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技術 高圧タンク

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 田辺彰
出願日 2012年2月15日 (8年10ヶ月経過) 出願番号 2012-030742
公開日 2013年8月29日 (7年3ヶ月経過) 公開番号 2013-167298
状態 特許登録済
技術分野 圧力容器、圧力容器の蓋 燃料電池(本体) 燃料電池(システム) ガス貯蔵容器;ガスの充填・放出
主要キーワード 増大度 正十二角形 透過視認 外壁層 最外周層 円周方向応力 セレーション形状 設置枚数
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2013年8月29日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (15)

課題

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する。

解決手段

ライナ20と、該ライナ20の外周に形成される補強繊維層と、ライナ20に取り付けられた口金11と、を有する高圧タンクにおいて、口金11のライナ20に接触する部分110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。口金11のライナ20に接触する部分110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は2〜24であることが好ましい。

概要

背景

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、例えば樹脂含浸させたライナ層内壁層)の外周面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)。

概要

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する。ライナ20と、該ライナ20の外周に形成される補強繊維層と、ライナ20に取り付けられた口金11と、を有する高圧タンクにおいて、口金11のライナ20に接触する部分110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。口金11のライナ20に接触する部分110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は2〜24であることが好ましい。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

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、前記口金の前記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、高圧タンク。

請求項2

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。

請求項3

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。

請求項4

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。

技術分野

0001

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、水素ガス等が高圧充填されるタンクにおける構造の改良に関する。

背景技術

0002

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。

0003

従来、このような高圧タンクとして、例えば樹脂含浸させたライナ層内壁層)の外周面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)。

先行技術

0004

特開2009−243660号公報

発明が解決しようとする課題

0005

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。

0006

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。

課題を解決するための手段

0007

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。

0008

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。

0009

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。

発明の効果

0010

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。

図面の簡単な説明

0011

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、

実施例

0012

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。

0013

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。

0014

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。

0015

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。

0016

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大気中に排気される。

0017

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。

0018

高圧タンク1は、例えば燃料電池車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高圧ガスである。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

続いて、高圧タンク1の構造等について説明する。

0023

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。

0024

タンク本体10は、例えば二層構造壁層を有し、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。

0025

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)。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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)。

0034

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。

0035

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)。

0036

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。

0037

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)。

0038

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。

0039

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。

0040

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。

0041

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)。

0042

以上により、後工程における高圧タンク1へのバルブ組付け(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)。

0043

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。

0044

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。

0045

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

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