JP6815364B2 - 高圧容器 - Google Patents

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Description

本発明は、ライナの外壁に繊維が巻回された高圧容器に関する。
燃料電池を発電させるためには、アノードに水素ガス等の燃料ガスを供給する必要がある。このため、例えば、燃料電池を搭載した燃料電池自動車では、水素ガスを充填するための高圧容器が搭載される。この高圧容器は、容器本体としてのライナと、該ライナの外壁を囲繞する補強層とで構成される。ライナは、ポリアミドや高密度ポリエチレン等の樹脂材からなり、補強層は、例えば、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなる。
ＦＲＰからなる補強層は、一般的に、樹脂を含浸した強化繊維をライナの外壁に複数回巻回した後、加熱によって前記樹脂を硬化させることで形成される。ここで、強化繊維の巻回方向の相違により、フープ層やヘリカル層が形成される。ライナの耐圧強度を十分に確保する観点から、フープ層やヘリカル層を補強層の如何なる部分に形成すべきかが種々検討されている。例えば、特許文献１には、補強層の内周側（特許文献１においていう「ＦＲＰ層の内側層」）を、高圧容器の長手方向に対して所定の角度で傾斜するヘリカル層のみとすることが提案されている。
特開２０１０−２４９１４７号公報
高圧容器の端部である収斂部に対し、傾斜角度が大きな高ヘリカル層を巻回することはできない。このため、特許文献１記載の従来技術では、高ヘリカル層と、傾斜角度が小さな低ヘリカル層とを交互に巻回するようにしている。しかしながら、傾斜角度が大きく相違するヘリカル層を交互に巻回することは実際には容易ではなく、トランジット層と指称される層をその間に介挿する必要がある。このトランジット層は、耐圧強度に何ら寄与するものではないので、強化繊維の層数（補強層の厚み）が増加して高圧容器が大型化しても、トランジット層による耐圧強度の確保を期待することはできない。
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、軽量化及び小型化と、耐圧強度の確保とを同時に図ることが可能な高圧容器を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、胴部と、端部に位置する収斂部とを有するライナを有し、且つ前記ライナの外壁に繊維が複数回巻回されることで繊維層が形成された高圧容器であって、
前記繊維層は、巻き始めである内周側、及び巻き終わりである外周側に、複数の低ヘリカル層が積層された内側積層部、外側積層部をそれぞれ有し、
且つ前記内側積層部と前記外側積層部との間に、少なくとも１層のフープ層と、前記胴部の長手方向に対する傾斜角度が前記低ヘリカル層に比して大きな少なくとも１層の高ヘリカル層とが交互に形成された中間積層部が介在する高圧容器が提供される。
内側積層部ないし外側積層部を構成する低ヘリカル層は、収斂部を十分に覆う。このため、収斂部の耐圧強度を確保することが可能となる。その一方で、中間積層部の特にフープ層が胴部の耐圧強度の確保に寄与する。
さらに、低ヘリカル層のみで内側積層部及び外側積層部を構成するので、これら内側積層部及び外側積層部でトランジット層を設ける必要がない。内側積層部内及び外側積層部内で傾斜角度が大きく相違することがないので、巻回が困難となることもないからである。また、フープ層と高ヘリカル層の傾斜角度も大きく相違していないので、中間積層部でもトランジット層を設ける必要は特にない。
このように、本発明では、耐圧強度に寄与しないトランジット層を少なくすることができる。この分、繊維層の厚みが大きくなることが回避されるので、高圧容器の小型化及び軽量化を図ることができる。
フープ層（又は高ヘリカル層）と低ヘリカル層では、高圧容器の長手方向に対する交差角度が大きく相違する。そこで、内側積層部を構成する低ヘリカル層の傾斜角度を、層数が増加するに従って大きくすることが好ましい。これにより、内側積層部の最上の低ヘリカル層と、中間積層部の最下の層との角度差を小さくすることができる。従って、繊維の巻回時、内側積層部から中間積層部に移行することが容易となる。
同様の理由から、外側積層部を構成する低ヘリカル層の傾斜角度を、層数が増加するに従って小さくすることが好ましい。この場合、中間積層部の最上の層と、外側積層部の最下の低ヘリカル層との角度差を小さくすることができるので、繊維の巻回時、中間積層部から外側積層部に移行することが容易となるからである。
また、内側積層部又は外側積層部を構成して互いに隣接する低ヘリカル層同士の傾斜角度の相違を２０°以下とすることが好ましい。このように構成した場合、高圧流体の放出と充填のサイクルを繰り返したときや、高圧容器に大きな衝撃が加わったときであっても、低ヘリカル層同士の間で層間剥離が起こり難くなる。従って、耐圧強度を長期間にわたって、且つ衝撃が加わったときにも維持することができる。
さらに、内側積層部を構成する低ヘリカル層の傾斜角度の変化と、外側積層部を構成する低ヘリカル層の傾斜角度の変化を略対称とすることが好ましい。このようにすることにより、両端の収斂部における耐圧強度が略同程度に確保される。
そして、中間積層部を構成するフープ層の端部が、該中間積層部の層数が増加するに従って、収斂部から離間する方向に移動することが好ましい。
以上のように構成される高圧容器は、例えば、燃料電池自動車に搭載されて燃料電池のアノード電極に供給される水素を貯留するものとして好適である。
本発明によれば、内側積層部及び外側積層部を低ヘリカル層で構成して収斂部の耐圧強度を確保する一方、中間積層部の特にフープ層で胴部の耐圧強度を確保するようにしている。また、内側積層部、中間積層部及び外側積層部の各々でトランジット層を設ける必要が特にないので、この分、繊維層の厚みが大きくなることが回避されることから、高圧容器の小型化及び軽量化を図ることができる。
以上のように、上記した構成を採用することで、高圧容器の軽量化及び小型化と、耐圧強度の確保とを同時に図ることができる。
本発明の実施の形態に係る高圧容器の長手方向に沿った概略全体断面図である。 補強層の詳細を示す要部拡大断面図である。 含浸樹脂を低ヘリカル巻きでライナに巻回した状態を示す概略斜視図である。 含浸樹脂を高ヘリカル巻きでライナに巻回した状態を示す概略斜視図である。 含浸樹脂を、図４よりもさらに傾斜角度を大きくした高ヘリカル巻きでライナに巻回した状態を示す概略斜視図である。 樹脂を含浸した強化繊維の傾斜角度の変化を示すグラフである。 図６から、内側積層部と外側積層部を抜粋したグラフである。
以下、本発明に係る高圧容器につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る高圧容器１０の長手方向に沿った概略全体断面図である。この高圧容器１０は、例えば、燃料電池とともに燃料電池車に搭載され、前記燃料電池のアノードに供給される水素ガスが高圧で充填される。
高圧容器１０は、ライナ１２と、該ライナ１２を覆う補強層１４（繊維層）とを有する。この中のライナ１２は、例えば、水素バリア性を示す高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）樹脂からなる。この場合、ＨＤＰＥ樹脂が安価で且つ加工が容易であるので、ライナ１２を低コストで且つ容易に作製することができるという利点がある。また、ＨＤＰＥ樹脂が強度及び剛性に優れることから、ライナ１２に十分な耐圧性が確保される。
ライナ１２は、略円筒形状をなす中空の胴部１６と、該胴部１６の両端に設けられて徐々に収斂する収斂部としての第１ドーム部１８ａ、第２ドーム部１８ｂとを有する。本実施の形態では、胴部１６の内径及び外径は略一定であるが、第１ドーム部１８ａ、第２ドーム部１８ｂに向かうに従ってテーパ状に縮径又は拡径させるようにしてもよい。
第１ドーム部１８ａ、第２ドーム部１８ｂには、開口２０ａ、２０ｂがそれぞれ形成される。これら開口２０ａ、２０ｂの少なくともいずれか一方には、アノードに水素ガスを供給するための、又は、水素補給源から水素ガスを補給するための配管（図示せず）が接続される口金２２ａ、２２ｂが設けられる。口金２２ａ、２２ｂの先端は、補強層１４から露呈する。
補強層１４は、強化繊維に樹脂基材が含浸された繊維強化樹脂（ＦＲＰ）から形成される。すなわち、補強層１４は、樹脂を含浸した強化繊維（以下、「含浸繊維」とも表記する）が公知のフィラメントワインディング法によって複数回巻回された後、例えば、加熱によって前記樹脂が硬化することで形成された積層体である。従って、補強層１４は、図２に示すように、含浸繊維の巻き始めで形成される内周側の内側積層部３０と、巻き終わりで形成される外周側の外側積層部３２と、内側積層部３０と外側積層部３２の間に介在する中間積層部３４とを有する。なお、図２中の一点鎖線は、第１ドーム部１８ａと胴部１６との境界を示す。
内側積層部３０及び外側積層部３２は、含浸繊維が低ヘリカル巻きされることで形成された低ヘリカル層３６の積層体からなる。ここで、ヘリカル巻きとは、図３に示すように、含浸繊維を、その延在方向がライナ１２の胴部１６の長手方向に対して所定の傾斜角度θで傾斜するように巻回する巻き方である。本明細書において、「低ヘリカル巻き」は、傾斜角度θが約４０°以下の場合を指す。図３では、傾斜角度θが約１０°の場合を例示している。また、本明細書における「高ヘリカル巻き」は、傾斜角度が約４０°を超える場合をいう。
傾斜角度θを約５０°、約７５°として含浸繊維を巻回した場合を図４、図５にそれぞれ示す。図３〜図５を対比し、傾斜角度が大きくなるほど、第１ドーム部１８ａ（又は第２ドーム部１８ｂ）の露出面積が大きくなること、換言すれば、高ヘリカル巻きでは第１ドーム部１８ａ（又は第２ドーム部１８ｂ）を含浸繊維で覆うことが困難となることが分かる。
本実施の形態では、上記したように、内側積層部３０及び外側積層部３２を低ヘリカル層３６の積層体で構成するようにしている。このため、第１ドーム部１８ａ及び第２ドーム部１８ｂが含浸繊維で覆われ、その露出面積が高ヘリカル巻き時と比べて僅かとなる（図３参照）。従って、第１ドーム部１８ａ及び第２ドーム部１８ｂの耐圧強度が確保される。
内側積層部３０と外側積層部３２の間に介在する中間積層部３４は、含浸繊維がフープ巻きされることで形成されたフープ層３８と、高ヘリカル巻きされることで形成された高ヘリカル層４０との混合積層体である。なお、フープ巻きとは、含浸繊維を、その延在方向がライナ１２の胴部１６の長手方向に対して略直交するように巻回する巻き方である。この中間積層部３４、特にフープ層３８により、胴部１６の耐圧強度が確保される。
フープ層３８と高ヘリカル層４０は、交互に積層される。すなわち、例えば、フープ層３８、高ヘリカル層４０、フープ層３８、高ヘリカル層４０、フープ層３８の繰り返しである。これに代替して、フープ層３８を複数個積層した後に高ヘリカル層４０を複数個積層し、さらに、フープ層３８を複数個積層するようにしてもよい。換言すれば、「交互」には、１層毎にフープ層３８と高ヘリカル層４０を切り替える場合のみならず、複数個のフープ層３８を形成した後に複数個の高ヘリカル層４０を形成することを繰り返す場合が含まれる。結局、中間積層部３４は、少なくとも１層のフープ層３８と、少なくとも１層の高ヘリカル層４０とが交互に形成されることで構成される。
この場合、中間積層部３４の巻き始め及び巻き終わりはフープ層３８である。すなわち、内側積層部３０と中間積層部３４の境界、中間積層部３４と外側積層部３２の境界は、フープ層３８の存在によって認識される。なお、内側層の最上の低ヘリカル層３６とフープ層３８（中間積層部３４の最下層）との間、フープ層３８（中間積層部３４の最上層）と外側層の最下の低ヘリカル層３６との間には、トランジット層を設けることが好ましい。
高ヘリカル層４０の一部は、第１ドーム部１８ａ又は第２ドーム部１８ｂに巻回される。従って、図２に示すように、フープ層３８の端部は、中間積層部３４の層数が増加するに従って第１ドーム部１８ａ又は第２ドーム部１８ｂから離間する方向に移動する。
以上のように構成される補強層１４における含浸繊維の傾斜角度θの変化の一例を、層数を横軸として図６に示す。ただし、トランジット層は無視している。
この図６から分かるように、本実施の形態では、内側積層部３０を構成する低ヘリカル層３６の傾斜角度θを、層数が増加するに従って大きくしている。すなわち、内側積層部３０の最上の低ヘリカル層３６の傾斜角度θと、中間積層部３４の最下の高ヘリカル層４０の傾斜角度θとの相違が比較的小さい。このため、内側積層部３０と中間積層部３４との間に、耐圧強度に寄与しないトランジット層を設ける必要がない。これにより、補強層１４の肉厚が大きくなったり、このことに起因して高圧容器１０が大型で大重量となったりすることを回避することができる。
また、外側積層部３２を構成する低ヘリカル層３６の傾斜角度θを、層数が増加するに従って小さくしている。従って、中間積層部３４の最上の高ヘリカル層４０の傾斜角度θと、外側積層部３２の最下の低ヘリカル層３６の傾斜角度θとの相違が比較的小さい。このため、中間積層部３４と外側積層部３２との間にトランジット層を設ける必要がないので、補強層１４が厚肉となり且つ高圧容器１０が大型で大重量となることを回避することができる。
また、内側積層部３０及び外側積層部３２では、隣接する低ヘリカル層３６同士の傾斜角度θの相違が２０°以下に設定される。すなわち、内側積層部３０及び外側積層部３２では、低ヘリカル層３６の傾斜角度θが漸次的に変化する。このため、外部から補強層１４に負荷（荷重）が加わることに起因して層間に剥離が発生することを回避することができる。
以上のような理由から、内側積層部３０における低ヘリカル層３６の傾斜角度θの変化と、外側積層部３２における低ヘリカル層３６の傾斜角度θの変化は、図６から内側積層部３０及び外側積層部３２を抜粋して示した図７に示すように略対称となる。
ここで、低ヘリカル層３６の１層毎に傾斜角度を変更する必要は特になく、傾斜角度が同一である低ヘリカル層３６を少なくとも１層形成した後、傾斜角度が相違する低ヘリカル層３６を少なくとも１層形成するようにしてもよい。この場合において、「互いに隣接する低ヘリカル層３６同士の傾斜角度の相違」とは、互いに隣接し且つ傾斜角度が相違する低ヘリカル層３６同士を指すものとする。
さらに、傾斜角度θの相違を上記したように設定した場合、高圧水素の放出と充填のサイクルを繰り返したときや、高圧容器１０に大きな衝撃が加わったときに、低ヘリカル層３６同士の間の剥離、すなわち、層間剥離が起こり難くなる。このため、補強層１４によって確保した耐圧強度を長期間にわたって、且つ衝撃が加わったときにも維持することができる。要するに、サイクル特性及び耐衝撃特性が優れた高圧容器１０となる。
以上のように、本実施の形態によれば、トランジット層の層数を少なくしながら第１ドーム部１８ａ及び第２ドーム部１８ｂの耐圧強度を確保することができるので、高圧容器１０の軽量化及び小型化を図ることができるとともに、フィラメントワインディングによる生産性の向上を図ることができる。また、内側積層部３０と外側積層部３２の低ヘリカル層３６で第１ドーム部１８ａ及び第２ドーム部１８ｂの耐圧強度を確保する一方で、中間積層部３４の特にフープ層３８で胴部１６の耐圧強度を確保することができる。結局、高圧容器１０の軽量化及び小型化を図ると同時に、該高圧容器１０の耐圧強度の確保を図ることが可能である。
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、この高圧容器１０を、燃料電池自動車に搭載する用途以外に用いるようにしてもよい。
１０…高圧容器 １２…ライナ
１４…補強層 １６…胴部
１８ａ、１８ｂ…ドーム部（収斂部） ３０…内側積層部
３２…外側積層部 ３４…中間積層部
３６…低ヘリカル層 ３８…フープ層
４０…高ヘリカル層

Claims (6)

  1. 胴部と、端部に位置する収斂部とを有するライナを有し、且つ前記ライナの外壁に繊維が複数回巻回されることで繊維層が形成された高圧容器であって、
    前記繊維層は、巻き始めである内周側、及び巻き終わりである外周側に、複数の低ヘリカル層が積層された内側積層部、外側積層部をそれぞれ有し、
    且つ前記内側積層部と前記外側積層部との間に、少なくとも１層のフープ層と、前記胴部の長手方向に対する傾斜角度が前記低ヘリカル層に比して大きな少なくとも１層の高ヘリカル層とが交互に形成された中間積層部が介在し、
    前記内側積層部を構成する前記低ヘリカル層の傾斜角度が、層数が増加するに従って大きくなる高圧容器。
  2. 請求項１記載の高圧容器において、前記外側積層部を構成する前記低ヘリカル層の傾斜角度が、層数が増加するに従って小さくなる高圧容器。
  3. 請求項１又は２記載の高圧容器において、前記内側積層部又は前記外側積層部を構成して互いに隣接する前記低ヘリカル層同士の傾斜角度の相違が２０°以下である高圧容器。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧容器において、前記内側積層部を構成する前記低ヘリカル層の傾斜角度の変化と、前記外側積層部を構成する前記低ヘリカル層の傾斜角度の変化とを、層数を横軸とするグラフにプロットしたとき、前記内側積層部を構成する前記低ヘリカル層の傾斜角度の変化を示す曲線と、前記外側積層部を構成する前記低ヘリカル層の傾斜角度の変化を示す曲線とが、前記グラフ上で略対称である高圧容器。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の高圧容器において、前記中間積層部を構成する前記フープ層の端部が、該中間積層部の層数が増加するに従って、前記収斂部から離間する方向に移動する高圧容器。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の高圧容器において、当該高圧容器は、燃料電池自動車に搭載されるものである高圧容器。
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