高压氢容器制造技术

一种充填有高压下的氢的高压氢容器，其特征在于，使用至少一种弹性体作为密封材料，这种弹性体的氢气透过系数或氦气透过系数为５．０×１０↑［－１０］至５．０×１０↑［－９］ｃｍ↑［３］（ＳＴＰ）.ｃｍ／ｃｍ↑［２］.ｓｅｃ.ｃｍＨｇ。本发明专利技术解决了用弹性体材料密封用于燃料电池车辆的高压氢容器（ＣＨＧ）系统的主要技术课题，即，（１）在高压氢的可变压力环境中的良好的耐久性；以及（２）在低温和高温环境中的良好的抗永久变形特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种非常适合于向燃料电池供给氢的车辆用容器。特别地，本专利技术涉及一种在高压氢的可变压力环境中具有良好耐久性的密封材料。
技术介绍
近年来，储存用作发电燃料的氢或天然气的储气罐(储气瓶)被应用于汽车、住宅、运输机械等领域中。例如，聚合物电解质燃料电池作为汽车动力源已获得关注。当这种燃料电池用于发电时，通过向设在各个燃料电池一侧的气体扩散电极层供给气体燃料(例如氢气)并向设在另一侧的气体扩散电极层供给氧化剂气体(例如包含氧的空气)来引起电化学反应。在这种发电过程中，唯一产生的是无害的水。因此，从对环境的影响和使用效率方面看上述燃料电池已获得关注。为了向配备有上述燃料电池的汽车持续地供给气体燃料如氢气，将气体燃料储存于车栽储气罐中。已调查到的车载氢储气罐的例子包括储存压缩氢的储气罐和储存处于吸收在金属氢化物(MH)中的状态的氢的氢储存储气罐。在这些储气罐的例子之中，已调查到将一种CFRP (碳纤维强化塑料)罐用作储存压缩氢的车载储气罐。CFRP罐构造成在包括碳纤维强化塑料(CFRP材料)的层(外壳纤维强化层)的内侧形成保持罐的气密性的村套层(内壳)。这样的CFRP罐与由普通类型的塑料制成的罐相比具有更大的强度，并且耐压性优异，因此其优选地用作气体燃料罐。另一方面，燃料电池车辆中的高压氢容器(压缩氢储气罐CHG罐)3系统中充填有高压氢气(35MPa到75MPa之间)。在这种情况下，在密封材料的设计自由度方面，与采用金属材料的密封相比，更希望釆用弹性体材料的密封。此外，尚待开发对于以高频率充填和释放高压氢气具有耐久性的材料。在高压下渗入到弹性体中的氢气往往在降低的压力下扩散到弹性体之外，从而这些材料需要在可变压力环境中持久耐用。此外，这些材料需要在可变温度环境中(大约在_ 70'C的低温至80。C的高温之间)持久耐用。存在多种已知的常用密封材料。例如，下面的专利文献l公开了一种橡胶合成物，其包含添加有特定碳黑(b)的特定氢化丁腈橡胶(a)，这种碳黑具有特定的比表面积、压缩DBP吸油量、着色力、氮吸附的比表面积与碘吸附量的比率，以及电子显微镜观察到的平均粒径。这是因为，当将二氧化硅添加到氢化丁腈橡胶中得到的传统材料被用于模制汽车空调压缩机的密封元件时，通过硫化模制这种材料而获得的密封元件在高温条件下的耐氟代烃特性(抗起泡性)和耐磨性(对可动密封元件而言是必需的)方面不令人满意。该文献还描述了 一种通过硫化模制这种橡胶合成物而获得的产品，其被用于汽车空调压缩机的密封元件等，并具有优异的抗起泡性、耐磨性等。此外，在下面的非专利文献l中，在吸收、高压透过和快速分解(爆发分解)方面对一种液体的弹性体进行了理论分析，其标题为"在严酷高压环境中使用时用于密封用途的TFE/P和其它含氟弹性体的耐久性"。所得到的结果通过实验^f皮进一 步证实。该文献还描述了往往由于物理影响而非化学反应而劣化的密封材料。此外，作为含氟弹性体，该文献介绍了一种在抵抗快速分解(爆发分解)方面具有优异耐久性的弹性体(防爆弹性体)。但是，防爆弹性体在对于密封耐久性能很重要的"永久变形性能，，，和对于燃料电池用的高压储氢罐的使用环境很重要的"低温特性(弹性回复性)"方面明显较差。这些问题尚待解决。人们认为上述问题是由以下原因引起的。(1) 含氟弹性体的交联密度过度增大；也就是说，弹性体材料以如此方式被形成为硬橡胶材料，即所述材料被改良以提高防爆弹性体的防爆性。这导致弹性体材料本质上具有的弹性回复性丧失。(2) 为了提高防爆性，弹性体中的气体吸收量被抑制。具体地，弹性体的成分被如此改良，使得聚合物组分减少(在混合成分中聚合物组分减少)。这种改良被认为会导致弹性体特性受损，从而引起抗永久变形特性的恶化。(3 )含氟弹性体在低温特性方面本质上较差。此外，由于在上面的(1)和(2)中所述的改良，低温特性也会恶化。专利文献1:特开平10-182882号公报(1"8)非专利文献1: PIast Rubber Compos Process Appl JIN:D0988BISSN:0959-8111 VOL. 22, No. 3。
技术实现思路
如上所述，对于用于燃料电池车辆的高压氢容器(CHG罐)系统，考虑到密封材料的设计自由度，希望采用弹性体材料的密封。但是，除了由于膨胀、发泡等而引起外观变化以外，作为传统的弹性体密封材料的防爆含氟弹性体还在由反复充填和释放高压氢引起的这种弹性体的"永久变形量(压缩永久变形)"的大幅增加方面存在问题。也就是说，用弹性体材料实现用于燃料电池车辆的高压氢容器(CHG罐)的密封的主要技术目的在于(l)赋予这种弹性体材料在高压氢的可变压力环境中的良好的耐久性；以及(2 )赋予这种弹性体材料在低温和高温环境中的良好的抗永久变形特性。因此，本专利技术的目的是提供一种能很好地实现上述两个技术目的的弹性体材料。本专利技术的专利技术人已发现，上述问题可通过使用具有高的氢气扩散性的弹性体作为高压氢容器的密封材料来解决。由此，他们作出了本专利技术。具体地，在第一方面，本专利技术涉及一种充填有高压下的氢的高压氢容器。这种容器的特征在于，使用至少一种弹性体作为密封材料，这种弹性体的氢气透过系数或氦气透过系数为5.0 x 1(T1G至5.0 x 10_9 cm3(STP)'cm/cm2'sec.cmHg。此外，所述密封材料应当基于氢气透过系数 而最初给定。但是，为了安全性的原因，根据本专利技术，也可基于氦气透过 系数给定，这是因为氦气所表现出的行为与氢气类似。通过采用氦气透过 系数(氢气透过系数)比传统密封材料高的密封材料，能阻止/减轻由于在 高压氢快速减压时吸收在弹性体中的氢气的膨胀/发泡应力所导致的弹性 体破损。优选地，本专利技术的用于高压氢容器的密封材料具有高的强度。上述弹 性体的硬度优选为75 IRHD至95 IRHD。该硬度是使用在JIS B2401 G25 中规定的O形圏通过根据JIS K6253进行的显微硬度试验而获得的。作为 提高抵抗膨胀/发泡应力的强度耐力的手段，用具有导致高强度(高硬度) 的成分的弹性体进行密封而不会损害这种弹性体的永久变形特性。在硬度 方面，本专利技术的弹性体是一种强度(高硬度)比除传统高压氢容器以外的 一般部件系统所用的密封弹性体高的弹性体。此外，优选地，本专利技术的高压氢容器的密封材料具有低温弹性回复性。 同样优选的是，通过根据JIS K6261进行的低温弹性回复试验所测得的上 述弹性体的TR10在-30。C以下。同样，优选地，本专利技术的高压氢容器的密封材料具有低温弹性回复性。 另外优选的是，由以下方程表示的上述弹性体的"永久变形量(压缩永久 变形)"在20%以下。永久变形量(％ )(压缩永久变形)=(Dl-D2) + (Dl x0.2)xl00(其中Dl表示初始线径，D2表示在压缩了 20%的状态下、暴 露在85'C和30MPa的氢气中1小时、在3分钟内快速减压至大气压并释 放压缩后所获得的线径)。只要遵照对本专利技术的高压氢容器的密封材料的要求，则弹性体的类型 不受限制。至少一种弹性体被混合和使用。上述弹性体的具体示例包括从 由以下材料构成的组中选出的至少一种三元乙丙橡胶(EPDM)、乙丙 橡胶(EPR)、硅橡胶、天然橡胶、异戊二烯橡胶(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高压氢容器，所述高压氢容器充填有高压下的氢，在所述高压氢容器中使用至少一种弹性体作为密封材料，这种弹性体的氢气透过系数或氦气透过系数为５．０×１０↑［－１０］至５．０×１０↑［－９］ｃｍ↑［３］（ＳＴＰ）.ｃｍ／ｃｍ↑［２］.ｓｅｃ.ｃｍＨｇ。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：神谷五生，森连太郎，工藤正嗣，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，NOK株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]