JP5224107B2 - 燃料電池システムの排気装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システムの排気装置に関する。特に、車両などに搭載される燃料電池システムにおいて、空気を元とするガスを排出する構成、燃焼ガス（「水素」ともいう。）を希釈して排出する構成、それらを混合する構成に関する。
また、それらの効率を高める燃料電池システムの構成に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両には、その動力源となる燃料電池（「燃料電池スタック」、あるいは、単に「スタック」ともいう。）が搭載される。そして、この燃料電池に純水素を燃料ガスとして供給する。この場合、燃料電池のアノード側への水素供給は、燃料電池内に均一に分散するように供給し、排出する。
なお、その水素の利用効率を上げるために、循環系を採用している場合もある。

そして、水素を一時的にシステムの外部に放出するパージを行っている。パージの目的は、燃料電池の変換効率を高く保つためであったり、車両停止の際など、燃料電池のカソードとアノードの極間差圧が過大になることを防ぐためであったりする。
あるいは、燃料供給系に異常が生じた場合に、車両外部に緊急放出することもある。

燃料電池の変換効率は、車両走行中またはアイドリング停車中などに燃料電池のセル電圧が低下する現象が起きる。これは、一つに、供給ガスを加湿したり、反応によって生成水が生じたりすることにより、それらの結露水が燃料電池内に滞留し、燃料電池の出力が低下してしまうことである。よって、結露水を系外に排出させるために、燃料ガスの供給圧が付与されたパージによるガス流を用いている。
また、水素を循環させたりするなど滞留を長く継続させていると、アノード系内にカソードからの透過Ｎ２（窒素）が蓄積し易く、反応を阻害するためである。よって、回復させるためには、その透過Ｎ２を排出する必要がある。

一方、水素の燃焼特性は、容量水素濃度が４％を超えると燃え易くなり、容量水素濃度が１８％を超えた辺りから、瞬間的かつ爆発的な燃焼が起こる。
そのため、燃料電池の燃料に水素を用いる場合、様々な外部環境を考慮して、パージ配管から水素を放出する際の排出ガスの容量水素濃度を４％以下とすることが要求されている。

これに対し、従来は、触媒などによって水素を燃焼処理した後に放出したり、パージが間歇的に行われることに着目して、燃料電池の燃料のパージと次のパージの間に時間をかけて、燃料の燃焼可能下限濃度以下に希釈して排気したりすることが行われている。
しかし、いずれの構成でも処理のために比較的大きな影響を与えている。
小型化が難しく、まとまった容量を必要とする燃料電池の近くに同じように容量を必要とする補機が幾つもあり、触媒タイプのように高価で大きな装置を小型の車両で搭載することは困難である。
また、常時使わない機能部品に大きな搭載スペースを与えることは非効率である。
燃料電池の変換効率は、二次電池やキャパシタとの配分によって車両の走行に合わせることも可能である。

特開２００３−１３２９１５号公報 特開２００５−１１６４６７号公報 特開２００７−２００６０６号公報

ところで、従来の燃料電池システムの排気装置において、燃料電池で使用された空気を排気する際に、燃料電池の運転で不要となった水素を空気の排気管中に排出し、水素の爆発限界以下（容量水素濃度が４％）まで希釈して車外に排出する方策がある。
このとき、合流した水素が空気の排気管内を空気の流れ方向に対して逆流するという不都合がある。
つまり、排気管１１４のマニホールド１１５において、図７に示す如く、使用された空気を排出する主排気管部１４０の空気の流れ方向に対して、使用された燃料ガスを排出するパージ管１１７からの燃料ガスの流れ方向を直交させるように、主排気管部１４０にパージ管１１７を接続しているため、主排気管部１４０内に流入したパージ管１１７からの燃料ガスの圧力が主排気管部１４０内を流れる排出空気の圧力より高い場合、燃料ガスのみならず排出しようとしている生成水までが排出空気の流れに逆らって逆流してしまうというものである。特に、排出空気の単位時間当たり流量が運転状態全般からみて相対的に少なく場合には、空間内の分子密度が低くなることもあり、その傾向が強くなる。
また、排気管内で水素が十分に拡散されず、部分的に高い濃度の水素が排気されるという不都合がある。
さらにまた、そのようなマニホールド構造を提供する上で、分岐部（集合部）が増加することによる異音発生の増加という不都合を伴う。

この発明は、省スペースで、排気ガス成分の混合効率が良い排気システム（排気管）を提供すること、ガスの逆流を防止し、特定ガス成分等が他のガス成分側に流れ込むのを防止すること、また、その構造に伴う異音を抑制して消音性を高めることとの両立を図ることを目的とする。

そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、カソードに酸素を含む空気を供給しアノードに水素を含む燃料ガスを供給して発電を行う燃料電池と、この燃料電池のカソード側に接続されて使用された空気を排出する主排気管と、前記燃料電池のアノード側に接続されて使用された燃料ガスを排出するパージ管とを備える燃料電池システムの排気装置において、前記主排気管にパージ管を分岐管として合流接続するマニホールドを備え、このマニホールドの主排気管部に曲部を形成してＳ字状ないしクランク形状をなすように屈曲させて設け、前記パージ管を、前記主排気管部の曲部下流外側に接続し、かつ前記曲部より下流の主排気管部の軸方向と平行となるように指向させて合流接続したことを特徴とする。

この発明によれば、カソードに酸素を含む空気を供給しアノードに水素を含む燃料ガスを供給して発電を行う燃料電池と、燃料電池のカソード側に接続されて使用された空気を排出する主排気管と、燃料電池のアノード側に接続されて使用された燃料ガスを排出するパージ管とを備える燃料電池システムの排気装置において、主排気管にパージ管を分岐管として合流接続するマニホールドを形成して設け、マニホールドの主排気管部に曲部を形成してＳ字状ないしクランク形状をなすように屈曲させて設け、パージ管を、主排気管部の曲部下流外側に接続し、かつ曲部より下流排気管の軸方向と平行となるように指向させて合流接続した。
従って、ガス流の流れによる慣性を助長する空間的な関係を与えることによって、逆流や対流を防止できる。大きな断面積の空間に対して局部的に発生する循環流（渦流）の発生と定在化を抑制することができる。
また、ガス流の分子のマス流れによる慣性と、ガス成分の比重の違いにより、ガス成分どうしの撹拌を促進できる。
更に、燃料ガス成分である水素を、希釈して排出する際の希釈効果を促進できる。

以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。

図１〜図６はこの発明の実施例を示すものである。
図２において、１は燃料電池車両（以下、単に「車両」という。）である。
この車両１は、車両１の前部に燃料電池システム２を搭載するとともに、車両１の後部に水素タンクアセンブリ３を搭載し、車両１の底部には様々な流体を流す排気システム４を配設している。車両１の前部に設けた収容空間に燃料電池システム２の燃料電池（スタック）５を含む大部分を搭載している。

前記燃料電池システム２の空気の供給排出系は、図３に示す如く、燃料電池５の上流側ないし燃料電池５内部にわたる供給系と、燃料電池５の下流側となる排出系とから構成する。前記燃料電池５内部にわたる供給系では、エアフィルタ６より下流のエアコンプレッサ７によって空気入口８から引き込んだ空気を、エアフィルタ６によって浄化し、エアコンプレッサ７（圧送手段）によって数気圧程度に加圧して、給気管９内に送り込む。
このとき、前記エアコンプレッサ７は、ターボコンプレッサのような遠心ファンを有し、電動モータによって０〜数万ｒｐｍで駆動可能である。このエアコンプレッサ７の駆動時には、比較的脈動は少ないものの高周波の風きり音が生じる。それでも、流量が多く確保できる性能に対して、比較的静かなシステムとなる。
空気は、給気管９を介して燃料電池５のカソード側に送られるが、そのうち一部は燃料電池５を介さずに（バイパス管１０によってバイパスして）排気し、燃料電池５のカソード側に流れ込む流量を調整する一方、燃料電池５のカソード側に送られる空気は、熱交換器１１を通して高い発電効率を得られる温度に調整し、その後、イオンの流動性によって高い変換効率を得られるように加湿器１２によって加湿して、燃料電池５のカソード側に送り込む。空気は、燃料電池５内部では、内部のマニホールド構造によって無数のセル（図示せず）に分配した後、各セルを通過し、燃料電池５外部に排出される。このとき、前記給気管９とバイパス管１０とは、共に断面積が比較的大きいものとなっている。

また、前記燃料電池５の下流側となる排出系では、空気（「オフガス」ともいう。）に含まれる水分（生成水など）を利用するため、前記加湿器１２に空気を送る。加湿に使う水分量を調整するためのガス流量調整のために、一部は加湿器１２を通さないで排出される。この加湿器１２を通さない排気バイパス管１３は、前記加湿器１２を通す主排気管（単に「排気管」ともいう。）１４と比べて断面積が小さい通路となっている。
これらの空気（オフガス）は、排気管１４のマニホールド１５によって、再び合流して、水分などと共に排出する。また、排気管１４のマニホールド１５によって、空気（オフガス）を、供給系において分岐した前記燃料電池５を介さずに排気する一部の空気とも合流する。前記マニホールド１５の後述する分岐管３９より上流側には、これらのガスの流れを遮断したり、あるいは逆に下流側からの逆流を遮断したりする遮断弁１６が設けられている。これら配管通路断面積と遮断弁１６の開閉タイミングとの組み合わせにより、いずれか一つの配管のみの流量から、複数の配管による定率分配の形までで、流量が調整可能となっている。
前記排気管１４のマニホールド１５によって、水素のパージ管１７とも合流し、パージガスを空気によって薄く希釈して排出する。前記マニホールド１５の分岐管３９より下流側には、曲部１８を形成してあり、この曲部１８に断面積の小さな水素のパージ管１７を接続している。そして、このパージ管１７の上流側においても、パージガスの流れを遮断したり、あるいは逆に下流側からの逆流を遮断したりする遮断弁である水素パージバルブ１９が設けられている。なお、パージガスには生成水も含まれる。
前記排気管１４は、車両最後部に向けて延出され、直管形状を避け、かつ、補機類を避けるようにして車両幅方向に蛇行しつつも、概略水平を保つように延出している。また、前記排気管１４の下流側開口２０より少し上流側には、消音器（「マフラ」ともいう。）２１を配設している。前記排気管１４の下流側開口２０付近には、水素センサ２２（図４参照。）を設け、排出する水素濃度を一定値（例えば、４％）以下となるように管理している。
このとき、前記消音器２１は、いわゆる高周波管であり、前記エアコンプレッサ７の風きり音や、配管の接続部等で生ずる笛吹き音などを低減するようにしている。そして、前記消音器２１は、詳細には、多孔の内管（図示せず）のまわりに円筒状の空間を形成するようにして外管（図示せず）を設け、円筒状空間にグラスウールなどからなる吸音材（図示せず）を充填したものである。ここでは、前記燃料電池５の排気管用として、内管と外管との軸心をオフセットして、より排水性を高めた形状となっている。

前記燃料電池システム２における燃料電池５への水素供給は、図３に示す如く、その利用効率を挙げるために、燃料タンク（「水素タンク」ともいう。）２３に接続される流量調整用インジェクタ２４を駆動して、前記燃料電池５のアノードの２つの出入口に繋がる２系統のラインＡ、Ｂに対して、一定間隔で交互に分配するように流し、圧力勾配を利用して流れを往復流動させている。
２系統のラインのうち一方のラインＢには、気水分離器２５を設けるとともに、前記水素パージバルブ１９を介装させて水素の前記パージ管１７を配設している。前記流量調整用インジェクタ２４の駆動と、水素パージバルブ１９の駆動のタイミングなどを制御して、水素濃度の均一化と生成水の排出を両立させて、高効率化を果たしている。
前記燃料電池５は、イオンの混入等に配慮した特別な冷却液により、駆動時は常に、発電効率の高い温度範囲に保たれる。
なお、このシステムには、燃料電池５の動作を補助するキャパシタ（図示せず）を設けている。前記車両１の走行状態に応じて動作するインバータ（図示せず）を介しており、インバータの動作に応じて、燃料電池５の発電電力のうち余剰分をチャージしたり、始動時など燃料電池５の発電電力の不足分を補ったりするように動作する。また、駆動モータ（図示せず）からの回生電力もチャージ可能である。
これらによって、十分な動力性能の確保と、航続距離の延長に関する車両１の走行性能向上を果たしている。

前記燃料電池システム２における燃料電池５の冷却は、図３に示す如く、燃料電池５の冷却水経路の入口側にポンプ２６を配設するとともに、燃料電池５の冷却水経路の出口側にはラジエータ２７を配設している。
そして、冷却水をポンプ２６により循環させつつ、ラジエータ２７によって冷却水の温度を低下させている。

前記水素タンクアセンブリ３において、図２に示す如く、サブフレーム（「タンクフレーム」ともいう。）２８は、略矩形状の外形をなし、両側に対を成して前後に延びる左右のサイドフレームと、これらの左右のサイドフレームの間を連結する複数のクロスメンバとを有する。また、前記燃料タンク２３の中腹部どうしを連結する複数の構造部材が前後に延びている。そして、前記燃料タンク２３は、これらの構造部材によって、強固に固定されている。前記サブフレーム２８は、車体フロア側、特に左右のサイドフレーム下側と連結するための柱脚部が左右対をなしつつ前後に並び、上方に向かって延びており、車両搭載後には車体と強固に連結される。
前記燃料タンク２３は、図２に示す如く、大小２つのタンクボンベが、前後に離間して、前記サブフレーム２８に搭載して設けられる。車両１の客室のフロアに対応する前側に小さい断面積を持つ小型タンクからなる第１燃料タンク２９を配し、荷室のフロアに対応する後側には大きい断面積を持つ大型タンクからなる第２燃料タンク３０を配している。なお、これらの両外側には、一部重なるようにして車両１の後輪３１一対が配される。
そして、前記燃料タンクユニットには、前記燃料タンク２３の第１、第２燃料タンク２９、３０内へ水素を入れたり、燃料タンク２３の第１、第２燃料タンク２９、３０外へ水素を取り出したりする開口として第１、第２バルブが夫々設けられている。これらの第１、第２バルブには、より緊急度の高い状態で作動する独立した緊急水素放出用弁ないしノズル、例えば緊急水素放出ノズルが一体的に設けられる。
前記燃料タンク２３から取り出される燃料ガスは、レギュレータによって所望の圧力まで減圧して使用される。このとき、レギュレータによって、複数段階に分割して減圧される。
前記レギュレータは、前記燃料タンク２３の第１、第２燃料タンク２９、３０の間に開けられた空間を利用して、そこに収容されるように設置されている。そして、この空間には、前記サブフレーム２８のクロスメンバが複数設置されており、これらのクロスメンバに掛け渡すようにして、強固に保持されている。
前記レギュレータは、２つあり、多段階を経て減圧するようになっている。複数の第１、第２燃料タンク２９、３０から取り出された高圧水素ガスは、合流した配管によって、車両幅方向の中央付近に搭載された１次レギュレータに導入され、大幅に減圧されて取り出される。次いで、その側方（燃料タンクユニットのバルブ側）にある２次レギュレータに導入され、２次減圧されて取り出され、前記燃料電池５側に供給される。このとき、複数の第１、第２燃料タンク２９、３０に共用するレギュレータがその間にあることは、配管の取り回し上好ましい。
緊急水素放出用の水素排出管３２（図３及び図４参照。）は、２次レギュレータから延出し、１次及び２次の両レギュレータの配置と同様に、前記第１、第２燃料タンク２９、３０の間に開けられた空間を通して配設されている。また、前記水素排出管３２は、これらのクロスメンバ等とほぼ平行となるように沿って、概ね前記サブフレーム２８の全幅にわたって横切るように幅方向に配策されている。前記レギュレータから前記排気管１４までの水素排出管３２を短くする。なお、１次レギュレータの後、２次レギュレータに入る前に、水素ガスを排出可能なデフューエル管を設け、このデフューエル管によって、第２バルブ下流のカプラから水素ガスを取り出し可能としている。
前記水素排出管３２の下端側は、図３及び図４に示す如く、前記燃料電池システム２を構成する排気管１４に接続されている。この排気管１４の断面で上半部に位置し、排気管１４に対して直交する。
また、この合流部の少し上流側から下流端までを構成する排気管下流部は、前記サブフレーム２８に支持され、サブフレーム２８とともに車体から分離することが可能となっている。
この排気管下流部は、ほぼ直線状に形成され、前記合流部の下流側となる排気管下流部には、前記消音器２１が配置されている。この消音器２１を含めて前記サブフレーム２８の片側である車両右側のサイドフレーム付近に支持されている。
法規上、例えば、所定期間毎に前記燃料タンク２３を取り替える必要がある等、燃料タンク２３を降ろす必要がある場合を考慮する必要がある。これらの連結された配管類が、連結を保ったまま降ろせることにより、整備上での利便性がある。
前記サブフレーム２８及びそれに部組された燃料タンク２３ないし燃料配管の上面側と、車体フロア下面との間には、リヤサスペンションが配設される。このリヤサスペンションがリンク機構をなして上下にスイングするように稼働するため、その軌跡を考慮して空間を形成している。なお、リヤサスペンションは、前記サブフレーム２８の左右両外側位置において車体に支持される。このサブフレーム２８をサスペンションフレームと一体としていないので、前記燃料タンク２３を降ろす際に、サスペンションなどの足回りまで外す必要が生じなく、整備性が良い。
前記燃料タンク２３は、その円形断面の形状によって、基本的な高さがあるけれども、前記第１、第２燃料タンク２９、３０間の空間を設けて前記レギュレータを配置した部分は、相対的に上面高さを低くしているので、そこにリヤサスペンションの幅方向延出部材を配置し、幅方向に延出するリヤサスペンションのストロークを確保している。前記車両１の走行性能を確保する上で、優れている。また、重量物である前記燃料タンク２３を低い位置に搭載できることから、車両姿勢の安定感を確保できる。
図示はしないが、フロア下面の中央部を前側から後側にかけて、アンダーカバーによって覆う。これにより、ポンプなどの前記燃料電池システム２を構成する上で必要な補機類、配管類、燃料系アッセンブリを全て飛び石、冠水などから保護する。

前記排気システム４を構成する排気管１４は、図４に示す如く、その最も上流側を構成するマニホールド１５を備え、それに次ぐ上流側にフロント排気管アセンブリ３３Ａを構成し、下流側にリヤ排気管アセンブリ３３Ｂを構成している。
そして、前記フロント排気管アセンブリ３３Ａは、第１パイプ３４と、このマニホールド１５の下流側端部と第１パイプ３４の上流側端部とを連絡する第１ホース３５とからなる。
また、前記リヤ排気管アセンブリ３３Ｂは、第１パイプ３４の下流側端部に上流側端部が連絡する第２ホース３６と、この第２ホース３６の下流側端部に連絡し、かつ前記消音器２１の上流側に連絡する第２パイプ３７と、前記消音器２１の下流側に連絡する第３パイプ３８とからなる。

そして、カソードに酸素を含む空気を供給しアノードに水素を含む燃料ガスを供給して発電を行う燃料電池５を備えた前記燃料電池システム２の排気装置として、この燃料電池５のカソード側に接続されて使用された空気を排出する主排気管４０（単に上述した「排気管１４」ともいう。）と、前記燃料電池５のアノード側に接続されて使用された燃料ガスを排出する前記パージ管１７とを備えている。
このとき、図１及び図５に示す如く、前記排気管１４を、前記主排気管４０にパージ管１７を分岐管４８として合流接続する金属製の前記マニホールド１５を形成して設けている。このマニホールド１５の主排気管部４０に前記曲部１８を形成してＳ字状ないしクランク形状をなすように屈曲させて設け、前記パージ管１７を、前記主排気管部４０の曲部１８下流外側に接続し、かつ曲部１８より下流排気管４１の軸方向と平行となるように指向させて合流接続した構成とする。なお、分岐管４８は、下流排気管４１の断面に対して上下方向の中央に位置し、主排気管部４０の断面の最低部および最高部から離れた位置としている。
つまり、ガス流の流れによる慣性によって、逆流や対流の防止を図るとともに、ガス流の流れによる慣性とガス成分の比重の違いにより、ガス成分どうしの撹拌を促進し、しかも、燃料ガス成分である水素を、希釈して排出する際の希釈効果の促進を図る構成としたものである。

また、図１及び図５に示す如く、前記主排気管部４０のＳ字状ないしクランク形状をなす中間部分４２を延出させて設け、この中間部分４２に前記分岐管３９を合流接続するとともに、これらの他の分岐管３９と曲部１８とを互いに離間させて設ける。
つまり、ガス流の流れによる慣性によって、逆流や対流を防止した上で、中間部分４２の合流位置を離間させる構造によって、逆流防止をより向上させる構成としたものである。曲部１８より上流側のガス流を整流することができ、曲部１８付近の乱れを抑制することができる。

更に、前記マニホールド１５の他の分岐管３９には、前記主排気管部４０に流れる使用された空気とは別な加圧空気を常時供給可能として設ける。
つまり、常に、前記主排気管１４に流れる空気を主体とするガス流の流量を確保し、曲部１８での合流における逆流防止を維持して、その流量によって希釈効率の向上をも図るものである。

更にまた、前記マニホールド１５の下流側には、図３及び図４に示す如く、高周波の音を消音可能な前記消音器２１を設けている。
つまり、前記マニホールド１５の分岐構造による笛吹き音や、空気を加圧する際に生ずる風きり音を、低減ないし除去するとともに、撹拌や希釈のために流量を上げることによる弊害を解消するためである。

ここで、さらに詳述すれば、前記マニホールド１５は、図１に示す如く、略円形断面の主管４３が、ゆるくカーブしながら高低差のあるクランク状に曲げてあり、前記分岐管３９の最初の分岐管である第１分岐管４４が合流する付近から断面径が大きく太くなっている。
そして、前記マニホールド１５の主管４３には、排出空気１として、前記燃料電池５のカソードを通過した空気（オフガス）の大半が流れる。この排出空気１は、加圧された後、温度調節（主に冷却）、加湿後、燃料電池５を経由し、除湿後の空気となる。この排出空気１は、流量が比較的多く、温度、湿度が比較的安定している。
また、最初の分岐管である前記第１分岐管４４には、前記燃料電池５のカソードを通過しなかったバイパス空気、つまり排出空気２が流れる。この排出空気２は、第１の遮断弁４５によって、タイミングや流量は制御可能ではある。しかし、前記第１の遮断弁４５の開弁中は、加圧された後、自然膨張・拡散により圧力は下がるものの、比較的圧力が高く、温度も高めとなる。このときの湿気は、外気の影響が大きい。前記燃料電池５のカソードを流れる空気量と、燃料電池５を介さない前記バイパス管１０に流れる空気量の配分は、第２の遮断弁４６の動作によって配分を変えることは可能である。そして、前記バイパス管１０内に形成されるバイパス通路（図示せず）には、前記燃料電池５の駆動状態に関わらず、前記第１の遮断弁４５の動作によって、いつでも空気を流すことが可能な構造としてある。
前記マニホールド１５の主管４３に２番目に合流する分岐管である第２分岐管４７と、最後に合流しかつ前記パージ管１７の連絡する第３分岐管４８は、図１に示す如く、小径となっている。基本的に圧力差によって流れ方向や流速、流量が決まるので、絶対的な流量は少ない。
前記第２分岐管４７には、温度調節（主に冷却）、加湿後、燃料電池５を経由し、その後の除湿がなされない空気である排出空気３となる。そして、前記第２分岐管４７内を流れる排出空気３のタイミングが間歇的となる。このとき、排出空気３は、温度が比較的安定し、湿度はやや高いが比較的安定している。
前記パージ管１７及び第３分岐管４８には、水素ガスが流れる。上述した背景にあるように、前記燃料電池５の効率が高く保つ等のために水素ガス（「排出水素」ともいう。）を排出するので、ある程度、規則性を持った周期的なタイミングで、ある程度の頻度を繰り返し流れることになる。前記排出水素の量は、空気などと比べて少ない。前記流量調整用インジェクタ２４から噴射する際のガス圧（例えば、数気圧）がかかっているので、多少減衰しても圧力は高めである。
ガス成分に比重を考慮し、カソードオフガスの流れる前記排気管１４の曲部１８下流外側に接続し、かつ曲部１８より下流排気管４１の軸方向と平行となるように指向させている。前記排気管１４の曲部１８下流外側は、図１に示す如く、流れが速くなるとともに、慣性によって比重の重いガス成分（酸素、窒素）が行き易い。そこに、相対的に比重が軽いガス成分（水素）が導入されると、容易に押し潰され、比較的、拡散し易くなる。
前記マニホールド１５を、主管４３の延出方向に沿ってみると、最初の分岐管である前記第１分岐管４４及び２番目の分岐管である前記第２分岐管４７に対し、前記曲部１８と最後の分岐管であり、かつ前記パージ管１７の連絡する第３分岐管４８は、下流側に離間するように設けてある。圧力差による、ガスや水分の逆流が生じ難いようにしてある。
前記主管４３及び夫々の前記分岐管３９である第１、第２分岐管４４、４７そしてパージ管１７の連絡する第３分岐管４８には、上流側に遮断弁１６や第１、第２の遮断弁４５、４６、遮断弁である水素パージバルブ１９を備えており、車両１の走行状態と、配管内の圧力差を考慮して、生成水や、他のガス成分が逆流しないように、上記の遮断弁１６、４５、４６、１９を閉じ制御する。なお、遮断弁１６、４５、４６、１９は、バタフライバルブなど流量調整が可能であって、全閉時に比較的気密性のある弁を用いている。
また、主管４３ないし上流側の分岐管４４、４７が上流に向かって高くなる立ち上り形状となっていることで、液化した水分の逆流を起こり難くしている。

追記すれば、従来の排気管１１４のマニホールド１１５においては、図７に示す如く、主排気管部１４０の排出空気の流れ方向に対してパージ管１１７からの燃料ガスの流れ方向を直交させるように、パージ管１１７からの排出水素の流れが主排気管部１４０の壁１４０ｗに行き当たる形状の分岐状態としていた。
これに対して、この発明においては、前記パージ管１７からの排出水素が、図１及び図６に示す如く、排気管１４のマニホールド１５の主排気管部４０内をストレートに抜けていく構造とした。
つまり、前記マニホールド１５の曲部１８下流外側に前記パージ管１７を接続し、流速の速い箇所に合流させている。
このため、ベルヌーイの定理によって流速の速い箇所がより低圧となり、パージ管１７から流れ込む排出水素が排出され易くなるとともに、流速の速い箇所に合流させることにより排出水素が速やかに拡散され、濃度分布を均一にすることができる。
また、一般的に、前記マニホールド１５の曲部１８内においては、流速の遅い内側部位にうずが発生する可能性があるが（図１参照）、前記パージ管１７からの排出水素を流速の速い箇所、つまり外側部位に合流させることにより、排出水素の滞留、または逆流を回避することができる。
パージ管１７から最終的な大気への開口２０の排気管１４の全長を、車両中央に燃料電池を搭載する場合に比べて、長く採ることができるので、拡散や撹拌に要する時間や容量を自ずと確保できる。排気管が短いことにより必要となる専用の希釈混合室の容量を抑えたり、なくしたりすることができる。

この発明の実施例を示すマニホールドの要部拡大平面図である。 燃料電池と水素タンクアセンブリとを車両に搭載した状態の概略左側面図である。 燃料電池システムの概略構成図である。 排気管アセンブリの概略斜視図である。 マニホールドの概略斜視図である。 主排気管部の曲部にパージ管を合流接続する際の概略説明図である。 この発明の従来技術を示す主排気管部にパージ管を合流接続する際の概略説明図である。

符号の説明

１ 車両
２ 燃料電池システム
３ 水素タンクアセンブリ
４ 排気管アセンブリ
５ 燃料電池
１４ 主排気管（単に「排気管」ともいう。）
１５ マニホールド
１７ パージ管
１８ 曲部
２１ 消音器（「マフラ」ともいう。）
２３ 燃料タンク（「水素タンク」ともいう。）
４０ 主排気管部
４１ 下流排気管
４２ 中間部分
４３ 主管
４４ 第１分岐管
４５ 第１の遮断弁
４６ 第２の遮断弁
４７ 第２分岐管
４８ 第３分岐管

Claims (4)

1. カソードに酸素を含む空気を供給しアノードに水素を含む燃料ガスを供給して発電を行う燃料電池と、この燃料電池のカソード側に接続されて使用された空気を排出する主排気管と、前記燃料電池のアノード側に接続されて使用された燃料ガスを排出するパージ管とを備える燃料電池システムの排気装置において、前記主排気管にパージ管を分岐管として合流接続するマニホールドを備え、このマニホールドの主排気管部に曲部を形成してＳ字状ないしクランク形状をなすように屈曲させて設け、前記パージ管を、前記主排気管部の曲部下流外側に接続し、かつ前記曲部より下流の主排気管部の軸方向と平行となるように指向させて合流接続したことを特徴とする燃料電池システムの排気装置。
2. 前記主排気管部にＳ字状ないしクランク形状の中間をなす中間部分を延出させて設け、この中間部分に他の分岐管を合流接続するとともに、この他の分岐管と前記曲部とを互いに離間させて設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの排気装置。
3. 前記マニホールドの他の分岐管には、主排気管部に流れる使用された空気とは別な加圧空気を常時供給可能として設けたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの排気装置。
4. 前記マニホールドの下流側には、高周波の音を消音可能な消音器を設けていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの排気装置。

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