JP2008248851A - Flow rate control method and device for pump device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池発電装置における燃料処理装置へ改質用の原料を昇圧して供給するためのポンプや、上記燃料処理装置のCO選択酸化反応器へ空気を供給するためのポンプとして用いるポンプ装置の流量を最適に制御できるようにするためのポンプ装置の流量制御方法及び装置に関するものである。 The present invention is a pump used as a pump for boosting and supplying a reforming raw material to a fuel processing device in a fuel cell power generator, and a pump for supplying air to a CO selective oxidation reactor of the fuel processing device. The present invention relates to a flow rate control method and device for a pump device for enabling the flow rate of the device to be optimally controlled.
燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池(PEFC)は、100℃以下という低温で発電が行なわれ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。 A fuel cell is expected to be an effective power generation device because it has higher thermal efficiency and less environmental pollution than other power generation methods using fuel. In particular, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) generates power at a low temperature of 100 ° C. or less, and has a high output density. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be downsized as compared with other types of fuel cells and can be easily started. In recent years, it has come to be used as a power generator for small-scale business use or home use.
上記固体高分子型燃料電池を用いた発電装置(PEFC発電装置)の一般的な構成は、以下のようにしてある。すなわち、図6に示す如く、電解質としてフッ素系のイオン交換膜が用いられている固体高分子電解質膜の両面をカソード(空気極)2とアノード(燃料極)3の両ガス拡散電極で挟持させてなるセルを、セパレータ(図示せず)を介し積層してスタックとしてなる構成として固体高分子型燃料電池1を形成する。上記固体高分子型燃料電池1におけるアノード3の入口側には、改質器5、低温シフトコンバータ6、CO選択酸化反応器(CO除去器)7を順に備えてなる燃料処理装置4と、加湿器8を設けている。これにより、燃料供給部より供給される都市ガス(天然ガス)やLPG等の改質用の原料(原燃料)9を、脱硫器10にて脱硫した後、原料予熱器(原燃料気化器)11にて予熱してから、水蒸発器12より導かれる水蒸気13と共に上記燃料処理装置4へ供給して、該燃料処理装置4の改質器5にておよそ700℃前後に加熱して水蒸気改質を行わせるようにしてある。得られる改質ガス(燃料ガス)14は、低温シフトコンバータ6に導いておよそ250℃前後まで温度低下させてシフト反応させ、更に、上記CO選択酸化反応器7にておよそ150℃前後まで温度低下させてCO除去処理するようにしてある。
しかる後、上記燃料処理装置4より送出される改質ガス14が、加湿器8にて加湿された後、上記固体高分子型燃料電池1のアノード3へ供給されるようにしてある。一方、上記カソード2の入口側には、酸化ガスとして空気15が、空気ブロワ16で加圧された後、上記加湿器8を経てから供給されるようにしてある。
A general configuration of a power generation device (PEFC power generation device) using the polymer electrolyte fuel cell is as follows. That is, as shown in FIG. 6, both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane in which a fluorine-based ion exchange membrane is used as an electrolyte are sandwiched between both cathode (air electrode) 2 and anode (fuel electrode) 3 gas diffusion electrodes. The polymer
Thereafter, the reformed
かかる構成としてあることにより、上記固体高分子型燃料電池1にて、アノード3側に供給される改質ガス14中の水素と、カソード2側に供給される空気15中の酸素とを電気化学反応(燃料電池反応)させて、この際発生する起電力を取り出すようにしてある。
With this configuration, in the polymer
上記固体高分子型燃料電池1による燃料電池反応の後、アノード3の出口より排出されるアノードオフガス17には未反応の水素が残存している。そのために、上記アノードオフガス17は、上記燃料処理装置4の改質器5に付設された図示しないバーナへ導いて燃焼させて、上記改質器5の改質室にて吸熱反応である水蒸気改質反応を進行させるための熱源として利用するようにしてある。
After the fuel cell reaction by the polymer
更に、上記アノードオフガス17の発熱量が小さいことに鑑みて、上記燃料処理装置4のバーナには、燃料供給部より供給される都市ガスやLPG等の原料9の一部を追焚き燃料9aとして供給して燃焼させることにより、上記燃料処理装置4を運転して改質器5にて原料9の水蒸気改質を行わせる際に、上記アノードオフガス17の発熱量のみでは不足する熱量を補うようにしてある。18は固体高分子型燃料電池1における冷却部である(たとえば、特許文献1参照)。
Further, in view of the small calorific value of the anode off-
ところで、上記固体高分子型燃料電池発電装置における燃料処理装置4の改質器5へ都市ガスやLPG等の改質用の原料9を供給する場合には、改質器5における改質室中には触媒が密に充填されているために、上記原料9を燃料昇圧ポンプにて所要の圧力に加圧してから上記燃料処理装置4へ送るようにしてある。
By the way, when the
更に、上記燃料昇圧ポンプには、上記固体高分子型燃料電池発電装置における固体高分子型燃料電池1の出力の制御等に関連して、上記燃料処理装置4へ供給する原料9の最小流量を、定格流量の10%程度の低流量に設定しても安定して制御できるような非常に大きいターンダウン比が要求される。
Further, the fuel boost pump has a minimum flow rate of the
又、上記燃料電池発電装置における燃料処理装置4のCO選択酸化反応器7には、水素過剰となっている改質ガス14中のCOを選択的に酸化させるために酸素を供給する必要があり、この酸素の供給源として、空気ポンプを用いて空気を所要圧力に加圧して供給するようにしてある。上記CO選択酸化反応器7用の空気ポンプには、上記固体高分子型燃料電池1の出力制御に関連して、最小流量を定格流量の50%程度に設定できるようなターンダウン比が要求されると共に、高圧条件の下で正確な流量制御を行えるようにすることが要求されている。
In addition, it is necessary to supply oxygen to the CO selective oxidation reactor 7 of the
なお、所要容量のポンプを複数台並列接続してなる構成を備えた装置において、要求される負荷(ポンプ流量)の増減に応じて、上記並列接続されている複数台のポンプのうちの稼動させるポンプの台数を適宜増減させることで、稼動中のポンプの流量の総和により上記要求される負荷に応じた流量を得ることができるようにする手法が従来提案されている(たとえば、特許文献2、特許文献3参照)。
In addition, in an apparatus having a configuration in which a plurality of pumps having a required capacity are connected in parallel, the pump is operated among the plurality of pumps connected in parallel according to an increase or decrease in required load (pump flow rate). Conventionally, a technique has been proposed in which the flow rate according to the required load can be obtained from the total flow rate of the pumps in operation by appropriately increasing or decreasing the number of pumps (for example,
ところが、一般に、ポンプは定格出力の30〜35%以下では安定した流量制御を行うことが困難である。又、一般に、ポンプの起動時には、該ポンプの出力を徐々に高めて行くと、ある時点で流量0の状態から所要流量まで急に流量が立ち上がる傾向があり、一方、ポンプの停止時には、上記ポンプの起動時とは逆に、ポンプの出力を徐々に減じて行くと、ある程度まで出力が絞られた時点で所要流量から流量0に流量が急に低下するという傾向がある。そのため、ポンプの流量を、流量0付近で連続的に増減させることは難しい。
However, in general, it is difficult for the pump to perform stable flow control at 30 to 35% or less of the rated output. In general, when the pump output is gradually increased at the time of starting the pump, the flow rate tends to suddenly rise from the state of zero flow rate to the required flow rate at a certain point in time. On the contrary, when the output of the pump is gradually reduced, the flow rate suddenly decreases from the required flow rate to the
そのために、上述した燃料電池発電装置における燃料処理装置4へ原料9を供給する燃料昇圧ポンプに求められるような、定格流量の10%程度の低流量にも設定可能となる非常に大きなターンダウン比を、単一のポンプで得ることは困難である。
Therefore, a very large turndown ratio that can be set to a low flow rate of about 10% of the rated flow rate as required for a fuel booster pump that supplies the
又、上記特許文献2に示されているように、複数台のポンプを並列接続してなる構成を備えた装置にて、要求される負荷の増減に応じて稼動させるポンプの台数を適宜増減させるようにすれば、ポンプを1台のみ運転して得られる流量から、すべてのポンプを運転するときの流量の総和として得られる流量まで変化させることができて、非常に大きいターンダウン比を達成することが可能になると考えられる。しかし、上記並列接続されている個々のポンプごとには、上記したような各ポンプの定格出力の30〜35%以下では安定した流量制御を行うことが困難であるという問題や、起動時及び停止時には急な流量変化が生じ易いという問題がある。そのため、要求される負荷の増加に応じて未稼働のポンプを新たに起動させるときには、該新たに起動されるポンプの出力が所要流量まで急に立ち上がることで、流量の総和が急に変化する虞が懸念される。又、上記新たに起動したポンプの出力が、該ポンプ自体の定格出力の30〜35%以下となっている間は、上記新たに起動したポンプの流量の制御が不安定となることに伴って、流量の総和の制御も不安定化される虞がある。一方、要求される負荷の減少に応じて稼働中のポンプのうちの1台のポンプを停止させるときには、該停止させるべきポンプの出力がある程度絞られた時点で該ポンプの流量が所要流量から流量0まで急に低下されるようになることに伴って、流量の総和も急に変化する虞が懸念される。又、上記ポンプの出力が絞られて該ポンプの定格出力の30〜35%以下の領域となると、流量制御の不安定化が生じるようになるため、流量の総和の制御も不安定化される虞が生じる。
Further, as shown in
なお、特許文献3に記載されたものは、並列接続された複数台のポンプの運転を制御して流量の総和を制御するときに、個々のポンプの吐出量と実揚程と使用電力との関係を予め調べておき、ポンプ全体に要求される揚程や流量を達成するときに、使用電力の総和が最小となるように稼動させるポンプの台数や個々のポンプの出力の組み合わせを決定するようにしたもので、個々のポンプの起動や停止時に生じる流量の急な変化の影響を受けて流量の総和が急に変化する虞が生じるという問題点を解消できるようにしたり、あるポンプの出力が該ポンプの定格出力の30〜35%以下となっていて安定した流量の制御が行えなくなることに起因して、流量の総和の制御が不安定化されるという問題点を解消させる考えについてはなんら示されていない。
In addition, what was described in
そこで、本発明は、要求される負荷に比して定格の小さいポンプを複数台並列接続してなる構成のポンプ装置を用いて、上記要求される負荷の増減に応じた最適な流量制御を行うことができるようにし、更に、上記要求される負荷の増減に応じて一部のポンプを起動させたり、停止させるときにも流量の総和の急な変化や、流量の総和の制御の不安定性が生じる虞を解消できるポンプ装置の流量制御方法及び装置を提供しようとするものである。 Therefore, the present invention performs optimal flow rate control according to increase / decrease in the required load, using a pump device configured by connecting a plurality of pumps having a smaller rating than the required load in parallel. In addition, even when some pumps are started or stopped according to the increase or decrease in the required load, there is a sudden change in the total flow rate or instability in the control of the total flow rate. It is an object of the present invention to provide a flow rate control method and apparatus for a pump device that can eliminate the possibility of occurrence.
本発明は、上記課題を解決するために、複数台のポンプを並列接続してなり、且つ、要求される負荷の増減に応じて上記各ポンプの稼働台数と稼働中のポンプの出力を適宜増減させるようにしてあるポンプ装置にて、要求される負荷の増加に応じて既に稼動しているポンプに加えて新たなポンプを起動させるときに、該新たに起動させるポンプを、該ポンプにおける安定した流量制御が可能な出力領域となる所要出力で立ち上がるよう起動させ、同時に、上記既に稼働中のポンプの出力を、上記新たに起動させるポンプで立ち上がる出力に相当する分低減させるようにするポンプ装置の流量制御方法、及び、複数台のポンプを並列接続してなるポンプ装置と、制御器とを備え、該制御器を、要求される負荷の増減に応じて上記ポンプ装置における各ポンプの稼働台数と稼働中のポンプの出力を適宜増減させ、且つ要求される負荷の増加に応じて既に稼動しているポンプに加えて新たなポンプを起動させるときに、該新たに起動させるポンプを、該ポンプにおける安定した流量制御が可能な出力領域となる所要出力で立ち上がるよう起動させ、同時に、上記既に稼働中のポンプの出力を、上記新たに起動させるポンプで立ち上がる出力に相当する分低減させるよう指令を発するような機能を備えた構成としてなるポンプ装置の流量制御装置とする。 In order to solve the above problems, the present invention comprises a plurality of pumps connected in parallel, and the number of operating pumps and the output of the operating pumps are appropriately increased or decreased according to the required increase or decrease of the load. When a new pump is started in addition to a pump that is already operating in response to an increase in the required load in a certain pump device, the newly started pump is stabilized in the pump. A pump device that is activated to start up at a required output that is an output region in which flow rate control is possible, and at the same time, the output of the pump that is already in operation is reduced by an amount corresponding to the output that is started up by the newly started pump. A flow rate control method, a pump device in which a plurality of pumps are connected in parallel, and a controller are provided, and the controller is connected to the pump device according to a required increase or decrease in load. When the number of pumps in operation and the output of the pumps in operation are increased or decreased as appropriate, and when a new pump is started in addition to the pump that is already in operation in response to an increase in the required load, The pump to be started is started to start up at a required output that is an output region in which stable flow rate control is possible in the pump, and at the same time, the output of the pump that is already in operation corresponds to the output that is started up by the pump that is newly started The flow rate control device of the pump device is configured to have a function of issuing a command to reduce the amount.
又、オン・オフ制御型のポンプと、可変流量型のポンプとを並列接続してなるポンプ装置にて、上記オン・オフ制御型のポンプを常時稼動させると共に、要求される負荷と、上記オン・オフ制御型のポンプの稼動により得られる流量との差分に応じて上記可変流量型のポンプの出力を制御するようにするポンプ装置の流量制御方法、及び、オン・オフ制御型のポンプと可変流量型のポンプとを並列接続してなるポンプ装置と、制御器とを備え、制御器を、上記オン・オフ制御型のポンプを常時稼動させると共に、要求される負荷と、上記オン・オフ制御型のポンプの稼動により得られる流量との差分に応じて上記可変流量型のポンプの出力を制御する機能を備えた構成としてなるポンプ装置の流量制御装置とする。 In addition, in the pump device in which the on / off control type pump and the variable flow rate type pump are connected in parallel, the on / off control type pump is always operated, the required load, and the on / off control type. A flow rate control method for the pump device that controls the output of the variable flow rate pump according to the difference from the flow rate obtained by the operation of the off control type pump, and a variable with the on / off control type pump A pump apparatus comprising a flow rate type pump connected in parallel and a controller are provided. The controller is always operated with the on / off control type pump, the required load, and the on / off control. The flow rate control device of the pump device is configured to have a function of controlling the output of the variable flow rate type pump according to the difference from the flow rate obtained by the operation of the type pump.
本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)複数台のポンプを並列接続してなり、且つ、要求される負荷の増減に応じて上記各ポンプの稼働台数と稼働中のポンプの出力を適宜増減させるようにしてあるポンプ装置にて、要求される負荷の増加に応じて既に稼動しているポンプに加えて新たなポンプを起動させるときに、該新たに起動させるポンプを、該ポンプにおける安定した流量制御が可能な出力領域となる所要出力で立ち上がるよう起動させ、同時に、上記既に稼働中のポンプの出力を、上記新たに起動させるポンプで立ち上がる出力に相当する分低減させるようにするポンプ装置の流量制御方法及び装置としてあるので、上記新たに起動させるポンプによる出力の増加分を、上記既に稼動されているポンプの出力の低減分により吸収させることができる。このため、ポンプを新たに起動させる時点の前後でポンプ装置全体での流量が急に変化する虞を未然に防止できる。又、上記新たに起動させるポンプは、安定した流量の制御が可能な出力で立ち上げるようにしてあるため、ポンプを新たに起動させるときに流量の制御が不安定化する虞も未然に防止できる。したがって、ポンプ装置全体では、要求される負荷の変化に応じてスムーズに流量を変化させることが可能となる。
(2)ターンダウン比の小さいポンプを複数組み合わせることにより、全体として非常に大きなターンダウン比を得ることが可能なポンプ装置を構築することが可能となる。
(3)オン・オフ制御型のポンプと、可変流量型のポンプとを並列接続してなるポンプ装置にて、上記オン・オフ制御型のポンプを常時稼動させると共に、要求される負荷と、上記オン・オフ制御型のポンプの稼動により得られる流量との差分に応じて上記可変流量型のポンプの出力を制御するようにするポンプ装置の流量制御方法及び装置とすることにより、要求される負荷に比して一台では流量が足りない可変流量型のポンプに、所要の出力のオン・オフ制御型のポンプを組み合わせてなる形式のポンプ装置にて、上記要求される負荷を満たすように流量を制御することが可能になる。
According to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) In a pump device in which a plurality of pumps are connected in parallel, and the number of operating pumps and the output of the operating pumps are appropriately increased or decreased according to the increase or decrease in required load. When a new pump is started in addition to a pump that is already in operation in response to an increase in required load, the newly started pump becomes an output region in which stable flow control in the pump is possible Since it is activated to start up with the required output, and at the same time, it is a flow rate control method and apparatus for a pump device that reduces the output of the pump that is already in operation by an amount corresponding to the output that starts up with the newly activated pump. The increase in output by the newly activated pump can be absorbed by the decrease in the output of the pump that is already in operation. For this reason, it is possible to prevent the risk that the flow rate in the entire pump device suddenly changes before and after the time when the pump is newly started. In addition, since the pump to be newly activated is started up with an output capable of controlling the stable flow rate, it is possible to prevent the possibility that the flow rate control becomes unstable when the pump is newly activated. . Therefore, in the pump apparatus as a whole, the flow rate can be changed smoothly according to the required load change.
(2) By combining a plurality of pumps having a small turndown ratio, it is possible to construct a pump device that can obtain a very large turndown ratio as a whole.
(3) In the pump device in which the on / off control type pump and the variable flow rate type pump are connected in parallel, the on / off control type pump is always operated, and the required load, The load required by using the flow control method and device of the pump device that controls the output of the variable flow pump according to the difference from the flow obtained by the operation of the on / off control pump. Compared to the above, a variable flow rate pump that does not have a sufficient flow rate with a single pump unit that combines an on / off control type pump with the required output with a flow rate that satisfies the required load. Can be controlled.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(イ)(ロ)(ハ)(ニ)(ホ)及び図2は本発明のポンプ装置の流量制御方法及び装置の実施の一形態として、図6に示したと同様の構成としてある燃料電池発電装置における燃料処理装置4へ改質用の原料9(図6参照)を供給するための燃料昇圧ポンプ19に適用する場合を示すもので、以下のような構成としてある。
FIGS. 1 (a), (b), (c), (d), (e), and FIG. 2 show fuel having the same configuration as that shown in FIG. 6 as one embodiment of the flow rate control method and apparatus for the pump device of the present invention. This shows a case where the present invention is applied to a
すなわち、本実施の形態におけるポンプ装置としての燃料昇圧ポンプ19は、図2に一例を示す如く、要求される負荷に対応するために該燃料昇圧ポンプ19に必要とされる定格出力、定格流量(以下、総定格出力、総定格流量という)に比して出力の小さい所要台数の小容量ポンプ20a,20b,20c,20dを、並列に接続してなる構成とする。
更に、上記各小容量ポンプ20a,20b,20c,20dは、その定格出力(以下、個別定格出力という)が、図1(イ)(ロ)(ハ)(ニ)に示す如く、1台の小容量ポンプ20a,20b,20c,20dを流量の安定した制御が可能な出力、すなわち、個別定格出力の30〜35%以下とならない領域の出力で運転することによって、上記燃料昇圧ポンプ19の全体に所望される最小流量を達成できるように設定する。具体的には、上記燃料昇圧ポンプ19に所望される最小流量が、総定格流量の10%である場合、たとえば、上記各小容量ポンプ20a,20b,20c,20dの個別定格出力を、上記燃料昇圧ポンプ19の上記総定格出力の25%となるようにそれぞれ設定すればよい。これにより、1台の小容量ポンプ20a,20b,20c,20dを個別定格出力の40%で運転するときの出力が、上記燃料昇圧ポンプ19の総定格出力の10%の出力に相当するようにしてある。
That is, the
Further, each of the
又、上記小容量ポンプ20a,20b,20c,20dを並列接続する台数は、該各小容量ポンプ20a,20b,20c,20dをすべて個別定格流量で運転するときに得られる流量の総和が、上記燃料昇圧ポンプ19の総定格流量を満たすように設定する。具体的には、上記したように各小容量ポンプ20a,20b,20c,20dの個別定格出力が上記燃料昇圧ポンプ19の総定格出力の25%となるよう設定してあることに鑑みて、並列接続すべき台数は4台とすればよい。これにより、該各小容量ポンプ20a,20b,20c,20dの個別の定格流量の総和によって、上記燃料昇圧ポンプ19の全体の定格流量を満たすことができるようにしてある。なお、本明細書では説明の便宜上、各ポンプは内部損失を無視できるものとして、出力の割合に一致した割合の流量で運転できるものとする。
The number of
更に、燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷の変化に応じて上記各小容量ポンプ20a,20b,20c,20dにそれぞれ指令を与える制御器21を備える。
Further, a
詳述すると、上記制御器21は、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が、該燃料昇圧ポンプ19の総定格出力の0〜25%の間は、図1(イ)に示すように、第1の小容量ポンプ20aにのみ指令を与えて、該第1の小容量ポンプ20aの出力を、上記要求される負荷の増加量に応じて増加させるようにする。この際、上記第1の小容量ポンプ20aを流量0の状態から起動させるときには、その出力を徐々に高めていくと、ある時点、たとえば、総定格出力の5%の出力となる時点で所要の流量が急に立ち上がるようになると共に、該第1の小容量ポンプ20aの出力が個別定格出力の30〜35%以下の状態では、該第1の小容量ポンプ20aにおける流量制御が不安定化する可能性がある。しかし、上記燃料昇圧ポンプ19の全体で要求される最小流量は、総定格流量の10%であって、これは、上記第1の小容量ポンプ20aを個別定格出力の40%の出力とするときの流量に相当するため、この流量付近でも上記第1の小容量ポンプ20aにより安定した流量の制御を行うことが可能となる。以上により、図1(ホ)に示す如く、上記燃料昇圧ポンプ19の実流量を、総定格流量の10%程度から25%の領域で上記要求される負荷に応じて良好に制御することができるようになる。
Specifically, the
次に、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の25%に達すると、上記第1の小容量ポンプ20aが個別定格出力に到達するようになる。このため、上記制御器21は、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が、総定格出力の25%を越えるときには、図1(ロ)に示す如く、第2の小容量ポンプ20bへ指令を発して、該第2の小容量ポンプ20bを、安定した流量制御が可能な領域の出力、たとえば、個別定格出力の40%の出力まで一気に立ち上げて起動させる。更に、上記制御器21は、上記第2の小容量ポンプ20bの起動と同時に、図1(イ)に示す如く、その時点で既に稼働中の小容量ポンプである上記第1の小容量ポンプ20aの出力を、上記第2の小容量ポンプ20bの起動時に立ち上がる出力に相当する分、すなわち個別定格出力の40%分だけ一旦低減させる。これにより、上記第1の小容量ポンプ20aの出力が個別定格出力の60%まで低減されるため、この第1の小容量ポンプ20aの出力の減少分によって、上記第2の小容量ポンプ20bの起動に伴う出力の増加分が吸収される。したがって、上記第2の小容量ポンプ20bの起動時においても、上記燃料昇圧ポンプ19の全体の流量に急な変化が生じる虞はない。
Next, when the load required for the
その後、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の25〜35%の間は、上記制御器21は、図1(イ)(ロ)に示す如く、上記第2の小容量ポンプ20bの出力を個別定格出力の40%に保持させたまま、該第2の小容量ポンプ20bの起動時に個別定格出力の60%まで出力を一旦低減させた上記第1の小容量ポンプ20aの出力を、上記要求される負荷の増加量に応じて増加させるようにする。更に、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の35%に達すると、上記第1の小容量ポンプ20aの出力が個別定格出力に再び達するようになる。そのため、上記制御器21は、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の35〜50%の間は、上記第1の小容量ポンプ20aの出力を個別定格出力に保持させたまま、上記第2の小容量ポンプ20bの出力を、上記要求される負荷の増加量に応じて増加させるようにする。以上により、図1(ホ)に示す如く、流量制御が安定して行われる上記第1と第2の小容量ポンプ20aと20bの流量の和により、上記燃料昇圧ポンプ19の実流量を、総定格流量の25〜50%の領域で上記要求される負荷に応じて良好に制御することができるようになる。
After that, while the load required for the
次いで、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の50%に達すると、上記第1の小容量ポンプ20aに続いて上記第2の小容量ポンプ20bも個別定格出力に到達するようになる。このため、上記制御器21は、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の50%を越えるときには、図1(ハ)に示す如く、第3の小容量ポンプ20cへ、上記第2の小容量ポンプ20bの起動時と同様に指令を発して、該第3の小容量ポンプ20bを、安定した流量制御が可能な個別定格出力の40%の出力まで一気に立ち上げて起動させる。同時に、上記制御器21は、その時点で既に稼働中の各小容量ポンプ20a,20bのうち、たとえば、第2の小容量ポンプ20bの出力を、図1(ロ)に示す如く、個別定格出力の40%分だけ一旦低減させる。これにより、上記第2の小容量ポンプ20bの出力が個別定格出力の60%まで低減され、この第2の小容量ポンプ20bの出力の減少分により、上記第3の小容量ポンプ20cの起動に伴う出力の増加分が吸収される。したがって、上記第3の小容量ポンプ20cの起動時においても、上記燃料昇圧ポンプ19の全体の流量に急な変化が生じる虞はない。
Next, when the load required for the
その後、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の50〜60%の間は、上記制御器21は、図1(イ)(ロ)(ハ)に示す如く、上記第1の小容量ポンプ20aを個別定格出力に、又、上記第3の小容量ポンプ20cの出力を個別定格出力の40%にそれぞれ保持させたまま、該第3の小容量ポンプ20bの起動時に出力を一旦低減させた上記第2の小容量ポンプ20bの出力を、上記要求される負荷の増加量に応じて増加させるようにする。更に、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の60%に達すると、上記第2の小容量ポンプ20bの出力が、個別定格出力に再び達するようになる。このため、上記制御器21は、上記燃料昇圧ポンプ19全体に要求される負荷が総定格出力の60〜75%の間は、上記第1と第2の小容量ポンプ20aと20bの出力を個別定格出力に保持させたまま、上記第3の小容量ポンプ20cの出力を、上記要求される負荷の増加量に応じて増加させるようにする。以上により、図1(ホ)に示す如く、流量制御が安定して行われる上記第1と第2と第3の小容量ポンプ20aと20bと20cの流量の総和により、上記燃料昇圧ポンプ19の実流量を、総定格流量の50〜75%の領域で上記要求される負荷に応じて良好に制御することができるようになる。
After that, while the load required for the
更に又、上記燃料昇圧ポンプ19全体に要求される負荷が総定格出力の75%に達すると、上記第1と第2の小容量ポンプ20aと20bに続いて上記第3の小容量ポンプ20cも定格出力に到達するようになる。このため、上記制御器21は、上記燃料昇圧ポンプ19全体に要求される負荷が総定格出力の75%を越えるときには、図1(ニ)に示す如く、第4の小容量ポンプ20dへ、上記第2と第3の小容量ポンプ20bと20cの起動時と同様に指令を発して、該第4の小容量ポンプ20dを、安定した流量制御が可能な個別定格出力の40%の出力まで一気に立ち上げて起動させる。同時に、上記制御器21は、その時点で既に稼働中の各小容量ポンプ20a,20b,20cのうち、たとえば、第3の小容量ポンプ20cの出力を、図1(ハ)に示す如く、個別定格出力の40%分だけ一旦低減させる。これにより、上記第3の小容量ポンプ20cの出力が個別定格出力の60%まで低減され、この出力の減少分により、上記第4の小容量ポンプ20dの起動に伴う出力の増加量が吸収されるため、該第4の小容量ポンプ20dの起動時においても、上記燃料昇圧ポンプ19の全体の流量に急な変化が生じる虞はない。
Furthermore, when the load required for the
その後、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の75〜85%の間は、上記制御器21は、図1(イ)(ロ)(ハ)(ニ)に示す如く、上記第1と第2の小容量ポンプ20aと20bを個別定格出力に、又、上記第4の小容量ポンプ20dの出力を個別定格出力の40%にそれぞれ保持させたまま、該第4の小容量ポンプ20dの起動時に出力を一旦低減させた上記第3の小容量ポンプ20cの出力を、上記要求される負荷の増加量に応じて増加させるようにする。しかる後、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の85%に達すると、上記第3の小容量ポンプ20cの出力が、個別定格出力に再び到達するようになる。このため、上記制御器21は、上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が総定格出力の85〜100%の間は、上記第1と第2と第3の小容量ポンプ20aと20bと20cの出力を個別定格出力に保持させたまま、上記第4の小容量ポンプ20dの出力を、上記要求される負荷の増加量に応じて増加させるようにする。以上により、図1(ホ)に示す如く、流量制御が安定して行われる上記各小容量ポンプ20aと20bと20cと20dの流量の総和により、上記燃料昇圧ポンプ19の実流量を、総定格流量の75〜100%の領域で上記要求される負荷に応じて良好に制御することができるようになる。
Thereafter, while the load required for the
上記燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷が、総定格出力の100%から10%まで減少する場合は、上述した要求される負荷が増加するときとは逆の手順で各小容量ポンプ20d,20c,20b,20aの個別の出力を順次低下させると共に、出力低下させた小容量ポンプ20a,20b,20c,20dから順次停止させて、稼働中のポンプ数を順次減じるように制御するようにすればよい。このようにすれば、各ポンプ20d,20c,20bを順に停止させるときには、それぞれ個別定格出力の40%の出力として安定した流量制御が可能な状態から一気に停止させることができるため、これらの小容量ポンプ20d,20c,20bの出力を低下させることに起因して、上記燃料昇圧ポンプ19の全体の流量の制御が不安定化される虞はない。更に、上記各小容量ポンプ20dと20cと20bを個別定格出力の40%の出力状態から停止させるときには、稼働中の小容量ポンプ20cと20bと20aのうち、1つの小容量ポンプ20c,20b,20aを予め個別定格出力の60%の出力状態となるまで出力を低減させておき、上記各小容量ポンプ20d,20c,20bの停止と同時に、上記予め出力を低減させておいた小容量ポンプ20c,20b,20aの出力を個別定格出力の100%まで回復させることで、上記各小容量ポンプ20d,20c,20bの停止の前後で上記燃料昇圧ポンプ19の全体の流量が急に変化する虞は未然に防止される。
When the load required for the
なお、図2において図6に示したものと同一のものには同一符号が付してある。 2 that are the same as those shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
このように、本発明のポンプ装置の流量制御方法及び装置によれば、以上のようにして各小容量ポンプ20a,20b,20c,20dの制御を行うことにより、上記燃料昇圧ポンプ19全体での流量制御を良好に実施できる。しかも、上記各小容量ポンプ20a,20b,20c,20dが、たとえ、ポンプ単体で個別定格出力の30〜35%以下の領域で流量制御の不安定性を生じたり、起動、停止時に急な流量変化を生じるようなポンプ特性を有しているとしても、図1(ホ)に示す如く、上記燃料昇圧ポンプ19全体では、要求される負荷の変化に応じてスムーズに流量を変化させることができる。
As described above, according to the flow rate control method and apparatus of the pump device of the present invention, by controlling the
更に、上記燃料昇圧ポンプ19は、総定格流量の10%程度の低流量であっても、安定した流量制御を行うことが可能なものとすることができる。したがって、ターンダウン比の小さい小容量ポンプ20a,20b,20c,20dを組み合わせることにより、全体として非常に大きなターンダウン比を得ることができる燃料昇圧ポンプ19として機能させることが可能となる。
Further, the
上記においては、燃料昇圧ポンプ19に要求される負荷の増加に伴って既に稼働中の小容量ポンプ20aに加えて新たな小容量ポンプ20b,20c,20dを順次起動させるときには、該新たに起動される小容量ポンプ20b,20c,20dの出力の増加分を、前回起動させた小容量ポンプ20a,20b,20cの出力を低減させて吸収させるものとして説明したが、たとえば、図3(イ)(ロ)(ハ)(ニ)(ホ)に示すように、第3と第4の小容量ポンプ20cと20dを起動させるときにも、第1の小容量ポンプ20aの出力を低減させることで、上記第3と第4の小容量ポンプ20cと20dの起動時の出力の増加分をそれぞれ吸収させるようにする等、新たな小容量ポンプ20b,20c,20dを起動させる時点で既に稼動中となっている小容量ポンプ20a,20b,20cのうち、いずれの出力を低下させるようにしてもよい。
In the above, when the new small-
次いで、図4及び図5は本発明の実施の他の形態を示すもので、流量制御対象となるポンプ装置として、図6に示したと同様の構成としてある燃料電池発電装置における燃料処理装置4のCO選択酸化反応器7(図6参照)へ空気26を供給するための空気ポンプ22に適用する場合を示すもので、以下のような構成としてある。
Next, FIGS. 4 and 5 show another embodiment of the present invention. As a pump device to be a flow rate control target, the
すなわち、ポンプ装置としての空気ポンプ22は、図5に示す如く、該空気ポンプ22の全体に必要とされる定格出力、定格流量(以下、総定格出力、総定格流量という)に対し、最大流量が上記総定格流量比で75%となる可変流量ポンプ23と、最大流量が上記総定格流量に比して25%となるオン・オフ制御ポンプ24とを並列接続してなる構成とする。
That is, as shown in FIG. 5, the
更に、上記空気ポンプ22全体に要求される負荷に応じて上記可変流量ポンプ23と、オン・オフ制御ポンプ24へ指令を与える制御器25を備える。
In addition, the
上記制御器25の制御内容について詳述すると、該制御器25は、上記CO選択酸化反応器7用の空気ポンプ22に要求される最小流量が、総定格流量の50%程度であることに鑑みて、上記空気ポンプ22に、図4に線aで示す如く、燃料電池出力の割合に応じて総定格流量の50〜100%の間の所要の負荷が要求されると、上記オン・オフ制御ポンプ24を常時起動状態とし、更に、上記要求される負荷と、上記オン・オフ制御ポンプ24より得られる上記総定格流量の25%の流量との差に応じて、上記流量可変流量ポンプ23に指令を与えるようにしてある。これにより、図4に線bで示す如く、上記オン・オフ制御ポンプ24からは、総定格流量の25%の流量が常時得られると共に、図4に線cで示す如く、上記可変流量ポンプ23からは、上記要求される負荷より総定格流量の25%に相当する流量を減じた流量が得られるようになるため、上記可変流量ポンプ23とオン・オフ制御ポンプ24の流量の総和によって、上記要求される負荷に見合う流量が得られるようになる。
The control contents of the
このように、本実施の形態によっても、要求される負荷に比して一台では流量が足りない可変流量ポンプ23に出力の小さいオン・オフ制御ポンプ24を組み合わせることにより、全体として上記CO選択酸化反応器7用の空気ポンプ22に要求される負荷を満足させる流量を得ることが可能になる。
As described above, according to the present embodiment as well, the above-mentioned CO selection is achieved as a whole by combining the
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、図1(イ)(ロ)(ハ)(ニ)(ホ)及び図2の実施の形態においては、4個の小容量ポンプ20a,20b,20c,20dを並列接続し、該各小容量ポンプ20a,20b,20c,20dが、その個別定格出力が上記燃料昇圧ポンプ19の総定格出力の25%となるよう設定してあるものとして説明したが、複数の小容量のポンプを並列接続して形成してあるポンプ装置に要求される最小流量が、1つの小容量のポンプにて安定した流量制御ができる出力領域での流量に相当するようにすれば、上記ポンプ装置に要求される最小流量、及び、1つの小容量のポンプにて安定した流量制御ができる出力領域との関係から、上記個々の小容量ポンプの定格出力、容量を適宜設定してよい。更には、実際のポンプでは内部損失により出力の割合と実流量の割合とが必ずしも一致しないため、この内部損失をも考慮して、上記個々の小容量ポンプの定格出力、容量を適宜設定するようにすればよい。更に、上記小容量のポンプを並列接続する個数は、上記各小容量のポンプの流量の総和によって、要求される負荷を満たすことができるように適宜変更してよい。したがって、2個、3個あるいは5個以上並列接続してあってもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment. In the embodiment shown in FIGS. 1 (a), (b), (c), (d), (e), and FIG. The capacity pumps 20a, 20b, 20c, and 20d are connected in parallel, and the
既に稼働中の小容量ポンプ20aに加えて新たな小容量ポンプ20b,20c,20dを順次起動させるときに、該起動させる小容量ポンプ20b,20c,20dを急速に立ち上げさせる出力は、上記小容量ポンプ20b,20c,20dにて安定した流量制御ができる出力領域に入るようにすれば、個別の定格出力の40%より多少増減させるようにしてもよい。
When the new small-
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。 Of course, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
19 燃料昇圧ポンプ(ポンプ装置)
20a,20b,20c,20d 小容量ポンプ(ポンプ)
21 制御器
23 可変流量ポンプ
24 オン・オフ制御ポンプ
25 制御器
19 Fuel boost pump (pump device)
20a, 20b, 20c, 20d Small capacity pump (pump)
21
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- 2007-03-30 JP JP2007093696A patent/JP2008248851A/en active Pending
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