JP2021154638A

JP2021154638A - 高圧タンクの製造方法

Info

Publication number: JP2021154638A
Application number: JP2020058189A
Authority: JP
Inventors: 健八田; Takeshi Hatta
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-10-07

Abstract

【課題】繊維層に樹脂を含浸する際に、樹脂の含浸性を高め生産性の低下を抑制しつつ質の高い含浸をすることができる高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】ライナの外周に炭素繊維及び可溶性繊維を巻きつける工程と、炭素繊維及び可溶性繊維を巻きつけたライナの可溶性繊維を溶かす工程と、ライナに巻き付けられた炭素繊維による層に樹脂を含浸する工程と、を含む、高圧タンクの製造方法。【選択図】図４

Description

本開示は、樹脂が含浸された繊維層によって補強された高圧タンクに関する。

燃料電池車用高圧タンクは、当該高圧タンクの内部空間を形成するライナを有し、このライナに対してその外周に樹脂が含浸された繊維層が設けられることにより補強層が形成され、これにより高い強度を実現している。このような高圧タンクの製造方法に関連する事項として例えば特許文献１、及び特許文献２が開示されている。

特許文献１には、形成された繊維層に対して樹脂を含浸する技術において、繊維層を構成する繊維束に厚さの差を設けることで間隙を形成し、この間隙を樹脂が通ることで樹脂の浸透を促進することが開示されている。

特許文献２には選択的浸透性ベールを塗布することで、局所的にドライプリフォーム中の樹脂流量を変更することが開示されており、選択的浸透性ベールは、カーボンフィラメントや熱可塑性ポリマー等であることが記載されている。

特開２０１９−０５９１７６号公報特開２０１８−０３４４９８号公報

プリフォーム（ライナに繊維層が形成された部材）の繊維層に対して樹脂組成物を含浸させ、その後に硬化させることで補強層を形成する、いわゆるＲＴＭ（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）では、繊維層の厚さや形状により均一な樹脂の含浸が難しいことがある。特に燃料電池車用高圧タンクは強度確保のため、繊維層を厚くするとともに、その形状が軸方向に長い円筒形であるため上記の問題がより顕著である。

これに対して高圧で樹脂を注入すれば、圧力によりライナ等に変形を生じさせたり、設備が大掛かりになったりする。
一方で、樹脂の流動性を高めた状態で含浸をさせると、樹脂の硬化に時間がかかるため生産性が低下する。

また、繊維層を構成する炭素繊維束をライナに巻く際、繊維束の蛇行、隙間を低減するため、張力をかけて巻くが、その際、その張力により繊維束は、拡幅され薄くなる。特に、最内層に近いほど、外側に巻かれた繊維束により巻き締まりが発生して、隙間は小さくなる。従って特許文献１のように厚さが異なる炭素繊維を巻いても、巻いた時の張力により、繊維束は拡幅され厚みが薄くなり、樹脂の流れる隙間は形成されなかった。特に、樹脂が含浸しにくいライナに近い側の層ほど、外側の層の繊維の張力で、当該隙間は潰れやすい。

本開示は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、繊維層に樹脂を含浸する際に、樹脂の含浸性を高め生産性の低下を抑制しつつ質の高い含浸をすることができる高圧タンクの製造方法を提供することを主目的とする。

本願は、ライナの外周に炭素繊維及び可溶性繊維を巻きつける工程と、炭素繊維及び可溶性繊維を巻きつけたライナの可溶性繊維を溶かす工程と、ライナに巻き付けられた炭素繊維による層に樹脂を含浸する工程と、を含む、高圧タンクの製造方法を開示する。

本開示によれば、溶かされた可溶性繊維が配置された部位に間隙が形成され含浸する樹脂組成物の流路となるため、円滑で確実な含浸が可能となり、生産性の低下を抑制しつつ高い品質の高圧タンクを得ることができる。

図１は高圧タンク１０の外観を模式的に示す図である。図２は高圧タンク１０の断面図である。図３（ａ）、図３（ｂ）は繊維層１３において繊維束１４が巻かれた態様を説明する図である。図４は高圧タンクの製造方法Ｓ１０を説明する図である。図５（ａ）、図５（ｂ）は繊維の巻き付けの工程Ｓ１１について説明する図である。図６（ａ）、図６（ｂ）は繊維の巻き付けの工程Ｓ１１により巻き付けられた繊維の態様を説明する図である。図７（ａ）、図７（ｂ）は型４５について説明する図である。図８は、樹脂組成物の供給・停止の工程Ｓ１４について説明する図である。図９は繊維の巻き付けの工程Ｓ２１について説明する図である。

１．高圧タンクの構造
図１には１つの形態にかかる高圧タンク１０の外観を模式的に表し、図２には高圧タンク１０の軸線に沿った断面を模式的に表した。これらの図からわかるように、高圧タンク１０はライナ１１、補強層１２、保護層１５、及び、口金１６を有している。以下に各構成について説明する。

＜ライナ＞
ライナ１１は、高圧タンク１０の内部空間を区画する中空の部材である。ライナはその内部空間に収容されたもの（例えば水素）を漏らすことなく保持することができる材料で構成されていればよく、材料は公知のものを用いることができるが、例えばナイロン樹脂、ポリエチレン系の合成樹脂や、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属等からなるものである。
ライナ１１の厚さは特に限定されることはないが、０．５ｍｍ乃至１．０ｍｍであることが好ましい。

＜補強層＞
補強層１２は、繊維層１３及び繊維層１３に含浸され硬化した樹脂を有している。繊維層１３は、ライナ１１の外表面に繊維束１４が所定の厚さにまで幾重にも亘って巻き付けられて構成されている。
補強層１２の厚さは必要な強度により決められるため特に限定されることはないが、１０ｍｍ乃至３０ｍｍ程度である。特に燃料電池車用高圧タンクは、強度確保のために補強層を厚く形成する必要があり、それに伴い厚くなった繊維層への樹脂の含浸という観点から含浸の困難性が高い。なお、繊維層１３のうち、繊維層１３の厚さの半分よりライナ１１側を「内層側」と記載することがあり、厚さの半分よりライナ１１側とは反対側（外周側）を「外層側」と記載することがある。

繊維層１３の繊維束１４には炭素繊維が用いられおり、繊維束１４は炭素繊維が束となって所定の断面形状（例えば長方形断面）を有する帯状である。具体的には特に限定されることはないが、断面形状が、幅６ｍｍ乃至９ｍｍ、厚さが０．１ｍｍ乃至０．１５ｍｍ程度の長方形であることが挙げられる。繊維束に含まれる炭素繊維の量も特に限定されることはないが、例えば３６０００本程度の炭素繊維からなることが挙げられる。
このような炭素繊維による繊維束１４がライナ１１の外表面に巻き付けられることで繊維層１３が形成されている。

繊維層１３は繊維束１４が何層にも亘って巻かれて形成されているが、本形態ではそのうちの少なくとも１層、好ましくは複数の層において、通常の層に比べて繊維束１４の密度が小さい層を具備している。すなわち、通常の層では図３（ａ）に示したように当該層を正面から見た時に、いずれも繊維束１４も隣接する繊維束１４に接触するように配置されているが、少なくとも１層、好ましくは複数の層において図３（ｂ）に薄墨で示したように、繊維束１４が存在しない部分があり、一部の繊維束１４で隣接する繊維束１４と接触していない部分を有する層が備えられている。高圧タンク１０ではこの部分に樹脂が満たされている。
図３（ｂ）のような層は繊維層１３のうち少なくとも１層、好ましくは複数の層で含まれており、また、その位置は特に限定されることはないが内層側が含まれることが好ましく、より好ましくはライナ１１に接する層がこの図３（ｂ）のように構成されている。

補強層１２において繊維層１３に含浸して硬化した樹脂は、初めは流動性のある状態で繊維層１３に浸透し、その後何らかの方法により硬化することで繊維層の強度を高めることができるものであれば特に限定されることはない。これには例えば熱により硬化する熱硬化樹脂を挙げることができ、例えばアミン系又は無水物系の硬化促進剤、及び、ゴム系の強化剤を含むエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等がある。その他、エポキシ樹脂を主剤とし、これに硬化剤を混ぜることにより硬化する樹脂組成物も挙げることができる。これによれば、主剤と硬化剤とを混ぜてから硬化するまでの間にこの混合物である樹脂組成物を繊維層に到達及び浸透させることで、自動的に硬化する。

＜保護層＞
保護層１５は補強層１２の外周に配置されており、ガラス繊維が巻かれ、ここに樹脂が含浸されてなる層である。含浸される樹脂は補強層１２と同様に考えることができる。これにより高圧タンク１０に対して耐衝撃性を付与することができる。
保護層１５の厚さは特に限定されることはないが、１．０ｍｍ乃至１．５ｍｍ程度とすることができる。

＜口金＞
口金１６は、ライナ１１の２つの開口端にそれぞれ取付けられている部材であり、その一方は、高圧タンク１０の内外を連通する開口として機能すると共に、高圧タンク１０に配管やバルブを取り付けるための取付部として機能する。また、口金１６は、補強層１２を形成する際に、ライナ１１を後述する多給糸フィラメントワインディング装置へ取り付けるための取付部としても機能する。
なお、ライナ１１が金属で構成されている場合には、口金を別途設ける必要はなく、ライナ１１から連続して口金と同様の形状が形成されていればよい。

２．プリフォームの構造
プリフォーム２０は、最終的に高圧タンク１０となる中間部材であり、少なくともライナ１１、繊維層１３を有して構成されている。従って、プリフォーム２０は補強層１２の繊維層１３に樹脂の含浸が行われる前の部材である。従って、プリフォーム２０が備える構成は樹脂が含浸されていないこと以外については上記と同様であり、各構成についての説明は省略する。
なお、ここではプリフォーム２０としてライナ１１に繊維層１３が配置されたものを示して説明するが、繊維層１３の外周にさらに保護層１５のためのガラス繊維が巻かれたものであってもよい。

３．製造方法１
図４には１つの形態にかかる高圧タンクの製造方法Ｓ１０の流れを示した。図４からわかるように、高圧タンクの製造方法Ｓ１０は、繊維の巻き付けの工程Ｓ１１、可溶性繊維の溶解の工程Ｓ１２、型への設置・脱気の工程Ｓ１３、樹脂組成物の供給・停止の工程Ｓ１４、及び離型の工程Ｓ１５を含んでいる。以下各工程について説明する。

＜繊維の巻き付けの工程Ｓ１１＞
繊維の巻き付けの工程Ｓ１１（「工程Ｓ１１」と記載することがある。）では、ライナ１１の外周に繊維を巻きつける。図５に説明のための図を示した。図５（ａ）は可溶性繊維を含む層の繊維束１４及び可溶性繊維２４を巻き付けの場面、図５（ｂ）は可溶性繊維を含まない層の繊維束１４の巻き付けの場面を模式的に表したものである。

工程Ｓ１１でライナ１１に巻きつける繊維は繊維層１３を構成する繊維束１４及び可溶性繊維２４である。繊維束１４は上記した通りであるが、可溶性繊維２４は図３（ｂ）に薄墨で示した部分に配置される繊維である。すなわち、繊維束１４はライナ１１の外周に何層にも亘って巻かれるが、本形態ではそのうちの少なくとも１層、好ましくは複数の層において、可溶性繊維２４が含まれる層を具備している。すなわち、通常の層では図６（ａ）に示したように当該層を正面から見た時に、いずれも繊維束１４であるが、少なくとも１層、好ましくは複数の層において図６（ｂ）に斜線で示したように、繊維束１４及び可溶性繊維が含まれている。
図６（ｂ）のように可溶性繊維２４が含まれる層は全ての層のうち少なくとも１層、好ましくは複数の層であり、また、その位置は特に限定されることはないが内層側が含まれることが好ましく、より好ましくはライナ１１に接する層がこの図６（ｂ）のように構成されている。

ここで、可溶性繊維２４は、水やアルコールにより溶ける性質を有する繊維であり、例えば、水溶性ナイロン、ポリエステル、セルロース等を挙げることができる。

そしてこのような繊維の積層は、図５からわかるように、本形態ではフィラメントワインディング法により行う。
本形態では、繊維束１４が巻かれたボビンである繊維束ボビン４０が複数、ライナ１１の外周に沿ってライナ１１を取り囲むように配置された多給糸フィラメントワインディング装置（以下「多給糸ＦＷ装置」と記載することがある。）１台を用いている。

より具体的には、ライナ１１の周りに配置された複数の繊維束ボビン４０を備える多給糸ＦＷ装置において、可溶性繊維２４を含む層を形成する際には、図５（ａ）に示したように、複数の繊維束ボビン４０のうち少なくとも１つを可溶性繊維２４が巻かれたボビンである可溶性繊維ボビン４１に変更し、繊維束ボビン４０と可溶性繊維ボビン４１から順次繊維束１４及び可溶性繊維２４を繰り出してライナ１１の外周に巻き付ける。
なお、可溶性繊維２４をライナ１１に近い内層側に配置される場合、この可溶性繊維ボビン４１を含む巻き付けは、巻き付けの工程のうちの早い段階（１層目であれば最初）に行われる。

一方、可溶性繊維２４を含まない層を形成する際には、図５（ｂ）に示したように、全てを繊維束ボビン４０として繊維束ボビン４０から順次繊維束１４を繰り出してライナ１１の外周に巻き付ける。
また、図５（ａ）から図５（ｂ）への変更は単に可溶性繊維ボビン４１から繊維束ボビン４０へ変更するのみでよい。

多給糸ＦＷ装置に同時に設置できるボビンの数は特に限定されることはないが、例えば４８個のボビンを設置することができるものもある。その際には、可溶性繊維２４を含む層を巻き付ける場合には、４０個の繊維束ボビン４０と８つの可溶性繊維ボビン４１でライナ１１を囲むように配置する態様で巻き付けを行うことができる。

なお、引き続き保護層１５のためのガラス繊維が巻かれてもよい。

＜可溶性繊維の溶解の工程Ｓ１２＞
可溶性繊維の溶解の工程Ｓ１２では、工程Ｓ１１で作製された部材（ライナ１１に繊維束１４及び可溶性繊維２４が巻かれた部材）を水やアルコールに浸漬するなどして可溶性繊維を溶解する。
具体的には例えば、工程Ｓ１１で作製された部材（ライナ１１に繊維束１４及び可溶性繊維２４が巻かれた部材）を水やアルコールが貯蔵されたプールに浸漬することにより行われる。

これにより、ライナ１１に巻かれた可溶性繊維２４が溶解し、可溶性繊維２４が配置されていた部分が空隙になる。
そして、この工程Ｓ１２によりプリフォーム２０が形成される。

＜型への設置・脱気の工程Ｓ１３＞
型への設置・脱気の工程Ｓ１３（「工程Ｓ１３」と記載することがある。）では、工程Ｓ１２で作製したプリフォーム２０を型に設置し、真空引きにより脱気を行う。この脱気により、含浸される樹脂組成物が繊維層１３に浸透しやすくなり、含浸がより円滑に行われる。

図７に、１つの例にかかる型４５を説明するための図を示した。図７（ａ）はプリフォーム２０とともに示した型４５の模式的な分解断面図、図７（ｂ）はプリフォーム２０が設置された状態の型４５の模式的な断面図である。
型４５はプリフォーム２０の繊維層１３に対して樹脂を含浸するための型であり、本形態では上型４６及び下型４７を有して構成されている。上型４６と下型４７とが重なることで、型４５の内側にプリフォーム２０の形状に沿った内部空間が形成される。この内部空間は真空引きが可能とされ、密閉された空間を形成することできる。

また、上型４６は、図７（ｂ）に直線矢印で示したように下型４７に対して相対的に移動することができ、これによりプリフォーム２０の型４５への設置、型４５からのプリフォーム２０の離脱（離型）をすることができる。

また、上型４６には、外部から、設置されたプリフォーム２０の繊維層１３にまで達する流路４６ａが設けられている。この流路４６ａに樹脂組成物を流すことにより繊維層１３に対して樹脂組成物を供給し含浸させる。
さらに型４５には形成された内部空間内の真空引き（真空脱気）をするための不図示の空気流通路も設けられている。

また、型４５は不図示の温度制御装置により、その温度を所望の温度に保持することができるように構成されている。

型４５に用いられる材料は特に限定されることはないが、通常の通り金属が好ましく用いられ、型４５はいわゆる金型である。

本工程Ｓ１３では、型４５の上型４６が下型４７から離脱されて開放状態とされ、上面が大きく露出した下型４７に対してプリフォーム２０を設置し、その後、下型４７及びここに設置されたプリフォーム２０に対して被せるように上型４６を配置して締め付ける。そして、真空ポンプにより真空脱気をする。
真空脱気は次の工程で行われる樹脂組成物を繊維層１３に供給する前に終了する。

＜樹脂組成物の供給・停止の工程Ｓ１４＞
樹脂組成物の供給・停止の工程Ｓ１４（「工程Ｓ１４」と記載することがある。）では、図８に示したように、硬化前の樹脂組成物を流路４６ａを通じて型４５に配置されたプリフォーム２０の繊維層１３に対して供給し、必要な量の樹脂組成物の供給により供給を停止する。これにより樹脂組成物が繊維層１３に含浸する。

樹脂組成物は、流動性のある状態で繊維層に到達及び浸透し、その後何らかの方法により硬化することで繊維層の強度を高めることができるものであれば特に限定されることはない。これには例えば熱により硬化する熱硬化樹脂が挙げられ、例えばアミン系又は無水物系の硬化促進剤、及び、ゴム系の強化剤を含むエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等がある。この他にも、エポキシ樹脂を主剤とし、これに硬化剤を混ぜることにより硬化する樹脂組成物を挙げることができる。これによれば、主剤と硬化剤とを混ぜてから硬化するまでの間にこの混合物である樹脂組成物を繊維層に到達及び浸透させることで、自動的に硬化する。

本開示では、繊維層１３において、溶解性繊維２４が溶解した部分に間隙が形成されており、ここが樹脂組成物が流動する際の流路となり、繊維層１３への樹脂組成物の含浸をより早く確実な含浸（ライナ１１に接する層までの速やかな含浸）をさせることが可能となる。特にプリフォーム２０の管状の軸線方向への樹脂組成物の浸透を円滑に行うことができる。

＜離型の工程Ｓ１５＞
離型の工程Ｓ１５（「工程Ｓ１５」と記載することがある。）では、工程Ｓ１４で樹脂組成物が硬化し、繊維層１３に含浸した樹脂組成物が硬化していることを得て、樹脂が含浸されたプリフォーム２０を型４５から離脱する。
本形態では型４５の上型４６を下型４７から離脱し、開放状態とすることで離型を行う。

＜効果・その他＞
以上の各工程を含む製造方法により、樹脂が含浸されたプリフォーム２０が得られる。この樹脂が含浸されたプリフォーム２０に対してさらに樹脂が含浸されたガラス繊維による層が形成されるなどして高圧タンク１０とすることができる。

本開示によれば、ＲＴＭ含浸技術により繊維層に樹脂を含浸させることに関し、多給糸ＦＷ装置で繊維層の少なくとも一部に可溶性繊維が溶解した部分に間隙が形成されいるため、ここが樹脂組成物の流路となり、円滑な樹脂組成物の含浸が可能となる。これにより良好な生産性を有しつつ、適切な含浸が可能となり、品質の高い高圧タンクとすることができる。

また、可溶性繊維を溶かす際には含浸する樹脂組成物が供給される前であるため、樹脂組成物の硬化とは無関係に樹脂組成物のための流路を形成することができる。
また、この流路は可溶性繊維の配置により任意に形成することができるため、樹脂流動挙動を制御でき、良好な樹脂含浸条件を選定することもできる。

４．製造方法２
ここでは、他の形態にかかる高圧タンクの製造方法Ｓ２０について説明する。高圧タンクの製造方法Ｓ２０では、図４を示して説明した高圧タンクの製造方法Ｓ１０に対して、繊維の巻き付けの工程Ｓ１１の代わりに異なる繊維の巻き付け工程（「繊維の巻き付けの工程Ｓ２１」と記載する。）が用いられる点で異なる。それ以降の工程である工程Ｓ１２乃至工程Ｓ１５は高圧タンクの製造方法Ｓ１０と同じであるためここでは説明を省略する。以下、工程Ｓ２１について説明する。

＜繊維の巻き付けの工程Ｓ２１＞
繊維の巻き付けの工程Ｓ２１（「工程Ｓ２１」と記載することがある。）は、ライナ１１の外周に繊維を巻きつける。図９に説明のための図を示した。

本形態もフィラメントワインディング法により繊維束１４及び可溶性繊維２４をライナ１１に巻きつけるが、複数の多給糸ＦＷ装置が並べられた連続多給糸ＦＷ装置により当該巻き付けを行う。この形態では図９に示したように、複数の多給糸ＦＷ装置５０ａ乃至多給糸ＦＷ装置５０ｆが並べられている。これら個々の多給糸ＦＷ装置は図５を用いて説明した多給糸ＦＷ装置と同じである。

本形態では、複数の多給糸ＦＷ装置を配置することで、多給糸ＦＷ装置ごとに担当する層を分けて巻き付けを行うものである。従って図９に示したように、ライナ１１が紙面右側から左側に移動し、例えば多給糸ＦＷ装置５０ａが１層目、多給糸ＦＷ装置５０ｂが２層目、多給糸ＦＷ装置５０ｃが３層目、…というようにして複数の多給糸ＦＷ装置を通過することで全部の層が巻かれる。

このような連続多給糸ＦＷ装置によれば、可溶性繊維２４を含む多給糸ＦＷ装置を固定することができ、巻いている途中にボビンの変更をする必要がなく、効率よく繊維の巻き付けを行うことができる。
例えば、１層目（ライナ１１に接する層）を可溶性繊維２４が含まれる層にしたい場合には、図９の多給糸ＦＷ装置５０ａを図５（ａ）のようにして可溶性繊維ボビン４１を含むようにすればよい。そして、多給糸ＦＷ装置５０ｂ乃至多給糸ＦＷ装置５０ｆを図５（ｂ）のように全てのボビンを繊維束ボビン４０とする。これによれば、ボビンの種類の変更は必要ないため、効率よく繊維束１４及び可溶性繊維２４を巻くことができる。

１０高圧タンク
１１ライナ
１２補強層
１３繊維層
１４繊維束
１５保護層
１６口金
２０プリフォーム
２４可溶性繊維
４０繊維束ボビン
４１可溶性繊維ボビン
４５型
４６上型
４７下型

Claims

ライナの外周に炭素繊維及び可溶性繊維を巻きつける工程と、
前記炭素繊維及び前記可溶性繊維を巻きつけた前記ライナの前記可溶性繊維を溶かす工程と、
前記ライナに巻き付けられた前記炭素繊維による層に樹脂を含浸する工程と、を含む、
高圧タンクの製造方法。