JP6992414B2

JP6992414B2 - 燃料電池車における配管構造

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Publication number: JP6992414B2
Application number: JP2017214193A
Authority: JP
Inventors: 正彦森長
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2037-11-06
Also published as: JP2019087384A

Description

本発明は、配管と継手とを有する燃料電池車における配管構造に関する。

この種の燃料電池車における配管構造として、燃料タンク接続配管と、燃料供給配管と、燃料タンク接続配管と燃料供給配管とを接続する一対の継手と、継手の内部に装着され一対の継手間を密封する密封材とを有するものが開示されている（特許文献１参照）。この配管構造は、密封材としてのＯリングにより、一対の継手間が密封され燃料タンク接続配管および燃料供給配管を流通する水素などの流体が漏洩しないよう構成されている。

特開２００１－３０４４７８号公報

しかしながら、従来の配管構造は、燃料電池車に対して外部から強い力が作用した場合、燃料タンク接続配管および燃料供給配管と、継手との間にズレが発生し、燃料タンク接続配管および燃料供給配管を流通する高濃度の流体がズレ部分から直接外部に漏洩してしまうという問題がある。高濃度の流体がズレ部分から直接漏洩してしまうと、燃料電池車の内側に高濃度の流体が滞留してしまうおそれがあるという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、燃料電池車に対して外部から強い力が作用して継手部分から水素が漏洩した場合でも、漏洩した水素が高濃度の状態で燃料電池車の内側に滞留することを抑制することができる燃料電池車における配管構造を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池車における配管構造は、燃料電池に水素を供給する燃料電池車における配管構造であって、第１の配管と、第２の配管と、継手と、継手カバーとを有し、前記継手は、前記第１の配管と前記第２の配管とを接続し、前記継手カバーは、弾性を有する多孔質材料によって形成され、前記第１の配管と前記継手との第１の接続部、および前記第２の配管と前記継手との第２の接続部を覆うことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池車における配管構造においては、弾性を有する多孔質材料によって形成された継手カバーにより第１の接続部および第２の接続部が覆われているので、燃料電池車に外部から強い力が作用した場合、第１の接続部および第２の接続部が大きく破断することが抑制され、第１の配管および第２の配管と各継手との大幅な位置ズレの発生が防止される。また、破断部分から水素が漏洩しても、漏洩した水素の放出の勢いが継手カバー内で弱められる。水素の放出の勢いが弱まると、継手カバーの外周面から放出される水素は広い角度で分散され、燃料電池車の内側に水素が高濃度の状態で滞留することが抑制されるとともに、滞留する水素の量が低減される。

本発明によれば、燃料電池車に対して外部から強い力が作用して継手部分から水素が漏洩した場合でも、漏洩した水素が高濃度の状態で燃料電池車の内側に滞留することを抑制することができる燃料電池車における配管構造を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池車における配管構造の概略構成図。本発明の第１実施形態に係る燃料電池車における配管構造を構成する多孔質カバーの装着前の配管構造の一部を示す側面図であり、図２（ａ）は、下流側供給配管と中間供給管とを接続する下流側継手を示し、図２（ｂ）は、上流側供給配管と中間供給管とを接続する上流側継手を示す。本発明の第１実施形態に係る燃料電池車における配管構造の図であり、図３（ａ）は、多孔質カバーを装着した配管構造の一部を示す部分断面図を示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａで切断した拡大断面図を示す。本発明の第１実施形態に係る燃料電池車における配管構造の図であり、図４（ａ）は、図３（ａ）のＡ－Ａで切断した断面図で、漏洩した水素の多孔質カバーからの放出状態を示し、図４（ｂ）は、燃料電池車の前方部分の拡大図で、漏洩した水素の多孔質カバーからの放出状態を示す。本発明の第２実施形態に係る燃料電池車における配管構造の図であり、図５（ａ）は、多孔質カバーを装着した配管構造の一部を示す部分断面図を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ－Ｂで切断した拡大断面図を示す。本発明の第２実施形態に係る燃料電池車における配管構造の図であり、図６（ａ）は、図５（ａ）のＢ－Ｂで切断した断面図で、漏洩した水素の多孔質カバーからの放出状態を示し、図６（ｂ）は、燃料電池車の前方部分の拡大図で、漏洩した水素の多孔質カバーからの放出状態を示す。本発明の第３実施形態に係る燃料電池車における配管構造の図であり、図７（ａ）は、多孔質カバーを装着した配管構造の一部を示す部分断面図を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＣ－Ｃで切断した拡大断面図を示す。本発明の第３実施形態に係る燃料電池車における配管構造の図であり、図８（ａ）は、図７（ａ）のＣ－Ｃで切断した断面図で、漏洩した水素の多孔質カバーからの放出状態を示し、図８（ｂ）は、燃料電池車の前方部分の拡大図で、漏洩した水素の多孔質カバーからの放出状態を示す。

（第１実施形態）
本発明に係る燃料電池車における配管構造を適用した第１実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０について図面を参照して説明する。

本第１実施形態に係る燃料電池車１は、図１に示すように、前輪ＦＷの近傍に搭載された燃料電池スタック２で発電し、図示しない電動機の動力で走行する自動車により構成されている。燃料電池車１は、後輪ＲＷの車両前方方向に搭載された燃料供給装置３と、燃料供給装置３と燃料電池スタック２との間を接続する配管構造１０とを有している。

燃料電池スタック２は、積層された複数の図示しない燃料電池セルで構成されており、燃料電池セルは、膜電極ガス拡散層接合体、樹脂シート、ガス拡散層およびセパレータを有している。燃料電池スタック２は、複数の供給口を有しており燃料ガスとしての水素（Ｈ）と酸化剤ガスとしての空気（Ｏ_２）が各供給口から供給されることで発電するよう構成されている。燃料電池スタック２は、電動機と接続されており、電力を電動機に送るよう構成されている。

燃料供給装置３は、配管構造１０と接続され燃料ガスとしての水素を貯留する燃料タンク３ａを有している。燃料供給装置３は、配管構造１０を介して燃料電池スタック２に水素を供給するよう構成されている。

配管構造１０は、図１に示すように、燃料タンク３ａと接続され燃料流路の上流側で燃料を供給する上流側供給配管１１と、燃料電池スタック２と接続され燃料流路の下流側で燃料を供給する下流側供給配管１２と、上流側供給配管１１と下流側供給配管１２との間で燃料を供給する中間供給管１３とを有している。また、配管構造１０は、上流側供給配管１１と中間供給管１３とを接続する上流側継手１４と、下流側供給配管１２と中間供給管１３とを接続する下流側継手１５とを有している。

配管構造１０の各構成要素には、上流側供給配管１１から下流側供給配管１２まで、図示しない燃料流路が連通して設けられており、燃料タンク３ａに貯留されている水素が燃料流路内を流通して燃料電池スタック２に供給されるよう構成されている。

配管構造１０は、さらに、図２（ａ）に示すように、中間供給管１３と下流側継手１５との接続部を覆う多孔質カバー２１と、下流側供給配管１２と下流側継手１５との接続部を覆う多孔質カバー２２とを有している。また、配管構造１０は、図２（ｂ）に示すように、上流側供給配管１１と上流側継手１４との接続部を覆う多孔質カバー２３と、中間供給管１３と上流側継手１４との接続部を覆う多孔質カバー２４とを有している。

なお、本第１実施形態に係る配管構造１０の上流側供給配管１１、下流側供給配管１２
および中間供給管１３は、それぞれ本発明に係る燃料電池車における配管構造の第１の配管または第２の配管に対応する。また、上流側継手１４および下流側継手１５は、本発明に係る継手に対応し、多孔質カバー２１、２２、２３、２４は、それぞれ本発明に係る継手カバーに対応する。また、上流側供給配管１１と上流側継手１４との接続部、中間供給管１３と上流側継手１４との接続部、下流側供給配管１２と下流側継手１５との接続部および中間供給管１３と下流側継手１５との接続部は、それぞれ本発明に係る第１の接続部または第２の接続部に対応する。

なお、図２（ａ）に示す下流側供給配管１２の上流側端部と、中間供給管１３の下流側端部とを接続する下流側継手１５と、図２（ｂ）に示す中間供給管１３の上流側端部と上流側供給配管１１の下流側端部とを接続する上流側継手１４とは、同様に構成されているので、以下、主に図２（ａ）に示す下流側継手１５について説明する。

下流側継手１５の中間供給管１３との接続部および下流側供給配管１２との接続部を含めて各接続部は、ロウ付けにより強固に接合され気密性を有している。なお、各接続部の内側にＯリングを装着するようにして気密性を確保するようにしてもよい。

多孔質カバー２１は、内部に無数の気泡を有する発泡金属や、合成樹脂の内部に無数の泡が形成された発泡樹脂などの弾性を有する多孔質材料からなり、比較的高い熱伝導率Ｗ／（ｍ・Ｋ）を有しており速やかに大気との熱交換がなされるよう構成されている。多孔質カバー２１は、円筒状に成形されており、中間供給管１３と下流側継手１５とを組み付ける際に双方に嵌め込むよう構成されている。

多孔質カバー２２、２３、２４も、多孔質カバー２１と同様に構成されており、各接続部に嵌め込まれる。なお、多孔質カバー２１、２２を一体化して単一構造の多孔質カバーで構成するようにしてもよい。また、多孔質カバー２１、２２と同様、多孔質カバー２３、２４を一体化して単一構造の多孔質カバーで構成するようにしてもよい。

以上のように構成された第１実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０の効果について説明する。

第１実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０は、弾性を有する多孔質材料によって形成された多孔質カバー２１、２２により下流側継手１５と中間供給配管１３との接続部および下流側継手１５と下流側供給配管１２との接続部が覆われている。この構成により、燃料電池車１に外部から強い力が作用した場合、各接続部が大きく破断することが抑制され、破断しても、下流側供給配管１２および中間供給配管１３と下流側継手１５との大幅な位置ズレの発生が防止されるという効果が得られる。

従来のように多孔質カバー２１が設けられていないと、図４（ｂ）に太い矢印で示すように、水素Ｈが上方に向かって噴出して車体空間ＳＰに短時間で滞留する可能性があったが、第１実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０によれば、破断部分から水素Ｈが漏洩しても、漏洩した水素Ｈの放出の勢いが多孔質カバー２１内で弱められる。図４（ａ）に示すように、多孔質カバー２１内の気泡が全体に亘って均等に形成されているので、外周面から放出される水素Ｈは３６０°方向の広い角度で矢印で示すように放射状に分散される。

その結果、図４（ｂ）に示すように、継手の周辺の構成要素、例えば、燃料電池スタック２が搭載されたエンジンコンパートメントなどの車体空間ＳＰに水素Ｈが高濃度の状態で滞留することが抑制されるとともに、滞留する水素Ｈの量が低減されるという効果が得られる。また、破断した部分から放出される水素Ｈは、多孔質カバー２１内を通過するので、多孔質カバー２１が無いものと比較して、放出されるまで時間がかかる。したがって、破断を検知してから水素供給の主止弁が止められるまでの時間で車体空間ＳＰに到達して滞留する水素Ｈの量を減少させることができるという効果が得られる。

また、第１実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０は、多孔質カバー２１、２２により下流側継手１５と中間供給配管１３との接続部および下流側継手１５と下流側供給配管１２との接続部が覆われているので、接続部が破断しても、下流側供給配管１２および中間供給配管１３が車体から脱落することが防止される。さらに、多孔質カバー２１、２２により下流側供給配管１２および中間供給配管１３内を流通する水素の流動によって発生した雑音を吸収することができ、防音効果も得られる。

なお、各接続部を覆う多孔質カバー２３、２４についても、多孔質カバー２１と同様の効果が得られる。

（第２実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０においては、多孔質カバー２１、２２を図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、内部の気泡が均等に形成された構造で構成した場合について説明した。しかしながら、本発明に係る燃料電池車における配管構造においては、多孔質カバーを他の構造で構成するようにしてもよい。

例えば、他の構造を有する多孔質カバー２１Ａ、２２Ａを備えた第２実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０Ａで構成するようにしてもよい。多孔質カバー２１Ａは、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、燃料電池車１に取り付けた状態で多孔質カバー２１Ａの下半分の気泡の数が多くなるように形成され、上半分の気泡の数が少なくなるように形成されている。多孔質カバー２２Ａも同様に構成されている。

この構成により、第２実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０Ａは、第１実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０と同様の効果が得られる。即ち、燃料電池車１に外部から強い力が作用した場合、各接続部が大きく破断することが抑制され、破断しても、下流側供給配管１２および中間供給配管１３と下流側継手１５との大幅な位置ズレの発生が防止されるという効果が得られる。

また、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、多孔質カバー２１Ａは、下半分の気泡の数が多く上半分の気泡の数が少ないので、外周面から放出される水素Ｈは、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、上方よりも下方に多く放射状に分散される。

その結果、下方に放出される多くの水素Ｈは、車体空間ＳＰに到達するまでの距離が太い矢印で示す方向の距離より長くなるので、高濃度の状態で滞留することが抑制されるとともに、滞留する水素Ｈの量を極端に少なくすることができるという効果が得られる。また、破断した部分から放出される水素Ｈは、多孔質カバー２１Ａ内を通過するので、多孔質カバー２１Ａが無いものと比較して、放出されるまでに時間がかかる。したがって、破断を検知してから水素供給の主止弁が止められるまでの時間で車体空間ＳＰに到達して滞留する水素Ｈの量を減少させることができるという効果が得られる。

また、第２実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０Ａは、多孔質カバー２１Ａ、２２Ａにより下流側継手１５と下流側供給配管１２との接続部および下流側継手１５と中間供給配管１３との接続部が覆われているので、接続部が破断しても、下流側供給配管１２および中間供給配管１３が車体から脱落することが防止される。さらに、多孔質カバー２１Ａ、２２Ａにより下流側供給配管１２および中間供給配管１３内を流通する水素の流動によって発生した雑音を吸収することができ、防音効果も得られる。

（第３実施形態）
また、他の構造を有する多孔質カバー２１Ｂ、２２Ｂを備えた第３実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０Ｂで構成するようにしてもよい。多孔質カバー２１Ｂは、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、全体が均一な多孔質材料で形成され、燃料電池車１に取り付けられた状態で多孔質カバー２１Ｂの中心から下方の路面に向けて延びるように、貫通孔２１Ｂａが形成されている。多孔質カバー２２Ｂも同様に構成されている。

この構成により、第３実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０Ｂは、第２実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０Ａと同様の効果が得られる。即ち、燃料電池車１に外部から強い力が作用した場合、各接続部が大きく破断することが抑制され、破断しても、下流側供給配管１２および中間供給配管１３と下流側継手１５との大幅な位置ズレの発生が防止されるという効果が得られる。

また、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、多孔質カバー２１Ｂは、燃料電池車１に取り付けられた状態で多孔質カバー２１Ｂの中心から下方の路面に向けて延びるように貫通孔２１Ｂａが形成されているので、破断部分から放出される水素Ｈは、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、下方に向かって放出される。その結果、多くの水素Ｈは車体の外部に積極的に排出され、また、車体空間ＳＰに到達するまでの距離を太い矢印示す方向の距離よりも長くすることができる。したがって、水素Ｈが車体空間ＳＰに高濃度の状態で滞留することが抑制されるとともに、滞留する水素Ｈの量を極端に少なくすることができるという効果が得られる。

また、破断した部分から放出される水素Ｈは、多孔質カバー２１Ｂ内を通過するので、多孔質カバー２１Ｂが無いものと比較して、放出されるまでに時間がかかる。したがって、破断を検知してから水素供給の主止弁が止められるまでの時間で車体空間ＳＰに到達して滞留する水素Ｈの量を減少させることができるという効果が得られる。

また、第３実施形態に係る燃料電池車１における配管構造１０Ｂは、多孔質カバー２１Ｂ、２２Ｂにより下流側継手１５と下流側供給配管１２との接続部および下流側継手１５と中間供給配管１３との接続部が覆われているので、接続部が破断しても、下流側供給配管１２および中間供給配管１３が車体から脱落することが防止される。さらに、多孔質カバー２１Ｂ、２２Ｂにより下流側供給配管１２および中間供給配管１３内を流通する水素の流動によって発生した雑音を吸収することができ、防音効果も得られる。

以上、本発明の第１実施形態～第３実施形態について詳述したが、本発明は、前記の第１実施形態～第３実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１・・・燃料電池車、２・・・燃料電池スタック（燃料電池）、３・・・燃料供給装置、３ａ・・・燃料タンク、１０，１０Ａ，１０Ｂ・・・配管構造、１１・・・上流側供給配管（第１の配管または第２の配管）、１２・・・下流側供給配管（第１の配管または第２の配管）、１３・・・中間供給配管（第１の配管または第２の配管）、１４・・・上流側継手（継手）、１５・・・下流側継手（継手）、２１，２１Ａ，２１Ｂ，２２，２２Ａ，２２Ｂ，２３，２４・・・多孔質カバー（継手カバー）、２１Ｂａ・・・貫通孔

Claims

燃料電池に水素を供給する燃料電池車における配管構造であって、
第１の配管と、第２の配管と、継手と、継手カバーとを有し、
前記第１の配管と前記第２の配管は、前記燃料電池車の車両前後方向に沿って配置され、
前記継手は、前記第１の配管と前記第２の配管とを接続し、
前記継手カバーは、弾性を有する多孔質材料によって形成され、前記第１の配管と前記継手との第１の接続部を覆う第１継ぎ手カバー、および前記第２の配管と前記継手との第２の接続部を覆う第２継ぎ手カバーを有し、
前記第２継ぎ手カバーには、前記第２の接続部が挿入されて収容される中心穴と、該中心穴から下方に向かって延びて一端が前記中心穴の前記第２の接続部に対向する位置に開口し他端が前記第２継ぎ手カバーの下面に開口する貫通孔とが設けられている
ことを特徴とする燃料電池車における配管構造。