JP6183262B2 - Hydrogen supply device for fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムの水素供給装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen supply device for a fuel cell system.
水素と酸素との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと水素タンクとを互いに連結する水素ガス供給路と、水素ガス供給路内に互いに並列に配置された複数の水素インジェクタと、を備え、水素インジェクタの一部又は全部を使用して燃料電池スタックに水素タンクからの水素ガスを供給するようにした、燃料電池システムの水素供給装置が公知である(特許文献1参照)。   A hydrogen gas supply path that connects a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen and a hydrogen tank, and a plurality of hydrogen injectors that are arranged in parallel in the hydrogen gas supply path. A hydrogen supply device for a fuel cell system in which hydrogen gas from a hydrogen tank is supplied to a fuel cell stack using part or all of a hydrogen injector is known (see Patent Document 1).
国際公開第2011/086603号International Publication No. 2011-086603
一般的には、水素タンクには水素ガスが高圧で蓄えられており、この水素タンクから水素ガスが燃料電池スタックに供給される。ここで、水素ガスが水素タンクから供給されると、すなわち水素タンク内の水素ガス量が減少すると、水素タンク内で断熱膨張が生じ、それにより水素ガスの温度が低下する。このため、多量の水素ガスが長時間にわたって水素インジェクタにより供給されると、水素インジェクタの温度がかなり低くなる。   In general, hydrogen gas is stored at a high pressure in a hydrogen tank, and hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank to the fuel cell stack. Here, when hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank, that is, when the amount of hydrogen gas in the hydrogen tank decreases, adiabatic expansion occurs in the hydrogen tank, thereby lowering the temperature of the hydrogen gas. For this reason, when a large amount of hydrogen gas is supplied by the hydrogen injector for a long time, the temperature of the hydrogen injector becomes considerably low.
一方、通常、水素インジェクタには、水素インジェクタが正常に動作しうる最低の温度、すなわち最低動作温度が設定されている。言い換えると、水素インジェクタの温度がその最低動作温度以上であれば、水素インジェクタは正常に動作可能である。したがって、水素インジェクタの最低動作温度を低く設定すれば、水素インジェクタが上述したような低温域にあるときでも正常に動作することができる。   On the other hand, normally, the minimum temperature at which the hydrogen injector can operate normally, that is, the minimum operating temperature is set in the hydrogen injector. In other words, if the temperature of the hydrogen injector is above its minimum operating temperature, the hydrogen injector can operate normally. Therefore, if the minimum operating temperature of the hydrogen injector is set low, the hydrogen injector can operate normally even when it is in the low temperature range as described above.
水素インジェクタの最低動作温度は例えば水素インジェクタのゴム製シールの特性に依存する。すなわち、低温で使用可能なゴム製シールを用いれば、水素インジェクタの最低動作温度を低く設定することができる。ところが、水素インジェクタの最低動作温度を低く設定すると、すなわち低温で使用可能なゴム製シールを用いると、このようなゴム製シールは温度が高くなると耐久性が低下する場合がある。したがって、高温時の水素インジェクタの耐久性が低いおそれがある。   The minimum operating temperature of the hydrogen injector depends, for example, on the properties of the rubber seal of the hydrogen injector. That is, if a rubber seal that can be used at a low temperature is used, the minimum operating temperature of the hydrogen injector can be set low. However, if the minimum operating temperature of the hydrogen injector is set low, that is, if a rubber seal that can be used at a low temperature is used, the durability of such a rubber seal may decrease as the temperature increases. Therefore, the durability of the hydrogen injector at high temperatures may be low.
本発明によれば、水素と酸素との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと水素タンクとを互いに連結する水素ガス供給路と、水素ガス供給路内に互いに並列に配置された高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタであって、低温用水素インジェクタの最低動作温度が高温用水素インジェクタの最低動作温度よりも低く設定されている高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタと、を備え、高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタの一方又は両方を使用して水素タンクからの水素ガスを燃料電池スタックに供給するようにした、燃料電池システムの水素供給装置であって、高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタの温度を代表する代表温度を検出する温度検出器を備え、代表温度が高温用水素インジェクタの最低動作温度に応じて定まる設定温度よりも高いときには高温用水素インジェクタのみ又は高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタを使用して水素ガスを燃料電池スタックに供給し、代表温度が前記設定温度よりも低いときには低温用水素インジェクタのみを使用して水素ガスを燃料電池スタックに供給する、燃料電池システムの水素供給装置が提供される。   According to the present invention, a hydrogen gas supply path that connects a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen and a hydrogen tank, and a high-temperature device that is disposed in parallel in the hydrogen gas supply path. A high-temperature hydrogen injector and a low-temperature hydrogen injector, wherein the minimum operating temperature of the low-temperature hydrogen injector is set lower than the minimum operating temperature of the high-temperature hydrogen injector. A hydrogen supply device for a fuel cell system in which hydrogen gas from a hydrogen tank is supplied to a fuel cell stack using one or both of a hydrogen injector and a low-temperature hydrogen injector, the high-temperature hydrogen injector and a low-temperature hydrogen injector A temperature detector that detects the representative temperature that is representative of the temperature of the hydrogen injector is provided. When the temperature is higher than the set temperature determined according to the minimum operating temperature of the high-temperature hydrogen injector, hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack using only the high-temperature hydrogen injector or the high-temperature hydrogen injector and the low-temperature hydrogen injector. A hydrogen supply device for a fuel cell system is provided that supplies hydrogen gas to a fuel cell stack using only a low-temperature hydrogen injector when the temperature is lower than the set temperature.
低温時の燃料電池スタックへの水素ガスの確実な供給と高温時の水素インジェクタの耐久性を両立することができる。   The reliable supply of hydrogen gas to the fuel cell stack at low temperatures and the durability of the hydrogen injector at high temperatures can both be achieved.
燃料電池システムの全体図である。1 is an overall view of a fuel cell system. 水素インジェクタの部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of a hydrogen injector. 水素インジェクタの温度域を説明する線図である。It is a diagram explaining the temperature range of a hydrogen injector. インジェクタ制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the routine which performs injector control.
図1を参照すると、燃料電池システムAは燃料電池スタック10を備える。燃料電池スタック10は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体20を含む。膜電極接合体20は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。   Referring to FIG. 1, the fuel cell system A includes a fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 includes a plurality of fuel cell single cells stacked in the stacking direction. Each single fuel cell includes a membrane electrode assembly 20. The membrane electrode assembly 20 includes a membrane electrolyte, an anode electrode formed on one side of the electrolyte, and a cathode electrode formed on the other side of the electrolyte.
燃料電池単セルのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、燃料電池スタック10の電極を構成する。燃料電池スタック10の電極はDC/DCコンバータ11を介してインバータ12に電気的に接続され、インバータ12はモータジェネレータ13に電気的に接続される。また、燃料電池システムAは蓄電器14を備えており、この蓄電器14はDC/DCコンバータ15を介して上述のインバータ12に電気的に接続される。DC/DCコンバータ11は燃料電池スタック10からの電圧を高めてインバータ12に送るためのものであり、インバータ12はDC/DCコンバータ11又は蓄電器14からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。DC/DCコンバータ15は燃料電池スタック10又はモータジェネレータ13から蓄電器14への電圧を低くし、又は蓄電器14からモータジェネレータ13への電圧を高くするためのものである。なお、図1に示される燃料電池システムAでは蓄電器14はバッテリから構成される。   The anode electrode and the cathode electrode of the single fuel cell are electrically connected in series, and constitute an electrode of the fuel cell stack 10. The electrode of the fuel cell stack 10 is electrically connected to the inverter 12 via the DC / DC converter 11, and the inverter 12 is electrically connected to the motor generator 13. Further, the fuel cell system A includes a capacitor 14, and this capacitor 14 is electrically connected to the above-described inverter 12 via a DC / DC converter 15. The DC / DC converter 11 is for increasing the voltage from the fuel cell stack 10 and sending it to the inverter 12, and the inverter 12 is for converting the direct current from the DC / DC converter 11 or the capacitor 14 into an alternating current. It is. The DC / DC converter 15 is for reducing the voltage from the fuel cell stack 10 or the motor generator 13 to the battery 14 or increasing the voltage from the battery 14 to the motor generator 13. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the battery 14 is composed of a battery.
また、燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスである水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスである空気を供給する空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路、空気流通路、及び冷却水流通路をそれぞれ直列に接続することにより、燃料電池スタック10には水素ガス通路30、空気通路40、及び冷却水通路50がそれぞれ形成される。   Further, in the single fuel cell, a hydrogen gas flow passage for supplying hydrogen gas as fuel gas to the anode electrode, an air flow passage for supplying air as oxidant gas to the cathode electrode, and a single fuel cell. A cooling water flow passage for supplying cooling water to the cell is formed. By connecting the hydrogen gas flow passage, the air flow passage, and the cooling water flow passage of the plurality of fuel cell single cells in series, the fuel cell stack 10 includes the hydrogen gas passage 30, the air passage 40, and the cooling water passage 50. Each is formed.
水素ガス通路30の入口には水素ガス供給路31が連結され、水素ガス供給路31は燃料ガス源である水素タンク32に連結される。水素ガス供給路31内には上流側から順に、遮断弁33と、水素ガス供給路31内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ34と、水素タンク32からの水素ガスを燃料電池スタック10に供給するための複数の電磁式水素インジェクタ35H,35Lと、が配置される。この場合、水素インジェクタ35H,35Lは水素ガス供給路31内に互いに並列に配置される。一方、水素ガス通路30の出口にはアノードオフガス通路36が連結される。遮断弁33が開弁されかつ水素インジェクタ35H,35Lが開弁されると、水素タンク32内の水素ガスが水素ガス供給路31を介して燃料電池スタック10内の水素ガス通路30内に供給される。このとき水素ガス通路30から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス通路36内に流入する。   A hydrogen gas supply path 31 is connected to the inlet of the hydrogen gas passage 30, and the hydrogen gas supply path 31 is connected to a hydrogen tank 32 that is a fuel gas source. In the hydrogen gas supply path 31, the shutoff valve 33, the regulator 34 for adjusting the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen gas supply path 31, and the hydrogen gas from the hydrogen tank 32 are supplied to the fuel cell stack 10 in order from the upstream side. A plurality of electromagnetic hydrogen injectors 35H and 35L are arranged. In this case, the hydrogen injectors 35 </ b> H and 35 </ b> L are arranged in parallel in the hydrogen gas supply path 31. On the other hand, an anode off gas passage 36 is connected to the outlet of the hydrogen gas passage 30. When the shutoff valve 33 is opened and the hydrogen injectors 35H and 35L are opened, the hydrogen gas in the hydrogen tank 32 is supplied into the hydrogen gas passage 30 in the fuel cell stack 10 via the hydrogen gas supply passage 31. The At this time, the gas flowing out from the hydrogen gas passage 30, that is, the anode off gas, flows into the anode off gas passage 36.
また、空気通路40の入口には空気供給路41が連結され、空気供給路41は空気源である大気42に連結される。空気供給路41内には上流側から順に、エアクリーナ43と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ44と、コンプレッサ44から燃料電池スタック10に送られる空気を冷却するためのインタークーラ45と、が配置される。一方、空気通路40の出口にはカソードオフガス通路46が連結される。コンプレッサ44が駆動されると、空気が空気供給路41を介して燃料電池スタック10内の空気通路40内に供給される。このとき空気通路40から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス通路46内に流入する。カソードオフガス通路46内にはカソードオフガス通路46内を流れるカソードオフガスの量を制御するカソードオフガス制御弁47が配置される。   An air supply path 41 is connected to the inlet of the air passage 40, and the air supply path 41 is connected to the atmosphere 42 as an air source. In the air supply path 41, in order from the upstream side, an air cleaner 43, an air supplier or compressor 44 that pumps air, and an intercooler 45 that cools the air sent from the compressor 44 to the fuel cell stack 10 are provided. Be placed. On the other hand, a cathode offgas passage 46 is connected to the outlet of the air passage 40. When the compressor 44 is driven, air is supplied into the air passage 40 in the fuel cell stack 10 via the air supply path 41. At this time, the gas flowing out from the air passage 40, that is, the cathode offgas, flows into the cathode offgas passage 46. A cathode offgas control valve 47 for controlling the amount of cathode offgas flowing in the cathode offgas passage 46 is disposed in the cathode offgas passage 46.
更に図1を参照すると、冷却水通路50の入口には冷却水供給路51の一端が連結され、冷却水供給路51の出口には冷却水供給路51の他端が連結される。冷却水供給路51内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ52と、ラジエータ53とが配置される。ラジエータ53上流の冷却水供給路51と、ラジエータ53と冷却水ポンプ52間の冷却水供給路51とはラジエータバイパス通路54により互いに連結される。また、ラジエータバイパス通路54内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁55が設けられる。図1に示される燃料電池システムAではラジエータバイパス制御弁55は三方弁から形成され、ラジエータバイパス通路54の出口に配置される。冷却水ポンプ52が駆動されると、冷却水ポンプ52から吐出された冷却水は冷却水供給路51を介して燃料電池スタック10内の冷却水通路50内に流入し、次いで冷却水通路50を通って冷却水供給路51内に流入し、ラジエータ53又はラジエータバイパス通路54を介して冷却水ポンプ52に戻る。   Further, referring to FIG. 1, one end of the cooling water supply path 51 is connected to the inlet of the cooling water passage 50, and the other end of the cooling water supply path 51 is connected to the outlet of the cooling water supply path 51. A cooling water pump 52 that pumps cooling water and a radiator 53 are disposed in the cooling water supply path 51. The cooling water supply passage 51 upstream of the radiator 53 and the cooling water supply passage 51 between the radiator 53 and the cooling water pump 52 are connected to each other by a radiator bypass passage 54. Further, a radiator bypass control valve 55 that controls the amount of cooling water flowing in the radiator bypass passage 54 is provided. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the radiator bypass control valve 55 is formed of a three-way valve and is disposed at the outlet of the radiator bypass passage 54. When the cooling water pump 52 is driven, the cooling water discharged from the cooling water pump 52 flows into the cooling water passage 50 in the fuel cell stack 10 via the cooling water supply passage 51, and then passes through the cooling water passage 50. Then, it flows into the cooling water supply passage 51 and returns to the cooling water pump 52 via the radiator 53 or the radiator bypass passage 54.
電子制御ユニット60はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス61によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)62、RAM(ランダムアクセスメモリ)63、CPU(マイクロプロセッサ)64、入力ポート65及び出力ポート66を具備する。レギュレータ34と水素インジェクタ35H,35Lとの間の水素ガス供給路31には、水素インジェクタ35H,35Lに送られる水素ガスの温度を検出する温度センサ69が取り付けられる。温度センサ69により検出される水素ガスの温度は水素インジェクタ35H,35Lを代表する。温度センサ69の出力信号は対応するAD変換器67を介して入力ポート65に入力される。一方、出力ポート66は対応する駆動回路68を介して遮断弁33、レギュレータ34、水素インジェクタ35H,35L、コンプレッサ44、カソードオフガス制御弁47、冷却水ポンプ52、及びラジエータバイパス制御弁55に電気的に接続される。   The electronic control unit 60 is composed of a digital computer and includes a ROM (Read Only Memory) 62, a RAM (Random Access Memory) 63, a CPU (Microprocessor) 64, an input port 65, and an output port 66 connected to each other by a bidirectional bus 61. It comprises. A temperature sensor 69 for detecting the temperature of the hydrogen gas sent to the hydrogen injectors 35H and 35L is attached to the hydrogen gas supply path 31 between the regulator 34 and the hydrogen injectors 35H and 35L. The temperature of the hydrogen gas detected by the temperature sensor 69 represents the hydrogen injectors 35H and 35L. The output signal of the temperature sensor 69 is input to the input port 65 via the corresponding AD converter 67. On the other hand, the output port 66 is electrically connected to the shut-off valve 33, the regulator 34, the hydrogen injectors 35H and 35L, the compressor 44, the cathode offgas control valve 47, the cooling water pump 52, and the radiator bypass control valve 55 via the corresponding drive circuit 68. Connected to.
図2は水素インジェクタ35H,35Lの一例を示している。水素インジェクタ35H,35Lはケーシング80を備える。ケーシング80内には互いに連通するプランジャ収容孔81と水素ガス流出孔82とが形成される。プランジャ収容孔81は水素ガス供給路31を介してレギュレータ34に連結され、水素ガス流出孔82は水素ガス供給路31を介して燃料電池スタック10に連結される。水素ガス流出孔82の開口部周りのプランジャ収容孔81内壁面には弁座83が形成される。また、プランジャ収容孔81内にはプランジャ84が軸線方向に移動可能に収容される。プランジャ84は底端においてゴム製シール85を備える。シール85は環状の凸部を有する。   FIG. 2 shows an example of the hydrogen injectors 35H and 35L. The hydrogen injectors 35H and 35L include a casing 80. A plunger receiving hole 81 and a hydrogen gas outflow hole 82 communicating with each other are formed in the casing 80. The plunger housing hole 81 is connected to the regulator 34 via the hydrogen gas supply path 31, and the hydrogen gas outflow hole 82 is connected to the fuel cell stack 10 via the hydrogen gas supply path 31. A valve seat 83 is formed on the inner wall surface of the plunger accommodation hole 81 around the opening of the hydrogen gas outflow hole 82. A plunger 84 is accommodated in the plunger accommodation hole 81 so as to be movable in the axial direction. Plunger 84 includes a rubber seal 85 at the bottom end. The seal 85 has an annular convex portion.
プランジャ84はソレノイド(図示しない)により軸線方向に移動される。プランジャ84が弁座83から離れる方向に移動されると、プランジャ収容孔81と水素ガス流出孔82とが互いに連通され、すなわち水素インジェクタ35H,35Lが開弁される。その結果、水素インジェクタ35H,35Lから水素が供給される。これに対し、プランジャ84が弁座83に近づく方向に移動されてシール85が弁座83に着座すると、プランジャ収容孔81と水素ガス流出孔82との連通が遮断され、すなわち水素インジェクタ35H,35Lが閉弁される。その結果、水素インジェクタ35H,35Lからの水素供給が停止される。なお、開弁時間を制御することにより水素インジェクタ35H,35Lからの水素供給量が制御される。   The plunger 84 is moved in the axial direction by a solenoid (not shown). When the plunger 84 is moved away from the valve seat 83, the plunger receiving hole 81 and the hydrogen gas outflow hole 82 are communicated with each other, that is, the hydrogen injectors 35H and 35L are opened. As a result, hydrogen is supplied from the hydrogen injectors 35H and 35L. On the other hand, when the plunger 84 is moved in the direction approaching the valve seat 83 and the seal 85 is seated on the valve seat 83, the communication between the plunger housing hole 81 and the hydrogen gas outflow hole 82 is cut off, that is, the hydrogen injectors 35H and 35L. Is closed. As a result, the supply of hydrogen from the hydrogen injectors 35H and 35L is stopped. Note that the amount of hydrogen supplied from the hydrogen injectors 35H and 35L is controlled by controlling the valve opening time.
本発明による実施例では、水素インジェクタ35Lの最低動作温度が水素インジェクタ35Hの最低動作温度よりも低く設定される。すなわち、水素インジェクタ35Hの最低動作温度は例えばマイナス30℃に設定され、水素インジェクタ35Lの最低動作温度は例えばマイナス40℃に設定される。以下では、水素インジェクタ35Lを低温用水素インジェクタと称し、水素インジェクタ35Hを高温用水素インジェクタと称することにする。なお、水素インジェクタの最低動作温度は例えば水素インジェクタのゴム製シールの特性に依存するので、低温用水素インジェクタ35Lのシール85は高温用水素インジェクタ35Hのシール85と異なっており、低温域で使用可能なゴム製シールから形成されているということになる。   In the embodiment according to the present invention, the minimum operating temperature of the hydrogen injector 35L is set lower than the minimum operating temperature of the hydrogen injector 35H. That is, the minimum operating temperature of the hydrogen injector 35H is set to, for example, minus 30 ° C., and the minimum operating temperature of the hydrogen injector 35L is set to, for example, minus 40 ° C. Hereinafter, the hydrogen injector 35L is referred to as a low-temperature hydrogen injector, and the hydrogen injector 35H is referred to as a high-temperature hydrogen injector. Since the minimum operating temperature of the hydrogen injector depends on, for example, the characteristics of the rubber seal of the hydrogen injector, the seal 85 of the low temperature hydrogen injector 35L is different from the seal 85 of the high temperature hydrogen injector 35H and can be used in a low temperature range. That is, it is formed from a rubber seal.
さて、燃料電池スタック10で発電すべきときには遮断弁33及び水素インジェクタ35H,35Lが開弁され、水素ガスが燃料電池スタック10に供給される。また、コンプレッサ44が駆動され、空気が燃料電池スタック10に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応(O+4H+4e→2HO)が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ13に送られる。その結果、モータジェネレータ13が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ13が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器14に蓄えられる。 When the fuel cell stack 10 is to generate power, the shut-off valve 33 and the hydrogen injectors 35H and 35L are opened, and hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack 10. Further, the compressor 44 is driven and air is supplied to the fuel cell stack 10. As a result, an electrochemical reaction (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O) occurs in the single fuel cell, and electric energy is generated. The generated electrical energy is sent to the motor generator 13. As a result, the motor generator 13 is operated as an electric motor for driving the vehicle, and the vehicle is driven. On the other hand, for example, when the vehicle is braked, the motor generator 13 operates as a regenerative device, and the electrical energy regenerated at this time is stored in the capacitor 14.
次に、図3を参照しながら、高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lの制御について説明する。
温度センサ69により検出される代表温度Tinjがあらかじめ定められた第1の設定温度TS1以上でかつあらかじめ定められた第2の設定温度TS2(>TS1)未満のとき、すなわち高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lが図3に示される常温域RNにあるときには、高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lが均等に使用される。すなわち、高温用水素インジェクタ35Hからの水素ガス量と低温用水素インジェクタ35Lからの水素ガス量とがほぼ等しくされる。その結果、多量の水素ガスを確実に燃料電池スタック10に供給することができる。ここで、第1の設定温度TS1は高温用水素インジェクタ35Hの最低動作温度に応じて定められる。一例では、第1の設定温度TS1は第1の設定温度TS1は高温用水素インジェクタ35Hの最低動作温度に設定される。別の例では、第1の設定温度TS1は高温用水素インジェクタ35Hの最低動作温度に代表温度Tinjの測定の際に生じうる最大の誤差を加算したものに設定される。すなわち、高温用水素インジェクタ35Hの最低動作温度がマイナス30℃であり、生じうる最大の測定誤差が5℃の場合には第1の設定温度TS1は例えばマイナス25℃に設定される。
Next, control of the high-temperature hydrogen injector 35H and the low-temperature hydrogen injector 35L will be described with reference to FIG.
When the representative temperature Tinj detected by the temperature sensor 69 is equal to or higher than a predetermined first set temperature TS1 and lower than a predetermined second set temperature TS2 (> TS1), that is, the high temperature hydrogen injector 35H and the low temperature When the use hydrogen injector 35L is in the normal temperature range RN shown in FIG. 3, the high temperature hydrogen injector 35H and the low temperature hydrogen injector 35L are used equally. That is, the hydrogen gas amount from the high temperature hydrogen injector 35H and the hydrogen gas amount from the low temperature hydrogen injector 35L are made substantially equal. As a result, a large amount of hydrogen gas can be reliably supplied to the fuel cell stack 10. Here, the first set temperature TS1 is determined according to the minimum operating temperature of the high-temperature hydrogen injector 35H. In one example, the first set temperature TS1 is set to the minimum operating temperature of the high-temperature hydrogen injector 35H. In another example, the first set temperature TS1 is set to the minimum operating temperature of the high-temperature hydrogen injector 35H plus the maximum error that can occur when measuring the representative temperature Tinj. That is, when the minimum operating temperature of the high-temperature hydrogen injector 35H is minus 30 ° C. and the maximum measurement error that can occur is 5 ° C., the first set temperature TS1 is set to minus 25 ° C., for example.
一方、代表温度Tinjが第2の設定温度TS2以上のとき、すなわち高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lが図3に示される高温域RHにあるときには、高温用水素インジェクタ35Hが優先的に使用され、低温用水素インジェクタ35Lが劣後的に使用される。すなわち、高温用水素インジェクタ35Hからの平均水素ガス供給量が低温用水素インジェクタ35Lからの平均水素ガス供給量よりも多くされる。これを達成するために、例えば、燃料電池スタック10に供給すべき水素ガス量すなわち要求水素ガス量があらかじめ定められた設定量よりも少ないときには高温用水素インジェクタ35Hのみが使用され、要求水素ガス量がこの設定量よりも多いときには設定量の水素ガスが高温用水素インジェクタ35Hから供給されると共に、残りの水素ガスが低温用水素インジェクタ35Lから供給される。ここで、第2の設定温度TS2は低温用水素インジェクタ35Lの耐久性が許容レベルとなる温度、例えば30℃に設定される。   On the other hand, when the representative temperature Tinj is equal to or higher than the second set temperature TS2, that is, when the high temperature hydrogen injector 35H and the low temperature hydrogen injector 35L are in the high temperature region RH shown in FIG. 3, the high temperature hydrogen injector 35H has priority. Used, the low-temperature hydrogen injector 35L is used subordinately. That is, the average hydrogen gas supply amount from the high temperature hydrogen injector 35H is made larger than the average hydrogen gas supply amount from the low temperature hydrogen injector 35L. In order to achieve this, for example, when the amount of hydrogen gas to be supplied to the fuel cell stack 10, that is, the required hydrogen gas amount is smaller than a predetermined set amount, only the high-temperature hydrogen injector 35H is used. Is larger than the set amount, a set amount of hydrogen gas is supplied from the high-temperature hydrogen injector 35H, and the remaining hydrogen gas is supplied from the low-temperature hydrogen injector 35L. Here, the second set temperature TS2 is set to a temperature at which the durability of the low-temperature hydrogen injector 35L becomes an acceptable level, for example, 30 ° C.
上述したように、低温用水素インジェクタ35Lは最低動作温度が低く設定されており、すなわち低温用水素インジェクタ35Lのゴム製シール85は低温でも使用可能なゴムから形成される。このように低温で使用可能なゴム製シールは温度が高くなると耐久性が低下する場合がある。言い換えると、高温用水素インジェクタ35Hは温度が高いときでも優れた耐久性を有する。そこで図3に示される例では、高温域RHでは、低温用水素インジェクタ35Lが劣後的に使用され、高温用水素インジェクタ35Hが優先的に使用される。その結果、高温域RHにおいて低温用水素インジェクタ35Lの耐久性を高めることができる。   As described above, the minimum operating temperature of the low temperature hydrogen injector 35L is set low, that is, the rubber seal 85 of the low temperature hydrogen injector 35L is made of rubber that can be used even at low temperatures. As described above, the durability of the rubber seal that can be used at a low temperature may decrease as the temperature increases. In other words, the high-temperature hydrogen injector 35H has excellent durability even when the temperature is high. Therefore, in the example shown in FIG. 3, in the high temperature region RH, the low temperature hydrogen injector 35L is used subordinately, and the high temperature hydrogen injector 35H is used preferentially. As a result, the durability of the low-temperature hydrogen injector 35L can be enhanced in the high temperature region RH.
一方、代表温度Tinjが第1の設定温度TS1未満でかつ低温用水素インジェクタ35Lの最低動作温度TLOL以上のとき、すなわち高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lが図3に示される低温域RLにあるときには、高温用水素インジェクタ35Hが作動停止され、低温用水素インジェクタ35Lのみが使用される。その結果、燃料電池スタック10への水素ガス供給を確実に継続することができる。この場合、燃料電池スタック10に供給される水素ガス量は、高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lの両方が使用される場合に比べて、制限されることになる。ここで、水素ガスが供給されることにより水素ガスの温度が低下することを考えると、水素ガス供給量が制限されることにより水素ガスの温度低下が抑制される。その結果、高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lの温度が高められ又は回復する。   On the other hand, when the representative temperature Tinj is lower than the first set temperature TS1 and equal to or higher than the minimum operating temperature TLOL of the low temperature hydrogen injector 35L, that is, the high temperature hydrogen injector 35H and the low temperature hydrogen injector 35L are in the low temperature region RL shown in FIG. When the temperature is in the range, the high-temperature hydrogen injector 35H is stopped and only the low-temperature hydrogen injector 35L is used. As a result, the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack 10 can be reliably continued. In this case, the amount of hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 10 is limited compared to the case where both the high temperature hydrogen injector 35H and the low temperature hydrogen injector 35L are used. Here, considering that the temperature of the hydrogen gas is lowered by the supply of the hydrogen gas, the temperature drop of the hydrogen gas is suppressed by limiting the hydrogen gas supply amount. As a result, the temperature of the high-temperature hydrogen injector 35H and the low-temperature hydrogen injector 35L is increased or recovered.
更に、代表温度Tinjが低温用水素インジェクタ35Lの最低動作温度TLOLよりも低いとき、すなわち高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lが図3に示される極低温域RELにあるときには、高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lは作動停止される。すなわち、高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lによる燃料電池スタック10への水素供給が停止される。その結果、高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lの異常動作が阻止される。また、高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lの温度が高められ又は回復する。   Further, when the representative temperature Tinj is lower than the minimum operating temperature TLOL of the low-temperature hydrogen injector 35L, that is, when the high-temperature hydrogen injector 35H and the low-temperature hydrogen injector 35L are in the cryogenic temperature region REL shown in FIG. The operation of the injector 35H and the low-temperature hydrogen injector 35L is stopped. That is, the supply of hydrogen to the fuel cell stack 10 by the high-temperature hydrogen injector 35H and the low-temperature hydrogen injector 35L is stopped. As a result, abnormal operation of the high temperature hydrogen injector 35H and the low temperature hydrogen injector 35L is prevented. Further, the temperature of the high-temperature hydrogen injector 35H and the low-temperature hydrogen injector 35L is increased or recovered.
したがって、概念的にいうと、代表温度Tinjが高温用水素インジェクタ35Hの最低動作温度に応じて定まる設定温度TS1よりも高いときには高温用水素インジェクタ35Hのみ又は高温用水素インジェクタ35H及び低温用水素インジェクタ35Lを使用して水素ガスを燃料電池スタック10に供給し、代表温度Tinjが設定温度TS1よりも低いときには低温用水素インジェクタ35Lのみを使用して水素ガスを燃料電池スタック10に供給する、ということになる。その結果、低温時の燃料電池スタック10への水素ガスの確実な供給と高温時の水素インジェクタの耐久性を両立することができる。   Therefore, conceptually speaking, when the representative temperature Tinj is higher than the set temperature TS1 determined according to the minimum operating temperature of the high-temperature hydrogen injector 35H, only the high-temperature hydrogen injector 35H or the high-temperature hydrogen injector 35H and the low-temperature hydrogen injector 35L. Is used to supply hydrogen gas to the fuel cell stack 10, and when the representative temperature Tinj is lower than the set temperature TS1, only the low-temperature hydrogen injector 35L is used to supply hydrogen gas to the fuel cell stack 10. Become. As a result, both the reliable supply of hydrogen gas to the fuel cell stack 10 at low temperatures and the durability of the hydrogen injector at high temperatures can be achieved.
なお、複数の水素インジェクタを用いて燃料電池スタック10に水素ガスを供給する場合、すべての水素インジェクタの最低動作温度を低く設定すれば、低温時の燃料電池スタック10へ水素ガスを確実に供給できる。しかしながら、水素インジェクタの最低動作温度を低く設定するために必要なゴム製シールは比較的高価である。したがって、本発明による実施例のように、複数の水素インジェクタ35H,35Lのうち一部の水素インジェクタの最低動作温度を低く設定することにより、コストを抑制しつつ、低温時の確実な水素ガス供給を確保することができる。   When supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 10 using a plurality of hydrogen injectors, the hydrogen gas can be reliably supplied to the fuel cell stack 10 at low temperatures if the minimum operating temperature of all the hydrogen injectors is set low. . However, the rubber seal required to set the minimum operating temperature of the hydrogen injector is relatively expensive. Therefore, as in the embodiment according to the present invention, by setting the minimum operating temperature of some of the plurality of hydrogen injectors 35H and 35L to be low, it is possible to reliably supply hydrogen gas at low temperatures while suppressing costs. Can be secured.
図4は上述したインジェクタ制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図4を参照すると、ステップ100では代表温度Tinjが低温用水素インジェクタ35Lの最低動作温度TLOLよりも低いか否かが判別される。Tinj<TLOLのときには次いでステップ101に進み、低温用水素インジェクタ35L及び高温用水素インジェクタ35Hの使用が禁止される。これに対し、Tinj≧TLOLのときにはステップ100からステップ102に進み、代表温度Tinjが第1の設定温度TS1よりも低いか否かが判別される。Tinj<TS1のときには次いでステップ103に進み、燃料電池スタック10に水素ガスを供給するために低温用水素インジェクタ35Lのみが用いられる。これに対し、Tinj≧TS1のときにはステップ102からステップ104に進み、代表温度Tinjが第2の設定温度TS2よりも低いか否かが判別される。Tinj<TS2のときにはステップ105に進み、燃料電池スタック10に水素ガスを供給するために低温用水素インジェクタ35L及び高温用水素インジェクタ35Hが均等に用いられる。これに対し、Tinj≧TS2のときにはステップ104からステップ106に進み、燃料電池スタック10に水素ガスを供給するために高温用水素インジェクタ35Hが優先的に用いられる。
FIG. 4 shows a routine for executing the above-described injector control. This routine is executed by interruption every predetermined time.
Referring to FIG. 4, in step 100, it is determined whether or not the representative temperature Tinj is lower than the minimum operating temperature TLOL of the low temperature hydrogen injector 35L. When Tinj <TLOL, the routine proceeds to step 101 where use of the low temperature hydrogen injector 35L and the high temperature hydrogen injector 35H is prohibited. On the other hand, when Tinj ≧ TLOL, the routine proceeds from step 100 to step 102, where it is determined whether or not the representative temperature Tinj is lower than the first set temperature TS1. When Tinj <TS1, the routine proceeds to step 103 where only the low-temperature hydrogen injector 35L is used to supply hydrogen gas to the fuel cell stack 10. On the other hand, when Tinj ≧ TS1, the routine proceeds from step 102 to step 104, where it is determined whether or not the representative temperature Tinj is lower than the second set temperature TS2. When Tinj <TS2, the routine proceeds to step 105, where the low temperature hydrogen injector 35L and the high temperature hydrogen injector 35H are equally used to supply hydrogen gas to the fuel cell stack 10. On the other hand, when Tinj ≧ TS2, the routine proceeds from step 104 to step 106, where the high-temperature hydrogen injector 35H is preferentially used to supply hydrogen gas to the fuel cell stack 10.
これまで述べてきた本発明による実施例では、第2の設定温度TS2を設定し、代表温度Tinjが第1の設定温度TS1以上でかつ第2の設定温度TS2未満のときには燃料電池スタック10に水素ガスを供給するために低温用水素インジェクタ35L及び高温用水素インジェクタ35Hが均等に用いられ、代表温度Tinjが第2の設定温度TS2以上のときには高温用水素インジェクタ35Hが優先的に用いられる。本発明による別の実施例では、第2の設定温度TS2が設定されない。この場合の制御の一例では、代表温度Tinjが第1の設定温度TS1以上のときには、低温用水素インジェクタ35L及び高温用水素インジェクタ35Hが均等に用いられる。別の制御例では、代表温度Tinjが第1の設定温度TS1以上のときには、高温用水素インジェクタ35Hが優先的に用いられる。   In the embodiments according to the present invention described so far, the second set temperature TS2 is set, and when the representative temperature Tinj is equal to or higher than the first set temperature TS1 and lower than the second set temperature TS2, hydrogen is supplied to the fuel cell stack 10. In order to supply the gas, the low temperature hydrogen injector 35L and the high temperature hydrogen injector 35H are equally used. When the representative temperature Tinj is equal to or higher than the second set temperature TS2, the high temperature hydrogen injector 35H is preferentially used. In another embodiment according to the present invention, the second set temperature TS2 is not set. In an example of control in this case, when the representative temperature Tinj is equal to or higher than the first set temperature TS1, the low temperature hydrogen injector 35L and the high temperature hydrogen injector 35H are used equally. In another control example, when the representative temperature Tinj is equal to or higher than the first set temperature TS1, the high-temperature hydrogen injector 35H is preferentially used.
また、これまで述べてきた本発明による実施例では、代表温度Tinjとして水素ガスの温度が用いられる。本発明による別の実施例では、水素インジェクタ35H,35Lの温度を検出する温度センサが設けられ、温度センサにより検出される水素インジェクタ35H,35Lの温度が代表温度Tinjとして用いられる。更に別の実施例では、例えば水素インジェクタ35H,35Lから供給される水素ガス量の履歴及び外気温度に基づいて水素インジェクタ35H,35Lの温度が推定され、推定温度が代表温度Tinjとして用いられる。この場合の第1の設定温度TS1は高温用水素インジェクタ35Hの最低動作温度に代表温度Tinjの推定の際に生じうる最大の誤差を加算したものに設定することができる。   In the embodiments according to the present invention described so far, the temperature of hydrogen gas is used as the representative temperature Tinj. In another embodiment according to the present invention, a temperature sensor for detecting the temperature of the hydrogen injectors 35H and 35L is provided, and the temperature of the hydrogen injector 35H and 35L detected by the temperature sensor is used as the representative temperature Tinj. In yet another embodiment, for example, the temperature of the hydrogen injectors 35H and 35L is estimated based on the history of the amount of hydrogen gas supplied from the hydrogen injectors 35H and 35L and the outside air temperature, and the estimated temperature is used as the representative temperature Tinj. The first set temperature TS1 in this case can be set to the minimum operating temperature of the high-temperature hydrogen injector 35H plus the maximum error that can occur when estimating the representative temperature Tinj.
10 燃料電池スタック
31 水素ガス供給路
32 水素タンク
35H 高温用水素インジェクタ
35L 低温用水素インジェクタ
69 温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack 31 Hydrogen gas supply path 32 Hydrogen tank 35H High temperature hydrogen injector 35L Low temperature hydrogen injector 69 Temperature sensor

Claims (1)

  1. 水素と酸素との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと水素タンクとを互いに連結する水素ガス供給路と、
    水素ガス供給路内に互いに並列に配置された高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタであって、低温用水素インジェクタの最低動作温度が高温用水素インジェクタの最低動作温度よりも低く設定されている高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタと、
    を備え、
    高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタの一方又は両方を使用して水素タンクからの水素ガスを燃料電池スタックに供給するようにした、燃料電池システムの水素供給装置であって、
    高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタの温度を代表する代表温度を検出する温度検出器を備え、
    代表温度が高温用水素インジェクタの最低動作温度に応じて定まる設定温度よりも高いときには高温用水素インジェクタのみ又は高温用水素インジェクタ及び低温用水素インジェクタを使用して水素ガスを燃料電池スタックに供給し、
    代表温度が前記設定温度よりも低いときには低温用水素インジェクタのみを使用して水素ガスを燃料電池スタックに供給する、
    燃料電池システムの水素供給装置。
    A hydrogen gas supply path that connects a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen and a hydrogen tank;
    A high temperature hydrogen injector and a low temperature hydrogen injector arranged in parallel with each other in the hydrogen gas supply path, wherein the minimum operating temperature of the low temperature hydrogen injector is set lower than the minimum operating temperature of the high temperature hydrogen injector Hydrogen injector for low temperature and hydrogen injector for low temperature,
    With
    A hydrogen supply device for a fuel cell system, wherein one or both of a high-temperature hydrogen injector and a low-temperature hydrogen injector are used to supply hydrogen gas from a hydrogen tank to a fuel cell stack,
    A temperature detector for detecting a representative temperature representative of the temperature of the high-temperature hydrogen injector and the low-temperature hydrogen injector is provided.
    When the representative temperature is higher than the set temperature determined according to the minimum operating temperature of the high-temperature hydrogen injector, hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack using only the high-temperature hydrogen injector or the high-temperature hydrogen injector and the low-temperature hydrogen injector,
    When the representative temperature is lower than the set temperature, hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack using only the low-temperature hydrogen injector.
    Hydrogen supply device for fuel cell system.
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