(57)【要約】【課題】ライナーの外周面に繊維束を巻く前に、繊維束を固定するためにピンなどの別部材が不要である高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】高圧タンクの製造方法は、タンク容器状のライナーであって、前記ライナーの長手方向の端部口金を備え、前記端部口金上に配置される前記ライナーの一部に突起部を有するライナーを用意する工程と；樹脂が含浸した複数の繊維を含む繊維束の一部を熱硬化させる工程と；前記繊維束を前記突起部に配置する工程と；熱硬化された前記繊維束の一部が前記突起部に近づく方向に前記ライナーを回転させて、熱硬化された前記繊維束の一部を前記突起部に係止させた状態で、前記ライナーの外周面に前記繊維束を巻き付ける工程と、を備える。【選択図】図５
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【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、
タンク容器状のライナーであって、前記ライナーの長手方向の端部口金を備え、前記端部口金上に配置される前記ライナーの一部に突起部を有するライナーを用意する工程と、
樹脂が含浸した複数の繊維を含む繊維束の一部を熱硬化させる工程と、
前記繊維束を前記突起部に配置する工程と、
熱硬化された前記繊維束の一部が前記突起部に近づく方向に前記ライナーを回転させて、熱硬化された前記繊維束の一部を前記突起部に係止させた状態で、前記ライナーの外周面に前記繊維束を巻き付ける工程と、を備える製造方法。
【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の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料ガスを貯蔵した高圧タンクが用いられる。高圧タンクは、一般に、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」と呼ぶ）により製造される。ＦＷ法では、タンク容器状のライナーの外周面に、熱硬化性樹脂を含む複数の繊維で形成される繊維束を巻き付け、巻き付けられた繊維束を加熱することによりＦＲＰ（繊維強化プラスチック：Fiber Reinforced Plastics）層を形成する。
【０００３】
特許文献１には、ライナーの外周面への繊維束の巻き付け工程において、ライナーの端部の口金部に形成された溝に繊維束を配置した状態で、繊維束をピンで固定した後に、繊維束をライナー外周面に巻き付けるタンクの製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７４５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載されたタンクの製造方法では、ライナーの外周面に繊維束を巻く前に、繊維束を固定するためにピンなどの別部材が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、高圧タンクの製造方法が提供される。この高圧タンクの製造方法は、タンク容器状のライナーであって、前記ライナーの長手方向の端部口金を備え、前記端部口金上に配置される前記ライナーの一部に突起部を有するライナーを用意する工程と；樹脂が含浸した複数の繊維を含む繊維束の一部を熱硬化させる工程と；前記繊維束を前記突起部に配置する工程と；熱硬化された前記繊維束の一部が前記突起部に近づく方向に前記ライナーを回転させて、熱硬化された前記繊維束の一部を前記突起部に係止させた状態で、前記ライナーの外周面に前記繊維束を巻き付ける工程と、を備える。この形態の高圧タンクの製造方法によれば、ライナーの外周面に繊維束を巻き始める際に、ライナーに対して繊維束を固定する別部材の用意する必要がなく、より少ない部品数でライナーの外周面に繊維束を巻くことができる。
【０００８】
本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、高圧タンクの製造方法、高圧タンク、高圧タンクを形成するライナー、高圧タンクを有する燃料電池システム、および燃料電池システムを搭載する車両の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態における高圧タンクを形成するライナーの一例を示す断面図である。
【図２】口金部と口金部の周りの部材を拡大して示す断面図である。
【図３】高圧タンクの製造方法の手順を示すフローチャートである。
【図４】熱硬化された繊維束の一例を示す説明図である。
【図５】突起部に交わるように配置された繊維束が突起部に係止するまでの工程を示す説明図である。
【図６】ライナーに繊維束を巻き付ける様子を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．実施形態：
図１は、本実施形態における高圧タンクを形成するライナー１０の一例を示す断面図である。図１には、タンク容器状のライナー１０の外周面に、複数の炭素繊維を含む繊維束が巻き付けられる前のライナー１０の断面図が示されている。換言すると、ライナー１０の外周面に繊維束が巻き付けられて高圧タンクが製造される。高圧タンクは、例えば、燃料電池システムにおいて、燃料ガスとしての水素ガスを高圧で貯蔵するために用いられる。
【００１１】
図１に示すように、ライナー１０は、ライナー本体３０と、２つの口金部２０とを備えている。ライナー本体３０は、例えば、ナイロン系樹脂など、水素ガスに対するガスバリア性を有する任意の樹脂によって形成される樹脂製容器である。なお、他の実施形態では、ライナー本体３０を形成する材質は、樹脂に限らず金属であってもよい。ライナー本体３０は、半径が均一である略円筒形状のシリンダー部３１と、シリンダー部３１の両端に設けられた凸曲面形状の２つのドーム部３２とを有する。
【００１２】
２つの口金部２０は、それぞれドーム部３２の頂点部分に装着されている。換言すると、口金部２０は、ライナー１０における長手方向（ライナー１０の中心軸ＣＸに沿った方向）の両端部に装着されている。口金部２０の中心軸は、ライナー１０の中心軸ＣＸと一致している。口金部２０は、金属によって形成され、ライナー本体３０に対してインサート成形されている。後述する高圧タンクの製造手順では、口金部２０にはタンク保持冶具が挿入される。また、完成した高圧タンクが燃料電池システムに用いられる際には、口金部２０には水素ガス供給用の配管が接続される。なお、口金部２０は、請求項における端部口金に相当する。
【００１３】
図２は、口金部２０と口金部２０の周りの部材を拡大して示す断面図である。図２には、図１における領域Ａｒが拡大されて示されている。図２に示すように、口金部２０は、ライナー接合部２３と、挿入部２４とを備えている。また、ライナー接合部２３および挿入部２４には、ライナー本体３０の内部空間（中空部分）と、外部とを連通し、中心軸ＣＸを中心軸とする接続孔２５が形成されている。接続孔２５には、高圧タンクの完成後に、配管が接続される。ライナー接合部２３は、ドーム部３２の外周面に沿って配置され、ライナー本体３０に接合されている。挿入部２４は、ライナー本体３０の内部空間に挿入されている。
【００１４】
ライナー本体３０における中心軸ＣＸに沿った端部には、突起部３３が形成されている。突起部３３は、ドーム部３２の外周面の一部から、中心軸ＣＸの径方向に沿って外周側に突出している複数の突部である。突起部３３が形成された中心軸ＣＸに垂直な断面では、ライナー本体３０と口金部２０とが存在している。換言すると、突起部３３は、中心軸ＣＸを中心として、口金部２０の外周上に形成されている。詳細については後述するが、突起部３３は、ライナー１０の外周面に巻かれる繊維束の固定された開始端を形成する。
【００１５】
図３は、高圧タンクの製造方法の手順を示すフローチャートである。高圧タンクの製造手順では、初めに、ライナー１０を用意する（ステップＳ１０５）。次に、ライナー１０とは別に用意された繊維束４０の一部を熱硬化する（ステップＳ１１０）。
【００１６】
図４は、熱硬化された繊維束４０の一例を示す説明図である。図４に示すように、繊維束４０は、予め熱硬化性樹脂が含浸された複数の炭素繊維（例えば、プリプレグ）で形成されている。繊維束４０の端部は、熱を加えられることで炭素繊維に含浸された熱硬化性樹脂が硬化し、一体化した硬化端部４１として形成されている。炭素繊維に含浸される熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂や、ポリエステル樹脂や、ポリアミド樹脂等の熱硬化性を有する任意の樹脂を採用できる。なお、繊維束４０は、炭素繊維に加えて、例えば、ガラス繊維やアラミド繊維などの補強用の繊維を含んでいてもよい。
【００１７】
図３のステップＳ１１０の処理が終了すると、次に、繊維束４０を突起部３３に交わるように配置する（ステップＳ１１５）。図５は、突起部３３に交わるように配置された繊維束４０が突起部３３に係止するまでの工程を示す説明図である。図５（ａ）および図５（ｂ）には、口金部２０のライナー接合部２３を含むライナー１０を、中心軸ＣＸの軸方向から見た場合の概略図が示されている。本実施形態では、図１に示すように、ライナー１０が用意された後、ライナー本体３０をタンク保持冶具により保持し、ヘリカル巻きユニットを用いて繊維束４０を巻き付ける。具体的には、まず、図５（ａ）に示すように、繊維束４０の硬化端部４１以外の部分を突起部３３に通して、繊維束４０と突起部３３とが交わるように繊維束４０を配置する。繊維束４０の硬化端部４１以外の部分は、炭素繊維のそれぞれが硬化していないため、突起部３３などの物体を通す空間を形成できる。
【００１８】
図３のステップＳ１１５の処理が終了すると、次に、繊維束４０の硬化端部４１を突起部３３に係止させた状態で、ライナー１０の全体の外周面に繊維束４０を巻き付ける（ステップＳ１２０）。本実施形態では、図５（ａ）から図５（ｂ）までに示すように、配置された繊維束４０の硬化端部４１と突起部３３とが近づく方向に、ライナー１０を回転させることで、繊維束４０に発生している張力によって、繊維束４０の硬化端部４１が突起部３３に係止する。具体的には、図５（ｂ）に示すように、口金部２０のライナー接合部２３を含むライナー本体３０を、中心軸ＣＸを中心に、硬化端部４１が存在する矢印ＣＳの方向に回転させることで、硬化端部４１が突起部３３に係止する。図５（ｃ）には、図５（ｂ）に示す繊維束４０が突起部３３に係止した状態で、矢視Ｘ１から見た突起部３３と硬化端部４１との位置関係が示されている。繊維束４０が突起部３３に軽視した状態で、ライナー１０の外周面に繊維束４０が巻き付けられる。
【００１９】
図６は、ライナー１０に繊維束４０を巻き付ける様子を模式的に示す説明図である。図６（ａ）および図６（ｂ）のそれぞれには、ライナー１０の外周面に繊維束４０を巻き付ける段階的な様子の一部分が示されている。図６（ａ）に示すように、図示しないタンク保持冶具のシャフト２００が口金部２０に挿入されることにより、ライナー１０は、回転可能に軸支されている。ユニット１００が、ライナー本体３０に対して、囲むように移動できるように配置され、口金部２０を含むライナー１０の全体に繊維束４０が巻き付けられる。ユニット１００としては、同時に繊維束４０をヘリカル巻きにて巻き付けることができる任意の装置を採用することができる。
【００２０】
図６（ａ）に示すように、初めに、突起部３３が形成されているライナー本体３０の端部に繊維束４０が巻き付けられる。次に、図６（ｂ）に示すように、繊維束４０がライナー１０にヘリカル巻きされることにより最内層が形成される。その後、ライナー１０が回転させられながら、ユニット１００が中心軸ＣＸに沿った方向に往復動することで、所定数の繊維束４０の層がライナー１０に形成される。ヘリカル巻きによる繊維束４０の層（以下、「ヘリカル層」と呼ぶ）が所定数だけ形成された後、ユニット１００は、ヘリカル層上に繊維束４０をフープ巻きにて巻き付ける。ユニット１００は、中心軸ＣＸに対してほぼ垂直となる方向から繊維束４０を繰り出して、ライナー１０に繊維束４０を巻き付ける。フープ巻きの範囲は、図１に示すシリンダー部３１に対応する範囲である。このようにしてヘリカル層上に繊維束４０をフープ巻きにて巻き付けることにより、ヘリカル層を固定して、繊維束４０の緩みを抑制することができる。なお、ユニット１００を往復動させることにより、フープ巻きによる繊維束４０の層を所定数だけ形成することができる。以後、ヘリカル巻き及びフープ巻きを交互にそれぞれ所定回数だけ実行することにより、繊維束４０の巻き付け工程は完了する。
【００２１】
図３のステップＳ１２０の処理が終了すると、次に、ライナー１０の全体に巻き付けられた繊維束４０を加熱する（ステップＳ１２５）。繊維束４０が加熱されると、繊維束４０を形成する炭素繊維に含まれる熱硬化性樹脂が硬化する。繊維束４０の加熱方法としては、例えば、ライナー１０に巻き付けられた繊維束４０を囲むように誘電加熱コイルを配置し、かかるコイルに通電することで磁束を形成して、導体としての繊維束４０を誘電加熱する方法を採用できる。また、例えば、中心軸ＣＸを中心としてライナー１０を回転させながら、繊維束４０に温風を吹き付けることにより、繊維束４０を加熱してもよい。また、例えば、中心軸ＣＸを中心としてライナー１０を回転させながら、ヒーターによって繊維束４０を加熱してもよい。なお、繊維束４０を直接的に加熱することに代えて、口金部２０又はシャフト２００を介して間接的に繊維束４０を加熱してもよい。この方法では、口金部２０又はシャフト２００を加熱することにより、口金部２０又はシャフト２００を介して繊維束４０に熱を伝えることができる。繊維束４０を加熱する工程により、ライナー１０全体に巻き付けられた繊維束４０を形成する炭素繊維に含まれる熱硬化性樹脂は硬化し、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）層が形成される。このようにして、ＦＲＰ層を表面に有する高圧タンクが完成する。
【００２２】
以上説明したように、本実施形態の高圧タンクの製造方法では、突起部３３を有するライナー本体３０を含むライナー１０に対して、熱硬化された繊維束４０の硬化端部４１を突起部３３に交わるように配置する。その後、硬化端部４１と突起部３３とが近づく方向にライナー１０が回転させられることで、硬化端部４１が突起部３３に係止された状態で、ライナー１０の外周面に繊維束４０が巻き付けられる。そのため、本実施形態の高圧タンクの製造方法では、ライナー１０の外周面に繊維束４０を巻き始める際に、ライナー１０に対して繊維束４０を固定する別部材を用意する必要がなく、簡易な構成でライナー１０の外周面に繊維束４０を巻くことができる。また、従来では、ライナー１０の外周面に繊維束４０を巻いた後に、繊維束４０を巻き始める際に固定した治具を手作業などによって取り外し必要がなく、手作業に係る作業時間を短縮できる。
【００２３】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００２４】
上記実施形態では、繊維束４０の硬化端部４１を係止させる突起部として、ライナー本体３０のドーム部３２の外周面に、中心軸ＣＸに沿って形成された３つの突起部３３を例に挙げて説明したが、繊維束４０の硬化端部４１を係止させる突起部については、種々変形可能である。例えば、突起部３３は、３つの突起部ではなく、２つ以下の突起部であってもよいし、４つ以上の突起部であってもよい。また、突起部３３は、中心軸ＣＸに沿って形成されたが、中心軸ＣＸに直交する平面に沿って形成されてもよいし、繊維束４０が巻き始める角度等によって決定される中心軸ＣＸと平行でない軸に沿って形成されてもよい。また、突起部３３が複数の突起部で形成される場合に、これらの複数の突起部は一直線上に形成される必要はない。また、突起部３３は、ライナー本体３０のドーム部３２において、中心軸ＣＸからの半径が同じ円周の外周面に形成されたが、ライナー本体３０の表面であって、口金部２０の外周上あれば、他の位置に形成されてもよい。
【００２５】
また、突起部３３の形状は、中心軸ＣＸから離れるにつれて断面積が小さくなる円錐状の突起であったが、突起部３３の形状については、種々変形可能である。例えば、中心軸ＣＸからの距離に関わらず、断面積が一定の突起部であってもよいし、外周方向垂直に形成されずに、斜めに形成されてもよい。例えば、繊維束４０が巻かれる際に、張力がかかる方向に対して引っかかる形状が突起部の先端に形成されてもよい。また、複数の突起部が形成される場合に、それぞれの突起部の形状である断面積や径方向への突出量が異なっていてもよい。
【００２６】
上記実施形態は、突起部３３の製造方法については、種々の方法を採用できる。例えば、ライナー本体３０の外周面に切削等によって突起部３３が形成されてもよいし、型成形によってライナー本体３０の外周面に突起部３３が形成されてもよく、突起部３３の製造方法については、周知の技術を適用できる。
【００２７】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０…ライナー
２０…口金部
２３…ライナー接合部
２４…挿入部
２５…接続孔
３０…ライナー本体
３１…シリンダー部
３２…ドーム部
３３…突起部
４０…繊維束
４１…硬化端部
１００…ユニット
２００…シャフト
Ａｒ…領域
ＣＳ…矢印
ＣＸ…中心軸
Ｘ１…矢視
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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