(57)【要約】【課題】燃料電池ケース内における反応ガス配管と他部品との絶縁性を適切に確保できるようにする。【解決手段】燃料電池と高電圧部品ＨＶが配置されたケースＣ内において反応ガス配管２２を配置する場合に、当該反応ガス配管２２の一部に樹脂配管Ｒを用いる。樹脂配管Ｒは、高電圧部品ＨＶの付近の反応ガス配管２２に用いられていることが好ましい。また、樹脂配管Ｒは当初から曲がった形状に形成されているものであることも好ましい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と高電圧部品が配置されたケース内において反応ガス配管を配置するための配管構造であって、
前記反応ガス配管の一部に樹脂配管を用いたこと
を特徴とする燃料電池の配管構造。
【請求項２】
前記樹脂配管は、前記高電圧部品の付近の前記反応ガス配管に用いられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の配管構造。
【請求項３】
前記反応ガス配管はゴムホースと金属配管からなり、前記ゴムホースを金属配管に取り付けるホースクリップを前記ケース内の他部品との絶縁距離を確保できるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の配管構造。
【請求項４】
前記樹脂配管は、当初から曲がった形状に形成されているものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池の配管構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の配管構造に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池等を収容するケース内における構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）としては、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り所定の電圧を出力できるように構成されているものがある。また、このような燃料電池を収容するケース内に、例えばリレーなどの高電圧部品を備えている場合がある（例えば特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６７６６６号公報
【特許文献２】特開２００２−３６２１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような燃料電池に対しては酸化ガスや燃料ガスさらには反応後のオフガスなど各種反応ガスを給排するための配管が接続されることになるが、上述したようにケース内に収容されているような場合に、ケース内における各種反応ガスの配管と他部品との絶縁について十分に考慮されてはいないことがある。
【０００４】
そこで、本発明は、ケース内における反応ガス配管と他部品との絶縁性を適切に確保できるようにした燃料電池の配管構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。例えば数百枚のセルが積層されて数百ボルト程度の出力電圧が実現されているような場合であれば、上述したようなリレーなどの部品はもちろん、当該燃料電池に接続されている各種反応ガスの配管も高電圧部品と考えることができる。そうすると、反応ガス配管と他部品との絶縁性を考慮するにあたってはこのことも踏まえて検討する必要がある。この点につき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、すなわち絶縁性を適切に確保することについての着想を得るに至った。
【０００６】
本発明はかかる着想に基づくものであり、燃料電池と高電圧部品が配置されたケース内において反応ガス配管を配置するための配管構造であって、前記反応ガス配管の一部に樹脂配管を用いたことを特徴とするものである。
【０００７】
燃料電池において高い出力電圧を実現している場合、当該燃料電池に接続されている反応ガス配管は高電圧部品と同等の状態であり、絶縁が確保されている必要がある。この点、当該反応ガス配管の少なくとも一部に樹脂配管を用いることとした本発明の配管構造においては、当該樹脂配管の部分において絶縁距離ないしは沿面距離が確保しやすくなっている。これによれば、反応ガス配管と他部品との絶縁性を適切に確保することが可能である。
【０００８】
また、一般に樹脂製の配管は金属製等の配管よりも柔軟性を有するから、反応ガス配管の少なくとも一部を樹脂配管とすれば配管全体としての柔軟性がその分だけ向上することになる。これによれば、長い反応ガス配管を取り扱うような場合の組付け性が向上し、これに伴って作業性が向上するという利点もある。
【０００９】
このような燃料電池の配管構造において、前記樹脂配管は、前記高電圧部品の付近の前記反応ガス配管に用いられていることが好ましい。反応ガス配管と高電圧部品との間における絶縁距離が確保し難い部分やその付近に樹脂配管を配置することとすれば絶縁性を確保しやすくなる。また、反応ガス配管と高電圧部品とが干渉する可能性のある部分やその付近に樹脂配管を配置することとすれば、仮に干渉したとしても絶縁性を確保しうる。
【００１０】
また、前記反応ガス配管はゴムホースと金属配管からなり、前記ゴムホースを金属配管に取り付けるホースクリップを前記ケース内の他部品との絶縁距離を確保できるように配置していることも好ましい。一般に金属で形成されることの多いホースクリップは、ゴムホースを金属配管に取り付ける部分に適用された場合に当該金属配管と高電圧部品との間の絶縁距離（沿面距離）を小さくさせうる。また、場合によっては当該ホースクリップが高電圧部品や配管などの至近位置に配置されることもある。この点、本発明のごとく絶縁距離を確保できるようにホースクリップを配置した場合には適切な絶縁性を確保することが可能である。
【００１１】
さらに、前記樹脂配管は、当初から曲がった形状に形成されているものであることも好ましい。撓んでいたり曲折していたりすることにより配管全体としての柔軟性が向上し、配管の組み付け時などにおいて作業に追従させやすくなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ケース内での反応ガス配管と高電圧部品との絶縁距離を適切に確保することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１〜図７に本発明にかかる燃料電池の配管構造の実施形態を示す。この配管構造は燃料電池１と高電圧部品ＨＶが配置されたケースＣ内において反応ガス配管を配置するためのものであって、本実施形態の場合には反応ガス配管の一部に樹脂配管Ｒを用いることとしている（図３等参照）。
【００１５】
以下においては、まず燃料電池システム１０の全体構成、および燃料電池１の構成について説明し、その後、反応ガス配管と高電圧部品ＨＶとの絶縁距離を適切に確保するための構成について説明する。
【００１６】
まず、本実施形態における燃料電池システム１０の概略を示す（図１参照）。この燃料電池システム１０は、燃料電池１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス配管系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス配管系２０と、システム全体を統括制御する制御装置７０と、を備えたシステムとして構成されている。
【００１７】
燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル２を積層したスタック構造となっている。燃料電池１を構成するセル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、さらに空気極及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している。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燃料電池１は電力を発生する。
【００１８】
酸化ガス配管系３０は、燃料電池１に供給される酸化ガスが流れる供給路３１と、燃料電池１から排出された酸化オフガスが流れる排出路３２と、を有している。供給路３１には、フィルタ３３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ３４と、コンプレッサ３４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器３５と、が設けられている。排出路３２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁３６を通って加湿器３５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００１９】
燃料ガス配管系２０は、燃料供給源としての高圧の水素タンク（本明細書では高圧タンクという）２１と、高圧タンク２１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路４１と、を有している。
【００２０】
高圧タンク２１は、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯蔵可能に構成されている。高圧タンク２１の主止弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。その後、水素ガスは、インジェクタ２９により流量及び圧力を調整された後、さらに下流において機械式の調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１に供給される。主止弁２６及びインジェクタ２９は、図１において破線の枠線で示すバルブアッセンブリ２５に組み込まれ、バルブアッセンブリ２５が高圧タンク２１に接続されている。
【００２１】
供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。排出路４１上のパージ弁４２が燃料電池システム１０の運転時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁４２の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
【００２２】
制御装置７０は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ２９の流量制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置７０は、ガス系統（２０，３０）や図示省略の冷媒系統に用いられる各種の圧力センサや温度センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００２３】
また、燃料電池１の構成について簡単に説明すると以下のとおりである（図２参照）。
【００２４】
本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層したセル積層体３を有し、セル積層体３の両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子付きの集電板、絶縁板およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図２参照）。このようなセル積層体３はテンションプレート９によって積層状態で拘束されている。テンションプレート９は両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置されている。また、弾性力によってセル積層体３に圧縮力を作用させるための弾性モジュールがさらに設けられている。弾性モジュールは、セル積層体３が熱膨張もしくは熱収縮し、あるいは両者を繰り返しているような場合にも変化を吸収しつつ荷重を作用させ続けるようにするための部材であり、例えば本実施形態の場合には、互いに並列に配置される複数の弾性体（図示省略）、該複数の弾性体をセル２の積層方向から挟持する一対のプレッシャプレート１２等で構成されている（図２参照）。さらには、酸化ガス用のマニホールド１５、水素ガス用のマニホールド１６、冷却水用のマニホールド１７がそれぞれ当該燃料電池１に形成されている。
【００２５】
続いて、反応ガス配管と高電圧部品ＨＶとの絶縁距離を適切に確保するようにした本実施形態の配管構造について説明する（図３等参照）。
【００２６】
この配管構造は、上述したように燃料電池１と高電圧部品ＨＶとが配置されたケース（燃料電池ケース）Ｃ内に反応ガスを配置するためのものである。ここでいう反応ガス配管とは、燃料電池１に対して反応ガスを供給しあるいは当該燃料電池１からオフガス等を排出するための配管のことであり、例えば図１に示したような酸化ガスが流れる供給路３１や酸化オフガスが流れる排出路３２、水素ガスが流れる供給路２２や水素オフガス（燃料オフガス）が流れる循環路２３などが該当する（図１参照）。各反応ガス配管２２（２３，３１，３２）は原則として例えばＳＵＳ製の金属パイプからなり、いずれもその一端が燃料電池１に（より具体的には、燃料電池１に形成されている各マニホールド１５，１７に連通するように）配置されている。
【００２７】
ここで、本実施形態においては、上述した反応ガス配管２２（２３，３１，３２）の一部に樹脂配管Ｒを用いることとしている（図３参照）。この場合、樹脂配管Ｒは、高電圧部品ＨＶの付近の反応ガス配管２２（２３，３１，３２）に用いられていることが好ましい。反応ガス配管２２（２３，３１，３２）と高電圧部品ＨＶとの間における絶縁距離が確保し難い部分やその付近の配管として樹脂配管Ｒを用いることとすれば絶縁性が確保しやすい。また、反応ガス配管２２（２３，３１，３２）と高電圧部品ＨＶとが干渉する可能性のある部分やその付近において樹脂配管Ｒを用いることとすれば、仮に干渉したとしても絶縁性を確保しうるという利点もある。例えば本実施形態では、高電圧部品ＨＶ（例えば燃料電池１自体）の角部付近を通過していて当該高電圧部品ＨＶとの距離ｄが最も小さくなっている配管の部分に樹脂配管Ｒを用いている（図３参照）。
【００２８】
このように反応ガス配管２２（２３，３１，３２）の一部に樹脂配管Ｒを用いた本実施形態の配管構造によれば、当該反応ガス配管２２（２３，３１，３２）のうちの金属配管（図中において符号Ｍで示している）の部分と高電圧部品ＨＶと間で従前よりも大きな絶縁距離を確保することができる。これは、例えばケースＣ内において各種部品や配管が密集しているような場合に絶縁性を確保しやすくするという点で特に好適である。
【００２９】
また、一般に樹脂製の配管は金属製の配管よりも柔軟性を有しているから、上述のように反応ガス配管２２（２３，３１，３２）の一部を樹脂配管Ｒとした場合には当該柔軟性を利用して配管を組み付けることができる。つまり、樹脂配管Ｒの部分をいわばフレキシブルパイプのように機能させることができるから、配管全体が金属製である場合よりも組み付けやすくなり作業性が向上する。
【００３０】
さらに、本実施形態においては金属配管Ｍの一部を樹脂製にした配管構造としているから、配管全体の熱容量が低減し、尚かつ当該部分における熱伝導度も低減した構造となっている。このため、例えば低温時においても出口側配管内の生成水が凍結することを抑制して流れを確保しやすくなっている。加えて、上述したように柔軟性を有する樹脂配管Ｒを利用している本実施形態の配管構造の場合には、配管内の水が仮に凍結したとしても体積膨張を当該樹脂配管Ｒで吸収し、金属配管Ｍが受ける影響を低減させることも可能である。
【００３１】
以上のような樹脂配管Ｒの材質は特に限定されるものではないが、例えば耐薬品性、耐屈曲疲労性、耐熱性に優れるポリプロピレンなど、各種エンジニアリングプラスチックや合成樹脂を用いることができる。
【００３２】
また、樹脂配管Ｒが有している上述のような柔軟性に基づき、フランジ面からの漏れ（リーク）等を抑制できるようにした配管構造を構成することもできる。具体的には、例えば図４に示すように途中で分岐するマニホールドを備えた反応ガス配管２２（２３，３１，３２）であって、両マニホールド先端のフランジ部Ｆが高電圧部品ＨＶの同一平面に取り付けられるような構造の場合、上述した樹脂配管Ｒを用いることが好適である。すなわち、長い一体物の配管製作時、溶接やプレス加工誤差等の影響でフランジ部Ｆの平行度が確保できず、場合によっては当該フランジ部Ｆから流体の漏れが生じることすら起こりうるが、樹脂配管Ｒを適用した場合には配管に柔軟性を付すことによって平行度を確保しやすくすることが可能である。こうした場合、フランジ部Ｆにおいて各マニホールドを高電圧部品ＨＶに確実に取り付けて流体漏れを抑制することができることに加え、作業性が向上するという利点がある。また、金属配管Ｍの一部を樹脂製にした配管構造となっているから、配管全体の熱容量を低減させることもできる。
【００３３】
加えて、反応ガス配管２２（２３，３１，３２）の柔軟性（フレキシブル性）をさらに増やすという観点からすれば、撓んでいたり曲折していたり等の当初から曲がった形状の樹脂配管Ｒを用いることも好ましい。こうした場合、配管全体としての柔軟性をその分だけ向上させることが可能となる（図４参照）。
【００３４】
また、反応ガス配管２２（２３，３１，３２）が例えばゴムホース４と金属配管Ｍからなり、尚かつゴムホース４を金属配管Ｍに取り付けるためにホースクリップ５を用いている場合においても、ケースＣ内における反応ガス配管２２（２３，３１，３２）と他部品（ケースＣ自体を含む）との絶縁性を適切に確保できるようにすることが望ましい。以下、例を挙げて説明する（図５〜図７参照）。
【００３５】
一例として図５に示す配管構造においては、ＳＵＳ等からなる金属配管Ｍの端部どうしがゴムホース４によって連結されている。また、ゴムホース４のうち金属配管Ｍに被せられている部分にはホースクリップ５を取り付け、流体漏れの生じない状態で固定されるようにしている（図５、図６参照）。
【００３６】
ここで、本実施形態においては、金属配管Ｍと高電圧部品ＨＶとの間の絶縁距離（沿面距離）を考慮してホースクリップ５を取り付けることとしている。すなわち、金属製のホースクリップ５は、ゴムホース４を金属配管Ｍに取り付ける部分に用いられた場合に、金属配管Ｍと高電圧部品ＨＶとの間に介在してこれらの間の絶縁距離（沿面距離）を小さくさせる存在となりうる。この点、本実施形態においては十分な絶縁距離を確保できるようにホースクリップ５を配置することにより、金属配管Ｍと高電圧部品ＨＶとの間を適切に絶縁できるようにしている。
【００３７】
具体的に説明すると、本実施形態においては、絶縁に必要な沿面距離を考慮してホースクリップ５の取付位置を決定している。すなわち、まず金属配管Ｍとホースクリップ５との間で必要な沿面距離ａを算出したうえで、ゴムホース４の厚みａ１とホースクリップ５の取付オフセット量（ゴムホース４の端面からホースクリップ５までの距離）ａ２との合計値がこの必要な沿面距離ａを上回る（ａ１＋ａ２＞ａ）ようにしている（図６参照）。つまり、本実施形態ではゴムホース４の端面よりも内側に位置するようにホース５を配置することにより、必要な沿面距離ａが確保されるようにしている。
【００３８】
また、ホースクリップ５の取付角度についても考慮することがさらに好ましい（図７参照）。すなわち、当該ホースクリップ５に例えば一対のつまみ部５１，５２がＶ字状に広がるように形成されている場合に、高電圧部品ＨＶやケースＣの内面と当該つまみ部５１，５２との間の空間距離を考慮しつつホースクリップ５を配置する。具体例を示しながら説明すると、一方のつまみ部５１の先端と高電圧部品ＨＶとの間の空間距離をｂ１、もう一方のつまみ部５２の先端とケースＣの内面との間の空間距離をｂ２とした場合に、これらｂ１やｂ２が必要な空間距離（ｂ）を上回るように当該ホースクリップ５の取付角度θを調整して決定する。なお、一方の空間距離ｂ１を広げると他方の空間距離ｂ２が狭くなる場合があるので、両空間距離ｂ１，ｂ２の広狭に配慮しつつ取付角度θを調整する必要がある（図７参照）。
【００３９】
以上のように沿面距離や空間距離を考慮しつつホースクリップ５の取付オフセット量ａ２や取付角度θを決定することによれば、当該ホースクリップ５を設置した状態で適切な絶縁性を確保することができる。また、実際の燃料電池１においてはゴムホース４の形状、反応ガス配管２２（２３，３１，３２）の形状や配置、ホースクリップ５の大きさ等に個体差が生じうるが、上述した手法は燃料電池１ごとまたは燃料電池システム１０ごとに適用可能であるから、部品に等におけるこれら誤差分を吸収して個別に適切な絶縁性を確保することが可能である。
【００４０】
ちなみに、図５における符号６は、ＳＵＳ等で形成され、例えば円形断面と矩形断面といったような異なった形状の断面を接続するように形成されているいわゆる型物配管を指している。一般に、型物の配管は製造コストが嵩みやすいことから同型のものをできるだけ共用することがコストの観点からも好ましい。この点、本実施形態の配管構造によれば、反応ガス配管２２（２３，３１，３２）等における溶接やプレス等の加工誤差を吸収しつつ配管構成をすることが可能であるから、これら反応ガス配管２２（２３，３１，３２）と同様、型物配管６についても汎用性を高めてコスト低減を図ることが可能となっている。また、本実施形態では左右においても同じ型物配管６を共用できるからこの点でさらに有利である。
【００４１】
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反応ガス配管として酸化ガスが流れる供給路３１や酸化オフガスが流れる排出路３２、水素ガスが流れる供給路２２や水素オフガス（燃料オフガス）が流れる循環路２３を例示したがこれらは例示に過ぎない。すなわち、高電圧部品ＨＶたる燃料電池１に対し電気的にも接続された状態となり自身も高電圧部品ＨＶの一部になるという点からすれば、図示はしていないが冷却水用の配管なども上述した各種配管と同様の場合がある。このような場合には、本実施形態と同様にしてこの冷却水用配管にも本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】燃料電池の構成の一例を示す斜視図である。
【図３】本実施形態における燃料電池の配管構造を説明するための概略図である。
【図４】反応ガス配管の分岐するマニホールドをそれぞれ高電圧部品の同一平面に取り付けるようにした配管構造を示す図である。
【図５】ゴムホースと金属配管からなる反応ガス配管であってホースクリップが取り付けられているものの一例を示す概略図である。
【図６】図５に示したゴムホースと金属配管との接続部分を拡大して示す図である。
【図７】図５のVII-VII線における断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池、２…セル、４…ゴムホース、５…ホースクリップ、１０…燃料電池システム、２２…水素ガスが流れる供給路（反応ガス配管）、２３…水素オフガスの循環路（反応ガス配管）、３１…酸化ガスが流れる供給路（反応ガス配管）、３２…酸化オフガスが流れる排出路（反応ガス配管）、７０…制御装置（制御手段）、Ｃ…ケース、ＨＶ…高電圧部品、Ｍ…金属配管、Ｒ…樹脂配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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