KR101909866B1 - 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 연료 전지 시스템은, 고압 탱크와, 고압 탱크로부터 연료 전지에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 통로와, 애노드 가스 공급 통로 상에 설치되어, 연료 전지의 애노드 가스 압력을 조절하는 애노드 압력 조절 밸브와, 고압 탱크와 애노드 압력 조절 밸브와의 사이에 설치되어, 애노드 압력 조절 밸브의 원압을 조절하는 애노드 가스 밸브와, 연료 전지 시스템의 운전 상태에 기초하여, 애노드 압력 조절 밸브 및 애노드 가스 밸브를 제어하는 밸브 제어부를 구비한다. 밸브 제어부는, 연료 전지 시스템을 정지시키기 전에, 애노드 가스 밸브와 애노드 압력 조절 밸브와의 사이의 제1 배관 압력이 소정 압력 미만으로 되도록, 애노드 가스 밸브를 밸브 폐쇄한 후, 애노드 압력 조절 밸브를 제어하고 나서, 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 폐쇄하고, 연료 전지 시스템의 기동 시에, 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 개방한다. 소정 압력은, 연료 전지 시스템의 기동 시에 있어서 연료 전지의 내구성을 악화시키는 압력보다 작다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
본 발명은, 시동 시의 애노드 압력 조절 밸브를 난기(暖機) 가능한 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템으로서, 연료 가스인 애노드 가스를 순환시키지 않고, 반응 후의 애노드 오프 가스를 캐소드 오프 가스와 함께 배출하는 애노드 가스 비순환형 연료 전지 시스템과, 애노드 가스를 순환시켜, 필요에 따라서, 고압 탱크로부터 애노드 가스를 추가 공급하는 애노드 가스 순환형 연료 전지 시스템이 제안되어 있다.
연료 전지(연료 전지 스택)에 애노드 가스를 공급하기 위해서는, 중압 압력 조절 밸브를 통해, 고압 탱크에 저장되어 있는 고압의 애노드 가스를 중압으로 감압하고, 부하의 요구나 연료 전지의 운전 상태에 따라서, 중압 압력 조절 밸브의 하류에 설치한 애노드 압력 조절 밸브에 의해, 그 중압의 애노드 가스를 소정의 듀티비로 연료 전지에 공급하고 있다.
애노드 압력 조절 밸브는, 통상, 상시 폐쇄형 전자기 밸브를 사용하고 있으며, 솔레노이드 코일을 내장한 ON/OFF 타입의 밸브이다. 애노드 압력 조절 밸브의 듀티비는, 연료 전지 전체를 제어하는 컨트롤러에 의해 연산되고, 솔레노이드 코일로의 구동 신호는, 강전 배터리 또는 연료 전지용 DC/DC 컨버터를 통해 공급된다. 그 때문에, 연료 전지 시스템의 운전 중에 있어서는, 이 구동 신호의 전압은 안정되어 있다.
그런데, 이러한 전자기 밸브에서는, 사용 환경의 온도 변화에 따라서 동작 상태에 영향을 받아버린다. 즉, 사용 환경의 온도 변화에 따라서, 전자기 밸브의 솔레노이드 코일의 전기 저항이나, 가동 철심인 플런저의 미끄럼 이동 저항 등이 변화된다.
이 때문에, 사용 환경에 따라서는, 동일한 듀티비의 구동 신호를 전자기 밸브로 출력해도, 애노드 압력 조절 밸브의 밸브 개방도가 달라져버리는 경우도 있다. 특히, 연료 전지 시스템의 최초의 기동 시에는, 잠시 동안 전자기 밸브에 구동 신호가 공급되고 있지 않기 때문에, 이러한 영향이 현저해진다.
그리고, 사용 환경 온도가 영하인 경우에는, 연료 전지 시스템을 영하로부터 기동시키게 되지만, 애노드 압력 조절 밸브의 최초의 구동 시에는, 플런저의 반응을 듀티비에 추종할 수 없어, 연료 전지 내의 애노드 가스 압력이 오버슈트되어버린다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 예를 들어 JP2998549B에는, 전자기 밸브의 솔레노이드 코일의 전기 저항을 직접적 또는 간접적으로 측정하고, 그 결과에 기초하여, 컨트롤러의 피드백 게인을 변경시키는 전류 제어형 전자기 밸브의 제어 장치가 개시된다.
또한, JP2008-273338A에서는, 제동 제어 장치의 분위기 온도를 추정하고, 추정한 분위기 온도에 대한 전자기 밸브의 온도 전달 특성에 기초하여, 전자기 밸브의 솔레노이드 코일의 온도(코일 온도)를 추정하고, 추정한 코일 온도에 따라서, 전자기 밸브의 출력 듀티비를 보정하는 제동 제어 장치가 개시된다.
그러나, JP2998549B에 개시되는 전류 제어형 전자기 밸브의 제어 장치에서는, 솔레노이드 코일의 전기 저항을 직접적으로 측정하는 경우에는, 저항 측정기나 전류 센서 및 전압 센서가 필요해진다. 또한, 전기 저항을 추정할 경우에는, 예를 들어 온도 센서 등이 필요해진다. 이러한 보조 기기를 필요로 하기 때문에, 시스템이 번잡해지거나, 시스템의 제조 비용이 증가되거나 한다는 문제가 있다.
또한, JP2008-273338A에 개시되는 제동 제어 장치에서는, 분위기 온도나 코일 온도를 추정하기 위해서는, 최초에 전자기 밸브의 솔레노이드 코일에 전류를 흐르게 할 필요가 있고, 시스템의 기동 시 등에는 문제를 발생할 가능성도 있다.
이 제동 제어 장치에서는, 분위기 온도나 코일 온도를 추정할 수 없는 경우에 대응하기 위한 처치가 필요해진다. 그리고, 이 제동 제어 장치에서는, 코일 온도를 추정할 수 없는 경우에도, 솔레노이드 코일에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위해서, 최저 온도에서의 허용 전류값을 공급하고 있다.
이러한 경우, 즉, 코일 온도를 추정할 수 없는 경우로서, 실제로는 코일 온도가 높을 때에는, 솔레노이드 코일에 공급되는 전류가 안전측으로 보정되어 있기 때문에, 연료 전지 내의 애노드 가스 승압 속도가 느려져버릴 가능성이 있다. 애노드 가스 승압 속도가 느려지면, 연료 전지의 운전 상태에 따라서는, 연료 전지 내의 전해질막 등을 손상시킬 가능성도 있다.
본 발명은, 상술한 문제점에 착안하여 이루어진 것이며, 어떤 기동 조건에 있어서도, 연료 전지 내의 애노드 가스 승압 속도의 요구를 만족시킴과 함께, 애노드 가스 압력의 오버슈트를 억제할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 본 발명의 연료 전지 시스템은, 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지에 공급하여 발전시키는 연료 전지 시스템이며, 연료 전지에 공급하는 애노드 가스를 고압에서 저장하는 고압 탱크와, 고압 탱크로부터 연료 전지에 애노드 가스를 공급하기 위한 애노드 가스 공급 통로와, 애노드 가스 공급 통로 상에 설치되어, 연료 전지의 애노드 가스 압력을 조절하는 애노드 압력 조절 밸브와, 고압 탱크와 애노드 압력 조절 밸브와의 사이에 설치되어, 해당 애노드 압력 조절 밸브의 원압을 조절하는 애노드 가스 밸브와, 연료 전지 시스템의 운전 상태에 기초하여, 애노드 압력 조절 밸브 및 애노드 가스 밸브의 개폐를 제어하는 밸브 제어부를 구비한다. 그리고, 밸브 제어부는, 연료 전지 시스템을 정지시키기 전에, 애노드 가스 공급 통로에 있어서의 애노드 가스 밸브와 애노드 압력 조절 밸브와의 사이의 제1 배관 내의 압력인 제1 배관 압력이 소정 압력 미만이 되도록, 애노드 압력 조절 밸브를 제어하고 나서, 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 폐쇄한다. 한편, 밸브 제어부는, 연료 전지 시스템의 기동 시에, 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 개방한다. 이 경우, 소정 압력은, 연료 전지 시스템의 기동 시에 있어서 연료 전지의 내구성을 악화시키는 것을 억제하는 내구성 압력보다 작은 것이다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 도 1의 애노드 가스 급배 장치의 확대도이다.
도 3은, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템의 정지ㆍ기동 방법을 나타내는 타임 차트이다.
도 4는, 연료 전지 시스템의 정지 시에 있어서의 제1 배관 압력과 제2 배관 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러에 의해 실행되는 시스템 정지 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 6은, 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 7은, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템의 정지ㆍ기동 방법을 나타내는 별도의 타임 차트이다.
도 8은, 애노드 압력 조절 밸브에 있어서의 솔레노이드 전류와 분위기 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 제1 배관 압력이 소정 압력 미만이었을 경우에 있어서의 애노드 압력 조절 밸브의 난기 시의 애노드 가스의 유입 상태를 나타내는 도면이다.
도 10은, 제1 배관 압력이 소정 압력 이상에서 연료 전지 시스템을 정지한 경우의 타임 차트이다.
도 11은, 제1 배관 압력이 소정 압력 이상이었을 경우에 있어서의 애노드 압력 조절 밸브의 난기 시의 애노드 가스의 유입 상태를 나타내는 도면이다.
도 12는, 제1 배관 압력이 제2 소정 압력 이상이었을 경우에 있어서의 애노드 압력 조절 밸브의 난기 시의 애노드 가스의 유입 상태를 나타내는 도면이다.
도 13은, 제1 배관과 제2 배관계의 체적비와 소정 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는, 연료 전지 시스템의 정지 시에 있어서의 제1 배관 압력과 제2 배관 압력과의 관계를 나타내는 별도의 그래프이다.
도 15는, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 정지ㆍ기동 방법을 나타내는 타임 차트이다.
도 16은, 제2 실시 형태에 있어서의 컨트롤러에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 17은 제3 실시 형태에 있어서의 컨트롤러에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 18은, 제4 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은, 애노드 가스 비순환형 연료 전지 시스템이다. 이 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 스택(1)에 대하여 외부부터 발전에 필요한 애노드 가스(연료 가스) 및 캐소드 가스(산화제 가스)를 공급하고, 도시하지 않은 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 전극 반응을 일어나게 하여, 전기적으로 접속되는 부하 장치(5)의 동작 상태에 따라서 연료 전지 스택(1)에서 발전시키는 전원 시스템을 구성한다. 이 연료 전지 시스템(100)은, 예를 들어 구동 모터로 차량을 구동하는 전기 자동차에 탑재된다. 또한, 이 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지를 구동원으로 하는 것이면, 연료 전지 차량(연료 전지를 이용한 전기 자동차) 이외의 장치 등의 부하에도 적용할 수 있다.
연료 전지 시스템(100)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 주로, 연료 전지 스택(1)과, 캐소드 가스 급배 장치(2)와, 애노드 가스 급배 장치(3)와, 부하 장치(5)와, 컨트롤러(10)를 구비한다.
연료 전지 스택(1)은, 도시하지 않은 복수의 연료 전지가 적층된 적층 전지이다. 연료 전지 스택(1)은, 부하 장치(5)에 접속되고, 전극 반응에 의해 발전한 전력을 부하 장치(5)에 공급한다. 연료 전지 스택(1)은, 예를 들어 수백V(볼트)의 직류 전압을 생성한다.
도시하지 않지만, 연료 전지 스택(1)은, 전해질막을 애노드 전극(연료극)과 캐소드 전극(산화제극) 사이에 끼워서 구성된다. 연료 전지 스택(1)의 운전 시에는, 애노드 전극에서는, 수소가 이온화되어, 수소 이온과 전자가 생성된다. 또한, 캐소드 전극에서는, 애노드 전극에서 생성된 수소 이온 및 전자와, 산소가 반응하여, 물이 생성된다.
캐소드 가스 급배 장치(2)는, 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 대기로 배출하는 장치이다. 또한, 캐소드 오프 가스에는, 캐소드 전극에서 반응하지 않은 산소나 질소, 생성된 수증기 등이 포함된다.
캐소드 가스 급배 장치(2)는, 캐소드 가스 공급 통로(21)와, 컴프레서(22)와, 유량 센서(23)와, 압력 센서(24)와, 캐소드 가스 배출 통로(25)와, 캐소드 압력 조절 밸브(26)를 포함한다.
캐소드 가스 공급 통로(21)는, 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급하기 위한 통로이다. 캐소드 가스 공급 통로(21)의 일단부는 개구되어 있으며, 타단부는, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 가스 입구 구멍에 접속된다.
컴프레서(22)는, 캐소드 가스 공급 통로(21) 상에 설치된다. 컴프레서(22)는, 캐소드 가스 공급 통로(21)의 개구 단부로부터 산소를 함유하는 공기를 도입하고, 그 공기를 캐소드 가스로서 연료 전지 스택(1)에 공급한다. 컴프레서(22)의 회전 속도는, 컨트롤러(10)에 의해 제어된다.
유량 센서(23)는 컴프레서(22)와 연료 전지 스택(1)과의 사이의 캐소드 가스 공급 통로(21) 상에 설치된다. 유량 센서(23)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 검출한다. 유량 센서(23)에 의해 검출한 캐소드 가스의 유량 데이터는, 컨트롤러(10)로 출력된다.
압력 센서(24)는, 유량 센서(23)와 동일하게, 컴프레서(22)와 연료 전지 스택(1) 사이의 캐소드 가스 공급 통로(21) 상에 설치된다. 압력 센서(24)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 검출한다. 압력 센서(24)에 의해 검출한 캐소드 가스의 압력 데이터는, 컨트롤러(10)로 출력된다.
캐소드 가스 배출 통로(25)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 캐소드 오프 가스를 배출하기 위한 통로이다. 캐소드 가스 배출 통로(25)의 일단부는, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 가스 출구 구멍에 접속되고, 타단부는 개구되어 있다.
캐소드 압력 조절 밸브(26)는, 캐소드 가스 배출 통로(25) 상에 설치된다. 캐소드 압력 조절 밸브(26)로서는, 예를 들어 밸브의 개방도를 단계적으로 변경 가능한 전자기 밸브가 사용된다. 캐소드 압력 조절 밸브(26)는, 컨트롤러(10)에 의해 개폐 제어된다. 이 개폐 제어에 의해 캐소드 가스 압력이 원하는 압력으로 조절된다.
애노드 가스 급배 장치(3)는, 연료 전지 스택(1)에 애노드 가스를 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 대기로 배출하는 장치이다. 또한, 도시를 생략하지만, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스는, 캐소드 가스 배출 통로(25) 내에서 캐소드 오프 가스와 혼합되어 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출된다. 애노드 오프 가스에는, 전극 반응에 사용되지 않은 잉여의 수소가 포함되어 있으므로, 캐소드 오프 가스와 혼합시켜 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출함으로써, 그 배출 가스 중의 수소 농도가 미리 정해진 소정 농도 이하가 되도록 하고 있다.
애노드 가스 급배 장치(3)는 고압 탱크(31)와, 애노드 가스 공급 통로 상의 제1 배관(32) 및 제2 배관(33)과, 애노드 가스 배출 통로(34)와, 애노드 가스 밸브(35)와, 애노드 압력 조절 밸브(36)와, 퍼지 밸브(37)와, 제1 배관 압력 센서(38)와, 제2 배관 압력 센서(39)를 포함한다.
고압 탱크(31)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스(수소 가스)를 고압 상태로 유지하여 저장하는 수소 탱크이다.
애노드 가스 공급 통로의 제1 배관(32)은 고압 탱크(31)에 저장된 애노드 가스를 연료 전지 스택(1)에 공급하기 위한 통로이며, 애노드 가스 밸브(35)와 애노드 압력 조절 밸브(36) 사이의 배관이다. 또한, 애노드 가스 공급 통로의 제2 배관(33)은, 애노드 압력 조절 밸브(36)와 애노드 가스 입구 구멍 사이의 배관이다.
애노드 가스 공급 통로의 일단부는, 고압 탱크(31)에 접속되고, 타단부는, 애노드 압력 조절 밸브(36) 및 애노드 가스 밸브(35)를 통해, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 입구 구멍에 접속된다.
애노드 가스 배출 통로(34)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스가 흐르는 통로이다. 애노드 가스 배출 통로(34)는, 일단부가 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 출구 구멍에 접속되고, 상술한 바와 같이, 타단부가 캐소드 가스 배출 통로(25)에 접속된다.
애노드 가스 밸브(35)는, 고압 탱크(31)의 하류 애노드 가스 공급 통로 상에 설치된다. 애노드 가스 밸브(35)는, 고압 탱크(31)에 저장되어 있는 고압의 애노드 가스를 제1 배관 내에 공급하기 위한 전자기 밸브 또는 기계식 밸브이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도시의 편리성을 위해서, 하나의 애노드 가스 밸브(35)만이 애노드 가스 공급 통로 상에 설치된 경우를 나타내고 있지만, 본 발명은, 이와 같은 구성에 제한되지 않는다. 예를 들어, 애노드 가스 밸브(35)로서, 고압 탱크(31)의 고압의 애노드 가스의 공급을 ON/OFF하는 메인 스톱 밸브나, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스를 중압으로 유지하는 중압 밸브나 중압 차단 밸브 등의 복수의 밸브로 구성되어도 된다.
또한, 애노드 가스 밸브(35)는, 상술한 바와 같이, 기계식 밸브여도, 전자기 밸브여도 된다. 전자기 밸브의 경우에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 애노드 가스 밸브(35)는, 컨트롤러(10)에 의해 그 개폐(ON/OFF)가 제어된다.
애노드 압력 조절 밸브(36)는, 애노드 가스 밸브(35)와, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 입구 구멍과의 사이의 애노드 가스 공급 통로 상에 설치된다. 애노드 압력 조절 밸브(36)로서는, 예를 들어 밸브의 개방도를 단계적으로 변경 가능한 전자기 밸브가 사용된다. 애노드 압력 조절 밸브(36)는, 컨트롤러(10)에 의해 개폐 제어된다. 이 개폐 제어에 의해, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력, 즉, 제2 배관 내의 압력이 조절된다.
퍼지 밸브(37)는, 애노드 가스 배출 통로(34) 상에 설치된다. 퍼지 밸브(37)는, 애노드 오프 가스를 캐소드 가스 배출 통로(25)로 배출하기 위한 전자기 밸브이다. 퍼지 밸브(37)의 개방도는, 컨트롤러(10)에 의해 제어된다.
제1 배관 압력 센서(38)는, 애노드 가스 밸브(35)와 애노드 압력 조절 밸브(36)와의 사이의 애노드 가스 공급 통로, 즉, 제1 배관 상에 설치된다. 제1 배관 압력 센서(38)는, 제1 배관 내의 압력을 검출한다. 제1 배관 압력 센서(38)에 의해 검출한 애노드 가스의 압력 데이터, 즉, 제1 배관 압력 데이터는, 컨트롤러(10)로 출력된다.
제2 배관 압력 센서(39)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)와 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 입구 구멍과의 사이의 애노드 가스 공급 통로, 즉, 제2 배관 상에 설치된다. 제2 배관 압력 센서(39)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 검출한다. 제2 배관 압력 센서(39)에 의해 검출한 애노드 가스의 압력 데이터, 즉, 제2 배관 압력 데이터는, 컨트롤러(10)로 출력된다.
부하 장치(5)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 공급되는 발전 전력(직류 전력)을 받음으로써 구동한다. 부하 장치(5)로서는, 예를 들어 차량을 구동하는 전동 모터나, 연료 전지 스택(1)으로부터 출력된 직류 전력을 전동 모터에 공급하는 교류 전력으로 변환하는 전동 모터용 인버터나, 연료 전지 스택(1)의 발전을 보조하는 보조 기기의 일부, 전동 모터를 제어하는 제어 유닛 등에 의해 구성된다. 연료 전지 스택(1)의 보조 기기로서는, 예를 들어 컴프레서(22) 등을 들 수 있다.
부하 장치(5)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)으로부터 출력된 직류 전력을 소정의 요구 전압비로 승압하는 DC/DC 컨버터(6)을 더 구비하고 있다. 도 2는, 도 1의 애노드 가스 급배 장치(3)의 확대도이다. 이 DC/DC 컨버터(6)는, 연료 전지 스택(1)과 전동 모터 인버터와의 사이에 배치된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 도시를 생략하지만, DC/DC 컨버터(6)에 대하여 연료 전지 스택(1)과 병렬로, 고압 배터리가 설치되어 있다. 이 고압 배터리의 출력측에도 고압 배터리용 DC/DC 컨버터가 설치되어 있어도 된다.
또한, 부하 장치(5)를 제어하는 제어 유닛(도시하지 않음)은, 연료 전지 스택(1)에 요구하는 요구 전력을 컨트롤러(10)로 출력한다. 예를 들어, 차량에 설치된 액셀러레이터 페달의 답입량이 커질수록, 부하 장치(5)의 요구 전력은 커진다.
부하 장치(5)와 연료 전지 스택(1)과의 사이에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 전류 센서(51)와 전압 센서(52)가 배치된다.
전류 센서(51)는, 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(1p)와 부하 장치(5)와의 사이의 전원선에 접속된다. 전류 센서(51)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 부하 장치(5)로 출력되는 전류를 연료 전지 스택(1)의 출력 전력으로서 검출한다. 전류 센서(51)에서 검출한 연료 전지 스택(1)의 출력 전류 데이터는, 컨트롤러(10)로 출력된다.
전압 센서(52)는, 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(1p)와 정극 단자(1n)와의 사이에 접속된다. 전압 센서(52)는, 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(1p) 및 정극 단자(1n)간의 전압인 단자간 전압을 검출한다. 전압 센서(52)에 의해 검출한 연료 전지 스택(1)의 출력 전압 데이터는, 컨트롤러(10)로 출력된다.
또한, 도시를 생략했지만, 연료 전지 스택(1)의 전해질막의 습윤 상태를 검출하기 위한 임피던스 측정 장치를 더 구비하고 있다. 이 임피던스 측정 장치는, 전해질막의 습윤 상태와 상관이 있는 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 측정하기 위한 장치이다.
일반적으로, 전해질막의 함수량이 적어질수록, 즉, 전해질막이 마를 기미가 보여질수록, 내부 임피던스의 전기 저항 성분은 커진다. 한편, 전해질막의 함수량이 많아질수록, 즉, 전해질막이 젖을 기미가 보여질수록, 내부 임피던스의 전기 저항 성분은 작아진다. 이 때문에, 전해질막의 습윤 상태를 나타내는 파라미터로서, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스가 사용된다.
임피던스 측정 장치는, 연료 전지 스택(1)의 내부 저항을 검출하기에 적합한 주파수를 갖는 교류 전류를 정극 단자(1p)에 공급한다. 그리고, 임피던스 측정 장치는, 이 주파수의 교류 전류에 의해 정극 단자(1p)와 정극 단자(1n)와의 사이에 발생하는 교류 전압을 검출하고, 검출한 교류 전압의 진폭을, 정극 단자(1p)에 공급한 교류 전류의 진폭으로 제산함으로써, 내부 임피던스를 산출한다.
본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)은, 부하 장치(5)의 요구에 따른 전력을 발전시키고, 연료 전지 스택(1)의 발전 상태에 따라서, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스, 즉, 전해질막의 습윤도가 제어된다.
컨트롤러(10)는, 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스) 등을 구비한 마이크로컴퓨터에 의해 구성된다.
컨트롤러(10)에는, 유량 센서(23), 압력 센서(24), 제1 배관 압력 센서(38), 제2 배관 압력 센서(39), 전류 센서(51) 및 전압 센서(52)의 각 검출 데이터가 입력된다. 이들 데이터는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 관한 파라미터로서 사용된다.
컨트롤러(10)는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 따라서, 컴프레서(22) 및 캐소드 압력 조절 밸브(26)를 제어함으로써 캐소드 가스의 유량 및 압력을 제어함과 함께, 애노드 가스 밸브(35), 애노드 압력 조절 밸브(36) 및 퍼지 밸브(37)를 제어함으로써 애노드 가스의 유량 및 압력을 제어한다.
이어서, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 동작을 설명한다. 도 3은, 본 실시 형태의 제어 방법을 나타내는 타임 차트이다. 먼저, 도 2에 나타내는 구성을 간단하게 설명한다.
DC/DC 컨버터(6)는, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)의 출력측에 설치되어, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 소정의 요구 전압비로 승압하는 승압 컨버터이다. 도시를 생략하지만, 이 DC/DC 컨버터(6)에는, 복수의 스위칭 소자가 포함된다. 본 실시 형태에서는, 스위칭 소자는, 컨트롤러(10)의 제어에 의해, 스위칭 동작을 행하여, 애노드 압력 조절 밸브(36)나 퍼지 밸브(37)의 개폐 제어를 행하기 위한 PWM 신호를 생성한다. 생성된 PWM 신호는 애노드 압력 조절 밸브(36)로 출력되고, 애노드 압력 조절 밸브(36)는, 그 PWM 신호의 듀티비에 기초하여, 그 개폐가 제어된다.
도 1에서는 나타내지 않았지만, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 근방에는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 분위기 온도를 검출하기 위한 온도 센서(60)가 설치된다. 온도 센서(60)에 의해 검출한 애노드 압력 조절 밸브(36)의 분위기 온도 데이터는, 컨트롤러(10)로 출력된다.
본 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시퀀스가 개시되면, 제1 배관(32) 내의 압력인 제1 배관 압력을 소정 압력 미만으로 감압되도록 구성된다.
「소정 압력」이란, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 있어서 연료 전지 스택(1)의 내구성을 악화시키는 것을 억제하는 내구성 압력보다 작은 압력이다. 제1 배관(32) 내를 이러한 소정 압력까지 감압하고 나서 연료 전지 시스템(100)을 정지함으로써, 다음번 기동 시에 애노드 압력 조절 밸브(36)가 명령값보다도 큰 개방도로 밸브 개방했다고 해도, 연료 전지 스택(1) 내의 각 전극이나 전해질막 등을 파손시키는 일이 없다. 또한, 이하에서는, 필요에 따라서, 소정 압력 및 내구성 압력(의 최댓값)을 각각 P0, Pmax로 하여 설명한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에는, 먼저, 애노드 압력 조절 밸브(36)가 도시하지 않은 솔레노이드 코일에 전류를 흐르게 함으로써, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하여 난기를 행하고 있다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)이 운전을 개시하기 전에, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 솔레노이드 코일의 전기 저항이나 플런저의 미끄럼 이동 저항을 통상 운전 상태와 변함없는 상태로 할 수 있다. 따라서, 어떠한 기동 조건에 있어서도, 연료 전지 스택(1) 내의 애노드 가스 승압 속도의 요구를 만족시킴과 함께, 애노드 가스 압력의 오버슈트를 억제할 수 있다.
여기서, 도 4를 참조하여, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시의 제1 배관(32) 내의 제1 배관 압력과 제2 배관(33) 내의 제2 배관 압력과의 관계를 설명한다. 도 4는, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시에 있어서의 제1 배관 압력과 제2 배관 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 제2 배관 압력은, 연료 전지 스택(1)을 포함하는 퍼지 밸브(37)까지의 압력과 같아지므로, 그들 전체를 포함하는 관계로서 설명한다.
제1 배관 내의 체적을 V1, 제2 배관과 연료 전지 스택(1)을 포함하는 퍼지 밸브(37)까지의 애노드계 전체(이하, 「제2 배관계」라고 말함)의 체적을 V2라 하고, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시에 있어서의 제1 배관 압력 및 제2 배관 압력을 각각 P1, P2라 하며, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 개방 밸브 후의 전체의 압력을 P3이라 한다. 그리고, 제1 배관 내에 잔존하는 애노드 가스와, 제2 배관계 내에 잔존하는 애노드 오프 가스를 이상 기체로 상정하면, 이하와 같은 관계식이 성립한다.
P1×V1+P2×V2=P3×(V1+V2) (1)
본 실시 형태에서는, 이 P3이 연료 전지 스택(1)의 내구성 압력(애노드 압력 조절 밸브(36)보다도 하류의 내압)의 최댓값 Pmax 이하이면 되므로, 이하의 관계식이 성립한다.
Pmax×(V1+V2)≥P1×V1+ P2×V2 (2)
P1에 대하여 풀면, 이하의 관계식이 된다.
P1≤{Pmax×(V1+V2)-P2×V2}/V1 (3)
여기서, Pmax는, 연료 전지 스택(1)을 포함하는 연료 전지 시스템(100)의 설계 단계에서 결정되는 내압이 되므로 일정값이고, 동일하게, V1, V2도 일정값이다. 따라서, 상기 식 (3)은 P1과 P2의 1차 함수가 되고, 도 4에 도시한 바와 같은 우하향 그래프가 된다.
따라서, 제1 배관 압력 P1은, 도 4의 직선보다도 하측의 영역에 위치하도록, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시에 애노드 압력 조절 밸브(36) 및 퍼지 밸브(37)의 개폐 동작을 행하면 된다. 이에 의해, 연료 전지 시스템(100)의 다음번 기동 시에 연료 전지 스택(1)의 내압을 준수할 수 있다.
또한, 상기 식 (1) 내지 (3)에서는, 잔존하는 기체를 이상 기체로 상정함과 함께, 연료 전지 시스템(100)의 정지 후 애노드 가스의 농도 변화(예를 들어, 산소와 반응하거나, 배관으로부터 누설되거나 하는 애노드 가스에 의한 변화)나 분위기 온도의 변화를 고려하고 있지 않다. 특히, 연료 전지 시스템(100)의 구성에 따라서는, 시스템 정지 후 어느 정도 시간이 경과하면, 제1 배관 및 제2 배관계 내에 잔존하는 애노드 가스 농도가 저하되는 것도 생각할 수 있다. 그 때문에, 필요에 따라서, 애노드 가스 농도나 온도 등의 변화를 고려하여, 시스템 정지 후의 제1 배관 압력 P1을 결정하면 된다.
본 실시 형태에서는, 도 4의 조건을 만족시키도록, 컨트롤러(10)는, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시에, 애노드 압력 조절 밸브(36)와 퍼지 밸브(37)의 개폐 제어를 행하고 있다. 이하, 도 3의 타이밍 차트에서 그 제어를 설명한다.
도 3은, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시퀀스의 개시부터 연료 전지 시스템(100)의 다음번 기동 시까지의 각 부의 동작이나 명령값을 나타내는 것이다. 도 3의 (a)는, 제1 배관 압력 P1 및 제2 배관 압력 P2의 변화를 나타낸다. 도 3의 (b)는 애노드 압력 조절 밸브(36)의 실제 개방도를 나타낸다. 도 3의 (c)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 대한 컨트롤러(10)로부터의 듀티 명령값을 나타낸다. 도 3의 (d)는, 애노드 가스 밸브(35)의 실제 개방도를 나타낸다.
연료 전지 시스템(100)을 탑재한 차량의 유저가 이그니션 키를 OFF하면, 연료 전지 시스템(100)은, 시스템 정지 시퀀스를 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)의 기동ㆍ정지를 이그니션 키로 행하는 것으로 했지만, 본 발명은, 이와 같은 구성에 제한되지 않는다. 예를 들어, 이그니션 키 대신에 스타트 버튼 등을 구비한 차량에 있어서도 본 발명의 연료 전지 시스템(100)을 탑재할 수 있다.
시스템 정지 시퀀스를 개시하면, 연료 전지 스택(1)을 정지하기 위해서, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 명령 듀티비를 설정하고, 애노드 압력 조절 밸브(36)로 출력한다. 애노드 압력 조절 밸브(36)는, 이 명령 듀티비에 기초하여, 밸브 개방 동작을 행한다. 이 때, 컨트롤러(10)는, 퍼지 밸브(37)에도 동일한 개방 명령을 행하고 있고, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 배관 압력 P1 및 제2 배관 압력 P2는, 서서히 저하되어 간다.
그 후, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 폐쇄 밸브의 듀티 명령값을 출력하고, 애노드 압력 조절 밸브(36)가 밸브 폐쇄되면, 연료 전지 시스템(100) 내의 연료 전지 스택(1)이 정지한다. 이 때, 제1 배관 압력 P1은, 도시된 소정 압력 P0보다도 낮은 압력으로 되어 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 폐쇄한 타이밍에서, 연료 전지 시스템(100)이 정지했다고 설명했지만, 연료 전지 시스템(100)의 완전 정지의 타이밍은, 이 경우에 제한하지 않는다. 예를 들어, 연료 전지 시스템(100)은, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 폐쇄한 후, 소정의 정지 시퀀스의 동작을 행해도 되고, 그 대신에, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시퀀스가 완전히 종료된 후, 애노드 압력 조절 밸브(36)와 퍼지 밸브(37)를 밸브 개방하고, 제1 배관 압력 P1을 소정 압력 P0 미만으로 해도 된다.
그 후, 연료 전지 시스템(100)의 정지 중에 있어서, 연료 전지 스택(1) 내에 잔류하는 애노드 가스와 캐소드 가스가 반응하거나, 애노드 가스가 계 밖으로 누설되거나 함으로써, 제2 배관 압력 P2는, 서서히 저하되어 간다.
이어서, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시, 즉, 연료 전지 시스템(100)을 탑재한 차량의 이그니션 키의 ON 시에는, 시스템 기동 순서를 개시하기 전에, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 명령 듀티비를 설정하고, 애노드 압력 조절 밸브(36)로 출력한다. 애노드 압력 조절 밸브(36)는, 이 명령 듀티비에 기초하여, 밸브 개방 동작을 행한다.
애노드 압력 조절 밸브(36)가 밸브 개방되면, 제1 배관(32) 내의 애노드 가스가 제2 배관(33)측으로 유입되고, 전체로서 동일한 압력 P3(P3<P1)이 된다. 연료 전지 시스템(100)의 정지 시에, 제1 배관 압력 P1은, 이미 소정 압력 P0 미만으로 되어 있으므로, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기를 행했다고 해도 연료 전지 스택(1) 내가 소정 압력 P0 이상으로 되는 일은 없다. 따라서, 연료 전지 스택(1) 내의 부품이 파손되거나 하는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 도 5 및 도 6의 흐름도를 참조하여, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 동작을 설명한다. 도 5는, 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 시스템 정지 처리를 나타내는 흐름도이다. 도 6은, 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도이다. 또한, 시스템 정지 처리 및 시스템 기동 처리는, 예를 들어 소정의 시간 간격(예를 들어, 100밀리초마다)으로 실행된다.
먼저, 시스템 정지 처리에 대하여 설명한다. 시스템 정지 처리에서는, 컨트롤러(10)는, 우선, 차량의 유저에 의해 이그니션 키가 OFF되었는지 여부를 판정한다(스텝 S101). 이그니션 키가 OFF되지 않았다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 이 시스템 정지 처리를 종료한다.
한편, 이그니션 키가 OFF되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방함과 함께(스텝 S102), 제1 배관 압력 센서(38)를 사용하여, 제1 배관 내의 압력, 즉, 제1 배관 압력 P1을 검출한다(스텝 S103).
이어서, 컨트롤러(10)는, 스텝 S103에 있어서 검출한 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P0 미만으로 되었는지 여부를 판정한다(스텝 S104). 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P0 미만으로 되지 않았다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 스텝 S103 및 S104의 처리를 반복한다.
한편, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P0 미만으로 되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 폐쇄하고(스텝 S105), 연료 전지 시스템(100)의 시스템 정지 시퀀스를 실행하여(스텝 S106), 이 시스템 정지 처리를 종료한다. 또한, 시스템 정지 시퀀스에 대해서는, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 구성에 따라서, 공지된 방법으로 행하면 되므로, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
이어서, 시스템 기동 처리에 대하여 설명한다. 시스템 기동 처리에서는, 컨트롤러(10)는, 우선, 차량의 유저에 의해 이그니션 키가 ON되었는지 여부를 판정한다(스텝 S201). 이그니션 키가 ON되지 않았다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 이 시스템 기동 처리를 종료한다.
한편, 이그니션 키가 ON되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방한다(스텝 S202). 그리고, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하고 나서의 시간을 계측하고, 소정 시간이 경과되었는지 여부를 판정한다(스텝 S203). 컨트롤러(10)는, 소정 시간이 경과될 때까지 스텝 S203에서 대기한다.
소정 시간이 경과되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 폐쇄하고(스텝 S204), 연료 전지 스택(1)을 기동시키기 위한 기동 순서를 실행하며(스텝 S205), 이 시스템 기동 처리를 종료한다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 기동 순서에 대해서는, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 구성에 따라서, 공지된 방법으로 행하면 되므로, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 도 3의 타임 차트에 대응하여, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 솔레노이드 코일에 공급하는 솔레노이드 전류에 대하여 설명한다. 도 7은, 도 3의 타임 차트에 대응하는 솔레노이드 전류의 타임 차트이다. 도 7의 (a) 내지 (c)는, 도 3의 (a) 내지 (c)와 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 7의 (e)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 솔레노이드 코일에 공급되는 솔레노이드 전류를 나타낸다. 컨트롤러(10)는, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 정지 시퀀스를 개시하면, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 대하여 듀티 명령값과 함께, 솔레노이드 전류의 명령값을 출력한다. 애노드 압력 조절 밸브(36)는, 이 듀티 명령값과 솔레노이드 전류 명령값에 기초하여, 밸브 개방 동작을 행한다.
또한, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에는, 시스템 기동 순서를 개시하기 전에, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 명령 듀티비와 솔레노이드 전류 명령값을 설정하고, 애노드 압력 조절 밸브(36)로 출력한다. 애노드 압력 조절 밸브(36)는, 명령 듀티비와 솔레노이드 전류 명령값에 기초하여, 밸브 개방 동작을 행한다.
컨트롤러(10)는, 솔레노이드 전류 명령값을 소정 시간 계속함으로써, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 난기시킨다. 소정 시간으로서는, 예를 들어 1 내지 수초 정도이다. 이와 같이, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 솔레노이드 코일에 소정 시간 전류를 흐르게 함으로써, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 솔레노이드 코일의 전기 저항이나 플런저의 미끄럼 이동 저항이 통상 운전 시와 동일한 정도가 되므로, 그 후의 시스템 기동 순서에 있어서, 연료 전지 스택(1) 내의 애노드 가스 승압 속도의 요구를 만족시킬 수 있다.
또한, 도 7의 (e)에서는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시에는, 시스템 정지 시퀀스의 때에 비해, 솔레노이드 전류가 커지도록 도시하고 있지만, 실제로는, 온도 센서(60)에 의해 검출되는 애노드 압력 조절 밸브(36)의 분위기 온도(연료 전지 시스템(100)의 환경 온도)에 기초하여, 솔레노이드 전류의 값이 결정된다. 이하, 도 8을 참조하여, 솔레노이드 전류의 결정 방법을 간단하게 설명한다.
도 8은, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 공급해야 할 솔레노이드 전류와, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 분위기 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 솔레노이드 전류에는, 품질 보증에 의한 허용 최대 전류값이 설정되어 있다. 또한, 방사상으로 신장되는 복수의 직선이 각 온도에 있어서의 솔레노이드 전류값을 나타낸다.
도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 소정의 난기 시 명령값에 대응하는 솔레노이드 전류값은, 분위기 온도가 낮을수록 높아진다. 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(10)는, 이 그래프를 참조함으로써, 온도 센서(60)에 의해 검출되는 애노드 압력 조절 밸브(36)의 분위기 온도에 기초하여, 솔레노이드 전류값을 결정한다.
이어서, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시에 있어서의 제2 배관(33)으로의 애노드 가스의 유입 상태에 대하여 설명한다. 이하에서는, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P0 미만인 경우(A 영역)와, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P0 이상인 경우로 나누어서 설명한다. 또한, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P0 이상인 경우에 대해서는, 또한 제2 소정 압력 미만인 경우(X 영역)과, 제2 소정 압력 이상인 경우(B 영역)로 나누어서 설명한다. 또한, 이하에서는, 필요에 따라서, 제2 소정 압력을 P02라 한다.
먼저, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P0 미만인 경우에 대하여 설명한다. 도 9는, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P0 미만인 경우에 있어서의 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시의 애노드 가스의 유입 상태를 나타낸다. 제1 배관(32)과 제2 배관(33)에 있어서 사선으로 나타내는 부분에는, 애노드 가스가 유입되어 있다. 이와 같이, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P0 미만인 경우에는, 제2 배관(33)의 도중까지 애노드 가스가 유입된다.
연료 전지 시스템(100)을 정지하고, 충분한 시간이 경과하면, 연료 전지 스택(1) 내에 잔류하고 있는 캐소드 가스와 애노드 가스가 크로스 리크에 의해 혼합되고, 연료 전지 스택(1) 내의 애노드 가스 유로(도시하지 않음)에도 산소가 존재하게 된다. 그 때문에, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 후에는, 애노드 가스 공급 통로나 애노드 가스 유로에 있어서, 애노드 가스와 잔류 가스(캐소드 가스를 포함함)와의 경계면(수소 프론트)이 존재하는 상태가 된다.
본 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시에, 제1 배관 압력 P1을 소정 압력 P01 미만으로 감압시킨 후, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 폐쇄하고 있으므로, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시에 있어서도 연료 전지 스택(1) 내에 그 경계면(수소 프론트)이 발생하는 일이 없다. 따라서, 연료 전지 스택(1) 내의 촉매 열화 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
이어서, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P01 이상이며, 제2 소정 압력 P02 미만인 경우에 대하여 설명한다. 여기에서는, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 정지 시퀀스의 개시 시부터 연료 전지 시스템(100)의 다음번 기동 시까지의 타임 차트에 대하여 간단하게 설명한다.
도 10은, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P01 이상에서 연료 전지 시스템(100)을 정지한 경우의 타임 차트이다. 이 경우에는, 도 10에 도시한 바와 같이, 제1 배관 압력 P1 및 제2 배관 압력 P2가 소정 압력 P01 이상인 상태에 있어서, 연료 전지 시스템(100)이 정지한다. 그 후, 연료 전지 시스템(100)의 정지 중에 있어서, 연료 전지 스택(1) 내에 잔류하는 애노드 가스와 캐소드 가스가 반응하거나, 애노드 가스가 계 밖으로 누설되거나 함으로써, 제2 배관 압력 P2는, 서서히 저하되어 간다.
그러나, 제1 배관 압력 P1은, 대부분 변화되지 않으므로, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시에는, 제1 배관(32) 및 제2 배관(33)을 포함하는 애노드 압력 조절 밸브(36)로부터 퍼지 밸브(37)까지의 애노드계 전체의 압력은, 소정 압력 P01 이상이 된다.
도 11은, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 P01 이상인 경우에 있어서의 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시의 애노드 가스의 유입 상태를 나타내는 도면이다. 제1 배관(32), 제2 배관(33) 및 연료 전지 스택(1)에 있어서 사선으로 나타내는 부분에는, 애노드 가스가 유입되어 있다. 이 경우, 도 11에 도시한 바와 같이, 잔류 가스와 애노드 가스와의 경계면(수소 프론트)은, 연료 전지 스택(1) 내에 존재해버린다. 그 때문에, 연료 전지 스택(1) 내의 애노드 가스 유로의 상류를 애노드 전극, 하류를 캐소드 전극으로 한 국부 전지가 애노드 전극측에 형성되게 된다. 경계면(수소 프론트) 근방에서는, 애노드 가스와 캐소드 가스가 반응함으로써, 연료 전지 스택(1) 내의 촉매층 카본이 열화되어버린다.
따라서, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)과 같이, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시에 제1 배관 압력 P1을 소정 압력 P01 미만으로 함으로써, 이러한 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 제1 배관 압력 P1이 제2 소정 압력 P02 이상인 경우에 대하여 설명한다. 도 12는, 제1 배관 압력 P1이 제2 소정 압력 P02 이상인 경우에 있어서의 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시의 애노드 가스의 유입 상태를 나타내는 도면이다. 제1 배관(32), 제2 배관(33), 연료 전지 스택(1) 및 애노드 가스 배출 통로(34)에 있어서 사선으로 나타내는 부분에는, 애노드 가스가 유입되어 있다.
이 경우, 잔류 가스와 애노드 가스의 경계면은, 애노드 가스 배출 통로(34) 상에 존재하게 된다. 따라서, 상기와 같은 애노드 가스와 캐소드 가스의 반응에 의한 촉매 열화 등의 문제는 발생하는 일이 없다. 본 실시 형태에서는, 제1 배관 압력 P1을 소정 압력 P01 미만으로 조정하는 대신에, 제1 배관 압력 P1을 제2 소정 압력 P02 이상으로 조정해도 된다. 또한, 이 경우에도, 제2 소정 압력 P02는, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 있어서 연료 전지 스택(1)의 내구성을 악화시키는 것을 억제하는 내구성 압력(의 최댓값) Pmax보다 작은 압력으로 설정된다.
여기서, 상술한 제1 배관(32)의 체적 V1과 제2 배관계의 체적 V2의 체적비 V2/V1과, 상기 각 영역 A, B 및 X와의 관계를 설명한다. 도 13은, 제1 배관(32)과 제2 배관계의 체적비 V2/V1과 소정 압력 P01 및 제2 소정 압력 P02와의 관계를 나타내는 그래프이다.
소정 압력이 A 영역과 B 영역에 있을 경우에, 애노드 가스와 잔류 가스의 경계면이 연료 전지 스택(1) 내에 존재하지 않게 되므로, 체적비 V2/V1이 도 13에 나타내는 세로선 부분으로 수렴되도록, 연료 전지 시스템(100)을 설계하면 된다. 또한, 2개의 영역 A, B 사이의 영역이 X 영역을 나타내고, A 영역이 소정 압력 P01에 대응하며, B 영역이 제2 소정 압력 P02에 대응한다. 또한, B 영역의 상한은, 내구성 압력의 최댓값 Pmax를 나타내고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 있어서의 연료 전지 스택(1)의 수소 유지 성능을 고려하여, 소정 압력의 하한값으로서, Pmin을 설정하고 있다. 이 「수소 유지 성능」이란, 연료 전지 시스템(100)의 다음번 기동 시에 연료 전지 스택(1) 내의 전극 반응을 효율적으로 일으키게 하기 위한 조건을 의미한다.
즉, 소정 압력은, 연료 전지 시스템(100)을 정지시킨 후에 연료 전지 스택(1) 내에 잔류시켜야 할 애노드 가스량에 대응하는 압력(하한 압력) Pmin 이상이면 된다. 그 때문에, 도 13에서는, A 영역의 하한 압력 Pmin 미만의 부분은, 세로선 부분으로부터 배제되고 있다.
본 실시 형태에서는, 소정 압력을 이렇게 설정하도록, 연료 전지 시스템(100)을 구성하고 있으므로, 어떤 기동 조건에 있어서도, 수소 유지 성능을 확보할 수 있음과 함께, 연료 전지 스택(1) 내의 애노드 가스 승압 속도의 요구를 만족시키고, 또한 애노드 가스 압력의 오버슈트를 억제할 수 있다. 또한, 소정 압력이 연료 전지 스택(1)의 내구성 압력도 만족시키는 압력이므로, 연료 전지 스택(1) 내의 각 전극이나 전해질막 등의 파손을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 13의 영역을 고려하면, 도 4의 제1 배관 압력과 제2 배관 압력과의 관계는, 도 14에 도시한 바와 같이, 그 일부가 배제되게 된다. 도 14는, 연료 전지 시스템의 정지 시에 있어서의 제1 배관 압력 P1과 제2 배관 압력 P2와의 관계를 나타내는 별개의 그래프이다. 도 14에 나타내는 사선 부분이, 제1 배관 압력 P1과 제2 배관 압력 P2가 본 실시 형태의 조건을 만족시키는 영역이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은, 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지 스택(1)(연료 전지)에 공급하여 발전시키는 연료 전지 시스템(100)이며, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 애노드 가스를 고압에서 저장하는 고압 탱크(31)와, 고압 탱크(31)로부터 연료 전지 스택(1)에 애노드 가스를 공급하기 위한 제1 배관(32) 및 제2 배관(33)으로 구성되는 애노드 가스 공급 통로와, 애노드 가스 공급 통로 상에 설치되어, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 압력을 조절하는 애노드 압력 조절 밸브(36)와, 고압 탱크(31)와 애노드 압력 조절 밸브(36)와의 사이에 설치되어, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 원압을 조절하는 애노드 가스 밸브(35)와, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 애노드 압력 조절 밸브(36) 및 애노드 가스 밸브(35)의 개폐를 제어하는 밸브 제어부로서 기능하는 컨트롤러(10)를 구비하고, 컨트롤러(10)는, 연료 전지 시스템(100)을 정지시키기 전에, 애노드 가스 공급 통로에 있어서의 애노드 가스 밸브(35)와 애노드 압력 조절 밸브(36)와의 사이의 제1 배관(32) 내의 압력인 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 미만이 되도록, 애노드 가스 밸브(35)를 밸브 폐쇄한 후, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 제어하고 나서, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 폐쇄하고, 컨트롤러(10)는, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하고, 소정 압력은, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 있어서 연료 전지 스택(1)의 내구성을 악화시키는 압력보다 작도록 구성되는 것으로 하였다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은, 이렇게 구성하고 있으므로, 이하와 같은 작용ㆍ효과를 발휘한다.
즉, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 시스템 정지 시에 있어서의 애노드 가스 공급 통로 내의 제1 배관(32)의 압력인 제1 배관 압력 P1을 내구성 압력의 최댓값 Pmax보다도 작은 소정 압력(연료 전지 스택(1)의 내구성을 악화시키는 압력보다 작은 압력)이 되도록 구성했으므로, 시스템 기동 시에 애노드 압력 조절 밸브(36)를 난기하기 위해 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방할 때에 있어서도, 연료 전지 스택(1) 내의 각 전극이나 전해질막 등이 파손되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 소정 압력은, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방했을 때, 제1 배관(32) 내의 애노드 가스와, 애노드 압력 조절 밸브(36) 및 연료 전지 스택(1) 사이의 제2 배관(33) 내의 잔류 가스와의 경계면이 연료 전지 스택(1) 밖이 된다(즉, 연료 전지 스택(1) 내에 머무르지 않도록 하는) 압력이면 된다. 즉, 상기 실시 형태에 있어서, 소정 압력은, 도 9 또는 도 12에 도시한 바와 같은 상태가 되도록 하는 압력이면 된다. 애노드 가스와 잔류 가스(캐소드 가스를 포함함)의 경계면(수소 프론트)이 연료 전지 스택(1) 내에 존재하는 상태가 되면, 연료 전지 스택(1) 내의 애노드 가스 유로의 상류를 애노드 전극, 하류를 캐소드 전극으로 한 국부 전지가 애노드 전극측에 형성되게 된다. 경계면(수소 프론트) 근방에서는, 애노드 가스와 캐소드 가스가 반응함으로써, 연료 전지 스택(1) 내의 촉매층 카본이 열화되어버린다. 소정 압력을 이렇게 설정함으로써, 연료 전지 스택(1) 내의 촉매층 열화 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 소정 압력은, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 필요해지는 압력(즉, 연료 전지 시스템(100)을 기동시키기 위해 필요한 압력) 이상이면 된다. 이에 의해, 상술한 바와 같이 수소 유지 성능에 영향을 주는 일이 없다.
또한, 본 실시 형태의 다른 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)은, 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지 스택(1)에 공급하여 발전시키는 연료 전지 시스템(100이며, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 애노드 가스를 고압에서 저장하는 고압 탱크(31)와, 고압 탱크(31)로부터 연료 전지 스택(1)에 애노드 가스를 공급하기 위한 제1 배관(32) 및 제2 배관(33)으로 구성되는 애노드 가스 공급 통로와, 애노드 가스 공급 통로 상에 설치되어, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 압력을 조절하는 애노드 압력 조절 밸브(36)와, 고압 탱크(31)와 애노드 압력 조절 밸브(36)와의 사이에 설치되어, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 원압을 조절하는 애노드 가스 밸브(35)와, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 애노드 압력 조절 밸브(36) 및 애노드 가스 밸브(35)의 개폐를 제어하는 밸브 제어부로서 기능하는 컨트롤러(10)를 구비하고, 컨트롤러(10)는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 중, 애노드 가스 공급 통로에 있어서의 애노드 가스 밸브(35)와 애노드 압력 조절 밸브(36)와의 사이의 제1 배관(32) 내의 압력인 제1 배관 압력 P1을 소정의 운전 압력으로 제어하고, 컨트롤러(10)는, 연료 전지 시스템(100)을 정지시키기 전에, 애노드 가스 밸브(35)를 밸브 폐쇄한 후, 소정의 운전 압력보다도 낮은 소정 압력까지 제1 배관 압력 P1을 감압하고 나서, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 폐쇄함과 함께, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하도록 구성하였다. 이와 같이, 연료 전지 시스템(100)의 정지 시에는, 제1 배관 압력 P1을 소정의 운전 압력보다도 낮은 소정 압력으로 저하시키고 있으므로, 상기와 동일하게, 시스템 기동 시에 애노드 압력 조절 밸브(36)를 난기하기 위해 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방할 때에 있어서도, 연료 전지 스택(1) 내의 각 전극이나 전해질막 등이 파손되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 공급하는 전류 명령값은, 애노드 압력 조절 밸브(36)가 사용되는 사용 조건 중에서 가장 전기 저항이 작아지는 상황(통상, 사용 환경에 있어서 최저 온도가 되는 상황)에 있어서도 애노드 압력 조절 밸브(36)의 보증 범위 내의 전류가 되는 명령값이면 된다. 예를 들어, 연료 전지 시스템(100)을 영하에서 기동시킬 경우에는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 난기하기 위해서, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 솔레노이드 코일에 전류를 흐르게 하지만, 솔레노이드 코일의 전기 저항이나 플런저의 미끄럼 이동 저항이 작게 되어 있다. 그 때문에, 통상의 전압값의 전압을 인가하면, 전류값이 커져버린다. 그리고, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 사양 범위 밖의 전류가 흘러버리는 상황이 되면, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 파손시켜버릴 가능성이 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시에, 솔레노이드 코일에 흐르게 하는 전류가 소정값 이상이 되지 않도록 하는 명령값을 사용하고 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 컨트롤러(10)는, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 전류를 공급하고, 소정 시간 경과했을 때에 전류의 공급을 종료하도록 구성된다. 이와 같이, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 소정 시간 전류를 흐르게 함으로써, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기가 완료된 것으로 판단하고, 컨트롤러(10)는, 전류 공급을 종료하면 된다. 또한, 「소정 시간」은, 미리 실험 등에 의해 설정되면 된다. 여기서, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 난기하기 위해 전류를 흐르게 하면, 솔레노이드 코일에 전류가 흘러서 따뜻해짐으로써 전기 저항이 높아진다. 그 때문에, 전류가 서서히 낮아지므로, 그 상태를 확인하여, 난기의 완료를 판단할 수도 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 도시를 생략했지만, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 종료의 판정은, 연료 전지 시스템(100)의 강전계의 장치 기동 후에 DC/DC 컨버터(6)를 사용하여, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 전류를 공급하고 있는 상태에서 실시하면 된다. 이와 같이, 연료 전지 시스템(100)의 강전 기동 순서가 작동하고 나서, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 공급하는 전류값에 기초하여, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기의 종료를 판정한다. 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시간(상기 「소정 시간」)의 판정 정밀도를 높이기 위해서, 전원 전압을 일정하게 안정시키고 나서 판정하는 것이 좋다. 이 때문에, DC/DC 컨버터(6)의 기동 후에 난기의 종료를 판정하면 된다. 또한, 도시하지 않은 약전 배터리로부터 전류를 공급하는 경우에는, 분위기 온도 등에 의해 약전 배터리의 전압이 변동되기 때문에, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 흐르게 하는 전류에 의한 난기 판정은, 확실성이 낮다고 생각할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 보다 안전성을 고려하여, DC/DC 컨버터(6)를 통해 애노드 압력 조절 밸브(36)에 전류를 공급하고 있다.
상술한 실시 형태에서는, 구체적으로 설명하지 않았지만, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 분위기 온도를 검출하기 위한 온도 센서(60)를 사용하여, 난기 완료의 판정을 행할 수도 있다. 즉, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기를 개시하면, 온도 센서(60)를 사용하여, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 분위기 온도를 계측하고, 그 분위기 온도가 소정 온도 이상으로 된 것을 조건으로 하여, 난기 종료를 판정해도 된다.
애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하기 위해 전류를 흐르게 하면, 내부의 솔레노이드 코일이 발열하여, 분위기 온도가 상승된다. 이 분위기 온도의 상승에 기초하여, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기의 완료를 판정해도 된다. 이 경우, 분위기 온도가 소정 온도 이상으로 될 뿐만 아니라, 예를 들어 난기 개시 전부터 일정 온도만큼 상승한 것에 의해, 난기의 종료를 판정할 수도 있다. 이에 의해, 전류값을 계측할 수 없는 상황에 있어서도, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 이상 발열을 확인할 수 있어, 그러한 상황의 발생을 방지할 수 있다.
상술한 실시 형태에서는, 구체적으로 설명하지 않았지만, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 분위기 온도를 검출하기 위한 온도 센서(60)를 사용하여, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기의 필요 여부를 판정하는 것으로 해도 된다. 이 경우, 온도 센서(60)에 의해, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 전의 온도를 검출하고, 검출한 분위기 온도가 소정 온도 미만인 경우에는, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기를 실시하도록 구성하면 된다. 이렇게 구성함으로써, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기가 필요없는 경우에는 그 난기를 실시하지 않음으로써, 연료 전지 시스템(100)의 전력을 불필요하게 사용하는 것을 방지할 수 있음과 함께, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 이 경우의 「소정 온도」는, 미리 실험 등에 의해 결정된다. 즉, 실험에 의해, 기동 시의 분위기 온도나 외기 온도와, 그 때의 솔레노이드 코일의 전기 저항, 제어 정밀도(오버슈트량)와의 관계를 취득하고, 허용되는 온도를 소정 온도로 하면 된다. 제어 정밀도를 고려하는 것은, 분위기 온도에 의해 솔레노이드 코일의 전기 저항이나 플런저의 미끄럼 이동 저항이 변화되고, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 개방도에 영향을 주기 때문이다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 분위기 온도를 검출하기 위한 온도 센서(60)를 설치하고 있지만, 외기 온도를 검출하는 외기온 센서나, 연료 전지 스택(1)을 냉각시키기 위한 냉각수 온도를 검출하는 냉각 수온 센서 등으로 대용해도 된다.
(제2 실시 형태)
이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서, 제1 실시 형태와의 상위점을 주로 설명한다. 또한, 연료 전지 시스템(100)의 전체 구성은 동일하므로, 도 1 및 도 2를 사용하여, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 동작에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 전술한 제1 실시 형태와 동일한 기능을 행하는 부분에는, 동일한 부호를 사용하여 중복되는 설명을 적절히 생략한다.
상기 제1 실시 형태에서는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 종료 후, 제1 배관(32) 내의 압력인 제1 배관 압력 P1을 통상 운전 시의 압력으로 상승시키지 않고, 시스템 기동 순서 내의 소정의 타이밍에서 실행하기로 하였다. 본 실시 형태에서는, 시스템 기동 처리에 있어서, 제1 배관(32) 내의 압력을 통상 운전 시의 압력으로 상승시키도록 구성하는 것이다.
도 15는, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 정지ㆍ기동 방법을 나타내는 타임 차트이다. 도 15의 (a) 내지 (c)는, 도 3의 (a) 내지 (c)와 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략한다. 도 15의 (f)는, 애노드 가스 밸브(35)의 개방도를 나타낸다. 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기를 행하지만, 그 난기의 종료 후에, 애노드 가스 밸브(35)를 밸브 개방하여, 제1 배관(32) 내의 압력인 제1 배관 압력 P1을 소정의 운전 압력까지 승압하고 있다. 이에 의해, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시간을 단축시킬 수 있음과 함께, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 의해 압력 조절 정밀도를 확보할 수 있다.
또한, 제1 실시 형태에서는 구체적으로 설명하지 않았지만, 고압 탱크(31) 내에 저장되어 있는 애노드 가스의 압력은, 예를 들어 70MPa(메가 파스칼) 정도이고, 애노드 가스 밸브(35)와 애노드 압력 조절 밸브(36)와의 사이의 제1 배관 압력 P1은, 예를 들어 2 내지 4MPa 정도이고, 애노드 압력 조절 밸브(36)에 의해 압력 조절되는 제2 배관 압력 P2는, 예를 들어 200kPa 정도이다.
이어서, 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 동작에 대하여 설명한다. 또한, 시스템 정지 처리에 대해서는, 도 5의 흐름도와 동일하기 때문에, 시스템 기동 처리만을 설명한다.
도 16은, 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도이다. 도 6의 흐름도와 동일한 스텝에는, 동일한 스텝 번호를 부여한다.
시스템 기동 처리에서는, 컨트롤러(10)는, 우선, 차량의 유저에 의해 이그니션 키가 ON되었는지 여부를 판정한다(스텝 S201). 이그니션 키가 ON되지 않았다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 이 시스템 기동 처리를 종료한다.
한편, 이그니션 키가 ON되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방한다(스텝 S202). 그리고, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하고 나서의 시간을 계측하고, 소정 시간이 경과되었는지 여부를 판정한다(스텝 S203). 컨트롤러(10)는, 소정 시간이 경과될 때까지 스텝 S203에서 대기한다.
소정 시간이 경과되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 폐쇄하고(스텝 S204), 애노드 압력 조절 밸브(36)의 완전 폐쇄 후에, 애노드 가스 밸브(35)를 밸브 개방한다(스텝 S301). 그리고, 컨트롤러(10)는, 제1 배관(32) 내의 압력인 제1 배관 압력 P1을 감시한다.
이어서, 컨트롤러(10)는, 제1 배관 압력 P1이 소정의 운전 압력 이상으로 되었는지 여부를 판정한다(스텝 S302). 컨트롤러(10)는, 제1 배관 압력 P1이 소정의 운전 압력 이상으로 될 때까지 스텝 S302에서 대기한다.
그리고, 제1 배관 압력 P1이 소정의 운전 압력 이상으로 되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 애노드 가스 밸브(35)를 밸브 폐쇄하고(스텝 S303), 연료 전지 스택(1)을 기동시키기 위한 기동 순서를 실행하고(스텝 S205), 이 시스템 기동 처리를 종료한다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 기동 순서에 대해서는, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 구성에 따라서, 공지된 방법으로 행하면 되므로, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은, 컨트롤러(10)가 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하고, 소정 시간 경과 후에 밸브 폐쇄하며, 그 후 애노드 가스 밸브(35)를 밸브 개방함으로써, 제1 배관 압력 P1을 소정의 운전 압력으로 설정하고, 애노드 가스 밸브(35)를 밸브 폐쇄한 후, 연료 전지 스택(1)의 기동을 실시하도록 구성하였다. 이에 의해, 상기 제1 실시 형태에 있어서의 효과 외에도, 제1 배관 압력 P1을 중압까지 승압함으로써, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 압력 조절 정밀도를 확보할 수 있다.
또한, 제1 배관(32) 내의 애노드 가스 압력이 낮은 그대로 연료 전지 스택(1)을 기동해버리면, 기동 시의 승압 속도가 느려져버리고, 애노드 가스 압력의 피드백 제어에 영향을 미칠 가능성이 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 후 빠르게 제1 배관 압력 P1을 중압까지 승압하는 것으로 하고 있다.
(제3 실시 형태)
이하, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해서, 제2 실시 형태와의 상위점을 주로 설명한다. 또한, 연료 전지 시스템(100)의 전체 구성은 동일하므로, 도 1 및 도 2를 사용하여, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 동작에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 전술한 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 동일한 기능을 하는 부분에는, 동일한 부호를 사용하여 중복되는 설명을 적절히 생략한다.
상기 제2 실시 형태에서는, 이그니션 키가 ON된 것을 확인하면, 연료 전지 스택(1)의 기동 전에 애노드 압력 조절 밸브(36)를 개폐함으로써, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 난기하고 있었다. 본 실시 형태에서는, 제1 배관 압력 P1을 확인하고, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기를 행할지 여부를 결정하도록 구성하고 있다.
본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 동작에 대하여 설명한다. 또한, 시스템 정지 처리에 대해서는, 도 5의 흐름도와 동일하기 때문에, 시스템 기동 처리만을 설명한다.
도 17은, 제3 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(10)에 의해 실행되는 시스템 기동 처리를 나타내는 흐름도이다. 도 6 및 도 16의 흐름도와 동일한 스텝에는, 동일한 스텝 번호를 부여하였다.
시스템 기동 처리에서는, 컨트롤러(10)는, 먼저, 차량의 유저에 의해 이그니션 키가 ON되었는지 여부를 판정한다(스텝 S201). 이그니션 키가 ON되지 않았다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 이 시스템 기동 처리를 종료한다.
한편, 이그니션 키가 ON되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 제1 배관 압력 센서(38)의 검출값에 기초하여, 제1 배관 압력 P1이 내구성 압력 미만인지 여부를 판정한다(스텝 S401). 제1 배관 압력 P1이 내구성 압력 미만이 아닌 경우, 즉, 제1 배관 압력 P1이 내구성 압력 이상인 경우에는, 그대로 애노드 압력 조절 밸브(36)를 난기하면, 연료 전지 스택(1)의 내구성을 악화시켜버릴 가능성이 있다. 그 때문에, 제1 배관 압력 P1이 내구성 압력 미만이 아니라고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 난기 NG 플래그를 ON으로 하여(스텝 S402), 연료 전지 스택 기동 처리를 실행하고(스텝 S205), 이 시스템 기동 처리를 종료한다.
또한, 상술한 제1 및 제2 실시 형태와 동일하게 도시를 생략하지만, 난기 NG 플래그가 ON으로 설정되어 있는 경우에는, 연료 전지 스택 기동 처리에서는, 컨트롤러(10)는, 압력 센서(39)에 의해 검출한 연료 전지 스택(1) 내의 애노드 가스 유로의 압력에 기초하는 시동 시의 목표 압력보다도 작은 목표 압력을 설정하고, 그 설정값에 따라서, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하도록 하면 된다. 이에 의해, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기를 행할 수 없지만, 연료 전지 스택(1)의 내구성을 악화시키는 것을 방지할 수 있다.
한편, 컨트롤러(10)는, 제1 배관 압력 P1이 내구성 압력 미만이라고 판정한 경우에는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방한다(스텝 S202). 그리고, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하고 나서의 시간을 계측하고, 소정 시간이 경과되었는지 여부를 판정한다(스텝 S203). 컨트롤러(10)는, 소정 시간이 경과될 때까지 스텝 S203에서 대기한다.
소정 시간이 경과되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 폐쇄하고(스텝 S204), 애노드 압력 조절 밸브(36)의 완전 폐쇄 후에, 애노드 가스 밸브(35)를 밸브 개방한다(스텝 S301). 그리고, 컨트롤러(10)는, 제1 배관(32) 내의 압력인 제1 배관 압력 P1을 감시한다.
이어서, 컨트롤러(10)는, 제1 배관 압력 P1이 소정의 운전 압력 이상으로 되었는지 여부를 판정한다(스텝 S302). 컨트롤러(10)는, 제1 배관 압력 P1이 소정의 운전 압력 이상으로 될 때까지 스텝 S302에서 대기한다.
그리고, 제1 배관 압력 P1이 소정의 운전 압력 이상으로 되었다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(10)는, 애노드 가스 밸브(35)를 밸브 폐쇄하고(스텝 S303), 연료 전지 스택(1)을 기동시키기 위한 기동 순서를 실행하고(스텝 S205), 이 시스템 기동 처리를 종료한다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 기동 순서에 대해서는, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 구성에 따라서, 공지된 방법으로 행하면 되므로, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 시스템(100)을 기동시키기 전의 제1 배관 압력 P1이 내구성 압력 이상인 경우에는, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 개방 밸브, 즉, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기를 실시하지 않도록 구성하였다. 특히, Fail 등으로 연료 전지 시스템(100)이 정지된 경우 등, 제1 배관 압력 P1이 소정 압력 이상으로 되어 있을 경우에는, 연료 전지 스택(1) 내의 각 전극이나 전해질막 등을 파손시킬 우려가 있다. 또한, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 밸브 개방하면, 애노드 가스와 잔류 가스와의 경계면(수소 프론트)이 연료 전지 스택(1) 내에 발생할 가능성도 있다. 본 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)을 이렇게 구성함으로써, 이들 문제가 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
(제4 실시 형태)
이하, 본 발명의 제4 실시 형태에 대해서, 제1 실시 형태와의 상위점을 주로 설명한다. 본 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)의 전체 구성이 상이하므로, 도 18을 사용하여, 연료 전지 시스템(100')의 구성을 설명한다. 도 18은, 제4 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100')의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시 형태에서는, 전술한 제1 실시 형태와 동일한 기능을 행하는 부분에는, 동일한 부호를 사용하여 중복되는 설명을 적절히 생략한다.
상기 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태에서는, 애노드 가스 비순환형 연료 전지 시스템에서 본 발명의 제어 방법을 실행하였다. 본 실시 형태에서는, 애노드 가스 순환형 연료 전지 시스템에 있어서 그것들의 제어 방법을 실행하기로 한다.
도 18은, 제4 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100')의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 도 18에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100')은, 애노드 가스 순환형 연료 전지 시스템이다.
애노드 가스 급배 장치(3)는, 연료 전지 스택(1)에 애노드 가스를 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 연료 전지 스택(1)으로 순환시키는 장치이다.
애노드 가스 급배 장치(3)는, 고압 탱크(31)와, 애노드 가스 공급 통로 상의 제1 배관(32) 및 제2 배관(33)과, 애노드 가스 순환 통로(40)와, 애노드 가스 밸브(35)와, 애노드 압력 조절 밸브(36)와, 퍼지 밸브(37)와, 이젝터(42)와, 애노드 순환 펌프(41)를 포함한다. 또한, 도시를 생략하지만, 애노드 가스 순환 통로(40) 상에는, 애노드 가스 순환 통로(40) 내의 애노드 오프 가스와, 전극 반응에 의해 발생한 수증기가 응축함으로써 생성되는 물(액수)을 분리하기 위한 기액 분리 장치가 설치된다.
애노드 가스 순환 통로(40)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 애노드 가스 공급 통로에 순환시키는 통로이다. 애노드 가스 순환 통로(40)의 일단부는, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 출구 구멍에 접속되고, 타단부는, 이젝터(42)의 흡인구에 접속된다.
이젝터(42)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)와 연료 전지 스택(1)과의 사이의 애노드 가스 공급 통로 상에 설치된다. 이젝터(42)는, 애노드 가스 공급 통로에 대하여 애노드 가스 순환 통로(40)가 합류되는 부분에 설치되는 기계식 펌프이다. 애노드 가스 공급 통로 상에 이젝터(42)를 설치함으로써, 간이한 구성으로 연료 전지 스택(1)에 애노드 오프 가스를 순환시킬 수 있다.
이젝터(42)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)로부터 공급되는 애노드 가스의 유속을 가속시켜 부압을 발생시킴으로써, 연료 전지 스택(1)으로부터의 애노드 오프 가스를 흡인한다. 이젝터(42)는, 애노드 압력 조절 밸브(36)로부터 공급되는 애노드 가스와 함께, 흡인한 애노드 오프 가스를 연료 전지 스택(1)에 토출한다.
이젝터(42)는, 예를 들어 애노드 압력 조절 밸브(36)로부터 연료 전지 스택(1)을 향해 개구를 좁게 한 원추 형상의 노즐과, 연료 전지 스택(1)으로부터 애노드 오프 가스를 흡인하는 흡인구를 구비한 디퓨저에 의해 구성된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 애노드 가스 공급 통로와 애노드 가스 순환 통로(40)의 합류 수단으로서 이젝터(42)를 사용했지만, 단순히 애노드 가스 공급 통로에 애노드 가스 순환 통로(40)를 합류시키는 것이어도 된다.
애노드 순환 펌프(41)는, 애노드 가스 순환 통로(40) 상에 설치된다. 애노드 순환 펌프(41)는, 이젝터(42)를 통해 연료 전지 스택(1)에 애노드 오프 가스를 순환시킨다. 애노드 순환 펌프(41)의 회전 속도는, 컨트롤러(10)에 의해 제어된다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)을 순환하는 애노드 오프 가스의 유량이 조정된다.
본 실시 형태에서는, 제2 배관(33) 및 애노드 가스 순환 통로(40)를 합한 제2 배관계의 체적과, 제1 배관(32) 내의 체적과의 체적비에 기초하여, 도 13에 도시한 바와 같은 그래프의 사선 부분의 A 영역이 되도록, 소정 압력을 결정하면 된다. 또한, B 영역의 소정 압력을 설정하는 것도 가능하지만, 애노드 압력 조절 밸브(36)의 난기 시에는, 이젝터(42)를 통해 애노드 가스 순환 통로(40)측에도 애노드 가스가 유입되는 것을 생각할 수 있다. 그 때문에, 실험 등에 의해 그 거동을 확인하여, B 영역을 설정하면 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제2 배관계의 체적이 그 나름대로 커지게 되므로, 애노드 가스 순환 통로(40)를 이용하는 것도 생각할 수 있다. 즉, 애노드 압력 조절 밸브(36)를 난기하기 위해 밸브 개방함과 동시에, 애노드 순환 펌프(41)를 기동시킴으로써, 적극적으로 잔류 가스와 애노드 가스를 혼합시켜, 애노드 가스와 잔류 가스와의 경계면(수소 프론트)을 없애도록 해도 된다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1) 내에 그 경계면이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 연료 전지 스택(1) 내의 각 전극이나 전해질막 등을 파손시키는 것을 방지할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100')에 있어서도, 상술한 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 시스템 정지 처리 및 시스템 기동 처리를 실행함으로써, 상술한 실시 형태와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지가 아니다. 또한, 제1 실시 형태의 일부를 생략해도 되고, 필요에 따라서, 상술한 실시 형태를 적절히 조합할 수 있다.

Claims (10)

  1. 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지에 공급하여 발전시키는 연료 전지 시스템이며,
    상기 연료 전지에 공급하는 애노드 가스를 고압에서 저장하는 고압 탱크와,
    상기 고압 탱크로부터 상기 연료 전지에 애노드 가스를 공급하기 위한 애노드 가스 공급 통로와,
    상기 애노드 가스 공급 통로 상에 설치되어, 연료 전지의 애노드 가스 압력을 조절하는 애노드 압력 조절 밸브와,
    상기 고압 탱크와 상기 애노드 압력 조절 밸브와의 사이에 설치되어, 해당 애노드 압력 조절 밸브의 원압을 조절하는 애노드 가스 밸브와,
    상기 연료 전지 시스템의 운전 상태에 기초하여, 상기 애노드 압력 조절 밸브 및 상기 애노드 가스 밸브의 개폐를 제어하는 밸브 제어부를
    구비하고,
    상기 밸브 제어부는, 상기 연료 전지 시스템을 정지시키기 전에, 상기 애노드 가스 공급 통로에 있어서의 상기 애노드 가스 밸브와 상기 애노드 압력 조절 밸브와의 사이의 제1 배관 내의 압력인 제1 배관 압력이 소정 압력 미만이 되도록, 상기 애노드 가스 밸브를 밸브 폐쇄한 후, 상기 애노드 압력 조절 밸브를 제어하고 나서, 상기 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 폐쇄하고,
    상기 밸브 제어부는, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에, 상기 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 개방하고,
    상기 소정 압력은, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에 있어서 상기 연료 전지의 내구성을 악화시키는 압력보다 작은,
    연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정 압력은, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에 상기 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 개방했을 때, 상기 제1 배관 내의 애노드 가스와, 상기 애노드 압력 조절 밸브 및 상기 연료 전지 사이의 제2 배관 내의 가스와의 경계면이 상기 연료 전지로부터 밖이 되는 압력인,
    연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 소정 압력은, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에 필요해지는 압력 이상인,
    연료 전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템의 기동 시에, 상기 애노드 압력 조절 밸브에 공급하는 전류 명령값은, 상기 애노드 압력 조절 밸브가 사용되는 사용 조건 중에서 가장 전기 저항이 작아지는 상황에 있어서도 상기 애노드 압력 조절 밸브의 보증 범위 내의 전류가 되는 명령값인,
    연료 전지 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 밸브 제어부는, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에, 상기 애노드 압력 조절 밸브에 전류를 공급하고, 소정 시간 경과되었을 때에 해당 전류의 공급을 종료하는,
    연료 전지 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 밸브 제어부는, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에, 상기 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 개방하고, 소정 시간 경과 후에 밸브 폐쇄하며, 그 후 상기 애노드 가스 밸브를 밸브 개방함으로써, 상기 제1 배관 압력을 소정의 운전 압력으로 설정하고, 상기 애노드 가스 밸브를 밸브 폐쇄한 후, 상기 연료 전지의 기동을 실시하는,
    연료 전지 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템을 기동시키기 전의 상기 제1 배관 압력이 상기 소정 압력 이상인 경우에는, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에, 상기 애노드 압력 조절 밸브의 개방 밸브를 실시하지 않는,
    연료 전지 시스템.
  9. 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지에 공급하여 발전시키는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    상기 연료 전지 시스템은,
    상기 연료 전지에 공급하는 애노드 가스를 고압에서 저장하는 고압 탱크와,
    상기 고압 탱크로부터 상기 연료 전지에 애노드 가스를 공급하기 위한 애노드 가스 공급 통로와,
    상기 애노드 가스 공급 통로 상에 설치되어, 연료 전지의 애노드 가스 압력을 조절하는 애노드 압력 조절 밸브와,
    상기 고압 탱크와 상기 애노드 압력 조절 밸브와의 사이에 설치되어, 해당 애노드 압력 조절 밸브의 원압을 조절하는 애노드 가스 밸브를
    구비하고,
    상기 제어 방법은,
    상기 연료 전지 시스템을 정지시키기 전에, 상기 애노드 가스 밸브를 밸브 폐쇄한 후, 상기 애노드 압력 조절 밸브에 의해, 상기 애노드 가스 공급 통로에 있어서의 상기 애노드 가스 밸브와 상기 애노드 압력 조절 밸브와의 사이의 제1 배관 내의 압력인 제1 배관 압력을 소정 압력으로 조절하고 나서, 상기 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 폐쇄하는 스텝과,
    상기 연료 전지 시스템의 기동 시에, 상기 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 개방하고 나서 밸브 폐쇄하는 스텝을
    포함하고,
    상기 소정 압력은, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에 있어서 상기 연료 전지의 내구성을 악화시키는 것을 억제하는 내구성 압력보다 작은,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  10. 삭제
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