JP2018155302A - 高圧タンクの製造方法及び高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】フープ層の端部における段差の形成を軽減するとともに、容易にヘリカル層を適切な位置に形成することが可能な高圧タンクの製造方法、及び、高圧タンクを提供する。【解決手段】本製造方法は、第１フープ層６１ｆを形成する第１フープ工程と、第１フープ層６１ｆの外側面に第２フープ層６２ｆを形成する第２フープ工程と、ヘリカル層６ｈを形成するヘリカル工程と、を含む。本製造方法は、さらに、第１フープ工程の後であって、且つ、第２フープ工程の前に、第１フープ層６１ｆの端部に、第１フープ層６１ｆ及び第２フープ層６２ｆとは異なる色に着色された硬化剤７を塗布する硬化剤塗布工程を含む。第２フープ工程において、硬化剤７が第１フープ層６１ｆの端部と第２フープ層６２ｆの端部とに跨るように樹脂含浸繊維６をフープ巻きする。【選択図】図４

Description

本発明は、樹脂含浸繊維をライナの外側面に捲回する高圧タンクの製造方法、及び、樹脂含浸繊維がライナの外側面に捲回された高圧タンクに関する。

燃料電池システムを搭載し、燃料電池が発生させる電力を用いて走行する燃料電池車両の開発が進められている。燃料電池は、主に水素ガスと酸化剤ガスとの供給を受け、電気化学反応を生じさせることによって電力を発生させる。

また、燃料電池車両には、水素ガスを貯蔵するタンクが搭載される。水素ガスは７００〜２０００気圧という高圧で貯蔵されるため、タンクには高い耐圧性能が要求される。このような要求を満たしつつ、重量を軽減するため、樹脂材料を用いて形成したタンクが提案されている。

特許文献１には、高圧タンクの製造方法が開示されている。当該製造方法では、ライナと称される中空容器の外側面に、フィラメントワインディング法によって樹脂含浸繊維を捲回する。捲回された樹脂含浸繊維の樹脂を硬化させることにより、軽量かつ高剛性の高圧タンクを製造することが可能になる。

フィラメントワインディング法では、「フープ巻き」や「ヘリカル巻き」と称される捲回方法が用いられることが一般的である。フープ巻きでは、ライナの軸線に対して略垂直となるように樹脂含浸繊維を捲回してフープ層を形成するのに対し、ヘリカル巻きでは、ライナの軸線に対して傾斜するように樹脂含浸繊維を捲回してヘリカル層を形成する。

フープ層は多層となるように形成される。上層に配置されるフープ層（以下「上フープ層」ともいう。）は、下層に配置されるフープ層（以下「下フープ層」ともいう。）の樹脂含浸繊維が硬化する前に、当該下フープ層の外側面に樹脂含浸性をフープ巻きすることよって積層される。ヘリカル層は、このような多層のフープ層の端部を覆うようにして樹脂含浸繊維をヘリカル巻きすることによって形成される。このように配向が異なる複数の層を形成することにより、種々の方向に作用する内圧に対して高い強度を発揮する高圧タンクを製造することが可能になる。

特開２０１２−１４９７３９号公報

特許文献１記載の製造方法によれば、下フープ層の外側面に上フープ層を形成すると、下フープ層が上フープ層によって押圧されて変形する。したがって、上フープ層の端部を下フープ層の端部と一致させるように樹脂含浸繊維をフープ巻きした場合でも、この変形によって下フープ層の端部が上フープ層の端部から大きく離間し、フープ層の端部に大きな段差が生じる。

このような大きな段差が生じたフープ層の端部にヘリカル層を形成しようとすると、フープ層の端部がヘリカル層によって押圧されて変形し、フープ層の配向が乱れるおそれがあった。また、フープ層の端部の段差とヘリカル層との間に隙間が生じ、ヘリカル層の強度が低下するおそれがあった。

また、フープ層の端部では、同色の下フープ層と上フープ層とが積層している。このため、フープ層の端部に段差が生じると、上フープ層の端部の位置を視認することが困難になる。この結果、下フープ層及び上フープ層の端部を覆うように樹脂含浸繊維をヘリカル巻きすることが困難となり、ヘリカル層を適切な位置に形成することができなくなるおそれがあった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フープ層の端部における段差の形成を軽減するとともに、容易にヘリカル層を適切な位置に形成することが可能な高圧タンクの製造方法、及び、高圧タンクを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る高圧タンクの製造方法は、ライナの外側面に、樹脂含浸繊維をフープ巻きすることによって第１フープ層を形成する第１フープ工程と、第１フープ層の樹脂が硬化する前に、第１フープ層の外側面に樹脂含浸繊維をフープ巻きすることによって第２フープ層を形成する第２フープ工程と、第１フープ層及び第２フープ層の端部を覆うように樹脂含浸繊維をヘリカル巻きすることによってヘリカル層を形成するヘリカル工程と、を含む。さらに、当該製造方法は、第１フープ工程の後であって、且つ、第２フープ工程の前に、第１フープ層の端部に、第１フープ層及び第２フープ層とは異なる色に着色された硬化剤を塗布する硬化剤塗布工程を含む。第２フープ工程において、硬化剤が第１フープ層の端部と第２フープ層の端部とに跨るように樹脂含浸繊維をフープ巻きする。

上記製造方法によれば、塗布された硬化剤が、第１フープ層の端部と第２フープ層の端部とに跨るため、当該硬化剤が硬化すると、第１フープ層の端部は硬化剤を介して第２フープ層の端部に結合される。したがって、第１フープ層が第２フープ層によって押圧されても、第１フープ層の端部が第２フープ層の端部から離間することを軽減できる。これにより、第１フープ層の端部と第２フープ層の端部とによる段差の形成を軽減することが可能になる。

また、塗布される硬化剤は、第１フープ層及び第２フープ層とは異なる色に着色されている。したがって、第１フープ層及び第２フープ層の端部の位置を視認することが容易となる。この結果、第１フープ層及び第２フープ層の端部を覆うように樹脂含浸繊維をヘリカル巻きすることが容易となり、ヘリカル層を適切な位置に形成することが可能になる。

さらに、第１フープ層の端部と第２フープ層の端部とによる段差と、ヘリカル層と、の間に形成される隙間に、硬化剤を配置することができる。この硬化剤が硬化することにより、ヘリカル層によって第１フープ層及び第２フープ層の端部が押圧されて変形したり、それによって第１フープ層及び第２フープ層の配向が乱れたりすることを抑制できる。

上記課題を解決するために、本発明に係る高圧タンクは、ライナの外側面に、樹脂含浸繊維をフープ巻きすることによって形成された第１フープ層と、第１フープ層の外側面に、樹脂含浸繊維をフープ巻きすることによって形成された第２フープ層と、第１フープ層及び第２フープ層の端部を覆うように樹脂含浸繊維をヘリカル巻きすることによって形成されたヘリカル層と、を備える。さらに、第１フープ層の端部と第２フープ層の端部とに跨るように、第１フープ層及び第２フープ層とは異なる色に着色された硬化剤が塗布されている。

上記構成によれば、第１フープ層の端部と第２フープ層の端部とによる段差の形成を軽減するとともに、ヘリカル層を適切な位置に形成することが可能になる。

本発明によれば、フープ層の端部における段差の形成を軽減するとともに、容易にヘリカル層を適切な位置に形成することが可能な高圧タンクの製造方法、及び、高圧タンクを提供することができる。

実施形態に係る高圧タンクの断面を示す断面図である。 樹脂含浸繊維のフープ巻きを示す説明図である。 樹脂含浸繊維のヘリカル巻きを示す説明図である。 図１の高圧タンクの製造方法を示す説明図である。

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照しながら、高圧タンク１の構成について説明する。図１は、高圧タンク１の断面を示す断面図であり、後述する軸Ｃを含む平面を切断面としている。

高圧タンク１０は、ライナ２と、繊維強化プラスチック層３と、２つの口金４と、を備えている。

ライナ２は、高圧タンク１の内殻をなす容器である。ライナ２の内部には、流体を収容する空間部２ａが形成されている。ライナ２は、ガスバリア性を有し、水素ガス等の気体の外部への透過を抑制する。ライナ２は、ナイロン系樹脂、ポリエチレン系樹脂等の合成樹脂や、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属を用いて形成されている。本実施形態では、ライナ２はナイロン系樹脂を用いて一体成形されるものとした。ライナ２は、複数の部材を接合して形成するものであってもよい。

ライナ２は、円筒部２１と、２つのドーム部２２と、を有している。円筒部２１は、軸Ｃを中心軸とする略円筒形状を呈している。ドーム部２２は、曲面を有し、軸Ｃに沿って円筒部２０から離れるにしたがってその内径が漸次縮小している。ドーム部２２は、その一端が円筒部２１の端部２３に接続されている。また、ドーム部２２の他端には、空間部２ａの内外を連通させる開口２２ａが開設されている。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）層３は、ライナ２の外側面に形成されている。繊維強化プラスチック層３は、熱硬化性樹脂が繊維によって補強されている。

繊維強化プラスチック層３は、フィラメントワインディング法を用いて形成される。フィラメントワインディング法とは、熱硬化性樹脂が含浸された繊維である樹脂含浸繊維を、マンドレル（本実施形態ではライナ２）の外側面に捲回し、その後、熱硬化性樹脂を熱硬化させる成形方法である。

繊維に含浸される熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等を用いることができる。また、繊維としては、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の合成有機繊維、又は、綿等の天然有機繊維の各種繊維を用いることができる。これらの繊維は、単独で用いてもよいし、２種類以上混合して用いてもよい。

２つの口金４は、ライナ２の開口２２ａに挿入され、ライナ２に対して固定されている。一方の口金４には、軸Ｃ方向に貫通する貫通孔４１が形成されている。

次に、図２及び図３を参照しながら、繊維強化プラスチック層３の形成方法について説明する。図２は、樹脂含浸繊維６のフープ巻きを示す説明図である。図３は、樹脂含浸繊維６のヘリカル巻きを示す説明図である。

図２に示される「フープ巻き」とは、軸Ｃに対して略垂直をなすように樹脂含浸繊維６を捲回しながら、リール５を軸Ｃ方向に移動させる方法である。すなわち、フープ巻きとは、軸Ｃと樹脂含浸繊維６とがなす角度が略垂直になるように、ライナ２の外側面に樹脂含浸繊維６を巻きつける方法である。なお、「軸Ｃと樹脂含浸繊維６とがなす角度が略垂直」とは、９０度、および、樹脂含浸繊維６同士が重ならないように位置をずらすことによって生じ得る９０度前後の角度を含む。このフープ巻きによって形成される層を「フープ層」と称する。フープ巻きを行う際は、ライナ２を回転させてもよいし、リール５を回転させてもよい。

図３に示される「ヘリカル巻き」とは、軸Ｃに対して角度αで傾斜するようにライナ２に捲回しながら、リール５を軸Ｃ方向に往復移動させる方法である。角度αは所定範囲で種々調整される。このヘリカル巻きによって形成される層を「ヘリカル層」と称する。ヘリカル巻きを行う際は、ライナ２を回転させてもよいし、リール５を回転させてもよい。

次に、図４を参照しながら、高圧タンク１の製造方法について説明する。図４は、高圧タンク１の製造方法を示す説明図であり、ライナ２と樹脂含浸繊維６の一部を断面視で示している。当該製造方法は、少なくとも、第１フープ工程と、硬化剤塗布工程と、第２フープ工程と、ヘリカル工程と、を含んでいる。

［第１フープ工程］
図４（Ａ）は、第１フープ工程の様子を示している。第１フープ工程では、ライナ２の円筒部２１の外側面に、フープ巻きによって樹脂含浸繊維６を捲回する。この第１フープ工程によって形成されるフープ層を「第１フープ層６１ｆ」と称する。

［硬化剤塗布工程］
図４（Ｂ）は、硬化剤塗布工程の様子を示している。硬化剤塗布工程は、第１フープ工程の後であって、且つ、第２フープ工程の前に行われる。また、硬化剤塗布工程は、第１フープ層６１ｆの熱硬化性樹脂が完全に硬化する前に行われる。

硬化剤塗布工程では、第１フープ層６１ｆの端部に硬化剤７を塗布する。硬化剤７は、塗布時は所定の粘度を有する一方で、乾燥に伴って硬化する特性を有している。硬化剤７として、例えば脂肪族ポリアミン、ポリアミノアミド、ポリメルカプタン等を用いることができる。硬化剤７は、第１フープ層６１ｆの端部と円筒部２１とに跨るとともに、その厚みが第１フープ層６１ｆの厚みよりも大きくなるように塗布される。

また、硬化剤７は、不図示の着色剤を含有している。着色剤の色は、第１フープ層６１ｆ（すなわち、樹脂含浸繊維６）の色とは異なる。着色剤として、例えば銅粉、亜鉛粉等の金属粉や、酸化チタン、セラミック粉、蛍光顔料等を用いることができる。硬化剤７は、このような着色剤を含有することにより、第１フープ層６１ｆの色とは異なる色に着色されている。

［第２フープ工程］
図４（Ｃ）は、第２フープ工程の様子を示している。第２フープ工程は、第１フープ工程及び硬化剤塗布工程の後、第１フープ層６１ｆの熱硬化性樹脂と硬化剤７が完全に硬化する前に行われる。

第２フープ工程では、第１フープ層６１ｆに積層する第２フープ層６２ｆを形成する。この第２フープ工程によって形成されるフープ層を「第２フープ層６２ｆ」と称する。第２フープ工程では、第１フープ層６１ｆの外側面に、フープ巻きによって樹脂含浸繊維６を捲回する。

第２フープ工程では、第２フープ層６２ｆの端部を第１フープ層６１ｆの端部と略一致させるように樹脂含浸繊維６を捲回する。このとき、第１フープ層６１ｆの端部に塗布された硬化剤７の色は、第１フープ層６１ｆの色とは異なるため、この硬化剤７が第１フープ層６１ｆの端部の位置を示す目印となる。第２フープ層６２ｆは、第１フープ層６１ｆとの間に硬化剤７を挟むとともに、硬化剤７が第１フープ層６１ｆの端部と第２フープ層６２ｆの端部とに跨るように形成される。

第１フープ層６１ｆに第２フープ層６２ｆを積層させると、第１フープ層６１ｆは第２フープ層６２ｆによって押圧されて変形する。押圧された第１フープ層６１ｆの端部は外方に突出し、第２フープ層６２ｆの端部から離間する。これにより、第１フープ層６１ｆの端部と第２フープ層６２ｆの端部とによる段差が形成される。

しかしながら、硬化剤７は、硬化することによって接着剤として機能する。このため、第１フープ層６１ｆの端部は、硬化剤７を介して第２フープ層６２ｆの端部に結合される。この結果、第２フープ層６２ｆの端部が第１フープ層６１ｆの端部から離間することが軽減され、第１フープ層６１ｆの端部と第２フープ層６２ｆの端部とによって形成される段差は比較的小さなものとなる。

第２フープ工程の後、ライナ２の外側面には、同様にフープ巻きによって多数のフープ層が積層される。各フープ層の端部には、樹脂含浸繊維６を捲回する度に、下層のフープ層と、上層のフープ層とに跨る硬化剤７が塗布される。

［ヘリカル工程］
図４（Ｄ）は、ヘリカル工程の様子を示している。尚、図４（Ｄ）は、第２フープ層６２ｆの外側面に、フープ巻きによって形成された第３フープ層６３ｆが積層されている状態を示している。ヘリカル工程は、第１フープ工程、硬化剤塗布工程及び第２フープ工程の後、第１フープ層６１ｆ及び第２フープ層６２ｆの樹脂と、硬化剤７と、が完全に硬化する前に行われる。

ヘリカル工程では、第１フープ層６１ｆ、第２フープ層６２ｆ及び第３フープ層６３ｆの端部を覆うように、樹脂含浸繊維６がヘリカル巻きされる。樹脂含浸繊維６は、第１フープ層６１ｆ、第２フープ層６２ｆ及び第３フープ層６３ｆとの間に硬化剤７１，７２，７３が介在するように捲回される。このヘリカル工程の際にも、硬化剤７が第１フープ層６１ｆ、第２フープ層６２ｆ及び第３フープ層６３ｆの端部の位置を示す目印となる。

次に、上記製造方法及び高圧タンク１が奏する効果について説明する。

上記製造方法によれば、塗布された硬化剤７が、第１フープ層６１ｆの端部と第２フープ層６２ｆの端部とに跨るため、硬化剤７が硬化すると、第１フープ層６１ｆの端部は硬化剤７を介して第２フープ層６２ｆの端部に結合される。したがって、第１フープ層６１ｆが第２フープ層６２ｆによって押圧されても、第１フープ層６１ｆの端部が第２フープ層６２ｆの端部から離間することを軽減できる。これにより、第１フープ層６１ｆの端部と第２フープ層６２ｆの端部とによる段差の形成を軽減することが可能になる。

また、塗布される硬化剤７は、第１フープ層６１ｆ及び第２フープ層６２ｆとは異なる色に着色されている。したがって、第１フープ層６１ｆ及び第２フープ層６２ｆの端部の位置を視認することが容易となる。この結果、第１フープ層６１ｆ及び第２フープ層６２ｆの端部を覆うように樹脂含浸繊維６をヘリカル巻きすることが容易となり、ヘリカル層６ｈを適切な位置に形成することが可能になる。

さらに、第１フープ層６１ｆの端部と第２フープ層６２ｆの端部とによる段差と、ヘリカル層６ｈと、の間に形成される隙間に、硬化剤７１，７２，７３を配置することができる。この硬化剤７１，７２，７３が硬化することにより、ヘリカル層６ｈによって第１フープ層６１ｆ及び第２フープ層６２ｆの端部が押圧されて変形したり、それによって第１フープ層６１ｆ及び第２フープ層６２ｆの配向が乱れたりすることを抑制できる。

また、高圧タンク１の構成によれば、第１フープ層６１ｆの端部と第２フープ層６２ｆの端部とよる段差の形成を軽減するとともに、ヘリカル層６ｈを適切な位置に形成することが可能になる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されず、適宜変更することができる。

１：高圧タンク ２：ライナ ６：樹脂含浸繊維 ６１ｆ：第１フープ層 ６２ｆ：第２フープ層 ６ｈ：ヘリカル層 ７，７１，７２，７３：硬化剤

Claims (2)

1. 樹脂含浸繊維をライナの外側面に捲回する高圧タンクの製造方法であって、
   前記ライナの外側面に、前記樹脂含浸繊維をフープ巻きすることによって第１フープ層を形成する第１フープ工程と、
   前記第１フープ層の樹脂が硬化する前に、前記第１フープ層の外側面に前記樹脂含浸繊維をフープ巻きすることによって第２フープ層を形成する第２フープ工程と、
   前記第１フープ層及び前記第２フープ層の端部を覆うように前記樹脂含浸繊維をヘリカル巻きすることによってヘリカル層を形成するヘリカル工程と、を含み、
   さらに、前記第１フープ工程の後であって、且つ、前記第２フープ工程の前に、前記第１フープ層の端部に、前記第１フープ層及び前記第２フープ層とは異なる色に着色された硬化剤を塗布する硬化剤塗布工程を含み、
   前記第２フープ工程において、前記硬化剤が前記第１フープ層の端部と前記第２フープ層の端部とに跨るように前記樹脂含浸繊維をフープ巻きする、高圧タンクの製造方法。
2. 樹脂含浸繊維がライナの外側面に捲回された高圧タンクであって、
   前記ライナの外側面に、前記樹脂含浸繊維をフープ巻きすることによって形成された第１フープ層と、
   前記第１フープ層の外側面に、前記樹脂含浸繊維をフープ巻きすることによって形成された第２フープ層と、
   前記第１フープ層及び前記第２フープ層の端部を覆うように前記樹脂含浸繊維をヘリカル巻きすることによって形成されたヘリカル層と、を備え、
   さらに、前記第１フープ層の端部と前記第２フープ層の端部とに跨るように、前記第１フープ層及び前記第２フープ層とは異なる色に着色された硬化剤が塗布されている、高圧タンク。