JP2020098010A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維層の強度を低下することなく、当該炭素繊維層の内部及び外表面の気泡を除去することができ、外観不良を抑制し、寸法バラつきが小さく、優れた強度を有する高圧タンクが製造できる、高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】高圧タンクの製造方法であって、ライナーに熱硬化性樹脂に含浸させた炭素繊維を巻きつけて硬化前炭素繊維層を形成する硬化前炭素繊維層形成工程と、前記硬化前炭素繊維層上に、熱硬化性樹脂に含浸させたガラス繊維を巻きつけて硬化前ガラス繊維層を形成するガラス繊維層形成工程と、内部に多孔質金属を備える筒状のピンを前記硬化前ガラス繊維層側から前記硬化前炭素繊維層の界面まで挿入するピン挿入工程と、前記ピンからガスを吸引するガス吸引工程と、前記ピンを抜き取った後、熱硬化処理を行ってガラス繊維層及び炭素繊維層を形成する熱硬化処理工程とを備える、高圧タンクの製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。

高圧タンクの容器の構成として、容器となるライナーの外面に炭素繊維層を有するものが知られている。

このような高圧タンクの製造方法として、ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維をフィラメントワインディング法（ＦＷ法）により巻き付けた後、当該炭素繊維中の熱硬化性樹脂を熱硬化することにより炭素繊維層を形成する方法が知られている。特許文献１には、上記高圧タンクの製造方法において、炭素繊維層の外表面に消泡剤溶液を塗布することにより高圧タンクの表層に生じる気泡を除去することが記載されている。

これとは別に、特許文献２及び３には、ライナーを透過した高圧ガスが、ライナーと炭素繊維層との間に溜まることを抑制する目的で、炭素繊維層にライナー層まで達する開口部を設けることが開示されている。当該手法は炭素繊維層に穴を開けて開口部を設けるものであり、炭素繊維層の強度が低下するという問題があった。

特開２０１３−１９３３９３号公報 特開２００８−２６１４１４号公報 特開２０１４−８１０１４号公報

上記ＦＷ法による高圧タンクの製造方法では、炭素繊維を巻く際に、積層する炭素繊維間に空気が残されることがあった。また、熱硬化性樹脂の加熱工程において、熱硬化性樹脂の硬化反応時にガスが発生することがあった。これらの気体は、加熱工程において外側へ移動し、形成された炭素繊維層の表層に気泡による凹凸が発生するという問題があった。当該凹凸は外観不良や、寸法ばらつきの原因となった。また、炭素繊維層の内部に残留する気泡は、当該炭素繊維層の強度を低下し、当該気泡は、タンクが衝撃を受けた際の割れの原因となる恐れがあった。
上記特許文献１の手法は、表層の気泡をある程度除去するものであるが、炭素繊維層内部の気泡まで除去するものではなかった。また、特許文献１の手法では炭素繊維層内に強度に寄与しない消泡剤が残留するという問題があった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、炭素繊維層の強度を低下することなく、当該炭素繊維層の内部及び外表面の気泡を除去することができ、外観不良を抑制し、寸法バラつきが小さく、優れた強度を有する高圧タンクが製造できる、高圧タンクの製造方法を提供する。

本発明の一態様に係る高圧タンクの製造方法は、
ライナーに熱硬化性樹脂に含浸させた炭素繊維を巻きつけて硬化前炭素繊維層を形成する、硬化前炭素繊維層形成工程と、
前記硬化前炭素繊維層上に、熱硬化性樹脂に含浸させたガラス繊維を巻きつけて硬化前ガラス繊維層を形成する、ガラス繊維層形成工程と、
内部に多孔質金属を備える筒状のピンを、前記硬化前ガラス繊維層側から前記硬化前炭素繊維層の界面まで挿入する、ピン挿入工程と、
前記ピンからガスを吸引する、ガス吸引工程と、
前記ピンを抜き取った後、熱硬化処理を行ってガラス繊維層及び炭素繊維層を形成する、熱硬化処理工程と、を備える。

上記本発明の一態様に係る製造方法では、ピンを用いてガスを吸引することにより、炭素繊維層の表面及び内部の気泡を取り除くことができる。さらに、ピンを抜き取った後も、ガラス繊維層に孔が残されるため、熱硬化処理時においても当該孔を通じてガスが排出される。また、ピンを刺すのはガラス繊維層のみであるため、炭素繊維に傷をつけず、炭素繊維層の強度を損なうことがない。

上記高圧タンクの製造方法は、更に、抜き取り後の前記ピンからガスを排出する、ガス排出工程を備えていてもよい。
当該ガス排出工程によれば、ピンの表面に付着した熱硬化性樹脂を除去することができ、当該ピンを用いて次の高圧タンクを連続的に製造することが可能となる。

上記高圧タンクの製造方法においては、前記多孔質金属の孔径が５００μｍ以下であることが、熱硬化性樹脂がピンの内部に侵入しにくくなる点で好ましい。

また、上記高圧タンクの製造方法は、前記ガス吸引工程において、前記硬化前炭素繊維層の温度が、前記熱硬化性樹脂のガラス転移温度より高く、硬化開始温度より低い温度に調整されていることが好ましい。
このような温度管理を行うことで、熱硬化性樹脂が低粘度状態となり、気泡が表面に移動しやすくなって、ガス吸引が容易となる。

本発明によれば、炭素繊維層の強度を低下することなく、当該炭素繊維層の内部及び外表面の気泡を除去することができ、外観不良を抑制し、寸法バラつきが小さく、優れた強度を有する高圧タンクが製造できる。

第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法に用いられる装置の構成の一例を示す模式図である。 ピンの一例を示す模式的な断面図である。 高圧タンクの一例を示す模式的な断面図である。 図４のＡ部の層構成の一例を示す模式的な断面図である。 硬化前ガラス繊維層形成工程後のＡ部の一例を示す模式的な断面図である。 ガス吸引工程時のＡ部の一例を示す模式的な断面図である。 熱硬化処理工程時のＡ部の一例を示す模式的な断面図である。 第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法におけるワーク温度のプロファイルを示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定されるわけではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。また、説明のため図面中の各部材の縮尺が大きく異なることがある。

（第１の実施形態）
まず図１を参照して、第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法の概要を説明する。図１は、第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法を示すフローチャートである。第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法は、硬化前炭素繊維層形成工程（Ｓ１０）と、硬化前ガラス繊維層形成工程（Ｓ２０）と、ピン挿入工程（Ｓ３０）と、ガス吸引工程（Ｓ４０）と、熱硬化処理工程（Ｓ５０）とをこの順に実施するものであり、必要に応じて他の工程を実施してもよいものである。

第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法を実施するに先立って、まずライナーを準備する。ライナーは高圧タンクの容器１０（図４参照）の基本的な外形を構成するものであり、ガスバリア性を有する樹脂製の容器などが用いられる。本実施形態においてライナーは公知のものを用いることができ、市販品を用いてもよく、また所望の形状のライナーを製造してもよい。ライナーは、ガスバリア性を有する樹脂を射出成形など公知の方法により成形することにより製造することができる。ガスバリア性を有する樹脂としては、高密度ポリエチレンやポリイミド等を用いることができる。本実施形態においてライナーは口金６１等を備えていてもよい。

硬化前炭素繊維層形成工程（Ｓ１０）では、前記ライナーに熱硬化性樹脂に含浸させた炭素繊維を巻きつけて硬化前炭素繊維層を形成する。前記熱硬化性樹脂は公知のものを用いることができ、一例としてエポキシ樹脂が挙げられ、通常、硬化剤が添加されている。炭素繊維は、前記ＦＷ法により前記ライナーの外周に巻きつける。高圧タンクの強度の点から、通常、炭素繊維は同一箇所に複数回巻きつけられ、硬化前後の炭素繊維層は、複数の炭素繊維が積層している（図５参照）。

硬化前ガラス繊維層形成工程（Ｓ２０）では、前記硬化前の炭素繊維層の外周に熱硬化性樹脂に含浸させたガラス繊維を巻きつけて硬化前ガラス繊維層を形成する。熱硬化性樹脂は前記炭素繊維層におけるものど同様のものを用いることができる。ガラス繊維の巻きつけ方は特に限定されず、前記ＦＷ法により巻きつけてもよく、ガラス繊維を織り上げたクロス状のガラス繊維を前記硬化前炭素繊維層の外周に巻きつけてもよい。

図６Ａに、硬化前ガラス繊維層形成工程（Ｓ２０）後のライナー１１と硬化前炭素繊維層１９と硬化前ガラス繊維層１４との積層体（以下、単に積層体ということがある）の層構成の一例を示す模式的な断面図を示す。
図６Ａの例に示されるように、硬化前ガラス繊維層形成工程後の積層体は、積層する炭素繊維間や、硬化前炭素繊維層１９と硬化前ガラス繊維層１４との間に気泡１７が含まれている。

図２は第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法に用いられる装置の構成の一例を示す模式図である。図２の例では、ガラス繊維層形成後のタンク５０をホルダー４０で固定し、当該硬化前ガラス繊維層形成後のタンク５０の周囲に、複数のピン３０を有する配管２１が備えられている。配管２１は給排気可能なポンプ（不図示）に接続されており、ピン３０はタンク５０の硬化前ガラス繊維層側に配置されている。ホルダー４０はタンク５０を回転する回転機構を備えていてもよい。またその場合、配管２１はホルダー４０の回転に追従する回転機構を備えている。図２の装置は、更に不図示のヒーターを備えていてもよい。また、図２の装置が炉内など加熱可能な空間内に設置されていてもよい。また図３は、ピン３０の一例を示す模式的な断面図である。図２の装置においてピン３０は内部に多孔質金属３１を備える筒状であり、ピン３０は、多孔質金属３１を通じて給排気が可能である。

ピン挿入工程（Ｓ３０）では、図６Ｂに示されるように、ピン３０を積層体の硬化前ガラス繊維層１４側から前記硬化前炭素繊維層１９の界面まで挿入する。ピン３０はタンク５０の大きさ等に応じて複数本挿入してもよい。図２の例では、配管２１をタンク５０方向に移動することにより複数のピン３０を同時に挿入することができる。

ガス吸引工程（Ｓ４０）では、硬化前炭素繊維層１９からガスを吸引して気泡１７を除去する。第１の実施形態では、ピン３０が多孔質金属を備える筒状のピンであるため、熱硬化性樹脂を吸引せず、気体のみを吸引できる。熱硬化性樹脂をより吸引しにくくする点から、多孔質金属の孔径は５００μｍ以下であることが好ましい。また、ピン３０の外径は特に限定されないが、一例として５〜１０ｍｍとすることができる。ピン３０の外径を５ｍｍ以上とすることにより、気体の吸引性に優れると共に、後述する熱硬化処理時の気体の排出性にも優れる。

硬化前の熱硬化性樹脂は流動性を有するため、ピン３０から真空脱気を行うことにより、表層付近の気体のみならず、硬化前炭素繊維層１９の内部の気体が上昇して、当該気体を除去することができる。
このような観点から、ガス吸引工程において、硬化前炭素繊維層１９の温度を、前記熱硬化性樹脂のガラス転移温度より高く、硬化開始温度より低い温度に調整することが好ましい。このように温度調整することにより、熱硬化性樹脂を低粘度状態とすることができる。その結果、硬化前炭素繊維層１９の内部の気体が上昇しやすくなり、ピン３０による気体の除去が促進される。

熱硬化処理工程（Ｓ５０）では、硬化前ガラス繊維層１４から前記ピン３０を抜き取り、次いで熱硬化処理を行って炭素繊維層１８とガラス繊維層２０を形成する（図６Ｃ及び図５参照）。

図７を参照して、第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法におけるワーク温度のプロファイルを説明する。なお、図７におけるワーク温度プロファイルは、図２におけるタンク５０の温度プロファイルであり、炭素繊維層、及びガラス繊維層中の熱硬化性樹脂の温度も同様の温度プロファイルを示す。
硬化前ガラス繊維層形成後のタンク５０を図２のホルダー４０に固定し、ピンを挿入してガス吸引を開始する。吸引開始後にワークを加熱し、熱硬化性樹脂が低粘度状態となる温度で保持することが好ましい。熱硬化性樹脂の低粘度状態で温度を保持することにより、炭素繊維層中のガスの吸引が促進される。十分に気体を吸引した後、熱硬化性樹脂が硬化する温度まで加熱する。ピン３０を抜き取りは、ガラス繊維層の表層が硬化し始めたときに行うことが好ましい。図６Ｃの例に示されるようにピン３０の抜き取り後、ガラス繊維層には孔１５が形成される。当該孔は炭素繊維層１３中の気体の排出口となるため、炭素繊維層の硬化開始後であっても脱気を継続することができる。熱硬化性樹脂が十分に硬化するまで熱処理を行うことにより、高圧タンクが得られる。

抜き取り後のピン３０は、タンク５０から離した後、ガス排出を行うことが好ましい。ガス排出を行うことにより、ピン３０の表面に付着した熱硬化性樹脂を除去することができるため、そのまま別のタンクの製造に用いることができ、高圧タンクの連続生産が可能となる。

図４及び図５を参照して、第１の実施形態に係る高圧タンクの製造方法により得られる高圧タンクについて説明する。第１の実施形態により得られる高圧タンクは、任意の形状の容器１０を有し、容器１０の断面は、容器内面側から、ライナー１１、炭素繊維１２及び硬化後の熱硬化性樹脂を含む炭素繊維層１８、及びガラス繊維層がこの順に積層した積層構造を有する。炭素繊維層はライナー１１を補強する層である。本実施形態により形成される炭素繊維層は、残留する気泡が少なく、また、孔を有しないため、寸法バラつきが小さく、優れた強度を有する。ガラス繊維層は、炭素繊維層を保護する層である。ガラス繊維層には孔１５が形成されているが、炭素繊維層の保護を損なうものではなく、炭素繊維層は十分に保護されている。そのため本実施形態により得られる高圧タンクは、このように外観不良や寸法バラつきが小さく、優れた強度を有するものとなる。

本実施形態により得られる高圧タンクは、寸法バラつきが小さく、優れた強度を有することから、公知のあらゆる用途に用いることができる。中でも、寸法精度や高強度が要求される車載用の燃料電池用途に適している。

１０ 容器
１１ ライナー
１２ 炭素繊維
１３ 硬化後熱硬化性樹脂
１４ 硬化前ガラス繊維層
１５ 孔
１６ 硬化前熱硬化性樹脂
１７ 気泡
１８ 炭素繊維層
１９ 硬化前炭素繊維層
２０ ガラス繊維層
２１ 配管
３０ ピン
３１ 多孔質金属
４０ ホルダー
５０ 硬化前ガラス繊維層形成後のタンク
６０ 高圧タンク
６１ 口金

Claims (4)

1. 高圧タンクの製造方法であって、
   ライナーに熱硬化性樹脂に含浸させた炭素繊維を巻きつけて硬化前炭素繊維層を形成する、硬化前炭素繊維層形成工程と、
   前記硬化前炭素繊維層上に、熱硬化性樹脂に含浸させたガラス繊維を巻きつけて硬化前ガラス繊維層を形成する、ガラス繊維層形成工程と、
   内部に多孔質金属を備える筒状のピンを、前記硬化前ガラス繊維層側から前記硬化前炭素繊維層の界面まで挿入する、ピン挿入工程と、
   前記ピンからガスを吸引する、ガス吸引工程と、
   前記ピンを抜き取った後、熱硬化処理を行ってガラス繊維層及び炭素繊維層を形成する、熱硬化処理工程と、
   を備える、高圧タンクの製造方法。
2. 更に、抜き取り後の前記ピンからガスを排出する、ガス排出工程を備える、請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
3. 前記多孔質金属の孔径が５００μｍ以下である、請求項１又は２に記載の高圧タンクの製造方法。
4. 前記ガス吸引工程において、前記硬化前炭素繊維層の温度が、前記熱硬化性樹脂のガラス転移温度より高く、硬化開始温度より低い温度に調整されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の高圧タンクの製造方法。

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