JP2010038216A - 圧力容器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力容器の安全性を向上させる技術を提供する。
【解決手段】圧力容器であって、所定の流体の漏洩を遮断する樹脂製のライナー層と、ライナー層よりも外側に形成され、耐圧性を有する、繊維強化プラスチック製の第１の層と、ライナー層と、第１の層との間に配置され、第１の層よりも伸びが大きいプラスチックから成る第２の層を備えることを特徴とする圧力容器。
【選択図】図１

Description

この発明は、圧力容器に関する。

大気圧と異なる所定の圧力で気体や液体（以下、まとめて流体ともいう。）を貯留するように設計された圧力容器は、一般に、圧力容器内の流体の漏洩を遮断する内殻（ライナー）を、耐圧性を有する繊維強化プラスチックから成る外殻で覆う構成を有する。ライナーとしては、主に、アルミニウム等の金属製のものと、ナイロン等の樹脂製のものがある（例えば、特許文献１参照）。

ナイロン等の樹脂製ライナーは、疲労強度が高いため、圧力容器内への、流体の充填・放出を繰り返した場合に、金属製のライナーを用いた場合に比べて、ライナーに亀裂が生じにくい。そのため、樹脂ライナーを使用した圧力容器は、疲労強度に優れるタンクとして、注目されている。

特開２０００−１６１５９０号公報

ところで、近年、環境に対する関心が高まる中、水素と酸素を用いて発電を行なう、燃料電池を搭載する燃料電池車の研究が行なわれている。燃料電池車に水素を載せる場合には、圧縮水素として圧力容器に収容される。圧力容器が、このような用途で用いられる場合には、特に、耐疲労性能の高い高圧タンクや、破壊する場合にバースト（破裂）しないような高圧タンク等、安全性に留意した高圧タンクが望まれる。なお、このような要望は、圧縮水素が充填される圧力容器に限定されず、例えば、圧縮窒素等、種々の流体が高圧で充填される圧力容器に共通するものである。

そこで、本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、圧力容器の安全性を向上させる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 圧力容器であって、
所定の流体の漏洩を遮断する樹脂製のライナー層と、
前記ライナー層よりも外側に形成され、耐圧性を有する、繊維強化プラスチック製の第１の層と、
前記ライナー層と、前記第１の層との間に配置され、前記第１の層よりも伸びが大きいプラスチックから成る第２の層を備えることを特徴とする圧力容器。

この構成によれば、圧力容器内に圧縮された流体が収容されて、その流体の圧力が圧力容器にかかった場合に、第１の層よりも内側に配置される第２の層が、第１の層よりも伸びるため、第２の層が伸びることによって、第１の層にかかる圧力が低減されて、第１層に亀裂が生じるのを抑制することができる。したがって、圧力容器の耐疲労性が向上されて、圧力容器の安全性が向上される。

［適用例２］ 適用例１に記載の圧力容器において、
前記第２の層は、
繊維強化プラスチックより成ることを特徴とする圧力容器。

この構成によれば、第２の層も繊維強化プラスチックであるため、圧力容器の耐疲労性および耐圧性が共に向上される。

［適用例３］ 適用例１または２に記載の圧力容器において、
さらに、
前記ライナー層と、前記第２の層との間に、繊維強化プラスチックから成る第３の層を備え、
前記第２の層は、前記第３の層よりも伸びが大きいことを特徴とする圧力容器。

この構成によれば、圧力容器内に圧縮された流体が収容されて、その流体の圧力が圧力容器にかかった場合に、第３の層に亀裂が生じたとしても、第２の層は第３の層よりも伸びが大きいため、第２の層で亀裂の進行が食い止められる。また、流体の圧力により、ライナー層の一部が、その亀裂に入り込んで、破断すると、圧力容器内の流体が漏洩する。そうすると圧力容器内の圧力が低下して、圧力容器は破裂(バースト)し難くなるため、圧力容器の安全性が向上される。

［適用例４］ 適用例３に記載の圧力容器において、
前記第３の層は、前記第１の層と同一の繊維強化プラスチックより成ることを特徴とする圧力容器。

［適用例５］ 適用例３または４のいずれか１つに記載の圧力容器において、
前記第２の層は、
前記第３の層を、フィラメントワインディング法にて製造する際に、繊維からしみ出たプラスチックに水分を吸収させることにより形成されることを特徴とする圧力容器。

この構成によれば、第３の層を容易に製造することができるため、容易に、圧力容器の安全性を向上させることができる。

［適用例６］ 適用例１ないし３のいずれか１つに記載の圧力容器において、
前記繊維は、炭素繊維であることを特徴とする圧力容器。

炭素繊維強化プラスチックは、軽量で強度が高いため、好適である。

［適用例７］ 適用例１ないし４のいずれか１つに記載の圧力容器において、
前記第１の層、前記第２の層、および前記第３の層に含まれるプラスチックは、エポキシ樹脂であることを特徴とする圧力容器。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、圧力容器、その圧力容器を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体等の形態で実現することができる。

Ａ．実施例：
Ａ１．実施例の構成：
図１は、本発明の実施例としての高圧タンク１００の概略構成を示す断面図である。本実施例において、高圧タンク１００は、例えば、圧縮水素が充填されるためのものである。例えば、高圧タンク１００は、圧縮水素が充填された状態で、燃料電池に水素を供給するために、燃料電池車に搭載される。本実施例における高圧タンク１００が、請求項における圧力容器に、相当する。

高圧タンク１００は、図１に示すように、ライナー１０と、外殻２０と、口金３０と、ボス４０と、バルブ５０と、を備える。ライナー１０は、ナイロン樹脂から成り、内部に水素が充填される空間を備える中空状に形成される。ライナー１０は、内部空間に充填された水素が外部に漏れないように遮断する性質（以下、「ガスバリア性」ともいう。）を有する。外殻２０は、ライナー１０の外周を覆うように形成される。外殻２０は、後述するように、繊維強化プラスチックとしてのＣＦＲＰ（Ｃarbon Ｆiber Ｒeinforced Ｐlastcs）から成る。本実施例におけるライナー１０が、請求項におけるライナー層に相当する。

口金３０は、略円筒状を成し、ライナー１０と外殻２０との間に嵌入されて、固定されている。口金３０の略円柱状の開口が、高圧タンク１００の開口として機能する。本実施例において、口金３０は、ステンレスから成るが、アルミニウム等他の金属から成るものであってもよいし、樹脂製でもよい。バルブ５０は、円柱状の部分に、雄ねじが形成されており、口金３０の内側面に形成されている雌ねじに螺合されることにより、バルブ５０によって、口金３０の開口が閉じられる。ボス４０は、アルミニウムから成り、一部分が外部に露出した状態で組みつけられ、タンク内部発熱および吸熱を、外部に導く働きをするものである。

Ａ１−１．外殻の構成：
図２は、図１におけるＸ１部を拡大して概略的に示す拡大断面図である。図示するように、外殻２０は、第１の層２２と、第２の層２４と、第３の層２６と、を備える。第１の層２２と、第３の層２６とは、カーボン繊維とエポキシ樹脂を含むＣＦＲＰから成り、第２の層２４はエポキシ樹脂から成る。第２の層２４は、カーボン繊維を含まないため、第１の層２２、第３の層２６よりも、伸びが大きい。ここで、伸びとは試験片を引っ張って、破断にいたるまでの変位（伸び）を、引っ張る前の長さで除して、百分率で示した値のことである。例えば、疲労試験機を用いて、ＪＩＳ Ｋ ７０７３、ＪＩＳ Ｋ ７１１３に準じて、引っ張り試験を行なう。なお、本実施例における第１の層２２が、請求項における第１の層に、第２の層２４が、請求項における第２の層に、第３の層２６が、請求項における第３の層に、それぞれ、相当する。

Ａ２．外殻の製造方法：
次に、外殻２０の製造方法について、図３に基づいて説明する。図３は、外殻２０の製造方法を示すフローチャートである。外殻２０は、フィラメントワインディング法により形成される。まず、ライナー１０を、マンドレルとして用い、エポキシ樹脂を含浸させたカーボン繊維を、ライナー１０の周囲に、所定の巻き数、巻き付ける（ステップＳ１０２）。そして、所定の時間、常温の大気中に放置して、エポキシ樹脂を硬化させる(ステップＳ１０４)。

ステップＳ１０２において、カーボン繊維が、マンドレルにきつく巻きつけられるため、カーボン繊維から一部のエポキシ樹脂が表面にしみ出してくる。フィラメントワインディング法により、ＣＦＲＰの層を形成する場合に、繊維を巻きつけられたマンドレルを、大気中に放置することによって、エポキシ樹脂を硬化させると、加熱炉に入れて、硬化させる場合に比べて、表面に染み出してくるエポキシ樹脂の量が多くなり、エポキシ樹脂の層を厚くすることができる。また、このようにして形成されたエポキシ樹脂の層は、大気中の水分を吸収しているため、柔らかく、伸びが大きい。このようにして、ＣＦＲＰから成る第３の層２６と、エポキシ樹脂から成る第２の層２４とが形成される。

このように、エポキシ樹脂が硬化して、第３の層２６と第２の層２４とが形成された後、さらに、その上から、エポキシ樹脂を含浸させたカーボン繊維を、巻きつける（ステップＳ１０６）。その後、加熱炉にて加熱して、エポキシ樹脂を硬化させる（ステップＳ１０８）。そうすると、ＣＦＲＰから成る第１の層２２が、形成される。なお、第１の層２２を形成する場合に、第３の層２６を形成した場合と同様に、大気中に放置して、エポキシ樹脂を硬化させてもよい。

Ａ３．実施例の効果：
本実施例の高圧タンク１００の効果を、図４に基づいて説明する。図４は、高圧タンク１００への圧縮水素の充填・放出を繰り返した場合の、外殻２０の様子を説明するための説明図である。図４では、図１におけるＸ１部を拡大して示している。

図４（ａ）に示すように、高圧タンク１００への圧縮水素の充填・放出を、所定の回数繰り返すと、第３の層２６に亀裂Ｃが生じる。しかしながら、第２の層は、伸びが良く、耐疲労性が高いため、亀裂Ｃが第２の層２４に到達しても、亀裂が進行しにくく、第２の層２４で、亀裂Ｃの進行が食い止められる。そのため、高圧タンク１００の耐疲労性が向上する。

また、ライナー１０は、伸びが大きいため、高圧タンク１００内部に収容されている高圧水素の圧力により、外側に押されると、第３の層２６の亀裂Ｃに入り込むように、伸びる（図４（ｂ））。ライナー１０の、第３の層２６の亀裂Ｃに入り込むように伸びた部分は、他の部分よりも伸びるため、第３の層２６の亀裂Ｃに入り込んだ部分から破断して、ライナー１０に亀裂が生じる。ライナー１０に、亀裂が生じると、ライナー１０の亀裂から、内部に収容されている水素が漏洩する。外殻２０は、ガスバリア性が低いため、ライナー１０から漏洩した水素は外殻２０を通過して、高圧タンク１００外に漏洩する。そうすると、高圧タンク１００内の圧力が下がるため、高圧タンク１００は、バースト(破裂)しにくくなる。

従来、高圧タンク等の耐圧容器は、樹脂製のライナーと、繊維強化プラスチック製の外殻（１層）から成る。従来の繊維強化プラスチックから成る外殻は、耐圧性を重視して設計されているため、樹脂ライナーに比べて耐疲労性が低い。圧力容器内への、流体の充填・放出を繰り返した場合に、樹脂ライナーは、耐疲労性が高いため、亀裂が生じ難く、外殻は耐疲労性が低いため、亀裂が生じやすい。樹脂ライナーに亀裂が生じないと、樹脂ライナー内の流体が漏洩しないため、圧縮されて充填されている流体の圧力が低下しない。そのため、樹脂ライナーに亀裂が生じていない状態で、外殻に亀裂が生じると、樹脂ライナー内の圧力により、耐圧容器がバースト(破裂)してしまうおそれがある。

それに対し、本実施例の高圧タンク１００によれば、上記したように、破壊モードを、バーストではなく、リークにすることができるため、高圧タンク１００を使用する場合の、安全性を向上させることができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記した実施例において、ＣＦＲＰから成る第１の層２２と、エポキシ樹脂から成る第２の層２４と、ＣＦＲＰから成る第３の層２６と、から成るサンドイッチ構造の外殻２０を示したが、ライナー１０と、繊維強化プラスチックから成る第１の層２２との間に、第１の層２２よりも伸びのよい層を備えれば良い。例えば、上記した実施例の外殻２０において、第３の層２６を有しない構成でもよい。

すなわち、高圧タンク１００を、ライナー１０に当接して第２の層２４、さらに、第２の層２４に当接して第１の層２２が形成される構成にしてもよい。第２の層２４は、第１の層２２よりも伸びが大きいため、ライナー１０内に収容された圧縮水素によって、第２の層２４が引っ張られると、第２の層２４は伸びるため、圧縮水素による圧力が、第１の層２２に伝わり難い。そのため、従来より、第１の層２２に、亀裂が生じにくくなる。従って、高圧タンクの疲労強度の低下を抑制することができる。

また、高圧タンク１００を、ライナー１０に当接して第２の層２４、さらに、第２の層２４に当接して第１の層２２が形成される構成にする場合に、第２の層２４を、カーボン繊維を含まないエポキシ樹脂ではなく、第１の層２２よりも伸びのよいＣＦＲＴを用いてもよい。このようにしても、高圧タンクの疲労強度の低下を抑制することができる。

（２）また、上記した実施例において、ライナー１０の材料としてナイロン、繊維強化プライスチックとして、炭素繊維とエポキシ樹脂を含む、ＣＦＲＰを用いているが、これらの材料に限定されず、ライナー用の材料としては、耐疲労性、ガスバリア性の高い樹脂材料、繊維強化プラスチックとしては、耐強度、耐環境性の高い繊維強化プラスチックを用いればよい。

（３）上記した実施例において、第２の層２４としては、繊維を含まない、エポキシ樹脂を用いているが、第１の層２２よりも伸びが大きい樹脂であれば良い。例えば、第２の層２４として、第１の層２２よりも伸びの良い（すなわち、第１の層２２よりも伸びのよいカーボン繊維を使用する）ＣＦＲＰを用いてもよい。

（４）上記した実施例において、第２の層２４は、第３の層２６をフィラメントワインディング法にて形成する際に、しみ出したエポキシ樹脂を大気中に放置することにより、大気に含まれる水分を吸収させて、柔らかく、伸びが大きい樹脂の層を形成しているが、各層の形成方法は、上記した実施例に限定されない。例えば、第１の層２２よりも伸びのよいフィルムを、第１の層２２と第３の層２６との間に配置してもよい。このようにしても、外殻２０に生じた亀裂の進行を抑制することができると共に、ライナー１０に亀裂を生じさせて、内部の圧縮水素を漏洩させて、高圧タンク１００が、バースト(破裂)するのを低減することができる。

（５）また、高圧タンク１００内に収容される流体は、上記した圧縮水素に限定されず、圧縮窒素等、高圧の流体であればよい。

本発明の実施例としての高圧タンク１００の概略構成を示す断面図である。 図１におけるＸ１部を拡大して概略的に示す拡大断面図である。 外殻２０の製造方法を示すフローチャートである。 高圧タンク１００への圧縮水素の充填・放出を繰り返した場合の外殻２０の様子を説明するための説明図である。

符号の説明

１０…ライナー
２０…外殻
２２…第１の層
２４…第２の層
２６…第３の層
３０…口金
４０…ボス
５０…バルブ
１００…高圧タンク
Ｃ…亀裂

Claims (7)

1. 圧力容器であって、
   所定の流体の漏洩を遮断する樹脂製のライナー層と、
   前記ライナー層よりも外側に形成され、耐圧性を有する、繊維強化プラスチック製の第１の層と、
   前記ライナー層と、前記第１の層との間に配置され、前記第１の層よりも伸びが大きいプラスチックから成る第２の層を備えることを特徴とする圧力容器。
2. 請求項１に記載の圧力容器において、
   前記第２の層は、
   繊維強化プラスチックより成ることを特徴とする圧力容器。
3. 請求項１または２に記載の圧力容器において、
   さらに、
   前記ライナー層と、前記第２の層との間に、繊維強化プラスチックから成る第３の層を備え、
   前記第２の層は、前記第３の層よりも伸びが大きいことを特徴とする圧力容器。
4. 請求項３に記載の圧力容器において、
   前記第３の層は、前記第１の層と同一の繊維強化プラスチックより成ることを特徴とする圧力容器。
5. 請求項３または４のいずれか１つに記載の圧力容器において、
   前記第２の層は、
   前記第３の層を、フィラメントワインディング法にて製造する際に、繊維からしみ出たプラスチックに水分を吸収させることにより形成されることを特徴とする圧力容器。
6. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力容器において、
   前記繊維は、炭素繊維であることを特徴とする圧力容器。
7. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の圧力容器において、
   前記第１の層、前記第２の層、および前記第３の層に含まれるプラスチックは、エポキシ樹脂であることを特徴とする圧力容器。

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