JP6493162B2 - 燃料電池用水素供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用水素供給装置に関する。

燃料電池は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素とを電気化学反応させて発電を行う。燃料電池自動車は、車両に搭載した燃料電池から供給される電力で走行用モータを駆動させて走行する。

上記燃料電池は、発電単位となる燃料電池セルを複数積層したスタック構造とされ、この燃料電池セルへの燃料ガス供給を、スタック一端のエンドプレートに装着されたインジェクターから行う手法が知られている。

ところで、燃料電池を車両に搭載する際には、その搭載位置に特段の制限はないものの、車室の静寂性確保の観点から、発電運転中の騒音低減を図ることが望ましい。ところが、上記インジェクターを備えた燃料電池にあっては、インジェクターがガス噴出を繰り返し継続する都合上、振動源となり得、騒音が発生する虞があった。例えば下記特許文献１に記載されているように、インジェクターから噴射される水素ガスが、エンドプレートカバーに当たって振動を引き起こし、騒音を発生する虞があった。

上記インジェクターからの噴射による騒音対策を図ることを目的として、下記特許文献１では、インジェクターの下流（インジェクターの噴射先）に、網を設けた構成を開示している。この網により、インジェクターからの噴射された水素の圧力が低減され、その結果、エンドプレートカバーの振動に伴う騒音の発生が抑制される、とされている。

特開２０１５−０８８４０７号公報

上述した従来技術では、騒音の発生は抑制されるものの、騒音対策のための網を設ける必要があり、部品点数が増加するという課題があった。そのため、部品点数を削減しながらインジェクターからの噴射による騒音を低減することが望まれていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数を削減しながらインジェクターからの噴射による騒音を低減することができる燃料電池用水素供給装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池用水素供給装置は、燃料電池に水素ガスを供給する燃料電池用水素供給装置であって、前記燃料電池に接続され、断面視略円形の流路を有するデリバリ配管と、前記デリバリ配管に設けられ、該デリバリ配管内を流れる水素ガスを調圧して下流側に噴射するインジェクターと、を備え、前記インジェクターは、縦断面でみたときに、前記インジェクターの噴射流路の中心軸が前記デリバリ配管における前記流路の長手方向中心軸から外れた位置に設けられている。

かかる構成によれば、インジェクターから噴射される水素ガスが、デリバリ配管の長手方向中心軸を通りデリバリ配管の底面に直接当たることを抑えることができる。これにより、インジェクターから噴射される水素ガスがデリバリ配管の底面に直撃することに起因する振動及び当該振動による騒音の発生を抑制することができる。従来の構成では、騒音の発生を抑制するために、インジェクターの噴射方向下流側に網を設けた構成が知られているが、本発明では、このような網の部材を必要としないので、部品点数を削減しながら、騒音の発生を抑制することができる。

本発明によれば、部品点数を削減しながらインジェクターからの噴射による騒音を低減することができる燃料電池用水素供給装置を提供することができる。

燃料電池の構成の一例を説明するための図である。 本実施形態における燃料電池用水素供給装置の概略構成を示す斜視図である。 図２のＡ−Ａ断面を説明するための図であって、インジェクターの噴射下流部の流れを示す説明図である。 インジェクターの噴射下流部の流れを示す断面説明図である。 変形例における燃料電池用水素供給装置の概略構成を示す斜視図である。 変形例における燃料電池用水素供給装置を説明するための図であって、インジェクターの噴射下流部の流れを示す断面説明図である。 従来におけるインジェクターの噴射下流部の流れを説明する説明図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態はあくまでも好適な適用例であって、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。

まず、本実施形態における燃料電池用水素供給装置が搭載される燃料電池の構成について説明する。図１は、燃料電池の構成の一例を説明するための図である。燃料電池は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素とを電気化学反応させて発電を行うものである。

図１に示す燃料電池１００は、複数の発電セル１１０と、ターミナルプレート１２０、１３０と、絶縁プレート１４０と、エンドプレート１５０、１５０と、を備える。複数の発電セル１１０は、積層されて燃料電池スタック１０２を形成している。燃料電池スタック１０２の積層方向の両端には、それぞれターミナルプレート１２０、１３０が配置されている。ターミナルプレート１２０、１３０は、燃料電池スタック１０２から電力を取り出すために用いられる。ターミナルプレート１２０の積層方向の外側には、絶縁プレート１４０が配置されている。ターミナルプレート１３０側には、絶縁プレートは無くても良い。絶縁プレート１４０の積層方向の外側と、ターミナルプレート１３０の積層方向の外側には、それぞれエンドプレート１５０、１５０が配置されている。なお、燃料電池１００の構成としては、図１に示した例に限定されず、以下で説明する燃料電池用水素供給装置を具備していれば、他の部材等を適宜選択することが可能である。

続いて、上述した燃料電池に水素を供給するための燃料電池用水素供給装置の構成について説明する。図２は、燃料電池用水素供給装置の概略構成を示す斜視図である。

図２に示すように、燃料電池用水素供給装置１は、インジェクター１０と、デリバリ配管２０とを少なくとも備える。水素タンク（不図示）からの高圧水素ガスは、インジェクター１０を具備するデリバリ配管２０を介して燃料電池１００に供給される。

デリバリ配管２０は、燃料電池１００に接続される配管であって、中圧側デリバリ配管２０ａと、低圧側デリバリ配管２０ｂと、を有する。

中圧側デリバリ配管２０ａは、水素タンク（図示略）から供給される高圧水素ガスをインジェクター１０に供給するための配管である。低圧側デリバリ配管２０ｂは、中圧側デリバリ配管２０ａと燃料電池１００との間に設けられる配管であって、インジェクター１０の下流側に配設される配管である。低圧側デリバリ配管２０ｂは、その内部にインジェクター１０から噴射された水素ガスを流通させるための断面視円形のデリバリ内通路２０１（図３参照）を有している。インジェクター１０から下流側に噴射された水素ガスは、この断面視円形のデリバリ内通路２０１（図３参照）を介して燃料電池１００に供給される。なお、以下で詳述するインジェクター１０ａ、１０ｂ、１０ｃの上流側は相対的に高圧（中圧）、インジェクター１０ａ、１０ｂ、１０ｃの下流側は相対的に低圧であるため、本実施形態では、インジェクター１０ａ、１０ｂ、１０ｃの上流側に配置された配管を中圧側デリバリ配管２０ａと称し、インジェクター１０ａ、１０ｂ、１０ｃの下流側に配置された配管を低圧側デリバリ配管２０ｂと称している。

デリバリ配管２０にはインジェクター１０ａ、１０ｂ、１０ｃが設けられている。このインジェクター１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、中圧側デリバリ配管２０ａから供給される高圧水素ガスを調圧して下流側に接続された低圧側デリバリ配管２０ｂに噴射する機能を有する。本実施形態では、例えば３個のインジェクター１０ａ、１０ｂ、１０ｃを燃料電池１００に搭載するが、その個数や形状は図に示す例に限定されず、適宜選択されるものである。以下では、この３個のインジェクター１０ａ、１０ｂ、１０ｃを総称してインジェクター１０とも称する。

なお、インジェクター１０を制御するため、制御装置または制御ユニットとしての図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ）が設けられる。ＥＣＵはＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭのような記憶装置、Ａ／Ｄ変換器、入出力インタフェース等を含む。記憶装置には種々のプログラム、データ、マップ等が記憶されており、ＥＣＵはこれらプログラム等を実行することにより種々の制御を実行する。インジェクター１０の構成及び機能について簡単に説明すると、インジェクター１０のそれぞれには弁体（図示省略）が設けられ、ソレノイド（図示省略）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。ソレノイドが通電状態となると、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。ソレノイドは上述したＥＣＵからの制御信号により通電され、インジェクター１０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。

ところで、従来の構成（図７参照）にあっては、インジェクター３００の噴射流路３１０から低圧側デリバリ配管３２０のデリバリ内通路３２１に水素ガスが噴射されると、噴射流路３１０から噴射された水素ガスがデリバリ内通路３２１の底面３２１ａに直撃してしまう（図７に示す矢印Ａ２）。このように水素ガスがデリバリ内通路３２１に噴射されると、低圧側デリバリ配管３２０が振動し、ひいては当該振動に伴う騒音が発生するおそれがある。

この騒音の発生を抑制するために、例えば、インジェクターの噴射先（噴射下流部）に網（図示略）を設け、この網にインジェクターから噴射された水素ガスを当てる技術が提案されている。このように網を設ければ、インジェクターから噴射された水素の圧力がこの網によって低減され、低圧側デリバリ配管の振動及び当該振動に伴う騒音の発生を抑えることができる。しかし、このように網を設ける構成にあっては、別途部材が必要となってしまい、部品点数が増大してしまうという問題があった。

そこで本発明者らは、別途の部材を不要としながら、低圧側デリバリ配管の振動及び当該振動に伴う騒音の発生を抑制することを検討した。検討した結果、次のようにインジェクター１０をデリバリ配管２０に設けることが好適であることを見出した。

具体的には、本実施形態では、インジェクター１０が低圧側デリバリ配管２０ｂに対してオフセットした状態で配設されている。詳細には、図３に示すように、縦断面視において、インジェクター１０の噴射方向（図３では下側）に沿った噴射流路１１の中心軸Ｆ（以下、「インジェクター１０の噴射軸Ｆ」とも称する）が、低圧側デリバリ配管２０ｂのデリバリ内通路２０１の長手方向中心軸Ｃから外れた位置にインジェクター１０が配置されている。言い換えれば、インジェクター１０は、噴射方向に沿った噴射流路１１の中心軸Ｆと、低圧側デリバリ配管２０ｂのデリバリ内通路２０１の中心軸Ｃとを一致させないように配設されている。更に言い換えれば、縦断面でみたときに、インジェクター１０の噴射軸Ｆが、デリバリ内通路２０１の側面、言い換えれば、デリバリ内通路２０１の円弧面状の壁面２０１ｂに位置するようにインジェクター１０が配設されている。

なお、上述したデリバリ内通路２０１の円弧面状の壁面２０１ｂは、図３に示した位置に限定されるわけではなく、少なくともデリバリ内通路２０１の底面２０１ａから外れた位置であれば良い。つまり、インジェクター１０から噴射される水素ガスが、デリバリ内通路２０１の底面２０１ａに直撃するのが抑制される位置にインジェクター１０が配置されていることが好ましく、言い換えれば、インジェクター１０から噴射される水素ガスのエネルギーが、図３の矢印Ａ１に示すように流れの旋回に使われる（流れの勢いがいなされる）ようにインジェクター１０が配置されることが好ましい。このようにインジェクターを配置することによって、別途の部材を不要としながら騒音を低減することができる。

なお、図４に示すように、本実施形態では、低圧側デリバリ配管２０ｂのデリバリ内通路２０１の中心軸Ｃと、インジェクター１０の噴射軸Ｆとに、角度をもたせることが好適である。言い換えれば、インジェクター１０の噴射軸Ｆを、低圧側デリバリ配管２０ｂのデリバリ内通路２０１の中心軸Ｃに対して傾斜させるように、インジェクター１０が配設されることが好適である。これにより、インジェクター１０から噴射される水素ガスの流れが、その進行方向（図４では右側）に形成され易くなる。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池用水素供給装置１は、燃料電池１００に接続され、断面視略円形のデリバリ内通路２０１を有するデリバリ配管２０と、デリバリ配管２０に設けられ、該デリバリ配管２０内を流れる水素ガスを調圧して下流側に噴射するインジェクター１０と、を備え、インジェクター１０は、縦断面でみたときに、インジェクター１０の噴射流路１１の中心軸Ｆがデリバリ配管２０におけるデリバリ内通路２０１の長手方向中心軸Ｃから外れた位置に設けられている。

以上説明した実施形態では、デリバリ配管２０が中圧側デリバリ配管２０ａ及び低圧側デリバリ配管２０ｂを有し、インジェクター１０が低圧側デリバリ配管２０ｂに対してオフセットした状態で配設された例を説明したがこの例に限定されない。すなわち、図５及び図６に示すように、低圧側デリバリ配管２０ｂを設けない構成とし、インジェクター１０の下流側にエンドプレート１５０を接続してもよい。この構成では、図６に示すように、インジェクター１０は、エンドプレート１５０内に設けられた流路１６０に対してオフセットさせた状態で設けられている。詳細には、縦断面でみたときに、インジェクター１０は、その噴射流路の中心軸Ｆが、エンドプレート１５０内に設けられた流路１６０の中心軸Ｃから外れた位置に設けられている。言い換えれば、縦断面でみたときに、インジェクター１０の噴射流路１１の中心軸Ｆが、エンドプレート１５０内に設けられた流路１６０の円弧面状の壁面１６０ｂに位置するようにインジェクター１０が設けられている。更に言い換えれば、インジェクター１０から噴射される水素ガスのエネルギーが、図６の矢印Ａ１に示すように流れの旋回に使われる（流れの勢いがいなされる）ようにインジェクター１０が設けられている。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではなく、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。

１：燃料電池用水素供給装置
１０：インジェクター
１１：噴射流路
２０ａ：中圧側デリバリ配管
２０ｂ：低圧側デリバリ配管（デリバリ配管）
１００：燃料電池
１０２：燃料電池スタック
１１０：発電セル
１５０：エンドプレート
２０１：デリバリ内通路（流路）
Ｃ：デリバリ内通路の中心軸
Ｆ：噴射流路の中心軸

Claims (1)

1. 燃料電池に水素ガスを供給する燃料電池用水素供給装置であって、
   前記燃料電池に接続され、断面視略円形の流路を有するデリバリ配管と、
   前記デリバリ配管に設けられ、該デリバリ配管内を流れる水素ガスを調圧して下流側に噴射するインジェクターと、を備え、
   前記インジェクターは、縦断面でみたときに、前記インジェクターの噴射流路の中心軸が前記デリバリ配管における前記流路の円弧面状の壁面に位置するように、配設されていることを特徴とする燃料電池用水素供給装置。

Images