JP6601425B2 - ガスタンク用のライナーおよびガスタンク - Google Patents

Description

本発明は、ガスタンク用のライナーおよびガスタンクに関する。

燃料電池車両に搭載されるガスタンクとして、中央の円筒部とその両端のドーム部とを有する樹脂性のライナーを有するガスタンクが知られている（例えば特許文献１）。ライナーの外側には、繊維強化樹脂層が設けられている。

特開２０１５−１０８３９９号公報

燃料電池車両が連続して運転される場合、特に例えば高速道路で連続的に運転される場合、燃料タンクから燃料ガスが連続的に燃料電池に供給される。燃料タンクの内部の圧力が高いため、燃料タンクから燃料ガスが放出されるとき、燃料ガスは断熱膨張する。その結果、ライナーの温度が下がり、ライナーは収縮する。一方、ライナーの外側の繊維強化樹脂層は、ライナーに比べて熱膨張率が小さいため、温度が低下しても、あまり収縮しない。その結果、ライナー、特にライナーのドーム部と、繊維強化樹脂層の間に隙間が生じる。この状態でガスタンクにガスを充填すると、ガスの圧力によりライナーが膨張しようとする。しかし、ライナーの温度が低い場合には、ライナーを形成する樹脂が硬くなっており、膨張し難い。そのため、ガスの充填中にライナーが塑性変形したり、破損したりするおそれがある。

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、ガスタンク用のライナーが提供される。このライナーは、第１樹脂で形成された円筒部と、第２樹脂で形成され、前記円筒部の軸方向の両端に配置されたドーム部と、を備え、前記第１樹脂と、前記第２樹脂のうちの一方は、他方よりも、線膨張係数が大きく降伏歪みが大きい。
この形態によれば、第１樹脂と、第２樹脂のうちの一方が他方よりも線膨張係数が大きく降伏歪みが大きいので、ガスの充填中に、ライナーのうちの線膨張係数が大きく降伏歪みが大きい一方の樹脂で形成された部分が伸張し易い。その結果、ライナーの全部を同一の樹脂で形成した場合よりも、ライナーの塑性変形や、破損を抑制できる。

（２）上記形態において、前記第２樹脂は、前記第１樹脂よりも、線膨張係数が大きく降伏歪みが大きくてもよい。
ライナーが円筒部とドーム部とを有する場合、ドーム部の軸方向の端部側に隙間が生じやすいので、ドーム部の線膨張係数を大きくして降伏歪みを大きくした方が、ライナーの塑性変形や、破損をより効果的に抑制できる。

（３）上記形態において、前記第１樹脂と前記第２樹脂のうちの前記一方の樹脂は、エラストマでない特定樹脂素材とエラストマとを含み、前記他方の樹脂は、エラストマを含まず前記特定樹脂素材で形成されていてもよい。
この形態によれば、第１樹脂と第２樹脂の一方を線膨張係数が大きく降伏歪みが大きくい樹脂として容易に形成できる。

（４）上記形態において、前記他方の樹脂は、さらに、繊維を含んでいてもよい。
この形態によれば、第１樹脂と第２樹脂の他方を線膨張係数が小さく降伏歪みが小さく樹脂として容易に形成できる。

（５）本発明の一形態によれば、ガスタンクが提供される。このガスタンクは、上記形態のライナーと、前記ライナーの外周に形成された繊維強化樹脂層と、を備える。
この形態によれば、第１樹脂と、第２樹脂の一方が、線膨張係数が大きく降伏歪みが大きいので、ガスの充填中に、ライナーのうちの線膨張係数が大きく降伏歪みが大きい一方の樹脂で形成された部分が伸張するので、ライナーの全部を同一の樹脂で形成した場合よりも、樹脂の塑性変形や、破損を抑制できる。

（６）上記形態において、ガスの充填完了後の温度である高温Ｔ１と前記ガスの充填開始前の温度である低温Ｔ２の温度差をΔＴとし、前記高温Ｔ１における前記円筒部の軸方向長さをＬｓ、前記ドーム部の軸方向長さをＬｄとし、前記高温Ｔ１から前記低温Ｔ２にわたる前記第１樹脂の平均線膨張係数をαｓ、前記第２樹脂の平均線膨張係数をαｄ、前記繊維強化樹脂層の平均線膨張係数をαｃとし、前記低温Ｔ２における前記第１樹脂の降伏歪みをεｓ、前記第２樹脂の降伏歪みをεｄ、とすると、
以下の式

を満たしてもよい。
この形態によれば、高温Ｔ１でライナーのドーム部と繊維強化樹脂層が密着している場合に、その後、低温Ｔ２までガスタンクの温度が低下しても、ドーム部と繊維強化樹脂層との間の隙間がライナーの降伏歪み以下になるので、ライナーの塑性変形や破損をより確実に抑制できる。

（７）上記形態のガスタンクにおいて、前記高温Ｔ１は、約＋８５℃であり、前記低温Ｔ２は、約−７０℃であってもよい。
ガスタンクにガスが充填されていない状態から満充填までガスを充填すると、ガスタンクの温度は約＋８５℃まで上昇し、ガスタンクにガスが満充填されている状態からガスが充填されていない状態までガスタンクから連続的にガスを放出すると、ガスタンクの温度は、約−７０℃まで低下するので、高温Ｔ１として＋８５℃、低温Ｔ２として−７０℃が適わしい。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガスタンク用のライナーの他、ガスタンク、等の種々の形態で実現することができる。

高温Ｔ１におけるガスタンクの状態を示す断面図。 低温Ｔ２におけるガスタンクの状態を示す断面図。 低温Ｔ２における樹脂の応力−歪み曲線の一例を示すグラフ。 第１実施形態において、低温Ｔ２で圧力によりライナーが膨張する状態を示す説明図。 第２実施形態において、低温Ｔ２で圧力によりライナーが膨張する状態を示す説明図。

・第１実施形態：
図１は、高温Ｔ１（Ｔ１＝＋８５℃）におけるガスタンク１０の製造時の状態を示す断面図である。ガスは圧縮すると温度が上昇する。約＋８５℃は、ガスタンク１０にガスが充填されていない状態から、満充填された状態までガスを充填したときの充填完了後のガスタンク１０の温度である。ガスタンク１０は、ライナー１００と、繊維強化樹脂層２００とを備える。ライナー１００は、円筒部１１０と、円筒部１１０の軸方向の両端に配置された２つのドーム部１２０と、を備える。２つのドーム部１２０は、それぞれ、円筒部分１２２と、略球面部分１２４とを備える。略球面部分１２４は、円筒部分１２２を除いた部分である。それぞれの略球面部分１２４の中央部には、口金３００、３１０が取り付けられている。口金３００は、ライナー１００の内部と外部とをつなぐ孔３０５を有しているが、口金３１０は、孔３０５を有していない。但し、口金３１０は、孔を有する構成であってもよい。この場合、口金３１０の孔は、閉塞部材により閉塞されていてもよい。

円筒部１１０は、第１樹脂で形成され、ドーム部１２０は、第２樹脂で形成されている。本実施形態では、円筒部１１０を形成する第１樹脂は、熱可塑性樹脂でありガラス繊維を含んでいる。ドーム部を形成する第２樹脂は、第１樹脂と同じ熱可塑性樹脂であるが、ガラス繊維の代わりに、エラストマを含んでいる。そのため、第１樹脂は、エラストマを含まない樹脂と比べて、線膨張係数が小さくく、降伏歪みが小さい。第２樹脂は、ガラス繊維を含まない樹脂と比べて、線膨張係数が大きく、降伏歪みが大きい。すなわち、第２樹脂は、第１樹脂よりも、線膨張係数が大きく、降伏歪みが大きい。第１樹脂、第２樹脂に用いられる熱可塑性樹脂として、例えば、６−ナイロン、１２−ナイロンなどのｎ−ナイロン、６，６−ナイロンなどのｎ，ｍ−ナイロンの他、高密度ポリスチレン（ＨＤＰＥ）、ポリプロピレンなどの樹脂素材が使用可能である。また、エラストマとしては、エチレン−プロピレンージエンゴム（ＥＰＤＭ）やエチレンープロピレンゴム（ＥＰＭ）などのゴムが使用可能である。第１樹脂と第２樹脂とは、同一の特定樹脂素材を用いるので、ガスバリア性など、線膨張係数、降伏歪み以外の特性をほぼ同じにできる。

繊維強化樹脂層２００は、ライナー１００の外周に形成されており、例えば、炭素繊維を含む熱硬化性樹脂で形成されている。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂が使用可能である。繊維強化樹脂層２００は、溶融した熱硬化性樹脂を炭素繊維に付着させ、熱硬化性樹脂が付着した炭素繊維をライナー１００に巻き付け、その後、熱硬化性樹脂を加熱硬化させることで形成される。

本実施形態では、ライナー１００の大きさは、半径Ｌｒ、軸方向長さＬｌである。ここで、円筒部１１０の軸方向長さをＬｓ、ドーム部１２０の軸方向長さをＬｄとすると、Ｌｌ＝Ｌｓ＋２Ｌｄである。また、繊維強化樹脂層２００の内面の軸方向長さは、Ｌｃ（＝Ｌｌ）である。この高温（８５℃）の状態では、ライナー１００のドーム部１２０の外面が繊維強化樹脂層２００の内面に密着していると仮定する。また、ドーム部１２０と、繊維強化樹脂層２００との間の応力はゼロと仮定する。

図２は、低温（Ｔ２＝−７０℃）におけるガスタンク１０の状態を示す断面図である。ガスは膨張すると温度が下降する。約−７０℃は、ガスタンク１０にガスが満充填されている状態から、ガスが充填されていない状態までガスを連続的に放出させたときのガスタンク１０の温度であり、ガスの充填開始前の温度である。ガスタンク１０からガスが放出されると、ガスの断熱膨張により、ガスの温度およびライナー１００の温度が低下する。温度が最も低下する場合は、ガスタンク１０にガスが満充填されている状態からガスタンク１０の中のガスがほとんど無い状態まで連続的にガスが放出される場合であり、この場合、ライナー１００は、約−７０℃まで温度が低下する。例えば、ガスタンク１０を燃料タンクとして備える自動車が、高速道路で連続して運転される場合に、ライナー１００の温度は、最も低下する。ライナー１００を形成する樹脂は、温度が低下すると、収縮する。図２に示すＬｌ’、Ｌｒ’、 Ｌｓ’、Ｌｄ’は、それぞれ、低温Ｔ２におけるライナー１００の軸方向長さ、半径、円筒部１１０の軸方向長さ、ドーム部１２０の軸方向長さである。ここで、本実施形態では、ライナー１００の軸方向長さＬｌは、直径２Ｌｒよりも十分に大きいため、軸方向の収縮量が大きく、ライナー１００のドーム部１２０の略球面部分１２４と、繊維強化樹脂層２００との間に軸方向の向きに大きさｔの隙間１３０が生じる。なお、繊維強化樹脂層２００も軸方向に収縮するが、繊維強化樹脂層２００は、繊維を含んでいるので、線膨張係数が小さく、ライナー１００よりも、収縮量は少ない。また、ライナー１００の半径方向の収縮は、全く生じないわけではないが、直径２Ｌｒが軸方向長さＬｌに比べて小さいため、収縮量は少ない。

ライナー１００と繊維強化樹脂層２００との間に隙間１３０がある状態でガスタンク１０にガスが充填されると、ガスの圧力によりライナー１００が隙間１３０に向けて膨張する。一般に、樹脂に外力が掛かって樹脂がある限界値以上歪むと、樹脂は降伏し、元の状態に戻らなくなる。一般に、この歪みの限界値（「降伏歪み」とも呼ぶ）は、温度が低くなるほど低い。

図３は、低温（Ｔ２＝−７０℃）における樹脂の応力−歪み曲線の一例を示すグラフである。多くの樹脂では、この例のように、上降伏点Ｙｐで降伏応力に達した後に応力が一旦低下し、その後、破断に至る。本明細書では、この上降伏点Ｙｐにおける歪みを「降伏歪み」と呼ぶ。

図４は、第１実施形態において、低温Ｔ２で圧力によりライナー１００が膨張する状態を示す説明図である。図４は、口金３００の近傍を図示している。ライナー１００にガスが充填されると、ライナー１００内部のガスの圧力Ｐが増大し、ライナー１００は、膨張しようとする。この場合、ライナー１００の半径方向は、ライナー１００と繊維強化樹脂層２００がほぼ密着しているため、ライナー１００が膨張しようとしても、繊維強化樹脂層２００から抗力を受ける。したがって、半径方向には、ほとんど膨張しない。一方、ライナー１００の軸方向は、隙間１３０があるため、隙間１３０を狭くするように、線膨張する。

第１実施形態では、ドーム部１２０を形成する第２樹脂には、エラストマが含まれているため、円筒部１１０よりも線膨張係数が大きく、降伏歪みも大きい。そのため、ライナー１００が膨張するときに、線膨張係数が大きな樹脂で形成されているドーム部１２０が線膨張する。その結果、ライナー１００が膨張する場合、ライナー１００の全部をエラストマを含まない樹脂で形成した場合に比べて、ドーム部１２０で膨張し易く、ライナー１００の塑性変形や破損を抑制できる。

一方、ライナー１００の全部を、エラストマを含む樹脂で形成した場合には、ライナー１００の温度が低下したときの収縮量が大きくなり、隙間１３０が大きくなる。この場合、低温でライナー１００がガスの圧力で膨張したときに、ライナー１００が繊維強化樹脂層２００に接触して繊維強化樹脂層２００からの抗力を受ける前に、ライナー１００を形成する樹脂が塑性変形したり、破損したりする可能性がある。第１実施形態では、円筒部１１０は、エラストマを含まない第１樹脂で形成され、線膨張係数も小さいので、ライナー１００の温度が低下したときの収縮量が小さくなり、隙間１３０が小さくなる。そのため、ライナー１００がガスの圧力で膨張するとき、ドーム部１２０の樹脂が塑性変形し、あるいは、破損する前にドーム部１２０が繊維強化樹脂層２００に接触して、繊維強化樹脂層２００から抗力を受ける。したがって、ライナー１００が塑性変形したり、破損したりし難い。

・第２実施形態：
図５は、第２実施形態において、低温Ｔ２で圧力によりライナー１００が膨張する状態を示す説明図である。第２実施形態では、第１実施形態とは逆に、円筒部１１０を形成する第１樹脂が、線膨張係数が大きく降伏歪みが大きな樹脂で形成され、ドーム部１２０を形成する第２樹脂が、円筒部１１０を形成する樹脂よりも線膨張係数が小さく降伏歪みが小さな樹脂で形成されている。

第２実施形態では、内部のガスの圧力によりライナー１００が線膨張する場合、ドーム部１２０は、あまり変形せず、円筒部１１０が軸方向に伸張する。円筒部１１０を形成する第１樹脂は、線膨張係数が大きく降伏歪みが大きいため、塑性変形し難く、破損もし難い。このように、円筒部１１０を形成する第１樹脂を、ドーム部１２０を形成する第２樹脂よりも、線膨張係数が大きく降伏歪みが大きい樹脂としても良い。また、第１実施形態と第２実施形態とをまとめると、円筒部１１０を形成する第１樹脂と、ドーム部１２０を形成する第２樹脂のうちの一方は、他方よりも、線膨張係数が大きく降伏歪みが大きくなるようにすればよいと言える。

・第３実施形態：
上記実施形態では、ライナー１００を構成する樹脂の線膨張係数や、降伏歪みの大きさについては、言及していないが、第３実施形態では、それらの値の関係について説明する。

図１において、各部材の大きさや性質を以下のように定義する。
・Ｌｓ：高温Ｔ１におけるライナー１００の円筒部１１０の軸方向長さ
・Ｌｄ：高温Ｔ１におけるドーム部１２０の軸方向長さ
・Ｌｃ：高温Ｔ１における繊維強化樹脂層２００の軸方向長さ
・αｓ：円筒部１１０を形成する第１樹脂の高温Ｔ１から低温Ｔ２にわたる平均線膨張係数
・αｄ：ドーム部１２０を形成する第２樹脂の高温Ｔ１から低温Ｔ２にわたる平均線膨張係数
・αｃ：繊維強化樹脂層２００の高温Ｔ１から低温Ｔ２にわたる平均線膨張係数
・εｓ：低温Ｔ２における第１樹脂の降伏歪み
・εｄ：低温Ｔ２における第２樹脂の降伏歪み

図２の低温Ｔ２の状態における隙間１３０の軸方向の大きさｔは、以下の式により定義される。

上式において、括弧を展開したときの右辺第１項（αｓＬｓ×ΔＴ）は、円筒部１１０の軸方向の収縮量であり、右辺第２項（２×αｄＬｄ×ΔＴ）は、２つのドーム部１２０の軸方向の収縮量であり、右辺第３項（αｃＬｃ×ΔＴ）は、繊維強化樹脂層２００の軸方向の収縮量である。第３項の符号がマイナスであるのは、繊維強化樹脂層２００が収縮すれば、隙間１３０は小さくなるからである。なお、温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）の大きさは１５５℃である。

ライナー１００にガスが充填されてライナーが膨張したときに、ライナー１００が塑性変形したり、破損したりしないようにするには、以下の式を満たすようにすればよい。

式（３）の右辺第１項（２εｄＬｄ）は、内部圧力Ｐによってドーム部１２０が膨張したときの歪みであり、第２項（εｓＬｓ）は、内部圧力Ｐによって円筒部１１０が膨張したときの歪みである。

また、高温Ｔ１におけるライナー１００の円筒部１１０の軸方向長さＬｓと、ドーム部１２０の軸方向長さＬｄと、繊維強化樹脂層２００の軸方向長さＬｃの間には、以下の式で示す関係がある。

上記式（２）、式（３）、式（４）をＬｓについて解くと以下の式が得られる。

以上、式（５）を満たすように、ライナー１００の円筒部１１０の長さＬｓと、ドーム部１２０の軸方向長さＬｄを設定すれば、高温Ｔ１でライナー１００のドーム部１２０と繊維強化樹脂層２００が密着している場合に、その後、低温Ｔ２までガスタンク１０の温度が低下しても、ドーム部１２０と繊維強化樹脂層２００との間の隙間ｔがライナーの降伏歪み以下になるので、ライナー１００の塑性変形や破損をより確実に抑制できる。また、式（５）によれば、ライナー１００の円筒部１１０の長さＬｓと、ドーム部１２０の軸方向長さＬｄと、の一方が分かれば、他方が容易に算出できる。なお、平均線膨張係数αｄ、αｓ、αｃおよび降伏歪みεｄ、εｓは、実験により求められる。

・変形例１：
上記実施形態では、樹脂にエラストマを含ませることで、樹脂の線膨張係数を大きく、降伏歪みを大きくし、樹脂にガラス繊維を含ませることで樹脂の線膨張係数を小さく、降伏歪みを小さくしているが、いずれか一方のみ採用しても良い。また、エラストマとしてゴム以外のポリエステルなどのエステルを使用することも可能である。また、ガラス繊維の代わりに炭素繊維などの他の繊維を用いても良い。

・変形例２：
上記実施形態では、繊維強化樹脂層２００は、単層であったが、内層と外層の２層を有する繊維強化樹脂層であってもよい。この場合、第３実施形態における繊維強化樹脂層２００の平均線膨張係数αｃの値は、内層の値が採用される。

本発明は、上述の実施形態や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、変形例中の技術的特徴は、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…ガスタンク
１００…ライナー
１１０…円筒部
１２０…ドーム部
１２２…円筒部分
１２４…略球面部分
１３０…隙間
２００…繊維強化樹脂層
３００…口金
３０５…孔
３１０…口金
Ｌｃ…繊維強化樹脂の軸方向長さ
Ｌｄ…ドーム部の軸方向長さ
Ｌｄ’…低温（Ｔ２）におけるドーム部の軸方向長さ
Ｌｌ…ライナーの軸方向長さ
Ｌｌ’…低温（Ｔ２）におけるライナーの軸方向長さ
Ｌｒ…ライナーの半径
Ｌｒ’…低温（Ｔ２）におけるライナーの半径
Ｌｓ…ライナーの円筒部の軸方向長さ
Ｌｓ’…低温（Ｔ２）におけるライナーの円筒部の軸方向長さ
Ｐ…圧力
ｔ…繊維強化樹脂とドーム部の間の隙間の軸方向長さ
Ｙｐ…降伏点

Claims (6)

1. ガスタンク用のライナーであって、
   第１樹脂で形成された円筒部と、
   第２樹脂で形成され、前記円筒部の軸方向の両端に配置されたドーム部と、
   を備え、
   前記第１樹脂と、前記第２樹脂のうちの一方の樹脂は、エラストマでない特定樹脂素材とエラストマとを含み、他方の樹脂は、エラストマを含まず前記特定樹脂素材で形成され、
   前記一方の樹脂は、前記他方の樹脂よりも、線膨張係数が大きく、外力が掛かって歪んだときに降伏して元の状態に戻らなくなる歪みの限界値である降伏歪みが大きい、
   ライナー。
2. 請求項１に記載のライナーであって、
   前記第２樹脂は、前記第１樹脂よりも、線膨張係数が大きく降伏歪みが大きい、
   ライナー。
3. 請求項１または２に記載のライナーであって、
   前記他方の樹脂は、さらに、繊維を含む、
   ライナー。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のライナーと、
   前記ライナーの外周に形成された繊維強化樹脂層と、
   を備えるガスタンク。
5. 請求項４に記載のガスタンクであって、
   ガスの充填完了後の温度である高温Ｔ１と前記ガスの充填開始前の温度である低温Ｔ２の温度差をΔＴとし、
   前記高温Ｔ１における前記円筒部の軸方向長さをＬｓ、前記ドーム部の軸方向長さをＬｄとし、
   前記高温Ｔ１から前記低温Ｔ２にわたる前記第１樹脂の平均線膨張係数をαｓ、前記第２樹脂の平均線膨張係数をαｄ、前記繊維強化樹脂層の平均線膨張係数をαｃとし、
   前記低温Ｔ２における前記第１樹脂の降伏歪みをεｓ、前記第２樹脂の降伏歪みをεｄ、とすると、
   以下の式
   

   

   を満たす、ガスタンク。
6. 請求項５に記載のガスタンクであって、
   前記高温Ｔ１は、＋８５℃であり、前記低温Ｔ２は、−７０℃である、ガスタンク。

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