JP2008130282A - 燃料電池用配管 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池車の走行中に燃料電池の生成水の排出性が損なわれて電圧低下が生じるのを抑える。
【解決手段】セル積層体を複数備えた構造の車両搭載用燃料電池１に対して流体排出用として取り付けられる燃料電池用配管４であって、セル積層体における複数のセルの積層方向が当該車両の車幅方向となった状態でこれら複数のセル積層体が当該車両の前後方向に配置されており、配管４は各セル積層体からの排出経路の途中に設けられた合流部で合流する集合管であるととともに、当該合流部４ａに至るまでの配管途中において流体が逆流するのを抑止する逆流抑止部５を備えている。逆流抑止部５は、例えば燃料電池１の中央位置から当該車両の前方向または後方向にずらされた合流部４ａを含むものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用配管に関する。さらに詳述すると、本発明は、車両搭載用燃料電池に対して流体排出用として取り付けられる燃料電池用配管の構造に関する。

例えば高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されているもので、燃料ガス（例えば水素ガス）と酸化ガス（例えば空気中の酸素）とを反応させて発電する。このような燃料電池は例えば車両用の発電装置として利用可能であり、このような車両（燃料電池車）としては、複数のセル積層体を当該車両の前後方向に配置した状態で搭載しているもの等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３６７６３７号公報

しかしながら、このように車両に搭載されている燃料電池は、当該燃料電池車の走行中に傾いてしまい、生成水の排出性が損なわれた状態となることがある。そうすると、いわゆるフラッディングにより電圧低下が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、燃料電池車の走行中に燃料電池の生成水の排出性が損なわれ電圧低下が生じるのを抑えることが可能な燃料電池用配管を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば上述のような燃料電池に対しては各セル積層体のオフガスや生成水を排出するための複数の配管が取り付けられ、尚かつこれら複数の配管が途中で合流した構造となっているものがある。ところが、例えば燃料電池車が急発進したような場合、搭載されている燃料電池が力を受けて後方に傾いた状態となり、このとき車両リア側のセル積層体において排水性が損なわれ、結果としてフラッディングに至ることがある。この点に着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想を得るに至った。

本発明はかかる着想に基づくものであり、セル積層体を複数備えた構造の車両搭載用燃料電池に対して流体排出用として取り付けられる燃料電池用配管において、セル積層体における複数のセルの積層方向が当該車両の車幅方向となった状態でこれら複数のセル積層体が当該車両の前後方向に配置されており、配管は各セル積層体からの排出経路の途中に設けられた合流部で合流する集合管であるととともに、当該合流部に至るまでの配管途中において流体が逆流するのを抑止する逆流抑止部を備えることを特徴とするもものである。

複数のセル積層体に対して途中で合流する構造の配管（集合管）は、通常の状態であれば排水性が損なわれるようなことはないものの、燃料電池が傾くと一緒に傾いた状態となって排水性が損なわれてしまうことがある。つまり、例えば燃料電池がリア側に傾くと配管も同様にリア側に傾いてしまい、リア側のセル積層体からの排水が当該セル積層体と合流部との間に溜まりフラッディングの原因となることがある。この点、本発明にかかる燃料電池用配管の場合には、上述のように備え付けられている逆流抑止部が、合流部に至るまでの配管途中において流体が逆流するのを抑止することから、燃料電池や配管が例えばリア側に傾いたとしても、燃料電池の生成水を配管の途中に溜めることなく合流部まで導きやすい。あるいは、燃料電池や配管が傾いてはいないが当該燃料電池車が急発進したり急制動したりして前後方向への力が作用した場合にも、燃料電池の生成水が配管途中を逆流するのを抑止することができる。これによれば、燃料電池車の走行中に燃料電池が傾いた場合にも生成水の排出性が損なわれるのを抑制することができるから、これに起因して電圧低下が生じるのを抑えることが可能である。

前記逆流抑止部は、例えば前記燃料電池の中央位置から当該車両の前方向または後方向にずらされた前記合流部を含むものである。集合配管の合流部が燃料電池の中央位置から例えば車両後方向にずれた構造となっている場合、上述のように燃料電池と配管とがリア側に傾いたとしても、燃料電池の生成水が配管の途中に溜まるのを抑止して合流部まで導くことができる。これによれば、燃料電池車の急発進などにより前後方向への強い力が作用したり、あるいはこれに起因して燃料電池や配管に傾きが生じたりした場合にも生成水の排出性が損なわれるのを抑制することができる。

また、前記逆流抑止部は、前記セル積層体との接続部分から重力方向下方に傾斜しつつ取り回されている配管部分を含むものであることが好ましい。重力方向下方に傾斜する構造の配管部分は生成水を鉛直下方へと誘導しやすく、当該配管途中で生成水が逆流するのを抑止するから、燃料電池車の走行中に生成水の排出性が損なわれるのを抑制することができる。しかも、途中で折り曲げられたりいわゆる邪魔板が設けられたりした構造の場合には途中の流路抵抗が増すことになるが、本発明にかかる配管の場合にはこのように途中で流路抵抗が増すようなことなく逆流を抑制することが可能である。

さらには、前記セル積層体の端部またはその近傍に設けられたフランジ部内の流路が傾斜していることも好ましい。フランジ部内の傾斜した流路はセル積層体から排出された生成水を例えば配管の合流部に向けて導きやすく、途中で逆流が生じるのを抑えることができる。したがって、燃料電池車の走行中に生成水の排出性が損なわれるのを抑制することができる。

また、排出口の近傍に逆流を抑制するための段差が形成されているがさらに好ましい。これによれば、排出口の近傍まで至った生成水が配管の内部側へと逆流をするのを抑止することができる。

さらに、前記逆流抑止部は、想定される燃料電池の傾きより少なくとも大きい傾きの配管部分を含むものであることも好ましい。

あるいは、前記逆流抑止部は、当該車両の加速時または減速時においても流体が逆流するのを抑止する程度の傾きの配管部分を含むものであることも好ましい。燃料電池や配管が傾いてはいないが当該車両が急発進したり急制動したりして前後方向への力が作用した場合にも、燃料電池の生成水が配管途中を逆流するのを抑止することができる。

本発明によれば、燃料電池車の走行中に燃料電池生成水の排出性が損なわれて電圧低下が生じるのを抑えることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図７に本発明にかかる燃料電池用配管の実施形態を示す。本発明における燃料電池用配管４は、セル積層体３を複数備えた構造の車両搭載用燃料電池１に対して流体排出用として取り付けられているものである。本実施形態の燃料電池用配管４は、各セル積層体３からの流体排出経路の途中における合流部４ａにて合流する形状の集合管であり、当該合流部４ａに至るまでの配管途中において流体が逆流するのを抑止する逆流抑止部５を備える構成となっている。

燃料電池１は例えば高分子電解質形燃料電池であり、多数のセル２を積層してなるセル積層体（セルスタック）３を有している。このような燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）１４の車載発電装置として利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電装置としても用いることが可能である。なお、各図において、当該燃料電池車両１４の進行方向（前方向）を符号Ｆで示している（図５等参照）。

本実施形態の燃料電池１は、セル積層体３を複数（例えば２個）並列させた構造となっている。このような複数のセル積層体３は、例えばその端部に位置する端セルどうしが集電板で接続される等により複数のセル２が電気的に直列に接続された構造となる。本実施形態の２個のセル積層体３は、各セル積層体３の両端のエンドプレート８を共有している（図１参照）。

本実施形態では、このような燃料電池１を、セル積層体３における複数のセル２の積層方向が車両１４の車幅方向に一致した状態でこれら２個のセル積層体３が当該車両１４の前後方向に並ぶように配置している（図５、図６参照）。また、各セル積層体３はケース１０に収められて車両１４に搭載されている。セル積層体３が複数個（例えば２個）水平に配置されている本実施形態の場合、全セル積層体３が１つの共通のケース１０に収容されている。

このような燃料電池１を構成しているセル２は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する構造となっている。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により化学反応が生じて電力を発生する。

また、セル積層体３の端部（燃料電池用配管４と反対側）にはインシュレータ７およびプレッシャプレート１２が設けられている（図１参照）。プレッシャプレート１２とエンドプレート（燃料電池用配管４と反対側のプレート）８との間には、各セル２に対して積層方向への圧力をかけるためのばね機構１１が設けられている。さらに、セル積層体３の両端の設けられた一対のエンドプレート８どうしを繋ぐように例えば一対のテンションプレート９が当該セル積層体３の上部および下部に設けられている（図２等参照）。

また、セル積層体３を構成している各セル２およびエンドプレート８には冷媒マニホールド１７が連通して流路を形成するように設けられている（図２、図３等参照）。冷媒は入口側の冷媒マニホールド１７（１７ａ）から流れ込み、セル積層体３の内部を通過した後で出口側の冷媒マニホールド１７（１７ｂ）から流れ出る。同様に、各セル２およびエンドプレート８には燃料ガスマニホールド１６が連通して燃料ガス流路を形成するように設けられ、さらに酸化ガスマニホールド１５が連通して酸化ガス流路を形成するように設けられている（図３等参照）。燃料ガスは入口側の燃料ガスマニホールド１６（１６ａ）から流れ込み、セル積層体３の内部を通過した後で出口側の燃料ガスマニホールド１６（１６ｂ）から流れ出る。同様に、酸化ガスは入口側の酸化ガスマニホールド１５（１５ａ）から流れ込み、セル積層体３の内部を通過した後で出口側の酸化ガスマニホールド１５（１５ｂ）から流れ出る。なお、図２等に示した各マニホールド１５〜１７の形状や大きさ、配置は一例を概略的に示したものに過ぎず、このような形態に限られるというわけではない。

また、セル積層体３の一端にあるエンドプレート（プレッシャプレート１２やばね機構１１が配される側とは反対側にあるエンドプレート）８には、出口側の冷媒マニホールド１７（１７ｂ）から流れ出る冷媒（冷却水）を排出するための冷媒配管（燃料電池用配管）４が接続されている（図１等参照）。さらに、冷媒配管４が燃料電池１（のエンドプレート８）に接続される部分には突縁状のフランジ部６が形成されている（図Ａ参照）。

なお、本実施形態では特に図示していないが、燃料ガスや酸化ガスを供給しあるいはオフガスを排出するための燃料ガス配管や酸化ガス配管、さらには上述の冷媒（冷却水）を供給するための別の冷媒配管も上述の冷媒配管４と同様にしてエンドプレート８に接続されている。燃料ガス、酸化ガスは、このような燃料ガス配管や酸化ガス配管によってセル積層体３へと供給され、さらにオフガスとして排出される。冷媒（冷却水）は、図示していない別の冷媒配管によってセル積層体３へと供給され、上述の冷媒配管４によって排出される。

ここで、上述の冷媒配管４は、２つあるセル積層体３のそれぞれからの排出経路（図３等において車両進行方向Ｆの排出経路を符号４ｆ、後方側の排出経路を４ｒで示す）を有し、尚かつ当該排出経路４ｆ、４ｒの途中で合流する構造の配管（集合管）として形成されている（図３、図４参照）。さらにこの冷媒配管４は、当該合流部（図中符号４ａで示す）に至るまでの配管途中において流体が逆流するのを抑止するための逆流抑止部５を備えている。このような逆流抑止部５の具体的構造としては種々のものがあるが、例えば本実施形態においては上述の合流部４ａを燃料電池１の中央位置から当該車両１４の後方向にずらした構造としている（図３参照）。すなわち、排出経路４ｆ，４ｒの合流部４ａは、並列した２つのセル積層体３の中間よりも車両１４の後方寄りに配置されており、この結果、前方の排出経路４ｆよりも後方の排出経路４ｒのほうが経路長が短くなっている（従前の排出経路の表す図３中の破線参照）。

このように冷媒配管（集合配管）４の合流部４ａが燃料電池１の中央位置から車両後方側へとずれた構造となっている場合、例えば車両１４が急発進して燃料電池１と冷媒配管１４とがリア側に傾いたとしても（図７参照）、燃料電池１の生成水が当該冷媒配管４の途中に溜まるのを抑止して合流部４ａまで導きやすい。この場合、後方寄りに配置された合流部４ａおよびこれによって経路長が短くなった排出経路４ｒが、冷媒の逆流を抑止するために好適な構造として機能する（図３等参照）。このような逆流抑止構造を備えた本実施形態の冷媒配管４によれば、車両１４の急発進により力（加速力）が作用したりこれに起因して燃料電池１や当該冷媒配管４に傾きが生じたりした場合にも冷媒（冷却水）の排出性が損なわれるのを抑制することができる。

さらにこの冷媒配管４は、セル積層体３（より具体的にはエンドプレート８）との接続部分から重力方向下方に傾斜しつつ取り回されている配管部分を含むものであることが好ましい。例えば本実施形態では、車両後方寄りに位置する排出経路４ｒが、特にエンドプレート８への接続部分の周辺において鉛直方向下側に傾斜するように取り回されているため、セル積層体３から排出された水を合流部４ａまで導きやすくなっている（図２参照）。また、仮に当該冷媒配管４および燃料電池１に後方への傾きが生じたとしても、上述したようにあらかじめ傾斜した状態で取り回され、尚かつ合流部４ａまでの経路長が短い本実施形態の冷媒配管４によれば当該冷媒が逆流するのを抑止しやすい。このような構造は、特に途中が折り曲げられたり、渦巻き込み防止用等のいわゆる邪魔板が設けられていたりする構成と比較して、流路抵抗を減らすことなく逆流を抑止しうる点で好適である。

また、本実施形態においては、上述したフランジ部６内またはその近傍における冷媒流路をも傾斜させるようにしている。すなわち、出口側の冷媒マニホールド１７（１７ｂ）のうち少なくともフランジ部６に含まれる部分を鉛直方向下側へと傾斜するようにして、上述のように傾斜している排出経路４ｒに傾斜した状態で連なるようにしている（図２参照）。こうした場合、フランジ部６内の傾斜した流路（図２中で符号１７’で示している）は冷媒（セル積層体３から排出された生成水を含む）を例えば冷媒配管４の合流部４ａに向けて導きやすく、途中で逆流が生じるのをさらに抑止する。なお、フランジ部６内における流路を傾斜させるだけでなく、例えばエンドプレート８内に形成されている流路（冷媒マニホールド１７）を傾斜させてもよい。要は、セル積層体３の端部から冷媒配管４へと連なる部分においても傾斜を設ければ排水の途中で逆流するのを抑止しやすくなる点で好適である。

なお、上述したように冷媒配管４の一部（例えば排出経路４ｒ）を傾斜させたり、あるいはフランジ部６内またはその近傍における冷媒流路１７’を傾斜させたりする場合、当該傾斜の角度を、想定される燃料電池１の傾きより少なくとも大きくするようにしてもよい。例えば上述した排出経路４ｒを想定される燃料電池１の傾きより大きく傾斜させておけば、仮に燃料電池１が傾いた状態となっても当該排出経路４ｒの途中で逆流が生じるのを抑止しやすい。また、同様の観点からすれば、車両１４の急発進時に想定される加速度が作用した状況下でも冷媒が逆流しない程度の傾斜角度としておいてもよい。これらを考慮した傾斜角度を設定しておくことにより、例えば急発進に伴う強い加速度が作用し、尚かつ燃料電池１が傾いた状態になっても冷媒の逆流が生じるのを抑止することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池用配管４においては、車両後方側に配置された合流部４ａ、短く尚かつ当該合流部４ａに向けて傾斜した形状の排出経路４ｒ、さらにはフランジ部６の周辺において傾斜した流路１７’などで構成される逆流抑止部５が、合流部４ａに至るまでの配管途中において流体が逆流するのを抑止する。すなわち、従前のような水平方向に延びるように形成された配管、あるいは図３に破線で示したように集合管の合流部が中央に配置された配管などに比べ、本実施形態の配管４によれば配管途中において流体が逆流するのを抑止しやすくなっている。このため、燃料電池１や配管４が例えばリア側に傾いたとしても、燃料電池１の生成水を配管４の途中に溜めることなく合流部４ａまで導きやすい（図７等参照）。これによれば、燃料電池車両１４の走行中に燃料電池１が傾いた場合にも生成水の排出性が損なわれるのを抑制し、これによって流体の流れが低下することを抑えることができるから、これに起因して電圧低下が生じるのを抑えることが可能である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では合流部４ａを燃料電池１の中央位置から車両１４の後方にずらした構成の燃料電池用配管４について説明したが、もちろん、この合流部４ａを燃料電池１の中央位置から車両１４の前方にずらした構成としてもよい。こうした場合には、特に車両４１の制動時（減速時）に燃料電池１が前方へと傾いたような場合に流体（生成水）の流れが低下するのを抑止できるという点で好適である。

また、本実施形態では主として傾斜した形状の配管４について説明したが、当該配管４の一部に段差を適宜設けることとしてもよい。例えば、エンドプレート８と配管４との間に形成される排出口（本実施形態の場合であれば例えばエンドプレート８に形成された冷媒マニホールド１７）の近傍に、流体の逆流をさらに抑制するための段差４ｓを設けることも好ましい（図８参照）。図８においては冷媒マニホールド１７から合流部４ａへと向かう途中に一段下がる形状の段差４ｓが設けられた配管４を例示しているが、このほか、例えば排出方向に沿って径が変化するテーパ形状部分にて段差４ｓを構成するようにしてもよい。

本実施形態における車両搭載用燃料電池の構成を示す平面図である。 図１に示した燃料電池の配管等の構成を示す右側面からの部分図である。 図１に示した燃料電池の正面図である。 図１および図２のIV-IV線における断面図である。 車両に搭載された状態の燃料電池１の平面図である。 燃料電池およびこれを搭載した車両の側面図である。 加速時の車両および燃料電池の様子を示す側面図である。 本発明の他の実施形態を示す配管等の右側面からの部分断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、４…冷媒配管（燃料電池用配管）、４ａ…合流部、４ｆ…排出経路、４ｒ…排出経路、４ｓ…段差、５…逆流抑止部、６…フランジ部、１４…燃料電池車両（車両）

Claims (7)

1. セル積層体を複数備えた構造の車両搭載用燃料電池に対して流体排出用として取り付けられる燃料電池用配管において、
   セル積層体における複数のセルの積層方向が当該車両の車幅方向となった状態でこれら複数のセル積層体が当該車両の前後方向に配置されており、
   配管は各セル積層体からの排出経路の途中に設けられた合流部で合流する集合管であるととともに、当該合流部に至るまでの配管途中において流体が逆流するのを抑止する逆流抑止部を備える
   ことを特徴とする燃料電池用配管。
2. 前記逆流抑止部は、燃料電池の中央位置から当該車両の前方向または後方向にずらされた前記合流部を含むものであることを特徴とする請求項１に燃料電池用配管。
3. 前記逆流抑止部は、セル積層体との接続部分から重力方向下方に傾斜しつつ取り回されている配管部分を含むものであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用配管。
4. セル積層体の端部またはその近傍に設けられたフランジ部内の流路が傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用配管。
5. 排出口の近傍に逆流を抑制するための段差が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池用配管。
6. 前記逆流抑止部は、想定される燃料電池の傾きより少なくとも大きい傾きの配管部分を含むものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池用配管。
7. 前記逆流抑止部は、当該車両の加速時または減速時においても流体が逆流するのを抑止する程度の傾きの配管部分を含むものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池用配管。

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