JP2015017641A - 高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法 - Google Patents

高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高圧タンクに関する技術を提供する。
【解決手段】高圧タンクであって、ライナーの外表面に形成された補強層を備え、ライナーは、補強層と接触する領域の少なくとも一部が、補強層との固着を抑制する固着抑制加工が施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧タンクの技術に関する。
高圧タンクの構造について種々の開発がされている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、気密シール性を高めるために、ライナーと繊維強化プラスチック層との間に接着剤層を形成する技術が記載されている。
特開２００８−１６４１３１号公報
しかし、特許文献１に記載の高圧タンクは、ライナーと繊維強化プラスチック層が接着剤によって固着しているため、例えば、低温時にライナーの柔軟性が低下した場合には、タンクの内圧による応力がライナーの局所に集中し、ライナーが歪む可能性があるという問題があった。
また、高圧タンクを燃料電池車両に用いる水素ガスの充填に適用した場合、燃料電池車両が高速走行時には、高圧タンクから高い流量で水素が連続放出される。この時、高圧タンク内部の水素が断熱膨張することで高圧タンクの内部が急激に低温状態となる。例えば、外気温−１０℃の寒冷地では、高圧タンクの内部温度は約−７０℃となり、極低温状態となる。極低温状態においては、ライナーの破断伸びが低下し、ライナーと繊維強化プラスチック層が接着剤によって固着した構造の高圧タンクの場合、ライナーの局所に高い応力が加わるという問題があった。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、ライナーと；前記ライナーの外表面に形成された補強層とを備え；前記ライナーは、前記補強層と接触する領域の少なくとも一部に、前記補強層との固着を抑制する固着抑制加工が施されている。この形態の高圧タンクによると、ライナーは、補強層と接触する領域の少なくとも一部が、補強層との固着を抑制する固着抑制加工が施されているので、ライナーが高圧タンクの内圧によって受ける応力を分散させることができ、応力がライナーの局所に集中することを抑制することができる。
（２）上記形態の高圧タンクにおいて、前記固着抑制加工は、前記ライナーと前記補強層との間の少なくとも一部に、離型剤からなる離型剤層を形成する加工であるとしてもよい。この形態の高圧タンクは、ライナーと補強層との間の少なくとも一部に離型剤層が形成されているので、離型剤層が、ライナーと補強層との固着を抑制する。従って、ライナーが高圧タンクの内圧によって受ける応力を分散させることができ、応力がライナーの局所に集中することを抑制することができる。
（３）上記形態の高圧タンクにおいて、前記固着抑制加工は、前記ライナーと前記補強層との間であって、少なくとも前記ライナーが有する曲面形状のドーム部に施されているとしてもよい。この形態の高圧タンクによると、タンクの内圧による応力が集中する傾向にあるライナーのドーム部に固着抑制加工が施されているので、ライナーは、ドーム部に加わる応力を分散させることができる。
（４）上記形態の高圧タンクにおいて、前記ライナーは樹脂製であるとしてもよい。この形態の高圧タンクによると、ライナーは樹脂製である。樹脂製のライナーは低温において破断伸びが低下し、タンクの内圧による応力が特に局所に集中しやすい。従って、ライナーに固着抑制加工を施して応力を分散させることは、樹脂製のライナーを適用した高圧タンクに特に効果的である。
（５）上記形態の高圧タンクは、水素を充填するための高圧水素タンクであるとしてもよい。高圧タンクから高い流量で水素が連続放出されると、タンク内部の水素が断熱膨張することで内部が急激に低温状態となり、ライナーの破断伸びが低下し、ライナーに高い応力が加わる。従って、ライナーに固着抑制加工を施して応力を分散させることは、高圧水素タンクに特に効果的である。
（６）また、本発明の他の形態によれば、高圧タンクの製造方法が提供される。この高圧タンクの製造方法は、ライナーの外表面に補強層を形成する補強層形成工程と；補強層形成工程に先立って、前記ライナーと前記補強層とが接触する領域の少なくとも一部に、前記ライナーと前記補強層との固着を抑制する固着抑制処理を行う固着抑制工程とを備える。この形態の高圧タンクの製造方法によると、ライナーと補強層とが接触する領域の少なくとも一部に、ライナーと補強層との固着を抑制する固着抑制処理を行うので、製造後の高圧タンクにおいて、ライナーが高圧タンクの内圧によって受ける応力を分散させることができ、応力がライナーの局所に集中することを抑制することができる。
また、このような形態によれば、低コスト化、省資源化、製造の容易化、性能の向上等の種々の課題の少なくとも１つを解決することができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、高圧ガスタンク、高圧タンク製造装置、燃料電池車、燃料電池システムなどの種々の形態で実現することができる。
高圧タンクの構造を示す説明図である。 高圧タンクの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態の効果を示す説明図である。 ライナーと繊維強化プラスチック層とが固着した高圧タンクの応力分布図である。
Ａ．第１実施形態：
（Ａ１）高圧タンクの構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての高圧タンク１０の構造を示す説明図である。高圧タンク１０は、例えば、車載用の燃料電池システムに用いる燃料ガスとしての水素を貯蔵するために利用される。
図示するように、高圧タンク１０は、ライナー１２と、口金１４,１６と、離型剤層３０と、繊維強化プラスチック層４０とを備える。口金１４，１６は、ライナー１２の長手方向両端に設けられている。ライナー１２と口金１４,１６とからなる構成を本体部２０とも呼ぶ。
ライナー１２は、例えばナイロン系樹脂など水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂が成型されることによって構成されている。ライナー１２は、長手方向の両端近傍が、曲面形状に形成されている。以下、ライナー１２の曲面形状部分を、ドーム部２１，２２とも呼ぶ。なお、本実施形態においては、ライナー１２は樹脂製であるとしたが、金属製であるとしてもよい。
繊維強化プラスチック層４０は、本体部２０の外表面に形成されている。繊維強化プラスチック層４０は、フィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法とも呼ぶ）によって、予め熱硬化性樹脂を含浸された繊維が本体部２０に巻回されて形成されている。
離型剤層３０は、離型剤によって形成されている。離型剤層３０は、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間の全領域に形成されている。離型剤層３０は、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との固着を抑制している。本実施形態においては、離型剤としてフッ素系離型剤を用いる。その他、離型剤として、シリコン系離型剤を用いるとしてもよい。このようにして高圧タンク１０は構成されている。
（Ａ２）高圧タンクの製造方法：
図２は、高圧タンク１０の製造方法を示す工程図である。最初に、本体部２０を用意する（工程Ｔ１２）。すなわち、口金１４，１６を取り付けたライナー１２を用意する。上述のように、本実施形態においては、ライナー１２として樹脂製のライナーを採用する。
その後、本体部２０に、フッ素系離型剤を塗布し乾燥させることによって離型剤層３０を形成する（工程Ｔ１４）。具体的には、後の工程において繊維強化プラスチック層４０が形成される本体部２０の全領域に、フッ素系離型剤をスプレーによって塗布して温風によって乾燥させ、離型剤層３０を形成する。離型剤の塗布は、スプレーによる塗布に限らず、例えば、刷毛によって塗布するとしてもよいし、離型剤が収容される収容器内にライナー１２を浸してもよい。その他、離型剤からなるフィルムをライナー１２の外表面に配置することによって離型剤層３０を形成するとしてもよい。
離型剤を塗布し乾燥させた後、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をＦＷ法によって本体部２０に巻回する（工程Ｔ１６）。本実施形態においては、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を採用する。また、巻回する繊維として炭素繊維を採用する。巻回する繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維等を採用するとしてもよい。繊維の巻回の態様としては、フープ巻き、低角度・高角度のヘリカル巻き等を採用する。
その後、炭素繊維に含浸させたエポキシ樹脂を熱硬化させる（工程Ｔ１８）。具体的には、エポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維を巻回した本体部２０を、加熱炉で加熱しエポキシ樹脂を熱硬化させ、繊維強化プラスチック層４０を形成する。以上説明した工程で高圧タンク１０を製造する。
（Ａ３）効果：
図３は、第１実施形態において製造した高圧タンク１０の効果を示す説明図である。図３に示すグラフは、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間の状態を、「離型剤付与」、「未固着」、「固着」の３つのパターンに分け、各状態においてライナーに加わる最大発生応力を、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）によるシミュレーションによって算出した結果である。ＣＡＥによるシミュレーションを行う際には、繊維強化プラスチックの材質、ライナーの材質、金口の材質、各部材の形状、水素ガスの充填圧力等をパラメータとして用いた。また、グラフの縦軸は、ライナーに許容される応力（以下、許容応力とも呼ぶ）を基準（１００％）として表示している。
図３のグラフにおける「固着」とは、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間に離型剤層３０を備えず、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０とが固着している状態の高圧タンクに、所定圧の水素ガスを充填し、ライナーに加わる最大発生応力を、ＣＡＥによって算出した結果である。「固着」の場合、ライナーに加わる最大発生応力は許容応力の１６４％と言う算出結果となった。
図４は、ライナー５２と繊維強化プラスチック層５４とが固着した構造の高圧タンク５０に、７０Ｍｐａの水素ガスを充填した際の、ライナー５２に加わる応力の分布を、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）によるシミュレーションに基づいて示した説明図である。ＣＡＥによるシミュレーションの結果、ライナー５２の領域Ｆ（図４参照）に応力が局所的に集中することが見いだされた。図３のグラフで示したように、ライナー５２に局所的に加わる応力は、許容応力の約１６４％という算出結果となった。
図３のグラフにおける「未固着」とは、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間に離型剤層３０を備えず、かつ、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間が固着していない状態の高圧タンクをシミュレーションによって仮定し、当該高圧タンクに所定圧の水素ガスを充填した場合に、ライナーに加わる最大発生応力を算出した結果である。高圧タンクは、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０とが固着していないが、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間には摩擦力が働く。「未固着」の場合、ライナーに加わる最大発生応力は許容応力の１２９％と言う算出結果となった。
図３のグラフにおける「離型剤付与」とは、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間に離型剤層３０を備える高圧タンクに、所定圧の水素ガスを充填した場合に、ライナーに加わる最大発生応力を、ＣＡＥによって算出した結果である。離型剤層３０を有する高圧タンクは、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との固着が抑制される。また、離型剤には潤滑成分が含まれるため、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間には潤滑性が付与されている。「離型剤付与」の場合、ライナーに加わる最大発生応力は、許容応力の４５％と言う算出結果となった。
以上説明したように、本実施形態における高圧タンク１０は、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間に離型剤層３０を備えるので、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との固着を抑制する。従って、ライナー１２は、高圧タンク１０の内圧によって受ける応力を分散させることが可能となり、局所的な応力の集中を抑制することができる。結果として、ＣＡＥによる算出結果（図３）が示すように、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０とが固着する従来の高圧タンク（「固着」）と比較して、離型剤層３０を有する高圧タンク１０（「離型剤層付与」）は、ライナー１２に加わる最大発生応力を大幅に減少させることができる。
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
（Ｂ１）変形例１：
上記実施形態においては、固着抑制加工として、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間に離型剤層３０を形成し、ライナー１２に加わる応力を分散させたが、他の固着抑制加工として、例えば、繊維強化プラスチック層と接触するライナーの接触面の面粗度を低減させ、ライナーと繊維強化プラスチック層との摩擦力を低減させるとしてもよい。例えば、ライナーの外表面に鏡面加工を施して面粗度を低減させるとしてもよい。その他、繊維強化プラスチック層を形成する際に、巻回する繊維に含浸させる樹脂の材料としてライナー表面への固着力が小さい樹脂を選択し、繊維に含浸させるとしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
（Ｂ２）変形例２：
上記実施形態においては、離型剤層３０を、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間の全領域に形成するとしたが、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０との間の一部の領域に離型剤層３０を形成するとしてもよい。このようにしても、本体部２０と繊維強化プラスチック層４０と間の全領域が固着しているライナーと比較して、ライナーに加わる応力を分散させることができ、最大発生応力を低減させることができる。また、図４を用いて説明したように、ライナー１２のドーム部２１、２２の近傍に応力が居所的に集中する傾向が見いだされた。従って、少なくともライナー１２のドーム部２１，２２に離型剤層３０を形成することで、ライナー１２に加わる応力の集中を抑制することができる。
（Ｂ３）変形例３：
上記実施形態においては、補強層として繊維強化プラスチック層を採用したが、それに限ることなく、種々の材料によって補強層を形成することができる。例えば、補強層が熱硬化樹脂のみによって形成されているとしてもよい。本体部２０に離型剤層３０を形成し、その後に、熱硬化樹脂を塗布して熱硬化させて補強層としての熱硬化樹脂層を形成することで実現可能である。このようにしても、本体部２０と補強層としての熱硬化樹脂層との間に、離型剤層３０が形成されているので、このようにして製造した高圧タンク内に例えば高圧ガスを充填した場合に、ガス圧による応力がライナー１２の局所に集中することがなく、応力を分散させることができる。
（Ｂ４）変形例４：
上記実施形態においては、高圧タンクとして、水素を充填する高圧水素タンクを採用したが、酸素や液体窒素など、種々の物質を充填するための高圧タンクを採用するとしてもよい。
（Ｂ５）変形例５：
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０，５０…高圧タンク
１２，５２…ライナー
１４，１６…口金
２０…本体部
２１，２２…ドーム部
３０…離型剤層
４０，５４…繊維強化プラスチック層

Claims (6)

  1. 高圧タンクであって、
    ライナーと、
    前記ライナーの外表面に形成された補強層と
    を備え、
    前記ライナーは、前記補強層と接触する領域の少なくとも一部に、前記補強層との固着を抑制する固着抑制加工が施されている
    高圧タンク。
  2. 請求項１記載の高圧タンクであって、
    前記固着抑制加工は、前記ライナーと前記補強層との間の少なくとも一部に、離型剤からなる離型剤層を形成する加工である
    高圧タンク。
  3. 請求項１または請求項２に記載の高圧タンクであって、
    前記固着抑制加工は、前記ライナーと前記補強層との間であって、少なくとも前記ライナーが有する曲面形状のドーム部に施されている
    高圧タンク。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の高圧タンクであって、
    前記ライナーは樹脂製である
    高圧タンク。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の高圧タンクであって、
    前記高圧タンクは、水素を充填するための高圧水素タンクである
    高圧タンク。
  6. 高圧タンクの製造方法であって、
    ライナーの外表面に補強層を形成する補強層形成工程と
    補強層形成工程に先立って、前記ライナーと前記補強層とが接触する領域の少なくとも一部に、前記ライナーと前記補強層との固着を抑制する固着抑制処理を行う固着抑制工程と
    を備える高圧タンクの製造方法。
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