JP5966905B2

JP5966905B2 - 高圧タンクの検査方法

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Publication number: JP5966905B2
Application number: JP2012272990A
Authority: JP
Inventors: 作馬江森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: JP2014118996A

Description

本発明は、高圧タンクの検査方法に関する。

燃料電池の発電に用いる高圧の水素ガスを収納する圧力容器（以降、「高圧タンク」とも呼ぶ）として、例えば、水素ガスを収納する収容空間を内部に有し、アルミニウム等の軽金属や強化プラスチック等で形成されたライナーに、カーボン繊維等にエポキシ樹脂等の熱硬化樹脂を含浸した繊維強化複合材を巻きつけて硬化させた補強層を有するものが知られている。

例えば、特許文献１には、高圧タンクを成形する際に、ライナーと補強層との間に熱膨張係数の違いによって生じる隙間に、ライナーを透過した高圧のガスが留まらないようにするために、ライナーの外側から補強層の外側まで貫通する孔を設け、隙間に留まったガスを解放する高圧タンクについて開示されている。また、特許文献２には、ライナーと補強層との隙間に樹脂材を注入することにより隙間をなくした高圧タンクについて開示されている。

特開２００８−２６１４１４号公報特開平１０−２３１９９８号公報

高圧ガスが収納された高圧タンクにおいてライナーと補強層との間に隙間があると、低温時にライナー膨張時に生じる歪みが大きく破損してしまうため、隙間の容積および隙間をなくすために必要な収容空間内のガス圧力を把握したいとの課題があった。特許文献１に開示された技術では、ライナーと補強層との隙間に留まる高圧ガスを解放できるものの、隙間の有無および容積を確認することができない。また、隙間を確認するためには、例えば、収容空間内を所定の圧力まで上昇させた状態において、Ｘ線ＣＴスキャン等による目視によって確認する必要があり、正確に隙間の容積を知るためには多くの作業工数が必要になるとの課題があった。また、特許文献２に開示された技術では、ライナーと補強層との隙間に樹脂材を注入するために、高圧タンクを製造する工程に加えて樹脂材を注入する工程および樹脂材を注入するための器具（例えば、注入部材）が新たに必要であるという課題があった。そのほか、従来の高圧タンクの検査方法においては、検査精度の向上、検査の容易化、検査時間の短縮化および検査工程の簡略化等が望まれていた。なお、上述の課題は、燃料電池に用いられる水素ガスを収納する高圧タンクに限らず、例えば、圧縮天然ガス等の流体を収納する高圧タンクの検査方法に共通する課題であった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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。

（１）本発明の一形態によれば、樹脂材料で形成されると共に内部に空間を有する補強層と、前記空間内に配置されると共に内部に高圧の流体を収容する収容空間を有するライナーと、を有する高圧タンクの検査方法が提供される。この高圧タンクの検査方法は、前記収容空間内に前記補強層の外側の圧力であるタンク外圧と同圧で検査用流体が充填された初期状態から、前記収容空間内に前記検査用流体をさらに供給することにより前記収容空間内を加圧し、前記収容空間内における前記タンク外圧からの圧力増加量と、前記収容空間内における前記初期状態の容積からの容積増加量と、を測定する工程と；前記圧力増加量と前記容積増加量との関係において、前記圧力増加量に対する前記容積増加量の変化量が一定となる部分のうち圧力増加量が最小である点の圧力が、前記ライナーと前記補強層とが密着する最小の圧力であると推定する工程と、を備える。この形態の高圧タンクの検査方法によれば、ライナーと補強層とを密着させるために必要な収容空間内の圧力を、従来の方法と比較して、より少ない工程で検査できる。よって、高圧タンクを、より短い時間で検査でき、また、高圧タンクの大量生産時において全数検査が可能となる。また、ライナーと補強層とを密着させるのに必要な最小の圧力を正確に推定することができるので、使用時の安全を考慮して高圧タンクに余分な圧力を付与しなくても良いため、高圧タンクに収容する高圧ガスの使用量を従来よりも増やすことができる。また、ライナーと補強層との間に生じる隙間に樹脂材等を注入して当該隙間を埋める必要がないため、低コストで、かつ、短い時間で高圧タンクの製造および検査を行なうことができる。

（２）上記形態の高圧タンクの検査方法において、前記測定する工程は、前記収容空間に液体供給槽から前記検査用流体として検査用液体を供給し、前記液体供給槽における供給前後の重さを測定することによって前記容積増加量を特定する工程を含んでも良い。この形態の高圧タンクの検査方法によれば、収容空間内を加圧して膨張させた場合における容積増加量を簡便かつ正確に特定することができる。

本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、高圧タンク、高圧タンクを備えたシステムおよび高圧タンクの検査方法、高圧タンクを備えた燃料電池システム等の態様で実現することができる。

本発明の実施形態における高圧タンク１０の概略構成を示す説明図である。高圧タンク１０の検査システム１００の概略構成を示す説明図である。高圧タンク１０の検査処理の流れを示す説明図である。高圧タンク１０における圧力増加量ΔＰと容積増加量ΔＶとの相関関係ＣＲの一例を示す説明図である。

次に、本発明における実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．実施形態：
Ａ−１．高圧タンクの構成：
Ａ−２．高圧タンクの検査処理：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施形態：
Ａ−１．高圧タンクの構成：
図１は、本発明の実施形態における高圧タンク１０の概略構成を示す説明図である。図１には、略円筒状の高圧タンク１０における中心軸ＯＬに平行で中心軸ＯＬを通る切断面で切断された高圧タンク１０の断面図が示されている。高圧タンク１０は、例えば、車両に搭載される燃料電池に供給する燃料ガス（以降、「水素ガス」とも呼ぶ）を圧縮した状態で貯蔵するタンクである。高圧タンク１０は、ライナー１１と、強化繊維プラスチック層（以降、「補強層」とも呼ぶ）１２と、バルブ側口金１３と、エンド側口金１４と、バルブ１５と、から構成されている。

ライナー１１は、内部に水素ガスを収容する収容空間ＳＰを有するように中空形状に形成されている。ライナー１１は、回転成形法によって、収容した水素ガスが透過して外部に漏れないように強化プラスチックによって形成されている。なお、他の実施形態では、ライナー１１は、アルミニウム等の軽金属によって形成されても良いし、回転成形法のような一体成形の製造方法ではなく分割した部材における継目を接着する方法によって形成されても良い。

補強層１２は、エポキシ樹脂を含浸した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）がライナー１１の外側を覆うように形成された層である。補強層１２は、ライナー１１の外側にＣＦＲＰをヘリカル巻きおよびフープ巻きによって巻き付けられた後、例えば、８５℃の恒温槽に入れることで、補強層１２内のエポキシ樹脂が加熱硬化させられて形成されている。言い換えれば、補強層１２は、内部に空間を有しており、当該空間に収容空間ＳＰを有するライナー１１が配置されている。

バルブ側口金１３は、略円筒状の形状であり、ライナー１１と補強層１２との間に嵌入されて、固定されている。バルブ側口金１３に形成された略円柱状の開口は、高圧タンク１０の開口として機能する。また、バルブ側口金１３の開口部分における内周面には、メネジ部が形成されている。本実施形態では、バルブ側口金１３は、ステンレスによって形成されているが、他の実施形態では、例えば、アルミニウムといった他の金属や樹脂材によって形成されても良い。

バルブ１５は、略円柱状の形状であり、バルブ側口金１３と嵌合する外周面にはオネジ部が形成されている。バルブ１５に形成されたオネジ部とバルブ側口金１３のメネジ部とが嵌合することにより、バルブ１５は、高圧タンク１０に対して相対位置が固定される。バルブ側口金１３に嵌合したバルブ１５によって、バルブ側口金１３の開口が閉じられる。

エンド側口金１４は、アルミニウムで形成されており、一部分が高圧タンク１０の外部に露出した状態で形成されている。エンド側口金１４は、露出した一部分により、収容空間ＳＰ内の熱を外部に導く機能を有している。

ライナー１１と補強層１２との間には、隙間１６が形成される場合がある。補強層１２の元となるＣＦＲＰを巻き付けた後に高圧タンク１０を恒温槽に入れて成形する場合、ライナー１１の熱膨張係数と補強層１２の熱膨張係数との相違から成形後に隙間１６が生じる。具体的には、ＣＦＲＰを巻きつけた後の高圧タンク１０が恒温槽に入れられると、ライナー１１は、恒温槽からの熱と補強層１２に含浸しているエポキシ樹脂の硬化反応による補強層１２の自己発熱とによって付随的に加熱される。ライナー１１は、補強層１２よりも熱膨張係数が大きい材質であるため、恒温槽で加熱されると補強層１２よりも伸びるが、補強層１２によって伸びが制限される。補強層１２のＣＦＲＰは、熱膨張係数がマイナスであるため、硬化後の全長が硬化前の全長よりも小さくなる。そのため、恒温槽から取り出した高圧タンク１０において、ライナー１１および補強層１２が冷却されると、ライナー１１は制限された状態からさらに縮むため、ライナー１１と補強層１２との間に冷却後の成形時に隙間１６が形成される。

Ａ−２．高圧タンクの検査処理：
図２は、高圧タンク１０の検査システム１００の概略構成を示す説明図である。図２には、高圧タンク１０を検査するための検査システム１００が示されている。図２に示す検査システム１００では、ライナー１１と補強層１２との隙間１６を埋めるのに必要な収容空間ＳＰ内の圧力が推定される。図２に示すように、検査システム１００は、高圧タンク１０と、純水槽２０と、重量計３０と、ポンプ４０と、圧力検出器５０と、配管６０と、によって構成されている。高圧タンク１０は、バルブ１５を介して配管６０と接続されている。

純水槽２０は、純水（以降、単に「水」とも呼ぶ）が貯蔵されている貯水槽である。純水槽２０は、配管６０を介して高圧タンク１０に接続しており、高圧タンク１０における収容空間ＳＰに水を供給する。重量計３０は、水を含む純水槽２０の重さを測定する測定器である。重量計３０は、純水槽２０内の水が収容空間ＳＰ内に供給されることで減少した後の純水槽２０の重さを測定し、収容空間ＳＰ内に供給された水の量を算出することができる。なお、純水は、本発明における検査用流体および検査用液体に相当し、重量計３０は、液体供給槽に相当する。

ポンプ４０は、純水槽２０から配管６０へと水を供給する器具である。圧力検出器５０は、配管６０および収容空間ＳＰ内の圧力を測定する器具である。配管６０は、高圧タンク１０と純水槽２０とを接続する管である。配管６０には、高圧タンク１０と純水槽２０との間にポンプ４０が配置され、また、ポンプ４０と高圧タンク１０との間に圧力検出器５０が配置されている。

図３は、高圧タンク１０の検査処理の流れを示す説明図である。初めに、高圧タンク１０の外側の大気圧Ｐ０と同圧で、収容空間ＳＰ内を満たす初期状態になるまで純水槽２０から高圧タンク１０に水が供給される（ステップＳ２１０）。その後、初期状態において重量計３０の値を読み取る（ステップＳ２２０）。水の体積は圧力および温度変化によってほとんど変化しないため、初期状態における重量計３０の値を読み取ることで、収容空間ＳＰ内を加圧する場合に初期状態から減った水の量が収容空間ＳＰ内へと供給された水の量、すなわち、容積増加量ΔＶであると算出できる。次に、純水槽２０から収容空間ＳＰ内へと水を加圧しながら供給して、供給した水の量である容積増加量ΔＶと収容空間ＳＰ内における圧力増加量ΔＰとの相関関係ＣＲを特定する（ステップＳ２３０）。容積増加量ΔＶおよび圧力増加量ΔＰは、データロガーによって連続的に測定され、相関関係ＣＲが特定される。次に、相関関係ＣＲにおける圧力増加量ΔＰの変化に対する容積増加量ΔＶの変化が一定になっているか否かを判定する（ステップＳ２４０）。なお、他の実施形態においては、容積増加量ΔＶおよび圧力増加量ΔＰを連続的に測定するではなく、離散的に測定してプロットすることで相関関係ＣＲを特定しても良い。

図４は、高圧タンク１０における圧力増加量ΔＰと容積増加量ΔＶとの相関関係ＣＲの一例を示す説明図である。図４に示すグラフでは、横軸に収容空間ＳＰ内を水で満たした後に加圧した圧力増加量ΔＰを取っており、縦軸に収容空間ＳＰ内を水で満たした後から増加した容積増加量ΔＶを取っている。図４に示すように、相関関係ＣＲは、圧力増加量ΔＰがΔＰ１までの区間Ｔ１ではＣ１のような曲線になり、圧力増加量ΔＰがΔＰ１以上になる区間Ｔ２ではＬ１のような直線になることが実験による測定結果から得られている。なお、本明細書において区間Ｔ２で直線になるとは、区間Ｔ２における線の近似直線の傾きおよび切片がそれぞれＳＬおよびΔＶｉである場合に、初期状態における収容空間ＳＰ内の体積の±１％を切片ΔＶｉに加えた傾きＳＬのそれぞれ直線に挟まれた範囲に線が含まれることをいう。

高圧タンク１０において、ライナー１１は、補強層１２よりも剛性が小さいため、補強層１２よりも先に圧力増加量ΔＰの上昇に伴って膨張する。そのため、区間Ｔ１では、ライナー１１のみが膨張し、補強層１２が膨張していない状態である。ライナー１１が膨張すると、区間Ｔ１では、相関関係ＣＲは曲線Ｃ１のような関係になる。収容空間ＳＰ内における圧力増加量ΔＰがΔＰ１および容積増加量ΔＶがΔＶ１になると、収容空間ＳＰ内を圧力ΔＰ１以上に加圧した区間Ｔ２では、相関関係ＣＲが直線Ｌ１のような圧力増加量ΔＰの変化に対する容積増加量ΔＶの変化（線の傾き）が一定の関係（以降、単に「線形関係」とも呼ぶ）になる。これは、区間Ｔ２では、ライナー１１が膨張することにより、高圧タンク１０における複数の隙間１６がすべて埋まった状態、すなわち、ライナー１１と補強層１２とが密着した状態になる。そのため、収容空間ＳＰ内を加圧すると、ライナー１１と補強層１２とが一体となって膨張するため、相関関係ＣＲは直線Ｌ１のような線形関係になる。よって、相関関係ＣＲが曲線Ｃ１から直線Ｌ１へと変わる圧力ΔＰ１の時点における収容空間ＳＰ内の圧力（ΔＰ１＋Ｐ０）は、ライナー１１と補強層１２とが密着する最小圧力である。

図３のステップＳ２４０において、図４に示した曲線Ｃ１のように、高圧タンク１０における相関関係ＣＲがまだ線形関係になっていない場合には（ステップＳ２４０：ＮＯ）、引き続き、収容空間ＳＰ内に水を供給して加圧する。ステップＳ２４０において、図４に示した直線Ｌ１のように、相関関係ＣＲが線形関係になった場合には（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、純水槽２０から高圧タンク１０への水の供給を停止して加圧を停止する（ステップＳ２５０）。

次に、得られた図４に示すグラフから、相関関係ＣＲが線形関係となる最小の圧力ΔＰ１を読み取って、大気圧Ｐ０を加えた収容空間ＳＰ内の圧力（ΔＰ１＋Ｐ０）は、ライナー１１と補強層１２とが密着する最小圧力であると決定する（ステップＳ２７０）。

以上説明したように、本実施形態における高圧タンク１０の検査方法では、高圧タンク１０は、高圧の水素ガスを収容する収容空間ＳＰが形成されたライナー１１と、内部の空間にライナー１１が配置されてＣＦＲＰで形成された補強層１２と、を備えている。高圧タンク１０の検査処理では、高圧タンク１０の外側の大気圧Ｐ０と同圧で収容空間ＳＰ内に水を満たした初期状態から、収容空間ＳＰ内へと水を加圧しながら供給し、収容空間ＳＰ内における容積増加量ΔＶと圧力増加量ΔＰとが測定される。次に、容積増加量ΔＶと圧力増加量ΔＰとの関係である相関関係ＣＲが線形関係になる圧力増加量ΔＰのうち最小の圧力ΔＰ１の時点における収容空間ＳＰ内の圧力（ΔＰ１＋Ｐ０）が、ライナー１１と補強層１２とが密着する最小の圧力であると推定できる。そのため、本実施形態における高圧タンク１０の検査システム１００の検査方法では、ライナー１１と補強層１２とを密着させる、すなわち、高圧タンク１０における隙間１６を埋めるために必要な収容空間ＳＰ内の圧力を、従来の方法と比較して、より少ない工程で検査できる。よって、高圧タンク１０を、より短い時間で検査でき、また、高圧タンク１０の大量生産時における全数検査が可能となる。また、隙間１６を埋めるのに必要な最小圧力を正確に推定することができるので、使用時の安全を考慮して高圧タンク１０に余分な圧力を付与しなくても良いため、高圧タンク１０に収容する高圧ガスの使用量を従来よりも増やすことができる。また、隙間１６に樹脂材等を注入して隙間１６を埋める必要がないため、低コストで、かつ、短い時間で高圧タンク１０の製造および検査を行なうことができる。

また、本実施形態における高圧タンク１０の検査方法では、高圧タンク１０における収容空間ＳＰ内に純水槽２０から水を供給し、初期状態における純水槽２０から減った水の量を測定することによって、収容空間ＳＰ内が膨張して増加した容積の容積増加量ΔＶを特定する。そのため、本実施形態の高圧タンク１０の検査方法では、収容空間ＳＰ内を加圧して膨張させた場合における容積増加量ΔＶを簡便かつ正確に特定することができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、高圧タンク１０を満たす流体として水を用いたが、高圧タンク１０を満たす流体はこれに限られず、種々変形可能である。例えば、油であっても良い。また、液体ではなくアルゴンガス等を用いた検査方法において、高圧タンク１０内に供給する気体の流量および圧力を測定することで、ライナー１１と補強層１２とが密着する圧力ΔＰ１を算出しても良い。

また、上記実施形態では、高圧タンク１０の加圧時における容積増加量ΔＶを重量計３０によって測定した供給前後の水の量で算出したが、膨張量の測定方法はこれに限られず、種々変形可能である。例えば、配管６０に流量計を配置することにより、高圧タンク１０の内部へと供給された流量を測定しても良い。

Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、図３のステップＳ２４０に示すように、高圧タンク１０内における相関関係ＣＲが線形関係になった場合に、収容空間ＳＰ内の加圧を停止する検査処理としたが、検査処理の方法はこれに限られず、種々変形可能である。例えば、予め設定した基準圧力ΔＰ２以上で高圧タンク１０を使用する場合に、検査処理において、収容空間ＳＰ内の圧力を基準圧力ΔＰ２まで加圧して、収容空間ＳＰ内における相関関係ＣＲが線形関係になるか否かによって、高圧タンク１０の性能判定を行なっても良い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、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、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、実施例、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、組み合わせを行な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…高圧タンク
１１…ライナー
１２…補強層
１３…バルブ側口金
１４…エンド側口金
１５…バルブ
１６…隙間
２０…純水槽
３０…重量計
４０…ポンプ
５０…圧力検出器
６０…配管
１００…検査システム
ＳＰ…収容空間
Ｔ１…区間
Ｔ２…区間
Ｃ１…曲線
Ｌ１…直線
ＣＲ…相関関係
Ｐ０…大気圧
ΔＰ…圧力増加量
ΔＰ１…圧力
ΔＰ２…基準圧力
ΔＶ…容積増加量
Ｖ１…容積
ＯＬ…中心軸

Claims

樹脂材料で形成されると共に内部に空間を有する補強層と、前記空間内に配置されると共に内部に高圧の流体を収容する収容空間を有するライナーと、を有する高圧タンクの検査方法であって、
前記収容空間内に前記補強層の外側の圧力であるタンク外圧と同圧で検査用流体が充填された初期状態から、前記収容空間内に前記検査用流体をさらに供給することにより前記収容空間内を加圧し、前記収容空間内における前記タンク外圧からの圧力増加量と、前記収容空間内における前記初期状態の容積からの容積増加量と、を測定する工程と、
前記圧力増加量と前記容積増加量との関係において、前記圧力増加量に対する前記容積増加量の変化量が一定となる部分のうち圧力増加量が最小である点の圧力が、前記ライナーと前記補強層とが密着する最小の圧力であると推定する工程と、を備える、方法。
請求項１に記載の高圧タンクの検査方法であって、
前記測定する工程は、前記収容空間に液体供給槽から前記検査用流体として検査用液体を供給し、前記液体供給槽における供給前後の重さを測定することによって前記容積増加量を特定する工程を含む、方法。