JP2008130494A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】可変ガス供給装置の駆動に伴い脈動に起因する振動や可変ガス供給装置が自ら発生する振動の他所への伝播を抑制す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２０と、燃料電池２０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路７４を画成する配管７４Ａと、配管７４Ａに配設され、燃料ガス供給流路７４の上流側のガス状態を調節して下流側に供給する可変ガス供給装置８０とを備え、可変ガス供給装置８０よりも上流側の配管７４Ａが、支持部材９０を介して燃料電池２０に固定されている燃料電池システム１を採用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、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供給流路に可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムに関する。

近年、燃料タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）を燃料電池へと流すための燃料供給流路に、機械式可変レギュレータやインジェクタ等の可変ガス供給装置を設けることにより、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力をシステムの運転状態に応じて変化させることを可能にした燃料電池システムが提案されている（例えば、下記の特許文献１を参照）。
特開２００５−３０２５６３号公報

上記の燃料電池システムにおいては、インジェクタを駆動することにより、燃料ガス供給流路中の燃料ガスに脈動が生じることがある。そして、その脈動に起因する振動やインジェクタの駆動に伴い自ら発生する振動（例えば、弁体が弁座に衝突したときの振動）が、燃料ガス供給流路を画成する配管を介して他所へと伝播することがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、可変ガス供給装置の駆動に伴い脈動に起因する振動や可変ガス供給装置が自ら発生する振動の他所への伝播を抑制す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している。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための燃料ガス供給流路を画成する配管と、前記配管に配設され、前記燃料ガス供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、を備え、前記可変ガス供給装置よりも上流側の前記配管が、前記燃料電池に支持部材を介して固定されている。

この構成によれば、可変ガス供給装置に比べてはるかに重い燃料電池がマスとして機能するので、可変ガス供給装置を駆動することによって生じる、燃料ガスの脈動に伴う振動や可変ガス供給装置が自ら起こす振動が発生しても、その振動が低減される。したがって、当該振動が燃料ガス供給流路を画成する配管を介して他所へと伝播することを抑制することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記配管は、スタック構造をなす前記燃料電池の積層方向両端部に配置されたエンドプレートに、前記支持部材を介して固定されていてもよい。このようなエンドプレートは、燃料電池を構成する部材の中でも相対的に大きくて剛性が高く、しかも加工の余地が広いので、配管を支持する部材として好適である。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記支持部材による前記燃料電池への固定部と前記可変ガス供給装置との間の前記配管の一部が、弾性部材より構成されていてもよい。

この構成によれば、弾性部材が、支持部材と可変ガス供給装置との間の配管に生じる振動を吸収する。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記支持部材および前記弾性部材は絶縁体であってもよい。

この構成によれば、支持部材を介して燃料電池に固定された弾性部材から燃料供給源までの配管が、燃料電池から弾性部材までの配管と燃料電池との双方から絶縁されるので、燃料電池のもっている電位が支持部材を介して配管に伝わることがない。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記支持部材は、前記配管を複数の異なる方向から支持してもよい。

この構成によれば、可変ガス供給装置を駆動することによって生じる振動が複数の異なる方向の振幅を含んでいたとしても、支持部材を介してそれらの振動を燃料電池が受ける（後方から支持する）ことができるので、当該振動が燃料ガス供給流路を画成する配管を介して他所へと伝播することを抑制することができる。

本発明の燃料電池システムにおいては、前記配管に設けられたフランジが、前記支持部材を介して前記燃料電池に固定されていてもよい。

この構成によれば、フランジは燃料ガス供給流路を画成する配管よりも径が大きく、これにより、支持部材に対する接合面積を広く確保することができるので、配管を複数方向から支持するうえで、支持部材を取り付ける個所として好適である。

本発明の燃料電池システムによれば、可変ガス供給装置の駆動に伴い脈動に起因する振動や可変ガス供給装置が自ら発生する振動の他所への伝播を抑制することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（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への適用も可能である。

図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給流路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給流路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータが設けられている。コンプレッサＡ３は、モータＭによって駆動される。

燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給流路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

水素供給流路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素供給流路７４内の水素ガスの圧力を計測する圧力センサＰ１、及びインジェクタ（可変ガス供給装置）８０が設けられている。インジェクタ８０は、流量調整弁としての機能と、可変調圧弁としての機能とを併せもち、両機能によりストイキ比や背圧を制御する。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料オフガス）として水素循環路７５に排出され、水素供給流路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御され、水素供給流路７４を通じて燃料電池２０に水素ガスを供給したり、水素供給流路７４および水素循環路７５を通じて燃料電池２０に水素ガスを供給したりすることが可能である。水素オフガスは、水素供給流路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって加湿器Ａ２１の下流側の排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。また、ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

インジェクタ８０は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持されて噴射孔を開閉する弁体とを備えている。

インジェクタ８０の弁体は、例えばソレノイドへの給電によって発生する電磁駆動力により駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン／オフにより、噴射孔の開口面積（開口状態）を二段階以上の多段階あるいは無段階に切り替えることができる。インジェクタ８０のガス噴射時間およびガス噴射時期が、制御部５０から出力される制御信号によって制御されることにより、水素ガスの流量および圧力が高精度に制御される。

図２に示すように、水素供給流路７４のうち、インジェクタ８０よりも上流側、すなわちインジェクタ８０と水素供給源３０との間の配管７４Ａは、燃料電池２０の積層方向両端部に配置されたエンドプレート２０Ａの一方に支持部材９０を介して固定されている。エンドプレート２０Ａは、例えばステンレス鋼等からなり、燃料電池２０を構成する部材の中でも相対的に寸法が大きくて剛性が高く、しかも加工の余地（加工可能な部分）が広いので、配管７４Ａを支持する部材として好適である。

支持部材９０は樹脂成形品であって、図３に示すように、内側に配管７４Ａを保持するようにＣ形に形成された保持部９１と、保持部９１の両端部から保持部９１の径方向に沿ってそれぞれ延出された脚部９２と、脚部９２の先端にそれぞれ形成されたフランジ部９３とからなる。保持部９１の内径は配管７４Ａの外径よりも若干小さく形成されており、保持部９１の内側に配管７４を通すと、保持部９１の弾性によって支持部材９０が配管７４Ａの定位置に固定される。

各フランジ部９３には、図示しないが厚さ方向に貫通孔が形成されており、配管７４Ａは、フランジ部９３の貫通孔に図示しない雄ネジなどを差し込まれ、燃料電池２０のエンドプレート２０Ａに締着されることにより、支持部材９０を介して燃料電池２０に固定される。配管７４Ａは、支持部材９０を介して、エンドプレート２０Ａの表面から一定の距離離間しかつエンドプレート２０Ａに対して平行に配設される。

支持部材９０は、例えばポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド６６などの絶縁体であって、これにより、燃料電池２０と配管７４Ａとは支持部材９０を介して絶縁されている。

インジェクタ８０と支持部材９０との間に配設される配管７４Ａはその途中で二分割されており、その分割された一方の配管７４Ａの端部と他方の配管７４Ａの端部とがゴムホース（弾性部材）８５によって連結されている。つまり、ゴムホース８５は水素供給流路７４を画成する配管７４Ａの一部を形成している。ゴムホース８５には、耐圧性および耐寒性に優れると共に水素透過性の低い材料が使用されている。

上記のように構成された燃料電池システム１においては、インジェクタ８０よりも上流側の配管７４Ａが、樹脂製の支持部材９０を介して、燃料電池車両のフレームにマウントされている燃料電池２０に固定されている。つまり、インジェクタ８０に比べてはるかに重い燃料電池２０がマスとして機能するので、インジェクタ８０を駆動することによって生じる、水素ガスの脈動に起因する振動やインジェクタ８０内で弁体が弁座に衝突することに起因する振動が発生しても、その振動が低減される。したがって、当該振動が配管７４Ａを介して他所へと伝播することを抑制することができる。

また、インジェクタ８０と支持部材９０との間に配設された配管７４Ａの一部が、弾性体であってかつ絶縁体であるゴムホース８５とされており、このゴムホース８５は、配管７４Ａの他部で生じた振動を吸収することができるので、インジェクタ８０から燃料電池２０に伝播する振動が弱められる。したがって、振動が配管７４Ａを介して他所へと伝播することを効果的に抑制することができる。

さらに、ゴムホース８５が燃料電池２０から当該ゴムホース８５までの配管７４Ｂを絶縁しているので、ゴムホース８５から水素供給源３０までの配管７４Ｃが絶縁体よりなる支持部材９０によって燃料電池２０から絶縁されていることと相俟って、燃料電池２０のもっている電位が配管７４Ｂと支持部材９０との双方を介して配管７４Ｃに伝わることが抑制されている。

次に、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付し、それらの説明は省略する。

また、本実施形態の配管７５は、上記第１の実施形態におけるインジェクタ８０から水素供給源３０までの配管７４Ａのうち、燃料電池２０を収容する図示しないケースの内部に収容される部分に相当し、当該配管７５とケースの外部から当該配管７５に接続される配管７６とにより、上記第１の実施形態における配管７４Ａが構成されるものである。

図４および図５に示すように、本実施形態の支持部材１００は、硬質ゴムの成形品であって、配管７５を保持する保持部１０１と、保持部１０１から異なる２方向に延出する２つのフランジ部１０２，１０３とを有する。保持部１０１は直方体のブロック状をなしており、この保持部１０１には、配管７５を保持する貫通孔１０１ａが、上面から下面に貫通するように形成されている。貫通孔１０１ａの内径は、配管７５の外径よりも若干小さく形成されている。

貫通孔１０１ａに配管７５が差し通され、配管７５の下端に設けられたフランジ７５Ａが保持部１０１の下面に密に当接された状態で、支持部材１００が配管７５の定位置に固定される。フランジ７５Ａは配管７５よりも径が大きく、支持部材１００に対する接合面積を広く確保することができるので、配管７５を複数方向から支持するうえで支持部材１００を取り付ける個所として好適である。

一方のフランジ部１０２は、貫通孔１０１ａに通された配管７５に対して平行に形成されている。一方のフランジ部１０２は板状をなしており、このフランジ部１０２には、支持部材１００を燃料電池２０に固定するためのボルト１１０を挿通される貫通孔１０２ａが、貫通孔１０１ａに通された配管７５に対して直角をなすように形成されている。

他方のフランジ部１０３は、一方のフランジ部１０２に対して直角をなすように形成されている。他方のフランジ部１０３も板状をなしており、一方のフランジ部１０２と他方のフランジ部１０３とは直角をなすように配置されている。フランジ部１０３には、支持部材１００を燃料電池２０に固定するためのボルト１１１を挿通される貫通孔１０３ａが、貫通孔１０１ａに通された配管７５に対して平行に形成されている。

保持部材１００は、配管７５の定位置に固定されたまま、一方のフランジ部１０２を燃料電池２０のエンドプレート２０Ａの側面に当接されるとともに、他方のフランジ部１０３をエンドプレート２０Ａの下端面に当接される。そして、この状態を維持したまま、一方のフランジ部１０２に形成された貫通孔１０２ａにボルト１１０を差し込まれ、エンドプレート２０Ａの側面に開口する図示しない雌ネジ穴に締着される。

同様に、他方のフランジ部１０３に形成された貫通孔１０３ａにボルト１１１を差し込まれ、エンドプレート２０Ａの下端面に開口する図示しない雌ネジ穴に締着される。これにより、配管７５が、支持部材１００を介して燃料電池２０に固定される。

上記のように構成された燃料電池システムにおいては、支持部材１００の保持部１０１から延びる一方のフランジ部１０２が燃料電池２０の側面に固定され、保持部１０１から延びる他方のフランジ部１０３が燃料電池２０の下面に固定されている。支持部材１００は、一方のフランジ部１０２が、燃料電池２０の側面に固定されることにより、燃料電池２０の側面に垂直な方向に作用する振動に対抗する。また、支持部材１００は、他方のフランジ部１０３が、燃料電池２０の下面に固定されることにより、燃料電池２０の下面に垂直な方向に作用する振動に対抗する。

これにより、支持部材１００は、配管７５に、燃料電池２０の側面に垂直な方向の振幅（図中の両矢印Ｘ）を含む振動が作用したとしても、または燃料電池２０の下面に垂直な方向の振幅（図中の両矢印Ｙ）を含む振動が作用したとしても、燃料電池２０がそれらの振動に対するマスとして機能するので、配管７５及びそれに接続された配管７６を介して振動が他所へと伝播することを抑制することができる。

加えて、フランジ部１０２が燃料電池２０の側面に、フランジ部１０３が燃料電池２０の下面にそれぞれ接しているので、燃料電池２０の側面にも下面にも平行な方向の振幅（図中の両矢印Ｚ）を含む振動が作用したとしても、ゴムである支持部材１００の燃料電池２０の各面に対する摩擦により、配管７５及びそれに接続された配管７６を介して振動が他所へと伝播することを抑制することができる。

つまり、本実施形態の燃料電池システムによれば、配管７５に、あらゆる方向の振幅を含む振動が作用しても、その振動が他所へと伝播することをより効果的に抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示す概略図である。 本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示す図であって、燃料電池と、燃料電池に固定された配管とを示す概略図である。 本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示す図であって、支持部材および配管の断面図である。 本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態の変形例を示す図であって、燃料電池に配管を固定するための支持部材を側方から見た平面図である。 本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を示す図であって、支持部材を下方から見た平面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２０…燃料電池、３０…水素供給源（燃料供給源）、７４…水素供給流路（燃料供給流路）、７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃ，７５，７６…配管、７５Ａ…フランジ、８０…インジェクタ（可変ガス供給装置）、８５…ゴムホース（弾性部材）、９０，１００…支持部材

Claims (6)

1. 燃料電池と、
   燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための燃料ガス供給流路を画成する配管と、
   前記配管に配設され、前記燃料ガス供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、を備え、
   前記可変ガス供給装置よりも上流側の前記配管が、前記燃料電池に支持部材を介して固定されている燃料電池システム。
2. 前記配管は、スタック構造をなす前記燃料電池の積層方向両端部に配置されたエンドプレートに、前記支持部材を介して固定されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記支持部材による前記燃料電池への固定部と前記可変ガス供給装置との間の前記配管の一部が、弾性部材より構成されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記支持部材および前記弾性部材は絶縁体である請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記支持部材は、前記配管を複数の異なる方向から支持する請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記配管に設けられたフランジが、前記支持部材を介して前記燃料電池に固定されている請求項５に記載の燃料電池システム。

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