものである。

燃料電池システムに適用される圧力容器には、例えば３５ＭＰａや７０ＭＰａ高圧の水素ガスが貯留される。従来、ＣＮＧガス等を貯留するための圧力容器として、例えば特許文献１及び２に記載のものが知られている。

特許文献１に記載の圧力容器は、ポリエチレン樹脂からなるライナー層の外面をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）層で補強したものであり、その口部を口金で構成している。口金のフランジ部とライナー層の内面との間にゴム製の弾性シール材が設けられ、ライナー層と口金との間の気密性が高められている。

特許文献２に記載の圧力容器は、上記同様に、ライナー層の外面をＣＦＲＰ層で補強したものであるが、径方向外側に突出する口金の鍔部が、ライナー層とＣＦＲＰ層とに挟まれている。
特開２００５−４８９１８号公報（図１） 特開平１０−２３１９９７号公報（図１）

特許文献２に記載の圧力容器の構造では、鍔部の先端部に接するＣＦＲＰ層の部分に応力が集中し、き裂等が発生するおそれがある。これは、容器内圧により口金が軸方向外側に押され、それにより鍔部の先端部がＣＦＲＰ層の内面に強く接触するようになると考えられるからである。
もっとも、特許文献１に記載の弾性シール材を鍔部の先端部に設ければ、ＣＦＲＰ層への応力集中を抑制できなくもない。しかし、容器内圧が高圧の場合、ゴム製の弾性シール材は繰り返し圧力荷重を受けることで比較的短期間で破壊し、期待する応力緩和効果を得られないおそれがある。

本発明は、比較的長期間に亘って、ＣＦＲＰ層への応力集中を抑制できる圧力容器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明の圧力容器は、口金と、口金の外周面に接するＣＦＲＰ層と、を有するものにおいて、口金とＣＦＲＰ層との接触部分の少なくとも一部に、リング状のＧＦＲＰ（Class Fiber Reinforced Plastics）層が介在しているものである。

本発明によれば、口金が容器の内圧を受けても、その内圧による荷重が口金からＣＦＲＰ層に直接的に作用することをリング状のＧＦＲＰ層によって抑制できる。これにより、口金が接触するＣＦＲＰ層の部分の応力を緩和でき、圧力容器の強度部材であるＣＦＲＰ層への応力集中を周方向に亘って抑制できる。また、介在させる部材として、ゴムに比べて耐圧強度及び疲労強度に優れたＧＦＲＰ層を用いているため、長期に亘る応力緩和効果を確保することができる。

好ましくは、ＧＦＲＰ層は、擬似等方積層されてなるとよい。この構成によれば、ＧＦＲＰ層の全ての方向で弾性特性が同じになるので、応力緩和に好適となる。

好ましくは、圧力容器は、ＣＦＲＰ層に外周側を被覆されたライナー層を更に有し、口金は、ＣＦＲＰ層とライナー層とに挟まれるように配置された鍔部を有するとよい。そして、ＧＦＲＰ層は、鍔部とＣＦＲＰ層とに挟まれるように設けられるとよい。このような構成によれば、応力集中が起き易いＣＦＲＰ層の部分について、それを効果的に緩和できる。また、鍔部によって、口金が外方に抜けることを抑制できる。

より好ましくは、ＧＦＲＰ層は、鍔部の先端側に位置する部位がその基端側に位置する部位よりも厚肉であるとよい。この構成によれば、応力集中が最も起き易い部分について、それを効果的に緩和できる。また、ＧＦＲＰ層を全て同じ肉厚で形成する場合に比べて、ＧＲＦＲ層を軽量化でき、圧力容器の軽量化に供することができる。

より好ましくは、鍔部は、先端部が基端部よりも薄肉に形成されているとよい。

好ましくは、鍔部の先端部には、ＧＦＲＰ層を設けるための凹部又は段部が形成されているとよい。この構成によれば、ＧＦＲＰ層を簡易に設けることができる。

より好ましくは、ＧＦＲＰ層は、凹部又は段部に設けられた状態で、外表面がライナー層の外表面と面一であるとよい。この構成によれば、ＧＦＲＰ層とライナー層との間で外表面に段差がなくなるので、これら両方の外表面にＣＦＲＰ層を段差なく位置させることが可能となる。これにより、ＣＦＲＰ層の強度を維持しながら、ＧＦＲＰ層を設けることが可能となる。

好ましくは、ＧＦＲＰ層は、凹部又は段部に設けられた状態で、外表面が鍔部の基端部の外表面と面一であるとよい。この構成によれば、上記同様に、ＣＦＲＰ層の強度を維持しながら、ＧＦＲＰ層を設けることが可能となる。

好ましくは、ＧＦＲＰ層は、ブレイディング法又はハンドレイアップ法により成形されたものであるとよい。また、ＧＦＲＰ層は、口金の軸線の周方向に亘って形成されることが好ましい。

本発明の圧力容器によれば、ＧＦＲＰ層が設けられているので、ＣＦＲＰ層への応力集中を長期間に亘って抑制できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る圧力容器について説明する。ここでは、圧力容器として高圧タンクを例に説明する。

図１は、本実施形態に係る高圧タンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。
燃料電池自動車１００は、例えば３つの高圧タンク１を車体のリア部に搭載する。各高圧タンク１は、燃料電池システムの一部を構成し、ガス供給ライン１０２を通じて燃料電池１０４に燃料ガスを供給可能に構成される。高圧タンク１に貯留される燃料ガスは、可燃性の高圧ガスであり、例えば圧縮天然ガス又は水素ガスである。なお、高圧タンク１は、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型にも適用できる。

図２は、高圧タンク１の要部を示す断面図である。
高圧タンク１は、タンク本体２及び口金３を有すると共に、口金３にバルブアッセンブリ４がねじ込み接続される。タンク本体２は、全体として密閉円筒状からなり、その内部は、燃料ガスを常圧よりも高い圧力（すなわち高圧）で貯留する貯留空間６を構成する。例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガス、または２０ＭＰａの圧縮天然ガスが貯留空間６内に貯留される。以下では、高圧タンク１が貯留する高圧ガスとして水素ガスを例に説明する。

タンク本体２は、例えば二層構造を有しており、その二層は、ガスバリア性を有する内側の樹脂ライナー１０と、樹脂ライナー１０の外周側に位置するＣＦＲＰ層１２である。

樹脂ライナー１０（ライナー層）は、高圧タンク１の内殻又は内容器とも換言される部分である。樹脂ライナー１０の材質は、特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂を挙げることができる。また、これらの樹脂を二層以上に組み合わせて、複数層から成る積層体として樹脂ライナー１０を構成してもよい。樹脂ライナー１０は、返し部１１を有する。返し部１１は、タンク本体２の長手方向の一端部又は両端部に形成され、ＣＦＲＰ層１２から離間するようにタンク本体２の内側へと折り返されている。返し部１１は、湾曲部１６と円筒部１７とを連続してなり、湾曲部１６は、折り返し部位１９を介して、樹脂ライナー１０の大部分を構成する円筒状の胴部１８と連続している。なお、樹脂ライナー１０に限らず、例えばアルミニウム等の金属でライナー層を構成してもよい。

ＣＦＲＰ層１２は、高圧タンク１の外殻、シェル又は外容器とも換言される部分である。ＣＦＲＰ層１２は、マトリックス樹脂（プラスチック）を炭素繊維で強化してなるＦＲＰ層である。マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。一例を挙げると、ＣＲＰＲ層１２は、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂を含浸した炭素繊維を、例えばフィラメントワインディング法により樹脂ライナー１０に巻きつけ、エポキシ樹脂を加熱硬化させることで形成される。そして、ＣＦＲＰ層１２は、樹脂ライナー１０の外表面を被覆する。また、ＣＦＲＰ層１２の一部は、口金３の外周面及び後述するＧＦＲＰ層９０の表面にも接する。

口金３は、例えばステンレスなどの金属で形成されており、好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている。口金３は、タンク本体２の長手方向の一端部又は両端部に位置し、例えばインサート成形によりタンク本体２と一体成形される。口金３は、タンク本体２の軸線Ｙ−Ｙ上に軸心を有する開口部３０を備える。開口部３０は、タンク本体２の内外を連通するものであり、その内部にバルブアッセンブリ４が着脱自在に取り付けられる。例えば、バルブアッセンブリ４と外部のガス供給ライン１０２とが接続され、貯留空間６との間で水素ガスの給排がなされるようになっている。

開口部３０の内周面には、バルブアッセンブリ４に螺合されるめねじ３１が形成され、さらには、めねじ３１よりも貯留空間６側にシール面３２が形成されている。シール面３２は、例えば一定の内径からなり、バルブアッセンブリ４との間をシール部材７０、７１により軸シールされる。シール面３２は、逆テーパ面３５を介してめねじ３１に連なっている。シール面３２を内周面に有する円筒状のシール部３３は、めねじ３１を内周面に有する鍔部３４に連続している。また、シール部３３の外周面は、円筒部１６の内周面に面接触している。

着座部３６は、鍔部３４に連続しており、タンク本体２外へと延出されている。着座部３６は、バルブアッセンブリ４が着座する座面３７と、座面３７と直角に連なる円筒状の内壁面３８と、を有している。座面３７は、口金３の軸線Ｙ−Ｙ方向における一方の端面であり、環状に形成されている。なお、口金３の軸線Ｙ−Ｙ方向における他方の端面３９は、貯留空間６内に位置し、同様に環状に形成されている。

次に、図３を参照して、口金３の鍔部３４まわりの構造及びＧＦＲＰ層９０について説明する。

鍔部３４は、軸線Ｙ−Ｙを中心とした環状の部位であり、シール部３３よりも径方向外側にまで延在している。鍔部３４は、返し部１１とＣＦＲＰ層１２との間に挟まれるように配置されている。より詳細には、鍔部３４は、返し部１１の湾曲部１７とＣＦＲＰ層１２とによって画成される空間に位置し、且つ軸線Ｙ−Ｙ方向において湾曲部１７及びＣＦＲＰ層１２に面接触した状態で挟まれている。そして、鍔部３４は、先端が折り返し部位１９に達する先端部３４ａを有しており、基端部３４ｂから先端部３４ａにかけて軸線Ｙ−Ｙ方向の肉厚が小さくなるように形成されている。すなわち、鍔部３４の先端部３４ａは、径方向内側の基端部３４ｂよりも薄肉に形成されている。

先端部３４ａは、ＣＦＲＰ層１２側の面に、ＧＦＲＰ層９０を設けるための環状の段部３４ｃを有している。段部３４ｃは、鍔部３４の先端から径方向内側に向かって形成されているが、基端部３４ｂにまでは達していない。このため、段部３４ｃの径方向の長さは、鍔部３４の先端から基端部３４ｂまでの長さをＬとすると、例えば２Ｌ／３程度となっている。こうすることで、先端部３４ａにのみ、ＧＦＲＰ層９０を設けている。なお、段部３４にＧＦＲＰ層９０を設けるには、予め単品成形しておいたＧＦＲＰ層９０を段部３４に単に嵌め込むか、あるいは嵌め込んだ後に接着すればよい。また、他の実施態様では、段部３４ｃに代えて、先端部３４ａに形成した凹部にＣＦＲＰ層９０を設けてもよい。

図３及び図４に示すように、ＧＦＲＰ層９０は、軸線Ｙ−Ｙを中心とするリング状の部材である。ＧＦＲＰ層９０は、軸心に開口部９１を有し、開口部９１は、口金３の着座部３６を挿通可能な大きさに形成され、鍔部３４とＣＦＲＰ層１２とに挟まれるように段部３４ｃに装着されている。ＧＦＲＰ層９０は、先端部３４ａに位置する部位が、基端部３４ｂに位置する部位よりも厚肉に形成されている。また、ＧＦＲＰ層９０の肉厚は、段部３４ｃの深さに対応しており、外表面９２が樹脂ライナー１０の外表面１０ａ及び鍔部３４の基端部３４ｂの外表面と面一になっている。このため、ＣＦＲＰ層１２が外表面１０ａ及び鍔部３４の基端部３４ｂの外表面に段差無く位置するので、この部分において、ＣＦＲＰ層１２の強度が適切に維持される。

ＧＦＲＰ層９０は、マトリックス樹脂（プラスチック）をガラス繊維で強化してなるＦＲＰ層である。マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。ここでは、ＣＦＲＰ層１２と同じ熱硬化性のエポキシ樹脂が用いられている。ＧＦＲＰ層９０は、複数の層が積層されてなる積層板の態様を有している。好ましくは、ＧＦＲＰ層９０は、各々の積層形態が異なるものであるとよく、より好ましくは、擬似等方積層されてなるものであるとよい。例えば、ＧＦＲＰ層９０は、４５°、９０°、−４５°、０°方向に対称積層させた擬似等方積層板であるとよい。このような擬似等方積層板とすることで、ＧＦＲＰ層９０の全ての方向で弾性特性が同じになるので、応力緩和に好適となる。

ＧＦＲＰ層９０は、各種の方法で製造することができる。例えば、ブレイディング法を用いた場合、ブレイディングマシンを用いてＧＦＲＰプリプレグから成形することで、積層板としてのＧＦＲＰ層９０を製造することができる。また、ハンドレイアップ方法を用いた場合、図５に示す製造用の型２００にＧＦＲＰをハンドレイアップし、それを硬化炉で成形することで、積層板としてのＧＦＲＰ層９０を製造することができる。製造後のＧＦＲＰ層９０は段部３４ｃに装着され、この装着状態で、フィラメントワインディング法によってＣＦＲＰ層１２が外側に形成される。このように、ＧＦＲＰ層１２がない場合にＣＦＲＰ層１２が本来接触する口金３の外周面の部分（鍔部３４の表面）に、ＧＦＲＰ層１２が設けられることになる。

以上説明したように、本実施形態の高圧タンク１によれば、鍔部３４とＣＦＲＰ層１２との接触部分にＧＦＲＰ層９０が介在する。これにより、応力集中が起きるＣＦＲＰ層１２の部分について、その応力集中をＧＦＲＰ層９０によって緩和することができる。特に、最も応力集中が起きる箇所（ＣＦＲＰ層１２が先端部３４ａに面する部分）において、ＧＦＲＰ層９０の部位を他の部位に比べて厚肉にしているので、ＧＦＲＰ層９０を軽量化しつつ、応力緩和効果を高めることができる。また、介在層としてＧＦＲＰ層９０を用いているため、ゴム製のものに比べて、耐圧強度及び疲労強度を向上させることができ、長期に亘る応力緩和効果を確保することができる。さらに、車両１００としてみれば、高圧タンク１の高強度及び高寿命により車両１００の信頼性を向上することにも貢献できる。

なお、他の実施態様では、ＧＦＲＰ層９０を鍔部３４の領域の一部ではなく、例えば、鍔部３４の先端部３４ａから基端部３４ｂにかけて設けてもよい。また、鍔部３４以外の領域であって、ＣＦＲＰ層１２と口金３の外周面との接触部分にＧＦＲＰ層９０を介在させてもよい。

実施形態に係る圧力容器を搭載した燃料電池自動車を示す図である。 実施形態に係る圧力容器を示す断面図である。 図２の要部を拡大して示す断面図である。 実施形態に係るＧＦＲＰ層の斜視図である。 実施形態に係るＧＦＲＰ層をハンドレイアップ法により製造する方法を示す図であり、（ａ）は製造用の型の斜視図であり、（ｂ）はその型にＧＦＲＰをハンドレイアップした状態を示す斜視図である。

符号の説明

１：高圧タンク（圧力容器）、２：タンク本体、３：口金、１０：樹脂ライナー、１０ａ：外表面、１２：ＣＦＲＰ層、３４：鍔部、３４ａ：先端部、３４ｂ：基端部、３４ｃ：段部、９０：ＧＦＲＰ層、９２：外表面、Ｙ−Ｙ：軸線

Claims (9)

1. 口金と、当該口金の外周面に接するＣＦＲＰ層と、を有する圧力容器において、
   前記口金と前記ＣＦＲＰ層との接触部分の少なくとも一部に、リング状のＧＦＲＰ層が介在している、圧力容器。
2. 前記ＧＦＲＰ層は、擬似等方積層されてなるものである、請求項１に記載の圧力容器。
3. 前記ＣＦＲＰ層に外周側を被覆されたライナー層を更に有しており、
   前記口金は、前記ＣＦＲＰ層と前記ライナー層とに挟まれるように配置された鍔部を有し、
   前記ＧＦＲＰ層は、前記鍔部と前記ＣＦＲＰ層とに挟まれるように設けられている、請求項１又は２に記載の圧力容器。
4. 前記ＧＦＲＰ層は、前記鍔部の先端側に位置する部位がその基端側に位置する部位よりも厚肉である、請求項３に記載の圧力容器。
5. 前記鍔部は、先端部が基端部よりも薄肉に形成されている、請求項４に記載の圧力容器。
6. 前記鍔部の先端部には、前記ＧＦＲＰ層を設けるための凹部又は段部が形成されている、請求項３ないし５のいずれか一項に記載の圧力容器。
7. 前記ＧＦＲＰ層は、前記凹部又は段部に設けられた状態で、外表面が前記ライナー層の外表面と面一である。請求項６に記載の圧力容器。
8. 前記ＧＦＲＰ層は、前記凹部又は段部に設けられた状態で、外表面が前記鍔部の基端部の外表面と面一である。請求項６又は７に記載の圧力容器。
9. 前記ＧＦＲＰ層は、ブレイディング法又はハンドレイアップ法により成形されたものである、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の圧力容器。

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