KR101828129B1 - 연료 전지 시스템에 있어서의 냉각 매체의 유량 제어 방법 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 저온 환경하에 있어서의 연료 전지 시스템의 난기 시간을 단축하는 것이다.
연료 전지와, 냉각 매체의 내부 유로와, 내부 유로와 접속되어 순환 유로를 형성하는 외부 유로를 갖는 연료 전지 시스템에 있어서의 냉각 매체의 유량 제어 방법은, (a) 내부 유로에의 입구에서의 냉각 매체의 온도인 입구 온도가, 연료 전지 내에 있어서 생성수가 동결하지 않는 온도 범위의 하한 온도 이상인지 여부를 추정하는 공정과, (b) 입구 온도가 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 순환 유로에 있어서의 냉각 매체의 유량을 통상 유량에 비해 많아지도록 조정하고, 입구 온도가 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 순환 유로에 있어서의 냉각 매체의 유량을, 통상 유량 이하로 조정하는 공정을 구비한다.

Description

연료 전지 시스템에 있어서의 냉각 매체의 유량 제어 방법 및 연료 전지 시스템{FLOW CONTROL METHOD OF COOLING MEDIUM IN A FUEL CELL SYSTEM, AND A FUEL CELL SYSTEM}
본원은, 2014년 11월 10일에 출원된 출원 번호 제2014-227848호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 모두가 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 있어서의 냉각 매체의 유량 제어에 관한 것이다.
종래, 적층된 복수의 단셀로 이루어지는 셀 스택을 갖는 연료 전지 시스템에 있어서, 영하 시동 시에, 냉각수의 펌프를 정지시켜 냉각수를 순환시키지 않는 상태로서 난기를 행하고, 발전 부위를 급속하게 승온시키는 기술이 제안되어 있다(JP2010-186599A).
그러나, 상술한 기술에서는, 셀 스택의 단부에 위치하는 단셀과 같이 다른 단셀에 비해 승온하기 어려운 단셀에 대해, 다른 단셀로부터 냉각수를 통해 폐열을 부여할 수 없다. 이로 인해, 셀 스택 내에 온도 분포가 발생하여, 셀 스택 전체가 소정 온도까지 승온할 때까지 장시간을 필요로 한다고 하는 과제가 있었다. 또한, 각 단셀 내에 있어서도, 보다 승온하기 쉬운 산화제 가스의 입구측의 폐열을, 냉각수를 통해 산화제 가스의 출구측으로 유도할 수 없다. 이로 인해, 각 단셀 내에 있어서 온도 분포가 발생하고, 셀 스택 전체가 소정 온도까지 승온할 때까지 장시간을 필요로 한다고 하는 문제가 있었다. 이러한 과제는, 냉각수에 한하지 않고, 부동액 및 공기 등의 임의의 종류의 냉각 매체를, 셀 스택의 온도를 조정하기 위해 순환시키는 연료 전지 시스템에 있어서 공통되는 과제였다. 그 밖에, 종래의 연료 전지 시스템에서는, 그 소형화나, 저비용화, 자원 절약화, 제조의 용이화, 사용 편의성의 향상 등이 요망되고 있었다.
본 발명은 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 발명의 일 형태에 따르면, 연료 전지와, 상기 연료 전지의 내부에 형성되어 있는 냉각 매체의 내부 유로와, 상기 연료 전지의 외부에 형성되고, 상기 내부 유로와 접속되어 상기 냉각 매체의 순환 유로를 형성하는 외부 유로를 갖는 연료 전지 시스템에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량 제어 방법이 제공된다. 이 방법은, 상기 순환 유로 내에 있어서의 상기 내부 유로에의 입구에서의 상기 냉각 매체의 온도인 입구 온도가, 상기 연료 전지 내에 있어서 생성수가 동결하지 않는 온도 범위의 하한 온도 이상인지 여부를 판정하는 공정과; 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을 조정하는 공정이며, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 연료 전지의 통상 운전 시에 있어서 상기 연료 전지의 발열량이 동일한 경우에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량인 통상 유량에 비해 많아지도록 조정하고, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량 이하로 조정하는 공정;을 구비한다.
이 형태의 방법에 따르면, 입구 온도가 연료 전지 내에 있어서 생성수가 동결하지 않는 온도 범위의 하한 온도 이상인 경우에, 순환 유로에 있어서의 냉각 매체의 유량이 통상 유량에 비해 많아지도록 조정되므로, 연료 전지 내에 있어서의 열의 전도를 촉진하여 연료 전지 내에 있어서의 온도 분포의 발생을 억제할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지 전체의 승온 시간을 짧게 할 수 있고, 연료 전지 시스템의 난기 운전에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있다. 또한, 이 형태의 연료 전지 시스템에서는, 입구 온도가 하한 온도 이상인지 여부의 판정 결과에 따라 냉각 매체의 유량을 통상 유량에 비해 많아지도록 조정하고, 그 판정에 있어서 사용하는 온도로서 입구 온도를 사용하고 있다. 여기서, 입구 온도는, 순환 유로에 있어서 가장 낮은 온도이므로, 이러한 온도가 생성수가 재동결하지 않는 온도 범위의 하한값보다도 높은 경우에는, 순환 유로의 어느 위치에 있어서도 이 하한값보다도 높은 온도이다. 따라서, 냉각 매체의 유량을 통상 유량보다도 많아지도록 조정한 결과, 연료 전지에 있어서 생성수의 재동결이 발생하는 것을, 판정 공정에 있어서 다른 부위의 온도를 사용하는 경우에 비해 보다 확실하게 억제할 수 있다.
(2) 상기 형태의 방법에 있어서, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을 조정하는 공정은, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 연료 전지의 통상 운전 시에 있어서 상기 연료 전지의 발열량이 동일한 경우에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량인 통상 유량에 비해 적어지도록 조정하는 공정을 포함하는, 방법. 이 형태의 방법에 따르면, 입구 온도가 연료 전지 내에 있어서 생성수가 동결하지 않는 온도 범위의 하한 온도 이상이 아닌 경우에, 순환 유로에 있어서의 냉각 매체의 유량이 통상 유량에 비해 적어지도록 조정되므로, 연료 전지 내에 있어서 생성수가 재동결하는 것을 억제할 수 있음과 함께, 연료 전지에 있어서의 발열 부위가 냉각 매체에 의해 냉각되고, 이러한 부위의 발열량이 저하되어 버리는 것을 억제할 수 있다.
(3) 상기 형태의 방법에 있어서, 또한, 상기 연료 전지의 온도를 취득하는 공정과; 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량으로 조정하는 공정;을 구비하고, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상인지 여부를 판정하는 공정과, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을 상기 통상 유량에 비해 많아지도록 조정하고, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량 이하로 조정하는 공정은, 모두 상기 연료 전지 시스템의 영하 시동 시에 난기 운전이 실행되고 있는 기간에 있어서, 상기 연료 전지의 온도가 상기 난기 운전의 종료 시의 온도로서 미리 정해져 있는 종료 온도보다도 낮은 동안에 실행되고, 또한, 상기 연료 전지의 온도가 상기 종료 온도 이상으로 된 경우에 종료되고, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량으로 조정하는 공정은, 상기 연료 전지의 온도가 상기 종료 온도 이상으로 된 경우에 실행되어도 된다. 이 형태의 방법에 따르면, 난기 운전이 실행되고 있는 기간에 있어서, 연료 전지 내에 있어서 생성수가 재동결하는 것을 억제할 수 있음과 함께 연료 전지 내에 있어서의 온도 분포의 발생을 억제할 수 있으므로, 난기 운전에 필요로 하는 기간을 단축할 수 있다.
(4) 상기 형태의 방법에 있어서, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상인지 여부를 판정하는 공정은, 상기 순환 유로 내에 있어서의 상기 내부 유로의 출구에서의 상기 냉각 매체의 온도인 출구 온도를 취득하는 공정과; 상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상인지 여부를 판정하는 공정과; 상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 전회 판정되고 나서 금회 판정될 때까지의 경과 기간에, 상기 순환 유로 중 적어도 상기 외부 유로의 체적에 상당하는 소정 체적의 상기 냉각 매체가 상기 입구를 통과하였는지 여부를 판정하는 공정과; 상기 경과 기간에 상기 소정 체적의 상기 냉각 매체가 상기 입구를 경과하였다고 판정된 경우에, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정하고, 상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우 또는 상기 경과 기간에 상기 소정 체적의 상기 냉각 매체가 상기 입구를 통과하고 있지 않다고 판단된 경우에, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정하는 공정;을 가져도 된다. 이 형태의 방법에 따르면, 출구 온도가 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 경과 기간에 외부 유로의 체적에 상당하는 소정 체적의 냉각 매체가 입구를 통과할 때까지, 입구 온도가 하한 온도 이상이라고 판정하지 않으므로, 입구 온도가 하한값 이상인지 여부의 판정을 정확하게 행할 수 있다.
본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것도 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템을 탑재한 차량, 연료 전지 시스템의 영하 시동의 제어 방법, 연료 전지 시스템에 있어서의 냉각수의 유량 제어 방법 또는 연료 전지 시스템의 영하 시동의 제어 방법을 실현하기 위한 프로그램, 및 그 프로그램을 기록하는 기록 매체 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 실시 형태의 냉각수 유량 맵의 설정 내용의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도.
도 3은 본 실시 형태의 발열량 맵의 설정 내용의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도.
도 4는 본 실시 형태에 있어서의 난기 시 냉각수 유량 제어 처리의 수순을 나타내는 흐름도.
도 5는 본 실시 형태에 있어서의 입구 온도 비교 판정 처리의 수순을 나타내는 흐름도.
A. 실시 형태:
A1. 시스템 구성:
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)은, 구동용 전원을 공급하기 위한 시스템으로서, 연료 전지 자동차에 탑재되어 사용된다. 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(100)와, 연료 가스 공급 배출계라고도 불리는 연료 가스 공급 배출 기구(200)와, 산화제 가스 공급 배출계라고도 불리는 산화제 가스 공급 배출 기구(300)와, 연료 전지 순환 냉각계라고도 불리는 연료 전지 순환 냉각 기구(400)와, 전력 충방전계라고도 불리는 전력 충방전 기구(500)와, 제어 장치(600)를 구비한다.
연료 전지(100)는, 소위 고체 고분자형 연료 전지이며, 적층 방향(SD)을 따라 적층된 복수의 단셀(110)로 이루어지는 셀 스택과, 셀 스택의 양단부의 외측에 배치되어 종합 전극으로서 기능하는 한 쌍의 집전판(111)을 구비한다. 각 단셀(110)은, 고체 고분자 전해질막을 사이에 두고 형성되는 애노드측 촉매 전극층에 공급되는 연료 가스, 예를 들어 수소와, 캐소드측 촉매 전극층에 공급되는 산화제 가스, 예를 들어 공기에 포함되는 산소와의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생시킨다. 촉매 전극층은, 촉매, 예를 들어 백금(Pt)을 담지한 카본 입자나 전해질을 포함하여 구성된다. 단셀(110)에 있어서 양 전극측의 촉매 전극층의 외측에는, 다공질체에 의해 형성된 가스 확산층이 배치되어 있다. 다공질체로서는, 예를 들어 카본 페이퍼 및 카본 클로스 등의 카본 다공질체나, 금속 메쉬 및 발포 금속 등의 금속 다공질체가 사용된다. 연료 전지(100)의 내부에는, 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각수를 유통시키기 위한 매니폴드가 형성되어 있다. 도 1에서는, 냉각수 유통 매니폴드(120)를 파선에 의해 모식적으로 나타내고 있다. 본 실시 형태에 있어서, 냉각수 유통 매니폴드(120)는, 적층 방향(SD)을 따라 형성된 도시하지 않은 냉각수 공급 매니폴드와 냉각수 배출 매니폴드가 각 단셀(110) 내의 냉각수 유로를 통해 접속되어 있는 구조를 갖는다. 또한, 상술한 냉각수 공급 매니폴드는, 연료 전지 순환 냉각 기구(400)가 구비하는 후술하는 냉각수 공급로(421)와 접속되어 있다. 또한, 상술한 냉각수 배출 매니폴드는, 연료 전지 순환 냉각 기구(400)가 구비하는 후술하는 냉각수 배출로(422)와 접속되어 있다.
연료 가스 공급 배출 기구(200)는, 연료 전지(100)에의 연료 가스의 공급 및 연료 전지(100)로부터의 애노드측 오프 가스의 배출을 행한다. 연료 가스 공급 배출 기구(200)는, 수소 탱크(210)와, 차단 밸브(220)와, 인젝터(221)와, 기액 분리기(230)와, 순환용 펌프(240)와, 퍼지 밸브(250)와, 연료 가스 공급로(261)와, 제1 연료 가스 배출로(262)와, 연료 가스 순환로(263)와, 제2 연료 가스 배출로(264)를 구비한다.
수소 탱크(210)는, 고압 수소를 저장하고 있고, 연료 가스로서의 수소 가스를, 연료 가스 공급로(261)를 통해 연료 전지(100)에 공급한다. 차단 밸브(220)는, 수소 탱크(210)에 있어서의 연료 가스의 공급구 근방에 배치되고, 수소 탱크(210)로부터의 수소 가스의 공급의 실행과 정지를 전환한다. 인젝터(221)는, 연료 가스 공급로(261)에 배치되고, 연료 전지(100)에의 수소 가스의 공급량 및 압력을 조정한다. 기액 분리기(230)는, 제1 연료 가스 배출로(262)에 배치되고, 연료 전지(100)로부터 배출된 애노드측 오프 가스에 포함되는 물을 분리하여 제2 연료 가스 배출로(264)에 배출함과 함께, 물이 분리된 후의 가스, 즉, 연료 가스를 연료 가스 순환로(263)에 배출한다. 순환용 펌프(240)는, 연료 가스 순환로(263)에 배치되고, 기액 분리기(230)로부터 배출된 연료 가스를 연료 가스 공급로(261)에 공급한다. 퍼지 밸브(250)는, 제2 연료 가스 배출로(264)에 배치되고, 밸브 개방됨으로써, 기액 분리기(230)에 의해 분리된 물이나 오프 가스의 대기 중에의 배출을 허용한다.
산화제 가스 공급 배출 기구(300)는, 연료 전지(100)에의 산화제 가스의 공급 및 연료 전지(100)로부터의 캐소드측 오프 가스의 배출을 행한다. 산화제 가스 공급 배출 기구(300)는, 에어 클리너(310)와, 에어 컴프레서(320)와, 배압 밸브(340)와, 산화제 가스 공급로(331)와, 산화제 가스 배출로(332)를 구비한다. 에어 클리너(310)는, 내부에 구비하는 필터에 의해 공기 중의 티끌 등의 이물질을 제거하고, 이물질 제거 후의 공기를 에어 컴프레서(320)에 공급한다. 에어 컴프레서(320)는, 에어 클리너(310)로부터 공급되는 공기를 압축하여 산화제 가스 공급로(331)로 송출한다. 배압 밸브(340)는, 산화제 가스 배출로(332)에 배치되고, 연료 전지(100)에 있어서의 캐소드 배출측의 압력인 소위 배압을 조정한다. 산화제 가스 배출로(332)는, 상술한 제2 연료 가스 배출로(264)와 접속되어 있고, 산화제 가스 배출로(332)를 통과하여 배출되는 물 및 캐소드측 오프 가스는, 제2 연료 가스 배출로(264)를 통과하여 배출되는 물 및 애노드측 오프 가스와 함께 대기 중에 배출된다.
연료 전지 순환 냉각 기구(400)는, 연료 전지(100)를 통해 냉각수를 순환시킴으로써 연료 전지(100)의 온도를 조정한다. 연료 전지 순환 냉각 기구(400)는, 라디에이터(410)와, 냉각수 공급로(421)와, 냉각수 배출로(422)와, 바이패스 유로(423)와, 3방향 밸브(430)와, 순환용 펌프(440)와, 온도 센서(450)를 구비한다.
라디에이터(410)는, 냉각수 배출로(422)와 냉각수 공급로(421)에 접속되어 있고, 냉각수 배출로(422)로부터 유입되는 냉각수를, 도시하지 않은 전동 팬으로부터의 송풍 등에 의해 냉각하고 나서 냉각수 공급로(421)에 배출한다. 냉각수 공급로(421)는, 일단부가 라디에이터(410)에 접속되고, 타단부가 연료 전지(100) 내의 냉각수 유통 매니폴드(120)에 접속되어 있다. 냉각수 배출로(422)는, 일단부가 연료 전지(100) 내의 냉각수 유통 매니폴드(120)에 접속되고, 타단부가 라디에이터(410)에 접속되어 있다. 바이패스 유로(423)는, 일단부가 냉각수 배출로(422)에 접속되고, 타단부가 냉각수 공급로(421)에 접속되어 있다. 바이패스 유로(423)는, 라디에이터(410)를 바이패스하여 냉각수를 냉각수 배출로(422)로부터 냉각수 공급로(421)에 유통시킴으로써, 냉각수를 라디에이터(410)에 의해 냉각하지 않고 순환시킬 수 있다. 본 실시 형태에서는, 냉각수로서 에틸렌글리콜 등의 부동수가 사용된다. 단, 부동수에 한하지 않고 공기 등의 기체 등의 열교환 가능한 임의의 매체를, 냉각 매체로서 사용해도 된다.
3방향 밸브(430)는, 바이패스 유로(423)와 냉각수 공급로(421)의 접속 개소에 배치되어 있다. 3방향 밸브(430)의 밸브 개방도가 조정됨으로써 바이패스 유로(423)와 냉각수 공급로(421)의 연통의 유무가 제어된다. 구체적으로는, 3방향 밸브(430)가 폐쇄되어 있는 상태에 있어서는, 바이패스 유로(423)와 냉각수 공급로(421)는 서로 연통되지 않는다. 이때, 연료 전지 순환 냉각 기구(400)에 있어서 순환 유로가 형성된다. 이 순환 유로는, 연료 전지(100) 내의 냉각수 유통 매니폴드(120), 냉각수 배출로(422), 라디에이터(410), 냉각수 공급로(421) 및 순환용 펌프(440)를 연결하여 형성된다. 이에 반해, 3방향 밸브(430)가 개방되어 있는 상태에 있어서는, 바이패스 유로(423)와 냉각수 공급로(421)는 서로 연통된다. 이때, 연료 전지 순환 냉각 기구(400)에 있어서 도 1에 파선으로 나타내는 순환 유로(R1)가 형성된다. 이 순환 유로(R1)는, 연료 전지(100) 내의 냉각수 유통 매니폴드(120), 냉각수 배출로(422), 바이패스 유로(423), 냉각수 공급로(421) 및 순환용 펌프(440)를 연결하여 형성된다. 특히, 3방향 밸브(430)가 완전 개방인 경우에는, 연료 전지(100)의 냉각수 유통 매니폴드(120)로부터 냉각수 배출로(422)에 배출된 냉각수는, 라디에이터(410)를 향하지 않고 바이패스 유로(423)를 향한다. 이로 인해, 상술한 순환 유로(R1)에 있어서만 냉각수가 순환하게 된다.
순환용 펌프(440)는, 냉각수 공급로(421)에 있어서 3방향 밸브(430)와 연료 전지(100) 사이에 배치되어 있고, 연료 전지 순환 냉각 기구(400)에 있어서의 냉각 매체의 순환 유량을 조정한다. 온도 센서(450)는, 냉각수 배출로(422)에 있어서, 냉각수 유통 매니폴드(120)의 출구(p2)의 근방에 배치되어 있고, 출구(p2)에 있어서의 냉각수의 온도(이하, 「출구 온도」라 함)를 측정하고, 온도값을 나타내는 신호를 출력한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 출구 온도는, 연료 전지(100)의 온도로서 취급된다.
전력 충방전 기구(500)는, 연료 전지(100) 또는 배터리(550)로부터 출력되는 전력을, 부하 장치(510)에 공급한다. 본 실시 형태에 있어서, 부하 장치(510)라 함은, 차량 구동용 모터나 각종 보조 기계류 등을 말하며, 연료 전지(100)의 정극측의 집전판(111) 및 부극측의 집전판(111)에 각각 접속되어 있다. 전력 충방전 기구(500)는, 인버터(520)와, 전류계(530)와, 전압계(540)와, DC-DC 컨버터(560)와, 배터리(550)를 구비한다. 인버터(520)는, 연료 전지(100) 및 배터리(550)와 병렬로 접속되고, 연료 전지(100) 또는 배터리(550)로부터 공급되는 직류 전류를, 교류 전류로 변환하여 부하 장치(510)에 공급한다. 전류계(530)는, 연료 전지(100)로부터 출력되는 전류값을 측정하고, 전류값을 나타내는 신호를 출력한다. 전압계(540)는, 연료 전지(100)의 출력 전압을 측정하고, 전압값을 나타내는 신호를 출력한다. DC-DC 컨버터(560)는, 배터리(550)의 출력 전압을 승압하여 인버터(520)에 공급하고, 또한 연료 전지(100)의 잉여 발전력을 축전하기 위해, 출력 전압을 강압하여 배터리(550)에 공급한다.
제어 장치(600)는, 상술한 차단 밸브(220), 인젝터(221), 순환용 펌프(240), 퍼지 밸브(250), 에어 컴프레서(320), 배압 밸브(340), 순환용 펌프(440), 3방향 밸브(430), 인버터(520) 및 DC-DC 컨버터(560)와 전기적으로 접속되어 있고, 이들을 제어한다. 또한, 제어 장치(600)는, 온도 센서(450)와 전기적으로 접속되어 있고, 온도 센서(450)로부터 출력되는 온도값을 나타내는 신호를 수신한다. 제어 장치(600)는, CPU(Central Processing Unit)와, ROM(Read Only Memory)과, RAM(Random Access Memory)을 갖는 도시하지 않은 마이크로컴퓨터에 의해 구성되어 있고, CPU가 ROM에 저장되어 있는 제어용 프로그램을 실행함으로써, 온도 비교 판정부(610), 유량 제어부(620), 난기 제어부(630), 발열량 특정부(640) 및 운전 제어부(650)로서 기능한다.
온도 비교 판정부(610)는, 후술하는 난기 시 냉각수 유량 제어 처리에 있어서, 냉각수 유통 매니폴드(120)의 입구(p1)의 온도(이하, 「입구 온도」라 함)가 소정의 임계값 온도 이상인지 여부를 판정하는 처리(이하, 「입구 온도 비교 판정 처리」라 함)를 실행한다. 유량 제어부(620)는, 순환용 펌프(440)의 유량을 조정함으로써, 연료 전지 순환 냉각 기구(400)에 있어서의 냉각 매체의 유량을 제어한다. 난기 제어부(630)는, 연료 전지 시스템(10)에 있어서 실행되는 난기 운전을 제어한다. 연료 전지 시스템(10)에서는, 이그니션 온 시의 연료 전지(100)의 온도, 즉, 출구 온도가 0℃보다도 낮은 온도인 경우에, 난기 운전이 실행된다. 본 실시 형태에 있어서, 난기 운전은, 통상 운전에 비해 연료 전지(100)에의 산화제 가스인 공기의 공급량을 줄임으로써, 각 단셀(110)을 낮은 발전 효율로 운전시키고, 발전 손실(열 손실)을 높여 승온시킨다. 공기의 공급량을 줄이는 것은, 예를 들어 에어 이론 공연비를 1.0 부근으로 설정함으로써 실행된다. 이 난기 운전은, 입구 온도가 난기 종료 온도에 도달할 때까지 실행된다. 본 실시 형태에 있어서, 난기 종료 온도는, 연료 전지(100)의 각 부위의 온도가 0℃보다도 높은 소정 온도 이상으로 되는 경우의 입구 온도로 하고, 미리 설정되어 있다. 예를 들어, 각 단셀에 있어서 고효율적으로 발전이 가능한 온도인 72℃ 이상 80℃ 이하의 소정의 온도 이상으로 되는 경우의 입구 온도가, 난기 종료 온도로서 미리 설정되어 있다. 발열량 특정부(640)는, 연료 전지(100)의 발열량을 특정한다. 운전 제어부(650)는, 상술한 각 기능부(610∼640)를 제어함과 함께, 에어 컴프레서(320) 및 인젝터(221) 등의 제어 장치(600)와 전기적으로 접속되어 있는 각 구성 요소의 구동 및 정지를 제어함으로써, 연료 전지(100)의 발전을 포함하는 연료 전지 시스템(10)의 운전을 제어한다.
제어 장치(600)의 도시하지 않은 ROM에는, 상술한 제어 프로그램에 더하여, 냉각수 유량 맵 저장부(660) 및 발열량 맵 저장부(670)가 설치되어 있다. 냉각수 유량 맵 저장부(660)에는, 미리 냉각수 유량 맵이 저장되어 있다. 발열량 맵 저장부(670)에는, 미리 발열량 맵이 저장되어 있다.
도 2는 본 실시 형태의 냉각수 유량 맵의 설정 내용의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 2에 있어서, 횡축은 연료 전지(100)의 발열량을 나타내고, 종축은 냉각수 유량(단위 시간당 흐르는 냉각수의 체적)을 나타낸다. 냉각수 유량 맵에서는, 연료 전지(100)의 발열량과 냉각수 유량이 대응되어 있다. 도 2에 나타내는 일점 쇄선의 라인 Ls는, 통상 운전 시에 사용되는 발열량과 냉각수 유량의 대응 관계를 나타낸다. 유량 제어부(620)는, 통상 운전 시에, 이러한 라인 Ls를 참조하여 연료 전지(100)의 발열량에 기초하여 냉각수 유량을 결정하고, 결정된 유량으로 되도록 순환용 펌프(440)를 제어한다. 또한, 상술한 「통상 운전」이라 함은, 예를 들어 산소의 이론 공연비를 1.3∼1.8로 하여 연료 전지(100)를 운전하는 상태를 가리킨다. 또한, 본 실시 형태와 같이, 연료 전지 시스템(10)이 연료 전지 자동차에 사용되는 구성에 있어서는, 통상 운전이라 함은, 차량이 정상으로 주행을 행하고 있을 때의 연료 전지(100)의 운전 상태를 가리킨다. 바꾸어 말하면, 통상 운전이라 함은, 간헐 운전이나 과도 운전을 행하고 있을 때의 연료 전지(100)의 운전 상태는 제외된다.
도 2에 있어서 실선으로 나타내는 7개의 라인 L1, L2, L3, L4, L5, L6 및 L7은, 영하 시동 시에 있어서 후술하는 난기 시 냉각수 유량 제어 처리가 실행될 때에 사용되는 발열량과 냉각수 유량의 대응 관계를 나타낸다. 이들 7개의 라인 L1∼L7은, 연료 전지(100)의 온도, 즉, 출구 온도에 따라 설정되어 있다. 구체적으로는, 라인 L1은, 연료 전지(100)의 온도가 가장 낮은 경우에 사용되는 발열량과 냉각수 유량의 대응 관계로서 설정되어 있고, 계속해서 라인 L2, L3, L4, L5, L6, L7의 순서로, 연료 전지(100)의 온도가 보다 높은 경우에 사용되는 대응 관계로서 설정되어 있다. 라인 L7은, 연료 전지(100)의 온도가, 각 단셀(110)에 있어서 발생한 생성수가 동결하지 않는 온도 범위의 하한 온도 이상인 경우에 사용된다. 구체적으로는, 본 실시 형태에서는, 라인 L7은, 연료 전지(100)의 온도가 0℃ 이상인 경우에 사용된다. 이에 반해, 남은 6개의 라인 L1∼L6은, 연료 전지(100)의 온도가 0℃보다도 낮은 경우에 사용된다. 유량 제어부(620)는, 영하 시동 시에, 이들 7개의 라인 L1∼L7을 참조하여 연료 전지(100)의 발열량에 기초하여 냉각수 유량을 결정하고, 결정된 유량으로 되도록 순환용 펌프(440)를 제어한다.
7개의 라인 L1∼L7 중, 6개의 라인 L1∼L6에 대해서는, 발열량이 증가하는 것에 따라 냉각수량도 증가하도록 설정되어 있다. 이것은, 발열량이 많아지는 것에 따라 냉각수 유량을 증가시켜 각 단셀(110) 사이에 있어서의 열의 교환을 촉진하고, 각 단셀(110)끼리의 열 분포를 저감시키기 위함이다. 또한, 이들 6개의 라인 L1∼L6에 있어서는, 동일한 발열량이라면, 연료 전지(100)의 온도가 보다 높을수록 냉각수 유량이 보다 많아지도록 설정되어 있다. 환언하면, 동일한 발열량이라면, 연료 전지(100)의 온도가 보다 낮을수록 보다 냉각수 유량이 보다 적어지도록 설정되어 있다. 이와 같이 설정되어 있는 이유에 대해, 이하 설명한다. 연료 전지(100)의 온도가, 생성수가 동결하지 않는 온도 범위의 하한 온도보다도 낮은 경우에는, 냉각수량이 많으면 각 단셀(110)이 냉각수에 의해 냉각되어 생성수의 재동결이 일어날 수 있다. 덧붙여 말하면, 발열량이 적은 경우에 냉각수량이 많으면, 발열 부위가 냉각되어 버리므로 발열량이 저감되어 버리고, 난기가 억제되어 버린다. 따라서, 6개의 라인 L1∼L6에서는, 동일한 발열량이라면, 연료 전지(100)의 온도가 보다 낮을수록 보다 냉각수 유량이 보다 적어지도록 설정되고, 생성수의 재동결을 억제함과 함께 발열량의 저감을 억제하도록 하고 있다. 또한, 6개의 라인 L1∼L6은, 모두 동일한 발열량이라면, 통상 운전 시의 라인 Ls보다도 적은 냉각수 유량이 설정되어 있다. 이와 같이 설정되어 있는 이유도, 상술한 동일한 발열량이라면 연료 전지(100)의 온도가 보다 낮을수록 보다 냉각수 유량이 보다 적어지도록 설정되어 있는 이유와 마찬가지이다. 즉, 연료 전지(100)의 온도가, 생성수가 동결하지 않는 온도 범위의 하한 온도보다도 낮은 경우에는, 냉각수 유량을 통상 운전 시보다도 낮게 억제하여, 냉각수의 순환에 의한 생성수의 재동결을 억제하기 위함이다.
이에 반해, 라인 L7에서는, 어느 발열량에 있어서도, 통상 운전 시의 라인 Ls에 비해 많은 냉각수 유량이 설정되어 있다. 연료 전지(100)의 온도가 0℃ 이상인 경우에는, 냉각수를 순환시켜도 각 단셀(110)에 있어서 생성수의 재동결은 일어나지 않는다. 이로 인해, 이 경우에는, 가능한 한 많은 냉각수를 순환시킴으로써, 단시간에 각 단셀(110)에 열을 널리 퍼지게 하여 단셀(110)끼리의 열 분포의 발생을 억제하고, 연료 전지(100)의 난기 시간을 단축할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 라인 L7에 있어서, 냉각수 유량으로서, 순환용 펌프(440)가 공급 가능한 유량이며, 펌프 구동에 수반하는 진동 및 소음의 조건을 만족시키는 상한의 유량 Fa가, 발열량에 관계없이 설정되어 있다.
도 3은 본 실시 형태의 발열량 맵의 설정 내용의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 3에 있어서, 횡축은 연료 전지(100)의 온도를 나타내고, 종축은 발열량을 나타낸다. 발열량 맵에서는, 연료 전지(100)의 온도와 연료 전지(100)의 발열량이 대응되어 있다. 도 3에 나타내는 3개의 곡선 L11, L12, L13은, 모두 연료 전지(100)의 온도와 연료 전지(100)의 발열량의 대응 관계를 나타내는 라인이다. 본 실시 형태에서는, 연료 전지(100)의 온도와 연료 전지(100)의 발열량의 대응 관계가, 연료 전지(100)에 의한 발전량에 따라 설정되어 있다. 구체적으로는, 라인 L11은, 발전량이 가장 낮은 경우에 사용되는 연료 전지(100)의 온도와 연료 전지(100)의 발열량의 대응 관계로서 설정되어 있고, 계속해서, 라인 L12, L13의 순서로, 발전량이 보다 높은 경우에 사용되는 대응 관계로서 설정되어 있다.
연료 전지(100)의 온도가 동일한 경우, 발전량이 보다 많을수록 발열량은 보다 많아진다. 따라서, 연료 전지(100)의 온도가 동일한 경우, 라인 L13, L12, L11의 순서로, 연료 전지(100)의 발열량이 많다. 각 라인 L11∼L13에 나타내는 바와 같이, 비교적 낮은 온도 범위에서는, 온도 변화에 대한 발열량의 변화가 커지고 있다. 구체적으로는, 저온도 범위에서는, 약간의 온도 저하에 수반하여 발열량이 급증한다. 이것은, 저온도 범위에 있어서 연료 전지(100)의 온도가 저하되면, 각 단셀(110) 내의 촉매의 활성화가 저해되는 것에 더하여, 플러딩에 의해 촉매로서 기능할 수 있는 유효 촉매량, 환언하면 유효 발전 면적이 감소하므로 발전 효율이 저하되고, 열이 발생하기 때문이다. 마찬가지로, 비교적 높은 온도 범위에 있어서, 약간의 온도 상승에 수반하여 발열량이 급증한다. 이것은, 고온도 범위에 있어서 연료 전지(100)의 온도가 상승하면, 각 단셀(110) 내의 전해질막이 건조되어 막 저항값이 높아지므로, 열이 발생하기 때문이다. 이러한 발전량 맵은, 연료 전지(100)의 온도와 발열량의 관계를 미리 실험에 의해 구하여 설정할 수 있다.
상술한 구성을 갖는 연료 전지 시스템(10)에서는, 난기 운전 실행 시에 후술하는 난기 시 냉각수 유량 제어 처리가 실행됨으로써, 난기 운전 시간을 단축할 수 있다. 또한, 상술한 냉각수 유통 매니폴드(120)는, 청구항에 있어서의 내부 유로에 상당한다. 또한, 순환 유로(R1)는 청구항에 있어서의 순환 유로에, 냉각수 배출로(422)와 바이패스 유로(423)와 냉각수 공급로(421)와 순환용 펌프(440)는 청구항에 있어서의 외부 유로에, 각각 상당한다.
A2. 난기 시 냉각수 유량 제어 처리:
도 4는 본 실시 형태에 있어서의 난기 시 냉각수 유량 제어 처리의 수순을 나타내는 흐름도이다. 연료 전지 시스템(10)에서는, 상술한 난기 운전이 개시되면, 난기 시 냉각수 유량 제어 처리가 개시된다. 또한, 난기 운전의 개시 시에, 3방향 밸브(430)는 완전 개방으로 되고, 순환 유로(R1)가 형성된다. 따라서, 냉각수 유통 매니폴드(120)로부터 배출되는 냉각수는, 모두 바이패스 유로(423)로 유도된다. 또한, 난기 시 냉각수 유량 제어 처리의 개시 시에는, 순환용 펌프(440)는 구동되어 있지 않고, 따라서, 순환 유로(R1)에 있어서의 냉각수의 순환량은 제로이다. 상술한 「순환 유로(R1)에 있어서의 냉각수의 순환량」이라 함은, 순환 유로(R1)를 유동한 냉각수의 양을 나타내고, 본 실시 형태에서는, 순환 유로(R1)에 있어서의 임의의 위치[예를 들어, 입구(p1)]를 통과한 냉각수의 양(체적)을 의미한다. 난기 시 냉각수 유량 제어 처리에서는, 우선, 온도 비교 판정부(610)가 입구 온도 비교 판정 처리를 실행한다(스텝 S105).
도 5는 본 실시 형태에 있어서의 입구 온도 비교 판정 처리의 수순을 나타내는 흐름도이다. 온도 비교 판정부(610)는, 출구 온도를 취득하고(스텝 S205), 출구 온도가 0℃ 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S210). 출구 온도가 0℃ 이상이 아니라고 판정되면(스텝 S210:"아니오"), 온도 비교 판정부(610)는, 입구(p1)의 온도가 0℃보다도 낮다고 특정한다(스텝 S215). 냉각수 배출로(422)와 바이패스 유로(423)와 냉각수 공급로(421)와 순환용 펌프(440)를 통과하는 유로(이하, 「외부 유로」라 함)에는, 발열하는 부위가 존재하지 않는다. 이에 반해, 냉각수 유통 매니폴드(120)에서는, 난기 운전에 의해 각 단셀(110)에 있어서 폐열이 발생하고 있다. 이로 인해, 순환 유로(R1)에서는, 냉각수 유통 매니폴드(120)에 있어서 각 단셀(110)을 통과한 냉각수가 모이는 출구(p2)에 있어서, 냉각수의 온도가 가장 높다. 이로 인해, 출구 온도가 0℃ 이상이 아닌, 즉, 0℃보다도 낮은 경우에는, 상술한 스텝 S215에 있어서 「입구(p1)의 온도는 0℃보다도 낮다」고 특정하도록 하고 있다.
상술한 스텝 S210에 있어서, 출구 온도가 0℃ 이상이라고 판정되면(스텝 S210:"예"), 온도 비교 판정부(610)는, 스텝 S210에 있어서 출구 온도가 0℃ 이상이라고 전회 판정되고 나서 금회 판정될 때까지의 기간(이하, 「판정 기간」이라 함)에 있어서의 냉각수의 순환량을 구한다(스텝 S220). 후술하는 바와 같이, 본 실시 형태의 난기 시 냉각수 유량 제어 처리에서는, 입구 온도 비교 판정 처리는 입구 온도가 난기 종료 온도로 될 때까지 반복해서 실행된다. 따라서, 스텝 S210도 반복해서 실행된다. 스텝 S220에서는, 출구 온도가 0℃ 이상이라고 전회 판정되었을 때로부터 금회 판정될 때까지의 시간을 구하고, 이러한 시간을, 상술한 냉각수 유량 맵의 라인 L1∼L7에 기초하여 결정된 냉각수 유량에 곱함으로써, 냉각수의 순환량을 구할 수 있다. 또한, 최초로 스텝 S220이 실행되는 경우에는, 순환용 펌프(440)는 구동하고 있지 않으므로, 순환 유량을 「제로」라고 구한다. 상술한 판정 기간은, 청구항에 있어서의 경과 기간에 상당한다.
온도 비교 판정부(610)는, 스텝 S220에서 구해진 순환량에 기초하여, 판정 기간에 적어도 순환 유로(R1)의 1주분의 체적의 냉각수가 순환 유로(R1)를 순환하였는지 여부를 판정한다(스텝 S225). 제어 장치(600)가 갖는 ROM에는, 미리 순환 유로(R1)의 체적이 기억되어 있고, 온도 비교 판정부(610)는, 이러한 체적과 스텝 S220에서 구해진 순환량을 비교하여, 판정 기간에 적어도 순환 유로(R1) 1주분의 체적의 냉각수가 순환하였는지 여부를 판정할 수 있다.
판정 기간에 적어도 순환 유로(R1) 1주분의 체적의 냉각수가 순환하고 있지 않다고 판정되면(스텝 S225:"아니오"), 상술한 스텝 S215가 실행된다. 따라서, 이 경우, 입구 온도는 0℃보다도 낮다고 추정된다. 이에 반해, 판정 기간에 적어도 외순환 유로(R1) 1주분의 체적의 냉각수가 순환하였다고 판정되면(스텝 S225:"예"), 온도 비교 판정부(610)는, 입구 온도는 0℃ 이상이라고 특정한다(스텝 S230). 판정 기간에 적어도 외부 유로 1주분의 체적의 냉각수가 순환하고 있지 않다고 판정된 경우에, 입구 온도는 0℃보다도 낮다고 추정되는 것은, 이하의 이유에 의한다. 상술한 바와 같이, 순환 유로(R1)에 있어서 냉각수의 온도가 가장 높은 위치는 출구(p2)이다. 이에 반해, 순환 유로(R1)에 있어서 냉각수의 온도가 가장 낮은 위치는, 발열 부위가 없는 외부 유로 중, 출구(p2)로부터 가장 이격되어 있는 입구(p1)이다. 따라서, 출구(p2)에서 온도가 0℃ 이상이라고 판정된 시점에서는, 입구(p1)의 온도는 0℃보다도 낮을 가능성이 있다. 그런데, 출구(p2)에서 온도가 0℃ 이상이라고 판정되고 나서, 순환 유로(R1) 1주분의 체적의 냉각수가 순환하면, 출구(p2)에서 온도가 0℃ 이상이라고 판정되었을 때에 냉각수 유통 매니폴드(120)에 존재하고 있었던 비교적 고온의 물이 일주하므로, 입구(p1)에 있어서도 온도가 0℃ 이상으로 될 가능성이 높다. 따라서, 이 경우, 입구 온도는 0℃ 이상이라고 특정하도록 하고 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 상술한 입구 온도 비교 판정 처리의 실행 완료 후, 유량 제어부(620)는, 입구 온도 비교 판정 처리의 결과, 입구 온도가 0℃ 이상이라고 특정되었는지 여부를 판정한다(스텝 S110). 유량 제어부(620)는, 입구 온도가 0℃ 이상이라고 특정되었다고 판정되지 않으면, 환언하면, 입구 온도가 0℃보다도 낮다고 특정되었다고 판정되면(스텝 S110:"아니오"), 통상 운전 시보다도 적은 유량으로 냉각수를 순환시킨다(스텝 S115). 「통상 운전 시보다도 적은 유량」이라 함은, 통상 운전 시에 있어서 연료 전지(100)의 발열량이 동일한 경우의 유량보다도 적은 유량을 의미한다. 구체적으로는, 유량 제어부(620)는, 상술한 스텝 S205에서 취득된 출구 온도와 연료 전지(100)의 발전량에 기초하여, 발열량 맵을 참조하여 연료 전지(100)의 발열량을 구한다. 연료 전지(100)의 발전량은, 전류계(530)로 측정된 전류값과 전압계(540)로 측정된 전압값으로부터 구할 수 있다. 연료 전지(100)의 발열량이 3개의 라인 L11∼L13 중 어느 하나에 대응하는 발열량이 아닌 경우, 보다 가까운 발전량에 대응하는 라인을 사용하여 내삽법에 의해, 연료 전지(100)의 발열량을 구할 수 있다. 그리고, 유량 제어부(620)는, 구해진 발열량과 출구 온도에 기초하여 냉각수량 맵을 참조하여 냉각수의 유량을 결정하고, 결정된 유량으로 되도록 순환용 펌프(440)를 제어한다.
스텝 S115가 실행되는 경우, 출구 온도는 0℃보다도 낮을 가능성이 높으므로, 상술한 바와 같이, 냉각수 유량이 도 2에 나타내는 6개의 라인 L1∼L6에 기초하여 결정될 가능성은 높다. 또한, 본 실시 형태에서는, 출구 온도가 6개의 라인 L1∼L6 중 어느 하나의 라인에 대응하는 온도가 아닌 경우, 보다 가까운 온도에 대응하는 라인을 사용하여 내삽법에 의해 유량을 구할 수 있다. 이들 라인 L1∼L6의 냉각수 유량은, 모두 동일한 발열량에 있어서 라인 Ls가 나타내는 냉각수 유량보다도 적다. 이로 인해, 이들 6개의 라인 L1∼L6에 기초하여 결정되는 유량으로 되도록 순환용 펌프(440)를 제어함으로써, 통상 운전 시보다도 적은 유량으로 냉각수를 순환시킬 수 있다. 통상 운전 시보다도 적은 유량으로 냉각수를 순환시키므로, 각 단셀(110)에 있어서 생성수가 재동결하는 것이 억제된다. 덧붙여 말하면, 각 단셀(110)에 있어서의 발열 부위가 냉각수에 의해 냉각되어 버려 발열량이 저하되어 버리는 것이 억제된다. 온도 비교 판정부(610)는, 스텝 S115의 개시로부터 소정 기간 경과할 때까지의 동안에 스텝 S115를 반복해서 실행하고, 소정 기간을 경과한 경우(스텝 S120:"예"), 상술한 스텝 S105로 복귀된다.
상술한 스텝 S110에 있어서, 입구 온도가 0℃ 이상이라고 특정되었다고 판정된 경우(스텝 S110:"예"), 유량 제어부(620)는, 입구 온도가 난기 종료 온도 이상인지 여부를 판정한다(스텝 S125). 입구 온도가 난기 종료 온도 이상이라고 판정되면(스텝 S125:"예"), 난기 시 냉각수 유량 제어 처리는 종료된다. 이때, 난기 운전도 종료되어 통상 운전으로 전환된다. 이에 수반하여, 3방향 밸브(430)는 개방되고, 냉각수 유통 매니폴드(120)로부터 배출되는 냉각수의 적어도 일부는 라디에이터(410)로 보내진다. 또한, 냉각수의 유량은, 도 2에 나타내는 라인 Ls를 참조하여 결정되게 된다.
상술한 스텝 S125에 있어서, 입구 온도가 난기 종료 온도 이상이 아니라고 판정되면(스텝 S125:"아니오"), 유량 제어부(620)는, 통상 운전 시보다도 많은 유량으로 냉각수를 순환시킨다(스텝 S130). 「통상 운전 시보다도 많은 유량」이라 함은, 통상 운전 시에 있어서 연료 전지(100)의 발열량이 동일한 경우의 유량보다도 많은 유량을 의미한다. 구체적으로는, 유량 제어부(620)는, 상술한 스텝 S205에서 취득된 출구 온도와 연료 전지(100)의 발전량에 기초하여, 발열량 맵을 참조하여 연료 전지(100)의 발열량을 구한다. 그리고, 유량 제어부(620)는, 구해진 발열량과 출구 온도에 기초하여 냉각수량 맵을 참조하여 냉각수의 유량을 결정하고, 결정된 유량으로 되도록 순환용 펌프(440)를 제어한다. 이때 참조되는 냉각수 맵은, 출구 온도가 0℃보다도 높으므로, 도 2에 나타내는 라인 L7이다. 이 라인 L7의 냉각수 유량은, 동일한 발열량에 있어서 라인 Ls가 나타내는 냉각수 유량보다도 많다. 이로 인해, 라인 L7에 기초하여 결정되는 유량으로 되도록 순환용 펌프(440)를 제어함으로써, 통상 운전 시보다도 많은 유량으로 냉각수를 순환시킬 수 있다. 통상 운전 시보다도 많은 유량으로 냉각수를 순환시키므로, 각 단셀(110) 사이에 있어서 열의 교환이 촉진되고, 단셀(110)끼리의 열 분포의 발생이 억제된다. 이에 의해, 난기 시간이 단축된다.
온도 비교 판정부(610)는, 스텝 S130의 개시로부터 소정 기간 경과할 때까지의 동안에 스텝 S130을 반복해서 실행하고, 소정 기간을 경과한 경우(스텝 S135:"예"), 상술한 스텝 S105로 복귀된다.
이상 설명한 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에서는, 입구(p1)의 온도가, 생성수가 재동결하지 않는 온도 범위의 하한값보다도 낮은 경우에는, 냉각수의 유량을 통상 운전 시의 유량보다도 적게 하고 있다. 이로 인해, 각 단셀(110)에 있어서 생성수가 재동결하는 것을 억제할 수 있음과 함께, 각 단셀(110)에 있어서의 발열 부위가 냉각수에 의해 냉각되어 발열량이 저하되어 버리는 것을 억제할 수 있다. 또한, 입구(p1)의 온도가, 생성수가 재동결하지 않는 온도 범위의 하한값 이상인 경우에는, 냉각수의 유량을 통상 운전 시의 유량보다도 많게 하고 있다. 이로 인해, 각 단셀(110) 사이에 있어서의 열의 교환을 촉진할 수 있고, 단셀(110)끼리의 열 분포의 발생을 억제할 수 있다. 이들에 의해, 연료 전지 시스템(10)에서는, 연료 전지(100) 전체의 승온 시간을 짧게 할 수 있고, 난기 운전에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템(10)에서는, 냉각수의 유량을 통상 운전 시보다도 적은 상태로부터 많은 상태로 전환하는 타이밍의 판단에 사용하는 온도로서, 입구 온도가 사용된다. 즉, 입구 온도가 소정 온도(0℃) 이상인 경우에, 냉각수의 유량을, 통상 운전 시보다도 적은 상태로부터 많은 상태로 전환하고 있다. 이와 같이, 입구 온도를 사용하여 전환하는 타이밍을 판단하므로, 이러한 판단을 적절하게 행할 수 있다. 입구 온도는, 순환 유로(R1)에 있어서 가장 낮은 온도이다. 따라서, 이러한 온도가, 생성수가 재동결하지 않는 온도 범위의 하한값보다도 높은 경우에는, 순환 유로(R1)의 어느 위치에 있어서도, 냉각수의 온도는, 생성수가 재동결하지 않는 온도 범위의 하한값보다도 높은 온도이다. 이로 인해, 냉각수의 유량을 통상 운전 시보다도 많은 상태로 전환해도, 각 단셀(110)에 있어서 생성수의 재동결이 발생할 가능성은 낮다.
또한, 출구 온도가 0℃ 이상인 경우에, 적어도 순환 유로(R1) 1주분의 체적의 냉각 매체의 순환이 완료될 때까지 입구 온도가 0℃ 이상이라고 추정하지 않으므로, 입구 온도가 0℃ 이상인지 여부를 정확하게 판정할 수 있다. 덧붙여 말하면, 온도 센서(450)를 출구(p2) 근방에 배치하므로, 입구(p1) 근방에 온도 센서를 배치하지 않아도 된다. 이로 인해, 입구(p1) 근방에 있어서의 빈 스페이스를 보다 크게 확보할 수 있어, 순환용 펌프(440)의 설치 작업을 간단하게 할 수 있음과 함께, 순환용 펌프(440)로서 보다 큰 펌프를 사용할 수 있다.
B. 변형예:
B1. 변형예 1:
상기 실시 형태에서는, 입구 온도가 0℃보다도 낮다고 특정된 경우에 사용되는 냉각수 유량 맵, 즉, 도 2에 나타내는 6개의 라인 L1∼L6에서는, 발열량이 증가하는 것에 따라 냉각수 유량이 증가하도록 설정되어 있었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 6개의 라인 L1∼L6 대신에, 발열량에 관계없이 냉각수량이 제로인 라인이 설정되어도 된다. 이 구성에 있어서도, 발열량이 동일한 경우에 라인 Ls에 비해 적은 냉각수량이 설정되어 있게 된다. 또한, 입구 온도가 0℃보다도 낮다고 특정된 경우에 사용되는 냉각수 유량 맵으로서, 6개의 라인 L1∼L6 대신에, 라인 Ls를 사용해도 된다. 이 구성에 있어서도, 입구 온도가 0℃ 이상이라고 특정된 경우에 라인 L7이 사용됨으로써 각 단셀(110) 사이의 열의 교환이 촉진되므로, 입구 온도가 0℃ 이상으로 되고 나서의 난기 운전에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있다.
또한, 입구 온도가 0℃ 이상인 경우에 사용되는 냉각수 유량 맵, 즉, 도 2에 나타내는 라인 L7에서는, 발열량에 관계없이 일정한 유량 Fa가 설정되어 있었지만, 유량 Fa 대신에, 임의의 일정값의 유량이 설정되어 있어도 된다. 또한, 이 라인 L7은, 6개의 라인 L1∼L6과 마찬가지로, 발열량이 증가하는 것에 따라 냉각수 유량이 증가하도록 설정되어 있어도 된다. 이 구성에서는, 어느 발열량에 있어서도, 라인 L7에는, 라인 Ls의 냉각수 유량보다도 많은 냉각수 유량이 설정되어 있다.
B2. 변형예 2:
상기 실시 형태에서는, 출구 온도에 기초하여, 입구 온도가 0℃ 이상인지 여부를 특정하고 있었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 출구(p2) 대신에, 또는, 출구(p2)에 더하여 입구(p1)에 온도 센서를 배치하고, 이러한 온도 센서에 의해 얻어진 온도를 입구 온도로서 취급하고, 입구 온도가 0℃ 이상인지 여부를 판정해도 된다. 이 구성에서는, 입구 온도 비교 판정 처리를 간략화할 수 있으므로, 난기 시 냉각수 유량 제어 처리에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있다.
B3. 변형예 3:
상기 실시 형태에서는, 입구 온도 비교 판정 처리는, 난기 시 냉각수 유량 제어 처리의 일 수순으로서 실행되고 있었지만, 난기 시 냉각수 유량 제어 처리와는 독립된 처리로서 실행되어도 된다. 이 구성에서는, 입구 온도 비교 판정 처리가 반복해서 실행되고, 난기 시 냉각수 유량 제어 처리의 최초의 공정으로서, 입구 온도 비교 판정 처리의 최신의 처리 결과를 취득한다고 하는 공정을 마련해도 된다.
B4. 변형예 4:
상기 실시 형태에서는, 단셀(110) 내의 생성수가 재동결하지 않는 온도 범위의 하한값으로서 0℃를 채용하고 있었지만, 0℃에 한하지 않고, 임의의 온도를 설정해도 된다. 예를 들어, －5℃나 －10℃나 ＋3℃ 등, 사용 환경이나 냉각 매체의 종류 등에 따른 적절한 온도를 설정해도 된다.
B5. 변형예 5:
상기 실시 형태의 입구 온도 비교 판정 처리에서는, 출구 온도가 0℃ 이상이라고 판정된 경우에, 또한 판정 기간에 적어도 순환 유로(R1) 1주분의 체적의 냉각수가 순환하였다고 판정된 경우에 입구 온도가 0℃ 이상이라고 추정되고 있었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 출구 온도가 0℃ 이상이라고 판정된 경우에, 또한 적어도 외부 유로분의 체적의 냉각수가 순환하였다고 판정된 경우에 입구 온도가 0℃ 이상이라고 추정되어도 된다. 적어도 외부 유로분의 체적의 냉각수가 순환한 경우, 0℃ 이상이라고 판정된 시점에 있어서 출구(p2)에 있었던 물은, 외부 유로를 통과하여 적어도 입구(p1)에 달하고 있다. 이로 인해, 입구(p1)의 온도가 0℃ 이상으로 될 가능성이 있기 때문이다.
B6. 변형예 6:
상기 실시 형태에 있어서, 연료 전지 시스템(10)은, 구동용 전원을 공급하기 위한 시스템으로서, 연료 전지 자동차에 탑재되어 사용되고 있었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료 전지 자동차 대신에, 전기 자동차 등의 구동용 전원을 필요로 하는 다른 임의의 이동체에 탑재되어 사용되어도 된다. 또한, 정치형 전원으로서, 예를 들어 오피스나 가정에 있어서 옥내 또는 옥외에 설치되어 사용되어도 된다. 또한, 연료 전지(100)는, 고체 고분자형 연료 전지였지만, 인산형 연료 전지, 용해 탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지 등, 다양한 연료 전지로서 구성해도 된다.
B7. 변형예 7:
상기 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(10)의 구성은, 어디까지나 일례이며, 다양하게 변경 가능하다. 예를 들어, 제2 연료 가스 배출로(264)와 산화제 가스 배출로(332)를 접속시키지 않고, 각각 독립적으로 오프 가스를 배출하는 구성으로 해도 된다. 또한, 바이패스 유로(423)를 생략해도 된다. 이 구성에 있어서는, 난기 운전 시에 라디에이터(410)의 팬을 정지시켜 두어도 된다. 또한, 이 구성에 있어서는, 냉각수 배출로(422)와 라디에이터(410)와 냉각수 공급로(421)와 순환용 펌프(440)가, 청구항에 있어서의 외부 유로에 상당한다. 또한, 연료 전지 시스템(10)에서는, 출구 온도가 0℃보다도 낮은 경우에 난기 운전이 실행되고 있었지만, 0℃ 이상의 임의의 온도 이하인 경우에 난기가 행해져도 된다. 또한, 냉각수 유량은, 냉각수 맵을 참조하여 결정되고 있었지만, 연료 전지(100)의 발열량과, 출구 온도와, 냉각수 유량의 관계를 나타내는 관계식을 사용하여 연산함으로써 결정되어도 된다. 또한, 연료 전지 시스템(10)에서는, 연료 전지(100)의 발열량을, 발열량 맵을 참조하여 구하고 있었지만, 소정의 관계식을 사용하여 연산하여 구해도 된다. 예를 들어, 연료 전지(100) 전체의 이론 기전압(예를 들어, 1.4V×단셀수)으로부터 연료 전지(100)의 출력 전압값(동작점의 전압값)을 차감하고, 얻어진 전압에 전류값(동작점의 전류값)을 승산하여 구해도 된다.
B8. 변형예 8:
상기 실시 형태에 있어서, 하드웨어에 의해 실현되고 있었던 구성의 일부를 소프트웨어로 치환하도록 해도 되고, 반대로, 소프트웨어에 의해 실현되고 있었던 구성의 일부를 하드웨어로 치환하도록 해도 된다. 또한, 본 발명의 기능의 일부 또는 전부가 소프트웨어로 실현되는 경우에는, 그 소프트웨어(컴퓨터 프로그램)는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 형태로 제공할 수 있다. 「컴퓨터 판독 가능한 기록 매체」라 함은, 플렉시블 디스크나 CD-ROM과 같은 휴대형의 기록 매체에 한하지 않고, 각종 RAM이나 ROM 등의 컴퓨터 내의 내부 기억 장치나, 하드 디스크 등의 컴퓨터에 고정되어 있는 외부 기억 장치도 포함하고 있다. 즉, 「컴퓨터 판독 가능한 기록 매체」라 함은, 데이터를 일시적이 아니라 고정 가능한 임의의 기록 매체를 포함하는 넓은 의미를 갖고 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 변형예에 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절히, 대체나 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히, 삭제하는 것이 가능하다.
10 : 연료 전지 시스템
100 : 연료 전지
110 : 단셀
111 : 집전판
120 : 냉각수 유통 매니폴드
200 : 연료 가스 공급 배출 기구
210 : 수소 탱크
220 : 차단 밸브
221 : 인젝터
230 : 기액 분리기
240 : 순환용 펌프
250 : 퍼지 밸브
261 : 연료 가스 공급로
262 : 제1 연료 가스 배출로
263 : 연료 가스 순환로
264 : 제2 연료 가스 배출로
300 : 산화제 가스 공급 배출 기구
310 : 에어 클리너
320 : 에어 컴프레서
331 : 산화제 가스 공급로
332 : 산화제 가스 배출로
340 : 배압 밸브
400 : 연료 전지 순환 냉각 기구
410 : 라디에이터
421 : 냉각수 공급로
422 : 냉각수 배출로
423 : 바이패스 유로
430 : 3방향 밸브
440 : 순환용 펌프
450 : 온도 센서
500 : 전력 충방전 기구
510 : 부하 장치
520 : 인버터
530 : 전류계
540 : 전압계
550 : 배터리
600 : 제어 장치
610 : 온도 비교 판정부
620 : 유량 제어부
630 : 난기 제어부
640 : 발열량 특정부
650 : 운전 제어부
660 : 냉각수 유량 맵 저장부
670 : 발열량 맵 저장부
R1 : 순환 유로
p1 : 입구
p2 : 출구
SD : 적층 방향
Fa : 유량
Ls, L1∼L7, L11∼L13 : 라인

Claims (8)

  1. 연료 전지와, 상기 연료 전지의 내부에 형성되어 있는 냉각 매체의 내부 유로와, 상기 연료 전지의 외부에 형성되고, 상기 내부 유로와 접속되어 상기 냉각 매체의 순환 유로를 형성하는 외부 유로를 갖는 연료 전지 시스템에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량 제어 방법이며,
    상기 순환 유로 내에 있어서의 상기 내부 유로에의 입구에서의 상기 냉각 매체의 온도인 입구 온도가, 상기 연료 전지 내에 있어서 생성수가 동결하지 않는 온도 범위의 하한 온도 이상인지 여부를 판정하는 공정과,
    상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을 조정하는 공정이며, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 연료 전지의 통상 운전 시에 있어서 상기 연료 전지의 발열량이 동일한 경우에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량인 통상 유량에 비해 많아지도록 조정하고, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량 이하로 조정하는 공정을 구비하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을 조정하는 공정은, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량에 비해 적어지도록 조정하는 공정을 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또한,
    상기 연료 전지의 온도를 취득하는 공정과,
    상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량으로 조정하는 공정을 구비하고,
    상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상인지 여부를 판정하는 공정과, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을 상기 통상 유량에 비해 많아지도록 조정하고, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량 이하로 조정하는 공정은, 모두 상기 연료 전지 시스템의 영하 시동 시에 난기 운전이 실행되고 있는 기간에 있어서, 상기 연료 전지의 온도가 상기 난기 운전의 종료 시의 온도로서 미리 정해져 있는 종료 온도보다도 낮은 동안에 실행되고, 또한 상기 연료 전지의 온도가 상기 종료 온도 이상으로 된 경우에 종료되고,
    상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량으로 조정하는 공정은, 상기 연료 전지의 온도가 상기 종료 온도 이상으로 된 경우에 실행되는, 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상인지 여부를 판정하는 공정은,
    상기 순환 유로 내에 있어서의 상기 내부 유로의 출구에서의 상기 냉각 매체의 온도인 출구 온도를 취득하는 공정과,
    상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상인지 여부를 판정하는 공정과,
    상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 전회 판정되고 나서 금회 판정될 때까지의 경과 기간에, 상기 순환 유로 중 적어도 상기 외부 유로의 체적에 상당하는 소정 체적의 상기 냉각 매체가 상기 입구를 통과하였는지 여부를 판정하는 공정과,
    상기 경과 기간에 상기 소정 체적의 상기 냉각 매체가 상기 입구를 경과하였다고 판정된 경우에, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정하고, 상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우 또는 상기 경과 기간에 상기 소정 체적의 상기 냉각 매체가 상기 입구를 통과하고 있지 않다고 판단된 경우에, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정하는 공정을 갖는, 방법.
  5. 연료 전지 시스템이며,
    연료 전지와,
    상기 연료 전지의 내부에 형성되어 있는 냉각 매체의 내부 유로와,
    상기 연료 전지의 외부에 형성되고, 상기 내부 유로와 접속되어 상기 냉각 매체의 순환 유로를 형성하는 외부 유로와,
    상기 순환 유로 내에 있어서의 상기 내부 유로에의 입구에서의 상기 냉각 매체의 온도인 입구 온도가, 상기 연료 전지 내에 있어서 생성수가 동결하지 않는 온도 범위의 하한 온도 이상인지 여부를 판정하는 온도 비교 판정부와,
    상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 연료 전지의 통상 운전 시에 있어서 상기 연료 전지의 발열량이 동일한 경우에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량인 통상 유량에 비해 많아지도록 조정하고, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량 이하로 조정하는 유량 제어부를 구비하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유량 제어부는, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량에 비해 적어지도록 조정하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 온도 비교 판정부는, 상기 연료 전지의 온도를 취득 가능하고,
    상기 유량 제어부는, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량으로 조정 가능하고,
    상기 온도 비교 판정부는, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상인지 여부의 판정을, 상기 연료 전지 시스템의 영하 시동 시에 난기 운전이 실행되고 있는 기간에 있어서, 상기 연료 전지의 온도가 상기 난기 운전의 종료 시의 온도로서 미리 정해져 있는 종료 온도보다도 낮은 동안에 실행하고, 또한 상기 연료 전지의 온도가 상기 종료 온도 이상으로 된 경우에 종료하고,
    상기 유량 제어부는, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량에 비해 많아지도록 조정하고, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량 이하로 조정하는 것을, 상기 연료 전지 시스템의 영하 시동 시에 상기 난기 운전이 실행되고 있는 기간에 있어서, 상기 연료 전지의 온도가 상기 종료 온도보다도 낮은 동안에 실행하고, 또한 상기 연료 전지의 온도가 상기 종료 온도 이상으로 된 경우에 종료하고,
    상기 유량 제어부는, 상기 연료 전지의 온도가 상기 종료 온도 이상으로 된 경우에, 상기 순환 유로에 있어서의 상기 냉각 매체의 유량을, 상기 통상 유량으로 조정하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 온도 비교 판정부는,
    상기 순환 유로 내에 있어서의 상기 내부 유로의 출구에서의 상기 냉각 매체의 온도인 출구 온도를 취득하고,
    상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상인지 여부를 판정하고,
    상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정된 경우에, 상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 전회 판정되고 나서 금회 판정될 때까지의 경과 기간에, 상기 순환 유로 중 적어도 상기 외부 유로의 체적에 상당하는 소정 체적의 상기 냉각 매체가 상기 입구를 통과하였는지 여부를 판정하고,
    상기 경과 기간에 상기 소정 체적의 상기 냉각 매체가 상기 입구를 경과하였다고 판정된 경우에, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이라고 판정하고,
    상기 출구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정된 경우 또는 상기 경과 기간에 상기 소정 체적의 상기 냉각 매체가 상기 입구를 통과하고 있지 않다고 판단된 경우에, 상기 입구 온도가 상기 하한 온도 이상이 아니라고 판정하는, 연료 전지 시스템.
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