JP5224085B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路に可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a variable gas supply device in a supply flow path for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to a fuel cell.
近年、燃料タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガス(例えば、水素ガス)を燃料電池へと流すための燃料供給流路に、機械式可変レギュレータやインジェクタ等の可変ガス供給装置を設けることにより、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力をシステムの運転状態に応じて変化させることを可能にした燃料電池システムが提案されている(例えば、下記の特許文献1を参照)。
上記の燃料電池システムにおいては、インジェクタを駆動することにより、燃料ガス供給流路中の燃料ガスに脈動が生じることがある。そして、その脈動に起因する振動やインジェクタの駆動に伴い自ら発生する振動(例えば、弁体が弁座に衝突したときの振動)が、燃料ガス供給流路を画成する配管を介して他所へと伝播することがある。 In the above fuel cell system, pulsation may occur in the fuel gas in the fuel gas supply flow path by driving the injector. Then, vibrations caused by the pulsation and vibrations generated by the drive of the injector (for example, vibrations when the valve body collides with the valve seat) are transferred to other places through the piping that defines the fuel gas supply flow path. May propagate.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、可変ガス供給装置の駆動に伴い脈動に起因する振動や可変ガス供給装置が自ら発生する振動の他所への伝播を抑制す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している。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a fuel cell capable of suppressing the vibration caused by pulsation accompanying the driving of the variable gas supply device and the vibration generated by the variable gas supply device to other places. The purpose is to provide a system.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための燃料ガス供給流路を画成する配管と、前記配管に配設され、気体燃料を噴射する噴射孔を有し、前記噴射孔の開口面積を切り替えることにより前記燃料ガス供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、前記可変ガス供給装置のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御する制御部と、を備え、前記可変ガス供給装置よりも上流側の前記配管が、前記燃料電池に支持部材を介して固定されている。 In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, and a pipe defining a fuel gas supply channel for flowing a fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell, A variable injection pipe disposed in the pipe for injecting gaseous fuel, and adjusting the gas state on the upstream side of the fuel gas supply flow path by switching the opening area of the injection hole and supplying it to the downstream side A gas supply device; and a control unit that controls a gas injection time and a gas injection timing of the variable gas supply device, wherein the pipe upstream of the variable gas supply device is connected to the fuel cell via a support member. Is fixed.
この構成によれば、可変ガス供給装置に比べてはるかに重い燃料電池がマスとして機能するので、可変ガス供給装置を駆動することによって生じる、燃料ガスの脈動に伴う振動や可変ガス供給装置が自ら起こす振動が発生しても、その振動が低減される。したがって、当該振動が燃料ガス供給流路を画成する配管を介して他所へと伝播することを抑制することができる。 According to this configuration, since the fuel cell much heavier than the variable gas supply device functions as a mass, the vibration caused by the pulsation of the fuel gas caused by driving the variable gas supply device and the variable gas supply device itself Even if the vibration to occur occurs, the vibration is reduced. Therefore, it is possible to suppress the vibration from propagating to other places via the piping that defines the fuel gas supply flow path.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記配管は、スタック構造をなす前記燃料電池の積層方向両端部に配置されたエンドプレートに、前記支持部材を介して固定されていてもよい。このようなエンドプレートは、燃料電池を構成する部材の中でも相対的に大きくて剛性が高く、しかも加工の余地が広いので、配管を支持する部材として好適である。 In the fuel cell system of the present invention, the pipe may be fixed to end plates arranged at both ends in the stacking direction of the fuel cell having a stack structure via the support member. Such an end plate is suitable as a member for supporting a pipe because it is relatively large and high in rigidity among members constituting the fuel cell and has a large room for processing.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記支持部材による前記燃料電池への固定部と前記可変ガス供給装置との間の前記配管の一部が、弾性部材より構成されていてもよい。 In the fuel cell system of the present invention, a part of the piping between the fixing portion to the fuel cell by the support member and the variable gas supply device may be formed of an elastic member.
この構成によれば、弾性部材が、支持部材と可変ガス供給装置との間の配管に生じる振動を吸収する。 According to this configuration, the elastic member absorbs vibration generated in the pipe between the support member and the variable gas supply device.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記支持部材および前記弾性部材は絶縁体であってもよい。 In the fuel cell system of the present invention, the support member and the elastic member may be insulators.
この構成によれば、支持部材を介して燃料電池に固定された弾性部材から燃料供給源までの配管が、燃料電池から弾性部材までの配管と燃料電池との双方から絶縁されるので、燃料電池のもっている電位が支持部材を介して配管に伝わることがない。 According to this configuration, the pipe from the elastic member fixed to the fuel cell through the support member to the fuel supply source is insulated from both the pipe from the fuel cell to the elastic member and the fuel cell. The potential is not transmitted to the piping through the support member.
本発明の燃料電池システムにおいて、前記支持部材は、前記配管を複数の異なる方向から支持してもよい。 In the fuel cell system of the present invention, the support member may support the pipe from a plurality of different directions.
この構成によれば、可変ガス供給装置を駆動することによって生じる振動が複数の異なる方向の振幅を含んでいたとしても、支持部材を介してそれらの振動を燃料電池が受ける(後方から支持する)ことができるので、当該振動が燃料ガス供給流路を画成する配管を介して他所へと伝播することを抑制することができる。 According to this configuration, even if the vibration generated by driving the variable gas supply device includes amplitudes in a plurality of different directions, the fuel cell receives the vibration through the support member (supports from the rear). Therefore, it is possible to suppress the vibration from propagating to other places through the piping that defines the fuel gas supply flow path.
本発明の燃料電池システムにおいては、前記配管に設けられたフランジが、前記支持部材を介して前記燃料電池に固定されていてもよい。 In the fuel cell system of the present invention, a flange provided in the pipe may be fixed to the fuel cell via the support member.
この構成によれば、フランジは燃料ガス供給流路を画成する配管よりも径が大きく、これにより、支持部材に対する接合面積を広く確保することができるので、配管を複数方向から支持するうえで、支持部材を取り付ける個所として好適である。 According to this configuration, the flange has a diameter larger than that of the pipe defining the fuel gas supply flow path, thereby ensuring a large joining area with respect to the support member. It is suitable as a location where the support member is attached.
本発明の燃料電池システムによれば、可変ガス供給装置の駆動に伴い脈動に起因する振動や可変ガス供給装置が自ら発生する振動の他所への伝播を抑制することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to suppress the vibration caused by the pulsation accompanying the driving of the variable gas supply device and the vibration generated by the variable gas supply device to other places.
次に、本発明に係る燃料電池システムの第1の実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。 Next, a first embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. Hereinafter, the case where this fuel cell system is applied to an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to such an application example, and is applicable to any moving body such as a ship, an aircraft, a train, and a walking robot. For example, the present invention can be applied to a stationary power generation system in which a fuel cell is used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).
図1に示される燃料電池システム1において、酸化ガスとしての空気(外気)は、空気供給流路71を介して燃料電池20の空気供給口に供給される。空気供給流路71には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA3、及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。エアフィルタA1には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータが設けられている。コンプレッサA3は、モータMによって駆動される。
In the fuel cell system 1 shown in FIG. 1, air (outside air) as an oxidizing gas is supplied to an air supply port of the
燃料電池20から排出される空気オフガス(酸化オフガス)は、排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、圧力調整弁A4、及び加湿器A21が設けられている。圧力調整弁A4は、燃料電池20への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。
Air off-gas (oxidation off-gas) discharged from the
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源30から水素供給流路74を介して燃料電池20の水素供給口に供給される。水素供給源30は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
Hydrogen gas as fuel gas is supplied from the
水素供給流路74には、水素供給源30から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁H100、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、水素供給流路74内の水素ガスの圧力を計測する圧力センサP1、及びインジェクタ(可変ガス供給装置)80が設けられている。インジェクタ80は、流量調整弁としての機能と、可変調圧弁としての機能とを併せもち、両機能によりストイキ比や背圧を制御する。
The
燃料電池20で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス(燃料オフガス)として水素循環路75に排出され、水素供給流路74の水素調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置H42、回収した生成水を水素循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプH50が設けられている。
The hydrogen gas that has not been consumed in the
遮断弁H21は、燃料電池20のアノード側を閉鎖する。水素ポンプH50は、制御部50によって動作が制御され、水素供給流路74を通じて燃料電池20に水素ガスを供給したり、水素供給流路74および水素循環路75を通じて燃料電池20に水素ガスを供給したりすることが可能である。水素オフガスは、水素供給流路74で水素ガスと合流し、燃料電池20に供給されて再利用される。
The shut-off valve H21 closes the anode side of the
水素循環路75は、排出制御弁H51を介して、パージ流路76によって加湿器A21の下流側の排気路72に接続されている。排出制御弁H51は、電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池20から排出された空気オフガスとともに外部へ排出(パージ)される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
The
燃料電池20の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路73が設けられている。冷却路73には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ(熱交換器)C2、及び冷却水を加圧して循環させるポンプC1が設けられている。また、ラジエータC2には、モータによって回転駆動される冷却ファンC13が設けられている。
A
燃料電池20は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池20が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うDC−DCコンバータなどが備えられている。
The
制御部50は、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム1の各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
The
インジェクタ80は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持されて噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
The
インジェクタ80の弁体は、例えばソレノイドへの給電によって発生する電磁駆動力により駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン/オフにより、噴射孔の開口面積(開口状態)を二段階以上の多段階あるいは無段階に切り替えることができる。インジェクタ80のガス噴射時間およびガス噴射時期が、制御部50から出力される制御信号によって制御されることにより、水素ガスの流量および圧力が高精度に制御される。
The valve body of the
図2に示すように、水素供給流路74のうち、インジェクタ80よりも上流側、すなわちインジェクタ80と水素供給源30との間の配管74Aは、燃料電池20の積層方向両端部に配置されたエンドプレート20Aの一方に支持部材90を介して固定されている。エンドプレート20Aは、例えばステンレス鋼等からなり、燃料電池20を構成する部材の中でも相対的に寸法が大きくて剛性が高く、しかも加工の余地(加工可能な部分)が広いので、配管74Aを支持する部材として好適である。
As shown in FIG. 2, in the hydrogen
支持部材90は樹脂成形品であって、図3に示すように、内側に配管74Aを保持するようにC形に形成された保持部91と、保持部91の両端部から保持部91の径方向に沿ってそれぞれ延出された脚部92と、脚部92の先端にそれぞれ形成されたフランジ部93とからなる。保持部91の内径は配管74Aの外径よりも若干小さく形成されており、保持部91の内側に配管74を通すと、保持部91の弾性によって支持部材90が配管74Aの定位置に固定される。
The
各フランジ部93には、図示しないが厚さ方向に貫通孔が形成されており、配管74Aは、フランジ部93の貫通孔に図示しない雄ネジなどを差し込まれ、燃料電池20のエンドプレート20Aに締着されることにより、支持部材90を介して燃料電池20に固定される。配管74Aは、支持部材90を介して、エンドプレート20Aの表面から一定の距離離間しかつエンドプレート20Aに対して平行に配設される。
Although not shown, each
支持部材90は、例えばポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド66などの絶縁体であって、これにより、燃料電池20と配管74Aとは支持部材90を介して絶縁されている。
The
インジェクタ80と支持部材90との間に配設される配管74Aはその途中で二分割されており、その分割された一方の配管74Aの端部と他方の配管74Aの端部とがゴムホース(弾性部材)85によって連結されている。つまり、ゴムホース85は水素供給流路74を画成する配管74Aの一部を形成している。ゴムホース85には、耐圧性および耐寒性に優れると共に水素透過性の低い材料が使用されている。
The
上記のように構成された燃料電池システム1においては、インジェクタ80よりも上流側の配管74Aが、樹脂製の支持部材90を介して、燃料電池車両のフレームにマウントされている燃料電池20に固定されている。つまり、インジェクタ80に比べてはるかに重い燃料電池20がマスとして機能するので、インジェクタ80を駆動することによって生じる、水素ガスの脈動に起因する振動やインジェクタ80内で弁体が弁座に衝突することに起因する振動が発生しても、その振動が低減される。したがって、当該振動が配管74Aを介して他所へと伝播することを抑制することができる。
In the fuel cell system 1 configured as described above, the
また、インジェクタ80と支持部材90との間に配設された配管74Aの一部が、弾性体であってかつ絶縁体であるゴムホース85とされており、このゴムホース85は、配管74Aの他部で生じた振動を吸収することができるので、インジェクタ80から燃料電池20に伝播する振動が弱められる。したがって、振動が配管74Aを介して他所へと伝播することを効果的に抑制することができる。
Further, a part of the
さらに、ゴムホース85が燃料電池20から当該ゴムホース85までの配管74Bを絶縁しているので、ゴムホース85から水素供給源30までの配管74Cが絶縁体よりなる支持部材90によって燃料電池20から絶縁されていることと相俟って、燃料電池20のもっている電位が配管74Bと支持部材90との双方を介して配管74Cに伝わることが抑制されている。
Further, since the
次に、本発明に係る燃料電池システムの第2の実施形態を説明する。なお、上記第1の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付し、それらの説明は省略する。 Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component already demonstrated in the said 1st Embodiment, and those description is abbreviate | omitted.
また、本実施形態の配管75は、上記第1の実施形態におけるインジェクタ80から水素供給源30までの配管74Aのうち、燃料電池20を収容する図示しないケースの内部に収容される部分に相当し、当該配管75とケースの外部から当該配管75に接続される配管76とにより、上記第1の実施形態における配管74Aが構成されるものである。
Further, the
図4および図5に示すように、本実施形態の支持部材100は、硬質ゴムの成形品であって、配管75を保持する保持部101と、保持部101から異なる2方向に延出する2つのフランジ部102,103とを有する。保持部101は直方体のブロック状をなしており、この保持部101には、配管75を保持する貫通孔101aが、上面から下面に貫通するように形成されている。貫通孔101aの内径は、配管75の外径よりも若干小さく形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
貫通孔101aに配管75が差し通され、配管75の下端に設けられたフランジ75Aが保持部101の下面に密に当接された状態で、支持部材100が配管75の定位置に固定される。フランジ75Aは配管75よりも径が大きく、支持部材100に対する接合面積を広く確保することができるので、配管75を複数方向から支持するうえで支持部材100を取り付ける個所として好適である。
The
一方のフランジ部102は、貫通孔101aに通された配管75に対して平行に形成されている。一方のフランジ部102は板状をなしており、このフランジ部102には、支持部材100を燃料電池20に固定するためのボルト110を挿通される貫通孔102aが、貫通孔101aに通された配管75に対して直角をなすように形成されている。
One
他方のフランジ部103は、一方のフランジ部102に対して直角をなすように形成されている。他方のフランジ部103も板状をなしており、一方のフランジ部102と他方のフランジ部103とは直角をなすように配置されている。フランジ部103には、支持部材100を燃料電池20に固定するためのボルト111を挿通される貫通孔103aが、貫通孔101aに通された配管75に対して平行に形成されている。
The
保持部材100は、配管75の定位置に固定されたまま、一方のフランジ部102を燃料電池20のエンドプレート20Aの側面に当接されるとともに、他方のフランジ部103をエンドプレート20Aの下端面に当接される。そして、この状態を維持したまま、一方のフランジ部102に形成された貫通孔102aにボルト110を差し込まれ、エンドプレート20Aの側面に開口する図示しない雌ネジ穴に締着される。
While holding
同様に、他方のフランジ部103に形成された貫通孔103aにボルト111を差し込まれ、エンドプレート20Aの下端面に開口する図示しない雌ネジ穴に締着される。これにより、配管75が、支持部材100を介して燃料電池20に固定される。
Similarly, a
上記のように構成された燃料電池システムにおいては、支持部材100の保持部101から延びる一方のフランジ部102が燃料電池20の側面に固定され、保持部101から延びる他方のフランジ部103が燃料電池20の下面に固定されている。支持部材100は、一方のフランジ部102が、燃料電池20の側面に固定されることにより、燃料電池20の側面に垂直な方向に作用する振動に対抗する。また、支持部材100は、他方のフランジ部103が、燃料電池20の下面に固定されることにより、燃料電池20の下面に垂直な方向に作用する振動に対抗する。
In the fuel cell system configured as described above, one
これにより、支持部材100は、配管75に、燃料電池20の側面に垂直な方向の振幅(図中の両矢印X)を含む振動が作用したとしても、または燃料電池20の下面に垂直な方向の振幅(図中の両矢印Y)を含む振動が作用したとしても、燃料電池20がそれらの振動に対するマスとして機能するので、配管75及びそれに接続された配管76を介して振動が他所へと伝播することを抑制することができる。
Thereby, even if the
加えて、フランジ部102が燃料電池20の側面に、フランジ部103が燃料電池20の下面にそれぞれ接しているので、燃料電池20の側面にも下面にも平行な方向の振幅(図中の両矢印Z)を含む振動が作用したとしても、ゴムである支持部材100の燃料電池20の各面に対する摩擦により、配管75及びそれに接続された配管76を介して振動が他所へと伝播することを抑制することができる。
In addition, since the
つまり、本実施形態の燃料電池システムによれば、配管75に、あらゆる方向の振幅を含む振動が作用しても、その振動が他所へと伝播することをより効果的に抑制することができる。
That is, according to the fuel cell system of the present embodiment, even if vibration including amplitudes in all directions acts on the
1…燃料電池システム、20…燃料電池、30…水素供給源(燃料供給源)、74…水素供給流路(燃料供給流路)、74A,74B,74C,75,76…配管、75A…フランジ、80…インジェクタ(可変ガス供給装置)、85…ゴムホース(弾性部材)、90,100…支持部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 20 ... Fuel cell, 30 ... Hydrogen supply source (fuel supply source), 74 ... Hydrogen supply flow path (fuel supply flow path), 74A, 74B, 74C, 75, 76 ... Piping, 75A ... Flange , 80 ... injector (variable gas supply device), 85 ... rubber hose (elastic member), 90, 100 ... support member
Claims (6)
燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための燃料ガス供給流路を
画成する配管と、
前記配管に配設され、気体燃料を噴射する噴射孔を有し、前記噴射孔の開口面積を切り替えることにより前記燃料ガス供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、
前記可変ガス供給装置のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御する制御部と、を備え、前記可変ガス供給装置よりも上流側の前記配管が、前記燃料電池に支持部材を介して固定されている燃料電池システム。 A fuel cell;
A pipe defining a fuel gas supply flow path for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source to the fuel cell;
A variable injection pipe disposed in the pipe for injecting gaseous fuel, and adjusting the gas state on the upstream side of the fuel gas supply flow path by switching the opening area of the injection hole and supplying it to the downstream side A gas supply device;
A control unit that controls a gas injection time and a gas injection timing of the variable gas supply device, and the pipe upstream of the variable gas supply device is fixed to the fuel cell via a support member. Fuel cell system.
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