JP2016118186A - 燃料供給ユニット - Google Patents

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定嗣 永田
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Abstract

【課題】簡易な構成でインジェクタの噴射に起因する騒音を低減できる燃料供給ユニットを提供する。【解決手段】本発明の一態様は、水素ガスの流量及び圧力を調節するインジェクタ54と、インジェクタ54から噴射される水素ガスが導出される導出通路72と、を有する水素供給ユニット24において、導出通路72から分岐しインジェクタ54の噴出口54dに連通するノズル孔74と、N(2以上の整数)個設けられるインジェクタ54のうちの(N−1)個以下のインジェクタ54から構成される特定インジェクタと、特定インジェクタの噴出口54dに連通するノズル孔74に配置される圧力低減部材90と、を有し、アイドリング時には特定インジェクタのみが駆動し、圧力低減部材90は、特定インジェクタから噴射される水素ガスの噴射圧を低減させる。【選択図】図2

Description

本発明は、燃料容器から供給先へ供給される燃料ガスの流量及び圧力を調節するために使用される燃料供給ユニットに関するものである。
特許文献1に開示される燃料電池システムは、燃料電池へガスを供給するガス供給流路と、ガス供給流路に設けられたインジェクタを有している。そして、インジェクタは、その弁体よりも下流側の位置に、フィルタで構成されるバッフル部材を備えている。そして、これにより、インジェクタからガスが吐出される時に衝撃波が発生することを防止しようとしている。
特開2009−129827号公報
しかしながら、特許文献1に開示される燃料電池システムにおいて、複数のインジェクタが用いられる場合に全てのインジェクタについて衝撃波の発生を防止するためには、各々のインジェクタに対してバッフル部材を設ける必要がある。そのため、複雑な構成となってしまい、コストが増加してしまう。
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成でインジェクタの噴射に起因する騒音を低減できる燃料供給ユニットを提供すること、を課題とする。
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、燃料ガスの流量及び圧力を調節するインジェクタと、前記インジェクタから噴射される前記燃料ガスが導出される導出通路と、を有する燃料供給ユニットにおいて、前記導出通路から分岐し前記インジェクタの噴出口に連通する分岐通路と、N(2以上の整数)個設けられる前記インジェクタのうちの(N−1)個以下の前記インジェクタから構成される特定インジェクタと、前記特定インジェクタの噴出口に連通する前記分岐通路に配置される圧力低減部材と、を有し、アイドリング時には前記特定インジェクタのみが駆動し、前記圧力低減部材は、前記特定インジェクタから噴射される前記燃料ガスの噴射圧を低減させること、を特徴とする。
この態様によれば、アイドリング時において、特定インジェクタのみ駆動させるとともに、特定インジェクタの噴出口から噴射される燃料ガスの噴射圧を圧力低減部材により低減する。そのため、圧力低減部材の数量を低減できるので、簡易な構成でインジェクタの噴射に起因する騒音を低減できる。
上記の態様においては、前記圧力低減部材は、多孔質材料またはメッシュ材料により形成されていること、が好ましい。
この態様によれば、圧力低減部材を、簡易な構成とすることができる。そのため、コストの低減を図ることができる。
上記の態様においては、前記圧力低減部材は、中空の管部と、前記管部の内部に配置されるメッシュ材料と、により形成されていること、が好ましい。
この態様によれば、圧力低減部材を安定的かつ容易に分岐通路に取り付けることができる。そのため、特定インジェクタから噴射される燃料ガスの噴射圧は圧力低減部材により確実に低減されるので、安定してインジェクタの噴射に起因する騒音が低減される。また、圧力低減部材を分岐通路に取り付ける際の作業性が向上する。
上記の態様においては、前記特定インジェクタが噴射する前記燃料ガスの流量は、前記特定インジェクタ以外の前記インジェクタが噴射する前記燃料ガスの流量よりも小さいこと、が好ましい。
この態様によれば、特定インジェクタから噴射される燃料ガスの噴射圧は、低減され、かつ、圧力低減部材によりさらに低減される。そのため、より良好にインジェクタの噴射に起因する騒音を低減できる。
本発明の燃料供給ユニットによれば、簡易な構成でインジェクタの噴射に起因する騒音を低減できる。
燃料電池システムの概略構成図である。 水素供給ユニットの断面図である。 各インジェクタについての圧力低減部材の有無と駆動領域を示す図である。 第2インジェクタとその周辺の拡大断面図である。 圧力低減部材の外観斜視図である。 圧力低減部材の上面図である。 変形例におけるインジェクタの噴出口付近の拡大断面図である。
〔燃料電池システムの説明〕
まず、燃料電池システム1について説明する。燃料電池システム1は、図1に示すように、燃料電池(FC)10、水素ボンベ12、水素供給通路14、水素排出通路16、主止弁18、第1切換弁20、高圧レギュレータ22、水素供給ユニット24、中圧リリーフ弁26、低圧リリーフ弁28、エア供給通路30、エア排出通路32、エアポンプ34、第2切換弁36、1次圧センサ38、エア圧センサ40、コントローラ42などを有している。
この燃料電池システム1は、電動自動車に搭載され、その駆動用モータ(図示略)に電力を供給するために使用される。燃料電池10は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしてのエアの供給を受けて発電を行う。燃料電池10で発電した電力は、インバータ(図示略)を介して駆動用モータ(図示略)に供給される。水素ボンベ12には、高圧の水素ガスが蓄えられる。
燃料電池10のアノード側には、水素供給システムが設けられている。この水素供給システムは、水素ボンベ12から供給先の燃料電池10へ水素ガスを供給するための水素供給通路14と、燃料電池10から導出される水素オフガスを排出するための水素排出通路16とを備えている。水素ボンベ12の直下流の水素供給通路14には、水素ボンベ12から水素供給通路14への水素ガスの供給と遮断を切り換える電磁弁よりなる主止弁18が設けられる。水素排出通路16には、電磁弁よりなる第1切換弁20が設けられる。
主止弁18より下流の水素供給通路14には、水素ガスの圧力を減圧するための高圧レギュレータ22が設けられる。主止弁18と高圧レギュレータ22との間の水素供給通路14には、その中の圧力を1次圧P1として検出するための1次圧センサ38が設けられる。
高圧レギュレータ22より下流の水素供給通路14には、燃料電池10へ供給される水素ガスの流量及び圧力を調節するための水素供給ユニット24が設けられる。水素供給ユニット24は、本発明の燃料供給ユニットの一例に相当する。なお、水素供給ユニット24の詳細は、後述する。
中圧リリーフ弁26は、高圧レギュレータ22と水素供給ユニット24との間の水素供給通路14に配置されている。低圧リリーフ弁28は、水素供給ユニット24と燃料電池10との間の水素供給通路14に配置されている。中圧リリーフ弁26と低圧リリーフ弁28は、各々、水素供給通路14の中の圧力が所定値以上となったときに開弁して圧力を抜く。
一方、燃料電池10のカソード側には、燃料電池10にエアを供給するためのエア供給通路30と、燃料電池10から導出されるエアオフガスを排出するためのエア排出通路32とが設けられている。エア供給通路30には、燃料電池10に供給されるエア流量を調節するためのエアポンプ34が設けられている。エアポンプ34より下流のエア供給通路30には、エア圧力P4を検出するためのエア圧センサ40が設けられる。エア排出通路32には、電磁弁よりなる第2切換弁36が設けられる。
上記構成において、水素ボンベ12から導出される水素ガスは、水素供給通路14を通り、主止弁18、高圧レギュレータ22、水素供給ユニット24を介して燃料電池10に供給される。燃料電池10に供給された水素ガスは、燃料電池10にて発電に使用された後、燃料電池10から水素オフガスとして水素排出通路16及び第1切換弁20を介して排出される。
また、上記構成において、エアポンプ34によりエア供給通路30へ吐出されたエアは燃料電池10に供給される。燃料電池10に供給されたエアは、燃料電池10にて発電に使用された後、燃料電池10からエアオフガスとしてエア排出通路32及び第2切換弁36を介して排出される。
この燃料電池システム1は、システムの制御を司るコントローラ42を更に備える。コントローラ42は、燃料電池10へ供給される水素ガスの流れを制御するために、1次圧センサ38、水素供給ユニット24に備わる2次圧センサ56及び3次圧センサ58の検出値に基づき、主止弁18、水素供給ユニット24に備わるインジェクタ54を制御する。また、コントローラ42は、水素排出通路16の水素オフガスの流れを制御するために、第1切換弁20を制御する。
一方、コントローラ42は、燃料電池10へ供給されるエアの流れを制御するために、エア圧センサ40の検出値に基づきエアポンプ34を制御する。また、コントローラ42は、エア排出通路32のエアオフガスの流れを制御するために、第2切換弁36を制御する。また、コントローラ42は、燃料電池10の発電に係る電圧値及び電流値をそれぞれ入力するようになっている。コントローラ42は、中央処理装置(CPU)及びメモリを備え、燃料電池10へ供給される水素ガス量及びエア量を制御するために、メモリに記憶された所定の制御プログラムに基づいてインジェクタ54及びエアポンプ34等を制御する。
また、コントローラ42は、アクセル開度センサ44におけるアクセルペダル46の踏み込み量(アクセル開度)の検出値に基づき、インジェクタ54を制御する。
〔水素供給ユニットの説明〕
次に、水素供給ユニット24に関して説明する。
本実施例において、水素供給ユニット24は、図1と図2に示すように、導入ブロック50と、導出ブロック52と、インジェクタ54と、2次圧センサ56と、3次圧センサ58と、ボルト60などを備えている。
導入ブロック50は、水素供給通路14の水素ガスをインジェクタ54へ分配する部材である。この導入ブロック50は、図2に示すように、導入通路62と、凹部64と、導入孔66と、センサ孔68と、雌ネジ孔70などを備えている。
導入通路62は、水素供給通路14から水素ガスが導入される通路である。また、凹部64は、導入ブロック50における導出ブロック52側の面50aに対して凹んで形成されている。そして、凹部64の内側にインジェクタ54が配置されている。
導入孔66は、導入通路62と凹部64の間に形成されている。そして、導入孔66には、インジェクタ54の入口側にある入口パイプ54bが嵌め込まれている。図2に示す例においては、導入通路62に、3個のインジェクタ54の入口パイプ54bが並列に並んで接続されている。また、センサ孔68には、2次圧センサ56が嵌め込まれている。また、雌ネジ孔70には、ボルト60が締結されている。このようにして、導入ブロック50は、ボルト60により導出ブロック52と締結されている。
導出ブロック52は、インジェクタ54から噴射される水素ガスを合流させる部材である。この導出ブロック52は、図2に示すように、導出通路72と、ノズル孔74と、センサ孔76と、ボルト孔78などを備えている。
導出通路72は、インジェクタ54から噴射される水素ガスが導出される通路である。そして、導出通路72から、水素ガスが水素供給通路14を介して燃料電池10へ供給される。
ノズル孔74は、導出ブロック52における導入ブロック50側の面52aと導出通路72の間に形成されている。このノズル孔74は、各々のインジェクタ54に対応するように導出通路72から分岐して形成されている。そして、ノズル孔74には、インジェクタ54の出口側にあるノズルパイプ54cが嵌め込まれている。このようにして、ノズル孔74は、インジェクタ54のノズルパイプ54cの先端にある噴出口54dに連通している。これにより、インジェクタ54から噴射される水素ガスは、ノズル孔74を介して導出通路72に導出される。図2に示す例においては、導出通路72に、3個のインジェクタ54のノズルパイプ54cが並列に並んで接続されている。なお、ノズル孔74は、本発明における「分岐通路」の一例である。
詳しくは、ノズル孔74は、面52a側から順に、嵌合部80と中間部82と出口部84を備えている。嵌合部80の内周面80aと中間部82の内周面82aと出口部84の内周面84aは、各々、円筒形状に形成されている。そして、嵌合部80の内周面80aの直径よりも中間部82の内周面82aの直径が小さく形成され、かつ、中間部82の内周面82aの直径よりも出口部84の内周面84aの直径が小さく形成されている。なお、嵌合部80の内周面80aと中間部82の内周面82aと出口部84の内周面84aは、円筒以外の筒形状(例えば、略円筒形状や楕円筒形状など)に形成されていてもよい。
嵌合部80は、インジェクタ54のノズルパイプ54cがOリング86を介して嵌め込まれている部位である。中間部82は、インジェクタ54の噴出口54dが配置されている部位である。出口部84は、ノズル孔74における導出通路72側の出口に形成されている部位である。
センサ孔76には、3次圧センサ58が嵌め込まれている。また、ボルト孔78には、ボルト60が挿入されている。
インジェクタ54は、導入ブロック50と導出ブロック52で挟持されるように配置されている。そして、インジェクタ54は、導入通路62と導出通路72とに接続し、水素ガスの流量及び圧力を調節する。
インジェクタ54は、本体54aと、入口パイプ54bと、ノズルパイプ54cなどを備えている。本体54aは、円筒形に形成されている。入口パイプ54bは、本体54aの一端から突出し、本体54aよりも小径な円筒形に形成されている。ノズルパイプ54cは、本体54aの他端から突出し、本体54aより小径な円筒形に形成されている。そして、水素ガスは、入口パイプ54bから入って、ノズルパイプ54cの先端にある噴出口54dから噴射される。図2に示す例において、水素供給ユニット24は、インジェクタ54を3個有している。なお、インジェクタ54の数は、特に限定されず、2個であっても4個以上であってもよい。
2次圧センサ56は、導入通路62内の圧力を中圧である2次圧P2として検出する。また、3次圧センサ58は、導出通路72内の圧力を低圧である3次圧P3として検出する。
以上のような構成の水素供給ユニット24は、導入通路62に導入された水素ガスをインジェクタ54により導出通路72へ噴射することで、水素ガスを減圧する。
〔騒音低減機能の説明〕
次に、インジェクタ54の噴射に起因する騒音(気流音)を低減させる機能について説明する。
本実施例の水素供給ユニット24においては、導入通路62における水素ガスの流れ方向の上流側から、第1インジェクタ54−1、第2インジェクタ54−2、第3インジェクタ54−3の順に、3個のインジェクタ54が配置されている。
そこで、コントローラ42(図1参照)は、アイドリング時(低負荷運転領域のとき)に、3個のインジェクタ54のうちの1個のインジェクタ54である第2インジェクタ54−2のみを特定インジェクタとして駆動させる制御を行う(図3参照)。ここで、「アイドリング時」とは、燃料電池システム1を搭載した車両の運転状態がアイドリング状態であるときである。具体的には、「アイドリング時」とは、燃料電池10が最小限度の反応ガス消費で待機動作している運転時をいう。例えば、アクセル開度センサ44で検出されるアクセル開度が0であり(アクセルペダル46が踏み込まれておらず)、車両が停止しているときである。
そして、水素供給ユニット24は、図2と図4に示すように、第2インジェクタ54−2のノズルパイプ54cが嵌め込まれているノズル孔74にて、すなわち、第2インジェクタ54−2の噴出口54dに連通するノズル孔74の出口部84にて、圧力低減部材90を有している。圧力低減部材90は、第2インジェクタ54−2の噴出口54dから噴射される水素ガスの噴射圧を低減させる部材である。
圧力低減部材90は、図5と図6に示すように、中空円筒状の管部92と、管部92の内部に配置されるメッシュ材料94と、を備えている。メッシュ材料94は、金属(ステンレスなど)や樹脂などの各種材質により網目状に形成された部材である。本実施例では、メッシュ材料94は、管部92の内側の流路断面の全面に亘って形成されている(図6参照)。メッシュ材料94のメッシュの目の粗さは、一例として、150μm〜300μmである。また、メッシュ材料94は、カシメや溶接などにより管部92に取り付けられている。なお、管部92は、金属や樹脂などの各種材質により形成され、カシメや溶接や圧入などによりノズル孔74の出口部84に取り付けられている。
なお、圧力低減部材90は、多孔質材料により形成されていてもよい。ここで、多孔質材料は、円柱状(略円柱状を含む)や円筒状(略円筒状を含む)に形成され、ノズル孔74の出口部84に単独で取り付け可能な部材である。多孔質材料は、例えば、金属多孔体(ステンレスなど)、または、樹脂多孔体、または、セラミック多孔体である。
また、管部92の内径は、第1インジェクタ54−1や第3インジェクタ54−3のノズルパイプ54cが嵌め込まれているノズル孔74における出口部84の内周面84aの直径と同一または略同一である。
以上のように、本実施例の水素供給ユニット24では、アイドリング時に、第2インジェクタ54−2のみが駆動する。そして、第2インジェクタ54−2の噴出口54dに連通するノズル孔74の出口部84にて、第2インジェクタ54−2から噴射される水素ガスの噴射圧を低減させる圧力低減部材90が配置されている。すなわち、出来るだけ騒音を低減したい車両の運転領域であるアイドリング時に駆動させるインジェクタ54が予め特定されたうえで、特定されたインジェクタ54のみに対応させて圧力低減部材90が設けられている。
これにより、アイドリング時において、第2インジェクタ54−2のみが駆動するとともに、第2インジェクタ54−2の噴出口54dから噴射される水素ガスの噴射圧は圧力低減部材90により低減される。そして、圧力低減部材90は第2インジェクタ54−2のみに対応させて設けられているので、圧力低減部材90の数量を低減できるとともに、コストを低減できる。このようにして、出来るだけ騒音を低減したいアイドリング時において、簡易な構成でインジェクタ54の噴射に起因する騒音(高い噴射圧により発生する水素ガスの気流音)を低減できる。なお、図3に示すように、第1インジェクタ54−1と第3インジェクタ54−3は、車両の走行時(中負荷運転領域〜高負荷運転領域のとき)に駆動する。
なお、第1インジェクタ54−1や第3インジェクタ54−3の噴出口54dに連通するノズル孔74の出口部84に、圧力低減部材90よりも廉価かつ簡易な構造であって圧力を低減可能な部材(廉価品の圧力低減部材)が設けられていてもよい。
また、圧力低減部材90は、前記のように多孔質材料またはメッシュ材料により形成されている。そのため、圧力低減部材90を、簡易な構成とすることができる。したがって、コストの低減を図ることができる。
また、圧力低減部材90は、中空円筒状の管部92と、管部92の内部に配置されるメッシュ材料94と、により形成されている。これにより、管部92をノズル孔74の出口部84にて保持させることにより、圧力低減部材90を安定的かつ容易にノズル孔74の出口部84に取り付けることができる。そのため、第2インジェクタ54−2の噴出口54dから噴射される水素ガスの噴射圧は圧力低減部材90により確実に低減されるので、安定してインジェクタ54の噴射に起因する騒音が低減される。また、圧力低減部材90をノズル孔74の出口部84に取り付ける際の作業性が向上する。
なお、アイドリング時に、第2インジェクタ54−2ではなく、第1インジェクタ54−1または第3インジェクタ54−3が駆動してもよい。また、アイドリング時に、第2インジェクタ54−2とともに、第1インジェクタ54−1または第3インジェクタ54−3が駆動してもよい。これらの場合において、駆動させるインジェクタ54のノズルパイプ54cが嵌め込まれているノズル孔74の出口部84にて、圧力低減部材90が配置される。
また、水素供給ユニット24において配置されるインジェクタ54の数は特に限定されない。そして、例えば、インジェクタ54がN個設けられている場合には、コントローラ42は、アイドリング時に、N個のインジェクタ54のうちの(N−1)個以下のインジェクタ54から構成される特定インジェクタのみを駆動させる。そして、特定インジェクタである(N−1)個以下のインジェクタ54の噴出口54dに連通するノズル孔74の出口部84に、圧力低減部材90が配置される。そして、圧力低減部材90は、特定インジェクタから噴射される水素ガスの噴射圧を低減させる。なお、Nは、2以上の整数である。
変形例として、特定インジェクタである第2インジェクタ54−2が噴射する水素ガスの流量は、特定インジェクタ以外の第1インジェクタ54−1や第3インジェクタ54−3が噴射する水素ガスの流量よりも小さいとしてもよい。
具体的には、図7に示すように、第2インジェクタ54−2の噴出口54dの直径D2を、第1インジェクタ54−1の噴出口54dの直径D1や第3インジェクタ54−3の噴出口54dの直径D3よりも小さくすることが考えられる(噴出口54dの直径の調整)。また、前記の噴出口54dの直径の調整と併せて、または、前記の噴出口54dの直径の調整とは別に、第2インジェクタ54−2の弁体(不図示)のストローク量(全閉状態と全開状態の間における弁体の移動量)を、第1インジェクタ54−1の弁体のストローク量や第3インジェクタ54−3の弁体のストローク量よりも小さくすることも考えられる。
このような変形例によれば、第2インジェクタ54−2の噴出口54dから噴射される水素ガスの流量が少なくなる。すなわち、インジェクタ54の弁体を所定の速さでストローク(開閉弁)させたときの弁体の1回のストロークあたりに噴出口54dから噴射される水素ガスの流量について、第2インジェクタ54−2は、第1インジェクタ54−1や第3インジェクタ54−3よりも少なくなる。そのため、アイドリング時に、第2インジェクタ54−2の噴出口54dから噴射される水素ガスの噴射圧は、低減され、かつ、圧力低減部材90によりさらに低減される。したがって、出来るだけ騒音を低減したいアイドリング時において、より良好にインジェクタ54の噴射に起因する騒音を低減できる。
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、コントローラ42は、アイドリング時に駆動させるインジェクタ54を、車両の走行時にも駆動させてもよい。また、圧力低減部材90において、メッシュ材料94は、管部92の内側の流路断面の一部について形成されていてもよい。
1 燃料電池システム
10 燃料電池
12 水素ボンベ
14 水素供給通路
24 水素供給ユニット
50 導入ブロック
52 導出ブロック
54 インジェクタ
54−1 第1インジェクタ
54−2 第2インジェクタ
54−3 第3インジェクタ
62 導入通路
72 導出通路
74 ノズル孔
80 嵌合部
84 出口部
90 圧力低減部材
92 管部
94 メッシュ材料
D1,D2,D3 直径

Claims (4)

  1. 燃料ガスの流量及び圧力を調節するインジェクタと、前記インジェクタから噴射される前記燃料ガスが導出される導出通路と、を有する燃料供給ユニットにおいて、
    前記導出通路から分岐し前記インジェクタの噴出口に連通する分岐通路と、
    N(2以上の整数)個設けられる前記インジェクタのうちの(N−1)個以下の前記インジェクタから構成される特定インジェクタと、
    前記特定インジェクタの噴出口に連通する前記分岐通路に配置される圧力低減部材と、を有し、
    アイドリング時には前記特定インジェクタのみが駆動し、
    前記圧力低減部材は、前記特定インジェクタから噴射される前記燃料ガスの噴射圧を低減させること、
    を特徴とする燃料供給ユニット。
  2. 請求項1の燃料供給ユニットにおいて、
    前記圧力低減部材は、多孔質材料またはメッシュ材料により形成されていること、
    を特徴とする燃料供給ユニット。
  3. 請求項1または2の燃料供給ユニットにおいて、
    前記圧力低減部材は、中空の管部と、前記管部の内部に配置されるメッシュ材料と、により形成されていること、
    を特徴とする燃料供給ユニット。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1つの燃料供給ユニットにおいて、
    前記特定インジェクタが噴射する前記燃料ガスの流量は、前記特定インジェクタ以外の前記インジェクタが噴射する前記燃料ガスの流量よりも小さいこと、
    を特徴とする燃料供給ユニット。
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