JP2017203514A

JP2017203514A - 車両

Info

Publication number: JP2017203514A
Application number: JP2016095869A
Authority: JP
Inventors: 高見　昌宜; Masayoshi Takami; 昌宜高見
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-11-16

Abstract

【課題】車両衝突時の衝撃による第２のタンクの損傷を抑制する。【解決手段】車両であって、車両の進行方向に対して自身の長手方向が平行である第１のタンクと、車両の幅方向に対して自身の長手方向が平行であり、かつ、第１のタンクに対して進行方向の後ろ側に配置されている第２のタンクと、を搭載し、第１のタンクと第２のタンクとは、いずれもタンク本体の外表面に巻かれた繊維束であって熱硬化性樹脂を含浸させた繊維束により形成されている補強層を有し、第２のタンクの補強層に含まれる耐衝撃用の強化材の含有率は、第１のタンクの補強層に含まれる強化材の含有率よりも大きい、車両。【選択図】図１

Description

本発明は、タンクを搭載した車両に関する。

従来、タンクを搭載した車両が知られている。特許文献１には、複数のタンクを車両に搭載する場合の搭載態様として、自身の長手方向が車両の進行方向と平行に第１のタンクを載置し、自身の長手方向が車両の幅方向と平行となり、かつ、第１のタンクの後方に第２のタンクを載置する態様が開示されている。なお、車両に搭載されるタンクとしては、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料電池に供給される燃料ガス（水素ガス等）を収容するタンクが該当する。

独国特許出願公開第１０２００９０３９０７９Ａ１号明細書

一般にタンクは、略円筒状の胴体部の両端に胴体部よりも表面積の小さい略凸曲面形状のドーム部を有する形状を有している。ここで、特許文献１に記載のタンクの搭載態様を採用した車両が、車両や壁等と前方衝突した場合、第１のタンクの車両後方に位置するドーム部が第２のタンクの胴体部に接触する場合がある。このとき、第２のタンクは、衝突荷重を第１のタンクのドーム部から受けるため、第１のタンクの胴体部から衝突荷重を受ける場合と比べて、単位面積あたりの衝突圧力は大きくなる。このため、第２のタンクが損傷するおそれがある。したがって、上述のタンクの搭載態様において、車両衝突時の衝撃による第２のタンクの損傷を抑制する技術が望まれている。

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）本発明の一実施形態によれば、車両が提供される。この車両は、前記車両の進行方向に対して自身の長手方向が平行である第１のタンクと；前記車両の幅方向に対して自身の長手方向が平行であり、かつ、前記第１のタンクに対して前記進行方向の後ろ側に配置されている第２のタンクと；を搭載し；前記第１のタンクと前記第２のタンクとは、いずれもタンク本体の外表面に巻かれた繊維束であって熱硬化性樹脂を含浸させた繊維束により形成されている補強層を有し；前記第２のタンクの前記補強層に含まれる耐衝撃用の強化材の含有率は、前記第１のタンクの前記補強層に含まれる前記強化材の含有率よりも大きい。
この形態の車両によれば、第２のタンクの補強層に含まれる耐衝撃用の強化材の含有率は、第１のタンクの補強層に含まれる耐衝撃用の強化材の含有率よりも大きいので、かかる含有率が第１のタンクの補強層に含まれる耐衝撃用の強化材の含有率以下である構成に比べて、第２のタンクの補強層の強度を高めることができ、車両衝突時の衝撃により第１のタンクが第２のタンクに接触した際に、第２のタンクの損傷を抑制できる。

本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、タンクの車両への搭載方法や、車両の製造方法等の形態においても実現できる。

本発明の一実施形態における車両の概略構成を示す断面図である。車両の概略構成を示す上面図である。第１のタンクの構成を示す断面図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．車両の構成
図１は、本発明の一実施形態における車両の概略構成を示す断面図である。図２は、車両の概略構成を示す上面図である。図１および図２では、Ｚ軸は鉛直方向と平行に、Ｘ軸およびＹ軸は水平方向と平行に、それぞれ設定されている。Ｘ軸は、車両１００の進行方向（以下、「車両進行方向」と呼ぶ）と平行であり、＋Ｘ方向は車両１００の前進方向と平行な方向に、−Ｘ方向は車両１００の後退方向と平行な方向に、それぞれ相当する。Ｙ軸は、車両１００の幅方向と平行である。図１は、車両進行方向に沿った車両１００の断面を示している。図２は、車両１００を車両１００の天井から−Ｚ方向に見たときの概略透視図である。

車両１００は、燃料電池２００と、第１のタンク３００と、第２のタンク４００と、一対の前輪ＦＷと、一対の後輪ＲＷと、モータＭと、を備える。車両１００は、燃料電池２００を電力源とする燃料電池車両である。車両１００は、燃料電池２００の発電した電力によってモータＭを駆動して一対の後輪ＲＷを駆動させることにより走行する。

図１に示すように、車両１００には、前方側にフロントルーム１１が形成されている。本実施形態では、フロントルーム１１は、一対の前輪ＦＷに挟まれた領域を含む空間として形成されている。フロントルーム１１の後方側には車室１２が形成されている。本実施形態では、車室１２は、一対の前輪ＦＷと一対の後輪ＲＷとに挟まれた車両進行方向と平行な方向に延びる空間として形成されている。フロントルーム１１には、燃料電池２００が載置されている。燃料電池２００は、固体高分子型燃料電池である。燃料電池２００は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての空気とが供給されて発電する。

第１のタンク３００および第２のタンク４００は、燃料電池２００に供給するための水素ガスを高圧で貯蔵するために用いられる。第１のタンク３００および第２のタンク４００は、図示しない配管によって燃料電池２００に接続されている。第１のタンク３００および第２のタンク４００は、いずれも両端が凸曲面状に形成された略円柱状の外観形状を有する。図２に示すように、第１のタンク３００は、車両進行方向に対して自身の長手方向が平行に配置されている。第２のタンク４００は、車両１００の幅方向に対して自身の長手方向が平行となり、かつ、第１のタンク３００に対して車両進行方向の後ろ側（−Ｘ方向）に配置されている。第１のタンク３００および第２のタンク４００は、いずれも水平に載置されて車両１００に搭載されている。本実施形態では、第１のタンク３００と第２のタンク４００とは、後述の補強層に含まれる耐衝撃用の強化剤の含有率を除いては、互いに同じ構成を有する。このため、以降では、第１のタンク３００について代表して説明する。

Ａ２．タンクの構成
図３は、第１のタンク３００の構成を示す断面図である。図３では、第１のタンク３００の軸線ＣＸに沿った断面を示している。第１のタンク３００は、タンク本体３１０と、２つの口金部３２０と、補強層３３０とを備える。タンク本体３１０は、高いガスバリア性を有する樹脂製の容器である。タンク本体３１０は、例えば、ポリアミド、エチレンビニルアルコール共重合体、ポリエチレン等の樹脂により形成されている。なお、樹脂に代えて、アルミニウム合金などの金属により形成されていてもよい。タンク本体３１０は、略円筒状の胴体部３１１と、胴体部３１１を挟んで配置される凸曲面形状の２つのドーム部３１２と、を有する。図３において、中心軸ＣＸは、胴体部３１１の中心軸を表わす。第１のタンク３００の長手方向とは、中心軸ＣＸに沿った方向である。

２つの口金部３２０は、それぞれドーム部３１２の頂点部分に取り付けられている。図３に示すように、口金部３２０は、タンク本体３１０における長手方向の両端部に装着されている。口金部３２０は、口金部３２０の中心軸と、タンク本体３１０の中心軸ＣＸとが一致するように取り付けられている。一方の口金部３２０は、タンク本体３１０の内部と連通している。一方の口金部３２０には、水素ガス供給用の配管が接続される。

補強層３３０は、タンク本体３１０の外表面を覆うように形成されている。補強層３３０は、耐圧性を有し、タンク本体３１０の強度を高めるために用いられる。補強層３３０は、耐衝撃用の強化材を含んだ熱硬化性樹脂と炭素繊維との複合材料である炭素強化繊維樹脂（ＣＦＲＰ：ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）から成る。補強層３３０は、フィラメントワインディング法により形成される。具体的には、タンク本体３１０の外周面に、熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維の繊維束を巻き付け、繊維束に含まれる熱硬化性樹脂を加熱して硬化させることにより形成する。本実施形態では、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂を用いる。また、炭素繊維として、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維を用いる。なお、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維に代えて、レーヨン系炭素繊維や、ピッチ系炭素繊維など、他の任意の炭素繊維を用いてもよいし、炭素繊維の補強を目的として、ガラス繊維やアラミド繊維を含んでもよい。

上述の耐衝撃用の強化材（以下、「強化材」と呼ぶ）は、熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）の靱性の向上を目的として用いられる。本実施形態では、強化材として、ポリエーテルスルホンが用いられる。なお、ポリエーテルスルホンに代えて、エラストマーなどの任意の熱可塑性樹脂を用いてもよい。ただし、かかる強化材を含む熱硬化性樹脂および炭素強化繊維樹脂の物性として、後述の条件を満たすことが好ましい。

本発明の発明者は、強化材を含む熱硬化性樹脂および炭素強化繊維樹脂として、以下の３つの条件を満たすことが好ましいことを見いだした。
（１）強化材を含むエポキシ樹脂の９０度曲げ弾性率が、３ＧＰａ以上であること。
（２）炭素強化繊維樹脂の層間せん断強さが、３０ＭＰａ以上であること。
（３）炭素強化繊維樹脂の層間破壊靱性値が、０．９ｋＪ／ｍ^２以上であること。

上記９０度曲げ弾性率は、プラスチック−引っ張り特性の試験方法（ＩＳＯ５２７−５に準拠）を行うことによって測定することができる。上記層間破壊靱性値は、以下のようにして炭素繊維強化プラスチック層間はく離試験（ＪＩＳＫ７０８６付属書２荷重線変位測定によるＥＮＦ試験に準拠）を行うことによって測定することができる。具体的には、完成品のタンク（第１のタンク３００および第２のタンク４００）の補強層３３０から、幅２５ｍｍ、長さ１４０ｍｍ、厚さ２．６ｍｍの試験片を切り出す。試験片に予き裂として、幅２５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ２５μｍｍのポリイミドフィルムを挿入し、予き裂が進展しない範囲で引き裂く。室温（２３℃±３℃）の環境において、ミネベア株式会社製の機械試験装置（ＴＧＩ−１００ｋＮ型）に試験片をセットし、３点曲げ試験を行う。このとき、スパンは５０ｍｍに設定する。また、試験速度は、０．５ｍｍ／分に設定する。そして、ＪＩＳＫ７０８６付属書２に準拠した計算式を用いて、層間破壊靱性値を算出する。

上記層間せん断強さは、以下のようにして炭素繊維強化プラスチック層間せん断試験（ＡＳＴＭＤ２３４４）を行うことによって測定することができる。具体的には、上述の炭素繊維強化プラスチック層間はく離試験の場合と同様にして幅１２ｍｍ、厚さ６．７５ｍｍ〜７．１５ｍｍの範囲の任意の厚さの試験片を複数切り出す。これらの試験片を温度２３±２℃および相対湿度５０±５％の環境において、ＡＳＴＭ規格に準拠した層間せん断試験用試験機にセットし、３点曲げ試験を行う。試験速度は、１〜２ｍｍ／分に設定する。試験後に、ＡＳＴＭ規格に準拠した層間せん断強さの計算式を用いて、層間せん断強さを算出する。

本実施形態では、第１のタンク３００および第２のタンク４００に用いられる強化材の含有率を調整して、第２のタンク４００の補強層３３０に含まれる強化材の含有率が第１のタンク３００の補強層３３０に含まれる強化材の含有率よりも大きくなるように制御している。このような強化材の含有率の大小関係により、第２のタンク４００の補強層３３０の強度を第１のタンク３００の補強層３３０の強度よりも高めることができる。

本実施形態において、エポキシ樹脂の主剤として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂またはビスフェノールＦ型エポキシ樹脂に代表されるベンゼン環骨格主鎖中に持つ分子末端にエポキシ基を１つまたは２つ持つ化合物が用いられる。そして、この主剤の分子量を異ならせることで補強層３３０における強度を制御してもよい。すなわち、第２のタンク４００に用いるエポキシ樹脂の主剤の分子量を第１のタンク３００に用いるエポキシ樹脂の主剤の分子量に比べて大きくすることにより、第２のタンク４００の補強層３３０の強度を第１のタンク３００の補強層３３０の強度に比べて向上させてもよい。

以上説明した、本実施形態の車両１００によれば、車両１００には、車両進行方向に対して自身の長手方向が平行である第１のタンク３００と、車両１００の幅方向に対して自身の長手方向が平行であり、かつ、第１のタンク３００に対して車両進行方向の後ろ側（−Ｘ方向）に配置されている第２のタンク４００とが搭載されている。換言すると、第１のタンク３００と第２のタンク４００とは、第１のタンク３００の長手方向が車両進行方向と平行となるように配置され、また第２のタンク４００の長手方向が車両幅方向と平行となり、かつ、第２のタンク４００が第１のタンク３００の車両進行方向の後方に位置する態様で配置されている。車両１００では、このようなタンクの搭載態様を採用しているにもかかわらず、車両１００の衝突が発生した場合であっても、第２のタンク４００の損傷を抑制できる。これは、第２のタンク４００の補強層３３０に含まれる強化材の含有率が、第１のタンク３００の補強層３３０に含まれる強化材の含有率よりも大きいので、かかる含有率が第１のタンク３００の補強層３３０に含まれる強化材の含有率以下である構成に比べて、第２のタンク４００の補強層３３０の強度を高めることができるからである。

加えて、強化材を含むエポキシ樹脂および炭素強化繊維樹脂の物性として上記（１）〜（３）を満たすことにより、補強層３３０の強度を高めることができるので、例えば、炭素繊維の巻回数を第１のタンク３００に比べて第２のタンク４００において増やすことにより補強層３３０の強度を高める構成に比べて、製造コストを低減することができ、かつ、車両搭載用のタンクに求められるタンクの体積の増加を抑制できる。

Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１
上記実施形態において、第１のタンク３００と第２のタンク４００は、同一の構成を有していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、タンクの大きさ、タンクの外観形状、タンク本体の材質などを互いに異ならせてもよい。この場合、第２のタンク４００の補強層３３０に含まれる強化材の含有率が、第１のタンクの補強層３３０に含まれる強化材の含有率よりも相対的に大きければ、本実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ２．変形例２
上記実施形態において、第１のタンク３００と第２のタンク４００とは、車両１００において水平に載置されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池２００の載置態様に応じて、傾斜をつけて載置されてもよい。このような構成においても、本実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ３．変形例３
上記実施形態において、第１のタンク３００および第２のタンク４００の各補強層３３０には、いずれも強化材が含まれていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１のタンク３００の補強層３３０に強化材が含まれていなくてもよい。このような構成においても、本実施形態と同様な効果を奏する。

本発明は、上述の実施形態および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、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、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。

１１…フロントルーム
１２…車室
１００…車両
２００…燃料電池
３００…第１のタンク
３１０…タンク本体
３１１…胴体部
３１２…ドーム部
３２０…口金部
３３０…補強層
４００…第２のタンク
ＣＸ…中心軸
ＦＷ…前輪
Ｍ…モータ
ＲＷ…後輪

Claims

車両であって、
前記車両の進行方向に対して自身の長手方向が平行である第１のタンクと、
前記車両の幅方向に対して自身の長手方向が平行であり、かつ、前記第１のタンクに対して前記進行方向の後ろ側に配置されている第２のタンクと、
を搭載し、
前記第１のタンクと前記第２のタンクとは、いずれもタンク本体の外表面に巻かれた繊維束であって熱硬化性樹脂を含浸させた繊維束により形成されている補強層を有し、
前記第２のタンクの前記補強層に含まれる耐衝撃用の強化材の含有率は、前記第１のタンクの前記補強層に含まれる前記強化材の含有率よりも大きい、
車両。