JP2005302639A - Start-up control device for fuel cell system - Google Patents

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JP2005302639A JP2004120287A JP2004120287A JP2005302639A JP 2005302639 A JP2005302639 A JP 2005302639A JP 2004120287 A JP2004120287 A JP 2004120287A JP 2004120287 A JP2004120287 A JP 2004120287A JP 2005302639 A JP2005302639 A JP 2005302639A
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Sei Hoshi
聖 星
Akihiro Sakakida
明宏 榊田
Tsutomu Yamazaki
努 山崎
Akihiro Asai
明寛 浅井
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Nissan Motor Co Ltd
日産自動車株式会社
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a start-up control device for a fuel cell system optimally controlling operation of a defrosting means by confirming an operation state of two control valves simultaneously and independently. <P>SOLUTION: The fuel cell system comprises a stack (1); a water storing device (2); a water circulation flow passage (4); a gas supply passage (5) jointed to the water circulation passage (4), through which, the pressurized gas flows; three control valves (6, 7, 8) arranged on the water circulation flow passage (4) and the gas supply passage (5); two pressure detection means (9, 10); and a control valve operation judging means (S107) judging the operation of the first control valve (6) and the third control valve (8) depending on detected values obtained by the first pressure detection means (9) and the second pressure detection means (10). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムの始動制御装置に関するものである。   The present invention relates to a start control device for a fuel cell system.
燃料電池システムの始動時に外気温が低温のときには燃料電池システムを作動温度まで上昇させて始動させるのに時間がかかる。また、例えば高分子電解質型燃料電池のアノード電極には燃料ガスとともに加湿及び冷却のための水が供給されているので、外気温が氷点下以下のときにはこの水が凍結して始動までによりいっそう時間がかかる。これに対して、燃料電池の外部負荷に電力を供給することで反応を促進し、自己発熱により温度を上昇させて始動性を向上させているものがある。   When the outside temperature is low when starting the fuel cell system, it takes time to start the fuel cell system by raising it to the operating temperature. In addition, for example, water for humidification and cooling is supplied to the anode electrode of the polymer electrolyte fuel cell together with the fuel gas, so that when the outside air temperature is below freezing point, the water freezes and more time is required until starting. Take it. On the other hand, there is one that promotes the reaction by supplying electric power to the external load of the fuel cell and raises the temperature by self-heating to improve the startability.
しかし、自己発熱によって温度を上昇させる技術では燃料電池スタックの内部に残留する凍結状態の水を解凍することはできても流体の流路上に設けられた各種制御弁に残留する凍結状態の水を直接解凍することはできない。   However, with the technology that raises the temperature by self-heating, the frozen water remaining inside the fuel cell stack can be thawed, but the frozen water remaining on the various control valves provided on the fluid flow path is removed. It cannot be thawed directly.
そこで、エアコンプレッサ等により断熱圧縮して加熱された空気を流体の流路上に設けられた制御弁に噴射することで凍結部分を解凍する技術が特許文献1に記載されている。
特開2002−313389号公報
Thus, Patent Document 1 discloses a technique for thawing a frozen portion by injecting air heated by adiabatic compression by an air compressor or the like to a control valve provided on a fluid flow path.
JP 2002-313389 A
しかし、このような技術では制御弁の作動状態確認手段において、同時に2つの制御弁の作動状態を確認することはできない。   However, with such a technique, the operating state of the control valve cannot be simultaneously confirmed by the operating state confirmation unit of the control valve.
よって、凍結部分の解凍に供する電力を複数の解凍手段に最適に配分することができないので、解凍に多くの時間を要し燃料電池システムの始動性が悪化する。   Therefore, since the electric power for thawing the frozen portion cannot be optimally distributed to the plurality of thawing means, it takes a lot of time for thawing and the startability of the fuel cell system deteriorates.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、2つの制御弁の作動状態の確認を同時に行うことで解凍手段の作動を最適に制御することができる燃料電池システムの始動制御装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and a fuel cell system capable of optimally controlling the operation of the thawing means by simultaneously confirming the operating states of the two control valves. It is an object of the present invention to provide a start control device.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。   The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.
本発明は、化学反応により発電を行うスタック(1)と、スタック(1)から還流する水を貯留する水貯留装置(2)と、スタック(1)から還流する水を水貯留装置(2)へ通流する水還流通路(4)とを備える燃料電池システムにおいて、水還流通路(4)に設けられ、流体の流量を制御する第1制御弁(6)と、第1制御弁(6)とスタック(1)との間に設けられ、流体の流量を制御する第2制御弁(7)と、第1制御弁(6)と第2制御弁(7)との間に接続され、第1制御弁(6)を介して水貯留装置(2)に圧送されるガスを通流するガス供給通路(5)と、ガス供給通路(5)に設けられ、ガス圧送手段(16)から供給されるガスの流量を制御する第3制御弁(8)と、第1制御弁(6)、第2制御弁(7)及び第3制御弁(8)の間の流路の圧力を検出する第1圧力検出手段(9)と、ガスの流通方向に対して第3制御弁(8)の上流側の流路の圧力を検出する第2圧力検出手段(10)と、燃料電池システム始動時に水還流通路内に水を通流する前に、ガス圧送手段(16)によってガスの圧送を開始し、第1制御弁(6)及び第3制御弁(8)の弁を開き、このときに、第1圧力検出手段(9)及び第2圧力検出手段(10)から得られた検出値に基づいて第1制御弁(6)及び第3制御弁(8)の作動を判定する制御弁作動判定手段(S107)とを備えることを特徴とする。   The present invention includes a stack (1) that generates power by a chemical reaction, a water storage device (2) that stores water recirculated from the stack (1), and a water storage device (2) that recirculates water from the stack (1). In the fuel cell system including the water recirculation passage (4) that flows to the first recirculation passage (4), the first control valve (6) that is provided in the water recirculation passage (4) and controls the flow rate of the fluid, Is connected between the first control valve (6) and the second control valve (7), the second control valve (7) is provided between the first control valve (7) and the second control valve (7). 1 Gas supply passage (5) through which the gas to be pumped to the water storage device (2) through the control valve (6) and a gas supply passage (5) are provided and supplied from the gas pumping means (16) A third control valve (8) for controlling the flow rate of the gas to be produced, a first control valve (6), a second control valve (7) and a third control A first pressure detecting means (9) for detecting the pressure in the flow path between (8) and a second pressure for detecting the pressure in the flow path upstream of the third control valve (8) with respect to the gas flow direction. Before the water is passed through the pressure detection means (10) and the water recirculation passage at the time of starting the fuel cell system, the gas pressure feeding means (16) starts gas feeding, and the first control valve (6) and the third control valve The valve of the control valve (8) is opened. At this time, the first control valve (6) and the third control valve (3) are based on the detection values obtained from the first pressure detection means (9) and the second pressure detection means (10). Control valve operation determining means (S107) for determining the operation of the control valve (8).
本発明によれば、第1制御弁、第2制御弁及び第3制御弁の間の流路の圧力を検出する圧力検出手段と、ガスの流通方向に対して第3制御弁の上流側の流路の圧力を検出する圧力検出手段との2つの圧力検出手段から得られる検出値によって2つの制御弁の作動状態を同時に独立して判断することができる。   According to the present invention, the pressure detection means for detecting the pressure of the flow path between the first control valve, the second control valve, and the third control valve, and the upstream side of the third control valve with respect to the gas flow direction. The operating states of the two control valves can be determined simultaneously and independently from the detection values obtained from the two pressure detection means and the pressure detection means for detecting the pressure in the flow path.
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図1は、本発明による燃料電池システムの始動制御装置を示すシステム構成図である。本装置は、スタック1と、純水貯留装置2と、純水供給配管3と、純水還流配管4と、空気供給配管5と、エアコンプレッサ16と、第1制御弁6と、第2制御弁7と、第3制御弁8と、第1圧力センサ9と、第2圧力センサ10と、第1加熱手段11と、第2加熱手段12と、コントローラ13とを備えている。   FIG. 1 is a system configuration diagram showing a start control device of a fuel cell system according to the present invention. This apparatus includes a stack 1, a pure water storage device 2, a pure water supply pipe 3, a pure water recirculation pipe 4, an air supply pipe 5, an air compressor 16, a first control valve 6, and a second control. A valve 7, a third control valve 8, a first pressure sensor 9, a second pressure sensor 10, a first heating means 11, a second heating means 12, and a controller 13 are provided.
スタック1は、燃料ガスと空気との供給を受けて化学反応により発電を行っている。   The stack 1 is supplied with fuel gas and air to generate power by a chemical reaction.
純水貯留装置2は、スタック1に供給する純水を貯留している。純水はポンプ14によって純水供給配管3を介してスタック1へ供給され、純水還流配管4を介してスタック1から還流して再度純水貯留装置2に貯留される。   The pure water storage device 2 stores pure water supplied to the stack 1. The pure water is supplied to the stack 1 by the pump 14 via the pure water supply pipe 3, returns from the stack 1 via the pure water recirculation pipe 4, and is stored again in the pure water storage device 2.
空気供給配管5は、エアコンプレッサ16から圧送する空気を純水還流配管4を介して純水貯留装置2に供給することができるように純水還流配管4に連結されている。エアコンプレッサ16は、燃料電池システム停止時に配管内に残留している水を回収するために空気を圧送する。   The air supply pipe 5 is connected to the pure water recirculation pipe 4 so that air pumped from the air compressor 16 can be supplied to the pure water storage device 2 via the pure water recirculation pipe 4. The air compressor 16 pumps air to collect water remaining in the pipe when the fuel cell system is stopped.
第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8は、純水還流配管4及び空気供給配管5の内部を通流する純水及び空気の流量を制御する弁である。第1制御弁6は、純水還流配管上であって純水貯留装置2と空気供給配管5の連結部との間に配設されている。第2制御弁6は、純水還流配管上であって空気供給配管5の連結部とスタック1との間に配設されている。第3制御弁7は空気供給配管上であってエアコンプレッサ16と純水還流配管との間に配設されている。   The first control valve 6, the second control valve 7, and the third control valve 8 are valves that control the flow rates of pure water and air flowing through the pure water recirculation pipe 4 and the air supply pipe 5. The first control valve 6 is disposed on the pure water recirculation pipe and between the pure water storage device 2 and the connection portion of the air supply pipe 5. The second control valve 6 is disposed on the pure water recirculation pipe and between the connecting portion of the air supply pipe 5 and the stack 1. The third control valve 7 is disposed on the air supply pipe and between the air compressor 16 and the pure water recirculation pipe.
第1圧力センサ9及び第2圧力センサ10は、純水還流配管4及び空気供給配管5の内部の圧力を検出するセンサである。第1圧力センサ9は、純水還流配管上であって第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8の間の流路に配設されている。第2圧力センサ10は、空気供給配管上であって第3制御弁8とエアコンプレッサ16との間に配設されている。   The first pressure sensor 9 and the second pressure sensor 10 are sensors that detect the pressure inside the pure water recirculation pipe 4 and the air supply pipe 5. The first pressure sensor 9 is disposed on the pure water recirculation pipe and in a flow path between the first control valve 6, the second control valve 7 and the third control valve 8. The second pressure sensor 10 is disposed on the air supply pipe and between the third control valve 8 and the air compressor 16.
第1加熱手段11及び第2加熱手段12は、内部に電流を流すことで発熱する電熱器である。第1加熱手段11は第1制御弁6の近傍に配設され、第2加熱手段12は第3制御弁8の近傍に配設されている。   The 1st heating means 11 and the 2nd heating means 12 are electric heaters which generate | occur | produce heat | fever when an electric current is sent through an inside. The first heating means 11 is disposed in the vicinity of the first control valve 6, and the second heating means 12 is disposed in the vicinity of the third control valve 8.
コントローラ13は、本発明に必要な全ての制御を行っており、第1圧力センサ9、第2圧力センサ10及び外気温を測定する外気温センサ15によって検出される値に基づいて第1加熱手段11と第2加熱手段12との発熱量を適切に制御している。なお、図1中の実線は流体の流路を、点線はコントローラと各センサ及び加熱手段との信号の送受信を表している。   The controller 13 performs all the control necessary for the present invention, and the first heating means is based on values detected by the first pressure sensor 9, the second pressure sensor 10, and the outside air temperature sensor 15 that measures the outside air temperature. 11 and the second heating means 12 are appropriately controlled. In FIG. 1, a solid line represents a fluid flow path, and a dotted line represents transmission / reception of signals between the controller, each sensor, and the heating means.
本実施形態で使用する燃料電池システムは、スタック1のアノード電極に燃料ガスを供給するとともに加湿及び冷却のための純水を供給し、化学反応によってカソード電極で発生した純水及び冷却に使用された冷却水を回収する必要がある。ここで、純水の流れと第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8の作動との関係について燃料電池システムの運転時、停止時及び始動時に分けて説明する。   The fuel cell system used in this embodiment supplies fuel gas to the anode electrode of the stack 1 and also supplies pure water for humidification and cooling, and is used for pure water and cooling generated at the cathode electrode by a chemical reaction. It is necessary to recover the cooling water. Here, the relationship between the flow of pure water and the operation of the first control valve 6, the second control valve 7 and the third control valve 8 will be described separately during operation, stop and start of the fuel cell system.
燃料電池システム運転時は、第1制御弁6及び第2制御弁7を開いて第3制御弁8を閉じる。この状態でポンプ14を作動させて純水を循環させる。すなわち、純水はポンプ14によって純水貯留装置2からスタック1へ供給され、スタック1から還流して純水貯留装置2へと通流される。   During operation of the fuel cell system, the first control valve 6 and the second control valve 7 are opened and the third control valve 8 is closed. In this state, the pump 14 is operated to circulate pure water. In other words, pure water is supplied from the pure water storage device 2 to the stack 1 by the pump 14, and then flows back from the stack 1 to the pure water storage device 2.
燃料電池システム停止時は、純水供給配管3及び純水還流配管4の内部に残留している純水を回収する必要があり、この回収動作は2段階に分けて実施される。第1段階では、第1制御弁6を閉じ第2制御弁7及び第3制御弁8を開いてエアコンプレッサ16によって空気供給配管5から純水還流配管4へ空気を供給する。これにより、空気は空気供給配管5から純水還流配管4、スタック1及び純水供給配管3を介して純水貯留装置2へと通流し、これに伴って純水が回収される。第2段階では、第1制御弁6及び第3制御弁8を開き第2制御弁7は閉じたままでエアコンプレッサ16によって空気供給配管5から純水還流配管4へ空気を供給する。これにより、空気は空気供給配管5から純水還流配管4を介して純水貯留装置2へと通流し、これに伴って純水が回収される。上記2つの段階を経て純水を回収した後、第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8を全て閉じて、燃料電池システムは完全に停止する。   When the fuel cell system is stopped, it is necessary to recover the pure water remaining in the pure water supply pipe 3 and the pure water recirculation pipe 4, and this recovery operation is performed in two stages. In the first stage, the first control valve 6 is closed, the second control valve 7 and the third control valve 8 are opened, and air is supplied from the air supply pipe 5 to the pure water recirculation pipe 4 by the air compressor 16. As a result, the air flows from the air supply pipe 5 to the pure water storage device 2 via the pure water recirculation pipe 4, the stack 1 and the pure water supply pipe 3, and the pure water is recovered accordingly. In the second stage, the first control valve 6 and the third control valve 8 are opened, and the air is supplied from the air supply pipe 5 to the pure water recirculation pipe 4 by the air compressor 16 while the second control valve 7 is closed. As a result, the air flows from the air supply pipe 5 to the pure water storage device 2 via the pure water recirculation pipe 4, and the pure water is recovered along with this. After the pure water is recovered through the above two steps, the first control valve 6, the second control valve 7 and the third control valve 8 are all closed, and the fuel cell system is completely stopped.
燃料電池システム始動時は、第1制御弁6及び第3制御弁8を開き第2制御弁7を閉じてエアコンプレッサ16によって空気供給配管5から空気を供給することで純水貯留装置2を加圧する。これにより、純水貯留装置2の純水をポンプ14まで供給する。その後、第3制御弁8を閉じ第2制御弁7を開けてポンプ14の作動によって純水は循環される。燃料電池システムの始動時に第1制御弁6及び第3制御弁8が凍結していると開くことができず、エアコンプレッサ16によって加圧された空気を純水貯留装置2に供給することができない。そこで本発明は、燃料電池システムの始動時に第1制御弁6及び第3制御弁8の凍結部分を効率よく解凍する制御を次のようにして行う。   When starting the fuel cell system, the first control valve 6 and the third control valve 8 are opened, the second control valve 7 is closed, and air is supplied from the air supply pipe 5 by the air compressor 16 to add the pure water storage device 2. Press. Thereby, the pure water of the pure water storage apparatus 2 is supplied to the pump 14. Thereafter, the third control valve 8 is closed and the second control valve 7 is opened, and the pure water is circulated by the operation of the pump 14. If the first control valve 6 and the third control valve 8 are frozen at the start of the fuel cell system, they cannot be opened, and the air pressurized by the air compressor 16 cannot be supplied to the pure water storage device 2. . Therefore, in the present invention, the control for efficiently thawing the frozen portions of the first control valve 6 and the third control valve 8 at the start of the fuel cell system is performed as follows.
以下、燃料電池システム始動時におけるコントローラ13の具体的な制御方法について図2を参照しながら説明する。図2は、本発明の燃料電池システムの始動制御装置の制御を示したフローチャートである。なお、本制御は微小時間(例えば10msec)ごとに繰り返し実行している。   Hereinafter, a specific control method of the controller 13 at the start of the fuel cell system will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing the control of the start control device of the fuel cell system of the present invention. This control is repeatedly executed every minute time (for example, 10 msec).
ステップS101では、外気温センサ15によって得られた検出値(外気温)を読み込んでステップS102へ進む。   In step S101, the detected value (outside temperature) obtained by the outside temperature sensor 15 is read, and the process proceeds to step S102.
ステップS102では、ステップS101で読み込んだ外気温が制御弁内の水分が凍結する規定の温度より低いか否かを判定する。外気温が規定の温度以下であればステップS103へ進み、外気温が規定の温度より高ければ処理を終了する。ここで、制御弁内の水分が凍結する規定の温度は実験などによって予め求めておく。また、外気温が規定の温度より高ければ第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8が凍結している可能性が無く、本発明の制御を行う必要が無いので処理を終了する。   In step S102, it is determined whether or not the outside air temperature read in step S101 is lower than a prescribed temperature at which moisture in the control valve freezes. If the outside air temperature is equal to or lower than the specified temperature, the process proceeds to step S103, and if the outside air temperature is higher than the specified temperature, the process ends. Here, the prescribed temperature at which the water in the control valve freezes is obtained in advance by experiments or the like. Further, if the outside air temperature is higher than the specified temperature, there is no possibility that the first control valve 6, the second control valve 7 and the third control valve 8 are frozen, and it is not necessary to carry out the control of the present invention. finish.
ステップS103では、第1加熱手段11及び第2加熱手段12の電源を投入してステップS104へ進む。   In step S103, the first heating unit 11 and the second heating unit 12 are powered on and the process proceeds to step S104.
ステップS104では、エアコンプレッサ16によって第3制御弁8を介して所定圧の空気を供給してステップS105へ進む。   In step S104, air of a predetermined pressure is supplied via the third control valve 8 by the air compressor 16, and the process proceeds to step S105.
ステップS105では、コントローラ13によって第1制御弁6及び第3制御弁8に対して開指令を出力してステップS106へ進む。ここで、本制御は燃料電池システム始動時の制御であり、前述したように第2制御弁7は閉じたままである。   In step S105, the controller 13 outputs an open command to the first control valve 6 and the third control valve 8, and the process proceeds to step S106. Here, this control is control at the time of starting the fuel cell system, and the second control valve 7 remains closed as described above.
ステップS106では、第1圧力センサ9及び第2圧力センサ10の検出値を読み込んでステップS107へ進む。   In step S106, the detection values of the first pressure sensor 9 and the second pressure sensor 10 are read, and the process proceeds to step S107.
ステップS107では、ステップS106で読み込んだ検出値に基づいて第1制御弁6及び第3制御弁8の作動状態を判定する。ここで、第1制御弁6及び第3制御弁8の作動状態とは弁の開閉状態のことである。なお、本ステップの判定方法については後述する。   In step S107, the operating states of the first control valve 6 and the third control valve 8 are determined based on the detection value read in step S106. Here, the operating states of the first control valve 6 and the third control valve 8 are the open and closed states of the valves. The determination method in this step will be described later.
ステップS108では、ステップS107で判定された第1制御弁6の作動状態が開状態であるか否かを判定する。開状態であればステップS109へ進み閉状態であればステップS112へ進む。   In step S108, it is determined whether or not the operating state of the first control valve 6 determined in step S107 is an open state. If it is open, the process proceeds to step S109. If it is closed, the process proceeds to step S112.
ステップS109では、ステップS107で判定された第3制御弁8の開閉状態が開状態であるか否かを判定する。開状態であればステップS110へ進み閉状態であればステップS111へ進む。   In step S109, it is determined whether the open / close state of the third control valve 8 determined in step S107 is an open state. If it is open, the process proceeds to step S110, and if it is closed, the process proceeds to step S111.
ステップS110では、第1加熱手段11及び第2加熱手段12の出力を低下させて処理を終了する。ここで、第1制御弁6及び第3制御弁8はともに作動しており解凍が完了しているので第1加熱手段11及び第2加熱手段12の出力をともに低下させる。また、第1加熱手段11及び第2加熱手段12の出力を低下させてもOFFにはしない。これにより外気温が低くても作動温度付近に保温することができる。   In step S110, the output of the 1st heating means 11 and the 2nd heating means 12 is reduced, and a process is complete | finished. Here, since both the first control valve 6 and the third control valve 8 are operating and thawing is completed, the outputs of the first heating means 11 and the second heating means 12 are both reduced. Moreover, even if the output of the 1st heating means 11 and the 2nd heating means 12 is reduced, it does not turn OFF. As a result, even when the outside air temperature is low, the temperature can be kept near the operating temperature.
ステップS111では、第1加熱手段11の出力を低下させ、第2加熱手段12の出力を増大させて処理を終了する。ここで、第1制御弁6は作動しており、第3制御弁8が作動していない状態であるので、第1制御弁6に設けられた第1加熱手段11の出力を低下させ、その分第3制御弁8に設けられた第2加熱手段12の出力を増大させることで限られた電力を最適に配分することができ効率的な解凍動作を実施することができる。   In step S111, the output of the 1st heating means 11 is reduced, the output of the 2nd heating means 12 is increased, and a process is complete | finished. Here, since the first control valve 6 is operating and the third control valve 8 is not operating, the output of the first heating means 11 provided in the first control valve 6 is reduced, By increasing the output of the second heating means 12 provided to the third control valve 8, the limited electric power can be optimally distributed and an efficient thawing operation can be performed.
ステップS112では、ステップS107で判定された第3制御弁8の開閉状態が開状態であるか否かを判定する。開状態であればステップS113へ進み閉状態であればステップS105へ戻る。このステップで第3制御弁の開閉状態が閉状態と判定されると第1制御弁6及び第3制御弁8はともに作動していない状態であるので、再度ステップS105からの制御を実施する。   In step S112, it is determined whether the open / close state of the third control valve 8 determined in step S107 is an open state. If it is open, the process proceeds to step S113, and if it is closed, the process returns to step S105. If it is determined in this step that the open / close state of the third control valve is the closed state, the first control valve 6 and the third control valve 8 are not operating, so the control from step S105 is performed again.
ステップS113では、第1加熱手段11の出力を増大させ、第2加熱手段12の出力を低下させて処理を終了する。ここで、第3制御弁8は作動しており、第1制御弁6が作動していない状態であるので、第3制御弁8に設けられた第2加熱手段12の出力を低下させ、その分第1制御弁6に設けられた第1加熱手段11の出力を増大させることで限られた電力を最適に配分することができ効率的な解凍動作を実施することができる。   In step S113, the output of the 1st heating means 11 is increased, the output of the 2nd heating means 12 is reduced, and a process is complete | finished. Here, since the third control valve 8 is operating and the first control valve 6 is not operating, the output of the second heating means 12 provided in the third control valve 8 is reduced, By increasing the output of the first heating means 11 provided in the first control valve 6, the limited power can be optimally distributed, and an efficient thawing operation can be performed.
以上の制御をまとめて作用を説明する。外気温が低く制御弁内の水分が凍結する可能性があるときは、第1制御弁6に設けられた第1加熱手段11と第3制御弁8に設けられた第2加熱手段12とによって加熱しながら空気を供給する。この状態で第1制御弁6及び第3制御弁8に対して開指令を出し第1圧力センサ9及び第2圧力センサ10によって検出される圧力の変動パターンに基づいて第1制御弁6及び第3制御弁8の開閉状態を判定する。判定された第1制御弁6及び第3制御弁8の開閉状態の組み合わせに応じて第1加熱手段11及び第2加熱手段12の出力を増減させて電力を第1加熱手段11及び第2加熱手段12に最適に配分する。そして、この制御を制御弁の解凍が完了するまで繰り返し第1制御弁6及び第3制御弁8ともに開状態になったとき解凍制御は終了する。   The operation will be described by summarizing the above control. When the outside air temperature is low and the water in the control valve may freeze, the first heating means 11 provided in the first control valve 6 and the second heating means 12 provided in the third control valve 8 Supply air while heating. In this state, an opening command is issued to the first control valve 6 and the third control valve 8, and the first control valve 6 and the first control valve 6 based on the pressure fluctuation pattern detected by the first pressure sensor 9 and the second pressure sensor 10. 3 The open / close state of the control valve 8 is determined. The output of the first heating means 11 and the second heating means 12 is increased / decreased according to the determined combination of the open / close states of the first control valve 6 and the third control valve 8, and the electric power is supplied to the first heating means 11 and the second heating means. Allocate optimally to means 12. This control is repeated until thawing of the control valve is completed, and when the first control valve 6 and the third control valve 8 are both opened, the thawing control ends.
次に、ステップS107において第1制御弁6及び第3制御弁8の作動状態を判定する方法について図3を参照しながら説明する。図3は、第1圧力センサ9及び第2圧力センサ10の検出値と第1制御弁6及び第3制御弁8の開閉状態との関係を示した判定表である。表の中に示されるテーブルの横軸は時間であり、縦軸は圧力である。第1及び第2圧力センサ9、10の検出値の所定時間における変動パターンの組み合わせが、それぞれ図3に示す(a)と(b)、(c)と(d)、(e)と(f)又は(g)と(h)のいずれかに該当するとき、第1制御弁6及び第3制御弁8の開閉状態を判定することができる。以下、この4つのパターンについて説明する。   Next, a method for determining the operating states of the first control valve 6 and the third control valve 8 in step S107 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a determination table showing the relationship between the detected values of the first pressure sensor 9 and the second pressure sensor 10 and the open / closed states of the first control valve 6 and the third control valve 8. The horizontal axis of the table shown in the table is time, and the vertical axis is pressure. The combinations of fluctuation patterns of the detection values of the first and second pressure sensors 9 and 10 in a predetermined time are respectively shown in (a) and (b), (c) and (d), (e) and (f) shown in FIG. ) Or (g) and (h), the open / close state of the first control valve 6 and the third control valve 8 can be determined. Hereinafter, these four patterns will be described.
第1圧力センサ9及び第2圧力センサ10の検出値がそれぞれ(a)、(b)である場合、第1制御弁6及び第3制御弁8はともに開状態であると判定される。このとき(a)に示すように第1圧力センサ9の検出値は、第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8によって閉じられた流路内の空気が第1加熱手段11によって加熱されて膨張するので空気の圧力上昇に伴って上昇する。しかし、第1制御弁6が作動することで圧力は下流へと開放されて検出値は急激に低下する。また、(b)に示すように第2圧力センサ10の検出値は、第3制御弁8が閉じていることで空気供給圧となっており、第3制御弁8の作動によって圧力は第3制御弁8から下流へと開放されるので急激に低下する。   When the detection values of the first pressure sensor 9 and the second pressure sensor 10 are (a) and (b), respectively, it is determined that both the first control valve 6 and the third control valve 8 are open. At this time, as shown in (a), the detected value of the first pressure sensor 9 indicates that the air in the flow path closed by the first control valve 6, the second control valve 7 and the third control valve 8 is the first heating means. 11 is heated and expanded, so that it rises with increasing air pressure. However, when the first control valve 6 is actuated, the pressure is released downstream, and the detected value rapidly decreases. Further, as shown in (b), the detected value of the second pressure sensor 10 becomes the air supply pressure when the third control valve 8 is closed, and the pressure is set to the third value by the operation of the third control valve 8. Since it is opened downstream from the control valve 8, it rapidly decreases.
第1圧力センサ9及び第2圧力センサ10の検出値がそれぞれ(c)、(d)である場合、第1制御弁6は開状態であり第3制御弁8は閉状態であると判定される。このとき(c)に示すように第1圧力センサ9の検出値は、第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8によって閉じられた流路内の空気が第1加熱手段11によって加熱されて膨張するので空気の圧力上昇に伴って上昇する。しかし、第1制御弁6が作動することで圧力は下流へと開放されて検出値は急激に低下する。また、(d)に示すように第2圧力センサ10の検出値は、第3制御弁8が閉じていることで空気供給圧となっておりそのまま変動しない。   When the detected values of the first pressure sensor 9 and the second pressure sensor 10 are (c) and (d), respectively, it is determined that the first control valve 6 is in the open state and the third control valve 8 is in the closed state. The At this time, as shown in (c), the detection value of the first pressure sensor 9 indicates that the air in the flow path closed by the first control valve 6, the second control valve 7 and the third control valve 8 is the first heating means. 11 is heated and expanded, so that it rises with increasing air pressure. However, when the first control valve 6 is actuated, the pressure is released downstream, and the detected value rapidly decreases. Further, as shown in (d), the detected value of the second pressure sensor 10 is the air supply pressure because the third control valve 8 is closed, and does not change as it is.
第1圧力センサ9及び第2圧力センサ10の検出値がそれぞれ(e)、(f)である場合、第1制御弁6は閉状態であり第3制御弁8は開状態であると判定される。このとき(e)に示すように第1圧力センサ9の検出値は、第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8によって閉じられた流路内の空気が第1加熱手段11によって加熱されて膨張するので空気の圧力上昇に伴って上昇する。その後、第3制御弁8が作動することで供給空気が流入してくるので検出値は空気供給圧となる。また、(f)に示すように第2圧力センサ10の検出値は、第3制御弁8が閉じていることで空気供給圧となっており、その後開いても第1制御弁6が閉じているので空気供給圧のまま変動しない。   When the detection values of the first pressure sensor 9 and the second pressure sensor 10 are (e) and (f), respectively, it is determined that the first control valve 6 is in a closed state and the third control valve 8 is in an open state. The At this time, as shown in (e), the detected value of the first pressure sensor 9 indicates that the air in the flow path closed by the first control valve 6, the second control valve 7 and the third control valve 8 is the first heating means. 11 is heated and expanded, so that it rises with increasing air pressure. Thereafter, since the supply air flows in by the operation of the third control valve 8, the detected value becomes the air supply pressure. Further, as shown in (f), the detected value of the second pressure sensor 10 is the air supply pressure because the third control valve 8 is closed, and the first control valve 6 is closed even if it is opened thereafter. Therefore, the air supply pressure does not change.
第1圧力センサ9及び第2圧力センサ10の検出値がそれぞれ(g)、(h)である場合、第1制御弁6及び第3制御弁8はともに閉状態であると判定される。このとき(g)に示すように第1圧力センサ9の検出値は、第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8によって閉じられた流路内の空気が第1加熱手段11によって加熱されて膨張するので空気の圧力上昇に伴って上昇する。また、(h)に示すように第2圧力センサ12の検出値は、第3制御弁8が閉じていることで空気供給圧となっておりそのまま変動しない。   When the detection values of the first pressure sensor 9 and the second pressure sensor 10 are (g) and (h), respectively, it is determined that both the first control valve 6 and the third control valve 8 are closed. At this time, as shown in (g), the detected value of the first pressure sensor 9 indicates that the air in the flow path closed by the first control valve 6, the second control valve 7 and the third control valve 8 is the first heating means. 11 is heated and expanded, so that it rises with increasing air pressure. Further, as shown in (h), the detected value of the second pressure sensor 12 is the air supply pressure because the third control valve 8 is closed, and does not change as it is.
以上のように本実施形態では、制御弁の作動状態を2つの圧力センサの検出値の組み合わせによって判定するので、2つの制御弁の作動状態を同時に独立して判断することができる。   As described above, in the present embodiment, the operating state of the control valve is determined by the combination of the detection values of the two pressure sensors, so that the operating state of the two control valves can be determined independently at the same time.
また、加熱手段の出力は制御弁の作動状態に応じて増減させるので限られた電力を最適に配分することができ、制御弁の解凍に要する時間を短縮することができる。   Moreover, since the output of the heating means is increased or decreased according to the operating state of the control valve, the limited power can be optimally distributed, and the time required for thawing the control valve can be shortened.
さらに、解凍が完了した制御弁に対して加熱手段の出力を低下させるので消費電力を抑えるとともに過熱による不具合を防止することができ、制御弁及びその周辺部品の耐熱温度に対する制約を低減することができる。   Furthermore, since the output of the heating means is reduced with respect to the control valve that has been thawed, power consumption can be reduced and problems due to overheating can be prevented, and restrictions on the heat resistance temperature of the control valve and its peripheral parts can be reduced. it can.
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are equivalent to the present invention.
例えば、本実施形態では加熱手段を2つ設けているが、これに限定されることなく1つでもよいし、3つ以上でもよい。また、配設位置は制御弁に限らず第1制御弁6、第2制御弁7及び第3制御弁8の間の流路の近傍に設けられていればよい。   For example, although two heating means are provided in the present embodiment, the number is not limited to this, and may be one, or may be three or more. Further, the arrangement position is not limited to the control valve, and may be provided in the vicinity of the flow path between the first control valve 6, the second control valve 7, and the third control valve 8.
本発明による燃料電池システムの始動制御装置を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing a start control device of a fuel cell system according to the present invention. 実施形態の制御フローチャートである。It is a control flowchart of an embodiment. 圧力センサの検出値と制御弁の作動状態との関係を示す判定表である。It is a judgment table showing the relationship between the detection value of the pressure sensor and the operating state of the control valve.
符号の説明Explanation of symbols
1 スタック
2 純水貯留装置(水貯留装置)
3 純水供給配管
4 純水還流配管(水還流通路)
5 空気供給配管(ガス供給通路)
6 第1制御弁
7 第2制御弁
8 第3制御弁
9 第1圧力センサ(第1圧力検出手段)
10 第2圧力センサ(第2圧力検出手段)
11 第1加熱手段(加熱手段)
12 第2加熱手段(加熱手段)
13 コントローラ
14 ポンプ
15 外気温センサ
16 エアコンプレッサ(ガス圧送手段)
S104 ガス圧送手段
S107 制御弁作動判定手段
S110 加熱制御手段
S111 加熱制御手段
S113 加熱制御手段
1 Stack 2 Pure water storage device (water storage device)
3 Pure water supply piping 4 Pure water recirculation piping (water recirculation passage)
5 Air supply piping (gas supply passage)
6 first control valve 7 second control valve 8 third control valve 9 first pressure sensor (first pressure detection means)
10 Second pressure sensor (second pressure detecting means)
11 First heating means (heating means)
12 Second heating means (heating means)
13 Controller 14 Pump 15 Outside air temperature sensor 16 Air compressor (gas pressure feeding means)
S104 Gas pressure feeding means S107 Control valve operation determining means S110 Heating control means S111 Heating control means S113 Heating control means

Claims (8)

  1. 化学反応により発電を行うスタックと、
    前記スタックから還流する水を貯留する水貯留装置と、
    前記スタックから還流する水を前記水貯留装置へ通流する水還流通路と、
    を備える燃料電池システムにおいて、
    前記水還流通路に設けられ、流体の流量を制御する第1制御弁と、
    前記第1制御弁と前記スタックとの間に設けられ、流体の流量を制御する第2制御弁と、
    前記第1制御弁と前記第2制御弁との間に接続され、前記第1制御弁を介して前記水貯留装置に圧送されるガスを通流するガス供給通路と、
    前記ガス供給通路に設けられ、ガス圧送手段から供給されるガスの流量を制御する第3制御弁と、
    前記第1制御弁、第2制御弁及び第3制御弁の間の流路の圧力を検出する第1圧力検出手段と、
    ガスの流通方向に対して前記第3制御弁の上流側の流路の圧力を検出する第2圧力検出手段と、
    前記燃料電池システム始動時に前記水還流通路内に水を通流する前に、前記ガス圧送手段によってガスの圧送を開始し、前記第1制御弁及び第3制御弁の弁を開き、このときに、前記第1圧力検出手段及び第2圧力検出手段から得られた検出値に基づいて前記第1制御弁及び第3制御弁の作動を判定する制御弁作動判定手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システムの始動制御装置。
    A stack that generates electricity through a chemical reaction;
    A water storage device for storing water returning from the stack;
    A water return passage for passing water returning from the stack to the water storage device;
    In a fuel cell system comprising:
    A first control valve provided in the water reflux passage for controlling the flow rate of the fluid;
    A second control valve provided between the first control valve and the stack for controlling a flow rate of fluid;
    A gas supply passage which is connected between the first control valve and the second control valve and through which the gas pressure-fed to the water storage device via the first control valve flows;
    A third control valve provided in the gas supply passage for controlling the flow rate of the gas supplied from the gas pressure feeding means;
    First pressure detecting means for detecting a pressure in a flow path between the first control valve, the second control valve and the third control valve;
    Second pressure detection means for detecting the pressure of the flow path upstream of the third control valve with respect to the gas flow direction;
    Before starting water flow through the water recirculation passage when the fuel cell system is started, the gas pressure feeding means starts gas pressure feeding, and the first control valve and the third control valve are opened. Control valve operation determination means for determining the operation of the first control valve and the third control valve based on the detection values obtained from the first pressure detection means and the second pressure detection means;
    A start control device for a fuel cell system, comprising:
  2. 前記制御弁作動判定手段は、前記第1圧力検出手段及び前記第2圧力検出手段から得られた検出値の変動パターンの組み合わせに基づいて前記第1制御弁及び前記第3制御弁の作動を判定する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
    The control valve operation determining means determines the operation of the first control valve and the third control valve based on a combination of fluctuation patterns of detected values obtained from the first pressure detecting means and the second pressure detecting means. To
    The start control device for a fuel cell system according to claim 1.
  3. 前記制御弁作動判定手段は、前記第1圧力検出手段によって得られた検出値が上昇から低下に転じ、前記第2圧力検出手段によって得られた検出値が空気供給圧から低下に転じたとき、前記第1制御弁及び第3制御弁の作動状態は開状態であると判定する、
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
    When the detection value obtained by the first pressure detection means turns from an increase to a decrease and the detection value obtained by the second pressure detection means turns from an air supply pressure to a decrease, the control valve operation determination means It is determined that the operating states of the first control valve and the third control valve are open.
    3. A start control device for a fuel cell system according to claim 1, wherein the start control device is a fuel cell system.
  4. 前記制御弁作動判定手段は、前記第1圧力検出手段によって得られた検出値が上昇から低下に転じ、前記第2圧力検出手段によって得られた検出値が空気供給圧で一定であるとき、前記第1制御弁の作動状態は開状態であり前記第3制御弁の作動状態は閉状態であると判定する、
    ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
    When the detected value obtained by the first pressure detecting means turns from rising to lowering and the detected value obtained by the second pressure detecting means is constant at the air supply pressure, Determining that the operating state of the first control valve is open and the operating state of the third control valve is closed;
    The start control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the start control device is a fuel cell system.
  5. 前記制御弁作動判定手段は、前記第1圧力検出手段によって得られた検出値が上昇から転じて空気供給圧で一定となり、前記第2圧力検出手段によって得られた検出値が空気供給圧で一定であるとき、前記第1制御弁の作動状態は閉状態であり前記第3制御弁の作動状態は開状態であると判定する、
    ことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
    In the control valve operation determining means, the detected value obtained by the first pressure detecting means turns from rising and becomes constant at the air supply pressure, and the detected value obtained by the second pressure detecting means is constant at the air supply pressure. The operating state of the first control valve is closed, and the operating state of the third control valve is determined to be open.
    The start control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the start control device is a fuel cell system.
  6. 前記制御弁作動判定手段は、前記第1圧力検出手段によって得られた検出値が上昇し、前記第2圧力検出手段によって得られた検出値が空気供給圧で一定であるとき、前記第1制御弁及び第3制御弁の作動状態は閉状態であると判定する、
    ことを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
    When the detected value obtained by the first pressure detecting means rises and the detected value obtained by the second pressure detecting means is constant at the air supply pressure, the control valve operation determining means is It is determined that the operating state of the valve and the third control valve is a closed state.
    The start control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the start control device is a fuel cell system.
  7. 前記第1制御弁、第2制御弁もしくは第3制御弁の近傍又はそれらの制御弁の間の流路に配設される少なくとも1つの加熱手段と、
    前記制御弁作動判定手段によって判定された制御弁の作動状態に応じて前記加熱手段の出力を制御する加熱制御手段と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
    At least one heating means disposed in the vicinity of the first control valve, the second control valve or the third control valve or in a flow path between the control valves;
    Heating control means for controlling the output of the heating means in accordance with the operating state of the control valve determined by the control valve operation determining means;
    The start control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, further comprising:
  8. 前記加熱制御手段は、前記制御弁作動判定手段によって判定された制御弁の作動状態が開状態であるとき前記加熱手段の出力を低下させ、前記制御弁作動判定手段によって判定された制御弁の作動状態が閉状態であるとき前記加熱手段の出力を増大させる、
    ことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システムの始動制御装置。
    The heating control means reduces the output of the heating means when the operation state of the control valve determined by the control valve operation determination means is an open state, and the operation of the control valve determined by the control valve operation determination means Increasing the output of the heating means when the state is closed;
    The start control device for a fuel cell system according to claim 7.
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