JP4457359B2 - 圧力容器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料電池システムに搭載される圧力容器であり、金属製の口金がＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）層に接する圧力容器に関するものである。

この種の圧力容器として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この圧力容器は、ポリエチレン樹脂からなるライナー層の外面を、ＣＦＲＰ層で補強してなるタンクであり、その口部をアルミニウム合金からなる口金で構成している。

一般に、電極電位の異なる導体が湿気環境などで接触した場合には、接触腐食、電位差腐食、又は電食などと称されるガルバニック腐食が生じる。このため、上記のような圧力容器が湿気環境におかれると、口金のアルミニウム合金がマイナス極、ＣＦＲＰ層のカーボンがプラス極の電池を形成して、電位の低い口金が腐食するおそれがある。

このような腐食を防止するべく、特許文献１に記載の圧力容器では、口金に電気絶縁性の樹脂を塗布するか、あるいは電気絶縁性の粘着テープを貼着することにより、口金に電気絶縁層を形成している。
特開平７−３１０８９５号公報

しかしながら、このような電気絶縁層を形成する工程は複雑であり、また、上記の方法では電気絶縁層の全面を均一な厚みで形成し難いなど、改善が求められていた。

本発明は、口金の腐食を抑制するための皮膜を簡易に形成できる圧力容器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明の圧力容器は、金属製の口金と、口金に接するＣＦＲＰ層と、を有するものにおいて、口金とＣＦＲＰ層との接触部分に金属の酸化皮膜層が形成されているものである。

かかる構成によれば、口金が、絶縁皮膜である酸化皮膜層を介してＣＦＲＰ層に接触するので、口金の腐食を抑制できる。また、酸化皮膜層は、表面処理により形成できるので、簡易に且つ均一に形成できる。さらに、酸化皮膜の種類によっては酸化皮膜層に潤滑性を持たせることも可能である。潤滑性を持たせることで、ＣＦＲＰ層と口金との固着を抑制できるので、ＣＦＲＰ層の動きが拘束されることによる応力集中を抑制できる。

好ましくは、口金はアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、酸化皮膜層は口金をアルマイト処理されてなる。

かかる構成によれば、均一で耐食性に優れた酸化皮膜層を簡易に形成できる。

好ましくは、ＣＦＲＰ層は口金の外周面に接しており、酸化皮膜層は口金の外周面にのみ形成される。

一般に、口金の内周面は、バルブ等をねじ込み接続するためのめねじを有し、さらにはバルブ等との間をシール部材によりシールするためのシール面又はシール溝を有することが多い。それゆえ、口金の内周面の寸法は厳しく管理されることが多い。上記した本発明によれば、口金の外周面にのみ酸化皮膜層を形成するので、口金の内周面の寸法を変化させなくて済む。これにより、口金の内周面の寸法管理が容易になる。

一方で、圧力容器は、ＣＦＲＰ層に被覆されたライナー層を有する場合には、口金の外周面とライナー層との間をシールする場合もある。この場合には、口金の外周面のうち、シールに供されるシール部についても、厳密に寸法管理される。

したがって、本発明の好ましい一態様によれば、圧力容器は、ＣＦＲＰ層に被覆されたライナー層を更に有する。口金は、外周面に、ＣＦＲＰ層と接触する接触部と、ライナー層との間をシール部材によりシールされるシール部と、を有する。そして、酸化皮膜層は、口金の外周面のうち、シール部を除く部分であって且つ少なくとも接触部を含む部分に、形成されるとよい。

かかる構成によれば、口金のシール部については酸化皮膜層が形成されないので、このシール部の寸法管理が容易になる。一方で、酸化皮膜層を形成するのが望ましい接触部を含む部分には、酸化皮膜層を簡易に形成できる。

上記目的を達成するための本発明の他の圧力容器は、金属製の口金と、口金に接する金属製のライナー層と、を有するものにおいて、口金とライナー層との接触部分には、金属の酸化皮膜層が形成されているものである。

かかる構成によれば、上記と同様に、絶縁被膜である酸化皮膜層を介して口金がライナー層に接触するので、口金の腐食を抑制できる。また、酸化皮膜層を表面処理により簡易に且つ均一に形成できる。

本発明の圧力容器によれば、口金の腐食を抑制するための皮膜を簡易に形成できる。

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圧力容器について説明する。ここでは、圧力容器として高圧タンクを例に説明する。

図１は、本実施形態に係る高圧タンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。
燃料電池自動車１００は、例えば３つの高圧タンク１を車体のリア部に搭載する。各高圧タンク１は、燃料電池システム２００の一部を構成し、ガス供給ライン１０２を通じて燃料電池１０４に燃料ガスを供給可能に構成される。高圧タンク１に貯留される燃料ガスは、可燃性の高圧ガスであり、例えば圧縮天然ガス又は水素ガスである。なお、高圧タンク１は、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型にも適用できる。

図２は、高圧タンク１の要部を示す断面図である。
高圧タンク１は、タンク本体２及び口金３を有すると共に、口金３にバルブアッセンブリ４がねじ込み接続される。タンク本体２は、全体として密閉円筒状からなり、その内部は、燃料ガスを常圧よりも高い圧力（すなわち高圧）で貯留する貯留空間６を構成する。例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガス、または２０ＭＰａの圧縮天然ガスが貯留空間６内に貯留される。以下では、高圧タンク１が貯留する高圧ガスとして水素ガスを例に説明する。

タンク本体２は、例えば二層構造を有しており、その二層は、ガスバリア性を有する内側の樹脂ライナー１０と、樹脂ライナー１０の外周側に位置するＣＦＲＰ層１２である。

樹脂ライナー１０は、高圧タンク１の内殻又は内容器とも換言される部分である。樹脂ライナー１０の材質は、特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂を挙げることができる。また、これらの樹脂を二層以上に組み合わせて、複数層から成る積層体として樹脂ライナー１０を構成してもよい。

樹脂ライナー１０は、返し部１１を有する。返し部１１は、タンク本体２の長手方向の一端部又は両端部に形成され、ＣＦＲＰ層１２から離間するようにタンク本体２の内側へと折り返される。返し部１１は、湾曲部１６と円筒部１７とを連続してなる。湾曲部１６は、折り返し部位１９を介して、樹脂ライナー１０の大部分を構成する円筒状の胴部１８に連続する。

ＣＦＲＰ層１２（繊維補強層）は、高圧タンク１の外殻、シェル又は外容器とも換言される部分である。ＣＦＲＰ層１２は、マトリックス樹脂（プラスチック）を炭素繊維で強化してなるＦＲＰ層である。マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。本実施形態では、熱硬化性のエポキシ樹脂を用いている。なお、強化繊維として、炭素繊維ではなくて金属繊維を用いて、繊維補強層を構成してもよい。

ＣＦＲＰ層１２は、樹脂ライナー１０の外表面を被覆する。ＣＲＰＲ層１２は、エポキシ樹脂を含浸した炭素繊維を、例えばフィラメントワインディング法により樹脂ライナー１０に巻きつけ、エポキシ樹脂を加熱硬化させることで形成される。ＣＦＲＰ層１２は、フープ層及びヘリカル層を複数積層した構成であり、ヘリカル層の一部が口金３の外表面の一部に積層されるように形成される。

口金３は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造される。口金３は、タンク本体２の長手方向の一端部又は両端部に位置し、例えばインサート成形により樹脂ライナー１０に取り付けられる。口金３の鍔部２９は、返し部１１とＣＦＲＰ層１２との間に挟まれる。

口金３は、タンク本体２の軸線Ｙ−Ｙ上に軸心を有する開口部３０を備える。開口部３０の内部には、バルブアッセンブリ４や栓などがねじ込み接続される。例えば、バルブアッセンブリ４と外部のガス供給ライン１０２とが接続され、貯留空間６との間で水素ガスの給排がなされるようになっている。なお、バルブアッセンブリ４のボディ４０は、ステンレスなどの金属、好ましくは口金３と同じアルミニウム又はアルミニウム合金から形成される。

口金３の内周面は、バルブアッセンブリ４をねじ込み接続するためのめねじ３１と、バルブアッセンブリ４との間をシール部材７０、７１により軸シールされるシール面３２と、を有する。シール面３２は、例えば一定の内径からなり、逆テーパ面を介してめねじ３１に連なる。

口金３には、外周面の一部を表面処理されることにより、酸化皮膜層５０が形成されている。酸化皮膜層５０によって、口金３の素地とＣＦＲＰ層１２とが直接接触しないようになり、両者の間が絶縁される。

表面処理の方法としては、アルマイト処理（陽極酸化）、化成処理、めっきなどが挙げられる。本実施形態では、これらの表面処理の中でも、均一で厚い皮膜を生成するのに優位で、且つ耐食性でも優位なアルマイト処理を用いている。アルマイト処理の種類としては、例えば、硫酸アルマイト、しゅう酸アルマイト、クロム酸アルマイトが挙げられるが、特に限定されるものでなはい。本実施形態では、硫酸アルマイトを用いている。

図３は、酸化皮膜層５０の構造を示す断面図である。
酸化皮膜層５０は、口金３のアルミニウム又はアルミニウム合金の素地の表面、つまり口金３の外周面が溶解して生成された酸化アルミニウムの皮膜である。酸化皮膜層５０は、バリア層５１と多孔質層５２とからなる。

バリア層５１は、口金３の素地の界面に生成される。多孔質層５２は、それぞれが中心に微細な孔５３を有する六角柱のセルの集合体であり、バリア層５１と連続する。多孔質層５２の表面５４は、封孔処理されており、孔５３が塞がれる。これにより、酸化皮膜層５０の耐摩耗性及び絶縁性を向上している。特に、多孔質層５２の表面５４に例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の微粒を化学的に吸着させるような封孔処理を行えば、酸化皮膜層５０の潤滑性を高めることができる。

酸化皮膜層５０は、均一性に優れたものである。酸化皮膜層５０の膜厚は、電解条件と時間によって決まり、例えば３〜３０μｍである。このため、膜厚の管理は、めっき等と比べると容易である。ただし、アルマイト処理によって、素地である口金３の外周面が減寸するので、寸法精度の管理についてはめっきに比べて難しいことが知られている。本実施形態では、口金３の寸法精度の管理を考慮して、酸化皮膜層５０を形成する位置を次のように限定している。

図４に示すように、酸化皮膜層５０は、口金３の外周面にのみ形成される。これは、口金３にアルマイト処理を施しても、めねじ３１及びシール面３２を減寸させないようにするためである。特に、めねじ３１が減寸されると、バルブアッセンブリ４のねじ込み接続を良好に行えないおそれがある。また、シール面３２では高圧の水素ガスのシールが行われるため、シール面３２とバルブアッセンブリ４のボディ４０との間のクリアランスは厳密に管理する必要があり、シール面３２が減寸するのは好ましくない。したがって、上記のように、酸化皮膜層５０を口金３の外周面にのみ形成することで、口金３の内周面の寸法管理が容易になる。

一方で、酸化皮膜層５０は、口金３の外周面の全領域に形成されるのではなく、シール面３４（シール部）を除く領域に形成されることが好ましい。つまり、酸化皮膜層５０は、口金３の外周面のうち、第１の接触面３５、第２の接触面３６、第３の接触面３７、及びフランジ面３８に形成される。これは、上記同様に厳密なクリアランスの観点に基づき、口金３の外周面の寸法管理を容易にしようとするものである。

シール面３４は、円筒部１７の溝に装着されたシール部材８０，８１により、樹脂ライナー１０との間を軸シールされる領域である。より詳細には、シール面３４は、二つのシール部材８０，８１を間に含んで軸線Ｙ−Ｙ方向に延在する円筒状の領域である。

第１及び第２の接触面３５、３６は、返し部１１の周面に対向する面であり、酸化皮膜層５０がない場合には返し部１１の周面に接触する面である。第１の接触面３５と第２の接触面３６との間に、シール面３４が位置する。第３の接触面３７は、ＣＦＲＰ層１２の内周面と対向する面であり、酸化皮膜層５０がない場合にはＣＦＲＰ層１２の内周面と接触する面である。第２の接触面３６は、鍔部２９の半部の外周面を構成し、第３の接触面３７は、鍔部２９の残りの半部の周面を構成する。

フランジ面３８は、高圧タンク１の外部に露出した面であり、外気にふれ得る。座面３９は、フランジ面３８に略直角に連なり、口金３の軸線Ｙ−Ｙ方向における一方の端面を構成する。座面３９には、バルブアッセンブリ４が着座する。本実施形態では、座面３９についても酸化皮膜層５０を形成している。なお、他の実施態様では、フランジ面３８や座面３９には酸化皮膜層５０を形成しなくてもよい。また、シール面３４を省略して、口金３の外周面の全領域に酸化皮膜層５０を形成してもよい。

本実施形態の高圧タンク１の製造工程の一例を簡単に説明する。
口金３を加工し、その後、口金３の素地の酸化が不要な領域（内周面、シール面等）をマスキングして、口金３をアルマイト処理する。これにより、口金３に酸化皮膜層５０を形成する。この状態の口金３をインサート成形により樹脂ライナー１０に取り付ける。次いで、口金３及び樹脂ライナー１０のそれぞれの外周面を被覆するように、エポキシ樹脂を含浸した炭素繊維を巻き付け、エポキシ樹脂を加熱硬化させる。これにより、ＣＦＲＰ層１２を形成する。このような一連の工程を経て、口金３及びタンク本体２が一体化された高圧タンク１が製造される。

以上説明した本実施形態の高圧タンク１によれば、口金３がＣＦＲＰ層１２と接触する部分の全面に酸化皮膜層５０（絶縁皮膜）を形成でき、口金３とＣＦＲＰ層１２との直接接触を防止できる。これにより、口金３のガルバニック腐食を抑制できる。しかも、酸化皮膜層５０をアルマイト処理で形成するので、均一な膜厚のものを簡易に形成できる。また、酸化皮膜層５０は、高圧タンク１の製造時の加熱、つまりＣＦＲＰ層１２の形成のための加熱硬化に耐え得る耐熱性を確保できる。

さらに、酸化皮膜層５０に潤滑性を持たせた場合には、ＣＦＲＰ層１２と口金３との固着を好適に抑制できる。これにより、ＣＦＲＰ層１２の動き（例えば、タンク内圧の変化に伴う追従の動き。）が拘束されることを抑制できるので、ＣＦＲＰ層１２と口金３との界面での応力集中を抑制できる。また、酸化皮膜層５０に潤滑性を持たせることで、潤滑剤使用で懸念される不純物による性能低下、経年変化などの影響を低減できる。

他の実施態様では、ライナー層を、樹脂ライナー１０に代えて、例えばアルミニウムなどからなる金属製ライナーで構成してもよい。この場合には、口金３が金属製ライナーに接触する部分の全面に、上記同様の酸化皮膜層５０を形成すればよい。特に、上記のシール面３４は省略して、口金３の外周面の全領域をアルマイト処理することで、酸化皮膜層５０を形成するとよい。

実施形態に係る圧力容器を搭載した燃料電池自動車を示す図である。 実施形態に係る圧力容器を示す断面図である。 実施形態に係る酸化皮膜層を拡大して示す断面図である。 図２の要部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１：高圧タンク、３：口金、１０：樹脂ライナー（ライナー層）、１２：ＣＦＲＰ層、５０：酸化皮膜層、３７：第３の接触面（接触部）、３４：シール面（シール部）

Claims (5)

1. 金属製の口金と、当該口金の外周面に接するＣＦＲＰ層と、当該ＣＦＲＰ層に被覆されると共に前記口金の外周面に接するライナー層と、を有する圧力容器において、
   前記口金と前記ＣＦＲＰ層との接触部分及び前記口金と前記ライナー層との接触部分には、潤滑性をもたせた金属の酸化皮膜層が形成されており、
   前記酸化皮膜層は、前記口金の外周面にのみ形成されている、圧力容器。
2. 前記口金は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、
   前記酸化皮膜層は、前記口金をアルマイト処理されてなる、請求項１に記載の圧力容器。
3. 前記口金の外周面は、前記ＣＦＲＰ層と接触する接触部と、前記ライナー層と接触する接触部と、前記ライナー層との間をシール部材によりシールされるシール部と、を有し、
   前記酸化皮膜層は、前記口金の外周面のうち、前記シール部を除く部分であって且つ少なくとも前記二つの接触部を含む部分に、形成されている、請求項１又は２に記載の圧力容器。
4. 前記酸化皮膜層は、封孔処理されている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧力容器。
5. 前記酸化皮膜層は、当該圧力容器の外側に露出した前記口金の外周面の一部にも形成されている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧力容器。

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