(57)【要約】【課題】シール部材を介して複数の配管部材を接合して構成した配管において、シール部材の装着忘れを検出するとともにシール部材の膨張突出や破損を抑制して、配管部材の接合部からのガス漏れを的確に検知する。【解決手段】複数の配管部材３１ａ・３１ｂが接合されてなりガスを流通させる配管であって、配管部材３１ａ・３１ｂの接合面５５ａ・５５ｂの間をシールするシール部材６０と、配管部材３１ａ・３１ｂの接合面５５ａ・５５ｂに形成されたシール部材嵌込用のシール溝５６ｂと、シール溝５６ｂと配管部材３１ｂの大気側の面とを連通させる連通路５７ｂと、連通路５７ｂに充填される通気性部材７０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の配管部材が接合されてなりガスを流通させる配管であって、
前記配管部材の接合面の間をシールするシール部材と、
前記配管部材の接合面に形成された前記シール部材嵌込用のシール溝と、
前記シール溝と前記配管部材の大気側の面とを連通させる連通路と、
前記連通路に充填される通気性部材と、を備える、
配管。
【請求項２】
前記通気性部材の大気側と反対側の部分の配管軸方向寸法は、前記シール溝の大気側の部分の配管軸方向寸法と略同一に設定される、
請求項１に記載の配管。
【請求項３】
前記通気性部材は、前記連通路に充填された状態で配管径方向への移動が規制されるような形状を有するものである、
請求項１又は２に記載の配管。
【請求項４】
前記通気性部材は、前記連通路に充填された状態で配管軸方向への移動が規制されるような形状を有するものである、
請求項１から３の何れか一項に記載の配管。
【請求項５】
前記通気性部材は、前記連通路に充填された状態で配管周方向への移動が規制されるような形状を有するものである、
請求項１から４の何れか一項に記載の配管。
【請求項６】
前記通気性部材は、焼結金属から構成される有孔部材である、
請求項１から５の何れか一項に記載の配管。
【請求項７】
前記通気性部材は、有孔セラミックから構成される有孔部材である、
請求項１から５の何れか一項に記載の配管。
【請求項８】
燃料電池と、請求項１から７の何れか一項に記載の配管と、を備える燃料電池システムであって、
前記配管は、前記燃料電池に対して供給及び／又は排出されるガスを流通させるガス流路を形成するものである、
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、配管及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される水素ガスを燃料電池へと流すための配管や、燃料電池から排出されたガスを流通させるための配管が設けられている。このような配管は、複数の配管部材を接合することにより構成されており、配管部材間にはガス漏れ防止用のシール部材が介在されている。
【０００３】
ところで、燃料電池システムが車両等の移動体に搭載される場合には、配管からのガス漏れを的確に検知する必要がある。このため、近年においては、配管部材間に介在されたシール部材の外側に、シリコンゴム等の比較的ガス透過性の高い材料で構成された別のシール部材を配置し、配管部材の接続部におけるガス漏れの発生を容易に発見できるようにした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２００２−２２８００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記特許文献１に記載された従来の技術を採用すると、配管部材の接続部に二重にシール部材を介在させるため、何れか一方（例えば内部側）のシール部材の装着を失念する可能性がある。また、かかる技術においては、内部側のシール部材にガス漏れがある場合に、外部側のシール部材が内部からのガス圧力に起因して膨張（変形）し配管部材の接合面の隙間から突出するようになっており、作業者がこの突出部位を目視確認することによりガス漏れの発生を発見する。このため、内部からのガス圧力が高い場合には、外部側のシール部材が破損して、継続的なガス漏れ検知が困難となるおそれがあった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、シール部材を介して複数の配管部材を接合して構成した配管において、シール部材の装着忘れを検出するとともにシール部材の膨張突出や破損を抑制して、配管部材の接合部からのガス漏れを的確に検知することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するべく、本発明に係る配管は、複数の配管部材が接合されてなりガスを流通させる配管であって、配管部材の接合面の間をシールするシール部材と、配管部材の接合面に形成されたシール部材嵌込用のシール溝と、シール溝と配管部材の大気側の面とを連通させる連通路と、連通路に充填される通気性部材と、を備えるものである。
【０００７】
かかる構成を採用すると、配管部材の接合面に形成されたシール溝と、配管部材の大気側の面と、を連通させる連通路に、通気性部材が充填される。従って、シール溝にシール部材が嵌め込まれていない場合に、配管内を流通するガスが外部に漏れ易くなるため、シール部材の装着忘れを容易に検出することができる。また、通気性部材により、シール部材が内部ガスの圧力により膨張（変形）して大気側へと突出することを抑制することができる。この結果、配管部材の接合部からのガス漏れを的確に検知することが可能となる。通気性部材としては、焼結金属や有孔セラミック等から構成される各種有孔部材を採用することができる。
【０００８】
前記配管において、通気性部材の大気側と反対側の部分（シール溝と隣接する内部側部分）の配管軸方向寸法を、シール溝の大気側の部分（外部側部分）の配管軸方向寸法と略同一に設定することが好ましい。
【０００９】
かかる構成を採用すると、配管内を流通するガスからの内圧を受けるシール部材を、通気性部材により外部側（大気側）から支持することができるため、シール部材の変形による破損を抑制することが可能となる。なお、「配管軸方向」とは、配管の延在する方向（ガスの流通方向）を意味する。
【００１０】
また、前記配管において、連通路に充填された状態で配管径方向及び／又は配管軸方向及び／又は配管周方向への移動が規制されるような形状を有する通気性部材を採用することができる。
【００１１】
かかる構成を採用すると、通気性部材は、連通路に充填された状態で、配管径方向及び／又は配管軸方向及び／又は配管周方向への移動が規制されるような形状を有しているため、溶接材や接着剤を採用することなく、安価に通気性部材を固定することができる。従って、溶接材や接着剤がネジ部、シール溝壁面、接合面等にはみ出すことに起因する種々の問題（ネジ精度不良、シール部材の破損、配管部材の接合不良等）の発生を抑制することが可能となるとともに、通気性部材を円周の一部のみに設置すればよいため材料費の低減が可能となる。なお、「配管径方向」とは、配管の内側から外側（大気側）又は外側から内側へと延在する方向を意味する。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記配管と、を備える燃料電池システムであって、前記配管は、燃料電池に対して供給及び／又は排出されるガスを流通させるガス流路を形成するものである。
【００１３】
かかる構成を採用すると、燃料電池に対して供給及び／又は排出されるガス（燃料ガスや酸化ガス）を流通させるガス流路を形成する配管において、配管部材の接合部からのガス漏れを的確に検知することができる。従って、燃料電池システムの安全性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、シール部材を介して複数の配管部材を接合して構成した配管において、シール部材の装着忘れを検出するとともにシール部材の膨張突出や破損を抑制して、配管部材の接合部からのガス漏れを的確に検知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】
【００１５】
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。
【００１６】
まず、図１を用いて、燃料電池システム１の構成について説明する。
【００１７】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に対して酸化ガスとしての空気を供給・排出する酸化ガス配管系２と、燃料電池１０に対して燃料ガスとしての水素ガスを供給・排出する水素ガス配管系３と、を備えている。
【００１８】
燃料電池１０は、固体高分子型電解質膜を介してアノード及びカソードが配置された単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０の内部には、単電池に酸化ガス及び水素ガスを供給する反応ガス流路が設けられるとともに、単電池から酸化オフガス及び水素オフガスを排出するためのオフガス流路が設けられている。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えている。
【００１９】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。酸化ガス配管系２では、空気排出流路２２及び排気流路２３を構成する配管を通して酸化オフガスが移送される。空気供給流路２１、空気排出流路２２及び排気流路２３は、本発明におけるガス流路に相当するものである。
【００２０】
水素ガス配管系３は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から水素オフガスを排出するための水素排出流路３２ａ及び水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための水素返送流路３２ｂを含む循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。また、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を採用することもできる。
【００２１】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、ガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁式の開閉弁３５と、が設けられている。レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。開閉弁３５は、制御装置４により駆動されるように構成されている。
【００２２】
循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を分離するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で分離した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。
【００２３】
水素ガス配管系３では、燃料電池１０から排出されるガスが、水素排気流路３２ａ及び水素返送流路３２ｂを形成する配管と、水素供給流路３１を形成する配管と、を経由して循環される。また、燃料電池１０から排出される不純物（水素オフガスや生成水）は、水素排気流路３２ａを形成する配管と、気液分離器３６と、排気排水弁３７と、排出流路３８を形成する配管と、希釈器４０と、を経由して外部に排出される。水素供給流路３１、循環流路３２及び排出流路３８は、本発明におけるガス流路に相当するものである。
【００２４】
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の配管の接合構造について説明する。本実施形態においては、比較的高圧の水素ガスを流通させる配管（水素供給流路３１）を構成する２つの配管部材の接合構造を例に挙げて説明することとする。
【００２５】
図２は、水素ガス配管系３の水素供給流路３１を形成する配管を構成する第１の配管部材３１ａと、第２の配管部材３１ｂと、の接合部を示す。第１の配管部材３１ａは、ステンレス鋼等の金属から構成され、内部に移送流路５１ａが形成された管状体５２ａを有するとともに、移送流路５１ａの端部開口５３ａの周囲に円形のフランジ部５４ａを有している。第２の配管部材３１ｂもまた、ステンレス鋼等の金属から構成され、内部に移送流路５１ｂが形成された管状体５２ｂを有するとともに、移送流路５１ｂの端部開口５３ｂの周囲に円形のフランジ部５４ｂを有している。
【００２６】
第１及び第２の配管部材３１ａ、３１ｂの各フランジ部５４ａ、５４ｂには、対向する平面状の接合面５５ａ、５５ｂが設けられている。第２の配管部材３１ｂのフランジ部５４ｂの接合面５５ｂには、端部開口５３ｂ（及び接合面５５ｂの端部開口５３ｂに隣接する部位）を囲むように環状に断面矩形状のシール溝５６ｂが形成されている。シール溝５６ｂには、弾性材料からなるシール部材６０が嵌め込まれている。シール部材６０は、第１及び第２の配管部材３１ａ、３１ｂによって形成される各移送流路５１ａ、５１ｂの各端部開口５３ａ、５３ｂ（及び各端部開口５３ａ、５３ｂに隣接する部位）よりも大きい内径を有するリング形状を呈している。シール部材６０としては、Ｏリング（断面形状がＯ型のもの）やＶリング（断面形状がＶ型のもの）を使用することができる。
【００２７】
また、第２の配管部材３１ｂのフランジ部５４ｂの接合面５５ｂには、シール溝５６ｂと第２の配管部材３１ｂの大気側の面とを連通させる連通路５７ｂが形成されている。本実施形態においては、図２に示すように、比較的広い内部側（大気側と反対側）空隙と比較的狭い外部側（大気側）空隙とから形成される断面略Ｌ字型の連通路５７ｂを採用している。連通路５７ｂは、シール溝５６ｂのように環状に形成されるものではなく、シール溝５６ｂの外周に沿って所定長の円弧を描くように形成されている。本実施形態においては、図２に示すように、移送流路５１ｂを挟んで対向する２箇所に連通路５７ｂを形成している。
【００２８】
連通路５７ｂには、連通路５７ｂと略同一の形状を有する通気性部材７０が充填されている。通気性部材７０は、焼結金属や有孔セラミックから構成される有孔部材であり、シール部材６０の装着忘れや破損等が発生した場合に、配管内部の水素ガスを大気側へと意図的に流通させることにより、シール部材６０の装着忘れ等を検出するためのものである。通気性部材７０の孔径が０．８ｍｍ以下であると、内部ガスにより膨張したシール部材６０の外部への突出（はみ出し）を抑制することができるので、好ましい。通気性部材７０の孔径が０．２ｍｍ以下であるとさらに好ましい。
【００２９】
通気性部材７０は、図２及び図３（Ａ）に示すように、断面略Ｌ字型のブロック形状を有している。通気性部材７０の内部側（大気側と反対側）部分７１の配管軸方向（水素ガス流通方向）寸法Ｓ1は、シール溝５６ｂの外部側（大気側）部分の配管軸方向寸法と一致するようになっており、この内部側部分７１が連通路５７ｂの比較的広い内部側空隙に充填されている。また、通気性部材７０の外部側部分７２の配管軸方向寸法Ｓ2は、内部側部分７１の配管軸方向寸法Ｓ1よりも短く設定されており、この外部側部分７２が連通路５７ｂの比較的狭い外部側空隙に充填されている。これにより、通気性部材７０の配管径方向外側への移動が規制される。また、通気性部材７０は、全体としてシール溝５６ｂの外周に沿って所定長の円弧を描くように形成されて連通路５７ｂに充填されており、連通路５７ｂを形成する図示されていない内壁に挟まれている。これにより、通気性部材７０の配管周方向の移動が規制される。さらに、通気性部材７０は、連通路５７ｂを形成する内壁と第１の配管部材３１ａのフランジ部５４ａの接合面５５ａとに挟まれている。これにより、通気性部材７０の配管軸方向の移動が規制される。
【００３０】
第１及び第２の配管部材３１ａ、３１ｂの各フランジ部５４ａ、５４ｂは、シール部材６０及び通気性部材７０を介在させた状態で、図示されていない締結バンドやボルト等の締結部材により、互いに押圧されるように締結される。これにより、水素ガス配管系３の水素供給流路３１を形成する配管が構成されることとなる。
【００３１】
以上説明した燃料電池システム１の水素供給流路３１を形成する配管においては、第２の配管部材３１ｂの接合面５５ｂに形成されたシール溝５６ｂと、第２の配管部材３１ｂの大気側の面と、を連通させる連通路５７ｂに、通気性部材７０が充填される。従って、シール溝５６ｂにシール部材６０が嵌め込まれていない場合に、配管内を流通するガスが外部に漏れ易くなるため、シール部材６０の装着忘れを容易に検出することができる。また、シール部材６０が内部ガスの圧力により膨張(変形)して大気側へと突出することを抑制することができる。この結果、第１及び第２の配管部材３１ａ、３１ｂの接合部からのガス漏れを的確に検知することが可能となる。
【００３２】
また、以上説明した配管においては、通気性部材７０の内部側（大気側と反対側）部分７１の配管軸方向寸法を、シール溝５６ｂの外部側（大気側）部分の配管軸方向寸法と略同一に設定している。このため、配管内を流通するガスからの内圧を受けるシール部材６０を、通気性部材７０により外部側（大気側）から支持することができるため、シール部材６０の変形による破損を抑制することが可能となる。
【００３３】
また、以上説明した配管においては、通気性部材７０が、連通路５７ｂに充填された状態で配管径方向外側への移動が規制されるような形状を有しているため、溶接材や接着剤を採用することなく、安価に通気性部材７０を固定することができる。従って、溶接材や接着剤がネジ部、シール溝壁面、接合面等にはみ出すことに起因する種々の問題（ネジ精度不良、シール部材の破損、配管部材の接合不良等）の発生を抑制することが可能となる。
【００３４】
また、以上説明した燃料電池システム１においては、水素供給流路３１（ガス流路）を形成する配管において、第１及び第２の配管部材３１ａ、３１ｂの接合部からのガス漏れを的確に検知することができる。従って、システムの安全性を向上させることが可能となる。
【００３５】
なお、以上の実施形態においては、水素ガス配管系３の水素供給流路３１を形成する配管に本発明を適用した例を示したが、他の配管（例えば、水素ガス配管系３の水素排出流路３２ａ及び水素返送流路３２ｂを形成する配管や、酸化ガス配管系２の空気供給流路２１及び空気排出流路２２を形成する配管）に本発明を適用することもできる。また、燃料電池システムとは別のシステムの配管に本発明を適用してもよい。
【００３６】
また、以上の実施形態においては、断面略Ｌ字型ブロック形状の通気性部材を採用した例を示したが、通気性部材の形状・構造はこれに限られるものではない。例えば、図３（Ｂ）に示すように、円弧状に湾曲した直方体形状の内部側（大気側と反対側）部分８１と、小径円筒状の外部側（大気側）部分８２と、を組み合わせた構造の通気性部材８０を採用することもできる。通気性部材８０においては、小径円筒状の外部側部分８２を連通路の一部（空隙）に嵌合して係止させると、配管径方向外側・配管軸方向・配管周方向への移動が規制される。その他の形状（連通路に充填された状態で配管径方向及び／又は配管軸方向及び／又は配管周方向への移動が規制されるような形状）を有する通気性部材を採用することもできる。
【００３７】
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態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配管を構成する２つの配管部材の接合部を示す拡大断面図である。
【図３】（Ａ）は図２に示した接合部に配置される通気性部材の斜視図であり、（Ｂ）は他の通気性部材の斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池、３１ａ…第１の配管部材、３１ｂ…第２の配管部材、５５ａ・５５ｂ…接合面、５６ｂ…シール溝、５７ｂ…連通路、６０…シール部材、７０・８０…通気性部材。
【図１】
2009197844.tif 000003
【図２】
2009197844.tif 000004
【図３】
2009197844.tif 000005