KR101190170B1

KR101190170B1 - 연료전지시스템

Info

Publication number: KR101190170B1
Application number: KR1020097008828A
Authority: KR
Inventors: 노리마사 이시카와
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2012-10-12
Also published as: JP2008112701A; WO2008053727A1; US8158297B2; CN101529636B; JP5157126B2; CN101529636A; US20100104905A1; DE112007002583T5; DE112007002583B4; KR20090059169A

Abstract

본 발명은, 연료전지와, 연료 공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지로 흘리기 위한 공급유로와, 상기 공급유로의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측으로 공급하는 가변 가스 공급장치와, 상기 가변 가스 공급장치를 구동제어하는 제 1 제어장치와, 상기 연료전지로부터 배출된 연료 오프 가스를 배출밸브를 거쳐 외부로 방출 가능한 오프 가스 유로와, 상기 배출밸브를 구동제어하는 제 2 제어장치와, 상기 배출밸브의 이상 발생을 검지하는 이상 검지장치를 구비하는 연료전지시스템으로서, 상기 이상 검지장치는, 상기 가변 가스 공급장치에 대한 가스 공급 지령을 이용하여, 상기 배출밸브가 밸브 개방상태로부터 밸브 폐쇄상태로 되돌아가지 않는 밸브 개방 이상을 검지한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은, 연료전지의 발전에 따라 생성된 불순물을 배출하기 위한 배출밸브를 오프 가스 유로에 가지는 연료전지시스템에 관한 것이다.

종래부터, 반응가스(연료가스 및 비산화 가스)의 공급을 받아 발전을 행하는 연료전지를 구비한 연료전지시스템이 제안되어, 실용화되고 있다. 또, 최근에는, 수소 탱크 등의 연료 공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지로 흘리기 위한 연료공급 유로에, 기계식 가변 레귤레이터나 인젝터 등의 가변 가스 공급장치를 설치함으로써, 연료 공급원으로부터의 연료가스의 공급 압력을 시스템의 운전상태에 따라 변화시키는 것을 가능하게 한 연료전지시스템이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 국 특개2005-302563호 공보 참조).

이와 같은 연료전지시스템에서의 연료전지의 내부나 연료 오프 가스의 순환유로에는, 발전에 따라 생성된 질소나 일산화탄소 등의 불순물 가스나 수분이 경시 적으로 축적된다. 이 때문에, 축적된 가스나 수분을 외부로 배출할 목적으로, 순환유로(또는 순환유로에 접속한 배출유로)에 배기밸브나 배수밸브 등의 배출밸브를 설치하여, 이 배출밸브의 개폐 제어를 행함으로써, 가스나 수분을 배출하는 기술(퍼지기술)이 제안되어 있다.

그러나, 이 배출밸브에 예를 들면 이물이 맞물리는 등으로 인하여, 밸브 개방상태에 있는 배출밸브를 밸브 폐쇄 제어하여도 밸브 개방상태 그대로 밸브 폐쇄 할 수 없는, 이른바, 밸브 개방 이상이 생기면, 연료전지로 순환시켜야 할 연료가 쓸데 없이 배출된다는 사태가 일어날 수 있기 때문에, 운전 중에 배출밸브의 밸브 개방 이상을 검출하는 기술의 개발이 요망되고 있다.

본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 운전 중에 배출밸브의 밸브 개방 이상을 검출하는 것이 가능한 연료전지시스템의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 연료전지와, 연료 공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지로 흘리기 위한 공급 유로와, 상기 공급 유로의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측으로 공급하는 가변 가스 공급장치와, 상기 가변 가스 공급장치를 구동 제어하는 제 1 제어장치와, 상기연료전지로부터 배출된 연료 오프 가스를 배출밸브를 거쳐 외부로 방출 가능한 오프 가스 유로와, 상기 배출밸브를 구동 제어하는 제 2 제어장치와, 상기 배출밸브의 이상 발생을 검지하는 이상 검지장치를 구비하는 연료전지시스템에 있어서, 상기 이상 검지장치는, 상기 가변 가스 공급장치에 대한 가스공급 지령량을 사용하여, 상기 배출밸브가 밸브 개방상태로부터 밸브 폐쇄상태로 되돌아가지 않는 밸브 개방 이상을 검지하는 것이다.

이와 같은 구성에 의하면, 가변 가스 공급장치에 대한 가스공급 지령량을 이용하여 배출밸브의 밸브 개방 이상을 검지하기 때문에, 상기 밸브 개방 이상을 운전 중에 지체없이 검지하는 것이 가능해진다.

상기 연료전지시스템에서, 상기 이상 검지장치는, 상기 가변 가스 공급장치에 대한 PI 제어칙에 의거하는 가스공급 지령량을 Qreq, 상기 연료전지에서의 연료가스 소비량을 Qfc, 상기 연료전지 내에서의 애노드극측에서 캐소드극측으로의 크로스 리크(cross leak)량을 Qc1, 가스공급량 증가량을 Qinc = Qreq - (Qfc + Qc1)이라 하였을 때에, 상기 가스공급량 증가량(Qinc)에 의거하여, 상기 배출밸브의 밸브 개방 이상을 검지하는 것이어도 된다.

또, 상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 이상 검지장치는, 상기 가스공급량증가량(Qinc)이 소정의 제 1 문턱값을 넘은 상태가 소정시간 계속된 경우에, 상기 배출밸브의 밸브 개방 이상을 검지하는 것이어도 된다.

또한, 상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 제 2 제어장치는, 상기 이상 검지장치에 의해 상기 배출밸브의 밸브 개방 이상이 검지되면, 상기 배출밸브에 대하여 개폐 구동 제어를 복수회 반복하는 것이어도 된다.

이 구성에 의하면, 운전 중에 배출밸브의 밸브 개방 이상을 검지한 경우에는, 운전을 정지시키는 일 없이, 상기 밸브 개방 이상을 해제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 연료전지시스템에 있어서, 상기 가변 가스 공급장치는, 밸브체를 전자 구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시키는 전자구동식의 개폐 밸브(예를 들면, 인젝터)이어도 된다. 상기 배출밸브에 대해서도 마찬가지로, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시키는 전자구동식의 개폐 밸브이어도 된다.

본 발명에 의하면, 배출밸브의 밸브 개방 이상을 운전 중에 검출하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성도,

도 2는 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 제어상태를 설명하기 위한 제어 블럭도,

도 3은 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 밸브 개방 이상 해제제어를 설명하기 위한 타임 차트,

도 4는 도 1에 나타낸 연료전지시스템에서의 밸브 개방 이상 정지제어를 설명하기 위한 타임 차트이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에 대하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 본 발명을 연료전지 차량(이동체)의 차량 탑재 발전시스템에 적용한 예에 대하여 설명하는 것으로 하나, 연료전지 차량 이외의 각종 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)에 본 발명에 관한 연료전지시스템을 탑재할 수도 있다. 또, 본 발명에 관한 연료전지시스템을, 건물(주택, 빌딩 등)용 발전설비로서 사용되는 정치용 발전시스템에 적용하여도 된다.

먼저, 도 1을 이용하여, 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)의 구 성에 대하여 설명한다.

본 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 반응가스(산화가스 및 연료가스)의 공급을 받아 전력을 발생하는 연료전지(10)를 구비함과 동시에, 연료전지(10)에 산화가스로서의 공기를 공급하는 산화가스 배관계(2), 연료전지(10)에 연료가스로서의 수소가스를 공급하는 수소가스 배관계(3),시스템 전체를 통합 제어하는 제어장치(제 1 제어장치, 제 2 제어장치, 이상 검지장치)(4) 등을 구비하고 있다.

연료전지(10)는, 반응가스의 공급을 받아 전기화학반응에 의해 발전하는 단전지를 소요수 적층하여 구성한 스택구조를 가지고 있다. 연료전지(10)에 의해 발생한 전력은, PCU(Power Control Unit)(11)에 공급된다. PCU(11)는, 연료전지(10)와 트랙션 모터(12)의 사이에 배치되는 인버터나 DC-DC 컨버터 등을 구비하고 있다. 또, 연료전지(10)에는, 발전 중인 전류를 검출하는 전류센서(13)가 설치되어 있다.

산화가스 배관계(2)는, 가습기(20)에 의해 가습된 산화가스(공기)를 연료전지(10)에 공급하는 공기 공급 유로(21)와, 연료전지(10)로부터 배출된 산화 오프 가스를 가습기(20)로 유도하는 공기 배출 유로(22)와, 가습기(21)로부터 외부로 산화 오프 가스를 유도하기 위한 배기유로(23)를 구비하고 있다. 공기 공급 유로(21)에는, 대기 중의 산화가스를 도입하여 가습기(20)로 압송하는 컴프레서(24)가 설치되어 있다.

수소가스 배관계(3)는, 고압(예를 들면 70 MPa)의 수소가스를 저류한 연료 공급원으로서의 수소 탱크(30)와, 수소 탱크(30)의 수소가스를 연료전지(10)로 공급하기 위한 연료 공급 유로로서의 수소 공급 유로(공급 유로)(31)와, 연료전지(10)로부터 배출된 수소 오프 가스를 수소 공급 유로(31)로 되돌리기 위한 순환유로(오프 가스 유로)(32)를 구비하고 있다.

또한, 수소 탱크(30) 대신, 탄화수소계의 연료로부터 수소가 농후한 개질 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성한 개질 가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크를 연료 공급원으로서 채용할 수도 있다. 또, 수소 흡장합금을 가지는 탱크를 연료 공급원으로서 채용하여도 된다.

수소 공급 유로(31)에는, 수소 탱크(30)로부터의 수소가스의 공급을 차단 또는 허용하는 차단밸브(33)와, 수소가스의 압력을 조정하는 레귤레이터(34)와, 인젝터(가변 가스 공급장치)(35)가 설치되어 있다. 또, 인젝터(35)의 상류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소가스의 압력 및 온도를 검출하는 1차측 압력센서(41) 및 온도센서(42)가 설치되어 있다.

또한, 인젝터(35)의 하류측으로서 수소 공급 유로(31)와 순환 유로(32)의 합류부의 상류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소가스의 압력을 검출하는 2차측 압력센서(43) 및 수소 공급 유로(31) 내가 소정의 작동압에 도달하였을 때에 개방되는 릴리프밸브(44)가 설치되어 있다.

레귤레이터(34)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 압력을 조정하는 장치이다. 본 실시형태에서는, 1차압을 감압하는 기계식 감압밸브를 레귤레이터(34)로서 채용하고 있다. 기계식 감압밸브의 구성으로서는, 배압실과 압 력 조정실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의해 압력 조정실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 공지의 구성을 채용할 수 있다.

인젝터(35)는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시킴으로써 가스유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(35)는, 수소가스 등의 기체 연료를 분사하는 분사구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체 연료를 분사구멍까지 공급 안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대하여 축선방향(기체 흐름방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.

본 실시형태에서는, 인젝터(35)의 밸브체는 전자구동장치인 솔레노이드에 의해 구동되고, 이 솔레노이드에 급전되는 펄스형상 여자전류의 온/오프에 의하여 분사구멍의 개구면적을 2단계, 다단계 또는 무단계로 변환할 수 있게 되어 있다.

또한, 인젝터(35)의 밸브체의 개폐에 의해 가스유량이 조정됨과 동시에, 인젝터(35)의 하류에 공급되는 가스 압력이 인젝터(35) 상류의 가스 압력보다 감압되기 때문에, 인젝터(35)를 압력 조정밸브(감압밸브, 레귤레이터)라고 해석할 수도 있다.

또, 본 실시형태에서는, 가스 요구에 따라 소정의 압력범위 중에서 요구 압력에 일치하도록 인젝터(35)의 상류 가스압의 압력 조정량(감압량)을 변화시키는 것이 가능한 가변 압력 조정밸브라고 해석할 수도 있다.

이상과 같이, 인젝터(35)는, 수소 공급 유로(31)의 상류측의 가스상태(가스 유량, 수소 몰농도, 가스압력)를 조정하여 하류측에 공급하는 것으로, 본 발명에서의 가변 가스 공급장치에 상당한다.

또한, 본 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 수소 공급 유로(31)와 순환 유로(32)와의 합류부(A1)보다 상류측에 인젝터(35)를 배치하고 있다. 또, 도 1에 파선으로 나타내는 바와 같이, 연료 공급원으로서 복수의 수소 탱크(30)를 채용하는 경우에는, 각 수소 탱크(30)로부터 공급되는 수소가스가 합류하는 부분[수소가스 합류부(A2)]보다 하류측에 인젝터(35)를 배치하도록 한다.

순환 유로(32)에는, 기액 분리기(36) 및 배기 배수밸브(배출밸브)(37)를 거쳐, 배출 유로(오프 가스 유로)(38)가 접속되어 있다. 기액 분리기(36)는, 수소 오프 가스로부터 수분을 회수하는 것이다. 배기 배수밸브(37)는, 제어장치(4)로부터의 지령에 의해 작동함으로써, 기액 분리기(36)로 회수한 수분과, 순환 유로(32) 내의 불순물을 포함하는 수소 오프 가스를 외부로 배출(퍼지)하는 것이다.

구체적으로는, 배기 배수밸브(37)는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시키는 것이 가능한 전자구동식의 개폐 밸브이다. 배기 배수밸브(37)의 밸브체는 전자구동장치인 솔레노이드에 의해 구동되고, 이 솔레노이드에 급전되는 펄스형상 여자전류의 온/오프에 의하여 배기배수구의 개구면적을 2단계, 다단계 또는 무단계로 변환할 수 있게 되어 있다.

또, 순환 유로(32)에는, 순환 유로(32) 내의 수소 오프 가스를 가압하여 수소 공급 유로(31)측으로 보내는 수소 펌프(39)가 설치되어 있다. 또한, 배기 배수밸브(37) 및 배출 유로(38)를 거쳐 배출되는 수소 오프 가스는, 희석기(40)에 의해 희석되어 배기 유로(32) 내의 산화 오프 가스와 합류하도록 되어 있다.

제어장치(4)는, 차량에 설치된 가속 조작장치(액셀러레이터 등)의 조작량을 검출하여, 가속 요구값[예를 들면 트랙션 모터(12) 등의 부하장치로부터의 요구 발전량] 등의 제어정보를 받아, 시스템 내의 각종 기기의 동작을 제어한다.

또한, 부하장치란, 트랙션 모터(12) 이외에, 연료전지(10)를 작동시키기 위하여 필요한 보조 기계장치[예를 들면 컴프레서(24), 수소펌프(39), 냉각펌프의 모터 등), 차량의 주행에 관여하는 각종 장치(변속기, 차륜 제어장치, 조타장치, 현가장치 등)에서 사용되는 엑츄에이터, 탑승자 공간의 공기조절장치(에어컨디셔너),조명, 오디오 등을 포함하는 전력 소비장치를 총칭한 것이다.

제어장치(4)는, 도시 생략한 컴퓨터 시스템에 의해 구성되어 있다. 이와 같은 컴퓨터 시스템은, CPU, ROM, RAM, HDD, 입출력 인터페이스 및 디스플레이 등을 구비하는 것으로, ROM에 기록된 각종 제어 프로그램을 CPU가 판독하여 원하는 연산을 실행함으로써, 뒤에서 설명하는 피드백 제어나 퍼지 제어 등 여러가지 처리나 제어를 행한다.

구체적으로는, 제어장치(4)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 전류센서(13)로 검출한 연료전지(10)의 발전 전류값에 의거하여, 연료전지(10)에서 소비되는 수소가스의 유량(이하「수소 소비량」이라고 한다)을 산출한다(연료 소비량 산출기능 : B1). 본 실시형태에서는, 발전 전류값과 수소 소비량과의 관계를 나타내는 특정한 연산식을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 수소 소비량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.

또, 제어장치(4)는, 연료전지(10)의 발전 전류값에 의거하여, 연료전지(10)에 공급되는 수소가스의 인젝터(35)의 하류 위치에서의 목표 압력값을 산출한다(목표 압력값 산출기능 : B2). 본 실시형태에서는, 발전 전류값과 목표 압력값과의 관계를 나타내는 특정한 맵을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 목표 압력값을 산출하고 있다.

또, 제어장치(4)는, 산출한 목표 압력과, 압력 센서(43)로 검출한 인젝터(35)의 하류 위치의 압력값(검출 압력값)과의 편차를 산출한다(압력차 산출기능 : B3). 그리고, 제어장치(4)는, 산출한 편차를 저감시키기 위하여, 피드백 보정유량으로서의 P항(비례항)의 산출(P항 산출기능 : B4) 및 I항(적분항)의 산출(I항산출기능 : B5)을 행한다.

즉, 본 실시형태에서는, 목표 추종형의 PI 제어를 이용하여 피드백 보정유량을 산출하고 있다. 그리고, 제어장치(4)는, 상기 수소 소비량과 연료전지(10) 내에서 생기는 크로스 리크량과의 가산값에 상기 P항을 가산하고, 이 가산값에 상기 I항을 곱함으로써, 인젝터(35)의 분사유량을 산출한다(분사유량 산출기능 : B7).

여기서, 인젝터(35)의 하류 위치에서 전회 산출한 목표 압력값과, 금회 산출한 목표 압력값과의 편차에 대응하는 피드포워드 보정유량을 산출하여(피드포워드 보정유량 산출기능), 이 피드포워드 보정유량을 상기 가산값(= 수소 소비량 + 크로스 리크량 + P항)에 가산하고, 이 가산값에 상기 I항을 곱함으로써, 인젝터(35)의 분사유량을 산출하도록 하여도 된다.

이와 같은 경우에 있어서의 피드포워드 보정유량은, 목표 압력값의 변화에 기인하는 수소 가스유량의 변동분(목표압 변동 보정유량)이고, 예를 들면 목표 압력값의 편차와 피드포워드 보정유량과의 관계를 나타내는 특정한 연산식을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 갱신하는 것이다.

크로스 리크량은, 연료전지(10) 내의 연료가스유로(애노드극측)로부터 전해질막을 거쳐 산화가스유로(캐소드극측)로 투과하는 수소가스의 양이며, 본 실시형태에서는 인젝터(35)의 하류 위치에서의 수소가스의 압력값[압력 센서(43)에서의 검출 압력값]에 의거하여 산출한다(크로스 리크량 산출기능 : B6). 구체적으로는, 인젝터(35)의 하류 위치에서의 수소가스의 압력값과 크로스 리크량과의 관계를 나타내는 특정한 맵을 이용하여, 크로스 리크량을 산출하고 있다.

한편, 제어장치(4)는, 인젝터(35) 상류의 가스상태[압력센서(41)로 검출한 수소가스의 압력 및 온도센서(42)로 검출한 수소가스의 온도]에 의거하여, 인젝터(35) 상류의 정적 유량을 산출한다(정적 유량 산출기능 : B8). 본 실시형태에서는, 인젝터(35) 상류측의 수소가스의 압력 및 온도와 정적 유량과의 관계를 나타내는 특정한 연산식을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 정적 유량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.

제어장치(4)는, 상기 인젝터(35)의 분사유량을 상기 정적 유량으로 제산(Duty 산출기능 : B9)한 값에, 인젝터(35)의 구동 주기를 곱함으로써, 인젝터(35)의 기본분사시간을 산출함(기본 분사시간 산출기능 : Bl0)과 동시에, 이 기본 분사시간에, 뒤에서 설명하는 무효 분사시간을 가산하여 인젝터(35)의 총 분사시간을 산출한다(총 분사시간 산출기능 : B12).

이 구동 주기란, 인젝터(35)의 분사구멍의 개폐상태를 나타내는 단(段)형상(온/오프) 파형의 주기를 의미하고, 본 실시형태에서는, 제어장치(4)에 의해 구동 주기를 일정한 값으로 설정하고 있다.

무효 분사시간이란, 인젝터(35)가 제어장치(4)로부터 제어신호를 받고 나서 실제로 분사를 개시하기까지 요하는 시간을 의미하며, 본 실시형태에서는, 인젝터(35) 상류측의 수소가스의 압력과, 인젝터(35)의 기본 분사시간과, 상기 무효 분사시간과의 관계를 나타내는 특정한 맵을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 무효 분사시간을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다(무효 분사시간 산출기능 : B11).

그리고, 제어장치(4)는, 이상의 순서를 거쳐 산출한 인젝터(35)의 총 분사시간을 실현시키기 위한 제어신호를 출력함으로써, 인젝터(35)의 가스 분사시간 및 가스 분사시기를 제어하여, 연료전지(10)에 공급되는 수소가스의 유량 및 압력을 조정한다.

또, 제어장치(4)는, 인젝터(35)의 피드백제어[인젝터(35)의 하류 위치의 검출 압력값을 소정의 목표 압력값에 따르게 하는 바와 같은 인젝터(35)의 가스분사시간 및 가스 분사시기의 제어]를 행함과 동시에, 퍼지 제어[배기 배수밸브(37)의 개폐 제어]를 행함으로써, 순환 유로(32) 내의 수분 및 수소 오프 가스를 배기 배수밸브(37)로부터 외부로 배출한다.

이 퍼지 제어에서, 제어장치(4)는, 개방된 배기 배수밸브(37)로부터의 수소오프 가스의 총 배출량을 추정한다. 또, 이 추정에서, 인젝터(35)의 분사유량 추 정값(Qinj)을 사용하기 때문에, 제어장치(4)는, 상기 수소 소비량과 상기 P항과 상기 크로스 리크량과의 가산값에, 소정의 단위 변환을 실시한 값을 인젝터(35)의 분사유량 추정값(Qinj)으로 추정한다(분사유량 추정기능 : B21).

또, 이 퍼지 제어에 따라 작동하는 배기 배수밸브(37)에 예를 들면 이물이 맞물리는 등으로 하여, 밸브 개방상태에 있는 배기 배수밸브(37)를 밸브 폐쇄 제어하여도 밸브 개방상태 그대로 밸브를 폐쇄할 수 없는, 이른바 밸브 개방 이상이 생기면, 연료전지(10)로 순환시켜야 할 연료(수소가스)가 쓸데 없이 외부로 배출되기 때문에, 제어장치(4)는, 연료전지(10)의 운전 중에 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상의 유무를 감시한다.

구체적으로는, 상기 분사유량 산출기능(B7)으로 산출된 인젝터(35)의 분사유량, 즉 인젝터(35)에 대한 PI 제어칙에 의거하는 가스공급 지령량을 Qreq, 상기 연료 소비량 산출기능(B1)으로 산출된 수소 소비량, 즉, 연료전지(10)에서의 연료가스 소비량을 Qfc, 상기 크로스 리크량 산출기능(B6)으로 산출된 연료전지(10) 내에서의 애노드극측에서 캐소드극측으로의 크로스 리크량을 Qc1이라 하였을 때에, 분사유량 증가량 산출기능(B31)으로 Qinc = Qreq - (Qfc + Qc1)의 식으로 산출되는 인젝터 분사유량 증가량(가스 공급량 증가량)(Qinc)에 의거하여, 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상을 감시한다.

제어장치(4)는, 이 인젝터의 분사유량 증가량(Qinc)이 소정의 제 1 문턱값을 넘은 상태가 소정시간 계속된 경우에, 배기 배수밸브(37)에 밸브 개방 이상이 생겼다고 판단(밸브 개방 이상을 검지)하고, 밸브 개방 이상상태로부터 정상상태로의 복귀를 시도하도록, 상기 배기 배수밸브(37)에 대하여 개폐 구동제어(밸브 개방 이상 해제제어)를 복수회 반복한다.

다음에, 도 3 및 도 4의 타임차트를 이용하여, 연료전지시스템(1)의 밸브 개방 이상 해제제어에 대하여 설명한다.

도 3의 타임 차트에서, (a)는, 배기 배수밸브(37)의 정상 및 이상(밸브 개방 이상)의 상태를, (b)는 2차측 압력센서(43)로 검출되는 인젝터(35)의 출구압을, (c)는 분사유량 증가량 산출기능(B31)으로 산출되는 인젝터 분사유량의 증가량을, (d)는 인젝터 분사유량에 증가 이상이 생긴 것, 즉, 배기 배수밸브(37)에 밸브 개방 이상이 생긴 것을 나타내는 인젝터 분사유량 증가 이상 플래그를 각각 나타내고 있다.

또, 도 4의 타임 차트에서, (a)는 도 3(d)와 마찬가지로 인젝터 분사유량 증가 이상 플래그를, (b)는 제어장치(4)에 의한 배기 배수밸브(37)의 개폐 지령을, (c)는 도 3(b)와 마찬가지로 2차측 압력센서(43)로 검출되는 인젝터(35)의 출구압을, (d)는 강제 간헐운전에 의한 수소 누출 검지의 구동지령, (e)는 배기 배수밸브(37)에 밸브 개방 이상이 생긴 것을 나타내는 다이어그노시스 코드를, (f)는 인젝터 분사유량에 증가 이상이 생긴 것을 나타내는 다이어그노시스 코드를, (g)는 제어장치(4)에 의한 컴프레서(24)의 구동으로 제어되는 희석기(40)에서의 최저 산화 오프 가스량(희석기 최저 공기량)을 각각 나타낸다.

제어장치(4)는, 배기 배수밸브(37)에 밸브 개방 이상이 생겨(t1 시점), 밸브 개방 이상 해제제어가 시작되기(t3 시점)까지는, 통상의 퍼지 제어를 행한다. 제 어장치(4)가 통상의 퍼지 제어에 의해 배기 배수밸브(37)을 밸브 개방 제어하는, 환언하면, 배기 배수밸브(37)로의 밸브 개방 지령을 온(ON)하는, 또한 환언하면, 솔레노이드로의 통전에 의해 얻어지는 전자구동력에 의해 밸브체가 밸브자리로부터 이격된 밸브 개방상태를 유지할 수 있는 밸브 개방 유지 전류를 상기 솔레노이드에 통전하는 지령을 발하고, 소정시간 경과 후, 배기 배수밸브(37)를 밸브 폐쇄 제어하는, 환언하면, 배기 배수밸브(37)로의 밸브 개방 지령을 오프(OFF)하는, 또한 환언하면, 솔레노이드로의 통전을 차단하는 지령 또는 전자구동력에 의해서는 밸브체가 밸브자리로부터 이격된 상태를 유지할 수 없는 전류를 솔레노이드로 통전하는 지령을 발하였을 때에, 배기 배수밸브(37)에 이물이 맞물려, 밸브 개방상태에 있는 배기 배수밸브(37)를 밸브 폐쇄 제어하여도 밸브 개방상태 그대로 밸브 폐쇄할 수 없는 밸브 개방 이상을 일으키면, 분사유량 증가량 산출기능(B31)으로 산출되는 인젝터 분사유량 증가량(Qinc)이 도 3(c)에 나타내는 바와 같이 상승을 계속한다.

이 때, 제어장치(4)는, 인젝터 분사유량 증가량(Qinc)을 감시하고 있고, 배기 배출밸브(37)에 밸브 개방 이상이 생겨, 상기 인젝터 분사유량 증가량(Qinc)이 정상시에는 생길 수 없는 소정의 검지 문턱값(제 1 문턱값)(X1)을 넘으면(t2 시점), 소정의 대기시간(T1)이 경과(t3 시점)하는 것을 기다린다. 그리고 제어장치(4)는, 인젝터 분사유량 증가량(Qinc)이 검지 문턱값(X1)을 넘고 나서, 대기시간(T1)이 경과한 경우에는, 인젝터(35)의 분사유량에 증가 이상이 있다고 판단하고, 도 3(d)에 나타내는 인젝터 분사유량 증가 이상 플래그를 「OFF」에서 「ON」으로 세트한다.

인젝터 분사유량 증가 이상 플래그에 「ON」이 세트되어 있으면, 제어장치(4)는, 배기 배수밸브(37)에 밸브 개방 이상이 생겨 있다고 판단하고(t3 시점), 밸브 개방 이상 해제를 위한 개폐 구동제어를 행한다. 이하, 이 개폐 구동제어에 대하여, 도 4의 타임 차트를 이용하여 설명한다. 또한, 도 4에서, 도 3의 타임 차트와 동일부분에는, 동일부호를 붙이고 있다.

제어장치(4)는, 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상을 검지하면, 배기 배수밸브(37)에 대하여, 도 4(b)에 나타내는 밸브 개방 이상 해제를 위한 배기 배수밸브(37)로의 개폐 구동제어를 소정의 복수회, 구체적으로는 3회만 반복한다.

즉, 배기 배수밸브(37)를 밸브 개방 제어하도록 밸브 개방 지령을 ON 하고(t 3 시점), 계속해서, 배기 배수밸브(37)를 밸브 폐쇄 제어하도록 밸브 개방 지령을 OFF 한 후(t4 시점), 다시 배기 배수밸브(37)로의 밸브 개방 지령을 ON 하고(t5 시점), 계속해서 배기 배수밸브(37)로의 밸브 개방 지령을 OFF 하고(t6 시점), 다시 배기 배수밸브(37)로의 밸브 개방 지령을 ON 한 후(t7 시점), 배기 배수밸브(37)로의 밸브 개방 지령을 OFF 한다(t8 시점). 이 밸브 개방 이상 해제를 위한 개폐 구동제어에서는, 배기 배수밸브(37)를 소정의 구동 주기로 ON/OFF 제어(예를 들면, 1초 간격으로 ON/OFF 제어)한다.

그런 다음, 제어장치(4)는, 도 4(d)에 나타내는 바와 같이, 강제 간헐운전에의한 수소 누출 검지 구동지령으로서 「ON」의 신호를 발하고(t9 시점), 인젝터(35) 및 배기 배수밸브(37)를 밸브 폐쇄한다. 이에 의하여, 인젝터(35)로부터 연료전지(10) 내의 가스유로를 포함하는 배기 배수밸브(37)까지의 수소 공급 유 로(31) 및 순환 유로(32)에 폐쇄 공간이 형성되기 때문에, 제어장치(4)는, 이 폐쇄 공간 내의 압력 변화(또는 변화율)를 2차측 압력센서(43)로 감시한다.

즉, 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상은, 상기 폐쇄 공간으로부터의 수소누출의 하나의 원인이 될 수 있기 때문에, 제어장치(4)는, 도 4(c)에 나타내는 인젝터(35)의 출구압이 시간경과에 따라 저하하는 경우에는, 상기 개폐 구동제어에 의해서도 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상이 해제되지 않았다고 판단하여, 도 4(e)에 나타내는 바와 같이, 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상 다이어그노시스 코드를, 밸브 개방 이상의 이력이 없는 것을 나타내는 「OFF」로부터 이력이 있는 것을 나타내는 「ON」으로 재기록한다(t10 시점).

이와 같은 경우에는, 이것과 동시(t10 시점)에, 도 4(g)에 나타내는 바와 같이 컴프레서(24)의 구동을 정지시켜 희석기(40)에서의 최저 산화 오프 가스량을 「0」으로 하여 연료전지(10)의 운전을 완전히 정지시킨다. 또, 인젝터 분사유량 증가 이상 플래그를 「ON」으로부터 「OFF」로 리세트한다.

한편, 도 4(c)에 나타내는 인젝터(35)의 출구압이 소정의 시간을 경과하여도 변화하지 않는, 또는 거의 변화하지 않는 경우, 제어장치(4)는, 도 4(b)에 나타내는 상기 개폐 구동제어에 의해 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상이 해제되었다고 판단하나, 무엇인가의 원인으로 인젝터(35)에 분사유량의 증가 이상이 생긴 것을 사후적으로 확인할 수 있도록, 도 4(f)에 나타내는 바와 같이, 인젝터(35)의 분사량 증가 이상 다이어그노시스 코드를, 인젝터(35)에 분사유량의 증가 이상의 이력이 없는 것을 나타내는 「OFF」로부터 이력이 있는 것을 나타내는 「ON」으로 재 기록한다(t10 시점).

이상 설명한 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에 의하면, 배기 배수밸브(37)에 예를 들면 이물이 맞물리는 등으로 하여 밸브 개방상태 그대로 밸브 폐쇄할 수 없는 밸브 개방 이상을 일으킨 경우이더라도, 제어장치(4)가 소정의 제어주기로 산출되는 인젝터 분사유량 증가량(Qinc)에 의거하여 상기 밸브 개방 이상을 감시하고 있기 때문에, 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상을 운전 중에 지체없이 검지하는 것이 가능하게 된다.

그리고, 배기 배수밸브(37)에 밸브 개방 이상이 생긴 경우에는, 이 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상을 개선하도록, 배기 배수밸브(37)에 대하여 개폐 구동제어를 복수회 반복하는 밸브 개방 이상 해제제어를 행하기 때문에, 이에 의하여 상기 밸브 개방 이상이 해제된 경우에는, 연료전지시스템(1)의 운전을 유저의 뜻에 반하여 정지시키는 일 없이, 계속시키는 것이 가능하게 된다.

또, 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상 다이어그노시스 코드 또는 인젝터(35)의 분사유량 증가 이상 다이어그노시스 코드가 「ON」으로 되어 있는 경우에는, 그 후, 메인티넌스시 등에 제어장치(4)로부터 이들 다이어그노시스 코드를 판독함으로써 밸브 개방 이상에 기인하여 인젝터(35)의 분사유량 증가 이상이 생기거나, 그것 이외의 요인에 의해 인젝터(35)의 분사유량 증가 이상이 생긴다는 원인 이력이 확인 가능해지기 때문에, 배기 배수밸브(37)의 교환 또는 수리라는 대응을 바로 행할 수 있다.

또한, 이상의 실시형태에서는, 배기 배수밸브(37)에 밸브 개방 이상이 생기 고, 이 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상을 개선시키는 경우로서, 배기 배수밸브(37)에 대하여 개폐 구동제어를 복수회 반복하는 밸브 개방 이상 해제제어를 행한 후에, 밸브 개방 이상 정지제어를 행하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 배기 배수밸브(37)의 밸브 개방 이상의 발생 후에, 밸브 개방 이상 해제제어를 행하는 일 없이 개폐 이상시 정지제어를 행하여도 된다.

또한, 이상의 실시형태에서는, 배기와 배수의 양쪽을 실현시키는 배기 배수밸브(37)를 순환 유로(32)에 설치한 예를 나타내었으나, 기액 분리기(36)로 회수한 수분을 외부로 배출하는 배수밸브와, 순환 유로(32) 내의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기밸브를 따로 따로 설치하고, 제어장치(4)로 배기밸브를 제어할 수도 있다.

Claims

연료전지와, 연료 공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지로 흘리기 위한 공급유로와, 상기 공급유로의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가변 가스 공급장치와, 상기 가변 가스 공급장치를 구동 제어하는 제 1 제어장치와, 상기 연료전지로부터 배출된 연료 오프 가스를 배출밸브를 거쳐 외부로 방출가능한 오프 가스 유로와, 상기 배출 밸브를 구동 제어하는 제 2 제어장치와, 상기 배출밸브의 이상 발생을 검지하는 이상 검지장치를 구비하는 연료전지시스템에 있어서,

상기 이상 검지장치는, 상기 가변 가스 공급장치에 대한 가스공급 지령량을 사용하여, 상기 배출밸브가 밸브 개방상태로부터 밸브 폐쇄상태로 되돌아가지 않는 밸브 개방 이상을 검지하며,

상기 이상 검지장치는, 상기 가변 가스 공급장치에 대한 PI 제어칙에 의거하는 가스공급 지령량을 Qreq, 상기 연료전지에서의 연료가스 소비량을 Qfc, 상기 연료전지 내에서의 애노드극측에서 캐소드극측으로의 크로스 리크량을 Qc1, 가스 공급량 증가량을 Qinc = Qreq - (Qfc + Qc1)이라 하였을 때에, 상기 가스공급량 증가량(Qinc)에 의거하여, 상기 배출밸브의 밸브 개방 이상을 검지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 이상 검지장치는, 상기 가스 공급량 증가량(Qinc)이 소정의 제 1 문턱값을 넘은 상태가 소정시간 계속된 경우에, 상기 배출밸브의 밸브 개방 이상을 검지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,

상기 제 2 제어장치는, 상기 이상 검지장치에 의해 상기 배출밸브의 밸브 개방 이상이 검지되면, 상기 배출밸브에 대하여 개폐 구동제어를 복수회 반복하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,

상기 가변 가스 공급장치는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시키는 전자구동식의 개폐 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,

상기 배출밸브는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시키는 전자구동식의 개폐 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.