JP6098609B2 - 水素供給用配管、および、水素供給用配管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に水素を供給するための水素供給用配管、および、その製造方法に関する。

従来から、燃料電池に燃料ガスである水素を供給するための配管である水素供給用配管が知られている（引用文献１、２）。水素供給用配管は、インジェクタを介して水素タンク内の水素を流通させたとき、内部の水素に脈動が生じ、この脈動が原因で放射音が発生することがあった。燃料電池搭載車両では、この放射音が車室内に伝わることがあり、商品性が低下する問題があった。

特開２００７−４２４３３号公報 特開２０１４−１６０５４１号公報

本願の発明者は、この問題を解決するため方法を講じる際に、以下のような種々の課題が生じることを見出した。例えば、この問題を解決するための一つの方法として、内側に水素を流通させる流路管部材を熱収縮チューブなどの被覆部材によって被覆した水素供給用配管を想定する。しかしながら、以下で説明する製造上の理由によって、流路管部材を被覆する被覆部材の肉厚を大きくすることが容易ではない。すなわち、被覆部材によって水素供給用配管の遮音性を確保することは容易ではない。

流路管部材を被覆部材によって被覆した水素供給用配管を製造するためには、まず、曲げ加工前の流路管部材に熱収縮チューブを取り付け、加熱によって熱収縮チューブを熱収縮させる。その後、熱収縮チューブが外表面に緊着した流路管部材に対して特定の形状に曲げ加工をおこなう。このような手順となるのは、曲げ加工後の流路管部材に対して熱収縮チューブを取り付けることは容易ではないためである。また、流路管部材の外表面に緊着していない熱収縮前の熱収縮チューブが取り付けられた状態の流路管部材に対して曲げ加工をおこなうことは容易ではないためである。このような工程において、熱収縮後の被覆部材の肉厚を大きくした場合、被覆部材が緊着した流路管部材に対して曲げ加工をおこなうと被覆部材が破損する場合がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の第一の形態は、
燃料電池に水素を供給するための水素供給用配管であって、
屈曲部と、前記屈曲部に接続される略直線状の延伸部とを有し、内側に前記水素を流通させる流路管部材と、
前記流路管部材の外表面を被覆する管形状の被覆部材と、を備え、
前記被覆部材は、前記水素供給用配管の管軸方向において複数の分割片に分割されており、各前記分割片は、隣接する他の前記分割片の端部と自身の端部とが重なるようにして、前記屈曲部と前記延伸部とを有する前記流路管部材に前記管軸方向に並んで取り付けられ熱収縮によって前記流路管部材の外表面に緊着しており、
互いに隣接する２つの前記分割片のそれぞれの端部が互いに重なった部分である重複部が、前記延伸部に位置している、水素供給用配管である。また、本発明は以下の形態としても実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池に水素を供給するための水素供給用配管が提供される。この水素供給用配管は、内側に前記水素を流通させる流路管部材と、前記流路管部材の外表面を被覆する管形状の被覆部材と、を備え、前記被覆部材は、前記水素供給用配管の管軸方向において複数の分割片に分割されており、各前記分割片は、隣接する他の前記分割片の端部と自身の端部とが重なるようにして前記管軸方向に並んで配置され、熱収縮によって前記流路管部材の外表面に緊着しているように構成されている。この構成によれば、被覆部材を分割することで、曲げ加工後の流路管部材に対して被覆部材を取り付けることができるため、被覆部材を緊着させた後の流路管部材に対して曲げ加工をおこなう必要がない。よって、熱収縮後の肉厚が大きい被覆部材であっても曲げ加工後の流路管部材の外表面に容易に緊着させることができるため、水素供給用配管の遮音性能の向上を図ることができる。

（２）上記形態の水素供給用配管において、前記各分割片は、前記水素供給用配管の使用時の体勢において、互いに隣接する２つの前記分割片のうち、相対的に鉛直方向上方側となる一方の前記分割片の端部が、相対的に鉛直方向下方側となる他方の前記分割片の端部を被覆していてもよい。この構成によれば、水素供給用配管の使用時において、鉛直方向上方側の分割片に付着している水などの液体が、鉛直方向下方側の分割片に移動しても、液体が下方側の分割片の端部から分割片の内側に浸入することを抑制できる。

（３）上記形態の水素供給用配管において、前記水素供給用配管は、屈曲部と、前記屈曲部に接続される略直線状の延伸部とを備えており、互いに隣接する２つの前記分割片のそれぞれの端部が互いに重なった部分である重複部は、前記水素供給用配管の前記延伸部に位置していてもよい。この構成によれば、隣接する２つの分割片の端部間のシール性をより十分に確保することができる。

（４）本発明の一形態によれば、燃料電池に水素を供給するための水素供給用配管の製造方法が提供される。この製造方法は、内側に前記水素を流通させる流路管部材を準備する準備工程と、前記流路管部材に対して曲げ加工をおこなう曲げ工程と、前記曲げ加工がおこなわれた前記流路管部材に対して、熱収縮性の管形状の被覆部材を分割した複数の分割片を順に取り付ける取り付け工程と、前記流路管部材に取り付けられた前記複数の分割片を熱収縮させて、前記流路管部材の外表面に緊着させる収縮工程と、を備えるように構成されている。この構成によれば、被覆部材を分割することで、曲げ加工後の流路管部材に対して被覆部材を取り付けることができるため、被覆部材を緊着させた後の流路管部材に対して曲げ加工をおこなう必要がない。よって、熱収縮後の肉厚が大きい被覆部材であっても曲げ加工後の流路管部材の外表面に容易に緊着させることができるため、水素供給用配管の遮音性能の向上を図ることができる。

（５）上記形態の製造方法において、前記取り付け工程では、前記各分割片は、製造される前記水素供給用配管の使用時の体勢において、互いに隣接する２つの前記分割片のうち、相対的に鉛直方向上方側となる一方の前記分割片の端部が、相対的に鉛直方向下方側となる他方の前記分割片の端部を被覆するように取り付けられていてもよい。この構成によれば、製造される水素供給用配管の使用時において、鉛直方向上方側の分割片に付着している水などの液体が、鉛直方向下方側の分割片に移動しても、液体が下方側の分割片の端部から分割片の内側に浸入することを抑制できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、水素供給用配管を含む燃料電池システム、燃料電池システムの製造方法、この燃料電池システムを搭載した燃料電池車両などの形態で実現することができる。

第１実施形態の水素供給用配管を有する燃料電池車両を例示した図である。 水素供給用配管部材の概略構成を例示した斜視図である。 水素供給用配管部材の管軸方向における断面図である。 水素供給用配管部材の製造方法を説明するためのフローチャートである。 比較例としての製造方法を説明するためのフローチャートである。

図１は、第１実施形態の水素供給用配管１００を有する燃料電池車両１０を例示した説明図である。燃料電池車両１０は、燃料電池２０と、水素タンク３０と、水素供給用配管１００と、排気排水用配管４０とを備えている。燃料電池２０は、車室１１を区画するアンダーボディ１２の下方側であって、前輪ＦＷと後輪ＲＷとの間に位置する車室床下領域１３に配置されている。燃料電池２０は、水素ガスと酸素ガスとの供給を受けて発電し、発電電力を図示しない駆動用モータに供給する。水素タンク３０は、アンダーボディ１２の下方側であって、燃料電池２０よりも後輪ＲＷ側に横置きに搭載されている。なお、燃料電池車両１０は、水素タンク３０を複数備えていてもよい。また、燃料電池車両１０は、燃料電池２０を冷却するためのラジエータや冷媒が流通するための配管等を備えていてもよい。

水素供給用配管１００は、水素タンク３０と燃料電池２０との間に配設され、水素タンク３０に充填されている水素を燃料電池２０に供給する。本実施形態の水素供給用配管１００は、複数の水素供給用配管部材１０１、１０２を接続部１０３によって接続した構成を備えている。２つの水素供給用配管部材１０１、１０２は同様の構成であり、詳細について後述する。接続部１０３は、例えば、コネクタや接続管等の接続部材によって構成されている。水素供給用配管１００は、水素タンク３０と燃料電池２０との間に限定されず、燃料電池車両１０が水素タンク３０を複数備えている場合には、複数の水素タンク３０の間に配置されていてもよい。また、水素供給用配管１００には、減圧弁、開閉弁、逆止弁等の弁やマニホールド等の他の接続部材が配置されていてもよい。

排気排水用配管４０は、燃料電池２０の電気化学反応によって生じたガスを含む排ガスや、生成水を含む排水を外部に排出するための配管であり、一方の端部が燃料電池２０に接続され、他方の端部が燃料電池車両１０の後方側において外部に開放されている。排気排水用配管４０は、例えば、樹脂によって形成されている。

図２は、水素供給用配管部材１０１の概略構成を例示した斜視図である。水素供給用配管部材１０１は、流路管部材１１０と、被覆部材１２０と、を含んでいる。流路管部材１１０は、内側に水素を流通させる管部材であり、アルミニウムによって形成されている。なお、流路管部材１１０は、鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、銅等のアルミニウム以外の金属によって形成されていてもよい。

被覆部材１２０は、流路管部材１１０の外表面を被覆するための管形状の部材であり、ここでは、熱収縮チューブとして構成されている。被覆部材１２０は、加熱によって主に径方向に収縮しており、内側に配置された流路管部材１１０の外表面１１１に緊着している。本実施形態の被覆部材１２０は、ポリエチレンによって形成されているが、ポリオレフィン、フッ素系ポリマー、熱可塑性エストラマー等、流路管部材１１０よりも遮音性能が高い他の材料によって形成されていてもよい。被覆部材１２０は、熱収縮前の肉厚が同じであっても内径が大きいものほど、収縮後において流路管部材１１０を被覆する肉厚が大きくなる。被覆部材１２０は、収縮後に流路管部材１１０を被覆する肉厚が大きくなるほど、遮音性能が向上する。被覆部材１２０は、遮音性能のほか、流路管部材１１０を水などの液体から保護する防水保護性能を備えている。流路管部材１１０を被覆部材１２０で被覆することによって、水素供給用配管部材１０１の耐食性と遮音性の向上を図ることができる。具体的には、被覆部材１２０によって、水素供給用配管部材１０１の外周に付着した水等の液体が流路管部材１１０と接触することを抑制できる。これにより、流路管部材１１０の腐食を抑制できる。また、被覆部材１２０によって、流路管部材１１０の内側で発生する脈動音等の騒音を低減させることができる。

被覆部材１２０は、水素供給用配管部材１０１の管軸方向において、複数の分割片１２０ｄに分割されている。ここでは、被覆部材１２０は、４つの分割片１２０ｄ（第１の分割片１２０ｄ１、第２の分割片１２０ｄ２、第３の分割片１２０ｄ３、第４の分割片１２０ｄ４）に分割されているが、分割数については特に限定はない。各分割片１２０ｄ１〜１２０ｄ４は、隣接する他の分割片１２０ｄの端部ｄｐｅと、自身の管軸方向の両側の端部（開口端部）ｄｐｅのうちの少なくとも一方とが重なるようにして、水素供給用配管部材１０１の管軸方向に並んで配置されている。ここでは、隣接する２つの分割片１２０ｄのそれぞれの端部ｄｐｅが互いに重なった部分を「重複部ＰＯ」とも呼ぶ。重複部ＰＯを設けることによって、隣接する２つの分割片１２０ｄの端部ｄｐｅ間のシール性を確保することができる。すなわち、重複部ＰＯを設けることによって、隣接する２つの分割片１２０ｄの端部ｄｐｅ間から水などの液体が分割片１２０ｄの内側に浸入することを抑制できる。分割片１２０ｄは、熱収縮によって、流路管部材１１０の外表面１１１に緊着している。これにより、分割片１２０ｄと流路管部材１１０との間のシール性が確保されている。なお、分割片１２０ｄは、内側に接着剤が塗布されていてもよい。この場合、分割片１２０ｄを流路管部材１１０の外表面１１１に緊着させたときに、分割片１２０ｄと流路管部材１１０との間に接着層を形成することができる。これにより、分割片１２０ｄと流路管部材１１０との間のシール性をより高めることができる。

図３は、水素供給用配管部材１０１の管軸方向における断面図である。水素供給用配管部材１０１は、燃料電池車両１０（図１）において水素供給用配管部材１０１が使用される場所に応じた形状となるように、複数の屈曲部ＣＰを備えている。また、水素供給用配管部材１０１は、２つの屈曲部ＣＰの間、および、屈曲部ＣＰと水素供給用配管部材１０１の端部ＥＰとの間の少なくとも一方に、略直線状の延伸部ＳＰを備えている。このとき、隣接する２つの分割片１２０ｄの重複部ＰＯは、水素供給用配管部材１０１の屈曲部ＣＰ以外の位置に配置されている。すなわち、重複部ＰＯは、水素供給用配管部材１０１の延伸部ＳＰに配置されている。これにより、隣接する２つの分割片１２０ｄの端部ｄｐｅ間のシール性をより十分に確保することができる。具体的には、水素供給用配管部材１０１の使用時に振動などによって水素供給用配管部材１０１に応力が生じたとき、延伸部ＳＰに生じるひずみの程度は、屈曲部ＣＰよりも小さい。そのため、重複部ＰＯを延伸部ＳＰに設けることによって、水素供給用配管部材１０１に応力が生じたときに、隣接する２つの分割片１２０ｄの端部ｄｐｅ間のシールが外れることを抑制できる。

重複部ＰＯは、水素供給用配管１００の使用時の体勢において、隣接する２つの分割片１２０ｄのうち、相対的に鉛直方向上方側となる一方の分割片１２０ｄの端部ｄｐｅが、相対的に鉛直方向下方側となる他方の分割片１２０ｄの端部ｄｐｅを被覆するように構成されている。具体的には、図３の上下方向が水素供給用配管部材１０１の使用時の体勢における鉛直方向である場合、第２の分割片１２０ｄ２は、それぞれ隣接する第１の分割片１２０ｄ１および第３の分割片１２０ｄ３よりも相対的に鉛直方向上方側となる。そのため、第２の分割片１２０ｄ２の一方の端部ｄｐｅ２ａは、第１の分割片１２０ｄ１の一方の端部ｄｐｅ１ｂを被覆しており、第２の分割片１２０ｄ２の他方の端部ｄｐｅ２ｂは、第３の分割片１２０ｄ３の一方の端部ｄｐｅ３ａを被覆する。また、第３の分割片１２０ｄ３は、隣接する第４の分割片１２０ｄ４よりも相対的に鉛直方向下方側となる。そのため、第３の分割片１２０ｄ３の他方の端部ｄｐｅ３ｂは、第４の分割片１２０ｄ４の一方の端部ｄｐｅ４ａの内側に位置している。このようにすることによって、隣接する２つの分割片１２０ｄの端部ｄｐｅ間のシール性をより十分に確保することができる。具体的には、水素供給用配管部材１０１の使用時において、鉛直方向上方側の分割片１２０ｄに付着している水などの液体が、鉛直方向下方側の分割片１２０ｄに移動しても、液体が下方側の分割片１２０ｄの端部ｄｐｅから分割片１２０ｄの内側に浸入することをより抑制できる。

図４は、第１実施形態の水素供給用配管部材１０１の製造方法を説明するためのフローチャートである。はじめに、図４（ａ）に示すように、曲げ加工が施されていない流路管部材１１０を準備する。準備した流路管部材１１０に対して、図４（ｂ）に示すように、曲げ加工をおこなう。この曲げ加工によって、屈曲部ＣＰが形成され、製造後の水素供給用配管部材１０１は、水素供給用配管部材１０１が使用される場所に応じた形状となる。

曲げ加工がおこなわれた流路管部材１１０に対して、図４（ｃ）に示すように、被覆部材１２０の分割片１２０ｄ１〜１２０ｄ４を順に取り付ける。このとき、重複部ＰＯは、製造後の水素供給用配管部材１０１の使用時の体勢において、隣接する２つの分割片１２０ｄのうち、相対的に鉛直方向上方側となる一方の分割片１２０ｄの端部ｄｐｅが、相対的に鉛直方向下方側となる他方の分割片１２０ｄの端部ｄｐｅを被覆するように形成される。また、重複部ＰＯは、屈曲部ＣＰ以外の位置に形成される。その後、図４（ｄ）に示すように、流路管部材１１０に取り付けられた分割片１２０ｄを加熱して熱収縮させて、流路管部材１１０の外表面１１１に緊着させる。これにより、水素供給用配管部材１０１が製造される。このように、本実施形態の製造方法では、被覆部材１２０を複数の分割片１２０ｄに分割するため、流路管部材１１０を曲げ加工した後であっても被覆部材１２０を取り付けることができる。そのため、本実施形態の製造方法によれば、被覆部材１２０を緊着させた後の流路管部材１１０に対して曲げ加工をおこなう必要がない。よって、熱収縮後の肉厚が大きい被覆部材１２０であっても曲げ加工後の流路管部材１１０の外表面１１１に容易に緊着させることができるため、水素供給用配管部材１０１の遮音性能の向上を図ることができる。

図５は、比較例としての水素供給用配管の製造方法を説明するためのフローチャートである。図５（ａ）に示すように、曲げ加工が施されていない直線状の流路管部材１１０を準備する。準備した流路管部材１１０に対して、図５（ｂ）に示すように、流路管部材１１０と同程度の長さの被覆部材１２０を取り付ける。被覆部材１２０を曲げ加工する前に被覆部材１２０を取り付けるのは、曲げ加工後の流路管部材１１０に被覆部材１２０を取り付けることが困難なためである。すなわち、曲げ加工後の流路管部材１１０に被覆部材１２０を取り付けようとした場合、長尺状の被覆部材１２０が流路管部材１１０の屈曲部ＣＰに引っかかり、被覆部材１２０を完全に取り付けることができないためである。

流路管部材１１０に被覆部材１２０を取り付けた後、図５（ｃ）に示すように、被覆部材１２０を加熱して熱収縮させ、流路管部材１１０の外表面１１１に緊着させる。被覆部材１２０を流路管部材１１０に緊着させた後、図５（ｄ）に示すように、流路管部材１１０に対して、特定の形状にするための曲げ加工をおこなう。熱収縮後に曲げ加工をおこなうのは、熱収縮前の被覆部材１２０の外側から被覆部材１２０の内側の流路管部材１１０に対して力を加えると、被覆部材１２０が流路管部材１１０に対して移動してしまい、目的とする曲げ加工ができないためである。このような比較例の製造方法では、熱収縮後の肉厚が大きい被覆部材１２０を使用した場合、被覆部材１２０を緊着させた後の流路管部材１１０に対して曲げ加工をおこなうと被覆部材１２０が破損する場合がある。そのため、比較例の製造方法では、熱収縮後の肉厚が比較的薄い被覆部材１２０しか使用することはできない。しかし、熱収縮後の肉厚が薄い被覆部材１２０は、防水保護性能を備えていても、十分な遮音性能を備えていない。そのため、比較例の製造方法では、十分な遮音性能を有する水素供給用配管部材を製造することはできない。

以上説明した、本実施形態の水素供給用配管１００によれば、被覆部材１２０を分割することで、曲げ加工後の流路管部材１１０に対して被覆部材１２０を取り付けることができるため、被覆部材１２０を緊着させた後の流路管部材１１０に対して曲げ加工をおこなう必要がない。よって、被覆部材１２０の肉厚が厚い場合であっても、曲げ加工時に被覆部材の破損の発生を抑制することができる。そのため、防水性能だけでなく防音性能を十分に確保することができる。

・変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
本実施形態の重複部ＰＯは、水素供給用配管部材１０１の使用時の体勢において、２つの分割片１２０ｄのうち、相対的に鉛直方向上方側となる一方の分割片１２０ｄの端部ｄｐｅが、相対的に鉛直方向下方側となる他方の分割片１２０ｄの端部ｄｐｅを被覆するように構成される。しかし、重複部ＰＯは、相対的に鉛直方向下方側となる分割片１２０ｄの端部ｄｐｅが、相対的に鉛直方向上方側となる分割片１２０ｄの端部ｄｐｅを被覆するように構成されてもよい。この場合であっても、隣接する２つの分割片１２０ｄの端部ｄｐｅ間のシール性を十分に確保することができる。なお、重複部ＰＯは、相対的に鉛直方向上方側となる分割片１２０ｄの端部ｄｐｅが、相対的に鉛直方向下方側となる分割片１２０ｄの端部ｄｐｅを被覆するように構成した方が、シール性をより十分に確保することができるためより好ましい。

本実施形態の重複部ＰＯは、水素供給用配管部材１０１の屈曲部ＣＰ以外の位置に配置される。しかし、重複部ＰＯは、水素供給用配管部材１０１の屈曲部ＣＰに配置されてもよい。この場合であっても、隣接する２つの分割片１２０ｄの端部ｄｐｅ間のシール性を十分に確保することができる。なお、重複部ＰＯは、水素供給用配管部材１０１の屈曲部ＣＰ以外の位置に配置された方が、シール性をより十分に確保することができるためより好ましい。

・変形例２：
本実施形態で示される部材の分割数や、構成される部材数は、例示であり、これらの数に限定されない。例えば、本実施形態の水素供給用配管１００は、複数の水素供給用配管部材１０１、１０２を接続部１０３によって接続した構成を備えている。しかし、水素供給用配管１００は、１つの水素供給用配管部材によって構成されていてもよいし３つ以上の水素供給用配管部材を含んでいてもよい。また、接続部１０３を備えていなくてもよい。

本実施形態の水素供給用配管１００は燃料電池車両１０に搭載されているが、燃料電池車両１０以外の場所で使用されてもよい。この場合であっても、水素供給用配管の遮音性能の向上を図ることができる。

１０…燃料電池車両
１１…車室
１２…アンダーボディ
１３…車室床下領域
２０…燃料電池
３０…水素タンク
４０…排気排水用配管
１００…水素供給用配管
１０１…水素供給用配管部材
１０３…接続部
１１０…流路管部材
１１１…外表面
１２０…被覆部材
１２０ｄ…分割片
１２０ｄ１…第１の分割片
１２０ｄ２…第２の分割片
１２０ｄ３…第３の分割片
１２０ｄ４…第４の分割片
ＰＯ…重複部
ＣＰ…屈曲部
ＳＰ…延伸部
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪

Claims (4)

1. 燃料電池に水素を供給するための水素供給用配管であって、
   屈曲部と、前記屈曲部に接続される略直線状の延伸部とを有し、内側に前記水素を流通させる流路管部材と、
   前記流路管部材の外表面を被覆する管形状の被覆部材と、を備え、
   前記被覆部材は、前記水素供給用配管の管軸方向において複数の分割片に分割されており、各前記分割片は、隣接する他の前記分割片の端部と自身の端部とが重なるようにして、前記屈曲部と前記延伸部とを有する前記流路管部材に前記管軸方向に並んで取り付けられ熱収縮によって前記流路管部材の外表面に緊着しており、
   互いに隣接する２つの前記分割片のそれぞれの端部が互いに重なった部分である重複部が、前記延伸部に位置している、水素供給用配管。
2. 請求項１に記載の水素供給用配管であって、
   前記各分割片は、前記水素供給用配管の使用時の体勢において、互いに隣接する２つの前記分割片のうち、相対的に鉛直方向上方側となる一方の前記分割片の端部が、相対的に鉛直方向下方側となる他方の前記分割片の端部を被覆している、水素供給用配管。
3. 燃料電池に水素を供給するための水素供給用配管の製造方法であって、
   内側に前記水素を流通させる流路管部材を準備する準備工程と、
   前記流路管部材に対して曲げ加工をおこなう曲げ工程と、
   前記曲げ加工がおこなわれた前記流路管部材に対して、熱収縮性の管形状の被覆部材を分割した複数の分割片を順に取り付ける取り付け工程と、
   前記流路管部材に取り付けられた前記複数の分割片を熱収縮させて、前記流路管部材の外表面に緊着させる収縮工程と、を備える製造方法。
4. 請求項３に記載の製造方法であって、
   前記取り付け工程では、前記各分割片は、製造される前記水素供給用配管の使用時の体勢において、互いに隣接する２つの前記分割片のうち、相対的に鉛直方向上方側となる一方の前記分割片の端部が、相対的に鉛直方向下方側となる他方の前記分割片の端部を被覆するように取り付けられる、製造方法。

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