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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Hochdruck-Wasserstoffbehälter,
der als ein in einem Fahrzeug verwendeter Behälter zum
Zuführen eines Wasserstoffs zu Brennstoffzellen äußerst
geeignet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein
Abdichtungsmaterial, das in Umgebungen eines unter hohem Druck stehenden
Wasserstoffs, in denen variable Drücke vorherrschen, eine
gute Dauerhaftigkeit aufweist.
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In
den letzten Jahren sind Gastanks (Gaszylinder) in Autos, Häusern,
Transportmaschinen und dergleichen zum Einsatz gelangt, die einen
als Brennstoff bzw. Kraftstoff für die Erzeugung elektrischer
Leistungen verwendeten Wasserstoff oder ein entsprechendes Erdgas
speichern.
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So
ist beispielsweise den als Leistungsquelle in Automobilen verwendeten
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt
worden. Wenn solche Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer
Leistung verwendet werden, wird durch Zuführen eines gasartigen
Brennstoffs bzw. Brenngases (z. B. Wasserstoffgases) zu einer Gasdiffusionselektrodenschicht,
die auf einer Seite einer jeweiligen Brennstoffzelle angeordnet
ist, und durch Zuführen eines Oxidationsgases (z. B. einer
sauerstoffhaltigen Luft) zu einer Gasdiffusionselektrodenschicht,
die auf der anderen Seite angeordnet ist, eine elektrochemische
Reaktion herbeigeführt. Bei dieser Art von Erzeugung einer
elektrischen Leistung wird ausschließlich ein nicht mit
Schad- und Giftstoffen belastetes Wasser erzeugt. Daher gelangten
die vorstehenden Brennstoffzellen unter dem Aspekt ihrer Auswirkungen
auf die Umwelt sowie ihrer Nutzeffizienz in den Mittelpunkt des
Interesses.
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Um
einem mit den vorstehenden Brennstoffzellen ausgerüsteten
Automobil ein Brenngas, wie z. B. Wasserstoffgas, kontinuierlich
zuführen zu können, wird ein Brenngas in einem
im Fahrzeug befindlichen Tank gespeichert. Beispiele für
die in einem Fahrzeug befindlichen Wasserstoffgastanks, die untersucht
worden sind, beinhalten einen Gastank, in dem ein komprimierter
Wasserstoff gespeichert ist, und einen Wasserstoff speichernden
Gastank, der Wasserstoff in einem in Metallhydrid (MH) absorbierten
Zustand speichert.
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Von
diesen ist ein CRFP-(kohlefaserverstärkter Kunststoff)Tank
zur Verwendung in einem im Fahrzeug befindlichen Gastank untersucht
worden, der einen komprimierten Wasserstoff speichert. Ein CFRP-Tank ist
so strukturiert, dass eine Auskleidungsschicht (innere Ummantelung),
die für eine Aufrechterhaltung der luftdichten Eigenschaften
des Tanks sorgt, innerhalb einer Schicht (äußere
Ummantelung: faserverstärkte Schicht) ausgebildet ist,
die einen kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFRP-Material)
aufweist. Ein derartiger CFRP-Tank weist eine höhere Festigkeit
als ein aus einer gewöhnlichen Kunststoffsorte gefertigter
Tank sowie hervorragende Druckfestigkeitseigenschaften auf und findet
daher vorzugsweise als Brenngastank Verwendung.
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Nebenbei
bemerkt wird ein Hochdruck-Wasserstoffbehältersystem (Tank
für komprimiertes Wasserstoffgas: CHG-Tank) in einem Brennstoffzellenfahrzeug
mit einem unter hohem Druck stehenden Wasserstoffgas (zwischen 35
MPa und 75 MPa) befüllt. Dabei ist in Bezug auf den Grad
der Entwurfsfreiheit des Abdichtungsmaterials eine Abdichtung unter
Verwendung eines Elastomermaterials wünschenswerter als
eine Abdichtung unter Verwendung eines Metallmaterials. Darüber
hinaus wird die Entwicklung eines Materials erwartet, das sich gegenüber
einem mit erhöhter Häufigkeit ablaufenden Befüllen
und Ablassen eines unter hohem Druck stehenden Wasserstoffgases
dauerhaft verhält. Das in ein mit hohen Drücken
in einem Elastomer aufgenommene Wasserstoffgas neigt dazu, bei verringertem
Druck nach außerhalb des Elastomers zu diffundieren, so
dass es für ein derartiges Material notwendig ist, sich
in Umgebungen mit variablen Druckbedingungen dauerhaft zu verhalten.
Zudem ist es erforderlich, dass sich ein derartiges Material in
einer Umgebung mit variablen Temperaturbedingungen (näherungsweise
zwischen einer niedrigen Temperatur von minus 70°C und einer
hohen Temperatur von plus 80°C) dauerhaft verhält.
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Es
existiert eine Vielfalt an bekannten Abdichtungsmaterialien, die
allgemein Verwendung finden. In der nachstehenden Patentschrift
1 ist beispielsweise eine Kautschukzusammensetzung offenbart, die
einen spezifischen hydrierten Nitrilkautschuk aufweist, dem (a)
ein spezifisches Rußschwarz (b) hinzugefügt worden ist,
wobei dieses Rußschwarz eine spezifische Oberfläche,
einen Absorptionsbetrag von komprimiertem Dibutylphthalatöl
(DBP-Ölabsorptionsbetrag), eine Färbekraft, ein
Verhältnis der spezifischen Oberfläche zur Stickstoffadsorption
zu einem Jodadsorptionsbetrag und eine unter einem Elektronenmikroskop
erkennbare durchschnittliche Partikelgröße aufweist.
Dies ist darin begründet, dass bei Verwendung herkömmlicher
Materialien zur Formgebung von Abdichtungselementen für
Kompressoren von Autoklimaanlagen, wobei diese Materialen durch
Hinzufügen eines Siliziumdioxids zu einem hydrierten Nitrilkautschuk
erhalten werden, die Abdichtungselemente, die durch ein Vulkanisationsformverfahren
aus solchen Materialien erhalten werden, in Bezug auf ihre Beständigkeit
gegenüber Fluorkohlenwasserstoffen (Beständigkeit
gegenüber Bläschenbildung) und ihre Verschleißfestigkeit
(die bei beweglichen Abdichtungselementen notwendig ist) unter hohen
Temperaturbedingungen keine zufriedenstellenden Leistung erbringen.
In der Druckschrift wird zudem beschrieben, dass ein durch ein Vulkanisationsformverfahren
einer solchen Kautschukzusammensetzung erhaltenes Produkt, das für
Abdichtungselemente und dergleichen für Autoklimaanlagen-Kompressoren
verwendet wird, eine hervorragende Beständigkeit gegenüber
Bläschenbildung, Verschleißfestigkeit etc. aufweist.
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Darüber
hinaus wurde in der nachstehenden, nicht auf ein Patent bezogenen
Druckschrift 1 mit dem Titel „Durability of TFE/P and other
fluoroelastomers when used in stringent high Pressure environments
for sealing purposes" ein flüssiges Elastomer in Bezug
auf Absorption, Hochdruckpermeation sowie rasche Zersetzung (explosionsartige
Zersetzung) einer theoretischen Analyse unterzogen. Die daraus resultierenden
Ergebnisse konnten anhand von Experimenten noch weiter untermauert
werden. Die Schrift beschreibt zudem, dass die Abdichtungsmaterialien
dazu neigen, sich eher aufgrund von physikalischen Einflüssen
als chemischen Reaktionen zu verschlechtern. Darüber hinaus
wird in der Schrift ein Elastomer (explosionssicheres Elastomer)
als ein Fluorelastomer eingeführt, das in Bezug auf seine
Dauerhaftigkeit gegenüber einer raschen Zersetzung (explosionsartigen
Zersetzung) hervorragende Eigenschaften aufweist.
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Erheblich
schlechter schneidet ein explosionssicheres Elastomer jedoch in
Bezug auf sein „bleibendes Formänderungsverhalten",
das für das Dichtungsdauerverhalten von Bedeutung ist,
und die „Niedertemperatureigenschaften (elastischen Erholungseigenschaften)
ab, die in einer Umgebung von Bedeutung sind, in der ein Hochdruck-Wasserstofftank
für Brennstoffzellen verwendet wird. So hat sich das Material
im Hinblick darauf als problematisch erwiesen.
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Man
ist der Ansicht, dass es zu diesen Problemen aufgrund der unten
aufgeführten Gründe gekommen ist.
- (1) Die Quervernetzungsdichte eines Fluorelastomers wird übermäßig
erhöht; das heißt, dass ein Elastomermaterial
in einer solchen Weise in ein Ebonit- bzw. Hartkautschukmaterial
umgewandelt wird, dass das Material dadurch derart modifiziert wird,
dass dadurch die explosionssicheren Eigenschaften des explosionssicheren
Elastomers verbessert werden. Dies führt zu einem Verlust
der im Wesentlichen zu einem Elastomermaterial gehörenden
elastischen Erholungseigenschaften.
- (2) Zur Verbesserung der explosionssicheren Eigenschaften wird
der Gasabsorptionsbetrag im Elastomer unterdrückt. Die
Zusammensetzung des Elastomers wird dabei insbesondere derart modifiziert,
dass der Polymeranteil verringert ist (wobei der Polymeranteil in
einer Mischzusammensetzung verringert wird). Man nimmt an, dass
es durch eine derartige Modifizierung zu einer Verschlechterung
der Elastomereigenschaften kommt, was eine Verschlechterung der
nicht-bleibenden Formänderungseigenschaften zur Folge hat.
- (3) Im Wesentlichen weist ein Fluorelastomer schlechtere Niedertemperatureigenschaften
auf. Darüber hinaus kommt es infolge der in Schrift (1)
und (2) oben beschriebenen Modifizierungen zu einer Verschlechterung
der Niedertemperatureigenschaften.
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- Patentschrift 1: japanische
Patentveröffentlichung (Kokai) 10-182882 A (1998)
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Nicht
auf ein Patent bezogene Schrift 1: Plast Rubber Compos Process Appl
JIN: D0988B-ISSN: 0959-8111, Band 22, Nr. 3
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Offenbarung der Erfindung
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Wie
vorstehend beschrieben, soll für einen Hochdruck-Wasserstoffbehälter
(CHG-Tank) eine Abdichtung unter Verwendung eines Elastomermaterials
unter Berücksichtigung des Entwurfsfreiheitsgrads des Abdichtungsmaterials
geschaffen werden. Ein explosionssicheres Fluorelastomer, bei dem
es sich um ein herkömmliches Elastomer-Abdichtungsmaterial
handelt, erweist sich jedoch in Bezug auf den stark erhöhten „bleibenden
Formänderungsbetrags (Druckverformungsrest)" eines solchen
Elastomers, der durch wiederholtes Befüllen und Ablassen
eines unter hohem Druck stehenden Wasserstoffs bewirkt wird, neben
einem veränderten Erscheinungsbild infolge Ausdehnung,
Verschäumung und dergleichen als problematisch.
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Das
heißt, dass die Hauptaufgaben bei der technischen Realisierung
einer Abdichtung mit einem Elastomermaterial für ein Hochdruck-Wasserstoffbehälter-(CHG-Tank-)System
für Brennstoffzellenfahrzeuge folgende sind: (1) einem
solchen Elastomermaterial eine gute Dauerhaftigkeit in Umgebungen
mit variablen Druckbedingungen eines unter hohem Druck stehenden
Wasserstoffs zu verleihen; und (2) einem solchen Elastomermaterial
gute, nicht bleibende Formänderungseigenschaften in Niedertemperatur-
und Hochtemperaturumgebungen zu verleihen. Somit ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Elastomermaterial zu schaffen, dass
in Bezug auf die beiden oben beschriebenen, technisch umzusetzenden
Aufgaben eine hervorragende Lösung bereithält.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass die
vorstehend angeführten Probleme durch Verwendung eines
ein hohes Wasserstoffgasdiffusionsvermögen aufweisenden
Elastomers als Abdichtungsmaterial für Hochdruck-Wasserstoffbehälter
gelöst werden kann. Dementsprechend sind sie zur vorliegenden
Erfindung gelangt.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere in einem ersten
Aspekt auf einen Hochdruck-Wasserstoffbehälter, der mit
einem unter hohem Druck stehenden Wasserstoff befüllt ist.
Ein derartiger Behälter ist dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Elastomer als ein Abdichtungsmaterial verwendet wird,
wie z. B. ein Elastomer mit einer Wasserstoffgas-Permeabilitätskoeffizienten
oder einem Heliumgas-Permeabilitätskoeffizienten von 5,0 × 10–10 bis 5,0 × 10–9 cm3 (STP)·cm/cm2·sec·cmHg. Darüber
hinaus sollte das Abdichtungsmaterial ursprünglich basierend
auf dem Wasserstoffgas-Permeabilitätskoeffizienten spezifiziert werden.
Aus Sicherheitsgründen wird es der vorliegenden Erfindung
entsprechend auch auf Basis des Heliumgas-Permeabilitätskoeffizienten
spezifiziert, da Heliumgas ein ähnliches Verhalten wie
Wasserstoffgas an den Tag legt. Unter Verwendung eines Abdichtungsmaterials,
das einen Heliumgas-Permeabilitätskoeffizienten (Wasserstoffgas-Permeabilitätskoeffizienten)
aufweist, der höher ist als der eines herkömmlichen
Abdichtungsmaterials, kann eine Zerstörung des Elastomers
aufgrund der Beanspruchung durch Ausdehnung/Verschäumung
des in einem Elastomer absorbierten Wasserstoffgases bei einer raschen
Druckabsenkung eines Hochdruckwasserstoffgases verhindert/reduziert
werden.
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Vorzugsweise
weist ein Abdichtungsmaterial für den Hochdruck-Wasserstoffbehälter
der vorliegenden Erfindung eine hohe Festigkeit auf. Die Härte
des vorstehend beschriebenen Elastomers reicht vorzugsweise von
75 IRHD bis 95 IRHD (IRHD = International Rubber Hardness Degree
= internationaler Gummihärtegrad). Die Härte wird
durch einen Mikrohärtetest gemäß JIS
K6253 unter Verwendung eines nach JIS B2401 G25 spezifizierten O-Rings
ermittelt. Als eine Möglichkeit zur Verbesserung der Festigkeit
bei einer Prüfspannung gegenüber einer Beanspruchung
durch Ausdehnung/Verschäumung, wird eine Abdichtung mit
einem Elastomer aus einer Zusammensetzung, die in einer hohen Festigkeit
(hohen Härte) resultiert, ohne Verschlechterung der bleibenden
Formänderungseigenschaften eines solchen Elastomers ausgefährt.
In Bezug auf die Härte handelt es sich bei dem Elastomer
der vorliegenden Erfindung um ein Elastomer mit einer Festigkeit
(hohen Härte), die größer ist als die
eines Abdichtungselastomers, das für Systeme mit allgemeinen
Bauteilen, die keine herkömmlichen Hochdruck-Wasserstoffbehälter
beinhalten, verwendet wird.
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Ferner
weist das Abdichtungsmaterial für den Hochdruck-Wasserstoffbehälter
der vorliegenden Erfindung vorzugsweise elastische Erholungseigenschaften
bei niedrigen Temperaturen auf. Zudem beträgt der TR10-Wert
des vorstehend erwähnten Elastomers, der mittels einer
Prüfung der elastischen Erholungseigenschaften bei niedrigen
Temperaturen gemäß Norm JIS K6261 gemessen wird, –30°C
oder weniger.
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Desgleichen
weist das Abdichtungsmaterial des Hochdruck-Wasserstoffbehälters
der vorliegenden Erfindung vorzugsweise elastische Erholungseigenschaften
bei niedrigen Temperaturen auf. Zudem beträgt der „Betrag
der bleibenden Formänderung (Druckverformungsrest)" des
vorstehend erwähnten Elastomers, der durch die nachstehende
Gleichung veranschaulicht wird, 20% oder weniger. Betrag
der bleibenden Verformung (%) (Druckverformungsrest) = (D1 – D2)
: (D1 × 0,2) × 100(wobei D1 den ursprünglichen
Drahtdurchmesser und D2 den Drahtdurchmesser darstellt, der nach
der Druckbelastung um 20%, einer Einwirkung durch ein Wasserstoffgas
bei einem Druck von 30-MPa und einer Temperatur von 85°C
für die Dauer von einer Stunde, einer raschen Druckabsenkung
auf einen atmosphärischen Druck innerhalb von 3 Minuten
und einer Freigabe aus der Druckbelastung erhalten wird).
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Die
Wahl des Elastomertyps unterliegt keinerlei Einschränkungen,
solange das Elastomer den Anforderungen an das Abdichtungsmaterial
für den Hochdruck-Wasserstoffbehälter der vorliegenden
Erfindung entspricht. Es ist zu beachten, dass zumindest ein Elastomer
beigemischt und verwendet wird. Spezifische Beispiele für
das vorstehend erwähnte Elastomer beinhalten zumindest
ein aus der Gruppe bestehend aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Monomerkautschuk
(EPDM), Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR), Silikonkautschuk, Naturkautschuk,
Isoprenkautschuk (IR) und Nitrilisoprenkautschuk (NIR) ausgewähltes
Elastomer. Davon ist das am meisten zu bevorzugendes Beispiel ein
einen hohen Härtegrad aufweisender Ethylen-Propylen-Dien-Monomerkautschuk
(EPDM).
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In
einem zweiten Aspekt ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem vorstehend erwähnten Hochdruck-Wasserstoffbehälter
um einen in einem Fahrzeug verwendeten Hochdruck-Wasserstoffbehälter
zum Zuführen eines Wasserstoffs zu den in einem Brennstoffzellenfahrzeug
verwendeten Brennstoffzellen handelt.
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Bei
dem Abdichtungsmaterial für den Hochdruck-Wasserstoffbehälter
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Material, das:
(1) ein Dauerhaftigkeitsverhalten unter variablen Druckumgebungsbedingungen
des Hochdruck-Wasserstoffbehälters bei einem Wert aufweist,
der dem eines explosionssicheren Elastomer, bei dem es sich um ein
bekanntes Abdichtungsmaterial handelt, entspricht oder darüber
liegt; und (2) nichtbleibende Formänderungseigenschaften
unter variablen Umgebungsbedingungen, die Umgebungen mit hohen und
niedrigen Temperaturen beinhalten, bei einem Wert aufweist, der
dem eines explosionssicheren Elastomers des Stands der Technik weit überlegen
ist. Der Hochdruck-Wasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung,
bei dem ein Abdichtungsmaterial zum Einsatz kommt, weist eine hervorragende
Dauerhaftigkeit und eine hohe Eignung speziell als ein Hochdruck-Wasserstoffbehälter
für Brennstoffzellenfahrzeuge auf.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Bewertungsprüfung für
die „bleibenden Formänderungseigenschaften" unter
Verwendung eines Prüfstücks (O-Rings).
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2 zeigt
ein Beispiel für Daten einer Zusammenziehungskoeffizienten-Temperatur-Kurve.
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Beste Art und Weise der Erfindung
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1. Materialspezifikationen und physikalische
Grundeigenschaften in einem Beispiel und Vergleichsbeispielen
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Für
das Beispiel wird ein einen hohen Härtegrad aufweisender
EPDM herangezogen, der sich für das Abdichtungsmaterial
der vorliegenden Erfindung eignet. Der Wasserstoffpermeabilitätskoeffizient
des einen hohen Härtegrad aufweisenden EPDM beträgt
in diesem Beispiel näherungsweise 1 × 10–9 cm3 (STP)·cm/cm2·sec·cmHg. Ein PTFE-Perfluor-Spezialelastomer
(das nachstehend als ein „explosionssicheres Elastomer
1" bezeichnet wird), das herkömmlicherweise als ein explosionssicheres
Elastomer verwendet wird, findet Verwendung im Vergleichsbeispiel
1. Desgleichen wird für das Vergleichsbeispiel 2 ein PTFE/Propylen-Spezialelastomer
verwendet (das nachstehend „explosionssicheres Elastomer
2" bezeichnet wird).
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Darüber
hinaus handelt es sich bei dem „explosionssicheren Elastomer
1" um Chemlock 526 (Produktbezeichnung), bei dem es sich um ein
Perfluorelastomer handelt, bei dem in einem Copolymer aus drei unterschiedlichen
Monomeren, die als einen Hauptbestandteil Ethylen-Tetrafluorid enthalten,
alle Wasserstoffatome durch Fluoratome ausgetauscht worden sind.
Ferner handelt es sich bei dem „explosionssicheren Elastomer 2"
um Chemlock 99 (Produktbezeichnung), bei dem es sich um ein Elastomer
handelt, das durch Modifizieren eines Copolymers aus Ethylen-Tetrafluorid
und Propylen erhalten wird und eine hervorragende chemische Beständigkeit
aufweist, so dass es in Fluiden mit extremen Eigenschaften verwendet
werden kann, bei denen die Verwendung von Fluorharz nicht möglich
ist.
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Das
Material aus dem Beispiel und die Materialien aus dem Vergleichsbeispiel
werden in Tabelle 1 unten in Bezug auf ihre Elastomerspezifikationen
und physikalischen Grundeigenschaften miteinander verglichen. In
diesem Fall wurden die Messergebnisse der Grundeigenschaften des
Elastomers unter Verwendung des nachstehend angeführten
Prüfstücks anhand des nachstehend aufgeführten
Messverfahrens erhalten.
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Prüfstück:
Als Prüfstück wurde ein gemäß japanischer
Industrienorm JIS B2401 G25 spezifizierter O-Ring verwendet.
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Physikalische
Eigenschaften: Die Härte wurde mit Hilfe eines Mikro-Gummihärtemessgeräts
gemessen.
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Zugfestigkeit
bei Bruch: Die Festigkeit wurde mittels einer Prüfung der
physikalischen Eigenschaften des Produkts nach der japanischer Industrienorm
JIS B2401 9.1.1. gemessen. Tabelle 1
| Klassifizierung/Materialspezifikation | Physikalische
Grundeigenschaften des Elastomers | Angenäherter Heliumgaspermeabilitäts-Koeffizient |
| Härte
(IRHD) | Zugfestigkeit
bei Bruch (MPa) |
| Beispielmaterial | EPDM
mit hohem Härtegrad | 90 | 17,7 | 5
bis 10 |
| Material
des Vergleichsbeispiels 1 | Explosionssicheres
Elastomer 1 (PTFE-Perfluor-Spezialelastomer) | 95 | 16,8 | 1 |
| Material
des Vergleichsbeispiels 2 | Explosionssicheres
Elastomer 2 (PTFE/Propylen-Spezialelastomer | 90 | 13,6 | 1
bis 3 |
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2. Dauerhaftigkeit bei unter
hohem Druck stehendem Wasserstoff
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Die
Bewertung in Bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber
einem unter hohem Druck stehenden Wasserstoff wurde mittels Kurzzeitprüfung
in Umgebungen mit unterschiedlichen Druckbedingungen ausgeführt.
Dem Verfahren entsprechend wurde ein Elastomer (das vorstehend erwähnte
O-Ring-Prüfstück) einer unter hohem Druck stehenden
Wasserstoffumgebung unter vorher festgelegten Bedingungen ausgesetzt
und dann immer wieder einer raschen Druckabsenkung auf atmosphärischen
Druck bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit ausgesetzt. Die hierin
angewandten Prüfverfahren umfassen folgende Bedingungen:
- (1) Zustand des Prüfstücks:
Das Prüfstück wurde mit Hilfe einer aus SUS bzw.
rostfreiem Stahl bestehenden Druckbelastungsplatte um 20% komprimiert
und dann der Prüfung unterzogen.
- (2) Bedingungen unter Einwirkung von Wasserstoffgas: Das Prüfstück
wird eine Stunde lang in einem einen Druck von 30 MPa aufweisenden
Wasserstoffgas bei einer Temperatur von bei 85°C stehen
gelassen.
- (3) Druckherabsenkungsrate: Eine rasche Druckabsenkung wird
bei einer Rate ausgeführt, bei der eine Druckentlastung
von 30 MPa auf einen atmosphärischen Druck in 3 Minuten
vollzogen ist.
- (4) Dauerhaftigkeitsprüfungszyklen: Ein die oben angeführten
Punkte (2) und (3) aufweisender Zyklus wird 12-mal wiederholt.
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[Nachweise anhand sowie Bewertung der
Prüfung]
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- (1) Bewertung des Erscheinungsbildes in Bezug
auf die Ausdehnungs-/Verschäumungseigenschaften: Das Erscheinungsbild
wird unmittelbar nach der Druckentlastung visuell überprüft.
Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Blasen, Rissen, Bruchstellen
oder dergleichen wird nachgewiesen.
- (2) Bewertung der bleibenden Formänderungseigenschaft:
Der „Betrag der bleibenden Formänderungseigenschaft"
wird erhalten, indem man den Durchmesser eines Prüfstücks
(O-Rings) vor und nach der Prüfung (siehe 1)
misst. Der Betrag der bleibenden Formänderung (%) (Druckverformungsrest)
kann anhand der nachstehenden Gleichung ermittelt werden. Betrag (%) der bleibenden Formänderung
(Druckverformungsrest) = (D1 – D2) : (D1 × 0,2) × 100(wobei
D1 den ursprünglichen Drahtdurchmesser und D2 den Drahtdurchmesser
darstellt, der nach einer Druckbelastung um 20%, einer einstündigen
Einwirkung durch ein einen Druck von 30 MPa aufweisenden Wasserstoffgas
bei einer Temperatur von 85°C, einer raschen Druckabsenkung
auf einen atmosphärischen Druck in 3 Minuten und einer
Freigabe aus der Druckbelastung erhalten wird).
- (3) Bewertung der Zugfestigkeit bei Bruch: Ein Prüfstück
(O-Ring) wird einer Zugprüfung vor und nach der Prüfung
genauso wie unter Punkt (1) oben ausgesetzt (physikalische Grundeigenschaften).
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[Ergebnisse zur Bewertung der Eigenschaften
bei einem unter hohem Druck stehenden Wasserstoff]
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Zur
Bewertung des Erscheinungsbildes in Bezug auf die Ausdehnungs-/Verschäumungseigenschaften
wurde die Prüfung 5-mal wiederholt. Bei dem einen hohen
Härtegrad aufweisenden EPDM aus dem Beispiel, dem PTFE-Perfluor-Spezialelastomer
(explosionssicheren Elastomer 1) aus dem Vergleichsbeispiels 1 und
dem PTFE-/Propylen-Spezialelastomer (explosionssicheren Elastomer
2) aus dem Vergleichsbeispiels 2 wurden bei dem 1., 6. und 12. Prüfzyklus
jedoch keine Blasen, Risse und Bruchstellen festgestellt. Das heißt, dass
in dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen bei einer Bewertung
des Erscheinungsbildes in Bezug auf die Ausdehnungs-/Verschäumungseigenschaften ähnliche
Ergebnisse erhalten wurden.
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Bei
der Bewertung der „bleibenden Formänderungseigenschaften"
wurde der „Betrag der bleibenden Formänderung"
(Mittelwert der Daten: n = 5) eines jeweiligen Materials nach der
12 Zyklen andauernden Prüfung wie folgt erhalten: der einen
hohen Härtegrad aufweisende EPDM aus dem Beispiel: 14,8%;
das PTFE-Perfluor-Spezialelastomer (explosionssichere Elastomer
1) aus dem Vergleichsbeispiels 1: 25,2%; und das PTFE-/Propylen-Spezialelastomer
(explosionssichere Elastomer 2) aus dem Vergleichsbeispiel 2: 44,8%. Das
heißt, dass daraus geschlossen werden kann, dass das Abdichtungsmaterial
der vorliegenden Erfindung überaus hervorragende nichtbleibende
Formänderungseigenschaften aufweist.
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Bei
der Bewertung der Zugfestigkeit bei Bruch wurde die Verweilzeit
(Mittelwert der Daten: n = 5) der Zugfestigkeit bei Bruch eines
jeweiligen Materials nach der 12 Zyklen andauernden Prüfung
wie folgt ermittelt: ein einen hohen Härtegrad aufweisender
EPDM aus dem Beispiel: 98,5%; ein PTFE-Perfluor-Spezialelastomer
(explosionssicheres Elastomer 1) aus dem Vergleichsbeispiel 1: 97,2%;
und ein PTFE-/Propylen-Spezialelastomer (explosionssicheres Elastomer
2) aus dem Vergleichsbeispiel 2: 99,6%. Das heißt, dass
daraus zu schließen ist, dass die Zugfestigkeit bei Bruch
des Abdichtungsmaterials der vorliegenden Erfindung mit der von
herkömmlichen Abdichtungsmaterialien vergleichbar ist.
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[Kurzfassung der Bewertung der Dauerhaftigkeit
bei einem unter hohem Druck stehendem Wasserstoff]
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Basierend
auf den vorstehenden Ergebnissen wird deutlich, dass die Ausdehnungs-/Verschäumungseigenschaften
und die Ergebnisse der Zugfestigkeit bei Bruch des einen hohen Härtegrad
aufweisenden EPDM-Materials, das als das Beispielsmaterial der vorliegenden
Erfindung dient, mit denen der explosionssicheren Elastomere vergleichbar
sind, bei denen es sich um bekannte Materialien handelt. Somit weist
das einen hohen Härtegrad aufweisende EPDM-Material gegenüber
einem unter hohem Druck stehenden Wasserstoff eine hohe Dauerfestigkeit
auf. Außerdem wird deutlich, dass die bleibenden Formänderungseigenschafen des
einen hohen Härtegrad aufweisenden EPDM-Materials denen
der explosionssicheren Elastomere überlegen sind, bei denen
es sich um bekannte Materialien handelt.
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3. Bewertung der Niedertemperatureigenschaften
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Zur
Leistungsbewertungsprüfung von Elastomermaterialien in
Niedertemperaturumgebungen stehen gemäß JIS K6261
unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Diesbezüglich
wurde mittels eines auf der Prüfung der elastischen Erholungseigenschaften
bei niedrigen Temperaturen (TR-Prüfung) basierenden Verfahrens,
das aus den vorstehenden Verfahren ausgewählt worden ist,
eine Bewertungsprüfung vorgenommen. Gemäß der
Prüfung der elastischen Erholungseigenschaften bei niedrigen
Temperaturen (TR-Prüfung) wird ein blattförmiges
Prüfstück mit einer Dicke von näherungsweise
2 mm so gedehnt, dass es eine vorbestimmte Länge aufweist,
und anschließend bei niedrigen Temperaturen gefroren. Dann
wird zur Bewertung der Niedertemperatureigenschaften die Temperatur
gemessen, bei der eine elastische Erholung des Prüfstücks
infolge eines Temperaturanstiegs induziert wird, so dass der konstante
Zusammenziehungskoeffizient erhalten wird. 2 zeigt
ein Beispiel der Daten der Zusammenziehungskoeffizienten-Temperatur-Kurve.
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In
diesem Fall wird zur Prüfbewertung der Materialien des
Beispiels und des Vergleichsbeispiels eine Bewertung der Niedertemperatureigenschaften
anhand des nachstehenden Verfahrens unter folgenden Bedingungen
ausgeführt.
- Ursprüngliche Dehnungsrate
= 50%
- Bewertung und Beurteilung = TR10-Temperatur (Temperatur, bei
der der Zusammenziehungskoeffizient 10% beträgt)
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Infolge
der Bewertung der Niedertemperatureigenschaften wurde festgestellt,
dass die Temperatur bei dem einen hohen Härtegrad aufweisenden
EPDM aus dem Beispiel minus 46°C betrug. Im Fall des PTFE-Perfluor-Spezialelastomers
(explosionssicheren Elastomers 1) aus dem Vergleichsbeispiel 1 wurde
festgestellt, dass das Material als Ebonit vorlag, und somit war
es unmöglich, eine Messung vorzunehmen. Im Fall des PTFE-/Propylen-Spezialelastomers
(explosionssicheren Elastomers 2) aus dem Vergleichsbeispiel 2 betrug die
Temperatur 4°C. Das heißt, dass daraus geschlossen
werden kann, dass eine elastische Erholung des Abdichtungsmaterials
der vorliegenden Erfindung bei extrem niedrigen Temperaturen beobachtet
werden kann.
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[Kurzfassung der Bewertung der Niedertemperatureigenschaften]
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Basierend
auf den vorstehenden Ergebnissen wird deutlich, dass das einen hohen
Härtegrad aufweisende EPDM-Material des Beispielmaterials
der vorliegenden Erfindung den explosionssicheren Elastomeren, bei
denen es sich um bekannte Materialien handelt, offenbar überlegen
ist. Insbesondere konnte bei einem Vergleich des explosionssicheren
Elastomers 2 festgestellt werden, dass sich die Niedertemperatureigenschaften
effektiv verbessert hatten, was eine Verringerung um etwas über
40°C zur Folge hatte. Darüber hinaus lag das Material
im Fall des explosionssicheren Elastomers 1 als Ebonit vor, das
erhebliche Unterschiede zu einem Elastomer aufweist, und somit war
eine Prüfung und Bewertung in Bezug auf die Niedertemperatureigenschaften
nicht möglich.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Der
Hochdruckwasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung
weist in Umgebungen mit variablen Druckbedingungen ein hervorragendes
Dauerhaftigkeitsverhalten auf und in Umgebungen mit hohen und niedrigen
Temperaturen außerdem ebenfalls hervorragende „nicht
bleibende Formänderungseigenschaften". Im Speziellen eignet
sich ein solcher Hochdruckwasserstoffbehälter ganz besonders
als Hochdruckwasserstoffbehälter für Brennstoffzellenfahrzeuge.
Der Hochdruckwasserstoffbehälter der vorliegenden Erfindung
trägt dazu bei, dass der Einsatz und die Verwendung von
Brennstoffzellenfahrzeugen praktiziert und weiter verbreitet wird.
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Zusammenfassung
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Hochdruck-Wasserstoffbehälter
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird ein Hochdruck-Wasserstoffbehälter
geschaffen, der mit einem unter hohen Drücken stehenden
Wasserstoff befüllt ist, wobei zumindest ein Elastomer
als ein Abdichtungsmaterial verwendet wird, wobei ein solches Elastomer
einen Wasserstoffgas-Permeabilitätskoeffizienten oder einen
Heliumgas-Permeabilitätskoeffizienten von 5,0 × 10–10 bis 5,0 × 10–9 cm3 (STP)·cm/cm2·sec·cmHg aufweist. Damit
werden die nachstehend aufgeführten technischen Hauptaufgaben
zur Realisierung einer Abdichtung mit einem Elastomermaterial für
ein Hochdruckwasserstoffbehälter-(CHG-Tank-)System für
Brennstoffzellenfahrzeuge gelöst: (1) einem solchen Elastomermaterial
wird eine gute Dauerhaftigkeit in Umgebungen mit unterschiedlichen
Druckbedingungen eines unter hohem Druck stehenden Wasserstoffs
verliehen; und (2) einem solchen Elastomermaterial werden gute nichtbleibende
Formänderungseigenschaften in Umgebungen mit niedrigen
und hohen Temperaturen verliehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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