KR101136498B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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노리오 야마기시
아키히사 홋타
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

본 발명의 연료전지시스템은, 연료전지(10)와, 연료전지(10)에 반응 가스를 공급하기 위한 반응 가스 배관(31)과, 밸브체를 전자 구동력으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시킴으로써 반응 가스 배관(31) 내의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측으로 공급하는 인젝터(35)를 구비하고, 반응 가스 배관(31)을 유통하는 반응 가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품(110)이 인젝터(35)에 일체적으로 설치되어 근접 배치되어 있다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지에 접속된 반응가스 배관에 인젝터를 구비한 연료전지시스템에 관한 것이다.
현재, 반응가스(연료가스 및 산화가스)의 공급을 받아 발전을 행하는 연료전지를 구비한 연료전지시스템이 제안되어, 실용화되고 있다. 이와 같은 연료전지시스템에는, 수소 탱크 등의 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지로 흘리기 위한 반응가스 배관에 가스상태를 조정하는 유량 조정밸브를 설치하고, 이 유량 조정밸브의 하류측에 개방 밸브를 설치한 것이 있다(예를 들면, 일본국 특개2002-134239호 공보 참조).
그러나, 상기 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같은 연료전지시스템에서는, 유량 조정밸브와 개방 밸브가 떨어져 배치되어 있어, 상류측의 유량 조정밸브로 조정되는 가스압의 변동에 대하여 개방 밸브의 개방지연이 생길 가능성이 있다. 이와 같은 응답 지연은, 개방 밸브에 한정하지 않고, 반응가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품이면 여러가지 부품에서 생길 수 있는 문제이다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 반응가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품의 응답성을 높일 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 연료전지와, 상기 연료전지에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 배관과, 밸브체를 전자구동력으로 소정의 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 격리시킴으로써 상기 반응가스 배관 내의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측에 공급하는 인젝터를 구비한 연료전지시스템으로서, 상기 반응가스 배관을 유통하는 반응가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품이 상기 인젝터에 일체적으로 설치된 것이다.
이와 같은 구성에 의하면, 가스 요소 부품이 인젝터에 일체적으로 설치되어 근접 배치되기 때문에, 인젝터에 기인하여 생기는 압력변동에 대한 가스 요소 부품의 응답지연을 억제할 수 있다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 가스 요소 부품이, 소정 압력으로 개방되는 개방 밸브이어도 된다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방 밸브가, 개방시에 상기 인젝터의 하류측과 상기 반응가스 배관 밖을 접속시키는 것이어도 된다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방 밸브가, 개방 시에 상기 인젝터의 상류측과 하류측을 접속시키는 것이어도 된다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방 밸브가, 상기 인젝터의 하류측을 지지하는 지지 블럭에 설치되어 있는 경우에, 반응가스 배관 밖으로의 개방구를 아래쪽을 향하게 하여도 된다.
이와 같은 구성에 의하면, 개방 밸브에 액적이 부착되어도 해당 액적이 아래 쪽으로부터 배출되게 되어, 밸브체에 부착하는 것을 억제할 수 있다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방구로부터의 가스 방출지에 확산판을 설치하여도 된다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방 밸브가, 상기 인젝터의 하류측을 지지하는 지지 블럭에 설치되어 있는 경우에, 상기 지지 블럭 내에 주유로부와 해당 주유로부로부터 상기 개방 밸브측으로 분기되는 분기 유로부를 설치하고, 상기 주유로부를 상기 분기 유로부의 분기위치보다 아래쪽까지 연장시켜도 된다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방 밸브가, 상기 인젝터의 하류측을 지지하는 지지 블럭에 설치되어 있는 경우에, 상기 지지 블럭 내에 주유로부와 상기 주유로부로부터 상기 개방 밸브측으로 분기되는 분기 유로부를 설치하고, 상기 주유로부의 유로 단면적보다 상기 분기 유로부의 유로 단면적을 넓게 하여도 된다.
이와 같은 구성에 의하면, 인젝터가 완전 개방으로부터 완전 폐쇄로 되돌아가지 않는 이상(이른바, 개방 고착)이 발생한 경우에도, 유로 단면적이 넓은 분기 유로부를 통하여 개방 밸브로부터 더욱 많은 반응가스를 반응가스 배관 밖으로 방출할 수 있고, 그 결과, 연료전지에 대한 압력 인가를 작게 할 수 있다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방 밸브가, 상기 인젝터의 하류측을 지지하는 지지 블럭에 설치되어 있는 경우에, 상기 지지 블럭 내에 주유로부와 상기 주유로부로부터 상기 개방 밸브측으로 분기되는 분기 유로부를 설치하고, 상기주유로부에 대한 직교방향을 따라 상기 분기 유로부를 연장시켜도 된다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방 밸브가, 상기 인젝터의 상류측을 지지하는 지지 블럭과 하류측을 지지하는 지지 블럭으로 지지되어 있어도 된다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방 밸브가, 상기 인젝터의 상류측을 지지하는 지지 블럭과 하류측을 지지하는 지지 블럭을 결합하고 있어도 된다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 개방 밸브가, 상기 인젝터를 덮는 흡음 커버의 안쪽에 배치되어 있어도 된다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 가스 요소 부품이, 상기 인젝터의 개폐제어에 사용하는 압력센서이어도 된다.
이와 같은 구성에 의하면, 압력센서가 인젝터에 근접 배치되기 때문에, 해당 압력센서의 검출압력에 의거하는 인젝터제어의 시간지연을 저감할 수 있고, 인젝터의 개폐제어의 응답성을 향상할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상류측의 인젝터로 조정이 행하여지는 반응가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품의 응답성을 높일 수 있는 연료전지시스템을 제공할 수있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성도,
도 2는 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 인젝터를 나타내는 단면도,
도 3은 도 l에 나타내는 연료전지시스템의 제어장치의 제어상태를 설명하기 위한 제어 블럭도,
도 4는 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 연료전지를 나타내는 사시도,
도 5는 도 1에 나타내는 연료전지시스템이 탑재된 자동차를 개략적으로 나타내는 측면도,
도 6은 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 연료전지를 나타내는 일부를 단면으로 한 부분 확대 정면도,
도 7은 도 1에 나타내는 연료전지시스템에서 사용되는 확산판을 나타내는 정면도,
도 8은 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 인젝터의 주변을 나타내는 변형예의 단면도,
도 9는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템의 연료전지를 나타내는 일부를 단면으로 한 부분 확대 정면도,
도 10은 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템의 연료전지를 나타내는 일부를 단면으로 한 부분 확대 정면도이다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에 대하여 설명한다.
도 1은, 연료전지시스템(1)의 시스템 구성도이다. 이 연료전지시스템(1)은, 연료전지 자동차의 차량 탑재 발전시스템이나 선박, 항공기, 전차 또는 보행 로봇 등의 모든 이동체용의 발전 시스템, 나아가, 건물(주택, 빌딩 등)용 발전설비로서 사용되는 정치(定置)용 발전 시스템 등에 적용 가능하나, 구체적으로는 자동차용으로 되어 있다.
제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 반응가스(산화가스 및 연료가스)의 공급을 받아 전력을 발생하는 연료전지(10)를 구비함과 동시에, 연료전지(10)에 산화가스로서의 공기를 공급하는 산화가스 배관계(2), 연료전지(10)에 연료가스로서의 수소가스를 공급하는 수소가스 배관계(3), 시스템 전체를 통합 제어하는 제어장치(4) 등을 구비하고 있다.
연료전지(10)는, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 단(單)전지를 소요수 적층하여 구성한 스택구조를 가지고 있다. 연료전지(10)에 의해 발생한 전력은, PCU(Power Control Unit)(11)에 공급된다. PCU(11)는, 연료전지(10)와 트랙션 모터(12)와의 사이에 배치되는 인버터나 DC-DC 컨버터 등을 구비하고 있다. 또, 연료전지(10)에는, 발전 중의 전류를 검출하는 전류센서(13)가 설치되어 있다.
산화가스 배관계(2)는, 가습기(20)에 의해 가습된 산화가스(공기)를 연료전지(10)에 공급하는 공기 공급 유로(21)와, 연료전지(10)로부터 배출된 산화 오프 가스를 가습기(20)로 유도하는 공기 배출 유로(22)와, 가습기(20)로부터 외부로 산화 오프 가스를 유도하기 위한 배기 유로(23)를 구비하고 있다. 공기 공급 유로(21)에는, 대기 중의 산화가스를 도입하여 가습기(20)로 압송하는 컴프레서(24)가 설치되어 있다.
수소가스 배관계(3)는, 고압(예를 들면 70 MPa)의 수소가스를 저류한 연료공급원으로서의 수소 탱크(30)와, 수소 탱크(30)의 수소가스를 연료전지(10)에 공급하기 위한 연료 공급 유로로서의 수소 공급 유로(반응가스 배관)(31)와, 연료전지(10)로부터 배출된 수소 오프 가스를 수소 공급 유로(31)로 되돌리기 위한 순환 유로(32)를 구비하고 있다. 또한, 수소 탱크(30) 대신, 탄화수소계의 연료로부터 수소 리치한 개질 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기로 생성한 개질 가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크를 연료공급원으로서 채용할 수도 있다. 또한, 수소흡장합금을 가지는 탱크를 연료공급원으로서 채용하여도 된다.
수소 공급 유로(31)에는, 수소 탱크(30)로부터의 수소가스의 공급을 차단 또는 허용하는 차단밸브(33)와, 수소가스의 압력을 조정하는 레귤레이터(34)와, 인젝터(35)가 설치되어 있다. 또, 인젝터(35)의 상류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소가스의 압력 및 온도를 검출하는 1차측 압력센서(41) 및 온도센서(42)가 설치되어 있다. 또, 인젝터(35)의 하류측으로서 수소 공급 유로(31)와 순환 유로(32)의 합류부의 상류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소가스의 압력을 검출하는 2차측 압력센서(43)가 설치되어 있다.
레귤레이터(34)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 압력 조정하는 장치이다. 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에서는, 1차압을 감압하는 기계식의 감압밸브를 레귤레이터(34)로서 채용하고 있다. 기계식의 감압밸브의 구성으로서는, 배압실과 압력 조정실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의해 압력 조정실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 공지의 구성을 채용할 수 있다.
도 2는, 인젝터(35)를 나타내는 단면도이다. 이 인젝터(35)는, 수소 공급 유로(31)의 가스상태를 조정하는 것으로, 수소 공급 유로(31)의 일부를 구성함과 동시에, 축방향 한쪽 끝의 원통부(45)의 안쪽에 형성된 구부(51)에 있어서 수소 공 급 유로(31)의 수소 탱크(30)측에 배치되고, 한쪽의 원통부(45)와 동축을 이루는 축방향 다른쪽 끝의 원통부(46)의 안쪽에 형성된 구부(52)에 있어서 수소 공급 유로(31)의 연료전지(10)측에 배치되는 내부 유로(53)가 형성된 금속제의 실린더(54)를 가지고 있다.
이 실린더(54)에는, 구부(51)에 연결되는 제 1 통로부(56)와, 이 제 1 통로부(56)의 구부(51)와는 반대측에 연결되는, 제 1 통로부(56)보다 큰 지름의 제 2 통로부(57)와, 이 제 2 통로부(57)의 제 1 통로부(56)와는 반대측에 연결되는, 제 2 통로부(57)보다 큰 지름의 제 3 통로부(58)와, 이 제 3 통로부(58)의 제 2 통로부(57)와는 반대측에 연결되는, 제 2 통로부(57) 및 제 3 통로부(58)보다 작은 지름의 제 4 통로부(59)가 형성되어 있고, 이들에 의해 내부 유로(53)가 구성되어 있다. 또한, 원통부(45)의 바깥 둘레부에는 고리형상의 시일홈(45a)이 형성되어 있고, 원통부(46)의 바깥 둘레부에도 고리형상의 시일홈(46a)이 형성되어 있다.
또, 인젝터(35)는, 양 원통부(45, 46) 사이에 배치되는 이들보다 큰 지름의 본체부(47)에, 제 4 통로부(59)의 제 3 통로부(58)측의 개구부를 둘러 싸도록 설치된 예를 들면 고무 등의 시일성 부재로 이루어지는 밸브자리(61)와, 제 2 통로부(57)로 이동 가능하게 삽입되는 원통부(62) 및 제 3 통로부(58) 내에 배치되는 제 2 통로부(57)보다 큰 지름의 베벨(bevel)부(63)를 가지고 베벨부(63)에 비스듬하게 연통구멍(64)이 형성된 금속제의 밸브체(65)와, 밸브체(65)의 원통부(62)에 한쪽 끝측이 삽입됨과 동시에 다른쪽 끝측이 제 1 통로부(56) 내에 형성된 스토퍼(66)에 걸어 멈춰짐으로써 밸브체(65)를 밸브자리(61)에 맞닿게 하여 내부 유 로(53)를 차단하는 스프링(67)과, 밸브체(65)를 전자구동력에 의해 스프링(67)의 가세력에 저항하여 제 3 통로부(58)의 제 2 통로부(57)측의 단부(68)에 맞닿을 때까지 이동시킴으로써 밸브체(65)를 밸브자리(61)로부터 이간시켜 연통구멍(64)으로 내부 유로(53)를 연통시키는 솔레노이드(69)를 가지고 있다. 여기서, 밸브체(65)는 실린더(54)의 축선방향을 따라 작동한다.
인젝터(35)의 밸브체(65)는, 전자구동장치인 솔레노이드(69)에 대한 통전제어에 의해 구동되고, 이 솔레노이드(69)로 급전되는 펄스형상 여자전류의 온/오프에 의하여 내부 유로(53)의 개구상태를 변경(본 실시형태에서는, 완전 개방과 완전 폐쇄의 2단계)할 수 있게 되어 있다. 그리고, 제어장치(4)로부터 출력되는 제어신호에 의하여, 인젝터(35)의 가스 분사시간 및 가스 분사시기가 제어됨으로써, 수소가스의 유량 및 압력이 고정밀도로 제어된다.
인젝터(35)는, 그 하류에 요구되는 가스유량을 공급하기 위하여, 인젝터(35)의 내부 유로(53)에 설치된 밸브체(65)에 의한 개구상태(개방도) 및 개방시간의 적어도 한쪽을 변경함으로써, 하류측[연료전지(10)측]으로 공급되는 가스유량(또는 수소 몰 농도)을 조정한다.
또한, 인젝터(35)의 밸브체(65)의 개폐에 의해 가스유량이 조정됨과 동시에, 인젝터(35) 하류에 공급되는 가스압력이 인젝터(35) 상류의 가스압력보다 감압되기 때문에, 인젝터(35)를 압력 조정 밸브(감압밸브, 레귤레이터)라고 해석할 수도 있다. 또, 본 실시형태에서는, 가스요구에 따라 소정의 압력범위 중에서 요구압력에 일치하도록 인젝터(35)의 상류 가스압의 압력 조정량(감압량)을 변화시키는 것이 가능한 가변 압력 조정밸브라고 해석할 수도 있다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 수소 공급 유로(31)와 순환 유로(32)의 합류부(A1)보다 상류측에 인젝터(35)를 배치하고 있다. 여기서는, 연료공급원으로서 복수의 수소 탱크(30)를 채용하고 있기 때문에, 각 수소 탱크(30)로부터 공급되는 수소가스가 합류하는 부분[수소가스 합류부(A2)]보다 하류측에 인젝터(35)를 배치하고 있다.
순환 유로(32)에는, 기액 분리기(36) 및 배기 배수밸브(37)를 거쳐, 배출 유로(38)가 접속되어 있다. 기액 분리기(36)는, 수소 오프 가스로부터 수분을 회수하는 것이다. 배기 배수밸브(37)는, 제어장치(4)로부터의 지령에 의해 작동함으로써, 기액 분리기(36)로 회수한 수분과, 순환 유로(32) 내의 불순물을 함유하는 수소 오프 가스를 외부로 배출(퍼지)하는 것이다.
또, 순환 유로(32)에는, 순환 유로(32) 내의 수소 오프 가스를 가압하여 수소 공급 유로(31)측으로 보내는 수소 펌프(39)가 설치되어 있다. 또한, 배기 배수밸브(37) 및 배출유로(38)를 거쳐 배출되는 수소 오프 가스는, 희석기(40)에 의해 희석되어 배기유로(23) 내의 산화 오프 가스와 합류하도록 되어 있다.
제어장치(4)는, 차량에 설치된 가속 조작장치(액셀러레이터 등)의 조작량을 검출하고, 가속 요구값[예를 들면 트랙션 모터(12) 등의 부하장치로부터의 요구 발전량] 등의 제어정보를 받아, 시스템 내의 각종 기기의 동작을 제어한다.
또한, 부하장치란, 트랙션 모터(12) 이외에, 연료전지(10)를 작동시키기 위하여 필요한 보조기계장치[예를 들면 컴프레서(24), 수소 펌프(39), 냉각 펌프의 모터 등], 차량의 주행에 관여하는 각종 장치(변속기, 차륜 제어장치, 조타장치, 현가장치 등)에서 사용되는 엑츄에이터, 탑승자 공간의 공기조절장치(에어컨디셔너), 조명, 오디오 등을 포함하는 전력 소비장치를 총칭한 것이다.
제어장치(4)는, 도시 생략한 컴퓨터시스템에 의해 구성되어 있다. 이와 같은 컴퓨터시스템은, CPU, ROM, RAM, HDD, 입출력 인터페이스 및 디스플레이 등을 구비하는 것으로, ROM에 기록된 각종 제어 프로그램을 CPU가 판독하여 실행함으로써, 각종 제어동작이 실현되도록 되어 있다.
구체적으로는, 제어장치(4)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 연료전지(10)의 운전상태[전류센서(13)로 검출한 연료전지(10)의 발전시의 전류값]에 의거하여, 연료전지(10)에서 소비되는 수소가스의 양(이하「수소 소비량」이라고 한다)을 산출한다(연료 소비량 산출기능 : B1). 본 실시형태에서는, 연료전지(10)의 전류값과 수소 소비량과의 관계를 나타내는 특정한 연산식을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 수소 소비량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 연료전지(10)의 운전상태[전류센서(13)로 검출한 연료전지(10)의 발전시의 전류값]에 의거하여, 인젝터(35) 하류위치에서의 수소가스의 목표 압력값[연료전지(10)에 대한 목표 가스 공급압]을 산출한다(목표 압력값 산출기능 : B2). 본 실시형태에서는, 연료전지(10)의 전류값과 목표 압력값과의 관계를 나타내는 특정한 맵을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다, 2차측 압력센서(43)가 배치된 위치(압력 조정이 요구되는 위치인 압력 조정위치)에서의 목표 압력값을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 산출한 목표 압력값과, 2차측 압력센서(43)로 검출한 인젝터(35)의 하류 위치(압력 조정위치)의 검출 압력값과의 편차에 의거하여 피드백보정유량을 산출한다(피드백 보정유량 산출기능 : B3). 피드백 보정유량은, 목표압력값과 검출 압력값과의 편차를 저감시키기 위하여 수소 소비량에 가산되는 수소가스 유량(압력차 저감 보정유량)이다. 본 실시형태에서는, PI 제어 등의 목표 추종형 제어칙을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 피드백 보정유량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 전회 산출한 목표 압력값과, 금회 산출한 목표 압력값과의 편차에 대응하는 피드포워드 보정유량을 산출한다(피드포워드 보정유량 산출기능 : B4). 피드포워드 보정유량은, 목표 압력값의 변동에 기인하는 수소가스 유량의 변동분(압력차 대응 보정유량)이다.
본 실시형태에서는, 목표 압력값의 편차와 피드포워드 보정유량과의 관계를 나타내는 맵을 인젝터(35)의 1차측 압력에 따라 복수(예를 들면, 소정 문턱값을 기준으로 한 고압용과 저압용 2개) 가지고 있고, 이들 맵을 이용하여 제어장치(4)의 연산주기마다 피드포워드 보정유량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다. 또한, 복수의 맵은 1차측 압력센서(41)의 압력값에 따라 바뀐다.
또, 제어장치(4)는, 인젝터(35) 상류의 가스상태[1차측 압력센서(41)로 검출한 수소가스의 압력 및 온도센서(42)로 검출한 수소가스의 온도]에 의거하여 인젝터(35) 상류의 정적유량을 산출한다(정적유량 산출기능 : B5). 본 실시형태에서는, 인젝터(35) 상류측의 수소가스의 압력 및 온도와 정적유량과의 관계를 나타내 는 특정한 연산식을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 정적유량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 인젝터(35) 상류의 가스상태(수소가스의 압력 및 온도) 및 인가 전압에 의거하여 인젝터(35)의 무효 분사시간을 산출한다(무효 분사시간 산출기능 : B6). 여기서 무효 분사시간이란, 인젝터(35)가 제어장치(4)로부터 제어신호를 받고 나서 실제로 분사를 개시하기까지 요하는 시간을 의미한다. 본 실시형태에서는, 인젝터(35) 상류측의 수소가스의 압력 및 온도와 인가 전압과 무효 분사시간과의 관계를 나타내는 특정한 맵을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 무효 분사시간을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 수소 소비량과, 피드백 보정유량과, 피드포워드 보정유량을 가산함으로써, 인젝터(35)의 분사유량을 산출한다(분사유량 산출기능 : B7). 그리고, 제어장치(4)는, 인젝터(35)의 분사유량을 정적유량으로 나눈 값에 인젝터(35)의 구동주기를 곱함으로써, 인젝터(35)의 기본 분사시간을 산출함과 동시에, 이 기본 분사시간과 무효 분사시간을 가산하여 인젝터(35)의 총 분사시간을 산출한다(총 분사시간 산출기능 : B8). 여기서, 구동주기란, 인젝터(35) 분사구멍의 개폐상태를 나타내는 단(段)형상(온/오프) 파형의 주기를 의미한다. 본 실시형태에서는, 제어장치(4)에 의해 구동주기를 일정한 값으로 설정하고 있다.
그리고, 제어장치(4)는, 이상의 순서를 거쳐 산출한 인젝터(35)의 총 분사시간을 실현시키기 위한 제어신호를 출력함으로써, 인젝터(35)의 가스 분사시간 및 가스 분사시기를 제어하여, 연료전지(10)로 공급되는 수소가스의 유량 및 압력을 조정한다.
연료전지시스템(1)의 통상 운전시에 있어서는, 수소 탱크(30)로부터 수소가스가 수소 공급 유로(31)를 거쳐 연료전지(10)의 연료극으로 공급됨과 동시에, 가습 조정된 공기가 공기공급 유로(21)를 거쳐 연료전지(10)의 산화극으로 공급됨으로써, 발전이 행하여진다. 이때, 연료전지(10)로부터 인출되어야 하는 전력(요구전력)이 제어장치(4)로 연산되어, 그 발전량에 따른 양의 수소가스 및 공기가 연료전지(10) 내로 공급되도록 되어 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 연료전지(10)는, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 직사각형상의 단셀(71)을 소요수 적층하여 구성되는 1쌍의 연료전지 스택(10A, 10B)이, 서로 단셀(71)의 적층방향을 평행하게 하여 병설된 상태에서, 이들에게 공통으로 적층방향 양쪽 끝부에 배치된 1쌍의 엔드 플레이트(72, 73)로 끼워 유지하여 구성되어 있다.
또한, 이들 엔드 플레이트(72, 73)는, 연료전지 스택(10A, 10B)의 병설방향에 대하여 직교하는 방향의 양측에 배치된 1쌍의 텐션 플레이트(74, 75)로 서로 연결되어 있다. 이와 같은 연료전지(10)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 대략 직육면체 형상의 스택 케이스(76)에 수용된 상태로 자동차(V)에 탑재된다.
이 탑재상태에서, 연료전지(10)는, 연료전지 스택(10A, 10B)이 서로 수평방향으로 늘어서는 자세로 자동차(V)의 프론트측에 설치된 엔진 컴파트먼트(EC) 내에 설치되게 되고, 이 때, 1쌍의 엔드 플레이트(72, 73)가 차체 전후방향 양쪽 끝에 배치되고, 1쌍의 텐션 플레이트(74, 75)가 상하로 배치된 상태가 된다. 이하는 이 설치시의 자세로 설명한다.
인젝터(35)는, 연료전지(10)에서의 차량 전후방향 후측이 되는 한쪽의 엔드 플레이트(72)에 일체적으로 설치되어 있다. 이것에 대하여, 연료전지(10)를 수용하는 스택 케이스(76)에는, 인젝터(35)와 대향하는 후면(76a) 이외의 면으로서 인젝터(35)와 탑승자실(C)의 사이에 없는 면, 구체적으로는 전면(前面)(76b)에 내외를 연통시키는 환기구멍(78)이 설치되어 있다.
이 환기구멍(78)에는 수소의 통과를 규제하면서 수증기의 통과를 허용하는 필터(79)가 설치되어 있다. 또한, 환기구멍(78)은, 인젝터(35)와 대향하는 면 이외의 면으로서 인젝터(35)와 탑승자실(C)과의 사이에 없는 면이면, 예를 들면 상면(76c) 등의 다른 면에 설치하여도 된다.
상기한 한 쌍의 엔드 플레이트(72, 73)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 복수의 연료전지 스택(10A, 10B)에 공통이기 때문에 차 폭방향으로 긴 대략 장방형상을 이루고 있고, 예를 들면 차량 전후방향 후측이 되는 한쪽의 엔드 플레이트(72)에서의 병설된 복수열(도 4에서는, 2열)의 연료전지스택(10A, 1OB)끼리의 중앙부에, 상기한 인젝터(35)가 일체적으로 설치되어 있다.
여기서, 연료전지 스택(10A, 10B)은 엔드 플레이트(72)측의 극성이 서로 반대가 되기 때문에, 각각에 수소가스를 최단 거리로 공급하기 위하여 수소 공급구(80A, 80B)가 엔드 플레이트(72)의 길이방향에 대칭으로 배치되게 된다. 그 결과, 인젝터(35)가 상기 배치가 됨으로써 수소 공급 유로(31)에서의 인젝터(35)로부터 연장 돌출하는 배관(81)으로부터 분기되어 각 수소 공급구(80A, 80B)에 접속되 는 배관부(81A, 81B)의 길이를 균등하게 할 수 있다.
인젝터(35)는, 더욱 구체적으로는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 입구측의 원통부(45)가 금속제의 지지 블럭(84)의 구멍부(85)에, 시일홈(45a)에 배치된 탄성부재인 O 링(86)을 거쳐 끼워 맞춰져 있고, 출구측의 원통부(46)가 금속제의 지지 블럭(87)의 구멍부(88)에, 시일홈(46a)에 배치된 탄성부재인 O 링(89)을 거쳐 끼워 맞춰져 있다.
그리고, 한쪽의 지지 블럭(84)이 상측에 배치된 상태에서 1개소의 체결부(90)에서 엔드 플레이트(72)에 볼트고정으로 고정되고, 다른쪽의 지지 블럭(87)이 하측에 배치된 상태에서 양쪽의 2개소의 체결부(91, 92)에서 엔드 플레이트(72)에 볼트고정으로 고정되어 있다. 이 지지 블럭(87)을 엔드 플레이트(72)에 결합하는 2개소의 체결부(91, 92)는, 서로를 연결한 선이 수평으로 되어 있다.
이상에 의하여, 인젝터(35)는, 그 축선방향, 즉 밸브체 구동방향[밸브체(65)의 이동방향]을 연직방향으로 배치하여 엔드 플레이트(72)에 설치되어 있고, 탄성부재인 O 링(86, 89)을 거쳐 지지 블럭(84, 87)에 양쪽이 지지되어 있다. 그 결과, 인젝터(35)는 그 상류측의 원통부(45) 및 하류측의 원통부(46)가 연료전지(10)에 1쌍의 지지 블럭(84, 87)을 거쳐 결합되어 있고, 이들 원통부(45, 46)가 연료전지(10)의 발열로 가온된다. 또, 인젝터(35)는, 가스 입구가 되는 구부(51)를 가스 출구가 되는 구부(52)에 대하여 연직방향 상측에 배치되어 있다.
또, 지지 블럭(84, 87)은, 전체로서 3점의 체결부(90, 91, 92)로 연료전지(10)의 엔드 플레이트(72)에 결합되어 있고, 하측의 지지 블럭(87)을 엔드 플레 이트(72)에 결합하는 2개소의 체결부(91, 92)는, 텐션 플레이트(74, 75)의 엔드 플레이트(72)에 대한 도 4에 나타내는 결합부(74a, 75a)의 연장방향으로 평행하게 배치되어 있다.
또한, 지지 블럭(84, 87)을 전체로서 3점이 아닌 4점으로 엔드 플레이트(72)에 결합하여도 되나, 2점 이하에서는 안정적으로 인젝터(35)를 지지할 수 없고, 5점 이상에서는 지지개소가 지나치게 많아져 엔드 플레이트(72)의 변형 등에 의해 체결부의 이완을 일으킬 가능성이 높아지기 때문에, 어느 것이나 바람직하지 않다.
여기서, 도 5에 나타내는 바와 같이 자동차(V)의 뒷부분에 설치된 수소 탱크(30)로부터 연출되는 수소 공급 유로(31)가 자동차(V)의 탑승자실(C)의 바닥 밑을 통하여 엔진 컴파트먼트(EC) 내로 유도되고, 스택 케이스(76)의 하면(76d)에 형성된 구멍부(94)를 거쳐 스택 케이스(76) 내로 도입되어, 도 6에 나타내는 바와 같이 인젝터(35)의 옆쪽을 통하여 상측의 지지 블럭(84)에 연결되어 있다. 이와 같이 지지 블럭(84)에 연결된 수소 공급 유로(31)는 구멍부(85)와 연통하고, 이 구멍부(85)를 거쳐 인젝터(35)의 구부(51)와 연통한다.
또한, 수소 공급 유로(31)는, 지지 블럭(84)에 대한 연결측이, 지지 블럭(84)에 접속되는 U자 형상을 이루는 금속제의 배관부(95)와, 이 배관부(95)에 접속되는 탄성체로 이루어지는 절연 배관부(96)와, 이 절연 배관부(96)에 접속되는 금속제의 배관부(입구측 배관)(97)로 분할되어 있다. 그리고, 절연 배관부(96)에 의하여, 고전위의 연료전지(10)와 바디 어스된 수소 탱크(30)를 연결하는 수소 공급 유로(31)를 전기적으로 절연하고 있고, 이 절연 배관부(96)는 스택 케이스(76) 내에 배치되어 있다.
또, 스택 케이스(76)의 하면(76d)의 구멍부(94)에 삽입되는 배관부(97)는, 지지 블럭(87)을 엔드 플레이트(72)에 고정하는 체결부(91)에 함께 조여진 브래킷(98)으로 중간부가 고정되어 있다. 이것은, 절연 배관부(96)가 탄성체이기 때문에, 그대로는 자세가 안정되지 않는 배관부(97)의 자세를 안정시키기 위함이다.
그리고, 제 1 실시형태에서는, 수소 공급 유로(31)를 유통하는 수소가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품인 개방 밸브(110)가 인젝터(35)에 일체적으로 설치되어 있다.
즉, 도 6에 나타내는 바와 같이, 인젝터(35)의 하류측의 원통부(46)를 지지하는 지지 블럭(87)에는, 그 안쪽의 연직방향을 따르는 구멍부(88)의 도중 위치로부터 엔드 플레이트(72)와 평행을 이루어 앞으로 처지게 연통구멍(111)이 형성되어 있고, 이 연통구멍(111)의 연장 상에 내부 통로(112)를 배치하여 개방 밸브(110)가 설치되어 있다.
이 개방 밸브(110)의 내부 통로(112)는 연통구멍(111)측으로부터 순서대로 배치된, 작은 지름 구멍부(113)와, 작은 지름 구멍부(113)로부터 떨어질수록 큰 지름이 되는 테이퍼 구멍부(114)와, 작은 지름 구멍부(113)보다 큰 지름의 큰 지름 구멍부(115)로 구성되어 있고, 큰 지름 구멍부(115)의 작은 지름 구멍부(113)와는 반대측에는, 덮개부재(116)가 끼워 맞춰져 있다.
이 덮개부재(116)에는, 내부 통로(112)를 수소 공급 유로(31)의 바깥쪽으로 개방하는 개방구(117)가 복수 형성되어 있고, 덮개부재(116)와 테이퍼 구멍부(114) 와의 사이에는, 테이퍼 구멍부(114)측에 구(球)형상의 밸브체(118)가, 밸브체(118)와 덮개부재(116)와의 사이에 스프링(119)이 각각 배치되어 있다.
구멍부(88)와 연통구멍(111)에 의하여 지지 블럭(87) 내에는, 연직방향을 따르는 구멍부(88) 내에 형성되는 주유로부(122)와, 연통구멍(111) 내에 형성되어 주유로부(122)로부터 개방 밸브(110)측으로 분기되는 분기 유로부(123)가 설치되어 있고, 주유로부(122)에 대하여 대략 직교방향을 따라 약간 앞으로 처지게 분기 유로부(123)가 연장되어 있다. 또, 주유로부(122)는 분기 유로부(123)의 분기위치보다 아래쪽까지 연장되어 있다.
또한, 덮개부재(116)의 개방구(117)는, 연통구멍(111)을 따라 앞이 처지게 되어 있고, 수평에 대해서는 하향으로 되어 있다. 아울러, 연통구멍(111)의 지름(φA)은, 구멍부(88)의 최소 지름(φB)보다 큰 지름으로 되어 있다. 즉 구멍부(88) 내의 주유로부(122)의 유로 단면적보다 연통구멍(111)의 유로 단면적의 쪽이 넓게 되어 있다.
이와 같은 개방 밸브(110)는, 수소 공급 유로(31)의 압력이 스프링(119)의 가세력보다 작은 소정 압력 이하의 경우, 밸브체(118)가 스프링(119)의 가세력으로 테이퍼 구멍부(114)에 맞닿아 수소 공급 유로(31)를 개방하지 않고, 수소 공급 유로(31)의 압력이 상기 소정 압력보다 높아지면, 밸브체(118)가 스프링(119)의 가세력에 저항하여 테이퍼 구멍부(114)로부터 이간하여 수소 공급 유로(31)를 외기와 연통시킨다.
개방 밸브(110)의 개방구(117)로부터의 가스 방출방향 앞쪽에는, 개방 구(117)로부터 방출된 가스를 감속하여 확산시키는 확산판(125)이 설치되어 있다. 이 확산판(125)은, 엔드 플레이트(72)에 고정되어 있고, 중앙의 높이가 높은 산형을 이룸과 동시에 도 7에 나타내는 바와 같이 중앙으로부터 방사상으로 동일 방향으로 만곡하는 복수의 블레이드부(126)가 형성된 형상을 이루고 있다.
이상 설명한 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에 의하면, 수소 공급 유로(31)를 유통하는 반응가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품인 개방 밸브(110)가 인젝터(35)에 일체적으로 설치되어 근접 배치되기 때문에, 인젝터(35)에 기인하여 생기는 압력변동에 대한 개방 밸브(110)의 응답지연을 억제할 수 있다. 따라서, 수소 공급 유로(31)에서의 개방 밸브(110)의 상류측의 인젝터(35)로 조정후의 수소가스의 압력이 소정 압력이 되면 개방 밸브(110)를 곧 바로 응답, 즉 개방시켜 수소 공급 유로(31)의 압력을 외기로 퇴피할 수 있고, 이 압력이 소정 압력을 넘는 경우에 생기는 단점을 억제할 수 있다.
또, 개방 밸브(110)가, 인젝터(35)의 하류측을 지지하는 지지 블럭(87)에, 개방구(117)가 수평에 대하여 아래쪽을 향하도록 설치되어 있기 때문에, 개방 밸브(110)의 개방구(117)측에 액적이 부착되어도, 액적은 자중(自重)으로 흘러 내리게 되어, 밸브체(118)에 부착하는 것이 억제되게 된다.
또한, 개방 밸브(110)가, 인젝터(35)의 하류측을 지지하는 지지 블럭(87) 내에 주유로부(122)와 주유로부(122)로부터 개방 밸브(110)측으로 분기되는 분기 유로부(123)를 설치하고, 주유로부(122)가 분기 유로부(123)의 분기위치보다 아래쪽까지 연장되어 있기 때문에, 주유로부(122)의 하류측에 설치되는 순환 유로(32)에 서 연료전지(10)로부터의 습도가 높은 수소 오프 가스가 도입되어도, 그 수증기에 의해 생기는 결로수가 개방 밸브(110)에 미치는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 개방 밸브(110)에 생기는 동결 고착을 억제할 수 있다.
또한, 개방 밸브(110)의 개방구(117)의 가스 방출지에 확산판(125)을 설치하고 있기 때문에, 개방 밸브(110)의 개방시에 수소가스가 확산판(125)으로 감속되어 확산되게 된다. 따라서, 수소가스의 방출 유속이 높은 것에 기인한 다른 부품의 파손 등을 억제할 수 있다.
아울러, 지지 블럭(87) 내에 설치된 주유로부(122)의 유로 단면적보다, 주유로부(122)로부터 개방 밸브(110)측으로 분기되는 분기 유로부(123)의 유로 단면적을 넓게 하고 있기 때문에, 인젝터(35)의 개방상태에서의 고착 등으로 수소가스가 대유량으로 인젝터(35)로부터 흐를 때에, 개방 밸브(110)측으로 더욱 많이 흘려 수소 공급 유로(31)의 밖으로 방출할 수 있어, 연료전지(10)에 대한 압력 인가를 작게 할 수 있다.
또, 주유로부(122)에 대한 대략 직교방향을 따라 분기 유로부(123)를 연장시키고 있기 때문에, 분기 유로부(123)와 연통하는 개방 밸브(110)가, 인젝터(35)의 개폐시의 수소가스의 동압(動壓)을 받기 어렵게 되고, 그 결과, 개방 밸브(110)의 밸브 개방압을 더욱 낮게 할 수 있다. 따라서, 연료전지(10) 등의 내압이 낮은 부품의 열화를 억제할 수 있다. 또는, 연료전지(10)의 내압을 내림으로써 경량화가 가능해진다.
또한, 이상의 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에서, 도 8에 나타내 는 바와 같이, 상기한 인젝터(35)가 배치되는 엔드 플레이트(72)에 인젝터(35)의 본체부(47)가 일부 들어가는 오목부(100)를 형성하여, 인젝터(35)를 덮도록 경질의 만곡판 형상의 차음재(101)를 배치함과 동시에, 오목부(100) 및 차음재(101)와 인젝터(35)와의 간극을 연질의 탄성체(연질층)(102)로 채워도 된다.
이에 의하여, 인젝터(35)와 연료전지(10)의 사이에 탄성체(102)가 설치되게 되고, 인젝터(35)는 일부가 연료전지(10)에 매립되게 된다. 또한, 차음재(101) 및 탄성체(102)가 인젝터(35)를 덮는 흡음 커버(103)를 구성한다.
또, 인젝터(35)에 설치된 제어신호 통신용 신호선 접속 커넥터(104)를 엔드 플레이트(72)에서의 인젝터(35)의 배치면(72a)과 평행하게 배치함으로써, 이 신호선 접속선 커넥터(104)의 신호선과의 접속부분인 구부(105)를 배치면(72a)과 평행하게 하여도 된다. 이것에 아울러, 차음재(101)에, 이 신호선 접속 커넥터(104)를 외부로 노출시키기 위한 개구부(106)를 엔드 플레이트(72)측에 형성하여도 된다.
또한, 인젝터(35)와 동시에 개방 밸브(110)를 덮도록 차음재(101) 및 탄성체(102)로 이루어지는 흡음 커버(103)를 설치하여도 되고, 이와 같이 구성하면 개방 밸브(110)의 개방시의 가스 방출음을 억제할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에 대하여 제 1 실시형태와의 상위부분을 중심으로 설명한다.
제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에서는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태의 개방 밸브는 설치되어 있지 않고, 수소 공급 유로(31)가 인젝터(35)를 바이패스하는 바이패스 유로(130)를 가지고 있고, 이 바이패스 유로(130) 에 수소 공급 유로(31)를 유통하는 반응가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품 인 개방 밸브(131)가 설치되고, 이 개방 밸브(131)가 인젝터(35)에 일체적으로 설치되어 있다.
이 개방 밸브(35)는, 소정 압력으로 개방하는 것으로, 개방시에 인젝터(35)의 상류측과 하류측을 인젝터(35)를 거치지 않고 접속시키는 릴리프 밸브이다. 그리고, 제 2 실시형태에서는, 이 개방 밸브(131)가, 인젝터(35)의 상류측의 원통부(45)를 지지하는 지지 블럭(84)과 하류측의 원통부(46)를 지지하는 지지 블럭(87)으로 지지되어 있고, 또, 이들 지지 블럭(84, 87)끼리를 결합하고 있다.
즉, 제 2 실시형태의 상측의 지지 블럭(84)은, 제 1 실시형태보다 엔드 플레이트(72)를 따라 넓은 폭으로 형성됨과 동시에, 원통부(45)를 지지하는 구멍부(85)와 평행하게 끼워 맞춤 구멍(133)이 형성되어 있고, 이 끼워 맞춤 구멍(133)과 구멍부(85)가 이들과 직교하는 연통구멍(134)으로 연통되어 있다.
또, 하측의 지지 블럭(87)도, 제 1 실시형태보다 엔드 플레이트(72)를 따라 넓은 폭으로 형성됨과 동시에, 원통부(46)를 지지하는 구멍부(88)와 평행하게 끼워 맞춤 구멍(136)이 형성되어 있고, 이 끼워 맞춤 구멍(136)과 구멍부(88)가 이들과 교차하는 연통구멍(137)으로 연통되어 있다. 이 연통구멍(137)은 구멍부(88)측일수록 하측에 위치하도록 경사져 있다.
그리고, 개방 밸브(131)는, 그 케이스(140)의 양쪽 끝측에 플랜지부(141, 142)가 형성되어 있고, 한쪽의 플랜지부(141)보다도 끝측을 지지 블럭(84)의 끼워 맞춤 구멍(133)에 끼워 맞추게 한 상태에서 이 플랜지부(141)에서 지지 블럭(84)에 볼트고정되어 있고, 다른쪽의 플랜지부(142)보다도 끝측을 지지 블럭(87)의 끼워 맞춤 구멍(136)에 끼워 맞추게 한 상태에서 이 플랜지부(142)에서 지지 블럭(87)에 볼트고정되어 있다. 또한, 각 지지 블럭(84, 87)의 플랜지부(141, 142)에 대한 맞닿음면에는 간극을 시일하는 O 링(143)이 장착되어 있다.
또한, 상기한 지지 블럭(84, 87) 사이에는, 인젝터(35) 및 개방 밸브(131)의 양쪽을 덮도록 차음재(101)가 설치되어 있다. 이 차음재(101)는 엔드 플레이트(72)에 설치되어 있고, 이 차음재(101)와 엔드 플레이트와의 사이에는 탄성체(102)가 충전되어 있다. 즉, 인젝터(35) 및 개방 밸브(131)는 차음재(101)와 탄성체(102)로 이루어지는 흡음 커버(103)로 덮여져 있다.
이상 설명한 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에 의하면, 수소 공급 유로(31)를 유통하는 반응가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품인 개방 밸브(131)가 인젝터(35)에 일체적으로 설치되어 근접 배치되기 때문에, 인젝터(35)에 기인하여 생기는 압력 변동에 대한 개방 밸브(131)의 응답 지연을 억제할 수 있다.
따라서, 인젝터(35)에 기인하여 인젝터(35)보다 상류측의 수소가스의 압력이 소정 압력이 되면 개방 밸브(131)을 곧 바로 응답, 즉 개방시켜 수소가스를 수소 공급 유로(31)에서의 인젝터(35)의 하류측으로 퇴피할 수 있고, 이 압력이 소정 압력을 넘는 경우에 생기는 단점을 억제할 수 있다.
또, 개방 밸브(131)가, 인젝터(35)의 상류측을 지지하는 지지 블럭(84)과 하류측을 지지하는 지지 블럭(87)으로 지지되어 있기 때문에, 개방 밸브(131)의 지지기구를 통합할 수 있어, 구성 부품을 간략화할 수 있다.
또한, 개방 밸브(131)가, 인젝터(35)의 상류측을 지지하는 지지 블럭(84)과 하류측을 지지하는 지지 블럭(87)을 결합하기 때문에, 양쪽의 지지 블럭(84, 87)의 연결기구를 개방 밸브(131)가 겸하게 되어, 구성 부품을 간략화할 수 있다.
또, 개방 밸브(131)가, 인젝터(35)를 덮는 차음재(101) 및 탄성체(102)로 이루어지는 흡음 커버(103)의 안쪽에 배치되어 있기 때문에, 인젝터(35)와의 온도차가 생기기 어렵게 되어, 결로를 일으키기 어렵게 됨과 동시에, 오손(汚損)이 억제된다.
또한, 개방 밸브(131)에 플랜지부(141, 142)를 설치하는 것은 아니고, 개방 밸브(131)의 바깥 둘레면에 수나사를 형성하고, 지지 블럭(84, 87)에 암나사를 형성하여 이들을 나사 결합시켜도 되고, 그 경우, 지지 블럭(84, 87) 사이에 개방 밸브(131)를 안쪽으로 삽입하는 컬러를 설치하여 이 컬러를 지지 블럭(84, 87) 사이에서 버티게 함으로써 개방 밸브(131)에 의한 체결력을 발생시켜도 된다.
다음에, 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에 대하여 제 1 실시형태와의 상위부분을 중심으로 설명한다.
제 3 실시형태에서는, 제 1 실시형태의 개방 밸브는 설치되어 있지 않고, 도 10에 나타내는 바와 같이, 수소 공급 유로(31)를 유통하는 반응가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품으로서 인젝터(35)의 상기한 개폐 제어에 사용되고, 개폐 제어의 피드포워드항을 정하는 1차측 압력센서(41) 및 피드백항을 정하는 2차측 압력센서(43)가 인젝터(35)에 일체적으로 설치되어 있다. 물론, 제 3 실시형태에 제 1 실시형태의 개방 밸브 또는 제 2 실시형태의 개방 밸브를 설치하여도 된다.
인젝터(35)의 상류측의 원통부(45)를 지지하는 지지 블럭(84)에는, 그 안쪽의 연직방향을 따르는 구멍부(85)와 교차하는 방향(직교하는 방향)으로 엔드 플레이트(72)와 평행하게 나사 구멍(145)이 형성되어 있고, 이 나사 구멍(145)에 바깥쪽으로부터 압력센서(41)가 나사 결합되어 있다.
여기서, 이 나사 구멍(145)은, 구멍부(85)의 O 링(86) 및 인젝터(35)로 구획형성된 수소 공급 유로(31)의 일부를 구성하는 공간과 연통하고 있고, 1차측 압력센서(41)의 선단의 검출부(41a)는 수소 공급 유로(31) 내의 인젝터(35)의 직상류측의 압력을 나사 구멍(145)을 거쳐 검출한다.
또, 인젝터(35)의 하류측의 원통부(46)를 지지하는 지지 블럭(87)에는, 그 안쪽의 연직방향을 따르는 구멍부(88)와 교차하는 방향(직교하는 방향)으로 엔드 플레이트(72)와 평행하게 나사 구멍(146)이 형성되어 있고, 이 나사 구멍(146)에 바깥쪽으로부터 압력센서(43)가 나사 결합되어 있다.
여기서, 이 나사 구멍(146)은, 구멍부(88)의 O 링(89) 및 인젝터(35)로 구획 형성된 수소 공급 유로(31)의 일부를 구성하는 공간과 연통하고 있고, 압력센서(43)의 선단의 검출부(43a)는 수소 공급 유로(31) 내의 인젝터(35)의 직하류측의 압력을 나사 구멍(146)을 거쳐 검출한다.
이상 설명한 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에 의하면, 수소 공급 유로(31)를 유통하는 반응가스의 물리량에 응답하는 가스 요소 부품인 압력센서(41, 43)가 인젝터(35)에 일체적으로 설치되어 근접 배치되기 때문에, 인젝터(35)에 기인하여 생기는 압력변동에 대한 압력센서(41, 43)의 응답지연, 즉 1차 측 압력센서(41)의 압력 검출 및 2차측 압력센서(43)의 압력검출의 시간 지연을 억제할 수 있다.
따라서, 상기한 바와 같이, 1차측 압력센서(41)의 검출 압력값 및 2차측 압력센서(43)의 검출 압력값 등에 의거하여 제어되는 인젝터(35)의 제어 지연을 억제할 수 있다.

Claims (13)

  1. 연료전지와, 상기 연료전지에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 배관과, 밸브체를 전자 구동력으로 사전 설정된 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시킴으로써 상기 반응가스 배관 내의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측으로 공급하는 인젝터를 구비한 연료전지시스템에 있어서,
    상기 인젝터를 지지하는 지지 블럭과,
    상기 반응가스 배관을 유통하는 반응 가스의 압력에 응답하는 가스 요소 부품을 구비하고,
    상기 가스 요소 부품은, 상기 지지 블럭에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 요소 부품은, 사전 설정된 압력으로 개방하는 개방 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 개방 밸브가, 개방 시에 상기 인젝터의 하류측과 상기 반응가스 배관 밖을 접속시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 개방 밸브가, 개방 시에 상기 인젝터의 상류측과 하류측을 접속시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 블럭은 상기 인젝터의 하류측을 지지하고,
    상기 반응가스 배관 밖으로의 개방구가 아래쪽을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 개방구로부터의 가스 방출지에 확산판이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 블럭은 상기 인젝터의 하류측을 지지하고,
    상기 지지 블럭 내에 주유로부와 상기 주유로부에서 상기 개방 밸브측으로 분기되는 분기 유로부가 설치되고, 상기 주유로부는 상기 분기 유로부의 분기위치보다 아래쪽까지 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 블럭은 상기 인젝터의 하류측을 지지하고,
    상기 지지 블럭 내에 주유로부와 상기 주유로부에서 상기 개방 밸브측으로 분기되는 분기 유로부가 설치되고, 상기 주유로부의 유로 단면적보다 상기 분기 유로부의 유로 단면적이 넓은 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 블럭은 상기 인젝터의 하류측을 지지하고,
    상기 지지 블럭 내에 주유로부와 상기 주유로부에서 상기 개방 밸브측으로 분기되는 분기 유로부가 설치되고, 상기 주유로부에 대하여 대략 직교방향을 따라 상기 분기 유로부가 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 지지 블럭은, 상기 인젝터의 상류측을 지지하는 제 1 지지 블럭과 하류측을 지지하는 제 2 지지 블럭으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 지지 블럭은, 상기 인젝터의 상류측을 지지하는 제 1 지지 블럭과 하류측을 지지하는 제 2 지지 블럭으로 이루어지며,
    상기 개방 밸브가, 상기 제 1 지지 블럭과 상기 제 2 지지 블럭을 결합하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  12. 제 2항에 있어서,
    상기 개방 밸브가, 상기 인젝터를 덮는 흡음 커버의 안쪽에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 요소 부품은, 상기 인젝터의 개폐 제어에 사용하는 압력센서인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5224085B2 (ja) * 2006-11-24 2013-07-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4363482B2 (ja) * 2007-11-20 2009-11-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5736871B2 (ja) * 2011-03-17 2015-06-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6207477B2 (ja) * 2014-07-03 2017-10-04 愛三工業株式会社 燃料供給ユニット
JP6631566B2 (ja) * 2017-03-09 2020-01-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び判定方法
KR102452469B1 (ko) * 2017-08-28 2022-10-12 현대자동차주식회사 연료전지의 수소퍼지 제어방법 및 시스템
KR102698999B1 (ko) * 2018-10-15 2024-08-26 현대자동차주식회사 연료전지의 수소 공급 이상 진단시스템 및 진단방법
CN109524688B (zh) * 2018-11-27 2021-11-02 常州易控汽车电子股份有限公司 质子交换膜燃料电池堆用氢气喷射阀驱动控制系统及方法
JP7223285B2 (ja) * 2020-04-27 2023-02-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7394737B2 (ja) * 2020-10-30 2023-12-08 愛三工業株式会社 燃料供給装置
CN113782773A (zh) * 2021-09-14 2021-12-10 哈尔滨工程大学 一种基于电磁控制阀的燃料电池用的变流量式引射器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000345916A (ja) * 1999-06-03 2000-12-12 Toyota Motor Corp 気体燃料噴射装置
JP2003201921A (ja) * 2002-01-08 2003-07-18 Honda Motor Co Ltd ガス燃料供給装置
JP2004360632A (ja) * 2003-06-06 2004-12-24 Nissan Kohki Co Ltd Ｌｐｇ噴射式エンジンの燃圧上昇防止装置
JP2005302571A (ja) * 2004-04-13 2005-10-27 Toyota Motor Corp 燃料電池の制御装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4796661A (en) * 1985-08-30 1989-01-10 Yuken Kogyo Kabushiki Kaisha Proportional electro-hydraulic pressure control valve
US20030012985A1 (en) * 1998-08-03 2003-01-16 Mcalister Roy E. Pressure energy conversion systems
JP2000283006A (ja) * 1999-03-31 2000-10-10 Suzuki Motor Corp 燃料噴射装置
JP2001108556A (ja) * 1999-10-08 2001-04-20 Toyota Motor Corp 内燃機関用圧力センサ及び圧力信号処理装置
US6497970B1 (en) * 1999-10-15 2002-12-24 General Motors Corporation Controlled air injection for a fuel cell system
JP3633472B2 (ja) * 2000-10-26 2005-03-30 日産自動車株式会社 燃料電池システムの保護装置
JP3422485B2 (ja) 2000-10-30 2003-06-30 Ｓｍｋ株式会社 ジャック
DE10256453A1 (de) * 2002-12-03 2004-06-24 Robert Bosch Gmbh Dosiereinrichtung
US7087335B2 (en) * 2003-01-13 2006-08-08 General Motors Corporation H-infinity control with integrator compensation for anode pressure control in a fuel cell stack
US6988489B2 (en) * 2003-06-06 2006-01-24 Nissan Kohki Co., Ltd. Fuel injection valve protecting apparatus and fuel pressure increase preventing apparatus in LPG injection type engine
JP4319494B2 (ja) * 2003-09-17 2009-08-26 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP4561155B2 (ja) * 2004-04-13 2010-10-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の制御装置
JP4710246B2 (ja) * 2004-05-14 2011-06-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4930818B2 (ja) * 2004-07-09 2012-05-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2007207743A (ja) 2006-01-06 2007-08-16 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2007280654A (ja) 2006-04-04 2007-10-25 Toyota Motor Corp 弁装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000345916A (ja) * 1999-06-03 2000-12-12 Toyota Motor Corp 気体燃料噴射装置
JP2003201921A (ja) * 2002-01-08 2003-07-18 Honda Motor Co Ltd ガス燃料供給装置
JP2004360632A (ja) * 2003-06-06 2004-12-24 Nissan Kohki Co Ltd Ｌｐｇ噴射式エンジンの燃圧上昇防止装置
JP2005302571A (ja) * 2004-04-13 2005-10-27 Toyota Motor Corp 燃料電池の制御装置

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JP2008130447A (ja) 2008-06-05
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CN101536232A (zh) 2009-09-16
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US8153322B2 (en) 2012-04-10

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