JP2005310553A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムに設けられる各種の制御バルブで発生する震動・騒音を低減する。
【解決手段】燃料電池システムにおいて、燃料電池１と、上記燃料電池１に流れるガスの流量を制御する制御バルブ３、４と、上記制御バルブ３、４を上記燃料電池１の外面に保持する保持部材と、を備える。上記保持部材は、震動減衰部材５を含むようにしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料ガス中の水素を電気化学反応により酸化することで発電する。燃料電池の反応は、電極中の触媒の作用により生じるため、上記反応自体に騒音は発生しない。しかし、燃料電池では、燃料ガス、燃料を酸化するための酸化剤ガス、または、燃料電池の温度を制御するための冷媒である水等の液体（以下、これらの気体および液体を流体という）の流量を制御するため、多数の制御バルブが使用される。

これらの制御バルブは、弁の開閉または弁の移動による開口部分の開度の変更により通過する流体の流量を制御する。したがって、そのバルブの開閉動作により制御バルブには震動が発生し、周囲への騒音を引き起こす。また、そのような震動が電気系の回路基板に伝達されると、その震動により半田付け部分が破壊されるおそれがある。

従来の燃料電池システムにおいて、制御バルブの震動を積極的に低減する技術は提案されていない。従来は、例えば、空気調圧弁に接続された排気管を補助金具で固定する技術、あるいは、配管そのものをゴムホースとすることで調圧弁の震動・騒音を軽減する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この技術では、配管の震動・騒音および配管を通じた震動の伝搬は抑制されるものの調圧弁そのものの震動は抑制されていない。

また、この技術では、ゴムホースにより震動の伝達を抑制するため、ゴムホースとして所定以上の長さ（震動を吸収し減衰させるための伝導距離）を必要とする。このため、燃料電池システムの大きさを極力小さくしたいという用途には適用することが困難であった。
特開２００２−３７３６８７号公報 特開平９−１９９１５０号公報

本発明の目的は、燃料電池システムに設けられる各種の制御バルブで発生する震動・騒音を低減する技術を提供することにある。また、本発明の目的は、そのような震動・騒音を低減するための構成要素を極力小さくし、効率的に震動・騒音を低減することにある。

本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池と、上記燃料電池に流れる流体の流量を制御する制御バルブと、上記制御バルブを上記燃料電池の外面に保持する保持部材と、を備えるものである。

この燃料電池システムは、制御バルブを上記燃料電池の外面に保持する保持部材を備えるので、制御バルブを燃料電池とほぼ一体化して固定できる。したがって、燃料電池の重量により、制御バルブに発生する震動および騒音を減衰できる。

上記保持部材は、上記制御バルブに発生する振動を緩和する震動減衰部材を介して上記制御バルブの外面を上記燃料電池に保持するようにしてもよい。

この燃料電池システムの保持部材は、上記制御バルブに発生する振動を緩和する震動減衰部材を介して上記制御バルブの外面を上記燃料電池に保持するので、さらに効果的に、制御バルブに発生する振動を減衰できる。

また、この燃料電池システムは、記燃料電池と上記制御バルブの上記燃料電池側の開口とを接続する管部とをさらに備え、上記震動減衰部材は、上記燃料電池に接触する面と上記制御バルブに接触する面との間に上記管部を挿通する孔部を有し、その孔部内面が上記管部外面に接触する構成としてもよい。

このような構成により、管部を介して燃料電池の開口部付近に接続される制御バルブについても、発生する震動および騒音を低減できる。また、その管部に伝達される震動が騒音として外部空間に伝達されるのを抑制できる。

本発明によれば、燃料電池システムに設けられる各種の制御バルブで発生する震動・騒音を低減することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

＜第１実施形態＞
以下、図１に基づいて本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図１に示すように、この燃料電池システムは、燃料電池本体１と、燃料電池本体１の空気極側に空気を供給するエアポンプ８と、エアポンプ８の上流側に空気を導入する空気供給通路１０と、空気極側のガス排出口に接続され空気極に供給された空気の圧力を調整する調圧弁３と、調圧弁３からの排出ガスを排出するガス排出通路１１と、排出ガス中の水蒸気をエアポンプ８の上流側に循環させる循環弁４と、ガス排出通路１１を通過する排出ガスを循環弁４の入口側に供給する循環通路１２Ａと、循環弁４の出口側をエアポンプ８の上流側に接続する循環通路１２Ｂとを有している。なお、図１では、水素極側に接続される燃料ガス系の構成要素は省略されている。

燃料電池本体１は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを含むセルを直列に接続し、複数階層に積層した積層体（セルスタックと呼ばれる）から構成される。膜−電極接合体は、水素をプロトンと電子に分離する水素極と、水素極で生成されたプロトンを空気極に伝導する電解質膜と、空気極に伝導したプロトンと酸素と外部回路を通じて水素極から伝導した電子により水を生成する空気極とを含む。燃料電池本体１は、膜−電極接合体およびセパレータからなるセルスタックを多数の階層に渡って有するため、他の燃料電池部品に比べて重量がある（例えば、１００ｋｇ程度）。

エアポンプ８は、空気供給通路１０より供給される空気および循環弁４より供給される水蒸気を燃料電池本体１の空気極側に設けられた不図示の空気室に供給する。空気室の空気は酸化剤として、燃料電池本体１内の空気極においてプロトンから水を生成する反応に使用される。

調圧弁３は、弁の開度により、燃料電池本体１内の空気室の圧力を制御する。調圧弁３
が本発明の制御バルブに相当する。そのため、調圧弁３は、目標圧力あるいはエアポンプ８からの流量に応じて、不図示の制御装置により、開度が設定され、変更される。このため、調圧弁の外面を構成する筐体には調圧弁３の開度の変更に伴う振動が発生する。

本実施形態では、図１に示すように調圧弁３は、締め具７によりゴムマウント５Ａを介して燃料電池本体１の外面に押圧されている。締め具７は、例えば、雄ネジと雌ネジの組み合わせにより構成される。ネジを締め付けることにより調圧弁３の筐体外面を燃料電池本体１の方向に引きつけ、ゴムマウント５Ａを燃料電池本体１の外面に押圧する。

ゴムマウント５Ａは、調圧弁３で発生した震動を調圧弁３の筐体から吸収し、減衰させる。ゴムマウント５Ａは、板状体であり、一方の面が燃料電池本体１に接触し、他方の面が調圧弁３に接触して使用される。このゴムマウント５Ａには、板状体の略中央付近において一方の面から他方の面に貫通する孔部が設けられている。この孔部には、燃料電池本体１の空気室と調圧弁３とを接続する配管（本発明の管部に相当）が挿通され、孔部内面が配管外壁に接触する。

なお、ゴムマウント５Ａには一定限度で熱伝導性がある。したがって、この配管の長さを短くとり、ゴムマウント５Ａの厚みを十分に薄くすることによって燃料電池本体１のセルスタックで発生する熱を調圧弁３に伝達でき、氷点以下においても、調圧弁３の凍結を防止することができる。

循環弁４は、弁の開閉により、排出ガスに含まれる水蒸気（および窒素等）をエアポンプ８の上流側に循環させる。循環弁４が本発明の制御バルブに相当する。循環弁４は、不図示の制御装置により目標流量を設定され、その目標流量に応じて開閉状態が制御される。このため、調圧弁の外面を構成する筐体には循環弁４の開閉に伴う振動が発生する。

本実施形態では、図１に示すように循環弁４も、調圧弁３と同様、締め具７によりゴムマウント５Ｂを介して燃料電池本体１の外面に押圧されている。すなわち、締め具７のネジを締め付けることにより循環弁４の筐体側面（開口部のない面）を燃料電池本体１の方向に引きつけ、ゴムマウント５Ｂを燃料電池本体１の外面に押圧する。本実施形態の締め具７およびゴムマウント５Ａまたは５Ｂが本発明の保持部材に相当する。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、調圧弁３あるいは循環弁４のように流体の圧力または流体の流量を制御することにより振動または騒音が発生する流体制御部品をセルスタックを含む燃料電池本体１に保持することができる。その結果、そのような流体制御部品に発生する震動または騒音をセルスタックを含む燃料電池本体１の重量により減衰することができる。すなわち、セルスタックを含む燃料電池本体１をマスダンパとして流体制御部品に発生する震動または騒音を低減することができる。したがって、震動または騒音を低減するための構成を追加する必要がなく、燃料電池システム全体の部品点数を削減できる。

また、上記実施形態の燃料電池システムは、調圧弁３あるいは循環弁４等の流体制御部品と燃料電池本体１の外面との間にゴムマウント５Ａ、５Ｂ等の振動減衰部材を設けたので、効果的に調圧弁３あるいは循環弁４等の流体制御部品に発生する振動あるいは騒音を低減できる。

また、上記実施形態の燃料電池システムは、ゴムマウント５Ａ等の振動減衰部材が十分に熱を調圧弁３あるいは循環弁４等の流体制御部品に伝導できる厚みとした。また、振動減衰部材として、熱を調圧弁３あるいは循環弁４等の流体制御部品に伝導できるゴムマウント５Ａあるいは５Ｂを使用した。したがって、氷点以下の温度でも、調圧弁３あるいは
循環弁４等の流体制御部品の凍結を防止できる。

また、上記実施形態では、調圧弁３および循環弁４を同一の燃料電池本体１に保持したので、振動等により調圧弁３と循環弁４との間の距離が変動することを低減できる。すなわち、図１に示す循環通路１２Ａを剛性の高い材料で構成できる。

＜第２実施形態＞
以下、図２に基づいて本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを説明する。上記第１実施形態では、調圧弁３および循環弁４を燃料電池本体１に保持することにより、燃料電池本体１の重量により調圧弁３および循環弁４に発生する震動および騒音を低減する燃料電池システムについて説明した。本実施形態では、調圧弁３および循環弁４を一体化した流体制御弁を燃料電池本体１に保持する燃料電池システムを説明する。他の構成要素および作用については、第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

図２に示すように、この燃料電池システムは、車両の車体２に据え付けられる燃料電池本体１と、燃料電池本体１の空気極側のガス排出口に接続され空気極に供給された空気の圧力を調整する調圧弁３と、調圧弁３と一体化して設けられ排出ガス中の水蒸気を空気極の入口側（不図示）に循環させる循環弁４と、調圧弁３の下流側に接続されるガス排出通路１１と、循環弁４の出口側を空気極の入口側に接続する循環通路１２Ｂとを有している。

図３に、調圧弁３と循環弁４との接続関係を示す。図３は、図２の構成はそのままで、調圧弁３と循環弁４の筐体内部の配管の接続関係を明示した図である。ただし、図３においては、車体２、燃料電池本体１、ゴムマウント５、および一体化された調圧弁３の筐体と循環弁４の筐体とが点線で示されている。

図３のように、調圧弁の上流側は、配管Ｌ１によって空気極側のガス排出口（不図示）に接続される。また、調圧弁３の下流側はＴ分岐Ｌ２によって分岐され、一方の通路は、ガス排出通路１１に接続される。また、Ｔ分岐Ｌ２の他方の通路は、循環弁４の入口側に接続される。循環弁４の出口側は、循環通路１２Ｂに接続されている。

すなわち、調圧弁３と循環弁４とは、外形上は一体化された筐体に収容されているが、筐体の内部では、互いに独立して機能する。図３の例では、調圧弁３は、Ｔ分岐Ｌ２の上流側（ガス排出口側）に位置する。そして、調圧弁３によって一旦減圧された流体がＴ分岐Ｌ２によって分岐され、ガス排出通路１１と循環弁４とに供給されることになる。この構成によれば、調圧弁３によって不図示の空気極側の空気室の圧力が精度よく制御できる。

図４に、調圧弁３と循環弁４との接続関係の他の例を示す。図４の構成では、燃料電池本体１内の不図示のガス排出口から排出されるガスは、Ｔ分岐Ｌ３によって分岐された後、Ｔ分岐Ｌ３の一方の通路は、調圧弁３の入口側に接続され、他方の通路は循環弁４の入口側に接続されている。この構成では、燃料電池本体１内の空気室の圧力は、調圧弁３と循環弁４の双方の制御によって調整されることになる。そのため、図３の構成と比較して、圧力の制御が複雑になる。しかし、排出ガスが調圧弁３を介さず、直接循環弁４の入口側に到達するため、循環弁４の入口側と出口側の差圧を大きくとることができる。そのため、循環弁４を通過する水蒸気の量が図３の構成と同等の場合、図３のシステムと比較して循環弁４を小さくすることができる。

本実施形態で示した調圧弁３と循環弁４は、図３、図４いずれの方式で組み合わせても
構わない。いずれにしても、本実施形態の燃料電池システムでは、図２に示したように、外形上は調圧弁３と循環弁４とが一体として構成され、ゴムマウント５を介して燃料電池本体１に保持される。

本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池本体１が車体２に据え付けられ、調圧弁３と循環弁４とが一体されて燃料電池本体１に保持される。したがって、調圧弁３および循環弁４に発生する震動および騒音を燃料電池本体１の重量によって減衰できる。したがって、震動または騒音を低減するための構成を追加する必要がなく、燃料電池システム全体の部品点数を削減できる。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、調圧弁３および循環弁４を一体化して構成するので、調圧弁３および循環弁４を燃料電池システムに取り付ける際の組み立て性を向上できる。

＜その他の実施形態＞
上記第１実施形態および第２実施形態では、調圧弁３あるいは循環弁４等の流体制御部品と燃料電池本体１の外面との間にゴムマウント５等の振動減衰部材を設けた。しかし、ゴムマウント５等に代えて、燃料電池本体１の外面と調圧弁３の筐体外面との間に、樹脂製または金属製の板状部材を台座として使用してもよい。樹脂製または金属製の板状部材によってもゴムマウント５等と同様に調圧弁３に発生する震動および騒音を減衰できる。樹脂製の板状部材にも一定限度で熱伝導性がある。したがって、板状部材の厚みを十分に薄くすることで、セルスタックで発生する熱を調圧弁３、循環弁４等の流体制御部品に伝達でき、調圧弁３、循環弁４等の流体制御部品の凍結を防止することができる。さらに、金属の熱伝導性がゴムや樹脂よりも高いので、金属製の板状部材によってさらに効果的に調圧弁３循環弁４等の凍結を防止することができる。

また、本発明の実施において、ゴムマウント５等の振動減衰部材は必須の構成要素ではない。すなわち、本発明の実施においては、調圧弁３あるいは循環弁４等の流体制御部品を確実にセルスタックを含む燃料電池本体１に保持できればよい。したがって、調圧弁３あるいは循環弁４等の筐体をネジ止め等により燃料電池本体１に直づけし、調圧弁３あるいは循環弁４等の筐体とセルタックとを一体化できればよい。このようにすることで、セルスタックの重量によりセルスタックをマスダンパとして機能させ、流体制御部品に発生する震動および騒音を低減できる。すなわち、燃料電池本体１に流れる流体の流量を制御する流体制御部品は、ゴムマウント５等の振動減衰部材を介することなく、ネジなどの保持部材により、燃料電池本体１に直づけする構成によっても、本発明を実施できる。

上記実施形態では、調圧弁３または循環弁４をゴムマウント５等を介して燃料電池本体１の外面に押圧するために、雄ネジおよび雌ネジで構成される締め具７を使用した。しかし、本発明の実施において、調圧弁３または循環弁４等の流体制御部品を燃料電池本体１に保持するための構成要素は、締め具７に限定されるものではない。例えば、接着剤を用いて調圧弁３または循環弁４等の流体制御部品を燃料電池本体１に固定してもよい。

また、バネによって調圧弁３または循環弁４等の流体制御部品を燃料電池本体１の方向に付勢する構成としてもよい。また、フックとフックが挿入される凹部との組み合わせによって調圧弁３または循環弁４等の流体制御部品を燃料電池本体１に固定してもよい。また、凹凸部材の組み合わせ（嵌合）によって調圧弁３または循環弁４等の流体制御部品を燃料電池本体１に固定するようにしてもよい。

上記実施形態では、空気極側のガス圧力を制御する調圧弁３および空気極入口への水蒸気の循環路を制御する循環弁４の震動および騒音を低減する燃料電池システムの例を示し
た。しかし、本発明の適用対象は、このようなガスを制御する制御弁には限定されない。例えば、空気極に液体の酸化剤を供給するような念手用電池システムにおいても、本発明の実施は可能である。また、燃料電池を冷却する冷媒の制御弁に対しても本発明の適用は可能である。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて一体化された調圧弁と循環弁との接続関係を示す図である。 一体化された調圧弁と循環弁との接続関係の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池本体
２ 車体
３ 調圧弁
４ 循環弁
５、５Ａ、５Ｂ ゴムマウント
７ 締め具
８ エアポンプ
１１ ガス排出通路
１２Ａ、１２Ｂ 循環通路

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に流れる流体の流量を制御する制御バルブと、
   前記制御バルブを前記燃料電池の外面に保持する保持部材と、を備える燃料電池システム。
2. 前記保持部材は、前記制御バルブに発生する振動を緩和する震動減衰部材を介して前記制御バルブの外面を前記燃料電池に保持することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池と前記制御バルブの前記燃料電池側の開口とを接続する管部とをさらに備え、
   前記震動減衰部材は、前記燃料電池に接触する面と前記制御バルブに接触する面との間に前記管部を挿通する孔部を有し、その孔部内面が前記管部外面に接触することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。

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