CN111048798A

CN111048798A - 流体合流接头

Info

Publication number: CN111048798A
Application number: CN201910958311.1A
Authority: CN
Inventors: 外村孝直; 铃木裕士
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2020-04-21
Also published as: JP2020061314A; US11575143B2; DE102019126379A1; US20200119386A1; JP7152241B2

Abstract

本发明提供一种流体合流接头。流体合流接头构成为，在第1端部与第2端部对置的对置方向上，在主体躯体部中的燃料废气流入部与燃料气体流入部之间的位置，设置有如下部件的至少一方：(i)至少一个台阶，环绕主体躯体部的内壁的整周地形成，通过使燃料气体流路部侧的流路截面积比所述合流流路部侧的流路截面积小而形成；以及(ii)至少一个隔壁，环绕整周地形成，且从主体躯体部的内壁向内侧突出。

Description

流体合流接头

技术领域

本公开涉及使燃料电池中的燃料气体与燃料废气合流的流体合流接头的技术。

背景技术

公知有使向燃料电池供给的燃料气体、和从燃料电池排出的燃料废气合流的流体合流接头(合流部)(日本特开2013-251178)。该流体合流接头将燃料气体与燃料废气的合流后的混合气体朝向位于流体合流接头的外部的燃料电池导出。

在上述的流体合流接头中，存在液态水与燃料废气一同被导入至流体合流接头内的情况。当液态水侵入至流体合流接头中的供燃料气体流入的区域(流入区域)的情况下，有可能产生因所侵入的液态水在流入区域存积而导致无法稳定地进行燃料气体朝向燃料电池的供给的担忧。由此，希望一种能够减少液态水向流体合流接头中的流入区域侵入的可能性的技术。

发明内容

(1)本公开的第1方式涉及使向燃料电池供给的燃料气体、和从燃料电池排出的燃料废气合流的流体合流接头。该流体合流接头具备主体躯体部，该主体躯体部是具有第1端部、以及与上述第1端部对置且形成有用于导出上述燃料气体和上述燃料废气的混合气体的开口的第2端部的主体躯体部，且具有：(i)合流流路部，具有圆形的流路截面，使上述燃料气体与上述燃料废气合流；以及(ii)燃料气体流路部，位于比上述合流流路部靠上述第1端部侧的位置。上述主体躯体部具备：(a)燃料废气流入部，构成为以使上述燃料废气在上述合流流路部内回旋的方式，使上述燃料废气流入上述合流流路部内；(b)燃料气体流入部，构成为使上述燃料气体流入上述燃料气体流路部内；以及(c)台阶和隔壁的至少一方，(i)上述台阶为至少一个，在上述第1端部与上述第2端部对置的对置方向上，在上述主体躯体部中的上述燃料废气流入部与上述燃料气体流入部之间的位置，环绕上述主体躯体部的内壁的整周地形成，且通过使上述燃料气体流路部侧的流路截面积比上述合流流路部侧的流路截面积小而形成；(ii)上述隔壁为至少一个，在上述第1端部与上述第2端部对置的对置方向上，在上述主体躯体部中的上述燃料废气流入部与上述燃料气体流入部之间的位置，环绕上述整周地形成，且从上述主体躯体部的内壁向内侧突出。根据该方式，以使燃料废气在合流流路部内回旋的方式使燃料废气流入合流流路部，从而在燃料废气中包含液态水的情况下，能够将该液态水推至合流流路部的内壁。当推至合流流路部的内壁的液态水欲向燃料气体流入部侧移动的情况下，能够由台阶、隔壁捕捉朝向燃料气体流入部的液态水。由此，能够减少液态水侵入包含燃料气体流入部在内的燃料气体的流入区域的可能性。

(2)也可以构成为，上述合流流路部具有随着趋向上述第2端部而流路口径增大的形状。根据该结构，在以使合流流路部的中心轴为水平的方式配置了流体合流接头的情况下，合流流路部的内壁中的位于下侧的壁以随着趋向第2端部而位于下侧的方式倾斜。由此，能够借助重力来促进附着于位于下侧的壁的液态水朝向第2端部的移动。由此，能够更加减少液态水侵入流入区域的可能性。

(3)也可以构成为，上述至少一个台阶为多个台阶。根据该结构，形成有多个台阶，因此能够更加减少液态水向燃料气体的流入区域侵入的可能性。

(4)也可以构成为，上述至少一个隔壁为多个隔壁。根据该结构，形成有多个隔壁，因此能够更加减少液态水向燃料气体的流入区域侵入的可能性。

(5)也可以构成为，上述至少一个台阶以随着趋向上述主体躯体部的内侧而位于上述第2端部侧的方式倾斜。根据该结构，台阶以随着趋向内侧而位于第2端部侧的方式倾斜，从而能够更加抑制液态水越过台阶。由此，能够更加减少液态水向流入区域侵入的可能性。

(6)也可以构成为，上述至少一个隔壁以随着趋向上述主体躯体部的内侧而位于上述第2端部侧的方式倾斜。根据该结构，隔壁以随着趋向内侧而位于第2端部侧的方式倾斜，从而能够进一步抑制液态水越过隔壁。由此，能够更加减少液态水向流入区域侵入的可能性。

(7)也可以构成为，上述至少一个台阶的一部分的尺寸与上述至少一个台阶的其他部分的尺寸不同。根据该结构，例如，通过在台阶中使容易存积液态水的部分的尺寸比其他部分大，从而能够更加减少液态水向燃料气体的流入区域侵入的可能性。

(8)也可以构成为，上述至少一个隔壁的一部分的突出量与上述至少一个隔壁的其他部分的突出量不同。根据该结构，例如通过使隔壁中容易存积液态水的部分的突出量比其他部分大，从而能够更加减少液态水向燃料气体的流入区域侵入的可能性。

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点、技术以及工业意义，附图中相同的数字示出相同的部件。

附图说明

图1示出燃料电池系统。

图2示出流体合流接头的局部剖切立体图。

图3是用于对从燃料废气连接部导入的燃料废气的流动进行说明的示意图。

图4是用于对流体合流接头进一步进行说明的图。

图5示出第2实施方式的流体合流接头。

图6示出第3实施方式的流体合流接头。

图7示出第4实施方式的流体合流接头。

图8示出第5实施方式的流体合流接头。

图9示出第6实施方式的流体合流接头。

具体实施方式

A.第1实施方式：

图1是用于对本公开的燃料电池系统10进行说明的图。燃料电池系统10例如搭载于车辆，作为用于使车辆的驱动用马达驱动的发电装置来使用。燃料电池系统10具备控制部14、燃料电池12、以及燃料气体供排系统30。控制部14控制燃料电池系统10的动作。

燃料电池12是作为反应气体而接受氧化剂气体以及燃料气体的供给，通过氧与氢的电化学反应来发电的固体高分子形燃料电池。在本实施方式中，氧化剂气体为空气，燃料气体为氢气。燃料电池12具有多个单电池层叠而成的堆叠结构。各单电池是各自能够以单体进行发电的发电元件。单电池具备膜电极接合体、夹着膜电极接合体的两张隔板。膜电极接合体具有电解质膜、配置于电解质膜的一方的面的阳极、和配置于电解质膜的另一方的面的阴极。电解质膜是在内部包含水分的湿润状态时示出良好的质子传导性的固体高分子薄膜。在各单电池的外圆周端部，设置有沿各单电池的层叠方向延伸，与各单电池的发电部分支连接的反应气体用的歧管(省略图示)。各单电池以层叠的状态且以在层叠方向上被夹持的状态被紧固。

燃料气体供排系统30具备燃料气体罐42、燃料气体供给路31、开闭阀51、调节器52、以及喷射器59。燃料气体罐42例如储藏有高压的氢气。燃料气体供给路31是供从燃料气体罐42朝向燃料电池12的燃料气体流通的配管。开闭阀51对来自燃料气体罐42的燃料气体的供给的执行和停止进行切换。调节器52对比喷射器59靠上游侧的燃料气体的压力进行调整。喷射器59是根据由控制部14设定的驱动周期、开阀时间来进行电磁驱动的开闭阀，调整向燃料电池12供给的燃料气体供给量。

燃料气体供排系统30还具备燃料废气循环路32、气液分离器44、循环泵54、排气排水阀53、以及排气排水路55。

燃料废气循环路32是用于将从燃料电池12排出的燃料废气向后述的流体合流接头60引导，从而供燃料废气循环的配管。气液分离器44设置于燃料废气循环路32，从混有液态水的燃料废气中分离液态水。循环泵54使燃料废气循环路32内的燃料废气朝向燃料气体供给路31循环。排气排水路55是将排出液态水的气液分离器44的排出口和外部连通的配管。排气排水阀53配置于排气排水路55，对排气排水路55进行开闭。通过使排气排水阀53为打开状态，从而作为燃料废气所包含的杂质气体的氮气与液态水一同经由排气排水路55向外部排出。

燃料电池系统10还具有流体合流接头60。在流体合流接头60，连接有燃料气体供给路31以及燃料废气循环路32。具体而言，燃料气体供给路31与流体合流接头60的燃料气体连接部62连接，燃料废气循环路32与流体合流接头60的燃料废气连接部64连接。流体合流接头60由不锈钢等金属、合成树脂形成。流体合流接头60使向燃料电池12供给的燃料气体和从燃料电池12排出的燃料废气合流。合流后的燃料气体以及燃料废气的混合气体向燃料电池12供给。在以下的说明中，上游以及下游是以朝向燃料电池12的混合气体的流动方向为基准的，将朝向燃料电池12的一侧作为下游侧。

另外，燃料电池系统10具备：用于向燃料电池12供给氧化剂气体以及从燃料电池12排出氧化剂废气的氧化剂气体供排系统(未图示)、和使水等制冷剂在燃料电池12循环而对燃料电池12的温度进行调整的制冷剂循环系统(未图示)。

图2是流体合流接头60的局部剖切立体图。图3是用于对从燃料废气连接部64导入的燃料废气的流动进行说明的示意图。在图2以及图3中，由箭头表示流体合流接头60内的气体的流动。如图2所示，流体合流接头60具备主体躯体部66、燃料气体连接部62、以及燃料废气连接部64。

主体躯体部66是作为上游端的一端部67形成底壁的有底筒状。主体躯体部66具有上述的一端部67、以及与一端部67对置的另一端部(下游端)61。另一端部61具有将燃料气体与燃料废气的混合气体朝向燃料电池12导出的开口68。主体躯体部66具有燃料气体流路部72和合流流路部74。流体合流接头60在组装于燃料电池系统10且搭载燃料电池系统10的车辆位于水平面的情况下，配置为例如合流流路部74的中心轴呈大体水平。

合流流路部74是使燃料气体与燃料废气合流的流路。合流流路部74的流路截面为圆形。合流流路部74的下游端是主体躯体部66的另一端部61。燃料气体流路部72位于比合流流路部74靠上游侧的位置。在本实施方式中，燃料气体流路部72的下游端与合流流路部74的上游端连接。燃料气体流路部72的流路截面为圆形。燃料气体流路部72的上游端是主体躯体部66的一端部67。

燃料废气连接部64与筒状的主体躯体部66的侧壁69连接。燃料废气连接部64的一端是形成于主体躯体部66的侧壁69的燃料废气流入部65。燃料废气流入部65具有使在燃料废气循环路32流动的燃料废气向合流流路部74流入的开口。燃料废气流入部65以使燃料废气在合流流路部74内回旋的方式，使燃料废气流入合流流路部74。详细而言，如图3所示，燃料废气流入部65构成为沿着圆形的流路截面的切线方向使燃料废气相对于合流流路部74流入。由此，流入至合流流路部74的燃料废气沿着内壁77回旋，同时朝向另一端部61(图2)流通。对于没有被气液分离器44分离干净的燃料废气中的液态水而言，由于比重比燃料废气高，因此被推压而附着于内壁77。由此，能够将燃料废气与液态水分离。此外，燃料废气流入部65只要以使燃料废气在合流流路部74内回旋的方式使燃料废气流入合流流路部74即可，不限定于本实施方式。例如，燃料废气流入部65也可以构成为，从相对于圆形的流路截面的切线方向稍稍偏移的方向使燃料废气相对于合流流路部74流入。

如图2所示，燃料气体连接部62与筒状的主体躯体部66的侧壁69连接。具体而言，燃料气体连接部62在比连接有燃料废气连接部64的位置靠一端部67侧的位置和侧壁69连接。燃料气体连接部62的一端是形成于侧壁69的燃料气体流入部63。燃料气体流入部63使在燃料气体供给路31流动的燃料气体向燃料气体流路部72流入。流入至燃料气体流路部72的燃料气体向另一端部61侧流通，在合流流路部74与燃料废气合流。

流体合流接头60还具有台阶76。台阶76在一端部67与另一端部61对置的对置方向上，形成于主体躯体部66中的燃料废气流入部65与燃料气体流入部63之间的位置。台阶76环绕主体躯体部66的内壁77的整周地形成。台阶76具有朝向另一端部61侧的面。台阶76通过使燃料气体流路部72侧的主体躯体部66的流路截面积比合流流路部74侧的主体躯体部66的流路截面积小而形成。

图4是用于对流体合流接头60进一步进行说明的图。图4是以通过合流流路部74的中心轴且与中心轴平行的面将流体合流接头60切断时的示意图。在图4中，由箭头表示在流体合流接头60流动的气体的流动。如上述那样，从燃料废气流入部65流入的燃料废气沿着内壁77回旋，同时朝向另一端部61流通。在燃料废气中包含液态水82的情况下，该液态水82被推至内壁77，从而附着于内壁77。当搭载了燃料电池系统10的车辆位于倾斜面的情况下等、内壁77的液态水82欲朝向燃料气体流入部63侧移动的情况下，能够通过台阶76对朝向燃料气体流入部63的液态水进行捕捉。由此，能够减少液态水向包含燃料气体流入部6的燃料气体的流入区域RG侵入的可能性。由此，能够抑制因液态水滞留于流入区域RG、所滞留的液态水冻结，从而阻碍燃料气体朝向燃料电池12的供给的情况。由此，能够稳定地进行燃料电池12的发电。

B.第2实施方式：

图5表示第2实施方式的流体合流接头60a。第2实施方式的流体合流接头60a与图4所示的第1实施方式的流体合流接头60的不同之处在于合流流路部74a的形状。第2实施方式的其他结构是与第1实施方式相同的结构，因此针对相同的结构标注相同的附图标记并省略说明。

合流流路部74a是随着趋向另一端部61而流路口径变大的形状。即，合流流路部74a的流路是以另一端部61为底面的圆锥台形状。当搭载燃料电池系统10的车辆位于水平面的情况下，在合流流路部74a中，内壁77a中的重力方向侧(纸面下侧)的壁77as以随着趋向另一端部61侧而位于下侧的方式倾斜。由此，通过重力而促进附着于壁77as的液态水82朝向另一端部61的移动，因此能够进一步减少液态水82侵入流入区域RG的可能性。

C.第3实施方式：

图6表示第3实施方式的流体合流接头60b。第3实施方式的流体合流接头60b与图4所示的第1实施方式的流体合流接头60的不同之处在于台阶76b的形状。第3实施方式的其他结构是与第1实施方式相同的结构，因此对于相同的结构，标注相同的附图标记并省略其说明。

台阶76b以随着趋向主体躯体部66的内侧而位于另一端部61侧的方式倾斜。即，台阶76b从主体躯体部66的内壁朝向主体躯体部66的内侧且另一端部61侧的位置延伸。由此，能够抑制液态水82越过台阶76b，因此能够更加减少液态水侵入流入区域RG的可能性。

D.第4实施方式：

图7表示第4实施方式的流体合流接头60c。第4实施方式的流体合流接头60c与图4所示的第1实施方式的流体合流接头60的不同之处在于如下方面：隔壁90代替台阶76地作为抑制液态水朝向流入区域RG的侵入的侵入抑制部而发挥功能；主体躯体部66c的内径从一端部67直至另一端部61为恒定。第4实施方式的其他结构是与第1实施方式相同的结构，因此对于相同的结构，标注相同的附图标记并省略说明。

隔壁90在一端部67与另一端部61对置的对置方向上，形成于主体躯体部66c中的燃料废气流入部65与燃料气体流入部63之间的位置。隔壁90从主体躯体部66c的内壁77向内侧突出。隔壁90环绕内壁77的整周地配置。隔壁90是具有一定的厚度的圆环状。根据本实施方式，能够利用隔壁90来捕捉朝向燃料气体流入部63的液态水82，因此能够减少液态水侵入流入区域RG的可能性。由此，能够抑制因液态水滞留于流入区域RG、所滞留的液态水冻结而阻碍燃料气体朝向燃料电池12的供给。由此，能够稳定地进行燃料电池12的发电。

E.第5实施方式：

图8表示第5实施方式的流体合流接头60d。第5实施方式的流体合流接头60d与图7所示的第4实施方式的流体合流接头60c的不同之处在于如下方面：设置有多个环绕内壁77的整周地形成的隔壁90。第5实施方式的其他结构是与第4实施方式相同的结构，因此对于相同的结构，标注相同的附图标记并省略说明。在本实施方式中，隔壁90形成为两个。两个隔壁90在沿着合流流路部74的中心轴的方向上隔开间隔地配置。根据第5实施方式，通过设置两个隔壁90，从而能够更加减少合流流路部74内的液态水侵入流入区域RG的可能性。

F.第6实施方式：

图9表示第6实施方式的流体合流接头60e。图9是从另一端部61侧观察流体合流接头60e的示意图。第6实施方式的流体合流接头60e与图4所示的第1实施方式的流体合流接头60的不同之处在于：台阶76e的尺寸在局部不同。第6实施方式的其他结构是与第1实施方式相同的结构，因此对于相同的结构，标注相同的附图标记并省略其说明。台阶76e构成为，纸面上侧的第1部分76e1的尺寸比纸面下侧的第2部分76e2大。台阶76e的尺寸是从内壁77向内侧突出的突出量。台阶76e的尺寸较大的第1部分76e1优选配置于液态水82容易存积的部分。液态水82容易存积的部分例如可以是重力方向侧，可以是在主体躯体部66的周向上燃料废气从燃料废气流入部65流入而最初与内壁77碰撞的区域。这样，能够使容易存积液态水82的部分的台阶76e的尺寸较大，因此能够更加减少合流流路部74内的液态水侵入流入区域RG的可能性。

G.变形例：

G－1.第1变形例：

在上述各实施方式中，当搭载燃料电池系统10的车辆位于水平面的情况(基准配置状态的情况)下，以使合流流路部74、74e的中心轴为大体水平的方式配置流体合流接头60～60e，但并不限定于此。例如，在基准配置状态的情况下，也可以以使合流流路部74、74e的中心轴倾斜的方式配置流体合流接头60～60e。即便如此，由于流体合流接头60～60e具有台阶76、76b、76e、隔壁90，因此也能够减少合流流路部74、74a的液态水侵入燃料气体的流入区域RG的可能性。

G－2.第2变形例：

在上述各实施方式中，燃料气体流路部72的流路截面为大致圆形，但并不限定于此，也可以是其他的形状。例如，燃料气体流路部72的流路截面也可以为矩形状。

G－3.第3变形例：

也可以将上述各实施方式的两个以上的实施方式组合在一起。例如，第1实施方式的流体合流接头60(图4)也可以除了台阶76之外，还具有流体合流接头60c的隔壁90(图7)。

G－4.第4变形例：

上述第4实施方式、第5实施方式的隔壁90(图7、图8)也可以与第3实施方式的台阶76b(图6)相同地，以随着趋向主体躯体部66c的内侧位于另一端部61侧的方式倾斜。这样，能够抑制合流流路部74内的液态水越过隔壁90，能够更加减少液态水侵入流入区域RG的可能性。另外，上述第4实施方式、第5实施方式的隔壁90(图7、图8)也可以在局部具有突出量不同的部分。与第6实施方式的流体合流接头60e(图9)相同地，例如隔壁90中的突出量较大的部分优选配置于容易存积液态水82的部分。这样，能够增大容易存积液态水82的部分的隔壁90的突出量，因此能够更加减少合流流路部74内的液态水侵入流入区域RG的可能性。

G－5.第5变形例：

在上述第1～第3实施方式、第6实施方式中，台阶76、76b、76e也可以形成有多个。由此，能够更加减少液态水侵入燃料气体的流入区域RG的可能性。

此外，本公开并不限定于上述的实施方式、上述变形例，也包含各种变形例。例如，上述的实施方式是为了容易理解本发明而详细地说明的，并不一定限定于具备所说明的全部的结构。另外，能够将一个实施方式的结构的一部分置换为变形例的结构，另外也能够对一个实施方式的结构添加变形例的结构。另外，对于各实施方式的结构的一部分，能够进行变形例的追加、删除、置换。

Claims

1.一种流体合流接头，使向燃料电池供给的燃料气体和从燃料电池排出的燃料废气合流，其特征在于，

具有主体躯体部，

所述主体躯体部具有：第1端部、以及与所述第1端部对置且形成有导出所述燃料气体和所述燃料废气的混合气体的开口的第2端部，

所述主体躯体部具有：(i)合流流路部，具有圆形的流路截面，使所述燃料气体与所述燃料废气合流；以及(ii)燃料气体流路部，位于比所述合流流路部靠所述第1端部侧的位置，

其中，所述主体躯体部具备：

(a)燃料废气流入部，构成为以使所述燃料废气在所述合流流路部内回旋的方式，使所述燃料废气流入所述合流流路部内；

(b)燃料气体流入部，构成为使所述燃料气体流入所述燃料气体流路部内；以及

(c)台阶和隔壁的至少任一方，(i)所述台阶为至少一个，在所述第1端部与所述第2端部对置的对置方向上，在所述主体躯体部中的所述燃料废气流入部与所述燃料气体流入部之间的位置，环绕所述主体躯体部的内壁的整周地形成，且通过使所述燃料气体流路部侧的流路截面积比所述合流流路部侧的流路截面积小而形成；(ii)所述隔壁为至少一个，在所述第1端部与所述第2端部对置的对置方向上，在所述主体躯体部中的所述燃料废气流入部与所述燃料气体流入部之间的位置，环绕所述整周地形成，且从所述主体躯体部的内壁向内侧突出。

2.根据权利要求1所述的流体合流接头，其特征在于，

所述合流流路部具有随着趋向所述第2端部而流路口径增大的形状。

3.根据权利要求1或2所述的流体合流接头，其特征在于，

所述至少一个台阶为多个台阶。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的流体合流接头，其特征在于，

所述至少一个隔壁为多个隔壁。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的流体合流接头，其特征在于，

所述至少一个台阶以随着趋向所述主体躯体部的内侧而位于所述第2端部侧的方式倾斜。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的流体合流接头，其特征在于，

所述至少一个隔壁以随着趋向所述主体躯体部的内侧而位于所述第2端部侧的方式倾斜。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的流体合流接头，其特征在于，

所述至少一个台阶的一部分的尺寸与所述至少一个台阶的其他部分的尺寸不同。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的流体合流接头，其特征在于，

所述至少一个隔壁的一部分的突出量与所述至少一个隔壁的其他部分的突出量不同。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的流体合流接头，其特征在于，包括：

燃料气体连接部，构成为与燃料气体供给路连接，且与燃料气体流入部连接；和

燃料废气连接部，构成为与燃料废气循环路连接，且与所述燃料废气流入部连接。