JP2008130447A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガスの物理量に応答するガス要素部品の応答性を高めることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に反応ガスを供給するための反応ガス配管３１と、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることにより反応ガス配管３１内の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタ３５とを備え、反応ガス配管３１を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品１１０がインジェクタ３５に一体的に設けられて近接配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池に接続された反応ガス配管にインジェクタを備えた燃料電池システムに関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための反応ガス配管にガス状態を調整する流量調整弁を設け、この流量調整弁の下流側に開放弁を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１３４２３９号公報

しかし、前記特許文献１に記載されているような燃料電池システムにおいては、流量調整弁と開放弁とが離れて配置されており、上流側の流量調整弁で調整されるガス圧の変動に対して開放弁の開放遅れが生じる可能性がある。このような応答遅れは、開放弁に限らず、反応ガスの物理量に応答するガス要素部品であれば種々の部品において生じ得る問題である。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、反応ガスの物理量に応答するガス要素部品の応答性を高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス配管と、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることにより前記反応ガス配管内の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、を備えた燃料電池システムであって、前記反応ガス配管を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品が前記インジェクタに一体的に設けられたものである。

かかる構成によれば、ガス要素部品がインジェクタに一体的に設けられて近接配置されるため、インジェクタに起因して生じる圧力変動に対するガス要素部品の応答遅れを抑制できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記ガス要素部品が、所定圧力にて開放する開放弁であっても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、開放時に前記インジェクタの下流側と前記反応ガス配管外とを接続させるものであっても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、開放時に前記インジェクタの上流側と下流側とを接続させるものであっても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられている場合に、反応ガス配管外への開放口を下方に向けても良い。

かかる構成によれば、開放弁に液滴が付着しても当該液滴が下方から排出されることになり、弁体に付着することを抑制できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放口からのガス放出先に拡散板を設けても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられている場合に、前記支持ブロック内に主流路部と該主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とを設け、前記主流路部を前記分岐流路部の分岐位置よりも下方まで延在させても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられている場合に、前記支持ブロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とを設け、前記主流路部の流路断面積よりも前記分岐流路部の流路断面積を広くしても良い。

かかる構成によれば、インジェクタが全開から全閉に戻らない異常（いわゆる開固着）が発生した場合であっても、流路断面積が広い分岐流路部を通じて開放弁からより多くの反応ガスを反応ガス配管外へ放出でき、その結果、燃料電池への圧力印加を小さくすることができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられている場合に、前記支持ブロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とを設け、前記主流路部に対する直交方向に沿って前記分岐流路部を延在させても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの上流側を支持する支持ブロックと下流側を支持する支持ブロックとで支持されていても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの上流側を支持する支持ブロックと下流側を支持する支持ブロックとを結合していても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタを覆う吸音カバーの内側に配置されていても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記ガス要素部品が、前記インジェクタの開閉制御に用いる圧力センサであっても良い。

かかる構成によれば、圧力センサがインジェタクに近接配置されるので、当該圧力センサの検出圧力に基づくインジェクタ制御の時間遅れを低減でき、インジェクタの開閉制御の応答性を向上できる。

本発明によれば、上流側のインジェクタで調整が行われる反応ガスの物理量に応答するガス要素部品の応答性を高めることができる燃料電池システムを提供することができる。

以下、図１〜図８を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。

図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

第１実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系３は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路（反応ガス配管）３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。

レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。第１実施形態に係る燃料電池システム１においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。

図２は、インジェクタ３５を示す断面図である。このインジェクタ３５は、水素供給流路３１のガス状態を調整するもので、水素供給流路３１の一部を構成するとともに、軸方向一端の円筒部４５の内側に形成された口部５１において水素供給流路３１の水素タンク３０側に配置され、一方の円筒部４５と同軸をなす軸方向他端の円筒部４６の内側に形成された口部５２において水素供給流路３１の燃料電池１０側に配置される内部流路５３が形成された金属製のシリンダ５４を有している。

このシリンダ５４には、口部５１に繋がる第１通路部５６と、この第１通路部５６の口部５１とは反対側に繋がる、第１通路部５６よりも大径の第２通路部５７と、この第２通路部５７の第１通路部５６とは反対側に繋がる、第２通路部５７よりも大径の第３通路部５８と、この第３通路部５８の第２通路部５７とは反対側に繋がる、第２通路部５７および第３通路部５８よりも小径の第４通路部５９とが形成されており、これらで内部流路５３が構成されている。なお、円筒部４５の外周部には環状のシール溝４５ａが形成されており、円筒部４６の外周部にも環状のシール溝４６ａが形成されている。

また、インジェクタ３５は、両円筒部４５，４６間に配置されるこれらよりも大径の本体部４７に、第４通路部５９の第３通路部５８側の開口部を囲むように設けられた例えばゴム等のシール性部材からなる弁座６１と、第２通路部５７に移動可能に挿入される円筒部６２および第３通路部５８内に配置される第２通路部５７よりも大径の傘部６３を有し傘部６３に斜めに連通穴６４が形成された金属製の弁体６５と、弁体６５の円筒部６２に一端側が挿入されると共に他端側が第１通路部５６内に形成されたストッパ６６に係止されることで弁体６５を弁座６１へ当接させて内部流路５３を遮断するスプリング６７と、弁体６５を電磁駆動力によりスプリング６７の付勢力に抗して第３通路部５８の第２通路部５７側の段部６８に当接するまで移動させることで弁体６５を弁座６１から離間させて連通穴６４で内部流路５３を連通させるソレノイド６９と、を有している。ここで、弁体６５はシリンダ５４の軸線方向に沿って作動する。

インジェクタ３５の弁体６５は、電磁駆動装置であるソレノイド６９への通電制御により駆動され、このソレノイド６９に給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、内部流路５３の開口状態を変更（本実施形態では、全開と全閉の２段階）することができるようになっている。そして、制御装置４から出力される制御信号によって、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。

インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５の内部流路５３に設けられた弁体６５による開口状態（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

なお、インジェクタ３５の弁体６５の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

なお、第１実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。ここでは、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用しているため、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置している。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。

また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。

なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御装置４は、図３に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に、二次側圧力センサ４３が配置された位置（圧力調整が要求される位置である圧力調整位置）における目標圧力値を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５の下流位置（圧力調整位置）の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ３）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（圧力差低減補正流量）である。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、前回算出した目標圧力値と、今回算出した目標圧力値と、の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードフォワード補正流量は、目標圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分（圧力差対応補正流量）である。

本実施形態においては、目標圧力値の偏差とフィードフォワード補正流量との関係を表すマップをインジェクタ３５の一次側圧力に応じて複数（例えば、所定閾値を基準とした高圧用と低圧用の２つ）持っており、これらのマップを用いて制御装置４の演算周期毎にフィードフォワード補正流量を算出して更新することとしている。なお、複数のマップは、一次側圧力センサ４１の圧力値に応じて持ち替えられる。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ７）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ８）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。本実施形態においては、制御装置４により駆動周期を一定の値に設定している。

そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。

図４に示すように、燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する矩形状の単セル７１を所要数積層して構成される一対の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂが、互いに単セル７１の積層方向を平行にして並設された状態で、これらに共通で積層方向両端部に配置された一対のエンドプレート７２，７３で挟持されて構成されている。

なお、これらエンドプレート７２，７３は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの並設方向に対し直交する方向の両側に配置された一対のテンションプレート７４，７５で互いに連結されている。このような燃料電池１０は、図５に示すように、略直方体形状のスタックケース７６に収容された状態で自動車Ｖに搭載される。

この搭載状態で、燃料電池１０は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂが相互に水平方向に並ぶ姿勢で自動車Ｖのフロント側に設けられたエンジンコンパートメントＥＣ内に設置されることになり、このとき、一対のエンドプレート７２，７３が車体前後方向両端に配置され、一対のテンションプレート７４，７５が上下に配置された状態となる。以下はこの設置時の姿勢で説明する。

インジェクタ３５は、燃料電池１０における車両前後方向後側となる一方のエンドプレート７２に一体的に設けられている。これに対し、燃料電池１０を収容するスタックケース７６には、インジェクタ３５と対向する後面７６ａ以外の面であってインジェクタ３５と乗員室Ｃとの間にない面、具体的には前面７６ｂに内外を連通させる換気穴７８が設けられている。

この換気穴７８には水素の通過を規制しつつ水蒸気の通過を許容するフィルタ７９が設けられている。なお、換気穴７８は、インジェクタ３５と対向する面以外の面であってインジェクタ３５と乗員室Ｃとの間にない面であれば、例えば上面７６ｃ等の他の面に設けても良い。

上記した一対のエンドプレート７２，７３は、図４に示すように、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂに共通であるため車幅方向に長い略長方形状をなしており、例えば車両前後方向後側となる一方のエンドプレート７２における並設された複数列（図４では、２列）の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ同士の中央部に、上記したインジェクタ３５が一体的に設けられている。

ここで、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂはエンドプレート７２側の極性が互いに反対となるため、それぞれに水素ガスを最短距離で供給するために水素供給口８０Ａ，８０Ｂがエンドプレート７２の長さ方向に対称に配置されることになる。その結果、インジェクタ３５が上記配置とされることで、水素供給流路３１におけるインジェクタ３５から延出する配管８１から分岐して各水素供給口８０Ａ，８０Ｂへ接続される配管部８１Ａ，８１Ｂの長さを均等にできる。

インジェクタ３５は、より具体的には、図６に示すように、入口側の円筒部４５が金属製の支持ブロック８４の穴部８５に、シール溝４５ａに配置された弾性部材であるＯリング８６を介して嵌合されており、出口側の円筒部４６が金属製の支持ブロック８７の穴部８８に、シール溝４６ａに配置された弾性部材であるＯリング８９を介して嵌合されている。

そして、一方の支持ブロック８４が上側に配置された状態で一カ所の締結部９０においてエンドプレート７２にボルト止めで固定され、他方の支持ブロック８７が下側に配置された状態で両側の二カ所の締結部９１，９２においてエンドプレート７２にボルト止めで固定されている。この支持ブロック８７をエンドプレート７２に結合する二カ所の締結部９１，９２は、互いを結んだ線が水平となっている。

以上により、インジェクタ３５は、その軸線方向つまり弁体駆動方向（弁体６５の移動方向）を鉛直方向に配置してエンドプレート７２に設けられており、弾性部材であるＯリング８６，８９を介して支持ブロック８４，８７に両側が支持されている。その結果、インジェクタ３５はその上流側の円筒部４５および下流側の円筒部４６が燃料電池１０に一対の支持ブロック８４，８７を介して結合されており、これら円筒部４５，４６が燃料電池１０の発熱で加温される。また、インジェクタ３５は、ガス入口となる口部５１をガス出口となる口部５２に対して鉛直方向上側に配置している。

また、支持ブロック８４，８７は、全体として三点の締結部９０，９１，９２で燃料電池１０のエンドプレート７２に結合されており、下側の支持ブロック８７をエンドプレート７２に結合する二カ所の締結部９１，９２は、テンションプレート７４，７５のエンドプレート７２への図４に示す結合部７４ａ，７５ａの延在方向に平行に配置されている。

なお、支持ブロック８４，８７を全体として三点ではなく四点でエンドプレート７２に結合しても良いが、二点以下では安定的にインジェクタ３５を支持できず、五点以上では支持カ所が多くなり過ぎてエンドプレート７２の変形等により締結部の緩みを生じる可能性が高くなるため、いずれも好ましくない。

ここで、図５に示すように自動車Ｖの後部に設けられた水素タンク３０から延出する水素供給流路３１が自動車Ｖの乗員室Ｃの床下を通ってエンジンコンパートメントＥＣ内に導かれ、スタックケース７６の下面７６ｄに形成された穴部９４を介してスタックケース７６内に導入されて、図６に示すようにインジェクタ３５の側方を通って上側の支持ブロック８４に連結されている。このように支持ブロック８４に連結された水素供給流路３１は穴部８５に連通し、この穴部８５を介してインジェクタ３５の口部５１に連通する。

なお、水素供給流路３１は、支持ブロック８４への連結側が、支持ブロック８４に接続されるＵ字状をなす金属製の配管部９５と、この配管部９５に接続される弾性体からなる絶縁配管部９６と、この絶縁配管部９６に接続される金属製の配管部（入口側配管）９７とに分割されている。そして、絶縁配管部９６によって、高電位の燃料電池１０とボディアースされた水素タンク３０とを結ぶ水素供給流路３１を電気的に絶縁しており、この絶縁配管部９６はスタックケース７６内に配置されている。

また、スタックケース７６の下面７６ｄの穴部９４に挿通される配管部９７は、支持ブロック８７をエンドプレート７２に固定する締結部９１に共締めされたブラケット９８で中間部が固定されている。これは、絶縁配管部９６が弾性体であることから、そのままでは姿勢が安定しない配管部９７の姿勢を安定させるためである。

そして、第１実施形態においては、水素供給流路３１を流通する水素ガスの物理量に応答するガス要素部品である開放弁１１０がインジェクタ３５に一体的に設けられている。

つまり、図６に示すように、インジェクタ３５の下流側の円筒部４６を支持する支持ブロック８７には、その内側の鉛直方向に沿う穴部８８の途中位置からエンドプレート７２と平行をなして前下がりに連通穴１１１が形成されており、この連通穴１１１の延長上に内部通路１１２を配置して開放弁１１０が取り付けられている。

この開放弁１１０の内部通路１１２は連通穴１１１側から順に配置された、小径穴部１１３と、小径穴部１１３から離れるほど大径となるテーパ穴部１１４と、小径穴部１１３よりも大径の大径穴部１１５とで構成されており、大径穴部１１５の小径穴部１１３とは反対側には、蓋部材１１６が嵌合されている。

この蓋部材１１６には、内部通路１１２を水素供給流路３１の外側に開放する開放口１１７が複数形成されており、蓋部材１１６とテーパ穴部１１４との間には、テーパ穴部１１４側に球状の弁体１１８が、弁体１１８と蓋部材１１６との間にスプリング１１９がそれぞれ配置されている。

穴部８８と連通穴１１１とによって、支持ブロック８７内には、鉛直方向に沿う穴部８８内に形成される主流路部１２２と、連通穴１１１内に形成され主流路部１２２から開放弁１１０側に分岐する分岐流路部１２３とが設けられており、主流路部１２２に対する略直交方向に沿ってやや前下がりに分岐流路部１２３が延在している。また、主流路部１２２は分岐流路部１２３の分岐位置よりも下方まで延在している。

さらに、蓋部材１１６の開放口１１７は、連通穴１１１に沿って前下がりとなっており、水平に対しては下向きとなっている。加えて、連通穴１１１の径φＡは、穴部８８の最小径φＢよりも大径となっている。つまり穴部８８内の主流路部１２２の流路断面積よりも連通穴１１１の流路断面積の方が広くなっている。

このような開放弁１１０は、水素供給流路３１の圧力がスプリング１１９の付勢力よりも小さい所定圧力以下の場合、弁体１１８がスプリング１１９の付勢力でテーパ穴部１１４に当接して水素供給流路３１を開放せず、水素供給流路３１の圧力が前記所定圧力よりも高くなると、弁体１１８がスプリング１１９の付勢力に抗してテーパ穴部１１４から離間して水素供給流路３１を外気に連通させる。

開放弁１１０の開放口１１７からのガス放出方向先方には、開放口１１７から放出されたガスを減速し拡散させる拡散板１２５が設けられている。この拡散板１２５は、エンドプレート７２に固定されており、中央の高さが高い山型をなすとともに図７に示すように中央から放射状に同方向に湾曲する複数の羽根部１２６が形成された形状をなしている。

以上説明した第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水素供給流路３１を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品である開放弁１１０がインジェクタ３５に一体的に設けられて近接配置されるため、インジェクタ３５に起因して生じる圧力変動に対する開放弁１１０の応答遅れを抑制できる。したがって、水素供給流路３１における開放弁１１０の上流側のインジェクタ３５で調整後の水素ガスの圧力が所定圧力になると開放弁１１０を即座に応答つまり開放させて水素供給流路３１の圧力を外気に逃がすことができ、この圧力が所定圧力を超える場合に生じる不具合を抑制できる。

また、開放弁１１０が、インジェクタ３５の下流側を支持する支持ブロック８７に、開放口１１７が水平に対し下方を向くように設けられているため、開放弁１１０の開放口１１７側に液滴が付着しても、液滴は自重で流れ落ちることになり、弁体１１８に付着することが抑制されることになる。

しかも、開放弁１１０が、インジェクタ３５の下流側を支持する支持ブロック８７内に主流路部１２２と主流路部１２２から開放弁１１０側に分岐する分岐流路部１２３とを設け、主流路部１２２が分岐流路部１２３の分岐位置よりも下方まで延在しているため、主流路部１２２の下流側に設けられる循環流路３２において燃料電池１０からの湿度の高い水素オフガスが導入されても、その水蒸気により生じる結露水が開放弁１１０に及ぶことを抑制できる。よって、開放弁１１０に生じる凍結固着を抑制できる。

さらに、開放弁１１０の開放口１１７のガス放出先に拡散板１２５を設けているため、開放弁１１０の開放時に水素ガスが拡散板１２５で減速されて拡散されることになる。したがって、水素ガスの放出流速が高いことに起因した他部品の破損等を抑制できる。

加えて、支持ブロック８７内に設けられた主流路部１２２の流路断面積よりも、主流路部１２２から開放弁１１０側に分岐する分岐流路部１２３の流路断面積を広くしているため、インジェクタ３５の開状態での固着等で水素ガスが大流量でインジェクタ３５から流れる時に、開放弁１１０側により多く流して水素供給流路３１の外に放出することができ、燃料電池１０への圧力印加を小さくすることができる。

また、主流路部１２２に対する略直交方向に沿って分岐流路部１２３を延在させているため、分岐流路部１２３に連通する開放弁１１０が、インジェクタ３５の開閉時の水素ガスの動圧を受けにくくなり、その結果、開放弁１１０の開弁圧をより低くすることができる。したがって、燃料電池１０等の耐圧が低い部品の劣化を抑制できる。もしくは、燃料電池１０の耐圧を下げることで軽量化が可能となる。

なお、以上の第１実施形態に係る燃料電池システム１において、図８に示すように、上記したインジェクタ３５が配置されるエンドプレート７２にインジェクタ３５の本体部４７が一部入り込む凹部１００を形成し、インジェクタ３５を覆うように硬質の湾曲板状の遮音材１０１を配置するとともに、凹部１００及び遮音材１０１とインジェクタ３５との隙間を軟質の弾性体（軟質層）１０２で満たしても良い。

これにより、インジェクタ３５と燃料電池１０との間に弾性体１０２が設けられることになり、インジェクタ３５は一部が燃料電池１０に埋め込まれることになる。なお、遮音材１０１及び弾性体１０２がインジェクタ３５を覆う吸音カバー１０３を構成する。

また、インジェクタ３５に設けられた制御信号通信用の信号線接続コネクタ１０４をエンドプレート７２におけるインジェクタ３５の配置面７２ａと平行に配置することで、この信号線接続線コネクタ１０４の信号線との接続部分である口部１０５を配置面７２ａと平行にしても良い。これに合わせて、遮音材１０１に、この信号線接続コネクタ１０４を外部に露出させるための開口部１０６をエンドプレート７２側に形成しても良い。

さらに、インジェクタ３５とともに開放弁１１０を覆うように遮音材１０１及び弾性体１０２からなる吸音カバー１０３を設けても良く、このように構成すれば開放弁１１０の開放時のガス放出音を抑制できる。

次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１について第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

第２実施形態に係る燃料電池システム１においては、図９に示すように、第１実施形態の開放弁は設けられておらず、水素供給流路３１がインジェクタ３５をバイパスするバイパス流路１３０を有しており、このバイパス流路１３０に水素供給流路３１を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品である開放弁１３１が設けられ、この開放弁１３１がインジェクタ３５に一体的に設けられている。

この開放弁３５は、所定圧力にて開放するもので、開放時にインジェクタ３５の上流側と下流側とをインジェクタ３５を介さずに接続させるリリーフ弁である。そして、第２実施形態では、この開放弁１３１が、インジェクタ３５の上流側の円筒部４５を支持する支持ブロック８４と下流側の円筒部４６を支持する支持ブロック８７とで支持されており、また、これら支持ブロック８４，８７同士を結合している。

つまり、第２実施形態の上側の支持ブロック８４は、第１実施形態よりもエンドプレート７２に沿って広い幅に形成されるとともに、円筒部４５を支持する穴部８５と平行に嵌合穴１３３が形成されており、この嵌合穴１３３と穴部８５とがこれらに直交する連通穴１３４で連通されている。

また、下側の支持ブロック８７も、第１実施形態よりもエンドプレート７２に沿って広い幅に形成されるとともに、円筒部４６を支持する穴部８８と平行に嵌合穴１３６が形成されており、この嵌合穴１３６と穴部８８とがこれらに交差する連通穴１３７で連通されている。この連通穴１３７は穴部８８側ほど下側に位置するように傾斜している。

そして、開放弁１３１は、そのケース１４０の両端側にフランジ部１４１，１４２が形成されており、一方のフランジ部１４１よりも端側を支持ブロック８４の嵌合穴１３３に嵌合させた状態でこのフランジ部１４１において支持ブロック８４にボルト止めされており、他方のフランジ部１４２よりも端側を支持ブロック８７の嵌合穴１３６に嵌合させた状態でこのフランジ部１４２において支持ブロック８７にボルト止めされている。なお、各支持ブロック８４，８７のフランジ部１４１，１４２への当接面には隙間をシールするＯリング１４３が介装されている。

さらに、上記した支持ブロック８４，８７間には、インジェクタ３５及び開放弁１３１の両方を覆うように遮音材１０１が設けられている。この遮音材１０１はエンドプレート７２に取り付けられており、この遮音材１０１とエンドプレートとの間には弾性体１０２が充填されている。つまり、インジェクタ３５及び開放弁１３１は遮音材１０１と弾性体１０２とからなる吸音カバー１０３で覆われている。

以上説明した第２実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水素供給流路３１を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品である開放弁１３１がインジェクタ３５に一体的に設けられて近接配置されるため、インジェクタ３５に起因して生じる圧力変動に対する開放弁１３１の応答遅れを抑制できる。

したがって、インジェクタ３５に起因してインジェクタ３５よりも上流側の水素ガスの圧力が所定圧力になると開放弁１３１を即座に応答、つまり、開放させて水素ガスを水素供給流路３１におけるインジェクタ３５の下流側に逃がすことができ、この圧力が所定圧力を超える場合に生じる不具合を抑制できる。

また、開放弁１３１が、インジェクタ３５の上流側を支持する支持ブロック８４と下流側を支持する支持ブロック８７とで支持されているため、開放弁１３１の支持機構を統合でき、構成部品を簡略化できる。

さらに、開放弁１３１が、インジェクタ３５の上流側を支持する支持ブロック８４と下流側を支持する支持ブロック８７とを結合するため、両側の支持ブロック８４，８７の連結機構を開放弁１３１が兼ねることになり、構成部品を簡略化できる。

また、開放弁１３１が、インジェクタ３５を覆う遮音材１０１及び弾性体１０２からなる吸音カバー１０３の内側に配置されているため、インジェクタ３５との温度差が生じにくくなり、結露を生じにくくなるとともに、汚損が抑制される。

なお、開放弁１３１にフランジ部１４１，１４２を設けるのではなく、開放弁１３１の外周面にオネジを形成し支持ブロック８４，８７にメネジを形成して、これらを螺合させても良く、その場合、支持ブロック８４，８７間に開放弁１３１を内側に挿入するカラーを設けこのカラーを支持ブロック８４，８７間で踏ん張らせることで開放弁１３１による締結力を発生させても良い。

次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１について第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

第３実施形態においては、第１実施形態の開放弁は設けられておらず、図１０に示すように、水素供給流路３１を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品であってインジェクタ３５の上記した開閉制御に用いられ、開閉制御のフィードフォアード項を決める一次側圧力センサ４１及びフィードバック項を決める二次側圧力センサ４３がインジェクタ３５に一体的に設けられている。勿論、第３実施形態に第１実施形態の開放弁あるいは第２実施形態の開放弁を設けても良い。

インジェクタ３５の上流側の円筒部４５を支持する支持ブロック８４には、その内側の鉛直方向に沿う穴部８５と交差する方向（直交する方向）にエンドプレート７２と平行にネジ穴１４５が形成されており、このネジ穴１４５に外側から圧力センサ４１が螺合されている。

ここで、このネジ穴１４５は、穴部８５のＯリング８６およびインジェクタ３５で画成された水素供給流路３１の一部を構成する空間に連通しており、一次側圧力センサ４１の先端の検出部４１ａは水素供給流路３１内のインジェクタ３５の直上流側の圧力をネジ穴１４５を介して検出する。

また、インジェクタ３５の下流側の円筒部４６を支持する支持ブロック８７には、その内側の鉛直方向に沿う穴部８８と交差する方向（直交する方向）にエンドプレート７２と平行にネジ穴１４６が形成されており、このネジ穴１４６に外側から圧力センサ４３が螺合されている。

ここで、このネジ穴１４６は、穴部８８のＯリング８９およびインジェクタ３５で画成された水素供給流路３１の一部を構成する空間に連通しており、圧力センサ４３の先端の検出部４３ａは水素供給流路３１内のインジェクタ３５の直下流側の圧力をネジ穴１４６を介して検出する。

以上説明した第３実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水素供給流路３１を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品である圧力センサ４１，４３がインジェクタ３５に一体的に設けられて近接配置されるため、インジェクタ３５に起因して生じる圧力変動に対する圧力センサ４１，４３の応答遅れ、つまり一次側圧力センサ４１の圧力検出及び二次側圧力センサ４３の圧力検出の時間遅れを抑制できる。

したがって、上記のように、一次側圧力センサ４１の検出圧力値及び二次側圧力センサ４３の検出圧力値等に基づいて制御されるインジェクタ３５の制御遅れを抑制できる。

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である。 図１に示す燃料電池システムのインジェクタを示す断面図である。 図１に示す燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの燃料電池を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池システムが搭載された自動車を概略的に示す側面図である。 図１に示す燃料電池システムの燃料電池を示す一部を断面とした部分拡大正面図である。 図１に示す燃料電池システムで用いられる拡散板を示す正面図である。 図１に示す燃料電池システムのインジェクタの周辺を示す変形例の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池を示す一部を断面とした部分拡大正面図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池を示す一部を断面とした部分拡大正面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、１０Ａ，１０Ｂ…燃料電池スタック（スタック）、３１…水素供給流路（反応ガス配管）、３５…インジェクタ、４１，４３…圧力センサ（ガス要素部品）、８４，８７…支持ブロック、１０３…吸音カバー、１１０，１３１…開放弁（ガス要素部品）、１１７…開放口、１２２…主流路部、１２３…分岐流路部、１２６…拡散板。

Claims (13)

1. 燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス配管と、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることにより前記反応ガス配管内の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、を備えた燃料電池システムであって、
   前記反応ガス配管を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品が前記インジェクタに一体的に設けられている燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ガス要素部品は、所定圧力にて開放する開放弁である燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記開放弁が、開放時に前記インジェクタの下流側と前記反応ガス配管外とを接続させる燃料電池システム。
4. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記開放弁が、開放時に前記インジェクタの上流側と下流側とを接続させる燃料電池システム。
5. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられており、前記反応ガス配管外への開放口が下方に向けられている燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
   前記開放口からのガス放出先に拡散板が設けられている燃料電池システム。
7. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられており、
   前記支持ブロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とが設けられ、前記主流路部は前記分岐流路部の分岐位置よりも下方まで延在する燃料電池システム。
8. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられており、
   前記支持ブロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とが設けられ、前記主流路部の流路断面積よりも前記分岐流路部の流路断面積が広い燃料電池システム。
9. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられており、
   前記支持ブロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とが設けられ、前記主流路部に対する略直交方向に沿って前記分岐流路部が延在する燃料電池システム。
10. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
    前記開放弁が、前記インジェクタの上流側を支持する支持ブロックと下流側を支持する支持ブロックとで支持されている燃料電池システム。
11. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
    前記開放弁が、前記インジェクタの上流側を支持する支持ブロックと下流側を支持する支持ブロックとを結合している燃料電池システム。
12. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
    前記開放弁が、前記インジェクタを覆う吸音カバーの内側に配置されている燃料電池システム。
13. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
    前記ガス要素部品は、前記インジェクタの開閉制御に用いる圧力センサである燃料電池システム。

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