(57)【要約】【課題】燃料電池の出力が安定した燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池と、燃料ガスを間欠的に噴射するインジェクタと、前記インジェクタと前記燃料電池とを連通した供給経路と、を備え、前記供給経路は、途中で分岐した第１及び第２通路部を含み、前記第１及び第２通路部は、前記インジェクタから噴射された燃料ガスのうち前記第１通路部を経由した燃料ガスが前記燃料電池までに到達するタイミングと、前記インジェクタから噴射された燃料ガスのうち前記第２通路部を経由した燃料ガスが前記燃料電池までに到達するタイミングとがずれるように、前記第１及び第２通路部は形状及び大きさの少なくとも一方が異なっている、燃料電池システム。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃料ガスを間欠的に噴射するインジェクタと、
前記インジェクタと前記燃料電池とを連通した供給経路と、を備え、
前記供給経路は、途中で分岐した第１及び第２通路部を含み、
前記第１及び第２通路部は、前記インジェクタから噴射された燃料ガスのうち前記第１通路部を経由した燃料ガスが前記燃料電池までに到達するタイミングと、前記インジェクタから噴射された燃料ガスのうち前記第２通路部を経由した燃料ガスが前記燃料電池までに到達するタイミングとがずれるように、前記第１及び第２通路部は形状及び大きさの少なくとも一方が異なっている、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスがインジェクタにより噴射されて、供給経路を介して燃料電池に到達する燃料電池システムが知られている（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２００７−２４２４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料ガスはインジェクタにより間欠的に噴射されるため、燃料電池に到達した際の燃料ガスの濃度も周期的に増減を繰り返す。このため、低濃度の燃料ガスが燃料電池に到達した際には燃料電池の出力が低下し、高濃度の燃料ガスが燃料電池に到達した際には燃料電池の出力が増大し、燃料電池の出力が安定しない可能性がある。
【０００５】
本発明は、燃料電池の出力が安定した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】
上記目的は、燃料電池と、燃料ガスを間欠的に噴射するインジェクタと、前記インジェクタと前記燃料電池とを連通した供給経路と、を備え、前記供給経路は、途中で分岐した第１及び第２通路部を含み、前記第１及び第２通路部は、前記インジェクタから噴射された燃料ガスのうち前記第１通路部を経由した燃料ガスが前記燃料電池までに到達するタイミングと、前記インジェクタから噴射された燃料ガスのうち前記第２通路部を経由した燃料ガスが前記燃料電池までに到達するタイミングとがずれるように、前記第１及び第２通路部は形状及び大きさの少なくとも一方が異なっている、燃料電池システムによって達成できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の出力が安定した燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２Ａは、濃度脈動抑制部の説明図であり、図２Ｂは、インジェクタの駆動波形を示した図であり、図２Ｃは、水素濃度の変化を示したグラフである。
【図３】図３Ａは、濃度脈動抑制部が設けられていない場合での水素濃度の変化を示したグラフであり、図３Ｂは、アノード反応過電圧と水素濃度との関係を示したグラフである。
【図４】図４Ａは、第１変形例の濃度脈動抑制部の説明図であり、図４Ｂは、第２変形例の濃度脈動抑制部の説明図であり、図４Ｃは、第３変形例の濃度脈動抑制部の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、燃料電池システム１（以下、システムと称する）の概略図である。システム１は、本実施例では車両に搭載されているがこれに限定されない。システム１は、制御装置１０、燃料電池２０、水素ガス供給系３０、空気供給系４０等を含む。システム１は、燃料電池２０の発電電力を不図示のモータ等に供給する。制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム１全体を制御する。燃料電池２０は、固体高分子電解質型であり、複数のセルを積層したスタック構造を備えている。尚、システム１は、燃料電池２０の発電電力を制御する電力制御系、燃料電池２０を冷却水により冷却する冷却系を含む。
【００１０】
水素ガス供給系３０は、燃料ガスである水素ガスを燃料電池２０に供給する。具体的には、水素ガス供給系３０は、タンクＴ、供給経路３１、循環経路３２、放出経路３３、タンク弁Ｔｖ、調圧弁３１ｖ、開閉弁３３ｖ、インジェクタ３６、エジェクタ３７、気液分離器３８、濃度脈動抑制部３９、パージ経路３７ｐ及び３８ｐ、パージ弁３７ｖ及び３８ｖを備えている。
【００１１】
水素ガスは、燃料電池２０に供給される燃料ガスであり、タンクＴから供給経路３１を介して燃料電池２０に供給される。タンク弁Ｔｖ、調圧弁３１ｖ、及びインジェクタ３６、エジェクタ３７、及び濃度脈動抑制部３９は、供給経路３１の上流側から順に設けられている。タンクＴは、水素ガスを高圧で貯留している。タンク弁Ｔｖは、タンクＴからの水素ガスの供給を遮断又は許容する。調圧弁３１ｖは、水素ガスの圧力を調整する。インジェクタ３６は、インジェクタ３６よりも供給経路３１の下流側に、間欠的に水素ガスを噴射する。タンク弁Ｔｖ、調圧弁３１ｖ、及びインジェクタ３６の動作は、制御装置１０により制御されている。尚、調圧弁３１ｖとインジェクタ３６との間の３１には圧力センサＰ１が設けられており、制御装置１０は圧力センサＰ１が所望の圧力となるように調圧弁３１ｖの開度を調整する。
【００１２】
エジェクタ３７は、インジェクタ３６から供給された水素ガスの流れを駆動流として、燃料電池２０から排出された水素オフガスを３２から吸い込み、水素オフガスを再度燃料電池２０に循環させる循環手段の一例である。エジェクタ３７と排出経路４２とは連通するパージ経路３７ｐにより連通され、パージ経路３７ｐ上にパージ弁３７ｖが設けられている。濃度脈動抑制部３９については後述する。濃度脈動抑制部３９と燃料電池２０との間の３１には、圧力センサＰ２が配置されている。
【００１３】
気液分離器３８は、循環経路３２上に設けられ、気液分離器３８で分離した水分と一部の燃料オフガスは、気液分離器３８から分岐した放出経路３３及び開閉弁３３ｖを介して外部へ放出される。また、気液分離器３８と、後述する排出経路４２とはパージ経路３８ｐにより連通され、パージ経路３８ｐ上にパージ弁３８ｖが設けられている。上述したパージ弁３７ｖ及び３８ｖが制御装置１０により開閉制御されることにより、循環経路３２上を循環する水素オフガスの一部が、不図示の希釈器を介して排出経路４２から外気へと放出される。
【００１４】
空気供給系４０は、供給経路４１、排出経路４２、コンプレッサ４３、加湿装置４７を有している。空気供給系４０は、燃料電池２０に空気を供給するものであり、以下のように構成される。外気から取り込んだ酸素を含む空気（カソードガス）は、供給経路４１を介してコンプレッサ４３により圧縮され、加湿装置４７により加湿されて、燃料電池２０に供給される。排出経路４２は、燃料電池２０から排出されたカソードオフガスを大気放出する。加湿装置４７は、排出経路４２を通過するカソードオフガス中の水分を利用して供給経路３１を通過するカソードガスを加湿する。加湿装置４７内には、カソードガスが流れる流路とカソードオフガスが流れる流路とを仕切るように水分透過膜が設けられている。この水分透過膜を介してカソードオフガス中の水分がカソードガス側に透過することにより、カソードガスが加湿される。
【００１５】
図２Ａは、濃度脈動抑制部３９の説明図である。濃度脈動抑制部３９は、互いに分岐した通路部３９ａ及び３９ｂを有している。通路部３９ａ及び３９ｂは、上流側で分岐して、下流側で再び合流している。通路部３９ａは、略直線状であるのに対して、通路部３９ｂは、通路部３９ａとの分岐点付近、及び通路部３９ａとの合流点付近で、通路部３９ａから離れるように僅かに湾曲している。このため、通路部３９ａの経路よりも通路部３９ｂの経路が長く形成されている。尚、通路部３９ａ及び３９ｂの径は互いに略同じである。このように通路部３９ａ及び３９ｂは、形状及び大きさが異なっている。
【００１６】
ここで、インジェクタ３６は水素ガスを間欠的に噴射する。図２Ｂは、インジェクタ３６の駆動波形を示した図である。このように、インジェクタ３６は、所定の休止期間を介して断続的に水素ガスを噴射する。具体的には、インジェクタ３６のニードルが全開となるＯＮと、全閉となるＯＦＦとが繰り返される。このため、燃料電池２０での水素ガスの濃度も周期的に増減し、即ち脈動する。尚、インジェクタ３６の駆動周期を極めて短くすることができれば、このような濃度の脈動は抑制できるが、実際にはインジェクタ３６の耐久性等の要求から、所定の周期でインジェクタ３６の駆動がデューティ制御されるため、困難である。
【００１７】
ここで、インジェクタ３６から一度に噴射された燃料ガスの一部が通路部３９ａを介して燃料電池２０に到達し、残りの一部が通路部３９ｂを介して燃料電池２０に到達するが、通路部３９ａを経由した水素ガスの燃料電池２０に到達するタイミングよりも、通路部３９ｂを経由した水素ガスが燃料電池２０に到達するタイミングが遅れる。通路部３９ａよりも通路部３９ｂが長いからである。
【００１８】
図２Ｃは、水素濃度の変化を示したグラフである。濃度ＡＤは、通路部３９ａの出口付近での水素濃度を示している。濃度ＢＤは、通路部３９ｂの出口付近での水素濃度を示している。合流濃度ＣＤは、通路部３９ａを通過した水素ガスと通路部３９ｂを通過した水素ガスが合流した後の水素濃度を示している。上述したように、通路部３９ａを経由した水素ガスの方が、通路部３９ｂを経由した水素ガスよりも早く燃料電池２０に到達する。このため、濃度ＡＤ及びＢＤに示すように、水素濃度の位相が互いにずれる。この結果、燃料電池２０の水素ガス入口付近での水素濃度は、通路部３９ａ及び３９ｂを経由した水素ガスが合流しているため、合流濃度ＣＤに示すように濃度ＡＤ及びＢＤを略平均化したものとなる。これにより、燃料電池２０の水素ガス入口付近での水素濃度の脈動が抑制され、平均化されている。
【００１９】
図３Ａは、濃度脈動抑制部３９が設けられていない場合での水素濃度の変化を示したグラフである。インジェクタ３６での水素ガスの間欠的な噴射に応じて、燃料電池２０の水素ガス入口付近での水素濃度の振幅が比較的大きく、燃料電池２０の出力が不安定となる可能性がある。特に、燃料電池２０への要求出力が小さい状態でインジェクタ３６のＯＮ、ＯＦＦの周期が長くなるため、このような低出力状態で水素濃度の振幅が大きくなりやすい。図３Ｂは、アノード反応過電圧と水素濃度との関係を示したグラフである。水素濃度の差が大きいほど、即ち燃料電池２０に供給される水素濃度の振幅が大きいほど、アノード反応過電圧の差が拡大し、燃料電池２０の出力のばらつきが増大することがわかる。本実施例では、上述した濃度脈動抑制部３９により燃料電池２０に到達する水素ガス濃度の増減を抑制でき、これにより燃料電池２０の出力が安定する。
【００２０】
次に、複数の変形例について説明する。尚、類似する構成については類似する符号を付して重複する説明を省略する。図４Ａは、第１変形例の濃度脈動抑制部３９Ａの説明図である。濃度脈動抑制部３９Ａは２重管構造となっており、内管である通路部３９ａＡと外管である通路部３９ｂＡとを有している。通路部３９ａＡは途中で径が徐々に小さくなる部分を有しており、これに対応して通路部３９ｂＡは途中で径が拡大する部分を有している。このため、通路部３９ａＡを流れる水素ガスは途中で流速が増大し、通路部３９ｂＡを流れる水素ガスは途中で流速が低下する。これにより、通路部３９ａＡを経由した水素ガスの方が通路部３９ｂＡを経由した水素ガスよりも早く燃料電池２０に到達する。このような構成によっても、燃料電池２０の出力を安定させることができる。尚、濃度脈動抑制部３９Ａは２重管構造であるため、搭載スペース上も有利である。
【００２１】
図４Ｂは、第２変形例の濃度脈動抑制部３９Ｂの説明図である。濃度脈動抑制部３９Ｂも２重管構造であり、通路部３９ａＢ及び通路部３９ｂＢを有している。通路部３９ａＢは径が一定であるが、通路部３９ｂＢは途中で径が徐々に縮小した部分を有している。このため、通路部３９ｂＢを経由した水素ガスは、通路部３９ａＢを経由した水素ガスよりも流速が増大し、先に燃料電池２０に到達する。このような構成によっても、燃料電池２０の出力を安定させることができる。
【００２２】
図４Ｃは、第３変形例の濃度脈動抑制部３９Ｃの説明図である。濃度脈動抑制部３９Ｃは、湾曲した経路上に配置される。濃度脈動抑制部３９Ｃは、通路部３９ａＣ及び通路部３９ｂＣを有している。具体的には、通路部３９ａＣ及び通路部３９ｂＣは、仕切板３９ｃＤにより隔てられており、仕切板３９ｃＤは部分的に厚みが増大している。このような仕切板３９ｃＤにより、通路部３９ａＣの長さは通路部３９ｂＣよりも短く、通路部３９ａＣの径は通路部３９ｂＣよりも小さくなるように隔てられている。このため、通路部３９ａＣを通過する水素ガスの方が通路部３９ｂＣを通過する水素ガスよりも早く燃料電池２０に到達する。このような構成によっても、燃料電池２０の出力を安定させることができる。
【００２３】
その他、一方の通路部にバッファタンクを設けて、一方の通路部の容積の方が他方の通路部の容積よりも拡大することにより、一方の通路部を経由した水素ガスよりも他方の通路部を経由した水素ガスの方が早く燃料電池２０に到達するように構成してもよい。また、一方の通路部の圧力損失を他方の通路部の圧力損失よりも小さくすることにより、一方の通路部を経由した水素ガスが燃料電池２０に到達するタイミングと、他方の通路部を経由した水素ガスが燃料電池２０に到達するタイミングとをずらしてもよい。このように圧力損失の差を確保するためには、例えば２つの通路部の径が同じ場合には、一方の通路部の長さを他方の通路部の長さよりも短くしてもよいし、２つの通路部の長さが同じ場合には、一方の通路部の径を他方の通路部の径よりも大きくしてもよい。また、他方の通路部の途中に断面積が急激に低下する部分を設けて、他方の通路部の圧力損失を増大させてもよい。また、３つ以上の通路部を有してもよく、この場合には、より水素濃度の増減を抑制できる。
【００２４】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００２５】
図１に示したように、水素オフガスを燃料電池２０に循環させるためにエジェクタ３７を用いたが、これに限定されず、循環ポンプにより循環させてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃料電池システム
２０  燃料電池
３６  インジェクタ
３９  濃度脈動抑制部
３９ａ、３９ｂ  通路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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