JP2008262735A - Fuel cell system, and control method of discharge valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及び排出弁の制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a discharge valve control method.
従来より、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムでは、発電に伴い、燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路に、窒素や一酸化炭素等の不純物や水分が経時的に蓄積する。そこで、燃料電池システムの循環流路に気液分離器を設け、この気液分離器に接続した排出弁を開放することにより、不純物や水分を外部に排出する技術(パージ技術)が提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power by receiving a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) has been proposed and put into practical use. In such a fuel cell system, with power generation, impurities such as nitrogen and carbon monoxide and moisture accumulate with time in the inside of the fuel cell and in the circulation path of the fuel off gas. Therefore, a technique (purge technique) for discharging impurities and moisture to the outside by providing a gas-liquid separator in the circulation flow path of the fuel cell system and opening a discharge valve connected to the gas-liquid separator has been proposed. Yes.
近年においては、気液分離器の貯水容器に貯留された水の水位を算出することにより、排出弁からのガス及び水分の排出を制御する技術が提案されている(特許文献1参照)。かかる技術においては、貯水容器内(又は排水管内)における水圧と水面上のガス圧との差圧に基づいて貯水容器内の水位を算出し、低水位の時には排出弁を閉じることにより、排水へのガスの混入を抑制している。
ところで、貯水容器から外部へ排出される排水へのガスの混入をより確実に抑制するためには、排水管と貯水容器との接続部である排水口が水面上に現れているか水面下へ隠れているかを正確に判定する必要がある。 By the way, in order to more reliably suppress the mixing of gas into the drainage discharged from the water storage container to the outside, the drain outlet, which is the connection between the drain pipe and the water storage container, appears on the water surface or is hidden under the water surface. It is necessary to judge whether it is correct.
ところが、燃料電池システムが車両等の移動体に搭載されている場合には、移動体の加減速や旋回に起因して、貯水容器内の貯留水に加速度に応じた慣性力が作用し、貯水容器内の貯留水がこの慣性力の方向や大きさに応じて移動し、水面は傾いた状態となる。従って、排水管と貯水容器との接続部が水面下に隠れるかどうかを正確に判定するためには、移動体の加速度による水面の傾きを考慮して貯水容器内の水位を算出する必要がある。 However, when the fuel cell system is mounted on a moving body such as a vehicle, due to acceleration / deceleration or turning of the moving body, an inertial force corresponding to the acceleration acts on the stored water in the water storage container. The stored water in the container moves according to the direction and magnitude of this inertial force, and the water surface is inclined. Therefore, in order to accurately determine whether or not the connection portion between the drain pipe and the water storage container is hidden under the water surface, it is necessary to calculate the water level in the water storage container in consideration of the inclination of the water surface due to the acceleration of the moving body. .
前記した特許文献1には、移動体の加減速や旋回に起因した水面の傾きを考慮した水位の算出方法については記載されていない。このため、前記した特許文献1に記載された従来の技術を採用すると、車両の加減速時や旋回時に排水管と貯水容器との接続部が水面下に隠れるかどうかを正確に判定することは困難であり、排水にガスが混入してしまう可能性があった。 Patent Document 1 described above does not describe a method for calculating the water level in consideration of the inclination of the water surface caused by acceleration / deceleration or turning of the moving body. For this reason, when adopting the conventional technique described in Patent Document 1 described above, it is possible to accurately determine whether or not the connecting portion between the drain pipe and the water storage container is hidden under the water surface during acceleration / deceleration or turning of the vehicle. It was difficult and there was a possibility that gas would be mixed into the waste water.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池内で発生した水を貯水部に貯留して排出弁により外部に排出する燃料電池システムにおいて、排水へのガスの混入を効果的に抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in a fuel cell system in which water generated in a fuel cell is stored in a reservoir and discharged to the outside by a discharge valve, gas is effectively mixed into the drainage. The purpose is to suppress.
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池から排出される水を貯留する貯水部と、貯水部に設けられた排水口の下流に配設される排出弁と、排出弁を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、貯水部の加速度を検出する加速度検出手段を備え、制御手段は、加速度検出手段により検出された貯水部の加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御するものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a water storage part for storing water discharged from the fuel cell, and a discharge disposed downstream of a drain outlet provided in the water storage part. A fuel cell system comprising a valve and a control means for controlling the discharge valve, comprising an acceleration detection means for detecting the acceleration of the water storage section, wherein the control means is based on the acceleration of the water storage section detected by the acceleration detection means. It is determined whether or not the water in the water storage section is at a position where it can be discharged from the drain outlet, and the opening and closing of the discharge valve is controlled based on the determination result.
かかる構成を採用すると、加速度に基づく慣性力の発生によって水が貯水部内で移動している時に、水が排水口から排出可能な位置にあるか否かを判定し、その結果に基づいて排出弁の開閉制御を行うことができるので、排水へのガスの混入を効果的に抑制することができる。従って、燃料電池に循環させるべきガス(発電に寄与する燃料ガス)が無駄に排出されることを抑制することができるとともに、パージ動作における排水制御誤差の低減を図ることができる。 When such a configuration is adopted, it is determined whether or not water is in a position where water can be discharged from the drain port when water is moving in the reservoir due to the generation of inertia force based on acceleration, and the discharge valve is based on the result. Therefore, it is possible to effectively suppress the mixing of gas into the waste water. Therefore, it is possible to suppress wasteful discharge of gas to be circulated to the fuel cell (fuel gas that contributes to power generation), and to reduce drainage control error in the purge operation.
前記燃料電池システムにおいて、貯水部の加速度に基づいて、排出口が水面下に隠れているか否かの判定を行うとともに、排出口が水面下に隠れているときには排出弁の開放を許容し、排出口が水面下に隠れていないときには排出弁の開放を禁止する制御手段を採用することができる。 In the fuel cell system, it is determined whether or not the discharge port is hidden under the water surface based on the acceleration of the water storage unit, and when the discharge port is hidden under the water surface, the discharge valve is allowed to open and the discharge port is opened. Control means for prohibiting the opening of the discharge valve when the outlet is not hidden below the water surface can be employed.
かかる構成を採用すると、排出口が水面下に隠れていないときには排出弁が開放されないので、排水へのガスの混入を効果的に抑制することができる。 When such a configuration is adopted, when the discharge port is not hidden under the water surface, the discharge valve is not opened, so that mixing of gas into the waste water can be effectively suppressed.
また、前記燃料電池システムにおいて、貯水部の側面に排出口を設けることができる。また、貯水部として、燃料電池から排出される燃料オフガスから水を分離する気液分離器に設けられる貯水容器を採用することができる。また、排出弁として、貯水部内の水及び燃料オフガスの排出を行う排気排水弁を採用することができる。 In the fuel cell system, a discharge port can be provided on a side surface of the water storage section. Moreover, the water storage container provided in the gas-liquid separator which isolate | separates water from the fuel off gas discharged | emitted from a fuel cell as a water storage part is employable. Further, as the discharge valve, an exhaust / drain valve that discharges water and fuel off-gas in the water reservoir can be adopted.
また、前記燃料電池システムを、移動体に搭載することができる。かかる場合、移動体の直線運動及び/又は旋回運動に伴って発生する貯水部の加速度を検出する加速度検出手段を採用することができる。 The fuel cell system can be mounted on a moving body. In such a case, it is possible to employ acceleration detection means for detecting the acceleration of the water storage section that occurs with the linear motion and / or the turning motion of the moving body.
かかる構成を採用すると、燃料電池システムを搭載した移動体の排水にガスが混入することを抑制することができる。従って、燃料電池に循環させるべきガス(燃料ガス)が無駄に排出されることを抑制することができるので、移動体の燃料消費率を向上させる(単位移動距離当りの燃料消費量を低減させる)ことが可能となる。 When such a configuration is adopted, it is possible to suppress gas from being mixed into the waste water of the moving body on which the fuel cell system is mounted. Accordingly, it is possible to suppress wasteful discharge of gas (fuel gas) to be circulated to the fuel cell, thereby improving the fuel consumption rate of the moving body (reducing fuel consumption per unit moving distance). It becomes possible.
また、前記燃料電池システムにおいて、移動体の直線運動に伴って発生する直線方向の加速度を検出する加速度検出手段を採用することができる。かかる場合、直線方向の加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する制御手段を採用することができる。 In the fuel cell system, acceleration detecting means for detecting linear acceleration generated along with the linear motion of the moving body can be employed. In such a case, it is determined whether or not the water in the water reservoir is in a position where it can be discharged from the drainage port based on the acceleration in the linear direction, and a control means for controlling the opening and closing of the discharge valve based on the determination result is adopted. can do.
また、前記燃料電池システムにおいて、移動体の旋回運動に伴って発生する遠心力方向の加速度を検出する加速度検出手段を採用することができる。かかる場合、遠心力方向の加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する制御手段を採用することができる。 In the fuel cell system, it is possible to employ acceleration detecting means for detecting acceleration in the direction of centrifugal force generated with the turning motion of the moving body. In such a case, it is determined whether or not the water in the reservoir is in a position where it can be discharged from the drain outlet based on the acceleration in the centrifugal force direction, and control means for controlling the opening and closing of the discharge valve based on the determination result. Can be adopted.
また、前記燃料電池システムにおいて、移動体の直線運動及び旋回運動に伴って発生する直線方向及び遠心力方向の加速度を検出する加速度検出手段を採用することができる。かかる場合、直線方向及び遠心力方向の加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する制御手段を採用することができる。 In the fuel cell system, it is possible to employ acceleration detecting means for detecting acceleration in the linear direction and the centrifugal force direction generated along with the linear motion and the turning motion of the moving body. In such a case, it is determined whether or not the water in the reservoir is in a position where it can be discharged from the drain outlet based on the acceleration in the linear direction and the centrifugal force direction, and the opening and closing of the discharge valve is controlled based on the determination result. Control means can be employed.
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電量に基づいて貯水部に貯留される水量を推定する水量推定手段を備えることができる。かかる場合、加速度検出手段により検出された貯水部の加速度と、水量推定手段により推定された水量と、に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する制御手段を採用することができる。 The fuel cell system may further include water amount estimation means for estimating the amount of water stored in the water storage unit based on the power generation amount of the fuel cell. In such a case, it is determined whether or not the water in the water reservoir is in a position where it can be discharged from the drain outlet based on the acceleration of the water reservoir detected by the acceleration detector and the amount of water estimated by the water amount estimator. In addition, it is possible to employ control means for controlling the opening and closing of the discharge valve based on the result of the determination.
また、本発明に係る制御方法は、燃料電池と、燃料電池から排出される水を貯留する貯水部と、貯水部に設けられた排水口の下流に配設される排出弁と、を備える燃料電池システムにおける排出弁の制御方法であって、貯水部の加速度を検出する加速度検出工程と、加速度検出工程において検出された加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行う水位判定工程と、水位判定工程における判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する弁制御工程と、を備えるものである。 In addition, a control method according to the present invention includes a fuel cell, a water storage unit that stores water discharged from the fuel cell, and a discharge valve that is disposed downstream of a drain port provided in the water storage unit. A method for controlling a discharge valve in a battery system, wherein an acceleration detection step for detecting the acceleration of the water storage portion and whether water in the water storage portion is at a position where the water can be discharged from the drain outlet based on the acceleration detected in the acceleration detection step. A water level determination step for determining whether or not, and a valve control step for controlling the opening and closing of the discharge valve based on the determination result in the water level determination step.
かかる方法を採用すると、加速度に基づく慣性力の発生によって水が貯水部内で移動している時に、水が排水口から排出可能な位置にあるか否かを判定し、その結果に基づいて排出弁の開閉制御を行うことができるので、排水へのガスの混入を効果的に抑制することができる。従って、燃料電池に循環させるべきガス(発電に寄与する燃料ガス)が無駄に排出されることを抑制することができるとともに、パージ動作における排水制御誤差の低減を図ることができる。 When such a method is adopted, it is determined whether or not water is in a position where water can be discharged from the drain outlet when water is moving in the reservoir due to the generation of inertial force based on acceleration, and the discharge valve is based on the result. Therefore, it is possible to effectively suppress the mixing of gas into the waste water. Therefore, it is possible to suppress wasteful discharge of gas to be circulated to the fuel cell (fuel gas that contributes to power generation), and to reduce drainage control error in the purge operation.
前記制御方法を、移動体に搭載される燃料電池システムにおける排出弁の制御方法に適用することができる。かかる場合、加速度検出工程で、移動体の直線運動及び/又は旋回運動に伴って貯水部に発生する加速度を検出することができる。 The control method can be applied to a discharge valve control method in a fuel cell system mounted on a moving body. In such a case, in the acceleration detection step, it is possible to detect the acceleration generated in the water storage part with the linear motion and / or the turning motion of the moving body.
かかる方法を採用すると、燃料電池システムを搭載した移動体の排水にガスが混入することを抑制することができる。従って、燃料電池に循環させるべきガス(燃料ガス)が無駄に排出されることを抑制することができるので、移動体の燃料消費率を向上させる(単位移動距離当りの燃料消費量を低減させる)ことが可能となる。 When such a method is employed, it is possible to prevent gas from being mixed into the waste water of the moving body equipped with the fuel cell system. Accordingly, it is possible to suppress wasteful discharge of gas (fuel gas) to be circulated to the fuel cell, thereby improving the fuel consumption rate of the moving body (reducing fuel consumption per unit moving distance). It becomes possible.
本発明によれば、燃料電池内で発生した水を貯水部に貯留して排出弁により外部に排出する燃料電池システムにおいて、排水へのガスの混入を効果的に抑制することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the fuel cell system which stores the water which generate | occur | produced in the fuel cell in the water storage part, and discharges it outside by a discharge valve, it becomes possible to suppress effectively mixing of the gas to waste_water | drain.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1について説明する。本発明の燃料電池システム1は、図1に示すように、燃料電池車両(移動体)Sに搭載される車載発電システムである。 Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The fuel cell system 1 of the present invention is an on-vehicle power generation system mounted on a fuel cell vehicle (moving body) S as shown in FIG.
本実施形態に係る燃料電池システム1は、図2に示すように、反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)の供給を受けて電力を発生する燃料電池2と、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4と、システム全体を統括制御する制御装置5と、燃料電池車両Sの加速度を検出する加速度センサ6と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a
燃料電池2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池2の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池2は電力を発生する。
The
酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排気流路12と、を有している。空気供給流路11には、フィルタ13を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ14と、コンプレッサ14により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器15と、が設けられている。排気流路12を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁16を通って加湿器15で水分交換に供された後、図示しない希釈器において水素オフガスと合流して水素オフガスを希釈し、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ14は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
The oxidizing
燃料ガス配管系4は、水素供給源21と、水素供給源21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる水素供給流路22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を水素供給流路22の合流点A1に戻すための循環流路23と、循環流路23内の水素オフガスを水素供給流路22に圧送する水素ポンプ24と、循環流路23に分岐接続された排気排水流路25と、を有している。
The fuel gas piping system 4 includes a
水素供給源21は、所定圧力(例えば35MPa又は70MPa)の水素ガスを貯留可能な高圧ガスタンクで構成されている。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源21を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源21として採用することもできる。
The
水素供給流路22には、水素供給源21からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁26と、水素ガスの圧力を調整する調圧弁27と、電磁駆動式の開閉弁28と、が設けられている。開閉弁28の上流側には、水素供給流路22内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。また、開閉弁28と合流部A1との間にも図示されていない圧力センサが設けられている。これらのセンサで検出された水素ガスのガス状態(圧力、温度)に係る情報は、水素ガスの供給制御やパージ制御に用いられる。調圧弁27は、水素ガスのガス圧を予め設定した二次圧に減圧する。開閉弁28は、制御装置5から伝送される制御信号により駆動制御され、水素供給流路22側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整する。
The
水素ガスの循環系は、水素供給流路22の合流点A1の下流側流路と、燃料電池2のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路23と、によって構成されることとなる。水素ポンプ24は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池2に循環供給する。
The hydrogen gas circulation system is constituted by a downstream channel of the junction A1 of the
循環流路23には、気液分離器30及び排気排水弁31を介して、排気排水流路25が接続されている。気液分離器30は、水素オフガスから水分を回収するものであり、後述する貯水容器40(図3)を有している。排気排水弁31は、制御装置5からの指令によって作動することにより、気液分離器30で回収した水分と、循環流路23内の不純物を含む水素オフガス(燃料オフガス)と、を外部に排出(パージ)するものであり、本発明における排出弁の一実施形態である。なお、本実施形態においては、気液分離器30の貯水容器40が燃料電池車両Sに固定状態で搭載されており、燃料電池車両Sに発生した加速度がそのまま貯水容器40に発生するものとする。
An exhaust /
排気排水弁31の開放により、循環流路23内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁31及び排気排水流路25を介して外部に排出される水素オフガスは、排気排水弁31の下流に設けられた図示しない希釈器において、排気流路12内の酸化オフガス(空気)と合流して希釈される。
By opening the exhaust /
制御装置5は、図示していない車両のアクセル信号(要求負荷)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置5は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ROMに記録された各種制御プログラムをCPUが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現される。
The
制御装置5には、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出する各センサの検出情報が入力される。制御装置5は、これらの検出情報や燃料電池2内の要求発電量に応じて、燃料電池2へ供給すべき反応ガスの流量を算出するとともに、排気排水弁31から排出すべき水素オフガスの目標排出量(目標パージ量)を算出する。そして、制御装置5は、システム内の各種機器の動作を制御し、燃料電池2内への反応ガスの供給やパージ制御などの種々の処理や制御を行う。なお、図2においては、排気排水弁31への制御信号及び加速度センサ6からの検出信号のみを表示し、他の制御信号及び検出信号については表示を省略している。
Detection information of each sensor that detects the pressure, temperature, flow rate and the like of the fluid flowing through each piping system is input to the
制御装置5には、加速度センサ6から、燃料電池車両S(及び気液分離器30の貯水容器40)に発生する加速度に係る情報が入力される。燃料電池車両Sには、図示しない車速センサが設けられており、加速度センサ6は、燃料電池車両Sが直進している時には、この車速センサの検出情報から車速の変化率を求めることにより、車両進行方向(直線方向)の加速度Au(図4)を検出する。また、加速度センサ6は、燃料電池車両Sが旋回している時には、燃料電池車両Sの操舵系に発生するトルクや操舵角度の変化率を求めることにより、横加速度(遠心力方向の加速度)Av(図5)を検出する。また、加速度センサ6は、直進と旋回の複合運動を行っている時には、直線方向の加速度(Au)及び遠心力方向の加速度(Av)の双方を検出することができる。加速度センサ6で検出された加速度Au及び横加速度Avは、後述するように、排気排水弁31の開閉制御に用いられる。加速度センサ6は、本発明における加速度検出手段の一実施形態である。
Information relating to the acceleration generated in the fuel cell vehicle S (and the
制御装置5は、排気排水弁31を所定のタイミングで開閉することにより、気液分離器30で回収された循環流路23内の不要な水分を外部に排出するとともに、目標パージ量の水素オフガスを外部に排出するパージ制御を行う。制御装置5は、このパージ制御において、車両の加速度による慣性力が発生しているときには、気液分離器30内に貯留された水の状態、すなわち、後述する貯水容器40内の水の滞留位置に基づいて、排気排水弁31の開放を許容又は禁止する制御を行う。すなわち、制御装置5は、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。以下、その詳細について説明する。
The
図3(A)、(B)は、気液分離器30に設けられた貯水部としての貯水容器40の断面図である。図3(A)は貯水容器40の車両前後方向の断面図、図3(B)は貯水容器40の車幅方向の断面図である。図3において、貯水容器40の車両前後方向の寸法をU、車幅方向の寸法をVで示している。なお、この図は貯水容器40の構成を概略的に示すものであり、貯水容器40の上部及び細部は省略している。
3A and 3B are cross-sectional views of a
本実施形態における貯水容器40は略直方体であり、その底面と水平面とが略一致するように燃料電池車両Sに搭載されている。排気排水弁31は、貯水容器40の下方でなく、側方に配置されている。貯水容器40は、車両側方(本実施形態においては車両右側)の側面下端に開口する排水口41を有しており、この排水口41に側方から排気排水流路25が接続するようになっている。排水口41から排出された水は、排気排水流路25に設けられた排気排水弁31へ流入する。排水口41の中心の位置は、貯水容器40の底面と同じ高さであり、かつ、車両後方側の側面からの距離がUaで示される位置である。
The
貯水容器40には、その上部に設けられた図示しない導入口から、循環流路23内の水素オフガスから回収された水が導入される。導入された水は貯水容器40の底部に溜まる。図3は、燃料電池車両Sに加速度が発生していない状態、例えば、燃料電池車両Sが停止している時や、一定速度で移動している時の水の状態を示している。この時、貯水容器40内の水に作用する加速度は重力加速度gのみであるため、水面は水平となっている。
Water collected from the hydrogen off-gas in the
以下、燃料電池車両Sに加速度が発生した状態における排気排水弁31の制御について説明する。
Hereinafter, control of the exhaust /
まず、車両直進時の制御について説明する。図4に、燃料電池車両Sが加速度Auで加速しながら直線的に前進走行している時の貯水容器40内の状態を示す。この図に示すように、燃料電池車両Sが加速度Auで加速すると、貯水容器40内の水には、重力に加えて、加速度Auに対応する慣性力が加速度Auの向きとは逆向き(車両後方向き)に発生する。この場合、貯水容器40内の水は慣性力と重力の合力を受けて車両後方側に移動し、水面が傾いた状態となる。水面の傾きθuは、以下の式(1)に基づいて算出される角度であり、車両後方側から車両前方側に向かって水面が低くなるように傾く。なお、式(1)において、「Gu」は、燃料電池車両Sの加速に伴って車両後方向きに発生した見かけの加速度であり、加速度Auの大きさに等しい。
First, control when the vehicle goes straight will be described. FIG. 4 shows a state in the
慣性力が大きく水面の傾きθuが大きい場合には、貯水容器40の車両後方側のみに水が滞留し、車両前方側では貯水容器40の底面が露出した状態となる。貯水容器40の底面が水面下に隠れていない領域と隠れている領域との境界の位置を、車両後方側の側面から距離uの位置とし、貯水容器40内の水量をQとすると、Qは以下の式(2)により算出される。そして、式(1)及び式(2)に基づいて、距離uは以下の式(3)により算出される。
When the inertia force is large and the water surface inclination θu is large, water stays only on the vehicle rear side of the
式(3)において、「V」及び「g」は定数である。従って、制御装置5は、貯水容器40内に貯留した水量Qと、貯水容器40内の水に作用する見かけの加速度Gu(=Au)と、に基づいてuを算出することができる。本実施形態における制御装置5は、燃料電池2の発電量に基づいて、貯水容器40内に貯留される水量Qを推定することとしている。すなわち、制御装置5は、本発明における水量推定手段としても機能する。
In the formula (3), “V” and “g” are constants. Therefore, the
次いで、制御装置5は、排気排水弁31の開放を許容するか否かを決定するために、貯水容器40内に滞留する水が、排水口41から排出可能な位置にあるか否かの判定を行う。図4に示すように、燃料電池車両Sが加速している時には、この判定は、「u>Ua」の判定式によって行うことができる。制御装置5は、この判定式に基づいて、貯水容器40内の水が排水口41から排出可能な位置にあるか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて排気排水弁31の開閉を制御する。
Next, the
具体的には、制御装置5は、「u>Ua」の判定式を満たす時は、排水口41が水面下にあるものと判定し、排気排水弁31の開放を許容する。これにより、排水口41から水のみを排出することができる。一方、制御装置5は、「u>Ua」の判定式を満たさない時は、排水口41が水面と同一高さ又は水面上にあるものと判定し、排気排水弁31の開放を禁止する。「u>Ua」の判定式を満たさない状態で排気排水弁31を開放すると、水は一応排出できるものの水素オフガスが混入したり、水素オフガスのみが排出されたりするためである。
Specifically, when the determination formula “u> Ua” is satisfied, the
次に、車両旋回時の制御について説明する。図5に、燃料電池車両Sが右回りに旋回している時の貯水容器40内の状態を示す。この図に示すように、燃料電池車両Sが旋回して貯水容器40に横加速度Avが発生すると、貯水容器40内の水には、重力に加えて、横加速度Avに対応する慣性力(遠心力)が横加速度Avの向きとは逆向き(車両左側向き)に発生する。この場合、貯水容器40内の水は慣性力と重力の合力を受けて車両左側に移動し、水面が傾いた状態となる。水面の傾きθvは、以下の式(4)に基づいて算出される角度であり、車両左側から車両右側に向かって水面の位置が低くなるように傾く。なお、式(4)において、「Gv」は燃料電池車両Sの右旋回に伴って車両左側向きに発生した見かけの加速度であり、横加速度Avの大きさに等しい。
Next, control during vehicle turning will be described. FIG. 5 shows a state in the
遠心力が大きく水面の傾きθvが大きい場合には、貯水容器40の車両左側のみに水が滞留し、車両右側では貯水容器40の底面が露出した状態となる。貯水容器40の底面が水面下に隠れていない領域と隠れている領域との境界の位置を、車両左側の側面から距離vの位置とし、貯水容器40内の水量をQとすると、Qは以下の式(5)により算出される。そして、式(4)及び式(5)に基づいて、距離vは以下の式(6)により算出される。
When the centrifugal force is large and the water surface inclination θv is large, water stays only on the vehicle left side of the
式(6)において、「U」及び「g」は定数である。従って、制御装置5は、貯水容器40内に貯留した水量Qと、貯水容器40内の水に作用する見かけの加速度Gv(=Av)と、に基づいてvを算出することができる。
In Expression (6), “U” and “g” are constants. Therefore, the
次いで、制御装置5は、排気排水弁31の開放を許容するか否かを決定するために、貯水容器40内に滞留する水が、排水口41から排出可能な位置にあるか否かの判定を行う。排水口41は、車両右側の側面下端に設けられているため、燃料電池車両Sが右回りに旋回している時における判定は、「v>V」の判定式によって行うことができる。制御装置5は、この判定式に基づいて、貯水容器40内の水が排水口41から排出可能な位置にあるか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて排気排水弁31の開閉を制御する。
Next, the
具体的には、制御装置5は、「v>V」の判定式を満たす時は、排水口41が水面下にあるものと判定し、排気排水弁31の開放を許容する。これにより、排水口41から水のみを排出することができる。一方、制御装置5は、「v>V」の判定式を満たさない時は、排水口41が水面と同一高さ又は水面上にあるものと判定し、排気排水弁31の開放を禁止する。「v>V」の判定式を満たさない状態で排気排水弁31を開放すると、水は一応排出できるものの水素オフガスが混入したり、水素オフガスのみが排出されたりするためである。
Specifically, when the determination formula “v> V” is satisfied, the
次に、燃料電池車両Sが直進と旋回の複合運動を行う場合の制御について説明する。かかる場合には、制御装置5は、加速度センサ6で検出される直線方向の加速度(加速度Au)及び遠心力方向の加速度(横加速度Av)の双方に基づいて、前記した判定式(「u>Ua」及び「v>V」)を満たすか否かの判定を行う。そして、制御装置5は、2つの判定式の双方を満たす場合にのみ排気排水弁31の開放を許容し、いずれか1つでも満たさない場合には、排気排水弁31の開放を禁止する。
Next, the control in the case where the fuel cell vehicle S performs a combined straight and turning motion will be described. In such a case, the
続いて、図6のフローチャートを用いて、上記各制御が行われる排気排水弁31の制御方法について説明する。
Next, a control method of the exhaust /
まず、制御装置5は、加速度センサ6を用いて、燃料電池車両S(貯水容器40)に発生する直線方向の加速度(加速度Au)及び遠心力方向の加速度(横加速度Av)を検出する(加速度検出工程:S1)。
First, the
次いで、制御装置5は、燃料電池車両Sが直線方向に加速している場合に、燃料電池2の発電量に基づいて推定した貯水容器40内の水量Qと、加速度検出工程S1で検出した加速度Auと、に基づいて、「u>Ua」の判定式を満たすか否かの判定を行う。また、制御装置5は、右旋回している場合に、推定した水量Qと、加速度検出工程S1で検出した横加速度Avと、に基づいて、「v>V」の判定式を満たすか否かの判定を行う(水位判定工程:S2)。これらの判定は、前記したように、貯水容器40内の水が排水口41から排出可能な位置にあるか否か(すなわち排水口41が水面下に隠れているか否か)の判定を意味する。なお、制御装置5は、加速度Auが零の場合には「u>Ua」の判定を行わず、横加速度Avが零の場合には「v>V」の判定を行わないものとする。
Next, when the fuel cell vehicle S is accelerating in the linear direction, the
次いで、制御装置5は、水位判定工程S2において、加速度Auに基づく判定及び横加速度Avに基づく判定の双方を行った場合には、これらの双方の判定式を満たす場合にのみ排気排水弁31の開放を許容して貯水容器40から水のみを排出する(弁開放工程:S3a)。一方、制御装置5は、いずれかの判定式を満たさない場合には、排気排水弁31の開放を禁止する(弁閉鎖工程:S3b)。なお、制御装置5は、加速度Auが零の場合には、横加速度Avに基づく判定のみを行っているため、この判定式を満たせば排気排水弁31の開放を許容し(弁開放工程:S3a)、満たさなければ排気排水弁31の開放を禁止する(弁閉鎖工程:S3b)。同様に、横加速度Avが零の場合には、加速度Auに基づく判定のみを行っているため、この判定式を満たせば排気排水弁31の開放を許容し(弁開放工程:S3a)、満たさなければ排気排水弁31の開放を禁止する(弁閉鎖工程:S3b)。弁開放工程S3a及び弁閉鎖工程S3bは、本発明における弁制御工程の一実施形態を構成する。
Next, when both the determination based on the acceleration Au and the determination based on the lateral acceleration Av are performed in the water level determination step S2, the
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、加速度に基づく慣性力の発生によって水が貯水容器40内で移動している時に、加速度センサ6によって加速度を検出し、これに基づいて水が排水口41から排出可能な位置にあるか否かを判定し、その結果に対応して排気排水弁31の開閉制御を行う。具体的には、排出口41が水面下に隠れているか否かを判定し、水面下に隠れていないときには排気排水弁31の開放を禁止する。これにより、排水へのガスの混入を抑制することができ、パージ動作において、意図しないガスの排出を抑制することができる。従って、燃料電池車両Sの燃料消費率を向上させることができるとともに、排水制御誤差の低減を図ることができ、目標量の排水を排出することができる。
In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, when water is moving in the
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、排水口41を貯水容器40の側面に設けているので、貯水容器40からの水の排出流路である排気排水流路25及び排気排水弁31を、貯水容器40の下方でなく側方に配置することができる。従って、貯水容器40と排気排水弁31の搭載スペースの高さを低くすることができ、燃料電池車両Sの低床化への対応が容易となる。
Further, in the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, since the
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、燃料電池車両Sに発生する直線方向の加速度と遠心力方向の加速度との双方に基づいて判定を行っているので、直線運動と旋回運動の複合運動を行っている場合にも、簡易な判定式で水が排出可能か否かを判定することができる。 In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the determination is made based on both the linear acceleration generated in the fuel cell vehicle S and the acceleration in the centrifugal force direction. Even when performing a combined exercise of exercise, it is possible to determine whether or not water can be discharged with a simple determination formula.
なお、以上の実施形態においては、燃料電池車両Sが加速した場合の排気排水弁制御について説明したが、燃料電池車両Sが減速した場合においても同様の排気排水弁制御を行うことができる。 Although the exhaust drain valve control when the fuel cell vehicle S is accelerated has been described in the above embodiment, the same exhaust drain valve control can be performed even when the fuel cell vehicle S is decelerated.
また、以上の実施形態においては、排水口41を車両右側の側面下端に設け、燃料電池車両Sを右旋回させた場合の排気排水弁制御について説明したが、排水口41を車両左側の側面下端に設け、燃料電池車両Sを左旋回させた場合においても同様の排気排水弁制御を行うことができる。
In the above embodiment, the
また、以上の実施形態においては、貯水容器40の底面を水平としていたが、貯水容器40の形状は種々改変可能である。例えば、矩形の底面でなく円形又は楕円形の底面や、多角形の底面であってもよい。また、底面に段差や傾斜が設けられていてもよい。このように貯水容器の形状を種々改変しても、排出口が水面の下に隠れるか否かを判定するための判定式を適切に設定することにより、同様の判定を行うことが可能である。よって、前記実施形態と同様に排水へのガスの混入を抑制することができる。
Moreover, in the above embodiment, although the bottom face of the
また、以上の実施形態においては、気液分離器30の下流に排気と排水を一体で行う排気排水弁31を設けた構成を採用したが、気液分離器30で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路23内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置5で排水弁及び排気弁を別々に制御し、排水弁の制御に上記実施形態の制御を適用することができる。かかる場合においても、前記実施形態と同様に排水へのガスの混入が抑制され、排水制御誤差の低減を図ることができるとともに、意図しないガスの排出を抑制することができる。
Moreover, in the above embodiment, the configuration in which the exhaust /
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体(例えばロボット、船舶、航空機、電車等)に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(例えば住宅、ビル、工場等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。 In the above embodiment, an example in which the fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle has been described. The fuel cell system according to the invention can also be mounted. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for buildings (for example, houses, buildings, factories, etc.).
1…燃料電池システム、2…燃料電池、5…制御装置(制御手段、水量推定手段)、6…加速度センサ(加速度検出手段)、30…気液分離器、31…排気排水弁(排出弁)、40…貯水容器(貯水部)、41…排水口、Au…加速度(直線方向の加速度)、Av…横加速度(遠心力方向の加速度)、S…燃料電池車両(移動体)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 5 ... Control apparatus (control means, water amount estimation means), 6 ... Acceleration sensor (acceleration detection means), 30 ... Gas-liquid separator, 31 ... Exhaust drain valve (discharge valve) , 40 ... Water storage container (water storage part), 41 ... Drainage port, Au ... Acceleration (acceleration in the linear direction), Av ... Lateral acceleration (acceleration in the centrifugal force direction), S ... Fuel cell vehicle (moving body).
Claims (12)
前記貯水部の加速度を検出する加速度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記加速度検出手段により検出された前記貯水部の加速度に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
燃料電池システム。 A fuel cell; a water storage section for storing water discharged from the fuel cell; a discharge valve disposed downstream of a drain outlet provided in the water storage section; and a control means for controlling the discharge valve. In the fuel cell system provided,
Acceleration detecting means for detecting the acceleration of the water reservoir,
The control means determines whether or not the water in the water reservoir is in a position where it can be discharged from the drain outlet based on the acceleration of the water reservoir detected by the acceleration detector, and the result of the determination Based on the control of the opening and closing of the discharge valve,
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The control means determines whether or not the discharge port is hidden under the water surface based on the acceleration of the water storage section, and allows the discharge valve to be opened when the discharge port is hidden under the water surface. And, when the discharge port is not hidden under the water surface, the opening of the discharge valve is prohibited.
The fuel cell system according to claim 1.
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 The discharge port is provided on a side surface of the water storage unit.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The water storage section is a water storage container provided in a gas-liquid separator that separates water from a fuel off gas discharged from the fuel cell.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The discharge valve is an exhaust / drain valve that discharges water and fuel off-gas in the reservoir.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
前記加速度検出手段は、前記移動体の直線運動及び/又は旋回運動に伴って発生する前記貯水部の加速度を検出するものである、
請求項1から5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 A fuel cell system mounted on a moving body,
The acceleration detection means detects an acceleration of the water storage section that is generated along with a linear motion and / or a turning motion of the moving body.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
前記制御手段は、前記直線方向の加速度に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
請求項6に記載の燃料電池システム。 The acceleration detection means detects linear acceleration generated along with the linear motion of the moving body,
The control means determines whether or not the water in the reservoir is in a position where the water can be discharged from the drain outlet based on the acceleration in the linear direction, and opens and closes the discharge valve based on the determination result. Which controls
The fuel cell system according to claim 6.
前記制御手段は、前記遠心力方向の加速度に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
請求項6に記載の燃料電池システム。 The acceleration detecting means detects an acceleration in a centrifugal force direction generated with a turning motion of the moving body,
The control means determines whether or not the water in the reservoir is in a position where it can be discharged from the drain outlet based on the acceleration in the centrifugal force direction, and based on the result of the determination, Which controls opening and closing,
The fuel cell system according to claim 6.
前記制御手段は、前記直線方向及び遠心力方向の加速度に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
請求項6に記載の燃料電池システム。 The acceleration detection means detects acceleration in a linear direction and a centrifugal force direction generated along with a linear motion and a turning motion of the moving body,
The control means determines whether or not the water in the water reservoir is in a position where the water can be discharged from the drainage port based on the acceleration in the linear direction and the centrifugal force direction, and based on the determination result, Which controls the opening and closing of the discharge valve,
The fuel cell system according to claim 6.
前記制御手段は、前記加速度検出手段により検出された前記貯水部の加速度と、前記水量推定手段により推定された水量と、に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
請求項1から9の何れか一項に記載の燃料電池システム。 Water amount estimating means for estimating the amount of water stored in the water reservoir based on the amount of power generated by the fuel cell;
The control means is in a position where water in the water storage section can be discharged from the drain outlet based on the acceleration of the water storage section detected by the acceleration detection means and the water amount estimated by the water amount estimation means. And determining whether or not to open and close the discharge valve based on the result of the determination,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9.
前記貯水部の加速度を検出する加速度検出工程と、
前記加速度検出工程において検出された加速度に基づいて、前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行う水位判定工程と、
前記水位判定工程における判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御する弁制御工程と、を備える、
排出弁の制御方法。 A method for controlling a discharge valve in a fuel cell system, comprising: a fuel cell; a water storage unit that stores water discharged from the fuel cell; and a discharge valve disposed downstream of a drain port provided in the water storage unit. Because
An acceleration detection step of detecting an acceleration of the water reservoir;
Based on the acceleration detected in the acceleration detection step, a water level determination step for determining whether or not the water in the water reservoir is in a position where it can be discharged from the drain port;
A valve control step of controlling the opening and closing of the discharge valve based on the determination result in the water level determination step,
Control method of discharge valve.
前記加速度検出工程では、前記移動体の直線運動及び/又は旋回運動に伴って発生する前記貯水部の加速度を検出する、
請求項10に記載の排出弁の制御方法。 A control method of a discharge valve in a fuel cell system mounted on a moving body,
In the acceleration detection step, the acceleration of the water storage section that occurs with the linear motion and / or the turning motion of the moving body is detected.
The method for controlling the discharge valve according to claim 10.
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