JP2008177129A - Drainage equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排水装置に係り、特に、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて発電にともなう生成水を系外に排水する装置に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a drainage device, and more particularly, a device for draining generated water accompanying power generation out of the system in a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting fuel gas and oxidant gas About.
例えば、特許文献1には、燃料ガスの排出流路に貯水機能を有する排水装置を設け、この排水装置によって燃料電池の発電に伴う生成水を外部に排出する燃料電池システムが開示されている。この特許文献1における排水装置は、貯留水の最高水位より高い位置にガス流入口およびガス排出バルブを有する気体用排出管に、貯留水の最高水位以下に吸入口を有する液水用排水管をエゼクタ構造として接続している。そのため、排出バルブを開くことにより、気体用排出管を流れる排出ガスの勢いによってジェットポンプ効果が発生し、貯留水が液水用排水管に吸引されることで、貯留水を外部に排出することができる。また、この排水装置では、排出ガスが排出バルブを通過するため、排出ガスによって排出バルブに残留する水を吹き飛ばし、これにより、システムの停止時、外気温の低下にともない排出バルブが凍結するといった事態を抑制している。
しかしながら、特許文献1に開示された手法によれば、排出バルブの水を吹き飛ばす場合には、ジェットポンプ効果を得るために、燃料電池から排出される燃料ガスを積極的に流す必要がある。そのため、この手法によれば、燃料ガスが多量に外部に排出されてしまうという不都合が生じる。 However, according to the technique disclosed in Patent Document 1, when the water of the discharge valve is blown away, it is necessary to actively flow the fuel gas discharged from the fuel cell in order to obtain the jet pump effect. Therefore, according to this method, there is a disadvantage that a large amount of fuel gas is discharged to the outside.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、余分なガスの排出を抑制しつつ、バルブ等の開閉手段の凍結を抑制することである。 This invention is made | formed in view of this situation, The objective is to suppress freezing of opening-and-closing means, such as a valve, suppressing the discharge | emission of excess gas.
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システム内の水を排水する排水装置を提供する。この排水装置は、貯水手段と、排水流路と、開閉手段と、圧力調整手段と、制御手段とを有する。ここで、貯水手段は、燃料電池の発電にともなう生成水を内部に貯める。排水流路は、流路の一部が上方へと延在する上向き形状を有しており、貯水手段内部の生成水を、この生成水の液面よりも上方へと導いた後に、外部に開放された端部より排出する。開閉手段は、排水流路に設けられて、この流路を開閉する。圧力調整手段は、貯水手段の内部圧力を調整する。制御手段は、開閉手段と圧力調整手段とを制御する。この場合、制御手段は、燃料電池システムにおけるシステムの停止時に、排水流路の開放端部側の外部圧力を目標値として、貯水手段の内部圧力を圧力調整手段によって減圧させた上で、開閉手段を開状態に制御する凍結抑制処理を行う。また、開閉手段は、凍結抑制処理を行った状態において、排水流路内の生成水の液面よりも上方に配置されている。 In order to solve such a problem, the present invention provides a drainage device that drains water in a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas. This drainage device has a water storage means, a drainage channel, an opening / closing means, a pressure adjusting means, and a control means. Here, the water storage means stores the generated water accompanying the power generation of the fuel cell. The drainage channel has an upward shape in which a part of the channel extends upward, and after the generated water inside the water storage means is guided upward from the liquid level of this generated water, Drain from the open end. The opening / closing means is provided in the drainage channel and opens and closes the channel. The pressure adjusting means adjusts the internal pressure of the water storage means. The control means controls the opening / closing means and the pressure adjusting means. In this case, when the system in the fuel cell system is stopped, the control means uses the external pressure on the open end side of the drainage flow path as a target value, and the internal pressure of the water storage means is reduced by the pressure adjusting means, and then the opening and closing means Freezing suppression processing is performed to control the to open state. Further, the opening / closing means is disposed above the level of the produced water in the drainage flow channel in the state where the freeze suppression process is performed.
凍結抑制処理として、貯水手段の内部圧力を、排水流路の開放端部側の外部圧力へと減圧させた後に、開閉手段を開状態に制御することにより、排水流路内の液面が低下するので、システムの停止している期間中に開閉手段が生成水に浸されているといった状態を抑制することができる。また、開閉手段の水を除去するために、燃料ガスを積極的に流して生成水を外部に排出する必要がないので、余分なガスの排出を抑制しつつ、開閉手段の凍結を防止することができる。 As freezing suppression treatment, the internal pressure of the water storage means is reduced to the external pressure on the open end side of the drainage flow path, and then the liquid level in the drainage flow path is lowered by controlling the opening / closing means to the open state. Therefore, it is possible to suppress a state in which the opening / closing means is immersed in the generated water during the period when the system is stopped. In addition, in order to remove the water in the opening / closing means, there is no need to actively flow the fuel gas to discharge the generated water to the outside, so that the opening / closing means can be prevented from freezing while suppressing the discharge of excess gas. Can do.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動機(図示せず)の電源として、車両に搭載されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. This fuel cell system is mounted on a vehicle as a power source of an electric motor (not shown) that drives the vehicle, for example.
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、スタック内部に形成された燃料ガス流路(図示せず)を介して、個々の燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、スタック内部に形成された酸化剤ガス流路(図示せず)を介して、個々の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いる。 The fuel cell system includes a fuel cell stack 1 in which a fuel cell structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an oxidant electrode and a fuel electrode is sandwiched between separators, and a plurality of these are stacked. . This fuel cell stack 1 is supplied with fuel gas to each fuel electrode via a fuel gas passage (not shown) formed inside the stack, and an oxidant gas passage formed inside the stack. When an oxidant gas is supplied to each oxidant electrode (not shown), these gases are electrochemically reacted to generate electric power. In this embodiment, hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidant gas.
この燃料電池スタック1を備える燃料電池システムには、燃料電池スタック1に水素を供給するための水素系10と、燃料電池スタック1に空気を供給するための空気系20とが備えられている。
The fuel cell system including the fuel cell stack 1 includes a
水素系10において、燃料ガスである水素は、燃料供給手段(例えば、高圧水素ボンベである燃料タンク11)から、水素供給流路L10を介して燃料電池スタック1に供給される。具体的には、燃料タンク11の下流には燃料タンク元弁(図示せず)が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク11内の水素は水素供給流路L10に流出する。燃料タンク11からの高圧水素は、燃料タンク元弁よりも下流に設けられた減圧弁(図示せず)によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧バルブ12によって更に減圧された後に、燃料電池スタック1に供給される。水素調圧バルブ12は、燃料電池スタック1へ供給される水素圧力が所望の値となるように、後述する制御部30によってその開度が制御される。
In the
燃料電池スタック1の燃料極からの排出ガス(未使用の水素を含むガス)は、水素循環流路L11に排出される。この水素循環流路L11は、他方の端部が水素調圧バルブ12よりも下流側の水素供給流路L10に接続されており、水素循環流路L11には、例えば、循環ポンプ13といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料電池スタック1からの排出ガスは、燃料電池スタック1における水素の供給側に循環される。このような循環系により、水素燃費の向上を図ることができる。循環ポンプ13の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック1へ供給される水素流量が所望の値となるように、制御部30によって制御される。
Exhaust gas (gas containing unused hydrogen) from the fuel electrode of the fuel cell stack 1 is discharged to the hydrogen circulation passage L11. The other end of the hydrogen circulation flow path L11 is connected to the hydrogen supply flow path L10 on the downstream side of the hydrogen
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、循環系内におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路L11には、水素系内のガスを排出する水素排出流路L12が接続されている。この水素排出流路L12には、パージバルブ14が設けられており、このパージバルブ14の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路L11を流れる排出ガス(窒素、未使用な水素等を含むガス)が外部に排出される。パージバルブ14は、燃料電池スタック1の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部30によって制御される。例えば、パージバルブ14は、基本的に閉状態に制御されており、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態に切り替えられるといった如くである。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系10からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。この水素排出流路L12は、後述する空気排出流路L21に接続されており、パージバルブ14からの排出ガスは、燃料電池スタック1から排出される空気によって希釈された上で外部に放出される。
By the way, when air is used as the oxidant gas, nitrogen in the air permeates from the oxidant electrode to the fuel electrode, so that the nitrogen concentration of the gas in the circulation system increases and the hydrogen partial pressure tends to decrease. Therefore, the hydrogen circulation flow path L11 is connected to a hydrogen discharge flow path L12 for discharging the gas in the hydrogen system. A
また、水素循環流路L11には、循環ポンプ13よりも上流側に、燃料電池スタック1の発電にともなう生成水を排出する排水装置15が設けられている。図2は、第1の実施形態にかかる排水装置15を模式的に示す構成図である。この排水装置15は、セパレータタンク16と、開閉バルブ17とを主体に構成されている。
Further, a
セパレータタンク16は、内部に空間を備える略円筒形状のタンクを本体としており、この本体中間部には、中央部に開口が形成された仕切り板16aが内接されている。この仕切り板16aは、本体の内部空間を上下に分割しており、上方の空間は気液分離部16b、下方の空間は貯水部16cとして機能している。水素を主体とする循環ガスと、生成水とが混合した混合流体は、上方の空間である気液分離部16bに導入される。導入された混合流体は、気液分離部16bの内部を壁面に沿って旋回し、これにより、気体成分(循環ガス)と液体成分(生成水)とに分離される。分離された循環ガスは、本体上部に形成された開口を介して、水素循環流路L11の下流側へと流出する。一方、分離された生成水は、自重により本体の下方へと移動して、貯水部16cに貯えられる。
The
本体下部には、貯水部16cに貯えられた生成水を排出するための開口である排出口16dが形成されており、この排出口16dには、上流排水流路L13が接続されている。この上流排水流路L13は、開閉バルブ17を介して下流排水流路L14に接続しており、貯水部16c内部の生成水は、開閉バルブ17が開状態であることを条件に、水素の循環系、すなわち、セパレータタンク16の内部圧力によって、上流排水流路L13、下流排水流路L14を介して外部に排出される。上流排水流路L13は、本実施形態において、鉛直下方へと延出した後に屈曲して水平方向へと延在し、その後、屈曲して鉛直上方へ延在している。また、この上流排水流路L13は、セパレータタンク16内の生成水の液面よりも上方、本実施形態では、気液分離部16bに相当する位置まで延在すると、その後屈曲して水平方向へと延在し、その開放端部に設けられた開閉バルブ17を介して、下流排水流路L14に接続している。下流排水流路L14は、本実施形態において、水平方向へと延在して、その端部が外部に開放されている。本実施形態において、開閉バルブ17は、気液分離部16bに相当する高さ位置に配置されており、その開閉状態は、制御部30によって制御されている。さらに、この開閉バルブ17および排水流路L13,L14には、撥水処理が施されている。なお、本明細書では、セパレータタンク16から系外へと排出される生成水の流れを基準として上流・下流という用語を用いる。
A
再び図1を参照するに、空気系20において、酸化剤ガスである空気は、大気がコンプレッサ21によって取り込まれると、これが加圧されて、空気供給流路L20を介して燃料電池スタック1に供給される。この空気供給流路L20には、コンプレッサ21の後段に加湿装置22が設けられており、燃料電池スタック1に供給される空気は、発電効率を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック1からの排出ガス(酸素が消費された空気)は、空気排出流路L21を介して外部(大気)に排出される。この空気排出流路L21には、空気調圧バルブ23が設けられている。空気調圧バルブ23は、燃料電池スタック1へ供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ21の駆動量(回転数)とともに制御部30によって制御される。
Referring again to FIG. 1, in the
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック1には出力取出装置(図示せず)が接続されている。出力取出装置は、制御部30によって制御され、燃料電池スタック1から必要な出力(例えば、電力)を取り出す。出力取出装置によって取り出された電力は、車両の駆動モータ(図示せず)を制御するモータ制御部(図示せず)を介して、駆動モータに供給される。また、この出力取出装置には、モータ制御部と並列に充放電可能な二次電池(図示せず)が接続されている。出力取出装置によって取り出された電力、ならびに、駆動モータからの回生電力は、二次電池に充電される。また、二次電池に蓄電された電力は、モータ制御部を介して駆動モータに供給される。
In such a fuel cell system, an output extraction device (not shown) is connected to the fuel cell stack 1. The output extraction device is controlled by the
制御部(制御手段)30としては、例えば、CPU、ROM、RAM、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部30は、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック1の運転状態を制御する。制御部30は、ROMに記憶された制御プログラムに従い、例えば、水素調圧バルブ12の開度演算、空気調圧バルブ23の開度演算、循環ポンプ13の回転数演算、およびコンプレッサ21の回転数演算を行う。そして、制御部30は、この演算によって算出された制御量(制御信号)を各種アクチュエータに対して出力し、水素調圧バルブ12の開度、空気調圧バルブ23の開度、循環ポンプ13の回転数、およびコンプレッサ21の回転数を制御する。
As the control unit (control means) 30, for example, a microcomputer mainly composed of a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface can be used. The
また、本実施形態との関係において、制御部30は、排水装置15を制御する機能も担っており、排水装置15の開閉バルブ17を制御することにより、セパレータタンク16内部に貯まる生成水の処理を行う。燃料電池システムの通常運転時、制御部30は、開閉バルブ17の開閉状態を適宜制御して、生成水の排水を行う。また、制御部30は、燃料電池システムのシステム停止時に、システム停止期間中に開閉バルブ17が凍結することを抑制するための凍結抑制処理を実行する。
Further, in relation to the present embodiment, the
以下、このような構成を有する燃料電池システムにおいて、制御部30によって実行される凍結抑制処理について説明する。図3は、本発明の第1の実施形態にかかる凍結抑制処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、燃料電池システムのシステム停止時に呼び出され、制御部30によって実行される。ここで、制御部30によるシステム停止の判断は、ユーザによってイグニッションスイッチがオフされた場合や、車両への無負荷の状態が所定時間継続した場合などに行われる。
Hereinafter, the freeze suppression process executed by the
まず、ステップ10(S10)において、大気圧制御が行われる。燃料電池システムが運転中は、燃料電池スタック1には水素が供給されているため、セパレータタンク16の内部空間を含む水素循環流路L11は正圧状態となっている。この大気圧制御では、セパレータタンク16内の圧力状態を、排水流路L13,L14の開放端部側の外部圧力(本実施形態では、大気圧)に減圧させる制御である。上述したように、セパレータタンク16の内部空間は水素循環流路L11の一部を構成しており、水素循環流路L11を含む水素系10は閉じた系となっている。本実施形態では、燃料タンク11からの水素の供給を停止した状態でパージバルブ14を開状態に制御して、水素循環流路L11を大気圧に減圧することにより、セパレータタンク16の内部圧力を大気圧へと減圧させる。
First, in step 10 (S10), atmospheric pressure control is performed. While the fuel cell system is in operation, since hydrogen is supplied to the fuel cell stack 1, the hydrogen circulation passage L11 including the internal space of the
ステップ11(S11)において、開閉バルブ17を開状態へと制御した後に、本ルーチンを終了する。
In step 11 (S11), after controlling the open /
このように本実施形態において、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システム内の水を排水する排水装置は、貯水手段と、排水流路と、開閉手段と、圧力調整手段と、制御手段とを有している。ここで、貯水手段は、前記燃料電池の発電にともなう生成水を内部に貯める機能を担っており、本実施形態ではセパレータタンク16がこれに該当する。排水流路は、流路の一部が上方へと延在する上向き形状を有しており、セパレータタンク16内部の生成水を、この生成水の液面よりも上方へと導いた後に、外部に開放された端部より排出する機能を担っており、本実施形態では排水流路L13がこれに該当する。開閉手段は、排水流路L13に設けられて、この流路を開閉する機能を担っており、本実施形態では開閉バルブ17がこれに該当する。圧力調整手段は、セパレータタンク16の内部圧力を調整する機能を担っており、本実施形態ではパージバルブ14がこれに該当する。制御手段は、開閉バルブ17とパージバルブ14とを制御する機能を担っており、本実施形態では制御部30がこれに該当する。
As described above, in this embodiment, the drainage device for draining water in the fuel cell system including the fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidant gas includes the water storage means, the drainage flow, and the like. It has a path, opening / closing means, pressure adjusting means, and control means. Here, the water storage means has a function of storing the generated water accompanying the power generation of the fuel cell, and the
この場合、制御部30は、燃料電池システムにおけるシステムの停止時に、排水流路L13の開放端部側の外部圧力を目標値として、セパレータタンク16の内部圧力をパージバルブ14によって減圧させた上で、開閉バルブ17を開状態に制御する凍結抑制処理を行う。ここで、開閉バルブ17は、凍結抑制処理を行った状態において、排水流路内の生成水の液面よりも上方に配置されている。
In this case, when the system in the fuel cell system is stopped, the
図4は、凍結抑制処理による生成水の移動状態を示す説明図である。燃料電池システムが運転中は、燃料電池スタック1には水素が供給されているため、システムの停止にともなう凍結抑制処理の開始時には、セパレータタンク16の内部空間を含む水素循環流路L11は正圧状態となっている。また、開閉バルブ17は閉状態となっているため、生成水は、上流排水流路L13の全域を満たした状態で、セパレータタンク16内において所定の水位Aとなっている。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a movement state of the generated water by the freezing suppression process. While the fuel cell system is in operation, hydrogen is supplied to the fuel cell stack 1, so that the hydrogen circulation flow path L 11 including the internal space of the
凍結抑制処理を行った場合、上流排水流路L13は下流排水流路L14を介して大気に開放され、この結果、セパレータタンク16内の液面と上流排水流路L13内の液面とに作用する圧力が互いに対応する。ここで、開閉バルブ17はセパレータタンク16内の液面Aよりも上方に配置されている。そのため、上流排水流路L13内の生成水は自重によってセパレータタンク16側へと移動する。これにより、上流排水流路L13では、開閉バルブ17よりも下方に液面が下がり、また、セパレータタンク16では、生成水の移動分だけ液面Aから増加する。そして、セパレータタンク16における液面(液面B)と上流排水流路L13における液面(液面C)とが同一の水平面となった段間で、互いに平衡した状態となる。
When the freeze prevention process is performed, the upstream drainage flow path L13 is opened to the atmosphere via the downstream drainage flow path L14, and as a result, acts on the liquid level in the
このように本実施形態によれば、凍結抑制処理として、セパレータタンク16の内圧を大気圧へと減圧させた後に、開閉バルブ17を開状態に制御することにより、上流排水流路L13内の液面が低下するので、システムの停止している期間中に開閉バルブ17が生成水に浸されているといった状態を抑制することができる。また、開閉バルブ17の水を除去するために、セパレータタンク16内に水素を積極的に流して生成水を外部に排出する必要がないので、余分なガスの排出を抑制しつつ、開閉バルブ17の凍結を防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, as the antifreezing process, the internal pressure of the
なお、上述した実施形態では、パージバルブ14を開状態に制御することにより、セパレータタンク16の内圧を大気圧へと減圧しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、パージバルブ14を開放せずに、水素循環系内の水素を消費させることによって、セパレータタンク16内を大気圧へと減圧させてもよい。この場合、システムを停止する直前の水素の供給圧力、出力取出装置による出力の取出量や、出力を取り出している経過時間などを参照することで、セパレータタンク16の内圧を間接的にモニタリングしてもよい。なお、このケースでは、実験やシミュレーションを通じて、セパレータタンク16の内圧の推定値と、個々のパラメータとの関係をマップやテーブルとして予め取得しておき、これに基づいて、セパレータタンク16の内部空間の圧力を推定することが望ましい。なお、セパレータタンク16の内圧の目標値である大気圧は、センサによってこれを直接的に取得して参照してもよいし、使用環境を考慮した上でその代表値を用意しておき、これを参照してもよい。
In the above-described embodiment, the internal pressure of the
さらに、本実施形態では、セパレータタンク16内を大気圧へと減圧させている。そのため、上流排水流路L13の液面が低下して、セパレータタンク16内の液面Bと、上流排水流路L13内の液面Cとが同一水平面において平衡状態となる。そして、上流排水流路L13内の液面Cを基準として、開閉バルブ17のレイアウトを規定している。しかしながら、本発明は厳密に大気圧(排水流路L13,L14の開放端側の外部圧力)へと減圧させることを要求するものではない。すなわち、セパレータタンク16の内圧を完全に大気圧まで減圧させずとも、大気圧に近づくように減圧制御を行えば、図5に示すように、上流排水流路L13の液面が低下して、セパレータタンク16内の液面Bと、上流排水流路L13内の液面Cとが同一の水平面で対応しないものの、両者の液面は平衡状態となる。このようなケースであっても、開閉バルブ17を、凍結抑制処理として開閉バルブ17を開状態に制御した後の排水流路L13,L14内の生成水の液面よりも上方に配置することで、システムが停止している最中に開閉バルブ17が生成水に浸された状態を抑制することができる。これにより、開閉バルブ17の凍結を抑制することができる。
Furthermore, in this embodiment, the inside of the
(第2の実施形態)
図6は、本発明の第2の実施形態にかかる排水装置15Aを模式的に示す構成図である。第2の実施形態にかかる排水装置15Aが、第1の実施形態にかかる排水装置15と相違する点は排水流路の形状である。なお、第1の実施形態と同様の構成については符号を引用し、重複する説明は省略する。また、凍結抑制処理の詳細については、第1の実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a configuration diagram schematically showing a
第2の実施形態にかかる排水装置15Aは、セパレータタンク16と、開閉バルブ17とを主体に構成されている。本実施形態において、上流排水流路L15の一部は、セパレータタンク16の内部に設けられており、貯水部16cの下部から鉛直上方へと延在し、セパレータタンク16内の生成水の液面よりも上方、具体的には、気液分離部16bにおいて水平方向へと屈曲する。その後、上流排水流路L15は、セパレータタンク16の外部へと延出し、開閉バルブ17を介して、下流排水流路L14に接続する。下流排水流路L14は、本実施形態において、水平方向へと延在して、その端部が大気に開放されている。開閉バルブ17の開閉状態は、第1の実施形態と同様に、制御部30によって制御されている。
The
このように本実施形態にかかる排水装置15Aによれば、凍結抑制処理として開閉バルブ17を開状態に制御することにより、上流排水流路L13内の液面が低下するので、第1の実施形態と同様の効果を奏する。また、上流排水流路L13の一部をセパレータタンク16の内部に配置させているので、装置の小型化を図ることができ、車両への搭載性の向上を図ることができる。
As described above, according to the
(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態にかかる排水装置15Bを模式的に示す構成図である。第3の実施形態にかかる排水装置15Bが、第1または2の実施形態のそれと相違する点は、セパレータタンク16(具体的には、貯水部16c)内の水位に上限値(上限水位)を下限値(下限水位)とを規定して制御を行う点にある。なお、第1または第2の実施形態と同様の構成については符号を引用し、重複する説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a configuration diagram schematically showing a
第3の実施形態において、制御部30は、燃料電池システムの通常運転時、セパレータタンク16の貯水部16cにおける生成水の水位に基づいて、開閉バルブ17の状態を制御する。具体的には、制御部30は、貯水部16cにおける生成水の水位が増加して、貯水部16cの満水時の水位よりも低い値に予め設定された上限水位に到達すると、開閉バルブ17を開状態に制御して生成水の排水を開始する。そして、制御部30は、生成水の水位が下限水位(上限水位>下限水位)に到達すると、開閉バルブ17を閉状態に制御して生成水の排水を終了する。これにより、セパレータタンク16内の生成水は、上限水位と下限水位との範囲内に収まるようになっている。上限水位および下限水位は、車両の走行等に起因する傾きや揺れによる水位変動(例えば、車両搭載時によるもの)を考慮して、例えば、生成水が気液分離部16bに流入しない程度の水位が上限水位として設定され、分離された循環ガスが排出口16dから排出されない程度に生成水が貯水部16cの底部に残留する水位が下限水位として設定されている。
In the third embodiment, the
また、セパレータタンク16の貯水部16cには、水位検出センサ31,32が設けられている。上限水位検出センサ31は、貯水部16c内において上限水位を検出するセンサであり、下限水位検出センサ32は、貯水部16c内において下限水位を検出するセンサである。個々の水位検出センサ31,32からの検出結果は、制御部30に対して出力されている。
Further, water
さらに、本実施形態において、図8に示すように、上流排水流路L13の体積Vaは、満水時におけるセパレータタンク16(貯水部16c)内の生成水の体積から、上限水位時におけるセパレータタンク16(貯水部16c)内の生成水の体積を減算した値(体積Vb)よりも小さく設定されている。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, the volume Va of the upstream drainage flow path L13 is determined based on the volume of generated water in the separator tank 16 (
図9は、第3の実施形態にかかる凍結抑制処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、燃料電池システムのシステム停止時に呼び出され、制御部30によって実行される。
FIG. 9 is a flowchart illustrating the procedure of the freeze suppression process according to the third embodiment. The process shown in this flowchart is invoked when the fuel cell system is stopped and executed by the
まず、ステップ20(S20)において、開閉バルブ17が開状態に制御される。上述したように、システムの停止にともなう凍結抑制処理の開始時には、セパレータタンク16の内部空間を含む水素循環流路L11は正圧状態となっている。そのため、ステップ20において開閉バルブ17が開状態に制御されることにより、セパレータタンク16内の生成水は、内部圧力によって押し出され、排水流路L13,L14を介して外部へ排出される。
First, in step 20 (S20), the on-off
ステップ21(S21)において、セパレータタンク16内の生成水が基準水位に到達したか否かが判定される。本実施形態において、基準水位は、セパレータタンク16内の生成水の排水制御を行うための下限水位が設定されている。そのため、制御部30は、下限水位検出センサ32の検出結果を参照し、生成水の水位が下限水位に到達したか否かを判断する。
In step 21 (S21), it is determined whether or not the generated water in the
このステップ21において肯定判定された場合、すなわち、生成水の水位が下限水位に到達した場合には、ステップ22(S22)に進む。一方、ステップ21において否定判定された場合、すなわち、生成水の水位が下限水位に到達していない場合には、所定時間後に再度ステップ21の処理を行う。 If an affirmative determination is made in step 21, that is, if the water level of the generated water has reached the lower limit water level, the process proceeds to step 22 (S22). On the other hand, if a negative determination is made in step 21, that is, if the water level of the generated water has not reached the lower limit water level, the process of step 21 is performed again after a predetermined time.
ステップ22(S22)において、開閉バルブ17が閉状態に制御される。そして、ステップ23(S23)において、第1の実施形態に示すステップS10の処理と同様に大気圧制御が行われ、ステップ24(S24)において、第1の実施形態に示すステップS11の処理と同様に開閉バルブ17が開状態に制御される。
In step 22 (S22), the on-off
このように本実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を奏するとともに、大気圧制御に先立ち、セパレータタンク16内の生成水の液面を基準水位(本実施形態では、下限水位)まで低下させておくことにより、排水流路L13からセパレータタンク16側に移動する生成水の量が多くなる。そのため、排水流路L13における液面の低下幅が大きくなるので、開閉バルブ17が生成水に浸されているといった事態を抑制することがでる。これにより、開閉バルブ17の凍結をより効果的に抑制することができる。
As described above, according to this embodiment, the same effect as that of the first embodiment is obtained, and the level of the generated water in the
(第4の実施形態)
図10は、本発明の第4の実施形態にかかる凍結抑制処理の手順を示すフローチャートである。以下、第4の実施形態にかかる凍結抑制処理の手順を説明数する。なお、本実施形態にかかる排水装置は、第1の実施形態と同様であるため、対応する構成については符号を引用し、重複する説明は省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a flowchart showing the procedure of the freeze suppression process according to the fourth embodiment of the present invention. Hereinafter, the number of freezing suppression processing procedures according to the fourth embodiment will be described. In addition, since the drainage apparatus concerning this embodiment is the same as that of 1st Embodiment, a code | symbol is quoted about the corresponding structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
まず、ステップ30(S30)において、第1の実施形態に示すステップ10の処理と同様に大気圧制御が行われ、ステップ31(S31)において、第1の実施形態に示すステップ11の処理と同様に開閉バルブ17が開状態に制御される。
First, in step 30 (S30), atmospheric pressure control is performed similarly to the process in
ステップ32(S32)において、開閉バルブ17における生成水の除去が完了したか否かが判断される。本実施形態において、生成水が除去されたか否かの判断は、開閉バルブ17を開状態に制御してからの経過時間によって判断する。そこで、実験やシミュレーションを通じて、大気圧制御および開閉バルブ17の開制御を前提として、開閉バルブ17から生成水が除去されるのに要する時間を基準時間として取得しておき、この基準時間と経過時間との比較によって判断を行うこととする。
In step 32 (S32), it is determined whether or not removal of the generated water in the on-off
このステップ32において肯定判定された場合、すなわち、開閉バルブ17を開状態にしてからの時間が基準時間に到達している場合には、ステップ33(S33)に進む。一方、ステップ32において否定判定された場合、すなわち、開閉バルブ17を閉状態にしてからの時間が基準時間に到達していない場合には、所定時間後にステップ32の処理を再度行う。
If an affirmative determination is made in
そして、ステップ33において、開閉バルブ17を閉状態に制御して、本ルーチンを終了する。
In
このように本実施形態によれば、開閉バルブ17を開状態に制御した後に、最終的に開閉バルブ17を閉状態へと制御している。そのため、排水流路L13,L14を介してセパレータタンク16内に異物等が混入してしまうといった不都合を抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, the open /
(第5の実施形態)
図11は、本発明の第5の実施形態にかかる排水装置15Cを模式的に示す構成図である。第5の実施形態にかかる排水装置15Cが、上述した各実施形態のそれと相違する点は、上流排水流路L13に水位検出センサを設けた点にある。なお、上述した各実施形態と同様の構成については符号を引用し、重複する説明は省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 is a configuration diagram schematically showing a drainage device 15C according to the fifth embodiment of the present invention. The drainage device 15C according to the fifth embodiment is different from that of each embodiment described above in that a water level detection sensor is provided in the upstream drainage flow path L13. In addition, the code | symbol is quoted about the structure similar to each embodiment mentioned above, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
具体的には、上流排水流路L13において、開閉バルブ17よりも下流側には、水位検出センサ33が設けられている。水位検出センサ33からの検出結果は、制御部30に対して出力されている。なお、この水位検出センサ33は、凍結抑制処理として開閉バルブ17を開状態に制御した後の排水流路L13内の生成水の液面よりも上方に配置している。
Specifically, a water
また、本実施形態において、上流排水流路L13には、開閉バルブ17に接する位置に、流路径を縮小するオリフィス18が設けられている。
In the present embodiment, the upstream drainage flow path L13 is provided with an
このような構成の排水装置15Cにおいて、制御部30は、大気圧制御を行い、その後に、開閉バルブ17を開状態へと制御する。そして、制御部30は、水位検出センサ33の検出結果を参照、上流排水流路L13の液面が低下して、そのセンサ位置へと液面が到達したことを条件に、開閉バルブ17を閉状態へと制御する。
In the drainage device 15C having such a configuration, the
このように本実施形態によれば、最終的に開閉バルブ17を閉状態へと制御しているため、異物等の混入を抑制することができる。また、開閉バルブ17の下流に設けられた水位検出センサ33位置へと液面が低下した段階で、すなわち、セパレータタンク16と上流排水流路L13との液面が平衡状態となる前に開閉バルブ17を閉じることができるので、処理時間の短縮を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, since the on-off
また、開閉バルブ17に接してオリフィス18を設けているため、開閉バルブ17を開状態と制御した場合には、このオリフィス18は生成水によって水没しない状態となる。したがって、生成水がセパレータタンク16へと移動する時間が早くなるので、処理時間の一層の短縮を図ることができる。
Further, since the
(第6の実施形態)
図12は、本発明の第6の実施形態にかかる排水装置15Dを模式的に示す構成図である。第6の実施形態にかかる排水装置15Dが、上述した各実施形態のそれと相違する点は排水流路の形状である。なお、上記と同様の構成については符号を引用し、重複する説明は省略する。また、凍結抑制処理の詳細については、第1の実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
(Sixth embodiment)
FIG. 12 is a configuration diagram schematically showing a
第6の実施形態にかかる排水装置15Dは、セパレータタンク16と、開閉バルブ17とを主体に構成されている。セパレータタンク16の本体下部には、貯水部16cに貯えられた生成水を排出するための開口である排出口16dが形成されており、この排出口16dには、上流排水流路L13が接続されている。この上流排水流路L13は、開閉バルブ17を介して下流排水流路L14に接続しており、貯水部16c内部の生成水は、開閉バルブ17が開状態であることを条件に、水素の循環系、すなわち、セパレータタンク16の内部圧力によって、上流排水流路L13、下流排水流路L14を介して外部に排出される。上流排水流路L13は、本実施形態において、鉛直下方へと延出した後に屈曲して水平方向へと延在し、その後、屈曲して鉛直上方へ延在している。また、この上流排水流路L13は、セパレータタンク16内の生成水の液面よりも上方、本実施形態では、気液分離部16bに相当する位置まで延在すると、その後屈曲して水平方向へと延在する。そして、その後鉛直下方へと屈曲して、その開放端部に設けられた開閉バルブ17を介して、下流排水流路L14に接続している。下流排水流路L14は、本実施形態において、下向きに延在する形状を有しており、その端部が大気に開放されている。開閉バルブ17の開閉状態は、制御部30によって制御されている。
A
このように本実施形態において、上流排水流路L13は、流路の一部が上方へと延在するとともに屈曲部を介して下方へと延在する屈曲形状を有しており、セパレータタンク16内部の生成水を、この生成水の液面よりも上方へと導いた後に、外部に開放された端部より排出する。かかる構成によれば、第1の実施形態に示す作用・効果を奏するとともに、下流排水流路L14が下向き形状となり、開閉バルブ17の近傍に存在する生成水が自重によって系外に排出されるような格好となっている。これにより、開閉バルブ17の生成水の滞留を抑制することができるので、開閉バルブ17の凍結抑制を効果的に行うことができる。
Thus, in the present embodiment, the upstream drainage flow path L13 has a bent shape in which a part of the flow path extends upward and extends downward via the bent portion, and the
なお、上述した各実施形態では、水素系10に排水装置を適用した形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、空気系20に排水装置を適用することもできる。また、個々の実施形態に記載した排水装置は、その発明の範囲において、上述した実施形態に記載した組合せのみならず、その特徴点を種々組み合わせて適用することができる。
In each of the embodiments described above, the embodiment in which the drainage device is applied to the
1 燃料電池スタック
10 水素系
11 燃料タンク
12 水素調圧バルブ
13 循環ポンプ
14 パージバルブ
15 排水装置
16 セパレータタンク
16a 仕切り板
16b 気液分離部
16c 貯水部
16d 排出口
17 開閉バルブ
18 オリフィス
20 空気系
21 コンプレッサ
22 加湿装置
23 空気調圧バルブ
30 制御部
31 上限水位検出センサ
32 下限水位検出センサ
33 水位検出センサ
L10 水素供給流路
L11 水素循環流路
L12 水素排出流路
L13 上流排水流路
L14 下流排水流路
L20 空気供給流路
L21 空気排出流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (9)
前記燃料電池の発電にともなう生成水を内部に貯める貯水手段と、
流路の一部が上方へと延在する上向き形状を有しており、前記貯水手段内部の生成水を、当該生成水の液面よりも上方へと導いた後に、外部に開放された端部より排出する排水流路と、
前記排水流路に設けられて、当該流路を開閉する開閉手段と、
前記貯水手段の内部圧力を調整する圧力調整手段と、
前記開閉手段と前記圧力調整手段とを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記燃料電池システムにおけるシステムの停止時に、前記排水流路の開放端部側の外部圧力を目標値として、前記貯水手段の内部圧力を前記圧力調整手段によって減圧させた上で、前記開閉手段を開状態に制御する凍結抑制処理を行い、
前記開閉手段は、前記凍結抑制処理を行った状態において、前記排水流路内の生成水の液面よりも上方に配置されていることを特徴とする排水装置。 In a drainage device for draining water in a fuel cell system comprising a fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas,
Water storage means for storing generated water accompanying the power generation of the fuel cell;
A part of the flow path has an upward shape extending upward, and after the generated water inside the water storage means is guided upward from the liquid level of the generated water, the end opened to the outside Drainage flow path discharging from the section,
An opening / closing means provided in the drainage channel to open and close the channel;
Pressure adjusting means for adjusting the internal pressure of the water storage means;
Control means for controlling the opening and closing means and the pressure adjusting means,
The control means, when stopping the system in the fuel cell system, with the external pressure on the open end side of the drainage flow path as a target value, the internal pressure of the water storage means is reduced by the pressure adjusting means, Freezing suppression processing for controlling the opening and closing means to the open state,
The drainage device, wherein the opening / closing means is disposed above the level of the produced water in the drainage flow channel in a state where the freeze suppression process is performed.
前記燃料電池の発電にともなう生成水を内部に貯める貯水手段と、
流路の一部が上方へと延在するとともに屈曲部を介して下方へと延在する屈曲形状を有しており、前記貯水手段内部の生成水を、当該生成水の液面よりも上方へと導いた後に、外部に開放された端部より排出する排水流路と、
前記排水流路の前記屈曲部よりも開放端部側に設けられて、当該流路を開閉する開閉手段と、
前記貯水手段の内部圧力を調整する圧力調整手段と、
前記開閉手段と前記圧力調整手段とを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記燃料電池システムにおけるシステムの停止時に、前記排水流路の開放端部側の外部圧力を目標値として、前記貯水手段の内部圧力を前記圧力調整手段によって減圧させた上で、前記開閉手段を開状態に制御する凍結抑制処理を行い、
前記屈曲部は、前記凍結抑制処理を行った状態において、前記排水流路内の生成水の液面よりも上方に位置していることを特徴とする排水装置。 In a drainage device for draining water in a fuel cell system comprising a fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas,
Water storage means for storing generated water accompanying the power generation of the fuel cell;
A part of the flow path extends upward and has a bent shape extending downward via a bent portion, and the generated water inside the water storage means is above the level of the generated water. A drainage channel that discharges from the end opened to the outside after being led to
Opening / closing means provided on the open end side of the drainage flow channel than the bent portion, for opening and closing the flow channel,
Pressure adjusting means for adjusting the internal pressure of the water storage means;
Control means for controlling the opening and closing means and the pressure adjusting means,
The control means, when stopping the system in the fuel cell system, with the external pressure on the open end side of the drainage flow path as a target value, the internal pressure of the water storage means is reduced by the pressure adjusting means, Freezing suppression processing for controlling the opening and closing means to the open state,
The drainage device, wherein the bent portion is positioned above the level of the generated water in the drainage flow channel in the state where the freeze suppression process is performed.
前記制御手段は、システムの通常運転時、前記第1の水位検出手段の検出結果に基づいて、前記貯水手段の満水時の水位よりも低い値に設定された上限水位に生成水の水位が到達した場合に、前記開閉手段を開状態に制御して生成水の排水を開始するとともに、前記上限水位よりも低い値に設定された下限水位に生成水の水位が到達した場合に、前記開閉手段を閉状態に制御して生成水の排水を終了することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載された排水装置。 Further comprising first water level detection means for detecting the level of generated water stored in the water storage means;
In the normal operation of the system, the control means reaches the upper limit water level set to a value lower than the water level when the water storage means is full based on the detection result of the first water level detection means. When the generated water level reaches a lower limit water level set to a value lower than the upper limit water level, the opening / closing means The drainage device according to any one of claims 1 to 3, wherein the drainage of the generated water is terminated by controlling the valve to a closed state.
前記制御手段は、前記第2の水位検出手段によって検出される基準水位へと前記排水流路内の液面が低下したことを条件として、前記開閉手段を開状態から閉状態へと制御することを特徴とする請求項7に記載された排水装置。 A second water level detection means provided on the water storage means side of the open / close means in the drainage flow path;
The control means controls the opening / closing means from an open state to a closed state on condition that the liquid level in the drainage channel has decreased to a reference water level detected by the second water level detection means. The drainage device according to claim 7 characterized by things.
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