JP2022014965A

JP2022014965A - 高圧タンク

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Publication number: JP2022014965A
Application number: JP2020117511A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野; Koji Katano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2040-07-08
Also published as: JP7338575B2; DE102021115567A1; CN113915517A; US20220010928A1

Abstract

【課題】口金のフランジ部の外端によってライナが破損してしまう可能性を低減する技術を提供する。
【解決手段】高圧タンクは、ガスバリア性を有する樹脂製のライナと、ライナの周囲に配置された補強層と、ライナの一端に設けられフランジ部を有する口金と、を備える。補強層は、フランジ部の底面のうちフランジ部の外端を含む少なくとも一部と、ライナとの間に配置された第１補強層を含む。
【選択図】図１

Description

本開示は、高圧タンクに関する。

特許文献１には、樹脂製のライナと、ＣＦＲＰ製の補強層と、金属製の口金とを有する高圧タンクの構造が記載されている。この従来技術では、補強層は口金のフランジ部の外側に配置されている。口金のフランジ部の外端は、ライナと補強層の２つの層に接している。

特開２０１５－１４０８３０号公報

しかし、従来技術の構造では、高圧タンクが高温になったり内圧が上昇したりした場合に、口金のフランジ部の外端に接するライナ部分が変形して、ライナが破損してしまう可能性があるという問題があった。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、ガスバリア性を有する樹脂製のライナと、前記ライナの周囲に配置された補強層と、前記ライナの一端に設けられ、フランジ部を有する口金と、を備え、前記補強層は、前記フランジ部の底面のうち前記フランジ部の外端を含む少なくとも一部と、前記ライナとの間に配置された第１補強層を含む。
この高圧タンクによれば、フランジ部の外端を含む少なくとも一部の底面とライナとの間に第１補強層が配置されているので、口金のフランジ部の外端によってライナが破損してしまう可能性を低減できる。
（２）上記高圧タンクにおいて、前記補強層は、更に、前記フランジ部の上面に配置された第２補強層を含むものとしてもよい。
この高圧タンクによれば、第１補強層の厚みを過度に大きくすることなく、十分な補強を行うことができる。
（３）上記高圧タンクにおいて、前記補強層は、補強パイプ部と、前記補強パイプ部の両端の開口にそれぞれ接合された一対の補強ドーム部とを含み、前記一対の補強ドーム部のそれぞれは、前記第１補強層と前記第２補強層を含むものとしてもよい。
この高圧タンクによれば、第１補強層と第２補強層とを有する高圧タンクを容易に製造できる。
（４）上記高圧タンクにおいて、前記第１補強層は、前記フランジ部の前記底面の全体に接するように配置されているものとしてもよい。
この高圧タンクによれば、口金のフランジ部の外端によってライナが破損してしまう可能性を更に低減できる。
（５）上記高圧タンクにおいて、前記口金は、第１開口部を有し、前記ライナは、前記口金に接合されているライナ部分において前記第１開口部よりも径が小さい第２開口部を有し、前記第１開口部と前記第２開口部とは、前記高圧タンクの内部と外部を連通する流路の一部を構成するものとしてもよい。
この高圧タンクによれば、ライナと口金との接合を強固にできる。

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等の形態で実現することができる。

第１実施形態における高圧タンクの構成を示す断面図。高圧タンクの一端を拡大して示す断面図。比較例においてライナが変形する様子を示す説明図。高圧タンクの製造方法を示すフローチャート。補強パイプ部の形成方法の一例を示す説明図。補強ドーム部の形成方法の一例を示す説明図。外ヘリカル層の形成方法を示す説明図。第２実施形態における高圧タンクの構成を示す断面図。第３実施形態における高圧タンクの構成を示す断面図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における高圧タンク１００の構成を示す断面図であり、図２はその一部を拡大して示す図である。高圧タンク１００は、水素ガス等の気体を貯蔵する貯蔵容器であり、例えば、車両用の燃料電池や、定置用の燃料電池に供給する水素を貯蔵するために使用される。高圧タンクとは、一般に、２０℃においてゲージ圧で２００ｋＰａ以上の圧力で気体を貯蔵するタンクである。燃料電池用の高圧タンクは、典型的には２０℃においてゲージ圧で３０ＭＰａ以上の圧力で水素を貯蔵するものが使用される。

高圧タンク１００は、ガスバリア性を有する樹脂製のライナ２０と、ライナ２０の周囲に配置された補強層３０と、高圧タンク１００の両端部に設置された２つの口金８０，９０と、を備えている。第１の口金８０は、ライナ２０内の空間と外部空間とを連通する連通孔８１と、フランジ部８２とを有する。連通孔８１には、バルブを含む接続装置が設置される。フランジ部８２は、口金８０の底部において略円盤状に広がる部分である。図２に示すように、フランジ部８２は、上面８２ｕと底面８２ｂとを有する。フランジ部８２の上面８２ｕは、フランジ部８２の両面のうちで高圧タンク１００の中心から遠い方の面を意味し、フランジ部８２の底面８２ｂは高圧タンク１００の中心に近い方の面を意味する。本実施形態では、フランジ部８２の底面８２ｂは、口金８０全体の底面を構成している。第２の口金９０は、外部空間に連通する連通孔を有していないが、連通孔を有するものとしてもよい。また、第２の口金９０は省略してもよい。

ライナ２０は、気体の外部への透過を抑制するガスバリア性を有する樹脂で構成されている。ライナ２０を形成する樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリエチレン、及びエチレン－ビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）、ポリエステル等の熱可塑性樹脂や、エポキシ等の熱硬化性樹脂を用いることができる。

補強層３０は、ライナ２０を補強する繊維強化樹脂層であり、補強ドーム部５０と補強パイプ部６０とを含む接合体４０と、外ヘリカル層７０とを有する。補強層３０を「補強体」とも呼ぶことも可能である。接合体４０は、補強パイプ部６０と、その両端にそれぞれ配置された補強ドーム部５０とを含む。本実施形態において、接合体４０は、更に、補強ドーム部５０に接合された口金８０，９０を含んでいる。

補強ドーム部５０は、第１ドーム部５１と第２ドーム部５２とを有する。第１ドーム部５１と第２ドーム部５２は、いずれもドーム状の形状を有している。より具体的には、第１ドーム部５１は、その一端から他端の開口端に向けて外径が次第に増大する形状を有する。ここで、「開口端」とは、高圧タンク１００の軸方向に沿った第１ドーム部５１の両端のうち、高圧タンク１００の中心により近い方の端である。開口端と反対側の第１ドーム部５１の端は、口金８０に接している。図１に示す例では、第１ドーム部５１は、中空の略球体の一部を切断して得られる形状を有しているが、これ以外の種々の形状を採用可能である。第２ドーム部５２も同様である。フランジ部８２に隣接する第１ドーム部５１の一部は、フランジ部８２の底面８２ｂとライナ２０との間に配置されている。図２に示すように、本実施形態では、第１ドーム部５１は、フランジ部８２の底面８２ｂの全体に接するように配置されている。但し、第１ドーム部５１は、フランジ部８２の底面８２ｂのうち、フランジ部８２の外端を含む一部の底面部分のみに接するように配置されていてもよい。フランジ部８２に隣接する第２ドーム部５２の一部は、フランジ部８２の上面８２ｕに接するように配置されている。また、第１ドーム部５１と第２ドーム部５２は、フランジ部８２の外端よりも外側の部分において互いに接合されている。第１ドーム部５１は本開示の「第１補強層」に相当し、第２ドーム部５２は「第２補強層」に相当する。補強ドーム部５０の形成方法については後述する。

補強パイプ部６０は、直管状の形状を有する。補強パイプ部６０の形成方法については後述する。補強パイプ部６０の両端の開口には、補強ドーム部５０がそれぞれ接合されている。本実施形態では、補強ドーム部５０の開口端が補強パイプ部６０の外側に位置するように補強ドーム部５０が配置されている。但し、補強ドーム部５０の開口端が補強パイプ部６０の内側に位置するように補強ドーム部５０が配置されていてもよい。

外ヘリカル層７０は、補強ドーム部５０と補強パイプ部６０を含む接合体４０の外面に樹脂含浸繊維をヘリカル巻きすることによって形成された層である。外ヘリカル層７０の主な機能は、高圧タンク１００の内圧が高くなったときに補強ドーム部５０が補強パイプ部６０から外れてしまうことを防止することにある。図１では、図示の便宜上、外ヘリカル層７０とライナ２０のハッチングを省略している。

補強層３０を形成する樹脂としては、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、及びエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができ、特に、機械的強度等の観点からエポキシ樹脂を用いることが好ましい。補強層３０を形成する繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、及び炭素繊維等を用いることができ、特に、軽量性や機械的強度等の観点から炭素繊維を用いることが好ましい。

図２に示すように、ライナ２０は、補強ドーム部５０の内面、すなわち第１ドーム部５１の内面に接するように配置されており、更に、口金８０の底部において連通孔８１の内面８１ｓに接合されている。ライナ２０が口金８０に接合されることによって、ライナ２０の内部が気密に保たれる。ライナ２０の口金８０との接合部において、ライナ２０の開口部は内径Ｄ２０を有する。一方、口金８０の連通孔８１はその出口付近において内径Ｄ８１を有する。本実施形態では、ライナ２０の内径Ｄ２０が、口金８０の連通孔８１の出口付近の内径Ｄ８１よりも小さく設定されている。こうすれば、バルブを含む接続装置を連通孔８１に容易に接続することができ、また、ライナ２０と口金８０の接合を強固にすることができる。内径Ｄ８１を有する口金８０の開口部は、本開示の「第１開口部」に相当し、内径Ｄ２０を有するライナ２０の開口部は、本開示の「第２開口部」に相当する。これらの第１開口部と第２開口部は、高圧タンク１００の内部と外部を連通する流路の一部を構成している。

図３は、比較例においてライナ２０が変形する様子を示す説明図である。図３の左側に示す比較例の構成は、図２に示した第１実施形態の構成から第１ドーム部５１を省略した構成を有しており、口金８０のフランジ部８２の外端は、ライナ２０とドーム部５２の２つの層に接している。この比較例において、例えば高圧タンク１００の温度が上昇して口金８０が膨張したりタンク内圧が上昇したりすると、図３の右側に示すように、口金８０の外端に接するライナ２０の部分が変形してキンクＫＫが発生し、ライナ２０が破損してしまう可能性がある。このような不具合が発生する理由は、ライナ２０とドーム部５２と口金８０の３つの部品の膨張率や伸び率が互いに異なるためである。

一方、図２に示した第１実施形態の構成では、フランジ部８２の底面８２ｂとライナ２０との間に第１ドーム部５１が配置されているので、口金８０のフランジ部８２の外端によってライナ２０が破損してしまう可能性を低減できる。なお、フランジ部８２の底面８２ｂとライナ２０との間に配置される補強層として、第１ドーム部５１よりも小さな補強層を用いてもよい。例えば、第２ドーム部５２のみで補強ドーム部５０を構成し、第１ドーム部５１の代わりに、フランジ部８２の底面８２ｂとライナ２０との間のみに配置される小さな補強層を用いてもよい。但し、本実施形態のように、第１ドーム部５１の一部をフランジ部８２の底面８２ｂとライナ２０との間に配置するようにすれば、高圧タンク１００をより容易に製造できる。

本実施形態では、更に、第１ドーム部５１が、フランジ部８２の底面８２ｂの全体に接するように配置されているので、口金８０のフランジ部８２の外端によってライナが破損してしまう可能性を更に低減できる。但し、第１ドーム部５１が、フランジ部８２の底面８２ｂの一部のみに接するように配置されていてもよい。本実施形態では、更に、補強ドーム部５０が、フランジ部８２の上面８２ｕに配置された第２ドーム部５２を含むので、第１ドーム部５１の厚みを過度に大きくすることなく、十分な補強を行うことができる。

図４は、高圧タンク１００の製造方法を示すフローチャートである。以下の各ステップで使用される方法の例については後述する。ステップＳ１０では、補強パイプ部６０を形成する。ステップＳ２０では、補強ドーム部５０を形成する。ステップＳ３０では、補強ドーム部５０に口金８０又は９０を接合する。ステップＳ４０では、２つの補強ドーム部５０を補強パイプ部６０の両端部に接合して接合体４０を形成する。ステップＳ５０では、接合体４０の外面に外ヘリカル層７０を形成する。ステップＳ６０では、補強層３０の未硬化の樹脂を硬化する。ステップＳ７０では、補強層３０の内面にライナ２０を形成する。

図５は、図４のステップＳ１０における補強パイプ部６０の形成方法の一例を示す説明図である。補強パイプ部６０は、フィラメントワインディング法を用いて、略円筒状のマンドレル６６に繊維束ＦＢを巻き付けることによって形成することができる。フィラメントワインディング法では、マンドレル６６を回転させながら、繊維束ガイド２１０を移動させることによってマンドレル６６に繊維束ＦＢを巻き付ける。図５の例では、フープ巻きによって繊維束ＦＢを巻き付けているが、ヘリカル巻きを用いてもよい。フィラメントワインディング（ＦＷ）法としては、以下に説明するウェットＦＷとドライＦＷのいずれかを利用可能である。

一般に、繊維強化樹脂製の物体を形成する典型的な方法としては、以下のような方法が存在する。
＜ウェットＦＷ＞
ウェットＦＷは、繊維束ＦＢを巻き付ける直前に、低粘度化した液状の樹脂を繊維束ＦＢに含浸させ、その樹脂含浸繊維束をマンドレルに巻き付ける方法である。
＜ドライＦＷ＞
ドライＦＷは、線維束に予め樹脂を含浸させて乾燥させたトウプリプレグを準備し、トウプリプレグをマンドレルに巻き付ける方法である。
＜ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）成形＞
ＲＴＭ成形は、雌雄一対の成形型内に繊維を設置し、型を閉締した後、樹脂注入口より樹脂を注入して繊維に含浸させて成形する方法である。
＜ＣＷ（Centrifugal Winding）＞
ＣＷは、回転する円筒形の型の内面に繊維シートを貼り付けることによって筒状の部材を形成する方法である。繊維シートとしては、予め樹脂が含浸された繊維シートを用いてもよく、樹脂が含浸されていない繊維シートを用いてもよい。後者の場合には、繊維シートを筒状に巻いた後に、型内に樹脂を流し込んで繊維シートに樹脂を含浸させる。

上述した図５の例では、フィラメントワインディング法を使用して補強パイプ部６０を形成しているが、ＲＴＭ成形等の他の方法を用いて補強パイプ部６０を形成してもよい。補強パイプ部６０の樹脂の硬化は、ステップＳ１０において実行してもよく、あるいは、ステップＳ６０において実行してもよい。

ステップＳ１０で補強パイプ部６０の樹脂の硬化を行う場合には、樹脂の粘度がそれらの目標値以上で安定した状態となるまで完全に硬化を行う本硬化を行ってもよいが、本硬化に至らない予備硬化を行ってもよい。一般に、未硬化の熱硬化型樹脂は、加熱すると最初は粘度が低下し、その後も加熱を続けると粘度が上昇してゆき、加熱を十分な時間継続すると樹脂の粘度がその目標値以上で安定した状態となる。このような経過を前提としたとき、粘度の低下後に粘度が再上昇して当初の粘度に到達した時点以降も硬化を継続し、本硬化の終点に至る前のいずれかの時点で硬化を終了する処理を「予備硬化」と呼ぶ。ステップＳ１０において予備硬化を実行し、後述するステップＳ６０において本硬化を実行するようにすれば、補強パイプ部６０を、補強ドーム部５０及び外ヘリカル層７０に対してより強固に接合することができる。

図６は、図４のステップＳ２０における第１ドーム部５１の形成方法の一例を示す説明図である。第１ドーム部５１は、フィラメントワインディング法を用いて、マンドレル５６に繊維束ＦＢを巻き付けることによって形成することができる。マンドレル５６は、第１ドーム部５１を２つ合わせた外形を有するものとすることが好ましい。このフィラメントワインディング法では、マンドレル５６を回転させながら、繊維束ガイド２１０を移動させることによってマンドレル５６に繊維束ＦＢを巻き付ける。図６の例では、ヘリカル巻きによって繊維束ＦＢを巻き付けている。フィラメントワインディング法としては、上述したウェットＦＷとドライＦＷのいずれも利用可能である。繊維束ＦＢの巻き付けが終了した後に、切断線ＣＬに沿って切断することにより、２つの第１ドーム部５１を得ることができる。なお、ＲＴＭ成形等の他の方法を用いて第１ドーム部５１を形成してもよい。第２ドーム部５２も、第１ドーム部５１とほぼ同様の方法で形成できる。なお、第１ドーム部５１と第２ドーム部５２の樹脂の硬化は、ステップＳ２０において実行してもよく、あるいは、ステップＳ６０において実行してもよい。

図４のステップＳ３０では、補強ドーム部５０を構成する第１ドーム部５１及び第２ドーム部５２と、口金８０又は９０とが接合される。ステップＳ４０では、ステップＳ３０で形成された接合体に、更に、補強パイプ部６０を接合することによって図１に示した接合体４０が形成される。ステップＳ３０とステップＳ４０における接合は、例えば接着剤や粘着剤を用いて行うことができる。

図７は、図４のステップＳ５０における外ヘリカル層７０の形成方法を示す説明図である。外ヘリカル層７０は、フィラメントワインディング法を用いて、接合体４０の外面に繊維束ＦＢを巻き付けることによって形成することができる。このフィラメントワインディング法では、中心軸ＡＸを中心として接合体４０を回転させながら、繊維束ガイド２１０を移動させることによって接合体４０に繊維束ＦＢを巻き付ける。フィラメントワインディング法としては、ウェットＦＷとドライＦＷのいずれも利用可能である。前述したように、外ヘリカル層７０の主な機能は、高圧タンク１００の内圧が高くなったときに補強ドーム部５０が補強パイプ部６０から外れてしまうことを防止することにある。この機能を達成するため、繊維束ＦＢの巻き付け角度αは、４５度以下とすることが好ましい。巻き付け角度αは、接合体４０の中心軸ＡＸに対する繊維束ＦＢの角度である。

図４のステップＳ６０では、補強層３０の未硬化の樹脂を硬化させる。この硬化は図５に即して説明した本硬化である。ステップＳ７０では、硬化後の補強層３０の内面に、ライナ２０を形成する。ステップＳ７０におけるライナの形成は、例えば、口金付きの補強層３０の内部に液状のライナ材料を入れて、補強層３０を回転させながらライナ材料を硬化させることによって行うことができる。こうして、ライナ２０の形成が終了すると、図１に示した高圧タンク１００が完成する。

なお、ライナ２０は、図４のステップＳ７０以外の工程で形成してもよい。例えば、補強ドーム部５０及び補強パイプ部６０とは別個にライナ２０を形成し、その後、前述したステップＳ３０においてライナ２０と２つの補強ドーム部５０と口金８０，９０とを接合してもよい。このようなライナ２０の形成は、例えば、射出成形によって行うことが可能である。この際、ライナ２０の全体を略中央で２分割した分割体を別個に射出成形し、射出成形型から取り出した後に２つの分割体を接合することによって、ライナ２０を形成してもよい。

以上のように、本実施形態では、第１補強層としての第１ドーム部５１が、フランジ部８２の底面８２ｂとライナ２０との間に配置されている。この結果、フランジ部８２の底面８２ｂとライナ２０との間に補強層が配置されていない場合に比べて、口金８０のフランジ部８２の外端によってライナ２０が破損してしまう可能性を低減できる。

Ｂ．他の実施形態：
図８は、第２実施形態における高圧タンク１００ａの構成を示す断面図である。この高圧タンク１００ａは、口金８０ａと第１ドーム部５１ａの形状が図１に示した第１実施形態と異なるだけであり、他の構成は第１実施形態とほぼ同じである。

口金８０ａは、フランジ部８２の底面８２ｂの内側にある底面８３が、フランジ部８２の底面８２ｂよりも高圧タンク１００ａの中心に近い方向に突出している。また、第１ドーム部５１ａは、フランジ部８２の底面８２ｂの全体に接しているが、フランジ部８２の底面８２ｂには接していない。この第２実施形態の構成も、第１実施形態とほぼ同様の効果を奏する。

図９は、第３実施形態における高圧タンク１００ｂの構成を示す断面図である。この高圧タンク１００ｂは、第２ドーム部５２が省略されている点、及び、第１ドーム部５１ｂの形状が第１実施形態と異なるだけであり、他の構成は第１実施形態とほぼ同じである。第３実施形態では第２ドーム部５２が省略されているので、十分な補強強度を確保するために、第１ドーム部５１ｂの厚みが第１実施形態の第１ドーム部５１の厚みよりも大きく設定されている。この第３実施形態の構成も、第１実施形態とほぼ同様の効果を奏する。

本開示は、上述の実施形態や実施形態、変形例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、開示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、実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。

２０…ライナ、３０…補強層、４０…接合体、５０…補強ドーム部、５１，５１ａ，５１ｂ…第１ドーム部、５２…第２ドーム部、５６…マンドレル、６０…補強パイプ部、６６…マンドレル、７０…外ヘリカル層、８０，９０…口金、８１…連通孔、８１ｓ…連通孔の内面、８２…フランジ部、８２ｂ…フランジ部の底面、８２ｕ…フランジ部の上面、８３…口金の底面、１００，１００ａ，１００ｂ…高圧タンク、２１０…繊維束ガイド

Claims

高圧タンクであって、
ガスバリア性を有する樹脂製のライナと、
前記ライナの周囲に配置された補強層と、
前記ライナの一端に設けられ、フランジ部を有する口金と、
を備え、
前記補強層は、前記フランジ部の底面のうち前記フランジ部の外端を含む少なくとも一部と、前記ライナとの間に配置された第１補強層を含む、高圧タンク。
請求項１に記載の高圧タンクであって、
前記補強層は、更に、前記フランジ部の上面に配置された第２補強層を含む、高圧タンク。
請求項２に記載の高圧タンクであって、
前記補強層は、補強パイプ部と、前記補強パイプ部の両端の開口にそれぞれ接合された一対の補強ドーム部とを含み、
前記一対の補強ドーム部のそれぞれは、前記第１補強層と前記第２補強層を含む、高圧タンク。
請求項１～３のいずれか一項に記載の高圧タンクであって、
前記第１補強層は、前記フランジ部の前記底面の全体に接するように配置されている、高圧タンク。
請求項１～４のいずれか一項に記載の高圧タンクであって、
前記口金は、第１開口部を有し、
前記ライナは、前記口金に接合されているライナ部分において前記第１開口部よりも径が小さい第２開口部を有し、
前記第１開口部と前記第２開口部とは、前記高圧タンクの内部と外部を連通する流路の一部を構成する、高圧タンク。