(57)【要約】【課題】車両用燃料電池システムにおいて、管路に配置されるバタフライ弁の取付方向により、管路を流れる反応ガスがより円滑に流れることができるようにする。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１２の側面に設けられ、燃料電池１２から排出される排出空気を集積するマニホールド４０と、これに接続され、燃料電池１２の側面と平行に伸長する排出管路２０と、これに設けられたバタフライ弁３４とを有する。バタフライ弁３４は、マニホールド４０の長手方向における中心４０ａと排出管路２０の管軸２０ａとにより規定される平面４２に対し、バタフライ弁３４の弁軸３６が垂直になるように設けられている。これにより、マニホールド４０の長手方向における排出空気の流体抵抗のバラつきが抑制され、排出空気が円滑に流れる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の側面に設けられ、前記燃料電池から排出される反応ガスを集積するマニホールドと、
前記マニホールドに接続され、前記燃料電池の側面と平行に伸長する排出管路と、
前記排出管路に設けられ、前記燃料電池に供給される反応ガスの電池入口圧力を制御するバタフライ弁と、
を備え、
前記マニホールドから前記バタフライ弁まで前記排出管路を流れる反応ガスの流体抵抗が小さくなる方向に開弁するように前記バタフライ弁が前記排出管路に設けられている、
ことを特徴とする車両用燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用燃料電池システムにおいて、
前記マニホールドの長手方向における中心と前記排出管路の管軸とにより規定される平面に対し、前記バタフライ弁の弁軸が垂直になるように前記バタフライ弁が前記排出管路に設けられている、
ことを特徴とする車両用燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用燃料電池システムにおいて、
前記排出管路から遠い前記マニホールドの一端側に位置する前記バタフライ弁の羽根が下流に向かって回動し、前記排出管路から近い前記マニホールドの他端側に位置する前記バタフライ弁の羽根が上流に向かって回動するように前記バタフライ弁が前記排出管路に設けられている、
ことを特徴とする車両用燃料電池システム。
【請求項４】
単位セルを複数積層して構成される燃料電池と、
前記燃料電池の側面に設けられ、前記燃料電池から排出される反応ガスを集積するマニホールドと、
前記マニホールドに接続され、前記燃料電池の側面と平行に伸長する排出管路と、
前記排出管路に設けられ、前記燃料電池に供給される反応ガスの電池入口圧力を制御するバタフライ弁と、
を備え、
前記単位セルの積層方向に対し、前記バタフライ弁の弁軸が垂直になるように前記バタフライ弁が前記排出管路に設けられている、
ことを特徴とする車両用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用燃料電池システム、特に燃料電池に供給される反応ガスの電池入口圧力を制御するバタフライ弁を備えた車両用燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスである燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）とを電気化学反応させて発電を行なう装置であり、これに反応ガスを供給する供給手段を備えた燃料電池システムが知られている。
【０００３】
この燃料電池システムに用いられる燃料電池には、電極として燃料極と空気極とが設けられており、燃料極に燃料ガスが、空気極に空気がそれぞれの供給手段により供給される。
【０００４】
下記特許文献１には、空気が空気極に供給される際の空気の入口圧力を制御する方法として、燃料電池から排出される排出空気の排出管路にバタフライ弁を配置し、このバタフライ弁の開閉動作により空気極の空気の入口圧力を制御する技術が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、車両に搭載される機器の設置スペースは限定される。当然に、車両に搭載される燃料電池システムの設置スペースも限定される。このため、燃料電池システムを構成する機器はそれらの機器の間のスペースを小さくして配置される。例えば、上述したバタフライ弁は、燃料電池から排出される排出空気を集積するマニホールドに接続する排出管路の部分であって、マニホールドに近接する部分に配置される。このため、バタフライ弁の上流側に位置するマニホールドの形状と、バタフライ弁の羽根の回動方向との関係により、排出空気が円滑に流れにくくなるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、管路に配置されるバタフライ弁の取付方向により、管路を流れる反応ガスがより円滑に流れることができる車両用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】
【０００８】
本発明は、燃料電池と、前記燃料電池の側面に設けられ、前記燃料電池から排出される反応ガスを集積するマニホールドと、前記マニホールドに接続され、前記燃料電池の側面と平行に伸長する排出管路と、前記排出管路に設けられ、前記燃料電池に供給される反応ガスの電池入口圧力を制御するバタフライ弁と、を備え、前記マニホールドから前記バタフライ弁まで前記排出管路を流れる反応ガスの流体抵抗が小さくなる方向に開弁するように前記バタフライ弁が前記排出管路に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記マニホールドの長手方向における中心と前記排出管路の管軸とにより規定される平面に対し、前記バタフライ弁の弁軸が垂直になるように前記バタフライ弁を前記排出管路に設けることができる。
【００１０】
さらに、前記排出管路から遠い前記マニホールドの一端側に位置する前記バタフライ弁の羽根が下流に向かって回動し、前記排出管路から近い前記マニホールドの他端側に位置する前記バタフライ弁の羽根が上流に向かって回動するように前記バタフライ弁を前記排出管路に設けることができる。
【００１１】
また、別の発明は、単位セルを複数積層して構成される燃料電池と、前記燃料電池の側面に設けられ、前記燃料電池から排出される反応ガスを集積するマニホールドと、前記マニホールドに接続され、前記燃料電池の側面と平行に伸長する排出管路と、前記排出管路に設けられ、前記燃料電池に供給される反応ガスの電池入口圧力を制御するバタフライ弁と、を備え、前記単位セルの積層方向に対し、前記バタフライ弁の弁軸が垂直になるように前記バタフライ弁が前記排出管路に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の車両用燃料電池システムによれば、管路に配置されるバタフライ弁の取付方向により、管路を流れる反応ガスがより円滑に流れることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る車両用燃料電池システムの実施形態について、図を用いて説明する。
【００１４】
まず、燃料電池システム１０の概略構成について図１を用いて説明する。燃料電池システム１０は、２種の反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行なう燃料電池１２を有する。なお、本実施形態の燃料電池システム１０に用いられる燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは空気である。
【００１５】
燃料電池１２には、これの燃料極（図示せず）に燃料ガスを供給する燃料ガス管路（以降、水素管路と記す）１４と、燃料電池１２の空気極（図示せず）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス管路（以降、空気管路と記す）１６とが接続されている。
【００１６】
また、燃料電池１２には、燃料極から排出される排出燃料ガス（アノードオフガス）を水素管路１４に戻し、そのアノードオフガスを燃料電池１２に循環させる循環管路１８と、空気極から排出される排出酸化剤ガス（排出空気）を外部へ放出する排出管路２０とが接続されている。
【００１７】
燃料電池１２は、例えばフッ素樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜を有する固体高分子型の燃料電池である。この電池の単位セル（図示せず）は、電解質膜を燃料極と空気極とで挟んで構成される膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を、二枚のセパレータで更に挟んで構成される。この単位セルを複数積層することにより、燃料電池１２が構成される。
【００１８】
燃料電池システム１０は、燃料ガスを燃料電池１２に供給する供給源として、貯蔵タンク２２を有する。貯蔵タンク２２は、燃料ガスを高圧状態にして貯蔵する。貯蔵タンク２２と燃料電池１２とは、水素管路１４で接続される。水素管路１４には、貯蔵タンク２２の近傍に燃料ガス制御弁２４が取り付けられている。燃料ガス制御弁２４は、燃料電池１２に要求される電力に応じて、貯蔵タンク２２から燃料電池１２に供給される燃料ガスの流量及び圧力を制御する。
【００１９】
また、水素管路１４には、燃料ガス制御弁２４の下流側に循環管路１８が接続されている。循環管路１８には、燃料電池１２から水素管路１４に接続する部分までの間に、気液分離装置２６と循環装置２８とが順に設けられている。燃料電池１２から排出されるアノードオフガスには、未反応の燃料ガスと、電気化学反応により生成される水（水蒸気も含む）とが含まれる。気液分離装置２６は、アノードオフガスに含まれる水を分離する。気液分離装置２６には、分離された水を排水する排水弁３０が接続されており、この排水弁３０には、上述した排出管路２０が接続されている。循環装置２８は、ポンプ（図示せず）を内蔵し、このポンプの動作により、燃料電池１２から排出されるアノードオフガスを水素管路１４に送り出す。
【００２０】
燃料電池１２の空気極の入口側に接続する空気管路１６は、その端部を外部に開放している。空気管路１６には、空気ポンプ３２が設けられ、この空気ポンプ３２の動作により、外部から燃料電池１２に空気が供給される。
【００２１】
燃料電池１２の空気極の出口側に接続する排出管路２０は、その端部を外部に開放している。排出管路２０には、燃料電池１２の近傍に排出空気制御弁３４が取り付けられている。排出空気制御弁３４は、燃料電池１２に要求される電力に応じて、燃料電池１２に供給される空気の圧力を制御する。なお、本実施形態における排出空気制御弁３４は、バタフライ弁であり、以降、この弁をバタフライ弁３４と記す。
【００２２】
また、排出管路２０には、バタフライ弁３４の下流側に希釈装置３５が設けられている。希釈装置３５は、上述した排水弁３０にも排出管路２０を介して接続されている。希釈装置３５は、燃料ガス系統の管路、すなわち水素管路１４と循環管路１８の２つの管路をパージするときに、上述した気液分離装置２６から排水弁３０を介して排出される燃料ガスを排出空気により希釈し、燃料ガスの濃度を低下させて外部に排出する。
【００２３】
次に、本実施形態における燃料電池１２の空気極の出口付近の構成について図２を用いて説明する。
【００２４】
燃料電池１２は、上述したように複数の単位セルを積層しており、この積層した単位セルでスタック１２ａを形成する。そして、スタック１２ａは、エンドプレート１２ｂにより挟持される。一方のエンドプレート１２ｂの側面には、その上部にマニホールド４０が設けられている。マニホールド４０は、横長形状の集合管であり、スタック１２ａから排出される排気空気を集積する。マニホールド４０の長手方向における中心に対してずれた位置に排出管路２０が接続されている。排出管路２０は、エンドプレート１２ｂに対し略垂直にマニホールド４０から伸びて、直ちにエンドプレート１２ｂに対し略平行に下向き（図中、矢印Ａ方向）に屈曲している。下向きに屈曲し伸長した排出管路２０には、バタフライ弁３４が設けられ、それ以降に希釈装置（図示せず）が接続される。
【００２５】
本発明にかかるバタフライ弁３４は、マニホールド４０からバタフライ弁３４までの区間の排出管路２０を流れる排出空気の流体抵抗が小さくなる方向に開弁するように設けられていることを特徴とする。具体的には、図３を用いて以下に説明する。
【００２６】
図３は、図２の矢印Ａ方向から見た図である。燃料電池１２から排出される排出空気は、マニホールド４０において矢印に示すように集積され、排出管路２０に流れる。排出管路２０には、バタフライ弁３４が設けられている。バタフライ弁３４は、マニホールド４０において集積された排出空気の流体抵抗が小さくなるように設けられている。すなわち、バタフライ弁３４は、マニホールド４０の長手方向における中心４０ａと、下向きに屈曲した排出管路２０の管軸２０ａとを結ぶ直線の集合により規定される平面４２に対し、バタフライ弁３４の弁軸３６が垂直になるように設けられている。この構成により、バタフライ弁３４の開度による排出空気の流体抵抗のバラつきがマニホールド４０の長手方向において抑制されるので、排出空気が排出管路２０を円滑に流れることができる。このとき、バタフライ弁３４の弁軸３６を駆動するモータ（図示せず）は、設置スペースを考慮して、紙面右側、すなわちマニホールド４０の端が近いほうに配置されるのが好適である。
【００２７】
図４は、図２の矢印Ａ方向から見た別の図である。図３と同様に、燃料電池１２から排出される排出空気は、マニホールド４０において矢印に示すように集積され、排出管路２０に流れる。排出管路２０には、バタフライ弁３４が設けられている。このバタフライ弁３４も、図３と同様に、マニホールド４０において集積された排出空気の流体抵抗が小さくなるように設けられている。しかし、図３と異なる点は、バタフライ弁３４が図３に示されるバタフライ弁３４より容易に取り付け方向を決定することができる点である。すなわち、バタフライ弁３４は、単位セルの積層方向（図中、Ｂ方向）に対し、バタフライ弁３４の弁軸３６が垂直になるように設けられていることである。この構成により、バタフライ弁３４を取り付ける際の調整が容易になると共に、バタフライ弁３４の開度による排出空気の流体抵抗のバラつきが上述のようにマニホールド４０の長手方向において抑制される。その結果、排出空気が排出管路２０を円滑に流れることができる。
【００２８】
図５は、別の実施形態において排出管路２０に設けられたバタフライ弁３４を示す図である。このバタフライ弁３４は、弁軸３６がエンドプレート１２ｂに対し略垂直になるように排出管路２０に設けられている。そして、バタフライ弁３４は、弁軸３６に固定される羽根３８が図中の矢印の方向に回動するように設けられている。すなわち、排出管路２０から遠いマニホールド４０の一端側に位置する羽根３８が下流に向かって回動し、排出管路２０から近いマニホールド４０の他端側に位置する羽根３８が上流に向かって回動するようにバタフライ弁３４が排出管路２０に設けられている。マニホールド４０の長手方向における断面形状が同一の場合、排出管路２０から遠いマニホールド４０の部分を流れる排出空気は、排出管路２０から近いマニホールド４０の部分を流れる排出空気に比べ流体抵抗が大きい。バタフライ弁３４の羽根３８が上述のように排出管路２０から遠いマニホールド４０の一端側に位置する羽根３８が下流に向かって回動することにより、流体抵抗が大きい側から流れてくる排気空気を円滑に流すことができる。
【００２９】
次に、バタフライ弁３４の取り付け構造について図６を用いて説明する。図６に示されるように、排出管路２０におけるバタフライ弁３４の設置部分が断面Ｖ字のソケット構造になっている。バタフライ弁３４は、そのソケット構造に対応する弁箱３４ａを有する。弁箱３４ａには、シール部３９が２箇所設けられている。各シール部３９は、排出管路２０の筒部に当接し、密着するように弁箱３４ａの外周に沿って筒状に設けられている。このような構成により、マニホールド４０と希釈装置３５との間を排出管路２０で接続した後に、バタフライ弁３４を排出管路２０に取り付けることができる。
【００３０】
本実施形態においては、空気極の入口圧力を制御するために、空気極の出口側に設けられるバタフライ弁３４の取り付け構造について説明したが、これに限らず、燃料極の入口圧力を制御するために、燃料極の出口側に設けられるバタフライ弁の取り付け構造にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】燃料電池システムを示す概略図である。
【図２】燃料電池の空気極の出口側付近を示す図である。
【図３】図２の矢印Ａ方向から見た図である。
【図４】図２の矢印Ａ方向から見た別の図である。
【図５】バタフライ弁の羽根の回動方向の一例を示す図である。
【図６】バタフライ弁の取り付け詳細図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  燃料電池システム、１２  燃料電池、２０  排出管路、２０ａ  管軸、３４  排出空気制御弁（バタフライ弁）、３６  弁軸、３８  羽根、４０  マニホールド。
【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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