JP2020133781A - 高圧ガスタンクおよび高圧ガスタンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタンクの強度の低下を抑えつつ、ガス透過に起因する補強層の損傷を抑える。【解決手段】高圧ガスタンクは、ガスを収容するための内部空間を有するライナと、ライナ上に積層され、カーボン繊維と第１樹脂とを有する強化層と、強化層上の少なくとも一部に積層される中間層と、中間層上に積層され、ガラス繊維と第２樹脂とを有する保護層と、を備え、中間層は、強化層および保護層に比べてガス透過性が高い。【選択図】図２

Description

本発明は、高圧ガスタンクおよび高圧ガスタンクの製造方法に関する。

高圧のガスを貯蔵・収容するためのタンクとして、ガスを貯蔵する空間を有するライナと、ライナを覆うように設けられてタンクの内圧に対する強度を確保する補強層と、を備えるタンクが知られている。特許文献１では、補強層であるシェル本体部とライナとの間に、繊維を巻き付けて形成される最内層を設ける構成が開示されている。このような構成では、ライナを透過したガスである水素を最内層に留めることによって、最内層よりも外側の補強層を水素が通過することを抑えて、ライナを透過した水素に起因する補強層の損傷を抑制している。

特開２０１１−１０６５１４号公報

しかしながら、繊維を巻き付けて形成される最内層は、表面が平滑に形成されるライナに比べて、表面の凹凸がより大きい。表面の凹凸がライナより大きい最内層上に補強層を設けると、補強層を形成する際に、最内層表面の凹凸形状によって補強層の形状が変化して、補強層内で局所的な応力が発生し、当該応力の発生によって補強層の強度が低下するという新たな問題点を、本願発明者等は見出した。そのため、ガスタンクの強度の低下を抑えつつ、ライナを透過した水素に起因する補強層の損傷を抑える技術が望まれている。

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、高圧ガスタンクが提供される。この高圧ガスタンクは、ガスを収容するための内部空間を有するライナと、前記ライナ上に積層され、カーボン繊維と第１樹脂とを有する強化層と、前記強化層上の少なくとも一部に積層される中間層と、前記中間層上に積層され、ガラス繊維と第２樹脂とを有する保護層と、を備え、前記中間層は、前記強化層および前記保護層に比べてガス透過性が高い。
この形態の高圧ガスタンクによれば、ライナを透過したガスを中間層内で面方向に広げることができ、強化層と保護層との間において局所的にガスが滞留することを抑える。そのため、ライナを透過したガスに起因する保護層の損傷を抑えることができる。さらに、中間層を強化層と保護層との間に設けるため、中間層を設けることに起因する高圧ガスタンクの強度低下を抑えることができる。
（２）上記形態の高圧ガスタンクにおいて、前記ライナは、円筒状のシリンダ部と、前記シリンダ部の両端に配置された半球面形状の一対のドーム部と、を備え、前記中間層は、前記シリンダ部に形成されていることとしてもよい。この形態の高圧ガスタンクによれば、ライナを透過したガスの保護層を介した高圧ガスタンク外への移動が比較的起こり難いシリンダ部に、中間層を設けることにより、強化層と保護層との間において局所的にガスが滞留することを抑え、保護層の損傷を抑えることができる。
（３）上記形態の高圧ガスタンクにおいて、前記中間層は、前記高圧ガスタンクの周方向全体に設けられていることとしてもよい。この形態の高圧ガスタンクによれば、ライナを透過して強化層内を通過したガスを、中間層によって周方向に広げることができるため、強化層と保護層との間において局所的にガスが滞留することを抑え、保護層の損傷を抑えることができる。
（４）上記形態の高圧ガスタンクにおいて、前記中間層は、前記ライナの全面を覆うように形成されていることとしてもよい。この形態の高圧ガスタンクによれば、強化層と保護層との間において局所的にガスが滞留することを抑える効果を、高圧ガスタンク全体で高めることができる。
（５）上記形態の高圧ガスタンクにおいて、前記中間層は、不織布を備えることとしてもよい。この形態の高圧ガスタンクによれば、不織布を備える中間層により、ライナを透過して強化層内を通過したガスを面方向に広げることができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能であり、例えば、高圧ガスタンクの製造方法や、高圧ガスタンクを搭載する移動体等の形態で実現することができる。

高圧ガスタンクの断面模式図である。 高圧ガスタンクの外壁の一部を拡大して示す断面模式図である。 高圧ガスタンクの製造方法の概要を表わす工程図である。 高圧ガスタンクの外壁の一部を拡大して示す断面模式図である。 ガス拡散速度を測定するための測定装置の概略構成を表わす断面図である。 ガス拡散速度の測定方法の概要を表わす工程図である。 ガス拡散速度の求め方を示す説明図である。 高圧ガスタンクの外壁の一部を拡大して示す断面模式図である。 高圧ガスタンクのバースト試験の結果を表わす説明図である。 高圧ガスタンクの概略構成を表わす説明図である。 高圧ガスタンクの概略構成を表わす説明図である。

Ａ．第１実施形態：
（Ａ−１）高圧ガスタンクの全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての高圧ガスタンク１００の断面模式図である。高圧ガスタンク１００は、高圧のガスを貯蔵するタンクである。本実施形態では、高圧ガスタンク１００は、高圧ガスとして圧縮水素を貯蔵し、例えば、水素を燃料ガスとして用いる燃料電池を搭載する燃料電池車両に搭載される。高圧ガスタンク１００は、ライナ１０と、補強層７０と、口金２１，２２と、を備える。

ライナ１０には、高圧ガスを収容ための空間を内部に有する。ライナ１０は、軸線Ｏ方向に延びる円筒状に形成された部位であるシリンダ部１６と、シリンダ部１６に連続してシリンダ部１６の両端に配置された略半球面形状の２つのドーム部１７，１８と、を備える。本実施形態のライナ１０は、ポリアミド樹脂によって形成される。ライナ１０を構成するポリアミド樹脂としては、例えば、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２を挙げることができる。本実施形態では、ナイロン６によってライナ１０を構成している。

本実施形態では、ライナ１０は、複数の部材を接合することによって構成されている。具体的には、ライナ１０は、ライナ部材１１，１２，１３を備え、この順で軸線Ｏ方向に配置されている。ライナ部材１１とライナ部材１２との間、および、ライナ部材１２とライナ部材１３との間は、例えば、赤外溶着、レーザ溶着、熱板溶着、振動溶着、あるいは超音波溶着等の方法により接合することができる。なお、ライナ１０は、３以外の複数の部材によって構成してもよく、また、ライナ１０全体を一体形成する等、複数の部材を接合する方法とは異なる方法により形成してもよい。また、ライナ１０のドーム部１７，１８の各々の頂上には、口金２１，２２が配置されている。口金２１，２２は、例えば、インサート成形によって、ライナ部材１１あるいはライナ部材１２に接合される。

補強層７０は、ライナ１０の外表面を覆うように形成されており、ライナ１０を補強して、高圧ガスタンク１００の強度、具体的には主としてタンク内圧に対する強度を、向上させる。補強層７０は、ＣＦＲＰ層７４と、ガス拡散層７３と、ＧＦＲＰ層７２と、樹脂層７１と、を備える。本実施形態の高圧ガスタンク１００は、補強層７０において、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間にガス拡散層７３が設けられることに特徴がある。以下では、補強層７０について、さらに詳しく説明する。

図２は、高圧ガスタンク１００の外壁の一部を拡大して示す断面模式図である。補強層７０は、ＣＦＲＰ層７４と、ガス拡散層７３と、ＧＦＲＰ層７２と、樹脂層７１とが、ライナ１０側からタンク外周側に向かってこの順で積層されることにより形成される。ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２は、ライナ１０の外表面上で巻回されている繊維と、この繊維に含浸される樹脂とを、構成材料として有する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって形成される層である。具体的には、樹脂を含浸させた長繊維を、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」と呼ぶ）によりライナ１０の表面に巻回し、その後、樹脂を硬化させた層である。なお、補強層７０には、後述するように、微細なクラック等が形成されているが、図２では上記クラック等は省略して表わしている。

ＣＦＲＰ層７４は、カーボン繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＣＦＲＰ）を備える層である。補強層７０における高圧ガスタンク１００の強度（タンク内圧に対する強度）を確保する機能は、主としてＣＦＲＰ層７４が果たしている。本実施形態のＣＦＲＰ層７４は、樹脂を含浸するカーボン繊維をライナ１０の表面に巻回した層として、上記繊維をフープ巻きしたフープ層と、上記繊維をヘリカル巻きしたヘリカル層と、を備える。「フープ巻き」とは、軸線Ｏ方向に対する繊維の巻き角度を略垂直とする巻き方であり、ライナ１０のシリンダ部１６の外周を被覆するために用いられる。「ヘリカル巻き」とは、軸線Ｏ方向に対する繊維の巻き角度を、フープ巻きよりも傾いた角度とする巻き方であり、ライナ１０のシリンダ部１６の外周に加えて、ドーム部１７，１８の外周を被覆するために用いられる。ＣＦＲＰ層７４を構成するフープ層およびヘリカル層の数および積層の順序は、種々変更することが可能である。ＣＦＲＰ層７４は、ライナ１０の表面の全面を覆うように形成されている。ＣＦＲＰ層７４は、「強化層」とも呼ばれる。

ＧＦＲＰ層７２は、ガラス繊維強化プラスチック（Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＧＦＲＰ）を備える層である。ＧＦＲＰ層７２は、主として、タンク表面に対して外部から加えられる物理的あるいは化学的刺激からタンク内部を保護する機能を果たす。すなわち、ＧＦＲＰ層７２は、ＣＦＲＰ層７４等の下側の層が物理的に傷つけられることや、何らかの化学物質等が補強層７０内部に浸入することを抑える。ＧＦＲＰ層７２もＣＦＲＰ層７４と同様に、樹脂を含浸するガラス繊維がフープ巻きされたフープ層と、樹脂を含浸するガラス繊維がヘリカル巻きされたヘリカル層とを、任意の順序で任意の数を積層して形成することができる。本実施形態では、ＧＦＲＰ層７２の最外層をフープ層にすることにより、ライナ１０上でガラス繊維を巻き付ける際の張力の確保を容易にすると共に、ＧＦＲＰ層７２の表面を平滑化している。ＧＦＲＰ層７２は、ライナ１０の表面の全面を覆うように形成されている。ＧＦＲＰ層７２は、「保護層」とも呼ばれる。

ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２を構成する各層が備える樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。ＣＦＲＰ層７４が備える樹脂を第１樹脂とも呼び、ＧＦＲＰ層７２が備える樹脂を第２樹脂とも呼ぶ。本実施形態では、第１樹脂及び第２樹脂として、エポキシ樹脂を用いている。第１樹脂と第２樹脂とは、同じ種類であってもよく、異なる種類であってもよい。第１樹脂と第２樹脂とが同じ種類である場合には、硬化促進剤や強化剤の有無、あるいは、硬化促進剤や強化剤を加える場合にはその種類や添加量を異ならせることにより、樹脂の性質を異ならせてもよい。

ガス拡散層７３は、ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２に比べてガス透過性が高い層である。特に、本実施形態では、ガス拡散層７３は、ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２に比べて、ライナ１０の表面に平行な方向（以下、面方向とも呼ぶ）のガス拡散速度が大きく、上記面方向のガス拡散速度が１００Ｐａ／ｓ以上となっている。ガス拡散層７３は、その厚み方向にもガスが拡散するが、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間において面方向にガスを広げる程度を表わす指標として、本実施形態では、面方向のガス拡散速度を用いている。補強層７０を構成する各層のガス拡散速度、および、ガス拡散速度の測定方法については、後に詳しく説明する。

ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２のようなＦＲＰ層においては、ガス透過性が高いほど、ＦＲＰ層としての強度が低下する傾向があると共に、ガスを含む種々の物質を通し易くなる。そのため、既述したように高圧ガスタンク１００の強度を主として確保するＣＦＲＰ層７４、および、ＣＦＲＰ層７４を保護するためにＣＦＲＰ層７４よりも緻密に形成されるＧＦＲＰ層７２として、従来、面方向のガス拡散速度が１００Ｐａ／ｓ以上の層を用いることはなかった。

本実施形態では、ガス拡散層７３は、ライナ１０の表面の全面を覆うように形成されている。本実施形態のガス拡散層７３は、不織布を用いて形成されている。上記不織布を構成する材料としては、例えば、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン等の熱可塑性樹脂や、ポリウレタン、ポリイミド等の熱硬化性樹脂、あるいはガラスを用いることができる。上記不織布を構成する材料は、補強層７０の構成材料として十分な耐熱性や耐薬品性や強度を有していればよく、高圧ガスタンク１００内にガス拡散層７３として配置して用いられる環境下で安定であればよい。ガス拡散層７３は、「中間層」とも呼ばれる。

樹脂層７１は、ＧＦＲＰ層７２を構成する第２樹脂と同種の樹脂により形成されている。樹脂層７１は、後述するように、高圧ガスタンク１００の作製時にＧＦＲＰ層７２を構成する第２樹脂を硬化させる際に、溶融あるいは軟化した第２樹脂がＧＦＲＰ層７２の表面に浸み出すことにより形成される。樹脂層７１は、ＧＦＲＰ層７２と同様に、主として、タンク表面に対して外部から加えられる物理的あるいは化学的刺激からタンク内部を保護する機能を果たす。

（Ａ−２）高圧ガスタンクの製造方法：
図３は、高圧ガスタンク１００の製造方法の概要を表わす工程図である。高圧ガスタンク１００を製造する際には、まず、ライナ１０を用意する（ステップＳ１００）。そして、用意したライナ１０上に、樹脂含浸カーボン繊維を用いてＣＦＲＰ層７４を形成する（ステップＳ１１０）。すなわち、第１樹脂を含浸させたカーボン繊維をＦＷ法によりライナ１０上に巻回する。その後、ＣＦＲＰ層７４上に、ガス拡散層７３を形成する（ステップＳ１２０）。本実施形態では、ポリエステル製の不織布を用いてガス拡散層７３を形成している。具体的には、帯状のポリエステル不織布を、ＣＦＲＰ層７４を形成したライナ１０上に隙間無く巻き付けることによりガス拡散層７３を形成する。その後、ガス拡散層７３上に、ＧＦＲＰ層７２を形成する（ステップＳ１３０）。すなわち、第２樹脂を含浸させたガラス繊維を、ＦＷ法により、ガス拡散層７３を形成したライナ１０上に巻回する。その後、ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２を構成する樹脂を硬化させる（ステップＳ１４０）。樹脂の硬化は、例えば、加熱炉を用いた加熱や、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いた誘導加熱手法により行なうことができる。ステップＳ１４０の硬化の工程により、ガス拡散層７３を構成する不織布内形成される細孔の一部に、溶融あるいは軟化した第１樹脂および第２樹脂が侵入する。また、ステップＳ１４０の硬化の工程により、第２樹脂がＧＦＲＰ層７２の表面に浸み出して、樹脂層７１が形成される。ステップＳ１４０の硬化の工程により得られるタンクを、プレタンクとも呼ぶ。

ステップＳ１４０の後、ステップＳ１４０で得られたプレタンクについて耐圧試験を行ない（ステップＳ１５０）、高圧ガスタンク１００を完成する。ステップＳ１５０の耐圧試験は、予め定められた試験圧力の流体をプレタンクに充填して、プレタンク内を加圧することによって、高圧ガスタンク１００が上記試験圧力に耐えることを確認するための試験である。試験圧力は、高圧ガスタンク１００について予め定められた使用時の上限圧力を超える圧力として、設定されている。本実施形態では、高圧ガスタンク１００の使用時の上限圧力は、７０ＭＰａに設定されており、試験圧力は、１０５ＭＰａに設定されている。また、耐圧試験時にプレタンクに充填する流体としては、水を用いている。試験圧力は、使用時の上限圧力よりも十分に高い圧力が設定されていればよく、高圧ガスタンク１００に要求される耐圧性能等に応じて、適宜設定すればよい。また、耐圧試験時にプレタンクに充填する流体は、完成した高圧ガスタンク１００に、高圧ガスタンク１００に貯蔵すべきガス（本実施形態では水素）を充填する際に、タンク内から容易に除去することができ、高圧ガスタンク１００内に充填される上記ガスの汚染を抑えることができるように、適宜選択すればよい。

図４は、ステップＳ１５０の耐圧試験を経て完成された高圧ガスタンク１００の外壁の一部を拡大して示す断面模式図である。ステップＳ１５０の耐圧試験の際には、高圧の流体の充填によりプレタンクが膨張し、その結果、補強層７０内には微細なクラック等が生じる。図４では、ステップＳ１５０の耐圧試験により生じるクラック等を示している。図４に示すように、耐圧試験時のプレタンクの膨張により補強層７０では、クラック等として、例えば層間剥離α、層内クラックβ、樹脂割れγが生じる。

層間剥離αとは、ライナ１０の表面に垂直な方向に積層される各層の間に形成されるクラックを指す。すなわち、層間剥離αは、面方向に沿って延びるように形成されるクラックである。層間剥離αは、例えば、ＧＦＲＰ層７２と樹脂層７１との間に形成される。あるいは、層間剥離αは、ＧＦＲＰ層７２やＣＦＲＰ層７４が複数の層を積層して構成される場合に、ＧＦＲＰ層７２内あるいはＣＦＲＰ層７４内において、ＧＦＲＰ層７２やＣＦＲＰ層７４を構成する層間に形成される。

層内クラックβとは、ＧＦＲＰ層７２あるいはＣＦＲＰ層７４の内部において、面方向に垂直な方向（以下、積層方向とも呼ぶ）に沿って延びるように形成されるクラックである。ＧＦＲＰ層７２は、ガス拡散層７３側の表面から樹脂層７１側の表面へと積層方向に沿って延びてＧＦＲＰ層７２内を貫通する層内クラックβを有する。ＣＦＲＰ層７４は、ライナ１０側の表面からガス拡散層７３側の表面へと積層方向に沿って延びてＣＦＲＰ層７４内を貫通する層内クラックβを有する。

樹脂割れγとは、樹脂層７１の内部において、積層方向に沿って延びるように形成されるクラックである。耐圧試験により形成されるこれらのクラックは極めて微小であるため、高圧ガスタンク１００の強度に対する影響は、無視することができる。あるいは、クラック等による高圧ガスタンク１００の強度に対する影響が無視できない場合には、高圧ガスタンク１００において所望の強度が得られるように、予め、ＣＦＲＰ層７４等の厚み等を設定すればよい。これらの微小なクラックは、高圧ガスタンク１００内に充填される水素がライナ１０外に透過したときには、透過した水素を高圧ガスタンク１００外に導くことができる。図４では、ライナ１０を水素が透過する様子を、矢印にて表わしている。ステップＳ１５０でプレタンク内を加圧した後は、上記のようにクラック等が形成されることにより各層のガス透過性が高まる。このような加圧後であっても、ガス拡散層７３は、ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２に比べてガス透過性が高い。

（Ａ−３）ガス拡散速度について：
本実施形態の高圧ガスタンク１００は、既述したように、ガス拡散層７３を備えており、このガス拡散層７３は、ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２に比べてガス透過性が高い。高圧ガスタンク１００は、このようなガス拡散層７３を備えることで、ライナ１０を透過してＣＦＲＰ層７４内を移動した水素を、ガス拡散層７３内で拡散させることができる。既述したように、本実施形態のガス拡散層７３は、ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２に比べて面方向のガス拡散速度が大きく、面方向のガス拡散速度が１００Ｐａ／ｓ以上となっている。以下では、高圧ガスタンク１００の補強層７０が備える各層の面方向のガス拡散速度の測定方法について説明する。

図５は、ガス拡散速度を測定するための測定装置３０の概略構成を表わす断面図であり、図６は、ガス拡散速度の測定方法の概要を表わす工程図である。図５に示すように、測定装置３０は、外筒部３１とプランジャ部３２とを備え、外筒部３１内には、プランジャ部３２を押圧することにより加圧される加圧室３４が形成されている。測定装置３０には、加圧室３４に連通する箇所に圧力センサ３６が設けられており、加圧室３４内の圧力を検出可能となっている。外筒部３１には、サンプルを取り付けるためのコネクタ３５が取り付けられており、コネクタ３５の先端には、加圧室３４と連通する開口部３７が形成されている。ガス拡散速度を測定する際には、上記開口部３７を塞ぐように、ガス拡散速度の測定対象となるサンプルが取り付けられる。また、加圧室３４におけるコネクタ３５との接続部である出口部には、図示しない開閉バルブが設けられている。本実施形態では、加圧室３４の容積は、５０ｃｍ^３である。上記加圧室３４の容積には、加圧室３４と圧力センサ３６とを連通させる空間が含まれる。また、本実施形態では、加圧室３４の出口部の開閉バルブから、サンプルが取り付けられる箇所までの空間、すなわち、コネクタ３５内の空間の容積は、上記加圧室３４の容積に比べて、無視できる程度に小さい。

補強層７０を構成する各層の面方向のガス拡散速度を測定する際には、まず、測定に用いるサンプルを調製する（ステップＳ２００）。サンプルの調製は、以下のように行なう。最初に、高圧ガスタンク１００の外壁の一部を、積層方向に貫通するように切り取る。高圧ガスタンク１００の外壁の一部を切り取ると、切り取った外壁片において、ライナ１０と補強層７０とは、容易に分離することができる。その後、ライナ１０から分離された補強層７０において、高圧ガスタンク１００の積層方向の外側寄りの層から順に、各層を研磨により削り取り、測定対象の層を、サンプルとして得る。測定対象のサンプルは、縦横の長さがそれぞれ２０ｍｍの矩形である。

測定対象のサンプルを得ると、次に、測定対象のサンプルにおいて、面方向に平行な一対の面（図５に示す第１面Ｓ１および第２面Ｓ２）を、シール部３８によって被覆する（ステップＳ２１０）。このとき、上記一対の面のうちの一方である第１面Ｓ１の中央に、シール部３８によって被覆されない領域として、直径４ｍｍの加圧領域を設ける。すなわち、上記シール部３８は、加圧領域以外の第１面Ｓ１の部分、および、第２面Ｓ２に設ける。シール部３８は、例えば、サンプルの表面に接着剤を塗布することによって形成することができる。接着剤としては、例えば、エポキシ系の接着剤や、シリコーン系の接着剤を用いることができる。

サンプル表面にシール部３８を形成すると、次に、サンプルの第１面Ｓ１に設けた加圧領域と、コネクタ３５の先端の開口部３７とが重なるように、コネクタ３５の先端に対してサンプルを接着剤で気密に固定する（ステップＳ２２０）。そして、サンプルを固定した後、加圧室３４の出口部の開閉バルブを閉じた状態で、測定装置３０のプランジャ部３２を押圧することによって、加圧室３４内を、０．１ＭＰａに加圧する（ステップＳ２３０）。その後、上記開閉バルブを開いて、開閉バルブを開いたときからの経過時間を測定すると共に、圧力センサ３６を用いて加圧室３４内の圧力を測定する。開閉バルブを開くことにより、加圧室３４内の圧縮された空気は、コネクタ３５の先端の開口部３７から、サンプルの第１面Ｓ１の加圧領域を介して、サンプル内に流入する。このとき、サンプルの表面には上記したようにシール部３８が設けられているため、サンプルに流入した空気は、サンプル内を面方向に流れ、サンプルの側面からサンプル外部に排出される。これに伴い、加圧室３４内の圧力は低下する。その後、測定した上記経過時間および加圧室３４内の圧力を用いてサンプルの面方向のガス拡散速度を算出する（ステップＳ２４０）。以下に、ガス拡散速度の算出方法を具体的に説明する。

図７は、ガス拡散速度の求め方を示す説明図である。図７では、加圧室３４内の圧力を０．１ＭＰａに昇圧させた後に、既述した開閉バルブを開いた時間（タイミング）を、時間ｔａとして示している。そして、時間ｔａから１２０秒経過した後の時間を、時間ｔｂとして示している。時間ｔａから１２０秒の間に、サンプルを面方向に空気が透過することにより加圧室３４内の圧力はＰｂまで低下する。図７では、時間ｔａから時間ｔｂまでの経過時間を「Δｔ＝１２０ｓ」として示し、０．１ＭＰａからＰｂまでの加圧室３４内の圧力低下を「ΔＰ」として示している。面方向のガス拡散速度（単位はＰａ／ｓ）とは、上記ΔＰをΔｔで除することにより算出される値である。すなわち、加圧室３４内の圧力を０．１ＭＰａにしてガスの透過を開始して、１２０秒後の加圧室３４の圧力低下量から求められる、１秒当たりの加圧室３４の圧力低下量を指す。面方向にガスを通しやすいサンプルほど、加圧室３４内の圧力は速やかに低下するため、ガス拡散速度の値は大きくなる。

以上のように構成された本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、補強層７０内において、ＣＦＲＰ層７４およびＧＦＲＰ層７２よりもガス透過性が高いガス拡散層７３を設けることにより、ライナ１０を透過した水素をガス拡散層７３内で広げて、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間で局所的に水素が滞留することを抑え、ＧＦＲＰ層７２の損傷を抑えることができる。そして、本実施形態によれば、ガス拡散層７３をＣＦＲＰ層７４上に設けるため、ガス拡散層７３を設けることに起因する高圧ガスタンク１００の強度低下を抑えることができる。以下では、上記の効果について、さらに説明する。

まず、ＧＦＲＰ層７２の損傷を抑える効果について説明する。ライナを透過した水素は、補強層７０内をタンク外周側へと移動する。ライナ側に設けられたＣＦＲＰ層７４と、外周側に設けられたＧＦＲＰ層７２と、を備える高圧ガスタンクにおいて、保護層であるＧＦＲＰ層７２は、一般に、ガス透過性が比較的低い緻密な層として形成される。そのため、本実施形態のようにＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間にガス拡散層７３を設けない場合には、ライナ１０を透過してＣＦＲＰ層７４内を通過した水素は、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との境界に溜まり易くなる。そして、ライナ１０における水素の透過や、ＣＦＲＰ層７４内における積層方向の水素の移動は、各層内で均一に進行するわけではない。そのため、ＣＦＲＰ層７４内では、水素の移動量に偏りが生じ、より多くの水素が移動した部位では、ＧＦＲＰ層７２との境界において水素がより溜まり易くなる。既述したように、耐圧試験によって、ＧＦＲＰ層７２には層間剥離αや層内クラックβが形成され、樹脂層７１には樹脂割れγが生じる。これらのクラック等では水素が通過し易いが、これらのクラック等と、ＣＦＲＰ層７４において水素の移動量が多い部位とが離間していると、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との境界に溜まった水素を補強層７０外に十分に移動させることができない。

このようにＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との境界において局所的に水素が滞留すると、高圧ガスタンクの使用時にタンク内に水素が充填されたときに、上記滞留した水素の圧力が上昇する。その結果、ＧＦＲＰ層７２および樹脂層７１において、水素が滞留する箇所では亀裂(破れ）等の損傷が生じ得る。このような損傷は微小であり、また、高圧ガスタンクの強度は主としてＣＦＲＰ層７４によって確保されるため、上記損傷が生じても、高圧ガスタンクの強度が低下することはない。しかしながら、上記損傷が生じるときには、ＧＦＲＰ層７２や樹脂層７１の損傷に伴って異音が発生するという問題を生じる。

本実施形態によれば、ＧＦＲＰ層７２とＣＦＲＰ層７４との間にガス透過性が高いガス拡散層７３を設けるため、ＣＦＲＰ層７４を通過した水素は、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間において局所的に滞留することなく、ガス拡散層７３内を面方向に移動することができる。このように、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間における水素の局所的な滞留を抑えることにより、上記したＧＦＲＰ層７２および樹脂層７１の損傷、および、この損傷に伴う異音の発生を抑えることができる。本実施形態では、ガス拡散層７３内を面方向に移動した水素は、ガス拡散層７３内の広い範囲で保持されるだけでなく、ＧＦＲＰ層７２において層間剥離αや層内クラックβ等が形成される箇所に到達すると、このような箇所において、効率良く補強層７０外に導かれる。

次に、ガス拡散層７３を設けることに起因する高圧ガスタンク１００の強度低下を抑える効果について説明する。

図８は、比較例として、ライナ１０とＣＦＲＰ層７４との間にガス拡散層７３を設けた高圧ガスタンクの外壁の構成を、図４と同様にして示す断面模式図である。ライナ１０とＣＦＲＰ層７４との間にガス拡散層７３を設ける場合であっても、ライナ１０を透過した水素をガス拡散層７３内で面方向に移動させることにより、水素の局所的な滞留を抑えることができ、実施形態と同様に、ＧＦＲＰ層７２および樹脂層７１の損傷、および、この損傷に伴う異音の発生を抑える効果が得られる。しかしながら、この場合には、ライナ１０とＣＦＲＰ層７４との間にガス拡散層７３を設けることにより、高圧ガスタンクの強度が低下し得ることを、本願発明者等は見出した。

図９は、高圧ガスタンクのバースト試験の結果を模式的に表わす説明図である。バースト試験とは、高圧ガスタンクに水を充填して行なう試験であり、高圧ガスタンクが破裂するまで充填する水の圧力を高め、高圧ガスタンクが破裂するときの水の圧力、すなわちバースト圧によって、高圧ガスタンクの強度を評価する試験である。図９では、「中間層無し」と「ライナ上に中間層有り」の２種類の高圧ガスタンクについて、バースト試験を行なった結果を示す。「中間層無し」とは、補強層７０において、図２に示すＣＦＲＰ層７４、ＧＦＲＰ層７２および樹脂層７１は有するが、ガス拡散層７３を有しない高圧ガスタンクを指す。「ライナ上に中間層有り」とは、図８に示す高圧ガスタンクであって、ライナ１０とＣＦＲＰ層７４との間にガス拡散層７３を設けた高圧ガスタンクを指す。

図９に示すように、「ライナ上に中間層有り」の高圧ガスタンクは、「中間層無し」の高圧ガスタンクに比べて、バースト圧が低下して強度が低くなる。図９では、「ライナ上に中間層有り」の場合には「中間層無し」の場合に比べて約２．５％バースト圧が低くなる結果を示している。これは、「ライナ上に中間層有り」の高圧ガスタンクでは、ＣＦＲＰ層７４をガス拡散層７３上に形成することにより、ＣＦＲＰ層７４が形状変化するためと考えられる。すなわち、ガス拡散層７３は、ライナ１０に比べて表面の凹凸の程度が大きく、このようガス拡散層７３上にＣＦＲＰ層７４を設ける場合には、ＣＦＲＰ層７４は、ガス拡散層７３の表面の凹凸形状を反映しつつ形成されることにより、平坦面上にＣＦＲＰ層７４を形成する場合に比べて形状変化する。その結果、バースト試験時に高圧ガスタンクが膨張するときには、表面が平滑なライナ１０上に形成したＣＦＲＰ層７４に比べて、ＣＦＲＰ層７４内で、より大きな応力が発生すると考えられる。そして、ＣＦＲＰ層７４は、高圧ガスタンクの強度を主として確保する層であるため、ＣＦＲＰ層７４内でより大きな応力が発生すると、高圧ガスタンクの強度が低下して、バースト圧が低下すると考えられる。このように、ライナ１０とＣＦＲＰ層７４との間にガス拡散層７３を形成する場合には、ガス拡散層７３内で水素が拡散することにより、既述したＧＦＲＰ層７２の損傷を抑える効果は得られるものの、高圧ガスタンクの強度が低下する。そして、高圧ガスタンクの強度を確保するためには、ＣＦＲＰ層７４をより厚く形成する必要が生じる等の不都合が生じ得る。

本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間にガス拡散層７３を設けている。このように、表面が平滑なライナ１０上にＣＦＲＰ層７４を設けるため、ガス拡散層７３の形状に起因してＣＦＲＰ層７４が形状変化することがない。そのため、ＣＦＲＰ層７４において、高圧ガスタンク１００の強度低下を引き起こすような局所的な応力の発生が抑えられる。したがって、本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、ライナ１０上にＣＦＲＰ層７４を形成した図９の「中間層無し」のタンクと同様に、バースト圧を確保し、ガス拡散層７３を設けることに起因する高圧ガスタンク１００の強度低下を抑える効果が得られる。

また、図８に示す比較例の高圧ガスタンクでは、ＣＦＲＰ層７４よりもライナ１０側にガス拡散層７３を設けるため、ガス拡散層７３において水素が面方向に広がっても、ＣＦＲＰ層７４における水素の透過に偏りがあると、やがて、ガス透過性がより低いＧＦＲＰ層７２とＣＦＲＰ層７４との間で局所的に水素が滞留する可能性がある。本実施形態によれば、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間にガス拡散層７３を設けるため、ＣＦＲＰ層７４における水素の透過に偏りがあっても、ＧＦＲＰ層７２におけるライナ１０側の面上で、局所的に水素が滞留することを抑えることができる。その結果、ＧＦＲＰ層７２の損傷を抑え、ＧＦＲＰ層７２の損傷に起因する異音の発生を抑えることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図１０は、第２実施形態の高圧ガスタンク２００の概略構成を模式的に表わす説明図である。第２実施形態の高圧ガスタンク２００は、ガス拡散層７３が設けられる範囲が異なること以外は、第１実施形態の高圧ガスタンク１００と同様の構成を有している。第２実施形態の高圧ガスタンク２００では、シリンダ部１６には、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間にガス拡散層７３が設けられているが、ドーム部１７，１８にはガス拡散層７３が設けられていない。ドーム部１７，１８は、ＧＦＲＰ層７２においてヘリカル層のみが形成されてフープ層を有しないため、表面にフープ層を有するシリンダ部１６に比べて、補強層７０の表面の凹凸がより大きくなる。そのため、耐圧試験時に高圧ガスタンク１００が膨張する際に、樹脂層７１およびＧＦＲＰ層７２を含む補強層７０の表面部分では、ドーム部１７，１８においてシリンダ部１６よりも大きな応力が発生し、クラック等が、より多く発生する。クラック等がより多く発生する箇所では、上記補強層７０の表面部分を介して、ライナ１０を透過した水素が高圧ガスタンク１００外に移動し易いため、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との境界に水素が局所的に滞留し難くなる。第２実施形態では、上記表面部分におけるクラック等の発生が比較的少ないシリンダ部１６においてガス拡散層７３を設けることにより、ドーム部１７，１８にガス拡散層７３を設けない場合であっても、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との界面における水素の局所的な滞留を抑える既述した効果を得ることができる。

Ｃ．第３実施形態：
図１１は、第３実施形態の高圧ガスタンク３００の概略構成を模式的に表わす説明図である。第３実施形態の高圧ガスタンク３００は、ガス拡散層７３が設けられる範囲が異なること以外は、第１実施形態の高圧ガスタンク１００と同様の構成を有している。第３実施形態の高圧ガスタンク３００では、ＧＦＲＰ層７２におけるガラス繊維の巻き終わりの箇所である巻き終わり端部３７５が形成される領域は、ガス拡散層７３が設けられておらず、上記巻き終わり端部３７５が形成される領域以外の領域において、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との間にガス拡散層７３が設けられている。

巻き終わり端部３７５は、例えば、樹脂を含浸したガラス繊維を、ライナ１０の周方向に沿って１周させた後に、１周させる前のガラス繊維に絡めて交差させることにより、形成することができる。あるいは、上記周方向に１周させた箇所とは異なる箇所において、ガラス繊維を当該ガラス繊維に絡めて交差させることにより、巻き終わり端部３７５を形成してもよい。巻き終わり端部３７５をＧＦＲＰ層７２の表面に固定する動作は、巻き終わり端部３７５が備える樹脂をＧＦＲＰ層７２の表面で硬化させることにより行なうことができる。上記巻き終わり端部３７５の固定は、補強層７０全体の硬化と同時であってもよく、補強層７０全体の硬化に先立って行なってもよい。第３実施形態では、このような巻き終わり端部３７５を設ける箇所を予め定めておき、ステップＳ１２０では、上記巻き終わり端部３７５を設ける箇所を含まない領域に、ガス拡散層７３を形成する。

ＧＦＲＰ層７２におけるガラス繊維の巻き終わり端部３７５の近傍は、繊維が交差するなどにより、他の領域に比べて補強層７０の表面の凹凸が大きくなっている。そのため、耐圧試験時に高圧ガスタンク１００が膨張する際に、樹脂層７１およびＧＦＲＰ層７２を含む補強層７０の表面部分では、上記巻き終わり端部３７５が形成される領域において他の領域よりも大きな応力が発生し、クラック等が、より多く発生する。クラック等がより多く発生する箇所では、上記補強層７０の表面部分を介して、ライナ１０を透過した水素が高圧ガスタンク１００外に移動し易いため、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との境界に水素が局所的に滞留し難くなる。第３実施形態では、巻き終わり端部３７５が形成される領域とは異なる領域にガス拡散層７３を設けることにより、上記巻き終わり端部３７５が形成される領域にガス拡散層７３を設けない場合であっても、ＣＦＲＰ層７４とＧＦＲＰ層７２との界面における水素の局所的な滞留を抑える既述した効果を得ることができる。

既述した耐圧試験（ステップＳ１５０）においてＧＦＲＰ層７２および樹脂層７１に生じるクラック等（層間剥離α、層内クラックβ、樹脂割れγ等）が比較的多い箇所であれば、第２および第３実施例とは異なる箇所に、ガス拡散層７３を設けない領域を設けてもよい。また、例えば、第２実施形態のようにシリンダ部１６にガス拡散層７３を設ける場合であっても、シリンダ部１６において、第３実施形態の巻き終わり端部３７５のように補強層７０の表面部分でクラック等が生じ易い箇所がある場合には、当該箇所にはガス拡散層７３を設けないこととしてもよい。また、上記各実施形態では、ガス拡散層７３を高圧ガスタンク１００の周方向全体に連続して設けたが、異なる構成としてもよい。補強層７０の表面部分でクラック等が生じ難い箇所が、高圧ガスタンク１００の周方向全体に連続して形成されていない場合には、ガス拡散層７３は、上記クラック等が生じ難い箇所のみに形成することとしてもよい。

Ｄ．他の実施形態：
上記各実施形態では、中間層であるガス拡散層７３は、不織布を用いて形成されているが、異なる構成としてもよい。また、上記各実施形態では、面方向のガス拡散速度が１００Ｐａ／ｓ以上のガス拡散層７３を用いたが、ガス拡散層７３の面方向のガス拡散速度は、異なる値としてもよい。ガス拡散層７３は、強化層であるＣＦＲＰ層７４および保護層であるＧＦＲＰ層７２に比べて、ガス透過性が高ければよい。ガス拡散層７３のガス拡散性が高く、また、面方向のガス拡散速度が大きいほど、ＣＦＲＰ層７４野下でガスが滞留することを抑える効果を高めることができる。

ガス拡散層７３は、不織布の他、例えば、発泡体や、繊維強化プラスチック層（ＦＲＰ層）によって形成することができる。ガス拡散層７３をＦＲＰ層によって形成する場合には、繊維としてカーボン繊維を用いてＣＦＲＰ層７４に連続して形成してもよく、繊維としてガラス繊維を用いてＧＦＲＰ層７２に連続して形成してもよい。あるいは、繊維として、例えばアラミド繊維等、カーボン繊維およびガラス繊維とは異なる繊維を用いて、ガス拡散層７３としてのＦＲＰ層を形成してもよい。ガス拡散層７３をＦＲＰ層によって形成する場合であって、繊維としてカーボン繊維やガラス繊維を用いる場合には、ガス拡散層７３とＣＦＲＰ層７４の間、あるいはガス拡散層７３とＧＦＲＰ層７２との間で、構成材料である繊維を共通化することができる。また、ガス拡散層７３の製造時と、ＣＦＲＰ層７４あるいはＧＦＲＰ層７２の製造時とにおいて、製造装置を共通化することが可能になる。その結果、製造コストの低減が可能になる。

ＦＲＰ層によってガス拡散層７３を形成する場合には、用いる繊維の種類、ＦＲＰ層に含まれる樹脂の硬化前の接触角（すなわち、硬化後の樹脂と繊維との間の接着強度）、ＦＲＰ層における繊維の巻き方、ＦＲＰ層を形成するために繊維を巻き付ける工程において繊維が樹脂を含浸しているか否か、等によって、得られるガス拡散層７３のガス透過性を調節することが可能である。例えば、硬化後の樹脂と繊維との間の接着強度を低くすることで、耐圧試験時においてガス拡散層７３内により多くのクラック等が形成されるようになり、ガス拡散層７３におけるガス透過性を高めることが可能になる。また、繊維の巻き角度、すなわち、高圧ガスタンクの軸線方向と繊維の角度が大きく、フープ巻きに近い程、ガス拡散層７３における面方向のガス拡散速度が小さくなる。また、繊維を巻回する際に、巻回する繊維間の距離を大きくするほど、得られるガス拡散層７３における面方向のガス拡散速度を高めることができる。あるいは、ガス拡散層７３を形成するためにＦＷ法により繊維を巻き付ける際に、ガス拡散層７３が備える樹脂量を低減することにより、ガス拡散層７３のガス透過性を高めることができる。例えば、ガス拡散層７３を形成するための繊維の巻回時には、樹脂を含浸していない繊維を用い、ガス拡散層７３は、樹脂の硬化時にＣＦＲＰ層７４から浸み出した第１樹脂およびＧＦＲＰ層７２から浸み出した第２樹脂のみを備えることとしてもよい。この場合には、樹脂を含浸した繊維を用いてガス拡散層７３を形成する場合に比べて、ガス拡散層７３のガス透過性を高めることができる。

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、１１，１２，１３…ライナ部材、１６…シリンダ部、１７，１８…ドーム部、２１，２２…口金、３０…測定装置、３１…外筒部、３２…プランジャ部、３４…加圧室、３５…コネクタ、３６…圧力センサ、３７…開口部、３８…シール部、７０…補強層、７１…樹脂層、７２…ＧＦＲＰ層、７３…ガス拡散層、７４…ＣＦＲＰ層、１００，２００，３００…高圧ガスタンク、３７５…巻き終わり端部

Claims (6)

1. 高圧ガスタンクであって、
   ガスを収容するための内部空間を有するライナと、
   前記ライナ上に積層され、カーボン繊維と第１樹脂とを有する強化層と、
   前記強化層上の少なくとも一部に積層される中間層と、
   前記中間層上に積層され、ガラス繊維と第２樹脂とを有する保護層と、
   を備え、
   前記中間層は、前記強化層および前記保護層に比べてガス透過性が高い
   高圧ガスタンク。
2. 請求項１に記載の高圧ガスタンクであって、
   前記ライナは、円筒状のシリンダ部と、前記シリンダ部の両端に配置された半球面形状の一対のドーム部と、を備え、
   前記中間層は、前記シリンダ部に形成されている
   高圧ガスタンク。
3. 請求項１または２に記載の高圧ガスタンクであって、
   前記中間層は、前記高圧ガスタンクの周方向全体に設けられている
   高圧ガスタンク。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の高圧ガスタンクであって、
   前記中間層は、前記ライナの全面を覆うように形成されている
   高圧ガスタンク。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の高圧ガスタンクであって、
   前記中間層は、不織布を備える
   高圧ガスタンク。
6. 高圧ガスタンクの製造方法であって、
   ガスを収容するための内部空間を有するライナを用意し、
   前記ライナ上に、カーボン繊維と第１樹脂とを有する強化層を形成し、
   前記強化層上の少なくとも一部に、中間層を形成し、
   前記中間層上に、ガラス繊維と第２樹脂とを有する保護層を形成し、
   前記強化層を構成する前記第１樹脂と、前記保護層を構成する前記第２樹脂とを硬化させて、プレタンクを形成し、
   前記プレタンクに対して、前記高圧ガスタンクについて予め定められた使用時の上限圧力を超える圧力の流体を充填して前記プレタンク内を加圧して、前記高圧ガスタンクと成し、
   加圧後の前記中間層は、前記強化層および前記保護層に比べてガス透過性が高い
   高圧ガスタンクの製造方法。

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