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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungsmaterial mit hoher Festigkeit, das ohne eine signifikante Verschlechterung der Eigenschaften bei geringen Temperaturen des Materials erhalten wird. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung einen Hochdruck-Wasserstoffbehälter, der ein höchst geeigneter Fahrzeugbehälter zum Zuführen von Wasserstoff für Brennstoffzellen ist, und eine Verwendung desselben.
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Stand der Technik
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In den letzten Jahren wurden Gastanks (Gaszylinder), in denen Wasserstoff oder natürliches Gas gelagert wird, das als Brennstoff für die Erzeugung von elektrischem Strom dient, in Automobilen, Häusern, Transportmaschinen und dergleichen verwendet.
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Zum Beispiel haben Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen Aufmerksamkeit als Stromquelle für Automobile erlangt. Wenn solche Brennstoffzellen für die Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden, wird eine elektrochemische Reaktion durch Zuführen eines Brenngases (z. B. Wasserstoffgas) zu einer Gasdiffusions-Elektrodenschicht, die auf einer Seite jeder Brennstoffzelle bereitgestellt wird, und Zuführen eines Oxidationsgases (z. B. Sauerstoff enthaltende Luft) zu einer Gasdiffusions-Elektrodenschicht, die auf der anderen Seite bereitgestellt wird, induziert. Nach einer solchen Erzeugung von elektrischem Strom wird ausschließlich nicht-toxisches Wasser erzeugt. Daher erlangten die obigen Brennstoffzellen Aufmerksamkeit hinsichtlich der Umwelteinflüsse und der Anwendungseffizienz.
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Um einem Automobil, das mit den obigen Brennstoffzellen ausgerüstet ist, kontinuierlich ein Brenngas, wie Wasserstoffgas zuzuführen, wird das Brenngas in einem Gastank innerhalb des Fahrzeugs gelagert. Beispiele für Wasserstoff-Gastanks innerhalb des Fahrzeugs, die untersucht wurden, schließen einen Gastank ein, in dem komprimierter Wasserstoff gelagert wird, und einen Gastank zum Lagern von Wasserstoff, in dem Wasserstoff in einem Zustand der Absorption an einem Metallhydrid (MH) gelagert wird.
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Unter ihnen wurde ein CFRP(Kohlenstofffaser-verstärkter Kunststoff)-Tank zur Verwendung als Gastank innerhalb eines Fahrzeugs untersucht, in dem komprimierter Wasserstoff gelagert wird. Ein CFRP-Tank ist so strukturiert, dass eine Einlageschicht (innerer Mantel), die die luftdichten Eigenschaften des Tanks aufrecht erhält, innerhalb einer Schicht (äußerer Mantel: faserverstärkte Schicht), die einen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoff (CFRP-Material) umfasst, gebildet wird. Ein solcher CFRP-Tank weist eine höhere Festigkeit als die eines Tanks auf, der aus einer gewöhnlichen Kunststoffart hergestellt ist, und ist ausgezeichnet in der Druckwiderstandsfähigkeit und wird daher bevorzugt als Brenngastank verwendet.
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Nebenbei ist ein Hochdruck-Wasserstoffbehälter(Gastank mit komprimiertem Wasserstoff: CHG-Tank)-System in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug mit Wasserstoffgas mit hohem Druck befüllt (zwischen 35 MPa und 75 MPa oder mehr). In einem solchen Fall ist hinsichtlich des Freiheitsgrads des Aufbaus des Dichtungsmaterials das Abdichten unter Verwendung eines elastomeren Materials erwünschter als das Abdichten unter Verwendung eines Metallmaterials. Zusätzlich wird der Entwicklung eines Materials, das eine Beständigkeit gegen Füllen und Entleeren eines Wasserstoffgases mit hohem Druck bei hoher Frequenz aufweist, entgegengesehen. In ein Elastomer bei hohen Drücken aufgenommenes Wasserstoffgas neigt dazu, aus dem Elastomer bei vermindertem Druck zu diffundieren, so dass es erforderlich ist, dass ein solches Material, in verschiedenen Druckumgebungen beständig ist. Ferner ist es erforderlich, dass ein solches Material in unterschiedlichen Temperatur-Umgebungen beständig ist (ungefähr zwischen einer niedrigen Temperatur von –70°C und einer hohen Temperatur von 80°C).
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Es gibt eine Vielfalt an bekannten Dichtungsmaterialien, die im Allgemeinen verwendet werden. Beispielsweise offenbart die
JP-Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 10-182882 A (1998) eine Gummi-Zusammensetzung, die einen spezifisch hydrierten Nitrilgummi (a) umfasst, an den ein spezifischer Ruß (b) angelagert wurde, wobei ein solcher Ruß eine spezifische Oberfläche, eine Absorptionsmenge an verdichtetem DBP-Öl, eine abgestufte Festigkeit, ein Verhältnis der spezifischen Oberfläche für die Stickstoff-Adsorption zur Jod-Adsorptionsmenge und eine elektronenmikroskopisch überwachte durchschnittliche Partikelgröße aufweist. Dies liegt daran, dass, wenn herkömmliche Materialien, die durch Anlagern von Siliziumdioxid an hydrierten Nitrilgummi erhalten werden, zum Formen von Dichtungselementen für Fahrzeug-Klimaanlagen-Kompressoren verwendet werden, die durch Vulkanisationsformen solcher Materialien erhaltenen Dichtungselemente hinsichtlich der Eigenschaften der Beständigkeit gegen Fluorkohlenwasserstoff (Blasenbeständigkeit) und der Verschleißbeständigkeit (notwendig für bewegliche Dichtungselemente) unter Bedingungen hoher Temperaturen nicht zufriedenstellend sind. Die Referenz beschreibt ebenso, dass ein durch Vulkanisationsformen solcher Gummi-Zusammensetzungen erhaltenes Produkt, das für Dichtungselemente und dergleichen für Fahrzeug-Klimaanlagenkompressoren verwendet wird, ausgezeichnet in der Blasenbeständigkeit, Verschleißbeständigkeit und dergleichen ist.
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Zusätzlich wurde in Plast. Rubber Compos. Process Appl (JIN: D0988B; ISSN: 0959-8111) VOL. 22, Nr. 3 ein Elastomer hinsichtlich der Flüssigkeitsabsorption, der Hochdruckpermeation und des schnellen Zerfalls (explosiven Zerfalls) theoretisch analysiert, mit dem Titel „Durability of TFE/P and other fluorinated elastomers when used in stringent high-Pressure environments for sealing purposes”. Die erhaltenen Ergebnisse wurden ferner durch Experimente bestätigt. Die Referenz beschreibt ebenso, dass Dichtungsmaterialien dazu neigen, sich eher aufgrund physikalischer Einflüsse als durch chemische Reaktionen zu verschlechtern. Zusätzlich führt die Referenz als fluoriertes Elastomer ein Elastomer (explosionssicheres Elastomer) an, das hinsichtlich der Beständigkeit gegen den schnellen Zerfall (explosiven Zerfall) ausgezeichnet ist.
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Dennoch ist ein explosionssicheres Elastomer erheblich schlechter in der ”Biegebeständigkeit”, die wichtig für das Leistungsmerkmal der Abdichtungsdauer ist, und in den ”Niedrigtemperatur-Eigenschaften (Rückstellungseigenschaften)”, die in einer Umgebung wichtig sind, in der der Hochdruck-Wasserstofftank für Brennstoffzellen verwendet wird. Diese Belange waren problematisch.
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Es wird angenommen, dass die obigen Probleme aus den folgenden Gründen aufgetreten sind.
- (1) Die Vernetzungsdichte eines fluorierten Elastomers ist außerordentlich erhöht; d. h. ein Elastomer wird zu einem Ebonitmaterial auf eine Weise gebildet, dass das Elastomer modifiziert wird, um die explosionssicheren Eigenschaften eines explosionssicheren Elastomers zu verbessern. Dies resultiert im Verlust der Rückstellungseigenschaften, die einem Elastomer grundsätzlich verliehen sind.
- (2) Die Menge an Gasabsorption in einem Elastomer wird unterdrückt, um die explosionssicheren Eigenschaften zu verbessern. Insbesondere wird die Zusammensetzung des Elastomers so modifiziert, dass der Polymeranteil verringert wird (der Polymeranteil in einer gemischten Zusammensetzung wird verringert). Es wird angenommen, dass eine solche Modifikation in einer Verschlechterung der Elastomereigenschaften resultiert, was zu einer Verschlechterung der Biegebeständigkeit führt.
- (3) Ein fluoriertes Elastomer ist in Niedrigtemperatur-Eigenschaften grundsätzlich schlechter. Zusätzlich verschlechtern sich die Niedrigtemperatur-Eigenschaften als Ergebnis der obigen in (1) und (2) beschriebenen Modifikationen.
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US 2 854 698 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen von drucksensitivem, nicht unterstütztem Organisiliciumgummiband und bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von ”nicht unterstütztem” Silicongummiband, d. h. einem Band, das keine verstärkenden Blätter, Gewebe oder Fasern enthält.
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GB 819 844 A offenbart einen Siloxangummireifen und bezieht sich auf einen metalllitzenverstärkten Silicongummidruckluftreifen.
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DE 1 004 374 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Siloxanelastomeren unter Verwendung von Dichlorobenzoylperoxid und bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Organopolysiloxanelastomeren.
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DE 1 301 137 A offenbart ein Verfahren zum Polymerisieren von Organosiliciumverbindungen und bezieht sich auf ein Verfahren zum Polymerisieren von Organosiloxanen, die siliciumgebundene Hydroxylradikale aufweisen.
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DE 1 156 981 A offenbart Organopolysiloxanformmassen, die Borverbindungen enthalten und bezieht sich auf Organopolysiloxanelastomere die viele günstige Eigenschaften besitzen, die sie für viele Anwendungszwecke geeignet machen.
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GB 765 385 A offenbart Organosiloxanzusammensetzungen und bezieht sich auf Organosiliciumzusammensetzungen, die nützlich sind zum Beschichten von Isoliergeweben.
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US 3 508 677 A offenbart einen Behälter zum Speichern von Hochdruckgasen und bezieht sich auf fasergewickelte Druckbehälter, die in der Lage sind, komprimierte Gase unter extrem hohem Druck ohne nennenswerte Verluste über lange Zeiträume zu speichern, und auf ein Verfahren, um solche Behälter herzustellen.
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DE 11 2007 002 020 T5 offenbart einen Hochdruckwasserstoffbehälter und bezieht sich auf einen Hochdruckwasserstoffbehälter, der mit Wasserstoff unter hohen Drücken befüllt ist, in dem mindestens ein Elastomer als Dichtungsmaterial verwendet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird angenommen, dass die Menge der Gasabsorption in einem Elastomer unterdrückt wird (insbesondere wird der Polymeranteil in einer gemischten Zusammensetzung verringert), um zu versuchen, die explosionssichere Beständigkeit (Beständigkeit unter variablen Drücken von Wasserstoffgas unter hohem Druck) einer Vielzahl von Elastomeren zu verbessern. Dies resultiert jedoch in einer Verschlechterung der Biegebeständigkeit, und daher kann die gewünschte Leistungsverbesserung nicht erreicht werden.
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Zusätzlich beträgt die Temperaturgrenze, bei der ein herkömmliches Elastomer eine Biegebeständigkeit bei geringer Temperatur zeigt (Niedrigtemperatur-Rückstellungsrate) ungefähr –45°C. Daher war es schwierig, eine Temperatur von –60°C oder weniger, die für eine Verbesserung der Leistung erforderlich ist, zu realisieren.
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Ferner ist ein mögliches Kandidaten-Elastomer zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit hinsichtlich beider obiger gewünschten Eigenschaften ein Silikon-Elastomer. Dennoch fehlen hinsichtlich einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit bezüglich der explosionssicheren Beständigkeit den gewöhnlichen Silikon-Elastomeren die Festigkeit und die physikalischen Eigenschaften, was sehr problematisch ist.
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Wie oben beschrieben, ist für ein Hochdruck-Wasserstoffbehälter(CHG-Tank)-System für Brennstoffzellen-Fahrzeuge das Abdichten unter Verwenden eines elastomeren Materials hinsichtlich des Freiheitsgrades des Aufbaus des Dichtungsmaterials erwünscht. Dennoch ist ein explosionssicheres fluoriertes Elastomer, welches ein herkömmliches Elastomer-Dichtungsmaterial ist, hinsichtlich des großen Anstiegs der „Biegemenge (plastische Verformung der Kompression)” eines solchen Elastomers, die durch ein wiederholtes Befallen und Entleeren mit Wasserstoff unter hohem Druck hervorgerufen wird, zusätzlich zu Veränderungen im Erscheinungsbild aufgrund von Expansion, Blähung und dergleichen problematisch.
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Das heißt, um ein Hochdruck-Wasserstoffbehälter(CHG-Tank)-System für Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit einem elastomeren Material abzudichten, sollte das elastomere Material Folgendes aufweisen: (1) ausgezeichnete Beständigkeit in einer variablen Druckumgebung von Wasserstoff mit hohem Druck; und (2) eine ausgezeichnete Biegebeständigkeit in Umgebungen niedriger bis hoher Temperaturen, welches die bedeutenden technischen Aufgaben sind. Daher ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein elastomeres Material bereitzustellen, das hinsichtlich beider oben beschriebenen technischen Aufgaben ausgezeichnet ist.
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Insbesondere ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, Folgendes zu erreichen (1): einen Bereich des Druckunterschieds (ΔP) von Wasserstoffgas mit hohem Druck, der zweimal oder höher im Vergleich zu dem herkömmlichen Bereich erhöht ist. Das heißt, es ist ein Ziel, einen Bereich des Druckunterschieds (ΔP), ausgedrückt als „ΔP = 70 MPa (0 ⇔ 70 MPa)”, zu erreichen, während der herkömmliche Bereich des Druckunterschieds als „ΔP = 30 MPa (0 ⇔ 30 MPa)” ausgedrückt wird. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Folgendes sicherzustellen (2): Biegebeständigkeit (Abdichtungseigenschaften) bei niedriger Temperatur von –60°C oder weniger.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass die obigen Ziele durch Verwenden eines Elastomers erreicht werden können, das eine besondere Struktur und ein ausgezeichnetes Gasdiffusionsvermögen als ein Abdichtungsmaterial für einen Hochdruck-Wasserstoffbehälter aufweist. Dies führte zur Vervollkommnung der vorliegenden Erfindung.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten, von Anspruch 1 umfassten Aspekt ein Dichtungsmaterial für einen Hochdruck-Wasserstoffbehälter. Dieses umfasst hauptsächlich einen aus einem Dimethylsiloxansegment, einem Methylvinylsiloxansegment und einem Diphenylsiloxansegment bestehenden Silikongummi.
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Das Dichtungsmaterial für den Hochdruck-Wasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung umfasst den obigen Silikongummi allein oder eine Mischung des Silikongummis und eines anderen Elastomers. Das Dichtungsmaterials ist eine Mischung, die hauptsächlich den Silikongummi umfasst und enthält darin eingemischt wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethylenpropylendiengummi (EPDM), Ethylenpropylengummi (EPM), natürlichem Gummi (NR), Isoprengummi (IR) und Nitrilisoprengummi (NIR).
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Das Dichtungsmaterial für den Hochdruck-Wasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung weist bevorzugt die physikalischen Eigenschaften einer in JIS K6252 spezifizierten Reißfestigkeit von 35 N/mm oder mehr bei Raumtemperatur (23°C) und 27 N/mm oder mehr bei 90°C und einen TR10 von –60°C oder weniger auf, gemessen in einer Niedrigtemperatur-Rückstellungsuntersuchung gemäß JIS K6261.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Hochdruck-Wasserstoffbehälter gemäß Anspruch 4, der mit Wasserstoff unter hohem Druck befüllt ist, in dem ein Dichtungsmaterial verwendet wird, das hauptsächlich einen aus einem Dimethylsiloxansegment, einem Methylvinylsiloxansegment und einem Diphenylsiloxansegment bestehenden Silikongummi umfasst.
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Wie oben beschreiben, umfasst ein Dichtungsmaterial, das für den Hochdruck-Wasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung verwendet wird, den obigen Silikongummi und enthält darin eingemischt wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethylenpropylendiengummi (EPDM), Ethylenpropylengummi (EPM), natürlichem Gummi (NR), Isoprengummi (IR) und Nitrilisoprengummi (NIR). Zusätzlich weist das Dichtungsmaterial bevorzugt die physikalischen Eigenschaften einer in JIS K6252 spezifizierten Reißfestigkeit von 35 N/mm oder mehr bei Raumtemperatur (23°C) und 27 N/mm oder mehr bei 90°C und einen TR10 von –60°C oder weniger auf, gemessen in einer Niedrigtemperatur-Rückstellungsuntersuchung gemäß JIS K6261.
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In einem dritten, von Anspruch 7 umfassten Aspekt ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der obige Hochdruck-Wasserstoffbehälter als Fahrzeugbehälter zum Zuführen von Wasserstoff zu Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenfahrzeug verwendet wird.
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Das Dichtungsmaterial für den Hochdruck-Wasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung ist ein Material, das Folgendes zeigt: (1) beständige Leistungsfähigkeit bei variablen Druckumgebungen von Wasserstoff mit hohem Druck in einem Bereich eines Druckunterschieds (ΔP) von 70 MPa oder mehr; und (2) eine Leistungsfähigkeit, die hinsichtlich der Biegebeständigkeit in unterschiedlichen Umgebungen, einschließlich Umgebungen geringer Temperatur bei –60°C oder weniger, viel besser ist als die eines herkömmlichen explosionssicheren Elastomers. Insbesondere ist es ein hochfestes Dichtungsmaterial, das ohne bedeutende Verschlechterung der Eigenschaften bei niedriger Temperatur erhalten wird, Der Hochdruck-Wasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung, für den das obige Dichtungsmaterial verwendet wird, ist hinsichtlich der Beständigkeit ausgezeichnet und ist insbesondere als Hochdruck-Wasserstoffbehälter für Brennstoffzellenfahrzeuge geeignet.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt ein Beispiel der Rückstellungstemperatur-Kurvendaten.
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2 zeigt eine Kurzdarstellung einer Bewertungsuntersuchung des Abdichtungsvermögens bei geringer Temperatur.
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Beste Art zum Ausführen der Erfindung
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Die oben beschriebenen Untersuchungen wurden unter Verwendung von Heliumgas als Druckmedium für die Untersuchungen anstelle von Wasserstoffgas verwendet, welches das eigentliche Medium ist. Dies liegt daran, dass Heliumgas unter anderen ähnlichen Gasen das dem Wasserstoffgas ähnlichste hinsichtlich der Gas-Eigenschaften, wie dem Diffusionsvermögen und der Permeabilität, ist.
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1. In dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel verwendete Materialien und deren grundsätzliche physikalische Eigenschaften
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Als Dichtungsmaterial (Beispiel) der vorliegenden Erfindung wurde ein durch die folgende chemische Formel (1) wiedergegebenes Polysiloxanderivat verwendet. Das durch die chemische Formel (1) wiedergegebene Polysiloxanderivat ist ein Silikonder aus einem Dimethylsiloxansegment, einem Methylvinylsiloxansegment und einem Diphenylsiloxansegment besteht.
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Als herkömmliches Dichtungsmaterial (Vergleichsbeispiel) wurde ein durch die chemische Formel (2) wiedergegebenes Polysiloxanderivat verwendet. Das durch die chemische Formel (2) wiedergegebene Polysiloxanderivat ist ein Silikongummi, der aus einem Dimethylsiloxansegment und einem Methylvinylsiloxansegment besteht.
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Das Material des Beispiels und die Materialien des Vergleichsbeispiels werden in unten stehender Tabelle 1 hinsichtlich der Beschreibungen des Materials und der grundsätzlichen physikalischen Eigenschaften des Elastomers verglichen. Hierin wurden die Messergebnisse der grundsätzlichen physikalischen Eigenschaften des Elastomers unter der Verwendung des folgenden Untersuchungsstücks durch das folgende Messverfahren erhalten.
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Physikalische Eigenschaften: Die Härte wurde mit einem Mikro-Gummi-Härtemessgerät gemessen.
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Reißfestigkeit: Die Festigkeit wurde durch eine Untersuchung gemäß JIS K6252 unter der Verwendung nicht eingekerbter Winkelprobenteststücke als Teststücke gemessen.
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Niedrigtemperatur-Eigenschaften: Die Bestimmungsuntersuchungen wurden basierend auf der Niedrigtemperatur-Rückstellungsuntersuchung gemäß JIS K6261 durchgeführt. Tabelle 1
| | Grundsätzliche physikalische Eigenschaften des Elastomers | Eigenschaften bei geringer Temperatur TR10 (°C) |
| Klassifikation/Materialbeschreibung | Härte (°) | Reißfestigkeit (N/mm) |
| 23°C | 90°C |
| Material des Beispiels | 75 | 39,5 | 30,2 | < –75 |
| Material des Vergleichsbeispiels | 80 | 17,1 | 14,3 | < –75 |
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2. Beständigkeitsuntersuchung bei variablem Druck mit Gas mit hohem Druck
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Ein Elastomer (O-Ring-Untersuchungsstück) wurde einer Helium-Umgebung mit hohem Druck unter vorher bestimmten Bedingungen ausgesetzt und dann einem schnellen Druckablassen auf 0 MPa unterzogen. Dann wurde ein Druckwechsel (0 ⇔ 70 MPa) bei einer vorher bestimmten Geschwindigkeit durchgeführt. Die O-Ring-Untersuchungsstücke wurden gemäß dem Bedarf hinsichtlich der Gasdichtigkeit und dem Erscheinungsbild (z. B. Blähungszustand) untersucht. Die Beständigkeit bei variablem Druck wurde durch eine Beschleunigungsuntersuchung bestätigt. Die hierin verwendeten Untersuchungsvorgänge waren wie folgt.
- (1) Zustand des Untersuchungsstücks: Ein Untersuchungsstück wird um 20% mit einer Pressplatte aus SUS (Edelstahl, engl.: steel use stainless) komprimiert und dann der Untersuchung unterzogen.
- (2) Bedingungen des Aussetzens gegenüber Heliumgas: Es wird ermöglicht, dass das Untersuchungsstück in 70 MPa Heliumgas bei 80°C für eine Stunde steht.
- (3) Rate des Druckablassens: Das schnelle Druckablassen wird bei einer Rate durchgeführt, bei der die Freisetzung beim Druckablassen von 70 MPa bis 0 MPa in 3 Sekunden vollendet ist.
- (4) Wechselbedingungen: Druckaufbau auf 70 MPa innerhalb von zwei Sekunden und Druckablassen auf 0 MPa innerhalb von drei Sekunden werden alternierend 20-mal wiederholt.
- (5) Beständigkeits-Durchläufe: Eine Untersuchung mit einem Durchlauf, der die obigen Punkte (2), (3) und (4) umfasst, wird wiederholt bis Risse aufgrund von Aufblähen erzeugt werden.
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[Merkmale zum Bestätigen und Beurteilen]
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- (1) Bestätigen der Luftdichtigkeit: am Tag nach der Beständigkeits-Untersuchung bei variablem Druck mit Gas mit hohem Druck wird die Luftdichtigkeit durch ein Verfahren mit einer untergetauchten Röhre bei normaler Temperatur und bei 70 MPa mit einer Retentionszeit von einer Minute bestätigt.
- (2) Untersuchung des Erscheinungsbilds: Die Oberfläche des O-Rings wird visuell nach Druckablassen daraufhin untersucht, ob sie Risse aufweist oder nicht (der O-Ring wird untersucht, während er an einer Vorrichtung befestigt ist).
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[Ergebnisse für die Beständigkeitsuntersuchung bei variablem Druck mit Gas mit hohem Druck]
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Die unten stehende Tabelle 2 gibt die Beurteilungsergebnisse hinsichtlich der Risse aufgrund von Aufblähen und einem Gasaustritt nach Außen an. Tabelle 2
| Klassifikation/Materialbeschreibung | Endgültige Durchlaufanzahl | O-Ring Erscheinungsbedingung | Bedingung des Gasaustritts nach Außen |
| Material des Beispiels | Druckwechsel: 2000 mal oder mehr | Keine Risse aufgrund von Aufblähung (leichte Ausdehnung bestätigt) | Kein Gasaustritt nach Außen |
| Material des Vergleichsbeispiels | Druckwechsel: 680 mal | Risse aufgrund von Aufblähung | Gasaustritt nach Außen bestätigt |
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Basierend auf den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen ist es ersichtlich, dass das Silikonmaterial mit hoher Festigkeit, das als Material in dem Beispiel verwendet wurde, dem allgemeinen Silikonmaterial hinsichtlich der Beständigkeit unter variablen Drücken mit Gas unter Hochdruck offensichtlich überlegen ist.
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3. Beurteilung der Niedrigtemperatur-Eigenschaften
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Gemäß JIS K6261 gibt es verschiedene Untersuchungsmethoden zu Beurteilung der Leistungsfähigkeit für elastomere Materialien in Niedrigtemperatur-Umgebungen. Hierin wurde eine Beurteilungsuntersuchung durch ein Verfahren durchgeführt, das auf der Niedrigtemperatur-Rückstellungsuntersuchung (TR-Untersuchung) basiert, die unter den obigen Verfahren ausgewählt wurde.
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Eine kurze Darstellung der Niedrigtemperatur-Rückstellungsuntersuchung (TR-Untersuchung) wird unten beschrieben. Ein blattförmiges Untersuchungsstück mit einer Dicke von ungefähr 2 mm wird so ausgedehnt, dass es eine vorher bestimmte Länge aufweist, gefolgt von Einfrieren bei niedrigen Temperaturen. Dann wird die Temperatur, bei der die Rückstellung des Untersuchungsstücks als Ergebnis der Temperaturerhöhung induziert wird, so dass eine konstante Rückstellung erhalten wird, zum Beurteilen der Niedrigtemperatur-Eigenschaften gemessen.
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1 zeigt ein Beispiel der Rückstellungstemperatur-Kurvendaten.
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Hierin wurde für die Untersuchungsbeurteilung des Materials der vorliegenden Erfindung die Beurteilung der Niedrigtemperatur-Eigenschaften durch das folgende Verfahren unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
Anfängliche Ausdehnungsrate = 100%
Beurteilung und Bewertung = TR10-Temperatur (Temperatur, bei der die Rückstellung 10% beträgt)
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Die unten stehende Tabelle 3 zeigt die Beurteilungsergebnisse für die Niedrigtemperatur-Eigenschaften.
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Basierend auf den in Tabelle 3 gezeigten Ergebnissen ist es ersichtlich, dass das Silikonmaterial mit hoher Festigkeit, das in dem Material des Beispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, Niedrigtemperatur-Eigenschaften aufweist, die mit denen eines gewöhnlichen Silikonmaterials vergleichbar ist, das als herkömmliches Material verendet wird und ausgezeichnet in der Temperaturstabilität ist. Insbesondere wurde eine Verbesserung hinsichtlich der hohen Festigkeit ohne eine Verschlechterung der Niedrigtemperatur-Beständigkeit erreicht, welche ein Hauptmerkmal von Silikongummi ist.
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4. Beurteilung der Niedrigtemperatur-Abdichtungsleistungsfähigkeit
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Das Elastomer (das obige O-Ring-Untersuchungsstück) wurde unter gegebenen Bedingungen einer Hochdruck-Heliumgasumgebung zum Bestimmen der Grenze für die Niedrigtemperatur-Abdichtung ausgesetzt.
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Die Untersuchungsbedingungen sind wie unten beschrieben. 2 zeigt eine Kurzdarstellung einer Niedrigtemperatur-Abdichtungsleistungsfähigkeits-Beurteilungsuntersuchung.
- (1) Zustand des Untersuchungsstücks: Ein Untersuchungsstück wird um 20% mit einer Pressplatte aus SUS komprimiert und dann der Untersuchung unterzogen.
- (2) Bedingungen des variablen Drucks: Die Temperatur wird von –30°C auf –60°C in –5°C Intervallen bei einem konstanten Druck von 70 MPa verringert.
- (3) Bestätigung der Luftdichtigkeit: Jeder Temperaturzustand im obigen Punkt (2) wird für eine Minute oder mehr aufrecht erhalten, und die Temperatur wird abgesenkt bis ein Gasaustritt nach Außen stattfindet.
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Die unten stehende Tabelle 4 zeigt die Beurteilungsergebnisse für die Niedrigtemperatur-Abdichtungseigenschaften.
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Die in Tabelle 4 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass das verbesserte Silikonmaterial mit hoher Festigkeit, das als Material in dem Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit aufweist, die der von gewöhnlichem Silikonmaterial, das als herkömmliches Material verwendet wird, vergleichbar ist, wie es durch die Beurteilungsergebnisse für die Niedrigtemperatur-Eigenschaften des Material-Untersuchungsstücks in der obigen Tabelle 3 angegeben ist. Insbesondere zeigen die Beurteilungsergebnisse, dass eine Verbesserung hinsichtlich der hohen Festigkeit ohne eine Verschlechterung der Niedrigtemperatur-Beständigkeit, welche ein Hauptmerkmal von Silikongummi ist, erreicht wurde.
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5. Beurteilung der Wärmefestigkeits-Eigenschaften
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Untersuchungsstücke (nicht eingekerbte Winkelproben-Untersuchungsstücke) für die Reißfestigkeitsuntersuchung wurden einer beliebigen Temperaturumgebung ausgesetzt. Dann wurde die Temperaturabhängigkeit der Reißfestigkeit in derselben Temperaturumgebung beurteilt. Die Reißfestigkeitsuntersuchung wurde gemäß JIS K6252 durchgeführt.
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Die unten stehende Tabelle 5 gibt die Beurteilungsergebnisse für die Wärmefestigkeits-Eigenschaften wieder.
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Basierend auf den in Tabelle 5 gezeigten Ergebnissen ist es möglich zu bestätigen, dass eine Abnahme der Reißfestigkeit des Silikonmaterials mit hoher Festigkeit, das als Material des Beispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, selbst in einer Umgebung mit hoher Temperatur, wie in dem Fall des gewöhnlichen Silikonmaterials, gering ist, was anzeigt, dass das Material der vorliegenden Erfindung die Niedrigtemperaturabhängigkeit beibehält, die eine Eigenschaft von Silikongummi ist.
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Als ein Ergebnis weist das Silikonmaterial mit hoher Festigkeit, das als Material des Beispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, folgendes auf: (1) ausgezeichnete Beständigkeit in einer Umgebung mit variablem Druck von Wasserstoff mit hohem Druck; und (2) ausgezeichnete Biegebeständigkeit in Umgebungen niedriger Temperatur bis hoher Temperatur. Daher ist es dem gewöhnlichen Silikonmaterial überlegen. Die bedeutenden technischen Aufgaben (1) und (2) wurden durch das Material des Beispiels der vorliegenden Erfindung erreicht, um ein Hochdruck-Wasserstoffbehälter(CHG-Tank)-System für Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit einem elastomeren Material abzudichten.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Der Hochdruck-Wasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung ist in der Beständigkeits-Leistungsfähigkeit in Umgebungen mit variablem Druck ausgezeichnet, und ist ebenso in der „Biegebeständigkeit” in Umgebungen mit hoher bis geringer Temperatur ausgezeichnet. Insbesondere ist ein solcher Hochdruck-Wasserstoffbehälter ein Wasserstoffbehälter, der für Brennstoffzellen-Fahrzeuge höchst geeignet ist. Der Hochdruck-Wasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung trägt zur praktischen und verbreiteten Anwendung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen bei.
