WO2008062702A1

WO2008062702A1 - Système de pile à combustible

Info

Publication number: WO2008062702A1
Application number: PCT/JP2007/072148
Authority: WO
Inventors: Koji Katano; Norio Yamagishi; Akihisa Hotta
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2008-05-29
Also published as: KR101136498B1; US8153322B2; DE112007002716B8; KR20090069341A; DE112007002716T5; CN101536232B; JP2008130447A; CN101536232A; DE112007002716B4; US20100040922A1; JP5252166B2

Description

明細書燃料電池システム

技術分野

本発明は、燃料電池に接続された反応ガス配管にインジェクタを備えた燃料電池システムに関する。背景技術

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、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ガス状態を調整する流量調整弁を設け、この流量調整弁の下流側に開放弁を設けたものがある（例えば、特開 2 0 0 2 - 1 3 4 2 3 9号公報参照）。発明の開示

しかし、前記特許文献 1に記載されているような燃料電池システムにおいては、流量調整弁と開放弁とが離れて配置されており、上流側の流量調整弁で調整されるガス圧の変動に対して開放弁の開放遅れが生じる可能性がある。このような応答遅れは、開放弁に限らず、反応ガスの物理量に応答するガス要素部品であれば種々の部品において生じ得る問題である。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、反応ガスの物理量に応答するガス要素部品の応答性を高め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、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス配管と、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることにより前記反応ガス配管内の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するィンジェクタと、を備えた燃料電池システムであって、前記反応ガス配管を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品が前記インジェクタに一体的に設けられたものである。

かかる構成によれば、ガス要素部品がインジェクタに一体的に設けられて近接配置されるため、ィンジェクタに起因して生じる圧力変動に対するガス要素部品の応答遅れを抑制できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記ガス要素部品が、所定圧力にて開放する開放弁であっても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、開放時に前記インジェクタの下流側と前記反応ガス配管外とを接続させるものであっても良い。前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、開放時に前記インジェクタの上流側と下流側とを接続させるものであっても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持プロックに設けられている場合に、反応ガス配管外への開放口を下方に向けても良い。

かかる構成によれば、開放弁に液滴が付着しても当該液滴が下方から排出されることになり、弁体に付着することを抑制できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放口からのガス放出先に拡散板を設けても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持プロックに設けられている場合に、前記支持プロック内に主流路部と該主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とを設け、前記主流路部を前記分岐流路部の分岐位置よりも下方まで延在させても良い。前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持プロックに設けられている場合に、前記支持プロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とを設け、前記主流路部の流路断面積よりも前記分岐流路部の流路断面積を広くしても良い。

かかる構成によれば、インジェクタが全開から全閉に戻らない異常（いわゆる開固着）が発生した場合であっても、流路断面積が広い分岐流路部を通じて開放弁からより多くの反応ガスを反応ガス配管外へ放出でき、その結果、燃料電池への圧力印加を小さくすることができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジヱクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられている場合に、前記支持ブロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とを設け、前記主流路部に対する直交方向に沿って前記分岐流路部を延在させても良い。前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの上流側を支持する支持プロックと下流側を支持する支持プロックとで支持されていても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタの上流側を支持する支持ブロックと下流側を支持する支持ブロックとを結合していても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記開放弁が、前記インジェクタを覆う吸音カバーの内側に配置されていても良い。

前記燃料電池システムにおいて、前記ガス要素部品が、前記インジェクタの開閉制御に用いる圧力センサであっても良い。 '

かかる構成によれば、圧力センサがインジェタクに近接配置されるので、当該圧力センサの検出圧力に基づくィンジェクタ制御の時間遅れを低減でき、インジェクタの開閉制御の応答性を向上できる。

本発明によれば、上流側のインジェクタで調整が行われる反応ガスの物理量に応答するガス要素部品の応答性を高めることができる燃料電池システムを提供することができる。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図 2は、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 3は、図 1に示す燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。

図 4は、図 1に示す燃料電池システムの燃料電池を示す斜視図である。図 5は、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 6は、図 1に示す燃料電池システムの燃料電池を示す一部を断面とした部分拡大正面図である。

図 7は、図 1に示す燃料電池システムで用いられる拡散板を示す正面図である。

図 8は、図 1に示す燃料電池システムのインジェクタの周辺を示す変形例の断面図である。

図 9は、本発明の第 2実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池を示す一部を断面とした部分拡大正面図である。

図 1 0は、本発明の第 3実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池を示す一部を断面とした部分拡大正面図である。 .

発明を実施するための最良の形態

以下、図 1〜図 8を参照して、本発明'の第 1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。

第 1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）の供給を受けて電力を発生する燃料電池 1 0を備えるとともに、燃料電池 1 0に酸化ガス^しての空気を供給する酸化ガス配管系 2、燃料電池 1 0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 1 0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 1 0により発生した電力は、 P C U (Power Control Unit) 1 1に供給される。 P C U 1 1は、燃料電池 1 0とトラクションモータ 1 2との間に配置されるインバータゃ D C - D C コンバータ等を備えている。また、燃料電池 1 0には、発電中の電流を検出する電流センサ 1 3が取り付けられている。

酸化ガス配管系 2は、加湿器 2 0により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池 1 0に供給する空気供給流路 2 1と、燃料電池 1 0から排出された酸化オフガスを加湿器 2 0に導く空気排出流路 2 2と、加湿器 2 0から外部に酸化オフガスを導くための排気流路 2 3と、を備えている。空気供給流路 2 1には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器 2 0に圧送するコンプレッサ 2 4が設けられている。

水素ガス配管系 3は、高圧（例えば 7 0 M P a ) の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク 3 0と、水素タンク 3 0の水素ガスを燃料電池 1 0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） 3 1と、燃料電池 1 0から排出された水素オフガスを水素供給流路 3 1に戻すための循環流路 3 2と、を備えている。なお、水素タンク 3 0に代えて、炭化水素系の燃料から水素リツ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 3 1には、水素タンク 3 0からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁 3 3と、水素ガスの圧力を調整するレギユレータ 3 4と、ィンジェクタ 3 5と、が設けられている。また、インジェクタ 3 5の上流側には、水素供給流路 3 1内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧カセンサ 4 1及び温度センサ 4 2が設けられている。また、インジェクタ 3 5の下流側であって水素供給流路 3 1と循環流路 3 2との合流部の上流側には、水素供給流路 3 1内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ 4 3が設けられている。

レギユレータ 3 4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る。第 1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 3 4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筐体を有し、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 3 5を示す断面図である。このインジェクタ 3 5は、水素供給流路 3 1のガス状態を調整するもので、水素供給流路 3 1の一部を構成するとともに、軸方向一端の円筒部 4 5の内側に形成された口部 5 1において水素供給流路 3 1の水素タンク 3 0側に配置され、一方の円筒部 4 5 と同軸をなす軸方向他端の円筒部 4 6の内側に形成された口部 5 2において水素供給流路 3 1の燃料電池 1 0側に配置される内部流路 5 3が形成された金属製のシリンダ 5 4を有している。

このシリンダ 5 4には、口部 5 1に繋がる第 1通路部 5 6と、この第 1通路部 5 6の口部 5 1とは反対側に繋がる、第 1通路部 5 6よりも大径の第 2 通路部 5 7と、この第 2通路部 5 7の第 1通路部 5 6とは反対側に繋がる、第 2通路部 5 7よりも大径の第 3通路部 5 8と、この第 3通路部 5 8の第 2 通路部 5 7とは反対側に繋がる、第 2通路部 5 7および第 3通路部 5 8よりも小径の第 4通路部 5 9とが形成されており、これらで内部流路 5 3が構成されている。なお、円筒部 4 5の外周部には環状のシール溝 4 5 aが形成されており、円筒部 4 6の外周部にも環状のシール溝 4 6 aが形成されている。また、インジェクタ 3 5は、両円筒部 4 5， 4 6間に配置されるこれらよりも大径の本体部 4 7に、第 4通路部 5 9の第 3通路部 5 8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 6 1と、第 2 通路部 5 7に移動可能に揷入される円筒部 6 2および第 3通路部 5 8内に配置される第 2通路部 5 7よりも大径の傘部 6 3を有し傘部 6 3に斜めに連通穴 6 4が形成された金属製の弁体 6 5と、弁体 6 5の円筒.部 6 2に一端側が挿入されると共に他端側が第 1通路部 5 6内に形成されたストツパ 6 6に係止ざれることで弁体 6 5を弁座 6 1へ当接させて内部流路 5 3を遮断するスプリング 6 7と、弁体 6 5を電磁駆動力によりスプリング 6 7の付勢力に抗して第 3通路部 5 8の第 2通路部 5 7側の段部 6 8に当接するまで移動させることで弁体 6 5を弁座 6 1から離間させて連通穴 6 4で内部流路 5 3を連通させるソレノイド 6 9と、を有している。ここで、弁体 6 5はシリンダ 5 4の軸線方向に沿って作動する。

インジヱクタ 3 5の弁体 6 5は、電磁駆動装置であるソレノィド 6 9への通電制御により駆動され、このソレノイド 6 9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 5 3の開口状態を変更（本実施形態では、全開と全閉の 2段階）することができるようになつている。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: クタ 3 5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 3 5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 3 5の内部流路 5 3に設けられた弁体 6 5による開口状態（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 1 0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 3 5の弁体 6 5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 3 5下流に供給されるガス圧力がインジェクタ 3 5上流のガス圧力より減圧されるため、インジヱクタ 3 5を調圧弁（減圧弁、レギユレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、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ヱクタ 3 5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。

なお、第 1実施形態においては、図 1に示すように、水素供給流路 3 1と循環流路 3 2との合流部 A 1より上流側にインジヱクタ 3 5を配置している。ここでは、燃料供給源として複数の水素タンク 3 0を採用しているため、各水素タンク 3 0から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部 A 2 ) よりも下流側にィンジェクタ 3 5を配置している。

循環流路 3 2には、気液分離器 3 6及び排気排水弁 3 7を介して、排出流路 3 8が接続されている。気液分離器 3 6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 3 7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 3 6で回収した水分と、循環流路 3 2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 3 2には、循環流路 3 2内の水素オフガスを加圧して水素供給流路 3 1側へ送り出す水素ポンプ 3 9が設けられている。なお、排気排水弁 3 7及び排出流路 3 8を介して排出される水素オフガスは、希釈器 4 0 によって希釈されて排気流路 2 3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（例えばトラクシヨンモ一タ 1 2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、トラクシヨンモータ 1 2のほかに、燃料電池 1 0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 2 4、水素ポンプ 3 9、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）で使用されるァクチユエータ、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、 C P U、 R OM、 R AM, H D D、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、 R OMに記録された各種制御プログラムを C P U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。

具体的には、制御装置 4は、図 3に示すように、燃料電池 1 0の運転状態 (電流センサ 1 3で検出した燃料電池 1 0の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池 1 0で消費される水素ガスの量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能： B 1 )。本実施形態においては、燃料電池 1 0 の電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置 4の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。

また、制御装置 4は、燃料電池 1 0の運転状態（電流センサ 1 3で検出した燃料電池 1 0の発電時の電流値）に基づいて、インジェクタ 3 5下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池 1 0への目標ガス供給圧）を算出する（目標圧力値算出機能： B 2 )。本実施形態においては、燃料電池 1 0の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置 4の演算周期毎に、二次側圧力センサ 4 3が配置された位置（圧力調整が要求される位置である圧力調整位置）における目標圧力値を算出して更新することとしている。

また、制御装置 4は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ 4 3で検出したインジクタ 3 5の下流位置（圧力調整位置）の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能： B 3 )。フィードバック補正量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（圧力差低減補正流量）である。本実施形態においては、 P I制御等の目標追従型制御則を用いて、制御装置 4の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置 4は、前回算出した目標圧力値と、今回算出した目標圧力値と、の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出機能： B 4 )。フィードフォワード補正流量は、目標圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分（圧力差対応補正流量）である。

本実施形態においては、目標圧力値の偏差とフィードフォヮ一ド補正流量との関係を表すマップをインジェクタ 3 5の一次側圧力に応じて複数（例えば、所定閾値を基準とした高圧用と低圧用の 2つ）持っており、これらのマップを用いて制御装置 4の演算周期毎にフィードフォヮ一ド補正流量を算出して更新することとしている。なお、複数のマップは、一次側圧力センサ 4 1の圧力値に応じて持ち替えられる。

また、制御装置 4は、インジェクタ 3 5の上流のガス状態（一次側圧カセンサ 4 1で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ 4 2で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ 3 5の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能： B 5 )。本実施形態においては、インジェクタ 3 5の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置 4の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置 4は、インジェクタ 3 5の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ 3 5の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能： B 6 )。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ 3 5が制御装置 4から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジヱクタ 3 5の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置 4の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。

また、制御装置 4は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ 3 5の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能： B 7 )。そして、制御装置 4は、インジ工クタ 3 5の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ 3 5の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ 3 5の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ 3 5の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能： B 8 )。ここで、駆動周期とは、インジェクタ 3 5の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン .オフ）波形の周期を意味する。本実施形態においては、制御装置 4により駆動周期を一定の値に設定している。

そして、制御装置 4は、以上の手順を経て算出したインジェクタ 3 5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 rクタ 3 5のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池 1 0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 3 0から水素ガスが水素供給流路 3 1を介して燃料電池 1 0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 2 1を介して燃料電池 1 0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 1 0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 1 0内に供給されるようになっている。

図 4に示すように、燃料電池 1 0は、反応ガスの供給を受けて発電する矩形状の単セル 7 1を所要数積層して構成される一対の燃料電池スタック 1 0 A, 1 0 B力 S、互いに単セル 7 1の積層方向を平行にして並設された状態で、これらに共通で積層方向両端部に配置された一対のェンドプレート 7 2 , 7 3で挟持されて構成されている。

なお、これらエンドプレート 7 2 , 7 3は、燃料電池スタック 1 O A, 1 0 Bの並設方向に対し直交する方向の両側に配置された一対のテンションプレート 7 4 , 7 5で互いに連結されている。このような燃料電池 1 0は、図 5に示すように、略直方体形状のスタックケース 7 6に収容された状態で自動車 Vに搭載される。

この搭载状態で、燃料電池 1 0は、燃料電池スタック 1 0 A, 1 0 Bが相互に水平方向に並ぶ姿勢で自動車 Vのフロント側に設けられたエンジンコンパートメント E C内に設置されることになり、このとき、一対のエンドプレート 7 2， 7 3が車体前後方向両端に配 gされ、一対のテンションプレート 7 4 , 7 5が上下に配置された状態となる。以下はこの設置時の姿勢で説明する。

インジェクタ 3 5は、燃料電池 1 0における車両前後方向後側となる一方のエンドプレート 7 2に一体的に設けられている。これに対し、燃料電池 1 0を収容するスタックケース 7 6には、インジヱクタ 3 5と対向する後面 7 6 a以外の面であってインジヱクタ 3 5と乗員室 Cとの間にない面、具体的には前面 7 6 bに内外を連通させる換気穴 7 8が設けられている。

この換気穴 7 8には水素の通過を規制しつつ水蒸気の通過を許容するフィルタ 7 9が設けられている。なお、換気穴 7 8は、インジェクタ 3 5と対向する面以外の面であってインジェクタ 3 5と乗員室 Cとの間にない面であれば、例えば上面 7 6 c等の他の面に設けても良い。

上記した一対のエンドプレート 7 2 , 7 3は、図 4に示すように、複数の燃料電池スタック 1 O A, 1 0 Bに共通であるため車幅方向に長い略長方形状をなしており、例えば車両前後方向後側となる一方のエンドプレート 7 2 における並設された複数列（図 4では、 2列）の燃料電池スタック 1 0 A， 1 0 B同士の中央部に、上記したィンジェクタ 3 5がー体的に設けられている。

ここで、燃料電池スタック 1 O A, 1 0 Bはエンドプレート 7 2側の極性が互いに反対となるため、それぞれに水素ガスを最短距離で供給するために水素供給口 8 O A, 8 0 Bがエンドプレート 7 2の長さ方向に対称に配置されることになる。その結果、インジヱクタ 3 5が上記配置とされることで、水素供給流路 3 1におけるインジェクタ 3 5から延出する配管 8 1から分岐して各水素供給口 8 0 A， 8 0 Bへ接続される配管部 8 1 A, 8 I Bの長さを均等にできる。

インジェクタ 3 5は、より具体的には、図 6に示すように、入口側の円筒部 4 5が金属製の支持プロック 8 4の穴部 8 5に、シール溝 4 5 aに配置された弾性部材である Oリング 8 6を介して嵌合されており、出口側の円筒部 4 6が金属製の支持ブロック 8 7の穴部 8 8に、シール溝 4 6 aに配置された弾性部材である Oリング 8 9を介して嵌合されている。

そして、一方の支持プロック 8 4が上側に配置された状態で一力所の締結部 9 0においてエンドプレート 7 2にボルト止めで固定され、他方の支持ブロック 8 7が下側に配置された状態で両側の二力所の締結部 9 1 , 9 2においてエンドプレート 7 2にボルト止めで固定されている。この支持ブロッグ 8 7をエンドプレート 7 2に結合する二力所の締結部 9 1 , 9 2は、互いを結んだ線が水平となっている。

以上により、インジヱクタ 3 5は、その軸線方向つまり弁体駆動方向（弁体 6 5の移動方向）を鉛直方向に配置してエンドプレート 7 2に設けられており、弾性部材である Oリング 8 6 , 8 9を介して支持ブロック 8 4 , 8 7 に両側が支持されている。その結果、インジェクタ 3 5はその上流側の円筒部 4 5および下流側の円筒部 4 6が燃料電池 1 0に一対の支持ブロック 8 4 ,

8 7を介して結合されており、これら円筒部 4 5 , 4 6が燃料電池 1 0の発熱で加温される。また、インジェクタ 3 5は、ガス入口となる口部 5 1をガス出口となる口部 5 2に対して鉛直方向上側に配置している。

また、支持ブロック.8 4 , 8 7は、全体として三点の締結部 9 0 , 9 1 ,

9 2で燃料電池 1 0のエンドプレート 7 2に結合されており、下側の支持ブロック 8 7をエンドプレート 7 2に結合する二力所の締結部 9 1 , 9 2は、テンションプレート 7 4， 7 5のェンドプレート 7 2への図 4に示す結合部 7 4 a , 7 5 aの延在方向に平行に配置されている。

なお、支持プロック 8 4 , 8 7を全体として三点ではなく四点でェンドプレート 7 2に結合しても良いが、二点以下では安定的にインジェクタ 3 5を支持できず、五点以上では支持力所が多くなり過ぎてエンドプレート 7 2の変形等により締結部の緩みを生じる可能性が高くなるため、いずれも好ましくない。

ここで、図 5に示すように自動車 Vの後部に設けられた水素タンク 3 0から延出する水素供給流路 3 1が自動車 Vの乗員室 Cの床下を通ってエンジンコンパートメント E C内に導かれ、スタックケース 7 6の下面 7 6 dに形成された穴部 9 4を介してスタックケース 7 6内に導入されて、図 6に示すようにインジヱクタ 3 5の側方を通って上側の支持プロック 8 4に連結されている。このように支持ブロック 8 4に連結された水素供給流路 3 1は穴部 8 5に連通し、この穴部 8 5を介してインジェクタ 3 5の口部 5 1に連通する。なお、水素供給流路 3 1は、支持ブロック 8 4への連結側が、支持ブロック 8 4に接続される U字状をなす金属製の配管部 9 5と、この配管部 9 5に接続される弾性体からなる絶縁配管部 9 6と、この絶縁配管部 9 6に接続される金属製の配管部（入口側配管） 9 7とに分割されている。そして、絶縁配管部 9 6によって、高電位の燃料電池 1 0とボディアースされた水素タンク 3 0とを結ぶ水素供給流路 3 1を電気的に絶縁しており、この絶縁配管部 9 6はスタックケース 7 6内に配置されている。

また、スタックケース 7 6の下面 7 6 dの穴部 9 4に揷通される配管部 9 7は、支持プロック 8 7をェンドブレート 7 2に固定する締結部 9 1に共締めされたブラケット 9 8で中間部が固定されている。これは、.絶縁配管部 9 6が弾性体であることから、そのままでは姿勢が安定しない配管部 9 7の姿勢を安定させるためである。

そして、第 1実施形態においては、水素供給流路 3 1を流通する水素ガスの物理量に応答するガス要素部品である開放弁 1 1 0がインジェクタ 3 5に一体的に設けられている。

つまり、図 6に示すように、インジェクタ 3 5の下流側の円筒部 4 6を支持する支持プロック 8 7には、その内側の鉛直方向に沿う穴部 8 8の途中位置からェンドブレート 7 2と平行をなして前下がりに連通穴 1 1 1が形成されており、この連通穴 1 1 1の延長上に内部通路 1 1 2を配置して開放弁 1 1 0が取り付けられている。

この開放弁 1 1 0の内部通路 1 1 2は連通穴 1 1 1側から順に配置された、小径穴部 1 1 3と、小径穴部 1 1 3から離れるほど大径となるテーパ穴部 1 1 4と、小径穴部 1 1 3よりも大径の大径穴部 1 1 5とで構成されており、大径穴部 1 1 5の小径穴部 1 1 3とは反対側には、蓋部材 1 1 6が嵌合されている。

この蓋部材 1 1 6には、内部通路 1 1 2を水素供給流路 3 1の外側に開放する開放口 1 1 7が複数形成されており、蓋部材 1 1 6とテーパ穴部 1 1 4 との間には、テーパ穴部 1 1 4側に球状の弁体 1 1 8が、弁体 1 1 8と蓋部材 1 1 6との間にスプリング 1 1 9がそれぞれ配置されている。

穴部 8 8と連通穴 1 1 1とによって、支持ブロック 8 7内には、鉛直方向に沿う穴部 8 8内に形成される主流路部 1 2 2と、連通穴 1 1 1内に形成され主流路部 1 2 2から開放弁 1 1 0側に分岐する分岐流路部 1 2 3とが設けられており、主流路部 1 2 2に対する略直交方向に沿ってやや前下がりに分岐流路部 1 2 3が延在している。また、主流路部 1 2 2は分岐流路部 1 2 3 の分岐位置よりも下方まで延在している。

さらに、蓋部材 1 1 6の開放口 1 1 7は、連通穴 1 1 1に沿って前下がりとなっており、水平に対しては下向きとなっている。加えて、連通穴 1 1 1 の径 φ Aは、穴部 8 8の最小径 φ Bよりも大径となっている。つまり穴部 8 8内の主流路部 1 2 2の流路断面積よりも連通穴 1 1 1の流路断面積の方が広くなっている。

このような開放弁 1 1 0は、水素供給流路 3 1の圧力がスプリング 1 1 9 の付勢力よりも小さい所定圧力以下の場合、弁体 1 1 8がスプリング 1 1 9 の付勢力でテーパ穴部 1 1 4に当接して水素供給流路 3 1を開放せず、水素供給流路 3 1の圧力が前記所定圧力よりも高くなると、弁体 1 1 8がスプリング 1 1 9の付勢力に抗してテーパ穴部 1 1 4から離間して水素供給流路 3 1を外気に連通させる。

開放弁 1 1 0の開放口 1 1 7からのガス放出方向先方には、開放口 1 1 7 から放出されたガスを減速し拡散させる拡散板 1 2 5が設けられている。この拡散板 1 2 5は、エンドプレート 7 2に固定されており、中央の高さが高い山型をなすとともに図 7に示すように中央から放射状に同方向に湾曲する複数の羽根部 1 2 6が形成された形状をなしている。

以上説明した第 1実施形態に係る燃料電池システム 1によれば、水素供給流路 3 1を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品である開放弁 1 1 0がインジェクタ 3 5に一体的に設けられて近接配置されるため、インジェクタ 3 5に起因して生じる圧力変動に対する開放弁 1 1 0の応答遅れを抑制できる。したがって、水素供給流路 3 1における開放弁 1 1 0の上流側のインジェクタ 3 5で調整後の水素ガスの圧力が所定圧力になると開放弁 1 1 0を即座に応答つまり開放させて水素供給流路 3 1の圧力を外気に逃がすことができ、この圧力が所定圧力を超える場合に生じる不具合を抑制できる。また、開放弁 1 1 0力インジェクタ 3 5の下流側を支持する支持ブロック 8 7に、開放口 1 1 7が水平に対し下方を向くように設けられているため、開放弁 1 1 0の開放口 1 1 7側に液滴が付着しても、液滴は自重で流れ落ちることになり、弁体 1 1 8に付着することが抑制されることになる。

しかも、開放弁 1 1 0力インジクタ 3 5の下流側を支持する支持プロック 8 7内に主流路部 1 2 2と主流路部 1 2 2から開放弁 1 1 0側に分岐する分岐流路部 1 2 3とを設け、主流路部 1 2 2が分岐流路部 1 2 3の分岐位置よりも下方まで延在しているため、主流路部 1 2 2の下流側に設けられる循環流路 3 2において燃料電池 1 0からの湿度の高い水素オフガスが導入されても、その水蒸気により生じる結露水が開放弁 1 1 0に及ぶことを抑制できる。よって、開放弁 1 1 0に生じる凍結固着を抑制できる。

さらに、開放弁 1 1 0の開放口 1 1 7のガス放出先に拡散板 1 2 5を設けているため、開放弁 1 1 0の開放時に水素ガスが拡散板 1 2 5で減速されて拡散されることになる。したがって、水素ガスの放出流速が高いことに起因した他部品の破損等を抑制できる。

加えて、支持プロック 8 7内に設けられた主流路部 1 2 2の流路断面積よりも、主流路部 1 2 2から開放弁 1 1 0側に分岐する分岐流路部 1 2 3の流路断面積を広くしているため、インジェクタ 3 5の開状態での固着等で水素ガスが大流量でインジェクタ 3 5から流れる時に、開放弁 1 1 0側により多く流して水素供給流路 3 1の外に放出することができ、燃料電池 1 0への圧力印加を小さくすることができる。

また、主流路部 1 2 2に対する略直交方向に沿って分岐流路部 1 2 3を延在させているため、分岐流路部 1 2 3に連通する開放弁 1 1 0が、インジェクタ 3 5の開閉時の水素ガスの動圧を受けにくくなり、その結果、開放弁 1 1 0の開弁圧をより低くすることができる。したがって、燃料電池 1 0等の耐圧が低い部品の劣化を抑制できる。もしくは、燃料電池 1 0の耐圧を下げることで軽量化が可能となる。

なお、以上の第 1実施形態に係る燃料電池システム 1において、図 8に示すように、上記したインジェクタ 3 5が配置されるエンドプレート 7 2にィンジェクタ 3 5の本体部 4 7がー部入り込む凹部 1 0 0を形成し、インジェクタ 3 5を覆うように硬質の湾曲板状の遮音材 1 0 1を配置するとともに、凹部 1 0 0及び遮音材 1 0 1とインジヱクタ 3 5との隙間を軟質の弾性体 (軟質層） 1 0 2で満たしても良い。

これにより、インジヱクタ 3 5と燃料電池 1 0との間に弾性体 1 0 2が設けられることになり、インジェクタ 3 5は一部が燃料電池 1 0に埋め込まれることになる。なお、遮音材 1 0 1及び弾性体 1 0 2がィンジエタタ 3 5を覆う吸音カバー 1 0 3を構成する。

また、ィンジェクタ 3 5に設けられた制御信号通信用の信号線接続コネクタ 1 0 4をェンドプレート 7 2におけるインジヱクタ 3 5の配置面 7 2 aと平行に配置することで、この信号線接続線コネクタ 1 0 4の信号線との接続部分である口部 1 0 5を配置面 7 2 aと平行にしても良い。これに合わせて、遮音材 1 0 1に、この信号線接続コネクタ 1 0 4を外部に露出さ^:るための開口部 1 0 6をエンドプレート 7 2側に形成しても良い。

さらに、インジェクタ 3 5とともに開放弁 1 1 0を覆うように遮音材 1 0 1及び弾性体 1 0 2からなる吸音カバー i 0 3を設けても良く、このように構成すれば開放弁 1 1 0の開放時のガス放出音を抑制できる。

次に、本発明の第 2実施形態に係る燃料電池システム 1について第 1実施形態との相違部分を中心に説明する。

第 2実施形態に係る燃料電池システム 1においては、図 9に示すように、第 1実施形態の開放弁は設けられておらず、水素供給流路 3 1がィンジェクタ 3 5をバイパスするバイパス流路 1 3 0を有しており、このバイパス流路

1 3 0に水素供給流路 3 1を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品である開放弁 1 3 1が設けられ、この開放弁 1 3 1がインジェクタ 3 5 に一体的に設けられている。

この開放弁 3 5は、所定圧力にて開放するもので、開放時にインジェクタ 3 5の上流側と下流側とをインジェクタ 3 5を介さずに接続させるリリーフ弁である。そして、第 2実施形態では、この開放弁 1 3 1力 S、インジェクタ 3 5の上流側の円筒部 4 5を支持する支持ブロック 8 4と下流側の円筒部 4 6を支持する支持ブロック 8 7とで支持されており、また、これら支持プロック 8 4， 8 7同士を結合している。

つまり、第 2実施形態の上側の支持ブロック 8 4は、第 1実施形態よりもエンドプレート 7 2に沿って広い幅に形成されるとともに、円筒部 4 5を支持する穴部 8 5と平行に嵌合穴 1 3 3が形成されており、この嵌合穴 1 3 3 と穴部 8 5とがこれらに直交する連通穴 1 3 4で連通されている。

また、下側の支持プロック 8 7も、第 1実施形態よりもェンドブレート 7 2に沿って広い幅に形成されるとともに、円筒部 4 6を支持する穴部 8 8と平行に嵌合穴 1 3 6が形成されており、この嵌合穴 1 3 6と穴部 8 8とがこれらに交差する連通穴 1 3 7で連通されている。この連通穴 1 3 7は穴部 8 8側ほど下側に位置するように傾斜している。

そして、開放弁 1 3 1は、そのケース 1 4 0の両端側にフランジ部 1 4 1，

1 4 2が形成されており、一方のフランジ部 1 4 1よりも端側を支持ブロック 8 4の嵌合穴 1 3 3に嵌合させた状態でこのフランジ部 1 4 1において支持プロック 8 4にボルト止めされており、他方のフランジ部 1 4 2よりも端側を支持ブロック 8 7の嵌合穴 1 3 6に嵌合させた状態でこのフランジ部 1 4 2において支持ブロック 8 7にボルト止めされている。なお、各支持ブロック 8 4 , 8 7のフランジ部 1 4 1 , 1 4 2への当接面には隙間をシールする Oリング 1 4 3が介装されている。

さらに、上記した支持ブロック 8 4 , 8 7間には、インジェクタ 3 5及び開放弁 1 3 1の両方を覆うように遮音材 1 0 1が設けられている。この遮音材 1 0 1はェンドブレ一ト 7 2に取り付けられており、この遮音材 1 0 1とエンドプレートとの間には弾性体 1 0 2が充填されている。つまり、インジェクタ 3 5及び開放弁 1 3 1は遮音材 1 0 1と弾性体 1 0 2とからなる吸音カバー 1 0 3で覆われている。

以上説明した第 2実施形態に係る燃料電池システム 1によれば、水素供給流路 3 1を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品である開放弁 1 3 1がインジヱクタ 3 5に一体的に設けられて近接配置されるため、インジェクタ 3 5に起因して生じる圧力変動に対する開放弁 1 3 1の応答遅れを抑制できる。

したがって、インジェクタ 3 5に起因してインジェクタ 3 5よりも上流側の水素ガスの圧力が所定圧力になると開放弁 1 3 1を即座に応答、つまり、開放させて水素ガスを水素供給流路 3 1におけるインジェクタ 3 5の下流側に逃がすことができ、この圧力が所定圧力を超える場合に生じる不具合を抑制できる。

また、開放弁 1 3 1力インジェクタ 3 5の上流側を支持する支持ブロック 8 4と下流側を支持する支持ブロック 8 7とで支持されているため、開放弁 1 3 1の支持機構を統合でき、構成部品を簡略化できる。

さらに、開放弁 1 3 1が、インジヱクタ 3 5の上流側を支持する支持プロック 8 4と下流側を支持する支持プロック 8 7とを結合するため、両側の支持ブロック 8 4， 8 7の連結機構を開放弁 1 3 1が兼ねることになり、構成部品を簡略化できる。

また、開放弁 1 3 1力 S、ィンジェクタ 3 5を覆う遮音材 1 0 1及び弾性体 1 0 2からなる吸音カバー 1 0 3の内側に配置されているため、インジェクタ 3 5との温度差が生じにくくなり、結露を生じにくくなるとともに、汚損が抑制される。

なお、開放弁 1 3 1にフランジ部 1 4 1 , 1 4 2を設けるのではなく、開放弁 1 3 1の外周面にォネジを形成し支持ブロック 8 4 , 8 7にメネジを形成して、これらを螺合させても良く、その場合、支持プロック 8 4 , 8 7間に開放弁 1 3 1を内側に挿入するカラーを設けこのカラーを支持ブロック 8 4， 8 7間で踏ん張らせることで開放弁 1 3 1による締結力を発生させても良い。

次に、本発明の第 3実施形態に係る燃料電池システム 1について第 1実施形態との相違部分を中心に説明する。

第 3実施形態においては、第 1実施形態の開放弁は設けられておらず、図 1 0に示すように、水素供給流路 3 1を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品であってインジェクタ 3 5の上記した開閉制御に用いられ、開閉制御のフィードフォア一ド項を決める一次側圧力センサ 4 1及びフィードバック項を決める二次側圧力センサ 4 3がインジヱクタ 3 5に一体的に設けられている。勿論、第 3実施形態に第 1実施形態の開放弁あるいは第 2実施形態の開放弁を設けても良い。

インジェクタ 3 5の上流側の円筒部 4 5を支持する支持ブロック 8 4には、その内側の鉛直方向に沿う穴部 8 5と交差する方向（直交する方向）にェンドプレート 7 2と平行にネジ穴 1 4 5が形成されており、このネジ穴 1 4 5 に外側から圧力センサ 4 1が螺合されている。ここで、このネジ穴 1 4 5は、穴部 8 5の Oリング 8 6およびインジェクタ 3 5で画成された水素供給流路 3 1の一部を構成する空間に連通しており、一次側圧力センサ 4 1の先端の検出部 4 1 aは水素供給流路 3 1内のインジヱクタ 3 5の直上流側の圧力をネジ穴 1 4 5を介して検出する。

また、インジェクタ 3 5の下流側の円筒部 4 6を支持する支持ブロック 8 7には、その内側の鉛直方向に沿う穴部 8 8と交差する方向（直交する方向）にエンドプレート 7 2と平行にネジ穴 1 4 6が形成されており、このネジ穴 1 4 6に外側から圧力センサ 4 3が螺合されている。

ここで、このネジ穴 1 4 6は、穴部 8 8の Oリング 8 9およびインジェクタ 3 5で画成された水素供給流路 3 1の一部を構成する空間に連通しており、圧力センサ 4 3の先端の検出部 4 3 aは水素供給流路 3 1内のインジェクタ

3 5の直下流側の圧力をネジ穴 1 4 6を介して検出する。

以上説明した第 3実施形態に係る燃料電池システム 1によれば、水素供給流路 3 1を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品である圧力センサ 4 1， 4 3がインジヱクタ 3 5に一体的に設けられて近接配置されるため、インジェクタ 3 5に起因して生じる圧力変動に対する圧力センサ 4 1，

4 3の応答遅れ、つまり一次側圧力センサ 4 1の圧力検出及び二次側圧カセンサ 4 3の圧力検出の時間遅れを抑制できる。

したがって、上記のように、一次側圧力センサ 4 1の検出圧力値及び二次側圧力センサ 4 3の検出圧力値等に基づいて制御されるインジェクタ 3 5の制御遅れを抑制できる。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス配管と、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることにより前記反応ガス配管内の上流側のガス状態を調整して下流側に供給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、

前記反応ガス配管を流通する反応ガスの物理量に応答するガス要素部品が前記インジェクタに一体的に設けられてい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、

前記ガス要素部品は、所定圧力にて開放する開放弁である燃料電池システム。

3 . 請求項 2記載の燃料電池システムにおいて、

前記開放弁が、開放時に前記ィンジェクタの下流側と前記反応ガス配管外とを接続させる燃料電池システム。

4 . 請求項 2記載の燃料電池システムにおいて、

前記開放弁が、開放時に前記ィンジュクタの上流側と下流側とを接続させる燃料電池システム。

5 . 請求項 3記載の燃料電池システムにおいて、 ' 前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持プロックに設けられており、

前記反応ガス配管外への開放口が下方に向けられている燃料電池システム。

6 . 請求項 5記載の燃料電池システムにおいて、 ' 前記開放口からのガス放出先に拡散板が設けられている燃料電池システム。

7 . 請求項 3記載の燃料電池システムにおいて、

前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられており、前記支持ブロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とが設けられ、前記主流路部は前記分岐流路部の分岐位置よりも下方まで延在する燃料電池システム。

8 . 請求項 3記載の燃料電池システムにおいて、

前記開放弁が、前記インジェクタの下流側を支持する支持ブロックに設けられており、

前記支持プロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とが設けられ、前記主流路部の流路断面積よりも前記分岐流路部の流路断面積が広レ、燃料電池システム。

9 . 請求項 3記載の燃料電池システムにおいて、

前記開放弁が、前記ィンジェクタの下流側を支持する支持プロックに設けられており、

前記支持ブロック内に主流路部と前記主流路部から前記開放弁側に分岐する分岐流路部とが設けられ、前記主流路部に対する略直交方向に沿って前記分岐流路部が延在する燃料電池システム。

1 0 . 請求項 4記載の燃料電池システムにおいて、

前記開放弁が、前記ィンジェクタの上流側を支持する支持プロックと下流側を支持する支持プロックとで支持されている燃料電池システム。

1 1 . 請求項 4記載の燃料電池システムにおいて、

前記開放弁が、前記インジェクタの上流側を支持する支持ブロックと下流側を支持する支持プロックとを結合している燃料電池システム。

1 2 . 請求項 2記載の燃料電池システムにおいて、

前記開放弁が、前記ィンジェクタを覆吸音カバーの内側に配置されている燃料電池システム。

1 3 . 請求項 1記載の燃料電池システムにおいて、

前記ガス要素部品は、前記インジェクタの開閉制御に用いる圧力センサである燃料電池システム