KR101834618B1

KR101834618B1 - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR101834618B1
Application number: KR1020150156580A
Authority: KR
Inventors: 다카시 야마다; 히로유키 이마니시; 요헤이 오카모토
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2018-03-05
Also published as: DE102015117333A1; CN105609808B; KR20160056807A; DE102015117333B4; US20160133956A1; JP6094564B2; CA2911579A1; US10218008B2; JP2016095949A; CA2911579C; CN105609808A

Abstract

외부 급전을 행하는 연료 전지를 효율적으로 냉각하는 것을 과제로 한다. 연료 전지 시스템은, 외부 급전을 행하는 연료 전지와, 상기 연료 전지를 냉각하는 냉매가 순환하는 냉매 순환 경로와, 상기 냉매 순환 경로에 설치된 라디에이터와, 상기 냉매 순환 경로에 상기 냉매를 순환시키는 워터 펌프와, 상기 라디에이터를 흐르는 상기 냉매의 유량을 제어하는 분류 밸브와, 상기 라디에이터에 송풍하는 팬과, 상기 냉매의 온도가 제1 소정 온도 값 이상이고 또한 상기 분류 밸브의 개방도가 상기 라디에이터에 흐르는 상기 냉매의 유량을 소정 유량 값 이상으로 한 상태가 제1 소정 시간 계속되는 경우에, 상기 팬의 구동 전압의 상승을 상기 워터 펌프에 의한 유량 증량에 우선해서 행하고, 상기 팬의 구동 전압의 상승을 행한 후에 상기 냉매의 온도가 제2 소정 온도 값 이상인 상태가 제2 소정 시간 경과하는 경우에, 상기 워터 펌프의 유량 증가를 행하는 제어부를 구비한다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

종래, 차량에 탑재된 연료 전지에 의해 발전을 행하고, 그 전력을 가정용의 전기기기에 공급하는, 소위 외부 급전을 행하는 전력 공급 시스템이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에서는, 외부 급전 중의 연료 전지의 건조 상태를 검지하고, 연료 전지가 건조 상태에 있는 경우에, 라디에이터 팬을 구동시켜, 소위 드라이 업 상태를 피하는 제안이 이루어져 있다.

일본 특허 공개 제2014-060068호 공보

그런데, 차량에 탑재된 연료 전지에 의한 외부 급전을 행하는 경우, 차량은 정차 상태에 있으므로 주행풍을 라디에이터에 도입할 수 없어, 연료 전지를 적절하게 냉각할 수 없을 것으로 생각된다. 특허문헌 1에 개시된 전력 공급 시스템에서는, 팬을 구동함으로써 라디에이터에 바람을 보내어, 연료 전지를 냉각할 수 있다. 그러나, 한편, 팬의 구동에 전력이 소비된다. 이 점에서, 특허문헌 1에 개시된 전력 공급 시스템은, 개량의 여지가 있었다.

따라서, 본 명세서에 개시된 연료 전지 시스템은, 외부 급전을 행하는 연료 전지를 효율적으로 냉각하는 것을 과제로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위해서, 본 명세서에 개시된 연료 전지 시스템은, 외부 급전을 행하는 연료 전지와, 상기 연료 전지를 냉각하는 냉매가 순환하는 냉매 순환 경로와, 상기 냉매 순환 경로에 설치된 라디에이터와, 상기 냉매 순환 경로에 상기 냉매를 순환시키는 워터 펌프와, 상기 라디에이터를 흐르는 상기 냉매의 유량을 제어하는 분류 밸브와, 상기 라디에이터에 송풍하는 팬과, 상기 냉매의 온도가 제1 소정 온도 값 이상이고, 또한 상기 분류 밸브의 개방도가 상기 라디에이터에 흐르는 상기 냉매의 유량을 소정 유량 값 이상으로 한 상태가 제1 소정 시간 계속되는 경우에, 상기 팬의 구동 전압의 상승을 상기 워터 펌프에 의한 유량 증량에 우선해서 행하고, 상기 팬의 구동 전압의 상승을 행한 후에 상기 냉매의 온도가 제2 소정 온도 값 이상인 상태가 제2 소정 시간 경과하는 경우에, 상기 워터 펌프의 유량 증가를 행하는 제어부를 구비한다. 이에 의해, 외부 급전을 행하는 연료 전지를 효율적으로 냉각할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 팬의 구동 전압을 단계적으로 상승시켜도 된다. 또한, 상기 제어부는, 상기 제1 소정 온도 값을 단계적으로 상승시킴으로써 상기 팬의 구동 전압을 단계적으로 상승시켜도 되고, 상기 제어부는, 상기 냉매의 온도가 제3 소정 온도 값 이하로 될 때까지 상기 팬의 구동 전압의 상승을 계속해도 된다. 상기 제1 소정 시간 및 상기 제2 소정 시간은, 상기 라디에이터에서 냉각된 냉매가 1 순환하는 시간 이상으로 할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 냉매의 온도가 상기 제1 소정 온도 값보다도 낮은 경우에는, 상기 연료 전지의 발열량을 산출하고, 상기 발열량이 미리 정한 역치 이하인 경우에는, 상기 워터 펌프, 상기 팬 및 상기 분류 밸브의 동작을 정지하고, 상기 워터 펌프, 상기 팬 및 상기 분류 밸브의 동작을 정지한 후, 상기 연료 전지의 발열량의 적산값을 취득하고, 상기 발열량의 적산값이 미리 정한 역치 이상이 된 경우에 상기 워터 펌프 및 상기 분류 밸브를 작동시켜도 된다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 워터 펌프를 당해 워터 펌프의 최저유량으로 구동할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 분류 밸브의 개방도를 소정 값까지 증대시킨 후에 상기 냉매의 온도가 제4 소정 온도 값 이상인 상태가 제3 소정 시간 경과하는 경우에, 상기 팬을 구동할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는, 상기 팬을 당해 팬의 최저 구동 전압으로 구동할 수 있다.

본 명세서에 개시된 연료 전지 시스템에 의하면, 외부 급전을 행하는 연료 전지를 효율적으로 냉각할 수 있다.

도 1은 실시 형태의 연료 전지 시스템의 일부의 개략 구성을 도시하는 설명도이다.
도 2는 실시 형태에서의 연료 전지 시스템의 제어의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 실시 형태의 연료 전지 시스템의 작동 상황을 나타내는 타임차트의 일례이다.
도 4는 실시 형태의 연료 전지에 있어서의 전류-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시 형태의 연료 전지 시스템이 급전 상태에 있을 때의 냉각계 액추에이터 구동선의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시 형태의 연료 전지 시스템을 탑재한 차량이 시속 40km/h로 주행하고 있을 때의 냉각계 액추에이터 구동선의 일례를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 단, 도면 중, 각 부의 치수, 비율 등은, 실제의 것과 완전히 일치하도록 도시되어 있지는 않은 경우가 있다.

(실시 형태)

먼저, 도 1을 참조하면서, 실시 형태의 연료 전지 시스템(1)에 대해서 설명한다. 도 1은 실시 형태의 연료 전지 시스템(1)의 일부의 개략 구성을 도시하는 설명도이다. 또한, 도 1은, 연료 전지 시스템(1)의 일부, 구체적으로, 연료 전지 스택(3) 및 냉매 순환 경로(17)의 주위를 중심으로 해서 도시되어 있다. 이 때문에, 이하의 설명에 등장하는 요소가 도 1 중에 도시되어 있지 않은 경우가 있다. 연료 전지 시스템(1)은, 차량, 선박, 비행기, 로봇 등의 각종 이동체에 탑재할 수 있는 것 외에, 정치형 전원에도 적용 가능하다. 여기에서는, 자동차에 탑재한 연료 전지 시스템(1)을 예로 들어 설명한다. 연료 전지 시스템(1)은, 예를 들어 가정용의 전기기기에 전력을 공급하는 외부 급전을 행할 수 있다. 연료 전지 시스템(1)은, 고체 고분자형의 연료 전지(2)를 포함한다. 연료 전지(2)는, 캐소드 전극, 애노드 전극, 이들 사이에 배치된 전해질막을 갖는 단셀을 복수 적층해서 형성됨과 함께, 내부에 캐소드 유로(3a)와 애노드 유로(3b)가 형성된 연료 전지 스택(3)을 포함한다. 전해질막은, 예를 들어 프로톤 도전성의 고체 고분자 전해질막이다. 또한, 도 1에서 단셀의 도시는 생략되어 있다. 또한, 연료 전지 스택(3) 내에는, 연료 전지 스택(3)을 냉각하는 냉매가 유통하는 냉매 유로(3c)가 설치되어 있다. 연료 전지 스택(3)에는, 애노드 전극에 수소 가스, 즉, 애노드 가스가 공급됨과 함께, 캐소드 전극에 산소를 포함하는 공기, 즉, 캐소드 가스가 공급된다. 그리고, 애노드 전극에 있어서의 촉매 반응에 의해 발생한 수소 이온이, 전해질막을 투과하여, 캐소드 전극까지 이동해서, 산소와 전기 화학 반응을 일으킴으로써 발전한다. 연료 전지 스택(3)에는, 발전한 전기의 전압값을 측정하는 전압계와 전류값을 측정하는 전류계가 접속되어 있다. 그리고, 냉매 유로(3c)를 유통하는 냉매는, 연료 전지 스택(3)을 냉각한다. 연료 전지(2)는, 상술한 바와 같이 외부 급전에 제공할 수 있다.

연료 전지 스택(3)의 입구, 보다 구체적으로는, 연료 전지 스택(3)의 캐소드 유로(3a)의 입구(3a1)측에는, 캐소드 가스 공급 유로(4)가 접속되어 있다. 캐소드 가스 공급 유로(4)의 단부에는, 에어 클리너가 장착되어 있다. 또한, 캐소드 가스 공급 유로(4)에는, 캐소드 가스를 압송하여, 연료 전지 스택(3)에 캐소드 가스를 공급하는 압축기가 배치되어 있다. 캐소드 가스 공급 유로(4) 상에는, 압축기의 출구와 연료 전지 스택(3)의 입구(3a1)와의 사이의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브가 설치되어 있다.

연료 전지 스택(3)의 캐소드 유로(3a)의 출구(3a2)측에는, 캐소드 오프 가스 배출 유로(6)가 접속되어 있다. 캐소드 오프 가스 배출 유로(6)에는, 배압 밸브가 배치되어 있다. 배압 밸브는, 캐소드 가스 공급 유로(4)의 압축기보다도 하류측, 캐소드 유로(3a) 및 캐소드 오프 가스 배출 유로(6)의 배압 밸브보다도 상류측의 영역의 압력, 즉, 캐소드 배압을 조정한다. 캐소드 오프 가스 배출 유로(6)에는, 배압 밸브의 하류측에 머플러가 배치되어 있다.

연료 전지 스택(3)의 애노드 유로(3b)의 입구(3b1)측에는, 애노드 공급 유로(9)가 접속되어 있다. 애노드 공급 유로(9)의 단부에는, 수소 공급원이 되는 수소 탱크가 접속되어 있다. 수소 탱크 내에는, 고압의 수소가 저류되어 있다. 애노드 공급 유로(9)에는, 수소의 공급을 차단하는 차단 밸브와, 수소의 압력을 감압하는 레귤레이터가 배치되어 있다. 연료 전지 스택(3)의 애노드 유로(3b)의 출구(3b2)측에는, 배기관(13)이 접속되어 있다. 배기관(13)의 단부에는, 기액 분리기가 설치되어 있다. 그리고, 기액 분리기에 있어서, 순환 유로와 퍼지 유로가 분기되어 있다. 기액 분리기에서는, 애노드 오프 가스에 포함되는 수분이 분리된다. 수분이 분리된 후의 애노드 오프 가스는, 순환 유로측에 배출된다. 한편, 분리된 수분은, 퍼지 유로측에 배출된다. 순환 유로에는, 펌프가 배치되어 있다. 순환 유로에 펌프가 배치됨으로써, 애노드 오프 가스를 애노드 유로(3b)에 다시 공급할 수 있다. 기액 분리기에 있어서 분기된 퍼지 유로는, 캐소드 오프 가스 배출 유로(6)에 설치된 배압 밸브의 하류측에 접속되어 있다. 퍼지 유로에는, 퍼지 밸브가 배치되어 있다. 퍼지 밸브를 개방 밸브로 함으로써, 순환시키지 않는 애노드 오프 가스를 캐소드 오프 가스와 함께 배출할 수 있다.

연료 전지 스택(3)의 냉매 유로(3c)의 입구(3c1)에는, 냉매 순환 경로(17)의 일단부가 접속되어 있다. 또한, 냉매 유로(3c)의 출구(3c2)에는, 냉매 순환 경로(17)의 타단부가 접속되어 있다. 냉매 순환 경로(17)에는, 냉매를 순환시켜, 냉매를 연료 전지 스택(3) 내에 공급하는 워터 펌프(이하, 「W/P」라고 함)(23)가 설치되어 있다. 또한, 냉매 순환 경로(17)에는, 라디에이터(18)가 설치되어 있다. 라디에이터(18)는, 팬(18a)을 구비한다. 팬(18a)이 구동되면, 라디에이터(18)를 향해서 송풍된다. 냉매 순환 경로(17)에는, 분류 밸브의 일례인 로터리 밸브(이하, 「R/V」라고 함)(19)가 설치되어 있고, 이 R/V(19)로부터 라디에이터(18)를 바이패스하는 바이패스 유로(20)가 분기되어 있다. R/V(19)는, 전기식의 삼방 밸브이며, 제어부로서 기능하는 ECU(Electronic Control Unit)(21)와 전기적으로 접속되어 있다. R/V(19)는, 냉매의 온도(이하, 「FC 수온」이라고 함) 등에 따라서 그 개방도를 변화시켜서, 라디에이터(18)에 흐르는 냉매의 유량을 제어한다. 라디에이터(18)에 유입된 냉매는, 라디에이터(18)에 있어서 냉각된다. 이때, 팬(18a)이 구동되어 송풍되면, 냉각 효율이 향상된다. R/V(19)는, 그 개방도가 커질수록, 라디에이터(18)측에 흘리는 냉매의 양을 증가시킨다. 냉매 유로(3c)의 출구(3c2)의 근방에는, FC 수온을 취득하는 온도 센서(22)가 설치되어 있다. 이 온도 센서(22), W/P(23) 및 팬(18a)도 ECU(21)에 전기적으로 접속되어 있다.

연료 전지 시스템(1)은, ECU(Electronic Control Unit)(21)를 구비한다. ECU(21)는, 내부에 CPU, ROM, RAM을 구비한 마이크로컴퓨터로서 구성되어 있고, 제어부로서 기능한다. ECU(21)에는, 상술한 바와 같이 온도 센서(22) 등이 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 외기온을 측정하는 외기온 센서(37)가 전기적으로 접속되어 있다. 또한, ECU(21)에는, 외부 급전이 실행되고 있는 것을 검지하는 외부 급전 실행 검지부(38)가 접속되어 있다. ECU(21)는, 전류 전압 맵 등을 저장하고 있다. 이러한 ECU(21)는, 연료 전지 시스템(1)의 출력 설정 처리를 행한다. 즉, 공기 공급량이나, 캐소드 배압, 수소 공급량, 수소 압력, 출력 이력, 전압, 전류값 맵 등으로부터 출력하는 전류값을 설정한다. ECU(21)는, 온도 센서(22) 및 외기온 센서(37)의 계측값, 그때마다의 전압 및 전류로부터 산출되는 발열량 등에 기초하여 외부 급전시의 연료 전지(2)의 냉각 제어를 행한다. 외부 급전시의 연료 전지(2)의 냉각 제어에는, 팬(18a), R/V(19) 및 W/P(23)가 사용된다. 또한, 팬(18a), R/V(19) 및 W/P(23)는, 이하의 설명에서, 냉각계 액추에이터라 칭하는 경우가 있다.

다음으로, 도 2 내지 도 6을 참조하면서, 실시 형태의 연료 전지 시스템(1)의 제어에 대해서 설명한다. 도 2는 실시 형태에서의 연료 전지 시스템(1)의 제어의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 3은 실시 형태의 연료 전지 시스템(1)의 작동 상황을 나타내는 타임차트의 일례이다. 도 4는 실시 형태의 연료 전지에 있어서의 전류-전압 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 5는 실시 형태의 연료 전지 시스템이 급전 상태에 있을 때의 냉각계 액추에이터 구동선의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 6은 실시 형태의 연료 전지 시스템(1)을 탑재한 차량이 시속 40km/h로 주행하고 있을 때의 냉각계 액추에이터 구동선의 일례를 나타내는 그래프이다. 연료 전지 시스템(1)의 제어는, ECU(21)에 의해 주체적으로 행하여진다. 또한, 도 3에 도시하는 타임차트에 있어서의 FC 수온의 추이나, 발열량의 추이는, 일례에 지나지 않고, 따라서, 팬(18a), R/V(19) 및 W/P(23)의 작동 순서도 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 3에 도시하는 타임차트의 예에서는, FC 수온이, 제1 소정 온도 값으로서의 수온(C1) 이상인지 여부에 따라, 제어의 내용이 변경된다. 구체적으로, 도 2의 스텝 S1 내지 스텝 S12의 내용이, 주로, FC 수온이 수온(C1)보다도 낮은 경우의 제어를 나타내고 있다. 또한, 도 2에 도시하는 흐름도는, 설명의 사정상 2분할되어 있는데, 도 2 중, X1은 X2에 연결되어 있고, Y1은 Y2에 연결되어 있다.

먼저, 스텝 S1에서, 연료 전지(2)가 외부 급전 상태에 있는지 여부를 판단한다. 관련된 판단은, 외부 급전 실행 검지부(38)로부터의 신호에 의해 판단된다. 스텝 S1에서 "아니오"라고 판단되었을 때는, 스텝 S1의 처리를 반복한다. 스텝 S1에서 "예"라고 판단했을 때는, 스텝 S2로 진행된다. 스텝 S2에서는, 외기온 센서(37)에 의해 외기온을 계측한다. 스텝 S2에 계속되어 행하여지는 스텝 S3에서는, 그 시점에서의 방열 능력(Qrd)을 산출한다. 구체적으로, 팬(18a)의 구동 상태, R/V(19)의 개방도 및 W/P(23)의 구동 상태의 조합과, 외기온 센서(37)에 의해 측정된 그 시점에서의 외기온에 의해 산출된다. 방열 능력(Qrd)을 산출함에 있어서, 팬(18a)의 구동 상태, R/V(19)의 개방도 및 W/P(23)의 구동 상태의 조합이 참조되는 것은, 이들 조합에 의해, 냉매에 의한 열 이동량이 결정되기 때문이다. 또한, 외기온이 참조되는 것은, 외기온이 낮으면, 그만큼 냉각 효율이 높아지고, 이것과는 반대로, 외기온이 높으면, 그만큼 냉각 효율이 저하되기 때문이다.

스텝 S3에 계속되어 행하여지는 스텝 S4에서는, 그 시점에서의 연료 전지(2)의 발열량(Qfc)을 산출한다. 발열량(Qfc)은, 그 시점에서 연료 전지(2)가 발생하고 있는 전류 및 전압의 값으로부터 산출한다. 도 4에 도시하는 전류-전압 곡선을 참조하면, 그 시점에서의 (I, V)와 원점 0으로 둘러싸인 영역의 면적은, 전력을 나타내고, 그 시점에서의 (I, V)와 이론 기전력으로 둘러싸인 영역의 면적은, 발열량(Qfc)을 나타낸다. 이론 기전력은, 연료 전지(2)에 의해 정해진 값이 된다. 이 때문에, 그 시점에서의 발열량(Qfc)을 산출할 수 있다. 이렇게 발열량(Qfc)을 산출한 후에는 스텝 S5로 진행된다.

스텝 S5에서는, 발열량(Qfc)이 소정 발열량(a)(kw) 이하인지 여부를 판단한다. 소정 발열량(a)은, 팬(18a), R/V(19) 및 W/P(23)가 포함되는 냉각계 액추에이터의 제어 내용을 변경하기 위한 역치로 되어 있다. 즉, 발열량(Qfc)이 역치인 소정 발열량(a) 이하일 때는, 연료 전지(2)의 발열량이 작은 상태이며, 이것에 알맞은 냉각계 액추에이터의 작동으로 한다. 구체적으로는, 일단, 냉각계 액추에이터를 정지시키고, 이후, 상황에 따라, 간헐적으로 냉각계 액추에이터를 작동시킨다. 외부 급전 중의 연료 전지(2)는, 연료 전지 시스템(1)을 탑재한 자동차가 주행하고 있을 때와 비교해서 요구되는 전력이 작고, 이에 수반해서 발열량(Qfc)도 적다. 그 때문에, 간헐적인 냉각계 액추에이터의 작동으로서, 소비 전력을 억제한다. 스텝 S5에서 "예"라고 판단했을 때는, 스텝 S6으로 진행된다.

스텝 S6에서는, 냉각계 액추에이터, 즉, 팬(18a), R/V(19) 및 W/P(23)를 일단 정지시킨다. 그리고, 스텝 S7로 진행된다. 스텝 S7에서는, 발열량(Qfc)을 적산하는 연산을 행한다. 발열량(Qfc)이 소정 발열량(a) 이하의 상태가 계속되고 있어도, 서서히 열이 축적되어, 연료 전지(2)의 온도가 상승한다. 도 3에 도시하는 타임차트를 참조하면, 시각 t1까지는, R/V 개방도가 0％, 팬(18a)의 구동 전압 0V, W/P(23)의 유량 0L/m로 되어 있다. 이 때문에, 시각 t1의 직전부터 FC 수온의 상승이 관찰되고 있다. 이것은, 발열량(Qfc)이 적산되어 있는 것에 기인한다. 또한, FC 수온에는, 목표 수온(Ctrg)이 설정되어 있다. 이 목표 수온(Ctrg)은, FC 수온이 저하되었다고 해서, 냉각계 액추에이터를 다시 정지시키는 판단을 행할 때의 판단 기준값으로 되어 있다.

스텝 S7에 계속되어 행하여지는 스텝 S8에서는, 발열량(Qfc)의 시간 적산값, 즉, ∫Qfcdt가 소정 적산 열량(kJ) 이상이 되었는지 여부를 판단한다. 소정 적산 열량(kJ)은, W/P(23) 및 R/V(19)를 작동시키기 위한 역치로 되어 있다. 스텝 S8에서 "아니오"라고 판단했을 때는, 스텝 S4로부터의 처리를 반복한다. 한편, 스텝 S8에서 "예"라고 판단했을 때는, 스텝 S9로 진행한다. 스텝 S9에서는, W/P(23)를 제1 유량(F1)으로 구동함과 함께, R/V(19)에 의한 온도 조절 제어를 행한다. 도 3을 참조하면, 이 스텝 S9의 처리가 행하여지는 타이밍은, 시각 t1, 시각 t3, 시각 t5 및 시각 t11이다. 또한, 이 시점에서의 FC 수온은, 수온(C1)보다도 낮은 상태로 되어 있다. 여기서, W/P(23)의 제1 유량(F1)은, W/P(23)의 최저 유량 이상이면 되고, 본 실시 형태에서는, W/P(23)의 최저 유량으로 설정되어 있다. 이 최저 유량은, W/P(23)의 사양에 따라 정해져 있다. 최저 유량을 하회하고 있으면, 연료 전지 시스템(1)에 있어서 W/P(23)에 의한 냉매의 순환을 실현할 수 없다. 이와 같이, 제1 유량(F1)으로 W/P(23)를 구동함으로써, 소비 전력을 억제하면서, 냉매를 순환시킬 수 있다. 냉매를 순환시킬 수 있으면, 연료 전지(2)를 냉각할 수 있다. 한편, R/V(19)는, 서서히 그 개방도를 증대시켜, 라디에이터(18)에 유입되는 냉매의 양을 증량한다. 라디에이터(18)에 유입되는 냉매의 유량이 증량되면, 냉매의 냉각 효과가 커진다. 여기서, 이 시점에서는, 팬(18a)은 정지한 상태로 한다. 팬(18a)의 구동에 있어서의 소비 전력은 크다. 따라서, 냉매의 온도가 그다지 높지 않은 타이밍에서는, 팬(18a)의 구동과 비교해서 소비 전력이 적은, W/P(23)와 R/V(19)의 구동만을 행하는 취지이다. 단, 시각 t6의 타이밍, R/V(19)의 개방도가 소정 값, 구체적으로, 소정 개방도(d1)에 도달했음에도 불구하고, FC 수온이 온도(CO) 이상의 상태가 소정 시간 경과하는 경우에는, 팬(18a)을 구동한다. 즉, 시각 t6으로부터 소정 시간 경과하여, 시각 t6'가 된 경우에는, 팬(18a)을 구동한다. 여기서, 소정 개방도(d1)는, 팬(18a)의 구동을 개시하기 위한 역치로서, 연료 전지 시스템(1)의 사양에 따라 정할 수 있는 값이며, 예를 들어 50％로 설정할 수 있다. 이때, 팬(18a)은, 최저 구동 전압(V1)으로 구동되고 있으면 되고, 본 실시 형태에서는, 최저 구동 전압(V1)으로 설정되어 있다. 최저 구동 전압(V1)은, 팬(18a)의 사양에 따라 정해져 있다. 구동 전압이 최저 구동 전압(V1)을 하회하고 있으면, 팬(18a)은, 연료 전지 시스템(1)에 있어서 작동할 수 없다. 이와 같이, W/P(23) 및 R/V(19)를 작동시킬 뿐만 아니라, 팬(18a)을 구동함으로써, 시각 t7에서 FC 수온을 목표 온도(Ctrg)까지 저하시킬 수 있었을 때는, 다시, 모든 냉각계 액추에이터를 정지한다. 또한, 온도(CO)는, 제4 소정 온도 값에 상당하고, 목표 온도(Ttrg)보다도 높은 온도이다. 본 실시 형태에서의 온도(CO)는, 온도(C1)보다도 낮은 온도로 설정되어 있지만, 온도(CO)는, 온도(C1)와 동일 값이어도 된다.

또한, 시각 t6부터 시각 t6'까지의 시간은, 제3 소정 시간에 상당한다.

스텝 S9에서 W/P(23) 및 R/V(19)를 작동시킨 후에는, 스텝 S10으로 진행된다. 스텝 S10에서는, FC 수온이 목표 수온(Ctrg) 이하가 되었는지 여부를 판단한다. 도 3을 참조하면, 시각 t2, 시각 t4에서, FC 수온이 목표 수온(Ctrg) 이하로 되어 있다. 이러한 시각 t2나 시각 t4의 타이밍에서는, 스텝 S10에서 "예"라고 판단하고, 스텝 S6으로부터의 처리를 반복한다. 즉, 다시 냉각계 액추에이터를 정지시키고, 그 시점부터, 다시 발열량(Qfc)을 적산하는 연산을 행하고, 스텝 S10까지의 처리를 행한다. 한편, 스텝 S10에서 "아니오"라고 판단했을 때는, 후에 상세하게 설명하는 스텝 S14로 진행한다.

스텝 S5에서 "아니오"라고 판단했을 때, 즉, 발열량(Qfc)이 소정 발열량(a)(kw)보다도 큰 경우에는, 스텝 S11로 진행한다. 스텝 S11에서는, 방열 능력(Qrd)이 발열량(Qfc)과 동일해지도록 냉각계 액추에이터를 구동한다. 발열량(Qfc)이 소정 발열량(a)(kw)을 초과되어 가는 경우에는, 스텝 S6 내지 스텝 S10에서 행하고 있는 간헐적인 냉각계 액추에이터의 구동으로는 냉각 능력을 따라잡지 못한다고 상정된다. 따라서, W/P(23) 및 R/V(19)를 작동시킬 뿐만 아니라, 팬(18a)을 구동함으로써 FC 수온을 저하시킨다. 이때, 발열량(Qfc)과 동등한 방열 능력(Qrd)을 얻기 위해서, 각 냉각계 액추에이터의 능력의 상한은 설정되지 않는다. 즉, W/P(23)는, 제1 유량(F1) 이상의 유량으로 구동되는 경우가 있고, 팬(18a)은, 제1 구동 전압(V1) 이상의 전압으로 구동되는 경우가 있다. 스텝 S11에서, 냉각계 액추에이터의 구동이 개시된 후에는 스텝 S12로 진행된다. 스텝 S12에서는, FC 수온이 목표 수온(Ctrg) 이하가 되었는지 여부를 판단한다. 도 3을 참조하면, 시각 t9에서, FC 수온이 목표 수온(Ctrg) 이하로 되어 있다. 이러한 시각 t9의 타이밍에서는, 스텝 S12에서 "예"라 판단하고, 스텝 S4로부터의 처리를 반복한다. 그리고, 시각 t10의 타이밍에서, 다시 스텝 S5에서의 판단이 "예"이면, 냉각계 액추에이터를 정지한다. 다시 스텝 S5에서 "아니오"라고 판단했을 때는, 스텝 S11로부터의 처리를 반복한다. 한편, 스텝 S12에서 "아니오"라고 판단했을 때는, 후에 상세하게 설명하는 스텝 S14로 진행한다.

스텝 S6부터 스텝 S9까지의 처리 또는 스텝 S11의 처리를 행하였음에도 불구하고, FC 수온이 목표 수온(Ctrg) 이하가 되지 않을 경우, 즉, 스텝 S10 또는 스텝 S12에서 "아니오"라고 판단했을 때는 스텝 S14로 진행한다. 스텝 S14에서는, FC 수온이 수온(C1) 이상이고 또한 R/V(19)의 개방도가 소정 개방도(d1)(％) 이상인 상태에서 시간 S1이 경과했는지 여부를 판단한다. 여기서, 수온(C1)은, 미리 정해진 소정 값이며, 도 3을 참조하면, 시각 t13이나 시각 t14의 타이밍에서 FC 수온이 수온(C1) 이상으로 되어 있다. 수온(C1)은 제1 소정 온도 값에 상당한다. R/V(19)의 개방도는, 라디에이터(18)에 흐르는 냉매의 유량을 소정 유량 값 이상으로 한 상태인지 여부의 관점에서 설정되어 있다. 여기에서는, 상술한 개방도(d1)로 설정되어 있지만, 다른 개방도를 설정해도 된다. 도 3에서 나타낸 타임차트에서는, 시각 t12의 타이밍에서 소정 개방도(d1) 이상의 개방도로 되어 있다. 또한, 시각 t11의 타이밍에서 W/P(23)가 제1 유량(F1)으로 구동됨과 함께, R/V(19)의 개방도 제어가 개시되고 있는 것은, 스텝 S9에 기초하는 처리이다. 즉, 도 3 중, 시각 t11은, 스텝 S9의 처리를 행하고 있음에도 불구하고, FC 수온이 계속해서 상승하는 상황을 나타내고 있다. 이러한 상황에서, FC 수온이 제1 소정 수온(C1)을 초과하여, 소정의 조건을 만족했을 때, 스텝 S14 이후의 처리가 행해지게 된다.

여기서, 스텝 S14에서의 시간 S1에 대해서 설명한다. 시간 S1은, 제1 소정 시간에 상당한다. 시간 S1은, FC 수온이 수온(C1)에 도달함과 함께, R/V(19)의 개방도가 d1 이상인 상태로 되고 나서의 시간이다. 도 3을 참조하면, 시각 t13의 타이밍에서 FC 수온은 일단 수온(C1) 이상의 상태로 되어 있지만, 즉시 수온(C1)보다도 낮은 상태로 복귀되고 있다. 이 때문에, 시간 S1은 경과하지 않았다. 이러한 경우, 스텝 S14에서는, "아니오"라고 판단한다. 스텝 S14에서 "아니오"라고 판단했을 때는, 스텝 S14의 처리를 반복한다. 한편, 시각 t14의 타이밍에서 수온(C1)을 초과한 경우에는, 계속해서 FC 수온이 상승하고 있어, 시각 t15의 타이밍에서 시간 S1이 경과하고 있다. 따라서, 시각 t15의 타이밍에서 스텝 S14에서 "예"라고 판단한다. 또한, 제1 소정 시간은, 라디에이터(18)로 냉각된 냉매가 1 순환하는 시간 이상으로 설정되어 있다. 냉매가, 냉매 순환 경로(17) 내를 1 순환할 수 있으면, 냉매가 온도 센서(22)의 설치 개소를 통과하여, 계 내의 상태를 파악할 수 있기 때문이다.

스텝 S14에서 "예"라고 판단했을 때는 스텝 S15로 진행한다. 스텝 S15에서는, 팬(18a)을 제1 구동 전압(V1)으로 구동한다. 즉, 팬(18a)의 구동 전압의 상승을 W/P(23)에 의한 유량 증량에 우선해서 행한다. 이때, 팬(18a)은, 스텝 S11에서의 팬(18a)의 구동 전압이 제1 구동 전압(V1)으로는 내려갈 수 없는 것과 달리, 우선은, 제1 구동 전압(V1)으로 구동된다. 여기에서, 이와 같이, 팬(18a)의 구동 전압의 상승을 W/P(23)에 의한 유량 증량에 우선해서 행하는 이유에 대해 도 5 및 도 6을 참조하면서 설명한다.

도 5를 참조하면, 모두 횡축에 W/P(23)의 유량(L/m)이 그려지고, 종축에 팬(18a)의 구동 전압이 그려지고 있다. 도 5에 그려진 쇄선은, 등방열 능력선이며, 가는 실선은 등소비 전력선이다. 즉, 도 5 상의 동일한 등방열 능력선을 따라감으로써, 등방열 능력을 확보할 수 있는 W/P(23)의 유량과, 팬(18a)의 구동 전력의 조합을 알 수 있다. 또한, 도 5 상의 등소비 전력선을 따라가면, 소비 전력이 동등해지는 W/P(23)의 유량과, 팬(18a)의 구동 전력의 조합을 알 수 있다. 이러한 등방열 능력선 및 등소비 전력선을 사용하여, 동일한 방열 능력의 선 상에서, 가장 소비 전력이 작아지는 조합을 플롯해 가면, 도 5 중, 굵은 실선으로 그려진 선을 얻을 수 있다. 즉, 이 굵은 실선은, 방열 능력을 확보하면서 소비 전력 최소를 실현하는 냉각 액추에이터 구동선이다. 도 6에서도, 마찬가지의 굵은 실선이 그려져 있다. 여기서, 도 5와 도 6에서의 굵은 실선을 비교하면, 급전 상태일 때를 나타내고 있는 도 5의 굵은 실선이 더 수직에 가까운 형태로 상승하고 있다. 이것은, 급전 중, 즉, 정차 중에는, 차속풍이 없기 때문에, 팬(18a)의 능력을 향상시키는 것이 방열 능력의 증가, 소비 전력의 효율적인 방열 능력의 향상으로 이어지는 것을 나타내고 있다. 따라서, 본 실시 형태의 스텝 S15에서는, 팬(18a)의 구동 전압의 상승을 W/P(23)에 의한 유량 증량에 우선해서 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 팬(18a)의 구동 전력을 서서히 상승시키지만, 시각 t15의 타이밍에서는, 팬(18a)을 제1 구동 전압(V1)으로 구동한다. 제1 구동 전압(V1)은, 최저 구동 전압(V1)과 동일 값이다.

본 실시 형태에서는, 시각 t15의 타이밍에서 팬(18a)의 구동을 개시하는데, ECU(21)는, 팬(18a)의 구동 전압의 상승을 행한 후에 냉매의 온도가 소정 온도 값(C1) 이상인 상태가 소정 시간 경과하는 경우에, R/V(19)의 개방도를 증가시키고 있다. 구체적으로, 도 3 중, 시각 t15와 시각 t16의 사이에서 R/V(19)의 개방도를 한층 증대시키고 있다. 이에 의해, 라디에이터(18)에 유입되는 냉매의 유량을 증대시켜, 냉각 효율을 향상시킨다.

스텝 S15에 계속되어 행하여지는 스텝 S16에서는, FC 수온이 수온(C2) 이상에서 시간(S2)이 경과했는지 여부를 판단한다. 여기서, 수온(C2)은, 수온(C1)과 마찬가지로 제1 소정 온도 값에 상당하는 것이며, 수온(C1)보다도 높은 값이다. 즉, 수온(C2)은, 제1 소정 온도를 단계적으로 상승시킨 것이며, 수온(C1)대신에 제1 소정 온도로서 설정된다. 시간(S2)은, 시간(S1)과 마찬가지로 제1 소정 시간에 상당한다. 본 실시 형태에서는, 시간(S2)으로서, 시간(S1)과 상이한 값을 채용하고 있지만, 동일한 값으로 해도 된다. 시간(S2)을 설정하고 있는 것은, 예를 들어 순간적으로 FC 수온이 수온(C2)을 초과했을 뿐인 경우를 배제하기 위해서이다. 도 3을 참조하면, 시각 t16의 타이밍에서 FC 수온이 수온(C2) 이상으로 되어 있고, 시각 t17의 타이밍에서 시간(S2)이 경과하고 있다. 따라서, 시각 t17의 타이밍에서 스텝 S16에서의 "예" 판단이 이루어지게 된다. 스텝 S16에서 "아니오"라고 판단했을 때는, 스텝 S17로 진행한다. 스텝 S17에서는, FC 수온이 수온(C4) 이하로 되었는지 여부를 판단한다. 수온(C4)은, 일련의 냉각 제어에 의해, FC 수온이 적절하게 냉각되었다고 판단할 수 있는 값으로 설정되어 있다. 수온(C4)은, 제3 소정 온도 값에 상당한다. 본 실시 형태에서는, 수온(C4)은, 수온(C1)보다도 낮은 값으로 설정되어 있다. 수온(C4)은, 수온(Ctrg)과 동일 값이거나, 상이한 값이어도 된다. 스텝 S17에서 "아니오"라고 판단한 스텝 S15로 복귀되어, 제1 구동 전압(V1)에 의한 팬(18a)의 구동을 계속한다. 스텝 S17에서 "예"라고 판단했을 때는, 스텝 S4로 복귀된다. 한편, 스텝 S16에서 "예"라고 판단했을 때는, 스텝 S18로 진행한다.

스텝 S18에서는, 팬(18a)을, 제1 구동 전압(V1)보다도 높은 제2 구동 전압(V2)에 의해 구동한다. 이와 같이, 팬(18a)의 구동 전압을 단계적으로 상승시킴으로써, 팬(18a)에 의한 전력 소비를 억제할 수 있다. 또한, 이와 같이 팬(18a)의 구동 전압을 단계적으로 상승시킬 때 참조되는 FC 수온을 단계적으로 상승시킴으로써 낮은 전압에서의 팬(18a)의 구동을 가능한 한 계속할 수 있다.

스텝 S18에 계속되어 행하여지는 스텝 S19에서는, FC 수온이 수온(C3) 이상에서 시간(S3)이 경과했는지 여부를 판단한다. 여기서, 수온(C3)은, 제2 소정 온도 값에 상당하고, 본 실시 형태에서는, 수온(C2)보다도 높은 값으로 설정되어 있다. 시간(S3)은, 제2 소정 시간에 상당한다. 본 실시 형태에서는, 시간(S3)으로서, 시간(S1)과 상이한 값을 채용하고 있지만, 동일한 값으로 해도 된다. 시간(S3)을 설정하고 있는 것은, 예를 들어 순간적으로 FC 수온이 제3 소정 수온(C3)을 초과했을 뿐인 경우를 배제하기 위해서이다. 도 3을 참조하면, 시각 t18의 타이밍에서 FC 수온이 제3 소정 수온(C3) 이상으로 되어 있고, 시각 t19의 타이밍에서 시간(S3)이 경과하고 있다. 따라서, 시각 t19의 타이밍에서 스텝 S19에서의 "예" 판단이 이루어지게 된다. 스텝 S19에서 "아니오"라고 판단했을 때는, 스텝 S20으로 진행된다. 스텝 S20에서는, FC 수온이 수온(C4) 이하가 되었는지 여부를 판단한다. 수온(C4)은, 일련의 냉각 제어에 의해, FC 수온이 적절하게 냉각되었다고 판단할 수 있는 값으로 설정되어 있다. 스텝 S20에서 "아니오"라고 판단했을 때는, 스텝 S18로 복귀되고, 제2 구동 전압(V2)에 의한 팬(18a)의 구동을 계속한다. 스텝 S20에서 "예"라고 판단했을 때는, 스텝 S4로 복귀된다. 한편, 스텝 S19에서 "예"라고 판단했을 때는, 스텝 S21로 진행된다. 또한, 제2 소정 시간 및 제2의 소정 온도 값은, W/P(23)의 유량 증량을 행하기 위한 역치가 되는 것인데, 시간(S3)이나 수온(C3) 대신에, 다른 값을 채용해도 된다. 예를 들어, 제2 소정 온도 값으로서 수온(S1)을 설정하고, 제2 소정 시간을, 도 3에 도시하는 흐름도에 있어서, FC 수온이 수온(C1)을 초과한 시각 S1로부터의 경과 시간으로 해도 된다. 즉, 소정의 온도가 유지된 상태가 계속되고 있는 상태에서, W/P(23)의 유량 증량을 행하는 타이밍이 팬(18a)의 구동 전압의 상승을 행한 후의 타이밍으로 되어 있으면 된다. 또한, 제2 소정 시간은, 라디에이터(18)로 냉각된 냉매가 1 순환하는 시간 이상으로 설정되어 있으면 된다. 냉매가, 냉매 순환 경로(17) 내를 1 순환할 수 있으면, 냉매가 온도 센서(22)의 설치 개소를 통과하여, 계 내의 상태를 파악할 수 있기 때문이다.

스텝 S21에서는, 팬(18a)을, 제2 구동 전압(V2)보다도 높은 제3 구동 전압(V3)에 의해 구동한다. 여기서, 제3 구동 전압(V3)은, 팬(18a)에 설정된 최대 구동 전압이다. 또한, 스텝 S21에서는, W/P(23)를 제1 유량(F1)보다도 많은 제2 유량(F2)으로 구동한다. 여기서, 제2 유량(F2)은 W/P(23)에 설정된 최대 유량이다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는, 팬(18a)의 구동 전압의 상승을 행한 후에 FC 수온이 C3 이상인 상태가 S3 경과하는 경우에, W/P(23)의 유량 증가를 행한다. 다양한 냉각 제어를 실행하였음에도 불구하고, FC 수온이 적절하게 냉각되지 않는 경우에는, 팬(18a)을 최대 구동 전력으로 구동함과 함께, W/P(23)의 유량을 최대 유량으로 한다. 또한, 이때, R/V(19)의 개방도도 최대로 해서, 가능한 한 냉매를 라디에이터(18)에 흘린다. 이에 의해, 연료 전지 시스템(1)의 냉각 능력을 향상시킨다. 스텝 S21에 계속되어서 행하여지는 스텝 S22에서는, FC 수온이 수온(C4) 이하로 되었는지 여부를 판단한다. 스텝 S22에서 "예"라고 판단했을 때는, 스텝 S4로 복귀된다. 도 3을 참조하면, 시각 t20의 타이밍에서 수온(C4)에 도달하고 있다. 따라서, 시각 t20의 타이밍에서 스텝 S22에서의 "예" 판정이 된다. 한편, 스텝 S22에서 "아니오"라고 판단했을 때는, 스텝 S21로 복귀되고, 제3 구동 전압(V3)에 의한 팬(18a)의 구동과, W/P(23)의 제2 유량(F2)으로의 구동을 계속한다.

이상 설명한 바와 같이, 연료 전지 시스템(1)을 제어함으로써, 외부 급전을 행하는 연료 전지(2)를 효율적으로 냉각할 수 있다.

상기 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예에 지나지 않으며, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니라, 이들 실시예를 다양하게 변형하는 것은 본 발명의 범위 내이며, 또한 본 발명의 범위 내에서, 다른 다양한 실시예가 가능한 것은 상기 기재로부터 자명하다.

1 : 연료 전지 시스템 2 : 연료 전지
3 : 연료 전지 스택 3c : 냉매 유로
4 : 캐소드 가스 공급 유로 6 : 캐소드 오프 가스 배출 유로
17 : 냉매 순환 경로 18 : 라디에이터
18a : 팬 19 : 로터리 밸브(R/V)
22 : 온도 센서 23 : 워터 펌프(W/P)
37 : 외기온 센서

Claims

외부 급전을 행하는 연료 전지와,
상기 연료 전지를 냉각하는 냉매가 순환하는 냉매 순환 경로와,
상기 냉매 순환 경로에 설치된 라디에이터와,
상기 냉매 순환 경로에 상기 냉매를 순환시키는 워터 펌프와,
상기 라디에이터를 흐르는 상기 냉매의 유량을 제어하는 분류 밸브와,
상기 라디에이터에 송풍하는 팬과,
상기 냉매의 온도가 제1 소정 온도 값 이상이며 또한 상기 분류 밸브의 개방도가 상기 라디에이터에 흐르는 상기 냉매의 유량을 소정 유량 값 이상으로 한 상태가 제1 소정 시간 계속되는 경우에, 상기 팬의 구동 전압의 상승을 상기 워터 펌프에 의한 유량 증량에 우선해서 행하고, 상기 팬의 구동 전압의 상승을 행한 후에 상기 냉매의 온도가 제2 소정 온도 값 이상인 상태가 제2 소정 시간 경과하는 경우에, 상기 워터 펌프의 유량 증가를 행하는 제어부를 구비하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 팬의 구동 전압을 단계적으로 상승시키는, 연료 전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 제1 소정 온도 값을 단계적으로 상승시킴으로써 상기 팬의 구동 전압을 단계적으로 상승시키는, 연료 전지 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 냉매의 온도가 제3 소정 온도 값 이하로 될 때까지 상기 팬의 구동 전압의 상승을 계속하는, 연료 전지 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 소정 시간 및 상기 제2 소정 시간은, 상기 라디에이터에서 냉각된 냉매가 1 순환하는 시간 이상인, 연료 전지 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 냉매의 온도가 상기 제1 소정 온도 값보다도 낮은 경우에는, 상기 연료 전지의 발열량을 산출하고, 상기 발열량이 미리 정한 역치 이하인 경우에는, 상기 워터 펌프, 상기 팬 및 상기 분류 밸브의 동작을 정지하고, 상기 워터 펌프, 상기 팬 및 상기 분류 밸브의 동작을 정지한 후, 상기 연료 전지의 발열량의 적산값을 취득하여, 상기 발열량의 적산값이 미리 정한 역치 이상으로 된 경우에, 상기 워터 펌프 및 상기 분류 밸브를 작동시키는, 연료 전지 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 냉매의 온도가 상기 제1 소정 온도 값보다도 낮은 경우에는, 상기 연료 전지의 발열량을 산출하고, 상기 발열량이 미리 정한 역치 이하인 경우에는, 상기 워터 펌프, 상기 팬 및 상기 분류 밸브의 동작을 정지하고, 상기 워터 펌프, 상기 팬 및 상기 분류 밸브의 동작을 정지한 후, 상기 연료 전지의 발열량의 적산값을 취득하여, 상기 발열량의 적산값이 미리 정한 역치 이상으로 된 경우에, 상기 워터 펌프를 당해 워터 펌프의 최저 유량으로 구동하는, 연료 전지 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 분류 밸브의 개방도를 소정 값까지 증대시킨 후에 상기 냉매의 온도가 제4 소정 온도 값 이상인 상태가 제3 소정 시간 경과하는 경우에, 상기 팬을 구동하는, 연료 전지 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 분류 밸브의 개방도를 소정 값까지 증대시킨 후에 상기 냉매의 온도가 제4 소정 온도 값 이상인 상태가 제3 소정 시간 경과하는 경우에, 상기 팬을 당해 팬의 최저 구동 전압으로 구동하는, 연료 전지 시스템.