KR101825790B1

KR101825790B1 - 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101825790B1
Application number: KR1020150153625A
Authority: KR
Inventors: 가즈오 야마모토; 히로유키 이마니시
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2018-02-05
Also published as: CA2909930C; JP6187431B2; CN105609821A; JP2016095999A; DE102015118922B4; US9806359B2; DE102015118922A1; CA2909930A1; US20160141660A1; CN105609821B; KR20160057995A

Abstract

순환 디바이스의 작동음으로서 이음 등이 발생하는 것을 억제한다.
연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 연료 전지에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 유로와, 연료 전지로부터 애노드 오프 가스를 배출하는 애노드 가스 배출 유로와, 애노드 가스 공급 유로와 애노드 가스 배출 유로를 접속하는 애노드 가스 순환 유로와, 애노드 가스 순환 유로에 설치되고, 애노드 오프 가스를 애노드 가스 공급 유로에 공급하는 순환 디바이스와, 순환 디바이스에 액수가 체류하는 경우에는, 순환 디바이스의 순환류량을 제어하여 액수를 배출하는 제어부를 구비한다. 제어부는, 순환 디바이스에 체류하는 액수량이 소정값 이상이라고 판단된 경우에, 순환 디바이스의 순환류량의 상승률을 제한한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREFOR}

본원은, 2014년 11월 14일에 출원된 출원번호 제2014-231194호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 모두가 참조에 의해 본원에 포함된다.

본 발명은, 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

종래의 연료 전지 시스템으로서, 연료 가스(수소)를 연료 전지(연료 전지 스택)의 애노드에 공급하는 연료 가스 공급계에 대하여, 연료 전지의 애노드에 의해 소비되지 않은 연료 가스를 연료 가스 순환계의 순환 펌프를 통해 연료 가스 공급계로 순환시키는 연료 전지 시스템이 개발되고 있다. 그리고, 이 연료 가스 순환계를 갖는 연료 전지 시스템의 예로서, JP2007-115460A에는, 연료 가스 순환계의 배관 내벽에 응축한 액수(液水)를, 순환 펌프의 회전 수를 상승시켜 배수시킴으로써, 순환 펌프에 대하여 과잉 액수가 유입될 가능성을 저감하는 것이 개시되어 있다. 또한, JP2008-171770A에는, 순환 펌프(수소 펌프)의 구동에 수반되는 소리를, 압축기 또는 연료 전지의 부하로 되는 모터의 구동에 수반되는 소리에 의해 마스킹하는 것이 개시되어 있다.

그러나, 예를 들어 저부하에서의 발전이 길게 계속되는 등, 저부하에서의 연료 전지 시스템의 운전이 길게 계속되는 경우, 저회전에서의 순환 펌프의 동작이 길게 계속되면, 연료 전지의 내부나, 연료 가스 순환계, 특히, 기액 분리기의 출구로부터 순환 펌프의 흡입구까지의 부위에 액수가 체류하는 경우가 있다. 예를 들어, 연료 전지와 순환 펌프의 온도차에 의한 결로나, 기액 분리기 내로부터 순환 펌프가 빨아올린 액수 등에 의해, 액수가 체류하는 경우가 있다. 이 체류수의 양이 소정량을 초과하면, 순환 펌프를 고속 회전시킬 때 체류수의 순환 펌프에의 혼입이 발생하여, 순환 펌프의 구동에 수반되는 소리로서 이음(異音)의 발생이나 대음량화 등(이하, 「이음 등」이라고도 함)을 초래하여, 사용자에게 불쾌감이나 위화감, 고장의 걱정 등을 주게 된다는 과제가 있다.

본 발명은, 전술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.

(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 유로와, 상기 연료 전지로부터 애노드 오프 가스를 배출하는 애노드 가스 배출 유로와, 상기 애노드 가스 공급 유로와 상기 애노드 가스 배출 유로를 접속하는 애노드 가스 순환 유로와, 상기 애노드 가스 순환 유로에 설치되고, 상기 애노드 오프 가스를 상기 애노드 가스 공급 유로에 공급하는 순환 디바이스와, 상기 순환 디바이스에 액수가 체류하는 경우에는, 상기 순환 디바이스의 순환류량을 제어하여 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 배출시키는 제어부를 구비한다. 상기 제어부는, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량이 소정값 이상이라고 판단된 경우에, 상기 순환 디바이스의 순환류량의 상승률을 제한한다.

이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 순환 디바이스의 순환류량을 천천히 상승시킬 수 있어, 애노드 가스 순환 유로에 체류하는 액수가 순환 디바이스의 내부에 흡입되는 것을 억제하는 것이 가능하며, 애노드 가스 순환 유로에 체류하는 액수가 순환 디바이스의 내부에 흡입되었다고 하여도, 순환 디바이스의 작동음으로서 이음 등이 발생하는 것을 억제하는 것이 가능하다.

(2) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출 가능한 배수 가능 순환류량에 있어서의 가능 배수량과, 상기 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출 불가한 배수 불가 순환류량에 있어서 체류하는 액수량의 관계에 기초하여, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량을 추정함으로써, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량이 소정값 이상으로 되는지 여부를 판단하는 것으로 하여도 된다.

이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 순환 디바이스에 체류하는 액수량을 용이하게 추정할 수 있어, 체류하는 액수량이 소정값 이상으로 되는지 여부를 용이하게 판단하는 것이 가능하다.

(3) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 순환류량을 소정량 이상으로 상승시켜서 상기 순환 디바이스로부터 액수를 배출하는 경우에는, 상기 순환 디바이스에 의한 상기 순환류량의 상승률의 제한을 행하지 않는 것으로 하여도 된다.

이 형태의 연료 전자 시스템에 의하면, 소정량 이상의 순환류량으로 하는 경우, 예를 들어 연료 전지에 요구되는 발전량(출력 전류량)이 많아，애노드 오프 가스의 순환류량의 신속한 증가가 우선되는 상태에 있어서, 순환류량의 신속한 증가가 가능하다.

(4) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 순환 디바이스는 순환 펌프이며, 상기 제어부는, 상기 순환류량에 대응하는 상기 순환 펌프의 회전 수의 상승률을 제한함으로써, 상기 순환류량의 상승률을 제한하는 것으로 하여도 된다.

본 발명은, 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들어 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템의 제어 방법 등의 다양한 형태로 실현할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 애노드 가스 순환계의 수소 순환 펌프 및 기액 분리부를 확대해서 나타내는 설명도이다.
도 3은, 수소 순환 펌프의 회전 수를 상승시킬 때의 상승 레이트를 설정하는 처리에 대하여 나타내는 흐름도이다.
도 4는, 물 혼입음의 유무 판정의 기본적인 방법을 나타내는 설명도이다.
도 5는, 배수 계속 시간과 체류 계속 시간의 관계에 기초하는 물 혼입음의 판정에 대하여 나타내는 설명도이다.
도 6은, 물 혼입음 판정의 구체예를 나타내는 흐름도이다.
도 7은, 초깃값 맵의 예를 나타내는 설명도이다.
도 8은, 판정 임계값 맵의 예를 나타내는 설명도이다.
도 9는, 물 혼입 판정 및 상승 레이트의 설정의 구체예에 대하여 나타내는 타임차트이다.

A. 실시 형태:

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템(100)의 구성을 나타내는 개략도이다. 본 실시 형태에 있어서, 연료 전지 시스템(100)은 차량(「연료 전지 차량」이라고도 함)에 탑재되어 있다. 연료 전지 시스템(100)은, 차량의 운전자로부터의 액셀러레이터 페달(도시생략)에 의한 요구(이하, 「액셀러레이터 위치」라고도 함)에 따라서, 차량의 동력원이 되는 전력을 출력한다.

연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지(10)와, 제어부(20)와, 캐소드 가스 공급계(30)와, 캐소드 가스 배출계(40)와, 애노드 가스 공급계(50)와, 애노드 가스 순환계(60)와, 냉매 순환계(70)와, 전력 충방전계(80)를 구비한다.

연료 전지(10)는, 연료 가스(「애노드 가스」라고도 함)로서의 수소와 산화 가스(「캐소드 가스」라고도 함)로서의 공기(엄밀하게는 산소)의 공급을 받아서 발전하는 고체 고분자형 연료 전지이다. 이하, 애노드 가스와 캐소드 가스를 통합해서 「반응 가스」라고도 한다. 연료 전지(10)는, 복수의 단위 셀(11)이 적층된 스택 구조를 갖는다. 본 실시 형태에 있어서, 연료 전지(10)는, 소위 카운터 플로우형의 연료 전지이며, 애노드 가스와 캐소드 가스가 대항하여 역방향으로 흐른다. 통상적으로 연료 전지(10)는, 각 단위 셀(11)의 면을 따라서, 애노드 가스가 상측으로부터 하측을 향해 흐르고, 캐소드 가스가 하측으로부터 상측을 향해 흐르도록 배치된다. 또한, 연료 전지(10)에는, 반응 가스나 냉매를 위한 매니폴드가 적층 방향을 따른 관통 구멍으로서 형성되지만, 도시는 생략한다.

단위 셀(11)은, 도시는 생략하지만, 기본적으로, 발전체로서의 막 전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를, 세퍼레이를 사이에 두고 끼움 지지한 구성을 갖고 있다. MEA는, 이온 교환막으로 이루어지는 고체 고분자형 전해질막(단순히 「전해질막」이라고도 함)과, 전해질막의 애노드측의 면 위에 형성된 촉매층 및 가스 확산층으로 이루어지는 애노드와, 전해질막의 캐소드측의 면 위에 형성된 촉매층 및 가스 확산층으로 이루어지는 캐소드로 구성된다. 또한, 가스 확산층에 접하는 세퍼레이터의 면에는, 애노드 가스나 캐소드 가스를 흐르게 하는 홈 형상의 가스 유로가 형성되어 있다. 단, 세퍼레이터와 가스 확산층의 사이에, 가스 유로부가 별도 설치되는 경우도 있다.

제어부(20)는, 캐소드 가스 공급계(30)와, 캐소드 가스 배출계(40)와, 애노드 가스 공급계(50)와, 애노드 가스 순환계(60)와, 냉매 순환계(70)를 제어하여, 시스템에 대한 외부로부터의 출력 요구에 따른 전력을 연료 전지(10)에 발전시키는 제어 장치이다. 제어부(20)는, 예를 들어 CPU, ROM, RAM 등을 포함하는 마이크로컴퓨터이며, 각종 제어에 대응하는 소프트웨어를 실행함으로써, 전체 제어부나, 캐소드 가스 공급계(30) 및 캐소드 가스 배출계(40)를 제어하는 캐소드 가스 제어부, 애노드 가스 공급계(50) 및 애노드 가스 순환계(60)를 제어하는 애노드 가스 제어부 및 냉매 순환계(70)를 제어하는 냉매 제어부의 기능을 실현할 수 있다.

캐소드 가스 공급계(30)는, 캐소드 가스 공급 배관(31)과, 공기 압축기(32)와, 에어 플로우미터(33)와, 개폐 밸브(34)와, 압력 계측부(35)를 구비한다. 캐소드 가스 공급 배관(31)은, 연료 전지(10)의 캐소드 가스 공급 매니폴드에 접속된 배관이다.

공기 압축기(32)는, 캐소드 가스 공급 배관(31)을 통하여 연료 전지(10)와 접속되어 있다. 공기 압축기(32)는, 외기를 도입해서 압축한 공기를, 캐소드 가스로서 연료 전지(10)에 공급한다. 에어 플로우미터(33)는, 공기 압축기(32)의 상류측에 있어서, 공기 압축기(32)가 도입되는 외기의 양을 계측하여, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 이 계측값에 기초하여, 공기 압축기(32)를 구동함으로써, 연료 전지(10)에 대한 공기의 공급량을 제어한다.

개폐 밸브(34)는, 공기 압축기(32)와 연료 전지(10)의 사이에 설치되어 있다. 개폐 밸브(34)는, 통상적으로 폐쇄된 상태이며, 공기 압축기(32)로부터 소정의 압력을 갖는 공기가 캐소드 가스 공급 배관(31)에 공급되었을 때 개방된다. 압력 계측부(35)는, 공기 압축기(32)로부터 공급되는 공기의 압력을, 연료 전지(10)의 캐소드 가스 공급 매니폴드의 입구 근방에서 계측하여, 제어부(20)로 출력한다.

캐소드 가스 배출계(40)는, 캐소드 배기 가스 배관(41)과, 압력 조절 밸브(43)와, 압력 계측부(44)를 구비한다. 캐소드 배기 가스 배관(41)은, 연료 전지(10)의 캐소드 가스 배출 매니폴드에 접속된 배관이다. 캐소드 배기 가스(「캐소드 오프 가스」라고도 함)는, 캐소드 배기 가스 배관(41)을 통하여, 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출된다.

압력 조절 밸브(43)는, 제어부(20)에 의해, 그 개방도가 제어되어 있으며, 캐소드 배기 가스 배관(41)에 있어서의 캐소드 배기 가스의 압력[연료 전지(10)의 캐소드측의 배압]을 조정한다. 압력 계측부(44)는, 압력 조절 밸브(43)의 상류측에 설치되어 있으며, 캐소드 배기 가스의 압력을 계측하고, 그 계측 결과를 제어부(20)로 출력한다. 제어부(20)는, 압력 계측부(44)의 계측값에 기초하여, 압력 조절 밸브(43)의 개방도를 조정함으로써, 연료 전지(10)의 캐소드측의 배압을 제어한다.

애노드 가스 공급계(50)는, 애노드 가스 공급 배관(51)과, 수소 탱크(52)와, 개폐 밸브(53)와, 레귤레이터(54)와, 수소 공급 장치(55)와, 압력 계측부(56)를 구비한다. 수소 탱크(52)는, 애노드 가스 공급 배관(51)을 통해 연료 전지(10)의 애노드 가스 공급 매니폴드(도시생략)의 입구와 접속되어 있으며, 탱크 내에 충전된 수소를 연료 전지(10)에 공급한다. 또한, 애노드 가스 배관(51)을 「애노드 가스 공급 유로」라고도 한다.

애노드 가스 공급 배관(51)에는, 상류측[수소 탱크(52)측]으로부터 순서대로, 개폐 밸브(53)와, 레귤레이터(54)와, 수소 공급 장치(55)와, 압력 계측부(56)가 설치되어 있다. 개폐 밸브(53)는, 제어부(20)로부터의 지령에 의해 개폐하고, 수소 탱크(52)로부터 수소 공급 장치(55)의 상류측에의 수소의 유입을 제어한다. 레귤레이터(54)는, 수소 공급 장치(55)의 상류측에 있어서의 수소의 압력을 조정하기 위한 감압 밸브이며, 그 개방도가 제어부(20)에 의해 제어된다.

수소 공급 장치(55)는, 예를 들어 전자 구동식 개폐 밸브인 인젝터에 의해 구성할 수 있다. 압력 계측부(56)는, 수소 공급 장치(55)의 하류측의 수소의 압력을 계측하여, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 압력 계측부(56)의 계측값에 기초하여, 수소 공급 장치(55)를 제어함으로써, 연료 전지(10)에 공급되는 수소의 유량을 제어한다.

애노드 가스 순환계(60)는, 애노드 배기 가스 배관(61)과, 기액 분리부(62)와, 애노드 가스 순환 배관(63)과, 수소 순환 펌프(64)와, 애노드 배수 배관(65)과, 배수 밸브(66)와, 압력 계측부(67)와, 온도 계측부(68)를 구비한다. 애노드 가스 순환계(60)는, 발전 반응에 사용되지 않고 연료 전지(10)의 애노드로부터 배출되는 미반응 가스(수소나 질소 등)나 배수를 포함하는 애노드 배기 가스(「애노드 오프 가스」라고도 함)의 순환 및 배출을 행한다.

애노드 배기 가스 배관(61)은, 기액 분리부(62)와 연료 전지(10)의 애노드 가스 배출 매니폴드(도시생략)의 출구를 접속하는 배관이다. 기액 분리부(62)는, 애노드 가스 순환 배관(63)과 애노드 배수 배관(65)에 접속되어 있다. 기액 분리부(62)는, 애노드 배기 가스에 포함되는 기체 성분과 액수를 분리하고, 기체 성분에 대해서는, 애노드 가스 순환 배관(63)으로 유도하고, 액수에 대해서는 애노드 배수 배관(65)으로 유도한다. 또한, 애노드 배기 가스 배관(61)을 「애노드 가스 배출 유로」라고도 한다.

애노드 가스 순환 배관(63)은, 애노드 가스 공급 배관(51)의 수소 공급 장치(55)로부터 하류에 접속되어 있다. 애노드 가스 순환 배관(63)에는, 수소 순환 펌프(64)가 설치되어 있다. 기액 분리부(62)에 있어서 분리된 기체 성분에 포함되는 수소는, 수소 순환 펌프(64)에 의해 애노드 가스 공급 배관(51)으로 송출되고, 애노드 가스로서 재이용된다. 또한, 애노드 가스 순환 배관(63)을 「애노드 가스 순환 유로」라고 한다. 또한, 수소 순환 펌프(64)를 「순환 디바이스」라고도 한다.

애노드 배수 배관(65)은, 기액 분리부(62)에 있어서 분리된 액수를 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출하기 위한 배관이다. 애노드 배수 배관(65)에는, 배수 밸브(66)가 설치되어 있다. 제어부(20)는, 통상적으로는 배수 밸브(66)를 폐쇄해 두고, 미리 설정된 소정의 배수 타이밍이나, 애노드 배기 가스 중의 불활성 가스의 배출 타이밍에 배수 밸브(66)를 개방한다.

애노드 가스 순환계(60)의 압력 계측부(67)는, 애노드 배기 가스 배관(61)에 설치되어 있다. 압력 계측부(67)은, 연료 전지(10)의 애노드 가스 배출 매니폴드의 출구 근방에 있어서, 애노드 배기 가스의 압력[연료 전지(10)의 애노드측의 배압]을 계측하고, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 애노드 가스 순환계(60)의 압력 계측부(67)의 계측값이나, 전술한 애노드 가스 공급계(50)의 압력 계측부(56)의 계측값에 기초하여 연료 전지(10)에 대한 수소의 공급을 제어한다.

또한, 애노드 가스 순환계(60)의 온도 계측부(68)는, 외기의 온도로서, 애노드 가스 순환계(60)의 주변 온도, 특히, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(외기온)을 계측하고, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 온도 계측부(68)의 계측값에 기초하여, 후술하는 바와 같이, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수를 제어한다.

냉매 순환계(70)는, 상류측 배관(71a)과, 하류측 배관(71b)과, 라디에이터(72)와, 냉매 순환 펌프(75)와, 상류측 온도 센서(76a)와, 하류측 온도 센서(76b)를 구비한다. 상류측 배관(71a)과 하류측 배관(71b)은 각각, 연료 전지(10)를 냉각하기 위한 냉매를 순환시키는 냉매 배관이다. 상류측 배관(71a)은, 라디에이터(72)의 입구와 연료 전지(10)의 냉매 배출 매니폴드(도시생략)의 출구를 접속한다. 하류측 배관(71b)은, 라디에이터(72)의 출구와 연료 전지(10)의 냉매 공급 매니폴드(도시생략)의 입구를 접속한다.

라디에이터(72)는, 냉매 배관(71)을 흐르는 냉매와 외기 사이에서 열 교환시킴으로써 냉매를 냉각한다. 냉매 순환 펌프(75)는, 하류측 배관(71b)의 도중에 설치되고, 라디에이터(72)에 있어서 냉각된 냉매를 연료 전지(10)로 송출한다. 상류측 온도 센서(76a)는 상류측 배관(71a)에 설치되어 있으며, 하류측 온도 센서(76b)는 하류측 배관(71b)에 설치되어 있다. 상류측 온도 센서(76a)와 하류측 온도 센서(76b)는 각각, 계측한 냉매의 온도를 제어부(20)로 송신한다. 제어 장치(20)는, 상류측 온도 센서(76a)와 하류측 온도 센서(76b)의 계측값(냉매의 온도)에 기초하여, 라디에이터(72)의 동작을 제어한다.

전력 충방전계(80)는, 부하 장치로서의 구동 모터(82)와, 인버터(INV)(84)와 이차 전지(86)와, DC/DC 컨버터(88)를 구비한다. 연료 전지(10)는 직류 배선 DCL을 통해 인버터(84)에 전기적으로 접속되어 있으며, 이차 전지(86)는 DC/DC 컨버터(88)를 통해 직류 배선 DCL에 전기적으로 접속되어 있다.

이차 전지(86)는, 연료 전지(10)의 출력 전력이나, 구동 모터(82)의 회생 전력에 의해 충전되고, 연료 전지(10)와 함께 전력원으로서 기능한다. 이차 전지(86)는, 예를 들어 리튬 이온 전지로 구성할 수 있다.

DC/DC 컨버터(88)는, 제어부(20)의 지령에 기초하여, 연료 전지(10)의 전류·전압을 제어함과 함께, 이차 전지(86)의 충·방전을 제어하고, 직류 배선 DCL의 전압 레벨을 가변하도록 조정한다. 인버터(84)는, 연료 전지(10)와 이차 전지(86)로부터 얻어진 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 구동 모터(82)에 공급한다. 구동 모터(82)는 액셀러레이터 위치에 대응하여 인버터(84)로부터 공급된 전력에 따라서 동작하고, 기어 등을 통해 접속된 차륜 WL을 구동한다. 또한, 구동 모터(82)에 의해 회생 전력이 발생하는 경우에는, 인버터(84)는, 그 회생 전력을 직류 전력으로 변환하고, DC/DC 컨버터(88)를 통해 이차 전지(86)에 충전한다.

이상 설명한 연료 전지 시스템(100)은, 제어부(20)에 의해, 캐소드 가스 공급계(30) 및 캐소드 가스 배출계(40)나, 애노드 가스 공급계(50) 및 애노드 가스 순환계(60), 전력 충방전계(80)가 제어되고, 액셀러레이터 위치에 따라서, 차량의 동력원으로 되는 전력을 연료 전지(10)로부터 출력할 수 있다. 이하에서는, 이 연료 전지 시스템(100)의 작동 중에 있어서, 애노드 순환계(60)에 의한 애노드 가스(수소)의 순환량을 증가하기 위해 수소 순환 펌프(64)의 회전 수를 상승시킬 때의 처리에 대하여 설명을 추가한다.

도 2는, 애노드 가스 순환계(60)의 수소 순환 펌프(64) 및 기액 분리부(62)을 확대해서 나타내는 설명도이다. 연료 전지(10)의 하부 애노드 가스 배출 매니폴드의 출구(도시생략)에 접속된 애노드 배기 가스 배관(61)은, 기액 분리부(62)의 하부에 접속되어 있다. 기액 분리부(62)의 연직 방향 상부에 접속된 제1 애노드 가스 순환 배관(63a)은, 수소 순환 펌프(64)의 연직 방향 하부의 흡입구(641)에 접속되어 있다. 수소 순환 펌프(64)의 상부 송출구(644)에 접속된 제2 애노드 가스 순환 배관(63b)은, 애노드 가스 공급 배관(51)(도시생략)에 연결되고, 연료 전지(10)의 상부 애노드 가스 공급 매니폴드의 입구(도시생략)에 접속되어 있다. 즉, 수소 순환 펌프(64)는, 하부의 흡입구(641)로부터 흡입된 수소를 상부의 송출 구(644)로부터 송출하는 구조를 갖고 있다.

이 수소 순환 펌프(64)에 있어서 저회전의 상태가 계속된 경우에, 기액 분리부(62)로부터 수소 순환 펌프(64)까지의 부위, 즉, 제1 애노드 가스 순환 배관(63a) 및 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)의 부위에 액수가 저류되어, 수소 순환 펌프(64) 내부에까지 액수가 흘러넘치는 경우가 있다. 이 체류하는 액수(「체류수」라고도 함)는, 주로 이하와 같이 하여 발생한다. 우선, 연료 전지(10)의 온도에 대하여 수소 순환 펌프(64)의 온도가 낮은 경우에, 그 온도차에 의해 결로수가 발생한다. 그리고, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수가 낮은 경우, 애노드 가스 순환 배관(63)을 흐르는 수소의 순환류량은, 그 회전 수에 따라서 적어지게 되어, 발생한 결로수를 들어올려 송출구(644)로부터 배출할 수 없게 된다. 이로 인해, 수소 순환 펌프(64)의 하부, 즉, 제1 애노드 가스 순환 배관(63a) 및 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)의 부위에, 액수가 체류해 가게 된다. 액수의 체류는, 이 밖에, 기액 분리부(62)의 하부에 체류한 액수를 수소 순환 펌프(64)가 빨아올리는 점이나, 연료 전지(10)로부터 배출된 액수가 기액 분리부(62)로 분리되어 기액 분리부(62)의 하부에 저류되지 않아, 직접 수소 순환 펌프(64)가 빨아올리는 점, 및 수소 순환 펌프(64)의 송출구(644) 측으로부터의 액수의 흘림 등에 의해서도 발생할 수 있다.

수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)에 있어서의 체류수가 많아지게 되면, 수소 순환 펌프(64)의 임펠러(642, 643)에 물의 혼입(「물 혼입」이라고도 함)이 발생하고, 수소 순환 펌프(64)의 작동음이 변화하고, 이음 등의 발생을 초래하게 된다. 따라서, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 이하에서 설명하는 처리를 실행함으로써 이음 등의 발생을 억제한다.

도 3은, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수를 상승시킬 때의 상승 레이트를 설정하는 처리에 대하여 나타내는 흐름도이다. 이 상승 레이트(상승 속도, 상승률)의 설정은, 제어부(20)에 있어서, 연료 전지(10)에 공급하는 수소의 유량을 많게 함과 함께, 애노드 가스 순환계(60)를 흐르는 애노드 오프 가스(수소)의 순환류량을 많게 하기 위해서, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수(이하, 「HP 회전 수」라고도 함)를 상승시키는 요구가 발생한 경우에, 그 요구에 따라서 HP 회전 수를 실제로 상승시키기 전에 행해진다.

스텝 S10에서는, HP 회전 수 Rhp의 요구값 Rhprq(이하, 「요구 HP 회전 수 Rhprq」라고도 함)가 미리 정한 제1 회전 수 rp와 제2 회전 수 ru 사이의 범위 내인지 판단된다. 요구 HP 회전 수 Rhprq가 제1 회전 수 rp보다도 낮거나 제2 회전 수 ru보다도 높은 경우에는, 스텝 S30에 있어서, 회전 수의 상승 레이트는, 미리 정한 통상 레이트 Kratt로 설정되고, 설정된 통상 레이트 Kratt에 따라서 HP 회전 수 Rhp의 상승이 실행된다. 이에 반하여, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 제1 회전 수 rp와 제2 회전 수 ru 사이의 범위 내인 경우에는, 스텝 S20에 있어서, 「물 혼입음 있음」이라고 판정되어 있는지 여부가 판단된다. 이것은, HP 회전 수 Rhp의 상승 요구가 발생하기 전까지, 후술하는 물 혼입음 판정에 있어서 「물 혼입음 있음」이라고 판정되어, 물 혼입음 플래그가 세워졌는지 여부에 의해 판단된다. 「물 혼입음 있음」이라고 판정되지 않은 경우에는, 스텝 S30에 있어서, 회전 수의 상승 레이트는 통상 레이트 Kratt로 설정되고, 설정된 통상 레이트 Kratt를 따라서 HP 회전 수의 상승이 실행된다. 이에 반하여, 「물 혼입음 있음」이라고 판정된 경우에는, 스텝 S40에 있어서, 회전 수의 상승 레이트는, 미리 정한 저레이트 Kratd(<Kratt)로 설정되고, 설정된 저레이트 Kratd에 따라서 HP 회전 수의 상승이 실행된다. 즉, 「물 혼입음 있음」이라고 판정된 경우에는, HP 회전 수의 상승이 제한된다. HP 회전 수의 상승이 제한되는 효과에 대해서는, 후술한다.

제1 회전 수 rp는, 체류수를 들어올려서 배출하는 것이 가능한 순환류량에 대응하는 회전 수(이하, 「배수 가능 회전 수」라고도 함)의 하한값이며, 이하에서는 「배수 가능 회전 수 임계값 rp」라고도 한다. 제2 회전 수 ru는, 연료 전지(10)에 요구되는 발전 전력(출력 전류)이 많고， 수소의 순환류량의 신속한 증가가 우선되는 상태에 대응하는 회전 수이다. 또한, 제2 회전 수 ru가, 클레임된 발명의 「소정량 이상의 순환류량」에 대응하는 회전 수이다.

도 4는, 물 혼입음의 유무 판정의 기본적인 방법을 나타내는 설명도이다. 물 혼입음의 유무 판정은, 기본적으로는, 이하에서 설명하는 방법에 의해 행할 수 있다.

우선, 수소 순환 펌프(64)의 HP 회전 수 Rhp가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 이상의 회전 수의 상태에 있어서, 배출할 수 있는 물의 양(이하, 「가능 배수량」이라고도 함) Vd를 추정한다(스텝 S50). 다음으로, HP 회전 수 Rhp가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 미만의 상태에 있어서, 체류해 가는 액수량(이하, 「체류수량」이라고도 함) Vr을 추정한다(스텝 S60). 또한, 스텝 S50, S60에 있어서, 수소의 순환류량이 임계값(배수 가능 회전 수 임계값 rp에 있어서의 순환류량) 이상인 경우에 체류수를 배출 가능하고, 임계값 미만인 경우에 체류수는 배출 불가하다고 가정된다. 그리고, 임계값 이상의 순환류량의 이력(시간 변화)에 따라서 가능 배수량 Vd가 산출되고, 임계값 미만의 순환류량의 이력(시간 변화)에 따라서 체류수량 Vr이 산출된다. 가능 배수량 Vd와 체류수량 Vr의 산출 방법의 예는 후술한다.

그리고, 가능 배수량 Vd와 체류수량 Vr의 수지 계산을 행함으로써, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)의 체류수량이 미리 정한 체류수 임계값 Vth 이상인 경우에, 「물 혼입음 있음」이라고 판정한다(스텝 S70). 그리고, 「물 혼입음 있음」이라고 판정된 경우에는, 이어서 HP 회전 수 Rhp를 배수 불가 회전 수의 상태로부터 배수 가능 회전 수로 상승시킬 때, 도 3에서 설명한 바와 같이, 「물 혼입음 있음」의 판정이 이루어졌는지 여부에 따른 상승 레이트의 설정이 행해지고, 설정된 상승 레이트에서의 회전 수의 상승이 실행된다. 또한, 체류수 임계값 Vth는, 판정의 마진 등을 고려하여, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)의 용량 Vp 미만의 임의의 값으로 설정된다. 본 실시 형태에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, Vth=Vp/2로 설정되어 있도록 한다. 또한, 체류수 임계값 Vth가, 클레임된 발명의 「체류하는 액수량의 소정값」에 상당한다.

가능 배수량 Vd는 다음 식 (1)로 나타낼 수 있으며, 체류수량 Vr은 다음 식 (2)로 나타낼 수 있다.

(식 1)

Vd=kd·td

(식 2)

Vr=kr·tr

여기서, kd는, 배수 가능 회전 수의 HP 회전 수 Rhp에 대응하는 순환류량 및 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr로부터 추정되는 배수 속도를 나타내는 상수이다. td는, 배수 가능 회전 수의 회전 수 Rhp의 계속 시간(「배수 계속 시간」이라고도 함)이다. 또한, kr은, 배수 불가 회전 수의 HP 회전 수 Rhp에 대응하는 순환류량 및 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr로부터 추정되는 체류수의 증가 속도를 나타내는 상수이다. tr은, 배수 불가 회전 수의 계속 시간(「체류 계속 시간」이라고도 함)이다. 또한, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr은 온도 계측부(68)(도 1)에 의해 계측된 온도이다. 배수 속도 kd와 파라미터 Rhp, Tr의 관계는 미리 실험적으로 설정된다. 체류 속도 kr과 파라미터 Rhp, Tr의 관계도 마찬가지이다.

상기 식 (1), (2)로부터 알 수 있는 바와 같이, 배수 계속 시간 td와 가능 배수량 Vd는 비례 관계에 있으며, 또한 체류 계속 시간 tr과 체류수량 Vr도 비례 관계에 있다. 따라서, 가능 배수량 Vd 및 체류수량 Vr을 추정하는 대신에, 이하에 설명하는 바와 같이, 배수 계속 시간 td와 체류 계속 시간 tr의 관계로부터 물 혼입음의 판정을 행하는 것이 가능하다

도 5는, 배수 계속 시간 td와 체류 계속 시간 tr의 관계에 기초하는 물 혼입음의 판정에 대하여 나타내는 설명도이다. 도 5의 실선으로 나타내는 곡선은, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(「HP 주변 온도」라고도 함) Tr=Ta에 있어서, 배수 계속 시간 td와, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)에 체류수 임계값 Vth까지 물이 저류되는 체류 계속 시간 tr의 관계를 나타내고 있다. 배수 계속 시간 td와 체류 계속 시간 tr의 관계가, 실선보다도 아래 영역(사선으로 나타내는 영역)에 있는 경우에는, 흡입구(641)의 체류수가 체류수 임계값 Vth에 도달되지 않는다고 추정된다. 이 영역에서는, 물 혼입의 가능성은 작게 「물 혼입음 없음」이라고 판정하는 것이 가능하다고 생각된다. 이에 반하여, 실선 이상의 영역에 있는 경우에는, 흡입구(641)의 체류수가 체류수 임계값 Vth 이상으로 되어 있다고 추정되므로, 물 혼입의 가능성은 커서 「물 혼입음 있음」이라고 판정하는 것이 가능하다고 생각된다.

따라서, 도 5에 도시한 실선의 데이터를 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr마다 맵(「판정 임계값 맵」이라고도 함)으로서 미리 준비해 두고, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr에 따른 판정 임계값 맵으로부터, 배수 계속 시간 td에 대응하는 체류 계속 시간 tr을 판정 임계값로서 취득하고, 실제의 체류 계속 시간을 판정 임계값와 비교함으로써, 물 혼입음를 판정하는 것이 가능하다.

도 6은, 도 5의 맵을 사용한 물 혼입음 판정의 구체예를 나타내는 흐름도이다. 이 물 혼입음 판정은, 연료 전지 시스템(100)의 작동 중에 있어서 제어부(20)에 의해 계속해서 실시된다. 이 물 혼입음 판정의 처리가 개시되면, 우선, 수소 순환 펌프(64)의 요구 HP 회전 수 Rhprq의 변화가 판단된다(스텝 S110, S120).

요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 미만의 배수 불가 회전 수로의 변화의 요구인 경우에는, 스텝 S130으로 이행하고, 스텝 S130에 있어서, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 이상의 배수 가능 회전 수로 변화되었다고 판단될 때까지, 스텝 S130 내지 스텝 S170이 반복해서 실행된다. 이 처리의 내용에 대해서는 후술한다.

이에 반하여, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 이상의 배수 가능 회전 수로의 변화의 요구인 경우에는, 스텝 S180으로 이행하고, 스텝 S180의 실행 후, 스텝 S190에 있어서, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 미만의 배수 불가 회전 수로의 변화의 요구가 발생하였다고 판단될 때까지, 스텝 S190 내지 스텝 S220이 반복해서 실행된다. 이 처리의 내용에 대해서도 후술한다.

또한, 스텝 S130에 있어서, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 이상의 배수 가능 회전 수로 되었다고 판단된 경우에는, 스텝 S180 내지 스텝 S220의 처리로 이행한다. 한편, 스텝 S190에 있어서, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 미만의 배수 불가 회전 수로 되었다고 판단된 경우에는, 스텝 S130 내지 스텝 S170의 처리로 이행한다.

우선, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 하한 회전 수 rp 미만의 배수 불가 회전 수로의 변화의 요구인 경우에 실행되는 측의 처리(스텝 S130 내지 스텝 S170)에 대하여 설명한다.

요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 미만의 배수 불가 회전 수로의 변화의 요구인 경우(스텝 S120 또는 스텝 S190), 스텝 S140에서는 배수 불가 회전 수의 계속 시간 trc가 계측되고, 스텝 S150에서는 계속 시간 trc가 체류 계속 시간 tr으로서 설정된다. 그리고, 스텝 S160에서는 체류 계속 시간 tr이 판정 임계값 Sth 이상인지 여부가 판단되고, 체류 계속 시간 tr이 판정 임계값 Sth 이상으로 된 시점에서, 스텝 S170에 있어서 「물 혼입음 있음」이라고 판정되고, 그 물 혼입 판정 플래그가 세워진다. 그리고, 스텝 S140 내지 스텝 S170은, 스텝 S130에 있어서, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 이상의 배수 가능 회전 수로 변화되었다고 판단될 때까지 반복된다.

또한, 판정 임계값 Sth는, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 불가 회전 수로 변화하기 전에 실행되고 있던 배수 가능 회전 수의 HP 회전 수 Rhp에 있어서의 배수 계속 시간 td에 대하여 도 5의 맵에서 대응지어지는 체류 계속 시간 tr이며, 후술하는 스텝 S220에 있어서 취득된다. 이 판정 임계값 Sth는, 초기 상태에 있어서는, 미리 설정된 임의의 초깃값으로 설정되어 있다.

다음으로, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 이상의 배수 가능 회전 수로의 변화의 요구인 경우에 실행되는 측의 처리(스텝 S180 내지 스텝 S220)에 대하여 설명한다.

요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 임계값 rp 이상의 배수 가능 회전 수로의 변화의 요구인(스텝 S110 혹은 스텝 S130), 스텝 S180에서는, 배수 계속 시간 td의 카운트의 초깃값 ts가 설정된다. 초깃값 ts는, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수로 변화하기 전에 실행되고 있던 배수 불가 회전 수의 HP 회전 수 Rhp에 있어서의 체류 계속 시간 tr과 판정 임계값 Sth의 차분으로부터 구해지는 체류수 여유 시간(Sth-tr)에 대응지어진 배수 계속 시간 td이다. 체류수 여유 시간(Sth-tr)은, 체류 계속 시간 tr의 사이에 체류한 액수(체류수)에 대하여 체류수 임계값 Vth까지, 더 저류되는 것이 가능한 액수량(체류수 여유량)에 상당하는 시간이다. 또한, 이 초깃값 ts는, 미리 준비되어 있는 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr마다의 맵(「초깃값 맵」이라고도 함) 중 온도 계측부(68)에서 계측된 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr에 따른 초깃값 맵을 사용하여, 체류수 여유 시간(Sth-tr)에 대응지어진 배수 계속 시간 tr을 취득함으로써, 설정된다.

도 7은, 초깃값 맵의 예를 나타내는 설명도이다. 이 초깃값 맵은, 체류수 여유 시간(Sth-tr)과 배수 계속 시간 td의 관계를 나타내고 있으며, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr마다 준비된다. 도 7에는, 주변 온도 Tr의 2개의 값, 즉, Tr=Ta 및 Tr=Tb(>Ta)의 예가 도시되어 있다. 또한, 맵이 준비되지 않은 주변 온도 Tr의 경우에는, 미리 정한 룰에 따라서, 상측 혹은 하측이 준비되어 있는 주변 온도 Tr의 맵을 이용하면 된다. 예를 들어, 주변 온도가 빙점 이상인 경우에는, 하측의 온도 맵을 이용하고, 빙점하인 경우에는 상측의 온도 맵을 이용하면 된다.

도 6의 스텝 S200에서는, 배수 가능 회전 수의 HP 회전 수의 계속 시간 tdc가 계측되고, 스텝 S210에서는 초깃값 ts에 HP 회전 수의 계속 시간 tdc를 가산한 시간이 배수 계속 시간 td로서 설정되고, 스텝 S220에서는 배수 계속 시간 td에 대응하는 판정 임계값 Sth가 갱신된다. 그리고, 스텝 S200 내지 스텝 S220은, 스텝 S190에 있어서, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 가능 회전 수 rp 미만의 배수 불가 회전 수로 변화되었다고 판단될 때까지 반복된다. 따라서, 스텝 S160에 있어서 사용되는 판정 임계값 Sth는, 요구 HP 회전 수 Rhprq가 배수 불가 회전 수로 변화되기 직전에 갱신된 값이다.

판정 임계값 Sth는, 전술한 도 5의 맵에 있어서, 배수 계속 시간 td에 대응지어진 체류 계속 시간 tr이다. 이 판정 임계값 Sth는, 미리 준비되어 있는, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr마다의 판정 임계값 맵 중, 온도 계측부(68)에서 계측된 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr에 따른 판정 임계값 맵을 사용하여, 배수 계속 시간 td에 대응지어진 체류 계속 시간 tr을 취득함으로써, 갱신된다.

도 8은, 판정 임계값 맵의 예를 나타내는 설명도이다. 이 판정 임계값 맵은, 배수 계속 시간 td와 체류 계속 시간 tr의 관계를 나타내고 있으며, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr마다 준비된다. 또한, 도 8에는, 주변 온도 Tr의 3개의 값, 즉, Tr=Ta, Tr=Tb(>Ta) 및 Tr=Tc(<Ta)의 예가 도시되어 있다. 또한, 맵이 준비되지 않은 주변 온도 Tr의 경우에는, 미리 정한 룰에 따라서, 상측 혹은 하측의 준비되어 있는 주변 온도 Tr의 맵을 이용하면 된다. 예를 들어, 주변 온도가 빙점 이상인 경우에는, 하측의 온도 맵을 이용하고, 빙점하인 경우에는 상측의 온도 맵을 이용하면 된다.

또한, 도 7의 초깃값 맵 및 도 8의 판정 임계값 맵은, 실제로 측정함으로써 미리 구해 둘 수 있다. 또한, 도 7의 초깃값 맵에 대해서는, 도 8의 판정 임계값 맵으로부터 도출하는 것도 가능하다.

도 9는, 물 혼입 판정 및 상승 레이트의 설정의 구체예에 대하여 나타내는 타임차트이다. 도 9의 (a)는 수소 순환 펌프(64)로의 요구 HP 회전 수 Rhprq를 나타내고, 도 9의 (b)는 수소 순환 펌프(64)의 HP 회전 수 Rhp를 나타내고, 도 9의 (c)는 HP 회전 수 Rhp에 따라서 변화하는 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641) 내의 잔류수(「HP 내 잔류수」라고도 함)를 나타내고 있다. 또한, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 요구 HP 회전 수 Rhprq로서는, 시각 t0을 개시 타이밍으로서, 배수 가능 회전 수로서의 배수 가능 회전 수 임계값 rp(본 예에서는 1800rpm)와, 배수 불가 회전 수로서의 600rpm이 교대로 발생하는 경우를 예로서 나타내고 있다. 또한, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, HP 내 잔류수로서는, 개시 타이밍의 시각 t0에 있어서, 체류수 임계값 Vth(만수 용량 Vp의 1/2)의 액수가 저류되어 있도록 해서 나타내고 있다.

도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 시각 t0에서 요구 HP 회전 수 Rhprq가 600rpm(배수 불가 회전 수)로부터 1800rpm(배수 가능 회전 수)으로 변화할 때에는, 상승 레이트가 설정되고(도 3 참조), HP 내 잔류수의 여유량에 대응하는 배수 계속 시간 td의 초깃값 ts가 설정된다(도 6의 스텝 S180 참조). 그리고, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 설정된 상승 레이트로 HP 회전 수 Rhp가 상승한다. 또한, 여기에서는, 초기 상태로서 물 혼입음의 판정은 이루어지지 않고, 물 혼입 플래그가 세워지지 않도록 하여, 상승 레이트는 통상 레이트 Kratt(본 예에서는, 6000rpm/1sec)로 설정되어 있도록 한다. 또한, 시각 t0에 있어서의 HP 내 잔류수는 전술한 바와 같이 체류수 임계값 Vth이므로, 체류수 여유 시간(Sth-tr)은 0인 것으로 하고, 초깃값 ts는 0으로 설정되도록 한다.

그리고, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 시각 t0으로부터 시각 t1까지의 60sec의 계속 시간 tdc에 있어서, HP 회전 수 Rhp는 1800rpm의 배수 가능 회전 수의 상태를 계속하고, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, HP 내 잔류수는 이 계속 시간 tdc(60sec)에 따른 배수량에 대응하는 체류수가 배출되어 감소한다. 여기에서는, HP 내 잔류수는, 시각 t0으로부터 시각 t1까지의 사이에 체류수 임계값 Vth로부터 0까지 감소하는 상태를 나타내고 있다.

또한, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 시각 t1로 요구 HP 회전 수 Rhprq가 1800rpm으로부터 600rpm으로 변화할 때, 배수 계속 시간 td(=계속 시간 tdc+초깃값 ts)에 대응하는 체류 계속 시간 tr이 판정 임계값 Sth로서 설정된다(도 6의 스텝 S190 내지 스텝 S220 참조). 또한, HP 회전 수가 하강하는 경우의 하강 레이트에 대해서는 특별히 한정은 없다. 상승 레이트의 통상 레이트 Kratt와 마찬가지의 하강 레이트, 예를 들어 -6000rpm/1sec로 할 수 있다.

그리고, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 시각 t1로부터 시각 t2까지의 70sec의 계속 시간 trc에 있어서, HP 회전 수 Rhp는 600rpm의 배수 불가 회전 수의 상태를 계속하고, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, HP 내 잔류수는 계속 시간 trc에 따른 양의 체류수가 저류되어 가서, HP 내 잔류수가 증가한다.

체류수가 저류되어 가는 과정에 있어서, 체류수량에 대응하는 체류 계속 시간 tr(계속 시간 trc에 상당함)이, 체류수 임계값 Vth에 대응하는 판정 임계값 Sth와 비교된다. 체류 계속 시간 tr(=trc)이 판정 임계값 Sth 미만인 동안에는 「물 혼입음 없음」이라고 판정되고, 체류 계속 시간 tr이 판정 임계값 Sth 이상으로 된 시점 이후에 있어서는 「물 혼입음 있음」이라고 판정된다. 여기에서는, 시각 t1로부터 시각 t2까지의 동안에 있어서, HP 내 잔류수는, 체류수 임계값 Vth까지 도달하지 않고 여유가 있는 상태로 되어 있으며, 「물 혼입음 없음」이라고 판정되는 상태를 나타내고 있다.

따라서, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 시각 t2에서 요구 HP 회전 수 Rhprq가 600rpm의 배수 불가 회전 수로부터 1800rpm의 배수 가능 회전 수로 변화할 때에는, HP 회전 수의 상승 레이트는 통상 레이트 Kratt에 설정되고(도 3 참조), 설정된 통상 레이트 Kratt로 HP 회전 수가 상승한다. 또한, 시각 t0의 경우와 마찬가지로, 배수 계속 시간 td의 초깃값 ts가 설정된다(도 6의 스텝 S180 참조). 여기에서는, 체류수 계속 시간 tr이 판정 임계값 Sth 미만이므로, 체류수 여유 시간(Sth-tr)에 대응하는 체류수 여유(「잔류수 여유」라고도 함)가 있으며, 이 체류수 여유 시간(Sth-tr)에 따른 정(正)의 초깃값 ts가 설정된다(도 7 참조).

그리고, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 시각 t2로부터 시각 t3까지의 40sec의 계속 시간 tdc에 있어서, 시각 t0으로부터 시각 t1까지의 경우와 마찬가지로, HP 회전 수 Rhp는 1800rpm의 배수 가능 회전 수의 상태를 계속하고, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, HP 내 잔류수는 계속 시간 tdc에 따른 배수량에 대응하는 체류수가 배출되어 감소한다. 여기에서는, 시각 t2에 있어서 잔류수 여유 승산이 있기 위해서, HP 내 잔류수는, 그 양만큼 조기에 0까지 감소하게 되고, 시각 t3의 앞에서 0까지 감소하고 있는 상태를 나타내고 있다.

또한, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 시각 t3에서 요구 HP 회전 수 Rhprq가 1800rpm의 배수 가능 회전 수로부터 600rpm의 배수 불가 회전 수로 변화할 때에는, 시각 t1의 경우와 마찬가지로, 배수 계속 시간 td(=계속 시간 tdc+초깃값 ts)에 대응하는 체류 계속 시간 tr이 판정 임계값 Sth로서 설정된다(도 6의 스텝 S190 내지 스텝 S220 참조).

그리고, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 시각 t3으로부터 시각 t5까지의 110sec의 계속 시간 trc에 있어서, 시각 t1로부터 시각 t2까지의 경우와 마찬가지로, HP 회전 수 Rhp는 600rpm의 배수 불가 회전 수의 상태를 계속하고, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, HP 내 잔류수는 계속 시간 trc에 따른 양의 체류수가 저류되어도 되는, HP 잔류수가 증가한다.

체류수가 저류되어 가는 과정에 있어서, 체류 계속 시간 tr(계속 시간 trc)이 판정 임계값 Sth와 비교되고, 물 혼입음의 판정이 행해진다. 여기에서는, 시각 t3로부터 시각 t4까지의 96sec의 계속 시간이 경과했을 때, HP 내 잔류수가 체류수 임계값 Vth에 도달하고, 시각 t4로부터 시각 t5까지의 동안에 있어서 「물 혼입음 있음」이라고 판정되는 상태를 나타내고 있다.

다음으로, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 시각 t5에서 요구 HP 회전 수 Rhprq가 600rpm의 배수 불가 회전 수로부터 1800rpm의 배수 가능으로 변화할 때에는, 시각 t4에서 「물 혼입음 있음」이라고 판정되었기 때문에, 상승 레이트는 저레이트 Kratd로 설정된다(도 3 참조). HP 회전 수 Rhp는, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 설정된 저레이트 Kratd로 천천히 상승하고, 시각 t6에서 목표의 1800rpm에 도달한다. 즉, HP 회전 수의 상승이 제한된다. 또한, 시각 t0, t2의 경우와 마찬가지로, 배수 계속 시간 td의 초깃값 ts가 설정된다(도 6의 스텝 S180 참조). 여기에서는, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 체류수 계속 시간 tr(=trc)이 판정 임계값 Sth보다도 커지게 되어 있으므로, 체류수 여유 시간(Sth-tr)은 부(負)로 되고, 체류수 임계값 Vth보다도 많은 체류수가 HP 내 잔류수로 되어 있다. 이로 인해, 이 부의 체류수 여유 시간(Sth-tr)에 따른 부의 초깃값 ts가 설정된다(도 7 참조). 그리고, 1800rpm의 배수 가능 회전 수로 변화 후에는, 그 계속 시간에 따른 배수량에 대응하는 체류수가 배출되어 감소한다.

이상 설명한 바와 같이, 시각 t5에 있어서 요구 HP 회전 수 Rhprq가 600rpm의 배수 불가 회전 수로부터 1800rpm의 배수 가능 회전 수로 상승할 때에 있어서, 「물 혼입음 있음」이라고 판정된 경우에는, 저레이트 Kratd로 제한된 상승 레이트로 HP 회전 수를 천천히 상승시킴으로써, HP 내에서의 물 혼입의 발생을 억제하면서, HP 회전 수 Rhp를 상승시키고, 체류수의 배수를 개시하는 것이 가능하게 된다. 또한, HP 회전 수를 저레이트 Kratd로 제한한 상태에서 천천히 상승시키므로, 가령, 물 혼입이 발생되었다고 하여도, 이음 등의 발생을 억제하는 것이 가능하다.

B. 변형예:

(1) 변형예 1

상기 실시 형태에 있어서, 연료 전지(10)는, 소위 카운터 플로우형을 채용하고 있다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 소위 코플로우형이나, 소위 크로스 플로우형을 채용하여도 된다.

(2) 변형예 2

상기 실시 형태에 있어서, 제어부(20)는, 마이크로컴퓨터를 사용하여, 각종 제어에 대응하는 소프트웨어를 실행함으로써, 전체 제어부나, 캐소드 가스 공급계(30) 및 캐소드 가스 배출계(40)를 제어하는 캐소드 가스 제어부, 애노드 가스 공급계(50) 및 애노드 가스 순환계(60)를 제어하는 애노드 가스 제어부 및 냉매 순환계(70)를 제어하는 냉매 제어부의 기능을 실현하는 구성으로서 설명하였다. 그러나, 제어부(20)는, 캐소드 제어부나 애노드 제어부, 냉매 제어부 등의 각 제어부를, 각각, 전용의 처리 회로에 의해, 하드웨어적인 구성으로 실현하도록 하여도 된다.

(3) 변형예 3

상기 실시 형태에 있어서의 물 혼입음 판정의 구체예에서는, 도 5, 6에 도시한 바와 같이, 배수 가능량 Vd 및 체류수량 Vr에 대응하는 배수 계속 시간 td 및 체류 계속 시간 tr에 의해 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)의 체류수량이 체류수 임계값 Vth(소정량)까지 저류될지 여부를 추정하여 물 혼입음 판정을 행하고 있다. 이에 반하여, 배수 가능량 Vd 및 체류수량 Vr에 의해 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)의 체류수량이 체류수 임계값 Vth(소정량)까지 저류될지 여부를 추정하여 물 혼입음 판정을 행하도록 하여도 된다. 즉, 물 혼입음 판정은, 상기 실시 형태나 변형예에 한정되는 것이 아니라, 도 4에 도시한 물 혼입음 판정의 기본적인 방법을 실현할 수 있는 것이면, 그 구체적인 방법에 한정은 없다.

또한, 배수 계속 시간 td 및 체류 계속 시간 tr이 아니고 배수 가능량 Vd 및 체류수량 Vr에 의해 물 혼입음 판정을 행하는 경우, 일례로서, 도 6의 물 혼입음 판정 중, 이하에서 설명하는 처리의 추가 및 변경을 행해서 실행하도록 하여도 된다.

도 6의 스텝 S150과 스텝 S160의 사이에, 상기 식 (2)에 기초하여 체류수량 Vr을 구하는 처리를 추가하고, 스텝 S160을, 구한 체류수량 Vr이 판정 임계값 Sth와 비교되는 처리로 변경한다. 또한, 스텝 S180을 배수 가능량 Vd의 초깃값 Vs를 설정하는 처리로 변경한다. 또한, 스텝 S200과 스텝 S210의 사이에, 상기 식 (1)에 기초하여 배수 가능량 Vdc를 구하는 처리를 추가하고, 스텝 S210을, Vd=Vs+Vdc로 변경한다.

스텝 S180의 초깃값 Vs는, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr마다 미리 준비되어 있는, 체류수 여유량(Sth-Vr)과 가능 배수량 Vd의 관계를 나타내는 초깃값 맵으로부터, 체류수 여유량(Sth-Vr)에 대응하는 배수 가능량 Vd를 구하고, 설정하도록 하면 좋다. 스텝 S220의 판정 임계값 Sth는, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr마다 미리 준비되어 있는, 배수 가능량 Vd와, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)에 체류수 임계값 Vth의 액수(체류수)가 저류되는 체류수량 Vr의 관계를 나타내는 판정 임계값 맵으로부터, 배수 가능량 Vd에 대응하는 체류수량 Vr을 구하고, 갱신하도록 하면 된다.

(4) 변형예 4

상기 실시 형태에서는, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수 상승 레이트(상승률)를 저레이트로 설정하도록 하였지만, 복수 단의 제한한 회전 수로 단계적으로 회전 수를 상승시켜 가도록 하여도 된다. 즉, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수 상승 레이트(상승률)를 제한하도록 하면 된다.

(5) 변형예 5

상기 실시 형태에서는, 온도 계측부(68)에 의해 계측한 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr에 기초하여 초깃값 맵 및 판정 임계값 맵을 선택하도록 하여 설명하였지만, 외기온을 계측하고, 계측한 외기온을 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도 Tr을 대신하여 사용하여도 된다. 맵을 선택할 때 이용하는 온도는, 수소 순환 펌프(64)의 온도로서 취급하는 것이 가능한 온도이면 된다.

(6) 변형예 6

상기 실시 형태에서는, 수소 순환 펌프(64)를 사용하여, 그 회전 수의 상승 레이트를 제한하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수는, 애노드 가스 순환계(60)의 순환류량에 대응하는 것이므로, 수소 순환 펌프(64)에 한정되는 것이 아니라, 애노드 가스 순환계(60)의 순환류량을 조정 가능한 순환 디바이스이면 되며, 그 순환류량의 상승 레이트를 제한하도록 하면 된다.

본 발명은, 전술한 실시 형태나 변형예에 한정되는 것은 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 변형예 중의 기술적 특징은, 전술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 혹은, 전술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히 대체나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히 삭제하는 것이 가능하다.

10: 연료 전지
11: 단위 셀
20: 제어부
30: 캐소드 가스 공급계
31: 캐소드 가스 공급 배관
32: 공기 압축기
33: 에어 플로우미터
34: 개폐 밸브
35: 압력 계측부
40: 캐소드 가스 배출계
41: 캐소드 배기 가스 배관
43: 압력 조절 밸브
44: 압력 계측부
50: 애노드 가스 공급계
51: 애노드 가스 공급 배관
52: 수소 탱크
53: 개폐 밸브
54: 레귤레이터
55: 수소 공급 장치
56: 압력 계측부
60: 애노드 가스 순환계
61: 애노드 배기 가스 배관
62: 기액 분리부
63, 63a, 63b: 애노드 가스 순환 배관
64: 수소 순환 펌프
65: 애노드 배수 배관
66: 배수 밸브
67: 압력 계측부
68: 온도 계측부
70: 냉매 순환계
71: 냉매 배관
71a: 상류측 배관
71b: 하류측 배관
72: 라디에이터
75: 냉매 순환 펌프
76a: 상류측 온도 센서
76b: 하류측 온도 센서
80: 전력 충방전계
82: 구동 모터
84: 인버터
86: 이차 전지
88: DC/DC 컨버터
100: 연료 전지 시스템
WL: 차륜
DCL: 직류 배선

Claims

연료 전지 시스템이며,
연료 전지와,
상기 연료 전지에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 유로와,
상기 연료 전지로부터 애노드 오프 가스를 배출하는 애노드 가스 배출 유로와,
상기 애노드 가스 공급 유로와 상기 애노드 가스 배출 유로를 접속하는 애노드 가스 순환 유로와,
상기 애노드 가스 순환 유로에 설치되고, 상기 애노드 가스 공급 유로에 공급하는 상기 애노드 오프 가스의 순환류량을 조절 가능한 상기 애노드 오프 가스를 상기 애노드 가스 공급 유로에 공급하는 순환 디바이스와,
상기 순환 디바이스에 액수가 체류하는 경우에는, 상기 순환 디바이스의 순환류량을 제어하여 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출시키는 제어부
를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량이 소정값 이상이라고 판단된 경우에, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 배출하기 위해 상승시키는 상기 순환 디바이스의 순환류량의 상승률을 제한하는, 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출 가능한 배수 가능 순환류량에 있어서의 가능 배수량과, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출 불가한 배수 불가 순환류량에 있어서 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량의 관계에 기초하여, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량을 추정함으로써, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량이 상기 소정값 이상으로 되었는지 여부를 판단하는, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 순환류량을 소정량 이상으로 상승시켜서 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출하는 경우에는, 상기 순환 디바이스에 의한 상기 순환류량의 상승률의 제한을 행하지 않는, 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 순환 디바이스는 순환 펌프이며,
상기 제어부는, 상기 순환류량에 대응하는 상기 순환 펌프의 회전 수 상승률을 제한함으로써, 상기 순환류량의 상승률을 제한하는, 연료 전지 시스템.
연료 전지와,
상기 연료 전지에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 유로와,
상기 연료 전지로부터 애노드 오프 가스를 배출하는 애노드 가스 배출 유로와,
상기 애노드 가스 공급 유로와 상기 애노드 가스 배출 유로를 접속하는 애노드 가스 순환 유로와,
상기 애노드 가스 순환 유로에 설치되고, 상기 애노드 가스 공급 유로에 공급하는 상기 애노드 오프 가스의 순환류량을 조절 가능한 상기 애노드 오프 가스를 상기 애노드 가스 공급 유로에 공급하는 순환 디바이스
를 구비하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
상기 순환 디바이스에 액수가 체류하는 경우에는, 상기 순환 디바이스의 순환류량을 제어하여 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출시키는 배수 처리를 실행하고,
상기 배출 처리에 있어서, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량이 소정값 이상이라고 판단된 경우에는, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 배출하기 위해 상승시키는 상기 순환 디바이스의 순환류량의 상승률을 제한하는, 제어 방법.
제5항에 있어서,
상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출 가능한 배수 가능 순환류량에 있어서의 가능 배수량과, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출 불가한 배수 불가 순환류량에 있어서 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량의 관계에 기초하여, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량을 추정함으로써, 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수량이 상기 소정값 이상으로 되었는지 여부를 판단하는, 제어 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 배수 처리에 있어서, 상기 순환류량을 소정량 이상으로 상승시켜서 상기 순환 디바이스에 체류하는 액수를 상기 순환 디바이스로부터 배출하는 경우에는, 상기 순환 디바이스에 의한 상기 순환류량의 상승률의 제한을 행하지 않는, 제어 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 순환 디바이스는 순환 펌프이며,
상기 배수 처리에 있어서, 상기 순환류량에 대응하는 상기 순환 펌프의 회전 수 상승률을 제한함으로써, 상기 순환류량의 상승률을 제한하는, 제어 방법.