JP2005339847A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は反応ガス系統に開閉弁を備えた燃料電池システムに関し、特に、システム効率を高めるための改良技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system having an on-off valve in a reaction gas system, and more particularly to an improved technique for improving system efficiency.
燃料電池車両などの電源装置として、燃料ガスと酸化ガスの酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池システムが用いられている。この種の燃料電池システムにおいては、例えば、特開2003−178779号公報に開示されているように、ガス配管系統(燃料ガス系統、酸化ガス系統)に各種の遮断弁が用いられているが、その多くは電磁遮断弁である。ガス配管系統に配設される遮断弁としては、システム効率を高めるために、低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力(低動作電力)であることがバランスよく要求される。
しかし、低圧力損失かつ大流量の流量特性を満たすには弁流路を大きく確保する必要がある。弁流路を大きくとると、弁の開閉部分に加わる流体の圧力が大きくなるので、弁を開閉駆動するための駆動力が大きくなる。弁の締め切り性や応答性を向上させるためにも大きな駆動力を必要とするが、弁の駆動力を大きくすると補機電力が増大するので、燃費は悪化し、システム効率は低下する。 However, in order to satisfy the flow characteristics of low pressure loss and large flow rate, it is necessary to secure a large valve flow path. If the valve flow path is made larger, the pressure of the fluid applied to the opening / closing portion of the valve increases, so that the driving force for opening / closing the valve increases. A large driving force is also required to improve the valve shut-off and responsiveness. However, increasing the valve driving force increases auxiliary power, resulting in a deterioration in fuel consumption and a reduction in system efficiency.
例えば、電動モータを用いて弁の開閉を行うと、小型化が難しく、しかも良好な応答性が得られない。電磁石で弁を開閉させる直動電磁弁を用いると、低圧力損失かつ大流量を確保するには弁が大型になってしまい、駆動力も大きくなる。パイロット式電磁弁は小型ではあるが、動作時の弁前後の差圧が小さいと良好な締め切り性と応答性を得ることができず、更に逆流も防げない。エア駆動弁は小型であるものの、エア駆動弁に信号圧を供給するためのエアコンプレッサが必要となり、装置の大型化と補機電力の増大を招くので好ましくない。 For example, when an electric motor is used to open and close the valve, it is difficult to reduce the size and good responsiveness cannot be obtained. When a direct acting solenoid valve that opens and closes a valve with an electromagnet is used, the valve becomes large in order to ensure a low pressure loss and a large flow rate, and the driving force also increases. Although the pilot type solenoid valve is small, if the differential pressure before and after the operation is small, good deadlines and responsiveness cannot be obtained, and further backflow cannot be prevented. Although the air-driven valve is small, an air compressor for supplying a signal pressure to the air-driven valve is required, which increases the size of the device and increases auxiliary power, which is not preferable.
そこで、本発明は低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力の条件をバランスよく満たした開閉弁を用いることで、システム効率を高めることのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。 Therefore, the present invention provides a fuel cell system that can improve system efficiency by using an on-off valve that satisfies the conditions of low pressure loss, large flow rate, high response, high deadline, small size, and low driving force in a well-balanced manner. The challenge is to propose.
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、反応ガスを貯蔵する反応ガス供給源と、燃料電池と反応ガス供給源を接続する反応ガス供給路と、反応ガス供給路上に設けられ反応ガス供給路の開度を調整する開閉弁とを備え、開閉弁は少なくとも反応ガス供給源から放出される反応ガスの圧力を利用して開閉駆動される差圧弁である。反応ガスの圧力で差圧弁を開閉制御するので、大きな動作電力を必要とせずに弁の開閉を行うことが可能となり、低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力の条件をバランスよく満たすことができる。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is provided on a reaction gas supply path for storing a reaction gas, a reaction gas supply path for connecting the fuel cell and the reaction gas supply source, and a reaction gas supply path. An open / close valve that adjusts the opening of the reaction gas supply path, and the open / close valve is a differential pressure valve that is driven to open and close using at least the pressure of the reaction gas released from the reaction gas supply source. Since the differential pressure valve is controlled to open and close by the pressure of the reaction gas, it is possible to open and close the valve without requiring large operating power, and low pressure loss, large flow rate, high response, high shut-off, small size, low drive The power requirements can be met in a well-balanced manner.
差圧弁に駆動用ガスを供給するには、例えば、反応ガス供給路から分岐して差圧弁の信号圧室に連通するバイパス流路を配管し、このバイパス流路を伝播する反応ガスの圧力によって差圧弁を開閉駆動する構成が好ましい。かかる構成により、反応ガスの圧力を信号圧として差圧弁に伝播させることができる。 In order to supply the driving gas to the differential pressure valve, for example, a bypass flow path that branches from the reaction gas supply path and communicates with the signal pressure chamber of the differential pressure valve is provided, and the pressure of the reaction gas that propagates through the bypass flow path A configuration in which the differential pressure valve is driven to open and close is preferable. With this configuration, the pressure of the reaction gas can be propagated to the differential pressure valve as a signal pressure.
ここで、反応ガス供給路には反応ガスの圧力を減圧するためのレギュレータが配設されており、バイパス流路はレギュレータよりも上流側の反応ガス供給路から分岐配管されているのが望ましい。バイパス流路を反応ガス供給路のレギュレータの上流側より分岐させることで、駆動用ガスを高圧に調整することができ、反応ガス供給路との差圧を利用して差圧弁を開閉制御できる。 Here, a regulator for reducing the pressure of the reaction gas is provided in the reaction gas supply path, and the bypass flow path is preferably branched from the reaction gas supply path upstream of the regulator. By branching the bypass channel from the upstream side of the regulator of the reaction gas supply path, the driving gas can be adjusted to a high pressure, and the differential pressure valve can be controlled to open and close using the differential pressure with the reaction gas supply path.
反応ガス供給源としては、例えば、反応ガスを高圧状態で貯蔵する高圧ガスタンクが好適である。高圧の反応ガスを差圧弁の駆動用ガスとして利用することで、差圧弁を開閉制御できる。 As the reaction gas supply source, for example, a high-pressure gas tank that stores the reaction gas in a high-pressure state is suitable. By using a high-pressure reaction gas as a driving gas for the differential pressure valve, the differential pressure valve can be controlled to open and close.
本発明によれば、反応ガスの圧力で差圧弁を開閉制御するので、大きな動作電力を必要とせずに弁の開閉を行うことが可能となり、低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力の条件をバランスよく満たすことができる。 According to the present invention, since the differential pressure valve is controlled to open and close by the pressure of the reaction gas, the valve can be opened and closed without requiring a large operating power, and low pressure loss, large flow rate, high response, and high deadline can be achieved. Performance, small size, and low driving force can be satisfied in a well-balanced manner.
図1は本実施形態の燃料電池システム10の燃料ガス系統を中心とするシステム構成図である。同システムの燃料ガス系統には、主として、燃料ガス(反応ガス)を貯蔵する燃料貯蔵装置(反応ガス供給源)20と、燃料貯蔵装置20に貯蔵された燃料ガスを燃料電池(セルスタック)に供給するための燃料ガス供給路(反応ガス供給路)31と、燃料ガス供給路31を流れる燃料ガスを遮断する差圧弁43と、燃料ガス供給路31から分岐して差圧弁43の信号圧室に連通するバイパス流路(分岐流路又は迂回流路)32が配設されている。差圧弁43は開閉弁又は遮断弁として機能する。燃料貯蔵装置20は燃料ガスを高圧に圧縮して貯蔵するための装置であり、例えば、燃料ガスを300気圧〜700気圧程度の圧力で充填する高圧水素タンク(高圧ガスタンク)などが好適である。燃料ガス供給路31には、高圧に圧縮された燃料ガスを中圧(中間圧力)に減圧するための中圧レギュレータ(中圧減圧弁)41と、中圧に減圧された燃料ガスを更に低圧(通常運転圧力)に減圧するための低圧レギュレータ(低圧減圧弁)42と、上述した差圧弁43の各々が上流から下流にかけて順に配設されている。説明の便宜上、燃料ガス供給路31のうち中圧レギュレータ41の上流側の流路を31a、中圧レギュレータ41と低圧レギュレータ42の間の流路を31b、低圧レギュレータ42と差圧弁43の間の流路を31c、差圧弁43の下流側の流路を31dとし、各々の流路31a〜31dのガス圧をP1〜P4とする。
FIG. 1 is a system configuration diagram centering on a fuel gas system of a fuel cell system 10 of the present embodiment. The fuel gas system of the system mainly includes a fuel storage device (reactive gas supply source) 20 for storing fuel gas (reactive gas), and the fuel gas stored in the
図2に示すように、差圧弁43はボディ71の内部空間がダイヤフラム72によって上下2つの内部空間に画成されており、一方は信号圧室73、他方は燃料ガス供給路31である。信号圧室73はバイパス流路32より伝播される燃料ガス(駆動用ガス)の圧力を導入するための導入孔83が形成された密閉空間である。燃料ガス供給路31はボディ71に形成された入口ポート81と出口ポート82を連通するガス流路であり、その流路には弁体74を着座させるための弁座75が形成されている。入口ポート81は燃料ガス流路31cに連通し、出口ポート82は燃料ガス流路31dに連通する。弁体74が弁座75に着座(閉弁)することによって燃料ガス供給路31は遮断され、弁体74が弁座75から離間(開弁)することによって燃料ガス供給路31はスルー状態になる。弁体74はスプリング76,77によって弁座75に押し付けられる方向に付勢されている。信号圧室73に導入される燃料ガスの圧力(信号圧)が低圧の場合にはスプリング76,77の付勢力に抗して弁体74を弁座75から離間する方向に押し上げることが出来ないため、差圧弁43は閉弁する。一方、信号圧室73に導入される燃料ガスの圧力が高圧の場合にはスプリング76,77の付勢力に抗して弁体74を弁座75から離間することが出来るため、差圧弁43は開弁する。このような差圧弁43としては、燃料ガスの流路面積を大きく確保することにより低圧力損失のバルブとして構成するのが望ましい。また、差圧弁43としては、燃料ガス供給路31の開度を「全閉」と「全開」との間でその開度を目標開度に調整するリニア弁でもあってもよく、全開(連通)/全閉(遮断)の2位置に切り換え可能な2位置開閉弁であってもよい。
As shown in FIG. 2, in the
一方、バイパス流路32には、燃料ガス供給路31から分岐して差圧弁43に供給される駆動用ガスを減圧するレギュレータ(減圧弁)44と、制御部(ECU)50によって開閉制御される3ポート電磁弁45の各々が上流から下流にかけて順に配設されている。説明の便宜上、バイパス流路32のうちレギュレータ44の上流側の流路を32a、レギュレータ44と3ポート電磁弁45の間の流路を32b、3ポート電磁弁45と差圧弁43の間の流路を32cとする。3ポート電磁弁45はポートA1〜A3を備えており、ポートA1はバイパス流路32bに、ポートA2はバイパス流路32cに、ポートA3は駆動用ガス排気通路33を介して燃料ガス供給路31bに、それぞれ連通している。駆動用ガス排気通路33にはバイパス流路32から燃料ガス供給路31に排気される駆動用ガスの逆流を防止するための逆止弁46が配設されている。ここで、バイパス流路32b、バイパス流路32c、及び駆動用ガス排気通路33の信号圧をP5〜P7とする。差圧弁43の信号圧室に供給される信号圧P6が高圧になると、駆動用ガスが信号圧室内のスプリングの付勢力に抗して弁を押し開くことにより、差圧弁43が開弁する。信号圧P6が低圧になると、信号圧室内のスプリングが駆動用ガスに抗して弁を閉じることにより、差圧弁43が閉弁する。信号圧P6を高圧と低圧の二段階に調整して差圧弁43を開閉制御するために、常時、P5(高圧)>P2(低圧)となるように圧力調整する。本例では、燃料ガス供給路31とバイパス流路32の分岐点60を中圧レギュレータ41の上流側に設けることで、レギュレータ41,44の1次圧力を同一に設定し、更にギュレータ41,44の調圧値を調整することで、P5>P2に設定している。
On the other hand, the
制御部50は燃料電池の運転状態を制御するシステムコントローラであり、3ポート電磁弁45の各ポートA1〜A3の開閉制御を通じて差圧弁43を開閉制御し、燃料ガス供給路31を連通又は遮断する。例えば、ポートA1とポートA2を開弁し、ポートA3を閉弁すると、バイパス流路32bとバイパス流路32cは連通するので、両者のガス圧は等しくなり、P1>P5=P6>P7>P2>P3>P4となる。差圧弁43に供給される信号圧P6はP5(高圧)と等しくなるので、差圧弁43は開弁する。一方、ポートA1を閉弁し、ポートA2とポートA3を開弁すると、バイパス流路32cと燃料ガス供給路31bは駆動用ガス排気通路33を介して連通するので、両者のガス圧は等しくなり、P1>P5>P6=P7=P2>P3>P4となる。差圧弁43に供給される信号圧P6はP2(低圧)と等しくなるので、差圧弁43は閉弁する。
The
本実施形態によれば、燃料ガスのガス圧を差圧弁43の信号圧P6として利用することにより、少ない駆動力で弁の開閉動作を行うことができる。また、弁動作に使用した駆動用ガスは燃料ガスとして利用されるため、燃料の浪費がない。更に、差圧弁43の流路面積を大きく確保することができるので圧力損失が低く、しかも、燃料ガス供給路31から分岐した燃料ガスの圧力で差圧弁43を開閉制御するので、締め切り性に優れている。以上より、差圧弁43は低圧力損失、大流量、高応答性、高締め切り性、小型、低駆動力をバランスよく実現した開閉弁(又は遮断弁)として機能する。
According to the present embodiment, by using the gas pressure of the fuel gas as the signal pressure P6 of the
尚、差圧弁43は燃料ガス系統の開閉弁(又は遮断弁)として用いる他に、例えば、アノード側のスタック入口弁若しくはスタック出口弁、又は水素循環系の水素排気弁若しくは排水弁として用いることも可能であり、更にはこれらの弁と併用して用いることも可能である。また、上述の説明では、差圧弁43を燃料ガス系統の開閉弁(又は遮断弁)として用いる場合を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、差圧弁43を酸化ガス系統の遮断弁、カソード側のスタック入口弁或いはスタック出口弁、又は酸化ガス系統の排水弁として用いてもよく、更にはこれらの弁と併用して用いることも可能である。つまり、上述した差圧弁43は燃料電池システム10の全ての弁に適用できる。
The
また、差圧弁43の信号圧P6を高圧と低圧の二段階に調整できる構成であれば、必ずしも上述の構成に限られるものではない。例えば、3ポート電磁弁45のポートA3を燃料ガス供給路31bに連通させることは必須ではなく、例えば、サブタンク等の他の装置内(圧力P5よりも低圧であることが必要である)に連通させるように構成してもよい。
Further, the configuration is not necessarily limited to the above-described configuration as long as the signal pressure P6 of the
10…燃料電池システム 20…燃料貯蔵装置 31…燃料ガス供給路 32…バイパス流路 33…駆動用ガス排気通路 41…中圧レギュレータ 42…低圧レギュレータ 43…差圧弁 44…レギュレータ 45…3ポート電磁弁 50…制御部 60…分岐点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ...
Claims (4)
4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the reaction gas supply source is a high-pressure gas tank that stores the reaction gas in a high-pressure state. 5.
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