JP2021124136A - 高圧タンク - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの透過性を向上できる技術を提供する。
【解決手段】ガスを収容する高圧タンクは、円筒部を有するライナと、円筒部上に、樹脂と繊維とで形成された第１強度層と、第１強度層上に樹脂と繊維とで形成され、面内方向におけるガスの透過速度が第１強度層の面内方向におけるガスの透過速度以下である第２強度層と、を備え、円筒部の中心軸方向に垂直な断面において、第１強度層は、円筒部の周方向に沿って予め定められた基準長さ以上の空隙を有する。
【選択図】図１１

Description

本開示は、高圧タンクに関する。

燃料電池システムに用いられる水素等のガスを収容する高圧タンクにおいて、熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維がライナの表面を覆う強度層を備えるものが知られている。特許文献１に記載されている高圧タンクでは、ライナと強度層との間のガスを外部に放出するガス抜き孔が強度層に形成されている。

特開２００９−２１６１３３号公報

しかし、強度層にガス抜き孔を形成するだけでは、ガスの透過性が不十分である場合があった。そのため、ガスの透過性を向上できる技術が望まれていた。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、ガスを収容する高圧タンクが提供される。この高圧タンクは円筒部を有するライナと、前記円筒部上に、樹脂と繊維とで形成された第１強度層と、前記第１強度層上に樹脂と繊維とで形成され、面内方向における前記ガスの透過速度が前記第１強度層の面内方向における前記ガスの透過速度以下である第２強度層と、を備え、前記円筒部の中心軸方向に垂直な断面において、前記第１強度層は、前記円筒部の周方向に沿って予め定められた基準長さ以上の空隙を有する。この形態の高圧タンクによれば、第１強度層が、円筒部の周方向に沿って予め定められた基準長さ以上の空隙を有するため、第２強度層よりも速いガス透過速度となり、ガスの透過性を向上できる。

なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、高圧タンクの製造方法や、フィラメントワインディング装置、フィラメントワインディング装置の制御方法などの形態で実現することが可能である。

高圧タンクの概略構造を示す断面図である。 図１をＩＩ−ＩＩラインで切断した断面模式図である。 高圧タンクの製造方法の一例を示す工程図である。 繊維束選定処理の一例を示す工程図である。 繊維束選定処理の説明図である。 繊維束の一例を示す説明図である。 測定装置の概略構成を示す断面図である。 ガス透過速度の測定方法の一例を示す工程図である。 ガス透過速度の求め方を示す説明図である。 ガス透過速度の測定結果を示した図である。 ガス透過速度を示した図である。 図２に示す第１強度層のＢ部分の拡大図である。 空隙率と強度との関係を示すグラフである。 空隙率と強度との関係を示す他のグラフである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、高圧タンク１００の概略構造を示す断面図である。図２は、図１をＩＩ−ＩＩラインで切断した断面模式図である。高圧タンク１００は、例えば１０〜７０ＭＰａの高圧水素を収容し、燃料電池車両に搭載される。高圧タンク１００は、ライナ１０と、口金２０と、強度層３０と、保護層４０とを備える。強度層３０と保護層４０とを併せて補強層５０ともいう。図１には互いに直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。ｘ軸は高圧タンク１００の軸方向、つまり高圧タンク１００の長手方向に沿った方向である。これらの軸は図１以降に示した軸に対応している。

ライナ１０は、円筒部１２と円筒部１２の両端に設けられた二つのドーム部１４とを有する。ライナ１０は、例えばポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン等の水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂によって形成されている。なお、本実施形態においては、ライナ１０は樹脂製としたが、金属製であってもよく、また、上記の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いてもよい。円筒部１２およびドーム部１４の外周には強度層３０が形成されている。本実施形態において、口金２０は、ライナ１０の長手方向両端に設けられているが、一端だけに設けられてもよい。

強度層３０は、例えば、炭素繊維（以下、単に「繊維」という）を１００００〜４００００本程度束ね、樹脂を含浸させることによって形成された繊維束を、フィラメントワインディング法によって、ライナ１０上に巻き付け、熱硬化させることによって形成されている。この繊維束のことを、プリプレグともいう。強度層３０は、第１強度層３１と、第１強度層３１上に形成された第２強度層３２と、を備える。強度層３０の外表面には保護層４０が形成されている。

保護層４０は、例えば、ガラス繊維を１００００〜４００００本程度束ね、エポキシ等の熱硬化性樹脂を含浸させることによって形成された繊維束を、フィラメントワインディング法によって、ライナ１０の外周の強度層３０上に巻き付け、熱硬化させることによって形成されている。保護層４０は、樹脂成分が接着剤となり強度層３０の外周に固定される。本実施形態において、保護層４０は、ヘリカル層と、円筒部１２上におけるヘリカル層の外側に形成されたフープ層と、を備える。また、フープ層の外側には、繊維束が熱硬化されることで繊維から浮き出た熱硬化性樹脂によって樹脂層が形成される。

強度層３０および保護層４０を形成する繊維束に含浸させる樹脂（マトリックス樹脂）としては、例えば、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、ポリミアド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルポロリドン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂等を単独または２種類以上を混合して用いることができる。

図３は、本実施形態における高圧タンクの製造方法の一例を示す工程図である。本実施形態の高圧タンク製造では、まず、ステップＳ１００で、口金が装着済みの樹脂製容器をライナ１０として用意する。ライナ１０は、例えば、円筒部１２の両端に、口金２０が装着済みのドーム部１４を溶着して準備される。

次に、ステップＳ１１０において、強度層３０に用いられる繊維束を選定する。繊維束の選定の詳細については後述する。なお、ステップＳ１００とステップＳ１１０とはこの順に限らず実行されてもよく、並列して実行されてもよい。

続いて、ステップＳ１２０において、ステップＳ１００で用意したライナ１０上に、ステップＳ１１０において選定された繊維束を巻き付けて第１強度層３１を形成する。本実施形態において、１層以上のフープ巻きと１層以上のヘリカル巻きとを交互に行うよう繊維束を巻き付けて、第１強度層３１を形成する。第１強度層３１は、第１強度層３１の面内方向におけるガス透過速度が、第２強度層３２の面内方向におけるガス透過速度以上になるように巻き付けられる。本実施形態において「面内方向」とは、強度層３０の積層方向に垂直な面に沿った方向であって、第１強度層３１および第２強度層３２の表面ではなく、第１強度層３１または第２強度層３２の内部における面方向である。ガス透過速度の詳細については後述する。

続いて、ステップＳ１３０において、ステップＳ１２０で形成された第１強度層３１の上に、ステップＳ１１０において選定された繊維束をヘリカル巻きによって巻き付けて、第２強度層３２を形成する。第２強度層３２は、第２強度層３２の面内方向におけるガス透過速度が、第１強度層３１の面内方向におけるガス透過速度以下になるように巻き付けられる。ステップＳ１２０とステップＳ１３０との処理により、強度層３０が形成される。

続いて、ステップＳ１４０において、ステップＳ１３０で形成された第２強度層３２の外表面に、樹脂が含浸した繊維束を巻き付けて保護層４０を形成する。本実施形態において、保護層４０はフープ層とヘリカル層との２層が形成される。

続いて、ステップＳ１５０において、ステップＳ１２０およびステップＳ１３０とで巻き付けた強度層３０の繊維束の樹脂とステップＳ１４０で巻き付けた保護層４０の繊維束の樹脂とを硬化する。より具体的には、熱ヒーターを備える熱硬化炉や、加熱コイルを用いた高周波誘電加熱式の熱硬化炉において、ライナ１０を回転させつつ加熱して、熱硬化性樹脂を熱硬化させる。この処理によって樹脂層が形成される。

最後に、ステップＳ１６０において樹脂の熱硬化後の冷却養生を経て、高圧タンク１００の強度を確認するための加圧検査を行い、高圧タンクの製造が完了する。ステップＳ１６０では、熱硬化性樹脂の収縮により、保護層４０内の微少な空隙に連通した通路となる亀裂が樹脂層に形成される。

図４は、繊維束選定処理の一例を示す工程図である。繊維束選定処理は、上述した高圧タンクの製造方法におけるステップＳ１１０（図３）において実行される処理である。この処理において強度層３０に使用可能であると選定された繊維束が、上述したタンク製造処理において用いられる。

まず、ステップＳ２００において、繊維束の隙間の面積割合を検査する。より具体的には、光学顕微鏡やＣＣＤカメラを用いて繊維束を構成する繊維間の隙間を検出し、隙間の面積割合（以下、「隙間率」ともいう）を検査する。

図５は、繊維束選定処理のステップＳ２００（図４）の説明図である。繊維と繊維との間に樹脂を含浸しながら隙間が形成される挙動を検査する検査装置２００を示す。検査装置２００は、加熱ステージ２１０と窓部２２０と光学顕微鏡２３０とを備える。検査装置２００は、繊維を束ねた繊維束上に樹脂を置き、加熱ステージ２１０により樹脂を溶解させ、繊維束に樹脂を含浸させる。加熱ステージ２１０では、樹脂の融点以上の温度で予め定めた時間加熱する。「予め定めた時間」とは、樹脂と繊維との組み合わせと樹脂が繊維に含浸する時間との関係が予め定義されたマップや関数に基づき、定めることができる。樹脂が含浸した繊維束を光学顕微鏡２３０によって窓部２２０から検査することによって、繊維束を構成する繊維間の隙間を検出し、隙間率を検査する。

図６は、繊維束の一例を示す説明図である。図６において、色が付されている部分は、繊維束を構成する繊維間に樹脂が浸透している部分を示しており、白色の部分は、繊維を樹脂が覆っておらず、露出した繊維の表面が見えている部分を示しており、隙間となる部分である。図６に示すように、樹脂が繊維間に染み渡らなかった場合、繊維間に、繊維方向に沿ってチューブ状の隙間が形成される。隙間の幅は、例えば繊維束を構成する繊維１本分である。

次に、ステップＳ２１０（図４）において、ステップＳ２００で検査した繊維束の隙間率が予め定められた範囲内であるか否かを判定する。予め定められた範囲とは、所望のガス透過速度と耐圧強度とが確保できる隙間率の範囲であり、予めシミュレーションや実験を行うことにより定めることができる。繊維束によって形成された強度層３０のガス透過速度と耐圧強度とはトレードオフの関係である。所望のガス透過性と耐圧強度とが確保できる隙間率の範囲は、例えば、０．１％以上、２０％未満である。隙間率は１０％未満であることがより好ましい。隙間率が予め定められた範囲内である場合、ステップＳ２２０に進み、強度層３０に使用可能な繊維束であると判定される。一方、隙間率が予め定められた範囲外である場合、ステップＳ２２５に進み、強度層３０に使用不可能な繊維束であると判定される。

第１強度層３１および第２強度層３２のガス透過速度の測定方法について説明する。図７は、ガス透過速度を測定するための測定装置３００の概略構成を示す断面図である。測定装置３００は、外筒部３１０とプランジャ部３２０とを備え、外筒部３１０内には、プランジャ部３２０を押圧することにより加圧される加圧室３３０が形成されている。測定装置３００には、加圧室３３０に連通する箇所に圧力センサ３５０が設けられており、加圧室３３０内の圧力を検出可能となっている。外筒部３１０には、サンプルを取り付けるためのコネクタ３４０が取り付けられており、コネクタ３４０の先端には、加圧室３３０と連通する開口部３６０が形成されている。ガス透過速度を測定する際には、開口部３６０を塞ぐように、ガス透過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３３０におけるコネクタ３４０との接続部である出口部には、開閉バルブ（図示せず）が設けられている。本実施形態では、加圧室３３０の容積は、２５ｍｌである。加圧室３３０の容積には、加圧室３３０と圧力センサ３５０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３３０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３４０内の空間の容積は、加圧室３３０の容積に比べて、無視できる程度に小さい。

図８は、ガス透過速度の測定方法の一例を示す工程図である。まず、ステップＳ３００において、測定に用いるサンプルを調製する。サンプルの調製は、まず、高圧タンク１００の外壁の一部である部分Ａ（図２に示す）を、積層方向に貫通するように切り取る。切り取った外壁片において、ライナ１０と補強層５０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５０において、測定対象以外の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、例えば、縦横の長さがそれぞれ２０ｍｍの矩形である。

次に、ステップＳ３１０において、ステップＳ３００で調製した測定対象のサンプルにおいて、積層方向に垂直な一対の表面を、シール部３７０によって被覆する。より具体的には、図７に示す第１面Ｓ１および第２面Ｓ２を被覆する。このとき、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３７０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、シール部３７０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。これにより、面内方向におけるガスの透過速度を測定できる。なお、第１面Ｓ１および第２面Ｓ２に加えて、高圧タンク１００の周方向に垂直な一対の表面をシール部３７０によって被覆することで、高圧タンク１００の軸方向におけるガスの透過速度を測定できる。また、第１面Ｓ１および第２面Ｓ２に加えて、高圧タンク１００の軸方向に垂直な一対の表面をシール部３７０によって被覆することで、高圧タンク１００の周方向におけるガス透過速度を測定できる。シール部３７０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。

続いて、ステップＳ３２０において、サンプルの第１面Ｓ１に設けた加圧領域と、コネクタ３４０の先端の開口部３６０とが重なるように、コネクタ３４０の先端に対してサンプルを接着剤で気密に固定する。

続いて、ステップＳ３３０において、加圧室３３０の出口部の開閉バルブを閉じた状態で、測定装置３００のプランジャ部３２０を押圧することによって、加圧室３３０内を、０．２ＭＰａに加圧する。

最後に、ステップＳ３４０において、ガス透過速度を算出する。より具体的には、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と、圧力センサ３５０によって測定した加圧室３３０内の圧力と、を用いてガス透過速度を算出する。開閉バルブを開くことにより、加圧室３３０内の圧縮された空気は、コネクタ３４０の先端の開口部３６０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３７０が設けられているため、サンプルに流入した空気は、サンプル内を面内方向に流れ、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３３０内の圧力は低下する。

図９は、ガス透過速度の求め方を示す説明図である。図９では、加圧室３３０内の圧力を０．２ＭＰａに昇圧させた後に、既述した開閉バルブを開いた時間を、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、サンプルを面内方向に空気が透過することにより加圧室３３０内の圧力はＰｂまで低下する。図９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、０．２ＭＰａからＰｂまでの加圧室３３０内の圧力低下を「ΔＰ」として示している。面内方向のガス透過速度（Ｐａ／ｓ）とは、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３３０内の圧力を０．２ＭＰａにしてガスの透過を開始して、１２０秒後の加圧室３３０の圧力低下量から求められる、１秒当たりの加圧室３３０の圧力低下量を指す。面内方向にガスを通しやすいサンプルほど、加圧室３３０内の圧力は速やかに低下するため、ガス透過速度の値は大きくなる。

図１０は、第１強度層３１および第２強度層３２のガス透過速度の測定結果を示した図であり、図１１は、本実施形態における第１強度層３１のガス透過速度と第２強度層３２のガス透過速度とを示した図である。図１０は、４８個のサンプルのガス透過速度の分布を示しており、横軸にガス透過速度を示し、縦軸に頻度（個数）を示している。第１強度層３１の分布結果を実線Ｇｒ１で示し、第２強度層３２の分布結果を破線Ｇｒ２で示している。図１１は図１０で示したガス透過速度の平均値を示している。図１０および図１１に示すように、第１強度層３１のガス透過速度は、第２強度層３２のガス透過速度よりも速い。

本実施形態において、高圧タンク１００の軸方向におけるガス透過速度は、第２強度層３２の方が第１強度層３１よりも速い。また、高圧タンク１００の周方向におけるガス透過速度は、第１強度層３１の方が第２強度層３２よりも速い。第１強度層３１と第２強度層３２とがこれらのガス透過速度の関係を満たすように形成されることで、第１強度層３１におけるガスの透過経路と、第２強度層３２におけるガスの透過経路とが網目状に連結され、強度層３０におけるガスの透過性を向上できる。

図１２は図２に示す第１強度層３１のＢ部分の拡大図である。より具体的には、第１強度層３１におけるフープ巻きによって形成された層の一部を示す拡大図である。図１２に示すように、第１強度層３１は、円筒部１２の中心軸方向に垂直な断面において、円筒部１２の周方向に沿って予め定められた基準長さ以上の空隙を有する。「予め定められた基準長さ」とは、例えば、繊維の直径の２０倍である。本実施形態において、第１強度層３１を、基準長さ以上のチューブ状の空隙を有するように形成することで、所望のガス透過速度とすることができる。つまり、図１２に示す空隙の長さＬ１は、繊維の直径の２０倍以上である。また、空隙の幅は、例えば繊維の直径程度である。この空隙は、図４に示した繊維束選定処理において使用可能と判断された繊維束を用いて第１強度層３１が形成されることにより発生する。基準長さ以上の空隙によって、周方向にガスが透過しやすくなる。また、第１強度層３１は、フープ層とヘリカル層とが交互に積層して形成されるため、空隙が網目状に連結され、ガス透過性が向上する。

図１３および図１４は、空隙率と強度の関係を示すグラフである。図１３は、上述したような予め定められた基準長さ以上の空隙を有する第１強度層３１における、空隙の面積割合（以下、「空隙率」ともいう）と強度との関係を示したグラフである。空隙率は、例えば光学顕微鏡やＣＣＤカメラを用いて検出し、画像解析によって求めることができる。図１４は、予め定められた基準長さ以上の空隙を有しない第１強度層３１における、空隙率と強度との関係を示したグラフである。つまり、図１４には、予め定められた基準長さより小さい空隙を有する第１強度層３１の強度を示す。図１３に示すように、空隙率が１０％を超えると、強度が低下する。図１４に示すように、空隙率が２０％を超えると強度が低下する。そのため、第１強度層３１は、円筒部１２の中心軸方向に垂直な断面において、空隙が２０％未満であることが好ましく、更に、円筒部１２の周方向に沿って予め定められた基準長さ以上の空隙が１０％未満であることがより好ましい。

以上で説明した本実施形態の高圧タンク１００は、この形態の高圧タンク１００によれば、第１強度層３１が、円筒部１２の中心軸方向に垂直な断面において、円筒部１２の周方向に沿って予め定められた基準長さ以上の空隙を有するため、第２強度層３２よりも速いガス透過速度となり、ガスの透過性を向上できる。また、隙間率が予め定められた範囲内である繊維束を用いて強度層３０が形成されるため、ガスの透過性を確保できる。また、高圧タンク１００の軸方向におけるガス透過速度は、第２強度層３２の方が第１強度層３１よりも速く、高圧タンク１００の周方向におけるガス透過速度は、第１強度層３１の方が第２強度層３２よりも速くなるように第１強度層３１と第２強度層３２とが形成されるため、第１強度層３１におけるガスの透過経路と、第２強度層３２におけるガスの透過経路とが網目状に連結され、ガス透過性を向上できる。また、第１強度層３１は、フープ層とヘリカル層とが交互に積層して形成されるため、空隙が網目状に連結され、ガス透過性が向上する。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上述した実施形態において、第１強度層３１は、１層以上のフープ巻きと１層以上のヘリカル巻きとが交互に積層して形成されている。この代わりに、第１強度層３１は、フープ巻きのみで形成されていてもよい。

（Ｂ２）上述した実施形態において、第２強度層３２は、ヘリカル巻きによって形成されている。この代わりに、第２強度層３２は、１層以上のフープ巻きと１層以上のヘリカル巻きとが交互に積層して形成されてもよい。

（Ｂ３）上述した実施形態において、第１強度層３１と第２強度層３２とは、同じ繊維束によって形成されている。この代わりに、第１強度層３１と第２強度層３２は、異なるそれぞれ繊維束によって形成されてもよい。例えば、第１強度層３１を形成する繊維束を構成する樹脂は、第２強度層３２を形成する繊維束を構成する樹脂と異なる樹脂を用いることができる。

本開示は、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中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、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、２０…口金、３０…強度層、３１…第１強度層、３２…第２強度層、４０…保護層、５０…補強層、１００…高圧タンク、２００…検査装置、２１０…加熱ステージ、２２０…窓部、２３０…光学顕微鏡、３００…測定装置、３１０…外筒部、３２０…プランジャ部、３３０…加圧室、３４０…コネクタ、３５０…圧力センサ、３６０…開口部、３７０…シール部、Ｓ１…第１面、Ｓ２…第２面

Claims (1)

1. ガスを収容する高圧タンクであって、
   円筒部を有するライナと、
   前記円筒部上に、樹脂と繊維とで形成された第１強度層と、
   前記第１強度層上に樹脂と繊維とで形成され、面内方向における前記ガスの透過速度が前記第１強度層の面内方向における前記ガスの透過速度以下である第２強度層と、を備え、
   前記円筒部の中心軸方向に垂直な断面において、前記第１強度層は、前記円筒部の周方向に沿って予め定められた基準長さ以上の空隙を有する、高圧タンク。

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