JP5161430B2 - Valve heating system - Google Patents
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Description
本発明は、弁の加熱システムに関する。 The present invention relates to a heating system of the valve.
固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)等の燃料電池の開発が盛んであり、燃料電池自動車、家庭用の発電システム等に適用されている。このような燃料電池を発電させるために、水素(燃料ガス)と、酸素を含む空気(酸化剤ガス)とを、燃料電池に供給する必要ある。空気はコンプレッサ等よって燃料電池に供給され、水素は水素タンクから燃料電池に供給される。 The development of fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) has been actively developed and applied to fuel cell vehicles, household power generation systems, and the like. In order to generate such a fuel cell, it is necessary to supply hydrogen (fuel gas) and oxygen-containing air (oxidant gas) to the fuel cell. Air is supplied to the fuel cell by a compressor or the like, and hydrogen is supplied from the hydrogen tank to the fuel cell.
ここで、水素タンク内の水素が使用されると、水素タンク内に残存する水素が断熱膨張(サイモン膨張)し、水素の温度が低下する。この後、引き続いて水素が流れると、温度低下した水素によって、水素タンクの下流側の遮断弁が冷却される。
そうすると、遮断弁に内蔵されるOリング等のシール部材も冷却されて低温になり、硬くなる。よって、シール部材が低温の状態で、閉弁指令を受けて遮断弁が閉弁しても、そのシール性が低下しているため、遮断弁が完全に閉じていないおそれがある。
Here, when the hydrogen in the hydrogen tank is used, the hydrogen remaining in the hydrogen tank undergoes adiabatic expansion (Simon expansion), and the temperature of the hydrogen decreases. Thereafter, when hydrogen continues to flow, the shutoff valve on the downstream side of the hydrogen tank is cooled by the hydrogen whose temperature has decreased.
If it does so, sealing members, such as an O-ring built in a cutoff valve, will also be cooled, it will become low temperature, and it will become hard. Therefore, even if the sealing member is in a low temperature state and receives the valve closing command and the shutoff valve closes, the sealing performance is deteriorated, so that the shutoff valve may not be completely closed.
そこで、例えば、減圧弁(遮断弁)を経由するように温水を流通させて、減圧弁を暖める技術が提案されている(特許文献1参照)。
このような水素が流通する水素供給系(燃料ガス供給系)に設けられた遮断弁等の弁が、指令に従って、確実に作動するための技術は、更なる向上が望まれている。
そこで、本発明は、燃料ガスタンク(燃料ガス貯蔵容器)と燃料ガス消費機器との間に配置される弁の作動性を確保可能とする弁の加熱システムを提供することを課題とする。
There is a demand for further improvement in technology for reliably operating valves such as a shut-off valve provided in a hydrogen supply system (fuel gas supply system) through which hydrogen flows in accordance with a command.
The present invention aims to provide a heating system of valves that allow ensuring the operation of the arrangement is the valve between the fuel gas tank (fuel gas storage vessel) and the fuel gas consuming device.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガスが高圧で貯蔵された燃料ガスタンクから、弁を介して、燃料ガスを消費する燃料ガス消費機器に、燃料ガスが供給される燃料ガス供給系における前記弁を加熱する加熱システムであって、前記弁を加熱する加熱手段と、前記燃料ガス消費機器が燃料ガスを消費したことに対応する出力に基づいて、前記加熱手段の加熱量を制御する制御手段と、前記燃料ガスタンク内の燃料ガスの実測燃料ガス温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記弁は、前記燃料ガスタンクに取り付けられると共に、閉状態を維持するためのシールを備え、開/閉することで燃料ガスを供給/遮断する遮断弁であり、前記制御手段は、実測燃料ガス温度が所定燃料ガス温度以下である場合、前記加熱手段による加熱を実行し、前記所定燃料ガス温度は、前記シールの保証温度よりも高く、かつ、前記燃料ガスタンクの燃料ガスが急速に断熱膨張しても、断熱膨張後の燃料ガスの温度が前記保証温度以上であるように設定されていることを特徴とする弁の加熱システムである。 As means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel gas in which fuel gas is supplied from a fuel gas tank in which the fuel gas is stored at a high pressure to a fuel gas consuming device that consumes the fuel gas via a valve. A heating system for heating the valve in a supply system, wherein the heating amount of the heating means is determined based on a heating means for heating the valve and an output corresponding to consumption of fuel gas by the fuel gas consuming device. Control means for controlling, and temperature detection means for detecting the measured fuel gas temperature of the fuel gas in the fuel gas tank, and the valve is attached to the fuel gas tank and has a seal for maintaining the closed state includes, Ri shutoff valve der supplying / shutting off the fuel gas by opening / closes, wherein if the measured fuel gas temperature is equal to or lower than a predetermined fuel gas temperature, the heating means The predetermined fuel gas temperature is higher than the guaranteed temperature of the seal, and even if the fuel gas in the fuel gas tank rapidly adiabatically expands, the temperature of the fuel gas after the adiabatic expansion is guaranteed. It is a heating system of a valve characterized by being set up so that it may be more than temperature .
そして、このような弁の加熱システムによれば、制御手段が、燃料ガス消費機器が燃料ガスを消費したことに対応する燃料ガス消費機器の出力に基づいて、加熱手段の加熱量を制御することができる。すなわち、燃料ガス消費機器が燃料ガスを消費すると、燃料ガス貯蔵容器内の燃料ガスが、その消費量に応じて流出するため、燃料ガス貯蔵容器内の燃料ガスが断熱膨張し、その温度が低下する。その後、この低温の燃料ガスが、燃料貯蔵容器から流出する。一方、制御手段が、燃料ガス消費機器の出力に基づいて、弁を加熱する加熱手段の加熱量を制御し、加熱手段によって弁を加熱する。 According to such a valve heating system, the control means controls the heating amount of the heating means based on the output of the fuel gas consuming equipment corresponding to the consumption of the fuel gas by the fuel gas consuming equipment. Can do. That is, when the fuel gas consuming device consumes the fuel gas, the fuel gas in the fuel gas storage container flows out according to the consumption amount, so that the fuel gas in the fuel gas storage container adiabatically expands and its temperature decreases. To do. Thereafter, the low-temperature fuel gas flows out from the fuel storage container. On the other hand, the control means controls the heating amount of the heating means for heating the valve based on the output of the fuel gas consuming device, and the valve is heated by the heating means.
したがって、前記した低温の燃料ガスが弁を流通しても、弁の温度が、遮断時のシール性が低下する温度に低下することはなく、弁の遮断性(作動性)は確保される。ゆえに、例えば、この低温の燃料ガスの流通中や流通直後に閉弁指令受けても、弁は燃料ガスの流通を確実に遮断することができる。 Therefore, even when the above-described low-temperature fuel gas flows through the valve, the valve temperature does not drop to a temperature at which the sealing performance at the time of shut-off is lowered, and the shut-off performance (operability) of the valve is secured. Therefore, for example, even when a valve closing command is received during or immediately after the flow of the low-temperature fuel gas, the valve can reliably block the fuel gas from flowing.
また、前記弁の加熱システムにおいて、前記制御手段は、実測燃料ガス温度に基づいて、前記加熱手段の加熱量として当該加熱手段の最大出力に対する第A出力割合を算出し、前記燃料ガス消費機器の出力に基づいて、前記加熱手段の加熱量として当該加熱手段の最大出力に対する第B出力割合を算出し、前記第A出力割合と前記第B出力割合との和が100%以上である場合、前記加熱手段への指令出力を100%とし、前記第A出力割合と前記第B出力割合との和が100%以上でない場合、前記加熱手段への指令出力を前記第A出力割合と前記第B出力割合との和とすることが好ましい。 Further, in the valve heating system, the control unit calculates an output ratio A of the maximum output of the heating unit as a heating amount of the heating unit based on the measured fuel gas temperature, Based on the output, the B output ratio with respect to the maximum output of the heating means is calculated as the heating amount of the heating means, and when the sum of the A output ratio and the B output ratio is 100% or more, When the command output to the heating means is 100% and the sum of the A-th output ratio and the B-th output ratio is not 100% or more, the command output to the heating means is the A-th output ratio and the B-th output. It is preferable to use the sum of the ratio.
また、前記弁の加熱システムにおいて、前記制御手段は、実測燃料ガス温度に基づいて前記第A出力割合を算出する場合、第Aマップを参照し、前記第Aマップにおいて、前記保証温度よりも低い所定温度以下の範囲では、前記第A出力割合は100%、前記所定温度から前記保証温度の範囲では、実測燃料ガス温度が高くなるにつれて、前記第A出力割合が線形的に減少し、前記保証温度以上の範囲では、前記第A出力割合は0%、に設定されていることが好ましい。 In the valve heating system, the control means refers to the A map when calculating the A output ratio based on the actually measured fuel gas temperature, and is lower than the guaranteed temperature in the A map. In the range below the predetermined temperature, the A-th output ratio is 100%, and in the range from the predetermined temperature to the guaranteed temperature, the A-th output ratio decreases linearly as the measured fuel gas temperature increases, and the guaranteed In the temperature range or higher, the A-th output ratio is preferably set to 0%.
本発明によれば、燃料ガスタンク(燃料ガス貯蔵容器)と燃料ガス消費機器との間に配置される弁の作動性を確保可能とする弁の加熱システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a heating system of valves that allow ensuring the operation of the arrangement is the valve between the fuel gas tank (fuel gas storage vessel) and the fuel gas consuming device.
以下、本発明の一実施形態に係る遮断弁の加熱システムが組み込まれた燃料電池システムについて、図1から図8を参照して説明する。 A fuel cell system incorporating a shutoff valve heating system according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
≪燃料電池システムの構成≫
図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池110(燃料ガス消費機器)と、燃料電池110のアノードに対して水素(燃料ガス)を供給及び排出するアノード系(燃料ガス供給系)と、燃料電池110のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス)を供給及び排出するカソード系と、燃料電池110の発電電力を消費する電力消費系と、アノード系の後記する遮断弁20を適宜に加熱する加熱手段70と、温度センサ81と、これらを電子制御するECU90(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を主に備えている。
因みに、燃料電池システム1は、燃料電池自動車(図示しない)に搭載されており、この燃料電池自動車は後記する走行モータ61を動力源として走行するようになっている。
≪Configuration of fuel cell system≫
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 according to this embodiment includes a fuel cell 110 (fuel gas consuming device) and an anode system that supplies and discharges hydrogen (fuel gas) to and from the anode of the fuel cell 110 ( A fuel gas supply system), a cathode system that supplies and discharges oxygen-containing air (oxidant gas) to the cathode of the fuel cell 110, a power consumption system that consumes the power generated by the fuel cell 110, and an anode system It mainly includes a heating means 70 for appropriately heating a shutoff valve 20 to be described later, a
Incidentally, the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle (not shown), and this fuel cell vehicle travels using a
<燃料電池>
燃料電池110(燃料電池スタック)は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池であって、水素(燃料ガス)及び酸素を含む空気(酸化剤ガス)を消費することで発電するようになっている。
単セルは、電解質膜(固体高分子膜)の両面をアノード(燃料極)及びカソード(空気極)で挟んでなるMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、MEAを挟む一対のセパレータと、を主に備えている。各セパレータには、各単セルを構成するMEAの全面に水素又は酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路111、カソード流路112として機能している。
<Fuel cell>
The fuel cell 110 (fuel cell stack) is a polymer electrolyte fuel cell configured by stacking a plurality of single cells, and consumes hydrogen (fuel gas) and oxygen-containing air (oxidant gas). It has come to generate electricity.
The single cell includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) in which both surfaces of an electrolyte membrane (solid polymer membrane) are sandwiched between an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode), and a pair of separators that sandwich the MEA. , Mainly. Each separator is provided with a groove for supplying hydrogen or oxygen to the entire surface of the MEA constituting each single cell, a through-hole for introducing hydrogen and oxygen to all the single cells, and the like. It functions as an
そして、アノード流路111を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路112を介して各カソードに加湿された空気が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒(Pt等)上で電気化学反応が起こり、各単セルで電位差(いわゆる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、このように電位差が発生した燃料電池110に対して、走行モータ61等の外部負荷から発電要求があると、燃料電池110が発電するようになっている。
Then, when hydrogen is supplied to each anode via the
<アノード系>
アノード系は、燃料電池110に供給される水素が高圧で貯蔵された水素タンク10(水素貯蔵容器)と、遮断弁20と、減圧弁121と、エゼクタ122と、パージ弁123とを主に備えている。そして、水素タンク10から下流側に向かって、遮断弁20と、配管121aと、減圧弁121と、配管121bと、エゼクタ122と、配管122aと、アノード流路111とが順に接続されており、ECU90によって遮断弁20が開かれると、減圧弁121で所定圧力に減圧された水素が、アノード流路111に供給されるようになっている。
<Anode system>
The anode system mainly includes a hydrogen tank 10 (hydrogen storage container) in which hydrogen supplied to the fuel cell 110 is stored at a high pressure, a shutoff valve 20, a
アノード流路111の下流側には、配管123aと、パージ弁123と、その下流端が外部に開放した配管123bとが順に接続されている。また、配管123c(循環手段)によって、配管123aとエゼクタ122とが接続されている。
On the downstream side of the
そして、パージ弁123が閉じられている場合、燃料電池110のアノードから排出されたアノードオフガスは、配管123cを経由して、燃料電池110の上流側に戻り、再び燃料電池110に供給されるようになっている。これにより、アノードオフガス中の未反応の水素が再利用され、その結果として、水素の消費が抑えられるようになっている。
When the
なお、減圧弁121の下流側圧力は、この減圧弁121によって所定圧力に設定されるので、このようにパージ弁123が閉じている場合において、燃料電池110で水素が消費されると、減圧弁121が開き、その下流側に水素が流れ込むようになっている。ここで、燃料電池110の発電中(燃料電池システム1の運転中)は、遮断弁20は開いているので、このように減圧弁121が開き、その下流側に水素が流れ込めば、この流れ込みに連動して、水素タンク10内から遮断弁20を介して、水素が流れ出すようになっている。そして、このように水素タンク10から水素が流出すると、水素タンク10内に残存する水素が断熱膨張し、その温度(後記する実測水素温度T1)が下がるようになっている。
The downstream pressure of the
一方、パージ弁123が開かれている場合、アノードオフガスは、配管123a、パージ弁123、配管123bを介して、外部に排出される。なお、このようにECU90によってパージ弁123が開かれる場合は、燃料電池110(スタック)のセル電圧を監視するECU90が、セル電圧の低下を検知し、アノードオフガス中に所定量以上の不純物が含まれていると推定した場合である。
On the other hand, when the
[水素タンク、遮断弁]
次に、水素タンク10と遮断弁20の具体的構成について、図2から図4を参照して説明する。
なお、図2は、本実施形態に係る遮断弁が取り付けられた水素タンクの平面図であり、図3は、図2の遮断弁及び水素タンクのX1−X1線断面図である。図4は、同X2−X2線断面図である。また、図3は、ソレノイド56がOFFされ、圧縮コイルバネ54(リターンスプリング)によってプランジャ51が閉方向(図3の上向き)に付勢され、シール53が弁座体32に当接した状態、つまり、遮断弁20が閉じている状態を記載している。
[Hydrogen tank, shutoff valve]
Next, specific configurations of the
2 is a plan view of the hydrogen tank to which the shut-off valve according to the present embodiment is attached, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the shut-off valve and the hydrogen tank of FIG. 2 taken along the line X1-X1. FIG. 4 is a sectional view taken along line X2-X2. 3 shows a state in which the
(水素タンク)
図3に示すように、水素タンク10は、金属製(アルミニウム合金等)のタンク本体11(ライナー)と、タンク本体11の表面を覆ったカバー13と、を主に備えている。タンク本体11は、外部に開口すると共に遮断弁20が取り付けられるネック部12を有している。カバー13は、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic:炭素繊維強化プラスチック)や、GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic:ガラス繊維強化プラスチック)等から形成され、これにより、タンク本体11が補強されると共に、水素タンク10の断熱性が高められている。
(Hydrogen tank)
As shown in FIG. 3, the
(遮断弁)
遮断弁20は、水素タンク10に一体的に取り付けられた弁であり、本実施形態では、その略半分が水素タンク10内に配置されるためインタンク弁とも称される。また、本実施形態に係る遮断弁20は、水素タンク10から外部への水素の流通を適宜に遮断する本来の機能に加えて、水素の充填口としての機能と、リリーフ弁としての機能とを備えている。このような遮断弁20は、水素タンク10に螺合固定された固定部30と、プランジャ51(弁体)を有する作動部50と、を主に備えている。
(Shutoff valve)
The shutoff valve 20 is a valve that is integrally attached to the
(遮断弁−固定部)
固定部30は、弁箱31と、弁座体32と、水素の放出口となる放出用リセプタクル33(レセプタクル)と、水素の充填口となる充填用リセプタクル34と、逆止弁35と、リリーフ弁36と、を主に備えている。
(Shutoff valve-fixed part)
The fixing
弁箱31は、その内部に、水素の流路になると共に弁座体32を収容する弁座体収容空間31aを有している。そして、弁箱31は、ネック部12に螺合固定されている。なお、弁箱31とネック部12との間には、Oリング41が介設されており、気密性が確保されている。
The
また、弁箱31には、後記する加熱手段70のヒータ71が埋設されるヒータ用穴31bが形成されている。ここで、遮断弁20を構成する各部品は略金属製であるので、ヒータ71が作動し、発熱した場合、この熱は弁箱31等を伝達し、遮断弁20が加熱されるようになっている。これにより、後記するゴム製のシール53や、Oリング41等も暖められるようになっている。
Further, the
弁座体32は、略円筒体であって、弁座体収容空間31aに収容されると共に、その上部が弁箱31に螺合固定されている。なお、弁座体32と弁箱31との間にはOリング42が介設されている。弁座体32と弁箱31との間には、平断面視において、リング状の隙間が形成されており、この隙間は、水素の充填時及びリリーフ時において、水素の流路として機能している。
The
また、弁座体32には、その中心軸線上を貫通するように流路32aが形成されている。そして、遮断弁20が閉状態にある場合、シール53が弁座体32に当接することで、流路32aの図3における下端開口が閉じるように設計されている。一方、遮断弁20が開状態にある場合、シール53が弁座体32から離間することで、流路32aの図3における下端開口が開き、水素が、流路32a、弁箱31に螺合固定された放出用リセプタクル33(図4参照)の中空部33aを順に通って、外部に放出されるようになっている。
The
充填用リセプタクル34は、水素の充填口として機能するものであって、弁箱31に固定されている。充填用リセプタクル34は、略円筒体であって、中空部34aを有している。
The filling
逆止弁35は、充填用リセプタクル34の中空部34aに摺動可能に収容されており、その外周面にOリング43が設けられている。そして、図3に示すように、外部の水素ステーション等の水素圧力が作用すると、逆止弁35が弁座体32側に移動して逆止弁35が開き、水素が、弁座体収容空間31a、後記する中空部57a及び連通孔57bを介して、水素タンク10に充填されるように構成されている。一方、水素圧力が作用しない場合、逆止弁35と弁座体32との間に設けられた圧縮コイルバネ37が、逆止弁35を充填用リセプタクル34の入口側(図3の右側)に付勢し、これにより、逆止弁35が閉じるように構成されている。
The check valve 35 is slidably accommodated in the
リリーフ弁36は、外部熱源の接近による水素タンク10の爆発を防止する弁であって、例えば、低融点の金属や、SBR等の熱可塑性エラストマーから形成されており、弁箱31の適所に固定されている。そして、外部熱源が接近すれば、リリーフ弁36が例えば溶融し、水素タンク10内の水素が、連通孔57b、中空部57a、弁座体収容空間31a及びリリーフ弁36を介して、外部に放出されるように構成されている。
The
(遮断弁−作動部)
作動部50は、ECU90からの指令に従って、プランジャ51を作動させる部分である。具体的に、作動部50は、プランジャ51と、シール53と、圧縮コイルバネ54(リターンスプリング)と、ガイド体55と、ソレノイド56と、マウント57と、を主に備えている。
(Shutoff valve-Actuator)
The operating
マウント57は、略円筒体であって、弁座体収容空間31aに連通する中空部57aを有しており、弁箱31の下部に螺合固定されている。また、マウント57の周壁には周方向において複数の連通孔57bが形成されており、この連通孔57bによって、中空部57aと、その外部の水素タンク10内とが連通されている。
The
ガイド体55は、下底を有する略有低円筒体であって、マウント57の下端に螺合固定されている。
プランジャ51は、ガイド体55に摺動自在に収容されており、ガイド体55によってガイドされている。プランジャ51の上端には、カップ52及びゴム製のシール53が固定されている。そして、圧縮コイルバネ54が、カップ52とガイド体55との間に介設されており、この圧縮コイルバネ54によって、カップ52、シール53及びプランジャ51が、図3における上方向に付勢されている。よって、ソレノイド56がOFFされている場合、シール53が弁座体32の下端面に当接し、これにより、弁座体32内の流路32aの下端開口が閉じられ、水素タンク10内の水素が外部に流出しないようになっている(遮断弁20の閉状態)。
The
The plunger 51 is slidably accommodated in the
また、ゴム製のシール53は、その材質等に依存する保障温度T3を有している。すなわち、シール53の温度が保障温度T3以上ならば、シール53の柔軟性が確保され、遮断弁20が閉じた際に、シール53が弁座体32に好適に密着し、水素の外部への流出が遮断される。つまり、遮断弁20の温度が保障温度T3以上の場合、遮断弁20は確実に遮断可能となる。
The
ソレノイド56は、ガイド体55の周壁に内蔵されている。そして、ガイド体55の下端に固定された制御ユニット58が、信号ケーブル59を介してECU90から遮断弁20の閉指令を受けると、ソレノイド56をON(通電)するように構成されている。そして、このようにソレノイド56がONされれば、プランジャ51が図3における下側に移動し、これと共に、シール53及びカップ52が弁座体32から離間するように構成されている。その結果として、流路32aの下端開口が開き、水素タンク10内の水素が、連通孔57b、中空部57a、流路32a、放出用リセプタクル33(図4参照)を介して、外部に放出するようになっている(遮断弁20の開状態)。
The
<カソード系>
図1に戻って説明を続ける。
燃料電池110に対して空気を供給及び排出するカソード系は、コンプレッサ131を主に備えている。コンプレッサ131は、配管131aを介して、カソード流路112と接続されている。そして、コンプレッサ131が作動すると、酸素を含む空気がカソード流路112に供給されるようになっている。なお、配管131aには加湿器(図示しない)が設けられており、カソード流路112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>
Returning to FIG. 1, the description will be continued.
The cathode system that supplies and discharges air to the fuel cell 110 mainly includes a
一方、カソード流路112の下流側には配管131bが接続されている。そして、カソードから排出されたカソードオフガスが、配管131bを介して、外部に排出されるようになっている。
On the other hand, a
<電力消費系>
電力消費系60は、走行モータ61と、出力検出器62とを主に備えている。走行モータ61は、燃料電池自動車を走行させるモータであって、燃料電池110の出力端子に接続されている。出力検出器62は、燃料電池110(スタック)の実際の出力電流(以下、実測出力電流A1)を検出する機器であって、電流計を備えている。そして、出力検出器62(電流計)は、燃料電池110と走行モータ61との間で、燃料電池110の実測出力電流A1を検出可能なように、適所に配置されている。また、出力検出器62はECU90と接続されており、ECU90は実測出力電流A1を監視するようになっている。
<Power consumption system>
The
<加熱手段>
加熱手段70は、ECU90からの指令に従って、遮断弁20を適宜に加熱する手段であって、ヒータ71と、電源72と、インバータ73とを主に備えている。
<Heating means>
The heating means 70 is means for appropriately heating the shutoff valve 20 in accordance with a command from the
ヒータ71は、電源72から電力が供給されると発熱し、この熱によって、遮断弁20を加熱する加熱装置である。このようなヒータ71としては、例えば、PTC(Positive Temperature Coefficient)ヒータが使用される。そして、ヒータ71は、遮断弁20のヒータ用穴31bに埋め込まれている(図2、図3参照)。
電源72は、ヒータ71の作動電源であって、例えば、燃料電池自動車に搭載されたバッテリ(二次電池)が使用される。その他に、燃料電池110の発電電力や、回生時における走行モータ61の発電電力を使用することもできる。
The
The
インバータ73は、電源72の出力電力を可変することで、ヒータ71の出力、つまり、ヒータ71の加熱量を制御する加熱量制御機器であり、ヒータ71と電源72との間に配置されている。また、インバータ73はECU90と接続されており、ECU90からの指令(指令ヒータ出力)に従って、ヒータ71の出力(加熱量)を制御するようになっている。
The
<温度センサ>
温度センサ81は、水素タンク10内の実際の水素(実測水素温度T1)の温度を検出するセンサであって、水素タンク10内の適所に配置されている。そして、温度センサ81はECU90と接続されており、ECU90は実測水素温度T1を監視するようになっている。
<Temperature sensor>
The
<ECU>
ECU90(制御手段)は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置である。このようなECU90は、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されている。そして、ECU90は、ヒータ71を作動させる必要があるか否かを判定する機能と、実測水素温度T1及び実測出力電流A1とに基づいてヒータ71の出力(加熱量)を制御する機能と、を備えている。
<ECU>
The ECU 90 (control means) is a control device that electronically controls the fuel cell system 1. Such an
また、ECU90には、図5に示すマップAと、図6に示すマップBとが記憶されている。なお、マップA及びマップBは、事前試験等によって求められる。
Further, the
[マップA]
マップAは、水素タンク内の水素温度(℃)と、ヒータ71の出力であるヒータ出力Aとが関連付けられたデータである。本実施形態に係るマップAでは、水素温度が所定温度T4以下の範囲ではヒータ出力Aは100%に、所定温度T4以上でシール53の保障温度T3以下の範囲では水素温度が上昇するに従いヒータ出力Bが線形的に減少するように、保障温度T3以上の範囲ではヒータ出力Aは0%に、それぞれ設定されている。なお、マップAは、水素タンク10の容量や、ヒータ71の仕様等に関係する。
[Map A]
The map A is data in which the hydrogen temperature (° C.) in the hydrogen tank is associated with the heater output A that is the output of the
[マップB]
マップBは、燃料電池110の出力電流(A)と、ヒータ出力Bとが関連付けられたデータである。本実施形態に係るマップBでは、出力電流が0以上で所定電流A2以下の範囲では出力電流が増加するに従いヒータ出力Bが線形的に増加するように、出力電流が所定電流A2以上の範囲では100%に、それぞれ設定されている。さらに説明すると、出力電流が高くなると、燃料電池110において水素が多量に消費され、この消費された分に対応して水素タンクから水素が流出し、この水素の流出に対応して水素が膨張し、水素タンク内の温度が低下するため、出力電流が高くなるに従って、ヒータ出力Bが高くなる関係となっている。なお、マップBは、ヒータ71の仕様等に関係する。
[Map B]
Map B is data in which the output current (A) of the fuel cell 110 and the heater output B are associated with each other. In the map B according to the present embodiment, in the range where the output current is equal to or greater than the predetermined current A2 such that the heater output B increases linearly as the output current increases in the range where the output current is 0 or more and the predetermined current A2 or less. Each is set to 100%. More specifically, when the output current increases, a large amount of hydrogen is consumed in the fuel cell 110, hydrogen flows out of the hydrogen tank corresponding to the consumed amount, and hydrogen expands in response to the outflow of hydrogen. Since the temperature in the hydrogen tank decreases, the heater output B increases as the output current increases. The map B relates to the specification of the
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図7を主に参照して、燃料電池システム1(遮断弁の加熱システム)の動作と共に、ヒータ71(加熱装置)の制御方法について説明する。ヒータ71の制御方法は、燃料電池110の実測出力電流A1を検出する第1ステップと、実測出力電流A1に基づいて、ヒータ71の出力(加熱量)を制御する第2ステップと、を含んでいる。
≪Operation of fuel cell system≫
Next, the operation of the fuel cell system 1 (shutoff valve heating system) and the control method of the heater 71 (heating device) will be described with reference mainly to FIG. The control method of the
ステップS101において、ECU90は、実測水素温度T1が所定水素温度T2以下であるか否かを判定する。
なお、所定水素温度T2は、前記した遮断弁20を構成するシール53の保障温度T3よりも高い温度であって、運転者がアクセルを急に踏み込んだ等により、燃料電池110が多量の水素を消費し、これにより、水素タンク10内の水素が急に断熱膨張しても、断熱膨張後の水素タンク10内の水素の温度(実測水素温度T1)が、シール53の保障温度T3未満に低下しない温度に設定される。したがって、所定水素温度T2は、単セルの数等の燃料電池110の仕様や、アクセルの最大踏み込み量等に関係し、燃料電池システム1毎に事前試験等によって求められる。そして、所定水素温度T2は、ECU90に記憶されている。
In step S101, the
The predetermined hydrogen temperature T2 is higher than the guaranteed temperature T3 of the
実測水素温度T1が所定水素温度T2以下である場合(S101・Yes)、ステップS103に進む。この場合は、水素タンク10から水素が流出したことにより、水素タンク10内に残存した水素の断熱膨張により、実測水素温度T1が所定水素温度T2以下の場合である。さらに説明すると、この状態で燃料電池110で多量の水素が消費されると、実測水素温度T1が保障温度T3未満に下がる可能性があるので、実測出力電流A1及び実測水素温度T1を監視し、これらに基づいて、前もって指令ヒータ出力を制御し、遮断弁20(詳細にはシール53)を暖めて、遮断弁20が保障温度T3よりも低くなることを防止する場合である。
When the measured hydrogen temperature T1 is equal to or lower than the predetermined hydrogen temperature T2 (S101 / Yes), the process proceeds to step S103. In this case, the measured hydrogen temperature T1 is equal to or lower than the predetermined hydrogen temperature T2 due to the adiabatic expansion of the hydrogen remaining in the
一方、実測水素温度T1が所定水素温度T2以下でない場合(S101・No)、つまり、実測水素温度T1が所定水素温度T2よりも高い場合(T1>T2)、ステップS102に進む。この場合は、実測水素温度T1が所定水素温度T2よりも高いので、例えば、運転者によるアクセルの急な踏み込みがあっても、断熱膨張後の水素タンク10内の水素の温度(実測水素温度T1)が、保障温度T3未満に低下せず、遮断弁20の遮断性が失われない場合である。因みに、このように実測水素温度T1が高い場合は、例えば、水素タンク10への水素の充填直後等、水素が圧縮された場合である。
On the other hand, when the measured hydrogen temperature T1 is not equal to or lower than the predetermined hydrogen temperature T2 (S101 · No), that is, when the measured hydrogen temperature T1 is higher than the predetermined hydrogen temperature T2 (T1> T2), the process proceeds to step S102. In this case, since the measured hydrogen temperature T1 is higher than the predetermined hydrogen temperature T2, for example, even if the driver suddenly depresses the accelerator, the temperature of the hydrogen in the
ステップS102において、ECU90は、インバータ73への指令ヒータ出力を0%とする。インバータ73は、これに従って、ヒータ71を出力させない。これにより、無駄な電力消費を抑えることができる。その後、リターンを経由してスタートに戻り、各ステップの処理を繰り返す。
In step S102, the
ステップS103において、ECU90は、実測水素温度T1とマップA(図5参照)とに基づいて、ヒータ出力A(%)を決定する。
ステップS104において、ECU90は、実測出力電流A1とマップB(図6参照)とに基づいて、ヒータ出力B(%)を決定する。
In step S103, the
In step S104, the
ステップS105において、ECU90は、ヒータ出力Aとヒータ出力Bとの和が、100%以上であるか否かを判定する。ヒータ出力Aとヒータ出力Bとの和が、100%以上である場合(S105・Yes)、ステップS106に進む。一方、ヒータ出力Aとヒータ出力Bとの和が、100%以上でない場合(S105・No)、ステップS107に進む。
In step S105, the
ステップS106において、ECU90は、インバータ73への指令ヒータ出力を100%とする。そして、インバータ73は、これに従って、ヒータ71を100%で出力させる。これにより、ヒータ71は出力100%で発熱し、遮断弁20(特にシール53)が加熱量100%で暖められる。
したがって、この後、低温の水素が水素タンク10から流れ出し、遮断弁20内を低温の水素が流通しても、シール53の温度が、そのシール性が保障される保障温度T3未満に、低下することは防止される。すなわち、ECU90から遮断弁20に閉指令が送られた場合、遮断弁20は確実に閉まることができる。
その後、リターンを経由してスタートに戻り、各ステップの処理を繰り返す。
In step S106, the
Therefore, after that, even if low-temperature hydrogen flows out from the
After that, the process returns to the start via a return and repeats the process of each step.
ステップS107において、ECU90は、インバータ73への指令ヒータ出力を、ヒータ出力Aとヒータ出力Bとの和とする。そして、インバータ73は、これに従って、ヒータ71を出力させる。これにより、実測水素温度T1及び実測出力電流A1に対応して、遮断弁20が暖められる。よって、この後、ECU90から遮断弁20に閉指令が送られた場合、遮断弁20は確実に閉まることができる。その後、リターンを経由してスタートに戻る。
In step S107, the
このような遮断弁20の加熱システムが組み込まれた燃料電池システム1によれば、実測出力電流A1に基づいて、ヒータ71の出力(加熱量)を制御するので、保障温度T3未満の水素によって、遮断弁20が冷却される前に、ヒータ71による加熱を開始することができる。特に、遮断弁20のシール53の温度が、そのシール性が確保されると共に保障温度T3未満に低下することを防止できる。よって、低温の水素が水素タンク10から流出した直後であっても、遮断弁20は確実に閉じることができる。
According to the fuel cell system 1 in which such a heating system for the shutoff valve 20 is incorporated, the output (heating amount) of the
≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、図8を主に参照して、燃料電池システム1の一動作例を説明する。なお、ここでは、実測水素温度T1が所定水素温度T2よりも低い場合を例示する(S101・Yes)。
≪Example of fuel cell system operation≫
Next, an operation example of the fuel cell system 1 will be described mainly with reference to FIG. Here, a case where the measured hydrogen temperature T1 is lower than the predetermined hydrogen temperature T2 is exemplified (S101 / Yes).
例えば、燃料電池自動車を急加速するため、運転者がアクセルの踏み込み量を増加したことによって、走行モータ61が必要とする電力が大きくなると、燃料電池110は高出力で発電し、実測出力電流A1が上昇する。そうすると、実測出力電流A1に対応するヒータ出力Bが大きくなる(図6参照)。よって、ECU90は、実測出力電流A1に基づいて、ヒータ71の出力(加熱量)を増加させる。その結果として、遮断弁20の温度は上昇する。
For example, if the electric power required by the traveling
このように実測出力電流A1が高くなると、これに対応して、水素が燃料電池110で消費される。そうすると、この消費された分に対応した量の水素が、水素タンク10から流出する。そして、水素タンク10内に残った水素が断熱膨張するため、大きな実測出力電流A1が検出されることに連動して、実測水素温度T1が下がる。
なお、実測水素温度T1が保障温度T3以上の場合、ヒータ出力Aが0%であるので(図5参照)、ヒータ出力Aとヒータ出力Bとの和である指令ヒータ出力は一定となる。因みに、本動作例では、実測出力電流A1が一定であり、これに基づくヒータ出力Bが一定である場合を記載している。
When the actually measured output current A1 increases as described above, hydrogen is consumed in the fuel cell 110 correspondingly. Then, an amount of hydrogen corresponding to the consumed amount flows out from the
When the measured hydrogen temperature T1 is equal to or higher than the guaranteed temperature T3, the heater output A is 0% (see FIG. 5), so the command heater output, which is the sum of the heater output A and the heater output B, is constant. Incidentally, in this operation example, the case where the measured output current A1 is constant and the heater output B based on this is described is described.
その後、実測水素温度T1が保障温度T3より低くなれば、実測水素温度T1に対応するヒータ出力Aが0%でなくなり、さらに、実測水素温度T1が低下すると、ヒータ出力Aが大きくなる(図5参照)。そうすると、ヒータ出力Aとヒータ出力Bとの和である指令ヒータ出力が増加し、これにより、遮断弁20の温度の上昇率が大きくなる。すなわち、ECU90は、実測出力電流A1と実測水素温度T1とに基づいて、指令ヒータ出力を制御することになる。
Thereafter, when the measured hydrogen temperature T1 becomes lower than the guaranteed temperature T3, the heater output A corresponding to the measured hydrogen temperature T1 is not 0%, and when the measured hydrogen temperature T1 is lowered, the heater output A is increased (FIG. 5). reference). If it does so, the command heater output which is the sum of heater output A and heater output B will increase, and, thereby, the rate of temperature rise of shutoff valve 20 will become large. That is, the
その後、アクセルの踏み込み量が減ると、実測出力電流A1が下がり、ヒータ出力Aが下がる。これと同時に、水素タンク10内における断熱膨張による温度低下が停止する。そして、水素タンク10に残留した水素が、外部から吸熱するため、実測水素温度T1が上昇し始め、ヒータ出力Aが下がる(図5参照)。その結果として、指令ヒータ出力が実測水素温度T1の上昇に伴って下がる。すなわち、ECU90は、主に実測水素温度T1に基づいて、指令ヒータ出力を制御することになる。その結果として、遮断弁20の温度が下がる。
Thereafter, when the amount of depression of the accelerator decreases, the actually measured output current A1 decreases and the heater output A decreases. At the same time, the temperature drop due to adiabatic expansion in the
その後、実測水素温度T1が保障温度T3に到達すると、ヒータ出力Aが0%となる(図5参照)。 Thereafter, when the measured hydrogen temperature T1 reaches the guaranteed temperature T3, the heater output A becomes 0% (see FIG. 5).
以上、本発明の好適な一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、例えば以下のような変更をすることができる。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
前記した実施形態では、遮断弁20を加熱する加熱装置が電熱式のヒータ71である場合を例示したが、その他に、遮断弁20内、又は、その周囲に温水を通流させることにより、遮断弁20を加熱する加熱装置であってもよい。
In the above-described embodiment, the case where the heating device that heats the shut-off valve 20 is the
前記した実施形態では、本発明が、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム1に適用された場合について説明したが、これに限定されず、例えば、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等に本発明を適用してもよい。 In the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to the fuel cell system 1 mounted on a fuel cell vehicle has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a stationary fuel cell system for home use, The present invention may be applied to a fuel cell system or the like incorporated in a hot water supply system.
1 燃料電池システム
10 水素タンク(燃料ガス貯蔵容器)
20 遮断弁
31 弁箱
32 弁座体
33 放出用リセプタクル
34 充填用リセプタクル
35 逆止弁
36 リリーフ弁
51 プランジャ(弁体)
53 シール
54 圧縮コイルバネ
56 ソレノイド
62 出力検出器(出力検出手段)
70 加熱手段
71 ヒータ(加熱装置)
73 インバータ
81 温度センサ
90 ECU(制御手段)
110 燃料電池
121 減圧弁
122 エゼクタ
123 パージ弁
1
20 Shut-off
53
70 Heating means 71 Heater (heating device)
73
110
Claims (3)
前記弁を加熱する加熱手段と、
前記燃料ガス消費機器が燃料ガスを消費したことに対応する出力に基づいて、前記加熱手段の加熱量を制御する制御手段と、
前記燃料ガスタンク内の燃料ガスの実測燃料ガス温度を検出する温度検出手段と、
を備え、
前記弁は、前記燃料ガスタンクに取り付けられると共に、閉状態を維持するためのシールを備え、開/閉することで燃料ガスを供給/遮断する遮断弁であり、
前記制御手段は、実測燃料ガス温度が所定燃料ガス温度以下である場合、前記加熱手段による加熱を実行し、
前記所定燃料ガス温度は、前記シールの保証温度よりも高く、かつ、前記燃料ガスタンクの燃料ガスが急速に断熱膨張しても、断熱膨張後の燃料ガスの温度が前記保証温度以上であるように設定されている
ことを特徴とする弁の加熱システム。 A heating system for heating the valve in a fuel gas supply system in which fuel gas is supplied from a fuel gas tank in which the fuel gas is stored at high pressure to a fuel gas consuming device that consumes the fuel gas via a valve,
Heating means for heating the valve;
Control means for controlling the heating amount of the heating means based on the output corresponding to the fuel gas consuming device consuming fuel gas;
Temperature detecting means for detecting the measured fuel gas temperature of the fuel gas in the fuel gas tank;
With
The valve, with attached to the fuel gas tank, with a seal for maintaining a closed state, Ri shutoff valve der supplying / shutting off the fuel gas by opening / closes,
The control means performs heating by the heating means when the measured fuel gas temperature is equal to or lower than a predetermined fuel gas temperature,
The predetermined fuel gas temperature is higher than the guaranteed temperature of the seal, and even if the fuel gas in the fuel gas tank rapidly adiabatically expands, the temperature of the fuel gas after the adiabatic expansion is not less than the guaranteed temperature. A valve heating system characterized by being set .
実測燃料ガス温度に基づいて、前記加熱手段の加熱量として当該加熱手段の最大出力に対する第A出力割合を算出し、
前記燃料ガス消費機器の出力に基づいて、前記加熱手段の加熱量として当該加熱手段の最大出力に対する第B出力割合を算出し、
前記第A出力割合と前記第B出力割合との和が100%以上である場合、前記加熱手段への指令出力を100%とし、
前記第A出力割合と前記第B出力割合との和が100%以上でない場合、前記加熱手段への指令出力を前記第A出力割合と前記第B出力割合との和とする
ことを特徴とする請求項1に記載の弁の加熱システム。 The control means includes
Based on the measured fuel gas temperature, the A output ratio with respect to the maximum output of the heating means is calculated as the heating amount of the heating means,
Based on the output of the fuel gas consuming equipment, the B output ratio with respect to the maximum output of the heating means is calculated as the heating amount of the heating means,
When the sum of the A output ratio and the B output ratio is 100% or more, the command output to the heating means is 100%,
When the sum of the A output ratio and the B output ratio is not 100% or more, the command output to the heating means is the sum of the A output ratio and the B output ratio. The valve heating system according to claim 1 .
前記第Aマップにおいて、
前記保証温度よりも低い所定温度以下の範囲では、前記第A出力割合は100%、
前記所定温度から前記保証温度の範囲では、実測燃料ガス温度が高くなるにつれて、前記第A出力割合が線形的に減少し、
前記保証温度以上の範囲では、前記第A出力割合は0%、
に設定されている
ことを特徴とする請求項2に記載の弁の加熱システム。 The control means refers to the A map when calculating the A output ratio based on the measured fuel gas temperature,
In the A map,
In the range below the predetermined temperature lower than the guaranteed temperature, the output ratio A is 100%,
In the range from the predetermined temperature to the guaranteed temperature, as the measured fuel gas temperature increases, the output ratio A decreases linearly,
In the range above the guaranteed temperature, the output ratio A is 0%.
The valve heating system according to claim 2 , wherein
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