JP2020067156A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧タンクにおいて、シール材と補強層との直接的な接触を回避し、補強層の硬化阻害を抑制することができる技術を提供する。【解決手段】高圧タンクの製造方法は、流体を密封するための内部空間を有するライナと、前記ライナの長手方向の両端に備えられる口金とを有するライナ本体を準備する工程と、アミン化合物を含有するシール材を、前記ライナと前記口金との境界部に形成する工程と、前記シール材の表面上に、離型剤層を形成する工程と、前記離型剤層の表面上に、ビスフェノール型エポキシ樹脂と繊維とを積層し、硬化させて補強層を形成する工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。

高圧のガスを貯蔵・密封するためのタンクとして、口金を装着されたライナを本体とする高圧タンクが知られている。このような高圧タンクでは、更に本体表面に補強層を形成するため、熱可塑性樹脂を含浸させた繊維束が、本体表面上に巻き回されて熱硬化される。例えば、特許文献１には、この熱可塑性樹脂が口金とライナとの境界内に流入することを抑制するために、更に、樹脂系の液状ガスケットであるＦＩＰＧ（Formed In Place Gasket）を口金とライナとの境界に備える高圧タンクが示されている。

特開２０１５−２１８８４０号公報

特許文献１に記載された高圧タンクでは、樹脂系の液状ガスケットであるＦＩＰＧの表面上に熱可塑性樹脂からなる補強層が形成される。そのため、ＦＩＰＧに含まれる樹脂成分と、補強層に含まれる熱可塑性樹脂との接触が高圧タンク本体に及ぼす影響を充分に考慮する必要がある。発明者らは、ＦＩＰＧに含まれる樹脂成分が、補強層の熱可塑性樹脂の硬化条件に影響を与えることを新たに知見した。

本発明は、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、高圧タンクの製造方法が提供される。この高圧タンクの製造方法は、流体を密封するための内部空間を有するライナと、前記ライナの長手方向の両端に備えられる口金とを有するライナ本体を準備する工程と、アミン化合物を含有するシール材を、前記ライナと前記口金との境界部に形成する工程と、前記シール材の表面上に、離型剤層を形成する工程と、前記離型剤層の表面上に、ビスフェノール型エポキシ樹脂と繊維とを積層し、硬化させて補強層を形成する工程と、を備える。この形態の高圧タンクの製造方法によれば、本実施形態の高圧タンクの製造方法によれば、低分子量のアミン化合物を含有するシール材と、ビスフェノール型エポキシ樹脂を有する補強層との間に、離型剤層が形成される。これにより、シール材と補強層との直接的な接触を回避し、補強層内のビスフェノール型エポキシ樹脂と、シール材内に残留するアミン化合物との反応を抑制し、補強層の硬化阻害の発生を抑制することができる。

本実施形態の高圧タンクの製造方法で得られた高圧タンクを表す説明図。 図１の高圧タンクの領域Ａｒの拡大断面図。 高圧タンクの製造方法を表す工程図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態の高圧タンク１００の製造方法で得られた高圧タンク１００を表す説明図である。図１には、高圧タンク１００の中心軸ＡＸを境界に、高圧タンク１００の外観と断面図とが模式的に示されている。

本実施形態の高圧タンク１００は、シール材１８と口金１６ａ，１６ｂとを備えたライナ１０の外表面に、離型剤層２０と、補強層３０とを被覆して構成される。高圧タンク１００は、例えば１０〜７０ＭＰａの高圧な流体（具体的には、水素ガス）を収容し、燃料電池車両に搭載される。

ライナ１０は、流体を密封するための内部空間を有するタンク容器である。ライナ１０は、一つの円筒部１２と、円筒部１２の中心軸ＡＸに沿って両端に設けられた二つのドーム部１４とによって構成される。本実施形態において、ライナ１０は、ナイロン製の樹脂で構成されるが、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル等のように水素ガスに対するガスバリア性を有する種々の樹脂や、金属によって構成されてもよい。

口金１６ａ，１６ｂは、ライナ１０の各ドーム部１４の頂上に、ライナ１０の両端から突出するようにして装着される。口金１６ａは、高圧タンク１００へのガスの充填、あるいは、高圧タンク１００からのガスの放出のために用いられる。口金１６ｂは、封止されており、製造時の芯出し等に用いられる。口金１６ａ，１６ｂは、ライナ１０の長手方向の両端に設けられているが、一端だけに設けられてもよい。口金１６ａ，１６ｂを装着された状態のライナ１０を、以下、ライナ本体とも呼ぶ。

次に、図１とともに図２を用いて、本実施形態の高圧タンク１００の断面構造の詳細について説明する。図２は、図１の高圧タンク１００の領域Ａｒの拡大断面図である。上述したように、本実施形態の高圧タンク１００では、シール材１８を備えたライナ本体の外表面に、離型剤層２０と、補強層３０とが積層されている。

離型剤層２０は、層状に塗布されたフッ素系の離型剤を乾燥させて形成される層である。離型剤層２０は、フッ素系の離型剤のほか、ポリエチレンワックスのような水溶性のワックス系の離型剤、シリコン系の離型剤といった種々の離型剤を用いてもよい。離型剤層２０は、ライナ本体と後述する補強層３０との固着を抑制していることから「固着防止層」とも呼ばれる。

シール材１８は、液状ガスケット（ＦＩＰＧ）であり、ライナ本体のガスシール性を高めている。シール材１８は、ライナ１０の外表面と口金１６ａ，１６ｂとの境界部に形成される凹部１５の周辺を覆うようにしてライナ１０に装着されている。

本実施形態において、シール材１８は、シリコンオイルに架橋剤、充填剤、接着付与材などを含有させたペースト状のシリコン樹脂を塗布・硬化させることにより形成される。本実施形態では、シール材１８には、樹脂の硬化促進のための脂肪族アミンが含まれている。シール材１８に含まれるアミン化合物は、脂肪族アミンに限らず、例えば、脂環族アミン、芳香族アミンであってもよく、反応性が高い低分子量の種々のアミン化合物が含まれてもよい。

補強層３０は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって形成される層である。より具体的には、補強層３０は、ライナ本体上に形成された後述する離型剤層２０の表面上に、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を含浸したカーボン繊維の束を、フィラメントワインディング方法（以下、「ＦＷ法」とも呼ぶ）により巻き回し、熱硬化させることによって形成される。熱硬化性樹脂には、エポキシ樹脂のほかポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いてもよい。補強層３０に用いられる繊維は、カーボン繊維のほか、ガラス繊維、アラミド繊維等であってもよく、そのほか、複数種類の繊維によるＦＷ法の巻き回しを順次行うことによって、複数の異なる繊維からなる補強層３０を形成してもよい。補強層３０の外表面には、更に、高圧タンク１００の強度を向上させるためのガラス繊維強化プラスチックによる保護層が形成されていてもよい。

補強層３０には、主剤としてビスフェノール型エポキシ樹脂が含まれる。本実施形態においては、補強層３０には、ビスフェノール型エポキシ樹脂のうち、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が含まれる。ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂は、樹脂内に含まれる硬化剤としてのアミン化合物（具体的には、芳香族アミン）と直鎖状に反応し、三次元架橋を形成することによってエポキシ樹脂を硬化させる。他方、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂は、シール材１８に含まれるアミン化合物（具体的には、脂肪族アミン）とも反応することが考えられる。したがって、例えば、シール材１８の硬化が不十分である場合、補強層３０とシール材１８とが接触すると、補強層３０内のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が、シール材１８内に未反応の状態で残留する脂肪族アミンと反応することによって、補強層３０のエポキシ樹脂の本来の硬化反応を阻害することが考えられる。補強層３０に含まれるエポキシ樹脂は、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂以外のビスフェノール型エポキシ樹脂（例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等）が含まれてもよい。

本実施形態の高圧タンク１００では、離型剤層２０が、シール材１８を装着したライナ本体の外表面の全領域に亘って形成されている。すなわち、本実施形態の高圧タンク１００では、ライナ本体の表面上に限らず、シール材１８の表面上にも離型剤層２０が形成される。これにより、ライナ本体上のシール材１８と補強層３０との直接的な接触が回避されている。

次に、本実施形態の高圧タンク１００の製造方法について説明する。図３は、高圧タンク１００の製造方法を表す工程図である。はじめに、ライナ本体を製造して準備する（ステップＳ１０）。より具体的には、円筒部１２および一対のドーム部１４と、一対の口金１６ａ，１６ｂとを準備する。各ドーム部１４は、口金１６ａ，１６ｂを組み付けられ、円筒部１２の両端とレーザー融着によって接合される。これにより、ライナ１０の両端に口金１６ａ，１６ｂを装着されたライナ本体が得られる。このとき、ライナ本体の外表面には、凹部１５が形成される。

次に、ライナ本体の凹部１５にシール材１８が塗布される（ステップＳ２０）。より具体的には、はじめにライナ本体の塗布面である凹部１５周辺の外表面を洗浄する。洗浄された凹部１５周辺に、脂肪族アミンを含有するシリコン樹脂が液状の状態で塗布される。塗布されたシリコン樹脂は、例えば３時間以上の予め定められた硬化に必要な期間、予め設定された温度および湿度による恒温恒湿の環境下におかれることによって硬化される（ステップＳ３０）。つづいて、離型剤層２０が、シール材１８を備えたライナ本体の外表面上に形成される（ステップＳ４０）。より具体的には、離型剤層２０は、シール材１８を備えるライナ本体に、フッ素系の離型剤をワイピングによって塗布し乾燥させることによって形成される。離型剤層２０は、ロールコーティング、スプレー、浸漬など種々の方法で塗布されてもよい。本実施形態では、離型剤層２０は、口金１６ａ，１６ｂの先端の表面には塗布されないが、塗布されてもよい。

次に、ＦＷ法によって補強層３０が形成される（ステップＳ５０）。はじめに、エポキシ樹脂を含浸したカーボン繊維の束が、離型剤層２０を有するライナ本体の表面上にＦＷ法によって巻き回される（ステップＳ５２）。より具体的には、はじめに、ライナ本体を中心軸ＡＸの軸回りに回転させるための治具が、ライナ本体の両端の口金１６ａ，１６ｂのそれぞれに装着される。ライナ本体は、この治具を介して回転され、エポキシ樹脂を含浸させたカーボン繊維束を繰り返し巻き付けられる。本実施形態の高圧タンク１００の製造方法では、はじめに、樹脂含浸カーボン繊維束が中心軸ＡＸに対して低角度（例えば、約１１〜２５°）となる低角度のヘリカル巻きを行った後に、カーボン繊維束が中心軸ＡＸに対して略垂直となるフープ巻きを行う。ただし、補強層３０の形成において、ＦＷ法は、低角度のヘリカル巻きに限らず、高角度（例えば、約３０〜６０°）のヘリカル巻きであってもよく、双方が併用されてもよい。また、フープ巻きがヘリカル巻きと併用されてもよく、ＦＷ法以外の方法によって繊維束が巻き回される態様であってもよい。カーボン繊維が巻き回されたライナ本体は、ヒータを備えた加熱炉に投入されて、エポキシ樹脂の硬化のための加熱処理が行われる（ステップＳ５４）。加熱炉は、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて誘導加熱する加熱炉であってもよい。この加熱処理により、カーボン繊維束に含浸されたエポキシ樹脂が硬化して、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：カーボン繊維強化プラスチック）からなる補強層３０が形成され、冷却工程を経て本実施形態の高圧タンク１００が完成する。

以上のように、本実施形態の高圧タンク１００の製造方法によれば、ライナ本体の表面上に加えて、シール材１８の表面上にも離型剤層２０が形成される。これにより、ライナ本体上のシール材１８と補強層３０との直接的な接触を回避させている。すなわち、補強層３０内のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂と、シール材１８内に残留する脂肪族アミンとの接触を離型剤層２０の形成によって回避している。このように、補強層３０内のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂と、シール材１８内に残留する脂肪族アミンとの反応を抑制することによって、補強層３０のエポキシ樹脂の硬化阻害の発生を抑制させることができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態では、離型剤層２０は、ライナ１０の表面上の全領域に亘って形成されているが、離型剤層２０は、シール材１８と補強層３０との間の領域にのみ形成されてもよい。

（Ｂ２）上記実施形態では、ライナ本体に塗布されたシール材１８を硬化した後に、離型剤層２０が形成されるが、ライナ本体にシール材１８を塗布し離型剤層２０を形成した後に、シール材１８が硬化される順序であってもよい。

（Ｂ３）上記実施形態では、高圧タンク１００は、水素ガスを収容し、燃料電池車両に搭載されるが、高圧タンク１００は、窒素や酸素、二酸化炭素などの水素ガス以外のガスを収容してもよく、収容するガスの種類に応じて燃料電池車両以外の用途に用いられてもよい。

本発明は、上述の実施形態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、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。

１０…ライナ、１２…円筒部、１４…ドーム部、１５…凹部、１６ａ，１６ｂ…口金、１８…シール材、２０…離型剤層、３０…補強層、１００…高圧タンク

Claims (1)

1. 高圧タンクの製造方法であって、
   流体を密封するための内部空間を有するライナと、前記ライナの長手方向の両端に備えられる口金とを有するライナ本体を準備する工程と、
   アミン化合物を含有するシール材を、前記ライナと前記口金との境界部に形成する工程と、
   前記シール材の表面上に、離型剤層を形成する工程と、
   前記離型剤層の表面上に、ビスフェノール型エポキシ樹脂と繊維とを積層し、硬化させて補強層を形成する工程と、を備える、
   高圧タンクの製造方法。

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