KR101103398B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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도요타 지도샤（주）
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Abstract

본 발명은, 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 압력을 이용하여 개폐 구동하는 유체 제어밸브[가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)]에 관한 것이다. 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 압력(P1)은, 유체 제어밸브를 구동하기 위하여 요구되는 구동 요구 압력에 의거하여, 에어컴프레서(AP)로부터 토출되는 공기 유량, 연료전지 바이패스 밸브(80)의 밸브 개방도, 공기 압력 조절 밸브(90)의 밸브 개방도 등에 의하여 조정된다. 예를 들면, 본 발명은, 연료전지스택 내의 부압(P2)의 절대값이 클수록, 셔트밸브(40)를 구동하기 위한 구동 요구 압력을 크게 설정하고, 그 구동 요구 압력이 되도록, 공기의 압력(P1)을 제어한다. 본 발명에 의하면, 유체 제어밸브의 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 압력(P1)이 조정되기 때문에, 예를 들면, 연료전지의 요구에 의거하여 공기의 압력(P1)이 조정되는 경우에 비하여, 유체 제어밸브의 구동의 응답성이나 신뢰성 등이 향상된다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히, 유체 유로를 흐르는 유체의 압력을 이용하여 밸브를 개폐 구동하는 기술에 관한 것이다.
수소 등의 연료가스와 공기 등의 산화가스를 이용하여 발전하는 연료전지 시스템이 알려져 있다. 연료전지 시스템은, 예를 들면, 차량 등에 탑재되어 차량 주행용 모터의 전원으로서 이용된다. 물론, 연료전지 시스템은 차량 이외에도 이용 가능하다.
연료전지 시스템은, 연료가스와 산화가스를 반응시켜 발전하는 연료전지와, 그 연료전지에 연료가스나 산화가스 등의 반응가스를 공급하여 연료전지로부터 반응 후의 가스나 생성수 등을 배출하는 유체 유로를 구비하고 있다.
이와 같은 연료전지 시스템에서, 유체 유로에 설치되는 밸브(valve)에 관한 여러가지 기술이 제안되어 있다.
예를 들면, 특허문헌 1(일본국 특개2004-6166호 공보)에는, 반응가스의 공급 라인과 배출 라인의 각각에 개폐 밸브를 설치하여, 연료전지의 발전운전 정지시에 개폐 밸브를 폐쇄함으로써, 연료전지 내부의 반응가스 공간을 밀폐하는 기술이 개시되어 있다.
또, 특허문헌 2(일본국 특개2000-3717호 공보)에는, 에어컴프레서(air compressor)로부터의 공기를 공급하여 공기 파일럿 밸브를 제어함으로써, 연료전지에 공급하는 가스 등을 차단 제어하는 기술이 개시되어 있다.
상기와 같이, 특허문헌 1에는, 연료전지의 발전운전 정지시에 개폐 밸브를 폐쇄함으로써, 연료전지 내부의 반응가스 공간을 밀폐하는 기술이 기재되어 있다. 그런데, 그 개폐 밸브로서, 예를 들면 전자밸브를 이용하면, 노멀 오픈 전자밸브이면 연료전지의 발전정지 중에 전자밸브를 클로즈시키기 위하여 전자밸브에 제어전압을 계속해서 인가할 필요가 있고, 한편, 노멀 클로즈의 전자밸브이면 연료전지의 발전 중에 전자밸브를 오픈시키기 위하여 전자밸브에 제어전압을 계속해서 인가할 필요가 있는 등의 사정에서, 소비전력의 면에서의 문제를 무시할 수 없다.
또, 특허문헌 2에는, 공기의 압력에 의하여 구동되는 에어 오퍼레이트 밸브를 연료전지 시스템에 이용한다는 취지가 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 2는, 에어 오퍼레이트 밸브를 구동하는 공기의 압력을 제어하기 위한 구체적인 기술을 제공하는 것은 아니다.
이와 같은 배경에서, 본원 발명자들은, 연료전지 시스템의 유체 유로에 설치되는 밸브의 개폐상태의 제어에 관한 연구개발을 계속해 왔다. 특히, 유체 유로를 흐르는 유체의 압력을 이용하여 밸브를 개폐 구동하는 기술에 대하여 연구개발을 계속해 왔다.
본 발명은, 그 연구개발의 과정에서 이루어진 것으로, 그 목적은, 밸브의 구동에 이용되는 유체의 압력을 제어하는 기술을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 적합한 형태인 연료전지 시스템은, 연료전지와, 연료전지에 접속되는 유체 유로와, 유체 유로에 설치되는 유체 제어밸브를 가지고, 상기 유체 제어밸브는, 유체 유로를 흐르는 유체의 압력을 이용하여 개폐 구동하는 밸브이고, 상기 유체 제어밸브를 구동하기 위하여 요구되는 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의하면, 유체 유로를 흐르는 유체의 압력을 조정함으로써 유체 제어밸브를 개폐 구동할 수 있기 때문에, 예를 들면 유체 제어밸브로서 전자밸브를 이용하는 경우에 비하여, 유체 제어밸브의 개폐 구동을 위한 소비전력을 저감할 수 있다. 또, 유체 제어밸브의 구동 요구 압력에 의거하여 유체의 압력이 조정되기 때문에, 예를 들면 연료전지의 요구에 따라 유체의 압력이 조정되는 경우에 비하여, 유체 제어밸브의 구동의 응답성이나 신뢰성 등이 향상한다.
바람직한 형태에서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 유체 제어밸브의 밸브 개방시에, 상기 연료전지 내의 압력에 따른 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되는 것을 특징으로 한다. 이것에 의하여, 예를 들면, 연료전지 내의 부압의 크기가 불균일한 경우라도, 부압의 불균일에 따라 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되기 때문에, 유체 제어밸브의 밸브 개방동작의 안정성 등이 향상한다. 예를 들면, 유체 제어밸브의 밸브 개방에 필요로 하는 시간의 불균일을 작게 할 수 있다.
바람직한 형태에서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료전지를 위하여 요구되는 전지 요구 압력과 상기 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되고, 상기 유체 제어밸브의 구동시에, 전지 요구 압력보다도 구동 요구 압력이 우선되어 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되는 것을 특징으로 한다. 이것에 의하여, 예를 들면, 연료전지의 발전운전 중은, 연료전지의 발전운전에 적합한 압력이 되도록 유체의 압력이 조정되고, 유체 제어밸브의 구동시에는, 유체 제어밸브의 구동에 적합한 압력이 되도록 유체의 압력이 조정된다.
바람직한 형태에서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료전지의 소기(掃氣)의 개시시에, 상기 전지 요구 압력보다도 상기 구동 요구 압력이 우선되어 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되어, 상기 유체제어밸브의 개폐상태가 소기시에 있어서 미리 정하여진 개폐상태로 전환되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 형태에서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 유체제어밸브의 개폐상태가 소기시에 있어서 미리 정하여진 개폐상태로 전환된 후에, 당해 유체 제어밸브의 압력실이 밀폐되어 그 압력실 내의 압력에 의하여 당해 유체 제어밸브의 개폐상태가 유지되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 형태에서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 유체 유로에 유체를 유통시키는 컴프레서와, 상기 유체 유로에 설치되는 압력 조절밸브를 가지고, 상기 컴프레서의 토출유량과 상기 압력 조절밸브의 밸브 개방도 중의 적어도 한쪽에 의하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하여, 밸브의 구동에 이용되는 유체의 압력을 제어하는 기술이 제공된다. 예를 들면 본 발명의 적합한 형태에 의하여, 개폐 구동을 위한 소비전력을 저감할 수 있다. 또, 예를 들면 본 발명의 적합한 형태에 의하여, 유체 제어밸브의 구동의 응답성이나 신뢰성 등이 향상한다.
도 1은, 본 발명에 관한 연료전지 시스템의 전체 구성도,
도 2는, 셔트밸브의 구조를 설명하기 위한 도,
도 3은, 셔트밸브의 개폐동작을 설명하기 위한 도,
도 4는, 가습 M 바이패스 밸브의 구조를 설명하기 위한 도,
도 5는, 가습 M 바이패스 밸브의 개폐동작을 설명하기 위한 도,
도 6은, 공기 압력의 제어 목표값의 전환 동작을 설명하기 위한 도,
도 7은, 연료전지 시스템의 통상 운전 중의 상태를 설명하기 위한 도,
도 8은, 연료전지 시스템의 정지 지시시의 상태를 설명하기 위한 도,
도 9는, 연료전지 시스템의 소기 중의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다.
도 1에는, 본 발명에 관한 연료전지 시스템의 바람직한 실시형태가 나타나 있고, 도 1은 그 전체 구성도이다. 도 1의 연료전지 시스템은, 연료전지스택(10), 유체 유로(20) 등에 의하여 구성되어 있고, 유체 유로(20)에는, 유체 제어밸브로서 기능하는 가습 모듈 바이패스 밸브(가습 M 바이패스 밸브)(30)와 입구 셔트밸 브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)가 설치되어 있다. 또한, 유체 유로(20)에는, 압력 조절밸브로서 기능하는 연료전지 바이패스 밸브(80)와 공기 압력 조절밸브(90)가 설치되어 있다.
연료전지스택(10)은, 수소 등을 함유한 연료가스와, 산소 등을 함유한 산화가스를 반응시켜 발전한다. 즉, 연료가스와 산화가스가 연료전지스택(10)에 공급되고, 연료전지스택(10) 내의 도시 생략한 복수의 전지 셀에서 연료가스와 산화가스를 반응시켜 전기에너지가 얻어진다. 전지 셀은, 예를 들면, 대략 직사각형 형상의 판형상의 셀이고, 그들 복수의 판형상의 전지 셀이 적층되어 연료전지스택(10)이 형성된다. 또한, 각 전지 셀은, 예를 들면 원통형상인 것이어도 된다.
또한, 본 실시형태의 연료전지 시스템은, 예를 들면 차량에 탑재되어, 연료전지스택(10)이 차량 주행용 모터의 전원으로서 이용된다. 물론, 본 실시형태의 연료전지 시스템은, 차량 이외의 장치나 시스템 등에 조립되어도 된다.
유체 유로(20)는, 연료전지스택(10)으로 반응가스를 공급하는 유로로서 기능한다. 즉, 유체 유로(20)를 거쳐, 한쪽의 반응가스(예를 들면, 산화가스로서 이용되는 공기)가 연료전지스택(10) 내로 공급된다. 또, 유체 유로(20)는, 연료전지스택(10) 내로부터 반응 후의 가스나 생성수 등을 배출하는 유로로서 기능한다. 또한, 연료전지스택(10)에는, 다른 쪽의 반응가스(예를 들면, 수소가스)를 공급하는 유로도 접속되나, 도 1에서는 그 유로를 도시 생략하고 있다.
가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)의 각 밸브는, 유체 유로(20) 내의 공기(에어)의 흐름을 조정하는 유체 제어밸브로서 기 능하고 있다. 이들 3개의 밸브의 각각에는, 압력 제어 유로(70)를 거쳐 3개의 PSV(Pressure Switching Valve)가 접속되어 있다.
즉, 가습 M 바이패스 밸브(30)에는, VbS, VbC, VbO의 3개의 PSV가 접속되어 있다. 또, 입구 셔트밸브(40A)에는, ViS, ViC, ViO의 3개의 PSV가 접속되어 있고, 출구 셔트밸브(40B)에는, VoS, VoC, VoO의 3개의 PSV가 접속되어 있다. 이들 PSV는, 압력 제어 유로(70)를 거쳐, 유체 유로(20)의 상류측, 예를 들면 에어컴프레서(AP)와 가습 모듈(50)의 사이 등에 접속된다. 또, 이들 PSV는, 예를 들면, 도시 생략한 제어부에 의하여 제어된다.
가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)는, 각각에 대응한 PSV에 의하여 제어된다. 본 실시형태에서는, 연료전지스택(10)의 상태 등에 따라, 가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)의 각 밸브가 제어된다. 각 밸브의 제어에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명한다.
다음에, 유체 유로(20) 내의 공기의 흐름에 대하여 설명한다. 유체 유로(20) 내를 흐르는 공기는, 에어컴프레서(AP)로부터 유체 유로(20) 내로 도입된다. 에어컴프레서는, 예를 들면 공기 클리너(도시 생략) 등을 거쳐 대기 중으로부터 유체 유로(20) 내로 공기를 도입한다. 에어컴프레서로부터 토출된 공기는, 가습 모듈(50), 가습 M 바이패스 밸브(30), 연료전지 바이패스 밸브(80)로 공급된다.
가습 모듈(50)은, 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 습도를 조정한다. 즉, 가습 모듈(50)은, 예를 들면, 연료전지스택(10) 내에서의 화학반응에 적합한 습도가 되도록 공기를 가습한다. 습도가 조정된 공기는, 입구 셔트밸브(40A)를 거쳐 연료 전지스택(10)으로 공급된다.
가습 모듈(50)을 거치지 않고 연료전지스택(10)으로 공기를 공급하는 루트도 존재한다. 즉, 에어컴프레서로부터 가습 M 바이패스 밸브(30)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공기를 공급하는 루트가 있고, 그 루트를 통과하는 공기는, 가습 조정되지 않고 연료전지스택(10) 내로 공급된다.
연료전지 바이패스 밸브(80)로 공급되는 공기는, 연료전지스택(10)으로 공급되지 않고, 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다. 연료전지 바이패스 밸브(80)는, 연료전지스택(10)으로 공급되는 공기의 압력(토출압)의 제어에 이용된다. 즉, 연료전지 바이패스 밸브(80)의 밸브 개방도에 의하여 압력계(P1)의 위치에서의 유체 유로(20) 내의 공기의 압력이 조정된다. 또한, 에어컴프레서(AP)로부터 토출되는 공기 유량에 의하여 토출압이 제어되어도 된다. 물론, 연료전지 바이패스 밸브(80)의 밸브 개방도와 에어컴프레서의 공기 유량의 양쪽을 이용하여 토출압을 제어하여도 된다.
연료전지스택(10)으로부터 배출되는 가스(반응 후의 공기)는, 공기 압력 조절밸브(90)로 이송된다. 공기 압력 조절밸브(90)는, 연료전지스택(10)으로부터 배출되는 공기의 압력(배압)의 제어에 이용된다. 즉, 공기 압력 조절밸브(90)의 밸브 개방도에 의하여 압력계(P2)의 위치에서의 유체 유로(20) 내의 공기의 압력이 조정된다. 배압은, 예를 들면, 연료전지스택(10)을 효율적으로 발전시키기 위한 목표값이 되도록 제어된다.
또한, 배압이 조정됨으로써 유체 유로(20) 내의 압력도 조정되기 때문에, 공 기 압력 조절밸브(90)는, 유체 유로(20) 내의 공기의 압력을 조정하는 압력 조절밸브로서의 역할도 담당하고 있다.
공기 압력 조절밸브(90)로부터 출력된 공기는, 출구 셔트밸브(40B), 가습 모듈(50), 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다.
다음에, 도 2 내지 도 5를 이용하여, 가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)에 대하여 상세하게 설명한다. 먼저, 도 2 및 도 3을 이용하여, 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)에 대하여 설명한다.
도 2는, 셔트밸브(40)[도 1의 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)]의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 셔트밸브(40)는, 노멀상태에 있어서, 밸브 개방력이 밸브 폐쇄력보다도 커져 밸브체(41)를 개방한 상태로 하는 노멀 오픈 밸브이다.
셔트밸브(40)는, 다이어프램(42)을 구비하고 있고, 그 다이어프램(42)의 상면측에는 밸브 폐쇄측 압력실(43)이 설치되고, 다이어프램(42)의 하면측에는 밸브 개방측 압력실(44)이 설치되어 있다.
다이어프램(42)은, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내의 압력과 밸브 개방측 압력실(44) 내의 압력의 압력차에 따라서 도면의 상하방향을 따라 변위한다. 예를 들면, 도 2에서, 다이어프램(42)의 좌우의 양쪽 끝은 고정되어 있고, 다이어프램(42)의 중앙부분이 상하로 휘도록 변위한다. 물론, 다이어프램(42)의 전체가 상하로 변위하는 구성을 채용하여도 된다. 다이어프램(42)이 변위하면, 다이어프램(42)에 접속되어 있는 밸브체(41)도 변위한다. 그 결과, 다이어프램(42)의 변위에 의하여 셔트밸브(40)의 밸브 개방도가 조정된다.
예를 들면, 다이어프램(42)의 변위에 의하여 밸브체(41)가 상향으로 구동됨으로써, 유체 유로(20)로부터 셔트밸브(40)의 입구(46)를 향하여 흐르는 공기가, 셔트밸브(40)의 출구(47)로부터 유체 유로(20)로 배출된다. 한편, 다이어프램(42)의 변위에 의하여 밸브체(41)가 하향으로 구동되어 출구(47)를 막음으로써, 입구(46)측의 유체 유로(20)로부터 출구(47)측의 유체 유로(20)로 향하는 공기의 흐름이 차단된다.
또한, 다이어프램(42)의 하면측에는 스프링(45)이 설치되어 있고, 다이어프램(42)에는, 상향의 스프링력이 가하여지고 있다.
밸브 폐쇄측 압력실(43) 내의 압력과 밸브 개방측 압력실(44) 내의 압력은, 3개의 PSV에 의하여 제어된다. 즉, 셔트밸브(40)가 입구 셔트밸브(도 1의 부호 40A)이면, ViS, ViC, ViO의 3개의 PSV에 의하여 각 압력실 내의 압력이 제어된다. 또, 셔트밸브(40)가 출구 셔트밸브(도 1의 부호 40B)이면, VoS, VoC, VoO의 3개의 PSV에 의하여 각 압력실 내의 압력이 제어된다.
ViS(또는 VoS)는, 3 Way식의 PSV이고, 밸브 폐쇄측 압력실(43)과 밸브 개방측 압력실(44)의 2개의 압력실 중 한쪽의 압력실을 선택적으로 유체 유로(20)와 접속하는 삼방밸브로서 기능한다. 즉, ViS에 의하여, 유체 유로(20)로 통하는 압력 제어 유로(70)와, 밸브 폐쇄측 압력실(43)로 통하는 압력 제어 유로(70) 또는 밸브 개방측 압력실(44)로 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다.
ViS는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전(通電)됨으로써 접속상태를 변화시킨다. ViS는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서, 밸브 개방 측 압력실(44)을 선택한다. 즉, 비통전상태에서는, ViS에 의하여, 유체 유로(20)로 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 개방측 압력실(44)로 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다. 한편, ViS는, 제어상태, 즉 통전된 상태(통전상태)에서, 밸브 폐쇄측 압력실(43)을 선택한다. 즉, 통전상태에서는, ViS에 의하여, 유체 유로(20)로 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 폐쇄측 압력실(43)로 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다.
ViC(또는 VoC)는, 2 Way식의 PSV이고, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내를 감압하기 위한 압 빼기 밸브로서 기능한다. ViC의 한쪽측은 밸브 폐쇄측 압력실(43)로 통하는 압력 제어 유로(70)에 접속되어 있고, ViC의 다른쪽측은 대기 개방되어 있다.
ViC는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 개폐상태를 변화시킨다. ViC는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서 밸브 폐쇄상태를 유지한다. 이것에 의하여, ViC가 비통전상태인 경우에는, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 한편, ViC는, 제어상태, 즉 통전된 상태(통전상태)에서 밸브 개방한다. 이것에 의하여, ViC가 통전상태인 경우에는, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성된다.
ViO(또는 VoO)는, 2 Way식의 PSV이고, 밸브 개방측 압력실(44) 내를 감압하기 위한 압 빼기 밸브로서 기능한다. ViO의 한쪽측은 밸브 개방측 압력실(44)로 통하는 압력 제어 유로(70)에 접속되어 있고, ViO의 다른쪽측은 대기 개방되어 있다.
ViO는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 개폐상태를 변화시킨다. ViO는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서 밸브 폐쇄상태를 유 지한다. 이것에 의하여, ViO가 비통전상태인 경우에는, 밸브 개방측 압력실(44) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 한편, ViO는, 제어상태, 즉 통전된 상태(통전상태)에서 밸브 개방한다. 이것에 의하여, ViO가 통전상태인 경우에는, 밸브 개방측 압력실(44) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성된다.
덧붙여 말하면, 본 실시형태를 설명하기 위한 각 도면에서, ViS(VoS), ViC(VoC), ViO(VoO)를 나타내고 있는 복수의 삼각형 중, 빈틈없이 칠해진 삼각형은 압력 제어 유로(70)를 폐쇄한 상태를 나타내고 있고, 빈틈없이 칠해져 있지 않은 삼각형은 압력 제어 유로(70)를 개방한 상태를 나타내고 있다.
예를 들면, 도 2에 나타낸 각 삼각형의 빈틈없이 칠한 상태에 있어서, ViS(또는 VoS)는, 밸브 폐쇄측 압력실(43)로 통하는 압력 제어 유로(70)를 폐쇄하고 있고, 유체 유로(20)로 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 개방측 압력실(44)로 통하는 압력 제어 유로(70)를 접속한 상태(비통전상태)를 나타내고 있다. 또, 도 2에서, ViC(또는 VoC)를 나타내는 삼각형은 빈틈없이 칠해져 있고, 이것은 ViC(또는 VoC)가 폐쇄된 상태(비통전상태)인 것을 나타내고 있다. 또, 도 2에서, ViO(또는 VoO)를 나타내는 삼각형도 빈틈없이 칠해져 있고, 이것은 ViO(또는 VoO)도 폐쇄된 상태(비통전상태)인 것을 나타내고 있다.
도 3은, 셔트밸브(40)[도 1의 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)]의 개폐동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3(A)는, 셔트밸브(40)의 밸브 개방동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 내려져 폐쇄된 상태에 있는 밸브체(41)를 상향으로 이동시켜 밸브 개방할 때의 동 작을 설명하기 위한 도면이다.
셔트밸브(40)를 밸브 개방하는 경우, ViS(또는 VoS)는 비통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(44)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속된다. 또, ViO (또는 VoO)는 비통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(44) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, ViC(또는 VoC)는 통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성되어, 밸브 폐쇄측 압력실(43)이 압 빼기 된다.
이 상태에서, 셔트밸브(40)의 밸브체(41)에는 다음과 같은 힘이 작용한다. 먼저, 에어컴프레서(도 1의 AP)의 토출압을 P1, 다이어프램(42)의 면적을 A1이라고 하면, 밸브 개방측 압력실(44)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속되어 있기 때문에, 밸브 개방측 압력실(44) 내가 가압되어 압력이 P1이 되고, 다이어프램(42)을 거쳐 밸브체(41)에 상향의 힘(P1A1)이 작용한다.
또, 셔트밸브(40)의 입구(46)로부터 공기[압력(P1)]가 들어가 밸브체(41)에 직접적으로 힘을 가하기 때문에, 밸브체(41)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(41)에 하향의 힘(P1A2)이 작용한다. 또, 연료전지스택(도 1의 부호 10) 내의 부압을 P2라고 하면, 그 부압이 셔트밸브(40)의 출구(47)로부터 밸브체(41)에 힘을 가하기 때문에, 밸브체(41)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(41)에 하향의 힘(P2A2)이 작용한다.
또한, 스프링(45)에 의하여 다이어프램(42)을 거쳐 밸브체(41)에 상향의 힘(FS)이 작용하고, 또, 동결 등에 의하여 밸브체(41)가 출구(47) 부분에 고착되는 힘을 고려하면, 밸브체(41)에 하향의 동결력(FI)이 작용한다.
따라서, 밸브체(41)를 상향으로 이동시켜 밸브 개방하기 위해서는, 밸브체(41)의 상하방향으로 작용하는 힘의 관계가 P1A1 + FS > P1A2 + P2A2 + FI···(1)이 되면 된다. 본 실시형태에서는, (1)식의 관계가 성립하도록, 셔트밸브(40)를 구동하기 위한 구동 요구 압력이 설정된다. 그리고, 셔트밸브(40)를 밸브 개방시킬 때에, 그 구동 요구 압력이 되도록 공기의 토출압(P1)이 제어된다.
공기의 토출압(P1)은, 연료전지 바이패스 밸브(도 1의 부호 80)의 밸브 개방도나 에어컴프레서(도 1의 AP)의 공기 유량에 의하여 제어된다. 또, 공기 압력 조절밸브(도 1의 부호 90)의 밸브 개방도에 의하여 공기의 토출압(P1)이 제어되어도 된다.
(1)의 식이 나타내는 바와 같이, 밸브체(41)에는, 연료전지스택 내의 부압(P2)에 의하여 하향의 힘(P2A2)이 작용하고 있다. 연료전지스택 내의 부압(P2)은, 연료전지스택의 발전을 정지시킨 후의 방치시간이나 온도 등에 의하여 영향을 받아 변동한다.
그래서, 본 실시형태에서는, 연료전지스택 내의 부압(P2)에 따라 공기의 토출압(P1)을 제어한다. 예를 들면, 부압(P2)이 작을수록[부압(P2)의 절대값이 커질수 록), 셔트밸브(40)를 구동하기 위한 구동 요구 압력이 크게 설정되어, 그 구동 요구 압력이 되도록 공기의 토출압(P1)이 제어된다.
그 때문에, 본 실시형태에서는, 공기의 토출압을 일정값으로 하는 경우에 비하여, 연료전지스택 내의 부압의 변동에 따라 생기는 셔트밸브(40)의 밸브 개방시간의 불균일을 작게 할 수 있다. 물론, 셔트밸브(40)의 밸브 개방 시간이 일정해지도록 제어하여도 된다. 또, 본 실시형태에서는, 연료전지스택 내의 부압이 변동한 경우에도, 한층 확실하게 셔트밸브(40)를 밸브 개방할 수 있다. 이와 같이, 본 실시형태에서는, 연료전지스택 내의 부압에 따라 공기의 토출압이 제어되기 때문에, 더한층 안정적인 밸브 개방동작을 실현하는 것이 가능해진다.
도 3(B)는, 셔트밸브(40)의 밸브 폐쇄동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 올려져 개방된 상태에 있는 밸브체(41)를 하향으로 이동시켜 밸브 폐쇄할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
셔트밸브(40)를 밸브 폐쇄하는 경우, ViS(또는 VoS)는 통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(43)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속된다. 또, ViC(또는 VoC)는 비통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, ViO(또는 VoO)는 통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(44) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성되어, 밸브 개방측 압력실(44)이 압 빼기 된다.
이 상태에서, 셔트밸브(40)의 밸브체(41)에는 다음과 같은 힘이 작용한다. 먼저, 에어컴프레서(도 1의 AP)의 토출압을 P1, 다이어프램(42)의 면적을 A1이라고 하면, 밸브 폐쇄측 압력실(43)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속되어 있기 때문에, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내가 가압되어 압력이 P1이 되어, 다이어프램(42)을 거쳐 밸브체(41)에 하향의 힘(P1A1)이 작용한다.
또한, 셔트밸브(40)의 입구(46)로부터 공기[압력(P1)]가 들어가 밸브체(41)에 직접적으로 힘을 가하기 때문에, 밸브체(41)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(41)에 상향의 힘(P1A2)이 작용한다. 또한, 스프링(45)에 의하여 다이어프램(42)을 거쳐 밸브체(41)에 상향의 힘(Fs)이 작용한다.
따라서, 밸브체(41)를 하향으로 이동시켜 밸브 폐쇄하기 위해서는, 밸브체(41)의 상하방향으로 작용하는 힘의 관계가 P1A1 > P1A2 + Fs···(2)이 되면 된다. 이 힘의 관계가 성립하도록, 예를 들면, 공기의 토출압(P1) 등이 설정된다. 또한, (2)식의 관계가 성립하도록 셔트밸브(40)를 구동하기 위한 구동 요구 압력을 설정하고, 그 구동 요구 압력이 되도록 공기의 토출압(P1)을 제어하여도 된다.
이와 관련하여, 도 2 및 도 3에서는, 2개의 압력실을 이용한 셔트밸브(40)를 설명하였으나, 압력실은, 예를 들면, 밸브 폐쇄측 압력실(43)만이어도 된다. 즉, 셔트밸브(40)를 폐쇄할 때에는, 밸브 폐쇄측 압력실(43)을 가압하여 밸브체(41)를 하향으로 이동시키는 힘의 관계를 성립시키고, 또, 셔트밸브(40)를 개방하는 때에는, 밸브 폐쇄측 압력실(43)을 압 빼기 하고, 스프링(45)의 힘이나, 입구(46)로부터 들어가는 공기의 압력에 의하여 밸브체(41)를 상향으로 이동시키는 힘의 관계를 성립시키는 구성이어도 된다.
다음에, 도 4 및 도 5를 이용하여, 가습 M 바이패스 밸브(30)에 대하여 설명한다. 도 4는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 가습 M 바이패스 밸브(30)는, 노멀상태에서, 밸브 폐쇄력이 밸브 개방력보다도 커져 밸브체(31)를 폐쇄한 상태로 하는 노멀 클로즈 밸브이다.
가습 M 바이패스 밸브(30)는, 다이어프램(32)을 구비하고 있고, 그 다이어프램(32)의 상면측에는 밸브 폐쇄측 압력실(33)이 설치되고, 다이어프램(32)의 하면측에는 밸브 개방측 압력실(34)이 설치되어 있다.
다이어프램(32)은, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내의 압력과 밸브 개방측 압력실(34) 내의 압력의 압력차에 따라서 도면의 상하방향을 따라 변위한다. 예를 들면, 도 4에서, 다이어프램(32)의 좌우의 양쪽 끝은 고정되어 있고, 다이어프램(32)의 중앙부분이 상하로 휘도록 변위한다. 물론, 다이어프램(32)의 전체가 상하로 변위하는 구성을 채용하여도 된다. 다이어프램(32)이 변위하면, 다이어프램(32)에 접속되어 있는 밸브체(31)도 변위한다. 그 결과, 다이어프램(32)의 변위에 의하여 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방도가 조정된다.
예를 들면, 다이어프램(32)의 변위에 의하여 밸브체(31)가 상향으로 구동됨으로써, 유체 유로(20)로부터 가습 M 바이패스 밸브(30)의 입구(36)를 향하여 흐르는 공기가, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 출구(37)로부터 유체 유로(20)로 배출된다. 한편, 다이어프램(32)의 변위에 의하여 밸브체(31)가 하향으로 구동되어 출구(37)를 막음으로써, 입구(36)측의 유체 유로(20)로부터 출구(37)측의 유체 유 로(20)로 향하는 공기의 흐름이 차단된다.
또한, 다이어프램(32)의 상면측에는 스프링(35)이 설치되어 있고, 다이어프램(32)에는, 하향의 스프링력이 가하여져 있다.
밸브 폐쇄측 압력실(33) 내의 압력과 밸브 개방측 압력실(34) 내의 압력은, 3개의 PSV에 의하여 제어된다. 즉, VbS, VbC, VbO의 3개의 PSV에 의하여 각 압력실 내의 압력이 제어된다.
VbS는, 3 Way식의 PSV이고, 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 밸브 개방측 압력실(34)의 두개의 압력실 중의 한쪽의 압력실을 선택적으로 유체 유로(20)와 접속하는 삼방밸브로서 기능한다. 즉, VbS에 의하여, 유체 유로(20)로 통하는 압력 제어 유로(70)와, 밸브 폐쇄측 압력실(33)로 통하는 압력 제어 유로(70) 또는 밸브 개방측 압력실(34)로 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다.
VbS는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 접속상태를 변화시킨다. VbS는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서, 밸브 폐쇄측 압력실(33)을 선택한다. 즉, 비통전상태에서는, VbS에 의하여, 유체 유로(20)로 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 폐쇄측 압력실(33)로 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다. 한편, VbS는, 제어상태, 즉 통전된 상태(통전상태)에서, 밸브 개방측 압력실(34)을 선택한다. 즉, 통전상태에서는, VbS에 의하여, 유체 유로(20)로 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 개방측 압력실(34)로 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다.
VbC는, 2 Way식의 PSV이고, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내를 감압하기 위한 압 빼기 밸브로서 기능한다. VbC의 한쪽측은 밸브 폐쇄측 압력실(33)로 통하는 압력 제어 유로(70)에 접속되어 있고, VbC의 다른쪽측은 대기 개방되어 있다.
VbC는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 개폐상태를 변화시킨다. VbC는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서 밸브 폐쇄상태를 유지한다. 이것에 의하여, VbC가 비통전상태인 경우에는, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 한편, VbC는, 제어상태, 즉 통전된 상태(통전상태)에서 밸브 개방한다. 이것에 의하여, VbC가 통전상태인 경우에는, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성된다.
VbO는, 2 Way식의 PSV이고, 밸브 개방측 압력실(34) 내를 감압하기 위한 압 빼기 밸브로서 기능한다. VbO의 한쪽측은 밸브 개방측 압력실(34)로 통하는 압력 제어 유로(70)에 접속되어 있고, VbO의 다른쪽측은 대기 개방되어 있다.
VbO는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 개폐상태를 변화시킨다. VbO는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서 밸브 폐쇄상태를 유지한다. 이것에 의하여, Vb0가 비통전상태인 경우에는, 밸브 개방측 압력실(34) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 한편, VbO는, 제어상태, 즉 통전된 상태(통전상태)에서 밸브 개방한다. 이것에 의하여, VbO가 통전상태인 경우에는, 밸브 개방측 압력실(34) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성된다.
덧붙여 말하면, 본 실시형태를 설명하기 위한 각 도면에서, VbS, VbC, VbO를 나타내고 있는 복수의 삼각형 중, 빈틈없이 칠해진 삼각형은 압력 제어 유로(70)를 폐쇄한 상태를 나타내고 있고, 빈틈없이 칠해져 있지 않은 삼각형은 압력 제어 유 로(70)를 개방한 상태를 나타내고 있다.
예를 들면, 도 4에 나타낸 각 삼각형의 빈틈없이 칠한 상태에 있어서, VbS는, 밸브 개방측 압력실(34)로 통하는 압력 제어 유로(70)를 폐쇄하고 있고, 유체 유로(20)로 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 폐쇄측 압력실(33)로 통하는 압력 제어 유로(70)를 접속한 상태(비통전상태)를 나타내고 있다. 또, 도 4에서, VbC를 나타내는 삼각형은 빈틈없이 칠해져 있고, 이것은 VbC가 폐쇄된 상태(비통전상태)인 것을 나타내고 있다. 또, 도 4에서, VbO를 나타내는 삼각형도 빈틈없이 칠해져 있고, 이것은 VbO도 폐쇄된 상태(비통전상태)인 것을 나타내고 있다.
도 5는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 개폐동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5(A)는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 내려져 폐쇄된 상태에 있는 밸브체(31)를 상향으로 이동시켜 밸브 개방할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
가습 M 바이패스 밸브(30)를 밸브 개방하는 경우, VbS는 통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(34)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속된다. 또, VbO는 비통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(34) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, VbC는 통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성되어, 밸브 폐쇄측 압력실(33)이 압 빼기 된다.
이 상태에서, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브체(31)에는 다음과 같은 힘이 작용한다. 먼저, 에어컴프레서(도 1의 AP)의 토출압을 P1, 다이어프램(32)의 면적을 A1이라고 하면, 밸브 개방측 압력실(34)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속되어 있기 때문에, 밸브 개방측 압력실(34) 내가 가압되어 압력이 P1이 되고, 다이어프램(32)을 거쳐 밸브체(31)에 상향의 힘(P1A1)이 작용한다.
또, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 입구(36)로부터 공기(압력 P1)가 들어가 밸브체(31)에 직접적으로 힘을 가하기 때문에, 밸브체(31)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(31)에 하향의 힘(P1A2)이 작용한다. 또, 스프링(35)에 의하여 다이어프램(32)을 거쳐 밸브체(31)에 하향의 힘(Fs)이 작용하고, 또, 동결 등에 의하여 밸브체(31)가 출구(37) 부분에 고착되는 힘을 고려하면, 밸브체(31)에 하향의 동결력(FI)이 작용한다.
따라서, 밸브체(31)를 상향으로 이동시켜 밸브 개방하기 위해서는, 밸브체(31)의 상하방향으로 작용하는 힘의 관계가 P1A1 > P1A2 + FS + FI···(3)이 되면 된다. 이 힘의 관계가 성립하도록, 예를 들면, 공기의 토출압(P1) 등이 설정된다. 또한, (3)식의 관계가 성립하도록 가습 M 바이패스 밸브(30)를 구동하기 위한 구동 요구 압력을 설정하여, 그 구동 요구 압력이 되도록 공기의 토출압(P1)을 제어하여도 된다.
도 5(B)는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 폐쇄동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 올려져 개방된 상태에 있는 밸브체(31)를 하향으로 이동시켜 밸브 폐 쇄할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
가습 M 바이패스 밸브(30)를 밸브 폐쇄하는 경우, VbS는 비통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속된다. 또, VbC는 비통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, VbO는 통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(34) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성되어, 밸브 개방측 압력실(34)이 압 빼기 된다.
이 상태에서, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브체(31)에는 다음과 같은 힘이 작용한다. 먼저, 에어컴프레서(도 1의 AP)의 토출압을 P1, 다이어프램(32)의 면적을 A1이라고 하면, 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속되어 있기 때문에, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내가 가압되어 압력이 P1이 되고, 다이어프램(32)을 거쳐 밸브체(31)에 하향의 힘(P1A1)이 작용한다.
또, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 입구(36)로부터 공기[압력(P1)]가 들어가 밸브체(31)에 직접적으로 힘을 가하기 때문에, 밸브체(31)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(31)에 상향의 힘(P1A2)이 작용한다. 또한, 스프링(35)에 의하여 다이어프램(32)을 거쳐 밸브체(31)에 하향의 힘(Fs)이 작용한다.
따라서, 밸브체(31)를 하향으로 이동시켜 밸브 폐쇄하기 위해서는, 밸브체(31)의 상하방향으로 작용하는 힘의 관계가 FS + P1A1 > P1A2···(4)가 되면 된 다. 이 힘의 관계가 성립하도록, 예를 들면, 공기의 토출압(P1) 등이 설정된다. 또한, (4)식의 관계가 성립하도록 가습 M 바이패스 밸브(30)를 구동하기 위한 구동 요구 압력을 설정하고, 그 구동 요구 압력이 되도록 공기의 토출압(P1)을 제어하여도 된다.
이와 관련하여, 도 4 및 도 5에서는, 2개의 압력실을 이용한 가습 M 바이패스 밸브(30)를 설명하였으나, 압력실은, 예를 들면, 밸브 개방측 압력실(34)만이어도 된다. 즉, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 개방할 때에는, 밸브 개방측 압력실(34)을 가압하여 밸브체(41)를 상향으로 이동시키는 힘의 관계를 성립시키고, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 폐쇄할 때는, 밸브 개방측 압력실(34)을 압 빼기 하고, 스프링(35)의 힘 등에 의하여 밸브체(31)를 하향으로 이동시키는 힘의 관계를 성립시키는 구성이어도 된다.
이상과 같이, 도 1에 나타내는 연료전지 시스템에서는, 유체 제어밸브로서 기능하는 가습 M 바이패스 밸브(30)와 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)가, 유체 유로(20) 내의 공기의 압력을 이용하여 개폐 구동한다.
유체 유로(20) 내의 공기의 압력은, 통상, 연료전지스택(10)에 의하여 요구되는 요구 압력을 제어 목표값으로 하고 있다. 예를 들면, 연료전지스택(10)의 발전운전 중에 있어서, 유체 유로(20) 내의 공기의 압력은, 연료전지스택(10)의 배압의 목표값이 되도록 제어된다. 그런데, 유체 제어밸브를 밸브 개방 구동시킬 때에는, 유체 유로(20) 내의 공기의 압력이, 유체 제어밸브를 구동하기 위하여 요구되 는 구동 요구 압력인 것이 바람직하다. 그래서, 본 실시형태에서는, 유체 유로(20)를 흐르는 공기 압력의 제어 목표값을, 유체 제어밸브의 개폐 구동의 타이밍에 따라 적절하게 전환하고 있다.
도 6은, 공기 압력의 제어 목표값의 전환 동작을 설명하기 위한 플로우 차트이다. 이하, 도 6에 나타내는 플로우 차트의 각 단계의 처리 내용에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에서, 도 1에 나타낸 부분(구성)에 대해서는 도 1의 부호를 이용한다.
유체 유로(20) 내의 공기 압력이, 연료전지스택(10)의 배압 목표값(P2')이 되도록 제어되어 있는 상태에서, 유체 제어밸브[가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)]의 구동 요구가 있으면(S601), 연료전지 시스템을 제어하는 제어부는, 유체 제어밸브의 구동 요구 압력의 목표값(P1')을 설정한다(S602). 예를 들면, 도 3과 도 5를 이용하여 설명한 힘의 관계의 식 (1)∼(4)가 성립하도록, 유체 제어밸브를 구동하기 위한 구동 요구 압력의 목표값(P1')이 설정된다.
다음에, 제어부는, 공기 압력의 제어 목표값을 배압 목표값(P2')으로부터, 유체 제어밸브를 구동하기 위한 구동 요구 압력의 목표값(P1')으로 전환하고(S603), 그리고, 공기 압력이 목표값(P1')이 되도록, 예를 들면 공기 압력 조절밸브(90)의 밸브 개방도를 조정한다(S604). 또한, 연료전지 바이패스 밸브(80)의 밸브 개방도나 에어컴프레서(AP)의 공기 유량에 의하여, 공기 압력이 제어되어도 된다. 공기 압력이 제어됨으로써, 공기 압력이 유체 제어밸브의 구동 요구 압력의 목표값(P1')이 되고, 유체 제어밸브가 확실하게 구동되어 개폐상태가 전환된다(S605).
유체 제어밸브의 개폐상태가 전환되면, 제어부는, 공기 압력의 제어 목표값을 유체 제어밸브의 구동 요구 압력의 목표값(P1')으로부터 배압 목표값(P2')으로 전환하고(S606), 그리고, 공기 압력이 목표값(P2')이 되도록, 예를 들면 공기 압력 조절밸브(90)의 밸브 개방도를 조정한다(S607). 이것에 의하여, 연료전지스택(10) 내의 배압이, 연료전지스택(10)의 운전에 적합한 배압 목표값(P2')으로 되돌아간다.
또한, 연료전지스택(10)의 배압 목표값(P2')은, 연료전지스택(10)의 구조 등에 따라, 예를 들면, 120 킬로파스칼 등으로 설정된다. 또, 유체 제어밸브의 구동 요구 압력의 목표값(P1')은, 유체 제어밸브의 구조 등에 따라, 예를 들면, 140 킬로파스칼 등으로 설정된다.
이와 같이, 본 실시형태에서는, 유체 제어밸브의 구동시에, 연료전지스택(10)을 위하여 요구되는 배압 목표값보다도 유체 제어밸브의 구동 요구 압력이 우선되어, 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로(20)를 흐르는 유체의 압력이 조정된다.
도 1에 나타내는 연료전지 시스템의 유체 제어밸브의 개폐상태는, 연료전지스택(10)을 발전시키는 통상 운전상태, 연료전지스택(10)을 소기(掃氣)하기 위한 소기상태, 연료전지 시스템의 운전을 정지시키는 정지상태 등의 각 상태에 따라 결정된다. 그리고, 예를 들면, 통상 운전상태로부터 소기상태로 이행할 때, 소기상태 에서 정지상태로 이행할 때, 또, 정지상태에서 통상 운전상태로 이행할 때 등에, 유체 제어밸브가 구동되어 개폐상태가 적절하게 전환된다. 본 실시형태에서는, 이러한 각 상태간의 이행에서, 유체 제어밸브의 구동 요구 압력이 우선되어, 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로(20)를 흐르는 유체의 압력이 조정된다.
그래서, 도 7 내지 도 9를 이용하여, 도 1의 연료전지 시스템이 통상 운전 중의 상태에서 소기 중의 상태로 이행하기까지의 각 밸브의 제어에 대하여 설명한다. 또한, 도 7 내지 도 9의 각 도면은, 도 1에 나타낸 연료전지 시스템의 전체 구성도에, 유체 유로(20) 내의 공기의 흐름 등을 나타낸 것이다. 그 때문에, 이미 도 1을 이용하여 설명한 부분(구성)에 대해서는 설명을 생략한다.
도 7은, 도 1의 연료전지 시스템의 통상 운전 중의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 통상 운전 중의 연료전지 시스템은, 연료전지스택(10)을 발전시킨 상태이다. 즉, 연료전지스택(10)에, 가습된 공기가 공급되고, 또, 연료전지스택(10)으로부터 반응 후의 공기가 배출되고 있다.
통상 운전 중에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)는 폐쇄한 상태이고, 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)는 모두 개방된 상태이다. 또, 에어컴프레서(AP)는 운전하고 있고, 에어컴프레서로부터 토출된 공기는, 가습 모듈(50), 가습 M 바이패스 밸브(30), 연료전지 바이패스 밸브(80)로 공급된다.
에어컴프레서로부터 가습 모듈(50)로 공급된 공기는, 가습 모듈(50)에 의하여 가습된 후, 개방된 상태의 입구 셔트밸브(40A)를 거쳐, 연료전지스택(10)으로 공급된다. 또, 에어컴프레서로부터 가습 M 바이패스 밸브(30)로 공급된 공기는, 가 습 M 바이패스 밸브(30)가 폐쇄된 상태이기 때문에, 그곳에서 차단된다. 또한, 연료전지 바이패스 밸브(80)도 폐쇄된 상태이고, 공기의 흐름을 차단하고 있다.
연료전지스택(10)로부터 배출된 반응 후의 공기는, 배압을 조정하는 공기 압력 조절밸브(90)와, 개방된 상태의 출구 셔트밸브(40B)를 통하여, 또한, 가습 모듈(50), 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다.
통상 운전 중에 있어서, 입구 셔트밸브(40A)를 제어하는 ViS, ViC, ViO는, 모두 비통전상태로 되어 있다. 즉, ViS에 의하여 밸브 개방측 압력실(도 2의 부호 44)이 선택된 상태이고, 또, ViC와 ViO가 폐쇄된 상태이다. 이 상태에서는, 에어컴프레서로부터 토출되는 공기의 토출압에 의하여 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 개방측 압력실 내가 가압되어, 밸브체(도 2의 부호 41)를 개방하는 방향으로 힘을 가한다. 또, 입구 셔트밸브(40A) 내의 스프링(도 2의 부호 45)도 밸브체를 개방하는 방향으로 힘을 가하고 있고, 또한, 입구 셔트밸브(40A)의 입구(도 2의 부호 46)로부터 들어가는 공기도 밸브체를 개방하는 방향으로 힘을 가하고 있다. 그 때문에, ViS, ViC, ViO가 모두 비통전상태이면서, 입구 셔트밸브(40A)를 개방한 상태, 즉 노멀상태를 유지하는 것이 가능하게 된다.
또, 통상 운전 중에 있어서, 출구 셔트밸브(40B)를 제어하는 VoS, VoC, VoO도 모두 비통전상태로 되어 있다. 그리고, 입구 셔트밸브(40A)의 경우와 동일한 이유에 의하여, VoS, VoC, VoO가 모두 비통전상태이면서, 출구 셔트밸브(40B)를 개방한 상태, 즉 노멀상태를 유지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 통상 운전 중에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 제어하는 VbS, VbC, VbO는, 모두 비통전상태로 되어 있다. 즉, VbS에 의하여 밸브 폐쇄측 압력실(도 4의 부호 33)이 선택된 상태이고, 또, VbC와 VbO가 폐쇄된 상태이다. 이 상태에서는, 에어컴프레서로부터 토출되는 공기의 토출압에 의하여 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 폐쇄측 압력실 내가 가압되어, 밸브체(도 4의 부호 31)를 폐쇄하는 방향으로 힘을 가한다. 또, 가습 M 바이패스 밸브(30) 내의 스프링(도 4의 부호 35)도 밸브체를 폐쇄하는 방향으로 힘을 가하고 있고, 또한, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 입구(도 4의 부호 36)로부터 들어가는 공기도 밸브체를 폐쇄하는 방향으로 힘을 가하고 있다. 그 때문에, VbS, VbC, VbO가 모두 비통전상태이면서, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 폐쇄한 상태, 즉 노멀상태를 유지하는 것이 가능하게 된다.
통상 운전 중에 있어서, 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 압력은, 연료전지스택(10)의 배압의 목표값이 되도록 제어되고 있다. 즉, 공기 압력의 제어 목표값이 배압 목표값(P2')으로 설정되어 있고, 공기 압력이 P2'가 되도록, 공기 압력 조절밸브(90)의 밸브 개방도가 조정된다. 또한, 연료전지 바이패스 밸브(80)의 밸브 개방도나 에어컴프레서(AP)의 공기 유량에 의하여, 공기 압력이 제어되어도 된다.
도 8은, 도 1의 연료전지 시스템의 정지 지시시의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이 상태는, 예를 들면, 통상 운전 중의 상태(도 7)에서 사용자 등에 의하여, 연료전지 시스템의 운전을 정지시키는 조작이 이루어진 경우의 상태이다.
정지 조작이 이루어지면, 연료전지 시스템은, 소기를 위한 준비동작을 행한다. 즉, 도 8에 나타내는 상태는, 소기 개시시의 상태에 상당하고, 소기 개시시에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)는, 폐쇄된 상태로부터 개방된 상태로 전환하여 제어된다. 가습 M 바이패스 밸브(30)를 밸브 개방시키는 동작은, 앞서 설명한 바와 같다(도 5 참조). 즉, VbS가 통전되고, 밸브 개방측 압력실(도 5의 부호 34)과 유체 유로(20)가 접속된다. 또, VbO는 비통전상태이고, 밸브 개방측 압력실 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, VbC는 통전되고, 밸브 폐쇄측 압력실(도 5의 부호 33)이 압 빼기 된다. 이것에 의하여, 가습 M 바이패스 밸브(30)가 밸브 개방한다. 가습 M 바이패스 밸브(30)가 밸브 개방하면, 에어컴프레서로부터 토출된 공기가 가습 M 바이패스 밸브(30)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공급된다.
또, 소기 개시시에 있어서, 입구 셔트밸브(40A)는, 개방된 상태로부터 폐쇄된 상태로 전환하여 제어된다. 입구 셔트밸브(40A)를 밸브 폐쇄시키는 동작은, 앞서 설명한 바와 같다(도 3 참조). 즉, ViS가 통전되어, 밸브 폐쇄측 압력실(도 3의 부호 43)과 유체 유로(20)가 접속된다. 또, ViC는 비통전상태이고, 밸브 폐쇄측 압력실 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, ViO는 통전되고, 밸브 개방측 압력실(도 3의 부호 44)이 압 빼기 된다. 입구 셔트밸브(40A)가 폐쇄되면, 입구 셔트밸브(40A)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공급되고 있던 공기의 흐름이 차단된다.
또한, 정지 지시시에 있어서, 출구 셔트밸브(40B)는, 통상 운전 중(도 7 참조)과 마찬가지로, 개방된 상태이다. 또, 출구 셔트밸브(40B)를 제어하는 VoS, VoC, VoO는 모두 비통전상태로 되어 있다.
소기 개시시에 있어서, 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 압력은, 유체 제어밸브[가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)]의 구동 요구 압력이 되도록 제어된다. 즉, 공기 압력의 제어 목표값이 구동 요구 압력의 목표값(P1')으로 설정되고, 공기 압력이 P1'가 되도록, 공기 압력 조절밸브(90)의 밸브 개방도가 조정된다. 즉, 공기 압력 조절밸브(90)가 스로틀되어 공기 압력이 높아진다. 또한, 연료전지 바이패스 밸브(80)의 밸브 개방도나 에어컴프레서(AP)의 공기 유량에 의하여, 공기 압력이 제어되어도 된다.
도 9는, 도 1의 연료전지 시스템의 소기 중의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 소기는, 예를 들면, 연료전지스택(10) 내의 생성수 등을 토출시키기 위하여 실행된다. 즉, 연료전지스택(10)에, 공기가 가습되지 않고 공급되어, 연료전지스택(10)으로부터 공기와 함께 생성수 등이 토출된다.
소기 중에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)는 개방된 상태로 유지된다. 본 실시형태에서는, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 개방한 상태로 유지하기 위하여, 밸브 개방측 압력실(도 4의 부호 34)을 밀폐하여 밸브 개방측 압력실 내의 압력을 유지하고 있다. 압력을 유지하여 밀폐하기 위한 동작은 다음과 같다.
먼저, 소기 개시시(도 8)의 상태, 즉, 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 압력이 구동 요구 압력의 목표값(P1')이 되도록 제어되어, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방측 압력실이 압력(P1')으로 가압되어 있는 상태로부터, VbS의 통전을 정지한다. 이것에 의하여, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방측 압력실에 연결되는 압력 제어 유로(70)가 폐쇄된다. 이 때 VbO는 비통전상태이고, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방측 압력실과 대기를 연결하는 유로도 차단되어 있다. 따라서, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방측 압력실이, 압력(P1')으로 가압된 상태를 유지한 채로 밀폐된다. 또한, VbC는 통전된 상태이고, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 폐쇄측 압력실 내는 압 빼기 되어 있다.
그 때문에, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 폐쇄측 압력실 내와 밸브 개방측 압력실 내의 압력차에 의하여 밸브체(도 4의 부호 31)를 개방하는 방향으로 이동시키는 힘이 작용하고, 그 힘이, 예를 들면 스프링(도 4의 부호 35) 등에 의한 힘보다도 커져, 가습 M 바이패스 밸브(30)가 개방된 상태를 유지한다.
또, 소기 중에 있어서, 입구 셔트밸브(40A)는 폐쇄한 상태로 유지된다. 본 실시형태에서는, 입구 셔트밸브(40A)를 폐쇄한 상태로 유지하기 위하여, 밸브 폐쇄측 압력실(도 2의 부호 43)을 밀폐하여 밸브 폐쇄측 압력실 내의 압력을 유지하고 있다. 압력을 유지하여 밀폐하기 위한 동작은 다음과 같다.
먼저, 소기 개시시(도 8)의 상태, 즉, 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 압력이 구동 요구 압력의 목표값(P1')이 되도록 제어되어, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방측 압력실이 압력(P1')으로 가압되어 있는 상태로부터, ViS의 통전을 정지한다. 이것에 의하여, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실에 연결되는 압력 제어 유로(70)가 폐쇄된다. 이 때 ViC는 비통전상태이고, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실과 대기를 연결하는 유로도 차단되어 있다. 따라서, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실이, 압력(P1')으로 가압된 상태를 유지한 채로 밀폐된다. 또한, ViO는 통전된 상태이고, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 개방측 압력실 안은 압 빼기 되어 있다.
그 때문에, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실 내와 밸브 개방측 압력실 내의 압력차에 의하여 밸브체(도 2의 부호 41)를 폐쇄하는 방향으로 이동시키 는 힘이 작용하고, 그 힘이, 예를 들면 스프링(도 3의 부호 45) 등에 의한 힘보다도 커져, 입구 셔트밸브(40A)가 폐쇄된 상태를 유지한다.
소기는, 예를 들면, 연료전지스택(10) 내의 생성수 등을 토출시키기 위하여 실행된다. 그래서, 생성수 등을 효율적으로 토출시키기 위하여, 소기 중에 있어서, 공기 압력 조절밸브(90)를 완전 개방시키는 것이 바람직하다. 그런데, 공기 압력 조절밸브(90)의 밸브 개방도를 스로틀한 상태로부터 완전 개방으로 하면, 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 압력이 저하한다.
그러나, 본 실시형태에서는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방측 압력실을 밀폐하여 가습 M 바이패스 밸브(30)의 개방상태를 유지하고 있고, 또, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실을 밀폐하여 입구 셔트밸브(40A)의 폐쇄상태를 유지하고 있다. 그 때문에, 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 압력이 저하한 경우에도, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 개방상태와 입구 셔트밸브(40A)의 폐쇄상태를 유지할 수 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 소기 개시시(도 8)의 상태에서 일시적으로 공기 압력이 P1'가 되도록, 공기 압력 조절밸브(90)의 밸브 개방도 등을 조정하여 가습 M 바이패스 밸브(30)와 입구 셔트밸브(40A)의 개폐상태를 전환한 후에, 소기 중에 있어서, 공기 압력 조절밸브(90)를 완전 개방 또는 완전 개방에 가까운 상태로 하여, 소기를 행하는 것이 가능해진다.
또한, 소기 중에 있어서, 출구 셔트밸브(40B)는, 정지 지시시(도 8 참조)와 마찬가지로, 밸브 개방된 상태에 있다. 출구 셔트밸브(40B)를 제어하기 위한 VoS, VoC, VoO는 모두 비통전상태로 되어 있다. 출구 셔트밸브(40B)가 밸브 개방되어 있기 때문에, 연료전지스택(10)으로부터 배출된 공기는, 공기 압력 조절밸브(90)와, 개방된 상태의 출구 셔트밸브(40B)를 통과하여, 또한, 가습 모듈(50), 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명하였으나, 상기한 실시형태는, 여러가지 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 그 본질을 일탈하지 않는 범위에서 각종 변형형태를 포함한다.

Claims (6)

  1. 연료전지와,
    연료전지에 접속되는 유체 유로와,
    유체 유로에 설치되는 유체 제어밸브를 가지고,
    상기 유체 제어밸브는, 밀폐 가능한 압력실을 구비하고, 상기 유체 유로를 흐르는 유체의 압력을 이용하여 상기 압력실을 가압함으로써 밸브 개방 구동 또는 밸브 폐쇄 구동하는 밸브이며, 상기 압력실이 밀폐되었을 경우에는 그 압력실 내의 압력에 의하여 당해 유체 제어 밸브의 개폐 상태가 유지되며,
    상기 유체 제어밸브를 구동하기 위하여 요구되는 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브의 밸브 개방시에, 상기 연료전지 내의 압력에 따른 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지를 위하여 요구되는 전지 요구 압력과 상기 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되고,
    상기 유체 제어밸브의 구동시에, 전지 요구 압력보다도 구동 요구 압력이 우선되어 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되는 것 을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연료전지의 소기의 개시시에, 상기 전지 요구 압력보다도 상기 구동 요구 압력이 우선되어 구동 요구 압력에 의거하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되고, 상기 유체 제어밸브의 개폐상태가 소기 시에 있어서 미리 정하여진 개폐상태로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브의 개폐상태가 소기 시에 있어서 미리 정하여진 개폐상태로 전환된 후에, 당해 유체 제어밸브의 압력실이 밀폐되어 그 압력실 내의 압력에 의하여 당해 유체 제어밸브의 개폐상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 유로에 유체를 유통시키는 컴프레서와,
    상기 유체 유로에 설치되는 압력 조절밸브를 가지고,
    상기 컴프레서의 토출유량과 상기 압력 조절밸브의 밸브 개방도 중 적어도 한쪽에 의하여 유체 유로를 흐르는 유체의 압력이 조정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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