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JP2007184170A - Fuel cell system and its stopping method - Google Patents

Fuel cell system and its stopping method Download PDF

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JP2007184170A
JP2007184170A JP2006001855A JP2006001855A JP2007184170A JP 2007184170 A JP2007184170 A JP 2007184170A JP 2006001855 A JP2006001855 A JP 2006001855A JP 2006001855 A JP2006001855 A JP 2006001855A JP 2007184170 A JP2007184170 A JP 2007184170A
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Japan
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fuel cell
injector
fuel
gas
cell system
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Application number
JP2006001855A
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Japanese (ja)
Inventor
Goji Katano
剛司 片野
Norio Yamagishi
典生 山岸
Akiyoshi Hotta
明寿 堀田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system stably operable even in low-temperature startup, capable of appropriately changing supply pressure of a fuel gas in response to an operating condition of a fuel cell, and high in responsiveness; and to provide its stopping method. <P>SOLUTION: This fuel cell system 1 is provided with: the fuel cell 10; a hydrogen gas piping system 3 for supplying the fuel gas to the fuel cell 10; and an injector 35 for adjusting pressure on the upstream side of the hydrogen gas piping system 3 to supply the fuel gas to the down stream side. A valve seat 61 in the injector 35 is cooled by using hydrogen gas from a hydrogen tank 30 in stopping the system. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の燃料供給系にインジェクタが設けられた燃料電池システムとその停止方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system in which an injector is provided in a fuel supply system of a fuel cell, and a method for stopping the fuel cell system.

現在、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の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燃料供給流路が設けられている。   Currently, a fuel cell system including a fuel cell that receives a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) and generates electric power has been proposed and put into practical use. Such a fuel cell system is provided with a fuel supply channel for flowing fuel gas supplied from a fuel supply source such as a hydrogen tank to the fuel cell.

ところで、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力がきわめて高い場合には、この供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁(レギュレータ)が燃料供給流路に設けられるのが一般的である。近年においては、燃料ガスの供給圧力を例えば2段階に変化させる機械式の可変調圧弁(可変レギュレータ)を燃料供給流路に設けることにより、システムの運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を変化させる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2004‐139984号公報
By the way, when the supply pressure of the fuel gas from the fuel supply source is extremely high, a pressure regulating valve (regulator) for reducing the supply pressure to a constant value is generally provided in the fuel supply passage. In recent years, the supply pressure of the fuel gas can be changed according to the operating state of the system by providing a fuel-modulating pressure valve (variable regulator) that changes the supply pressure of the fuel gas, for example, in two stages. The technique to make is proposed (for example, refer patent document 1).
JP 2004-139984 A

しかし、前記特許文献1に記載されているような従来の機械式の可変調圧弁は、その構造上、燃料ガスの供給圧力を迅速に変化させることが困難である(すなわち応答性が低い)上に、目標圧力を多段階にわたって変化させるような高精度な調圧が不可能であった。   However, the conventional mechanical adjustable pressure valve as described in Patent Document 1 is difficult to change the supply pressure of the fuel gas quickly (that is, the response is low) due to its structure. In addition, it is impossible to perform high-precision pressure adjustment that changes the target pressure in multiple stages.

また、従来の機械式の可変調圧弁は、比較的複雑な構成を有しているため、大型で重量が大きく製作費用が嵩んでしまう。さらに、従来の機械式の可変調圧弁は、単に燃料ガスの供給圧力を変化させるものであるため、燃料ガスの供給を遮断する遮断弁を別途設ける必要がある。このため、システムの大型化(設置スペースの増大)や設備費用の増大を招来せしめるという問題がある。   In addition, since the conventional mechanically adjustable pressure valve has a relatively complicated configuration, it is large, heavy and expensive to manufacture. Furthermore, since the conventional mechanically adjustable pressure valve simply changes the supply pressure of the fuel gas, it is necessary to separately provide a cutoff valve for cutting off the supply of the fuel gas. For this reason, there exists a problem of causing the enlargement of a system (increase of installation space) and the increase in equipment cost.

そこで、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能な応答性の高い調圧手段を備えた燃料電池システムが望まれているが、燃料電池システムは、運転時の応答性が良いだけでなく、運転時と温度環境が異なる起動時(特に、低温起動時)にも安定して動作することが望まれている。   Therefore, there is a demand for a fuel cell system having a highly responsive pressure adjusting means capable of appropriately changing the supply pressure of the fuel gas in accordance with the operating state of the fuel cell. It is desired not only to have good time responsiveness but also to operate stably at the time of start-up (particularly at the time of low-temperature start-up) where the temperature environment differs from that during operation.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、システム起動時でも安定して動作し、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能な応答性が高い燃料電池システムとその停止方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and operates stably even when the system is started, and has responsiveness capable of appropriately changing the supply pressure of the fuel gas according to the operating state of the fuel cell. An object of the present invention is to provide a high fuel cell system and a method for stopping the fuel cell system.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給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、システム停止時に前記インジェクタ内の弁部品を冷却する冷却機構を備えるものである。   The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, a fuel supply system for supplying fuel gas to the fuel cell, an injector for adjusting a gas state on the upstream side of the fuel supply system and supplying the fuel state to the downstream side, Is provided with a cooling mechanism for cooling the valve components in the injector when the system is stopped.

このような構成によれば、インジェクタを閉弁する前に予めインジェクタ内の弁部品を冷却しておくことが可能になるので、弁部品が所定温度以上に加熱されたままの状態で閉弁して自然冷却したときに起こりうるインジェクタ内での弁部品の貼り付き(固着)が抑制される。   According to such a configuration, it is possible to cool the valve components in the injector in advance before closing the injector, so that the valve components are closed while being heated to a predetermined temperature or higher. Thus, sticking (sticking) of the valve components in the injector, which can occur when naturally cooled, is suppressed.

なお、弁部品は、弁体、弁座、シール部の少なくとも1つを含む。また、冷却の対象は、好ましくはシール部である。さらに、冷却温度は、システム運転時よりも低い温度までとしてもよい。また、「ガス状態」とは、ガスの状態(流量、圧力、温度、モル濃度等)を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含む。   The valve component includes at least one of a valve body, a valve seat, and a seal portion. The object to be cooled is preferably a seal portion. Further, the cooling temperature may be lower than that during system operation. The “gas state” means a gas state (flow rate, pressure, temperature, molar concentration, etc.), and particularly includes at least one of a gas flow rate and a gas pressure.

前記冷却機構は、システム停止時に供給ガスにより前記インジェクタ内の弁部品を冷却するものでもよい。   The cooling mechanism may cool a valve component in the injector with a supply gas when the system is stopped.

この場合において、前記供給ガスとしては、前記燃料供給系に接続された燃料供給源から供給される燃料ガスの採用が可能である。   In this case, as the supply gas, it is possible to employ a fuel gas supplied from a fuel supply source connected to the fuel supply system.

このような構成によれば、インジェクタ内の弁部品を冷却するための新たな配管系等の追加が不要となる。   According to such a configuration, it is not necessary to add a new piping system or the like for cooling the valve components in the injector.

前記冷却機構は、システム停止時の前記インジェクタの上流側における前記燃料ガスの温度が所定温度以上の場合には、前記インジェクタを閉弁し、所定の停止処理後に前記インジェクタを開弁して前記燃料ガスを当該インジェクタに導入するものでもよい。   The cooling mechanism closes the injector when the temperature of the fuel gas upstream of the injector when the system is stopped is equal to or higher than a predetermined temperature, and opens the injector after a predetermined stop process to open the fuel A gas may be introduced into the injector.

この構成によれば、インジェクタの閉弁後に行う所定の停止処理を行っている間に、インジェクタの上流側に存在する所定温度以上の燃料ガスが自然冷却されるので、この冷却された燃料ガスによってインジェクタ内の弁部品を冷却することが可能となる。所定の停止処理としては、例えば、燃料電池への燃料ガス供給を遮断した状態で所定時間(例えば、8秒)燃料電池に発電させる減圧処理等がある。   According to this configuration, the fuel gas at a predetermined temperature or higher existing on the upstream side of the injector is naturally cooled while performing the predetermined stop process performed after the injector is closed. It becomes possible to cool the valve components in the injector. Examples of the predetermined stop process include a decompression process in which the fuel cell generates power for a predetermined time (for example, 8 seconds) in a state where the fuel gas supply to the fuel cell is shut off.

本発明の燃料電池システムにおいては、前記燃料供給源を複数備え、前記供給ガスは、複数の前記燃料供給源の中で、より低温の燃料供給源から供給される燃料ガスとしてもよい。   In the fuel cell system of the present invention, a plurality of the fuel supply sources may be provided, and the supply gas may be a fuel gas supplied from a lower temperature fuel supply source among the plurality of fuel supply sources.

このような構成によれば、より低温の燃料ガスにてインジェクタ内の弁部品を短時間で冷却することが可能となる。   According to such a configuration, it becomes possible to cool the valve components in the injector in a short time with a lower temperature fuel gas.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記インジェクタは、その上流側と下流側とを連通する内部流路と、該内部流路内を移動可能に配置されその流路の開閉状態を変更する弁体と、通電により前記弁体を駆動する弁体駆動部と、を備えてなり、前記冷却機構は、前記弁体の開方向の移動に必要な前記弁体駆動部への通電電流を前記インジェクタの上流側圧力に応じて変更するものでもよい。   In the fuel cell system of the present invention, the injector includes an internal channel that communicates the upstream side and the downstream side, and a valve body that is movably disposed in the internal channel and changes the open / closed state of the channel. And a valve body drive unit that drives the valve body by energization, and the cooling mechanism supplies an energization current to the valve body drive unit necessary for movement of the valve body in the opening direction upstream of the injector. It may be changed according to the side pressure.

弁体の開方向の移動に必要な弁体駆動部への通電電流、いわゆる突入電流によって弁体駆動部が発熱することにより、弁部品の冷却に供される燃料ガスが加熱されてしまうところ、このような構成によれば、例えば、システム停止時のようにインジェクタの上流側圧力が運転時よりも低い場合には、この突入電流を運転時よりも下げることが可能であるから、通電電流を低くすることにより、弁部品の加熱を抑制することができる。   When the valve body drive section generates heat due to an energization current to the valve body drive section necessary for movement of the valve body in the opening direction, so-called inrush current, the fuel gas used for cooling the valve parts is heated, According to such a configuration, for example, when the upstream pressure of the injector is lower than that during operation, such as when the system is stopped, the inrush current can be lowered than during operation. By lowering, heating of the valve parts can be suppressed.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記インジェクタは、その上流側と下流側とを連通する内部流路と、該内部流路内を移動可能に配置されその流路の開閉状態を変更する弁体と、通電により前記弁体を駆動する弁体駆動部と、を備えてなり、前記冷却機構は、前記弁体の開状態の保持に必要な前記弁体駆動部への通電電流をシステム状態に応じて変更するものでもよい。   In the fuel cell system of the present invention, the injector includes an internal channel that communicates the upstream side and the downstream side, and a valve body that is movably disposed in the internal channel and changes the open / closed state of the channel. A valve body drive unit that drives the valve body by energization, and the cooling mechanism is configured to supply an energization current to the valve body drive unit necessary for maintaining the open state of the valve body according to a system state. It may be changed.

インジェクタが開弁している間は、開弁状態の保持に必要な弁体駆動部への通電電流、いわゆる必要保持電流によっても弁体駆動部が発熱して燃料ガスが加熱されてしまう。この必要保持電流は、例えば燃料電池システムが車両等の移動体に搭載された場合には、振動G(振動加速度)や走行G(走行加速度)を考慮して冗長に設定されるものであるところ、このような構成によれば、システム停止時(システム状態)の移動体は停止状態にあるため、必要保持電流の冗長性を低減することができる。これにより、弁部品の加熱を抑制することができる。   While the injector is open, the valve body drive unit generates heat and the fuel gas is heated by an energization current to the valve body drive unit necessary for maintaining the valve open state, so-called necessary holding current. For example, when the fuel cell system is mounted on a moving body such as a vehicle, the necessary holding current is set to be redundant in consideration of vibration G (vibration acceleration) and travel G (travel acceleration). According to such a configuration, since the moving body at the time of system stop (system state) is in the stop state, redundancy of necessary holding current can be reduced. Thereby, heating of a valve component can be suppressed.

前記冷却機構は、システム停止指令を受けてから予め決められた所定の遅延時間経過後に前記インジェクタの開弁を行うものでもよい。   The cooling mechanism may open the injector after a predetermined delay time elapses after receiving a system stop command.

例えば使用中の燃料供給源が急速充填後である場合等、弁部品の冷却に供される燃料ガスが高温になっている場合においても、このような構成によれば、所定の遅延時間経過によって冷却された燃料供給源からの燃料ガスを用いて弁部品を冷却することが可能となる。   Even when the fuel gas used for cooling the valve components is at a high temperature, for example, when the fuel supply source in use is after rapid filling, according to such a configuration, the predetermined delay time elapses. It becomes possible to cool the valve components using the fuel gas from the cooled fuel supply source.

本発明に係る燃料電池システムの停止方法は、燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、を備えた燃料電池システムの停止方法において、システム停止時に運転時よりも低い温度まで前記インジェクタ内の弁部品を冷却する工程を備えるものである。   A fuel cell system stopping method according to the present invention includes a fuel cell, a fuel supply system for supplying fuel gas to the fuel cell, and adjusting the gas state on the upstream side of the fuel supply system to supply to the downstream side. A fuel cell system stopping method comprising: a step of cooling the valve components in the injector to a temperature lower than that during operation when the system is stopped.

このような構成によれば、インジェクタを閉弁する前に予めインジェクタ内の弁部品を冷却しておくことが可能になるので、弁部品が所定温度以上に加熱されたままの状態で閉弁して自然冷却したときに起こりうるインジェクタ内での弁部品の貼り付き(固着)が抑制される。   According to such a configuration, it is possible to cool the valve components in the injector in advance before closing the injector, so that the valve components are closed while being heated to a predetermined temperature or higher. Thus, sticking (sticking) of the valve components in the injector, which can occur when naturally cooled, is suppressed.

本発明によれば、弁部品が所定温度以上に加熱されたままの状態で閉弁して自然冷却したときに起こりうるインジェクタ内での弁部品の貼り付き(固着)が抑制されるので、次回のシステム起動時にインジェクタが開弁不能な状態に陥ることを抑制することが可能となる。   According to the present invention, sticking (fixing) of the valve component in the injector, which may occur when the valve component is closed and naturally cooled while being heated to a predetermined temperature or higher, is suppressed, so It is possible to prevent the injector from falling into a state in which the valve cannot be opened when the system is started.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両(移動体)の車載発電システムに適用した例について説明することとする。   Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (moving body) will be described.

まず、図1を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1の構成について説明する。   First, the configuration of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

本実施形態に係る燃料電池システム1は、図1に示すように、反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)の供給を受けて電力を発生する燃料電池10を備えるとともに、燃料電池10に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系2、燃料電池10に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系3、システム全体を統合制御する制御装置4等を備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 10 that generates electric power upon receiving a supply of reaction gas (oxidation gas and fuel gas), and the fuel cell 10 has an oxidant gas. An oxidizing gas piping system 2 for supplying the air, a hydrogen gas piping system 3 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 10, a control device 4 for integrated control of the entire system, and the like.

燃料電池10は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池10により発生した電力は、PCU(Power Control Unit)11に供給される。PCU11は、燃料電池10とトラクションモータ12との間に配置されるインバータやDC‐DCコンバータ等を備えている。また、燃料電池10には、発電中の電流を検出する電流センサ13が取り付けられている。   The fuel cell 10 has a stack structure in which a required number of unit cells that generate power upon receiving a reaction gas are stacked. The electric power generated by the fuel cell 10 is supplied to a PCU (Power Control Unit) 11. The PCU 11 includes an inverter, a DC-DC converter, and the like that are disposed between the fuel cell 10 and the traction motor 12. Further, the fuel cell 10 is provided with a current sensor 13 for detecting a current during power generation.

酸化ガス配管系2は、加湿器20により加湿された酸化ガス(空気)を燃料電池10に供給する空気供給流路21と、燃料電池10から排出された酸化オフガスを加湿器20に導く空気排出流路22と、加湿器20から外部に酸化オフガスを導くための排気流路23と、を備えている。空気供給流路21には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器20に圧送するコンプレッサ24が設けられている。   The oxidant gas piping system 2 includes an air supply passage 21 that supplies the oxidant gas (air) humidified by the humidifier 20 to the fuel cell 10, and an air exhaust that guides the oxidant off-gas discharged from the fuel cell 10 to the humidifier 20. A flow path 22 and an exhaust flow path 23 for guiding the oxidizing off gas from the humidifier 20 to the outside are provided. The air supply passage 21 is provided with a compressor 24 that takes in the oxidizing gas in the atmosphere and pumps it to the humidifier 20.

水素ガス配管系3は、高圧(例えば70MPa)の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク30と、水素タンク30の水素ガスを燃料電池10に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路31と、燃料電池10から排出された水素オフガスを水素供給流路31に戻すための循環流路32と、を備えている。水素ガス配管系3は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。   The hydrogen gas piping system 3 includes a hydrogen tank 30 as a fuel supply source storing high-pressure (for example, 70 MPa) hydrogen gas, and hydrogen as a fuel supply passage for supplying the hydrogen gas from the hydrogen tank 30 to the fuel cell 10. A supply flow path 31 and a circulation flow path 32 for returning the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 10 to the hydrogen supply flow path 31 are provided. The hydrogen gas piping system 3 is an embodiment of the fuel supply system in the present invention.

なお、水素タンク30に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。   Instead of the hydrogen tank 30, a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high-pressure state, and Can also be employed as a fuel supply source. A tank having a hydrogen storage alloy may be employed as a fuel supply source.

水素供給流路31には、水素タンク30からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁33と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ34と、インジェクタ35と、が設けられている。また、インジェクタ35の上流側には、水素供給流路31内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ41及び温度センサ42が設けられている。また、インジェクタ35の下流側であって水素供給流路31と循環流路32との合流部の上流側には、水素供給流路31内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ43が設けられている。   The hydrogen supply flow path 31 is provided with a shutoff valve 33 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 30, a regulator 34 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and an injector 35. A primary pressure sensor 41 and a temperature sensor 42 that detect the pressure and temperature of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 31 are provided on the upstream side of the injector 35. Further, on the downstream side of the injector 35 and upstream of the junction between the hydrogen supply flow path 31 and the circulation flow path 32, a secondary side pressure sensor 43 that detects the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen supply flow path 31. Is provided.

レギュレータ34は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ34として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。   The regulator 34 is a device that regulates the upstream pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure. In the present embodiment, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure is employed as the regulator 34. The mechanical pressure reducing valve has a structure in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. Thus, a publicly known configuration for the secondary pressure can be employed.

本実施形態においては、図1に示すように、インジェクタ35の上流側にレギュレータ34を2個配置することにより、インジェクタ35の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ35の機械的構造(弁体、筺体、流路、駆動装置等)の設計自由度を高めることができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the upstream pressure of the injector 35 can be effectively reduced by arranging two regulators 34 on the upstream side of the injector 35. For this reason, the design freedom of the mechanical structure (a valve body, a housing, a flow path, a drive device, etc.) of the injector 35 can be increased.

また、インジェクタ35の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ35の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ35の弁体65が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ35の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ35の応答性の低下を抑制することができる。   In addition, since the upstream pressure of the injector 35 can be reduced, it is possible to prevent the valve body 65 of the injector 35 from becoming difficult to move due to an increase in the differential pressure between the upstream pressure and the downstream pressure of the injector 35. can do. Accordingly, it is possible to widen the adjustable pressure width of the downstream pressure of the injector 35 and to suppress a decrease in responsiveness of the injector 35.

インジェクタ35は、弁体65を電磁駆動力で直接的に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ガス流量やガス圧等のガス状態を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。つまり、インジェクタ35は、弁(弁体及び弁座)を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。   The injector 35 is an electromagnetic drive type capable of adjusting a gas state such as a gas flow rate and a gas pressure by driving the valve body 65 directly with an electromagnetic drive force at a predetermined drive cycle and separating it from the valve seat. Open / close valve. That is, the injector 35 directly opens and closes the valves (valve body and valve seat) with an electromagnetic driving force, and has a high responsiveness because its driving cycle can be controlled to a highly responsive region.

図3は、インジェクタ35の一実施例を示す断面図である。このインジェクタ35は、水素供給流路(燃料供給系)31の一部を構成するとともに、一方の口部51において水素供給流路31の水素タンク30側に配置され他方の口部52において水素供給流路31の燃料電池10側に配置される内部流路53が形成された金属製のシリンダ54を有しており、このシリンダ54には、口部51に繋がる第1通路部56と、この第1通路部56の口部51とは反対側に繋がる、第1通路部56よりも大径の第2通路部57と、この第2通路部57の第1通路部56とは反対側に繋がる、第2通路部57よりも大径の第3通路部58と、この第3通路部58の第2通路部57とは反対側に繋がる、第2通路部57および第3通路部58よりも小径の第4通路部59とが形成されており、これらで内部流路53が構成されている。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing an embodiment of the injector 35. The injector 35 constitutes a part of the hydrogen supply flow path (fuel supply system) 31 and is disposed on the hydrogen tank 30 side of the hydrogen supply flow path 31 in one of the ports 51 and supplies hydrogen in the other port 52. A metal cylinder 54 having an internal flow path 53 disposed on the fuel cell 10 side of the flow path 31 is formed. The cylinder 54 includes a first passage portion 56 connected to the mouth portion 51, and A second passage portion 57 having a diameter larger than that of the first passage portion 56, which is connected to the opposite side to the mouth portion 51 of the first passage portion 56, and a side opposite to the first passage portion 56 of the second passage portion 57. From the 3rd passage part 58 larger in diameter than the 2nd passage part 57 connected, and the 2nd passage part 57 and the 3rd passage part 58 connected to the opposite side to the 2nd passage part 57 of this 3rd passage part 58 Are formed with the fourth passage portion 59 having a small diameter, and these are used as the internal flow path. 3 is configured.

また、インジェクタ35は、第4通路部59の第3通路部58側の開口部を囲むように設けられたシール性部材からなる弁座61と、第2通路部57に移動可能に挿入される円筒部62および第3通路部58内に配置される第2通路部57よりも大径の傘部63を有し傘部63に斜めに連通穴64が形成された金属製の弁体65と、弁体65の円筒部62に一端側が挿入されると共に他端側が第1通路部56内に形成されたストッパ66に係止されることで弁体65を弁座61へ当接させて内部流路53を遮断するスプリング67と、弁体65をスプリング67の付勢力に抗して第3通路部58の第2通路部57側の段部68に当接するまで移動させることで弁体65を弁座61から離間させて連通穴64で内部流路53を連通させるソレノイド(弁体駆動部)69と、を有している。   The injector 35 is movably inserted into a valve seat 61 made of a sealing member provided so as to surround the opening portion of the fourth passage portion 59 on the third passage portion 58 side, and the second passage portion 57. A metal valve body 65 having an umbrella portion 63 having a diameter larger than that of the second passage portion 57 disposed in the cylindrical portion 62 and the third passage portion 58 and having a communication hole 64 formed obliquely in the umbrella portion 63; One end side is inserted into the cylindrical portion 62 of the valve body 65 and the other end side is locked by a stopper 66 formed in the first passage portion 56 so that the valve body 65 is brought into contact with the valve seat 61 and is internally The valve body 65 is moved by moving the spring 67 that blocks the flow path 53 and the valve body 65 against the urging force of the spring 67 until it contacts the stepped portion 68 on the second passage portion 57 side of the third passage portion 58. Is connected to the internal flow path 53 through the communication hole 64 while being separated from the valve seat 61. De has a (valve body driving section) 69, a.

本実施形態において、インジェクタ35の弁体65は、電磁駆動装置であるソレノイド69への通電制御により駆動され、このソレノイド69に給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、内部流路53の開口時間(開弁時間)又は開口面積を2段階、多段階、連続的(無段階)、又はリニアに切り替えることができるようになっている。すなわち、インジェクタ35の開閉状態の制御方法としては、少なくとも、開弁時間を変更する方式と、開口面積を変更する方式とが存在する。   In the present embodiment, the valve element 65 of the injector 35 is driven by energization control to the solenoid 69 that is an electromagnetic drive device, and the internal flow path 53 is turned on and off by turning on and off the pulsed excitation current supplied to the solenoid 69. The opening time (valve opening time) or opening area can be switched between two stages, multistage, continuous (no stage), or linear. That is, there are at least a method of changing the valve opening time and a method of changing the opening area as a method for controlling the open / close state of the injector 35.

そして、制御装置4から出力される制御信号によって、インジェクタ35のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。   The flow rate and pressure of the hydrogen gas are controlled with high accuracy by controlling the gas injection time and gas injection timing of the injector 35 by the control signal output from the control device 4.

以上のとおり、インジェクタ35は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ35の内部流路53に設けられた弁体65の開口面積(開度)及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側(燃料電池10側)に供給されるガス流量(又は水素モル濃度)を調整する。   As described above, the injector 35 supplies at least one of the opening area (opening) and the opening time of the valve body 65 provided in the internal flow path 53 of the injector 35 in order to supply a gas flow rate required downstream thereof. By changing, the gas flow rate (or hydrogen molar concentration) supplied to the downstream side (fuel cell 10 side) is adjusted.

なお、インジェクタ35の弁体65の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ35下流に供給されるガス圧力がインジェクタ35上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ35を調圧弁(減圧弁、レギュレータ)と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ35の上流ガス圧の調圧量(減圧量)を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。   Since the gas flow rate is adjusted by opening and closing the valve body 65 of the injector 35 and the gas pressure supplied downstream of the injector 35 is reduced from the gas pressure upstream of the injector 35, the injector 35 is controlled by a pressure regulating valve (pressure reducing valve, Regulator). Further, in the present embodiment, a variable pressure control valve capable of changing the pressure adjustment amount (pressure reduction amount) of the upstream gas pressure of the injector 35 so as to match the required pressure within a predetermined pressure range in accordance with the gas requirement. Can also be interpreted.

なお、本実施形態においては、図1に示すように、水素供給流路31と循環流路32との合流部A1より上流側にインジェクタ35を配置している。また、図1に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク30を採用する場合には、各水素タンク30から供給される水素ガスが合流する部分(水素ガス合流部A2)よりも下流側にインジェクタ35を配置するようにする。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the injector 35 is disposed on the upstream side of the junction A <b> 1 between the hydrogen supply flow path 31 and the circulation flow path 32. Further, as shown by a broken line in FIG. 1, when a plurality of hydrogen tanks 30 are employed as the fuel supply source, the hydrogen gas supplied from each hydrogen tank 30 joins more than the part (hydrogen gas joining part A2). The injector 35 is arranged on the downstream side.

循環流路32には、気液分離器36及び排気排水弁37を介して、排出流路38が接続されている。気液分離器36は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁37は、制御装置4からの指令によって作動することにより、気液分離器36で回収した水分と、循環流路32内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出(パージ)するものである。   A discharge flow path 38 is connected to the circulation flow path 32 via a gas-liquid separator 36 and an exhaust drain valve 37. The gas-liquid separator 36 collects moisture from the hydrogen off gas. The exhaust / drain valve 37 operates according to a command from the control device 4 to discharge (purge) the moisture collected by the gas-liquid separator 36 and the hydrogen off-gas containing impurities in the circulation flow path 32 to the outside. Is.

また、循環流路32には、循環流路32内の水素オフガスを加圧して水素供給流路31側へ送り出す水素ポンプ39が設けられている。なお、排気排水弁37及び排出流路38を介して排出される水素オフガスは、希釈器40によって希釈されて排気流路23内の酸化オフガスと合流するようになっている。   In addition, the circulation channel 32 is provided with a hydrogen pump 39 that pressurizes the hydrogen off gas in the circulation channel 32 and sends it to the hydrogen supply channel 31 side. The hydrogen off-gas discharged through the exhaust / drain valve 37 and the discharge passage 38 is diluted by the diluter 40 and merges with the oxidizing off-gas in the exhaust passage 23.

制御装置4は、車両に設けられた加速操作装置(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えばトラクションモータ12等の負荷装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。   The control device 4 detects an operation amount of an acceleration operation device (accelerator or the like) provided in the vehicle, receives control information such as an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a load device such as the traction motor 12), Control the operation of various devices in the system.

なお、負荷装置とは、トラクションモータ12のほかに、燃料電池10を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ24、水素ポンプ39、冷却ポンプのモータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。   In addition to the traction motor 12, the load device is an auxiliary device (for example, a compressor 24, a hydrogen pump 39, a cooling pump motor, or the like) necessary for operating the fuel cell 10, and various types of vehicles involved in traveling of the vehicle. It is a collective term for power consumption devices including actuators used in devices (transmissions, wheel control devices, steering devices, suspension devices, etc.), occupant space air conditioners (air conditioners), lighting, audio, and the like.

制御装置4は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ROMに記録された各種制御プログラムをCPUが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。   The control device 4 is configured by a computer system (not shown). Such a computer system includes a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, display, and the like, and various control operations are realized by the CPU reading and executing various control programs recorded in the ROM. It is like that.

具体的には、制御装置4は、図2に示すように、燃料電池10の運転状態(電流センサ13で検出した燃料電池10の発電時の電流値)に基づいて、燃料電池10で消費される水素ガスの量(以下「水素消費量」という)を算出する(燃料消費量算出機能:B1)。本実施形態においては、燃料電池10の電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置4の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。   Specifically, as shown in FIG. 2, the control device 4 is consumed by the fuel cell 10 based on the operating state of the fuel cell 10 (current value during power generation of the fuel cell 10 detected by the current sensor 13). The amount of hydrogen gas (hereinafter referred to as “hydrogen consumption”) is calculated (fuel consumption calculation function: B1). In the present embodiment, the hydrogen consumption is calculated and updated for each calculation cycle of the control device 4 using a specific calculation formula representing the relationship between the current value of the fuel cell 10 and the hydrogen consumption.

また、制御装置4は、燃料電池10の運転状態(電流センサ13で検出した燃料電池10の発電時の電流値)に基づいて、インジェクタ35下流位置における水素ガスの目標圧力値(燃料電池10への目標ガス供給圧)を算出する(目標圧力値算出機能:B2)。本実施形態においては、燃料電池10の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置4の演算周期毎に、二次側圧力センサ43が配置された位置(圧力調整が要求される位置である圧力調整位置)における目標圧力値を算出して更新することとしている。   Further, the control device 4 determines the target pressure value of hydrogen gas (to the fuel cell 10) at the downstream position of the injector 35 based on the operating state of the fuel cell 10 (current value at the time of power generation of the fuel cell 10 detected by the current sensor 13). Target gas supply pressure) (target pressure value calculation function: B2). In the present embodiment, a position (pressure) where the secondary pressure sensor 43 is arranged for each calculation cycle of the control device 4 using a specific map representing the relationship between the current value of the fuel cell 10 and the target pressure value. The target pressure value at the pressure adjustment position where adjustment is required is calculated and updated.

また、制御装置4は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ43で検出したインジェクタ35下流位置(圧力調整位置)の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する(フィードバック補正流量算出機能:B3)。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量(圧力差低減補正流量)である。本実施形態においては、PI制御等の目標追従型制御則を用いて、制御装置4の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。   Further, the control device 4 calculates the feedback correction flow rate based on the deviation between the calculated target pressure value and the detected pressure value at the downstream position (pressure adjustment position) of the injector 35 detected by the secondary pressure sensor 43 ( Feedback correction flow rate calculation function: B3). The feedback correction flow rate is a hydrogen gas flow rate (pressure difference reduction correction flow rate) added to the hydrogen consumption in order to reduce the deviation between the target pressure value and the detected pressure value. In the present embodiment, the feedback correction flow rate is calculated and updated every calculation cycle of the control device 4 using a target tracking control law such as PI control.

また、制御装置4は、前回算出した目標圧力値と、今回算出した目標圧力値と、の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する(フィードフォワード補正流量算出機能:B4)。フィードフォワード補正流量は、目標圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分(圧力差対応補正流量)である。本実施形態においては、目標圧力値の偏差とフィードフォワード補正流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置4の演算周期毎にフィードフォワード補正流量を算出して更新することとしている。   Moreover, the control apparatus 4 calculates the feedforward correction | amendment flow volume corresponding to the deviation of the target pressure value calculated last time and the target pressure value calculated this time (feedforward correction | amendment flow volume calculation function: B4). The feedforward correction flow rate is a change in the hydrogen gas flow rate due to the change in the target pressure value (correction flow corresponding to the pressure difference). In the present embodiment, the feedforward correction flow rate is calculated and updated every calculation cycle of the control device 4 using a specific calculation formula representing the relationship between the deviation of the target pressure value and the feedforward correction flow rate. .

また、制御装置4は、インジェクタ35の上流のガス状態(一次側圧力センサ41で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ42で検出した水素ガスの温度)に基づいてインジェクタ35の上流の静的流量を算出する(静的流量算出機能:B5)。本実施形態においては、インジェクタ35の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置4の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。   Further, the control device 4 determines the static flow rate upstream of the injector 35 based on the gas state upstream of the injector 35 (hydrogen gas pressure detected by the primary pressure sensor 41 and hydrogen gas temperature detected by the temperature sensor 42). (Static flow rate calculation function: B5). In the present embodiment, the static flow rate is calculated for each calculation cycle of the control device 4 using a specific calculation formula representing the relationship between the pressure and temperature of the hydrogen gas upstream of the injector 35 and the static flow rate. We are going to update.

また、制御装置4は、インジェクタ35の上流のガス状態(水素ガスの圧力及び温度)及び印加電圧に基づいてインジェクタ35の無効噴射時間を算出する(無効噴射時間算出機能:B6)。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ35が制御装置4から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ35の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置4の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。   Further, the control device 4 calculates the invalid injection time of the injector 35 based on the gas state upstream of the injector 35 (pressure and temperature of hydrogen gas) and the applied voltage (invalid injection time calculation function: B6). Here, the invalid injection time means the time required from when the injector 35 receives a control signal from the control device 4 until the actual injection is started. In the present embodiment, the invalid injection time is calculated for each calculation cycle of the control device 4 using a specific map representing the relationship between the pressure and temperature of the hydrogen gas upstream of the injector 35, the applied voltage, and the invalid injection time. I am going to update it.

また、制御装置4は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ35の噴射流量を算出する(噴射流量算出機能:B7)。そして、制御装置4は、インジェクタ35の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ35の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ35の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ35の総噴射時間を算出する(総噴射時間算出機能:B8)。   Further, the control device 4 calculates the injection flow rate of the injector 35 by adding the hydrogen consumption amount, the feedback correction flow rate, and the feedforward correction flow rate (injection flow rate calculation function: B7). Then, the control device 4 calculates the basic injection time of the injector 35 by multiplying the value obtained by dividing the injection flow rate of the injector 35 by the static flow rate by the drive cycle of the injector 35, and the basic injection time and the invalid injection time. Are added to calculate the total injection time of the injector 35 (total injection time calculation function: B8).

ここで、駆動周期とは、インジェクタ35の噴射孔の開閉状態を表す段状(オン・オフ)波形の周期を意味する。本実施形態においては、制御装置4により駆動周期を一定の値に設定している。   Here, the drive cycle means a stepped (on / off) waveform cycle representing the open / close state of the injection hole of the injector 35. In the present embodiment, the drive period is set to a constant value by the control device 4.

そして、制御装置4は、以上の手順を経て算出したインジェクタ35の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ35のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池10に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。   And the control apparatus 4 controls the gas injection time and gas injection timing of the injector 35 by outputting the control signal for implement | achieving the total injection time of the injector 35 computed through the above procedure, and fuel cell The flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to 10 are adjusted.

燃料電池システム1の通常運転時においては、水素タンク30から水素ガスが水素供給流路31を介して燃料電池10の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路21を介して燃料電池10の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池10から引き出すべき電力(要求電力)が制御装置4で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池10内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時において燃料電池10に供給される水素ガスの圧力を高精度に制御する。   During normal operation of the fuel cell system 1, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 30 to the fuel electrode of the fuel cell 10 through the hydrogen supply channel 31, and the air that has been subjected to humidification adjustment passes through the air supply channel 21. Then, power is generated by being supplied to the oxidation electrode of the fuel cell 10. At this time, the power (required power) to be drawn from the fuel cell 10 is calculated by the control device 4, and hydrogen gas and air in an amount corresponding to the amount of power generation are supplied into the fuel cell 10. In the present embodiment, the pressure of hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 during such normal operation is controlled with high accuracy.

ところで、燃料電池システム1の運転時は、出力要求に応じてインジェクタ35が通電制御されているため、通電によるソレノイド69の発熱によって弁座61が加熱されている。したがって、弁座61が所定温度以上に加熱された状態のままで、システムを停止させてインジェクタ35を閉弁させると、シリンダ54の内壁に当接した弁座61がその後の自然な温度低下に伴い貼り付いて(固着して)しまう。   By the way, during operation of the fuel cell system 1, since the injector 35 is energized and controlled according to the output request, the valve seat 61 is heated by the heat generated by the solenoid 69 due to energization. Therefore, if the valve seat 61 is heated to a predetermined temperature or higher and the system is stopped and the injector 35 is closed, the valve seat 61 in contact with the inner wall of the cylinder 54 is reduced to a subsequent natural temperature drop. It sticks together (adheres).

かかる場合には、次回のシステム起動時におけるインジェクタ35の開弁に必要な力が増加するので、弁体65の動作が安定しないばかりか、弁体65を駆動させることができなくなる(開弁不能になる)こともある。このような現象は、次回のシステム起動時が低温環境下(例えば、氷点下)である場合に特に顕著となる。   In such a case, since the force required to open the injector 35 at the next system startup increases, the operation of the valve body 65 is not stable, and the valve body 65 cannot be driven (cannot be opened). Sometimes). Such a phenomenon becomes particularly prominent when the next system startup is in a low temperature environment (for example, below freezing point).

そこで、本実施形態の制御装置4は、燃料電池システム1の停止時に、インジェクタ35内の弁座61を冷却(例えば、システム運転時よりも低い温度まで冷却)することにより、上記貼り付き(固着)を抑制するようにしている。つまり、本実施形態の制御装置4は、遮断弁33及びインジェクタ35の開閉動作を制御することにより、システム停止時にインジェクタ35内の弁座61を冷却する、本発明に係る冷却機構の一実施形態を構成している。   Therefore, when the fuel cell system 1 is stopped, the control device 4 of the present embodiment cools the valve seat 61 in the injector 35 (for example, cools to a temperature lower than that during system operation), thereby sticking (adhering) ). That is, the control device 4 according to the present embodiment controls the opening / closing operation of the shutoff valve 33 and the injector 35 to cool the valve seat 61 in the injector 35 when the system is stopped. Is configured.

具体的には、制御装置4は、例えばイグニッションOFF等のシステム停止命令を受けると、遮断弁33を閉弁すると共に、ソレノイド69への通電を停止してインジェクタ35をも閉弁する。そして、温度センサ42の検出温度が所定温度以上である場合には、燃料電池10への水素ガス供給を遮断した状態で燃料電池10に発電させる減圧処理(所定の停止処理)を行いながら、所定の遅延時間経過を待つ。この減圧処理中、遮断弁33からインジェクタ35までの間に滞留する水素ガスは自然冷却される。   Specifically, when receiving a system stop command such as ignition OFF, for example, the control device 4 closes the shut-off valve 33, stops energization of the solenoid 69, and closes the injector 35 as well. When the temperature detected by the temperature sensor 42 is equal to or higher than a predetermined temperature, the pressure is reduced while the supply of hydrogen gas to the fuel cell 10 is cut off, and the pressure reduction processing (predetermined stop processing) is performed while the fuel cell 10 generates power. Wait for the delay time. During this decompression process, the hydrogen gas staying between the shutoff valve 33 and the injector 35 is naturally cooled.

減圧処理が終了したら、ソレノイド69への通電を開始してインジェクタ35を開弁する。すると、遮断弁33からインジェクタ35までの間の水素ガスがインジェクタ35に流入し、図4の矢印で示すように、水素ガスがインジェクタ35内を流れる過程で、インジェクタ35の弁座61が冷却される。その後、ソレノイド69への通電を停止してインジェクタ35を閉弁し、燃料電池システム1を停止させる。   When the decompression process is completed, energization of the solenoid 69 is started and the injector 35 is opened. Then, hydrogen gas between the shutoff valve 33 and the injector 35 flows into the injector 35, and the valve seat 61 of the injector 35 is cooled in the process in which the hydrogen gas flows through the injector 35 as shown by the arrows in FIG. The Thereafter, energization of the solenoid 69 is stopped, the injector 35 is closed, and the fuel cell system 1 is stopped.

以上説明したとおり、弁座61が所定の温度以上に加熱された状態のまま弁体65が閉弁して低温環境下に曝されると、弁座61がシリンダ54に貼り付いて(固着して)開弁に必要な力が過度に増大してしまう虞があるところ、本実施形態によれば、システム停止時のインジェクタ閉弁前に予め弁座61を冷却しているので、システム停止中における弁座61とシリンダ54との貼り付き(固着)が抑制される。よって、次回システム起動時にインジェクタ35が開弁不能となることを抑制することができる。   As described above, when the valve element 65 is closed and exposed to a low temperature environment while the valve seat 61 is heated to a predetermined temperature or higher, the valve seat 61 is attached to (adhered to) the cylinder 54. According to the present embodiment, the valve seat 61 is cooled in advance before closing the injector when the system is stopped, so that the force required for opening the valve may increase excessively. The sticking (adhesion) between the valve seat 61 and the cylinder 54 is suppressed. Therefore, it is possible to prevent the injector 35 from becoming unopenable at the next system startup.

また、本実施形態の燃料電池システム1によれば、燃料電池10の運転状態(燃料電池の発電量(電力、電流、電圧)、燃料電池10の温度、燃料電池システム1の異常状態、燃料電池本体の異常状態等)に応じてインジェクタ35の作動状態(インジェクタ35の弁体65の開度(ガスの通過面積)、インジェクタ35の弁体65の開放時間(ガスの噴射時間)等)を設定することができる。   Further, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, the operating state of the fuel cell 10 (power generation amount (power, current, voltage) of the fuel cell, the temperature of the fuel cell 10, the abnormal state of the fuel cell system 1, the fuel cell) The operating state of the injector 35 (opening of the valve body 65 of the injector 35 (gas passage area), opening time of the valve body 65 of the injector 35 (gas injection time), etc.) is set according to the abnormal state of the main body) can do.

従って、燃料電池10の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。さらに、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ35を採用しているため、高精度な調圧(燃料電池10への水素ガスの供給圧力の調整)が可能となる。   Therefore, the supply pressure of the fuel gas can be appropriately changed according to the operating state of the fuel cell 10, and the responsiveness can be improved. Furthermore, since the injector 35 is employed as the hydrogen gas flow rate adjustment valve and the adjustable pressure control valve, highly accurate pressure adjustment (adjustment of the hydrogen gas supply pressure to the fuel cell 10) is possible.

すなわち、インジェクタ35は、燃料電池10の運転状態に応じた制御装置4からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ35は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。   That is, since the injector 35 can receive the control signal from the control device 4 according to the operating state of the fuel cell 10 and adjust the injection time and injection timing of the hydrogen gas, the conventional mechanical adjustable pressure valve The pressure adjustment can be performed more quickly and accurately. In addition, the injector 35 is smaller, lighter, and less expensive than a conventional mechanically adjustable pressure valve, so that the entire system can be reduced in size and cost.

上記した実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り、各種構成部品を適宜設計することができる。また、後述する他の実施形態を適宜組み合わせて適用してもよい。   The above-described embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited to this. Various components can be appropriately designed without departing from the gist of the present invention. Moreover, you may apply combining suitably other embodiment mentioned later.

例えば、インジェクタ35のソレノイド69に対する通電開始のタイミングは、システム停止命令(例えば、イグニッションOFFの指令)を受けてから予め決められた所定の遅延時間経過後に行うようにしてもよい。使用中の水素タンク30が急速充填後である場合等、インジェクタ35内に導入されて弁座61の冷却に供される水素ガスが所定温度以上の高温の場合においては、例えば図5に示すように、何ら遅延させずにインジェクタ35を開弁したときは、弁座61の温度が十分に低くならず、シリンダ54への貼り付き(固着)力は低下しない。   For example, the timing of starting energization of the solenoid 69 of the injector 35 may be performed after a predetermined delay time elapses after receiving a system stop command (for example, an ignition OFF command). When the hydrogen tank 30 being used is after rapid filling, etc., when the hydrogen gas introduced into the injector 35 and used for cooling the valve seat 61 is at a high temperature that is equal to or higher than a predetermined temperature, for example, as shown in FIG. In addition, when the injector 35 is opened without any delay, the temperature of the valve seat 61 is not sufficiently lowered, and the sticking (fixing) force to the cylinder 54 does not decrease.

一方、水素タンク30内のガス温度は、図6に示すように、水素ガス充填後の時間が経過するほど低温となるため、所定の遅延時間経過後に自然冷却された水素ガスを弁座61の冷却に用いることで、弁座61の貼り付き(固着)を抑えることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 6, the gas temperature in the hydrogen tank 30 becomes lower as the time after filling with the hydrogen gas elapses, so that the naturally cooled hydrogen gas after the predetermined delay time elapses in the valve seat 61. By using for cooling, sticking (adhesion) of the valve seat 61 can be suppressed.

また、制御装置4は、インジェクタ35の一次圧(上流側圧力)に応じて、該インジェクタ35の開弁に必要な突入電流、つまり、弁体65の開方向への移動に必要なソレノイド69への通電電流を運転時の突入電流よりも低く変更してもよい。   Further, the control device 4 responds to the primary pressure (upstream pressure) of the injector 35 to the inrush current necessary for opening the injector 35, that is, to the solenoid 69 necessary for moving the valve element 65 in the opening direction. The energizing current may be changed to be lower than the inrush current during operation.

インジェクタ35を開弁する際には、ソレノイド69に流れる突入電流によってソレノイド69が発熱して水素ガスが加熱されるので、必要な冷却温度が得られない場合がある。このため、突入電流をできるだけ小さくすることで、水素ガスが暖められる度合いを抑えることができる。   When the injector 35 is opened, the solenoid 69 generates heat due to the inrush current flowing through the solenoid 69 and the hydrogen gas is heated, so that a necessary cooling temperature may not be obtained. For this reason, the degree by which hydrogen gas is warmed can be suppressed by making the inrush current as small as possible.

また、図7に示すように、インジェクタ35の一次圧(上流側圧力)が小さいほど、開弁に必要な電流値は小さくてよいので、開弁に必要な最小限の電流値をソレノイド69に与えてインジェクタ35の開弁を行うようにしてもよい。特に、システム停止時は水素供給流路31の圧力が低いため、インジェクタ35の一次圧は小さく、開弁に必要な電流値も小さくてよい。   Further, as shown in FIG. 7, the smaller the primary pressure (upstream pressure) of the injector 35, the smaller the current value necessary for opening the valve, so the minimum current value necessary for opening the valve is given to the solenoid 69. The injector 35 may be opened by giving it. In particular, when the system is stopped, since the pressure of the hydrogen supply flow path 31 is low, the primary pressure of the injector 35 is small, and the current value required for opening the valve may be small.

したがって、システム停止時に一度閉弁させたインジェクタ35を開弁する際の突入電流を運転時の突入電流よりも低くすることにより、弁座61の冷却に供される水素ガスを過度に加熱することがなくなり、その結果、当該水素ガスによる弁座61の冷却を効果的に行うことができる。   Therefore, excessively heating the hydrogen gas used for cooling the valve seat 61 by lowering the inrush current when opening the injector 35 once closed when the system is stopped to be lower than the inrush current during operation. As a result, the valve seat 61 can be effectively cooled by the hydrogen gas.

また、制御装置4は、インジェクタ35の開弁状態の保持に必要な保持電流(以下、必要保持電流)、つまり、一度開方向端まで移動した弁体65をその位置に保持するのに必要なソレノイド69への通電電流を運転時の必要保持電流よりも低く変更してもよい。   Further, the control device 4 is required to hold the holding current necessary for holding the injector 35 in the valve open state (hereinafter referred to as “necessary holding current”), that is, the valve element 65 that has once moved to the end in the opening direction. The energization current to the solenoid 69 may be changed to be lower than the necessary holding current during operation.

車両用燃料電池システムにおいては、車両(移動体)の走行に伴う加減速や振動を考慮してインジェクタ35の必要保持電流を冗長に設定している。例えば図8に示すように、走行時には振動G(振動加速度)が大きいため、インジェクタ35を開弁させるための必要保持電流もこれに対応させて冗長性を持たせておく必要があるのに対し(同図の設計点)、システム停止時には車両は停止しているため、走行時のような振動Gを考慮する必要はない。   In the vehicular fuel cell system, the required holding current of the injector 35 is set redundantly in consideration of acceleration / deceleration and vibration associated with traveling of the vehicle (moving body). For example, as shown in FIG. 8, since vibration G (vibration acceleration) is large during traveling, the necessary holding current for opening the injector 35 needs to have redundancy corresponding thereto. (Design point in the figure) Since the vehicle is stopped when the system is stopped, it is not necessary to consider the vibration G as when traveling.

したがって、制御装置4は、振動がないものとしてシステム停止時の必要保持電流を走行時の必要保持電流よりも低く設定することで、必要保持電流の冗長性を低減する。これにより、ソレノイド69の発熱を抑制し、弁座61の冷却に供される水素ガスが暖められる度合いを抑えることができるので、当該水素ガスによる弁座61の冷却を効果的に行うことができる。   Therefore, the control device 4 reduces the redundancy of the required holding current by setting the required holding current when the system is stopped to be lower than the required holding current when traveling, assuming that there is no vibration. Thereby, the heat generation of the solenoid 69 can be suppressed and the degree to which the hydrogen gas used for cooling the valve seat 61 is warmed can be suppressed, so that the valve seat 61 can be effectively cooled by the hydrogen gas. .

また、図1の破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク30を備えた燃料電池システム1においては、システム停止時に以下のようにしてインジェクタ35内の弁座61を冷却することができる。   Further, as shown by a broken line in FIG. 1, in the fuel cell system 1 provided with a plurality of hydrogen tanks 30 as a fuel supply source, the valve seat 61 in the injector 35 can be cooled as follows when the system is stopped. it can.

すなわち、制御装置4は、閉弁状態にあるインジェクタ35を、弁座61を冷却するために開弁する際に、各水素タンク30の温度を検出し、検出温度が最も低い水素タンク30の遮断弁33を選択的に開く。これにより、温度がより低い水素ガスを用いてインジェクタ35を冷却することができるようになる。なお、水素タンク30の温度は、タンク内の温度センサを用いて検出してもよいし、各水素タンク30の使用履歴から推定してもよい。   That is, the control device 4 detects the temperature of each hydrogen tank 30 when the injector 35 in the closed state is opened to cool the valve seat 61, and shuts off the hydrogen tank 30 with the lowest detected temperature. The valve 33 is selectively opened. As a result, the injector 35 can be cooled using hydrogen gas having a lower temperature. The temperature of the hydrogen tank 30 may be detected using a temperature sensor in the tank, or may be estimated from the usage history of each hydrogen tank 30.

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用してもよい。   Further, in each of the above embodiments, the example in which the fuel cell system according to the present invention is mounted on the fuel cell vehicle has been shown. However, the present invention is applied to various moving bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. Such a fuel cell system can also be mounted. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図1に示した燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。It is a control block diagram for demonstrating the control aspect of the control apparatus of the fuel cell system shown in FIG. 図1に示した燃料電池システムに用いられるインジェクタの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the injector used for the fuel cell system shown in FIG. 水素ガスによりインジェクタ内の弁座が冷却される過程について示した説明図である。It is explanatory drawing shown about the process in which the valve seat in an injector is cooled by hydrogen gas. インジェクタ内の弁座温度とシリンダへの貼り付き(固着)力との関係について示した図である。It is the figure shown about the relationship between the valve-seat temperature in an injector, and the sticking (adhesion) force to a cylinder. 水素ガス温度の経時変化について示した図である。It is the figure shown about the time-dependent change of hydrogen gas temperature. インジェクタの一次圧と開弁可能な電流値との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the primary pressure of an injector, and the electric current value which can be opened. インジェクタの開弁保持に必要な必要保持電流と、車両の振動との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the required holding current required for valve opening holding | maintenance of an injector, and the vibration of a vehicle.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム、3…水素ガス配管系(燃料供給系)、4…制御装置(冷却機構)、10…燃料電池、31…水素供給流路、35…インジェクタ、41…一次側圧力センサ、53…内部流路、61…弁座(弁部品)、65…弁体、69…ソレノイド(弁体駆動部)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 3 ... Hydrogen gas piping system (fuel supply system), 4 ... Control apparatus (cooling mechanism), 10 ... Fuel cell, 31 ... Hydrogen supply flow path, 35 ... Injector, 41 ... Primary pressure sensor, 53 ... Internal flow path, 61 ... Valve seat (valve part), 65 ... Valve body, 69 ... Solenoid (valve body drive part)

Claims (9)

燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給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、
システム停止時に前記インジェクタ内の弁部品を冷却する冷却機構を備える燃料電池システム。
In a fuel cell system comprising a fuel cell, a fuel supply system for supplying fuel gas to the fuel cell, and an injector for adjusting the gas state on the upstream side of the fuel supply system and supplying the fuel state to the downstream side,
A fuel cell system comprising a cooling mechanism for cooling valve components in the injector when the system is stopped.
請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却機構は、システム停止時に供給ガスにより前記インジェクタ内の弁部品を冷却する燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The cooling mechanism is a fuel cell system that cools valve components in the injector with a supply gas when the system is stopped.
請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給ガスは、前記燃料供給系に接続された燃料供給源から供給される燃料ガスである燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell system, wherein the supply gas is a fuel gas supplied from a fuel supply source connected to the fuel supply system.
請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却機構は、システム停止時の前記インジェクタの上流側における前記燃料ガスの温度が所定温度以上の場合には、前記インジェクタを閉弁し、所定の停止処理後に前記インジェクタを開弁して前記燃料ガスを当該インジェクタに導入する燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3, wherein
The cooling mechanism closes the injector when the temperature of the fuel gas upstream of the injector when the system is stopped is equal to or higher than a predetermined temperature, and opens the injector after a predetermined stop process to open the fuel A fuel cell system that introduces gas into the injector.
請求項3又は4に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料供給源を複数備え、
前記供給ガスは、複数の前記燃料供給源の中で、より低温の燃料供給源から供給される燃料ガスである燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3 or 4,
A plurality of the fuel supply sources;
The fuel cell system, wherein the supply gas is a fuel gas supplied from a lower temperature fuel supply source among the plurality of fuel supply sources.
請求項3乃至5のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタは、その上流側と下流側とを連通する内部流路と、該内部流路内を移動可能に配置されその流路の開閉状態を変更する弁体と、通電により前記弁体を駆動する弁体駆動部と、を備えてなり、
前記冷却機構は、前記弁体の開方向の移動に必要な前記弁体駆動部への通電電流を前記インジェクタの上流側圧力に応じて変更する燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 3 to 5,
The injector is configured to drive an internal flow path that communicates between the upstream side and the downstream side, a valve body that is movably disposed in the internal flow path and changes the open / closed state of the flow path, and drives the valve body by energization. A valve body drive unit that
The said cooling mechanism is a fuel cell system which changes the electricity supply current to the said valve body drive part required for the movement of the opening direction of the said valve body according to the upstream pressure of the said injector.
請求項3乃至6のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタは、その上流側と下流側とを連通する内部流路と、該内部流路内を移動可能に配置されその流路の開閉状態を変更する弁体と、通電により前記弁体を駆動する弁体駆動部と、を備えてなり、
前記冷却機構は、前記弁体の開状態の保持に必要な前記弁体駆動部への通電電流をシステム状態に応じて変更する燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 3 to 6,
The injector is configured to drive an internal flow path that communicates between the upstream side and the downstream side, a valve body that is movably disposed in the internal flow path and changes the open / closed state of the flow path, and drives the valve body by energization. A valve body drive unit that
The said cooling mechanism is a fuel cell system which changes the energization current to the said valve body drive part required for hold | maintaining the open state of the said valve body according to a system state.
請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池において、
前記冷却機構は、システム停止指令を受けてから予め決められた所定の遅延時間経過後に前記インジェクタの開弁を行う燃料電池システム。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The cooling mechanism is a fuel cell system that opens the injector when a predetermined delay time elapses after receiving a system stop command.
燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、を備えた燃料電池システムの停止方法において、
システム停止時に前記インジェクタ内の弁部品を冷却する工程を備える燃料電池システムの停止方法。
Stopping a fuel cell system comprising: a fuel cell; a fuel supply system for supplying fuel gas to the fuel cell; and an injector for adjusting a gas state upstream of the fuel supply system and supplying the fuel to a downstream side In the method
A method of stopping a fuel cell system comprising a step of cooling valve components in the injector when the system is stopped.
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