JP2005310718A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池本体へ供給されるガス圧を減圧するレギュレータを備える燃料電池システムにおいて、レギュレータの水素出口側において生ずる脈動を低減する。
【解決手段】 燃料電池システムであって、燃料電池本体へ供給されるガス圧を調圧するレギュレータ４と、前記レギュレータ４から吐出されるガスが流入されるチャンバーを内部に有するプレート５と、を備え、前記チャンバーは前記レギュレータ吐出口より大径に設定される、燃料電池システム。前記プレート５は、前記チャンバーへの流入口を有しており、前記レギュレータ４は、その吐出口が前記流入口に嵌合されてプレート５に設置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池本体へ供給されるガス圧を減圧するレギュレータを備える燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムの分野においては、燃料電池本体へ供給されるガス圧を減圧するレギュレータを備える燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。

このような燃料電池システムにおいては、水素タンクからの比較的高圧の水素がレギュレータに流入され減圧されて下流に供給される。その減圧の際、レギュレータの水素出口側において脈動が生ずることがあるあるが、従来、レギュレータの水素出口側において生ずる脈動を低減するための着想については提案されていなかった。
特開平１１−１５４５２８号公報

本発明の課題は、燃料電池本体へ供給されるガス圧を減圧するレギュレータを備える燃料電池システムにおいて、レギュレータの水素出口側において生ずる脈動を低減するための技術を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムであって、燃料電池本体へ供給されるガス圧を調圧するレギュレータと、前記レギュレータから吐出されるガスが流入されるチャンバーを内部に有し、前記レギュレータが設置されるプレートと、を備え、前記チャンバーは前記レギュレータ吐出口より大径に設定される構成とした。

本発明によれば、燃料電池本体へ供給されるガス圧を減圧するレギュレータを備える燃料電池システムにおいて、チャンバーを設け、そのチャンバーが前記レギュレータ吐出口より大径に設定したので、レギュレータの水素出口側において生ずる脈動を低減することが可能となる。

また、上記燃料電池システムにおいて、例えば、上記燃料電池システム前記プレートは、前記チャンバーへの流入口を有しており、前記レギュレータは、その吐出口が前記流入口に嵌合されてプレートに設置される。

このようにすれば、例えば、嵌合代（例えば実施形態のＯリング）によって組み付け誤差を吸収することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池本体へ供給されるガス圧を減圧するレギュレータを備える燃料電池システムにおいて、レギュレータの水素出口側において生ずる脈動を低減することが可能となる。

以下、本発明の実施形態である燃料電池システムについて図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は、水素タンク１と、水素遮断弁２と、水素高圧調圧弁３と、レギュレータ（水素低圧調圧弁ともいう）４と、カバープレート５とカバープレート締結用ボルト６と、水素系配管７と、燃料電池（例えば高分子電解質型燃料電池）などの水素系８（以下燃料電池８とも記す）、及びＥＣＵなどの制御装置９を備えている。

水素タンク１は、燃料電池（又は燃料電池本体）８へ供給する水素を高圧の状態下で貯蔵するためのものである。

水素高圧調圧弁３は、水素遮断弁２を介して水素タンク１に接続されている。水素高圧調圧弁３は、バネ要素などを含み、水素タンク１から水素遮断弁２を介して供給される水素圧に機械的に追従してその水素圧を減圧できるように構成されている。

レギュレータ４は、これに接続された制御装置９から制御信号が供給されることで断続的に（弁体が）オンオフ制御され、これにより水素高圧調圧弁３から流入口４ａを介して流入した水素をさらに減圧して吐出口４ｄから吐出する。すなわち、レギュレータ４は水素低圧調整弁として機能する。このレギュレータ４により、水素高圧調圧弁３で減圧された水素圧をさらに減圧して平均的な流量を得ることが可能となっている。

レギュレータ４は、例えば、その流入口４ａ及び吐出口４ｄがそれぞれ、水素高圧調圧弁３の水素出口（レギュレータ装着口）３ａ及びカバープレート５に形成された水素流入口（レギュレータ装着口）５ｂに挿入（又は嵌合）されることで、水素高圧調圧弁３とカバープレート５との間に配置される。

レギュレータ４の水素流入口４ａ表面にはその周方向に伸びる凹溝４ｂが形成されており、そこにシール目的でゴムなどの弾性素材からなるＯリング４ｃが若干表面から突出する状態で取り付けられている。従って、レギュレータ４は、その水素流入口４ａが水素高圧調圧弁３の水素出口３ａに挿入（又は嵌合）されることで、そのＯリング４ｃが水素出口３ａ内壁に密着しシール効果を奏する。さらに、このように、弾性素材からなるＯリング４ｅを介してレギュレータ４を装着することで、いわゆる組み付け誤差吸収の効果も奏する。なお、水素高圧調圧弁３の水素出口３ａとレギュレータ４の水素流入口４ａとはＯリング４ｃを介することなく、例えば溶接あるいはネジ止めその他の手段で固定的に接合するようにしてもよい。後述のように、レギュレータ４の吐出口４ｄがＯリング４ｆを介して装着されこの部分で組み付け誤差を吸収できるので、このように固定的に接合したとしても、組み付け誤差吸収という観点からは特に問題とはならない。

同様に、レギュレータ４の吐出口４ｄ表面にはその周方向に伸びる凹溝４ｅが形成されており、そこにシール目的でゴムなどの弾性素材からなるＯリング４ｅが若干表面から突出する状態で取り付けられている。従って、レギュレータ４は、その吐出口４ｄがカバープレート５に形成された水素流入口５ｂに挿入（又は嵌合）されることで、そのＯリング４ｅが水素流入口５ｂ内壁に密着しシール効果を奏する。さらに、このように、弾性素材からなるＯリング４ｅを介してレギュレータ４を装着することで、いわゆる組み付け誤差吸収の効果も奏する。なお、組み付け誤差吸収を考慮しないのであれば、レギュレータ４の吐出口４ｄと水素流入口５ｂとはＯリング４ｅを介することなく、例えば溶接あるいはネジ止めその他の手段で固定的に接合するようにしてもよい。

なお、図２においては、説明の便宜上、１つのレギュレータ４を示してあるが、実際には、縦方向に複数並列的にレギュレータ４が各水素流入口５ｂを介して設置されている。この場合、各レギュレータ４には水素高圧調圧弁３から分岐して各流入口４ａを介して水
素が流入して各吐出４ｄから吐出し、各水素流入口５ｂを介してチャンバー５ａへ流入して合流し、水素出口５ｄ、及び水素系配管７を介して燃料電池（燃料電池本体）８に供給される。なお、レギュレータ４は複数設置するだけでなく１つだけ設置するようにしてもよいのは無論である。

カバープレート５は、その内部に形成されるチャンバー５ａと、そのチャンバー５ａとカバープレート５外部とを連通させるとともにレギュレータ４の吐出口４ａが挿入（又は嵌合）される複数の水素流入口（レギュレータ装着口）５ｂ（図２中１つを示す）と、カバープレート締結用ボルト６が挿入されるボルト穴５ｃ（図中１つを例示するが複数であってもよい）と、チャンバー５ａとカバープレート５外部とを連通させる水素出口５ｄと、を備えている。

カバープレート５はそのボルト穴５ｃに挿入されたカバープレート締結用ボルト６によりスペーサなどを介して水素高圧調圧弁３にネジ止めされている。

カバープレート５はその水素出口５が水素系配管７に接合されており、水素出口５から流出する水素が水素系配管７を介して燃料電池８に供給されるようになっている。

ここで、レギュレータ４は、これに接続された制御装置９から制御信号が供給されることで断続的に（弁体が）オンオフ制御を繰り返すのでその吐出口４ｄ側において脈動が生ずる。この脈動を低減するために、水素供給経路の各径が次の関係となるように設定されている。

第１に、レギュレータ４の吐出口４ｄの断面積Ａ１＜カバープレート５内部のチャンバー５ａの断面積Ａ２、であること。第２に、カバープレート５の水素出口５ｄの断面積Ａ３＜水素系配管７の断面積Ａ４、であること。第３に、カバープレート５内部のチャンバー５ａの断面積Ａ２＞カバープレート５の水素出口５ｄの断面積Ａ３、であること。なお、これら３つの条件のうちの少なくとも一つでも満たせば、レギュレータ４がオンオフ制御されることに基づく脈動を低減する効果を奏する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、水素供給経路の各径に一定の関係を持たせたので、レギュレータ４の水素出口側４ｄにおいて生ずる脈動を低減することが可能となる。しかも、チャンバー５ａをカバープレート５内部に設けるようにしたことから、カバープレート５を比較的大きくすることなく、複数のレギュレータ４を装着することが可能となる。さらに、レギュレータ４から吐出されるガスが流入されるチャンバー５ａを内部に有し、そのレギュレータ４が設置されるプレート５を備えることから、脈動低減可能なレギュレータ装置５がコンパクトなものとすることが可能となる。

次に、レギュレータ４より下流のいずれかの部分（例えばレギュレータ４の吐出口４ｄとカバープレート５の水素流入口５ｂとのシール部分）での水素漏れを検知するために採用した構成について説明する。これは、水素漏れしない限り、レギュレータ４より下流に送った水素量と燃料電池８が使った水素量（燃料電池において反応した水素量）とはほぼ等しくなる、という考えに基づく。

まず、制御装置９が、レギュレータ４より下流に送った水素量、及び燃料電池が使った水素量を検出し、両者を比較する。その結果、両水素量が一致していなければ（例えば両水素量の差が閾値をこえていれば）レギュレータ４より下流のいずれかの部分で水素漏れがあったことを検知する。これは、レギュレータ４よりも下流の範囲が広ければ広いほど、水素漏れ検知できる領域を拡大できることを意味する。この観点からすれば、レギュレ
ータ４はできる限り上流に設置するのが望ましいが、レギュレータ４は低圧調圧弁であるので高圧調圧弁３より上流には設置できない。それ故、本実施形態では上記のとおり、レギュレータ４を高圧調圧弁３に隣接して（高圧調圧弁３と一体的に）設置した（図３参照）。このように、レギュレータ４を可能な限り上流に設置するようにしたので、水素漏れ検知できる領域が最大限に拡大されている。

一方、両水素量が一致していれば（例えば両水素量の差が閾値をこえていなければ）、水素漏れがあったことを検知しない。

レギュレータ４より下流に送った水素量については、本実施形態では低圧調圧弁としてレギュレータ４を採用しているので、例えば、制御装置９が、レギュレータ４をオンした時間と単位時間あたりの流量とを掛け合わせることで、検出（算出）可能である。なお、レギュレータ４より下流に送る水素量については、これよりも上流の水素圧や温度などにも影響を受けることから、それらの値を測定しこれを補正値として用いることで、より精度良く算出可能となる。

一方、燃料電池が使った水素量については、燃料極における一般的な反応式Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^＋から算出できる。この反応式は、例えば燃料電池が１モルのＨ_２を使った場合、２モルの電子（＝約９６５００クーロン×２の電気量）が発生することを意味する。また、電流（Ａ：アンペア）と電気量（Ｃ：クーロン）との関係は、Ｓを秒数とすると、電気量（Ｃ）＝電流（Ａ）×秒数（Ｓ）で表される。

従って、燃料電池８が使った水素量については、例えば、これに接続された制御装置９が、燃料電池８から反応により発生した電流（Ａ）及び秒数（Ｓ）を得た場合には、電流（Ａ）×秒数（Ｓ）を（約９６５００クーロン×２）で割ることにより算出可能である。なお、燃料電池８が使った水素量については、燃料電池８に達した水素の全てが使われるとは限らないことから、それらの値を補正値として用いることで、より精度良く算出可能となる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、レギュレータ４を高圧調圧弁３に隣接して（高圧調圧弁３と一体的に）設置した。このように、レギュレータ４を可能な限り上流に設置するようにしたので、水素漏れ検知できる領域が最大限に拡大されている。

また、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、比較的高圧の水素高圧調圧弁３（の弁部）と水素低圧調圧弁４（の弁部）との間が最小となるため、例えば水素系配管７が破断したとしても、水素放出量を少なくすることが可能となる。これは、水素低圧調圧弁４がレギュレータ４であることから、水素高圧調圧弁３（の弁部）と水素低圧調圧弁４（の弁部）との間が長いとそれだけ水素低圧調圧弁４（の弁部）より下流の圧力に影響を及ぼすが、両者間が短ければそれだけ下流の圧力に影響を及ぼしにくいということに基づく。

また、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、レギュレータ４を高圧調圧弁３に隣接して（高圧調圧弁３と一体的に）設置したので、レギュレータ４と高圧調圧弁３とを接続する配管接続部が不要となり、部品点数の削減という効果を奏する。

また、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、レギュレータ４を高圧調圧弁３に隣接して（高圧調圧弁３と一体的に）設置したので、例えば、仮に両者を配管で接続した場合にその配管の両端に必要となる２つ（又はそれ以上）のシール部材が不要となる。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、レギュレータ４を高圧調圧弁３に
隣接して（高圧調圧弁３と一体的に）設置するために必要なシール部材は、図２に例示したように、１つでよい。このように、シール部材の数を減らすことができることから、信頼性の向上が図られる。
（変形例）
上記実施形態の燃料電池システムにおいては、例えば、レギュレータ４の水素流入口４ａの内径を吐出口４ｄの内径よりも大径に設定することで、あるいはレギュレータ４の吐出口４ｄの出口近傍を小径に設定することで、レギュレータ４の下流に一度絞りを設けるようにしてもよい。これによっても、脈動を低減することが可能となる。

また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、例えば、レギュレータ４を高圧調圧弁３に隣接して（高圧調圧弁３と一体的に）設置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、高圧調整弁３のない燃料電池システムにおいては、例えば、レギュレータ４を水素遮断弁２に隣接して（水素遮断弁２と一体的に）設置してもよい。これによっても、高圧調圧弁３のない燃料電池システムにおいては、レギュレータ４を可能な限り上流に設置することになるので、水素漏れ検知できる領域が最大限に拡大される。

また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、カバープレート５はそのボルト穴５ｃに挿入されたカバープレート締結用ボルト６により水素高圧調圧弁３にネジ止めされているように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、水素高圧調圧弁３にではなく、ブラケットにネジ止めするようにしてもよい。また、ネジ止めに限らず、溶接などその他の手段で両者を固定するようにしてもよい。

また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、例えば、図２中、複数のレギュレータ４を縦方向に複数並列的に設けてもよく、この場合、各レギュレータ４には水素高圧調圧弁３から分岐して各流入口４ａを介して水素が流入して各吐出４ｄから吐出し、チャンバー５ａで合流し、水素出口５ｄ、及び水素系配管７を介して燃料電池８に供給されるように説明した。この場合、チャンバー５ａは合流流路として機能するが、本発明はこれに限定されない。すなわち、カバープレートに合流流路としてのチャンバー５ａはなくてもよい。例えば、図２中、断面積Ａ１、断面積Ａ２、及び断面積Ａ３それぞれの流路をレギュレータ４内に組み込むことが考えられる。また、各レギュレータ４それぞれに対応するチャンバー５ａ（Ｎ：１の関係ではなくて、１：１の関係）を設け、水素系配管７で合流させることも考えられる。あるいは、水素系配管７で合流させることなく、チャンバー５ａそれぞれに対応する水素系配管７に供給することも考えられる。

また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、レギュレータ４はＯリング４ｃ及び４ｆでシールされているように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、面シールや他の形態のシールでもよい。

また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、レギュレータ４を高圧調圧弁３に挿入（又は嵌合）することで隣接して（高圧調圧弁３と一体的に）設置するように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、レギュレータ４を高圧調圧弁３とを完全にひとつのボディーで構成するようにしてもよい。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。このため、上記の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明が限定的に解釈されるものではない。

本発明によれば、燃料電池本体へ供給されるガス圧を減圧するレギュレータを備える燃料電池システムにおいて、レギュレータの水素出口側において生ずる脈動を低減するため
の技術を提供することにある。

本発明の実施形態である燃料電池システムの概略構成を説明するための図である。 本発明の実施形態である燃料電池システムにおけるレギュレータ周辺要素を説明するための図である。 本発明の実施形態である燃料電池システムにおける水素高圧調圧弁と定圧調圧弁（レギュレータ）との接続関係を説明するための図である。

符号の説明

１ 水素タンク
２ 水素遮断弁
３ 水素高圧調圧弁
３ａ 水素出口（レギュレータ装着口）
４ レギュレータ
４ａ 水素流入口
４ｄ 水素吐出口
５ カバープレート
５ａ チャンバー
５ｂ 水素流入口（レギュレータ装着口）
５ｃ ボルト穴
５ｄ 水素出口
６ カバープレート締結用ボルト
７ 水素系配管
８ 水素系（燃料電池）
９ 制御装置（ＥＣＵ）
１０ 燃料電池システム

Claims (2)

1. 燃料電池本体へ供給されるガス圧を調圧するレギュレータと、
   前記レギュレータから吐出されるガスが流入されるチャンバーを内部に有し、前記レギュレータが設置されるプレートと、
   を備え、
   前記チャンバーは前記レギュレータ吐出口より大径に設定される、
   燃料電池システム。
2. 前記プレートは、前記チャンバーへの流入口を有しており、
   前記レギュレータは、その吐出口が前記流入口に嵌合されてプレートに設置される、
   請求項１に記載の燃料電池システム。

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