JP2021110339A - 高圧タンク及び歪み検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ライナと補強層との間に形成されるガス流路の通気性を良好に保つ。【解決手段】ガスを高圧状態で貯蔵する樹脂製のライナ１２と、ライナ１２の外表面１４を覆う補強層１６とを備える高圧タンク１０であって、ライナ１２と補強層１６との間に、ライナ１２を透過したガスをガス排出路４０まで案内するガス流路５２が形成されており、ガス流路５２は、ライナ１２の外表面１４に沿って配置される線状部材５４と、線状部材５４を補強層１６側から覆うようにライナ１２の外表面１４に貼り付けられることによって線状部材５４の周囲にガスが流通可能な空間６４を形成するシート５６と、により形成される。【選択図】図５

Description

本発明は、ガスを高圧状態で貯蔵する高圧タンク、及び、高圧タンクの歪みを検出する歪み検出装置に関する。

燃料電池システムにおいて、燃料となる水素ガスは高圧タンクで貯蔵される。例えば、燃料電池車両に搭載される高圧タンクには軽さと強さが必要とされる。このため、高圧タンクのライナは樹脂で形成され、その外部には炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰという）等の補強部材により補強層が形成される。

水素ガスは僅かではあるものの樹脂製のライナを透過してライナと補強層との間に溜まる。ライナを透過したガスを透過ガスという。時間の経過に伴いライナと補強層との間には透過ガスが溜まる。特許文献１には、ライナと補強層との間に微小球を設けることによりライナと補強層との間に中間層を形成することが開示される。中間層としての空間は、ガス流路として機能する。透過ガスは、このガス流路を流通し、口金の周りから高圧タンクの外部に放出される。

特開２０１１−２３１９００号公報

特許文献１の技術によると、ガス流路を形成する段階で、補強層の炭素繊維に含まれる熱硬化性の樹脂（エポキシ樹脂等）がガス流路を閉塞する。ガス流路が閉塞されると、透過ガスの通気性が悪化し、透過ガスがガス流路に溜まりやすくなる。透過ガスがガス流路に溜まった状態で、水素ガスが消費されてライナの内圧が低下すると、ライナの変形、所謂バックリングが発生する虞がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ライナと補強層との間に形成されるガス流路の通気性を良好に保つことができる高圧タンク及び歪み検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、
ガスを高圧状態で貯蔵する樹脂製のライナと、
前記ライナの外表面を覆う補強層と、
前記ライナに取り付けられる口金と、
を備える高圧タンクであって、
前記口金には、前記ガスを前記ライナの外部から内部に又は前記ライナの内部から外部に流通させる流通孔と、前記ライナを透過した前記ガスを前記ライナと前記補強層との間から前記流通孔に流通させるガス排出路と、が形成され、
前記ライナと前記補強層との間に、前記ライナを透過した前記ガスを前記ガス排出路まで案内するガス流路が形成されており、
前記ガス流路は、
前記ライナの前記外表面に沿って配置される線状部材と、
前記線状部材を前記補強層側から覆うように前記ライナの前記外表面に貼り付けられることによって前記線状部材の周囲に前記ガスが流通可能な空間を形成するシートと、により形成される。

本発明の第２態様は、
第１態様の高圧タンクの歪みを検出する歪み検出装置であって、
前記線状部材は、ワイヤであり、
前記ワイヤの伸縮を検出する検出器を備える。

本発明によれば、ライナと補強層との間に形成されるガス流路の通気性を良好に保つことができる。

図１は高圧タンクの断面を模式的に示す図である。 図２は口金及びその周辺構造の断面を模式的に示す図である。 図３は口金のライナ側端面を模式的に示す図である。 図４はライナの外観を模式的に示す図である。 図５は図４のＶ−Ｖ線断面を模式的に示す図である。 図６は歪み検出装置の構成を示す図である。

以下、本発明に係る高圧タンク及び歪み検出装置について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

［１．高圧タンク１０の構成］
以下の説明では、燃料電池車両等の燃料電池システムに使用される高圧タンク１０を想定する。燃料電池システムは、高圧タンク１０で貯蔵される水素ガスと空気中の酸素とを燃料電池スタックに供給して発電する。

図１に示されるように、高圧タンク１０は、水素ガスを高圧状態で貯蔵するライナ１２と、ライナ１２の外表面１４を覆う補強層１６と、ライナ１２に取り付けられる口金１８と、を有する。高圧タンク１０は、軸線Ａが延伸する方向（軸線方向）に長尺である。

ライナ１２は、樹脂により形成される。ライナ１２は、軸線方向の両端に位置する収斂部２０と、収斂部２０に挟まれる胴部２２と、を有する。収斂部２０は、ライナ１２の中央側から一端側に進むにつれて軸線Ａに向かって収斂する形状である。胴部２２は、軸線Ａを中心とする略円筒形状である。例えば、ライナ１２は、２つの半体１２Ｒ、１２Ｌが中央で組み合わされて構成される。

補強層１６は、フィラメントワインディングにより形成される。フィラメントワインディングは、例えば繊維状補強材にエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂を含浸させながらライナ１２の外表面１４及び口金１８に複数回巻いて積層する製法である。

口金１８は、アルミニウム等の金属により形成される。口金１８は、軸線Ａが中心となるように、ライナ１２の軸線方向の両端に取り付けられる。なお、口金１８は、ライナ１２の一端のみに取り付けられていてもよい。

図２に示されるように、口金１８は、軸線方向に延伸する筒部２４と、ライナ１２側の筒部２４の端部から放射方向に広がるフランジ部２６と、を有する。口金１８のうちライナ１２側に位置するライナ側端面２８は、ライナ１２の外表面１４に接触する。口金１８の内部には、軸線方向に貫通する流通孔３０が形成される。流通孔３０は、水素ガスをライナ１２の外部から内部に又はライナ１２の内部から外部に流通させる。また、口金１８の内部には、流通孔３０以外に、ライナ側端面２８に形成される開口３２と流通孔３０とを連通するガス排出孔３４が形成される。また、図３に示されるように、ライナ側端面２８には、複数のガス排出溝３６が形成される。ガス排出溝３６は、ライナ側端面２８の周縁に位置する透過ガスの導入口３８と開口３２との間に形成される。導入口３８とガス排出溝３６と開口３２とガス排出孔３４を、ガス排出路４０と称する。ガス排出路４０は、透過ガスをライナ１２と補強層１６との間から流通孔３０に流通させる。

図２に示されるように、流通孔３０の内周には、雌ねじ４２が形成される。一方、ライナ１２からは、穿孔された突出部４４が突出し、突出部４４の外周には雄ねじ４６が形成される。口金１８の雌ねじ４２がライナ１２の雄ねじ４６に嵌められることにより、口金１８がライナ１２に取り付けられる。なお、突出部４４は、内周側に嵌められたカラー４８によって補強されている。筒部２４と突出部４４の間にはＯリング５０が設けられる。

図１に示されるように、ライナ１２と補強層１６との間には、透過ガスを図３で示されるガス排出路４０の導入口３８まで案内するガス流路５２が形成される。図４及び図５を用いてガス流路５２を説明する。

図４に示されるように、ガス流路５２は、一方のライナ１２の半体１２Ｒと他方のライナ１２の半体１２Ｌに個別に形成される。ガス流路５２は、ライナ１２の中央側と一端側との間で一方から他方に延伸する第１流路５２ａと、ライナ１２の中央側でライナ１２の周方向に延伸する第２流路５２ｂと、ライナ１２の一端側でライナ１２の周方向に延伸する第３流路５２ｃと、を有する。

ガス流路５２は、第１流路５２ａと第２流路５２ｂと第３流路５２ｃが、第１流路５２ａ、第２流路５２ｂ、第１流路５２ａ、第３流路５２ｃ、第１流路５２ａ、第２流路５２ｂ、…、という順で繋げられることによって形成される。全ての第１流路５２ａと全ての第２流路５２ｂと全ての第３流路５２ｃが繋げられ１つのガス流路５２が形成されてもよい。また、第１流路５２ａと第２流路５２ｂと第３流路５２ｃが複数のグループに分けられて、複数のガス流路５２が形成されてもよい。図４に示される実施形態では、半体１２Ｒと半体１２Ｌとで個別にガス流路５２が形成されているが、半体１２Ｒと半体１２Ｌにわたってガス流路５２が形成されてもよい。なお、ガス流路５２は、少なくとも第１流路５２ａを含んでいればよく、第２流路５２ｂと第３流路５２ｃは必須でない。

第１流路５２ａの一部又は第３流路５２ｃの一部は、口金１８に形成される導入口３８に重ねられる。図４に示される実施形態では、第１流路５２ａの端部及び第３流路５２ｃが、導入口３８の位置、すなわちライナ１２と口金１８の境界に重ねられる。この構造により、ガス流路５２を流通する透過ガスが、ガス排出路４０に案内される。

図５に示されるように、ガス流路５２は、１以上の線状部材５４とシート５６により形成される。線状部材５４は、例えばワイヤであり、ライナ１２の外表面１４に沿って配置される。線状部材５４の延伸方向は、ガス流路５２の延伸方向となる。なお、高圧タンク１０の強度低下を防止するという観点では、線状部材５４の径は細い方がよい。例えば、線状部材５４の径は１ｍｍ以下が好ましい。また、図５に示されるガス流路５２は、並行する４本の線状部材５４によって形成されるが、１本の線状部材５４で形成されてもよい。

シート５６は、シート部材５８と接着部材６０、６２とからなる。シート部材５８は、繊維状補強部材に含浸させている樹脂材料に対して撥水性を有する樹脂、例えばＰＴＦＥである。接着部材６０、６２は、テープ状の部材であり、例えばライナ１２と弾性率が略同じ樹脂である。なお、シート５６は、シート部材５８と接着部材６０、６２の代わりに、粘着性を有するシート部材５８によって構成されてもよい。

接着部材６０は、線状部材５４を補強層１６側から覆うようにして、ライナ１２の外表面１４と線状部材５４に貼り付けられる。シート部材５８は、接着部材６０を補強層１６側から覆う。接着部材６２は、ライナ１２の外表面１４とシート部材５８との境界を覆うようにして、ライナ１２の外表面１４とシート部材５８に貼り付けられる。このようにして、シート５６がライナ１２の外表面１４に貼り付けられることによって、線状部材５４の周囲に、ライナ１２とシート５６とで画定される空間６４が形成される。この空間６４は、透過ガスを流通させる。

［２．透過ガスの流れ］
ライナ１２に貯蔵される水素ガスは、時間の経過に伴いライナ１２を透過する。ライナ１２と補強層１６との間に溜まる透過ガスは、シート５６を透過してガス流路５２の空間６４に流入する。又は、透過ガスは、ライナ１２からガス流路５２の空間６４に直接流入する。第２流路５２ｂの内部の透過ガスは、第１流路５２ａに向かって流通する。第１流路５２ａの内部の透過ガスは、第３流路５２ｃに向かって流通する。第３流路５２ｃの内部の透過ガスは、導入口３８に流入し、ガス排出溝３６、開口３２、ガス排出孔３４の順にガス排出路４０を流通し、流通孔３０に排出される。

［３．歪み検出装置７０］
ワイヤの線状部材５４は、ひずみゲージとしても機能する。図６を用いて、線状部材５４をひずみゲージとして使用する歪み検出装置７０を説明する。

歪み検出装置７０は、高圧タンク１０に貼り付けられる線状部材５４と、線状部材５４の伸縮を検出する検出器７２と、検出器７２が出力する信号に基づいて歪み判定を行う判定器７４と、を備える。検出器７２は、１本の線状部材５４の両端に接続されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の出力信号を増幅するアンプと、アンプの出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換機等を有する。判定器７４は、例えばパーソナルコンピュータによって構成される。

ライナ１２にバックリングが発生すると、ライナ１２の変形に伴い線状部材５４が伸縮する。バックリングは、ライナ１２の軸線方向の中央部分で発生しやすい。このため、第１流路５２ａの内部又は第３流路５２ｃの内部に設けられる線状部材５４が伸縮する。検出器７２は、線状部材５４の抵抗値を検出する。判定器７４は、検出器７２で検出される抵抗値が所定範囲を超えた場合に、ライナ１２に歪みが発生した旨の判定を行う。

［４．変形例］
線状部材５４の熱伝導率が高く、且つ、線状部材５４が口金１８に接触する場合、口金１８と線状部材５４により、高圧タンク１０の外部の熱を、ライナ１２の外表面１４に伝導させることができる。

前述した実施形態では、燃料電池車両等の燃料電池システムに使用される高圧タンク１０を想定したが、本発明はこれに限られるものではない。勿論、高圧タンク１０は、水素ガス以外のガスを貯蔵してもよい。

［５．実施形態から得られる技術的思想］
上記実施形態から把握しうる技術的思想について、以下に記載する。

本発明の第１態様は、
ガスを高圧状態で貯蔵する樹脂製のライナ１２と、
前記ライナ１２の外表面１４を覆う補強層１６と、
前記ライナ１２に取り付けられる口金１８と、
を備える高圧タンク１０であって、
前記口金１８には、前記ガスを前記ライナ１２の外部から内部に又は前記ライナ１２の内部から外部に流通させる流通孔３０と、前記ライナ１２を透過した前記ガスを前記ライナ１２と前記補強層１６との間から前記流通孔３０に流通させるガス排出路４０と、が形成され、
前記ライナ１２と前記補強層１６との間に、前記ライナ１２を透過した前記ガスを前記ガス排出路４０まで案内するガス流路５２が形成されており、
前記ガス流路５２は、
前記ライナ１２の前記外表面１４に沿って配置される線状部材５４と、
前記線状部材５４を前記補強層１６側から覆うように前記ライナ１２の前記外表面１４に貼り付けられることによって前記線状部材５４の周囲に前記ガスが流通可能な空間６４を形成するシート５６と、により形成される。

上記構成によれば、ライナ１２の外表面１４に沿ってガス流路５２が形成されるため、透過ガスを、口金１８に形成されるガス排出路４０に流通させることができる。

また、上記構成によれば、ガス流路５２として、ライナ１２とシート５６によって閉じられた空間６４が形成されるため、補強層１６（ＣＦＲＰ）に含まれるエポキシ樹脂がガス流路５２を塞いで通気性が悪化することを防止することができる。また、ガス流路５２の周囲に高い圧力が発生したとしても、線状部材５４がガス流路５２内の空間６４を維持するため、ガス流路５２が閉塞されて通気性が悪化することを防止することができる。従って、ライナ１２と補強層１６との間に形成されるガス流路５２の通気性を良好に保つことができる。

高圧タンク１０が燃料電池車両に設けられる場合、透過ガスを効率よく排出することによってライナ１２の内圧の許容下限値を低減することが可能となる。その結果、高圧タンク１０に貯蔵される水素ガスをより多く使用することが可能となり、燃料電池車両の後続距離を延ばすことができる。

また、上記構成によれば、線状部材５４と補強層１６との間にシート５６が介在するため、ライナ１２が膨張又は収縮したときに線状部材５４と補強層１６とが擦れ合うことに起因して補強層１６が損傷することを防止することができる。

第１態様において、
前記ガス流路５２は、前記ガス流路５２と共に延伸する複数の前記線状部材５４により形成され、
互いに隣接する２つの前記線状部材５４は、並行していてもよい。

上記構成によれば、複数の線状部材５４によってガス流路５２の内部の空間６４を広くすることができ、ガスの流通を促進することができる。

第１態様において、
前記口金１８のうち前記ライナ１２に臨む部分（ライナ側端面２８）に前記ガス排出路４０の導入口３８が形成され、
前記ガス流路５２の一部は、前記ガス排出路４０の前記導入口３８と重なっていてもよい。

上記構成によれば、ガス流路５２の一部がガス排出路４０の導入口３８と重なるため、タンク製造時に、ガス流路５２とガス排出路４０との間に樹脂が流入することを防止することができる。また、上記構成によれば、ライナ１２を透過したガスを、ガス流路５２からガス排出路４０に好適に流通させることができる。

第１態様において、
前記ライナ１２は、前記ライナ１２の軸線方向の両端に位置する収斂部２０と、前記収斂部２０に挟まれる胴部２２と、を有し、
前記ガス流路５２の一部は、前記胴部２２において周方向に延伸していてもよい。

ライナ１２のバックリングは主にライナ１２の胴部２２で発生する。上記構成によれば、胴部２２の周方向の歪みを検出することができる。

第１態様において、
前記シート５６は、前記補強層１６側に配置されるシート部材５８と、前記ライナ１２側に配置されるテープ状の接着部材６０と、からなり、
前記シート部材５８は、繊維状補強部材に含浸させている樹脂材料に対して撥水性を有する樹脂であり、
前記接着部材６０は、前記ライナ１２と弾性率が同じ樹脂であってもよい。

上記構成によれば、シート部材５８は、撥水性であるため、補強層１６（ＣＦＲＰ）に含まれるエポキシ樹脂がガス流路５２に流入することを防止することができる。接着部材６０は、ライナ１２と弾性率が同じ樹脂であるため、ライナ１２の膨張と収縮に追従することができる。従って、ライナ１２の膨張と収縮に伴う、シート５６の剥離及びシート５６自体の破損を防止することができる。

本発明の第２態様は、
第１態様の高圧タンク１０の歪みを検出する歪み検出装置７０であって、
前記線状部材５４は、ワイヤであり、
前記ワイヤの伸縮を検出する検出器７２を備える。

上記構成によれば、ガス流路５２の構成部品である線状部材５４が、ライナ１２の歪み（バックリング等）を検出する機能も有するため、ライナ１２に歪みを検出するための部材を設ける必要がない。

なお、本発明に係る高圧タンク及び歪み検出装置は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…高圧タンク １２…ライナ
１４…外表面 １６…補強層
１８…口金 ２０…収斂部
２２…胴部 ３０…流通孔
３８…導入口 ４０…ガス排出路
５２…ガス流路 ５４…線状部材
５６…シート ５８…シート部材
６０、６２…接着部材 ６４…空間
７０…歪み検出装置 ７２…検出器

Claims (6)

1. ガスを高圧状態で貯蔵する樹脂製のライナと、
   前記ライナの外表面を覆う補強層と、
   前記ライナに取り付けられる口金と、
   を備える高圧タンクであって、
   前記口金には、前記ガスを前記ライナの外部から内部に又は前記ライナの内部から外部に流通させる流通孔と、前記ライナを透過した前記ガスを前記ライナと前記補強層との間から前記流通孔に流通させるガス排出路と、が形成され、
   前記ライナと前記補強層との間に、前記ライナを透過した前記ガスを前記ガス排出路まで案内するガス流路が形成されており、
   前記ガス流路は、
   前記ライナの前記外表面に沿って配置される線状部材と、
   前記線状部材を前記補強層側から覆うように前記ライナの前記外表面に貼り付けられることによって前記線状部材の周囲に前記ガスが流通可能な空間を形成するシートと、により形成される、高圧タンク。
2. 請求項１に記載の高圧タンクであって、
   前記ガス流路は、前記ガス流路と共に延伸する複数の前記線状部材により形成され、
   互いに隣接する２つの前記線状部材は、並行する、高圧タンク。
3. 請求項１又は２に記載の高圧タンクであって、
   前記口金のうち前記ライナに臨む部分に前記ガス排出路の導入口が形成され、
   前記ガス流路の一部は、前記ガス排出路の前記導入口と重なる、高圧タンク。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧タンクであって、
   前記ライナは、前記ライナの軸線方向の両端に位置する収斂部と、前記収斂部に挟まれる胴部と、を有し、
   前記ガス流路の一部は、前記胴部において周方向に延伸する、高圧タンク。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の高圧タンクであって、
   前記シートは、前記補強層側に配置されるシート部材と、前記ライナ側に配置されるテープ状の接着部材と、からなり、
   前記シート部材は、繊維状補強部材に含浸させている樹脂材料に対して撥水性を有する樹脂であり、
   前記接着部材は、前記ライナと弾性率が同じ樹脂である、高圧タンク。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の高圧タンクの歪みを検出する歪み検出装置であって、
   前記線状部材は、ワイヤであり、
   前記ワイヤの伸縮を検出する検出器を備える、歪み検出装置。

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