JP2014135219A

JP2014135219A - リリーフ弁を有する燃料電池システム

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Publication number: JP2014135219A
Application number: JP2013003199A
Authority: JP
Inventors: Eiji Okawachi; 栄治大川内; Akira Yamashita; 顕山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: JP5904128B2

Abstract

【課題】異物の逆流による弁への悪影響を抑制する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給される燃料ガスを貯蔵するガスタンクと、ガスタンクと燃料電池との間を結ぶガス供給管と、燃料電池からの排ガスを排出するガス排出管と、ガス供給管に設けられた減圧弁と、減圧弁と燃料電池との間に設けられたリリーフ弁と、リリーフ弁の排気口とガス排出管とを結ぶ排気チューブと、を備え、リリーフ弁は、弁口と排気口とを有するハウジングと、弁口に設けられた弁座と、弁体と、弁体が開く圧力を調節する圧力調節ネジと、を有し、リリーフ弁の圧力調節ネジと排気口との間、及び排気チューブに設けられた応力集中部とリリーフ弁との間、の少なくとも一方にガス透過膜が設けられている。
【選択図】図３

Description

この発明は、リリーフ弁を有する燃料電池システムに関し、異物の逆流による弁への悪影響を抑制する技術に関する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路にリリーフ弁が設けられ、リリーフ弁のガス放出側が希釈器に接続され、さらにガスが外気へ放出される燃料電池が知られている（特許文献１）。

特開２００６−２９４３４１号公報

希釈器には、カソード排ガスも排出される。そして、カソード排ガスには、燃料電池の反応により生じた生成水も含まれる。リリーフ弁が開いていない場合には、燃料ガス供給路から希釈器へガスが流れず、逆に、水分などの異物が、リリーフ弁に逆流し、リリーフ弁に悪影響を与える虞があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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。

（１）本発明の一形態によれば、リリーフ弁を有する燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスを貯蔵するガスタンクと、前記ガスタンクと前記燃料電池との間を結ぶガス供給管と、前記燃料電池からの排ガスを排出するガス排出管と、前記ガス供給管に設けられた減圧弁と、前記減圧弁と前記燃料電池との間に設けられたリリーフ弁と、前記リリーフ弁の排気口と前記ガス排出管とを結ぶ排気チューブと、を備え、前記リリーフ弁は、弁口と前記排気口とを有するハウジングと、弁口に設けられた弁座と、弁体と、前記弁体が開く圧力を調節する圧力調節ネジと、を有し、前記リリーフ弁の前記圧力調節ネジと前記排気口との間及び前記排気チューブに設けられた応力集中部と前記リリーフ弁との間の少なくとも一方にガス透過膜が設けられている。この形態の燃料電池システムによれば、ガス排出管から異物が混入しようとしても、排気チューブに設けられたガス透過膜によりあるいはリリーフ弁の圧力調節ネジと排気口との間に設けられたガス透過膜により、弁体と弁座との当接部分への異物の侵入を抑制することが可能となる。

なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、リリーフ弁等の形態で実現することができる。

第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す説明図である。本実施形態における車両停止時の動作を示す説明図である。本実施形態で用いられるリリーフ弁を模式的に示す説明図である。第２の実施形態にかかる燃料電池システムを示す説明図である。

第１の実施形態：
図１は、第１の実施形態にかかる燃料電池システム１０を示す説明図である。本実施形態の燃料電池システムは、例えば車両の動力源として用いることが可能である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、ガスタンク２００と、コンプレッサ３００と、希釈器２７０とを備える。燃料電池１００は、水素と空気中の酸素とを反応させて電気エネルギーを発生させる電池である。本実施形態では、水素を「アノードガス」とも呼び空気を「カソードガス」とも呼ぶ。ガスタンク２００は、燃料電池１００に供給される水素を貯蔵するタンクである。燃料電池１００とガスタンク２００とは、アノードガス供給管２１０により接続されている。燃料電池１００には、反応後のアノード排ガスを排出するアノードガス排気管２５０が設けられている。コンプレッサ３００は、大気中の空気を集めて圧縮する。圧縮された空気は、カソードガス供給管３１０を介して燃料電池１００に供給される。燃料電池１００には、反応後のカソード排ガスを排気するためのカソードガス排気管３５０が設けられている。アノードガス排気管２５０及びカソードガス排気管には、希釈器２７０が設けられている。希釈器２７０は、アノード排ガス中の水素をカソード排ガスによって希釈する。

アノードガス供給管２１０には、ガスタンク２００側から、減圧弁２３０、リリーフ弁４００、遮断弁２４０が設けられている。減圧弁２３０は、ガスタンク２００から供給される水素の圧力を調圧する。リリーフ弁４００は、アノードガス供給管２１０内部の圧力が設定値以上に高くなった場合に開き、アノードガス供給管２１０内部の圧力が高くなりすぎないように調圧する。リリーフ弁４００の出力ポートは、排気チューブ２６０を介して希釈器２７０に接続されている。なお、アノードガス供給管２１０のガスタンク２００よりもさらに上流側には、ガスタンクにアノードガスを充填するためのアノードガス充填口２２０が設けられている。

図２は、本実施形態における車両停止時の動作を示す説明図である。図の横軸は時間であり、縦軸は、減圧弁２３０よりも下流側におけるアノードガス供給管２１０内部の圧力である。車両動作中の時は、減圧弁２３０は、減圧弁２３０よりも下流側におけるアノードガス供給管２１０内部の圧力が調圧弁調圧値上限よりも低くなるように調圧している。また、遮断弁２４０は開放されており、燃料電池１００にアノードガスが供給される。車両が停止し、燃料電池１００の動作が止められると、遮断弁が閉鎖され、アノードガス供給管２１０から燃料電池１００へのアノードガスの供給が停止される。そのため、アノードガス供給管２１０内部の圧力が徐々に高くなっていく。アノードガス供給管２１０内部の圧力がリリーフ弁４００の作動圧力以上となると、リリーフ弁４００が開放し、アノードガス供給管２１０内部の圧力は、リリーフ弁４００の作動圧力以上には上がらなくなる。

ところで、リリーフ弁４００の出力ポートの下流には、希釈器２７０が設けられている。希釈器２７０には、カソードガス排気管３５０も接続されている。カソード排ガスには、燃料電池１００の反応で生じた水分も含まれている。リリーフ弁４００が作動していない場合には、水分などの異物が、希釈器２７０からリリーフ弁４００に向かって排気チューブ２６０中を逆流する可能性があり、逆流した異物によりリリーフ弁４００の作動不良がおこる虞がある。

図３は、本実施形態で用いられるリリーフ弁４００を模式的に示す説明図である。リリーフ弁４００は、ハウジング４１０と、ピストン４２０と、圧力調節ネジ４３０と、出力ポート４４０と、バネ４５０と、ガス透過膜４６０と、を備える。ハウジング４１０は、中空部４１１を有する部材であり、入力ポート４１２と、弁座４１３とを備える。入力ポート４１２は、「弁口」とも呼ぶ。中空部４１１の出力ポート４４０側の内壁には、雌ネジ４１４が切られている。ピストン４２０は、ハウジング４１０の中空部４１１に配置される部材である。ピストン４２０は、入力ポート４１２側に弁体４２１を備える。ピストン４２０の入力ポート４１２と反対側は、バネ４５０を収める凹部４２２が形成されている。圧力調節ネジ４３０は、ハウジング４１０の中空部４１１に配置される部材である。圧力調節ネジ４３０の外縁には雄ネジ４３１が切られておる。圧力調節ネジ４３０と、ピストン４２０の凹部４２２と、の間にバネ４５０が配置されている。バネ４５０の伸張力により、ピストン４２０の弁体４２１が弁座４１３に押しつけられる。圧力調節ネジ４３０を回転させることにより、ピストン４２０と圧力調節ネジ４３０との間隔を変えることが可能であり、弁体４２１が開弁する圧力を変えることが可能である。出力ポート４４０は、圧力調節ネジ４３０側にガス透過膜４６０を備える。ガス透過膜４６０は、出力ポート４４０側から異物がハウジング４１０の中空部４１１侵入するのを抑制する。出力ポート４４０は、外周部に雄ネジ４４１を有する部材であり、ハウジング４１０と出力ポート４４０とを容易に分離することが可能である。そのため、ガス透過膜４６０の交換が容易である。

本実施形態においては、出力ポート４４０の内径φＢの大きさは、入力ポート４１２の内径φＡ以上の大きさであることが好ましい。減圧弁２３０が故障して大量のアノードガスが流れてきても、容易に排出することが可能となる。また、減圧弁２３０の故障時に、減圧弁２３０より下流側のアノードガス供給管２１０内部の圧力の上昇を抑制することが可能となる。

また、本実施形態においては、ガス透過膜４６０を備えているので、出力ポート４４０側からハウジング４１０の中空部４１１に異物が侵入するのを抑制することが可能となる。また、ガス透過膜４６０は、出力ポート４４０に取り付けられており、ハウジング４１０と出力ポート４４０とは容易に分離することが可能であるので、ガス透過膜４６０の交換が容易である。その結果、メンテナンス費用を削減することが可能となる。

第２の実施形態：
図４は、第２の実施形態にかかる燃料電池システム１１を示す説明図である。第２の実施形態にかかる燃料電池システム１１は、第１の実施形態にかかる燃料電池システム１０と、排気チューブの構成が異なる。第１の実施形態の排気チューブ２６０は、リリーフ弁４００と、希釈器２７０とを直結している。これに対し、第２の実施形態の排気チューブ２８０は、排気チューブ２８０の中間に応力集中部２８２が設けられている点、及び応力集中部２８２とリリーフ弁４００との間にガス透過膜２８１を備える点が異なっている。ガス透過膜２８１は、希釈器２７０からリリーフ弁４００に向かって水等の異物が侵入しようとするのを抑制する。応力集中部２８２は、希釈器２７０から排気チューブ２８０に水等の異物が侵入し、排気チューブ２８０に内圧が掛かった場合に、応力集中部２８２が変形することにより他の部分に応力が掛かることを防止する。このような応力集中部２８２を設けることによって、ガス透過膜に過度の応力が掛かって破損することを防止できる。なお、応力集中部２８２の位置は、排気チューブ２８０のちょうど真ん中でなくても良い

第２の実施形態では、希釈器２７０からリリーフ弁４００に向かって異物が侵入しようとしても、ガス透過膜２８１により異物の侵入を抑制することが可能となる。また、異物はガス透過膜２８１で阻止できるため、リリーフ弁４００に到達し難い。また、異物が侵入した場合、排気チューブ２８０とガス透過膜２８１を交換するだけで良く、リリーフ弁４００を分解する必要がないため、メンテナンスが容易となる。

第１の実施形態のリリーフ弁４００は、第１の実施形態のリリーフ弁４００と同一の物でも良く、また、第１の実施形態のリリーフ弁４００から、ガス透過膜４６０を除いたリリーフ弁であってもよい。第２の実施形態では、排気チューブ２８０上のガス透過膜２８１によって異物の侵入を抑制できるため、リリーフ弁４００は、ガス透過膜４６０を備えなくても良い。

以上、いくつかの実施形態に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０、１１…燃料電池システム
１００…燃料電池
２００…ガスタンク
２１０…アノードガス供給管
２２０…アノードガス充填口
２３０…減圧弁
２４０…遮断弁
２５０…アノードガス排気管
２６０…排気チューブ
２７０…希釈器
２８０…排気チューブ
２８１…ガス透過膜
３００…コンプレッサ
３１０…カソードガス供給管
３５０…カソードガス排気管
４００…リリーフ弁
４１０…ハウジング
４１１…中空部
４１２…入力ポート
４１３…弁座
４１４…雌ネジ
４２０…ピストン
４２１…弁体
４２２…凹部
４３０…圧力調節ネジ
４３１…雄ネジ
４４０…出力ポート
４４１…雄ネジ
４５０…バネ
４６０…ガス透過膜
φＡ、φＢ…内径

Claims

リリーフ弁を有する燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスを貯蔵するガスタンクと、
前記ガスタンクと前記燃料電池との間を結ぶガス供給管と、
前記燃料電池からの排ガスを排出するガス排出管と、
前記ガス供給管に設けられた減圧弁と、
前記減圧弁と前記燃料電池との間に設けられたリリーフ弁と、
前記リリーフ弁の排気口と前記ガス排出管とを結ぶ排気チューブと、
を備え、
前記リリーフ弁は、
弁口と前記排気口とを有するハウジングと、
弁口に設けられた弁座と、
弁体と、
前記弁体が開く圧力を調節する圧力調節ネジと、
を有し、
前記リリーフ弁の前記圧力調節ネジと前記排気口との間、及び前記排気チューブに設けられた応力集中部と前記リリーフ弁との間、の少なくとも一方にガス透過膜が設けられている、リリーフ弁を有する燃料電池システム。