(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維によって強化された強化層で金属材料からなるライナー層の外周を覆い、前記ライナー層の内部にガス燃料を貯蔵するガスタンクの製造方法であって、
前記ガスタンクは、前記ライナー層の表面に接触し、前記強化層を厚さ方向に貫通して、前記強化層の表面から突出している複数の伝熱性部材を備え、
前記伝熱性部材は、前記ライナー層の外周を前記強化層で巻いた後に、金属製の針を前記強化層の厚さ方向に貫通させ植設することで製造することを特徴とするガスタンクの製造方法。
【請求項２】
炭素繊維によって強化された強化層で金属材料からなるライナー層の外周を覆い、前記ライナー層の内部にガス燃料を貯蔵するガスタンクであって、
前記強化層に、伝熱性部材となる炭素繊維をパイル状に編み込んだ炭素繊維層を複数層設け、前記炭素繊維層を前記ライナー層に巻き付けて、複数の前記パイル状に編み込んだ炭素繊維が互いに接触するように積層され、前記パイル状に編み込んだ炭素繊維が前記伝熱性部材として前記強化層の厚さ方向に貫通していることを特徴とするガスタンク。
【請求項３】
前記伝熱性部材が、前記強化層の表面から突出していることを特徴とする請求項２に記載のガスタンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス燃料を貯蔵するガスタンクに係り、特に、ライナー層の外側に、炭素繊維によって強化された強化層を備えたガスタンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の動力源として、ＰＥＭ型の燃料電池（ＦＣ）が注目されている。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にガス拡散電極層を配設した膜電極構造体（ＭＥＡ）を備えており、該膜電極構造体を一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを、複数積層して構成される。この燃料電池を用いて発電する場合には、各燃料電池セルの一方のガス拡散電極層にガス燃料（例えば、水素ガス）を、他方のガス拡散電極層に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給することで、電気化学反応を発生させる。この発電時に生成されるのは無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、前記燃料電池が注目されている。
【０００３】
前記燃料電池を搭載した自動車に水素ガス等のガス燃料を継続的に供給するために、車載のガスタンクにガス燃料を貯蔵しておく。車載用の水素ガスタンクとしては、水素を圧縮した状態で貯蔵しておくガスタンク、水素吸蔵合金（ＭＨ）に吸蔵させた状態で貯蔵しておく水素吸蔵ガスタンクなどが検討されている。
【０００４】
中でも圧縮水素を貯蔵する車載用のガスタンクとして、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）タンクが検討されている。ＣＦＲＰタンクは、炭素繊維で強化したプラスチック（ＣＦＲＰ材）からなる層（強化層）の内側に、タンクの気密性を保持するライナー層を形成することにより構成されている。ＣＦＲＰタンクは、単なるプラスチック製のタンクよりも強度が高く、耐圧性に優れているため、ガス燃料用タンクとして好ましい。特開平８−２８５１８９号公報には、このようなＣＦＲＰタンクに関する技術が開示されている。
【０００５】
また、ＣＦＲＰタンクの製造方法としては、特開平９−２０３４９６号公報に開示されているように、容器状に形成したライナー層の周囲にフィラメント状のＣＦＲＰ材を巻き付けて、ＣＦＲＰタンクを製造する技術が知られている。炭素繊維は長手方向の強度と剛性が高いため、上記のようにＣＦＲＰ材を巻き付けることで、タンクの強度を高めることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＦＲＰタンクに使用される炭素繊維は、主にＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維である。この炭素繊維は、炭素環の面（Ｃ面）が長手方向に配列した構造となっている。この炭素繊維をタンクの外周に巻き付けてＣＦＲＰタンクを形成する。炭素繊維は、その長手方向（すなわちタンクの外周方向）の熱伝導率は高いが、その直径方向（すなわちタンクの直径方向）の熱伝導率は非常に低い（長手方向の数百分の１程度）という性質を有している。このため、上記したように、ＣＦＲＰ材を巻き付けて製造されたＣＦＲＰタンクは、強度や剛性の点では優れているものの、タンクの直径方向の熱伝導性が悪い。
【０００７】
ところで、ガスタンクにガス燃料（例えば水素）を充填するときには、充填時間を短縮するために、高圧のガス燃料を高い流量で充填することが好ましい。しかし、上記したように従来のＣＦＲＰタンクは直径方向への熱伝導性が悪いため、ＣＦＲＰタンクに充填するガス燃料を圧縮する際に発生した熱（断熱圧縮熱）を外部に放熱することが困難である。このため、圧縮したガス燃料を充填しようとすると、ＣＦＲＰタンクの温度が急激に上昇してしまい（図４（ａ）の一点鎖線Ｂ参照）、この温度上昇によってＣＦＲＰタンク内のガス燃料が膨張し、タンク内の圧力が上昇するため、新たなガス燃料のＣＦＲＰタンク内への流入が妨げられ、ガス燃料をＣＦＲＰタンク内に十分に充填することができないという問題が生じる（図４（ｂ）参照）。
【０００８】
また、特に水素吸蔵合金（ＭＨ）を収納した水素吸蔵タンクにＣＦＲＰタンクを用いた場合は、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発する熱（水素化熱）は上記した断熱圧縮熱よりも多く、温度上昇も著しいので圧縮水素に比べて充填時間が多く掛かってしまうという問題が生じる。
したがって、従来においては、このような問題を避けるため、ＣＦＲＰタンク内のガス燃料の温度を一定以内に抑えるために、ＣＦＲＰタンクに流入させるガス燃料の流量を一定量以内に制限せざるを得ず、ガス燃料の充填時間がその分長くなってしまうという問題があった（図４（ａ）の点線Ｃ参照）。
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、外部への放熱性を向上させて、短時間でガス燃料の充填を行うことのできるＣＦＲＰタンクを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、炭素繊維（例えば、実施の形態における炭素繊維２４）によって強化された強化層（例えば、実施の形態における強化層２６）で金属材料からなるライナー層（例えば、実施の形態におけるライナー層２２）の外周を覆い、前記ライナー層の内部にガス燃料（例えば、実施の形態における圧縮水素２１）を貯蔵するガスタンク（例えば、実施の形態におけるガスタンク２０）の製造方法であって、前記ガスタンクは、前記ライナー層の表面に接触し、前記強化層を厚さ方向に貫通して、前記強化層の表面から突出している複数の伝熱性部材（例えば、実施の形態における伝熱性部材２８、炭素繊維３２）を備え、前記伝熱性部材は、前記ライナー層の外周を前記強化層で巻いた後に、金属製の針を前記強化層の厚さ方向に貫通させ植設することで製造することを特徴とするガスタンクの製造方法である。
請求項２に記載した発明は、炭素繊維によって強化された強化層で金属材料からなるライナー層の外周を覆い、前記ライナー層の内部にガス燃料を貯蔵するガスタンクであって、前記強化層に、伝熱性部材となる炭素繊維（例えば、実施の形態における炭素繊維３２ａ，３２ｂ）をパイル状に編み込んだ炭素繊維層を複数層設け、前記炭素繊維層を前記ライナー層に巻き付けて、複数の前記パイル状に編み込んだ炭素繊維が互いに接触するように積層され、前記パイル状に編み込んだ炭素繊維が前記伝熱性部材として前記強化層の厚さ方向に貫通していることを特徴とするガスタンクである。
【００１０】
このように構成することで、ＣＦＲＰタンクの熱伝導性が改善される。また、ガスタンク内部で発生した熱は、ガスタンク内側の伝熱性部材に伝達される。伝熱性部材は、前記強化層を厚さ方向に貫通するように設けられているため、前記ガスタンク内側の伝熱性部材に伝達された熱は、前記強化層を厚さ方向に貫通するように伝熱性部材中を伝わっていき、ガスタンクの外部に放出される。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、前記伝熱性部材が、前記強化層の表面から突出（例えば、実施の形態における突出部３０）していることを特徴とするガスタンクである。
このように構成することで、外部に露出する伝熱性部材の表面積を増大させることができ、更にＣＦＲＰタンクの熱伝導性が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態におけるガスタンクを図面と共に説明する。図３は、本発明の第１実施形態におけるガスタンク２０の概略断面図である。前記ガスタンク２０は、炭素繊維によって強化された強化層２６と、該強化層２６の内側に気密性を保持するアルミ製のライナー層２２とを備え、略円筒状に形成している。
また、前記ライナー層２２にはガス燃料をガスタンク２０内部に充填するように充填口２３を備え、水素スタンドなどのガス充填施設（図示せず）に接続することで、ガス燃料を充填される。
【００１３】
以下、より詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態におけるガスタンク２０の要部断面図であって、図３に示したガスタンクの縦断面図である。図１に示したように、前記強化層２６は、容器状に形成したライナー層２２の周囲に（図１の矢印Ｘ方向）、炭素繊維２４を含むエポキシ樹脂（ポリマー）２５であるＣＦＲＰ材を複数層巻き付けて構成される。これにより、ガスタンク２０の耐圧性や強度を高めることができる。また、強化層２６の内側にライナー層２２を設けたことにより、ガスタンク２０の気密性を高めることができる。さらに、前記強化層２６には、前記ライナー層２２の表面を基点として（ライナー層２２の表面に接触して）、前記強化層２６の表面に露出するように延在する、伝熱性部材２８を備えている。前記炭素繊維２４には、ＰＡＮ系炭素繊維を用いている。
【００１４】
このように構成することで、ガスタンク２０内部で発生した熱は、ライナー層２２を介して、ライナー層２２表面に接触している伝熱性部材２８に伝達される。前記伝熱性部材２８は、強化層２６を厚さ方向（図１の矢印Ｙ方向）に貫通するように設けられており、このため、前記伝熱性部材２８に伝達された熱は、前記強化層２６を厚さ方向に貫通するように伝熱性部材２８を伝わっていき、ガスタンク２０の外部に放出される。
【００１５】
また、前記伝熱性部材２８には、前記強化層２６表面から突出する突出部３０を有している。このようにしたため、伝熱性部材２８が、強化層２６の外部に露出する表面積を増大させることができ、放熱性をさらに高めることができる。
ここで、伝熱性部材２８としてはアルミなどの金属製の針などを用いることができる。例えば、容器状のライナー層の外周をＣＦＲＰ層（強化層）で巻いた後に金属製の針を強化層の厚さ方向に貫通させ、植設することで製造することができる。
【００１６】
このような構成のガスタンク２０の充填口２３と水素充填施設とを接続することで圧縮水素２１がガスタンク２０に充填される。充填された水素は断熱圧縮により発熱するが、その発熱をガスタンク２０の外部に放出することができるため、ガスタンク２０内の圧縮水素２１の膨張を抑えることができる。したがって、図４の実線Ａに示したように圧縮水素２１の流量を従来のように制限せずに圧縮水素２１を流入させることが可能となり、充填時間を短縮させることができる。
【００１７】
本発明の第２実施形態におけるガスタンク４０について説明する。なお、第１実施形態におけるガスタンク２０と同一の部材については、同一の番号を付してその説明を省略する。本実施形態におけるガスタンク４０は、強化層２６に、パイル状に編み込んだ炭素繊維３２を複数層（本実施形態においては２層）設けてあり、このように構成された炭素繊維３２が伝熱性部材として強化層２６の厚さ方向に貫通している。前述したように炭素繊維３２はその長手方向（図２の矢印Ｘ方向）と、その直径方向（図２の矢印Ｙ方向）の熱伝導率を比べると、その長手方向の方が数百倍高い。しかし、上述したように炭素繊維３２を設けたので、強化層２６の厚さ方向（図２の矢印Ｙ方向）への放熱性を高めることができる。
【００１８】
図２に示したように、内側の炭素繊維３２ａと外側の炭素繊維３２ｂとは、略同一のパイル形状であり、炭素繊維３２ａ、３２ｂが互いに接触するように積層している（この接触している部分を「接触部３６」と称する）。このようにしたため、接触部３６を介して前記炭素繊維３２ａと前記炭素繊維３２ｂとの間で熱の受け渡しを行うことができる。したがって、ガスタンク４０内部で発生した熱は、ライナー層２２を介して内側の炭素繊維３２ａに伝達され、接触部３６を介して炭素繊維３２ｂから外部に放出されるのである。また、パイル状に形成したことにより、ライナー層２２と伝熱性部材である炭素繊維３２との接触面積が増え、更に放熱性が向上する。
また、本実施形態の強化層２６は、予め炭素繊維２４に対してパイル状に編み込んだ炭素繊維３２ａ、３２ｂをプラスチックに埋め込むことでＣＦＲＰ材を形成し、そのＣＦＲＰ材をタンク４０のライナー層２２に巻き付けることができる。このため、第１実施形態のように、炭素繊維２６をＣＦＲＰ材に植設して設ける場合に比べて、製造が容易である。
【００１９】
なお、前記ライナー層２２の材質としては、伝熱性が高く、圧縮水素２１の外部へのリークを防止する観点からアルミニウムが好ましいが、これに限らず、他の金属であってもよく、またプラスチックであってもよい。また、上記したように、炭素繊維が強化層２６の表面から突出していることが放熱性の観点から好ましいが、強化層２６を厚み方向に貫通していれば突出していなくてもよい。
また、実施形態で説明したガスタンク２０，４０は、水素吸蔵合金（ＭＨ）を内部に収納した水素吸蔵タンクにも適用することができる。水素吸蔵合金は充填された水素を吸蔵する際に水素化熱を発する。この水素化熱は上述したように充填された水素の断熱圧縮熱よりも高く、放熱性の点で強化層に金属材料以外の材料を使用するのは困難であったが、本発明の熱伝達効率を改善したガスタンクを水素吸蔵タンクに適用することにより、水素吸蔵タンクにもＣＦＲＰ材を用いることができるようになり、水素吸蔵タンクの軽量化を図ることができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２に記載した発明によれば、ガスタンク内で発生した熱は、伝熱性部材を介して外部に放出されるため、充填されたガス燃料の膨張を抑えることができる。したがって、高圧のガス燃料を高い流量で流入させることが可能となり、充填時間を短縮させることができる。
請求項３に記載した発明によれば、外部に露出する伝熱性部材の表面積を増大させることができるため、外部への放熱性がより高まり、充填時間をより短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明の第１実施形態におけるガスタンクを示す要部断面図であり、図３の縦断面図である。
【図２】  図２は本発明の第２実施形態におけるガスタンクを示す要部断面図である。
【図３】  図３は本発明の第１実施形態におけるガスタンクを示す断面図である。
【図４】  本発明のガスタンクと従来のガスタンクとの充填時間を示す説明図である。
【符号の説明】
２０、４０  ガスタンク
２１  圧縮水素
２２  ライナー層
２４  炭素繊維
２５  ポリマー
２６  強化層
２８、３２  伝熱性部材
３０、３８  突出部
３６  接触部
【図１】
0004073649.tif 000002
【図２】
0004073649.tif 000003
【図３】
0004073649.tif 000004
【図４】
0004073649.tif 000005