JP2017152168A - 燃料ガス循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス循環装置において、簡素な構成でインジェクタからボディへの振動の伝達を低減する。【解決手段】燃料ガス循環装置１０は、ボディ１２の装着孔１４にディフューザ２０が収納され、該ディフューザ２０の上流側にアタッチメント１８を介してインジェクタ１６が設けられる。このディフューザ２０における大径部１１２の基端とアタッチメント１８における本体部８８の先端との間に弾性材料からなる振動吸収部材１０２を設けると共に、該振動吸収部材１０２に隣接するようにリング部材１０４が設けられる。そして、インジェクタ１６が作動した際、その振動がアタッチメント１８に伝達されたとしても、振動吸収部材１０２によって好適に吸収されることでボディ１２への伝達が低減される。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに用いられ、燃料電池スタックにおいて余剰となった燃料オフガスを循環させるための燃料ガス循環装置に関する。

従来から、燃料電池システムにおいて燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置が用いられ、例えば、特許文献１に開示される燃料ガス供給装置は、筐体の一端部にディフューザが形成され、前記ディフューザの上流側となる位置に燃料ガスを噴射するインジェクタが設けられると共に、前記インジェクタの先端には先細状のノズルが設けられている。そして、インジェクタから燃料ガスをノズル側へと噴射することで、該ノズルの周辺に負圧を発生させ、それに伴って、循環通路内の燃料オフガスを吸い込んでディフューザ内で新たな燃料ガスと混合して下流側へと供給している。

特開２００８−１９６４０１号公報

上述した燃料ガス供給装置では、筐体の内部にディフューザを形成する構成としているため、該筐体の構造が複雑となり、その製造が困難になると共に製造コストの高騰を招くという問題がある。また、インジェクタが直接筐体に対して固定されているため、該インジェクタを作動させた際に生じる振動が直接的に前記筐体へと伝達され、該振動に起因した筐体の破損や騒音の発生を招く恐れがある。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、簡素な構成で、インジェクタからボディへの振動の伝達を低減することが可能な燃料ガス循環装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、ボディと、ボディに形成され燃料電池へと接続される燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給流路の途中に形成され燃料電池から排出された燃料オフガスの流通するオフガス流路と、燃料ガス供給流路へ燃料ガスを噴射するインジェクタと、燃料ガス供給流路においてインジェクタより下流側に設けられ、インジェクタから噴射される燃料ガスと燃料オフガスとを混合するディフューザとを有した燃料ガス循環装置において、
インジェクタとディフューザとは、少なくとも弾性部材を介して接触することを特徴とする。

本発明によれば、燃料ガス循環装置において、燃料ガスの流通する燃料ガス供給流路がボディに形成されると共に、燃料ガスを噴射するインジェクタと、燃料ガス供給流路においてインジェクタの下流側に設けられインジェクタから噴射される燃料ガスと燃料オフガスとを混合するディフューザとを備え、このインジェクタとディフューザとが少なくとも弾性部材を介して接触する。

従って、弾性部材を設けるという簡素な構成で、インジェクタが作動して燃料ガスを噴射する際に発生する振動を好適に吸収でき、振動のボディやディフューザ側への伝達が低減される。その結果、燃料ガス循環装置において振動に起因した騒音や破損等の発生を低減することができる。

また、燃料ガス供給流路の軸方向に沿った一端部と他端部との間に流路段部を有し、ディフューザの外周には流路段部に対応して当接するディフューザ段部を有すると共に、ボディに対して固定され、インジェクタに当接するアタッチメントを備え、アタッチメントとディフューザとを、少なくとも弾性部材を介して接触させるとよい。

これにより、ディフューザを燃料ガス供給流路へ収納する際、そのディフューザ段部を流路段部に当接するまで挿入することで容易に組み付け、且つ、確実に位置決めすることができる。また、ディフューザを燃料ガス供給流路に収納した状態でアタッチメントを挿入することで、弾性部材を介してアタッチメントの端部でディフューザを押えて保持できるため、ボディに対してディフューザ及びアタッチメントが組み付けられた状態で、該アタッチメントにインジェクタを組み付けることができ、組付作業性を向上させることができる。さらにまた、インジェクタやディフューザの仕様変更があった場合でも、アタッチメントを変更することで容易に対応できるため汎用性が高く好適である。

またさらに、アタッチメント又はディフューザのいずれか一方と弾性部材との間にリング部材を介装させることにより、対向するアタッチメントの端部とディフューザの端部とが一致していない場合でもリング部材によって好適に接触させ互いに保持することができる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、燃料ガス循環装置において、燃料ガスの流通する燃料ガス供給流路がボディに形成されると共に、燃料ガスを噴射するインジェクタと、燃料ガス供給流路においてインジェクタの下流側に設けられインジェクタから噴射される燃料ガスと燃料オフガスとを混合するディフューザとを備え、このインジェクタとディフューザとを少なくとも弾性部材を介して接触させることにより、インジェクタが作動して燃料ガスを噴射する際に発生する振動が弾性部材によって好適に吸収され、振動のボディやディフューザ側への伝達が低減される。その結果、弾性部材を設けるという簡素な構成で、燃料ガス循環装置において振動に起因した騒音や破損等の発生を低減することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料ガス循環装置の全体断面図である。 図１の燃料ガス噴射装置におけるアタッチメント近傍を示す拡大断面図である。 ボディからアタッチメント、リング部材及び弾性部材を取り外した状態を示す分解斜視図である。

本発明に係る燃料ガス循環装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る燃料ガス循環装置を示す。

この燃料ガス循環装置１０は、例えば、燃料電池システムにおいて、燃料ガスの蓄えられた燃料タンクと燃料電池スタックとの間に設けられ、図１に示されるように、ボディ１２の装着孔１４に設けられ、該燃料ガスを噴射するインジェクタ１６と、該インジェクタ１６を前記ボディ１２に対して固定するアタッチメント１８と、図示しない燃料電池スタックから排出されたオフガス（燃料オフガス）を前記インジェクタ１６から噴射された燃料ガスと混合させるディフューザ２０とを含む。この装着孔１４は燃料ガスの流通する燃料ガス供給流路として機能する。

なお、以下、燃料ガス循環装置１０におけるインジェクタ１６側を基端側（矢印Ａ方向）、ディフューザ２０側を先端側（矢印Ｂ方向）として説明する。

この装着孔１４は、ボディ１２の基端側（矢印Ａ方向）に形成された大径の第１孔部２２と、該第１孔部２２に対して縮径して先端側（矢印Ｂ方向）に形成される第２孔部２４と、前記第１孔部２２と前記第２孔部２４との境界部に形成される段付部（流路段部）２５とからなり、前記第２孔部２４の端部が供給配管を介して図示しない燃料電池スタックと接続されている。

インジェクタ１６は、ハウジング２６と、該ハウジング２６に対して先端側（矢印Ｂ方向）に設けられ後述する可動コア５２を案内するバルブホルダ２８と、該バルブホルダ２８のさらに先端側に設けられ燃料ガスを噴射する燃料噴射部３０とを含み、前記ハウジング２６の内部には前記可動コア５２を駆動させるソレノイド部３２が設けられる。

ハウジング２６は、例えば、金属製材料から形成され、その中心には軸方向に沿って貫通したガス流路３４が貫通し、基端側（矢印Ａ方向）に形成された接続部３６の導入ポート３８と連通している。この接続部３６には、図示しない燃料タンクに接続され燃料ガスの供給される配管４０が接続され、その外周面には環状溝を介してОリング４２が装着されている。そして、接続部３６の外周側に配管４０が挿入された際、Оリング４２によって燃料ガスの漏出が防止される。

また、ハウジング２６は、軸方向に沿った途中から先端側（矢印Ｂ方向）に向かって拡径し、その内部にソレノイド部３２が設けられる。ソレノイド部３２は、その中心に設けられ接続部３６と一直線状に形成された固定コア部４４と、該固定コア部４４の外周側に設けられコイル４６を保持するボビン４８と、該ボビン４８のさらに外周側を覆うカバー部材５０とを備え、前記コイル４６の励磁作用下に前記固定コア部４４の先端に臨むように配置された可動コア５２を移動させる。

この接続部３６のガス流路３４が固定コア部４４の先端まで貫通し、該ガス流路３４の先端には、径方向外側に拡径した第１スプリング受け部５４が形成される。

可動コア５２は、図１及び図２に示されるように、例えば、磁性を有した金属製材料から形成され、その中心には基端から先端に向かって延在した連通孔５６を有し、該連通孔５６は前記先端側において径方向外側へと放射状に延在し外周面まで貫通している。

一方、連通孔５６の基端側には径方向外側に拡径した第２スプリング受け部５８が形成され、対向する固定コア部４４の第１スプリング受け部５４との間にスプリング６０が介装される。このスプリング６０は、例えば、コイルスプリングからなり、その弾発力が可動コア５２を固定コア部４４から離間する方向（矢印Ｂ方向）に向かって付勢している。

そして、ハウジング２６の導入ポート３８からガス流路３４へと供給された燃料ガスは、固定コア部４４を経て可動コア５２の連通孔５６へと流通した後、該可動コア５２の先端外周側に形成された空間部６２へと流れる。この空間部６２は、可動コア５２の外周部位の一部を切り欠くように形成されている。

また、可動コア５２は、ソレノイド部３２を構成するコイル４６の励磁作用下にスプリング６０の弾発力に抗して固定コア部４４側（矢印Ａ方向）へと吸引され移動する。

バルブホルダ２８は、例えば、金属製材料から形成され、円筒状に形成されたガイド部６４と、該ガイド部６４の基端において径方向外側へと延在した鍔部６６とからなり、前記ガイド部６４の中心には可動コア５２が軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って移動自在に設けられる。

そして、バルブホルダ２８は、鍔部６６の端面がソレノイド部３２を構成するボビン４８の端部へと当接し、基端が前記ボビン４８の内側へと挿入された状態で、該鍔部６６の外周面まで延在したハウジング２６の先端によって一体的に加締められる。これにより、ハウジング２６の先端にバルブホルダ２８が同軸で保持された状態となる。

また、ガイド部６４の先端には、燃料噴射部３０を構成するノズル８０が加締められることで同軸となるように一体的に保持される。

一方、バルブホルダ２８の外周側には、鍔部６６側となる基端側（矢印Ａ方向）にインジェクタ１６をアタッチメント１８に対して保持するための取付部材６８が設けられる。この取付部材６８は、図１及び図２に示されるように、例えば、剛体となるように金属製材料から形成され、断面Ｃ字状に形成されたベース部７０と、該ベース部７０に対して立設した第１壁部７２と、前記ベース部７０に対して前記第１壁部７２とは反対方向（矢印Ｂ方向）に立設した第２壁部７４とを有する。

第１壁部７２は、ベース部７０の一端面から軸方向（矢印Ａ方向）へと突出するように形成され、その端部がバルブホルダ２８の鍔部６６へと当接する。第２壁部７４は、ベース部７０の他端面から軸方向（矢印Ｂ方向）へと突出するように形成される。

また、取付部材６８には、第２壁部７４の外周側に環状の弾性部材７８が設けられる。この弾性部材７８は、例えば、ゴム等から断面矩形状に形成され、その内周面が第２壁部７４の外周面に当接し、基端面がベース部７０の端面に当接した状態で保持される。

燃料噴射部３０は、バルブホルダ２８の先端に設けられたノズル８０と、可動コア５２の先端に設けられ前記ノズル８０を介した燃料ガスの供給状態を切り換える弁体８２（図２参照）とを備える。

ノズル８０は、例えば、金属製材料から円筒状に形成され、その基端が拡径してバルブホルダ２８に保持されると共に、先端が徐々に縮径したテーパ状に形成される。一方、ノズル８０の中心には、軸方向に沿って延在するノズル孔８４が貫通し、その先端近傍には先端側に向かって徐々に縮径するように形成されたノズル噴射孔８５（図１参照）を有する。

また、ノズル８０の基端は、可動コア５２の先端に臨むように設けられ、そのノズル孔８４の外側となる端面には後述する弁体８２の着座する弁座部８６（図２参照）が形成されると共に、外周面には環状溝を介してОリング８３が設けられる。

弁体８２は、例えば、弾性材料から円盤状に形成され、可動コア５２の先端中央に設けられ該可動コア５２と共に軸方向に沿って移動すると共に、ノズル８０の弁座部８６に着座することで空間部６２と前記ノズル孔８４との連通を遮断する。

アタッチメント１８は、例えば、金属製材料から形成され、円筒状に形成された本体部８８と、該本体部８８の基端から径方向外側へと突出したフランジ部９０とからなり、前記本体部８８が装着孔１４へ挿入されると共に、その内部にはキャップ９２を介してバルブホルダ２８及びノズル８０の一部が設けられる。

この本体部８８は、略一定の外周径で形成され、ボディ１２の基端側に形成された装着孔１４の第１孔部２２に挿入されると共に、その基端に形成された拡径部９４が前記第１孔部２２の基端に形成された凹部９６へ挿入され係合される。これにより、アタッチメント１８がボディ１２の装着孔１４に対して軸方向（矢印Ｂ方向）に位置決めされる。

また、拡径部９４には、基端側に開口して凹状に窪んだ台座部９８が形成され、その内部には弾性部材７８及び取付部材６８の一部が収納され保持される。

一方、本体部８８の外周面には環状溝を介してОリング１００が設けられ、第１孔部２２の内周面に当接することで、前記本体部８８との間を通じた燃料ガスの漏れが防止される。

さらに、本体部８８の先端は、図１〜図３に示されるように、段付状に縮径し、且つ、先細状に形成され、その外周面には環状の振動吸収部材（弾性部材）１０２及びリング部材１０４が軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に並ぶように設けられる。

振動吸収部材１０２は、例えば、弾性材料からなるОリングであり基端側（矢印Ａ方向）に設けられ、リング部材１０４は、例えば、金属製材料から形成され、前記振動吸収部材１０２に対して先端側（矢印Ｂ方向）に設けられる。そして、リング部材１０４の先端面には後述するディフューザ２０の基端面が面接触するように当接する。

フランジ部９０は、上述した台座部９８に対して径方向外側へ延在し、本体部８８が装着孔１４へ挿入された状態でボディ１２の基端面に当接する。そして、フランジ部９０に形成された孔部に挿通された取付ねじ１０６をボディ１２の基端に形成されたねじ孔１０８に螺合することで前記フランジ部９０を含むアタッチメント１８がボディ１２に対して固定される。

キャップ９２は、図１及び図２に示されるように、アタッチメント１８と同様に先端が縮径した円筒状に形成され、バルブホルダ２８のガイド部６４の先端外周側を覆うように設けられ、その外周面に設けられたОリング１１０によって前記アタッチメント１８との間を通じた燃料ガスの漏れが防止される。

ディフューザ２０は、図１に示されるように、例えば、樹脂製材料から形成され、ボディ１２の装着孔１４においてインジェクタ１６の先端側（矢印Ｂ方向）に設けられ、該装着孔１４の第１孔部２２に収納される大径部１１２と、該大径部１１２に対して縮径して先端側に形成される小径部１１４とを有し、前記大径部１１２と前記小径部１１４との境界には段部（ディフューザ段部）１１３が形成される。そして、小径部１１４が装着孔１４の第２孔部２４へと収納されると共に、前記段部１１３が段付部２５に係合されることで位置決めされる。

なお、このディフューザ２０は金属製材料から形成するようにしてもよい。

また、ディフューザ２０の内部には軸方向に沿って延在したディフューザ流路１１５が形成され、該ディフューザ流路１１５は、大径部１１２の内部に形成され、燃料電池スタックにおいて余剰したオフガスの循環される室１１６を有している。この室１１６は、略同一直径で形成され、大径部１１２の外壁を径方向に貫通した複数の連通路（オフガス流路）１１８を介して燃料電池スタックから排出された燃料ガスの流れる循環流路（図示せず）と連通している。

また、ディフューザ流路１１５は、小径部１１４側となる室１１６の先端側に形成され内周径が急激に絞られた縮径部１２０と、該縮径部１２０の下流側に形成され軸方向に沿って延在したディフューザポート１２２とを有する。縮径部１２０近傍にはノズル８０の先端（ノズル噴射孔８５）が臨むように設けられている。

ディフューザポート１２２は、小径部１１４の内部に形成され、先端に向かって徐々に拡径するように延在している。すなわち、ディフューザポート１２２の先端側が最も大径で形成されている。そして、ディフューザポート１２２は、ディフューザ２０の先端において第２孔部２４と連通している。

本発明の実施の形態に係る燃料ガス循環装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。なお、ここでは、燃料ガスとして水素が用いられ、燃料ガス循環装置１０によって前記水素を図示しない燃料電池スタックへと供給する場合について説明する。また、燃料ガス循環装置１０におけるインジェクタ１６には配管４０を通じて予め水素が供給され、ハウジング２６のガス流路３４、可動コア５２の連通孔５６を通じて空間部６２まで水素が予め流通している弁閉状態とする。

先ず、図示しない電子制御ユニットからの制御信号によってソレノイド部３２のコイル４６へ通電がなされ、該コイル４６が励磁することで可動コア５２が固定コア部４４側（矢印Ａ方向）へと吸引されスプリング６０を圧縮しながら移動することで弁体８２が弁座部８６から離間して開弁する。これにより、ハウジング２６のガス流路３４へ供給された水素が空間部６２から開放されたノズル８０のノズル孔８４へと流れた後、ディフューザ２０を通過して第２孔部２４を通じて図示しない燃料電池スタック側へと噴射される。

そして、燃料電池スタックへ供給され電気分解されずに余剰となった水素（オフガス）は、インジェクタ１６から噴射された水素がディフューザ２０の縮径部１２０を通過する際に生じる負圧によってボディ１２の循環流路を通じて連通路１１８からディフューザ２０の室１１６内へと吸引され、この吸引された水素（オフガス）が前記ディフューザ２０の内部で噴射された水素と混合され前記燃料電池スタック側へと供給される。

一方、図示しない燃料電池スタックへの水素の供給が十分である場合には、電子制御ユニットからの制御信号に基づいてソレノイド部３２への通電を停止することで、可動コア５２に対する固定コア部４４側（矢印Ａ方向）への吸引力が滅勢され、スプリング６０の弾発力によって前記可動コア５２が弁座部８６側（矢印Ｂ方向）へと付勢されることで弁体８２が前記弁座部８６に着座して弁閉状態となる。これにより、ノズル８０側への水素の流通が遮断され燃料電池スタックへの供給が停止する。

以上のように、本実施の形態では、ボディ１２の装着孔１４において、インジェクタ１６を保持するアタッチメント１８の本体部８８とディフューザ２０の基端部との間に、弾性材料からなる振動吸収部材１０２を設けることにより、前記インジェクタ１６が作動した際に発生する振動が前記振動吸収部材１０２によって好適に吸収される。その結果、振動吸収部材１０２を設けるという簡素な構成で、インジェクタ１６の振動がボディ１２側へと伝達されることが抑制され、該振動に起因した騒音や破損等の発生を低減することができる。

また、ディフューザ２０をボディ１２の装着孔１４へと収納する際、第１孔部２２と第２孔部２４との間の段付部２５に前記ディフューザ２０の段部１１３を係合させることで容易且つ確実に位置決めして固定することができる。

さらに、ディフューザ２０を装着孔１４の先端側に収納した状態でアタッチメント１８を基端側から挿入することで、リング部材１０４及び振動吸収部材１０２を介して前記アタッチメント１８の先端で前記ディフューザ２０の基端を押えて保持できる。そのため、ボディ１２に対してディフューザ２０及びアタッチメント１８が組み付けられた状態で、該アタッチメント１８にインジェクタ１６を組み付けることができるため、組付作業性を向上させることができる。

さらにまた、インジェクタ１６やディフューザ２０の仕様変更があった場合でも、アタッチメント１８を変更することで容易に対応できるため汎用性が高く好適である。

またさらに、振動吸収部材１０２に隣接するように金属製材料からなるリング部材１０４を設けることで、互いに対向するディフューザ２０の基端面とアタッチメント１８における本体部８８とが一致していない場合でも、前記リング部材１０４によって好適に当接させることができる。換言すれば、リング部材１０４は、アタッチメント１８とディフューザ２０との間に設けられ、互いの間の空間を塞ぐためのスペーサとして機能する。

また、ディフューザ２０を樹脂製材料から形成することで軽量且つ生産性を高めることが可能となり、しかも、振動吸収部材１０２によってインジェクタ１６からの振動が付与されることが防止されるため、破損等の懸念も回避される。

なお、本発明に係る燃料ガス循環装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料ガス循環装置 １２…ボディ
１４…装着孔 １６…インジェクタ
１８…アタッチメント ２０…ディフューザ
２２…第１孔部 ２４…第２孔部
２５…段付部 ３０…燃料噴射部
３２…ソレノイド部 ３４…ガス流路
６８…取付部材 ８０…ノズル
８２…弁体 １０２…振動吸収部材
１０４…リング部材 １１２…大径部
１１３…段部 １１４…小径部

Claims (3)

1. ボディと、該ボディに形成され燃料電池へと接続される燃料ガス供給流路と、該燃料ガス供給流路の途中に形成され前記燃料電池から排出された燃料オフガスの流通するオフガス流路と、前記燃料ガス供給流路へ燃料ガスを噴射するインジェクタと、前記燃料ガス供給流路において前記インジェクタより下流側に設けられ、前記インジェクタから噴射される燃料ガスと前記燃料オフガスとを混合するディフューザとを有した燃料ガス循環装置において、
   前記インジェクタと前記ディフューザとは、少なくとも弾性部材を介して接触することを特徴とする燃料ガス循環装置。
2. 請求項１記載の燃料ガス循環装置において、
   前記燃料ガス供給流路の軸方向に沿った一端部と他端部との間に流路段部を有し、前記ディフューザの外周には前記流路段部に対応して当接するディフューザ段部を有すると共に、
   前記ボディに対して固定され、前記インジェクタに当接するアタッチメントを備え、
   前記アタッチメントと前記ディフューザとは、少なくとも前記弾性部材を介して接触することを特徴とする燃料ガス循環装置。
3. 請求項１又は２記載の燃料ガス循環装置において、
   前記アタッチメント又は前記ディフューザのいずれか一方と前記弾性部材との間にリング部材が介装されることを特徴とする燃料ガス循環装置。

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