JP5229461B2 - 燃料電池システムの燃料ガス供給装置 - Google Patents
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Description
図5に示すように、燃料電池システム101において、燃料電池102と燃料タンク103のバルブ104間の燃料供給管105には、燃料ガスを減圧するレギュレータ106として、燃料タンク103側に順次に、一次減圧部107を備えた一次レギュレータ108と、二次減圧部109を備えた二次レギュレータ110とが設けられている。また、燃料タンク103のバルブ104には、燃料タンク103内部の温度が異常になった場合に内部の燃料ガスを抜くために安全弁として働くPRD(プレッシャー・リリーフ・デバイス)管111が大気開放して接続している。一次レギュレータ108には、一次大気圧参照管112が大気開放して接続している。二次レギュレータ110には、二次大気圧参照管113が大気開放して接続しているとともに、二次減圧部109の上流側で高圧の上流側圧力逃がし管114及び二次減圧部109の下流側で低圧の下流側圧力逃がし管115が大気開放して接続している。また、燃料電池102には、空気(オフガス)を排出する排気管116が接続している。
これにより、燃料電池システム101においては、状況に応じて、PRD管111と一次大気圧参照管112と二次大気圧参照管113と上流側圧力逃がし管114及び下流側圧力逃がし管115とから燃料ガスを放出している。PRD管111は、燃料電池102の効率を主眼として、燃料タンク103が異常な温度になった場合に、内部の燃料ガスを抜くためのものであり、内圧がかかった状態で放出されるので、大量に勢いのある燃料ガスが放出(パージ)する。一次大気圧参照管112・二次大気圧参照管113は、一次レギュレータ108・二次レギュレータ110がゲージ圧で制御していて、参照用に大気圧を取り入れているが、構造上、微量の水素が常に放出している。上流側圧力逃がし管114・下流側圧力逃がし管115は、二次レギュレータ110に異常な圧力がかかった場合に、燃料ガスを放出し、異常時にのみ作動し、ある程度の量と勢いのあるガスを放出する。
ここで注目しているのは、水素ガスを緊急放出する場合である。この緊急放出の場合には、上述のように、燃料電池システム101の異常の内容によって異なる減圧比(レベル)がある。
燃料ガスと酸化ガスとから電気を発生する燃料電池を搭載する移動体には、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段のガス圧力を負荷装置の駆動源に利用するものがある。
また、図6に示すように、燃料ガスを直接大気へ放出しないように改善して、上流側圧力逃がし管114、下流側圧力逃がし管115を排気管116に夫々独立させて合流接続した場合に、排気管116での音源箇所が増加してしまい、排気音が大きくなって騒音になるという不都合があった。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。
図4に示すように、燃料電池システム1は、カソードに酸素を含む空気を供給するとともに、アノードに水素を含む燃料ガスを供給して発電を行う燃料電池(スタック)2を備えている。
また、燃料電池システム1には、燃料電池2の上流側で空気を供給する空気供給系の空気装置3と、燃料電池2に燃料ガスを供給する燃料供給系の燃料装置4と、燃料電池2を適正に温度に冷却する冷却系の冷却装置5と、燃料電池2の下流側で空気(オフガス)を排出する排気系の排気装置6とが設けられる。
また、空気供給管7には、エアコンプレッサ9と熱交換器10との間で、空気バイパス管12が接続している。この空気バイパス管12は、空気遮断弁13を備え、先端が後述するマニホルド27に接続する。空気供給管7と空気バイパス管12は、共に、断面積が比較的大きいものに形成されている。
エアコンプレッサ9は、ターボコンプレッサようなの遠心ファンを有し、電動モータによって0〜数万rpmで駆動可能なものである。このエアコンプレッサ9の駆動時には、比較的脈動が少ないものの、高周波の風きり音が生じる。
エアコンプレッサ9からの空気は、燃料電池2のカソード側に送られるが、そのうちの一部の空気が燃料電池2を介さずに空気バイパス管12からバイパスして排出される。これにより、燃料電池2のカソード側に流れ込む空気流量を調整する一方、燃料電池2のカソード側に送られる空気は、熱交換器10を通して高い発電効率を得られる温度に調整され、その後、イオンの流動性によって高い変換効率を得られるように加湿器11で加湿され、そして、燃料電池2のカソード側に送り込まれる。この送り込まれた空気は、燃料電池2の内部では、内部のマニホルド構造によって無数のセルに分配供給した後、各セルを通過し、排気装置5から燃料電池2の外部に排出される。
この流量調整用インジェクタ18には、二系統の配管を構成するように、燃料供給管14とは別な経路で、燃料電池2に連結する燃料分岐管19が接続している。この燃料分岐管19には、気体と液体を分離する気水分離器20が設られている。
流量調整用インジェクタ18は、燃料電池2側の燃料供給管14と燃料分岐管19とに一定間隔で交互に燃料ガスを流し、これにより、水素循環ポンプを不要として、水素濃度の均一化と生成水の排水を行うものである。
燃料分岐管19には、気水分離器20よりも燃料電池2側で水素排出管であるパージ管21が接続している。このパージ管21は、水素に不純物等が蓄積した場合に、その水素を一時的に排出(パージ)する水素パージを行うものであり、パージ遮断弁22を備え、先端が後述するマニホルド27に接続する。また、このパージ管21は、燃料電池2のアノード側に接続されて使用された燃料ガスを排出するアノードオフガスを流す配管としても機能する。
この燃料装置4において、燃料電池2への水素供給は、その利用効率を上げるために、流量調整用インジェクタ18を駆動して、燃料電池2のアノードの2つの出入口に繋がる2系統の燃料供給管14と燃料分岐管19とに対して、一定間隔で交互に分配するよう流し、圧力勾配を利用して流れを往復流動させている。パージ管21のパージ遮断弁22は、生成水も含まれたパージガスの流れを遮断したり、あるいは逆に、下流側からの逆流を遮断したりするものである。そして、この燃料装置4では、流量調整用インジェクタ18の駆動とパージ遮断弁22の駆動とのタイミング等を制御して、水素濃度の均一化と生成水の排出を両立させて、高効率化を果たしている。上述のパージ水素の目的は、燃料電池2の変換効率を高く保つためであったり、車両停止の際等、燃料電池2のカソードとアノードの極間差圧が過大になることを防ぐためであったり、あるいは、燃料装置4に異常が生じた場合に、燃料ガスを車両外部に緊急放出することもある。水素ガスを、燃料装置4の外部に放出する機能として、パージと緊急放出があり、夫々目的や役割が異なるものである。
この排気管26は、燃料電池2で発生した水で乾いた入口空気を加湿するように、つまり、空気(オフガス)に含まれる水分(生成水等)を利用するためで、加湿器11に空気の一部を送るように、加湿器11内を通過して配設され、そして、マニホルド27とこのマニホルド27の下流側の消音器28とを備える。また、この排気管26は、加湿器11とマニホルド27間で、第1排気遮断弁29を備える。
この排気管26には、加湿器11の上流側で、排気バイパス管30の一端が接続している。この排気バイパス管30は、加湿量を調整するために、加湿器11を通らない空気をマニホルド27に排出するものであり、第2排気遮断弁31を備え、他端がマニホルド27に接続している。つまり、この排気バイパス管30は、加湿に使う水分量を調整するようにガス流量調整のために、排出空気の一部を、加湿器11を通さないでマニホルド27に排出する。この排気バイパス管30は、加湿器11を通過する排気管26と比べて、断面積が小さな通路に形成されている。
従って、排気管26及び排気バイパス管30からの空気(オフガス)は、マニホルド27によって再び合流され、水分等と共に排出される。また、マニホルド27には、排出管26及び排気バイパス管30からの空気と共に、空気バイパス管12からの燃料電池2を介さずに排出される空気の一部及びパージ管21からのパージ水素が合流される。
この排気管26には、マニホルド27と消音器28との間で、レギュレータ17に連結した燃料ガス放出管(緊急水素放出配管)32が合流接続している。この燃料ガス放出管32は、燃料供給管14内の燃料ガスを燃料装置4の外部に放出可能なものである。これにより、臨時に燃料供給管14内の燃料ガスを燃料ガス放出管32及び排気管26を介して大気に放出可能とし、燃料装置4側からの燃料ガスを直接大気に放出するのを防止できる。
なお、燃料ガスの燃焼特性は、容量水素濃度が4%を超えると燃え易くなり、18%を超えた辺りから、瞬間的且つ爆発的な燃焼が起こる。そのため、燃料電池2の燃料ガスとして水素を用いる場合、様々な外部環境を考慮して、パージ水素を放出する際の排出ガスの容量水素濃度を4%以下とすることが要求されている。
また、燃料電池2の反応によって水分が生成されるが、この燃料電池2の発電効率をイオンの流動性によって高めるために、供給ガス、すなわち、空気や水素(燃料ガス)を、加湿することを行っている。その場合、反応による生成だけでなく、加湿による水分も含まれるため、排気ガス中の水分が比較的多くなる。このようにして排気管26内に排出された生成水や、水素ガスが、他のガスと一緒に排気管26の内部を流れることになる。
このサブフレーム33は、車両前後方向に指向した左サイドフレーム34及び右サイドフレーム35と、この左サイドフレーム34と右サイドフレーム35間で車両幅方向に指向して前側から順次に所定間隔で配置された第1〜第4クロスメンバ36〜39とが一体的になって略矩形状に構成され、各柱脚部40を備えた左前フロア支持部41と右前フロア支持部42と左後フロア支持部43と右後フロア支持部44とによって車体フロア側で、搭載後に車体に堅固に連結される。
タンクユニット15は、前記燃料タンク16として、車両幅方向に指向し且つ車両前後方向に離間して並んで、第1、第2クロスメンバ36、37に支持された前側燃料タンク45と、第3、第4クロスメンバ38、39に支持された後側燃料タンク46とを備える。後側燃料タンク46は、前側燃料タンク45よりも大型に構成されている。つまり、客室の車体フロアに対応する前側に小さい断面積を持つ小型の前側燃料タンク45を配設する一方、荷室の車体フロアに対応する後側に大きい断面積を持つ大型の後側燃料タンク45を配設している。なお、前側燃料タンク45及び後側燃料タンク46の両外側には、一部重なるようにして、車両の一対の後輸が配設される。
また、前側燃料タンク45と後側燃料タンク46とは、車両前後方向に指向して中腹部同士を連結する左構造部材47及び左構造部材48を介してサブフレーム33に堅固に固定される。
この一次レギュレータ56と二次レギュレータ57とにおいて、前側燃料タンク45、後側燃料タンク46から取り出された高圧の水素ガス(例えば、最大300〜700気圧程度)を、合流した配管によって、先ず、車両幅方向の中央付近に搭載された一次レギュレータ56に導入し、大幅に減圧して数十気圧(例えば、20気圧程度)で取り出し、次いで、前側燃料タンク45、後側燃料タンク46の側方(タンクユニット15のバルブ側)に存在する二次レギュレータ57に導入し、2次減圧されて数気圧(例えば、4〜8気圧程度)で取り出し、そして、燃料電池2側に供給する。
図3に示すように、前側燃料タンク45、後側燃料タンク46に共用する一次、二次レギュレータ56、57が、前側燃料タンク45と後側燃料タンク46との間に支持されていることは、配管の取り回し上、好ましいものである。
また、一次レギュレータ56には、一次減圧部59が備えられているとともに、一次大気圧参照管60が接続している。
更に、低圧側レギュレータとしての二次レギュレータ57には、二次減圧部61が備えられているとともに、二次大気圧参照管62が接続し、また、燃料ガス放出管32を構成するように、二次減圧部61によって減圧される燃料ガスにおける減圧前のガス(減圧部の上流側)及び減圧後のガス(減圧部の下流側)について、上流側ガス放出管63と下流側ガス放出管64とが接続している。この上流側ガス放出管63と下流側ガス放出管64には、それぞれ、二次レギュレータ57の内部に設けられた図示しないチェック弁の予め設定した所定圧力における開弁動作により、所定圧力以上の燃料ガスが流れる。この上流側ガス放出管63と下流側ガス放出管64との下流側は、合流接続部(ユニオン)65で接続し、この合流接続部65に接続した合流管66を介して排気管26に接続部(ユニオン)67により接続されている。つまり、二次レギュレータ57には、二次減圧部61よりも上流側で、数十気圧(例えば20気圧程度)の高圧の水素ガスを排出する上流側ガス放出管63が接続するとともに、二次減圧部61よりも下流側では、数気圧(例えば4〜8気圧程度)の低圧の水素ガスを排出する下流側ガス放出管64が接続している。
また、上流側ガス放出管63及び下流側ガス放出管64は、二次レギュレータ57から独立して取り出すよう延出した後、二次レギュレータ57近傍で合流しており、この合流接続部65から排気管26までの合流管66を共用としている。これによって、各配管の全長を短くし、煩雑な配管の配策を簡素化している。また、一次レギュレータ56・二次レギュレータ57の配置によって、一次レギュレータ56・二次レギュレータ57から排気管26までの上流側ガス放出管63及び下流側ガス放出管64を短くすることができるとともに、排気管26への接続部分を少なくすることができる。これら一部共用とした排気管を使って水素ガスを排出する際には、両方同時でなく、どちらか一方とすれば、実質的に排出が可能である。
なお、一次レギュレータ56の後、二次レギュレータ57に入る前に、水素ガスを排出可能なデフューエル管を設け、前側燃料タンク45、後側燃料タンク46の前側バルブ49、後側バルブ51の下流側のデフューエルカプラ54から水素ガスを取り出し可能としている。
また、燃料ガス放出管32から燃料ガスの緊急放出を行う際にも、消音ないし排気音の抑制が可能としてある。そのように静かにした上で消音するよう構成することにより、マフラ機能を限定して小型のマフラとしても、システムとして充分な静穏性を発揮する排気装置6とすることができる。このとき、単なる小型化だけでなく、システムの簡素化に合わせた配策構造によって、優れた整備性を確保することも可能となる。
マニホルド27に接続する空気バイパス管12、パージ管21、排気管26、排気バイパス管30の各上流側には、ガスや空気の流れを遮断したり、あるいは逆に、下流側からの逆流を遮断したりする各遮断弁13、22、29、31が設けられている。よって、これら各配管の通路断面積と各遮断弁の開閉タイミングとの組み合わせにより、いずれか一つの配管のみの流量から、複数の配管による定率分配の形までで、流量が調整可能となっている。また、マニホルド27では、パージ管21とも合流し、パージ水素を空気によって薄く希釈して排出する。
よって、これらの連結された配管類が、連結状態を保ったまま車体から降ろせることにより、整備上での利便性がある。法規上、例えば、所定期間毎に前側燃料タンク45・後側燃料タンク46を取り替える必要がある分解点検が必要である場合等で、前側燃料タンク45・後側燃料タンク46や燃料ガス供給系配管を車両から降ろす必要がある場合を考慮している。
図3に示すように、前側燃料タンク45・後側燃料タンク46から取り出される燃料ガスは、一次レギュレータ56・二次レギュレータ57によって所望の圧力まで複数段階に分割して減圧使用される。これらの前側燃料タンク45・後側燃料タンク46、一次レギュレータ56・二次レギュレータ57を繋ぐ燃料供給管14は、サブフレーム33にアッセンブリ搭載される。これにより、省スペース化、整備性の向上を図ることができる。
また、図3に示すように、一次レギュレータ56と二次レギュレータ57とは、前側燃料タンク45と後側燃料タンク46との間に形成されたスペースを利用して、そのスペースに収容されるように設置され、そのスペースにはサブフレーム33の第2クロスメンバ37と第3クロスメンバ38が設置されており、その第2クロスメンバ37と第3クロスメンバ38とに掛け渡すようにして設けた第1ブラケット72と第2ブラケット73とに支持され、強固に保持されている。この一次レギュレータ56・二次レギュレータ57の一部(下部)及び第1ブラケット72・第2ブラケット73は、サブフレーム33よりも下方に突出するように設けられ、サブフレーム33の下方空間に収容され、且つ、サブフレーム33の左サイドフレーム34や第2クロスメンバ37・第3クロスメンバ38等の上下に重なるようにして、且つ、延出方向に沿うように配策される配管の配設を簡素化している。これらの配管も、排気管26と直接接続する配管以外は、排気管26とは離間する側に集中して配設している。
つまり、排気管26は、図2に示すように、燃料ガス放出管32の合流接続部64及び消音器28を含む部位を、下流側部位として形成している。それより上流側部位の排気管26とは、分割して形成している。それら上流側部位と下流側部位との排気管部位の間を、別体の可撓性を有する各ホース74、76によって、気密性・水密性を保って連結する一方、分割可能に連結している。
また、排気管26は、車両の最後部に向けて延出され、直管形状を避け、且つ、補機類を避けるようにして車両幅方向に蛇行しつつも、概略水平を保つように延出している。
排気管26には、下流端開口よりも少し上流側に、消音器28を配設している。排気管26の下流端開口付近には、水素センサ78を設け、排出する水素密度を一定値(例えば、4%)以下となるように管理している。
排気管26の上流側には、水素ガスを含む使用された燃料ガスを排出するパージ管21の合流接流部が設けられている。この合流接続部を含めそこからその下流側となる下流端開口までにわたり、車両の側面視で、略直線状としているため、排気管26は、一様に地面と平行に沿うか、それより下流側が低くなるような平面状に配策することになる。これにより、排気管26の水素ガスが導入される部位から下流全体にわたって、水素ガスの排出性を向上でき、また、多量の水素ガスの滞留を防止でき、さらに、生成水の滞留を防止できる。
排気管26には、いわゆる高周波管と呼ばれる、拡散吸収型の消音器28を設けている。排気管26の内部を流れるガス流の流速が高くなると、排気管26の各部に合流接続されている各配管の内部の気柱共鳴によって、特定の周波数が強調された異音を発する。これを、排気管26の下流側に設けた消音器28によって、とくに高周波を消音するようにしているので、水素ガスの配管の接続部分に生じ易い笛吹き音に対する消音性を向上できる。この消音効果は、複数の水素ガスの配管によって生じる異なる周波数となる音量の異音に対しても、同一の消音器28を利用することができる。
また、消音器28は、地面に対向し近接する側の面が内管と外管の間の空間が最小ないし零(ゼロ)となるように形成されている。そして、単一径で形成した多孔の内管を、同一径の排気管26と、滑らかに接続している。これにより、ガス流の流れを妨げることなく、消音器28の内部の排水性を向上でき、また、生成水の滞留を防止できる。また、単一の消音器28は、完全に排出し切れないで、消音器28の内部に残る少量の滞留物を最小限に抑えることができる。
消音器28の上流側の第2パイプ77には、燃料ガスの供給系から分岐するようにして、水素ガスの緊急の燃料ガス放出管32が接続している。
燃料ガス放出管32は、水素ガスを含む未使用の燃料ガスを排出するものであり、緊急用であるので、何らかの不具合が生じた場合に、できるだけ安全性を確保することを目的として、水素ガスを含む未使用の燃料ガスの放出を行う。そのため、この緊急放出を行う場合は、不具合が解消されるまで、水素等のガスの放出が継続的に行われることがある。
排気管26においては、燃料ガス放出管32及び消音器28を含む下流側部位を、上流側部位から切り離して、サブフレーム33と一緒に車体から取り外すことができる。その際、排気管26の下流側部位と燃料ガス放出管32との接続部等といった配管の接続部分を切り離す作業がなく、シール性を保つことができるとともに、他の部品への整備作業性をも向上することができる。
よって、燃料ガスを放出する機能を、車両の他の部品等への影響を少なくしつつ確保し、消音性や整備性に配慮するとともに、省スペースで、排気ガスの混合効率が良い排気装置6とし、車両の高い走行性能を確保するためにサスペンション機能を確保しつつ、重心を低くすることができる燃料電池システム1の燃料ガス供給装置を提供することにある。
先ず、請求項1に記載の発明は、燃料ガス放出管32を二次レギュレータ57の二次減圧部61によって減圧される燃料ガスにおける減圧前のガス(減圧部の上流側)及び減圧後のガス(減圧部の下流側)について設ける一方、燃料ガス放出管32を一次、二次レギュレータ56、57と共に車両前後方向に複数並べて配設した前側燃料タンク45、後側燃料タンク46同士の間に支持するとともに前側燃料タンク45、後側燃料タンク46の側方を通るように配設した排気管26に合流接続した。
これにより、燃料ガス放出管32を、前側燃料タンク45と後側燃料タンク46との間に生ずる空間に搭載して、省スペースに配置することができる。前側燃料タンク45と後側燃料タンク46とから延びる燃料供給管14を含め、一次、二次レギュレータ56、57や燃料ガス放出管32、排気管26等の配管同士を結合状態を保ったまま車両に対して着脱することができ、整備性が高い。
また、この請求項1に記載の発明では、燃料ガス放出管32を排気管26に合流接続し、臨時に燃料供給管14内の燃料ガスを燃料ガス放出管32及び排気管26を介して大気に放出可能とする構造である。
これにより、車両の中心付近の車両フロア下方で燃料ガスを排出することがなくなり、また、燃料電池システム1の機能上必要な配管である排気管26を利用することで、全体の配管を簡素化することができる。
請求項2に記載の発明は、燃料供給管14の途中における燃料ガスの減圧を複数段階での減圧とするように複数の第1、二次レギュレータ56、57を設け、これら一次、二次レギュレータ56、57のうち燃料ガスの圧力がより低い方の低圧側レギュレータである二次レギュレータ57に燃料ガス放出管32として上流側ガス放出管63と下流側ガス放出管64とを接続し、上流側ガス放出管63と下流側ガス放出管64とを低圧側レギュレータである二次レギュレータ57の二次減圧部61の上流側と下流側とに夫々接続し、上流側ガス放出管63と下流側ガス放出管64との下流側同士を合流接続してから排気管26に接続した。
これにより、排気管26への配管の合流接続部位を少なくでき、合流接続部位における笛吹き音等の騒音発生を少なくでき、消音できる。また、燃料ガス放出管32を一つの二次レギュレータ57に集中して設けることによって、配管上での分岐合流部の数量増加を抑制できる。さらに、臨時に使用する配管の一部を共用とすることで、軽量化、省スペースにできる。
2 燃料電池
3 空気装置
4 燃料装置
5 冷却装置
6 排気装置
7 空気供給管
12 空気バイパス管
14 燃料供給管
16 燃料タンク
17 レギュレータ
21 パージ管
26 排気管
27 マニホルド
28 消音器
30 排気バイパス管
32 燃料ガス放出管
33 サブフレーム
45 前側燃料タンク
46 後側燃料タンク
56 一次レギュレータ
57 二次レギュレータ
58 PRD管(水素排出管)
59 一次減圧部
61 二次減圧部
63 上流側ガス放出管
64 下流側ガス放出管
65 合流接続部
66 合流管
67 接続部
78 水素センサ
Claims (2)
- カソードに酸素を含む空気を供給するとともにアノードに水素を含む燃料ガスを供給して発電を行う燃料電池と、この燃料電池の下流側の排気管に消音器を備える排気装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給管及びこの燃料供給管の途中に燃料ガスを減圧するレギュレータを備える燃料装置と、前記燃料供給管内の燃料ガスを前記燃料装置の外部に放出可能な燃料ガス放出管とを備える燃料電池システムの燃料ガス供給装置において、前記燃料ガス放出管を前記レギュレータの減圧部によって減圧される燃料ガスにおける減圧前のガス及び減圧後のガスについて設ける一方、前記燃料ガス放出管を前記レギュレータと共に車両前後方向に複数並べて配設した燃料タンク同士の間に支持するとともに前記燃料タンクの側方を通るように配設した前記排気管に合流接続したことを特徴とする燃料電池システムの燃料ガス供給装置。
- 前記燃料供給管の途中における燃料ガスの減圧を複数段階での減圧とするように前記レギュレータを複数個設け、これらレギュレータのうち燃料ガスの圧力がより低い方の低圧側レギュレータに前記燃料ガス放出管として上流側ガス放出管と下流側ガス放出管とを接続し、前記上流側ガス放出管と前記下流側ガス放出管とを前記低圧側レギュレータの減圧部の上流側と下流側とに夫々接続し、前記上流側ガス放出管と前記下流側ガス放出管との下流側同士を合流接続してから前記排気管に接続したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムの燃料ガス供給装置。
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