KR101224527B1 - 연료전지시스템 - Google Patents
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Abstract
저효율 발전 시에 바이패스 밸브에 이상이 생겨도, 연료전지가 과잉 화학량론비가 되는 것을 방지한다. 압력센서(P1) 또는 전류센서(S5)의 출력을 제어장치(160)로 감시하여, 바이패스 밸브(B1)의 폐쇄 고장에 따르는 이상이 발생하였을 때에는, 압력조정밸브(A1)의 개방도를 증가시켜 캐소드 오프 가스의 배출량을 증가시키고, 에어컴프레서(60)의 회전수를 저하시켜 에어컴프레서(60)에 의한 공기의 토출량을 감소시키고, 연료전지(40)가 과잉 화학량론비가 되는 것을 방지한다.
Description
본 발명은, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 연료전지를 구비한 연료전지시스템에 관한 것이다.
수소와 산소의 전기화학반응을 이용하여 발전하는 연료전지로서는, 예를 들면, 고체 고분자형 연료전지가 있다. 이 고체 고분자형 연료전지는, 복수의 셀을 적층하여 구성된 스택을 구비하고 있다. 스택을 구성하는 셀은, 애노드(연료극)와캐소드(공기극)를 구비하고 있고, 이들 애노드와 캐소드의 사이에는, 이온 교환기로서 술폰산기를 가지는 고체 고분자 전해질막이 개재하고 있다.
애노드에는 연료가스(수소가스 또는 탄화수소를 개질하여 수소 리치하게 한 개질 수소)를 포함하는 연료가스가 공급되고, 캐소드에는 산화제로서 산소를 포함하는 가스(산화제가스), 일례로서, 공기가 공급된다. 애노드에 연료가스가 공급됨으로써, 연료가스에 포함되는 수소가 애노드를 구성하는 촉매층의 촉매와 반응하고, 이것에 의해 수소 이온이 발생한다. 발생한 수소 이온은 고체 고분자 전해질막을 통과하여, 캐소드에서 산소와 전기반응을 일으킨다. 이 전기화학반응에 의해 발전이 행하여지는 구성으로 되어 있다.
그런데, 연료전지시스템에서는, 저온 기동 시에, 전회 시스템 정지 시의 수분이 연료전지 내에 잔류하고 있으면 수분이 동결하여, 기동하지 않는 경우가 있다. 또, 기동하였다 하여도, 자기의 반응에 의해 생긴 생성수가 동결하여 발전이 정지하는 경우도 있다.
그래서, 연료전지의 발전효율을 제어하여 자기 발열량을 제어하는 것이 행하여지고 있다. 예를 들면, 반응가스의 공급량을 감소시키거나, 연료전지의 전극 사이를 단락시켜, 반응물을 부족상태에서 연료전지를 운전하고, 연료전지의 전극 사이에서의 과전압을 증가시킴으로써 자기 발열량을 증가시키는 것이 행하여지고 있다. 이때, 반응가스의 공급량을 감소시켜, 연료전지의 전압을 0 볼트 부근으로 제어하면, 셀에 역전위가 생기고, 연료전지의 산소극측으로 수소가 이동하여, 공기 배출 경로로부터 수소가 배출될 가능성이 있다. 이 때문에, 공기 공급 경로에서의 송풍기의 하류측과 공기 배출 경로를 접속하는 바이패스 경로를 설치하여, 송풍기로부터 공급되는 외기를, 바이패스 경로를 거쳐 공기 배출 경로로 도입하고, 공기 배출 경로 내부의 수소를 희석하도록 한 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1]
일본국 특개2006-73501호 공보
반응가스의 공급량을 감소시켜 저효율 발전을 행하여 연료전지를 난기할 때에, 공기 배출 경로 내부의 수소를 희석하기 위하여, 바이패스 경로를 흐르는 공기량을 컨트롤하기 위한 바이패스 밸브에 이상이 생긴 경우, 예를 들면, 동결 등에 의해 바이패스 밸브가 고착되어, 폐쇄 밸브가 고장났을 때에는, 연료전지에 공급되는 공기량이 증대하여, 연료전지가 과잉 화학량론비가 되고, 연료전지의 I-V 특성이 상승하여, 과대한 발전 에너지가 발생하는 경우가 있다.
이 상태에서, 컨버터 전압 제어가 실행되면, DC/DC 컨버터나 2차 전지에 과전류가 흘러, DC/DC 컨버터나 2차 전지가 파손될 염려가 있다. 또 압력센서가 동결에 의해 동작 불가능하게 된 상태에서, 공기 배압 밸브(공기압 조정밸브)가 폐쇄 밸브측으로 제어되면, 공기 압력의 상승에 따라 연료전지의 스택이 파손될 염려가 있다.
그래서, 본 발명은, 저효율 발전 시에 바이패스 밸브에 이상이 생겨도, 연료전지가 과잉 화학량론비가 되는 것을 방지할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지시스템은, 연료전지에 대한 공기의 공급측과 당해 연료전지로부터의 공기의 배기측과의 사이를 바이패스하는 바이패스로에 바이패스 밸브가 설치된 연료전지시스템에 있어서, 저효율 발전 시에 당해 바이패스 밸브에 이상이 발생한 경우에는, 상기 연료전지의 당해 배기측의 압력을 내려, 캐소드 오프 가스의 배출량을 증가시키고, 또한, 공기의 공급량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의하면, 연료전지의 저효율 발전 시에, 바이패스 밸브에 이상이 발생하였을 때에는, 연료전지의 당해 배기측(예를 들면, 캐소드 오프 가스 유로)의 압력을 내려, 캐소드 오프 가스의 배출량을 증가시키고, 공기의 공급량을 감소시키기 때문에, 연료전지가 과잉 화학량론비가 되는 것을 방지할 수 있어, 과대한 발전 에너지의 발생에 따라 시스템이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
상기 연료전지시스템을 구성할 때에는, 이하의 요소를 부가할 수 있다. 적합하게는, 상기 연료전지의 공기의 배기측에 공기 배압 밸브를 구비하고, 상기 연료전지의 공기의 공급측에 공기를 공급하는 컴프레서를 구비하여, 상기 바이패스 밸브에 이상이 발생한 경우에, 상기 공기 배압 밸브의 개방도를 증가시키고, 또한, 당해 에어컴프레서의 회전수를 저하시킨다.
이와 같은 구성에 의하면, 바이패스 밸브의 이상 발생 시에, 공기 배압 밸브의 개방도를 증가시키고, 에어컴프레서의 회전수를 저하시킴으로써, 연료전지가 과잉 화학량론비가 되는 것을 방지할 수 있다.
적합하게는, 상기 바이패스 밸브의 이상을 검출하는 바이패스 이상 검출수단과, 상기 공기 배압 밸브와 상기 에어컴프레서를 제어하는 제어수단을 구비하고, 상기 제어수단은, 상기 바이패스 이상 검출수단의 검출 출력에 응답하여, 상기 공기 배압 밸브의 개방도를 증가시키고, 상기 에어컴프레서의 회전수를 저하시킨다.
이와 같은 구성에 의하면, 바이패스 이상 검출수단에 의해 바이패스 밸브의 이상이 검출되었을 때에, 제어수단에 의하여 공기 배압 밸브의 개방도를 증가시키고, 에어컴프레서의 회전수를 저하시킴으로써, 연료전지가 과잉 화학량론비가 되는 것을 자동적으로 방지할 수 있다.
적합하게는, 상기 바이패스 이상 검출수단은, 상기 에어컴프레서의 공기 토출측의 압력을 감시하여, 그 압력이 이상값을 나타낼 때에는, 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상을 검출하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 의하면, 에어컴프레서의 공기 토출측의 압력이 이상값을 나타낼 때에는, 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상을 검출할 수 있다.
적합하게는, 상기 바이패스 이상 검출수단은, 상기 연료전지의 전류의 절대값 또는 변화율이 전류 문턱값을 넘었을 때에, 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상을 검출하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 의하면, 연료전지의 전류의 절대값 또는 변화율이 전류 문턱값을 넘었을 때에는, 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상을 검출할 수 있다.
적합하게는, 상기 바이패스 이상 검출수단은, 상기 에어컴프레서의 공기 토출측의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 압력센서의 검출 압력이 압력 문턱값을 넘었을 때에 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상으로 판정하는 압력 판정기로 구성되어 이루어진다.
이와 같은 구성에 의하면, 에어컴프레서의 공기 토출측의 압력이 압력 문턱값을 넘었을 때에는, 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상을 검출할 수 있다.
적합하게는, 상기 바이패스 이상 검출수단은, 상기 연료전지의 전류를 검출하는 전류센서와, 상기 전류센서의 검출전류와 전류 지령값의 차가 전류 문턱값을 넘었을 때에 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상으로 판정하는 전류 판정기로 구성되어 이루어진다.
이와 같은 구성에 의하면, 연료전지의 전류를 검출하여, 이 검출전류와 전류 지령값의 차가 전류 문턱값을 넘었을 때에는 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상을 검출할 수 있다.
본 발명에 의하면, 저효율 발전 시에, 연료전지가 과잉 화학량론비가 되는 것을 방지할 수 있어, 과대한 발전 에너지의 발생에 따라 시스템이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템의 블럭 구성도,
도 2는 본 실시형태에 관한 FC 전류와 FC 전압의 관계를 나타내는 도,
도 3A는 본 실시형태에 관한 펌핑 수소의 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도,
도 3B는 본 실시형태에 관한 펌핑 수소의 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도,
도 4는 급속난기 시에 있어서의 밸브 고착 판정처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 5는 급속난기의 통상 시에 있어서의 바이패스 밸브에 대한 개방도 지령값 산출처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 6은 급속난기의 이상 시에 있어서의 바이패스 밸브에 대한 개방도 지령값 산출처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 7은 압력 조정밸브에 대한 바이패스 밸브 고착 시 변환 판정처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 8은 압력 조정밸브에 대한 전압 강하처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 9는 급속난기 시에 있어서의 에어컴프레서에 대한 처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 10은 급속난기 시의 공기공급 제어·수소희석 제어를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 본 실시형태에 관한 FC 전류와 FC 전압의 관계를 나타내는 도,
도 3A는 본 실시형태에 관한 펌핑 수소의 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도,
도 3B는 본 실시형태에 관한 펌핑 수소의 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도,
도 4는 급속난기 시에 있어서의 밸브 고착 판정처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 5는 급속난기의 통상 시에 있어서의 바이패스 밸브에 대한 개방도 지령값 산출처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 6은 급속난기의 이상 시에 있어서의 바이패스 밸브에 대한 개방도 지령값 산출처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 7은 압력 조정밸브에 대한 바이패스 밸브 고착 시 변환 판정처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 8은 압력 조정밸브에 대한 전압 강하처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 9는 급속난기 시에 있어서의 에어컴프레서에 대한 처리를 설명하기 위한 플로우차트,
도 10은 급속난기 시의 공기공급 제어·수소희석 제어를 설명하기 위한 블럭도이다.
이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
(본 실시형태)
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(100)의 주요부 구성을 나타내는 도면이다.
본 실시형태에서는, 연료전지자동차(FCHV), 전기자동차, 하이브리드자동차 등의 차량에 탑재되는 연료전지시스템을 상정하나, 차량 뿐만 아니라 각종 이동체(예를 들면, 선박이나 비행기, 로봇 등)나 정치형 전원에도 적용 가능하다.
연료전지시스템(100)은, 연료가스 순환 공급계와 산화가스 공급계를 구비하고 있다.
연료가스 순환 공급계는 연료가스 공급원(30), 연료가스 공급로(21), 연료전지(40), 연료가스 순환로(22), 및 애노드 오프 가스유로(23)를 포함하여 구성되고, 산화가스 공급계는 에어컴프레서(60), 산화가스 공급로(11), 및 캐소드 오프 가스유로(12)를 포함하여 구성되어 있다.
연료전지(40)는, 공급되는 반응가스(연료가스 및 산화가스)로부터 전력을 발생하는 수단이며, MEA(막/전극 접합체) 등을 구비한 복수의 단(單)셀을 직렬로 적층한 스택구조를 가지고 있다. 구체적으로는, 고체 고분자형, 인산형, 용융탄산염형 등 여러가지 타입의 연료전지를 이용할 수 있다.
연료가스 공급원(30)은, 연료전지(40)에 수소가스 등의 연료가스를 공급하는 수단이며, 예를 들면 고압 수소 탱크, 수소 저장 탱크 등에 의해 구성된다. 연료가스 공급로(21)는, 연료가스 공급원(30)으로부터 방출되는 연료가스를 연료전지(40)의 애노드극으로 유도하기 위한 가스유로이고, 그 가스유로에는 상류에서부터 하류에 걸쳐 탱크밸브(H1), 수소공급밸브(H2), FC 입구밸브(H3) 등의 밸브가 설치되어 있다. 탱크밸브(H1), 수소공급밸브(H2), FC 입구밸브(H3)는, 각 가스유로(21∼23) 또는 연료전지(20)에 연료가스를 공급(또는 차단)하기 위한 셔트밸브이고, 예를 들면 전자밸브에 의해 구성되어 있다.
연료가스 순환로(22)는, 미반응 연료가스를 연료전지(40)로 환류시키기 위한 귀환 가스유로이며, 그 가스유로에는 상류에서부터 하류에 걸쳐 FC 출구밸브(H4), 수소펌프(50), 체크밸브(51)가 각각 설치되어 있다. 연료전지(40)로부터 배출된 저압의 미반응 연료가스는 수소펌프(50)에 의해 적절하게 가압되어, 연료가스 공급로(21)로 유도된다. 또한, 연료가스 공급로(21)로부터 연료가스 순환로(22)로의 연료가스의 역류는, 체크밸브(51)에 의해 억제된다.
애노드 오프 가스유로(23)는, 연료전지(40)로부터 배출된 수소 오프 가스를 포함하는 애노드 오프 가스를 시스템 밖으로 배기하기 위한 가스유로이며, 그 가스유로에는 퍼지밸브(H5)가 설치되어 있다.
산화가스 공급계에서의 산화가스 공급로(11)는, 연료전지(40) 공급측의 경로 이고, 에어컴프레서(60) 및 가습 모듈(70)을 거쳐 연료전지(40)의 캐소드 입구에 연통하고 있다. 산화가스 공급계에서의 캐소드 오프 가스유로(12)는, 연료전지(40)의 배기측의 경로이고, 연료전지(40)의 캐소드 출구로부터 압력조정밸브(A1), 상기 가습 모듈(70)을 거쳐 희석기(80)에 연통하고 있다.
에어컴프레서(가스 공급원)(60)는, 에어필터(도시 생략)를 거쳐 외기로부터 도입한 공기(산화가스 ; 캐소드가스)를 캐소드 입구를 경유하여 연료전지(40)의 캐소드극에 공급한다. 연료전지(40)의 캐소드 출구로부터는 캐소드 오프 가스가 배출된다. 캐소드 오프 가스에는, 연료전지(40)의 전지반응에 공급한 후의 산화 오프 가스 외에, 캐소드측에서 생성되는 펌핑 수소 등이 포함된다(상세한 것은 뒤에서 설명). 이 캐소드 오프 가스는, 연료전지(40)의 전지반응에 의해 생성된 수분을 포함하기 때문에 고습윤 상태로 되어 있다.
가습 모듈(70)은, 산화가스 공급로(11)를 흐르는 저습윤 상태의 산화가스와, 캐소드 오프 가스유로(12)를 흐르는 고습윤 상태의 캐소드 오프 가스의 사이에서 수분교환을 행하여, 연료전지(40)에 공급되는 산화가스를 적절하게 가습한다. 연료전지(40)에 공급되는 산화가스의 배압은, 제어장치(160)에 의한 제어 하에, 캐소드 오프 가스유로(12)의 캐소드 출구 부근에 설치된 압력조정밸브(A1)에 의해 압력 조정된다. 또, 에어컴프레서(60)로부터 가습 모듈(70)에 이르는 산화가스 공급로(11)에는, 공급되는 산화가스의 압력을 검지하는 압력센서(P1)와, 이 산화가스의 온도를 검지하는 온도센서(T1)가 설치되어 있다.
여기서, 에어컴프레서(60)로부터 가습 모듈(70)에 이르는 산화가스 공급로(11)와, 가습 모듈(70)로부터 희석기(80)에 이르는 캐소드 오프 가스유로(12)의 사이는, 바이패스 밸브(B1)에 의해 접속되어 있다. 바이패스 밸브(바이패스 장치) (B1) 및 바이패스 통로(바이패스 장치)(31)는, 산화가스 공급로(11)를 흐르는 산화가스의 일부를 연료전지(40)를 바이패스하여 캐소드 오프 가스유로(배출통로)(12)로 유도하는 수단이고, 제어장치(조정수단)(160)에 의해 바이패스되는 산화가스(이하, 바이패스 공기)의 가스량이 조정된다. 바이패스 통로(31)에는, 바이패스 밸브 (B1)를 통과하기 전의 바이패스 공기의 압력(1차압)을 검출하는 압력센서(P2)와, 바이패스 밸브(B1)를 통과한 후의 바이패스 공기의 압력(2차압)을 검출하는 압력센서(P3)가 설치되어 있다. 또한, 바이패스 밸브(B1)의 근방에는, 제어장치(검지수단)(160)에 의한 제어 하에, 바이패스 밸브(B1)의 밸브체 위치를 검지하는 밸브체 위치 검지센서(검지수단)(180)가 설치되어 있다.
희석기(80)는, 수소가스의 배출 농도를 미리 설정된 농도범위(환경기준에 의거하여 정해진 범위 등)에 들어가도록 희석한다. 이 희석기(80)에는 캐소드 오프 가스유로(12)의 하류 및 애노드 오프 가스유로(23)의 하류가 연통하고 있고, 수소오프 가스, 펌핑 수소, 산소 오프 가스, 바이패스 공기를 혼합 희석하여 시스템 밖으로 배기한다.
연료전지(40)에서 발전된 직류전력의 일부는 DC/DC 컨버터(130)에 의해 승강압되어, 배터리(140)에 충전된다.
배터리(140)는, 충방전 가능한 2차 전지이며, 여러가지 타입의 2차 전지(예를 들면 니켈수소 배터리 등)에 의해 구성되어 있다. 물론, 배터리(140) 대신 2차 전지 이외의 충방전 가능한 축전기, 예를 들면 커패시터를 사용하여도 된다.
트랙션 인버터(110) 및 보조기기 인버터(120)는, 펄스폭 변조방식의 PWM 인버터이고, 주어지는 제어지령에 따라 연료전지(40) 또는 배터리(140)로부터 출력되는 직류전력을 3상 교류전력으로 변환하여 트랙션 모터(M3) 및 보조기기 모터(M4)에 공급한다.
트랙션 모터(M3)는 차륜(150L, 150R)을 구동하기 위한 모터이며, 보조기기 모터(M4)는 각종 보조기기류를 구동하기 위한 모터이다. 또한, 보조기기 모터(M4)는 수소 순환펌프(50)를 구동하는 모터(M1)나 에어컴프레서(60)를 구동하는 모터(M2) 등을 총칭하고 있다.
제어장치(160)는, CPU, ROM, RAM 등에 의해 구성되고, 입력되는 각 센서신호에 의거하여, 당해 시스템의 각 부를 중추적으로 제어한다. 구체적으로는, 액셀러레이터 페달 개방도를 검출하는 액셀러레이터 페달센서(S1), 배터리(140)의 충전상태 SOC(State Of Charge)를 검출하는 SOC 센서(S2), 트랙션 모터(M3)의 회전수를 검지하는 T/C 모터 회전수 검지센서(S3), 연료전지(40)의 출력전압을 검출하는 전압센서(S4), 출력전류를 검출하는 전류센서(S5) 외에, 온도센서(T1, T2), 압력센서 (P1, P2, P3) 등으로부터 입력되는 각 센서신호에 의거하여, 인버터(110, 120)의 출력 펄스폭 등을 제어한다.
또, 제어장치(160)는, 저온 시동 시 등 연료전지(40)을 난기할 필요가 있는 경우에는, 메모리(170)에 저장되어 있는 각 맵(mp1∼mp5) 등을 이용하여 발전효율이 낮은 운전을 행한다.
도 2는, 연료전지의 출력전류(FC 전류)와 출력전압(FC 전압)의 관계를 나타내는 도면이고, 발전효율이 높은 운전(통상 운전)을 행한 경우를 실선으로 나타내고, 산화가스량을 조절함으로써 발전효율이 낮은 운전(저효율 운전)을 행한 경우를 점선으로 나타낸다. 또한, 가로축은 FC 전류, 세로축은 FC 전압을 나타내고 있다.
통상, 연료전지(40)를 운전하는 경우에는, 전력손실을 억제하여 높은 발전효율이 얻어지도록, 공기화학량론비를 1.0 이상(이론값)으로 설정한 상태에서 연료전지(40)를 운전한다(도 2의 실선부분 참조). 여기서, 공기화학량론비란, FC 전류를 발전시키는 데 필요한 이론 공기공급량에 대한 실제의 공기공급량의 과잉율을 말한다.
이것에 대하여, 연료전지(40)를 난기하는 경우에는, 전력 손실을 크게 하여 연료전지(40)의 온도를 상승시키도록, 공기화학량론비를 1.0 부근(이론값)에 설정한 상태에서 연료전지(40)를 운전한다(도 2의 점선부분 참조). 공기화학량론비를 낮게 설정하여 운전하면, 수소와 산소의 반응에 의해 추출할 수 있는 에너지 중, 전력 손실분(즉 열 손실분)이 적극적으로 증대되기 때문에, 신속하게 난기할 수 있는 한편, 당해 캐소드에는 펌핑 수소가 발생한다.
도 3은, 펌핑 수소의 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도면이며, 도 3A는 통상 운전 시의 전지반응을 나타내는 도, 도 3B는 저효율 운전 시의 전지반응을 나타내는 도면이다.
각 셀(4)은, 전해질막(4a)과, 이 전해질막(4a)을 끼워 유지하는 애노드 전극및 캐소드 전극을 구비하고 있다. 수소(H2)를 포함하는 연료가스는 애노드에 공급되고, 산소(O2)를 포함하는 산화가스는 캐소드에 공급된다. 애노드에 연료가스가 공급되면 하기 식(A)의 반응이 진행되어 수소가 수소 이온과 전자로 괴리된다. 애노드에서 생성한 수소 이온은 전해질막(4a)을 투과하여 캐소드로 이동하는 한편, 전자는 애노드로부터 외부 회로를 통하여 캐소드로 이동한다.
여기서, 캐소드에 대한 산화가스의 공급이 충분한 경우에는(공기화학량론비≥ 1.0), 하기 식(B)가 진행되어 산소, 수소 이온 및 전자로부터 물이 생성된다(도 3A 참조). 한편, 저효율 발전의 실시 중과 같이 캐소드에 대한 산화가스의 공급이 부족한 경우에는(공기화학량론비 < 1.0), 부족되는 산화가스량에 따라 하기 식(C)가 진행되고, 수소 이온과 전자가 재결합하여 수소가 생성된다(도 3B 참조). 생성된 수소는, 산소 오프 가스와 함께 캐소드로부터 배출되게 된다. 또한, 괴리된 수소 이온과 전자가 재결합함으로써 캐소드에서 생성되는 수소, 즉 캐소드에서 생성되는 애노드 가스를 펌핑 수소라 부른다.
이와 같이, 캐소드에 대한 산화가스의 공급이 부족된 상태에서는 캐소드 오프 가스에 펌핑 수소가 포함되기 때문에, 캐소드 오프 가스에 포함되는 펌핑 수소량에 따라 바이패스 밸브(B1)의 밸브 개방도 등을 조정한다. 이와 같이 바이패스 공기의 유량을 조정함으로써, 발전에 필요한 산화가스를 연료전지(40)의 캐소드극에 공급하면서, 배기 수소 농도를 적정 범위에 들어가도록 희석하는 것이 가능해진다.
여기서, 저온환경 하에서, 저효율 발전을 실시하여 연료전지(40)를 난기함에 있어서, 바이패스 밸브(B1)에 이상이 생기고, 밸브체가 동결 고착 등을 하여 폐쇄 고장이 생기면, 에어컴프레서(60)로부터 공급되는 산화가스가 바이패스 통로(31)를 거쳐 바이패스되지 않게 되거나, 또는 바이패스량을 컨트롤할 수 없게 되기도 하여, 저효율 발전 시에 필요한 산화가스보다 많은 산화가스가 연료전지(40)에 공급되어, 연료전지(40)가 과잉 화학량론비가 되고, 연료전지(40)의 I-V 특성의 상승에 따라 DC/DC 컨버터(130)나 배터리(140)에 과전류가 흐르는 단점이 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 저효율 발전 시에, 바이패스 밸브(B1)의 폐쇄 고장에 따르는 이상이 생긴 경우에는, 저효율 발전에 필요한 산화가스의 연료전지(40)에 대한 공급량을 조절하기 위하여, 공기 배압 밸브로서의 압력조정밸브(A1)의 개방도를 증가시켜, 캐소드 오프 가스유로(12)의 압력을 내려, 캐소드 오프 가스의 배출량을 증가시키고, 에어컴프레서(60)의 회전수를 저하시켜, 에어컴프레서(60)에 의한 공기의 토출량을 감소시키는 것으로 하고 있다.
즉, 본 실시형태에서는, 저효율 발전을 실시함에 있어서, 제어장치(160)에 의하여, 압력센서(P1 또는 P2)의 검출압력 또는 전류센서(S5)의 검출전류를 감시하고, 어느 하나의 센서의 출력에 의해 바이패스 밸브(B1)의 이상의 유무를 판정하여, 정상 시에는 정상 시의 처리를 실행하고, 이상 시에는 이상의 처리로서, 압력조정밸브(A1)의 개방도와 에어컴프레서(60)의 회전수를 제어하는 것으로 하고 있다.
이때, 제어장치(160)는, 바이패스 이상 검출수단의 일 요소로서, 에어컴프레서(60)의 공기 토출측의 압력을 검출하는 압력센서(P1)(또는 P2)의 검출압력이 압력 문턱값을 넘었을 때에 바이패스 밸브(B1)의 폐쇄 고장에 따르는 이상이라고 판정하는 압력 판정기를 구성함과 동시에, 연료전지(40)의 전류를 검출하는 전류센서 (S5)의 검출전류와 전류 지령값과의 차가 전류 문턱값을 넘었을 때에, 바이패스 밸브(B1)의 폐쇄 고장에 따르는 이상이라고 판정하는 전류 판정기를 구성하도록 되어 있다. 또한, 제어장치(160)는, 바이패스 이상 검출수단의 검출출력에 응답하여, 압력조정밸브(A1)의 개방도를 증가시키고, 에어컴프레서(60)의 회전수를 저하시키기 위한 제어를 행하는 제어수단으로서 기능하도록 되어 있다.
이하, 저효율 발전 시에 있어서의 연료전지시스템의 동작에 대하여 설명한다.
<바이패스 밸브 정상 시의 처리>
제어장치(160)는, 온도센서(T2)에 의해 검출되는 FC 온도가 메모리(도시 생략)에 설정되어 있는 기준 온도를 하회하고 있는지의 여부를 판단한다. 여기서, 기준 온도는, 시스템 시동 시에 저효율 운전을 실시해야 하는지의 여부를 판단하기 위한 기준 온도(예를 들면 0℃)이다. 또한, 기준 온도는, 제조 출하 시 등에 미리 설정하여도 되나, 버튼 조작 등에 의해 적절하게 설정·변경 가능하게 하여도 된다.
제어장치(160)는, 검출되는 FC 온도가 기준 온도를 넘어 있는 것을 검지하면, 통상 운전을 개시하고, 처리를 종료한다.
한편, 제어장치(160)는, 검출되는 FC 온도가 기준 온도를 하회하고 있는 것을 검지하면, 저효율 운전을 개시하도록, 목표로 하는 저효율 운전 동작점(It, Vt)을 결정한 후(도 2 참조), 메모리(170)에 저장되어 있는 저효율 화학량론비 맵(mp1)을 참조한다. 저효율 운전 화학량론비 맵(mp1)은, FC 전류 지령값(It)과 FC 전압 지령값(Vt)으로부터 공기화학량론비를 결정하는 것으로, 실험 등에 의하여 구한 값을 베이스로 작성된다. 제어장치(160)는, 결정한 FC 전류(It), FC 전압(Vt), 저효율 운전 화학량론비 맵(mp1)을 이용하여 당해 운전 동작점에서의 공기화학량론비(Ra)를 결정한다.
제어장치(160)는, 공기화학량론비(Ra)를 결정하면, 메모리(170)에 저장되어 있는 펌핑 수소량 맵(mp2) 및 퍼지 수소량 맵(mp3)을 참조한다. 펌핑 수소량 맵 (mp2)은, FC 전류 지령값(It)과, 결정한 공기화학량론비(Ra)와, 온도센서(S6)에 의하여 검출되는 연료전지(40)의 온도로부터 펌핑 수소의 발생량(펌핑 수소량)을 추정하는 것으로, 실험 등에 의해 구한 값을 베이스로 작성된다. 또, 퍼지 수소량 맵(mp3)은, FC 전류로부터 수소 오프 가스를 포함하는 애노드 오프 가스의 배출량(퍼지 수소량)을 추정하기 위한 맵이다.
제어장치(160)는, 결정한 FC 전류 지령값(It), 공기화학량론비(Ra), 연료전지(40)의 온도, 펌핑 수소량 맵(mp2)을 이용하여 펌핑 수소량(Ap1)을 추정하는 한편, 결정한 FC 전류 지령값(It), 펌핑 수소량 맵(mp3)을 이용하여 퍼지 수소량(Ap2)을 추정하고, 목표로 하는 저효율 동작점(It, Vt)에서의 총배기 수소량(At)을 구한다[하기 식(1) 참조]
제어장치(160)는, 총배기 수소량(At)을 구하면, 배기 수소 농도를 기준값 이하로 하는 데 필요한 FC 필요 공기유량, 공기 소기량 지령값, 바이패스 공기유량을 도출한다. 구체적으로는, 먼저, 하기 식(2)를 이용하여 연료전지(40)에 필요한 공기유량(FC 필요 공기유량)(An)을 구한다.
다음에, 제어장치(160)는, 하기 식(3)을 이용하여 연료전지(40)에서 소비되는 공기유량(FC 소비 공기유량)(Ac)을 구함과 동시에, 하기 식(4)를 이용하여 배기 수소농도를 기준값 이하로 희석하는 데 필요한 공기유량(총공기유량)(Ad)을 구한다.
Dt ; 배기수소의 목표 농도(%)
또한, 제어장치(160)는, FC 필요 공기유량(An)에 바이패스 최저 공기유량 (Ab1)을 가산한 값과 총공기유량(Ad)을 비교하여, 큰 쪽을 에어컴프레서(60)의 공기 송기량 지령값(Asp)으로서 설정한다[하기 식(5) 참조]. 그리고, 설정한 공기 송기량 지령값(Asp)과 FC 필요 공기유량(An)을 하기 식(6)에 대입함으로써, 바이패스 공기유량(Abp)을 구한다. 또한, 바이패스 최저 공기유량(Ab1)은, 저효율 운전 시에 바이패스 라인(31)에 흘려야 할 공기유량의 최소값을 나타낸다.
제어장치(160)는, FC 필요 공기유량(An), 바이패스 공기유량(Abp)을 구하면, 공기압 조정밸브 개방도 맵(mp4) 및 바이패스 밸브 개방도 맵(mp5)을 참조한다. 공기압 조정밸브 개방도 맵(mp4)은, FC 필요 공기유량(An)과 바이패스 공기유량(Abp)으로부터 공기압 조정밸브(A1)의 밸브 개방도를 결정하기 위한 맵이고, 바이패스 밸브 개방도 맵(mp5)은, FC 필요 공기유량(An)과 바이패스 공기유량(Abp)으로부터 바이패스 밸브(B1)의 밸브 개방도를 결정하기 위한 맵이다.
제어장치(160)는, FC 필요 공기유량(An), 바이패스 공기유량(Abp), 공기압 조정밸브 개방도 맵(mp4), 바이패스 밸브 개방도 맵(mp5)을 이용하여 공기압 조정밸브(A1)의 밸브 개방도 및 바이패스 밸브(B1)의 밸브 개방도를 조정한다. 이 때, 공기압 조정밸브(A1)의 밸브 개방도는, 전류센서(S5)에 의해 검출되는 FC 전류의 측정값과 목표값의 편차로부터 생성하는 PID 보정항으로 보정을 행한다.
또한, 제어장치(160)는, 설정한 공기 송기량 지령값(As)에 따라 에어컴프레서(60)의 구동을 제어하는 과정에서, 저효율 운전을 종료해야 하는지의 여부를 판정한다. 여기서, 연료전지(40)의 온도가 미리 설정된 기준 온도 이상이면 저효율운전을 종료하는 한편, 기준 온도를 하회하고 있으면, 상기한 처리를 계속한다.
<바이패스 밸브에 관한 처리>
다음에, FC 발전상태 = 급속난기인 경우의 밸브 고착 판정처리를 도 4의 플로우차트에 따라 설명한다.
먼저, 제어장치(160)는, 저효율 발전을 실시하기 위하여, 급속난기를 개시하였을 때에는, 급속난기가 고착 판정 개시 대기시간 이상 계속되었는지의 여부를 판정한다(S1). 그 결과, 급속난기가 고착 판정 개시 대기시간 이상 계속된 것을 조건으로(YES), 압력센서(P1)(또는 P2)의 검출압력(출구 공기압력 필터값)이 바이패스 밸브 고착 판정 압력 문턱값 맵(mp6)에 저장된 밸브 고착 판정 압력 문턱값보다 큰지의 여부를 판정한다(S2). 이 판정 결과, 긍정의 판정 결과가 얻어졌을 때에는(YES), 밸브 고착 판정시간 이상 계속되었는지의 여부를 판정한다(S3). 그리고, 이 판정에서 긍정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(YES), 바이패스 밸브(B1)의 폐쇄 고장에 따르는 이상으로서 바이패스 밸브 고착 플래그를 온으로 하고(S4), 이 루틴에서의 처리를 종료한다.
한편, 단계 S2에서 부정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(NO), 제어장치(160)는, 전류센서(S5)의 검출전류(FC 전류 필터값) - FC 전류 지령값이 밸브 고착 판정전류 문턱값보다 큰지의 여부를 판정한다(S5). 이 판정에서 긍정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(YES), 단계 S3, S4의 처리로 이행하고, 그것 이 외일 때에는 이 루틴에서의 처리를 종료한다.
이상과 같은 처리에서, 제어장치(160)는, 압력센서(P1)의 검출압력이 문턱값을 넘었을 때 또는 전류센서(S5)의 검출전류와 지령값의 차가 문턱값을 넘었을 때에, 바이패스 밸브(B1)의 폐쇄 고장에 따르는 이상이 발생한 것을 판정할 수 있다.
다음에, 급속난기를 행할 때의 통상 시에 있어서의 바이패스 밸브(B1)에 대한 개방도 지령값 산출처리를 도 5의 플로우차트에 따라 설명한다.
먼저, 제어장치(160)는, 바이패스 밸브 고착 플래그가 오프인지의 여부를 판정한다(S11). 이 판정의 결과, 바이패스 밸브 고착 플래그가 오프로 되어 있는 것을 조건으로(YES), 바이패스 밸브 개방도 지령값을, 급속난기 시의 바이패스 밸브 개방도 맵(mp7)에 저장된 개방도로 설정하고(S12), 이 루틴에서의 처리를 종료한다. 즉, 급속난기를 행할 때의 통상 시에는, 제어장치(160)는, 바이패스 밸브(B1)에 대한 개방도 지령값을, 급속난기 시의 바이패스 밸브 개방도 맵(mp7)에 저장된 개방도(FC 필요 공기량과 바이패스 공기유량을 고려한 개방도)로 설정한다.
다음에, 급속난기를 행할 때의 이상 시에 있어서의 바이패스 밸브(B1)에 대한 개방도 지령값 산출처리를 도 6의 플로우차트에 따라 설명한다.
먼저, 제어장치(160)는, 바이패스 밸브 고착 플래그가 온이고 또한 바이패스 밸브 고착 시 변환완료 플래그가 오프인지의 여부를 판정한다(S21). 이 판정에서긍정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(YES), 조건성립으로서, 금회(현시점)의 바이패스 밸브 개방도 지령값을 전회의 바이패스 밸브 개방도 지령값(전회값)으로 하여(S22), 이 루틴에서의 처리를 종료한다.
한편, 단계 S21에서 부정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(NO), 조건 불성립으로서, 제어장치(160)는, 바이패스 밸브 개방도 지령값 = 0%(완전 폐쇄)로 하고(S23), 이 루틴에서의 처리를 종료한다.
다음에, 압력조정밸브(A1)에 대한 바이패스 밸브 고착 시 변환 판정처리를 도 7의 플로우차트에 따라 설명한다.
먼저, 제어장치(160)는, FC 발전상태가 통상 발전이고 또한 FC 간헐운전이 아닌 경우, 바이패스 밸브 고착 플래그가 온이고 또한 바이패스 밸브 고착 시 변환완료 플래그가 오프인지의 여부를 판정한다(S31). 이 판정에서 긍정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(YES), 조건이 성립하였다고 하여, 압력조정밸브 개방도 지령값을 희석제어 변환 완료 개방도 이상인지의 여부를 판정한다(S32). 이 판정에서 긍정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(YES), 조건이 성립하였다고 하여, 바이패스 밸브 고착 시 변환완료 플래그를 온으로 하고(S33), 이 루틴에서의 처리를 종료한다.
한편, 단계 S32에서 부정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(NO), 바이패스 밸브고착 플래그 온이 바이패스 밸브 고착 시 변환 타임아웃 이상 계속되었는지의 여부를 판정한다(S34). 이 판정에서 긍정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(YES), 단계 S33의 처리로 이행한다. 한편, 단계 S34에서 부정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(NO), 바이패스 밸브 고착 시 변환완료 플래그를 오프로 하고(S35), 이 루틴에서의 처리를 종료한다.
다음에, 압력조정밸브(A1)에 대한 다른 바이패스 밸브 고착 시 변환 판정처리를 도 8의 플로우차트에 따라 설명한다.
먼저, 제어장치(160)는, FC 발전상태가 전압 강하인 경우, 바이패스 밸브 고착 플래그가 오프인지의 여부를 판정한다(S41). 이 판정에서 긍정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(YES), 조건이 성립하였다고 하여, 압력조정 밸브 개방도 지령값 = 0%(완전 폐쇄)로 하고(S42), 이 루틴에서의 처리를 종료한다.
한편, 단계 S41에서 부정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(NO), 제어장치(160)는, 압력조정 밸브 개방도 지령값 = 100%(완전 개방)로 하고(S43), 이 루틴에서의 처리를 종료한다. 또한, 단계 S43에서는, 공기유량 편차(조정압) = 0, 제어장치(160)에 있어서의 PI(비례적분제어)에서의 급속난기 시의 공기조정압(FB)(피드백)비례항, FB 적분항(전회값), FB 보정값을 모두 0으로 한다.
다음에, 급속난기 시에 있어서의 컴프레서(60)에 대한 처리를 도 9의 플로우차트에 따라 설명한다.
먼저, 제어장치(160)는, 바이패스 밸브 고착 플래그가 온이고 또한 바이패스 밸브 고착 시 변환완료 플래그가 오프인지의 여부를 판정한다(S51). 이 판정에서 긍정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(YES), 조건이 성립하였다고 하여, 에어컴프레서 송기량 지령값 = 희석 변환 시 공기량으로 하고(S52), 이 루틴에서의 처리를 종료한다. 한편, 단계 S51에서 부정의 판정결과가 얻어졌을 때에는(NO), 에어컴프레서 송기량 지량값 = FC 필요 공기량 + 급속난기 시 공기유량(FB) 보정값으로 하고(S53), 이 루틴에서의 처리를 종료한다.
즉, 제어장치(160)는, 바이패스 밸브(B1)의 이상 시에는, 에어컴프레서(60)의 회전수를 내려 공기 토출량을 감소시키기 위한 에어컨디셔너 송기량 지령값을 설정한다.
다음에, 급속난기 시에 있어서의 공기공급 제어·수소희석 제어를 도 10의 블럭도에 따라 설명한다.
본 실시형태에서는, 시동 시, P 렌지를 포함하는 급속난기 모드 운전 시에, 동결 등으로 바이패스 밸브(B1), 압력조정밸브(A1)가 고착된 경우는, 바이패스 밸브(B1)를 사용한 바이패스 제어를 정지하고, 저효율 동작점 보정을 에어컴프레서 유량으로 실시한다. 이때, 펌핑 수소 농도가 목표 농도를 넘지 않도록, 저효율 운전 제어연산으로 동작점에 가드를 거는 급속난기 모드운전, 예를 들면 D 렌지, N 렌지를 포함하는 저효율 운전 시에도, 바이패스 희석 제어를 실시하지 않는 것으로 하고 있다.
구체적으로는, 제어장치(160)는, 저효율 운전제어 연산부(200), 공기화학량론비 연산부(202), 공기 송기량 지령값 연산부(204), FC 필요 공기량 계산부(206),저효율 동작점 보정부(208)로서의 기능을 구비하여 구성되어 있다. 저효율 운전제어 연산부(200)는, 예를 들면, 연료전지시스템에 대한 요구전력을 기초로 저효율 발전 시에서의 연료전지(40)에 대한 FC 전류 지령값(300), FC 전압 지령값(302)을 산출한다. 공기화학량론비 연산부(202)는, 온도센서(T2)의 검출에 의한 FC 수온과 FC 전류 지령값(300)을 기초로 기준 I-V 맵(mp8)을 검색하여, FC 기준 전압값(304)을 추출하고, 추출한 FC 기준 전압값(304)과 FC 전압 지령값(302)의 편차를 편차 산출기(210)로 산출하여 공기 농도 과전압 목표값(306)을 생성하고, 공기 농도 과전압 목표값(306)을 기초로 공기화학량론비 맵(mp9)을 검색하여, 공기 농도 과전압 목표값(306)에 대응한 화학량론비 맵값(308)을 추출한다.
FC 필요 공기량 계산부(206)는, FC 소비 산소량 ÷ k(계수) × 화학량론 맵값(308)으로부터 FC 필요 공기량(310)을 산출한다.
저효율 동작점 보정부(208)는, 전류센서(S5)의 검출에 의한 FC 전류 필터값과 FC 전류 지령값(300)의 편차를 편차 산출기(212)로 산출하고, 편차 산출기(212)의 산출에 의한 전류를 변환부(214)에서 공기량으로 변환하고, 변환부(214)의 출력을 기초로 PI 제어부(216)에서 FB량을 산출하고, PI 제어부(216)의 산출결과와 FC 공기량(310)을 가산기(218)로 가산하고, 가산기(218)의 출력을 공기 송기량 지령값(312)으로서 에어컴프레서(60)에 출력한다. 에어컴프레서(60)는, 공기 송기량 지량값(312)을 회전수 지령값으로 하여, 그 회전수를 제어한다. 이 공기 송기량 지령값(312)은, 바이패스 밸브(B1)의 폐쇄 고장에 따르는 이상 시에는 통상 운전 시보다 그 회전수를 내리는 지령으로서 에어컴프레서(60)에 주어진다. 그리고, 에어컴프레서(60)의 회전수가 저하하면, 에어컴프레서(60)의 회전수의 저하에 따라, 에어컴프레서(60)의 공기 토출량이 저감하게 된다.
본 실시형태에 의하면, 바이패스 밸브(B1)의 폐쇄 고장에 따르는 이상이 발생하였을 때에는, 압력조정밸브(A1)의 개방도를 증가시키고, 에어컴프레서(60)의 회전수를 내려 공기 토출량을 저감시키고, 연료전지(40)에 대한 산화가스의 공급량을 적게 함과 동시에, 캐소드 오프 가스의 배출 유로를 확보하도록 하였기 때문에, 연료전지(40)가 과잉 화학량론비가 되는 것을 방지할 수 있음과 동시에, 바이패스 밸브(B1)의 이상 시에서도 저효율 발전을 실시하기 위한 급속난기 운전을 계속하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 압력조정밸브(A1)가 지정한 개방도까지 개방되었을 때에는, 급속난기용 회전수 맵으로부터 얻어진 공기유량이 되도록 에어컴프레서(60)의 회전수를 제어함으로써, 전압 강하 처리를 계속하는 것도 가능하다.
또 본 실시형태에서, 바이패스 밸브(B1)의 이상을 판정할 때에, 전류센서(S5)의 검출전류와 전류 지령값과의 차가 밸브 고착 판정 전류 문턱값을 넘었는지의 여부를 판정하는 대신, 전류센서(S5)의 검출전류(FC 전류 필터값) - FC 전류지령값의 차의 절대값 또는 변화율이 밸브 고착 판정 전류 문턱값을 넘었는지의 여부를 판정할 수도 있다.
또 본 실시형태에서, 연료전지(40)의 공기의 공급량을 감소시키는 수단으로서는 컴프레서의 회전수를 감소시키는 것을 예시하였으나, 이것에 한정되지 않는다. 연료전지의 공기공급압을 감소시킬 수 있으면, 다른 수단, 예를 들면, 공기를 외부로 퇴피하거나, 임시 수용탱크를 개방하거나, 또 다른 바이패스로를 구비하는 경우에는 그 밖의 바이패스로를 개방하거나 하는 등, 공지의 기술을 여러가지 적용가능하다.
또 본 실시형태에서, 연료전지(40)의 배기측의 압력을 내리는 수단으로서는 압력조정밸브(A1)의 개방도를 크게 하는 것을 예시하였으나, 이것에 한정되지 않는다. 배기측의 압력을 내릴 수 있으면, 다른 수단, 예를 들면, 캐소드 오프 가스 경로에 설치된 퍼지밸브를 개방하거나, 임시 수용탱크를 개방하거나 하는 등, 공지의 기술을 여러가지 적용 가능하다.
본 발명에 관한 연료전지시스템은, 저효율 발전 시에 바이패스 밸브에 이상이 생겨도, 연료전지가 과잉 화학량론비가 되는 것을 방지하는 것에 적합하다.
30 : 연료가스 공급원 40 : 연료전지
50 : 수소 순환 펌프 60 : 에어컴프레서
70 : 가습 모듈 80 : 희석기
110 : 트랙션 인버터 120 : 보조기기 인버터
130 : DC/DC 컨버터 140 : 배터리
160 : 제어장치 180 : 밸브체 위치 검지센서
A1 : 압력조정밸브 B1 : 바이패스 밸브
11 : 산화가스 공급로 12 : 캐소드 오프 가스유로
S4 : 전압센서 S5 : 전류센서
T1, T2 : 온도센서 P1, P2, P3 : 압력센서
mp1 : 저효율 운전 화학량론비 맵
mp2 : 펌핑 수소량 맵 mp3 : 퍼지 수소량 맵
mp4 : 공기압 조정밸브 개방도 맵
mp5 : 바이패스 밸브 개방도 맵
mp6 : 바이패스 밸브 고착 판정 압력 문턱값 맵
mp7 : 급속난기 시 바이패스 밸브 개방도 맵
100 : 연료전지시스템
200 : 저효율 운전제어 연산부
202 : 공기화학량론비 연산부
204 : 공기 송기량 지령값 계산부
206 : FC 필요 공기량 계산부
208 : 저효율 동작점 보정부
50 : 수소 순환 펌프 60 : 에어컴프레서
70 : 가습 모듈 80 : 희석기
110 : 트랙션 인버터 120 : 보조기기 인버터
130 : DC/DC 컨버터 140 : 배터리
160 : 제어장치 180 : 밸브체 위치 검지센서
A1 : 압력조정밸브 B1 : 바이패스 밸브
11 : 산화가스 공급로 12 : 캐소드 오프 가스유로
S4 : 전압센서 S5 : 전류센서
T1, T2 : 온도센서 P1, P2, P3 : 압력센서
mp1 : 저효율 운전 화학량론비 맵
mp2 : 펌핑 수소량 맵 mp3 : 퍼지 수소량 맵
mp4 : 공기압 조정밸브 개방도 맵
mp5 : 바이패스 밸브 개방도 맵
mp6 : 바이패스 밸브 고착 판정 압력 문턱값 맵
mp7 : 급속난기 시 바이패스 밸브 개방도 맵
100 : 연료전지시스템
200 : 저효율 운전제어 연산부
202 : 공기화학량론비 연산부
204 : 공기 송기량 지령값 계산부
206 : FC 필요 공기량 계산부
208 : 저효율 동작점 보정부
Claims (7)
- 연료전지에 대한 공기의 공급측과 당해 연료전지로부터의 공기의 배기측과의 사이를 바이패스하는 바이패스로에 바이패스 밸브가 설치된 연료전지시스템에 있어서,
저효율 발전 시에 당해 바이패스 밸브에 이상이 발생한 경우에는, 상기 연료전지의 당해 배기측의 압력을 내려, 캐소드 오프 가스의 배출량을 증가시키고, 또한, 공기의 공급량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 연료전지의 공기의 배기측에 공기 배압 밸브를 구비하고, 상기 연료전지의 공기의 공급측에 공기를 공급하는 에어컴프레서를 구비하여, 상기 바이패스 밸브에 이상이 발생한 경우에, 상기 공기 배압 밸브의 개방도를 증가시키고, 또한, 당해 에어컴프레서의 회전수를 저하시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. - 제 2항에 있어서,
상기 바이패스 밸브의 이상을 검출하는 바이패스 이상 검출수단과,
상기 공기 배압 밸브와 상기 에어컴프레서를 제어하는 제어수단을 구비하고,
상기 제어수단은, 상기 바이패스 이상 검출수단의 검출 출력에 응답하여, 상기 공기 배압 밸브의 개방도를 증가시키고, 또한, 상기 에어컴프레서의 회전수를 저하시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. - 제 3항에 있어서,
상기 바이패스 이상 검출수단은, 상기 에어컴프레서의 공기 토출측의 압력을 감시하여, 그 압력이 이상값을 나타낼 때에는, 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. - 제 3항에 있어서,
상기 바이패스 이상 검출수단은, 상기 연료전지의 전류의 절대값 또는 변화율이 전류 문턱값을 넘었을 때에, 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. - 제 3항에 있어서,
상기 바이패스 이상 검출수단은,
상기 에어컴프레서의 공기 토출측의 압력을 검출하는 압력센서와,
상기 압력센서의 검출 압력이 압력 문턱값을 넘었을 때에 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상으로 판정하는 압력 판정기로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. - 제 3항에 있어서,
상기 바이패스 이상 검출수단은,
상기 연료전지의 전류를 검출하는 전류센서와,
상기 전류센서의 검출전류와 전류 지령값의 차가 전류 문턱값을 넘었을 때에 상기 바이패스 밸브의 폐쇄 고장에 따르는 이상으로 판정하는 전류 판정기로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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