JP2009037865A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の下流にバタフライ弁等の流量制御弁を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a flow rate control valve such as a butterfly valve downstream of a fuel cell.
近年、水素(燃料ガス)がアノードに、酸素を含む空気(酸化剤ガス)がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)等の燃料電池が注目されている。このような燃料電池を良好に発電させるには、水素、空気を適切な流量、圧力で供給する必要があり、例えば、カソードの下流に背圧を制御する背圧弁としてバタフライ弁(空気流量制御手段)が設けられる。 In recent years, a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Fuel Cell) that generates electricity by generating an electrochemical reaction by supplying hydrogen (fuel gas) to the anode and air containing oxygen (oxidant gas) to the cathode. Fuel cells such as PEFC) have attracted attention. In order to generate such a fuel cell satisfactorily, it is necessary to supply hydrogen and air at an appropriate flow rate and pressure. For example, a butterfly valve (air flow control means) is used as a back pressure valve for controlling the back pressure downstream of the cathode. ) Is provided.
一方、例えば、燃料電池が燃料電池自動車等に搭載された場合、燃料電池を含む燃料電池システムが、低温環境(0℃未満等)に曝されてしまう場合がある。そして、このような低温環境下で燃料電池システムが停止すると、前記バタフライ弁内において、発電により生成した水分等が凍結する虞がある。そうすると、次回起動時において、内部が凍結したバタフライ弁では、カソードに供給される空気の流量、圧力を適切に制御できない虞がある。 On the other hand, for example, when the fuel cell is mounted on a fuel cell vehicle or the like, the fuel cell system including the fuel cell may be exposed to a low temperature environment (less than 0 ° C. or the like). When the fuel cell system is stopped under such a low temperature environment, moisture generated by power generation may freeze in the butterfly valve. Then, at the next start-up, there is a possibility that the flow rate and pressure of the air supplied to the cathode cannot be properly controlled with the butterfly valve whose inside is frozen.
そこで、燃料電池システムを停止する場合において、停止後において、バタフライ弁内が凍結する虞があるとき、内部を流通する空気の流速が高まるようにバタフライ弁を制御し、流速が高まった空気によって、バタフライ弁内の水滴等を吹き飛ばし、バタフライ弁内の凍結を防止する技術が提案されている(特許文献1)。 Therefore, when stopping the fuel cell system, when the butterfly valve may freeze inside after stopping, the butterfly valve is controlled so that the flow velocity of the air flowing through the inside is increased. A technique has been proposed in which water droplets and the like in a butterfly valve are blown off to prevent freezing in the butterfly valve (Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1には、バタフライ弁の凍結防止に係る技術は記載されているが、実際にバタフライ弁が凍結した場合における対策技術は記載されていない。
そこで、本発明は、バタフライ弁等の流量制御弁の凍結を適切に解消可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
However, Patent Document 1 describes a technique for preventing the butterfly valve from freezing, but does not describe a countermeasure technique when the butterfly valve is actually frozen.
Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell system which can eliminate appropriately freezing of flow control valves, such as a butterfly valve.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたガスが流れる排出ガス流路に配置され、流量を制御する流量制御弁と、前記燃料電池の起動を指示する起動指示手段と、前記流量制御弁の弁体の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する氷判定手段と、前記起動指示手段が起動を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる起動時往復作動手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。 As means for solving the above-mentioned problems, the present invention is arranged in a fuel cell that generates electric power by supplying a reaction gas, and an exhaust gas passage through which the gas discharged from the fuel cell flows, and controls the flow rate. A flow control valve, start instruction means for instructing start of the fuel cell, ice determination means for determining whether ice is present in an operating range of the valve body of the flow control valve, and the start instruction means are started When the ice determination means determines that ice is present in the operating range, a reciprocating operation means at start-up that reciprocates the valve body a plurality of times in the opening direction and the closing direction is provided. This is a fuel cell system.
このような燃料電池システムによれば、起動指示手段が燃料電池の起動を指示した場合において、氷判定手段が流量制御弁の弁体の作動範囲に氷が存在すると判定したとき、起動時往復作動手段がこの弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる。
このように弁体が開方向及び閉方向に複数回にて往復作動するので、弁体の正規の作動範囲に存在する氷が除去される。その結果、流量制御弁の凍結を解消することができる。
According to such a fuel cell system, when the start instructing means instructs the start of the fuel cell, when the ice determining means determines that ice is present in the operating range of the valve body of the flow control valve, the reciprocating operation at the start is performed. The means reciprocates the valve body in the opening direction and the closing direction a plurality of times.
As described above, the valve body reciprocates a plurality of times in the opening direction and the closing direction, so that ice existing in the normal operating range of the valve body is removed. As a result, freezing of the flow control valve can be eliminated.
また、前記燃料電池の発電の停止を指示する停止指示手段と、前記停止指示手段が停止を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる停止時往復作動手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。 In addition, in the case where the stop instructing unit for instructing to stop the power generation of the fuel cell and the stop instructing unit instruct to stop, the valve determining unit determines that the ice is present in the operating range, A fuel cell system, comprising: a reciprocating means for stopping when reciprocating a plurality of times in the opening direction and the closing direction.
このような燃料電池システムによれば、停止指示手段が燃料電池の発電の停止を指示した場合において、氷判定手段が弁体の正規の作動範囲に氷が存在すると判定したとき、停止時往復作動手段が、弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる。
このように弁体が開方向及び閉方向に複数回にて往復作動するので、弁体の正規の作動範囲に存在する氷が除去される。その結果、流量制御弁の凍結を解消することができる。すなわち、起動指示手段による燃料電池の起動を指示後、流量制御弁の凍結の解消前に、停止指示手段が停止を指示したしても、停止時往復作動手段が弁体を往復作動させるので、氷を除去し、停止後における氷の成長(氷結の拡大)を防止することができる。
According to such a fuel cell system, when the stop instructing unit instructs to stop the power generation of the fuel cell, when the ice determining unit determines that ice is present in the normal operating range of the valve body, the reciprocating operation at the time of stop is performed. The means reciprocates the valve body a plurality of times in the opening direction and the closing direction.
As described above, the valve body reciprocates a plurality of times in the opening direction and the closing direction, so that ice existing in the normal operating range of the valve body is removed. As a result, freezing of the flow control valve can be eliminated. That is, after instructing the start of the fuel cell by the start instructing means, and before the freezing of the flow rate control valve is resolved, even if the stop instructing means instructed to stop, the reciprocating means at the time of stop reciprocates the valve body. Ice can be removed to prevent ice growth (expansion of freezing) after stopping.
また、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたガスが流れる排出ガス流路に配置され、流量を制御する流量制御弁と、前記燃料電池の停止を指示する停止指示手段と、前記流量制御弁の弁体の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する氷判定手段と、前記停止指示手段が停止を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる停止時往復作動手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。 In addition, a fuel cell that generates electric power by being supplied with a reaction gas, a flow rate control valve that is disposed in an exhaust gas flow path through which the gas discharged from the fuel cell flows, and that instructs to stop the fuel cell A stop instruction means, an ice determination means for determining whether ice is present in the operating range of the valve body of the flow rate control valve, and when the stop instruction means instructs a stop, the ice determination means And a stop reciprocating means for reciprocating the valve element in the opening direction and the closing direction a plurality of times when it is determined that ice is present in the operating range.
このような燃料電池システムによれば、停止指示手段が燃料電池の発電の停止を指示した場合において、氷判定手段が弁体の正規の作動範囲に氷が存在すると判定したとき、停止時往復作動手段が、弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる。このように弁体が開方向及び閉方向に複数回にて往復作動するので、弁体の正規の作動範囲に存在する氷が除去される。その結果、流量制御弁の凍結を解消することができる。 According to such a fuel cell system, when the stop instructing unit instructs to stop the power generation of the fuel cell, when the ice determining unit determines that ice is present in the normal operating range of the valve body, the reciprocating operation at the time of stop is performed. The means reciprocates the valve body a plurality of times in the opening direction and the closing direction. As described above, the valve body reciprocates a plurality of times in the opening direction and the closing direction, so that ice existing in the normal operating range of the valve body is removed. As a result, freezing of the flow control valve can be eliminated.
本発明によれば、バタフライ弁等の流量制御弁の凍結を適切に解消可能な燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can eliminate appropriately freezing of flow control valves, such as a butterfly valve, can be provided.
≪第1実施形態≫
以下、本発明の第1実施形態について、図1から図7を参照して説明する。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す燃料電池システム1は、図示しない燃料電池自動車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10及び後記するバタフライ弁32(流量制御弁)を経由するように冷媒(ラジエータ液)を循環させる冷媒循環系と、IG51(イグニッション)と、これらを電子制御するECU60(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (mobile body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a
<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、MEAと、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。
<Fuel cell stack>
The
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)を含んでいる。 The anode and cathode are mainly composed of a conductive porous material such as carbon paper, and contain a catalyst (Pt, Ru, etc.) for causing an electrode reaction in the anode and cathode.
各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路11(燃料ガス流路)、カソード流路12(酸化剤ガス流路)として機能している。そして、アノード流路11を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路12を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルでOCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。
次いで、このようにOCVが発生した状態で、燃料電池スタック10が走行モータ等を含む外部回路(図示しない)に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, and through holes for supplying and discharging hydrogen or air to all single cells. It functions as a channel 11 (fuel gas channel) and a cathode channel 12 (oxidant gas channel). Then, when hydrogen is supplied to each anode via the anode flow path 11 and air is supplied to each cathode via the
Next, in the state where the OCV is generated in this way, the
また、各セパレータには、燃料電池スタック10を冷却するための冷媒が通流する冷媒流路13を構成する溝、貫通孔が形成されている。
Each separator is formed with a groove and a through-hole that constitute a
<アノード系>
アノード系は、水素タンク21と、遮断弁22とを備えている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22aを介して、アノード流路11の入口に接続されている。そして、ECU60からの指令によって遮断弁22が開かれると、水素が、水素タンク21から、遮断弁22等を経由して、アノード流路11に供給されるようになっている。
アノード流路11の出口は、配管22bに接続されており、アノード流路11から排出されたアノードオフガスは、配管22bを介して、外部に排出されるようになっている。
<Anode system>
The anode system includes a
The
The outlet of the anode flow path 11 is connected to a
<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ31と、バタフライ弁32(背圧弁)とを備えている。
コンプレッサ31は、配管31aを介して、カソード流路12の入口に接続されている。そして、ECU60の指令に従ってコンプレッサ31が作動すると、酸素を含む空気が取り込まれ、カソード流路12に供給されるになっている。また、配管31aには加湿器(図示しない)が設けられており、カソード流路12に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。
<Cathode system>
The cathode system includes a
The
カソード流路12の出口は、配管32a、バタフライ弁32、配管32bが、順に接続されている。そして、カソード流路12から排出されたカソードオフガスは、配管32a、バタフライ弁32、配管32bを介して、外部に排出されるようになっている。
すなわち、バタフライ弁32は、燃料電池スタック10から排出されたカソードオフガスが流れる排出ガス流路に配置されている。
The outlet of the
That is, the
バタフライ弁32は、その開度を調整することで、カソード流路12を流通する空気の流量及び圧力(背圧)を制御するものである。バタフライ弁32は、弁箱33(バルブボディ)と、弁箱33内において、回動軸部材34a(図3等参照)周りに回動自在で配置された弁体34と、弁体34を作動させるモータ35(DCモータ等)と、バタフライ弁32の開度、つまり、弁体34の現在の角度(位置)をする角度センサ36(位置検出手段)と、を備えている。
The
モータ35は、制御回路(図示しない)を介して、燃料電池スタック10及びバッテリ等の蓄電装置に接続されており、燃料電池スタック10及び/又は蓄電装置を電源として作動するようになっている。そして、ECU60から前記制御回路に、例えばPWM信号が送られ、燃料電池スタック10及び/又は蓄電装置からモータ35への印加電圧が制御されるようになっている。また、前記PWM信号のデューティー比が適宜に制限されることで、モータ35への印加電圧が適宜に制限されるようになっている。
The
また、冷媒流路13から排出された冷媒が、弁箱33を経由するようになっている。これにより、発電に伴う燃料電池スタック10の熱が、循環する冷媒を介して、バタフライ弁32に移動し、バタフライ弁32が凍結していた場合、この移動した熱により解氷が進むようになっている。
In addition, the refrigerant discharged from the
なお、本実施形態では、図4、図5、図7に示すように、弁箱33内において、カソードオフガスの流れ方向に対して90°の方向(弁箱33の輪切り断面方向)を基準(0°)とする。
そして、図4、図7に示すように、基準(0°)と弁体34とのなす角度(これを基準全開角度θ2とする)が90°である場合、つまり、カソードオフガスの流れ方向と弁体34とが平行である場合、弁体34は基準全開位置に配置されているとする。
また、図5、図7に示すように、基準(0°)と弁体34とのなす角度が基準全閉角度θ1である場合、弁体34は基準全閉位置に配置されるとする。基準全閉角度θ1は、0°以上90°未満に設定され(0°≦θ1<90°)、例えば、10°に設定される。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 4, 5, and 7, a 90 ° direction (circular cross-sectional direction of the valve box 33) with respect to the flow direction of the cathode off gas in the
As shown in FIGS. 4 and 7, when the angle between the reference (0 °) and the valve body 34 (this is referred to as the reference full open angle θ2) is 90 °, that is, the cathode off-gas flow direction When the
As shown in FIGS. 5 and 7, when the angle formed by the reference (0 °) and the
<冷媒循環系>
冷媒循環系は、冷媒流路13及び弁箱33を経由するように、冷媒を循環させる系であり、冷媒ポンプ41と、ラジエータ42(放熱器)と、温度センサ43(温度検出手段)とを備えている。
<Refrigerant circulation system>
The refrigerant circulation system is a system that circulates the refrigerant so as to pass through the
冷媒ポンプ41の冷媒吐出口は、配管41aを介して冷媒流路13の入口に接続されている。冷媒流路13の出口は、配管42a、バタフライ弁32、配管42b、ラジエータ42、配管42cを介して、冷媒ポンプ41の冷媒吸引口に接続されている。そして、ECU60の指令に従って、冷媒ポンプ41が作動すると、冷媒が冷媒流路13、バタフライ弁32を順に経由して循環するようになっている。
The refrigerant discharge port of the
温度センサ43は、バタフライ弁32の下流の配管42bに配置されており、配管42bを流通する冷媒の温度を、バタフライ弁32の温度T11として検出するようになっている。そして、温度センサ43は、この温度T11をECU60に出力するようになっている。
The
<IG>
IG51は、燃料電池自動車及び燃料電池システム1の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG51はECU60と接続されており、ECU60はIG51のON/OFF信号を検知するようになっている。
<IG>
The
<ECU>
ECU60は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、EEPROM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種処理を実行するようになっている。
<ECU>
The
<ECU−起動指示機能、停止指示機能>
ECU60(起動指示手段)は、IG51のON信号を検知した場合、燃料電池スタック10が起動(発電開始)するように、遮断弁22、コンプレッサ31及び冷媒ポンプ41に、起動指示を送る機能を備えている。
また、ECU60(停止指示手段)は、IG51のOFF信号を検知した場合、燃料電池スタック10の発電が停止するように、遮断弁22、コンプレッサ31及び冷媒ポンプ41に、停止指示を送る機能を備えている。
<ECU-start instruction function, stop instruction function>
The ECU 60 (start-up instruction means) has a function of sending a start-up instruction to the
Further, the ECU 60 (stop instruction means) has a function of sending a stop instruction to the
<ECU−バタフライ弁制御機能>
さらに、ECU60(バタフライ弁制御手段)は、アクセルペダルの踏み込み量等に基づいて、バタフライ弁32の開度を適宜に制御し、カソード流路12を流通する空気の流量及び圧力を制御する機能を備えている。
<ECU-Butterfly valve control function>
Further, the ECU 60 (butterfly valve control means) has a function of appropriately controlling the opening degree of the
さらにまた、ECU60は、遮断弁22等に、燃料電池スタック10が起動するように起動指示を送った場合において、バタフライ弁32が凍結していると判定されるとき、モータ35を介して、弁体34を開方向及び閉方向に、所定回数(2回以上)にて、往復作動させる機能を備えている。すなわち、第1実施形態において、起動時往復作動手段は、モータ35と、ECU60とを備えて構成されている。
Furthermore, when the
また、ECU60は、遮断弁22等に、燃料電池スタック10が発電停止するように停止指示を送った場合において、バタフライ弁32が凍結していると判定されるとき、モータ35を介して、弁体34を閉方向及び開方向に、所定回数(2回以上)にて、往復作動させる機能を備えている。すなわち、第1実施形態において、停止時往復作動手段は、モータ35と、ECU60とを備えて構成されている。
Further, when the
<ECU−起動時位置検出機能、判定機能>
さらに、ECU60(起動時位置検出手段)は、遮断弁22等に起動指示を送った場合、角度センサ36を介して、この今回起動時におけるバタフライ弁32の全閉角度θ11(全閉位置)を検出する機能を備えている。そして、ECU60は、全閉角度θ11と基準全閉角度θ1(基準全閉位置)と差の絶対値と、所定角度差Δθ1(所定差)とを比較する機能を備えている。なお、所定角度差Δθ1は、バタフライ弁32の仕様等に関係し、事前試験等により求められ、ECU60に予め記憶されている。
<ECU—Start-up position detection function, determination function>
Further, when the ECU 60 (starting position detecting means) sends a starting instruction to the
<ECU−氷判定機能>
ECU60は、IG51のON時(起動時)及びOFF時(停止時)において、温度センサ43を介して検出されるバタフライ弁32の現在の温度T11に基づいて、バタフライ弁32が凍結しているか否か、つまり、弁体34の正規の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する機能を備えている。
すなわち、第1実施形態において、氷判定手段は、温度センサ43とECU60とを備えて構成されている。
<ECU-Ice determination function>
The
That is, in the first embodiment, the ice determination unit includes the
<ECU−凍結解消判定機能>
また、ECU60は、バタフライ弁32の現在の温度T11と、基準温度T1(例えば0℃)とに基づいて、バタフライ弁32の凍結が解消したか否かを判定する機能を備えている。基準温度T1は、バタフライ弁32の凍結の有無を判定するための基準温度であり、事前試験等に求められ、ECU60に予め記憶されている。
<ECU-Freezing determination function>
Further, the
<ECU−第1記憶機能>
さらに、ECU60(第1記憶手段)は、例えば、バタフライ弁32が凍結しており、弁箱33と弁体34との間に氷が存在する等によって(図6参照)、全閉角度θ11と基準全閉角度θ1と差の絶対値が、所定角度差Δθ1(所定差)よりも大きい場合、この今回起動時の全閉角度θ11を記憶する第1記憶機能を備えている。
そして、このように今回起動時の全閉角度θ11が記憶された場合、ECU60(バタフライ弁制御手段)は、この全閉角度θ11を制限値として、つまり、弁体34がこの全閉角度θ11よりも小さくならないように、バタフライ弁32を制御する機能を備えている。
<ECU-first storage function>
Further, the ECU 60 (first storage means) is configured such that, for example, the
When the fully closed angle θ11 at the time of starting this time is stored in this way, the ECU 60 (butterfly valve control means) uses the fully closed angle θ11 as a limit value, that is, the
<ECU−第2記憶機能>
さらにまた、ECU60(第2記憶手段)は、全閉角度θ11と基準全閉角度θ1と差の絶対値が、所定角度差Δθ1(所定差)以下である場合、この今回起動時の全閉角度θ11を更新して記憶する第2記憶機能を備えている。
一方、前記絶対値が所定角度差Δθよりも大きい場合、ECU60(バタフライ弁制御手段)は、過去に、絶対値が所定角度差Δθ1(所定差)以下である場合において、その内部に記憶された全閉角度θ11と、今回起動時における全閉角度θ11とに基づいて、バタフライ弁32を制御する機能を備えている。
<ECU-second memory function>
Furthermore, when the absolute value of the difference between the fully closed angle θ11 and the reference fully closed angle θ1 is equal to or smaller than a predetermined angle difference Δθ1 (predetermined difference), the ECU 60 (second storage means) A second storage function for updating and storing θ11 is provided.
On the other hand, when the absolute value is larger than the predetermined angle difference Δθ, the ECU 60 (butterfly valve control means) is stored in the past when the absolute value is equal to or smaller than the predetermined angle difference Δθ1 (predetermined difference). A function for controlling the
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム1の起動時及び停止時の動作を、ECU60に設定されたプログラム(フローチャート)の流れと共に説明する。
≪Operation of fuel cell system≫
Next, the operation at the time of starting and stopping of the fuel cell system 1 will be described together with the flow of a program (flow chart) set in the
≪システム起動時の動作≫
燃料電池システム1の起動時の動作について、図2を参照して説明する。
IG51がONされると、図2のフローチャートに示す処理がスタートする。具体的には、IG51のON信号を検知したECU60は、遮断弁22を開くと共に、コンプレッサ31を作動させ、燃料電池スタック10に水素及び空気を供給し、燃料電池スタック10の発電を開始させる。また、ECU60は、冷媒ポンプ41を作動させ、冷媒を循環させる。なお、初期状態において、弁体34は全開位置(図4参照)に配置されている。
<< Operation at system startup >>
The operation at the start of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG.
When the
ステップS101において、ECU60は、温度センサ43を介して検出されるバタフライ弁32の現在の温度T11と、基準温度T1とに基づいて、バタフライ弁32が凍結しているか否か、具体的には、弁体34の正規の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する。
そして、現在の温度T11が基準温度T1以下である場合、バタフライ弁32は凍結していると判定し(S101・Yes)、ECU60の処理はステップS102に進む。一方、現在の温度T11が基準温度T1以下でない場合、バタフライ弁32は凍結していないと判定し(S101・No)、ECU60の処理はステップS103に進む。
In step S101, the
If the current temperature T11 is equal to or lower than the reference temperature T1, it is determined that the
ステップS102において、ECU60は、更新済みの全閉角度θ11に基づいて、弁体34を、開方向及び閉方向に所定回数にて往復作動させる。詳細には、閉方向については、更新済みの全閉角度θ11が制限値となるように、ECU60は、モータ35への印加電圧を制御する。なお、所定回数は、事前試験等により求められ、例えば2〜5回程度に設定され、ECU60に予め記憶されている。また、更新済みの全閉角度θ11とは、過去の起動時において、後記するステップS104の判定結果がNoとなり、この過去の起動時におけるステップS109で記憶された全閉角度θ11である。
このように往復作動する弁体34によって、弁体34の正規の作動範囲に存在する氷が除去される可能性がある。
In step S102, the
The ice that exists in the normal operating range of the
ステップS103において、ECU60は、バタフライ弁32の全閉角度θ11(これを今回起動時の全閉角度θ11とする)を検出する。具体的には、ECU60は、ステップS101の判定がNoとなり、ステップS102において氷の除去を試みたが、氷は除去されず、弁体34の正規の作動範囲に氷が残存していたとしても、この氷を切削等しない程度の印加電圧をモータ35に付与し、弁体34を閉方向に回動する。そして、角度センサ36を介して検出された最大閉角度を、今回起動時における全閉角度θ11とする。
In step S103, the
なお、温度センサ43を介して検出されるバタフライ弁32の温度T11が低く(例えば0℃未満)、バタフライ弁32が凍結していると予想される場合、全閉角度θ11の検出ステップ(S103)において、正確に全閉角度θ11を検出できるように、閉方向に回動する弁体34の回動速度が遅くなるようにモータ35を制御してもよい。
また、例えば、閉方向に弁体34を回動制御しているにも関わらず、角度センサ36を介して検出される弁体34の角度θ11が変化しない場合、弁体34が氷を噛み込んだと判定して、弁体34を開方向(逆方向)に回動するように制御すると共に、この開方向に回動させる場合において、モータ35への印加電圧を増圧し、弁体34の氷への固着を防止するようにしてもよい。
If the temperature T11 of the
Further, for example, when the angle θ11 of the
ステップS104において、ECU60は、ステップS103で検出された今回起動時の全閉角度θ11と、基準全閉角度θ1との差の絶対値が、所定角度差Δθ1よりも大きいか否かを判定する。
そして、前記絶対値が所定角度差Δθ1よりも大きいと判定された場合(S104・Yes)、ECU60の処理はステップS105に進む。この場合は、弁体34の正規の作動範囲に氷等の異物が存在し、バタフライ弁32が凍結していると判断される場合である。
一方、前記絶対値が所定角度差Δθ1よりも大きくない(S104・No)、つまり、前記絶対値が所定角度差Δθ1以下である場合、ECU60の処理はステップS109に進む。
In step S104, the
When it is determined that the absolute value is larger than the predetermined angle difference Δθ1 (S104 / Yes), the process of the
On the other hand, when the absolute value is not larger than the predetermined angle difference Δθ1 (S104 · No), that is, when the absolute value is equal to or smaller than the predetermined angle difference Δθ1, the process of the
ステップS105において、ECU60は、ステップS103で検出した今回起動時の全閉角度θ11を記憶する。
In step S105, the
ステップS106において、過去の起動時において、ステップS109を経由したことにより、ECU60に記憶されている更新済みの全閉角度θ11を基準、ステップS103で検出された今回起動時の全閉角度θ11を制限値(閉側の制限角度)として、バタフライ弁32を制御する。これにより、弁体34による氷Aの噛み込みは防止される。
In step S106, at the time of past activation, by passing through step S109, the updated full-close angle θ11 stored in the
ステップS107において、ECU60は、温度センサ43を介して、バタフライ弁32の現在の温度T11を検出する。
In step S107, the
ステップS108において、ECU60は、ステップS107で検出した温度T11が、基準温度T1以下であるか否かを判定する。
温度T11が基準温度T1以下であると判定された場合(S108・Yes)、ECU60の処理はステップS107に進む。この場合は、バタフライ弁32内の氷は解氷しておらず、未だ氷が存在していると判定される場合であり、ステップS106に従ったバタフライ弁32の制御が継続される。
一方、温度T11が基準温度以下でないと判定された場合(S108・No)、ECU60の処理はステップS110に進む。
In step S108, the
When it is determined that the temperature T11 is equal to or lower than the reference temperature T1 (S108 / Yes), the process of the
On the other hand, when it is determined that the temperature T11 is not equal to or lower than the reference temperature (S108, No), the process of the
次に、ステップS104の判定結果がNoの場合、つまり、今回の起動時の全閉角度θ11と、基準全閉角度θ1との差の絶対値が、所定角度差Δθ1よりも大きくない場合(所定角度差Δθ1以下である場合)に進むステップS109について説明する。
ステップS109において、ECU60は、全閉角度θ11を更新、つまり、今回起動時の全閉角度θ11を、EEPROMやバックアップRAMに記憶する。
Next, when the determination result in step S104 is No, that is, when the absolute value of the difference between the fully closed angle θ11 at the time of this activation and the reference fully closed angle θ1 is not larger than the predetermined angle difference Δθ1 (predetermined Step S109 will be described which proceeds to (when the angle difference is Δθ1 or less).
In step S109, the
ステップS110において、ECU60は、バタフライ弁32を通常に制御する。
具体的には、ステップS109からステップS110に進んだ場合、ECU60は、今回の起動時の全閉角度θ11を制限値とし、基準全開角度θ2との間で、バタフライ弁32を制御する。一方、ステップS108の判定結果がNoとなって、ステップS110に進んだ場合、ECU60は、過去の起動時おいてステップS109で記憶された全閉角度θ11を制限値とし、基準全開角度θ2との間で、バタフライ弁32を制御する。
そして、ECU60の処理はエンドに進む。
In step S110, the
Specifically, when the process proceeds from step S109 to step S110, the
Then, the processing of the
≪システム起動時の効果≫
このような燃料電池システム1によれば、IG51のON信号を検知し、ECU60が燃料電池スタック10の起動(発電開始)を指示した場合において、バタフライ弁32が凍結していると判定されるとき(S101・Yes)、弁体34を所定回数にて往復作動させるので(S102)、バタフライ弁32内の氷を除去し、凍結を適切に解消することができる。
≪Effect at system startup≫
According to such a fuel cell system 1, when it is determined that the
一方、このような氷の除去を試みたものの、除去されなかった場合(S104・Yes)、今回起動時の全閉角度θ11を制限値として弁体34を制御するので(S106)、モータ35に過剰な負荷がかかることを防止できる。そして、このように弁体34を制御している場合において、バタフライ弁32の凍結が解消したとき(S108・No)、通常制御に移行し、バタフライ弁32を適切に制御できる。
On the other hand, when such ice removal is attempted but not removed (Yes in S104), the
≪システム停止時の動作≫
次に、燃料電池システム1の停止時の動作について、図3を参照して説明する。
IG51がOFFされると、図3のフローチャートに示す処理がスタートする。具体的には、IG51のOFF信号を検知したECU60は、遮断弁22を閉じると共に、コンプレッサ31を停止し、燃料電池スタック10の発電を停止する。また、ECU60は、冷媒ポンプ41を停止する。
<< Operation when the system is stopped >>
Next, the operation when the fuel cell system 1 is stopped will be described with reference to FIG.
When the
ステップS201において、ECU60は、ステップS101と同様に、バタフライ弁32の現在の温度T11と、基準温度T1とに基づいて、バタフライ弁32が凍結しているか否か、つまり、バタフライ弁32の正規の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する。
そして、現在の温度T11が基準温度T1以下である場合、バタフライ弁32は凍結していると判定し(S201・Yes)、ECU60の処理はステップS202に進む。一方、現在の温度T11が基準温度T1以下でない場合、バタフライ弁32は凍結していないと判定し(S201・No)、ECU60の処理はエンドに進み、停止時の制御を終了する。
In step S201, the
When the current temperature T11 is equal to or lower than the reference temperature T1, it is determined that the
ステップS202において、ECU60は、ステップS102と同様に、更新済みの全閉角度θ11に基づいて、弁体34を、開方向及び閉方向に所定回数にて往復作動させる。詳細には、閉方向については、更新済みの全閉角度θ11が制限値となるように、ECU60は、モータ35への印加電圧を制御する。なお、所定回数は、事前試験等により求められ、例えば2〜5回程度に設定され、ECU60に予め記憶されている。このように往復作動する弁体34によって、弁体34の正規の作動範囲に存在する氷が除去される可能性がある。
その後、ECU60の処理は、エンドに進み、停止時の制御を終了する。
In step S202, the
Thereafter, the process of the
≪システム停止時の効果≫
このような燃料電池システム1によれば、ECU60が燃料電池スタック10の(発電)停止を指示した場合において、バタフライ弁32が凍結していると判定されるとき(S201・Yes)、弁体34を所定回数にて往復作動させるので(S202)、バタフライ弁32内の氷を除去することができる。これにより、システム停止中における氷の成長を抑制することができる。
また、システム起動時において、ステップS108の判定がNoとなる前、バタフライ弁32内の氷の解氷前にIG51がOFFされたとしても、凍結していると判定された場合(S201・Yes)、ステップS202で氷を除去することができる。
≪Effect when system stops≫
According to such a fuel cell system 1, when it is determined that the
Further, at the time of system startup, even if the
≪第2実施形態≫
次に本発明の第2実施形態について、図8を参照して説明する。第2実施形態では、ECU60に記憶されている制御プログラムが一部異なり、燃料電池システムの起動時において、バタフライ弁32の温度T11に基づいて、バタフライ弁32の凍結判定をせずに、弁体34の全閉角度θ11を検出する。そして、氷を噛んだ場合、バタフライ弁32が凍結していると判定し、次いで、弁体34を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させ、凍結の解消を図ることを特徴する。以下、第1実施形態と異なる部分を主に説明する。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, the control program stored in the
IG51がONされると、図8のフローチャートに示す処理がスタートする。具体的には、ECU60は、遮断弁22を開くと共に、コンプレッサ31を作動させ、燃料電池スタック10の発電を開始させると共に、冷媒ポンプ41を作動させる。
そして、第2実施形態では、ECU60の処理は、凍結判定処理(S101、図2参照)と、凍結していると判定された場合におけるステップS102の弁体34の作動処理(S102、図2参照)を行わずに、ステップS103に進む。
ステップS103において、ECU60は、バタフライ弁32の全閉角度θ11を検出する。
When the
And in 2nd Embodiment, the process of ECU60 is the freezing determination process (S101, refer FIG. 2), and the operation | movement process (S102, refer FIG. 2) of the
In step S103, the
そして、ステップS104において、ステップS103で検出された今回起動時の全閉角度θ11と、基準全閉角度θ1との差の絶対値が、所定角度差Δθ1よりも大きいか否かを判定する。
前記絶対値が所定角度差Δθ1よりも大きいと判定された場合(S104・Yes)、ECU60の処理はステップS301に進む。この場合は、弁体34の正規の作動範囲に氷等の異物が存在し、バタフライ弁32が凍結していると判定される場合である。
一方、前記絶対値が所定角度差Δθ1よりも大きくない(S104・No)、つまり、前記絶対値が所定角度差Δθ1以下である場合、ECU60の処理はステップS109に進み、第1実施形態と同様に制御する。なお、後記するステップ302の判定がNoとなり、ステップS103において、複数回、全閉角度θ11が検出されている場合、最後に検出した全閉角度θ11を、ステップS109で記憶する。
Then, in step S104, it is determined whether or not the absolute value of the difference between the fully closed angle θ11 at the current activation detected in step S103 and the reference fully closed angle θ1 is larger than a predetermined angle difference Δθ1.
When it is determined that the absolute value is larger than the predetermined angle difference Δθ1 (S104 / Yes), the process of the
On the other hand, if the absolute value is not larger than the predetermined angle difference Δθ1 (S104 · No), that is, if the absolute value is equal to or smaller than the predetermined angle difference Δθ1, the process of the
ステップS301において、ECU60は、ステップS104の判定がYesとなった回数を数えるため、カウンタを1回加算する。
In step S301, the
ステップS302において、ECU60は、カウンタ(S104の判定がYesとなった累積回数)が、所定値(2回以上)であるか否かを判定する。
そして、カウンタが所定値以上である場合(S302・Yes)、ECU60の処理はステップS303に進む。
一方、カウンタが所定値以上でない場合(S302・No)、ECU60の処理はステップS103に進む。ここで、ステップS302の判定がNoとなった場合に進むステップS103において、ECU60は、再度、弁体34の全閉角度θ11を検出する。さらに、このようにステップS103において、再度、全閉角度θ11を検出する場合、ECU60は、弁体34を開方向及び閉方向に、所定回数(2回以上)にて、往復作動させる。
In step S302, the
If the counter is equal to or greater than the predetermined value (S302 / Yes), the process of the
On the other hand, when the counter is not equal to or greater than the predetermined value (S302, No), the process of the
ステップS303において、ECU60は、カウンタをリセットする。
ステップS105において、ECU60は、ステップS103で検出された今回起動時の全閉角度θ11を記憶する。なお、ステップS302の判定がNoとなり、複数回、ステップS103を経由している場合は、最後に検出された全閉角度θ11を、今回起動時の全閉角度θ11として記憶する。
その後、ECU60の処理は、ステップS106、S107…に順に進み、第1実施形態と同様に処理を進める。
In step S303, the
In step S105, the
Thereafter, the process of the
このような第2実施形態に係る燃料電池システムによれば、ステップS103で検出された全閉角度θ11と基準全閉角度θ1との差の絶対値が所定角度差Δθ1よりも大きく(S104・Yes)、バタフライ弁32が凍結していると判定され、かつ、カウンタが所定値(≧2回)以上でない場合(S302・No)、ステップS103に戻って、弁体34を、開方向及び閉方向に、所定回数(2回以上)にて往復作動させる。これにより、弁体34の正規の作動範囲に存在する氷を除去し、凍結の解消を図ることができる。また、このような構成とすることにより、温度センサ43を省略することもできる。
In the fuel cell system according to the second embodiment, the absolute value of the difference between the fully closed angle θ11 detected in step S103 and the reference fully closed angle θ1 is larger than the predetermined angle difference Δθ1 (S104 · Yes). ), When it is determined that the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, For example, it can change as follows in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
前記した第2実施形態では、燃料電池スタック10の起動時(IG51のON時)における弁体34の全閉角度θ11を検出しつつ、氷等の除去を図り、この全閉角度θ11と基準全閉角度θ1とを比較・判定し、この判定結果に基づいて、起動時における全閉角度θ11を制限値として、弁体34を制御する構成を例示したが、この技術を弁体34の全開角度について適用してもよい。
In the second embodiment described above, ice or the like is removed while detecting the fully closed angle θ11 of the
すなわち、起動時において、弁体34の全開角度(全開位置)を検出しつつ、氷の除去を図り、この全開角度と基準全開角度θ2との差が、所定角度差よりも大きいか否かを判定し、大きい場合には、過去の起動時における更新済みの全開角度を基準、今回起動時の全開角度を制限値として、弁体34を制御するようにしてもよい。
また、全閉角度と全開角度との両方に本発明を適用してもよい。
That is, at the time of start-up, ice is removed while detecting the full open angle (full open position) of the
Further, the present invention may be applied to both the fully closed angle and the fully open angle.
前記した実施形態では、ステップS104の判定がNoとなった後、バタフライ弁32の温度T11が上昇し、ステップS108の判定がNoとなるまで、今回起動時の全閉角度θ11を制限値として弁体34を制御する構成を例示したが(S104)、例えば、バタフライ弁32の温度T11が基準温度T1以下であっても(S108・Yes)、温度T11の上昇に伴って、解氷が進んだと予測し、弁体34の作動範囲が広がるように、制限値としている弁体34の全閉角度を補正する構成としてもよい。
In the above-described embodiment, after the determination in step S104 becomes No, the temperature T11 of the
前記した実施形態では、バタフライ弁32がカソード流路12の下流に配置された構成を例示したが、バタフライ弁32がアノード流路11の下流に配置された構成でもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
前記した実施形態では、冷媒がバタフライ弁32を経由し、バタフライ弁32から排出された冷媒の温度を検出する温度センサ43によって、バタフライ弁32の温度T11が検出される構成を例示したが、バタフライ弁32の温度T11を検出方法はこれに限定されず、例えば、外気温センサが検出する外気温度に基づいて、間接的に推定する構成でもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the temperature T11 of the
前記した実施形態では、流量制御弁がバタフライ弁32である場合を例示したが、流量制御弁は、これに限定されず、その他に例えば、ニードル弁であってもよい。
In the above-described embodiment, the case where the flow control valve is the
前記した実施形態では、燃料電池システム1が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムに組み込んでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。 In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle is illustrated. However, for example, the fuel cell system 1 may be incorporated in a fuel cell system mounted on a motorcycle, a train, or a ship. Moreover, a stationary fuel cell system for home use or a fuel cell system incorporated in a hot water supply system may be used.
1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック
21 水素タンク
32 バタフライ弁(流量制御弁)
34 弁体
35 モータ
36 角度センサ
43 温度センサ(温度検出手段)
60 ECU
T11 バタフライ弁の温度
1
34
60 ECU
T11 butterfly valve temperature
Claims (3)
前記燃料電池から排出されたガスが流れる排出ガス流路に配置され、流量を制御する流量制御弁と、
前記燃料電池の起動を指示する起動指示手段と、
前記流量制御弁の弁体の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する氷判定手段と、
前記起動指示手段が起動を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる起動時往復作動手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying reactive gas;
A flow rate control valve that is disposed in an exhaust gas passage through which the gas discharged from the fuel cell flows and controls the flow rate;
Start instruction means for instructing start of the fuel cell;
Ice determining means for determining whether ice is present in the operating range of the valve body of the flow control valve;
When the activation instruction means instructs activation, when the ice determination means determines that ice is present in the operation range, the valve element is reciprocated at a plurality of times in the opening direction and the closing direction. Means,
A fuel cell system comprising:
前記停止指示手段が停止を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる停止時往復作動手段と、
を備え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。 Stop instruction means for instructing stoppage of power generation of the fuel cell;
When the stop instructing means instructs to stop, when the ice determining means determines that ice is present in the operating range, the valve body is reciprocated at a plurality of times in the opening direction and the closing direction. Means,
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記燃料電池から排出されたガスが流れる排出ガス流路に配置され、流量を制御する流量制御弁と、
前記燃料電池の停止を指示する停止指示手段と、
前記流量制御弁の弁体の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する氷判定手段と、
前記停止指示手段が停止を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる停止時往復作動手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying reactive gas;
A flow rate control valve that is disposed in an exhaust gas passage through which the gas discharged from the fuel cell flows and controls the flow rate;
Stop instruction means for instructing stop of the fuel cell;
Ice determining means for determining whether ice is present in the operating range of the valve body of the flow control valve;
When the stop instructing means instructs to stop, when the ice determining means determines that ice is present in the operating range, the valve body is reciprocated at a plurality of times in the opening direction and the closing direction. Means,
A fuel cell system comprising:
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