JP5229461B2 - 燃料電池システムの燃料ガス供給装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システムの燃料ガス供給装置に係り、特に燃料タンクに高圧で貯蔵される燃料ガスを減圧して燃料電池に供給する燃料電池システムの燃料ガス供給装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両には、その動力源となる燃料電池（スタック）を備えた燃料電池システムが搭載される。そして、燃料電池に純水素を燃料ガスとして供給する場合、水素ガスを燃料装置の外部に放出する機能を設けている。この機能として、大きく分けて、パージと緊急放出とがあり、夫々の目的や役割が異なる。
図５に示すように、燃料電池システム１０１において、燃料電池１０２と燃料タンク１０３のバルブ１０４間の燃料供給管１０５には、燃料ガスを減圧するレギュレータ１０６として、燃料タンク１０３側に順次に、一次減圧部１０７を備えた一次レギュレータ１０８と、二次減圧部１０９を備えた二次レギュレータ１１０とが設けられている。また、燃料タンク１０３のバルブ１０４には、燃料タンク１０３内部の温度が異常になった場合に内部の燃料ガスを抜くために安全弁として働くＰＲＤ（プレッシャー・リリーフ・デバイス）管１１１が大気開放して接続している。一次レギュレータ１０８には、一次大気圧参照管１１２が大気開放して接続している。二次レギュレータ１１０には、二次大気圧参照管１１３が大気開放して接続しているとともに、二次減圧部１０９の上流側で高圧の上流側圧力逃がし管１１４及び二次減圧部１０９の下流側で低圧の下流側圧力逃がし管１１５が大気開放して接続している。また、燃料電池１０２には、空気（オフガス）を排出する排気管１１６が接続している。
これにより、燃料電池システム１０１においては、状況に応じて、ＰＲＤ管１１１と一次大気圧参照管１１２と二次大気圧参照管１１３と上流側圧力逃がし管１１４及び下流側圧力逃がし管１１５とから燃料ガスを放出している。ＰＲＤ管１１１は、燃料電池１０２の効率を主眼として、燃料タンク１０３が異常な温度になった場合に、内部の燃料ガスを抜くためのものであり、内圧がかかった状態で放出されるので、大量に勢いのある燃料ガスが放出（パージ）する。一次大気圧参照管１１２・二次大気圧参照管１１３は、一次レギュレータ１０８・二次レギュレータ１１０がゲージ圧で制御していて、参照用に大気圧を取り入れているが、構造上、微量の水素が常に放出している。上流側圧力逃がし管１１４・下流側圧力逃がし管１１５は、二次レギュレータ１１０に異常な圧力がかかった場合に、燃料ガスを放出し、異常時にのみ作動し、ある程度の量と勢いのあるガスを放出する。
ここで注目しているのは、水素ガスを緊急放出する場合である。この緊急放出の場合には、上述のように、燃料電池システム１０１の異常の内容によって異なる減圧比（レベル）がある。

従来、燃料電池システムには、減圧弁よりも燃料ガスタンク側に外部導出弁を設置し、この外部導出弁を介して燃料ガスを排出し、減圧弁と燃料電池とを接続する配管を燃料ガスに耐えうる強度よりも低い強度の配管とし、軽量化や設置を容易とするものがある。
燃料ガスと酸化ガスとから電気を発生する燃料電池を搭載する移動体には、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段のガス圧力を負荷装置の駆動源に利用するものがある。
特開２００６−３３１７８１号公報 特開２００５−３３９８６２号公報

ところで、従来、燃料電池システムにおいて、水素ガスを緊急放出する場合に、燃料ガスがそのまま各配管から大気へと放出していたが、状況によっては、ある程度の量が放出されることがあり、全ての燃料ガスを直接大気へ放出することは適切ではなく、改善が望まれていた。
また、図６に示すように、燃料ガスを直接大気へ放出しないように改善して、上流側圧力逃がし管１１４、下流側圧力逃がし管１１５を排気管１１６に夫々独立させて合流接続した場合に、排気管１１６での音源箇所が増加してしまい、排気音が大きくなって騒音になるという不都合があった。

そこで、この発明の目的は、車両の中心付近の車両フロア下方で燃料ガスを排出することをなくし、また、燃料電池システムの機能上必要な配管である排気管を利用することで、全体の配管を簡素化する燃料電池システムの燃料ガス供給装置を提供することにある。

この発明は、カソードに酸素を含む空気を供給するとともに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、この燃料電池の下流側の排気管に消音器を備える排気装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給管及びこの燃料供給管の途中に燃料ガスを減圧するレギュレータを備える燃料装置と、前記燃料供給管内の燃料ガスを前記燃料装置の外部に放出可能な燃料ガス放出管とを備える燃料電池システムの燃料ガス供給装置において、前記燃料ガス放出管を前記レギュレータの減圧部によって減圧される燃料ガスにおける減圧前のガス及び減圧後のガスについて設ける一方、前記燃料ガス放出管を前記レギュレータと共に車両前後方向に複数並べて配設した燃料タンク同士の間に支持するとともに前記燃料タンクの側方を通るように配設した前記排気管に合流接続したことを特徴とする。

この発明の燃料電池システムの燃料ガス供給装置は、車両の中心付近の車両フロア下方で燃料ガスを放出することがなくなり、また、全体の配管を簡素化することができる。

この発明は、車両の中心付近の車両フロア下方で燃料ガスを放出することがなくし、また、全体の配管を簡素化する目的を、燃料電池システムの機能上必要な配管である排気管を利用することにより実現するものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。

図１〜図４は、この発明の実施例を示すものである。図４において、１は燃料電池車（以下「車両」という）に搭載される燃料電池システムである。
図４に示すように、燃料電池システム１は、カソードに酸素を含む空気を供給するとともに、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（スタック）２を備えている。
また、燃料電池システム１には、燃料電池２の上流側で空気を供給する空気供給系の空気装置３と、燃料電池２に燃料ガスを供給する燃料供給系の燃料装置４と、燃料電池２を適正に温度に冷却する冷却系の冷却装置５と、燃料電池２の下流側で空気（オフガス）を排出する排気系の排気装置６とが設けられる。

空気装置３において、燃料電池２には、空気供給管７が接続する。この空気供給管７には、空気入口側から順次に、空気入口からの空気を浄化するエアフィルタ８と、空気を引き込んで数気圧程度に加圧して燃料電池２側に送り込むエアコンプレッサ９と、空気を高い発電効率を得られる温度に調整する熱交換器１０と、空気を高い発電効率を得られる湿度に調整する加湿器１１とが設けられている。
また、空気供給管７には、エアコンプレッサ９と熱交換器１０との間で、空気バイパス管１２が接続している。この空気バイパス管１２は、空気遮断弁１３を備え、先端が後述するマニホルド２７に接続する。空気供給管７と空気バイパス管１２は、共に、断面積が比較的大きいものに形成されている。
エアコンプレッサ９は、ターボコンプレッサようなの遠心ファンを有し、電動モータによって０〜数万ｒｐｍで駆動可能なものである。このエアコンプレッサ９の駆動時には、比較的脈動が少ないものの、高周波の風きり音が生じる。
エアコンプレッサ９からの空気は、燃料電池２のカソード側に送られるが、そのうちの一部の空気が燃料電池２を介さずに空気バイパス管１２からバイパスして排出される。これにより、燃料電池２のカソード側に流れ込む空気流量を調整する一方、燃料電池２のカソード側に送られる空気は、熱交換器１０を通して高い発電効率を得られる温度に調整され、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１１で加湿され、そして、燃料電池２のカソード側に送り込まれる。この送り込まれた空気は、燃料電池２の内部では、内部のマニホルド構造によって無数のセルに分配供給した後、各セルを通過し、排気装置５から燃料電池２の外部に排出される。

燃料装置４において、燃料電池２には、燃料供給管１４を介して燃料ガスを貯留するタンクユニット１５の燃料タンク１６が接続する。燃料供給管１４には、燃料タンク１６側から順次に、燃料電池２に供給する燃料ガスを減圧するレギュレータ（減圧弁）１７と、制御手段に連絡する流量調整用インジェクタ（電磁弁）１８とが設けられる。
この流量調整用インジェクタ１８には、二系統の配管を構成するように、燃料供給管１４とは別な経路で、燃料電池２に連結する燃料分岐管１９が接続している。この燃料分岐管１９には、気体と液体を分離する気水分離器２０が設られている。
流量調整用インジェクタ１８は、燃料電池２側の燃料供給管１４と燃料分岐管１９とに一定間隔で交互に燃料ガスを流し、これにより、水素循環ポンプを不要として、水素濃度の均一化と生成水の排水を行うものである。
燃料分岐管１９には、気水分離器２０よりも燃料電池２側で水素排出管であるパージ管２１が接続している。このパージ管２１は、水素に不純物等が蓄積した場合に、その水素を一時的に排出（パージ）する水素パージを行うものであり、パージ遮断弁２２を備え、先端が後述するマニホルド２７に接続する。また、このパージ管２１は、燃料電池２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アノードオフガスを流す配管としても機能する。
この燃料装置４において、燃料電池２への水素供給は、その利用効率を上げるために、流量調整用インジェクタ１８を駆動して、燃料電池２のアノードの２つの出入口に繋がる２系統の燃料供給管１４と燃料分岐管１９とに対して、一定間隔で交互に分配するよう流し、圧力勾配を利用して流れを往復流動させている。パージ管２１のパージ遮断弁２２は、生成水も含まれた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ものである。そして、この燃料装置４では、流量調整用インジェクタ１８の駆動とパージ遮断弁２２の駆動とのタイミング等を制御して、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。上述のパージ水素の目的は、燃料電池２の変換効率を高く保つためであったり、車両停止の際等、燃料電池２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、あるいは、燃料装置４に異常が生じた場合に、燃料ガスを車両外部に緊急放出することもある。水素ガスを、燃料装置４の外部に放出する機能として、パージと緊急放出があり、夫々目的や役割が異なるものである。

冷却装置５において、燃料電池２には、冷却液を循環させる冷却液管２３が接続している。この冷却液管２３には、冷却液の流れ方向に向かって、燃料電池２からの高温の冷却液を冷却するラジエータ２４と、この冷却された冷却液を燃料電池２に循環させるポンプ２５とが設けられている。これにより、燃料電池２は、イオンの混入等に配慮した特別な冷却液により、駆動時には常に、発電効率の高い温度範囲に保たれる。

排気装置６において、燃料電池２には、燃料電池２のカソード側に接続されて使用された空気（カソードオフガス）を排出する排気管２６が接続している。
この排気管２６は、燃料電池２で発生した水で乾いた入口空気を加湿するように、つまり、空気（オフガス）に含まれる水分（生成水等）を利用するためで、加湿器１１に空気の一部を送るように、加湿器１１内を通過して配設され、そして、マニホルド２７とこのマニホルド２７の下流側の消音器２８とを備える。また、この排気管２６は、加湿器１１とマニホルド２７間で、第１排気遮断弁２９を備える。
この排気管２６には、加湿器１１の上流側で、排気バイパス管３０の一端が接続している。この排気バイパス管３０は、加湿量を調整するために、加湿器１１を通らない空気をマニホルド２７に排出するものであり、第２排気遮断弁３１を備え、他端がマニホルド２７に接続している。つまり、この排気バイパス管３０は、加湿に使う水分量を調整するようにガス流量調整のために、排出空気の一部を、加湿器１１を通さないでマニホルド２７に排出する。この排気バイパス管３０は、加湿器１１を通過する排気管２６と比べて、断面積が小さな通路に形成されている。
従って、排気管２６及び排気バイパス管３０からの空気（オフガス）は、マニホルド２７によって再び合流され、水分等と共に排出される。また、マニホルド２７には、排出管２６及び排気バイパス管３０からの空気と共に、空気バイパス管１２からの燃料電池２を介さずに排出される空気の一部及びパージ管２１からのパージ水素が合流される。
この排気管２６には、マニホルド２７と消音器２８との間で、レギュレータ１７に連結した燃料ガス放出管（緊急水素放出配管）３２が合流接続している。この燃料ガス放出管３２は、燃料供給管１４内の燃料ガスを燃料装置４の外部に放出可能なものである。これにより、臨時に燃料供給管１４内の燃料ガスを燃料ガス放出管３２及び排気管２６を介して大気に放出可能とし、燃料装置４側からの燃料ガスを直接大気に放出するのを防止できる。

燃料電池２の変換効率は、車両走行中又はアイドリング停車中等に燃料電池２のセル電圧が低下する現象が起きることで変化する。この現象は、一つに、供給する燃料ガスを加湿したり、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２内に滞留し、燃料電池２の出力が低下してしまうことからである。よって、結露水を燃料系外に排出させるために、パージによるガス流を用いる。また、燃料ガスを循環させたりする等で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、燃料電池２を回復させるためには、そのＮ２を排出する必要がある。
なお、燃料ガスの燃焼特性は、容量水素濃度が４％を超えると燃え易くなり、１８％を超えた辺りから、瞬間的且つ爆発的な燃焼が起こる。そのため、燃料電池２の燃料ガスとして水素を用いる場合、様々な外部環境を考慮して、パージ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。
また、燃料電池２の反応によって水分が生成されるが、この燃料電池２の発電効率をイオンの流動性によって高めるために、供給ガス、すなわち、空気や水素（燃料ガス）を、加湿することを行っている。その場合、反応による生成だけでなく、加湿による水分も含まれるため、排気ガス中の水分が比較的多くなる。このようにして排気管２６内に排出された生成水や、水素ガスが、他のガスと一緒に排気管２６の内部を流れることになる。

燃料装置４において、燃料タンク１６を備えたタンクユニット１５は、図３に示すように、車両後部のサブフレーム（タンクフレーム）３３上に設置される。
このサブフレーム３３は、車両前後方向に指向した左サイドフレーム３４及び右サイドフレーム３５と、この左サイドフレーム３４と右サイドフレーム３５間で車両幅方向に指向して前側から順次に所定間隔で配置された第１〜第４クロスメンバ３６〜３９とが一体的になって略矩形状に構成され、各柱脚部４０を備えた左前フロア支持部４１と右前フロア支持部４２と左後フロア支持部４３と右後フロア支持部４４とによって車体フロア側で、搭載後に車体に堅固に連結される。
タンクユニット１５は、前記燃料タンク１６として、車両幅方向に指向し且つ車両前後方向に離間して並んで、第１、第２クロスメンバ３６、３７に支持された前側燃料タンク４５と、第３、第４クロスメンバ３８、３９に支持された後側燃料タンク４６とを備える。後側燃料タンク４６は、前側燃料タンク４５よりも大型に構成されている。つまり、客室の車体フロアに対応する前側に小さい断面積を持つ小型の前側燃料タンク４５を配設する一方、荷室の車体フロアに対応する後側に大きい断面積を持つ大型の後側燃料タンク４５を配設している。なお、前側燃料タンク４５及び後側燃料タンク４６の両外側には、一部重なるようにして、車両の一対の後輸が配設される。
また、前側燃料タンク４５と後側燃料タンク４６とは、車両前後方向に指向して中腹部同士を連結する左構造部材４７及び左構造部材４８を介してサブフレーム３３に堅固に固定される。

前側燃料タンク４５と後側燃料タンク４６とは、その円形断面の形状によって、基本的な高さがあるが、前側燃料タンク４５と後側燃料タンク４６間の空間を設けてレギュレータ１７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、その部分にリアサスペンションの幅方向の延出部材を配置し、幅方向に延出するリアサスペンションのストロークを確保している。よって、車両の走行性能を確保する上で、優れている。また、重量物である前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６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。また、車体フロアの下面の中央部を前側から後側にかけて、アンダカバーによって覆うと良い。これにより、燃料電池システム１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石、冠水等から保護することが可能となる。つまり、サブフレーム３３及びこのサブフレーム３３に部組みされた前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６や燃料供給管１４の上面側と、車体フロアの下面との間には、リアサスペンションが配設される。このリア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動するため、その軌跡を考慮して空間を形成している。なお、リアサスペンションは、サブフレーム３３の左右両外側位置において、車体に支持される。リアサスペンションのストロークを確保しながら、重量物である燃料系の重心を低くすることができ、車両の重心や室内の床面高さをも低く抑えることができる。サブフレーム３３をリアサスペンションフレームと一体としていないので、前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６を取り外す際に、リアサスペンション等の足回りまで取り外す必要が生じなく、整備性が良くなる。

また、サブフレーム３３は、前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６を含む燃料供給系をアッセンブリして搭載するものであり、その前部下面を客室の車体フロアの下面と略面一とするようにして車体フロアに固定されている。サブフレーム３３全体にわたってその下面は、地面と平行となるように略水平であり、そのため、サブフレーム３３の後部では、車体フロアと連結するための各柱脚部４０が左右一対且つ前後に並べて設けている。なお、サブフレーム３３は、車両搭載時に、排気管２６等を収容可能な空間を形成するように下方に離間させて、且つ、その下面を覆うように、平面状のカバーを台座に取り付けて設ける。

図３に示すように、前側燃料タンク４５は、左端に前側バルブ４９と緊急水素放出用弁としての前側ノズル５０とを備える。後側燃料タンク４６は、左端に後側バルブ５１と緊急水素放出用弁としての後側ノズル５２とフィルタ５３とデュアルカプラ５４とを備える。つまり、前側バルブ４９及び後側バルブ５１は、燃料ガスを入れたり、燃料ガスを取り出したりする開口を備え、サブフレーム４２の片側となる左サイドフレーム３４周辺に、他の配管とともに集中して設けられている。これは、排気管２６が配策される右サイドフレーム３５とは離間した車両反対側となる左サイドフレーム３４である。そして、前側バルブ４９、後側バルブ５１には、より緊急度の高い状態、すなわち、燃料タンク１６（４５、４６）内部の温度が異常になった場合に、内部の燃料ガスを抜くために安全弁として働くＰＲＤ（プレッシャー・リリーフ・デバイス）管として作動する独立した前側ノズル５０、後側ノズル５２が一体的に設けられる。万一、この前側ノズル５０、後側ノズル５２が作動した場合には、高圧水素ガスをそのまま圧力で排出する。

また、前記燃料装置４において、図１に示すように、燃料供給管１４には、前記レギュレータ１７として、燃料タンク１６のバルブ５５側から順次に、燃料供給管１４の途中における燃料ガスの減圧を複数段階での減圧とするように複数個（２個）の一次レギュレータ５６と二次レギュレータ５７とを設け、多段階を経て減圧するようになっている。この場合、一次レギュレータ５６と二次レギュレータ５７とのうち、燃料ガスの圧力がより低い方の低圧側レギュレータは、二次レギュレータ５７である。
この一次レギュレータ５６と二次レギュレータ５７とにおいて、前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６から取り出された高圧の水素ガス（例えば、最大３００〜７００気圧程度）を、合流した配管によって、先ず、車両幅方向の中央付近に搭載された一次レギュレータ５６に導入し、大幅に減圧して数十気圧（例えば、２０気圧程度）で取り出し、次いで、前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６の側方（タンクユニット１５のバルブ側）に存在する二次レギュレータ５７に導入し、２次減圧されて数気圧（例えば、４〜８気圧程度）で取り出し、そして、燃料電池２側に供給する。
図３に示すように、前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６に共用する一次、二次レギュレータ５６、５７が、前側燃料タンク４５と後側燃料タンク４６との間に支持されていることは、配管の取り回し上、好ましいものである。

図１に示すように、燃料タンク１６のバルブ（前側燃料タンク４５の前側バルブ４９及び後側燃料タンク４６の後側バルブ５１に対応）５５には、燃料ガスの緊急放出を行う前側ノズル５０、後側ノズル５２としてのＰＲＤ管５８が接続している。このパージ管５８は、燃料ガス放出管３２に接続することも可能である。
また、一次レギュレータ５６には、一次減圧部５９が備えられているとともに、一次大気圧参照管６０が接続している。
更に、低圧側レギュレータとしての二次レギュレータ５７には、二次減圧部６１が備えられているとともに、二次大気圧参照管６２が接続し、また、燃料ガス放出管３２を構成するように、二次減圧部６１によって減圧される燃料ガスにおける減圧前のガス（減圧部の上流側）及び減圧後のガス（減圧部の下流側）について、上流側ガス放出管６３と下流側ガス放出管６４とが接続している。この上流側ガス放出管６３と下流側ガス放出管６４には、それぞれ、二次レギュレータ５７の内部に設けられた図示しないチェック弁の予め設定した所定圧力における開弁動作により、所定圧力以上の燃料ガスが流れる。この上流側ガス放出管６３と下流側ガス放出管６４との下流側は、合流接続部（ユニオン）６５で接続し、この合流接続部６５に接続した合流管６６を介して排気管２６に接続部（ユニオン）６７により接続されている。つまり、二次レギュレータ５７には、二次減圧部６１よりも上流側で、数十気圧（例えば２０気圧程度）の高圧の水素ガスを排出する上流側ガス放出管６３が接続するとともに、二次減圧部６１よりも下流側では、数気圧（例えば４〜８気圧程度）の低圧の水素ガスを排出する下流側ガス放出管６４が接続している。

図３に示すように、上流側ガス放出管６３と下流側ガス放出管６４と合流管６６とは、燃料ガス放出管３２を構成し、一次レギュレータ５６・二次レギュレータ５７の配置と同様に、並べて配設された前側燃料タンク４５と後側燃料タンク４６との間に形成されたスペースを通して配設されているとともに、前側燃料タンク４５・後側燃料タンク４６の側方を通るように配設した排気管２６に合流接続される。また、上流側ガス放出管６２・下流側ガス放出管６３は、サブフレーム３３の第１〜第４クロスメンバ３６〜３９と略平行となるように沿って、概ねサブフレーム３３の全般にわたって横切るよう幅方向に配策されている。
また、上流側ガス放出管６３及び下流側ガス放出管６４は、二次レギュレータ５７から独立して取り出すよう延出した後、二次レギュレータ５７近傍で合流しており、この合流接続部６５から排気管２６までの合流管６６を共用としている。これによって、各配管の全長を短くし、煩雑な配管の配策を簡素化している。また、一次レギュレータ５６・二次レギュレータ５７の配置によって、一次レギュレータ５６・二次レギュレータ５７から排気管２６までの上流側ガス放出管６３及び下流側ガス放出管６４を短くすることができるとともに、排気管２６への接続部分を少なくすることができる。これら一部共用とした排気管を使って水素ガスを排出する際には、両方同時でなく、どちらか一方とすれば、実質的に排出が可能である。
なお、一次レギュレータ５６の後、二次レギュレータ５７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、前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６の前側バルブ４９、後側バルブ５１の下流側のデフューエルカプラ５４から水素ガスを取り出し可能としている。

図３に示すように、燃料ガス放出管３２は、排気管２６の断面で上半部に位置し、排気管２６に対して略直交する。また、燃料ガス放出管３２の接続部位の少し上流側から下流端までを構成する排気管２６の下流部は、サブフレーム３３に支持され、サブフレーム３３とともに車体から分離することが可能となっている。そのため、上流側ガス放出管６３及び下流側ガス放出管６４もサブフレーム３３及び下流側の排気管２６と共に、結合状態を維持したまま、車体から分離可能となっている。

マニホルド２７は、図２に示すように、上流側で、排気管２６とパージ管２１とを合流接続するように、排気管２６を接続する第１取付フランジ６８と排気バイパス管３０を接続する第２取付フランジ６９とパージ管２１を接続する第１接続管７０とを備えるとともに、空気バイパス管１２を接続する第２接続部７１を備えている。これにより、上記の排気管２６と排気バイパス管３０とパージ管２１と空気バイパス管１２との各種配管同士をマニホルド２７で合流接続し、そして、このマニホルド２７から排気管２６に空気を流すので、軽量化、省スペース化、消音化を図ることができる。また、マニホルド２７に接続する各管よりも下流側には、曲部を形成してあり、この曲部に断面積の小さなパージ管２１を接続している。

排気管２６に消音器２８が必要となる理由は、高効率で発電するように燃料電池２に空気を送り込むため、空気供給管７にエアコンプレッサ９を配設して、空気を圧送して送り込んでいる。それは、ある程度、燃料電池２の出力制御に依存して増減するのであるが、このエアコンプレッサ９によって、燃料ガスの疎密の波が生じ、これが音となって管路を伝わり、排気にも含まれる。そのため、ある程度の帯域幅にわたって消音する必要がある。エアコンプレッサ９の種類を選択することによって、この音の周波数帯や音量を変えることは可能であり、比較的静かにすることが可能となる。
また、燃料ガス放出管３２から燃料ガスの緊急放出を行う際にも、消音ないし排気音の抑制が可能としてある。そのように静かにした上で消音するよう構成することにより、マフラ機能を限定して小型のマフラとしても、システムとして充分な静穏性を発揮する排気装置６とすることができる。このとき、単なる小型化だけでなく、システムの簡素化に合わせた配策構造によって、優れた整備性を確保することも可能となる。
マニホルド２７に接続する空気バイパス管１２、パージ管２１、排気管２６、排気バイパス管３０の各上流側には、ガスや空気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各遮断弁１３、２２、２９、３１が設けられている。よって、これら各配管の通路断面積と各遮断弁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。また、マニホルド２７では、パージ管２１とも合流し、パージ水素を空気によって薄く希釈して排出する。

燃料ガス放出管３２は、排気管２６の中間部、すなわち、水素ガスのパージ管２１の合流接続部を含めそこから下流端開口までの排気管２６に、合流接続して設けられている。さらに、この燃料ガス放出管３２の合流接続部よりも下流側となる排気管２６の途中には、消音器２８を配設しており、燃料ガス放出管３２の接続部位は、消音器２８よりも少し上流側位置であって排気管２６の上面側から合流するように接続している。燃料ガス放出管３２の連結部位は、ボス部を形成し、接続部（ユニオン）６７にて締結固定して接続される。

図２に示すように、排気管２６の下流部は、略直線状に形成されている。燃料ガス放出管３２との合流接続部６５の下流側となる排気管２６の下流部には、消音器２８が設置されている。そして、排気管２６は、消音器２８を含めて、サブフレーム２６の片側の右サイドフレーム３５付近に支持されている。
よって、これらの連結された配管類が、連結状態を保ったまま車体から降ろせることにより、整備上での利便性がある。法規上、例えば、所定期間毎に前側燃料タンク４５・後側燃料タンク４６を取り替える必要がある分解点検が必要である場合等で、前側燃料タンク４５・後側燃料タンク４６や燃料ガス供給系配管を車両から降ろす必要がある場合を考慮している。
図３に示すように、前側燃料タンク４５・後側燃料タンク４６から取り出される燃料ガスは、一次レギュレータ５６・二次レギュレータ５７によって所望の圧力まで複数段階に分割して減圧使用される。これらの前側燃料タンク４５・後側燃料タンク４６、一次レギュレータ５６・二次レギュレータ５７を繋ぐ燃料供給管１４は、サブフレーム３３にアッセンブリ搭載される。これにより、省スペース化、整備性の向上を図ることができる。
また、図３に示すように、一次レギュレータ５６と二次レギュレータ５７とは、前側燃料タンク４５と後側燃料タンク４６との間に形成されたスペースを利用して、そのスペースに収容されるように設置され、そのスペースにはサブフレーム３３の第２クロスメンバ３７と第３クロスメンバ３８が設置されており、その第２クロスメンバ３７と第３クロスメンバ３８とに掛け渡すようにして設けた第１ブラケット７２と第２ブラケット７３とに支持され、強固に保持されている。この一次レギュレータ５６・二次レギュレータ５７の一部（下部）及び第１ブラケット７２・第２ブラケット７３は、サブフレーム３３よりも下方に突出するように設けられ、サブフレーム３３の下方空間に収容され、且つ、サブフレーム３３の左サイドフレーム３４や第２クロスメンバ３７・第３クロスメンバ３８等の上下に重なるようにして、且つ、延出方向に沿うように配策される配管の配設を簡素化している。これらの配管も、排気管２６と直接接続する配管以外は、排気管２６とは離間する側に集中して配設している。

排気管２６は、図２に示すように、マニホルド２７の下流側に接続した第１ホース７４と、この第１ホース７４に接続した第１パイプ７５と、この第１パイプ７５に接続した第２ホース７６と、この第２ホース７６に接続して消音器２８を備えた第２パイプ７７と、消音器２８に接続して水素センサ７８を備えた第３パイプ７９とからなり、図３に示すように、サブフレーム３３の右サイドフレーム３５の下方に配設される。
つまり、排気管２６は、図２に示すように、燃料ガス放出管３２の合流接続部６４及び消音器２８を含む部位を、下流側部位として形成している。それより上流側部位の排気管２６とは、分割して形成している。それら上流側部位と下流側部位との排気管部位の間を、別体の可撓性を有する各ホース７４、７６によって、気密性・水密性を保って連結する一方、分割可能に連結している。
また、排気管２６は、車両の最後部に向けて延出され、直管形状を避け、且つ、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。
排気管２６には、下流端開口よりも少し上流側に、消音器２８を配設している。排気管２６の下流端開口付近には、水素センサ７８を設け、排出する水素密度を一定値（例えば、４％）以下となるように管理している。

排気管２６は、上流側が車体フロアに複数個所でクランプによって強固に固定して支持され、下流側がサブフレーム３３に複数個所でクランプによって強固に固定して支持している。
排気管２６の上流側には、水素ガスを含む使用された燃料ガスを排出するパージ管２１の合流接流部が設けられている。この合流接続部を含めそこからその下流側となる下流端開口までにわたり、車両の側面視で、略直線状としているため、排気管２６は、一様に地面と平行に沿うか、それより下流側が低くなるような平面状に配策することになる。これにより、排気管２６の水素ガスが導入される部位から下流全体にわたって、水素ガスの排出性を向上でき、また、多量の水素ガスの滞留を防止でき、さらに、生成水の滞留を防止できる。
排気管２６には、いわゆる高周波管と呼ばれる、拡散吸収型の消音器２８を設けている。排気管２６の内部を流れるガス流の流速が高くなると、排気管２６の各部に合流接続されている各配管の内部の気柱共鳴によって、特定の周波数が強調された異音を発する。これを、排気管２６の下流側に設けた消音器２８によって、とくに高周波を消音するようにしているので、水素ガスの配管の接続部分に生じ易い笛吹き音に対する消音性を向上できる。この消音効果は、複数の水素ガスの配管によって生じる異なる周波数となる音量の異音に対しても、同一の消音器２８を利用することができる。

消音器２８は、いわゆる高周波管であり、エアコンプレッサ９の風きり音や、一配管の接続部等で生ずる笛吹き音等を低減する。消音器２８は、多孔の内管周りに円筒状空間を形成するようにして外管を設け、円筒状空間に吸音材となるグラスウール等を充填して構成される。ここでは、燃料電池２の排気管用として、内管と外管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。
また、消音器２８は、地面に対向し近接する側の面が内管と外管の間の空間が最小ないし零（ゼロ）となるように形成されている。そして、単一径で形成した多孔の内管を、同一径の排気管２６と、滑らかに接続している。これにより、ガス流の流れを妨げることなく、消音器２８の内部の排水性を向上でき、また、生成水の滞留を防止できる。また、単一の消音器２８は、完全に排出し切れないで、消音器２８の内部に残る少量の滞留物を最小限に抑えることができる。

排気管２６の下流側部位及び水素ガスの燃料ガス放出管３２を、共に、サブフレーム３３に固定的に支持して設けている。排気管２６の下流側部位は、サブフレーム３３の左右一対設けられたサイドフレームのうち一方の右サイドフレーム３５に沿って配策され、複数個所で固定されている。水素ガスの燃料ガス放出管３２は、サブフレーム３３の車両幅方向に延出して前後方向に離間するよう複数設けられた各クロスメンバ３６〜３９に沿って配設され、複数個所で固定されている。
消音器２８の上流側の第２パイプ７７には、燃料ガスの供給系から分岐するようにして、水素ガスの緊急の燃料ガス放出管３２が接続している。
燃料ガス放出管３２は、水素ガスを含む未使用の燃料ガスを排出するものであり、緊急用であるので、何らかの不具合が生じた場合に、できるだけ安全性を確保することを目的として、水素ガスを含む未使用の燃料ガスの放出を行う。そのため、この緊急放出を行う場合は、不具合が解消されるまで、水素等のガスの放出が継続的に行われることがある。
排気管２６においては、燃料ガス放出管３２及び消音器２８を含む下流側部位を、上流側部位から切り離して、サブフレーム３３と一緒に車体から取り外すことができる。その際、排気管２６の下流側部位と燃料ガス放出管３２との接続部等といった配管の接続部分を切り離す作業がなく、シール性を保つことができるとともに、他の部品への整備作業性をも向上することができる。

即ち、従来、各配管からは、純粋な水素ガスが大気に放出されていた。しかし、この実施例においては、水素ガスをそのまま大気へ放出するのではなく、希釈させて排出するように気管２６へ合流させた。ＰＲＤ管５８では勢いが強く放出された純粋な水素ガスが排気管２６を逆流するおそれがあり、また、各大気圧参照配管６０、６２は圧力がかかっていないので、排気管２６から大気圧参照配管６０、６２の方向に排気ガスが逆流する可能性が考えられるため排気管２６に接続できないが、適度な圧力がかかり逆流の可能性が無い燃料ガス放出管３２のみを排気管２６に合流させ、希釈した水素ガスを排出可能となる。また、従来のシステムでは、圧力逃がし配管は車両後方に放出していたが、この実施例の燃料電池システム１のように、排気管２６と接続することで、排気と合わせて勢い良く車両後方へ放出することも可能になった上に、排気管２６に取り付けられた水素センサ７８によって異常を確実に検知することも可能となった。レギュレータ５７の内部にチェック弁（不図示）を用い、その自動的な開弁動作によって燃料ガス排出のタイミングを個別に制御していなくても、排出タイミングを管理できるだけでなく、個別に専用の水素センサを設ける必要もなく、コストを低廉としながら、水素センサ７８の利用率を向上できる。
よって、燃料ガスを放出する機能を、車両の他の部品等への影響を少なくしつつ確保し、消音性や整備性に配慮するとともに、省スペースで、排気ガスの混合効率が良い排気装置６とし、車両の高い走行性能を確保するためにサスペンション機能を確保しつつ、重心を低くすることができる燃料電池システム１の燃料ガス供給装置を提供することにある。

以上、この発明の実施例について説明してきたが、上述の実施例の構成を請求項毎に当てはめて説明する。
先ず、請求項１に記載の発明は、燃料ガス放出管３２を二次レギュレータ５７の二次減圧部６１によって減圧される燃料ガスにおける減圧前のガス（減圧部の上流側）及び減圧後のガス（減圧部の下流側）について設ける一方、燃料ガス放出管３２を一次、二次レギュレータ５６、５７と共に車両前後方向に複数並べて配設した前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６同士の間に支持するとともに前側燃料タンク４５、後側燃料タンク４６の側方を通るように配設した排気管２６に合流接続した。
これにより、燃料ガス放出管３２を、前側燃料タンク４５と後側燃料タンク４６との間に生ずる空間に搭載して、省スペースに配置することができる。前側燃料タンク４５と後側燃料タンク４６とから延びる燃料供給管１４を含め、一次、二次レギュレータ５６、５７や燃料ガス放出管３２、排気管２６等の配管同士を結合状態を保ったまま車両に対して着脱することができ、整備性が高い。
また、この請求項１に記載の発明では、燃料ガス放出管３２を排気管２６に合流接続し、臨時に燃料供給管１４内の燃料ガスを燃料ガス放出管３２及び排気管２６を介して大気に放出可能とする構造である。
これにより、車両の中心付近の車両フロア下方で燃料ガスを排出することがなくなり、また、燃料電池システム１の機能上必要な配管である排気管２６を利用することで、全体の配管を簡素化することができる。
請求項２に記載の発明は、燃料供給管１４の途中における燃料ガスの減圧を複数段階での減圧とするように複数の第１、二次レギュレータ５６、５７を設け、これら一次、二次レギュレータ５６、５７のうち燃料ガスの圧力がより低い方の低圧側レギュレータである二次レギュレータ５７に燃料ガス放出管３２として上流側ガス放出管６３と下流側ガス放出管６４とを接続し、上流側ガス放出管６３と下流側ガス放出管６４とを低圧側レギュレータである二次レギュレータ５７の二次減圧部６１の上流側と下流側とに夫々接続し、上流側ガス放出管６３と下流側ガス放出管６４との下流側同士を合流接続してから排気管２６に接続した。
これにより、排気管２６への配管の合流接続部位を少なくでき、合流接続部位における笛吹き音等の騒音発生を少なくでき、消音できる。また、燃料ガス放出管３２を一つの二次レギュレータ５７に集中して設けることによって、配管上での分岐合流部の数量増加を抑制できる。さらに、臨時に使用する配管の一部を共用とすることで、軽量化、省スペースにできる。

この発明に係る燃料電池システムを、水素のみならず他の気体燃料の各種車両に適用することが可能である。

燃料電池システムの燃料ガス供給装置の概略構成図である。 排気管組立体の斜視図である。 サブフレームに搭載されたタンクユニットの下方からの斜視図である。 燃料電池システムの概略構成図である。 従来において燃料電池システムの燃料ガス供給装置の第１の概略構成図である。 従来において燃料電池システムの燃料ガス供給装置の第２の概略構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 空気装置
４ 燃料装置
５ 冷却装置
６ 排気装置
７ 空気供給管
１２ 空気バイパス管
１４ 燃料供給管
１６ 燃料タンク
１７ レギュレータ
２１ パージ管
２６ 排気管
２７ マニホルド
２８ 消音器
３０ 排気バイパス管
３２ 燃料ガス放出管
３３ サブフレーム
４５ 前側燃料タンク
４６ 後側燃料タンク
５６ 一次レギュレータ
５７ 二次レギュレータ
５８ ＰＲＤ管（水素排出管）
５９ 一次減圧部
６１ 二次減圧部
６３ 上流側ガス放出管
６４ 下流側ガス放出管
６５ 合流接続部
６６ 合流管
６７ 接続部
７８ 水素センサ

Claims (2)

1. カソードに酸素を含む空気を供給するとともに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、この燃料電池の下流側の排気管に消音器を備える排気装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給管及びこの燃料供給管の途中に燃料ガスを減圧するレギュレータを備える燃料装置と、前記燃料供給管内の燃料ガスを前記燃料装置の外部に放出可能な燃料ガス放出管とを備える燃料電池システムの燃料ガス供給装置において、前記燃料ガス放出管を前記レギュレータの減圧部によって減圧される燃料ガスにおける減圧前のガス及び減圧後のガスについて設ける一方、前記燃料ガス放出管を前記レギュレータと共に車両前後方向に複数並べて配設した燃料タンク同士の間に支持するとともに前記燃料タンクの側方を通るように配設した前記排気管に合流接続したことを特徴とする燃料電池システムの燃料ガス供給装置。
2. 前記燃料供給管の途中における燃料ガスの減圧を複数段階での減圧とするように前記レギュレータを複数個設け、これらレギュレータのうち燃料ガスの圧力がより低い方の低圧側レギュレータに前記燃料ガス放出管として上流側ガス放出管と下流側ガス放出管とを接続し、前記上流側ガス放出管と前記下流側ガス放出管とを前記低圧側レギュレータの減圧部の上流側と下流側とに夫々接続し、前記上流側ガス放出管と前記下流側ガス放出管との下流側同士を合流接続してから前記排気管に接続し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燃料ガス供給装置。

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