JP5769088B2

JP5769088B2 - 高圧タンク

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Publication number: JP5769088B2
Application number: JP2012030742A
Authority: JP
Inventors: 彰田辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: JP2013167298A

Description

本発明は、高圧タンクに関する。さらに詳述すると、本発明は、水素ガス等が高圧で充填されるタンクにおける構造の改良に関する。

水素等の貯蔵ないしは供給に用いられる高圧タンクとして、タンク開口部に設けられた口金にバルブアッセンブリ（高圧バルブ等を内蔵した部品）を取り付ける構造のものが利用されている。

従来、このような高圧タンクとして、例えば樹脂を含浸させたライナ層（内壁層）の外周面をＦＲＰ層（外壁層）で補強したタンク本体と、そのタンク本体の長手方向の開口端部に取り付けられた合金からなる口金を有しているものが知られている。また、口金と例えばライナ層（内壁層）との間からガスを排出する構成とした高圧タンクも知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２４３６６０号公報

しかしながら、高速フィラメントワインディング（ＦＷ）時には、口金と樹脂ライナ間に大きなトルクが発生し、樹脂ライナの変形や口金の空回りが生じるおそれがある。

そこで、本発明は、高速フィラメントワインディング（ＦＷ）時、樹脂ライナの変形や口金の空回りを生じさせずにＦＷを実施することができるようにした高圧タンクを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従来の高圧タンクにおいて、樹脂ライナに取り付けられる口金のうち、当該樹脂ライナと接している部分の形状は円形や、２面幅形状（円の両側が切り落とされたような、平行線と円弧からなる形状）とされている。高速ＦＷ時、樹脂ライナが受けるトルクが樹脂材料の強度を超えるとライナの変形や口金の空回りが生じ、ＦＷが不可能となる場合がある。このような事態を避けるべく、低速・低張力でＦＷされることもあるが、量産タンクの低コスト化のためには高速化が必須であることから、高速ＦＷ時にも樹脂ライナの変形や口金の空回りが生じない構造が望まれる。この点に着目してさらに検討した本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくもので、ライナと、該ライナの外周に形成される補強繊維層と、ライナに取り付けられた口金と、を有する高圧タンクにおいて、口金のライナに接触する部分の形状が、スプライン形状、セレーション形状、あるいは六角形以上の多角形状である、というものである。この高圧タンクによれば、高速ＦＷ時に大きなトルクを作用させた場合にも、口金の空回り、あるいは樹脂ライナの変形を生じさせずにＦＷを実施することが可能となる。

このような高圧タンクにおいては、口金のライナに接触する部分の形状がスプライン形状またはセレーション形状である場合の歯数が２〜２４であることが好ましい。この場合、歯の歯たけが５〜５０ｍｍであることがさらに好ましい。また、歯の側面の角度が０°〜６０°であることが好ましい。

本発明によれば、高速フィラメントワインディング（ＦＷ）時、樹脂ライナの変形や口金の空回りを生じさせずにＦＷを実施することができるようになる。

高圧タンクを含む燃料電池システムの構成例を示す図である。高圧タンクの要部を示す断面図である。モータによりフィラメントワインディング（ＦＷ）が実施される際の高圧タンクを示す図である。本発明の一実施形態を示す図で、セレーションの歯数を１２、歯の長さ１０ｍｍ、歯側面の傾斜角度αが１７．５°である口金の一部を示す（Ａ）正面図と（Ｂ）側面からの縦断面図である。口金がセレーション形状である高圧タンクのＦＷ時における口金反力の一例を示す、ＦＷトルクと回転角度（樹脂ライナに対する口金の相対回転角度）との関係を示すグラフである。外周部が正六角形と円弧の組み合わせとされた口金の一例を示す（Ａ）平面図と（Ｂ）斜視図である、外周部が正六角形とされた口金の一例を示す（Ａ）平面図と（Ｂ）斜視図である、外周部が正八角形とされた口金の一例を示す（Ａ）平面図と（Ｂ）斜視図である、外周部が正十二角形とされた口金の一例を示す（Ａ）平面図と（Ｂ）斜視図である、バーコードラベルが貼り付けられた高圧タンクの側面図である。バーコードラベルが貼り付けられた高圧タンクの正面図である。バーコードラベルが貼り付けられた高圧タンクが車両に搭載された状態を示す平面図である。口金が２面幅形状である高圧タンクのＦＷ時における口金反力の一例を示す、ＦＷトルクと回転角度（樹脂ライナに対する口金の相対回転角度）との関係を参考として示すグラフである。外周部が２面幅形状とされた口金の一例を参考として示す（Ａ）平面図と（Ｂ）斜視図である、

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図１２に本発明にかかる高圧タンクの実施形態を示す。高圧タンク１は、口金１１、樹脂ライナ（ライナ）２０、該樹脂ライナ２０の外周に設けられたＣＦＲＰ層（補強繊維層）２１を備えるものである。以下では、本発明にかかる高圧タンク１を燃料電池システム９における燃料供給源としての高圧の水素タンクに適用した場合について説明する。

以下、まず本実施形態における燃料電池システムの概略から説明する（図１参照）。この燃料電池システム９は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えたシステムとして構成されている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１７と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。供給路１７には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料ガス配管系４は、燃料供給源としての高圧の水素タンク（本明細書では高圧タンクという）１と、高圧タンク１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。

高圧タンク１は、例えば燃料電池車の燃料ガス供給用タンクとして好適なものであり、特に図示はしないが例えば３つの高圧タンク１が車体のリア部に搭載される等して用いられる。高圧タンク１は、燃料電池システム９の一部を構成し、燃料ガス配管系４を通じて燃料電池２に燃料ガスを供給する。高圧タンク１に貯留される燃料ガスは、例えば水素ガス、圧縮天然ガスといった可燃性の高圧ガスである。

本実施形態の高圧タンク１は、例えば３５ＭＰａ〜７０ＭＰａといった圧力で水素ガスを貯留可能に構成されている。高圧タンク１の主止弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。その後、水素ガスは、インジェクタ２９により流量及び圧力を調整された後、さらに下流において機械式の調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。主止弁２６及びインジェクタ２９は、図１において破線の枠線で示すバルブアッセンブリ５０に組み込まれ、バルブアッセンブリ５０が高圧タンク１に接続されている。

供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。排出路２５上のパージ弁３３が燃料電池システム９の運転時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ２９の流量制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統（３，４）や図示省略の冷媒系統に用いられる各種の圧力センサや温度センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

続いて、高圧タンク１の構造等について説明する。

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、例えば略楕円体のタンク本体１０と、当該タンク本体１０の長手方向の一端部に取り付けられた口金１１を有する。

タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナ２０とその外側の外壁層である樹脂繊維層（補強層）としての例えばＣＦＲＰ層２１を有している。

ライナ２０は、タンク本体１０とほぼ同じ略楕円体形状を有する。ライナ２０は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている（以下、樹脂ライナ２０ともいう）。

樹脂ライナ２０の口金１１のある先端側には、内側に屈曲した折返し部３０が形成されている。折返し部３０は、外側のＣＦＲＰ層２１から離間するようにタンク本体１０の内側に向けて折り返されている。折返し部３０は、例えば折り返しの先端に近づくにつれて次第に径が小さくなる縮径部３０ａと、当該縮径部３０ａの先端に接続され径が一定の円筒部３０ｂとを有している。この円筒部３０ｂにより樹脂ライナ２０の開口部が形成されている。

口金１１は、略円筒形状を有し、樹脂ライナ２０の開口部に嵌入されている。口金１１は、例えば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（後述するように、本実施形態の場合にはスプライン形状、セレーション形状、あるいは六角形以上の多角形状）に製造されている。口金１１は、例えばインサート成形により樹脂ライナ２０に取り付けられている。

口金１１は、例えば先端側（高圧タンク１の軸方向の外側）に鍔部１１ａが形成され、例えばその鍔部１１ａの後方側（高圧タンク１の軸方向の内側）に、高圧タンク１の軸に対して環状の凹み部１１ｂが形成されている。凹み部１１ｂは、軸側に凸に湾曲しＲ形状になっている。この凹み部１１ｂには、同じくＲ形状のＣＦＲＰ層２１の先端部付近が気密に接触している。

例えばＣＦＲＰ層２１と接触する凹み部１１ｂの表面には、例えばフッ素系の樹脂などの固体潤滑コーティングＣが施されている。これにより、ＣＦＲＰ層２１と凹み部１１ｂとの間の摩擦係数が低減されている。

口金１１の凹み部１１ｂのさらに後方側は、例えば樹脂ライナ２０の折返し部３０の形状に適合するように形成され、例えば凹み部１１ｂに連続して径の大きい突出部１１ｃが形成され、その突出部１１ｃから後方に一定径の口金円筒部１１ｄが形成されている。上記樹脂ライナ２０の折返し部３０の縮径部３０ａは、突出部１１ｃの表面に密着し、円筒部３０ｂは、口金円筒部１１ｄの表面に密着している。円筒部３０ｂと口金円筒部１１ｄとの間には、シール部材４０、４１が介在されている。

口金１１の内周面には、バルブアッセンブリ５０をねじ込み接続するためのねじ４２が形成されている。バルブアッセンブリ５０は、外部のガス供給ライン（供給路２２）と高圧タンク１の内部との間で燃料ガスの給排を制御するものである。バルブアッセンブリ５０の外周面と口金１１の内周面との間には、シール部材６０、６１が介在されている。

ＣＦＲＰ層２１は、例えばＦＷ成形（フィラメントワインディング成形）により、樹脂ライナ２０の外周面と口金１１の凹み部１１ｂに、樹脂の含浸した補強繊維を巻き付け、当該樹脂を硬化させることにより形成されている。ＣＦＲＰ層２１の樹脂には、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用いられる。また、補強繊維としては、炭素繊維、金属繊維などが用いられる。

また、本実施形態の高圧タンク１は、モータ４００を用いた高速ＦＷ時（図３参照）に大きなトルクが作用しても口金１１を空回りさせず、あるいは樹脂ライナ２０を変形させずにＦＷを実施するべく、口金１１のうち、樹脂ライナ２０と接触してＦＷ時の回転トルクを伝達する部分（符号１１０で示す外周部）がセレーション形状とされている（図４参照）。

このセレーションの歯数（歯１１１あるいは歯溝１１２の数）と長さ（歯たけ：歯溝１１２から歯１１１の先端までの高低差）は、周方向に作用する応力に樹脂ライナ２０の強度が耐えられる程度に設定されている。歯数は、２〜２４の範囲内であることが好ましく、６以上であることがさらに好ましい。また、歯１１１の長さ（歯たけ）は、５〜５０ｍｍの範囲内であることが好ましい。

さらに、セレーションの歯１１１の側面１１３の傾斜角度（当該歯１１１の中心と口金１１の中心とを結ぶ中心線に対する角度）αも同様に、周方向に作用する応力に樹脂ライナ２０の強度が耐えられる程度に設定されている（図４参照）。具体的には、歯１１１の側面１１３の傾斜角度αは０°〜６０°の範囲内であることが好ましい。このような口金１１を用いた場合、回転角度（樹脂ライナ２０に対する口金１１の相対回転角度）がＦＷトルクの増加に追随し、しかもＦＷトルクの値に比べて比較的小さい値に抑えられる（図５参照）。このことからも、高速ＦＷ時に大きなトルクが作用しても口金１１が空回りせず、あるいは樹脂ライナ２０が変形せずにＦＷを実施することが可能になることが理解できる。このようなＦＷ時、歯１１１の側面から、当該傾斜角度αに応じた周方向および径方向への分力（円周方向応力、外周方向応力）が樹脂ライナ２０に作用する（図４参照）。

なお、ここでは側面１１３がほぼ直線的である歯１１１を例示したが（図４参照）、この他、側面１１３が曲面である場合にも適宜傾斜角が付されていることが好ましい。この場合の傾斜角度αは、例えば、歯車における基礎円やピッチ円などとの交点における角度として設定されていてもよい。以上の考えは、歯１１１の形がインボリュート歯形やサイクロイド歯形といったような場合にも同様に適用できる。要は、セレーションの歯１１１がどのような形であれ、周方向に作用する応力に樹脂ライナ２０の強度が耐えられる程度の形状とされていることが好適である。

上述したように、高圧水素タンクの製造で時間のかかる工程のひとつにＦＷ工程があり（図３参照）、量産タンクの低コスト化を図るにはＦＷ作業の高速化、要は高速・高張力でのフィラメントワインディングが必須である。ところが、高速化すると口金１１から受ける高トルクに樹脂ライナ２０が耐えられなくなって変形したり、樹脂ライナ２０の剛性不足により口金１１が空回りしたりしてＦＷ不能になるおそれがあるというのが従来のＦＷ工程であった。このように、高トルク時に樹脂ライナ２０が変形して口金１１が空回りする理由としては、２面幅形状（円の両側が切り落とされたような、平行線と円弧からなる形状）の口金１１を用いると、回転トルクの応力が樹脂ライナ２０を局部的に変形させると同時に樹脂ライナ２０の全体を外側方向に変形させる応力も働くため、口金１１が２面幅を乗り越えて空回りすること等が挙げられる。実際、ＣＡＥ解析すると、樹脂ライナ２０に対する口金１１の相対回転角度が１０°前後で空回りが始まる結果となる（図１３参照）。

この点、本実施形態の高圧タンク１においては、上述のごとく、口金１１のうち、樹脂ライナ２０と接触してＦＷ時の回転トルクを伝達する外周部１１０をセレーション形状としたことから、高速ＦＷ時に大きなトルクを作用させた場合にも、口金１１の空回り、あるいは樹脂ライナ２０の変形を生じさせずにＦＷを実施することが可能である。

なお、口金１１のうち、樹脂ライナ２０と接触してＦＷ時の回転トルクを伝達する外周部１１０をセレーション形状とすることは好適な一例にすぎず、このほか、歯１１１の数を少なくして当該外周部１１０をスプライン形状とすることもできる。あるいは、回転トルクの増大度が僅かであれば、当該外周部１１０を、凸部（頂点）１１４が等間隔に配置された多角形状とすることもできる。多角形状としては、正六角形のもの、正八角形のもの、正六角形と正八角形と円（円弧）とを組み合わせたもの等を挙げることができる（図６〜図９参照）。いずれにしても、多角形状とする場合は六角形以上であることが好ましい。

ところで、上述のごとき高圧タンク１を実際に使用する場面では、（１）高圧タンク１からバーコードラベルが剥がれた場合に識別不能となるという事態を回避するのみならず、（２）上記（１）のように識別不能となるのを回避するべく予め高圧タンク１にラベルを巻き込んでおいた場合、車載した際にラベルが確認できない位置になった際に識別不能となるという事態をも回避することができれば便宜である。すなわち、バーコードラベルを高圧タンク１に後から貼り付けると剥がれる可能性があり、その後に上記（１）のごとく識別不能となり、また、（１）を防止するために予め高圧タンク１にラベルを巻き込んでおいた場合には、後工程のバルブ組み付け時にラベルの位置が成り行きとなることから、車載した際にラベルが確認できない位置になった場合、上記（２）のごとく識別不能となる。

以上を鑑み、本実施形態では、バーコードラベル３００を高圧タンク１に貼り付け、当該高圧タンク１の製品固有番号、容器種別、製造時期、検査実施時期を外部記憶装置に記憶させておき、検査時期を管理できるようにしている（図１０〜図１２参照）。ラベル３００としては、例えば、容器保安規則に則ったラベル（製造者名、製造日、燃料種類等の関連情報を高圧タンク１と一体的に備える）を、当該高圧タンク１に複数枚設置することとする。一例として、高圧タンク１の最外周層（例えばガラス質の透過視認可能な層）の内側に設置することとすれば、当該ラベル３００が剥がれるおそれがない。また、ラベル３００の設置枚数は、コストの観点からは少ないほど好ましいが、例えば２枚設置する場合には、高圧タンク１の円形断面において互いのラベルが対角になる位置（反対側になる位置）に設置することが好適である（図１０、図１１参照）。

以上により、後工程における高圧タンク１へのバルブの組付け（ねじ込み）時、トルク指示等が記載されたラベル３００の位置が成り行きで済み、当該高圧タンク１が車両１００に搭載された状態のとき、バルブの向きの制約を受けてラベル３００の内容が視認できなくなることを回避することが可能となる（図１２等参照）。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した各実施形態では、高圧タンク１が燃料電池システム９における燃料供給源としての水素タンクであり、水素ガスが充填されあるいは供給される場合を説明したが、これらも本発明の好適な形態例にすぎず、本発明にかかる高圧タンク１を水素ガス以外のガスに用いることは当然に可能である。

本発明は、ライナと、該ライナの外周に形成される補強繊維層と、ライナに取り付けられた口金とを有する高圧タンクに適用して好適なものである。

１…高圧タンク、１１…口金、２０…樹脂ライナ（ライナ）、２１…ＣＦＲＰ層（補強繊維層）、１１０…口金の外周部（ライナに接触する部分）、１１１…セレーションの歯、１１３…歯の側面、α…歯の側面の傾斜角度

Claims

ライナと、該ライナの外周に形成される補強繊維層と、前記ライナに取り付けられた口金と、を有する高圧タンクにおいて、
前記口金の先端側の後方側には前記高圧タンクの軸に対して環状の凹み部が形成され、前記凹み部のさらに後方側には前記凹み部に連続して径の大きい突出部が形成され、
前記口金の前記突出部の前記ライナに接触する外周部分の形状が、スプライン形状、セレーション形状、あるいは六角形以上十二角形以下の多角形状である、高圧タンク。
前記口金の前記ライナに接触する部分の形状がスプライン形状またはセレーション形状である場合の歯数が２〜２４である、請求項１に記載の高圧タンク。
前記歯の歯たけが５〜５０ｍｍである、請求項２に記載の高圧タンク。
前記歯の側面の角度が０°〜６０°である、請求項２または３に記載の高圧タンク。