(57)【要約】【課題】シール部材の性能の低下を抑制し、密封性を確保できる高圧タンクのシール構造を課題とする。【解決手段】高圧ガスを貯留するための高圧タンクに、その密封性を保つためのシール部材が設けられた、高圧タンクのシール構造であって、シール部材の温度を調整する温度調整手段がシール部材に隣接して位置するものである。温度調整手段は、シール部材を加熱するバックアップリングで構成できる。シール部材は、高圧タンクの口金の開口部とこの開口部に取り付けられたバルブアッセンブリとの間をシールすることができる。【選択図】図２
2008008378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスを貯留するための高圧タンクに、その密封性を保つためのシール部材が設けられた、高圧タンクのシール構造であって、
前記シール部材に隣接して位置し、前記シール部材の温度を調整する温度調整手段を備えた、高圧タンクのシール構造。
【請求項２】
前記温度調整手段は、前記シール部材を加熱する加熱手段である、請求項１に記載の高圧タンクのシール構造。
【請求項３】
前記加熱手段は、前記シール部材の温度が当該シール部材の使用下限温度を下回らないように、前記シール部材を加熱する、請求項２に記載の高圧タンクのシール構造。
【請求項４】
前記シール部材よりも前記加熱手段のほうが、低圧側に位置している、請求項２又は３に記載の高圧タンクのシール構造。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記高圧タンクからの高圧ガスの放出方向において、前記シール部材の下流側に位置している、請求項２又は３に記載の高圧タンクのシール構造。
【請求項６】
前記加熱手段は、バックアップリングで構成されている、請求項２ないし５のいずれか一項に記載の高圧タンクのシール構造。
【請求項７】
前記バックアップリングは、前記シール部材を加熱するための電力を供給される発熱電線を内部に有する、請求項６に記載の高圧タンクのシール構造。
【請求項８】
前記バックアップリングは、導電性材料で形成され、且つ前記シール部材を加熱するための電力を供給されるように構成されている、請求項６に記載の高圧タンクのシール構造。
【請求項９】
前記バックアップリングは、絶縁材料で表面処理されている、請求項８に記載の高圧タンクのシール構造。
【請求項１０】
前記シール部材は、前記高圧タンクの開口部と当該開口部に取り付けられた取付け部材との間をシールする、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の高圧タンクのシール構造。
【請求項１１】
前記開口部は、前記高圧タンクの口金により構成され、
前記取付け部材は、１以上のバルブを有するバルブアッセンブリからなる、請求項１０に記載の高圧タンクのシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料電池システムに好適な高圧タンクに関し、特に、高圧タンクの密封性を保つためのシール部材が設けられた、高圧タンクのシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧縮天然ガスや水素ガスを高圧で貯留する容器として、高圧タンクの開発が進んでいる。例えば特許文献１に記載の高圧タンクでは、タンク本体に栓体がねじ込み接続されている。栓体には、充填弁として機能する一方向弁などが組み込まれている。栓体とタンク本体との間にはシール部材が介設されており、このシール部材により高圧タンクの密閉性が確保されている。また、この高圧タンクには、一方向弁の近傍にヒータが設けられている。
【特許文献１】特開平９−２１０２９６号公報（第７図及び[００３５]）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、ガスを絞り膨張させると、その絞り作用によりガスの温度が低下する。例えば、高圧タンクから放出される水素ガスは、その断熱膨張により低温（例えばマイナス６０℃）となるため、高圧タンクに配置された各種部材の温度低下を招く。その結果、例えばシール部材の弾性が低下してシール性が低下し、水素ガスが高圧タンクから漏洩し得る。一方で、水素ガスの充填時には高圧タンク内で水素ガスが昇温（例えば１００℃）するため、シール部材が高温化する。このように、広い温度範囲に対応できるシール部材の素材は存在したとしても高価なものとなり、コスト増大を招いてしまう。
【０００４】
もっとも、上記した特許文献１に記載の高圧タンクには、ヒータが設けられているものの、ヒータがシール部材と離間しているため、圧縮天然ガスの急速充填に伴って温度低下したシール部材を十分に且つ効率的に加熱できず、シール性が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、シール部材がさらされる環境温度が変化してもシール部材の性能が低下することを抑制でき、密封性を確保できる高圧タンクのシール構造を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するべく、本発明の高圧タンクのシール構造は、高圧ガスを貯留するための高圧タンクに、その密封性を保つためのシール部材が設けられた、高圧タンクのシール構造であって、シール部材に隣接して位置し、シール部材の温度を調整する温度調整手段を備えたものである。
【０００７】
かかる構成によれば、温度調整手段がシール部材に隣接しているので、熱伝導によりシール部材の温度が調整される。これにより、高圧ガスの充填時又は放出時に伴って温度変化が生じても、シール部材の性能を低下させないような温度範囲にシール部材の温度を十分に且つ効率的に調整できる。したがって、密封性を確保できる。
【０００８】
好ましくは、温度調整手段は、シール部材を加熱する加熱手段である。
【０００９】
かかる構成によれば、例えば水素ガスなどの高圧ガスの放出に伴って温度が低下しても、シール部材を加熱できるので、シール部材の硬化を抑制できる。
【００１０】
より好ましくは、加熱手段は、シール部材の温度が使用下限温度を下回らないよう、シール部材を加熱する。
【００１１】
かかる構成によれば、シール部材の温度を使用温度範囲にできるので、シール部材の硬化をより良好に抑制できる。
【００１２】
好ましくは、シール部材よりも加熱手段のほうが、低圧側に位置している。
【００１３】
かかる構成によれば、加熱手段をシールしなくて済み、全体の構成を簡素にできる。
【００１４】
本発明の別の好ましい一態様では、加熱手段は、高圧タンクからの高圧ガスの放出方向において、シール部材の下流側に位置するとよい。
【００１５】
好ましくは、加熱手段はバックアップリングで構成されている。
【００１６】
かかる構成によれば、シール部材を加熱しながら、高圧時のシール性を高めることができる。
【００１７】
より好ましくは、バックアップリングは、シール部材を加熱するための電力が供給される発熱電線を内部に有する。
【００１８】
かかる構成によれば、発熱電線に通電することで、シール部材を加熱できる。
【００１９】
本発明の他の好ましい一態様によれば、バックアップリングは、導電性材料で形成され、且つシール部材を加熱するための電力が供給されるように構成されている。
【００２０】
かかる構成によれば、例えばバックアップリング内に発熱電線を埋め込まなくとも、バックアップリングに通電することで、シール部材を加熱できる。
【００２１】
この場合、バックアップリングは、絶縁材料で表面処理されていることが好ましい。
【００２２】
かかる構成によれば、バックアップリングが接する他の部材の材質として、金属を用いることができる。
【００２３】
好ましくは、シール部材は、高圧タンクの開口部と開口部に取り付けられた取付け部材との間をシールする。
【００２４】
より好ましくは、開口部は、高圧タンクの口金により構成され、取付け部材は、１以上のバルブを有するバルブアッセンブリからなる。
【００２５】
かかる構成によれば、口金とバルブアッセンブリとの間のシール性を確保できる。なお、シール部材は軸シールとして機能することがより好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の高圧タンクのシール構造によれば、シール部材の性能の低下を抑制し、密封性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る高圧タンクのシール構造について説明する。
【００２８】
図１は、本実施形態に係る高圧タンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。
燃料電池自動車１００は、例えば３つの高圧タンク１を車体のリア部に搭載している。各高圧タンク１は、燃料電池システムの一部を構成しており、ガス供給ライン１０２を通じて燃料電池１０４に燃料ガスを供給可能に構成されている。高圧タンク１に貯留される燃料ガスは、可能性の高圧ガスであり、例えば圧縮天然ガス又は水素ガスである。なお、高圧タンク１は、燃料電池自動車のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型にも適用できる。
【００２９】
図２は、高圧タンク１の要部を示す断面図である。
高圧タンク１は、タンク本体２及び口金３を有しており、口金３にバルブアッセンブリ４を取り付けている。タンク本体２は、全体として密閉円筒状からなり、その内部は、燃料ガスを常圧よりも高い圧力（すなわち高圧）で貯留する貯留空間６を構成している。例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａの水素ガス、または２０ＭＰａの圧縮天然ガスが貯留空間６内に貯留される。以下では、高圧タンク１が貯留する高圧ガスとして水素ガスを例に説明する。
【００３０】
タンク本体２は、例えば、ガスバリア性を有する内側の樹脂ライナー２０（内殻）と、樹脂ライナー２０の外側を覆うＦＲＰからなるシェル２２（外殻）と、の二層構造を有している。なお、樹脂ライナー２０をアルミニウム等の金属製としてもよい。
【００３１】
口金３は、例えばステンレスなどの金属で形成され、タンク本体２の半球面状をした端壁部の中心に設けられている。口金３は、タンク本体２の長手方向の一端部又は両端部に設けられ、例えばインサート成形によりタンク本体２と一体成形される。
【００３２】
バルブアッセンブリ４（取付け部材）は、口金３の軸心にある開口部３０に取り付けられている。バルブアッセンブリ４は、１以上のバルブを有するものであり、バルブや継手等の配管要素を一体的に組み込んだものである。なお、バルブアッセンブリ４は、圧力センサや温度センサを有してもよい。
【００３３】
バルブアッセンブリ４は、例えばステンレスやアルミなどの金属で形成されたバルブボデー４０を有している。バルブボデー４０は、タンク本体２外に位置する露出部４１と、タンク本体２内に位置する円筒部４２と、によりタンク本体２の内外に亘るように構成されている。
【００３４】
露出部４０の環状の下端面４４は、タンク本体２外に延出された口金３のフランジ部３２の上端面３４に着座している。円筒部４２は、その外周面４６の一部におねじ４８が形成されており、これに対応して口金３には、開口部３０の内周面３６にめねじ３８が形成されている。円筒部４２は、このねじ部分を介して開口部３０にスレートねじ接続されている。
【００３５】
円筒部４０および露出部４２には、ガス放出通路５０のほか、例えば図示省略したガス充填通路及びガスリリーフ通路が形成されている。ガス放出通路５０には、元弁として機能する電磁式の遮断弁５２のほか、調圧弁や手動弁が設けられる。ガス充填通路には、例えば遮断弁又は逆止弁が設けられる。
【００３６】
ガス放出通路５０は、貯留空間６と外部のガス供給ライン１０２とを接続し、ガス充填通路は、貯留空間６と外部のガス充填ラインとを接続する。貯留空間６内の水素ガスは、ガス放出通路５０及びガス供給ライン１０２を順番に流れて燃料電池１０４に供給される。一方、例えば水素ステーションのガス充填ラインとガス充填通路とが接続されることで、水素ガスが貯留空間６内に充填される。
【００３７】
ここで、水素ガスの充填時には、貯留空間６内の水素ガスは断熱圧縮によって温度が上昇する。その温度は、例えば１００℃程度に達する場合もある。一方で、水素ガスの放出時には、貯留空間６内の水素ガスは、ガス供給ライン１０２への放出に伴う断熱膨張によって温度が低下する。この温度低下は、燃料電池自動車１００が高負荷走行し続けるほど著しく、場合によっては、貯留空間６内の温度は、常温よりも低い例えばマイナス６０℃程度に達する。特に、３５ＭＰａよりも７０ＭＰａの水素ガスの方が、より低い温度まで低下する。このような高圧タンク１内の温度変化は、シール部材６０及びその周辺にも影響を及ぼす。
【００３８】
シール部材６０は、高圧タンク１の密封性を保つためのものであり、口金３の内周面３６とバルブアッセンブリ４の円筒部４２の外周面４６との間を気密に軸シールする。シール部材６０は、例えばＯリングで形成されており、その中心がバルブアッセンブリ４及び高圧タンク１の軸線上に位置している。シール部材６０は、円筒部４２の外周面に形成された取付け溝６２に装着されている。取付け溝６２は、おねじ４８よりもタンク本体２内側の位置に形成されている。なお、取付け溝６２を口金３に形成してもよいし、シール部材６０をリップパッキンやガスケットで形成してもよい。
【００３９】
ここで、高圧タンク１内からの水素ガスのリークには、シール部材６０とバルブアッセンブリ４又は口金３との密着部分からの透過と、シール部材６０自体の厚み方向の透過と、の二種類が考えられる。この二種類のリークの仕方は、シール部材６０がおかれる環境温度、すなわち高圧タンク１内の環境温度によっても変動するものである。特に、高圧タンク１内の温度がシール部材６０の使用下限温度を下回ると、シール部材６０は弾性を失い、上記密着部分から多くの水素ガスがリークしてしまう。それゆえ、シール部材６０の材料を選定するにあたっては、高圧タンク１内の環境温度を考慮する必要がある。
【００４０】
シール部材６０の材料としては、例えば、ＩＩＲ（ブチルゴム）、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）又はシリコーンなどが挙げられる。この三つの材料の中では、シリコーンが低温で最も弾性を失わなくて済み、比較的低温環境下でも、バルブアッセンブリ４等との密着性を確保し得る。しかし、シリコーンは、ガス透過性が比較的高い。一方で、ＥＰＤＭは、ガス透過性が低いものの、使用下限温度が高いため、低温環境下ではバルブアッセンブリ４等との密着性を損ない易い。
【００４１】
本実施形態では、シール部材６０の材料としては上記のような公知のものを用いつつ、シール部材６０の温度を直接的に調整することで、高圧タンク１内からの水素ガスのリークを抑制するようにしている。具体的には、シール部材６０に隣接してバックアップリング７０を取付け溝６２に配置し、バックアップリング７０によりシール部材６０を加熱することで、シール部材６０の温度を調整するようにしている。
【００４２】
バックアップリング７０は、シール部材６０の低圧側に位置している。換言すれば、バックアップリング７０は、高圧タンク１からの水素ガスの放出方向においてシール部材６０の下流側に位置している。なお、バックアップリング７０をシール部材６０の高圧側に隣接させてもよいし、シール部材６０の低圧側及び高圧側の両方に隣接させてもよい。
【００４３】
図３及び図４は、それぞれ、バックアップリング７０の構成の一態様を示す斜視図である。
【００４４】
図３に示すように、バックアップリング７０は、一部が非連続の環状からなり、非導電性の樹脂で形成されている。非導電性の樹脂で形成することで、バックアップリング７０が接するバルブボデー４０及び口金３と絶縁できる。バックアップリング７０は、その内部の中心にニクロム線などからなる発熱電線７１を有している。発熱電線７１には、シール部材６０を加熱するための電力が供給されるリード線７２が接続されている。
【００４５】
図４に示すように、別の態様のバックアップリング７０は、一部が非連続の環状からなり、導電性の材料で形成されている。導電性の材料としては、例えば導電プラスチック又はカーボン樹脂が挙げられる。バックアップリング７０は、絶縁材料で表面処理されており、全ての表面が絶縁材料でコーティングされている。このコーティングにより、上記同様に、バックアップリング７０は、バルブボデー４０及び口金３と絶縁されている。バックアップリング７０の導電性の材料の部分にリード線７２が接続されており、リード線７２からの電力供給により、バックアップリング７０は発熱体として機能する。
【００４６】
図５は、高圧タンク１のシール構造の要部を示す拡大図である。
バックアップリング７０には、リード線７２とは異なる位置に熱電対７４が設けられている。熱電対７４は、バックアップリング７０の温度を検知するものであり、その測温部７６がバックアップリング７０の非導電性部分に接触している。熱電対７４及びリード線７２は、温調器７８に接続されている。温調器７８は、熱電対７４からの検出信号を入力し、その検出結果に基づいてリード線７２を介してバックアップリング７０への電力の供給量を調整している。この電力の供給量の調整により、バックアップリング７０の温度を調整できるようになっている。
【００４７】
図６は、シール部材６０の温度と水素ガス放出時間との関係を示すグラフである。
曲線Ｌ１は、本実施形態に係るものであり、バックアップリング７０によりシール部材６０を加熱する場合を示している。一方、曲線Ｌ２は、比較例に係るものであり、シール部材６０を加熱しない場合を示している。また、温度Ｔ１は、シール部材６０が弾性を失わない使用下限温度である。
【００４８】
曲線Ｌ１及び曲線Ｌ２に示すように、水素ガス放出時間が長くなるにつれて、シール部材６０の温度が低下する。比較例の曲線Ｌ２に示すように、シール部材６０を加熱しない場合では、所定の水素ガス放出時間が経過後に、シール部材６０の温度が温度Ｔ１を下回ってしまう。これに対し、本実施形態の曲線Ｌ１に示すように、シール部材６０をバックアップリング７０で加熱することで、シール部材６０の温度が温度Ｔ１を下回らないようにできる。
【００４９】
以上説明した本実施形態の高圧タンク１のシール構造の作用効果について説明する。
バックアップリング７０がシール部材６０に隣接して面接触している。このため、バックアップリング７０の熱をシール部材６０に直接的に伝導させることができる。これにより、バルブアッセンブリ４自体を加熱する場合などに比べて、シール部材６０を十分に且つ効率的に加熱できる。しかも、シール部材６０を加熱する加熱手段としてバックアップリング７０を用いているので、高圧タンク１のシール性を高めながら、シール部材６０の温度低下を抑制できる。
【００５０】
また、バックアップリング７０の温度を検知し、その結果をフィードバックしてシール部材６０を加熱できる。これにより、シール部材６０の温度が下限温度をＴ１下回らないようにでき、シール部材６０の温度を使用温度範囲に保つことができる。したがって、水素ガスの放出に伴って高圧タンク１内が低温になっても、既存のシール部材６０の密着性やガス透過性といった性能が低下することを抑制できる。ゆえに、例えば低温起動時、高負荷走行時（水素ガス大量放出時）又は連続運転時という条件下でも、シール部材６０による高圧タンク１の密封性を確保でき、シール部材６０のところから水素ガスが漏洩するのを抑制できる。
【００５１】
＜変形例１：温度調整手段＞
上記のように、高圧タンク１を例えば燃料電池車両１００に適用した例では、水素ガスの充填に比べ、水素ガスの放出の方が頻度は高い。つまり、高圧タンク１内は、高温となる場合に比べて低温となる場合の頻度が高い。したがって、頻度を考慮した観点からすれば、シール部材６０の温度を調整する温度調整手段としては、上記のように、バックアップリング７０を有効活用した加熱手段であればよい。加熱手段としては、シール部材６０に隣接して配置できるものであればよく、もちろんバックアップリングに限られない。
【００５２】
一方で、高圧タンク１内の低温に耐え得るのに十分なシール部材６０を用いた場合には、高圧タンク１内の高温に対応させるべく、シール部材６０の温度を調整する手段として冷却手段を用いてもよい。この場合には、シール部材６０の温度が上限温度を超えないように、シール部材６０を冷却すればよい。
【００５３】
別の変形例では、シール部材６０を加熱及び冷却できる温度調整手段を用いても良い。例えば、ペルチェ素子をシール部材６０に隣接して取付け溝６２に設けてもよい。具体的には、シール部材６０の低圧側の表面に、面接触するようにペルチェ素子を取り付ければよい。ペルチェ素子は、電流を流す方向を変えられることによって、ヒーターとしての機能と、クーラーとしての機能とを変換することができるものである。ペルチェ素子を上記のリード線７２に接続することで、ペルチェ素子に電流を供給できる。このようなペルチェ素子を用いることで、水素ガス放出の低温時にはシール部材６０を加熱できると共に、水素ガス充填の高温時にはシール部材６０を冷却でき、シール部材６０の温度を使用温度範囲に調整できる。
【００５４】
＜変形例２：シール部材＞
上記実施形態ではシール部材６０を軸シールとして機能させたが、シール部材６０を端面シールとして機能させてもよい。この場合には、口金３の上端面３４とバルブアッセンブリ４の下端面４４との間にシール部材６０を配置すればよい。
【００５５】
＜変形例３：シール箇所＞
上記の実施形態では、高圧タンク１のシール構造について、口金３とバルブボデー４との間にシール部材６０を配置した例について説明したが、もちろんこのシール構造は、高圧タンク１の他の部分にも適用することができる。
【００５６】
例えば図２に示すように、ライナー２０の開口部８０とこれに取り付けられた口金３（取付け部材）との間に適用した場合には、開口部８０の内周面と口金４の外周面との間に、軸シールするシール部材９０が設けられる。シール部材９０が装着される取付け溝９２には、上記同様に加熱手段を構成するバックアップリング９４、冷却手段又はペルチェ素子が、シール部材９０に隣接して位置するように配置される。なお、バックアップリング９４を通電させるためのリード線や熱電対については図示省略した。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施形態に係る高圧タンクを搭載した燃料電池自動車を示す図である。
【図２】本実施形態に係る高圧タンクの要部を示す断面図である。
【図３】本実施形態に係るバックアップリングの構成の一態様を示す斜視図である。
【図４】本実施形態に係るバックアップリングの構成の一態様を示す斜視図である。
【図５】本実施形態に係る高圧タンクのシール構造の要部を示す拡大断面図である。
【図６】本実施形態及び比較例に係るシール部材の温度と水素ガス放出時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５８】
１  高圧タンク、２  タンク本体、３  口金、４  バルブアッセンブリ、３０  開口部、６０  シール部材、７０  バックアップリング
【図１】
2008008378.tif 000003
【図２】
2008008378.tif 000004
【図３】
2008008378.tif 000005
【図４】
2008008378.tif 000006
【図５】
2008008378.tif 000007
【図６】
2008008378.tif 000008