(57)【要約】【課題】耐用年数経過後に内部の高圧流体を放出することができる圧力容器。【解決手段】外圧よりも高い圧力の流体を内部に貯留する圧力容器１は、一定期間が経過したことに基づき流体を外部に放出する水素放出スイッチ５を備える。水素放出スイッチ５は、耐圧のタンク本体１０に取り付けられた口金３に、設けられる。口金３は、これを貫通する連通路３ｅを有し、水素放出スイッチ５は、連通路３ｅを閉塞する閉塞部材６１を有する。閉塞部材６１は、一定期間の経過により流体に起因して変形し、それによりタンク本体１０内の流体を連通路３ｅから外部に放出する。【選択図】図５
2008232243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外圧よりも高い圧力の流体を内部に貯留する圧力容器であって、
一定期間が経過したことに基づき前記流体を外部に放出する時限式放出手段を備えた、圧力容器。
【請求項２】
当該圧力容器は、
前記流体を内部に貯留する耐圧のタンク本体と、
前記タンク本体に取り付けられた口金部と、を備え、
前記時限式放出手段は、前記口金部に設けられる、請求項１に記載の圧力容器。
【請求項３】
前記口金部は、当該口金部を貫通する連通路を有し、
前記時限式放出手段は、前記連通路を閉塞する閉塞部材を有し、
前記閉塞部材は、前記一定期間の経過により前記流体に起因して変形することで、前記タンク本体内の流体を前記連通路から外部に放出するように構成された、請求項２に記載の圧力容器。
【請求項４】
前記閉塞部材は、
前記連通路の前記タンク本体内側の一端を閉塞する第１の部分と、
前記タンク本体内の流体に接しないように前記連通路内に位置する第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記第１の部分よりも前記流体に対する耐久性が低いものであり、
前記タンク本体内の流体が、前記一定期間の経過により前記第１の部分を介して前記第２の部分に拡散し、その拡散により前記第２の部分を変形させることで、外部に放出されるように構成された、請求項３に記載の圧力容器。
【請求項５】
前記閉塞部材は、ボルト状に形成されており、
前記第１の部分は、ボルト頭部であり、
前記第２の部分は、ボルト軸部である、請求項４に記載の圧力容器。
【請求項６】
前記流体は、水素を含むものであり、
前記第２の部分は、前記第１の部分よりも水素脆化し易い材質からなる、請求項４又は５に記載の圧力容器。
【請求項７】
前記閉塞部材は、
前記連通路の前記タンク本体内側の一端を閉塞する第１の部分と、
前記タンク本体内の流体に接しないように前記連通路内に位置する第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記流体を吸収及び放出可能な吸蔵合金からなり、
前記タンク本体内の流体が、前記一定期間の経過により前記第１の部分を介して前記第２の部分に拡散し、且つ、前記第２の部分が、その拡散した流体を吸収して膨張することにより、前記第１の部分を破壊するように構成された、請求項３に記載の圧力容器。
【請求項８】
前記流体は、水素を含むものであり、
前記第２の部分は、水素吸蔵合金からなる、請求項７に記載の圧力容器。
【請求項９】
前記タンク本体は、
ライナーと、
当該ライナーの外周を覆い、当該ライナーよりも前記流体の透過性が高い補強層と、を有し、
前記連通路は、一端が前記タンク本体の内部空間側にあり、他端が前記補強層側にある、請求項３ないし８のいずれか一項に記載の圧力容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料電池システムに適用される圧力容器であり、外圧よりも高い圧力の流体を内部に貯留する圧力容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車あるいは天然ガス自動車等の移動体に搭載される圧力容器として、ガスバリア性の内殻を、耐圧性のＦＲＰ製の外殻で覆ったものが知られている（例えば特許文献１参照。）。特許文献１の圧力容器は、圧縮天然ガスが充填されるものであり、金属製のライナーの外周をＦＲＰ層で覆っている。また、この圧力容器は、耐用年数経過後のリサイクル解体性を考慮して、ライナーとＦＲＰ層との間に固着防止層を設け、ライナーとＦＲＰ層を分離回収し易いように構成している。
【特許文献１】特開平１０−２９２８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、圧力容器を搭載した移動体が、何らかの災害等により、使われずに長期間放置される場合がある。このような場合に、ガスが高圧で充填された圧力容器をそのまま放置しておくのは、安全上好ましくない。この点、従来の圧力容器は何ら考慮されていなかった。
【０００４】
本発明は、耐用年数経過後に内部の高圧流体を放出することができる圧力容器を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するべく、本発明の圧力容器は、外圧よりも高い圧力の流体を内部に貯留するものであって、一定期間が経過したことに基づき流体を外部に放出する時限式放出手段を備えたものである。
【０００６】
かかる構成によれば、所定の時期が来たら内部の流体を時限式放出手段により安全に放出することができ、圧力容器が内圧の高い状態のまま放置されることを抑制できる。
【０００７】
好ましくは、圧力容器は、流体を内部に貯留する耐圧のタンク本体と、タンク本体に取り付けられた口金部と、を備える。そして、口金部に時限式放出手段が設けられる。
【０００８】
かかる構成によれば、圧力容器本来の耐圧性能を確保しながら、口金部を利用して時限式放出手段を設けることができる。
【０００９】
より好ましくは、口金部は、これを貫通する連通路を有し、時限式放出手段は、連通路を閉塞する閉塞部材を有する。そして、閉塞部材は、一定期間の経過により流体に起因して変形することで、タンク本体内の流体を連通路から外部に放出するように構成される。
【００１０】
かかる構成によれば、タンク本体内の流体を利用することで、時限式放出手段を機械的に作動させることができる。これにより、電気的な構成を必要としない簡易な構造で、時限式放出手段を構成できる。
【００１１】
より好ましくは、閉塞部材は、連通路のタンク本体内側の一端を閉塞する第１の部分と、タンク本体内の流体に接しないように連通路内に位置する第２の部分と、を有する。第２の部分は、第１の部分よりも流体に対する耐久性が低いものである。そして、タンク本体内の流体が、一定期間の経過により第１の部分を介して第２の部分に拡散し、その拡散により第２の部分を変形させることで、外部に放出されるように構成される。
【００１２】
かかる構成によれば、第１の部分によって、一定期間が経過するまでは流体が連通路から外部に放出されることを抑制できる。一方で、一定期間が経過すると、第１の部分の劣化や透過等により、第１の部分を介して第２の部分に流体が拡散し得る。第２の部分は、流体に対する耐久性が第１の部分よりも低いので、拡散された流体により短期間で変形する。これにより、一定期間の経過後に、流体を速やかに外部に自動放出することができる。また、第１の部分と第２の部分の流体に対する耐久性を調整することにより、流体の放出時期を調整することができる。
【００１３】
より好ましくは、閉塞部材はボルト状に形成され、第１の部分はボルト頭部であり、第２の部分はボルト軸部である。
【００１４】
かかる構成によれば、一定期間経過後に、ボルト軸部に作用する軸力が低下するので、流体が外部にリークされるようになる。
【００１５】
好ましくは、流体は水素を含むものであり、第２の部分は第１の部分よりも水素脆化し易い材質からなる。
【００１６】
本発明の他の好ましい一態様では、閉塞部材は、連通路のタンク本体内側の一端を閉塞する第１の部分と、タンク本体内の流体に接しないように連通路内に位置する第２の部分と、を有する。第２の部分は、流体を吸収及び放出可能な吸蔵合金からなる。そして、タンク本体内の流体が、一定期間の経過により第１の部分を介して第２の部分に拡散し、且つ、第２の部分が、その拡散した流体を吸収して膨張することにより、第１の部分を破壊するように構成される。
【００１７】
かかる構成によれば、上記同様に、一定期間の経過後に、流体を外部に速やかに自動放出できる。また、合金の流体脆性に着目して材料選定を行うことにより、流体の放出時期を調整できる。
【００１８】
好ましくは、流体は水素を含むものであり、第２の部分は、水素吸蔵合金からなる。
【００１９】
好ましくは、タンク本体は、ライナーと、ライナーの外周を覆い、ライナーよりも流体の透過性が高い補強層と、を有する。そして、連通路は、一端がタンク本体の内部空間側にあり、他端が補強層側にある。
【００２０】
かかる構成によれば、一定期間経過前では、ライナーによって流体の透過を抑制できる一方、一定期間経過後では、補強層によって流体の透過、すなわち外部への放出を促進できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の圧力容器によれば、耐用年数経過後に内部の高圧流体を放出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る圧力容器について説明する。ここでは、圧力容器として高圧のガス等の流体を貯留するための高圧タンクを例にとって説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１に示す高圧タンク１に貯留される高圧流体は、例えば水素ガス又は圧縮天然ガス等の可燃性の高圧ガスである。高圧タンク１は、例えば燃料電池車両のリア部に搭載されて燃料電池への燃料供給源となる。また、高圧タンク１は、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型の装置にも適用される。以下では、高圧タンク１に水素ガスが貯留される場合を例にとって説明する。
【００２４】
高圧タンク１のタンク本体１０は、耐圧性を有する。タンク本体１０は、略円筒状の胴部と、胴部の長手方向の両端部をそれぞれ閉塞する半球状のドーム部と、を備える。一方又は両方のドーム部の頂点には、タンク本体１０内への水素ガスの給排用のバルブアッセンブリ２が設けられる。バルブアッセンブリ２は、外部のガス供給ラインと接続可能であり、ガス供給ラインとタンク本体１０内の貯留空間４（図２参照）との間で水素ガスの給排がなされる。貯留空間４には、水素ガスが常圧（外圧）よりも高い圧力（すなわち高圧）で貯留される。例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガスが貯留される。なお、圧縮天然ガスの場合、貯留時の圧力は２０ＭＰａ程度である。
【００２５】
図２に示すように、タンク本体１０の胴部及びドーム部は、樹脂ライナー１１及びＣＦＲＰ層１２からなる二層構造を有する。樹脂ライナー１１は、高圧タンク１の内殻であり、その内部空間が貯留空間４とされる。樹脂ライナー１１は、ガスバリア性を有しており、水素ガスの外部への透過を抑制する。
【００２６】
ＣＦＲＰ層１２は、高圧タンク１の外殻層であり、樹脂ライナー１１の外表面を被覆する。ＣＦＲＰ層１２は、高圧タンク１に耐圧性、耐衝撃性をもたせるための補強層であり、マトリックス樹脂を炭素繊維で強化してなるＦＲＰ層である。ＣＦＲＰ層１２は、水素ガスを透過する材料からなる。すなわち、ＣＦＲＰ層１２は、樹脂ライナー１１よりも水素ガスの透過性が高い。
【００２７】
ドーム部の頂点には開口が形成されており、この開口には、バルブアッセンブリ２を接続するための口金３がインサート成形等により取り付けられる。口金３は、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に製造される。口金３は、高圧タンク１の軸線Ｘ−Ｘ上に軸心を有する開口部３ａを備えており、バルブアッセンブリ２は、開口部３ａにねじ込み接続される。
【００２８】
口金３は、貯留空間４側の端部に成形された鍔部３ｂを有する。鍔部３ｂは、樹脂ライナー１１とＣＦＲＰ層１２との間に挟まれるように位置し、ＣＦＲＰ層１２から外れた部分３ｄが貯留空間４に面する。口金３は、樹脂ライナー１１と同様に、ＣＦＲＰ層１２側への水素ガスの透過を抑制する。鍔部３ｂの所定位置には、鍔部３ｂを軸線Ｘ−Ｘ方向に貫通する連通路３ｃが形成されている。連通路３ｃの一端は貯留空間４内に開口し、他端はＣＦＲＰ層１２によって塞がれるように位置する。
【００２９】
水素放出スイッチ５（時限式放出手段）は、連通路３ｃに設けられる。水素放出スイッチ５は、高圧タンク１に水素ガスが充填されてから所定の期間が経過した場合に作動し、貯留空間４内の水素ガスを外部に放出するものである。この放出により、高圧タンク１内の圧力が低下する。水素放出スイッチ５が作動するまでの「所定の期間」は、例えば、高圧タンク１の耐用年数（例えば１５年）や、高圧タンク１が搭載される移動体の耐用年数に設定される。
【００３０】
図３は、水素放出スイッチ５を拡大して示す図２の領域IIIの拡大断面図である。
水素放出スイッチ５は、水素吸蔵合金５１、薄板材５２及び薄板材５３を備える。水素吸蔵合金５１は、連通路３ｃ内に略隙間無く挿入又は圧入される。水素吸蔵合金５１は、例えば、水素と効率よく結合するバナジウム系の合金又はマグネシウム系の合金であり、水素ガスを吸収及び放出可能に構成される。水素吸蔵合金５１は、その特性、例えば、水素の吸蔵と放出のスピード、水素吸蔵時の膨張特性等を考慮して材質を選定されることで、後述するように、水素放出スイッチ５の作動制御を行うことができる。
【００３１】
薄板材５２及び薄板材５３は、それぞれ連通路３ｃの一端及び他端の開口を完全に覆う大きさからなる。薄板材５２及び薄板材５３は、連通路３ｃを囲む鍔部３ｂの内外表面にそれぞれ密着した状態で溶接され、連通路３ｃの一端及び他端の開口を閉塞する。この状態で、水素吸蔵合金５１の両端が薄板材５２及び薄板材５３に密着する。このような構成により、薄板材５２が、貯留空間４内の水素ガスと接触すると共に、薄板材５２によって貯留空間４と隔てられた水素吸蔵合金５１は、貯留空間４内の水素ガスと接触しないようになっている。
【００３２】
薄板材５２は、水素脆化し難い材料からなり、一例として、オーステナイト系のステンレス鋼を用いて形成される。このような材料を用いると、貯留空間４内の水素ガスに曝露されている薄板材５２の水素脆化のスピードを遅らせることができる。つまり、薄板材５２は短期間で脆性破壊されない。ただし、薄板材５２を介して、僅かずつではあるが水素吸蔵合金５１への経年水素拡散が起こる。この拡散された水素ガスは、水素吸蔵合金５１に吸収される。水素吸蔵合金５１は、水素吸蔵の過程でその材質に応じた寸法分だけ徐々に膨張する。水素吸蔵合金５１がある程度膨張すると、その膨張に追従できなくなった薄板材５２が破壊される。この破壊により、水素吸蔵合金５１が貯留空間４内の水素ガスに接する状態となる。
【００３３】
一方、薄板材５３は、薄板材５２よりも水素脆化し易い材料からなり、一例として、マルテンサイト系のステンレス鋼を用いて形成される。薄板材５３が設けられていると、膨張する水素吸蔵合金５１がＣＦＲＰ層１２側に逃げられないため、水素吸蔵合金５１の膨張に基づいて薄板材５２が確実に破壊されるようになる。そして、薄板材５２の破壊とほぼ同時に薄板材５３が破壊され、水素ガスがＣＦＲＰ層１２側にリークされるようになる。このリーク時の様子を図４に模式的に示す。
【００３４】
図４に示すように、貯留空間４内の水素ガスは、水素吸蔵合金５１を経て、ＣＦＲＰ層１２側に所定の放出速度で徐々に放出される。上記のとおり、ＣＦＲＰ層１２は水素透過性を有するので、水素ガスはＣＦＲＰ層１２を透過して高圧タンク１外に放出される。このようにして、水素放出スイッチ５が、経年による水素ガス拡散に起因して、自動的に作動し、高圧タンク１内の水素ガスを外部にリークする。
【００３５】
ここで、水素放出スイッチ５が作動する時期は、上記のように高圧タンク１の耐用年数等に設定すればよいが、その設定は、薄板材５２による経年水素拡散特性と、水素吸蔵合金５１の水素吸蔵による膨張特性とを基に行えばよい。薄板材５２の材質及び厚みを適宜選定することにより、薄板材５２による水素吸蔵合金５１への水素拡散の程度を制御できる。また、水素吸蔵合金５１の材質等を適宜選定することにより、水素吸蔵合金５１の吸蔵時の膨張量を制御できる。
【００３６】
なお、他の実施態様では、薄板材５３を省略することができる。
【００３７】
ここで、特許請求の範囲に記載された用語と本実施形態の用語との対応関係を、念のため説明する。特許請求の範囲に記載の「閉塞部材」は、少なくとも水素吸蔵合金５１及び薄板材５２を含む構成であり、薄板材５３を含む構成であってもよい。「閉塞部材」のうち「第１の部分」が、連通路３ｃの一端を閉塞する薄板材５２に相当し、「第２の部分」が水素吸蔵合金５１に相当する。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の高圧タンク１によれば、所定の時期（高圧タンク１の耐用年数）までは、通常の耐圧容器として使用できる。一方、所定の時期を経過した後は、水素吸蔵合金５１、薄板材５２及び薄板材５３が内部の水素ガスに起因して変形し、内部の水素ガスが自動的に外部に放出される。これにより、高圧タンク１が内圧の高い状態のまま放置されることを抑制できる。また、水素放出スイッチ５を口金３にのみ設けているので、タンク本体１０の本来の耐圧性を損なうこともない。
【００３９】
（第２実施形態）
次に、図５及び図６を参照して、第２実施形態に係る時限式放出手段について相違点を中心に説明する。第１実施形態と共通する部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４０】
本実施形態の水素放出スイッチ６（時限式放出手段）は、連通路３ｃと同位置に形成された連通路３ｅに取り付けられる。水素放出スイッチ６は、ボルト６１、ワッシャ６２及びＯリング６３を備える。ボルト６１は、ワッシャ６２及びＯリング６３と共同して、連通路３ｅを閉塞する閉塞部材として機能する。
【００４１】
ボルト６１は、頭部６１ａ（第１の部分）及び軸部６１ｂ（第２の部分）からなる。頭部６１ａは、貯留空間４内に位置し、鍔部３ｂの部分３ｄとの間でワッシャ６２を挟み込む。ワッシャ６２と部分３ｄとの間に、これらの間の隙間をシールするＯリング６３が位置する。
【００４２】
軸部６１ｂは、連通路３ｅ内に位置する。軸部６１ｂは、外周面におねじが形成されており、連通路３ｅの内周面に形成されためねじに螺合する。ボルト６１を連通路３ｅにねじ込み、軸力（引張り応力）を作用させることで、頭部６１ａがワッシャ６２及びＯリング６３と共同して、連通路３ｅの貯留空間４側の一端を気密に閉塞する。この状態では、軸部６１ｂは、貯留空間４内の水素ガスと接触しないようになっている。
【００４３】
頭部６１ａと軸部６１ｂとは、材質が異なる。頭部６１ａは、上記実施形態の薄板材５２と同様に水素脆化し難い材料からなり、一例として、オーステナイト系のステンレス鋼を用いて形成される。一方、軸部６１ｂは、頭部６１ａよりも水素脆化し易い材料からなり、一例として、薄板材５３と同様にマルテンサイト系のステンレス鋼を用いて形成される。すなわち、軸部６１ｂは、水素ガスに対する耐久性が頭部６１ａよりも低いもので構成される。
【００４４】
本実施形態では、頭部６１ａは短期間で（上記した高圧タンク１等の耐用年数の所定期間までは）水素脆性破壊されない。ただし、頭部６１ａ及びワッシャ６２を介して、僅かずつ軸部６１ｂへの経年水素拡散が起こる。よって、高圧タンク１等の耐用年数が経過すると、軸部６１ｂの軸力が低下したり、あるいは軸部６１ｂが破壊したりする。つまり、軸部６１ｂが変形する。この変形により、ボルト６１の座面（頭部６１ａ）のシール性が低下する。これにより、貯留空間４内の水素ガスは、連通路３ｅへと流れ、ＣＦＲＰ層１２を透過して高圧タンク１外に放出されるようになる。
【００４５】
したがって、本実施形態の高圧タンク１であっても、所定の時期までは、通常の耐圧容器として高圧タンク１を使用できる。一方、所定の時期を経過した後は、ボルト６１が内部の水素ガスに起因して変形し、シール性が低下するので、内部の水素ガスを外部に自動的に速やかに放出できる。これにより、高圧タンク１が内圧の高い状態のまま放置されることを抑制できる。
【００４６】
なお、水素放出スイッチ６が作動する時期の設定は、頭部６１ａ及び軸部６１ｂのそれぞれについて水素ガスに対する耐久性を調整することで行える。
【００４７】
以上の第１及び第２実施形態では、水素ガスを例に説明したが、高圧タンク１に貯留される流体については、液体を採用できなくもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態に係る圧力容器の側面図である。
【図２】第１実施形態に係る水素放出スイッチを取り付けた圧力容器の要部を示す断面図である。
【図３】図２の領域IIIの拡大断面図であり、水素放出スイッチが作動する前の状態を示す図である。
【図４】水素放出スイッチが作動した後の状態を示す図３と同様の断面図である。
【図５】第２実施形態に係る水素放出スイッチが作動する前の状態を示す領域IIIの拡大断面図である。
【図６】第２実施形態に係る水素放出スイッチが作動した後の状態を示す領域IIIの拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１：高圧タンク（圧力容器）、３：口金、３ｃ，３ｅ：連通路、５，６：水素放出スイッチ（時限式放出手段）、１０：タンク本体、１１：樹脂ライナー、１２：ＣＦＲＰ層（補強層）、５１：水素吸蔵合金（第２の部分）、５２：薄板材（第１の部分）、６１：ボルト（閉塞部材）、６１ａ：頭部（第１の部分）、６１ｂ：軸部（第２の部分）
【図１】
2008232243.tif 000003
【図２】
2008232243.tif 000004
【図３】
2008232243.tif 000005
【図４】
2008232243.tif 000006
【図５】
2008232243.tif 000007
【図６】
2008232243.tif 000008