(57)【要約】      （修正有）【課題】延性に優れた高圧水素貯蔵容器を提供する。【解決手段】高圧水素貯蔵容器１は、ライナー１０と、ライナーの周りに巻き付けられたスチールコード２１とを備える。好ましくは、ライナー１０は金属からなり、スチールコード２１は、ライナー１０に溶接された端部を有する。スチールコード２１の巻き付け方は、特に限定されない。例えば、フープ巻、ヘリカル巻、若しくは、インプレーン巻、又はこれらの組合わせを採用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナーと、
前記ライナーの周りに巻き付けられたスチールコードとを備える、高圧水素貯蔵容器。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧水素貯蔵容器であって、
前記ライナーの周りに巻き付けられた炭素繊維強化プラスチックをさらに備える、高圧水素貯蔵容器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の高圧水素貯蔵容器であって、
前記ライナーは金属からなり、
前記スチールコードは、前記ライナーに溶接された端部を有する、高圧水素貯蔵容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧水素貯蔵容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車に搭載される水素貯蔵容器として、高圧水素ガスを充填できる高圧水素貯蔵容器の開発が進められている。燃料電池自動車の航続距離向上のため、より高圧の水素ガスを充填できる容器の開発が進められており、近年では７０ＭＰａの水素ガスを充填できる容器の開発が進められている。
【０００３】
特開２００５−１８０６０５号公報には、ガスが供給される内容器と、内容器の周囲に設けられており、フラーレン、ナノチューブ、フラーレン煤、及びナノチューブ煤のうち少なくとも一種の炭素質物質を含む繊維強化プラスチックを有して成る外容器とを備える貯蔵容器が開示されている。
【０００４】
特開２００７−１５４９２７号公報には、金属製ライナーの外周面に補強繊維層が形成されている高圧タンクであって、金属ライナーが、アルミニウム９４．８〜９７．５％、マグネシウム１．２〜１．６％、けい素０．６〜１．２％、銅０．５〜１．０％の成分比率で構成されたアルミニウム合金製の短筒状ブランク材を塑性変形させて形成されている高圧タンクが開示されている。
【０００５】
特開２００７−２３９８３３号公報には、気密性を有するライナーの外面を覆って繊維強化樹脂層を備える容器本体の内部に、内部ガスとの間で熱交換可能である熱伝導手段が収容されている水素貯蔵容器が開示されている。この水素貯蔵容器の熱伝導手段は、容器内部で展開されて内部ガスとの間で熱交換を行う熱交換手段と、熱交換手段と熱的に接続され且つ容器本体の口金部と熱的に接続する軸本体とを備える。
【０００６】
特許第５０６１５２９号公報には、水素を吸蔵又は吸着する材料が充填される水素容器と、この水素容器を内装するライナーとを備える高圧水素貯蔵容器が開示されている。この水素容器内には、充填される材料を冷却する冷媒が流通する冷媒配管が設けられる。充填される材料は、異なるプラトー圧を備え、水素を吸蔵又は吸着する特性が異なる複数の材料からなる。この高圧水素貯蔵容器には、上記の複数の材料が混合されて充填される。この高圧水素貯蔵容器は、複数の材料間のプラトー圧の差が等しくなる様に構成される。
【０００７】
国際公開第２０１３／０１８５７０号には、ライナーを繊維及び樹脂で補強した複合容器であって、内部に、温度３０３Ｋ、水素の平衡圧３５ＭＰａであるときの水素吸蔵能が０．５質量％未満である充填材量を１〜２５体積％存在させた水素貯蔵用複合容器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１８０６０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１５４９２７号公報
【特許文献３】特開２００７−２３９８３３号公報
【特許文献４】特許第５０６１５２９号公報
【特許文献５】国際公開第２０１３／０１８５７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池自動車に搭載される高圧水素貯蔵容器としては、上記の特許文献に記載された容器の様に、ライナーと、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる強化層とを備えた容器が用いられている。ＣＦＲＰは、１．７４〜１．９７という低い比重と、５０００〜６０００ＭＰａという高い引張強さとを有している。ＣＦＲＰを強化層としても用いることで、軽量かつ高耐圧の容器を実現することができる。
【００１０】
一方、ＣＦＲＰは、延性に乏しく破壊形態が脆性破壊である。そのため、ＣＦＲＰを強化層とする容器では、容器の一部に亀裂が発生すると、容器全体が破損する場合がある。そのため、ＣＦＲＰを強化層とする容器では、安全率を高く設定する必要がある。すなわち、容器に充填する水素の圧力の上限値を、破壊が開始する圧力よりも十分に低く設定する必要がある。
【００１１】
容器の破壊形態が延性破壊であれば、容器の一部に亀裂が発生しても、破壊を局所に留めることができる。そのため、延性の低い容器と比較して、安全率を低く設定できる。したがって、容器に充填する水素の圧力をより高くできる。
【００１２】
本発明の目的は、延性に優れた高圧水素貯蔵容器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による高圧水素貯蔵容器は、ライナーと、ライナーに巻き付けられたスチールコードとを備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、延性に優れた高圧水素貯蔵容器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による高圧水素貯蔵容器の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示した高圧水素貯蔵容器の横断面図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態による高圧水素貯蔵容器の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による高圧水素貯蔵容器１の構成を示す模式図である。図２は、高圧水素貯蔵容器１の横断面図である。高圧水素貯蔵容器１は、ライナー１０と、スチールコード２１からなる強化層２０とを備えている。高圧水素貯蔵容器１の大きさは特に限定されないが、例えば外径で１００〜２０００ｍｍである。
【００１８】
ライナー１０は、円筒状の胴部１０ａと、胴部１０ａの軸方向の両端に形成された鏡部１０ｂ及び１０ｃと、鏡部１０ｂに形成された口金１１とを備えている。
【００１９】
ライナー１０の内部の空間には、口金１１の開口を通じて、水素が充填される。ライナー１０は、気密性が高く、かつ水素脆化特性に優れた材料で形成されることが好ましい。ライナー１０の材料は例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウム合金、又はプラスチックである。ライナー１０は、継目無容器、すなわち、耐圧部分に溶接部を有さない容器であることが好ましい。
【００２０】
ライナー１０の周りには、スチールコード２１が巻き付けられている。ライナー１０の周りに巻き付けられたスチールコード２１は、強化層２０を形成する。図１にはスチールコード２１を一部しか図示していないが、スチールコード２１は、ライナー１０の胴部１０ａの全体を覆っていることが好ましい。スチールコード２１は、より好ましくは、ライナー１０の胴部１０ａ、及び鏡部１０ｂ、１０ｃの全体を覆って巻き付けられる。
【００２１】
スチールコード２１の巻き付け方は、特に限定されない。スチールコード２１の巻き付け方としては例えば、胴部１０ａの軸方向に対してほぼ直角に巻き付けるフープ巻、胴部１０ａ及び鏡部１０ｂ、１０ｃにらせん状に巻き付けるヘリカル巻、若しくは、胴部１０ａ及び鏡部１０ｂ、１０ｃに直線状に巻き付けるインプレーン巻、又はこれらの組み合わせを採用することができる。
【００２２】
スチールコード２１の始端及び／又は終端は、ライナー１０に固定されていても良い。スチールコード２１の始端及び／又は終端をライナー１０に固定することによって、より高い張力でスチールコード２１をライナー１０に巻き付けることができる。スチールコード２１の始端及び／又は終端は例えば、口金１１等にフックで固定されていても良い。あるいは、ライナー１０が金属の場合、スチールコード２１の始端及び／又は終端と、ライナー１０とが溶接されていても良い。溶接によれば、比較的容易に強い接合が得られる。したがって、ライナー１０が金属であり、スチールコード２１がライナー１０に溶接された端部を有していることが好ましい。
【００２３】
あるいは、スチールコード２１にあらかじめ熱硬化性樹脂を含浸させておき、スチールコード２１をライナー１０に巻き付けてから熱硬化樹脂を硬化させることによって、スチールコード２１とライナー１０とを固定しても良い。
【００２４】
スチールコード２１は、鉄鋼材料の中で最も強度の高い材料の一つである。スチールコード２１は例えば、１５００〜５０００ＭＰａの引張強さを有する。スチールコード２１は、３０００ＭＰａ以上の引張強さを有するものが好ましく、３５００ＭＰａ以上の引張強さを有するものがより好ましい。
【００２５】
スチールコード２１の化学組成は例えば、質量％で、Ｃ：０．５〜１．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｏ：０．０１％以下、Ｎ：０．０３％以下、Ｓｉ：０〜２％、Ｍｎ：０〜２％、Ａｌ：０〜０．１％、Ｃｒ：０〜２％、Ｍｏ：０〜１％、Ｖ：０〜１．０％、Ｎｂ：０〜０．１％、Ｔｉ：０〜０．１％，Ｚｒ：０〜０．１％、Ｎｉ：０〜３％、Ｃｕ：０〜３％、Ｂ：０〜０．０１％、残部：Ｆｅ及び不純物である。上記の化学成分の内、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＢは、必要に応じで含有される。すなわち、これらの元素は選択元素であり、スチールコード２１に含有されていなくても良い。
【００２６】
スチールコード２１は例えば、上記の化学組成を有する熱間圧延線材に対して、伸線とパテンティング処理とを繰り返し実施することによって製造される。スチールコード２１の線径（直径）は、例えば０．０５〜１ｍｍである。
【００２７】
以上、高圧水素貯蔵容器１の構成を説明した。本実施形態によれば、高圧水素容器１は、スチールコード２１からなる強化層２０を備えている。強化層２０は、ＣＦＲＰからなる強化層と比較して、延性に優れている。そのため、高圧水素貯蔵容器１は、ＣＦＲＰからなる強化層を備えた容器と比較して、延性に優れている。
【００２８】
強化層２０は、比強度ではＣＦＲＰからなる強化層に劣る。しかし、強化層２０の破壊形態は延性破壊であるため、容器の一部に亀裂が発生しても、破壊を局所に留めることができる。そのため、ＣＦＲＰからなる強化層を備えた容器と比較して、安全率を低く設定できる。結果として、容器に充填する水素の圧力をより高くできる可能性がある。
【００２９】
強化層２０は、ＣＦＲＰからなる強化層と比較して延性が高いため、外部応力に対しても塑性変形能が高く、より破損しにくい。また、強化層２０は、ＣＦＲＰからなる強化層と比較して熱伝導率が高い。そのため、放熱性に優れ、熱変化（ガスの圧縮充填時の昇温）に対する安定性に優れる。
【００３０】
ＣＦＲＰからなる強化層は、炭素繊維とプラスチックとの複合材料であるため、リサイクルが困難である。これに対して、強化層２０は、スチールコード２１からなるため、リサイクルが容易である。ライナー１０が金属の場合、高圧水素貯蔵容器１を構成する材料がすべて金属となるため、リサイクルがさらに容易になる。また、ＣＦＲＰからなる強化層は非常に高価であるのに対し、強化層２０は安価に製造することができる。
【００３１】
［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態による高圧水素貯蔵容器２の横断面図である。高圧水素貯蔵容器２は、高圧水素貯蔵容器１の構成に加えて、ＣＦＲＰからなる強化層３０をさらに備えている。すなわち、高圧水素貯蔵容器２では、ライナー１０の周りにスチールコードが巻き付けられ、さらにその周りにＣＦＲＰが巻き付けられている。
【００３２】
本実施形態においても、高圧水素貯蔵容器２は、延性に優れた強化層２０を備えている。そのため、高圧水素貯蔵容器２の破壊形態は延性破壊である。本実施形態によればさらに、強化層３０によって、高圧水素貯蔵容器２の強度を向上させることができる。ＣＦＲＰからなる強化層３０は、スチールコードからなる強化層２０よりも比強度が高い。そのため、高圧水素貯蔵容器２は、高圧水素貯蔵容器１よりも薄い厚さで所定の耐圧を実現できる。換言すれば、高圧水素貯蔵容器２の重量をより軽くすることができる。
【００３３】
図３では、強化層２０と強化層３０とが同程度の厚さを有している様に図示しているが、強化層２０と強化層３０との厚さの比は任意である。強化層２０の厚さの比率を高くすれば、高圧水素貯蔵容器２の延性を向上させることができる。強化層３０の厚さの比率を高くすれば、高圧水素貯蔵容器２の強度を向上させることができる。
【００３４】
上記の実施形態では、ライナー１０の周りにスチールコードが巻き付けられ、さらにその周りにＣＦＲＰが巻き付けられている場合を説明した。しかし、ライナー１０の周りにＣＦＲＰが巻き付けられ、さらにその周りにスチールコードが巻き付けられていても良い。すなわち、強化層２０と強化層３０との順番は反対でも良い。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。
【００３６】
ＳＵＳ３１６Ｌのライナーにスチールコードを巻き付けて、高圧水素貯蔵容器を製造した。製造した高圧水素貯蔵容器を用いて、耐圧試験と水素圧力サイクル試験とを実施した。
【００３７】
スチールコードは、表１及び表２に示すものを使用した。スチールコードは、外径６ｍｍの熱間圧延線材から、伸線とパテンティング処理を繰り返して製造された。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
【表２】
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【００４０】
ライナーは、表３に示す化学組成を有する継目無鋼管の素管を、３ｍｍ厚の容器に成形したものを使用した。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
ライナーにスチールコードを巻き付け、表４に示す寸法の高圧水素貯蔵容器を製造した。
【００４３】
【表４】
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【００４４】
製造した高圧水素貯蔵容器を用いて、水素容器例示基準ＪＡＲＩＳ００１に準じて、耐圧試験と水素圧力サイクル試験とを実施した。
【００４５】
耐圧試験では、充填圧力７０ＭＰａの２．２５倍の水圧耐圧試験を実施し、容器が破損しないことを確認した。
【００４６】
水素圧力サイクル試験では、水素圧を０．１ＭＰａと９０ＭＰａ（７０ＭＰａの１２５％）との間で変動させ、１１２５０回のサイクルで容器が破損しないことを確認した。
【符号の説明】
【００４７】
１，２  高圧水素貯蔵容器
１０  ライナー
２０，３０  強化層
２１  スチールコード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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