JP4914258B2 - Gas-liquid separator - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムで使用される気液分離装置に関する。 The present invention relates to a gas-liquid separator used in a fuel cell system.
燃料電池システムで使用される気液分離装置は、燃料電池が水素と酸素との電気化学反応によって起電力を発生する際に副生する水(生成水)を分離するものである。この生成水は、燃料電池からオフガスとともに排出される。この生成水は、燃料電池システムにおける燃料ガス(酸素、および水素)の流れを阻害する場合があるために、所定の気液分離装置でオフガスから分離される。 A gas-liquid separation device used in a fuel cell system separates water (product water) by-produced when the fuel cell generates an electromotive force by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. This generated water is discharged from the fuel cell together with the offgas. Since this generated water may obstruct the flow of fuel gas (oxygen and hydrogen) in the fuel cell system, it is separated from off-gas by a predetermined gas-liquid separator.
従来、気液分離装置としては、燃料電池からのオフガスを流通させる配管に設けられたものが知られており、分離した生成水を貯留するタンクと、タンクから生成水を排水する配管と、この配管に設けられたドレンバルブとを備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。そして、この気液分離装置は、タンクの上方と下方のそれぞれに水位検知センサを備えており、上方の水位検知センサは、タンクの上限水位を検知する位置に配置され、下方の水位検知センサは、タンクの下限水位を検知する位置に配置されている。
このような気液分離装置では、上方の水位検知センサがタンクからの排水を開始するタイミングを決定するセンサとして使用され、下方の水位検知センサがタンクからの排水を終了するタイミングを決定するセンサとして使用されている。
In such a gas-liquid separator, the upper water level detection sensor is used as a sensor for determining the timing for starting drainage from the tank, and the lower water level detection sensor is used for determining the timing for ending drainage from the tank. in use.
しかしながら、従来の気液分離装置(例えば、特許文献1参照)では、貯留タンクから排水を開始するタイミングと、終了するタイミングとが、タンクの水位を検知することで決定されているために、次のような問題が生じるおそれがある。 However, in the conventional gas-liquid separator (see, for example, Patent Document 1), the timing for starting drainage from the storage tank and the timing for ending the drainage are determined by detecting the water level in the tank. Such a problem may occur.
まず、この気液分離装置は、車両等に搭載される燃料電池システムに使用されると、車両等が傾いた際に、または車両等の加速時や減速時に貯留タンク内の水位が変動する。その結果、この気液分離装置は、排水とその終了のタイミングが正確に決定されない場合があって、その信頼性が充分でないという問題がある。 First, when this gas-liquid separator is used in a fuel cell system mounted on a vehicle or the like, the water level in the storage tank fluctuates when the vehicle or the like tilts or when the vehicle or the like accelerates or decelerates. As a result, this gas-liquid separator has a problem that the drainage and the timing of its termination may not be accurately determined, and its reliability is not sufficient.
また、従来の気液分離装置では、タンクから排水を開始するタイミングが、水を上方の水位検知センサが検知することで決定されることから、タンク内には、定常時においても上限近くまで生成水が貯まっている場合がある。その一方で、燃料電池の発電量が急激に増大すると、副生した生成水の量も急激に増大することとなる。そして、タンク内で上限まで生成水が貯まっている場合に、生成水の量が急激に増大すると、タンクからの排水が追いつかずに生成水が貯留タンクから溢れるおそれがある。つまり、この気液分離装置は、生成水の取り溢しが生じる場合があり、補水能力が低下するという問題がある。 Also, in the conventional gas-liquid separator, the timing to start draining from the tank is determined by the water detected by the upper water level detection sensor. Water may have accumulated. On the other hand, when the amount of power generated by the fuel cell increases rapidly, the amount of by-produced water also increases abruptly. When the generated water is stored up to the upper limit in the tank, if the amount of generated water increases rapidly, the waste water from the tank may not catch up and the generated water may overflow from the storage tank. That is, this gas-liquid separation device may cause overflow of produced water, resulting in a problem that the water replenishment capability is reduced.
また、従来の気液分離装置では、タンクから排水を終了するタイミングが、下方の水位検知センサが水を検知することで決定されることから、タンク内の生成水が、定常時においても下限近くまで少なくなっている場合がある。その一方で、前記したように、車両等に使用されるものでは、水位が変動するために、タンク内の水位が下限水位より低くなっていても排水が継続される場合がある。その結果、この気液分離装置は、排水後に続いて水素等のオフガスがタンクを通じて燃料システムの系外に排出される場合があり、特に、オフガス中の未反応の水素を循環利用する燃料システムでは、燃料ガスの利用効率が低下するという問題がある。 In addition, in the conventional gas-liquid separator, the timing for ending drainage from the tank is determined by detecting water by the lower water level detection sensor, so that the generated water in the tank is close to the lower limit even in steady state. It may be less. On the other hand, as described above, since the water level fluctuates in a vehicle or the like, drainage may continue even if the water level in the tank is lower than the lower limit water level. As a result, in this gas-liquid separator, off-gas such as hydrogen may be discharged out of the fuel system through the tank following drainage, especially in a fuel system that circulates and uses unreacted hydrogen in the off-gas. There is a problem that the utilization efficiency of the fuel gas is lowered.
また、従来の気液分離装置では、前記した生成水の取り溢しや、水素等のオフガスが燃料システムの系外に排出されることを防止するために、タンクを大きくすることが考えられる。しかしながら、このことは気液分離装置の大型化および重量化に繋がる。 Further, in the conventional gas-liquid separator, it is conceivable to enlarge the tank in order to prevent the overflow of the generated water and the off-gas such as hydrogen being discharged out of the fuel system. However, this leads to an increase in size and weight of the gas-liquid separator.
また、従来の気液分離装置は、タンクに設けられた2つの水位検知センサを備えているので、これらのセンサの制御が複雑になるとともに、気液分離装置自体の製造コストが高くなる問題もある。
以上のように、従来の気液分離装置では、タンク内の水位を検知することなく的確に排水を行うことができ、1つのセンサのみで生成水の排出を行うタイミングを制御することができる気液分離装置が望まれていた。
In addition, since the conventional gas-liquid separation device includes two water level detection sensors provided in the tank, there is a problem that the control of these sensors becomes complicated and the manufacturing cost of the gas-liquid separation device itself increases. is there.
As described above, in the conventional gas-liquid separator, the water can be drained accurately without detecting the water level in the tank, and the timing at which the generated water is discharged can be controlled by only one sensor. A liquid separator was desired.
そこで、本発明の課題は、タンク内の水位を検知することなく的確に排水を行うことができ、1つのセンサのみで生成水の排出を行うタイミングを制御することができる気液分離装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas-liquid separation device that can accurately drain water without detecting the water level in the tank, and can control the timing of discharging generated water with only one sensor. There is to do.
前記課題を解決する発明(請求項1)は、燃料電池からの燃料ガスに混在する液体を前記燃料ガスから分離するための気液分離装置であって、前記燃料ガスから前記液体を分離するタンクと、前記液体を前記タンクから排出するドレン機構と、前記タンクと前記ドレン機構とを接続する排出管部と、前記ドレン機構の上流側で前記排出管部に設けられて前記液体の存在の有無を検知する液体検知手段と、前記液体検知手段からの検知信号に基づいて、前記ドレン機構での前記液体を排出させる制御を行う制御手段と、を備える。そして、前記制御手段は、前記ドレン機構により前記液体を排出させている際に、前記検知信号が、前記液体の存在を検知している検知状態から前記液体の存在を検知していない非検知状態に切り替わった場合でも、前記検知信号が非検知状態に切り替わってから、前記液体の排出により前記排出管部に前記液体が存在しないものと確定され、かつ、前記ドレン機構から前記燃料ガスが排出されない所定の確定時間を経過していないときは、液体の非存在を確定させない(液体が存在するものとする)。
この気液分離装置では、従来の気液分離装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、水の検知をタンク内の水位ではなく、排出管部に水が存在するか否かで排水の終了のタイミングを決定しているので、タンク内の水位を検知する必要がない。その結果、本発明の気液分離装置は、気液分離装置が傾斜等によって水位が変動したとしても的確に排水を行うことができる。
また、この気液分離装置では、排出管部に水が存在するか否かで排水のタイミングとその排水の終了のタイミングを決定しているので、1つの前記液体検知手段で前記タイミングを制御することもできる。
Invention to solve the above problems (claim 1) is a gas-liquid separator for separating a liquid mixed in the fuel gas from the fuel cell from the fuel gas tank to separate the liquid from the fuel gas A drain mechanism that discharges the liquid from the tank; a discharge pipe that connects the tank and the drain mechanism; and the presence or absence of the liquid provided in the discharge pipe on the upstream side of the drain mechanism a liquid detection means for detecting, based on the detection signal from said liquid detection means, and control means for said liquid causing discharge control in the drain mechanism, Ru comprising a. And when the said control means is discharging the said liquid by the said drain mechanism, the said detection signal has not detected the presence of the said liquid from the detection state which has detected the presence of the said liquid. Even when the detection signal is switched to, after the detection signal is switched to the non-detection state, it is determined that the liquid does not exist in the discharge pipe portion by discharging the liquid, and the fuel gas is not discharged from the drain mechanism. When the predetermined confirmation time has not elapsed, the absence of the liquid is not confirmed (assuming that the liquid is present).
In this gas-liquid separator is a conventional gas-liquid separator (e.g., see Patent Document 1) different from, rather than the water level in the tank detection of water, wastewater in whether water is present in the discharge pipe portion Since the end timing is determined, it is not necessary to detect the water level in the tank. As a result, the gas-liquid separation device of the present invention can perform drainage accurately even if the water level fluctuates due to the inclination of the gas-liquid separation device.
Further, in this gas-liquid separator, the timing of drainage and the timing of termination of the drainage are determined depending on whether or not water is present in the discharge pipe portion, so the timing is controlled by one liquid detection means. You can also
また、このような気液分離装置においては(請求項3)、前記液体検知手段から前記ドレン機構までの前記排出管部の容量は、前記所定の確定時間を経過する間と、応答遅れがある場合はその応答遅れの時間と、を含めた応答時間が経過する間、前記排出管部内において、前記燃料ガスが前記ドレン機構に到達しない容積に設定されていることが望ましい。 Further, in such a gas-liquid separation device (Claim 3) , the capacity of the discharge pipe section from the liquid detection means to the drain mechanism has a response delay while the predetermined fixed time elapses. while the response time has elapsed, including the time and the response delay in the case, in the exhaust pipe portion, it is desirable that the fuel gas is set to a volume that does not reach the drainage mechanism.
また、このような気液分離装置においては(請求項4)、前記容量は、前記燃料電池からの前記燃料ガスの流量が最大となる状態が前記応答時間の間継続しても、前記排出管部内の前記燃料ガスが前記ドレン機構に到達しない容積に設定されていることが望ましい。 Further, in such a gas-liquid separation device (claim 4) , the capacity is not limited to the discharge pipe even if a state where the flow rate of the fuel gas from the fuel cell is maximized continues for the response time. It is desirable that the volume of the fuel gas in the section is set so as not to reach the drain mechanism.
本発明の気液分離装置によれば、タンク内の水位を検知することなく的確に排水を行うことができ、1つのセンサのみで生成水の排出を行うタイミングを制御することができる。 According to the gas-liquid separator of the present invention, water can be drained accurately without detecting the water level in the tank, and the timing at which the generated water is discharged can be controlled with only one sensor.
以下、本発明の気液分離装置における一実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図1は、本実施形態の気液分離装置を使用した燃料電池システムの全体構成図である。図2は、本実施形態の気液分離装置の構成を説明するための模式図である。ここでは、まず本実施形態の気液分離装置を使用した燃料電池システムについて説明した後に、気液分離装置について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the gas-liquid separator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system using the gas-liquid separation device of the present embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the configuration of the gas-liquid separation device of the present embodiment. Here, after first describing the fuel cell system using the gas-liquid separator of the present embodiment, the gas-liquid separator will be described.
図1に示すように、本実施形態での燃料電池システム1は、燃料電池スタック10、アノード系20、カソード系30、希釈系40、制御系50などを含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to this embodiment includes a fuel cell stack 10, an
前記燃料電池スタック10は、周知のとおり、固体高分子からなる電解質膜11を、触媒を含むアノード12と、触媒を含むカソード13とで挟み、さらに一対の導電性のセパレータ14,15で挟んで構成した単セルを有し、図示しないがこの単セルを厚み方向に複数積層することにより構成されている。この燃料電池スタック10では、後記するように、アノード12側に供給される水素(水素)と、カソード13側に供給される空気(酸素:酸化剤)との電気化学反応によって起電力を発生するとともに、その電力は、負荷に供給されることとなる。ちなみに、負荷とは、車両であれば、走行モータ、蓄電装置(例えば、キャパシタやバッテリ)、エアコンプレッサ31等の補機類などである。
As is well known, the fuel cell stack 10 includes an
前記アノード系20は、水素を燃料電池スタック10のアノード12に供給するとともにアノード12から水素を排出する系であり、水素タンク21、水素遮断弁22、レギュレータ23、エゼクタ24、およびパージ弁27、ならびに後記する気液分離装置Aを備えている。
The
前記水素遮断弁22は、例えば電磁作動式のものであり、水素タンク21の出口に設けられている。また、水素遮断弁22は、所定の配管で水素タンク21と接続されている。なお、水素遮断弁22は、水素タンク21と一体に構成されたインタンク式のものであってもよい。
The hydrogen shut-off
前記レギュレータ23は、水素遮断弁22の下流側に設けられ、水素タンク21から供給された高圧の水素ガスを燃料電池スタック10に供給するのに適した圧力に減圧する機能を有している。また、レギュレータ23は、所定の配管で水素遮断弁22と接続されている。
The
前記エゼクタ24は、アノード12側から排出された未反応の水素を、燃料電池スタック10のアノード12に再循環させるための真空ポンプの一種である。また、エゼクタ24は、所定の配管でレギュレータ23と接続されるとともに、燃料電池スタック10のアノード12側の入口と接続されている。
The
前記パージ弁27は、水素循環経路Cを形成する配管P3から分岐する配管P4の途中に設けられ、適宜開弁してアノード系20に蓄積された不純物を排出する機能を有している。ちなみに、水素循環経路Cは、エゼクタ24と燃料電池スタック10のアノード12側の入口とを接続する配管P1と、燃料電池スタック10のアノード12側の出口と後記する気液分離装置Aのタンク25とを接続する配管P2と、タンク25とエゼクタ24とを接続する配管P3とで形成されている。
The
前記カソード系30は、空気(酸素)を燃料電池スタック10のカソード13に供給するとともに、カソード13から空気などを排出する系であり、エアコンプレッサ31、および加湿器32を備えている。
The
前記エアコンプレッサ31は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気(外気)を取り込んで圧縮してカソード13に供給する機能を有している。
The
前記加湿器32は、例えば、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側の一側にエアコンプレッサ31からの空気を流通させ、他側に燃料電池スタック10のカソード13から排出された排出オフガス(湿潤な空気、生成水)を流通させることにより、エアコンプレッサ31からの空気を加湿する機能を有している。
The
前記希釈系40は、燃料電池スタック10から排出された水素を希釈する機能を有し、希釈装置41を備えている。この希釈装置41は、配管P5で加湿器32と接続され、燃料電池スタック10のカソード13から排出された空気を滞留させる滞留室(図示せず)を有している。また、希釈装置41は、配管P6で後記する気液分離装置Aのドレンバルブ26と接続されるとともに、配管P4で前記パージ弁27と接続されている。これにより、パージ弁27から排出された水素が、希釈装置41内に滞留した空気によって規定水素濃度に希釈された後に系外(車外)に排出されるようになっている。
The
前記制御系50は、ECU51(Electronic Control Unit、電子制御装置)を備えている。このECU51は、燃料電池システム1の制御を総括的に行うように構成されており、特に、次に説明する気液分離装置Aの水検知センサ29からの検知信号に基づいて、気液分離装置Aのドレンバルブ26を後記する手順で制御するように構成されている。このECU51は、特許請求の範囲にいう「制御手段」に相当し、CPU(Central Processing Unit)、メモリ、プログラムなどで構成されている。また、ECU51は、後記するように、水検知センサ29からの検知信号に基づいて水の存在の有無を確定する所定の時間(以下、単に「確定時間」ということもある)をカウントするためのタイマを備えている。ちなみに、ECU51は、水の存在を検知する検知信号を、確定時間を経過するまで入力したときに、水が存在すると確定し、水の存在を検知しない検知信号を、確定時間を経過するまで入力したときに、水が存在しないと確定する。なお、ここでの「水の存在を検知しない検知信号」とは、水の存在を検知する検知信号が入力されない場合(無信号)も含められる。このような確定時間は、本実施形態では500m秒程度に設定されている。
The
次に、本実態形態の気液分離装置Aについて説明する。
図1に示すように、気液分離装置Aは、燃料電池スタック10が前記したように起電力を発生した際に副生する水(生成水)を分離するものである。この水は、特許請求の範囲にいう「液体」に相当する。ちなみに、この水は、カソード13側で副生し、主に、カソード13側に接続された配管P5を介してカソードオフガス(空気)とともに燃料電池スタック10から排出される。そして、水を含んだカソードオフガスは、希釈装置41を介して系外(車外)に排出される。
Next, the gas-liquid separation device A of the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, the gas-liquid separator A separates water (product water) by-produced when the fuel cell stack 10 generates an electromotive force as described above. This water corresponds to the “liquid” in the claims. Incidentally, this water is by-produced on the
その一方で、カソード13側から電解質膜11を透過してアノード12側に移動(リーク)した水は、アノード12側の出口に接続された配管P2を介してアノードオフガス(水素)とともに燃料電池スタック10から排出される。
本実施形態では、アノードオフガスに混在する水をアノードオフガスから分離するための気液分離装置Aについて説明する。なお、このアノードオフガスは、特許請求の範囲にいう「ガス」に相当する。
On the other hand, the water that has permeated the
In the present embodiment, a gas-liquid separator A for separating water mixed in the anode off gas from the anode off gas will be described. The anode off gas corresponds to “gas” in the claims.
この気液分離装置Aは、タンク25と、ドレンバルブ26と、タンク25とドレンバルブ26とを接続する配管P7と、ドレンバルブ26の上流側で配管P7に設けられた水検知センサ29と、前記したECU51とで主に構成されている。なお、ドレンバルブ26は、特許請求の範囲にいう「ドレン機構」に相当し、配管P7は、「排出管部」に相当し、水検知センサ29は、「液体検知手段」に相当する。
The gas-liquid separator A includes a
図2に示すように、前記タンク25は、燃料電池スタック10のアノード12側から配管P2を介して導入されるアノードオフガス(水素)から水を分離するものである。そして、このタンク25は、水を分離した後のアノードオフガスを、配管P3、および配管P1を介してアノード12に戻すようになっている。なお、図2では、配管P3と配管P1との間に配置されるエゼクタ24(図1参照)の図示を省略している。
また、タンク25は、アノードオフガスから分離した水を、配管P7、ドレンバルブ26、および配管P6を介して希釈装置41に排出するようになっている。
As shown in FIG. 2, the
The
ドレンバルブ26は、配管P7と配管P6との間に配置されており、後記するように、ECU51から出力される開指令信号、および閉指令信号に応じて開閉する電磁弁等の開閉弁で構成されている。
The
水検知センサ29は、配管P7内における水(生成水)の存在の有無を検知するとともに、その検知信号をECU51(図1参照)に出力するようになっている。この水検知センサ29としては、水を検知するものであれば特に制限はなく、例えば静電容量式センサ、超音波式センサ等が挙げられる。なお、この水検知センサ29は、配管P7の内壁面に付着した水滴や水膜を検知せずに、配管P7内を満たすように流れる水を検知するようにその感度が調節されている。
The
本実施形態での配管P7は、水検知センサ29からドレンバルブ26までの容量V1、およびタンク25と配管P7との接続部からドレンバルブ26までの容量V2が次のように設定されている。
In the pipe P7 in the present embodiment, the capacity V1 from the
前記容量V1は、水検知センサ29で配管P7内に水が存在していないことが検知されてからドレンバルブ26が動作するまでの応答時間、言い換えれば、ドレンバルブ26が閉鎖されるまでに、配管P7内のアノードオフガスがドレンバルブ26に到達しない容積に設定されている。つまり、容量V1は、ドレンバルブ26からアノードオフガスがより確実に排出されない容量に設定されている。
The capacity V1 is a response time from when the
そして、容量V1は、燃料電池スタック10のアノード12(図2参照)側からタンク25(図2参照)に流れ込むアノードオフガスの流量が最大となる状態で、言い換えれば、タンク25(図2参照)で分離される水の量が最大となるときに、アノードオフガスをドレンバルブ26から排出せずに、しかも水を効率よく排出できる容量に設定されている。
詳しくは後記するが、容量V1は、図3(c)に示すように、前記した確定時間t1を経過するまで継続して配管P7内に水Wが存在していないことが検知されたときに、その確定時間t1で配管P7内のアノードオフガスGがドレンバルブ26に到達しない容積に設定されている。
The capacity V1 is a state in which the flow rate of the anode off gas flowing into the tank 25 (see FIG. 2) from the anode 12 (see FIG. 2) side of the fuel cell stack 10 is maximized, in other words, the tank 25 (see FIG. 2). When the amount of water separated in (1) becomes the maximum, the anode off-gas is not discharged from the
Although the details will be described later, the capacity V1, as shown in FIG. 3 (c), when it is not water W is present in the pipe P7 continues until after the settling time t 1 described above is detected the anode off-gas G in the pipe P7 is set to a volume that does not reach the
前記容量V2は、燃料電池スタック10のアノード12(図2参照)側からタンク25(図2参照)に流れ込むアノードオフガスの流量が最大となる状態で、言い換えれば、タンク25(図2参照)で分離される水の量が最大となるときに、水が配管P7からタンク25側に溢れ出ない容量に設定されている。
詳しくは後記するが、図3(f)に示すように、容量V2は、ドレンバルブ26が閉鎖された状態で、前記した確定時間t1を経過するまで継続して配管P7内に水Wが存在していることが検知されたときに、その確定時間t1でタンク25側から配管P7内に流れ込む水が、タンク25と配管P7との接合部に到達しない容積に設定されている。
The capacity V2 is a state in which the flow rate of the anode off gas flowing from the anode 12 (see FIG. 2) side of the fuel cell stack 10 into the tank 25 (see FIG. 2) is maximized, in other words, in the tank 25 (see FIG. 2). When the amount of water to be separated becomes the maximum, the capacity is set such that the water does not overflow from the pipe P7 to the
The details will be described later, but as shown in FIG. 3 (f), the volume V2, while the
次に、気液分離装置Aの動作について説明する。ここで参照する図3(a)から図3(f)は、ドレンバルブ26(ドレン機構)の動作との関係で配管P7(排出管部)を流れる水とアノードオフガスの挙動を示す模式図であり、図3(g)は、図3(a)から図3(f)に示す水とアノードオフガスの挙動に対応付けた、ドレンバルブ26の開閉のタイミング(ドレン機構の動作のタイミング)を示すタイムチャートである。図4は、ECU51(制御手段)の動作手順を示すフローチャートである。 Next, the operation of the gas-liquid separator A will be described. FIGS. 3A to 3F referred to here are schematic diagrams showing the behavior of water and anode off-gas flowing through the pipe P7 (discharge pipe portion) in relation to the operation of the drain valve 26 (drain mechanism). Yes, FIG. 3 (g) shows the opening / closing timing of the drain valve 26 (the timing of the operation of the drain mechanism) in correspondence with the behavior of water and anode off-gas shown in FIGS. 3 (a) to 3 (f). It is a time chart. FIG. 4 is a flowchart showing an operation procedure of the ECU 51 (control means).
まず、燃料電池システム1(図1参照)が起動して発電を開始すると、前記したように、図2に示す配管P2を介して水を含むアノードオフガスがタンク25内に送り込まれる。そして、図2に示すタンク25は、アノードオフガスから水を分離した後に、配管P3を介してアノードオフガスをアノード12側に戻すとともに、水を配管P7内に送り込む。
First, when the fuel cell system 1 (see FIG. 1) is activated to start power generation, as described above, the anode off gas containing water is sent into the
この気液分離装置Aにおいて、例えば、図3(a)に示すように、水Wと、アノードオフガスGとが配管P7に送り込まれた状態を想定する。さらに詳しく言うと、図3(a)に示す状態(以下、「(a)状態」という)では、配管P7に送り込まれた水Wは、ドレンバルブ26から排出されている。つまり、水検知センサ29は、水Wの存在を検知した検知信号をECU51(図1参照)に出力し、ECU51は、その検出信号を前記した確定時間t1を経過しても入力し続けてその存在を確定した状態である。したがって、この(a)状態では、図3(g)に示すように、ドレンバルブ26が開かれた状態となっている。なお、この水Wに続いて配管P7に送り込まれたアノードオフガスGは、水検知センサ29の上流側に位置しており、その存在は水検知センサ29で検知されていない。
In this gas-liquid separator A, for example, as shown in FIG. 3A, it is assumed that the water W and the anode off gas G are fed into the pipe P7. More specifically, in the state shown in FIG. 3A (hereinafter referred to as “(a) state”), the water W fed into the pipe P <b> 7 is discharged from the
次に、図3(b)に示すように、水Wがドレンバルブ26から排出されることで、水検知センサ29の位置にアノードオフガスGが到達すると、水検知センサ29は、水の存在を検知しない検知信号をECU51(図1参照)に出力する。ちなみに、ECU51は、確定時間t1が経過するまでは、その存在を確定しない。つまり、この図3(b)に示す状態(以下、「(b)状態」という)でのECU51は、図3(g)に示すように、ドレンバルブ26を開放した状態となっている。
Next, as shown in FIG. 3 (b), when the water W is discharged from the
そして、図3(c)に示すように、確定時間t1が経過した後には、水検知センサ29の下流側にアノードオフガスGが流れ込む。そして、ECU51は、確定時間t1が経過することで水Wが存在しないことを確定する。つまり、図3(g)に示すように、ドレンバルブ26は、この図3(c)に示す状態(以下、「(c)状態」という)で閉鎖される。
このとき、前記したように、配管P7の容量V1は、アノードオフガスGがドレンバルブ26に到達しないように設定されているので、アノードオフガスGは、ドレンバルブ26から排出されることが防止される。ちなみに、配管P7には、アノードオフガスGに続いて水Wがタンク25側から流れ込むこととなる。
Then, as shown in FIG. 3C, the anode off gas G flows into the downstream side of the
At this time, as described above, the capacity V1 of the pipe P7 is set so that the anode off-gas G does not reach the
次に、図3(d)に示すように、ドレンバルブ26が閉鎖されることで、アノードオフガスGに続いて配管P7に入り込んだ水Wは、ドレンバルブ26側に向かって流れる。この図3(d)に示す状態(以下、「(d)状態」という)では、図3(g)に示すように、閉鎖された状態が継続している。ちなみに、配管P7には、ドレンバルブ26が閉鎖されている状態で水Wがタンク25側から流れ込むこととなる。
Next, as shown in FIG. 3D, the
そして、図3(e)に示すように、配管P7に流れ込んだ水Wが、ドレンバルブ26側に満たされていくとともに、その水Wが水検知センサ29の位置に到達すると、水検知センサ29は、水の存在を検知する検知信号をECU51(図1参照)に出力する。ちなみに、ECU51は、確定時間t1が経過するまでは、その存在を確定しない。つまり、この図3(e)に示す状態(以下、「(e)状態」という)でのECU51は、図3(g)に示すように、ドレンバルブ26を閉鎖する状態となっている。
Then, as shown in FIG. 3 (e), when the water W that has flowed into the pipe P <b> 7 is filled on the
次に、図3(f)に示すように、ドレンバルブ26が閉鎖された状態で、確定時間t1に到達した時点では、まだ、ECU51は、水の存在を確定しない。つまり、図3(g)に示すように、ドレンバルブ26は、この図3(f)に示す状態(以下、「(f)状態」という)で閉鎖されている。
このとき、前記したように、配管P7の容量V2は、水Wがタンク25と配管P7との接合部に到達しない容積に設定されている。したがって、この状態で分離された水Wの量が急激に増大したとしてもタンク25内に水Wが溢れることが防止される。
Next, as shown in FIG. 3 (f), in a state in which drain
At this time, as described above, the capacity V2 of the pipe P7 is set to a volume at which the water W does not reach the joint between the
そして、前記した(f)状態から確定時間t1を経過すると、ECU51は、水Wの存在を確定する。その結果、ECU51は、図3(g)に示すように、前記した(a)状態に戻って、ドレンバルブ26を開放し、配管P7から水Wを排出する。
Then, when the determination time t 1 has elapsed from the state (f) described above, the
次に、このようなECU51の動作手順を、主に図4を参照しながら説明する。
図4に示すように、ECU51(図1参照)は、水検知センサ29(図1参照)から配管P7(図1参照)における水の存在の有無を検知する検知信号を入力する(ステップS1)。そして、ECU51は、この検知信号が水の存在を検知したものか、または水が存在しないことを検知したものか、言い換えれば、検知信号が水の存在を検知した信号か否かを判定する(ステップS2)。
Next, the operation procedure of the
As shown in FIG. 4, the ECU 51 (see FIG. 1) inputs a detection signal for detecting the presence or absence of water in the pipe P7 (see FIG. 1) from the water detection sensor 29 (see FIG. 1) (step S1). . Then, the
次に、ECU51は、検知信号が水の存在を検知した信号である場合(ステップS2のYes)には、検知信号の入力時間を前記タイマでカウントすることで、入力時間が前記した確定時間を経過したか否かを判定する(ステップS3)。このとき、確定時間を経過していない場合(ステップS3のNo)には、ステップS1に戻る。つまり、この時点でのドレンバルブ26の開放は禁止されることとなる。そして、確定時間を経過している場合(ステップS3のYes)には、配管P7に水が存在しているものと確定してドレンバルブ26に開指令を出力することで(ステップS4)、このサブルーチンは終了する。その結果、前記したように、ドレンバルブ26は開放されて、配管P7から希釈装置41に向けて水を排出する。
Next, when the detection signal is a signal for detecting the presence of water (Yes in step S2), the
一方、前記したステップS2において、ECU51は、検知信号が水の存在を検知しない信号である場合(ステップS2のNo)には、検知信号の入力時間を前記タイマでカウントすることで、入力時間が前記した確定時間を経過したか否かを判定する(ステップS5)。このとき、確定時間を経過していない場合(ステップS5のNo)には、ステップS1に戻る。つまり、この時点でのドレンバルブ26の開放は禁止されることとなる。
On the other hand, in step S2, the
そして、ECU51は、確定時間を経過している場合(ステップS5のYes)には、配管P7に水は存在していないものと確定し、ドレンバルブ26に閉指令を出力することで(ステップS6)、このサブルーチンは終了する。その結果、ドレンバルブ26は閉鎖されて、配管P7からアノードオフガスが排出されることが防止される。
When the determined time has elapsed (Yes in step S5), the
以上のような気液分離装置Aは、次のような作用効果を奏することができる。
この気液分離装置Aは、従来の気液分離装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、水の検知をタンク25内の水位ではなく、配管P7に水が存在するか否かで排水のタイミングとその排水の終了のタイミングを決定しているので、次のような効果を奏する。
この気液分離装置Aでは、従来の気液分離装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、気液分離装置Aの傾斜等による水位の変動で前記したタイミングの正確な決定が阻害されることがないので、この気液分離装置Aは、その信頼性を向上させることができる。
The gas-liquid separator A as described above can achieve the following operational effects.
Unlike the conventional gas-liquid separator (see, for example, Patent Document 1), this gas-liquid separator A is configured to detect water based not on the water level in the
In the gas-liquid separator A, unlike the conventional gas-liquid separator (see, for example, Patent Document 1), the accurate determination of the timing described above is hindered by the fluctuation of the water level due to the inclination of the gas-liquid separator A or the like. Therefore, the gas-liquid separator A can improve the reliability.
また、この気液分離装置Aでは、従来の気液分離装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、配管P7内にのみ水を導き、タンク25を空にすることができるので、副生した生成水の量が急激に増大したとしてもタンク25から水が溢れることが防止される。その結果、この気液分離装置は、水の取り溢しを生じることが防止されて、補水能力を向上させることができる。
Further, in this gas-liquid separator A, unlike the conventional gas-liquid separator (see, for example, Patent Document 1), water can be guided only into the pipe P7 and the
また、この気液分離装置Aでは、配管P7に水が存在するか否かで前記したタイミングを決定しているので、この気液分離装置Aは、従来の気液分離装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、タンク25内の水の存在の有無にかかわらずにアノードオフガスが燃料システムの系外に排出されることを防止することができる。その結果、この気液分離装置Aは、アノードオフガス中の未反応の水素の損失が低減されるので、燃料ガスの利用効率を向上させることができる。
Moreover, in this gas-liquid separator A, since the above-mentioned timing is determined depending on whether water is present in the pipe P7, this gas-liquid separator A is a conventional gas-liquid separator (for example, patent document). 1), the anode off-gas can be prevented from being discharged out of the fuel system regardless of the presence or absence of water in the
また、この気液分離装置Aでは、従来の気液分離装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、水の取り溢しや、アノードオフガス中における未反応の水素の損失を防止するために、タンク25を大型化することが免れるので、気液分離装置Aは、その小型化、および軽量化を図ることができる。
Moreover, in this gas-liquid separator A, unlike conventional gas-liquid separators (see, for example, Patent Document 1), in order to prevent overflow of water and loss of unreacted hydrogen in the anode off-gas. Since the enlargement of the
また、この気液分離装置Aでは、配管P7に設けた1つの水検知センサ29で前記タイミングを制御することができるので、この気液分離装置Aは、二つのセンサが必要な従来の気液分離装置(例えば、特許文献1参照)と異なって、水検知センサ29の制御を簡単にすることができるとともに、気液分離装置A自体の製造コストを低減することができる。
Further, in this gas-liquid separator A, the timing can be controlled by one
また、この気液分離装置Aでは、水検知センサ29からドレンバルブ26までの配管P7の容量V1が、水検知センサ29によって水が存在していないことが検知されてからドレンバルブ26が動作するまでの応答時間で、配管P7のアノードオフガスがドレンバルブ26に到達しない容積に設定されている。その結果、この気液分離装置Aは、ドレンバルブ26からアノードオフガスが排出されることをより確実に防止することができる。
Further, in this gas-liquid separator A, the
また、この気液分離装置Aでは、水検知センサ29からドレンバルブ26までの配管P7の容量V1が、燃料電池スタック10からのアノードオフガスの流量が最大となる状態が、確定時間を経過するまで継続して水が存在していないことが確定したときに、この確定時間で配管P7のアノードオフガスがドレンバルブ26に到達しない容積に設定されている。その結果、この気液分離装置Aは、ドレンバルブ26からアノードオフガスが排出されることをより確実に防止することができる。
Further, in this gas-liquid separator A, the capacity V1 of the pipe P7 from the
また、この気液分離装置Aでは、タンク25と配管P7との接続部から水検知センサ29までの配管P7の容量V2が、燃料電池スタック10からのアノードオフガスの流量が最大となる状態が、確定時間を経過するまで継続して水が存在していることが確定したときに、確定時間でタンク25側から配管P7に流れ込む水が前記接続部に到達しない容積に設定されている。その結果、この気液分離装置Aは、配管P7側からタンク25側に水が溢れることが防止される。
Further, in this gas-liquid separator A, the capacity V2 of the pipe P7 from the connection portion between the
また、この気液分離装置Aでは、ECU51が、確定時間を経過するまでは、ドレンバルブ26の開放を禁止するので、この気液分離装置Aは、ドレンバルブ26からアノードオフガスが排出されることをより確実に防止することができる。
Further, in this gas-liquid separator A, the
以上のように、この気液分離装置Aによれば、タンク25内の水位を検知することなく的確に排水を行うことができ、1つの水検知センサ29のみで水を排出することができる。
As described above, according to this gas-liquid separation device A, water can be drained accurately without detecting the water level in the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。
前記実施形態では、アノードオフガスと水とを分離する気液分離装置Aについて説明したが、本発明はカソードオフガスと水とを分離する気液分離装置であってもよい。この気液分離装置は、配管P5(図1参照)に設けることができる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment.
In the above embodiment, the gas-liquid separator A that separates the anode offgas and water has been described. However, the present invention may be a gas-liquid separator that separates the cathode offgas and water. This gas-liquid separator can be provided in the pipe P5 (see FIG. 1).
前記実施形態では、アノードオフガスと水とを分離するタンク25のみを備えているが、このタンク25と水検知センサ29との間の配管P7に別途に水を貯留するタンクを設けてもよい。
In the above embodiment, only the
前記実施形態では、ドレンバルブ26が開閉バルブで構成されているが、本発明は流量調整バルブを使用するものであってもよい。
In the above embodiment, the
前記実施形態では、配管P7が直管で形成されているが、本発明はその課題の達成を阻害しない限り、配管P7は曲管で形成されていてもよい。 In the said embodiment, although the piping P7 is formed with the straight pipe | tube, unless this invention inhibits achievement of the subject, the piping P7 may be formed with the curved pipe.
以上のような気液分離装置Aは、車両、船舶、航空機等の可動体に搭載される燃料電池システム1に適用することができる。 The gas-liquid separator A as described above can be applied to the fuel cell system 1 mounted on a movable body such as a vehicle, a ship, or an aircraft.
1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック
25 タンク
29 水検知センサ(液体検知手段)
51 ECU(制御手段)
P7 配管(排出管部)
t1 確定時間
A 気液分離装置
W 水(液体)
G アノードオフガス(ガス)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10
51 ECU (control means)
P7 Piping (discharge pipe part)
t1 Determination time A Gas-liquid separator W Water (liquid)
G Anode off gas (gas)
Claims (4)
前記燃料ガスから前記液体を分離するタンクと、
前記液体を前記タンクから排出するドレン機構と、
前記タンクと前記ドレン機構とを接続する排出管部と、
前記ドレン機構の上流側で前記排出管部に設けられて前記液体の存在の有無を検知する液体検知手段と、
前記液体検知手段からの検知信号に基づいて、前記ドレン機構により前記液体を排出させる制御を行う制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記ドレン機構により前記液体を排出させている際に、前記検知信号が、前記液体の存在を検知している検知状態から前記液体の存在を検知していない非検知状態に切り替わった場合、
前記非検知状態に切り替わってから、前記液体の排出により前記排出管部に前記液体が存在しないものと確定され、かつ、前記ドレン機構から前記燃料ガスが排出されない所定の確定時間を経過する間、前記検知信号が前記非検知状態のままであれば、前記ドレン機構による前記液体の排出を停止する指令を前記ドレン機構に出力すること
を特徴とする気液分離装置。 A gas-liquid separator for separating a liquid mixed in the fuel gas from the fuel cell from the fuel gas,
A tank for separating the liquid from the fuel gas;
A drain mechanism for discharging the liquid from the tank;
A discharge pipe portion connecting the tank and the drain mechanism;
A liquid detection means provided on the discharge pipe portion upstream of the drain mechanism to detect the presence or absence of the liquid;
Based on the detection signal from said liquid detection means, and control means for performing discharge makes controlling the liquid by the drain mechanism,
Equipped with a,
The control means includes
When the liquid is discharged by the drain mechanism, the detection signal is switched from a detection state in which the presence of the liquid is detected to a non-detection state in which the presence of the liquid is not detected.
After switching to the non-detection state, it is determined that the liquid does not exist in the discharge pipe portion by discharging the liquid, and a predetermined fixed time during which the fuel gas is not discharged from the drain mechanism, If the detection signal remains in the non-detection state, the gas-liquid separation device outputs a command to stop the discharge of the liquid by the drain mechanism to the drain mechanism .
前記燃料ガスから前記液体を分離するタンクと、
前記液体を前記タンクから排出するドレン機構と、
前記タンクと前記ドレン機構とを接続する排出管部と、
前記ドレン機構の上流側で前記排出管部に設けられて前記液体の存在の有無を検知する液体検知手段と、
前記液体検知手段からの検知信号に基づいて、前記ドレン機構により前記液体を排出させる制御を行う制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記ドレン機構により前記液体を排出させている際に、前記検知信号が、前記液体の存在を検知している検知状態から前記液体の存在を検知していない非検知状態に切り替わった場合、
その後、前記非検知状態が継続されていても、前記検知信号が非検知状態に切り替わってから、前記液体の排出により前記排出管部に前記液体が存在しないものと確定され、かつ、前記ドレン機構から前記燃料ガスが排出されない所定の確定時間を経過していないときは、前記排出管部には排出すべき前記液体が存在するものとして前記ドレン機構による前記排出を継続し、
前記非検知状態が継続されて前記所定の確定時間が経過したときに、前記排出管部には排出すべき前記液体が存在しなくなったものとして、前記ドレン機構による前記液体の排出を停止する指令を前記ドレン機構に出力すること
を特徴とする気液分離装置。 A gas-liquid separator for separating a liquid mixed in the fuel gas from the fuel cell from the fuel gas,
A tank for separating the liquid from the fuel gas;
A drain mechanism for discharging the liquid from the tank;
A discharge pipe portion connecting the tank and the drain mechanism;
A liquid detection means provided on the discharge pipe portion upstream of the drain mechanism to detect the presence or absence of the liquid;
Based on the detection signal from said liquid detection means, and control means for performing discharge makes controlling the liquid by the drain mechanism,
Equipped with a,
The control means includes
When the liquid is discharged by the drain mechanism, the detection signal is switched from a detection state in which the presence of the liquid is detected to a non-detection state in which the presence of the liquid is not detected.
Thereafter, even if the non-detection state continues, after the detection signal is switched to the non-detection state, it is determined that the liquid does not exist in the discharge pipe portion by discharging the liquid, and the drain mechanism When the predetermined fixed time during which the fuel gas is not discharged has not elapsed, the discharge by the drain mechanism is continued assuming that the liquid to be discharged exists in the discharge pipe portion,
A command to stop the discharge of the liquid by the drain mechanism assuming that the liquid to be discharged no longer exists in the discharge pipe portion when the predetermined detection time has elapsed since the non-detection state has continued. Is output to the drain mechanism .
前記所定の確定時間と、応答遅れがある場合はその応答遅れの時間と、を含めた応答時間が経過する間、前記排出管内部において、前記燃料ガスが前記ドレン機構に到達しない容積に設定されていること
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の気液分離装置。 The capacity (V1) of the discharge pipe section from the liquid detection means to the drain mechanism is :
And the predetermined settling time, while if there is a response delay time and the response delay, the response time has elapsed, including, inside the discharge pipe, is set to the volume of the fuel gas does not reach the drain mechanism and to have this
Gas-liquid separating apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in.
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