KR101807918B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 에어 컴프레서에 의한 배수를 행할 때의 연비 악화를 억제하는 것이다.
연료 전지 시스템은, 연료 가스와 공기를 반응시켜 발전하는 연료 전지와, 공기를 압축하여 상기 연료 전지에 공기를 공급하는 에어 컴프레서와, 상기 연료 전지 및 에어 컴프레서의 동작을 제어하는 제어부와, 상기 연료 전지로부터 오프 가스 및 생성수를 배출하는 배기계 부재를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 에어 컴프레서에 의한 공기의 유량이 제1 유량보다도 큰 것을 포함하는 제1 조건이 성립한 경우에는, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 올려, 상기 제1 유량보다도 큰 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시킨다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본원은, 2014년 10월 16일에 출원된 출원 번호 제2014-211328의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시된 전부가 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은, 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지에서 생성된 생성수를 흘려 보내지 않고 탱크 내에 일시 저류하고, 에어 컴프레서를 사용하여 저류된 생성수를 배출하는 연료 전지 시스템이 알려져 있다(일본 특허 공개 제2008-235203호 공보).
그러나, 배수를 위해 에어 컴프레서의 유량을 많게 하면, 소비 전력이 증가하여, 연료 전지의 연비가 나빠지고, 또한 에어 컴프레서의 동작음도 커진다. 상기 기술에서는, 옥내에서는 배수하지 않고 옥외에서 배수하도록 배수 처리를 실행하고 있지만, 연료 전지, 혹은 연료 전지를 탑재한 차량의 동작 상태나 연비와, 에어 컴프레서의 유량의 관계에 대해서는, 충분히 검토되고 있지 않았다.
본 발명은, 상술한 과제 중 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
제1 형태는, 연료 전지 시스템을 제공한다. 제1 형태에 관한 연료 전지 시스템은, 연료 가스와 공기를 반응시켜 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 공기를 공급하는 에어 컴프레서와, 상기 연료 전지 및 에어 컴프레서의 동작을 제어하는 제어부와, 상기 연료 전지로부터 오프 가스 및 생성수를 배출하는 배기계 부재를 구비한다. 상기 제어부는, 상기 에어 컴프레서에 의한 공기의 유량이 제1 유량보다도 큰 것을 포함하는 제1 조건이 성립한 경우에는, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜, 상기 제1 유량보다도 큰 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시킨다. 제1 형태에 관한 연료 전지 시스템에서는, 공기의 유량이 제1 유량보다도 큰 경우에 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜 연료 전지에 추가의 공기를 공급한다. 따라서, 연료 전지로부터 물을 배출시키기 위해, 예를 들어 제2 유량 이상의 공기를 연료 전지에 공급할 때, 공기의 유량이 제1 유량보다도 크지 않은 경우에 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜 연료 전지에 추가의 공기를 공급하는 경우와 비교하여, 추가의 공기의 유량이 적어지게 된다. 이 결과, 주행에 직접 관계가 없는 연료 소비가 적어지게 되어, 연비를 향상시킬 수 있다.
제1 형태에 관한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 내의 물의 양과 상기 배기계 부재에 존재하는 물의 양의 합인 생성수 잔량을 추정하고, 상기 제1 조건은, 또한 상기 생성수 잔량의 추정값이 제1 값보다도 큰 것을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 조건이 성립한 경우에, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜, 상기 제1 유량보다도 큰 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시켜도 된다. 이 형태에 의하면, 생성수 잔량이 많은 경우에 배수를 행하기 때문에, 생성수 잔량이 적을 때에는, 에어 컴프레서의 회전수를 증대시키지 않으므로, 연료 소비가 적어지게 되어, 연비를 향상시킬 수 있다.
제1 형태에 관한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 생성수 잔량의 추정값이 상기 제1 값보다도 크고, 상기 연료 전지의 요구 전력량이 제1 전력량보다도 큰 것을 포함하는 제2 조건이 성립한 경우에는, 상기 제1 조건의 성립의 유무에 관계없이, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜, 상기 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시켜도 된다. 연료 전지의 요구 전력량이 제1 전력량보다도 큰 경우에는, 발전에 필요한 공기량도 많다. 따라서, 물을 배출하기 위해 추가로 필요한 공기의 양이 적어지게 되어, 주행에 직접 관계가 없는 연료 소비를 적게 할 수 있다.
제1 형태에 관한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 생성수 잔량의 추정값이 상기 제1 값보다도 큰 제2 값보다 큰 경우에는, 제1 조건의 성립의 유무에 관계없이, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜, 상기 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시켜도 된다. 생성수 잔량의 추정값이 상기 제1 값보다도 큰 제2 값보다 큰 경우에는, 물은 플러딩 등을 야기시켜 발전에 큰 영향을 미친다. 따라서, 이러한 경우에는, 제1 조건의 성립의 유무에 관계없이, 즉, 연비를 고려하지 않고, 배수 처리를 행하는 것이 바람직하다.
제1 형태에 관한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 생성수 잔량의 추정값이 제1 값보다도 크지만, 상기 에어 컴프레서에 의한 공기의 유량이 제1 유량보다도 크지 않은 경우에는, 다른 조건에 따라서 상기 에어 컴프레서의 회전수를 상승시키는 경우를 제외하고, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 유지해도 된다. 제어부는, 제1 조건을 충족시키지 않는 경우에는, 다른 조건에 의해 에어 컴프레서의 회전수를 상승시키지 않는 경우를 제외하고, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 유지하므로, 연비를 유지할 수 있다.
제1 형태에 관한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 내의 물의 양, 또는 상기 배기계 부재에 존재하는 물의 양을 추정하고, 상기 제1 조건은, 또한 상기 연료 전지 내의 물의 양의 추정값 또는 상기 배기계 부재에 존재하는 물의 양이 제1 값보다도 큰 것을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 조건이 성립한 경우에, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜, 상기 제1 유량보다도 큰 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시켜도 된다. 이 형태에 의하면, 연료 전지 내, 혹은 배기계 부재 중 한쪽에만 물이 체류한 경우에도 배수를 실행할 수 있다.
제1 형태에 관한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은, 차량에 탑재되어 있고, 상기 제어부는, 또한 상기 차량의 속도가 제1 속도보다도 큰 경우에, 상기 제1 조건이 성립한 것으로 해도 된다. 에어 컴프레서의 회전수를 올리면, 에어 컴프레서의 동작음도 커지지만, 차량의 속도가 큰 경우에는, 풍절음이나 로드 노이즈도 크다. 따라서, 제어부는, 또한, 차량의 속도가 큰 것(예를 들어 제1 속도보다도 큰 것)을 충족시킨 경우에, 제1 조건을 충족시킨 것으로 한다. 이 경우, 에어 컴프레서의 회전수를 올려 에어 컴프레서의 동작음 등이 커져도, 에어 컴프레서의 동작음은 풍절음이나 로드 노이즈에 의해 상쇄되므로, 에어 컴프레서의 동작음의 증대에 수반되는 영향이 적다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 시스템 외에, 연료 전지 탑재 차량, 연료 전지의 제어 방법 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 연료 전지를 탑재한 차량을 나타내는 설명도.
도 2는 차량의 연료 전지 시스템을 나타내는 설명도
도 3은 제1 실시 형태에 있어서의 배수 처리의 제어 흐름도를 나타내는 설명도.
도 4는 제1 실시 형태의 효과를 나타내는 설명도.
도 5는 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템에 있어서의 배수 처리의 제어 흐름도를 나타내는 설명도.
도 6은 본 발명의 제1 변형예를 나타내는 설명도.
도 7은 본 발명의 제2 변형예를 나타내는 설명도.
제1 실시 형태 :
도 1은, 연료 전지를 탑재하는 차량을 나타내는 설명도이다. 차량(10)은, 연료 전지(100)와, 제어부(110)[ECU(Electronic Control Unit)라고도 칭함]와, 요구 출력 검지부(120)와, 2차 전지(130)와, 분배 컨트롤러(140)와, 구동 모터(150)와, 구동 샤프트(160)와, 분배 기어(170)와, 차륜(180)을 구비한다.
연료 전지(100)는, 연료 가스와 산화 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전력을 생성하는 발전 장치이다. 제어부(110)는, 요구 출력 검지부(120)로부터 취득한 요구 출력값에 기초하여, 연료 전지(100)와 2차 전지(130)로부터의 전력의 출력을 제어한다. 요구 출력 검지부(120)는, 운전자에 의한 액셀러레이터 페달(도시하지 않음)의 답입량을 검지하고, 그 답입량의 크기로부터, 운전자의 요구 출력을 검지한다. 제어부(110)는, 요구 출력에 기초하여 연료 전지(100)에 요구하는 요구 전력량을 산출한다. 2차 전지(130)로서는, 예를 들어 니켈 수소 전지나, 리튬 이온 전지를 채용할 수 있다. 2차 전지(130)에의 충전은, 예를 들어 연료 전지(100)로부터 출력되는 전력을 사용한 충전, 차량(10)이 감속할 때 차량(10)의 운동 에너지를 구동 모터(150)에 의해 회생하여 얻어지는 회생 전력을 사용한 충전에 의해 행할 수 있다. 분배 컨트롤러(140)는, 제어부(110)로부터의 명령을 받아, 연료 전지(100)로부터 구동 모터(150)로 인출하는 전력량과, 2차 전지(130)로부터 구동 모터(150)로 인출하는 전력량을 제어한다. 또한, 분배 컨트롤러(140)는, 차량(10)의 감속시에, 제어부(110)로부터의 명령을 받아, 구동 모터(150)에 의해 회생된 회생 전력을 2차 전지(130)에 공급한다. 구동 모터(150)는, 전력의 공급을 받아, 차량(10)을 움직이게 하기 위한 전동기로서 기능한다. 또한, 구동 모터(150)는, 차량(10)의 감속시, 차량(10)의 운동 에너지를 전기 에너지로서 회생하는 발전기로서 기능한다. 구동 샤프트(160)는, 구동 모터(150)가 발하는 구동력을 분배 기어(170)에 전달하기 위한 회전축이다. 분배 기어(170)는, 좌측 후방측 차륜(180)의 좌우 각각의 차륜으로 구동력을 분배한다.
도 2는, 차량(10)의 연료 전지 시스템을 나타내는 설명도이다. 차량(10)은, 연료 전지(100)와, 연료 가스 공급 회로(200)와, 산화 가스 공급 회로(300)와, 배기 가스 회로(400)와, 냉각 회로(500)를 구비한다.
연료 가스 공급 회로(200)는, 연료 가스 탱크(210)와, 연료 가스 공급관(220)과, 연료 가스 배기관(230)과, 연료 가스 환류관(240)과, 메인 스톱 밸브(250)와, 레귤레이터(260)와, 기액 분리기(280)와, 수소 펌프(290)를 구비한다. 연료 가스 탱크(210)는, 연료 가스를 저장한다. 본 실시 형태에서는, 연료 가스로서, 수소 가스를 사용하고 있다. 연료 가스 탱크(210)와, 연료 전지(100)는, 연료 가스 공급관(220)에 의해 접속되어 있다. 연료 가스 공급관(220) 상에는, 연료 가스 탱크(210)측으로부터, 메인 스톱 밸브(250)와, 레귤레이터(260)가 설치되어 있다. 메인 스톱 밸브(250)는, 연료 가스 탱크(210)로부터의 연료 가스의 공급을 온 오프한다. 레귤레이터(260)는, 연료 전지(100)에 공급되는 연료 가스의 압력을 미리 정해진 압력으로 조정한다.
연료 가스 배기관(230)은, 연료 전지(100)로부터 연료 배기 가스를 배출하기 위해 사용된다. 연료 가스 환류관(240)은, 일단부가 연료 가스 배기관(230)과, 타단부가 연료 가스 공급관(220)에 접속되어 있다. 연료 가스 배기관(230)과 연료 가스 환류관(240) 사이에는, 기액 분리기(280)가 설치되어 있다. 연료 배기 가스에는, 전기 화학 반응에 제공되지 않아 소비되지 않은 수소와, 캐소드로부터 이동해 온 질소와, 전기 화학 반응에 수반하여 생성된 물이 포함되어 있다. 기액 분리기(280)는, 연료 배기 가스 중의 물과, 가스(수소와 질소)를 분리한다. 연료 가스 환류관(240)에는, 수소 펌프(290)가 설치되어 있다. 연료 전지 시스템은, 연료 가스 환류관(240) 및 수소 펌프(290)를 사용하여 연료 배기 가스를 연료 전지(100)에 공급함으로써, 연료 배기 가스 중의 수소를 발전에 다시 이용한다.
산화 가스 공급 회로(300)는, 에어 클리너(310)와, 에어 컴프레서(320)와, 산화 가스 공급관(330)과, 대기압 센서(350)와, 외기온 센서(360)와, 에어 플로우 미터(370)와, 공급 가스 온도 센서(380)와, 공급 가스 압력 센서(390)를 구비한다. 본 실시 형태의 연료 전지(100)는, 산화 가스로서, 공기(공기 중의 산소)를 사용한다. 에어 클리너(310)는, 공기를 도입할 때, 공기 중의 진애를 제거한다. 에어 컴프레서(320)는, 에어 클리너(310)를 통해 도입된 공기를 압축하여, 산화 가스 공급관(330)을 통해 연료 전지(100)로 보낸다. 대기압 센서(350)는, 대기압을 측정한다. 외기온 센서(360)는, 에어 컴프레서(320)에 도입되기 전의 공기의 온도를 취득한다. 에어 플로우 미터(370)는, 에어 컴프레서(320)에 도입되는 공기의 유량을 측정한다. 이 유량은, 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 양과 거의 동일하다. 또한, 공기의 유량은, 에어 컴프레서(320)의 회전수에 의해 바뀐다. 공급 가스 온도 센서(380)는, 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 온도를 측정하고, 공급 가스 압력 센서(390)는, 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 압력을 측정한다.
배기 가스 회로(400)는, 배기 가스관(410)과, 배압 밸브(420)와, 연료 가스 배출관(430)과, 배기 배수 밸브(440)와, 산화 가스 바이패스관(450)과, 삼방 밸브(460)를 구비한다. 배기 가스 회로(400)는, 청구항에 있어서의 배기계 부재에 상당한다. 배기 가스관(410)은, 연료 전지(100)의 산화 배기 가스(「오프 가스」라고도 칭함)를 배출한다. 배기 가스관(410)에는, 배압 밸브(420)가 설치되어 있다. 배압 밸브(420)는, 연료 전지(100) 중의 공기의 압력을 조정한다. 연료 가스 배출관(430)은 기액 분리기(280)와, 배기 가스관(410)을 접속하고 있다. 연료 가스 배출관(430) 상에는, 배기 배수 밸브(440)가 설치되어 있다. 제어부(110)(도 1)는, 연료 배기 가스 중의 질소 농도가 높아지거나, 혹은 기액 분리기(280) 중의 물의 양이 많아졌을 때에는, 배기 배수 밸브(440)를 개방하여, 물과 가스(주로 질소)를 배기한다. 이때, 수소도 배출된다. 본 실시 형태에서는, 연료 가스 배출관(430)은 배기 가스관(410)에 접속되어 있고, 배출되는 가스 중의 수소는, 산화 배기 가스에 의해 희석된다. 산화 가스 바이패스관(450)은, 산화 가스 공급관(330)과, 배기 가스관(410)을 접속한다. 산화 가스 바이패스관(450)과 산화 가스 공급관(330)의 접속부에는, 삼방 밸브(460)가 설치되어 있다.
냉각 회로(500)는, 냉각수 공급관(510)과, 냉각수 배출관(515)과, 라디에이터관(520)과, 워터 펌프(525)와, 라디에이터(530)와, 바이패스관(540)과, 삼방 밸브(545)를 구비한다. 냉각수 공급관(510)은, 연료 전지(100)에 냉각수를 공급하기 위한 관이며, 냉각수 공급관(510)에는 워터 펌프(525)가 배치되어 있다. 냉각수 배출관(515)은, 연료 전지(100)로부터 냉각수를 배출하기 위한 관이다. 냉각수 배출관(515)의 하류부는, 삼방 밸브(545)를 통해, 라디에이터관(520)과, 바이패스관(540)에 접속되어 있다. 라디에이터관(520)에는, 라디에이터(530)가 설치되어 있다. 라디에이터(530)에는, 라디에이터 팬(535)이 설치되어 있다. 라디에이터 팬(535)은 라디에이터(530)에 바람을 보내, 라디에이터(530)로부터의 방열을 촉진한다. 라디에이터관(520)의 하류부와, 바이패스관(540)의 하류부는, 냉각수 공급관(510)에 접속되어 있다. 냉각수는, 워터 펌프(525)에 의해, 냉각수 공급관(510)을 통해 연료 전지(100)에 공급되어, 연료 전지(100)를 냉각한다. 냉각수는, 연료 전지(100)로부터 열을 회수함으로써 데워지고, 냉각수 배출관(515)으로 배출되어, 라디에이터(530)에 있어서 냉각된다.
연료 전지(100)는, 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 발전을 행한다. 애노드, 캐소드에 있어서의 반응은 이하와 같다.
Figure 112015096033360-pat00001
Figure 112015096033360-pat00002
식 (2)에 나타내는 바와 같이, 캐소드측에서는, 물이 생성된다. 이 물이 연료 전지(100)에 지나치게 저류되면 플러딩이 일어나, 연료 전지(100)의 발전 성능을 저하시킬 우려가 있다. 또한, 배기 가스 회로(400)(배기계 부재)에 물이 지나치게 저류되면, 에어 블로우시에 한 번에 생성수가 배출되므로, 후방의 물체[예를 들어, 차량(10)의 후방을 주행하는 다른 차량 등]에 다량의 물이 튈 우려가 있다. 따라서, 연료 전지(100) 내에 소정량 이상의 물이 저류된 경우에는, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 상승시켜, 공기의 공급량을 증대시키는, 에어 블로우에 의해, 저류되어 있는 물을 배출시키는 처리가 실행된다. 여기서, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 본래 필요로 하는 회전수 이상으로 증대시키면, 소비 전력이 증대되어, 연비가 나빠진다. 따라서, 연비를 악화시키는 일 없이, 물을 연료 전지의 외부로 배출시키는 것이 요망되고 있다.
도 3은, 제1 실시 형태에 있어서의 배수 처리의 제어 흐름도를 나타내는 설명도이다. 스텝 S100에서는, 제어부(110)는, 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 유량 Vaf가 제1 유량 Vaf1보다도 크다(Vaf＞Vaf1)고 하는 제1 조건을 충족시키고 있는지 여부를 판단하고, 제1 조건이 충족될 때까지 대기한다(스텝 S100: "아니오"). 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 유량 Vaf는, 에어 플로우 미터(370)에 의해 측정 가능하다. 이 제1 조건을 충족시키고 있는 경우에(스텝 S100: "예")는, 제어부(110)는 처리를 스텝 S110으로 이행하여, 연료 전지(100)에 대해 제2 유량 Vaf2 이상의 공기가 공급되도록, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 증대시킨다(올린다). 스텝 S120에서는, 제어부(110)는 소정의 배출 시간 T1이 경과하였는지 여부를 판단한다. 소정의 배출 시간 T1이 경과하면(스텝 S120: "예"), 제어부(110)는 처리를 스텝 S170으로 이행하여, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 배수 처리 전의 회전수로 복귀시킨다. 소정의 배출 시간 T1이 경과되어 있지 않은 경우(스텝 S120: "아니오"), 제어부(110)는 처리를 스텝 S130으로 이행하여, 운전자에 의해 액셀러레이터 페달이 완전 폐쇄 위치로 되었는지, 즉, 액셀러레이터 오프되었는지 여부를 판단한다. 액셀러레이터 오프가 있었던 경우에는(스텝 S130: "예"), 제어부(110)는 처리를 스텝 S170으로 이행하여, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 배수 처리 전의 회전수로 복귀시킨다. 액셀러레이터 오프가 없는 경우(스텝 S130: "아니오"), 제어부(110)는 처리 스텝을 스텝 S120으로 이행한다. 또한, 액셀러레이터 오프가 있었던 경우에는, 연료 전지(100)에의 요구 발전량은 적어진다. 따라서, 제어부(110)는 에어 컴프레서(320)의 회전수를, 연료 전지(100)에의 요구 발전량을 충족시키는 것이 가능한 공기 유량을 유지할 수 있는 회전수로 해도 된다.
도 4는, 제1 실시 형태의 효과를 나타내는 설명도이다. 비교예에서는, 주행에 필요한 전력을 발전하기 위해 필요한 공기의 유량 VA2로 배수 처리가 실행된다. 공기의 유량 VA2는, 제1 유량 Vaf1보다도 적다. 물을 연료 전지(100)로부터 배출하기 위해서는, 제2 유량 Vaf2의 공기의 유량이 필요하다. 따라서, 제어부(110)는 연료 전지(100)나 배기 가스 회로(400)로부터 물을 배출하기 위해, 연료 소비량 X2의 연료를 연료 전지(100)에 공급하여, 에어 컴프레서(320)의 회전수 증대에 필요로 하는 전력을 연료 전지(100)에 발전시킨다. 에어 컴프레서(320)의 회전수가 증대되면, 추가의 공기량으로서 유량 VB2(＝Vaf2-VA2)의 공기가 연료 전지(100)에 대해 공급된다. 추가로 소비되는 연료 소비량 X2는, 물을 배출하기 위해 에어 컴프레서(320)의 구동에 사용되는 연료이며, 차량의 주행에 사용되는 연료는 아니므로, 연료 소비량 X2의 값이 과도하게 크면, 연비를 악화시킨다. 또한, 연비는, 연료 단위량당 주행 거리 또는, 단위 주행 거리를 주행하는 데 필요한 연료의 양으로 나타내어지는 지표이다.
제1 실시 형태에 의하면, 주행에 필요한 전력을 발전하기 위해 필요한 공기의 유량 VA1이, 비교예에 있어서의 주행에 필요한 전력을 발전하기 위해 필요한 공기의 유량 VA2보다도 많은 조건에 있어서 배수 처리가 실행된다. 따라서, 연료 전지(100)로부터 물을 배출하기 위해 연료 전지(100)에 대해 추가로 공급해야 할 공기의 유량 VB1은, 비교예의 VB2보다도 ΔV(VB2-VB1)만큼 적어지게 된다. 즉, 제1 실시 형태에서는, 추가의 공기량을 공급하기 위해 요구되는 에어 컴프레서(320)의 회전수의 증대량이 적어지게 되고, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 증대시키기 위해 소비되는[에어 컴프레서(320)에 공급하는 전력을 생성하기 위해 소비되는] 연료의 소비량 X1은, 비교예보다도 (X2-X1)만큼 적어지게 된다. 따라서, 비교예보다도 연비를 좋게 할 수 있다.
제2 실시 형태:
도 5는, 제2 실시 형태에 있어서의 배수 처리의 제어 흐름도를 나타내는 설명도이다. 스텝 S105에서는, 제어부(110)는, 이하의 2개를 포함하는 제1 조건을 충족시키고 있는지 판단한다.
a) 연료 전지(100) 내의 물의 양의 추정값 Vw1과 배기 가스 회로(400) 중에 존재하는 물의 양의 추정값 Vw2의 합인 생성수 잔량의 추정값 Vw가 제1 값 Vwt1보다도 크다(Vw＞Vwt1).
b) 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 유량 Vaf가 제1 유량 Vaf1보다도 크다(Vaf＞Vaf1).
연료 전지(100) 내의 물의 양의 추정값 Vw1은, 연료 전지(100)의 발전에 의해 생성된 물의 양과, 통상 운전에서 연료 전지(100)로부터 배출되는 물의 양과, 전회의 에어 블로우에 의해 연료 전지(100)로부터 배출된 물의 양으로부터 추정할 수 있다. 연료 전지(100)의 발전에 의해 생성된 물의 생성량은, 발전량에 비례하므로, 발전량으로부터 용이하게 산출할 수 있다. 연료 전지(100) 내의 물의 양의 추정값 Vw1은, 예를 들어 일본 특허 공개 공보 특개 제2011-090886호에 기재된 방법을 사용하여 추정해도 된다. 배기 가스 회로(400) 중에 존재하는 물의 양의 추정값 Vw2는, 연료 전지(100)로부터 배출되어 오는 물의 양과, 통상 운전에서 배기 가스 회로(400)로부터 배출되는 물의 양과, 전회의 에어 블로우에 의해 배기 가스 회로(400)로부터 배출된 물의 양으로부터 추정할 수 있다. 연료 전지(100)에 공급되는 공기의 유량 Vaf는, 에어 플로우 미터(370)에 의해 측정 가능하다.
스텝 S105에 있어서, 상기 2개의 조건을 충족시키고 있는 경우에는(스텝 S105: "예"), 제어부(110)는 처리를 스텝 S110으로 이행하여, 연료 전지(100)에 제2 유량 Vaf2 이상의 공기가 공급되도록, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 증대시킨다. 또한, 제어부(110)는, 에어 컴프레서(320)의 회전수[연료 전지(100)에 공급하는 공기의 유량]를 생성수 잔량의 추정값 Vw에 따라서 정해도 된다. 스텝 S120, S130, S170의 처리는 제1 실시 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다.
스텝 S105에 있어서, 상기 2개의 조건 중 어느 하나를 충족시키고 있지 않은 경우에는(스텝 S105: "아니오"), 제어부(110)는 처리를 스텝 S140으로 이행하여, 생성수 잔량의 추정값 Vw가 제2 값 Vwt2보다도 큰지 여부를 판단한다. 제2 값 Vwt2는, 제1 값 Vwt1보다도 큰 값이다. 스텝 S140에 있어서, 생성수 잔량의 추정값 Vw가 제2 값 Vwt2보다도 큰 경우(Vw＞Vwt2)에는(스텝 S140: "예"), 제어부(110)는 처리를 스텝 S150으로 이행하여, 연료 전지(100)에 제2 유량 Vaf2 이상의 공기가 공급되도록, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 증대시킨다. 또한, 스텝 S140에 있어서 (Vw＞Vwt2)를 충족시키는 경우에는, 스텝 S105의 (Vw＞Vwt1)도 충족시키고 있으므로, 공기의 유량 Vaf가 제1 유량 Vaf1보다도 작아, 스텝 S110에 의한 물의 배출을 할 수 없는 상태에서 물이 저류되었다고 생각된다.
스텝 S160에서는, 제어부(110)가, 소정의 배출 시간 T2가 경과하였는지 여부를 판단한다. 배출 시간 T2는, 배출 시간 T1보다도 긴 값이다. 또한, 스텝 S160에 있어서의 배출 시간 T2를 스텝 S120에 있어서의 배출 시간 T1과 동일한 길이로 하고, 스텝 S150에 있어서의 에어 컴프레서(320)의 회전수를, 스텝 S110에 있어서의 에어 컴프레서(320)의 회전수보다도 크게 해도 된다. 제어부(110)는 소정의 배출 시간 T2가 경과할 때까지 대기하고(스텝 S160: "아니오"), 소정의 배출 시간 T2가 경과하면(스텝 S160: "예"), 처리를 스텝 S170으로 이행하여, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 배수 처리 전의 상태로 복귀시킨다.
스텝 S140에 있어서, 생성수 잔량의 추정값 Vw가 제2 값 Vwt2보다도 크지 않은 경우(Vw≤Vwt2)에는(스텝 S140: "아니오"), 제어부(110)는 처리를 스텝 S105로 이행한다. 이 경우, 제어부(110)는, 다른 조건, 예를 들어 운전자에 의해 액셀러레이터가 답입된 경우 등, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 상승시키는 경우를 제외하고, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 유지한다.
이상, 제2 실시 형태에 의하면, 제어부(110)는 생성수 잔량의 추정값 Vw가 제1 값 Vwt1보다도 크고, 또한 에어 컴프레서(320)에 의한 공기의 유량 Vaf가 제1 유량 Vaf1보다도 큰 경우에는, 에어 컴프레서(320)의 회전수를 올려, 제1 유량 Vaf1보다도 큰 제2 유량 Vaf2의 공기를 연료 전지(100)에 공급하여 연료 전지(100)나 배기 가스 회로(400) 중 물을 배출시킨다. 그로 인해, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 추가로 연료 전지(100)에 대해 공급해야 할 공기량 ΔV가 적어지게 되어, 에어 컴프레서(320)에 의한 공기의 유량 Vaf가 제1 유량 Vaf1보다도 크지 않은 조건하에 있어서 연료 전지(100)나 배기 가스 회로(400) 중의 물을 배출시키는 경우보다도, 연비를 향상시킬 수 있다.
도 6은, 본 발명의 제1 변형예를 나타내는 설명도이다. 도 5에 나타내는 제2 실시 형태와의 차이는, 스텝 S107이 추가되어 있는 점이다. 제어부(110)는, 스텝 S105에 있어서, 제1 조건을 충족시키고 있지 않은 경우에는, 스텝 S107에 있어서, 이하의 제2 조건을 충족시키는지 여부를 판단한다.
a) 생성수 잔량의 양의 추정값 Vw가 제1 값 Vwt1보다도 크다(Vw＞Vwt1).
c) 연료 전지(100)에 요구되는 전력량(Pr)이, 제1 전력량(Pr1)보다도 크다.
상술한 바와 같이, 제어부(110)는 차량의 액셀러레이터의 답입량으로부터, 연료 전지(100)에 요구되는 전력량(요구 전력량)을 산출할 수 있다. 제어부(110)는, 제2 조건이 충족되는 경우에는, 처리를 스텝 S110으로 이행하고, 충족되지 않는 경우에는, 처리를 스텝 S140으로 이행한다. 이행 후의 처리는, 제2 실시 형태와 동일하다. 요구 전력량이 커지면, 연료 전지(100)의 발전량이 커져, 요구 전력량을 발생시키기 위한 공기의 유량이 많아진다. 그 결과, 요구 전력량을 발생시키는 것 이외에 추가로 공급하는 공기의 유량이 적어지므로, 마찬가지로 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 변형예에서는, 제어부(110)는, 스텝 S105가 충족되지 않는 경우에 스텝 S107을 실행하였지만, 스텝 S105 대신에 S107을 실행하도록 구성해도 된다. 이 경우, 제1 조건의 성립의 유무는 불문하고, 제2 조건에서 에어 컴프레서(320)의 회전수를 상승시키는지 여부가 판단된다.
도 7은, 본 발명의 제2 변형예를 나타내는 설명도이다. 도 5에 나타내는 제2 실시 형태와의 차이는, 스텝 S108이 추가되어 있는 점이다. 스텝 S105에 있어서, 제1 조건을 충족시키는 경우에는, 제어부(110)는, 처리를 스텝 S108로 이행한다. 스텝 S108에서는, 제어부(110)는, d) 차량(10)의 속도 Vs가, 제1 속도 Vs1보다도 큰지 여부를 판단한다. 차량(10)의 속도 Vs는, 구동 모터(150)에 의해 구동되는 구동 샤프트(160)의 회전수로부터 구하는 것이 가능하다. 차량(10)의 속도 Vs가 제1 속도 Vs1보다도 큰 경우에는(스텝 S108: "예"), 제어부(110)는 처리를 스텝 S120으로 이행하고, 크지 않은 경우에는(스텝 S108: "아니오"), 처리를 스텝 S105로 이행한다. 에어 컴프레서(320)의 회전수가 높아지면, 에어 컴프레서(320)의 동작음도 커진다. 여기서, 차량(10)의 속도 Vs가, 제1 속도 Vs1보다도 큰 경우에는, 풍절음이나 로드 노이즈도 크다. 이 결과, 커진 에어 컴프레서의 동작음은, 풍절음이나 로드 노이즈에 의해 상쇄되어, 차내에 있어서 인식되기 어렵다. 따라서, 또한 차량(10)의 속도 Vs가 제1 속도 Vs1보다도 큰 경우에, 제1 조건을 충족시키는 것으로 하였다.
상기 제2 실시 형태 및 변형예에서는, 제어부(110)는, 제1 조건으로서, 생성수 잔량의 양의 추정값 Vw가 제1 값 Vwt1보다도 큰지 여부를 포함하는 판단을 하고, 제2 조건으로서, 생성수 잔량의 양의 추정값 Vw가 제2 값 Vwt2보다도 큰지 여부를 포함하는 판단을 하고 있었다. 제어부(110)는, 제1 조건으로서, 연료 전지(100) 내의 물의 양의 추정값 Vw1과 배기 가스 회로(400) 중에 존재하는 물의 양의 추정값 Vw2 중 적어도 한쪽이, 제3 값 Vwt3보다도 큰지 여부를 판단해도 된다. 또한, 제3 값 Vwt3은, 제1 값 Vwt1보다 작은 값으로 해도 된다. 연료 전지(100), 혹은 배기 가스 회로(400) 중 어느 한쪽에 물이 과도하게 저류된 경우에, 에어 블로우를 행하여, 배수할 수 있다. 또한, 제어부(100)는, 제1 조건에 있어서의 물의 양에 대해서는, 연료 전지(100) 중의 물의 양의 추정값 Vw1에만 기초하여 판단해도 되고, 배기 가스 회로(400) 중의 물의 양의 추정값 Vw2에만 기초하여 판단해도 된다. 연료 전지(100) 중의 물의 양의 추정값 Vw1에만 기초하여 판단하는 경우에는, 플러딩에 의한, 연료 전지(100)의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 배기 가스 회로(400)(배기계 부재)의 물의 양의 추정값 Vw2에만 기초하여 판단하는 경우에는, 후방의 물체[예를 들어, 차량(10)의 후방을 주행하는 다른 차량 등]에 다량의 물이 튀는 것을 억제할 수 있다.
이상, 몇 가지의 실시예에 기초하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명해 왔지만, 상기한 발명의 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 그 취지 및 청구범위를 일탈하는 일 없이, 변경, 개량될 수 있음과 함께, 본 발명에는 그 등가물이 포함되는 것은 물론이다.
10 : 차량
100 : 연료 전지
110 : 제어부
120 : 요구 출력 검지부
130 : 2차 전지
140 : 분배 컨트롤러
150 : 구동 모터
160 : 구동 샤프트
170 : 분배 기어
180 : 차륜
200 : 연료 가스 공급 회로
210 : 연료 가스 탱크
220 : 연료 가스 공급관
230 : 연료 가스 배기관
240 : 연료 가스 환류관
250 : 메인 스톱 밸브
260 : 레귤레이터
280 : 기액 분리기
290 : 수소 펌프
300 : 산화 가스 공급 회로
310 : 에어 클리너
320 : 에어 컴프레서
330 : 산화 가스 공급관
350 : 대기압 센서
360 : 외기온 센서
370 : 에어 플로우 미터
380 : 공급 가스 온도 센서
390 : 공급 가스 압력 센서
400 : 배기 가스 회로
410 : 배기 가스관
420 : 배압 밸브
430 : 연료 가스 배출관
440 : 배기 배수 밸브
450 : 산화 가스 바이패스관
460 : 삼방 밸브
500 : 냉각 회로
510 : 냉각수 공급관
515 : 냉각수 배출관
520 : 라디에이터관
525 : 워터 펌프
530 : 라디에이터
535 : 라디에이터 팬
540 : 바이패스관
545 : 삼방 밸브
VA1, VA2, VB1, VB2 : 유량
Vaf : 유량
Vaf1 : 제1 유량
Vaf2 : 제2 유량
Vwt1 : 제1 값
Vwt2 : 제2 값
Vs : 속도
Vs1 : 제1 속도
Vw : 추정값
X1, X2 : 소비량
ΔV : 공기량

Claims (7)

  1. 연료 전지 시스템이며,
    연료 가스와 공기를 반응시켜 발전하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 공기를 공급하는 에어 컴프레서와,
    상기 연료 전지 및 에어 컴프레서의 동작을 제어하는 제어부와,
    상기 연료 전지로부터 오프 가스 및 생성수를 배출하는 배기계 부재를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 연료 전지 내의 물의 양과 상기 배기계 부재에 존재하는 물의 양의 합인 생성수 잔량을 추정하고,
    상기 제어부는, 상기 에어 컴프레서에 의해 상기 연료 전지에 공급되는 공기의 유량이 제1 유량보다도 큰 것을 포함하고, 또한 상기 생성수 잔량의 추정값이 제1 값보다도 큰 것을 포함하는 제1 조건이 성립한 경우에는, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜, 상기 제1 유량보다도 큰 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시키는, 연료 전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 생성수 잔량의 추정값이 상기 제1 값보다도 크고, 상기 연료 전지의 요구 전력량이 제1 전력량보다도 큰 것을 포함하는 제2 조건이 성립한 경우에는, 상기 제1 조건의 성립의 유무에 관계없이, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜, 상기 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시키는, 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 생성수 잔량의 추정값이 상기 제1 값보다도 큰 제2 값보다 큰 경우에는, 제1 조건의 성립의 유무에 관계없이, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜, 상기 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시키는, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 생성수 잔량의 추정값이 제1 값보다도 크고, 상기 에어 컴프레서에 의한 공기의 유량이 제1 유량보다도 크지 않은 경우에는, 다른 조건에 따라서 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시키는 경우를 제외하고, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 유지하는, 연료 전지 시스템.
  6. 연료 전지 시스템이며,
    연료 가스와 공기를 반응시켜 발전하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 공기를 공급하는 에어 컴프레서와,
    상기 연료 전지 및 에어 컴프레서의 동작을 제어하는 제어부와,
    상기 연료 전지로부터 오프 가스 및 생성수를 배출하는 배기계 부재를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 연료 전지 내의 물의 양, 또는 상기 배기계 부재에 존재하는 물의 양을 추정하고,
    상기 제어부는, 상기 에어 컴프레서에 의해 상기 연료 전지에 공급되는 공기의 유량이 제1 유량보다도 크고, 또한 상기 연료 전지 내의 물의 양의 추정값 또는 상기 배기계 부재에 존재하는 물의 양이 제1 값보다도 큰 것을 포함하는 제1 조건이 성립한 경우에는, 상기 에어 컴프레서의 회전수를 증대시켜, 상기 제1 유량보다도 큰 제2 유량 이상의 공기를 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료 전지 중의 물을 배출시키는, 연료 전지 시스템.
  7. 제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은, 차량에 탑재되어 있고,
    상기 제어부는, 또한 상기 차량의 속도가 제1 속도보다도 큰 경우에, 상기 제1 조건이 성립한 것으로 하는, 연료 전지 시스템.
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