JP5161624B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧水素供給デバイスを効率的に配置する燃料電池システムに関する。

燃料電池自動車などでは、高圧水素タンクから燃料電池に水素を供給するに当たり、適切な圧力および流量に調整して燃料電池に送る必要がある。このとき必要になるデバイスとしては、遮断弁、減圧弁、フィルタなどであり、これらを配管を介して接続することが一般的に行われている。また、高圧の水素系は、高いシール性が要求されるため、それぞれをモジュール化して配管と専用のシール部材で接続することが一般的に行われている。

しかし、遮断弁、減圧弁およびフィルタを配管および専用のシール部材を用いて配置した場合、シール形状や配管レイアウトの制約などの理由で車両搭載のためのスペース効率が損なわれる問題がある。また、シール点数も増加するため、水素漏れに対する信頼性が低下する問題もある。また、シール部分には非鉄金属を用いることができないため重量が増加するという問題もある。

そこで、車両搭載性、信頼性および重量増に対する対策として、遮断弁、減圧弁およびフィルタを一体に構成した技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１８５８３１号公報（段落００３０，０１１０、図２，図４，図７）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、構造が複雑であり、フィルタが交換作業容易な位置に配置されておらずその交換作業が煩雑になるという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、遮断弁、減圧弁およびフィルタの一体構造を簡素化することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に設けられ、燃料ガスの流通を遮断する電磁遮断弁、燃料ガスを減圧する減圧弁、および前記燃料ガス供給路中の不純物を除去するフィルタと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記電磁遮断弁と前記フィルタとを一体化するボディ部を備え、前記ボディ部には、前記電磁遮断弁と前記減圧弁とを接続する第１供給路と、前記減圧弁と前記フィルタとを接続する第２供給路と、が設けられ、前記ボディ部と前記減圧弁とを接続する同一のフランジ面上に、前記第１供給路および前記第２供給路が連通するように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、第１供給路と第２供給路とを同一のフランジ面上に形成することにより、シール部を従来よりもさらに削減することができ、構造の簡素化を図ることが可能になる。よって、フィルタの交換作業を容易にすることが可能になる。

請求項２に係る発明は、前記フィルタは、筒状のケースを有し、その軸方向が鉛直方向に向けて配置され、前記ボディ部の下側に配置されていることを特徴とする。これによれば、フィルタに対して鉛直下側からアクセスできるので、フィルタを車両下側から単独で取り外すことができ、フィルタの交換作業（メンテナンス）が容易になる。しかも、不純物を逆流させることなく溜めておくことができるので、不純物の捕捉効率が高まる。

請求項３に係る発明は、前記同一のフランジ面は、ねじ止めにより着脱自在であることを特徴とする。これによれば、高機能な減圧弁の調圧を単体で行った後、ねじ止めにより一体化できるので、一体化後の歩留まりが改善され、コストダウンが可能になる。

請求項４に係る発明は、前記減圧弁は、信号圧が入力される入力部を有し、前記減圧弁の駆動機構は、鉛直方向に駆動し、前記入力部は前記減圧弁の上部に接続されることを特徴とする。これによれば、駆動方向を鉛直方向にすることで、重力に反せず劣化し難くなる。

請求項５に係る発明は、前記電磁遮断弁は、前記フィルタの鉛直方向上側に配置され、前記電磁遮断弁の駆動機構は、鉛直方向に駆動することを特徴とする。これによれば、遮断弁の応答性を向上させることができ、全体をコンパクトに配置することが可能になる。

本発明によれば、遮断弁、減圧弁およびフィルタの一体構造を簡素化することができる燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は遮断弁と減圧弁とフィルタとを一体化したレギュレータユニットを示す斜視図、図３はレギュレータユニットの底面図、図４はレギュレータユニットの上面図、図５は図４のＡ−Ａ線で切断したときの展開図、図６はレギュレータユニットの開弁時の状態を示す展開図、図７は（ａ）は燃料電池システムを車両に搭載したときのレギュレータユニットの配置を示す透視側面図、（ｂ）はレギュレータユニットを車両下側からみたときの平面図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０などで構成されている。

前記燃料電池１０は、固体高分子電解質膜の一面側をアノードおよびガス拡散層、他面側をカソードおよびガス拡散層で挟んでなる膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を有し、この膜電極接合体を一対の導電性のセパレータで挟んで構成された単セルを複数積層した構造を有している。

このような燃料電池１０は、アノードに水素（燃料ガス）が供給され、カソードに空気（酸素、酸化剤ガス）が供給されることにより発電が行われる。すなわち、アノードでは、触媒の作用により水素が水素イオン（プロトン）と電子に分離して、水素イオンが固体高分子電解質膜を介してカソードに透過し、電子が外部負荷（車両であれば、走行モータなど）を通ってカソードに移動する。また、カソードでは、固体高分子電解質膜を透過した水素イオンと、外部負荷から移動した電子と、供給された空気中の酸素との電気化学反応により水が生成される。

前記アノード系２０は、燃料電池１０に対して水素を給排する機能を有し、水素供給部２１、レギュレータユニット２２、エゼクタ２６、パージ弁２７などで構成されている。

前記水素供給部２１は、水素タンク、１次遮断弁、１次減圧弁などで構成されている。水素タンクは、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。１次遮断弁は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のものであり、発電時に図示しない制御部によって開弁される。１次減圧弁は、１次遮断弁の下流に設けられ、水素タンクから供給された高圧の水素を所定圧に減圧する機能を有する。

レギュレータユニット２２は、水素供給部２１と配管２８ａを介して接続され、電磁遮断弁２３、減圧弁２４、フィルタ２５が一体になって構成されている。電磁遮断弁２３は、２次遮断弁であり、ソレノイドを有する電磁作動式のものである。減圧弁２４は、２次減圧弁であり、前記１次減圧弁で減圧された水素をさらに所定圧に減圧する機能を有する。フィルタ２５は、オイルや塵埃などの不純物を除去する機能を有し、減圧弁２４の下流側に設けられている。なお、レギュレータユニット２２の詳細な構造については後記する。

前記エゼクタ２６は、燃料電池１０から排出された未反応の水素を再び燃料電池１０の入口に戻して再循環させる真空ポンプの一種である。このエゼクタ２６は、配管２８ｂを介してレギュレータユニット２２と接続され、配管２８ｃを介して燃料電池１０のアノード側の入口と接続され、配管２８ｄを介して燃料電池１０のアノード側の出口と接続されている。

前記パージ弁２７は、配管２８ｄに分岐して形成された配管２８ｅに設けられ、例えば定期的またはセル電圧の低下に応じて開弁して、燃料電池１０内のアノード流路と配管２８ｃ，２８ｄとにより構成される循環流路、に蓄積した不純物を排出する機能を有する。なお、ここでいう不純物とは、カソードから固体高分子電解質膜を介してアノードに透過した生成水、空気に含まれる窒素などである。

なお、本実施形態では、配管２８ａ〜２８ｃによって燃料ガス供給路が構成されている。

前記カソード系３０は、燃料電池１０に対して空気を給排する機能を有し、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、背圧弁３３などで構成されている。

前記エアコンプレッサ３１は、例えばモータで駆動されるスーパーチャージャで構成され、外部から取り込んだ空気を加圧して燃料電池１０に供給する機能を有する。

前記加湿器３２は、複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜モジュールを有し、エアコンプレッサ３１から配管３４ａを介して供給された乾燥空気を加湿する機能を有する。加湿器３２で加湿された空気は、配管３４ｂを介して燃料電池１０のカソード側の入口に供給される。また、加湿器３２は、配管３４ｃを介して燃料電池１０のカソード側の出口と接続され、燃料電池１０のカソードから排出されたカソードオフガス（水蒸気など）で空気を加湿するようになっている。

前記背圧弁３３は、例えばバタフライ弁で構成され、燃料電池１０のカソードに供給されるカソード圧を適宜調節する機能を有する。この背圧弁３３は、配管３４ｄを介して加湿器３２と接続され、また配管を介して図示しない希釈器と接続されている。なお、希釈器では、アノード系２０から排出された水素がカソードオフガスで希釈されて、所定の濃度以下の水素となって外部に排出される。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁２４が信号圧導入配管３５と接続され、減圧弁２４に対して空気（酸化剤ガス）による信号圧（パイロット圧）が入力されるようになっている。このように減圧弁２４に信号圧が入力されることにより、入力されたカソード圧に応じた圧力の水素が燃料電池１０に供給される。

図２に示すように、前記レギュレータユニット２２は、電磁遮断弁２３とフィルタ２５とを一体化するボディ部４０を有し、このボディ部４０に減圧弁２４が接続されて構成されている。なお、図２において、ボディ部４０から上方に突出した円柱状の部分が電磁遮断弁２３の一部（ソレノイド部分）であり、下方に突出した円柱状の部分がフィルタ２５である。

前記ボディ部４０は、略四角ブロック状に形成され、その上面４０ａ側に電磁遮断弁２３が設けられ、下面４０ｂ側にフィルタ２５が設けられている。また、ボディ部４０は、その側方に突出して、減圧弁２４と接続されるフランジ部４０ｃを有している。

図２および図３に示すように、ボディ部４０の下面４０ｂには、水素供給部２１（図１参照）からの水素が導入される水素導入ポート４１が下向きに設けられている。

図２および図４に示すように、ボディ部４０の上面４０ａには、減圧後（調圧後）の水素が導出される水素導出ポート４２が上向きに設けられている。また、ボディ部４０の内部には、図４に示すように、電磁遮断弁２３と減圧弁２４とを接続する第１供給路４０Ａ、および減圧弁２４とフィルタ２５とを接続する第２供給路４０Ｂがフランジ部４０ｃに向けて互いに平行に延びて形成されている。

図４のＡ−Ａ線での展開図である図５に示すように、前記電磁遮断弁２３は、有底円筒状のハウジング１０１と、ハウジング１０１内に設けられたコイル１０２を有するソレノイド部１０３を有し、ソレノイド部１０３が固定部１０４を介してボディ部４０の上面に固定されている。

また、電磁遮断弁２３は、ハウジング１０１内の天井部中心にねじ１０５を介して固定された固定鉄心１０６と、固定鉄心１０６と同軸に配置されたプランジャ１０７と、プランジャ１０７の下端部に連結された弁体１０８と、弁体１０８を常時閉弁する方向に付勢する圧縮コイルばね１０９と、弁体１０８を開弁する方向に付勢する圧縮コイルばね１１０と、を有している。なお、本実施形態では、プランジャ１０７と、弁体１０８と、圧縮コイルばね１０９，１１０とで電磁遮断弁２３の駆動機構１００が構成されている。また、電磁遮断弁２３の駆動機構１００は、鉛直方向に駆動するように構成されている。

前記プランジャ１０７は、略円柱状に形成され、ソレノイド部１０３に設けられた図示しないガイド部によって摺動自在に支持されている。また、プランジャ１０７は、その一部が固定部１０４に貫通して形成された挿通孔１０４ａに挿通されている。挿通孔１０４ａは、上部にプランジャ１０７が挿通可能な小径部１０４ａ１、下部に弁部１０８ｂの直径よりも大きな大径部１０４ａ２を有している。

前記弁体１０８は、プランジャ１０７と同軸に設けられた軸部１０８ａと、軸部１０８ａと同心円状に形成された円盤状の弁部１０８ｂとで構成されている。また、弁体１０８は、ボディ部４０に形成された穴部４０ｄに挿入されている。穴部４０ｄは、前記大径部１０４ａ２と同径の大径部４０ｄ１、その下側に大径部４０ｄ１よりも小径の小径部４０ｄ２、さらにその下側において弁体１０８の軸部１０８ａが摺動自在に挿入される支持部４０ｄ３を有している。なお、ボディ部４０の穴部４０ｄには、弁部１０８ｂの下面と当接する位置に弁座４０ｅが形成されている。

前記圧縮コイルばね１０９は、挿通孔１０４ａの小径部１０４ａ１に配設されて、一端部（図示上端部）が挿通孔１０４ａに係着され、他端部（図示下端部）がプランジャ１０７の下端に形成されたつば部１０７ａに係着されて、弁部１０８ｂを弁座４０ｅに着座させる方向へ付勢している。

前記圧縮コイルばね１１０は、ボディ部４０の小径部４０ｄ２に配設されて、一端部（図示上端部）が弁部１０８ｂの下面に係着され、他端部（図示下端部）が穴部４０ｄに係着されて、弁部１０８ｂを弁座４０ｅから離間させる方向へ付勢している。なお、圧縮コイルばね１１０は、その付勢力が前記圧縮コイルばね１０９の付勢力よりも小さくなるように設定され、プランジャ１０７が非励磁の場合には常時閉弁するように構成されている。

また、弁部１０８ｂの外周には、その弁部１０８ｂの上下を区画する円盤状のダイヤフラム１１１が設けられている。このダイヤフラム１１１の内周は弁部１０８ｂに支持され、外周はボディ部４０と固定部１０４との境界面に挟持されている。これにより、水素導入ポート４１から電磁遮断弁２３に導入された水素がソレノイド部１０３側に漏れ出ないようになっている。

また、ボディ部４０には、ダイヤフラム１１１の下側の弁部１０８ｂの周囲に形成された空間Ｓ１と水素導入ポート４１とを連通する連通孔４０ｆが形成されている。また、穴部４０ｄの小径部４０ｄ２に形成された空間Ｓ２は、第１供給路４０Ａと連通するように構成されている。この第１供給路４０Ａは、フランジ部４０ｃに向けて延び、フランジ面４０ｃ１に開口している。

前記減圧弁２４は、一次側ポート２００ａ、二次側ポート２００ｂ、一次側ポート２００ａから導入された水素を調圧（減圧）して二次側ポート２００ｂに導出する駆動機構２０２を備えたボディ２００により構成されている。なお、駆動機構２０２は、その詳細については後記するが、弁体２０３、ロッド部材２０４、第１ダイヤフラム２０５、第２ダイヤフラム２０６、圧縮コイルばね２０７，２０８からなり、鉛直方向に駆動するように構成されている。

前記ボディ２００は、鉛直方向（図示上下方向）に貫通する中空部２０１を有している。この中空部２０１は、弁体２０３、ロッド部材２０４の一部および圧縮コイルばね２０７が収容される下部収容部２０１ａ、第１ダイヤフラム２０５が収容される大径部２０１ｂ、第２ダイヤフラム２０６が収容される小径部２０１ｃ、圧縮コイルばね２０８が収容される上部収容部２０１ｄを有している。

また、ボディ２００の中空部２０１には、下部収容部２０１ａの底面から軸方向（鉛直方向）に沿って突出した円筒状の弁体ガイド部２１０が形成されている。また、中空部２０１には、弁体２０３が当接する弁座２１１が形成され、弁座２１１と第２ダイヤフラム２０６との間に仕切部材２１２が形成されている。また、上部収容部２０１ｄには、調整凸部２１３が形成されている。

前記弁体２０３は、鉛直方向（図示上下方向）に延びて形成される軸部２０３ａと、この軸部２０３ａの上端部につば状に形成された弁部２０３ｂとで構成され、軸部２０３ａが前記弁体ガイド部２１０内に摺動可能に挿入されている。

前記ロッド部材２０４は、弁体２０３と同軸に形成され、軸方向に沿って長尺状に形成されている。また、ロッド部材２０４には、第１ダイヤフラム２０５を保持する保持部材２０４ａと、第２ダイヤフラム２０６を保持する保持部材２０４ｂと、が設けられている。

前記保持部材２０４ａは、第１ダイヤフラム２０５の上面に当接して保持する保持部２０４ａ１と、第１ダイヤフラム２０５の下面に当接して保持する保持部２０４ａ２とで構成され、第１ダイヤフラム２０５の内周面が保持部２０４ａ１，２０４ａ２で挟持されている。また、第１ダイヤフラム２０５の外周は、ボディ２００によって挟持されている。

前記保持部材２０４ｂは、第２ダイヤフラム２０６の上面に当接して保持する保持部２０４ｂ１と、第２ダイヤフラム２０６の下面に当接して保持する保持部２０４ｂ２とで構成され、第２ダイヤフラム２０６の内周面が保持部２０４ｂ１，２０４ｂ２で挟持されている。また、第２ダイヤフラム２０６の外周面は、ボディ２００によって挟持されている。

前記弁座２１１は、中空部２０１内において弁体２０３の上方に形成され、弁部２０３ｂが弁座２１１に当接することにより水素の流通が遮断される。

前記仕切部材２１２は、中央部に挿通孔２１２ａが形成された略円盤形状であり、ボディ２００の中空部２０１に固定され、挿通孔２１２ａにロッド部材２０４が摺動可能に挿通されている。

これにより、仕切部材２１２と第２ダイヤフラム２０６との間には、アスピレータ室Ｓ３からなる空間が形成される。また、仕切部材２１２には、アスピレータ室Ｓ３に連通するとともに、二次側ポート２００ｂ側に向かって開口するノズル２１４が設けられている。

なお、図示していないが、弁体ガイド部２１０内において弁体２０３の下方に形成される空間（背圧室）と、アスピレータ室Ｓ３とを連通させて、弁体２０３に付与される圧力を軽減させて圧力−流体特性を向上させるようにしてもよい。すなわち、調圧された二次側圧力によって弁体２０３を弁座２１１から離間する方向に付勢する力と、背圧室内に進入した圧力流体によって弁体２０３を弁座２１１に向かって着座させる方向に付勢する力とを相殺して、弁体２０３に付与される圧力を軽減させるようにしてもよい。

前記調整凸部２１３は、柱状に形成され、中空部２０１の天井部に下向きに突出して形成されている。また、調整凸部２１３には、その凸面を覆うように断面略ハット型の受け部材２１５が設けられている。また、図示していないが、調整凸部２１３は、軸方向（図示鉛直方向）に調節可能な調整機構を有している。これにより、例えば調整凸部２１３が下方に向けて調整されることによりロッド部材２０４に対する押圧力が大きくなる。なお、第１ダイヤフラム２０５の上部のボディ２００によって囲まれる空間がパイロット室Ｓ４として形成されている。

また、ボディ２００には、前記信号圧導入配管３５が接続される入力部２００ｓを有し（図４参照）、信号圧導入配管３５とパイロット室Ｓ４とが連通するように構成されている。なお、入力部２００ｓは、第１ダイヤフラム２０５が収容される大径部２０１ｂを構成するボディ２００の上面２００ｃに接続されて、信号圧が減圧弁２４の上部から入力されるように構成されている。

また、前記第１ダイヤフラム２０５と前記第２ダイヤフラム２０６との間には、ボディ２００によって囲まれた大気室Ｓ５が形成されている。なお、この大気室Ｓ５は、図示しない通路を介して大気と連通するように構成されている。

前記圧縮コイルばね２０７は、円筒状の弁体ガイド部２１０の外周に配置され、一端部（上端部）が弁体２０３の弁部２０３ｂに係着され、他端部（下端部）が弁体ガイド部２１０の環状凹部内に係着されている。この圧縮コイルばね２０７は、常時、弁体２０３が弁座２１１に向かって着座するように付勢されている。

前記圧縮コイルばね２０８は、パイロット室Ｓ４内に配置され、一端部（上端部）が受け部材２１５のつば部２１５ａに係着され、他端部（下端部）が保持部２０４ａ１の上面に係着されている。この圧縮コイルばね２０８は、常時、弁体２０３を下方に押圧している。

なお、圧縮コイルばね２０７のばね力は、圧縮コイルばね２０８のばね力より大きく設定されている。したがって、弁体２０３を弁座２１１から離間させる方向に付勢する圧縮コイルばね２０８のばね力に対して圧縮コイルばね２０７のばね力が打ち勝っているため、信号圧が付与されていない発電停止時において弁体２０３が弁座２１１に着座した状態にあるノーマルクローズタイプ（常閉型）に設定されている。

また、減圧弁２４のボディ２００の側面には、前記フランジ面４０ｃ１に面接触して当接する接合面２００ｄが形成されている（図３参照）。この接合面２００ｄとフランジ面４０ｃ１とが当接した状態において、ねじ２５０（図３参照）を介してボディ部４０に着脱自在にねじ止めされている。

前記フィルタ２５は、有底円筒状のケース３００がその軸方向を鉛直方向に向けて配置されている。ケース３００内には、フィルタエレメント３０１が設けられた円筒形状のフィルタ格納部３０２が設けられ、ケース３００とフィルタ格納部３０２とで二重管構造を構成している。フィルタエレメント３０１は、オイルや塵埃などを除去する濾材などで形成されている。また、フィルタ格納部３０２の周壁面には、フィルタエレメント３０１で濾過後の水素を導出させる孔３０２ａが形成されている。また、フィルタ格納部３０２の上部には、前記第２供給路４０Ｂ内に嵌合して、第２供給路４０Ｂとフィルタエレメント３０１とを連通させる連結部３０３が設けられている。

また、フィルタ２５は、ケース３００の上端に水平方向に突出するフランジ部３００ａが形成されており、このフランジ部３００ａに形成されたねじ孔（図示せず）にねじ３０４（図３参照）が挿通されて、ボディ部４０に着脱自在に螺着されている。

本実施形態では、図５に示すように、電磁遮断弁２３を通過した水素が、フランジ部４０ｃのフランジ面４０ｃ１に開口４０ｃ２を有する第１供給路４０Ａを通って減圧弁２４に供給され、さらに減圧弁２４で減圧された水素が、同一のフランジ面４０ｃ１に形成された開口４０ｃ３を通ってフィルタ２５に供給される。また、フランジ面４０ｃ１の開口４０ｃ２を取り囲むようにシール材４０ｓ１が配設され、開口４０ｃ３を取り囲むようにシール材４０ｓ２が配設されている。なお、シール材４０ｓ１，４０ｓ２は、Ｏリングなどで形成され、フランジ面４０ｃ１の開口４０ｃ２，４０ｃ３の周囲にそれぞれ形成された凹条の溝に嵌合して設けられている。

次に、レギュレータユニット２２を備えた燃料電池システム１の動作について図５および図６を参照（適宜、図１参照）して説明する。まず、発電停止時には、電磁遮断弁２３は、図示しない制御部の制御によって電磁遮断弁２３のソレノイド部１０３が非励磁とされており、プランジャ１０７が吸引されず、圧縮コイルばね１０９のばね力によって弁体１０８が弁座４０ｅに着座することにより閉弁している（図５参照）。また、減圧弁２４は、エアコンプレッサ３１（図１参照）の停止によりパイロット室Ｓ４にはカソード側の圧力が作用しておらず（パイロット圧が付与されておらず）、弁体２０３が弁座２１１に着座した状態にある（図５の状態）。また、発電停止時には、水素供給部２１（図１参照）に設けられた遮断弁（１次遮断弁）や減圧弁（１次減圧弁）も閉弁しており、水素タンクから燃料電池１０には水素が供給されないようになっている。

発電時には、制御部によって水素供給部２１の遮断弁が開弁されることにより、水素タンクから水素が供給され、減圧弁によって減圧されて、配管２８ａを介してレギュレータユニット２２の水素導入ポート４１に向けて供給される。また、エアコンプレッサ３１が駆動されて、加湿器３２で加湿された空気が燃料電池１０のカソードに供給される。

電磁遮断弁２３では、図示しない制御部の制御によってソレノイド部１０３が励磁されることによりプランジャ１０７が固定鉄心１０６側（鉛直方向上方）に向かって吸引される。これにより、前記吸引力と、圧縮コイルばね１１０のばね力とによる力が、圧縮コイルばね１０９のばね力に打ち勝って、電磁遮断弁２３は、プランジャ１０７と一体に構成された弁体１０８の弁部１０８ｂが弁座４０ｅから離間することで開弁状態となる。この結果、水素導入ポート４１から導入された水素は、図６の矢印Ｒ１で示すように、ボディ部４０に形成された連通孔４０ｆ、空間Ｓ１、弁体１０８と弁座４０ｅとの隙間を通って、第１供給路４０Ａに導出する。そして、第１供給路４０Ａに供給された水素は、図６の矢印Ｒ２で示すように、フランジ面４０ｃ１に形成された開口４０ｃ２を通って減圧弁２４の一次側ポート２００ａに導入される。

減圧弁２４では、信号圧導入配管３５（図４参照）を介してパイロット室Ｓ４に空気（パイロットエア）が導入されることで、第１ダイヤフラム２０５が鉛直方向下方へ押し下げられる。このとき、信号圧と、圧縮コイルばね２０８のばね力との力（弁体２０３を押し下げる力）が、圧縮コイルばね２０７のばね力（弁体２０３を押し上げる力）に打ち勝つことで、ロッド部材２０４を介して連結されている第１ダイヤフラム２０５、第２ダイヤフラム２０６および弁体２０３が一体的に鉛直方向下方に向かって変位する。これにより、弁体２０３の弁部２０３ｂが弁座２１１から離間する。よって、１次側ポート２００ａから導入された水素は、図６の矢印Ｒ３で示すように、弁体２０３の弁部２０３ｂと弁座２１１との間の隙間を通過する際に信号圧に対応した所定の圧力に減圧され、減圧された水素が二次側ポート２００ｂに導出される。そして、二次側ポート２００ｂに導出された水素は、図６の矢印Ｒ４で示すように、フランジ面４０ｃ１に形成された開口４０ｃ３を通ってボディ部４０の第２供給路４０Ｂに導入される。

フィルタ２５では、第２供給路４０Ｂに導入された水素は、図６の矢印Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７で示すように、連結部３０３を通ってフィルタエレメント３０１に導入され、水素に同伴されているオイル、塵埃などが除去された後、孔３０２ａを介して水素導出ポート４２に向けて導出する。

図７（ａ）に示すように、本実施形態の燃料電池システム１の一部である燃料電池１０およびレギュレータユニット２２を備えた補機１１は、サブフレーム５上に固定されて、燃料電池自動車Ｖの車体（メインフレーム）の一部であるフロアパネル４のセンターコンソール４ａ内に下方から取り付けられている。また、サブフレーム５の下面には、燃料電池１０および補機１１を覆うアンダーカバー６が設けられている。なお、補機１１とは、燃料電池１０用の補機であり、燃料電池１０と水素供給部２１との間に設けられる水素系のデバイスなどの集合体である。

図７（ｂ）に示すように、サブフレーム５は、車両の前後方向に延びるフレーム５ａ，５ｂ、車幅方向に延びるフレーム５ｃ，５ｄが井桁状に組まれて構成され、レギュレータユニット２２の下面がフレーム５ａ〜５ｄの内側に露出するように構成されている。なお、図７（ｂ）は、アンダーカバー６を取り外した状態である。

このように、本実施形態によれば、減圧弁２４の一次側ポート２００ａと二次側ポート２００ｂとを折り返すように流路を構成して、第１供給路４０Ａと第２供給路４０Ｂとを同一のフランジ面４０ｃ１上に形成したことにより、シール部を従来よりもさらにひとつ削減することができ、構造の簡素化が可能になる。構造の簡素化によって、コスト削減が可能になり、しかもメンテナンスが容易になる。また、シール部の削減により非鉄金属の部分を削減できるので、軽量化を図ることが可能になる。

また、本実施形態によれば、フィルタ２５が鉛直方向に向けて配置され（図２および図５参照）、ボディ部４０に対して下側に配置されているので、アンダーカバー６を取り外したときに、ねじ３０４を外すだけでレギュレータユニット２２からフィルタ２５を単独で簡単に取り外すことができ、フィルタの交換作業が容易になる。しかも、フィルタ２５が鉛直方向に向けられているので、一度取り込んだ不純物が減圧弁２４側に逆流することがなくなり、不純物の捕捉効率を高めることができる。

また、本実施形態によれば、フランジ面４０ｃ１において減圧弁２４がねじ止めにより着脱自在に構成されているので、高機能な減圧弁２４を単体で圧検（気密試験、調圧試験）した後、ボディ部４０に組み付けることができるので、一体化後の歩留まりが改善され、コストダウンが可能になる。

また、本実施形態によれば、減圧弁２４の駆動機構２０２を鉛直方向に駆動させ、信号圧としての空気（パイロットエア）を上部から導入させることで、重力に反せず駆動が可能となり、駆動機構２０２を鉛直方向に対して傾斜させて駆動させた場合と比較して劣化し難くなる。

また、本実施形態によれば、電磁遮断弁２３をフィルタ２５の鉛直方向上側に配置し、電磁遮断弁２３の駆動機構１００を鉛直方向に駆動させることにより、電磁遮断弁２３の応答性を向上させることができ、全体をコンパクトに配置することが可能になる。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 遮断弁と減圧弁とフィルタとを一体化したレギュレータユニットを示す斜視図である。 レギュレータユニットの下面図である。 レギュレータユニットの上面図である。 図４のＡ−Ａ線で接続したときの閉弁時の展開図である。 レギュレータユニットの開弁時の展開図である。 （ａ）は燃料電池システムを車両に搭載したときのレギュレータユニットの配置を示す透視側面図、（ｂ）はレギュレータユニットを車両下側からみたときの平面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２３ 電磁遮断弁
２４ 減圧弁
２５ フィルタ
２８ａ〜２８ｃ 配管（燃料ガス供給路）
４０ ボディ部
４０ｃ フランジ部
４０ｃ１ フランジ面
４０Ａ 第１供給路
４０Ｂ 第２供給路
１００ 駆動機構
１０７ プランジャ
１０８ 弁体
１０９，１１０ 圧縮コイルばね
２００ｓ 入力部
２０２ 駆動機構
２０３ 弁体
２０４ ロッド部材
２０５ 第１ダイヤフラム
２０６ 第２ダイヤフラム
２０７，２０８ 圧縮コイルばね
２５０ ねじ

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路に設けられ、燃料ガスの流通を遮断する電磁遮断弁、燃料ガスを減圧する減圧弁、および前記燃料ガス供給路中の不純物を除去するフィルタと、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記電磁遮断弁と前記フィルタとを一体化するボディ部を備え、
   前記ボディ部には、前記電磁遮断弁と前記減圧弁とを接続する第１供給路と、前記減圧弁と前記フィルタとを接続する第２供給路と、が設けられ、
   前記ボディ部と前記減圧弁とを接続する同一のフランジ面上に、前記第１供給路および前記第２供給路が連通するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記フィルタは、筒状のケースを有し、その軸方向が鉛直方向に向けて配置され、前記ボディ部の下側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記同一のフランジ面は、ねじ止めにより着脱自在であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記減圧弁は、信号圧が入力される入力部を有し、
   前記減圧弁の駆動機構は、鉛直方向に駆動し、前記入力部は前記減圧弁の上部に接続されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記電磁遮断弁は、前記フィルタの鉛直方向上側に配置され、
   前記電磁遮断弁の駆動機構は、鉛直方向に駆動することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

Images