JP2007257967A - 燃料電池用シール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の高圧水素タンクまたは配管におけるシール構造において、常温時および低温時のみならず極低温時にも優れたシール性を発揮することが可能なシール構造を提供する。
【解決手段】第一シール部１１と、第一シール部１１より低圧側に配置される第二シール部２１とを有する。第一シール部１１においては、Ｏリング１２と、テーパー形状のバックアップリング１３，１４を二つ配置し、密封流体側に配置するバックアップリング１３を低圧側に配置するバックアップリング１４よりも軟質材とする。第二シール部２１においては、Ｏリング２２と、テーパー形状のバックアップリング２３を配置する。第二シール部２１のＯリング２２の材質としては、第一シール部１１のＯリング１２よりも低温性に優れたシリコン系ゴムを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シール構造に係り、更に詳しくは、燃料電池の高圧水素タンクまたは配管に用いられて水素ガスをシールするシール構造に関するものである。

燃料電池の高圧水素タンクまたは配管に用いられるシールとしては一般に、スクィーズパッキンの一種であるＯリングが用いられており、その材質としては、シール対象が高圧の水素ガスであることから、ガスが透過しにくい例えばＥＰＤＭやブチルゴムのようなゴム材料が選定されている。

しかしながら、これらのガスが透過しにくいゴム材料には一般に、極低温時にシール性が悪化すると云う問題がある。特に、燃料電池においては、特開２００２−２１６８１２号公報にも開示されているように、水素ガスが急激に減圧する際、減圧膨張が生じて局所的に温度が急激に下がることがあり、このような場合に対処し得るよう、極低温時におけるシール性についての要求が高まっている。

特開２００１−３５５７３３号公報 特開２００２−２１６８１２号公報（段落００９４）

本発明は以上の点に鑑みて、燃料電池の高圧水素タンクまたは配管に用いられるシール構造において、常温時および低温時のみならず極低温時にも優れたシール性を発揮することが可能なシール構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のシール構造は、燃料電池の高圧水素タンクまたは配管におけるシール構造において、第一シール部と、前記第一シール部より低圧側に配置される第二シール部とを有し、前記第一シール部においては、Ｏリングと、テーパー形状のバックアップリングを二つ配置し、密封流体側に配置するバックアップリングを低圧側に配置するバックアップリングよりも軟質材とし、前記第二シール部においては、Ｏリングと、テーパー形状のバックアップリングを配置し、前記第二シール部のＯリングの材質としては、前記第一シール部のＯリングよりも低温性に優れたシリコン系ゴムを用いることを特徴とするものである。

上記したようにシール対象である水素ガスが急激に減圧する際、減圧膨張により局所的に温度が急激に下がることがあるが、本発明では、第一シール部のＯリングで十分にシールできない温度の場合、第二シール部のＯリングでシールを成立させる。

尚、ガスの減圧膨張による温度低下時のシール機能を第一シール部のＯリングに持たせることも技術的には可能であるが、一般的に、低温時にもシール可能なＯリング材料はガス遮蔽性に劣り、常時使用するシールとしては成立しない。そのため、ガス遮蔽性にも優れ、かつガスの減圧膨張による温度低下時のシール機能を有するシール構造として本発明は有効である。

また、第一シール部の構造について、Ｏリングとテーパー形状のバックアップリングを二つ配置し、密封流体側に配置するバックアップリングを低圧側に配置するバックアップリングよりも軟質材としたのは、以下の理由による。

すなわち、ＯリングをバックアップすべくＯリングの低圧側に配置するバックアップリングの材質については一般に、Ｏリングが密封流体圧に押されて弾性変形してシールハウジング間の隙間（はみ出し隙間）へはみ出すことがないようにＯリングよりも硬質材を用いるが、Ｏリングに圧力交番が作用するような状況下では、Ｏリングが繰り返しバックアップリングに押し付けられ、その結果としてＯリングがフレッティング摩耗し、シール性が損なわれることが懸念される。そこで、本発明では、Ｏリングの低圧側に軟質材よりなるバックアップリングを配置し、このバックアップリングの緩衝機能によりＯリングが損傷するのを防止する。また、このようにＯリングの低圧側に軟質材よりなるバックアップリングを配置すると、このバックアップリング自体がはみ出す虞があるので、その更に低圧側に硬質材よりなるバックアップリングを配置し、これにより軟質材よりなるバックアップリングがはみ出すのを防止する。尚、密封流体側に配置されるバックアップリングは低圧側に配置されるバックアップリングよりも軟質材であるが、その機能からしてＯリングと比較すれば硬質材である。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、上記構成を有する本発明のシール構造においては、常温時から低温時にかけては第一シール部のＯリングがシール機能を発揮し、水素ガスの減圧膨張等による極低温時には、低温性に優れたシリコン系ゴムよりなる第二シール部のＯリングがシール機能を発揮する。第一および第二シール部において、Ｏリングはそれぞれテーパー形状のバックアップリングに支持されるので、高圧が作用しても過度に変形したりシール隙間にはみ出したりすることがなく、シール機能を維持する。第一シール部において、Ｏリングは軟質材よりなるバックアップリングに支持されるので、圧力交番等が作用しても損傷することがなく、軟質材よりなるバックアップリングは硬質材よりなるバックアップリングに支持されるので、シール隙間にはみ出すことがなく、シール機能が維持される。したがって以上により、優れたシール性を発揮し、特に常温時および低温時のみならず極低温時にも優れたシール性を発揮することができる。

また、上記したように極低温時には低温性に優れたシリコン系ゴムよりなる第二シール部のＯリングがシール機能を発揮するので、第一シール部のＯリングの材質としては、低温性について考慮する必要がなく専らガス遮蔽性に優れた材質を選定することが可能とされている。したがって、ガス遮蔽性についても十分な機能を発揮することができる。

以上のことから本発明によれば、所期の目的どおり、常温時および低温時のみならず極低温時にも優れたシール性を発揮し、なおかつ、優れたガス遮蔽性を発揮することも可能なシール構造を提供することができる。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の実施例に係るシール構造１の要部断面を示している。

当該実施例に係るシール構造１は、燃料電池の高圧水素タンクまたは配管部に用いられて高圧水素ガスをシールするものであって、以下のように構成されている。尚、図では、その右側が高圧側Ｈすなわち密封流体側、左側が低圧側Ｌすなわち大気側である。

当該シール構造１は先ず、上記高圧水素ガスを一次的にシールする第一シール部１１を有しており、この第一シール部１１の低圧側Ｌに高圧水素ガスを二次的にシールする第二シール部２１が設けられている。

第一シール部１１においては、Ｏリング１２、第一バックアップリング１３および第二バックアップリング１４がこの順序で高圧側Ｈから低圧側Ｌへかけて並べられており、これらのリング１２，１３，１４が一方のシールハウジング３１に設けた第一装着溝３２に装着されて他方のシールハウジング４１に密接している。

Ｏリング１２は、ガス遮蔽性（ガス不透過性）に優れたエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）により成形されている。第一バックアップリング１３は、第二バックアップリング１４の材質であるナイロン系樹脂よりも軟質なポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）により成形されている。第二バックアップリング１４は、第一バックアップリング１３の材質であるポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）よりも硬質なナイロン系樹脂により成形されている。

第一装着溝３２は、基本的に断面矩形状の空間として形成されているが、その溝底部のうち、Ｏリング１２を装着するための高圧側部位３２ａは円筒面をなす平面状に形成されている。また、この高圧側部位３２ａの低圧側Ｌに連続する第一および第二バックアップリング１３，１４を装着するための低圧側部位３２ｂは、その溝深さを高圧側Ｈから低圧側Ｌへかけて漸次浅くするよう円錐面をなす傾斜面状に形成され、傾斜底面３２ｃとされている。

また、この低圧側部位３２ｂに装着される第一および第二バックアップリング１３，１４はそれぞれ、基本的に断面矩形状に形成されているが、その内周面は上記傾斜底面３２ｃに対応して円錐面をなす傾斜面状（テーパー形状）に形成され、傾斜面１３ａ，１４ａとされている。

一方、第二シール部２１においては、Ｏリング２２およびバックアップリング２３がこの順序で高圧側Ｈから低圧側Ｌへかけて並べられており、これらリング２２，２３が一方のシールハウジング３１に設けた第二装着溝３３に装着されて他方のシールハウジング４１に密接している。

Ｏリング２２は、低温性に優れたシリコン系ゴムにより成形されている。バックアップリング２３は、上記第一バックアップリング１３と同様、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）により成形されている。

第二装着溝３３は、第一装着溝３２と同様、基本的に断面矩形状の空間として形成されているが、その溝底部のうち、Ｏリング２２を装着するための高圧側部位３３ａは円筒面をなす平面状に形成されている。また、この高圧側部位３３ａの低圧側Ｌに連続するバックアップリング２３を装着するための低圧側部位３３ｂは、その溝深さを高圧側Ｈから低圧側Ｌへかけて漸次浅くするよう円錐面をなす傾斜面状に形成され、傾斜底面３３ｃとされている。

また、この低圧側部位３３ｂに装着されるバックアップリング２３は基本的に断面矩形状に形成されているが、その内周面は上記傾斜底面３３ｃに対応して円錐面をなす傾斜面状（テーパー形状）に形成され、傾斜面２３ａとされている。

上記構成のシール構造１は、上記したようにシールハウジング３１，４１間に装着されて、高圧側Ｈに存する水素ガスをシールするものであって、常温時および低温時においては主に、第一シール部１１のＯリング１２がシール機能を発揮し、水素ガスの減圧膨張等による極低温時においては主に、低温性に優れた材質よりなる第二シール部２１のＯリング２２がシール機能を発揮する。したがって、これらＯリング１２，２２とシールハウジング４１の間から水素ガスが漏洩するのを防止することができる。

また、第一および第二シール部１１，１２において、Ｏリング１２，２２はそれぞれバックアップリング１３，２３に支持されているので、高圧が作用しても過度に変形したりシール隙間にはみ出したりして損傷することがなく、よってシール機能が維持される。また、Ｏリング１２，２２はそれぞれ比較的軟質材（ＰＴＦＥ）よりなる第一バックアップリング１３またはバックアップリング２３に支持されているので、圧力交番が作用しても損傷することがなく、よってシール機能が維持される。また、比較的軟質材（ＰＴＦＥ）よりなる第一バックアップリング１３は比較的硬質材（ナイロン系樹脂）よりなる第二バックアップリング１４に支持されているので、高圧が作用しても過度に変形したりシール隙間にはみ出したりして損傷することがない。更にまた、第一および第二シール部１１，２１において、バックアップリング１３，１４，２３はそれぞれその傾斜面１３ａ，１４ａ，２３ａと装着溝３２，３３の傾斜底面３２ｃ，３３ｃの組み合わせにより、高圧が作用すると、狭いところに押し込まれるかたちにて圧縮され、相手面に強く密接する。したがってこれらのバックアップリング１３，１４，２３に傾斜面１３ａ，１４ａ，２３ａによる圧縮現象が発生するために、更にＯリング１２，２２がはみ出しにくくなるだけでなく、これらのバックアップリング１３，１４，２３がシール機能を補助することを期待することもできる。

したがって以上により、優れたシール性を発揮し、特に常温時および低温時のみならず極低温時にも優れたシール性を発揮することができる。

また、上記したように極低温時には主にシリコン系ゴムよりなる第二シール部２１のＯリング２２がシール機能を発揮するので、第一シール部１１のＯリング１２の材質としては、低温性についてあまり考慮することなく、専らガス遮蔽性に優れた材質（ＥＰＤＭ）を選定することができる。したがって、ガス遮蔽性についても十分な機能を発揮することができる。

したがって以上のことから、常温時および低温時のみならず極低温時にも優れたシール性を発揮し、なおかつ、優れたガス遮蔽性を発揮することも可能なシール構造１が実現されている。

本発明の実施例に係るシール構造の要部断面図

符号の説明

１ シール構造
１１ 第一シール部
１２，２２ Ｏリング
１３ 第一バックアップリング
１３ａ，１４ａ，２３ａ 傾斜面
１４ 第二バックアップリング
２１ 第二シール部
２３ バックアップリング
３１，４１ シールハウジング
３２，３３ 装着溝
３２ａ，３３ａ 高圧側部位
３２ｂ，３３ｂ 低圧側部位
３２ｃ，３３ｃ 傾斜底面

Claims (1)

1. 燃料電池の高圧水素タンクまたは配管におけるシール構造において、
   第一シール部と、前記第一シール部より低圧側に配置される第二シール部とを有し、
   前記第一シール部においては、Ｏリングと、テーパー形状のバックアップリングを二つ配置し、密封流体側に配置するバックアップリングを低圧側に配置するバックアップリングよりも軟質材とし、
   前記第二シール部においては、Ｏリングと、テーパー形状のバックアップリングを配置し、
   前記第二シール部のＯリングの材質としては、前記第一シール部のＯリングよりも低温性に優れたシリコン系ゴムを用いることを特徴とする燃料電池用シール構造。

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