專利名稱：筒狀固定凸緣結構及設有該結構的高壓氣體容器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于高壓氫氣容器的密封結構，該高壓氫氣容器適用 于車輛并且用于向燃料電池供給氫。更具體地，本發明涉及一種用于以小 空間來密封高壓氫氣等的筒狀固定凸緣結構。
背景技術：
近年來，機動車輛、住宅、輸送機械等都使用氣體容器(氣罐)來儲 存用作發電燃料的氫氣或天燃氣。
例如，質子交換膜式燃料電池作為機動車輛用能源受到了關注。當使 用這種燃料電池來發電時，通過向燃料電池的 一個氣體擴散電極層供給氣 體燃料(例如，氫氣)并向該燃料電池的另一個氣體擴散電極層供給氧化 氣體(例如，含氧的空氣)來進行電化學反應。由于在這樣發電時僅生成 無害的水，所以從對環境的影響和利用效率的觀點出發，燃料電池受到了 關注。
為了向配備有燃料電池的機動車輛連續地供給氣體燃料(如氫氣)， 將氣體燃料儲存在車載氣體容器中。因此，燃料電池車輛必須配備有氣體 容器來儲存作為燃料氣體的含氫氣體(包括純氫)，并且要求氫氣容器與 燃料電池之間的連接部具有高氣密性。
在燃料電池車輛(FCHV)用高壓氫氣容器(壓縮氫氣箱CHG箱) 系統中，由于充入了壓力為35Mpa到75Mpa或更高的高壓氫氣，所以已 經考慮了使用金屬材料的密封件和使用彈性體材料的各種密封結構。特別 地，希望發展具有高氣密性并且能夠承受以高頻率進行的高壓氫氣的充入 和排出的密封材料和密封結構。由于在高壓下進入彈性體的氫氣在壓力降低的情況下常常會擴散到該彈性體的外側，所以密封材料和密封結構必須
承受壓力變化環境。同時，密封材料和密封結構必須承受溫度在約-70'C到 約80'C的范圍內變化的溫度變化環境。
然而，如果使用具有彈性力的橡膠或樹脂作為密封部件的材料，則在 耐氫氣滲透性方面存在問題。從耐氫氣滲透性的觀點出發，優選使用金屬 作為密封部件的材料。然而，由于如上所述需要高氣密性，無可避免地必 須增加緊固力。另一方面，從輕量化的觀點出發，常常使用諸如鋁等較軟 的材料作為氣體容器的材料。因此，如果如上所述地增加緊固力，則會產 生氣體容器被損壞因而氣體容器的使用壽命降低的問題。
為解決上述問題，日本專利申請(特開)No. 2006-9984公開了一種能 夠與含氫氣體的壓力波動無關地保持密封功能并同時保護被密封部件不被 損壞的氣體密封結構。該氣體密封結構包括設置在含氫氣體流通部位周圍 的主密封部件和設置在主密封部件的再向外的周側上的輔助密封部件。主 密封部件包括朝向氣體流通側開口的金屬C形部。該C形部具有彈性力并 且在至少兩個彼此面對的位置處與被密封部件相接觸以推動被密封部件。
根據日本專利申請(特開)No. 2006-9984中公開的發明，主密封部件 的C形部由于是由金屬制成的，所以具有高的耐氫滲透性。另外，由于C 形部在至少兩個彼此面對的位置處與被密封部件相接觸，所以截斷了含氫 氣體向外部的流通。另外，當流通的氣體的壓力升高時，氣體從C形部的 開口位置流入該C形部，使得C形部變形，從而使C形部與被密封部件 相接觸。因此，即使氣體壓力升高，也可保持主密封部件的密封功能。在 如上所述氣體壓力升高的情況下，由于通過C形部的變形保持了密封功能， 所以可以減小安裝主密封部件時的緊固力。因此，可以防止被密封部件被 損壞，從而可以防止被密封部件的使用壽命降低。另外，由于C形部在兩 個接觸位置處與被密封部件相接觸從而使該C形部能夠以這兩個接觸位置 作為基點而膨脹和收縮，所以推動力的作用方向并不隨流通的含氫氣體的 壓力波動而改變，從而可防止主密封部件的位置變動。另外，由于設置有 輔助密封部件，所以可進一步改進密封性能。
發明內容
對于日本專利申請(特開)No. 2006-9984中公開的密封結構，借助于 該平面固定的密封結構，通過將初級側的金屬密封件與次級側的彈性體密 封件相組合而改進了彈性體對高壓應力的耐久性。平面固定凸緣的密封結 構具有高組裝性能。然而，這種密封結構要求提供用于形成密封件的凸緣， 因此存在在縱向和橫向都需要大的橫截面積來用作密封結構的問題。因此， 同時使用金屬密封件和彈性體密封件的密封結構必須增加密封凸緣的橫截 面積。
這一點在設計自由度方面也引起了重要問題，特別是當大量的筒狀高 壓氫氣容器被安裝在有限的空間中(如安裝在燃料電池車輛上)時。
因此，本發明的目的在于，提供一種具有高的設計自由度并且適用于 燃料電池的密封結構，在該密封結構中，確保了對在僅使用彈性體密封件 的密封結構中會引起問題的加壓/減壓應力的耐久性和可靠性，該密封結構 的氣密性高，并且密封結構的體積特別是橫向寬度受到了抑制。
本發明人發現，通過金屬接觸式密封件和彈性體密封件的特定布置結 構可解決上述問題，這便實現了本發明。
首先，本發明提供了一種用于填充有高壓氣體的高壓氣體容器的筒狀 固定凸緣結構。該筒狀固定凸緣結構包括設置有金屬接觸式密封件的高壓 側初級(一次，primary)密封區，和設置有彈性體密封件的大氣側次級(二 次，secondary)密封區，所述高壓側初級密封區和所述大氣側次級密封區 在所述高壓氣體容器的筒體方向上彼此相鄰地設置。
根據本發明，通過將初級側的金屬接觸式密封件和次級側的彈性體密 封件組合在一起的筒狀固定凸緣結構，能夠提高氣密性以及彈性體密封件 對高壓應力的耐久性，并且密封結構可制成橫向緊湊的。
根據本發明的筒狀固定凸緣結構能夠有效地用于各種高壓氣體容器的 密封結構，特別是，通過充分利用前述優點而使該筒狀固定凸緣結構適用 于燃料電池車輛用的高壓氫氣容器。作為高壓側初級密封區的金屬接觸式密封件，優選采用從以下項目(1 )
至(4)中選出的一種結構或者兩種或更多種相組合的結構
(1) 凸緣端面密封件 (1，)錐形的凸緣端面密封件
(2) 用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構
(2，)由厭氣性螺紋密封劑密封的用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構(與 向金屬部的螺紋密封結構上涂布與金屬的反應性高的厭氣性密封劑相組 合)
(3 ) 金屬襯墊密封件
(4 )金屬C形密封件或金屬O形環
(5) 陶瓷襯墊密封件
作為大氣側次級密封區，優選使用同時具有彈性體密封件和彈性體防 擠出環的結構。
第二，本發明提供了一種設置有上述筒狀固定凸緣結構的高壓氣體容 器，特別是高壓氫氣容器。更具體地，本發明提供了一種向燃料電池車輛 的燃料電池供給氫氣的車輛用高壓氫氣容器。
第三，本發明提供了一種料電池車輛，所述車輛安裝有設置有上述的 筒狀固定凸緣結構的高壓氫氣容器。
根據本發明的筒狀固定凸緣結構是高壓氣體(特別是氫氣)容器的密 封部，根據該筒狀固定凸緣結構，(l)通過將初級側的金屬接觸式密封件 和次級側的彈性體密封件組合在一起的筒狀固定凸緣結構，能夠提高氣密 性以及彈性體密封件對高壓應力的耐久性，以及(2)與平面固定凸緣結構 相比，該密封結構可制成橫向緊湊的。設置有上述密封結構的根據本發明 的高壓氣體(特別是氫氣)容器具有優秀的耐久性，并且最適用于特別是 燃料電池車輛用高壓氫氣容器。
圖l是示出本發明的一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。圖2是示出本發明的另一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。 圖3是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。 圖4是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。 圖5是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。 圖6是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。 圖7是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。 圖8是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。 圖9是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。 圖IO是示出比較例的平面固定凸緣結構的截面圖。 下面說明附圖標記。10:高壓初級側密封區；11:錐形凸緣端面密封 件；12:用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構；13:厭氣性螺紋密封劑；14: 金屬接觸式密封件；15:金屬襯墊密封件；16:金屬C形密封件；20:大 氣側次級密封區；21:彈性體密封件；22:彈性體防擠出環。
具體實施例方式
下面將參照附圖來說明本發明的實施例和比較例。 實施例1
圖l是示出本發明的一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。在高壓 初級側密封區10中，錐形凸緣端面密封件ll和用于固定筒狀凸緣的緊固 螺紋結構12組合在一起，另外，用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構12的 螺紋部分由厭氣性螺紋密封劑13完全密封。沿筒體方向鄰近于高壓初級側 密封區IO設置大氣側次級密封區20。大氣側次級密封區20具有同時包括 彈性體密封件21和彈性體防擠出環22的結構。
高壓初級側密封區IO減小了作用在設置于大氣側次級密封區20中的 彈性體密封件21上的加壓/減壓應力。上述筒狀固定凸緣結構可用于節省 密封結構的空間。
實施例2
圖2是示出本發明的另一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。在高錐形凸緣端面密封件ll和用于固定筒狀凸緣的緊 固螺紋結構12組合在一起，特別地，用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構 12的螺紋部分提供了金屬接觸式密封件14。沿筒體方向鄰近于高壓初級側 密封區IO設置大氣側次級密封區20。大氣側次級密封區20具有同時包括 彈性體密封件21和彈性體防擠出環22的結構。
如實施例1中一樣，高壓初級側密封區IO減小了作用在設置于大氣側 次級密封區20中的彈性體密封件21上的加壓/減壓應力。上述筒狀固定凸 緣結構可用于節省密封結構的空間。
實施例3
圖3是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。在高 壓初級側密封區10中，金屬襯墊密封件15和用于固定筒狀凸緣的緊固螺 紋結構12組合在一起，特別地，用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構12的 螺紋部分由厭氣性螺紋密封劑13完全密封。沿筒體方向鄰近于高壓初級側 密封區IO設置大氣側次級密封區20。大氣側次級密封區20具有同時包括 彈性體密封件21和彈性體防擠出環22的結構。
如實施例1中一樣，高壓初級側密封區IO減小了作用在設置于大氣側 次級密封區20中的彈性體密封件21上的加壓/減壓應力。上述筒狀固定凸 緣結構可用于節省密封結構的空間。
實施例4
圖4是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。在高 壓初級側密封區10中，金屬襯墊密封件15和用于固定筒狀凸緣的緊固螺 紋結構12組合在一起，特別地，用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構12的 螺紋部分提供了金屬接觸式密封件14。沿筒體方向鄰近于高壓初級側密封 區IO設置大氣側次級密封區20。大氣側次級密封區20具有同時包括彈性 體密封件21和彈性體防擠出環22的結構。
如實施例1中一樣，高壓初級側密封區IO減小了作用在設置于大氣側 次級密封區20中的彈性體密封件21上的加壓/減壓應力。上述筒狀固定凸 緣結構可用于節省密封結構的空間。實施例5
圖5是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。在高 壓初級側密封區10中，用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構12的螺紋部分 由厭氣性螺紋密封劑13完全密封。沿筒體方向鄰近于高壓初級側密封區 IO設置大氣側次級密封區20。大氣側次級密封區20具有同時包括彈性體 密封件21和彈性體防擠出環22的結構。
如實施例1中一樣，高壓初級側密封區IO減小了作用在設置于大氣側 次級密封區20中的彈性體密封件21上的加壓/減壓應力。上述筒狀固定凸 緣結構可用于節省密封結構的空間。
實施例6
圖6是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。高壓 初級側密封區10由用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構12組成，并且該用 于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構12的螺紋部分提供了金屬接觸式密封件 14。沿筒體方向鄰近于高壓初級側密封區IO設置大氣側次級密封區20。 大氣側次級密封區20具有同時包括彈性體密封件21和彈性體防擠出環22 的結構。
如實施例1中一樣，高壓初級側密封區IO減小了作用在設置于大氣側 次級密封區20中的彈性體密封件21上的加壓/減壓應力。上述筒狀固定凸 緣結構可用于節省密封結構的空間。
實施例7
圖7是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。高壓 初級側密封區10由錐形凸緣端面密封件11組成。沿筒體方向鄰近于高壓 初級側密封區10設置大氣側次級密封區20。大氣側次級密封區20具有同 時包括彈性體密封件21和彈性體防擠出環22的結構。
如實施例1中一樣，高壓初級側密封區IO減小了作用在設置于大氣側 次級密封區20中的彈性體密封件21上的加壓/減壓應力。上述筒狀固定凸 緣結構可用于節省密封結構的空間。
實施例8圖8是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。高壓 初級側密封區10由金屬襯墊密封件15組成。沿筒體方向鄰近于高壓初級 側密封區IO設置大氣側次級密封區20。大氣側次級密封區20具有同時包 括彈性體密封件21和彈性體防擠出環22的結構。
如實施例1中一樣，高壓初級側密封區IO減小了作用在設置于大氣側 次級密封區20中的彈性體密封件21上的加壓/減壓應力。上述筒狀固定凸 緣結構可用于節省密封結構的空間。
實施例9
圖9是示出本發明的又一實施例的筒狀固定凸緣結構的截面圖。高壓 初級側密封區10由金屬C形密封件16組成。雖然圖9中使用的是C形密 封件，也可以使用金屬O形環。沿筒體方向鄰近于高壓初級側密封區10 設置大氣側次級密封區20。大氣側次級密封區20具有同時包括彈性體密 封件21和彈性體防擠出環22的結構。
如實施例1中一樣，高壓初級側密封區IO減小了作用在設置于大氣側 次級密封區20中的彈性體密封件21上的加壓/減壓應力。上述筒狀固定凸 緣結構可用于節省密封結構的空間。
比較例
圖10是示出本發明的比較例的平面固定凸緣結構的截面圖。在該平面 固定凸緣結構中，優選地，對于高壓初級側密封件設置金屬C形密封件， 對于大氣側次級密封件設置彈性體密封件。高壓初級側密封件和大氣側次 級密封件布置在同一平面上。由圖10可見，凸緣部分的空間#^大。因此， 顯然平面固定凸緣結構不適于在有限的空間內(如在燃料電池車輛上)安 裝大量的筒狀高壓氫氣容器。
工業實用性
對于根據本發明的筒狀固定凸緣結構，能夠提高氣密性以及彈性體密 封件對高壓應力的耐久性，并且可將密封結構制成橫向緊湊的。設置有上 述密封結構的根據本發明的高壓氣體(特別是氫氣)容器具有優秀的耐久性，并且最適用于特別是燃料電池車輛用高壓氫氣容器。因此，根據本發 明的高壓氫氣容器有利于燃料電池車輛的實際應用和推廣。
權利要求
1.一種用于填充有高壓氣體的高壓氣體容器的筒狀固定凸緣結構，包括設置有金屬接觸式密封件的高壓側初級密封區，和設置有彈性體密封件的大氣側次級密封區，所述高壓側初級密封區和所述大氣側次級密封區在所述高壓氣體容器的筒體方向上彼此相鄰地設置。
2. 根據權利要求l所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述高壓氣體是氫氣。
3. 根據權利要求1或2所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述金屬接觸式密封件是凸緣端面密封件。
4. 根據權利要求3所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述凸緣端面具有錐形形狀。
5. 根據權利要求1或2所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述金屬接觸式密封件是用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構。
6. 根據權利要求1或2所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述金屬接觸式密封件同時包括凸緣端面密封件和用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構。
7. 根據權利要求5或6所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構由厭氣性螺紋密封劑來密封。
8. 根據權利要求1或2所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述金屬接觸式密封件是金屬村墊密封件。
9. 根據權利要求1或2所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述金屬接觸式密封件同時包括金屬襯墊密封件和凸緣端面密封件和/或用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構。
10. 根據權利要求1或2所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述金屬接觸式密封件是金屬C形密封件或金屬O形環。
11. 根據權利要求1或2所述的筒狀固定凸緣結構，其特征在于，所述金屬接觸式密封件同時包括金屬C形密封件或金屬O形環和金屬襯墊密封件和/或凸緣端面密封件和/或用于固定筒狀凸緣的緊固螺紋結構。
12. 根據權利要求1至11中任一項所述的筒狀固定凸緣結構，其特
13. —種高壓氣體容器，所述氣體容器設置有根據權利要求1至12中任一項所述的筒狀固定凸緣結構。
14. 一種燃料電池車輛，所述車輛安裝有高壓氣體容器，在該高壓容器中設置有權利要求1至12中任一項所述的筒狀固定凸緣結構。
全文摘要
本發明提供了一種用于填充有高壓氣體的高壓氣體容器的筒狀固定凸緣結構。該筒狀固定凸緣結構包括具有金屬接觸式密封件的高壓側初級密封區，和具有彈性體密封件的大氣側次級密封區，并且高壓側初級密封區和大氣側次級密封區在高壓氣體容器的筒體方向上前后設置。該筒狀固定凸緣結構確保了在僅使用彈性體密封件時所欠缺的抵抗加壓/減壓應力的耐久性和可靠性。該密封結構的氣密性優異，并且該密封結構的體積特別是橫向寬度得到了抑制，但是具有高的設計自由度并且適用于燃料電池用高壓氫氣容器。
文檔編號H01M8/04GK101517306SQ20078003407
公開日2009年8月26日 申請日期2007年10月4日 優先權日2006年10月4日
發明者太田健一, 神谷五生 申請人:豐田自動車株式會社