JP6057403B2 - seal - Google Patents
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Description
本発明は、高圧水素ガス用シールに関する。 The present invention relates to a high-pressure hydrogen gas seal.
水素ガスを使用した燃料電池を動力源とする車両には、ガソリン車両に対するガソリンスタンドと同様に水素ガス供給ステーションなどで水素ガスを充填することが必要となる。 A vehicle using a fuel cell using hydrogen gas as a power source needs to be filled with hydrogen gas at a hydrogen gas supply station or the like in the same manner as a gasoline station for a gasoline vehicle.
従来、燃料電池を動力源とする車両には３５ＭＰａの高圧ガスが充填できるようなタンクが搭載されてきた。しかし、航続距離の伸長を目的として、車載できる水素量の増加を図るため、７０ＭＰａタンクを搭載した燃料電池を動力源とする車両が検討されており、それに伴って、水素ガスの充填圧力も７０ＭＰａにする必要がある。 Conventionally, a tank that can be filled with a high-pressure gas of 35 MPa has been mounted on a vehicle that uses a fuel cell as a power source. However, in order to increase the amount of hydrogen that can be mounted on the vehicle for the purpose of extending the cruising range, a vehicle using a fuel cell equipped with a 70 MPa tank as a power source has been studied, and the hydrogen gas filling pressure is increased to 70 MPa. It is necessary to.
水素ガスは分子が小さいためにもともと漏洩しやすく、特に７０ＭＰａもの高圧になれば更に漏洩の可能性が高まるため、高圧水素ガスタンク、高圧水素ガス配管、高圧ガス水素用バルブ、配管の連結部分などには、高いシール性が要求される。 Hydrogen gas is likely to leak due to its small molecule, especially at a high pressure of 70 MPa, so the possibility of leakage increases. Therefore, it can be used in high pressure hydrogen gas tanks, high pressure hydrogen gas pipes, high pressure gas hydrogen valves, pipe connections, etc. High sealability is required.
特許文献１には、高圧で水素が充填される高圧水素容器において、シール材料としてエチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＲ）、シリコーンゴム、天然ゴム、イソプレンゴム（ＩＲ）、及びニトリルイソプレンゴム（ＮＩＲ）から選択されるエラストマーの１種以上が用いられていることを特徴とする高圧水素容器が記載されている。 In Patent Document 1, in a high-pressure hydrogen container filled with hydrogen at high pressure, as a sealing material, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), ethylene-propylene rubber (EPR), silicone rubber, natural rubber, isoprene rubber (IR), And a high-pressure hydrogen container characterized in that at least one elastomer selected from nitrile isoprene rubber (NIR) is used.
特許文献２には、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、上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、上記第一シール部のＯリングにガス遮蔽性に優れた材質（ＥＰＤＭ）を選定し、上記第二シール部のＯリングの材質として、上記第一シール部の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が開示されている。 Patent Document 2 includes a first seal portion and a second seal portion disposed on a lower pressure side than the first seal portion in a seal structure in a high-pressure hydrogen tank or pipe of a fuel cell, and the first seal A material with excellent gas shielding properties (EPDM) is selected for the O-ring of the part, and a silicone rubber having a lower temperature than the O-ring of the first seal part is selected as the material of the O-ring of the second seal part. A fuel cell seal structure is disclosed that is used.
特許文献３には、水素ガスのような高圧流体を扱う管継手部材において、シールリングを充分に機能させるようにして、高圧流体の漏洩が生じるのを阻止するようにした高圧流体 用管継手部材が記載されている。 Patent Document 3 discloses a high-pressure fluid pipe joint member that prevents a high-pressure fluid from leaking by sufficiently functioning a seal ring in a pipe joint member that handles a high-pressure fluid such as hydrogen gas. Is described.
これらの水素ガス用部材には、いずれも水素ガスの漏洩を防止するためのシールが設けられており、シールはエチレン−プロピレンゴムやニトリルゴムなどのゴム材料から形成されている。しかしながら、ゴム材料が７０ＭＰａもの高圧の水素ガスに晒されると、ブリスタ破壊現象が観察されることが、本発明者らの研究により見出された。 Each of these hydrogen gas members is provided with a seal for preventing leakage of hydrogen gas, and the seal is made of a rubber material such as ethylene-propylene rubber or nitrile rubber. However, it has been found by the present inventors that a blister breakdown phenomenon is observed when a rubber material is exposed to high-pressure hydrogen gas as high as 70 MPa.
ブリスタ破壊によりシールにき裂が生じると、き裂から水素が漏洩し、重大な事故につながる。本発明は、このような現状に鑑み、圧力が７０ＭＰａ以上で水素ガスと接触してもブリスタが発生しないシールを提供する。 When a crack occurs in a seal due to blister failure, hydrogen leaks from the crack, leading to a serious accident. In view of such a current situation, the present invention provides a seal in which blisters are not generated even when contacted with hydrogen gas at a pressure of 70 MPa or more.
本発明者らの知見によれば、ブリスタ破壊によるシールのき裂は、高圧水素ガスに暴露された際にゴム材料からなるシールに水素が溶解し、溶解した水素により気泡が発生することが原因で生じる。
このシールへの水素の溶解は、通常はヘンリーの法則に従って、水素ガスの圧力が高くなれば溶解量もそれに比例して増加する。図６にエチレン−プロピレン−ジエンゴム〔ＥＰＤＭ〕およびアクリロニトリルブタジエンゴム〔ＮＢＲ〕の水素暴露圧力（ｐ）に対する平衡水素量（ＣＨ０）を示す。
しかし、驚くべきことに、ポリテトラフルオロエチレンからなるシールは、図６に示すように、水素暴露圧力（ｐ）が３０〜５０ＭＰａで平衡水素量（ＣＨ０）が極大値を示し、５０ＭＰａを超えると平衡水素量（ＣＨ０）が低圧での平衡水素量（ＣＨ０）とほぼ同じ水準まで低下することが見出された。
本発明は、このような従来知られていなかったポリテトラフルオロエチレンからなるシールの新たな特性を見出し、完成された発明である。
According to the knowledge of the present inventors, the crack of the seal due to the blister fracture is caused by the fact that hydrogen is dissolved in the seal made of a rubber material when exposed to high-pressure hydrogen gas, and bubbles are generated by the dissolved hydrogen. It occurs in.
The dissolution of hydrogen into the seal usually follows Henry's law, and the amount of dissolution increases proportionally as the pressure of hydrogen gas increases. FIG. 6 shows the amount of equilibrium hydrogen (C H0 ) with respect to the hydrogen exposure pressure (p) of ethylene-propylene-diene rubber [EPDM] and acrylonitrile butadiene rubber [NBR].
However, surprisingly, the seal made of polytetrafluoroethylene, as shown in FIG. 6, has a hydrogen exposure pressure (p) of 30 to 50 MPa and an equilibrium hydrogen amount (C H0 ) of a maximum value, exceeding 50 MPa. It was found that the equilibrium hydrogen amount (C H0 ) dropped to almost the same level as the equilibrium hydrogen amount (C H0 ) at low pressure.
The present invention has been completed by finding new characteristics of such a seal made of polytetrafluoroethylene, which has not been known so far.
すなわち、本発明は、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスと接触してもブリスタが発生しないシールである。本発明のシールは、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスと接触させて使用するものであることが好ましい。本発明のシールは、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスの漏洩を防止するためのシールとして好適に利用できる。 That is, the present invention is a seal that is made of polytetrafluoroethylene and does not generate blisters even when it comes into contact with hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more. The seal of the present invention is preferably used in contact with hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more. The seal of the present invention can be suitably used as a seal for preventing leakage of hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more.
本発明のシールは、上記の構成よりなるので、高いシール性を有しており、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスの漏洩を長期間にわたって防ぐことができる。
しかも、本発明のシールは、大気圧〜９０ＭＰａの圧力差による繰り返し応力が負荷されてもブリスタが発生しないし、−４０〜９０℃の温度差による繰り返し熱応力が負荷されてもブリスタが発生しない。従って、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスを供給するための水素ガス供給システムのあらゆる箇所に適用することができる。
Since the seal of the present invention has the above-described configuration, it has a high sealing property and can prevent leakage of hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more over a long period of time.
Moreover, the seal of the present invention does not generate blisters even when repeated stress due to a pressure difference of atmospheric pressure to 90 MPa is applied, and does not generate blisters even when repeated thermal stress due to a temperature difference of −40 to 90 ° C. is applied. . Therefore, the present invention can be applied to any part of a hydrogen gas supply system for supplying hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more.
本発明は、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスと接触してもブリスタが発生しないシールである。ポリテトラフルオロエチレンとしては、非溶融加工性のポリテトラフルオロエチレンであれば特に限定されず、テトラフルオロエチレンの単独重合体であっても、微量のモノマー（但しテトラフルロオエチレンを除く）を共重合させた変性ポリテトラフルオロエチレンであってもよい。ポリテトラフルオロエチレンとしては、融点が３２７℃以上であるものが好ましい。本発明のシールは充填材を含むものであってもよい。本発明のシールは、実質的にポリテトラフルオロエチレンのみからなることが好ましく、全体の９７質量％以上がポリテトラフルオロエチレンからなることがより好ましく、９９質量％以上がポリテトラフルオロエチレンからなることが更に好ましい。 The present invention is a seal that is made of polytetrafluoroethylene and does not generate blisters even when it comes into contact with hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more. The polytetrafluoroethylene is not particularly limited as long as it is non-melt-processable polytetrafluoroethylene. Even if it is a homopolymer of tetrafluoroethylene, a very small amount of monomer (except for tetrafluoroethylene) is used in common. Polymerized modified polytetrafluoroethylene may be used. Polytetrafluoroethylene having a melting point of 327 ° C. or higher is preferable. The seal of the present invention may contain a filler. The seal of the present invention preferably consists essentially of polytetrafluoroethylene, more preferably 97% by mass or more of polytetrafluoroethylene, more preferably 99% by mass or more of polytetrafluoroethylene. Is more preferable.
本発明のシールは、ガスケット又はパッキンのいずれであってもよく、形状も問わない。本発明のシールは、Ｏリングであってもよく、該Ｏリングを従来知られた方法によって高圧水素容器や配管機器に用いることができる。
本発明のシールは、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスと接触する箇所であれば、あらゆる箇所に使用することができ、水素ガスを供給するためのシステムおよび水素ガスを使用した燃料電池を動力源とする車両のあらゆる箇所のシールとして使用可能である。
The seal of the present invention may be either a gasket or packing, and the shape is not limited. The seal of the present invention may be an O-ring, and the O-ring can be used for a high-pressure hydrogen container or piping equipment by a conventionally known method.
The seal of the present invention can be used at any location as long as it is in contact with hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more. A system for supplying hydrogen gas and a fuel cell using hydrogen gas are used as a power source. It can be used as a seal for all parts of the vehicle.
なお、本発明のシールは、３０〜５０ＭＰａの水素ガスと接触しつづけると一定量の水素ガスが溶解してブリスタ破壊が生じる可能性があるため、圧力が７０ＭＰａを大きく下回る高圧の水素ガスを供給したり、保管したりする用途には適切でない。３０〜５０ＭＰａの水素ガスと接触しつづける箇所に設置すると充分な性能を発揮できないおそれがあるので、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスの漏洩を防止したり、密封したりするために使用することが好ましい。 The seal of the present invention supplies a high-pressure hydrogen gas whose pressure is much lower than 70 MPa because a certain amount of hydrogen gas may dissolve and blister breakage may occur if it keeps in contact with 30-50 MPa hydrogen gas. It is not suitable for use in storage or storage. Since it may not be able to exhibit sufficient performance if it is installed in a location where it continues to contact with 30 to 50 MPa of hydrogen gas, it is preferably used to prevent leakage or sealing of hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more. .
図１および図２に水素ガスを供給するためのシステム（水素供給システム）の一例を示す。但し、これらに限定されるものではない。当該水素供給システムは、燃料電池を動力源とする車両の水素タンクに７０ＭＰａ程度の圧力で水素を充填するためのものである。 1 and 2 show an example of a system (hydrogen supply system) for supplying hydrogen gas. However, it is not limited to these. The hydrogen supply system is for filling a hydrogen tank of a vehicle using a fuel cell as a power source with a pressure of about 70 MPa.
図１に示すように、水素供給システム１は、液体水素が貯蔵される液体水素保存タンク１１と、該液体水素保存タンク１１から取り出した水素ガスの圧力を車両１００の水素タンク（図示せず）への充填圧力よりも高い圧力（約７０〜９０ＭＰａ）まで昇圧するための圧縮機１２と、圧縮機１２により昇圧された水素ガスを一時的に蓄えるための蓄圧器１３と、蓄圧器１３に蓄えられた水素ガスを車両１００に供給するためのディスペンサー１４とを備える。ディスペンサー１４には車両１００の水素タンクに水素ガスを供給するための水素供給ホース１５が備えられており、水素供給ホース１５には車両１００のレセプタクル１０１に着脱自在に接続される水素供給ノズル１６が取り付けられている。水素供給システム１は、プレクーラ（図示せず）を備えており、ディスペンサー１４から送り出される水素ガスが−２０〜−３０℃程度に冷却される。各設備は水素ガス供給管（図示せず）により接続されており、該水素ガス供給管の途中には必要に応じてバルブや継手などの配管機器（図示せず）が配設される。 As shown in FIG. 1, a hydrogen supply system 1 includes a liquid hydrogen storage tank 11 in which liquid hydrogen is stored, and the pressure of hydrogen gas taken out from the liquid hydrogen storage tank 11 is changed to a hydrogen tank (not shown) of the vehicle 100. Compressor 12 for increasing pressure to a pressure higher than the filling pressure (about 70 to 90 MPa), accumulator 13 for temporarily storing hydrogen gas boosted by compressor 12, and accumulator 13 And a dispenser 14 for supplying the generated hydrogen gas to the vehicle 100. The dispenser 14 is provided with a hydrogen supply hose 15 for supplying hydrogen gas to a hydrogen tank of the vehicle 100, and a hydrogen supply nozzle 16 detachably connected to the receptacle 101 of the vehicle 100 is provided in the hydrogen supply hose 15. It is attached. The hydrogen supply system 1 includes a precooler (not shown), and the hydrogen gas sent out from the dispenser 14 is cooled to about −20 to −30 ° C. Each facility is connected by a hydrogen gas supply pipe (not shown), and piping devices (not shown) such as valves and joints are arranged in the middle of the hydrogen gas supply pipe as necessary.
水素供給システムの他の実施例を図２に示す。図２に示すように、水素供給システム２は、液体水素保存タンク１１から取り出された水素ガスの圧力を所望の圧力に圧縮する圧縮機１２と、圧縮機１２により昇圧された水素ガスの一部を一時的に蓄えるための蓄圧器１３と、圧縮機１２により昇圧された水素ガスの残りの一部を車両１００の水素タンク（図示せず）への充填圧力よりも高い圧力まで昇圧するための直接充填圧縮機２７と、を備える他は、図１に示す水素供給システム１と同様の構成を有する。 Another embodiment of the hydrogen supply system is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the hydrogen supply system 2 includes a compressor 12 that compresses the pressure of the hydrogen gas taken out from the liquid hydrogen storage tank 11 to a desired pressure, and a part of the hydrogen gas that has been pressurized by the compressor 12. For temporarily storing the remaining part of the hydrogen gas boosted by the compressor 12 to a pressure higher than the filling pressure to the hydrogen tank (not shown) of the vehicle 100 1 has the same configuration as that of the hydrogen supply system 1 shown in FIG.
水素供給システム１及び２は、いずれの構成においても、液体水素保存タンク１１から車両１００のレセプタクル１０１まで水素ガスを供給するために、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスが通過する流路（図示せず）が備えられており、当該流路から高圧の水素ガスが漏洩することを防ぐために、シールを必要な箇所に配設する必要があるが、本発明のシールはいずれの箇所にも使用することが可能である。 In both configurations, the hydrogen supply systems 1 and 2 have a flow path (not shown) through which hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more passes in order to supply hydrogen gas from the liquid hydrogen storage tank 11 to the receptacle 101 of the vehicle 100. In order to prevent high-pressure hydrogen gas from leaking from the flow path, it is necessary to place a seal where necessary, but the seal of the present invention should be used at any location. Is possible.
本発明のシールは、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスと接触してもブリスタ破壊を生じず、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスとの接触が長期間継続しても、水素ガスが漏洩することがない。 The seal of the present invention does not cause blister breakdown even when contacted with hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more, and hydrogen gas does not leak even if contact with hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more continues for a long period of time. .
また、ノズルと、上記ノズルから高圧の水素ガスを受け入れるレセプタクルと、圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスが通過する流路と、上記ノズル及び上記レセプタクルの一方又は両方に設置された、上記流路からの水素ガスの漏洩を防ぐためのシールと、を備え、上記シールがポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする高圧水素ガス用管継手部材も本発明の１つである。 A nozzle, a receptacle for receiving high-pressure hydrogen gas from the nozzle, a channel through which hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more passes, and one or both of the nozzle and the receptacle provided from the channel. And a seal for preventing leakage of hydrogen gas, wherein the seal is made of polytetrafluoroethylene, which is also one aspect of the present invention.
本発明の高圧水素ガス用管継手部材は、車両に備えられた高圧水素容器に水素ガスを充填するために、高圧の水素ガスを供給するためのノズルと、上記ノズルから水素ガスを受け入れるためのレセプタクルとを備える。 A high pressure hydrogen gas pipe joint member according to the present invention includes a nozzle for supplying high-pressure hydrogen gas and a hydrogen gas received from the nozzle in order to fill the high-pressure hydrogen container provided in the vehicle with hydrogen gas. And a receptacle.
図３および図４に本発明の高圧水素ガス用管継手部材の実施の一形態を示す。 3 and 4 show an embodiment of the high-pressure hydrogen gas pipe joint member of the present invention.
図３に示すように、高圧水素ガス用管継手部材３は、ノズル３０と、ノズル３０が挿入接続される差込口３５を有するレセプタクル３４とからなり、レセプタクル３４は、差込口３５の近傍に設けられたガスシールのための第１のＯリング３１と、第１のＯリング３１よりガス供給の下流側に設けられたガスシールのための第２のＯリング３３とを備え、第２のＯリング３３は、接合材（バックアップリング）３２によってその一部がレセプタクル３４の凹部に接合されている。圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスは、ノズル３０から供給され、レセプタクル３４の流路３６を通過して、車両に備えられた高圧水素容器に水素ガスが充填される。Ｏリング３１及びＯリング３３はポリテトラフルオロエチレンからなり、高圧の水素ガスが継手部分から漏洩することを防止する。 As shown in FIG. 3, the high-pressure hydrogen gas pipe joint member 3 includes a nozzle 30 and a receptacle 34 having an insertion port 35 into which the nozzle 30 is inserted and connected. The receptacle 34 is located in the vicinity of the insertion port 35. And a second O-ring 33 for gas sealing provided downstream of the first O-ring 31 and a second O-ring 33 for gas sealing. A part of the O-ring 33 is joined to the recess of the receptacle 34 by a joining material (backup ring) 32. Hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more is supplied from the nozzle 30, passes through the flow path 36 of the receptacle 34, and is filled with a high-pressure hydrogen container provided in the vehicle. The O-ring 31 and the O-ring 33 are made of polytetrafluoroethylene and prevent high-pressure hydrogen gas from leaking from the joint portion.
また、図４に高圧水素ガス用管継手部材の他の実施の一形態を示す。図４に示すように、高圧水素ガス用管継手部材４は、ノズル４０と、ノズル４０が挿入接続される差込口４５を有するレセプタクル４４とからなり、レセプタクル４４には、差込口４５の近傍に設けられガスシールのためのＯリング４３が設けられ、一方ノズル４０の先端には、ガスシールのためのＯリング４２が設けられ、Ｏリング４２は、接合材（バックアップリング）４１によってその一部がノズル４０の先端付近に設けられた凹部に接合されている。圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスは、ノズル４０から供給され、レセプタクル４４の流路４６を通過して、車両に備えられた高圧水素容器に水素ガスが充填される。Ｏリング４２及びＯリング４３はポリテトラフルオロエチレンからなり、高圧の水素ガスが継手部分から漏洩することを防止する。 FIG. 4 shows another embodiment of the high-pressure hydrogen gas pipe joint member. As shown in FIG. 4, the high pressure hydrogen gas pipe joint member 4 includes a nozzle 40 and a receptacle 44 having an insertion port 45 into which the nozzle 40 is inserted and connected. An O-ring 43 for gas sealing is provided in the vicinity, while an O-ring 42 for gas sealing is provided at the tip of the nozzle 40, and the O-ring 42 is connected by a bonding material (backup ring) 41. A part is joined to a recess provided near the tip of the nozzle 40. Hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more is supplied from the nozzle 40, passes through the flow path 46 of the receptacle 44, and is filled with a high-pressure hydrogen container provided in the vehicle. The O-ring 42 and the O-ring 43 are made of polytetrafluoroethylene and prevent high-pressure hydrogen gas from leaking from the joint portion.
いずれの形状を有する高圧水素ガス用管継手部材であっても、水素ガスを供給するための水素供給ホースの出口に取り付けられたノズルを、車両に取り付けられたレセプタブルに連結して、その供給が行われる。 Even if it is a pipe joint member for high pressure hydrogen gas which has any shape, the nozzle attached to the outlet of the hydrogen supply hose for supplying hydrogen gas is connected to the receptacle which is attached to the vehicle, and the supply is Done.
燃料電池を動力源とする車両に７０ＭＰａ以上の圧力で水素ガスを充填する際には、ノズルとレセプタブルには大気圧から９０ＭＰａの圧力差による繰り返し応力がかかる。その上、水素の急速充填時の過熱対策のため、プレクーラを設置すると充填開始時には−４０℃の水素に曝され、充填開始後しばらくすると温度は９０℃近くまで上昇する。このような条件下で長期に渡って水素の供給を繰り返すと、ブリスタ破壊の可能性が一層高まる。 When a vehicle using a fuel cell as a power source is filled with hydrogen gas at a pressure of 70 MPa or more, the nozzle and the receptacle are subjected to repeated stress due to a pressure difference from atmospheric pressure to 90 MPa. In addition, when a precooler is installed to prevent overheating during rapid hydrogen filling , it is exposed to -40 ° C. hydrogen at the start of filling, and the temperature rises to near 90 ° C. for a while after the beginning of filling . If hydrogen supply is repeated over a long period of time under such conditions, the possibility of blister destruction increases further.
従って、高圧水素ガス用管継手部材には、温度が−４０〜９０℃、圧力が大気圧〜９０ＭＰａで繰り返し水素ガスと接触してもブリスタが発生しないことが要求される。 Therefore, the pipe joint member for high-pressure hydrogen gas is required not to generate blisters even when repeatedly contacted with hydrogen gas at a temperature of −40 to 90 ° C. and a pressure of atmospheric pressure to 90 MPa.
本発明の高圧水素ガス用管継手部材は、上記のような繰り返し応力が負荷される過酷な用途に使用できるものであり、ポリテトラフルオロエチレンからなるシールを備えることからこのような過酷な用途で使用してもブリスタ破壊によるき裂が生じることがない。 The pipe joint member for high-pressure hydrogen gas of the present invention can be used for severe applications where the above-described repeated stress is applied, and since it includes a seal made of polytetrafluoroethylene, Even if it is used, cracks due to blister fracture do not occur.
本発明のシールは以下のような方法においても好適に使用できる。
すなわち、水素供給システムを準備するステップと、水素供給ホースの出口に設けられたノズル及び車両に設けられたレセプタクルの少なくとも一方にポリテトラフルオロエチレンからなるシールを設置するステップと、上記ノズル及び上記レセプタクルを接続するステップと、水素ガス供給システムにおける液体水素保存タンクから水素ガスを取り出すステップと、上記水素ガスを圧力７０〜９０ＭＰａ程度に昇圧するステップと、上記水素ガスを車両の水素タンクに圧力７０〜９０ＭＰａで供給するステップと、からなることを特徴とする高圧水素ガスの充填方法である。上記充填方法は、圧力７０〜９０ＭＰａの水素ガスが漏洩する可能性がある箇所（ノズル及びレセプタクルを除く）にポリテトラフルオロエチレンからなるシールを設置するステップを含むことも好ましい。
The seal of the present invention can also be suitably used in the following method.
That is, a step of preparing a hydrogen supply system, a step of installing a seal made of polytetrafluoroethylene on at least one of a nozzle provided at the outlet of the hydrogen supply hose and a receptacle provided in the vehicle, and the nozzle and the receptacle A step of removing the hydrogen gas from the liquid hydrogen storage tank in the hydrogen gas supply system, a step of increasing the pressure of the hydrogen gas to a pressure of about 70 to 90 MPa, and a pressure of 70 to A high-pressure hydrogen gas filling method comprising: supplying at 90 MPa. The filling method preferably includes a step of installing a seal made of polytetrafluoroethylene at a location (excluding the nozzle and the receptacle) where hydrogen gas having a pressure of 70 to 90 MPa may leak.
本発明のシールは以下のような使用にも好適である。
すなわち、ノズルと、上記ノズルから水素ガスを受け入れるレセプタクルと、を備える高圧水素ガスを供給するための管継手部材において、温度−４０〜９０℃、圧力７０〜９０ＭＰａで水素ガスを供給するためのポリテトラフルオロエチレンからなるシールの使用である。
The seal of the present invention is also suitable for the following uses.
That is, in a pipe joint member for supplying high-pressure hydrogen gas comprising a nozzle and a receptacle for receiving hydrogen gas from the nozzle, a polycrystal for supplying hydrogen gas at a temperature of −40 to 90 ° C. and a pressure of 70 to 90 MPa. The use of a seal made of tetrafluoroethylene.
次に本発明の高圧水素容器の実施形態について説明する。 Next, an embodiment of the high-pressure hydrogen container of the present invention will be described.
圧力が７０ＭＰａ以上の水素が充填される高圧水素容器において、ポリテトラフルオロエチレンからなるシールを備えることを特徴とする高圧水素容器も本発明の一つである。
図５は、本発明の高圧水素容器の一例を示す。高圧水素容器５は、燃料電池を動力源とする車両（図示せず）の水素タンクとして好適であり、全体として円筒形とされ、容器本体であるライナー５３と外装５４とを備え、ライナー５３と外装５４とを貫通する貫通孔には水素ガスを流出入させるためのバルブ５１が装着されている。ライナー５３は、好ましくはアルミニウムや高密度ポリエチレン等の樹脂などのライニング材で形成されており、外装５４は、好ましくはクロムモリブデン鋼などの金属又は炭素繊維で強化したプラスチック（ＣＦＲＰ）からなる。本発明の高圧水素容器は、特にバルブ５１にポリテトラフルオロエチレンからなるシール５２が配設されていることが好適である。
A high-pressure hydrogen container that is filled with hydrogen having a pressure of 70 MPa or more and includes a seal made of polytetrafluoroethylene is also one aspect of the present invention.
FIG. 5 shows an example of the high-pressure hydrogen container of the present invention. The high-pressure hydrogen container 5 is suitable as a hydrogen tank of a vehicle (not shown) that uses a fuel cell as a power source. The high-pressure hydrogen container 5 has a cylindrical shape as a whole and includes a liner 53 that is a container body and an exterior 54. A valve 51 for allowing hydrogen gas to flow in and out is attached to a through-hole penetrating the exterior 54. The liner 53 is preferably formed of a lining material such as a resin such as aluminum or high-density polyethylene, and the exterior 54 is preferably made of a metal such as chromium molybdenum steel or a plastic (CFRP) reinforced with carbon fiber. In the high-pressure hydrogen container of the present invention, it is particularly preferable that the valve 51 is provided with a seal 52 made of polytetrafluoroethylene.
また、高圧水素容器５としては、高圧で水素を貯蔵するもの、水素の貯蔵と放出が可能な水素吸着剤を収容したもの、又は水素の吸着と放出が可能な水素吸着材、例えば錯体、活性炭、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン、ゼオライト若しくはメソポーラスシリケート等を収容したもの等、水素の貯蔵が可能なものであれば何れであってもよい。 Further, as the high-pressure hydrogen container 5, one storing hydrogen at high pressure, one containing a hydrogen adsorbent capable of storing and releasing hydrogen, or a hydrogen adsorbing material capable of absorbing and releasing hydrogen, such as a complex, activated carbon, etc. , Carbon nanotubes, amorphous carbon, graphite carbon, zeolite, mesoporous silicate, etc. can be used as long as they can store hydrogen.
高圧水素容器にはバルブ５１を介して水素ガスが充填される。バルブ５１を介して水素ガスを充填していくと、断熱圧縮により高圧水素容器内部のガス温が次第に上昇していくので、シール５２には高い圧力が掛かると同時に温度差による応力も負荷される。このため、シール５２には、高圧の水素ガスによるブリスタ破壊が生じにくい特性に加えて、ガスの充填が繰り返されることによる圧力差および温度差による負荷にも耐える特性が求められる。本発明の高圧水素容器は、シール材料としてポリテトラフルオロエチレンが用いられていることを特徴とするので、圧力差および温度差による負荷によりシールが劣化することがなく、ブリスタ破壊によるき裂が生じることもない。 The high pressure hydrogen container is filled with hydrogen gas via a valve 51. When hydrogen gas is filled through the valve 51, the gas temperature inside the high-pressure hydrogen container gradually increases due to adiabatic compression, so that a high pressure is applied to the seal 52 and stress due to a temperature difference is also applied. . For this reason, the seal 52 is required to have a characteristic to withstand a load due to a pressure difference and a temperature difference due to repeated gas filling, in addition to a characteristic that a blister breakdown due to a high-pressure hydrogen gas does not easily occur. The high-pressure hydrogen container of the present invention is characterized in that polytetrafluoroethylene is used as a sealing material, so that the seal does not deteriorate due to a load due to a pressure difference and a temperature difference, and a crack due to blister fracture occurs. There is nothing.
圧力が７０ＭＰａ以上の水素を流通させるための配管機器において、ポリテトラフルオロエチレンからなるシールを備えることを特徴とする配管機器も本発明の１つである。当該配管機器はバルブまたは継手であることが好適である。 In the piping equipment for circulating hydrogen having a pressure of 70 MPa or more, a piping equipment comprising a seal made of polytetrafluoroethylene is also one aspect of the present invention. The piping device is preferably a valve or a joint.
次にポリテトラフルオロエチレンからなるシールの水素暴露実験の結果を説明する。 Next, the result of the hydrogen exposure experiment of the seal made of polytetrafluoroethylene will be described.
〔平衡水素量の測定〕
ダイキン工業製ポリテトラフルオロエチレンを用い、φ１３．０ｍｍ×２．０ｍｍの円板状試験片を作製し、作製した円板状試験片を圧力０．７〜１００ＭＰａ、３０℃の水素ガスに２４時間暴露した。この暴露時間は、試験片中の水素量が平衡状態に達するのに充分な時間である。暴露後、試験片から放出される水素を温度３０℃に保ったガスクロマトグラフ式水素昇温脱離分析装置（ＴＤＡ）で測定した。平衡水素量（ＣＨ０）は、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｖｏｌｕｍｅ ３４， Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００９， Ｐａｇｅｓ １９７７−１９８９に記載の方法で算出した。
[Measurement of equilibrium hydrogen content]
A disk-shaped test piece having a diameter of 13.0 mm × 2.0 mm was prepared using polytetrafluoroethylene manufactured by Daikin Industries, Ltd., and the prepared disk-shaped test piece was subjected to hydrogen gas at 30 ° C. under pressure of 0.7 to 100 MPa for 24 hours. Exposed. This exposure time is sufficient for the amount of hydrogen in the specimen to reach equilibrium. After the exposure, the hydrogen released from the test piece was measured with a gas chromatographic hydrogen thermal desorption analyzer (TDA) maintained at a temperature of 30 ° C. The equilibrium hydrogen amount (C H0 ) was calculated by the method described in International Journal of Hydrogen Energy Volume 34, February 2009, Pages 1977-1989.
次に、ＥＰＤＭおよびＮＢＲの平衡水素量についても同様に測定した。これらの結果を図６に示す。 Next, the equilibrium hydrogen amounts of EPDM and NBR were measured in the same manner. These results are shown in FIG.
ＥＰＤＭおよびＮＢＲの水素量はともに水素暴露圧力（ｐ）が１０ＭＰａ以下ではヘンリーの法則に従い、平衡水素量（ＣＨ０）は水素暴露圧力（ｐ）に比例する。これに対し、ポリテトラフルオロエチレンは、水素暴露圧力（ｐ）が２０ＭＰａ以下の範囲ではヘンリーの法則に従い、水素暴露圧力（ｐ）が３０〜５０ＭＰａで平衡水素量（ＣＨ０）が極大値を示した。更に、水素暴露圧力（ｐ）が５０ＭＰａを超えると、平衡水素量（ＣＨ０）は２０ＭＰａ以下の範囲での平衡水素量（ＣＨ０）と同等の値を示した。 The hydrogen amounts of EPDM and NBR are both in accordance with Henry's law when the hydrogen exposure pressure (p) is 10 MPa or less, and the equilibrium hydrogen amount (C H0 ) is proportional to the hydrogen exposure pressure (p). On the other hand, polytetrafluoroethylene shows Henry's law when the hydrogen exposure pressure (p) is 20 MPa or less, and the hydrogen exposure pressure (p) is 30 to 50 MPa and the equilibrium hydrogen amount (C H0 ) shows the maximum value. It was. Further, the exposure to hydrogen pressure (p) is greater than 50 MPa, the equilibrium hydrogen amount (C H0) showed comparable value as the equilibrium hydrogen amount (C H0) in the range of 20 MPa.
〔水素暴露後のブリスタ観察〕
ダイキン工業製ポリテトラフルオロエチレンを用い、φ２９．０ｍｍ×１２．５ｍｍの円板状試験片を作製し、圧力１００ＭＰａ、３０℃の水素ガスに６５時間暴露した。暴露後の表面状態を顕微鏡により観察した。同様にＥＰＤＭから試験片を作製し、圧力１００ＭＰａ、３０℃の水素ガスに６５時間暴露し、暴露後の表面状態を顕微鏡により観察した。結果を図７及び図８に示す。
[Blister observation after hydrogen exposure]
A disk-shaped test piece having a diameter of 29.0 mm × 12.5 mm was prepared using polytetrafluoroethylene manufactured by Daikin Industries, and exposed to hydrogen gas at a pressure of 100 MPa and 30 ° C. for 65 hours. The surface condition after exposure was observed with a microscope. Similarly, a test piece was prepared from EPDM, exposed to hydrogen gas at a pressure of 100 MPa and 30 ° C. for 65 hours, and the surface state after the exposure was observed with a microscope. The results are shown in FIGS.
１，２ 高圧ガス供給システム
１１ 液体水素保存タンク
１２ 圧縮機
１３ 蓄圧器
１４ ディスペンサー
１５ 水素供給ホース
１６ ノズル
２７ 直接充填圧縮機
１００ 車両
１０１ レセプタクル
３，４ 管継手部材
３０，４０ ノズル
３４，４４ レセプタクル
３５，４５ 差込口
３６，４６ 流路
３１，３３，４２，４３ シール（Ｏリング）
３２，４１ バックアップリング
５ 高圧水素容器
５１ バルブ
５２ シール
５３ ライナー
５４ 外装
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 High pressure gas supply system 11 Liquid hydrogen storage tank 12 Compressor 13 Accumulator 14 Dispenser 15 Hydrogen supply hose 16 Nozzle 27 Direct filling compressor 100 Vehicle 101 Receptacle 3, 4 Fitting member 30, 40 Nozzle 34, 44 Receptacle 35 , 45 Insertion port 36, 46 Flow path 31, 33, 42, 43 Seal (O-ring)
32, 41 Backup ring 5 High-pressure hydrogen container 51 Valve 52 Seal 53 Liner 54 Exterior
Claims (7)
ノズルと、
前記ノズルから高圧の水素ガスを受け入れるレセプタクルと、
圧力が７０ＭＰａ以上の水素ガスが通過する流路と、
前記ノズル及び前記レセプタクルの一方又は両方に設置された、前記流路からの水素ガスの漏洩を防ぐためのシールと、を備え、
前記シールが、テトラフルオロエチレンの単独重合体である非溶融加工性のポリテトラフルオロエチレンからなるＯリングである
ことを特徴とする高圧水素ガス用管継手部材。 A pipe joint member for high-pressure hydrogen gas for filling hydrogen gas under a condition in which repeated thermal stress due to a temperature difference of −40 to 90 ° C. is applied,
A nozzle,
A receptacle for receiving high-pressure hydrogen gas from the nozzle;
A flow path through which hydrogen gas having a pressure of 70 MPa or more passes,
A seal for preventing leakage of hydrogen gas from the flow path, installed in one or both of the nozzle and the receptacle,
A pipe joint member for high-pressure hydrogen gas , wherein the seal is an O-ring made of non-melt processable polytetrafluoroethylene which is a homopolymer of tetrafluoroethylene.
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