JP2008235020A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池への供給流路にインジェクタを設けた燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system in which an injector is provided in a supply flow path to a fuel cell.
燃料電池システムは、燃料ガス及び酸素ガス(以下、総称して「反応ガス」という。)の供給を受けて発電する燃料電池を備える。例えば特許文献1に記載の燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供給する供給流路に流量制御弁(インジェクタ)を配置し、インジェクタの開閉間隔及び開弁時間を制御する。このインジェクタの制御により、燃料電池への燃料ガスの供給流量が調整されている。
特許文献1では検討されていないが、燃料電池ステムとして、燃料電池から燃料オフガス及び酸化オフガス(以下、総称して「反応オフガス」という。)を排出させ、その反応オフガスをポンプにより燃料電池に循環させるものもある。この燃料電池システムでは、反応オフガスを供給流路に戻す循環流路が設けられ、この循環流路にポンプが設けられる。
Although not examined in
このようなポンプを利用した循環系を、特許文献1に記載の燃料電池システムに適用することは可能である。しかし、ポンプはその吐出に伴い脈動を発生させるので、この脈動が供給流路と循環流路との合流点を経由してインジェクタに伝播するおそれがある。そうなると、インジェクタの内部構造の耐久性が低下したり、インジェクタの開閉動作に支障を生じさせるおそれがある。
A circulation system using such a pump can be applied to the fuel cell system described in
本発明は、反応オフガスを燃料電池に循環するものにおいて、インジェクタの耐久性を高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of improving the durability of an injector in circulating reaction off gas to a fuel cell.
上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、燃料電池に反応ガスを供給する供給流路と、燃料電池から排出された反応オフガスを供給流路との合流点に戻す循環流路と、供給流路に設けられて反応ガスを噴射するインジェクタと、循環流路に設けられて反応オフガスを圧送するポンプと、ポンプからインジェクタに伝播される脈動を低減する脈動低減手段と、を備える。 In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes a supply channel for supplying a reaction gas to a fuel cell, a circulation channel for returning a reaction off gas discharged from the fuel cell to a junction with the supply channel, And an injector provided in the supply flow path for injecting the reaction gas, a pump provided in the circulation flow path for pressure-feeding the reaction off gas, and a pulsation reducing means for reducing the pulsation transmitted from the pump to the injector.
この構成によれば、インジェクタは、ポンプの吐出に伴う脈動による繰り返し応力を受けることを抑制される。これにより、インジェクタの耐久性を高めることができる。また、ポンプによる脈動の影響が小さくなるので、インジェクタの誤作動も抑制される。 According to this configuration, the injector is suppressed from receiving repeated stress due to pulsation accompanying the discharge of the pump. Thereby, durability of an injector can be improved. Further, since the influence of pulsation by the pump is reduced, malfunction of the injector is also suppressed.
好ましい一態様によれば、脈動低減手段は、合流点からインジェクタまでの間に、ポンプが発生する脈動と逆位相の波を印加するものである。 According to a preferred aspect, the pulsation reducing means applies a wave having a phase opposite to that of the pulsation generated by the pump, between the merging point and the injector.
この構成によれば、ポンプによる脈動が打ち消されるので、この脈動がインジェクタに伝播されることを抑制できる。 According to this configuration, since the pulsation by the pump is canceled out, it is possible to suppress the pulsation from being propagated to the injector.
より好ましくは、脈動低減手段は、燃料電池に対しインジェクタと並列に配置された別のインジェクタ、又は、燃料電池に対しポンプと並列に配置された別のポンプである。 More preferably, the pulsation reducing means is another injector arranged in parallel with the injector with respect to the fuel cell, or another pump arranged in parallel with the pump with respect to the fuel cell.
好ましい別の態様によれば、脈動低減手段は、合流点を経由するポンプとインジェクタとの間に設けられたバッファであるとよい。 According to another preferable aspect, the pulsation reducing means may be a buffer provided between the pump and the injector that pass through the junction.
この構成によれば、バッファが脈動を吸収することができるので、この脈動がインジェクタに伝播されることを抑制できる。 According to this configuration, since the buffer can absorb pulsation, it is possible to suppress propagation of this pulsation to the injector.
好ましい他の態様によれば、脈動低減手段は、インジェクタで共振しないようにポンプの回転数を制御する制御装置であるとよい。 According to another preferable aspect, the pulsation reducing means may be a control device that controls the rotational speed of the pump so as not to resonate with the injector.
この構成によれば、脈動による影響が最も大きくなるインジェクタでの共振を回避できるので、インジェクタの耐久性を好適に高めることができる。また、脈動を発生するポンプの回転数を制御する方法であるので、脈動低減のために他の機械的構造(上記のバッファなど)を設けなくて済む。 According to this configuration, it is possible to avoid resonance in the injector that is most affected by pulsation, and thus it is possible to suitably improve the durability of the injector. In addition, since it is a method of controlling the rotational speed of the pump that generates pulsation, it is not necessary to provide another mechanical structure (such as the above-described buffer) for pulsation reduction.
好ましいさらに別に態様によれば、インジェクタは、合流点よりも上流側に位置しており、脈動低減手段は、インジェクタの上流に、脈動と同位相の波を印加するものであるとよい。 According to another preferable aspect, the injector is located upstream from the confluence, and the pulsation reducing means may apply a wave having the same phase as the pulsation upstream of the injector.
この構成によれば、上記同様に、ポンプによる脈動が打ち消されるので、インジェクタに伝播されることを抑制できる。また、インジェクタから上流に伝播され得る振動も抑制し得る。 According to this configuration, similarly to the above, since the pulsation by the pump is canceled, propagation to the injector can be suppressed. Further, vibration that can be propagated upstream from the injector can also be suppressed.
上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、燃料電池に反応ガスを供給する供給流路と、燃料電池から排出された反応オフガスを供給流路との合流点に戻す循環流路と、供給流路に設けられて反応ガスを噴射するインジェクタと、循環流路に設けられて反応オフガスを圧送するポンプと、を備える。そして、合流点を経由するポンプとインジェクタとの間の流路の管路長が、互いに位相のずれた反応ガスと反応オフガスとが合流点に合流するように調整されている。 In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes a supply channel for supplying a reaction gas to a fuel cell, a circulation channel for returning a reaction off gas discharged from the fuel cell to a junction with the supply channel, And an injector provided in the supply flow path for injecting the reaction gas, and a pump provided in the circulation flow path for pressure-feeding the reaction off gas. Then, the pipe length of the flow path between the pump and the injector that passes through the junction is adjusted so that the reaction gas and the reaction off gas that are out of phase with each other join the junction.
この構成によれば、互いに位相のずれた反応ガスと反応オフガスとが合流するため、反応オフガスの脈動が反応ガスにより打ち消されるようになる。これにより、ポンプが発生する反応オフガスの脈動がインジェクタに伝播することを抑制でき、インジェクタの耐久性を高めることができる。 According to this configuration, since the reaction gas and the reaction off gas that are out of phase with each other merge, the pulsation of the reaction off gas is canceled by the reaction gas. Thereby, it can suppress that the pulsation of the reaction off gas which a pump generate | occur | produces to an injector, and can improve durability of an injector.
本発明の好ましい一態様によれば、流路の管路長は、インジェクタでの共振点から外れた長さであるとよい。 According to a preferred aspect of the present invention, the pipe length of the flow path may be a length that deviates from the resonance point of the injector.
この構成によれば、脈動による影響が最も大きくなるインジェクタでの共振を回避できる。 According to this configuration, it is possible to avoid resonance at the injector that is most affected by pulsation.
以上説明した本発明の燃料電池システムによれば、反応オフガスを燃料電池に循環供給する場合に、インジェクタの耐久性を高めることができる。 According to the fuel cell system of the present invention described above, the durability of the injector can be enhanced when the reaction off gas is circulated and supplied to the fuel cell.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムを例に説明する。 Hereinafter, a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention will be described as an example with reference to the accompanying drawings.
(第1の構成例)
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2、酸素ガス配管系3、燃料ガス配管系4、及び制御装置6を備える。
(First configuration example)
As shown in FIG. 1, the
燃料電池2は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数のセルを積層したスタック構造を有する。燃料電池2は、酸素ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生する。また、この電気化学反応によって、燃料電池2の空気極側には水が生成される。燃料電池2への酸素ガス及び燃料ガスの供給及び排出は、酸素ガス配管系3及び燃料ガス配管系4によりなされる。
The
酸素ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称されるものである。特に、燃料電池2から排出される酸素ガス及び燃料ガスは、それぞれ酸素オフガス及び燃料オフガスと称され、これらは反応オフガスと総称されるものである。以下では、酸素ガスとして空気を例に、また、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。
Oxygen gas and fuel gas are collectively referred to as reaction gas. In particular, oxygen gas and fuel gas discharged from the
酸素ガス配管系3は、加湿器11、供給流路12、排出流路13、排気流路14、及びコンプレッサ15を有する。コンプレッサ15は、供給流路12の上流端に設けられる。コンプレッサ15により取り込まれた大気中の空気が、供給流路12を流れて加湿器11に圧送され、加湿器11により加湿されて燃料電池2に供給される。酸素オフガスは、排出流路13を流れて加湿器11に導入された後、排気流路14を流れて外部に排出される。
The oxygen
燃料ガス配管系4は、水素タンク21、供給流路22、循環流路23、ポンプ24及びインジェクタ25を有する。
水素タンク21は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源である。
The fuel gas piping system 4 includes a
The
供給流路22は、水素タンク21内の水素ガスを燃料電池2に供給する。供給流路22は、主流流路22a及び混合流路22bからなる。主流流路22aは、供給流路22と循環流路24との合流点Aよりも上流側に位置し、混合流路22bは、合流点Aよりも下流側に位置する。主流流路22aには、インジェクタ25の上流側に、シャットバルブ31及びレギュレータ32が設けられる。シャットバルブ31は、水素タンク21の元弁として機能する。レギュレータ32は、水素ガスを減圧する。
The
循環流路23は、燃料電池2の水素ガス出口から排出された水素オフガスを供給流路22に戻す。循環流路23にはパージ路35が分岐接続され、パージ弁36が定期的に開弁される。これにより、燃料電池2に循環供給される水素ガスの水素濃度の低下を抑制できるようになっている。
The
ポンプ24は、循環流路23に介設され、合流点Aに水素オフガスを圧送する。したがって、合流点Aでは、水素タンク21からの新たな水素ガスとポンプ24からの水素オフガスとが合流し、この合流後の混合水素ガスが混合流路22bを流れて燃料電池2に供給される。ポンプ24は、各種のタイプで構成することができ、例えば容積型で構成される。例えば、ポンプ24は、三相交流のモータ24aと、モータ24aの駆動軸に連結されたインペラを有するコンプレッサ部と、を備える。モータ24aの回転数、すなわちポンプ回転数は、制御装置6によって制御される。
The
インジェクタ25は、主流流路22aに設けられ、水素ガスを合流点Aに向けて噴射する。図示省略したが、インジェクタ25は、水素ガスを噴射するノズル部と、ノズル部への水素ガスの供給を制御する弁部と、を有する。弁部は、制御装置6に電気的に接続される。弁部は、電磁駆動力で弁体を所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることにより、ノズル部への水素ガスの供給を調整可能な電磁駆動式の開閉弁(遮断弁)の構成を有する。弁部での開時間及び開度を変えることで、ノズル部への水素ガスの供給流量が制御され、二次側(燃料電池2)への水素ガスの流量及び圧力が高精度に調整される。
The
インジェクタ25の制御方法としては、弁部に給電するパルス状励磁電流のデューティ比を変化させるデューティ制御を用いると好適である。ここで、デューティ比とは、パルス状励磁電流のON時間を、パルス状励磁電流のON時間とOFF時間とを加算したスイッチング周期で除したものである。なお、弁部での開度又は開時間は、二段階、多段階、連続的(無段階)、又はリニアに切替え可能である。
As a method for controlling the
制御装置6は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。CPUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ24及びインジェクタ25の制御など、種々の処理や制御を行う。ROMは、CPUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置6は、各種センサの検出信号が入力され、ポンプ24やインジェクタ25などの各構成要素に制御信号を出力する。
The
以上説明した燃料電池システム1では、ポンプ24が水素オフガスを昇圧して吐出し、インジェクタ25から噴射された水素ガスに合流させる。ところが、ポンプ24の吐出によって、水素オフガスの脈動が発生すると、この脈動が合流点Aを経由してインジェクタ25の弁部に伝播して、弁部に繰り返し応力が作用してしまう。その結果、例えば弁体を支持する支持バネの寿命が短くなるおそれがある。また、弁体を弁座に付勢するバネの付勢力が斜めに作用して、弁体が摺動面をかじり、損傷するおそれもある。
In the
そこで、本発明の第1の構成例としては、ポンプ24による脈動を低減する手段として、制御装置6を活用している。この場合、制御装置6は、ポンプ24による脈動によって、インジェクタ25の弁部で共振が発生しないように、ポンプ24の回転数を制御するとよい。具体的には、インジェクタ25の弁部で共振が発生するポンプ回転数をスキップするように、制御装置6はポンプ24のモータ24aを制御するとよい。こうすることで、脈動による影響が最も大きくなるインジェクタ25での共振を回避できるので、インジェクタの耐久性を高めることができる。また、脈動を発生するポンプ24の回転数を制御する方法であるので、脈動低減のために他の機械的構造を設けなくて済む。
Therefore, in the first configuration example of the present invention, the
次に、図2ないし図6を参照して、インジェクタ25への水素オフガスの脈動の影響を小さくする他の構成例について述べる。
Next, another configuration example for reducing the influence of hydrogen off-gas pulsation on the
(第2の構成例)
図2に示すように、ポンプ24による脈動を低減する手段として、この脈動の波f1と逆位相の波f2を印加する別のポンプ100を用いてもよい。ポンプ100は、例えば、ポンプ24と全く同じ構造からなり、制御装置6に接続される。ポンプ100が取り込んで圧縮する流体は水素ガスであり、ポンプ100は合流点Aに水素ガスを圧送する。ポンプ100が水素ガスを送り込む位置は、インジェクタ25から合流点Aまでの間であれば、合流点Aに限られない。なお、ポンプ100が取り込む水素ガスは、主流流路22a内又は循環流路23内の水素ガスであり、ポンプ100は燃料電池2に対しポンプ24と並列に配置される。
(Second configuration example)
As shown in FIG. 2, as a means for reducing the pulsation caused by the
ポンプ24による脈動を低減する際、制御装置6は、波f1の位相と波f2の位相とが180度ずれるように、ポンプ100のモータ100aの回転数をポンプ24のモータ24aの回転数に同期させる。このとき、ポンプ24及びポンプ100の吐出圧は、同じになるようにする。ポンプ100をこのように制御することで、ポンプ24による脈動が打ち消される。これにより、ポンプ24による脈動がインジェクタ25に伝播することを抑制でき、インジェクタ25の耐久性を高めることができる。
When reducing the pulsation caused by the
(第3の構成例)
図3に示すように、ポンプ100に代えて、インジェクタ200を用いてもよい。インジェクタ200は、例えば、インジェクタ25と全く同じ構造からなり、制御装置6に接続される。インジェクタ200は、燃料電池2に対しインジェクタ25と並列に配置される。
(Third configuration example)
As shown in FIG. 3, an
具体的には、分岐流路22cがインジェクタ25をバイパスするように主流流路22aに接続され、この分岐流路22にインジェクタ200が介設される。インジェクタ200は、水素タンク21からの水素ガスをインジェクタ25の下流側に噴射する。この噴射された水素ガスは、インジェクタ25から合流点Aまでの間の流路部分22dであれば、どの位置でインジェクタ25からの水素ガスに合流してもよい。
Specifically, the
ポンプ24による脈動を低減する際、制御装置6は、波f1の位相と逆位相の波f2が流路部分22dに印加されるように、インジェクタ200を開閉駆動すればよい。このような方法であっても、ポンプ24による脈動を打ち消すことができ、インジェクタ25の耐久性を高めることができる。
In reducing pulsation by the
(第4の構成例)
図4に示すように、インジェクタ25とは別個のインジェクタ300を、インジェクタ25の上流に設けてもよい。インジェクタ300は、例えば、インジェクタ25と全く同じ構造からなり、制御装置6に接続される。インジェクタ300は、燃料電池2に対しインジェクタ25と直列に配置され、主流流路22に介設される。
(Fourth configuration example)
As shown in FIG. 4, an
ポンプ24による脈動を低減する際、制御装置6は、波f1の位相と同位相の波f3がインジェクタ25の上流側に印加されるように、インジェクタ300を開閉駆動すればよい。このような方法によれば、インジェクタ25の弁部での脈動吸収を低減でき、インジェクタ25の耐久性を高めることができる。また、インジェクタ25から調圧弁32へと向かう振動を抑制することもできる。
In reducing pulsation by the
さらに、直列配置したインジェクタ25,300の両者の開閉タイミングをずらすように制御すれば、燃料電池2に供給される水素ガスの圧力変動幅を小さくできる。また、下流側のインジェクタ25の噴射開始時及び噴射停止時を、上流側のインジェクタ300の噴射開始時及び噴射停止時に対して各々先行させることにより、インジェクタ300の噴射開始時からインジェクタ25の噴射停止時までの時間を新たな最短噴射時間とすることもできる。
Furthermore, if the opening / closing timing of both the
(第5の構成例)
図5に示すように、ポンプ24による脈動を低減する手段として、バッファ400を用いてもよい。バッファ400は、ポンプ24と合流点Aとの間の循環流路23の部分に介設される。バッファ400は、ポンプ24が圧送した水素オフガスを一時的に蓄えるものである。このように、バッファ400を設けることで、ポンプ24による脈動は一旦バッファ400で吸収されるように低減する。これにより、ポンプ24による脈動圧が下がるので、大きな脈動圧がインジェクタ25に伝播することを抑制できる。よって、インジェクタ25の耐久性を高めることができる。
(Fifth configuration example)
As shown in FIG. 5, a
他の実施態様では、インジェクタ25と合流点Aとの間の主流流路22aに、バッファ400を介設してもよい。このような構成であっても、上記同様に、インジェクタ25に大きな脈動圧が伝播することを抑制できる。ただし、インジェクタ25が高精度に流量を制御するものであることに鑑みれば、バッファ400はインジェクタ25の下流ではなく、ポンプ24の下流に設けることが好ましい。
In another embodiment, the
(第6の構成例)
図6は、図1に示す燃料電池システム1と同じ部品点数で、ポンプ24による脈動がインジェクタ25に影響することを緩和できる構成を示す図である。この構成では、合流点Aを経由するポンプ24とインジェクタ25との間の流路の管路長が、互いに位相のずれた水素ガスと水素オフガスとが合流点Aで合流するように調整される。
(Sixth configuration example)
FIG. 6 is a diagram showing a configuration that can reduce the influence of the pulsation by the
具体的には、インジェクタ25から合流点Aに至るまでの流路の管路長L1、及びポンプ24から合流点Aに至るまでの管路長L2の少なくとも一つが調整され、水素オフガスの脈動が水素ガスにより打ち消され得るようになっている。好ましくは、全体の管路長(=L1+L2)がインジェクタ25の弁部の共振点から外れた長さに設定するとよい。こうすることで、脈動による影響が最も大きくなるインジェクタ25の弁部での共振を回避でき、インジェクタ25の耐久性を高めることができる。また、この構成例によれば、脈動低減のために他の機械的構造(上記のポンプ100、インジェクタ200,300、及びバッファ400など)を設けなくて済む。
Specifically, at least one of the pipe line length L 1 from the
本発明の燃料電池システム1は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、自走式ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム1は、定置用とすることもでき、コージェネレーションシステムに組み込むこともできる。
The
上記の各例では、燃料ガス配管系4にポンプ24及びインジェクタ25を設けた例について説明したが、もちろんこの内容を酸素ガス配管系3に適用することもできる。その場合には、排出流路13を循環流路として構成し、酸素オフガスを供給流路12に戻すようにすればよい。
In each of the above-described examples, the example in which the
1:燃料電池システム、2:燃料電池、6:制御装置、22:供給流路、23:循環流路、24:ポンプ、25:インジェクタ、100:ポンプ(脈動低減手段)、200:インジェクタ(脈動低減手段)、300:インジェクタ(脈動低減手段)、400:バッファ(脈動低減手段)、A:合流点 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Fuel cell system, 2: Fuel cell, 6: Control apparatus, 22: Supply flow path, 23: Circulation flow path, 24: Pump, 25: Injector, 100: Pump (pulsation reduction means), 200: Injector (pulsation) (Reducing means), 300: injector (pulsation reducing means), 400: buffer (pulsation reducing means), A: confluence
Claims (8)
前記燃料電池から排出された反応オフガスを前記供給流路との合流点に戻す循環流路と、
前記供給流路に設けられ、前記反応ガスを噴射するインジェクタと、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記循環流路に設けられ、前記反応オフガスを圧送するポンプと、
前記ポンプから前記インジェクタに伝播される脈動を低減する脈動低減手段と、を備えた、燃料電池システム。 A supply flow path for supplying a reaction gas to the fuel cell;
A circulation flow path for returning the reaction off gas discharged from the fuel cell to the junction with the supply flow path;
In a fuel cell system comprising an injector provided in the supply flow path and injecting the reaction gas,
A pump provided in the circulation flow path for pumping the reaction off gas;
A fuel cell system comprising: pulsation reducing means for reducing pulsation transmitted from the pump to the injector.
前記脈動低減手段は、前記インジェクタの上流に、前記脈動と同位相の波を印加するものである、請求項1に記載の燃料電池システム。 The injector is located upstream of the junction;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the pulsation reducing means applies a wave having the same phase as the pulsation upstream of the injector.
前記燃料電池から排出された反応オフガスを前記供給流路との合流点に戻す循環流路と、
前記供給流路に設けられ、前記反応ガスを噴射するインジェクタと、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記循環流路に設けられ、前記反応オフガスを圧送するポンプを備え、
前記合流点を経由する前記ポンプと前記インジェクタとの間の流路の管路長が、互いに位相のずれた反応ガスと反応オフガスとが合流点で合流するように調整されている、燃料電池システム。 A supply flow path for supplying a reaction gas to the fuel cell;
A circulation flow path for returning the reaction off gas discharged from the fuel cell to the junction with the supply flow path;
In a fuel cell system comprising an injector provided in the supply flow path and injecting the reaction gas,
A pump that is provided in the circulation flow path and pumps the reaction off gas;
A fuel cell system in which a pipe length of a flow path between the pump and the injector that passes through the merge point is adjusted so that a reaction gas and a reaction off gas that are out of phase with each other merge at the merge point .
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