KR101856296B1 - 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

애노드측의 배수 실행 시에 발생하는 작동음과 캐소드측의 배수 실행 시에 발생하는 작동음에 의해, 사용자에게 부여하는 불쾌감이나 위화감, 고장의 걱정 등을 저감한다.
애노드 가스 펌프의 순환류량을 제어하여, 애노드측에 체류하는 애노드측 액수를 배출하는 애노드측 배수 제어부, 및 캐소드 가스 펌프의 공급 유량을 제어하여, 캐소드측에 체류하는 캐소드측 액수를 배출하는 캐소드측 배수 제어부는, 애노드 가스 펌프 및 캐소드 가스 펌프 중, 미리 선택된 한쪽의 펌프를 구동시켜서 배수를 행한 후, 다른 쪽의 펌프를 구동시켜서 배수를 행한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREFOR}
[관련 출원의 상호 참조]
본원은, 2014년 11월 14일에 출원된 출원 번호 제2014-231195호의 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 애노드에서 소비되지 않은 연료 가스를 연료 가스 순환계의 순환 펌프를 통해서 순환시키는 연료 전지 시스템이 개발되어 있다. 그리고, 이 연료 가스 순환계를 갖는 연료 전지 시스템의 예로서, JP2007-115460A에는, 연료 가스 순환계의 배관 내벽에 응축된 액수를, 순환 펌프의 회전 수를 상승시켜서 배수시킴으로써, 순환 펌프에 대하여 과잉의 액수가 유입될 가능성을 저감하는 것이 개시되어 있다. 또한, JP2008-171770A에는, 순환 펌프(수소 펌프)의 구동에 수반하는 소리를, 압축기 또는 연료 전지의 부하가 되는 모터의 구동에 수반하는 소리에 의해 마스크하는 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 순환계에 물이 체류하는 경우가 있다. 특히, 연료 가스 순환계의 기액 분리기의 출구로부터 순환 펌프의 흡입구까지의 부위에 액수가 체류하는 경우가 있다. 예를 들어, 연료 전지와 순환 펌프의 온도 차에 의한 결로나, 기액 분리기 내로부터 순환 펌프가 빨아들인 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 수반하는 소리로서 이음의 발생이나 대음량화 등(이하, 「이음 등」이라고도 함)을 초래하여, 사용자에 대하여 불쾌감이나 위화감, 고장의 걱정 등을 부여한다는 과제가 있다.
또한, 연료 전지의 애노드에 체류수가 많아지면, 고부하 발전 시에 있어서 연료 가스 부족의 상태가 발생하여, 연료 전지의 셀 전압의 저하나 산화(카본 산화)에 의한 전극 열화가 발생한다는 과제도 있다.
또한, 연료 가스 순환계의 순환 펌프의 회전 수를 상승시켜서 연료 전지의 애노드측의 연료 가스의 유로의 배수를 실행할 뿐만 아니라, 연료 전지의 캐소드에 산화 가스(공기 중의 산소)를 공급하는 산화 가스 공급계의 공기 압축기의 회전 수를 상승시켜서, 산화 가스 배출계를 통해서 연료 전지의 캐소드측의 산화 가스의 유로의 배수를 실행하는 경우가 있다. 이 경우, 애노드측의 배수에 있어서 발생하는 작동음과 캐소드측의 배수에 있어서 발생하는 작동음의 발생 방식에 따라서는, 사용자에 대하여 불쾌감이나 위화감, 고장의 걱정 등을 부여한다는 과제가 있다.
본 발명은, 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 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 애노드 가스 펌프와; 상기 애노드 가스 펌프의 순환류량을 제어하고, 애노드측 유로에 체류하는 애노드측 액수를 배출하는 애노드측 배수 제어부와; 상기 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급 유로와; 상기 캐소드 가스 공급 유로에 설치되고, 상기 캐소드 가스를 상기 연료 전지에 공급하는 캐소드 가스 펌프와; 상기 캐소드 가스 펌프의 공급 유량을 제어하고, 캐소드측 유로에 체류하는 캐소드측 액수를 배출하는 캐소드측 배수 제어부를 구비한다. 상기 애노드측 배수 제어부 및 상기 캐소드측 배수 제어부는, 상기 애노드 가스 펌프 및 상기 캐소드 가스 펌프 중, 미리 선택된 한쪽의 펌프를 구동시켜서 배수를 행한 후, 다른 쪽의 펌프를 구동시켜서 배수를 행한다.
이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 예를 들어 작동음이 커지는 측의 배수에 대응하는 펌프를 먼저 구동해서 배수를 실행하는 것으로서 미리 선택해 둠으로써, 작동음이 큰 측의 배수를 실행한 후, 작동음이 작은 측의 배수를 실행할 수 있어, 배수에 의한 작동음이 대에서 소로 변화하므로, 사용자에게 부여하는 불쾌감이나 위화감, 고장의 걱정 등을 저감하는 것이 가능하다.
(2) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 캐소드측 배수 제어부는, 캐소드측 배수 요구가 발생했을 때, (a) 상기 애노드측 배수 제어부가 상기 애노드측 액수의 배출을 이미 개시하고 있는 경우에는, 상기 애노드측 액수의 배출이 종료된 후에, 상기 캐소드측 액수의 배출을 실행하고, (b) 상기 애노드측 배수 제어부가 상기 애노드측 액수의 배출을 아직 개시하지 않은 경우에는, 상기 애노드측 배수 제어부가 상기 애노드측 액수의 배출을 개시해서 상기 애노드측 액수의 배출이 종료된 후에, 상기 캐소드측 액수의 배출을 실행한다.
이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 작동음이 큰 애노드측의 배수를 실행한 후에, 작동음이 작은 캐소드측의 배수를 실행하므로, 사용자에게 부여하는 불쾌감이나 위화감, 고장의 걱정 등을 저감하는 것이 가능하다.
(3) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 애노드측 배수 제어부는, 상기 애노드 가스 펌프의 순환류량에 기초하여 상기 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양을 추정하고, 상기 체류수의 양이 소정 값 이상으로 된 경우에, 상기 애노드측 액수의 배출을 실행한다고 해도 된다.
이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양이 소정 값으로 되었을 때 애노드측 액수의 배출을 실행할 수 있으므로, 애노드 가스 펌프 내의 체류수가 많아져서, 애노드 가스 펌프의 작동음으로서 이음 등이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 연료 전지의 애노드 내의 체류수가 많아져서, 애노드에 공급되는 애노드 가스의 부족을 초래하여, 연료 전지의 전압 저하나 산화에 의한 전극 열화가 발생하는 것을 억제하는 것이 가능하다.
(4) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 애노드측 배수 제어부는, 미리 준비된, 상기 애노드 가스 펌프의 순환류량과, 상기 애노드 가스 펌프의 순환류량에 있어서의 상기 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양과의 관계로부터, 상기 애노드 가스 펌프의 순환류량에 대응하는 상기 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양을 추정한다고 해도 된다.
이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 애노드 가스 순환 유로 내에 체류하는 체류수의 양을 용이하게 추정할 수 있어, 체류수의 양이 소정 값 이상으로 되는지 여부를 용이하게 판단하는 것이 가능하다.
(5) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 애노드 가스 펌프는, 회전에 의해 상기 애노드 가스의 순환류량을 변화시키는 펌프이며, 상기 캐소드 가스 펌프는, 회전에 의해 상기 캐소드 가스의 공급 유량을 변화시키는 압축기로 해도 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 도시하는 개략도이다.
도 2는 애노드 가스 순환계의 수소 순환 펌프 및 기액 분리부를 확대해서 도시하는 설명도이다.
도 3은 간헐 운전에 있어서 실행되는 애노드측 강제 배수 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다.
도 4는 배수 완료 시간 맵의 예를 나타내는 설명도이다.
도 5는 HP 잔수 판정 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다.
도 6은 만수 시간 맵의 예를 나타내는 설명도이다.
도 7은 애노드측 강제 배수 처리의 구체예에 대해서 나타내는 타임차트이다.
도 8은 간헐 운전에 있어서 실행되는 캐소드측 강제 배수 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다.
도 9는 Ca 배수 요구 판정 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다.
도 10은 An측 강제 배수 판정 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다.
도 11은 캐소드측 강제 배수 처리의 구체예에 대해서 나타내는 타임차트이다.
A. 실시 형태:
A1. 연료 전지 시스템의 구성:
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템(100)의 구성을 도시하는 개략도이다. 본 실시 형태에서, 연료 전지 시스템(100)은 차량(「연료 전지 차량」이라고도 함)에 탑재되어 있다. 연료 전지 시스템(100)은, 차량의 운전자로부터의 액셀러레이터 페달(도시하지 않음)에 의한 요구(이하, 「액셀러레이터 위치」라고도 함)에 따라, 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 단셀(11)이 적층된 스택 구조를 갖는다. 본 실시 형태에서, 연료 전지(10)는, 소위 카운터 플로우형의 연료 전지이며, 애노드 가스와 캐소드 가스가 대항해서 역방향으로 흐른다. 통상, 연료 전지(10)는, 각 단셀(11)의 면을 따라, 애노드 가스가 상측으로부터 하측을 향해서 흐르고, 캐소드 가스가 하측으로부터 상측을 향해서 흐르게 배치된다. 또한, 연료 전지(10)에는, 반응 가스나 냉매를 위한 매니폴드가 적층 방향을 따른 관통 구멍으로서 형성되지만, 도시는 생략한다.
단셀(11)은, 도시는 생략하지만, 기본적으로, 발전체로서의 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 세퍼레이터로 끼움 지지한 구성을 갖고 있다. MEA는, 이온 교환막을 포함하는 고체 고분자형 전해질막(간단히 「전해질막」이라고도 함)과, 전해질막의 애노드측의 면 상에 형성된 촉매층 및 가스 확산층을 포함하는 애노드와, 전해질막의 캐소드측의 면 상에 형성된 촉매층 및 가스 확산층을 포함하는 캐소드로 구성된다. 또한, 세퍼레이터와 가스 확산층에 접하는 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 제어부 등의 기능을 실현할 수 있다. 또한, 도 1에는, 애노드측 배수 제어부(21)와 애노드측 배수 검지부(22)와 캐소드측 배수 제어부(23)가 도시되어 있다.
캐소드 가스 공급계(30)는, 캐소드 가스 공급 배관(31)과, 공기 압축기(32)와, 에어플로우 미터(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 통해서 연료 전지(10)와 접속되어 있다. 공기 압축기(32)는, 외기를 도입해서 압축한 공기를, 캐소드 가스로서 연료 전지(10)에 공급한다. 에어플로우 미터(33)는, 공기 압축기(32)의 상류측에 있어서, 공기 압축기(32)가 도입하는 외기의 양을 계측하여, 제어부(20)에 송신한다. 제어부(20)는, 이 계측값에 기초하여, 공기 압축기(32)를 구동함으로써, 연료 전지(10)에 대한 공기의 공급량을 제어한다. 또한, 캐소드 가스 공급 배관(31)을 「캐소드 가스 공급 유로」라고도 한다. 또한, 공기 압축기(32)를 「캐소드 가스 펌프」라고도 한다.
개폐 밸브(34)는, 공기 압축기(32)와 연료 전지(10)와의 사이에 설치되어 있다. 개폐 밸브(34)는, 통상 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)에 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 통해서, 연료 전지 시스템(100)의 외부에 배출된다.
압력 조절 밸브(43)는, 제어부(20)에 의해, 그 개방도가 제어되고 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 있어, 캐소드 배기 가스의 압력을 계측하고, 그 계측 결과를 제어부(20)에 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 통해서 연료 전지(10)의 애노드 가스 공급 매니폴드(도시는 생략)의 입구와 접속되어 있고, 탱크 내에 충전된 수소를 연료 전지(10)에 공급한다. 또한, 애노드 가스 공급 배관(51)을 「애노드 가스 공급 유로」라고도 한다.
애노드 가스 공급 배관(51)에는, 상류측(수소 탱크(52)측)에서부터 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 개폐되어, 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 구동식의 개폐 밸브인 인젝터에 의해 구성할 수 있다. 압력 계측부(56)는, 수소 공급 장치(55)의 하류측의 수소의 압력을 계측하고, 제어부(20)에 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(도시는 생략)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)보다 하류에 접속되어 있다. 애노드 가스 순환 배관(63)에는, 수소 순환 펌프(64)가 설치되어 있다. 기액 분리부(62)에서 분리된 기체 성분에 포함되는 수소는, 수소 순환 펌프(64)에 의해 애노드 가스 공급 배관(51)에 송출되어, 애노드 가스로서 재이용된다. 또한, 애노드 가스 순환 배관(63)을 「애노드 가스 순환 유로」라고도 한다. 또한, 수소 순환 펌프(64)를 「애노드 가스 펌프」라고도 한다.
애노드 배수 배관(65)은, 기액 분리부(62)에서 분리된 액수를 연료 전지 시스템(100)의 외부에 배출하기 위한 배관이다. 애노드 배수 배관(65)에는, 배수 밸브(66)가 설치되어 있다. 제어부(20)는, 통상은, 배수 밸브(66)를 폐쇄해 두고, 미리 설정된 소정의 배수 타이밍이나, 애노드 배기 가스 중의 불활성 가스의 배출 타이밍에서 배수 밸브(66)를 개방한다. 또한, 기액 분리부(62)를 「배수 기구」라고도 한다.
애노드 가스 순환계(60)의 압력 계측부(67)는, 애노드 배기 가스 배관(61)에 설치되어 있다. 압력 계측부(67)는, 연료 전지(10)의 애노드 가스 배출 매니폴드의 출구 근방에서, 애노드 배기 가스의 압력(연료 전지(10)의 애노드측의 배압)을 계측하고, 제어부(20)에 송신한다. 제어부(20)는, 애노드 가스 순환계(60)의 압력 계측부(67)의 계측값이나, 상술한 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)를 계측하여, 제어부(20)에 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 냉매용 배관이다. 상류측 배관(71a)은, 라디에이터(72)의 입구와 연료 전지(10)의 냉매 배출 매니폴드(도시는 생략)의 출구를 접속한다. 하류측 배관(71b)은, 라디에이터(72)의 출구와 연료 전지(10)의 냉매 공급 매니폴드(도시는 생략)의 입구를 접속한다.
라디에이터(72)는, 냉매 배관(71)을 흐르는 냉매와 외기와의 사이에서 열교환시킴으로써 냉매를 냉각한다. 냉매 순환 펌프(75)는, 하류측 배관(71b)의 도중에 설치되어, 라디에이터(72)에서 냉각된 냉매를 연료 전지(10)에 송출한다. 상류측 온도 센서(76a)는 상류측 배관(71a)에 설치되어 있고, 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)에 송신한다. 제어 장치(20)는, 상류측 온도 센서(76a)와 하류측 온도 센서(76)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(DCL)을 통해서 인버터(84)에 전기적으로 접속되어 있고, 이차 전지(86)는 DC/DC 컨버터(88)를 통해서 직류 배선(DCL)에 전기적으로 접속되어 있다.
이차 전지(86)는, 연료 전지(10)의 출력 전력이나, 구동 모터(82)의 회생 전력에 의해 충전되어, 연료 전지(10)와 함께 전력원으로서 기능한다. 이차 전지(81)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(81)의 충·방전을 제어하여, 직류 배선(DCL)의 전압 레벨을 가변하도록 조정한다. 인버터(84)는, 연료 전지(10)와 이차 전지(81)로부터 얻어진 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 구동 모터(82)에 공급한다. 구동 모터(82)는 액셀러레이터 위치에 대응해서 인버터(84)로부터 공급된 전력에 따라서 동작하고, 기어 등을 통해서 접속된 차륜(WL)을 구동한다. 또한, 구동 모터(82)에 의해 회생 전력이 발생하는 경우에는, 인버터(84)는, 그 회생 전력을 직류 전력으로 변환하여, DC/DC 컨버터(88)를 통해서 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 따라, 차량의 동력원이 되는 전력을 연료 전지(10)로부터 출력할 수 있다. 이하에서는, 이 연료 전지 시스템(100)의 작동 중에서 실행되는 애노드 가스 순환 유로의 배수 처리 및 캐소드 가스 급배 유로의 배수 처리에 대해서 설명을 부가한다.
도 2는, 애노드 가스 순환계(60)의 수소 순환 펌프(64) 및 기액 분리부(62)를 확대해서 도시하는 설명도이다. 연료 전지(10)의 하부의 애노드 가스 배출 매니폴드의 출구(도시하지 않음)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 상부의 송출구(644)에 접속된 제2 애노드 가스 순환 배관(63b)은, 애노드 가스 공급 배관(51)(도시하지 않음)에 연결되어, 연료 전지(10)의 상부의 애노드 가스 공급 매니폴드의 입구(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 즉, 수소 순환 펌프(64)는, 하부의 흡입구(641)로부터 흡입된 수소를 상부의 송출구(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) 내부로까지 넘치는 경우가 있다. 이 체류수는, 주로 이하와 같이 해서 발생한다. 먼저, 연료 전지(10)의 온도에 대하여 수소 순환 펌프(64)의 온도가 낮은 경우에, 그 온도 차에 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 적어져서, 발생한 결로수를 들어올려 송출구(644)로부터 배출할 수 없게 된다. 이 때문에, 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 나가게 된다. 액수의 체류는, 이 밖에, 기액 분리부(62) 내에 체류한 액수를 수소 순환 펌프(64)가 빨아 들여버리는 것이나, 연료 전지(10)로부터 배출된 액수가 기액 분리부(62)에서 분리되어 기액 분리부(62)의 하부에 모이지 않고, 직접, 수소 순환 펌프(64)가 빨아 들어버리는 것, 및 수소 순환 펌프(64)의 송출구(644)측으로부터의 액수의 떨어짐 등에 의해서도 발생할 수 있다.
수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)에 있어서의 체류수가 많아지면, 수소 순환 펌프(64)의 임펠러(642, 643)에 물의 혼입(「물 혼입」이라고도 함)이 발생하여, 수소 순환 펌프(64)의 작동음이 변화하여, 이음 등의 발생을 초래하게 된다.
수소 순환 펌프(64)의 저회전 상태가 계속되는 사상은, 연료 전지(10)가 미소한 전력을 발전하는 상태가 계속되는 경우에 발생하기 쉽다. 이러한 미소 발전 상태를 이용하는 운전으로서는, 예를 들어 발전 기간과 비발전 기간이 교대로 나타나는 통상의 간헐 운전과는 달리, 간헐 운전의 비발전 기간에 상당하는 기간에 있어서도 발전을 정지하지 않고 미소한 전력의 발전 상태를 유지하는 운전(이하, 「미소 발전 간헐 운전」이라고도 함)을 들 수 있다. 즉, 미소 발전 간헐 운전에서는, 연료 전지(10)가 고출력으로 발전을 행하는 기간과, 미소 출력으로 발전을 행하는 기간이 교대로 나타난다.
미소 발전 상태가 계속되고 있는 경우, 발전에 의해 생성된 액수가, 연료 전지(10)의 각 셀(11)의 캐소드로부터 수증기가 되어서 애노드측으로 이동해서 애노드 가스의 유로 내에서 결로가 발생하여, 애노드 가스의 유로 내에 체류할 가능성이 있다. 이 체류수(「애노드측 체류수」 또는 「애노드측 액수」라고도 함)가 많아지면, 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 고부하 발전을 실행할 때 필요한 애노드 가스(연료 가스)의 공급이 행하여지지 않아, 연료 가스 부족의 상태가 발생하고, 연료 전지(10)의 셀 전압의 저하나 산화에 의한 전극 열화를 초래하게 된다. 마찬가지로, 발전에 의해 생성된 액수가 연료 전지(10)의 각 셀(11)의 캐소드 가스의 유로 내에 체류할 가능성이 있다. 이 체류수(「캐소드측 체류수」 또는 「캐소드측 액수」라고도 함)가 많아지면, 애노드측으로 이동하는 물의 양이 증가하기 때문에, 수소 순환 펌프(64)의 이음 등의 발생이나 연료 전지(10)의 셀 전압의 저하를 초래하기 쉬워진다.
따라서, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 이하에서 설명하는 애노드 가스 순환 유로의 배수 처리(「애노드측(강제) 배수 처리」라고도 함) 및 캐소드 가스 급배 유로의 배수 처리(「캐소드측(강제) 배수 처리」라고도 함)를 실행하여, 이음 등의 발생의 억제나 연료 전지(10)의 셀 전압 저하의 억제 등을 행한다.
A2. 애노드 가스 순환 유로의 배수 처리:
도 3은, 간헐 운전에 있어서 실행되는 애노드측 강제 배수 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다. 이 애노드(「An」이라고 약기함)측 강제 배수 처리는, 애노드측 배수부 제어(21)에 의해 실행된다. 또한, 이하의 설명에서의 간헐 운전은, 상술한 미소 발전 간헐 운전이 실행되는 상태를 의미하고 있다.
스텝 S101에서는 An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅되었는지 여부가 판단되고, 스텝 S102에서는 간헐 플래그(flgint)가 세팅된 상태(flgint:1)인지 여부, 즉, 간헐 운전 중인지 여부가 판단된다. 또한, An 강제 배수 플래그의 세팅은 후술하는 HP(수소 순환 펌프) 잔수 판정 처리에 의해 실행된다. 또한, 간헐 플래그(flgint)는 제어부(20) 내에 설정된다.
An 강제 배수 플래그(flgan)와 간헐 플래그(flgint)의 양쪽이 세팅된 상태의 경우에는, 스텝 S103에서, An측 강제 배수가 개시된다. An측 강제 배수가 개시된 경우, 공기 압축기(32)의 회전 수(「ACP 회전 수」라고도 함)는 간헐 운전에 있어서 설정되어 있던 값인 상태로 유지되고, 한편, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수(「HP 회전 수」라고도 함)(Rhp)는, 간헐 운전 중에 설정되어 있던 배수 불가의 저회전의 회전 수(rdan)로부터, 배수 가능한 회전 수(rdap)로 상승된다. 이하에서는, 간헐 운전 중에 설정되어 있던 배수 불가의 수소 순환 펌프(64)의 회전 수(rdan)를 「An 간헐 운전 회전 수(rdan)」라고 한다. 또한, 배수 가능한 수소 순환 펌프(64)의 회전 수(rdap)를 「An 배수 회전 수(rdap)」라고 한다. An 배수 회전 수(rdap)는, 예를 들어 배수가 가능하게 되는 최저 회전 수(rpa)(「배수 가능 회전 수 역치(rpa)」라고도 함)로 설정된다. 이 배수 가능 회전 수 역치(rpa)는, 예를 들어 rpa=1800rpm으로 설정된다. 한편, An 간헐 운전 회전 수(rdan)는, 회전 수 역치(rpa) 미만의 회전 수이다. 또한, An 간헐 운전 회전 수(rdan)는, 운전의 상황에 따라서 변화하는데, 예를 들어 600rpm 정도의 회전 수로 설정된다. 또한, 스텝 S103에서의 회전 수의 상승 레이트(상승률)는, 통상의 운전에 있어서 설정되는 통상 레이트(Kratt)(예를 들어, 6000rpm/1sec)보다도 낮은 저레이트(Kratd)(예를 들어, 1800rpm/4sec)가 된다. 상승 레이트를 저레이트로 하는 효과에 대해서는 후술한다. 또한, An측 강제 배수를 실행할 때의 An 배수 회전 수(rdap)는, 반드시 배수 가능 회전 수 역치(rpa)에 한정되는 것은 아니며, 그 이상의 회전 수로 해도 된다. 단, HP 회전 수(Rhp)가 높을수록 작동음(「구동음」이라고도 함)은 커지므로, 가능한 한 저회전인 것이 더 바람직하다. HP 회전 수(Rhp)가 An 배수 회전 수(rdap)로 설정되면, 수소 순환 펌프(64) 내의 체류수가 수소 순환 펌프(64)로부터 배출될 뿐만 아니라, 애노드 가스 순환 배관(63)이나, 애노드 가스 공급 배관(51), 연료 전지(10)의 각 셀의 애노드로 구성되는 애노드 순환 유로 중에 포함되는 애노드측 체류수(애노드측 액수)가 기액 분리부(62)를 통해서 배출된다.
스텝 S104에서는 An 배수 완료 시간(tdae)이 설정된다. An 배수 완료 시간(tdae)은, HP 회전 수(Rhp)가 An 배수 회전 수(rdap)(배수 가능 회전 수 역치(rpa))로 되고 나서, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)의 용량(Vp)을 만족하는 체류수(도 2 참조)가 모두 배출될 때까지 필요로 하는 시간이다. 이 An 배수 완료 시간(tdae)은, 미리 준비되어 있는 배수 완료 시간 맵으로부터, 온도 계측부(68)에서 계측된 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)에 대응하는 An 배수 완료 시간(tdae)을 취득함으로써 설정된다.
도 4는, 배수 완료 시간 맵의 예를 나타내는 설명도이다. 이 배수 완료 시간 맵은, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(「HP온도」라고도 함)(Tr)와 An 배수 완료 시간(tdae)의 관계를 나타내고 있다. 본 예에서는, 온도에 관계없이 일정한 값(10sec)으로 설정되어 있다. 수소 순환 펌프(64)로부터 체류수를 배출하는 시간은 HP 온도가 높을수록 빨라지고, HP 온도가 낮을수록 느려진다. 적어도, 늦은 시간에 맞춰 두면 배수는 가능하므로, 본 예에서는, 일정한 값으로 설정되어 있다. 단, 이것에 한정되는 것은 아니며, HP 온도에 따라서 변화시키도록 해도 된다. 또한, 도 4의 배수 완료 시간 맵은, 미리 실험에 의해 구할 수 있다. 또한, An 배수 완료 시간(tdae)은, 실제로는, 수소 순환 펌프(64)로부터 체류수를 완전히 제거할 때까지의 시간이 아니라, 배수에 의해 발생하는 소음이 계속되는 시간으로서 허용할 수 있는 시간과, 배수의 시간에 의해 저감할 수 있는 체류수의 양과의 사이의 트레이드오프(상반)를 고려하여, 어떤 역치까지 체류수의 양을 저감할 수 있는 시간으로 설정되도록 해도 된다.
스텝 S105에서는, HP 회전 수(Rhp)가 An 배수 회전 수(rdap)로 되고 나서 계속되는 An 배수 시간(tda)이 단위 시간(tu)으로서 카운트 업(가산)된다. 단위 시간(tu)은 작동 사이클을 나타내는 기본 시간이며, 예를 들어 작동의 기본이 되는 클럭의 주기를 나타내는 시간이 사용된다. An 배수 시간(tda)의 카운트 업은, An 배수 시간(tda)이 An 배수 완료 시간(tdae) 이상, 즉, 배수가 완료되었다고 판단될(스텝 S106) 때까지 반복된다.
배수가 완료되었다고 판단된 경우, 스텝 S107에서, An 강제 배수 플래그(flgan)가 리셋되고, 스텝 S108에서, HP 회전 수(Rhp)가 An 간헐 운전 회전 수(rdan)로 복귀되어서 An측 강제 배수가 종료되고, 스텝 S101로 복귀되어, 다음으로 An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅될 때까지 대기로 된다.
도 5는, HP 잔수 판정 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다. 이 HP 잔수 판정 처리는, 애노드측 배수 제어부(21)에 의해 실행된다.
스텝 S111에서는 체류 시간(tr)이 리셋된다. 스텝 S112에서는, HP 회전 수(Rhp)에 대응하는 수소 순환 펌프(64)의 만수 시간(tf)이 설정된다. 만수 시간(tf)은, HP 회전 수(Rhp)에 있어서, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)에 체류수가 저류되고, 그 용량(Vp)(도 2 참조)이 액수로 채워진다고 추정되는 시간이다. 이 만수 시간(tf)은, 미리 준비되어 있는 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)마다의 맵(「만수 시간 맵」이라고 함) 중, 온도 계측부(68)에서 계측된 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)에 따른 초기값 맵으로부터, HP 회전 수(Rhp)에 대응하는 만수 시간(tf)을 취득함으로써 설정된다.
도 6은, 만수 시간 맵의 예를 나타내는 설명도이다. 이 만수 시간 맵은, HP 회전 수(Rhp)와 만수 시간(tf)의 관계를 나타내고 있고, 복수의 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)에 대해서 준비된다. 도 6에는, Tr=Ta(=0℃), Tr=Tb(=10℃) 및 Tr=Tc(=-10℃)의 예가 도시되어 있다.
수소 순환 펌프(64)의 체류수는, 배수 가능 회전 수 역치(rpa)(=1800rpm) 이상에서는 배수되고, 한편, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 미만에서는 배수되지 않고 액수가 체류되어 간다. 따라서, 만수 시간(tf)은, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 미만의 회전 수에 대해서는 정의 값으로 설정되고, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 이상의 회전 수에 대해서는 부의 값(배수 시간을 만수 시간으로 환산한 값)으로 설정되어 있다. 또한, 액수가 저류되는 시간 및 배출되는 시간은, 수소 순환 펌프(64)의 온도에 따라서 상이하다. 즉, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)가 높을수록, 만수에 필요로 하는 시간이 길어짐과 함께 배수에 필요로 하는 시간은 짧아진다. 한편, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)가 낮을수록, 만수에 필요로 하는 시간이 짧아짐과 함께 배수에 필요로 하는 시간은 길어진다. 바꾸어 말하면, 만수 시간(tf)은, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)가 높을수록, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 미만의 회전 수에 있어서의 정의 값은 커짐과 함께, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 이상의 회전 수에 있어서의 부의 값의 절댓값은 작아진다. 또한, 만수 시간(tf)은, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)가 낮을수록, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 미만의 회전 수에 있어서의 정의 값이 작아짐과 함께, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 이상의 회전 수에 있어서의 부의 값의 절댓값은 커진다.
도 6의 예에서는, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)가 Tb(=10℃)에 있어서, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 미만의 회전 수에 있어서의 만수 시간(tr)은 300sec(5min)으로 설정되고, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 이상의 회전 수에 있어서의 만수 시간(tr)은 -10sec로 설정되어 있다. 또한, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)가 Ta(=0℃)에 있어서, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 미만의 회전 수에 있어서의 만수 시간(tr)은 180sec(3min)로 설정되고, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 이상의 회전 수에 있어서의 만수 시간(tr)은 -20sec로 설정되어 있다. 또한, 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)가 Tc(=-10℃)에 있어서, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 미만의 회전 수에 있어서의 만수 시간(tr)은 120sec(2min)로 설정되고, 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 이상의 회전 수에 있어서의 만수 시간(tr)은 -20sec로 설정되어 있다. 또한, 맵이 준비되어 있지 않은 주변 온도(Tr)의 경우에는, 미리 정한 룰에 따라서, 상측 또는 하측의 준비되어 있는 주변 온도(Tr)의 맵을 이용하면 된다. 예를 들어, 주변 온도가 빙점 이상인 경우에는, 하측의 온도 맵을 이용하고, 영하인 경우에는 상측의 온도 맵을 이용하면 된다.
또한, 도 6의 만수 시간 맵은, 미리 실험에 의해 구할 수 있다. 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 미만의 HP 회전 수(Rhp)에 있어서는, 배수를 실행하는 시간 간격과 물 혼입 소리 발생과의 관계, 및 배수를 실행하는 시간 간격과 셀 전압 저하와의 관계를 측정함으로써, 만수 시간이라 추정되는 배수 시간을 구할 수 있다. 배수 가능 회전 수 역치(rpa) 이상의 HP 회전 수(Rhp)에 있어서는, 각각의 회전 수에 있어서의 배수 시간을 측정하면 된다.
도 5의 스텝 S113에서는, 단위 시간(tu)을 만수 시간(tf)으로 나눈 값을 적산한 체류 시간(tr)(=Σ(tu/tf))을 구할 수 있다. 이 체류 시간(tr)이 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)(도 2 참조)에 저류되는 액수(체류 수)의 양에 상당한다.
스텝 112의 만수 시간(tf)의 설정 및 스텝 S113의 체류 시간(tr)의 산출은, 체류 시간(tr)이 1 이상, 즉, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)가 만수라고 판단될(스텝 S114) 때까지 반복된다.
수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)가 만수라고 판단된 경우에는, 스텝 S115에서 An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅(flgan:1)된다. 그리고, 스텝 S116에서, An측 강제 배수가 완료되었다고 판단될 때까지, 스텝 S113 내지 스텝 S115가 반복되고, An측 강제 배수가 완료되었다고 판단된 경우에는, 스텝 S111로부터의 처리가 반복된다. 또한, An측 강제 배수의 완료는, 도 3의 스텝 S108에서, HP 회전 수(Rhp)가 An 배수 회전 수(rdap)(배출 가능 회전 수 역치(rpa))로부터 원래의 An 간헐 운전 회전 수(rdan)로 변화함으로써 검출된다.
애노드측 배수 제어부(21)가 도 3의 처리와 도 5의 처리를 실행함으로써, 간헐 운전에 있어서 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)가 만수라 판단될 때마다, An측 강제 배수가 반복해서 실행된다.
도 7은, 애노드측 강제 배수 처리의 구체예에 대해서 나타내는 타임차트이다. 도 7의 (a)는 간헐 플래그(flgint)를 나타내고, 도 7의 (b)는 HP 회전 수(Rhp)를 나타내고, 도 7의 (c)는 체류 시간(tr)을 나타내고, 도 7의 (d)는 HP내 잔수량(수소 순환 펌프(64) 내의 잔수량)을 나타내고, 도 7의 (e)는 An 강제 배수 플래그(flgan)를 나타내고, 도 7의 (f)는 An 배수 시간(tda)을 나타내고 있다. 시각 t0의 개시 타이밍에서는, HP 회전 수(Rhp)는 An 배수 회전 수(rdap)로부터 An 간헐 운전 회전 수(rdan)(배수 불가 회전 수)로 변화하고, 체류 시간(tr)은 0이고 HP내 잔수량은 0이며, An 강제 배수 플래그(flgan)는 0이고, An 배수 시간(tda)은 0이라고 가정한다. 또한, 시각 t3 이전은, 간헐 플래그(flgint)가 0, 즉, 간헐 운전이 행하여지지 않고 있는 비간헐 운전의 상태이며, 시각 t3 이후는, 간헐 플래그(flgint)가 1, 즉, 간헐 운전 중(미소 발전 간헐 운전 중)이다. 간헐 운전 중의 An 배수 회전 수(rdap)는, 배수 가능 회전 수 역치(rpa)(=1800rpm)와 동일하다고 가정한다. An 간헐 운전 회전 수(rdan)는, 실제로는 운전 상황에 따라서 변화하는데, 본 예에서는, 설명을 용이하게 하기 위해서, 일정(600rpm)하다고 가정한다. 또한, 비간헐 운전 중의 실제의 HP 회전 수(Rhp)는 액셀러레이터 위치에 따라서 변화하는데, 설명을 용이하게 하기 위해서, An 간헐 운전 회전 수(rdan)(=600rpm)로부터 An 배수 회전 수(rdap)(=1800rpm)의 사이에서 변화하는 것이라 가정한다.
도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, HP 회전 수(Rhp)는, 시각 t0부터 시각 t1까지의 사이에서, 배수 가능한 An 배수 회전 수(rdap)보다도 낮은 회전 수로 변화하고 있으므로, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 체류 시간(tr)은 설정된 정의 만수 시간(tf)(도 6 참조)에 따라서 상승한다. 이 상승률은, HP 온도(Tr)(수소 순환 펌프(64)의 주변 온도)가 높을수록 작고, 낮을수록 크다. 실선은 HP 온도(Tr)가 20℃인 예를 나타내고, 파선은 HP 온도(Tr)가 -10℃인 예를 나타내고 있다. 여기서, 시각 t0부터 시각 t1까지의 간격은, 만수 시간(tf) 미만으로 되어 있다. 이 때문에, 시각 t1에서의 체류 시간(tr)은 1 미만이고, 도 7의 (d)에 도시한 바와 같이, HP내 잔수량은 만수량(Vp)까지 도달하지 않았다고 추정된다.
도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, HP 회전 수(Rhp)는 시각 t1부터 시각 t2까지의 사이에서 An 배수 회전 수(rdap)로 되어 있다. 이 기간에서는, 체류 시간(tr)은, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 설정된 부의 만수 시간(tf)(도 6 참조)에 따라서 하강한다. 이 하강율은, HP 온도(Tr)가 높을수록 작고, 낮을수록 크다. 여기에서는, 시각 t1부터 시각 t2까지의 간격이 짧아, 시각 t1에서의 모든 잔수를 배출할 수는 없어, 도 7의 (d)에 도시한 바와 같이 HP내 잔수량은 0까지 감소하지 않았다고 추정된다.
이와 같이, 체류 시간(tr)은, 만수량(Vp)에 대한 잔수량의 비율에 상당하는 것이라 간주할 수 있으므로, 체류 시간(tr)에 따라 HP내 잔수량이 추정 가능하다. 예를 들어, HP 잔수량은, 체류 시간(tr)과 만수량(Vp)의 곱(tr·Vp)으로 표시되는 양이라고 추정할 수 있다.
이어서, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 시각 t2부터 시각 t4까지의 사이에서, HP 회전 수(Rhp)는, An 배수 회전 수(rdap)로부터 An 간헐 운전 회전 수(rdan)까지 단계적으로 저하되고 있다. 이 사이에서는, 체류 시간(tr)은, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 시각 t0부터 시각 t1까지와 마찬가지로, 설정된 정의 만수 시간(tf)에 따라서 상승한다. 그리고, 시각 t4에서, tr≥1이 되면, 도 7의 (d)에 도시한 바와 같이, HP내 잔수량이 만수로 되어 있다고 추정된다. 또한, 시각 t2에서의 잔수의 양만큼 조기에 만수에 도달하므로, 시각 t2와 시각 t4의 간격은, 설정된 만수 시간(tf) 미만이다. 시각 t4에서는, 도 7의 (e)에 도시한 바와 같이, An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅된다. 이때, 시각 t3에서 간헐 플래그(flgint)가 1로 세팅된 상태로 되어 있으므로, 도 3의 스텝 S103에서 An측 강제 배수가 개시되어, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, HP 회전 수(Rhp)가 An 간헐 운전 회전 수(rdan)에서 An 배수 회전 수(rdap)로 상승한다. 단, 상술한 바와 같이, HP 회전 수(Rhp)는, 저레이트(Kratd)(1800rpm/4sec)의 상승 레이트로, 시각 t4부터 시각 t5의 사이에 천천히 상승한다. 이렇게 HP 회전 수(Rhp)를 천천히 상승시킴으로써, 수소 순환 펌프(64) 내에서의 물 혼입의 발생을 억제하면서, HP 회전 수(Rhp)를 상승시켜서, 체류수의 배수를 개시하는 것이 가능하게 된다. 또한, HP 회전 수(Rhp)를 저레이트(Kratd)로 제한한 상태에서 천천히 상승시키므로, 가령, 물 혼입이 발생했다고 해도, 이음 등의 발생을 억제하는 것이 가능하다.
도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 시각 t5에서 HP 회전 수(Rhp)가 An 배수 회전 수(rdap)에 달해서 배수가 개시되면, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 체류 시간(tr)은, 시각 t1부터 시각 t2까지와 마찬가지로, 설정된 부의 만수 시간(tf)(도 6 참조)에 따라서 하강한다. 또한, 도 7의 (f)에 도시한 바와 같이, An 배수 시간(tda)이 카운트된다. 시각 t6에서, An 배수 시간(tda)이, 설정된 An 배수 완료 시간(tdae)에 도달하면, 배수가 완료되었다고 추정되어, 도 7의 (e)에 도시한 바와 같이, An 강제 배수 플래그(flgan)가 리셋되고, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, HP 회전 수(Rhp)가 An 배수 회전 수(rdap)에서 An 간헐 운전 회전 수(rdan)로 되돌려진다.
이후, 간헐 운전 중에 있어서는, 시각 t2부터 시각 t6까지의 기간에서의 처리와 마찬가지의 처리가 반복해서 실행되어, 체류 시간(tr)이 1 이상, 즉, An 간헐 운전 회전 수(rdan)의 기간이 정의 만수 시간(tf) 이상으로 될 때마다, HP내 잔수량이 만수라 추정되어, 애노드측 강제 배수 처리가 반복된다. 또한, 도 7에서는, 만수 시간(tf)은, HP 온도(Tr)가 10℃인 경우의 5min=300sec(도 6 참조)의 경우를 예로 나타내고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 간헐 운전 중(미소 발전 간헐 운전 중)에 있어서, HP내 잔수량을 추정하고, HP내 잔수량이 소정 값에 도달한 경우(본 예에서는, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)가 만수에 달했다고 판단된 경우)에는, 애노드측 강제 배수 처리를 실행하여, 애노드 가스 순환 유로 중에 포함되는 애노드측 액수를 배출한다. 이에 의해, 수소 순환 펌프(64) 내에 체류수가 많아져서 이음 등이 발생하는 것을 억제함과 함께, 연료 전지(10)의 셀(11)의 애노드의 체류수이 많아진 상태에서 간헐 운전이 해제되어 고부하 운전을 실행하는 경우에, 가스 결핍이 발생해서 연료 전지(10)의 전압이 저하되어 버리는 것을 억제하는 것이 가능하다.
A3. 캐소드 가스 급배 유로의 배수 처리:
도 8은, 간헐 운전(미소 발전 간헐 운전 중)에 있어서 실행되는 캐소드측 강제 배수 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다. 이 캐소드(「Ca」라고도 함) 강제 배수 처리는, 캐소드측 배수 제어부(23)에 의해 실행된다.
스텝 S121에서는 Ca 배수 요구가 있었는지 여부가 판단되고, 스텝 S122에서는 An측 강제 배수가 발생한 후에 종료되었는지 여부가 판단된다. 또한, Ca 배수 요구는, 후술하는 Ca 배수 요구 판정 처리에 의해 발생한다. 또한, An측 강제 배수의 발생 및 종료는, 후술하는 An측 강제 배수 판정 처리에 의해 검지된다.
Ca 배수 요구가 있고, 또한 An측 강제 배수가 발생한 후에 종료된 경우에는, 스텝 S123에서 Ca 강제 배수 플래그(flgca)가 세팅됨과 함께 간헐 운전 플래그(flgmint)가 리셋되어, 스텝 S124에서, Ca측 강제 배수가 개시된다. 또한, 간헐 운전 플래그(flgmint)는, 도 3(스텝 S102)에서 사용하고 있던 간헐 플래그(flgint)와는 다른 플래그로서 실장되어 있으며, 간헐 플래그(flgint)가 세팅되면, 이것에 따라서 간헐 운전 플래그(flgmint)가 세팅된다. 스텝 S123에서 리셋되는 것은, 이 간헐 운전 플래그(flgmint)이다. Ca측 강제 배수가 개시된 경우, 공기 압축기(32)의 회전 수(Racp)(「ACP 회전 수(Racp)」라고도 함)는, 간헐 운전 중의 회전 수(rdcn)(「Ca 간헐 운전 회전 수(rdcn)」라고도 함)에서, 배수 가능한 회전 수(rdcp)((「Ca 배수 회전 수(rdcp)」라고도 함)로 상승된다. Ca 간헐 운전 회전 수(rdcn)는, 운전의 상황에 따라서 변화하는데, 예를 들어 600rpm 정도의 회전 수로 설정된다. 또한, Ca 배수 회전 수도 운전의 상황에 따라서 변화하는데, 적어도, An측 강제 배수에 있어서의 HP 회전 수(Rhp)의 An 배수 회전 수(rdap)(배수 가능 회전 수 역치(rpa), 예를 들어 1800rpm)보다도 낮은 회전 수로 설정되어, 예를 들어 1400rpm 정도의 회전 수로 설정된다. 또한, 이때, 연료 전지(10)에서는 ACP 회전 수(Racp)에 따라서 공급되는 캐소드 가스에 의해 발전이 실행됨으로써, HP 회전 수(Rhp)는 그 발전량에 따른 애노드 가스를 공급 가능한 회전 수로 하기 위해서, An 배수 회전 수(rdap)에서, Ca 배수 회전 수(rdcp)과 동등한 회전 수로 하강된다. ACP 회전 수(Racp)가 Ca 배수 회전 수(rdcp)로 설정되면, 캐소드 가스 공급 배관(31)이나 캐소드 배기 가스 배관(41) 및 연료 전지(10)의 각 셀의 캐소드에 있어서의 유로로 구성되는 캐소드 가스 급배 유로 중에 포함되는 캐소드측 체류수가, 캐소드 배기 가스 배관(41)을 통해서 외부로 배출된다.
스텝 S125에서는 Ca 배수 완료 시간(tdce)이 설정된다. Ca 배수 완료 시간(tdce)은, ACP 회전 수(Racp)가 Ca 배수 회전 수(rdcp)로 된 상태에 있어서, 캐소드 가스 급배 유로 중, 특히, 연료 전지(10)의 각 셀(11) 중의 체류수가, 후술하는 발전 상태에 있어서의 허용 함수량의 상한 역치에 도달한 상태로부터, 미리 정한 발전 상태에 있어서의 기준의 양까지 배출되는데 필요로 하는 시간이다. 이 Ca 배수 완료 시간(tdce)은, 미리 정한 일정한 값(예를 들어 20sec)으로 설정된다. 또한, 이 값은, 미리 실험에 의해 구할 수 있다.
스텝 S126에서는, ACP 회전 수(Racp)가 Ca 배수 회전 수(rdcp)에 달하고 나서의 계속 시간인 Ca 배수 시간(tdc)을 단위 시간(tu)으로 카운트 업(가산)한다. Ca 배수 시간(tdc)의 카운트 업은, Ca 배수 시간(tdc)이 Ca 배수 완료 시간(tdce) 이상, 즉, 배수가 완료되었다고 추정될(스텝 S127) 때까지 반복된다.
배수가 완료되었다고 판단된 경우, 스텝 S128에서, Ca 강제 배수 플래그(flgca)가 리셋됨과 함께 간헐 운전 플래그(flgmint)가 세팅되어, 스텝 S129에서, ACP 회전 수(Racp)가 Ca 간헐 운전 회전 수(rdcn)로 복귀되고, Ca측 강제 배수가 종료된다. 그리고, 스텝 S121로 복귀되고, 다음으로 Ca 배수 요구가 발생할 때까지 대기로 된다.
도 9는, Ca 배수 요구 판정 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다. 이 Ca 배수 요구 판정 처리는, 캐소드측 배수 제어부(23)에 의해 실행된다. 스텝 S131에서는, 간헐 플래그(flgint)의 세팅에 따라서 간헐 운전 플래그(flgmint)가 세팅될 때까지 대기로 된다. 또한, 간헐 운전 플래그(flgmint)는, 제어부(20) 내에 설정된다.
스텝 S132에서는, Ca 배수 판정 시간(txr)이 설정된다. Ca 배수 판정 시간(txr)은, 간헐 운전 중에 있어서, 캐소드 급배 유로, 특히, 연료 전지(10)의 각 셀(11)에 체류수가 저류되고, 미리 정해진 발전 상태에 있어서의 허용 함수량의 상측의 역치까지 도달한다고 추정되는 시간이다. 이 Ca 배수 판정 시간(txr)은, 미리 정한 일정한 값으로 설정된다. 예를 들어, Ca측 강제 배수에 요구되는 간격(txr0)이 30min인 경우, An측 강제 배수의 간격(만수 시간(tf))의 최댓값이 5min(도 6 참조)인 것을 고려하여, Ca 배수 판정 시간(txr)은 25min으로 설정된다.
스텝 S133에서는, 간헐 운전 플래그(flgmint)가 세팅되고 나서의 계속 시간인 간헐 운전 계속 시간(tx)을 단위 시간(tu)으로서 카운트 업(가산)한다. 간헐 운전 계속 시간(tx)의 카운트 업은, 간헐 운전 계속 시간(tx)이 Ca 배수 판정 시간(txr) 이상으로 될 때까지, 즉, 캐소드 가스 급배 유로에 체류수가 저류되어서 배수가 필요하다고 판단될(스텝 S134) 때까지 반복된다.
스텝 S134에서 Ca 배수가 필요하다고 판단된 경우, 스텝 S135에서, Ca 배수 요구가 발행된다. 그리고, 스텝 S136에서는, 간헐 운전 플래그(flgmint)가 리셋될 때까지 대기로 된다. 상술한 바와 같이, 간헐 운전 플래그(flgmint)의 리셋은, 도 8의 스텝 S121에서 Ca 배수 요구 있음으로 판단되고, 스텝 S122에서 An측 강제 배수가 발생한 후에 종료되었다고 판단되었을 때, 제어부(20)에서 실행되어, 이것에 따라, 스텝 S123에서의 Ca측 강제 배수가 개시된다.
또한, Ca 배수 요구가 클레임된 발명의 「캐소드측 배수 요구」에 상당한다. 또한, 간헐 운전 시간(tx)이 Ca 배수 판정 시간(txr) 이상으로 되어서 Ca 배수 요망이라고 판단되는 타이밍이, 클레임된 발명의 「미리 정한 타이밍」에 상당한다.
도 10은, An측 강제 배수 판정 처리에 대해서 나타내는 흐름도이다. 이 An측 강제 배수 판정 처리는, 애노드측 배수 검지부(22)에 의해 실행된다.
스텝 S141에서는, An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅될 때까지 대기로 된다. 스텝 S142에서는, An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅된 후, An 강제 배수 플래그(flgan)가 리셋될 때까지 대기로 된다. 스텝 S143에서는, An 강제 배수 플래그(flgan)가 리셋된 경우에, An측 강제 배수 발생 후의 종료를 검지하여, 스텝 S141로 복귀되고, 다음으로 An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅될 때까지 대기로 된다.
도 11은, 캐소드측 강제 배수 처리의 구체예에 대한 타임차트이다. 도 11의 (a)는 간헐 운전 플래그(flgmint)를 나타내고, 도 11의 (b)는 Ca 배수 요구를 나타내고, 도 11의 (c)는 An 강제 배수 플래그(flgan)를 나타내고, 도 11의 (d)는 Ca 강제 배수 플래그(flgca)를 나타내고, 도 11의 (e)는 HP 회전 수(Rhp)를 나타내고, 도 11의 (f)는 ACP 회전 수(Racp)를 나타내고, 도 11의 (g)는 Ca 배수 시간(tdc)을 나타내고 있다. 또한, 개시 타이밍인 시각 t10에서, 간헐 플래그(flgint)(도시하지 않음)의 세팅에 따라서 간헐 운전 플래그(flgmint)가 세팅되는 것으로 한다.
도 11의 (b)에 도시한 바와 같이, 시각 t10에서 간헐 운전 플래그(flgmint)가 세팅되고 나서의 간헐 운전 계속 시간(tx)이 Ca 배수 판정 시간(txr) 이상으로 되는 시각 t11에서, Ca 배수 요구가 발생한다(도 9의 스텝 S135). 이 Ca 배수 요구의 발생 후, 도 11의 (c)에 도시한 바와 같이, 시각 t12에서 An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅(flgan:1)되면, 도 11의 (e)에 도시한 바와 같이 HP 회전 수(Rhp)가 An 배수 회전 수(rdap)로 되어서 An측 강제 배수가 실행된다. 그 후, 도 11의 (c)에 도시한 바와 같이, 시각 t13에서 An 강제 배수 플래그(flgan)가 리셋(flgan:0)되면, 도 11의 (e)에 도시한 바와 같이 HP 회전 수(Rhp)가 An 간헐 운전 회전 수(rdan)로 되돌려짐과 함께, 도 11의 (d)에 도시한 바와 같이 Ca 강제 배수 플래그(flgca)가 세팅(flgca:1)된다. 또한, 이 예에서는, Ca 배수 요구의 발생 후에, An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅되어서 An 강제 배수가 개시되고, 그 후, An 강제 배수 플래그(flgan)가 리셋되어서 An 강제 배수가 종료되었을 때, An측 강제 배수 발생 후의 종료가 검지되어(도 10의 스텝 S134), Ca 강제 배수 플래그(flgca)가 세팅되는 경우를 나타내고 있다. 그러나, Ca 배수 요구가 발생했을 때, 이미 An 강제 배수가 개시되어 있는 경우도 있다. 이 경우에는, 이미 An 강제 배수 플래그(flgan)가 세팅된 상태로 되어 있으므로, An 강제 배수 플래그(flgan)가 리셋되었을 때, An측 강제 배수 발생 후 종료가 검지되어(도 10의 스텝 S134), Ca 강제 배수 플래그(flgca)가 세팅된다.
시각 t13에서 Ca 강제 배수 플래그(flgca)가 세팅되면, 이것에 따라, 도 11의 (a)에 도시한 바와 같이 간헐 운전 플래그(flgmint)가 일단 리셋(flgmint:0)되고, 도 11의 (f)에 도시한 바와 같이 ACP 회전 수(Racp)가 Ca 배수 회전 수(rdcp)로 상승되어서, Ca측 강제 배수가 개시된다. 또한, 도 11의 (g)에 도시한 바와 같이 Ca 배수 시간(tdc)이 카운트된다. 시각 t14에서, Ca 배수 시간(tdc)이 Ca 배수 완료 시간(tdce)에 도달하면, 배수가 완료되었다고 판단되고, 도 11의 (d)에 도시한 바와 같이 Ca 강제 배수 플래그(flgca)가 리셋(flgca:0)된다. Ca 강제 배수 플래그(flgca)가 리셋되면, 이것에 따라, 도 11의 (f)에 도시한 바와 같이 ACP 회전 수(Racp)가 Ca 간헐 운전 회전 수(rdcn)로 되돌려지고, 도 11의 (a)에 도시한 바와 같이 간헐 운전 플래그(flgmint)가 세팅되어, 간헐 운전이 재개된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 간헐 운전 중(미소 발전 간헐 운전 중)에 있어서, Ca 배수 판정 시간(txr) 동안, 캐소드 가스 급배 유로(특히, 연료 전지(10) 내의 캐소드 가스 유로)로부터 캐소드측 체류수의 배출이 행하여지지 않는 상태가 계속되고, Ca 배수 요구가 발생한 경우에는, 먼저 애노드측 강제 배수 처리가 개시되고, 그것이 종료된 후에, 요구된 캐소드측 강제 배수 처리가 실행된다. 그 결과, 캐소드 가스 급배 유로에 포함되는 캐소드측 액수의 배출을 실행할 수 있다.
여기서, 애노드측 강제 배수에 있어서는, 수소 순환 펌프(64)의 HP 회전 수(Rhp)는 An 배수 회전 수(rdap)이며, 공기 압축기(ACP)(32)의 ACP 회전 수(Racp)는 Ca 간헐 운전 회전 수(rdcn)이다. 한편, 캐소드측 강제 배수에 있어서는, ACP 회전 수(Racp)는 Ca 배수 회전 수(rdcp)(rdcn<rdcp<rdap)이며, HP 회전 수(Rhp)는 An 배수 회전 수(rdap)보다도 낮은 회전 수이며, 본 예에서는, Ca 배수 회전 수(rdcp)와 동일한 회전 수로 되어 있다. 이에 의해, 애노드측 강제 배수에 있어서의 작동음(구동음)은 캐소드측 강제 배수에 있어서의 작동음에 비해 커진다.
가령, 본 실시 형태와는 반대로, 캐소드측 강제 배수를 실행한 후에 애노드측 강제 배수를 실행한 경우, 공기 압축기(32)의 작동음은 대에서 소로 변화하지만, 수소 순환 펌프(64)의 작동음은 소에서 대로 변화하므로, 수소 순환 펌프(64)의 작동음만이 계속해서 남고, 또한 소리가 증대되어 가는 인상을 사용자에게 부여하여, 사용자에게 불쾌감이나 위화감, 고장의 걱정 등을 부여할 가능성이 있다.
본 실시 형태에서는, 음량이 큰 애노드측 강제 배수 처리 후에 음량이 작은 캐소드측 강제 배수 처리가 실행되므로, 사용자에 대하여 발생한 작동음이 수렴되어 가는 인상을 부여한다. 이 때문에, 역의 순서로 배수 처리가 실행되어서 소리가 증대되어 가는 인상을 부여하는 경우에 비해, 사용자에게 부여하는 불쾌감이나 위화감, 고장의 걱정 등을 저감하는 것이 가능하다.
B. 변형예:
(1) 변형예 1
상기 실시 형태에서, 연료 전지(10)는, 소위 카운터 플로우형을 채용하고 있다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 소위 코플로우형이나, 소위 크로스 플로우형을 채용해도 된다.
(2) 변형예 2
상기 실시 형태에서, 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, 냉매 순환계(70)를 제어하는 냉매 제어부, 애노드측 배수 제어부(21), 애노드측 배수 검지부(22) 및 캐소드측 배수 제어부(23)의 기능을 실현하는 구성으로서 설명하였다. 그러나, 제어부(20)는, 각 제어부를, 각각 전용의 처리 회로에 의해, 하드웨어적인 구성으로 실현하도록 해도 된다.
(3) 변형예 3
상기 실시 형태에서는, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)의 만수량에 대한 체류수량의 비율에 대응하는 체류 시간(tr)을 사용하여, 체류 시간(tr)이 1 이상으로 된 경우에 만수가 되었다고 판단하고, 애노드측 강제 배수 처리를 실행하고 있다. 그러나, 이것에 한정되는 것은 아니며, 배수 불가의 회전 수(An 간헐 운전 회전 수)에 있어서의 순환류량의 이력(시간 변화)에 따라서 체류수량을 산출함으로써 만수를 판단하여, 애노드측 강제 배수 처리를 실행하도록 해도 된다.
(4) 변형예 4
상기 실시 형태에서는, 수소 순환 펌프(64)의 흡입구(641)가 만수로 되었다고 판단된 경우에, 애노드측 강제 배수 처리를 실행하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 흡입구(641)에 미리 정한 양의 액수가 체류되었다고 판단된 경우에 애노드측 강제 배수 처리를 실행하도록 해도 된다.
(5) 변형예 5
상기 실시 형태에서는, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수의 상승 레이트를 저레이트로 제한하는 것으로 했지만, 복수 단의 제한한 회전 수로 단계적으로 회전 수를 상승시켜 가도록 해도 된다. 즉, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수의 상승 레이트(상승률)를 제한하도록 것이 바람직하다.
(6) 변형예 6
상기 실시 형태에서는, 온도 계측부(68)에 의해 계측한 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr)에 기초하여 만수 시간 맵을 선택하는 것으로서 설명했지만, 외기온을 계측하고, 계측한 외기온을 수소 순환 펌프(64)의 주변 온도(Tr) 대신에 사용해도 된다. 맵을 선택할 때 이용하는 온도는, 수소 순환 펌프(64)의 온도로서 취급하는 것이 가능한 온도이면 된다.
(7) 변형예 7
상기 실시 형태에서는, 수소 순환 펌프(64)의 회전 수를 변화시켜서 애노드측의 배수를 행하고, 공기 압축기(32)의 회전 수를 변화시켜서 캐소드측의 배수를 행하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 이것에 한정되는 것은 아니며, 수소 순환 펌프(64) 대신에, 애노드 가스 순환계(60)의 순환류량(유속)을 조정 가능한 다른 종류의 애노드 가스 펌프를 사용해도 된다. 마찬가지로, 공기 압축기(32) 대신에, 캐소드 가스 공급계(30) 및 캐소드 가스 배출계(40)의 급배 유량(유속)을 조정 가능한 다른 종류의 캐소드 가스 펌프를 사용해도 된다.
(8) 변형예 8
상기 실시 형태에서는, 애노드측 강제 배수에 있어서의 수소 순환 펌프(64)의 작동음이, 캐소드측 강제 배수에 있어서의 수소 순환 펌프(64)의 작동음 및 공기 압축기(32)의 작동음보다도 크기 때문에, 애노드측의 강제 배수의 작동음이 캐소드측 강제 배수의 작동음보다도 큰 경우를 전제로 하고 있다. 그리고, 미리, 수소 순환 펌프(64)에 의한 애노드측 강제 배수를 먼저 실행하는 배수로서 선택해 두고, 작동음이 커지는 애노드측 강제 배수를 실행한 후, 작동음이 작아지는 캐소드측 강제 배수를 실행하는 경우를 예로 들어 설명하고 있다.
그러나, 캐소드측 강제 배수에 있어서의 공기 압축기(32)의 작동음이, 애노드측 강제 배수에 있어서의 공기 압축기(32)의 작동음 및 수소 순환 펌프(64)의 작동음보다도 크고, 캐소드측 강제 배수의 작동음이 애노드측 강제 배수보다도 큰 경우도 생각할 수 있다. 또한, 캐소드측 강제 배수에 있어서의 수소 순환 펌프(64)의 작동음이, 애노드측 강제 배수에 있어서의 수소 순환 펌프(64)의 작동음보다도 크고, 캐소드측 강제 배수의 작동음이 애노드측 강제 배수보다도 큰 경우도 생각할 수 있다. 이들 경우에는, 미리, 공기 압축기(32)에 의한 캐소드측 강제 배수를 먼저 실행하는 배수로서 선택해 두고, 작동음이 커지는 캐소드측 강제 배수를 실행한 후, 작동음이 작아지는 애노드측 강제 배수를 실행하도록 해도 된다.
캐소드측 강제 배수를 먼저 실행하는 경우, 애노드측 배수 제어부(21)는, 애노드측 배수 요구가 발생했을 때, 이미 캐소드측 액수의 배출이 개시되어 있는 경우에는, 캐소드측 액수의 배출이 종료된 후에, 애노드측 액수의 배출을 실행하고, 한편, 캐소드측 액수의 배출이 아직 개시되지 않은 경우에는, 캐소드측 액수의 배출을 개시하고, 캐소드측 액수의 배출이 종료된 후에, 요구된 애노드측 액수의 배출을 실행해도 된다.
본 발명은, 상술한 실시 형태나 변형예에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 개요의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 또는, 상술한 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 : 단셀
20 : 제어부 21 : 애노드측 배수 제어부
22 : 애노드측 배수 검지부 23 : 캐소드측 배수 제어부
30 : 캐소드 가스 공급계 31 : 캐소드 가스 공급 배관
32 : 공기 압축기 33 : 에어플로우 미터
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 (10)

  1. 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 오프 가스를 상기 애노드 가스 공급 유로에 공급하는 애노드 가스 펌프와,
    상기 애노드 가스 펌프의 순환류량을 제어하여, 애노드측 유로에 체류하는 애노드측 액수를 배출하는 애노드측 배수 제어부와,
    상기 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급 유로와,
    상기 캐소드 가스 공급 유로에 설치되고, 상기 캐소드 가스를 상기 연료 전지에 공급하는 캐소드 가스 펌프와,
    상기 캐소드 가스 펌프의 공급 유량을 제어하여, 캐소드측 유로에 체류하는 캐소드측 액수를 배출하는 캐소드측 배수 제어부,
    를 구비하고,
    상기 애노드측 배수 제어부 및 상기 캐소드측 배수 제어부는, 상기 애노드 가스 펌프 및 상기 캐소드 가스 펌프 중, 미리 선택된 한쪽의 펌프를 구동시켜서 배수를 행한 후, 다른 쪽의 펌프를 구동시켜서 배수를 행하며,
    상기 애노드 가스 펌프는, 회전에 의해 애노드 가스의 순환류량을 변화시키는 펌프이며,
    상기 애노드측 배수 제어부는, 상기 애노드 가스 펌프의 회전을 통상 발전시에서의 상승 레이트보다 낮은 레이트로 상승시켜 배수를 행하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드측 배수 제어부는, 캐소드측 배수 요구가 발생했을 때,
    (a) 상기 애노드측 배수 제어부가 상기 애노드측 액수의 배출을 이미 개시하고 있는 경우에는, 상기 애노드측 액수의 배출이 종료된 후에, 상기 캐소드측 액수의 배출을 실행하고,
    (b) 상기 애노드측 배수 제어부가 상기 애노드측 액수의 배출을 아직 개시하지 않은 경우에는, 상기 애노드측 배수 제어부가 상기 애노드측 액수의 배출을 개시해서 상기 애노드측 액수의 배출이 종료된 후에, 상기 캐소드측 액수의 배출을 실행하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 애노드측 배수 제어부는, 상기 애노드 가스 펌프의 순환류량에 기초하여 상기 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양을 추정하고, 상기 체류수의 양이 소정 값 이상으로 된 경우에, 상기 애노드측 액수의 배출을 실행하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 애노드측 배수 제어부는, 상기 애노드 가스 펌프의 순환류량과 상기 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양과의 미리 준비된 관계로부터, 상기 애노드 가스 펌프의 순환류량에 대응하는 상기 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양을 추정하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 애노드 가스 펌프는 회전에 의해 상기 애노드 가스의 순환류량을 변화시키는 펌프이며,
    상기 캐소드 가스 펌프는 회전에 의해 상기 캐소드 가스의 공급 유량을 변화시키는 압축기인, 연료 전지 시스템.
  6. 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 애노드 가스 펌프와,
    상기 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급 유로와,
    상기 캐소드 가스 공급 유로에 설치되고, 상기 캐소드 가스를 상기 연료 전지에 공급하는 캐소드 가스 펌프를 구비하며,
    상기 애노드 가스 펌프는, 회전에 의해 애노드 가스의 순환류량을 변화시키는 펌프인,
    연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    상기 애노드 가스 펌프 및 상기 캐소드 가스 펌프 중, 미리 선택된 한쪽의 펌프를 구동시켜서 배수를 행한 후, 다른 쪽의 펌프를 구동시켜서 배수를 행하며,
    상기 애노드 가스 펌프의 회전을 통상 발전시에서의 상승 레이트보다 낮은 레이트로 상승시켜 배수를 행하는, 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    캐소드측 배수 요구가 발생했을 때,
    (a) 상기 애노드 가스 펌프를 사용해서 애노드측 액수의 배출을 이미 개시하고 있는 경우에는, 상기 애노드측 액수의 배출이 종료된 후에, 상기 캐소드 가스 펌프를 사용해서 캐소드측 액수의 배출을 실행하고,
    (b) 상기 애노드 가스 펌프를 사용해서 애노드측 액수의 배출을 아직 개시하지 않은 경우에는, 상기 애노드측 액수의 배출을 개시해서 상기 애노드측 액수의 배출이 종료된 후에, 상기 캐소드 가스 펌프를 사용해서 캐소드측 액수의 배출을 실행하는, 제어 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 애노드 가스 펌프의 순환류량에 기초하여 상기 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양을 추정하고, 상기 체류수의 양이 소정 값 이상으로 된 경우에, 상기 애노드 가스 펌프를 사용해서 애노드측 액수의 배출을 실행하는, 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 애노드 가스 펌프의 순환류량과 상기 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양과의 미리 준비된 관계로부터, 상기 애노드 가스 펌프의 순환류량에 대응하는 상기 애노드 가스 펌프 내에 체류하는 체류수의 양을 추정하는, 제어 방법.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 애노드 가스 펌프는 회전에 의해 상기 애노드 가스의 순환류량을 변화시키는 펌프이며,
    상기 캐소드 가스 펌프는 회전에 의해 상기 캐소드 가스의 공급 유량을 변화시키는 압축기인, 제어 방법.
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