JP2010249147A - Ｆｒｐタンク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドーム状の側部のバースト強度と胴部のバースト強度との双方を両立させるＦＲＰタンク及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ライナ（２０）と、ライナ（２０）の外周に繊維（Ｆ）が巻回されて形成されたフープ層（２４）及びヘリカル層（２２、２３）からなるＦＲＰ層（２１）と、を備え、ＦＲＰ層（２１）の内側層（２１０）は、ヘリカル層（２２、２３）のみで構成されているＦＲＰタンク（１）を構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＦＲＰタンク及びその製造方法に関するものである。

近年、燃料電池システム等に用いられる高圧ガスを貯蔵するタンクの開発が進んでいる。特に、車載用の燃料電池システムにおいては、強度の確保や軽量化等の観点からライナ（内容器）の外周を繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics；以下、「ＦＲＰ」という）層で補強したＦＲＰタンクが有力視されている。

ＦＲＰタンクは、例えば、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」という）を用いて製造される。ＦＷ法においては、熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸繊維（以下、単に「繊維」ともいう）をライナの周囲に数層から数十層巻回させたのち加熱して樹脂を熱硬化させＦＲＰ層を形成する。

ＦＲＰ層としては、ライナの胴部を補強するためのフープ層と、ライナの胴部とドーム状の側部とを補強するためのヘリカル層とを交互に複数層積層した構造が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−３２０８８号公報

しかしながら、上記のような従来のＦＲＰ層の構造は、ドーム状の側部のバースト強度と胴部のバースト強度との双方を両立させるという観点からは、未だ十分ではない。とりわけ、フープ層はライナの周方向における剛性が大きいものの周方向の変形に対する許容度が小さいため、ライナの変形による応力を受けやすいＦＲＰ層の内層において繊維破断を生じやすく、これによりＦＲＰタンク全体のバースト強度を低下させてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、ドーム状の側部のバースト強度と胴部のバースト強度との双方を両立させるＦＲＰタンク及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、ライナと、該ライナの外周に繊維が巻回されて形成されたフープ層及びヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を備え、前記ＦＲＰ層の内側層は、ヘリカル層のみで構成されているＦＲＰタンクを構成する。

上記構成によれば、ＦＲＰ層はフープ層を備えるために高い周方向の剛性を有する。また、ライナの変形による応力を特に受ける内側層が、周方向の変形に対する許容度の大きいヘリカル層のみで構成されているために、ライナの変形による応力を効率的に分散させることができ、これにより高いバースト強度をも実現することができる。

なお、本発明において、「内側層」とは、ＦＲＰ層の最内層から第Ｎ層までの層を示す。ここで、Ｎは、２以上の整数であり、例えば、ＦＲＰタンクに要求される特性（剛性、バースト強度等）やタンクの形状等から導出されるヘリカル層の必要最小層数に基づいて決定することができる。また、「繊維」とは、繊維一本を意味するだけではなく、複数の繊維を撚ってなる繊維束や、さらに複数の繊維束を撚ってなる繊維束をも含む。

また、上記構成において、前記ＦＲＰ層の内側層は、高角度ヘリカル層と、低角度ヘリカル層とが交互に積層されているようにしてもよい。

上記構成によれば、ＦＲＰ層の内側層として周方向の剛性が比較的大きくかつ周方向の許容変形量が大きい高角度ヘリカル層を用いるために、ＦＲＰ層全体の周方向の剛性をさらに向上させるとともに、高いバースト強度を実現させることができる。

なお、本発明において、「高角度ヘリカル層」とは、ドーム状の側部と胴部との境界付近を補強する目的で用いる層であり、ライナの軸心方向に対して５０度以上９０度未満の角度のヘリカル巻にて巻回されて形成された層を示す。「低角度ヘリカル層」とは、ライナの軸心方向に対して５０度未満の角度のヘリカル巻にて巻回されて形成された層を示す。

また、上記構成において、前記ＦＲＰ層の外側層は、前記低角度ヘリカル層と、前記フープ層とが交互に積層されているようにしてもよい。

上記構成によれば、フープ層によりＦＲＰ層全体の周方向の剛性が高めることができる。しかも、上記のとおりＦＲＰ層の内側層にてライナの変形応力は分散、吸収される、言い換えれば、ＦＲＰ層の外側層に配置されたフープ層にかかるライナの変形応力が小さくなるから、周方向の変形に対する許容度の小さいフープ層を用いてもバースト強度を低下させることはない。

なお、本発明において「外側層」とは、ＦＲＰ層の内側層以外の層であり、言い換えれば、ＦＲＰ層の第Ｎ＋１層から最外層までの層を示す。

また、上記構成において、前記ライナは、円筒上の胴部と、該胴部の少なくとも一方の端部に配置されたドーム状の側部とを備え、前記フープ層は、前記胴部上に積層され、前記高角度ヘリカル層は、前記胴部上及び側部上に積層されているようにしてもよい。

上記構成によれば、ＦＲＰ層の内側層として、周方向の剛性が比較的大きくかつ周方向の許容変形量が大きい高角度ヘリカル層を、バースト強度の向上に対する寄与の大きい胴部の補強にも用いるために、ドーム状の側部と胴部との境界付近を補強するのみならず胴部での高いバースト強度をも実現させることができる。

また、本発明の他の構成として、ライナを準備する工程と、前記ライナの外周に繊維をフープ巻及びヘリカル巻にて巻回する巻回工程と、を備え、前記巻回工程は、前記ヘリカル巻にて繊維を所定の層数巻回するまでは、前記フープ巻を行わないＦＲＰタンク製造方法を構成する。

上記製造方法により製造されたＦＲＰタンクのＦＲＰ層は、内側層がヘリカル層のみで形成される。ライナの変形応力を特に受ける内側層が、周方向の変形に対する許容度の大きいヘリカル層のみで構成されるために、ライナの変形応力を効率的に分散させることができ、これにより高いバースト強度を実現することができる。

なお、「所定数」は、例えば、ＦＲＰタンクに要求される特性（剛性、バースト強度等）やタンクの形状等から導出されるヘリカル層の必要最小層数に基づいて決定される。

本発明によれば、ドーム状の側部のバースト強度と胴部のバースト強度との双方を両立させるＦＲＰタンク及びその製造方法を提供することができる。

本実施の形態に係るＦＲＰタンクの構造を示す断面模式図 本実施の形態に係るＦＲＰタンクを搭載した燃料電池自動車の模式図 本実施の形態に係るＦＲＰタンク製造装置を示す模式図 本実施の形態に係るＦＲＰ層の断面を示す模式図 比較例に係る従来のＦＲＰ層の断面を示す模式図 本実施の形態に係るＦＲＰ層の歪特性の解析結果を示す図 比較例に係る従来のＦＲＰ層の歪特性の解析結果を示す図 繊維角度と周方向ヤング率との関係を示す図 本実施の形態に係るＦＲＰ層の歪特性の解析結果を示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係るＦＲＰタンク及びその製造方法について説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。

（ＦＲＰタンクの全体構造）
はじめに、図１を用いて本実施の形態に係るＦＲＰタンクの全体構造を説明する。ここで、図１は、本実施の形態に係るＦＲＰタンクの全体構造を示す断面模式図である。

図１に示すように、ＦＲＰタンク１は、断面が略楕円体のタンク本体１０と、このタンク本体１０の長手方向両端部に取り付けられた口金部１２とを有する。

タンク本体１０は、例えば二層構造を有し、内部に貯留空間が形成されるように中空状に構成されたライナ２０と、そのライナ２０の外面を覆う補強層としてのＦＲＰ層２１とを有している。貯留空間には、例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａの圧縮天然ガスや水素ガス等からなる流体が貯留される。

ライナ２０は、タンク本体１０とほぼ同じ略楕円形状を有し、略円筒状の胴部２０２と、胴部２０２の両端に連続するドーム状の側部２０４とを備えている。側部２０４には、流体が供給（又は排出）される開口が設けられており、この開口に上述した口金部１２が装着され、配管系に接続可能となっている。ライナ２０は、ガスバリア性を有し、水素ガス等の外部への透過を抑制する層である。ライナ２０は、例えば、金属、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等の硬質樹脂から形成されており、二層以上積層して構成することも可能である。

ＦＲＰ層２１は、容器壁の耐圧強度を確保する層であり、樹脂を含有した状態で固化された繊維により形成されている。本実施形態におけるＦＲＰ層２１は、繊維が胴部２０２の位置で周方向に巻回されてなるフープ層と、繊維が側部２０４及び胴部２０２の双方の位置でフープ層の繊維に対して交差する方向に巻回されてなるヘリカル層とから構成されている。ＦＲＰ層２１の構造についての詳細は後述する。

（ＦＲＰタンクの利用例）
次に、図２を参照して、上記ＦＲＰタンク１の利用例について説明する。ここで、図２は、本実施の形態に係るＦＲＰタンクを搭載した燃料電池自動車の模式図である。

図２に示すように、燃料電池自動車１００には、例えば３つのＦＲＰタンク１が車体のリア部に搭載されている。ＦＲＰタンク１は、高圧ガスタンクであり、例えば、内部に燃料ガスとしての圧縮天然ガスや水素ガス等を貯蔵している。ＦＲＰタンク１は、燃料電池システム２の一部を構成し、ガス供給ライン３を通じて各ＦＲＰタンク１から燃料電池４に燃料ガスが供給可能になっている。なお、ＦＲＰタンク１は、燃料電池自動車１００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）や定置設備（住宅、ビル）にも適用できる。

（ＦＲＰタンク製造装置）
次に、図３を参照しながら、上記ＦＲＰタンク１を製造するためのＦＲＰタンク製造装置３０について説明する。ここで、図３は、本実施の形態に係るＦＲＰタンク製造装置を示す模式図である。

ＦＲＰタンク製造装置３０は、フィラメント・ワインディング（ＦＷ）法によりライナ２０の周囲にＦＲＰ層２１を形成する装置である。ＦＲＰタンク製造装置３０は、繊維束供給部４０と、張力調整器５０と、繊維束ガイド６０と、回転駆動部７０と、制御部８０とを備えている。

繊維束供給部４０には、繊維束ｆ１〜ｆ３が巻き付けられた複数（図３においては３つ）のボビン４１ａ〜４１ｃが備えられている。繊維束供給部４０は、制御部８０の指令に基づいて、繊維束ｆ１〜ｆ３を張力調整器５０に送り出す。

本実施の形態においては、繊維束ｆ１〜ｆ３には、繊維に半硬化の熱硬化性樹脂を予め含浸させたプリプレグを用いる。こうしたプリプレグは、予め樹脂が含浸されているので繊維密度のばらつきが少ない。またライナ２０への巻き付けの際に樹脂がたれ落ちにくく、ＦＲＰ層の樹脂ムラが生じることも抑制できる。

なお、繊維束ｆ１〜ｆ３としては、プリプレグを用いなくともよい。この場合は、例えば、繊維束供給部４０から繊維を送り出した後、熱硬化性の樹脂が貯留された樹脂槽に案内して、繊維束ｆ１〜ｆ３に樹脂槽内の樹脂を含浸させるようにすればよい。

なお、繊維は、例えば、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、綿等の天然有機繊維などである。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く、ここではカーボン繊維を用いられている。また、熱硬化性の樹脂としては、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等が用いられる。

張力調整器５０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を測定し、その測定結果を制御部８０に出力するとともに、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を調整して繊維束ガイド６０に送り出す。

繊維束ガイド６０は、繊維束ｆ１〜ｆ３を１つに束ねることにより繊維束Ｆを形成し、これをライナ２０に供給する。繊維束ガイド６０は、ライナ２０の長手方向及びそれに垂直な方向に往復可能であり、かつ、ライナ２０に対する角度を変更できるように回転可能な状態で設置されている。

ライナ２０は、その軸心を中心に回転可能となるように、シャフトを介して回転駆動部７０に取り付けられる（ライナを準備する工程）。

回転駆動部７０は可変速モータを有しており、このモータの回転を、シャフトを介してライナ２０に伝達することによってライナ２０を回転駆動する。回転駆動部７０の回転速度は、制御部８０からの指令により自在に調整可能である。加圧ポンプ７１は、樹脂含浸繊維層２１Ａの形成中にライナ２０が凹むのを防ぐために、ライナ２０の内部を加圧する。

ライナ２０には、繊維束ガイド６０から供給される繊維束Ｆが所定のパターンで巻き付けられ、複数層からなる樹脂含浸繊維層２１Ａが形成される（巻回工程）。

巻回工程は、ＦＲＰ層の内側層を形成するための第１の巻回工程と、ＦＲＰ層の外側層を形成するための第２の巻回工程に分かれる。第１の巻回工程においては、繊維束Ｆは、ライナ２０の胴部２０２及び側部２０４に高角度ヘリカル巻と低角度ヘリカル巻にて交互に巻回される。第２の巻回工程においては、繊維束Ｆは、ライナ２０の胴部２０２及び側部２０４に低角度ヘリカル巻とフープ巻にて交互に巻回される。第１の巻回工程は、巻き始めから巻回数が所定の層数に達するまで実行され、巻回数が所定の層数を超えた後は第２の巻回工程が実行される。

なお、本実施の形態においては、所定の層数は、例えば、ＦＲＰタンクに要求される特性（剛性、バースト強度等）やタンクの形状等から導出される高角度ヘリカル層の必要最小層数に基づいて決定される。例えば、高角度ヘリカル層の必要最小層数が８層で、高角度ヘリカル巻と低角度ヘリカル巻を１層おきにこの順で実行する場合、所定の層数は１６層になる。この場合は、巻き始めから１６層目までが第１の巻回工程となり、高角度ヘリカル巻と低角度ヘリカル巻による巻回が交互に実行され、１７層目から巻き終わり（例えば６０層）までが第２の巻回工程となり、フープ巻と低角度ヘリカル巻とによる巻回が交互に実行される。言い換えれば、高角度ヘリカル巻にて巻回する必要のある層数がすべて巻回された後にはじめて、フープ巻による巻回が行われる。

ここで、フープ巻は、繊維束Ｆをライナ２０の胴部２０２に、ライナ２０の軸心に対する繊維束Ｆの巻付け角度（以下、「繊維角度」ともいう）が実質的に垂直（９０度）となるように巻回するものである。一方、ヘリカル巻は、フープ巻に比べて繊維角度が小さいもので、ライナの胴部２０２に加えてドーム状の側部２０４を螺旋状に巻回するものである。本実施の形態においては、高角度ヘリカル巻は、繊維角度が５０度以上９０度未満、より好ましくは、５０度以上７０度未満である。低角度ヘリカル巻は、繊維角度５０度未満、より好ましくは３０度以下である。ヘリカル巻における繊維角度は、巻回部の形状及び必要な周方向または軸方向の剛性に応じて層毎に変化させることができる。

樹脂含浸繊維層２１Ａが形成されると、ライナ２０は、シャフトから取り外され、例えば、図示しない加熱炉に搬送され、樹脂含浸繊維層２１Ａの樹脂が熱硬化される（熱硬化工程）。これにより、ライナ２０の外側に強度の高いＦＲＰ層２１を備えたＦＲＰタンク１が製造される。

制御部８０は、ＦＲＰタンク製造装置３０の運転を制御する。制御部８０は、例えば、繊維束供給部４０及び張力調整器５０からの繊維の供給、繊維束ガイド６０の駆動、ライナ２０の回転駆動部７０への取り付け、回転駆動部７０の回転スピード、巻回後のライナ２０の加熱炉への搬送及び加熱炉の温度管理等ＦＲＰタンク製造装置３０全体を制御するようになっている。

（ＦＲＰ層の構造）
次に、図４乃至図９を参照して、上記ＦＲＰ製造装置３０にて製造されたＦＲＰタンク１のＦＲＰ層２１の構造を詳細に説明する。

図４は、ライナ２０の胴部上に形成されたＦＲＰ層２１の断面を示す模式図である。図４に示すように、ＦＲＰ層２１は、ライナ２０の周方向内側に設けられた内側層２１０と周方向外側に設けられた外側層２１２とを有している。内側層２１０は、高角度ヘリカル巻により形成された高角度ヘリカル層２２と、低角度ヘリカル巻により形成された低角度ヘリカル層２３とが交互に積層している。外側層２１２は、フープ巻により形成されたフープ層２４と、低角度ヘリカル層２３とが交互に積層している。言い換えれば、内側層２１０は、低角度及び高角度ヘリカル層のみで構成され、フープ層を有せず、外側層２１２は、低角度ヘリカル層とフープ層のみで構成され、高角度ヘリカル層を有しない。

一方、図５は、比較例としての従来のライナ９０の胴部上に形成されたＦＲＰ層９１の断面を示す模式図である。図５に示すように、ＦＲＰ層９１には、フープ層９４、低角度ヘリカル層９３、高角度ヘリカル層９２及び低角度ヘリカル層９３を一つのパターンとして、最内層からこの順で複数パターンが積層されている。従来のＦＲＰ層９１では、フープ層９４が内側層においても配置されてしまっている。

図６は、本実施の形態の上記構造のＦＲＰ層２１に、ライナ２０の変形による所定の応力Ｐがかかった場合のＦＥＭによる解析結果を示す図である。一方、図７は、比較例にかかる上記従来構造のＦＲＰ層９１に、ライナ９０の変形による上記応力Ｐがかかった場合のＦＥＭによる解析結果を示す図である。

図６及び図７において、横軸は層番号（最内層を１としている）、縦軸は繊維の長手方向（以下、「繊維方向」ともいう）の歪を示している。ここで、繊維方向の歪が最も大きい層が、繊維破断が生じやすい層であり、言い換えれば、繊維方向の歪の最大値が小さければ小さいほど、バースト強度が大きくなる。

図６と図７との比較から、本実施の形態のＦＲＰ層２１の構造は、従来例のＦＲＰ層９１の構造に比べて、バースト強度が格段に向上していることが分かる。すなわち、本実施の形態のＦＲＰ層２１の場合には、図６に示すように、繊維方向の歪が各層において分散され、これにより繊維方向の歪の最大値が低く抑えられている（０．０１１未満）。これに対し、従来例のＦＲＰ層９１の場合には、図７に示すように、繊維方向の歪が内側の数層に集中しそのため繊維方向の歪の最大値が高い領域（０．０１１〜０．０１２）ができてしまっている。上述したとおり、繊維方向の歪の最大値が小さければ小さいほど、バースト強度が大きくなるから、繊維方向の歪が分散され最大値が低く抑えられている本実施の形態のＦＲＰ層２１のほうが、各段にバースト強度が高いといえる。

これは、ＦＲＰ層２１の内側層２１０に、周方向の変形許容量の小さいフープ層２４を用いず、周方向の変形許容量の大きいヘリカル層２２、２３を集中させたことによるものである。従来のＦＲＰ層９１では、内側の層に周方向の変形許容量の小さいフープ層９４が形成されているので、ここにライナ９０の変形応力が集中してしまっている。ライナの変形は例えば、充填時の充填圧による変形である。

またフープ層２４をＦＲＰ層２１の外側層２１２に集中して形成したので、胴部のバースト強度も担保されている。しかも、図８の繊維角度と周方向ヤング率との関係に示すように、高角度ヘリカル層２２（繊維角度５０度以上の層）は、周方向のヤング率も比較的大きく維持されている。そのため、高角度ヘリカル層をライナ２０の側部２０４の補強のみならずライナ２０２の胴部の補強にも用いることで、胴部のバースト強度をより高めることができる。すなわち、ドーム状の側部のバースト強度と胴部のバースト強度との双方を両立させることができる。

なお、上記ＦＲＰ層２１の構造により、薄肉化も可能になる。図９は、図６の解析結果と同じ条件で、層を３層減らした場合のＦＥＭの解析結果である。同図から分かるように、ＦＲＰ層２１を薄肉化しても、図７の従来例の解析結果と比較して、繊維方向の歪の最大値を低く抑えることができる。すなわち、必要なバースト強度を得つつも、ＦＲＰ層２１全体の層数を減らして薄肉化を実現することが可能になる。

１……ＦＲＰタンク、２……燃料電池システム、３……ガス供給ライン、４……燃料電池、１０……タンク本体、１２……口金部、２０……ライナ、２０２……胴部、２０４……側部、２１……ＦＲＰ層、２１０……内側層、２１２……外側層、２１Ａ……樹脂含浸繊維層、２２……高角度ヘリカル層、２３……低角度ヘリカル層、２４……フープ層、３０……ＦＲＰタンク製造装置、４０……繊維束供給部、５０……張力調整器、６０……繊維束ガイド、７０……回転駆動部、７１……加圧ポンプ、８０……制御部、９０……ライナ、９１……ＦＲＰ層、９２……高角度ヘリカル層、９３……低角度ヘリカル層、９４……フープ層、１００……燃料電池自動車、ｆ１…繊維束、ｆ２…繊維束、ｆ３…繊維束、Ｆ…繊維束

Claims (5)

1. ライナと、該ライナの外周に繊維が巻回されて形成されたフープ層及びヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を備え、
   前記ＦＲＰ層の内側層は、ヘリカル層のみで構成されているＦＲＰタンク。
2. 前記ＦＲＰ層の内側層は、高角度ヘリカル層と、低角度ヘリカル層とが交互に積層されている請求項１に記載のＦＲＰタンク。
3. 前記ＦＲＰ層の外側層は、前記低角度ヘリカル層と、前記フープ層とが交互に積層されている請求項２に記載のＦＲＰタンク。
4. 前記ライナは、円筒上の胴部と、該胴部の少なくとも一方の端部に配置されたドーム状の側部とを備え、
   前記フープ層は、前記胴部上に積層され、前記高角度ヘリカル層は、前記胴部上及び側部上に積層されている請求項３に記載のＦＲＰタンク。
5. ライナを準備する工程と、前記ライナの外周に繊維をフープ巻及びヘリカル巻にて巻回する巻回工程と、を備え、
   前記巻回工程は、前記ヘリカル巻にて繊維を所定の層数巻回するまでは、前記フープ巻を行わないＦＲＰタンク製造方法。

Images