JP2004146187A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯蔵された水の凍結状態を正確に把握する燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている(特許文献1参照)。
【0003】
この文献には、寒冷地等の低温環境下において安定始動可能な燃料電池発電システムについて記載されている。この燃料電池発電システムは、燃料ガス加湿手段又は酸化剤ガス加湿手段に供給するための水を収容するタンクを備え、タンクは主タンクの水タンクと予備タンクの補助タンクから構成されている。正常運転時には、水タンクから供給される水が加湿器および燃料改質器にそれぞれ供給され、燃料電池発電システムの起動時や水タンクの空欠時には、補助タンクに貯蔵された水が加湿器および燃料改質器にそれぞれ供給される。
【0004】
すなわち、起動時には、ヒータは発熱させて補助タンクを加熱し、補助タンク内で凝固した水を融解させる。したがって、補助タンクより加湿器および燃料改質器への水の供給が可能になる。コントロールユニットは、補助タンク内の温度を検出し、その内部に収容された水が凝固していなければ、補助タンクから加湿器および燃料改質器への水の供給を開始する。これにより、燃料電池による発電が開始される。コントロールユニットは、水タンク内の水が融解したことを確認すると、水タンクからの水の供給を開始する。
【0005】
以上のようにして、燃料電池内で凝固した水を融解させ、さらに起動に必要な水を確保することが可能になる。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−149970号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の燃料電池システムにおいては、水の凍結判断をタンク内の温度で行うようにしている。タンク内の氷は、解凍が開始されると水と氷になる。静的には水と氷が共存する場合には、水の温度は0℃に保たれる。しかし、タンクの外部から熱を与えて氷を解凍する場合に、外周の水の温度が上昇しても、内部には氷が存在しているか否かを判断することが難しい。このため、温度で解凍の判断を行う場合には、温度が十分上昇した場合にタンクが解凍されたとものと判断する必要があった。
【0008】
このようにしてタンク内の氷の解凍を判断する場合に、燃料電池システムの起動時間が長くなるばかりでなく、必要以上な加熱を行うことにより、エネルギーを余分に使用するといった問題点があった。
【0009】
また、早期にシステムを起動するために、タンク内の温度が氷点近傍になったことをもって解凍したと判断すると、外部の環境要件や、車両の傾斜等の条件によっては、タンクの内部に氷が残存している場合が想定される。このような場合には、水供給システム全体の容積に対して水供給量が不足して、満足に水を供給できない可能性があるといった問題点もあった。
【0010】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水タンク内の水の凍結状態を判断する精度を高めた燃料電池システムを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、水を貯蔵する貯蔵手段と、空気に、前記貯蔵手段に貯蔵された水を与えて加湿する加湿手段と、前記貯蔵手段に貯蔵された水を前記加湿手段へ供給する供給手段と、前記供給手段によって前記加湿手段へ供給される水の圧力を調整する圧力調整手段と、前記貯蔵手段、前記供給手段、前記加湿手段ならびに前記圧力調整手段を連通し、前記貯蔵手段から排出された水を、前記供給手段、前記加湿手段ならびに前記圧力調整手段を介して再び前記貯蔵手段に導く配管とを有する水供給システムを備えた燃料電池システムにおいて、前記圧力調整手段により水の圧力が調圧される前記配管の流路に、水の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段の検出結果に基づいて、前記貯蔵手段内の水の凍結状態を判断する判断手段とを有することを特徴とする。
【0012】
【発明の効果】
本発明によれば、貯蔵手段に貯蔵された水が供給される流路における水圧に基づいて、貯蔵手段に貯蔵された水の凍結状態を判断するようにしているので、貯蔵手段に貯蔵された水の凍結状態を高精度で判断することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【0014】
図1は本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す第1の実施形態の燃料電池システムは、燃料電池本体(FCスタック)1と、FCスタック1に供給される水素を貯蔵する水素タンク3と、水により空気を加湿してFCスタック1に供給する加湿装置12と、加湿装置12に供給される水を貯蔵する水タンク18と、水タンク18に貯蔵された水を加湿装置12に供給するポンプ19と、加湿装置12と水タンク18間を流れる水の圧力を調整する圧力調整弁22と、圧力調整弁22により調圧される水の圧力を検出する圧力検出センサ23と、燃料電池システム全体を制御するコントロールユニット31を備えて構成されている。
【0015】
さらに、燃料電池システムは、FCスタック1の温度を測定するスタック温度センサ2と、水素タンク3の圧力を所望圧まで減圧する圧力制御弁4と、圧力制御弁4により所望の圧力に調整された後の燃料ガス通路5を流れる流体エネルギを利用して、通常循環経路8内を流れる水素を循環させるエゼクタ6を備えている。
【0016】
エゼクタ6で新規水素とFCスタック1を通過後の排水素は混合された後、スタック1に供給される。FCスタック1を通過した水素は、通常循環経路8を通過し、エゼクタ6に導かれる。水素循環経路内で窒素やCO等の不純物濃度が高くなった場合には、パージ弁7を開弁し、循環水素をパージし、排水素燃焼器15に導かれる。排水素燃焼器15では、パージされた排水素と後述するスタック排空気とを混合、燃焼、浄化された後車外へ排出される。
【0017】
一方、空気通路11において、外気を吸入、圧送するコンプレッサ9により配管内に圧送された空気は、フィルタ10により、マイクロダスト、硫黄分、コンプレッサ9から排出されるオイル等をトラップする。清浄化された空気は、空気通路11の経路中に設けられた加湿装置12でガスの加湿を行い、FCスタック1に供給される。
【0018】
FCスタック1で消費されずに残った空気、および生成された水は、その下流に設けられた水分凝縮装置13により、水分が回収される。その下流には空気系の圧力を所望の圧力に制御可能な圧力制御弁14が備えられている。更に、その下流には排水素燃焼器15が備えられており、上述したように排水素を浄化後排気される。
【0019】
水分凝縮装置13は、本実施形態では空冷式の熱交換器を使用しているが、その他水分離膜や、冷却水を利用したもの等、公知のものであればこれに限定するものではない。水分凝縮装置13で凝縮、回収された回収水は、水通路17を連通/非連通制御するバルブ16を介して水タンク18に導かれる。本実施形態では、水回収の過程で特にフィルタを設けてないが、必要に応じて設置しても構わない。また、水タンク18は図示しないフィルタを介して大気圧開放されている。
【0020】
水タンク18から流出した水は、その下流のポンプ19、加湿装置12まで配管20によって連通されている。ポンプ19はコントロールユニット31からの指令によってオン/オフ制御され、加湿装置12に水を圧送している。加湿装置12は、例えば膜加湿器で構成され、カソード側空気を加湿している。加湿装置12を出た水は配管21を通して、配管21内の圧力を検出可能な圧力センサ23を経由し、圧力調整弁22に与えられる。圧力調整弁22は、ポンプ19から圧力調整弁22の間の水圧を略一定に保つ。圧力調整弁22を通過した水は、再度水タンク18に戻される。
【0021】
また、空気通路11と配管21とを連通する配管路においては、圧力調整弁22の加湿装置12寄りの水配管に連通する配管路35,36、圧力調整弁22の水タンク18寄りの配管21に連通する配管路35,37が設けられている。共通配管部分の配管路35には、空気通路11と水配管21とを連通、非連通の切替可能な切替弁34が設けられている。
【0022】
本配管では、システム停止時において、外気温度センサ33の温度が所定値以下の場合に、配管内に残留する水が凍結するおそれがあるとして、停止時に配管中に空気を導入し、配管内の水を水タンク18内に回収する。このように、配管内の水回収をおこなうことで、配管内の水が凍結し、次回の起動時に大幅に時間がかかることは回避される。水タンク18にはヒータ18Hが設けられており、システムの起動時に水タンク18内の水が凍結している場合には、ヒータ18Hを作動させて解凍する。
【0023】
FCスタック1の運転に必要な加湿量は、加湿装置12によって供給される。また、この加湿量をコントロールユニット31で監視するため、加湿装置12を通過後の湿度を温湿度センサ32により計測している。
【0024】
FCスタック1の発熱に対する冷却手段としては、水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入したものを使用し、FCスタック1内の冷却水通路に流すことで冷却を行う。FCスタック1の熱を奪った冷却水は、コントロールユニット31の指令により切り替え可能な3方切り替え弁24により、ラジエター27を通過する流路26と、ラジエター27を通過しないバイパス通路25との冷却通路に分けられる。
【0025】
ラジエター27は、図示しないラジエターファンによりコントロールユニット31の信号によりラジエター出口水温を所望の温度に温度調整される。温度調整された冷却水通路には、リザーバタンク28が設けられている。このリザーバタンク28は、冷却水の熱膨張、収縮分の吸収および冷却水の補給等に使用される。その下流には冷却水ポンプ29が備えられ、スタック温度センサ2の出力に応じてコントロールユニット31で判断された流量となるように冷却水を圧送してFCスタック1に送っている。
【0026】
リザーバタンク28の上部は、大気開放されており、リザーバ機能を持っている。コントロールユニット31は、外気温度センサ33の入力と合わせて、各種入力信号が入力され、またその入力値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力している。また、コントロールユニット31は、以下に説明する動作に基づいて、水タンク18内の水の凍結状態を判断する。
【0027】
次に、上記構成における燃料電池システムの動作を、図2のフローチャートを参照して説明する。
【0028】
まず、ステップS201では、スタック温度センサ2,圧力センサ23、温湿度センサ32、外気温度センサ33の各種センサからの値を読み込む。次に、ステップS202では、外気温度センサ33の値Taがしきい値Tth1以上か否かを判断する。しきい値未満の場合にはステップS203へ進み、しきい値以上の場合にはS211へ進む。ここでのしきい値は、例えば15℃に設定されているものとする。
【0029】
次に、ステップS203では、水タンク18の凍結の可能性があると認識する。次に、ステップS204では、水タンク18のヒータ18Hを通電し、水タンク18の解凍を促進する。次に、ステップS205では、ポンプ19を駆動する。
【0030】
次に、ステップS206では、ポンプ19の駆動後の時間が所定時間経過したか否かの判断を行う。判断結果において、所定時間経過した場合には、ステップS207へ進み、所定時間未満の場合はリターンする。ここでの所定時間は、例えば2秒に設定されているものとする。
【0031】
次に、ステップS207では、圧力センサ23の値が、前回読み込んだ値に対して増加したか否かの判定を行う。増加した場合には、ステップS208へ進み、増加していない場合にはステップS214へ進む。ここでの増加の値は、サンプル周期が例えば10msと短い場合には判断が難しいため、例えば10サンプルの平均を算出し、その値が次の10サンプルの平均と比較し増加しているか否かを判定する。
【0032】
次に、ステップS208では、水タンク18内の氷が解凍されたと認識する。次に、ステップS209では、ヒータ18をオフする。次に、ステップS210では、後述する通常運転に移行する。
【0033】
一方、ステップS211では、水タンク18の凍結の可能性がないと認識する。次に、ステップS212では、ポンプ19をオンする。次に、ステップS213では、後述する通常運転に移行する。
【0034】
一方、ステップS214では、水タンク18の解凍がなされていないと認識する。この間は、発電を制御して発電をさせない。次に、ステップS215では、ポンプ19を停止する。次に、ステップS216では、再度解凍判断サブルーチンを実行し、水の解凍を継続する。
【0035】
次に、ステップS210、およびステップS213の通常運転について簡単に説明する。
【0036】
通常運転とは、運転者のアクセル開度に応じた出力=電力に相応な燃料および空気量に応じて、FCスタック1のアノード側には、減圧弁4により燃料の供給を行い、かつFCスタック1のカソード側には、コンプレッサ9により空気の供給を行い、また加湿装置12により、空気を加湿しFCスタック1へ導いている。温湿度センサ32でFCスタック1の入り口の湿度を監視しており、万一加湿量が不足するような場合には、運転圧力を上昇すると共に、加湿装置12の圧力も上昇させ、加湿不足が生じないように制御される。
【0037】
また、冷却ポンプ29はFCスタック1の発熱量に応じた流量をFCスタック1に流通すべく流量を調整し、FCスタック1の温度センサ2によるFCスタック1の温度に応じて流量が補正されている。また、FCスタック1の温度がごく低温である場合にはラジエター27を通過させず、バイパス通路25を通過させるように切り替え弁24により切り替えられる。ラジエター27の出口温度はFCスタック1の温度センサ2で検出された温度に応じて図示しないラジエターファンの流量を制御し、略一定温度を保つように制御されている。
【0038】
運転中において、FCスタック1のカソード側空気系では、水分凝縮装置13によりFCスタック1から排出された空気中の水分を凝縮回収し、通路17を通して水タンク18へ導かれており、加湿用水として貯蔵される。
【0039】
一方、FCスタック1のアノード系では、FCスタック1からの排気は通路8およびエゼクタ6により循環されている。しかし、スタック膜の透過等により空気中の窒素等の不純物の燃料中の濃度が次第に増加するため所定間隔ごとにパージ弁7を開弁する。これにより、循環経路内の水素をパージし、その下流の排水素燃焼器15内の触媒で空気と混合され燃焼浄化され排気される。
【0040】
以上のような通常時動作により運転者のアクセル操作に応じた出力を燃料電池システムから電力を出力し、図示しないモータにより車両が駆動される。
【0041】
以上説明したように、上記第1の実施形態においては、圧力調整弁22により水圧が調圧される流路に圧力センサ23を設けたので、圧力によって水の凍結を判断することができる。ここで、ポンプ19を駆動後、所定時間以内に圧力センサ23による検出値が上昇しない場合には、水タンク18内の水が凍結していると判断しているので、即座に水タンク18内の水の凍結判断が可能となる。
【0042】
また、凍結が判断されなかった場合には、ポンプ19を停止するので、不必要な電力を消費することがなく、消費電力を削減することができる。更に、凍結が判断された場合には、ヒータ18Hを停止するので、不必要な電力を消費することがなく、消費電力を削減することができる。
【0043】
また、水タンク18内の氷が解凍されるまでは、充分な加湿水がFCスタック1に供給できず、FCスタック1の能力が低下するが、この間は発電を停止させるため、FCスタック1に損傷を与えることは回避される。更に、システム停止時には、配管の水を水タンク18に回収するので、システムの起動時には加湿装置12と水タンク18とを連結する配管内に水が存在しない状態となる。これにより、圧力により水タンク18内の凍結状態の判断を行う際に、配管内の水の凍結による圧力変動の影響による誤検知を防止することができる。
【0044】
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
【0045】
先に説明した第1の実施形態では、ポンプ19の駆動後、所定時間内に水の圧力が上昇するか否かでポンプ19が正常に水を吐出しているか否かを判断し、その判断結果に基づいて水タンク18内の凍結を判断していたが、この第2の実施形態の特徴とするところは、水の圧力が所定時間安定したことにより凍結状態を判断するようにしたことにある。
【0046】
タンク18内の水が完全に解凍している場合には、図3に示すように即座に圧力が上昇し、若干の不安定が見られてもその直後に安定状態に入る。
【0047】
一方、完全に解凍されていない場合には、ポンプ19により水の吸い出しが定常的に行われないため、図4に示すように、水の圧送を開始した後しばらくしても圧力が安定しない状態が継続する。このため、この第2の実施形態では、第1の実施形態と同様にまずポンプ19の駆動後所定時間以内に圧力が上昇したか否かを判断し(図2のステップS205,206,207)、圧力が上昇した場合には、さらに図4に示すように圧力の安定化の判断を開始する。この安定化の判断は、それまでの圧力平均値に対して例えば±10%を超える圧力が、所定時間発生しなかったか否かを判断している。ここでの所定時間は、例えば10秒間に設定されているものとする。判断結果において、それまでの圧力平均値に対して例えば±10%を超える圧力が、所定時間発生しなかった場合には、水圧が安定したものと判断し、水タンク18内の氷が解凍されたものと認識する。
【0048】
このような第2の実施形態においては、上述したように水圧の安定化を判断する処理を採用しているので、先の第1の実施形態に比べて、水タンク18内の凍結状態を更に正確に判断することができる。
【0049】
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。
【0050】
先に説明した第1の実施形態においては、ポンプ19の駆動開始後、所定時間以内に圧力上昇が見られない場合には、水タンク18が凍結状態と判定したが、この第3の実施形態の特徴とするところは、水圧が圧力目標値(例えば100kPa)まで上昇した場合に、解凍を判断するようにしたことにある。
【0051】
この第3の実施形態においては、図5に示すように、水圧が目標圧力に対して±5%の範囲内に所定時間収まった場合を、目標値に到達したと判断する。そして、その状態が所定時間(例えば15秒間)継続した場合に解凍と判断し、通常制御へ移行する。
【0052】
このように第3の実施形態においては、ポンプ19の駆動後、圧力センサ23による検出値が目標値となった場合に、水タンク18内の氷が解凍していると判断するようにしているので、正確に氷の解凍を判断することができる。さらに、水圧が目標値近傍となった後、その状態が所定時間継続して安定したことも判断条件としているので、更に正確に氷の解凍判断が可能となる。
【0053】
図6は本発明の第4の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。この第4の実施形態の特徴とするところは、図1に示す第1の実施形態に対して、図1に示す外気温度センサ33に代えて、水タンク18内の温度を計測するタンク温度センサ38を設けたことにあり、他の構成は図1と同様である。
【0054】
次に、この第4の実施形態の動作を、図7に示すフローチャートを参照して説明する。
【0055】
図7において、ステップS701では、スタック温度センサ2,圧力センサ23、温湿度センサ32、タンク温度センサ38の各種センサからの値を読み込む。次に、ステップS702では、タンク温度センサ38が計測した温度がしきい値以上か否かを判断する。しきい値未満の場合にはステップS703へ進み、しきい値以上の場合にはステップS711へ進む。ここでのしきい値は、氷点近傍、例えば5℃に設定されている。また、しきい値の設定温度は、水タンク18の構造、及び加熱構造によって変化するので、使用する水タンク18に応じて設定すればよい。
【0056】
次に、ステップS703では、ステップS702の判断の結果、水タンク18内の水は凍結の可能性があると認識する。次に、ステップS704では、水タンク18のヒータ18Hを通電し、水タンク18の解凍を促進する。次に、ステップS705では、ポンプ19を駆動する。次に、ステップS706では、ポンプ19の駆動後の時間が所定時間経過したか否かを判断する。判断結果において、所定時間経過した場合にはステップS707へ進み、所定時間未満の場合にはリターンする。ここでの所定時間は、例えば2秒に設定している。
【0057】
次に、ステップS707では、水圧が上昇して、圧力センサ23の値が目標値近傍で安定しているか否かを判定する。安定している場合にはステップS708へ進み、安定していない場合にはステップS714へ進む。このでの判定方法は、先に説明した第3の実施形態と同様の方法である。次に、ステップS708では、水タンク18内の氷が解凍されたと認識する。次に、ステップS709では、ヒータ18Hをオフする。次に、ステップS710では、通常運転に移行する。
【0058】
一方、ステップS711では、水タンク18内の水が凍結している可能性がないと認識する。次に、ステップS712では、ポンプ19をオンする。次に、ステップS713では、水タンク18内の水が凍結していないので、通常運転に移行する。
【0059】
一方、ステップS714では、水タンク18内の氷が解凍されていないと認識する。次に、ステップS715では、ポンプ19を停止し、停止後の時間を積算する。次に、ステップS716では、ステップS715で積算したポンプ19の停止後の時間が、所定時間経過したか否かを判断する。所定時間経過した場合には、ステップS717へ進み、所定時間経過していない場合には、判断処理を繰り返し行う。
【0060】
上記所定時間が経過する間には、水タンク18のヒータ加熱が継続されており、所定時間経過後、再度解凍判断サブルーチンを実行し、氷の解凍を継続する。ここでの所定時間は、例えば図8に示すように、水タンク18内の温度が低温ほど長く、高温ほど短く設定される。これは、ホットリスタート等温度と凍結の条件がずれた場合に、温度が高い程解凍時間が早いと考えられるためで、解凍判断後すぐに通常制御に移行可能としている。
【0061】
このように、この第4の実施形態においては、水タンク18内の水の温度を検出するタンク温度センサ38を設け、温度が氷点近傍の場合には圧力センサ23による凍結判断を実施するようにしているので、温度域外では迅速に判断可能となり、起動時間を短縮することができる。また、ポンプ19を停止する際に停止する時間は、タンク温度センサ38の温度が低温であるほど長く設定するようにしているので、解凍までの時間に応じて無駄に電力を消費することがなくなる。
【0062】
なお、上記第1〜第4の実施形態において、加湿装置12として加湿器を用いたがこれに限らず、FCスタック1内に純水通路を設け、FCスタック1に直接純水を供給し別体の加湿器を持たない加湿装置についても適用可能である。
【0063】
なお、上記各実施形態の構成要件と、特許請求の範囲における構成要件との対応関係は以下の通りである。すなわち、水タンク18が貯蔵手段に、加湿装置12が加湿手段に、供給手段がポンプ19に、圧力調整弁22が圧力調整手段に、配管20,21が配管に、圧力検出手段が圧力センサ23に、判断手段がコントロールユニット31にそれぞれ相当する。また、温度検出手段がタンク温度センサ38に、加熱手段がヒータ18Hに相当する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図3】水タンク内の氷が解凍している場合の水圧の変化を示す図である。
【図4】水タンク内の氷が完全に解凍していない場合の水圧の変化を示す図である。
【図5】水圧の目標値を設定して解凍を判断する例を説明するための図である。
【図6】本発明の第4の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図7】本発明の第4の実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図8】ポンプ停止時間と水タンクの温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 FCスタック
2 スタック温度センサ
3 水素タンク
4 圧力制御弁
5 燃料ガス通路
6 エゼクタ
7 パージ弁
8 通常循環経路
9 コンプレッサ
10 フィルタ
11 空気通路
12 加湿装置
13 水分凝縮装置
14 圧力制御弁
15 排水素燃焼器
16 バルブ
17 水通路
18 水タンク
18H ヒータ
19 ポンプ
20,21 配管
22 圧力調整弁
23 圧力センサ
24 切り替え弁
25 バイパス通路
26 流路
27 ラジエター
28 リザーバタンク
29 冷却水ポンプ
31 コントロールユニット
32 温湿度センサ
33 外気温度センサ
34 切替弁
35,36,37 配管路
38 タンク温度センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that accurately grasps a frozen state of stored water.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as this type of fuel cell system, for example, one described in the following document is known (see Patent Document 1).
[0003]
This document describes a fuel cell power generation system that can be stably started in a low-temperature environment such as a cold region. This fuel cell power generation system includes a tank for storing water to be supplied to a fuel gas humidifying unit or an oxidizing gas humidifying unit, and the tank includes a main tank water tank and a spare tank auxiliary tank. During normal operation, the water supplied from the water tank is supplied to the humidifier and the fuel reformer, respectively.When the fuel cell power generation system is started or the water tank is empty, the water stored in the auxiliary tank is supplied to the humidifier and the fuel reformer. Each is supplied to the fuel reformer.
[0004]
That is, at the time of startup, the heater generates heat to heat the auxiliary tank and melt the water solidified in the auxiliary tank. Therefore, water can be supplied from the auxiliary tank to the humidifier and the fuel reformer. The control unit detects the temperature in the auxiliary tank, and starts the supply of water from the auxiliary tank to the humidifier and the fuel reformer if the water contained therein has not solidified. Thereby, power generation by the fuel cell is started. When the control unit confirms that the water in the water tank has melted, the control unit starts supplying water from the water tank.
[0005]
As described above, it is possible to melt the water that has solidified in the fuel cell and to secure the water necessary for startup.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-149970 A
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional fuel cell system, the determination of freezing of water is made based on the temperature in the tank. The ice in the tank becomes water and ice when thawing begins. When water and ice coexist statically, the temperature of the water is kept at 0 ° C. However, when the ice is thawed by applying heat from the outside of the tank, it is difficult to determine whether or not ice exists inside even if the temperature of the water on the outer periphery increases. For this reason, when judging thawing based on temperature, it was necessary to judge that the tank was thawed when the temperature had risen sufficiently.
[0008]
When judging the thawing of the ice in the tank in this way, there is a problem that not only the start-up time of the fuel cell system is prolonged, but also extra energy is used by performing unnecessary heating. .
[0009]
In addition, in order to start the system early, if it is determined that the tank has thawed when the temperature in the tank has reached near the freezing point, ice may remain inside the tank depending on external environmental requirements and conditions such as the inclination of the vehicle. It is assumed that it remains. In such a case, there is a problem that the water supply amount is insufficient with respect to the volume of the entire water supply system, and there is a possibility that the water cannot be supplied satisfactorily.
[0010]
Therefore, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system with improved accuracy in determining the freezing state of water in a water tank.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a means for solving the problem of the present invention is a storage means for storing water, a humidifying means for humidifying the air by supplying the water stored in the storage means, and a storage means for the storage means. Supply means for supplying stored water to the humidifying means, pressure adjusting means for adjusting the pressure of water supplied to the humidifying means by the supply means, the storage means, the supply means, the humidifying means and the A fuel cell comprising a water supply system having a pipe communicating with a pressure adjusting means and having a pipe that guides water discharged from the storing means to the storing means again through the supplying means, the humidifying means, and the pressure adjusting means. In the system, in the flow path of the pipe in which the pressure of the water is regulated by the pressure regulating means, a pressure detecting means for detecting a pressure of the water, and based on a detection result of the pressure detecting means, It characterized by having a determining means for determining the frozen state of the water in the built means.
[0012]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the frozen state of the water stored in the storage means is determined based on the water pressure in the flow path to which the water stored in the storage means is supplied, the water stored in the storage means is determined. The frozen state of water can be determined with high accuracy.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the first embodiment shown in FIG. 1 includes a fuel cell body (FC stack) 1, a
[0015]
Further, the fuel cell system was adjusted to a desired pressure by the
[0016]
The new hydrogen and the exhausted hydrogen after passing through the FC stack 1 in the ejector 6 are mixed and then supplied to the stack 1. The hydrogen that has passed through the FC stack 1 normally passes through the
[0017]
On the other hand, in the
[0018]
The air remaining without being consumed by the FC stack 1 and the generated water are collected by a
[0019]
In the present embodiment, the
[0020]
The water flowing out of the
[0021]
In addition, in the piping connecting the
[0022]
In this pipe, when the system is stopped, if the temperature of the outside
[0023]
The humidification amount required for the operation of the FC stack 1 is supplied by the
[0024]
As a cooling means for the heat generation of the FC stack 1, a mixture of water and an antifreezing agent such as ethylene glycol is used, and cooling is performed by flowing the cooling water passage in the FC stack 1. The cooling water that has taken the heat of the FC stack 1 is cooled by a three-
[0025]
The
[0026]
The upper part of the
[0027]
Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0028]
First, in step S201, values from various sensors such as the
[0029]
Next, in step S203, it is recognized that there is a possibility that the
[0030]
Next, in step S206, it is determined whether or not a predetermined time has elapsed after the drive of the
[0031]
Next, in step S207, it is determined whether or not the value of the
[0032]
Next, in step S208, it is recognized that the ice in the
[0033]
On the other hand, in step S211, it is recognized that there is no possibility that the
[0034]
On the other hand, in step S214, it is recognized that the
[0035]
Next, the normal operation of step S210 and step S213 will be briefly described.
[0036]
The normal operation means that the fuel is supplied to the anode side of the FC stack 1 by the pressure reducing valve 4 on the anode side of the FC stack 1 according to the output corresponding to the accelerator opening of the driver = the fuel and the air amount corresponding to the electric power. Air is supplied to the cathode side of 1 by a
[0037]
In addition, the cooling
[0038]
During operation, in the cathode side air system of the FC stack 1, water in the air discharged from the FC stack 1 is condensed and recovered by the
[0039]
On the other hand, in the anode system of the FC stack 1, the exhaust gas from the FC stack 1 is circulated through the
[0040]
By the normal operation as described above, an output corresponding to the driver's accelerator operation is output from the fuel cell system, and the vehicle is driven by a motor (not shown).
[0041]
As described above, in the first embodiment, since the
[0042]
Further, when freezing is not determined, the
[0043]
Until the ice in the
[0044]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0045]
In the first embodiment described above, after the
[0046]
When the water in the
[0047]
On the other hand, when the water is not completely thawed, the water is not constantly sucked out by the
[0048]
In the second embodiment, as described above, the processing for determining the stabilization of the water pressure is employed, so that the frozen state in the
[0049]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
[0050]
In the first embodiment described above, if no pressure increase is observed within a predetermined time after the start of driving of the
[0051]
In the third embodiment, as shown in FIG. 5, when the water pressure falls within a range of ± 5% of the target pressure for a predetermined time, it is determined that the target value has been reached. Then, when the state continues for a predetermined time (for example, 15 seconds), it is determined that the thawing is performed, and the process shifts to the normal control.
[0052]
As described above, in the third embodiment, when the value detected by the
[0053]
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention. A feature of the fourth embodiment is that a tank temperature sensor for measuring the temperature in the
[0054]
Next, the operation of the fourth embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0055]
7, in step S701, values from various sensors such as the
[0056]
Next, in step S703, as a result of the determination in step S702, it is recognized that the water in the
[0057]
Next, in step S707, it is determined whether the water pressure has risen and the value of the
[0058]
On the other hand, in step S711, it is recognized that there is no possibility that the water in the
[0059]
On the other hand, in step S714, it is recognized that the ice in the
[0060]
During the elapse of the predetermined time, the heater heating of the
[0061]
As described above, in the fourth embodiment, the tank temperature sensor 38 for detecting the temperature of the water in the
[0062]
In the first to fourth embodiments, a humidifier is used as the
[0063]
The correspondence between the constituent features of each of the above embodiments and the constituent features in the claims is as follows. That is, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating an operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a change in water pressure when ice in a water tank is thawing.
FIG. 4 is a diagram showing a change in water pressure when ice in a water tank is not completely thawed.
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of setting a target value of water pressure and determining thawing.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between a pump stop time and a temperature of a water tank.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1
Claims (11)
空気に、前記貯蔵手段に貯蔵された水を与えて加湿する加湿手段と、
前記貯蔵手段に貯蔵された水を前記加湿手段へ供給する供給手段と、
前記供給手段によって前記加湿手段へ供給される水の圧力を調整する圧力調整手段と、
前記貯蔵手段、前記供給手段、前記加湿手段ならびに前記圧力調整手段を連通し、前記貯蔵手段から排出された水を、前記供給手段、前記加湿手段ならびに前記圧力調整手段を介して再び前記貯蔵手段に導く配管と
を有する水供給システムを備えた燃料電池システムにおいて、
前記圧力調整手段により水の圧力が調圧される前記配管の流路に、水の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段の検出結果に基づいて、前記貯蔵手段内の水の凍結状態を判断する判断手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。Storage means for storing water;
Humidifying means for humidifying the air by providing the water stored in the storage means,
Supply means for supplying the water stored in the storage means to the humidification means,
Pressure adjusting means for adjusting the pressure of water supplied to the humidifying means by the supply means,
The storage means, the supply means, the humidification means and the pressure adjustment means are communicated, and the water discharged from the storage means is returned to the storage means via the supply means, the humidification means and the pressure adjustment means. A fuel cell system comprising a water supply system having a pipe for guiding
Pressure detection means for detecting the pressure of water, in the flow path of the pipe in which the pressure of water is regulated by the pressure adjustment means,
Determining means for determining a frozen state of water in the storage means based on a detection result of the pressure detection means.
前記供給手段を駆動開始後、所定時間以内に前記圧力検出手段による圧力検出値が上昇しない場合には、前記貯蔵手段内の水が凍結していると判断する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。The determining means includes:
The water in the storage means is determined to be frozen if the pressure detection value by the pressure detection means does not increase within a predetermined time after the start of driving the supply means. Fuel cell system.
前記供給手段を駆動開始後、所定時間以内に前記圧力検出手段による圧力検出値が、所定の範囲を超えかつその状態が所定時間継続したか否かに基づいて前記圧力検出値が安定したか否かを判定し、前記圧力検出値が安定していない場合には、前記貯蔵手段内の水が凍結していると判断する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。The determining means includes:
After the start of driving the supply means, within a predetermined time, the pressure detection value by the pressure detection means has exceeded a predetermined range, and based on whether the state has continued for a predetermined time, whether or not the pressure detection value has stabilized. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein if the pressure detection value is not stable, it is determined that water in the storage unit is frozen.
前記供給手段を駆動開始後、前記圧力検出手段による圧力検出値が目標値となった場合には、前記貯蔵手段内の水が凍結していないと判断する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。The determining means includes:
2. The method according to claim 1, wherein after starting the driving of the supply unit, when the pressure detection value by the pressure detection unit reaches a target value, it is determined that the water in the storage unit is not frozen. Fuel cell system.
前記供給手段を駆動開始後、前記圧力検出手段による圧力検出値が、目標値近傍となり、その状態が所定時間安定して継続した場合には、前記貯蔵手段内の水が凍結していないと判断する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。The determining means includes:
After the start of driving the supply unit, when the pressure detection value by the pressure detection unit is close to the target value and the state has been stably continued for a predetermined time, it is determined that the water in the storage unit is not frozen. The fuel cell system according to claim 1, wherein:
前記判断手段は、前記温度検出手段が検出した温度が氷点近傍の場合には、前記判断手段による判断処理を行う
ことを特徴とする請求項1,2,3,4及び5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。Comprising a temperature detecting means for detecting a temperature of water in the storage means,
6. The method according to claim 1, wherein the determining unit performs the determining process when the temperature detected by the temperature detecting unit is near the freezing point. The fuel cell system according to item 1.
ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5及び6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。7. The method according to claim 1, wherein when the determination unit determines that the water in the storage unit is frozen, the driving of the supply unit is stopped. The fuel cell system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。When the determination unit determines that the water in the storage unit is frozen, the drive of the supply unit is stopped, and a period during which the drive of the supply unit is stopped is detected by the temperature detection unit. 7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the lower the temperature, the longer the setting.
ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5,6,7及び8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。The power generation amount of the fuel cell system is limited while the water in the storage means is determined to be frozen by the determination means. The fuel cell system according to any one of claims 6, 7, and 8.
ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5、6,7,8及び9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。The storage unit includes a heating unit that heats the stored water, and while the determination unit determines that the water in the storage unit is frozen, the storage unit operates the heating unit. The output of the heating means is reduced or stopped when it is determined that the water in the storage means is not frozen. 10. The fuel cell system according to any one of 8 and 9.
前記燃料電池システムの停止時に、前記配管内に残留する水を前記貯蔵手段に回収する
ことを特徴とする請求項1,2,3,4,5、6,7,8,9及び10のいずれか1項に記載の燃料電池システム。The water supply system includes:
11. The water storage system according to claim 1, wherein the water remaining in the pipe is collected in the storage unit when the fuel cell system is stopped. The fuel cell system according to claim 1.
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