(57)【要約】【課題】燃料電池システムの占有スペースを増大することなく、単純な構造によって排気ガス中の水素濃度を基準値以下とすることができるようにする。【解決手段】パージガス用配管２５の途中には膨張室形成器１７が設けられており、膨張室形成器１７よりも上流側のパージガス用配管２５Ａにはパージ用開閉弁２６が設けられている。膨張室形成器１７内の膨張室３０にはリード弁３１及びシム３３が設けられている。リード弁３１及びシム３３は、ボルト３２によって端壁２９に共締めされている。端壁２９に取り付けられたリード弁３１は、出口３０２を被覆している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード側に供給される酸素と、アノード側に供給される水素との反応により電気エネルギーが生成され、前記燃料電池から排出されたアノードパージガスがカソードオフガスによって希釈される燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出されたアノードパージガスを大気放出する放出経路上に介在された膨張室と、
前記膨張室の出口を被覆するように前記膨張室内に配設され、前記アノードパージガスの流量を規制するリード弁と、
前記出口の周囲における前記膨張室の形成壁面上の弁座面と前記リード弁との間に初期クリアランスを設けるように前記形成壁面と前記リード弁との間に介在されたシムとを備え、前記リード弁によって規制される前記アノードパージガスの流量は、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスの低負荷状態における流量を基準にして調整されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記弁座面は、粗面加工が施されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記弁座面は、撥水加工が施されている請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記弁座面は、前記出口を包囲する環状溝によって包囲されており、前記リード弁は、前記環状溝と対向している請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のカソード側に供給される酸素と、アノード側に供給される水素との反応により電気エネルギーが生成され、前記燃料電池から排出されたアノードパージガスがカソードオフガスによって希釈される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素との反応によって電気エネルギーを生成するが、燃料電池システムでは、カソードに酸素を直接使用する代わりに空気を供給して空気中の酸素を使用する構成が一般的である。カソードで生成した水や窒素の一部は、電解質膜をカソード側からアノード側へ逆拡散するため、燃料電池が稼動を続けると、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、それらの濃度がある程度以上になると、発電効率が低下する。そのため、一般に、アノードに溜まった水分及び窒素を水素ガスと共に排出するアノードパージが行われている。アノードパージを行う際に、アノードパージガスを直接大気中に排気すると、水素濃度が高すぎて安全を損なう虞がある。そこで、水素ガスの濃度を安全な基準値以下にする方法として、カソードオフガスで希釈して排気する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
燃料電池システムでは、一定圧力で水素がアノードに供給され、カソードに供給される空気の量が負荷の大きさに応じて変更される。そして、燃料電池は、負荷が高負荷のときに高出力で稼動され、低負荷のときに低出力で稼動される。燃料電池の高出力稼動時にはカソードに供給される空気の量が多くなる。そのため、燃料電池の高出力稼動時には、排気ガス中の水素濃度は、単にアノードパージガスをカソードオフガスで希釈して排気するだけで基準値以下になる。しかし、燃料電池が低出力で稼動される際には、排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるようにアノードパージガスを希釈するには、カソードオフガスの量は、不十分な量である。
【０００４】
特許文献１に開示の燃料電池システムでは、水素オフガス（アノードパージガス）の排気通路に、水素オフガスを一定流量となるように調整する調整弁が設けられている。調整弁としては、機械式弁（流量制御弁）あるいは電磁式弁が用いられている。
【特許文献１】特開２００５−１０８８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電磁式弁が用いられた場合には、調整弁の弁開度は、調整弁よりも上流の水素オフガスの流量等の検出結果、あるいは燃料電池の運転状態に応じて調整されるようになっており、水素オフガス流量の流量は、排気ガス中の水素濃度を基準値以下とする一定流量に制御される。
【０００６】
しかし、水素オフガスの流量等の検出結果に応じて水素オフガス流量を一定流量に制御するのは、面倒である。しかも、電磁式弁は、体格が大きく、電磁式弁の占有スペースが大きくなってしまう。電磁式弁の占有スペースの増大は、燃料電池システムの占有スペースの増大をもたらす。
【０００７】
機械式弁（流量制御弁、圧力調整弁）を用いた場合には、センサを用いた制御が不要であるが、機械式弁の体格が大きいために、燃料電池システムの占有スペースが増大するという問題は解消されない。又、流量制御弁、圧力調整弁等の機械式弁を用いた構造は単純ではない。
【０００８】
本発明は、燃料電池システムの占有スペースを増大することなく、単純な構造によって排気ガス中の水素濃度を基準値以下と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】
【０００９】
本発明は、燃料電池のカソード側に供給される酸素と、アノード側に供給される水素との反応により電気エネルギーが生成され、前記燃料電池から排出されたアノードパージガスがカソードオフガスによって希釈される燃料電池システムを対象とし、請求項１の発明は、前記燃料電池から排出されたアノードパージガスを大気放出する放出経路上に介在された膨張室と、前記膨張室の出口を被覆するように前記膨張室内に配設され、前記アノードパージガスの流量を規制するリード弁と、前記出口の周囲における前記膨張室の形成壁面上の弁座面と前記リード弁との間に初期クリアランスを設けるように前記形成壁面と前記リード弁との間に介在されたシムとを備え、前記リード弁によって規制される前記アノードパージガスの流量は、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスの低負荷状態における流量を基準にして調整されていることを特徴とする。
【００１０】
ここで、「低負荷状態」とは、リード弁が形成されていない膨張室から排出されるアノードパージガスをカソードオフガスによって希釈した状態で大気中に排気（排出）する際に、排気ガス中の水素濃度が基準値以下にならない状態を意味する。
【００１１】
リード弁が弁座面に接触した状態においても、リード弁による出口のシール性が完璧となるわけではないため、出口からのカソードオフガスの流出は生じている。膨張室内のアノードパージガスの圧力が高い場合には、リード弁による出口のシール性が高くなり、出口から流出するアノードパージガスの洩れ流量は抑えられる。そのため、カソードオフガスによって希釈されたアノードパージガス中の水素濃度を基準値以下とすることができる。リード弁は、センサを用いた制御を不要とし、しかも燃料電池システムの占有スペースを増大することもない。
【００１２】
リード弁によって規制されるアノードパージガスの流量が低負荷状態におけるカソードオフガス流量を基準にして調整された構成は、低負荷状態における排気ガス中の水素濃度を確実に基準値以下にする。高負荷状態におけるカソードオフガス流量は、低負荷状態におけるカソードオフガス流量よりも多いため、低負荷状態におけるカソードオフガス流量を基準にしてリード弁のよって規制されるアノードパージガスの流量が調整されていれば、高負荷状態においても排気ガス中の水素濃度を確実に基準値以下にする。
【００１３】
好適な例では、前記弁座面は、粗面加工が施されている。
リード弁がアノードパージガスに含まれる水によって弁座面に密着してしまうと、アノードパージガスが出口から流出できなくなる。粗面加工が施された弁座面は、水に起因する弁座面に対するリード弁の密着を阻止する。
【００１４】
好適な例では、前記弁座面は、撥水加工が施されている。
撥水加工が施された弁座面は、水に起因する弁座面に対するリード弁の密着を阻止する。
【００１５】
前記弁座面は、前記出口を包囲する環状溝によって包囲されており、前記リード弁は、前記環状溝と対向している。
環状溝は、水に起因する弁座面に対するリード弁の密着を阻止する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、燃料電池システムの占有スペースを増大することなく、単純な構造によって排気ガス中の水素濃度を基準値以下とすることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１１は、燃料電池１２、水素タンク１３、コンプレッサ１４、加湿器１５、希釈器１６及び膨張室形成器１７を備えている。
【００１８】
燃料電池１２は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、水素タンク１３から供給される水素と、コンプレッサ１４から供給される空気中の酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。コンプレッサ１４は、制御装置Ｃの回転速度制御を受ける。制御装置Ｃは、負荷の大きさに応じてコンプレッサ１４の回転速度を制御する。
【００１９】
水素源としての水素タンク１３は、燃料電池１２の水素供給ポート（図示略）に管路１８を介して連結されており、管路１８には調圧弁１９が設けられている。調圧弁１９は、水素タンク１３に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させて一定圧力で燃料電池１２へ供給する圧力制御弁である。
【００２０】
コンプレッサ１４は、管路２０を介して加湿器１５に接続されている。加湿器１５は、供給管２１を介して燃料電池１２の酸素供給ポート（図示略）に接続されていると共に、管路２２を介してオフガス排出ポート（図示略）に接続されている。コンプレッサ１４で加圧された空気は、加湿器１５で加湿された後、供給管２１を介して燃料電池１２に供給される。燃料電池１２のカソード（図示略）からのカソードオフガスは、管路２２を介して加湿器１５に排出される。
【００２１】
加湿器１５と希釈器１６とは、排気管２３を介して接続されており、排気管２３には調圧バルブ２４が設けられている。加湿器１５に排出されたカソードオフガスは、排気管２３を介して希釈器１６へ送られる。
【００２２】
燃料電池１２の水素排出ポート（図示略）と希釈器１６とは、放出経路としてのパージガス用配管２５を介して接続されている。水素排出ポートから排出されるアノードパージガスは、パージガス用配管２５を介して希釈器１６へ送られ、希釈器１６へ送られたアノードパージガスは、カソードオフガスで希釈されて排気管２３から大気中に排気される。
【００２３】
パージガス用配管２５の途中には膨張室形成器１７が設けられており、膨張室形成器１７よりも上流側のパージガス用配管２５Ａにはパージ用開閉弁２６が設けられている。パージ用開閉弁２６は、制御装置Ｃの励消磁制御を受ける。制御装置Ｃは、パージ用開閉弁２６を間欠的に開くように制御する。
【００２４】
図１（ｂ）に示すように、膨張室形成器１７は、円筒形状あるいは角筒形状の周壁２７と、一対の端壁２８，２９とから構成されている。一方の端壁２８の中央部には膨張室形成器１７内の膨張室３０の入口３０１が形成されており、他方の端壁２９の中央部には膨張室３０の出口３０２が形成されている。入口３０１には上流側のパージガス用配管２５Ａが接続されており、出口３０２には下流側のパージガス用配管２５Ｂが接続されている。
【００２５】
図１（ｃ）に示すように、膨張室３０には平板形状のリード弁３１が設けられており、リード弁３１の根元と端壁２９との間にはシム３３が介在されている。リード弁３１及びシム３３は、ボルト３２によって端壁２９に取り付けられており、ボルト３２の頭部３２１は、膨張室３０内にあってリード弁３１を押さえている。リード弁３１及びシム３３は、ボルト３２の締め付けによって端壁２９の内壁面２９１に共締め固定されている。平面形状の内壁面２９１は、膨張室３０の形成壁面である。
【００２６】
端壁２９に取り付けられたリード弁３１は、図１（ｄ）に示すように出口３０２を被覆している。リード弁３１は、出口３０２の周囲における内壁面２９１に接触可能であり、内壁面２９１は、リード弁３１の弁座面となっている。以下においては、内壁面２９１を弁座面２９１ということもある。自然状態にあるリード弁３１と弁座面２９１とは、平行状態にあり、シム３３は、自然状態にあるリード弁３１と弁座面２９１との間の初期クリアランスｇ〔図１（ｃ）に図示〕を規定するように内壁面２９１とリード弁３１の根元との間に介在されている。初期クリアランスｇは、シム３３の厚み選択あるいはシム３３の枚数選択によって調整される。図示の例では、シム３３は、１枚のみであり、初期クリアランスｇは、シム３３の厚みに等しい。
【００２７】
次に、前記のように構成された燃料電池システム１１の作用を説明する。
燃料電池１２の稼動時には、水素タンク１３から所定の加圧状態で水素が燃料電池１２のアノード（水素極）に供給される。また、コンプレッサ１４が稼動され、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１２のカソード（空気極）に供給される。アノードに供給された水素は、触媒によって水素イオンと電子とに解離し、水素イオンが電解質膜を通って水と共にカソードへ移動する。カソードでは、カソードに供給された空気中の酸素と、電解質膜中を移動してカソードに達した水素イオンと、外部回路を通ってきた電子とが結合して水を生成する。カソードで発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気と共にカソードオフガスとして加湿器１５に排出され、希釈器１６を経て大気中に排気される。
【００２８】
カソードの水や窒素の一部は電解質膜をカソード側からアノード側へ逆拡散するため、燃料電池１２が稼動を続けると、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、それらの濃度がある程度以上になると、発電効率が低下する。制御装置Ｃは、燃料電池１２が所定時間稼動を継続した時点でパージ用開閉弁２６を所定時間だけ開放する。これにより、アノードに溜まった水分及び窒素が水素ガスと共にパージガス用配管２５及び膨張室形成器１７を介して希釈器１６に送られる。希釈器１６に送られたアノードパージガスは、希釈器１６においてカソードオフガスにより希釈された後、排気管２３を経て大気中に排気される。
【００２９】
パージ用開閉弁２６は短時間だけ開かれ、パージ用開閉弁２６が開かれると、アノードパージガスが膨張室３０に瞬間的に排出される。膨張室３０に瞬間的に排出されたアノードパージガスは、膨張室３０に一旦滞留する。パージガス用配管２５Ａに排出されたアノードパージガスが膨張室３０に流入すると、膨張室３０の圧力が高まり、リード弁３１が反って弁座面２９１に押し付けられる。しかし、リード弁３１と弁座面２９１との間は、完璧にシールされるわけではないので、膨張室３０内のアノードパージガスは、リード弁３１と弁座面２９１との間から少しずつパージガス用配管２５Ｂへと洩れ出てゆく。従って、希釈器１６に供給されるカソードオフガス流量が同じである場合、大気中に排気される排気ガス中の水素濃度は、本実施形態の場合の方が膨張室形成器１７及びリード弁３１のない場合に比べて低くなる。
【００３０】
リード弁３１は、弁座面２９１に接触してアノードパージガスの流量を規制する。アノードパージガスの流出に伴って膨張室３０内の圧力の低下、つまり膨張室３０内の圧力とパージガス用配管２５Ｂ内の圧力との差圧が低下してゆくと、リード弁３１の反りが小さくなってゆき、リード弁３１と弁座面２９１との間における通過断面積が徐々に大きくなってゆく。リード弁３１の反りの程度は、リード弁３１の弾性率の設定によって調整でき、リード弁３１の弾性率の設定、つまりリード弁３１によって規制されるアノードパージガスの流量調整は、膨張室３０内の最大圧力、パージ用開閉弁２６の開閉間隔を考慮して行われる。
【００３１】
アノードパージガスの流量規制に反映されるリード弁３１の弾性率の設定及び初期クリアランスｇの設定は、燃料電池１２から排出されるカソードオフガスの低負荷状態における流量を基準にして行われている。負荷状態は、低負荷状態と高負荷状態とに区分されるが、ここでの「低負荷状態」とは、パージ用開閉弁２６を開いたときに、リード弁３１が形成されていない膨張室３０から排出されるアノードパージガスをそのまま希釈器１６へ送って、カソードオフガスによって希釈した状態で排気管２３から大気中に排気（放出）する際に、排気ガス中の水素濃度が基準値以下にならない状態を意味する。基準値は、例えば、燃料電池システム１１が車両に使用される際には２％である。
【００３２】
第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）パージ用開閉弁２６が開かれたときには、膨張室３０内の圧力が高くなる。膨張室３０内のアノードパージガスの圧力が高い場合（膨張室３０内の圧力とパージガス用配管２５Ｂ内の圧力との差圧が大きい場合）には、リード弁３１と弁座面２９１との間の通過断面積が小さくなり、リード弁３１と弁座面２９１との間のシール性が高くなる。つまり、リード弁３１による出口３０２のシール性が高くなり、出口３０２から流出するアノードパージガスの洩れ流量は抑えられる。つまり、パージ用開閉弁２６が開かれてアノードパージガスが瞬間的に膨張室３０へ排出されたときにも、アノードパージガスの流量は、カソードオフガスによって希釈された後のアノードパージガス中の水素濃度を基準値以下とする流量に規制される。リード弁３１の採用は、センサを用いた制御を不要とする。しかも、リード弁３１は、流量制御弁、圧力調整弁に比べて、単純な構造であって占有スペースも僅かで済む。従って、燃料電池システム１１の占有スペースが増大することもない。
【００３３】
（２）シム３３の厚みを変更したり、シム３３の使用枚数を変更すれば、リード弁３１と弁座面２９１との間の初期クリアランスｇを調整することができる。又、リード弁３１の弾性率を変更することによってリード弁３１の反りの程度を調整することができる。つまり、リード弁３１及びシム３３を用いることによってリード弁３１と弁座面２９１との間のシール性が膨張室３０内の圧力に応じて適正に調整され、アノードパージガスの流量が適正に規制（基準値以下に規制）される。
【００３４】
（３）リード弁３１によって規制されるアノードパージガスの流量が低負荷状態のときのカソードオフガス流量を基準にして調整された構成は、低負荷状態における排気ガス中の水素濃度を確実に基準値以下にする。高負荷状態におけるカソードオフガス流量は、低負荷状態におけるカソードオフガス流量よりも多いため、低負荷状態におけるカソードオフガス流量を基準にしてリード弁３１のよって規制されるアノードパージガスの流量が調整されていれば、高負荷状態においても排気される排気ガス中の水素濃度を確実に基準値以下にする。
【００３５】
次に、図２の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。
第２の実施形態では、内壁面２９１に粗面２９２が形成されている。粗面２９２は、例えばショットピーニング又はショットブラストによる粗面加工によって形成される。リード弁３１は、粗面２９２に対向している。
【００３６】
アノードパージガス中には水が含まれており、この水の膜がリード弁３１と弁座面２９１との間に生じると、リード弁３１と弁座面２９１とが密着してシール性が完璧になるおそれがある。シール性が完璧になると、リード弁３１と弁座面２９１との間からアノードパージガスが洩れ出てゆけなくなる。粗面２９２は、アノードパージガス中に含まれる水に起因するリード弁３１と弁座面２９１との密着を阻止する。その結果、リード弁３１と弁座面２９１との間からアノードパージガスが洩れ出てゆくことができる。
【００３７】
次に、図３の第３の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。
第３の実施形態では、内壁面２９１に環状溝３４が設けられている。環状溝３４は、出口３０２を包囲しており、出口３０２を被覆するリード弁３１は、環状溝３４に対向して環状溝３４の一部を被覆している。環状溝３４は、アノードパージガス中に含まれる水に起因するリード弁３１と弁座面２９１との密着を阻止する。
【００３８】
次に、図４の第４の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。
第４の実施形態では、弁座面２９１に撥水被膜３５が設けられている。撥水被膜３５は、例えばポリテトラフルオロエチレン製である。撥水被膜３５の表面は、弁座面２９１になっており、撥水被膜３５は、アノードパージガス中に含まれる水に起因するリード弁３１と弁座面２９１との密着を阻止する。
【００３９】
次に、図５の第５の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合が用いてある。
第５の実施形態では、パージガス用配管２５Ａの先端がリード弁３１の近くでリード弁３１に対向するように膨張室３０内に突入しており、パージガス用配管２５Ａは、リード弁３１を指向している。このような構成によれば、アノードパージガスが瞬間的に膨張室３０に排出されたときには、パージガス用配管２５Ａの先端からのアノードパージガスの排出流がリード弁３１を弁座面２９１に瞬時に押し付けるため、リード弁３１と弁座面２９１との間からのアノードパージガスの洩れ流量が一時的にも大きくなることはない。
【００４０】
本発明では以下のような実施形態も可能である。
○膨張室形成器１７よりも下流のパージガス用配管２５Ｂの途中にリード弁を設けてもよい。この場合、リード弁よりも上流のパージガス用配管２５Ｂ内も膨張室の一部となる。
【００４１】
○膨張室形成器１７よりも上流のパージガス用配管２５Ａの先端（膨張室形成器１７の端壁２８に結合される端部）の径を絞るようにしてもよい。そうすると、アノードパージガスが瞬間的に膨張室３０に排出されたときには、パージガス用配管２５Ａの先端からのアノードパージガスの排出流がリード弁３１を弁座面２９１に瞬時に押し付ける。
【００４２】
前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。
〔１〕膨張室の入口に接続されたパージガス用配管は、リード弁を指向している請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【００４３】
〔２〕前記膨張室の上流にパージ用開閉弁がある請求項１乃至請求項５、前記〔１〕のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施形態を示し、（ａ）は燃料電池システムの構成図。（ｂ）は膨張室形成器の側断面図。（ｃ）は、リード弁及びシムを示す部分拡大側断面図。（ｄ）は、リード弁を示す部分内面図。
【図２】第２の実施形態を示す部分内面図。
【図３】第３の実施形態を示し、（ａ）は部分側断面図。（ｂ）は部分内側断面図。
【図４】第４の実施形態を示す部分側断面図。
【図５】第５の実施形態を示す部分側断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１１…燃料電池システム。１２…燃料電池。２５，２５Ａ，２５Ｂ…放出経路としてのパージガス用配管。２６…パージ用開閉弁。２９１…形成壁面としての内壁面及び弁座面。２９３…粗面。３０…膨張室。３０２…出口。３１…リード弁。３３…シム。３４…環状溝。
【図１】
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【図２】
2008235225.tif 000004
【図３】
2008235225.tif 000005
【図４】
2008235225.tif 000006
【図５】
2008235225.tif 000007