KR100855330B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

반응가스의 공급을 받아 발전하여 반응 오프가스를 배출하는 연료전지와, 상기 반응가스 또는 상기 반응 오프 가스가 유통하는 가스통로와, 상기 가스통로 상에 설치된 밸브장치와, 상기 밸브장치의 개도를 제어하는 제어장치를 구비한 연료전지시스템의 기동시에, 먼저 밸브장치의 하류압을 취득하고(단계 S3), 상기 하류압이 소정의 가압 완료 압력 이하인 경우(단계 S5 : 「YES」)에는 밸브장치를 소정의 듀티비로 듀티 제어한다(단계 S7, 단계 S9). 이것에 의하여 급가압에 기인하는 이음의 발생이나 기계부품의 스트레스 발생을 제어한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히 이음의 발생이나 기계부품의 스트레스발생을 억제하는 기술에 관한 것이다.
연료전지시스템은, 일본국 특개2002-373687호공보에 기재한 바와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극으로 전해질을 사이에 둔 단셀을 복수개 적층한 연료전지를 구성하고, 연료전지의 수소공급구에 접속한 수소공급관이 공급하는 수소(연료가스)를 애노드 전극에 접촉시키고, 연료전지의 공기공급구에 접속한 공기공급관이 공급하는 공기(산화가스)를 캐소드 전극에 접촉시킴으로써 생기는 전기화학반응에 의하여 발전한다.
일본국 특개2002-373687호 공보는, 연료전지에 흡배되는 가스를 압송함에 있어서, 가스가 맥동을 가지고 압송되는 배관에 제진부재를 설치함으로써, 배관의 진동에 기인하는 소음의 발생을 억제하는 연료전지시스템을 개시하고 있다.
수소공급원으로부터의 수소를 연료전지의 애노드 전극측에 공급하는 수소공급관의 도중에 연료전지 입구 차단밸브(이하, FC 입구 밸브)가 설치된 연료전지시스템의 기동은, 수소공급원측의 메인스톱밸브(소스밸브)을 개방하고, 계속해서 FC 입구 밸브를 개방함으로써 이루어진다.
그런데 메인스톱밸브를 개방한 후, 수소공급관의 FC 입구 밸브보다 상류측이 아직 충분히 가압되어 있지 않은 상태에서 상기 FC 입구 밸브를 개방하면 시스템 기동시에 대기압 상당이었던 수소공급관 및 연료전지 내의 가스통로에 고압수소 및 가압공기가 공급되어 급격하게 가압되기 때문에, 충격에 의하여 스택 내부에서 이음이 발생하거나, 기계부품에 진동 스트레스가 발생한다는 과제가 있다.
이와 같은 과제는 수소공급계의 통로(수소공급관)에 한정하지 않고 연료전지로부터 배출된 수소 오프 가스를 수소공급관으로 되돌리는 수소 순환계의 통로, 수소 오프 가스를 외부로 배출하는 수소 배출계의 통로 및 연료전지로부터의 공기 오프 가스를 배출하는 공기 배출계의 통로 등, 연료전지에 공급되는 가스 및 연료전지로부터 배출되는 오프 가스가 유통하는 통로에서도 생긴다.
이 대책으로서, 수소공급관 등의 가스통로에, 일본국 특개2002-373687호 공보에 기재된 제진부재를 설치하였다 하여도, 특정한 주파수영역의 진동밖에 흡수할 수 없어 상기 과제의 해결에 충분하다고는 할 수 없다. 또 이와 같은 급가압은 반드시 연료전지의 기동시에 한정되는 것이 아니다.
또한 예를 들면 고체 고분자 전해질막(이하, 전해질막)을 그 양측에서 애노드 전극과 캐소드 전극으로 끼워 유지하여 이루어지는 연료전지를 구비한 연료전지시스템에서는 전해질막의 파손방지나 장기 수명화 등을 위하여 애노드 전극측의 수소가스 공급압과, 캐소드 전극측의 에어 공급압과의 차압(이하, 극간 차압)을 소정값 이하로 제어할 필요도 있다.
따라서 본 발명은 급가압에 기인하는 이음의 발생이나 기계부품의 스트레스발생을 억제하는 것이 가능한 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 연료전지시스템은, 반응가스의 공급을 받아 발전하여 반응 오프 가스를 배출하는 연료전지와, 상기 반응가스 또는 상기 반응 오프 가스가 유통하는 가스통로와, 상기 가스통로상에 설치된 밸브장치와, 상기 밸브장치의 개도를 제어하는 제어장치를 구비한 연료전지시스템에 있어서, 상기 제어장치는, 상기 가스통로 내의 가스압이 증가할 때는 상기 밸브장치의 상류와 하류의 차압의 크기에 따라 상기 밸브장치의 개도를 연속적 또는 단속적으로 개도 면적이 증가하도록 제어한다.
이와 같은 구성에 의하면 예를 들면 시스템 기동시와 같이 밸브장치의 하류압(예를 들면, 밸브장치 - 연료전지 사이의 가스통로, 연료전지 내의 가스통로 등)이 대기압 상당까지 저하되어 있기 때문에 고압 또는 가압된 반응가스가 공급되면 가스통로 내의 가스압이 증가하는 경우에도 밸브장치의 상하류 사이의 차압의 크기에 따라 상기 밸브장치의 개도 면적을 연속적으로 증가시키는 또는 단속적으로 증가시킴으로써(예를 들면, 완전개방와 완전폐쇄를 소정주기로 반복한다), 가스통로 내에서의 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명의 연료전지시스템은, 반응가스의 공급을 받아 발전하여 반응오프 가스를 배출하는 연료전지와, 상기 반응가스 또는 상기 반응 오프 가스가 유통하는 가스통로와, 상기 가스통로상에 설치된 밸브장치와, 상기 밸브장치의 개도를 제어하는 제어장치를 구비한 연료전지시스템에 있어서, 상기 제어장치는, 상기 밸브장치의 상하류 사이의 차압이 소정값 이상일 때는 상기 차압의 크기에 따라 상기 밸브장치의 개도를 연속적 또는 단속적으로 개도 면적이 증가하도록 제어한다.
이와 같은 구성에 의하면, 예를 들면 시스템 기동시와 같이 밸브장치의 하류압이 대기압 상당까지 저하되어 있기 때문에 고압 또는 가압된 반응가스가 공급되면 급가압될 염려가 있는 경우이어도 밸브장치의 상하류 사이의 차압이 소정값 미만이 되기까지의 사이, 상기 밸브장치의 개도 면적을 연속적 또는 단속적으로 증가시킴으로써 밸브장치의 상하류 사이의 차압을 점감(漸減)시킬 수 있어 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다.
상기 제어장치는, 상기 밸브장치의 하류압이 목표압 이하일 때는 이들 하류압과 목표압과의 차압의 크기에 따라 상기 밸브장치의 개도를 제어하여도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면 가스통로가 급가압될 염려가 있는 경우이어도 밸브장치의 하류압이 목표압에 도달하기까지의 사이, 상기 밸브장치의 개도 면적을 연속적 또는 단속적으로 증가시킴으로써, 밸브장치의 하류압과 목표압과의 차압을 점감시킬 수 있어 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다.
상기 차압이 클 수록 상기 밸브장치의 시간당 개도 면적 변화량을 작게 하여도 좋다.
차압이 크다는 것은 급가압될 염려가 있다는 것이기 때문에 이와 같은 구성에 의하면 급가압시에 있어서의 공명의 발생이나 기계부품의 스트레스발생을 더욱 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.
「시간당 개도 면적 변화량이 작다」란, 연속적 또는 단계적으로 밸브장치의 개도를 증가시킬 때의 개도 면적 변화량이 작은 것을 의미하는 외에 단속적으로 밸브장치의 개도를 완전 개방시킬 때의 완전 개방시간이 짧은 및/또는 완전 폐쇄시간이 긴 것의 의미도 포함되는 것으로 한다. 이하, 동일하게 한다.
상기 밸브장치보다 하류의 폐쇄 공간 체적이 클 수록 상기 밸브장치의 시간당 개도 면적 변화량을 작게 하여도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면 가압되는 폐쇄공간에 예를 들면 연료전지 내의 가스통로가 포함되는 등, 폐쇄 공간 체적이 큰 경우이어도 급가압시에 있어서의 공명의 발생이나 기계부품의 스트레스발생을 더욱 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.
상기 밸브장치는, 개폐식 전자밸브 또는 개도 가변식 전자밸브의 적어도 한쪽이어도 좋다.
예를 들면 밸브장치가 개폐식 전자밸브인 경우, 즉 완전개방(개도 지령 : ON)이나 완전폐쇄(개도 지령 : OFF) 중 어느 한쪽 밖에 선택할 수 없는 밸브장치인 경우에는 완전개방과 완전폐쇄를 소정주기로 반복함으로써 상기 차압을 점감시킬 수 있어, 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다.
상기 밸브장치가 개폐식 전자밸브인 경우에, 듀티제어에 의하여 상기 밸브장치의 개도 면적을 변화시켜도 좋다.
이 경우, 듀티비(ON - OFF 반복시의 ON - OFF 시간비율)는 일정하여도 좋고, 듀티비를 시간경과에 따라 서서히 감소 또는 증가시켜도 좋다.
한편, 밸브장치가 개도 가변식 전자밸브인 경우, 즉 완전개방 - 완전폐쇄 사이에서 밸브장치의 개도를 예를 들면 리니어하게 가변 제어할 수 있는 장치인 경우에는 예를 들면 밸브장치의 개도를 서서히 늘리는 등, 연속적으로 변화시킴으로써 상기 차압을 점감시킬 수 있어 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다.
상기 밸브장치는 상기 가스통로상에 설치된 조압밸브의 하류에 설치된 전자밸브이어도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 조압밸브(예를 들면 기계식 레귤레이터, 감압밸브 등)로 감압된 가스압을, 그 하류의 전자밸브로 연속적 또는 단속적으로 개도 제어하게 되어 전자밸브의 내구성이나 시일성을 간소하게 할 수 있다. 또 고압가스의 영향에 의한 전자밸브의 제어 악화도 억제된다.
상기 밸브장치의 하류압에 의거하여 상기 밸브장치의 시간당 개도 면적 변화량을 설정하여도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면 밸브장치의 개도 설정에 상기 밸브장치의 하류압을 피드백시키는 것이 가능하게 된다.
상기 밸브장치는, 상기 가스통로에 접속된 고압 가스 탱크의 소스밸브이어도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 가스통로의 도중에 연료전지에의 가스공급을 허가·금지하는 밸브장치나, 연료전지에의 가스공급압을 조압(감압}하는 밸브장치가 설치되어 있지 않은 연료전지시스템에서도 고압 가스 탱크의 소스밸브를 제어함으로서 연료전지에 연속되는 가스공급통로나 연료전지 내부의 가스통로가 급격하게 가압되는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다.
상기 가스통로상에 직렬로 복수의 상기 밸브장치를 구비하고, 상류측 밸브장치의 개폐상태에 대응하여 하류측 밸브장치의 개도 면적을 제어하여도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 직렬로 배치된 밸브장치 중 상류측 밸브장치의 개도를 주로 제어하고, 하류측 밸브장치의 개도를 종속적으로 제어하는 것이 가능하게 된다. 또 예를 들면 시스템 기동시에 하류측의 밸브장치를 폐쇄한 채로 상류측의 밸브장치만을 개방한 경우에, 상류측의 밸브장치 - 하류측의 밸브장치 사이의 폐쇄공간은, 그것보다 하류의 가스통로(예를 들면, 연료전지에 연속되어 있는 가스공급통로나 연료전지 내부의 가스통로)가 급격하게 가압되는 것을 억제하는 버퍼로서 기능한다.
상기 연료전지의 애노드측에 공급되는 가스압과 캐소드측에 공급되는 가스압을 협조 제어하여도 좋다.
여기서 협조제어란, 예를 들면 애노드측(연료가스측) 또는 캐소드측(산화가스측)의 한쪽 측의 가스압 변화에 대응하여 설정된 밸브장치의 개도 제어에 대응하여, 다른쪽 측의 가스압이 변화되도록 조압(적어도 다른쪽 측의 밸브장치의 개도 제어를 실시한다)을 행하는 것이다.
예를 들면 고압인 연료가스측의 가스통로에 설치된 밸브장치를 주로 제어하고, 그것에 대응하여 산화가스측의 가스통로에 설치된 밸브장치 또는/및 가스공급수단(예를 들면, 컴프레서)을 제어하는 것이 가능하게 되기 때문에, 연료가스공급통로로부터 연료전지에의 연료가스공급압과, 산화가스공급통로로부터 연료전지에의 산화가스 공급압과의 차압을 적정 범위 내로 제어하는 것이 가능하게 된다.
특히, 연료전지가 전해질막을 그 양측에서 애노드 전극과 캐소드 전극으로 끼워 유지하여 이루어지는 연료전지시스템에 있어서는, 극간 차압(연료가스 공급압과 산화가스 공급압과의 차압)의 과잉 증대를 억제할 수 있어, 전해질막을 파손 등으로부터 보호하는 것이 가능하게 된다.
상기 가스통로의 일부가 서로 병렬인 통로로서, 그 한쪽을 다른쪽 통로에 비하여 압력손실이 큰 통로로 하고, 상기 차압이 소정값 이상일 때는 상기 밸브장치의 개도 면적을 연속적 또는 단속적으로 증가시키는 대신에 상기 압력손실이 큰 통로를 사용하여도 좋다.
다른쪽 통로보다 압력손실이 큰 통로는, 예를 들면 다른쪽 통로보다 작은 지름화하는 통로 도중에 굴곡부나 사행부를 설치하는 또는 통로 도중에 스로틀이나 필터 등과 같은 유체 저항을 증가시키는 요소를 설치하는 등에 의하여 구성하는 것이 가능하다.
상기 제어장치는 상기 연료전지의 기동시에 상기 밸브장치의 개도를 연속적 또는 단속적으로 개도 면적이 증가하도록 제어하여도 좋다. 연료전지의 기동시, 예를 들면 장시간 정지후의 기동시나 간헐운전으로부터의 재기동시는 대기압 상당 또는 소정압까지 저하한 가스통로(예를 들면, 가스공급통로 및 연료전지 내의 가스통로)가, 고압 또는 가압된 반응가스 또는 반응 오프 가스의 공급을 받아 급가압될 염려가 있기 때문에, 이와 같은 급가압의 억제에 유효하다.
상기 연료전지시스템의 하나의 기동방법으로서, 상기 밸브장치의 하류압이 목표압 이하일 때는, 이들 하류압과 목표압의 차압을 점감시키도록 상기 반응가스를 연료전지에 공급하여도 좋다. 이와 같은 구성에 의하면 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다.
또 다른 기동방법으로서, 상기 밸브장치의 상하류 사이의 차압이 소정값 이상일 때는, 상기 차압을 점감시키도록 상기 반응가스를 연료전지에 공급하여도 좋다. 이와 같은 구성에 의하면 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다.
이들 연료전지시스템의 기동방법에 있어서, 밸브장치의 하류압과 목표압과의 차압을 점감시키는 또는 밸브장치의 상하류 사이의 차압을 점감시키는 구체적방법으로서는, 예를 들면 가압시에 있어서의 밸브장치의 개도를 통상 운전시에 있어서의 개도보다 적게 하는(예를 들면, 통상 운전시의 1/3), 단위 시간당 압력 상승량을 일정(예를 들면 10 kPa/100 msec) 이하로 하는, 단위 시간당의 가스공급량(유속)을 일정(예를 들면, 1 L/100 msec) 이하로 하는 등이 있다.
이들 방법 외에, 단위 시간당의 밸브 개도를 가변으로 하여, 가압 초기는 천천히(예를 들면, 5 단계/sec) 밸브 개방하고, 가압 개시부터의 시간경과에 따라 빠르게(예를 들면, 20 단계/sec) 밸브 개방함에 의해서도 상기 차압을 점감시키는 것이 가능하다.
또한 전기적으로 개폐(ON-OFF)의 2상태만의 밸브 개도를 제어할 수 있는 전자밸브(개폐식 전자밸브)를 사용하는 경우에는, 밸브 개도를 제어하는 대신에 개폐의 듀티비(ON-OFF 비)를 제어함에 의해서도 상기 차압을 점감시키는 것이 가능하다. 예를 들면 가압 초기는 ON 시간비율이 작아지도록 하고, 소정시간 경과후에 ON 시간비율이 커지도록 제어한다.
도 1은 본 발명에 관한 연료전지시스템의 제 1 실시형태를 나타내는 개략구성도,
도 2는 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 기동시에 있어서의 FC 입구 밸브의 제어 플로우를 설명하는 플로우차트,
도 3은 FC 입구 밸브가 개폐식 전자밸브인 경우의 일 제어예를 나타내는 타임 챠트,
도 4는 도 3에 나타내는 일 제어예에 의한 압력거동을 나타내는 타임 챠트,
도 5는 FC 입구 밸브가 개폐식 전자밸브인 경우의 다른 제어예를 나타내는 타임 챠트,
도 6은 FC 입구 밸브가 개도 가변식 전자밸브인 경우의 일 제어예를 나타내는 타임 챠트,
도 7은 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템의 기동시에 있어서의 FC 입구 밸브의 제어 플로우를 설명하는 플로우 차트,
도 8은 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템의 기동시에 있어서의 FC 입구 밸브의 제어 플로우를 설명하는 플로우 차트,
도 9는 제 4 실시형태에 관한 연료전지시스템의 기동시에 있어서의 FC 입구 밸브의 제어 플로우를 설명하는 플로우 차트,
도 10은 제 5 실시형태에 관한 연료전지시스템을 나타내는 개략 구성도,
도 11은 제 6 실시형태에 관한 연료전지시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
< 제 1 실시형태 >
도 1은 본 발명에 관한 연료전지시스템의 제 1 실시형태를 나타내는 개략구성도이다. 이 연료전지시스템(1)은 연료전지차량의 차량 탑재 발전시스템 외에, 예를 들면 정치(定置)용 발전시스템에의 적용도 가능하다.
연료전지(10)는, 연료가스(반응가스)와 산화가스(반응가스)의 전기화학반응에 의하여 발전하는 셀의 적층체이다. 각 셀은 전해질막의 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 배치한 구성으로 되어 있다.
연료전지(10)의 캐소드측에는 산화가스로서의 공기가 공급된다. 공기는 필터(40)로부터 흡입되고, 컴프레서(41)로 압축된 후, 가습기(42)로 가습되어 배관(가스통로)(35)으로부터 연료전지(10)에 공급된다. 캐소드로부터의 배기[이하, 캐소드 오프 가스(반응 오프 가스)라 한다]는, 배관(36), 머플러(43)를 통하여 외부에 배출된다. 공기의 공급압은 조압 밸브(44)의 개도에 의하여개도에 의하여료전지(10)의 애노드측에는 배관(가스통로)(32)을 거쳐 수소탱크(고압 가스 탱크)(20)에 저장된 수소가 연료가스로서 공급된다. 이 수소탱크(20) 대신에 알콜, 탄화수소, 알데히드 등을 원료로 하는 개질반응에 의하여 수소를 생성하여 애노드측에 공급하는 연료개질기나 수소흡장합금 등을 사용하여도 좋다.
배관(32)상에는 그 상류로부터 순서대로 수소탱크(20)의 셔트밸브(소스밸브)(21), 1차압을 소정의 2차압으로 감압하는 레귤레이터 밸브(조압밸브)(23), 개 폐밸브(24) 및 연료전지 입구 밸브(밸브장치)(25)가 설치되어 있다.
이 연료전지 입구 밸브(이하, FC 입구 밸브)(25)는, 밸브 본체 내를 슬라이딩하여 밸브자리에 착좌(着座) 가능한 밸브체의 개도(이하, 밸브 개도)가 완전개방이나 완전폐쇄 중 어느 한쪽 밖에 선택할 수 없는 개폐식 전자밸브, 또는 밸브 개도를 완전개방 - 완전폐쇄 사이에서 예를 들면 리니어하게 가변 제어할 수 있는 개도 가변식 전자밸브로 되어 있어, 어느 쪽의 구성에서도 제어장치(50)에 의하여 밸브 개도가 제어된다.
수소탱크(20)에 고압으로 저장된 수소는, 레귤레이터 밸브(23)에 의하여 조압(감압)되어 연료전지(10)의 애노드에 공급된다. 또 상기 애노드로부터의 배기[이하, 애노드 오프 가스(반응 오프 가스)라 한다]는, 배관(33)에 유출한다. 이 배관(33)의 애노드 출구측에는 연료전지 출구 밸브(이하, FC 출구 밸브)(26)가 설치되어 있다.
배관(33)은 그 도중에서 2개로 분기되어 있고, 한쪽은 애노드 오프 가스를 외부로 배출하기 위한 배출관(34)에 접속되고, 다른쪽은 체크밸브(28)를 거쳐 배관(32)에 접속되어 있다. 연료전지(10)의 애노드 출구에 접속된 배관(33)과, 그곳에서 분기되어 배관(32)에 접속된 배관으로 구성되는 연료가스 순환통로에는 애노드 오프 가스를 승압하여 배관(32)에 환류시키는 수소 펌프(45)가 설치되어 있다.
배출관(34)에 설치된 배출 밸브(퍼지밸브)(27)가 폐쇄되어 있는 동안, 애노드 오프 가스는, 배관(32)을 거쳐 다시 연료전지(10)에 순환된다. 애노드 오프 가 스에는 발전으로 소비되지 않았던 수소가 잔류하고 있기 때문에, 이와 같이 순환시킴으로써 수소를 유효 활용할 수 있다.
애노드 오프 가스의 순환 중, 수소는 발전에 사용되는 한편, 수소 이외의 불순물, 예를 들면 캐소드로부터 전해질막을 투과하여 온 질소 등은 소비되지 않고 잔류하기 때문에, 불순물의 농도가 서서히 증대한다. 이 상태에서 배출 밸브(27)가 개방되면, 애노드 오프 가스는 배출관(34)을 통하여 외부로 배출(퍼지)되어 불순물의 순환량이 저감한다.
연료전지(10)에는 수소 및 공기 외, 냉각수도 공급된다. 냉각수는 냉각수펌프(46)에 의하여 냉각용 배관(37)을 흐르고, 라디에이터(38)로 냉각되어 연료전지(10)에 공급된다. 배관(37)은 라디에이터(38)의 상류에서 2개로 분기되어 있고, 그 한쪽은 라디에이터(38)를 바이패스하고, 상기 라디에이터(38)의 하류에 설치된 바이패스 밸브(39)를 거쳐 라디에이터 배관과 합류하고 있다.
제어장치(50)는 CPU, ROM, RAM, HDD, 입출력 인터페이스 및 디스플레이 등의 제어컴퓨터시스템에 의하여 구성되어 있고, 도시 생략한 차량의 엑셀러레이터 개도 신호 등의 요구부하, 연료전지시스템(1)의 각 부에 설치된 센서(압력센서, 온도센서, 유량센서, 전류계, 전압계 등), 각 기기[컴프레서(41), 수소펌프(45) 등]로부터 제어정보를 수취하여 시스템 각 부의 밸브류나 모터류의 운전을 제어한다.
또, 제어장치(50)는 배관(32), 연료전지(10) 내의 가스통로, 배관(33), 또는 배관(34)(이하, 이들을 총칭하여 「가스통로」라는 것이 있다) 내의 가스압이 증가할 때는 FC 입구 밸브(25)의 상류와 하류의 차압의 크기에 따라, 상기 FC 입구 밸 브(25)의 개도를 연속적 또는 단속적으로 개도 면적이 증가하도록 제어한다. 이하 편의적으로 개도 면적을 제어하는 것을 단지「밸브 개도를 제어한다」라는 것이 있다.
예를 들면 연료전지(10)의 기동시나 간헐운전으로부터의 재기동 등의 초기 가압시에 FC 입구 밸브(25)의 하류압, 즉 상기 FC 입구 밸브(25) - 연료전지(10) 사이의 배관(32) 및 연료전지(10) 내의 가스통로의 압력이 소정압(목표압) 이하일 때, 또는 FC 입구 밸브(25)의 상하류 사이의 차압이 소정값 이상일 때에 이들 하류압과 소정압과의 차압 또는 상하류 사이의 차압을 점감시키도록 연료전지 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 제어한다.
즉, 장시간 정지후의 기동시나 간헐운전으로부터의 재기동시는 가스통로가 대기압 상당 또는 소정압까지 저하되어 있다. 이와 같은 상태하에서 가스통로에 수소탱크(20)로부터의 고압수소가 공급되면, 상기 가스통로가 급격하게 가압되는 결과, 충격에 의한 이음이 발생하거나, 기계부품 스트레스가 발생할 염려가 있다.
본 실시형태의 FC 입구 밸브(25)가 개폐식 전자밸브인 경우에는, 완전개방과 완전폐쇄가 소정의 주기로 반복되는 듀티제어를 실시함으로써, 상기 차압을 점감시켜 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다. 이 경우, 듀티비(ON-OFF 반복시의 ON-OFF 시간비율)는 일정하여도 좋고, 듀티비를 시간경과에 따라 서서히 감소 또는 증가시켜도 좋다.
다른 한편, 본 실시형태의 FC 입구 밸브(25)가 개도 가변식 전자밸브인 경우 에는 예를 들면 밸브 개도를 서서히 늘리는 등, 연속적으로 변화시킴으로써 상기 차압을 점감시켜 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다.
FC 입구 밸브(25)의 개폐동작은 상기 FC 입구 밸브(25)보다 하류의 폐쇄공간에 연료전지(10) 내의 가스통로가 포함되어 상기 폐쇄공간 체적이 크기 때문에 시간당 개도 면적 변화량이 작아지도록 제어하는 것이 바람직하다. 또한 FC 입구 밸브(25)보다 하류의 폐쇄공간 체적이란, 연료전지(10) 내의 가스통로를 포함하는 FC 입구 밸브(25)로부터 FC 출구 밸브(26) 까지의 가스통로 체적을 말한다.
또, FC 입구 밸브(25)는 상기 차압이 클 수록 시간당 개도 면적 변화량을 작게 하거나, FC 입구 밸브(25)의 하류압에 의거하여 시간당 개도 면적 변화량을 설정하여도 좋다.
셔트밸브(21) - FC 입구 밸브(25) 사이의 배관(32)은, 각 밸브(21, 23, 25, 26) 등을 폐쇄한 상태로부터 먼저 셔트밸브(21)를 개방하여 상기 셔트밸브(21) - 개폐밸브(24) 사이를 가압하고, 다음에 개폐밸브(24)를 개방하여 상기 개폐밸브(24) - FC 입구 밸브(25) 사이를 가압하고, 그 후에 FC 입구 밸브(25)를 개방하여 상기 FC 입구 밸브(25) - FC 출구 밸브(26) 사이를 가압한다.
즉, 배관(32)의 상류측에 위치하는 밸브로부터 차례로 개방하여 감으로써 이 개방된 밸브로부터 그 바로 밑에 위치하는 밸브까지의 폐쇄공간까지를 버퍼로서 기능시키면서 배관(32) 내 및 연료전지(10) 내를 서서히 가압할 수 있다.
이와 같이 배관(32), 연료전지(10) 내의 가스통로 및 배관(33)상에 직렬로 복수의 밸브(21, …, 26)를 구비한 연료전지시스템(1)에서는 상류측 밸브의 개폐 상태에 대응하여 하류측 밸브의 개도를 제어함으로써 직렬로 배치된 밸브(21, …, 26) 중 상대적으로 상류측에 위치하는 밸브(이하, 상류측 밸브)의 개도를 주로 제어하고, 상대적으로 하류측에 위치하는 밸브(이하, 하류측 밸브)의 개도를 종속적으로 제어하는 것이 가능하게 된다.
이에 의하여 예를 들면 시스템 기동시(간헐운전으로부터의 재기동시를 포함한다)에 하류측 밸브를 폐쇄한 채로 상류측 밸브만을 개방하면, 상류측 밸브 하류측 밸브 사이의 폐쇄공간은, 연료전지(10)에 연속되는 배관(21, 33)이나 연료전지(10) 내의 가스통로가 급격하게 가압되는 것을 제어하는 버퍼로서 기능하게 된다.
다음에 도 2 내지 도 5를 참조하면서 제어장치(50)에 의한 연료전지 기동시에 있어서의 FC 입구 밸브(25)의 제어 플로우에 대하여, 상기 FC 입구 밸브(25)에 개폐식 전자밸브가 사용되고 있는 것으로서 설명한다. 또한 도 2에서의 밸브장치는 본 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)이다.
먼저 도 2의 단계 S1에서 FC 입구 밸브(25) - FC 출구밸브(26) 사이의 폐쇄공간을 가압하여도 좋은 지의 판정, 예를 들면 FC 입구 밸브(25)보다 상류측 배관(32)이 소정압까지 가압되어 있는지의 판정을 행하여, 이 판정결과가 「NO」인 경우는, 상기 단계 S1의 판정을 반복하고, FC 입구 밸브(25)보다 상류측의 배관(32)이 소정압까지 가압될 때까지 기다린다 ．
한편, 단계 S1의 판정결과가「YES」인 경우는, FC 입구 밸브(25)의 하류압을 취득한다(단계 S3). 이 하류압은, 예를 들면 연료전지(10) 내에 설치된 압력센서 를 사용하여 측정된다. 계속되는 단계 S5에서 하류압이 가압 완료 압력(목표압) 이하인지를 판정하여, 판정결과가「NO」인 경우, 즉, 하류압이 이미 가압 완료 압력을 넘어 있는 경우에는, 이하의 처리를 스킵하고 본 제어 플로우는 종료한다.
한편, 단계 S5의 판정결과가「YES」인 경우, 즉 하류압이 아직 가압 완료 압력에 도달하고 있지 않은 경우에는, FC 입구 밸브(25)에 대하여 소정시간(예를 들면, 100 msec 이하)만큼 밸브 개도를 완전개방(ON)으로 하는 개도 지령을 발하고(단계 S7), 이어서 FC 입구 밸브(25)에 대하여 소정시간(예를 들면, 100 msec 이하)만큼 밸브 개도를 완전폐쇄(OFF)로 하는 개도 지령을 발하였으면(단계 S9), 단계 S5로 되돌아간다.
본 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)의 하류압이 가압 완료 압력을 넘기까지의 사이는, 단계 S7과 단계 S9의 처리가 반복하여 행하여지기 때문에, 예를 들면 단계 S7에 의한 완전 개방지령과 단계 S9에 의한 완전 폐쇄지령이 동일주기로 반복된다. 즉, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도가 소정의 듀티비로 듀티 제어되는 결과, FC 입구 밸브(25)는, 도 3에 나타내는 바와 같이 구동된다.
이와 같이 하여 FC 입구 밸브(25)가 밸브 구동되는 결과, FC 입구 밸브(25)의 하류압은 가압 개시시의 초기압력으로부터 가압 완료 압력(목표압력)에 도달하기까지의 사이, 도 4에 나타내는 바와 같은 단계형상으로 변화되는 압력 거동이 된다. 따라서 본 실시형태에 의하면 FC 입구 밸브(25)의 하류압과 가압 완료 압력과의 차압을 점감시켜 급가압을 억제하기 때문에, 공명의 발생이나 기계부품의 스트레스 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는 레귤레이터 밸브(23)로 감압된 가스압을 그 하류에 설치된 FC 입구 밸브(25)에 의하여 개도 제어하고 있기 때문에, FC 입구 밸브(25)의 내구성이나 시일성을 간소화할 수 있음과 동시에, 고압 수소가스의 영향에의한 FC 입구 밸브(25)의 제어악화를 억제할 수 있다.
또한 FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 듀티제어로 변화시키는 경우에는 상기한 도 3에 나타내는 바와 같이 듀티비(ON-OFF 반복시의 ON-OFF 시간비율)를 일정하게 설정하여도 좋으나, 예를 들면 도 5에 나타내는 바와 같이 듀티비를 시간경과에 따라 서서히 감소시켜도 좋고, 또는 도 5에 나타낸 밸브 구동 패턴과는 반대로 듀티비를 시간경과에 따라 서서히 증가시켜도 좋다.
< 제 2 실시형태 >
다음에 도 6 및 도 7을 참조하면서 제어장치(50)에 의한 연료전지 기동시에 있어서의 FC 입구 밸브(25)의 다른 실시형태에 관한 제어 플로우에 대하여, 상기 FC 입구 밸브(25)에 개도 가변식 전자밸브가 사용되고 있는 것으로 하여 설명한다. 또한 도 7에서의 밸브장치는 본 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)이다.
본 실시형태와 상기 제 1 실시형태와의 주된 상위점은, 상기 제 1 실시형태에서는 개폐식 전자밸브로 이루어지는 FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 단속적으로 변화시켜 제어(듀티제어)하고 있었던 것에 대하여, 본 실시형태에서는 개도 가변식 전자밸브로 이루어지는 FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 연속적으로 변화시켜 제어하는 것에 있다.
먼저, 도 7의 단계 S11에서 FC 입구 밸브(25) - FC 출구밸브(26) 사이의 폐 쇄공간을 가압하여도 좋은지의 판정, 예를 들면 FC 입구 밸브(25)보다 상류측의 배관(32)이 소정압까지 가압되어 있는지의 판정을 행하여, 이 판정결과가「NO」인 경우는 상기 단계 S11의 판정을 반복하고, FC 입구 밸브(25)보다 상류측의 배관(32)이 소정압까지 가압될 때까지 기다린다.
한편, 단계 S11의 판정결과가「YES」인 경우는, FC 입구 밸브(25)의 하류압을 취득한다(단계 S13). 이 하류압은 예를 들면 연료전지(10) 내에 설치된 압력센서를 사용하여 측정된다. 계속되는 단계 S15에서 하류압이 가압 완료 압력(목표압) 이하인지를 판정하여 판정결과가「NO」인 경우, 즉 하류압이 이미 가압 완료 압력을 넘어 있는 경우에는 이하의 처리를 스킵하고 본 제어 플로우는 종료한다.
한편, 단계 S15의 판정결과가「YES」인 경우, 즉 하류압이 아직 가압 완료 압력에 도달하고 있지 않은 경우에는, 하류압과 밸브 개도와의 관계를 규정한 맵을 참조하여 밸브 개도를 결정하고(단계 S17), 이것에 대응하는 개도 지령을 FC 입구 밸브(25)에 발하여 단계 S13으로 되돌아간다. 또한 하류압과 밸브 개도와의 관계를 규정한 맵은 예를 들면 하류압이 낮을 수록 또는 하류압과 상류압과의 차압이 클 수록 밸브 개도가 작아지도록 규정되어 있다.
본 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)의 하류압이 가압 완료 압력을 넘기까지의 사이는 단계 S17과 단계 S19의 처리가 반복하여 행하여지기 때문에, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도는 예를 들면 도 6에 나타내는 바와 같이 연속적으로 변화하도록 구동된다.
이와 같이 하여 FC 입구 밸브(25)가 밸브 구동되는 결과, 본 실시형태에서도 FC 입구 밸브(25)의 하류압은 가압 개시시의 초기압력으로부터 가압 완료 압력(목표압력)에 도달하기까지의 사이, 상기 하류압과 가압 완료 압력과의 차압이 점감하도록 서서히 가압되게 되어 공명의 발생이나 기계부품의 스트레스 발생을 억제할 수 있다.
또한, FC 입구 밸브(25)의 시간당 개도 면적 변화량은, 상기 FC 입구 밸브(25)의 하류압과 가압 완료 압력과의 차압이 클 수록, 또는 상기 FC 입구 밸브(25)의 하류압과 상류압과의 차압이 클 수록 작게 하여도 좋다. 이들 차압이 크다는 것은, FC 입구 밸브(25) - FC 출구 밸브(26) 사이의 가스통로가 급가압될 염려가 있다는 것이기 때문에 이와 같은 구성에 의하면 급가압시에 있어서의 공명의 발생이나 기계부품의 스트레스 발생을 더욱 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.
< 제 3 실시형태 >
다음에 도 8을 참조하면서 제어장치(50)에 의한 연료전지 기동시에 있어서의 FC 입구 밸브(25)의 또 다른 실시형태에 관한 제어 플로우에 대하여, 상기 제 2 실시형태와 마찬가지로 상기 FC 입구 밸브(25)에 개도 가변식 전자밸브가 사용되고 있는 것으로서 설명한다. 또한 도 8에 있어서의 밸브장치는 본 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)이다.
본 실시형태와 상기 제 2 실시형태와의 주된 상위점은, 상기 제 2 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)의 하류압을 사용하여 상기 FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 피드 포워드제어한 것에 대하여, 본 실시형태에서는 단위시간당의 압력상승량이 일정, 즉, 압력 상승율이 일정해지도록 FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 피드백 제어하는 것에 있다.
먼저, 도 8의 단계 S21에서 FC 입구 밸브(25) - FC 출구 밸브(26) 사이의 폐쇄공간을 가압하여도 좋은지의 판정, 예를 들면 FC 입구 밸브(25)보다 상류측의 배관(32)이 소정압까지 가압되어 있는지의 판정을 행하여, 이 판정결과가「NO」인 경우는 상기 단계 S21의 판정을 반복하고, FC 입구 밸브(25)보다 상류측의 배관(32)이 소정압까지 가압될 때까지 기다린다.
한편, 단계 S21의 판정결과가「YES」인 경우는, FC 입구 밸브(25)의 하류압을 취득한다(단계 S23). 이 하류압은 예를 들면 연료전지(10) 내에 설치된 압력센서를 사용하여 측정된다. 계속되는 단계 S25에서 하류압이 가압 완료 압력(목표압) 이하인지를 판정하여 판정결과가「NO」인 경우, 즉 하류압이 이미 가압 완료 압력을 넘어 있는 경우에는 이하의 처리를 스킵하고 본 제어 플로우는 종료한다.
한편, 단계 S25의 판정결과가「YES」인 경우, 즉 이번의 제어 주기에서 취득한 하류압이 아직 가압 완료 압력에 도달하고 있지 않은 경우에는, 전회의 제어주기에서 취득한 하류압으로부터의 압력 상승(ΔP)과, 전회의 제어주기에서 하류압을 취득하고 나서 금회의 제어주기에서 하류압을 취득하기까지의 경과시간, 즉 본 플로우의 제어주기(ΔT)로부터 압력 상승율(ΔP/ΔT)을 계산한다(단계 S27).
이 압력 상승율(ΔP/ΔT)이 소정의 적합치와 같은 경우(단계 S25 : YES)는, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 그대로 유지한 다음에(단계 S31), 이것에 대응하는 개도 지령을 FC 입구 밸브(25)에 발하고(단계 S33), 단계 S23으로 되돌아간다.
단계 S29의 판정결과가「NO」인 경우에는, 압력상승율(ΔP/ΔT)이 상기 소정의 적합치보다 큰지를 판정하고(단계 S41), 이 판정결과가 「YES」인 경우는, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 소정량 감소시킨 다음에(단계 S43), 이것에 대응하는 개도 지령을 FC 입구 밸브(25)에 발하고(단계 S33), 단계 S23으로 되돌아간다.
단계 S41의 판정결과가「NO」인 경우, 즉 압력 상승율(ΔP/ΔT)이 상기 소정의 적합치보다 작은 경우는, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 소정량 증가시킨 다음에(단계 S45), 이것에 대응하는 개도 지령을 FC 입구 밸브(25)에 발하고 (단계 S33), 단계 S23으로 되돌아간다.
본 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)의 하류압이 가압 완료 압력을 넘기까지의 사이는, 단계 S27 이후의 처리, 즉 상기 하류압의 상승율에 따라 밸브 개도를 설정하는 처리가 반복하여 행하여지기 때문에, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도 설정에 상기 FC 입구 밸브(25)의 하류압을 피드백시키는 것이 가능하게 된다.
이와 같이 하여 FC 입구 밸브(25)가 밸브 구동되는 결과, 본 실시형태에 서는 FC 입구 밸브(25)의 하류압과 가압 완료 압력과의 차압이 점감하도록 서서히 가압될 때에, 상기 하류압의 압력 상승율(ΔP/ΔT)이 소정의 적합치에 일치하는 방향으로 밸브 개도가 보정되기 때문에, 가압시에 있어서의 공명의 발생이나 기계부품의 스트레스 발생을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
또한 본 실시형태에서는 압력 상승율(ΔP), 제어주기(ΔT), 및 FC 입구 밸브(25) - FC 출구밸브(26) 사이의 전가스 통로 용적으로부터 가스공급속도를 계산 할 수 있기 때문에, 상기 압력 상승율(ΔP/ΔT)을 사용하여 FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 제어하는 대신에, 이 가스공급속도가 일정(적합치)해지도록 FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 제어하도록 하여도 좋다.
또, 단계 S43에서의 FC 입구 밸브(25)의 개도 감소처리(개도 면적 감소처리) 및/또는 단계 S45에서의 FC 입구 밸브(25)의 개도 증가처리(개도 면적 증가처리)에서는, 예를 들면 PID 제어 등에 의하여 개도 게인을 결정하는 것이 가능하다.
< 제 4 실시형태 >
다음에 도 9를 참조하면서 제어장치(50)에 의한 연료전지 기동시에 있어서의 FC 입구 밸브(25)의 또 다른 실시형태에 관한 제어 플로우에 대하여, 상기 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태와 마찬가지로 상기 FC 입구 밸브(25)에 개도 가변식 전자밸브가 사용되고 있는 것으로서 설명한다. 또한 도 9에서의 밸브장치는 본 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)이다.
본 실시형태와 상기 제 3 실시형태와의 주된 상위점은, 상기 제 3 실시형태에서는 단위시간당의 압력 상승량이 일정, 즉 압력 상승율이 일정해지도록 FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 피드백 제어하고 있었던 것에 대하여, 본 실시형태에서는 단위시간당의 가스공급량이 일정, 즉 유속이 일정해지도록 FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 피드백 제어하는 것에 있다.
먼저 도 9의 단계 S51에서 FC 입구 밸브(25) - FC 출구 밸브(26) 사이의 폐쇄공간을 가압하여도 좋은지의 판정, 예를 들면 FC 입구 밸브(25)보다 상류측 배관(32)이 소정압까지 가압되어 있는지의 판정을 행하여, 이 판정결과가「NO」인 경 우는, 상기 단계 S51의 판정을 반복하고, FC 입구 밸브(25)보다 상류측의 배관(32)이 소정압까지 가압될 때까지 기다린다.
한편, 단계 S51의 판정결과가「YES」인 경우는, FC 입구 밸브(25)의 상류압 및 하류압을 취득한다(단계 S53). FC 입구 밸브(25)의 상류압은, 예를 들면 배관(32)의 FC 입구 밸브(25) - 개폐 밸브(24) 사이에 설치된 압력센서를 사용하여 측정된다. 또 FC 입구 밸브(25)의 하류압은 예를 들면 연료전지(10) 내에 설치된 압력센서를 사용하여 측정된다.
계속되는 단계 S55에서 하류압이 가압 완료 압력(목표압) 이하인지를 판정하여, 판정결과가「NO」인 경우, 즉 하류압이 이미 가압 완료 압력을 넘어 있는 경우에는 이하의 처리를 스킵하고 본 제어 플로우는 종료한다.
한편, 단계 S55의 판정결과가「YES」인 경우, 즉 하류압이 아직 가압 완료 압력에 도달하고 있지 않은 경우에는, 단계 S53에서 취득한 상류압과 하류압의 차압과, FC 입구 밸브(25)의 유량 압력 손실 특성과의 관계를 규정한 맵을 참조하여 FC 입구 밸브(25)를 통과하는 단위시간당의 가스공급량, 즉 유속을 추정한다(단계 S57).
이 유속이 소정의 적합치와 같은 경우(단계 S59 : YES)는, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 그대로 유지한 다음에(단계 S61), 이것에 대응하는 개도지령을 FC 입구 밸브(25)에 발하고(단계 S63), 단계 S53으로 되돌아간다.
단계 S59의 판정결과가「NO」인 경우에는, 상기 유속이 상기 소정의 적합치보다 큰지를 판정하여(단계 S71), 이 판정결과가「YES」인 경우는, FC 입구 밸 브(25)의 밸브 개도를 소정량 감소시킨 다음에(단계 S73), 이것에 대응하는 개도 지령을 FC 입구 밸브(25)에 발하고(단계 S63), 단계 S53으로 되돌아간다.
단계 S71의 판정결과가「NO」인 경우, 즉 상기 유속이 상기 소정의 적합치보다 작은 경우는, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 소정량 증가시킨 다음에(단계 S75), 이것에 대응하는 개도 지령을 FC 입구 밸브(25)에 발하고(단계 S63), 단계 S53으로 되돌아간다.
본 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)의 하류압이 가압 완료 압력을 넘기까지의 사이는, 단계 S57 이후의 처리, 즉 FC 입구 밸브(25)의 상하류 사이의 차압과, 상기 FC 입구 밸브(25)의 유량 압력 손실 특성으로부터 구한 유속에 따라 밸브 개도를 설정하는 처리가 반복하여 행하여지기 때문에, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도 설정에 상기 FC 입구 밸브(25)의 하류압을 피드백시키는 것이 가능하게 된다.
이와 같이 하여 FC 입구 밸브(25)가 밸브 구동되는 결과, 본 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)의 하류압과 가압 완료 압력과의 차압이 점감하도록 서서히 가압될 때에, FC 입구 밸브(25)의 하류압과 상관이 있는 유속이 소정의 적합치에 일치하는 방향으로 밸브 개도가 보정되기 때문에, 가압시에 있어서의 공명의 발생이나 기계부품의 스트레스 발생을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
< 제 5 실시형태 >
도 10은 본 발명에 관한 연료전지시스템의 제 5 실시형태를 나타내는 개략구성도이다. 이하, 도 1에 나타낸 상기 제 1 실시형태 ∼ 제 4 실시형태와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 붙임과 동시에 그 설명을 생략하는 것으로 하 고, 상기 제 1 실시형태에 대한 구성 및 효과의 상위점을 중심으로 설명한다.
본 실시형태와 상기 각 실시형태와의 주된 상위점은, 먼저 제 1로 상기 제1 실시형태에서는 수소탱크(20)와 연료전지(10)를 연통하는 배관(32)에 서로 병렬하는 통로는 전혀 존재하지 않는 것에 대하여, 본 실시형태에서는 배관(32)의 일부가 서로 병렬인 통로(32a, 32b)로 되어 있는 것에 있다. 이들 통로(32a, 32b)는 동일한 지름으로 되어 있다.
다음에 상기 각 실시형태에서는 배관(32)에 셔트밸브(21), 레귤레이터 밸브(23), 개폐밸브(24) 및 FC 입구 밸브(25)가 상류측으로부터 이 순서대로 설치되어 있는 것에 대하여, 본 실시형태에서는 통로(32a, 32b)를 포함하는 배관(32)에, 셔트밸브(21), 변환밸브(61), 통로(32a)상의 스로틀장치(62), 레귤레이터 밸브(23) 및 FC 입구 밸브(25)가 상류측으로부터 이 순서대로 설치되어 있는 것에 있다.
그리고 상기 각 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)의 하류압이 가압 완료 압력 이하일 때에 연료전지 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 제어함으로써 급가압을 억제하고 있었던 것에 대하여, 본 실시형태에서는 연료전지 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 제어하는 대신에, 통로(32a, 32b) 중 어느 한쪽을 선택적으로 사용함으로써 급가압을 억제하는 것에 있다.
본 실시형태의 변환밸브(61)는, 수소탱크(20)로부터의 수소가스를 스로틀 장치(62)가 설치된 통로(32a)측을 통하여 연료전지(10)에 공급하거나, 스로틀장치(62)를 바이패스하는 통로(32b)측을 통하여 연료전지(10)에 공급하거나 중의 어느 한쪽을 선택 가능하게 하는 유로 변환부이며, 제어장치(50)에 의하여 변환방향 이 제어된다.
스로틀장치(62)는 한쪽의 통로(32a)에서의 유체의 압력손실을 다른쪽 통로(32b)에서의 압력손실보다 상대적으로 크게 하는 것을 가능하게 하는 압손 발생부 이고, 통로(32a)의 가스유로 단면을 국부적으로 좁게 하도록 구성되어 있다. 본 실시형태의 스로틀장치(62)는 예를 들면 상하류 사이의 스로틀량이 소정의 고정값으로 설정되는 스로틀장치이다.
이와 같은 구성에 의하면 예를 들면 연료전지(10)의 기동시 등과 같은 초기 가압시에 FC 입구 밸브(25)의 하류압과 가압 완료 압력(목표압)의 차압, 또는 FC 입구 밸브(25)의 상하류 사이의 차압이 소정값 이상인 경우에는 수소탱크(20)로부터의 수소가스가 압력손실이 큰 통로(32a)측을 통하여 연료전지(10)에 공급되 도록 변환밸브(61)을 변환함으로써 가압속도를 억제하여 상기 차압을 점감시키는 것이 가능하게 된다.
한편, 통상 운전시 등과 같이, 상기 차압이 소정값 미만인 경우에는 수소탱크(20)로부터의 수소가스가 압력손실이 작은 통로(32b)측을 통하여 연료전지(10)에 공급되도록 변환밸브(61)을 변환함으로써, 스로틀장치(62)를 바이패스시켜 상기 스로틀장치(62)가 존재함에 의한 압력손실을 회피하는 것이 가능하게 된다.
이상과 같이 본 실시형태의 연료전지시스템(11)에 의하면, 상기 제 1 실시형태 ∼ 제 4 실시형태와 같이, FC 입구 밸브(25)의 밸브 개도를 연속적 또는 단속적으로 변화시키는 번잡한 제어를 행하지 않고 변환밸브(61)에 의한 단순한 유로변환만에 의하여 급가압시에 있어서의 공명의 발생이나 기계부품의 스트레스발생을 억 제할 수 있다.
또한 서로 병렬인 한쪽의 통로(32a)를 다른쪽 통로(32b)보다 압력손실이 큰 통로로 하기 위해서는, 상기한 바와 같이 통로(32a)에 스로틀장치(62)를 설치하는 외에도 예를 들면 통로(32a)를 다른쪽 통로(32b)보다 소경화하는 통로(32a)의 도중에 굴곡부나 사행부를 설치하는, 또는 통로(32a)의 도중에 필터 등과 같은 유체저항을 증가시키는 요소를 설치하는 등에 의해서도 실현하는 것이 가능하다.
아울러, 변환밸브(61)는, 통로(32a, 32b)의 한쪽 뿐만 아니라 양쪽을 동시에 차단 또는 연통시킬 수 있는 것이어도 좋다.
< 제 6 실시형태 >
또, 도 11에 나타내는 바와 같이 도 10에서의 변환밸브(61), 통로(32a, 32b), 스로틀장치(62) 대신에, 배관(32)의 셔트밸브(21) - 레귤레이터 밸브(23) 사이에 제어장치(50)에 의하여 상하류 사이의 스로틀을 가변 제어하는 것이 가능한 가변 스로틀장치(71)를 설치하여도 좋다.
이와 같은 구성의 연료전지시스템(12)에 의해서도 예를 들면 연료전지(10)의 기동시 등과 같은 초기 가압시에, 상기 차압이 소정값 이상인 경우에는 가변 스로틀장치(71)를 스로틀측으로 제어함으로써 수소탱크(20)로부터의 수소가스(25) 에 압력손실을 생기게 하여 가압속도를 억제할 수 있기 때문에, 상기 차압을 점감시키는 것이 가능하게 된다.
한편, 통상 운전시 등과 같이, 상기 차압이 소정값 미만인 경우에는 가변스로틀장치(71)를 개방측으로 제어함으로써, 수소탱크(20)로부터의 수소가스에 극력 압력 손실을 생기게 하지 않도록 할 수 있기 때문에, 가변 스로틀장치(71)가 존재함에 의한 압력손실을 회피하는 것이 가능하게 된다.
< 제 7 실시형태 >
본 실시형태와 상기 제 1 실시형태 ∼ 제 4 실시형태의 주된 상위점은, 이들 각 실시형태에서는 FC 입구 밸브(25)의 하류압이 가압 완료 압력 이하일 때에 연료 전지 입구밸브(25)의 개도를 제어하여 급가압을 억제하고 있었던 것에 대하여, 본 실시형태에서는 연료전지 입구밸브(25)의 개도를 제어하는 대신에 수소탱크(20)의 소스밸브인 셔트밸브(21)의 개도를 제어함으로써, 급가압을 억제하는 것에 있다.
이와 같은 구성에 의하면 연료전지(10)에의 수소가스공급을 허가·금지하는 밸브장치 중, 셔트밸브(21)를 제외하는 개폐밸브(24) 및 FC 입구 밸브(25)나, 연료전지(10)에의 수소가스 공급압을 조압(감압)하는 레귤레이터 밸브(23)가 연료가스 공급통로인 배관(32) 위에 설치되어 있지 않은 연료전지시스템에 있어서도, 셔트밸브(21)를 제어함으로써 급가압을 억제하는 것이 가능하게 된다.
< 제 8 실시형태 >
상기 제 1 실시형태 ∼ 제 7 실시형태에 관한 연료전지시스템에서는 배관(32, 36) 위에 설치된 각 밸브장치[셔트밸브(21), 개폐밸브(24), FC 입구 밸브(25), 조압밸브(44) 등]의 개도나, 배관(36)에 설치된 컴프레서(41)의 작동량을 협조 제어하여도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면 고압가스가 흐르는 배관(32) 위에 설치된 셔트밸브(21), 개폐밸브(24) 및 FC 입구 밸브(25)의 적어도 하나를 주로 연료전지(10)에 의 수소가스 공급압(가스압)을 제어하고, 그것에 대응하여 배관(36) 위에 설치된 조압밸브(44)의 밸브 개도와, 배관(35) 위에 설치된 컴프레서(41)의 작동량(송기량)의 적어도 한쪽을 제어함에 의한 연료전지(10)에의 에어공급압(가스압)의 조압이 가능하게 된다. 이에 의하여 배관(32)으로부터 연료전지(10)에의 수소가스공급압과, 배관(35)으로부터 연료전지(10)에의 에어공급압과의 차압을 적정범위 내로 제어하는 것이 가능하게 된다.
특히 상기 각 실시형태와 같이 연료전지(10)가 전해질막을 그 양측에서 애노드 전극과 캐소드 전극으로 끼워 유지하여 이루어지는 연료전지시스템에서는 극간 차압(수소가스 공급압과 에어 공급압과의 차압)의 지나친 증대를 억제할 수 있어 전해질막을 파손 등으로부터 보호하는 것이 가능하게 된다.
다음에 본 실시형태에 관한 협조제어의 구체적 내용에 대하여 설명한다.
(1) 예를 들면 연료전지(10) 내, 또는 연료전지(10) - 조압 밸브(44) 사이에 설치된 압력센서를 사용하여 캐소드 압력을 관측하고, 상기 캐소드 압력을 목표값으로 하여 애노드측의 가압을 실시한다. 더욱 구체적으로는 캐소드측의 압력상승에 따라 애노드측의 가압을 실시한다. 이것과는 반대로 상기 애노드압력을 목표값으로 하여 캐소드측의 조압을 실시하여도 좋다.
(2) 애노드측 및 캐소드측의 가압시에, 극간 차압을 연료전지(10) 내에 설치된 압력센서로 관측하여, 그 차압이 허용압(설계 내압) 이하가 되도록 애노드 및 캐소드 중 고압측의 가압 또는 조압을 가압 또는 조압의 시간이 늦어지는 방향으로 제어하여도 좋다. 예를 들면 컴프레서(41)의 송기량을 감량하는 조압밸브(44)의 폐쇄속도를 감속하는 또는 애노드측의 밸브장치[예를 들면, FC 입구 밸브(25)]의 개방속도를 감속하는 등에 의하여 고압측의 가압 또는 조압을 느리게 하는 것이 가능하다.
(3) 상기 (2)와는 반대로, 애노드 및 캐소드 중 저압측의 가압 또는 조압을 가압 또는 조압이 빨라지는 방향으로 제어하여도 좋다. 예를 들면 컴프레서(41)의 송기량을 증량하는 조압 밸브(44)의 폐쇄속도를 증속하는, 또는 애노드측의 밸브장치[예를 들면, FC 입구 밸브(25)]의 개방속도를 증속하는 등에 의하여 저압측의 가압 또는 조압을 빠르게 하는 것이 가능하다.
(4) 애노드측 및 캐소드측의 가압시에 극간 차압을 연료전지(10) 내에 설치된 압력센서로 관측하여, 그 차압이 허용압(설계 내압) 이하가 되도록 고압측을 감압하여도 좋다. 예를 들면 조압밸브(44)를 개방측으로 제어하는 컴프레서(41)의 송기량을 감량하는 배출밸브(27)를 개방하여 애노드측의 압력을 저하시키는 등에 의하여 고압측을 감압하는 것이 가능하다.
(5) 상기 (4)와는 반대로, 극간 차압이 허용압(설계 내압) 이하가 되도록 저압측을 가압하여도 좋다. 예를 들면 조압밸브(44)를 폐쇄측으로 제어하는 컴프레서(41)의 송기량을 증량하는 애노드측의 밸브장치[예를 들면, FC 입구 밸브(25)]의 개방속도를 증속하는 등에 의하여 저압측을 가압하는 것이 가능하다.
또한 상기 (1)∼(5)는, 밸브장치가 개도 지령이 가능한 개도 가변식의 전자밸브를 상정한 제어이나, 밸브장치가 개폐식의 전자밸브인 경우에는 듀티제어를 실시함으로써, 상기 (1)∼(5)와 대략 동일한 제어를 실시하는 것이 가능하다.
< 다른 실시형태 >
이상, 본 발명의 실시형태를 도면에 의하여 상세하게 설명하여 왔으나, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지않는 범위의 설계변경 등이 있어도 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.
예를 들면 상기 각 실시형태에서는 배관(32) 위에 셔트밸브(21), 레귤레이터 밸브(23), 개폐밸브(24), FC 입구 밸브(25) 등이 설치되어 있으나, 배관(32) 중 어느 한 부분에 개폐식의 밸브장치가 설치되어 있으면[예를 들면, 수소탱크(20)의 셔트밸브(21)], 다른 밸브[예를 들면, 레귤레이터 밸브(23), 개폐밸브(24), FC 입구 밸브(25)]는 설치되어 있지 않아도 된다.
또, 개도 면적을 제어하는 밸브장치는, 수소공급계의 통로[배관(32)]에 설치된 밸브(21, 23∼25)에 한정하지 않고, 연료전지(10)로부터 배출된 애노드 오프 가스를 수소공급계에 되돌리는 수소 순환계의 통로[배관(33) 중 배관(32)에 접속된 한쪽]에 설치된 밸브(26, 28)나, 애노드 오프 가스를 외부로 배출하는 수소배출계의 통로[배관(34)]에 설치된 배출밸브(27) 외에, 연료전지(10)로부터의 캐소드 오프 가스를 배출하는 공기 배출계의 통로[배관(36)]에 설치되는 조압 밸브(44)이어도 좋다.
또한 레귤레이터 밸브(23) 대신에, 인젝터를 배관(32) 위에 설치한 형태로하여도 좋다.
본 발명에 의하면 예를 들면 시스템 기동시나 간헐운전으로부터의 재기동시 등과 같이, 가스통로가 고압 또는 가압된 반응가스나 반응 오프 가스의 공급을 받아 급격하게 가압될 염려가 있는 경우이어도 밸브장치의 상류와 하류의 차압의 크기에 따라 상기 밸브장치의 개도를 연속적 또는 단속적으로 개도 면적이 증가하도록 제어하기 때문에 이음의 발생이나 기계부품의 스트레스발생을 억제할 수 있다.
따라서 본 발명은 그와 같은 요구가 있는 연료전지시스템에 널리 이용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 반응가스의 공급을 받아 발전하여 반응 오프 가스를 배출하는 연료전지와, 상기 반응가스 또는 상기 반응 오프 가스가 유통하는 가스통로와, 상기 가스통로상에 설치된 밸브장치와, 상기 밸브장치의 개도를 제어하는 제어장치를 구비한 연료전지시스템에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 가스통로 내의 가스압이 증가할 때는, 상기 밸브장치의 상류와 하류의 차압의 크기에 따라 상기 밸브장치의 개도를 연속적 또는 단속적으로 개도 면적이 증가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 반응가스의 공급을 받아 발전하여 반응 오프 가스를 배출하는 연료전지와, 상기 반응가스 또는 상기 반응 오프 가스가 유통하는 가스통로와, 상기 가스통로위에 설치된 밸브장치와, 상기 밸브장치의 개도를 제어하는 제어장치를 구비한 연료전지시스템에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 밸브장치의 상하류 사이의 차압이 기설정된 값 이상일 때는 상기 차압의 크기에 따라 상기 밸브장치의 개도를 연속적 또는 단속적으로 개도 면적이 증가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 밸브장치의 하류압이 목표압 이하일 때는 이들 하류 압과 목표압과의 차압의 크기에 따라 상기 밸브장치의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 차압이 클 수록 상기 밸브장치의 시간당 개도 면적 변화량이 작아지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 밸브장치보다 하류의 폐쇄공간 체적이 클 수록 상기 밸브장치의 시간당 개도 면적 변화량이 작아지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 밸브장치는, 개폐식 전자밸브 또는 개도 가변식 전자밸브의 적어도 한쪽인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 밸브장치가 개폐식 전자밸브인 경우에, 듀티제어에 의하여 상기 밸브장치의 개도 면적이 변화되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 밸브장치는, 상기 가스통로 위에 설치된 조압밸브의 하류에 설치된 전자밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 밸브장치의 하류압에 의거하여, 상기 밸브장치의 시간당 개도 면적 변화량이 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 밸브장치는, 상기 가스통로에 접속된 고압 가스 탱크의 소스밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 가스통로상에 직렬로 복수의 상기 밸브장치를 구비하고, 상류측 밸브장치의 개폐상태에 대응하여 하류측 밸브장치의 개도 면적이 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료전지의 애노드측에 공급되는 가스압과 캐소드측에 공급되는 가스압이 협조 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 가스통로의 일부가 서로 병렬인 통로로서, 그 한쪽은 다른쪽 통로에 비하여 압력손실이 큰 통로가 되고, 상기 차압이 기설정된 값 이상일 때는, 상기 밸브장치의 개도 면적을 연속적 또는 단속적으로 증가시키는 대신에, 상기 압력손실이 큰 통로가 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  14. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료전지가 전해질막을 그 양측으로부터 애노드 전극과 캐소드 전극으로 끼워 유지되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지의 기동시에 상기 밸브장치의 개도를 연속적 또는 단속적으로 개도 면적이 증가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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