(57)【要約】【課題】  水素含有ガスの圧力変動に関わらず、シール対象部材を損傷から保護しつつ、過度な変形を抑制してシール機能を維持することができるガスシール構造を提供する。【解決手段】  水素含有ガスを流通する部位の周囲に設けられるシール部材を備え、前記シール部材は、前記ガスの流通側に対して開口するようなメタル製のＣ字状部を有するシール本体と、該シール本体の外周側を覆う樹脂製のカバー部材とを備え、前記Ｃ字状部は弾性力を有し、少なくとも互いに対向する２点でシール対象部材に接触して、該シール対象部材に対して付勢する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスを流通する部位の周囲に設けられるシール部材を備え、
前記シール部材は、前記ガスの流通側に対して開口するようなメタル製のＣ字状部を有する自緊式のシール本体と、
該シール本体の外周側を覆う樹脂製のカバー部材とを備え、
前記Ｃ字状部は弾性力を有し、少なくとも互いに対向する２点でシール対象部材に接触して、該シール対象部材に対して付勢することを特徴とするガスシール構造。
【請求項２】
前記カバー部材は、ウレタン樹脂製であることを特徴とする請求項１に記載のガスシール構造。
【請求項３】
前記カバー部材には、半径方向に切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスシール構造。
【請求項４】
前記シール本体の少なくとも外表面には、潤滑処理が施されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスシール構造。
【請求項５】
前記シール部材は、燃料電池に接続される水素タンクの入口部に配設されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧の天然ガス、水素、ヘリウム等を取り扱う容器や配管の継手部に適用されるガスシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、気密性の要求されるシール構造として、断面Ｃ字状に形成したメタル製の外周部（エンベロープ）の内周側に、ピアノ線やインコネル等からなるコイルスプリングを内装したものが提案されている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】西田隆仁著、バルカー、第２９巻第７号、Ｎｏ．３６４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年、燃料電池を動力源として搭載する燃料電池車両が実用化に向けて開発が行われている。燃料電池車両においては、燃料ガスとして水素含有ガス（純水素も含む）を貯蔵するタンクを搭載する必要があり、水素タンクと燃料電池との連結部には高度の気密性が要求される。
【０００４】
しかしながら、シール部材の材質として弾性力のあるゴムや樹脂を用いると、耐水素透過性の点で問題がある。また、耐水素透過性の点からはシール部材の材質としてメタルを用いることが好ましいが、上述のように高い気密性が要求されるため締め付け力を大きくせざるを得ない。一方、前記タンクの材質としては軽量化の観点からアルミ等の比較的柔らかい材質のものが用いられる傾向にあり、上述のように締め付け力を大きくすると、タンクの損傷を招き、寿命を低下させてしまうという問題がある。
そして、かかる問題を解決するにあたっては、シール部材に作用する圧力に対する耐久性についても考慮する必要がある。すなわち、シールすべき部位内において、水素含有ガスの流れ等により圧力変動が生じたときに、これに追従してシール部材が過度に変形してしまうと、シール部材の耐久性が低下してしまい、使用期間が短くなってしまう。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、水素含有ガスの圧力変動に関わらず、シール対象部材を損傷から保護しつつ、過度な変形を抑制してシール機能を維持することができるガスシール構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、水素含有ガスを流通する部位の周囲に設けられるシール部材を備え、前記シール部材は、前記ガスの流通側に対して開口するようなメタル製のＣ字状部を有する自緊式のシール本体と、該シール本体の外周側を覆う樹脂製のカバー部材とを備え、前記Ｃ字状部は弾性力を有し、少なくとも互いに対向する２点でシール対象部材に接触して、該シール対象部材に対して付勢することを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、前記シール本体のＣ字状部はメタル製であるので、高い耐水素透過性を有している。そして、前記Ｃ字状部が少なくとも互いに対向する２点でシール対象部材に接触しているので、前記水素含有ガスの外部への流通が遮断される。さらに、前記流通するガスの圧力が上昇したときには、前記Ｃ字状部の開口位置から前記ガスが流入して、前記Ｃ字状部を前記シール対象部材に接触させるように変形させる。これにより、前記ガスの圧力が上昇しても、前記シール本体のシール機能を維持することができる。
【０００８】
また、上述のように前記ガスの圧力が上昇した場合には、前記Ｃ字状部の変形によりシール機能を維持させるため、前記シール本体の装着時における締め付け力を低減することができる。そして、前記シール対象部材に損傷を与えることを防止することができ、前記シール対象部材の寿命低下を防ぐことができる。
【０００９】
加えて、前記２点でシール対象部材に接触することにより、これらの接触点を基点にして前記Ｃ字状部を膨張または収縮することができるため、前記流通する水素含有ガスの圧力変動に対して付勢力の作用する方向が変動せず、シール本体の位置ずれを防止することができる。
【００１０】
さらに、前記カバー部材を前記シール本体の外周側に備えることで、シール本体外周側の剛性を高めることができるので、前記ガスが圧力上昇した時に、前記シール本体の内周側がガスにより変形してシール性を維持しつつ、前記カバー部材により前記シール本体の外周側を支持させてＣ字状部の過度な変形を抑制することで、前記シール本体の耐久性を高めることができる。従って、シール本体の寿命を延ばすことができ、信頼性をさらに向上することができる。また、カバー部材は樹脂製であるので、前記Ｃ字状部に不要な応力を作用させず、かつ、過度な変形を抑制できるような、適度な剛性と弾性を有するものを選定することができる。さらに、前記シール本体に対して容易に装着することが可能であり、組立性に優れている。そして、前記シール本体と前記カバー部材とを個別に製作することができ、作成工程を簡易化して低コスト化することができる。  
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記カバー部材は、ウレタン樹脂製であることを特徴とする。
この発明によれば、前記カバー部材の剛性や弾性を、前記シール本体に対して、さらに適したものとすることができ、前記シール本体の耐久性向上や高寿命化にさらに寄与することができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記カバー部材には、半径方向に切り欠きが形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記カバー部材の半径方向に圧力が作用したときに、前記切り欠きにより圧力を逃すことができるので、前記カバー部材の半径／周方向への変形を抑制することができる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のものであって、前記シール本体の少なくとも外表面には、潤滑処理が施されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記シール本体の潤滑性を高めることができるので、これに接触する前記シール対象部材に対して摺動させるような力が作用した時であっても、円滑に変位させることができる。従って、前記シール本体と前記シール部材対象部材が互いに損傷を受けることを防止することができ、両者の寿命を高めることができる。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のものであって、前記シール部材は、燃料電池に接続される水素タンクの入口部に配設されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記水素タンクに貯蔵された前記水素含有ガスを、高い気密性を確保した状態で、前記燃料電池に供給することができるので、燃料電池システムとしての信頼性を向上することができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明によれば、前記ガスの圧力が変動しても、前記シール本体のシール機能を維持して高度な気密性を確保することができる。また、前記シール対象部材に損傷を与えることを防止することができ、前記シール対象部材の寿命低下を防ぐことができる。加えて、シール本体の位置ずれを防止することができ、シール性能をさらに向上することができる。さらに、前記カバー部材を前記シール本体の外周側に備えることで、シール本体の寿命を延ばすことができ、信頼性をさらに向上することができる。また、作成工程を簡易化して低コスト化することができる。  
【００１６】
請求項２に係る発明によれば、前記シール本体の耐久性向上や高寿命化にさらに寄与することができる。
請求項３に係る発明によれば、前記カバー部材の半径／周方向への変形を抑制することができる。
請求項４に係る発明によれば、前記シール本体と前記シール部材対象部材が互いに損傷を受けることを防止することができ、両者の寿命を高めることができる。
請求項５に係る発明によれば、燃料電池システムとしての信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態におけるガスシール構造について図面を用いて説明する。以下においては、燃料電池を動力源として搭載する燃料電池車両を燃料電池システムとして適用した場合について説明する。
図１は本発明の実施の形態におけるガスシール構造が適用される燃料電池システムの要部構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、水素と酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池２と、水素を貯蔵する水素タンク３とを有している。水素タンク３と燃料電池２とは水素供給路５を介して接続されている。
【００１８】
水素タンク３としては、有底円筒状に形成されたアルミ製のライナ本体に、カーボンファイバを巻装した構成のものが軽量化等の観点から好適に用いられる。水素タンク３の入口４は、本体部分に比して縮径されている。この水素タンク３の入口４に、水素供給路５に接続された装着部６が装着される。
【００１９】
図２は図１に示す燃料電池システムの水素タンクのシール構造を示す説明図である。同図に示すように、水素タンク３のタンク内周部７には、入口４付近の部位で若干拡径形成された嵌合用凹部８が形成される。この嵌合用凹部８に、前記装着部６の突出した先端部６ａを挿入して嵌合させることにより、水素タンク３に装着部６が装着される。これにより、水素タンク３が水素供給路５を介して燃料電池２に接続される。
【００２０】
また、水素タンク３の先端面には、前記嵌合用凹部８を拡径する収容溝９と、その外周側に位置する収容溝１０とがそれぞれ形成されている。そして、収容溝９、１０には、主シール部材１１と補助シール部材１２とがそれぞれ配設される。
【００２１】
図３は第１の実施の形態におけるシール部材の通常圧時（同図（ａ））および加圧時（同図（ｂ））の状態を示す状態説明図である。
同図に示すように、前記主シール部材１１は、前記ガスの流通側（この場合は内周側）に対して開口するように開口部１３を有して断面略Ｃ字状（この場合はＯリングに開口部１３が形成されている）に形成されたメタル製のシール本体１５と、このシール本体１５の外周面に密着するように装着された樹脂製のカバー部材１４と、から構成されている。また、シール本体１５は弾性力を有し、互いに対向する２点（この場合はシール本体１５の上端部と下端部）でシール対象部材である装着部６と水素タンク３に接触して、両者３、６に対して付勢するように構成されている。
一方、補助シール部材１２は樹脂製であり、断面略円状に形成されている。本実施の形態では、補助シール部材１２もシール対象部材である装着部６と水素タンク３に接触するように構成されている。なお、補助シール部材１２の材質は樹脂に限らず、例えばゴムやメタルであってもよい。また、補助シール部材１２の形状は、例えばＯリング状やＣリング状であってもよい。
【００２２】
図３は第１の実施の形態におけるシール部材の通常圧時（同図（ａ））および加圧時（同図（ｂ））の状態を示す状態説明図である。図３（ａ）に示すように、主シール部材１１は、装着部６を水素タンク３に装着した状態で、互いに対向する２点でシール対象部材３、６に接触する程度の締め付け力で締め付け処理をされており、収容溝９に収容されている。補助シール部材１２も同様に収容溝１０に収容されている。
【００２３】
前記シール本体１５はメタル製であるので、高い耐水素透過性を有している。そして、図３（ａ）に示すように、前記シール本体１５が少なくとも互いに対向する２点でシール対象部材３、６に接触しているので、前記水素含有ガスの外部への流通が遮断される。
【００２４】
また、前記流通するガス（水素ガス）の圧力が上昇したときには、前記シール本体１５の開口部１３から前記ガスが流入して、図３（ｂ）に示すように、前記シール対象部材３、６に接触させるように前記シール本体１５の外周側を変形させる。これにより、前記ガスの圧力が上昇しても、前記シール本体１５のシール機能を維持することができる。
【００２５】
また、上述のように、前記シール本体１５の装着時における締め付け力を低減することができるため、前記シール対象部材３、６に損傷を与えることを防止することができ、寿命低下を防ぐことができる。
【００２６】
加えて、シール本体１５が前記２点でシール対象部材３、６に接触することにより、これらの接触点を基点にして前記シール本体１５を膨張または収縮することができる。このため、前記流通する水素含有ガスの圧力変動に対して付勢力の作用する方向（この場合は水素タンク３の軸線方向と略同一方向）が変動せず、シール本体１５の位置ずれを防止することができる。さらに、補助シール部材１２を設けたことにより、シール性能をさらに向上することができる。
【００２７】
さらに、前記カバー部材１４を前記シール本体１５の外周側に備えることで、シール本体１５外周側の剛性を高めることができる。ゆえに、水素タンク３への水素含有ガスの充填時等、前記水素含有ガスが圧力上昇した時には、前記シール本体１５の内周側が水素含有ガスにより変形してシール性を維持しつつ、前記カバー部材１４により前記シール本体１５の外周側を支持させることで、シール本体１５におけるＣ字状部の過度な変形を抑制することができる。これにより、前記シール本体１５の耐久性を高めることができる。従って、シール本体１５の寿命を延ばすことができ、信頼性をさらに向上することができる。
【００２８】
また、カバー部材１４は樹脂製であるので、前記Ｃ字状部に不要な応力を作用させず、かつ、過度な変形を抑制できるような、適度な剛性と弾性を有するものを選定することができる（樹脂としては、特にウレタン樹脂が好ましい）。さらに、前記シール本体１５に対して容易に装着することが可能であり、組立性に優れている。そして、前記シール本体１５と前記カバー部材１４とを個別に製作することができるので、作成工程を簡易化して低コスト化することができる。すなわち、本実施の形態の主シール部材１１は、断面略Ｃ字状の前記シール本体１５と、内周側を凹ませた断面コ字状の前記カバー部材１４とを個別に製作することで、それぞれの型材の作成が容易であり、特殊な型材を用意する必要がないので、低コスト化することができる。そして、シール本体１５の外周側にカバー部材１４を装着することで、主シール部材１１を作成できるので、特殊な接合処理等を行う必要がなく、作成工程を簡易化することができる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施の形態について図４を用いて説明する。図４は第２の実施の形態におけるシール部材の通常圧時（同図（ａ））および加圧時（同図（ｂ））の状態を示す状態説明図である。同図に示すシール本体２５は、断面をシール本体１５よりもさらに開口させた略Ｃ字状に形成している点が上述の実施の形態と異なっている。このようにすると、加圧時に、前記シール対象部材３、６に接触する部位がより拡がるようにシール本体２５の変形を許容することができる。
【００３０】
ここで、シール本体２５の表面には、銀メッキ等の潤滑処理が施されていることが好ましい。このようにすると、シール本体２５の潤滑性を高めることができるので、これに接触する前記シール対象部材３、６に対して摺動させるような力（この場合はタンク３の軸線方向に直交するような力）が作用した時であっても、円滑に変位させることができる。従って、前記シール本体２５と前記シール部材対象部材３、６が互いに損傷を受けることを防止することができ、両者の寿命を高めることができる。
【００３１】
また、シール本体２５の外周側にカバー部材２４を備えることで、第１の実施の形態と同様に、シール本体２５の開口部２３、２３間の距離が過剰に増大するような過度な変形を抑制することができる。
【００３２】
次に、本発明の第３の実施の形態について図５、図６を用いて説明する。図５は第３の実施の形態におけるシール部材の通常圧時（同図（ａ））および加圧時（同図（ｂ））の状態を示す状態説明図である。図６は図５に示すカバー部材の斜視図である。これらの図に示す主シール部材３１は、前記カバー部材３２の半径方向に切り欠き３３が形成されており、この点が上述の実施の形態と異なっている。
【００３３】
このようにすると、前記カバー部材３２の半径方向（図５の矢印Ａ方向）に圧力が作用したときに、前記切り欠き３３により圧力を逃すことができるので、前記カバー部材３２の半径／周方向への変形を抑制することができる。
【００３４】
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものではない。例えば、水素含有ガスとして純水素を用いた場合について説明したが、水素改質ガスなどを用いてもよい。また、以上の実施の形態で説明したように、燃料電池に接続される水素タンクの入口部に主シール部材や補助シール部材を配設すると、前記水素タンクに貯蔵された前記水素含有ガスを、高い気密性を確保した状態で、前記燃料電池に供給することができるので、燃料電池システムとしての信性を向上することができる。しかしながら、本発明の適用対象はこれに限られるものではなく、例えば、継ぎ手部のシール構造であってもよい。また、主シール部材の形状としては、Ｃ字状の部位を有していれば良い。すなわち、第１の実施の形態のように断面Ｏ状であっても良い。また、各実施の形態を適宜組み合わせてもよい。例えば、第１の実施の形態に示したカバー部材に切り欠きを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１から第３の実施の形態におけるガスシール構造が適用される燃料電池システムの要部構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの水素タンクのシール構造を示す説明図である。
【図３】第１の実施の形態におけるシール部材の通常圧時（同図（ａ））および加圧時（同図（ｂ））の状態を示す状態説明図である。
【図４】第２の実施の形態におけるシール部材の通常圧時（同図（ａ））および加圧時（同図（ｂ））の状態を示す状態説明図である。
【図５】第３の実施の形態におけるシール部材の通常圧時（同図（ａ））および加圧時（同図（ｂ））の状態を示す状態説明図である。
【図６】図５に示すカバー部材の斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
２…燃料電池
３…水素タンク（シール対象部材）
４…タンク入口
５…水素供給路
６…装着部（シール対象部材）
１１、２１、３１…主シール部材（シール部材）
１４、２４、３２…カバー部材
１５、２５、３５…シール本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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