KR20060123776A - 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20060123776A
KR20060123776A KR1020067018990A KR20067018990A KR20060123776A KR 20060123776 A KR20060123776 A KR 20060123776A KR 1020067018990 A KR1020067018990 A KR 1020067018990A KR 20067018990 A KR20067018990 A KR 20067018990A KR 20060123776 A KR20060123776 A KR 20060123776A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
valve
pressure
opening degree
fuel cell
fuel gas
Prior art date
Application number
KR1020067018990A
Other languages
English (en)
Inventor
나오히로 요시다
Original Assignee
도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 filed Critical 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Publication of KR20060123776A publication Critical patent/KR20060123776A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04343—Temperature; Ambient temperature of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04402—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/0441—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04432—Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

연료가스와 산화가스의 전기화학반응을 이용하여 전기를 발생하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료가스를 연료가스공급원으로부터 연료전지로 도출하는 연료가스공급통로에 설치되어 연료가스의 공급가스압을 조정하는 압력 조정밸브와, 조압밸브의 하류측의 연료가스공급통로에 설치되어 개방도 조정신호에 따라 단계적 또는 연속적으로 밸브 개방도를 설정하는 개방도 조정밸브와, 연료전지 시스템의 운전상태에 따라 개방도 조정신호를 조정하여 연료전지에 공급되는 연료가스의 상태량을 목표량으로 제어하는 제어수단을 구비한다. 그것에 의하여 압력 조정밸브로 감압한 연료가스(예를 들면 수소가스)의 압력을 상기 압력 조정밸브의 하류에 배치된 개방도 조정밸브로 연료전지시스템의 운전상태에 따라 목표압이 되도록 더 조정하는 것이 가능하게 된다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료가스와 산화가스를 사용하여 전기를 발생하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템에서는 연료가스(수소)가 압축되어 고압 탱크 등에 저장되어 있다. 연료전지 시스템의 운전시는 연료가스가 소요의 압력으로 까지 감압되어 연료전지에 공급된다. 고압 연료가스의 감압에는 예를 들면 압력조정밸브(레귤레이터밸브)가 사용되나, 하나의 압력조정밸브로 넓은 범위의 압력조정을 행하는 것은 어렵다. 이 때문에 예를 들면 일본국 특개평11-154528호 공보에서는 고저의 2개의 압력조정밸브를 직렬로 설치하여 연료가스의 압력을 단계적으로 감압하고, 감압된 연료가스가 전자밸브를 거쳐 공급됨으로써 저렴한 저가스압용의 전자밸브(개폐 밸브)의 사용을 가능하게 한 연료전지 시스템을 제안하고 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개평11-154528호 공보
그러나 이와 같은 압력조정밸브(감압밸브)와 전자밸브(개폐 밸브)와의 조합에서는 연료전지에의 연료가스공급압력의 조정범위는 한정적이 되어, 연료전지의 운전상태에 따라 연료가스의 공급압력이나 공급유량을 원하는 값(목표값)으로 조정하는 것은 어렵다.
따라서 본 발명은 연료가스의 공급통로에 압력조정밸브와 전자밸브를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료가스의 공급압력이나 공급유량을 원하는 값(목표값)으로 조정하는 것을 용이하게 한 연료전지 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 시스템은, 연료가스와 산화가스의 전기화학반응을 이용하여 전기를 발생하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료가스를 연료가스공급원으로부터 연료전지에 도출하는 연료가스공급통로와, 상기 연료가스공급통로에 설치되어 상기 연료가스의 공급 가스압을 조정하는 압력조정밸브와, 상기 압력조정밸브의 하류측의 상기 연료가스공급통로에 설치되어 개방도 조정신호에 따라 밸브 개방도를 설정하는 개방도 조정밸브와, 상기 연료전지 시스템의 운전상태에 따라 상기 개방도 조정신호를 조정하여 상기 연료전지에 공급되는 연료가스의 상태량을 목표량으로 제어하는 제어수단을 구비한다.
이와 같은 구성으로 함으로써, 압력조정밸브로 감압한 연료가스(예를 들면, 수소가스)의 압력을 상기 압력조정밸브의 하류에 배치된 개방도 조정밸브로 연료전지 시스템의 운전상태에 따른 목표압이 되도록 제어하는 것이 가능해진다.
개방도 조정밸브의 밸브 개방도는, 예를 들면 시간축상에서 전자력을 구동원으로 하는 전자식 개폐 밸브의 개방시간과 폐쇄시간의 비율을 조정(설정)함으로써 행할 수 있다(PWM 제어). 또 회전형 모터 또는 리니어 모터 등의 전자력을 구동원으로 하는 액츄에이터에 의하여 가스공급통로에 설치된 밸브 내부의 개폐 게이트를 연속적으로 이동하여 밸브의 개폐의 정도를 조정(설정)함으로써 행할 수 있다. 또 개방도 조정밸브는 「완전 개방」상태와「완전 폐쇄」상태의 사이에 복수단계의 밸브 개방도가 설정되는 것이어도 좋다.
상기 압력조정밸브는, 기계식 압력조정밸브로 할 수 있다. 또 개방도 조정밸브를 상기한 바와 같이 전자력을 구동원으로 하는 전자 구동밸브(전자밸브)에 의하여 구성할 수 있다. 상대적으로 크게 감압 가능하나 직선적인 감압 특성을 얻기 어려운 기계적 압력조정밸브와 직선적인 감압 특성으로 응답성도 좋은 전자식의 개방도 조정밸브를 조합시켜 연료가스의 공급압이나 공급유량을 더욱 정밀도 좋게 조정하는 것이 가능해진다.
상기 압력조정밸브와 상기 개방도 조정밸브를 일체적으로 구성하여도 좋다.
연료가스의 상태량으로서는, 예를 들면 가스압력이나 가스유량이 해당한다. 개방도 조정밸브를 임의의 밸브 개방도로 조정 가능하게 함으로써 적절한 연료가스제어(발전량 제어, 잉여 생성물의 외부 배출, 불순물 가스의 외부 배출 등)가 가능해진다.
상기 제어수단은, 상기 연료전지의 발전량(또는 수소 소비량), 수소 퍼지량, 전자밸브 개방도 특성, 압력조정밸브 특성 및 연료전지의 양극측 가스압과 음극측 가스압과의 압력차(극간 차압)의 적어도 어느 하나에 따라 상기 개방도 조정신호를 조정하여 상기 개방도 조정밸브의 밸브 개방도를 제어한다. 연료전지 시스템의 운전상태는 연료전지의 발전량(또는 수소 소비량), 수소 퍼지량, 압력조정밸브 특성 및 연료전지의 극간 차압 등의 운전 파라미터에 의하여 파악할 수 있고, 운전 파라미터에 대응하여 제어부가 개방도 조정밸브의 제어를 행한다.
바람직하게는 상기 연료전지 시스템은 개방도 조정밸브의 하류에 압력센서를 설치하고, 이 검출압력에 따라 상기 개방도 조정신호를 조정하여 상기 개방도 조정밸브의 개방도량을 제어한다. 그것에 의하여 정확하게 연료가스의 공급 가스압이나 공급 가스유량을 설정하는 것이 가능해진다.
바람직하게는 상기 연료전지 시스템은 연료전지 출구로부터 연료가스를 연료가스공급통로에 환류시키는 연료가스 환류통로를 구비하고, 이 연료가스 환류통로와 연료가스공급통로와의 합류부보다 상류의 연료가스공급통로에 개방도 조정밸브를 설치한다. 그것에 의하여 연료전지에서 사용되지 않았던 연료가스(연료 오프 가스)가 재이용되어 연비가 향상한다.
바람직하게는 상기 연료전지 시스템은 연료가스 환류통로(예를 들면, 수소가스 환류통로)에 연료가스 환류펌프(예를 들면, 수소가스 환류펌프)를 구비하고, 이 펌프 부하에 따라 상기 개방도 조정신호를 조정하여 상기 개방도 조정밸브의 개방도를 제어한다.
이와 같은 구성으로 함으로써 연료가스 환류펌프의 저용량/소형화가 가능해진다.
바람직하게는 상기 연료전지 시스템은 개방도 조정밸브의 초기 편차를 검출하는 수단을 구비하고, 개방도 조정밸브의 제어시에 초기 편차에 따라 개방도가 보정된다. 초기 편차는 예를 들면 가스 누출량이다.
그것에 의하여 개방도 조정밸브의 동작특성의 개체차에 대응할 수 있어 제어 정밀도가 향상한다. 예를 들면 상기 개방도 조정밸브의 상류와 하류의 압력으로부터 초기 편차가 검출된다.
상기 연료전지 시스템은 연료전지의 출구로부터의 연료 오프 가스를 연료가스공급통로에 환류하는 연료가스 환류통로를 구비하고, 연료가스 환류통로와 연료가스공급통로의 합류부가 상기 압력조정밸브의 상류의 연료가스공급통로로 설정된다.
이와 같은 구성으로 함으로써, 압력조정밸브의 상류에 환류가스(연료 오프 가스)를 공급하기 때문에 환류가스분을 포함하여 연료전기 입구에의 연료가스공급량을 압력조정밸브 및 개방도 조정밸브로 조정할 수 있어, 연료가스의 공급 정밀도가 향상한다.
상기 연료전지 시스템은 상기 개방도 조정밸브를 연료가스공급통로에 복수로 설치하여 제어부가 상기 개방도 조정신호를 조정하여 각 개방도 조정밸브의 개방도를 목표값에 일치하도록 또는 연료가스의 공급이 목표상태가 되도록 제어한다.
이와 같은 구성으로 함으로써, 복수의 개방도 조정밸브를 동시에 개별적으로 또는 차례로 동작시켜 공급연료가스의 상태가 목표상태가 되도록 밸브 개방도를 제어하기 때문에 응답성, 공급량의 정밀도가 향상한다.
바람직하게는 상기 복수의 개방도 조정밸브는 서로 병렬 또는 직렬이 되도록 또는 병렬 접속과 직렬 접속이 혼재한 직병렬 접속으로 설치된다. 그것에 의하여 더욱 복잡한 제어 상태를 실현 가능하게 된다.
바람직하게는 상기 복수의 개방도 조정밸브가 서로 유량특성(예를 들면, 밸브 개방도, 오리피스 지름 등)을 달리한다. 그것에 의하여 운전조건에 따른 원하는 유량 특성의 개방도 조정밸브를 사용함으로써 정밀도가 좋은 연료가스공급제어를 행하는 것이 가능하게 된다.
바람직하게는 상기 연료전지 시스템의 운전상태는 연료전지의 운전 중(비정지시)에서의 운전상태이다.
본 발명에 의하면 압력조정밸브와 개방도 조정밸브를 조합하여 압력조정밸브로 감압한 연료가스를 개방도 조정밸브로 연료전지 시스템의 운전상태에 따른 목표압이 되도록 조정하기 때문에 단일한 압력조정밸브로는 실현 곤란한 제어특성, 즉 폭넓은 범위의 가스공급상태(가스압, 가스유량)를 얻는 것이 가능해진다.
또, 본 발명은 연료전지에 요구되는 발전량이 변화되는 시스템(예를 들면 연료전지를 에너지로 하는 차량)에 적합하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 연료전지 시스템을 설명하는 블럭도,
도 2는 실시예에서의 연료전지의 기동을 설명하는 플로우차트,
도 3은 실시예에서의 연료전지의 수소 누출판정을 설명하는 플로우차트,
도 4는 실시예에서의 연료전지의 제 2 수소 누출판정을 설명하는 플로우차트,
도 5는 실시예에서의 수소가스공급량의 설정을 설명하는 플로우차트,
도 6은 실시예에서의 전극간 차압의 조정을 설명하는 플로우차트,
도 7은 실시예에서의 개방도 조정밸브의 이상 판별을 설명하는 플로우차트,
도 8은 실시예에서의 맥동운전을 설명하는 플로우차트,
도 9는 실시예에서의 간헐운전을 설명하는 플로우차트,
도 10은 실시예에서의 연료전지의 정지처리를 설명하는 플로우차트,
도 11은 본 발명의 제 2 실시예의 연료전지 시스템(압력조정밸브 상류에 수소가스순환)을 설명하는 블럭도,
도 12는 본 발명의 제 3 실시예의 연료전지 시스템(배압밸브 사용)을 설명하는 블럭도,
도 13은 본 발명의 제 4 실시예의 연료전지 시스템(배압밸브 사용, 배압밸브 상류에 수소가스순환)을 설명하는 블럭도,
도 14는 본 발명의 제 5 실시예의 연료전지 시스템(복수의 개방도 조정밸브)를 설명하는 블럭도,
도 15는 본 발명의 제 6 실시예의 연료전지 시스템(복수의 개방도 조정밸브, 압력조정밸브 상류에 수소가스순환)을 설명하는 블럭도이다.
본 발명의 실시예에서는 연료가스로서의 수소가스의 공급압력을 감압하는 압력조정밸브의 하류에 밸브 개방도를 조정 가능하게 이루어진 전자밸브를 배치하고, 이 전자밸브를 연료전지의 운전 파라미터 등에 의하여 제어함으로써 연료전지에의 수소가스의 공급압력을 원하는 압력으로 설정하는 것을 가능하게 한다. 운전 파라미터로서는 발전량(또는 수소 소비량, 차량의 액셀러레이터 개방도), 수소 퍼지량, 전자밸브 개방도 특성, 압력조정밸브 특성 및 연료전지의 양극측 가스압과 음극측 가스압과의 압력차(극간 차압) 등이 있다. 예를 들면 전자밸브의 밸브 개방도는 시간축상의 소정 구간에서의 개폐 밸브의 개방시간과 폐쇄시간과의 비를 설정함[구동 펄스폭 제어(PWM)]으로써 설정된다. 또 전자밸브의 밸브 개방도는 펄스 모터 등의 구동수단에 의하여 밸브체, 스로틀부 등을 연속적으로 이동하여 설정된다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예가 적용되는 연료전지 시스템의 예를 나타내고 있다.
상기 도면에 나타내는 바와 같이 산화가스로서의 공기(외기)는 공기공급로(71)를 거쳐 연료전지(20)의 공기공급구에 공급된다. 공기공급로(71)에는 공기로부터 미립자를 제거하는 에어필터(A1), 공기를 가압하는 컴프레서(A3), 공급 공기압을 검출하는 압력센서(P4) 및 공기에 소요의 수분을 가하는 가습기(A21)가 설치되어 있다. 컴프레서(A3)는 뒤에서 설명하는 보조 모터에 의하여 구동되고, 뒤에서 설명하는 제어부(50)의 제어 프로그램과 함께 소기수단을 구성한다. 또한 에어필터(A1)에는 공기유량을 검출하는 에어플로우미터(유량계)가 설치된다.
연료전지(20)로부터 배출되는 공기 오프 가스는 배기로(72)를 거쳐 외부로 방출된다. 배기로(72)에는 배기압을 검출하는 압력센서(P1), 압력조정밸브(A4) 및 가습기(A21)의 열교환기가 설치되어 있다. 압력센서(P1)는 연료전지(20)의 공기 배기구 근방에 설치되어 있다. 압력조정밸브(감압밸브)(A4)는 연료전지(20)에의 공급공기의 압력(공기압)을 설정하는 조압기로서 기능한다. 압력센서(P4 및 P1)의 도시 생략한 검출신호는 제어부(50)에 보내진다. 제어부(50)는 컴프레서(A3) 및 압력조정밸브(A4)를 조정함으로써 연료전지(20)에의 공급 공기압이나 공급 공기유량을 설정한다.
연료가스로서의 수소가스는 수소공급원(30)으로부터 연료공급로(74)를 거쳐 연료전지(20)의 수소 공급구에 공급된다. 수소 공급원(30)은, 예를 들면 고압 수소 탱크가 해당하나, 이른바 연료 개질기나 수소흡장합금 등이어도 좋다. 연료공급로(74)에는 수소 공급원(30)으로부터 수소를 공급하여 또는 공급을 정지하는 차단밸브(수소공급 밸브)(H201), 수소공급원(30)으로부터의 수소가스의 공급압력을 검출하는 압력센서(P6), 연료전지(20)에의 수소가스의 공급압력을 감압하여 조정하는 수소 압력조정밸브(H9), 제어부(50)로부터 공급되는 개방도 조정신호에 의하여 동작하는 밸브의 개폐도가 가변인 개폐밸브(개방도 조정밸브)(H200), 개방도 조정밸브(H200) 하류의 수소가스압력을 검출하는 압력센서(P61), 연료전지(20)의 수소 공급구과 연료공급로(74) 사이를 개폐하는 차단밸브(FC 입구밸브)(H21) 및 수소가스의 연료전지(20)의 입구 압력을 검출하는 압력센서(P5)가 설치되어 있다. 예를 들면 압력조정밸브(H9)로서는 기계식의 감압을 행하는 압력조정밸브를 사용할 수 있다. 압력조정밸브(H9)의 일례로서 다이어프램식 압력조정밸브가 있다. 또 예를 들면 개방도 조정밸브(H200)로서 PWM(펄스폭 변조) 구동신호(개방도 조정신호)로 온/오프제어되는 전자 개폐밸브를 사용할 수 있다. 또 펄스 모터에서 밸브의 개방도가 리니어(또는 연속적)하게 조정되는 밸브이어도 좋다. 제어압력센서(P5)는 가스압 검출수단에 대응한다. 압력센서(P5 및 P6)의 도시 생략한 검출신호는 제어부 (50)에 공급된다. 또한 압력조정밸브 (A4), 차단밸브(H201), FC 입구밸브(H21), 뒤에서 설명하는 FC 출구밸브(H22), 배수밸브(H41), 퍼지밸브(H51)는 전자밸브인 것이 바람직하다.
연료전지(20)에서 소비되지 않았던 수소가스는 수소 오프 가스로서 수소 순환로(75)에 배출되어 연료공급로(74)의 개방도 조정밸브(H200)의 하류측으로 되돌아간다. 수소 순환로(75)에는 수소 오프 가스의 온도를 검출하는 온도센서(T31), 수소 오프 가스를 배출하는 차단밸브(FC 출구밸브)(H22), 수소 오프 가스로부터 수분을 회수하는 기액 분리기(H42), 회수한 물을 도시 생략한 탱크에 회수하는 배수밸브(H41),수소 오프 가스를 가압하는 수소 펌프(H50) 및 역류 저지밸브(H52)가 설치되어 있다. 차단밸브(H21 및 H22)는 연료전지의 애노드측을 폐쇄하는 폐쇄수단에 대응한다. 온도센서(T31)의 도시 생략한 검출신호는 제어부(50)에 공급된다. 수소펌프(H50)는 제어부(50)에 의하여 동작이 제어된다. 수소 오프 가스는 연료공급로(74)에서 수소가스와 합류하여 연료전지(20)에 공급되어 재이용된다. 역류 저지밸브(H52)는 연료공급로(74)의 수소가스가 수소 순환로(75)측으로 역류하는 것을 방지한다.
수소 순환로(75)는 퍼지밸브(H51)를 거쳐 퍼지유로(76)에 의하여 배기로(72)에 접속된다. 퍼지밸브(H51)는 전자식의 차단밸브이고, 제어부(50)로부터의 지령에 의하여 작동함으로써 수소 오프 가스를 외부로 방출(퍼지)한다. 이 퍼지동작을 간헐적으로 행함으로써 수소 오프 가스의 순환이 반복되어 연료극측의 수소가스의 불순물 농도가 증가하여 셀전압이 저하하는 것을 방지할 수 있다.
또한 연료전지(20)의 냉각수 출입구에는 냉각수를 순환시키는 냉각로(73)가 설치된다. 냉각로(73)에는 연료전지(20)로부터 배수되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도센서(T1), 냉각수의 열을 외부로 방열하는 라디에이터(열교환기)(C2), 냉각수를 가압하여 순환시키는 펌프(C1) 및 연료전지(20)에 공급되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도센서(T2)가 설치되어 있다. 라디에이터(C2)에는 냉각 팬을 회전 구동하는 보조 모터(C13)가 설치되어 있다.
연료전지(20)는 연료전지 셀을 소요수 적층한 연료전지 스택으로서 구성되어 있다. 각 연료전지 셀 또는 셀 그룹의 출력전압은 전압센서(Vs)에 의하여 검출되어 제어부(50)에 보내진다. 연료전지(20)가 발생한 전력은 파워컨트롤유닛(40)에 공급된다. 파워 컨트롤 유닛(40)에는 도시 생략한 차량의 구동모터를 구동하는 인버터, 컴프레서 모터 등의 각종 보조기계류를 구동하는 인버터, 2차 전지(B)에의 충전이나 2차 전지로부터의 모터류에의 전력공급을 행하는 DC-DC 컨버터 등을 구비하고 있다.
제어부(50)는 도시 생략한 차량의 액셀러레이터 신호 등의 요구부하나 연료전지 시스템의 각 부의 센서 등으로부터 제어정보를 수취하여 각종 밸브류나 모터류의 운전을 제어한다. 제어부(50)는 도시 생략한 제어 컴퓨터 시스템에 의하여 구성된다. 제어 컴퓨터 시스템은 공지의 입수 가능한 시스템에 의하여 구성할 수 있다.
다음에 제어부(50)의 동작예에 대하여 설명한다. 이 실시예에서는 압력조정밸브(H9)와 그 하류에 있는 개방도 조정밸브(H200)로, 연료전지(20)에 공급하는 수 소가스압력(또는 공급유량)을 제어한다. 이것은 수소공급원으로서의 고압 수소 탱크로부터의 고압 수소가스를 압력조정밸브(H9)에 의하여 소정압 레벨까지 감압하고, 또한 개방도 조정밸브(H200)로 그 때의 제어목표의 압력이 되도록 개방시간(또는 듀티비)을 연료전지의 발전량, 수소 소비량, 퍼지량, 압력조정 특성을 고려하여 제어한다. 또 압력조정 특성 불량을 검지하기 위하여 무부하, 퍼지가 없는 상태에서 개방도 조정밸브(H200)를 단시간 개방하여 압력상승을 모니터하여, 개방도 조정밸브(H200)와 압력조정밸브(H9) 사이의 시일 불량을 검지한다. 시일 불량분을 고려하여 개방도 조정밸브의 개방시간을 보정한다. 또한 시일 불량분이 소정값을 상회하는 경우, 연료전지 시스템의 운전(발전)을 정지한다.
또 제어부(50)는 개방도 조정밸브(H200)의 제조나 경시열화의 불균일에 의한 초기 편차, 예를 들면 개방도 조정밸브(H200)의 폐쇄상태에서의 허용 범위 내의 약간의 누출, 개방도 조정신호의 밸브 개방도의 지령값과 실제의 밸브 개방도와의 어긋남(밸브 개방도 지령값대 밸브 개방도 특성) 등의 개방도 조정밸브(H200) 하나하나의 개체차를 고려한 제어를 행하는 것이 바람직하다. 따라서 제조 출하시나 정기점검시, 또는 연료전지 시스템 운전시 등에서 개방도 조정밸브(H200)의 여러가지의 특성을 측정하여 상기 초기편차(설계값과의 어긋남)를 불휘발성 메모리에 기억한다. 이 측정은 예를 들면 뒤에서 설명하는 도 12 및 도 13에 나타내는 바와 같은 개방도 조정밸브(H200)의 상류측과 하류측에 각각 압력센서(P9 및 P61)를 배치한 구성에 의하여 행할 수 있다. 이 초기 편차분을 보정한 제어 파라미터(보정값)를 사용하여 또는 밸브 개방도의 지령값을 초기 편차분으로 보정하여 사용함으로써 개방도 조정밸브(H200)의 개체차(불균일)에 대응할 수 있어, 제어 정밀도가 향상한다. 또 상대적으로 개방도 조정밸브(H200)의 양품율을 올리는 것이 가능해진다. 또한 연료전지 시스템 또는 연료전지탑재 차량의 운전시 또는 정기점검시에 개방도 조정밸브(H200)의 측정을 행하여 각종 편차를 검출한다. 이것으로 기억하고 있는 초기 편차값을 갱신하여 개방도 조정밸브(H200)의 특성의 경시변화에 대응하는 것도 가능해진다.
도 1에 나타내는 실시예 1에서는 제조 출하시나 정기점검시에 개방도 조정밸브(H200)의 여러가지 특성을 측정할 수 있기 때문에, 압력조정밸브(H9)와 개방도 조정밸브(H200)와의 사이에 압력센서(P9)를 배치하고 있지 않으나, 물론 도 12 및 도 13에 나타내는 바와 같이 압력센서(P9)를 배치할 수 있다. 예를 들면 연료전지 시스템 운전 중에 개방도 조정밸브(H200)를 연료전지 시스템에 조립한 상태에서 개방도 조정밸브(H200)의 특성을 적당한 조건시에 측정하여 설계값(또는 기준값)과의 편차를 검출하여, 이 편차를 상기와 마찬가지로 운전제어의 보정에 사용할 수 있다.
제어부(50)는 상기한 바와 같이 제어용 컴퓨터에 의하여 구성되고, 제어 프로그램에 따라 연료전지 시스템의 각부 동작의 제어를 실행한다.
먼저, 도 2에 나타내는 플로우차트를 참조하여 연료전지 시스템의 기동에 대하여 설명한다. 제어부(50)는 도시 생략한 제어계에의 전원이 공급됨으로써 동작을 개시하고, 차량의 시동키 등의 조작에 의하여 기동지령이 발생되었는지의 여부를 모니터하고 있다. 예를 들면 시동키 등의 조작에 의하여 기동지령이 발생되면 미리 메모리 내에 정의된 영역에 기동 플래그(이벤트 플래그)가 설정된다 (S102).
기동지령이 발령되면(S102 ; YES), 연료공급로(74) 및 수소 순환로(75)의 차단밸브(H201, H21 및 H22)를 개방하여 개방도 조정밸브(H200)를 완전 개방으로 한다. 개방도 조정밸브(H200)를 완전 개방으로 함으로써, 기동시에 필요한 공급로(배관) 및 연료전지 스택에의 수소공급 및 가압을 단시간화한다(S104).
연료공급로 및 수소가스 순환로의 압력센서(P5, P10 및 P11)를 주기적으로 모니터하여 각 유로의 수소가스압력이 가압완료 기준값(Pk1)을 초과하였는지를 판별한다(S106). 초과하지 않았을 때는 모니터를 계속한다(S106 ; NO). 초과하였을 때는(S106 ; YES), 수소누출이 생기고 있지 않은지를 판단하는 수소 누출 판정처리를 행하는 플래그를 설정한다(S108).
도 3은 제 1 수소 누출 판정(S150)을 설명하는 플로우차트이다. 수소 누출 판정은 밀봉된 배관 내의 수소가스압력이 소정시간 내에 저하하는 변화의 정도(변화값)에 의하여 행할 수 있다.
제어부는 수소 누출 판정의 플래그의 상태를 소정 주기 또는 이벤트 발생에 의하여 확인한다. 상기 판정 플래그가 온으로 설정되어 있지 않은 경우에는 메인 루틴으로 되돌아간다(S152 ; NO). 상기 판정 플래그가 온으로 설정되면(S150 ; YES),제 1 수소 누출 판정처리를 행한다.
먼저, 상기 단계 S104의 처리에 의하여 연료공급로(7, 4), 연료전지(20), 수소가스 순환로(75)에는 수소가스가 공급되어 있다. 제어부(50)는 차단밸브(H201), 개방도 조정밸브(H200), 차단밸브(H21), 차단밸브(H22) 및 퍼지밸브(H51)를 차단하 여, 연료공급로 및 수소가스 순환로에 각 밸브의 차단에 의하여 구분된 폐쇄구역을 형성한다(S154). 제어부(50)는 각 구역의 수소가스압력을 감시한다. 즉, 압력센서 (P6)에 의하여 차단밸브(H201)와 압력조정밸브(H9) 사이의 폐쇄구역(배관)의 가스압력(P61)을 검출한다. 압력센서(P61)에 의하여 개방도 조정밸브(H200)와 차단밸브(H21) 사이의 폐쇄구역의 가스압력(P611)을 검출한다. 압력센서(P5)에 의하여 차단밸브(H21)와 차단밸브(H22) 사이의 연료전지(스택부)의 가스압력(P51)을 검출한다. 압력센서(P10 및 P11)에 의하여 차단밸브(H22)와 체크밸브(H52) 사이의 폐쇄구역의 가스압력(P101 및 P111)을 검출한다. 또한 퍼지밸브(H51)는 폐쇄되어 있다. 제어부(50)는 각 센서의 가스압력값(P61, P611, P51, P101 및 P111)(P61∼P111)을 판독하여 기억한다(S156). 제어부(50)는 미리 정해진 소정시간의 경과를 기다린다(S158 ; NO). 소정시간이 경과하면(S158 ; YES), 제어부(50)는 다시 감시하고 있는 각 구역의 수소가스압력을 판독한다. 즉, 압력센서(P6)에 의하여 차단밸브(H201)와 압력조정밸브(H9) 사이의 폐쇄구역(배관)의 가스압력(P62)을 검출한다. 압력센서(P61)에 의하여 개방도 조정밸브(H200)와 차단밸브(H21) 사이의 폐쇄구역의 가스압력(P612)을 검출한다. 압력센서(P5)에 의하여 차단밸브(H21)와 차단밸브(H22) 사이의 연료전지(스택부)의 가스압력(P52)을 검출한다. 압력센서(P10 및 P11)에 의하여 차단밸브(H22)와 체크밸브(H52) 사이의 폐쇄구역의 가스압력(P102 및 P112)을 검출한다. 제어부(50)는 각 센서의 가스압력값(P62, P612, P52, P102 및 P112)(P62∼P112)을 판독하여 기억한다(S16O). 각 폐쇄구역에 대하여 수소가스압력의 전회값 Pn1(= P61∼P111)과 금회값 Pn2(= P62∼P112)과의 차 ΔPn(= ΔP6∼ΔP11)를 구하여, 각 구간에서의 가스압력 변화분(ΔP6∼ΔP11)을 구한다. 이것 등의 각 압력 변화분이 각 폐쇄구역에 대하여 각각 미리 정해진 기준값 Pcn(= Pcn1, Pcn2, … Pcn5)을 초과하였는지의 여부를 개별로 판별한다(S162).
어느 쪽의 폐쇄구역의 압력 변화분도 하나하나의 폐쇄구역에 정해진 기준값을 초과하지 않는 경우에는(S162 ; NO), 수소 누출은 없다고 판단하여 주행 가능 플래그를 온으로 설정하여(S164), 메인루틴으로 되돌아간다(S168).
한편, 어느 하나의 폐쇄구역의 압력 변화분이 상기 폐쇄구역에 대하여 정해진 기준값을 초과한 경우에는(S162 ; YES), 수소 누출의 가능성이 있다고 판단하고 다시 제 2 수소 누출판정을 행한다(S166). 예를 들면 수소 누출 판정용 문턱값(기준값)을 고·저의 2단계의 설정으로 하고, 작은 판정값으로 검출한 경우는 다시 압력을 올려 판정을 다시 하도록 할 수 있다. 그것에 의하여 미소한 누출 검지가 가능해진다.
도 4는 수소 누출 판정(2)의 처리를 설명하는 플로우차트이다.
제어부(50)는 차단밸브(H201), 차단밸브(H21 및 H22)를 개방하여 퍼지밸브(H51)를 차단한다(S182). 그것에 의하여 수소가스가 압력조정밸브(H9)로 감압되어 개방도 조정밸브(H200)에 인가된다.
개방도 조정밸브(H200)로부터 개폐 밸브(H21)까지의 구간의 가스압력[압력센 서(P61)]의 목표값을 Phc로 설정하고, 이 목표압력(Phc)에 대응한 개방도를 개방도 조정밸브(H200)에 주는 지령값(D100)을 설정하여 개방도 조정밸브(H200)를 동작시킨다. 압력센서(P61)의 값을 감시하여 상기 구역의 가스압력이 Phc가 되도록 개방도 조정밸브(H200)를 제어한다(S184). 그것에 의하여 연료공급로(74), 연료전지(20)의 스택 및 수소 순환로(75) 내부의 수소 가스압을 높인다. 연료공급로 및 수소가스 순환로의 압력센서(P5, P10 및 P11)를 모니터하여 각 유로의 수소가스압력이 각 구역에 대하여 각각 정해진 가압 완료 기준값 Pkn(= Pkn1, Pkn2, Pkn3) 이상인지 판별한다 (S186). 기준값을 만족하지 않은 경우에는 기준값을 초과하기까지 유로의 가스압력이 증가하는 것을 기다린다(S186 ; NO). 각 유로의 가스압력이 각 규정값(Pkn)과 같거나 또는 초과하고 있으면(S186 ; YES), 다음에 제어부(50)는 수소공급밸브(H201),개방도 조정밸브(H200), 연료전지(20)의 입구측 차단밸브(H21), 연료전지(20)의 출구측 차단밸브(H22) 및 릴리프밸브(H51)를 차단한다(S188).
다음에 제어부(50)는 압력센서(P6, P61, P5, P10 및 P11)의 가스압력값(P63, P613, P53, P1O3 및 P113)(P63∼P113)을 판독하여 기억한다(S190). 제어부(50)는 미리 정해진 소정시간의 경과를 기다린다(S192 ; NO). 소정시간이 경과하면(S192 ; YES), 제어부(50)는 다시 감시하고 있는 각 구역의 수소가스압력을 판독한다. 즉, 압력센서(P6)에 의하여 차단밸브(H201)와 압력조정밸브(H9) 사이의 폐쇄구역(배관)의 가스압력(P64)을 검출한다. 압력센서(P61)에 의하여 개방도 조정밸브(H200)와 차단밸브(H21) 사이의 폐쇄구역의 가스압력(P614)을 검출한다. 압력센서(P5)에 의하여 차단밸브(H21 및 H22) 사이의 연료전지(스택부)의 가스압력(P54)을 검출한다. 압력센서(P10 및 Pl1)에 의하여 차단밸브(H22)와 체크밸브(H52) 사이의 폐쇄구역의 가스압력(P104 및 P114)을 검출한다. 제어부(50)는 각 센서의 가스압력값(P64, P614, P54, P104 및 P114)(P64∼P114)을 판독하여 기억한다(S194). 각 폐쇄구역에 대하여 수소가스압력의 전회값 Pn3(= P63∼P113)과 금회값 Pn4(= P64∼P114)과의 차 ΔPn (= ΔP6∼ΔP11)을 구하여, 각 구간에서의 가스압력 변화분(ΔP6∼ΔP11)을 구한다. 이것 등의 각 압력 변화분이 각 폐쇄구역에 대하여 각각 미리 정해진 기준값 Pcn (= Pcn1, Pcn2, … Pcn5)을 초과하였는지의 여부를 판별한다(S196).
그 결과, 어느 하나의 압력 변화분이 기준값을 초과하는 경우에는(S196 ; YES),수소 누출의 가능성이 있다고 판단하여 수소 누출처리를 행한다. 수소 누출처리에는 예를 들면 차량 운전자에게의 알람, 디스플레이 화면에의 경고 표시 등에 의한 주의환기, 서비스 스테이션에의 자동통보, 차량의 기동정지, 수소공급원(360)으로부터의 수소가스공급정지 등을 들 수 있다(S198).
압력 변화분이 기준을 초과하지 않은 경우에는(S196 ; NO), 수소가스 누출은 없고, 차량의 주행이 가능하다고 판단하여 주행 가능 플래그를 온으로 설정한다(S200).
도 5에 나타내는 바와 같이, 제어부(50)는 상기 수소가스 누출이 없는 것이 나 그 밖의 주행을 허용하는 조건의 플래그가 온으로 되어 있는 지의 여부를 판단한다(S300). 주행 가능하다고 판단하면(S300 ; YES), 제어부(50)는 소요의 수소가스를 공급하도록 이하의 조작을 행한다. 먼저 연료공급로 및 수소가스순환로의 차단밸브(201, H21 및 H22)를 개방하여 수소공급원(30)으로부터 연료전지(20)에 수소가스의 공급을 가능하게 한다(S302). 제어부(50)는 공급수소 가스량을 결정하기 위하여 예를 들면 차량의 액셀러레이터 밟음량이나 소요의 부하구동을 위하여 연료전지에 요구되는 발생전력 P(= VI)을 미리 정해진 계산식이나 맵데이터에 의하여 계산한다(S304). 미리 구해져 있는 연료전지(20)의 I (출력전류) - V (출력전류) 특성으로부터 연료전지(20)에 요구되는 출력전류(I)를 계산한다(S306). 연료전지(20)에의 요구전류가 계산되면 수소 화학양론(stoiciometry)을 고려하여 대응하는 에어컴프레셔(A1)의 회전수를 설정하고(S308), 또 대응하는 수소 펌프(H50)의 회전수를 설정한다(S310). 수소가스유량은 수소 펌프(H50)의 회전수 외에 수소 펌프(H50)의 입구 압력에 의해서도 다르기때문에 예를 들면 압력센서(P61)의 출력과 출력전류(I)와의 이차원 맵에 의하여 수소 펌프의 회전수를 결정한다.
제어부(50)는 개방도 조정밸브(H200) 및 차단밸브(H21) 사이의 공급로의 수소가스압력의 목표압력을 설정한다(S312). 상기 공급로의 실제의 수소가스압을 압력센서(P61)의 출력에 의하여 판독하여 목표압력과 비교한다(S314). 압력센서(P61)의 출력이 목표압력을 초과하는 경우에는(S314 ; YES), 개방도 조정밸브(H200)의 밸브 개방도를 감소하는 지령을 발생하여 상기 압력이 목표압력이 되도록 조정한다(S316). 상기 밸브 개방도의 조정후, 또는 압력센서(P61)의 출력이 목표압 력을 초과하지 않은 경우에는(S314 ; NO), 압력센서(P61)의 출력이 목표압력 이하인지의 여부를 판별한다(S318). 압력센서(P61)의 출력이 목표 압력 이하인 경우에는(S318 ; YES), 개방도 조정밸브(H200)의 밸브 개방도를 증가하는 지령을 행하여 상기 압력이 목표압력이 되도록 조정한다(S320). 이와 같이 하여 압력센서(P61)의 출력이 목표값을 나타낸 것으로 조정된다.
다음에 필요에 따라 또는 소정의 조건을 만족하는 경우에는 퍼지 밸브(H51)의 개폐를 조정하여 수소가스를 교체시키고, 질소가스 등의 불순물의 증가에 의한 연료전지(20)의 셀 전압의 저하를 방지한다. 예를 들면 퍼지 밸브(H51)의 제어는 연료전지(20)의 운전시간에 대응한 타이머의 소정시간마다의 타임아웃출력(증분값)을 적산하여 그 적산값이 소정수를 초과하였을 때에 퍼지밸브(H51)를 개방한다. 동시에 적산값을 제로 클리어하여 적산을 재개한다. 퍼지밸브(H51)의 밸브 개방시간은 연료전지(20)의 출력전류대 밸브 개방시간을 미리 맵화하여 기억하고, 이것으로부터 판독하여 설정하도록 하는 것이 가능하다. 상기 증분값은, 예를 들면 미리 맵화된 연료전지(20)의 온도와 출력전류의 2차원 테이블로부터 얻음으로써 온도 보상을 행할 수 있다. 예를 들면 저온에서는 상대적으로 퍼지밸브(H51)의 폐쇄시간이 감소방향으로 조정되어 배기 빈도가 많아지도록 한다. 그것에 의하여 저온에서의 연료전지(20)의 출력저하의 보상이 행하여진다(S400).
다음에 제어부(50)는 연료전지 셀의 전극간 차압을 소정범위로 하도록 조정을 행한다. 먼저 공기도입부의 에어 플로우 미터(A1)의 출력으로부터 미리 알고 있는 유로(7) 1등의 손실분을 제외하고 연료전지(20)의 공기공급구의 공기압력을 연산하여 입구 압력(PA)을 추정한다(S402). 제어부(50)는 압력센서(P5)의 출력으로부터 수소 공급구의 압력(P5)을 판독하여 상기 공기 공급구의 압력(PA)과의 차로부터 전극간 차압(ΔPe)을 계산한다(S404). 여기서 전극간 차압(ΔPe)은 공기압과 수소가스압과의 대소관계에 의하여 양 또는 음의 값을 취한다. 전극간 차압(ΔPe)이 미리 정해진 상한의 기준값(PQ1)보다 큰 경우에는(S406 ; YES), 편차에 대응하여 개방도 조정밸브(H200)의 밸브 개방도를 ΔD1만큼 감소한다. 그것에 의하여 연료전지(20)의 입구에 공급되는 수소가스압이 저하된다(S408). 전극간 차압(ΔPe)이 기준값(PQ1)보다 작은 경우(S406 ; NO) 및 공급수소가스압의 조정후(S408), 다시 수소 공급구의 압력(P5)과 공기공급구의 압력(PA)과의 차로부터 전극간 차압(ΔPe)을 계산하여 차압(Δe)이 미리 정해진 하한의 기준값(PQ2)보다 적은 지의 여부를 판별한다(S410). 전극간 차압(ΔPe)이 하한값(PQ2)보다도 낮은 경우에는 편차에 따라 개방도 조정밸브(H200)의 밸브 개방도를 ΔD2만큼 증가시킨다(S412). 차압(ΔPe)이 미리 정해진 하한의 기준값(PQ2)을 하회하지 않는 경우(S410 ; NO) 또는 개방도 조정밸브(H200)의 밸브 개방도 조정후(S412)에, 전극간 차압(ΔPe)을 소정범위 내로 한 개방도 조정밸브(H200)의 밸브 개방도 조정값(밸브 특성에 의한 보정값)을 기억한다(S414).
이와 같이 하여 전극간 차압(ΔPe)이 크면 제어부(50)는 공급 공기압에 대하여 공급수소가스압이 높은 경우에는 공급 수소가스압을 감압시키고, 공급 공기압에 대하여 공급 수소가스압이 낮은 경우에는 공급 수소가스압을 가압하여 전극간 차압(ΔPe)이 작아지도록 조정(소정범위 내의 차압)한다. 수소가스측에서 가스압을 조 정하는 것은 공기극(음극)측의 공급 공기압력을 내리면 연료전지(20)의 출력 전류값대 출력 전압특성이 악화되는 경향이 있기 때문이다.
다음에 제어부(50)는 개방도 조정밸브(H200)의 이상 판단을 행한다(S420). 상기한 바와 같이 개방도 조정밸브(H200)의 개방도는 연료전지(20)에의 공급수소가스압(목표압력)과 상기한 차압조정(보정)에 대응하여 설정되나, 이와 같은 밸브 개방도설정이 통상 사용하는 제 1 소정범위 내[상한값(DU), 하한값(DL)]에 없는 경우(S420 ; YES), 차량의 대시보드 등의 이용자가 눈에 띄기 쉬운 장소에 경고를 표시한다. 경고는 램프의 점등이나 경고 화상의 표시, 음성에 의한 주의 환기 등이어도 좋다(S422).
다음에 제어부(50)는 개방도 조정밸브(H200)의 개방도를 소정범위 내로 되돌리도록 개방도 조정밸브(H200)에 주는 신호의 개방도의 지시값을 보정한다(S424).
또한 제어부(50)는 개방도 조정밸브(H200)의 개방도가 상기 제 1 소정범위[상한값(DU), 하한값(DL)]보다 넓은 제 2 소정범위 내[상한값(DUF), 하한값(DLF)]에 있는 지의 여부를 판별한다. 여기서 범위의 판별값은 DLF < DL < DU < DUF의 순이 된다. 개방도 조정밸브(H200)의 개방도가 제 2 범위 내에도 없는 경우(S426 ; YES), 개방도 조정밸브(H200)는 이상이라고 판단한다. 또한 제어부(50)는 개방도 조정밸브(H200)의 이상 플래그를 도시 생략한 내부 레지스터에 설정하고, 이상 경고 등의 표시, 경보 등을 행하여(S428), 연료전지(20)에의 수소가스 및 공기의 공급을 정지하여 운전을 정지시키는 연료전지시스템의 정지처리(S430)를 행하여 주제어 프로그램으로 되돌아간다.
개방도 조정밸브(H200)의 밸브 개방도가 제 1 범위 내에 있을 때(S420 ; NO), 또는 개방도 보정(S424)에 의하여 제 2 범위 내에 있을 때는(S426 ; NO), 개방도 조정밸브는 정상이라고 판단되어 도면으로 나타내는 내부 레지스터에 개방도 조정밸브(H200)의 정상 플래그가 설정된다(S450). 제어는 주제어 프로그램으로 되돌아가 연료전지(20)의 운전이 행하여진다.
다음에 연료전지(20)의 맥동운전에 대하여 설명한다. 연료전지(20)로 발전을 행함으로써 물이 발생하고, 이 물이 연료전지 스택 내에 고이면 가스공급이 방해되어 연료전지 셀의 발전능력이 저하된다. 따라서 연료전지 내부의 생성수를 외부로 배출하기 위하여 공급가스압을 맥동시켜 가스의 유속을 변화시켜 스택부의 배수를 행한다.
도 8의 맥동운전 루틴(S500)에 나타내는 바와 같이 연료전지 시스템에서는 도시 생략한 적산 유닛(또는 적산 프로그램)에 의하여 단위시간당의 연료전지(20)의 출력전류를 적산하여 발생 전기량을 계산하고 있다. 상기 생성수는 전기화학반응에 따르는 것으로, 생성수량은 발생 전기량에 비례한다. 제어부(50)는 출력전류의 적산값 (IT)을 판독한다(S502). 이 값(IT)이 기준값(I1000) 이상, 또는 전압센서(Vs)의 출력에 의하여 연료전지의 셀 전압이 기준값(V1) 이하로 저하하고 있는지의 여부를 판별한다(S504). 전류 적산값(IT)이 기준값(I100)을 초과하고, 또는 셀 전압이 기준값 (V1) 이하로 저하되어 있을 때는(S504 ; YES), 생성수가 셀에 머물러 있는 것(플러딩)을 생각 할 수 있다. 따라서 강한 가스류를 형성하여 생성수를 연료전지(20)의 외부로 배수한다.
제어부(50)는 압력센서(P61)의 검출압력을 모니터하면서, 개방도 조정밸브(H200)에 개방도 지령값(D50)의 신호를 주어 높은 가스압력(Phr1)으로 수소가스가 공급되도록 설정한다(S506). 다음에 다음번 동작에 대비하여 전류 적산값(IT)을 “0"으로 리세트한다(S508). 이 비교적 고압의 수소가스공급을 소정시간 계속하는 (S510), 연료전지(20)의 셀 전압이 소정의 기준 전압(V2)을 초과하면(S512), 제어부(50)는 압력센서(P61)의 출력이 비교적 낮은 가스압력인 Phr2가 되도록, 개방도 조정밸브(H200)를 완전 폐쇄로 하고(S514), 발전량을 증가하여 연료전지(20) 및 순환로의 수소가스를 소비하여 가스압을 적극적으로 저하시킨다. 발생한 전기는 예를 들면 2차 전지의 충전에 사용된다(S516). 다음에 퍼지밸브(H51)를 소정시간(t1) 동안 개방하여 수소가스유로(75)의 압력을 저하시킨다. 이때 에어펌프(A3)의 회전수를 소정 회전수로 늘려 배기로(72)의 배기 수소 농도의 상승을 억제한다(S518).
제어부(50)는 압력센서(P5)의 출력에 의하여 연료전지 입구의 수소가스압력이 저압인 소정값(Pk3) 이하가 된 것을 판별하면(S520), 개방도 조정밸브(H200)의 밸브 개방도를 통상 운전값으로 설정한다(S522). 또 에어펌프(A3)의 회전수도 통상 회전수로 되돌린다(S524).
이와 같이 하여 개방도 조정밸브(H200)에 의하여 수소가스 순환로에 수소가스압을 고저로 변화시키는 맥동이 형성되어, 고압이나 유속의 변화에 의하여 연료전지 내의 생성수가 외부로 배출된다.
도 9는 개방도 조정밸브(H200)에 의하여 간헐운전을 행하는 예를 나타내고 있다. 간헐운전은 연료전지(20)의 부하가 저부하 상태가 되었을 때에 연료전지(20)의 운전을 정지하고 부하나 보조기계류에의 전력공급을 2차 전지로부터 행함으로써 운전효율(연비효율)의 저하를 회피하는 것이다.
제어부(50)는 도시 생략한 상태 플래그의 설정에 의하여 간헐운전 플래그가 온으로 설정되어 있으면, 본 루틴을 실행한다(S550 ; YES).
먼저, 제어부(50)는 개방도 조정밸브(200), 수소공급밸브(H201), 연료전지 입구밸브(H21) 및 출구밸브(H22)를 폐쇄하여 수소공급로(74) 및 연료전지(20)를 차단한다(S552). 그것에 의하여 발전운전을 정지한다.
제어부(50)는 압력센서(P51)의 출력을 모니터하여 개방도 조정밸브(H200)로부터의 수소가스 누출에 의한 압력 변화(상승)를 관찰한다(S554). 압력 변화가 관찰되면 이 누출 가감에 따라 개방도 조정밸브(H200)의 지시값(증가감값)을 보정한다(S556).
개방도 조정밸브(H200)의 보정후, 또는 간헐운전의 판단후에(S550 ; NO), 개방도 조정밸브(H200), 차단밸브(H201), 연료전지(20)의 입구밸브(H21) 및 출구밸브(H22)를 개방하여 수소공급원(30)으로부터 수소가스를 공급한다. 간헐운전 해제시에는 크로스 리크에 의하여 수소가스가 감압하고 있기 때문에, 개방도 조정밸브(H200)를 통상보다 크게 개방하여 수소가스를 재빠르게 공급한다(S560). 또 수소 펌프(H50)를 최대 회전수로 동작시켜 수소가스압을 높게 하여 발전을 안정시킨다(S562).
제어부(50)는 압력센서(P5, P10 및 P11)의 각 출력이 기준값(Pk4)을 초과하 여 수소가스 순환로(75 및 74)가 수소가스로 채워진 것을 판별하면(S564), 개방도 조정밸브를 통상 운전의 제어상태로 되돌린다. 또 수소 펌프(H50)의 회전수를 통상의 회전수로 되돌린다. 그것에 의하여 연료전지(20)의 통상의 발전운전상태로 복귀한다(S566).
이와 같이 하여 개방도 조정밸브(H200)를 제어함으로써 간헐운전이 행하여진다.
다음에 연료전지(20)의 운전정지에서의 개방도 조정밸브(H200)의 제어에 대하여 도 10의 플로우차트를 참조하여 설명한다.
이 실시예의 정지처리에서는 압력조정밸브(H9) 하류의 개방도 조정밸브(H200)를 폐쇄한 상태로 하고, 수소 펌프(H50)를 돌려 발전에 의하여 연료전지(20) 및 수소 순환로의 수소가스를 소비하여 감압한다. 연료전지의 입구압(애노드압)이 소정값 이하가 되었을 때에 발전을 중지하고 다시 퍼지밸브로 감압한다. 이에 의하여 연료전지의 정지개시로부터 정지에 이르기까지의 시간단축과 그 사이의 셀 전압의 저하를 방지하는 것이 가능해진다. 또 연료전지의 운전정지시에 배기 중의 수소가스농도가 상승하는 것을 억제하는 것도 가능해진다.
차량의 시동키의 오프 등에 의하여 운전의 정지가 제어부(50)에 발령되면, 제어부(50) 내부의 도시 생략한 플래그 레지스터에 정지 플래그가 설정된다. 제어부(50)는 소정 주기로 또는 인터럽트 처리에 의하여 운전 정지의 플래그가 설정된 것을 판별한다(S600). 제어부(50)는 예를 들면 수소가스의 감압을 2단계로 행하여 운전 정지로 유도한다. 먼저 차단밸브(H201)를 폐쇄하여 개방도 조정밸브(H200)를 완전 폐쇄상태로 하여 수소가스의 공급을 정지한다(S602). 소정 전류(If)로 발전을 행하여 연료전지(20) 및 순환로의 수소가스를 소비한다(S604). 에어 컴프레서(A3) 및 수소 펌프(H50)를 각각 소정의 회전수로 동작시켜 퍼지밸브(H51)를 간헐적으로 동작시켜 외부로 수소가스를 방출하여 수소 순환로(75 및 74)의 수소가스를 배제한다(S606). 제어부(50)는 압력센서(P5)의 출력에 의하여 연료전지(20)의 입구압력(P5)이 기준값(pk4) 이하로 저하한 것을 판별하면(S608), 파워 컨트롤 유닛(40)의 전력 변환회로를 차단하여 발전상태를 정지한다(S610). 또 수소 펌프(H50)를 정지하고 퍼지밸브를 단속하여 수소가스를 외부로 방출한다(S614).
제어부(50)는 압력센서(P5)의 출력에 의하여 연료전지(20)의 입구 압력(P5)이 상기 기준값(Pk4)보다 낮은 Pk5 이하로 저하한 것을 판별하면(S616), 입구 차단 밸브 (H21), 출구 차단 밸브(H22) 및 퍼지밸브(H51)를 폐쇄한다. 그것에 의하여 외기가 애노드측으로 침입하는 것을 방지한다(S618). 그후 소정시간(t2)을 경과하였을 때에(S620), 배기 중의 수소가스농도를 저하시키기 위하여 동작시키고 있던 에어 컴프레서(A3)를 정지하고(S622), 정지처리를 끝낸다. 제어부(50)는 주제어 프로그램으로 되돌려 다음의 이벤트에 대응한다.
이와 같이 하여 개방도 조정밸브(H200)를 제어함으로써 운전정지가 행하여진다.
(실시예 2)
다음에 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 도 11을 참조하여 설명한다. 상기 도면에서 도 1과 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고, 이와 같은 부분의 설명은 생략한다.
이 실시예에서는 수소 순환로(75)로부터의 수소가스의 환류점을 압력조정밸브(H9)의 상류측으로 하고 있다. 수소 펌프(H50)의 출력은 압력조정밸브(H9)에 의하여 압력 조정된다. 그것에 의하여 수소 펌프(H50)의 토출압력 및 그 압력변동의 영향을 받기 어렵게 된다. 또 실시예 1과 마찬가지로 압력조정밸브(H9)와 개방도 조정밸브(H200)의 조합에 의하여 애노드에의 공급 수소 가스압이 조정된다. 상기한 바와 같은 개방도 조정밸브(H200)의 다양한 제어상태에 의한 수소가스 압력조정이 계속된다.
(실시예 3)
도 12는 본 발명의 제 3 실시예를 나타내고 있다. 상기 도면에서 도 1과 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고 이와 같은 부분의 설명은 생략한다.
이 실시예에서는 압력조정밸브(H9) 대신에 배압밸브(배압 조정밸브)(H10)를 사용하고 있다. 또한 도면에서 H8은 감압밸브이다. 배압밸브(H10)의 하류측이 소정의 압력이 되도록 배압밸브(H10)의 밸브 개방도를 조정하여, 이 하류에 설치된 개방도 조정밸브(H200)의 밸브 개방 조정에 의하여 연료전지(20)의 발전량, 퍼지량 등을 제어한다. 또한 제 1 실시예에서 개방도 조정밸브(H200)에 대하여 설명한 것과 동일한 방법에 의하여 배압밸브(H10)에 대해서도 배압밸브(H10)의 개방도와 2차 압력으로부터 밸브의 개방도 보정이나 이상 판정을 실시할 수 있다.
배압밸브(H10)를 사용함으로써 개방도 조정밸브(H200)에 인가되는 수소가스압을 더욱 일정한 압력으로 유지하는 것이 가능해진다. 배압밸브(H10)는 완전하게 시일하는 것이 어렵고, 배압밸브(H10)을 차단한 상태에서도 배압밸브(H10) 하류측의 압력이 배압밸브(H10)의 상류측과 동일한 압력으로 상승한다. 따라서 배압밸브(H10)와 개방도 조정밸브(H200)를 조합시켜 발전정지 중은 개방도 조정밸브(H200)를 폐쇄함으로써 배압밸브(H10)에 기인하는 압력상승(누출)을 억제하는 것이 가능해진다.
(실시예 4)
도 13은 본 발명의 제 4 실시예를 나타내고 있다. 상기 도면에서 도 1과 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고 이와 같은 부분의 설명은 생략한다.
이 실시예에서는 제 3 실시예와 마찬가지로 압력조정밸브(H9) 대신에 배압밸브(H10)를 사용하고 있으나, 수소가스의 순환로(75)로부터의 수소가스의 되돌아감 위치가 배압밸브(H10)의 상류측으로 설정되어 있다. 따라서 도 11에 나타낸 제 2 실시예와 마찬가지로 수소 펌프(H50)의 토출압력 및 그 압력변동이 배압밸브(H10)에 의하여 흡수되어 수소 펌프(H50)의 영향을 받기 어렵게 된다. 또 실시예 1과 마찬가지로 배압밸브(H10)와 개방도 조정밸브(H200)의 조합에 의하여 애노드에의 공급 수소가스압이 조정된다. 상기한 바와 같은 개방도 조정밸브(H200)에 대한 여러가지의 제어 상태가 본 실시예에서도 적용 가능하다.
(실시예 5)
도 14는 본 발명의 제 5 실시예를 나타내고 있다. 상기 도면에서 도 1과 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고, 이와 같은 부분의 설명은 생략한다.
이 실시예에서는 압력조정밸브의 하류에 유량 특성이 다른 복수의 개방도 조 정밸브를 병렬 또는 직렬로 접속하여 소요의 압력 응답성에 대응하여 개방도 조정밸브를 구분하여 사용하도록 하고 있다.
구체적으로는 도 14에 나타낸 실시예에서는 압력조정밸브(H9)와 연료전지(20)의 입구와의 사이의 공급로(74)에 서로 병렬로 접속된 개방도 조정밸브(H200 및 H202)를 배치하고 있다. 각 개방도 조정밸브는 대상이 되는 유량범위, 압력조정(개방도)범위, 내압, 속응성, 밸브 개방도대 유량[또는 감압(압력)]특성, 폐쇄 유지력, 시일성, 밸브 구동력, 밸브 형식 등의 점으로부터 선정된다. 다른 구성은 도 1의 실시예와 동일하다.
압력조정밸브(H9)와 유량특성이 다른 개방도 조정밸브(H200 또는 H202)와의 조합을 임의로 선택할 수 있도록 함으로써 연료전지(20)의 수소가스공급의 제어장면에 따른 더욱 바람직한 특성의 개방도 조정밸브(H200 또는 H202)를 동작시켜(구분하여 사용한다) 제어 정밀도나 압력 응답 특성을 향상시킨다.
또한 도 14에 나타내는 구성에서 조정밸브(H9)를 배압밸브(H10)로 치환하여도 좋다.
(실시예 6)
도 15는 본 발명의 제 6 실시예를 나타내고 있다. 상기 도면에서 도 1과 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고 이와 같은 부분의 설명은 생략한다.
이 실시예에서는 제 5 실시예의 구성에서 수소가스의 순환로(75)로부터의 수소가스의 되돌림 위치를 압력 조정밸브(H9)의 상류측으로 변경하고 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 상기한 조정밸브와 최적의 개방도 조정밸브를 적절하게 선 택하여 조합시켜 사용할 수 있는 이점에 더하여 수소 펌프(H50)의 토출압력 및 그 압력변동이 조정밸브(H9)에 의하여 흡수되고, 수소 펌프(H50)의 영향을 받기 어렵게 되는 이점이 얻어진다.
또한 도 15에 나타내는 구성에서 압력 조정밸브(H9)를 배압밸브(H10)로 치환하여도 좋다.
또, 상기한 각 실시예에서 개방도 조정밸브(H200)는 리니어식 개방도 조정의 전자밸브에 한정되는 것이 아니다. 밸브 개방상태와 밸브 폐쇄상태를 선택하여 변환하는 개폐 차단밸브에서 듀티제어 등에 의하여 밸브의 개방도를 적절하게 조정하는 형식의 제어를 행하는 것이어도 좋다.
또한 개방도 조정밸브(H200)는 차단기능(개방도 0)을 가지기 때문에 연료전지(20)의 수소 공급구의 차단밸브(입구밸브)(H21)로서 기능시켜도 좋다. 이 경우에는 차단밸브의 수를 줄일 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료가스와 산화가스의 전기화학반응을 이용하여 전기를 발생하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 연료가스를 연료가스공급원으로부터 연료전지에 도출하는 연료가스공급통로와,
    상기 연료가스공급통로에 설치되어 상기 연료가스의 공급 가스압을 조정하는 압력조정밸브와,
    상기 압력조정밸브의 하류측의 상기 연료가스공급통로에 설치되어 개방도 조정신호에 따라 밸브 개방도를 설정하는 개방도 조정밸브와,
    상기 연료전지 시스템의 운전상태에 따라 상기 개방도 조정신호를 조정하여 상기 연료전지에 공급되는 연료가스의 상태량을 목표량으로 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 연료전지의 발전량, 수소 소비량, 수소 퍼지량, 개방도 조정밸브의 개방도 특성, 압력조정밸브 특성 및 연료전지의 양극측 가스압과 음극측 가스압과의 압력차의 적어도 어느 하나에 따라 상기 개방도 조정신호를 조정하여 상기 개방도 조정밸브의 밸브 개방도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 개방도 조정밸브의 하류에 압력센서를 설치하고, 상기 제어수단은 이 검출압력에 따라 상기 개방도 조정신호를 조정하여 상기 개방도 조정밸브의 밸브 개방도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지의 출구로부터 배출되는 연료가스를 상기 연료가스공급통로에 환류시키는 연료가스 환류통로를 구비하고, 상기 연료가스 환류통로와 상기 연료가스공급통로와의 합류부보다 상류측의 상기 연료가스공급통로에 상기 개방도 조정밸브를 설치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연료가스 환류통로에 연료가스 환류펌프를 구비하고, 상기 제어수단은 상기 펌프 부하에 따라 상기 개방도 조정신호를 조정하여 상기 개방도 조정밸브의 밸브 개방도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 개방도 조정밸브의 초기 편차를 검출하는 수단을 구비하고, 상기 제어수단은 상기 초기 편차에 따라 상기 개방도 조정신호를 조정하는 것을 특징으로 하 는 연료전지 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 개방도 조정밸브의 상류와 하류의 압력으로부터 상기 초기 편차를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지의 출구로부터 배출되는 연료 오프 가스를 상기 연료가스공급통로에 환류하는 연료가스 환류통로를 구비하고, 상기 연료가스 환류통로와 상기 연료가스공급통로의 합류부가 상기 압력조정밸브의 상류측에 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 개방도 조정밸브가 상기 연료가스공급통로에 복수로 설치되고, 상기 제어수단은 상기 개방도 조정신호를 조정하여 각 개방도 조정밸브의 밸브 개방도를 목표값에 일치하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 개방도 조정밸브가 병렬 또는 직렬로 복수로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    각 개방도 조정밸브가 서로 유량 특성이 다른 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템의 운전상태는 연료전지의 운전 중에서의 운전상태인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 개방도 조정밸브의 밸브 개방도의 설정이, 단계적 또는 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 압력조정밸브가 기계식 압력조정밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 개방도 조정밸브가 전자력을 구동원으로 하는 전자 구동밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
KR1020067018990A 2004-03-17 2005-03-16 연료전지 시스템 KR20060123776A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004076748 2004-03-17
JPJP-P-2004-00076748 2004-03-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20060123776A true KR20060123776A (ko) 2006-12-04

Family

ID=34975890

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067018990A KR20060123776A (ko) 2004-03-17 2005-03-16 연료전지 시스템

Country Status (7)

Country Link
US (1) US7981559B2 (ko)
EP (1) EP1727227B1 (ko)
JP (1) JP4821608B2 (ko)
KR (1) KR20060123776A (ko)
CN (1) CN100449840C (ko)
DE (1) DE602005026106D1 (ko)
WO (1) WO2005088755A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10707506B2 (en) 2017-07-03 2020-07-07 Hyundai Motor Company Hydrogen supply method for fuel cell system
US10930945B2 (en) 2017-10-17 2021-02-23 Hyundai Motor Company Fuel cell system and control method thereof

Families Citing this family (71)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4993241B2 (ja) * 2004-03-17 2012-08-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4992209B2 (ja) * 2005-08-12 2012-08-08 トヨタ自動車株式会社 燃料ガス供給装置
JP5061453B2 (ja) * 2005-11-22 2012-10-31 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4924792B2 (ja) * 2005-12-15 2012-04-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び移動体
JP4756465B2 (ja) * 2005-12-16 2011-08-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び移動体
KR100788194B1 (ko) * 2006-05-25 2007-12-26 엘지전자 주식회사 연료전지시스템
JP2007328995A (ja) * 2006-06-07 2007-12-20 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5446023B2 (ja) * 2006-08-11 2014-03-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5217147B2 (ja) * 2006-10-18 2013-06-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその膜含水量調節方法
JP5070794B2 (ja) * 2006-10-18 2012-11-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5077636B2 (ja) * 2006-10-19 2012-11-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2008112702A (ja) * 2006-10-31 2008-05-15 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4849332B2 (ja) * 2006-11-24 2012-01-11 トヨタ自動車株式会社 燃料供給装置
DE102007004347A1 (de) * 2007-01-29 2008-07-31 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem mit Sensor zur Erfassung von Druckschwankungen in einem Fluidversorgungsstrang
JP2008218034A (ja) * 2007-02-28 2008-09-18 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその制御方法
JP5094202B2 (ja) * 2007-05-14 2012-12-12 アイシン精機株式会社 流体送出装置、改質器および燃料電池システム
JP2008293805A (ja) * 2007-05-24 2008-12-04 Toyota Motor Corp 燃料電池面内状態推定システム及び燃料電池面内状態推定方法
JP5088609B2 (ja) * 2007-05-28 2012-12-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20090068504A1 (en) * 2007-09-10 2009-03-12 American Power Conversion Corporation Systems and methods for verifying fuel cell feed line functionality
US20090068517A1 (en) * 2007-09-10 2009-03-12 American Power Conversion Corporation Systems and methods for verifying fuel cell feed line functionality
US7807308B2 (en) * 2007-09-21 2010-10-05 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell system and start-up method
JP5407132B2 (ja) * 2007-10-15 2014-02-05 日産自動車株式会社 燃料電池システムの起動制御装置及び起動制御方法
US8748053B2 (en) * 2007-10-30 2014-06-10 GM Global Technology Operations LLC Anode bleed flow detection and remedial actions
JP2009217951A (ja) * 2008-03-07 2009-09-24 Panasonic Corp 燃料電池システム
DE102008015344A1 (de) * 2008-03-20 2009-01-22 Daimler Ag Kontrollverfahren für ein Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem
JP5302568B2 (ja) * 2008-04-14 2013-10-02 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
DE102008024227A1 (de) * 2008-05-19 2009-12-03 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem zur Durchführung dieses Verfahrens
JP4866967B2 (ja) * 2009-01-23 2012-02-01 パナソニック株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
US8906570B2 (en) * 2009-01-28 2014-12-09 GM Global Technology Operations LLC System and method for observing anode fluid composition during fuel cell start-up
EP2429022B1 (en) * 2009-05-08 2017-07-05 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system
CN102460804B (zh) * 2009-06-22 2014-09-24 日产自动车株式会社 燃料电池系统的气体燃料供给装置
WO2011010366A1 (ja) * 2009-07-21 2011-01-27 トヨタ自動車株式会社 燃料システム及び車両
JP5258912B2 (ja) 2011-01-26 2013-08-07 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法
WO2012165073A1 (ja) * 2011-06-02 2012-12-06 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP5838599B2 (ja) * 2011-06-06 2016-01-06 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US9601790B2 (en) * 2011-06-21 2017-03-21 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method of fuel cell system
EP2565970A1 (en) * 2011-09-02 2013-03-06 Belenos Clean Power Holding AG Fuel cell system comprising an ejector for recirculating off-gas from a stack
CN103178277B (zh) * 2011-12-22 2017-03-01 上海汽车集团股份有限公司 气体全自动置换系统及方法
JP5835463B2 (ja) * 2012-03-15 2015-12-24 日産自動車株式会社 燃料電池システム
KR20140077042A (ko) * 2012-12-13 2014-06-23 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소공급장치
DE102013021466A1 (de) 2013-12-18 2015-06-18 Daimler Ag Brennstoffzellenanordnung, Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung
KR20150072665A (ko) * 2013-12-20 2015-06-30 현대자동차주식회사 수소탱크용 파일럿 솔레노이드 밸브의 개폐 검출 방법 및 장치
CN104166100A (zh) * 2014-06-16 2014-11-26 弗尔赛（上海）能源科技有限公司 燃料电池测试台的供气系统
JP6290730B2 (ja) * 2014-06-30 2018-03-07 アイシン精機株式会社 燃料電池システム
JP6183435B2 (ja) * 2014-10-09 2017-08-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2016096047A (ja) 2014-11-14 2016-05-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR101734649B1 (ko) * 2015-06-03 2017-05-11 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 수소 소모량 산출 방법
KR101734689B1 (ko) * 2015-10-15 2017-05-24 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 냉각 시스템
JP6623785B2 (ja) * 2016-01-21 2019-12-25 ブラザー工業株式会社 燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラム
FR3047092B1 (fr) * 2016-01-26 2018-02-09 Safran Aircraft Engines Systeme de regulation de pression, ensemble de pile a combustible et utilisation du systeme de regulation
JP6465308B2 (ja) * 2016-02-25 2019-02-06 トヨタ自動車株式会社 圧力センサの異常検出方法及び燃料電池システム
JP6857846B2 (ja) * 2016-06-29 2021-04-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システムおよびその運転方法
JP6380474B2 (ja) * 2016-07-14 2018-08-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6642463B2 (ja) * 2017-01-19 2020-02-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6583301B2 (ja) * 2017-02-10 2019-10-02 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
TWI631760B (zh) * 2017-05-03 2018-08-01 黃鎮江 主動式燃料壓力調節系統
KR102468382B1 (ko) * 2017-09-01 2022-11-21 현대자동차주식회사 연료전지 수소 공급 제어방법 및 시스템
CN109962266A (zh) * 2017-12-25 2019-07-02 郑州宇通客车股份有限公司 一种燃料电池氢气供应子系统及燃料电池系统
EP3573159B1 (en) * 2018-05-25 2021-06-16 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system and method for operating the same
CN108550880B (zh) * 2018-05-31 2020-11-03 安徽江淮汽车集团股份有限公司 氢燃料电池汽车氢气控制系统
JP7087925B2 (ja) * 2018-11-05 2022-06-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2020087520A (ja) * 2018-11-15 2020-06-04 愛三工業株式会社 燃料供給装置
CN113130942B (zh) * 2019-12-30 2023-01-24 未势能源科技有限公司 一种燃料电池氢气循环系统和燃料电池车辆
CN111678658A (zh) * 2020-06-04 2020-09-18 重庆长安汽车股份有限公司 一种用于氢燃料电池汽车的氢泄露检测方法、系统及氢燃料电池汽车
DE102020208039A1 (de) * 2020-06-29 2021-12-30 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Überprüfung mindestens eines Sensors innerhalb des Anodenpfades eines Brennstoffzellensystems
DE102020131161A1 (de) * 2020-11-25 2022-05-25 Marquardt Gmbh Überwachungsvorrichtung zur Temperatur- und Spannungsüberwachung eines Brennstoffzellen-Stacks, Energieumwandlungssystem mit einer solchen Überwachungsvorrichtung und Verfahren hierfür
KR20220085400A (ko) * 2020-12-15 2022-06-22 현대자동차주식회사 연료전지시스템 및 그 제어방법
US20220416278A1 (en) * 2021-06-25 2022-12-29 Cummins Inc. Operating systems and methods of using a proportional control valve in a fuel cell system
CN113571744B (zh) * 2021-07-15 2022-05-24 金华氢途科技有限公司 一种燃料电池系统气体压力控制方法
CN113851678B (zh) * 2021-09-07 2023-02-03 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 储氢系统氢气供应阀控制方法、氢动力系统启动方法及系统
CN113571739B (zh) * 2021-09-24 2021-12-17 天津航天瑞莱科技有限公司 无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置及方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3349742B2 (ja) 1993-01-28 2002-11-25 マツダ株式会社 燃料電池自動車
JPH11154528A (ja) 1997-11-19 1999-06-08 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池
US6451467B1 (en) * 2000-06-30 2002-09-17 Plug Power Inc. Flow control subsystem for a fuel cell system
JP2000251911A (ja) * 1999-03-03 2000-09-14 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池発電システム
JP3593984B2 (ja) 2001-01-17 2004-11-24 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4374782B2 (ja) * 2001-01-18 2009-12-02 トヨタ自動車株式会社 車載用燃料電池システム及びその制御方法
JP2002231277A (ja) 2001-01-30 2002-08-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP3879409B2 (ja) 2001-02-01 2007-02-14 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP3693291B2 (ja) * 2001-05-15 2005-09-07 本田技研工業株式会社 原燃料蒸発装置、原燃料蒸発方法及び原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システム
JP4672183B2 (ja) 2001-05-23 2011-04-20 本田技研工業株式会社 燃料電池の制御装置および燃料電池車両の制御装置
JP4063507B2 (ja) * 2001-05-23 2008-03-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4042349B2 (ja) 2001-05-30 2008-02-06 日産自動車株式会社 移動体用燃料電池システム
JP4338914B2 (ja) 2001-08-27 2009-10-07 本田技研工業株式会社 燃料循環式燃料電池システム
CA2457908C (en) 2001-08-31 2011-08-09 Ceramic Fuel Cells Limited Fuel cell system and method for recycling exhaust
JP3671898B2 (ja) * 2001-11-16 2005-07-13 日産自動車株式会社 燃料電池システム
CN1322621C (zh) * 2002-05-14 2007-06-20 日产自动车株式会社 燃料电池系统和相关的启动方法
JP4106961B2 (ja) * 2002-05-14 2008-06-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2004055295A (ja) 2002-07-18 2004-02-19 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
US7470481B2 (en) * 2002-09-27 2008-12-30 Kabushikikaisha Equos Research Fuel cell system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10707506B2 (en) 2017-07-03 2020-07-07 Hyundai Motor Company Hydrogen supply method for fuel cell system
US10930945B2 (en) 2017-10-17 2021-02-23 Hyundai Motor Company Fuel cell system and control method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
US20080220303A1 (en) 2008-09-11
WO2005088755A1 (ja) 2005-09-22
JP4821608B2 (ja) 2011-11-24
CN100449840C (zh) 2009-01-07
CN1930721A (zh) 2007-03-14
EP1727227B1 (en) 2011-01-26
JPWO2005088755A1 (ja) 2008-01-31
EP1727227A1 (en) 2006-11-29
US7981559B2 (en) 2011-07-19
EP1727227A4 (en) 2007-10-31
DE602005026106D1 (de) 2011-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20060123776A (ko) 연료전지 시스템
RU2361331C2 (ru) Батарея топливных элементов
CN101755357B (zh) 燃料电池系统及移动体
US20060286418A1 (en) Fuel cell system for setting predetermined operation state when substitutional value control is impossible
WO2006109756A1 (ja) 燃料電池システム
US10629930B2 (en) Fuel cell system and control method therefor
JP6996340B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池の制御方法
KR101809796B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법
WO2008050699A1 (fr) Système de pile à combustible et son procédé de débit turbiné
CA2597570C (en) Fuel cell system with voltage detection device
JP2017010866A (ja) 燃料電池システム
JP2008047353A (ja) 燃料電池システム
JP6017785B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法
US10181606B2 (en) Fuel cell system and method of controlling fuel cell system
JP2005267969A (ja) 燃料電池システム
EP1556937B1 (en) Electric power generation control system and electric power generation control method for fuel cell
CN101416339B (zh) 燃料电池系统及其控制方法
JP2006252918A (ja) 燃料電池システムの制御装置
JP5077636B2 (ja) 燃料電池システム
JP5136874B2 (ja) 燃料電池システム及び排気弁の異常判定方法
CN103959527B (zh) 燃料电池组件和控制方法
US11611095B2 (en) Fuel cell system
WO2006030269A2 (en) Fuell cell system with pressure regulated fuel supply
US11705563B2 (en) Fuel cell system
JP5223624B2 (ja) 燃料電池システム及びそれを用いた燃料電池システムの制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application