JP5610029B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムの起動時の制御に関する。 The present invention relates to control at startup of a fuel cell system.
燃料電池システムには、電解質膜の両側にアノード極とカソード極とを配置し、アノード極に供給される水素とカソード極に供給される空気中の酸素との電気化学反応によって発電がされると共にカソード極に水が生成される燃料電池が多く用いられている。以下の説明では、水素の供給されるアノード極を水素極、空気の供給されるカソード極を空気極として説明する。この様な燃料電池システムの水素系統は、水素ポンプによって水素を循環させる循環系統となっており、発電反応で消費された分の水素が外部の水素ガスタンクから水素の循環系統に供給されるようになっている。 In a fuel cell system, an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to the anode electrode and oxygen in the air supplied to the cathode electrode. Many fuel cells in which water is generated at the cathode electrode are used. In the following description, the anode electrode supplied with hydrogen is described as a hydrogen electrode, and the cathode electrode supplied with air is described as an air electrode. The hydrogen system of such a fuel cell system is a circulation system in which hydrogen is circulated by a hydrogen pump so that the hydrogen consumed by the power generation reaction is supplied from an external hydrogen gas tank to the hydrogen circulation system. It has become.
燃料電池システムの運転中には、空気中に含まれる電気化学反応に使用されない窒素が空気極の空気流路に滞留すると共に、電解質膜を通して水素極にクロスリークしてくる。また、発電のための電気化学反応によって空気極に生成される水分の一部が、電解質膜を通して水素極にクロスリークしてくる。水素系統は上記のように循環系統となっていることから、運転中に水素系統に入り込んだ窒素や水分は次第に水素循環系統内に蓄積され、水素濃度が低下し、発電量が低下してしまう。そこで、水素系統には反応後の水素ガスや水分を系統外に排出する排気排水弁が設けられている場合が多い。また、反応後の水素ガス中に含まれる水分を効果的に排出するために、排気排水弁の手前に水分を凝結させる熱交換器と凝結させた水分を溜めておくドレインタンクとを設け、ドレインタンクに滞留させた水分を反応後の水素ガスとともに系統外に排出するよう構成されているものがある。 During operation of the fuel cell system, nitrogen that is not used in the electrochemical reaction contained in the air stays in the air flow path of the air electrode and cross leaks to the hydrogen electrode through the electrolyte membrane. In addition, a part of the water generated in the air electrode by the electrochemical reaction for power generation cross leaks to the hydrogen electrode through the electrolyte membrane. Since the hydrogen system is a circulation system as described above, nitrogen and moisture that have entered the hydrogen system during operation are gradually accumulated in the hydrogen circulation system, resulting in a decrease in hydrogen concentration and a decrease in power generation. . Therefore, the hydrogen system is often provided with an exhaust drain valve that discharges the hydrogen gas and moisture after the reaction to the outside of the system. In addition, in order to effectively discharge the moisture contained in the hydrogen gas after the reaction, a heat exchanger for condensing moisture and a drain tank for storing the condensed moisture are provided in front of the exhaust drain valve, Some are configured to discharge the water retained in the tank to the outside of the system together with the hydrogen gas after the reaction.
一方、燃料電池システムが停止状態で長期間低温状態におかれると排気排水弁の中の水が凍結し、開閉動作が出来なくなってしまう場合がある。この様な場合、反応後の水素ガスや水分を適切に水素系統外に排出することができず、燃料電池の発電効率が低い状態で運転することになる。そこで、燃料電池の停止中に排気排水弁の内部で水が凍結した場合であっても次の起動の際に適切に排気排水弁の制御を開始できるよう、排気排水弁の中の水が凍結しているかどうかを判断する凍結判断手段と、排気排水弁の中の氷が解凍されたかどうかを判断する解凍判断手段を備えた燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。より具体的には、外気温度によって水の凍結を判断し、燃料電池の積算発熱量、排気排水弁の温度等のパラメータに基づいて氷の解凍を判断することが提案されている。 On the other hand, when the fuel cell system is stopped and kept at a low temperature for a long time, the water in the exhaust / drain valve may freeze, and the opening / closing operation may not be performed. In such a case, the hydrogen gas and moisture after the reaction cannot be properly discharged out of the hydrogen system, and the fuel cell is operated with low power generation efficiency. Therefore, even if water is frozen inside the exhaust drain valve while the fuel cell is stopped, the water in the exhaust drain valve is frozen so that the control of the exhaust drain valve can be started properly at the next start-up. There has been proposed a fuel cell system including freezing judgment means for judging whether or not the ice in the exhaust / drain valve has been thawed (see, for example, Patent Document 1). More specifically, it has been proposed to determine whether the water is frozen based on the outside air temperature, and to determine whether the ice is thawed based on parameters such as the cumulative calorific value of the fuel cell and the temperature of the exhaust / drain valve.
また、外気温度が所定の温度よりも低い場合に、排気排水弁に開指令を出力した際の水素循環系統の圧力低下量や、水素ポンプ駆動用モータへの供給電力の異常によって排気排水弁の凍結を判定する方法が提案されている(例えば、特許文献2,3参照)。更に、排気排水弁が凍結した際には、水素循環ポンプの流量を低減して燃料電池を自己発熱させ、その熱で排気排水弁の解凍を行う方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。 In addition, when the outside air temperature is lower than the predetermined temperature, the exhaust drainage valve may be affected by the amount of decrease in the pressure of the hydrogen circulation system when an open command is output to the exhaust drainage valve or an abnormality in the power supplied to the motor for driving the hydrogen pump. A method for determining freezing has been proposed (see, for example, Patent Documents 2 and 3). Furthermore, a method has been proposed in which when the exhaust drainage valve freezes, the fuel cell self-heats by reducing the flow rate of the hydrogen circulation pump, and the exhaust drainage valve is defrosted by the heat (for example, Patent Document 4). reference).
しかし、燃料電池は内部に滞留している生成水が凍結することを防止するためにほとんどの場合、断熱ケーシングの中に収納されているが、排気排水弁は断熱ケーシングの中に格納されている場合と、断熱ケーシングの外に配置されている場合がある。このため、排気排水弁が断熱ケーシングの外に配置されている場合には、燃料電池の積算発熱量に基づいて排気排水弁の解凍を判断すると誤差が大きくなってしまう。また、排気排水弁の温度に基づいて解凍判断を行う場合は、より正確な解凍の判断ができるが、解凍判断のためだけに排気排水弁に温度センサを取り付けることが必要で、システムが複雑になって故障の原因が増加することとなるという問題があった。また、特許文献2,3に記載されているように、水素循環系統の圧力低下量で凍結判定を行う場合、長期間の停止で水素循環系統の圧力が低くなってしまっている場合には、圧力がそれ以上低下せず、解凍判定が出来ない場合がある。また、水素ポンプ等のモータへの供給電力の異常によって排気排水弁の凍結を判定する場合には、水素ポンプ等の回転が阻害されているのか、排気排水弁が凍結しているのかどうかを判定することが出来ない場合があり、排気排水弁の凍結を的確に判定できない場合がある。 However, in most cases, the fuel cell is housed in a heat insulating casing to prevent the generated water staying inside from being frozen, but the exhaust drain valve is stored in the heat insulating casing. In some cases, it may be disposed outside the heat insulation casing. For this reason, when the exhaust drainage valve is disposed outside the heat insulation casing, an error will be increased if thawing of the exhaust drainage valve is determined based on the accumulated heat generation amount of the fuel cell. In addition, when making a thawing determination based on the temperature of the exhaust drainage valve, a more accurate thawing determination can be made, but it is necessary to attach a temperature sensor to the exhaust drainage valve only for the thawing determination, which complicates the system. There was a problem that the cause of the failure would increase. Further, as described in Patent Documents 2 and 3, when performing the freezing determination based on the pressure reduction amount of the hydrogen circulation system, when the pressure of the hydrogen circulation system has become low due to a long-term stop, In some cases, the pressure does not drop any further and the thawing determination cannot be performed. Also, when determining whether the exhaust drain valve is frozen due to an abnormality in the power supplied to a motor such as a hydrogen pump, determine whether the rotation of the hydrogen pump etc. is hindered or whether the exhaust drain valve is frozen. In some cases, it may not be possible to accurately determine whether the exhaust drain valve is frozen.
そこで、本発明は、簡便な手段により的確に排気排水弁の解凍判定を行うことを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to accurately determine the exhaust drainage valve by simple means.
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出される反応後の燃料ガスの一部と反応後の燃料ガスに含まれる水分とを排出する排気排水弁と、排気排水弁の下流に設けられる燃料ガス濃度検出器と、外気温を検出する外気温センサと、燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を検出する冷媒温度センサと、排気排水弁の開閉指令を出力する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の起動の際に、外気温センサによって取得した外気温と冷媒温度センサによって取得した冷媒温度とから燃料電池システムが始動したときの排気排水弁の温度である初期温度を推定し、推定した初期温度が第1の閾値よりも低い場合に、排気排水弁が凍結していると判定する凍結判定手段と、排気排水弁が凍結していると判定した場合に、燃料ガス濃度検出器によって排気排水弁の下流における解凍処理の前の燃料ガス濃度である初期の燃料ガス濃度を検出し、次に所定の解凍処理を開始し、所定の解凍処理が終了した後、排気排水弁に対する開指令を出し、排気排水弁の開指令を出力した直後に燃料ガス濃度検出器によって排気排水弁の下流における解凍処理後の燃料ガス濃度を検出し、検出した解凍処理後の燃料ガス濃度と初期の燃料ガス濃度とを比較して燃料ガス濃度の変化を算出し、燃料ガス濃度の変化が第2の閾値よりも大きい場合には、排気排水弁は解凍したと判定する解凍判定手段と、を有していることを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a part of the reacted fuel gas discharged from the fuel cell, and moisture contained in the reacted fuel gas. An exhaust drain valve for discharging the exhaust gas, a fuel gas concentration detector provided downstream of the exhaust drain valve, an outside air temperature sensor for detecting the outside air temperature, a refrigerant temperature sensor for detecting the temperature of the cooling medium for cooling the fuel cell, And a control unit that outputs an opening / closing command for the exhaust drain valve, and the control unit acquired by the outside air temperature sensor and the refrigerant temperature sensor at the time of starting the fuel cell estimating an initial temperature which is the temperature of the exhaust drainage valve when the fuel cell system and a refrigerant temperature has started, if the initial temperature estimated is lower than the first threshold value, the exhaust drainage valve is frozen determine A freezing judgment means for, when the water discharge valve is determined to be frozen, to detect the fuel gas concentration in the initial as the fuel gas concentration before the decompression process in the downstream of the water discharge valve by the fuel gas concentration detector Next, a predetermined thawing process is started, and after the predetermined thawing process is completed, an open command for the exhaust drain valve is issued, and immediately after the exhaust drain valve open command is output, the fuel gas concentration detector detects the exhaust drain valve. The fuel gas concentration after the thawing process in the downstream is detected, the detected fuel gas concentration after the thawing process is compared with the initial fuel gas concentration, the change in the fuel gas concentration is calculated, and the change in the fuel gas concentration is the second When it is larger than the threshold value, the exhaust drainage valve has a thawing determination means for determining that the thawing has been thawed.
本発明は、簡便な手段により的確に排気排水弁の解凍判定を行うことができるという効果を奏する。 The present invention has an effect that the exhaust drainage valve can be accurately defrosted by simple means.
本発明の実施形態について、図1、2を参照しながら説明する。図1に示すように、本実施形態の燃料電池システム10の燃料電池11は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から吸気流量計18を介して空気吸込み管路19から空気圧縮機15に吸込まれ、空気圧縮機15によって加圧された吐出空気は圧縮機吐出管路20から加湿器31に供給される。空気吸込み管路19には吸い込んだ外気の温度を検出する外気温センサ17が取り付けられている。加湿器31に入った空気は、加湿器31において燃料電池11での反応で生成された水分により加湿され、湿り空気となって空気供給管路23から燃料電池11に供給される。燃料電池11の空気極12から燃料電池内に入った空気は、水素系統から供給された水素との発電反応によって酸素が減少する。そして反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気中に増えてくる。反応後の水分量が増加した空気は燃料電池11の空気排出管路24に排出される。空気排出管路24には空気極12の中の空気圧力を所定の運転圧力に制御する空気圧力調節弁28が設けられている。燃料電池11の空気極12から排気された水分を多く含む反応後の空気は、加湿器31でその水分の一部を供給空気への付加水分とするために除去される。水分量が減少した排出空気は排気管路29によって下流に流れて行く。排気管路29の途中には、サイレンサ56が設けられ、サイレンサ56を通過した反応後の排気空気は、大気放出口57から大気に排気される。燃料電池11に供給される空気流量は空気圧縮機15のモータ16の回転数を調整することによって行い、空気圧力は燃料電池11の空気極12の出口の空気圧力調節弁28によって調節される。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the
燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク41に貯留されている。水素は水素ガスタンク41から水素供給管路43によって燃料電池11の燃料極である水素極13に供給される。燃料電池11に供給された水素の一部は空気極12に供給された空気中の酸素と反応して消費されるが、消費されなかった水素はクロスリークによって水素系統に入り込んだ窒素や水分と共に水素極13から水素排出管路44に排出される。水素排出管路44に排出された反応後の水素ガス等は、水素排出管路44に接続されている気液分離器48に流入する。気液分離器48は水素排出管路44よりも流路断面積が大きな容器であり、内部に流入した反応後の水素ガス等の速度が低下するので水分とガス分とが比重差によって分離される。また、ガス分の中でも比重の軽い水素と比重の大きい窒素も比重差によって分離される。このため、上部に接続された水素循環管路45には、気液分離器48によって分離された軽い水素を多く含む反応後の水素ガスが流出し、気液分離器48内部には、比重の大きい窒素分と水分とが滞留してくる。気液分離器48と水素供給管路43とは水素循環管路45によって接続され、水素循環管路45に設けられた水素循環ポンプ46によって水素ガスを多く含むようになった反応後の水素ガスが水素供給管路43に再循環される。そして発電によって消費された水素分は水素ガスタンク41から水素供給管路43に補充される。補充される水素ガスの量は水素供給調節弁42によって調節される。
Hydrogen gas as fuel gas is stored in a
上記のように、水素系統は循環系統となっているので、長時間運転していると空気極12からクロスリークしてくる窒素や水分などの不純物は気液分離器48の下部に滞留、濃縮されてくる。このように気液分離器48の下部に滞留、濃縮されてきた不純物を効率的に排出するために、気液分離器48は傾斜した底面を備え、その傾斜した底面の最下部に不純物を排出する気液分離器排出管路50が設けられている。そして、この気液分離器排出管路50に接続された排気排水弁49を開として、滞留、濃縮された水分や窒素等の不純物を水素系大気放出管路51から大気に放出する。この場合、窒素や水分のみでなく一部の水素も同時に排出されてしまうので、高濃度の水素ガスが直接大気に放出されることがないように、混合器55によって空気極からの排気空気と混合して、水素濃度を下げてから大気に放出するように構成されている。また、水素系大気放出管路51には、排出される流体に含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出器54が設けられている。
As described above, since the hydrogen system is a circulation system, impurities such as nitrogen and moisture that cross leak from the
排気排水弁49は、電磁式のアクチュエータ52によって開閉駆動される弁であり、図2に示すように、アクチュエータ52の内部には弁体を駆動するためのコイル53が設けられている。排気排水弁49の駆動系統は、駆動用の電源61と、駆動用の電源61から供給される電力を内部に設けられたスイッチング素子の動作によって図2(b)に示すようなコイル53駆動用のパルス電力に変換して出力するスイッチング回路62と、コイル53に流れる電流を検出する電流センサ63とが含まれている。スイッチング回路62は制御部90に接続され、制御部90の指令によって動作するよう構成されている。排気排水弁49はノーマルクローズの弁であり、コイル53に通電されていない状態では弁体は内部に取り付けられたばねによって弁座に押し付けられており、コイル53に通電されると電磁力で弁体に接続された弁棒が引き上げられ、弁が開状態となる。
The exhaust /
燃料電池11は燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気との電気化学反応によって発電を行なうと、反応熱が発生する。この反応熱は燃料電池11の中のセパレータに冷媒を流す冷却系統によって外部に放出される。図1に示すように、燃料電池11の中のセパレータ流路を流れて温度の上昇した冷媒は冷媒出口管路32に設けられた冷媒ポンプ33によってラジェータ37に送られる。ラジェータ37の放熱フィンからの放熱によって温度が低下した冷媒は、冷媒入口管路39から燃料電池11に供給され、燃料電池11を循環して冷却する。この冷媒ポンプ33はモータ35の回転数を調整することによって流量を調整することができるものである。燃料電池11の冷媒出口管路32には冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ36が設けられている。
When the
本実施形態の燃料電池システム10は、図1の1点鎖線で示すように、燃料電池11及び空気圧力調節弁28及び、水素循環管路45、水素循環ポンプ46、気液分離器48を含む水素循環系統及び、排気排水弁49等の機器を格納している保温ケーシング71を有している。保温ケーシング71は、停止中の燃料電池11の温度低下を防止すると共に、起動後の燃料電池からの熱放散を防止して、所定の通常温度において燃料電池11を運転することができるようにしている。
The
外気温センサ17、冷媒温度センサ36、水素濃度検出器54、各調節弁28,42、アクチュエータ52、燃料電池11の各状態量、空気圧縮機15、冷媒ポンプ33、水素循環ポンプ46の各モータ16,35,47などはすべて制御部90に接続されており、各センサ17、36、水素濃度検出器54からの計測値は制御部90に入力され、制御部90は各調節弁28,42、排気排水弁49の開閉指令、各モータ16,35,47の回転数指令を出力して燃料電池システム10全体の制御を行う。制御部90は内部に信号処理用のCPUと制御プログラム、制御データを格納するメモリとを含むコンピュータであり、メモリに格納されたソフトウェアによって全体の制御を行うように構成されている。制御部90は電気回路を組み合わせて制御を行うようになっていてもよい。
Outside
図3、図4を参照して以上のように構成された燃料電池システム10の凍結判定及び解凍判定動作について説明する。図3のステップS101に示すように、燃料電池システム10が始動されると、制御部90は、図2のステップS102に示すように、外気温センサ17から外気温を取得し、冷媒温度センサ36から冷媒温度を取得する。そして、制御部90は、図2のステップS103に示すように、外気温センサ17から取得した外気温と冷媒温度センサ36から取得した冷媒温度とから排気排水弁49の初期温度を推定する。推定は、例えば、排気排水弁49の温度は外気温と冷媒温度とのいずれか低い方の温度と等しいものとして、外気温センサ17から取得した外気温と冷媒温度センサ36から取得した冷媒温度の低い方の温度を排気排水弁49の初期温度としてもよいし、本参考例のように燃料電池11の保温ケーシング71の中に排気排水弁49が収容されている場合には、保温ケーシング71の中の温度により近い冷媒温度を排気排水弁49の初期温度としてもよい。また、燃料電池11や冷媒の熱容量を考慮して冷媒温度と外気温との温度差に係数を掛けた温度だけ冷媒温度センサ36から取得した冷媒温度を補正して排気排水弁49の温度としてもよい。
The freezing determination and thawing determination operations of the
図3のステップS104に示すように、制御部90は、推定した排気排水弁49の初期温度と閾値とを比較し、排気排水弁49の初期温度が閾値よりも低い場合には図3のステップS105に示すように、排気排水弁49は凍結しているものと判定し、閾値よりも高い場合には、図3のステップS106に示すように排気排水弁49は凍結していないものと判定する。ここで、閾値は、例えば、0℃としても良いし、水分中に窒素などが混入していることを考慮して、−5℃の様に設定してもよい。制御部90は、排気排水弁49が凍結していないと判定した場合には、解凍判定を行うことなく動作を終了する。
As shown in step S104 of FIG. 3, the
一方、制御部90は、排気排水弁49が凍結していると判断した場合には、図3のステップS107に示すように、排気排水弁49の解凍処理を行う。解凍処理は、例えば排気排水弁49を解凍するために燃料電池11が自己発熱するように運転したり、排気排水弁49にヒータを取り付けておき、このヒータによって排気排水弁49を加熱することによって解凍したりしてもよい。
On the other hand, when it is determined that the exhaust /
制御部90は解凍処理の後、図3のステップS108に示すように、排気排水弁49の作動開始指令と開閉デューティ比を出力し、排気排水弁49のアクチュエータ52のコイル53に通電を開始する。制御部90の指令によって図2に示すスイッチング回路62は、図2(b)に示すように開閉デューティ比で電源61から供給される電力のオンオフを開始する。開閉デューティ比は作動時間に対する開時間の割合で、例えば、開閉デューティ比が50%の場合は、作動時間の内半分の時間、アクチュエータ52のコイル53に通電電流が流れ、半分の時間は通電電流が流れていない状態となり、開閉デューティ比が100%の場合には、作動時間中は常にコイル53に電流が流れている状態となる。
After the thawing process, the
図3のステップS109に示すように、制御部90は、コイル53への通電が開始されたら電流センサ63によってコイル53に供給されている電流値を取得する。コイル53への電流はオンオフ制御となっているので、電流センサ63は電流の実効値を測定することとなる。制御部90は、図3のステップS110に示すように、電流センサ63から取得した電流値と開閉デューティ比とからコイル53に電源61の出力電圧が掛かった場合の最大電流値を算出する。この最大電流値は電流センサで測定した電流値を開閉デューティ比で割った値となる。そして、電源61の出力電圧を最大電流で割ってコイル53の抵抗値を算出する。
As shown in step S <b> 109 of FIG. 3, the
図4に示すように、コイル53の抵抗値は温度によって変化し、温度が高くなるとその抵抗値は大きくなり、温度が低くなるとその抵抗値は小さくなってくる。従って、コイル53の抵抗値によって排気排水弁49の温度を推定することができ、計算したコイル53の抵抗値によって排気排水弁49が解凍しているかどうかを判定することができる。図3のステップS111に示すように、制御部90は、計算したコイル53の抵抗値と閾値とを比較し、抵抗値が閾値よりも大きい場合には、図3のステップS112に示すように排気排水弁49は解凍していると判定し、図3のステップS113に示すように、抵抗値が閾値よりも小さい場合には凍結した状態にあると判断する。閾値は、排気排水弁49が0℃以上となる際のコイル53の温度とすることが出来る。例えば、排気排水弁49が0℃に上昇した場合には、コイル53の温度は数℃となる場合には、コイル53の温度が数℃の場合の抵抗値を閾値としてもよい。
As shown in FIG. 4, the resistance value of the
制御部90は、コイル53の抵抗値が所定の閾値よりも小さい場合には、排気排水弁49は解凍していないと判定し、解凍したと判定するまで図3のステップS107に戻って解凍処理を続け、図3のステップS108からステップS111を繰り返す。
When the resistance value of the
以上説明したように、本参考例の燃料電池システム10は、解凍判定のために追加のセンサ等を必要としないことから簡便な構成とすることが出来るという効果を奏する。また、本参考例の燃料電池システム10は、排気排水弁49の近傍に配置されているコイル53の抵抗値から排気排水弁49の解凍判定を行うことから的確に排気排水弁49の解凍判定を行うことができるという効果を奏する。
As described above, the
図5を参照しながら図1、図2を参照して説明した燃料電池システム10の他の動作について説明する。図3,4を参照して説明した部分と同様の部分については、説明を省略する。
Other operations of the
図5のステップS201からS206に示すように、制御部90は、先に説明した動作と同様、燃料電池システム10が始動すると、外気温センサ17と冷媒温度センサ36から外気温と冷媒温度とを取得し、これらの温度に基づいて排気排水弁49の初期温度を推定し、凍結判定を行う。排気排水弁49が凍結していると判定した場合、制御部90は、図5のステップS207に示すように、排気排水弁49の作動開始指令と開閉デューティ比を出力し、排気排水弁49のアクチュエータ52のコイル53に通電を開始する。コイル53に通電を開始したら、制御部90は、図5のステップS208に示すように、コイル53に流れる電流の実効値を電流センサ63から取得する。そして、制御部90は、図5のステップS209に示すように、排気排水弁49の作動開始からの時間をカウントする。
As shown in steps S201 to S206 of FIG. 5, the
制御部90は、図5のステップS210に示すように、電流センサ63から取得した電流の実効値と電源61の電圧と作動時間とを掛け合わせて、コイル53で消費される電力量を計算し、計算した電力量と排気排水弁49の熱容量とから排気排水弁49の昇温温度を算出する。そして、図5のステップS211に示すように排気排水弁49の初期温度に昇温温度を加算して、昇温後の排気排水弁49の温度を推定する。制御部90は、図5のステップS212に示すように推定した昇温後の排気排水弁49の温度と所定の閾値とを比較し、図5のステップS213に示すように昇温後の排気排水弁49の温度が閾値よりも高い場合には排気排水弁49は解凍していると判定する。ここで閾値は、例えば、0℃としてもよいし、+5℃などとしてもよい。
The
制御部90は、図5のステップS214に示すように、推定した排気排水弁49の昇温後の温度が所定の閾値よりも低い場合には、排気排水弁49は解凍していないと判定し、解凍したと判定するまで図5のステップS207に戻ってコイル53への通電を続け、図5のステップS207からステップS212を繰り返す。本参考例の燃料電池システム10は、先に説明した参考例と同様の効果を奏する。
As shown in step S214 in FIG. 5, the
また、本参考例では、電流センサ63から取得した電流の実効値と電源61の電圧と作動時間とを掛け合わせて、コイル53で消費される電力量を計算することとして説明したが、コイル53の温度と抵抗値との関係から推定した排気排水弁49の初期温度のコイル53の抵抗値を取得し、電源61の電圧と取得した抵抗値とから電源61の電圧がコイル53に掛かっている場合のコイル53に掛かる電力を計算し、制御部90の出力する排気排水弁49の開閉デューティ比から作動時間の中で、コイル53に電流が流れている時間を計算し、コイル53に掛かる電力にコイル53に電流が流れている時間を掛け合わせてコイル53で消費される電力量を計算し、計算した電力量と排気排水弁49の熱容量とから排気排水弁49の昇温温度を算出する様にしてもよい。この場合、電流センサ63がなくても排気排水弁49の昇温後の温度を推定することが出来ることから先に示した参考例よりも簡便に排気排水弁49の解凍を判定することができる。
In this reference example, the effective value of the current acquired from the
図6を参照しながら図1、図2を参照して説明した実施形態における燃料電池システム10の動作について説明する。図3,4を参照して説明した部分と同様の部分については、説明を省略する。
The operation of the
図6のステップS301からS306に示すように、制御部90は、先に説明した動作と同様、燃料電池システム10が始動すると、外気温センサ17と冷媒温度センサ36から外気温と冷媒温度とを取得し、これらの温度に基づいて排気排水弁49の初期温度を推定し、凍結判定を行う。排気排水弁49が凍結していると判定した場合、制御部90は、図6のステップS307に示すように、水素濃度検出器54によって排気排水弁49の下流の水素系大気放出管路51の初期水素濃度を取得する。そして、制御部90は図6のステップS308に示すように、排気排水弁49の解凍処理を開始する。解凍処理は先に図3を参照して説明した参考例と同様、例えば、排気排水弁49を解凍するために燃料電池11が自己発熱するように運転したり、排気排水弁49にヒータを取り付けておき、このヒータによって排気排水弁49を加熱することによって解凍したりしてもよい。
As shown in steps S301 to S306 in FIG. 6, the
図6のステップS309に示すように、制御部90は解凍処理の後、排気排水弁49を開とする指令を出力する。この指令によって図2に示すスイッチング回路62が動作し、コイル53に電流が流れ、排気排水弁49の弁体は開方向に移動しようとする。排気排水弁49が解凍している場合には、コイル53への通電で弁体が移動し、排気排水弁49が開状態となる。制御部90は図6のステップS310に示すように、その直後、水素濃度検出器54から水素濃度を取得する。排気排水弁49が開となると、水素系統に残留している水素が排気排水弁49を通って水素系大気放出管路51に流出するので水素濃度検出器54によって取得する水素濃度は初期水素濃度よりも上昇する。制御部90は、図6のステップS312に示すように、水素濃度検出器54によって取得した初期水素濃度と排気排水弁49への開指令出力直後に水素濃度検出器54によって取得した水素濃度とを比較し、その変化を算出する。変化は水素濃度の差であってもよいし水素濃度の変化割合であっても良い。そして、制御部90は図6のステップS312に示すように、算出した水素濃度の変化と所定の閾値とを比較し、図6のステップS313に示すように所定の閾値よりも変化が大きい場合には、排気排水弁49は解凍していると判定する。
As shown in step S309 in FIG. 6, the
図6のステップS314に示すように、制御部90は算出した水素濃度の変化が所定の閾値よりも変化が小さい場合には、排気排水弁49は解凍していないと判定し、解凍したと判定するまで図6のステップS308からステップS312を繰り返す。本実施形態の燃料電池システム10は、先に説明した参考例と同様の効果を奏する。
As shown in step S314 of FIG. 6, when the change in the calculated hydrogen concentration is smaller than a predetermined threshold, the
図7を参照しながら排気排水弁49の他の駆動系統について説明する。図1、図2を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図2を参照して説明した排気排水弁49の駆動系統では、制御部90から排気排水弁49の作動指令と開閉デューティ比が入力されるとスイッチング回路62は電源61から供給される電源をオンオフして排気排水弁49の開閉駆動を行うこととして説明したが、本実施形態の駆動系統は、排気排水弁49のアクチュエータ52のコイル53に掛かる電流の方向をスイッチング回路62によって変化させるようにしたものである。
Another drive system of the exhaust /
排気排水弁49はノーマルクローズの弁であることから、図2を参照して説明した実施形態の駆動系統では排気排水弁49が閉状態ではコイル53に電流が流れず、開弁の際にのみコイル53に電流が流れるよう構成されている。しかし、排気排水弁49の開閉デューティ比は低いことから、コイル53に電流が流れている時間が短く、外気温が低下した場合、コイル53の発熱によって排気排水弁49の温度を凍結しない温度に保持することが難しくなってくる。そこで、本実施形態では、図7に示すように、制御部90から排気排水弁49の作動指令と開閉デューティ比が入力されたら、スイッチング回路62によって開弁の際には電源61のプラスとGNDとをコイル53の端子A,Bに接続し図7(a)の実線の矢印のように端子Aから端子Bに向かって電流を流し、閉弁状態では、電源61のマイナスとGNDとを端子A、Bに接続し、図7(b)の点線の矢印で示すように端子Bから端子Aに向って電流を流すようにする。この様にすることによって、排気排水弁49が開弁状態でも閉弁状態でもコイル53に通電することができ、排気排水弁49を凍結しない温度に保持し、排気排水弁49の凍結を回避することができる。また、本実施形態では、排気排水弁49が閉状態の際にはコイル53に流す電流の向きを開弁動作の際の電流の流れる方向と反対方向としているので、コイル53への通電により閉弁方向の電磁力が発生するので、閉弁状態でコイル53に通電しても排気排水弁49が開となることはない。また、このようにコイル53に電流を流すことによって凍結状態の排気排水弁49の解凍処理とすることとしてもよい。
Since the exhaust /
上記のように構成された排気排水弁49を備える燃料電池システム10では、外気温センサ17によって取得した外気温が所定の閾値、例えば+5℃以上の場合には、図2を参照して説明した実施形態と同様、排気排水弁49を開とする場合にのみコイル53に通電する通常動作を行い、外気温センサ17によって取得した外気温が所定の閾値、例えば+5℃以下となった場合には、排気排水弁49の開弁状態でも閉弁状態でもコイル53に電流を流す様にスイッチング回路62の動作を保温動作に切り替える。このようにして、外気温が低下した際の排気排水弁49の凍結を防止することが出来る。
In the
次に、図7に示す駆動系統を備える排気排水弁49の解凍判定を図3に示した方法で行う場合について説明する。先に説明した参考例と同様の部分については説明を省略する。図3のステップS101からS106に示すように、制御部90は、先に説明した動作と同様、燃料電池システム10が始動すると外気温センサ17と冷媒温度センサ36から外気温と冷媒温度とを取得し、これらの温度に基づいて排気排水弁49の初期温度を推定し、凍結判定を行う。排気排水弁49が凍結していると判定した場合、制御部90は、図3のステップS107に示すように解凍処理を行う。
Next, the case where the thawing determination of the exhaust /
図3のステップS108に示すように、制御部90は、排気排水弁49の作動指令と開閉デューティ比をスイッチング回路62に出力すると共に、スイッチング回路62のスイッチング動作を保温動作に切り替える指令を出力する。これにより排気排水弁49のアクチュエータ52のコイル53には図7(b)に示すように開弁状態でも閉弁状態も電流が流れ始める。この場合、電流センサ63によって電流値を測定すると実効値がゼロとなってしまうので、制御部90は、排気排水弁49の開状態または閉状態となっている間にコイル53に流れる電流センサ63から電流値を取得し、その電流値に基づいて図3のステップS110に示すようにコイル53の抵抗値を算出し、図3のステップS111に示すように抵抗値と閾値を比較して解凍判定を行う。
As shown in step S108 of FIG. 3, the
本参考例は図1から図4を参照して説明した参考例と同様の効果を奏する。また、本参考例では、図3の解凍処理としてコイル53への通電を利用することにより、燃料電池11が自己発熱や排気排水弁49のヒータ加熱を省略してもよい。
This reference example has the same effect as the reference example described with reference to FIGS. Further, in the present reference example, the
図7を参照して説明したように構成された排気排水弁49を備える燃料電池システム10で、図4を参照して説明した動作によって排気排水弁49の解凍判定を行う場合には、排気排水弁49の開閉デューティ比が100%であるとして排気排水弁49の昇温を計算する。その他の解凍判定の動作は図4を参照して説明した動作と同様である。
In the
図8を参照しながら、排気排水弁49の他の駆動系統について説明する。図1、図2、図7を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図8に示すように、本実施形態の駆動系統は、排気排水弁49のアクチュエータ52は、開弁時に通電する開弁用コイル53aと閉弁時に通電する閉弁用コイル53bとを備えている。開弁用コイル53aと閉弁用コイル53bとは、開弁用コイル53aによる電磁力の大きさが閉弁用コイル53bによる電磁力の大きさよりも小さくなるように選定されている。制御部90から開弁指令が出力されるとスイッチング回路62は開弁用コイル53aの端子Aから端子Bに向って電流を流す。この際、閉弁用コイル53bには電流は流れない。そして、制御部90から閉弁指令が出力された場合には、スイッチング回路62は、閉弁用コイル53bの端子CからBに向う方向に電流を流してコイル53bの電磁力の方向を開弁動作の際とは逆にして弁を閉弁する。この閉弁動作の際にスイッチング回路62は、開弁用コイル53aにも開弁の際と同様の電流を流し続ける。この様に2つのコイル53a,53bに同時に電流を流すことによって閉弁状態でも排気排水弁49の温度を凍結しない温度に保持することが出来る。開弁用コイル53aと閉弁用コイル53bとに同時に電流が流れると、各コイル53a,53bにはそれぞれ反対方向に向かう電磁力が発生することとなるが、開弁用コイル53aによる電磁力の大きさが閉弁用コイル53bによる電磁力の大きさよりも小さくなるように選定されているので、閉弁動作が妨げられることはない。また、このようにコイル53a,53bに同時に電流を流すことによって凍結状態の排気排水弁49の解凍処理とすることとしてもよい。
The other drive system of the exhaust /
上記のように構成された排気排水弁49を備える燃料電池システム10では、外気温センサ17によって取得した外気温が所定の閾値、例えば+5℃以上の場合には、開弁の際には開弁用コイル53aにのみ通電し、閉弁の際には閉弁用コイル53bにのみ通電する通常動作を行い、外気温センサ17によって取得した外気温か所定の閾値、例えば+5℃以下となった場合には、開弁用コイル53aが常に通電状態となる保温動作に切り替える。このようにして、外気温が低下した際の排気排水弁49の凍結を防止することが出来る。
In the
図8に示す駆動系統を備える排気排水弁49の解凍判定を図3に示した方法によって行う場合には、排気排水弁49の作動中は常に電流が流れる開弁用コイル53aの電流値を電流センサ63によって取得し、その電流値から開弁用コイル53aの抵抗値を求め解凍判定を行う。その他の動作については先に図7を参照して説明した参考例の動作と同様である。また、図8に示す駆動系統を備える排気排水弁49の解凍判定を図4に示した方法によって行う場合には、開弁用コイル53aで消費される電力を求める場合には、開閉デューティ比を100%として計算し、閉弁用コイル53bで消費される電力を計算する場合には、先に説明した参考例と同様、制御部90の出力する開閉デューティ比を用いて計算する。その他の動作については図7を参照して説明した参考例の動作と同様である。本参考例は、図1から図4を参照して説明した参考例と同様の効果を奏する。
When the thawing determination of the exhaust /
10 燃料電池システム、11 燃料電池、12 空気極、13 水素極、15 空気圧縮機、16,35,47 モータ、17 外気温センサ、18 吸気流量計、19 空気吸込み管路、20 圧縮機吐出管路、23 空気供給管路、24 空気排出管路、28 空気圧力調節弁、29 排気管路、31 加湿器、32 冷媒出口管路、33 冷媒ポンプ、36 冷媒温度センサ、37 ラジェータ、39 冷媒入口管路、41 水素ガスタンク、42 水素供給調節弁、43 水素供給管路、44 水素排出管路、45 水素循環管路、46 水素循環ポンプ、48 気液分離器、49 排気排水弁、50 気液分離器排出管路、51 水素系大気放出管路、52 アクチュエータ、53 コイル、53a 開弁用コイル、53b 閉弁用コイル、54 水素濃度検出器、55 混合器、56 サイレンサ、57 大気放出口、61 電源、62 スイッチング回路、63 電流センサ、71 保温ケーシング、90 制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
燃料電池から排出される反応後の燃料ガスの一部と反応後の燃料ガスに含まれる水分とを排出する排気排水弁と、
排気排水弁の下流に設けられる燃料ガス濃度検出器と、
外気温を検出する外気温センサと、
燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を検出する冷媒温度センサと、
排気排水弁の開閉指令を出力する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
制御部は、
燃料電池の起動の際に、外気温センサによって取得した外気温と冷媒温度センサによって取得した冷媒温度とから燃料電池システムが始動したときの排気排水弁の温度である初期温度を推定し、推定した初期温度が第1の閾値よりも低い場合に、排気排水弁が凍結していると判定する凍結判定手段と、
排気排水弁が凍結していると判定した場合に、
燃料ガス濃度検出器によって排気排水弁の下流における解凍処理の前の燃料ガス濃度である初期の燃料ガス濃度を検出し、
次に所定の解凍処理を開始し、
所定の解凍処理が終了した後、排気排水弁に対する開指令を出し、
排気排水弁の開指令を出力した直後に燃料ガス濃度検出器によって排気排水弁の下流における解凍処理後の燃料ガス濃度を検出し、
検出した解凍処理後の燃料ガス濃度と初期の燃料ガス濃度とを比較して燃料ガス濃度の変化を算出し、燃料ガス濃度の変化が第2の閾値よりも大きい場合には、排気排水弁は解凍したと判定する解凍判定手段と、
を有していることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
An exhaust drain valve for discharging a part of the fuel gas after reaction discharged from the fuel cell and moisture contained in the fuel gas after reaction;
A fuel gas concentration detector provided downstream of the exhaust drain valve;
An outside air temperature sensor for detecting outside air temperature,
A refrigerant temperature sensor for detecting a temperature of a cooling medium for cooling the fuel cell;
A control unit that outputs an opening / closing command of the exhaust drain valve;
A fuel cell system comprising:
The control unit
When starting the fuel cell , the initial temperature, which is the temperature of the exhaust drain valve when the fuel cell system was started, was estimated from the outside air temperature obtained by the outside air temperature sensor and the refrigerant temperature obtained by the refrigerant temperature sensor. Freezing determination means for determining that the exhaust drainage valve is frozen when the initial temperature is lower than the first threshold;
If it is determined that the exhaust drain valve is frozen,
The fuel gas concentration detector detects the initial fuel gas concentration which is the fuel gas concentration before the thawing process downstream of the exhaust drain valve,
Next, start the predetermined decompression process,
After the predetermined thawing process is completed, an open command is issued to the exhaust drain valve,
Immediately after outputting the exhaust drain valve open command, the fuel gas concentration detector detects the fuel gas concentration after the thawing process downstream of the exhaust drain valve,
The detected fuel gas concentration after the thawing process is compared with the initial fuel gas concentration to calculate a change in the fuel gas concentration. If the change in the fuel gas concentration is greater than the second threshold, the exhaust drain valve A thawing determination means for determining that the thawing has occurred;
A fuel cell system comprising:
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