JP7035976B2 - 高圧タンクおよびその取付け構造 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスが充填される高圧タンクおよびその取付け構造に関する。
従来から、高圧タンクは、ガスを収容する樹脂からなるライナと、ライナの外周面を被覆する繊維強化樹脂からなる繊維強化樹脂層と、を備えている。ライナは、筒状の胴体部と、胴体部の両端に形成された一対のドーム状の側端部とを備えている。繊維強化樹脂層は、胴体部および一対の側端部に、マトリクス樹脂を含浸した繊維束が連続して巻回されることにより、形成されている。繊維強化樹脂層の外面には、繊維強化樹脂の樹脂と同じ樹脂の樹脂層が覆われている。
このような技術として、たとえば、特許文献１には、繊維強化樹脂層として、ライナの外周面を被覆する補強層と、補強層の外周面を被覆する保護層とからなる高圧タンクが提案されている。ここで、補強層の繊維強化樹脂を構成する第１樹脂の破断ひずみは、高圧タンクの所定の耐圧試験における高圧タンクの円筒部の軸心方向に発生する引張ひずみである基準ひずみより大きく設定されている。また、保護層の繊維強化樹脂を構成する第２樹脂の破断ひずみは、基準ひずみより小さく設定されている。
このように構成された高圧タンクは、耐圧試験時に、保護層と、その表面に形成された樹脂層とに微小クラックを形成することができる。これにより、高圧タンクの使用時に、高圧タンクに充填されたガスが、ライナを通過し、ライナを透過したガスが、微小クラックを介して、高圧タンクの外部に排出される。
特開２０１７－０７２２４４号公報
しかしながら、上述した微小クラックは、繊維強化樹脂層を構成する強化繊維と樹脂との界面に発生し易いが、この微小クラックは、繊維強化樹脂層の外面の樹脂層まで到達し難い。これにより、使用時に、高圧タンクに充填されたガスが、ライナおよび繊維強化樹脂層の一部を透過しても、最外層となる樹脂層を透過できず、繊維強化樹脂層と樹脂層との間に滞留することがある。滞留したガスの圧力が所定の圧力を超えると、樹脂層に亀裂が生じるとともに、高圧タンクから異音が発生することがある。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、充填されたガスがライナを透過し、ライナを透過したガスが、繊維強化樹脂層から外部に十分に排出することができる高圧タンクを提供する。
前記課題を鑑みて、本発明に係る高圧タンクは、筒状の胴体部と、前記胴体部の両端に形成された一対のドーム状の側端部とを備えた樹脂からなるライナと、前記ライナの外周面を被覆する繊維強化樹脂からなる繊維強化樹脂層と、を少なくとも備え、前記ライナにガスが充填される高圧タンクであって、前記繊維強化樹脂層は、マトリクス樹脂が含浸された繊維束が巻回されたものであり、前記繊維強化樹脂層の外面には、前記マトリクス樹脂と同じ樹脂の樹脂層が覆われており、前記繊維強化樹脂層のうち前記胴体部を被覆する部分には、前記繊維束が前記胴体部の周方向に沿って連続して巻き重ねられた凸条部が形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、高圧タンクの耐圧試験時に、繊維強化樹脂層に形成された凸条部に応力が集中するため、凸条部を覆う樹脂層に亀裂が発生する。これにより、凸条部を覆う樹脂層に発生した亀裂を介して、ライナを透過したガスを、高圧タンクの外部に排出することができる。
また、上述した耐圧試験時において、仮に樹脂層に上述した亀裂が発生しなくても、高圧タンクの使用時に充填されたガスが、凸条部に到達すると、凸条部は、他の部分に比べて応力集中し易い脆弱な形状であるため、凸条部を覆う樹脂層には、他の部分に比べて、より低い圧力で亀裂が発生する。したがって、これまでのように、高圧のガスが滞留した後に、樹脂層に亀裂が発生しないため、高圧タンクから大きな異音が発生することを抑えつつ、ガスを排出することができる。
本明細書において、上述した高圧タンクの取付け構造も開示する。本発明に係る高圧タンクの取付け構造は、前記高圧タンクと、前記高圧タンクを取付けるためのバンドを備えた高圧タンクの取付け構造であって、前記バンドは、前記凸条部と隣接する位置に配置されている。
本発明よれば、高圧タンクの凸条部に隣接する位置に、高圧タンクを取り付けるためのバンドを配置するので、高圧タンクの凸条部が、バンドに係止され、高圧タンクの軸心方向の移動を拘束することがきる。これにより、高圧タンクを搭載した位置から、バンドの滑りによる高圧タンクの移動が制限される。
本発明によれば、充填されたガスがライナを透過し、ライナを透過したガスを、繊維強化樹脂層から外部に十分に排出することができる。
本発明の一実施形態に係る高圧タンクの模式的斜視図である。 図１のライナの軸心に沿った高圧タンクの断面図である。 図２のＡ－Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。 図１に示す高圧タンクの凸条部近傍の模式的拡大断面図である。 本実施形態に係る高圧タンクの凸条部近傍の強化繊維の配向を説明するための模式図である。 図５Ａの変形例に係る凸条部近傍の強化繊維の配向を説明するための模式図である。 図１に示す高圧タンクの製造方法の工程を説明するフロー図である。 図１に示す高圧タンクの製造方法の一部を説明するための模式図である。 図１に示す高圧タンクの製造方法の一部を説明するための模式図である。 図１に示す高圧タンクの取付け構造の一例を示した模式的斜視図である。 図４に相当する比較となる高圧タンクの要部の拡大断面図である。
以下に、図１～図４を参照しながら、本実施形態の高圧タンク１について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る高圧タンク１の模式的断面図である。図２は、図１のライナの軸心に沿った高圧タンクの断面図である。図３は、図２のＡ－Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。
図１に示すように、高圧タンク１は、車載用の燃料電池システムで燃料電池に燃料ガスとして水素ガスを貯蔵する燃料タンクである。なお、高圧タンク１は、燃料電池システム以外の任意の用途で使用されてもよく、燃料ガスとして水素ガスの他に、たとえば、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各種圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス、その他の各種加圧物質が充填されてもよい。
図２および図３に示すように、高圧タンク１は、水素ガスが充填される樹脂製のライナ３と、ライナ３の両端に取付けられた金属製の口金２Ａ、２Ｂと、ライナ３の外周面と口金２Ａ、２Ｂの一部の外周面を被覆するように、繊維強化樹脂が巻回された繊維強化樹脂層４と、を備えている。
ライナ３は、水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂により形成されている。ライナ３の樹脂材料としては、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンポリアミド、またはエチレンビニルアルコール共重合体等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。
ライナ３は、筒状の胴体部３１と、胴体部３１の両側に連続して形成された一対のドーム状の側端部３２Ａ、３２Ｂと、を備えている。ライナ３の内部には、水素ガスを貯蔵する（充填する）ための貯蔵空間３４が形成されている。
具体的には、胴体部３１は、高圧タンク１の図２に示すライナ３の軸心Ｃに沿って、所定の長さを有して延在する円筒状部分である。なお、ライナ３の軸心Ｃと、高圧タンク１の軸心は、一致している。側端部３２Ａ、３２Ｂは、胴体部３１の両側に連続し、半球状に膨出した形状を有している。側端部３２Ａ、３２Ｂの頂部は開口しており、各側端部の開口には、金属製の口金２Ａ、２Ｂが取り付けられている。
一方の口金２Ａは、アルミニウムまたはその合金等の金属製であり、本体となる筒状部２１Ａと、その外周に形成されたフランジ部２２Ａを備えている。口金２Ａのフランジ部２２Ａは、一方の側端部３２Ａの外面に押し当てられた状態で、ライナ３とともに繊維強化樹脂層４の繊維強化樹脂が巻回されている。一方の口金２Ａにはバルブ（図示せず）が取り付けられており、バルブによって高圧タンク１内の水素ガスの放出および流入が行われる。
他方の口金２Ｂは、一方の口金２Ａと同様に、アルミニウムまたはその合金等の金属製であり、本体となる筒状部２１Ｂと、その外周に形成されたフランジ部２２Ｂを備えている。他方の口金２Ｂのフランジ部２２Ｂは、他方の側端部３２Ｂの外面に押し当てられた状態で、ライナ３とともに繊維強化樹脂層４の繊維強化樹脂が巻回されている。他方の口金２Ｂの筒状部２１Ｂの内部は、図２に示す状態からさらに閉塞されており、他方の口金２Ｂによって貯蔵空間３４が密閉される。
繊維強化樹脂層４は、一方向に引き揃えられた強化繊維の繊維束（フィラメント）にマトリクス樹脂が含浸された繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で形成されている。本実施形態では、マトリクス樹脂が含浸された繊維束をフープ巻およびヘリカル巻で、ライナ３の外周面と口金２Ａ、２Ｂの露出した外周面に複数の層が形成されるように、連続して巻回されている。
本実施形態では、繊維強化樹脂層４は、補強層４１と保護層４２を備えている。補強層４１は、炭素繊維を強化繊維とした炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）からなり、連続した炭素繊維の繊維束を、ライナ３の外周面に巻回することにより形成されている。
さらに、補強層４１は、ガラス繊維を強化繊維としたガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）からなり、連続したガラス繊維の繊維束を、補強層４１の外周面に巻回することにより形成されている。
なお、これらの強化繊維は、上述したように、マトリクス樹脂が含浸された繊維束の状態で巻回される。上述した強化繊維の他に、たとえば、強化繊維として、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、天然繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維を挙げることができる。
また、本実施形態では、補強層４１および保護層４２の強化繊維の繊維束に含浸されるマトリクス樹脂は、熱硬化性樹脂であり、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂に代表される変性エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂を挙げることができる。本実施形態では、保護層４２のマトリクス樹脂は、補強層４１のマトリクス樹脂と同種の樹脂であるが、これらの樹脂は異なっていてもよい。
なお、本実施形態では、マトリクス樹脂として熱硬化性樹脂を挙げたが、巻回時に樹脂を軟化点（ガラス転移点）以上に加熱することができるのであれば、繊維束に含浸する樹脂は、熱可塑性樹脂であってもよい。熱可塑性樹脂としては、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂（たとえば６－ナイロン樹脂または６，６－ナイロン樹脂）、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、またはＡＢＳ樹脂等を挙げることができる。
本実施形態では、保護層４２は、補強層４１の外周面を覆う主層４２ａと、主層４２ａの外周面を覆う樹脂層４２ｂとを備えている。主層４２ａは、上述したように、ガラス繊維とマトリクス樹脂とで構成された繊維強化樹脂からなり、ガラス繊維の繊維束をフープ巻およびヘリカル巻で巻回することにより、複数の層で構成されている。
主層４２ａの最外層（すなわち繊維強化樹脂層４の最外層）のうち、ライナ３の胴体部３１周りに位置する最外層４２ｄ（すなわち胴体部３１を被覆する部分４６の最外層；図５Ａ参照）は、図１に示すように、フープ巻により形成された層である。なお、ここでいう最外層とは、同じ巻き方で巻かれた１層以上の層のことをいう。
最外層４２ｄは、層厚方向に少なくとも１層、好ましくは、２層以上、より好ましくは３層以上で構成されたフープ巻の層である。このフープ巻により形成された最外層４２ｄは、ライナ３の軸心Ｃに対して、直交する方向から僅かに傾斜した一定角度（－１０°～１０°の範囲の一定角度）で、繊維束の幅方向の縁部を、オーバ―ラップして巻回された層である。したがって、本実施形態では、図５Ａに示すように、最外層４２ｄの繊維束の強化繊維４２ｅは、ライナ３の軸心Ｃ周りに、軸心Ｃと略直交する方向に配向される。
なお、ライナ３の側端部３２Ａ、３２Ｂの周りに位置する最外層（すなわち側端部３２Ａ、３２Ｂを覆う部分４７Ａ、４７Ｂの最外層）は、ヘリカル巻により形成された層である。ヘリカル巻きはライナ３の軸心Ｃに対して１０°～６０°の角度で、両側の側端部３２Ａ、３２Ｂをわたすように、マトリクス樹脂が含浸された繊維束を巻き付けた層である。
樹脂層４２ｂは、巻回された繊維束を含む繊維強化樹脂の表面に、ガラス繊維（強化繊維）に含浸したマトリクス樹脂の一部がにじみ出た層である。したがって、樹脂層４２ｂは、主層４２ａのマトリクス樹脂と同じ樹脂からなる。繊維強化樹脂層４の外面には、樹脂層４２ｂが覆われており、後述する凸条部４３の外面にも、樹脂層４２ｂが覆われている。樹脂層４２ｂは、主層４２ａのマトリクス樹脂と同じ樹脂で構成されるが、たとえば、主層４２ａから脱離したガラス繊維の一部を含んでもよい。
さらに、本実施形態では、繊維強化樹脂層４のうち、ライナ３の胴体部３１を被覆する部分４６（具体的には保護層４２の主層４２ａ）には、凸条部４３が形成されており、凸条部４３は、高圧タンク１を周回するように形成されている。
具体的には、凸条部４３は、胴体部３１の周方向に沿って（軸心Ｃと直交する方向に）、マトリクス樹脂を含浸した繊維束が、連続して巻き重ねられた部分である。なお、上述したように、凸条部４３の外面は、樹脂層４２ｂで覆われている。また、凸条部４３を形成する繊維束と、保護層４２の繊維束とは、連続した１つの繊維束で構成されている。
本実施形態では、上述したように、主層４２ａのライナ３の胴体部３１周りの最外層４２ｄは、フープ巻により形成された層であり、最外層４２ｄの強化繊維４２ｅの繊維束は、ライナ３の軸心Ｃ周りに（すなわち、軸心Ｃと略直交する方向に）配向されている。したがって、図５Ａに示すように、凸条部４３の強化繊維４３ｅと、凸条部４３の下地層である最外層４２ｄの強化繊維４２ｅとは、略同じ方向に配向される。このような強化繊維４２ｅ、４３ｅの配向により、最外層４２ｄから凸条部４３まで、後述する水素ガスが通過する亀裂Ｌが発生し易くなる。
なお、水素ガスが透過する亀裂が発生するのであれば、凸条部４３の下地層である最外層４２ｄは、ヘリカル巻により形成された層であってもよい。この場合には、図５Ｂに示すように、最外層４２ｄの強化繊維４２ｅと、凸条部４３の強化繊維４３ｅとは、交差するように配向される。
以下に、本実施形態の高圧タンク１の製造方法を、図６に示す各工程に沿って説明する。図６は、本実施形態に係る高圧タンク１の製造方法の工程を説明するフロー図である。
本実施形態の製造方法では、まず、口金組付工程Ｓ１を行う。この工程では、図１に示す形状を有した樹脂製のライナ３を準備する。準備したライナ３の各側端部３２Ａ、３２Ｂに形成された開口部３３に、口金２Ａ、２Ｂを取り付ける。
次に、第１巻き付け工程Ｓ２を行う。この工程では、未硬化のマトリクス樹脂が含浸された炭素繊維の繊維束（ＣＦＲＰプリプレグ）を準備する。準備した繊維束は、紐状（テープ状）であり、この繊維束を、所定の巻き張力をかけながら、口金２Ａ、２Ｂを取り付けたライナ３の表面に、層状に巻き付ける。巻き付けは、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）により、フープ巻きおよびヘリカル巻きで行う。これにより、未硬化の補強層４１が形成される。
次に、第２巻き付け工程Ｓ３を行う。この工程では、未硬化のマトリクス樹脂が含浸されたガラス繊維からなる繊維束（ＧＦＲＰプリプレグ）を準備する。準備した繊維束は、紐状（テープ状）であり、この繊維束を、ライナ３に巻回された補強層４１の外周面に巻き付け、未硬化の保護層４２を形成する。この際、図７Ａに示すように、保護層４２の最外層４２ｄをフープ巻により形成する。フープ巻で繊維束（ＧＦＲＰプリプレグ）４８を巻回する際には、ライナ３を軸心Ｃの周りに回転させながら、繊維束４８の巻き付け位置を、ライナ３の軸心方向に沿って往復動させる。
次に、第３巻き付け工程Ｓ４を行う。この工程では、第２巻き付け工程Ｓ３の繊維束４８を切断せずに、ライナ３を回転させながら、ライナ３の軸心方向の巻き付け位置の移動を停止する。これにより、図７Ｂに示すように、繊維束４８が、ライナ３の胴体部３１の周方向に沿って、連続して巻き重ねられ、凸条部４３が形成される。繊維束４８の巻き付け回数は、２～５回程度であり、凸条部４３を形成することができるのであれば、その回数は特に限定されるものではない。
次に、熱硬化工程Ｓ５を行う。この工程では、高圧タンク１の外側から、マトリクス樹脂の硬化温度で高圧タンク１を加熱し、補強層４１および保護層４２に含まれる未硬化のマトリクス樹脂を硬化させる。
この工程で加熱が始まると、巻き付けられた保護層４２の表面に、繊維束に含浸されたマトリクス樹脂の一部がにじみ出る。にじみ出た部分は、厚さ０．１～０．５ｍｍ程度の層（液膜）状態となる。このようにして、保護層４２は、ガラス繊維とマトリクス樹脂とを含む主層４２ａと、にじみ出たマトリクス樹脂からなる樹脂層４２ｂとが形成され、これらの樹脂が硬化する。
次いで、加圧検査工程Ｓ６を行う。この工程では、高圧タンク１内に、水などの流体を導入し、加圧検査のための耐圧試験を行う。この際に、高圧タンク１の加圧により、繊維強化樹脂層４に形成された凸条部４３に応力が集中するため、凸条部４３を起点として、繊維強化樹脂層４に亀裂Ｌが発生し易い。
特に、凸条部４３の立ち上がり部分（根元部分）には、応力が集中するため、この部分に亀裂Ｌが発生する。さらに、図５Ａに示すように、最外層４２ｄの強化繊維４２ｅと、凸条部４３の強化繊維４３ｅとは、同じ方向に配向されているので、最外層４２ｄから凸条部４３まで、水素ガスが通過する亀裂Ｌが発生する。
図９に示すように、凸条部４３を形成しない比較となる高圧タンク９では、樹脂層４２ｂに亀裂が発生し難いため、樹脂層４２ｂの界面において、水素ガスＧが密閉された状態で滞留し、水素ガスＧが高圧になり易かった。この状態が持続されると、高圧になった水素ガスＧにより樹脂層４２ｂが膨らんだ後、樹脂層４２ｂに亀裂が発生し、高圧タンク９から大きな異音が発生することがあった。
しかしながら、本実施形態では、図４に示すように、繊維強化樹脂層４の樹脂層４２ｂにまで亀裂Ｌが達しているので、亀裂Ｌを介して、水素ガスを高圧タンク１の外部に放出することができる。これにより、水素ガスが滞留し難く、そのため高圧タンク１から大きな異音が発生することを抑えることができる。
なお、加圧検査工程Ｓ７において、仮に樹脂層４２ｂに亀裂Ｌが発生しなくても、凸条部４３は、他の部分に比べて応力集中し易い形状であるため、高圧タンク１の使用時に充填された水素ガスが凸条部４３に到達すると、凸条部４３を覆う樹脂層４２ｂの亀裂は、他の部分に比べて、より低い圧力で発生する。したがって、図９に示すように、高圧のガスＧが滞留した後に、樹脂層４２ｂに亀裂が発生しないため、本実施形態では、高圧タンク１から大きな異音が発生することを抑えつつ、水素ガスを排出することができる。
このようにして製造された高圧タンク１は、車両に搭載される。具体的には、図８に示すように、高圧タンク１の取付け構造１Ａは、高圧タンク１と、高圧タンク１を取付けるためのバンド５を備えた構造である。具体的には、バンド５は、高圧タンク１のうち、胴体部３１を被覆する部分４６の一部に巻き付けて高圧タンク１を拘束する拘束部５１と、拘束部５１の両側の端部において、固定具などを介して車両に固定される固定部５２を備えている。バンド５は、凸条部４３と隣接する位置に配置されている。
これにより、高圧タンク１の凸条部４３に隣接する位置に、高圧タンク１を取り付けるためのバンド５を配置するので、高圧タンク１の凸条部４３が、高圧タンク１に係止され、高圧タンク１の軸心方向の移動を拘束することがきる。このような結果、高圧タンク１を搭載した位置から、高圧タンク１に対するバンド５の滑りによる高圧タンク１の移動が制限され、高圧タンク１を安定して固定することができる。
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
本実施形態では、高圧タンクに１つの凸条部を設けたが、たとえば、２つ以上の凸条部を設けてもよく、その数は限定されるものではない。
１：高圧タンク、１Ａ：高圧タンク１の取付け構造、３：ライナ、５：バンド、３１：胴体部、３２Ａ，３２Ｂ：側端部、４：繊維強化樹脂層、４２ｂ：樹脂層、４３：凸条部、４６：胴体部３１を被覆する部分

Claims (2)

  1. 筒状の胴体部と前記胴体部の両端に形成された一対のドーム状の側端部とを備えた樹脂からなるライナと、前記ライナの外周面を被覆する繊維強化樹脂からなる繊維強化樹脂層と、を少なくとも備え、前記ライナにガスが充填される高圧タンクであって、
    前記繊維強化樹脂層は、マトリクス樹脂が含浸された繊維束が巻回されたものであり、前記繊維強化樹脂層の外面には、前記マトリクス樹脂と同じ樹脂の樹脂層が覆われており、
    前記繊維強化樹脂層のうち前記胴体部を被覆する部分には、前記繊維束が前記胴体部の周方向に沿って連続して巻き重ねられた凸条部が形成されていることを特徴する高圧タンク。
  2. 請求項１に記載の高圧タンクと、前記高圧タンクを取付けるためのバンドを備えた高圧タンクの取付け構造であって、
    前記バンドは、前記凸条部と隣接する位置に配置されていることを特徴とする高圧タンクの取付け構造。
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