JP6152886B2 - 水素充填用ホース - Google Patents
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Description
本発明は、水素充填用ホースに関し、さらに詳しくは、ホース構造を単純化しつつ、補強層を構成する繊維の破断強度の低下を抑制して耐圧性を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。
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、水素ステーションに設置されたディスペンサ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、優れた耐水素ガス透過性が求められる。また、燃料電池自動車等の走行距離を長くするには、高圧で水素ガスを燃料タンクに充填する必要があるため、水素充填用ホースには、７０ＭＰａ以上の高い内圧に耐え得る実用性が必要とされている。ホースの耐圧性を向上させるには補強層を強化することが一般的な手法であるが、補強層の構成部材として金属製の補強材を採用すると水素によって脆化するためホースの耐用期間が短くなることが懸念される。そこで、すべての補強材を、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維を編組して形成することが提案されている（特許文献１参照）。
ところで、補強層を構成する繊維は、ホースに内圧が作用した際に、この繊維に生じる引張力に対抗することによって耐圧性を発揮する。しかしながら、ブレード構造では、それぞれの補強層の層内で繊維どうしが重なり、引張力だけでなくせん断力も繊維に作用する。これに起因して、繊維の破断強度は引張力だけが作用する場合に比して低下する。それ故、補強材にポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維を使用した場合には、この繊維の本来の引張強度を十分に利用することができず、ホースの耐圧性を向上させるには改善の余地があった。
水素ガスや二酸化炭素ガス等を供給する高圧低ガス透過性ホースにおいては、内面層をガス不透過層と、その内側に配置した保護層との２層構造にすることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら内面層を２層構造にすると、製造工程が煩雑になり、生産性を向上させるには不利になるため、より単純化したホース構造が望まれる。
本発明の目的は、ホース構造を単純化しつつ、補強層を構成する繊維の破断強度の低下を抑制して耐圧性を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、内面層と、この内面層と同軸状にその外周側にある外面層と、前記内面層と同軸状に前記内面層と前記外面層との間に介在する偶数の補強層とを備え、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／ｃｍ2・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂から成る単層構造であるとともに、最外周面が熱可塑性樹脂から成る水素充填用ホースであって、それぞれの前記補強層が、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維がホース軸心を中心にして螺旋状に巻き付いた状態のスパイラル構造であり、かつ、ホース半径方向に隣り合う前記補強層どうしの前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け方向が交差した状態であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け密度が７０％以上１００％以下であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け角度を平均した平均編組角度が５４．７°以上５７°以下であり、外周側にある補強層ほど巻き付け角度を大きく設定するとともに、半径方向に隣り合う補強層どうしでの巻き付け角の差異を１°以上にして、前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の線径が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、ホース使用圧力が７０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
本発明の別の水素充填用ホースは、内面層と、この内面層と同軸状にその外周側にある外面層と、前記内面層と同軸状に前記内面層と前記外面層との間に介在する４層以上の偶数の補強層とを備え、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 -8 ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ 2 ・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂から成る単層構造であるとともに、最外周面が熱可塑性樹脂から成る水素充填用ホースであって、それぞれの前記補強層が、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維がホース軸心を中心にして螺旋状に巻き付いた状態のスパイラル構造であり、かつ、ホース半径方向に隣り合う前記補強層どうしの前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け方向が交差した状態であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け密度が７０％以上１００％以下であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け角度を平均した平均編組角度が５４．７°以上５７°以下であり、半径方向に隣り合う補強層どうしで巻付け角度を同じにしたペアを有し、前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の線径が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、ホース使用圧力が７０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
本発明の別の水素充填用ホースは、内面層と、この内面層と同軸状にその外周側にある外面層と、前記内面層と同軸状に前記内面層と前記外面層との間に介在する４層以上の偶数の補強層とを備え、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 -8 ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ 2 ・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂から成る単層構造であるとともに、最外周面が熱可塑性樹脂から成る水素充填用ホースであって、それぞれの前記補強層が、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維がホース軸心を中心にして螺旋状に巻き付いた状態のスパイラル構造であり、かつ、ホース半径方向に隣り合う前記補強層どうしの前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け方向が交差した状態であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け密度が７０％以上１００％以下であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け角度を平均した平均編組角度が５４．７°以上５７°以下であり、半径方向に隣り合う補強層どうしで巻付け角度を同じにしたペアを有し、前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の線径が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、ホース使用圧力が７０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
本発明によれば、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／ｃｍ2・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ているので、優れた耐水素ガス透過性を得ることができる。しかも、この内面層を単層構造にして単純なホース構造にしているので、ホースの製造工程の煩雑化を回避することができ、ホースの生産性を向上させるには有利になる。
さらに、補強層がポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維（以下、ＰＢＯ繊維という）が螺旋状に巻き付いている状態のスパイラル構造にしているので、それぞれの補強層ではＰＢＯ繊維どうしが重なるクロスポイントがない。それ故、ＰＢＯ繊維の破断強度の低下を抑制することができ、ＰＢＯ繊維の本来の強度を十分に利用してホースの耐圧性を向上させることができる。これにより、ホース使用圧力を７０ＭＰａ以上にするには有利になる。
ここで、それぞれの前記補強層における前記ＰＢＯ繊維の巻き付け密度を、８０％以上１００％以下にする。また、それぞれの前記補強層における前記ＰＢＯ繊維の巻き付け角度を平均した平均編組角度を、５４．７°以上５７°以下にする。これらの仕様によれば、ＰＢＯ繊維の本来の強度を十分に利用してホースの耐圧性を確保し易くなる。
前記内面層の層厚は例えば０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、ホース内径は例えば５ｍｍ以上９ｍｍ以下である。
また、前記ＰＢＯ繊維の線径は０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である。この仕様によれば、ホースの十分な耐圧性を確保しつつ、柔軟性を確保し易くなる。
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、図２に例示するように、本発明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）、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。このホース１の使用圧力は７０ＭＰａ以上になっている。
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／ｃｍ2・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下である熱可塑性樹脂により形成された単層構造になっている。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（ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１等）、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内面層２に用いることにより、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（即ち、ホース１の内径）は例えば、４．５ｍｍ以上１２ｍｍ以下、より好ましくは５ｍｍ以上９ｍｍ以下に設定される。内面層２の内径が大きくなる程、水素の流量を増大させるには有利になり、内径が小さくなる程、耐圧性を確保するには有利になる。
内面層２の層厚は例えば、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定される。内面層２の寸法変化を抑制するには層厚を厚くすることが好ましい。一方、ホース１の柔軟性を確保するには、内面層２の層厚を薄くすることが好ましい。内面層２の耐久性および水素の流量を確保するには、内面層２の層厚を０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、内径を５ｍｍ以上９ｍｍ以下にするとよい。
外面層４の最外周面（ホース１の最外周面）は熱可塑性樹脂で形成される。外面層４は熱可塑性樹脂から成る単層構造にすることも、ゴムと熱可塑性樹脂との複層構造にすることもできる。外面層４を形成する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、ゴムとしては、クロロプレンアクリロゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム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以上１．５ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定される。外面層４の外径（即ち、ホース１の外径）は例えば、１２ｍｍ以上１８ｍｍ以下、より好ましくは１３ｍｍ以上１７ｍｍ以下に設定される。外面層４の層厚が大きくなる程、ホース１の耐候性を確保するには有利になり、層厚を小さくする程、柔軟性を確保するには有利になる。ホース１の耐候性と柔軟性を両立させるには、外面層４の層厚および外径を上述した範囲に設定することが好ましい。
補強層３は少なくとも２層設けられ、基本的には偶数の補強層３を備える。それぞれの補強層３は、ホース軸心ＣＬを中心にして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）が螺旋状に巻き付いている状態のスパイラル構造になっている。内面層２と、内面層２に接する第１補強層３ａとは接着されている。
さらに、ホース半径方向に隣り合う補強層３どうしのＰＢＯ繊維ｆの巻き付け方向は交差している。したがって、例えば補強層３が４層の場合は、内側から１層目と３層目の補強層３を構成するＰＢＯ繊維ｆの巻き付け方向が同じになり、内側から２層目と４層目の補強層３を構成するＰＢＯ繊維ｆの巻き付け方向が同じになる。
ところで、図４に例示するようにＰＢＯ繊維ｆが編組されているブレード構造の補強層３では、第１補強層３ａ、第２補強層３ｂのそれぞれにおいて、ＰＢＯ繊維ｆがホース１の半径方向（図４では上下方向）に屈曲してＰＢＯ繊維ｆどうしが重複する。即ち、それぞれの補強層３ａ、３ｂにおいて層内にＰＢＯ繊維ｆが重なったクロスポイントが存在する。それ故、ホース１に内圧が作用すると、ＰＢＯ繊維ｆには引張力Ｔに加えてせん断力Ｆｓが生じる。これに起因して、ＰＢＯ繊維ｆの破断強度が低下するので、ＰＢＯ繊維ｆの本来の引張強度を十分に利用することができない。
一方、本発明では、ＰＢＯ繊維ｆが螺旋状に巻き付いているので、第１補強層３ａ、第２補強層３ｂのそれぞれにおいては、ＰＢＯ繊維ｆがホース１の半径方向（図３では上下方向）に屈曲することがなく、ＰＢＯ繊維ｆが重複することがない。それ故、ホース１に内圧が作用しても、ＰＢＯ繊維ｆには実質的に引張力Ｔが生じるだけである。したがって、ＰＢＯ繊維ｆの本来の引張強度を十分に利用することが可能になり、ＰＢＯ繊維ｆの破断強度の低下を抑制してホース１の耐圧性を向上させるには有利になる。例えば、補強層３がブレード構造の場合は、スパイラル構造の場合に対してＰＢＯ繊維ｆの破断強度が４０％〜８０％程度になる。
ＰＢＯ繊維ｆの線径は０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である。ＰＢＯ繊維ｆの線径をこの範囲にすると、内圧によるホース１の寸法変化を抑えつつホース１の柔軟性およびＰＢＯ繊維ｆの耐久性を確保し易くなる。
第１補強層３ａ、第２補強層３ｂそれぞれにおけるＰＢＰ繊維ｆの巻き付け角度Ａｆ（ホース軸心ＣＬに対するＰＢＯ繊維ｆの巻き付け角度）を平均した補強層３の平均編組角度は例えば５０°以上５７°以下にすることが好ましい。これにより、内圧が作用した際のホース１の寸法変化を抑え易くなる。
より好ましくは本発明のように、補強層３の平均編組角度を静止角度（５４．７°）以上に設定する。この平均編組角度を静止角度以上にすることで、ホース１に高圧の水素が流れて内圧が作用した際に内面層２の拡径変形を抑えることができる。ホース１に水素が流れている際には、内面層２が氷点下以下の低温になるため内面層２が低温脆化して損傷し易い状態となる。そのため、このように内面層２の拡径変形を抑えることができると、ホース１としては極めて実用性が高くなる。例えば、補強層３が４層の場合、１層目および２層目の巻き付け角度Ａｆを４５°以上５５以下、３層目および４層目の巻き付け角度Ａｆを４８°以上６０以下にして、１層目〜４層目の巻き付け角度Ａｆを平均した平均編組角度を５０°以上５７°以下、より好ましくは５４．７°以上にすると内面層２の拡径変形を抑えるには有効である。
また、外周側にある補強層３（第１補強層３ａ）ほど巻き付け角度Ａｆを大きく設定するとともに、半径方向に隣り合う補強層３どうしでの巻き付け角Ａｆの差異を１°以上にすることが好ましい。或いは、例えば、補強層３が４層以上の場合、半径方向に隣り合う補強層３どうしでの巻き付け角Ａｆを同じにしたペアを設けることもできる。これにより、ホース１の耐圧性をより向上させ易くなる。
第１補強層３ａおよび第２補強層３ｂにおけるＰＢＯ繊維ｆの巻き付け密度は７０％以上１００％以下にする。この巻き付け密度とは、ＰＢＯ繊維ｆが巻き付いている表面の面積に対して、この表面に巻き付いているＰＢＯ繊維ｆが覆う面積の比率である。ＰＢＯ繊維ｆが隙間なく螺旋状に巻き付いている状態では、巻き付け密度は１００％になる。ＰＢＯ繊維ｆが隙間をあけて螺旋状に巻き付いている場合は、巻き付け密度は１００％未満になる。この巻き付け密度が７０％未満では、ホース１の耐圧性を十分に向上させることが難しくなる。
このホース１によれば、内面層２が、上述したように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。即ち、ホース１を流れる水素が内面層２によって十分にバリアされるので、内面層２の外周側に透過する水素Ｈの量を低減させることができる。
さらに、内面層２を単層構造にした単純なホース構造にしているので、ホース１の製造工程の煩雑化を回避することができる。例えば、内面層２を形成する樹脂の押出工程が単純化し、押出材料の管理業務等も単純化するので、ホース１の生産性を向上させるには有利になる。
さらに、補強層３をＰＢＯ繊維ｆのみを使用したスパイラル構造にしているので、上述したようにＰＢＯ繊維ｆの本来の強度を十分に利用してホース１の耐圧性を向上させることができる。これにより、ホース使用圧力を７０ＭＰａ以上にするには有利になる。また、補強層３を構成する繊維がＰＢＯ繊維ｆだけなので、ワイヤ補強層を備えたホースに比して軽量化するには有利になる。
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
４ 外面層
ｆ ＰＢＯ繊維
ＣＬ ホース軸心
２ 内面層
３ 補強層
３ａ 第１補強層
３ｂ 第２補強層
４ 外面層
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ＣＬ ホース軸心
Claims (4)
- 内面層と、この内面層と同軸状にその外周側にある外面層と、前記内面層と同軸状に前記内面層と前記外面層との間に介在する偶数の補強層とを備え、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／ｃｍ2・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂から成る単層構造であるとともに、最外周面が熱可塑性樹脂から成る水素充填用ホースであって、
それぞれの前記補強層が、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維がホース軸心を中心にして螺旋状に巻き付いた状態のスパイラル構造であり、かつ、ホース半径方向に隣り合う前記補強層どうしの前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け方向が交差した状態であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け密度が７０％以上１００％以下であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け角度を平均した平均編組角度が５４．７°以上５７°以下であり、外周側にある補強層ほど巻き付け角度を大きく設定するとともに、半径方向に隣り合う補強層どうしでの巻き付け角の差異を１°以上にして、前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の線径が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、ホース使用圧力が７０ＭＰａ以上であることを特徴とする水素充填用ホース。 - 内面層と、この内面層と同軸状にその外周側にある外面層と、前記内面層と同軸状に前記内面層と前記外面層との間に介在する４層以上の偶数の補強層とを備え、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／ｃｍ2・ｓｅｃ．・ｃｍＨｇ以下の熱可塑性樹脂から成る単層構造であるとともに、最外周面が熱可塑性樹脂から成る水素充填用ホースであって、
それぞれの前記補強層が、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維がホース軸心を中心にして螺旋状に巻き付いた状態のスパイラル構造であり、かつ、ホース半径方向に隣り合う前記補強層どうしの前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け方向が交差した状態であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け密度が７０％以上１００％以下であり、それぞれの前記補強層における前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の巻き付け角度を平均した平均編組角度が５４．７°以上５７°以下であり、半径方向に隣り合う補強層どうしで巻付け角度を同じにしたペアを有し、前記ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維の線径が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、ホース使用圧力が７０ＭＰａ以上であることを特徴とする水素充填用ホース。 - 前記補強層が４層であり、内周から１層目および２層目の前記補強層の前記巻付け角度が４５°以上５５°以下、３層目および４層目の前記巻付け角度が４８°以上６０°以下である請求項２に記載の水素充填用ホース。
- 前記内面層の層厚が０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、ホース内径が５ｍｍ以上９ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の水素充填用ホース。
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