JP6720826B2

JP6720826B2 - 水素充填用ホース

Info

Publication number: JP6720826B2
Application number: JP2016206253A
Authority: JP
Inventors: 素久小出; 美恵大倉; 達哉水口; 郁真遊佐
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2020-07-08
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: JP2018066445A

Description

本発明は、水素充填用ホースに関し、さらに詳しくは、ホース内圧による耐破壊効率を向上させるとともに寸法変形量を抑制できる柔軟性に優れた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、ディスペンサ等に接続された水素充填用ホースは、曲げ剛性が大きくなると作業時の取扱いが困難になるため、高い柔軟性を有していることが好ましい。

ホースの耐圧性を向上させるために通常は補強層が設けられるが、補強層の構成部材として金属線材を採用すると、ホースを流れる水素によって脆化することが懸念される。そこで、すべての補強層をポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール繊維により形成することが提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、補強層に非金属線材を使用すると金属線材を使用した場合に比して、耐破壊効率が低下するため、十分なホース耐圧性を確保するには多数の非金属線材が必要になる。これに伴い、ホースの大型化、コスト高などの問題が生じる。また、非金属線材を使用すると金属線材を使用した場合に比して、ホース内圧が作用した際のホースの寸法変形量が大きくなる。これに伴い、ホースの配管設計をする場合に、ホース内圧が作用した際のホースの挙動等を十分に考慮する必要があるため設計作業が煩雑になり、また、配管設計の自由度も低下する。

一方、本願発明者らは様々な試験、分析の結果、金属線材から成る補強層を水素充填用ホースに用いた場合、金属線材の水素脆化がホース寿命に対する致命傷になる訳ではないことを把握した。即ち、金属線材から成る補強層を採用しても、水素充填用ホースとして十分な耐久性が得られることが判明した。

特開２０１０−３１９９３号公報

本発明の目的は、ホース内圧による耐破壊効率を向上させるとともに寸法変形量を抑制できる柔軟性に優れた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複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水素充填用ホースにおいて、それぞれの前記補強層が、金属線材を編組して形成されたブレード構造であり、前記補強層の少なくとも１層に、ホース長手方向に延在する繊維材が挿入されてい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。そして、すべての補強層を金属線材を編組して形成されたブレード構造にすることで、繊維補強層を採用した場合に比してホース内圧による耐破壊効率を向上させることができる。また、ホース内圧が増大してもブレード構造の繊維補強層のように寸法変形量が過大になることがない。さらには、金属線材で形成された補強層でありながらブレード構造を採用することで優れた柔軟性を確保することができる。

本発明の水素充填用ホースを一部切開して例示する側面図である。図１のホースを横断面視で例示する説明図である図１のホースの使用例を示す説明図である。図１の繊維材の別の配置をホースの横断面視で例示する説明図である。図１の繊維材の挿入状態をホースの縦断面視で拡大して例示する説明図である。

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、第３補強層３ｃ）、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。

ホース１を流れる水素Ｈが直接接触する内面層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ている。このガス透過係数は、ＪＩＳＫ７１２６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）は特に限定されないが、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Ｈ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Ｈ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）は特に限定されないが、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。

本発明では、補強層３は複数であればよいが、この実施形態では３層の補強層３ａ、３ｂ、３ｃが設けられている。それぞれの補強層３は、複数本の金属線材５をホース軸心ＣＬに対して所定の編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３で編組して形成されたブレード構造になっている。この編組角度は、ホース軸心ＣＬに対するそれぞれの金属線材５の巻き付け角度を平均した値である。

金属線材５としては、ピアノ線（ＪＩＳＧ３５０２で規定された仕様）、硬鋼線材（ＪＩＳＧ３５０６で規定された仕様）、硬鋼線（ＪＩＳＧ３５２１で規定された仕様）、ステンレス鋼線材（ＪＩＳＧ４３０８で規定された仕様）、銅及び銅合金の線（ＪＩＳＨ３２６０で規定された仕様）、アルミニウム及びアルミニウム合金の線（ＪＩＳＨ４０４０で規定された仕様）、マグネシウム合金の線（ＪＩＳＨ４２０３で規定された仕様）、チタン及びチタン合金の線（ＪＩＳＨ４６７０で規定された仕様）や、これらに伸線処理を施したものを例示できる。金属線材５の線径は例えば０．２５ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下である。

それぞれの補強層３における編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３は、４５°以上６０°以下が好ましい。編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３が４５°未満ではホース内圧が作用した際のホース１の径方向の変化量が過大になり、６０°超ではホース１の長手方向の変形量が過大になる。

それぞれの編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３は同じにすることも異ならせることもできる。より効率的に各補強層３を機能させるためには、それぞれの編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３の平均値を４９°以上５８°以下に設定する。

この実施形態では、さらに、ホース長手方向に延在する繊維材６が補強層３ａに挿入されている。繊維材６は、後述するように補強層３に溜まった水素Ｈをホース１の外部に排出させる機能を有するので設けることが好ましい。繊維材６は、概ねホース１の一端部から他端部まで延在させるとよい。

繊維材６としては、ポリエステル、ポリアミド、綿、アラミド繊維及びそれら混紡糸等を例示できる。繊維材６にはモノフィラメントを用いることも、複数のフィラメントを撚り合わせた撚りコードを用いることもできる。

繊維材６は補強層３に挿入されると押し潰された状態になるため、金属線材５よりも太いものを使用することもできる。繊維材６が細いと排出できる水素Ｈの量が少なくなるので水素Ｈの排出量を多くするにはある程度太くすることが好ましい。一方で、繊維材６が太すぎると補強層３に挿入された時に、過剰に押し潰されて繊維が密着するため（水素Ｈの抜け道が小さくなるため）、水素Ｈの排出性が阻害される。それ故、補強層３に挿入する前の繊維材６の外径は例えば０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ以下にする。繊維材６は、補強部材として機能する訳ではないので高い強度は不要である。

本発明のホース１によれば、内面層２が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。そして、すべての補強層３を金属線材５から成るブレード構造にすることで、繊維補強層を採用した場合に比してホース内圧による耐破壊効率（破壊され難さ）が向上する。

そのため、ホース１の所定の耐圧性を確保するには、繊維補強層を採用した場合に比して補強層３の積層数や補強層３を構成する線材の本数を削減できる。これに伴い、ホース１の小型化（小径化）やコストの抑制には有利になる。

尚、本願発明者らの様々な試験、分析の結果、金属線材５から成る補強層３をホース１に用いた場合、金属線材５の水素脆化がホース寿命の致命傷になる訳でないことを把握した。例えば、水素Ｈに直接接触する内面層２の損傷が相対的に早く発生するので、金属線材５から成る補強層３を採用しても、ホース１として十分な耐久性を得ることが可能になる。

金属線材５は非金属線材に比して編組時の緩みが生じ難いので、ホース内圧が増大しても、ブレード構造の繊維補強層のようにホースの寸法変形量が過大になることがない。そのため、ホース１の配管設計を行う場合に、大きなホース内圧が作用した際のホース１の寸法変形量（長さ変化や容積変化）に伴うホース１の挙動を厳密に考慮する必要がなくなる。即ち、ホース１の寸法変形量を大きければ、ホース１の挙動も大きくなるため、その挙動によってホース配管に異常が生じない配管設計が要求されるが、本発明によれば、この挙動が小さくなるため配管設計の作業が煩雑になることを回避でき、配管設計の自由度も向上する。

ホース内圧が作用した際のホース１の寸法変形量が小さくなるので、内面層２がホース内圧によって損傷することを防止し易くなる。これに伴い、ホース１の寿命を延ばすには有利になっている。

尚、金属線材５の編組角度Ａ１、Ａ２、Ａ３を適切に設定することで、ホース内圧が作用した際のホース１の挙動をある程度、調整することもできる。そこで、例えば水素Ｈがホース１に流れる際に脈動が発生するホースラインの場合は、ホース１をホース内圧によって適切に寸法変形させることで脈動を吸収させることも可能になる。

補強層３として、ホース軸心ＣＬを中心にして金属線材５を螺旋状に巻回して形成されたスパイラル構造を採用した場合、耐圧性は向上するがホース１の曲げ剛性が非常に高くなってホース１の柔軟性が損なわれる。一方、本発明のホース１では、金属線材５を用いながらもブレード構造を採用することで優れた柔軟性を確保することが可能になっている。

図３に例示するように、このホース１が水素ステーションに設置されるディスペンサ８に装備される場合には、ホース１の両端にホース金具７が加締めて取付けられる。ホース１を通じてディスペンサ８から車両９へ低温（例えばマイナス４０°〜マイナス２０°）で高圧（例えば４５ＭＰａ〜８７．５ＭＰａ）の水素Ｈが供給、充填される。

本発明のホース１によれば、最外層の補強層３ｃが金属線材５から成るブレード構造なので、ホース金具７を強く加締めても、繊維補強層の場合に比してホース１の加締めた部分の編組構造が乱れ難い。そして、すべての補強層３が金属線材５を編組したブレード構造なので高い耐圧性を有していて、ホース１を流れる水素Ｈが高圧になっても補強層３の全体の編組構造が乱れ難くなる。

このように補強層３を加締めても編組構造が大きく乱れることがないので、補強層３の本来の性能を十分に発揮させることができる。したがって、ホース１の耐圧性、耐久性を向上させるには有利になる。

ホース１の曲げ剛性が高いと水素Ｈを車両９に充填する場合、ホース１を自由に屈曲させることができないため取扱い性（作業性）が極めて悪くなる。ところが、本発明のホース１であれば優れた柔軟性を有しているので、ホース１を思いどおりに屈曲させることが可能になる。それ故、ホース１の取扱い性が大幅に向上する。

ホース１に水素Ｈが流れると、若干の水素Ｈが内面層２を透過する。内面層２を透過した水素Ｈはホース１の外部にそのまま透過すればよいが、多少の割合が補強層３に溜まって残留する。補強層３に水素Ｈが残留した状態でホース内圧が低下すると、残留した水素Ｈの体積が増大するため内面層２を外周側から押圧する。これにより、内面層２と補強層３ａとが剥離したり、内面層２が破損するトラブルが生じることがある。

補強層３がスパイラル構造の場合よりもブレード構造の方が、金属線材５の間に小さなすき間が多数存在するため水素Ｈが残留し易くなる。また、金属線材５は繊維に比して水素Ｈが透過し難いので、繊維補強層よりも金属線材５から成る補強層３では水素Ｈが残留し易くなる。

そこで、この実施形態のように補強層３に繊維材６を挿入しておくと、補強層３に溜まった水素Ｈを繊維材６を通じてホース１の外部に排出させることができる。これにより、上述したトラブルを回避し易くなる。

この実施形態では、繊維材６が最内周側の補強層３ａのみに挿入されているが、すべての補強層３ａ、３ｂ、３ｃに挿入されている仕様にすることもできる。或いは、内周側の２層の補強層３ａ、３ｂのみに繊維材６が挿入されている仕様にすることもできる。

１層の補強層３に対して、複数本（例えば３本〜６本程度）の繊維材６を周方向に等間隔をあけて配置すると、その補強層３に溜まった水素Ｈをホース１の外部に排出させ易くなる。この実施形態では、補強層３ａに４本の繊維材６が周方向に等間隔をあけて配置されている。複数の補強層３に繊維材６を挿入する場合は、図４に例示するように、補強層３どうしで繊維材６の周方向位置をずらして配置するとよい。これにより、ホース１の全体として補強層３に溜まった水素Ｈをホース１の外部に排出させ易くなる。

繊維材６はホース１が直線状態において、補強層３に直線的に挿入されている仕様にすることもできるが、図５に例示するように波状に挿入されていることが好ましい。この実施形態では、隣り合う金属線材５の間で繊維材６が２回屈曲した波状になっている。

繊維材６が補強層３に波状に挿入されていると、ホース１を屈曲させた際に、繊維材６には過大な引張り力や圧縮力が作用し難くなる。これにより、繊維材６が受ける負荷が低減して繊維材６が破損し難くなる。また、ホース１の柔軟性を確保し易くなる。例えば、隣り合う金属線材５の間で繊維材６が少なくとも１回以上屈曲した波状にする。

１水素充填用ホース
２内面層
３（３ａ、３ｂ、３ｃ）補強層
４外面層
５金属線材
６繊維材
７ホース金具
８ディスペンサ
９車両
ＣＬホース軸心
Ｈ水素（気体）

Claims

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複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水素充填用ホースにおいて、
それぞれの前記補強層が、金属線材を編組して形成されたブレード構造であり、前記補強層の少なくとも１層に、ホース長手方向に延在する繊維材が挿入されていることを特徴とする水素充填用ホース。
それぞれの前記補強層における前記金属線材の編組角度が４５°以上６０°以下である請求項１に記載の水素充填用ホース。
前記繊維材がそれぞれの前記補強層に挿入されている請求項１または２に記載の水素充填用ホース。
ホースが直線状態において前記繊維材が挿入されている前記補強層では、その補強層を構成する前記金属線材のホース長手方向に隣り合うどうしの間で前記繊維材が少なくとも１回屈曲した波状に挿入されている請求項１〜３のいずれかに記載の水素充填用ホース。