KR20070084599A - 연료전지시스템과 그 운전방법 및 연료전지 차량 - Google Patents

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Abstract

연료가스의 쓸데없는 방출에 따르는 연비의 악화를 억제하기 위하여 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하는 간헐운전이 가능한 연료전지시스템의 운전방법에 있어서, 간헐운전 중(단계 S5 : YES)에 탱크 레귤레이터의 2차측 압력(단계 S1 : 압력값 A)이 제 1 한계값 이상이 된 경우(단계 S3 : YES)에는, 상기 간헐운전을 중지하고 통상운전으로 복귀시킨다(단계 S7). 간헐운전의 중지가 복수회 생긴 경우에는 이후의 간헐운전을 금지하도록 하여도 좋다.

Description

연료전지시스템과 그 운전방법 및 연료전지 차량{FUEL CELL SYSTEM, OPERATION METHOD THEREOF, AND FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 간헐운전 가능한 연료전지시스템과 그 운전방법 및 연료전지 차량에 관한 것으로, 특히 연료가스의 쓸데 없는 방출에 따르는 연비악화의 억제에 유효한 기술에 관한 것이다.
예를 들면 연료전지 차량의 발전시스템으로서, 연료가스와 산화가스의 산화환원반응에 의한 화학 에너지를 전기 에너지로서 직접 인출할 수 있는 연료전지시스템이 사용되고 있다. 이 종류의 연료전지시스템에서는 수소 공급원으로부터 연료전지에 수소를 공급하기 위한 수소 공급로에 각종 밸브(예를 들면 압력조절밸브, 차단밸브 등)가 설치되어 있고, 수소 공급원으로부터의 수소는 소정압으로 조압(감압)된 다음에 연료전지에 공급된다.
이들 밸브나 그 제어장치에 이상이 발생하면, 수소 공급로 내의 압력이 이상 상승하기 때문에, 예를 들면 일본국 특개2002-134139호 공보에는 수소 공급로에 릴리프밸브를 설치하여, 상기 수소 공급로 내의 압력이 소정 압력 이상이 되었을 때에는 릴리프밸브를 개방하여 수소를 외부로 방출할 수 있는 기술이 제안되어 있다.
상기 문헌에서 제안되어 있는 기술은 수소 공급로 내의 압력이 소정압력 이상이 되었을 때에 수소를 외부 방출하는 것이기 때문에, 연료전지, 가스공급로및 밸브의 손상방지에는 유효하나, 방출 수소에 의하여 연비의 악화가 염려된다.
따라서 본 발명은 연료가스의 쓸데 없는 방출에 따르는 연비의 악화를 억제할 수 있는 연료전지시스템과 그 운전방법 및 연료전지 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 연료전지시스템의 운전방법은, 반응가스가 유통하는 가스계통과, 상기 가스계통에 접속된 연료전지를 구비하고, 상기 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하는 간헐운전이 가능한 연료전지시스템의 운전방법으로서, 상기간헐운전 중에 상기 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에는 상기 간헐운전을 중지한다.
이와 같은 구성에 의하면, 간헐운전을 중지함으로써, 연료전지의 발전이 재개(통상운전으로 복귀)되기 때문에, 가스계통 내의 반응가스는 연료전지에서 소비된다. 따라서 주위에의 가스방출을 실시하지 않았도 가스계통의 압력의 이상상승을 해소하는 것이 가능해져 연비의 악화가 억제된다.
상기 간헐운전의 중지가 복수회 생긴 경우에는 이후의 간헐운전을 금지하여도 좋다.
간헐운전의 중지가 복수회 생겼다는 것은, 간헐운전 중에 소정압 이상의 압력상승이 복수회 생겼다는 것으로, 그 원인의 하나로서는 가스계통에 이상이 생겨 있는, 예를 들면 가스계통 내에 설치되어 1차측 압력을 소정의 2차측 압력까지 감압(조압)하는 압력조절밸브에 시일불량 등의 이상이 생기고 있다고 생각할 수 있다.
따라서 상기 구성과 같이 간헐운전의 중지가 복수회 생긴 경우에는 가스계통에 이상이 있다고 판단하여 이후의 간헐운전을 금지함으로써, 가스계통의 압력의 이상상승을 미연에 방지하는 것이 가능하게 된다.
상기 가스계통 중 상기 연료전지의 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에, 간헐운전을 중지하도록 하여도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면 연료전지에 접속된 가스계통(연료가스계통, 산화가스계통) 중, 더욱 고압의 반응가스(연료가스)가 유통하는 가스계통(연료가스계통)에 대한 가스누출 대책이 가능하게 된다.
이상의 구성으로 이루어지는 연료전지시스템의 운전방법은, 부하장치에 대하여 상기 연료전지와 병렬로 접속된 축전장치를 더 구비하고, 상기 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하여 상기 축전장치로부터 소요의 전력을 상기 부하장치에 공급하는 간헐운전이 가능하게 된 연료전지시스템에 적용할 수 있다.
상기 간헐운전을 중지하고 상기 연료전지의 발전을 재개한 경우에는, 그 발전전력을 상기 축전장치에의 축전과 상기 부하장치에서의 소비의 적어도 한쪽에 사용하여도 좋다.
상기 연료전지보다 상류측의 압력이 통상 운전압 이상이 된 경우에, 상기 간헐운전을 중지하여도 된다. 상기 연료전지보다 상류측의 압력으로서는 예를 들면 상기 가스계통에 설치된 레귤레이터의 2차압이나, 상기 연료전지의 입구압이어도 된다. 또 이 경우의 레귤레이터는, 상기 가스계통에 설치된 복수의 레귤레이터 중 최상류에 위치하는 것이어도 된다.
상기 애노드극측에 접속된 가스계통은, 상기 연료전지로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 연료전지에 환류시키는 연료가스 순환로와, 상기 연료가스 순환로에서 상기 미반응 연료가스를 시스템 밖으로 배기하는 애노드 오프 가스유로와, 상기 애노드 오프 가스유로에 설치된 퍼지밸브를 구비하고, 상기 퍼지밸브의 폐쇄 중에 상기 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에, 상기 간헐운전을 중지하도록 하여도 좋다.
상기 애노드극측에 접속된 가스계통은, 상기 연료전지로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 연료전지에 환류시키는 연료가스 순환로와, 상기 연료가스 순환로에 설치된 순환펌프를 구비하고, 상기 순환펌프의 정지 중에 상기 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우는, 상기 간헐운전을 중지하 도록 하여도 좋다.
이상의 구성으로 이루어지는 연료전지시스템의 운전방법은, 상기 연료전지시스템이 연료전지 차량에 탑재된 것에 적용할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 가스계통의 압력의 이상상승을 해소하는 데, 예를 들면 간헐운전 중에 연료전지의 발전을 재개한다, 라는 간단한 시퀀스를 추가하는 것만으로 되기 때문에, 연료전지시스템 나아가서는 차량의 제어로직이 과도 하게 복잡화하는 일이 없다. 또, 주위에 반응가스를 방출하지 않고, 연료전지의 발전을 이용하여 가스계통 내의 반응가스를 소비시키고 있기 때문에, 연비, 즉 항속거리의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
본 발명의 연료전지시스템은, 반응가스가 유통하는 가스계통과, 상기 가스계통에 접속된 연료전지와, 상기 가스계통의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 연료전지의 발전을 제어하는 제어장치를 구비하고, 상기 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하는 간헐운전이 가능한 연료전지시스템으로서, 상기 제어장치는, 상기 간헐운전 중에 상기 가스계통의 압력이 소정압 이상인 것을 검지한 경우에는, 상기 간헐운전을 중지한다.
간헐운전은, 예를 들면 저부하를 위하여 일시적으로 연료전지의 발전을 정지하고 있는 운전상태이며, 제어장치는 연료전지에의 반응가스공급을 정지하고 있다. 이 간헐운전 중에, 가스계통의 압력이 소정압 이상인 것을 제어장치가 검지하면, 상기 제어장치는 연료전지의 발전을 재개시킨다.
그렇게 하면 가스계통 내의 반응가스가 연료전지에서 소비되게 되기 때문에, 주위에의 가스방출을 실시하지 않아도 가스계통의 압력의 이상상승을 해소하는 것이 가능하게 되어, 연비의 악화가 억제된다.
상기 제어장치는, 상기 간헐운전의 중지가 복수회 생긴 경우에는, 이후의 간헐운전을 금지하여도 된다.
또, 상기 가스계통 중 상기 연료전지의 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에, 간헐운전을 중지하도록 하여도 좋다.
이상의 구성으로 이루어지는 연료전지시스템은, 부하장치에 대하여 상기 연료전지와 병렬로 접속된 축전장치를 더 구비하고, 상기 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하여 상기 축전장치로부터 소요의 전력을 상기 부하장치에 공급하는 간헐운전이 가능하게 되어 있어도 좋다.
상기 간헐운전을 중지하고 상기 연료전지의 발전을 재개한 경우에는, 그 발전전력이 상기 축전장치에의 축전과 상기 부하장치에서의 소비의 적어도 한쪽에 사용되도록 하여도 좋다.
상기 제어장치는, 상기 연료전지보다 상류측의 압력이 통상 운전압 이상이 된 경우에, 상기 간헐운전을 중지하여도 된다.
상기 연료전지보다 상류측의 압력으로서는, 상기 가스계통에 설치된 레귤레이터의 2차압이나, 상기 연료전지의 입구압이어도 된다. 또 레귤레이터는, 상기 가스계통에 설치된 복수의 레귤레이터 중 최상류에 위치하는 것이어도 좋다.
상기 애노드극측에 접속된 가스계통은, 상기 연료전지로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 연료전지에 환류시키는 연료가스 순환로와, 상기 연료가스 순환로에서 상기 미반응 연료가스를 시스템 밖으로 배기하는 애노드 오프 가스유로와, 상기 애노드 오프 가스유로에 설치된 퍼지밸브를 구비하고, 상기 제어장치는 상기 퍼지밸브의 폐쇄 중에 상기 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에, 상기 간헐운전을 중지하도록 하여도 좋다.
상기 애노드극측에 접속된 가스계통은, 상기 연료전지로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 연료전지에 환류시키는 연료가스 순환로와, 상기 연료가스 순환로에 설치된 순환펌프를 구비하고, 상기 제어장치는 상기 순환펌프의 정지 중에 상기 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우는, 상기 간헐운전을 중지하도록 하여도 좋다.
본 발명에 관한 연료전지 차량은, 상기 어느 하나의 구성을 포함하는 연료전지시스템을 구비하여 이루어진다.
또한 상기 본 발명에 관한 축전장치로서는, 예를 들면 2차 전지나 커패시터를 채용할 수 있다.
또, 본 발명에서의「통상 운전압」이란, 통상 운전으로서 허용되는 범위의 압력을 말하는 것으로, 예를 들면 통상 사용압에 소정의 허용 변동압을 가한 압력이 해당한다.
도 1은 본 발명에 관한 연료전지시스템의 일 실시형태를 나타내는 개략 구성도,
도 2는 도 1에 나타내는 제어부에 의한 제어플로우의 주요부를 설명하는 플로우차트이다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템의 개략 구성을 나타내고 있다. 여기서는 연료전지시스템(10)을 연료전지 차량(FCEV)의 차량 탑재 발전시스템으로서 사용한 예를 나타내나, 연료전지가 건물(주택, 빌딩 등)용의 발전설비로서 사용되는 정치용 발전시스템에의 적용도 가능하다.
연료전지(20)는 복수의 단셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 스택구조를 구비하고 있고, 예를 들면 고체 고분자 전해질형 연료전지 등으로 구성되어 있다.
연료전지(20)의 연료가스공급계통(가스계통)에는, 연료가스공급원(30), 연료가스공급로(31) 및 연료가스순환로(32)가 설치되어 있다. 여기서 연료가스공급계통이란, 연료가스공급원(30)으로부터 연료전지(20)에 연료가스를 공급하는 경로상에 배치된 가스배관이나 밸브 등을 총칭하는 것으로, 예를 들면 연료가스공급원(30)과, 연료가스공급원(30)과 연료전지(20)를 접속하는 연료가스공급로(31)와, 연료가스공급로(31)에 설치된 개폐밸브나 레귤레이터 등을 포함하는 구성이다.
또, 본 실시형태와 같이 연료전지(20)로부터 배출되는 연료가스를 연료가스공급로(31)에 순환시키는 시스템 구성을 채용하는 경우에는, 연료가스공급계통은, 또한 연료가스순환로(32)를 포함하는 구성이 된다. 연료가스공급원(30)은, 예를 들면 고압수소탱크, 수소저장탱크, 또는 수소흡장탱크 등의 수소 저장원, 또는 개질원료를 수소리치가스로 개질하는 개질기 등에 의하여 구성된다.
연료가스공급로(31)는 연료가스공급원(30)으로부터 방출되는 연료가스를 연료전지(20)의 애노드극으로 유도하기 위한 가스유로이며, 그 가스유로에는 상류에서 하류에 걸쳐 탱크 레귤레이터(H8), 고압 레귤레이터(H9), 저압 레귤레이터 (H10), 수소공급밸브(H200) 및 연료전지스택 입구 밸브(이하, FC 입구 밸브)(H21)가 각각 설치되어 있다.
고압(예를 들면, 35 MPa, 70 MPa)으로 압축된 연료가스는 탱크 레귤레이터 (H8)로 감압된 후, 고압 레귤레이터(H9)로 중압으로 감압되고, 또한 저압 레귤레이터(H10)로 저압(통상 운전압력. 예를 들면, 1 MPa)으로 감압된다. 연료가스순환로(32)는 미반응 연료가스를 연료전지(20)에 환류시키기 위한 귀환가스유로이며, 그 가스유로에는 상류에서 하류에 걸쳐 연료전지스택 출구 밸브(이하, FC 출구 밸브)(H22), 수소순환펌프(63) 및 체크밸브(H52)가 각각 설치되어 있다.
연료전지(20)로부터 배출된 저압의 미반응 연료가스는 수소순환펌프(63)에 의하여 적절하게 가압되어 연료가스공급로(31)로 유도된다. 체크밸브(H52)는 연료가스공급로(31)로부터 연료가스순환로(32)에의 연료가스의 역류를 억제한다. 애노드 오프 가스유로(33)는 연료전지(20)로부터 배출된 수소 오프 가스를 시스템 밖으로 배기하기 위한 가스유로이며, 그 가스유로에는 퍼지밸브(H51)가 설치되어 있다.
상기한 수소공급밸브(H200), FC 입구 밸브(H21), FC 출구 밸브(H22) 및 퍼지밸브(H51)는 각 가스유로(31∼33) 또는 연료전지(20)에 연료가스를 공급하고, 또는 차단하기 위한 셔트밸브이고, 예를 들면 전자밸브에 의하여 구성되어 있다. 이와 같은 전자밸브로서 예를 들면 온/오프 밸브, 또는 PWM 제어로 밸브 개방도를 리니어하게 조정할 수 있는 리니어밸브 등이 적합하다.
연료전지(20)의 산화가스공급계통(가스계통)에는, 에어컴프레서(40), 산화가스공급로(41) 및 캐소드 오프 가스유로(42)가 설치되어 있다.
에어컴프레서(40)는 에어필터(61)를 거쳐 외기로부터 도입된 공기를 압축하고, 그 압축공기를 산화가스로서 연료전지(20)의 캐소드극에 공급한다. 연료전지(20)의 전지반응에 제공한 후의 산소 오프 가스는 캐소드 오프 가스유로(42)를 흘러 시스템 밖으로 배기된다.
산소 오프 가스는 연료전지(20)에서의 전지반응에 의하여 생성된 수분을 함유하기 때문에, 고습윤상태로 되어 있다. 가습모듈(62)은 산화가스공급로(41)를 흐르는 저습윤상태의 산화가스와, 캐소드 오프 가스유로(42)를 흐르는 고습윤상태의 산소 오프 가스와의 사이에서 수분교환을 행하여, 연료전지(20)에 공급되는 산화가스를 적절하게 가습한다. 연료전지(20)에 공급되는 산화가스의 배압은 캐소드 오프 가스유로(42)의 캐소드 출구 부근에 설치된 압력조정밸브(A4)에 의하여 조압된다.
캐소드 오프 가스유로(42)의 하류는 희석기(64)에 연통되어 있고, 희석기(64)에 산소 오프 가스를 공급한다. 희석기(64)는 애노드 오프 가스유로(33)의 하류에도 연통되어 있고, 수소 오프 가스를 산소 오프 가스에 의하여 혼합 희석한 후에 시스템 밖으로 배기하도록 구성되어 있다.
연료전지(20)에서 발전된 직류전력의 일부는 DC/DC 컨버터(53)에 의하여 강압되어, 2차 전지(축전장치)(54)에 충전된다. 2차 전지(54)는 차량 제동시의 회생 에너지저장원, 차량의 가속 또는 감속에 따르는 부하 변동시의 에너지 버퍼로서의 역할을 담당하는 것으로, 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차 전지 등으로 구성되어 있다.
트랙션 인버터(부하장치)(51) 및 보조기계 인버터(부하장치)(52)는 연료전지(20)와 2차 전지(54)의 양쪽 또는 어느 한쪽으로부터 공급되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 트랙션 모터(부하장치)(M3)와 보조기계 모터(부하장치)(M4)의 각각에 교류전력을 공급한다. 보조기계 모터(M4)는 뒤에서 설명하는 수소순환펌프(63)를 구동하는 모터(부하장치)(M2)나 에어컴프레서(40)를 구동하는 모터(부하장치)(M1) 등을 총칭하고 있다.
제어부(50)는 공지의 CPU, RAM, ROM을 주체로 구성되고, 액셀러레이터 센서(55)가 검출한 액셀러레이터 개방도, 차속센서(56)가 검출한 차속 등에 의거하여 연료전지(20)가 출력해야 할 목표전력(요구출력)(Pr)을 구하고, 이 목표전력에 연료전지(20)의 출력전력이 일치하도록 연료전지시스템(10)을 제어한다.
구체적으로는 제어부(50)는 에어컴프레서(40)를 구동하는 모터(M1)의 회전수를 조정하여 산화가스공급량을 조정함과 동시에, 수소순환펌프(63)를 구동하는 모터(M2)의 회전수를 조정하여 연료가스공급량을 조정한다. 또한 제어부(50)는 DC/DC 컨버터(53)를 제어하여 연료전지(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)를 조정하여, 연료전지(20)의 출력전력이 목표전력에 일치하도록 조정한다.
이하, 이와 같은 제어를 통상 발전제어와, 또한, 이와 같은 제어가 행하여지는 연료전지(20)의 운전상태를 통상 운전이라 하는 경우가 있다.
또한, 연료전지(20)의 목표전력(Pr)은, 트랙션 모터(M3) 및 보조기계 모터 (M4)의 소비전력과, 2차 전지(54)의 충전전력과의 총합이며, 2차 전지(54)에 부하장치에 대한 방전요구가 있는 경우는, 트랙션 모터(M3) 및 보조기계 모터(M4)의 소비전력으로부터 2차 전지(54)의 방전전력을 줄인 것이 된다. 2차 전지(54)에 대한 충방전 요구(충방전 요구 제로를 포함한다)는, 2차 전지(54)의 SOC(State Of Charge)에 따라 결정된다.
또한 연료가스공급계통은 고압부[탱크 레귤레이터(H8)∼수소 공급 밸브(H200)의 구간], 저압부[수소 공급 밸브(H200)∼FC 입구 밸브(H21)의 구간], FC 부[FC 입구 밸브(H21)∼FC 출구 밸브(H22)의 구간], 순환부[FC 출구 밸브(H22)∼체크 밸브(H52)의 구간]의 4개의 섹션으로 구성되어 있고, 각 부에는 연료가스의 압력을 검출하는 압력센서(P6, P7, P9, P61, P5, P10, P11)가 설치되어 있다.
더욱 상세하게는, 압력센서(P6)는 탱크 레귤레이터(H8)의 2차압, 압력센서(P7)는 고압 레귤레이터(H9)의 2차압, 압력센서(P9)는 저압 레귤레이터(H10)의 2차압을 검출한다. 또 압력센서(P61)는 연료가스공급로(31)의 저압부의 압력, 압력센서(P5)는 스택 입구의 압력, 압력센서(P10)는 수소순환펌프(63)의 입력 포트측(상류측)의 압력, 압력센서(P11)는 수소순환펌프(63)의 출력 포트측(하류측)의 압력을 검출한다.
도 2는 제어부(제어장치)(50)가 실행하는 서브루틴의 일례이며, 이 서브루틴은 상기 제어부(50)가 실행하는 주제어 프로그램 중에서 소정의 주기마다 또는 소정의 이벤트 발생시에 호출된다. 이하에서는 먼저 도 2의 서브루틴이 호출되기 전의 연료전지(20)의 운전상태에 대하여 그 개략을 설명하고, 이어서 상기 도면의 각 처리의 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 연료전지시스템(10)이 기동하면 제어부(50)는 예를 들면 연료가스공급계통의 가스누출판정 등을 행하여, 정상으로 발전할 수 있는 상태라고 판정되면 상기 통상 발전제어(통상운전)를 행한다. 통상운전이 계속되어, 미리 정해진 간헐운전 개시조건이 만족되면, 제어부(50)는 연료전지(20)의 운전상태를 통상운전으로부터 간헐운전으로 이행한다.
간헐운전이란 아이들링시, 저속주행시, 또는 회생제동시 등과 같이 저부하운전시에 연료전지(20)의 발전을 일시적으로 휴지하는 운전모드를 말하며, 그 동안의 주행은, 2차 전지(54)로부터 공급되는 전력으로 주행하는, 또는 회생 제동 하면서의 주행이 된다.
그리고 도 2의 서브루틴이 호출되면, 제어부(50)는 탱크 레귤레이터(H8)의 2차측 배관의 압력값(A)을 취득한다(단계 S1). 이 압력값(A)은 압력센서(P6)로 검출된다. 다음에 이 압력값(A)이 제 1 한계값(예를 들면, 7 MPa) 이상인지가 판정되어(단계 S3), 판정결과가「NO」인 경우, 즉「압력값 A < 제 1 한계값」의 경우는, 단계 S1, S3의 처리를 반복한다.
한편, 단계 S3의 판정결과가「YES」인 경우, 즉, 「압력값 A ≥ 제 1 한계값」의 경우는, 단계 S5로 진행하여 연료전지(20)의 운전상태가 간헐운전 중인지가 판정된다. 간헐운전 중인 경우(판정결과: YES)는 간헐운전을 중지하고, 연료전지(20)의 운전상태를 간헐운전으로부터 통상운전의 상태로 되돌린다(단계 S7).
예를 들면 간헐운전이 아이들시의 것이었으면, 발전정지를 해제하여 연료전지(20)에 아이들 발전을 행하게 하고, 저부하 주행시의 것이었으면, 발전정지를 해제하고 연료전지(20)에 주행발전을 행하게 한다. 그렇게 하면 연료전지(20)의 발전이 재개(통상운전으로 복귀)되어, 연료가스공급계통 내의 연료가스가 연료전지(20)로 소비된다. 이 발전에 의하여 얻어진 전력은, 2차 전지(54)에 축전하여도 좋고, 부하장치에서 소비하여도 좋다.
따라서 연료전지(20)의 운전상태가 간헐운전 중임에도 불구하고, 예를 들면 탱크 레귤레이터(H8)에서의 밸브자리 - 밸브체 사이의 시일불량에 기인하여 소량의 가스누설이 발생하고 있는 결과, 탱크 레귤레이터(H8)의 2차측 압력이 소정압 이상 으로 이상 상승하고 있는 경우이어도 발전에 의하여 소비되는 연료가스량이 탱크 레귤레이터(H8)의 1차측에서 2차측으로의 가스누출량보다 많으면, 통상의 운전제어로부터 일탈한 제어나 주위에의 가스방출을 실시하지 않고, 상기 이상상승을 해소할 수 있어, 탱크 레귤레이터(H8)의 2차측(하류측) 부품을 고장·파괴 등으로부터 보호하는 것이 가능해진다. 따라서 압력 이상상승 해소를 위한 릴리프밸브도 불필요하게 된다.
도 2로 되돌아가, 단계 S5의 판정결과가「NO」인 경우, 즉 연료전지(20)의 운전상태가 간헐운전 중이 아닌 경우는, 단계 S11로 진행하여 단계 S1에서 취득한 압력값(A)이 제 2 한계값(예를 들면, 10 MPa) 이상인지가 판정된다. 이 판정결과가 「YES」인 경우, 즉 「압력값 A ≥ 제 2 한계값」의 경우는 연료전지시스템(10)을 정지하고(단계 S13), 판정결과가「NO」인 경우, 즉 「압력값 A < 제 2 벌값」의 경우는, 본 서브 루틴을 반복한다.
본 실시형태에서는 「제 1 한계값 < 제 2 한계값」이나, 이것에 한정하지 않고 「제 1 한계값 = 제 2 한계값」으로 하여도 된다. 이 경우에는 도 2의 단계 S5에서 간헐운전 중이 아니라고 판정된 경우(단계 S53 NO)는, 즉시 연료전지시스템(10)을 정지하게 된다(단계 S13).
이상 설명한 바와 같이 본 실시형태에서는 연료전지(20)의 운전상태가 간헐운전 중일 때에, 연료가스공급계통의 압력[탱크 레귤레이터(H8)의 2차측 압력]이 소정압(제 1 한계값) 이상이 된 경우(압력값 A ≥ 제 1 한계값)에는, 상기 간헐운전을 중지하고 연료전지(20)의 발전을 재개시켜 연료가스공급계통 내의 연료가스가 연료전지(20)로 소비되도록 하고 있다.
이 때문에 탱크 레귤레이터(H8) 내의 시일불량에 의하여 간헐운전 중임에도 불구하고, 상기 탱크 레귤레이터(H8)보다 하류측의 가스압이 이상 상승하고 있어도 단지 연료전지(20)의 운전상태를 간헐운전으로부터 통상운전의 상태로 이행하는 것만으로 상기 이상상승을 해소할 수 있다.
따라서 통상의 운전제어로부터 일탈한 제어나 주위에의 가스방출을 실시하지 않아도 되어 연비의 악화가 억제된다. 또 연료전지(20)에 접속된 가스공급계통 중, 더욱 고압의 연료가스가 유통하는 연료가스공급계통에 대하여 유효한 가스누출 대책을 행하는 것이 가능해진다.
또한 연료가스공급계통에서의 가스압의 이상상승을 해소하는 데, 예를 들면 연료전지(20)의 발전을 재개한다는 간단한 시퀀스를 추가하는 것만으로 되기 때문에, 연료전지시스템(10), 나아가서는 연료전지 차량의 제어로직이 과도하게 복잡화되는 일이 없다. 또 주위에 연료가스를 방출하지 않고, 연료전지(20)의 발전을 이용하여 상기 이상상승을 해소하고 있기 때문에, 연비 즉 항속거리의 향상을 도모하는 것도 가능하게 된다.
<다른 실시형태>
이상, 본 발명의 실시형태를 도면에 의하여 상술하여 왔으나, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 설계변경 등이 있어도 본 발명의 범위에 포함되는 것이다. 예를 들면 상기 실시형태에서 간헐운전의 중지가 복수회 생긴 경우에는 이후의 간헐운전을 금지하 도록 하여도 좋다.
그 일례로서 도 2의 단계 S7의 처리(간헐운전 중지)를 실행하였으면 간헐운전 중지 플래그에, 이전에 간헐운전을 중지한 적이 있는 것을 나타내는 「1」을 세트한다. 그리고 제어부(50)가 실행하는 주제어 프로그램 중에서는 상기 소정의 간헐운전 개시조건을 만족하여도 「간헐운전 중지 플래그= 1」의 경우에는 간헐운전을 행하지 않는 것으로 한다.
즉, 간헐운전의 중지가 복수회 생겼다는 것은, 간헐운전 중에 가스압의 이상상승이 복수회 생겼다는 것으로, 그 원인의 하나로서는 예를 들면 연료가스공급계통 내의 탱크 레귤레이터(H8)에 시일불량이 발생하고 있고, 또한 그 시일불량이 상당정도 진행되고 있어, 수리를 요하는 사태가 발생하고 있다라고 생각할 수 있다.
따라서 간헐운전의 중지가 복수회 생긴 경우에는, 연료가스공급계통의 어느 하나에 이상이 있다고 판단하여 이후의 간헐운전을 금지함으로써, 연료가스공급계통에서의 가스압의 이상상승을 미연에 방지하는 것이 가능해진다.
또한 간헐운전 중지 플래그에는, 예를 들면 연료전지시스템(10)이 기동 또는 정지할 때마다, 또는 소정의 리세트조작 때마다 등에, 이전에 간헐운전을 중지한 적이 없는 것을 나타내는 「0」이 리세트된다.
상기 실시형태에서는 압력센서(P6)를 사용하여 검출되는 탱크 레귤레이터 (H8)의 2차측 압력에 의거하여 간헐운전의 중지와 속행을 제어하고 있었으나, 다른 압력센서(P7, P9) 등을 사용하여 검출되는 고압 레귤레이터(H9), 저압 레귤레이터(H10) 등의 2차측 압력, 또는 압력센서(P5)를 사용하여 검출되는 연료전지 입구측 의 압력에 의거하여 간헐운전을 중지할지 계속할지를 판정하여도 된다.
또, 퍼지밸브(H51)의 폐쇄 중 또는 순환펌프(63)의 정지 중에 연료가스공급계통의 압력[예를 들면, 상기 레귤레이터(H8∼H10)의 2차측 압력, 상기 연료전지(20)의 입구측 압력, 상기 수소순환펌프(63)의 입구 포트측 또는 출구 포트측의 압력]이 소정압(통상 운전압) 이상이 된 경우에는, 간헐운전을 중지하도록 하여도 된다.
또한 연료가스공급계통측에 한정하지 않고, 간헐운전 중에 산화가스공급계통측의 압력이 소정압 이상이 된 경우에, 상기 간헐운전을 중지하도록 하여도 된다.
본 발명의 연료전지시스템은, 반드시 상기 실시형태와 같이 축전장치[2차 전지(54)]를 구비하고 있을 필요는 없다. 예를 들면 본 발명의 연료전지시스템이, 연료전지에서만 구동모터에의 전력공급이 이루어지는 차량에 적용된 경우에는 회생 제동 중에 연료전지의 발전을 일시 정지한 간헐운전이 가능하다.
본 발명에 의하면 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하고 있는 간헐운전상태로부터, 연료전지의 발전을 재개하여 통상운전으로 변환함으로써, 연료전지의 발전을 재개(통상운전으로 복귀)시키고, 이에 의하여 가스계통 내의 반응가스를 연료전지에서 소비시키는 결과, 주위에의 가스방출을 실시하지 않아도 가스계통의 압력의 이상상승을 해소하는 것이 가능해지기 때문에, 연비의 악화가 억제된다.
따라서 본 발명은 그와 같은 요구가 있는 연료전지시스템과 그 운전방법, 및 연료전지 차량에 널리 이용할 수 있다.

Claims (24)

  1. 반응가스가 유통하는 가스계통과, 상기 가스계통에 접속된 연료전지를 구비하고, 상기 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하는 간헐운전이 가능한 연료전지시스템의 운전방법에 있어서,
    상기 간헐운전 중에 상기 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에는, 상기 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 간헐운전의 중지가 복수회 생긴 경우에는, 이후의 간헐운전을 금지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 가스계통 중 상기 연료전지의 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에, 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    부하장치에 대하여 상기 연료전지와 병렬로 접속된 축전장치를 더 구비하고,
    상기 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하여 상기 축전장치로부터 소요의 전력을 상기 부하장치에 공급하는 간헐운전이 가능하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 간헐운전을 중지하고 상기 연료전지의 발전을 재개한 경우에는, 그 발전전력을 상기 축전장치에의 축전과 상기 부하장치에서의 소비의 적어도 한쪽에 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지보다 상류측의 압력이 통상 운전압 이상이 된 경우에, 상기 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 연료전지보다 상류측의 압력은, 상기 가스계통에 설치된 레귤레이터의 2차압인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 연료전지보다 상류측의 압력은, 상기 연료전지의 입구압인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 레귤레이터는, 상기 가스계통에 설치된 복수의 레귤레이터 중 최상류에 위치하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 애노드극측에 접속된 가스계통은, 상기 연료전지로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 연료전지에 환류시키는 연료가스순환로와, 상기 연료가스순환로에서 상기 미반응 연료가스를 시스템 밖으로 배기하는 애노드 오프 가스유로와, 상기 애노드 오프 가스유로에 설치된 퍼지밸브를 구비하고,
    상기 퍼지밸브의 폐쇄 중에 상기 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에, 상기 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  11. 제 3항에 있어서,
    상기 애노드극측에 접속된 가스계통은, 상기 연료전지로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 연료전지에 환류시키는 연료가스순환로와, 상기 연료가스순환로에 설치된 순환펌프를 구비하고,
    상기 순환펌프의 정지 중에 상기 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우는 상기 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  12. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지시스템이 연료전지 차량에 탑재된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전방법.
  13. 반응가스가 유통하는 가스계통과, 상기 가스계통에 접속된 연료전지와, 상기 가스계통의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 연료전지의 발전을 제어하는 제어장치를 구비하고, 상기 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하는 간헐운전이 가능한 연료전지시스템에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 간헐운전 중에 상기 가스계통의 압력이 소정압 이상인 것을 검지한 경우에는 상기 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 간헐운전의 중지가 복수회 생긴 경우에는, 이후의 간헐운전을 금지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  15. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 가스계통 중 상기 연료전지의 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에, 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스 템.
  16. 제 12항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    부하장치에 대하여 상기 연료전지와 병렬로 접속된 축전장치를 더 구비하고,
    상기 연료전지의 발전을 일시적으로 정지하고, 상기 축전장치로부터 소요의 전력을 상기 부하장치에 공급하는 간헐운전이 가능하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 간헐운전을 중지하고 상기 연료전지의 발전을 재개한 경우에는 그 발전전력이 상기 축전장치에의 축전과 상기 부하장치에서의 소비의 적어도 한쪽에 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  18. 제 12항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지보다 상류측의 압력이 통상 운전압 이상이 된 경우에, 상기 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 연료전지보다 상류측의 압력은, 상기 가스계통에 설치된 레귤레이터의 2차압인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 연료전지보다 상류측의 압력은, 상기 연료전지의 입구압인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 레귤레이터는, 상기 가스계통에 설치된 복수의 레귤레이터 중 최상류에 위치하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  22. 제 14항에 있어서,
    상기 애노드극측에 접속된 가스계통은, 상기 연료전지로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 연료전지에 환류시키는 연료가스순환로와, 상기 연료가스순환로에서 상기 미반응 연료가스를 시스템 밖으로 배기하는 애노드 오프 가스유로와, 상기 애노드 오프 가스유로에 설치된 퍼지밸브를 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 퍼지밸브의 폐쇄 중에 상기 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우에, 상기 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  23. 제 14항에 있어서,
    상기 애노드극측에 접속된 가스계통은, 상기 연료전지로부터 배출된 미반응 연료가스를 상기 연료전지에 환류시키는 연료가스순환로와, 상기 연료가스순환로에 설치된 순환펌프를 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 순환펌프의 정지 중에 상기 애노드극측에 접속된 가스계통의 압력이 소정압 이상이 된 경우는, 상기 간헐운전을 중지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  24. 제 12항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지시스템을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
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