高圧タンク
【課題】簡便な手段によって、表面樹脂層の破壊を防止することが可能な樹脂製の高圧タンクを提供することである。
【解決手段】高圧タンク１０は、高圧ガスの収容空間１７を形成する樹脂製のライナー１１と、ライナー１１の外表面を被覆する繊維強化樹脂層１２と、繊維強化樹脂層１２の一部である表面樹脂層に溶剤を塗布して発泡させることで多孔化した表面発泡樹脂層１３と、を備える。表面発泡樹脂層１３は、例えば、塗布する溶剤量を適切に調整することでタンクのバースト強度を低下させることなく多孔質構造の形態を調整することができ、ガス透過性を向上させることができる。
【解決手段】高圧タンク１０は、高圧ガスの収容空間１７を形成する樹脂製のライナー１１と、ライナー１１の外表面を被覆する繊維強化樹脂層１２と、繊維強化樹脂層１２の一部である表面樹脂層に溶剤を塗布して発泡させることで多孔化した表面発泡樹脂層１３と、を備える。表面発泡樹脂層１３は、例えば、塗布する溶剤量を適切に調整することでタンクのバースト強度を低下させることなく多孔質構造の形態を調整することができ、ガス透過性を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクに係り、特に、樹脂製のライナーを繊維強化樹脂層で被覆した樹脂製の高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池の開発が盛んに行なわれ水素ガスが充填された高圧タンクが車両等に搭載される機会が増えてきたこともあり、高圧タンクの軽量化が強く要求されている。軽量性に優れた高圧タンクとして、樹脂製の高圧タンクが開発されている。図４（ａ）に示すように、樹脂製の高圧タンクは、樹脂製のライナー１１を備え、その外表面に繊維強化樹脂層１２を設けて補強した構造を有している。ここで、図４は、従来の高圧タンクの積層構造を示す図であって、後述の図２に対応する図である。
【０００３】
図４（ａ）に示すように、繊維強化樹脂層１２の表面には、通常、表面樹脂層１８が形成されている。表面樹脂層１８は、樹脂が含浸された繊維をライナー１１に巻き付けて繊維強化樹脂層１２を形成する際に、余分な樹脂が外側にブリードすることで形成される樹脂のみからなる緻密な層である。即ち、繊維強化樹脂層１２と表面樹脂層１８とは一体化した連続層である。
【０００４】
本発明に関連する技術として、特許文献１には、アルミニウム合金からなるライナーと、当該ライナーを被覆する繊維強化樹脂層を備え、当該繊維強化樹脂層の外面を熱収縮チューブで被覆した高圧タンクが開示されている。また、特許文献１には、熱収縮チューブが複数の通気孔を有しており、熱収縮チューブを熱収縮させて樹脂含浸繊維束層内部に存在している気体を樹脂含浸繊維束層外に押し出す際、樹脂含浸繊維束層の外面に達した気体は通気孔を介して熱収縮チューブの外側に排出できる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８‐３０９２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、繊維強化樹脂層１２を備える高圧タンクには、表面樹脂層１８が形成される。この表面樹脂層１８は、図４（ｂ）に示すように、ガスを遮断する機能（ガスバリア性）を有している。樹脂製の高圧タンクでは、ガスを完全に遮断するライナー１１が存在しないことから、タンクに充填されたガスは経時的にライナー１１を透過する。そして、ライナー１１を透過したガスが、樹脂のみからなる緻密な表面樹脂層１８によって遮断されるのである。
【０００７】
図４（ｃ）に示すように、表面樹脂層１８によってライナー１１を透過したガスが遮断されてガスの蓄積量が限界点に達すると、表面樹脂層１８が破壊されてガスが一気に放出することが起こり得る。このとき、ガスの放出量は安全上問題にならない程度であるが、表面樹脂層１８の破壊によって異音が発生する。また、表面樹脂層１８は、タンクに耐損傷性等を付与する保護層としての役割を持つので、破壊されると耐損傷性等が低下する可能性もある。
【０００８】
一方、特許文献１に記載の高圧タンクのように、アルミニウム合金からなる金属製ライナーを備えるタンクでは、ライナーによってガスが完全に遮断されるため表面樹脂層が破壊されるという課題が存在しない。したがって、特許文献１には、繊維強化樹脂層の表面樹脂層に関する記載が存在しない。以上のように、特許文献１の技術を含む従来技術では、樹脂製の高圧タンクにおいて、表面樹脂層の破壊を防止することは困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、表面樹脂層の破壊を防止することが可能な樹脂製の高圧タンクを提供することである。また、本発明のもう１つの目的は、従来の基本プロセスを変更することなく簡便な操作を付加するだけで、当該高圧タンクを製造できる製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る高圧タンクは、樹脂製のライナーと、ライナーの外表面を被覆する繊維強化樹脂層と、繊維強化樹脂層の外側に設けられる表面樹脂層と、を備える高圧タンクにおいて、表面樹脂層に多孔化処理を施すことで、多孔質構造を有する表面多孔質樹脂層が形成されたことを特徴とする。即ち、本発明に係る高圧タンクは、樹脂製のライナーと、繊維強化樹脂層と、多孔質構造を有する表面樹脂層である表面多孔質樹脂層と、を備える。ここで、多孔化処理としては、表面樹脂層を発泡させて多孔化する処理であることが好ましい。
【００１１】
なお、表面樹脂層は、繊維強化樹脂層の外側に別途設けた層であってもよいが、通常、繊維強化樹脂層の形成過程において余分な樹脂成分が外側にブリードすることで形成される。その場合、表面樹脂層は繊維強化樹脂層の一部を構成する。即ち、本発明に係る高圧タンクは、樹脂製のライナーと、ライナーの外表面を被覆すると共に、樹脂成分が外側にブリードして表面樹脂層が形成された繊維強化樹脂層と、を備える高圧タンクにおいて、表面樹脂層に多孔化処理を施すことで、多孔質構造を有する表面多孔質樹脂層が形成されたことを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、多孔質構造によってガス透過性が向上するため、ライナーを透過したガスがライナーの外側で遮断されることを抑制することができる。即ち、多孔質構造を有する表面樹脂層である表面多孔質樹脂層は、ライナーを透過したガスの蓄積により破壊されることがない。
【００１３】
本発明に係る高圧タンクの製造方法は、樹脂製のライナーの外表面に未硬化の樹脂成分を含む繊維を巻き付けて未硬化繊維強化樹脂層を形成する工程を備える高圧タンクの製造方法において、未硬化繊維強化樹脂層の未硬化の樹脂成分が外側にブリードして形成された未硬化表面樹脂層に溶剤を塗布して浸透させる溶剤塗布工程と、未硬化繊維強化樹脂層の樹脂成分を硬化させると共に、溶剤を蒸発除去して表面樹脂層を発泡させ多孔化する加熱処理工程と、をさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、未硬化表面樹脂層に溶剤を塗布する操作を追加するだけで、表面樹脂層を発泡させて表面多孔質樹脂層を形成することができる。ここで、溶剤としては、未硬化の樹脂成分に浸透して良好に混和（相溶化）し、加熱処理工程で容易に蒸発除去可能な溶剤を用いることが好ましい。また、タンクのバースト強度を維持しながら、ガス透過性を増加させて表面樹脂層（表面多孔質樹脂層）の破壊を防止するために、溶剤の使用量が適切な範囲に調整される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る高圧タンクによれば、表面樹脂層を多孔化する（即ち、表面多孔質樹脂層を形成する）ことで表面樹脂層の破壊を防止することができる。また、本発明に係る高圧タンクの製造方法によれば、従来の基本プロセスを変更することなく簡便な操作を付加するだけで、表面樹脂層の破壊を防止可能な高圧タンクを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る実施の形態である高圧タンクの構造を示す図である。
【図２】図１に示す高圧タンクの積層構造断面（Ａ部）を拡大した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態である高圧タンクの製造手順を示すフローチャートである。
【図４】従来技術の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面を用いて、本発明に係る高圧タンクの実施形態につき、以下詳細に説明する。以下では、高圧タンクは、燃料電池車両に搭載される高圧の水素ガスが充填されたタンクとして説明するが、その他の用途についても適用することができる。また、高圧タンク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。
【００１８】
図１及び図２を用いて高圧タンク１０の構成を説明する。図１に示すように、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水素ガス貯蔵容器である。高圧タンク１０は、ガスバリア性を有するライナー１１と、表面発泡樹脂層１３を含む繊維強化樹脂層１２と、を備える。また、高圧タンク１０には、両端に開口部が形成され、一方の開口部に口金１４が、他方の開口部にエンドボス１６が、それぞれ取り付けられている。
【００１９】
ライナー１１は、高圧の水素ガスが充填される収容空間１７を形成する樹脂製部材である。一般的に、ライナー１１は、略円筒形状等に加工可能な熱可塑性樹脂から構成される。ライナー１１を構成する樹脂は、加工性が良好であって、水素ガスを収容空間１７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、ポリエステル、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）等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００２０】
ライナー１１は、上記のように、両端にドーム部を有する略円筒形状を有している。ライナー１１の各ドーム部には、開口部がそれぞれ形成され、口金１４及びエンドボス１６がそれぞれの開口部に設けられる。詳しくは後述するように、繊維強化樹脂層１２はライナー１１の外表面に沿って形成されるので、ライナー１１の形状が高圧タンク１０の形状を決定することになる。
【００２１】
口金１４は、収容空間１７に充填された水素ガスの取り出し口である。口金１４には、例えば、バルブ１５を設置することができ、バルブ１５と嵌合する図示しない溝等が形成されている。口金１４としては、アルミニウム合金等の金属材料を所定の形状に加工したものを用いることができる。
【００２２】
エンドボス１６は、口金１４と反対側のドーム部に設けられた部材であって、繊維強化樹脂層１２を形成する際にライナー１１を回転させるシャフトを取り付けるための部材である。なお、シャフトは、エンドボス１６だけでなく口金１４にも取り付けられる。エンドボス１６は、口金１４と同様に、アルミニウム合金等の金属材料から構成できる。
【００２３】
繊維強化樹脂層１２は、ライナー１１の外表面を被覆する層であって、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。一般的に、繊維強化樹脂層１２は、熱硬化性樹脂及び強化繊維から構成される。ここで、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。強化繊維としては、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。
【００２４】
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してメチルエチルケトン（ＭＥＫ）等の溶剤に不溶となる。
【００２５】
繊維強化樹脂層１２は、未硬化の樹脂（例えば、エポキシ樹脂）が含浸された繊維（例えば、炭素繊維）をライナー１１の外表面に巻き付け、樹脂を硬化させることにより形成される。例えば、ライナー１１の口金１４とエンドボス１６にシャフトを取り付けて回転自在に支持し、回転させながら樹脂含浸繊維をヘリカル巻きとフープ巻きとを併用して巻き付ける。そして、樹脂の硬化温度で加熱して樹脂成分を硬化させる。ヘリカル巻きとフープ巻きとを併用することで、高圧タンク１０の軸方向（長手方向）及び径方向について耐圧性等の機械的強度を確保することができる。
【００２６】
表面発泡樹脂層１３は、繊維強化樹脂層１２の未硬化のエポキシ樹脂が外側にブリードして形成された表面樹脂層を発泡させて多孔化した層である。即ち、表面発泡樹脂層１３は、多孔質構造を有する表面樹脂層である。ここで、表面樹脂層（非多孔質構造）は、繊維強化樹脂層１２の形成過程、即ち、樹脂含浸繊維の巻き付け時に余分な樹脂成分が外側に押し出されて形成される樹脂のみからなる層である。即ち、表面樹脂層及びこれを多孔化した表面発泡樹脂層１３は、繊維強化樹脂層１２の一部である。なお、繊維に含浸する樹脂量を適切に調整することで、表面発泡樹脂層１３が適切な厚みに調整されてタンクの機械的強度を確保することができる。例えば、タンクの機械的強度を確保するためには、１〜２ｍｍの表面樹脂層が形成される程度の樹脂成分が通常必要である。
【００２７】
なお、表面発泡樹脂層１３は、タンクに耐損傷性等を付与する保護層として機能する。例えば、エポキシ樹脂から構成される表面発泡樹脂層１３は、強靭な樹脂であるから、耐損傷性や耐衝撃性等に優れた保護層として機能する。
【００２８】
表面発泡樹脂層１３は、上記のように、表面樹脂層を多孔化処理して得られた多孔質構造を有している。本実施形態において多孔質構造とは、多数の孔を含む構造であって、表面樹脂層を発泡させて多孔化した構造（発泡構造）である。一般的に、当該発泡構造は、独立気泡構造及び連続気泡構造の両方を含んでいる。ここで、独立気泡構造とは、孔が独立しており隣接する孔同士が繋がっていない構造であり、連続気泡構造とは、孔が繋がって連通している構造を意味する。なお、ガス透過性向上の観点から、連続気泡構造を増加させることが好ましい。
【００２９】
図２に示すように、表面発泡樹脂層１３は、ガス透過性が高いのでライナー１１を透過した水素ガスを遮蔽することなく外部に放出することが可能である。したがって、表面発泡樹脂層１３が内圧の上昇によって破壊されることはない。このような機能を有する表面発泡樹脂層１３は、従来の高圧タンクの製造工程に、未硬化表面樹脂層に対して溶剤を塗布する工程を加えることによって形成することができる。なお、発泡構造の形態（独立気泡構造、連続気泡構造）や孔のサイズ等は、例えば、使用する溶剤の種類や量によって任意に調整することができる。
【００３０】
溶剤としては、未硬化状態の樹脂との相溶性が良好であり、且つ後述の加熱処理工程における加熱温度よりも沸点が低いものが好ましい。繊維強化樹脂層１２（表面発泡樹脂層１３）を構成する樹脂がエポキシ樹脂である場合には、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、トルエン、ジメチルアセトアミド、アセトン等を適用することができ、特に、ＭＥＫを用いることが好ましい。また、２種類以上の溶剤を混合して、相溶性や蒸発温度を調整することもできる。
【００３１】
溶剤の使用量は、エポキシ樹脂、ＭＥＫを例に挙げると、未硬化表面樹脂層のエポキシ樹脂重量に対して、例えば、１％（１重量％）とすることができる。溶剤を１重量％程度塗布すると良好な多孔質構造を形成することができ、タンクのバースト強度が低下することなく表面発泡樹脂層１３の破壊を防止することができる。なお、溶剤の使用量が多すぎると、溶剤が繊維強化樹脂層１２まで浸透してタンクのバースト強度が低下する。一方、溶剤の量が少なすぎる場合は、ガス透過性を十分に向上させることができず表面発泡樹脂層１３が破壊されるおそれがある。
【００３２】
図３を用いて、上記構成を備える高圧タンク１０の製造手順を以下説明する。図３は、高圧タンク１０の製造手順を示すフローチャートであり、口金１４及びエンドボス１６を取り付けたライナー１１に繊維強化樹脂層１２を被覆する手順以降を示している。
【００３３】
まず初めに、ライナー１１の口金１４とエンドボス１６にシャフトを取り付けて回転自在に支持する。そして、ライナー１１を回転させながら、ライナー１１の外表面を被覆するように未硬化樹脂が含浸された繊維を巻き付ける（Ｓ１０）。巻き付け手法は、略軸方向に沿って巻き付ける所謂ヘリカル巻き、及び略径方向に沿って巻き付ける所謂ループ巻きがあって、両者が交互に行なわれることが好ましい。この工程によって、ライナー１１の外表面に未硬化繊維強化樹脂層が形成される。
【００３４】
さらに、Ｓ１０の繊維の巻き付け工程において、繊維に含浸された余分な未硬化樹脂が外側にブリードすることで、未硬化繊維強化樹脂層の外表面に未硬化樹脂のみからなる未硬化表面樹脂層が形成される。例えば、未硬化繊維強化樹脂層の厚みが２〜３ｍｍであり、表面樹脂層の厚みが１〜２ｍｍである。
【００３５】
次に、ＭＥＫ等の溶剤を未硬化表面樹脂層に塗布して浸透させる（Ｓ１１）。具体的には、スプレー等の塗布器を用いて、未硬化表面樹脂層の全体に溶剤を均一に噴霧する。上記のように、溶剤としては、未硬化樹脂との混和性（相溶性）が良好で内部に浸透可能なものであって、後述の加熱処理工程の加熱温度よりも沸点の低い溶剤が好ましい。また、溶剤の使用量は、例えば、未硬化表面樹脂層を構成する樹脂重量に対して１重量％程度であることが好ましい。
【００３６】
次に、未硬化樹脂を硬化させるための加熱処理を行う（Ｓ１２）。当該加熱処理工程は、表面樹脂層を発泡させて多孔質構造を形成するための工程でもある。例えば、樹脂がエポキシ樹脂である場合、その硬化温度は１４０℃〜１５０℃である。未硬化表面樹脂層に塗布された溶剤は、１４０℃〜１５０℃の高温で蒸発除去されるので、溶剤が存在した部分が孔となって多孔質構造が得られる。このようにして、樹脂成分が硬化して繊維強化樹脂層１２が形成されると共に、多孔質構造を有する表面発泡樹脂層１３が形成される。
【００３７】
以上のように、従来の製造プロセスに溶剤を塗布する操作を追加するだけで、樹脂製のライナー１１と、ライナー１１の外表面を被覆する繊維強化樹脂層１２と、繊維強化樹脂層１２の表面に形成される表面発泡樹脂層１３と、を備える高圧タンク１０が得られる。高圧タンク１０は、表面樹脂層が発泡して多孔化した表面発泡樹脂層１３であるためガス透過性が高く、ライナー１１を透過したガスがライナー１１の外部で遮断されることを抑制することができる。即ち、多孔質構造を有する表面樹脂層である表面発泡樹脂層１３は、ライナー１１を透過したガスの蓄積により破壊されることがない。
【００３８】
表面発泡樹脂層１３の多孔質構造は、塗布する溶剤量等を適切に調整することで良好な形態に調整可能である。即ち、高圧タンク１０によれば、塗布する溶剤量等を適切に調整することで表面樹脂層のみを多孔化処理することができ、高いバースト強度を維持しながら表面樹脂層（表面発泡樹脂層１３）のガス透過性を向上させて破壊を防止することができる。
【００３９】
なお、タンクのバースト強度を低下させることなく、樹脂成分のブリードを抑えて繊維強化樹脂層を形成できた場合には、保護層として繊維強化樹脂層とは別の表面多孔質樹脂層を設けることもできる。その場合、当該表面多孔質樹脂層は、ガスの遮断による破壊を防止するために、上記の表面発泡樹脂層１３と同様の多孔質構造を有する必要がある。
【符号の説明】
【００４０】
１０ 高圧タンク、１１ ライナー、１２ 繊維強化樹脂層、１３ 表面発泡樹脂層、１４ 口金、１５ バルブ、１６ エンドボス、１７ 収容空間、１８ 表面樹脂層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクに係り、特に、樹脂製のライナーを繊維強化樹脂層で被覆した樹脂製の高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池の開発が盛んに行なわれ水素ガスが充填された高圧タンクが車両等に搭載される機会が増えてきたこともあり、高圧タンクの軽量化が強く要求されている。軽量性に優れた高圧タンクとして、樹脂製の高圧タンクが開発されている。図４（ａ）に示すように、樹脂製の高圧タンクは、樹脂製のライナー１１を備え、その外表面に繊維強化樹脂層１２を設けて補強した構造を有している。ここで、図４は、従来の高圧タンクの積層構造を示す図であって、後述の図２に対応する図である。
【０００３】
図４（ａ）に示すように、繊維強化樹脂層１２の表面には、通常、表面樹脂層１８が形成されている。表面樹脂層１８は、樹脂が含浸された繊維をライナー１１に巻き付けて繊維強化樹脂層１２を形成する際に、余分な樹脂が外側にブリードすることで形成される樹脂のみからなる緻密な層である。即ち、繊維強化樹脂層１２と表面樹脂層１８とは一体化した連続層である。
【０００４】
本発明に関連する技術として、特許文献１には、アルミニウム合金からなるライナーと、当該ライナーを被覆する繊維強化樹脂層を備え、当該繊維強化樹脂層の外面を熱収縮チューブで被覆した高圧タンクが開示されている。また、特許文献１には、熱収縮チューブが複数の通気孔を有しており、熱収縮チューブを熱収縮させて樹脂含浸繊維束層内部に存在している気体を樹脂含浸繊維束層外に押し出す際、樹脂含浸繊維束層の外面に達した気体は通気孔を介して熱収縮チューブの外側に排出できる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８‐３０９２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、繊維強化樹脂層１２を備える高圧タンクには、表面樹脂層１８が形成される。この表面樹脂層１８は、図４（ｂ）に示すように、ガスを遮断する機能（ガスバリア性）を有している。樹脂製の高圧タンクでは、ガスを完全に遮断するライナー１１が存在しないことから、タンクに充填されたガスは経時的にライナー１１を透過する。そして、ライナー１１を透過したガスが、樹脂のみからなる緻密な表面樹脂層１８によって遮断されるのである。
【０００７】
図４（ｃ）に示すように、表面樹脂層１８によってライナー１１を透過したガスが遮断されてガスの蓄積量が限界点に達すると、表面樹脂層１８が破壊されてガスが一気に放出することが起こり得る。このとき、ガスの放出量は安全上問題にならない程度であるが、表面樹脂層１８の破壊によって異音が発生する。また、表面樹脂層１８は、タンクに耐損傷性等を付与する保護層としての役割を持つので、破壊されると耐損傷性等が低下する可能性もある。
【０００８】
一方、特許文献１に記載の高圧タンクのように、アルミニウム合金からなる金属製ライナーを備えるタンクでは、ライナーによってガスが完全に遮断されるため表面樹脂層が破壊されるという課題が存在しない。したがって、特許文献１には、繊維強化樹脂層の表面樹脂層に関する記載が存在しない。以上のように、特許文献１の技術を含む従来技術では、樹脂製の高圧タンクにおいて、表面樹脂層の破壊を防止することは困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、表面樹脂層の破壊を防止することが可能な樹脂製の高圧タンクを提供することである。また、本発明のもう１つの目的は、従来の基本プロセスを変更することなく簡便な操作を付加するだけで、当該高圧タンクを製造できる製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る高圧タンクは、樹脂製のライナーと、ライナーの外表面を被覆する繊維強化樹脂層と、繊維強化樹脂層の外側に設けられる表面樹脂層と、を備える高圧タンクにおいて、表面樹脂層に多孔化処理を施すことで、多孔質構造を有する表面多孔質樹脂層が形成されたことを特徴とする。即ち、本発明に係る高圧タンクは、樹脂製のライナーと、繊維強化樹脂層と、多孔質構造を有する表面樹脂層である表面多孔質樹脂層と、を備える。ここで、多孔化処理としては、表面樹脂層を発泡させて多孔化する処理であることが好ましい。
【００１１】
なお、表面樹脂層は、繊維強化樹脂層の外側に別途設けた層であってもよいが、通常、繊維強化樹脂層の形成過程において余分な樹脂成分が外側にブリードすることで形成される。その場合、表面樹脂層は繊維強化樹脂層の一部を構成する。即ち、本発明に係る高圧タンクは、樹脂製のライナーと、ライナーの外表面を被覆すると共に、樹脂成分が外側にブリードして表面樹脂層が形成された繊維強化樹脂層と、を備える高圧タンクにおいて、表面樹脂層に多孔化処理を施すことで、多孔質構造を有する表面多孔質樹脂層が形成されたことを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、多孔質構造によってガス透過性が向上するため、ライナーを透過したガスがライナーの外側で遮断されることを抑制することができる。即ち、多孔質構造を有する表面樹脂層である表面多孔質樹脂層は、ライナーを透過したガスの蓄積により破壊されることがない。
【００１３】
本発明に係る高圧タンクの製造方法は、樹脂製のライナーの外表面に未硬化の樹脂成分を含む繊維を巻き付けて未硬化繊維強化樹脂層を形成する工程を備える高圧タンクの製造方法において、未硬化繊維強化樹脂層の未硬化の樹脂成分が外側にブリードして形成された未硬化表面樹脂層に溶剤を塗布して浸透させる溶剤塗布工程と、未硬化繊維強化樹脂層の樹脂成分を硬化させると共に、溶剤を蒸発除去して表面樹脂層を発泡させ多孔化する加熱処理工程と、をさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、未硬化表面樹脂層に溶剤を塗布する操作を追加するだけで、表面樹脂層を発泡させて表面多孔質樹脂層を形成することができる。ここで、溶剤としては、未硬化の樹脂成分に浸透して良好に混和（相溶化）し、加熱処理工程で容易に蒸発除去可能な溶剤を用いることが好ましい。また、タンクのバースト強度を維持しながら、ガス透過性を増加させて表面樹脂層（表面多孔質樹脂層）の破壊を防止するために、溶剤の使用量が適切な範囲に調整される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る高圧タンクによれば、表面樹脂層を多孔化する（即ち、表面多孔質樹脂層を形成する）ことで表面樹脂層の破壊を防止することができる。また、本発明に係る高圧タンクの製造方法によれば、従来の基本プロセスを変更することなく簡便な操作を付加するだけで、表面樹脂層の破壊を防止可能な高圧タンクを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る実施の形態である高圧タンクの構造を示す図である。
【図２】図１に示す高圧タンクの積層構造断面（Ａ部）を拡大した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態である高圧タンクの製造手順を示すフローチャートである。
【図４】従来技術の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面を用いて、本発明に係る高圧タンクの実施形態につき、以下詳細に説明する。以下では、高圧タンクは、燃料電池車両に搭載される高圧の水素ガスが充填されたタンクとして説明するが、その他の用途についても適用することができる。また、高圧タンク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。
【００１８】
図１及び図２を用いて高圧タンク１０の構成を説明する。図１に示すように、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水素ガス貯蔵容器である。高圧タンク１０は、ガスバリア性を有するライナー１１と、表面発泡樹脂層１３を含む繊維強化樹脂層１２と、を備える。また、高圧タンク１０には、両端に開口部が形成され、一方の開口部に口金１４が、他方の開口部にエンドボス１６が、それぞれ取り付けられている。
【００１９】
ライナー１１は、高圧の水素ガスが充填される収容空間１７を形成する樹脂製部材である。一般的に、ライナー１１は、略円筒形状等に加工可能な熱可塑性樹脂から構成される。ライナー１１を構成する樹脂は、加工性が良好であって、水素ガスを収容空間１７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、ポリエステル、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）等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００２０】
ライナー１１は、上記のように、両端にドーム部を有する略円筒形状を有している。ライナー１１の各ドーム部には、開口部がそれぞれ形成され、口金１４及びエンドボス１６がそれぞれの開口部に設けられる。詳しくは後述するように、繊維強化樹脂層１２はライナー１１の外表面に沿って形成されるので、ライナー１１の形状が高圧タンク１０の形状を決定することになる。
【００２１】
口金１４は、収容空間１７に充填された水素ガスの取り出し口である。口金１４には、例えば、バルブ１５を設置することができ、バルブ１５と嵌合する図示しない溝等が形成されている。口金１４としては、アルミニウム合金等の金属材料を所定の形状に加工したものを用いることができる。
【００２２】
エンドボス１６は、口金１４と反対側のドーム部に設けられた部材であって、繊維強化樹脂層１２を形成する際にライナー１１を回転させるシャフトを取り付けるための部材である。なお、シャフトは、エンドボス１６だけでなく口金１４にも取り付けられる。エンドボス１６は、口金１４と同様に、アルミニウム合金等の金属材料から構成できる。
【００２３】
繊維強化樹脂層１２は、ライナー１１の外表面を被覆する層であって、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。一般的に、繊維強化樹脂層１２は、熱硬化性樹脂及び強化繊維から構成される。ここで、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。強化繊維としては、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。
【００２４】
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してメチルエチルケトン（ＭＥＫ）等の溶剤に不溶となる。
【００２５】
繊維強化樹脂層１２は、未硬化の樹脂（例えば、エポキシ樹脂）が含浸された繊維（例えば、炭素繊維）をライナー１１の外表面に巻き付け、樹脂を硬化させることにより形成される。例えば、ライナー１１の口金１４とエンドボス１６にシャフトを取り付けて回転自在に支持し、回転させながら樹脂含浸繊維をヘリカル巻きとフープ巻きとを併用して巻き付ける。そして、樹脂の硬化温度で加熱して樹脂成分を硬化させる。ヘリカル巻きとフープ巻きとを併用することで、高圧タンク１０の軸方向（長手方向）及び径方向について耐圧性等の機械的強度を確保することができる。
【００２６】
表面発泡樹脂層１３は、繊維強化樹脂層１２の未硬化のエポキシ樹脂が外側にブリードして形成された表面樹脂層を発泡させて多孔化した層である。即ち、表面発泡樹脂層１３は、多孔質構造を有する表面樹脂層である。ここで、表面樹脂層（非多孔質構造）は、繊維強化樹脂層１２の形成過程、即ち、樹脂含浸繊維の巻き付け時に余分な樹脂成分が外側に押し出されて形成される樹脂のみからなる層である。即ち、表面樹脂層及びこれを多孔化した表面発泡樹脂層１３は、繊維強化樹脂層１２の一部である。なお、繊維に含浸する樹脂量を適切に調整することで、表面発泡樹脂層１３が適切な厚みに調整されてタンクの機械的強度を確保することができる。例えば、タンクの機械的強度を確保するためには、１〜２ｍｍの表面樹脂層が形成される程度の樹脂成分が通常必要である。
【００２７】
なお、表面発泡樹脂層１３は、タンクに耐損傷性等を付与する保護層として機能する。例えば、エポキシ樹脂から構成される表面発泡樹脂層１３は、強靭な樹脂であるから、耐損傷性や耐衝撃性等に優れた保護層として機能する。
【００２８】
表面発泡樹脂層１３は、上記のように、表面樹脂層を多孔化処理して得られた多孔質構造を有している。本実施形態において多孔質構造とは、多数の孔を含む構造であって、表面樹脂層を発泡させて多孔化した構造（発泡構造）である。一般的に、当該発泡構造は、独立気泡構造及び連続気泡構造の両方を含んでいる。ここで、独立気泡構造とは、孔が独立しており隣接する孔同士が繋がっていない構造であり、連続気泡構造とは、孔が繋がって連通している構造を意味する。なお、ガス透過性向上の観点から、連続気泡構造を増加させることが好ましい。
【００２９】
図２に示すように、表面発泡樹脂層１３は、ガス透過性が高いのでライナー１１を透過した水素ガスを遮蔽することなく外部に放出することが可能である。したがって、表面発泡樹脂層１３が内圧の上昇によって破壊されることはない。このような機能を有する表面発泡樹脂層１３は、従来の高圧タンクの製造工程に、未硬化表面樹脂層に対して溶剤を塗布する工程を加えることによって形成することができる。なお、発泡構造の形態（独立気泡構造、連続気泡構造）や孔のサイズ等は、例えば、使用する溶剤の種類や量によって任意に調整することができる。
【００３０】
溶剤としては、未硬化状態の樹脂との相溶性が良好であり、且つ後述の加熱処理工程における加熱温度よりも沸点が低いものが好ましい。繊維強化樹脂層１２（表面発泡樹脂層１３）を構成する樹脂がエポキシ樹脂である場合には、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、トルエン、ジメチルアセトアミド、アセトン等を適用することができ、特に、ＭＥＫを用いることが好ましい。また、２種類以上の溶剤を混合して、相溶性や蒸発温度を調整することもできる。
【００３１】
溶剤の使用量は、エポキシ樹脂、ＭＥＫを例に挙げると、未硬化表面樹脂層のエポキシ樹脂重量に対して、例えば、１％（１重量％）とすることができる。溶剤を１重量％程度塗布すると良好な多孔質構造を形成することができ、タンクのバースト強度が低下することなく表面発泡樹脂層１３の破壊を防止することができる。なお、溶剤の使用量が多すぎると、溶剤が繊維強化樹脂層１２まで浸透してタンクのバースト強度が低下する。一方、溶剤の量が少なすぎる場合は、ガス透過性を十分に向上させることができず表面発泡樹脂層１３が破壊されるおそれがある。
【００３２】
図３を用いて、上記構成を備える高圧タンク１０の製造手順を以下説明する。図３は、高圧タンク１０の製造手順を示すフローチャートであり、口金１４及びエンドボス１６を取り付けたライナー１１に繊維強化樹脂層１２を被覆する手順以降を示している。
【００３３】
まず初めに、ライナー１１の口金１４とエンドボス１６にシャフトを取り付けて回転自在に支持する。そして、ライナー１１を回転させながら、ライナー１１の外表面を被覆するように未硬化樹脂が含浸された繊維を巻き付ける（Ｓ１０）。巻き付け手法は、略軸方向に沿って巻き付ける所謂ヘリカル巻き、及び略径方向に沿って巻き付ける所謂ループ巻きがあって、両者が交互に行なわれることが好ましい。この工程によって、ライナー１１の外表面に未硬化繊維強化樹脂層が形成される。
【００３４】
さらに、Ｓ１０の繊維の巻き付け工程において、繊維に含浸された余分な未硬化樹脂が外側にブリードすることで、未硬化繊維強化樹脂層の外表面に未硬化樹脂のみからなる未硬化表面樹脂層が形成される。例えば、未硬化繊維強化樹脂層の厚みが２〜３ｍｍであり、表面樹脂層の厚みが１〜２ｍｍである。
【００３５】
次に、ＭＥＫ等の溶剤を未硬化表面樹脂層に塗布して浸透させる（Ｓ１１）。具体的には、スプレー等の塗布器を用いて、未硬化表面樹脂層の全体に溶剤を均一に噴霧する。上記のように、溶剤としては、未硬化樹脂との混和性（相溶性）が良好で内部に浸透可能なものであって、後述の加熱処理工程の加熱温度よりも沸点の低い溶剤が好ましい。また、溶剤の使用量は、例えば、未硬化表面樹脂層を構成する樹脂重量に対して１重量％程度であることが好ましい。
【００３６】
次に、未硬化樹脂を硬化させるための加熱処理を行う（Ｓ１２）。当該加熱処理工程は、表面樹脂層を発泡させて多孔質構造を形成するための工程でもある。例えば、樹脂がエポキシ樹脂である場合、その硬化温度は１４０℃〜１５０℃である。未硬化表面樹脂層に塗布された溶剤は、１４０℃〜１５０℃の高温で蒸発除去されるので、溶剤が存在した部分が孔となって多孔質構造が得られる。このようにして、樹脂成分が硬化して繊維強化樹脂層１２が形成されると共に、多孔質構造を有する表面発泡樹脂層１３が形成される。
【００３７】
以上のように、従来の製造プロセスに溶剤を塗布する操作を追加するだけで、樹脂製のライナー１１と、ライナー１１の外表面を被覆する繊維強化樹脂層１２と、繊維強化樹脂層１２の表面に形成される表面発泡樹脂層１３と、を備える高圧タンク１０が得られる。高圧タンク１０は、表面樹脂層が発泡して多孔化した表面発泡樹脂層１３であるためガス透過性が高く、ライナー１１を透過したガスがライナー１１の外部で遮断されることを抑制することができる。即ち、多孔質構造を有する表面樹脂層である表面発泡樹脂層１３は、ライナー１１を透過したガスの蓄積により破壊されることがない。
【００３８】
表面発泡樹脂層１３の多孔質構造は、塗布する溶剤量等を適切に調整することで良好な形態に調整可能である。即ち、高圧タンク１０によれば、塗布する溶剤量等を適切に調整することで表面樹脂層のみを多孔化処理することができ、高いバースト強度を維持しながら表面樹脂層（表面発泡樹脂層１３）のガス透過性を向上させて破壊を防止することができる。
【００３９】
なお、タンクのバースト強度を低下させることなく、樹脂成分のブリードを抑えて繊維強化樹脂層を形成できた場合には、保護層として繊維強化樹脂層とは別の表面多孔質樹脂層を設けることもできる。その場合、当該表面多孔質樹脂層は、ガスの遮断による破壊を防止するために、上記の表面発泡樹脂層１３と同様の多孔質構造を有する必要がある。
【符号の説明】
【００４０】
１０ 高圧タンク、１１ ライナー、１２ 繊維強化樹脂層、１３ 表面発泡樹脂層、１４ 口金、１５ バルブ、１６ エンドボス、１７ 収容空間、１８ 表面樹脂層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂製のライナーと、
ライナーの外表面を被覆する繊維強化樹脂層と、
繊維強化樹脂層の外側に設けられる表面樹脂層と、
を備える高圧タンクにおいて、
表面樹脂層に多孔化処理を施すことで、多孔質構造を有する表面多孔質樹脂層が形成された高圧タンク。
【請求項２】
樹脂製のライナーと、
ライナーの外表面を被覆すると共に、樹脂成分が外側にブリードして表面樹脂層が形成された繊維強化樹脂層と、
を備える高圧タンクにおいて、
表面樹脂層に多孔化処理を施すことで、多孔質構造を有する表面多孔質樹脂層が形成された高圧タンク。
【請求項３】
樹脂製のライナーの外表面に未硬化の樹脂成分を含む繊維を巻き付けて未硬化繊維強化樹脂層を形成する工程を備える高圧タンクの製造方法において、
未硬化繊維強化樹脂層の未硬化の樹脂成分が外側にブリードして形成された未硬化表面樹脂層に溶剤を塗布して浸透させる工程と、
未硬化繊維強化樹脂層の樹脂成分を硬化させると共に、溶剤を蒸発除去して表面樹脂層を発泡させ多孔化する加熱処理工程と、
をさらに備えることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項１】
樹脂製のライナーと、
ライナーの外表面を被覆する繊維強化樹脂層と、
繊維強化樹脂層の外側に設けられる表面樹脂層と、
を備える高圧タンクにおいて、
表面樹脂層に多孔化処理を施すことで、多孔質構造を有する表面多孔質樹脂層が形成された高圧タンク。
【請求項２】
樹脂製のライナーと、
ライナーの外表面を被覆すると共に、樹脂成分が外側にブリードして表面樹脂層が形成された繊維強化樹脂層と、
を備える高圧タンクにおいて、
表面樹脂層に多孔化処理を施すことで、多孔質構造を有する表面多孔質樹脂層が形成された高圧タンク。
【請求項３】
樹脂製のライナーの外表面に未硬化の樹脂成分を含む繊維を巻き付けて未硬化繊維強化樹脂層を形成する工程を備える高圧タンクの製造方法において、
未硬化繊維強化樹脂層の未硬化の樹脂成分が外側にブリードして形成された未硬化表面樹脂層に溶剤を塗布して浸透させる工程と、
未硬化繊維強化樹脂層の樹脂成分を硬化させると共に、溶剤を蒸発除去して表面樹脂層を発泡させ多孔化する加熱処理工程と、
をさらに備えることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１４４８６０（Ｐ２０１１−１４４８６０Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２４７（Ｐ２０１０−５２４７）
【出願日】平成２２年１月１３日（２０１０．１．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１３日（２０１０．１．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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