JP4429068B2 - 分岐管、配管アッセンブリおよび燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、流体の本管に分岐して接合される分岐管、配管アッセンブリおよび燃料電池システムに関するものである。

従来の燃料電池システムには、燃料電池から外部へと排出される水素オフガスの濃度を低下させるため、これに酸素オフガスを混合して希釈する希釈器が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２０３６５４号公報（第３頁および第１図）

ところで、燃料電池システムとして、例えば、酸素オフガスの排気管に気液分離器や消音器等を介設する構成とした場合には、酸素オフガスを希釈器に導くためには、排気管から分岐させた分岐管を設ける必要がある。しかしながら、従来の特許文献１に記載の燃料電池システムは、この分岐管の構造について考慮するものでなく、上記のような構成には対応し難かった。そして、この種の分岐管は、水素オフガスを十分に希釈するために、本管となる排気管から酸素オフガスを十分に取り出せることが望まれる。

そこで本発明は、本管から適量の流体を取り出すことができ、加えて本管との接続構造を好適に高めることができる分岐管、配管アッセンブリおよび燃料電池システムを提供することをその目的としている。

本発明の分岐管は、本管に分岐して接合される分岐管において、本管内に配置されるインナー管と、インナー管と別体に構成されてインナー管に連通すると共に、本管外に配置されるアウター管と、を備え、インナー管は、本管に保持され、アウター管は、本管に接合されるものである。また、インナー管は、流体が流れる管路部と、管路部のアウター管側の端部に設けられ、本管に保持されるフランジ部と、を有し、アウター管は、インナー管の管路部に連通する管路部と、管路部のインナー管側の端部に設けられ、インナー管のフランジ部に密接すると共にこの密接部位から外れた周縁部位を本管に接合されるフランジ部と、を有する。

この構成によれば、分岐管はいわゆる動圧取入れタイプのもので構成されるため、本管内に配置された分岐管のインナー管によって、本管を流れる流体をアウター管に適切に取り出すことができる。また、インナー管とアウター管とを互いに別体で構成し、インナー管を本管に保持し、アウター管を本管に接合しているため、全体として分岐管を本管に適切に且つ容易に接合することが可能となる。さらに、インナー管およびアウター管の成形工程を別々にすることができるため、これらインナー管およびアウター管の各形状の自由度を高めることが可能となる。
また、インナー管はそのフランジ部を介して本管に保持され、アウター管は、そのフランジ部の周縁部位を本管に接合されると共に、この接合部位から外れた部位がインナー管のフランジ部に密接して、両管の管路部が連通される。このような単純な接続構造で、分岐管を本管に適切に接続することができる。
なお、分岐管や本管は金属管で構成することもできるが、後述するように軽量化の観点から樹脂で構成することが好ましい。また、アウター管および本管の接合は螺合式でも可能であるが、特にこれらを樹脂で構成した場合には熱融着等の溶着が好適となる。

この場合、本管、インナー管およびアウター管は、熱可塑性樹脂からなり、アウター管のフランジ部は、本管に溶着されていることが、好ましい。

この構成によれば、全体として軽量化を図ることができる。また、上記のようにインナー管およびアウター管が別体で構成されているため、これらを一体に構成する場合に比べて、アウター管を本管に溶着させる際に、インナー管の熱劣化を好適に抑制し得る。このことはまた、溶着形状を小さくすることを意味する。

この場合、アウター管は、本管と共にインナー管にも溶着されていることが、好ましい。

この構成によれば、溶着の作業性を高め得ると共に、本管に対するインナー管の取り付けが安定する。すなわち、高圧の流体を用いる場合等であっても、アウター管とインナー管との連通を確実に維持することができる。

この場合、インナー管の管路部の他方の端部は、本管の上流側に向かって開口していることが、好ましい。

この構成によれば、本管を流れる流体は、その流れに抗されることなく、インナー管へと流入する。これにより、本管から分岐管へと流体をより一層適切に取りだすことができる。なお、インナー管の管路部の開口端面は、流体の流れ方向に対して直交することがより好ましい。

本発明の配管アッセンブリは、上記した本発明の分岐管と、分岐管を接合した本管と、からなる配管アッセンブリにおいて、本管の周壁には、アウター管のフランジ部の周縁部位が接合される接合部と、接合部の内側に連なり、インナー管のフランジ部が保持される凹部と、凹部の底部に形成され、インナー管の管路部を本管の内部に挿通させる開口部と、が設けられているものである。

この構成によれば、分岐管のインナー管およびアウター管の各構成に対応して、本管が形成されており、分岐管による流体の取出し量を適切に確保しつつ接続構造を高めた配管アッセンブリを提供することができる。

本発明の燃料電池システムは、水素オフガス処理用の処理ガスが流れる本管と、本管に分岐して接合された上記した本発明の分岐管と、分岐管の下流側に連通すると共に、燃料電池から排出される水素オフガスの配管に連通する混合部と、備えたものである。

この構成によれば、混合部には水素オフガスと分岐管からの水素オフガス処理用の処理ガスとが流れ込むが、このとき処理ガスは本発明の分岐管によって十分な量が流れ込むようになっているため、混合部において水素オフガス中の水素を確実に低減することができる。なお、混合部は、水素オフガス中の水素濃度を低減する希釈器や、水素オフガスおよび処理ガスからなる混合ガスを燃焼する燃焼器で構成することが好ましい。また、処理ガスとしては、燃料電池に供給される新たな酸素ガス、燃料電池から排出される酸素オフガス、燃料電池に供されない二次空気、または窒素等の不活性ガスを用いることができる。燃料電池システムとしては、これを搭載した機器として燃料電池車両が代表される。

本発明の分岐管、配管アッセンブリおよび燃料電池システムによれば、分岐管のインナー管とアウター管とを別体で構成しているため、分岐管と本管との接続構造を好適に高めることができると共に、本管から適量の流体を分岐管に取り出すことができる。

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分岐管について説明する。この分岐管は、いわゆる動圧取入れタイプで構成され、本管との接続構造を高めたものである。以下では、分岐管および本管からなる配管アッセンブリを、燃料電池システムの酸素オフガス排出系に適用した例について説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素ガス（空気）および水素ガスの供給を受けて電力を発生する固体分子電解質型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、多数のセルを積層したスタック構造として構成されている。燃料電池システム１は、燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給系３と、燃料電池２に酸素ガスを供給する酸素ガス供給系４と、を具備している。

水素ガス供給系３は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源となる水素タンク１１と、水素タンク１１の水素ガスを燃料電池２に供給する供給流路１２と、燃料電池２から排出された水素オフガスをポンプ１３により供給流路１２に圧送する循環流路１４と、循環流路１４に分岐配管された排出流路１５と、を具備している。燃料電池２には、水素タンク１１からの新たな水素ガスと、循環流路１４から還流された水素オフガスと、が供給される。

供給流路１２には、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ１７が介設されている。排出流路１５には、これを開閉する開閉弁１８が介設されていると共に、この開閉弁１８の下流側に水素オフガスの水素濃度を低減させる希釈器１９（混合部）が設けられている。開閉弁１８は、定期的に開閉され、開弁されることで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスとともに排出流路１５を介して希釈器１９に導かれる。

酸素ガス供給系４は、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器２１に圧送するコンプレッサ２２と、加湿器２１により加湿された酸素ガスを燃料電池２に供給する供給流路２３と、燃料電池２から排出された酸素オフガスを加湿器２１に導く流路２４と、加湿器２１から消音器２５に酸素オフガスを導くための排出流路２６と、消音器２５の上流側で排出流路２６に分岐配管され、酸素オフガスの一部を希釈器１９に導くための分流流路２７と、を具備している。流路２４、排出流路２６および分流流路２７により、主として酸素オフガス排出系が構成されている。

加湿器２１では、酸素ガスと酸素オフガスとの間で水分交換が行われ、水分交換後の酸素オフガスが排出流路２６に排出される。希釈器１９では、酸素オフガスと水素オフガスとが混合され、水素オフガスの水素濃度が低減される。希釈器１９で希釈された水素オフガスは、排出流路２６の消音器２５の下流側に排気管２８を介して送り込まれ、消音器２５を通過した酸素オフガスとさらに混合されて、排ガスとして最終的にシステム外の大気中に排気される。

燃料電池システム１の各種の流路は、ＳＵＳ等の金属管または樹脂やゴム等の非金属管で構成され、継手や弁等によって適宜配管接続されている。本実施形態では、軽量化を考慮すると共に、排出流路２６内の酸素オフガスを分流流路２７へと適切に取り出せるように、この分岐まわりの構造を工夫して、樹脂管を溶着してなる配管アッセンブリ４０を構成している。

図２ないし図４に示すように、配管アッセンブリ４０は、酸素オフガスの排出流路２６を構成する本管４１と、本管４１に分岐接続されて酸素オフガスの分流流路２７を構成する分岐管４２と、で構成されている。本管４１および分岐管４２は、ポリプロピレンやポリエチレンなどの熱可塑性樹脂を例えばブロー成形やインジェクション成形することにより構成されている。

分岐管４２は、本管４１よりも流路断面積（管内径）が小さく形成されている。分岐管４２は、本管４１内に配置されるインナー管５１と、本管４１外に配置されてインナー管５１に連通するアウター管５２と、で別体に構成されている。

インナー管５１は、酸素オフガスが流れる管路部６１と、管路部６１のアウター管５２側の端部に一体に設けられ、本管４１に保持されるフランジ部６２と、を有して全体として正面視略Ｊ字状に形成されている。アウター管５２は、酸素オフガスが流れる管路部７１と、管路部７１のインナー管５１側の端部に一体に設けられ、本管４１に溶着により接合されるフランジ部７２と、を有して全体として正面視略逆Ｊ字状に形成されている。

インナー管５１の管路部６１とアウター管５２の管路部７１とは、同一の内径で形成されており、両者の間は隙間無く連通している。インナー管５１の管路部６１は、本管４１内に臨む端部が本管４１の上流側に向かって開口している。より詳細には、この管路部６１の開口端面６４は、酸素オフガスの流れ方向に対して直交している。このため、本管４１を流れる酸素オフガスは、その流れが抗されることなく、インナー管５１の管路部６１へと取り込まれ、管路部６１内で直角に流路変更されて、アウター管５２の管路部７１へと送り込まれる。

インナー管５１のフランジ部６２は、その管路部６１のアウター管５２側の端部から拡開するようにして一体に連なり、円板状に形成されている。フランジ部６２は、本管４１の後述する装着凹部９４に装着され、これによりインナー管５１はフランジ部６２を介して本管４１に保持される。また、フランジ部６２は、アウター管５２側の端面がアウター管５２のフランジ部７２に密接し、これに溶着される。

アウター管５２のフランジ部７２は、その管路部７１のインナー管５１側の端部から拡開するようにして一体に連なり、円板状に形成されている。フランジ部７２は、インナー管５１のフランジ部６２よりも大きく形成されている。フランジ部７２は、インナー管５１側の端面がインナー管５１のフランジ部６２に溶着されると共にこの溶着部位から外れた周縁部位を本管４１の後述する接合面９３に密接してこれに溶着される。

本管４１は、酸素オフガスが流れる管路部８１と、分岐管４２に対応して管路部８１の周壁の所定位置に形成され、分岐管４２を接続するための管接続部８２と、で一体に形成されている。本管４１の管路部８１の内部にインナー管５１の管路部６１が配置され、本管４１の管接続部８２にインナー管５１のフランジ部６２が保持されると共にアウター管５２のフランジ部７２が溶着される。

管接続部８２は、管路部８１の周壁面に倣って鞍状に形成された下端部のサドル部９１と、サドル部９１から略円筒状に立ち上がる立上り部９２と、立上り部９２の環状の上端面となる上記の接合面９３（接合部）と、接合面９３から内側に段状に連なる上記の装着凹部９４と、装着凹部９４の底部中央部に形成された開口部９５と、を有している。

立上り部９２の外径は、アウター管５２のフランジ部７２の外径に対応して形成されている。接合面９３には、アウター管５２のフランジ部７２の端面の周縁部位が溶着されている。開口部９５は、インナー管５１の管路部６１の外径に対応して形成されており、管路部６１の本管４１の内部への挿通を許容する。開口部９５を画定する開口縁部は、管路部６１のフランジ部６２側の外壁に略隙間無く接する（なお、発明の理解を容易にするため、図示では隙間を設けてある。）。

装着凹部９４は、インナー管５１のフランジ部６２の厚みおよび外形に対応して形成されており、フランジ部６２を隙間無く受容する。すなわち、装着凹部９４は、フランジ部６２の環状の端面に当接して、フランジ部６２を介してインナー管５１の装着深さ位置を規制する底面１０１と、フランジ部６２の周面に当接する周壁面１０２と、で構成されている（なお、上記と同様に発明の理解を容易にするため、図示では隙間を設けてある。）。周壁面１０２は、開口部９５の開口縁部と共にインナー管５１の装着水平位置を規制する。そして、装着凹部９４に装着されたフランジ部６２のアウター管５２側の端面は、接合面９３と略面一になるようになっている。

ここで、本管４１と分岐管４２との接続方法について簡単に説明する。先ず、インナー管５１のみを本管４１に取り付けるが、その際、インナー管５１の管路部６１を開口部９５から挿入して、フランジ部６２を装着凹部９４に着座させるようにして装着し、インナー管５１を本管４１に保持させる。次いで、これら（４１，５１）に対してアウター管５２を位置合わせしながら、フランジ部７２を本管４１の接合面９３およびインナー管５１のフランジ部６２に溶着する。これにより、インナー管５１、アウター管５２および本管４１は一体化されて一連の接続工程が完了し、配管アッセンブリ４０が構成される。

以上のように、本実施形態によれば、分岐管４２の構成としてインナー管５１を具備しているため、本管４１の酸素オフガスを分岐管４２で十分に且つ良好に取り出すことができる。また、分岐管４２がインナー管５１とアウター管５２とで別体に構成されているため、分岐管４２を本管４１に溶着により接合する点で特に有用となる。

すなわち、インナー管５１とアウター管５２とを一体に構成した場合には、インナー管５１の管路部６１の熱劣化を考慮して、この管路部６１からアウター管５２の本管４１に対する溶着領域を比較的（例えば１０ｍｍ以上）遠ざける必要がある。

これに対し本実施形態では、別体で構成されたインナー管５１を主として本管４１に保持させ、アウター管５２を主として本管４１に溶着させるようにするため、インナー管５１の管路部６１の熱劣化を構造上適切に防止することができる。また、溶着領域を遠ざける必要がなくなるため、本管４１の外径等のサイズに関らず、分岐管４２を本管４１に溶着することができる。さらに、分岐管４２のインナー管５１およびアウター管５２の各形状の設計の自由度を高めることができ、取出し流量や性状の異なる各種の流体に対応した分岐管４２を提供することができる。

なお、本実施形態では、インナー管５１およびアウター管５２のフランジ部６２、７２の端面同士も溶着しているが、もちろんこの部分については溶着しないで端面同士を単に密接させる構成としてもよい。もっとも、本実施形態のような構成とすることで、インナー管５１のがたつきを好適に防止することができる。また、インナー管５１の開口端面６４を本管４１の上流側に配置したが、これを１８０度反転させて本管４１の下流側に配置することも可能である。このようにすることで、酸素オフガス中に含まれる水分が分岐管４２側に取り入れられることを回避しつつ、酸素オフガスを分岐管４２に取り入れることが可能となる。

なおまた、本管４１の構成において、管路部８１と管接続部８２とを一体に成形したが、もちろんこれらを別体で構成してもよい。この場合には、管路部８１の一部を穿孔し、その孔に管接続部８２に相当するものを溶着すればよいが、本実施形態のような一体構成が好ましいことは言うまでもない。また、本管４１内に配置される「インナー管５１」とは、その一部が本管４１外に露出する場合をも含み、主として主要部が本管４１内に配置された管をいう。

さらに、上記の説明では、分岐管４２によって酸素オフガスを希釈器１９に導くようにしているが、この構成に代えて、例えば供給流路２３を構成する本管４１に分岐管４２を接続して、加湿器２１に圧送される新たな酸素ガスを希釈器１９に導くようにしてもよい。すなわち、本管４１を流れる水素オフガス処理用の処理ガスとして、酸素オフガスのみならず、燃料電池２に供給される新たな酸素ガスを用いてもよい。もっとも、燃料電池２に供される酸素ガスのみならず、燃料電池２には供されない二次空気や窒素等の不活性ガスを、水素オフガス処理用の処理ガスとして本管に導入することも可能である。

また、本実施形態の分岐管４２は、酸素ガス以外の他の流体の分岐供給にも適用することができ、燃料電池システム１以外の他の配管系にも適用することができる。また、分岐管４２および本管４１を熱可塑性樹脂により形成したが、もちろんこれらを金属管として構成してもよい。また、分岐管４２のアウター管５２と本管４１との接合は溶着に限らず、本管４１の接合部およびアウター管５２のフランジ部７２にめねじを刻設し、これらをボルト止めすることも可能である。さらに、インナー官５１は本管４１に着座されるようにしてこれに保持されているが、インナー管５１を挟む本管４１およびアウター管５２の少なくとも一方に、インナー管５１を保持させる構成とすればよい。また、インナー管５１をアウター管５２に溶着させることでこれに積極的に保持させるようにしてもよい。

実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。 実施形態に係る分岐管を含む配管アッセンブリを示す正面図である。 図２に示す配管アッセンブリの平面図である。 図２に示す配管アッセンブリの右側面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池、３ 水素ガス供給系、４ 酸素ガス供給系、４０ 配管アッセンブリ、４１ 本管、４２ 分岐管、５１ インナー管、５２ アウター管、６１ 管路部、６２ フランジ部、６４ 開口端面、７１ 管路部、７２ フランジ部、８１ 管路部、８２ 管接続部、９３ 接合面（接合部）、９４ 装着凹部、９５ 開口部

Claims (6)

1. 本管に分岐して接合される分岐管において、
   前記本管内に配置されるインナー管と、
   前記インナー管と別体に構成されて当該インナー管に連通すると共に、前記本管外に配置されるアウター管と、を備え、
   前記インナー管は、前記本管に保持され、
   前記アウター管は、前記本管に接合され、
   前記インナー管は、
   流体が流れる管路部と、
   前記管路部の前記アウター管側の端部に設けられ、前記本管に保持されるフランジ部と、を有し、
   前記アウター管は、前記インナー管の管路部に連通する管路部と、
   前記管路部の前記インナー管側の端部に設けられ、前記インナー管のフランジ部に密接すると共にこの密接部位から外れた周縁部位を前記本管に接合されるフランジ部と、を有する分岐管。
2. 前記本管、前記インナー管および前記アウター管は、熱可塑性樹脂からなり、
   前記アウター管のフランジ部は、前記本管に溶着されている請求項１に記載の分岐管。
3. 前記アウター管は、前記本管と共に前記インナー管にも溶着されている請求項２に記載の分岐管。
4. 前記インナー管の管路部の他方の端部は、前記本管の上流側に向かって開口している請求項１ないし３のいずれか一項に記載の分岐管。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の分岐管と、当該分岐管を接合した本管と、からなる配管アッセンブリにおいて、
   前記本管の周壁には、
   前記アウター管のフランジ部の周縁部位が接合される接合部と、
   前記接合部の内側に連なり、前記インナー管のフランジ部が保持される凹部と、
   前記凹部の底部に形成され、前記インナー管の管路部を当該本管の内部に挿通させる開口部と、
   が設けられている配管アッセンブリ。
6. 水素オフガス処理用の処理ガスが流れる本管と、
   前記本管に分岐して接合された請求項１ないし４のいずれか一項に記載の分岐管と、
   前記分岐管の下流側に連通すると共に、燃料電池から排出される水素オフガスの配管に連通する混合部と、
   備えた燃料電池システム。

Images