(57)【要約】【課題】燃料電池用排気排水弁において、開弁した際に発生する異音を抑制する。【解決手段】排気排水弁５５は、アノードオフガスおよび生成水を導入口８８ａ４から内部に導入する一次側流路８８ａと、一次側流路８８ａから導入されたアノードオフガスおよび生成水を導出口から外部に導出する二次側流路と、一次側流路８８ａの導出口である一次側流路導出口８８ａ５に形成された弁座９５と、弁座９５に対して進退移動し、弁座９５と接離可能な弁部９７ａが形成された弁体９７と、を備えている。一次側流路８８ａは、一次側流路導出口８８ａ５に連通するオリフィス８８ａ１と、オリフィス８８ａ１より大径であり、導入口８８ａ４に連通可能である導入流路８８ａ２と、オリフィス８８ａ１と導入流路８８ａ２とを段差をもって接続する段差部８８ａ３と、を備えている。【選択図】図２
2016207538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード流路の導出口に接続された排気管と前記燃料電池のアノード流路の導出口との間に設けられ、前記アノード流路から排出されたアノードオフガスおよび生成水の流通および遮断を行う燃料電池用排気排水弁であって、
前記燃料電池用排気排水弁は、
弁ケーシングと、
前記弁ケーシングに設けられ、前記アノードオフガスおよび前記生成水を導入口から内部に導入する一次側流路と、
前記弁ケーシングに設けられ、前記一次側流路から導入された前記アノードオフガスおよび前記生成水を導出口から外部に導出する二次側流路と、
前記一次側流路の導出口である一次側流路導出口に形成された弁座と、
前記弁座に対して進退移動し、前記弁座と接離可能な弁部が形成された弁体と、
を備え、
前記一次側流路は、
前記一次側流路導出口に連通するオリフィスと、
前記オリフィスより大径であり、前記導入口に連通可能である導入流路と、
前記オリフィスと前記導入流路とを段差をもって接続する段差部と、を備えている燃料電池用排気排水弁。
【請求項２】
前記燃料電池用排気排水弁は、前記一次側流路が水平になるように搭載先に搭載されている請求項１記載の燃料電池用排気排水弁。
【請求項３】
前記導入流路の内径は、３〜４．５ｍｍに設定されている請求項１または請求項２記載の燃料電池用排気排水弁。
【請求項４】
前記オリフィスの内径は、１．４〜２ｍｍに設定されるとともに、前記オリフィスの長さは、１０〜２０ｍｍに設定されている請求項１または請求項２記載の燃料電池用排気排水弁。
【請求項５】
前記導入流路の内径は、３．５〜３．８ｍｍに設定されるとともに、前記オリフィスの内径は、１．８〜１．９ｍｍに設定されるとともに、前記オリフィスの長さは、１２ｍｍに設定されている請求項１または請求項２記載の燃料電池用排気排水弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用排気排水弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用排気排水弁の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図２，４に示されているように、燃料電池用排気排水弁においては、一次側流路は、一次側流路導出口に連通するオリフィスと、オリフィスと導入口とを連通しテーパ状に形成された導入流路と、が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０９３２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に記載されている燃料電池用排気排水弁においては、生成水が溜まった状態で開弁されると、生成水（液体）が排出されるとともに、アノードオフガス（気体）が同時に流れる（気液二層流）。このとき、流路内では、スラグ流が発生するため、異音が生じるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池用排気排水弁において、開弁した際に発生する異音を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池用排気排水弁の発明は、燃料電池のカソード流路の導出口に接続された排気管と燃料電池のアノード流路の導出口との間に設けられ、アノード流路から排出されたアノードオフガスおよび生成水の流通および遮断を行う燃料電池用排気排水弁であって、燃料電池用排気排水弁は、弁ケーシングと、弁ケーシングに設けられ、アノードオフガスおよび生成水を導入口から内部に導入する一次側流路と、弁ケーシングに設けられ、一次側流路から導入されたアノードオフガスおよび生成水を導出口から外部に導出する二次側流路と、一次側流路の導出口である一次側流路導出口に形成された弁座と、弁座に対して進退移動し、弁座と接離可能な弁部が形成された弁体と、を備え、一次側流路は、一次側流路導出口に連通するオリフィスと、オリフィスより大径であり、導入口に連通可能である導入流路と、オリフィスと導入流路とを段差をもって接続する段差部と、を備えている。
【発明の効果】
【０００７】
これによれば、一次側流路は、オリフィスと導入流路とを段差をもって接続する段差部が設けられているので、アノードオフガス（気体）と生成水とが流れる際には（気液二層流の際）、スラグ流でなく環状流を発生させることが可能となる。すなわち、開弁した際に、スラグ流の発生を抑制することとなり、異音の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態における排気排水弁を使用した燃料電池システムの概要を示す図。
【図２】排気排水弁を示す断面図である。
【図３】図２におけるIII−III断面図。
【図４】本発明の実施形態における排気排水弁の作用効果を示す実験データである。
【図５】比較例における排気排水弁の作用効果を示す実験データである。
【図６】オリフィスの長さを変えた場合の実験データである。
【図７】導入流路の内径を変えた場合の実験データである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明による燃料電池用排気排水弁を適用した燃料電池システムの一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素系２、燃料系５、電池スタック（燃料電池）６、動力系７、冷却系８および制御装置９とから構成されている。
【００１０】
電池スタック６は、これに限定されるべきものではないが、複数の固体高分子型の単セルが積層されることで形成されている。複数の単セルは電気的に直列に接続されており、各々の単セルは電解質膜と、これを挟むアノード極およびカソード極（いずれも図示せず）を含んでいる。また、単セルのアノードセパレータ（図示せず）には、アノード極に対して水素ガスを供給するためのアノード流路６１が形成されており、カソードセパレータ（図示せず）には、カソード極に対して空気（酸化剤ガス）を供給するためのカソード流路６２が形成されている。
なお、電池スタック６の発電中において、アノード流路６１には、カソード流路６２から空気中の窒素が僅かではあるが各セルの電解質膜を通ってリークする。これにより、アノード流路６１中の水素ガス濃度が低下する。これを回避するため、排気排水弁５５を定期的に開弁する。
【００１１】
酸素系２は酸素系供給配管２１ａを備えており、酸素系供給配管２１ａは電池スタック６内のカソード流路６２の導入口６２ａと接続されている。酸素系供給配管２１ａ上には、電池スタック６に向けて順に、エアフィルタ２２、大気中の空気を取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ２３、コンプレッサ２３から圧送された空気の熱を冷却するインタークーラ２４および電池スタック６への空気の供給を遮断又は許容する三方弁３が設けられている。
【００１２】
カソード流路６２の導出口６２ｂには酸素系排出配管２１ｂ（排気管に相当する。）の一端が接続されており、酸素系排出配管２１ｂ上には、２ポートの流体制御弁であるエア調圧弁４が設けられている。なお、エア調圧弁４は、遮断弁とその上流側に設けられる背圧調整弁とにより構成するものに換えることができる。また、三方弁３は３ポートの流体制御弁であって、バイパス管路２１ｃの一端が接続されており、バイパス管路２１ｃの他端は、酸素系排出配管２１ｂのエア調圧弁４よりも下流側部位（電池スタック６が接続されていない側）に接続されている。
【００１３】
一方、燃料系５は、燃料系供給配管５１ａの一端に水素タンク５２が接続されており、燃料系供給配管５１ａ上には調圧弁５３が設けられている。なお、水素タンク５２は、水素ガスを貯蔵するものである。調圧弁５３は、一次側の圧力を降圧して調整するものである。
燃料系供給配管５１ａの他端は、電池スタック６内のアノード流路６１の導入口６１ａと接続されている。アノード流路６１の導出口６１ｂには、燃料系排出配管５１ｂが接続されており、燃料系排出配管５１ｂ上には、電池スタック６に近い側から順に、気液分離器５４、排気排水弁５５および希釈装置５６が設けられている。燃料系排出配管５１ｂは、酸素系排出配管２１ｂとアノード流路６１の導出口６１ｂとを接続する接続管に相当する形態と、もしくは、気液分離器５４を構成する筐体５４ａの壁面を構成する筐体の壁面に内包される形態とがある。
【００１４】
気液分離器５４は、アノード流路６１から導出されるアノードオフガスから生成水を分離するためのものである。すなわち、気液分離器５４には、液体である生成水と、気体である水素ガスとが存在する。具体的には、気液分離器５４よりも上流の燃料系排出配管５１ｂにおいては、アノード極で生成された水は水蒸気状およびミスト状である。水蒸気状およびミスト状の生成水が混合した状態で、気液分離器５４に導入される。気液分離器５４においては、水蒸気分は凝縮し、ミスト分は凝集して液体の生成水となる。液体となった生成水が、一次側流路８８ａの導入口８８ａ４に臨む気液分離器５４の底部分に溜まるようになっている。
なお、気液分離器５４の筐体５４ａの底部には、一次側流路８８ａの導入口８８ａ４に開口する第一排出口５４が設けられるとともに、二次側流路８９ａの導出口８９ａ１に開口する第二排出口５４ｃが設けられている。第二排出口５４ｃは、燃料系排出配管５１ｂを介して希釈装置５６に連通している。
【００１５】
気液分離器５４は、燃料系循環路５１ｃを介して、燃料系供給配管５１ａ上の調圧弁５３とアノード流路６１の導入口６１ａとの間の接続点５１ａ１に接続されている。燃料系循環路５１ｃ上には循環ポンプ５７が設けられている。気液分離器５４に貯留している水素ガスが循環ポンプ５７によりアノード流路６１に送られる。これにより、水素ガスがアノード流路６１（燃料極）に再循環されて利用される。
排気排水弁５５は、アノード流路６１から排出されたアノードオフガスおよび生成水の流通および遮断を行う燃料電池用排気排水弁である。
【００１６】
希釈装置５６は、燃料系排出配管５１ｂと酸素系排出配管２１ｂとの接続箇所に設けられており、排気排水弁５５からのアノードオフガスを酸素系２からの空気により希釈して外部に排出するものである。希釈装置５６は、燃料系排出配管５１ｂから酸素系排出配管２１ｂへの流入部に配管流入部（図示省略）を備えている。配管流入部は円筒状に形成され、軸方向に貫通する複数の孔を備えている。この配管流入部は、例えばφ１．３ｍｍ×１０の孔、φ１．８ｍｍ×７の孔が形成されるのが好ましい。例えば、φ１１×１のものに比べて、気液二層流の音圧を小さくすることができる。
【００１７】
動力系７は、車両を走行させるための電動モータ７１を備えている。電動モータ７１は電池スタック６の正極および負極と接続されており、電池スタック６の発電によって駆動される。
また、冷却系８は冷却ポンプ８１を備え、電池スタック６内に冷却水を循環させて電池スタック６を冷却している。
制御装置（コントローラ）９は、コンプレッサ２３、三方弁３、エア調圧弁４、排気排水弁５５、調圧弁５３、循環ポンプ５７および冷却ポンプ８１と電気的に接続されている。制御装置９は車両の走行状態に応じて算出された電池スタック６の必要な発電量に基づき、これらの各構成要素の作動を制御している。
【００１８】
上述した構成により、車両が運転開始すると、制御装置９はコンプレッサ２３を作動させてカソード流路６２へ空気を供給するとともに、調圧弁５３および循環ポンプ５７を作動させてアノード流路６１へ水素ガスを供給し、電池スタック６において発電を行う。
酸素系２において、エアフィルタ２２を介して吸引された酸素を含んだ空気は、コンプレッサ２３において圧縮された後、インタークーラ２４によって冷却される。三方弁３は、電池スタック６の発電量に応じてバルブ部材の位置を変位させ、インタークーラ２４から供給された空気を分流してバイパス管路２１ｃへ逃すことにより、電池スタック６への空気の流量を制御している。
【００１９】
また、エア調圧弁４は、その開度を調整し電池スタック６内に残存した空気の排出量を調整することにより、電池スタック６内の圧力を制御している。
気液分離器５４からは、発電によって生成された水（生成水）と未使用の水素ガスや窒素ガスとが、排気排水弁５５を介して排出される。排気排水弁５５から排出された水素ガスは、希釈装置５６において、酸素系排出配管２１ｂから供給された空気により希釈化された後、水とともに外部へと放出される。
【００２０】
排気排水弁５５について詳述する。排気排水弁５５は、一次側流路８８ａが水平になるように搭載先（例えば車両）に搭載されている。具体的には、排気排水弁５５は、一次側流路８８ａの中心軸が水平になるように気液分離器５４に取り付けられている。排気排水弁５５は、図２に示すように、弁ケーシング８２と弁機構８３と弁機構８３を駆動させる弁体作動装置８４とを備えている。
【００２１】
弁ケーシング８２は、ボデー部８５とカバー部８６とを有している。ボデー部８５は、例えばガラス繊維でフィラー強化されたポリフェニレンスルファイド樹脂製で、取付部材としての気液分離器５４の筐体５４ａに例えばボルトにより固定されるフランジ部８７と、フランジ部８７に対して直角な方向に突設された管状の第一気液流通部８８と、フランジ部８７に突設されるとともに第一気液流通部８８の周囲に配設された管状の第二気液流通部８９とを備えている。フランジ部８７より第二気液流通部８９が突設され、第二気液流通部８９より先端に向かって（図２にて左方向に向かって）段部を設けて第一気液流通部８８の外周が形成されている。
【００２２】
第一気液流通部８８の先端側には円筒状の第一嵌合部８８ｂが形成され、第一嵌合部８８ｂの基端部に周設された段部には第一軸シール部材９０（例えばＯリング）が第一嵌合部８８ｂの基端部外周を囲むように設けられている。第二気液流通部８９の先端側には円筒状の第二嵌合部８９ｂが形成され、第二嵌合部の基端部に周設された段部には第二軸シール部材９１（例えばＯリング）が第二嵌合部８９ｂの基端部外周を囲むように設けられている。第一気液流通部８８と第二気液流通部８９とは、図３に示すように、第一気液流通部８８が突設された方向に延在する支持壁８０によって相互に固定されている。
【００２３】
第一気液流通部８８には、気液分離器５４に連通する一次側流路８８ａが形成されている。一次側流路８８ａは、弁ケーシング８２に設けられ、アノードオフガスおよび生成水を導入口８８ａ４から内部に導入する。
一次側流路８８ａは、一次側流路導出口８８ａ５に連通するオリフィス８８ａ１と、オリフィス８８ａ１より大径であり、導入口８８ａ４に連通可能である導入流路８８ａ２と、オリフィス８８ａ１と導入流路８８ａ２とを段差をもって接続する段差部８８ａ３と、を備えている。
【００２４】
段差部８８ａ３の傾斜は、一次側流路８８ａの軸方向に直交する平面と平行であることが好ましい。また、段差部８８ａ３の傾斜は、一次側流路８８ａの軸方向に直交する平面に対して所定角度だけ傾斜させるようにしてもよい。所定角度は、例えば１０度までが好ましい。
【００２５】
オリフィス８８ａ１の内径は、１．４〜２ｍｍに設定されるのが好ましい。オリフィス８８ａ１の長さは、１０〜２０ｍｍに設定されるのが好ましい。導入流路８８ａ２の内径は、３〜４．５ｍｍに設定されるのが好ましい。
オリフィス８８ａ１の内径は、１．８〜１．９ｍｍに設定されるのがより好ましく、オリフィス８８ａ１の長さは、１２ｍｍに設定されるのがより好ましい。導入流路８８ａ２の内径は、３．５〜３．８ｍｍに設定されるのがより好ましい。
【００２６】
なお、一次側流路８８ａは、導入流路８８ａ２をさらに段付流路となるように形成してもよい。この場合、導入口８８ａ４側の流路がオリフィス８８ａ１側の流路より大径となるようにしてもよく、導入口８８ａ４側の流路がオリフィス８８ａ１側の流路より小形となるようにしてもよい。また、この場合の段差部も上述した段差部８８ａ３と同様に構成される。
【００２７】
第二気液流通部８９には、希釈装置５６に連通する二次側流路８９ａが複数（本実施形態では３つ）形成されている。二次側流路８９ａは、弁ケーシング８２に設けられ、一次側流路８８ａから導入されたアノードオフガスおよび生成水を導出口８９ａ１から外部に導出する。二次側流路８９ａは、図３に示すように、断面扇状または断面円弧状に形成されている。なお、二次側流路８９ａは、断面円形状に形成するようにしてもよく、この場合、二次側流路８９ａは、複数個設けるのが好ましく、周方向に沿って所定間隔で配設するのが好ましい。
【００２８】
第一気液流通部８８の基端側にはフランジ部８７の中央部に一端面側（図２において右側）を開放して凹設された弁収納部９４が形成されている。弁収納部９４の中央部には一次側流路８８ａが開口するとともに該一次側流路８８ａの開口の周囲には二次側流路８９ａが開口している。一次側流路８８ａの開口縁は内側に向かってテーパ状に小径となるように弁収納部９４側に突設され、該開口縁（一次側流路導出口８８ａ５）には環状の弁座９５が形成されている。弁収納部９４の周囲端面には弁体９７のダイヤフラム部９７ｂの周端部を固定する固定溝９６が周設されている。
【００２９】
フランジ部８７の周端側には気液分離器５４に取付けるための取付穴８７ａと支持板１０３を組付ける組付穴８７ｂとが設けられている。取付穴８７ａ及び組付穴８７ｂの周囲には金属製の雌ねじ部材が夫々埋設されている。
【００３０】
カバー部８６は、例えばナイロン系樹脂製で、円筒状の円筒部８６ａが形成されるとともに、円筒部８６ａの先端部にはコネクタを構成するコネクタ支持部８６ｂがカバー部８６の長手方向に対して直角に突設されている。コネクタ支持部８６ｂにはソレノイド１０１に接続された端子８６ｃが設けられるとともに、図略のソケットに着脱可能に係止する係止爪８６ｄが形成されている。カバー部８６の先端部にはコネクタ支持部８６ｂの取付方向に対して直角な方向に支持帯体１０４が嵌入するガイド溝８６ｅが形成されている。
【００３１】
弁機構８３は、弁体９７と、弁軸としてのプランジャ９８と、前述の弁座９５とから主に構成される。
弁体９７は、例えばゴム製で、弁座９５に接離する弁部９７ａと、弁部９７ａの周囲に一体に形成されたダイヤフラム部９７ｂと、弁部９７ａの裏側に形成された係止部９７ｃとを有し、弁収納部９４に収納されている。
ダイヤフラム部９７ｂの周縁は前述の固定溝９６に嵌入固定され、これらの弁部９７ａ及びダイヤフラム部９７ｂによって、弁収納部９４は一次側流路８８ａの開口側及び二次側流路８９ａの開口側が外気に対して気密状態で隔離される。
【００３２】
プランジャ９８は、例えばフェライト系ステンレス製の磁性体であって、円柱状に形成され、弁体９７側の端部には弁体９７の係止部９７ｃが係止する被係止爪９８ａが形成されている。プランジャ９８において弁体９７とは反対側の端部には、有底のばね収納穴９８ｂがプランジャ９８の軸方向に沿って凹設され、ばね部材１０２が収納される。このプランジャ９８は弁体作動装置８４の可動子としての役割を担う。
【００３３】
弁体作動装置８４は、前述のプランジャ９８、プランジャをガイドするスリーブ９９、コア部材１０６、ソレノイド１０１、ヨーク部材等より構成される。
スリーブ９９は、例えば非磁性体であるオーステナイト系ステンレス鋼製で、有底円筒状のガイド部９９ａとガイド部９９ａの開口端部にガイド部９９ａの軸方向に対して直交する径方向外側に延在する取付フランジ部９９ｂとを有している。取付フランジ部９９ｂは、弁収納部９４の周縁に弁体９７のダイヤフラム部９７ｂを介して密着するように設けられる。ガイド部９９ａには弁体９７が固定されたプランジャ９８が摺動可能に設けられ、弁体９７の弁部９７ａが弁座９５に対して接離するようになっている。また、前記ばね収納穴９８ｂに圧縮されて収納されたばね部材１０２の先端部がスリーブ９９の底部分に当接するとともに、ばね部材１０２の基端部がばね収納穴９８ｂの底部分に当接することで、プランジャ９８及び弁体９７を弁座９５に向かって付勢している。
【００３４】
スリーブ９９は、支持板１０３を介して例えばボルト１０７によりボデー部８５に固定される。支持板１０３は、例えば磁性体である電磁ステンレス鋼製で形成されている。支持板１０３は、支持帯体１０４を支持する支持穴（図示省略）と支持板１０３をボデー部８５に組付ける組付穴１０３ｂとスリーブ９９のガイド部９９ａが貫通する貫通穴１０３ｃとが設けられている。
【００３５】
ソレノイド１０１はボビン１０５に巻回され、ボビン１０５には作動穴１０５ａが貫設されている。ソレノイド１０１のプラス極及びマイナス極の端部は図略の電源に接続され、制御装置９の指令によって所定電流が印加される。ソレノイド１０１及びボビン１０５は前記カバー部８６の内周壁部に一体成型により配設されている。ボビン１０５の作動穴１０５ａには一端（弁体９７）側よりスリーブ９９のガイド部９９ａが挿入され、ボビン１０５の作動穴１０５ａの他端側より円柱状のコア部材１０６が挿入されている。
【００３６】
コア部材１０６は、例えば磁性体であるフェライト系ステンレス製で、挿入された先端部がスリーブ９９の底部分に当接する。コア部材１０６の基端部側（図２において右端側）には係止フランジ１０６ａが設けられ、ボビン１０５の作動穴１０５ａの一端縁（弁体９７の反対側）に係止される。コア部材１０６の基端部は、コ字状に屈曲成型された支持帯体１０４によって支持固定される。
【００３７】
支持帯体１０４は、例えば磁性体である電磁ステンレス鋼製で、両側が直角に屈曲された中央部分には、コア部材１０６の基端部が嵌入する嵌入穴１０４ａが形成されている。支持帯体１０４は、図示しない係合構造によって支持板１０３に係合されるようになっている。このとき、支持板１０３と支持帯体１０４とに挟持されて、カバー部８６及びコア部材１０６は、ボデー部８５に組付け固定される。なお、支持板１０３及び支持帯体１０４は、磁力線が漏れるのを防ぐヨークとしての役目を担っている。
【００３８】
次に、上記のように構成された排気排水弁５５の作動について説明する。
ソレノイド１０１が非通電状態であるとき、図２に示すように、ばね部材１０２によって弁座９５方向にプランジャ９８及び弁体９７が付勢され、弁体９７の弁部９７ａが弁座９５に当接した状態になっている。一次側流路８８ａと、二次側流路８９ａが開口する弁収納部９４とは、弁部９７ａによって流通が遮断された状態となっている。すなわち、排気排水弁５５は、一次側流路８８ａと二次側流路８９ａとが遮断される閉弁状態である。
なお、一次側流路８８ａの圧力は二次側流路８９ａよりも高い。例えば圧力差は約３０〜２００ｋＰａである。
【００３９】
燃料電池の運転状態（発電出力や発電時間など）によって気液分離器５４に貯留される貯留水が算出できる。予め決められた貯留水量（所定水量）になった時、排気排水弁５５が開弁される。すなわち、制御装置９は、ソレノイド１０１に電流を印加させてソレノイド１０１を通電状態とし、コア部材１０６にプランジャ９８を吸着する方向の磁力を発生させる。これにより、プランジャ９８が、ばね部材１０２の付勢力に抗しながらスリーブ９９内を移動してコア部材１０６側に吸着される。そして、弁体９７が弁座９５より離間して、一次側流路８８ａと二次側流路８９ａとが連通し、一次側流路８８ａの生成水および水素ガスが二次側流路８９ａに流れ出す。気液分離器５４中のアノードオフガス等の圧力によって、生成水が二次側流路８９ａに流れ出して排出される。
【００４０】
詳述すると、生成水が溜まった状態で排気排水弁５５が開弁されると、生成水（液体）が排出されるとともに、アノードオフガス（気体）が同時に流れる（気液二層流）。このとき、一次側流路８８ａは、オリフィス８８ａ１と導入流路８８ａ２とを段差をもって接続する段差部８８ａ３が設けられているので、アノードオフガス（気体）と生成水とが流れる際（気液二層流の際）には、スラグ流でなく環状流が発生している。すなわち、開弁した際に、スラグ流の発生を抑制することとなり、異音の発生を抑制することができる。なお、スラグ流は、波状に脈動する流れである。環状流は、管内壁に沿って液体が一様な厚みをもつ環状の流れである。
【００４１】
開弁した際の実験データ（音圧測定データ）を、図４に示す。縦軸に音圧、横軸に時間を示す。実験データは、開弁開始時刻ｔ０から時刻ｔ１までの気液二層流（排水完了前）と、その後時刻ｔ１から時刻ｔ２まで水滴が混流する水滴混流（排水完了後に水滴が混じる）とを示している。なお、この実験では、排水は所定量（例えば５ｍｌ）であり、気液分離器５４からの排水の完了前の状態を再現している。実験用の排水は、予め気液分離器５４に貯められている。
図４から明らかなように、開弁開始時刻ｔ０から時刻ｔ１までの気液二層流において、環状流が発生するため、音圧はＡ１から−Ａ１までの範囲に収まっている。また、音圧は、ほとんど脈動していないか、あるいは脈動しても小さく抑制されている。
【００４２】
比較例として、従来技術の場合の実験データを、図５に示す。縦軸に音圧、横軸に時間を示す。なお、排水は所定量（例えば５ｍｌ）である。また、比較例の一次側流路８８ａは、特開２００１３−０９３２５６号公報に示されているように、導入流路は導入口からオリフィスに向かって先細のテーパ状に形成されるとともに、導入流路とオリフィスとの間に段差部は形成されていない。
図５から明らかなように、開弁開始時刻ｔ０から時刻ｔ１までの気液二層流において、環状流ではなくスラグ流が発生するため、音圧はＡ２から−Ａ２までの範囲を超える場合がある。また、音圧は大きく脈動している。Ａ２はＡ１より大きく、−Ａ２は−Ａ１より小さい。
【００４３】
このように、本願発明によれば、排気排水弁５５を開弁した際、開弁開始時刻ｔ０から時刻ｔ１までの流れ始め（気液二層流状態）において、音圧は、Ａ２から−Ａ２までの範囲を超えている比較例と比較して、Ａ１から−Ａ１までの範囲に低減している。
【００４４】
さらに、オリフィス８８ａ１の長さ、導入流路８８ａ２の内径の最適値について実験データを示す。
なお、オリフィス８８ａ１の内径は、一回の開弁に際して排出すべき所定流量（予め設定されている）、開弁時間（予め設定されている）、オリフィス８８ａ１における差圧から設定されている。例えば、排出すべき所定流量が約４０ＮＬ／ｍｉｎ（気体空気換算）であり、開弁時間が１．５秒であり、差圧が３３ｋＰａである場合、オリフィス８８ａ１の内径は、１．４〜２ｍｍに設定されるのが好ましい。オリフィス８８ａ１の内径は、１．８〜１．９ｍｍに設定されるのがより好ましい。例えば、オリフィス８８ａ１の内径が２．５ｍｍ以上に設定された場合、気液二層流の音圧は小さくできるが、流量が所定流量より大きくなったり、低周波音が大きく成ったりするという問題がある。一方、オリフィス８８ａ１の内径が１．２ｍｍ以下に設定された場合、気液二層流の音圧は小さくできるが、流量が所定流量より小さくなるという問題がある。
【００４５】
オリフィス８８ａ１の長さは、１０〜２０ｍｍに設定されるのが好ましい。図４に示した実験データと同様に、開弁した際の実験データをオリフィス８８ａ１の長さを変えて取得する。なお、オリフィス８８ａ１の内径は１．８５ｍｍであり、導入流路８８ａ２の内径は３．８ｍｍである。実験データを図６に示す。
【００４６】
図６には、オリフィス８８ａ１の長さが８ｍｍ、１２ｍｍおよび２０ｍｍのデータが左から順番に示されている。長さ毎に気液二層流および水滴混流の音圧（ピーク値）が示されている。いずれの音圧も、図５に示す従来技術と比較して小さく抑えられている。また、オリフィス８８ａ１の長さが長いほど気液二層流の音圧を小さく抑制することができる。一方で、オリフィス８８ａ１の長さが長いほど水滴混流の音圧は大きくなる。この結果から、オリフィス８８ａ１の長さは、１０〜２０ｍｍに設定されるのが好ましく、気液二層流と水滴混流とのバランスを考慮すると、１２ｍｍに設定されるのがより好ましい。
【００４７】
また、導入流路８８ａ２の内径は、３〜４．５ｍｍに設定されるのが好ましい。図４に示した実験データと同様に、開弁した際の実験データを導入流路８８ａ２の内径を変えて取得する。なお、オリフィス８８ａ１の内径は１．８５ｍｍであり、オリフィス８８ａ１の長さは１２ｍｍである。実験データを図７に示す。
【００４８】
図７には、導入流路８８ａ２の内径が３．０ｍｍ、３．５ｍｍ、３．８ｍｍおよび４．５ｍｍのデータが左から順番に示されている。内径毎に気液二層流および水滴混流の音圧（ピーク値）が示されている。いずれの音圧も、図５に示す従来技術と比較して小さく抑えられている。また、導入流路８８ａ２の内径が小さいほど気液二層流の音圧を小さく抑制することができる。一方で、水滴混流の音圧は、導入流路８８ａ２の内径が３．５ｍｍおよび３．８ｍｍである場合を底に、これより内径が小さくなるほどまたは大きくなるほど、大きくなっている。この結果から、導入流路８８ａ２の内径は、３〜４．５ｍｍに設定されるのが好ましく、３．５〜３．８ｍｍに設定されるのがより好ましい。
【００４９】
上述した説明から明らかなように、本実施形態の排気排水弁５５は、燃料電池６のカソード流路６２の導出口６２ｂに接続された排気管（酸素系排出配管２１ｂ）と燃料電池６のアノード流路６１の導出口６１ｂとを接続する接続管（燃料系排出配管５１ｂ）もしくは相当する部分に設けられ、アノード流路６１から排出されたアノードオフガスおよび生成水の流通および遮断を行う排気排水弁である。排気排水弁５５は、弁ケーシング８２と、弁ケーシング８２に設けられ、アノードオフガスおよび生成水を導入口８８ａ４から内部に導入する一次側流路８８ａと、弁ケーシング８２に設けられ、一次側流路８８ａから導入されたアノードオフガスおよび生成水を導出口から外部に導出する二次側流路と、一次側流路８８ａの導出口である一次側流路導出口８８ａ５に形成された弁座９５と、弁座９５に対して進退移動し、弁座９５と接離可能な弁部９７ａが形成された弁体９７と、を備えている。一次側流路８８ａは、一次側流路導出口８８ａ５に連通するオリフィス８８ａ１と、オリフィス８８ａ１より大径であり、導入口８８ａ４に連通可能である導入流路８８ａ２と、オリフィス８８ａ１と導入流路８８ａ２とを段差をもって接続する段差部８８ａ３と、を備えている。
【００５０】
これによれば、一次側流路８８ａは、オリフィス８８ａ１と導入流路８８ａ２とを段差をもって接続する段差部８８ａ３が設けられているので、アノードオフガス（気体）と生成水とが流れる際には（気液二層流の際）、スラグ流でなく環状流を発生させることが可能となる。すなわち、排気排水弁５５を開弁した際に、スラグ流の発生を抑制することとなり、異音の発生を抑制することができる。
【００５１】
また、排気排水弁５５は、一次側流路８８ａが水平になるように搭載先に搭載されている。
これによれば、特にスラグ流が発生しやすい排気排水弁５５の水平配置においても、環状流を発生させることが可能となり、異音の発生を抑制することができる。
【００５２】
また、導入流路８８ａ２の内径は、３〜４．５ｍｍに設定されている。
これによれば、排気排水弁５５を開弁した際に発生する異音をより低減することができる。
【００５３】
また、オリフィス８８ａ１の内径は、１．４〜２ｍｍに設定されるとともに、オリフィス８８ａ１の長さは、１０〜２０ｍｍに設定されるのが好ましい。
これによれば、排気排水弁５５を開弁した際に発生する異音をより低減することができる。
【００５４】
また、導入流路８８ａ２の内径は、３．５〜３．８ｍｍに設定されるとともに、オリフィス８８ａ１の内径は、１．８〜１．９ｍｍに設定されるとともに、オリフィス８８ａ１の長さは、１２ｍｍに設定されるのが好ましい。
これによれば、排気排水弁５５を開弁した際に発生する異音をより低減することができる。
【００５５】
なお、本実施形態において、弁ケーシングを樹脂製としたが、これに限定されず、例えばアルミ製でもよい。また、弁ケーシングのボデー部をガラス繊維でフィラー強化されたポリフェニレンスルファイド樹脂としたが、これに限定されず、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの公知の樹脂材料を使用することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、取付部材を気液分離器としたが、これに限定されず、燃料電池の燃料ガス排出口と希釈装置との間の配管に設けられる部品・装置であればよい。
【００５７】
また、弁体作動装置は、電磁ソレノイドによるものとしたが、これに限定されず、例えば、リニアモータ、空気圧や油圧によるアクチュエータでもよい。
【符号の説明】
【００５８】
６…燃料電池（電池スタック）、５４…取付部材（気液分離器）、５４ａ…筐体、５５…排気排水弁、５６…希釈装置、６３…燃料ガス排出口、８２…弁ケーシング、８８…第一気液流通部、８８ａ…一次側流路、８８ａ１…オリフィス、８８ａ２…導入流路、８８ａ３…段差部、８８ｂ…第一嵌合部、８９…第二気液流通部、８９ａ…二次側流路、８９ｂ…第二嵌合部、９５弁座、９７…弁体、９７ａ…弁部。
【図１】
2016207538.tif 000003
【図２】
2016207538.tif 000004
【図３】
2016207538.tif 000005
【図６】
2016207538.tif 000006
【図７】
2016207538.tif 000007
【図４】
2016207538.tif 000008
【図５】
2016207538.tif 000009