JP2004179153A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力の発生を抑制する電力発生抑制物質を効果的に除去できる燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device that can effectively remove a power generation suppressing substance that suppresses power generation.
従来から燃料電池へ供給する水素等の燃料ガス(以下、水素という)を循環供給するとき、循環経路に電力の発生を抑制する不純物即ち電力発生抑制物質が蓄積される毎にこれを循環ガスと共に大気へ排出するものが知られている(特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, when a fuel gas such as hydrogen supplied to a fuel cell (hereinafter referred to as hydrogen) is circulated and supplied, an impurity that suppresses the generation of electric power, that is, a power generation suppressing substance is accumulated along with the circulating gas in a circulation path. There is known one that discharges to the atmosphere (see Patent Document 1).
これは、循環経路内の不純物の量が所定量を超えるとみなされる一定運転時間毎、循環経路が閉サイクル故に徐々に不純物が蓄積され電極反応面に付着することや相対的に水素の分圧が低下すること等の理由により電気化学的反応が阻害されて燃料電池の出力電圧が所定以上に低下するとき、若しくは、水素濃度が所定濃度以下に低下するときには、循環経路内のガスを大気開放弁により大気に放出するようにしている。
しかしながら、上記従来例では、循環経路内の不純物量が所定値以上となるとき循環経路内のガスを大気へ放出するが、循環経路内には大気中では含有率の低い水素が含まれている等の理由から、規制物質ではないもののそのまま排出することは好ましくなく、また、水素をメタノールやガソリン等の燃料を改質して作り出す場合、微量ではあるものの水素ガス中に燃料成分が含まれている場合があり、大気環境の観点よりそのまま放出することは好ましくないものであった。 However, in the above conventional example, when the amount of impurities in the circulation path is equal to or more than a predetermined value, the gas in the circulation path is released to the atmosphere, but the circulation path contains hydrogen having a low content in the atmosphere. For reasons such as, it is not preferable to discharge it as it is not a regulated substance, and when hydrogen is produced by reforming fuel such as methanol or gasoline, a small amount of hydrogen gas contains fuel components. In some cases, it is not preferable to release the substance as it is from the viewpoint of the atmospheric environment.
望ましくは、循環経路内のガスを空気等の酸化ガスと混合して燃焼器等で燃焼せしめて水蒸気等の状態にして排出することがよく、その際の燃焼器からの燃焼熱は燃焼ガスを熱交換器を経由させることで、燃料電池の熱媒体を昇温させること等に再利用することが考えられる。 Desirably, the gas in the circulation path is mixed with an oxidizing gas such as air, burned in a combustor or the like, and discharged in the form of water vapor or the like. By passing through the heat exchanger, it is conceivable to reuse the heat medium of the fuel cell for raising the temperature.
その場合、熱媒体が熱交換器を流通していれば熱媒体の昇温代は比較的少なくて済む。しかしながら、たまたま熱交換器側に熱媒体の流れがない場合には、発生した燃焼熱が極一部の熱媒体へ与えられ熱媒体の温度が高温となり熱媒体の沸騰により熱媒体通路の異常高圧によるシステムの故障や熱媒体の熱分解による変質等を生じる虞があることを考慮する必要がある。 In such a case, if the heat medium is flowing through the heat exchanger, the heat medium can be heated in a relatively small amount. However, when the heat medium does not flow on the heat exchanger side, the generated heat of combustion is given to a very small portion of the heat medium, and the temperature of the heat medium becomes high. It is necessary to consider that there is a possibility of causing a system failure due to the above or a deterioration due to thermal decomposition of the heat medium.
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質等を生じることなく排出循環ガスを熱媒体の加熱に利用可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and it is possible to use the exhaust circulating gas for heating the heat medium without causing the heat medium to boil, increasing the pressure of the heat medium passage, and altering the heat medium. It is intended to provide a battery system.
本発明の第1の発明は、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により前記燃焼ガスの熱を燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機する燃料電池システムにおいて、燃焼ガスを熱交換手段を通過させずに排出させる熱交換手段バイパス手段を設け、水素パージ実行時は燃焼ガスを熱交換手段をバイパスさせて排出するようにした。 According to a first aspect of the present invention, a gas in a hydrogen supply unit that supplies hydrogen to a fuel cell is discharged through a combustion gas generation unit by a hydrogen purge unit, and reacted with oxygen by the combustion gas generation unit to generate a high-temperature gas. In a fuel cell system in which a combustion gas is generated, and the heat of the combustion gas is supplied to a heat medium that controls the temperature of the fuel cell system by a heat exchange means during a cold start and heated to warm up the fuel cell system, A heat exchange means bypass means for discharging the gas without passing through the heat exchange means is provided, and when performing hydrogen purging, the combustion gas is discharged by bypassing the heat exchange means.
本発明の第2の発明は、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、また、熱媒体通路切換え手段により熱媒体の通路を前記熱交換手段側もしくは熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路側へ流通させる燃料電池システムにおいて、熱媒体の通路を熱交換手段バイパス通路側としている場合でも、所定量は熱交換手段側へも熱媒体を流通させるようにした。 According to a second aspect of the present invention, a gas in a hydrogen supply unit that supplies hydrogen to a fuel cell is discharged through a combustion gas generation unit by a hydrogen purge unit, and a high-temperature combustion gas is generated by the combustion gas generation unit. At the time of cold start, the fuel cell system can be warmed up by applying heat of the combustion gas to the heat medium by the heat exchange means and heating it, and the heat medium passage switching means closes the heat medium passage to the heat exchange means side. Alternatively, in the fuel cell system in which the heat medium is passed to the heat exchange unit bypass passage side in which the heat medium is passed by bypassing the heat exchange unit, even when the heat medium passage is set to the heat exchange unit bypass passage side, the predetermined amount is set to the heat exchange unit side. The heat medium was also circulated.
本発明の第3の発明は、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により前記燃焼ガスの熱を燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路と熱媒体の通路を熱交換手段側もしくは熱交換手段バイパス通路側へ切換える熱媒体通路切換え手段とを備える燃料電池システムにおいて、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを行うようにした。 According to a third aspect of the present invention, a gas in a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to a fuel cell is discharged through a combustion gas generation unit by a hydrogen purge unit, and is reacted with oxygen by the combustion gas generation unit to generate a high-temperature gas. It is possible to warm up the fuel cell system by generating combustion gas and applying heat of the combustion gas to a heat medium for controlling the temperature of the fuel cell system by a heat exchange means at the time of a cold start, thereby heating the fuel cell system. In a fuel cell system comprising a heat exchange means bypass passage for bypassing the heat medium and flowing the heat medium and a heat medium passage switching means for switching the heat medium passage to the heat exchange means side or the heat exchange means bypass passage side, hydrogen purge is required. If the heat medium is flowing through the heat exchange means bypass passage at the time of the heat exchange, the heat medium passage is switched to the heat exchange means and the hydrogen purge is performed. It was.
したがって、本発明の第1の発明では、冷間始動時には燃焼ガス発生手段により発生させた高温の燃焼ガスの熱を熱交換手段により燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機し、水素パージ実行時には燃焼ガス発生手段により発生させた高温の燃焼ガスを熱交換手段を通過させずに排出させる熱交換手段バイパス手段を介して排出するため、水素パージ時に発生する熱は熱交換器へ供給されずに大気へ排出され、熱交換器内へ熱媒体の流通が停止している場合でも熱媒体の一部が過加熱されることなく、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。 Therefore, according to the first aspect of the present invention, at the time of a cold start, the heat of the high-temperature combustion gas generated by the combustion gas generation means is given to the heat medium for controlling the temperature of the fuel cell system by the heat exchange means and heated. In order to discharge the hot combustion gas generated by the combustion gas generating means without passing through the heat exchanging means through the heat exchanging means bypass means, the hydrogen purging is performed. The generated heat is discharged to the atmosphere without being supplied to the heat exchanger, and even when the flow of the heat medium into the heat exchanger is stopped, part of the heat medium is not overheated, It is possible to avoid problems such as boiling, high pressure of the heat medium passage, and deterioration of the heat medium.
本発明の第2の発明では、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、また、熱媒体通路切換え手段により熱媒体の通路を前記熱交換手段側もしくは熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路側へ流通させる燃料電池システムにおいて、熱媒体の通路を熱交換手段バイパス通路側としている場合でも、所定量は熱交換手段側へも熱媒体を流通させるようにしたため、暖機が終了した通常運転時であっても燃焼器作動中は常に所定量の熱媒体が熱交換器を流通することとなり、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。 In the second invention of the present invention, the gas in the hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell is discharged through the combustion gas generation means by the hydrogen purge means, and the combustion gas generation means generates high-temperature combustion gas. At the time of cold start, the fuel cell system can be warmed up by applying heat of the combustion gas to the heat medium by the heat exchange means and heating it, and the heat medium passage switching means closes the heat medium passage to the heat exchange means side. Alternatively, in the fuel cell system in which the heat medium is passed to the heat exchange unit bypass passage side in which the heat medium is passed by bypassing the heat exchange unit, even when the heat medium passage is set to the heat exchange unit bypass passage side, the predetermined amount is set to the heat exchange unit side. Since the heat medium is also allowed to flow through the heat exchanger, a predetermined amount of the heat medium always flows through the heat exchanger during the operation of the combustor, even during the normal operation in which the warming-up is completed. Body boiling, high pressure of the heat medium passage, it is possible to avoid problems such as deterioration of the heat medium.
本発明の第3の発明では、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により前記燃焼ガスの熱を燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路と熱媒体の通路を熱交換手段側もしくは熱交換手段バイパス通路側へ切換える熱媒体通路切換え手段とを備える燃料電池システムにおいて、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを行うため、水素パージに伴って発生する熱は熱交換手段を介して多量の熱媒体によって奪われることとなり、ポンプの仕事を増やすことなく熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。 According to the third aspect of the present invention, the gas in the hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell is discharged through the combustion gas generation means by the hydrogen purge means, and is reacted with oxygen by the combustion gas generation means to generate a high-temperature gas. It is possible to warm up the fuel cell system by generating combustion gas and applying heat of the combustion gas to a heat medium for controlling the temperature of the fuel cell system by a heat exchange means at the time of a cold start, thereby heating the fuel cell system. In a fuel cell system comprising a heat exchange means bypass passage for bypassing the heat medium and flowing the heat medium and a heat medium passage switching means for switching the heat medium passage to the heat exchange means side or the heat exchange means bypass passage side, hydrogen purge is required. When the heat medium was flowing through the heat exchange means bypass passage side when the heat exchange was performed, the heat medium passage was switched to the heat exchange means side, and then hydrogen purging was performed. The heat generated by the hydrogen purging is removed by a large amount of heat medium through the heat exchange means, and the heat medium can be boiled without increasing the work of the pump, the pressure of the heat medium passage is increased, and the heat medium is deteriorated. Troubles can be avoided.
以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the fuel cell system of the present invention will be described based on each embodiment.
(第1実施形態)
図1〜図4は、本発明を適用した燃料電池システムの第1実施形態を示し、図1はシステム構成図、図2は制御ブロック図、図3は「加熱運転実行判断手段」の制御フローチャート、図4は「加熱運転手段」の制御フローチャートである。
(1st Embodiment)
1 to 4 show a first embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied. FIG. 1 is a system configuration diagram, FIG. 2 is a control block diagram, and FIG. 3 is a control flowchart of "heating operation execution determination means". FIG. 4 is a control flowchart of the "heating operation means".
図1において、燃料電池システムは、水素と酸素(空気)の供給を受けて電力を発生する燃料電池1と、燃料電池1に水素を循環供給する水素供給手段としての水素供給系統2と、燃料電池1に酸素を含む空気を供給する酸化ガス供給系統3と、燃料電池1に熱媒体を供給する温度調節手段としての熱媒体供給系統4と、パージされた不純物を含む排水素を排酸素とともに燃焼させる燃焼ガス発生手段としての燃焼器5と、燃焼器5の燃焼ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換手段としての熱交換器6とより構成している。燃料電池1には、その温度を検出する温度センサ7と、燃料電池1の発電状態を検出する電力計8が配置され、いずれの検出信号もコントロールユニット9に入力されている。
In FIG. 1, a fuel cell system includes a
前記水素供給系統2は、図示しない高圧貯蔵タンクからの燃料ガスとしての水素を水素調圧弁10で予め設定した圧力に減圧して燃料電池1の燃料極に供給する。燃料電池1の燃料極から排出された排水素は循環通路11を経由して戻され、エゼクタ12により新たに供給された水素と混合されて再び燃料電池1の燃料極に供給される。循環経路11は前記燃焼器5にパージ手段としてのパージ弁13を介して連通され、パージ弁13が開放するとき、循環経路11中のガスが燃焼器5に供給されるようになっている。水素調圧弁10、パージ弁13はコントロールユニット9により制御される。
The
酸化ガス供給系統3は、外気を取り込み、図示しない電動機で駆動されるコンプレッサ14で圧縮して送出し、燃料電池1の酸化剤極に供給し、酸化剤極から排出される排空気は前記燃焼器5に供給される。
The oxidizing
前記熱媒体供給系統4は、燃料電池1の図示しない熱媒体通路に熱媒体を流動させることで燃料電池1の温度を制御するものであり、コントロールユニット9によってその流量を制御された熱媒体を圧送するポンプ16と燃料電池1から三方弁17を経由して排出された熱媒体を冷却するラジエータ18とを燃料電池1の熱媒体通路に直列接続して構成している。ラジエータ18にはラジエータファン19が設けられ、コントロールユニット9により回転が制御されてラジエータ18への通風量を制御することでラジエータ18を通過する熱媒体の温度を制御するようにしている。
The heat medium supply system 4 controls the temperature of the
前記三方弁17は、ラジエータ18を迂回する熱交換用通路20への分岐点に配置され、燃料電池1から排出された熱媒体を、熱交換用通路20へ流通させるか、若しくは、熱交換器6をバイパスするラジエータ18側へ流通させるか、コントロールユニット9により切換選択される。熱交換用通路20を主路とすると、ラジエータ18側の通路は熱交換器バイパス通路となる。熱交換用通路20の途中には熱交換手段としての熱交換器6が配置され、熱交換器6は後述するように内部を通過する熱媒体を加熱可能である。熱交換器6はポンプ16によって常時熱媒体が流通する熱媒体供給系統4に配置されることなく熱媒体が常時は流れない熱交換器用通路20に配置されているため、通常時の熱媒体の流通には熱交換器6による圧損が常に生じることがなく、ポンプ16が常時無駄な仕事をすることによる効率の低下を防止している。
The three-
前記コントロールユニット9は、燃料電池1の温度センサ7よりの温度信号に基づき三方弁17を切換制御する。温度センサ7よりの温度信号が所定温度よりも高い場合には、三方弁17はラジエータ18側(熱交換器バイパス通路)へ切換えられ、熱媒体はラジエータ18へ導かれ、冷却される。前記設定温度は、燃料電池システムが安定して運転可能な温度帯の中から適宜決定する。温度センサ7よりの温度信号が設定温度よりも低かった場合には、三方弁17は熱交換用通路20へ切換えられ、熱媒体は熱交換器6へ導かれる。
The
前記熱交換器6は、熱交換面の一方に熱媒体が供給され、熱交換面の他方に前記燃焼器5よりの燃焼ガスが排気三方弁21を経由して選択的に供給され、燃焼ガスの熱を熱媒体に供給して熱交換を行う。熱交換器6に熱交換用通路20を経由して供給される熱媒体は、前記したように、設定温度より低い場合であり、熱媒体を加温して燃料電池1の温度を昇温させる。熱媒体が設定温度より低い場合は、燃料電池1の温度が低温であり、発電不能であるか効率が非常に悪いときに相当する。
In the
前記燃焼器5は、前記パージ弁13が開放されることにより、循環経路11から排出される循環ガスを燃料電池1の酸化ガス供給系統3の排空気により燃焼させ、排気三方弁21を経由させて燃焼ガスを外気へ排出するか若しくは熱交換器6に供給するよう選択される。排気三方弁21はコントロールユニット9により切換位置が制御されるものであり、通常は燃焼ガスを外気へ排出する外気側位置に位置し、前記熱媒体供給系統4の三方弁17が熱交換器6側に切換えられるときに熱交換器側位置に切換えられる。排気三方弁21が熱交換器側位置に切換えられて燃焼器5の燃焼ガスが熱交換器6に供給されると、燃焼ガスの熱で熱媒体を加熱する。なお、パージ弁13が開放されている間は、燃料電池1の燃料極の循環ガスは排出され、燃料電池1での発電は行われない。
When the
以上の構成の燃料電池システムは、コントロールユニット9で一定周期毎に実行される図2の制御ブロック図により制御される。 The fuel cell system having the above configuration is controlled by the control block diagram of FIG.
図2において、コントロールユニット9は、先ず、加熱運転実行判断手段25により熱媒体を加熱運転するか否かを判定し、次いで、加熱運転手段26により、前記判定結果に応じて、加熱運転、または、通常運転の継続を実行する。図3は前記加熱運転実行判断手段25のフローチャートであり、図4は前記加熱運転手段26のフローチャートである。以下に各手段での詳細な制御手順を図3、4に基づいて説明する。
In FIG. 2, the
図3に示す加熱運転実行判断手段は、先ず、ステップS11で、燃料電池1の温度TFCを温度センサ7よりの温度信号TFCから読み込む。
First, the heating operation execution determining means shown in FIG. 3 reads the temperature TFC of the
ステップS12では、読み込んだ温度信号TFCが所定温度SLTFCよりも高いか否かを判定する。温度信号TFCが所定温度SLTFCより、高ければステップS14に進み、高くなければステップS13へ進む。 In step S12, it is determined whether or not the read temperature signal TFC is higher than a predetermined temperature SLTFC. If the temperature signal TFC is higher than the predetermined temperature SLTFC, the process proceeds to step S14, and if not, the process proceeds to step S13.
ステップS13では、加熱運転フラグFCOLDを1(加熱運転許可)として本フローを終了し、ステップS14では、加熱運転フラグFCOLDを0(加熱運転不許可)として処理を終了する。 In step S13, the heating operation flag FCOLD is set to 1 (heating operation permission), and the flow ends, and in step S14, the heating operation flag FCOLD is set to 0 (heating operation not permitted), and the process ends.
図4に示す加熱運転手段は、先ず、ステップS21で、加熱運転実行判断手段で設定した加熱運転フラグFCOLDが1か0かを判定し、0であれば加熱運転不可なのでステップS24に進み、1であればステップS22へ進む。 The heating operation means shown in FIG. 4 first determines in step S21 whether the heating operation flag FCOLD set by the heating operation execution determination means is 1 or 0. If so, the process proceeds to step S22.
ステップS24では、排気三方弁21を外気側位置として、一連の処理を終了する。
In step S24, the exhaust gas three-
ステップS22では、加熱運転をするために、パージ弁13を開とし、水素調圧弁10を暖機に必要な熱量が燃焼器5から発生するに十分な量の水素を供給するよう調整し、燃焼器5に空気を供給するようコンプレッサ14の運転を継続する。これにより、燃焼器5には、暖機に必要な熱量を発生するのに十分な量の水素と空気とが供給されて高温の燃焼ガスを発生させる。また、熱媒体供給系統4の三方弁17を熱交換器6側に切換え、ポンプ16を運転する。熱媒体は、ポンプ16、燃料電池1、三方弁17、熱交換用通路20、熱交換器6と流れる。これらの処理後にステップS23へ進む。
In step S22, in order to perform the heating operation, the
ステップS23では、排気三方弁21を熱交換器側位置に切換えて一連の処理を終了する。燃焼器5で得られた高温の燃焼ガスが熱交換器6を通過する。燃焼ガスの熱は、熱交換器6を介して熱媒体へ伝達され、高温となった熱媒体は燃料電池1へ導かれる。このため、燃料電池1は急速に昇温され、効率よく運転できる温度まで短時間で到達する。
In step S23, the exhaust three-
以上の処理において、本願はステップS23およびステップS24を特徴とする。即ち、加熱運転をする場合にのみ、燃焼ガスを熱交換器6へ導き、それ以外は熱交換器6を介さずに大気へ排出するため、水素パージ等の加熱運転以外の運転時における燃焼ガスの熱が熱媒体へ伝達することを防ぐことができ、熱媒体の過加熱、沸騰、熱媒体通路の高圧化による破損、熱媒体の変質などを抑制することが可能となる。
In the above processing, the present application is characterized by step S23 and step S24. That is, the combustion gas is guided to the
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be obtained.
(ア)冷間始動時には燃焼ガス発生手段としての燃焼器5により発生させた高温の燃焼ガスの熱を熱交換手段としての熱交換器6により燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機し、水素パージ実行時には燃焼器5により発生させた高温の燃焼ガスを熱交換器6を通過させずに排出させる熱交換手段バイパス手段としての排気三方弁21を介して排出するため、水素パージ時に発生する熱は熱交換器6へ供給されずに大気へ排出されて、熱交換器6内へ熱媒体の流通が停止している場合でも熱媒体の一部が過加熱されることがなく、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。
(A) At the time of a cold start, heat of the high-temperature combustion gas generated by the
(第2実施形態)
図5〜図8は、本発明を適用した燃料電池システムの第2実施形態を示し、図5はシステム構成図、図6は制御ブロック図、図7は「水素パージ判断手段」の制御フローチャート、図8は「水素パージ手段」の制御フローチャートである。本実施形態においては、熱媒体の一部を常に熱交換器に循環させるようにし且つ、燃焼器5下流の排気三方弁を廃止して、燃焼器の燃焼ガスの全量を熱交換器に供給するようにしたものである。なお、前実施形態と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(2nd Embodiment)
5 to 8 show a second embodiment of the fuel cell system to which the present invention is applied, FIG. 5 is a system configuration diagram, FIG. 6 is a control block diagram, FIG. 7 is a control flowchart of "hydrogen purge determination means", FIG. 8 is a control flowchart of the "hydrogen purging means". In this embodiment, a part of the heat medium is always circulated to the heat exchanger, and the exhaust three-way valve downstream of the
図5において、燃料電池システムは、熱媒体供給系統4の熱交換用通路20の熱交換器6と三方弁17との間と燃料電池1の熱媒体出口近辺とを接続して、コントローラ9により弁開度が調節されるバイパス弁27を配置して備える。燃料電池1から排出された熱媒体の一部は、バイパス弁27の弁開度に応じて熱交換用通路20に流れ込み、熱交換器6を経由してポンプ16に吸込まれ、熱交換器6を流通する。なお、図示しないが、バイパス弁27を設けることなく三方弁17自体を操作して熱交換用通路20に熱媒体を流すようにしても同様に作動させることができる。
In FIG. 5, the fuel cell system connects the
また、燃焼器5は熱交換器6に直結され、燃焼器5が循環ガスを燃焼させる際には、燃焼ガスの全量が熱交換器6に供給されるようにしている。
Further, the
本実施形態における冷間始動時においては、第1実施形態と同様にパージ弁13を経由して供給された排水素と排空気とが燃焼器5により燃焼され、高温の燃焼ガスを熱交換器6に供給する。他方、三方弁17は熱交換器6側が開口し、燃料電池1の出口よりの熱媒体は三方弁17から熱交換器6にその全流量が供給される。このため、冷間始動時には、燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱して燃料電池システムを暖機することができる。
At the time of the cold start in the present embodiment, the exhaust hydrogen and the exhaust air supplied via the
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池1へ水素を供給する水素供給手段2である循環経路内のガスに不純物が蓄積されることに起因して、このガスを前記燃焼ガス発生手段としての燃焼器5を介して排出する水素パージ手段としてのパージ弁13作動に関連して以下に記載する制御を行う。
Further, in the fuel cell system, impurities are accumulated in a gas in a circulation path which is a hydrogen supply means 2 for supplying hydrogen to the
図6は、以上の構成になる燃料電池システムのコントロールユニット9での一定周期毎に実行される制御ブロック図である。コントロールユニット9は、先ず、水素パージ判断手段28により水素パージを実行するか否かを判断し、次いで、水素パージ手段29により、前記判定結果に応じて、水素パージ運転を実行するか、または、水素パージを実行しない通常運転の継続を実行する。図7は前記水素パージ判断手段28のフローチャートであり、図8は前記水素パージ手段29のフローチャートである。以下に各手段での詳細な制御手順を図7、図8に基づいて説明する。
FIG. 6 is a control block diagram executed at regular intervals by the
図7に示す水素パージ判断手段28は、先ず、ステップS31で、水素パージ許可フラグFH2Pが1(水素パージ許可)か0か(水素パージ不許可)を判定する。水素パージ許可フラグFH2Pが1であれば、既に水素パージ制御中であるので水素パージ実行の判断をする必要がなく、そのまま処理を終了し、水素パージ許可フラグFH2Pが0であれば、ステップS32へ進む。
First, in step S31, the hydrogen
ステップS32では、後に算出する「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」SUMGASが所定値SLGASを超過しているか否かを判定し、超過していればステップS35へ進み、「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」SUMGASが所定値SLGAS以下であれば水素パージはまだ不要と判断し、ステップS33へ進む。 In step S32, it is determined whether or not the "impurity accumulation index contained in the circulating gas in the circulation path" SUMGAS calculated later exceeds a predetermined value SLGAS. If the “accumulation index of impurities contained in the circulating gas” “SUMGAS” is equal to or less than the predetermined value SLGAS, it is determined that hydrogen purging is not necessary yet, and the process proceeds to step S33.
ステップS35では、水素パージを許可すべく「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」SUMGASをゼロとするとともに水素パージ許可フラグFH2Pを1として水素パージ運転を許可して処理を終了する。 In step S35, the "impurity accumulation index contained in the circulating gas in the circulation path" SUMGAS is set to zero, and the hydrogen purge permission flag FH2P is set to 1 to permit the hydrogen purge operation in order to permit the hydrogen purge.
ステップS33では、燃料電池1の発電電力量Wを読み込み、ステップS34に進む。
In step S33, the power generation amount W of the
ステップS34では、次式
SUMGAS=W×K+SUMGAS
により「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」SUMGASを算出して処理を終了する。ここで、Kは、本処理が、例えば1秒毎に行われていれば、例えば、K=1とし、不定期であれば、前回本処理を実施してから今回までの時間に比例した数値を設定すればよい。
In step S34, the following equation is given.
Calculates the “index of accumulation of impurities contained in the circulating gas in the circulation path” SUMGAS, and ends the processing. Here, K is, for example, K = 1 if this processing is performed every second, and if irregular, it is a numerical value proportional to the time from the last execution of this processing to the current time. Should be set.
このように設定すれば、「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」SUMGASは取り出した電力の積算値に概略比例した値となる。不純物蓄積指標SUMGASの値は、実際の不純物量とは異なる値ではあるが、水素極の不純物はSUMGASと同様、取り出した電力量に概略比例するため、「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」SUMGASの大小で水素パージ時期を判断すると無駄なく的確なパージのタイミングが推定できる。なお、水素パージのタイミングは、この実施形態で説明した方法に限定されるものではなく、特開2000−243417号公報に開示されているように、一定運転時間毎、不純物が循環経路が閉サイクル故に徐々に蓄積され電極反応面に付着することや相対的に燃料ガスの分圧が低下すること等の理由により電気化学的反応が阻害されて燃料電池の出力電圧が所定以上に低下するとき、若しくは、水素濃度が所定濃度以下に低下するとき等で予測するものでもよい。 With this setting, the “index of accumulation of impurities contained in the circulating gas in the circulation path” SUMGAS is a value substantially proportional to the integrated value of the extracted electric power. Although the value of the impurity accumulation index SUMGAS is different from the actual impurity amount, the impurity of the hydrogen electrode is substantially proportional to the amount of electric power taken out similarly to SUMGAS. By judging the hydrogen purge timing based on the magnitude of the accumulation index "SUMGAS", it is possible to estimate the exact purge timing without waste. Note that the timing of the hydrogen purge is not limited to the method described in this embodiment, and as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-243417, every time a certain operation time elapses, the impurities are circulated in a closed cycle. Therefore, when the electrochemical reaction is hindered due to gradually accumulating and adhering to the electrode reaction surface or the relative partial pressure of the fuel gas is reduced, and the output voltage of the fuel cell is reduced to a predetermined value or more, Alternatively, the prediction may be made when the hydrogen concentration falls below a predetermined concentration.
図8に示す水素パージ手段29は、先ず、ステップS41で、水素パージ許可フラグFH2Pが1(水素パージ許可)であるか否かを判定し、水素パージ許可フラグFH2Pが1であればステップS42へ進み、水素パージが不許可であればそのまま本処理を終了する。 The hydrogen purging means 29 shown in FIG. 8 first determines in step S41 whether the hydrogen purge permission flag FH2P is 1 (hydrogen purge permission). If the hydrogen purge permission flag FH2P is 1, the flow proceeds to step S42. The process proceeds, and if the hydrogen purge is not permitted, the present process is terminated as it is.
ステップS42では、ポンプ16の回転数NPを読み込み、ステップS43ではポンプ16の回転数NPに対応するバイパス弁27の開度BBOを、ポンプ回転数−開度テーブルを参照して読出し、ステップS44でバイパス弁27を読出した開度BBOだけ開弁し、パージ弁13を開弁してパージを開始する。
In step S42, the rotational speed NP of the
ステップS45では、タイマーTMを所定量T(システムの運転が回復し、かつ無駄な水素の放出を最小限とする値であり、実験的に求められる)だけ増加させる。所定量Tは図7のステップS34のKと同じで、本処理が一定時間毎に行われていれば一定値でかまわないが、不定期であれば前回本処理を実施してから現在までの経過時間に比例する値を設定する。そうすることでパージを実行している時間を正確にカウントアップできる。 In step S45, the timer TM is increased by a predetermined amount T (a value that recovers the operation of the system and minimizes unnecessary release of hydrogen, which is experimentally obtained). The predetermined amount T is the same as K in step S34 of FIG. 7, and may be a constant value if the present process is performed at regular intervals, but if the process is irregular, it may be a predetermined value from the previous execution of the present process to the present. Set a value proportional to the elapsed time. By doing so, the time during which the purge is being performed can be accurately counted up.
ステップS46では、前記タイマーTMが所定値SLTMを超えたか否かを判定し、超えていなければそのままパージを継続すべく本処理を終了し、超えていればステップS47に進み、水素パージを終了するためにバイパス弁27とパージ弁13を閉弁するとともに水素パージ許可フラグFH2Pをゼロとし、タイマーTMも次回の計測のためにゼロとして、本処理を終了する。
In step S46, it is determined whether or not the timer TM has exceeded a predetermined value SLTM. If the timer TM has not exceeded the predetermined value SLTM, the process is terminated to continue purging. If it has, the process proceeds to step S47 to terminate the hydrogen purge. Therefore, the
本実施例において特徴的な部分は、ステップS42〜44の処理であり、水素パージをする場合は三方弁17がラジエータ18側、即ち、熱交換手段としての熱交換器バイパス通路側となっていたとしても熱交換器6に常時熱媒体が所定量(ステップ43内のポンプ回転数−開度テーブルに基づく)流通させるため、熱媒体の一部に過剰な熱が与えられることがなく、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。なお、三方弁17が熱交換器6側となっていた場合には、バイパス弁27の制御は不要だが、実行しても何ら問題なく、簡単化のために場合分けをしなかった。
The characteristic part of the present embodiment is the processing of steps S42 to S44. When hydrogen purging is performed, the three-
さらに、本実施形態ではバイパス弁27を新たに追加しているが、三方弁17に開度調整機能を持たせて、水素パージ時は熱交換器6側へも所定量の熱媒体を流通させる構成とすると、バイパス弁27の追加を必要とせずに同様な効果を得ることができる。
Further, in the present embodiment, the
本実施形態においては、以下に記載した効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be obtained.
(イ)燃料電池1へ水素を供給する水素供給手段2内のガスを水素パージ手段としてのパージ弁13により燃焼ガス発生手段としての燃焼器5を介して排出し、燃焼器5により高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段としての熱交換器6により燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、また、熱媒体通路切換え手段としての三方弁17により熱媒体の通路を前記熱交換器6側もしくは熱交換器6をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路側へ流通させる燃料電池システムにおいて、熱媒体の通路を熱交換手段バイパス通路側としている場合でも、所定量は熱交換器6側へも熱媒体を流通させるようにしたため、暖機が終了した通常運転時であっても燃焼器作動中は常に所定量の熱媒体が熱交換器6を流通することとなり、燃焼器5と熱交換器6との間に排気三方弁21などを新たに追加することなく熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。
(A) The gas in the hydrogen supply means 2 for supplying hydrogen to the
(第3実施形態)
図9〜図12は、本発明を適用した燃料電池システムの第3実施形態を示し、図9はシステム構成図、図10は制御ブロック図、図11は「熱媒体通路選択手段」の制御フローチャート、図12は「水素パージ手段」の制御フローチャートである。本実施形態においては、三方弁により熱媒体を熱交換器に流すように切換えてからパージ作動を行うようにしたものである。なお、図1〜図8と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Third embodiment)
9 to 12 show a third embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied. FIG. 9 is a system configuration diagram, FIG. 10 is a control block diagram, and FIG. 11 is a control flowchart of a "heat medium passage selecting means". FIG. 12 is a control flowchart of the "hydrogen purging means". In the present embodiment, the purging operation is performed after the three-way valve switches the heat medium to flow to the heat exchanger. Note that the same devices as those in FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
図9において、燃料電池システムは、図5に示す燃料電池システムに対して、バイパス弁27を取去った構成を備える。そして、パージ作動に先立ちコントロールユニット9により三方弁17を熱交換器側へ切換えるようにしている。
9, the fuel cell system has a configuration in which the
図10は、以上の構成になる燃料電池システムのコントロールユニット9で一定周期毎に実行される制御ブロック図である。コントロールユニット9は、先ず、水素パージ判断手段28により水素パージを実行するか否かを判断し、水素パージ実行が許可されると、熱媒体通路選択手段30により熱媒体を熱交換器6側へ流通させ、次いで、水素パージ手段31により水素パージ制御を実行する。前記水素パージ判断手段28は、第2実施形態の図7と同じであり、既に説明済みであるため、ここでの説明は省略する。図11は熱媒体通路選択手段30の制御フローチャートであり、図12は水素パージ手段31の制御フローチャートである。以下に各手段での詳細な制御手順を図11、図12に基づいて説明する。
FIG. 10 is a control block diagram executed at regular intervals by the
図11に示す熱媒体通路選択手段30は、先ず、ステップS51で水素パージ許可フラグFH2Pが1(水素パージ許可)であるか否かを判定し、許可されていなければステップS52へ進み、許可されていればステップ55へ進む。
The heat medium
ステップS52では、温度センサ7の温度信号より燃料電池1の温度TFCを読み込み、ステップS53で、その温度TFCが所定温度SLTFCよりも低いかを判定し、高ければステップS54へ進み、三方弁17をラジエータ18側として熱媒体を冷却するモードとして本処理を終了する。他方、温度TFCが設定温度SLTFCより低ければステップS55へ進む。
In step S52, the temperature TFC of the
ステップS55は、ステップS51で水素パージが許可されている場合は燃料電池1の温度に関係なく、また、ステップS53で温度TFCが設定温度SLTFCより低い場合とで選択され、三方弁17を熱交換器6側として熱交換器6へ熱媒体を流通させるモードとし、本処理を終了する。本制御により水素パージ実行時には、必ず熱交換器6に熱媒体が流通することになる。
Step S55 is selected irrespective of the temperature of the
図12に示す水素パージ手段31は、先ず、ステップS61で水素パージ許可フラグFH2Pが1(水素パージ許可)であるか否かを判定し、不許可であれば本処理を終了させ、許可されていればステップS62へ進む。 The hydrogen purging means 31 shown in FIG. 12 first determines whether or not the hydrogen purge permission flag FH2P is 1 (hydrogen purge permission) at step S61. If so, the process proceeds to step S62.
ステップS62では、パージ弁13を開弁して水素パージを開始し、ステップS63では、タイマーTMを所定量T(システムの運転が回復し、かつ無駄な水素の放出を最小限とする値であり、実験的に求められる)だけ増加させる。これは図7のステップS34のKと同じで、本処理が一定時間毎に行われていれば一定値でかまわないが、不定期であれば前回本処理を実施してから現在までの経過時間に比例する値を設定する。そうすることでパージを実行している時間を正確にカウントアップできる。
In step S62, the
ステップS64では、前記タイマーTMが所定値SLTMを超えたか否かを判定し、超えていなければそのままパージを継続すべく本処理を終了し、超えていればステップS65に進み、水素パージを終了するためにパージ弁13を閉弁するとともに水素パージ許可フラグFH2Pをゼロとし、タイマーTMも次回の計測のためにゼロとして、本処理を終了する。
In step S64, it is determined whether or not the timer TM has exceeded a predetermined value SLTM. If the timer TM has not exceeded the predetermined value SLTM, the process is terminated to continue purging, and if it has, the process proceeds to step S65 to terminate the hydrogen purge. Therefore, the
以上の処理を実施することで、熱媒体通路が例えラジエータ18側(熱交換手段バイパス通路側)となっていようとも熱交換器6側へ変更してから水素パージを行うため、熱交換器6内に一部の熱媒体がとどまることがなくなり、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。
By performing the above processing, even if the heat medium passage is on the
また、低温起動時に燃料電池1を昇温させるための燃焼器5とパージにより排出される水素を燃焼せしめる燃焼器5とを一つとすることが可能となり、レイアウト性、コスト低減などが図れる。
In addition, it becomes possible to combine the
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be obtained.
(ウ)燃料電池1へ水素を供給する水素供給手段2内のガスを水素パージ弁13により燃焼ガス発生手段としての燃焼器5を介して排出し、燃焼器5により酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段としての熱交換器6により前記燃焼ガスの熱を燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、熱媒体の通路を熱交換器6側もしくは熱交換器バイパス通路(ラジエータ18)側へ切換える熱媒体通路切換え手段としての三方弁17とを備える燃料電池システムにおいて、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換器バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換器6側へ切換えてから水素パージを行うため、水素パージに伴って発生する熱は熱交換器6を介して多量の熱媒体によって奪われることとなり、燃焼器5と熱交換器6との間に排気三方弁などを新たに追加することなく、また、ポンプ16の仕事を増やすことなく熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。
(C) The gas in the hydrogen supply means 2 for supplying hydrogen to the
(第4実施形態)
図13および図14は、本発明を適用した燃料電池システムの第4実施形態を示し、図13は制御ブロック図、図14は「水素パージ手段」の制御フローチャートである。本実施形態においては、第3実施形態の図9に示すシステム構成を前提とし、水素パージが要求されたときに熱媒体がラジエータ側を流通していた場合は、熱媒体が熱交換手段側へ流通するまでパージを禁止するようにしたものである。なお、図1〜図12と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Fourth embodiment)
13 and 14 show a fourth embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied. FIG. 13 is a control block diagram, and FIG. 14 is a control flowchart of "hydrogen purging means". In the present embodiment, based on the system configuration shown in FIG. 9 of the third embodiment, if the heat medium flows through the radiator when the hydrogen purge is requested, the heat medium is transferred to the heat exchange means. Purging is prohibited until it is distributed. The same devices as those in FIGS. 1 to 12 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
燃料電池システムは、第3実施形態の図9に示すシステム構成を備える。 The fuel cell system has the system configuration shown in FIG. 9 of the third embodiment.
図13は、燃料電池システムのコントロールユニット9で一定周期毎に実行される制御ブロック図である。コントロールユニット9は、先ず、水素パージ判断手段28により水素パージを実行するか否かを判断し、水素パージ実行が許可されると、熱媒体通路選択手段30により熱媒体を熱交換器6側へ流通させ、次いで、水素パージ手段32により水素パージ制御を実行するが、水素パージ手段32は熱媒体通路選択手段30からの指示によりそのタイミングを変更する構成としている。前記水素パージ判断手段28は第2実施形態の図7と同じであり、前記熱媒体通路選択手段30は第3実施形態の図11と同じであり、既に説明済みであるため、ここでの説明は省略する。図14は水素パージ手段32の制御フローチャートである。以下に水素パージ手段32の詳細な制御手順を図14に基づいて説明する。
FIG. 13 is a control block diagram executed by the
図14に示す水素パージ手段32は、先ず、ステップS71で水素パージ許可フラグFH2Pが1(水素パージ許可)であるか否かを判定し、不許可であればステップS77へ進み、許可されていればステップS72へ進む。 The hydrogen purging means 32 shown in FIG. 14 first determines whether or not the hydrogen purge permission flag FH2P is 1 (hydrogen purge permission) in step S71. If not, the flow proceeds to step S77, and the hydrogen purge means is permitted. If so, the process proceeds to step S72.
ステップS72では、三方弁が開弁している方向を参照し、ラジエータ18側、即ち、熱交換器バイパス通路側に開弁していればステップS77に進み、熱交換器6側に開弁していればステップS73に進む。
In step S72, referring to the direction in which the three-way valve is open, if the valve is open on the
ステップS73では、パージ弁13を開弁してパージを開始し、ステップS74〜S76とパージを実行する。なお、ステップS74〜S76の処理は、第3実施形態の図12のステップS63〜S65と同じであるので、重複した説明を省略する。
In step S73, the
他方、ステップS77では、パージ弁13を閉弁してパージの禁止状態で本処理を終了する。
On the other hand, in step S77, the
以上の処理を実行することで、三方弁17がラジエータ18側開弁となっており、熱交換器6へ熱媒体が流通していない場合はステップS72からステップS77へ移行してパージ弁13が閉弁されるため、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。また、パージ途中で熱媒体通路がラジエータ18側(熱交換器バイパス通路側)になった場合もその時点でパージは禁止されるとともにタイマーTMの値はパージが終了するまで現状値を保持する為、パージ時間も正確に実行される。そして、その後のパージで消費される。
By executing the above processing, if the three-
本実施形態においては、第3実施形態における効果(ウ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effect (C) in the third embodiment, the following effects can be obtained.
(エ)水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側(ラジエータ18側)を流通していた場合は、熱媒体が熱交換器6側へ流通するまでパージを禁止するため、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
(D) If the heat medium is flowing through the heat exchange means bypass passage (
(第5実施形態)
図15および図16は、本発明を適用した燃料電池システムの第5実施形態を示し、図15はシステム構成図、図16は熱媒体通路選択手段の制御フローチャートである。本実施形態においては、熱媒体の温度を通常よりも早く急冷させる熱媒体急冷手段を設け、水素パージの要求時にラジエータ側に熱媒体を流通させている場合には熱媒体急冷手段により熱媒体を急冷し後に熱交換器側に熱媒体を流通させて水素パージを行うようにしたものである。なお、図1〜図14と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Fifth embodiment)
FIGS. 15 and 16 show a fifth embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied. FIG. 15 is a system configuration diagram, and FIG. 16 is a control flowchart of a heat medium passage selecting means. In the present embodiment, a heat medium quenching means for quenching the temperature of the heat medium faster than usual is provided, and when the heat medium is circulated to the radiator side at the time of requesting hydrogen purge, the heat medium is cooled by the heat medium quenching means. After rapid cooling, a heat medium is circulated to the heat exchanger side to perform hydrogen purging. The same devices as those in FIGS. 1 to 14 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
図15において、燃料電池システムは、第3実施形態の図9に示すシステム構成と殆んど同じであるが、ラジエータ18出口の熱媒体温度を計測してその温度信号をコントロールユニット9に入力する熱媒体温度計33が設けられている構成を追加している。
In FIG. 15, the fuel cell system is almost the same as the system configuration shown in FIG. 9 of the third embodiment, but measures the temperature of the heat medium at the outlet of the
燃料電池システムのコントロールユニット9は、図示を省略するが、第4実施形態の図13に示すと同様の制御ブロックを備え、先ず、水素パージ判断手段28により水素パージを実行するか否かを判断し、水素パージ実行が許可されると、熱媒体通路選択手段30により熱媒体を熱交換器6側へ流通させ、次いで、水素パージ手段32により水素パージ制御を実行するが、水素パージ手段28は熱媒体通路選択手段30からの指示によりそのタイミングを変更する構成としている。
Although not shown, the
前記水素パージ判断手段28は第2実施形態の図7と同じであり、前記水素パージ手段32は第4実施形態の図14と同じであり、既に説明済みであるため、ここでの説明は省略する。図16は前記熱媒体通路選択手段30の制御フローチャートである。以下に熱媒体通路選択手段30の詳細な制御手順を図16に基づいて説明する。
The hydrogen purge determination means 28 is the same as that of FIG. 7 of the second embodiment, and the hydrogen purge means 32 is the same as that of FIG. 14 of the fourth embodiment, and has already been described. I do. FIG. 16 is a control flowchart of the heat medium
図16に示す熱媒体通路選択手段30は、先ず、ステップS81で燃料電池温度TFCを読み込み、続くステップS82で、燃料電池温度TFCが低設定温度SLTFCLよりも高いかを判定し、高くなければステップS92へ進み、高ければステップS83へ進む。 The heat medium path selecting means 30 shown in FIG. 16 first reads the fuel cell temperature TFC in step S81, and determines in step S82 whether the fuel cell temperature TFC is higher than the low set temperature SLTFCL. The process proceeds to S92, and if it is higher, the process proceeds to step S83.
ステップS92では、三方弁を熱交換器6側へ設定して燃料電池1を冷却しないモードにして本処理を終了する。
In step S92, the three-way valve is set to the
ステップS83では、三方弁をラジエータ18(熱交換器バイパス通路)側へ設定して、燃料電池1を冷却する準備を行う。
In step S83, the three-way valve is set to the radiator 18 (heat exchanger bypass passage) side to prepare for cooling the
ステップS84で水素パージ許可フラグFH2Pが1(水素パージ許可)であるか否かを判定し、許可されていればステップS91へ進み、ステップS91でポンプ16の回転数を第1所定回転数(通常運転時のポンプ回転数)よりも高い第2所定回転数へ設定するとともに、ラジエータファン19を回転させる。この設定により、ラジエータ18で冷却された冷たい熱媒体を大量に燃料電池1へ送り込み、燃料電池1を急冷することができる。
In step S84, it is determined whether or not the hydrogen purge permission flag FH2P is 1 (permit hydrogen purge). If permitted, the process proceeds to step S91. In step S91, the rotation speed of the
一方、ステップS84で水素パージが許可されていない場合は、上記急冷作動を行わず、通常の制御をする。即ち、ステップS85で燃料電池1の温度TFCが前記低設定温度SLTFCLよりも高い高設定温度SLTFCHよりも高いか否かを判定し、高ければステップS90でポンプ16の回転数を第1所定回転数よりも高い第2所定回転数へ設定するが、低ければ第1所定回転数へ設定する。
On the other hand, if hydrogen purging is not permitted in step S84, the rapid cooling operation is not performed and normal control is performed. That is, in step S85, it is determined whether the temperature TFC of the
その後ステップS87で熱媒体温度TLLCを温度センサ33よりの温度信号から読み込んでステップS88で媒体所定温度SLTLLCよりも低いか判定し、低ければそのまま本処理を終了するが、高ければステップS89でラジエータファン19を回転させる。
Thereafter, in step S87, the heat medium temperature TLLC is read from the temperature signal from the
以上の処理を実行することで、たとえ燃料電池1の温度が高くて三方弁17がラジエータ18を熱媒体が流通する側へ開弁していたとしても、燃料電池1を急冷して燃料電池1の温度を充分落としてから三方弁17を熱交換器6側開状態にしてから水素パージを実施するため、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。また、燃料電池1の温度が高くなりすぎることも回避できるとともに、水素パージを禁止する時間も短時間ですむという利点がある。
By performing the above processing, even if the temperature of the
本実施形態においては、第3実施形態における効果(ウ)および第4実施形態における効果(エ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effect (C) in the third embodiment and the effect (D) in the fourth embodiment.
(オ)燃料電池システムとして、熱交換手段バイパス通路(ラジエータ18側)に熱媒体を冷却する熱媒体冷却手段としてのラジエータ18と熱媒体の温度を通常よりも早く急冷させる熱媒体急冷手段としてのラジエータファン19を備え、水素パージが要求されたときに熱媒体がラジエータ18側を流通していた場合は、熱媒体をラジエータファン19により所定温度以下に急冷した後、熱媒体通路を熱交換器6側へ切換えてから水素パージを行うため、燃料電池1の温度を最適に保つとともに、適正な時期に水素パージを行うことを妨げることがなく、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
(E) As a fuel cell system, a
(カ)熱媒体急冷手段として、ラジエータ18を通過する熱媒体の流量を増加させるポンプ16としたため、特別な装置を付加することなく燃料電池1を的確に冷却することが可能となる。
(F) Since the
(キ)燃料電池システムは、熱交換手段バイパス通路にラジエータ18を備え、前記熱媒体急冷手段として、前記ラジエータ18を通過する空気量を増量させるラジエータファン19としたため、効率的に燃料電池を冷却することが可能となる。
(G) The fuel cell system includes the
(第6実施形態)
図17〜図19は、本発明を適用した燃料電池システムの第6実施形態を示し、図17は水素パージ判断手段の制御フローチャート、図18は熱媒体通路選択手段の制御フローチャート、図19は水素パージ手段の制御フローチャートである。本実施形態においては、水素パージが要求されたときに熱媒体がラジエータ側を流通していた場合は、パージの緊急度に応じて熱媒体通路を熱交換器側へ切換えてから水素パージを行うかパージを禁止するかを選択するようにしたものである。なお、図1〜図16と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Sixth embodiment)
17 to 19 show a sixth embodiment of the fuel cell system to which the present invention is applied. FIG. 17 is a control flowchart of the hydrogen purge determining means, FIG. 18 is a control flowchart of the heat medium passage selecting means, and FIG. 6 is a control flowchart of a purge unit. In the present embodiment, when the heat medium is flowing through the radiator when the hydrogen purge is requested, the heat medium is switched to the heat exchanger according to the urgency of the purge, and then the hydrogen purge is performed. Or prohibition of purging. The same devices as those in FIGS. 1 to 16 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
燃料電池システムは、第5実施形態の図15に示すシステム構成を備える。 The fuel cell system has the system configuration shown in FIG. 15 of the fifth embodiment.
また、燃料電池システムのコントロールユニット9は、図示を省略するが、第4実施形態の図13に示すと同様の制御ブロックを備え、先ず、水素パージ判断手段28により水素パージを実行するか否かを判断し、水素パージ実行が許可されると、熱媒体通路選択手段30により熱媒体を熱交換器6側へ流通させ、次いで、水素パージ手段32により水素パージ制御を実行する。図17は前記水素パージ判断手段28の制御フローチャートであり、図18は前記熱媒体通路選択手段30の制御フローチャートであり、図19は前記水素パージ手段32の制御フローチャートである。以下に各手段の詳細な制御手順を夫々説明する。
Although not shown, the
図17に示す水素パージ判断手段28は、先ず、ステップS101で現状の電力量を電力計8より読み込むとともに、後述する水素パージ手段32でカウントしている水素パージ継続時間TMを読み込む。
The hydrogen purge determination means 28 shown in FIG. 17 first reads the current electric energy from the
ステップS102では、次式
SUMGAS=SUMGAS+W×K1−TM×K2
により不純物蓄積指標である前記SUMGASを算出する。この指標は燃料電池を運転をすれば電力Wが発生するため不純物も溜まり、パージを実行すればパージ実行時間が増加するため不純物が減ることを数値化したものである。ここで、K1やK2は実験等により適正な値を調査し設定する。
In step S102, the following equation is obtained: SUMGAS = SUMGAS + W × K1-TM × K2
The SUMGAS, which is an impurity accumulation index, is calculated by the following equation. This index quantifies the fact that when the fuel cell is operated, electric power W is generated, so that impurities also accumulate, and when the purge is performed, the purge execution time increases, and the impurities decrease. Here, K1 and K2 are set by investigating appropriate values through experiments and the like.
ステップS103では、その不純物蓄積指標SUMGASが第1所定値SLGASLよりも大きくなったか判定する。大きければパージを要求するためにステップS104へ進み、ステップS104では、第1パージ許可フラグFH2PLを1とし、第2パージ許可フラグFH2PHを0とする。 In step S103, it is determined whether the impurity accumulation index SUMGAS has become larger than the first predetermined value SLGASL. If it is larger, the process proceeds to step S104 to request a purge. In step S104, the first purge permission flag FH2PL is set to 1 and the second purge permission flag FH2PH is set to 0.
ステップS105では、第1所定値SLGASLよりも値の大きい第2所定値SLGASHよりも不純物蓄積指標SUMGASが大きくなったかを判定する。大きければパージを要求する為にステップS106において、第2パージ許可フラグFH2PHを1として第1パージ許可フラグFH2PLを0とする。 In step S105, it is determined whether the impurity accumulation index SUMGAS has become larger than the second predetermined value SLGASH which is larger than the first predetermined value SLGASL. If it is larger, the second purge permission flag FH2PH is set to 1 and the first purge permission flag FH2PL is set to 0 in step S106 to request a purge.
ステップS107では、不純物蓄積指標SUMGASがゼロを下回ったか判定し、ゼロを下回っていればパージが完了したと判断してステップS108で第1、第2パージ許可フラグともゼロとしてパージを禁止して本処理を終了する。 In step S107, it is determined whether or not the impurity accumulation index SUMGAS has fallen below zero, and if it has fallen below zero, it is determined that purging has been completed. In step S108, the first and second purge permission flags are both set to zero to prohibit purging. The process ends.
以上の処理を実行することにより、現在蓄積されている不純物の量が緊急にパージが必要なレベルであるか(SUMGAS>SLGASH)、熱媒体の通路が熱交換器側になるまで待てるレベルであるか(SLGASH≧SUMGAS>SLGASL)、パージが完了しているか(0>SUMGAS)を判定することができる。 By performing the above processing, the amount of impurities currently accumulated is at a level that requires urgent purging (SUMGAS> SLGASH) or at a level at which it is possible to wait until the heat medium passage is on the heat exchanger side. (SLGASH ≧ SUMGAS> SLGASL) or whether the purge is completed (0> SUMGAS).
図18に示す熱媒体通路選択手段30は、先ず、ステップS111で第2パージ許可フラグFH2PHが1であるか判定し、1(緊急にパージが必要な状態)であればパージを実行するためにステップS123で三方弁17を熱交換器6側にして熱交換器6に熱媒体が流れるように設定して本処理を終了する。第2パージ許可フラグFH2PH=0であればステップS112へ進む。
The heat medium
ステップS112では燃料電池1の温度TFCを読み込んで、ステップS113ではその温度TFCが所定温度SLTFCLよりも高いか判定する。低ければステップS123で三方弁17を熱交換器6側にしてこれ以上燃料電池1の温度を冷やさないように設定し、高ければステップS114で三方弁17をラジエータ18側にして熱媒体温度を冷却する。
In step S112, the temperature TFC of the
ステップS115では、第1パージ許可フラグFH2PLが1かを判定し、1であればステップS119へ進み、0であればステップS116へ進む。このステップS116〜S122の処理は、第5実施形態の図16におけるステップS85〜S89と同じ処理であり、重複した説明は省略する。 In step S115, it is determined whether the first purge permission flag FH2PL is 1. If it is 1, the process proceeds to step S119, and if it is 0, the process proceeds to step S116. The processing of steps S116 to S122 is the same as the processing of steps S85 to S89 in FIG. 16 of the fifth embodiment, and a duplicate description will be omitted.
以上の処理を実施することで、緊急にパージを必要とする場合および燃料電池1の温度が所定温度SLTFCL未満の場合には、三方弁17を熱交換器6側に開口させて燃料電池1をこれ以上温度低下するのを抑制し、それ以外の場合には、ポンプ16の回転数およびまたはラジエータファン19を回転させることで積極的に冷却するように作動する。
By performing the above-described processing, when urging is urgently required and when the temperature of the
図19に示す水素パージ手段32においては、先ず、ステップS131で第2パージ許可フラグFH2PHが1であるか判定し、1の場合は緊急に水素パージを実施すべくステップS134へジャンプしてパージ弁13を開弁し、ステップS135で水素パージ継続時間TMをカウントアップして本処理を終了する。一方、ステップS131で第2パージ許可フラグFH2PH=0であった場合は、ステップS132に進む。
In the hydrogen purging means 32 shown in FIG. 19, first, in step S131, it is determined whether or not the second purge permission flag FH2PH is 1, and if it is 1, the routine jumps to step S134 to execute the hydrogen purge urgently and the purge valve The
ステップS132で第1パージ許可フラグFH2PLが1であるか判定し、1でなければパージは要求されていないため、ステップS136で水素パージ継続時間TMをリセットし、ステップS137でパージ弁13を閉弁して本処理を終了する。ステップS132でFH2PL=1であった場合はステップS133へ進む。
In step S132, it is determined whether the first purge permission flag FH2PL is 1. If it is not 1, the purge is not requested. Therefore, the hydrogen purge duration time TM is reset in step S136, and the
ステップS133では、三方弁17がラジエータ18側、即ち、熱交換器バイパス通路に設定されているかを判定し、ラジエータ18側であればパージ実施タイミングを延期するためにステップS137でパージ弁13を閉弁して本処理を終了する。他方、三方弁17が熱交換器6側であればパージ可能であるため、ステップS134でパージ弁13を開弁してステップS135で水素パージ継続時間TMをカウントアップして本処理を終了する。
In step S133, it is determined whether the three-
以上の処理を実行することで、緊急にパージが必要な場合は、例え燃料電池1の温度が所定温度SLTFCLよりも高くても熱媒体を熱交換器6側へ流通させることで熱交換器6を冷却しつつパージを行い、パージは必要だが緊急にはパージをしなくても運転可能である場合は、パージを禁止して燃料電池1の冷却を優先する構成とすることができるので、パージと燃料電池1の温度管理の最適なバランスを実現しつつ、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。また、パージの緊急度は燃料電池1を構成するセルの電圧低下からも予測できる為、セル電圧によってパージの緊急度を判断しても良いし、組み合わせて使用することも考えられる。
By performing the above processing, when urging is urgently required, even if the temperature of the
本実施形態においては、第3実施形態における効果(ウ)、第4実施形態における効果(エ)および第5実施形態における効果(カ)、(キ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effect (c) of the third embodiment, the effect (d) of the fourth embodiment, and the effects (f) and (g) of the fifth embodiment, the following effects are obtained. be able to.
(ク)水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路(ラジエータ18)側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換器6側へ切換えてから水素パージを行うかパージを禁止するかをパージの緊急度に応じて選択するため、水素パージの最適タイミングからのずれと熱媒体通路のラジエータ18側への切換え要求の目標からのずれを両方とも最小としつつ、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
(H) If the heat medium is flowing through the heat exchange means bypass passage (radiator 18) when the hydrogen purge is requested, the hydrogen purge should be performed after switching the heat medium passage to the
(ケ)要求された水素パージの緊急度が高い場合は、熱媒体通路を熱交換器6側へ切換えて水素パージを行うため、水素パージの最適なタイミングから大きく逸脱することなく水素パージを実行できる為、発電効率の大きな低下なく熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
(G) When the urgency of the requested hydrogen purge is high, the heat medium passage is switched to the
(コ)水素パージ実行中に水素パージの緊急度が下がった場合は熱媒体通路を熱交換手段バイパス通路(ラジエータ18)側へ切換えるとともに水素パージを禁止するため、熱媒体通路のラジエータ18側への切換え要求の目標からのずれを最小としながら熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
(G) If the urgency of the hydrogen purging decreases during execution of the hydrogen purging, the heat medium passage is switched to the heat exchange means bypass passage (radiator 18) and the hydrogen purging is prohibited, so that the heat medium passage is moved to the
(サ)要求された水素パージの緊急度が低い場合はパージを禁止するため、熱媒体通路のラジエータ18側への切換え要求の目標からのずれを最小としながら熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
(C) If the urgency of the requested hydrogen purge is low, the purging is prohibited, so that the deviation of the request for switching the heat medium passage toward the
(シ)燃料電池システムとして、熱交換手段バイパス通路に熱媒体を冷却する熱媒体冷却手段、例えば、ラジエータ18を通過する熱媒体の送出し用ポンプ16および熱媒体の温度を急冷させる熱媒体急冷手段としてのラジエータ18へ冷却風を送出するラジエータファン19を作動させる手段を備え、要求された水素パージの緊急度が低い場合は水素パージを一旦禁止するとともに、熱媒体を熱媒体急冷手段により所定温度以下に急冷した後、熱媒体通路を熱交換器6へ切換えてから水素パージを許可するため、燃料電池1の温度を最適温度とすることが可能となるとともに、パージのタイミングを最適なタイミングに近づけることができ、発電効率の低下を最低限に抑えながら熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
(G) As a fuel cell system, a heat medium cooling means for cooling the heat medium in the heat exchange means bypass passage, for example, a heat
(ス)パージの緊急度は、燃料電池1のセル電圧、燃料電池1の運転時間、燃料電池1の運転負荷、燃料電池1のパージ継続時間のいずれかに対応して決定するため、パージの緊急度を的確に把握することができる。
(S) Since the urgency of the purge is determined according to any of the cell voltage of the
(第7実施形態)
図20〜図25は、本発明を適用した燃料電池システムの第7実施形態を示し、図20〜図23は第7実施形態の第1実施例であり、図24および図25は第7実施形態の第2実施例である。本実施形態においては、パージ排水素の燃焼器の燃焼ガスの全量が流入する熱交換器への熱媒体(冷却液)流量を確保するように、ポンプ吐出流量に応じて三方弁の最低開度を設定するようにしたものである。
(Seventh embodiment)
20 to 25 show a seventh embodiment of the fuel cell system to which the present invention is applied, FIGS. 20 to 23 show a first example of the seventh embodiment, and FIGS. 24 and 25 show a seventh embodiment. It is a 2nd Example of a form. In the present embodiment, the minimum opening degree of the three-way valve according to the pump discharge flow rate is ensured so that the flow rate of the heat medium (coolant) to the heat exchanger into which the entire amount of the combustion gas of the purged exhaust hydrogen flows into the combustor flows. Is set.
第1実施例を示す図20は熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図21および図22はコントロールユニットで実行されるポンプ制御および三方弁制御の制御ブロック図、図23はポンプ制御および三方弁制御による熱媒体供給系統の動作状態を示す特性図である。なお、図1〜図19と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。 FIG. 20 showing the first embodiment is a system configuration diagram of a fuel cell system including a heat medium supply system and a control unit, and FIGS. 21 and 22 are control block diagrams of pump control and three-way valve control executed by the control unit. 23 is a characteristic diagram showing an operation state of the heat medium supply system by the pump control and the three-way valve control. The same devices as those in FIGS. 1 to 19 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
図20において、燃料電池システムの熱媒体供給系統4は、第2実施形態と同様に、熱媒体供給系統4の熱交換器用通路20の熱交換器6と三方弁17との間と燃料電池1の熱媒体出口とを接続し、コントローラ9により弁開度が調節される三方弁17を配置して備える。燃料電池1から排出された熱媒体の一部は、三方弁17の弁開度に応じて熱交換器用通路20に流れ込み、熱交換器6を経由してポンプ16に吸込まれ、熱交換器6を流通する。この熱媒体供給系統4においては、バイパス弁を設けることなく三方弁17自体を操作して熱交換用通路20に熱媒体を流すように作動させている。なお、水素供給系統2および酸化ガス供給系統3の図示は省略している。
In FIG. 20, the heat medium supply system 4 of the fuel cell system is similar to the second embodiment in that the heat medium supply system 4 includes a
また、燃焼器5は熱交換器6に直結され、燃焼器5が燃料電池1側からパージされて排出された排水素循環ガスを燃焼させる際には、燃焼ガスの全量が熱交換器6に供給され、燃焼排気ガスは熱交換器6で冷却液によって冷やされてから車外へ排出されるようにしている。熱交換器6を流通する冷却液の流量は、コントロールユニット9により三方弁17の開度を調整することで制御される。
Further, the
コントロールユニット9は、ポンプ16の回転数を冷却液目標流量設定手段44により燃料電池1へ供給する熱媒体の目標流量を演算し、この目標流量に基づいてポンプ制御手段45により演算した目標回転数に制御する。コントロールユニット9は、また、燃料電池1の冷却液の入口温度に基づいて三方弁調温開度演算手段46により三方弁17の熱交換用通路20への弁開度を演算し、前記冷却液目標流量設定手段44からの目標流量に基づいて三方弁最低開度演算手段33により三方弁17の最低必要開度を演算し、両開度演算手段46、33に基づいて三方弁開度設定手段34により三方弁17の開度を制御する。
The
前記冷却液目標流量設定手段44は、図21に示すように、燃料電池取出電力と冷却液目標流量とを予め設定した目標流量マップを備え、燃料電池1の電力計8により得られる取出電力から目標流量マップを参照して燃料電池1へ供給する冷却液の目標流量を演算する。前記目標流量マップは、燃料電池1の取出電力が大きくなるほど燃料電池1の発熱量が大きくなるので、冷却液の目標流量を増量して燃料電池1の出入口温度差が増加するのを抑制するとともに、ラジエータ18の放熱特性を良くするように設定している。
As shown in FIG. 21, the coolant target flow rate setting means 44 includes a target flow rate map in which the fuel cell output power and the coolant target flow rate are set in advance. The target flow rate of the coolant supplied to the
前記ポンプ制御手段45は、ポンプ流量−回転数マップを予め設定して備え、前記冷却液目標流量設定手段44からの目標流量を達成するためのポンプ回転数をポンプ流量−回転数マップを参照してポンプ16の目標回転数を演算し、ポンプ16を目標回転数となるように駆動する。前記ポンプ流量−回転数マップは、ポンプ回転数と冷却液流量の関係をあらかじめ実測、あるいはポンプ16の特性と冷却液循環経路圧力損失から予測して設定する。
The pump control means 45 is provided with a pump flow rate / rotation speed map set in advance, and refers to a pump flow rate / rotation speed map to determine a pump rotation speed for achieving a target flow rate from the coolant target flow rate setting means 44. Then, the target rotation speed of the
前記三方弁調温開度演算手段46は、図22に示すように、温度検出手段35により検出された燃料電池1の冷却水入口温度と予め設定した燃料電池入口目標冷却液温度との差に応じて燃料電池1を調温するための三方弁17の開度を演算する。即ち、前記入口目標冷却液温度に対して検出した冷却液入口温度が高い場合には、熱交換器用通路20への流量を絞り、代ってラジエータ18への流量を増大するよう三方弁17の開度を演算し、前記入口目標冷却液温度に対して検出した冷却液入口温度が低い場合には、熱交換用通路20への流量を増大させ、代ってラジエータ18への流量を絞るよう三方弁17の開度を演算し、両温度の差が予め設定した温度差未満である場合には、三方弁17の現在の弁開度を維持するよう演算する。
As shown in FIG. 22, the three-way valve temperature control opening calculating means 46 calculates the difference between the cooling water inlet temperature of the
図23(A)〜(C)は、目標流量が、例えば、100L/min、50L/min、20L/minである場合の夫々の目標流量における三方弁17の開度(開度%は横軸)に応じたラジエータ側流量(実線図示、なお、流量は縦軸)とバイパス側流量(熱交換用通路20側、鎖線図示)の冷却液流量分配特性を示す。
FIGS. 23A to 23C show the opening of the three-
前記三方弁最低必要開度演算手段33は、熱交換器用通路20へ予め設定した最低必要流量(例えば、毎分5リットル(5L/min))を確保するように予め設定した目標流量−三方弁開度マップを備え、前記冷却液目標流量設定手段44が出力する冷却液の目標流量に応じて目標流量−三方弁開度マップを参照して、三方弁17の最低必要開度を演算する。前記目標流量−三方弁開度マップは、変化する目標流量に対して最低必要流量を確保するために三方弁17をどの程度開く必要があるか、その開度(%)を設定したものであり、予め流量毎に最低必要流量を確保できる開度を実測して設定する。
The three-way valve minimum required opening degree calculating means 33 calculates a predetermined target flow rate (for example, 5 liters per minute (5 L / min)) to the
図23(A)〜(C)の例では、最低必要流量を確保するためには、目標流量が100L/minである場合には三方弁17の開度が3%必要であり、目標流量が50L/minである場合には三方弁17の開度が8%必要であり、目標流量が20L/minである場合には三方弁17の開度が15%必要であることを表している。
In the examples of FIGS. 23A to 23C, in order to secure the minimum required flow rate, when the target flow rate is 100 L / min, the opening of the three-
前記三方弁開度設定手段34は、燃料電池1へ流入する冷却液温度を調整するための三方弁調温開度演算手段46よりの三方弁17の開度と熱交換用通路20への最低必要流量を確保するための三方弁最低必要開度演算手段33よりの三方弁最低必要開度とを比較し、大きい方の開度を選択し、三方弁17の開度を目標開度となるように駆動する。
The three-way valve opening setting means 34 controls the opening of the three-
なお、上記実施形態の三方弁最低必要開度演算手段33は三方弁17の最低必要開度を、冷却液目標流量設定手段44よりの目標流量に基づいて設定しているが、図示しないが、ポンプ吐出流量を測定し、ポンプ吐出流量に応じて三方弁17の最低必要開度を設定することもできる。
Although the three-way valve minimum required opening calculating means 33 of the above embodiment sets the minimum required opening of the three-
以上説明したように、本(第1)実施例においては、ラジエータバイパス側である熱交換用通路20にパージ排水素の燃焼器5による燃焼ガスの燃焼熱を回収する熱交換器6を備えた燃料電池システムにあって、熱交換器6を経由する熱交換用通路20への冷却液流量を確保するように、ポンプ吐出冷却液流量(冷却液目標流量)に応じて三方弁最低開度を設定するため、熱交換器6を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器5の燃焼排気ガスを熱交換器6により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器6が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。
As described above, in this (first) embodiment, the
図24および図25は、第7実施形態の燃料電池システムの第2実施例を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、および、三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図である。本(第2)実施例に示す燃料電池システムでは、三方弁最低必要開度演算手段により演算する三方弁の最低必要開度が、第1実施例では冷却液目標流量設定手段の目標流量に基づいて演算するのに代えて、ポンプ制御手段で演算されるポンプ目標回転数に基づいて演算するようにしたものである。なお、図20〜図23と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。 FIGS. 24 and 25 are a system configuration diagram of a fuel cell system including a heat medium supply system and a control unit showing a second example of the fuel cell system of the seventh embodiment, and a three-way valve minimum required opening calculating means. It is a control block diagram. In the fuel cell system shown in the present (second) embodiment, the minimum required opening of the three-way valve calculated by the three-way valve minimum required opening calculating means is based on the target flow rate of the coolant target flow rate setting means in the first embodiment. Instead of performing the calculation, the calculation is performed based on the pump target rotation speed calculated by the pump control means. 20 to 23 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
本(第2)実施例では、図24に示すように、三方弁最低必要開度演算手段36には、ポンプ制御手段45により演算されたポンプ目標回転数が入力される。 In the present (second) embodiment, as shown in FIG. 24, the three-way valve minimum necessary opening degree calculating means 36 receives the pump target rotation speed calculated by the pump control means 45.
前記三方弁最低必要開度演算手段36は、図25に示すように、入力された目標ポンプ回転数(あるいは、ポンプ駆動デューティ比)に基づいて三方弁17の最低必要開度を演算するよう構成している。具体的には、第1実施例の三方弁最低必要開度演算手段33と同様に構成した三方弁最低必要開度演算部36Bの前段に、燃料電池1への目標冷却液流量を演算する目標冷却液流量演算部36Aを新規に挿入している。
As shown in FIG. 25, the three-way valve minimum required opening calculating means 36 is configured to calculate the minimum required opening of the three-
前記目標冷却液流量演算部36Aは、予め設定したポンプ回転数(あるいは、ポンプ駆動デューティ比)−冷却液流量テーブルを備え、入力された目標ポンプ回転数(あるいは、ポンプ駆動デューティ比)に基づいてポンプ回転数−冷却液流量テーブルを参照して燃料電池1への目標冷却液流量を演算し、三方弁最低必要開度演算部36Bに出力する。その他の構成は、第1実施例と同様である。
The target coolant flow
本(第2)実施例においても、ラジエータバイパス側である熱交換器用通路20にパージ排水素の燃焼器5による燃焼ガスの燃焼熱を回収する熱交換器6を備えた燃料電池システムにあって、熱交換器6を経由する熱交換器用通路20への冷却液流量を確保するように、ポンプ回転数あるいはポンプ駆動デューティ比からポンプ吐出冷却液流量を求め、ポンプ吐出冷却液流量に応じて三方弁17の最低必要開度を設定するため、熱交換器6を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器5の燃焼排気ガスを熱交換器6により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器6が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。
Also in this (second) embodiment, the fuel cell system provided with the
本実施形態においては、第2実施形態における効果(イ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effect (A) in the second embodiment, the following effects can be obtained.
(セ)第1実施例においては、熱媒体供給手段4は、燃料電池1の冷却液を循環させるポンプ16を備え、熱媒体通路切換手段は、熱媒体を熱交換手段6を通過させる通路20と熱交換手段6バイパス通路とに分流調整可能な三方弁17により構成し、制御手段9は、燃料電池1を調温するのに必要な熱交換手段通過通路20側への三方弁開度を演算する三方弁調温開度演算手段46と、熱交換手段6への最低必要な熱媒体流量を確保するために三方弁17の最低必要開度を前記ポンプ吐出媒体流量に応じて演算する三方弁最低必要開度演算手段33と、前記三方弁調温開度演算手段46によって演算された三方弁開度が前記三方弁最低必要開度演算手段33によって演算された最低必要開度に満たない場合には、三方弁開度を最低必要開度に設定する三方弁開度設定手段34と、を備えるよう構成した。
(C) In the first embodiment, the heat medium supply means 4 includes a
即ち、ラジエータバイパス側である熱交換器用通路20にパージ排水素の燃焼器5による燃焼ガスの燃焼熱を回収する熱交換器6を備え、熱交換器6を経由する熱交換用通路20への冷却液流量を確保するように、ポンプ吐出冷却液流量(冷却液目標流量)に応じて三方弁最低開度を設定するため、熱交換器6を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器5の燃焼排気ガスを熱交換器6により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器6が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。
That is, the
(ソ)第2実施例においては、第1実施例の三方弁最低必要開度演算手段33を、前記ポンプ回転数あるいはポンプ駆動デューティ比に基づいて三方弁17の最低必要開度を演算するようにした。即ち、ラジエータバイパス側である熱交換器用通路20にパージ排水素の燃焼器5による燃焼ガスの燃焼熱を回収する熱交換器6を備え、熱交換器6を経由する熱交換器用通路20への冷却液流量を確保するように、ポンプ回転数あるいはポンプ駆動デューティ比からポンプ吐出冷却液流量を求め、ポンプ吐出冷却液流量に応じて三方弁最低開度を設定するため、熱交換器6を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器5の燃焼排気ガスを熱交換器6により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器6が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。
(G) In the second embodiment, the three-way valve minimum required opening calculating means 33 of the first embodiment calculates the minimum required opening of the three-
(第8実施形態)
図26〜図27は、本発明を適用した燃料電池システムの第8実施形態を示し、図26は熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図27はコントロールユニットで実行される三方弁制御手段の制御ブロック図である。本実施形態においては、燃料電池の水素供給手段の循環経路の水素をパージしていない場合には、熱媒体(冷却液)をラジエータ側に全量流し、パージ時あるいはパージ直前に熱交換用通路へ最低必要流量を流すように三方弁を制御するようにしたものである。なお、図20〜図25と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Eighth embodiment)
26 to 27 show an eighth embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied, FIG. 26 is a system configuration diagram of a fuel cell system including a heat medium supply system and a control unit, and FIG. FIG. 4 is a control block diagram of a three-way valve control unit to be used. In the present embodiment, when the hydrogen in the circulation path of the hydrogen supply means of the fuel cell is not purged, the entire amount of the heat medium (cooling liquid) flows to the radiator side, and the purged heat is supplied to the heat exchange passage at or immediately before the purge. The three-way valve is controlled so as to flow the minimum necessary flow rate. 20 to 25 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
図26に示すように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ9よりのパージ信号が三方弁開度設定手段37に入力される。
As shown in FIG. 26, in the fuel cell system according to the present embodiment, a purge signal from the
三方弁開度設定手段37は、図27に示すように、三方弁調温開度演算手段46よりの冷却液温度制御のための三方弁開度と三方弁最低必要開度演算手段33よりの最低必要開度の大きい方の開度を選択(セレクトハイ)して出力するセレクトハイ出力と、三方弁調温開度演算手段46よりの冷却液温度制御のための三方弁開度を出力する温度制御出力とを備える。そして、パージ信号が入力されていない場合には温度制御出力を選択して三方弁目標開度として出力し、パージ信号が入力された場合にはセレクトハイ出力を選択して三方弁目標開度として出力する選択手段38を備え、三方弁17の開度を目標開度となるように駆動する。
As shown in FIG. 27, the three-way valve opening setting means 37 includes a three-way valve opening degree for controlling the coolant temperature from the three-way valve temperature adjustment opening degree calculating means 46 and a three-way valve minimum required opening degree A select high output for selecting (select high) the opening with the larger minimum required opening and outputting the three-way valve opening for controlling the coolant temperature from the three-way valve temperature adjustment opening calculating means 46. A temperature control output. When the purge signal is not input, the temperature control output is selected and output as the three-way valve target opening, and when the purge signal is input, the select high output is selected and the three-way valve target opening is selected. There is provided a selection means 38 for outputting, and drives the three-
以上説明したように、本実施形態においては、パージ信号がない場合には燃料電池1の調温に必要な三方弁開度を選択出力し、パージ信号がある場合には三方弁最低必要開度と燃料電池1の調温に必要な三方弁開度の大きい方を選択出力するよう構成しているため、パージ時においては、熱交換器6を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器5の燃焼排気ガスを熱交換器6により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器6が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。他方、パージ作動していない大部分の期間においては、燃料電池1の温度制御のために必要な三方弁開度に三方弁17を制御でき、例えば、冷却液の冷却が必要な場合にはラジエータ18の冷却性能を最大利用でき、燃料電池1を最適な温度に維持することができる。
As described above, in the present embodiment, when there is no purge signal, the three-way valve opening required for controlling the temperature of the
本実施形態においては、第2実施形態における効果(イ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effect (A) in the second embodiment, the following effects can be obtained.
(タ)三方弁開度設定手段37は、三方弁開度が最低必要開度に満たない場合には、パージ手段によるパージ時あるいはパージ直前において、三方弁開度を最低必要開度に設定するため、パージ時においては、熱交換器6を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器5の燃焼排気ガスを熱交換器6により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器6が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。他方、パージ作動していない大部分の期間においては、燃料電池1の温度制御のために必要な三方弁開度に三方弁17を制御でき、例えば、冷却液の冷却が必要な場合にはラジエータ18の冷却性能を最大利用でき、燃料電池1を最適な温度に維持することができる。
(T) The three-way valve opening setting means 37 sets the three-way valve opening to the minimum required opening at or immediately before purging by the purging means when the three-way valve opening is less than the minimum required opening. For this reason, at the time of purging, it is possible to prevent the temperature of the coolant passing through the
(第9実施形態)
図28および図29は、本発明を適用した燃料電池システムの第9実施形態を示し、図28は熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図29はコントロールユニットで実行される三方弁制御手段の制御ブロック図である。本実施形態においては、パージ時間に応じて三方弁の最低必要開度を大きくするようにしたものである。なお、図20〜図27と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Ninth embodiment)
FIGS. 28 and 29 show a ninth embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied. FIG. 28 is a system configuration diagram of a fuel cell system including a heat medium supply system and a control unit. FIG. 4 is a control block diagram of a three-way valve control unit to be used. In the present embodiment, the minimum required opening of the three-way valve is increased according to the purge time. 20 to 27 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
図28に示すように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ9よりのパージ信号が三方弁最低必要開度演算手段39に入力される。
As shown in FIG. 28, in the fuel cell system according to the present embodiment, a purge signal from the
前記三方弁最低必要開度演算手段39は、図29に示すように、三方弁最低必要開度演算部39A(第7実施形態の図25に示すと同様に構成される)と、入力されるパージ信号の入力時間(パージ時間)に応じて増加する係数を出力する係数発生部39Bと、三方弁最低必要開度演算部39Aで出力される三方弁最低必要開度信号に係数発生部39Bで出力した係数を乗算する乗算器39Cとを備える。
As shown in FIG. 29, the three-way valve minimum required
前記係数発生部39Bは、パージ信号が入力されない場合には係数を発生しないか若しくは係数「0」を出力し、パージ信号が入力された場合には係数「1」を出力し、入力されたパージ信号が予め設定した時間を経過する場合には、経過時間に応じて増加してゆく「1」以上の係数を出力するよう構成している。
The
したがって、三方弁最低必要開度演算手段39Aは、パージ信号が入力されない状態では、係数発生器39Bで出力する係数が「無」若しくは「0」であるため、三方弁最低必要開度演算部39Aから出力される三方弁最低必要開度信号と乗算器39Cで乗算された場合に、最低必要開度は「零」と出力する。また、パージ信号が入力された場合には、係数発生器39Bは係数「1」を出力するため、三方弁最低必要開度演算部39Aで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器39Cで係数「1」が乗算されてそのまま出力される。
Therefore, the three-way valve minimum required
さらに、このパージ信号が予め設定した時間を経過する場合には、経過時間に応じて増加してゆく「1」以上の係数が出力されるため、三方弁最低必要開度演算部39Aで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器39Cで「1」以上の係数が乗算されて増加した最低必要開度が出力される。三方弁最低必要開度演算手段39の出力は、三方弁開度設定手段34に入力され、三方弁調温開度演算手段46よりの冷却液温度制御のための三方弁開度と比較されて大きい方の開度が目標開度として選択(セレクトハイ)され、三方弁17の開度を目標開度となるように駆動する。
Further, when the purge signal elapses a preset time, a coefficient of “1” or more that increases in accordance with the elapsed time is output, and is output by the three-way valve minimum required
以上説明したように、本実施形態においては、パージ信号がない場合には燃料電池1の調温に必要な三方弁開度を選択出力し、パージ信号がある場合には三方弁最低必要開度と燃料電池1の調温に必要な三方弁開度の大きい方を選択出力するものであり、しかも、入力されるパージ時間に応じて三方弁17の最低必要開度を大きくするよう構成している。したがって、燃料電池1のセル電圧が回復しなくてパージ時間が長くなった場合には、燃焼器5でのパージ排出水素の燃焼状態が長く続いて、冷却液の温度が過度に上昇する可能性があるが、本実施形態においては、パージ時間に応じて三方弁17が熱交換器用通路20側を開放する方向に動いて熱交換器6への冷却液流量が増加するため、冷却液の過度の温度上昇を抑制し、その劣化を防止することができる。
As described above, in the present embodiment, when there is no purge signal, the three-way valve opening required for controlling the temperature of the
本実施形態においては、第2実施形態における効果(イ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effect (A) in the second embodiment, the following effects can be obtained.
(チ)三方弁最低必要開度演算手段39は、パージ手段によるパージ時間に応じて三方弁17の最低必要開度を大きくするため、燃料電池1のセル電圧が回復しなくてパージ時間が長くなった場合には、燃焼器5でのパージ排出水素の燃焼状態が長く続いて、冷却液の温度が過度に上昇する可能性があるが、本実施形態においては、パージ時間に応じて三方弁17が熱交換器用通路20側を開放する方向に動いて熱交換器6への冷却液流量が増加するため、冷却液の過度の温度上昇を抑制し、その劣化を防止することができる。
(H) The three-way valve minimum required opening calculating means 39 increases the minimum required opening of the three-
(第10実施形態)
図30〜図33は、本発明を適用した燃料電池システムの第9実施形態の第1、2実施例を示し、図30は第8実施形態の第1実施例の熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図31は第1実施例の三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図、さらに、図32は第8実施形態の第2実施例の熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図33は第2実施例の三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図である。本実施形態においては、熱交換器を通過する冷却液温度若しくは燃焼ガス温度に応じて三方弁最低必要開度を調整するようにしたものである。なお、図20〜図29と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Tenth embodiment)
FIGS. 30 to 33 show the first and second examples of the ninth embodiment of the fuel cell system to which the present invention is applied, and FIG. 30 shows the heat medium supply system and control unit of the first example of the eighth embodiment. FIG. 31 is a control block diagram of a three-way valve minimum required opening calculating means of the first embodiment, and FIG. 32 is a heat medium supply system of a second embodiment of the eighth embodiment. And FIG. 33 is a control block diagram of a three-way valve minimum required opening calculating means of the second embodiment. In the present embodiment, the minimum required opening of the three-way valve is adjusted in accordance with the temperature of the coolant or the temperature of the combustion gas passing through the heat exchanger. 20 to 29 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
第1実施例の燃料電池システムにおいては、図30に示すように、熱交換器用通路20の熱交換器6の出口の冷却液の温度を検出する温度検出手段41を備え、検出された温度はコントローラ9の三方弁最低必要開度演算手段40に入力される。
In the fuel cell system of the first embodiment, as shown in FIG. 30, a temperature detecting means 41 for detecting the temperature of the coolant at the outlet of the
前記三方弁最低必要開度演算手段40は、図31に示すように、三方弁最低必要開度演算部40A(第7実施形態の図25に示すと同様に構成される)と、入力される温度検出手段41による熱交換器6の出口の冷却液の温度に応じて増加する係数を出力する係数発生部40Bと、三方弁最低必要開度演算部40Aで出力される三方弁最低必要開度信号に係数発生部40Bで出力した係数を乗算する乗算器40Cとを備える。
As shown in FIG. 31, the three-way valve minimum required opening calculating means 40 is input with a three-way valve minimum required
前記係数発生部40Bは、入力される温度検出手段41による温度が予め設定した温度に達しない場合には係数「1」を出力し、入力された温度検出手段41による温度が予め設定した温度を超える場合には、その温度上昇に応じて増加してゆく「1」以上の係数を出力するよう構成している。
The coefficient generator 40B outputs a coefficient “1” when the input temperature from the
したがって、三方弁最低必要開度演算手段40は、入力される温度検出手段41による温度が予め設定した設定温度に達しない場合には、係数発生器40Bは係数「1」を出力するため、三方弁最低必要開度演算部40Aで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器40Cで係数「1」が乗算されてそのまま出力される。また、入力された温度検出手段41による温度が予め設定した温度を超える場合には、その温度上昇に応じて増加してゆく「1」以上の係数が出力されるため、三方弁最低必要開度演算部40Aで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器40Cで「1」以上の係数が乗算されて増加した最低必要開度が出力される。
Therefore, the three-way valve minimum necessary opening degree calculating means 40 outputs the coefficient "1" when the input temperature from the
三方弁最低必要開度演算手段40の出力は、三方弁開度設定手段34に入力され、三方弁調温開度演算手段46よりの冷却液温度制御のための三方弁開度と比較されて大きい方の開度が目標開度として選択(セレクトハイ)され、三方弁17の開度を目標開度となるように駆動する。
The output of the three-way valve minimum necessary opening calculating means 40 is input to the three-way valve opening setting means 34, and is compared with the three-way valve opening for controlling the coolant temperature from the three-way valve temperature adjusting opening calculating means 46. The larger opening is selected as the target opening (select high), and the opening of the three-
図32および図33は、第10実施形態の燃料電池システムの第2実施例を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、および、三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図である。本(第2)実施例に示す燃料電池システムでは、三方弁最低必要開度演算手段により演算する三方弁の最低必要開度が、第1実施例では熱交換器出口の冷却液温度に基づいて演算されるものであるのに代えて、熱交換器出口の燃焼器排気ガス温度に基づいて演算するようにしたものである。なお、図20〜図31と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。 FIG. 32 and FIG. 33 are system configuration diagrams of a fuel cell system including a heat medium supply system and a control unit showing a second example of the fuel cell system of the tenth embodiment, and a three-way valve minimum required opening degree calculating means. It is a control block diagram. In the fuel cell system shown in the present (second) embodiment, the minimum required opening of the three-way valve calculated by the three-way valve minimum required opening calculating means is based on the coolant temperature at the heat exchanger outlet in the first embodiment. Instead of the calculation, the calculation is performed based on the temperature of the combustor exhaust gas at the outlet of the heat exchanger. 20 to 31 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
第2実施例の燃料電池システムにおいては、図32に示すように、熱交換器用通路20の熱交換器6の出口の燃焼排気ガスの温度を検出する温度検出手段43を備え、検出された温度はコントローラ9の三方弁最低必要開度演算手段42に入力される。
In the fuel cell system of the second embodiment, as shown in FIG. 32, a temperature detecting means 43 for detecting the temperature of the combustion exhaust gas at the outlet of the
前記三方弁最低必要開度演算手段42は、図33に示すように、三方弁最低必要開度演算部42A(第7実施形態の図25に示すと同様に構成される)と、入力される温度検出手段43による熱交換器6の出口の燃焼排気ガスの温度に応じて増加する係数を出力する係数発生部42Bと、三方弁最低必要開度演算部42Aで出力される三方弁最低必要開度信号に係数発生部42Bで出力した係数を乗算する乗算器42Cとを備える。
As shown in FIG. 33, the three-way valve minimum required opening calculating means 42 is input with a three-way valve minimum required
前記係数発生部42Bは、入力される温度検出手段43による温度が予め設定した基準値温度に達しない場合には係数「1」を出力し、入力された温度検出手段43による温度が予め設定した基準値温度を超える場合には、その温度上昇に応じて増加してゆく「1」以上の係数を出力するよう構成している。
The
したがって、三方弁最低必要開度演算手段42は、入力される温度検出手段43による温度が予め設定した基準値温度に達しない場合には、係数発生器42Bは係数「1」を出力するため、三方弁最低必要開度演算部42Aで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器42Cで係数「1」が乗算されてそのまま出力される。また、入力された温度検出手段43による温度が予め設定した基準値温度を超える場合には、その温度上昇に応じて増加してゆく「1」以上の係数が出力されるため、三方弁最低必要開度演算部42Aで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器42Cで「1」以上の係数が乗算されて増加した最低必要開度が出力される。
Therefore, the three-way valve minimum required opening degree calculating means 42 outputs the coefficient “1” from the
三方弁最低必要開度演算手段42の出力は、三方弁開度設定手段34に入力され、三方弁調温開度演算手段46よりの冷却液温度制御のための三方弁開度と比較されて大きい方の開度が目標開度として選択(セレクトハイ)され、三方弁17の開度を目標開度となるように駆動する。
The output of the three-way valve minimum required opening calculating means 42 is input to the three-way valve opening setting means 34 and compared with the three-way valve opening for controlling the coolant temperature from the three-way valve temperature adjusting opening calculating means 46. The larger opening is selected as the target opening (select high), and the opening of the three-
以上説明したように、本実施形態においては、熱交換器6出口の冷却液温度若しくは燃焼排気ガス温度が予め設定した設定値に達しない場合には、三方弁最低必要開度と燃料電池1の調温に必要な三方弁開度の大きい方を選択出力するものであり、しかも、熱交換器6出口の冷却液温度若しくは燃焼排気ガス温度が予め設定した設定値を超える場合には、温度上昇に応じて三方弁17の最低必要開度を大きくするよう構成している。したがって、熱交換器6への冷却液流量不足や燃焼器5内での燃焼ばらつきによって熱交換器6出口冷却液温度が過度に上昇した場合にも、該冷却液温度に応じて三方弁17が熱交換器用通路20側に動いて熱交換器6の冷却液流量が増加するため、冷却液の過度の温度上昇を抑制し、その劣化を防止することができる。
As described above, in the present embodiment, when the coolant temperature at the outlet of the
本実施形態においては、第2実施形態における効果(イ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effect (A) in the second embodiment, the following effects can be obtained.
(ツ)熱交換手段6を通過した熱媒体若しくは燃焼排気ガスの温度を検出する温度検出手段41、43を備え、三方弁最低必要開度演算手段40、42は、前記検出された熱交換手段6出口の熱媒体温度が高くなるほど三方弁の熱交換手段6への最低必要開度を大きくするため、熱交換器6への冷却液流量不足や燃焼器5内での燃焼ばらつきによって熱交換器6出口冷却液温度が過度に上昇した場合にも、該冷却液温度に応じて三方弁17が熱交換器用通路20側に動いて熱交換器6の冷却液流量が増加するため、冷却液の過度の温度上昇を抑制し、その劣化を防止することができる。
(T)
1 燃料電池
2 水素供給手段としての水素供給系統
3 酸化ガス供給系統
4 熱媒体供給系統
5 燃焼ガス発生手段としての燃焼器
6 熱交換手段としての熱交換器
7、33 温度センサ
8 電力計
9 コントロールユニット
11 循環経路
13 パージ手段としてのパージ弁
16 ポンプ
17 三方弁
18 ラジエータ
19 ラジエータファン
20 熱交換用通路
21 排気三方弁
25 加熱運転実行判断手段
26 加熱運転手段
28 水素パージ判断手段
29、31、32 水素パージ手段
30 熱媒体流路選択手段
33、36、39、40 三方弁最低必要開度演算手段
34、37 三方弁開度設定手段
35、41、43 温度検出手段
44 冷却液目標流量設定手段
45 ポンプ制御手段
46 三方弁調温開度演算手段
DESCRIPTION OF
Claims (22)
前記燃料電池に熱媒体を循環供給する熱媒体供給手段と、
水素と酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生手段と、
冷間始動時にその燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機する熱交換手段と、
前記燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを前記燃焼ガス発生手段を介して排出する水素パージ手段と、
前記燃料電池および水素パージ手段を制御し且つ熱媒体の温度を調節することにより燃料電池システムの温度をコントロールする制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃焼ガスを熱交換手段を通過させずに排出させる熱交換手段バイパス手段を設けるとともに、前記制御手段により水素パージ実行時は燃焼ガスを熱交換手段をバイパスさせて排出することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen;
Heat medium supply means for circulating and supplying a heat medium to the fuel cell,
Combustion gas generating means for reacting hydrogen and oxygen to generate high-temperature combustion gas,
Heat exchange means for warming up the fuel cell system by applying the heat of the combustion gas to the heat medium and heating it during cold start;
Hydrogen purging means for discharging gas in a hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell through the combustion gas generating means,
Control means for controlling the temperature of the fuel cell system by controlling the fuel cell and the hydrogen purging means and adjusting the temperature of the heating medium.
A fuel is provided, wherein a heat exchange means bypass means for discharging the combustion gas without passing through the heat exchange means is provided, and the combustion gas is discharged by bypassing the heat exchange means when executing hydrogen purging by the control means. Battery system.
前記燃料電池に熱媒体を循環供給する熱媒体供給手段と、
水素と酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生手段と、
冷間始動時に前記燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機する熱交換手段と、
熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路と、
熱媒体の通路を熱交換手段側もしくは熱交換手段バイパス通路側へ切換える熱媒体通路切換手段と、
燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを前記燃焼ガス発生手段を介して排出する水素パージ手段と、
前記燃料電池、熱媒体通路切換手段および水素パージ手段を制御して熱媒体の温度を調節することにより燃料電池システムの温度をコントロールする制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、熱媒体の通路を熱交換手段バイパス通路側としている場合でも、所定量は熱交換手段側へも熱媒体を流通させることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen;
Heat medium supply means for circulating and supplying a heat medium to the fuel cell,
Combustion gas generating means for reacting hydrogen and oxygen to generate high-temperature combustion gas,
Heat exchange means for warming up the fuel cell system by applying heat of the combustion gas to the heat medium and heating it during cold start,
A heat exchange means bypass passage for bypassing the heat exchange means and flowing the heat medium,
Heat medium passage switching means for switching the passage of the heat medium to the heat exchange means side or the heat exchange means bypass passage side;
Hydrogen purging means for discharging gas in the hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell through the combustion gas generating means,
Control means for controlling the temperature of the fuel cell system by controlling the temperature of the heat medium by controlling the fuel cell, the heat medium passage switching means and the hydrogen purge means,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit allows the heat medium to flow to the heat exchange unit by a predetermined amount even when the heat medium passage is on the heat exchange unit bypass passage side.
前記燃料電池に熱媒体を循環供給する熱媒体供給手段と、
水素と酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生手段と、
冷間始動時に前記燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機する熱交換手段と、
熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路と、
熱媒体の通路を熱交換手段側もしくは熱交換手段バイパス通路側へ切換える熱媒体通路切換手段と、
燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを前記燃焼ガス発生手段を介して排出する水素パージ手段と、
前記燃料電池、熱媒体通路切換え手段および水素パージ手段を制御して熱媒体の温度を調節することにより燃料電池システムの温度をコントロールする制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
制御手段は、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを行うことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen;
Heat medium supply means for circulating and supplying a heat medium to the fuel cell,
Combustion gas generating means for reacting hydrogen and oxygen to generate high-temperature combustion gas,
Heat exchange means for warming up the fuel cell system by applying heat of the combustion gas to the heat medium and heating it during cold start,
A heat exchange means bypass passage for bypassing the heat exchange means and flowing the heat medium,
Heat medium passage switching means for switching the passage of the heat medium to the heat exchange means side or the heat exchange means bypass passage side;
Hydrogen purging means for discharging gas in the hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell through the combustion gas generating means,
A control means for controlling the temperature of the fuel cell system by controlling the temperature of the heat medium by controlling the fuel cell, the heat medium passage switching means and the hydrogen purging means,
When the heat medium is flowing through the heat exchange means bypass passage when the hydrogen purge is requested, the control means switches the heat medium passage to the heat exchange means and then performs the hydrogen purge. Fuel cell system.
前記制御手段は、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体を熱媒体急冷手段により所定温度以下に急冷した後、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを行うことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system includes a heat medium cooling unit that cools the heat medium in the heat exchange unit bypass passage and a heat medium quenching unit that rapidly cools the temperature of the heat medium faster than usual.
When the heat medium is flowing through the heat exchange means bypass passage when the hydrogen purge is requested, the control means quenches the heat medium to a predetermined temperature or less by the heat medium quenching means, and then passes the heat medium passage. The fuel cell system according to claim 4, wherein the hydrogen purging is performed after switching to the heat exchange means side.
前記制御手段は、要求された水素パージの緊急度が低い場合は水素パージを一旦禁止するとともに、熱媒体を熱媒体急冷手段により所定温度以下に急冷した後、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを許可することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system includes a heat medium cooling unit that cools the heat medium in the heat exchange unit bypass passage and a heat medium quenching unit that rapidly cools the temperature of the heat medium,
When the urgency of the requested hydrogen purge is low, the control means temporarily inhibits the hydrogen purge and, after the heat medium is rapidly cooled to a predetermined temperature or less by the heat medium quenching means, moves the heat medium passage to the heat exchange means side. 7. The fuel cell system according to claim 6, wherein hydrogen purging is permitted after switching.
前記熱媒体急冷手段は、前記ラジエータを通過する空気量を増量させるものであることを特徴とする請求項5または請求項10に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system includes a radiator in a heat exchange unit bypass passage,
11. The fuel cell system according to claim 5, wherein the heat medium quenching means increases an amount of air passing through the radiator.
前記熱媒体通路切換手段は、熱媒体を熱交換手段を通過させる通路と熱交換手段バイパス通路とに分流調整可能な三方弁により構成し、
前記制御手段は、燃料電池を調温するのに必要な熱交換手段通過通路側への三方弁開度を演算する三方弁調温開度演算手段と、熱交換手段への最低必要な熱媒体流量を確保するために三方弁の最低必要開度を前記ポンプ吐出媒体流量に応じて演算する三方弁最低必要開度演算手段と、前記三方弁調温開度演算手段によって演算された三方弁開度が前記三方弁最低必要開度演算手段によって演算された最低必要開度に満たない場合には、三方弁開度を最低必要開度に設定する三方弁開度設定手段と、を備えることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The heat medium supply unit includes a pump that circulates a coolant of the fuel cell,
The heat medium passage switching means is configured by a three-way valve capable of adjusting the flow division of a heat medium through a heat exchange means and a heat exchange means bypass passage,
The control means includes a three-way valve temperature control opening calculating means for calculating a three-way valve opening to the heat exchange means passage passage side necessary for controlling the temperature of the fuel cell, and a minimum heat medium required for the heat exchange means. A three-way valve minimum necessary opening calculating means for calculating a minimum required opening of the three-way valve in accordance with the pump discharge medium flow rate in order to secure a flow rate; and a three-way valve opening calculated by the three-way valve temperature regulating opening calculating means. If the degree is less than the minimum required opening calculated by the three-way valve minimum required opening calculating means, three-way valve opening setting means for setting the three-way valve opening to the minimum required opening is provided. The fuel cell system according to claim 2, wherein:
前記三方弁最低必要開度演算手段は、前記検出された熱交換手段出口の熱媒体温度が高くなるほど三方弁の熱交換手段への最低必要開度を大きくすることを特徴とする請求項17から請求項19のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 The fuel cell system includes a temperature detection unit that detects a temperature of the heat medium that has passed through the heat exchange unit,
18. The method according to claim 17, wherein the three-way valve minimum required opening calculating means increases the minimum required opening of the three-way valve to the heat exchanging means as the detected heat medium temperature at the heat exchanging means outlet increases. The fuel cell system according to claim 19.
前記三方弁最低必要開度演算手段は、前記検出された熱交換手段出口の燃焼排気ガスの温度が高くなるほど三方弁の熱交換手段への最低必要開度を大きくすることを特徴とする請求項17から請求項19のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 The fuel cell system includes a temperature detection unit that detects a temperature of the combustion exhaust gas that has passed through the heat exchange unit,
The three-way valve minimum required opening calculating means increases the minimum required opening of the three-way valve to the heat exchange means as the detected temperature of the combustion exhaust gas at the outlet of the heat exchange means increases. The fuel cell system according to any one of claims 17 to 19.
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