KR101765395B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

연료 가스의 배기 유량의 추정 정밀도의 저하가 억제된 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.
연료 전지와, 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 공급원과, 연료 공급원으로부터 공급된 연료 가스를 연료 전지에 흐르게 하는 공급 유로와, 연료 전지로부터 배출된 연료 가스를 공급 유로에 흐르게 하는 순환 유로와, 순환 유로 상에 배치되고 연료 가스로부터 수분을 분리하여 저류하는 기액 분리기와, 기액 분리기에 접속되고 기액 분리기 내의 저류수 및 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 유로와, 배출 유로에 설치된 배출 밸브와, 공급 유로, 순환 유로, 기액 분리기, 또는 배출 밸브보다도 상류측의 배출 유로 내의 압력과, 배출 밸브보다도 하류측의 압력의 차압을 검출하는 차압 검출부와, 배출 밸브의 개방에 의해 배출되는 연료 가스의 유량을 추정하는 제어부를 구비한 연료 전지 시스템을 제공한다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

연료 전지로부터 배출되는 연료 가스로부터 수분을 분리하여 저류하는 기액 분리기와, 기액 분리기에 접속되고 기액 분리기 내의 저류수와 함께 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 밸브를 구비한 연료 전지 시스템이 알려져 있다. 예를 들어 특허문헌 1에서는, 배출 밸브의 개방 밸브에 의한 연료 가스의 배기량을 추정하는 기술이 개시되어 있다. 여기서 배출 밸브는, 밸브체에 의해 개폐되는 배출구를 갖는 것이 있고, 배출구를 통하여 저류수 및 연료 가스가 외부로 배출된다.

일본 특허 공개 제2005-302708호 공보

연료 가스의 배기량을 고정밀도로 추정하기 위해서는, 연료 가스의 단위 시간당 배기 유량을 고정밀도로 추정할 수 있는 것이 바람직하다. 연료 가스의 유량을 추정하기 위하여, 예를 들어 배출 밸브의 개방 밸브 기간에서 배출 밸브의 상류측과 하류측의 차압에 기초하여 추정하는 것을 생각할 수 있다. 예를 들어, 미리 실험 등에 의해 얻어진 차압과 배기 유량의 관계에 기초하여, 검출된 차압으로부터 배기 유량을 추정하는 것을 생각할 수 있다.

그러나 차압에만 기초하여 배기 유량을 추정하면 추정 정밀도가 저하될 우려가 있다. 예를 들어, 배출 밸브의 개방 밸브에 의해 저류수가 먼저 배출된 후에 연료 가스가 배출되지만, 연료 가스의 배출 중이어도 연료 전지의 발전에 의한 생성수가 저류수로서 기액 분리기로부터 배출 밸브의 배출구를 통하여 외부로 배출되는 경우가 있다. 이 경우에는, 배출구로부터 저류수와 연료 가스가 동시에 배출된다고 생각되어진다. 여기서, 실질적으로 연료 가스가 유통하는 배출구의 단면적의 비율은, 배출구의 단면적 중 저류수가 차지하는 비율을 제외한 것으로 된다. 배출구의 단면적 중 저류수가 차지하는 비율은, 저류수의 양에 따라 변동되기 때문에, 실질적으로 연료 가스가 유통하는 배출구의 단면적의 비율도 마찬가지로 변동된다. 이로 인해, 이렇게 변동하는 연료 가스가 실질적으로 유통하는 배출구의 단면적의 비율을 고려하지 않고, 차압에만 기초하여 배기 유량을 추정하면, 그 추정 정밀도가 저하될 우려가 있다.

따라서, 연료 가스의 배기 유량의 추정 정밀도의 저하가 억제된 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 공급원과, 상기 연료 공급원으로부터 공급된 상기 연료 가스를 상기 연료 전지에 흐르게 하는 공급 유로와, 상기 연료 전지로부터 배출된 상기 연료 가스를 상기 공급 유로에 흐르게 하는 순환 유로와, 상기 순환 유로 상에 배치되고 상기 연료 가스로부터 수분을 분리하여 저류하는 기액 분리기와, 상기 기액 분리기에 접속되고 상기 기액 분리기 내의 저류수 및 상기 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 유로와, 상기 배출 유로에 설치된 배출 밸브와, 상기 공급 유로, 상기 순환 유로, 상기 기액 분리기, 또는 상기 배출 밸브보다도 상류측의 상기 배출 유로 내의 압력과, 상기 배출 밸브보다도 하류측의 압력의 차압을 검출하는 차압 검출부와, 상기 배출 밸브의 개방 밸브에 의해 배출되는 상기 연료 가스의 유량을 추정하는 제어부를 구비하고, 상기 배출 밸브는, 상기 저류수 및 연료 가스가 흐르는 배출구와, 상기 배출구를 개폐하는 밸브체를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 밸브체가 상기 배출구를 개방하고 있는 동안의 상기 차압과, 상기 밸브체가 상기 배출구를 개방하고 있는 동안의 상기 배출구의 단면적 중 상기 저류수가 차지하는 비율을 제외한 상기 연료 가스가 차지하는 비율에 기초하여 상기 연료 가스의 유량을 추정하는, 연료 전지 시스템에 의해 달성할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 연료 전지의 부하 전류값에 기초하여 상기 저류수가 차지하는 비율을 추정하는 구성이어도 된다.

상기 제어부는, 상기 연료 가스의 조성에 기초하여 상기 유량을 추정하는 구성이어도 된다.

상기 목적은, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 공급원과, 상기 연료 공급원으로부터 공급된 상기 연료 가스를 상기 연료 전지에 흐르게 하는 공급 유로와, 상기 연료 전지로부터 배출된 상기 연료 가스로부터 수분을 분리하여 저류하는 기액 분리기와, 상기 연료 전지로부터 배출된 상기 연료 가스를 상기 기액 분리기에 공급하는 제1 배출 유로와, 상기 기액 분리기에 접속되고 상기 기액 분리기 내의 저류수 및 상기 연료 가스를 외부로 배출하는 제2 배출 유로와, 상기 제2 배출 유로에 설치된 배출 밸브와, 상기 공급 유로, 상기 제1 배출 유로, 상기 기액 분리기, 또는 상기 제2 배출 유로 내의 상기 배출 밸브의 상류측의 압력과, 상기 배출 밸브보다도 하류측의 압력의 차압을 검출하는 차압 검출부와, 상기 배출 밸브의 개방 밸브에 의해 배출되는 상기 연료 가스의 유량을 추정하는 제어부를 구비하고, 상기 연료 전지로부터 배출된 상기 연료 가스를 상기 공급 유로로 복귀시키지 않는 애노드 비순환형의 연료 전지 시스템이며, 상기 배출 밸브는, 상기 저류수 및 연료 가스가 흐르는 배출구와, 상기 배출구를 개폐하는 밸브체를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 밸브체가 상기 배출구를 개방하고 있는 동안의 상기 차압과, 상기 밸브체가 상기 배출구를 개방하고 있는 동안의 상기 배출구의 단면적 중 상기 저류수가 차지하는 비율을 제외한 상기 연료 가스가 차지하는 비율에 기초하여 상기 연료 가스의 유량을 추정하는, 연료 전지 시스템에 의해서도 달성할 수 있다.

연료 가스의 배기 유량의 추정 정밀도의 저하가 억제된 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 연료 전지 시스템의 개략 구성도.
도 2는 배출 밸브의 작동과, 순환 유로 내의 압력과 배출 밸브보다도 하류측의 배출 유로 내의 압력의 차압의 변화를 나타낸 타이밍 차트.
도 3은 ECU에 의해 실행되는 배출 밸브의 개폐 제어의 흐름도.
도 4는 차압과 배수 유량의 관계를 규정한 맵.
도 5는 기준 유량과 기준 차압을 설명하기 위한 그래프.
도 6은 연료 전지에의 요구 발전량과 목표 수소 분압의 관계를 규정한 맵.
도 7은 배출 밸브의 단면도.
도 8은 배출 밸브의 단면도.
도 9는 배수 완료라고 판정된 후의 배출구의 단면도.
도 10은 배수 완료라고 판정된 후의 배출구의 단면도.
도 11은 보정 계수 Kc와 연료 전지의 부하 전류값의 관계를 규정한 맵.
도 12는 변형예에 관한 연료 전지 시스템의 개략 구성도.

이하, 도면을 참조하여 본 실시예의 연료 전지 시스템(1)(이하, 시스템이라고 칭함)에 대하여 설명한다. 시스템(1)은, 예를 들어 차량에 탑재되는 차량용 시스템에 적용할 수 있다. 단, 다른 용도의 시스템에 적용해도 된다. 도 1은 시스템(1)의 개략 구성도이다. 시스템(1)은, 전력 공급 수단으로서 연료 전지(2)를 구비하고 있다. 연료 전지(2)는 고체 고분자 전해질막 등의 전해질막이 촉매 전극인 애노드와 캐소드 사이에 끼워져 구성되고(도면 중에서는, 전해질막, 애노드, 캐소드의 도시는 생략하고 있음), 애노드에의 수소를 포함하는 연료 가스의 공급과 캐소드에의 공기 등의 산소를 포함하는 산화 가스의 공급을 받아 발전한다.

탱크(3)는 연료 전지(2)에 연료 가스를 공급하는 연료 공급원이다. 공급 유로(4)는 연료 전지(2)의 애노드 입구에 접속되고, 탱크(3)로부터 공급된 연료 가스를 연료 전지(2)에 흘린다. 공급 유로(4)에는 압력 조절 밸브(6)가 배치되어 있고, 탱크(3)로부터 공급되는 연료 가스는 압력 조절 밸브(6)로 감압되어 원하는 압력으로 조정되고 나서 연료 전지(2)에 공급된다. 또한, 공급 유로(4)에 있어서의 압력 조절 밸브(6)의 하류측에는 인젝터(10)가 배치되어 있다. 인젝터(10)는 밸브체를 전자 구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브 시트로부터 이격시킴으로써 가스 유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자 구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(10)나 압력 조절 밸브(6)는 ECU(Electronic Control Unit)(20)에 의해 제어된다.

연료 전지(2)의 애노드 출구에는 연료 전지(2)로부터 배출된 연료 가스(연료 오프 가스)를 공급 유로(4)에 흐르게 하는 순환 유로(8)가 접속되어 있다. 구체적으로는, 순환 유로(8)의 하류단은 공급 유로(4)에 접속되어 있다. 또한, 순환 유로(8)에는, 연료 전지(2)로부터 배출된 연료 가스를 가압하여 공급 유로(4)에 보내기 위한 순환 펌프(9)가 설치되어 있다. 이에 의해, 본 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지(2)의 운전 시에는 연료 가스는 공급 유로(4)와 순환 유로(8)를 통하여 순환한다.

순환 유로(8)의 도중에는 기액 분리기(12)가 배치되고, 연료 가스로부터 수분을 분리하고, 분리된 물을 저류하는 저류조(12a)를 갖고 있다. 시스템(1)에서는, 연료 전지(2)의 발전에 의해 생성된 물이 캐소드측으로부터 전해질막을 투과하여 애노드측에 누출되어 온다. 애노드측으로 이동한 물은 연료 가스와 함께 순환 유로(8)에 배출되어, 기액 분리기(12)에 있어서 회수된다.

기액 분리기(12)의 저류조(12a)의 저부에는, 기액 분리기(12) 내의 저류수 및 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 유로(14)가 접속되어 있다. 배출 유로(14)의 하류단은 외기에 노출되어 있다. 배출 유로(14)에는 배출 밸브(16)가 배치되어 있다. 배출 밸브(16)는 통상은 폐쇄되어 있고, ECU(20)에 의해 필요에 따라 개방된다. 배출 밸브(16)로서는, 예를 들어 셧 오프 밸브이다. 저류조(12a)로부터 저류수가 넘치기 전에 배출 밸브(16)가 개방되어 배수됨으로써, 액수가 순환 유로(8), 공급 유로(4)를 통하여 연료 전지(2)에 공급되는 것을 방지할 수 있다.

공급 유로(4)에는 인젝터(10)보다도 하류측에 공급 유로(4) 내의 압력을 검출하는 압력 센서(21)가 설치되어 있다. 압력 센서(21)는 주로 연료 전지(2)에 공급되는 연료 가스의 압력을 검출한다. 순환 유로(8)에는, 기액 분리기(12)보다도 상류측에 순환 유로(8) 내의 압력을 검출하는 압력 센서(22)가 설치되어 있다. 압력 센서(22)는 주로 연료 전지(2)로부터 배출되는 연료 가스의 압력을 검출하고, 배출 밸브(16)보다도 상류측의 압력을 검출할 수 있다. 배출 유로(14)에는 배출 밸브(16)보다도 하류측의 배출 유로(14) 내의 압력을 검출하는 압력 센서(23)가 설치되고, 배출 밸브(16)보다도 하류측의 압력을 검출할 수 있다. 압력 센서(23)의 검출값은 대략 대기압을 나타낸다. 압력 센서(21 내지 23)는 ECU(20)의 입력측에 접속되어 있다.

연료 전지(2)에는 부하 장치(30)가 접속되어 있다. 부하 장치(30)는 연료 전지(2)의 전기적 특성을 측정하기 위한 장치이며, 예를 들어 전기 화학계 범용 포텐시오 갈바노 스탯을 포함하여 구성할 수 있다. 부하 장치(30)는 배선에 의해 연료 전지(2)의 애노드측 세퍼레이터와 캐소드측 세퍼레이터에 전기적으로 접속되어 있다. 부하 장치(30)는 연료 전지(2)의 발전 시에 연료 전지(2)를 흐르는 부하 전류와, 연료 전지(2)의 부하 전압(셀 전압)을 측정할 수 있다. ECU(20)는 부하 장치(30)로부터의 출력 신호에 의해 연료 전지(2)의 부하 전류값을 검출한다.

연료 전지(2)에는, 연료 전지(2)를 냉각하기 위한 냉매를 순환시키는 경로가 접속되어 있고, 이 경로 상에 라디에이터(40)가 설치되어 있다. 냉각 매체로서는, 물, 공기 등을 사용할 수 있다. 라디에이터(40)의 출구측의 경로에는 냉매의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(24)가 설치되어 있다. 온도 센서(24)는 ECU(20)의 입력측에 접속되어 있다.

ECU(20)는 CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory)을 구비하는 마이크로컴퓨터를 포함하여 구성되어 있다. ECU(20)는, 시스템(1)의 각 구성 요소와 전기적으로 접속되고, 각 구성 요소로부터 수취하는 정보에 기초하여, 각 구성 요소의 동작을 제어한다. 또한, ECU(20)는 상세하게는 후술하는 연료 가스의 배기량을 추정하는 제어를 실행하는 제어부의 일례이다.

또한, 연료 전지(2)의 캐소드 입구에는 산화 가스를 공급하기 위한 통로가 접속되고, 캐소드 출구에는 산화 오프 가스를 배출하기 위한 통로가 접속되어 있지만, 도 1에서는 생략하고 있다.

상술한 바와 같이 배출 밸브(16)를 개방 밸브함으로써 기액 분리기(12) 내의 저류수를 외부로 배출할 수 있다. 이때에, 저류수와 함께 연료 가스의 일부가 외부로 배출된다. 여기서, 배출 밸브(16)로부터 배출되는 연료 가스의 실제 배기량이 목표 배기량으로 되도록 제어하는 것이 요구된다. 실제의 배기량이 목표 배기량에 대하여 너무 많으면, 연료 가스를 불필요하게 소비하게 되어 연비가 악화될 우려가 있기 때문이다. 반대로 실제의 배기량이 목표 배기량에 대하여 지나치게 적으면, 예를 들어 실제의 배기량이 제로이면, 저류수를 완전히 배출하지 못할 우려가 있기 때문이다. 또한, 배기량이 적으면, 크로스오버에 의해 캐소드측으로부터 애노드측으로 이동한 질소에 의해 연료 가스 중의 질소 농도가 상승하여 연비에 악영향을 줄 우려도 있기 때문이다. 따라서, 본 시스템(1)에서는, 배출 밸브(16)의 개방 밸브 중에 배출되는 연료 가스의 배기량을 후술하는 방법에 의해 추정하고, 추정된 배기량이 목표 배기량에 도달한 경우에 배출 밸브(16)를 폐쇄한다.

이어서, 배출 밸브(16)의 작동에 의한 압력의 변화 등을 설명한다. 도 2는 배출 밸브(16)의 작동과, 순환 유로(8) 내의 압력과 배출 밸브(16)보다도 하류측의 배출 유로(14) 내의 압력의 차압의 변화를 나타낸 타이밍 차트이다. 또한, 도 2는, 인젝터(10)로부터의 연료 가스의 공급이 계속하여 행하여지고 있어, 압력 센서(21)에 의해 검출되는 공급 유로(4) 내의 압력이 목표 압력으로 되도록 인젝터(10)가 피드백 제어되어 있는 경우를 나타낸다. 순환 유로(8) 내의 압력과 배출 밸브(16)보다도 하류측의 배출 유로(14) 내의 압력의 차압(이하, 간단히 차압이라고 칭함)은, 압력 센서(22, 23)로부터의 출력값에 기초하여 검출된다. 도 2에서는, 시점 tO에서 배출 밸브(16)가 폐쇄되어 있고, 시점 t1에서 배출 밸브(16)가 개방되고, 시점 t1 내지 t2 사이에서 기액 분리기(12) 내의 저류수의 배출이 완료되고, 시점 t2 내지 t3 사이에서 연료 가스가 배출된다. 또한, 설명의 편의상, 저류수의 배출 중에서의 차압을 차압 ΔPa라고 칭하고, 연료 가스의 배출 중에서의 차압을 차압 ΔPb라고 칭한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 배출 밸브(16)가 개방된 직후에는 차압 ΔPa는 곧바로는 변화되지 않고, 배출 밸브(16)의 개방으로부터 잠시 후에 차압 ΔPb가 저하된다. 배출 밸브(16)가 개방되기 전부터 배수가 완료되는 시점 t0 내지 t2 사이에서는, 실제로는 약간 순환 유로(8) 내의 압력은 저하되지만 무시할 수 있을 정도의 저하량이며, 차압 ΔPa는 거의 변화하지 않는다. 또한, 시점 t1 내지 t2 사이에서 차압 ΔPa가 거의 변화하지 않는 이유는, 시점 t1 내지 t2 사이에서는 저류수의 배수는 행하여지고 있지만 연료 가스의 배기는 행하여지고 있지 않기 때문이다.

배수가 완료되어 기액 분리기(12) 및 배출 유로(14)가 대기에 연통되면, 배출 유로(14)를 통하여 연료 가스가 배기되어 간다. 이에 의해, 시점 t2 내지 t3 사이에서 차압 ΔPb는 저하된다. 연료 가스가 배기됨으로써, 순환 유로(8)와 연통되어 있는 공급 유로(4) 내의 압력도 저하되기 때문이다. 또한, 후술하는 추정 방법에 의해 추정된 배기량이 목표 배기량에 도달했다고 판단된 경우에는 배출 밸브(16)는 폐쇄된다.

도 3은 ECU(20)에 의해 실행되는 배출 밸브(16)의 개폐 제어의 흐름도이다. ECU(20)는 시스템(1)이 운전 중인지 여부를 판정한다(스텝 S1). 저류수의 배수 처리는 시스템의 운전 중에 실시하기 때문이다. 시스템(1)의 운전 중의 경우에는 ECU(20)는 스텝 S1 이후의 처리가 실행되고, 시스템(1)의 운전 중이 아닌 경우에는 본 제어는 종료된다.

다음에 ECU(20)는, 배출 밸브(16)의 개방 밸브 조건이 성립되었는지 여부를 판정한다(스텝 S2). 배출 밸브(16)의 개방 밸브 조건이란, 예를 들어 전회의 배출 밸브(16)의 개방으로부터 경과 시간이 소정 시간에 도달한 경우 등이지만 이것에 한정되지 않는다. 개방 밸브 조건이 성립되어 있지 않은 경우에는, 본 제어는 종료된다. 배출 밸브(16)의 개방 밸브 조건이 성립되면, ECU(20)는, 배출 밸브(16)를 개방하고(스텝 S3), 배수가 완료되었는지 여부를 판정한다(스텝 S4).

배수가 완료되었는지 여부의 판정은, 예를 들어 이하와 같이 행한다. ECU(20)는 배출 밸브(16)가 개방되기 직전의 기액 분리기(12) 내의 저류량을 산출한다. 예를 들어, ECU(20)는, 전회 배수가 행하여지고 나서의 연료 전지(2)의 발전량에 따라 생성된 생성수량을, 연료 전지(2)의 부하 전류 등과 생성수량이 대응지어진 관계식이나 맵 등을 사용하여, 기액 분리기(12) 내의 저수량을 산출한다. 연료 전지(2)의 발전량은 부하 전류로부터 산출된다. 이어서, ECU(20)는, 순환 유로(8) 내의 압력과 배출 밸브(16)의 하류측의 압력의 차압 ΔPa로부터 배출 밸브(16)가 밸브 개방되고 나서의 배수량을 추정한다. 도 4는 차압 ΔPa와 배수 유량의 관계를 규정한 맵이다. ECU(20)는 이 맵에 기초하여, 차압 ΔPa에 대응한 배수 유량을 산출하고, 배출 밸브(16)가 개방된 시점 t1부터 현재 시점까지의 시간 적분을 산출하여, 배수량을 추정한다. 또한, 도 4의 맵은 미리 실험 등에 기초하여 규정되고, ECU(20)의 ROM에 기록되어 있다. 도 4의 맵은 차압 ΔPa가 클수록, 즉, 배출 밸브(16)의 하류측의 압력에 대하여 순환 유로(8) 내의 압력이 클수록, 단위 시간당 배수량이 많은 것을 나타내고 있다. 차압 ΔPa가 클수록, 외부에의 배수가 촉진되기 때문이다. 다음에 ECU(20)는 추정된 배수량이 산출된 저수량 이상으로 되었는지 여부를 판정한다. 추정된 배수량이 산출된 저류수 이상으로 된 경우에는, ECU(20)는 배수가 완료되었다고 판정된다. 추정된 배수량이 산출된 저류수 미만인 경우에는, ECU(20)는 배수가 완료되지 않았다고 판정하고, 추정된 배수량이 저수량 이상으로 될 때까지 배수량의 추정을 계속한다. 또한, 배수의 완료 판정은 상기 방법에 한정되지 않고, 예를 들어 차압의 저하율이 소정값 이상으로 된 경우에는 배기가 개시되었다고 하여, 배수가 완료된 것으로 판정해도 된다.

배수가 완료되었다고 판정되면, ECU(20)는 차압 ΔPb로부터 배출 밸브(16)의 개방에 의한 연료 가스의 배기량을 추정한다(스텝 S5). ECU(20)는 추정된 배기량이 목표 배기량 이상으로 되었는지 여부를 판정하고(스텝 S6), 추정된 배기량이 목표 배기량 이상으로 될 때까지 배기량의 추정을 계속한다. 추정된 배기량이 목표 배기량 이상으로 된 경우에는, ECU(20)는 배출 밸브(16)를 폐쇄하고(스텝 S7), 본 제어를 종료한다. 이상의 제어에 의해, 기액 분리기(12) 내의 저류수는 배수되고, 연료 가스도 원하는 양만큼 배기된다.

이어서, 연료 가스의 배기 유량의 추정 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 이하의 식은 배기 유량을 추정하기 위한 식이다.

배기 유량 Q는 연료 가스의 배기 유량을 나타낸다. 기준 유량 Qr, 기준 차압 ΔPr은, 상세하게는 후술하겠지만 미리 정해진 고정값이다. 차압 ΔPb는 압력 센서(22, 23)에 의해 검출된 차압이다. 보정 계수 Kt는, 연료 가스의 온도를 고려한 계수이다. 보정 계수 Kg는, 연료 가스의 조성을 고려한 계수이다. 보정 계수 Kc는, 상세하게는 후술하는 배출 밸브(16)의 배출구에 나타내는 액수의 비율을 고려한 계수이다. 상기한 식에 의해, 배수 완료 후에 상기 식에 기초하여 유량을 산출하고, 유량을 시간 적분하여 배기량을 추정한다.

이어서, 기준 유량 Qr, 기준 차압 ΔPr에 대하여 설명한다. 도 5는 기준 유량 Qr과 기준 차압 ΔPr을 설명하기 위한 그래프이다. 실험에 의해, 소정의 기준 차압 ΔPr의 경우의 배기 유량을 측정하면, 복수의 상이한 유량값이 얻어졌다. 이렇게 기준 차압 ΔPr이 일정해도 실제의 유량값에는 편차가 발생한다. 여기서, 기준 유량 Qr은, 차압이 소정의 기준 차압 ΔPr인 경우에 취할 수 있던 복수의 유량값의 중앙값으로부터 소정값을 감산한 값으로 설정되어 있다. 이 이유는, 실제의 유량값에는 편차가 발생하기 때문에, 기준 유량 Qr로서 예를 들어 중앙값이나 평균값을 채용하여 배기 유량을 추정하면, 실제의 유량보다도 추정된 유량이 많아지는 경우가 있고, 실제의 배기량은 목표 배기량에는 도달하지 않았음에도 불구하고, 추정된 배기량이 목표 배기량에 도달했다고 판정되어 배출 밸브(16)가 폐쇄될 우려가 있기 때문이다. 이 경우, 목표 배기량보다도 실제의 배기량이 적어지고, 크로스오버에 의해 연료 가스 중의 질소 농도가 증대되어 연료 전지(2)의 발전에 악영향을 줄 우려가 있다. 본 실시예에서는 이러한 유량의 편차를 고려하여, 기준 유량 Qr이 정해져 배기 유량 Q가 추정된다. 이에 의해, 실제의 배기량이 추정된 배기량보다도 적어지는 것이 억제되어, 유량의 추정 정밀도의 저하가 억제되고 있다.

이어서, 보정 계수 Kt에 대하여 설명한다. 보정 계수 Kt는 이하의 식에 의해 산출된다.

온도 Ta는 연료 가스의 실제 온도이며, 구체적으로는 온도 센서(24)로부터 얻어진 냉매의 온도를 연료 가스의 온도로서 채용된다. 기준 온도 Tr은, 상술한 기준 차압 ΔPr로 유량을 측정했을 때의 연료 가스 온도이다. 온도에 의해 연료 가스의 체적이나 압력이 변화하여 유량도 변화하기 때문에, 이와 같이 연료 가스의 온도를 고려함으로써, 유량의 추정 정밀도의 저하가 억제되고 있다.

이어서, 보정 계수 Kg에 대하여 설명한다. 보정 계수 Kg는 이하의 식에 의해 산출된다.

기준 가스 조성값 Gr은, 기준 수소 농도 D1r에 수소의 분자량인 2를 승산한 값과, 기준 질소 농도 D2r에 질소의 분자량인 28을 승산한 값과, 기준 수증기 농도 D3r에 물의 분자량인 18을 승산한 값을 가산한 값이다. 기준 가스 조성은, 상술한 실험에 기초하여 정해진 연료 가스의 조성을 나타내고, 기준 수소 농도 D1r, 기준 질소 농도 D2r, 기준 수증기 농도 D3r은 실험에 의해 정해진 고정값이다. 따라서, 기준 가스 조성값 Gr도 고정값이다. 가스 조성값 Ga는, 실제의 연료 가스 수소 농도 D1, 질소 농도 D2, 수증기 농도 D3에 기초하여 산출되는 값이다.

수소 농도 D1, 질소 농도 D2, 수증기 농도 D3은 각각 이하의 식에 의해 산출된다.

수소 분압 P1, 질소 분압 P2, 수증기 분압 P3을 가산한 값이 연료 가스의 전압 P이다. 전압 P는, 예를 들어 압력 센서(21 또는 22)로부터의 출력값에 기초하여 취득된다.

수소 분압 P1은, 예를 들어 도 6의 맵에 기초하여 산출되고, 또한 발전에 의한 수소 소비량을 고려하여 산출된다. 도 6은 연료 전지(2)에의 요구 발전량과 목표 수소 분압의 관계를 규정한 맵이다. 인젝터(10)에 의한 연료 가스 공급량은, 이 맵에 기초하여 제어된다. 또한, 도 6의 맵은 미리 실험 등에 기초하여 규정되어, ECU(20)의 ROM에 기록되어 있다.

질소 분압 P2는 캐소드측으로부터 애노드측에의 크로스오버에 의해 이동한 질소량에, 탱크(3) 내의 연료 중의 불순물 비율로부터 산출되는 질소량을 가산하고, 배출 밸브(16)의 개방에 의해 배출되는 질소량을 감산하고, 전회 산출된 질소 분압값을 가산하여 얻어진 값에 기초하여 산출된다. 크로스오버에 의해 이동한 질소량은, 캐소드측 및 애노드측의 질소의 분압차에 투과 계수를 승산한 값에 기초하여 산출한다. 또한, 이 분압차를 산출하기 위한 애노드측의 질소 분압은, 초기값으로서 대기압 중의 질소 분압값인 80KPa를 사용한다. 초기값에 있어서는, 크로스오버에 의해 캐소드측의 질소 분압과 동일해지기 때문이다. 또한, 탱크(3) 내의 연료 중의 불순물 비율로부터 산출되는 질소량은, 탱크(3)로부터 연료 전지(2)에의 수소 공급 유량에 탱크(3) 내의 연료 중의 불순물의 비율을 승산한 값에 기초하여 산출된다. 탱크(3) 내의 연료 가스 중의 불순물의 비율에 대해서는, 미리 ECU(20)의 ROM에 기억되어 있다. 배출 밸브(16)의 개방에 의해 배출되는 질소량은, 배기중에 수학식 1에 의해 산출된 유량에 기초하여 계속적으로 적산되어 있는 배기량에, 전회 산출된 질소 분압값을 승산하여 전압으로 제산한 값에 기초하여 산출된다.

수증기 분압 P3은, 냉매의 온도를 연료 가스의 온도로서 사용하여, 그 온도에 기초하여 노점 온도를 산출하고, 노점 온도에 기초하여 수증기 분압을 산출한다. 구체적으로는, 연료 가스의 온도가 80℃ 이하인 경우, 연료 가스 중의 수증기는 포화 상태에 있다고 간주하고 그 온도를 노점 온도로 간주하고, 포화 증기압 곡선으로부터 그 온도에서의 포화 증기압을 수증기 분압으로 한다. 연료 가스의 온도가 80℃ 이상인 경우, 수증기는 미포화의 상태로 하고, 적합한 맵에 기초하여 노점 온도를 산출하고, 그 노점 온도에 기초하여 맵에 의해 수증기 분압을 설정한다.

이상과 같이 연료 가스의 조성을 고려하여 유량을 추정하므로, 유량의 추정 정밀도의 저하가 억제되고 있다.

이어서, 보정 계수 Kc에 대하여 설명하지만, 보정 계수 Kc를 설명하기 전에 배출 밸브(16)의 구조에 대하여 설명한다. 도 7, 도 8은, 배출 밸브(16)의 단면도이다. 배출 밸브(16)는 전자 코일(113)의 조작력에 의해 밸브체(104)의 개폐를 행하는 직동식 전자기 밸브이다. 전자 코일(113)에 통전되면 철제의 코어(108)가 대전하고, 이에 의해 플런저(112)가 도 6의 화살표 방향으로 미끄럼 이동한다. 플런저(112)의 선단에는, 밸브체(104)가 고정되고, 밸브체(104)의 선단에는 시일 고무(102)가 고정되어 있다. 플랜지부(114)는 배출 유로(14)에 접속된 1차 통로(115), 2차 통로(116)가 형성되어 있다. 1차 통로(115)는 대략 수평 방향으로 연장되어 상류부터 하류에 걸쳐 내경이 작게 되어 있다. 도 7에서는 1차 통로(115)의 하류단의 배출구(115a)가 밸브체(104)에 의해 폐쇄되어 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 전자 코일(113)이 통전됨으로써 플런저(112)가 후퇴하여 밸브체(104)가 배출구(115a)를 개방한다. 이에 의해, 1차 통로(115)로부터 2차 통로(116)에 저류수 및 연료 가스가 흐른다.

도 9, 도 10은 배수 완료라고 판정된 후의 배출구(115a)의 단면도이다. 도 9에 도시한 바와 같이, 배수가 완료 후에 연료 가스가 배출구(115a)로부터 배출된다. 그러나, 도 10에 도시한 바와 같이 배수 완료라고 판정된 후에도 연료 전지(2)의 발전에 기초하는 생성수의 발생이 많은 경우에는, 저류수로서 배출구(115a)를 흐르고, 연료 가스도 동시에 배출구(115a)를 흐르는 경우가 있다. 예를 들어 도 9에서는 배출구(115a)의 단면적의 100퍼센트를 연료 가스가 흐르는 것에 비하여, 도 10에서는 배출구(115a)의 단면적의 70퍼센트를 연료 가스가 흐르고 단면적의 30퍼센트를 저류수가 흐른다. 보정 계수 Kc는, 이러한 배출구(115a)의 단면적 중 저류수가 차지하는 비율을 제외한, 연료 가스가 차지하는 비율을 나타내는 계수이다.

도 11은 보정 계수 Kc와 연료 전지(2)의 부하 전류값의 관계를 규정한 맵이다. 보정 계수 Kc는 0을 초과하고 1 이하인 값을 취하고, 부하 전류값이 높을수록 보정 계수 Kc는 작아진다. 부하 전류값이 높을수록 연료 전지(2)의 발전에 의한 생성수량이 증가되어 기액 분리기(12) 내에 흘러, 배수 완료의 판정 후에도 저류수로서 배출구(115a)의 단면적을 차지하는 비율이 커져, 실질적으로 연료 가스가 유통하는 배출구(115a)의 단면적의 비율이 감소되기 때문이다. 또한, 부하 전류값이 작을수록 보정 계수 Kc는 커진다. 부하 전류값이 작을수록 연료 전지(2)의 발전에 의한 생성수량은 적기 때문에, 저류수가 배출구(115a)의 단면적을 차지하는 비율이 적어져, 실질적으로 연료 가스가 유통하는 배출구(115a)의 단면적의 비율이 증대되기 때문이다. 또한, 부하 전류값이 제로인 경우에는, 보정 계수 Kc는 1이다. 부하 전류값이 제로인 경우에는 연료 전지(2)는 발전하고 있지 않고 생성수의 양도 제로라고 생각할 수 있기 때문이다. 또한, 도 11의 맵은 미리 실험 등에 기초하여 규정되어, ECU(20)의 ROM에 기록되어 있다.

이상과 같이, 배출구(115a) 중 연료 가스가 유통하는 실질적인 단면적을 고려하여 유량을 추정하기 때문에, 유량의 추정 정밀도의 저하가 억제되고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 유량의 편차를 고려하여 설정된 기준 유량 Qr이나, 연료 가스의 온도를 고려하여 설정된 보정 계수 Kt, 연료 가스의 조성을 고려하여 설정된 보정 계수 Kg, 연료 가스가 실질적으로 유통하는 배출구(115a)의 단면적의 비율을 고려하여 설정된 보정 계수 Kc와, 차압 ΔPb에 기초하여 배기 유량 Q를 추정한다. 이에 의해, 배기 유량 Q의 추정 정밀도의 저하가 억제되고 있다.

또한, 상기 실시예에서는, 순환 유로(8) 내의 압력을 검출하는 압력 센서(22)에 기초하여 차압 ΔPa, ΔPb를 검출했지만 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 압력 센서(22) 대신에 공급 유로(4), 기액 분리기(12), 또는 배출 밸브(16)보다도 상류측의 배출 유로(14) 내의 압력을 검출하는 압력 센서의 검출값을 사용해도 된다.

또한, 배출 밸브(16)보다도 하류측의 배출 유로(14) 내의 압력을 검출하는 압력 센서(23)에 기초하여 차압 ΔPa, ΔPb를 검출했지만 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 압력 센서(23) 대신 배출 유로(14) 이외의 장소에 설치되고 대기압을 검출 가능한 위치에 설치된 압력 센서를 사용해도 된다. 배출 밸브(16)의 개방에 의해 배기는 대기에 배출되기 때문에, 이러한 압력 센서라도 배출 밸브(16)의 하류측의 압력을 검출하고 있게 된다.

도 12는 변형예에 관한 시스템(1a)의 개략 구성도이다. 시스템(1a)은 시스템(1)과 달리, 애노드 비순환형이며, 순환 유로(8) 및 순환 펌프(9)는 설치되어 있지 않아, 연료 전지(2)로부터 배출된 연료 가스가 다시 공급 유로(4) 및 연료 전지(2)로 되돌려지는 일은 없다. 또한, 시스템(1a)은 연료 전지(2)로부터 배출된 연료 가스를 기액 분리기(12)에 공급하는 제1 배출 유로(14a)와, 기액 분리기(12)에 접속되고 기액 분리기(12) 내의 저류수 및 연료 가스를 외부로 배출하는 제2 배출 유로(14b)를 구비하고 있다. 배출 밸브(16)는 제2 배출 유로(14b)에 배치되어 있다. 따라서, 연료 전지(2)로부터 배출된 연료 가스는, 배출 밸브(16)가 개방됨으로써 외부로 배출된다. 압력 센서(22)는 제1 배출 유로(14a)에 설치되어 제1 배출 유로(14a) 내의 압력을 검출한다. 압력 센서(23)는 제2 배출 유로(14b)에 설치되어 배출 밸브(16)보다도 하류측에서의 제2 배출 유로(14b) 내의 압력을 검출한다. 이러한 시스템(1a)에 있어서도, 상술한 방법에 의해, 배기 유량 Q의 추정 정밀도의 저하가 억제된다. 또한, 이 경우에 있어서도, 압력 센서(23) 대신에 대기압을 검출하는 압력 센서를 사용해도 된다. 또한, 압력 센서(22) 대신에 공급 유로(4), 기액 분리기(12), 또는 배출 밸브(16)보다도 상류측의 제2 배출 유로(14b) 내의 압력을 검출하는 압력 센서의 검출값을 사용해도 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 관련한 특정한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지 범위 내에 있어서, 다양한 변형·변경이 가능하다.

상술한 연료 가스 중의 수소 농도, 질소 농도, 수증기 농도는 센서에 의해 검출해도 된다.

상기 배출 밸브(16)의 1차 통로(115)는 수평 방향으로 연장되어 있지만 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 1차 통로(115)는 연직 하방으로 연장된 것이어도 되고, 비스듬히 하방으로 연장된 것이어도 된다. 이러한 경우에도 연료 전지(2)의 발전에 의한 생성수가 저류수로서 연료 가스의 배기 중에 배기 밸브의 배출구를 흐르는 일이 일어날 수 있기 때문이다.

1 연료 전지 시스템
2 연료 전지
3 탱크(연료 공급원)
4 공급 유로
8 순환 유로
12 기액 분리기
16 배출 밸브
20 ECU(제어부)
21, 22, 23 압력 센서

Claims (4)

1. 연료 전지와,
   상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 공급원과,
   상기 연료 공급원으로부터 공급된 상기 연료 가스를 상기 연료 전지에 흐르게 하는 공급 유로와,
   상기 연료 전지로부터 배출된 상기 연료 가스를 상기 공급 유로에 흐르게 하는 순환 유로와,
   상기 순환 유로 상에 배치되고 상기 연료 가스로부터 수분을 분리하여 저류하는 기액 분리기와,
   상기 기액 분리기에 접속되고 상기 기액 분리기 내의 저류수 및 상기 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 유로와,
   상기 배출 유로에 설치된 배출 밸브와,
   상기 공급 유로, 상기 순환 유로, 상기 기액 분리기, 또는 상기 배출 밸브보다도 상류측의 상기 배출 유로 내의 압력과, 상기 배출 밸브보다도 하류측의 압력의 차압을 검출하는 차압 검출부와,
   상기 배출 밸브의 개방에 의해 배출되는 상기 연료 가스의 유량을 추정하는 제어부를 구비하고,
   상기 배출 밸브는, 상기 저류수 및 연료 가스가 흐르는 배출구와, 상기 배출구를 개폐하는 밸브체를 구비하고,
   상기 제어부는, 상기 밸브체가 상기 배출구를 개방하고 있는 동안의 상기 차압과, 상기 밸브체가 상기 배출구를 개방하고 있는 동안의 상기 배출구의 단면적 중 상기 저류수가 차지하는 비율을 제외한 상기 연료 가스가 차지하는 비율에 기초하여 상기 연료 가스의 유량을 추정하는, 연료 전지 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 부하 전류값에 기초하여 상기 연료 가스가 차지하는 비율을 추정하는, 연료 전지 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는 상기 연료 가스의 조성에 기초하여 상기 유량을 추정하는, 연료 전지 시스템.
4. 연료 전지와,
   상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 공급원과,
   상기 연료 공급원으로부터 공급된 상기 연료 가스를 상기 연료 전지에 흐르게 하는 공급 유로와,
   상기 연료 전지로부터 배출된 상기 연료 가스로부터 수분을 분리하여 저류하는 기액 분리기와,
   상기 연료 전지로부터 배출된 상기 연료 가스를 상기 기액 분리기에 공급하는 제1 배출 유로와,
   상기 기액 분리기에 접속되고 상기 기액 분리기 내의 저류수 및 상기 연료 가스를 외부로 배출하는 제2 배출 유로와,
   상기 제2 배출 유로에 설치된 배출 밸브와,
   상기 공급 유로, 상기 제1 배출 유로, 상기 기액 분리기, 또는 상기 제2 배출 유로 내의 상기 배출 밸브의 상류측의 압력과, 상기 배출 밸브보다도 하류측의 압력의 차압을 검출하는 차압 검출부와,
   상기 배출 밸브의 개방에 의해 배출되는 상기 연료 가스의 유량을 추정하는 제어부를 구비하고,
   상기 연료 전지로부터 배출된 상기 연료 가스를 상기 공급 유로로 복귀시키지 않는 애노드 비순환형의 연료 전지 시스템이며,
   상기 배출 밸브는, 상기 저류수 및 연료 가스가 흐르는 배출구와, 상기 배출구를 개폐하는 밸브체를 구비하고,
   상기 제어부는, 상기 밸브체가 상기 배출구를 개방하고 있는 동안의 상기 차압과, 상기 밸브체가 상기 배출구를 개방하고 있는 동안의 상기 배출구의 단면적 중 상기 저류수가 차지하는 비율을 제외한 상기 연료 가스가 차지하는 비율에 기초하여 상기 연료 가스의 유량을 추정하는, 연료 전지 시스템.

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