JP2020037978A - ガス貯蔵用の高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化樹脂により高圧タンクの強度を確保しつつ、ライナを透過したガスを、外部に十分に排出することができるガス貯蔵用の高圧タンクを提供する。【解決手段】樹脂製のライナ３と、ライナ３の外周面を被覆した補強層４と、補強層４の外周面を被覆した繊維強化樹脂製の保護層５と、を備えたガス貯蔵用の高圧タンク１であって、保護層５は、補強層４の外周面を被覆し、ガラス繊維とマトリクス樹脂とからなる繊維強化樹脂からなる第１保護層５ａと、第１保護層５ａの外周面を被覆し、マトリクス樹脂を含む第２保護層５ｂとを備えており、保護層５のマトリクス樹脂の含有率が、補強層４のマトリクス樹脂の含有率よりも低く、第２保護層５ｂには、高圧タンク１を周回するように延在し、かつ、第２保護層５ｂの表面から、第１および第２保護層５ａ、５ｂとの界面まで到達した亀裂６が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス貯蔵用の高圧タンクに関する。

従来から、ガス貯蔵用の高圧タンクでは、ガスを収容する樹脂製のライナの外周面は、繊維強化樹脂で覆われている。高圧タンクに貯蔵されたガスが、ライナを透過し、樹脂製のライナと繊維強化樹脂層との間に閉じ込められると、このガスでライナが変形することがある。

この変形を防止するために、たとえば、特許文献１には、針により、繊維強化樹脂層の外表面から、繊維強化樹脂層と樹脂製ライナとの界面まで到達した孔を有した高圧タンクが開示されている。この高圧タンクによれば、樹脂製のライナを透過したガスを孔を介して、高圧タンクの外部へ放出することができ、ライナの変形を防止することができる。

特開２００８−２６１４１４号公報

しかしながら、特許文献１に示す高圧タンクは、繊維強化樹脂層に、ライナの表面まで到達した孔を有するため、この孔により、繊維強化樹脂層自体の強度が低下することがある。このような点を考慮すると、この孔をより小さくし、その個数を少なくすることも考えられるが、この場合には、ライナを透過したガスが、高圧タンクの外部に十分に排出することができないこともある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、繊維強化樹脂により高圧タンクの強度を確保しつつ、ライナを透過したガスを、外部に十分に排出することができるガス貯蔵用の高圧タンクを提供する。

前記課題を鑑みて、本発明に係るガス貯蔵用の高圧タンクは、ガスを収容する樹脂製のライナと、前記ライナの外周面を被覆し、炭素繊維を強化繊維とした繊維強化樹脂製の補強層と、前記補強層の外周面を被覆し、ガラス繊維を強化繊維とした繊維強化樹脂製の保護層と、を少なくとも備えたガス貯蔵用の高圧タンクであって、前記保護層は、前記補強層の外周面を被覆し、ガラス繊維とマトリクス樹脂とで構成される繊維強化樹脂からなる第１保護層と、前記第１保護層の外周面を被覆し、前記マトリクス樹脂を含む第２保護層とを備えており、前記保護層のマトリクス樹脂の含有率が、前記補強層のマトリクス樹脂の含有率よりも低く、前記第２保護層には、前記高圧タンクを周回するように延在し、かつ、前記第２保護層の表面から、前記第１および第２保護層との界面まで到達した亀裂が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、高圧タンクの外周面に形成された第２保護層には、高圧タンクを周回するように延在し、かつ、第２保護層の表面から、第１および第２保護層の界面まで到達した亀裂が形成されている。これにより、ライナ、補強層、および第１保護層の順に透過したガスを、第２保護層に形成された亀裂を介して、高圧タンクの外部へ放出することができる。また、補強層自体には、この亀裂は到達していないので、補強層の強度の低下を招くことはない。特に、保護層のマトリクス樹脂の含有率を、補強層のマトリクス樹脂の含有率よりも低くしたので、製造時にマトリクス樹脂のにじみ出しにより形成される第２保護層の厚さを抑え、この第２保護層に上述した亀裂を容易に形成することができる。

本実施形態に係るガス貯蔵用の高圧タンクの軸方向に沿った模式的断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。 本実施形態に係る高圧タンクに形成された亀裂のパターンを示した模式的断面図である。 本実施形態に係る試験体の、ライナ、補強層、および第２保護層のガス透過率を示す図である。 本実施形態に係るガス貯蔵用の高圧タンクの製造方法の工程を説明するフロー図である。 （ａ）は、本実施形態に係る第２保護層に亀裂となる空隙を形成する工程を説明するための模式的概念図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ部の拡大図である。 変形例に係る高圧タンクの製造方法の工程を説明するフロー図である。 本実施形態に係る試験体の断面観察結果を示した写真である。 本実施形態の試験体に係る第２保護層のガス透過率と表面の亀裂本数との関係を示すグラフである。 従来の高圧タンクの製造方法の工程を説明するフロー図である。

以下に、図１〜図３を参照しながら、本実施形態のガス貯蔵用の高圧タンク１について説明する。図１は、本実施形態に係るガス貯蔵用の高圧タンク１の軸方向に沿った模式的断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。図３は、本実施形態に係る高圧タンク１に形成された亀裂６のパターンを示した模式的断面図である。

本実施形態のガス貯蔵用の高圧タンク１は、中心軸Ｘを中心とする中空の容器であり、高圧水素ガスや高圧天然ガスなどの高圧流体を貯蔵するための圧力容器である。

図１に示すように、高圧タンク１は、ガスを収容する樹脂製のライナ３と、ライナ３の外周面を被覆している補強層４と、補強層４の外周面を被覆している保護層５と、を少なくとも備えている。また、高圧タンク１の両端には、それぞれ、口金部２、２が設けられている。

ライナ３は、胴体部３１と、側端部３２、３２とを備え、ガスを貯蔵するための内部空間３４を形成している。胴体部３１は、高圧タンク１の図１に示す高圧タンク１の中心軸Ｘに沿って、所定の長さを有して延在する筒状部分である。側端部３２、３２は、胴体部３１の両側に連続して形成されたドーム状の部分であり、各側端部３２は、胴体部３１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開口部３３が形成されている。各開口部３３には、口金部２が形成されている。

ライナ３は、ガスバリア性を有する樹脂で形成されている。このような樹脂の例として、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはナイロンなどを挙げることができる。また、ライナ３は、上述した樹脂に水素吸蔵合金などのガス不透過材料を混入して形成されてもよい。

補強層４は、炭素繊維を強化繊維とした繊維強化樹脂（炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ））で形成されている。具体的には、炭素繊維強化樹脂の繊維をフープ巻およびヘリカル巻でライナ３の外周面に巻きつけて、形成されている。

強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂として、熱硬化性樹脂を挙げることができる。熱硬化性樹脂として、たとえば、エポキシ樹脂、エポキシ変性ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂などを単独でまたは２種類以上を混合して用いてよい。

保護層５は、ガラス繊維を強化繊維とした繊維強化樹脂（ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ））で形成されている。具体的には、保護層５は、ガラス繊維強化樹脂のガラス繊維を例えばヘリカル巻およびフープ巻で補強層４の外周面に巻き付けて、形成されている。

本実施形態では、保護層５は、補強層４の外周面を被覆する第１保護層５ａと、第１保護層５ａの外周面を被覆する第２保護層５ｂとを備えている。第２保護層５ｂは、後述する熱硬化工程において、巻き付けられたガラス繊維強化樹脂の表面に、ガラス繊維に含浸したマトリクス樹脂の一部がにじみ出た状態で、これを硬化した層である。

第１保護層５ａは、ガラス繊維とマトリクス樹脂とで構成された繊維強化樹脂からなる。第１保護層５ａ（保護層５）に含まれるマトリクス樹脂の例としては、上述した補強層４のマトリクス樹脂と同様のものを挙げることができる。また、第１保護層５ａ（保護層５）に含まれるマトリクス樹脂は、補強層４に含まれるマトリクス樹脂と同じ種類のものでもよく、異なる種類のものでもよい。

第２保護層５ｂは、マトリクス樹脂を含み、これを主材としている。このマトリクス樹脂は、上述したように、保護層５のガラス繊維に含浸したマトリクス樹脂の一部が、保護層５の表面にじみ出たものであり、第２保護層５ｂのマトリクス樹脂の含有率は、第１保護層５ａのマトリクス樹脂の含有率よりも高い。このような第２保護層５ｂは、マトリクス樹脂のみでもよく、第１保護層５ａから分離したガラス繊維を一部含んでもよい。

さらに、本実施形態では、保護層５全体に対する保護層５のマトリクス樹脂の含有率が、補強層４全体に対する補強層４のマトリクス樹脂の含有率よりも低い。保護層５のマトリクス樹脂の含有率を、補強層４のマトリクス樹脂の含有率よりも低くしたので、製造時に第１保護層５ａから第２保護層５ｂに染み出すマトリクス樹脂を低減することができる。これにより、第２保護層５ｂの厚みが薄くなるため、後述する亀裂６を発生し易くすることができる。

本実施形態では、図３に示すように、第２保護層５ｂには、高圧タンク１を周回するように延在し、かつ、第２保護層５ｂの表面から、第１および第２保護層５ａ、５ｂとの界面まで到達した亀裂６が形成されている。亀裂６は、ライナ３から透過したガスを高圧タンク１の外部へ放出するガス通路となる。

亀裂６は、図３の（ａ―１）〜（ａ―４）に示すように、第２保護層５ｂの厚さ方向に沿って１つの亀裂で構成されていてもよく、図３の（ｂ―１）〜（ｂ―４）に示すように、第２保護層５ｂの厚さ方向に複数に枝分かれした亀裂であってもよい。また、図３の（ｃ―１）〜（ｃ―４）に示すように複数の亀裂６が連結してもよい。

また、図３の（ｄ―１）から（ｄ―４）に示すように、第１保護層５ａに含まれるガラス繊維から分離したガラス繊維Ｇが亀裂６に介在してもよい。さらに、図３の（ｅ―１）〜（ｅ―４）に示すように、第１および第２保護層５ａ、５ｂとの間において、亀裂６の先端に空隙ｓ１が形成されていてもよい。なお、本実施形態に係る亀裂６の態様は、図３に示すものに限定されるものではない。また、亀裂６は、高圧タンク１を周回するように、連続的に形成されていてもよく、断続的に形成されていてもよい。

図４に示すように、補強層４と保護層５とが積層された積層方向に対する、第２保護層５ｂのガス透過率λ_Ｐ２の最小値は、ライナ３のガス透過率λ_Ｓよりも大きい（λｓ＜λ_Ｐ２）ことがより好ましい。ここで、第２保護層５ｂのガス透過率λ_Ｐ２の最小値が、ライナ３のガス透過率λ_Ｓ以下である場合には、亀裂６が十分に形成されていないため、ライナ３から透過したガスを外部へ放出し難くなることがある。

一方、補強層４と保護層５とが積層された積層方向に対する、第２保護層５ｂのガス透過率λ_Ｐ２の最大値は、補強層４のガス透過率の最小値λ_ＲＬよりも小さい（λ_Ｐ２＜λ_ＲＬ）ことがより好ましい。ここで、第２保護層５ｂのガス透過率λ_Ｐ２の最大値が、補強層４のガス透過率の最小値λ_ＲＬ以上である場合には、亀裂６が過剰に形成されることになり、高圧タンク１の強度が低下するおそれがある。

第２保護層５ｂの亀裂６は、高圧タンク１を周回するので、１本あればよいが、複数本あることがより好ましく、高圧タンク１の中心軸Ｘに沿った方向において、ｌｍあたりに１０本以上であることが好ましい。これにより、第２保護層５ｂの積層方向に対するガス透過率を確保し、ライナ３から透過したガスを亀裂６を介して安定的に外部に放出することができる。

本実施形態によれば、第２保護層５ｂには、高圧タンク１を周回するように延在し、かつ、第２保護層５ｂの表面から、第１および第２保護層５ａ、５ｂの界面まで到達した複数の亀裂６が形成されている。これにより、ライナ３、補強層４、および第１保護層５ａの順に透過したガスは、第２保護層５ｂに形成された亀裂６を介して、高圧タンク１の外部へ均一に放出される。

このため、ライナ３から透過したガスが、第１および第２保護層５ａ、５ｂとの界面に蓄積されることがないため、ガスが第２保護層５ｂを破りながら放出することはなく、ガスが外部に一気に放出した時に生じる放射音の発生を防止することができる。また、補強層４自体には、亀裂６は到達していないので、補強層４の強度の低下を招くことはない。

以下に、図５および図６を参照しながら、本実施形態のガス貯蔵用の高圧タンク１の製造方法を、図５に示す各工程に沿って説明する。図５は、本実施形態に係るガス貯蔵用の高圧タンク１の製造方法の工程を説明するフロー図である。図６（ａ）は、本実施形態に係る第２保護層５ｂに亀裂６となる空隙ｓ２を形成する工程を説明するための模式的概念図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ部の拡大図である。

本実施形態の製造方法では、まず、口金組付工程Ｓ１を行う。この工程では、図１に示す形状を有した樹脂製のライナ３を準備する。準備したライナ３の各側端部３２に形成された開口部３３に、口金部２を取り付ける。

次に、第１巻き付け工程Ｓ２を行う。この工程では、強化繊維である炭素繊維に未硬化のマトリクス樹脂が含浸されたプリプレグ（ＣＦＲＰプリプレグ）を準備する。準備したＣＦＲＰプリプレグは、帯状または紐状であり、このプリプレグを、所定の巻き張力をかけながら、口金部２を取り付けたライナ３の表面に、層状に巻き付ける。巻き付けは、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）により、フープ巻きおよびヘリカル巻きで行う。これにより、未硬化の補強層４が形成される。

次に、第２保護層の厚さ決定工程Ｓ３を行う。具体的には、後述する熱硬化工程Ｓ６で形成される第２保護層５ｂに亀裂６が発生する第２保護層５ｂの厚さを決定する。

次に、保護層のマトリクス樹脂の含有率の決定工程Ｓ４を行う。具体的には、この決定工程Ｓ４では、第２保護層５ｂの厚さが上述した厚さになるように、保護層５となるＧＦＲＰのマトリクス樹脂の含有率の決定を行う。なお、本実施形態では、保護層５となるＧＦＲＰのマトリクス樹脂の含有率を、補強層４となるＣＦＲＰのマトリクス樹脂の含有率よりも低くする。これにより、第１保護層５ａから第２保護層５ｂとしてにじみ出すマトリクス樹脂の量を抑え、第２保護層５ｂの厚さを、より薄くし、後述する加圧検査工程Ｓ７において亀裂６が進展し易い厚さとすることができる。

次に、第２巻き付け工程Ｓ５を行う。この工程では、まず、強化繊維であるガラス繊維に未硬化のマトリクス樹脂が、上述した含有率で含有したプリプレグ（ＧＦＲＰプリプレグ）を準備する。準備したＧＦＲＰプリプレグは、帯状または紐状であり、このプリプレグを、ライナ３に巻き付けられたＣＦＲＰプリプレグの表面に、上述の巻き付けと同様にして、さらに層状に巻き付ける。ＧＦＲＰプリプレグは、ＣＦＲＰプリプレグを巻き付けた巻き張力よりも低い巻き張力で巻かれる。このようにして、未硬化の保護層５が形成される。

次いで、熱硬化工程Ｓ６を行う。この工程では、高圧タンク１の外側から、マトリクス樹脂の硬化温度で高圧タンク１を加熱し、補強層４および保護層５に含まれる未硬化のマトリクス樹脂を硬化させる。

この工程で加熱が始まると、巻き付けられた保護層５の表面には、ＧＦＲＰのマトリクス樹脂の一部がにじみ出る。にじみ出た部分は、厚さ０．１〜０．５ｍｍの層（液膜）状態となる。このようにして、未硬化の保護層５は、ガラス繊維とマトリクス樹脂とを含む第１保護層５ａと、にじみ出たマトリクス樹脂を主に含む第２保護層５ｂとの２層状態となる。この２層状態の保護層５では、第２保護層５ｂの表面のマトリクス樹脂から順に硬化し、硬化によりマトリクス樹脂の体積が減少するため、第２保護層５ｂは収縮する。

ここで、第２保護層５ｂのうち、第１保護層５ａ側の部分は、第１保護層５ａにガラス繊維があるため、自由に収縮することができない。これにより、図６（ａ）に示すように、第２保護層５ｂの中間部分は、周方向に引張の残留応力Ｐが付与され、第２保護層５ｂの内部に空隙ｓ２を形成しながら硬化していく。その結果、内部に空隙ｓ２を有する状態で硬化した第２保護層５ｂが形成される。さらに第２保護層５ｂの硬化後、第１保護層５ａに含まれる未硬化のマトリクス樹脂が硬化する。

次いで、加圧検査工程Ｓ７を行う。この工程では、出荷前に行う、高圧タンク１の加圧検査用の圧力試験での加圧を利用して、第２保護層５ｂに亀裂６を形成する。具体的には、ライナ３の内部空間３４に水を充填して、所定の水圧（たとえば、１０５ＭＰａ）を加える。これにより、高圧タンク１全体に引張ひずみが生じるため、空隙ｓ２は、図６（ｂ）に示す矢印の方向に沿った亀裂６となり、この亀裂６が進展する。

このようにして、第２保護層５ｂには、高圧タンク１を周回するように延在し、かつ、第２保護層５ｂの表面から、第１、第２保護層５ａ、５ｂの界面まで到達した亀裂６を複数形成することができる。

ここで、図１０に示すように、従来の高圧タンクの製造方法では、口金組付工程Ｓ１１から熱硬化工程Ｓ１４までを行った後、本実施形態のものよりも厚さの厚い第２保護層が形成されるため、ライナから透過したガスを高圧タンクの外部へ十分に放出することができなかった。そのため、熱硬化工程Ｓ１４後、加圧検査工程Ｓ１６前に、保護層の表面を削るため表面研磨工程Ｓ１５が必要であった。

しかしながら、本実施形態では、第２保護層５ｂに形成した亀裂６により外部にガスを放出することができるため、これまでの表面研磨工程Ｓ１５は不要である。このような亀裂６は、これまでの加圧検査工程における圧力試験を利用して、第２保護層５ｂに形成することができるため、亀裂形成用の工程を別途設ける必要もない。

図５では、第２保護層の厚さ決定工程Ｓ３と保護層のマトリクス樹脂の含有率の決定工程Ｓ４とにより、第２保護層５ｂに亀裂６が発生し易い条件を決定したが、たとえば、これらの工程に代わり、以下に示す、保護層５の選定工程Ｓ３’を行ってもよい（図７参照）。この工程では、所定の破壊靱性値となるマトリクス樹脂を選定し、保護層５全体に対する保護層５のマトリクス樹脂の含有率を決定する。

具体的には、保護層５に含まれるマトリクス樹脂として、このマトリクス樹脂の破壊靱性値が、補強層４に含まれるマトリクス樹脂の破壊靱性値よりも低い関係を満たす材料を選定する。次に、選定したマトリクス樹脂を含むＧＦＲＰに対して、さらに、マトリクス樹脂の含有率を決定する。この際、保護層５となるＧＦＲＰのマトリクス樹脂の含有率を、補強層４となるＣＦＲＰのマトリクス樹脂の含有率よりも低くする。このように、補強層４のマトリクス樹脂の破壊靱性値よりも、第２保護層５ｂの破壊靱性値が低くなるため、熱硬化工程Ｓ６で第２保護層５ｂに形成した空隙ｓ２から、加圧検査工程Ｓ７で亀裂６を形成し、これを進展させ易くなる。

ここで、発明者らは、図５に示す本実施形態の製造方法に沿って、本実施形態の高圧タンクに対応する複数の試験体を製造し、これらの試験体の１つに対して、Ｘ線を用いて保護層の断面を観察した。さらに、これらの試験体に対して、亀裂の本数と第２保護層のガス透過率を測定した。以下にこれらの結果を説明する。

図８は、本実施形態に係る試験体の断面観察結果を示した写真である。図８からわかるように、第２保護層には、第１保護層から分離したガラス繊維の散逸が認められた。このガラス繊維が第２保護層に散逸することにより亀裂が生じやすくなると考えられる。

図９は、本実施形態の試験体に係る第２保護層のガス透過率と第２保護層の表面の亀裂本数との関係を示すグラフである。第２保護層のガス透過率は積層方向のガス透過率であり、亀裂本数は、高圧タンクの長手方向（中心軸）に沿って１ｍあたりの本数である。

図９から、第２保護層の亀裂の本数が増加するに従って、ガス透過率も大きくなることが分かる。また、高圧タンクの長手方向に沿って、１ｍあたり、１０本程度の亀裂が存在すれば、２Ｐａ／ｓ程度のガス透過率が確保されることが分かる。そして、このガス透過率を有する試験体では、ライナから透過したガスを、十分に外部に放出することができた。

これらの結果から、第２保護層に、高圧タンクの長手方向に沿って１ｍあたり、１０本以上の亀裂がある場合に、ライナから透過したガスをより確実かつ安定的に外部に放出することができると考えられる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

たとえば、上述した実施形態では、マトリクス樹脂として、熱硬化性樹脂を用いたが、亀裂を形成することができれば、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルピロリドン樹脂、またはポリエーテルスルホン樹脂を単独でまたは２種類以上を混合した熱可塑性樹脂であってもよい。

１：高圧タンク、３：樹脂製のライナ、４：補強層、５：保護層、５ａ：第１保護層、５ｂ：第２保護層、６：亀裂

Claims (1)

1. ガスを収容する樹脂製のライナと、前記ライナの外周面を被覆し、炭素繊維を強化繊維とした繊維強化樹脂製の補強層と、前記補強層の外周面を被覆し、ガラス繊維を強化繊維とした繊維強化樹脂製の保護層と、を少なくとも備えたガス貯蔵用の高圧タンクであって、
   前記保護層は、前記補強層の外周面を被覆し、ガラス繊維とマトリクス樹脂とで構成される繊維強化樹脂からなる第１保護層と、前記第１保護層の外周面を被覆し、前記マトリクス樹脂を含む第２保護層とを備えており、
   前記保護層のマトリクス樹脂の含有率が、前記補強層のマトリクス樹脂の含有率よりも低く、
   前記第２保護層には、前記高圧タンクを周回するように延在し、かつ、前記第２保護層の表面から、前記第１および第２保護層との界面まで到達した亀裂が形成されていることを特徴とするガス貯蔵用の高圧タンク。

Images