JP2008045660A

JP2008045660A - 高圧タンク

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Publication number: JP2008045660A
Application number: JP2006221680A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Otsuka; 力大塚
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-15
Filing date: 2006-08-15
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-15
Also published as: JP4849324B2

Abstract

【課題】補強層の本来の強度を有効活用でき、バースト強度の向上と薄肉化とを図ることができる高圧タンク。
【解決手段】高圧流体の透過を抑制するバリア層（３）と、バリア層（３）の外側でバリア層（３）の膨張を抑制する補強層（４）と、を有する高圧タンク（１）であって、補強層（４）は、単位体積あたりの引張破断伸びが外側より内側の方が大きくなるように構成されている。補強層（４）は、樹脂が繊維で補強された層を少なくとも２層有し、少なくとも２層のうち内側に位置する層は、その外側に位置する層よりも、引張破断伸びが大きいことが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、常圧に比して圧力が高められた高圧流体を貯留するための高圧タンクに関するものである。

近年、燃料電池システムに用いられる高圧水素タンクの開発が進んでいる。高圧水素タンクでの水素ガスの充填圧は、当初は２０ＭＰａや３５ＭＰａであったが、最近では７０ＭＰａも可能になってきた。充填圧が高くなるほど、高圧水素タンクを搭載した燃料電池自動車の走行可能距離が長くなるが、高圧水素タンクとしては、高い充填圧に耐える強度（バースト強度）が必要となる。

従来の一般的な高圧タンクは、ライナーの外周面に、樹脂を含浸した繊維を巻き付けた補強層を備えたものである（例えば、特許文献１参照。）。ライナーは、高圧タンクに貯留する高圧ガスの透過を抑制するバリア層として機能する。一方、補強層は、高圧ガスによるライナーの膨張を抑制し、高圧タンクのバースト強度を確保する。

従来、バースト強度を高めるために、ライナーの肉厚や補強層の肉厚を増加する方法が取られていた。しかし、この方法ではタンクが大型化し、積載重量が増加することもあり、好ましくなかった。そこで、特許文献１に記載の高圧タンクでは、樹脂ライナーの耐圧性を向上するべく、ライナー用の樹脂として引張破断伸びが５０％以上のものを用いている。
特開２００３−５６７０２号公報（第３頁）

しかし、本件発明者の実験によれば材料が有効に用いられていないことが判明した。特に、特許文献１に記載の高圧タンクでは、補強層の内側から破断するおそれがあった。

本発明は、従来のタンクで補強層の本来の強度が有効活用されていないことに着目してなされたものであり、バースト強度の向上と薄肉化とを図ることができる高圧タンクを提供することをその目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明の高圧タンクは、高圧流体の透過を抑制するバリア層と、バリア層の外側で当該バリア層の膨張を抑制する補強層と、を有する高圧タンクであって、補強層は、単位体積あたりの引張破断伸びが外側より内側の方が大きくなるように構成されているものである。

かかる構成によれば、補強層において内側が外側よりも先に破断することが抑制される。これにより、補強層における外側の部分について、補強層の強度への寄与度を向上できる。それゆえ、本来ある補強層を有効に活用することで、必要なバースト強度を得るのに、肉厚を厚くしなくて済む。

ここで、本発明における「引張破断伸び」とは、破断点におけるひずみではなく、降伏点におけるひずみをいう。また、本発明における「引張破断伸び」は、径方向と交差する方向、より好ましくは円周の接線方向の引張破断伸びである。

好ましくは、補強層は、外側から内側にかけて引張破断伸びが大きくなるように構成される。

こうすることで、補強層において内側が外側よりも先に破断することを、より一層好適に抑制できる。

好ましくは、補強層は、樹脂が繊維で補強された層を少なくとも２層有し、少なくとも２層のうち内側に位置する層は、その外側に位置する層よりも引張破断伸びが大きい。

こうすることで、引張破断伸びを層単位で設定できるので、補強層を構成し易くできる。

より好ましくは、補強層において、内側に位置する層の樹脂及び繊維は、外側に位置する層の樹脂及び繊維よりも、それぞれ引張破断伸びが大きい。

かかる構成によれば、引張破断伸びの物性値を容易に設定できる。

より好ましくは、補強層において、内側に位置する層は、外側に位置する層よりも、引張弾性率が小さい。

かかる構成によれば、補強層において内側の層が伸びることにより、外側の層へと応力を逃がすことができ、その応力を外側の層で受け止めることができる。これにより、補強層において内側の層も外側の層も、より均一な応力を負担することができる。

好ましくは、補強層は、フィラメントワインディング法により繊維が巻きつけられた層であり、繊維の組成、繊維の巻きつけ時の張力、繊維の断面積、及び樹脂の組成の少なくとも一つについて、補強層における外側の層と内側の層とに差をつけることで、単位体積あたりの引張破断伸びについて外側より内側の方を大きくしている。

本発明の高圧タンクによれば、バースト強度を高めることができると共に肉厚を薄くできる。

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高圧タンクについて、燃料電池システムに適用した例を説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係るタンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。
燃料電池自動車１００は、燃料電池１０４を有する燃料電池システム２００を搭載している。燃料電池システム２００は、例えば３つの高圧タンク１を車体のリア部に搭載している。各高圧タンク１内の流体は、水素ガスや圧縮天然ガスなどの可燃性の燃料ガスであり、ガス供給ライン１０２を通じて燃料電池１０４に供給される。以下では、高圧タンク１が貯留する燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。

なお、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）や定置型にも適用できる。

図２は、高圧タンク１の断面図である。
高圧タンク１は、内部に貯留空間２が画成されるように中空状に形成されたライナー３と、ライナー３の外面を覆う複数層からなる補強層４と、からなる構造を有している。

貯留空間２は、常圧の流体を貯留することもできるし、燃料ガスを常圧よりも高い圧力（すなわち高圧）で貯留できるように構成されている。例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガスが、貯留空間２に貯留される。高圧タンク１の温度は、水素ガスの充填及び放出に伴い変動するが、その変動幅は、水素ガスの充填圧によっても異なり、充填圧が高くなるほど、水素ガス放出時の高圧タンク１の温度はより低温となる。例えば、７０ＭＰａの高圧タンク１の使用温度帯域（変動幅）は、およそ−７０℃〜１００℃である。

ライナー３及び補強層４からなるタンク本体５は、長手方向の両端部の中心に水素ガスが供給／排出される開口部６，７を有している。開口部６，７には、図示省略したバルブアッセンブリや栓体がねじ込み接続等により直接的に接続される。あるいは、開口部６，７には図示省略した口金がインサート成形等により設けられ、この口金を介してバルブアッセンブリ等がねじ込み接続される。そして、バルブアッセンブリと外部のガス供給ライン１０２とが接続され、貯留空間２との間で水素ガスの給排がなされる。なお、開口部６，７の一方は省略しても良い。

タンク本体５の全体形状に着目すると、タンク本体５は、胴部１０と、一対のドーム部１１，１２と、で構成されている。胴部１０は、タンク本体５の軸線方向、すなわち長手方向に所定の長さ延在する略円筒状の部分であり、ほぼ一定の径を有している。一対のドーム部１１，１２は、胴部１０の長手方向の両端部にそれぞれ連続した半球面状の曲壁部である。一対のドーム部１１，１２は、胴部１０から遠ざかるにつれて縮径しており、最も縮径した部分の中心に上記の開口部６，７を有している。一対のドーム部１１，１２は、胴部１０の両端を閉塞するように絞り状に形成されており、タンク本体５の長手方向の端壁部を構成している。

ライナー３は、タンク１の内殻又は内容器とも換言される部分であり、胴部１０及び一対のドーム部１１，１２の内壁を構成する。ライナー３は、ガスバリア性を有し、水素ガスの外部への透過を抑制する。すなわち、ライナー３は、バリア層として機能する。

ライナー３の材質は、特に制限されるものではなく、例えば、金属のほか、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂を挙げることができる。また、これらの樹脂を二層以上に組み合わせて、複数層から成る積層体としてライナー３を構成しても良い。ライナー３の厚さは、その材質、高圧タンク１の寸法形状、要求される耐圧等に依存するものの、特に限定されず、好ましくは０．５ｍｍ〜数十ｍｍ程度、より好ましくは１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。

補強層４は、タンク１の外殻、シェル又は外容器とも換言される部分であり、胴部１０及び一対のドーム部１１，１２の外壁を構成する。補強層４は、ライナー３の外表面を被覆するように、ライナー３に巻きつけられることで形成されており、ライナー３の外側でライナー３の膨張を抑制する。

補強層４は、マトリックス樹脂（プラスチック）が繊維で補強されたＦＲＰ層である。

マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂、等が挙げられ、これらのなかでは、エポキシ樹脂又は不飽和ポリエステル樹脂がより好ましい。マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。

強化繊維としては、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維、といった無機繊維、或いは、アラミド繊維等の合成有機繊維、或いは綿等の天然有機繊維を例示できる。これらの繊維は、単独で又は混合して（混繊として）使用することができ、これらの中では、カーボン繊維、アラミド繊維が特に好ましい。本実施形態の補強層４では、カーボン繊維を用いている。

補強層４におけるマトリックス樹脂と繊維との含有割合としては、樹脂及び繊維の種類、繊維強化方向、厚さ等に依存するが、通常、好ましくはマトリックス樹脂：繊維＝１０〜８０体積％：９０〜２０体積％、より好ましくはその比が２５〜５０体積％：７５〜５０体積％とされる。なお、補強層４は、これらの構成材料の他に適宜の添加剤を含んでいてもよい。

また、補強層４の厚さは、その材質、タンク１の寸法形状、要求される耐圧等に依存するものの、特に限定されず、好ましくは数ｍｍ程度、より好ましくは数ｍｍ〜５０ｍｍ程度とされ、胴部１０の外径が３００ｍｍφ程度であるときに２０ｍｍ程度とされる場合が多い。後述するように、本発明の高圧タンク１では、肉厚を厚くすることなく、バースト強度を確保できるように、補強層４が工夫されている。

補強層４（ＣＦＲＰ層）は、複数層からなる。補強層４を構成する層の数は、一実施態様では１６個であり、本実施形態では４個である。ただし、この層の数は、タンク１の寸法形状、要求される耐圧等に依存するものであるものの、少なくとも二個であることが好ましい。そして、その少なくとも二個の層としては、フープ層及びヘリカル層が含まれることが好ましい。フープ層及びヘリカル層の積層順は任意であるが、本実施形態のように、ライナー３から順に、フープ層２１、ヘリカル層３１、フープ層２２及びヘリカル層３２と、交互に互いに隣接するように積層することが好ましい（図３参照）。

フープ層２１，２２は、胴部１０の位置でその全体に巻かれてなるものである。詳細には、フープ層２１は、ライナー３の胴部外表面にカーボン繊維をフープ巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成される。また、フープ層２２は、胴部１０に相当する位置において、ヘリカル層３１の外表面にカーボン繊維をフープ巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成される。このように構成されたフープ層２１，２２は、胴部１０の周方向の強度を確保する。

ヘリカル層３１，３２は、胴部１０及びドーム部１１，１２の位置で、これらのほぼ全体に巻かれてなるものである。詳細には、ヘリカル層３１は、ライナー３のドーム部の外表面及びフープ層２１の外表面にカーボン繊維をヘリカル巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成される。また、ヘリカル層３２は、胴部１０に相当する位置ではフープ層２２の外表面に、またドーム部１１，１２に相当する位置ではヘリカル層３１の外表面に、カーボン繊維をヘリカル巻きし、カーボン繊維に含浸された樹脂を硬化させることで構成される。このように構成されたヘリカル層３１，３２は、主としてドーム部１１，１２の強度を確保し、タンク１の長手方向の強度を確保する。

フープ巻き及びヘリカル巻きのいずれも、例えば、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）、ハンドレイアップ法、テープワインディング法等を用いればよく、好ましくはフィラメントワインディング法が用いられる。フィラメントワインディング法によって巻きつけられるカーボン繊維は、例えば、ボビン等に巻回されているときから樹脂を含浸されたもの（すなわち、プリプレグ状態のもの）であるか、あるいは、ボビン等から繰り出されて樹脂槽で樹脂を含浸されたものである。

ここで、本実施形態の補強層４は、単位体積あたりの引張破断伸びが外側より内側の方が大きくなるように構成されている。「単位体積あたり引張破断伸び」とは、補強層４を仮想的に切り出したものの引張破断伸びをいう。「引張破断伸び」とは、破断点におけるひずみではなく、降伏点における周方向のひずみをいう。なお、この周方向のひずみは、円周ひずみともいう。「外側より内側」の「外側」とは、補強層４における径方向外側をいい、「内側」とは補強層４における径方向内側をいう。

本実施形態の好ましい一態様では、補強層４のうち、相対的に内側に位置するフープ層２１及びヘリカル層３１が、相対的に外側に位置するフープ層２２及びヘリカル層３２よりも引張破断伸びが大きく構成されている。もっとも、違う組み合わせでもよく、例えばフープ層２１の引張破断伸びが、残りの３層（３１，２２，３２）のそれよりも大きくてもよい。また、フープ層とヘリカル層とがそれぞれ３つある場合には、外側から内側にかけて引張破断伸びが大きくなるように補強層４を構成しても良い。要するに、補強層４を少なくとも２層で構成し、内側の層の引張破断伸びが外側の層のそれよりも大きければよい。

補強層４における引張破断伸びの上記設定は、カーボン繊維の組成、カーボン繊維の巻きつけ時の張力、カーボン繊維の断面積、及びマトリックス樹脂の組成の少なくとも一つについて、補強層４における内側の層（フープ層２１及びヘリカル層３１）と外側の層（フープ層２２及びヘリカル層３２）とに差をつけることで、実現されている。以下では、異なる材料を用いる例について図４〜図６を参照に、また同一の材料を用いる例について図７及び図８を参照に、説明する。

図４は、補強層４における内側の層の円周応力σ_tとひずみεとの関係を示すグラフである。
この内側の層は、降伏応力がσ_yであり、引張破断伸びがδである。この降伏応力σ_y及び引張破断伸びδを用いて、図４に示すように４つの領域（ア）〜（エ）に区分けする。この場合、補強層４における外側の層は、引張破断伸びが領域（ウ）又は（エ）に位置する材料を用いて構成すればよい。つまり、外側の層におけるカーボン繊維及びマトリックス樹脂は、それぞれ、内側の層におけるカーボン繊維及びマトリックス樹脂よりも、引張破断伸びが小さい材料（組成）で構成されればよい。なお、このように構成すれば、内側の層と外側の層との間で、降伏応力の大小は問わない。

好ましくは、補強層４における外側の層は、内側の層よりも弾性率（ヤング率）が大きい。つまり、補強層４における外側の層は、引張破断伸びが領域（ウ）に位置する材料を用いて構成すれば、内側の層よりも、弾性率（ヤング率）が大きく且つ引張破断伸びが小さくなる。このような弾性率の設定にすることの効果について、図５及び図６を参照して説明する。なお、図５及び図６では、ライナー３は省略している。

図５は、比較例に係るものであり、補強層４´が厚み方向（径方向）において同一の材料で構成された場合の円周応力σ_t´の応力分布を示す図である。
高圧タンク１が内圧Ｐを受けたとき、補強層４の周方向には円周応力σ_t´が作用する。この円周応力σ_t´は、内径側で最大となり、外径側に向かって比較的急激に漸減する。

図６は、本実施形態に係るものであり、補強層４の外側が内側よりも弾性率が大きい材料で構成された場合の円周応力σ_tの応力分布を示す図である。
外側の層が内側の層よりも弾性率が大きいので、円周応力σ_tは、内径側で最大となるものの、厚み方向において全体として略均一となる。これは、補強層４において、内側の層が伸びることにより、外側の層へと円周応力を逃がすことができる一方、外側の層は内側の層ほど伸びないので、逃げてきた円周応力を受けとめることができるからである。したがって、内圧Ｐにより補強層４が外側に伸びた際、全てに同一素材（マトリックス樹脂、カーボン繊維）を用いた場合と比べて、外側の層が強度に関わる寄与度を向上できる。

次に、図７及び図８を参照して、補強層４の全領域において材料（マトリックス樹脂及びカーボン繊維）を同じとしつつ、外側の層の引張破断伸びに対し内側の層の引張破断伸びを実質的に大きくすることができる二つの例を説明する。

図７（Ｂ）は、高圧タンク１に内圧が作用していない状態の補強層４について、内側及び外側のカーボン繊維の状態を部分的に示している。図７（Ｂ）に示すように、補強層４の内側のカーボン繊維は縮んでいる（たるんでいる）のに対し、外側のカーボン繊維の伸びはゼロとなっている。図７（Ｂ）に示す符号４０は、補強層４における微小体積を示している。なお、図７（Ｂ）では、ライナー３は省略されている。

図７（Ａ）は、横軸が微小体積４０の伸び量であり、縦軸が微小体積４０におけるカーボン繊維に作用する円周応力である。
図７（Ａ）に示すように、外側のカーボン繊維の特性Ｌ１では、微小体積４０の伸びがゼロのとき円周応力がゼロとなる。そして特性Ｌ１では、微小体積４０の伸びが大きくなるにつれて円周応力も増加し、微小体積４０の伸びがδ₂のとき、円周応力が降伏応力に達する。

これに対し、内側のカーボン繊維の特性Ｌ２では、微小体積４０の伸びがδ₁に達するまで、円周応力はゼロのままである。これは、内圧が作用していないときに、内側のカーボン繊維は縮んでいるからである。そして特性Ｌ２では、微小体積４０の伸びがδ₁よりも大きくなるにつれて、円周応力も増加し、微小体積４０の伸びがδ₃（＞δ₂）のとき、円周応力が降伏応力に達する。

同様に、図８（Ｂ）は、高圧タンク１に内圧が作用していない状態の補強層４について、内側及び外側のカーボン繊維の状態を部分的に示している。図８（Ｂ）に示すように、補強層４の外側のカーボン繊維の伸びはゼロよりも大きいのに対し、内側のカーボン繊維の伸びはゼロとなっている。図８（Ｂ）に示す符号５０は、補強層４における微小体積を示している。なお、図８（Ｂ）でも、ライナー３は省略されている。

図８（Ａ）は、横軸が微小体積５０の伸び量であり、縦軸が微小体積５０におけるカーボン繊維に作用する円周応力である。
図８（Ａ）に示すように、内側のカーボン繊維の特性Ｌ４では、微小体積５０の伸びがゼロのとき円周応力がゼロとなる。そして特性Ｌ４では、微小体積５０の伸びが大きくなるにつれて円周応力も増加し、微小体積５０の伸びがδ₅のとき、円周応力が降伏応力に達する。

一方、外側のカーボン繊維の特性Ｌ３では、微小体積５０の伸びがゼロのときから、円周応力σ₁が作用する。これは、内圧が作用していないときに、外側のカーボン繊維は伸びているからである。そして特性Ｌ３では、微小体積５０の伸びが大きくなるにつれて円周応力も増加し、微小体積５０の伸びがδ₄（＜δ₅）のとき、円周応力が降伏応力に達する。

したがって、図７（Ｂ）又は図８（Ｂ）に示すようなカーボン繊維の設定にすることで、補強層４は、外側の層の引張破断伸びに対し内側の層の引張破断伸びを実質的に大きくすることが可能となる。このようなカーボン繊維の設定は、フィラメントワインディング法におけるカーボン繊維の巻きつけ時の張力を調整することで行うことができる。具体的には、図７（Ｂ）に示す内側のカーボン繊維は、外側のカーボン繊維よりも小さい張力で巻き付けられる。また、図８に示す外側のカーボン繊維は、内側のカーボン繊維よりも大きい張力で巻き付けられる。

次に、図９及び図１０を参照して、補強層４における内側のカーボン繊維に対する外側のカーボン繊維の設計値について簡単に説明する。ここでは、内側のカーボン繊維（以下、「内側繊維」と略記する。）と外側のカーボン繊維（以下、「外側繊維」と略記する。）が、同時に破断する場合を想定する。なお、図９及び図１０は、ライナー３を省略している。

図９は、高圧タンク１が内圧により膨張した後に、密度が小さくなったことを前提としている。つまり、図９は、膨張後も、補強層４の内側の変位と外側の変位とが同じであることを前提としている。

図９に示すように、補強層４の内径をＲ１，外径をＲ２，肉厚をｔ、内径側繊維（つまり内側繊維）の破断伸びをＺとする。このとき、破断時の内側円周、破断時の内径、破断時の外径及び破断時の外側円周は、図９（Ｂ）に示すように表すことができる。そして、破断時の外側繊維の伸びは、次式（１）で定義できることから、図９（Ｂ）に示すように、表すことができる。

破断時の外側繊維の伸び＝（破断時の外側円周−初期外側円周）／初期外側円周・・（１）

つまり、内径Ｒ１から肉厚ｔのところ（すなわち、外径Ｒ２の位置）では、初期からの伸びが、
Ｒ１×Ｚ／（Ｒ１＋ｔ）
となったときに破断する状態と仮定する。

この場合は、図４に示したごとく、補強層４の内側と外側とで異なる繊維を用いるときには、外径Ｒ２の位置の外側繊維は、引張破断伸びが、
Ｒ１×Ｚ／（Ｒ１＋ｔ）
となるものを用いればよい。具体的な数字は、図９（Ｂ）に示すとおりである。

一方、図８に示したごとく、補強層４の内側と外側とで同じ繊維を用いるときには、外径Ｒ２の位置の外側繊維は、
伸びの差分：Ｚ−Ｒ１×Ｚ／（Ｒ１＋ｔ）
だけ伸ばしたものを用いればよい。

図１０は、高圧タンク１が内圧により膨張した後も、密度が不変であることを前提としたケースである。つまり、図１０は、膨張後も、補強層４の断面積が一定であることを前提としている。この場合も、図９（Ａ）に示すように、補強層４の内径をＲ１，外径をＲ２，肉厚をｔとする。また、内側繊維の破断伸びをＺとする。このとき、破断時の内側円周、破断時の内径、破断時の外径及び破断時の外側円周は、図１０に示すように表すことができる。

そして、膨張前後の断面積が一定であることから、次式が成り立つ。
πＲ２²−πＲ１²＝π√[π（Ｒ１＋ｔ）²−πＲ１²＋π｛Ｒ１（１＋Ｚ）｝²]²−πＲ１（１＋Ｚ）｝²・・・（２）
破断時の外側繊維の伸びＹは、上記の式（１）で定義できることから、式（２）を代入して整理すると、次のように表すことができる。
Ｙ＝２π×√[π（Ｒ１＋ｔ）²−πＲ１²＋π｛Ｒ１（１＋Ｚ）｝²]

つまり、図１０の場合も図９の場合と同様に、内径Ｒ１から肉厚ｔのところ（すなわち、外径Ｒ２の位置）では、初期からの伸びが、上記の伸びＹになったときに破断する状態と仮定する。

この場合、図４に示したごとく、補強層４の内側と外側とで異なる繊維を用いるときには、外径Ｒ２の位置の外側繊維は、引張破断伸びが、上記の伸びＹとなるものを用いればよい。具体的な数字は、図１０に示すとおりである。

一方、図８に示したごとく、補強層４の内側と外側とで同じ繊維を用いるときには、外径Ｒ２の位置の外側繊維は、
伸びの差分：Ｚ−Ｙ
だけ伸ばしたものを用いればよい。

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、補強層４を構成する繊維及び樹脂について、径方向外側に対し径方向内側を引張破断伸びが大きいもので構成している。このため、補強層４において、内側が外側よりも先に破断することが抑制される。これにより、補強層４における外側の部分について、降伏点までの能力を有効活用することができ、補強層４の強度への寄与度を向上できる。したがって、補強層４を有効に活用することで、必要なバースト強度を得るのに、肉厚を厚くしなくて済む。

実施形態に係るタンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。実施形態に係るタンクの断面図である。図２の一点鎖線ＩＩＩで囲む部分を拡大して示すタンクの要部断面図である。実施形態に係る補強層における内側の層の円周応力σ_tとひずみεとの関係を示すグラフである。比較例に係るものであり、補強層が厚み方向において同一の材料で構成された場合における円周応力の応力分布を示す図である。本実施形態に係るものであり、補強層の外側が内側よりも弾性率が大きい材料で構成された場合の円周応力の応力分布を示す図である。（Ａ）は、横軸が微小体積の伸び量であり、縦軸が微小体積におけるカーボン繊維に作用する円周応力を示す図であり、（Ｂ）は、高圧タンクに内圧が作用していない状態の補強層について、内側及び外側のカーボン繊維の状態を部分的に示す図である。（Ａ）は、横軸が微小体積の伸び量であり、縦軸が微小体積におけるカーボン繊維に作用する円周応力を示す図であり、（Ｂ）は、高圧タンクに内圧が作用していない状態の補強層について、内側及び外側のカーボン繊維の状態を部分的に示す図である。（Ａ）は高圧タンクの補強層を寸法と共に模式的に示す断面図であり、（Ｂ）は高圧タンクが内圧により膨張した後に、密度が小さくなったことを前提とした場合における具体例を示す表である。高圧タンクが内圧により膨張した後も、密度が不変であることを前提とした場合における具体例を示す表である。

符号の説明

１：高圧タンク、３：ライナー（バリア層）、４：補強層、２１：フープ層、２２：フープ層、３１：ヘリカル層、３２：ヘリカル層

Claims

高圧流体の透過を抑制するバリア層と、前記バリア層の外側で当該バリア層の膨張を抑制する補強層と、を有する高圧タンクであって、
前記補強層は、単位体積あたりの引張破断伸びが外側より内側の方が大きくなるように構成されている、高圧タンク。
前記補強層は、外側から内側にかけて、引張破断伸びが大きくなるように構成されている、請求項１に記載の高圧タンク。
前記補強層は、樹脂が繊維で補強された層を少なくとも２層有し、
前記少なくとも２層のうち内側に位置する層は、その外側に位置する層よりも、引張破断伸びが大きい、請求項１に記載の高圧タンク。
前記内側に位置する層の樹脂及び繊維は、前記外側に位置する層の樹脂及び繊維よりも、それぞれ引張破断伸びが大きい、請求項３に記載の高圧タンク。
前記内側に位置する層は、前記外側に位置する層よりも、引張弾性率が小さい、請求項３又は４に記載の高圧タンク。
前記補強層は、フィラメントワインディング法により繊維が巻きつけられた層であり、
前記繊維の組成、前記繊維の巻きつけ時の張力、前記繊維の断面積、及び樹脂の組成の少なくとも一つについて、前記補強層における外側の層と内側の層とに差をつけることで、前記単位体積あたりの引張破断伸びが外側より内側の方が大きくなっている、請求項１に記載の高圧タンク。