(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスが充填された高圧ガスタンクと、
上流側に配置される高圧ガスタンクから下流側に配置される燃料電池スタックに対してガスを供給するためのガス供給流路と、
ガス供給流路の上流側に設けられ、高圧ガスを減圧させる上流側減圧弁と、
ガス供給流路の下流側に設けられ、上流側減圧弁によって減圧された減圧後のガスをさらに減圧させる下流側減圧弁と、
ガス供給流路において上流側減圧弁と下流側減圧弁との間に配置され、その配置位置におけるガス供給流路の圧力が予め定められた所定の閾値以上になったときに開弁するリリーフ弁と、
ガス供給流路においてリリーフ弁と下流側減圧弁との間に設けられ、ガス供給流路の流路径に比べて流路径の大きい容積部と、
を備え、
リリーフ弁は、
容量部よりも上流側に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
上流側減圧弁とリリーフ弁とが一体構造となっていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
ガス供給流路の流路径がリリーフ弁の弁径に比べて大きいことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックにガスを供給する流路にリリーフ弁が設けられた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、発電を行う際に、燃料電池スタックの電極に対して燃料ガスや酸化ガスの供給を行っている。例えば、高圧の燃料ガス供給源からの燃料ガスの圧力を適宜低下させた後に、燃料ガスを燃料電池スタックに供給するシステムにおいては、この燃料ガスの圧力調整に関する機構に問題が生じた場合の対策が必要である。そこで、特許文献１には、燃料電池に燃料ガスを供する燃料ガス流路と、燃料ガス流路に設けられ、燃料ガス流路内の燃料ガスが所定圧以上になったときに燃料ガスを外部に放出するリリーフ弁と、を有する燃料電池システムにおいて、リリーフ弁のガス放出側に設けられた外部放出流路と、外部放出流路に設けられ、リリーフ弁から放出された燃料ガスの濃度を低減するガス処理装置とを備えたものが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３３２６４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１の構成を用いることで、燃料ガス流路内の圧力を下げることができる。しかし、特許文献１のように、燃料ガス流路内に単にリリーフ弁を設けるのみでは、なんらかの要因で燃料ガス流路内の圧力が上昇し、リリーフ弁が設けられた周辺の燃料ガス流路内の圧力が所定圧以上となってリリーフ弁が開弁を開始しても、燃料ガスの外部に放出されることによる圧力の下降速度と、上述の圧力上昇の速度との関係によっては、燃料ガス流路内の配管等が破損する圧力を超えてしまう可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は、より適切に、ガス供給流路の配管等の破損を抑制できる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、高圧ガスが充填された高圧ガスタンクと、上流側に配置される高圧ガスタンクから下流側に配置される燃料電池スタックに対してガスを供給するためのガス供給流路と、ガス供給流路の上流側に設けられ、高圧ガスを減圧させる上流側減圧弁と、ガス供給流路の下流側に設けられ、上流側減圧弁によって減圧された減圧後のガスをさらに減圧させる下流側減圧弁と、ガス供給流路において上流側減圧弁と下流側減圧弁との間に配置され、その配置位置におけるガス供給流路の圧力が予め定められた所定の閾値以上になったときに開弁するリリーフ弁と、ガス供給流路においてリリーフ弁と下流側減圧弁との間に設けられ、ガス供給流路の流路径に比べて流路径の大きい容積部と、を備え、リリーフ弁は、容量部よりも上流側に配置されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、上流側減圧弁とリリーフ弁とが一体構造となっていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、ガス供給流路の流路径がリリーフ弁の弁径に比べて大きいことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成により、燃料電池システムは、リリーフ弁の配置位置におけるガス供給流路の圧力が、その配置位置より下流側における流路要素の耐圧圧力値を超えない位置に配置されるリリーフ弁を備える。したがって、より適切に、ガス供給流路の配管等の破損を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、高圧ガスは、燃料ガス（水素ガス）として説明するが、もちろん燃料ガスに限定されず、例えば、酸化ガスであってもよい。
【００１２】
図１は、燃料電池システム１０の構成を示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２のアノード側に配置される燃料ガス供給用の各要素と、カソード側に配置される酸化ガス供給用の各要素を含んで構成される。
【００１３】
燃料電池スタック１２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個積層することで組電池としたものである。燃料電池スタック１２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば、空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。
【００１４】
カソード側の酸化ガス源４０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源４０である大気はフィルタを通してからエアコンプレッサ（ＡＣＰ）に供給される。カソード側の流路には、加湿器が設けられ、加湿器は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック１２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有する。加湿器により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック１２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排出される。
【００１５】
カソード側の流路には、入口側エアシャット弁と出口側エアシャット弁が設けられる。入口側エアシャット弁と出口側エアシャット弁は、それぞれ加湿器に接続される。入口側エアシャット弁と出口側エアシャット弁は、通常は開状態である。例えば、内部でピストン等の可動子が進退する管路を有し、その管路の入口側が、加湿器側の流路に接続され、その管路の出口側が、燃料電池スタック１２側の流路に接続される。圧力室の内圧を変化させて可動子をその管路の中に進入させると、入口側エアシャット弁の内部の管路が閉じるので、酸化ガスの流れが遮断される。このように、圧力室の内圧を制御して可動子の進退を行わせ、流路における酸化ガスの流れを必要に応じて遮断、すなわちシャットすることができる。
【００１６】
また、カソード側の流路には、調圧弁が設けられる。調圧弁は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック１２への酸化ガスの流量を調整する機能を有する。調圧弁の出力口は、加湿器に接続されるので、調圧弁を出たガスは加湿器に水蒸気を供給した後に、希釈器５０に入り、その後外部に排出される。
【００１７】
希釈器５０は、後述するアノード側の排気バルブ３８からの不純物ガスと水分とが混じっている水素、及び、カソード側からＭＥＡを通して漏れてくる水分混じり水素を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。
【００１８】
アノード側の燃料ガスタンク２０は、水素ガス源であって、燃料ガスとしての水素を供給する高圧ガスタンクである。水素ガスは、高圧であるため、燃料ガスタンク２０と燃料電池スタック１２とを連通するガス供給流路２４に設けられる上流側減圧弁２２と下流側減圧弁２８によって適当な圧力と流量に調整されて燃料電池スタック１２に供給される。
【００１９】
上流側減圧弁２２は、ガス供給流路２４内の圧力を調整する弁である。上流側減圧弁２２は、燃料ガスタンク２０の下流側に設けられ、燃料ガスタンク２０から出力される水素ガス（例えば、７０ＭＰａ）を所定の圧力（例えば、３ＭＰａ）まで減圧する。
【００２０】
リリーフ弁３０は、ガス供給流路２４において上流側減圧弁２２と下流側減圧弁２８との間に配置され、その配置位置におけるガス供給流路の圧力が予め定められた閾値（例えば、４ＭＰａ）に達した場合に、開弁してガス供給流路２４のガスを外部に放出し、ガス供給流路２４の圧力を下げる機能を有する。リリーフ弁３０は、ガス供給流路２４において、上流側減圧弁２２の下流側であって、上流側減圧弁２２とリリーフ弁３０との間の管路抵抗が最も小さくなるような位置に配置される。また、リリーフ弁３０の弁径は、所定の流量を流せるように設定されているが、ガス供給流路２４の流路径に比べて、同等あるいは小さな径に設定されている。
【００２１】
容積部２６は、ガス供給流路２４の流路径に比べて大きな径を有する容器であって、ガス供給流路２４の圧力上昇速度を抑制できる機能を有する。容積部２６は、ガス供給流路２４において上流側減圧弁２２と下流側減圧弁２８との間であって、リリーフ弁３０の下流側に配置される。
【００２２】
下流側減圧弁２８は、上流側減圧弁２２と同様にガス供給流路２４内の圧力を調整する弁である。下流側減圧弁２８は、ガス供給流路２４内においてリリーフ弁３０や容積部２６の下流側に設けられ、上流側減圧弁２２によって減圧された水素ガスをさらに所定の圧力（例えば、０．４ＭＰａ）まで減圧する。
【００２３】
燃料ガスシャット弁３２は、ガス供給流路２４の開閉を行う弁である。燃料ガスシャット弁３２は、下流側減圧弁２８の下流側に設けられ、水素ガスを燃料電池スタック１２に供給し、あるいは、供給を停止することができる。
【００２４】
燃料電池スタック１２のアノード側出口に接続される分流器３６は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ３８を通して希釈器５０に流すためのものである。また、分流器３６の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器３４は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。
【００２５】
図２は、横軸に時間、縦軸に圧力をとり、上流側減圧弁２２が作動不良となった場合のガス供給流路２４の圧力上昇値を示す図である。圧力特性曲線６１は、ガス供給流路２４における圧力監視ポイント１４における圧力上昇の様子を示している。圧力特性曲線６２は、圧力監視ポイント１６における圧力上昇の様子を示している。ここで、圧力監視ポイント１４における圧力上昇の時間と、圧力監視ポイント１６における圧力上昇の時間とを比較すると、圧力監視ポイント１４は、圧力監視ポイント１６に比べて管路抵抗等が小さいことからより早く所定の圧力に到達する。また、圧力監視ポイント１４は、圧力監視ポイント１６に比べて圧力降下も小さくなる。
【００２６】
上記のことから、リリーフ弁３０は、ガス供給流路２４において、より上流側（上流側減圧弁２２側）に設けられた方がより早く開弁が開始され、ガス供給流路２４のガスを外部に排出して圧力を下げることができる。
【００２７】
上記の構成の作用について説明する。図３は、横軸に時間、縦軸に圧力をとり、リリーフ弁３０が作動した場合のガス供給流路２４の圧力の特性を示す図である。圧力特性曲線７１は、ガス供給流路２４の圧力が上昇してリリーフ弁３０が作動した場合の圧力の特性を示している。境界線７２は、リリーフ弁３０が開弁を開始する開弁圧力（例えば、４ＭＰａ）を示している。境界線７３は、耐圧圧力であって、ガス供給流路２４の流路要素である配管や下流側減圧弁２８が損傷する耐圧圧力の中で最も低い耐圧圧力値（例えば、１０ＭＰａ）を示している。
【００２８】
例えば、燃料ガスタンク２０からの高圧ガスを減圧する上流側減圧弁２２が作動不良となった場合に、ガス供給流路２４の圧力が高圧ガスの圧力値に向けて上昇していく。リリーフ弁３０は、上流側減圧弁２２の下流側であって、上流側減圧弁２２とリリーフ弁３０との間の管路抵抗が最も小さくなるような位置に配置されており、リリーフ弁３０付近の圧力が境界線７２に示される圧力値を超えるとリリーフ弁３０は開弁する。リリーフ弁３０が、開弁してからガスがガス供給流路２４の外部に排出され、境界線７３に示される圧力値を超えないように圧力が下げられる。
【００２９】
このようにガス供給流路２４において、リリーフ弁３０付近の圧力は、耐圧圧力を超えることなく圧力が下がる。また、リリーフ弁３０よりも下流側の圧力は、より圧力上昇速度が遅いことから耐圧圧力を超えない。したがって、ガス供給流路２４の流路要素である配管や下流側減圧弁２８を損傷することなく、ガス供給流路２４の圧力を下げることができる。
【００３０】
また、リリーフ弁３０の下流側には、容積部２６が設けられている。容積部２６は、上記のようにガス供給流路２４の圧力上昇速度を抑制できる。したがって、上流側減圧弁２２が作動不良時の圧力上昇速度は、リリーフ弁３０によるガス排出によってもたらされる圧力下降速度に対して遅くできるため、より適切にガス供給流路２４の配管や下流側減圧弁２８の損傷を抑制することができる。
【００３１】
また、ガス供給流路２４の流路径は、リリーフ弁３０の弁径に比べて同等以上の大きさであるので、ガス供給流路２４が破損する圧力に到達する前にリリーフ弁３０が開弁するという機能の信頼性が向上する。
【００３２】
以上のように、本発明によれば、ガス供給流路２４の配管や下流側減圧弁２８を損傷することなくガス供給流路２４の圧力を下げることができる。なお、上記では、リリーフ弁３０は、上流側減圧弁２２とリリーフ弁３０との間の管路抵抗が最も小さくなるような位置に配置されるものとして説明したが、上流側減圧弁２２とリリーフ弁３０は一体化構造としても同様の効果を有する。また、上流側減圧弁２２とリリーフ弁３０と容積部２６とを一体化構造として、より適切にガス供給流路２４の配管や下流側減圧弁２８を損傷することなくガス供給流路２４の圧力を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】横軸に時間をとり、縦軸に圧力をとった場合に上流側減圧弁が作動不良となった場合のガス供給流路の圧力上昇値を示す図である。
【図３】横軸に時間をとり、縦軸に圧力をとり、リリーフ弁が作動した場合のガス供給流路においてリリーフ弁の配置位置の圧力の特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  燃料電池システム、１２  燃料電池スタック、１４，１６  圧力監視ポイント、２０  燃料ガスタンク、２２  上流側減圧弁、２４  ガス供給流路、２６  容積部、２８  下流側減圧弁、３０  リリーフ弁、３２  燃料ガスシャット弁、３４  循環昇圧器、３６  分流器、３８  排気バルブ、４０  酸化ガス源、５０  希釈器、６１，６２，７１  圧力特性曲線、７２，７３  境界線。
【図１】
0005200496.tif 000002
【図２】
0005200496.tif 000003
【図３】
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