(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が貯蔵室となる円筒状のライナーと、
前記ライナーの外表面に形成された繊維強化プラスチックからなる補強層と、
前記補強層の外表面に形成され、繊維材と繊維材との間に未発泡の熱発泡性材を介在させてなる保護層と、
を備え、
前記保護層は、繊維材の束を液状の熱発泡性材に浸して含浸させた後に前記補強層の外表面に沿って前記ライナーの円周方向に巻き付けて固化して形成され、
使用環境により前記保護層における前記熱発泡性材の温度が発泡温度に達したときに該熱発泡性材が発泡し、前記保護層の前記繊維材をそのままの位置に残して前記熱発泡性材だけが前記繊維材より外方に膨出し、前記保護層の外表部に気泡からなる断熱層が形成されることを特徴とする圧力容器。
【請求項２】
前記保護層の外表面に、防水層を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高圧ガス等を貯留する圧力容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載し、燃料電池で発電した電気をエネルギー源として走行する燃料電池車両には、前記燃料電池に水素（燃料）を供給する水素タンク（圧力容器）、前記燃料電池に酸化剤としての酸素を含む空気を供給するコンプレッサ、燃料電池を循環する冷媒を送出する冷媒ポンプ、直流電力を交流電力に変換するＰＤＵ（Power Drive Unit）、走行用のモータ、モータの駆動力を駆動輪に伝達するドライブトレイン等が搭載されている。ここで、コンプレッサ、冷媒ポンプ、ＰＤＵ、ドライブトレイン等の外部機器は、その作動に伴って発熱する。
【０００３】
前記水素タンクには水素が高圧で充填されていて、水素タンクから燃料電池に水素を供給する水素供給流路には、減圧弁が設けられている。そして、アクセル開度等に基づいて算出された要求電力に応じて水素の目標圧力を設定し、前記減圧弁の二次側圧力が前記目標圧力となるように、前記減圧弁を制御している。
【０００４】
このような水素タンクに充填される水素（ガス）とは異なるが、液体燃料（ガソリン）が貯溜される燃料タンクにおいて、入熱による燃料蒸気の発生を抑制するために、多層タンク構造とし、放熱手段を組み込んだ燃料タンクが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３０２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池車両は、真夏の高温環境下で走行したり、また、前記したようにコンプレッサ等の外部機器の発熱によって、水素タンクに熱が入力されると、貯蔵されている水素が膨張し、水素タンク内の圧力が上昇してしまう。
このように、水素タンクにおける水素の圧力が上昇してしまうと、前記減圧弁の一次側圧力も上昇することになり、そのため前記目標圧力よりも高い圧力で、水素が燃料電池に供給される虞がある。そして、このように高い圧力で水素が供給されると、燃料電池で消費されずに排出される水素の量が多くなり、効率が低下する虞がある。また、過剰な水素供給により燃料電池スタックの固体高分子電解質膜が劣化する虞もある。
【０００７】
ここで、制御範囲が広いワイドレンジの減圧弁を用いる方法も考えられるが、このようなワイドレンジの減圧弁は非常に高価であるため、コストを要してしまう。
また、水素タンク内への入熱を抑制するために多層タンク構造にすると、水素タンクの外径が大きくなるという課題がある。
【０００８】
そこで、この発明は、受熱しても内部にまで熱が伝わり難いコンパクトな圧力容器を提供するものである
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る圧力容器では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、内部が貯蔵室となる円筒状のライナー（例えば、後述する実施例におけるライナー２１）と、前記ライナーの外表面に形成された繊維強化プラスチックからなる補強層（例えば、後述する実施例における補強層２２）と、前記補強層の外表面に形成され、繊維材（例えば、後述する実施例におけるガラス繊維２３ｂ）と繊維材との間に未発泡の熱発泡性材（例えば、後述する実施例における熱発泡性樹脂層２３ａ）を介在させてなる保護層（例えば、後述する実施例における保護層２３）と、を備え、前記保護層は、繊維材の束を液状の熱発泡性材に浸して含浸させた後に前記補強層の外表面に沿って前記ライナーの円周方向に巻き付けて固化して形成され、使用環境により前記保護層における前記熱発泡性材の温度が発泡温度に達したときに該熱発泡性材が発泡し、前記保護層の前記繊維材をそのままの位置に残して前記熱発泡性材だけが前記繊維材より外方に膨出し、前記保護層の外表部に気泡からなる断熱層（例えば、後述する実施形態における断熱層２３ｃ）が形成されることを特徴とする圧力容器（例えば、後述する実施例における水素タンク３）である。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記保護層の外表面に、防水層（例えば、後述する実施例における防水層２４）を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、使用環境により圧力容器が外部から受熱すると、保護層の未発泡の熱発泡性材が発泡して断熱層となり、貯蔵室への入熱量を抑制することができ、その結果、貯蔵室の内部圧力の上昇を抑制することができる。
また、保護層は、繊維材と繊維材の間に未発泡の熱発泡性材を介在させて構成されているので、補強層の外表面にほぼ均一に未発泡の熱発泡性材を積層することが可能となる。
また、未発泡の熱発泡性材の膜厚の均一化により、膜厚を薄くすることが可能になるので、圧力容器の軽量・コンパクト化を図ることができる。
さらに、保護層の形成後においても、繊維材が未発泡の熱発泡性材の脱落を防止する。
加えて、補強層の外表面に保護層を形成する際に、熱発泡性材の液垂れを防止することができ、熱発泡性材の膜厚を所定の厚さに確保することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、保護層に対する耐水性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明に係る圧力容器としての水素タンクを備えた燃料電池車両の概略構成図である。
【図２】受熱前の圧力容器の一部を断面にして示す図である。
【図３】発泡前の保護層の断面図である。
【図４】保護層の熱発泡性材が発泡した状態を示す図２に相当する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明に係る圧力容器の実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施例は、この発明に係る圧力容器を、燃料電池車両に搭載される水素タンク（燃料タンク）に適用した態様である。
図１は、燃料電池車両の概略構成を示す図であり、燃料電池車両１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック（燃料電池）２と、高圧の水素を貯蔵する水素タンク（圧力容器）３と、水素タンク３から放出される高圧の水素を減圧する減圧弁４と、燃料電池スタック２に酸素を含む空気を供給するコンプレッサ５と、希釈器６等を備えている。
【００１６】
燃料電池スタック２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソードおよびアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路２ａおよびカソード流路２ｃが形成されている。
【００１７】
空気はコンプレッサ５により所定圧力に加圧され、空気供給流路７を通って燃料電池スタック２のカソード流路２ｃに供給される。カソード流路２ｃに供給された空気は、発電に供された後、空気オフガスとして燃料電池スタック２から排出され、空気排出流路８を通って希釈器６に排出される。なお、コンプレッサ５は、燃料電池スタック２や、燃料電池スタック２で発電した電気を蓄電する高圧バッテリ（図示略）を電源としている。
空気排出流路８には、燃料電池スタック２のカソード流路２ｃにおける空気圧力を調整するための背圧弁９が設けられている。
図示しない電子制御装置は、アクセル開度に基づいて、要求電力、目標空気圧力、目標水素圧力を算出し、目標空気圧力となるように、背圧弁９の開度およびコンプレッサ５の回転速度を制御する
【００１８】
一方、水素は、水素タンク３に高圧で貯蔵されており、水素タンク３から放出された水素は、水素供給流路１０を通り、水素供給流路１０に設けられた減圧弁４によって減圧されて、燃料電池スタック２のアノード流路２ａに供給される。減圧弁４は、空気供給流路７から導圧管１１を介して入力される空気の圧力（すなわち、カソード圧力）を信号圧として、水素タンク３から供給される高圧の水素を、前記信号圧よりも所定圧力だけ高い圧力となるように減圧する。これにより、燃料電池スタック２のカソードとアノードの間の極間差圧を所定の圧力に保持する。
【００１９】
燃料電池スタック２で消費されなかった未反応の水素は、燃料電池スタック２から水素オフガスとして排出され、水素オフガス流路１２を通って希釈器６に排出される。そして、希釈器６において水素オフガスは空気オフガスと混合されて希釈され、混合ガスが希釈器６から排気管１３を介して外部に排出される。
【００２０】
コンプレッサ５は作動すると熱を発生する熱源であり、この実施例では、コンプレッサ５で発生した熱の一部が水素タンク３に伝達する場合で説明する。コンプレッサ５で発生した熱を水素タンク３が受熱したときに、その熱が水素タンク３の内部まで伝わってしまうと、水素タンク３に貯蔵された水素が膨張し、水素の圧力が増大してしまう。そこで、この実施例の水素タンク３では、水素タンク３が外部から受熱しても、内部にまで熱が伝わり難い構造を採用している。なお、このように水素タンク３に熱を与える熱源としては、コンプレッサ５の外に、電子制御装置、冷媒ポンプ、高圧バッテリ、ＰＤＵ、ドライブトレイン等、種々挙げることができる。
【００２１】
以下、水素タンク３の構造を説明する。
図１に示すように、水素タンク３は略円筒状をなし、燃料電池車両１に長手方向（軸方向）を水平にして設置されている。水素タンク３の口金３ａには、プレッシャリリーフバルブ（図示略）が内蔵されている。
【００２２】
図２は、水素タンク３の周壁部の一部を破断して示したものである。水素タンク３は、一番内側の壁部を構成しその内側が水素の貯蔵室２０となる略円筒状のアルミニウム合金製のライナー２１と、ライナー２１を覆うようにライナー２１の外表面に形成された補強層２２と、補強層２２を覆うように補強層２２の外表面に形成された保護層２３と、保護層２３を覆うように保護層２３の外表面に形成された防水層２４と、を備えて構成されている。
【００２３】
補強層２２は、ライナー２１を補強して機械的強度を上げるもので、種々の繊維強化プラスチックのうち、一例として炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic 、以下ＣＦＲＰと略す）で構成されている。補強層２２は、例えば、熱硬化性樹脂が含浸された長い炭素繊維を、ライナー２１に所定に巻回した後、前記熱硬化性樹脂を硬化させることによって形成することができる。
【００２４】
保護層２３は、補強層２２が損傷するのを防止するとともに、受熱したときに断熱層を形成して内部に熱が伝わり難くするものである。
保護層２３は、例えば、長いガラス繊維の束を、未発泡の熱発泡性樹脂を水で溶かしてなる熱発泡性樹脂溶液に浸し、前記ガラス繊維に熱発泡性樹脂溶液を含浸させ、これを補強層２２の外表面に沿って円周方向に巻き付け、乾燥させ固化することによって形成することができる。なお、熱発泡性樹脂としては、例えばポリ燐酸アンモニウム等の発泡剤を成分とする公知の熱発泡性断熱塗料を例示することができる。
【００２５】
図３はこのようにして形成された保護層２３の断面図であり、未発泡の熱発泡性樹脂層（熱発泡性材）２３ａに多数のガラス繊維（繊維材）２３ｂが隙間を有して配置されている。換言すると、ガラス繊維２３ｂとガラス繊維２３ｂとの間に未発泡の熱発泡性樹脂層２３ａが介在している。
この未発泡の熱発泡性樹脂層２３ａは、外部から加熱され温度上昇すると軟化し、発泡剤が発泡温度に到達すると、ガスを発生して発泡し、内部に多数の気泡が形成されて膨張する。なお、熱発泡性樹脂層２３ａが発泡する温度は、発泡剤の発泡温度によって決まるので、発泡剤を変更することによって所望の温度に設定することが可能である。
防水層２４は、保護層２３に耐水性を付与するものであり、例えばウレタン樹脂で構成することができる。
【００２６】
このように構成された水素タンク３によれば次の作用効果が得られる。
補強層２２の外側に保護層２３を設けているので、水素タンク３に小石等が飛んできても、保護層２３によって補強層２２が保護され、小石等が補強層２２に直接ぶつかることがないので、補強層２２が傷付くことがない。
保護層２３の外側に防水層２４が設けられているので、水素タンク３が雨水等により被水しても、水は防水層２４によって遮断され保護層２３にまで浸入することがない。その結果、水溶性の熱発泡性樹脂層２３ａを備える保護層２３を、長期に亘って適正な状態に保持することができる。
【００２７】
また、コンプレッサ５がその作動により発熱し、その熱が水素タンク３に伝わり、保護層２３の熱発泡性樹脂層２３ａの温度が所定の発泡温度に上昇すると、熱発泡性樹脂層２３ａが軟化し、発泡して、膨張し、図４に示すように、ガラス繊維２３ｂをそのままの位置に残して、熱発泡性樹脂層２３ａだけがガラス繊維２３ｂより上方まで膨出し、その上部に気泡からなる断熱層２３ｃが形成される。
【００２８】
これにより、水素タンク３においてコンプレッサ５から熱を受けた部分の表面が断熱層２３ｃにより覆われることとなり、コンプレッサ５で発生した熱は、断熱層２３ｃによって断熱されるため、熱が内部（ライナー２１に接近する方向）に伝わり難くなり、貯蔵室２０への入熱量を抑制することができる。その結果、ライナー２１内に充填されている水素の温度も上昇し難くなり、水素が膨張するのを抑制することができ、水素の圧力上昇を抑制することができる。
したがって、図１に示す減圧弁４の一次側圧力が、コンプレッサ５の発熱の影響を受けて上昇することがない。
【００２９】
よって、減圧弁４を制御範囲が広範囲のものにする必要がなく、燃料電池車両１を低コストで製造可能となる。そして、減圧弁４は、水素を適切な圧力に減圧・調整することができ、水素を適切な圧力でアノード流路２ａに供給することができるので、過剰な水素供給による燃料電池スタック２の劣化を防止することもできる。また、過剰な水素供給がなくなるので、消費されずに燃料電池スタック２から排出される水素の量が増加せず、燃料電池車両１の燃費（水素の消費効率）が低下するのを防止することができる。
なお、水素タンク３の全外周面で受熱して、総ての保護層２３の熱発泡性樹脂層２３ａが発泡温度まで上昇した場合には、水素タンク３の全外周に断熱層２３ｃが形成されることとなる。
【００３０】
ところで、ガラス繊維２３ｂを有さずに、補強層２２の外周面に熱発泡性樹脂溶液を直に塗った場合には、固化する前に熱発泡性樹脂溶液が垂れてしまうので、１回の塗布で形成することができる熱発泡性樹脂層の膜厚が薄くなり、所定の膜厚を得るには複数回塗布しなければならず、工数が多くなり、生産性が低い。また、熱発泡性樹脂層の膜厚が不均一であると、一番膜厚の薄い部分で所定膜厚を確保するため、全体的に見ると膜厚を厚くせざるを得ない。
【００３１】
これに対して、この実施例の保護層２３は、ガラス繊維２３ｂに熱発泡性樹脂溶液を含浸させ、これを補強層２２の外表面に沿って円周方向に巻き付け、乾燥させ固化することによって形成するので、固化するまでの間も、ガラス繊維２３ｂとガラス繊維２３ｂの間に熱発泡性樹脂溶液を保持させることができ、保護層２３の形成中に熱発泡性樹脂溶液が液垂れすることがない。その結果、ガラス繊維２３ｂとガラス繊維２３ｂの間に未発泡の熱発泡性樹脂層２３ａを介在させることができ、保護層２３の未発泡の熱発泡性樹脂層２３ａの膜厚を所定の厚さに均一に形成することができる。また、膜厚の均一化が可能なことから、未発泡の熱発泡性樹脂層２３ａの膜厚を薄くすることができ、その結果、水素タンク３を軽量にすることが可能となる。しかも、工数を減らすことができ、生産性が向上する。
【００３２】
また、保護層２３は、ガラス繊維２３ｂとガラス繊維２３ｂの間に熱発泡性樹脂層２３ａを介在させて構成されているので、衝撃等を受けたときに、熱発泡性樹脂層２３ａが脱落するのを防止することができる。
【００３３】
なお、この実施例における水素タンク３では、ライナー２１の直径は５０〜７０ｃｍ、補強層２２の厚さは１０〜１００ｍｍ、保護層２３の厚さは０．０５〜５ｍｍ、防水層２４の厚さは０．０５〜５μｍ、保護層２３のガラス繊維２３ｂの直径は１〜５０μｍを例示することができる。
【００３４】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、保護層２３の繊維材をガラス繊維で構成したが、これに限るものではなく、炭素繊維等であってもよい。
また、保護層２３の熱発泡性樹脂層２３ａは水溶性ではなく、油性のものを適宜選択してもよい。
また、前述した実施例では、圧力容器の貯蔵室に貯蔵される物質を水素としたが、貯蔵物は水素に限るものではなく、例えば、酸素、窒素、天然ガス（メタン）等であってもよい。
【００３５】
また、前述した実施例では、燃料電池車両に搭載された燃料タンクとしての水素タンクの態様で説明したが、搭載される対象は車両に限らず、船舶、航空機等であってもよいし、あるいは、地上に固定されて使用される据え置き型であってもよい。さらに、圧力容器は燃料タンクに限るものではない。
【符号の説明】
【００３６】
３  水素タンク（圧力容器）
２１  ライナー
２２  補強層
２３  保護層
２３ａ  熱発泡性樹脂層（熱発泡性材）
２３ｂ  ガラス繊維（繊維材）
２４  防水層
【図１】
0005116807.tif 000002
【図２】
0005116807.tif 000003
【図３】
0005116807.tif 000004
【図４】
0005116807.tif 000005