燃料電池システム
【課題】インジェクタに起因した振動及び騒音の発生、燃料電池へのガス供給の遅れの発生、あるいは減圧の発生を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に反応ガスを供給するための反応ガス配管３１と、弁体６５を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座６１から離隔させることにより反応ガス配管３１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３５とを備え、インジェクタ３５を燃料電池１０に一体的に設けることで、インジェクタ３５の振動及び騒音を重量物である燃料電池１０で吸収して抑制する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に反応ガスを供給するための反応ガス配管３１と、弁体６５を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座６１から離隔させることにより反応ガス配管３１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３５とを備え、インジェクタ３５を燃料電池１０に一体的に設けることで、インジェクタ３５の振動及び騒音を重量物である燃料電池１０で吸収して抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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】
【０００２】
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、オン・オフ制御されることでガス状態を調整するレギュレータを設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１０７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記特許文献１に記載されているような従来のレギュレータは、その構造上、燃料ガスの供給圧力を迅速に変化させることが困難である（すなわち応答性が低い）上に、目標圧力を多段階にわたって変化させるような高精度な調圧が不可能であるため、レギュレータに換えて電磁駆動式のインジェクタを設けることが考えられている。
ところが、インジェクタは、弁体を電磁駆動力で駆動して弁座から離隔させることによりオン・オフ（開弁・閉弁）されるものであるから、インジェクタのオン・オフ時に振動及び騒音が不可避的に発生する虞があり、振動及び騒音への対策が新たに必要となってくる。また、インジェクタを採用した場合に、その配置によっては、燃料電池へのガス供給に遅れや減圧を発生してしまう可能性がある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、インジェクタに起因した振動及び騒音の発生、燃料電池へのガス供給の遅れの発生、あるいは減圧の発生を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、前記インジェクタが前記燃料電池に一体的に設けられたものである。
【０００７】
かかる構成によれば、インジェクタの振動及び騒音を重量物である燃料電池で吸収して抑制することができる。また、インジェクタが燃料電池に一体的に設けられるため、インジェクタと燃料電池との距離を短縮することができる。
【０００８】
前記燃料電池システムにおいて、前記反応ガス配管が弾性体部を備えている場合に、前記燃料電池を収容するケース内に前記弾性体部を配置しても良い。この弾性体部は、絶縁体でも良いし、導電体でもよい。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタの少なくとも下流側を前記燃料電池に結合しても良い。
【００１０】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が、並設された複数列の燃料電池スタックを備えてなる場合には、これら燃料電池スタック同士の中央部に前記インジェクタを配置しても良い。
【００１１】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタが弾性部材を介して支持ブロックに支持されていても良い。
前記燃料電池システムにおいて、前記支持ブロックが前記燃料電池に結合されていても良い。
【００１２】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が、反応ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層して構成される燃料電池スタックが前記単セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートで挟持されているとともに、これらエンドプレートが前記積層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で互いに連結されてなる場合には、前記支持ブロック全体を二以上の固定点で前記燃料電池に固定し、前記エンドプレートを前記積層方向に見たときに、前記一対のテンションプレートと、少なくとも２つの前記固定点同士を結ぶ線分とが平行とされていても良い。
【００１３】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を収容するケースの換気穴を前記インジェクタと対向する面以外の面に設けても良い。
【００１４】
かかる構成によれば、インジェクタが発生させた騒音が、ケースの換気穴から外に漏れ出すことを抑制できる。
【００１５】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタを遮音材で覆っても良い。
【００１６】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタと前記燃料電池との間に弾性体を設けても良い。
【００１７】
かかる構成によれば、インジェクタと燃料電池との隙間で生じる共鳴を抑制できる。
【００１８】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタの少なくとも一部又は前記遮音材の少なくとも一部が前記燃料電池に埋没していても良い。
【００１９】
かかる構成によれば、インジェクタの騒音が輻射される面積を低減できる。
【００２０】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタが前記弁体駆動方向を鉛直方向に沿わせて配置されていても良い。
【００２１】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタのガス入口をガス出口に対して鉛直方向上側に配置しても良い。
【００２２】
前記燃料電池システムにおいて、前記反応ガス配管における前記インジェクタへの入口側配管を当該インジェクタに固定しても良い。
【００２３】
かかる構成によれば、インジェクタが一体的に設けられた燃料電池を移送する際に入口側配管に生じ得る破損を抑制できる。
【００２４】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタの信号線接続用コネクタを前記燃料電池における前記インジェクタの配置面と平行に設けても良い。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、インジェクタの振動及び騒音を重量物である燃料電池で吸収することが可能となり、インジェクタに起因した振動及び騒音の発生を抑制することができる。また、インジェクタと燃料電池との距離を短縮することが可能となり、燃料電池へのガス供給の遅れの発生、及び減圧の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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２】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】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４】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５】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６】図１に示す燃料電池システムの燃料電池のエンドプレートの変形イメージを示す側面図である。
【図７】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部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単セル７１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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内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との合流部の上流側には、水素供給流路３１内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。
【００３５】
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る。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。なお、円筒部４５の外周部には環状のシール溝４５ａが形成されており、円筒部４６の外周部にも環状のシール溝４６ａが形成されている。
【００３８】
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。
【００３９】
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の開口状態を変更（本実施形態に係る燃料電池システム１では、全開と全閉の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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
本実施形態に係る燃料電池システム１においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５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３０を採用しているため、各水素タンク３０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Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置している。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
図３に示すように、燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する矩形状の単セル７１を所要数積層して構成される一対の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂが、互いに単セル７１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エンドプレート７２，７３で挟持されて構成されている。
【００５０】
なお、これらエンドプレート７２，７３は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ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７４，７５で互いに連結されている。
【００５１】
このような燃料電池１０は、図４に示すように略直方体形状のスタックケース７６に収容された状態で、自動車Ｖに搭載される。この搭載状態で、燃料電池１０は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ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ＥＣ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７２，７３が車体前後方向両端に配置され、一対のテンションプレート７４，７５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。
【００５２】
インジェクタ３５は、燃料電池１０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７２に一体的に設けられている。これに対し、燃料電池１０を収容するスタックケース７６には、インジェクタ３５と対向する後面７６ａ以外の面であってインジェクタ３５と乗員室Ｃとの間にない面、具体的には前面７６ｂに内外を連通させる換気穴７８が設けられている。
【００５３】
この換気穴７８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７９が設けられている。なお、換気穴７８は、インジェクタ３５と対向する面以外の面であってインジェクタ３５と乗員室Ｃとの間にない面であれば、例えば上面７６ｃあるいは側面等の他の面に設けても良い。
【００５４】
上記した一対のエンドプレート７２，７３は、図３に示すように、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ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７２における並設された複数列（図３では、２列）の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ同士の中央部に、上記したインジェクタ３５が一体的に設けられている。
【００５５】
ここで、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂはエンドプレート７２側の極性が互いに反対となり、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８０Ａ，８０Ｂがエンドプレート７２の長さ方向に対称に配置されることになることから、インジェクタ３５が上記配置とされることで、水素供給流路３１におけるインジェクタ３５から延出する配管８１から分岐して各水素供給口８０Ａ，８０Ｂへ接続される配管部８１Ａ，８１Ｂの長さを均等にできる。
【００５６】
インジェクタ３５は、より具体的には、図５に示すように、入口側の円筒部４５が金属製の支持ブロック８４の穴部８５に、シール溝４５ａに配置された弾性部材であるＯリング８６を介して嵌合されており、出口側の円筒部４６が金属製の支持ブロック８７の穴部８８に、シール溝４６ａに配置された弾性部材であるＯリング８９を介して嵌合されている。
【００５７】
そして、一方の支持ブロック８４が上側に配置された状態で一カ所の締結部（固定点）９０においてエンドプレート７２にボルト止めで固定され、他方の支持ブロック８７が下側に配置された状態で両側の二カ所の締結部（固定点）９１，９２においてエンドプレート７２にボルト止めで固定されている。この支持ブロック８７をエンドプレート７２に結合する二カ所の締結部９１，９２は、互いを結んだ線が水平となっている。
【００５８】
以上により、インジェクタ３５は、その軸線方向つまり弁体駆動方向（弁体６５の移動方向）を鉛直方向に配置してエンドプレート７２に設けられており、弾性部材であるＯリング８６，８９を介して支持ブロック８４，８７に両側が支持されている。その結果、インジェクタ３５はその上流側の円筒部４５及び下流側の円筒部４６が燃料電池１０に一対の支持ブロック８４，８７を介して結合されており、これら円筒部４５，４６が支持ブロック８４，８７を介して伝わる燃料電池１０の発熱で加温される。また、インジェクタ３５は、ガス入口となる口部５１をガス出口となる口部５２に対して鉛直方向上側に配置している。
【００５９】
また、支持ブロック８４，８７は、全体として三点の締結部９０，９１，９２で燃料電池１０のエンドプレート７２に結合されており、下側の支持ブロック８７をエンドプレート７２に結合する二カ所の締結部９１，９２は、テンションプレート７４，７５のエンドプレート７２への図３に示す結合部７４ａ，７５ａの延在方向に平行に配置されている。
【００６０】
なお、支持ブロック８４，８７を全体として三点ではなく四点でエンドプレート７２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３５を支持できず、五点以上では支持カ所が多くなり過ぎてエンドプレート７２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。
【００６１】
ここで、図４に示すように自動車Ｖの後部に設けられた水素タンク３０から延出する水素供給流路３１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ＥＣ内に導かれ、スタックケース７６の下面７６ｄに形成された穴部９４を介してスタックケース７６内に導入されて、図５に示すようにインジェクタ３５の側方を通って上側の支持ブロック８４に連結されている。このように支持ブロック８４に連結された水素供給流路３１は穴部８５に連通し、この穴部８５を介してインジェクタ３５の口部５１に連通する。
【００６２】
なお、水素供給流路３１は、支持ブロック８４への連結側が、支持ブロック８４に接続されるＵ字状をなす金属製の配管部９５と、この配管部９５に接続される弾性体からなる絶縁配管部（弾性体部）９６と、この絶縁配管部９６に接続される金属製の配管部（入口側配管）９７とに分割されている。そして、絶縁配管部９６によって、高電位の燃料電池１０とボディアースされた水素タンク３０とを結ぶ水素供給流路３１を電気的に絶縁しており、この絶縁配管部９６はスタックケース７６内に配置されている。
【００６３】
また、スタックケース７６の下面７６ｄの穴部９４に挿通される配管部９７は、支持ブロック８７をエンドプレート７２に固定する締結部９１に共締めされたブラケット９８で中間部が固定されている。これにより、絶縁配管部９６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９７の姿勢を安定させることができる。
【００６４】
以上説明した本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、インジェクタ３５が燃料電池１０に一体的に設けられるため、インジェクタ３５で起振する振動及び騒音を重量物である燃料電池１０が吸収して減衰させることができ、抑制できる。したがって、乗員室Ｃの乗員に伝わるインジェクタ３５の作動音を抑制できる。また、インジェクタ３５が燃料電池１０に一体的に設けられるため、インジェクタ３５と燃料電池１０との距離を短縮することができ、その結果、燃料電池１０へのガス供給の遅れの発生、及び減圧の発生を抑制できる。
【００６５】
また、水素供給流路３１は、高電圧の燃料電池１０とボディアースされた水素タンク３０とを結んでおり、このため、途中に弾性体（ゴムあるいは樹脂）からなる絶縁配管部９６を備えているが、材質から音を放射し易いこの絶縁配管部９６を、燃料電池１０を収容するスタックケース７６内に配置しているため、スタックケース７６で絶縁配管部９６から放射される音の外部への放射を抑制することができる。
【００６６】
さらに、インジェクタ３５の金属製のシリンダ５４の上流側及び下流側の円筒部４５，４６を金属製の支持ブロック８４，８７を介して燃料電池１０に結合したため、インジェクタ３５の上流側及び下流側を効果的に燃料電池１０の余熱で加温することができる。
【００６７】
例えば、高速連続走行等で極低温の水素ガスがインジェクタ３５に供給された場合に、特に上流側に比べて下流側で、弁体６５を通過後の断熱膨張によってさらに水素ガスの温度が下がることになるが、下流側の円筒部４６を加温することで、ゴム製の弁座６１や下流側のゴム製のシール部材等の低温硬化を抑制できる。したがって、低温硬化を水素ガスの流量制限で抑制する燃料電池１０の出力制限の必要性を低くできる。
【００６８】
加えて、並設された複数列の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ同士の中央部にインジェクタ３５を配置しているため、インジェクタ３５から各水素供給口８０Ａ，８０Ｂへの配管部８１Ａ，８１Ｂの長さを均等にでき、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂへの水素ガスの分配供給が良好となる。
【００６９】
また、インジェクタ３５が弾性部材であるＯリング８６，８９を介して支持ブロック８４，８７に支持されているため、加振体であるインジェクタ３５の振動がＯリング８６，８９で減衰されることになり、インジェクタ３５が発生する振動及び騒音をさらに抑制できる。
【００７０】
しかも、インジェクタ３５の入口側の円筒部４５を支持する支持ブロック８４と出口側の円筒部４６を支持する支持ブロック８７とが両方とも燃料電池１０に固定されているため、いずれの支持ブロック８４，８７から伝達される振動も重量物である燃料電池１０で減衰できる。
【００７１】
また、支持ブロック８４，８７の全体が三点で燃料電池１０に結合されているため、適正にインジェクタ３５を燃料電池１０に結合できる。
【００７２】
しかも、そのうちの下側の支持ブロック８７を燃料電池１０に結合する二カ所の締結部９１，９２は、テンションプレート７４，７５のエンドプレート７２への結合部７４ａ，７５ａの延在方向に平行に配置されているため、燃料電池１０の膨潤によるエンドプレート７２の変形、すなわち図６に示すようにエンドプレート７２に生じる結合部７４ａ，７５ａと直交する方向の変形に対して、二カ所の締結部９１，９２に生じる位置ずれを最小限に抑えることができる。よって、エンドプレート７２に生じる変形による荷重で締結部９１，９２に発生する緩みを抑制できる。
【００７３】
加えて、燃料電池１０を収容するスタックケース７６の内外を連通させる換気穴７８をインジェクタ３５と対向する面以外の面である前面７６ｂに設けているため、換気穴７８を介してスタックケース７６から外に漏れ出るインジェクタ３５の騒音を抑制できる。しかも、スタックケース７６のインジェクタ３５と乗員室Ｃとの間にない面である前面７６ｂに換気穴７８を設けているため、換気穴７８を介してスタックケース７６から外に漏れ出るインジェクタ３５の騒音が乗員室Ｃに伝わるのを抑制できる。
【００７４】
また、インジェクタ３５が弁体駆動方向を水平方向に配置した場合に、弁体６５に移動方向とは異なる方向に重力が加わり、その作用で下部に荷重が偏って加わったり傾きを生じたりして、偏摩耗を生じてしまうことがあるが、弁体駆動方向を鉛直方向に配置しているため、弁体６５の移動方向と重力の方向とが一致することになり、弁体６５に偏荷重を生じることがなく、上記のような偏摩耗を防止できる。したがって、インジェクタ３５の耐久性を向上できる。
【００７５】
さらに、インジェクタ３５がガス入口である口部５１をガス出口である口部５２に対して鉛直方向上側に配置しているため、水素供給流路３１のインジェクタ３５より下流側に合流する循環流路３２において燃料電池１０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インジェクタ３５に及ぶことを抑制でき、よって、システム停止時にインジェクタ３５に生じる凍結固着を抑制できる。
【００７６】
加えて、水素供給流路３１におけるインジェクタ３５の入口側にある配管部９７が、支持ブロック８７をエンドプレート７２に固定するための締結部９１に共締めされたブラケット９８で固定されている。
【００７７】
したがって、燃料電池１０に支持ブロック８４，８７及びインジェクタ３５とともに配管部９５、絶縁配管部９６及び配管部９７が予め取り付けられた状態で、燃料電池１０をスタックケース７６に収容する際には、配管部９７をスタックケース７６の下面７６ｄの穴部９４に通す必要があるが、絶縁配管部９６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９７の姿勢をブラケット９８で安定させて、取り付け作業を容易とするとともに破損等を抑制することができる。
【００７８】
また、輸送時において配管部９７の姿勢が安定しない場合には配管部９７を他の部品等に衝突させやすいが、配管部９７の姿勢が安定しているため、このような衝突による破損を抑制できる。
【００７９】
なお、以上の実施形態に係る燃料電池システム１において、図７に示すように、上記したインジェクタ３５が配置されるエンドプレート７２にインジェクタ３５の本体部４７が一部入り込む凹部１００を形成し、インジェクタ３５を覆うように硬質の湾曲板状の遮音材１０１を配置するとともに、凹部１００及び遮音材１０１とインジェクタ３５との隙間を軟質の弾性体（軟質層）１０２で満たしても良い。
【００８０】
これにより、インジェクタ３５と燃料電池１０との間に弾性体１０２が設けられることになり、インジェクタ３５は一部が燃料電池１０に埋め込まれることになる。なお、遮音材１０１及び弾性体１０２がインジェクタ３５を覆う吸音カバー１０３を構成する。
【００８１】
このように、インジェクタ３５を遮音材１０１で覆えば、インジェクタ３５からの騒音の広がりを抑制できることになり、また、インジェクタ３５と燃料電池１０との間を含む遮音材１０１の内側に弾性体１０２を設ければ、インジェクタ３５からの騒音の隙間での共鳴を防いで、騒音の広がりをさらに抑制できることになる。加えて、インジェクタ３５の一部が燃料電池１０に埋め込まれているため、インジェクタ３５の騒音が輻射される面積を低減できる。さらに、弾性体１０２も一部が燃料電池１０に埋め込まれているため、弾性体１０２の体積を最大化できる。なお、遮音材１０１を凹部１００内に配置することでこの遮音材１０１を燃料電池１０に埋め込んでも良い。このように構成すれば、インジェクタ３５の騒音が遮音材１０１で輻射される面積を低減できる。
【００８２】
ここで、インジェクタ３５には、制御装置４からの制御信号を通信するための信号線を当該インジェクタ３５に接続するための信号線接続用コネクタ１０４がエンドプレート７２におけるインジェクタ３５の配置面７２ａに平行に配置されており、この信号線接続用コネクタ１０４の信号線との接続部分である口部１０５は配置面７２ａと平行をなしている。これに合わせて、遮音材１０１には、この信号線接続用コネクタ１０４を外部に露出させるための開口部１０６がエンドプレート７２側に形成されている。
【００８３】
このように、インジェクタ３５の信号線接続用コネクタ１０４を燃料電池１０のインジェクタ３５の配置面７２ａと平行に配置させれば、信号線接続用コネクタ１０４への図示略の信号線の良好な接続作業性を維持しつつ、口部１０５から広がるインジェクタ３５の作動音を燃料電池１０で低減できるとともに、口部１０５から広がるインジェクタ３５の作動音を乗員室Ｃに指向させずに済む。よって、乗員室Ｃの乗員に伝わるインジェクタ３５の作動音を抑制できる。
【符号の説明】
【００８４】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池、１０Ａ，１０Ｂ…燃料電池スタック（スタック）、３１…水素供給流路（反応ガス配管）、３５…インジェクタ、５１…口部（ガス入口）、５２…口部（ガス出口）、６１…弁座、６５…弁体、７２ａ…配置面、７２，７３…エンドプレート、７４，７５…テンションプレート、７６…スタックケース（ケース）、７６ｂ…前面（対向する面以外の面）、７８…換気穴、８４，８７…支持ブロック、８６，８９…Ｏリング（弾性部材）、９０〜９２…締結部（固定点）、９６…絶縁配管部（弾性体部）、９７…配管部（入口側配管）、１０１…遮音材、１０２…弾性体、１０４…信号線接続用コネクタ。
【技術分野】
【０００１】
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】
【０００２】
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、オン・オフ制御されることでガス状態を調整するレギュレータを設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１０７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記特許文献１に記載されているような従来のレギュレータは、その構造上、燃料ガスの供給圧力を迅速に変化させることが困難である（すなわち応答性が低い）上に、目標圧力を多段階にわたって変化させるような高精度な調圧が不可能であるため、レギュレータに換えて電磁駆動式のインジェクタを設けることが考えられている。
ところが、インジェクタは、弁体を電磁駆動力で駆動して弁座から離隔させることによりオン・オフ（開弁・閉弁）されるものであるから、インジェクタのオン・オフ時に振動及び騒音が不可避的に発生する虞があり、振動及び騒音への対策が新たに必要となってくる。また、インジェクタを採用した場合に、その配置によっては、燃料電池へのガス供給に遅れや減圧を発生してしまう可能性がある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、インジェクタに起因した振動及び騒音の発生、燃料電池へのガス供給の遅れの発生、あるいは減圧の発生を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、前記インジェクタが前記燃料電池に一体的に設けられたものである。
【０００７】
かかる構成によれば、インジェクタの振動及び騒音を重量物である燃料電池で吸収して抑制することができる。また、インジェクタが燃料電池に一体的に設けられるため、インジェクタと燃料電池との距離を短縮することができる。
【０００８】
前記燃料電池システムにおいて、前記反応ガス配管が弾性体部を備えている場合に、前記燃料電池を収容するケース内に前記弾性体部を配置しても良い。この弾性体部は、絶縁体でも良いし、導電体でもよい。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタの少なくとも下流側を前記燃料電池に結合しても良い。
【００１０】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が、並設された複数列の燃料電池スタックを備えてなる場合には、これら燃料電池スタック同士の中央部に前記インジェクタを配置しても良い。
【００１１】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタが弾性部材を介して支持ブロックに支持されていても良い。
前記燃料電池システムにおいて、前記支持ブロックが前記燃料電池に結合されていても良い。
【００１２】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が、反応ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層して構成される燃料電池スタックが前記単セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートで挟持されているとともに、これらエンドプレートが前記積層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で互いに連結されてなる場合には、前記支持ブロック全体を二以上の固定点で前記燃料電池に固定し、前記エンドプレートを前記積層方向に見たときに、前記一対のテンションプレートと、少なくとも２つの前記固定点同士を結ぶ線分とが平行とされていても良い。
【００１３】
前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を収容するケースの換気穴を前記インジェクタと対向する面以外の面に設けても良い。
【００１４】
かかる構成によれば、インジェクタが発生させた騒音が、ケースの換気穴から外に漏れ出すことを抑制できる。
【００１５】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタを遮音材で覆っても良い。
【００１６】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタと前記燃料電池との間に弾性体を設けても良い。
【００１７】
かかる構成によれば、インジェクタと燃料電池との隙間で生じる共鳴を抑制できる。
【００１８】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタの少なくとも一部又は前記遮音材の少なくとも一部が前記燃料電池に埋没していても良い。
【００１９】
かかる構成によれば、インジェクタの騒音が輻射される面積を低減できる。
【００２０】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタが前記弁体駆動方向を鉛直方向に沿わせて配置されていても良い。
【００２１】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタのガス入口をガス出口に対して鉛直方向上側に配置しても良い。
【００２２】
前記燃料電池システムにおいて、前記反応ガス配管における前記インジェクタへの入口側配管を当該インジェクタに固定しても良い。
【００２３】
かかる構成によれば、インジェクタが一体的に設けられた燃料電池を移送する際に入口側配管に生じ得る破損を抑制できる。
【００２４】
前記燃料電池システムにおいて、前記インジェクタの信号線接続用コネクタを前記燃料電池における前記インジェクタの配置面と平行に設けても良い。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、インジェクタの振動及び騒音を重量物である燃料電池で吸収することが可能となり、インジェクタに起因した振動及び騒音の発生を抑制することができる。また、インジェクタと燃料電池との距離を短縮することが可能となり、燃料電池へのガス供給の遅れの発生、及び減圧の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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２】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】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４】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５】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６】図１に示す燃料電池システムの燃料電池のエンドプレートの変形イメージを示す側面図である。
【図７】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部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単セル７１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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内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との合流部の上流側には、水素供給流路３１内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。
【００３５】
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る。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。なお、円筒部４５の外周部には環状のシール溝４５ａが形成されており、円筒部４６の外周部にも環状のシール溝４６ａが形成されている。
【００３８】
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。
【００３９】
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の開口状態を変更（本実施形態に係る燃料電池システム１では、全開と全閉の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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
本実施形態に係る燃料電池システム１においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５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３０を採用しているため、各水素タンク３０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Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置している。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
図３に示すように、燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する矩形状の単セル７１を所要数積層して構成される一対の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂが、互いに単セル７１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エンドプレート７２，７３で挟持されて構成されている。
【００５０】
なお、これらエンドプレート７２，７３は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ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７４，７５で互いに連結されている。
【００５１】
このような燃料電池１０は、図４に示すように略直方体形状のスタックケース７６に収容された状態で、自動車Ｖに搭載される。この搭載状態で、燃料電池１０は、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ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ＥＣ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７２，７３が車体前後方向両端に配置され、一対のテンションプレート７４，７５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。
【００５２】
インジェクタ３５は、燃料電池１０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７２に一体的に設けられている。これに対し、燃料電池１０を収容するスタックケース７６には、インジェクタ３５と対向する後面７６ａ以外の面であってインジェクタ３５と乗員室Ｃとの間にない面、具体的には前面７６ｂに内外を連通させる換気穴７８が設けられている。
【００５３】
この換気穴７８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７９が設けられている。なお、換気穴７８は、インジェクタ３５と対向する面以外の面であってインジェクタ３５と乗員室Ｃとの間にない面であれば、例えば上面７６ｃあるいは側面等の他の面に設けても良い。
【００５４】
上記した一対のエンドプレート７２，７３は、図３に示すように、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ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７２における並設された複数列（図３では、２列）の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ同士の中央部に、上記したインジェクタ３５が一体的に設けられている。
【００５５】
ここで、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂはエンドプレート７２側の極性が互いに反対となり、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８０Ａ，８０Ｂがエンドプレート７２の長さ方向に対称に配置されることになることから、インジェクタ３５が上記配置とされることで、水素供給流路３１におけるインジェクタ３５から延出する配管８１から分岐して各水素供給口８０Ａ，８０Ｂへ接続される配管部８１Ａ，８１Ｂの長さを均等にできる。
【００５６】
インジェクタ３５は、より具体的には、図５に示すように、入口側の円筒部４５が金属製の支持ブロック８４の穴部８５に、シール溝４５ａに配置された弾性部材であるＯリング８６を介して嵌合されており、出口側の円筒部４６が金属製の支持ブロック８７の穴部８８に、シール溝４６ａに配置された弾性部材であるＯリング８９を介して嵌合されている。
【００５７】
そして、一方の支持ブロック８４が上側に配置された状態で一カ所の締結部（固定点）９０においてエンドプレート７２にボルト止めで固定され、他方の支持ブロック８７が下側に配置された状態で両側の二カ所の締結部（固定点）９１，９２においてエンドプレート７２にボルト止めで固定されている。この支持ブロック８７をエンドプレート７２に結合する二カ所の締結部９１，９２は、互いを結んだ線が水平となっている。
【００５８】
以上により、インジェクタ３５は、その軸線方向つまり弁体駆動方向（弁体６５の移動方向）を鉛直方向に配置してエンドプレート７２に設けられており、弾性部材であるＯリング８６，８９を介して支持ブロック８４，８７に両側が支持されている。その結果、インジェクタ３５はその上流側の円筒部４５及び下流側の円筒部４６が燃料電池１０に一対の支持ブロック８４，８７を介して結合されており、これら円筒部４５，４６が支持ブロック８４，８７を介して伝わる燃料電池１０の発熱で加温される。また、インジェクタ３５は、ガス入口となる口部５１をガス出口となる口部５２に対して鉛直方向上側に配置している。
【００５９】
また、支持ブロック８４，８７は、全体として三点の締結部９０，９１，９２で燃料電池１０のエンドプレート７２に結合されており、下側の支持ブロック８７をエンドプレート７２に結合する二カ所の締結部９１，９２は、テンションプレート７４，７５のエンドプレート７２への図３に示す結合部７４ａ，７５ａの延在方向に平行に配置されている。
【００６０】
なお、支持ブロック８４，８７を全体として三点ではなく四点でエンドプレート７２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３５を支持できず、五点以上では支持カ所が多くなり過ぎてエンドプレート７２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。
【００６１】
ここで、図４に示すように自動車Ｖの後部に設けられた水素タンク３０から延出する水素供給流路３１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ＥＣ内に導かれ、スタックケース７６の下面７６ｄに形成された穴部９４を介してスタックケース７６内に導入されて、図５に示すようにインジェクタ３５の側方を通って上側の支持ブロック８４に連結されている。このように支持ブロック８４に連結された水素供給流路３１は穴部８５に連通し、この穴部８５を介してインジェクタ３５の口部５１に連通する。
【００６２】
なお、水素供給流路３１は、支持ブロック８４への連結側が、支持ブロック８４に接続されるＵ字状をなす金属製の配管部９５と、この配管部９５に接続される弾性体からなる絶縁配管部（弾性体部）９６と、この絶縁配管部９６に接続される金属製の配管部（入口側配管）９７とに分割されている。そして、絶縁配管部９６によって、高電位の燃料電池１０とボディアースされた水素タンク３０とを結ぶ水素供給流路３１を電気的に絶縁しており、この絶縁配管部９６はスタックケース７６内に配置されている。
【００６３】
また、スタックケース７６の下面７６ｄの穴部９４に挿通される配管部９７は、支持ブロック８７をエンドプレート７２に固定する締結部９１に共締めされたブラケット９８で中間部が固定されている。これにより、絶縁配管部９６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９７の姿勢を安定させることができる。
【００６４】
以上説明した本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、インジェクタ３５が燃料電池１０に一体的に設けられるため、インジェクタ３５で起振する振動及び騒音を重量物である燃料電池１０が吸収して減衰させることができ、抑制できる。したがって、乗員室Ｃの乗員に伝わるインジェクタ３５の作動音を抑制できる。また、インジェクタ３５が燃料電池１０に一体的に設けられるため、インジェクタ３５と燃料電池１０との距離を短縮することができ、その結果、燃料電池１０へのガス供給の遅れの発生、及び減圧の発生を抑制できる。
【００６５】
また、水素供給流路３１は、高電圧の燃料電池１０とボディアースされた水素タンク３０とを結んでおり、このため、途中に弾性体（ゴムあるいは樹脂）からなる絶縁配管部９６を備えているが、材質から音を放射し易いこの絶縁配管部９６を、燃料電池１０を収容するスタックケース７６内に配置しているため、スタックケース７６で絶縁配管部９６から放射される音の外部への放射を抑制することができる。
【００６６】
さらに、インジェクタ３５の金属製のシリンダ５４の上流側及び下流側の円筒部４５，４６を金属製の支持ブロック８４，８７を介して燃料電池１０に結合したため、インジェクタ３５の上流側及び下流側を効果的に燃料電池１０の余熱で加温することができる。
【００６７】
例えば、高速連続走行等で極低温の水素ガスがインジェクタ３５に供給された場合に、特に上流側に比べて下流側で、弁体６５を通過後の断熱膨張によってさらに水素ガスの温度が下がることになるが、下流側の円筒部４６を加温することで、ゴム製の弁座６１や下流側のゴム製のシール部材等の低温硬化を抑制できる。したがって、低温硬化を水素ガスの流量制限で抑制する燃料電池１０の出力制限の必要性を低くできる。
【００６８】
加えて、並設された複数列の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂ同士の中央部にインジェクタ３５を配置しているため、インジェクタ３５から各水素供給口８０Ａ，８０Ｂへの配管部８１Ａ，８１Ｂの長さを均等にでき、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂへの水素ガスの分配供給が良好となる。
【００６９】
また、インジェクタ３５が弾性部材であるＯリング８６，８９を介して支持ブロック８４，８７に支持されているため、加振体であるインジェクタ３５の振動がＯリング８６，８９で減衰されることになり、インジェクタ３５が発生する振動及び騒音をさらに抑制できる。
【００７０】
しかも、インジェクタ３５の入口側の円筒部４５を支持する支持ブロック８４と出口側の円筒部４６を支持する支持ブロック８７とが両方とも燃料電池１０に固定されているため、いずれの支持ブロック８４，８７から伝達される振動も重量物である燃料電池１０で減衰できる。
【００７１】
また、支持ブロック８４，８７の全体が三点で燃料電池１０に結合されているため、適正にインジェクタ３５を燃料電池１０に結合できる。
【００７２】
しかも、そのうちの下側の支持ブロック８７を燃料電池１０に結合する二カ所の締結部９１，９２は、テンションプレート７４，７５のエンドプレート７２への結合部７４ａ，７５ａの延在方向に平行に配置されているため、燃料電池１０の膨潤によるエンドプレート７２の変形、すなわち図６に示すようにエンドプレート７２に生じる結合部７４ａ，７５ａと直交する方向の変形に対して、二カ所の締結部９１，９２に生じる位置ずれを最小限に抑えることができる。よって、エンドプレート７２に生じる変形による荷重で締結部９１，９２に発生する緩みを抑制できる。
【００７３】
加えて、燃料電池１０を収容するスタックケース７６の内外を連通させる換気穴７８をインジェクタ３５と対向する面以外の面である前面７６ｂに設けているため、換気穴７８を介してスタックケース７６から外に漏れ出るインジェクタ３５の騒音を抑制できる。しかも、スタックケース７６のインジェクタ３５と乗員室Ｃとの間にない面である前面７６ｂに換気穴７８を設けているため、換気穴７８を介してスタックケース７６から外に漏れ出るインジェクタ３５の騒音が乗員室Ｃに伝わるのを抑制できる。
【００７４】
また、インジェクタ３５が弁体駆動方向を水平方向に配置した場合に、弁体６５に移動方向とは異なる方向に重力が加わり、その作用で下部に荷重が偏って加わったり傾きを生じたりして、偏摩耗を生じてしまうことがあるが、弁体駆動方向を鉛直方向に配置しているため、弁体６５の移動方向と重力の方向とが一致することになり、弁体６５に偏荷重を生じることがなく、上記のような偏摩耗を防止できる。したがって、インジェクタ３５の耐久性を向上できる。
【００７５】
さらに、インジェクタ３５がガス入口である口部５１をガス出口である口部５２に対して鉛直方向上側に配置しているため、水素供給流路３１のインジェクタ３５より下流側に合流する循環流路３２において燃料電池１０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インジェクタ３５に及ぶことを抑制でき、よって、システム停止時にインジェクタ３５に生じる凍結固着を抑制できる。
【００７６】
加えて、水素供給流路３１におけるインジェクタ３５の入口側にある配管部９７が、支持ブロック８７をエンドプレート７２に固定するための締結部９１に共締めされたブラケット９８で固定されている。
【００７７】
したがって、燃料電池１０に支持ブロック８４，８７及びインジェクタ３５とともに配管部９５、絶縁配管部９６及び配管部９７が予め取り付けられた状態で、燃料電池１０をスタックケース７６に収容する際には、配管部９７をスタックケース７６の下面７６ｄの穴部９４に通す必要があるが、絶縁配管部９６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９７の姿勢をブラケット９８で安定させて、取り付け作業を容易とするとともに破損等を抑制することができる。
【００７８】
また、輸送時において配管部９７の姿勢が安定しない場合には配管部９７を他の部品等に衝突させやすいが、配管部９７の姿勢が安定しているため、このような衝突による破損を抑制できる。
【００７９】
なお、以上の実施形態に係る燃料電池システム１において、図７に示すように、上記したインジェクタ３５が配置されるエンドプレート７２にインジェクタ３５の本体部４７が一部入り込む凹部１００を形成し、インジェクタ３５を覆うように硬質の湾曲板状の遮音材１０１を配置するとともに、凹部１００及び遮音材１０１とインジェクタ３５との隙間を軟質の弾性体（軟質層）１０２で満たしても良い。
【００８０】
これにより、インジェクタ３５と燃料電池１０との間に弾性体１０２が設けられることになり、インジェクタ３５は一部が燃料電池１０に埋め込まれることになる。なお、遮音材１０１及び弾性体１０２がインジェクタ３５を覆う吸音カバー１０３を構成する。
【００８１】
このように、インジェクタ３５を遮音材１０１で覆えば、インジェクタ３５からの騒音の広がりを抑制できることになり、また、インジェクタ３５と燃料電池１０との間を含む遮音材１０１の内側に弾性体１０２を設ければ、インジェクタ３５からの騒音の隙間での共鳴を防いで、騒音の広がりをさらに抑制できることになる。加えて、インジェクタ３５の一部が燃料電池１０に埋め込まれているため、インジェクタ３５の騒音が輻射される面積を低減できる。さらに、弾性体１０２も一部が燃料電池１０に埋め込まれているため、弾性体１０２の体積を最大化できる。なお、遮音材１０１を凹部１００内に配置することでこの遮音材１０１を燃料電池１０に埋め込んでも良い。このように構成すれば、インジェクタ３５の騒音が遮音材１０１で輻射される面積を低減できる。
【００８２】
ここで、インジェクタ３５には、制御装置４からの制御信号を通信するための信号線を当該インジェクタ３５に接続するための信号線接続用コネクタ１０４がエンドプレート７２におけるインジェクタ３５の配置面７２ａに平行に配置されており、この信号線接続用コネクタ１０４の信号線との接続部分である口部１０５は配置面７２ａと平行をなしている。これに合わせて、遮音材１０１には、この信号線接続用コネクタ１０４を外部に露出させるための開口部１０６がエンドプレート７２側に形成されている。
【００８３】
このように、インジェクタ３５の信号線接続用コネクタ１０４を燃料電池１０のインジェクタ３５の配置面７２ａと平行に配置させれば、信号線接続用コネクタ１０４への図示略の信号線の良好な接続作業性を維持しつつ、口部１０５から広がるインジェクタ３５の作動音を燃料電池１０で低減できるとともに、口部１０５から広がるインジェクタ３５の作動音を乗員室Ｃに指向させずに済む。よって、乗員室Ｃの乗員に伝わるインジェクタ３５の作動音を抑制できる。
【符号の説明】
【００８４】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池、１０Ａ，１０Ｂ…燃料電池スタック（スタック）、３１…水素供給流路（反応ガス配管）、３５…インジェクタ、５１…口部（ガス入口）、５２…口部（ガス出口）、６１…弁座、６５…弁体、７２ａ…配置面、７２，７３…エンドプレート、７４，７５…テンションプレート、７６…スタックケース（ケース）、７６ｂ…前面（対向する面以外の面）、７８…換気穴、８４，８７…支持ブロック、８６，８９…Ｏリング（弾性部材）、９０〜９２…締結部（固定点）、９６…絶縁配管部（弾性体部）、９７…配管部（入口側配管）、１０１…遮音材、１０２…弾性体、１０４…信号線接続用コネクタ。
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記インジェクタが前記燃料電池に一体的に設けられている燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応ガス配管は弾性体部を備えており、
前記燃料電池を収容するケース内に前記弾性体部が配置されている燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタの少なくとも下流側が前記燃料電池に結合されている燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、並設された複数列の燃料電池スタックを備えてなり、
これら燃料電池スタック同士の中央部に前記インジェクタが配置されている燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタが弾性部材を介して支持ブロックに支持されている燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
前記支持ブロックが前記燃料電池に結合されている燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、反応ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層して構成される燃料電池スタックが前記単セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートで挟持されているとともに、これらエンドプレートが前記積層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で互いに連結されてなり、
前記支持ブロック全体が二以上の固定点で前記燃料電池に固定されており、
前記エンドプレートを前記積層方向に見たときに、前記一対のテンションプレートと、少なくとも２つの前記固定点同士を結ぶ線分とが平行とされている燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を収容するケースの換気穴が前記インジェクタと対向する面以外の面に設けられている燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタが遮音材で覆われている燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタと前記燃料電池との間に弾性体が設けられている燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタの少なくとも一部又は前記遮音材の少なくとも一部が前記燃料電池に埋没している燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタが前記弁体駆動方向を鉛直方向に沿わせて配置されている燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタのガス入口がガス出口に対して鉛直方向上側に配置されている燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応ガス配管における前記インジェクタへの入口側配管が当該インジェクタに固定されている燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタの信号線接続用コネクタが前記燃料電池における当該インジェクタの配置面と平行に設けられている燃料電池システム。
【請求項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、
前記インジェクタが前記燃料電池に一体的に設けられている燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応ガス配管は弾性体部を備えており、
前記燃料電池を収容するケース内に前記弾性体部が配置されている燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタの少なくとも下流側が前記燃料電池に結合されている燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、並設された複数列の燃料電池スタックを備えてなり、
これら燃料電池スタック同士の中央部に前記インジェクタが配置されている燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタが弾性部材を介して支持ブロックに支持されている燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
前記支持ブロックが前記燃料電池に結合されている燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、反応ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層して構成される燃料電池スタックが前記単セルの積層方向両端部に配置された一対のエンドプレートで挟持されているとともに、これらエンドプレートが前記積層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で互いに連結されてなり、
前記支持ブロック全体が二以上の固定点で前記燃料電池に固定されており、
前記エンドプレートを前記積層方向に見たときに、前記一対のテンションプレートと、少なくとも２つの前記固定点同士を結ぶ線分とが平行とされている燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を収容するケースの換気穴が前記インジェクタと対向する面以外の面に設けられている燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタが遮音材で覆われている燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタと前記燃料電池との間に弾性体が設けられている燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタの少なくとも一部又は前記遮音材の少なくとも一部が前記燃料電池に埋没している燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタが前記弁体駆動方向を鉛直方向に沿わせて配置されている燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタのガス入口がガス出口に対して鉛直方向上側に配置されている燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応ガス配管における前記インジェクタへの入口側配管が当該インジェクタに固定されている燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタの信号線接続用コネクタが前記燃料電池における当該インジェクタの配置面と平行に設けられている燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１０５０７６（Ｐ２００９−１０５０７６Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３３６２２（Ｐ２００９−３３６２２）
【出願日】平成２１年２月１７日（２００９．２．１７）
【分割の表示】特願２００６−３１５９２７（Ｐ２００６−３１５９２７）の分割
【原出願日】平成１８年１１月２２日（２００６．１１．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１７日（２００９．２．１７）
【分割の表示】特願２００６−３１５９２７（Ｐ２００６−３１５９２７）の分割
【原出願日】平成１８年１１月２２日（２００６．１１．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]