JP2006300207A - ガス容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスの透過を長期間に亘って適切に抑制することができるガス容器を提供することを課題とする。
【解決手段】 樹脂ライナ１１の外周に補強層１２が設けられたガス容器１であって、樹脂ライナ１１にガス不透過材料を混入した。ガス不透過材料としては、水素吸着合金、活性炭素繊維、活性炭素粉末、カーボンナノチューブなどを用いることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、樹脂ライナの外周に補強層が設けられたガス容器に関するものである。

従来、この種のガス容器として、水素を高圧で貯留する高圧水素タンクが知られている（例えば、特許文献１〜５参照。）。このうち、特許文献１に記載のガス容器では、ガス容器内の水素が樹脂ライナの外部に透過するのを抑制するべく、樹脂ライナの内表面に水素バリア層が積層されている。
特開２００２−１８８７９４号公報（第４頁および第２図） 特開平９−２８０４９６号公報 特開平１１−１３９９２号公報 特開２００４−１７６８９８号公報 特表２００４−５２２１０４号公報

一般に、ガス容器内にガスを充填したり、ガス容器内からガスを放出したりすると、ガス容器内の温度が変動したり、ガス容器自体の膨張や収縮の体積変化が起きる。例えば、ガスが水素の場合には、充填によりガス容器内の温度が上昇し、ガス容器が膨張する。
特許文献１に記載のガス容器では、製造当初は水素バリア層により水素の透過を抑制することができる。しかしながら、水素の充填および放出を繰り返すことにより、水素バリア層が劣化し、水素バリア層が樹脂ライナから剥離するおそれがあった。また、水素バリア層と樹脂ライナとの間などに、透過した水素が残留するおそれがあった。

本発明は、ガスの透過を長期間に亘って適切に抑制することができるガス容器を提供することをその目的としている。

本発明のガス容器は、樹脂ライナの外周に補強層が設けられたガス容器であって、樹脂ライナには、ガス不透過材料が混入されているものである。

この構成によれば、樹脂ライナに混入されたガス不透過材料により、樹脂ライナの内部から外部へのガスの透過を抑制することができる。また、ガス不透過材料を樹脂ライナに混入しているため、ガスの充填および放出を繰り返しても、ガス不透過材料の劣化や剥離が生じ難い。これにより、ガスの透過を長期間に亘って適切に抑制することができる。

この場合、ガス不透過材料は、水素吸着性能を有する材料であることが、好ましい。

この構成によれば、樹脂ライナ内で水素を吸着するため、樹脂ライナ外への水素の透過を好適に抑制することができる。

この場合、ガス不透過材料は、水素吸蔵合金、活性炭素繊維、活性炭素粉末またはカーボンナノチューブであることが、好ましい。

また、本発明を別の観点からみると、ガス不透過材料は、アルミ粉末であってもよい。

この構成によれば、樹脂ライナ内のガスはアルミ粉末を避けるようにして、樹脂ライナ外に透過しようとする。アルミ粉末によりガスの透過経路を長くすることができるため、ガスの透過量を減少することが可能となる。

本発明のガス容器によれば、樹脂ライナ外へのガスの透過を長期間に亘って適切に抑制することが可能となる。

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ガス容器について説明する。このガス容器は、樹脂ライナにガス不透過材料を混入したものである。以下では、先ず、ガス容器の構造やガス不透過材料について説明し、その後、ガス容器の製造方法について説明する。

図１に示すように、ガス容器１は、全体として密閉円筒状の容器本体２を有している。容器本体２の内部は、各種の気体を貯留する貯留空間５が構成されている。ガス容器１は、常圧の気体を充填することもできるし、常圧に比して圧力が高められた気体を充填することもできる。すなわち、本発明のガス容器１は、高圧タンクとして機能することができる。

例えば、燃料電池システムでは、高圧の状態で用意された燃料ガスを減圧して、燃料電池の発電に供している。本発明のガス容器１は、高圧の燃料ガスを貯留するのに適用することができ、燃料ガスとしての水素ガスや、圧縮天然ガス（ＣＮＧガス）などを貯留することができる。ガス容器１に充填される水素ガスの圧力としては、例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａであり、ＣＮＧガスの圧力としては、例えば２０ＭＰａである。以下は、水素ガスを高圧で貯留したガス容器１を一例に説明する。

容器本体２は、その長手方向の端部となる端壁部２１の中心に、図示省略した口金が設けられる。口金には、バルブや継手等の配管要素を一体的に組み込んだバルブアッセンブリなどの機能部品のほか、栓や配管が接続される。例えば、燃料電池システム上のガス容器１は、バルブアッセンブリを介して、貯留空間５と図示省略した外部のガス流路との間が接続される。そして、ガス容器１は、バルブアッセンブリおよびガス流路を介して、貯留空間５に例えば水素ガスが充填されると共に、貯留空間５から例えば水素ガスが放出される。

容器本体２は、内殻となる樹脂ライナ１１と、樹脂ライナ１１の外周に配置された外殻となる補強層１２と、の二層構造を有している。補強層１２は、例えば炭素繊維およびエポキシ樹脂を含むＦＲＰ層で構成されている。補強層１２は、ＦＷ法により作られており、樹脂ライナ１１の外表面を被覆するようにこれを巻きつけている。

樹脂ライナ１１は、ガスバリア性を有する硬質の樹脂に、ガス不透過材料を混入して成形されている。樹脂ライナ１１を形成する樹脂は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン６６などを挙げることができ、ここでは高密度ポリエチレンとなっている。樹脂ライナ１１は、これら列記の樹脂にガラス繊維などの補強繊維や着色剤を添加したもので形成されてもよい。

ガス不透過材料は、樹脂基材である樹脂ライナ１１よりもガス透過性が低い、またはガス吸着性が高い材料である。水素用のガス容器１におけるガス不透過材料は、水素吸着性能を有する材料で構成すればよく、例えば、水素吸蔵合金、活性炭素繊維、活性炭素粉末、カーボンナノチューブなどを挙げることができる。ガス不透過材料は、これらの材料を１種類だけ使用してもよいし、２種類以上を任意に組み合わせて使用してもよい。カーボンナノチューブは、単層のものであってもよいし、多層のものであってもよい。このようなガス不透過材料により、樹脂ライナ１１から補強層１２に向かって透過しようとする水素ガスが吸着される。これにより、水素ガスの透過が抑制される。

一方で、ガス不透過材料は、水素吸着性能を有しない材料で構成してもよく、例えば、アルミ粉末などの金属材料の粉末としてもよい。アルミ粉末とすることで、他の金属粉末を用いる場合に比べて、樹脂ライナの軽量化を図ることが可能となる。このようなアルミ粉末等からなるガス不透過材料により、樹脂ライナ１１内の水素ガスは、ガス不透過材料を避けるようにして、樹脂ライナ１１から補強層１２に向かって透過しようとする。このように、アルミ粉末等は水素ガスの透過経路を長くするように機能する。これにより、単位時間当たりの水素ガスの透過量が減少される。

ガス不透過材料として、水素吸着性能を有する水素吸蔵合金等と、水素吸着性能を有しないアルミ粉末等とを混合させたものを、樹脂ライナ１１に混入してもよい。その重量比については、水素不透過等の目標特性や樹脂ライナ１１の樹脂材料等によって決定すればよい。また、樹脂ライナ１１の樹脂材料にガス不透過材料をどのぐらい混入するかも、水素不透過の目標特性や、樹脂ライナ１１の耐圧強度や重量等に関する目標特性を考慮して決定すればよい。

ガス不透過材料は、後述するように、樹脂ライナ１１の成形プロセスにおいて、樹脂ライナ１１に混入される。好ましくは、ガス不透過材料は、樹脂ライナ１１の樹脂に均一に分散して全域に亘って混入される。すなわち、ガス不透過材料は、樹脂ライナ１１の両端壁部２１，２１および胴部２２に混入され、樹脂ライナ１１の径方向、周方向および軸方向に均一に分散していることが好ましい。

ここで、以上の構成を有するガス容器１の作用について説明する。
ガス容器１の内部は、貯留空間５に水素ガスが満充填されているときには高圧状態となり、水素ガスが消費等のために放出されると低圧状態に移行する。ガス容器１に水素ガスが十分に充填されると、ガス容器１の樹脂ライナ１１および補強層１２は、全体として僅かに伸びるように膨張する。この水素ガスの充填時には、貯留空間５の温度は上昇する。一方、ガス容器１から水素ガスが十分に放出されると、ガス容器１の樹脂ライナ１１および補強層１２は、全体として僅かに縮むように収縮する。この水素ガスの放出時には、貯留空間５の温度は下降する。

上記のように、ガス不透過材料が樹脂ライナ１１に混入されているため、ガス容器１へのガスの充填および放出を繰り返し行っても、ガス不透過材料への影響が抑制される。すなわち、貯留空間５の温度変化や樹脂ライナ１１の体積変化が繰り返されたとしても、樹脂ライナ１１に混入されたガス不透過材料は、劣化することがない。ゆえに、ガス容器１のガス不透過性を長期に亘って維持することができる。

ここで、本発明のガス容器１の効果のうち、特にガス不透過性の効果について更に言及する。本発明者は、ガス容器１の水素ガスの透過性を評価する三つの実験（実施例１〜３）を、ガス不透過材料を代えて行った。どの実施例においても、樹脂ライナ１１の樹脂として高密度ポリエチレンを用いた。そして、どの実施例においても、ガス容器１の内部に３５ＭＰａの水素ガスを充填し、そのときのガス容器１内からの水素ガスの単位時間当たりの透過量を測定した。

実施例１では、ガス不透過材料として水素吸蔵合金粉末を用いた。その際、樹脂ライナ１１における水素吸蔵合金粉末の重量比として、従来技術となる０ｗｔ％、本発明となる３０ｗｔ％、本発明となる５０ｗｔ％、および本発明となる７０ｗｔ％として実験を行った。その結果、本発明のガス容器１は、水素吸蔵合金粉末の重量比が大きくなるにつれて、水素ガスの透過量が減少する傾向があることが確認された。

実施例２では、ガス不透過材料として活性炭素繊維を用いた。その際、実施例１と同じ三つの重量比（３０ｗｔ％、５０ｗｔ％、および７０ｗｔ％）について実験を行った。その結果は、実施例１の結果とほぼ同一であった。

ここで、本発明者は、実施例１および実施例２の樹脂ライナ１１の引張り強度を測定してみた。その結果、実施例２では、ガス不透過材料の各重量比において、実施例１に比べて引張り強度が２割〜３割ほど大きいことが確認された。この結果を考察するに、実施例１の樹脂ライナ１１よりも実施例２の樹脂ライナ１１とすることで、引張り強度およびガス不透過性を維持しつつ、樹脂ライナ１１自体の肉厚を薄くすることが可能となることが判る。ゆえに、実施例２の活性炭素繊維を用いる方が、実施例１の水素吸蔵合金に比べてガス容器１の容量（タンク内容量）を増加させることができる。

実施例３では、ガス不透過材料としてアルミ粉末を用いた。その際、実施例１と同じ三つの重量比（３０ｗｔ％、５０ｗｔ％、および７０ｗｔ％）について実験を行った。アルミ粉末としては、リン片形状のものを用いた。実施例３の結果は、実施例１及び実施例２の結果と同様に、アルミ粉末の重量比が大きくなるにつれて、水素ガスの透過量が減少する傾向があることが確認された。もっとも、実施例３では、三つの重量比のいずれにおいても、実施例１に比べて１割〜２割ほど水素ガスの透過量が増加することが確認された。

次に、図２を参照してガス容器１の製造方法について簡単に説明する。
樹脂ライナ１１は、例えば、予め分割して成形された一対のライナ割体７１，７１を互いに接合することで構成される。各ライナ割体７１は、例えば高密度ポリエチレンにガス不透過材料を混ぜ合わせ、この混ぜ合わせた溶融樹脂を金型内に射出する射出成形法により製造される。そして、射出成形の際には、その金型に口金をセットして、インサート成形するようにしている。なお、図２では、口金を省略している。

ここで、溶融樹脂の射出方向は、例えば、ライナ割体７１の端壁部２１となるべき部分（すなわち口金側）から、ライナ割体７１の胴部２２となるべき部分に向かう方向とすることが好ましい。これにより、溶融樹脂は、端壁部２１側からお碗状にまたは放射状に拡がるようにして胴部２２側に流動していく。このような射出成形法は、ガス不透過材料が活性炭素繊維である場合に有用となる。その理由は、溶融樹脂の射出時に、活性炭素繊維の配列が射出方向に揃うようになり、ライナ本体７１の強度を構造上高めることができるからである。

なお、ガス不透過材料がカーボンナノチューブである場合にも、カーボンナノチューブの軸方向（チューブの長手方向）が射出方向に揃うようになり、同様にライナ本体７１の強度を高める点で有用となる。

一対のライナ割体７１，７１の成形後、これらの円筒状の端部同士を溶着する。その後、ＦＷ法により樹脂ライナ１１の外表面にＦＲＰ層１２を設けることで、ガス容器１が製造される。このように、樹脂ライナ１１にガス不透過材料を混入する構成であるため、樹脂ライナ１１自体に特別な加工を施すことなく、ガス容器１を製造することが可能となる。なお、ライナ割体７１を二つとしたが、もちろん三つ以上の複数であってもよい。また、射出成形法を用いたが、ブロー成形法や回転成形法を用いてもよい。

実施形態に係るガス容器の構成を示す断面図である。 図１のガス容器の製造方法を説明する説明図である。

符号の説明

１ ガス容器、２ 容器本体、１１ 樹脂ライナ、１２ 補強層

Claims (6)

1. 樹脂ライナの外周に補強層が設けられたガス容器であって、
   前記樹脂ライナには、ガス不透過材料が混入されているガス容器。
2. 前記ガス不透過材料は、水素吸着性能を有する材料である請求項１に記載のガス容器。
3. 前記ガス不透過材料は、水素吸蔵合金である請求項２に記載のガス容器。
4. 前記ガス不透過材料は、活性炭素繊維または活性炭素粉末である請求項２に記載のガス容器。
5. 前記ガス不透過材料は、カーボンナノチューブである請求項２に記載のガス容器。
6. 前記ガス不透過材料は、アルミ粉末である請求項１に記載のガス容器。
   
   

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