JP5110427B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

例えば自動車などの車両に搭載された燃料電池システムには、燃料ガスタンクから燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路が設けられている。この燃料ガス供給流路には、通常、ガス流量等を厳格に調整して燃料ガスを燃料電池に供給する例えばインジェクタが用いられている（特許文献１参照。）。

特開２００５−３０２５７１号公報

しかしながら、上記燃料電池システムでは、インジェクタのＯＮ・ＯＦＦ駆動によって燃料ガス供給流路内の燃料ガスに圧力変動による脈動が生じる。この脈動により、例えば燃料ガス供給流路の配管に振動が生じ、この振動が配管を固定している部材や燃料ガスタンクに伝播して騒音が発生することがある。例えば、燃料電池車両においては、燃料ガスの脈動による振動や騒音が、配管や燃料ガスタンクが固定されているフレームなどを介して車室内に伝わることがある。

そこで、上記問題を解決するために、例えば上記燃料ガス供給流路に、燃料ガス供給流路のガス圧の変動を抑えるサージタンクを設けることが考えられる。

しかし、上記サージタンクは、その容積により燃料ガスの脈動を吸収するものであるため、大きな容積を必要とする。このため、燃料電池システムが大型化し、燃料電池システムの搭載部に大きなスペースが必要になる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムを大型化させずに、インジェクタなどのガス供給状態調整装置の駆動により生じる燃料ガスの脈動を抑えることをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、燃料電池システムであって、燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスの圧力を調整する調圧弁と、前記燃料ガス供給流路の前記調圧弁の下流側に設けられ、燃料ガスの供給状態を調整して前記燃料電池側に燃料ガスを供給するガス供給状態調整装置と、を有し、前記調圧弁は、燃料ガスが流入する調圧室と、背圧室と、前記調圧室と前記背圧室を隔てるダイアフラムとを筐体内に有するダイアフラム式のものであり、ガス供給状態調整装置のガスの流入部は、前記調圧弁の調圧室側の筐体の前記ダイアフラムに対向する位置に接続されていることを特徴とする。なお、上記燃料ガスの供給状態には、燃料ガスの圧力や流量が含まれる。

本発明によれば、ガス供給状態調整装置のガスの流入部が調圧弁の調圧室側の筐体のダイアフラムに対向する位置に接続されているので、ガス供給状態調整装置の駆動により生じる燃料ガスの脈動をダイアフラムで吸収して抑えることができる。また、既存の調圧弁のダイアフラムを用いるので、燃料電池システムが大型化することがない。

上記燃料電池システムにおいて、前記ダイアフラムの外周部には、前記背圧室側に突出する湾曲部が形成されており、前記ガス供給状態調整装置のガスの流入部は、前記湾曲部に対向するように接続されていてもよい。かかる場合、ガス供給状態調整装置の駆動により生じる燃料ガスの脈動をより効果的に吸収できる。

また、前記ダイアフラムの外周部には、前記背圧室側に突出する複数の湾曲部が形成されており、前記ガス供給状態調整装置のガスの流入部は、前記ダイアフラムの前記複数の湾曲部がある領域に対向するように接続されていてもよい。かかる場合、ガス供給状態調整装置の駆動により生じる燃料ガスの脈動をより効果的に吸収できる。

また、前記ダイアフラムの背圧室側の面の中央には、ダイアフラムの補強板が取り付けられており、前記ガス供給状態調整装置のガスの流入部は、前記ダイアフラムの前記補強板がない領域に対向するように接続されていてもよい。かかる場合、ガス供給状態調整装置の駆動により生じる燃料ガスの脈動をより効果的に吸収できる。

前記ガス供給状態調整装置のガスの流入部が対向する前記ダイアフラムの部分の背圧室側の面には、空気より粘性の高い部材が取り付けられていてもよい。かかる場合、燃料ガスの脈動により生じるダイアフラムの振動を効果的に減衰させることができる。これにより、ダイアフラムの振動時間を減らし、ダイアフラムに対する負荷を低減して、ダイアフラムの寿命を延ばすことができる。また、ダイアフラムの振動が調圧室における調圧に影響を与えることを防止できる。

また、以上に記載したガス供給状態調整装置は、ガスの供給孔が開口した弁座と、当該弁座に対して進退し当該弁座の供給孔を開閉する弁体とを有するインジェクタであってもよい。

本発明によれば、燃料電池システムを大型化させずに、ガス供給状態調整装置の駆動により生じる燃料ガスの脈動を抑えることができる。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。

燃料電池システム１は、図１に示すように、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と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、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１２と、システム全体を統合制御する制御装置１３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には、発電中の電流を検出する電流センサ１０ａが取り付けられている。

酸化ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給する供給流路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に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出する排気流路２３を備えている。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１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料ガス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に供給するための供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを供給流路３１に戻すための循環流路３２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、を燃料ガス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ガス供給源として採用してもよい。

供給流路３１には、水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧する調圧弁としてのレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するガス供給状態調整装置としてのインジェクタ３５が設けられている。本実施の形態では、レギュレータ３４とインジェクタ３５が一体化されている。このレギュレータ３４とインジェクタ３５の構成については後述する。

循環流路３２には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。気液分離器３６には、気液分離器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、気液分離器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。

制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ３５の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置１３は、車両に設けられた加速操作装置（アクセルペダル等）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等の電力を消費する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１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置は、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ３７、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。

制御装置１３には、燃料電池１０の発電量を検出する電流センサ１０ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報等が入力される。制御装置１３は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ２４、遮断弁３３、レギュレータ３４及びインジェクタ３５等を駆動制御して、燃料電池１０に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給する。

次に、上記レギュレータ３４とインジェクタ３５について説明する。図２は、レギュレータ３４とインジェクタ３５の構成の概略を示す縦断面の説明図である。

レギュレータ３４は、例えば内部に調圧室Ｓ１と背圧室Ｓ２が形成された筐体５０と、弁体可動部５１を有している。

筐体５０の調圧室Ｓ１と背圧室Ｓ２は、例えば水平のダイアフラム６０によって上下に隔てられている。ダイアフラム６０は、膜状のゴム材によって形成され、上下方向に弾力性を有する。ダイアフラム６０の外周部には、背圧室Ｓ２側に湾曲した湾曲部としてのコンボ（コンボリューション）部６０ａが形成されている。コンボ部６０ａは、ダイアフラム６０の外周部に沿ってリング状に形成されている。コンボ部６０ａにおいてダイアフラム６０が撓み易くなっており、このコンボ部６０ａによりダイアフラム６０の上下方向の所望の可動距離が確保されている。

ダイアフラム６０の背圧室Ｓ２側の面の中央には、補強板としての金属板６１が取り付けられている。金属板６１と背圧室Ｓ２の天井面との間には、ばね６２が介在されており、このばね６２によりダイアフラム６０が調圧室Ｓ１側に付勢されている。

ダイアフラム６０の調圧室Ｓ１側の面の中心には、上下方向に延びる接続棒６３が接続されている。接続棒６３は、筐体５０の下面に形成された貫通孔５０ａを通って弁体可動部５１内に達している。

弁体可動部５１は、筐体５０の下面の中央部に形成され、内部に弁体７０が上下動する可動室Ｓ３が形成されている。ダイアフラム６０に接続された接続棒６３の下端は、弁体７０に接続されており、ダイアフラム６０の上下動に伴って弁体７０も上下動する。弁体７０は、貫通孔５０ａの径よりも大きく形成され、上昇し筐体５０の下面に当接したときに、貫通孔５０ａを閉鎖するようになっている。つまり、筐体５０の下面の貫通孔５０ａの周辺部分は、弁体７０に対する弁座として機能している。

弁体可動部５１の側面には、ガス流入口５１ａが形成され、このガス流入口５１ａには、水素タンク３０側の供給流路３１が接続されている。したがって、 水素タンク３０から供給流路３１に送られた水素ガスは、弁体可動部５１の可動室Ｓ３を通って調圧室Ｓ１に供給される。

筐体５０の下面の外周部には、調圧室Ｓ１の水素ガスが流出するガス流出口５０ｂが設けられている。

筐体５０の背圧室Ｓ２側の側面には、背圧室Ｓ２内にガスを流入させるガス流入口５０ｃと、ガスを流出するガス流出口５０ｄが設けられており、背圧室Ｓ２を所定の圧力に設定できる。

かかるレギュレータ３４の構成によれば、所定の設定圧力よりも高い圧力の水素ガスが可動室Ｓ３及び調圧室Ｓ１に流入する場合に、ダイアフラム６０がばね６２の付勢に抗して背圧室Ｓ２側に押され、それに伴い可動室Ｓ３の弁体７０が上昇し、貫通孔５０ａの流路が狭められ、ガス流の圧力損失が増大して、調圧室Ｓ１内の圧力が低下する。また、所定の設定圧力よりも低い圧力の水素ガスが可動室Ｓ３及び調圧室Ｓ１に流入する場合には、ダイアフラム６０がばね６２の付勢力により調圧室Ｓ１側に押され、それに伴い可動室Ｓ３の弁体７０が下降し、貫通孔５０ａの流路が広げられ、ガス流の圧力損失が減少して、調圧室Ｓ１内の圧力が上昇する。このように、レギュレータ３４は、供給流路３１を流れる水素ガスの圧力を所定の設定圧力に調整できる。

また、上記レギュレータ３４の筐体５０のガス流出口５０ｂには、インジェクタ３５のガスの流入部３５ａが直接接続されている。流入部３５ａは、例えばダイアフラム６０の外周部、例えば金属板６１のない領域に対向する位置に接続されている。これにより、インジェクタ３５の流入部３５ａから発せられるガス圧の波動（脈動Ａ）は、ダイアフラム６０に直接的に衝突し、そのダイアフラム６０で吸収される。なお、流入部３５ａと筐体５０との接続部には、シール部材７１が設けられている。

次に、インジェクタ３５の構成について説明する。例えばインジェクタ３５は、電磁力により所定の駆動周期で弁体を弁座に対して進退させることによりガス流量やガス圧等のガス供給状態を調整する電磁駆動式のものである。

インジェクタ３５は、例えば図３に示すように略円筒状のインジェクタボディ（ノズルボディ）８０を有している。インジェクタボディ８０内には、弁座８１と、弁体８２と、流路形成ボディ８３と、ソレノイド８４等が設けられている。

流路形成ボディ８３は、例えばインジェクタボディ８０と同軸の略円筒状に形成され、インジェクタボディ８０内の上流部に設けられている。流路形成ボディ８３の内部には、燃料ガスのガス流路８３ａが形成されている。流路形成ボディ８３の上流部は、上流側に突出しており、流入部３５ａを構成している。上述のようにこの流入部３５ａがレギュレータ３４の筐体５０のガス流出口５０ｂに接続され、ダイアフラム６０に対向している。流路形成ボディ８３は、例えばインジェクタボディ８０に対して固定されている。

ソレノイド８４は、例えば流路形成ボディ８３とインジェクタボディ８０との間に設けられている。このソレノイド８４によって、弁体８２を軸方向に移動させ、弁座８１に対して進退させることができる。

弁体８２は、流路形成ボディ８３の下流側に設けられている。弁体８２は、例えば略円柱状に形成され、流路形成ボディ８３と同軸に配置されている。弁体８２は、例えば比較的径の小さい流路形成ボディ８３側の上流部８２ａと、比較的径の大きい弁座８１側の下流部８２ｂを有している。

弁体８２の上流部８２ａ側の中心軸には、流路形成ボディ８３のガス流路８３ａと同軸のガス流路８２ｃが形成されている。ガス流路８２ｃは、弁体８２の内部の途中まで形成されている。また、弁体８２の下流部８２ｂ側の内部には、ガス流路８２ｃの終端から下流部８２ｂの外側面に連通するガス流路８２ｄが形成されている。

弁体８２のガス流路８２ｃ内には、螺旋状のスプリング８７が設けられている。このスプリング８７の上流側の端部は、流路形成ボディ８３のガス流路８３ａ内に設けられた係止部８８に当接している。スプリング８７は、下流側に反発力が働くように係止部８８に当接されている。このスプリング８７により、弁体８２は、弁座８１側に付勢されている。

弁体８２の下流側には、弁座８１が形成されている。弁座８１の中央部には、ガスの供給孔８１ａが形成されている。供給孔８１ａは、インジェクタボディ８０の下部に形成されたガス流路８０ａに通じている。ガス流路８０ａは、燃料電池１０側の供給流路３１に接続されている。

かかるインジェクタ３５の構成によれば、ソレノイド８４によって弁体８２が弁座８１に対し後退し、弁体８２と弁座８１との間に隙間が形成されることによって、水素ガスが、流入部３５ａからインジェクタボディ８０内の流路形成ボディ８３のガス流路８３ａ、弁体８２のガス流路８２ｃ、８２ｄを通り、さらに供給孔８１ａ、ガス流路８０ａを通って燃料電池１０側に出力される。このときの弁体８２と弁座８１の隙間によって、水素ガスの供給状態、例えばガス圧力や流量が設定される。また、弁体８２がスプリング８７の付勢力によって弁座８１側に移動し、弁体８２によって弁座８１の供給孔８１ａが閉鎖されることによって、水素ガスの供給が停止される。このように、弁体８２を弁座８１に対して進退し当該弁座８１の供給孔８１ａを開閉することによって、所定の圧力、流量の水素ガスを所定の周期で燃料電池１０側に供給できる。

次に、以上のように構成された燃料電池システム１の作用について説明する。例えば燃料電池システム１が作動し、燃料電池１０において発電が行われる際には、図１に示す遮断弁３３が開放され、水素タンク３０から供給流路３１を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給される。このとき、水素ガスは、レギュレータ３４の弁体可動室Ｓ３から調圧室Ｓ１に流入し、減圧され、その後インジェクタ３５の駆動により、所定の圧力、流量に厳格に調整されて燃料電池１０側に供給される。

このときのインジェクタ３５の弁体８２等の駆動により、図２に示すようにインジェクタ３５の流入部３５ａから水素ガスの脈動Ａが生じて伝わることがあるが、この水素ガスの脈動Ａは、レギュレータ３４のダイアフラム６０に衝突し、ダイアフラム６０の弾力性、柔軟性により吸収される。

以上の実施の形態によれば、インジェクタ３５の流入部３５ａが、レギュレータ３４の調圧室Ｓ１側の筐体５０のダイアフラム６０に対向する位置に接続されているので、インジェクタ３５の駆動により生じる水素ガスの脈動Ａを、ダイアフラム６０で吸収して抑えることができる。また、水素ガスの脈動Ａの吸収に、既存のレギュレータ３４のダイアフラム６０を用いるので、燃料電池システム１が大型化することがない。

また、以上の実施の形態では、インジェクタ３５の流入部３５ａが、ダイアフラム６０の金属板６１のない領域に対向するように接続されているので、水素ガスの脈動Ａが、ダイアフラム６０の中でより弾力性、柔軟性のある部分に衝突する。この結果、水素ガスの脈動Ａがより効果的に吸収される。

以上の実施の形態では、インジェクタ３５の流入部３５ａが、ダイアフラム６０の金属板６１のない領域に対向するように接続されていたが、さらに図４に示すようにコンボ部６０ａに対向するように接続されていてもよい。コンボ部６０ａは、面積が大きく弾力性、柔軟性が高い上に、背圧室Ｓ２側に凸に湾曲しているので、水素ガスの脈動Ａが反射し難く、吸収されやすい。このため、水素ガスの脈動Ａがさらに効果的に吸収される。

また、例えば図５に示すようにダイアフラム６０の外周部に複数のコンボ部６０ａを形成し、インジェクタ３５の流入部３５ａが、複数のコンボ部６０ａのある領域に対向するように接続されるようにしてもよい。かかる場合、ダイアフラム６０に複数のコンボ部６０ａが形成されるので、その部分の弾力性、柔軟性が向上する。そして、その複数のコンボ部６０ａのある領域にインジェクタ３５の流入部３５ａが対向するので、水素ガスの脈動Ａを効果的に吸収できる。なお、かかる例におけるコンボ部６０ａの数は、２つに限られず３つ以上であってもよい。

また、以上の実施の形態において、インジェクタ３５の流入部３５ａが対向するダイアフラム６０の部分の背圧室Ｓ２側の面に、空気よりも粘性の高い部材が取り付けられていてもよい。かかる場合、例えば図６に示すようにダイアフラム６０の外周部の背圧室Ｓ２側の面に、リング状のゴム部材９０が取り付けられる。この場合、例えばインジェクタ３５の流入部３５ａから生じた水素ガスの脈動Ａがダイアフラム６０により吸収される際に、ゴム部材９０の粘性によりダイアフラム６０の振動がより速く減衰される。このため、脈動Ａの衝突によるダイアフラム６０に対する負荷が減少し、例えばダイアフラム６０の寿命を延ばすことができる。また、ダイアフラム６０の振動が調圧室Ｓ１における調圧に影響を与えることを防止できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態におけるレギュレータ３４は、ダイアフラム式のものであれば、他の構成を有するものであってもよい。また、インジェクタ３５の構成も本実施の形態の例に限られず、他のものであってもよい。

以上の実施形態では、燃料電池システム１の供給流路３１に設けられるガス供給状態調整装置がインジェクタ３５であったが、レギュレータなどの他の構造を有するものであってもよい。また、以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システムについて説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、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に適用したものであってもよい。

燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 レギュレータとインジェクタの構成の概略を示す縦断面の説明図である。 インジェクタの断面図の説明図である。 コンボ部に対向する位置にインジェクタの流入部を接続した場合のレギュレータとインジェクタの構成を示す説明図である。 複数のコンボ部に対向する位置にインジェクタの流入部を接続した場合のレギュレータとインジェクタの構成を示す説明図である。 ダイアフラムの外周部にゴム部材を取り付けた場合のレギュレータとインジェクタの構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
３１ 供給流路
３４ レギュレータ
３５ インジェクタ
３５ａ 流入部
５０ 筐体
６０ ダイアフラム
Ｓ１ 調圧室
Ｓ２ 背圧室

Claims (6)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスの圧力を調整する調圧弁と、
   前記燃料ガス供給流路の前記調圧弁の下流側に設けられ、燃料ガスの供給状態を調整して前記燃料電池側に燃料ガスを供給するガス供給状態調整装置と、を有し、
   前記調圧弁は、燃料ガスが流入する調圧室と、背圧室と、前記調圧室と前記背圧室を隔てるダイアフラムとを筐体内に有するダイアフラム式のものであり、
   ガス供給状態調整装置のガスの流入部は、前記調圧弁の調圧室側の筐体の前記ダイアフラムに対向する位置に接続されていることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記ダイアフラムの外周部には、前記背圧室側に突出する湾曲部が形成されており、
   前記ガス供給状態調整装置のガスの流入部は、前記湾曲部に対向するように接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ダイアフラムの外周部には、前記背圧室側に突出する複数の湾曲部が形成されており、
   前記ガス供給状態調整装置のガスの流入部は、前記ダイアフラムの前記複数の湾曲部がある領域に対向するように接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記ダイアフラムの背圧室側の面の中央には、ダイアフラムの補強板が取り付けられており、
   前記ガス供給状態調整装置のガスの流入部は、前記ダイアフラムの前記補強板がない領域に対向するように接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記ガス供給状態調整装置のガスの流入部が対向する前記ダイアフラムの部分の背圧室側の面には、空気より粘性の高い部材が取り付けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス供給状態調整装置は、ガスの供給孔が開口した弁座と、当該弁座に対して進退し当該弁座の供給孔を開閉する弁体とを有するインジェクタであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。