JP2008041265A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃料電池にガスを供給するガス供給流路にレギュレータを配設した燃料電池システムにおいて、レギュレータの上流側の過度な圧力上昇を抑制し、レギュレータの誤動作を防ぐ技術を提供する。
【解決手段】 本発明の燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路４０と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路５０と、燃料ガス供給流路４０に設けられた２次レギュレータ１２と、２次レギュレータ１２の上流側流路と下流側流路をつなぐバイパス流路４２と、バイパス流路４２に設けられており、上流側の圧力と下流側の圧力との差が所定値以下のときに閉じる一方で所定値を超えると開く圧力調整弁１０とを備えている。
【選択図】図１
【解決手段】 本発明の燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路４０と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路５０と、燃料ガス供給流路４０に設けられた２次レギュレータ１２と、２次レギュレータ１２の上流側流路と下流側流路をつなぐバイパス流路４２と、バイパス流路４２に設けられており、上流側の圧力と下流側の圧力との差が所定値以下のときに閉じる一方で所定値を超えると開く圧力調整弁１０とを備えている。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路を備えた燃料電池システムに関する。特に、ガス供給流路に設けられているレギュレータへ過大な圧力が作用することを抑制可能な燃料電池システムに関する。
燃料電池と、燃料電池に電気化学反応を起こさせるための燃料ガスや酸化ガスなどの流体を燃料電池に供給するガス供給流路とを備えた燃料電池システムが開発されている。
例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた燃料電池システムの場合、空気極と燃料極の差圧が大きくなると、燃料電池の電解質膜の劣化や燃料電池の寿命低下等の不具合を生じることがある。このことから、空気極側に供給される酸素ガスの流量と、燃料極側に供給される水素ガスの流量とを制御して、燃料電池の空気極側の圧力と燃料極側の圧力とが安定するように圧力制御を行う技術が開発されている。
例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた燃料電池システムの場合、空気極と燃料極の差圧が大きくなると、燃料電池の電解質膜の劣化や燃料電池の寿命低下等の不具合を生じることがある。このことから、空気極側に供給される酸素ガスの流量と、燃料極側に供給される水素ガスの流量とを制御して、燃料電池の空気極側の圧力と燃料極側の圧力とが安定するように圧力制御を行う技術が開発されている。
例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、水素ガスボンベのガス出口に一次レギュレータが配設されている。一次レギュレータから燃料電池へと水素ガスを案内する水素ガス供給流路には、燃料電池の運転状態に応じて制御される二次レギュレータが配設されている。また、二次レギュレータの上流側流路と下流側流路はバイパス流路によって接続され、このバイパス流路には開閉弁が配設されている。二次レギュレータ及び開閉弁は制御部によって制御される。
この燃料電池システムでは、水素ガスボンベ内の水素ガスは、一次レギュレータによって所定の圧力に調圧される。一次レギュレータによって調圧された水素ガスは、二次レギュレータによってさらに調圧される。二次レギュレータは、燃料電池の運転状態に応じて制御され、燃料電池に供給される水素ガスの圧力を調整する。これによって、燃料電池の空気極側の圧力と燃料極側の圧力との差圧が安定し、燃料電池の劣化や寿命の低下等を防止することができる。
この燃料電池システムでは、水素ガスボンベ内の水素ガスは、一次レギュレータによって所定の圧力に調圧される。一次レギュレータによって調圧された水素ガスは、二次レギュレータによってさらに調圧される。二次レギュレータは、燃料電池の運転状態に応じて制御され、燃料電池に供給される水素ガスの圧力を調整する。これによって、燃料電池の空気極側の圧力と燃料極側の圧力との差圧が安定し、燃料電池の劣化や寿命の低下等を防止することができる。
特許文献１の燃料電池システムにおいては、水素ガス供給流路に設けられた二次レギュレータへ過大な圧力が作用し、二次レギュレータの誤動作が起こり得る。例えば、水素ガスボンベのガス出口が気密に閉じられ、かつ二次レギュレータから微小な水素ガスの洩れがあった場合、二次レギュレータ上流の水素ガス供給流路内の水素ガスの圧力はほぼ大気圧まで降下する。その状態からシステムの起動等により水素ガスボンベから高圧ガスが一気に水素ガス供給流路内に流出すると、二次レギュレータ上流のガス圧が上昇し、二次レギュレータの上流のガス圧に一時的な圧力ピークが生じる。これによって、二次レギュレータに過大な圧力が作用し、その圧力に反応して二次レギュレータが誤開弁する等の誤動作を起こすことがある。また、二次レギュレータの上流側に設けられている各部（例えば、一次レギュレータ等）がフェールした場合においても同様に、水素ガスボンベから一気に放出される高圧ガスにより二次レギュレータの上流側に圧力ピークが生じ、二次レギュレータの動作不良を生じさせることがある。
なお、特許文献１の燃料電池システムでは、二次レギュレータの上流側と下流側を接続するバイパス流路が設けられており、このバイパス流路には開閉弁が配設されている。しかしながら、この開閉弁はパージ動作時に開弁するものであり、二次レギュレータの上流のガス圧が過大に上昇したときに開弁するものではない。このため、二次レギュレータの上流のガス圧の過大な上昇を抑制することはできず、二次レギュレータの誤動作を防止することはできない。
なお、特許文献１の燃料電池システムでは、二次レギュレータの上流側と下流側を接続するバイパス流路が設けられており、このバイパス流路には開閉弁が配設されている。しかしながら、この開閉弁はパージ動作時に開弁するものであり、二次レギュレータの上流のガス圧が過大に上昇したときに開弁するものではない。このため、二次レギュレータの上流のガス圧の過大な上昇を抑制することはできず、二次レギュレータの誤動作を防止することはできない。
本発明は、燃料電池にガスを供給するガス供給流路にレギュレータを配設した燃料電池システムにおいて、レギュレータの上流側の過大な圧力上昇を抑制し、レギュレータの誤動作を防ぐ技術を提供する。
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、燃料ガス供給流路または酸化ガス供給流路の少なくとも一方に設けられたレギュレータと、レギュレータの上流側流路と下流側流路をつなぐバイパス流路と、バイパス流路に設けられており、上流側の圧力と下流側の圧力との差が所定値以下のときに閉じる一方で所定値を超えると開く圧力調整弁とを備えている。
上記システムによると、ガス供給流路に配設されたレギュレータの上流に過度に高いガス圧がかかったときに、レギュレータの上流と下流をつなぐバイパス流路に設けられた圧力調整弁が開く。これによって、レギュレータの上流のガスがバイパス流路を通ってレギュレータの下流に流れることができる。このため、レギュレータの上流のガス圧が減圧され、レギュレータの誤動作が防止される。
さらに、本発明の燃料電池システムの圧力調整弁は、シール部を有するバルブと、シール部とガス通過口を有するバルブシートと、バルブをバルブシート側に付勢する弾性体とを備えており、バルブのシール部とバルブシートのシール部が当接するとバルブシートのガス通過口が封止され、バルブのシール部がバルブシートのシール部から離れるとバルブシートのガス通過口が開くことが好ましい。
上記の圧力調整弁では、燃料電池システムが正常に運転している時は、バイパス流路の上流側のガス圧力と下流側のガス圧力との差が所定値以下に保たれ、バルブのシール部がバルブシートのシール部に当接してガス通過口を閉じる。一方、システムの動作開始時やシステムのフェール時等においてバイパス流路の上流側のガス圧力と下流側のガス圧力との差が所定値を越えると、上流側のガス圧力によりバルブのシール部がバルブシートのシール部から離れてガス通過口が開く。上流側の圧力が所定値以下に戻ると弾性体の付勢力によりバルブが押し戻され、ガス通過口は再び封止される。
上記の構成によると、圧力調整弁のバルブを制御部によって開閉駆動する構成ではなく、バイパス流路の上流側と下流側の圧力差によって機械的に開閉する構成を採るため、レギュレータの上流側の圧力が過度に上昇したときに直ちに圧力調整弁のバルブを開くことができる。また、差圧弁が開くタイミングは弾性体の弾性率で決まるため、弾性体の弾性率を調整することで、レギュレータに作用する圧力の上限値を調整することができる。したがって、レギュレータへ過大な負荷が作用することを防止でき、レギュレータの耐久性を確保することができる。
上記の構成によると、圧力調整弁のバルブを制御部によって開閉駆動する構成ではなく、バイパス流路の上流側と下流側の圧力差によって機械的に開閉する構成を採るため、レギュレータの上流側の圧力が過度に上昇したときに直ちに圧力調整弁のバルブを開くことができる。また、差圧弁が開くタイミングは弾性体の弾性率で決まるため、弾性体の弾性率を調整することで、レギュレータに作用する圧力の上限値を調整することができる。したがって、レギュレータへ過大な負荷が作用することを防止でき、レギュレータの耐久性を確保することができる。
さらに、本発明の燃料電池システムの圧力調整弁に設けられているバルブシートには、バルブシートのシール部より上流側でバルブをスライド可能に案内するバルブガイド部が設けられていることが好ましい。
燃料電池システムでは、レギュレータの上流側の燃料ガス供給流路内は燃料ガスのみが流れるのに対して、レギュレータの下流側の燃料ガス供給流路内は燃料ガスだけではなく燃料電池で生成したガスも流れる。したがって、バルブを案内するバルブガイド部をバルブシートのシール部より上流側に設けることで、バルブガイド部を燃料ガスのみが流れる流路内に配置することができる。これによって、バルブの開閉動作の確実性が担保され、圧力調整弁の動作不良を防止することができる。
例えば、固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムでは、水素イオンと水が燃料電池の電解質膜を透過するために加湿状態で動作する。このため、燃料ガス供給流路に設けられているレギュレータの上流側は水素ガスで満たされていてドライであるのに対し、下流側は飽和水蒸気で満たされていて湿潤である。同様に、圧力調整弁の上流側はドライとなり、圧力調整弁の下流側は湿潤となる。このため、システム停止後に下流側の水蒸気による結露が発生すると、圧力調整弁の下流側から結露水が浸入することがあり、浸入した結露水が凍結した場合、圧力調整弁のバルブがロックされる可能性がある。また、下流側から異物が侵入してバルブの動作不良を生じることもある。
固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムに上記の構成を採用すると、圧力調整弁の上流側は水素ガス（ドライガス）で満たされており、ドライかつクリーンである。このため、結露水の凍結や異物の侵入等によって圧力調整弁が動作不良を生じることを防止することができる。
例えば、固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムでは、水素イオンと水が燃料電池の電解質膜を透過するために加湿状態で動作する。このため、燃料ガス供給流路に設けられているレギュレータの上流側は水素ガスで満たされていてドライであるのに対し、下流側は飽和水蒸気で満たされていて湿潤である。同様に、圧力調整弁の上流側はドライとなり、圧力調整弁の下流側は湿潤となる。このため、システム停止後に下流側の水蒸気による結露が発生すると、圧力調整弁の下流側から結露水が浸入することがあり、浸入した結露水が凍結した場合、圧力調整弁のバルブがロックされる可能性がある。また、下流側から異物が侵入してバルブの動作不良を生じることもある。
固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムに上記の構成を採用すると、圧力調整弁の上流側は水素ガス（ドライガス）で満たされており、ドライかつクリーンである。このため、結露水の凍結や異物の侵入等によって圧力調整弁が動作不良を生じることを防止することができる。
さらに、本発明の燃料電池システムの圧力調整弁のガス入口には、圧力調整弁内へのガスの流入速度を抑制する流量調節部が設けられていることが好ましい。
上記の構成によると、圧力調整弁の上流の圧力が過度に上昇した場合でも、圧力調整弁のガス入口に設けられた流量調節部によって、圧力調整弁内にガスが過度に流れることが抑制され、バルブに作用するガスの圧力が過度に上昇することが抑制される。これによって、圧力調整弁の上流側の圧力が過大に上昇する場合でも、圧力調整弁のバルブの動作性を確保することができる。
さらに、流量調節部は、絞り部材及び／またはフィルタ部材を備えていることが好ましい。
例えば、流量調節部を絞り部材およびフィルタ部材により構成した場合、絞り部材を圧力調整弁のガス入口に配置し、絞り部材に当接するようにフィルタ部材を圧力調整弁内に配置することができる。この場合、フィルタ部材をバルブシートに当接させれば、圧力調整弁のガス入口から圧力調整弁内に流れるガスは、絞り部材のジェット孔で減速され、さらに、フィルタ部材によって減速される。このため、圧力調整弁のバルブに過大な圧力が作用することを抑制することができる。これによって、圧力調整弁の動作性を確保することができる。
加えて、本発明の燃料電池システムの圧力調整弁のガス出口には、防水性を有するシート部材が設けられていることが好ましい。
上記の構成によると、仮に圧力調整弁の下流側のガスに水蒸気が含まれていても、その水蒸気から生じる結露水が圧力調整弁内に侵入することを防止することができる。なお、シート部材は防水性をもつ部材であればよく、例えば微細な通気口を有するフィルタであってもよい。
本発明の燃料電池システムは、ガス供給流路に供給されるガスが過度に上昇する場合でも、圧力調整弁が開くことでレギュレータの上流側の圧力の上昇を抑制し、レギュレータの動作不良を防止できる。
最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） 燃料ガスは水素ガスであり、酸化ガスは空気である。
（形態２） 燃料ガスの貯蔵タンクは、超高圧状態で水素を貯蔵することができる。
（形態３） 燃料ガスの貯蔵タンクのガス出口には、パイロットバルブが配設されている。１次レギュレータは、パイロットバルブに隣接して配設されている。１次レギュレータから燃料電池まで伸びる水素ガス供給流路には２次レギュレータが配設されている。
（形態４） 制御装置は、パイロットバルブの開閉を制御する。制御装置には、自動車のイグニッションスイッチが接続されている。
（形態５） 制御装置は、燃料電池の負荷やガス消費量、燃料電池に供給される水素ガスの圧力を検知し、これらに基づいて２次レギュレータを制御している。
（形態６） 燃料電池システムには、固体高分子形燃料電池が利用されている。燃料電池システムは、燃料電池で発電した電力を利用して駆動（走行）する燃料電池自動車に搭載されている。
（形態１） 燃料ガスは水素ガスであり、酸化ガスは空気である。
（形態２） 燃料ガスの貯蔵タンクは、超高圧状態で水素を貯蔵することができる。
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（形態４） 制御装置は、パイロットバルブの開閉を制御する。制御装置には、自動車のイグニッションスイッチが接続されている。
（形態５） 制御装置は、燃料電池の負荷やガス消費量、燃料電池に供給される水素ガスの圧力を検知し、これらに基づいて２次レギュレータを制御している。
（形態６） 燃料電池システムには、固体高分子形燃料電池が利用されている。燃料電池システムは、燃料電池で発電した電力を利用して駆動（走行）する燃料電池自動車に搭載されている。
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は本実施例の燃料電池システム１の概略構成を表わしている。燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に酸素ガスを供給する酸素ガス供給流路５０と、高圧水素を貯蔵している貯蔵タンク４と、貯蔵タンク４のガス出口に設けられたパイロットバルブ６と、パイロットバルブ６に隣接して設けられた１次レギュレータ７と、１次レギュレータ７から燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給流路４０と、水素ガス供給流路４０に設けられた２次レギュレータ１２と、２次レギュレータ１２の上流側流路４０ａと下流側流路４０ｂをつなぐバイパス流路４２と、バイパス流路４２に設けられた圧力調整弁１０と、燃料電池２から排出される気液を、水と水素リッチガスに分離する気液分離器１４と、気液分離器１４と水素ガス供給流路４０ｂに接続されている水素循環流路７０と、水素循環流路７０に設けられているポンプ８と、気液分離器１４に接続されている排水流路８０と、排水流路８０に設けられている排水弁１６とを備えている。
図１は本実施例の燃料電池システム１の概略構成を表わしている。燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に酸素ガスを供給する酸素ガス供給流路５０と、高圧水素を貯蔵している貯蔵タンク４と、貯蔵タンク４のガス出口に設けられたパイロットバルブ６と、パイロットバルブ６に隣接して設けられた１次レギュレータ７と、１次レギュレータ７から燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給流路４０と、水素ガス供給流路４０に設けられた２次レギュレータ１２と、２次レギュレータ１２の上流側流路４０ａと下流側流路４０ｂをつなぐバイパス流路４２と、バイパス流路４２に設けられた圧力調整弁１０と、燃料電池２から排出される気液を、水と水素リッチガスに分離する気液分離器１４と、気液分離器１４と水素ガス供給流路４０ｂに接続されている水素循環流路７０と、水素循環流路７０に設けられているポンプ８と、気液分離器１４に接続されている排水流路８０と、排水流路８０に設けられている排水弁１６とを備えている。
貯蔵タンク４は超高圧状態で水素を貯蓄することができる。貯蔵タンク４のガス出口にはパイロットバルブ６が設けられている。パイロットバルブ６が開くと貯蔵タンク４から水素ガス供給流路４０に水素ガスが流れ、パイロットバルブ６が閉じると貯蔵タンク４から水素ガス供給流路４０への水素ガスの流出が遮断される。パイロットバルブ６の開閉は、制御装置６４により制御されている。貯蔵タンク４のガス出口とパイロットバルブ６の間には、ガス配管が存在しない。
パイロットバルブ６の下流には１次レギュレータ７が設けられている。１次レギュレータ７は、貯蔵タンク４からの水素ガスの圧力を所定の圧力に減圧する。パイロットバルブ６と１次レギュレータ７は隣接して配設されており、両者の間にはガス配管が存在しない。
１次レギュレータ７の下流には、水素ガス供給流路４０ａが接続されている。水素ガス供給流路４０ａの下流には、２次レギュレータ１２の上流側が接続されている。２次レギュレータ１２は、１次レギュレータ７で減圧された水素ガスをさらに減圧する。制御装置６４は、燃料電池２の負荷やガス消費量、燃料電池２に供給される水素ガスの圧力を検知し、これらに基づいて２次レギュレータ１２を制御する。２次レギュレータ１２の下流側は水素ガス供給流路４０ｂに接続されており、水素ガス供給流路４０ｂの下流側は燃料電池２に接続されている。２次レギュレータ１２によって減圧された水素ガスは、水素ガス供給流路４０ｂを通って燃料電池２の水素極側に供給される。
上流側流路４０ａと下流側流路４０ｂは、バイパス流路４２によって接続されている。バイパス流路４２には圧力調整弁１０が設けられている。圧力調整弁１０は、上流側流路４２ａのガス圧力と下流側流路４２ｂのガス圧力との差が所定値以下のときに閉じ、所定値を超えると開くよう構成されている。
パイロットバルブ６の下流には１次レギュレータ７が設けられている。１次レギュレータ７は、貯蔵タンク４からの水素ガスの圧力を所定の圧力に減圧する。パイロットバルブ６と１次レギュレータ７は隣接して配設されており、両者の間にはガス配管が存在しない。
１次レギュレータ７の下流には、水素ガス供給流路４０ａが接続されている。水素ガス供給流路４０ａの下流には、２次レギュレータ１２の上流側が接続されている。２次レギュレータ１２は、１次レギュレータ７で減圧された水素ガスをさらに減圧する。制御装置６４は、燃料電池２の負荷やガス消費量、燃料電池２に供給される水素ガスの圧力を検知し、これらに基づいて２次レギュレータ１２を制御する。２次レギュレータ１２の下流側は水素ガス供給流路４０ｂに接続されており、水素ガス供給流路４０ｂの下流側は燃料電池２に接続されている。２次レギュレータ１２によって減圧された水素ガスは、水素ガス供給流路４０ｂを通って燃料電池２の水素極側に供給される。
上流側流路４０ａと下流側流路４０ｂは、バイパス流路４２によって接続されている。バイパス流路４２には圧力調整弁１０が設けられている。圧力調整弁１０は、上流側流路４２ａのガス圧力と下流側流路４２ｂのガス圧力との差が所定値以下のときに閉じ、所定値を超えると開くよう構成されている。
水素ガス供給流路４０ｂには水素循環流路７０が接続されている。燃料電池２で使用されなかった余剰な水素は水と水蒸気とともに排出され、気液分離器１４により排水と水素リッチガスに分離される。水素リッチガスは水素循環流路７０へと導出され、ポンプ８により水素ガス供給流路４０ｂへと戻され、燃料電池２の水素極へと再び供給される。気液分離器１４により分離された排水は、排水弁１６から排出される。
燃料電池２は、燃料電池セルを複数枚重ねたスタックから構成されている。燃料電池セルは、触媒層とガス拡散層とを有するアノードと、触媒層とガス拡散層とを有するカソードと、アノードとカソードとの間に配された電解質膜（例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜等）によって構成されている。燃料電池２は、水素極側に水素ガス供給流路４０から水素ガスが供給され、空気極側に酸化ガス供給流路５０から酸化ガス（圧縮された空気）が供給される。水素極側に供給された水素ガスから得られるプロトンと電子が、空気極側に供給された酸化ガスから得られる酸素と反応して水を生成する。この化学反応により流れる電流から生成された電気は、燃料電池システム１を搭載する自動車６０の駆動電源として利用される。固体高分子電解質膜を用いた燃料電池２は加湿状態で動作するため、水素ガス供給流路４０の１次側の供給流路４０ａは水素ガスで満たされていてドライであるのに対し、水素ガス供給流路４０の２次側の供給流路４０ｂは飽和水蒸気で満たされていて湿潤である。
図２は圧力調整弁１０の概略構成を表わしている。圧力調整弁１０は、バルブ２０と、ガス通過口２６を有するバルブシート２２と、バルブ２０をバルブシート２２側に付勢する弾性体（スプリング）２４を備えている。
バルブ２０は、圧力調整弁１０の軸方向に移動可能とされており、バルブシート２２に当接する状態とバルブシート２２から離間する状態とに切替可能となっている。バルブ２０の先端（上流側）にはスライド部２０ａが設けられ、スライド部２０ａの下流側にはシール部２０ｂが設けられている。スライド部２０ａは、バルブシート２２のガス通過口２６内に位置し、ガス通過口２６の内周面に案内される。したがって、バルブ２０が圧力調整弁１０の軸方向に移動する際は、スライド部２０ａがバルブシート２２のガス通過口２６の内周面に案内される。これによって、バルブ２０は、安定した状態で圧力調整弁１０の軸方向に移動することができるようになっている（すなわち、バルブシート２２のガス通過口２６の内周面がバルブガイド部として機能している。）。
バルブ２０は、圧力調整弁１０の軸方向に移動可能とされており、バルブシート２２に当接する状態とバルブシート２２から離間する状態とに切替可能となっている。バルブ２０の先端（上流側）にはスライド部２０ａが設けられ、スライド部２０ａの下流側にはシール部２０ｂが設けられている。スライド部２０ａは、バルブシート２２のガス通過口２６内に位置し、ガス通過口２６の内周面に案内される。したがって、バルブ２０が圧力調整弁１０の軸方向に移動する際は、スライド部２０ａがバルブシート２２のガス通過口２６の内周面に案内される。これによって、バルブ２０は、安定した状態で圧力調整弁１０の軸方向に移動することができるようになっている（すなわち、バルブシート２２のガス通過口２６の内周面がバルブガイド部として機能している。）。
バルブシート２２は、ガス通過口２６の下流側に連設されたシール部２３を有している。バルブ２０がバルブシート２２に当接する状態では、バルブ２０のシール部２０ｂがバルブシート２２のシール部２３に当接し、バルブシート２２のガス通過口２６が閉じられる。バルブ２０がバルブシート２２から離れた状態では、バルブ２０のシール部２０ｂがバルブシート２２のシール部２３から離れ、バルブシート２２のガス通過口２６が開かれる。ガス通過口２６が開かれると、圧力調整弁１０のガス入口とガス出口とが連通する。圧力調整弁１０のガス入口にはバイパス流路４２ａの一端が接続され、バイパス流路４２ａの他端は上流側流路４０ａに接続されている。圧力調整弁１０のガス出口にはバイパス流路４２ｂの一端が接続され、バイパス流路４２ｂの他端は下流側流路４０ｂに接続されている。
弾性体２４は、バルブ２０のシール部２０ｂの下流側に配置されている。弾性体２４は、バルブ２０がバルブシート２２に当接する状態において圧縮状態とされている。これによって、バルブ２０はバルブシート２２側に付勢されている。バルブ２０の上流側には上流側のバイパス流路４２ａ内の水素ガスの圧力が作用し、バルブ２０の下流側には下流側のバイパス流路４２ｂ内の水素ガスの圧力が作用する。したがって、バルブ２０の上流側の水素ガスの圧力が下流側の水素ガスの圧力より高くなり、上流側と下流側の水素ガスの圧力差が所定値を超えると、バルブ２０は弾性体２４の付勢力に抗してバルブシート２２から離座する。
なお、バルブ２０がバルブシート２２から離座するときのバルブ２０の上流側と下流側の圧力差は、バルブ２０とバルブシート２２が当接する時（すなわち、閉弁時）の弾性体２４の圧縮量によって調整することができ、２次レギュレータ１２の動作可能圧力に応じて適宜決定することができる。開弁圧力設定は、２次レギュレータ１２の動作可能圧力より下で設定することができる。これによって、１次側のバイパス流路４２ａと２次側のバイパス流路４２ｂの差圧が２次レギュレータ１２の動作可能圧力以上になると、バルブ２０がバルブシートより離座し、２次レギュレータ１２に過大な圧力が作用することを防止することができる。
なお、バルブ２０がバルブシート２２から離座するときのバルブ２０の上流側と下流側の圧力差は、バルブ２０とバルブシート２２が当接する時（すなわち、閉弁時）の弾性体２４の圧縮量によって調整することができ、２次レギュレータ１２の動作可能圧力に応じて適宜決定することができる。開弁圧力設定は、２次レギュレータ１２の動作可能圧力より下で設定することができる。これによって、１次側のバイパス流路４２ａと２次側のバイパス流路４２ｂの差圧が２次レギュレータ１２の動作可能圧力以上になると、バルブ２０がバルブシートより離座し、２次レギュレータ１２に過大な圧力が作用することを防止することができる。
上記圧力調整弁１０のガス入口には流量調節部３０が設けられている。流量調節部３０は、絞り部材３０ａと、フィルタ部材３０ｂによって構成されている。絞り部材３０ａはジェット孔を有しており、このジェット孔によりバイパス流路４２ａから圧力調整弁１０内への水素ガスの流入を抑制し、圧力調整弁１０内への水素ガスの流入速度を低減させる。また、フィルタ部材３０は、絞り部材３０ａを通過した水素ガスから異物等を除去し、また、流路抵抗として機能する。したがって、絞り部材３０ａを通過した水素ガスは、フィルタ部材３０によってさらに流速が低減される。これによって、圧力調整弁１０のバルブに過大な圧力が作用することを緩和することができる。なお、本実施例では絞り部材３０ａとフィルタ部材３０ｂとを連接して配置しているが、いずれか一方の部材のみを配置しても、過度の加圧の緩和作用を得ることができる。バイパス流路４２ａからのガス圧がバルブ２０に直接的に作用しないため、バルブ２０の誤開弁を防ぐことができる。
一方、圧力調整弁１０のガス出口には、通気性と防水性を兼ね備えたシート部材２８が配設されている。シート部材２８が防水性を有することで、湿潤な状態にある下流側（２次側）のバイパス流路４２ｂからの結露水や異物の圧力調整弁１０への侵入を防ぐことができる。その一方で、シート部材２８が通気性を有するため、２次レギュレータ１２の上流側の水素ガスがバイパス流路４２を通って２次レギュレータ１２の下流側に流れることができる。
なお、上述したバルブ２０、バルブシート２２、弾性体２４、シート部材２８及び流量調節部３０は、図示しないボデーに収容されている。
一方、圧力調整弁１０のガス出口には、通気性と防水性を兼ね備えたシート部材２８が配設されている。シート部材２８が防水性を有することで、湿潤な状態にある下流側（２次側）のバイパス流路４２ｂからの結露水や異物の圧力調整弁１０への侵入を防ぐことができる。その一方で、シート部材２８が通気性を有するため、２次レギュレータ１２の上流側の水素ガスがバイパス流路４２を通って２次レギュレータ１２の下流側に流れることができる。
なお、上述したバルブ２０、バルブシート２２、弾性体２４、シート部材２８及び流量調節部３０は、図示しないボデーに収容されている。
以下に、本実施例の燃料電池システム１の運転動作概要を説明する。自動車６０のイグニッションスイッチ６２がオンされると燃料電池システム１は起動し、制御装置６４がパイロットバルブ６を開いて貯蔵タンク４から水素ガス供給流路４０ａへの水素ガスの放出を開始する。パイロットバルブ６から流出した水素ガスは、１次レギュレータ７によって減圧される。１次レギュレータ７から水素ガス供給流路４０ａに流出した水素ガスは、２次レギュレータ１２へと流入する。２次レギュレータ１２は、水素ガス供給流路４０ａから流入した水素ガスを燃料電池２に供給する最適な圧力となるよう調整する。すなわち、制御装置６４は、燃料電池の負荷状態と水素循環流路７０からの水素ガスの循環量等に基づいて燃料電池１２に供給する水素ガスの圧力を決定し、決定した圧力となるように２次レギュレータを駆動する。２次レギュレータ１２は、水素ガスの圧力を燃料電池２への適切なガス圧力となるように調圧する。これによって、燃料電池２には適切な圧力の水素ガスと酸化ガスが供給され、燃料電池２の電解質膜の劣化や寿命低下等を防止することができる。
自動車６０のイグニッションスイッチ６２がオフされると、燃料電池システム１も停止する。制御装置６４によってパイロットバルブ６は閉じられ、２次レギュレータ１２も閉じられる。これによって、燃料電池２への水素ガスの供給が停止される。
自動車６０のイグニッションスイッチ６２がオフされると、燃料電池システム１も停止する。制御装置６４によってパイロットバルブ６は閉じられ、２次レギュレータ１２も閉じられる。これによって、燃料電池２への水素ガスの供給が停止される。
例えば、貯蔵タンク４の気密性がよく、かつ燃料電池システム１の停止時に２次レギュレータ１２から微小洩れがあった場合、２次レギュレータ１２上流の配管内圧力はほぼ大気圧まで降下する。その状態からイグニッションスイッチ６２をオンしてシステム１を起動させると、貯蔵タンク４からの高圧の水素ガスが一気に水素ガス供給流路４０内に流れ、２次レギュレータ１２の上流の水素ガスのガス圧が急速に上昇する。２次レギュレータ１２の上流の水素ガスの圧力に一時的なピークが生じると、２次レギュレータ１２の上流と下流の差圧が所定値を越えるため、圧力調整弁１０が開弁する。これによって、２次レギュレータ１２の上流側の水素ガスの圧力が低下し、２次レギュレータ１２の誤動作や破壊等を防止することができる。また、パイロットバルブ６や１次レギュレータ７等の故障等の理由によって、貯蔵タンク４から水素ガス供給流路４０への水素ガスのリーク時においても、２次レギュレータの上流の水素ガスの圧力が過度に上昇することがある。かかる場合も、圧力調整弁１０が開弁し、２次レギュレータ１２に作用する水素ガスの圧力を低減させるため、２次レギュレータ１２の誤動作や破壊等を防止することができる。
なお、本実施例の圧力調整弁１０は、バルブ２０のスライド部２０ａをバルブシート２２のガス通過口２６の内周面によって案内する。このため、バルブ２０のスライド部２０ａは、水素ガス（ドライガス）が流れる流路内に配置されるため、バルブ２０の安定した動作を確保することができる。
また、圧力調整弁１０のガス出口（下流側の出口）には、防水性を有するシート部材２８が配されており、下流側の水素ガス供給流路４０ｂから圧力調整弁１０内への結露水の侵入を防止することができる。これによっても、圧力調整弁１０内での結露水の凍結等が防止され、バルブ２０の安定した動作を確保することができる。
また、圧力調整弁１０のガス出口（下流側の出口）には、防水性を有するシート部材２８が配されており、下流側の水素ガス供給流路４０ｂから圧力調整弁１０内への結露水の侵入を防止することができる。これによっても、圧力調整弁１０内での結露水の凍結等が防止され、バルブ２０の安定した動作を確保することができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１：燃料電池システム
２：燃料電池
４：燃料ガス貯蔵タンク
６：パイロット式遮断弁
７：１次レギュレータ
８：ポンプ
１０：圧力調整弁
１２：２次レギュレータ
１４：気液分離器
１６：排水弁
２０：バルブ
２０a：スライド部
２０ｂ：シール部
２２：バルブシート
２３：シール部
２４：弾性体
２６：バルブガイド部
２８：防水シート部材
３０：流量調節部
３０ａ：絞り部材
３０ｂ：フィルタ部材
４０：燃料ガス供給流路
４２：バイパス流路
５０：酸化ガス供給流路
６０：自動車
６２：イグニッションスイッチ
６４：制御装置
７０：水素循環流路
２：燃料電池
４：燃料ガス貯蔵タンク
６：パイロット式遮断弁
７：１次レギュレータ
８：ポンプ
１０：圧力調整弁
１２：２次レギュレータ
１４：気液分離器
１６：排水弁
２０：バルブ
２０a：スライド部
２０ｂ：シール部
２２：バルブシート
２３：シール部
２４：弾性体
２６：バルブガイド部
２８：防水シート部材
３０：流量調節部
３０ａ：絞り部材
３０ｂ：フィルタ部材
４０：燃料ガス供給流路
４２：バイパス流路
５０：酸化ガス供給流路
６０：自動車
６２：イグニッションスイッチ
６４：制御装置
７０：水素循環流路
Claims (6)
- 燃料電池と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、
燃料ガス供給流路または酸化ガス供給流路の少なくとも一方に設けられたレギュレータと、
レギュレータの上流側流路と下流側流路をつなぐバイパス流路と、
バイパス流路に設けられており、上流側の圧力と下流側の圧力との差が所定値以下のときに閉じる一方で所定値を超えると開く圧力調整弁と、
を備えている燃料電池システム。 - 前記圧力調整弁は、
シール部を有するバルブと、
シール部とガス通過口を有するバルブシートと、
バルブをバルブシート側に付勢する弾性体と、を備えており、
バルブのシール部とバルブシートのシール部が当接するとバルブシートのガス通過口が封止され、バルブのシール部がバルブシートのシール部から離れるとバルブシートのガス通過口が開くことを特徴とする請求項１の燃料電池システム。 - 前記バルブシートには、バルブシートのシール部より上流側でバルブをスライド可能に案内するバルブガイド部が設けられていることを特徴とする請求項２の燃料電池システム。
- 前記圧力調整弁のガス入口には、圧力調整弁内へのガスの流入を抑制する流量調節部が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの燃料電池システム。
- 前記流量調節部は、絞り部材及び／またはフィルタ部材を備えていることを特徴とする請求項４の燃料電池システム。
- 前記圧力調整弁のガス出口には、防水性を有するシート部材が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかの燃料電池システム。
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