(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧タンクの製造方法であって、
熱硬化性樹脂を含浸した繊維束をタンク本体にヘリカル巻きする工程と、
前記熱硬化性樹脂を加熱硬化させる工程と、を備え、
前記加熱硬化させる工程において、前記熱硬化性樹脂を加熱することにより、前記熱硬化性樹脂の粘度を低下させ、かつ、前記繊維束中に含まれる前記熱硬化性樹脂で前記繊維束同士の間を埋めるように前記熱硬化性樹脂をゲル化させるゲル化時間を含むように前記熱硬化性樹脂を加熱し、
前記加熱硬化させる工程の開始からエポキシ樹脂の引張強度が増加し始めるまでの前記ゲル化時間を１１０分以上とすることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項２】
前記熱硬化性樹脂には、前記ゲル化を遅らせる硬化剤が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
【請求項３】
前記硬化剤には、アミン系材料が含まれていることを特徴とする請求項２に記載の高圧タンクの製造方法。
【請求項４】
前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法。
【請求項５】
前記加熱硬化させる工程において、前記熱硬化性樹脂の昇温速度を１℃／分以下とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法。
【請求項６】
前記加熱硬化させる工程において、前記繊維束同士の間を埋めるように加熱することによって前記高圧タンクのドーム部における空隙率を５％以下とすることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンク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（以下、高圧タンクと称する）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（Fiber Reinforced Plastics : 繊維強化プラスチック）製の高圧タンクが有力視されている。
【０００３】
この種の高圧タンクの製造では、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」という。）が用いられる（下記特許文献１参照）。このＦＷ法により、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸した繊維をライナーの外周に繰り返し巻回して、ライナーの外周にフープ層とヘリカル層とが積層された繊維強化樹脂層を形成する。そして、その後に当該繊維強化樹脂層に含まれる熱硬化樹脂を加熱して熱硬化させることで、ライナーを繊維強化樹脂層で被覆・補強した高圧タンクが製造される。なお、上記繊維強化樹脂層のフープ層とは、繊維（例えば炭素繊維）がフープ巻（タンク胴体部においてタンク軸にほぼ垂直に巻く巻き方）されて形成された層であり、ヘリカル層とは、繊維がヘリカル巻（タンク軸にほぼ平行であり、タンクドーム部まで巻く巻き方）されて形成された層である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１２４８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＦＷ法によって高圧タンクを製造した場合には、ヘリカル層成形における繊維束の重なり間に空隙が生じることが知られている。この空隙は、熱硬化後にボイドとなり、高圧タンクの強度低下など種々の問題をひき起こす原因となる。このため、繊維束の周りに余剰に樹脂を付着させてこの空隙を埋める必要があった。
【０００６】
しかし、繊維束の周りに余剰に樹脂を付着させてヘリカル層成形における繊維束の重なり間に空隙が生じないようにするためには、必要以上のエポキシ樹脂が必要となり、余剰分エポキシ樹脂のコストや重量が大きくなってしまうおそれがあった。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヘリカル層成形における繊維束の重なり間に生じる空隙を抑制しながらコスト及び重量を低減させることが可能な高圧タンクの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る高圧タンクの製造方法は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維束をタンク本体にヘリカル巻きする工程と、前記熱硬化性樹脂を加熱硬化させる工程と、を備え、前記加熱硬化させる工程において、前記熱硬化性樹脂を加熱することにより、前記熱硬化性樹脂の粘度を低下させ、かつ、前記繊維束同士の間を埋めるように前記熱硬化性樹脂をゲル化させるゲル化時間を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る高圧タンクの製造方法では、繊維束に含まれる熱硬化性樹脂を加熱硬化させる工程において熱硬化性樹脂を加熱することにより、熱硬化性樹脂の粘度を低下させ、かつ、繊維束同士の間を埋めるように熱硬化性樹脂をゲル化させるゲル化時間を含むことによって、加熱により粘度が低下した繊維束中に含まれる樹脂を、ヘリカル巻きによって形成された繊維束の重なり間に生じる空隙に充填することができる。このため、繊維束の周りに余剰に樹脂を付着させることなくヘリカル巻きによって形成された空隙を抑制することができる。その結果、繊維束の周りに付着させる樹脂の量を減らすことができ、コスト及びタンク本体の重量を低減させることができる。
【００１０】
また本発明に係る高圧タンクの製造方法では、前記加熱硬化させる工程では、前記熱硬化性樹脂をゲル化させるゲル化時間を１１０分以上とすることも好ましい。
【００１１】
また本発明に係る高圧タンクの製造方法では、前記熱硬化性樹脂には、前記ゲル化を遅らせる硬化剤が含まれていることも好ましい。
【００１２】
また本発明に係る高圧タンクの製造方法では、前記硬化剤には、アミン系材料が含まれていることも好ましい。
【００１３】
また本発明に係る高圧タンクの製造方法では、前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂であることも好ましい。
【００１４】
また本発明に係る高圧タンクの製造方法では、前記加熱硬化させる工程において、昇温速度を１℃／分以下とすることも好ましい。
【００１５】
また本発明に係る高圧タンクの製造方法では、前記繊維束同士の間を埋めるように加熱することによって前記高圧タンクのドーム部における空隙率を５％以下とすることも好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ヘリカル層成形における繊維束の重なり間に生じる空隙を抑制しながらコスト及び重量を低減させることが可能な高圧タンクの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】高圧タンクの概略構成を示す断面図である。
【図２】高圧タンクの製造工程の流れを説明するための工程図である。
【図３】熱硬化性樹脂をゲル化させるゲル化時間について説明するための図である。
【図４】ヘリカル層成形における繊維束の重なり間に生じる空隙を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。
【００１９】
（高圧タンク）
まず、高圧タンク１００の構成について説明する。図１は、高圧タンク１００の概略構成を示す断面図である。図１では、高圧タンク１００の中心軸に平行で中心軸を通る切断面で切断された断面図を示している。高圧タンク１００の中心軸は、略半球状である円筒形状の高圧タンク本体（タンク本体）の円の中心を通る軸と一致する。なお、本明細書では、略半球状部分をドーム部、筒状胴体部分をストレート部といい、それぞれ符号１ｄ、１ｓで表す。また本実施形態では、高圧タンク１００には、圧縮水素が充填される。例えば、高圧タンク１００は、圧縮水素が充填された状態で、燃料電池に水素を供給するために、燃料電池車に搭載される。
【００２０】
高圧タンク１００は、樹脂ライナー１０と、外殻２０と、バルブ側口金３０と、エンド側口金４０と、バルブ５０と、を備える。樹脂ライナー１０は、内部に水素が充填される空間を備える中空形状とされ、水素が外部に漏れないように内部空間を密閉するガスバリア性を有する。
【００２１】
外殻２０は、樹脂ライナー１０の外周を覆うように形成された繊維強化樹脂層であって、繊維強化プラスチックとしてのＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）である。この外殻２０は、樹脂ライナー１０の外周に、エポキシ樹脂等の熱硬化性を有する樹脂を含有するカーボン繊維やガラス繊維をＦＷ法にて繰り返し巻回し、樹脂の熱硬化を経て形成され、樹脂ライナー１０を補強する。本実施形態では、カーボン繊維にエポキシ樹脂が含浸されたプリプレグが用いられる。なお、カーボン繊維は、繊維径が１μｍ程度の単繊維を多数束ねて構成され（以下、繊維束とも称する）、このようなカーボン繊維としては、例えば、レーヨン系カーボン繊維や、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維や、ピッチ系カーボン繊維を用いることができる。
【００２２】
バルブ側口金３０は、略円筒状を成し、樹脂ライナー１０と外殻２０との間に嵌入されて、固定されている。バルブ側口金３０の略円柱状の開口が、高圧タンク１００の開口として機能する。本実施例において、バルブ側口金３０は、ステンレスから成るが、アルミニウム等他の金属から成るものであってもよいし、樹脂製でもよい。バルブ５０は、円柱状の部分に、雄ねじ（図示略）が形成されており、バルブ側口金３０の内側面に形成されている雌ねじ（図示略）に螺合されることにより、バルブ５０によって、バルブ側口金３０の開口が閉じられる。エンド側口金４０は、例えばアルミニウムから成り、一部分が外部に露出した状態で組みつけられ、タンク内部の熱を、外部に導く働きをするものである。
【００２３】
（高圧タンクの製造方法）
次に、上述した構成を備える高圧タンク１００の製造方法について説明する。図２は、高圧タンク１００の製造工程の概要を示すフローチャートである。この製造工程では、ＦＷ法によって樹脂製のタンク容器の外表面に繊維強化樹脂層が形成された高圧タンクが製造される。
【００２４】
ステップＳ１００の工程では、まず、樹脂ライナー１０と、予め熱硬化性樹脂が含浸されたプリプレグを準備する。次に、このプリプレグをＦＷ法によって樹脂ライナー１０の外周に巻回して外殻２０となる繊維強化樹脂層を形成する。本実施形態におけるプリプレグとは、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸した繊維に樹脂を含浸させ、半硬化状態としたものを含む。このような熱硬化性の樹脂の種類としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、アリル樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、本実施形態において用いられるプリプレグの繊維と樹脂の比率は、ＲＣ標記にて２０〜２６ｗｔ％である。また、プリプレグの巻付方法としては、例えばフープ巻きやヘリカル巻きを採用することができる。
【００２５】
熱硬化性樹脂の主剤としては、例えばエポキシ樹脂の場合、ビスフェノール型エポキシ樹脂が挙げられる。
【００２６】
また、熱硬化性樹脂に加える硬化剤としては、アミン系の硬化剤が挙げられる。このアミン系の硬化剤としては、例えば、芳香族ポリアミン等の硬化剤が挙げられる。このアミン系の硬化剤としては、熱硬化性樹脂をゲル化させる時間（ゲル化時間）を遅らせることが可能な材料であれば特に限定されるものではなく、適宜選択することが可能である。
【００２７】
また、熱硬化性樹脂に加える強化剤としては、例えば熱可塑系樹脂等の強化剤が挙げられる。熱硬化性樹脂に加える消泡剤としては、例えば非シリコン系等の消泡剤が挙げられる。
【００２８】
次いで、ステップＳ１１０の工程では、プリプレグに含まれる樹脂を硬化させる熱硬化処理を行う。この工程では、例えば加熱によって熱硬化性樹脂を硬化させる硬化処理や紫外線によって熱硬化性樹脂を硬化させる硬化処理が行われる。なお、この熱硬化処理における熱硬化性樹脂を硬化させる方法は特に限定されるものではなく、適宜選択され得るものである。
【００２９】
次いで、ステップＳ１２０の工程では、上記熱硬化処理を行うことで、プリプレグに含まれる樹脂の粘度を低下させ、プリプレグに含まれる余剰樹脂をゲル化させる。本実施形態では、加熱硬化させる工程において、熱硬化性樹脂を加熱することにより、熱硬化性樹脂の粘土を低下させ、かつ、繊維間同士の間を埋めるように熱硬化性樹脂をゲル化させる時間をゲル化時間と称する。このゲル化時間は、例えばトルク式ゲル化タイムテスター（図示省略）で測定される。具体的には、まず、このトルク式ゲル化タイムテスターを予め規定温度（１１０℃）に安定させ、試料２ｍｌを注射器で試験管にとり、ガラス棒を挿入する。次いで、ガラス板を油槽中にセットし、タイマーをスタートする。次いで、トルク感知マグネット・ローターおよび、ガラス棒を試験管と同芯になるように取り付け、ローターを作動させる。そして、規定トルクに達すると、タイマーおよびローターが停止し、試験が終了する。このタイマーが停止した時間を読み取る。以上のようにして、ゲル化時間を測定する。本実施形態におけるゲル化時間は、使用する熱硬化性樹脂の種類及び昇温速度に応じて変動する時間であり、ゲル化時間を１１０分以上に遅らせる場合には、例えば、ガラス転移温度１３０℃以上の材料及び１℃／分以下の昇温速度が好適である。
【００３０】
次いで、ステップＳ１３０の工程では、上述した熱硬化処理において粘度を低下させたプリプレグに含まれる余剰樹脂を、ヘリカル層成形における繊維束の重なり間に生じる空隙Ｗ（図４参照）に流動させる。なお、ヘリカル層とは、ヘリカル巻（タンク軸にほぼ平行であり、タンクドーム部まで巻く巻き方）されて形成された層を含む。本実施形態では、熱硬化性樹脂を加熱硬化させる工程において、繊維間同士の間を埋めることによって高圧タンク１００のドーム部１ｄにおける空隙率を５％以下とすることが好適である。これにより、高圧タンク１００のドーム部１ｄにおける空隙量を、従来の方法により製造された高圧タンクと比較して約５５％減少させることができ、その結果、疲労強度を高めることができる。また、このように高圧タンク１００のドーム部１ｄにおける空隙量を減少させても、ドーム部１ｄの歪量の影響を抑えることができる。
【００３１】
次いで、ステップＳ１４０の工程では、樹脂ライナー１０の外周にプリプレグを巻回りして外殻２０となる繊維強化樹脂層を形成し、樹脂ライナー１０と外殻２０とを一体化させて一体構造とする。その後、熱硬化処理を終了し、高圧タンク１００の製造工程は終了する。
【００３２】
以上のように、本実施形態に係る高圧タンクの製造方法によれば、繊維束に含まれる熱硬化性樹脂を硬化させる工程において、熱硬化性樹脂の粘度を低下させ、かつ、繊維束同士の間を埋めるように熱硬化性樹脂をゲル化させるゲル化時間を含むようにしている。このようにゲル化時間を設定することにより、加熱硬化処理において粘度が低下した繊維束中に含まれる熱硬化性樹脂を、ヘリカル層成形における繊維束の重なりに生じる空隙に流動させることができる。このため、繊維束の周りに余剰に樹脂を付着させることなく、言い換えれば、高い樹脂含有率の熱硬化性樹脂を用いることなく、ヘリカル層成形における繊維束の重なりに生じる空隙を抑制することができる。その結果、繊維束の周りに付着させる樹脂の量を減らすことができるので、高圧タンクの軽量化及び低コスト化を図ることができる。
【００３３】
続いて、本実施形態に係る高圧タンクの製造方法における熱硬化性樹脂の硬化時間について説明する。図３は、従来の高圧タンクの製造方法における熱硬化性樹脂の硬化時間と本実施形態に係る高圧タンクの製造方法における熱硬化性樹脂の硬化時間について説明するための説明図である。なお、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いている。図３におけるグラフの横軸はエポキシ樹脂の硬化時間を表し、図３におけるグラフの縦軸はエポキシ樹脂の引張強度を表している。
【００３４】
図３では、本実施形態に係る高圧タンク１００の製造方法におけるエポキシ樹脂の硬化時間を、グラフＧ１として示している。また、従来の高圧タンク２００の製造方法におけるエポキシ樹脂の硬化時間を、グラフＧ２として示している。また、本実施形態に係る高圧タンク１００の製造方法では、低樹脂含有率のプリプレグ（プリプレグの繊維と樹脂の比率は、ＲＣ標記にて約２２〜２６ｗｔ％程度）が用いられるのに対し、従来の高圧タンク２００の製造方法では、高樹脂含有率のプリプレグ（プリプレグの繊維と樹脂の比率は、ＲＣ標記にて約２９ｗｔ％程度）が用いられる。
【００３５】
図３に表されるように、グラフＧ１とグラフＧ２とを比較すると、グラフＧ１（本発明）の方が、エポキシ樹脂の硬化時間が長くなっている。より詳細には、グラフＧ２（従来）ではエポキシ樹脂の硬化が始まる時間、言い換えればエポキシ樹脂のゲル化時間が１０分であり、その時点から時間の経過と共にエポキシ樹脂の引張強度が増加して所定時間経過後に一定となるのに対し、グラフＧ１（本発明）では、エポキシ樹脂の硬化が始まる時間、言い換えればエポキシ樹脂のゲル化時間が１１０分であり、その時点から時間の経過と共にエポキシ樹脂の引張強度が増加して所定時間経過後に一定となる。このように、従来の高圧タンク２００の製造では、短時間で硬化する材料を用いているため、エポキシ樹脂の硬化時間が短くなっているが、本実施形態における高圧タンク１００の製造では、長時間で硬化する材料を用いる（エポキシ樹脂に含ませる硬化剤として、ゲル化時間を遅らせるアミン系の硬化剤を用いる）ため、エポキシ樹脂の硬化時間が長くなっている。また、加熱硬化前にRC表記にて約２４ｗｔ％であった繊維束は、加熱硬化後にＲＣ表記にて約２２ｗｔ％に減少している。つまり、本件のように繊維束からの樹脂で繊維束の間を埋めるように加熱した場合には、元のＲＣ値から１０％程度減少した値となる。
【００３６】
なお、本実施形態に係る高圧タンク１００の製造方法では、上述したように、ゲル化時間が１１０分に限定されるわけではなく、このゲル化時間は例えば６０分等、使用する熱硬化性樹脂の種類や昇温速度に応じて変動する時間である。
【００３７】
以上のように、本実施形態に係る高圧タンク１００の製造方法によれば、長時間で硬化するエポキシ樹脂を用いているため、エポキシ樹脂の硬化時間を長くすることができる。詳細には、エポキシ樹脂をゲル化させるゲル化時間を例えば１１０分以上とすることができる。これにより、熱硬化処理において粘度が低下した繊維束中に含まれる樹脂を、ヘリカル巻によって繊維束の重なり間に生じる空隙に充填することができるため、繊維束の周りに付着させる樹脂の量を減らすことができる。その結果、低樹脂含有率のエポキシ樹脂を用いても空隙を抑制することができるので、高圧タンクのコスト及び重量を低減させることが可能となる。
【００３８】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０：樹脂ライナー
２０：外殻
３０：バルブ側口金
４０：エンド側口金
５０：バルブ
１００：高圧タンク
【図１】
0006341425.tif 000002
【図２】
0006341425.tif 000003
【図３】
0006341425.tif 000004
【図４】
0006341425.tif 000005