JP5594162B2

JP5594162B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5594162B2
Application number: JP2011014814A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP2012156033A

Description

本発明は燃料電池システム、特に燃料ガスの供給配管系に関する。

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池において、燃料ガスと酸化ガスを供給するための配管系をコンパクトな構成とする技術が提案されている。

例えば、下記の特許文献１には、第１及び第２燃料電池スタックが互いに平行に配列されるとともに、第１及び第２燃料電池スタックに集合マニホールドが一体的に装着される構成が開示されている。集合マニホールドの中央部に設けられる連結ブロックは、燃料ガス供給口及び燃料ガス排出口と、酸化ガス供給口及び酸化ガス排出口とが表裏に配置され、第１及び第２燃料電池スタックに対して燃料ガス及び酸化ガスを均等に供給するとしている。

特開２０１０−３４０８２号公報

ところで、燃料ガスとしての水素ガスは、水素タンクからインジェクタを用いて燃料電池に供給されるが、燃料ガスを安定的にかつ低コストで供給するためには複数のインジェクタを並列に設けることが有効である。

その一方で、インジェクタの上流側の圧力とインジェクタの下流側の圧力を圧力センサで検出しながら水素ガスの流れを制御する必要があるところ、これら複数のインジェクタと圧力センサをどのように配置するかが問題となる。特に、燃料電池システムを車両の床下に搭載する場合には、床下の高さ寸法が制限されていることから、これら複数のインジェクタ及び圧力センサを効果的に配置することが要求される。

さらに、インジェクタの異常時等において水素ガスの圧力が過大となることを防止するために、配管系にリリーフ弁を設けることが有効であるが、このリリーフ弁をどのように配置するかも重要な課題となる。

本発明の目的は、燃料電池システムの燃料ガス供給配管系をコンパクトに構築することができる技術を提供することにある。

本発明は、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電を行う車両用燃料電池システムであって、燃料ガスが供給される入口側マニホールドと、前記入口側マニホールドに設けられ、燃料ガスの流量及び圧力を制御する複数のインジェクタと、前記インジェクタの射出側に設けられる出口側マニホールドと、前記入口側マニホールドに設けられる第１圧力センサと、前記出口側マニホールドに設けられる第２圧力センサとを備え、前記第１圧力センサは前記入口側マニホールドの上方に設けられ、前記第２圧力センサは前記出口側マニホールドの上方に設けられることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、複数の前記インジェクタは、前記入口側マニホールドの上下方向に沿い、その軸方向が水平方向となるように設けられる。

また、本発明の他の実施形態では、前記出口側マニホールドに設けられるリリーフ弁を備え、前記リリーフ弁は、その軸方向が水平方向となるように設けられる。
また、本発明の他の実施形態では、複数の前記インジェクタは、前記入口側マニホールドの軸中心に対して千鳥状に設けられる。

また、本発明の他の実施形態では、前記入口側マニホールドに前記燃料ガスを供給する配管を備え、前記配管及び前記出口側マニホールドは、燃料電池端部のエンドプレート内に組み込まれる。

また、本発明の他の実施形態では、前記配管と前記入口側マニホールドとの接続部は、複数の前記インジェクタの間に配置される。

また、本発明の他の実施形態では、前記配管の一部に設けられるバッファ部を備える。

また、本発明の他の実施形態では、前記インジェクタに接続される分圧抵抗を備え、前記分圧抵抗は前記入口側マニホールドに当接配置される。

本発明によれば、燃料電池システムの燃料ガス供給配管系をコンパクトに構築することができる。また、圧力センサの結露、凍結を防止できる。

燃料電池システムの全体構成図である。出口側マニホールドの配置説明図である。入口側マニホールド及びインジェクタの配置説明図である。燃料ガス配管系の外観斜視図である。中圧配管及びバッファの配置説明図である。インジェクタの駆動回路図である。インジェクタの通電電流の時間変化を示すグラフ図である。分圧抵抗の配置説明図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

１．システム構成
図１に、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す。なお、図において、燃料電池に燃料ガスを供給するアノード側の配管系のみを示し、燃料電池に酸化ガス、例えば空気を供給するカソード側の配管系については従来と同様であるためその説明は省略する。

燃料電池（ＦＣ）１０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単セルを複数積層して構成される燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを積層方向端部から挟持する一対のエンドプレート（ＥＰ）と、一対のエンドプレートを互いに連結するテンションプレートを備える。

水素タンク１２からの水素ガスは、レギュレータ１４を介して入口側マニホールド１６に供給される。入口側マニホールド１６には、３個のインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃが並列に設けられる。また、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの出口には、出口側マニホールド２０が接続される。出口側マニホールド２０は、燃料電池１０に接続され、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃから射出された水素ガスを燃料電池１０に供給する。

インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの上流側、具体的にはレギュレータ１４と入口側マニホールド１６との間に圧力センサ２４が設けられる。また、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの下流側、具体的には出口側マニホールド２０と燃料電池１０との間に圧力センサ２６が設けられる。水素タンク１２の圧力を基準とすると、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの上流側は相対的に中圧、下流側は相対的に低圧であるため、圧力センサ２４を中圧センサ、圧力センサ２６を低圧センサと称する。

インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの下流側、具体的には出口側マニホールド２０には、水素ガスの圧力を開放するためのリリーフ弁２２が設けられる。

一方、燃料電池１０からのオフガスは、気液分離器２８に供給される、気液分離器２８は、オフガスから水分を分離し、オフガスの一部を水素ポンプ３２に供給して循環させる。水分及び不純物を含むオフガスはパージ弁３０を介して排気管に排出される。

なお、図１では出口側マニホールド２０は、燃料電池１０とは別個なものとして示されているが、出口側マニホールド２０を燃料電池１０端部のエンドプレート内に組み込むことも可能である。

２．出口側マニホールドの構成
次に、出口側マニホールド２０の構成について説明する。

図２に、燃料電池１０のエンドプレート１１の断面を示す。インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの射出口は出口側マニホールド２０に水平方向から接続され、出口側マニホールド２０はエンドプレート１１内に設けられる。出口側マニホールド２０からは低圧水素ガスが燃料電池１０に供給されるところ、このように出口側マニホールド２０をエンドプレート１１内に組み込むことで、出口側マニホールド２０と燃料電池１０との間の配管系を省略することができる。

なお、図示していないが、出口側マニホールド２０には低圧センサ２６が設けられるとともに、リリーフ弁２２も設けられる。低圧センサ２６は、出口側マニホールド２０の上方に設けられる。また、リリーフ弁２２は、出口側マニホールド２０の下方に設けられる。インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃは水平方向に配置されるが、リリーフ弁２２もインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃと同様に水平方向に配置される。

３．入口側マニホールドの構成
図３に、入口側マニホールド１６に設けられるインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの配置を示す。入口側マニホールド１６は、鉛直方向に延在して配置され、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、入口側マニホールド１６の延在方向に沿って、それぞれ水平方向に設けられる。但し、入口側マニホールド１６の縦中心線に対し、千鳥状に設けられる。すなわち、インジェクタ１８ａは縦中心線に対して図中右方向に偏って設けられ、インジェクタ１８ｂも縦中心線に対して右方向に偏って設けられるものの、インジェクタ１８ｃは縦中心線に対して図中左方向に偏って設けられる。入口側マニホールド１６の径はインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの径よりも大きく、千鳥状に配置することでトータルの高さを抑制できる。また、入口側マニホールド１６には、レギュレータ１４からの中圧水素ガスを供給するための接続部１５が設けられるが、この接続部１５は、インジェクタ１８ａとインジェクタ１８ｂとの間に配置される。しかも、接続部１５は、入口側マニホールド１６の縦中心線上に配置される。インジェクタ１８ａとインジェクタ１８ｂは同一方向に設けられているため、インジェクタ１８ａ、１８ｂのコネクタを考慮すると、インジェクタ１８ａとインジェクタ１８ｂとの間にはコネクタ用の間隔を確保する必要があるが、インジェクタ１８ａとインジェクタ１８ｂの間に中圧水素ガス用の接続部１５を配置することで、間隔を確保しつつ、無駄なスペースを排除することができる。

さらに、入口側マニホールド１６の上部には、中圧センサ２４が設けられる。中圧センサ２４を入口側マニホールド１６の上部に配置することで、下方に配置する場合の結露、凍結による圧力センサの腐食を効果的に防止できる。

４．アノード側配管系の全体構成
図４に、中圧水素ガスの配管、入口側マニホールド１６、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、出口側マニホールド２０、リリーフ弁２２、中圧センサ２４、低圧センサ２６の構成を具体的に示す。

レギュレータ１４からの中圧水素ガスは、開口部１７ａから中圧配管１７内に導入される。開口部１７ａはエンドプレート１１の端部に設けられ、中圧配管１７はエンドプレート１１内に配置される。中圧配管１７は入口側マニホールド１６に面シールで接続される。

入口側マニホールド１６は、鉛直方向（図中ｚ方向）に延在しており、入口側マニホールド１６の上部には中圧センサ２４が設けられる。また、入口側マニホールド１６には、上から順にインジェクタ１８ａ、インジェクタ１８ｂ、インジェクタ１８ｃが水平方向に設けられる。中圧配管１７と入口側マニホールド１６との接続部１５（図３参照）は、インジェクタ１８ａとインジェクタ１８ｂの間に配置される。中圧配管１７からの中圧水素ガスが、接続部１５を介して入口側マニホールド１６に供給され、中圧センサ２４で圧力が検出されるとともに、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃで流量等が調整される。

インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの基本構成及び機能は公知であるが、簡単に説明すると、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃのそれぞれには弁体が設けられ、ソレノイドへの通電により弁体が駆動され内部流路の開口状態が変更される。ソレノイドが非通電状態では、弁体はスプリングによる付勢力により弁体に対向する弁座に当接して内部流路を閉塞する。ソレノイドが通常状態となると、弁体はスプリングによる付勢力に抗して移動して弁座から離間し、内部流路が開状態となる。ソレノイドは制御装置からの制御信号により通電され、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ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１８ａ、１８ｂ、１８ｃの下流側は、上流側に比べて減圧されるため、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを調圧弁ということもできる。

インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの射出口は、出口側マニホールド２０にそれぞれ接続される。出口側マニホールド２０は、入口側マニホールド１６から見て中圧配管１７と同じ側（図中ｙ方向）に配置される。出口側マニホールド２０も、中圧配管１７と同様にエンドプレート１１内に配置される。すなわち、図４において、開口部１７ａ、中圧配管１７、出口側マニホールド２０は全てエンドプレート１１に一体化される。

出口側マニホールド２０は、その平面形状（ｙ方向から見た平面形状）が屈曲形状ないし湾曲形状をなし、これにより中圧配管１７との干渉が防止される。また、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、図３に示すように入口側マニホールド１６に千鳥状に配置されているところ、出口側マニホールド２０がこのように屈曲形状をなすことで、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃと出口側マニホールド２０との接続も容易化される。すなわち、入口側マニホールド１６に千鳥状に配置されたインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、水平方向の配置を維持したまま、かつ、中圧配管１７と干渉することなく、屈曲形状の出口側マニホールド２０に接続することができる。

また、出口側マニホールド２０の上端には、低圧センサ２６が設けられ、下端にはリリーフ弁２２が水平方向に設けられる。低圧センサ２６及びリリーフ弁２２ともに、入口側マニホールド１６によりセンサ本体及びリリーフ弁本体が支持される。低圧センサ２６を中圧センサ２４と同様に上方に配置することで、中圧センサ２４と同様に結露、凍結による圧力センサの腐食を防止できる。なお、中圧センサ２４は入口側マニホールド１６の上部に設けられるため、入口側マニホールド１６の封止栓としても同時に機能し得る。低圧センサ２６も同様であり、出口側マニホールド２０の封止栓として機能し得る。

リリーフ弁２２は、インジェクタ１８ａ、１８ｂよりも下方であり、インジェクタ１８ｃと略同じ高さ、あるいはインジェクタ１８ｃよりも下方の位置に設けられる。また、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを水平方向に設けるとともに、リリーフ弁２２も同様に水平方向に設けることで、高さ寸法が縮小される。また、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ及びリリーフ弁２２の軸方向が互いに平行であるため、これらの取り付け作業が効率化される。

また、入口側マニホールド１６は、エンドプレート１１から見て遠い側に位置しているので、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃのコネクタをエンドプレート１１の反対側から挿入できる利点もあり、組立作業性が向上する。

また、図中ｘ方向を車両の前後方向、ｙ方向を車両の幅方向とすると、中圧配管１７は車両前後方向に延在する構成となり、このため車両側面からの衝突事故が発生して燃料電池１０が移動しても、エンドプレート１１で衝撃を受けることとなり、中圧配管１７に圧力が印加されない構成となる。

さらに、低圧センサ２６とリリーフ弁２２に着目すると、リリーフ弁２２の方が、低圧センサ２６よりもインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃに近い。すなわち、低圧センサ２６はインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃから離れているため、水素ガスの脈動の影響を受けにくい構成である。

出口側マニホールド２０に供給された低圧水素ガスは、燃料電池１０に供給される。

５．バッファの構成
中圧配管１７から中圧水素ガスが入口側マニホールド１６に供給されてインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃでガス流量、ガス圧力が調整されるが、中圧水素ガスに一定値以上の脈動があるとインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃで制御することが困難となる。このような場合、中圧配管１７の流路の一部に中圧水素ガスの脈動を吸収するバッファ（あるいはバッファ空間）を設けることが好適である。

そこで、次に、中圧配管１７に形成されるバッファについて説明する。

図５に、中圧配管１７とエンドプレート１１との関係を示す。エンドプレート１１の端部には、既述したように開口部１７ａが設けられ、この開口部１７ａから中圧水素ガスが中圧配管１７に導入される。中圧配管１７は、エンドプレート１１内に配置され、入口側マニホールド１６との接続部１５に面シールで接続される。

中圧配管１７の容積は相対的に小さく、このため中圧水素ガスの脈動が大きくなり易い。そこで、中圧配管１７の一部、具体的には開口部１７ａと接続部１５との間に、バッファ１９を形成する。中圧配管１７はエンドプレート１１内に配置されるから、中圧配管１７のバッファ１９もエンドプレート１１内に配置される。図においては、中圧配管１７の延在方向に沿って、流路と垂直な方向に２つのバッファ１９が形成される。中圧配管１７にこのようなバッファ１９を形成することで、水素ガスの脈動がバッファ１９の空間により吸収され、中圧水素ガスの流量を安定化できる。

なお、図５ではバッファ１９を中圧配管１７の延在方向に沿って複数形成しているが、単一のバッファ１９のみを形成してもよい。但し、バッファ１９エンドプレート１１内に形成されるため、バッファ１９によりエンドプレート１１の剛性が問題となる。図５に示すように、エンドプレート１１の厚さ方向に複数のバッファ１９を形成することで、エンドプレート１１の面剛性を確保することが容易化される。

６．インジェクタの分圧抵抗
次に、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの駆動回路について説明する。

図６に、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを駆動する駆動回路を示す。インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃには、所定電圧（例えば１４Ｖ）の電源が接続され、スイッチ３４、３６を切り替えることで突入電流と保持電流を通電する。すなわち、まずスイッチ３４をオンにし、スイッチ３６をオフにしてインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃに突入電流を流す。その後、スイッチ３４をオフにしてスイッチ３６をオンにする。インジェクタ１８ａ、インジェクタ１８ｂ、インジェクタ１８ｃとスイッチ３６との間にはそれぞれ分圧抵抗３２ａ、３２ｂ、３２ｃが接続されており、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃに印加される電圧を下げて保持電流を流す。ここで、（突入電流）＞（保持電流）である。

図７に、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの通電電流の変化を示す。まず、スイッチ３４がオンし、パルス状の突入電流１００が流れてインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃが動作し、水素ガスの流量を調整する。その後、スイッチ３６がオンし、一定値の保持電流２００が流れてインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの動作状態を保持して水素ガスの流量及び圧力を一定に維持する。突入電流から保持電流と電流を切り替えることで、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの通電電流が減少し、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃの発熱量を抑制できるものの、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃが動作している間は分圧抵抗３２ａ、３２ｂ、３２ｃにも通電されるから分圧抵抗３２ａ、３２ｂ、３２ｃでジュール熱が発生してしまう。

そこで、本実施形態では、インジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ毎にそれぞれ設けられる分圧抵抗３２を入口側マニホールド１６に配置する。

図８に、入口側マニホールド１６を上方から見た模式的平面図を示す。説明の都合上、入口側マニホールド１６とインジェクタ１８ａ、１８ｂ及び分圧抵抗３２ａ、３２ｂのみ示す。分圧抵抗３２ａはインジェクタ１８ａに接続される分圧抵抗であり、入口側マニホールド１６の一つの面に当接して配置される。また、分圧抵抗３２ｂはインジェクタ１８ｂに接続される分圧抵抗であり、入口側マニホールド１６の他の面に当接して配置される。図では、入口側マニホールド１６の断面形状が矩形状として示されているが、もちろんこれに限定されるものではなく、断面形状が円または楕円状であってもよく、この場合においても分圧抵抗３２ａ、３２ｂは入口側マニホールド１６の異なる面に当接して配置される。他のインジェクタ１８ｃに接続される分圧抵抗３２ｃについても、分圧抵抗３２ａ、３２ｂと同様に入口側マニホールド１６の外面に当接して配置し得る。

入口側マニホールド１６には、中圧配管１７から中圧水素ガスが導入される。従って、このように、分圧抵抗３２ａ、３２ｂ、３２ｃを入口側マニホールドの外面に当接して配置することで、分圧抵抗３２ａ、３２ｂ、３２ｃは入口側マニホールド１６を通流する水素ガスにより冷却されることとなり、熱の発生を抑制することができる。

７．変形例
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、水素ガスの脈動を抑制するためのバッファ１９を中圧配管１７に設けているが、低圧配管、具体的には出口側マニホールド２０から燃料電池１０への配管のいずれかにもバッファを設けてもよい。

また、本実施形態では、複数のインジェクタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃを設ける構成を示したが、インジェクタの数は任意であり、１個又は４個以上であってもよい。１個のみ設ける場合においても、入口側マニホールド１６の上方に中圧センサ、その下方にインジェクタを設けることが望ましい。また、リリーフ弁２２もインジェクタと平行に設けることが望ましい。

１０燃料電池、１２水素タンク、１４レギュレータ、１６入口側マニホールド、１７中圧配管、１８ａ、１８ｂ、１８ｃインジェクタ、１９バッファ、２０出口側マニホールド、２２リリーフ弁、２４圧力センサ（中圧センサ）、２６圧力センサ（低圧センサ）、２８気液分離器、３０パージ弁、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ分圧抵抗。

Claims

燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電を行う車両用燃料電池システムであって、
燃料ガスが供給される入口側マニホールドと、
前記入口側マニホールドに設けられ、燃料ガスの流量及び圧力を制御する複数のインジェクタと、
前記インジェクタの射出側に設けられる出口側マニホールドと、
前記入口側マニホールドに設けられる第１圧力センサと、
前記出口側マニホールドに設けられる第２圧力センサと、
を備え、
前記第１圧力センサは前記入口側マニホールドの上方に設けられ、前記第２圧力センサは前記出口側マニホールドの上方に設けられる
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
複数の前記インジェクタは、前記入口側マニホールドの上下方向に沿い、その軸方向が水平方向となるように設けられる
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記出口側マニホールドに設けられるリリーフ弁
を備え、
前記リリーフ弁は、その軸方向が水平方向となるように設けられる
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
複数の前記インジェクタは、前記入口側マニホールドの軸中心に対して千鳥状に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記入口側マニホールドに前記燃料ガスを供給する配管
を備え、
前記配管及び前記出口側マニホールドは、燃料電池端部のエンドプレート内に組み込まれることを特徴とする燃料電池システム。
請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
前記配管と前記入口側マニホールドとの接続部は、複数の前記インジェクタの間に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
請求項５記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記配管の一部に設けられるバッファ部
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記インジェクタに接続される分圧抵抗
を備え、
前記分圧抵抗は前記入口側マニホールドに当接配置されることを特徴とする燃料電池システム。