JP2009021150A - 燃料電池システムおよび燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタを振動源として反応ガス配管に生じる振動及び騒音の発生を抑制することができる燃料電池システムおよび燃料電池車両を提供する。
【解決手段】システム構成要素として、少なくとも、燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス配管３１と、反応ガス配管３１のガス状態を調整するインジェクタ３５と、を備え、反応ガス配管３１の隣り合う支持体への固定箇所間に延在する配管部３１Ａにおける、インジェクタ３５を振動源とする振動を抑制可能な位置に、他のシステム構成要素４１を振動抑制用の重量部として配置する。
【選択図】図４

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システム、および燃料電池システムを搭載した燃料電池車両に関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システム、およびかかる燃料電池システムを搭載した燃料電池車両が提案され、実用化されている。そして、かかる燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給圧力を迅速に変化させ、また高精度な調圧を可能とするために、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、インジェクタを設けることが考えられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３２７５９７号公報

燃料電池システムは、内燃機関等を用いるシステムと比べて、システム全体としての静粛性に優れることから、上記のようにインジェクタを採用すると、インジェクタを振動源として反応ガス配管の支持体（例えば、車載燃料電池システムでは車体）への固定箇所間に延在する配管部に振動及び騒音が生じ、これが目立ってしまう。このように、インジェクタを採用する場合には、新たに振動及び騒音への対策が必要となってくる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、インジェクタを振動源として反応ガス配管に生じる振動及び騒音の発生を抑制することができる燃料電池システムおよび燃料電池車両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、システム構成要素として、少なくとも、燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス配管と、該反応ガス配管のガス状態を調整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、前記反応ガス配管は、複数の固定箇所にて当該燃料電池システムを支持する支持体に固定されるものであり、前記反応ガス配管の隣り合う前記固定箇所間に延在する配管部における、前記インジェクタを振動源とする当該配管部の振動を抑制可能な位置（例えば、隣り合う固定箇所のそれぞれから等距離の位置、隣り合う固定箇所間の重心位置等）に、当該反応ガス配管に付設される他のシステム構成要素を振動抑制のための重量部として配置してなるものである。

かかる構成によれば、反応ガス配管の隣り合う固定箇所間の振動可能な配管部に対してその振動を抑制可能な位置に、システム構成要素を振動抑制用の重量部として配置しているため、インジェクタを振動源として配管部に生じる振動及び騒音の発生を抑制することができる。しかも、元々反応ガス配管に付設されるシステム構成要素を振動抑制用重量部として利用するため、別途の振動抑制用重量部を追加する必要がなく、部品点数増及び重量増を抑制できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記他のシステム構成要素として、前記重量部として配置される他のシステム構成要素は、前記反応ガス配管内の圧力を検出する圧力センサ、前記反応ガス配管からのガス漏れの有無を確認するためのリークチェックポート、前記反応ガス配管を手動で開閉するための手動バルブ、一端同士が相互に連結されて前記反応ガス配管の少なくとも一部を構成する一対の配管部の前記一端に設けられたフランジ同士の接合部、および前記反応ガス配管内の温度を検出する温度センサのいずれか１つ以上を採用することができる。

本発明によれば、部品点数増及び重量増を抑制しつつ、インジェクタを振動源として反応ガス配管に生じる振動及び騒音の発生を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の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。

本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）の供給を受けて電気化学反応により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、遮断弁３３とレギュレータ３４との間には、水素供給流路３１内のこの位置での水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４４が設けられている。また、インジェクタ３５とレギュレータ３４との間にも、水素供給流路３１内のこの位置で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Ａ１の上流側にも、水素供給流路３１内のこの位置で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。ここで、一次側圧力センサ４１はインジェクタ３５のフィードフォワード制御用、二次側圧力センサ４３はインジェクタ３５のフィードバック制御用となっている。

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り、本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及び第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。

また、インジェクタ３５は、両円筒部４５，４６間に形成された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及び第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の開口面積を変更（本実施形態に係る燃料電池システム１では、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による開口面積（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、本実施形態に係る燃料電池システム１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。図１に示すように、インジェクタ３５は、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側に配置されている。

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。

制御装置４は、所定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。

燃料電池１０及びインジェクタ３５は、図３に示すように、自動車（燃料電池車両）Ｖの車室Ｃに対しダッシュパネルＤＰによって仕切られたフロント側の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、水素タンク３０は車室Ｃの下方のリヤ側に設置されている。このため、燃料電池１０と水素タンク３０とを結ぶ水素供給流路３１は、車室Ｃの下方で車体前後方向に延在している。

ここで、インジェクタ３５とその上流側の図１に示すレギュレータ３４とは、自動車Ｖの車体に図示略のマウントを介して固定されており、水素供給流路３１におけるこれらインジェクタ３５とレギュレータ３４との間、つまり二箇所の隣り合う固定箇所間に延在する配管部３１Ａは、それ自体は車体に固定されていない。このため、インジェクタ３５の駆動で生じる振動が、このインジェクタ３５に接合された上流配管である配管部３１Ａに伝わり、この配管部３１Ａに振動及び騒音を生じさせてしまう。
よって、本実施形態では、このようなインジェクタ３５を振動源として配管部３１Ａに生じる振動をシミュレーションで分析し、あるいは実験的に分析して、この配管部３１Ａに配置されるシステム構成要素（システム構成部品）であって比較的重量の重い圧力センサ４１を、振動を抑制可能な位置（例えば、圧力センサ４１を設けた状態での振動の腹の位置）に、振動抑制用の重量部として配置する。ここで言う、システム構成要素とは、振動抑制以外の目的でシステム構成上必要な部品又は部位のことである。

上記した圧力センサ４１は、図４に示すように、配管部３１Ａに形成されたセンサ穴７１から配管部３１Ａ内の圧力を検出するもので、半円筒状をなす一対の金属製（銅製あるいはステンレス製）の固定部材７２，７３を有している。これら固定部材７２，７３は、配管部３１Ａを挟持した状態で互いに連結されることで配管部３１Ａに取り付けられる。
一方の固定部材７２には、センサ穴７１と位置を合わせて挿入穴７４が形成されており、圧力センサ４１は、これら挿入穴７４及びセンサ穴７１に挿入される圧力センサ本体７５と、圧力センサ本体７５を固定部材７２に結合する金属製（銅製あるいはステンレス製）の結合部材７６とを有している。
このような圧力センサ４１は、固定部材７２，７３および結合部材７６が金属製とされることで、比較的重量が重いため、本発明における振動抑制用の重量部として機能する。なお、圧力センサ本体７５は、その先端部に圧力を検出する圧力検出部７７が設けられており、また、基端側の頭部７８には信号線接続用のコネクタ７９が設けられている。

以上述べた本実施形態に係る燃料電池システム１および自動車Ｖによれば、水素供給流路３１の隣り合う車体側への固定箇所であるインジェクタ３５とレギュレータ３４との間に延在する配管部３１Ａに対して、その振動の振幅を抑制可能な位置に、システム構成要素である圧力センサ４１を振動抑制用の重量部として配置しているため、インジェクタ３５を振動源として配管部３１Ａに生じる振動及び騒音の発生を抑制することができ、車室Ｃ内の静粛性を向上させることができる。

しかも、水素供給流路３１に設けられるシステム構成要素の１つである圧力センサ４１を振動抑制用重量部として利用するため、別途の、つまり専用の振動抑制用重量部を追加する必要がなく、部品点数増及び重量増を抑制できることになり、その結果、この燃料電池システム１を搭載した自動車Ｖは、燃費が向上して走行可能距離が長くなる。

なお、水素供給流路３１は配管長が長く容積が大であって圧力挙動が緩やかである上に、水素供給流路３１内を通過する水素は空気と比べて流速が速いため、圧力センサ４１の取付位置の違いによる検出誤差は小さい。このため、圧力センサ４１の配管部３１Ａにおける配置位置の自由度は高く、上記のように振動を抑制可能な位置に圧力センサ４１を配置してもその検出精度への影響は抑制できる。

以上においては、配管部３１Ａの振動を抑制可能な位置に、システム構成要素である圧力センサ４１を振動抑制用重量部として配置する例を説明したが、システム構成部であって振動を抑制可能な重量を有するものであれば、いずれの部品あるいは部位を配管部３１Ａの振動を抑制可能な位置に配置しても良い。図示は略すが、例えば、水素供給流路３１のリークを検出するために設けられるリークチェックポートや、水素供給流路３１を手動で開閉するためのマニュアルバルブ、配管部材同士を接合させる大径のフランジ接合部および温度センサ等を、振動を抑制可能な位置に振動抑制用重量部として配置することができる。

また、以上においては、水素供給流路３１のうちインジェクタ３５の入口配管である、インジェクタ３５とレギュレータ３４との間の配管部３１Ａに対して、その振動を抑制可能な位置に、システム構成要素である圧力センサ４１を振動抑制用重量部として配置したが、水素供給流路３１のうちインジェクタ３５の出口配管である、インジェクタ３５と燃料電池１０との間の振動を、これらの間に配置される圧力センサ４３を位置に配置して抑制しても良い。また、水素供給流路３１のうち遮断弁３３とレギュレータ３４との間の高圧配管の振動を、この高圧配管に配置される圧力センサ４４を位置に配置して抑制しても良い。

さらに、上記のように、配管部３１Ａの振動を抑制可能な位置に、システム構成要素である圧力センサ４１を振動抑制用重量部として配置した上で、図５に示すように、さらに配管部３１Ａにおける圧力センサ４１の近傍位置をブラケット８１で車体側に支持しても良い。このブラケット８１は、配管部３１Ａの外周にゴムまたはエラストマーからなる弾性体８２を設け、配管部３１Ａをこの弾性体８２の外側に接合された樹脂製のブラケット本体８３を介して車体側のフレームＦＬあるいはＰＣＵ１１等に支持する構造のものである。このように構成すれば、インジェクタ３５を振動源として配管部３１Ａに生じる振動及び騒音の発生をさらに抑制することができる。

本発明の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圧力センサの取付状態を示す断面図である。 図１に示す燃料電池システムの圧力センサの取付状態の変形例を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、３１…水素供給流路（反応ガス配管）、３１Ａ…配管部、３４…レギュレータ、３５…インジェクタ、４１…圧力センサ（システム構成要素，振動抑制用重量部）、Ｖ…自動車（燃料電池車両）。

Claims (3)

1. システム構成要素として、少なくとも、燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス配管と、該反応ガス配管のガス状態を調整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、
   前記反応ガス配管は、複数の固定箇所にて当該燃料電池システムを支持する支持体に固定されるものであり、
   前記反応ガス配管の隣り合う前記固定箇所間に延在する配管部における、前記インジェクタを振動源とする当該配管部の振動を抑制可能な位置に、当該反応ガス配管に付設される他のシステム構成要素を振動抑制のための重量部として配置してな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、
   前記重量部として配置される他のシステム構成要素は、前記反応ガス配管内の圧力を検出する圧力センサ、前記反応ガス配管からのガス漏れの有無を確認するためのリークチェックポート、前記反応ガス配管を手動で開閉するための手動バルブ、一端同士が相互に連結されて前記反応ガス配管の少なくとも一部を構成する一対の配管部の前記一端に設けられたフランジ同士の接合部、および前記反応ガス配管内の温度を検出する温度センサのいずれか１つ以上である燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両であって、
   前記反応ガス配管は、当該燃料電池車両の車体に固定されている燃料電池車両。

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