JP2009117225A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムでは、燃料電池内で可燃性の燃料ガスを消費する。したがって、安全性を確保するために燃料ガスの取り扱いに十分配慮する必要がある。下記特許文献1または2には、燃料電池を搭載した燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)において、車両の衝突を検知した場合または車両が衝突する可能性が高いと判断した場合には、燃料ガスの供給を遮断する技術が開示されている。
ところで、燃料ガスの供給は、燃料供給流路に設けられた制御弁を開閉することによって制御される。この制御弁の開閉は、車両に搭載されたECU(Engine Control Unit)によって制御される。したがって、燃料ガスを供給しているときにECUに異常が生じた場合には、制御弁を開閉することができなくなることも考えられ、そのような場合には燃料ガスの供給を遮断することができなくなってしまう。 By the way, the supply of the fuel gas is controlled by opening and closing a control valve provided in the fuel supply channel. The opening and closing of the control valve is controlled by an ECU (Engine Control Unit) mounted on the vehicle. Therefore, if an abnormality occurs in the ECU while supplying fuel gas, it may be impossible to open and close the control valve. In such a case, the supply of fuel gas may be shut off. It becomes impossible.
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料ガスの供給を制御する制御手段に異常が生じた場合であっても、燃料ガスの供給を確実に遮断することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems caused by the prior art, and even when an abnormality occurs in the control means for controlling the supply of the fuel gas, the supply of the fuel gas is surely cut off. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can be used.
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料ガスを燃料供給源から燃料電池に供給するための燃料供給流路と、燃料供給流路に設けられ、燃料電池への燃料ガスの供給を遮断または許容する制御弁と、制御弁の開閉を制御する第一の制御手段と、第一の制御手段による制御弁への制御が可能であるか否かを判定する判定手段と、判定手段によって制御弁への制御が不能であると判定された場合に、制御弁を閉弁させる第二の制御手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that receives supply of a fuel gas and an oxidizing gas and generates electric power by an electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidizing gas, A fuel supply channel for supplying the fuel cell from a supply source; a control valve provided in the fuel supply channel for blocking or permitting the supply of fuel gas to the fuel cell; and a first for controlling the opening and closing of the control valve The control means, the determination means for determining whether the control to the control valve by the first control means is possible, and the control means when the determination means determines that the control valve cannot be controlled. And a second control means for closing the valve.
この発明によれば、燃料電池への燃料ガスの供給を遮断または許容する制御弁を制御する第一の制御手段に異常が生じる等して、第一の制御手段によって実行される制御弁への制御が不能となった場合には、第二の制御手段によって制御弁を閉弁させることができる。すなわち、燃料ガスの供給を制御する第一の制御手段に異常が生じた場合であっても、燃料ガスの供給を確実に遮断することができる。 According to the present invention, an abnormality occurs in the first control means that controls the control valve that shuts off or allows the supply of the fuel gas to the fuel cell. When the control becomes impossible, the control valve can be closed by the second control means. That is, even when an abnormality occurs in the first control unit that controls the supply of the fuel gas, the supply of the fuel gas can be reliably shut off.
上記第一の制御手段と上記第二の制御手段を、それぞれ別個の制御ユニットに収納し、第二の制御手段を収納する制御ユニットは、第一の制御手段を収納する制御ユニットよりも、耐火性および耐衝撃性を高くすることができる。 The first control means and the second control means are housed in separate control units, and the control unit housing the second control means is more fireproof than the control unit housing the first control means. And impact resistance can be increased.
このようにすることで、例えば、衝突等によって第一の制御手段による制御弁への制御が不能となった場合であっても、耐火性および耐衝撃性の高い制御ユニットに収納された第二の制御手段によって制御弁を制御することができるため、第一の制御手段に異常が生じた場合であっても燃料ガスの供給を遮断させる可能性を格段に高めることができる。 In this way, for example, even when the control of the control valve by the first control means becomes impossible due to a collision or the like, the second control unit is housed in a control unit having high fire resistance and impact resistance. Since the control valve can be controlled by this control means, the possibility of shutting off the supply of fuel gas can be greatly increased even when an abnormality occurs in the first control means.
本発明によれば、燃料ガスの供給を制御する制御手段に異常が生じた場合であっても、燃料ガスの供給を確実に遮断することができる。 According to the present invention, even if an abnormality occurs in the control means for controlling the supply of fuel gas, the supply of fuel gas can be reliably shut off.
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして用いた場合について説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell system according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings. This embodiment demonstrates the case where the fuel cell system which concerns on this invention is used as a vehicle-mounted power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle).
本実施形態における燃料電池システムは、燃料ガスの供給を制御する制御部に異常が生じ、制御部が燃料ガスの供給を遮断することができなくなった場合であっても、制御部とは別に設けられた予備制御部によって燃料ガスの供給を確実に遮断させることを特徴とする。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。 The fuel cell system according to the present embodiment is provided separately from the control unit even when an abnormality occurs in the control unit that controls the supply of the fuel gas and the control unit cannot stop the supply of the fuel gas. The supply of fuel gas is surely cut off by the prepared preliminary control unit. Hereinafter, the configuration and operation of the fuel cell system having such characteristics will be described in detail.
図1を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図1は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。 With reference to FIG. 1, the structure of the fuel cell system in this embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to an embodiment.
同図に示すように、燃料電池システム1は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により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を燃料電池2に供給する水素ガス配管系4と、システム全体を統括制御する制御部5と、制御部5の一部の機能を有する予備制御部6とを有する。燃料電池2および水素ガス配管系4により水素ガス供給機構が構成される。
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas that is a reactive gas and the fuel gas, and an oxidizing gas that supplies air as the oxidizing gas to the fuel cell 2. A piping system 3; a hydrogen gas piping system 4 for supplying hydrogen as fuel gas to the fuel cell 2; a
燃料電池2は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、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、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、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、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池2で発電された直流電力の一部は、DC/DCコンバータ(不図示)によって降圧され、バッテリである二次電池(不図示)に充電される。 The fuel cell 2 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell, and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The single cell has an air electrode on one surface of an electrolyte composed of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and a structure having a pair of separators so as to sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. It has become. In this case, hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas flow path of one separator, oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and electric power is generated by the chemical reaction of these reaction gases. Part of the direct-current power generated by the fuel cell 2 is stepped down by a DC / DC converter (not shown) and charged to a secondary battery (not shown) that is a battery.
酸化ガス配管系3は、フィルタ30を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ31と、酸化ガスを燃料電池2に供給するための空気供給流路32と、燃料電池2から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路33とを有する。空気供給流路32および空気排出流路33には、コンプレッサ31から圧送された酸化ガスを燃料電池2から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器34が設けられている。この加湿器34で水分交換等された酸化オフガスは、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。
The oxidizing gas piping system 3 compresses air taken in through the
水素ガス配管系4は、高圧(例えば、70MPa)の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク40と、水素タンク40の水素ガスを燃料電池2に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路41と、燃料電池2から排出された水素オフガスを水素供給流路41に戻すための循環流路42とを有する。なお、水素タンク40は、本発明における燃料供給源の一実施形態である。本実施形態における水素タンク40に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。
The hydrogen gas piping system 4 includes a
水素供給流路41には、水素タンク40からの水素ガスの供給を遮断または許容する水素サブバルブ43および水素メインバルブ44と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ45と、が設けられている。水素サブバルブ43は、水素タンク40が複数ある場合に、水素供給流路41のうち、水素タンク40ごとに分岐した流路上に設けられる制御弁であり、水素メインバルブ44は、水素タンク40ごとに分岐した流路が合流した水素供給流路41上に設けられる制御弁である。
In the
循環流路42には、循環流路42内の水素オフガスを加圧して水素供給流路41側へ送り出す水素ポンプ46が設けられている。また、循環流路42には、気液分離器47および排気排水弁48を介して排出流路49が接続されている。気液分離器47は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁48は、制御部5からの指令に従って、気液分離器47で回収された水分と循環流路42内の不純物を含む水素オフガスとを排出(パージ)する。排気排水弁48から排出された水素オフガスは、希釈器50によって希釈されて空気排出流路33内の酸化オフガスと合流する。
The
制御部5は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量)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、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ31や水素ポンプ46のモータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等が含まれる。
The
制御部5(第一の制御手段)は、水素サブバルブ43および水素メインバルブ44の開閉を制御する。
The control unit 5 (first control means) controls opening and closing of the
制御部5(判定手段)は、水素サブバルブ43への制御が可能であるか否かを判定し、水素サブバルブ43への制御が不能であると判定した場合に、後述する予備制御部6に水素メインバルブ44を制御するように依頼する制御依頼信号を送信する。水素サブバルブ43への制御が可能であるか否かを判定する方法としては、例えば、以下のような方法を採用することができる。制御部5が水素サブバルブ43に閉弁指示信号を送信し、その応答として水素サブバルブ43から閉弁完了信号を受信することができなかった場合に、水素サブバルブ43への制御が不能であると判定する。
The control unit 5 (determination means) determines whether or not the control to the
ここで、制御部5は、物理的には、例えば、CPUと、CPUで処理される制御プログラムや制御データを記憶するROMやHDDと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAMと、入出力インターフェースとを有し、これらの要素は制御ユニットであるECUに収納される。制御部5を物理的に構成する各要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサ、電流センサおよび電圧センサ等の各種センサや、後述する予備制御部6のCPUとの通信モジュールが接続されているとともに、コンプレッサ31、水素サブバルブ43、水素メインバルブ44、水素ポンプ46および排気排水弁48等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
Here, the
制御部5のCPUは、ROMに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して圧力センサや電流センサ、電圧センサでの検出結果を受信し、RAM内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム1の水素ガス遮断処理等を制御する。また、CPUは、入出力インターフェースを介して各種ドライバや予備制御部6のCPUに制御信号を出力することにより、燃料電池システム1全体を制御する。
The CPU of the
予備制御部6(第二の制御手段)は、制御部5から送信された制御依頼信号を受信した場合に、水素メインバルブ44を閉弁させる。
The preliminary control unit 6 (second control means) closes the hydrogen
ここで、予備制御部6は、物理的には、例えば、CPUと、CPUで処理される制御プログラムや制御データを記憶するROMやHDDと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAMと、入出力インターフェースと、補助バッテリとを有し、これらの要素は耐火性および耐衝撃性の高い機器(例えば、水素漏れ検知器、炎検知器)と一体化された制御ユニットに収納される。予備制御部6を物理的に構成する各要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、制御部5のCPUとの通信モジュールが接続されているとともに、水素メインバルブ44等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
Here, the preliminary control unit 6 is physically used as, for example, a CPU, a ROM or HDD for storing control programs and control data processed by the CPU, and various work areas mainly for control processing. RAM, input / output interface, and auxiliary battery, these elements are housed in a control unit integrated with fireproof and shock resistant equipment (eg hydrogen leak detector, flame detector). The The elements that physically configure the spare control unit 6 are connected to each other via a bus. A communication module with the CPU of the
予備制御部6のCPUは、ROMに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して制御部5のCPUから制御依頼信号を受信し、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、水素メインバルブ44等を制御する。また、予備制御部6のCPUは、車両に搭載されているメインバッテリが出力不能になった場合に、補助バッテリを用いて水素メインバルブ44を駆動させる。
The CPU of the preliminary control unit 6 receives a control request signal from the CPU of the
次に、図2に示すフローチャートを用いて、実施形態における燃料電池システムの水素ガス遮断処理について説明する。 Next, the hydrogen gas cutoff processing of the fuel cell system in the embodiment will be described using the flowchart shown in FIG.
最初に、制御部5は、水素サブバルブ43が制御可能であるか否かを判定する(ステップS1)。この判定がYESである場合(ステップS1;YES)には、ステップS1の処理を繰り返す。
First, the
一方、上記ステップS1において水素サブバルブ43が制御不能であると判定された場合(ステップS1;NO)に、制御部5は、水素メインバルブ44を制御するように依頼する制御依頼信号を予備制御部6に送信する(ステップS2)。制御依頼信号を受信した予備制御部6は、水素メインバルブ44を閉弁させる(ステップS3)。
On the other hand, when it is determined in step S1 that the
上述してきたように、実施形態における燃料電池システム1によれば、燃料電池2への水素ガスの供給を遮断または許容する水素サブバルブ43および水素メインバルブ44を制御する制御部5に異常が生じる等して、制御部5によって実行される水素サブバルブ43への制御が不能となった場合には、予備制御部6によって水素サブバルブ43を閉弁させることができる。すなわち、水素ガスの供給を制御する制御部5に異常が生じた場合であっても、水素ガスの供給を確実に遮断することができ、安全性を確保することができる。
As described above, according to the fuel cell system 1 in the embodiment, an abnormality occurs in the
また、制御部5を物理的に構成する各要素は、ECUに収納され、予備制御部6を物理的に構成する各要素は、耐火性および耐衝撃性の高い水素漏れ検知器や炎検知器と一体化された制御ユニットに収納されるため、例えば、衝突等によってECUと水素サブバルブ43との間を接続するワイヤーハーネスがショートする等して、水素サブバルブ43への制御が不能となった場合であっても、耐火性および耐衝撃性の高い機器と一体化されたことで衝突時の生存可能性が高い制御ユニットによって水素メインバルブ44を閉弁することができる。それゆえに、ECUに異常が生じた場合であっても水素ガスの供給を遮断させる可能性を格段に高めることができる。
Each element that physically configures the
なお、上述した実施形態では、制御部5が予備制御部6に制御依頼信号を送信する際の要件として、水素サブバルブ43への制御が不能になることを用いて説明しているが、これに限定されない。例えば、水素サブバルブ43に加えて水素メインバルブ44の制御も不能である場合に、制御依頼信号を送信することとしてもよい。すなわち、制御部5によって、燃料電池2への水素ガスの供給を遮断することができなくなった場合に、制御依頼信号を送信することができればよい。
In the above-described embodiment, the description has been made using the fact that the control to the
また、上述した実施形態では、予備制御部6が閉弁させる対象として水素メインバルブ44を用いて説明しているが、これに限定されず、水素供給流路41上に設けられた水素バルブであればよい。すなわち、制御部5による水素バルブの制御が不能になったときに、燃料電池2への水素ガスの供給を遮断することができればよい。したがって、例えば、全ての水素サブバルブ43を閉弁させることとしてもよい。ただし、閉弁させる水素バルブの位置が燃料電池2に近いほど、水素タンク40と水素バルブとの間の水素供給流路41が長くなるため、水素供給流路41内に残留するより多くの水素ガスを密封させることができる。
In the above-described embodiment, the hydrogen
また、上述した実施形態では、予備制御部6を物理的に構成する各要素が、耐火性および耐衝撃性の高い水素漏れ検知器や炎検知器と一体化された制御ユニットに収納されているが、これに限定されない。例えば、予備制御部6を物理的に構成する各要素を、ECUとは別体の制御ユニットであって、ECUよりも耐火性および耐衝撃性の高い制御ユニットに収納させることとしてもよい。 Further, in the above-described embodiment, each element that physically configures the preliminary control unit 6 is housed in a control unit that is integrated with a hydrogen leak detector and a flame detector having high fire resistance and impact resistance. However, it is not limited to this. For example, each element that physically configures the preliminary control unit 6 may be housed in a control unit that is separate from the ECU and has higher fire resistance and impact resistance than the ECU.
また、上述した各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場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)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することもできる。 Further, in each of the above-described embodiments, the case where the fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle has been described. However, various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle are also described. The fuel cell system according to the present invention can be applied. Moreover, the fuel cell system according to the present invention can also be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for buildings (houses, buildings, etc.).
1…燃料電池システム、2…燃料電池、3…酸化ガス配管系、4…水素ガス配管系、5…制御部、6…予備制御部、30…フィルタ、31…コンプレッサ、32…空気供給流路、33…空気排出流路、34…加湿器、40…水素タンク、41…水素供給流路、42…循環流路、43…水素サブバルブ、44…水素メインバルブ、45…レギュレータ、46…水素ポンプ、47…気液分離器、48…排気排水弁、49…排出流路、50…希釈器。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 3 ... Oxidation gas piping system, 4 ... Hydrogen gas piping system, 5 ... Control part, 6 ... Preliminary control part, 30 ... Filter, 31 ... Compressor, 32 ... Air supply flow path , 33 ... Air discharge flow path, 34 ... Humidifier, 40 ... Hydrogen tank, 41 ... Hydrogen supply flow path, 42 ... Circulation flow path, 43 ... Hydrogen sub-valve, 44 ... Hydrogen main valve, 45 ... Regulator, 46 ...
Claims (2)
前記燃料ガスを燃料供給源から前記燃料電池に供給するための燃料供給流路と、
前記燃料供給流路に設けられ、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を遮断または許容する制御弁と、
前記制御弁の開閉を制御する第一の制御手段と、
前記第一の制御手段による前記制御弁への制御が可能であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記制御弁への制御が不能であると判定された場合に、前記制御弁を閉弁させる第二の制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that receives supply of the fuel gas and the oxidizing gas and generates electric power by an electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidizing gas;
A fuel supply flow path for supplying the fuel gas from a fuel supply source to the fuel cell;
A control valve provided in the fuel supply flow path, for blocking or allowing the supply of the fuel gas to the fuel cell;
First control means for controlling opening and closing of the control valve;
Determination means for determining whether or not control to the control valve by the first control means is possible;
Second control means for closing the control valve when the determination means determines that control of the control valve is impossible;
A fuel cell system comprising:
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CN117423857A (en) * | 2023-10-19 | 2024-01-19 | 上海舜华新能源系统有限公司 | Control system and control method of high-capacity hydrogen storage system |
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- 2007-11-08 JP JP2007290406A patent/JP2009117225A/en active Pending
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CN117423857A (en) * | 2023-10-19 | 2024-01-19 | 上海舜华新能源系统有限公司 | Control system and control method of high-capacity hydrogen storage system |
CN117423857B (en) * | 2023-10-19 | 2024-05-28 | 上海舜华新能源系统有限公司 | Control system and control method of high-capacity hydrogen storage system |
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