(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスで希釈して排気する希釈器と、燃料電池および希釈器を内部に収容する燃料電池ケースと、希釈器の排気方向下流側に延伸して燃料電池ケースを貫通する排気管と、を備えた燃料電池システムであって、
希釈器は、１つの室の重力方向下面に複数の凹部を有しており、複数の凹部は、各凹部内に溜まった水が希釈器内の排気方向に関して互いにつながらないように形成されてい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、
燃料電池ケース外にエア遮断弁をさらに備えており、希釈器の排気方向下流側に延伸する排気管が貫通する燃料電池ケース壁部の開口部の縁部と排気管外周面との間の隙間を液密状態にシールするシール部材を、燃料電池ケース外面とエア遮断弁の端面とで挟持して固定し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２に記載の燃料電池システムにおいて、
エア遮断弁が燃料電池ケースに固定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
エア遮断弁が振動吸収部材を介して固定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池ケース外からケース壁部を貫通して延びる燃料ガス供給管が、エア遮断弁よりも重力方向上側に設けられている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、燃料電池スタックおよび希釈器を内部に収容した燃料電池ケースを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に与える影響が少ないことから、自動車または車両に燃料電池スタックの搭載が行われている。燃料電池スタックは、例えば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必要な電力を取り出すものである。
【０００３】
カソード側に供給された酸化ガスが燃料電池スタックから排出される際のカソードオフガスには、電気化学反応によって生じた反応生成水が含まれる。一方、アノード側に供給された燃料ガスが燃料電池スタックから排出される際のアノードオフガスにも、カソードオフガスに比べて少量ではあるものの、電解質膜を通過してきた反応生成水が含まれることになる。
【０００４】
アノードオフガスは、燃料電池スタックのアノードオフガス出口と希釈器とを接続する配管の途上に設けられたパージ弁を所定のタイミングで開弁することによって希釈器に送られる。カソードオフガスもまた、配管を介して燃料電池から希釈器に送られる。そして、希釈器内において、アノードオフガスは、カソードオフガスと混合されて薄められてから、外部に排出される。このとき、カソードオフガスおよびアノードオフガスにそれぞれ含まれる反応生成水も一緒に排出される。
【０００５】
例えば特許文献１には、燃料電池スタックや希釈器等の構成要素を内部に収容した燃料電池システムボックスを車両の床下部に搭載することが記載されている。このように燃料電池スタックや希釈器等を収容した燃料電池システムボックスを床下搭載することで、車両外観デザインの設計自由度が増す等の利点がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７９１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、燃料電池スタックおよび希釈器等を収容した燃料電池システムボックスを搭載した車両においては、燃料電池システムボックスの内部と外部とで電気的絶縁を採ることに加えて、ボックス内部においても燃料電池スタックに対する電気的絶縁をより確実なものにするために、燃料電池スタックからボックス外部に至るまでの排気経路においても電気的絶縁が確保されることが望まれる。
【０００８】
そのため、燃料電池スタックに接続されるアノードオフガス配管およびカソードオフガス配管を例えばゴムホース等の絶縁性配管で構成するとともに、希釈器を例えば絶縁性樹脂で形成するかまたは希釈器内面に絶縁性樹脂コーティングを施すことが考えられる。
【０００９】
しかし、車両外部に排出されるべき生成水が希釈器内の重力方向下面に溜まったときに、燃料電池スタックから希釈器まで延伸するオフガス配管、特にアノードオフガス配管内を筋状に連なって流れ落ちてくる生成水が希釈器内に溜まった生成水がつながると、つながった生成水を介して電流が流れ得る状態になって燃料電池スタックと希釈器との間の絶縁抵抗が低下し、燃料電池スタックに対する絶縁性が担保されなくなる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、燃料電池ケース内に燃料電池スタックと共に配置された希釈器内に溜まった生成水がつながるのを防止し、燃料電池スタックに対する電気的絶縁をより確実にすることができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスで希釈して排気する希釈器と、燃料電池および希釈器を内部に収容する燃料電池ケースと、希釈器の排気方向下流側に延伸して燃料電池ケースを貫通する排気管と、を備えた燃料電池システムであって、希釈器は１つの室の重力方向下面に複数の凹部を有しており、複数の凹部は、各凹部内に溜まった水が希釈器内の排気方向に関して互いにつながらないように形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
この構成によれば、希釈器内の１つの室の重力方向下面に溜まった水が排気方向に関してつながらないよう複数の凹部を形成してあることで、希釈器内に溜まった水がつながることにより絶縁抵抗が低下するのを防止して希釈器の絶縁性を確保し、これにより燃料電池ケース内において燃料電池に対する電気的絶縁をより確実なものにできる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池ケース外にエア遮断弁をさらに備えており、希釈器の排気方向下流側に延伸する排気管が貫通する燃料電池ケース壁部の開口部の縁部と排気管外周面との間の隙間を液密状態にシールするシール部材を、燃料電池ケース外面とエア遮断弁の端面とで挟持して固定してもよい。
【００１４】
この構成によれば、ケース外に設けたエア遮断弁を利用してシール部材を固定することができるので、シール部材を固定するための特別な部品を用いる必要がなく、部品点数の削減を図れる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、エア遮断弁が燃料電池ケースに固定されていることが好ましい。この場合、エア遮断弁が振動吸収部材を介して固定されていてもよい。
【００１６】
この構成によれば、ケース外に設けたエア遮断弁を車台等に固定するために特別な部品を用いる必要がなく、部品点数の削減を図れる。また、エア遮断弁が振動吸収部材を介して燃料電池ケースに固定されていれば、内部を通過する排ガス流によってエア遮断弁に振動が発生した場合でも、その振動が振動吸収部材によって吸収されることで燃料電池ケースに伝播するのを防止でき、ＮＶ（低騒音・低振動）性能を確保することができる。
【００１７】
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池ケース外からケース壁面を貫通して延びる燃料ガス供給管が、エア遮断弁よりも重力方向上側に設けられていることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、燃料ガス供給管が水平方向に関して近距離に配置されている場合であっても、車両下側からエア遮断弁の交換等のメンテナンスを行う際に燃料ガス供給管が障害になることがなく、メンテナンス性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００２０】
図１は、本発明に係る一実施形態である燃料電池システム１０の概略構成を上面視で示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池としての燃料電池スタック１２、希釈器１４およびその他の構成要素を内部に収容する燃料電池ケース４０を有している。燃料電池ケース４０は、例えば車両の床下部に搭載されることができる。
【００２１】
燃料電池ケース４０は、例えば金属板を曲げ加工、絞り加工、溶接、ねじ留め等することにより矩形状の筐体として形成されている。燃料電池スタック１２は、絶縁部材を介して燃料電池ケース４０の下面または底面に固定されている。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組み合わせて積層したものである。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。
【００２２】
燃料電池スタック１２のアノード側のガス入口には、ケース外部に設置された燃料タンク１６からインジェクタ１８を介して燃料ガスである水素ガスが供給されるようにしてある。インジェクタ１８は、燃料タンク１６からの水素ガスを適当な圧力と流量に調整して噴出する機能を有する。また、インジェクタ１８は、燃料ガスの供給を停止する遮断弁として機能することもできる。
【００２３】
燃料電池スタック１２のアノード側出口は、パージ弁２０を介して希釈器１４に接続されている。パージ弁２０は、所定のタイミングで開閉制御されるものである。パージ弁２０が閉状態にあるとき、アノード側出口から排出されたアノードオフガスは、例えばポンプである循環昇圧器２２によって昇圧されて、燃料電池スタック１２のアノード側入口に戻されて再利用されるようにしてある。このように循環するうちに、アノードオフガスでは、燃料ガス中の水素が電気化学反応で消費されることで濃度が低下する一方、カソード側から電解質膜を通過してきた生成水や窒素が含まれてくることになる。
【００２４】
希釈器１４は、燃料電池スタック１２から排出されてきた水素および水等を含むアノードオフガスを、カソードオフガスと混合して希釈してから燃料電池ケース４０外に排気するものである。
【００２５】
一方、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２のカソード側に供給する酸化ガス、例えば酸素の供給源としての酸化ガス源２３をケース外部に備えている。酸化ガス源２３は、実際には酸素を含んだ大気を用いることができる。酸化ガス源２３からの空気は、コンプレッサ２４で昇圧された後、図示しない加湿器を通過する際に適度な湿り気が付与されてから、燃料電池スタック１２のカソード側入口に供給されるようにしてある。なお、本実施形態では、酸化ガス源２３およびコンプレッサ２４を燃料電池ケース４０に対して燃料タンク１６と反対側に設けているが、これに限定されるものではなく、酸化ガス源２３およびコンプレッサ２４を燃料電池ケース４０に対して燃料タンク１６と同じ側に設置してもよい。
【００２６】
燃料電池スタック１２のカソード側出口は、エア調圧弁２６を介して希釈器１４に接続されている。エア調圧弁２６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への空気の流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。カソード出口から排出されたカソードオフガスは、希釈器１４においてアノードオフガスに含まれる水素濃度が所定濃度以下になるように薄めるための希釈ガスとして利用される。また、カソードオフガスには、燃料電池スタック１２における電気化学反応によって生成された水が含まれている。希釈器１４の排気方向下流側に延伸する排気管３４はケース外に配置されたエア遮断弁２８に接続されており、希釈器１４から排気された排ガス（すなわちアノードオフガスとカソードオフガスの混合ガス）がエア遮断弁２８を介して外部に排出されるようにしてある。
【００２７】
図２は、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の排気装置の構成要素である希釈器１４の重力方向に沿った断面を示す。希釈器１４は、カソードオフガスである空気が導入される導入管３０と、パージ弁２０から噴出されたアノードオフガスが空気と混合して希釈される希釈部３２と、希釈された排ガスが排出される排気管３４とからなっている。希釈器１４は、燃料電池ケース４０内の底面４２に近接して配置されている。また、希釈器１４は、燃料電池ケース４０内において燃料電池スタック１２に対する電気的絶縁性を確保するための構成要素として機能し、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）等の絶縁性樹脂で形成されていてもよいし、あるいは、例えば金属等の導電性材料で形成されたものの内面に絶縁性樹脂のコーティングを施したものであってもよい。
【００２８】
希釈器１４の導入管３０および排気管３４は、横断面が円形状のパイプで構成されることができる。希釈器１４の希釈部３２は、側壁面に開口する噴出口３６から内部に噴出されるアノードオフガスの希釈化が十分に行われるように大きな内部空間を有することが好ましく、排気方向に直交する方向の断面が例えば円形、楕円形、略ロ字形等の筒体で構成することができる。また、噴出口３６は、希釈部３２において希釈化のための時間ができるだけ長くなるように、矢印３８で示す排気方向に関して希釈部３２内の上流側に配置されるのが好ましい。
【００２９】
希釈部３２の重力方向下面５０には、複数の凹部５２が設けられている。各凹部５２は、凹部５２内に溜まった水が排気方向に関して互いに連続しないような形状または配列で形成されている。図２において、凹部５２は矩形状に窪んでいるように示されているが、凹部５２の断面形状はこれに限定されるものではなく、例えばＶ字状や半円形状等の他の断面形状をなすように窪んでいてもよい。また、凹部５２は、各凹部５２と凹部５２間の各凸部とで例えば正弦波のような滑らかな波線を描くような断面形状に形成されてもよい。このような滑らかな波線を描くような断面形状に形成すれば、高速かつ大流量のカソードガスによって凹部５２内に溜まった水が下流側に吹き飛ばされて排ガスとともに排出され易くなる。なお、凹部５２の重力方向の深さは、希釈部３２内に溜まることが想定される水の量に応じて、適宜に設定可能である。
【００３０】
図３は、希釈部３２の下面５０に形成された凹部５２の形状および配列の具体例を上面視で示した図である。図３（ａ）に示す例では、各凹部５２が、円形状をなし、かつ、マトリックス状に規則的に配列されており、排気方向３８と直交する方向においても各凹部５２が互いに離れて形成されている。ここで、凹部５２の平面形状もまた、円形に限られず例えば三角形、矩形、楕円等の他の形状であってもよい。また、複数の凹部５２の配置は、必ずしも規則的なものでなくてもよく、不規則またはランダムな配置であってもよい。さらに、各凹部５２は、図３（ｂ）に示す例のように、各凹部５２が、排気方向３８に対して直交または交差する方向に延在する溝状に形成されてもよい。
【００３１】
図２を再び参照すると、希釈器１４の排気管３４は、燃料電池ケース４０の側壁部４４に形成された開口部４６を貫通してケース外に延伸し、その端部がエア遮断弁２８に接続されている。エア遮断弁２８の一方端面は、エア遮断弁２８の一部をなす平板状の取付け用ブラケット２９により構成されている。ケース外に突出した排気管３４の端部外周には、例えばゴム等の弾性材料からなるリング状のシール部材５４が配置されており、このシール部材５４が燃料電池ケース４０の側壁部４４の外面とエア遮断弁２８のブラケット２９との間に挟持されて固定されている。これにより、燃料電池ケース４０に形成された開口部４６の縁部と排気管３４の外周面との間の隙間５６が液密状態にシールされ、ケース４０内への水の浸入が防止される。このようにケース外に設けたエア遮断弁２８を利用してシール部材５４を固定することで、シール部材５４を固定するための特別な部品を用いる必要がなく、部品点数の削減を図れる。
【００３２】
図２に示すように、エア遮断弁２８は、ブラケット２９を介して燃料電池ケース４０の側壁部４４に固定されている。図４に、その固定構造が拡大断面で示されている。燃料電池ケース４０の側壁部４４の外面には、ボルト６０が溶接等の方法によって立設されている。エア遮断弁２８のブラケット２９の取り付け穴２９ａには、振動吸収部材６２が取り付けられている。振動吸収部材６２は、例えばゴム等の弾性材料で形成されており、軸心部に貫通穴を有すると共に、軸心方向略中央の外周部に取り付け穴２９ａの開口縁部が嵌まり込む切り込み部を有している。そして、ブラケット２９に取り付けられた振動吸収部材６２の貫通穴にボルト６０を挿入し、ワッシャ６４を介してナット６６をボルト６０にねじ込むことによって、ブラケット２９すなわちエア遮断弁２８が振動吸収部材６２を介して燃料電池ケース４０に固定される。このようにエア遮断弁２８を燃料電池ケース４０に固定することで、エア遮断弁２８を車台等に固定するために特別な部品を用いる必要がなく、部品点数の削減を図れる。
【００３３】
図２を再び参照すると、本実施形態の燃料電池システム４０では、インジェクタ１８から燃料電池ケース４０の壁部４４を貫通してケース内に延びる燃料ガス供給管７０が、エア遮断弁２８よりも重力方向上側に配置されている。燃料ガス供給管７０は、高剛性の金属製パイプで構成されることができる。このように燃料ガス供給管７０をエア遮断弁２８よりも重力方向上側に配置したことで、燃料ガス供給管７０が水平方向に関してエア遮断弁２８から近距離で配置されている場合であっても、車両下側からエア遮断弁２８の交換等のメンテナンスを行う際に燃料ガス供給管７０が障害になることがなく、メンテナンス性が向上する。なお、車両側面に対する衝突事故時の損傷による燃料ガス漏れ防止を考慮すると、燃料ガス供給管７０は、水平方向に関してエア遮断弁２８や排気管３４よりも内側、すなわち車両外側面から遠い側に配置されるのが好ましい。
【００３４】
続いて、本実施形態の燃料電池システム１０の動作および作用について説明する。
燃料電池スタック１２には、酸化ガス源２３からコンプレッサ２４によって昇圧された空気が図示しない加湿器で適度な湿り気を付与された後、カソード側入口に供給される。一方、燃料タンク１６から流出した水素ガスは、インジェクタ１８によって適当な圧力および流量に調節された後に、燃料電池スタック１２のアノード側入口に供給される。燃料電池スタック１２では、それぞれ供給された空気中の酸素と水素とが電解質膜を介して電気化学反応することにより発電して電力が出力される。
【００３５】
燃料電池スタック１２のカソード側出口から排出されたカソードオフガスは、電気化学反応により生成された水を含んだ空気であり、エア調圧弁１６を介して希釈器１４に送られる。一方、燃料電池スタック１２のアノード側出口から排出されたアノードオフガスは、未消費の水素と電気化学反応により生成された水等を含んだガスであり、パージ弁２０が閉状態にある間は、循環昇圧器２２で昇圧されてアノード側入口に再供給されて循環する。そして、パージ弁２０が所定のタイミングで一時的に開状態に切り替えられると、アノードオフガスはパージ弁２０を介して希釈器１４の希釈部３２に送り込まれる。
【００３６】
希釈部３２において、噴出口３６から噴出したアノードオフガスは、導入管３０から流入したカソードオフガスによって希釈された後、排気管３４を通って燃料電池ケース４０外に排出される。このとき、アノードオフガスおよびカソードオフガスの両方に含まれる水は、高速かつ大流量で流れるアノードガスの勢いにより飛沫状になって希釈器１４から下流側に排出されることになるが、上記水の一部が希釈部３２に下面５０に溜まり得る。
【００３７】
しかし、本実施形態における希釈部３２の下面５０には、複数の凹部５２が形成されていて、各凹部５２内に溜まった水が排気方向に関して互いにつながらないようにしてある。そのため、パージ弁２０の開弁時にアノードオフガス配管内を筋状に連なって流れてきた生成水が噴出口３６から希釈部３２内面に沿って流れ落ちてきても、希釈部３２に溜まった水を介して電気的に導通可能な状態になるのを防止できる。これにより、希釈部３２およびこれを含む希釈器１４における電気的絶縁が確保され、燃料電池ケース４０内において燃料電池スタック１２に対する電気的絶縁をより確実なものにできる。
【００３８】
アノードオフガスおよびカソードオフガスの混合気である排ガスは、希釈器１４の排気管３４を通ってケース外に排出され、エア遮断弁２８を介して外部に排出される。
【００３９】
排ガスがエア遮断弁２８を通過するとき、排ガス流の脈動等に起因してエア遮断弁２８が振動する場合がある。しかし、エア遮断弁２８は、振動吸収部材６２を介して燃料電池ケース４０に固定されているため、その振動が振動吸収部材６２によって吸収されることで燃料電池ケース４０に伝播するのを防止でき、ＮＶ性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図１における燃料電池システムの希釈器の重力方向断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）共に、希釈器の希釈部下面に形成された凹部を上面視で示す図である。
【図４】燃料電池ケースにエア遮断弁を固定する固定構造の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  燃料電池システム、１２  燃料電池スタック、１４  希釈器、１６  燃料タンク、１６  エア調圧弁、１８  インジェクタ、２０  パージ弁、２２  循環昇圧器、２３  酸化ガス源、２４  コンプレッサ、２６  エア調圧弁、２８  エア遮断弁、２９  ブラケット、３０  導入管、３２  希釈部、３４  排気管、３６  噴出口、３８  排気方向、４０  燃料電池ケース、４２  底面、４４  側壁部、４６  開口部、５０  下面、５２  凹部、５４  シール部材、５６  隙間、６０  ボルト、６２  振動吸収部材、６４  ワッシャ、６６  ナット、７０  燃料ガス供給管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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