(57)【要約】【課題】車両に搭載される燃料電池システムにおいて、比較的安価かつ簡易な構成で、車両が比較的急な斜面に停車された状態で停止された場合であっても、燃料電池システムの外部から燃料電池のカソードへの空気の侵入を防止することができるようにする。【解決手段】燃料電池システムにおけるカソードオフガス用の排気管１２には、開閉弁２０が配設される。この開閉弁２０は、弁箱２００内に設けられた揺動軸２１０ａｘを中心として揺動可能な弁体としての揺動部材２１０と、弁座２２０とを備えている。そして、弁座２２０において、重力方向と弁座２２０の支持面とのなす角度は、車両が傾斜して停車された状態で燃料電池のカソードからのカソードオフガスの排出が停止されたときであっても揺動部材２１０と弁座２２０とが接触するように定められている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するための排気管と、
前記排気管に配設された開閉弁と、を備え、
前記開閉弁は、
弁箱内に弁体として設けられ、所定の揺動軸を中心として揺動可能な揺動部材であって、前記カソードオフガスが排出されるときに、前記カソードオフガスの排出圧力によって、開弁方向に揺動するとともに、前記カソードオフガスの排出が停止されたときに、重力によって、閉弁方向に揺動する揺動部材と、
前記揺動部材が閉弁方向に揺動して閉弁状態となったときに、前記揺動部材と接触して、前記揺動部材を支持する支持面を有する弁座と、を備えており、
前記弁座において、重力方向と前記支持面とのなす角度は、前記車両が傾斜して停車された状態で前記カソードオフガスの排出が停止されたときであっても前記揺動部材と前記支持面とが接触するように定められている、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記開閉弁は、さらに、前記カソードオフガスの排出が停止されているときに、前記開閉弁が閉弁状態で維持されるように、前記揺動部材の姿勢を保持するための第１の保持機構を備える、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記第１の保持機構は、磁石を用いた機構である、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記開閉弁は、さらに、前記カソードオフガスが排出されているときに、前記開閉弁が開弁状態で維持されるように、前記揺動部材の姿勢を保持するための第２の保持機構を備える、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記第２の保持機構は、電磁石を用いた機構である、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載した車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載される燃料電池システム、および、車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池では、発電停止後、長時間に亘って、拡散等によって、燃料電池のカソードに空気（酸素）が供給されると、カソードの劣化等、構成材料が形態変化することが知られている。そこで、これを抑制するために、燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するための排気管に、発電停止中に閉弁して、外部からの空気の侵入を防止する開閉弁が配設される場合がある。このような開閉弁としては、一般に、電気的に制御可能な電磁弁が用いられる。
【０００３】
ところで、電磁弁は、比較的高価であるため、燃料電池システムのコストを低減するために、上記開閉弁として、比較的安価で簡易な構成の開閉弁を用いたいという要請があった。このような開閉弁としては、例えば、下記特許文献１の図５等に記載されている、重力を利用して空気の流通を閉止する開閉弁が挙げられる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２１６８２３号公報
【特許文献２】特開２０００−１４５５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池システムを車両に搭載することについては考慮されていなかった。すなわち、上記特許文献１に記載された開閉弁を用いた燃料電池システムを車両に搭載した場合、この車両が比較的急な斜面に停車されると、開閉弁に、閉弁を妨げる方向に重力が作用して、開閉弁が閉弁されない場合があった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、比較的安価かつ簡易な構成で、車両が比較的急な斜面に停車された状態で停止された場合であっても、燃料電池システムの外部から燃料電池のカソードへの空気の侵入を防止することができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］車両に搭載される燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するための排気管と、前記排気管に配設された開閉弁と、を備え、前記開閉弁は、弁箱内に弁体として設けられ、所定の揺動軸を中心として揺動可能な揺動部材であって、前記カソードオフガスが排出されるときに、前記カソードオフガスの排出圧力によって、開弁方向に揺動するとともに、前記カソードオフガスの排出が停止されたときに、重力によって、閉弁方向に揺動する揺動部材と、前記揺動部材が閉弁方向に揺動して閉弁状態となったときに、前記揺動部材と接触して、前記揺動部材を支持する支持面を有する弁座と、を備えており、前記弁座において、重力方向と前記支持面とのなす角度は、前記車両が傾斜して停車された状態で前記カソードオフガスの排出が停止されたときであっても前記揺動部材と前記支持面とが接触するように定められている、燃料電池システム。
【０００９】
適用例１の燃料電池システムでは、上記開閉弁として、比較的高価な電磁弁を用いておらず、上述した、比較的安価かつ簡易な構成の開閉弁を用いている。そして、この開閉弁の弁座について、重力方向と上記支持面とのなす角度が、車両が傾斜して停車された状態で燃料電池からのカソードオフガスの排出が停止されたときであっても上記揺動部材と上記支持面とが接触するように定められている。したがって、車両が比較的急な斜面に停車された状態で燃料電池システムが停止された場合であっても、開閉弁は閉弁し、燃料電池システムの外部から燃料電池のカソードへの空気の侵入を防止することができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記開閉弁は、さらに、前記カソードオフガスの排出が停止されているときに、前記開閉弁が閉弁状態で維持されるように、前記揺動部材の姿勢を保持するための第１の保持機構を備える、燃料電池システム。
【００１１】
適用例２の燃料電池システムでは、カソードオフガスの排出が停止されているときに、第１の保持機構によって、揺動部材の姿勢を閉弁状態に維持することができるので、車両が停車する路面の傾斜が、上記角度よりも大きい場合であっても、開閉弁を閉弁し、確実に燃料電池のカソードへの空気の侵入を防止することができる。
【００１２】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池システムであって、前記第１の保持機構は、磁石を用いた機構である、燃料電池システム。
【００１３】
第１の保持機構に用いられる磁石としては、永久磁石を用いるようにしてもよいし、電磁石を用いるようにしてもよい。
【００１４】
［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記開閉弁は、さらに、前記カソードオフガスが排出されているときに、前記開閉弁が開弁状態で維持されるように、前記揺動部材の姿勢を保持するための第２の保持機構を備える、燃料電池システム。
【００１５】
適用例４の燃料電池システムでは、カソードオフガスが排出されているときに、第２の保持機構によって、揺動部材の姿勢を開弁状態に維持することができるので、開閉弁による圧力損失の増大を抑制することができる。なお、開閉弁による圧力損失の増大を抑制する観点から、第２の保持機構は、揺動部材の姿勢を全開状態に維持できるようにすることが好ましい。
【００１６】
［適用例５］適用例４記載の燃料電池システムであって、前記第２の保持機構は、電磁石を用いた機構である、燃料電池システム。
【００１７】
本発明は、上述したいずれかの燃料電池システムを搭載した車両の発明として構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．車両の構成：
図１は、本発明の一実施例としての車両１０００の概略構成を示す説明図である。この車両１０００は、いわゆる電気自動車（燃料電池自動車）であり、電源として、燃料電池スタック１０や、図示しないバッテリを含む燃料電池システムを備えている。そして、車両１０００は、燃料電池スタック１０によって発電される電力や、バッテリから出力される電力によって、図示しないモータを駆動し、その動力によって、車輪を回転させて走行する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、バッテリに蓄電することも可能である。
【００１９】
本実施例では、車両１０００において、燃料電池スタック１０は、図示しないケースに収納され、車両１０００に備えられた座席シートの下部に設置されているものとした。なお、図示は省略しているが、車両１０００の床下部や、居室の前方や後方の、居室外の空間には、それぞれ、燃料電池システムを構成する各種構成部品（例えば、水素タンクや、エアコンプレッサや、ラジエータや、各種配管等）や、車輪を回転させるためのモータや、その他の機能部品等が配置されている。
【００２０】
燃料電池スタック１０のアノードから排出されるアノードオフガス、および、燃料電池スタック１０のカソードから排出されるカソードオフガスは、燃料電池スタック１０から車両後方部に延設された排気管１２を介して、燃料電池システムの外部に排気される。
【００２１】
なお、この排気管１２には、燃料電池システムの運転を停止したときに、燃料電池システムの外部から燃料電池スタック１０のカソードへの空気の侵入を防止するために、開閉弁２０が配設されている。そして、本実施例では、燃料電池システムのコストを低減するために、開閉弁２０として、比較的高価な電磁弁ではなく、比較的安価で簡易な構成の開閉弁２０を用いるものとした。以下、本実施例の開閉弁２０について説明する。
【００２２】
Ｂ．開閉弁の構成：
図２は、開閉弁２０の概略構成を示す説明図である。開閉弁２０の側断面図を示した。図示するように、本実施例の開閉弁２０は、弁箱２００内の上部に設けられた揺動軸２１０ａｘを中心として揺動可能な揺動部材２１０を弁体として備える。この揺動部材２１０は、燃料電池スタック１０のカソードから排出されるカソードオフガスの排出圧力によって、開弁方向に揺動するとともに、重力によって、閉弁方向に揺動する。本実施例では、揺動部材２１０として、比較的剛性が高く、磁石につきやすい金属材を用いるものとした。ただし、カソードオフガスの排出圧力によって揺動部材２１０を開弁方向に揺動させる観点から、揺動部材２１０は、なるべく軽量とすることが好ましい。
【００２３】
そして、弁座２２０における揺動部材２１０を支持する支持面には、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの排出が停止され、揺動部材２１０が重力によって着座して閉弁したときに、閉弁状態で維持されるように、揺動部材２１０の姿勢を保持するための永久磁石２３０が備えられている。永久磁石２３０を用いて揺動部材２１０の姿勢を閉弁状態に保持する機構は、本発明における第１の保持機構に相当する。
【００２４】
また、弁箱２００の上部には、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスの排出圧力によって、揺動部材２１０が開弁方向に揺動したときに、開弁状態で維持されるように、揺動部材２１０の姿勢を保持するための電磁石２４０が備えられている。電磁石２４０を用いて開閉弁２０の姿勢を開弁状態に保持する機構は、本発明における第２の保持機構に相当する。
【００２５】
また、本実施例の開閉弁２０では、弁座２２０における揺動部材２１０の支持面は重力方向に対して傾斜しており、重力方向と上記支持面とのなす角度θは、登り坂に車両１０００が停車されて燃料電池システムの運転が停止されたときであっても揺動部材２１０を弁座２２０によって支持できるように定められている。本実施例では、傾斜が２０度未満の登り坂であれば、この登り坂に車両１０００が停車されて燃料電池システムの運転が停止されたときに、揺動部材２１０を弁座２２０によって支持できるように、θ＝２０（°）とした。なお、θの値は、車両１０００が停車されるときの傾斜を考慮して任意に設定可能である。
【００２６】
図３は、開閉弁２０の開閉状態を示す説明図である。図３（ａ）に、車両１０００が水平面に停車された状態で、燃料電池システムの運転が停止されたとき、すなわち、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの排出が停止されたときの開閉弁２０の状態を示した。また、図３（ｂ）に、車両１０００が水平面を走行中の開閉弁２０の状態を示した。また、図３（ｃ）に、傾斜が１５度の斜面（登り坂）に車両１０００が停車された状態で、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの排出が停止されたときの開閉弁２０の様子を示した。
【００２７】
図３（ａ）に示したように、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの排出が停止されたときには、揺動部材２１０にはカソードオフガスの排出圧力は作用せず、開閉弁２０は、揺動部材２１０に作用する重力によって閉弁する。そして、揺動部材２１０は、弁座２２０によって支持されるとともに、弁座２２０に備えられた永久磁石２３０の磁力によって固定される。このとき、弁箱２００の上部に設けられた電磁石２４０はオフである。
【００２８】
また、図３（ｂ）に示したように、車両１０００が走行中には、永久磁石２３０の磁力よりも強いカソードオフガスの排出圧力が揺動部材２１０に作用して、開閉弁２０は開弁する。このとき、弁箱２００の上部に設けられた電磁石２４０はオンにされ、揺動部材２１０は、電磁石２４０の磁力によって固定される。
【００２９】
また、図３（ｃ）に示したように、傾斜が１５度の斜面（登り坂）に車両１０００が停車された状態で、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの排出が停止されたときには、揺動部材２１０にはカソードオフガスの排出圧力は作用せず、開閉弁２０は、揺動部材２１０に作用する重力によって閉弁する。そして、揺動部材２１０は、弁座２２０によって支持されるとともに、弁座２２０に備えられた永久磁石２３０の磁力によって固定される。
【００３０】
以上説明した本実施例の車両１０００によれば、燃料電池システムは、開閉弁２０として、比較的高価な電磁弁を用いておらず、上述した、比較的安価かつ簡易な構成の開閉弁を用いており、この開閉弁２０の弁座２２０について、重力方向と支持面とのなす角度が、車両１０００が傾斜して停車された状態で燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの排出が停止されたときであっても揺動部材２１０と支持面とが接触するように定められているので、車両１０００が比較的急な斜面に停車された状態で燃料電池システムが停止された場合であっても、開閉弁２０は閉弁し、燃料電池システムの外部から燃料電池スタック１０のカソードへの空気の侵入を防止することができる。
【００３１】
また、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの排出が停止されているときに、永久磁石２３０によって、揺動部材２１０の姿勢を閉弁状態に維持することができるので、車両１０００が停車する路面の傾斜が、重力方向と弁座２２０の支持面とのなす角度よりも大きい場合であっても、開閉弁２０を閉弁し、確実に燃料電池スタック１０のカソードへの空気の侵入を防止することができる。
【００３２】
また、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスが排出されているときに、電磁石２４０によって、揺動部材２１０の姿勢を開弁状態に維持することができるので、開閉弁２０による圧力損失の増大を抑制することができる。
【００３３】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００３４】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、開閉弁２０における第１の保持機構として、永久磁石２３０を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。第１の保持機構は、一般に、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの排出が停止されているときに、開閉弁２０が閉弁状態で維持されるように、揺動部材２１０の姿勢を保持する機構であればよい。
【００３５】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、開閉弁２０における第２の保持機構として、電磁石２４０を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。第２の保持機構は、一般に、燃料電池スタック１０のカソードオフガスが排出されているときに、開閉弁２０が開弁状態で維持されるように、揺動部材２１０の姿勢を保持する機構であればよい。
【００３６】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、開閉弁２０は、第１の保持機構、および、第２の保持機構を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。これらのうちの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。
【００３７】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、図１に示したように、排気管１２は、燃料電池スタック１０から車両後方部に延設されており、図２に示したように、開閉弁２０において、車両前方から車両後方にカソードオフガスが流れるものとしたが、本発明は、これに限られない。開閉弁２０におけるカソードオフガスの流れ方向は、排気管１２の取り回しに応じて、適宜、変更可能であり、例えば、図２における「車両前方」と「車両後方」とを逆にして、開閉弁２０におけるカソードオフガスの流れ方向を、車両前方から車両後方としてもよい。本発明の燃料電池システムにおいて、開閉弁は、一般に、弁箱内に弁体として設けられ、所定の揺動軸を中心として揺動可能な揺動部材であって、燃料電池からカソードオフガスが排出されるときに、カソードオフガスの排出圧力によって、開弁方向に揺動するとともに、カソードオフガスの排出が停止されたときに、重力によって、閉弁方向に揺動する揺動部材と、揺動部材が閉弁方向に揺動して閉弁状態となったときに、揺動部材と接触して、揺動部材を支持する支持面を有する弁座と、を備えており、弁座において、重力方向と支持面とのなす角度が、車両が傾斜して停車された状態でカソードオフガスの排出が停止されたときであっても揺動部材と支持面とが接触するように定められていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施例としての車両１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】開閉弁２０の概略構成を示す説明図である。
【図３】開閉弁２０の開閉状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０…燃料電池スタック
１２…排気管
２０…開閉弁
２００…弁箱
２１０…揺動部材
２１０ａｘ…揺動軸
２２０…弁座
２３０…永久磁石
２４０…電磁石
１０００…車両
【図１】
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【図２】
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【図３】
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