KR20040045349A

KR20040045349A - 연료 전지 시스템 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20040045349A
Application number: KR1020030082938A
Authority: KR
Inventors: 후지따노부오; 호리오기미히데; 마쯔모또다다이찌; 요시다나오히로; 구리따겐지; 사까구찌신야; 모리히로아끼
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤; 가부시키가이샤 덴소; 가부시키가이샤 도요다 막스
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2004-06-01
Also published as: CN101154732A; CN100350662C; CN101154732B; EP1429409B1; JP2004172025A; US20080075992A1; KR100523197B1; CN1505194A; JP4179855B2; US20040106026A1; US7976999B2; US7354673B2; EP1429409A1

Abstract

연료 전지 시스템에 있어서, 시스템 기동 시에 소정 부위의 동결이 다양한 조건에 기초하여 검출된다. 동결이 검지된 경우, 시스템의 열화를 방지하기 위해 그 기동이 금지된다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 발전되는 연료 전지 시스템의 기동 제어에 관한 것이다.

최근 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 발전되는 연료 전지가 에너지원으로 주목받고 있다. 연료 전지로부터는 전기화학 반응에 의해 물이 생성된다. 일본 공개특허 공보 11-273705호 및 일본 공개특허 공보 2001-3561652호에서 참조하는 바와 같이, 이 생성된 물은 연료 전지 시스템 내부의 냉각에 사용되거나 배수관으로부터 외부로 배출되고 있었다.

이러한 연료 전지 시스템이, 외기 온도가 빙점 이하의 저온 하에 있고, 일정 시간 운전이 정지되면 시스템 내의 밸브, 펌프, 배관 등에 체류된 물이 동결되어 운전이 불가능하게 되거나 수명을 단축시킬 우려가 있다.

본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 연료 전지 시스템이 동결됨으로써 발생될 수 있는 폐해를 회피하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 실시예로서의 연료 전지 시스템의 구조를 나타낸 설명도이다.

도 2 는 제어 유닛의 입출력신호를 모식적으로 나타낸 설명도이다.

도 3 은 실시예에서의 동결 판정 처리를 설명하는 플로 차트이다.

도 4 는 실시예에서의 동결 시의 압력 변동을 나타낸 설명도이다.

도 5 는 실시예에서의 동결 시의 압력 변동을 나타낸 설명도이다.

도 6 은 실시예에서의 동결 시의 펌프 회전 수를 나타낸 설명도이다.

도 7 은 실시예에서의 동결시의 처리를 설명하는 플로 차트이다.

도 8 은 변형예에서의 동결 시의 밸브의 스텝 수를 나타낸 설명도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 연료 전지 스택 20 : 수소 탱크

21 : 셔트 밸브 22 : 레귤레이터

23 : 고압 밸브 24 : 저압 밸브

25 : 밸브 26 : 배출 밸브

27 : 조압 밸브 28 : 역지 밸브

32, 33, 35, 36, 37 : 배관

34 : 배출관 38 : 라디에이터

40 : 필터 41 : 콤프레서

42 : 가습기 43 : 머플러

44 : 희석기 45 : 수소 펌프

46 : 펌프 47 : 히터

51, 53, 54 : 압력 센서 60 : 디스플레이

100 : 제어 유닛 101 : 액셀 개도 센서

102 : 온도 센서 103 : 온도 센서

200 : 압력치 201, 202 : 압력치

300 : 회전 지령치 301 : 실측치

210, 211 : 압력치 400, 401 : 스텝 수

상기 기술한 과제의 적어도 하나를 해결하기 위해, 본 발명의 제 1 태양으로서 이하에 나타낸 구성을 구비한 연료 전지 시스템을 제공한다. 즉 본 발명의 연료 전지 시스템은 연료 전지, 발전에 사용되는 가스를, 이 연료 전지에 급배하는 가스 급배부, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에 이 가스 급배부를 포함한 소정 부위의 동결을 판정하고, 상기 가스 급배부의 적어도 일부에 대해 동결이 검출된 경우에는 상기 연료 전지 시스템의 기동을 금지시키는 제어수단을 구비하는 것을 요지로 한다. 가스 급배부는 수소 등의 연료 가스가 통과하는 배관, 연료 가스의 통과량을 조절하는 밸브, 연료 가스 가압용의 펌프 등을 들 수 있다.

상기 제 1 태양에 의하면 연료 전지 시스템의 기동 전에 가스 급배에 관련되는 부위의 동결을 검출하여 시스템의 기동을 금지시킬 수 있기 때문에, 동결되었을 때 연료 전지를 무리하게 발전시킴에 따른 열화를 방지함과 동시에 시스템 이상의 발생을 회피할 수 있다.

또한 상기 연료 전지 시스템에서, 예를 들어 온도 센서 등의 온도 측정 수단을 구비하고, 측정된 온도가 소정치 이하인 경우에는 시스템 내부에 동결되어 있는 부위가 존재하는 것으로 판정하는 것은 바람직하다. 이렇게 하면 간단히 동결을 검출할 수 있다. 온도 측정 수단에 의해, 예를 들어 외기 온도, 연료 가스, 냉각수 등을 검지할 수 있다. 또한 온도가 소정치 이상인 경우에는 동결 판정 처리를 실시하지 않는 것으로 해도 된다. 이렇게 하면 연료 전지 시스템의 기동이 지연되는 것을 방지할 수 있다.

또한 상기 연료 전지 시스템에서, 예를 들어 압력 센서 등의 압력 측정 수단을 구비하고, 측정된 압력에 기초하여 동결을 검출하는 것은 바람직하다. 예를 들어 가스의 급배량을 조절하는 밸브를 열은 경우, 소정 시간 경과 후 측정된 압력치가 소정치 이하인 경우, 이러한 밸브를 포함한 가스 급배의 경로 상에 있는 밸브가 적어도 하나는 동결되어 있는 것으로 판정하는 것으로 해도 된다. 또한 밸브의 개폐 시에 측정되는 압력 변동이 소정치 이하인 경우, 이러한 밸브가 동결되어 있는 것으로 판정하는 것으로 해도 있다. 또한 압력 변동의 비율에 의해 동결, 반동결을 구별할 수도 있다. 반동결은 완전히 동결되어 있지 않기 때문에 밸브는 동작되지만 정상적으로는 동작하지 않는 상태를 나타낸다. 이렇게 함으로써, 조작되는 밸브와 압력 센서의 설치위치에 기초하여 연료 전지 시스템 내의 상세한 동결 부위 및 동결 상태를 검출할 수 있다.

나아가 상기 연료 전지 시스템에서, 가스 급배를 실시하기 위해 예를 들어 가압 펌프 등의 전동 부품을 구비하고, 전동 부품에 공급되는 전력에 기초하여 시스템의 동결을 판정하는 것은 바람직하다. 예를 들어 공급된 전력에 의해 전동 부품이 구동해야 할 구동 지령치와 구동 시의 실측치 간에 소정 편차가 있는 경우, 이러한 전동 부품이 동결되어 있는 것으로 판정하는 것으로 해도 된다. 이렇게 함으로써 연료 전지 시스템 내의 전동 부품의 어느 것이 동결되어 있는지를 판정할 수 있다. 또한 편차에 기초하여 동결 정도를 검출할 수도 있다.

또한 본 발명의 연료 전지 시스템에서, 가스 급배에 관련되는 부위 이외의 부위가 동결되어 있는 경우에는, 연료 전지 시스템을 기동시키고, 발전에 의한 전력 및 열의 적어도 일방을 이용하여 동결되어 있는 부위를 해동하는 것으로 할 수도 있다. 이러한 경우에는 연료 전지 시스템의 열화 방지 관점에서, 동결 부위의 해동 종료까지 다른 여러 기능의 동작을 금지시키고 해동 종료 후에 허가하는 것으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적, 특징, 및 이점이, 유사한 요소를 유사한 번호로 표현하는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시형태의 아래의 설명으로부터 명백할 것이다.

도 1 은 실시예로서의 연료 전지 시스템의 전체 구성을 나타낸 설명도이다. 실시예의 연료 전지 시스템은 모터에 의해 구동되는 전기 차량에 전원으로서 탑재되어 있다. 운전자가 액셀을 조작하면 발전이 이루어지고, 그 전력에 의해 차량은 주행할 수 있다. 실시예의 연료 전지 시스템은 차량에 탑재될 필요가 없이 거치형 등 다양하게 구성될 수 있다.

연료 전지 스택 (10) 은 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 발전되는 셀의 적층체이다. 각 셀은 전해질막을 사이에 두고 수소극 (이하, 애노드라고 함)과 산소극 (이하 캐소드라고 함) 을 배치한 구성으로 되어 있다. 본 실시예에서는 나피온 (등록상표) 등의 고체 고분자막을 전해질막으로 이용하는 고체 고분자형의 셀을 사용하는 것으로 하였으나, 이에 한정되지 않고 여러 타입을 이용할 수 있다.

연료 전지 스택 (10) 의 캐소드에는 산소를 함유한 가스로서 압축 공기가 공급된다. 공기는 필터 (40) 로부터 흡입되고 콤프레서 (41) 에 의해 압축된 후, 가습기 (42) 에 의해 가습되고 배관 (35) 을 통해 연료 전지 스택 (10) 에 공급된다. 배관 (35) 에는 흡기 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (102) 가 설치되어 있다. 캐소드로부터의 배기 (이하 캐소드 옵 가스라고 함) 는 배관 (36), 머플러 (43) 를 통해 외부로 배출된다. 공기의 공급압은 배관 (36) 에 설치된 압력 센서 (53) 에 의해 검출되고 조압 (調壓) 밸브 (27) 의 개도에 의해 제어된다.

연료 전지 스택 (10) 의 애노드에는 배관 (32) 을 통해 수소 탱크 (20) 에 저장된 고압 수소로부터 수소가 공급된다. 수소 탱크 (20) 대신에 알코올, 탄화 수소, 알데히드 등을 원료로 하는 개질 반응에 의해 수소를 생성시켜 애노드에 공급하는 것으로 해도 있다.

수소 탱크 (20) 에 고압으로 저장된 수소는, 그 출구에 형성된 셔트 밸브 (21), 레귤레이터 (22), 고압 밸브 (23), 저압 밸브 (24) 에 의해 압력 및 공급량이 조정되어 애노드로 공급된다. 애노드로부터의 배기 (이하 애노드 옵 가스라고 함) 는 배관 (33) 으로 유출된다. 애노드의 출구에는 압력 센서 (51) 및 밸브 (25) 가 설치되어 있고, 애노드로의 공급 압력 및 양을 제어하는 데 이용된다.

배관 (33) 은 도중에서 두 갈래로 분기되는데, 일방은 애노드 옵 가스를 외부로 배출하기 위한 배출관 (34) 에 접속되고, 타방은 역지 밸브 (28) 를 통해 배관 (32) 에 접속된다. 연료 전지 스택 (10) 에서의 발전에 의해 수소가 소비되는 결과, 애노드 옵 가스의 압력은 비교적 낮은 상태로 되어 있기 때문에, 배관 (33) 에는 애노드 옵 가스를 가압하기 위한 수소 펌프 (45) 와, 수소 펌프 (45) 의 출구 근방의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 (54) 가 설치되어 있다.

배출관 (34) 에 설치된 배출 밸브 (26) 가 닫혀 있는 동안, 애노드 옵 가스는 배관 (32) 을 통해 다시 연료 전지 스택 (10) 으로 순환된다. 애노드 옵 가스에는 발전 시에 소비되지 않은 수소가 잔류하기 때문에, 이렇게 순환시킴으로써 수소를 유효하게 활용할 수 있다.

애노드 옵 가스의 순환 중에 수소는 발전에 사용되는 한편, 수소 이외의 불순물, 예를 들어 캐소드로부터의 전해질막을 투과해온 질소 등은 소비되지 않고 잔류하기 때문에 불순물의 농도가 서서히 증대된다. 이 상태에서 배출 밸브 (26) 가 열리면 애노드 옵 가스는 배출관 (34) 을 통과하고, 희석기 (44) 에서 공기에 의해 희석된 후 외부로 배출되어 불순물의 순환량이 저감된다. 단, 이때 수소도 동시에 배출되므로 배출 밸브 (26) 의 열림량은 최대한 억제하는 것이 연비 향상의 관점에서 바람직하다. 배출 밸브 (26) 근방에는 배출 밸브 (26) 가 동결되었을 경우 해동하기 위한 히터 (47) 가 구비되어 있다. 히터 (47) 는 연료 전지 스택 (10) 에서 발전된 전력이나 발전에 의해 발생되는 열을 사용하여 해동한다.

연료 전지 스택 (10) 에는 수소 및 산소 외에 냉각수도 공급된다. 냉각수는 펌프 (46) 에 의해 냉각용의 배관 (37) 을 흐르고 라디에이터 (38) 에 의해 냉각되어 연료 전지 스택 (10) 에 공급된다. 연료 전지 스택 (10) 으로부터의 출구에는 냉각수의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (103) 가 설치되어 있다.

도 2 는 연료 전지 시스템의 운전을 제어하는 제어 유닛 (100) 을 나타낸 설명도이다. 제어 유닛 (100) 은 내부에 CPU, RAM, ROM 을 구비한 마이크로 컴퓨터로 구성되고, ROM 에 기억된 프로그램에 따라 시스템의 운전을 제어한다. 도면 중에서 이 제어를 실현하기 위해 제어 유닛 (100) 에 입출력되는 주요 신호를 실선으로 표시하였다. 입력으로는 온도 센서 (102), 압력 센서 (51), 압력 센서 (53), 압력 센서 (54), 액셀 개도 센서 (101) 의 제어 신호를 들 수 있다. 액셀 개도 센서 (101) 에 의해 검출된 조작량에 따라서 발전이 이루어지고, 그 전력에 의해 차량은 주행할 수 있다. 출력으로는 예를 들어 셔트 밸브 (21), 배출 밸브 (26), 콤프레서 (41), 수소 펌프 (45), 히터 (47), 디스플레이 (60) 를 들 수 있다. 디스플레이 (60) 에는 동결시의 처리를 실시할 때에 연료 전지 시스템의 기동 금지나 해동 처리 중이라는 등의 사용자에 대한 통지 정보가 표시된다.

도 3 은 동결 판정 처리의 플로 차트이다. 운전자의 연료 전지 시스템의 기동 조작에 따라 제어 유닛 (100) 이 실행되는 처리이다.

이 처리가 개시되면, 제어 유닛 (100) 은 셔트 밸브 (21), 레귤레이터 (22), 고압 밸브 (23), 저압 밸브 (24) 를 열고, 수소 탱크 (20) 로부터 배관 (32) 을 통해 연료 전지 스택 (10) 으로 수소를 송출한다 (스텝 S10). 다음으로 온도 센서 (102) 로부터 외기 온도를 판독한다 (스텝 S11).

온도 센서 (102) 에서 측정된 외기 온도가 소정치 이상인 경우 (스텝 S12), 연료 전지 시스템 내에 동결 부분은 존재하지 않는 것으로 판단하여 통상의 시스템 기동처리를 실시한다 (스텝 S16). 또한 온도 센서 (102) 가 측정한 외기 온도의 이력을 참조하여 동결을 판단하는 것으로 해도 된다. 소정치는 적어도 물의 응고점보다는 높고 또한 동결 가능성이 있는 온도인 것으로 한다.

외기 온도가 소정치 이상이 아닌 경우 (스텝 S12), 연료 전지 시스템 내의 부품이 동결되어 있는 것으로 판단하여 동결 판정 처리를 실시한다 (스텝 S13). 본 실시예에서는 5 개의 부품을 조작하고, 각 부품의 조작 후에 측정되는 소정 파라미터의 측정치에 기초하여 6 항목의 조건으로 동결을 판정하는 것으로 하였다.

도면 중의 스텝 S13 내에 나타낸 일람표를 따라서 설명한다. 제어 유닛 (100) 은 조건 번호 1 에 나타낸 바와 같이, 셔트 밸브 (21) 를 연 상태에서 소정 시간 경과 후에 압력 센서 (51) 에 의해 압력을 측정한다. 동결되지 않은 경우에는 수소 가스가 공급되어 압력이 상승된다. 따라서 제어 유닛 (100) 은 측정된 압력치가 상승하지 않고 소정치 이하인 경우에 동결되어 있는 것으로 판정한다. 이러한 경우에 동결되어 있을 가능성이 있는 부품으로는 예를 들어 셔트 밸브 (21), 레귤레이터 (22), 고압 밸브 (23), 저압 밸브 (24) 등을 들 수 있다.

다음으로 제어 유닛 (100) 은 조건 번호 2 에 나타낸 바와 같이, 배출 밸브 (26) 를 열고, 배출관 (34) 을 통해 희석기 (44) 를 통과시켜 애노드 옵 가스를 외부로 배출하고, 배출 밸브 (26) 근변의 압력을 저하시키는 처리를 실시한다.그리고 압력 센서 (54) 에 의해 배출 밸브 (26) 를 연 후 소정 시간 경과 후의 압력치를 측정한다. 측정된 압력치가 소정치 이상인 경우 동결되어 있는 것으로 판정한다. 이러한 경우에 동결되어 있을 가능성이 있는 부품으로는 예를 들어 배출 밸브 (26), 배출관 (34) 등을 들 수 있다.

도 4A 내지 4C 에 배출 밸브를 연 후의 압력 변동과 동결 상태의 관계를 표시한 그래프를 나타낸다. 도 4A 는 정상 시 (비동결 시) 의 압력 변동을 표시한 그래프이고, 도 4B 는 반동결 시의 압력 변동을 표시한 그래프이며, 도 4C 는 동결 시의 압력 변동을 표시한 그래프이다. 각 그래프에서 화살표는 시각 t1 에서 배출 밸브 (26) 를 열고, 소정 시간 Δt 경과 후까지 압력 센서 (54) 에서 측정된 압력 변동을 나타내고 있다. 종축이 압력치이고, 횡축이 경과 시간이다.

도 4A 에 나타낸 바와 같이, 정상 시에서는 압력치 200 은 배출 밸브 (26) 가 열림과 동시에 내려가기 시작하여 A 이었던 압력치가 C 까지 저하되어 안정된다. 이것은 배출 밸브 (26) 가 열리고 애노드 옵 가스가 배출관 (34) 을 통해 외부로 배출되었기 때문이다. 또한 도 4B 에 나타낸 바와 같이, 반동결 시에서는 압력치 201 은 배출 밸브 (26) 가 열림과 동시에 내려가기 시작하나, A 이었던 압력은 C 까지 저하되지 않고 B 에서 안정된다. 이것은 배출 밸브 (26) 가 반동결이기 때문으로, 도중까지밖에 배출 밸브 (26) 를 열 수 없어 외부로 배출되는 애노드 옵 가스의 양이 정상 시에 비해 적기 때문이다. 또한 도 4C 에 나타낸 바와 같이, 동결 시에는 압력치 202 는 A 에서 변동이 없다. 이것은 제어 유닛 (100) 이 배출 밸브 (26) 를 열도록 제어 신호를 송출해도 배출 밸브 (26) 가 동결되어 있기 때문에 열리지 않고, 애노드 옵 가스가 외부로 배출되지 않기 때문이다. 이렇게 배출 밸브 (26) 를 열고 소정 시간 경과 후의 압력치에 의해 동결을 판정할 수 있다.

도 3 의 스텝 S13 으로 돌아와 설명을 계속한다. 제어 유닛 (100) 은 조건 번호 3 에 나타낸 바와 같이, 배출 밸브 (26) 를 닫고 애노드 옵 가스를 외부로 배출하는 것을 정지시켜 압력을 상승시키는 처리를 실행한다. 그리고 압력 센서 (54) 에 의해 배출 밸브 (26) 를 닫은 후 소정 시간 경과 후의 압력치를 측정한다. 측정된 압력치가 소정치 이하인 경우, 배출 밸브 (26) 가 닫히지 않는 것이 원인으로 판단하고 동결되어 있는 것으로 판정한다. 이러한 경우에 동결되어 있을 가능성이 있는 부품으로는 예를 들어 배출 밸브 (26) 를 들 수 있다.

도 5A 내지 도 5C 에 배출 밸브를 닫은 후의 압력 변동과 동결 상태의 관계를 표시한 그래프를 나타낸다. 도 5A 는 정상 시 (비동결 시) 의 압력 변동을 표시한 그래프이고, 도 5B 는 반동결 시의 압력 변동을 표시한 그래프이며, 도 5C 는 동결 시의 압력 변동을 표시한 그래프이다. 각 그래프에서 화살표는 시각 t2 에서 배출 밸브 (26) 를 닫고, 소정 시간 Δ경과 후까지 압력 센서 (54) 에 의해 측정된 압력 변동을 나타내고 있다. 종축이 압력치이고, 횡축이 경과 시간이다. 본 실시예에서는 조건 번호 2 의 처리 결과가 정상 시인 경우에만 그 처리 후에 조건 번호 3 의 처리를 실행하는 것으로 한다.

도 5A 에 나타낸 바와 같이, 정상 시에서는, 압력치 210 은 배출 밸브 (26) 가 닫힘과 동시에 올라가기 시작하여 C 이었던 압력치가 A 까지 상승되어 안정된다. 이것은 배출 밸브 (26) 가 닫히고, 애노드 옵 가스가 외부로 배출되지 않게 된 때문이다. 또한 도 5B 에 나타낸 바와 같이, 반동결 시에서는, 압력치 211 는 배출 밸브 (26) 가 닫힘과 동시에 올라가기 시작하나, C 이었던 압력은 A 까지 상승하지 않고 D 에서 상승이 정지되고 안정된다. 여기에서 말하는 반동결이란 정상 시와 마찬가지로 닫을 수 있었으나 얼음의 고착 등에 의해 도중까지밖에 닫을 수 없게 된 상태를 말한다. 그래서 애노드 옵 가스가 외부로 배출되어 정상 시에 비해 압력 상승량이 적은 것이다. 또한 도 5C 에 나타낸 바와 같이, 동결 시에서는 압력치 212 는 C 에서 약간 상승하여 E 가 되나 거의 C 와 같다. 이것은 도 5B 에서 설명한 반동결 시와 마찬가지로 배출 밸브 (26) 의 개폐부에 얼음이 고착되고, 제어 유닛 (100) 이 배출 밸브 (26) 를 닫도록 제어 신호를 송출해도 배출 밸브 (26) 는 닫을 수 없기 때문에 애노드 옵 가스가 외부로 배출되어 압력이 거의 상승되지 않기 때문이다. 이렇게 배출 밸브 (26) 를 닫고 소정 시간 경과 후의 압력치에 의해 동결을 판정할 수 있다.

도 3 의 스텝 S13 으로 돌아와 설명을 계속한다. 제어 유닛 (100) 은 조건 번호 4 에 나타낸 바와 같이, 수소 펌프 (45) 를 기동시켜 애노드 옵 가스를 가압하는 처리를 실시한다. 그리고 제어 유닛 (100) 은 수소 펌프 (45) 에 송출한 회전 지령치와, 실제로 측정된 회전 수 사이에 소정 편차가 있는 경우에는 동결되어 있는 것으로 판정한다. 이러한 경우에 동결되어 있을 가능성이 있는 부품은 예를 들어 수소 펌프 (45) 를 들 수 있다. 도 6 에 수소 펌프 (45) 의 회전 수와 동결 관계를 표시한 그래프를 나타낸다.

도 6 은 제어 유닛 (100) 이 수소 펌프 (45) 의 기동 지시를 실시한 후, 시간 t3 경과 후까지의 회전 수 변화를 표시한 그래프이다. 종축이 회전 수, 횡축이 경과 시간을 나타낸다. 도면 중의 회전 지령치 (300) 는 제어 유닛 (100) 이 수소 펌프 (45) 에 송출하는 지령 수를 나타내고, 실측치 (301) 는 수소 펌프 (45) 의 실제 회전 수를 나타낸다. 도시한 바와 같이 제어 유닛 (100) 은 시간 t3 경과 후에는 회전 수가 A 가 되도록 회전 지령치 (30) 를 송출하고 있음에도 불구하고, 동결 시에는 실측치 (301) 에 나타낸 바와 같이 시간 t3 경과 후의 실제 회전 수가 B 이다. 이것은 수소 펌프 (45) 가 동결되어 있고, 부착된 얼음이 회전을 저해하고 있기 때문이다. 따라서 ΔR 에 기초하여 동결을 판정할 수 있다.

도 3 의 스텝 S13 으로 돌아와 설명을 계속한다. 조건 번호 5 에서, 조작대상은 조건 번호 4 와 동일하게 수소 펌프이나, 조건 번호 4 의 경우와는 별도의 판정 조건에 의해 동결을 판정한다. 즉 제어 유닛 (100) 은 수소 펌프 (45) 를 기동시켜 애노드 옵 가스를 가압 처리하고, 가압 후의 수소 펌프 (45) 의 입구압과 출구압에 기초하여 동결을 판정한다. 제어 유닛 (100) 은 압력 센서 (51) 에 의해 수소 펌프 (45) 의 입구압을 측정함과 동시에, 압력 센서 (54) 에 의해 수소 펌프 (45) 의 출구압을 측정한다. 측정된 입구압과 출구압에 소정치 이상의 차가 있는 경우 동결되어 있는 것으로 판정한다. 이런 경우에 동결되어 있을 가능성이 있는 부품은 예를 들어 역지 밸브 (28) 를 들 수 있다. 이것은 정상 시 (비동결 시) 에는 수소 펌프 (45) 에 의해 가압된 애노드 옵 가스가 역지 밸브(28) 에 의해 배관 (32) 으로 흐르도록 조절되는데, 역지 밸브 (28) 가 동결되어 있는 경우에는 애노드 옵 가스가 배관 (32) 으로 흐르지 않아 수소 펌프 (45) 의 출구압이 높아지기 때문이다.

다음으로 조건 번호 6 에 나타낸 바와 같이, 콤프레서 (41) 를 기동시켜 연료 전지 스택 (10) 으로 압축 공기를 송출하고, 압력 센서 (53) 를 제어하여 공기의 공급압을 측정한다. 측정된 압력이 소정치 이상인 경우 동결되어 있는 것으로 판정한다. 이런 경우 동결되어 있을 가능성이 있는 부품으로는 예를 들어 조압 밸브 (27) 를 들 수 있다. 조압 밸브 (27) 는 배관 (36) 을 통과하는 공기의 공급압을 적절한 값이 되도록 조절하는 기능을 수행한다. 압력 센서 (53) 에서 측정되는 압력치가 소정치 이상이라는 것은 조압 밸브 (27) 가 동결되어 있어 공급압이 적절하게 조절되지 않기 때문이다.

이상에서 설명한 여러 동결 판정 처리를 실시하고, 연료 전지 시스템 내의 부품에 동결이 검출되지 않은 경우 (스텝 S14) 에 통상의 시스템 기동 처리를 실시한다 (스텝 S16). 동결이 검출된 경우 (스텝 S14) 에 동결시의 처리를 실시한다 (스텝 S15). 동결시의 처리에 대해서는 후술하기로 한다.

도 7 은 연료 전지 시스템의 동결시의 처리의 플로 차트이다. 도 3 의 스텝 S15 에서 실시되는 처리로서, 제어 유닛 (100) 이 실시하는 처리이다. 도 3 의 스텝 S14 에서 연료 전지 시스템 내의 어느 부품이 동결되어 있는 것으로 판정된 경우, 동결되어 있는 부품이 배출 밸브 (26) 뿐인지의 여부를 판정한다 (스텝 S20).

배출 밸브 (26) 만 동결되어 있는 경우, 수소의 순환계에, 질소 등의 불순물 농도가 높아지기까지는 연료 전지 스택 (10) 에 대한 공기 및 수소의 공급에는 영향이 없기 때문에 연료 전지 시스템을 기동시키고 (스텝 S23), 발전된 전력을 사용하여 히터 (47) 를 기동시켜 (스텝 S24) 배출 밸브 (26) 를 해동한다. 해동 처리에는 연료 전지 시스템의 발전에 의해 발생되는 열을 함께 사용하는 것으로 해도 된다. 제어 유닛 (100) 은 도시하는 바와 같이 해동 처리 중이라는 것을 디스플레이 (60) 를 통해 사용자에게 통지한다 (스텝 S25).

배출 밸브 (26) 이외의 부품이 동결되어 있는 경우에는, 도 3 의 스텝 S10 에서 열은 셔트 밸브 (21) 를 닫아 수소의 공급을 정지시키고 (스텝 S21), 도시한 바와 같이 시스템이 기동 금지인 것을 디스플레이 (60) 를 통해 사용자에게 통지하여 (스텝 S22) 시스템을 기동 금지로 한다. 이것은 배출 밸브 (26) 이외의 부품이 동결되어 있는 경우, 연료 전지 스택 (10) 에 대한 공기 및 수소의 공급에 영향이 있기 때문이며, 그대로 시스템을 기동시킬 경우 시스템 열화의 우려가 높은 점에서 시스템을 기동 금지로 하는 것이 바람직하기 때문이다.

이상에서 설명한 실시예의 연료 전지 시스템에 의하면, 기동시키기 전에 시스템 내부의 부품에 동결되어 있는 부분이 존재하는 것을 확인할 수 있고, 동결되어 있는 부품에 의해 연료 전지 시스템의 기동을 제어함으로써 시스템의 열화를 회피할 수 있다. 또한 동결 판정의 전제로서 외기의 온도를 측정하고, 동결 우려가 없는 온도인 경우에는 동결 판단을 실시하지 않고 시스템을 기동시킴으로써 시스템의 기동 지연을 회피할 수 있다. 나아가 동결시의 처리에 관한 정보를 디스플레이를 통해 사용자에게 통지함으로써, 사용자는 시스템 고장이 아니라는 것을 인식할 수 있기 때문에 편리성의 향상을 도모할 수 있다.

본 실시예에서는 셔트 밸브 (21) 나 배출 밸브 (26) 등의 밸브에 관한 동결 판정에 있어서, 각 지점에 설치되어 있는 압력 센서에 의해 측정되는 압력치에 기초하여 동결을 판정하는 것으로 하였으나 여기에 한정되지 않는다. 별도의 판정 조건으로서 예를 들어 밸브를 여는 경우의, 스텝 수에 의해 판정하는 것으로 해도 된다. 도 8 에 동결과 밸브를 열 때의 스텝 수의 관계를 나타냈다. 스텝 수 400 은 정상 시 (비동결 시) 의 스텝 수를 나타내고, 스텝 수 401 은 동결 시의 스텝 수를 나타낸다. 스텝 「5」가 밸브의 최대 개도일 때, 정상 시에는 스텝 수 400 에 나타낸 바와 같이 단계적으로 1 스텝씩 연다. 이에 대해 동결 시에는 스텝 수 401 에 나타낸 바와 같이 도중에서 스텝 수가 상승하지 않게 된다 (본 변형예에서는 스텝「2」에서 상승이 정지됨). 이것은 동결로 인해 밸브가 그 이상 열리지 않게 되기 때문이다. 이렇게 함으로써도 간단히 동결을 검출할 수 있다.

본 실시예에서는 배출 밸브 (26) 만 동결되었을 때에는 연료 전지 시스템을 기동시키고, 발전에 의해 얻어진 전력 및 열을 사용하여 배출 밸브 (26) 를 해동하는 것으로 하였으나, 사전에 설치된 배터리를 병용하여 해동하는 것으로 해도 된다.

본 실시예에서는 도 7 의 스텝 S20 에 나타낸 바와 같이, 동결되어 있는 부품이 배출 밸브 (26) 뿐인지의 여부를 판단하는 것으로 하였으나, 이렇게 하지 않고 어떠한 부품이 동결되어 있어도 연료 전지 시스템의 기동을 금지하는 것으로 해도 된다. 이러한 경우에는 히터를 연료 전지 시스템의 구성 요소에서 제외시킬 수도 있다.

본 실시예에서는 동결시의 처리 중에 디스플레이를 통해 사용자에게 동결시의 처리에 관한 정보를 통지하는 것으로 하였으나, 여기에 한정되지 않는다. 음성에 의해 통지하는 것으로 해도 된다.

본 실시예에서 도 3 의 스텝 S13 에 열거한 동결 판정 처리는 기재된 순서에 한정되지 않으며, 어느 순서에서 실시해도 된다. 또한 기재된 전부를 실시할 필요는 없고 일부의 판정을 실시하기만 해도 된다.

또한 연료 전지 시스템의 동결에 관계 없이, 센싱하고 있는 밸브의 센서 및 모터의 전력치에 이상이 발견된 경우에도 시스템의 기동을 금지하는 것으로 해도 된다.

이상으로 본 발명의 여러 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 구성을 채택할 수 있는 것은 물론이다. 예를 들어 상기 기술한 제어 처리는 소프트웨어에 의하지 않고 하드웨어적으로 실현해도 관계 없다.

본 발명은 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 발전되는 연료 전지 시스템의 기동 제어에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 연료 전지 시스템이 동결됨으로써 발생될 수 있는 폐해를 회피할 수 있다.

Claims

연료 전지, 발전에 사용되는 가스를 연료 전지에 급배하는 가스 급배부 및 작동을 제어하는 제어수단을 구비한 연료 전지 시스템으로서,

상기 제어수단은 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에, 가스 급배부를 포함한 소정 부위의 동결을 판정하고, 상기 가스 급배부의 적어도 일부에 대해 동결이 검출된 경우에는 상기 연료 전지 시스템의 기동을 금지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

연료 전지 시스템의 적어도 일부 부위에서 온도를 측정하는 온도 측정 수단을 추가로 구비하고,

상기 제어수단은, 상기 온도 측정 수단에 의해 측정된 온도가 소정치 이하인 경우에 동결로 판정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 가스 급배부의 압력을 측정하는 압력 측정 수단을 추가로 구비하고,

상기 제어수단은, 상기 압력 측정 수단에 의해 측정된 압력에 기초하여 동결을 판정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 제어수단은, 상기 압력 측정 수단에 의해 측정된 압력이 소정 범위 외인 경우 동결되어 있는 것으로 판정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 가스 급배부에 설치된 상기 급배의 양을 조절하는 조절기구를 추가로 구비하고,

상기 제어수단은, 상기 조절기구의 작동 시에 상기 압력 측정 수단에 의해 측정되는 압력 변동에 기초하여 동결을 판정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

연료 전지 시스템에 설치된 상기 가스 급배부의 가스 급배를 실시하기 위한 전동 부품을 추가로 구비하고,

상기 제어수단은, 상기 전동 부품에 공급되는 전력에 기초하여 동결을 판정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

연료 전지 시스템에 설치된 상기 가스 급배부의 가스 급배를 실시하기 위한전동 부품을 추가로 구비하고,

상기 제어수단은, 상기 전동 부품에 공급된 전력에 의해, 상기 전동 부품의 구동 지령치와, 구동 시의 실측치의 비교에 기초하여 동결을 판정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

동결된 연료 전지 시스템의 부위를 해동하는 해동수단을 추가로 구비하고,

상기 제어수단은, 동결되어 있는 상기 연료 전지 시스템의 부위가, 상기 가스 급배부를 제외한 소정 부위뿐인 것으로 판정한 경우에는, 시스템의 기동을 허가하여 상기 해동수단을 제어하고, 상기 기동에 의해 발전된 전력 및 열 중 적어도 일방을 이용하여 상기 동결 부위를 해동하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어수단에 의해 이루어지는 동결 판정 처리에 관한 정보, 또는 동결 처리의 결과에 기초하여 선택되는 정보 중 적어도 일방을 사용자에게 통지하는 통지수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 통지수단은 상기 정보를 스크린 상에 표시하여 사용자에게 통지하는 표시수단인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 통지수단은 상기 정보를 음성안내로써 사용자에게 통지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 가스 급배부는 밸브이고, 상기 제어수단은 상기 밸브의 개동작 시의 스텝 수에 기초하여 상기 동결 판정을 실시하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

동결된 연료 전지 시스템의 부위를 해동하는 해동수단 및 배터리를 추가로 구비하고,

상기 제어수단은, 동결되어 있는 상기 연료 전지 시스템의 부위가 상기 가스 급배부를 제외한 소정 부위뿐인 것으로 판정한 경우에는, 시스템의 기동을 허가하여 상기 해동수단을 제어하고, 상기 배터리로부터 공급되는 전력을 이용하여 상기 동결 부위를 해동하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
연료 전지 시스템의 발전에 사용되는 가스를 연료 전지에 급배하는 가스 급배부를 구비하는 연료 전지 시스템의 기동 제어 방법으로서,

상기 연료 전지 시스템의 기동 시에 가스공급부를 포함하는 소정 부위의 동결을 판정하는 단계 : 및

상기 가스 급배부의 적어도 일부에 대해, 동결이 검출된 경우에는 상기 연료 전지 시스템의 기동을 금지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 기동 제어 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 연료 전지 시스템의 적어도 일부 부위에서 온도를 측정하고,

상기 온도 측정 수단에 의해 측정된 온도가 소정치 이하인 경우에 동결로 판정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 기동 제어 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 가스공급부의 압력을 측정하고,

상기 측정된 압력에 기초하여 동결을 판정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 기동 제어 방법.