CN102285314A - 压力容器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使受热，热量也难以传递到内部的压力容器。该压力容器具备：内衬(21)，其内部成为贮藏室(20)；加强层(22)，其由在内衬(21)的外表面形成的纤维强化塑料形成；保护层，其形成于加强层(22)的外表面，且通过使热发泡性材料夹在纤维材料(23b)与纤维材料(23b)之间而形成；防水层，其形成在保护层的外表面。保护层通过将纤维材料(23b)束浸入液状的热发泡性树脂溶液，并在浸渍后将其缠绕在加强层(22)的外表面且使其固化而形成。

Description

压力容器

技术领域

本发明涉及贮存高压气体等的压力容器。

背景技术

在搭载有燃料电池并以燃料电池产生的电作为能源而行驶的燃料电池车辆上搭载有：向所述燃料电池供给氢(燃料)的氢罐(压力容器)；向所述燃料电池供给包含作为氧化剂的氧的空气的压缩机；输出在燃料电池中循环的制冷剂的制冷剂泵；将直流电转换为交流电的PDU(PowerDrive Unit)行驶用的电动机；将电动机的驱动力向驱动轮传递的传递系统(drive train)。在此，压缩机、制冷剂泵、PDU、传递系统等外部设备随着车辆动作而发热。

氢以高压填充于所述氢罐内，在从氢罐向燃料电池供给氢的氢供给流路中设有减压阀。并且，根据基于油门开度等算出的要求电力来设定氢的目标压力，并对所述减压阀进行控制，以使所述减压阀的二次侧压力成为所述目标压力。

与填充于这种氢罐内的氢(气体)不同，在积存有液体燃料(汽油)的燃料罐内，为了抑制因进入热量而产生的燃料蒸气，提出有形成多层箱结构且装入散热机构的燃料罐(参照专利文献1)。

日本特开2001-130271号公报

然而，当燃料电池车辆因在盛夏的高温环境下行驶或者因前述那样压缩机等外部设备的发热而导致热量进入氢罐时，贮藏的氢膨胀，氢罐内的压力上升。

这样，若氢罐中的氢的压力上升，则所述减压阀的一次侧压力也上升，为此，可能要以比所述目标压力高的压力向燃料电池供给氢。并且，若这样以高的压力供给氢，则在燃料电池内未被消耗而排出的氢的量变多，从而可能效率降低。另外，由于供给过剩的氢，燃料电池组的固体高分子电解质膜也可能劣化。

在此，虽然也可以考虑使用控制范围广的宽程(wide-range)减压阀，但是这种宽程的减压阀非常贵，从而需要增加成本。

另外，若为了抑制向氢罐内进入的热量而形成多层箱结构，则存在氢罐的外径变大的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种即使受热，热量也难以传到内部的紧凑的压力容器。

为了解决上述问题，本发明的压力容器采用如下的机构。

本发明的第一方案为压力容器(例如，后述的实施例中的氢罐3)，其特征在于，具备：内衬(例如，后述的实施例中的内衬21)，其内部成为贮藏室；加强层(例如，后述的实施例中的加强层22)，其由在所述内衬的外表面形成的纤维强化塑料形成；保护层(例如，后述的实施例中的保护层23)，其形成于所述加强层的外表面，且通过使热发泡性材料(例如，后述的实施例中的热发泡性树脂层23a)夹在纤维材料(例如，后述的实施例中的玻璃纤维23b)与纤维材料之间而形成。

在本发明的第一方案的基础上，本发明的第二方案的压力容器的特征在于，所述保护层通过将纤维材料束浸入液状的热发泡性材料中，并在浸渍后将其缠绕在所述加强层的外表面且使其固化而形成。

在本发明的第一或第二方案的基础上，本发明的第三方案的压力容器的特征在于，在所述保护层的外表面具备防水层(例如，后述的实施例中的防水层24)。

发明效果

根据本发明的第一方案，当压力容器从外部受热时，保护层的热发泡性材料发泡而成为隔热材料，从而能够抑制向贮藏室进入热量，其结果是，能够抑制贮藏室内部压力的上升。

另外，由于保护层通过使热发泡性材料夹在纤维材料与纤维材料之间而形成，因此能够在加强层的外表面层叠大致均匀的热发泡性材料。另外，通过使热发泡性材料的膜厚均匀化，能够使膜厚变薄，从而能够实现压力容器的轻量、紧凑化。

并且，在形成保护层后，纤维材料还能够防止热发泡性材料的脱落。

根据本发明的第二方案，当在加强层的外表面形成保护层时，能够防止热发泡性材料的液体垂下，从而能够将热发泡性材料的膜厚确保为规定的膜厚。

根据本发明的第三方案，能够对保护层提高耐水性。

附图说明

图1是具备作为本发明涉及的压力容器的氢罐的燃料电池车辆的简要结构图。

图2是表示将受热前的压力容器的一部分剖开而示出的图。

图3是发泡前的保护层的剖视图。

图4是表示保护层的热发泡性材料发泡后的状态的相当于图2的剖视图。

符号说明：

3氢罐(压力容器)

21内衬

22加强层

23保护层

23a热发泡性树脂层(热发泡性材料)

23b玻璃纤维(纤维材料)

24防水层

具体实施方式

以下，参照图1至图4，说明本发明涉及的压力容器的实施例。需要说明的是，本实施例为将本发明涉及的压力容器适用于在燃料电池车辆上搭载的氢罐(燃料罐)的形态。

图1是表示燃料电池车辆的简要结构的图，燃料电池车辆1具备：被供给作为燃料的氢和作为氧化剂的氧而进行发电的燃料电池组(燃料电池)2；贮藏高压的氢的氢罐(压力容器)3；将从氢罐3放出的高压的氢减压的减压阀4；向燃料电池组2供给含有氧的空气的压缩机5；以及稀释器6等。

燃料电池组2为固体高分子型燃料电池(Polymer Electrolyte Fuel Cell：PEFC)，其由通过隔板(未图示)夹持MEA(Membrane Electrode Assembly，膜电极接合体)而成的单电池多个层叠而构成。MEA具备电解质膜(固体高分子膜)和将其夹持的阴极及阳极。在各隔板上形成有由槽或贯通孔构成的阳极流路2a及阴极流路2c。

空气通过压缩机5被加压至规定压力，然后通过空气供给流路7向燃料电池组2的阴极流路2c供给。供给到阴极流路2c的空气在供发电后作为空气废气而被从燃料电池组2排出，通过空气排出流路8而向稀释器6排出。需要说明的是，压缩机5将燃料电池组2或高压蓄电池(未图示)作为电源，其中高压蓄电池将燃料电池组2产生的电蓄电。

在空气排出流路8设有背压阀9，该背压阀9用于调整燃料电池组2的阴极流路2c的空气压力。

未图示的电子控制装置根据油门开度算出要求电力、目标空气压力、目标氢压力，并而控制背压阀9的开度以及压缩机5的旋转速度，以达到目标空气压力。

另外，氢以高压贮藏在氢罐3内，从氢罐3放出的氢通过氢供给流路10，由设在氢供给流路10上的减压阀4减压，然后向燃料电池组2的阳极流路2a供给。减压阀4将从空气供给流路7经由导压管11而输入的空气的压力(即，阴极压力)作为信号压，将从氢罐3供给的高压的氢减压为比所述信号压高规定压力的压力。由此，将燃料电池2的阴极和阳极间的极间差压保持为规定的压力。

未被燃料电池2消耗的未反应的氢作为氢废气而被从燃料电池组2排出，通过氢废气流路12而向稀释器6排出。然后，氢废气在稀释器6内与空气废气混合而被稀释，将混合气体从稀释器6经由排气管13向外部排出。

压缩机5在动作时成为产生热量的热源，在本实施例中，以压缩机5产生的热量的一部分向氢罐3传递的情况进行说明。当氢罐3受到压缩机5产生的热量时，若该热量传递到氢罐3的内部，则在氢罐3内贮藏的氢膨胀，从而氢的压力增大。因此，在本实施例的氢罐3中采用即使氢罐3从外部受热，热量也难以传递到内部的结构。需要说明的是，作为这样对氢罐3施加热量的热源，除压缩机5外，还能够列举出电子控制装置、制冷剂泵、高压蓄电池、PDU、传动系统等各种热源。

以下，说明氢罐3的结构。

如图1所示，氢箱3呈大致圆筒状，其长度方向水平而设置在燃料电池车辆1上。在氢罐3的金属盖3a内置有溢流阀(省略图示)。

图2是将氢罐3的周壁部的一部分剖开而示出的图。氢罐3具备：构成最内侧的壁部且其内侧成为氢的贮藏室20的大致圆筒形的铝合金制的内衬21；以覆盖内衬21的方式形成在内衬21的外表面的加强层22；以覆盖加强层22的方式形成在加强层22的外表面的保护层23；以覆盖保护层23的方式形成在保护层23的外表面的防水层24。

由于加强层22用来加强内衬21而提高机械强度，因此在各种纤维强化塑料中，作为一例而由碳纤维强化塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，以下称为CFRP)构成加强层22。加强层22例如能够以如下方式形成，即，将例如浸渍有热固化性树脂的长碳纤维在内衬21上规定地卷绕后，使所述热固化性树脂固化。

保护层23防止加强层22损伤，并且在受热时形成隔热层而使热量难以向内部传递。

保护层23例如能够以如下方式形成，即，将长玻璃纤维束浸入热发泡性树脂溶液中，该热发泡性树脂溶液是通过水将热发泡性树脂溶解而形成的，然后使所述玻璃纤维浸渍热发泡性树脂溶液，使其沿着加强层22的外表面沿圆周方向缠绕，并使其干燥固化。需要说明的是，作为热发泡性树脂，能够可以例示出以聚磷酸铵等的发泡剂为成分的公知的热发泡性隔热涂料。

图3是这样形成的保护层23的剖视图，多根玻璃纤维(纤维材料)23b空出间隙地配置于热发泡性树脂层(热发泡性材料)23。换言之，热发泡性树脂层23a夹在玻璃纤维23b与玻璃纤维23b之间。

该热发泡性树脂在由外部加热而温度上升时发生软化，当发泡剂达到发泡温度时产生气体而发泡，在内部形成多个气泡而膨胀。需要说明的是，由于热发泡性树脂发泡的温度由发泡剂的发泡温度决定，因此通过改变发泡剂能够设定为期望的温度。

防水层24对保护层23提供耐水性，例如能够由聚氨酯树脂构成。

根据这样构成的氢罐3，能够获得如下的效果。

由于在加强层22的外侧设置保护层23，因此即使小石子等飞到氢罐3上，因通过保护层3保护加强层22，小石子等也不会直接碰撞加强层22，因此加强层22不会受损伤。

由于在保护层23的外侧设有防水层24，因此即使氢罐3被雨水等覆盖，水被防水层24隔断而不会进入到保护层23。其结果是，能够使具备水溶性的热发泡树脂层23a的保护层23长期保持为适当的状态。

另外，压缩机5因其动作而发热，其热量向氢罐3传递，当保护层23的热发泡性树脂层23a的温度上升到规定的发泡温度时，热发泡性树脂层23a软化、发泡、膨胀，如图4所示，玻璃纤维23b保留在其原来的位置，仅热发泡性树脂层23a膨胀到玻璃纤维23b上方，在其上部形成有由气泡构成的隔热层23c。

由此，在氢罐3中，从压缩机5接受热量的部分的表面由隔热层23c覆盖，压缩机5产生的热量被隔热层23c隔热，因此热量难以向内部(接近内衬21的方向)传递，从而能够抑制向贮藏室20进入热量。其结果是，在内衬21内填充的氢的温度也难以上升，能够抑制氢膨胀，能够抑制氢的压力上升。

因此，图1所示的减压阀4的一次侧压力不会受到压缩机5发热的影响而上升。

因此，无需使减压阀4成为控制范围广的宽程的减压阀，能够以低成本制造燃料电池车辆1。并且，减压阀4能够将氢减压·调整为适当的压力，且能够以适当的压力将氢向阳极流路2a供给，因此也能够防止因供给过剩的氢而导致燃料电池组2的劣化。另外，由于不会供给过剩的氢，因此不会增加未消耗而从燃料电池组2排出的氢的量，能够防止燃料电池车辆1的燃料利用率(氢的利用效率)低。

需要说明的是，在氢罐3的整个外周面受热而全部的保护层23的热发泡性树脂层23a上升到发泡温度的情况下，在氢罐3的整个外周形成隔热层23c。

然而，在没有玻璃纤维23b而直接在加强层22的外周面直接涂敷热发泡性树脂溶液的情况下，由于在固化前热发泡性树脂溶液垂下，因此一次涂敷能够形成的热发泡性树脂层变薄，若为了获得规定的厚度则必须进行多次涂敷，从而工时数增加而生产率低。另外，当热发泡性树脂层的膜厚不均匀时，为了在膜厚最薄的部分确保规定膜厚，则不得不使膜厚在整体观察下变厚。

对此，本实施例的保护层23通过使玻璃纤维23b浸渍热发泡性树脂溶液并将其沿着加强层22的外表面沿圆周方向缠绕，进而使其干燥固化而形成，因此在到固化为止的期间，在玻璃纤维23b与玻璃纤维23b之间能够保持热发泡性树脂溶液，而热发泡性树脂溶液不会在保护层23的形成过程中垂下。其结果是，能够使热发泡性树脂层23a夹在玻璃纤维23b与玻璃纤维23b之间，能够将保护层23的热发泡性树脂层23a的膜厚均匀地形成为规定的膜厚。另外，由于能够使膜厚均匀化，因此能够使热发泡性树脂层23a的膜厚变薄，其结果是，能够使氢罐3轻量。并且能够减少工时数，从而提高生产率。

另外，由于保护层23通过使热发泡性树脂层23a夹在玻璃纤维23b与玻璃纤维23b之间而构成，因此在受到冲击等时能够防止热发泡性树脂层23a脱落。

需要说明的是，在本实施例的氢罐3中，可以例示出：内衬21的直径为50～70mm，加强层21的厚度为10～100mm，保护层22的厚度为0.05～5mm，防水层24的厚度为0.05～5μm，保护层23的玻璃纤维23b的直径为1～50μm。

(其他实施例)

需要说明的是，本发明不限于上述的实施例。

例如，在上述的实施例中，虽然由玻璃纤维构成保护层23的纤维材料，但是并不局限于此，也可以是碳纤维等。

另外，保护层23的热发泡性树脂层23a可以不是水溶性，而适当选择油性的材料。

另外，在上述的实施例中，在压力容器的贮藏室内贮藏的物质为氢，但是贮藏物不局限于氢，例如也可以为氧、氮、天然气(甲烷)等。

另外，在上述的实施例中，对搭载于燃料电池车辆的作为燃料罐的氢罐的形态进行了说明，但是搭载的对象不局限于车辆，也可以是船舶、航空器等，或者也可以是固定在地上的固定型设备。并且，压力容器不局限于燃料罐。

Claims (3)

1.一种压力容器，其特征在于，具备：

内衬，其内部成为贮藏室；

加强层，其由在所述内衬的外表面形成的纤维强化塑料形成；

保护层，其形成于所述加强层的外表面，且通过使热发泡性材料夹在纤维材料与纤维材料之间而形成。

2.根据权利要求1所述的压力容器，其特征在于，

所述保护层通过将纤维材料束浸入液状的热发泡性材料中，并在浸渍后将其缠绕在所述加强层的外表面且使其固化而形成。

3.根据权利要求1或2所述的压力容器，其特征在于，

在所述保护层的外表面具备防水层。

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