JP6540575B2 - Fuel cell system control method - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a control method of a fuel cell system.
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池が注目されている。燃料電池からは電気化学反応によって水が精製され、この精製水は燃料電池システム内部の冷却に使用されたり、配水管からシステム外部に排出される。 In recent years, fuel cells that generate electricity by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen have attracted attention. Water is purified from the fuel cell by an electrochemical reaction, and this purified water is used to cool the inside of the fuel cell system or discharged from the water distribution pipe to the outside of the system.
従来、このような分野の技術として、特開2006−155998号公報がある。この公報に記載された燃料電池システムの制御方法には、凍結などにより水素ポンプがロックされている場合に、燃料電池スタックからの出力を制御することについて記載されている。 Conventionally, there exists Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-155998 as a technique of such a field. The control method of the fuel cell system described in this publication describes controlling the output from the fuel cell stack when the hydrogen pump is locked due to freezing or the like.
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、凍結により水素ポンプがロックされている場合であっても、所定の制限下で発電が可能となっているが、水素ポンプのロックの解除を図るものではなく、自然にロックが解除されるまで通常動作を行うことができないという問題がある。短時間で水素ポンプのロックを解除し、通常動作による発電を行える状態にしたいという要望がある。
本発明は、水素ポンプのロック解除にかかる時間を短縮した燃料電池システムの制御方法を提供するものである。
However, in the above-described conventional fuel cell system, even when the hydrogen pump is locked due to freezing, power generation is possible under a predetermined restriction, but in the case where the hydrogen pump is unlocked There is a problem that the normal operation can not be performed until the lock is naturally released. There is a demand for releasing the lock of the hydrogen pump in a short time and enabling the power generation by the normal operation.
The present invention provides a control method of a fuel cell system in which the time taken to unlock the hydrogen pump is shortened.
本発明にかかる燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素タンクと、前記燃料電池スタックから排出された水素を前記燃料電池スタックに再供給するように循環させる水素ポンプと、前記燃料電池スタックを冷却するために循環させるクーラントを冷却するラジエータと、前記ラジエータにエアを送るファンと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムの起動時に、前記水素ポンプがロックされているか否かを判定するステップと、前記水素ポンプがロックされている場合に、前記クーラントを前記燃料電池スタックと前記ラジエータとの間で循環させると共に、前記水素タンクから前記燃料電池スタックに水素を供給して発電するステップと、前記クーラントが循環している前記ラジエータに対して送られたエアにより、前記水素ポンプを温めるステップと、を備える。
これにより、ラジエータを通過することにより温められたエアを水素ポンプに当てることで、ロック解除を促進することができる。
A control method of a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack, a hydrogen tank for supplying hydrogen to the fuel cell stack, and resupply of hydrogen discharged from the fuel cell stack to the fuel cell stack. A control method of a fuel cell system, comprising: a hydrogen pump to be circulated; a radiator for cooling a coolant to be circulated to cool the fuel cell stack; and a fan for sending air to the radiator. Determining at start-up whether or not the hydrogen pump is locked; and circulating the coolant between the fuel cell stack and the radiator when the hydrogen pump is locked, the hydrogen Supplying hydrogen from a tank to the fuel cell stack to generate electricity; The air runt is sent to the radiator circulating, and a step of warming said hydrogen pump.
Thereby, the release of the lock can be promoted by applying the air warmed by passing through the radiator to the hydrogen pump.
これにより、水素ポンプのロック解除にかかる時間を短縮することができる。 As a result, the time taken to unlock the hydrogen pump can be shortened.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック11と、燃料ガス(水素)を貯蔵する水素タンク12と、水素ポンプ13と、燃料電池スタック11に用いられるクーラントを冷却するラジエータ14と、ラジエータ14にエアを送るファン15と、クーラントの不純物を取り除くイオン交換機16と、クーラントをラジエータ14が設けられた経路に流すか、イオン交換機16が設けられた経路に流すかを切り替えるロータリーバルブ17と、を備える。以下では、燃料電池システム1は、自動車のエンジンルームにおいて用いられるものとして説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
燃料電池スタック11は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの集合体である。セルは、電解質膜を挟んで水素極(アノード)と、酸素極(カソード)と、が配置されている。アノードには、水素タンク12に貯蔵された水素が、燃料ガスとして供給される。カソードには、酸素ガスとしての空気が供給される。
The
例えば、カソードからの排気は、排気用の配管及びマフラーを介して、外部に排出される。また、水素と酸素の電気化学反応により精製された水は、排水用の配管を介して外部に排出される。それぞれの配管には、開閉制御されるバルブが設けられている。 For example, the exhaust from the cathode is exhausted to the outside through an exhaust pipe and a muffler. In addition, water purified by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen is discharged to the outside through a drainage pipe. Each pipe is provided with a valve that is controlled to open and close.
水素タンク12は、高圧状態で水素ガスが貯蔵されている。例えば、水素タンク12には、複数のレギュレータやバルブが設けられており、レギュレータを用いて水素タンク12から燃料電池スタック11に送られる水素ガスの圧力や供給量が調整された後に、バルブが開かれることで、アノードに水素ガスが供給される。すなわち、水素タンク12は、氷点下の環境内において燃料電池システム1を始動する際に、貯蔵された水素ガスが高圧であることを用い、インジェクタにより水素ガスをアノードに供給する。
The
水素ポンプ13は、燃料電池スタック11から排出された水素を燃料電池スタック11に再供給するように循環させる。水素ポンプ13は、スクロールポンプ、ベーンポンプ、ルーツ式ポンプ、ダイヤフラムポンプなどの回転機構の動力を利用してガスを圧縮して吐出させるポンプ装置である。水素ポンプ13には、凍結状態を測定するための温度センサや、回転数を測定する回転数センサ等のセンサが設けられている。図2に示すように、水素ポンプ13は、エンジンルーム内において、水素タンク12の近傍に配置されているとともに、ラジエータ14により温められたエアが、ファン15によって送風されたときに当たるように配置されている。なお図2において、図面左側が前方である。
The
ラジエータ14は、燃料電池スタック11を冷却するクーラントの放熱を行う。なお、図3に示すように、ラジエータ14の近傍は、複数のサブラジエータが配置されていてもよい。
The
ファン15は、ラジエータ14の近傍に設けられている。ラジエータ14の放熱により温められたエアは、ファン15の動作により、水素ポンプ13に送風される。
The
ここで図3に示すように、燃料電池システム1内には、燃料電池スタック11に連結されクーラントを流出させる第1の配管21と、第1の配管21から分岐する第2の配管22及び第3の配管23と、第2配管22と第3の配管23が合流して連結され、燃料電池スタック11にクーラントを流入させる第4の配管24と、が設けられている。
Here, as shown in FIG. 3, in the fuel cell system 1, there are a
第1の配管21には、クーラントの温度を測る温度計25が配置されている。また、第1の配管の下流において、第2の配管22及び第3の配管23に分岐箇所には、ロータリーバルブ17が配置されている。ロータリーバルブ17は、水素ポンプ13のロック状態に応じて、クーラントの流れる方向を制御する。例えば、ロータリーバルブ17は、水素ポンプ13に設けられたセンサの出力に基づき、制御部(図示せず)によって水素ポンプ13がロックされた状態であると判定された場合に、第2の配管22にクーラントを流す。また、ロータリーバルブ17は、制御部によって水素ポンプ13がロックされていない状態であると判定された場合に、第3の配管23にクーラントを流す。なお、例えば制御部は、CPU(Central Processing Unit)やメモリを備える演算装置により構成されている。
A
第2の配管は、エンジンルームの前方側を経由する配管である。第2の配管にはラジエータ14が配置されている。また第2の配管には、クーラントの温度を測定する温度計26が配置されている。
The second pipe is a pipe passing through the front side of the engine room. A
第3の配管23は、第2の配管22に比べて、エンジンルームの後方側に配置されている。言い換えると第3の配管23は、第1の配管21と第4の配管24の間をバイパスするように配置されている。第3の配管23には、イオン交換機16が配置されている。
The
イオン交換機16は、第3の配管23を流れるクーラントのイオン交換を行う。これによりイオン交換機16は、クーラント中のイオンの除去を行う。
The
次に、図4を用いて、氷点下中で燃料電池システム1を駆動する際の動作について説明する。 Next, an operation of driving the fuel cell system 1 under freezing point will be described with reference to FIG.
氷点下において燃料電池システム1の駆動を開始する(S11)。すなわち、温度計25で測定されるクーラントの温度は、0℃より低い。
Driving of the fuel cell system 1 is started below freezing (S11). That is, the temperature of the coolant measured by the
制御部は、水素ポンプ13に配置されたセンサから取得された情報を用い、水素ポンプ13のロータ室内部において結露水、精製水の凍結により回転数に異常が発生したロック状態であるか否かを判定する(S12)。なお、水素ポンプ13のロック状態の判定は、回転数の偏差の異常のほか、トルク負けが発生しているか否か、水素ポンプ13を動作させるドライバへの異常が発生しているか否かの情報を取得し、これらの情報を利用して行ってもよい。制御部が、水素ポンプ13がロックされていると判定した場合はS13に進み、ロックされていないと判定した場合はS21に進む。
The control unit uses the information acquired from the sensor disposed in the
燃料電池スタック11から排気、排水するための弁を開放状態する(S13)。また、水素タンク12から燃料電池スタック11に、インジェクタにより水素供給を行う。
The valve for exhausting and draining the
制御部は、燃料電池スタック11から排出されたクーラントが、第1の配管21から第2の配管22に流れるように、ロータリーバルブ17を制御する(S14)。なお、クーラントは、第2の配管22においてラジエータ14により放熱され、第4の配管を介して燃料電池スタック11に戻るように、循環する。
The control unit controls the
燃料電池スタック11は、所定の出力制限を行った状態で、発電を行う(S15)。例えば、燃料電池スタック11は、最大出力の35%の出力となるように出力制限して動作する。あるいは、燃料電池スタック11の温度が低いときは運転状態が悪化しやすいため、燃料電池スタック11の温度によって出力制限を決定してもよい。なお、出力制限のために足りない電力は、二次電池(図示せず)から供給してもよい。
The
温度計25,26は、燃料電池スタック11の動作によってクーラントの温度が上昇し、クーラントの温度が0℃より高い温度になったことを確認する(S16)。なお、クーラントの温度が0℃より低い場合には、出力制限された状態で発電を続け、0℃より高くなるまで待機する。
The
ファン15による送風を開始する(S17)。これにより、第2の配管22を通過するクーラントを冷却する際に、ラジエータ14で発生する放熱によって温められたエアが、水素ポンプ13に送られる。
The air blowing by the
これにより、水素ポンプ13が昇温し、ロータの安定した回転が可能となる(S18)。これにより、水素ポンプ13は通常動作が可能となるため、S21に進み、通常制御に移行する。
As a result, the temperature of the
次に、S12において水素ポンプ13がロックされていないと判定された場合、又は、ロックされたと判定された後にS18まで進み、通常制御する際の動作について説明する。
Next, when it is determined in S12 that the
水素タンク12から燃料電池スタック11に、インジェクタにより水素供給を行う(S21)。
Hydrogen is supplied from the
制御部は、クーラントが第1の配管21から第3の配管23(バイパス側)に流れるように、ロータリーバルブ17を制御する(S22)。なお、第3の配管23に設けられたイオン交換機16により、クーラントのイオン交換が行われる。
The control unit controls the
燃料電池スタック11は、所定の出力制限を行った状態で、発電を行う(S23)。出力制限は、S15と同様に、出力制限は最大出力に対する所定の割合として決定してもよく、燃料電池スタック11の温度によって制限を変更してもよい。
The
温度計25は、燃料電池スタック11の動作によってクーラントの温度が上昇し、クーラントの温度が50℃より高い温度になったことを確認する(S24)。なお、クーラントの温度が50℃より低い場合には、50℃より高くなるまで出力制限状態の発電を実行し続ける状態で待機する。
The
燃料電池スタック11は、通常の発電を開始する(S25)。このとき、水素ポンプ13は通常の動作を開始する。すなわち、水素ポンプ13は、通常動作として、燃料電池スタック11から排出された水素を燃料電池スタック11に再供給するように循環させる。
The
これにより、水素ポンプ13のロック状態を判定し、水素ポンプ13がロック状態である場合には、ラジエータ14を通過することにより温められたエアを、ファン15により水素ポンプ13に当てることで、ロック解除を促進することができる。これにより、氷点下の環境内で燃料電池システムの動作を開始した場合であっても、短時間で水素ポンプ13が通常動作可能な状態にすることができ、燃料電池スタック11における通常の発電が実行できる状態になる。
Thereby, the lock state of the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、燃料電池システム1の動作の説明のS16において、クーラントが0℃より高い温度になったことを確認した後に、S17に進むように記載したが、基準とする温度は0℃である必要は無く、例えば0℃より高い任意の温度であっても良い。また同様に、S24において基準とする温度は必ずしも50℃である必要は無く、燃料電池システム1が通常動作するのに適する任意の温度に設定することができる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately modified without departing from the scope of the present invention. For example, in S16 of the description of the operation of the fuel cell system 1, after confirming that the temperature of the coolant is higher than 0 ° C., the process proceeds to S17. However, the reference temperature needs to be 0 ° C. For example, any temperature higher than 0 ° C. may be used. Similarly, the reference temperature in S24 does not necessarily have to be 50 ° C., and can be set to any temperature suitable for normal operation of the fuel cell system 1.
1 燃料電池システム
11 燃料電池スタック
12 水素タンク
13 水素ポンプ
14 ラジエータ
15 ファン
16 イオン交換機
17 ロータリーバルブ
21 第1の配管
22 第2の配管
23 第3の配管
24 第4の配管
25 温度計
26 温度計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (1)
前記燃料電池スタックに水素を供給する水素タンクと、
前記燃料電池スタックから排出された水素を前記燃料電池スタックに再供給するように循環させる水素ポンプと、
前記燃料電池スタックを冷却するために循環させるクーラントを冷却するラジエータと、
前記ラジエータにエアを送るファンと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記水素ポンプが凍結によりロックされているか否かを判定するステップと、
前記水素ポンプが凍結によりロックされている場合に、前記クーラントを前記燃料電池スタックと前記ラジエータとの間で循環させると共に、前記水素タンクから前記燃料電池スタックに水素を供給して発電するステップと、
前記クーラントが循環している前記ラジエータに対して送られたエアにより、前記水素ポンプを温めるステップと、を備える、
燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell stack,
A hydrogen tank for supplying hydrogen to the fuel cell stack;
A hydrogen pump that circulates hydrogen discharged from the fuel cell stack to be resupplied to the fuel cell stack;
A radiator for cooling a coolant circulated to cool the fuel cell stack;
A control method of a fuel cell system, comprising: a fan for sending air to the radiator;
Determining whether the hydrogen pump is locked due to freezing ;
Circulating the coolant between the fuel cell stack and the radiator when the hydrogen pump is locked due to freezing, and supplying hydrogen from the hydrogen tank to the fuel cell stack to generate electricity;
Warming the hydrogen pump with air sent to the radiator in which the coolant is circulating.
Control method of fuel cell system.
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