JP5446033B2 - Ｆｒｐタンクの製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＲＰタンクの製造装置及び製造方法に関するものである。

近年、燃料電池システム等に用いられる高圧ガスを貯蔵する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、強度の確保や軽量化等の観点からライナ（内容器）の外周を繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics；以下、「ＦＲＰ」という）層で補強したＦＲＰタンクが有力視されている。

ＦＲＰタンクは、例えば、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」という）を用いて製造される。ＦＷ法においては、熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂含浸繊維（以下、単に「繊維」ともいう）をライナの周囲に数層から数十層巻回させたのち加熱して樹脂を熱硬化させる。これにより、ＦＲＰタンクを形成する。

ライナへの繊維の巻回工程においては、繊維をライナに巻回する際の張力（以下、「巻回張力」ともいう）が制御される。例えば特許文献１では、巻きはじめを所定の巻回張力とし、巻付回数の増加に伴い巻回張力を低下させていくことで、巻付終了時の最内層の張力低下を抑制することが提案されている。

特開平９−２０３４９６号公報

しかしながら、巻付回数の増加に伴い巻回張力を低下させていく従来の方法であると、巻回工程後の樹脂の熱硬化工程において、ＦＲＰタンク表面（ＦＲＰ層の表層）に気泡が発生してしまうことが判明した。すると、熱硬化工程後に気泡部分もそのままの形状で固まり、ＦＲＰタンク表面に不規則な凹凸が形成されてしまう。この表面の凹凸により、パット等の保護部材のＦＲＰタンクへの貼付性が低下してしまうし、また結果としてＦＲＰタンクの外径が変化することにより、ＦＲＰタンクの他装置への組付性も低下してしまう。また、ＦＲＰタンクの外観も損なわれる。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、熱硬化工程においてＦＲＰタンク表面に気泡が発生することを抑制するＦＲＰタンクの製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行い、気泡の発生は、巻回工程において繊維と繊維との間の空隙に形成された層内の空気が、熱硬化工程において樹脂の粘度が一時的に低下することに起因して表層に追い出されてくることによるとの知見を得た。そこで、本発明者は、巻回工程における層内の空気を熱硬化工程の前に如何に低減させるかについて検討を重ね、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

すなわち、ライナの外周に樹脂を含浸した繊維を複数層巻回する巻回手段と、前記繊維の巻回の際の巻回張力を設定する張力設定手段と、を備え、前記張力設定手段は、前記巻回張力を、前記繊維の層数が増加するとともに減少させていき、前記繊維の最外層の特定部分の巻回において前記繊維の最内層における巻回張力を超えない値まで再び増加させるＦＲＰタンクの製造装置を構成する。

また、ライナの外周に樹脂を含浸した繊維を複数層巻回する巻回工程と、前記繊維の巻回の際の巻回張力を設定する張力設定工程と、を備え、前記張力設定工程において、前記巻回張力を、前記繊維の層数が増加するとともに減少させていき、前記繊維の最外層の特定部分の巻回において前記繊維の最内層における巻回張力を超えない値まで再び増加させるＦＲＰタンクの製造方法を構成する。

上記構成によれば、繊維の最外層の特定部分の巻回において巻回張力を再び増加させるので、当該特定部分の内側の層において繊維と繊維との間に空隙ができていても、その空隙内の空気を表面に追い出すことができる。これにより、熱硬化工程の前に、気泡の原因となる層内の空気を減少またはなくすことができるので、熱硬化工程におけるＦＲＰタンク表面の気泡発生を抑制することができる。また、特定部分以外の巻回工程においては、繊維の層数が増加するとともに巻回張力を減少させていくので、硬化後のＦＲＰタンクの耐破裂強度及び疲労強度を高く維持することができる。更に、特定部分の巻回において過度の張力がかかりライナが変形してしまうことを防止することができる。

尚、本発明において、「特定部分」とは、最外層の巻回において任意に選択される部分であり、最外層の一部または全部を含み、典型的には、繊維の巻き方やライナの形状等に起因して内部に空隙が発生しやすい箇所、空隙が発生した場合に影響の大きい箇所（すなわち、ＦＲＰの組付性や貼付性に関連する部分）を含む。また、本発明において、「繊維」とは、繊維一本を意味するだけではなく、複数の繊維を撚ってなる繊維束や、さらに複数の繊維束を撚ってなる繊維束をも含む。

また、上記構成において、前記ライナは、円筒上の胴部と、該胴部の少なくとも一方の端部に配置されたドーム状の側部とを備え、前記特定部分は、前記側部上に位置するようにしてもよい。

ドーム状の側部は、その形状に起因して繊維の巻回の際に層内に空隙が発生しやすいので、気泡発生を抑制することができる本発明の利点をとりわけ得ることができる。また、ドーム状の側部上には、保護用のパット等が取り付けられ、また当該箇所はＦＲＰタンクの組付性に影響を与える箇所でもあるので、気泡の硬化によるＦＲＰタンク表面の不規則な凹凸をなくす利点も特に大きい。さらに、ＦＲＰタンクの破壊はＦＲＰタンクの胴部で発生することが多いので、側部の特定部分の巻回張力を増加させたとしても、ＦＲＰタンク全体の耐破裂強度及び疲労強度に対して負の影響を与えることはない。

尚、本発明において、「ドーム状」は、半球状、円錐状、切頭円錐状、角錐状等の形状を広く含むものとする。

また、上記構成において、前記特定部分は、低角度ヘリカル巻で巻回される部分に位置するようにしてもよい。

低角度ヘリカル巻きで巻回される箇所は、その巻き方に起因して層内に空隙が発生しやすいので、気泡発生を抑制することができる本発明の利点をとりわけ得ることができる。

尚、本明細書において、「低角度」とは、ライナの軸方向に対して、３０度以下の角度を示す。

また、上記構成において、前記張力設定手段は、前記特定部分の巻回張力を３０Ｎ以上に増加させるようにしてもよい。

この構成により、熱硬化工程における気泡発生数を、単純に巻回張力減少させていく従来の方法に比べて、半数以下に抑制することができる。

また、上記構成において、前記張力設定手段は、前記特定部分の巻回張力を３５Ｎ以上に増加させるようにしてもよい。

この構成により、熱硬化工程における気泡発生をほぼなくすことができる。

本発明によれば、熱硬化工程においてＦＲＰタンク表面に気泡が発生することを抑制するＦＲＰタンク製造装置及び製造方法を提供することができる。

ＦＲＰタンクの構造を示す断面模式図 ＦＲＰタンクを搭載した燃料電池自動車の模式図 ＦＲＰタンク製造装置を示す模式図 巻回工程における空隙の状態を示す模式図 従来例における巻回張力と空隙発生位置との関係を示す模式図 最外層の巻回張力と気泡発生数との関係を示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係るＦＲＰタンクの製造装置及び製造方法について説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。

（ＦＲＰタンク）
はじめに、図１を用いて本実施の形態に係るＦＲＰタンクの構造を説明する。ここで、図１は、ＦＲＰタンクの構造を示す断面模式図である。

図１に示すように、ＦＲＰタンク１は、断面が略楕円体のタンク本体１０と、このタンク本体１０の長手方向両端部に取り付けられた口金部１２とを有する。

タンク本体１０は、例えば二層構造を有し、内部に貯留空間が形成されるように中空状に構成されたライナ２０と、そのライナ２０の外面を覆う補強層としてのＦＲＰ層２１とを有している。貯留空間には、例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａの圧縮天然ガスや水素ガス等からなる流体が貯留される。

ライナ２０は、タンク本体１０とほぼ同じ略楕円形状を有し、略円筒状の胴部２０２と、胴部２０２の両端に連続するドーム状の側部２０４とを備えている。側部２０４には、流体が供給（又は排出）される開口が設けられており、この開口に上記した口金部１２が装着され、配管系に接続可能となっている。ライナ２０は、ガスバリア性を有し、水素ガス等の外部への透過を抑制する層である。例えば、金属、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等の硬質樹脂から形成されており、二層以上積層して構成することも可能である。

ＦＲＰ層２１は、容器壁の耐圧強度を確保する層であり、樹脂を含有した状態で固化された繊維により形成されている。ＦＲＰ層２１は、強度を確保し易いという理由で、異なる巻回方向に繊維が巻回された複数の層を積層して構成するのが好ましい。本実施形態におけるＦＲＰ層２１は、繊維が胴部２０２の位置で周方向に巻回されてなるフープ層と、繊維が側部２０４及び胴部２０２の双方の位置でフープ層の繊維に対して交差する方向に巻回されてなるヘリカル層と、が交互に積層されている。

（ＦＲＰタンクの利用例）
次に、図２を参照して、上記ＦＲＰタンク１の利用例について説明する。ここで、図２は、ＦＲＰタンクを搭載した燃料電池自動車の模式図である。

図２に示すように、燃料電池自動車１００には、例えば３つのＦＲＰタンク１が車体のリア部に搭載されている。ＦＲＰタンク１は、高圧ガスタンクであり、例えば、内部に燃料ガスとしての圧縮天然ガスや水素ガス等を貯蔵している。ＦＲＰタンク１は、燃料電池システム２の一部を構成し、ガス供給ライン３を通じて各ＦＲＰタンク１から燃料電池４に燃料ガスが供給可能になっている。なお、ＦＲＰタンク１は、燃料電池自動車１００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）や定置設備（住宅、ビル）にも適用できる。

（ＦＲＰタンク製造装置）
次に、図３を参照しながら、上記ＦＲＰタンク１を製造するためのＦＲＰタンク製造装置３０について説明する。ここで、図３は、ＦＲＰタンク製造装置を示す模式図である。

ＦＲＰタンク製造装置３０は、フィラメント・ワインディング（ＦＷ）法によりライナ２０の周囲にＦＲＰ層２１を形成する装置である。ＦＲＰタンク製造装置３０は、繊維束供給部４０と、張力調整器５０と、繊維束ガイド６０と、回転駆動部７０と、制御部８０とを備えている。

繊維束供給部４０には、プリプレグからなる繊維束ｆ１〜ｆ３が巻き付けられた複数（図３においては３つ）のボビン４１ａ〜４１ｃが備えられている。繊維束供給部４０は、制御部８０の指令に基づいて、繊維束ｆ１〜ｆ３を張力調整器５０に送り出す。

なお、本実施の形態においては、プリプレグとしては、繊維に半硬化の熱硬化性樹脂を予め含浸させたものを用いる。こうしたプリプレグは、予め樹脂が含浸されているので繊維密度のばらつきが少ない。またライナ２０への巻き付けの際に樹脂がたれ落ちにくく、ＦＲＰ層の樹脂ムラが生じることも抑制できる。

なお、繊維は、例えば、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維、アラミド繊維、綿等の天然有機繊維などである。これらの中では、カーボン繊維、アラミド繊維が特に好ましく、ここではカーボン繊維を用いられている。また、熱硬化性の樹脂としては、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が用いられる。

張力調整器５０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を測定し、その測定結果を制御部８０に出力するとともに、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を調整して繊維束ガイド６０に送り出す。

繊維束ガイド６０は、繊維束ｆ１〜ｆ３を１つに束ねることにより繊維束Ｆを形成し、これをライナ２０に供給する。繊維束ガイド６０は、ライナ２０の長手方向及びそれに垂直な方向に往復可能であり、かつ、ライナ２０に対する角度を変更できるように回転可能な状態で設置されている。ライナ２０には、張力測定器（図示せず）が設置され、ライナ２０への巻回時の繊維束Ｆの実際の張力（巻回張力）を測定する。張力測定器による巻回張力の測定結果は、制御部８０に出力される。

ライナ２０は、その軸心を中心に回転可能となるように、シャフトを介して回転駆動部７０に取り付けられている。

回転駆動部７０は可変速モータを有しており、このモータの回転を、シャフトを介してライナ２０に伝達することによってライナ２０を回転駆動する。回転駆動部７０の回転速度は、制御部８０からの指令により自在に調整可能である。加圧ポンプ７１は、樹脂含浸繊維層２１Ａの形成中にライナ２０が凹むのを防ぐために、ライナ２０の内部を加圧する。

ライナ２０には、繊維束ガイド６０から供給される繊維束Ｆが所定のパターンで巻き付けられ、複数層からなる樹脂含浸繊維層２１Ａが形成される（巻回工程）。繊維束Ｆの巻き方（パターン）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よい。本実施の形態においては、繊維束Ｆをライナ２０にフープ巻及びヘリカル巻で等で交互に巻回する。巻回張力は、張力測定器の測定結果を受け、制御部８０からの指令により、張力調整器５０からの繊維束Ｆの供給、繊維束ガイド６０の駆動及び回転駆動部７０の回転速度を制御することにより設定される（張力設定工程）。巻回工程における巻回張力の設定方法については後述する。

尚、フープ巻は、ライナ２０の胴部２０２に繊維束Ｆをライナ２０の軸心に対してほぼ垂直（８０〜９０度）に巻回するものである。一方、ヘリカル巻は、フープ巻に比べてライナ２０の軸心に対する角度が小さいものであり、主にドーム状の側部２０４を螺旋状に巻回する際に用いられる。ヘリカル巻は、ライナ２０の軸心に対する角度により、高角度ヘリカル巻（７０〜８０度）、中角度ヘリカル巻（３０〜７０度）、低角度ヘリカル巻（３０度以下）に分けられ、ドーム状の側部２０４の特に口金部１２近傍等には、低角度ヘリカル巻が好適に用いられる。

樹脂含浸繊維層２１Ａが形成されると、ライナ２０は、シャフトから取り外され、例えば、図示しない加熱炉に搬送され、樹脂含浸繊維層２１Ａの樹脂が熱硬化される（熱硬化工程）。これにより、ライナ２０の外側に強度の高いＦＲＰ層２１を備えたＦＲＰタンク１が製造される。

制御部８０は、ＦＲＰタンク製造装置３０の運転を制御する。制御部８０は、例えば、繊維束供給部４０及び張力調整器５０からの繊維の供給、繊維束ガイド６０の駆動、ライナ２０の回転駆動部７０への取り付け、回転駆動部７０の回転スピード、巻回張力の設定、巻回後のライナ２０の加熱炉への搬送及び加熱炉の温度管理等ＦＲＰタンク製造装置３０全体を制御するようになっている。

（巻回張力の設定方法）
次に、図４乃至図６を参照して、巻回工程における巻回張力の設定方法について説明する。ここで、図４は、巻回工程における空隙の状態を示す模式図、図５は、巻回張力と空隙発生位置との関係を示す模式図、図６は、最外層の巻回張力と気泡発生数との関係を示す図である。

巻回工程において、制御部８０は、巻き始め、すなわち樹脂含浸繊維層２１Ａの最内層において巻回張力を最大値に設定する。そして、樹脂含浸繊維層２１Ａの層数が増加するとともに巻回張力を漸減させていく。すなわち樹脂含浸繊維層２１Ａの内層に比べて外層の巻回張力が小さくなるように、繊維束Ｆをライナ２０に巻回していく。本実施の形態においては、最内層の巻回張力を４５Ｎに設定し、層数の増加とともに徐々に減少させ、最外層の一層前の層では、巻回張力を２０Ｎに設定している。最外層の一層前における口金部１２近傍の状態を図４（ａ）に示す。

図４（ａ）に示すように、この段階においては、口金部１２の近傍の側部２０４上の樹脂含浸繊維層２１Ａ内部に空隙Ｐが形成されている。側部２０４は、低角度ヘリカル巻により巻回され繊維束Ｆが螺旋状に積み重なること及び巻回張力を徐々に減少させていることのため、構造的に繊維間に空隙が生じやすくなっている。

そこで、本実施の形態においては、繊維束Ｆの巻き終わりの最外層のうち、特にライナ２０の側部２０４上の巻回部分（特定部分）の巻回張力を内層（最内層を除く）の巻回張力に比べて増加させるようにする。この状態を図４（ｂ）に示す。本実施の形態では、後述する理由により、３０Ｎ〜４５Ｎ、好ましくは３５Ｎ〜４５Ｎまで増加させている。

図４（ｂ）に示すように、最内層から漸減してきた巻回張力が当該特定部分において増加に転じることにより、繊維が互いに締付けられて空隙Ｐの容積が減少していく。これにより、発泡の原因となる空気が樹脂含浸繊維層２１Ａの外表面から外部に押出される。この状態を図４（ｃ）に示す。

図４（ｃ）に示すように、巻回工程の最後においては、繊維間の隙間がほぼ埋まり、空隙Ｐがなくなっている。すなわち、熱硬化工程の前の段階で、気泡の発生の原因となる層内の空気がない状態にできる。これにより、熱硬化工程におけるＦＲＰタンク１表面の気泡発生を防止することができる。ドーム状の側部２０４は、保護用のパット等が取り付けられる箇所であり、またＦＲＰタンク１の組付性に影響を与える箇所でもあるので、ＦＲＰタンク１表面の不規則な凹凸をなくす利点は大きい。

また、巻回工程においては、上記特定部分のみ巻回張力を増加させ、それ以外の部分では、繊維の層数が増加するとともに巻回張力を減少させていくので、例えば、巻回張力を一定値に保った場合に比べて、硬化後のＦＲＰタンク１の耐破裂強度及び疲労強度を高く維持することができる。しかも、ＦＲＰタンク１の破壊はＦＲＰタンク１の胴部２０２で発生することが多いので、側部２０４上の特定部分の巻回張力を上記の通り増加させたとしても、ＦＲＰタンク１全体の耐破裂強度及び疲労強度に対して負の影響を与えることはない。

次に、図５及び図６を参照しながら、上記特定部分における巻回張力の好適値について考察する。

図５は、最内層から最外層にかけて巻回張力を単純に減少させていった従来の場合における空隙発生位置の検証結果を模式的に示している。同図は、熱硬化工程後に気泡が発生している口金部近傍の箇所を、巻回工程において設定された巻回張力との関係で示しており、Ｎ１は４５Ｎで巻回した最内層のライン、Ｎ２は３５Ｎで巻回したライン、Ｎ３は、２０Ｎで巻回した最外層のラインである。同図に模式的に示したように、空隙Ｐは主として３５Ｎより小さい値で巻回した層で発生していることが判明した。このことから、空隙Ｐは、巻回張力が３５Ｎより小さくなると発生しやすくなると考えられる。

図６は、増加させる最外層の巻回張力の値により、熱硬化工程後の気泡の発生数がどれだけ変化するかを検証した結果を示す図である。同図から分かるように、最外層の巻回張力を３０Ｎにすると、ほぼ気泡の発生数は半減し、さらに最外層の巻回張力を３５Ｎ以上とすると、気泡の発生は防止できることが判明した。

以上、図５及び図６に示した検証結果より、増加させる最外層の巻回張力を、３０Ｎ以上、より好ましくは３５Ｎ以上に設定すると、気泡の発生数を顕著に抑制させることができる。ここで、過度の張力がかかりライナが変形してしまうことを防止するためには、特定部分の巻回張力の上限値は、最内層の巻回張力の設定値を超えない値（本実施の形態においては４５Ｎ）とすることが好ましい。従って、特定部分における巻回張力の好適値は、３０Ｎ〜４５Ｎ、より好ましくは、３５Ｎ〜４５Ｎである。
（変形例）

以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。

本実施の形態においては、繊維束Ｆの巻き終わりの最外層のうち、ライナ２０の側部２０４上に巻回される部分を特定部分とするようにしているが、これに限られるものではなく、その形状や巻き方等に起因して、繊維の巻回の際に空隙が発生しやすい箇所を特定部分としてもよい。

また、本実施の形態においては、熱硬化性の樹脂を予め含浸した繊維としてプリプレグを用いるようにしている。プリプレグは、樹脂の粘性が低いので樹脂含浸繊維層内に空隙が発生しやすく本発明による空隙の減少の利点は大きいが、これに限られるものではなく、例えば、巻回工程の直前に、繊維束Ｆを熱硬化性の樹脂が貯留された樹脂槽に含浸させるようにしてもよい。

１……ＦＲＰタンク、２……燃料電池システム、３……ガス供給ライン、４……燃料電池、１０……タンク本体、１２……口金部、２０……ライナ、２０２……胴部、２０４……側部、２１……ＦＲＰ層、２１Ａ……樹脂含浸繊維層、３０……ＦＲＰタンク製造装置、４０……繊維束供給部、５０……張力調整器、６０……繊維束ガイド、７０……回転駆動部、７１……加圧ポンプ、８０……制御部、１００……燃料電池自動車、ｆ１…繊維束、ｆ２…繊維束、ｆ３…繊維束、Ｆ…繊維束

Claims (6)

1. ライナの外周に樹脂を含浸した繊維を複数層巻回する巻回手段と、
   前記繊維の巻回の際の巻回張力を設定する張力設定手段と、を備え、
   前記張力設定手段は、前記巻回張力を、前記繊維の層数が増加するとともに減少させていき、前記繊維の最外層の特定部分の巻回において前記繊維の最内層における巻回張力を超えない値まで再び増加させるＦＲＰタンクの製造装置。
2. 前記ライナは、円筒上の胴部と、該胴部の少なくとも一方の端部に配置されたドーム状の側部とを備え、前記特定部分は、前記側部上に位置する請求項１に記載の製造装置。
3. 前記特定部分は、低角度ヘリカル巻で巻回される部分に位置する請求項１または請求項２に記載の製造装置。
4. 前記張力設定手段は、前記特定部分の巻回張力を３０Ｎ以上に増加させる請求項１乃至３に記載の製造装置。
5. 前記張力設定手段は、前記特定部分の巻回張力を３５Ｎ以上に増加させる請求項４に記載の製造装置。
6. ライナの外周に樹脂を含浸した繊維を複数層巻回する巻回工程と、
   前記繊維の巻回の際の巻回張力を設定する張力設定工程と、を備え、
   前記張力設定工程において、前記巻回張力を、前記繊維の層数が増加するとともに減少させていき、前記繊維の最外層の特定部分の巻回において前記繊維の最内層における巻回張力を超えない値まで再び増加させるＦＲＰタンクの製造方法。

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