JP2010192146A - Driving method of electric valve used for fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに用いられる電動バルブの駆動方法、特に、低温起動時において、電動バルブを許容温度以上に昇温してから駆動する技術に関する。 The present invention relates to a driving method for an electric valve used in a fuel cell system, and more particularly to a technique for driving an electric valve after raising the temperature to an allowable temperature or more at low temperature startup.
燃料電池システムの起動時、特に、氷点下のような低気温における起動時おいては、アノードのガス流路中に残存するガス(生成水、窒素、および、水素の混合ガス)を早期に排出し、所望の水素濃度を確保することにより、燃料電池システムの発電の安定化を図ることが求められる。 When the fuel cell system starts up, especially at low temperatures such as below freezing, the gas remaining in the anode gas passage (mixed gas of produced water, nitrogen and hydrogen) is discharged early. Therefore, it is required to stabilize the power generation of the fuel cell system by securing a desired hydrogen concentration.
しかしながら、排出用の電動バルブの温度が低く、特に、氷点下のような場合には、電動バルブを開弁して、上記混合ガスを排出しようとしても、生成水が電動バルブ内で凍結してしまい、開弁不可とり、また、閉弁不可となるなどの不具合が発生する可能性がある。開弁できなければ混合ガスを排出できず、発電の安定性を確保できないという問題がある。また、閉弁できなければ、燃料ガスとして導入した高濃度の水素が循環利用されることなく、そのまま排出されてしまうという問題がある。また、エネルギー利用効率の観点からも望ましくない。 However, when the temperature of the electric valve for discharge is low, especially when the temperature is below freezing point, even if the electric valve is opened and the mixed gas is discharged, the generated water is frozen in the electric valve. There is a possibility that troubles such as valve opening impossible and valve closing impossible occur. If the valve cannot be opened, the mixed gas cannot be discharged, and there is a problem that the stability of power generation cannot be secured. Further, if the valve cannot be closed, there is a problem that the high-concentration hydrogen introduced as the fuel gas is discharged without being recycled. Moreover, it is not desirable from the viewpoint of energy utilization efficiency.
従来から、電動バルブの温度を昇温させる方法の一つとして、燃料電池スタックの冷媒に吸収された廃熱を電動バルブに与えて電動バルブの温度を昇温させる方法が考えられている。しかしながら、この方法では、冷媒が燃料電池スタックの熱を吸収して温まるまでは、電動バルブの昇温に効果を与えることができない、という問題がある。また、燃料電池スタックの冷媒を電動バルブに導くための配管を用意する必要性があり、電動バルブの小型化およびコスト低減の点でも問題がある。 Conventionally, as one method of raising the temperature of the electric valve, a method of raising the temperature of the electric valve by applying waste heat absorbed by the refrigerant of the fuel cell stack to the electric valve has been considered. However, this method has a problem that the temperature of the electric valve cannot be increased until the refrigerant is heated by absorbing the heat of the fuel cell stack. In addition, it is necessary to prepare a pipe for guiding the refrigerant of the fuel cell stack to the electric valve, which is problematic in terms of downsizing and cost reduction of the electric valve.
他の方法として、電動バルブに昇温用のヒーターを内蔵あるいは外設する方法も考えられるが、ヒーターのサイズが大きくなるため、電動バルブの小型化およびコスト低減の点で、同様に、問題がある。 As another method, there is a method of incorporating or externally installing a heater for raising the temperature in the electric valve. However, since the size of the heater is increased, there is a similar problem in terms of downsizing the electric valve and reducing the cost. is there.
本発明は、電動バルブの構造や燃料電池システムを大型化することなく、容易に電動バルブの温度を昇温させることが可能な技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique which can raise the temperature of an electric valve easily, without enlarging the structure of an electric valve and a fuel cell system.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料電池システムに用いられる電動バルブの駆動方法であって、
前記燃料電池システムの起動時における前記電動バルブの温度が許容温度未満であった場合には、前記電動バルブに印加するバルブ印加電圧を、前記電動バルブの開弁に用いられる第1の電圧から、前記第1の電圧よりも低く、前記電動バルブを開弁させることができない第2の電圧に変更して、前記電動バルブの温度を昇温させることにより、前記電動バルブの温度を前記許容温度以上とした後で、前記バルブ印加電圧を、前記第2の電圧から前記第1の電圧に変更して、前記電動バルブの開弁を実行する
ことを特徴とする電動バルブの駆動方法。
適用例1の電動バルブの駆動方法によれば、電動バルブの開弁に用いられる第1の電圧よりも低く、電動バルブを開弁させることができない第2の電圧を、バルブ印加電圧として印加させることにより、電動バルブにおいて発生する熱損失を用いて電動バルブの温度を昇温させることができる。これにより、電動バルブの構造や燃料電池システムを大型化することなく、容易に電動バルブの温度を昇温させることが可能である。
[Application Example 1]
A method for driving an electric valve used in a fuel cell system,
When the temperature of the electric valve at the time of starting the fuel cell system is less than an allowable temperature, a valve application voltage to be applied to the electric valve is determined from a first voltage used for opening the electric valve, The temperature of the electric valve is set to be equal to or higher than the allowable temperature by raising the temperature of the electric valve by changing to a second voltage that is lower than the first voltage and cannot open the electric valve. After that, the valve applied voltage is changed from the second voltage to the first voltage, and the electric valve is opened.
According to the driving method of the electric valve of Application Example 1, the second voltage that is lower than the first voltage used for opening the electric valve and cannot open the electric valve is applied as the valve application voltage. Thus, the temperature of the electric valve can be raised using heat loss generated in the electric valve. Thereby, it is possible to easily raise the temperature of the electric valve without increasing the structure of the electric valve and the fuel cell system.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムに用いられる電動バルブの駆動方法、燃料電池システムに用いられる電動バルブの駆動装置、燃料電池システムなどの種々の形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms, for example, various driving methods for electric valves used in fuel cell systems, electric valve driving devices used in fuel cell systems, fuel cell systems, and the like. It is possible to realize in the form.
本発明の実施の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.変形例:
Embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Second embodiment:
C. Variation:
A.実施例:
図1は、燃料電池システムにおける本発明の第1実施例としての電動バルブ駆装置の概要を示す説明図である。本実施例における電動バルブ駆動装置100は、ソレノイドバルブ(電磁弁)と呼ばれる電動バルブ10の2つの入力端子b1,b2に電動バルブ10の弁を開閉するための入力電圧Vvinを供給して、電動バルブ10の弁の開閉を実行するものである。このバルブ駆動装置100は、具体的には、バッテリー20と、電圧昇圧回路30と、駆動制御回路40と、で構成されている。
A. Example:
FIG. 1 is an explanatory view showing an outline of an electric valve driving device as a first embodiment of the present invention in a fuel cell system. The electric
バッテリー20は、燃料電池システムの動作時において蓄電される蓄電池が利用される。バッテリー20は、駆動制御回路40に供給する第1のバッテリー電圧Vb0と、電圧昇圧回路30に供給する第2のバッテリー電圧Vb1と、を出力する。なお、第1と第2のバッテリー電圧の値は同じであってもよい。
The
電圧昇圧回路30は、バッテリーの第2のバッテリー電圧Vb1を昇圧して、バルブ駆動電圧Vdrvを生成する。なお、このバルブ駆動電圧Vdrvは、電動バルブ10の開弁が可能な電圧として許容される範囲Vvlv(max)〜Vvlv(min)内の電圧(以下、「許容駆動電圧」と呼ぶ)に設定される。
The
駆動制御回路40には、第1のバッテリー電圧Vb0がバルブ昇温用電圧Vhtとして入力される。また、駆動制御回路40には、電圧昇圧回路30で生成されたバルブ駆動電圧Vdrvが入力される。なお、バルブ昇温用電圧Vhtは電動バルブ10を開弁させることが不可な電圧、すなわち、許容駆動電圧の最低値Vvlv(min)(以下、「最低駆動電圧」と呼ぶ)よりも低い電圧に設定されている。なお、通常、バッテリーから出力される第1のバッテリー電圧Vb0をバルブ駆動電圧として利用するため、本実施例では、最低駆動電圧Vvlv(min)がバッテリー20の第1のバッテリー電圧Vb0よりも高い許容駆動範囲Vvlv(max)〜Vvlv(min)を有するバルブを利用する必要がある。例えば、バッテリー20から出力される第1のバッテリー電圧Vb0が12Vであるとすると、例えば、バルブとしては、最低駆動電圧Vvlv(min)が12Vよりも高いバルブを利用することとなる。そして、電圧昇圧回路30により12Vよりも高いバルブ駆動電圧を生成することとなる。
The first battery voltage Vb0 is input to the
駆動制御回路40は、電圧選択スイッチSWbtおよび駆動スイッチSWdrvを有しており、電動バルブ10に設けられた温度センサー12によって測定するバルブの温度に基づいて、これらのスイッチSwbt,SWdrvを制御することにより、以下で説明するように、電動バルブ10の入力電圧Vvinとして供給する電圧を制御する。
The
図2は、バルブ駆動装置100の動作を示す説明図であり、図2(A)は昇温実行時、図2(B)は開閉実行時を示している。駆動制御回路40は、バルブの温度が低く、バルブの開閉実行不可と判断した場合においては、図2(A)に示した昇温動作を実行する。また、駆動制御回路40は、バルブの開閉実行可と判断した場合においては、図2(B)に示したバルブ開閉動作を実行する。
2A and 2B are explanatory diagrams showing the operation of the
(A)昇温実行時:
昇温実行時において、駆動制御回路40は、図2(A)に示すように、選択スイッチSWbtによって、バッテリー20で生成されたバルブ昇温用電圧Vhtを選択するととともに、駆動スイッチSWdrvを常時閉(オン)として、電動バルブ10の入力端子b1,b2間の入力電圧Vvinとしてバルブ昇温用電圧Vhtを印加する。これにより、電動バルブ10には、バルブのインピーダンスをRvとすると、Pvls=Vht2/Rvなる電力が印加されることになる。この印加された電力Pvlsは、電動バルブ10を開弁することはできないため、熱損失となって電動バルブ10の温度を昇温させることができる。
(A) During temperature increase execution:
At the time of temperature increase execution, as shown in FIG. 2A, the
(B)開閉実行時:
開閉実行時において、駆動制御回路40は、図2(B)に示すように、選択スイッチSWbtによって、電圧昇圧回路30で生成されたバルブ駆動電圧Vdrvを選択する。そして、バルブを開弁する時には、駆動スイッチSWdrvを閉(オン)として、電動バルブ10の入力電圧Vvinとしてバルブ駆動電圧Vdrvを印加する。一方、バルブを閉弁する時には、駆動スイッチSWdrvを開(オフ)として、電動バルブ10の入力電圧Vvinとしてバルブ駆動電圧Vdrvの印加を遮断する。これにより、電動バルブ10にバルブ駆動電圧Vdrvを印加することにより開弁動作を実行し、バルブ駆動電圧Vdrvの印加を遮断することにより閉弁動作を実行することができる。
(B) When opening and closing:
At the time of opening / closing, the
以上のように、本実施例においては、バルブの昇温用に、従来のような冷媒をバルブに導くための配管を用意する必要がなく、また、ヒーターを用意する必要もなく、バルブを開弁することができない程度に低い昇温用電圧を、バルブに印加することにより発生する熱損失により、容易にバルブを昇温することが可能である。 As described above, in this embodiment, it is not necessary to prepare a conventional pipe for guiding the refrigerant to the valve for heating the valve, and it is not necessary to prepare a heater. It is possible to easily raise the temperature of the valve due to the heat loss generated by applying a voltage for raising the temperature so low that the valve cannot be operated.
B.第2実施例:
図3は、燃料電池システムにおける本発明の第2実施例としてのバルブ駆動装置の概要を示す説明図である。本実施例におけるバルブ駆動装置100Aは、バッテリー20の第1のバッテリー電圧Vb0をバルブ駆動電圧Vdrvとし、最低駆動電圧Vvlv(min)より低いバルブ昇温用電圧Vhtを生成するために、電圧昇圧回路30を電圧降圧回路30Aに置き換えている点が第1実施例のバルブ駆動装置と相違している。なお、通常、バルブの駆動電圧Vdrvとしてバッテリー20の第1のバッテリー電圧Vb0、例えば、12Vを、そのまま利用可能なバルブを用いる場合が多く、本実施例の構成の場合には、従来のバルブをそのまま利用できるという利点がある。
B. Second embodiment:
FIG. 3 is an explanatory view showing an outline of a valve driving device as a second embodiment of the present invention in a fuel cell system. In the present embodiment, the
また、本実施例の場合には、上記相違点に対応して、駆動制御回路40Aにおける電圧選択スイッチSWbtおよび駆動スイッチSWdrvの動作が以下で説明するように第1実施例の駆動制御回路40と異なっている。
In the case of the present embodiment, corresponding to the above differences, the operation of the voltage selection switch SWbt and the drive switch SWdrv in the
図4は、バルブ駆動装置100Aの動作を示す説明図であり、図4(A)は昇温実行時、図4(B)は開閉実行時を示している。駆動制御回路40Aは、バルブの温度が低く、バルブの開閉実行不可と判断した場合においては、図A(A)に示した昇温動作を実行する。また、駆動制御回路40Aは、バルブの開閉実行可と判断した場合においては、図4(B)に示したバルブ開閉動作を実行する。
4A and 4B are explanatory views showing the operation of the
(A)昇温実行時:
昇温実行時において、駆動制御回路40Aは、図A(A)に示すように、選択スイッチSWbtによって、電圧降圧回路30Aで生成された第1のバッテリー電圧Vb0であるバルブ昇温用電圧Vhtを選択するととともに、駆動スイッチSWdrvを常時閉(オン)として、電動バルブ10の入力端子b1,b2間の入力電圧Vvinとしてバルブ昇温用電圧Vhtを印加する。これにより、電動バルブ10には、バルブのインピーダンスをRvとすると、Pvls=Vht2/Rvなる電力が印加されることになる。この印加された電力Pvlsは、電動バルブ10を開弁することはできないため、熱損失となって電動バルブ10の温度を昇温させることができる。
(A) During temperature increase execution:
At the time of the temperature increase, the
(B)開閉実行時:
開閉実行時において、駆動制御回路40は、図2(B)に示すように、選択スイッチSWbtによって、バッテリー20で生成された第1のバッテリー電圧Vb0であるバルブ駆動電圧Vdrvを選択する。そして、バルブを開弁する時には、駆動スイッチSWdrvを閉(オン)として、電動バルブ10の入力電圧Vvinとしてバルブ駆動電圧Vdrvを印加する。一方、バルブを閉弁する時には、駆動スイッチSWdrvを開(オフ)として、電動バルブ10の入力電圧Vvinとしてバルブ駆動電圧Vdrvの印加を遮断する。これにより、電動バルブ10にバルブ駆動電圧Vdrvを印加することにより開弁動作を実行し、バルブ駆動電圧Vdrvの印加を遮断することにより閉弁動作を実行することができる。
(B) When opening and closing:
At the time of opening and closing, the
以上のように、本実施例においても、バルブの昇温用に、従来のような冷媒をバルブに導くための配管を用意する必要がなく、また、ヒーターを用意する必要もなく、バルブを開弁することができない程度に低い昇温用電圧を、バルブに印加することにより発生する熱損失により、容易にバルブを昇温することが可能である。 As described above, in this embodiment as well, it is not necessary to prepare a pipe for leading the refrigerant to the valve as in the prior art for raising the temperature of the valve, and it is not necessary to prepare a heater. It is possible to easily raise the temperature of the valve by heat loss generated by applying a voltage for raising the temperature so low that the valve cannot be operated.
なお、本実施例の場合には、第1実施例のように、第1のバッテリー電圧Vb0をバルブ昇温用電圧Vhtとして、第1のバッテリー電圧Vb0よりも昇圧させたバルブ駆動電圧Vdrvが要求されるバルブを用いるのではなく、第1のバッテリー電圧Vb0をバルブ駆動電圧Vdrvとしてそのまま利用し、バルブ昇温用電圧Vhtとして電圧降圧回路30Aを用いて、第1のバッテリーVb0よりも低い電圧を生成して利用する構成としている。このため、昇温時に電動バルブ10において供給されて熱損失となる電力が、第1実施例の場合に比べて小さくなる。従って、昇温時間の点ででは、第1実施例のほうが第2実施例に比べて有利である。
In the case of the present embodiment, as in the first embodiment, the first battery voltage Vb0 is set as the valve temperature raising voltage Vht, and the valve drive voltage Vdrv boosted from the first battery voltage Vb0 is required. The first battery voltage Vb0 is used as it is as the valve driving voltage Vdrv, and the
C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上記実施例では、説明を容易にするために、バルブ駆動装置で駆動される電動バルブを1つのみ示した図で説明したが、燃料電池システム中には通常複数の電動バルブが設けられており、各電動バルブに対して適宜本実施例のバルブ駆動装置による制御が実行されるようにしてもよい。 In the above embodiment, for ease of explanation, the description has been made with reference to the figure showing only one electric valve driven by the valve driving device. However, a plurality of electric valves are usually provided in the fuel cell system. The control by the valve driving device of this embodiment may be appropriately executed for each electric valve.
10…電動バルブ
12…温度センサー
20…バッテリー
30…電圧昇圧回路
30A…電圧降圧回路
40…駆動制御回路
40A…駆動制御回路
100…バルブ駆動装置
100A…バルブ駆動装置
SWbt…電圧選択スイッチ
SWdrv…駆動スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記燃料電池システムの起動時における前記電動バルブの温度が許容温度未満であった場合には、前記電動バルブに印加するバルブ印加電圧を、前記電動バルブの開弁に用いられる第1の電圧から、前記第1の電圧よりも低く、前記電動バルブを開弁させることができない第2の電圧に変更して、前記電動バルブの温度を昇温させることにより、前記電動バルブの温度を前記許容温度以上とした後で、前記バルブ印加電圧を、前記第2の電圧から前記第1の電圧に変更して、前記電動バルブの開弁を実行する
ことを特徴とする電動バルブの駆動方法。 A method for driving an electric valve used in a fuel cell system,
When the temperature of the electric valve at the time of starting the fuel cell system is less than an allowable temperature, a valve application voltage to be applied to the electric valve is determined from a first voltage used for opening the electric valve, The temperature of the electric valve is set to be equal to or higher than the allowable temperature by raising the temperature of the electric valve by changing to a second voltage that is lower than the first voltage and cannot open the electric valve. After that, the valve applied voltage is changed from the second voltage to the first voltage, and the electric valve is opened.
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