(57)【要約】【課題】ＦＲＰ成形体において、内層の繊維体積含有率が高くなるのを抑制する。【解決手段】ライナ１０と、該ライナの外層に形成された、繊維及び熱硬化性樹脂を含む複数の樹脂含浸繊維層２０と、ライナ１０の外層に形成された、繊維とエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とを含む複数のブロック層３０とを備え、樹脂含浸繊維層２０とブロック層３０とが交互に積層されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナと、
前記ライナの外層に形成された、繊維及び熱硬化性樹脂を含む第１の層と、
前記第１の層の外層に形成された、繊維とエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とを含む第２の層と、
を備えるＦＲＰ成形体。
【請求項２】
ライナと、
前記ライナの外層に形成された、繊維及び熱硬化性樹脂を含む複数の第１の層と、
前記ライナの外層に形成された、繊維とエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とを含む複数の第２の層と、
を備え、
前記第１の層と前記第２の層とが交互に積層されている、ＦＲＰ成形体。
【請求項３】
前記第２の層に含まれるエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂は、前記第１の層に含まれる熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高い融点又は分解温度を有する、請求項１又は２記載のＦＲＰ成形体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載のＦＲＰ成形体を備えるガスタンク。
【請求項５】
ライナの外層に、未硬化の状態の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻き付けることにより、第１の層を形成する工程（ａ）と、
前記第１の層の外層に、繊維とエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを巻き付けることにより、第２の層を形成する工程（ｂ）と、
を備えるＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項６】
工程（ａ）と工程（ｂ）とをさらに交互に繰り返すことを含む請求項５記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項７】
前記プリプレグは、テープ状又はシート状に成形されている、請求項５又は６記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項８】
前記プリプレグに含まれるエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂は、前記第１の層に含まれる熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高い融点又は分解温度を有する、請求項５〜７のいずれか１項記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項９】
工程（ｂ）の後で、前記第１の層を熱硬化させる工程をさらに具備する請求項８記載のＦＲＰ成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンクや配管などの成形体及びその製造方法に関し、特に、樹脂含浸繊維を硬化させてなるＦＲＰ（繊維強化プラスチック）成形体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムに用いられる高圧水素タンクの開発が進んでいる。特に、車載用の燃料電池システムにおいては、強度や軽量化等の観点から、ＦＲＰ製のガスタンクが有力視されている。
【０００３】
この種の高圧水素タンクの製造は、一般に、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」という。）を用いて行われる。具体的には、ＦＷ法により樹脂含浸繊維をライナ（内容器）に巻き付け、その後、樹脂含浸繊維の樹脂を加熱して硬化させる。それにより、ライナの外表面を覆う樹脂含浸繊維層が形成され、高圧水素タンクの強度が確保される。この樹脂含浸繊維層は、例えばＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）からなる。
【０００４】
ところが、ＦＷ法によってＦＲＰ成形体を作製すると、外層よりも内層側において、繊維体積含有率（fiber volume content：Ｖｆ）が高くなるという問題が生じている（以下において、「高Ｖｆ化」ともいう）。その主な理由として、次の３つが挙げられる。第１に、樹脂含浸繊維をライナに巻き付ける際に、樹脂含浸繊維に張力が付与される。この張力による巻き締め効果により、樹脂含浸繊維をライナに巻き付けていくに従って、つまり積層がすすむに従って、内層ほど、せっかく含浸させた樹脂が染み出してしまう。第２に、ＦＲＰ成形体を熱硬化させる際に、樹脂が高温になると一旦粘度が低下するので、樹脂含浸繊維からの樹脂の染み出しが促進される。第３に、ＦＷを行っている間に受ける遠心力により、樹脂がライナの外層に向かって染み出しやすくなる。
【０００５】
ところが、ＦＲＰ成形体の内側の層が高Ｖｆ化すると、その層における樹脂の割合が相対的に低下する。また、外側の層においては、反対に、Ｖｆが低下して樹脂の割合が高くなる。このように、Ｖｆがばらつくと、ＦＲＰ成形体の機械的強度等の特性に影響を及ぼすおそれがある。
【０００６】
関連する技術として、特許文献１には、充填容体の外周に補強層を設けたＦＲＰ製圧力容器の製造方法が開示されている。また、特許文献２には、ライナの外周に、互いに種類の異なる複数の層が設けられた高圧タンク及びその製造方法が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１３９９２号公報
【特許文献２】特開２００５−３６９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これらの特許文献１及び２のいずれにおいても、繊維堆積含有率を制御することについては一切に触れられていない。
そこで、上記の問題点に鑑み、本発明は、ＦＲＰ成形体において、内層の高Ｖｆ化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るＦＲＰ成形体は、ライナと、前記ライナの外層に形成された、繊維及び熱硬化性樹脂を含む第１の層と、前記第１の層の外層に形成された、繊維とエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とを含む第２の層とを備える。
【０００９】
かかる構成とすることにより、第１の層に含まれる熱硬化性樹脂が未硬化状態であっても、第１の層の繊維間からの熱硬化性樹脂の染み出しは、第２の層によりブロックされる。
【００１０】
また、本発明の第２の観点に係るＦＲＰ成形体は、ライナと、前記ライナの外層に形成された、繊維及び熱硬化性樹脂を含む複数の第１の層と、前記ライナの外層に形成された、繊維とエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とを含む複数の第２の層とを備え、前記第１の層と前記第２の層とが交互に積層されている。
【００１１】
かかる構成とすることにより、第１の層の熱硬化樹脂が未硬化状態であっても、第１の層の繊維間からの熱硬化性樹脂の染み出しは、第２の層によりブロックされる。それにより、複数の第１の層において繊維体積含有率がほぼ均一となり、内側の層の高Ｖｆ化が抑制される。
【００１２】
ここで、前記第２の層に含まれるエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂は、前記第１の層に含まれる熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高い融点又は分解温度を有しており、それにより、第１の層を熱硬化させる際に熱硬化性樹脂の粘度が一旦低下しても、そのような樹脂の染み出しは第２の層によりブロックされる。
【００１３】
前記ＦＲＰ成形体を備えたガスタンクにおいては、例えば機械的強度等の特性の低下を抑制することができる。
【００１４】
本発明の１つの観点に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、ライナの外層に、未硬化の状態の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻き付けることにより、第１の層を形成する工程（ａ）と、前記第１の層の外層に、繊維とエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを巻き付けることにより、第２の層を形成する工程（ｂ）とを備える。
かかる構成とすることにより、第１の層の繊維間からの熱硬化性樹脂の染み出しは、第２の層によりブロックされる。
【００１５】
また、工程（ａ）と工程（ｂ）とをさらに交互に繰り返すことにより、第１の層における熱硬化性樹脂の染み出しは、その上層に形成される第２の層によりブロックされる。それにより、複数の第１の層の間における繊維体積含有率がほぼ均一となり、内側の層の高Ｖｆ化が抑制される。
【００１６】
ここで、前記プリプレグとして、テープ状又はシート状に成形されたものを用いることにより、第１の層の広い範囲を連続して覆うことができるので、熱硬化性樹脂の染み出しを効率的に抑制することができる。また、例えばテープワインディング法やシートワインディング法を利用できるので、第２の層を容易に形成することができる。
【００１７】
ここで、前記プリプレグに含まれるエラストマー状熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂は、前記第１の層に含まれる熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高い融点又は分解温度を有しても良い。
【００１８】
それにより、工程（ｂ）の後で、前記第１の層を熱硬化させる際に、第１の層に含まれる熱硬化性樹脂の粘度が一旦低下しても、そのような樹脂の染み出しは第２の層によりブロックされる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１の層の繊維間からの樹脂の染み出しが第２の層によりブロックされるので、内側の層に繊維が集中して高Ｖｆ化するのを抑制することができる。従って、ＦＲＰ成形体を含むガスタンク等の製品の特性（例えば、機械的強度）の低下を抑制することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＦＲＰ成形体の構造を示す断面図である。また、図２は、図１に示す一点鎖線IIで囲む部分の断面を拡大して示す模式図である。本実施形態に係るＦＲＰ成形体は、高圧ガスが充填されるガスタンクの本体部分（ガスタンク本体１）である。このようなガスタンクは、例えば、燃料電池システムに備えられる燃料ガス（例えば、水素ガス）が充填される高圧ガスタンクとして用いられる。なお、燃料電池システムとしては、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型であっても良い。
【００２１】
図１に示すガスタンク本体１は、ライナ１０と、ライナ１０の外面を交互に覆う複数の樹脂含浸繊維層２０及びブロック層３０を含んでいる。ガスタンクの内部に充填されるガスは、ガスタンク本体１の軸方向の一端部又は両端部の中心に形成された開口部（図示省略）を介して供給又は排出される。
【００２２】
ライナ１０は、ガスタンク本体１の内殻又は内容器とも換言される部分であり、内部に貯留空間が画成されるように、中空状に形成されている。また、ライナ１０は、ガスバリア性を有し、充填されるガスの外部への透過を抑制する。ライナ１０の材質は、特に制限されるものではなく、例えば、金属のほか、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂が挙げられる。
【００２３】
樹脂含浸繊維層２０及びブロック層３０は、ガスタンク本体１に強度を付与する補強層である。
図２に示すように、樹脂含浸繊維層２０は、未硬化の状態（液体状又はゲル状）の樹脂２２を含浸させた繊維２１を、内層（ライナ１０又はブロック層３０）の外周に巻き付けることによって形成されている。
【００２４】
繊維２１としては、例えば、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維、といった無機繊維や、アラミド繊維等の合成有機繊維や、綿等の天然有機繊維が用いられる。これらの繊維は、単独で使用しても良いし、混合して（混繊として）使用しても良い。本実施形態においては、繊維２１としてカーボン繊維を用いている。
また、樹脂２２としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。本実施形態においては、熱硬化性エポキシ樹脂を用いている。
【００２５】
一方、ブロック層３０は、繊維３１及び樹脂３２を含むテープ状のプリプレグを樹脂含浸繊維層２０の外周に巻き付けることによって形成されている。
繊維３１としては、繊維２１と同様に、カーボン繊維等の無機繊維や、合成又は天然の有機繊維を用いることができ、本実施形態においては、カーボン繊維を用いている。
【００２６】
また、樹脂３２としては、エラストマー状硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂であって、一旦硬化又は固体化させた後では、少なくとも常温から樹脂２２の硬化温度の範囲において固体状を維持できる樹脂（即ち、樹脂２２の硬化温度よりも、融点又は分解温度が高い樹脂）が用いられる。その理由は、ＦＲＰ成形体の製造工程における温度範囲内において、テープ状のプリプレグの液体に対する非透過性を維持するためである。樹脂３２に用いられる材料として、具体的には、例えば、ビニル樹脂や、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリサルフォン、ポリエーテルイミド等が挙げられる。本実施形態においては、樹脂２２としてエポキシ樹脂を用いているので、繊維３１及び樹脂３２を含むテープ状のプリプレグとして、１５０℃以上の耐熱性を有する住友ベークライト株式会社製の耐熱塩化ビニル樹脂シート、又は、同社製のスミライト（登録商標）ＦＳシリーズ、又は、住友スリーエム株式会社製のＰＴＦＥテープを用いている。
【００２７】
これらの交互に積層された樹脂含浸繊維層２０及びブロック層３０の最外層は、ブロック層３０となっている。このように、樹脂含浸繊維層２０の外側にブロック層３０を配置することにより、樹脂含浸繊維層２０の繊維２１間から染み出そうとする未硬化の樹脂２２がブロックされる。
【００２８】
次に、図３を参照しながら、樹脂含浸繊維層２０及びブロック層３０の形成方法を説明する。図３は、ＦＷ装置の概略的な構成を示す図である。
樹脂含浸繊維層２０を形成する際には、繊維２１が巻かれたボビン１１を用意すると共に、樹脂槽１３に未硬化の樹脂２２を配置する。また、シャフト１５にライナ１０を取り付ける。ボビン１１から繰り出された繊維２１は、圧力調整部１２においてその張力を調整された後で、樹脂槽１３において樹脂２２を含浸する。そして、樹脂２２を含浸した繊維２１は、供給ユニット１４を介して回転するライナ１０に供給され、ライナ１０の表面に巻き付けられる。なお、繊維２１の巻き方については特に限定されず、例えば、フープ巻きやヘリカル巻きや、それらを組み合わせた巻き方であっても良い。
【００２９】
一方、ブロック層３０を形成する前に、繊維３１の束に未硬化の状態（液体状又はゲル状）の樹脂３２を含浸させ、その束を扁平のテープ状となるように成形して樹脂３２を硬化又は固体化させることにより、プリプレグを予め作製しておく。そして、ブロック層３０を形成する際には、このプリプレグを、図３に示すものと同様の装置に、ボビン１１の代わりにセットする。また、樹脂槽１３は撤去しておく。そして、圧力調整部１２においてプリプレグの張力を調整し、供給ユニット１４を介して回転するライナ１０に供給することにより、テープ状のプリプレグを樹脂含浸繊維層２０の表面を巻き付ける。
【００３０】
このようにして、樹脂含浸繊維層２０及びブロック層３０を交互に形成することにより、多層構造を有する成形体が作製される。さらに、この成形体を加熱して、樹脂含浸繊維層２０を硬化させることにより、強度が付与されたＦＲＰ成形体が完成する。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態に係るＦＲＰ成形体について、図４を参照しながら説明する。本実施形態に係るＦＲＰ成形体も、燃料電池システム等に備えられる高圧ガスタンクの本体部分（ガスタンク本体２）である。
【００３２】
図４に示すように、本実施形態においては、樹脂含浸繊維層２０における未硬化の樹脂２２の染み出しをブロックするブロック層４０を、ガスタンク本体２の胴部にのみ設けている。なお、ブロック層４０を形成する繊維及び樹脂材料については、図１に示すブロック層３０におけるものと同様である。
【００３３】
ブロック層４０は、第１の実施形態と同様に、テープ状のプリプレグを用いて形成しても良いし、その代わりに、例えば胴部と同程度の幅を有するシート状のプリプレグを用いて形成しても良い。後者の場合には、シートワインディング法、その他、公知のいずれの方法により、ブロック層４０を形成しても良い。
本実施形態によれば、少なくともガスタンク本体２の胴部における高Ｖｆ化が抑制されたガスタンク本体を、簡単且つ短時間に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＦＲＰ成形体を示す断面図である。
【図２】図１に示す一点鎖線IIで囲む部分の断面を拡大して示す模式図である。
【図３】ＦＷ装置の概略的な構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るＦＲＰ成形体を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
２…ガスタンク本体、１０…ライナ、２０…樹脂含浸繊維層、２１、３１…繊維、２２、３２…樹脂、３０、４０…ブロック層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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