JP7173061B2 - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。
燃料電池自動車や水素自動車に搭載される水素タンクなどの高圧タンクとして、略円筒形状のライナーと、ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂材料からなる補強層と、ライナーの内部と連通するとともに金属材料からなる口金と、を備えるものが知られている。このように構成された高圧タンクでは、水圧による膨張試験の場合、或いはタンク満充填時から空まで使用した場合、繊維強化樹脂材料の伸び量と金属材料の伸び量との違いによって、補強層と口金との界面に引張りが発生し、ライナーに影響を与える問題が生じる。
この問題を解決するために、例えば特許文献１に記載されたように、ライナーのうち口金に隣接する部分のみを厚くし、補強層と口金との材料伸び量の違いによるライナーへの影響を低減する方法が挙げられている。
特開２０１８－０２５２８７号公報
最近では、ライナーの軽量化を図るために、補強層を先に形成し、形成した補強層の内部に樹脂材料を流し込んでライナーを形成する製造方法が検討されている。しかし、この製造方法では、補強層の内部に樹脂材料を流し込んでライナーを形成するので、ライナーにおける特定場所のみを厚くすることは難しい。このため、ライナーのうち口金に隣接する部分のみを厚く形成するのは困難であった。
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、補強層の内部に樹脂材料を流し込んでライナーを形成する製造方法においても、ライナーのうち口金に隣接する部分のみを厚く形成できる高圧タンクの製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係るガス高圧タンクの製造方法は、ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外面を覆う補強層と、前記ライナーの内部と連通する口金とを備える高圧タンクの製造方法であって、２つ以上の分割体を接合し、前記口金が装着される前記補強層を形成する第１工程と、前記第１工程で形成した前記補強層の内部に樹脂材料を流し込んだ後に、前記樹脂材料が前記補強層の内面を覆うように前記補強層を回転させ、前記樹脂材料を固化させることにより前記ライナーを形成する第２工程と、を含み、前記第１工程において、前記口金を前記補強層との間に前記樹脂材料が溜まる凹部を形成するように前記補強層に装着し、前記第２工程において、前記樹脂材料が前記補強層の内面を覆うように前記補強層を回転させた後に、前記口金側を下にした状態で前記樹脂材料を固化させることを特徴としている。
本発明に係る高圧タンクの製造方法では、第１工程において口金を補強層との間に樹脂材料が溜まる凹部を形成するように補強層に装着し、第２工程において樹脂材料が補強層の内面を覆うように補強層を回転させた後に、口金側を下にした状態で樹脂材料を固化させる。このようにすれば、口金と補強層との間の凹部に樹脂材料が溜まるので、該凹部にライナーの他部分よりも厚い厚肉部を形成することができる。その結果、補強層の内部に樹脂材料を流し込んでライナーを形成する製造方法においても、ライナーのうち口金に隣接する部分のみを厚く形成することができ、補強層と口金との材料伸び量の違いによるライナーへの影響を低減することができる。
本発明によれば、補強層の内部に樹脂材料を流し込んでライナーを形成する製造方法においても、ライナーのうち口金に隣接する部分のみを厚く形成することができる。
高圧タンクの構造を示す概略断面図である。 高圧タンクの製造方法を示すフローチャートである。 高圧タンクの製造方法を説明するための模式図である。 高圧タンクの製造方法を説明するための模式図である。 高圧タンクの製造方法を説明するための模式図である。 高圧タンクの製造方法を説明するための模式図である。
以下、図面を参照して高圧タンクの製造方法の実施形態について説明するが、その前に図１を基に高圧タンク１０の構造を説明する。本実施形態において、高圧タンク１０は燃料電池車両に搭載されて内部に高圧の水素ガスが充填される例として説明するが、その他の用途についても適用されても良い。また、高圧タンク１０に充填可能なガスとしては、高圧の水素ガスに限定されない。
図１は高圧タンクの構造を示す概略断面図である。高圧タンク１０は、両端がドーム状に丸みを帯びた略円筒形状の高圧ガス貯蔵容器であって、ガスバリア性を有するライナー１１と、ライナー１１の外面を覆う繊維強化樹脂材料からなる第１補強層１２と、第１補強層１２の外面を覆う繊維強化樹脂材料からなる第２補強層１３とを備えている。高圧タンク１０の軸Ｌ方向の一端には、円形状の開口部１２４（図３参照）が形成されており、開口部１２４には略円筒形状の口金１４が装着されている。高圧タンク１０の軸Ｌ方向の他端には、開口部が形成されておらず、口金も設けられていない。
ライナー１１は、第１補強層１２の内面に沿って形成されている。このライナー１１は、高圧の水素ガスが充填される収容空間１５を形成する樹脂製部材である。ライナー１１を構成する樹脂は、充填されるガス（ここでは水素ガス）を収容空間１５内に保持する性能、即ち、ガスバリア性が良好な樹脂であることが好ましい。このような樹脂としては、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が挙げられる。ライナー１１の収容空間１５には、燃料ガスとして水素ガスの他に、例えば、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス、その他のガスが充填されても良い。
図１に示すように、ライナー１１は、口金１４に隣接する部分に比較的に厚く形成された厚肉部１１１と、口金１４に隣接部分を除いた他部分に比較的に薄く形成された薄肉部１１２を有する。そして、軸Ｌ方向から見たときに、厚肉部１１１は、口金１４を取り囲むように口金１４の周囲に配置され、該口金１４を保持している。
口金１４は、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料を所定形状に加工したものである。この口金１４は、略円筒形状の口金本体部１４１と、ライナー１１と第１補強層１２のドーム部材１２２（後述する）との間に嵌入された鍔部１４２とを有する。口金１４には、収容空間１５に対して水素ガスを充填及び排出するためのバルブ（図示せず）が取り付けられる。
第１補強層１２は、ライナー１１の外面を覆っているとともに、ライナー１１を補強して高圧タンク１０の剛性や耐圧性等の機械的強度を向上させる機能を有する。第１補強層１２は、円筒部材１２１と、円筒部材１２１の軸方向（すなわち、高圧タンク１０の軸Ｌ方向）の両端部に配置された２つのドーム部材１２２及び１２３とを有する。円筒部材１２１と、ドーム部材１２２及び１２３は一体化されている。
第１補強層１２は、樹脂及び繊維（連続繊維）によって構成されている。円筒部材１２１では、繊維は、円筒部材１２１の軸Ｌ方向に対して略直交する角度で周状に形成されている。言い換えれば、円筒部材１２１では、繊維は、円筒部材１２１の周方向に配向されている。このように円筒部材１２１に繊維が周方向に配向されることにより、内圧（ガス圧）により生じるフープ応力に対する第１補強層１２の強度を適切な量の繊維強化樹脂によって確保することができる。
一方、ドーム部材１２２及び１２３では、繊維は円筒部材１２１の周方向に配向されておらず、周方向と交差する様々な方向に向かって延びる繊維同士が重なるように配置されている。これにより、ドーム部材１２２及び１２３は、繊維によって内圧（ガス圧）により生じる応力に対する第１補強層１２の強度を適切な量の繊維強化樹脂によって確保することができる。
本実施形態では、円筒部材１２１の繊維と、ドーム部材１２２及び１２３の繊維とは連続していない（すなわち、繋がっていない）。これは、後述するように、円筒部材１２１、２つのドーム部材１２２及び１２３を別々に形成した後、円筒部材１２１の両端に２つのドーム部材１２２及び１２３を接合しているためである。
第２補強層１３は、第１補強層１２の外面を覆うように形成されている。第２補強層１３は、円筒部材１２１、ドーム部材１２２及び１２３の全体を覆っている。この第２補強層１３は、樹脂及び繊維（連続繊維）から構成されている。
以下、高圧タンク１０の製造方法を説明する。図２は高圧タンクの製造方法を示すフローチャートである。高圧タンク１０の製造方法は、ドーム部材形成工程Ｓ１と、円筒部材形成工程Ｓ２と、接合工程Ｓ３と、第２補強層形成工程Ｓ４と、ライナー形成工程Ｓ５とを含む。なお、ドーム部材形成工程Ｓ１と円筒部材形成工程Ｓ２とは、互いに独立した工程であるため、並行して行っても良いし、いずれの工程を先に行っても良い。
ドーム部材形成工程Ｓ１では、例えばフィラメントワインディング法（ＦＷ法）を用いて、樹脂が含浸された繊維束を所定の型の外面を覆うように巻回して巻回体を作製し、作製した巻回体を固化させた後にカッター等で分割することにより２つのドーム部材１２２，１２３を形成する（図３参照）。このとき、形成されるドーム部材１２２，１２３のうちの片方（本実施形態では、ドーム部材１２２）は開口部１２４を有する。このように形成されたドーム部材１２２及びドーム部材１２３は、特許請求の範囲に記載の「分割体」に相当するものである。
繊維束に含浸される樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば熱硬化性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、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好ましく、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。一般的に、エポキシ樹脂とは、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンの共重合体等であるプレポリマーと、ポリアミン等である硬化剤と、を混合して熱硬化することで得られる樹脂である。エポキシ樹脂は、未硬化状態では流動性があり、熱硬化後は強靭な架橋構造を形成する。なお、繊維束に含浸される樹脂として、熱可塑性樹脂を用いても良い。熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアクリル酸エステル、ポリイミド、ポリアミド等を用いることができる。
繊維束を構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、軽量化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。
巻回体を固化させる（言い換えれば、繊維束の樹脂を固化させる）方法としては、特に限定されるものではないが、繊維束の樹脂が熱硬化性樹脂からなる場合、樹脂を予備硬化しても良い。予備硬化の条件（温度及び時間）は、繊維束の樹脂の種類によって異なるが、繊維束の樹脂の粘度が所定の型に巻回したときの粘度（予備硬化前の粘度）よりも高くなるように設定される。ここでは、予備硬化として、繊維束の樹脂の流動性がなくなるまで繊維束を硬化させる。一方、繊維束の樹脂が熱可塑性樹脂からなる場合、樹脂が流動性を有した状態の繊維束を冷却することによって、繊維束の樹脂を固化させても良い。
このように繊維束の樹脂を固化させることによって、カッター等による切断時（すなわち、分割時）の繊維束の変形を抑制することができるとともに、所定の型から取り外す際のドーム部材１２２及び１２３の変形を抑制することができる。
円筒部材形成工程Ｓ２では、例えばＣＷ（Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｗｉｎｄｉｎｇ）法を用いて、回転する円筒金型の内面に繊維シートを貼り付けることにより円筒部材１２１を形成する。そして、繊維シートは、例えば円筒金型の周方向に配向された繊維を少なくとも有している。これにより、周方向に繊維が配向された円筒部材１２１を得られる。なお、得られた円筒部材１２１は、特許請求の範囲に記載の「分割体」に相当するものである。
繊維シートとしては、例えば、単一方向に揃えられた複数の繊維束が拘束糸で編み込まれた所謂ＵＤ（Ｕｎｉ－Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）シートや、単一方向に揃えられた複数の繊維束とこの複数の繊維束に交差する、例えば直交する複数の繊維束とが編み込まれた繊維シートなどを用いることができる。また、繊維シートとしては、予め樹脂が含浸されていない繊維シートを用いても良く、予め樹脂が含浸された繊維シートを用いても良い。
繊維シートに含浸される樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば熱硬化性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、上述の繊維束と同様、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好ましく、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。
繊維シートを構成する繊維としては、上述の繊維束と同様、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、軽量化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。
なお、円筒金型の内面に形成された円筒部材１２１は、図３に示すように、軸Ｌ方向の両端の厚みが徐々に薄くなるように形成されている。これにより、後に円筒部材１２１と２つのドーム部材１２２及び１２３とを嵌めて接合する際に、円筒部材１２１と２つのドーム部材１２２及び１２３との接合部分に段差が形成されにくくなる。このようにすれば、円筒部材１２１と２つのドーム部材１２２及び１２３との接合部分の段差に起因して、第１補強層１２と第２補強層１３との間にボイドが形成されるのを抑制することができる。
なお、円筒部材１２１の樹脂が熱硬化性樹脂からなる場合（言い換えれば、熱硬化性樹脂が含浸された繊維シートを用いた場合）、樹脂を予備硬化することで円筒部材１２１を固化させる必要がある。予備硬化の条件（温度及び時間）は、樹脂の種類によって異なるが、樹脂の粘度が円筒金型に巻回したときよりも高くなるように設定される。ここでは、予備硬化として、繊維シートの樹脂の流動性がなくなるまで繊維シートを硬化させる。
接合工程Ｓ３では、図３に示すように、円筒部材１２１の両端部と２つのドーム部材１２２及び１２３の端部とを接合して第１補強層１２を形成する。具体的には、まず、開口部１２４を有するドーム部材１２２に口金１４を装着する。このとき、装着された後の口金１４とドーム部材１２２との間に凹部１６（図４参照）を形成するように、ドーム部材１２２の内側から口金１４を開口部１２４に差し込み（図３中の矢印参照）、更に口金１４の鍔部１４２がドーム部材１２２の内側に当たるまで該口金１４を挿入する。
次に、ドーム部材１２２及び１２３の端部を外側にし、円筒部材１２１の両端部を内側にした状態でこれらの部材を嵌め合せて接合する。円筒部材１２１の端部、ドーム部材１２２の端部、及びドーム部材１２３の端部の各々は、周状に形成されているため、ドーム部材１２２の端部及びドーム部材１２３の端部の各々は、円筒部材１２１の端部に対して全周に亘って接触する。
このとき、円筒部材１２１とドーム部材１２２及び１２３との間に接着剤などを配置しても良い。このようにすれば、円筒部材１２１とドーム部材１２２及び１２３とが外れるのを抑制することができる。また、円筒部材１２１とドーム部材１２２及び１２３との隙間が埋まるため、ライナー形成工程Ｓ５において、ライナー１１となる樹脂材料が円筒部材１２１とドーム部材１２２及び１２３との隙間に流れ込むのを防止することができる。
なお、接合工程Ｓ３では、ドーム部材１２２及び１２３の端部を内側にし、円筒部材１２１の両端部を外側にした状態でこれらの部材を嵌め合せて接合しても良い。
第２補強層形成工程Ｓ４では、例えば樹脂が含浸された繊維束を用いたフィラメントワインディング法で、第１補強層１２の外面、すなわち円筒部材１２１と２つのドーム部材１２２及び１２３とを覆うように、繊維強化樹脂材料からなる第２補強層１３を形成する（図４参照）。なお、ここでは、樹脂が含浸された繊維シートを用いたシートワインディング法を利用して第２補強層１３を形成しても良い。
繊維束に含浸された樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば熱硬化性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、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好ましく、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。また、繊維束を構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、軽量化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。
続いて、繊維束が巻き付けられた第１補強層１２を熱硬化炉に搬送し、熱硬化炉で例えば１６０℃で１０分加熱することにより、繊維束の樹脂を熱硬化させる。これによって、第２補強層１３が形成される。
ドーム部材形成工程Ｓ１、円筒部材形成工程Ｓ２、接合工程Ｓ３及び第２補強層形成工程Ｓ４は、特許請求の範囲に記載の「第１工程」に相当するものである。
ライナー形成工程Ｓ５では、上述の工程で形成された第１補強層１２及び第２補強層１３について、第１補強層１２の内部に樹脂材料Ｍを流し込んだ後に、流し込んだ樹脂材料Ｍが第１補強層１２の内面を覆うようにこれらの補強層を回転させ、樹脂材料Ｍを固化させることによりライナー１１を形成する。
具体的には、図５に示すように、口金１４が装着された第１補強層１２及び第２補強層１３を水平状態で（すなわち、軸Ｌ方向が水平方向と一致するように）配置し、口金１４の開口を介して第１補強層１２の内部にノズル１８を挿入する。続いて、ノズル１８を介して第１補強層１２の内部に液体の樹脂材料Ｍを流し込み、その後、ノズル１８を口金１４から引き出し、栓部材１７で口金１４の開口を塞ぐ。
樹脂材料Ｍは、上述したように、ガスバリア性が良好な樹脂であることが好ましい。このような樹脂としては、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が挙げられるが、ポリアミドであることが好ましい。
続いて、第１補強層１２の内面を樹脂材料Ｍが覆うように第１補強層１２及び第２補強層１３を回転させる。具体的には、第１補強層１２の内部空間を必要に応じて所定温度以上に加熱して、樹脂材料Ｍが低粘度（０～０．０５Ｐａ・ｓ）で流動性を有した状態で、例えば第１補強層１２及び第２補強層１３を軸Ｌを中心として周方向に回転させることにより、先に樹脂材料Ｍを第１補強層１２の円筒部材１２１全面に接触させる。次に、口金１４側を上にした状態で第１補強層１２及び第２補強層１３を回転させることにより、樹脂材料Ｍを第１補強層１２のドーム部材１２３全面に接触させる。
その後、口金１４側を下にした状態で第１補強層１２及び第２補強層１３を垂直に配置する（図６参照）。これにより、流動性を有する樹脂材料Ｍの一部が凹部１６に流れ込み、該凹部１６に樹脂材料Ｍが溜まるので、該凹部１６にライナーの他部分よりも厚い厚肉部１１１を形成することができる。なお、このとき、口金１４側を下にした状態で第１補強層１２及び第２補強層１３を軸Ｌを中心として回転させても良い。
次に、樹脂材料Ｍを固化させる。ここで、樹脂材料Ｍが熱硬化性樹脂である場合、例えば第１補強層１２を加熱することにより、樹脂材料Ｍを硬化させてライナー１１を形成する。一方、樹脂材料Ｍが熱可塑性樹脂である場合、第１補強層１２の温度を下げることによって、樹脂材料Ｍを第１補強層１２の内面を覆うように接触させた状態で固化させ、ライナー１１を形成する。
ライナー形成工程Ｓ５は、特許請求の範囲に記載の「第２工程」に相当するものである。
本実施形態に係る高圧タンクの製造方法では、接合工程Ｓ３において口金１４を第１補強層１２との間に樹脂材料Ｍが溜まる凹部１６を形成するように第１補強層１２に装着し、ライナー形成工程Ｓ５において樹脂材料Ｍが第１補強層１２の内面を覆うように第１補強層１２を回転させた後に、口金１４側を下にした状態で樹脂材料Ｍを固化させる。このようにすれば、口金１４と第１補強層１２との間の凹部１６に樹脂材料Ｍが溜まるので、該凹部１６にライナー１１の他部分よりも厚い厚肉部１１１を形成することができる。その結果、第１補強層１２の内部に樹脂材料Ｍを流し込んでライナー１１を形成する製造方法においても、ライナー１１のうち口金１４に隣接する部分のみを厚く形成することができ、第１補強層１２と口金１４との材料伸び量の違いによるライナー１１への影響を低減することができる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述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。
１０ 高圧タンク
１１ ライナー
１２ 第１補強層
１３ 第２補強層
１４ 口金
１５ 収容空間
１６ 凹部
１７ 栓部材
１８ ノズル
１１１ 厚肉部
１１２ 薄肉部
１２１ 円筒部材
１２２，１２３ ドーム部材
１２４ 開口部
１４１ 口金本体部
１４２ 鍔部

Claims (1)

  1. ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外面を覆う補強層と、前記ライナーの内部と連通する口金とを備える高圧タンクの製造方法であって、
    ２つ以上の分割体を接合し、前記口金が装着される前記補強層を形成する第１工程と、
    前記第１工程で形成した前記補強層の内部に樹脂材料を流し込んだ後に、前記樹脂材料が前記補強層の内面を覆うように前記補強層を回転させ、前記樹脂材料を固化させることにより前記ライナーを形成する第２工程と、
    を含み、
    前記第１工程において、前記口金を前記補強層との間に前記樹脂材料が溜まる凹部を形成するように前記補強層に装着し、
    前記第２工程において、前記樹脂材料が前記補強層の内面を覆うように前記補強層を回転させた後に、前記口金側を下にした状態で前記樹脂材料を固化させることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
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