(57)【要約】【課題】インジェクターからのガス噴射に起因する振動、騒音の発生を抑制する。【解決手段】燃料電池用のガス供給装置は、燃料ガスを下流側のガス流路に噴射するインジェクターと、前記インジェクターと前記下流側のガス流路との間に配置され、前記インジェクターから噴射された前記燃料ガスの圧力を低減する圧力低減部材と、を備える。【選択図】図３
2015088407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用のガス供給装置であって、
燃料ガスを下流側のガス流路に噴射するインジェクターと、
前記インジェクターと前記下流側のガス流路との間に配置され、前記インジェクターから噴射された前記燃料ガスの圧力を低減する圧力低減部材と、
を備える、ガス供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス供給装置において、
前記燃料電池は、複数の発電セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの積層方向の端に配置されたエンドプレートとを有し、
前記インジェクターは、前記エンドプレートに設けられ、
前記下流側のガス流路は、前記エンドプレート、または、前記エンドプレートに設けられたエンドプレートカバーに設けられている、ガス供給装置。
【請求項３】
請求項２に記載のガス供給装置において、
前記圧力低減部材は、中空の管であり、前記管の内部に網を有し、
前記網のメッシュ目の粗さは、１５０μｍ〜３００μｍである、ガス供給装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載のガス供給装置において、
前記圧力低減部材は、前記エンドプレートに配置され、
前記圧力低減部材と前記エンドプレートとの間に緩衝部材が設けられている、ガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と、酸素とを反応させて発電を行う。水素は、燃料ガスタンクに貯蔵され、燃料ガス供給管により燃料電池に供給される。ガス供給管の途中にはインジェクターが設けられており、インジェクターを通して必要な量の水素が燃料電池のガス流路に噴射される。特許文献１に記載の燃料電池では、エンドプレートにインジェクターが配置され、インジェクターは、エンドプレートカバーに設けられたガス流路に水素を噴射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−４３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来技術では、インジェクターからの水素の噴射圧により、エンドプレートカバーが振動し、騒音が発生する虞があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池用のガス供給装置が提供される。このガス供給装置は、燃料ガスを下流側のガス流路に噴射するインジェクターと、前記インジェクターと前記下流側のガス流路との間に配置され、前記インジェクターから噴射された前記燃料ガスの圧力を低減する圧力低減部材と、を備える。この形態のガス供給装置によれば、インジェクターから噴射された燃料ガスの圧力を圧力低減部材で低減することが出来るので、下流側のガス流路が燃料ガスの圧力によって振動することが発生し難くなり、騒音も発生し難くなる。
【０００７】
（２）上記形態のガス供給装置において、前記燃料電池は、複数の発電セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの積層方向の端に配置されたエンドプレートとを有し、前記インジェクターは、前記エンドプレートに設けられ、前記下流側のガス流路は、前記エンドプレート、または、前記エンドプレートに設けられたエンドプレートカバーに設けられていてもよい。この形態のガス供給装置によれば、エンドプレート、または、エンドプレートに設けられたエンドプレートカバーに設けられた下流側のガス流路の振動を低減することができる。
【０００８】
（３）上記形態のガス供給装置において、前記圧力低減部材は、中空の管であり、前記管の内部に網を有し、前記網のメッシュ目の粗さは、１５０μｍ〜３００μｍであってもよい。この形態のガス供給装置によれば、網により、インジェクターから噴射された燃料ガスの圧力を低減できる。また、網は、管の内部にあるので、他の部材と接触して変形あるいは損傷し難い。また、メッシュ目の粗さは、１５０μｍ〜３００μｍであると、下流側のガス流路の振動を低減の効果が大きい。
【０００９】
（４）上記形態のガス供給装置において、前記圧力低減部材は、前記エンドプレートに配置され、前記圧力低減部材と前記エンドプレートとの間に緩衝部材が設けられていてもよい。この形態のガス供給装置によれば、インジェクターからの噴射された燃料ガスの圧力により圧力低減部材に振動が生じても、緩衝部材により、エンドプレートへ振動が伝わりにくい。
【００１０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池用のガス供給装置の他、ガス噴出装置、燃料電池システム等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図３】エンドプレートの断面の一部を示す説明図である。
【図４】インジェクターの下流部を拡大して示す説明図である。
【図５】網状部材の断面図である。
【図６】インジェクターから噴射された水素の圧力によるエンドプレートカバーの振動の測定結果の一例である。
【図７】網状部材の網のメッシュ目粗さと、エンドプレートカバーの振動との関係を示す説明図である。
【図８】網状部材の他の形状の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス回路２００と、酸化ガス回路と、冷却回路とを備える。燃料ガス回路２００は、燃料タンク２１０と、燃料ガス供給流路２２０と、燃料ガス排気流路２３０と、燃料ガス還流流路２４０と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、インジェクター２７０と、水素ポンプ２８０と、排気弁２９０と、を備える。なお、図１では、酸化ガス回路と、冷却回路とは、図示を省略されている。なお、図１は、燃料ガス回路２００のブロック構成を模式的に示した図であり、実際のレイアウトを示した図ではない。
【００１３】
燃料タンク２１０は、燃料ガスとして水素を貯蔵している。燃料タンク２１０は、燃料ガス供給流路２２０により燃料電池１００に接続されている。燃料ガス供給流路２２０には、燃料タンク２１０側から、主止弁２５０、調圧弁２６０、インジェクター２７０が配置されている。燃料電池１００には、燃料排ガスを大気に放出するための燃料ガス排気流路２３０が接続されている。燃料ガス排気流路２３０には、排気弁２９０が設けられている。燃料ガス供給流路２２０のインジェクター２７０の下流部と、燃料ガス排気流路２３０の排気弁２９０上流部との間は、燃料ガス還流流路２４０により接続されている。燃料ガス還流流路２４０には、水素ポンプ２８０が配置されている。本実施形態の燃料電池では、燃料排ガス中の水素を水素ポンプ２８０によって還流させて再利用する。燃料排ガス中に、例えば窒素等の不純物が増加した場合には、排気弁２９０が開けられて、燃料排ガスは、大気に放出される。
【００１４】
燃料ガス供給流路２２０は、便宜上、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、インジェクター２７０と、燃料ガス還流流路２４０との接続部と、により５つの部分に分けることが可能である。燃料ガス供給流路２２０のうち、燃料タンク２１０から主止弁２５０間までを第１の燃料ガス供給流路２２０ａと呼び、主止弁２５０から調圧弁２６０までを第２の燃料ガス供給流路２２０ｂ、調圧弁２６０からインジェクター２７０までを第３の燃料ガス供給流路２２０ｃ、インジェクター２７０から燃料ガス還流流路２４０との合流部までを第４の燃料ガス供給流路２２０ｄ、燃料ガス還流流路２４０との合流部から燃料電池１００までを第５の燃料ガス供給流路２２０ｅと呼ぶ。主止弁２５０は、燃料タンク２１０からの水素の供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、第３の燃料ガス供給流路２２０ｃの圧力を所定の圧力に調整する。インジェクター２７０は、水素を下流側の第４の燃料ガス供給流路２２０ｄに噴射する。
【００１５】
図２は、燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。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、１６０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、１６０が配置されている。後述するように、エンドプレート１６０には、第３の燃料ガス供給流路２２０ｃ、第４の燃料ガス供給流路２２０ｄの一部が、マニホールドとして配置されている。そのため、本実施形態では、エンドプレート１６０を、スタックマニホールド１６０とも呼ぶ。
【００１６】
図３は、エンドプレート１６０の断面の一部を示す説明図である。なお、図３は、エンドプレート１６０の一部の断面を示したもので有り、ターミナルプレート１３０（図２）との接触部は、図示されていない。エンドプレート１６０は、例えばアルミニウムなどの金属で形成された板状部材であり、複数の貫通孔１６０ｈを有している。複数の貫通孔１６０ｈは、インジェクター２７０の取り付け、あるいは、反応ガスの通過に用いられる。エンドプレート１６０の一方の面１６０ａには、インジェクター２７０を覆うように燃料ガス供給マニホールド１６２が取り付けられている。燃料ガス供給マニホールド１６２は、インジェクター２７０の上流側のガス流路である第３の燃料ガス供給流路２２０ｃの一部を形成している。また、エンドプレート１６０の他方の面１６０ｂには、インジェクター２７０の出口部分を覆うように、エンドプレートカバー１６４が取り付けられている。本実施形態では、面１６０ｂが発電セル１１０側、ターミナルプレート１３０側であり、面１６０ａが発電セル１１０と反対側（「外側」とも呼ぶ。）である。エンドプレートカバー１６４は、例えば樹脂で形成されており、エンドプレート１６０との間で、インジェクター２７０の下流側のガス流路である第４の燃料ガス供給流路２２０ｄの一部を形成している。なお、インジェクター２７０の断面構造の図示は省略している。インジェクター２７０の噴射部２７０ａの下流側には、網状部材３００が配置されている。また、エンドプレート１６０を貫通するように、燃料ガス供給管１６６が設けられている。燃料ガス供給管１６６は、第４の燃料ガス供給流路２２０ｄの残部を形成し、図１に示す第５の燃料ガス供給流路２２０ｅ及び燃料ガス還流流路２４０に接続されている。なお、図示しないが、水素ポンプ２８０は、エンドプレート１６０の一方の面１６０ａに取り付けられている。
【００１７】
図３において、水素は、第３の燃料ガス供給流路２２０ｃ（燃料ガス供給マニホールド１６２）を通って、インジェクター２７０に供給される。その後、水素は、インジェクター２７０の噴射部２７０ａから噴射され、エンドプレートカバー１６４とエンドプレート１６０との間の第４の燃料ガス供給流路２２０ｄに噴射される。水素は、エンドプレートカバー１６４とエンドプレート１６０の間の第４の燃料ガス供給流路２２０ｄから燃料ガス供給管１６６を通って、エンドプレート１６０の外側に送られる。エンドプレート１６０の外側では、水素ポンプ２８０から送られた還流水素と合流する。その後、図示しない配管を通ってエンドプレート１６０の発電セル１１０側に送られ、発電セル１１０に供給される。
【００１８】
図４は、インジェクター２７０の噴射下流部を拡大して示す説明図である。インジェクター２７０の噴射部２７０ａは、ゴム製リング２７２を介してエンドプレート１６０の貫通孔１６０ｈに挿入されている。貫通孔１６０ｈ中のインジェクター２７０の噴射先には、網状部材３００が配置されている。網状部材３００は、略円筒の形状を有する中空の管状の部材であり、内部に網３１０を備えている。網状部材３００は、網３１０により、インジェクター２７０からの噴射された水素の圧力を低減する。その結果、エンドプレートカバー１６４（図３）に強い圧力が当たることが抑制され、エンドプレートカバー１６４の振動及び振動に伴う騒音の発生が抑制される。また、網状部材３００の外縁部にはＯリング３２０が配置されている。仮にインジェクター２７０から噴射された水素の圧力により網状部材３００に振動が生じても、Ｏリング３２０は、その振動を緩和する緩衝部材として機能し、エンドプレート１６０に振動を伝達させない。そのため、エンドプレートカバー１６４の振動及び振動に伴う騒音の発生を抑制できる。Ｏリング３２０は、振動を抑制する機能に優れた部材で形成することが好ましく、例えばゴムで形成することが好ましい。緩衝部材としての機能を有していれば、Ｏリング３２０の代わりに他の緩衝部材を用いても良い。なお、請求項のガス供給装置は、インジェクター２７０と、網状部材３００とを含む構成を有している。
【００１９】
図５は、網状部材の断面図である。図５の上図は、網３１０をかしめる前の状態を示し、図５の下図は、網３１０をかしめた後の状態を示している。網状部材３００は、略円筒形の本体３３０と、網３１０と、Ｏリング３２０と、を備える。網３１０は、インジェクター２７０側が凹形、エンドプレートカバー１６４側が凸形となっている。網３１０の端部は、本体３３０の側端部に設けられている突起３３０ａに取り付けられる。その後、突起３３０ａがつぶされて、かしめ部３４０が形成されることにより、網３１０が本体３３０に固定される。本実施形態では、網３１０は本体３３０の内部に収まっており、網３１０が他の部材と接触して、変形あるいは損傷することを抑制している。なお、網３１０は、かしめ部３４０により本体３３０に固定される代わりに、溶接により本体３３０に固定されていても良い。
【００２０】
図６は、インジェクターから噴射された水素の圧力によるエンドプレートカバー１６４の振動の測定結果の一例である。測定周波数にもよるが、インジェクター２７０の下流側に網状部材３００が設けられていると、網状部材３００が設けられていない場合に比べて、約２０ｄＢ振動が少なくなっている。すなわち振動は約１／１０に小さくなっている。
【００２１】
図７は、網状部材３００の網３１０のメッシュ目粗さと、エンドプレートカバー１６４の振動との関係を示す説明図である。網状部材３００を用いない状態でエンドプレートカバー１６４の振動を測定すると、−３５ｄＢであった。網状部材３００のメッシュ目の大きさを１５０μｍ〜２５０μｍの範囲とすると、エンドプレートカバー１６４の振動は、約−５５ｄＢと極小を示した。網状部材３００のメッシュ目の大きさを１５０μｍよりも細かくすると、エンドプレートカバー１６４の振動は徐々に大きくなった。この理由として、メッシュ目の大きさが小さくなると、インジェクター２７０から噴射された水素の圧力によって網状部材３００自体が振動し、網状部材３００の振動が網状部材３００とエンドプレート１６０の結合部分を通してエンドプレート１６０に伝わるためと考えられる。したがって、メッシュ目の大きさが１５０μｍ〜３００μｍの範囲であることが、エンドプレートカバー１６４の振動が小さくなる点で好ましい。メッシュ目の大きさが１５０μｍ〜２５０μｍの範囲であることがより好ましく、メッシュ目の大きさは、振動がほぼ極小となる２００μｍであってもよい。
【００２２】
図８は、網状部材３００の他の形状の例を示す説明図である。本実施形態では、網３１０を本体３３０の内部に収まるようにした。しかし、網状部材３００がエンドプレート１６０に取り付けられた後は、網３１０が他の部材と接触する可能性は低いため、図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、網３１０が本体３３０の外部にはみ出ていている形状であってもよい。網３１０は、図８（Ａ）に示すように、本体３３０に、溶接されていても良く、図８（Ｂ）に示すように、かしめ部３４０により固定されていても良い。
【００２３】
本実施形態では、上述したように、網状部材３００は、インジェクター２７０から噴射された水素の圧力を低減する圧力低減部材として機能する。したがって、網状部材３００の代わりに、例えば、多孔体、スリットやラビリンス構造を有する部材を用いても良い。
【００２４】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００２５】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１０２…燃料電池スタック
１１０…発電セル
１２０、１３０…ターミナルプレート
１４０…絶縁プレート
１５０…エンドプレート
１６０…エンドプレート（スタックマニホールド）
１６０ａ、１６０ｂ…面
１６０ｈ…貫通孔
１６２…燃料ガス供給マニホールド
１６４…エンドプレートカバー
１６６…燃料ガス供給管
２００…燃料ガス回路
２１０…燃料タンク
２２０…燃料ガス供給流路
２２０ａ…第１の燃料ガス供給流路
２２０ｂ…第２の燃料ガス供給流路
２２０ｃ…第３の燃料ガス供給流路
２２０ｄ…第４の燃料ガス供給流路
２２０ｅ…第５の燃料ガス供給流路
２３０…燃料ガス排気流路
２４０…燃料ガス還流流路
２５０…主止弁
２６０…調圧弁
２７０…インジェクター
２７０ａ…噴射部
２７２…ゴム製リング
２８０…水素ポンプ
２９０…排気弁
３００…網状部材
３１０…網
３２０…Ｏリング
３３０…本体
３４０…かしめ部
【図１】
2015088407.tif 000003
【図２】
2015088407.tif 000004
【図３】
2015088407.tif 000005
【図４】
2015088407.tif 000006
【図５】
2015088407.tif 000007
【図６】
2015088407.tif 000008
【図７】
2015088407.tif 000009
【図８】
2015088407.tif 000010