(57)【要約】【課題】水素充填構造におけるノズル抜き差し時に発生する可能性の高い金属の凝着を抑制することができる。【解決手段】水素充填構造１００は、ノズル１０とノズル１０が挿入接続される差込口２２を有するレセプタクル２０とからなり、ノズル１０とレセプタクル２０とは、同一金属からなり、一方レセプタクル２０と接触するノズル１０の先端部表面には、レセプタクル２０と異なる材料により表面処理された表面処理部１６が設けられ、ノズル１０と接触するレセプタクル２０の差込口２２の開口部内周面には、ノズル１０と異なる材料により表面処理された表面処理部２６が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レセプタクルとノズルとを有し前記レセプタクルとノズルとが同一金属から構成される水素充填構造であって、
前記レセプタクルとノズルとの接触面の少なくとも一方には、他方と異なる材料により表面処理されていることを特徴とする水素充填構造。
【請求項２】
挿入されたノズルと同一金属で構成されるレセプタクルを備える水素充填構造であって、
前記レセプタクルと挿入されるノズルとの接触面の少なくとも一方に、他方と異なる材料により表面処理されていることを特徴とする水素充填構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の水素充填構造において、
前記接触面は、前記レセプタクルへ前記ノズルを抜き差しする際に抜き差し荷重がかかる面であることを特徴とする水素充填構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水素充填構造において、
前記接触面は、前記レセプタクルの差込開口部内周面であることを特徴とする水素充填構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水素充填構造において、
前記接触面は、前記ノズルの先端部表面であることを特徴とする水素充填構造。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水素充填構造において、
前記ノズルとレセプタクルは、ステンレス鋼からなり、
前記接触面に表面処理する異なる材料は、アルミニウム、チタン、テトラフルオロエチレン及びナイロンからなる群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする水素充填構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素充填構造、特にノズルとレセプタクルの抜き差し荷重を低減可能な水素充填構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車には、燃料電池が搭載されている。また、燃料電池として、例えば固体高分子型燃料電池を用いることができ、この固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ2）を含有するガスあるいは空気が供給され、燃料極に供給された水素含有ガスは、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ+）に分解され、電子は外部回路を通って、燃料極から空気極に移動し、電流が作り出される。一方、水素イオン（Ｈ+）は、燃料極と空気極とに挟持された電解質膜を通過して空気極に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合することによって、反応水（Ｈ2Ｏ）を生成する。
【０００３】
上述した燃料電池に水素含有ガス（例えば、水素ガス）を供給するため、電気自動車やハイブリッド自動車には、水素燃料貯蔵システムが搭載されている。この水素燃料貯蔵システムは、高圧水素容器と、水素ステーションのディスペンサーから上記高圧水素容器に高圧水素を充填する際の締結部分となる水素充填コネクタとを有する。
【０００４】
図４に示すように、従来の水素充填コネクタ３００は、水素ガスを供給するノズル（図示せず）と、前記ノズルが挿入される差込口７２を有するレセプタクル７０とを有し、レセプタクル７０の差込口７２の近傍にガスをシールするためのＯリング７４が設けられている。図９に示す水素充填コネクタ３００は、３５ＭＰａの高圧水素ガスの充填に用いられる水素充填構造であり、ＩＳＯ１７２６８に準拠した水素充填コネクタの標準形状である。
【０００５】
図４に示すような水素充填コネクタ３００によって、３５ＭＰａの高圧水素ガスが高圧水素容器に充填された車両の航続距離は、概略３５０ｋｍであり、市場で要望される航続距離５００ｋｍに比べ航続距離が不足していた。一方、車両パッケージの制約上、高圧水素容器を大型化することは困難であるため、近年、高圧水素ガスの充填圧を３５ＭＰａから７０ＭＰａへ高圧化することが提案されている。この充填ガスの高圧化に伴い、水素充填コネクタにおけるノズル径を小径化する必要が生じ、その結果、ノズル長が長くなり、ノズル先端付近におけるガスシール性も要求されている。
【０００６】
例えば、７０ＭＰａによる水素充填可能なドイツの１社から提案された水素充填コネクタの新規構造（以下「ドイツ提案形状」という）の一例を、図５に示す。図５に示すように、ドイツ提案形状の水素充填コネクタ４００は、ガス供給路１２を有するノズル１０と、ノズル１０が挿入接続される差込口８２を有するレセプタクル８０とからなり、レセプタクル８０は、差込口８２の近傍に設けられガスシールのための第１のＯリング８４と、第１のＯリング８４よりガス供給の下流側に設けられガスシールのための第２のＯリング８８とを備え、第２のＯリング８８は、接合材８７によってその一部がレセプタクル８０の凹部に接合されている。
【０００７】
また、７０ＭＰａによる水素充填可能な日本の１社から提案された水素充填コネクタの新規構造（以下「日本提案形状」という）の一例を、図６に示す。図６に示すように、日本提案形状の水素充填コネクタ５００は、ガス供給路９２を有するノズル９０と、ノズル９０が挿入接続される差込口２２を有するレセプタクル２０とからなり、レセプタクル４０は、差込口４２の近傍に設けられガスシールのための第１のＯリング４４が設けられ、一方ノズル９０のノズル先端には、ガスシールのための第２のＯリング９８が設けられ、第２のＯリング９８は、接合材９７によってその一部がノズル９０の先端付近に設けられた凹部に接合されている。
【０００８】
しかしながら、上述したドイツ提案形状及び日本提案形状のいずれも、従来の形状に比べ、ノズル長が長いため、ノズルをレセプタクルに対し抜き差しする際に、両者の表面の接触頻度が高くなる。さらに、レセプタクルの差込口にやや斜めに挿入された場合には、接触面に荷重がかかり擦れるため、例えば両者の表面の金属酸化皮膜が剥がれるおそれがある。上述したような擦れによる金属酸化皮膜の剥離した場合には、ノズルとレセプタクルの表面に清浄な金属表面が露出し、この清浄な金属表面同士が近接することによって、金属の凝着が起こり、金属凝着により、ノズルの抜き差し時の荷重が大きくなってしまう。
【０００９】
また、例えば７０ＭＰａの高圧水素ガスを充填させるために、上述したドイツ提案形状及び日本提案形状のいずれの場合も、高圧による強度確保のために例えばノズルの肉厚が従来に比べ厚くなり、その結果、ノズルの質量も大きくなる。そのため、特にノズルの差込時に擦れにより清浄な金属表面同士が露出した場合には、ノズル自重により金属の高い凝着力が発生し易くなる。これにより、さらにノズルの抜き差しの荷重が大きくなってしまう。
【００１０】
一方、特許文献１には、充填配管を燃料レセプタクルに挿入する構成であって、いずれの外周部にも同軸状にアース線、絶縁層、状態信号線、外被が設けられ、接続作業の簡略化を目的とした燃料充填システムが提案されている。しかしながら、特許文献１に記載の充填配管と燃料レセプタクルが同一金属からなる場合には、ノズルの抜き差し時に上述したような金属の凝着が発生する可能性は高く。
【００１１】
特許文献２には、光コネクタを挿入させるスリーブと、該スリーブを保持固定するスリーブ保持体とを備えた光半導体素子実装用レセプタクルが記載され、前記スリーブとスリーブ保持体とはステンレス等の金属材料からなる。但し、スリーブとスリーブ保持体の外周方向にモールド成型によって合成樹脂製の本体が形成されることから、スリーブとスリーブ本体とが直接接触した面は存在するものの、一体成型された後は、スリーブとスリーブ保持体が摺動する可能性はないため、上述した金属の凝着は生じ得ない。
【００１２】
また、特許文献３には、光ファイバー等に設けられたコネクタフェルールが挿入されるスリーブを装着する光半導体用レセプタクルにおいて、スリーブの挿入後の歪みを抑制するために、スリーブの外周面の少なくとも一部が外周に亘って樹脂封止されて、前記樹脂封止の部分は、スリーブ挿入後の歪みを抑制可能な、例えなネジ形状が刻設された所望の形状の樹脂成形部材からなることが記載されている。
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−１０４４９８号公報
【特許文献２】特開平５−１５０１４４号公報
【特許文献３】特開平７−３５９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、充填ガスの高圧化に伴い提案されている水素充填コネクタの新規構造において、いずれもノズル長が伸び、これにより、ノズル抜き差し時のノズルとレセプタクルと擦れが生じ、清浄な金属表面同士が露出した部分において金属の凝着が生じる可能性がある。また、ノズル長が伸び、さらに高圧に対する強度確保のためにノズルの肉厚増加に伴い、ノズルの質量が従来のノズルより重くなることから、特にノズルの差込時の擦れにより清浄な金属表面同士が露出した場合には、ノズル自重により金属の高い凝着力が発生し易くなる。その結果、上述したように、ノズルの抜き差しの荷重が大きくなってしまう。
【００１５】
なお、高圧水素充填構造では、ノズルとレセプタクルとは高圧にて使用され、強度が要求されることから、特許文献３のように、ノズルとレセプタクルとの境界部分に、所望の形状が形成された樹脂封止が存在する場合には、高圧時の強度は保てず、高圧ガスシール性が低下する可能性が高い。
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ノズル抜き差し時に発生するノズルとレセプタクルとの擦れによって発現する清浄な金属表面同士の金属の凝着を抑制する水素充填構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の水素充填構造は以下の特徴を有する。
【００１８】
（１）レセプタクルとノズルとを有し前記レセプタクルとノズルとが同一金属から構成される水素充填構造であって、前記レセプタクルとノズルとの接触面の少なくとも一方には、他方と異なる材料により表面処理されている水素充填構造である。
【００１９】
同一金属からなるレセプタクルとノズルの少なくとも一方に、他方と異なる材料によって表面処理されているため、ノズルの抜き差し時にノズルとレセプタクルとが接触して擦れ、例えば酸化皮膜が剥がれ清浄な金属表面同士が露出しても、金属が異なるため、両金属表面の金属原子の再結合が生じない。これにより、金属の凝着が抑制される。
【００２０】
（２）挿入されたノズルと同一金属で構成されるレセプタクルを備える水素充填構造であって、前記レセプタクルと挿入されるノズルとの接触面の少なくとも一方に、他方と異なる材料により表面処理されている水素充填構造である。
【００２１】
同一金属からなるレセプタクルとノズルの少なくとも一方に、他方と異なる材料によって表面処理されているため、ノズルの抜き差し時にノズルとレセプタクルとが接触して擦れ、例えば酸化皮膜が剥がれ清浄な金属表面同士が露出しても、金属が異なるため、両金属表面の金属原子の再結合が生じない。これにより、金属の凝着が抑制される。
【００２２】
（３）上記（１）または（２）に記載の水素充填構造において、前記接触面は、前記レセプタクルへ前記ノズルを抜き差しする際に抜き差し荷重がかかる面である水素充填構造である。
【００２３】
ノズルの抜き差し荷重がかかる部分は、金属の凝着が起こり易い場所であり、その部分に他方とは異なる金属により表面処理が施されることにより、仮にノズルの抜き差し時にノズルとレセプタクルとが接触して擦れ、例えば酸化皮膜が剥がれ清浄な金属表面同士が露出しても、金属が異なることから、両金属表面の金属原子の再結合が生じない。
【００２４】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の水素充填構造において、前記接触面は、前記レセプタクルの差込開口部内周面である水素充填構造である。
【００２５】
（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の水素充填構造において、前記接触面は、前記ノズルの先端部表面である水素充填構造である。
【００２６】
（６）上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の水素充填構造において、前記ノズルとレセプタクルは、ステンレス鋼からなり、前記接触面に表面処理する異なる材料は、アルミニウム、チタン、テトラフルオロエチレン及びナイロンからなる群から選択される少なくとも１種である水素充填構造である。
【００２７】
一般に、水素による強度低下の影響を受けにくい金属は少なく、特に高圧（例えば７０ＭＰａの圧力）に耐えられる金属は少なく、また加工容易性を考慮すると、ノズルとレセプタクルはステンレス鋼であることが好ましく、一方、接触面に表面処理する異なる材料を上述のものから選択することにより、高圧であっても水素充填構造の強度を確保することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、水素充填構造におけるノズル抜き差し時に発生する可能性の高い金属の凝着を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。また、本発明の水素充填構造として、７０ＭＰａ高圧ガス充填用の水素充填コネクタを例に取り、以下に説明する。
【００３０】
本発明の第１の実施の形態における水素充填構造の一例を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態における水素充填構造１００は、上述したドイツ提案形状において、ガス供給路１２を有するノズル１０と、ノズル１０が挿入接続される差込口２２を有するレセプタクル２０とからなり、レセプタクル２０は、差込口２２の近傍に設けられガスシールのための第１のＯリング２４と、第１のＯリング２４よりガス供給の下流側に設けられガスシールのための第２のＯリング２８とを備え、第２のＯリング２８は、接合材２７によってその一部がレセプタクル２０の凹部に接合されている。また、ノズル１０とレセプタクル２０とは、同一金属からなる。一方、レセプタクルとノズルとの接触面の少なくとも一方には、他方と異なる材料により表面処理されている。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態では、レセプタクル２０と接触するノズル１０の先端部表面に、その先端部表面の外周の全体又は部分的に、レセプタクル２０と異なる材料により表面処理された表面処理部１６が設けられている。また、ノズル１０と接触するレセプタクル２０の差込口２２の開口部内周面の全体又は部分的に、ノズル１０と異なる材料により表面処理された表面処理部２６が設けられている。なお、図１では、ノズル１０とレセプタクル２０のそれぞれに、表面処理部１６，２６を設けたが、これに限るものではなく、表面処理部１６，２６のいずれか一方を備える構成であっても、後述する金属の凝着を抑制することはできる。なお、表面処理部１６が形成されていることがより好ましく、これにより水素充填構造の深部での金属凝着を抑制でき、ノズルの抜く際の荷重を低減することができる。
【００３２】
したがって、図３に示すように、ノズル１０をレセプタクル４０に白抜き矢印方向に差し込む際に、破線で囲んだＡの部分で、ノズル１０の表面とレセプタクル２０の差込口２２の開口部内周面とが接触し場合によって擦れ、また同様に、破線で囲んだＢ部分では、ノズル１０の先端部とレセプタクル２０の内周面とが接触し場合によって擦れる。その結果、ノズル１０及びレセプタクル２０の金属酸化皮膜が剥離した場合には、両者とも清浄な同じ金属表面が露出してしまう。しかしながら、本実施の形態では、ノズル１０の先端部表面に表面処理部１６が形成され、レセプタクル２０の差込口２２の開口部内周面に表面処理部２６が形成されているので、ノズル１０とレセプタクル２０との露出した清浄な金属表面の金属は異なる。したがって、両金属表面の金属原子は再結合しないので、金属の凝着が抑制される。
【００３３】
ここで、本明細書における『金属の凝着』とは、ノズルとレセプタクルとが擦れて金属の酸化皮膜などが剥離した後に、清浄な金属表面が露出した後に起こる現象をいい、ノズルの露出した清浄な金属表面の金属と、レセプタクルの露出した清浄な金属表面の金属との間で金属原子が再結合することをいう。
【００３４】
さらに、上述したように、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素充填構造は、従来の構造に比べ、ノズル長が伸び、さらに高圧に対する強度確保のためにノズルの肉厚が厚くなっていることから、ノズルの質量が従来より重くなる。本実施の形態では、特にノズル１０をレセプタクル２０に差し込んだ際に、擦れが生じても、表面処理部１６，２６が形成されているため、清浄な金属表面同士が露出することはなく、したがって、ノズル１０の自重（図３の黒矢印方向の重さ）がかかっても、金属凝着を抑制できる。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施の形態における水素充填構造の一例を図２に示す。図２に示すように、本実施の形態における水素充填構造２００は、上述した日本提案形状において、ガス供給路３２を有するノズル３０と、ノズル３０が挿入接続される差込口４２を有するレセプタクル４０とからなり、レセプタクル４０は、差込口４２の近傍に設けられガスシールのための第１のＯリング４４が設けられ、一方ノズル３０のノズル先端には、ガスシールのための第２のＯリング３８が設けられ、第２のＯリング３８は、接合材３７によってその一部がノズル９０の先端付近に設けられた凹部に接合されている。また、ノズル３０とレセプタクル４０とは、同一金属からなる。一方、レセプタクルとノズルとの接触面の少なくとも一方には、他方と異なる材料により表面処理されている。
【００３６】
図２に示すように、本実施の形態では、レセプタクル４０と接触するノズル３０の先端部表面に、その先端部表面の外周の全体又は部分的に、レセプタクル４０と異なる材料により表面処理された表面処理部３６が設けられている。また、ノズル３０と接触するレセプタクル４０の差込口４２の開口部内周面の全体又は部分的に、ノズル３０と異なる材料により表面処理された表面処理部４６が設けられている。なお、図２では、ノズル３０とレセプタクル４０のそれぞれに、表面処理部３６，４６を設けたが、これに限るものではなく、表面処理部３６，４６のいずれか一方を備える構成であっても、前述した金属の凝着を抑制することはできる。なお、表面処理部１６が形成されていることがより好ましく、これにより水素充填構造の深部での金属凝着を抑制でき、ノズルの抜く際の荷重を低減することができる。
【００３７】
なお、図２に示す第２の実施の形態における水素充填構造においても、上述した第１の実施の形態と同様に、ノズル３０をレセプタクル４０に白抜き矢印方向に差し込む際に、ノズル３０の表面とレセプタクル４０の差込口４２の開口部内周面とが接触し場合によって擦れ、また同様に、ノズル３０の先端部とレセプタクル４０の内周面とが接触し場合によって擦れる。その結果、ノズル３０及びレセプタクル４０の金属酸化皮膜が剥離した場合には、両者とも清浄な同じ金属表面が露出してしまう。しかしながら、本実施の形態では、ノズル３０の先端部表面に表面処理部３６が形成され、レセプタクル４０の差込口４２の開口部内周面に表面処理部４６が形成されているので、ノズル３０とレセプタクル４０との露出した清浄な金属表面の金属は異なる。したがって、両金属表面の金属原子は再結合しないので、金属の凝着が抑制される。
【００３８】
上述した第１，第２の実施の形態における水素充填構造において、ノズル１０，３０及びレセプタクル２０，４０は同一金属からなり、水素による強度低下の影響を受けにくく、特に高圧（例えば７０ＭＰａの圧力）に耐えられ、また加工容易性を考慮すると、ステンレス鋼が好ましい。上記ステンレス鋼としては、例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６やＳＵＳＭＸ７などのオーステナイト系ステンレス、ＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４１６やＳＵＳ４２０などのマルテンサイト系ステンレスと、ＳＵＳ６３１などの析出硬化系ステンレスなどのステンレス鋼が挙げられるが、より好ましくはＳＵＳ３１６やＳＵＳＭＸ７などのオーステナイト系ステンレスである。
【００３９】
一方、上記表面処理部１６，２６，３６，４６に用いる部材は、上記ステンレス鋼と異なる材料であれば如何なるものでもよいが、例えば、加工の容易性及び高圧であっても水素充填構造の強度を確保可能な点で、アルミニウム、チタン、テトラフルオロエチレン及びナイロンからなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。
【００４０】
また、表面処理部１６，２６，３６，４６をノズル１０，３０及びレセプタクル２０，４０に形成する場合には、両者の当接摺動時にかかる力及び当接個所を考慮し、適宜その厚みを選択する。例えば、表面処理部１６，３６をノズル１０，３０に形成する場合、ノズル径が８ｍｍの場合には、表面処理部１６，３６の厚みは０．１μｍから０．２μｍであることが好ましい。
【００４１】
また、上記表面処理部１６，２６，３６，４６がステンレス鋼と異なる金属材料、例えばアルミニウム、チタンによって形成する場合、例えば鋳包み、圧入、スパッタリング、蒸着によって異なる金属材料で、表面処理部１６，２６，３６，４６を形成することができる。例えば、ノズル１０，３０の先端にそれぞれアルミニウムからなる表面処理部１６，３６を鋳包みによって形成する場合、ノズル１０，３０をステンレス鋼で型を作り、次いでステンレス鋼が冷却される前に、アルミニウム入りの窯にノズル先端を付けて冷却することによって作製することができる。また、ノズル１０，３０の先端にそれぞれアルミニウムからなる表面処理部１６，３６を圧入によって形成する場合、ノズル１０，３０をステンレス鋼で型を作り、次いで冷却される前にアルミニウムの輪をノズル先端に加圧挿入することによって作製することができる。なお。レセプタクル２０，４０における表面処理部２６，４６の形成も上記同様の具体的な方法により形成することができる。
【００４２】
また、上記表面処理部１６，２６，３６，４６がステンレス鋼と異なる金属材料、例えばテトラフルオロエチレン又はナイロンによって形成する場合、テープ状であれば、該当個所にテーピングしてもよく、また液体塗布して形成してもよい。
【００４３】
以上、本実施の形態では、表面処理部１６，２６，３６，４６をノズルとレセプタクルのそれぞれに部分的に形成したが、これに限るものではなく、ノズル表面及びレセプタクルの内表面の全体に形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の水素充填構造は、ガスを供給するための用途であれば如何なる用途でも良いが、特に高圧ガス充填に適しており、さらに車両等の移動体に搭載される水素充填コネクタの用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施の形態における水素充填構造の一例を示す一部破断断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における水素充填構造の一例を示す一部破断断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における水素充填構造のノズル挿入時の荷重を説明する図である。
【図４】充填ガス圧３５ＭＰａ仕様の水素充填コネクタの構造の一例を示す一部破断断面図である。
【図５】充填ガス圧７０ＭＰａ仕様のドイツ提案形状の水素充填コネクタの構造の一例を示す一部破断断面図である。
【図６】充填ガス圧７０ＭＰａ仕様の日本提案形状の水素充填コネクタの構造の一例を示す一部破断断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０，３０  ノズル、１２，３２  ガス供給路、１６，２６，３６，４６  表面処理部、２０，４０  レセプタクル、２２，４２  差込口、２４，４４  第１のＯリング、２６，３６  異物除去部材、２７，３７  接合材、２８，３８  第２のＯリング、１００，２００  水素充填構造。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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