(57)【要約】【課題】  比較的低廉でありながら大きな衝撃に対して充分な強度を発揮する配管構造と、この配管構造を備える燃料電池システムと、を提供する。【解決手段】  燃料電池の燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂに接続された配管（例えば水素供給用配管２１）の構造である。水素供給用配管２１は、少なくとも一つ以上の屈曲部を有するとともに、燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂとの接続部２１ｃ、２１ｄから燃料電池に最も近い屈曲部３０Ａ、３０Ｂまでの部分Ｐ１、Ｐ２の強度が、その他の部分Ｐ３の強度よりも高く設定されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に接続された配管に少なくとも一つ以上の屈曲部が設けられ、前記配管の前記燃料電池との接続部から前記燃料電池に最も近い前記屈曲部までの部分の強度が、その他の部分の強度よりも高く設定されてなる配管構造。
【請求項２】
前記配管は、その管壁の肉厚の増加に応じて強度が高まるように構成されてなる請求項１に記載の配管構造。
【請求項３】
燃料電池と、この燃料電池に接続された配管と、を備える燃料電池システムであって、
前記配管は、少なくとも一つ以上の屈曲部を有するとともに、前記燃料電池との接続部から前記燃料電池に最も近い前記屈曲部までの部分の強度が、その他の部分の強度よりも高く設定されてなる燃料電池システム。
【請求項４】
前記配管は、その管壁の肉厚の増加に応じて強度が高まるように構成されてなる請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管構造及び燃料電池システムに関し、特に、大きな衝撃に耐え得る配管構造及びこれを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、単電池が複数積層されたスタックを有する燃料電池と、燃料電池に対する各種流体（反応ガスや冷媒）の供給・排出を実現させる配管と、を備えている。近年においては、かかる燃料電池システムの小型化を目的として、燃料電池を構成するスタックを並列に配置し、各スタックに流体出入口を対称の位置に設け、配管を二股に構成するとともに屈曲させ対称構造にして各スタックの流体出入口に接続する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−５１９６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、前記特許文献１に記載されたような従来の技術においては、配管に大きな力が加えられることを想定していない。従って、燃料電池にガスを供給する装置（エアコンプレッサ、水素ポンプ、水素配管上に配置されたレギュレータ等）の異常・誤動作等により配管に大きな力が加えられると配管が破断するおそれがある。一方、配管強度を高めるために、高価な高強度材料を採用して全ての配管を構成すると、費用が大幅に嵩むという問題が生じてしまう。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、比較的低廉でありながら大きな衝撃に対して充分な強度を発揮する配管構造と、この配管構造を備える燃料電池システムと、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】
前記目的を達成するため、本発明に係る配管構造は、燃料電池に接続された配管に少なくとも一つ以上の屈曲部が設けられ、この配管において燃料電池との接続部から燃料電池に最も近い屈曲部までの部分の強度が、その他の部分の強度よりも高く設定されてなるものである。
【０００６】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池に接続された配管と、を備える燃料電池システムであって、配管は、少なくとも一つ以上の屈曲部を有するとともに、燃料電池との接続部から燃料電池に最も近い屈曲部までの部分の強度が、その他の部分の強度よりも高く設定されてなるものである。
【０００７】
かかる構成によれば、配管のうち、燃料電池にガスを供給する装置の異常等により大きな応力集中が発生する部分（燃料電池との接続部から燃料電池に最も近い屈曲部までの部分）の強度を、他の部分の強度よりも高く設定するので、費用を節減しながら、配管の破断の可能性を低減することができる。すなわち、燃料電池にガスを供給する装置の異常等により配管に大きな力が加えられると、その衝撃によって、配管の一部（燃料電池との接続部から燃料電池に最も近い屈曲部までの部分）に局所的に応力集中が発生し、その他の部分には前記部分ほどの応力集中は発生しないことが知られている。このため、大きな応力集中が発生する部分の強度のみを高くすることにより、配管強度向上のための費用を抑制しながら衝撃に対抗することが可能となる。
【０００８】
前記配管構造及び前記燃料電池システムにおいて、配管は、その管壁の肉厚の増加に応じて強度が高まるように構成されてなるのが好ましい。このようにすると、配管強度向上のために高価な高強度材料を採用する必要がないので、費用をさらに節減することが可能となる。また、配管の強度を管壁の肉厚により調整することができるので、配管のうち、衝撃により大きな応力集中が発生する部分以外の部分の管壁の肉厚を薄くすることができるため、全体として配管重量の増大を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、比較的低廉でありながら大きな衝撃に対して充分な強度を発揮する配管構造と、この配管構造を備える燃料電池システムと、を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１１】
まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成の概要について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２を中心として構成され、燃料電池２に燃料ガスとしての水素ガスを供給するため水素供給源３、燃料電池２に酸化ガスとしての空気を供給するためのコンプレッサ４、燃料電池２に冷媒を供給するためのシステム全体を統合制御する図示されていない制御部等を備えて構成されている。
【００１２】
燃料電池２は、単電池（燃料電池セル）を所要数積層した燃料電池スタックを備えている。燃料電池２には、燃料電池２によって発電された電力を蓄える図示されていない蓄電池や、燃料電池２によって発電された電力及び／又は蓄電池に蓄えられた電力によって駆動する図示されていないモータ（駆動輪を駆動する電動機）等が接続されている。水素供給源３としては、例えば高圧水素タンクを採用することができ、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を採用することもできる。
【００１３】
燃料電池２の水素供給口には水素供給用配管２１が接続されており、この水素供給用配管２１を介して燃料ガスとしての水素ガスが水素供給源３から供給される。水素供給用配管２１には、水素供給源３から水素を供給し又は供給を停止する遮断弁、燃料電池２への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁、燃料電池２の水素供給口と水素供給用配管２１間を開閉する遮断弁、水素供給源３からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサ、水素調圧弁の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサ、水素ガスの燃料電池２の入口圧力を検出する圧力センサ等が設けられている。なお、各種弁及び圧力センサについては図示を省略している。
【００１４】
燃料電池２の水素排出口には水素循環用配管２４が接続されており、燃料電池２で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環用配管２４に排出されて水素供給用配管２１に戻される。水素循環用配管２４には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ、燃料電池２と水素循環用配管２４とを連通させ又は遮断する遮断弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２４ａ、水素オフガスを加圧する水素ポンプ２４ｂ、逆止弁２４ｃ等が設けられている。水素オフガスは、水素供給用配管２１で水素ガスと合流し、燃料電池２に供給されて再利用される。また、水素循環用配管２４は、パージ弁及びパージ用配管２７を介して空気排出用配管２５に接続される。なお、遮断弁、パージ弁及び温度センサについては図示を省略している。
【００１５】
燃料電池２の空気供給口には空気供給用配管２２が接続されており、この空気供給用配管２２を介して酸化ガスとしての空気（外気）が供給される。空気供給用配管２２には、空気から微粒子を除去するエアフィルタ２２ａ、空気を加圧するコンプレッサ４、供給空気圧を検出する圧力センサ、空気に所要の水分を加える加湿器２２ｂ等が設けられている。また、燃料電池２の空気排出口には空気排出用配管２５が接続されており、この空気排出用配管２５を介して空気オフガスが外部に放出される。空気排出用配管２５には、燃料電池２の空気排出口近傍に設けられて排気圧を検出する圧力センサ、圧力調整弁、加湿器２２ｂの熱交換器等が設けられている。なお、圧力センサ及び圧力調整弁については図示を省略している。
【００１６】
燃料電池２の冷却水供給口には冷却水供給用配管２３が接続されており、この冷却水供給用配管２３を介して燃料電池２に冷却水が供給される。また、燃料電池２の冷却水排出口には冷却水排出用配管２６が接続されており、この冷却水排出用配管２６を介して燃料電池２から冷却水が外部に排出される。冷却水排出用配管２６と冷却水供給用配管２３とは冷却ファン２６ａを有するラジエータ（熱交換器）２６ｂを介して接続されている。冷却水供給用配管２３には、燃料電池２に供給される冷却水の温度を検出する温度センサや冷却水を加圧して循環させるポンプ２３ａ等が設けられている。冷却水排出用配管２６には、燃料電池２から排出される冷却水の温度を検出する温度センサが設けられている。なお、温度センサについては図示を省略している。
【００１７】
なお、図１においては、燃料電池システム１の全体構成の説明の便宜上、水素供給用配管２１、空気供給用配管２２及び冷却水供給用配管２３を燃料電池２の別々の側面に接続したように示したが、実際は、図２に示すように、これら３種類の配管は燃料電池２の一側面にまとめて接続される。水素循環用配管２４、空気排出用配管２５及び冷却水排出用配管２６も同様に燃料電池２の一側面にまとめて接続される。
【００１８】
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の配管構造について詳細に説明する。
【００１９】
本実施形態における燃料電池２には、図２に示すように、単電池の積層体である２つの燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂが並列に設けられている。燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂの内部には、図示されていない燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド及び冷媒マニホールドが設けられている。そして、図２に示すように、燃料ガスマニホールドの入口である水素供給口には水素供給用配管２１が接続され、燃料ガスマニホールドの出口である水素排出口には水素循環用配管２４が接続されている。また、酸化ガスマニホールドの入口である空気供給口には空気供給用配管２２が接続され、酸化ガスマニホールドの出口である空気排出口には空気排出用配管２５が接続されている。また、冷媒マニホールドの入口である冷却水供給口には冷却水供給用配管２３が接続され、冷媒マニホールドの出口である冷却水排出口には冷却水排出用配管２６が接続されている。
【００２０】
燃料電池２が２つの燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂを備えており、水素供給口、空気供給口及び冷却水供給口がいずれも２つずつ設けられているのに対し、水素ガス、空気及び冷却水の供給系はいずれも一つである。このため、図２に示すように、水素供給用配管２１、空気供給用配管２２及び冷却水供給用配管２３の下流側部分（燃料電池２近傍部分）を二股に分岐させている。同様に、水素循環用配管２４、空気排出用配管２５及び冷却水排出用配管２６の上流側部分（燃料電池２近傍部分）をも二股に分岐させている。
【００２１】
これら配管群の中の一つ（水素供給用配管２１）の構成について、図３を用いてさらに詳細に説明する。水素供給用配管２１は、図３に示すように、二股に分岐させた一方の下流側端部２１ａに屈曲部３０Ａが設けられており、他方の下流側端部２１ｂにも屈曲部３０Ｂが設けられている。また、分岐部分にも屈曲部３１が設けられている。水素供給用配管２１は、燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂとの接続部２２ｃ、２２ｄから燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂに最も近い屈曲部３０Ａ、３０Ｂまでの部分Ｐ１、Ｐ２の強度が、その他の部分Ｐ３の強度よりも高く設定されている。本実施形態においては、水素供給用配管２１の強度を管壁の肉厚で調整している。すなわち、水素供給用配管２１の部分Ｐ１、Ｐ２の管壁の肉厚を部分Ｐ３の管壁の肉厚よりも厚くすることにより、部分Ｐ１、Ｐ２の強度を部分Ｐ３の強度よりも高く設定している。
【００２２】
他の配管群（空気供給用配管２２、冷却水供給用配管２３、水素循環用配管２４、空気排出用配管２５及び冷却水排出用配管２６）についても、水素供給用配管２１と同様の構造を採用している。すなわち、これら配管は、二股に分岐させた端部に屈曲部を有し、燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂとの接続部から燃料電池スタック２０Ａ、２０Ｂに最も近い屈曲部までの部分の管壁の肉厚を、その他の部分の管壁の肉厚よりも厚くすることにより、前者の強度を後者の強度よりも高く設定している。
【００２３】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、配管（例えば水素供給用配管２１）のうち、燃料電池２にガスを供給する装置の異常等により大きな応力集中が発生する部分（燃料電池２との接続部２１ｃ、２１ｄから燃料電池２に最も近い屈曲部３０Ａ、３０Ｂまでの部分）Ｐ１、Ｐ２の強度を、他の部分Ｐ３の強度よりも高く設定するので、費用を節減しながら、配管の破断の可能性を低減することができる。すなわち、燃料電池２にガスを供給する装置の異常等により配管に大きな力が加えられると、その衝撃によって、配管の一部（燃料電池２との接続部２１ｃ、２１ｄから燃料電池２に最も近い屈曲部３０Ａ、３０Ｂまでの部分）Ｐ１、Ｐ２に局所的に応力集中が発生し、その他の部分Ｐ３には前記部分Ｐ１、Ｐ２ほどの応力集中は発生しないことが知られている。このため、大きな応力集中が発生する部分Ｐ１、Ｐ２の強度のみを高くすることにより、配管強度向上のための費用を抑制しながら衝撃に対抗することが可能となる。
【００２４】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、配管の管壁の肉厚の増加に応じて配管の強度が高まるように構成されている（配管の強度を管壁の肉厚で設定している）ので、配管強度向上のために高価な高強度材料を採用する必要がない。従って、費用をさらに節減することが可能となる。また、配管の強度を管壁の肉厚で設定するので、配管のうち大きな応力集中が発生する部分以外の部分（Ｐ３）の管壁の肉厚を薄くすることができるため、全体として配管重量の増大を抑制することが可能となる。
【実施例】
【００２５】
続いて、図４を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１における配管構造の一実施例について説明することとする。
【００２６】
以下の実施例においては、衝撃への対策を講じていない図４（ａ）の配管Ａと、衝撃対策として管壁の肉厚を一様に厚くした図４（ｂ）の配管Ｂと、衝撃対策として本発明を適用した図４（ｃ）の配管Ｃ（例えば水素供給用配管２１）と、を比較することとする。なお、各配管とも断面形状は円形であり、同一材料で構成されているものとする。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、配管Ａの外径は１２．０ｍｍ、内径は１０．０ｍｍ、管壁の肉厚は１．０ｍｍである。また、図４（ｂ）に示すように、配管Ｂの外径は１５．８ｍｍ、内径は１０．０ｍｍ、管壁の肉厚は２．９ｍｍである。また、図４（ｃ）に示すように、配管Ｃのうち局所的に大きな応力集中が発生する部分（例えば水素供給用配管２１の部分Ｐ１、Ｐ２）の外径は１６．２ｍｍ、内径は１０．０ｍｍ、管壁の肉厚は３．０８ｍｍであり、その他の部分（例えば水素供給用配管２１の部分Ｐ３）の外径は１２．６ｍｍ、内径は１０．０ｍｍ、管壁の肉厚は１．３ｍｍである。また、配管Ａ、配管Ｂ、配管Ｃの所定長さ当りの重量は、各々、３４．３ｇ、１００．８ｇ、５５．６ｇである。
【００２８】
配管Ａは、配管Ｂ及び配管Ｃよりも明らかに軽いが、管壁の肉厚が薄いため、その強度は衝撃に対抗するために必要とされる強度に及ばない。一方、配管Ｂは、管壁の肉厚が配管Ａの約３倍とされ、全ての箇所で衝撃に対抗するために必要とされる強度を有しているが、管壁の肉厚が一様に厚いため、重量が配管Ａ及び配管Ｃと比較して大きく、製造コストも嵩むこととなる。これに対し、配管Ｃは、局所的に大きな応力集中が発生する部分において管壁の肉厚が配管Ａの約３倍とされ、衝撃に対抗し得る強度を有している。また、大きな応力集中が発生しないその他の部分においては管壁の肉厚が配管Ｂと比較すると薄く設定されているため、配管Ｂよりも軽量となっており、製造コストを節減することも可能となる。
【００２９】
なお、以上の実施形態においては、配管の管壁の肉厚を局所的に増大させることにより配管の強度を局所的に高めた例を示したが、配管の材料を局所的に変更することにより、配管の強度を局所的に高めることもできる。
【００３０】
また、以上の実施形態においては、車両に搭載される燃料電池システムに本発明を適用した例を示したが、他の移動体（電車、船舶、航空機、ロボット等）に搭載される燃料電池システムにも本発明を適用することができる。また、燃料電池を建物（住宅、ビル等）用の発電設備として採用した定置用発電システムに本発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの燃料電池に接続された配管を示す斜視図である。
【図３】図２に示した配管の一つ（水素供給用配管）を示す平面図である。
【図４】（ａ）は従来の配管を示す斜視図、（ｂ）は肉厚を一様に増大させて強度を高めた配管を示す斜視図、（ｃ）は本発明の一実施例に係る配管の斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、２１…水素供給用配管、２１ｃ・２１ｄ…燃料電池との接続部、２２…空気供給用配管、２３…冷却水供給用配管、２４…水素循環用配管、２５…空気排出用配管、２６…冷却水排出用配管、３０Ａ・３０Ｂ…屈曲部、Ｐ１・Ｐ２…燃料電池との接続部から燃料電池に最も近い屈曲部までの部分、Ｐ３…その他の部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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