CN106989265A - 高压罐 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高压罐，在具备加强层及保护层的高压罐中，加强层及保护层有时使用同一树脂。在这样的高压罐中，在树脂的固化时产生的气泡可能会残存于罐表面。而且，在高压罐的使用时在罐表面可能会产生白浊。高压罐具备：内衬、包括热固化性的第一树脂和纤维而形成于内衬上的加强层及包括热固化性的第二树脂而形成于所述加强层上的保护层，作为第二树脂的凝胶化温度的第二凝胶化温度比作为第一树脂的凝胶化温度的第一凝胶化温度高，在第一凝胶化温度下，第二树脂的粘度比第一树脂的粘度低。

Description

高压罐
技术领域
本发明涉及高压罐。
背景技术
作为将氢气等流体以高压填充的高压罐，提出了具备内衬、形成于内衬的表面上的碳纤维等纤维强化树脂制的加强层、形成于加强层的表面上的玻璃纤维等纤维强化树脂制的保护层的高压罐(例如，参照专利文献1)。
【专利文献1】日本特开2010-90938号公报
发明内容
【发明要解决的课题】
在如上所述具备加强层及保护层的高压罐中，为了确保罐强度，有时将伸展、韧性高的相同的树脂用于加强层及保护层。在这样的高压罐中，在树脂的固化时，树脂内在的气体可能作为气泡而残存于罐表面。而且，在高压罐的使用时，罐表面可能会产生白浊。
【用于解决课题的方案】
本发明为了解决上述的课题而作出，可以作为以下的方式实现。
根据本发明的一方式，提供一种高压罐。该高压罐具备：内衬、包括热固化性的第一树脂和纤维而形成于所述内衬上的加强层及包括热固化性的第二树脂而形成于所述加强层上的保护层，作为所述第二树脂的凝胶化温度的第二凝胶化温度比作为所述第一树脂的凝胶化温度的第一凝胶化温度高，在所述第一凝胶化温度下，所述第二树脂的粘度比所述第一树脂的粘度低。
在此，保护层可以仅由第二树脂(不包含添加剂)形成，也可以由第二树脂与纤维的复合材料(所谓纤维强化树脂)形成。
在该方式的高压罐中，形成保护层的热固化性树脂的凝胶化温度比形成加强层的热固化性树脂的凝胶化温度高，因此在通过同时加热而使保护层和加强层固化的情况下，保护层的固化比加强层的固化慢。而且，加强层包含的树脂的凝胶化点下的粘度比保护层低。因此，在加强层的固化过程中残存于树脂的内部的气体从保护层向外部排出。其结果是，在固化完成之前能够排出较多的气体，因此能够抑制高压罐的表面的气泡的残存，能够提高表面性状。
在上述方式的高压罐中，可以是，所述高压罐具备呈大致圆筒状的圆筒部，所述第一树脂的断裂应变比基准应变大，所述基准应变是所述高压罐的规定的耐压试验中的所述高压罐的所述圆筒部的中心轴方向产生的拉伸应变，所述第二树脂的断裂应变比所述基准应变小。这样的话，在高压罐的出厂前，通过进行规定的耐压试验，能够使保护层产生微小的裂纹。其结果是，在高压罐的使用时，在高压罐内的气体透过内衬及加强层之际，经由保护层的微小的裂纹能够将透过气体向高压罐外排出，因此能够抑制高压罐表面的白浊。
在上述方式的高压罐中，所述加强层的纤维可以是碳纤维。换言之，加强层可以是碳纤维与第一树脂的复合材料即碳纤维强化树脂制。这样的话，能够构成高耐压性的高压罐。
在上述方式的高压罐中，所述保护层可以包括玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维。换言之，保护层可以是玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维与第二树脂的复合材料即纤维强化树脂制。这样的话，能够构成耐受来自外部的冲击强的高压罐。
上述的本发明的各方式具有的多个构成要素并非全部必须，为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现本说明书记载的效果的一部分或全部，可以对所述多个构成要素的一部分的构成要素，适当进行其变更、删除、与新的其他的构成要素的替换、限定内容的一部分删除。而且，为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现本说明书记载的效果的一部分或全部，可以将上述的本发明的一方式包含的技术特征的一部分或全部与上述的本发明的其他的方式包含的技术特征的一部分或全部组合，作为本发明的独立的一方式。
另外，本发明能够以各种形态实现。例如，能够以具备高压罐的燃料电池系统、搭载有该燃料电池系统的移动体等方式实现。
附图说明
图1是表示作为本发明的一实施方式的高压罐的概略结构的剖视图。
图2是表示第一树脂及第二树脂的温度-粘度特性的图。
图3是概念性地说明比较例的高压罐中的白浊的生成的说明图。
图4是概念性地表示本实施方式的高压罐中的白浊的抑制的说明图。
具体实施方式
A.第一实施方式：
A1.高压罐的结构：
图1是表示作为本发明的一实施方式的高压罐的概略结构的剖视图。在本实施方式中，高压罐100例如是用于填充压缩氢的高压罐。高压罐100例如为了向燃料电池供给氢而搭载于燃料电池车。另外，高压罐100并不局限搭载于燃料电池车，也可以搭载于电动汽车、混合动力汽车等其他的车辆，还可以搭载于船舶、飞机、机器人等其他的移动体。而且，可以设于住宅、大楼等的固定设备。
高压罐100是中空容器，具有呈大致圆筒形状的圆筒部102和一体地设置在圆筒部102的两端的大致半球状的圆顶部104。在图1中，圆筒部102与圆顶部104的交界由虚线表示。高压罐100具备内衬10、加强层20、保护层25、管头30、管头40。以下，将安装有管头30及管头40的内衬10也称为“罐主体”。
内衬10由尼龙树脂构成，具有以使填充于内部空间的氢等不向外部泄漏的方式进行隔断的性质(所谓气体阻隔性)。内衬10可以使用聚乙烯系树脂等的具有气体阻隔性的其他的合成树脂或不锈钢等金属来制作。
加强层20以覆盖罐主体的外表面的方式形成。详细而言，加强层20以覆盖内衬10的整个外表面和管头30、40的一部分的方式形成。加强层20由热固化性的第一树脂与碳纤维的复合材料即碳纤维强化树脂(CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastics)构成，具有耐压性。在本实施方式中，作为第一树脂，使用具有胺系或无水物系的固化促进剂、及橡胶系的强化剂的环氧树脂。第一树脂不限于环氧树脂，也可以使用不饱和聚酯树脂等其他的热固化性树脂。关于第一树脂的性质(性能)，在后文叙述。
保护层25形成于加强层20上。保护层25由热固化性的第二树脂与玻璃纤维的复合材料即玻璃纤维强化树脂(GFRP：Glass Fiber Reinforced Plastics)构成，具有比加强层20高的耐冲击性。在本实施方式中，作为第二树脂，使用以成为与上述的第一树脂不同的性质(性能)的方式比第一树脂减少了固化促进剂及强化剂的量或者不添加固化促进剂及强化剂的环氧树脂。第二树脂不限于环氧树脂，也可以使用不饱和聚酯树脂等其他的热固化性树脂。关于第二树脂的性质(性能)，在后文叙述。
管头30、40分别安装在内衬10的2个开口端。管头30作为高压罐100的开口发挥功能，并且作为用于向罐主体安装配管或阀的安装部发挥功能。而且，在形成加强层20及保护层25时，管头30、40也作为用于将罐主体向纤维缠绕装置安装的安装部发挥功能。
加强层20及保护层25例如可以通过以下的方法形成。准备在内衬10安装有管头30、40的罐主体(步骤S12)。使用罐主体作为心轴，将浸渍有第一树脂的碳纤维在罐主体的周围卷缠了规定的匝数之后，在其上，将浸渍有第二树脂的玻璃纤维卷缠规定的匝数(步骤S14)。在步骤S14中制作的结构以下称为“包覆完罐主体”。然后，将包覆完罐主体放入加热炉内，以第一树脂的第一凝胶化温度(例如，约80～100℃)加热约2小时(步骤S16)。然后，升温成第二树脂的凝胶化温度(例如，约120～140℃)并加热约2小时(步骤S18)。由此，环氧树脂被固化，形成加强层20及保护层25。
在加强层20及保护层25的形成过程中，在加强层20及保护层25的内部存在气体。这些气体可认为是环氧树脂自身包含的空气、或者在纤维束的卷绕时被卷入的空气、或者由环氧树脂固化反应而产生的气体等。这些气体在加强层20及保护层25的形成过程中透过液状的环氧树脂向外部排出。
图2是表示第一树脂及第二树脂的温度-粘度特性的图。在图2中示出将粘度的轴设为对数刻度的半对数坐标图。作为第二树脂的凝胶化温度的第二凝胶化温度T2比作为第一树脂的凝胶化温度的第一凝胶化温度T1高。在第一凝胶化温度T1下，第二树脂的粘度η2比第一树脂的粘度η1低。第一凝胶化温度T1及第二凝胶化温度T2只要是第一凝胶化温度T1<第二凝胶化温度T2即可。例如，第一凝胶化温度为约80～100℃，第二凝胶化温度T2为约100～120℃。第一凝胶化温度T1与第二凝胶化温度T2的温度差ΔT为约10～30℃时，在第一树脂及第二树脂的固化过程中，第一树脂及第二树脂内在的气体容易向外部放出，因此优选。第一凝胶化温度T1下的第一树脂的粘度η1及第二树脂的粘度η2只要是第二树脂的粘度η2<第一树脂的粘度η1即可。例如，第一凝胶化温度T1下的第一树脂的粘度η1为约0.2～0.3Pas，第一凝胶化温度T1下的第二树脂的粘度η1为约0.08～0.1Pas。第一凝胶化温度T1下的第一树脂的粘度η1与第二树脂的粘度η2的粘度差Δη为约0.1～0.3Pas时，在第一树脂及第二树脂的固化过程中，第一树脂及第二树脂内在的气体容易向外部放出，因此优选。
在本实施方式的高压罐100中，如上所述将浸渍有液状的第一树脂的碳纤维卷缠于内衬10，在其上卷缠了浸渍有液状的第二树脂的玻璃纤维之后，进行加热而使第一树脂及第二树脂固化。在此，第二树脂的凝胶化温度T2比第一树脂的凝胶化温度T1高，因此第二树脂的固化比第一树脂慢。即，即使第一树脂发生凝胶化，而第二树脂也还未凝胶化。因此，在加强层20的固化过程中产生的气体等加强层20内在的气体经由保护层25的液状的第二树脂，容易向外部放出。而且，在第一树脂的凝胶化温度T1下，第二树脂的粘度η2比第一树脂的粘度η1低。树脂的粘度越低，气体越容易逃散，因此容易使加强层20内在的气体从保护层25向外部逃散。如图2所示，第一树脂及第二树脂的粘度直至各自的凝胶化温度为止根据温度的上升而粘度降低。树脂的粘度越低，气体越容易放出，在树脂凝胶化之后，气体难以放出。因此，在第一凝胶化温度T1下，第二树脂的粘度η2比第一树脂的粘度η1低时，在直至第一树脂凝胶化为止期间，加强层20内在的气体从接近表面的保护层25容易排出。
例如，在加强层20和保护层25使用了同一性质(凝胶化温度及粘度)的环氧树脂的情况下，加强层20与保护层25同时凝胶化，因此配置于比保护层25靠内侧的加强层20内在的气体难以排出，可能作为气泡而残存于罐表面。而且，在第一树脂的凝胶化温度下，在第二树脂的粘度比第一树脂的粘度高的情况下，加强层20内在的气体可能会积存在加强层20与保护层25之间。相对于此，在本实施方式的高压罐100中，形成保护层25的第二树脂与形成加强层20的第一树脂虽然为热固化性树脂的环氧树脂，但是通过如上所述使凝胶化温度及粘度不同而能够提高消泡性。其结果是，与气泡残存于罐表面的情况相比，表面性状提高。由此，能够期待罐向车辆的组装性、配置在加强层与保护层之间的标签的视觉辨认性等的提高。而且，不需要用于去除残存于罐表面的气泡的处理，能够减少高压罐的制造花费的工时。
另外，在将使用高压罐100实施了规定的耐压试验之后的圆筒部102的中心轴方向产生的拉伸应变作为基准应变εs时，第一树脂的断裂应变(拉伸断裂应变)ε1大于基准应变εs，第二树脂的断裂应变(拉伸断裂应变)ε2小于基准应变εs。在此，规定的耐压试验是在高压罐100的出厂前必须进行的试验，在本实施方式中，是在常用压力为70MPa的罐中将罐内压设为约105MPa的耐压试验。此时的基准应变εs为约0.34％。基准应变εs不限于此，例如0.30～0.40％为优选。耐压试验并不限定为本实施方式，只要将所要求的规定的耐压试验实施后的拉伸应变作为基准应变εs即可。例如，可以将耐压试验时的罐内压在70～140MPa的范围内适当设定。
第一树脂的断裂应变ε1及第二树脂的断裂应变ε2通过以下的方法来计测。在各树脂单体中，制作拉伸试验用的试验片进行拉伸试验，并通过非接触型的伸展计来计测伸展，基于计测出的伸展来算出拉伸应变。在本实施方式中，非接触型的伸展计利用指示器向试验片的最弱部位的端画线，利用CCD(Charge Coupled Device)相机等的影像传感器来测定线的间隔。拉伸速度为0.2mm/min。拉伸试验中试验片断裂时的拉伸应变即拉伸试验中向试验片施加的最大应变作为断裂应变。
图3是概念性地说明比较例的高压罐中的白浊的生成的说明图。在比较例的高压罐中，加强层20p为CFRP制，保护层25p为GFRP制，分别包含同一性状的环氧树脂。比较例的高压罐的加强层20p及保护层25p使用的环氧树脂为了确保罐强度而断裂应变大。例如，可以使用与本实施方式的第一树脂相同的环氧树脂。在图3中，将加强层20p及保护层25p的一部分剖切并放大表示。
向比较例的高压罐内填充的气体(例如，氢)虽然微量，但是会透过内衬10，有时也会透过加强层20p。在此，保护层25p的断裂应变大，因此如图3的上段所示，保护层25p的表层由于透过气体而伸展。由于保护层25p的表层伸展，因此透过气体未排出，在继续使用高压罐的过程中，透过气体积存而增大，保护层25p的表面在伸展之后破裂，可能会产生白浊(图3下段)。
图4是概念性地表示本实施方式的高压罐100中的白浊的抑制的说明图。在本实施方式的高压罐100中，第一树脂的断裂应变ε1>基准应变εs>第二树脂的断裂应变ε2，因此当进行测定了基准应变εs的规定的耐压试验时，在保护层25产生龟裂。如上所述，规定的耐压试验是在高压罐100的出厂前必须实施的试验，因此在使用高压罐100时，在保护层25已经形成龟裂。因此，在高压罐100的使用中，在填充的气体透过了内衬10及加强层20的情况下，能够使透过气体经由保护层25的龟裂向高压罐100外逃散。其结果是，能够抑制保护层25由于因透过气体而伸展之后破裂所产生的白浊。另外，基准应变εs<第一树脂的断裂应变ε1，因此在出厂前的耐压试验中，在加强层20未产生龟裂。即，通过内衬10及加强层20来确保气体阻隔性，并且在出厂前强制性地使保护层25产生微细的龟裂，由此能够抑制高压罐100表面的白浊。因此，能够抑制白浊产生时的声音的产生。
B.变形例：
另外，本发明并不局限于上述的实施方式、实施例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种形态实施，例如能够进行如下的变形。
高压罐100内收容的流体不限定为上述的压缩氢，也可以是压缩氮等高压的流体。
作为加强层20及保护层25包含的纤维，可以使用碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、迪尼玛(Dyneema)纤维、柴隆(Zylon)纤维、硼纤维等能够构成纤维强化树脂的各种纤维。加强层20具备耐压性，保护层25选择纤维为优选，以使耐冲击性比加强层20高。当使用碳纤维作为加强层20的纤维并使用玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维作为保护层25的纤维时，能形成高耐压性的加强层20和耐冲击性比加强层20高的保护层25，因此优选。
可以由纤维强化树脂形成加强层20和保护层25中的任一方，仅由树脂(未进行纤维强化)形成另一方。例如，可以将加强层20设为第一树脂与玻璃纤维的复合材料即玻璃纤维强化树脂制，且仅使用第二树脂形成保护层25。而且，可以仅由树脂(未进行纤维强化)形成加强层20和保护层25这两方。这种情况下，优选的是，选择具有所希望的耐压性的树脂作为加强层20，并选择具备比加强层20高的所希望的耐冲击性的树脂作为保护层25。在仅由树脂形成加强层20、保护层25的情况下，通过喷涂等周知的方法，在吹附了树脂之后，进行加热，由此能够形成加强层20、保护层25。例如，在上述实施方式中，在仅由第二树脂形成保护层25的情况下，将浸渍有第一树脂的碳纤维卷缠于内衬10之后，通过喷涂等周知的方法，吹附第二树脂之后，进行加热，使第一树脂及第二树脂固化，由此能够形成加强层20及保护层25。
在上述实施方式中，使用了性质不同的同种的树脂(环氧树脂)作为第一树脂及第二树脂，但是第一树脂和第二树脂也可以设为不同种类的热固化性树脂。例如，可以将第一树脂设为不饱和聚酯树脂，将第二树脂设为环氧树脂。而且，可以颠倒。即使在这样使用不同种类的树脂的情况下，第一凝胶化温度T1<第二凝胶化温度T2，在第一凝胶化温度T1下，通过使第一树脂的粘度η1>第二树脂的粘度η2，能够抑制气泡向罐表面的残存。
在上述实施方式中，可以不是第一树脂的断裂应变ε1>基准应变εs>第二树脂的断裂应变ε2。即便如此，至少也能抑制高压罐100的表面的气泡的残存，表面性状提高。
加强层20及保护层25的制造方法不限定于上述实施方式。加热温度、加热时间根据使用的树脂、罐形状等能够适当变更。而且，可以以3级以上的阶梯状地升温，也可以相对于时间呈线性地升温。
本发明并不限于上述的实施方式、实施例、变形例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，与发明内容一栏记载的各方式中的技术特征对应的实施方式、实施例、变形例中的技术特征为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现上述的效果的一部分或全部，可以适当进行更替、组合。而且，该技术特征在本说明书中只要不是作为必须的特征进行说明，就可以适当删除。
【附图标记说明】
10…内衬
20、20p…加强层
25、25p…保护层
30、40…管头
100…高压罐
T1…第一凝胶化温度
T2…第二凝胶化温度

Claims (4)

1.一种高压罐，具备：
内衬；
加强层，包括热固化性的第一树脂和纤维而形成于所述内衬上；及
保护层，包括热固化性的第二树脂而形成于所述加强层上，
作为所述第二树脂的凝胶化温度的第二凝胶化温度比作为所述第一树脂的凝胶化温度的第一凝胶化温度高，
在所述第一凝胶化温度下，所述第二树脂的粘度比所述第一树脂的粘度低。
2.根据权利要求1所述的高压罐，其中，
所述高压罐具备呈大致圆筒状的圆筒部，
所述第一树脂的断裂应变比基准应变大，所述基准应变是所述高压罐的规定的耐压试验中的所述高压罐的所述圆筒部的中心轴方向产生的拉伸应变，所述第二树脂的断裂应变比所述基准应变小。
3.根据权利要求1或2所述的高压罐，其中，
所述加强层的所述纤维是碳纤维。
4.根据权利要求3所述的高压罐，其中，
所述保护层包括玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维。
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