CN101517306A - 筒状固定凸缘结构及设有该结构的高压气体容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于填充有高压气体的高压气体容器的筒状固定凸缘结构。该筒状固定凸缘结构包括具有金属接触式密封件的高压侧初级密封区，和具有弹性体密封件的大气侧次级密封区，并且高压侧初级密封区和大气侧次级密封区在高压气体容器的筒体方向上前后设置。该筒状固定凸缘结构确保了在仅使用弹性体密封件时所欠缺的抵抗加压/减压应力的耐久性和可靠性。该密封结构的气密性优异，并且该密封结构的体积特别是横向宽度得到了抑制，但是具有高的设计自由度并且适用于燃料电池用高压氢气容器。

Description

筒状固定凸缘结构及设有该结构的高压气体容器
技术领域
本发明涉及一种用于高压氢气容器的密封结构，该高压氢气容器适用于车辆并且用于向燃料电池供给氢。更具体地，本发明涉及一种用于以小空间来密封高压氢气等的筒状固定凸缘结构。
背景技术
近年来，机动车辆、住宅、输送机械等都使用气体容器(气罐)来储存用作发电燃料的氢气或天燃气。
例如，质子交换膜式燃料电池作为机动车辆用能源受到了关注。当使用这种燃料电池来发电时，通过向燃料电池的一个气体扩散电极层供给气体燃料(例如，氢气)并向该燃料电池的另一个气体扩散电极层供给氧化气体(例如，含氧的空气)来进行电化学反应。由于在这样发电时仅生成无害的水，所以从对环境的影响和利用效率的观点出发，燃料电池受到了关注。
为了向配备有燃料电池的机动车辆连续地供给气体燃料(如氢气)，将气体燃料储存在车载气体容器中。因此，燃料电池车辆必须配备有气体容器来储存作为燃料气体的含氢气体(包括纯氢)，并且要求氢气容器与燃料电池之间的连接部具有高气密性。
在燃料电池车辆(FCHV)用高压氢气容器(压缩氢气箱：CHG箱)系统中，由于充入了压力为35Mpa到75Mpa或更高的高压氢气，所以已经考虑了使用金属材料的密封件和使用弹性体材料的各种密封结构。特别地，希望发展具有高气密性并且能够承受以高频率进行的高压氢气的充入和排出的密封材料和密封结构。由于在高压下进入弹性体的氢气在压力降低的情况下常常会扩散到该弹性体的外侧，所以密封材料和密封结构必须承受压力变化环境。同时，密封材料和密封结构必须承受温度在约-70℃到约80℃的范围内变化的温度变化环境。
然而，如果使用具有弹性力的橡胶或树脂作为密封部件的材料，则在耐氢气渗透性方面存在问题。从耐氢气渗透性的观点出发，优选使用金属作为密封部件的材料。然而，由于如上所述需要高气密性，无可避免地必须增加紧固力。另一方面，从轻量化的观点出发，常常使用诸如铝等较软的材料作为气体容器的材料。因此，如果如上所述地增加紧固力，则会产生气体容器被损坏因而气体容器的使用寿命降低的问题。
为解决上述问题，日本专利申请(特开)No.2006-9984公开了一种能够与含氢气体的压力波动无关地保持密封功能并同时保护被密封部件不被损坏的气体密封结构。该气体密封结构包括设置在含氢气体流通部位周围的主密封部件和设置在主密封部件的再向外的周侧上的辅助密封部件。主密封部件包括朝向气体流通侧开口的金属C形部。该C形部具有弹性力并且在至少两个彼此面对的位置处与被密封部件相接触以推动被密封部件。
根据日本专利申请(特开)No.2006-9984中公开的发明，主密封部件的C形部由于是由金属制成的，所以具有高的耐氢渗透性。另外，由于C形部在至少两个彼此面对的位置处与被密封部件相接触，所以截断了含氢气体向外部的流通。另外，当流通的气体的压力升高时，气体从C形部的开口位置流入该C形部，使得C形部变形，从而使C形部与被密封部件相接触。因此，即使气体压力升高，也可保持主密封部件的密封功能。在如上所述气体压力升高的情况下，由于通过C形部的变形保持了密封功能，所以可以减小安装主密封部件时的紧固力。因此，可以防止被密封部件被损坏，从而可以防止被密封部件的使用寿命降低。另外，由于C形部在两个接触位置处与被密封部件相接触从而使该C形部能够以这两个接触位置作为基点而膨胀和收缩，所以推动力的作用方向并不随流通的含氢气体的压力波动而改变，从而可防止主密封部件的位置变动。另外，由于设置有辅助密封部件，所以可进一步改进密封性能。
发明内容
对于日本专利申请(特开)No.2006-9984中公开的密封结构，借助于该平面固定的密封结构，通过将初级侧的金属密封件与次级侧的弹性体密封件相组合而改进了弹性体对高压应力的耐久性。平面固定凸缘的密封结构具有高组装性能。然而，这种密封结构要求提供用于形成密封件的凸缘，因此存在在纵向和横向都需要大的横截面积来用作密封结构的问题。因此，同时使用金属密封件和弹性体密封件的密封结构必须增加密封凸缘的横截面积。
这一点在设计自由度方面也引起了重要问题，特别是当大量的筒状高压氢气容器被安装在有限的空间中(如安装在燃料电池车辆上)时。
因此，本发明的目的在于，提供一种具有高的设计自由度并且适用于燃料电池的密封结构，在该密封结构中，确保了对在仅使用弹性体密封件的密封结构中会引起问题的加压/减压应力的耐久性和可靠性，该密封结构的气密性高，并且密封结构的体积特别是横向宽度受到了抑制。
本发明人发现，通过金属接触式密封件和弹性体密封件的特定布置结构可解决上述问题，这便实现了本发明。
首先，本发明提供了一种用于填充有高压气体的高压气体容器的筒状固定凸缘结构。该筒状固定凸缘结构包括设置有金属接触式密封件的高压侧初级(一次，primary)密封区，和设置有弹性体密封件的大气侧次级(二次，secondary)密封区，所述高压侧初级密封区和所述大气侧次级密封区在所述高压气体容器的筒体方向上彼此相邻地设置。
根据本发明，通过将初级侧的金属接触式密封件和次级侧的弹性体密封件组合在一起的筒状固定凸缘结构，能够提高气密性以及弹性体密封件对高压应力的耐久性，并且密封结构可制成横向紧凑的。
根据本发明的筒状固定凸缘结构能够有效地用于各种高压气体容器的密封结构，特别是，通过充分利用前述优点而使该筒状固定凸缘结构适用于燃料电池车辆用的高压氢气容器。
作为高压侧初级密封区的金属接触式密封件，优选采用从以下项目(1)至(4)中选出的一种结构或者两种或更多种相组合的结构：
(1)凸缘端面密封件
(1’)锥形的凸缘端面密封件
(2)用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构
(2’)由厌气性螺纹密封剂密封的用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构(与向金属部的螺纹密封结构上涂布与金属的反应性高的厌气性密封剂相组合)
(3)金属衬垫密封件
(4)金属C形密封件或金属O形环
(5)陶瓷衬垫密封件
作为大气侧次级密封区，优选使用同时具有弹性体密封件和弹性体防挤出环的结构。
第二，本发明提供了一种设置有上述筒状固定凸缘结构的高压气体容器，特别是高压氢气容器。更具体地，本发明提供了一种向燃料电池车辆的燃料电池供给氢气的车辆用高压氢气容器。
第三，本发明提供了一种料电池车辆，所述车辆安装有设置有上述的筒状固定凸缘结构的高压氢气容器。
根据本发明的筒状固定凸缘结构是高压气体(特别是氢气)容器的密封部，根据该筒状固定凸缘结构，(1)通过将初级侧的金属接触式密封件和次级侧的弹性体密封件组合在一起的筒状固定凸缘结构，能够提高气密性以及弹性体密封件对高压应力的耐久性，以及(2)与平面固定凸缘结构相比，该密封结构可制成横向紧凑的。设置有上述密封结构的根据本发明的高压气体(特别是氢气)容器具有优秀的耐久性，并且最适用于特别是燃料电池车辆用高压氢气容器。
附图说明
图1是示出本发明的一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。
图2是示出本发明的另一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。
图3是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。
图4是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。
图5是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。
图6是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。
图7是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。
图8是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。
图9是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。
图10是示出比较例的平面固定凸缘结构的截面图。
下面说明附图标记。10：高压初级侧密封区；11：锥形凸缘端面密封件；12：用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构；13：厌气性螺纹密封剂；14：金属接触式密封件；15：金属衬垫密封件；16：金属C形密封件；20：大气侧次级密封区；21：弹性体密封件；22：弹性体防挤出环。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的实施例和比较例。
实施例1
图1是示出本发明的一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。在高压初级侧密封区10中，锥形凸缘端面密封件11和用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12组合在一起，另外，用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12的螺纹部分由厌气性螺纹密封剂13完全密封。沿筒体方向邻近于高压初级侧密封区10设置大气侧次级密封区20。大气侧次级密封区20具有同时包括弹性体密封件21和弹性体防挤出环22的结构。
高压初级侧密封区10减小了作用在设置于大气侧次级密封区20中的弹性体密封件21上的加压/减压应力。上述筒状固定凸缘结构可用于节省密封结构的空间。
实施例2
图2是示出本发明的另一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。在高压初级侧密封区10中，锥形凸缘端面密封件11和用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12组合在一起，特别地，用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12的螺纹部分提供了金属接触式密封件14。沿筒体方向邻近于高压初级侧密封区10设置大气侧次级密封区20。大气侧次级密封区20具有同时包括弹性体密封件21和弹性体防挤出环22的结构。
如实施例1中一样，高压初级侧密封区10减小了作用在设置于大气侧次级密封区20中的弹性体密封件21上的加压/减压应力。上述筒状固定凸缘结构可用于节省密封结构的空间。
实施例3
图3是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。在高压初级侧密封区10中，金属衬垫密封件15和用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12组合在一起，特别地，用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12的螺纹部分由厌气性螺纹密封剂13完全密封。沿筒体方向邻近于高压初级侧密封区10设置大气侧次级密封区20。大气侧次级密封区20具有同时包括弹性体密封件21和弹性体防挤出环22的结构。
如实施例1中一样，高压初级侧密封区10减小了作用在设置于大气侧次级密封区20中的弹性体密封件21上的加压/减压应力。上述筒状固定凸缘结构可用于节省密封结构的空间。
实施例4
图4是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。在高压初级侧密封区10中，金属衬垫密封件15和用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12组合在一起，特别地，用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12的螺纹部分提供了金属接触式密封件14。沿筒体方向邻近于高压初级侧密封区10设置大气侧次级密封区20。大气侧次级密封区20具有同时包括弹性体密封件21和弹性体防挤出环22的结构。
如实施例1中一样，高压初级侧密封区10减小了作用在设置于大气侧次级密封区20中的弹性体密封件21上的加压/减压应力。上述筒状固定凸缘结构可用于节省密封结构的空间。
实施例5
图5是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。在高压初级侧密封区10中，用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12的螺纹部分由厌气性螺纹密封剂13完全密封。沿筒体方向邻近于高压初级侧密封区10设置大气侧次级密封区20。大气侧次级密封区20具有同时包括弹性体密封件21和弹性体防挤出环22的结构。
如实施例1中一样，高压初级侧密封区10减小了作用在设置于大气侧次级密封区20中的弹性体密封件21上的加压/减压应力。上述筒状固定凸缘结构可用于节省密封结构的空间。
实施例6
图6是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。高压初级侧密封区10由用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12组成，并且该用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构12的螺纹部分提供了金属接触式密封件14。沿筒体方向邻近于高压初级侧密封区10设置大气侧次级密封区20。大气侧次级密封区20具有同时包括弹性体密封件21和弹性体防挤出环22的结构。
如实施例1中一样，高压初级侧密封区10减小了作用在设置于大气侧次级密封区20中的弹性体密封件21上的加压/减压应力。上述筒状固定凸缘结构可用于节省密封结构的空间。
实施例7
图7是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。高压初级侧密封区10由锥形凸缘端面密封件11组成。沿筒体方向邻近于高压初级侧密封区10设置大气侧次级密封区20。大气侧次级密封区20具有同时包括弹性体密封件21和弹性体防挤出环22的结构。
如实施例1中一样，高压初级侧密封区10减小了作用在设置于大气侧次级密封区20中的弹性体密封件21上的加压/减压应力。上述筒状固定凸缘结构可用于节省密封结构的空间。
实施例8
图8是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。高压初级侧密封区10由金属衬垫密封件15组成。沿筒体方向邻近于高压初级侧密封区10设置大气侧次级密封区20。大气侧次级密封区20具有同时包括弹性体密封件21和弹性体防挤出环22的结构。
如实施例1中一样，高压初级侧密封区10减小了作用在设置于大气侧次级密封区20中的弹性体密封件21上的加压/减压应力。上述筒状固定凸缘结构可用于节省密封结构的空间。
实施例9
图9是示出本发明的又一实施例的筒状固定凸缘结构的截面图。高压初级侧密封区10由金属C形密封件16组成。虽然图9中使用的是C形密封件，也可以使用金属O形环。沿筒体方向邻近于高压初级侧密封区10设置大气侧次级密封区20。大气侧次级密封区20具有同时包括弹性体密封件21和弹性体防挤出环22的结构。
如实施例1中一样，高压初级侧密封区10减小了作用在设置于大气侧次级密封区20中的弹性体密封件21上的加压/减压应力。上述筒状固定凸缘结构可用于节省密封结构的空间。
比较例
图10是示出本发明的比较例的平面固定凸缘结构的截面图。在该平面固定凸缘结构中，优选地，对于高压初级侧密封件设置金属C形密封件，对于大气侧次级密封件设置弹性体密封件。高压初级侧密封件和大气侧次级密封件布置在同一平面上。由图10可见，凸缘部分的空间很大。因此，显然平面固定凸缘结构不适于在有限的空间内(如在燃料电池车辆上)安装大量的筒状高压氢气容器。
工业实用性
对于根据本发明的筒状固定凸缘结构，能够提高气密性以及弹性体密封件对高压应力的耐久性，并且可将密封结构制成横向紧凑的。设置有上述密封结构的根据本发明的高压气体(特别是氢气)容器具有优秀的耐久性，并且最适用于特别是燃料电池车辆用高压氢气容器。因此，根据本发明的高压氢气容器有利于燃料电池车辆的实际应用和推广。

Claims (14)

1.一种用于填充有高压气体的高压气体容器的筒状固定凸缘结构，包括设置有金属接触式密封件的高压侧初级密封区，和设置有弹性体密封件的大气侧次级密封区，所述高压侧初级密封区和所述大气侧次级密封区在所述高压气体容器的筒体方向上彼此相邻地设置。
2.根据权利要求1所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述高压气体是氢气。
3.根据权利要求1或2所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述金属接触式密封件是凸缘端面密封件。
4.根据权利要求3所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述凸缘端面具有锥形形状。
5.根据权利要求1或2所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述金属接触式密封件是用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构。
6.根据权利要求1或2所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述金属接触式密封件同时包括凸缘端面密封件和用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构。
7.根据权利要求5或6所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构由厌气性螺纹密封剂来密封。
8.根据权利要求1或2所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述金属接触式密封件是金属衬垫密封件。
9.根据权利要求1或2所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述金属接触式密封件同时包括金属衬垫密封件和凸缘端面密封件和/或用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构。
10.根据权利要求1或2所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述金属接触式密封件是金属C形密封件或金属O形环。
11.根据权利要求1或2所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述金属接触式密封件同时包括金属C形密封件或金属O形环和金属衬垫密封件和/或凸缘端面密封件和/或用于固定筒状凸缘的紧固螺纹结构。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的筒状固定凸缘结构，其特征在于，所述大气侧次级密封区同时具有弹性体密封件和弹性体防挤出环。
13.一种高压气体容器，所述气体容器设置有根据权利要求1至12中任一项所述的筒状固定凸缘结构。
14.一种燃料电池车辆，所述车辆安装有高压气体容器，在该高压容器中设置有权利要求1至12中任一项所述的筒状固定凸缘结构。
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