CN101473480A

CN101473480A - 燃料电池的配管构造

Info

Publication number: CN101473480A
Application number: CNA2007800227189A
Authority: CN
Inventors: 寿福康信; 木月美保; 中村博之
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2009-07-01
Also published as: US20090246594A1; WO2007148550A1; JP2008004318A; DE112007001474T5

Abstract

本发明可适当确保燃料电池箱内的反应气体配管和其他部件之间的绝缘性。为实现这一目的，燃料电池的配管构造为，在配置了燃料电池和高电压部件(HV)的箱(C)内配置反应气体配管(22)时，该反应气体配管(22)的一部分使用树脂配管(R)。树脂配管(R)优选用于高电压部件(HV)附近的反应气体配管(22)。另外，树脂配管(R)优选是最初就形成为弯曲形状的树脂配管。

Description

燃料电池的配管构造

技术领域

本发明涉及一种燃料电池的配管构造。进而详述为本发明涉及收容有燃料电池等的箱内的构造的改良。

背景技术

作为燃料电池(例如固体高分子型燃料电池)，构成为通过层积多个用隔板夹住电解质的单体电池，可输出规定的电压。另外，在收容有这样的燃料电池的箱内，存在例如具有继电器等高电压部件的情况(例如参照专利文献1、2)。

专利文献1：日本特开2002-367666号公报

专利文献2：日本特开2002-362165号公报

但是，对于这样的燃料电池，连接用于供给/排出氧化气体、燃料气体、进而反应后的废气等各种反应气体的配管，但是如上所述，当收容在箱内时，存在未充分考虑箱内的各种反应气体的配管和其他配件之间的绝缘的情况。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池的配管构造，其可适当确保箱内的反应气体配管和其他部件之间的绝缘性。

为解决上述课题，本发明人进行了各种研究。例如如果在层积数百块电池来实现数百伏左右的输出电压的情况下，除了上述继电器等部件外，与该燃料电池连接的各种反应气体的配管也可认为是高电压部件。这样一来，当考虑反应气体配管和其他部件之间的绝缘性时，需要基于这一情况进行研究。对这一点本发明人继续进行了研究，从而想到了解决该课题的方法，即想到了适当确保绝缘性的问题。

本发明基于以上思考，是用于在配置了燃料电池和其他高电压部件的箱内配置反应气体配管的配管构造，在反应气体配管的一部分使用树脂配管。

在燃料电池中实现较高的输出压力时，与该燃料电池连接的反应气体配管是处于与高电压部件同等的状态，需要确保绝缘。这一点在该反应气体配管的至少一部分使用树脂配管的本发明的配管构造中，易于在该树脂配管的部分确保绝缘距离或沿面距离。这样一来，可适当确保反应气体配管和其他部件的绝缘性。

另外，由于一般树脂制的配管比金属制配管更具有柔软性，因此如果使反应气体配管的至少一部分为树脂配管，则作为配管整体的柔软性会对应提高。这样一来，处理较长反应气体配管时的组装性得到提高，随之操作性得到提高。

在这样的燃料电池的配管构造中，树脂配管优选用于高电压部件附近的反应气体配管。另外进一步优选：反应气体配管中，至少在通过高电压部件的角部附近而与该高电压部件之间的距离变得最小的部分使用树脂配管。如果将树脂配管配置在反应气体配管和高电压部件之间的难于确保绝缘距离的部分或其附近，则易于确保绝缘性。另外，如果将树脂配管配置在反应气体配管和高电压部件之间可能干涉的部分或其附近，则即使干涉也可确保绝缘性。

另外优选：反应气体配管由橡胶软管和金属配管构成，将用于使橡胶软管安装在金属配管上的软管夹配置成能够确保上述反应气体配管与箱内的其他部件之间的绝缘距离。通常大多由金属形成的软管夹适用于将橡胶软管安装在金属配管的部分时，可减小该金属配管和高电压部件之间的绝缘距离(沿面距离)。另外，根据情况不同，也存在该软管夹配置在距高电压部件、配管等很近的位置的情况。这一点，象本发明一样，以能够确保绝缘距离的方式配置软管夹时，可确保适当的绝缘性。例如，软管夹配置在橡胶软管的厚度和从该橡胶软管的端面到该软管夹的距离的合计值大于规定的沿面距离的位置上。

进而优选，树脂配管是最初就形成为弯曲形状的树脂配管。通过挠曲、弯曲提高配管整体的柔软性，在配管组装时等情况下，易于配合操作。

另外本发明优选以下情况：反应气体配管具有分叉的歧管，歧管的至少二个的前端安装在高电压部件的同一平面上。

附图说明

图1是表示本实施方式中的燃料电池系统的概要构成的图。

图2是表示燃料电池的构成的一个例子的透视图。

图3是用于说明本实施方式中的燃料电池的配管构造的示意图。

图4是表示将反应气体配管的分叉的歧管分别安装在高电压部件的同一平面的配管构造的图。

图5是表示由橡胶软管和金属配管构成的反应气体配管的、安装了软管夹的构造的一个例子的示意图。

图6是放大表示图5所示的橡胶软管和金属配管的连接部分的图。

图7是图5的VII-VII线的剖面图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的优选实施方式。

图1～图7表示本发明的燃料电池的配管构造的实施方式。该配管构造是用于在配置了燃料电池1和其他高电压部件HV的箱C内配置反应气体配管的构造，在本实施方式情况下，在反应气体配管的一部分使用树脂配管R(参照图3等)。

以下首先说明燃料电池系统10的整体构成及燃料电池1的构成，之后说明用于适当确保反应气体配管和高电压部件HV之间的绝缘距离的构成。

首先，表示本实施方式的燃料电池系统10的概要(参照图1)。该燃料电池系统10作为具有以下装置的系统而构成：燃料电池1；将作为氧化气体的空气(氧)供给到燃料电池1的氧化气体配管系统30；将作为燃料气体的氢气供给到燃料电池1的燃料气体配管系统20；集中控制系统整体的控制装置70。

燃料电池1例如由固体高分子电解质型构成，是层积多个单体电池2的堆叠构造。构成燃料电池1的单体电池2在由离子交换膜构成的电解质的一侧面上具有空气极，在另一侧面上具有燃料极，进一步具有一对隔板，用于从两侧夹住空气极及燃料极。向一侧的隔板的燃料气体路径供给燃料气体，向另一侧的隔板的氧化气体路径供给氧化气体，通过该气体供给，燃料电池1产生电力。

氧化气体配管系统30具有：供给路径31，向燃料电池1供给的氧化气体在其中流动；排出路径32，从燃料电池1排出的氧化废气在其中流动。在供给路径31中设有：通过过滤器33取入氧化气体的压缩机34；对由压缩机34压送的氧化气体进行加湿的加湿器35。在排出路径32中流动的氧化废气经过背压调整阀36并在加湿器35中供于水分交换后，最终作为排气排出到系统外的大气中。

燃料气体配管系统20具有：作为燃料供给源的高压的氢罐(本说明书中称为高压罐)21；从高压罐21供给到燃料电池1的氢气流动的供给路径22；用于使从燃料电池1排出的氢废气(燃料废气)返回到供给路径22的合流点A的循环路径23；将循环路径23内的氢废气压送到供给路径22的泵24；与循环路径23分支连接的排出路径41。

高压罐21构成为例如可贮存35MPa或70MPa的氢气。当打开高压罐21的主截流阀26时，氢气流出到供给路径22。之后，氢气通过调压阀29调整流量及压力后，进一步在下游中通过机械式的调压阀27等减压阀最终例如减压到200kPa左右，并供给到燃料电池1。主截流阀26及调压阀29在图1中组装入虚线的框线所示的阀组件25中，阀组件25与高压罐21连接。

在供给路径22的合流点A的上游侧设有截止阀28。氢气的循环系统通过依次连通供给路径22的合流点A的下游侧路径、形成于燃料电池1的隔板上的燃料气体路径、循环路径23而构成。排出路径41上的清洁阀42通过在燃料电池系统10运转时适当开阀，从而使氢废气中的杂质与氢废气一起排出到未图示的氢稀释器中。通过清洁阀42的开阀，循环路径23内的氢废气中的杂质浓度下降，循环供给的氢废气中的氢浓度上升。

控制装置70作为内部具有CPU、ROM、RAM的微型计算机而构成。CPU根据控制程序执行希望的计算，并进行调压阀29的流量控制等各种处理、控制。ROM存储由CPU处理的控制程序、控制数据。RAM主要作为用于控制处理的各种作业区域而使用。控制装置70输入如下检测信号：气体系统(20、30)的检测信号；未图示的致冷剂系统中使用的各种压力传感器的检测信号；温度传感器等的检测信号，并向各构成要素输出控制信号。

另外，对燃料电池1的构成进行如下简要说明(参照图2)。

本实施方式中的燃料电池1具有层积了多个单体电池2的单体电池层积体3，在位于单体电池层积体3的两端的单体电池2、2的外侧依次分别配置带输出端子的集电板、绝缘板、及端板8(参照图2)的构造。这样的单体电池层积体3在层积状态下由张力板9约束。张力板9架在两个端板8、8间而设置，因此例如在单体电池层积体3的两侧相对地设置一对。另外，进而设有弹性模块，用于通过弹力向单体电池层积体3作用压缩力。弹性模块是用于在单体电池层积体3热膨胀或热收缩、或重复这二种状态时，也吸收其变化并且持续作用负荷的部件，例如在本实施方式的情况下，由彼此并列配置的多个弹性体(省略图示)、从单体电池2的层积方向夹持该多个弹性体的一对压板12等构成(参照图2)。进而，分别在该燃料电池1中形成有：氧化气体用的歧管15；氢气用的歧管16；冷却水用的歧管17。

接着说明为了适当确保反应气体配管和高电压部件HV之间的绝缘距离的本实施方式的配管构造(参照图3等)。

该配管构造用于在配置了作为高电压部件HV的燃料电池1和其他的高电压部件HV的箱(燃料电池箱)C内配置反应气体。这里所说的反应气体配管是用于对燃料电池1供给反应气体或从该燃料电池1排出废气等的配管，例如包括图1所示的氧化气体流动的供给路径31、氧化废气流动的排出路径32、氢气流动的供给路径22、氢废气(燃料废气)流动的循环路径23等(参照图1)。各反应气体配管22(23、31、32)原则上例如由SUS制的金属管构成，其一端均配置在燃料电池1上(具体而言，与形成于燃料电池1上的各歧管15、17相连通)。

在此，在本实施方式中，在上述反应气体配管22(23、31、32)的一部分使用树脂配管R(参照图3)。这种情况下，树脂配管R优选用于高电压部件HV附近的反应气体配管22(23、31、32)。作为反应气体配管22(23、31、32)和高电压部件HV之间的绝缘距离难于确保的部分或其附近的配管，如果使用树脂配管R，则易于确保绝缘性。另外，如果在反应气体配管22(23、31、32)和高电压部件HV可能干涉的部分或其附近使用树脂配管R，则具有即使干涉也可确保绝缘性的优点。例如在本实施方式中，在通过高电压部件HV(例如燃料电池1自身)的角部附近而与该高电压部件HV的距离d变得最小的配管的部分使用树脂配管R(参照图3)。

这样根据在反应气体配管22(23、31、32)的一部分使用树脂配管R的本实施方式的配管构造，在该反应气体配管22(23、31、32)中的金属配管(图中以标记M表示)的部分和高电压部件HV之间，可确保比以往大的绝缘距离。这一点例如当在箱C内各种部件、配管密集时，在易确保绝缘性方面特别优选。

另外，一般情况下树脂制的配管比金属制配管更具有柔软性，因此如上所述，使反应气体配管22(23、31、32)的一部分为树脂配管R时，可利用该柔软性组装配管。即，由于可使树脂配管R的部分象所谓的软管一样起作用，因此与配管整体是金属时相比，变得易组装且作业性提高。

进而，在本实施方式中，是使金属配管M的一部分为树脂制的配管构造，因此配管整体的热容量降低，且变为该部分中的导热度也降低的构造。因此例如低温时，也可抑制出口侧配管内的生成水冻结而易确保流动。并且如上所述，在利用了具有柔软性的树脂配管R的本实施方式的配管构造的情况下，即使配管内的水冻结，也可由该树脂配管R吸收体积膨胀，并且可降低金属配管M受到的影响。

上述的树脂配管R的材质没有特别限定，例如可使用耐药品性、耐弯曲疲劳性、耐热性良好的聚丙烯等、各种工程塑料、合成树脂。

另外，根据树脂配管R具有的上述柔软性，可形成能抑制从凸缘面的泄漏(leak)等的配管构造。具体而言，如图4所示，在具有途中分叉的歧管的反应气体配管22(23、31、32)、且两个歧管前端的凸缘部F安装在高电压部件HV的同一平面上的构造的情况下，优选使用上述树脂配管R。即，制造较长的整体的配管时，由于焊接、冲压加工误差等的影响，凸缘部F的平行度难于确保，根据情况甚至会产生液体从该凸缘部F泄漏的情况，而当适用了树脂配管R时，对配管附加了柔软性，由此可变得易于确保平行度。这种情况下，在凸缘部F中，可将各歧管可靠地安装到高电压部件HV上而抑制流体泄漏，并且具有提高作业性的优点。另外，由于是使金属配管M的一部分为树脂制的配管构造，因此可降低配管整体的热容量。

此外，从进一步增加反应气体配管22(23、31、32)的柔软性(柔性)的观点出发，优选使用挠曲、弯曲等一开始就是弯曲状的树脂配管R。这种情况下，可使配管整体的柔软性相应地提高(参照图4)。

另外，反应气体配管22(23、31、32)例如由橡胶软管4和金属配管M构成，且为了将橡胶软管4安装到金属配管M而使用软管夹5时，希望可适当地确保箱C内的反应气体配管22(23、31、32)和其他部件(包括箱C自身)之间的绝缘性。以下举例进行说明(参照图5～图7)。

作为一个例子，在图5所示的配管构造中，由SUS等构成的金属配管M的端部之间由橡胶软管4连接。另外，在橡胶软管4中被金属配管M覆盖的部分上安装有软管夹5，在不产生流体泄漏的状态下固定(参照图5、图6)。

在此，在本实施方式中，考虑金属配管M和高电压部件HV之间的绝缘距离(沿面距离)而安装软管夹5。即，金属制的软管夹5在用于将橡胶软管4安装到金属配管M的部分时，其介于金属配管M和高电压部件HV之间，可减小它们之间的绝缘距离(沿面距离)。这一点，在本实施方式中，以能够确保充分的绝缘距离的方式配置软管夹5，由此可使金属配管M和高电压部件HV之间适当绝缘。

具体而言，在本实施方式中，考虑绝缘所需的沿面距离来决定软管夹5的安装位置。即，首先计算出金属配管M和软管夹5之间所需的沿面距离(a)，在此基础上使橡胶软管4的厚度(a1)和软管夹5的安装偏置量(从橡胶软管4的端面到软管夹5的距离)(a2)的合计值超过该需要的沿面距离(a)(a1+a2>a)(参照图6)。即，在本实施方式中，通过配置软管5使其比橡胶软管4的端面更靠近内侧，从而确保需要的沿面距离(a)。

另外，进而优选考虑软管夹5的安装角度(参照图7)。即，在该软管夹5上例如形成一对V字状扩展的旋钮部51、52时，考虑高电压部件HV、箱C的内面和该旋钮部51、52之间的空间距离来配置软管夹5。列举具体示例进行说明，在设一个旋钮部51的前端和高电压部件HV之间的空间距离为b1、另一个旋钮部52的前端和箱C的内面之间的空间距离为b2时，调整并决定该软管夹5的安装角度θ以使b1、b2超过需要的空间距离(b)，。另外，由于存在当扩大一个空间距离b1时，另一个空间距离b2变小的情况，因此需要考虑两个空间距离b1、b2的宽窄来调整安装角度θ(参照图7)。

如上所述，考虑沿面距离、空间距离来决定软管夹5的安装偏置量(a2)、安装角度θ，由此可在设置了该软管夹5的状态下确保适当的绝缘性。另外，在实际的燃料电池1中，在橡胶软管4的形状、反应气体配管22(23、31、32)的形状或配置、软管夹5的大小等中产生个体差异，但上述方法可适用于各燃料电池1或各燃料电池系统10，因此可吸收部件等中的这些误差成分，单独地确保适当的绝缘性。

此外，图5中的标记6是指由SUS等形成的、为了连接例如圆形剖面和矩形剖面这样不同形状的剖面而形成的所谓成型配管。一般情况下，成型的配管制造成本容易变高，因此从成本角度出发优选尽量共享同一类型的配管。这一点，根据本实施方式的配管构造，可在吸收反应气体配管22(23、31、32)等的焊接、冲压等加工误差的同时构成配管，因此与这些反应气体配管22(23、31、32)一样，对成型配管6也可提高通用性来实现降低成本。另外，在本实施方式中，左右中能够共用相同的成型配管6，因此更加有利。

此外，上述实施方式是本发明的优选实施方式的一个例子，但是不限于此，在不脱离本发明主旨的范围内可进行各种变形实施。例如在本实施方式中，作为反应气体配管示例了氧化气体流动的供给路径31、氧化废气流动的排出路径32、氢气流动的供给路径22、氢废气(燃料废气)流动的循环路径23，但这些只是示例。即，如果从变为与作为高电压部件HV的燃料电池1电连接的状态、自身也成为高电压部件HV的一部分的角度出发，虽未图示，但是冷却水用的配管等也存在和上述各种配管一样的情况。在这种情况下，和本实施方式一样，也可将本发明适用于该冷却水用配管。

根据本发明，可适当确保箱内的反应气体配管和高电压部件之间的绝缘距离。

因此，本发明可广泛应用于具有这种要求的燃料电池的配管构造。

Claims

1.一种燃料电池的配管构造，用于在配置了燃料电池和其他高电压部件的箱内配置反应气体配管，

在上述反应气体配管的一部分使用树脂配管。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的配管构造，上述树脂配管用于上述高电压部件附近的上述反应气体配管。

3.根据权利要求2所述的燃料电池的配管构造，上述反应气体配管中，至少在通过上述高电压部件的角部附近而与该高电压部件之间的距离变得最小的部分使用上述树脂配管。

4.根据权利要求1所述的燃料电池的配管构造，上述反应气体配管由橡胶软管和金属配管构成，将用于使上述橡胶软管安装在金属配管上的软管夹配置成能够确保上述反应气体配管与上述箱内的其他部件之间的绝缘距离。

5.根据权利要求4所述的燃料电池的配管构造，上述软管夹配置在上述橡胶软管的厚度和从该橡胶软管的端面到该软管夹的距离的合计值大于规定的圆面距离的位置上。

6.根据权利要求1至5的任意一项所述的燃料电池的配管构造，上述树脂配管是最初就形成为弯曲形状的树脂配管。

7.根据权利要求1至6的任意一项所述的燃料电池的配管构造，上述反应气体配管具有分叉的歧管，上述歧管的至少二个的前端安装在上述高电压部件的同一平面上。