(57)【要約】【課題】燃料電池の水素ガス供給系に備えられる水素ガス噴射装置のガス噴射口において、結露が発生するのを防止する。【解決手段】水素ガス供給装置１０は、ガス噴射口１８を有する弁座１７と、前記ガス噴射口１７の開閉を調節する弁体１４と、を備え、燃料電池へ水素ガスを供給するための配管５０に設置される。水素ガス噴射装置１０は、前記ガス噴射口１８の周辺に結露を防止するための結露防止部材を備える。例えば、ガス噴射口１８の表面に、結露を防止するための樹脂コーティング層１を備える。【選択図】図２
2008016204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス噴射口を有する弁座と、
前記ガス噴射口の開閉を調節する弁体と、を備え、
燃料電池へ水素ガスを供給するための配管に設置される水素ガス噴射装置において、
前記ガス噴射口の周辺に結露を防止するための結露防止部材を備えることを特徴とする水素ガス噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素ガス噴射装置であって、
前記ガス噴射口の表面に、結露を防止するための樹脂コーティング層を備えることを特徴とする水素ガス噴射装置。
【請求項３】
請求項１に記載の水素ガス噴射装置であって、
前記弁座は、その内部に、温水を通すための配管を備えることを特徴とする水素ガス噴射装置。
【請求項４】
請求項１に記載の水素ガス噴射装置であって、
前記弁座は、その周囲を被覆する断熱材を備えることを特徴とする水素ガス噴射装置。
【請求項５】
請求項１に記載の水素ガス噴射装置であって、
前記ガス噴射口よりも下流側の配管の外周壁に延設された放熱フィンを備えることを特徴とする水素ガス噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池へ水素ガスを供給する水素ガス供給系に備えられる水素ガス噴射装置に関し、特に、ガス噴射口における結露防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスを燃料として発電する燃料電池が知られている。この種の燃料電池において、燃料となる水素ガスは、水素ガスタンク等の水素ガス供給源から、配管等の水素ガス供給系を介して燃料電池へ供給される。水素ガス供給量は、例えば、特許文献１において示されるように、水素ガス供給系の途中に備えられる弁装置（例えば、水素ガス噴射装置）によって調節される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０２５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の燃料電池は、発電に伴って水を生成する。また、加湿された水素ガスを燃料電池へ供給する場合もある。そのため、発電時の水素ガス供給系内は湿気を帯びた状態にある。このような状態にある燃料電池が発電を停止すると、水素ガス供給系内の温度が下がり、水素ガス供給系内の湿気が結露し始める。結露が水素ガス噴射装置の弁の近辺で生じると、例えば、寒冷地等の氷点下の環境においては、弁が凍り付いてしまうことがあり、弁が凍り付いた水素ガス噴射装置には、弁が作動しなくなる等の不具合が生じ、問題であった。
【０００５】
本発明の目的は、水素ガス噴射装置のガス噴射口に結露が生じるのを防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態に係る水素ガス噴射装置は、ガス噴射口を有する弁座と、前記ガス噴射口の開閉を調節する弁体と、を備え、燃料電池へ水素ガスを供給するための配管に設置される水素ガス噴射装置において、前記ガス噴射口の周辺に結露を防止するための結露防止部材を備えることを特徴とする。
【０００７】
上記水素ガス噴射装置は、前記ガス噴射口の表面に、結露を防止するための樹脂コーティング層を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記水素ガス噴射装置において、前記弁座は、その内部に、温水を通すための配管を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記水素ガス噴射装置において、前記弁座は、その周囲を被覆する断熱材を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記水素ガス噴射装置において、前記ガス噴射口よりも下流側の配管の外周壁に延設された放熱フィンを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水素ガス噴射装置のガス噴射口に結露が生じるのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る水素ガス噴射装置１０を備える燃料電池装置１００の全体構成を示す図である。燃料電池装置１００は、水素ガスを燃料とする燃料電池３０と、水素ガスを貯蔵する水素ガスタンク４０と、燃料電池３０および水素ガスタンク４０との間を連絡し、燃料電池３０へ水素ガスを供給するための供給側配管５０と、燃料電池３０から排出されるオフガスを通すための排出側配管５２と、を備える。水素ガス噴射装置１０は、供給側配管５０の途中に備えられる。なお排出側配管５２は、その一端が燃料電池３０と接続し、他端が燃料電池３０と水素ガス噴射装置１０との間の個所で供給側配管５０と接続している。すなわち、ガスが、供給側配管５０、燃料電池３０および排出側配管５２
【００１４】
内を循環するようになっている。
【００１５】
燃料電池３０は、所謂、固体高分子電解質型燃料電池であり、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。発電に必要な水素（ガス）は、水素ガスタンク４０から供給側配管５０を通じて燃料電池３０へ供給される。水素ガス供給量は、水素ガス噴射装置１０によって調節される。水素ガス噴射装置１０の制御は、図示されないＥＣＵ（電子制御ユニット）によって行われる。燃料電池３０で消費されなかった水素ガスは、オフガスとして燃料電池３０から排出される。このオフガスは、排出側配管５２を通り、再び、供給側配管５０中の水素ガスと合流する。水素ガスは、このようにして、供給側配管５０および排出側配管５２によって形成された循環経路内を循環する。なお、循環を促すために、排出側配管５２にはポンプ７０が備えられている。なお、オフガス中には、燃料電池３０の発電に伴って生成等した水が含まれている。オフガス中の湿気が多いと、合流後の水素ガス濃度を低下させる等の原因となる。そのため、排出側配管５２の途中に備えられる水分除去装置６０（気液分離装置）を用いて、水分の除去を行っている。なお、図１において、燃料電池３０に酸素（空気）を供給する配管等は、説明の便宜上、省略されている。
【００１６】
〈第１実施形態〉
図２は、水素ガス噴射装置１０の構成を示す断面図である。水素ガス噴射装置１０は、本体部１１を備え、その内部の中心に水素ガス流入路１２と、この水素ガス流入路１２と連なる弁体収容室１３とを有する。水素ガス流入路１２には、図１において示される水素ガスタンク４０から水素ガスが供給される。弁体収容室１３内には、先端に弁体１４が固定された可動鉄心１５が収容されている。可動鉄心１５は、弁体収容室１３内において、水素ガス流路１２に沿った方向に移動自在に収容されている。可動鉄心１５は、略円筒状の構造を備え、その中心部に、流路部（図示せず）を有する。この流路部は、弁体１４の固定面側で放射状に伸び、可動鉄心１５の周囲の弁体収容室１３と連通している。また可動鉄心１５は、その内部にバネ１６を備える。
【００１７】
可動鉄心１５の先端に固定された弁体１４は、略円盤状であり、可動鉄心１５と連動して弁体収容室１３を移動する。連動して移動することにより、弁体１４は、本体部１１の弁体収容室１３側に隣接配置する弁座１７と接触し、あるいは、弁座１７から離れる。弁座１７は、その中心部を貫通するガス噴射口１８を有する。弁体１４は、弁座１７と接触すると、ガス噴射口１８を塞ぎ水素ガスの流通を遮断する。これに対し、ガス噴射口１８を塞ぐ弁体１４が弁座１７から離れると、ガス噴射口１８が開放され、水素ガスが流通するようになる。
【００１８】
本体部１１は、水素ガス流入路１２の周囲にコイル１９を備える。このコイル１９は、電源コネクタ２０を介して通電される。通電は、ＥＣＵによってＰＷＭ（パルス幅変調）制御される。コイル１９が通電されていないと、弁体１４は、バネ１６の付勢力によって、可動鉄心１５を介して弁座１７へ押し付けられた状態にあり、弁座１７のガス噴射口１８を塞いだ状態にある。これに対し、コイル１９が通電されると、可動鉄心１５は、水素ガス流入路１２側へ向かって引き付けられ、移動する。このように可動鉄心１５が移動すると、弁体１４によって塞がれていたガス噴射口１８が開放される。通電をＥＣＵによって制御することにより、弁体１４と弁座１７との接触（弁の開閉）を調節することができ、水素ガス噴射量（水素ガス供給量）を調節することができる。
【００１９】
なお水素ガス噴射装置１０の本体部１１は、ハウジング２１内に収容されている。このハウジング２１は、供給側配管５０と固定手段２２によって固定されている。弁座１７は、供給側配管５０とハウジング２１との間に配置している。弁座１７と供給側配管５０との間には、シール材２３が備えられている。このシール材２３によって、ガス噴射口１８の閉塞時に、弁体収容室１３内から水素ガスが、供給側配管５０と弁座１７との隙間を通って漏れ出すのを防いでいる。
【００２０】
ところで、本実施形態において、ガス噴射口１８の表面には、結露を防止するための樹脂コーティング層１が備えられている。この樹脂コーティング層１は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリアミド樹脂等からなる。弁座１７および供給側配管５０は、金属材料からなる。弁座１７は、少なくともガス噴射口１８の表面に、金属よりも熱伝導率が低い樹脂コーティング層１を有するため、このガス噴射口１８では結露が生じ難くなる。なお、なお本実施形態においては、供給側配管５０側へ表出する弁座１７の表面全体に、樹脂コーティング層１が形成されている。
【００２１】
ガス噴射口１８内において、結露の発生が防止されると、ひいては、ガス噴射口１８内で溜まった水が凍り、弁座１７と弁体１４が固着すること防止することができる。なお、本実施形態の変形例として、弁体収容室１３内に表出する弁座１７の表面にも樹脂コーティング層１を形成してもよい。
【００２２】
〈第２実施形態〉
図３は、第２実施形態に係る水素ガス噴射装置１０Ａの構成を示す断面図である。この水素ガス噴射装置１０Ａの基本構成は、上記水素ガス噴射装置１０と同じである。この水素ガス噴射装置１０Ａは、弁座１７の周囲に断熱材２を備える。この断熱材２により、弁座１７を冷え難くするものである。発電時、弁座１７は、供給側配管５０等と共に、燃料電池３０の発した熱によって温まった状態にある。発電を停止すると、燃料電池３０が冷え始め、供給側配管５０等も冷え始める。この際、弁座１７は、断熱材２で覆われており、放熱し難く、供給側配管５０等よりも温度が下がり難い。そのため、供給側配管５０内の方が、弁座１７よりも、速く温度が下がり、露点も低くなる。したがって、結露は、弁座１７よりも供給側配管５０内に優先的に生じることになる。弁座１７の温度が下がった頃には、供給側配管５０内の湿気が少なくなっており、弁座１７において結露が生じ難くなっている。なお断熱材２には、プラスチック発泡体等の公知の断熱材を用いることができる。
【００２３】
〈第３実施形態〉
図４は、第３実施形態に係る水素ガス噴射装置１０Ｂの構成を示す断面図である。この水素ガス噴射装置１０Ｂの基本構成は、上記水素ガス噴射装置１０と同じである。この水素ガス噴射装置１０Ｂは、供給側配管５０の管壁の外側（外周壁）に、放熱フィン３を備える。この放熱フィン３は、供給側配管５０と同じく金属材料からなり、供給側配管５０の外周壁に延設されている。水素ガス噴射装置１０Ｂよりも、水素ガスの流れの下流側に配置する供給側配管５０に放熱フィン３を設けることによって、弁座１７よりも供給側配管５０を冷え易くする。供給側配管５０を先に冷やし、温度を下げることにより、結露を供給側配管５０において優先的に発生させる。結露（水Ｗ）は、放熱フィン３が形成された配管の内側において生じやすくなっている。すると、弁座１７が冷える頃には、周囲の湿気が少なくなっており、弁座１７のガス噴射口１８内で結露が生じ難くなる。
【００２４】
〈第４実施形態〉
図５は、第４の実施形態に係る水素ガス噴射装置１０Ｃの構成を示す断面図である。この水素ガス噴射装置１０Ｃの基本構成は、上記水素ガス噴射装置１０と同じである。この水素ガス噴射装置１０Ｃは、弁座１７内を貫通する温水用配管４を備える。図６は、水素ガス噴射装置１０Ｃの弁座１７の平面図である。温水用配管４は、ガス噴射口１８の近傍で、弁座１７内を貫通する。弁座１７内に温水用配管４を通すことによって、弁座１７を温めるものである。発電停止後、温水用配管４内に温水を流すことにより、発電停止後も弁座１７の温度を高く維持することができる。すると、弁座１７の周囲の露点は、供給側配管５０等のその他の個所よりも高くなり、結露が生じ難くなり、ガス噴射口１８で結露が発生し難くなる。なお、本実施形態においては、万が一、ガス噴射口１８内で水が凍っても、温水用配管４内に温水を通すことによって、氷を溶かすことができる。なお、水素ガス噴射装置１０Ｃが車両に搭載されるものであれば、ラジエーター等の冷却装置の温まった冷媒を、温水として用いてもよい。また、本実施形態の変形例として、温水に換えて、配管４内に高温ガス（例えば、燃料電池３０から排出されるオフガス）を通してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】水素ガス噴射装置を備える燃料電池装置の全体構成図である。
【図２】第１実施形態に係る水素ガス噴射装置の構成を示す断面図である。
【図３】第２実施形態に係る水素ガス噴射装置の構成を示す断面図である。
【図４】第３実施形態に係る水素ガス噴射装置の構成を示す断面図である。
【図５】第４実施形態に係る水素ガス噴射装置の構成を示す断面図である。
【図６】第４実施形態に係る水素ガス噴射装置の弁座の平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  樹脂コーティング層、２  断熱材、３  放熱フィン、４  温水用配管、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  水素ガス噴射装置、１１  本体部、１２  水素ガス流入路、１３  弁体収容室、１４  弁体、１５  可動鉄心、１６  バネ、１７  弁座、１８  ガス噴射口、１９  コイル、２０  電源コネクタ、２１  ハウジング、２２  固定手段、２３  シール材、３０  燃料電池、４０  水素ガスタンク、５０  供給側配管、５２  排出側配管、６０  水分除去装置、７０  ポンプ、１００  燃料電池装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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