JP2010031993A - 水素充填用ホース - Google Patents

Abstract

【課題】耐水素ガス透過性を向上させ、耐圧性を大幅に向上させることができる水素充填用ホースを提供する。
【解決手段】内面層２を、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^−８ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下である熱可塑性樹脂により形成し、補強層３のそれぞれを、ＰＢＯ繊維ｆを編組させたブレード構造にし、これら補強層３ａ、３ｂ、３ｃのＰＢＯ繊維ｆの編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３を、外周側の補強層ほど大きくし（Ａ１＜Ａ２＜Ａ３）、編組角度Ａ１を４３°以上５１°以下に設定し、かつ、それぞれの補強層３の編組密度係数Ｋを１．０以上４．５以下に設定することで、内圧を内周側の第１補強層３ａから外周側の第２補強層３ｂ、第３補強層３ｃに効率よく伝達して、高い補強効果を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素充填用ホースに関し、さらに詳しくは、耐水素ガス透過性を向上させるとともに、耐圧性を大幅に向上させることができる水素充填用ホースに関するものである。

ホースの耐圧性を向上させるには、内面層と外面層との間に補強層を設けることが有効である。補強層としては、有機繊維や金属ワイヤ等の補強線材を編組させたブレード構造、これら補強線材をホース軸心を中心に螺旋状に巻付けたスパイラル構造が知られている。

ところで、近年、燃料電池自動車等の開発が盛んに行なわれている。これに伴って、水素ステーションから燃料電池自動車等に水素ガスを充填するホースの開発も進められている。この水素充填用ホースには、耐水素ガス透過性とともに、７０〜８０ＭＰａ程度の高い内圧に耐え得る実用性が必要とされている。水素脆化性の問題から金属製の補強層を採用することが難しく、有機繊維系の補強層を使用しなければならないという制約がある。

有機繊維系の補強層としては、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維のブレード構造やスパイラル構造が提案されている（特許文献１参照）。有機繊維の中でも極めて高い強度を得ることができるＰＢＯ繊維は、耐圧性を向上させるには適しているが、単にブレード構造やスパイラル構造にしただけでは、水素充填用ホースに要求される耐圧性をクリアすることは困難であった。
特開平６−３００１６９号公報

本発明の目的は、耐水素ガス透過性を向上させるとともに、耐圧性を大幅に向上させることができる水素充填用ホースを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の水素充填用ホースは、同軸状に積層された内面層と外面層との間に、少なくとも２層の補強層を同軸状に積層した水素充填用ホースにおいて、前記内面層が、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^−８ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下である熱可塑性樹脂からなり、前記外面層が、熱可塑性樹脂からなり、前記補強層のそれぞれが、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維を編組させたブレード構造を有し、その編組角度を、外周側の補強層ほど大きくするとともに、最内周の補強層における編組角度を４３°以上５１°以下に設定し、それぞれの補強層の編組密度係数Ｋを１．０以上４．５以下に設定したことを特徴とするものである。編組密度係数Ｋとは、下記（１）式により算出されるものである。
Ｋ＝（補強層を構成するＰＢＯ繊維本数／２）／（Ｐ×ｓｉｎＡ）・・・（１）
Ｐは補強層を構成するＰＢＯ繊維の編組ピッチ、Ａは補強層を構成するＰＢＯ繊維の編組角度である。

ここで、前記補強層の積層数を３層とした場合は、内周側から２番目の補強層における編組角度を４８°以上５３°以下に設定し、最外周の補強層における編組角度を５３°以上５８°以下に設定する。前記補強層の積層数を２層とした場合は、最外周の補強層における編組角度を５１°以上５８°以下に設定する。本発明においては、最外周の補強層と、外面層との間に、有機繊維で構成した保護層を設けることもできる。

本発明の水素充填用ホースによれば、内面層が、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^−８ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下である水素ガスバリア性が良好な熱可塑性樹脂により形成されるので、優れた耐水素ガス透過性を得ることができる。

また、少なくとも２層設けた補強層のそれぞれを、有機繊維の中で極めて高強度のポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維を編組させたブレード構造にし、さらに、これら補強層のＰＢＯ繊維の編組角度を、外周側の補強層ほど大きくし、最内周の補強層では編組角度を４３°以上５１°以下に設定し、かつ、それぞれの補強層の編組密度係数Ｋを１．０以上４．５以下に設定することで、内周側の補強層から外周側の補強層に内圧を効率よく伝達して、高い補強効果を得ることができる。これにより、大幅に耐圧性を向上させることが可能になる。

以下、本発明の水素充填用ホースを図に示した実施形態に基づいて説明する。
図１に例示するように、この実施形態の水素充填用ホース１（以下、ホース１という）は、内周側から順に、内面層２、補強層３（第１補強層３ａ、第２補強層３ｂ、第３補強層３ｃ）、外面層４が同軸状に積層された構造となっている。図１の一点鎖線ＣＬは、ホース軸心を示している。

内面層２は、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^−８ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下である熱可塑性樹脂により形成されている。このガス透過係数は、ＪＩＳ Ｋ７１２６に準拠して測定した値である。この熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ポリアセタール、エチレンビニルアルコール共重合体等を例示することができる。

このように、水素ガスバリア性が良好な樹脂を用いることにより、優れた耐水素ガス透過性を得ることができる。内面層２の内径は、例えば、４．５ｍｍ〜１２．０ｍｍ程度であり、層厚は、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度に設定される。

外面層４は、熱可塑性樹脂により形成されている。この熱可塑性樹脂としては、ポリウレタン、ポリエステル等を例示することができる。外面層４の層厚は、例えば、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度に設定される。

それぞれの補強層３は、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維ｆ（以下、ＰＢＯ繊維ｆという）を編組させたブレード構造を有している。これら補強層３では、ＰＢＯ繊維ｆの編組角度が、外周側の補強層３ほど大きくなっている。この実施形態では、第１補強層３ａにおけるＰＢＯ繊維ｆの編組角度Ａ１、第２補強層３ｂにおけるＰＢＯ繊維ｆの編組角度Ａ２、第３補強層３ｃにおけるＰＢＯ繊維ｆの編組角度Ａ３が、Ａ１＜Ａ２＜Ａ３の関係になっている。そして、第１補強層３ａにおける編組角度Ａ１が４３°以上５１°以下に設定されている。

また、それぞれの補強層３では、ＰＢＯ繊維ｆの編組密度係数Ｋが１．０以上４．５以下に設定されている。編組密度係数Ｋは、上述した（１）式により算出される。尚、図２にＰＢＯ繊維ｆの編組角度Ａおよび編組ピッチＰをより詳しく示している。図２の一点鎖線ＣＬは、ホース軸心である。

この構造により、内周側の補強層３ほど内圧によって径方向に変化し易くなり、内圧を内周側の第１補強層３ａから外周側の第３補強層３ｃに向って効率的に伝達させることができる。そのため、特定の補強層３が過大に内圧を負担することがなく、内圧がすべての補強層３に分散して、高い補強効果を得ることができる。それ故、ホース１の耐圧性を大幅に向上させることができるようになり、水素充填用ホースに要求される耐圧性（内圧７０〜８０ＭＰａ程度での実用性）をクリアすることが可能になる。

尚、本発明では、２層以上の補強層３を有し、外周側の補強層３ほど編組角度を大きくするとともに、最内周の第１補強層３ａにおける編組角度が４３°以上５１°以下に設定され、それぞれの補強層３の編組密度係数Ｋが１．０以上４．５以下に設定されていればよい。

最内周の第１補強層３ａにおける編組角度Ａ１が４３°未満では、内圧による径方向の変化量が過大になり、５１°超では過小になる。また、それぞれの補強層３の編組密度係数が１．０未満では、補強効果が小さくなり、４．５超では、柔軟性が低下し、また、内圧がすべての補強層３に伝達しにくくなる。したがって、最内周の第１補強層３ａにおける編組角度Ａ１およびそれぞれの補強層３の編組密度係数Ｋを上記範囲に設定することが必要になる。

補強層３を３層にする場合は、内周側の第１補強層３ａから外周側の第２補強層３ｂ、第３補強層３ｃに順次、内圧を効率的に伝達するために、第２補強層３ｂにおける編組角度Ａ２を４８°以上５３°以下に設定し、第３補強層３ｃにおける編組角度Ａ３を５３°以上５８°以下に設定する。上下に隣接する補強層３における編組角度の差が過小でも、過大でも内圧をそれぞれの補強層３に分散させにくくなるためである。

同様の理由から、補強層３の積層数を２層にする場合には、内周側の補強層における編組角度を４３°以上５１°以下に設定し、外周側の補強層における編組角度を５１°以上５８°以下に設定する。

本発明では、補強層３がＰＢＯ繊維ｆにより形成されているので、水素脆化性の問題を回避することができる。また、７０〜８０ＭＰａ程度の使用内圧に耐え得るので、水素ステーションから燃料電池自動車等に水素ガスを充填する十分な実用性および安全性を確保することができる。

ＰＢＯ繊維ｆの線径は、例えば、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度にする。この実施形態では、すべての補強層３におけるＰＢＯ繊維ｆの線径は同じになっているが、異なる線径にすることもできる。例えば、外周側の補強層３ほど線径を大きくすることもできる。

それぞれの補強層３の層厚は、例えば、０．２ｍｍ〜１．５ｍｍ程度に設定される。この実施形態では、すべての補強層３の層厚が同じになっているが、異なる層厚にすることもできる。

また、本発明では、最外周の第３補強層３ｃと、外面層４との間に、有機繊維で構成した保護層を設けることもできる。保護層は、有機繊維を編組させて構成したものであっても、スパイラル状に巻回させて構成したものであってもよい。この保護層のクッション性によって、ホース１に金具を加締める際に、補強層３が損傷、破損することを防止できる。この有機繊維としては、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ナイロン繊維等を例示できる。

図１に例示したホースと同様の構造の試験体を、表１に示すように補強層の仕様のみを変えて４種類（実施例１、２、比較例１、２）作製し、耐圧性を評価した。この評価試験は、ＪＩＳ Ｂ８３６２に記載の方法に準拠して破壊圧を測定したものである。そして、水素充填用ホースとして内圧約７０〜８０ＭＰａの実用を想定し、使用圧力の約４倍程度の安全率を考慮して、破壊圧が３２０ＭＰａ以上の場合を実用に耐え得るとして○、３２０ＭＰａ未満を実用性に欠けるとして×で示した。

実施例１および比較例１は補強層が３層であり、実施例２および比較例２は補強層が２層であった。また、実施例１、２の補強層のＰＢＯ繊維の線径は０．１５ｍｍであり、それぞれの補強層の層厚は０．６〜１．０ｍｍ、比較例１、２の補強層のアラミド繊維の線径は０．１５ｍｍであり、それぞれの補強層の層厚は０．６〜１．０ｍｍであった。

表１の結果から、本発明の構成要件を具備する実施例１、２は、比較例１、２よりも破壊圧が大きく耐圧性に優れ、内圧７０ＭＰａの実用に耐え得ることが確認できた。

本発明の水素充填用ホースを一部切開した側面図である。 ＰＢＯ繊維の編組角度および編組ピッチを説明する斜視図である。

符号の説明

１ 水素充填用ホース
２ 内面層
３ 補強層
３ａ 第１補強層
３ｂ 第２補強層
３ｃ 第３補強層
４ 外面層
ｆ ＰＢＯ繊維
ＣＬ ホース軸心

Claims (4)

1. 同軸状に積層された内面層と外面層との間に、少なくとも２層の補強層を同軸状に積層した水素充填用ホースにおいて、前記内面層が、９０℃における乾燥水素ガスのガス透過係数が１×１０^−８ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下である熱可塑性樹脂からなり、前記外面層が、熱可塑性樹脂からなり、前記補強層のそれぞれが、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維を編組させたブレード構造を有し、その編組角度を、外周側の補強層ほど大きくするとともに、最内周の補強層における編組角度を４３°以上５１°以下に設定し、それぞれの補強層の編組密度係数を１．０以上４．５以下に設定したことを特徴とする水素充填用ホース。
2. 前記補強層の積層数を３層とし、内周側から２番目の補強層における編組角度を４８°以上５３°以下に設定し、最外周の補強層における編組角度を５３°以上５８°以下に設定した請求項１に記載の水素充填用ホース。
3. 前記補強層の積層数を２層とし、最外周の補強層における編組角度を５１°以上５８°以下に設定した請求項１に記載の水素充填用ホース。
4. 最外周の補強層と、外面層との間に、有機繊維で構成した保護層を設けた請求項１〜３のいずれかに記載の水素充填用ホース。

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