JP2021015704A - リーク検出構造 - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器と水素ポンプとの間隔が狭くてもオフガスに含まれる水素ガスの漏洩を安定して検出できるリーク検出構造を提供する。【解決手段】リーク検出構造１は、ストロー型のプローブ４１を備えた水素リークディテクタ４と組み合わせて水素ガスの漏洩を検出する。リーク検出構造１は、気液分離器２と、水素ポンプ３と、囲繞部材５と、を備えている。気液分離器２と水素ポンプ３とは、隙間をあけて配置されている。囲繞部材５は、気液分離器２と水素ポンプ３との隙間の少なくとも一部に詰められている。気液分離器２に設けられた排気口２２は、水素ポンプ３に設けられた吸気口３１に接続されている。プローブ４１の先端は、排気口２２と吸気口３１との嵌合部１０に対向するように挿入される。囲繞部材５は、挿入された状態のプローブ４１の先端に対向する開口部５１を除いて嵌合部１０を囲むように配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、水素ガスの漏洩を検出するリーク検出構造に関する。

燃料電池自動車は、燃料電池スタックから排出されたオフガスから水分を取り除く気液分離器や、燃料電池スタックから排出されたオフガスを再び燃料電池スタックへ循環させる水素ポンプ等を備えている。気液分離器の排気口と水素ポンプの吸気口との嵌合部は、Ｏリング等のガスケットによって気密性が付与されている。万が一、組立て工程等においてガスケットに塵埃等が付着すると、水素ガスを含んだオフガスが気液分離器と水素ポンプとの嵌合部から漏洩するおそれがある。

水素ガスの漏洩を未然に防ぐため、燃料電池自動車の組立て工程やディーラ検査等では、水素リークディテクタを用いてガスケットから水素ガスの漏洩がないか確認している。水素リークディテクタによって水素ガスの漏洩を検出するリーク検出構造の一例として、水素リークディテクタに中空のチューブが接続され、チューブの先端にカップ状のアダプタが付設され、アダプタが気液分離器と水素ポンプとの嵌合部を覆うリーク検出構造が知られている。しかるに、燃料電池システムのサイズをコンパクトにしようとすると、システムを構成する各々の装置の間隔が狭くなる。特許文献１には、気液分離器と水素ポンプとを近接して配置して両者をボルトで互いに締結した燃料電池モジュールが開示されている。

特開２０１９−１６４９５号公報

特許文献１に開示されたように、気液分離器と水素ポンプとの間隔が狭くなると、それらの間においてアダプタを嵌合部に装着する作業が困難になる。そのような場合、アダプタに代えて、狭い隙間に挿入できるストロー型のプローブを用いて水素ガスの漏洩を検出することが考えられる。しかしながら、ストロー型のプローブを用いると、プローブの先端と漏洩位置とが離れているとき、漏洩した水素ガスを検出できないおそれがある。

そこで、本発明は、気液分離器と水素ポンプとの間隔が狭くてもオフガスに含まれる水素ガスの漏洩を安定して検出できるリーク検出構造を提供する。

本発明の一態様に係るリーク検出構造は、ストロー型のプローブを備えた水素リークディテクタと組み合わせて水素ガスの漏洩を検出する。リーク検出構造は、気液分離器と、水素ポンプと、囲繞部材と、を備えている。気液分離器は、燃料電池スタックから排出されたオフガスに含まれる水分を分離する。水素ポンプは、オフガスを燃料電池スタックへ循環させる。気液分離器と水素ポンプとは、隙間をあけて配置されている。囲繞部材は、気液分離器と水素ポンプとの隙間の少なくとも一部に詰められている。気液分離器に設けられた排気口は、水素ポンプに設けられた吸気口に接続されている。プローブの先端は、排気口と吸気口との嵌合部に対向するように挿入される。囲繞部材は、挿入された状態のプローブの先端に対向する部位を除いて嵌合部を囲むように配置されている。

この態様によれば、万が一、嵌合部からオフガスに含まれる水素ガスが漏洩していても、嵌合部の周りは囲繞部材に囲まれているため、漏洩した水素ガスは囲繞部材と嵌合部との間に区画されたリング状の微小空間に充満する。漏洩した位置がプローブの先端から離れていても、オフガスに含まれる水素ガスが拡散することがなく検出可能な濃度のままでプローブの先端へと導かれるため、水素ガスの漏洩を安定して検出できる。

本発明によれば、気液分離器と水素ポンプとの間隔が狭くてもオフガスに含まれる水素ガスの漏洩を安定して検出できるリーク検出構造を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態のリーク検出構造を示す斜視図である。 図２は、水素ポンプを取り外した状態の気液分離器の排気口を拡大して示す平面図である。 図３は、本発明のリーク検出構造を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 図４は、図２に示された囲繞部材がない場合のシミュレーション結果を示す図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。本発明のリーク検出構造１は、気液分離器２と水素ポンプ３との嵌合部１０を囲むように囲繞部材５が配置されていることが特徴の一つである（図１及び図２参照）。これにより、プローブ４１の先端とは反対側の位置Ｘから水素ガスが漏洩した場合であっても、検出可能な濃度のままでプローブ４１の先端へと導くことができる（図３及び図４参照）。以下、図１から図４を参照して各構成について詳しく説明する。

本発明のリーク検出構造１は、例えば、燃料電池自動車等の車両に搭載される燃料電池システムに用いることができる。燃料電池システムは、主な構成として、水素ガス等の燃料ガスと空気中の酸素ガスとを化学反応させて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料ガス等を供給する補機と、燃料電池スタックにより発電された電気を充電又は放電する二次電池と、二次電池からの電力で駆動するモータと、それらを制御する制御部と、を備えている。

燃料電池スタックから排出されるオフガスには、発電に使われなかった水素ガスや、発電で生成した水分等が含まれている。前述した補機には、水素ガスを含んだオフガスを再び燃料電池スタックへ循環させる水素ポンプ３や、オフガスに含まれる水分を取り除く気液分離器２等が含まれる。

図１は、本発明の一実施形態のリーク検出構造１を示す斜視図であり、気液分離器２と水素ポンプ３との嵌合部１０を説明するため、水素ポンプ３を透過して示している。図示した例では、オフガスの流れ方向において、気液分離器２が上流側になり、水素ポンプ３が下流側になるように構成されている。気液分離器２と水素ポンプ３とは近接して配置され、水素ポンプ３の吸気口３１が気液分離器２の排気口２２にＯリング等のガスケット１１（図２に示す）を介して接続されている。排気口２２は、気液分離器２側の第１通気口の一例であり、吸気口３１は、水素ポンプ側の第２通気口の一例である。なお、水素ポンプ３が上流側になり、気液分離器２が下流側になるように構成してもよい。図示した例では、気液分離器２及び水素ポンプ３が、ボルトによって互いに締結されている。

図１に示すように、気液分離器２は、吸気口２１から吸気されたオフガスから水分を分離して排液口２３から排出する。水分が除去されたオフガスは、排気口２２から排出される。気液分離器２は、冷媒流路２４，２５の一方から流入し他方から流出する冷媒によって、オフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる。気液分離器２は、水素ポンプ３に面した上面２Ａ（図２に示す）を有している。図示しないが同様に、水素ポンプ３は、気液分離器２に面した下面を有している。上面２Ａ及び下面は、概ね平坦に形成され、僅かな隙間をあけて上下に対向している。

本発明のリーク検出構造１は、ストロー型の水素リークディテクタ４と組み合わせて水素ガスの漏洩を検出する。リーク検出構造１は、前述した気液分離器２及び水素ポンプ３に加えて、気液分離器２の上面２Ａと水素ポンプ３の下面との隙間に詰められた囲繞部材５をさらに備えている。囲繞部材５は、上面２Ａ及び下面の少なくとも一部を覆っている。水素リークディテクタ４は、ストロー型すなわち細長い円筒状のプローブ４１を備えている。組立て工程やディーラ検査の水素ガスの漏洩検査において、プローブ４１の先端は、気液分離器２の上面２Ａと水素ポンプ３の下面との隙間に挿入され、嵌合部１０の近傍に配置される。

図２は、水素ポンプ３を取り外した状態の気液分離器２の排気口２２を拡大して示す平面図である。図示した例では、気液分離器２の平坦な上面２Ａに、凹円柱面の溝２６が設けられている。溝２６は、プローブ４１を収容可能に構成されている。溝２６は、プローブ４１よりも僅かに太く形成され、嵌合部１０の近傍まで延在している。より詳しくは、溝２６は、囲繞部材５の開口部５１まで延在している。開口部５１については、後で詳しく説明する。

気液分離器２の排気口２２は、水素ポンプ３に向かって突出した円筒状に形成されている。排気口２２には、Ｏリング等のガスケット１１が装着されている。囲繞部材５は、例えばＣ字状に形成され、嵌合部１０を囲んでいる。なお、囲繞部材５の形状はＣ字状に限定されない。例えば、気液分離器２の上面２Ａの全面を覆うように囲繞部材５を形成してもよい。

囲繞部材５は、例えばゴム発泡体等から形成され、気液分離器２の上面２Ａと水素ポンプ３の下面との双方に密着している。囲繞部材５の反発力が大きいと、排気口２２と吸気口３１とを離間させようとする負荷が作用するため、本実施形態には、柔軟な材料から形成された囲繞部材５が好ましい。囲繞部材５がゴムスポンジの場合、ゴムは、例えばＥＰＤＭゴム等であってもよいし、他種のゴムであってもよい。低密度で柔軟な発泡体が形成できれば、囲繞部材５の材料は、他種の樹脂材料であってもよい。

図２に示すように、囲繞部材５は、プローブ４１の先端に対向する部位（開口部）５１を除いて嵌合部１０を囲んでいる。図示した例では、囲繞部材５が、開口部５１を除いて嵌合部１０を囲むＣ字状に形成されている。ガスケット１１と囲繞部材５との隙間には、リング状の微小空間（リークガス流路）５０が区画されている。仮に、嵌合部１０から水素ガスを含んだオフガスが漏洩した場合、水素ガスは拡散することなく微小空間５０に充満し、やがてプローブ４１まで到達する。

以上のように構成された本実施形態のリーク検出構造１によれば、プローブ４１の先端とは反対側の位置Ｘから水素ガスが漏洩した場合であっても、検出可能な濃度のままでプローブ４１の先端へと導くことができる。図３は、本発明のリーク検出構造を用いた場合のシミュレーション結果を示す図であり、図４は、本発明との比較のために示す比較例のシミュレーション結果を示す図である。図４に示された比較例は、図２に示された囲繞部材５がない点が図３に示された本実施形態と異なる。

図４に示すように、嵌合部１０の周方向においてプローブ４１の先端とは反対側から水素ガスが漏洩した場合、囲繞部材５がないと、水素ガスが拡散してしまってプローブ４１の先端において水素ガスが検出可能な濃度未満になってしまうおそれがある。これに対し、本発明のリーク検出構造１によれば、囲繞部材５内の微小空間５０にオフガスが充満し、検出可能な濃度のまま水素ガスがプローブ４１の先端に到達することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１…リーク検出構造、２…気液分離器、２Ａ…上面、３…水素ポンプ、４…水素リークディテクタ、５…囲繞部材、１０…嵌合部、１１…ガスケット、２１…吸気口、２２…排気口（第１通気口の一例）、２３…排液口、２４，２５…冷媒流路、２６…溝、３１…吸気口（第２通気口の一例）、４１…プローブ、５０…微小空間、５１…開口部。

Claims (1)

1. ストロー型のプローブを備えた水素リークディテクタと組み合わせて水素ガスの漏洩を検出するリーク検出構造であって、
   燃料電池スタックから排出されたオフガスに含まれる水分を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器と隙間をあけて配置され、オフガスを前記燃料電池スタックへ循環させる水素ポンプと、
   前記隙間の少なくとも一部に詰められた囲繞部材と、を備え、
   前記気液分離器に設けられた第１通気口は、前記水素ポンプに設けられた第２通気口に接続されており、
   前記プローブの先端は、前記第１通気口と前記第２通気口との嵌合部に対向するように挿入され、
   前記囲繞部材は、挿入された状態の前記プローブの先端に対向する部位を除いて前記嵌合部を囲むように配置されている、
   リーク検出構造。