KR20090036594A - 연료전지 시스템 및 개폐밸브의 진단방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지로 흘리기 위한 연료공급유로와, 연료공급유로의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 개폐밸브와, 개폐밸브의 폐쇄 고장의 유무를 검출하는 고장검출수단을 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 개폐밸브의 상류측에서의 연료가스의 압력값을 검출하는 압력센서와, 압력센서에서의 검출압력값에 의거하여 개폐밸브의 폐쇄고장 판정조건을 설정하는 판정조건 설정수단을 구비한다. 고장검출수단은, 판정조건 설정수단에서 설정한 폐쇄고장 판정조건에 의거하여 개폐밸브의 폐쇄고장의 유무를 판정한다.

Description

연료전지 시스템 및 개폐밸브의 진단방법 {FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF DIAGNOSING ON-OFF VALVE}
본 발명은, 연료전지 시스템 및 개폐밸브의 진단방법에 관한 것이다.
종래부터, 반응가스(연료가스 및 산화가스)의 공급을 받아 발전을 행하는 연료전지를 구비한 연료전지 시스템이 제안되어, 실용화되어 있다. 이러한 연료전지 시스템에는, 수소탱크 등의 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지로 흘리기 위한 연료공급유로가 설치되어 있고, 연료공급유로에는, 연료공급원으로부터의 연료가스의 공급 압력을 일정한 값까지 저감시키는 압력조절밸브(레귤레이터)가 설치되는 것이 일반적이다. 현재는, 연료가스의 공급 압력을 예로 들면 2단계로 변화시키는 기계식의 가변 압력조절밸브(가변 레귤레이터)를 연료공급유로에 설치함으로써, 시스템의 운전상태에 따라 연료가스의 공급 압력을 변화시키는 기술이 제안되어 있다.
또, 최근에는, 연료전지 시스템의 연료공급유로에 인젝터를 배치하고, 이 인젝터의 작동상태를 제어함으로써 연료공급유로 내의 연료가스의 공급 압력을 조정하는 기술이 제안되고 있다. 인젝터는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 사전설정(所定)된 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 격리시킴으로써 가스 상태(가스 유량이나 가스 압력)를 조정하는 것이 가능한 전자구동식 개폐밸브이다. 제어장치가 인젝터의 밸브체를 구동하여 연료가스의 분사시기나 분사시간을 제어함으로써, 연료가스의 유량이나 압력을 제어하는 것이 가능해진다. 최근에는, 이러한 인젝터 등의 전자구동식 개폐밸브의 이상(밸브 고착 등의 폐쇄 고장)을 검출하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 특개2005-302563호 공보 참조).
그런데, 종래에는, 시스템의 기동시에 인젝터 등의 전자구동식 개폐밸브가 폐쇄 고장인지의 여부를 판정하는 경우에, 개폐밸브에 대하여 통전(通電)을 행하여, 이 통전시간이 일정한 기준 시간을 경과한 시점에서 개폐밸브의 폐쇄 고장 판정을 행하고 있다. 이러한 종래의 폐쇄 고장 판정기술에서는, 일정한 기준 시간으로서, 개폐밸브의 개방에 필요한 전류를 얻기 위한 통전시간(돌입전류시간)을 채용하고 있다.
그러나, 시스템의 정지시에 있어서는, 개폐밸브 상류측에 배치된 차단밸브나 레귤레이터로부터 가스 누출, 투과 등이 발생함으로써, 개폐밸브 상류측에서의 연료가스의 압력값(1차압)이 상정한 값을 넘어 상승하는 경우가 있다. 상기한 종래의 폐쇄 고장 판정기술에서는, 이와 같이 1차압의 상승에 기인하여 개폐밸브가 열리기 어렵게 되어 있는 상황 하에서도, 일정한 돌입전류시간이 경과한 시점에서 일률적으로 폐쇄 고장 판정을 행하기 때문에, 실제로는 개폐밸브에 폐쇄 고장이 발생하지 않았음에도 불구하고 폐쇄 고장이 발생한 것으로 오판정하여, 시스템이 기동 불능 상태에 빠지는 경우가 있었다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 개폐밸브를 가지는 연료전지 시스템에서, 개폐밸브 상류측에서의 연료가스의 압력값(1차압)이 상승한 경우에도, 개폐밸브의 폐쇄 고장 판정을 정확하게 실현시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지로 흘리기 위한 연료공급유로와, 이 연료공급유로의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 개폐밸브와, 이 개폐밸브의 폐쇄 고장의 유무를 검출하는 고장검출수단을 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 개폐밸브의 상류측에서의 연료가스의 압력값을 검출하는 압력센서와, 이 압력센서에서의 검출압력값에 의거하여 개폐밸브의 폐쇄 고장 판정조건을 설정하는 판정조건 설정수단을 구비하고, 고장검출수단은, 판정조건 설정수단으로 설정한 폐쇄 고장 판정조건에 의거하여 개폐밸브의 폐쇄 고장의 유무를 판정하는 것이다.
또, 본 발명에 관한 진단방법은, 연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지로 흘리기 위한 연료공급유로와, 이 연료공급유로의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 개폐밸브를 구비하는 연료전지 시스템의 개폐밸브의 진단방법에 있어서, 개폐밸브의 상류측에서의 연료가스의 압력값을 검출하는 제 1 공정과, 제 1 공정에서의 검출압력값에 의거하여 개폐밸브의 폐쇄 고장 판정조건을 설정하는 제 2 공정과, 제 2 공정에서 설정한 폐쇄 고장 판정조건에 의거하여 개폐밸브의 폐쇄 고장의 유무를 판정하는 제 3 공정을 포함하는 것이다.
이러한 구성 및 방법을 채용하면, 개폐밸브의 상류측에서의 연료가스의 압력값(1차압)이 변화된 경우에도, 개폐밸브의 폐쇄 고장 판정을 정확하게 실현시킬 수 있다. 예를 들면, 1차압이 상승하는 것에 기인하여 개폐밸브가 개방되기 어려워진 경우에는, 폐쇄 고장 판정조건을 완화함으로써, 개폐밸브가 폐쇄 고장이 난 것으로 오판정하는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 시스템이 기동 불능상태에 빠지는 것을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 「가스 상태」란, 유량, 압력, 온도, 몰농도 등으로 나타내는 가스의 상태를 의미하고, 특히 가스 유량 및 가스 압력 중 적어도 한쪽을 포함하는 것으로 한다.
또, 상기 연료전지 시스템 및 진단방법에서, 인젝터를 개폐밸브로서 채용할 수 있다.
또, 상기 연료전지 시스템에서, 인젝터의 개방에 필요한 전류값을 얻기 위한 통전시간을 폐쇄 고장 판정조건으로 하고, 검출압력값이 사전설정된 문턱값을 넘는 경우에, 검출압력값에 따라 상기 통전시간을 변경하는 판정조건 설정수단을 채용할 수 있다.
이러한 구성을 채용하면, 인젝터의 개방에 필요한 전류값을 얻기 위한 통전시간(돌입전류시간)을 폐쇄 고장 판정조건으로 할 수 있다. 그리고, 인젝터의 상류측에서의 연료가스의 압력값(1차압)이 상승하여, 사전설정된 문턱값을 넘은 경우에, 그 압력값에 따라, 폐쇄 고장 판정조건(돌입전류시간)을 변경할 수 있다. 따라서, 1차압이 상승하는 것에 기인하여 인젝터가 개방되기 어려워진 경우에 있어서도, 인젝터의 폐쇄 고장 판정을 정확하게 실현시킬 수 있다.
또, 상기 연료전지 시스템에서, 인젝터의 온도에 의거하여 상기 통전시간을 보정하는 판정조건 설정수단을 채용하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 채용하면, 인젝터의 온도에 의거하여, 폐쇄 고장 판정조건인 통전시간(돌입전류시간)을 보정할 수 있다. 따라서, 인젝터의 온도가 상승하여 저항이 커지는 것에 기인하여, 인젝터의 개방에 필요한 전류를 얻기 위한 통전시간이 통상보다 길어지는 경우에 있어서도, 폐쇄 고장 판정조건(돌입전류시간)을 보정함으로써, 인젝터의 폐쇄 고장 판정을 정확하게 실현시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 개폐밸브를 가지는 연료전지 시스템에서, 개폐밸브 상류측에서의 연료가스의 압력값(1차압)이 상승한 경우에 있어서도, 개폐밸브의 폐쇄 고장 판정을 정확하게 실현시키는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지 시스템의 구성도,
도 2는, 도 1에 나타낸 연료전지 시스템의 제어장치의 제어 형태를 설명하기 위한 제어블록도,
도 3은, 도 1에 나타낸 연료전지 시스템의 인젝터의 폐쇄 고장 판정조건과 1차압과의 관계를 나타내는 맵,
도 4는, 도 1에 나타낸 연료전지 시스템의 인젝터의 진단방법을 설명하기 위한 플로우 차트,
도 5는, 도 1에 나타낸 연료전지 시스템의 변형예를 나타내는 구성도,
도 6은, 도 1에 나타낸 연료전지 시스템의 인젝터의 폐쇄 고장 판정조건과 1 차압과 인젝터의 코일 온도와의 관계를 나타내는 맵이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지 시스템(1)에 대하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 본 발명을 연료전지차량의 차량 탑재 발전 시스템에 적용한 예에 대하여 설명하는 것으로 한다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 이용하여, 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지 시스템(1)의 구성에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템(1)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 반응가스(산화가스 및 연료가스)의 공급을 받아 전력을 발생하는 연료전지(10)를 구비함과 동시에, 연료전지(10)에 산화가스로서의 공기를 공급하는 산화가스 배관계(2), 연료전지(10)에 연료가스로서의 수소가스를 공급하는 수소가스 배관계(3), 시스템 전체를 통합 제어하는 제어장치(4) 등을 구비하고 있다.
연료전지(10)는, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 단전지(單電池)를 필요한 수 적층하여 구성한 스택 구조를 가지고 있다. 연료전지(10)에 의하여 발생한 전력은, PCU (Power Control Unit)(11)에 공급된다. PCU(11)는, 연료전지(10)와 트랙션모터(12)와의 사이에 배치되는 인버터나 DC-DC 컨버터 등을 구비하고 있다. 또, 연료전지(10)에는, 발전 중의 전류를 검출하는 전류센서(13)가 설치되어 있다.
산화가스 배관계(2)는, 가습기(20)에 의하여 가습된 산화가스(공기)를 연료전지(10)에 공급하는 공기공급유로(21)와, 연료전지(10)에서 배출된 산화오프가스를 가습기(20)로 유도하는 공기배출유로(22)와 가습기(21)에서 외부로 산화오프가 스를 유도하기 위한 배기유로(23)를 구비하고 있다. 공기공급유로(21)에는, 대기 중의 산화가스를 도입하여 가습기(20)로 압송하는 컴프레서(24)가 설치되어 있다.
수소가스 배관계(3)는, 고압의 수소가스를 저류한 연료공급원으로서의 수소탱크(30)와, 수소탱크(30)의 수소가스를 연료전지(10)에 공급하기 위한 연료공급유로로서의 수소공급유로(31)와, 연료전지(10)에서 배출된 수소오프가스를 수소공급유로(31)로 되돌리기 위한 순환유로(32)를 구비하고 있다. 또한, 수소탱크(30) 대신, 탄화수소계의 연료로부터 수소 농후한 개질(改質) 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성한 개질 가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크를 연료공급원으로서 채용할 수도 있다. 또, 수소흡장합금을 가지는 탱크를 연료공급원으로서 채용하여도 된다.
수소공급유로(31)에는, 수소탱크(30)로부터의 수소가스의 공급을 차단 또는 허용하는 차단밸브(33)와, 수소가스의 압력을 조정하는 레귤레이터(34)와, 인젝터(35)가 설치되어 있다. 또, 인젝터(35)의 상류측에는, 수소공급유로(31) 내의 수소가스의 압력 및 온도를 검출하는 1차측 압력센서(41) 및 온도센서(42)가 설치되어 있다. 또, 인젝터(35)의 하류측이고 수소공급유로(31)와 순환유로(32)와의 합류부(A1)의 상류측에는, 수소공급유로(31) 내의 수소가스의 압력을 검출하는 2차측 압력센서(43)가 설치되어 있다.
레귤레이터(34)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 조압(調壓)하는 장치이다. 본 실시형태에서는, 1차압을 감압하는 기계식 감압밸브를 레귤레이터(34)로서 채용하고 있다. 기계식 감압밸브의 구성으로서는, 배압실과 조압 실이 다이어프램을 사이를 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의하여 조압실 내에서 1차압을 사전설정된 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 공지의 구성을 채용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 인젝터(35)의 상류측에 레귤레이터(34)를 2개 배치함으로써, 인젝터(35)의 상류측 압력을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 인젝터(35)의 기계적 구조(밸브체, 박스체, 유로, 구동장치 등)의 설계 자유도를 높일 수 있다. 또, 인젝터(35)의 상류측 압력을 저감시킬 수 있기 때문에, 인젝터(35)의 상류측 압력과 하류측 압력과의 차압의 증대에 기인하여 인젝터(35)의 밸브체가 이동하기 어려워지는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 인젝터(35)의 하류측 압력의 가변 조압 폭을 넓힐 수 있음과 동시에, 인젝터(35)의 응답성의 저하를 억제할 수 있다.
인젝터(35)는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 사전설정된 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 격리시킴으로써 가스 유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자구동식 개폐밸브이다. 인젝터(35)는, 수소가스 등의 기체연료를 분사하는 분사구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체연료를 분사구멍까지 공급 안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대하여 축선방향(기체 흐름 방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다. 본 실시형태에서는, 인젝터(35)의 밸브체는 전자구동장치인 솔레노이드에 의하여 구동되고, 이 솔레노이드에 급전되는 펄스형상 여자(勵磁)전류의 온·오프에 의하여 분사구멍의 개구 면적을 2단계 또는 다단계로 변환할 수 있게 되어 있다. 제어장치(4)에서 출력되는 제어신호에 의하여 인젝터(35)의 가스분사시간 및 가스분사시기가 제어됨으로써, 수소가스의 유량 및 압력이 고정밀도로 제어된다. 인젝터(35)는, 밸브(밸브체 및 밸브자리)를 전자구동력으로 직접 개폐 구동하는 것으로, 그 구동주기가 고응답의 영역(예를 들면 수ms 내지 수1Oms)까지 제어 가능하기 때문에, 높은 응답성을 가진다.
인젝터(35)는, 그 하류에 요구되는 가스 유량을 공급하기 위하여, 인젝터(35)의 가스유로에 설치된 밸브체의 개구면적(개방도) 및 개방시간 중 적어도 한쪽을 변경함으로써, 하류측[연료전지(10)측]에 공급되는 가스 유량(또는 수소 몰농도)을 조정한다. 또한, 인젝터(35)의 밸브체의 개폐에 의하여 가스 유량이 조정됨 과 동시에, 인젝터(35) 하류에 공급되는 가스 압력이 인젝터(35) 상류의 가스 압력보다 감압되기 때문에, 인젝터(35)를 압력조절밸브(감압밸브, 레귤레이터)로 해석할 수도 있다. 또, 본 실시형태에서는, 가스 요구에 따라 사전설정된 압력 범위 안에서 요구 압력에 일치하도록 인젝터(35)의 상류 가스압의 조압량(감압량)을 변화시키는 것이 가능한 가변 압력 조절밸브로 해석할 수도 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 수소공급유로(31)와 순환유로(32)와의 합류부(A1)보다 상류측에 인젝터(35)를 배치하고 있다. 또, 도 1에 파선으로 나타내는 바와 같이, 연료공급원으로서 복수의 수소탱크(30)를 채용하는 경우에는, 각 수소탱크(30)로부터 공급되는 수소가스가 합류하는 부분[수소가스 합류부(A2)]보다도 하류측에 인젝터(35)를 배치하도록 한다.
순환유로(32)에는, 기액분리기(36) 및 배기배수밸브(37)를 거쳐, 배출유로(38)가 접속되어 있다. 기액분리기(36)는, 수소오프가스로부터 수분을 회수하는 것이다. 배기배수밸브(37)는, 제어장치(4)에서의 지령에 의하여 작동함으로써, 기액분리기(36)로 회수한 수분과, 순환유로(32) 내의 불순물을 포함하는 수소오프가스(연료 오프 가스)를 외부로 배출(퍼지)하는 것이다. 또, 순환유로(32)에는, 순환유로(32) 내의 수소오프가스를 가압하여 수소공급유로(31) 측으로 보내는 수소 펌프(39)가 설치되어 있다. 또한, 배기배수밸브(37) 및 배출유로(38)를 거쳐 배출되는 수소오프가스는, 희석기(40)에 의하여 희석되어 배기유로(23) 내의 산화오프가스와 합류하도록 되어 있다.
제어장치(4)는, 차량에 설치된 가속조작부재(액셀러레이터 등)의 조작량을 검출하고, 가속요구값[예를 들면 트랙션모터(12) 등의 부하장치로부터의 요구 발전량] 등의 제어정보를 받아, 시스템 내의 각종 기기의 동작을 제어한다. 또한, 부하장치란, 트랙션모터(12) 이외에, 연료전지(10)를 작동시키기 위하여 필요한 보조기계장치[예를 들면 컴프레서(24), 수소 펌프(39), 냉각 펌프의 모터 등), 차량의 주행에 관여하는 각종 장치(변속기, 차륜제어장치, 조타장치, 현가장치 등)에서 사용되는 엑츄에이터, 탑승자 공간의 공기조절장치(에어컨디셔너), 조명, 오디오 등을 포함하는 전력소비장치를 총칭한 것이다.
제어장치(4)는, 도시 생략한 컴퓨터 시스템에 의하여 구성되어 있다. 이러한 컴퓨터 시스템은, CPU, ROM, RAM, HDD, 입출력 인터페이스 및 디스플레이 등을 구비하는 것이고, ROM에 기록된 각종 제어 프로그램을 CPU가 판독하여 실행함으로써, 각종 제어동작이 실현되도록 되어 있다.
구체적으로는, 제어장치(4)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 연료전지(10)의 운전상태[전류센서(13)에서 검출한 연료전지(10)의 발전시의 전류값]에 의거하여, 연료전지(10)에서 소비되는 수소가스의 양(이하 「수소 소비량」이라 한다)을 산출한다(연료 소비량 산출기능 : B1). 본 실시형태에서는, 연료전지(10)의 전류값과 수소 소비량과의 관계를 나타내는 특정한 연산식을 이용하여, 제어장치(4)의 연산 주기마다 수소 소비량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 연료전지(10)의 운전상태[전류센서(13)에서 검출한 연료전지(10)의 발전시의 전류값]에 의거하여, 인젝터(35) 하류 위치에서의 수소가스의 목표압력값[연료전지(10)에 대한 목표 가스 공급압]을 산출한다(목표 압력값 산출 기능 : B2). 본 실시형태에서는, 연료전지(10)의 전류값과 목표압력값과의 관계를 나타내는 특정한 맵을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다, 2차측 압력센서(43)가 배치된 위치에서의 목표 압력값을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 산출한 목표압력값과, 2차측 압력센서(43)에서 검출한 인젝터(35) 하류 위치의 압력값(검출압력값)과의 편차에 의거하여 피드백 보정유량을 산출한다(피드백 보정유량 산출기능 : B3). 피드백 보정유량은, 목표압력값과 검출압력값과의 편차를 저감시키기 위하여 수소 소비량에 가산되는 수소가스 유량이다. 본 실시형태에서는, PI형 피드백 제어 규칙을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 피드백 보정유량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 인젝터(35)의 상류의 가스 상태[1차측 압력센서(41)에서 검출한 수소가스의 압력 및 온도센서(42)에서 검출한 수소가스의 온도]에 의거하여 인젝터(35)의 상류의 정적(靜的)유량을 산출한다(정적유량 산출기능 : B4). 본 실 시형태에서는, 인젝터(35)의 상류측의 수소가스의 압력 및 온도와 정적유량과의 관계를 나타내는 특정한 연산식을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 정적유량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 인젝터(35)의 상류의 가스 상태(수소가스의 압력 및 온도) 및 인가 전압에 의거하여 인젝터(35)의 무효 분사시간을 산출한다(무효 분사시간 산출기능 : B5). 여기서 무효 분사시간이란, 인젝터(35)가 제어장치(4)로부터 제어신호를 받고 나서 실제로 분사를 개시하기까지 요하는 시간을 의미한다. 본 실시형태에서는, 인젝터(35)의 상류측 수소가스의 압력 및 온도와 인가 전압과 무효 분사시간과의 관계를 나타내는 특정한 맵을 이용하여, 제어장치(4)의 연산주기마다 무효 분사시간을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어장치(4)는, 수소 소비량과 피드백 보정유량을 가산함으로써, 인젝터(35)의 분사유량을 산출한다(분사유량 산출기능 : B6). 그리고, 제어장치(4)는, 인젝터(35)의 분사유량을 정적유량으로 나눈 값에 인젝터(35)의 구동주기를 곱합으로써, 인젝터(35)의 기본 분사시간을 산출함과 동시에, 이 기본 분사시간과 무효 분사시간을 가산하여 인젝터(35)의 총분사시간을 산출한다(총분사시간 산출기능 : B7). 여기서, 구동주기란, 인젝터(35)의 분사구멍의 개폐 상태를 나타내는 단(段)형상(온·오프) 파형의 주기를 의미한다. 본 실시형태에서는, 제어장치(4)에 의하여 구동주기를 일정한 값으로 설정하고 있다.
그리고, 제어장치(4)는, 이상의 순서를 거쳐 산출한 인젝터(35)의 총분사시간을 실현시키기 위한 제어신호를 출력함으로써, 인젝터(35)의 가스 분사시간 및 가스 분사시기를 제어하여, 연료전지(10)에 공급되는 수소가스의 유량 및 압력을 조정한다.
또, 제어장치(4)는, 연료전지 시스템(1)의 기동시에, 인젝터(35)의 진단(폐쇄 고장 판정)을 행한다. 구체적으로는, 제어장치(4)는, 연료전지 시스템(1)을 기동할 때에, 인젝터(35)에 대하여 통전을 행하고, 이 통전시간이 사전설정된 기준 시간[인젝터(35)의 개방에 필요한 전류를 얻기 위한 돌입전류시간 : 폐쇄 고장 판정조건]을 경과한 시점에서, 인젝터(35)의 하류측 압력(2차압)이 사전설정된 문턱값을 넘을 만큼 상승하고 있는지의 여부를 판정한다. 이것에 의하여, 인젝터(35)의 폐쇄 고장의 유무를 검출하는 것이 가능해진다. 즉, 제어장치(4)는, 본 발명에서의 고장검출수단으로서 기능한다.
또한, 연료전지 시스템(1)의 기동시에 있어서, 제어장치(4)는, 인젝터(35)의 상류측 압력(1차압)이, 도 3에 나타낸 개방 밸브 가능압(PC) 미만일 때, 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정을 행할 수 있는 것으로 한다. 또, 본 실시형태에서는, 표준의 돌입전류시간(폐쇄 고장 판정조건)을, 도 3에 나타내는 바와 같이, 인젝터(35)의 상류측 압력이 상용 상한압(PMAX)인 경우의 돌입전류시간(t0)으로 설정하고 있다. 개방 밸브 가능압(PC)이란 인젝터(35)가 개방 가능한 1차압의 최대치이다. 또, 상용 상한압(PMAX)이란 인젝터(35)의 통상 운전시에서 사용되는 1차압의 상한치이고, 본 발명에서의 사전설정된 문턱값에 상당한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 개방 밸브 가능압(PC)은 상용 상한압(PMAX)보다도 큰 값으로 설정된다.
또, 제어장치(4)는, 연료전지 시스템(1)의 기동시에, 1차측 압력센서(41)를 이용하여, 인젝터(35)의 상류측 압력(1차압)을 검출한다. 그리고, 제어장치(4)는, 검출한 1차압이 사전설정된 문턱값[상용 상한압(PMAX)]을 넘는 경우에, 그 검출압력값에 따라 폐쇄 고장 판정조건(돌입전류시간)을 변경한다. 즉, 제어장치(4)는, 본 발명에서의 판정조건 설정수단으로서도 기능한다. 예를 들면, 제어장치(4)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 검출한 1차압이 P1(> PMAX)인 경우에, 폐쇄 고장 판정조건인 돌입전류시간을 t0에서 t1로 변경하고, 이 새로운 돌입전류시간(t1)의 경과 후에 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정을 행한다. 한편, 제어장치(4)는, 검출한 1차압이 사전설정된 문턱값[상용 상한압(PMAX)] 이하인 경우에는, 표준의 돌입전류시간(t0)을 채용하여 폐쇄 고장 판정을 행한다.
계속해서, 도 3의 맵 및 도 4의 플로우 차트를 이용하여, 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템(1)의 인젝터(35)의 진단방법(폐쇄 고장 판정방법)에 대하여 설명한다.
연료전지 시스템(1)의 통상 운전시에 있어서는, 수소탱크(30)로부터 수소가스가 수소공급유로(31)를 거쳐 연료전지(10)의 연료극에 공급됨과 동시에, 가습 조정된 공기가 공기공급유로(21)를 거쳐 연료전지(10)의 산화극에 공급됨으로써, 발전이 행하여진다. 이때, 연료전지(10)로부터 인출해야 하는 전력(요구전력)이 제어 장치(4)에서 연산되어, 그 발전량에 따른 양의 수소가스 및 공기가 연료전지(10) 내에 공급되도록 되어 있다. 본 실시형태에서는, 이러한 통상 운전에 이르기 전의 시스템 기동시에 있어서의 인젝터(35)의 폐쇄 고장을 판정한다.
먼저, 연료전지 시스템(1)의 제어장치(4)는, 운전 정지상태에서, 운전 개시 신호의 유무를 판정한다(운전 개시 판정공정 : S1). 이어서, 제어장치(4)는, 운전개시신호(이그니션 스위치의 ON 신호)를 검출한 경우에, 1차측 압력센서(41)를 이용하여, 수소공급유로(31)의 인젝터(35) 상류측에서의 수소가스의 압력[1차압(P)]을 검출하고(1차압 검출공정 : S2), 1차압(P)이 상용 상한압(PMAX)을 초과하는지의 여부를 판정한다(1차압 판정공정 : S3). 1차압 검출공정(S2)은, 본 발명에서의 제 1 공정에 상당하는 것이다.
그리고, 제어장치(4)는, 1차압 판정공정(S3)에서, 1차압(P)이 상용 상한압(PMAX) 이하라고 판정한 경우에, 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정조건[도 3에 나타낸 표준의 돌입전류시간(t0)]을 변경하지 않고, 연속 통전공정(S6)으로 이행한다. 한편, 제어장치(4)는, 1차압 판정공정(S3)에서, 1차압(P)이 상용 상한압(PMAX)을 초과하는 것으로 판정한 경우에, 1차압(P)이 개방 밸브 가능압(PC) 미만인지의 여부를 판정하고(한계압 판정공정 : S4), 1차압(P)이 개방 밸브 가능압(PC) 미만이라고 판정한 경우에, 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정조건을 변경한다(판정조건 변경공정 : S5). 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 1차압(P)이 P1(PMAX < P1 < PC)인 경우 에, 제어장치(4)는, 폐쇄 고장 판정조건인 돌입전류시간을 t0에서 t1으로 변경한다. 판정조건 변경공정(S5)은, 본 발명에서의 제 2 공정에 상당하는 것이다. 또한, 제어장치(4)는, 한계압 판정공정(S4)에서 1차압(P)이 개방 밸브 가능압(PC) 이상이라고 판정한 경우에, 인젝터(35)의 개방 밸브가 불가능하다고 하여 연료전지 시스템(1)의 운전을 정지시킨다(운전 정지공정 : S9).
제어장치(4)는, 1차압 판정공정(S3) 또는 판정조건 변경공정(S5)을 거친 후, 인젝터(35)에 사전설정된 시간 연속적으로 통전을 행하고(연속 통전공정 : S6), 이 통전시간이 사전설정된 기준 시간(폐쇄 고장 판정조건인 돌입전류시간)을 경과하였는지의 여부를 판정한다(통전시간 판정공정 : S7). 그리고, 제어장치(4)는, 인젝터(35)에 대한 통전시간이 사전설정된 기준 시간을 경과한 경우에, 인젝터(35)의 하류측 압력(2차압)이 사전설정된 문턱값을 넘을 만큼 상승하고 있는지의 여부를 판정한다(폐쇄 고장 판정공정 : S8). 통전시간 판정공정(S7) 및 폐쇄 고장 판정공정(S8)은, 본 발명에서의 제 3 공정에 상당하는 것이다. 이상의 공정군을 거침으로써, 연료전지 시스템(1)의 기동시에 있어서의 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정을 행할 수 있다. 또한, 폐쇄 고장 판정공정(S8)에서 채용하는 2차압의 문턱값은, 수소탱크(30) 내의 압력이나 연료전지(10)의 사양·규모 등에 따라 적절하게 설정할 수 있다.
이상 설명한 실시형태에 관한 연료전지 시스템(1)에서는, 인젝터(35)의 상류측에서의 연료가스의 압력값[1차압(P)]이 상승하여 사전설정된 문턱값[상용 상한 압(PMAX)]을 넘은 경우에, 그 1차압(P)에 따라, 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정조건(돌입전류시간)을 변경할 수 있다. 따라서, 1차압(P)이 상승하는 것에 기인하여 인젝터(35)가 개방되기 어려워진 경우에 있어서도, 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정을 정확하게 실현시킬 수 있다. 이 결과, 시스템이 기동 불능상태에 빠지는 것을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 이상의 실시형태에서는, 연료전지 시스템(1)의 수소가스 배관계(3)에 순환유로(32)를 설치한 예를 나타내었으나, 예를 들면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 연료전지(10)에 배출유로(38)를 직접 접속하여 순환유로(32)를 폐지할 수도 있다. 이러한 구성[데드엔드(dead end) 방식]을 채용한 경우에 있어서도, 상기 실시형태와 마찬가지로, 인젝터(35)의 상류측 압력(1차압)에 따라 폐쇄 고장 판정조건을 변경함으로써, 동일한 작용효과를 얻는 것이 가능해진다.
또, 이상의 실시형태에서는 인젝터(35)의 온도 상승을 고려하고 있지 않으나, 시스템의 정지에서 기동까지의 시간이 짧은 경우나 바깥 기온이 높은 경우에는, 인젝터(35)의 솔레노이드를 구성하는 코일의 온도가 상승한다. 이와 같이 인젝터(35)의 코일 온도가 상승하면 저항이 증대하기 때문에, 인젝터(35)의 개방에 필요한 전류를 얻기 위한 통전시간이 통상보다 길어지는 경우가 있다. 이러한 경우를 고려하여, 인젝터(35)의 코일 온도에 의거하여 폐쇄 고장 판정조건을 보정할 수도 있다.
예를 들면, 제어장치(4)는, 연료전지 시스템(1)의 기동시에, 도시 생략한 코 일 온도센서를 이용하여, 인젝터(35) 코일의 온도를 검출하고, 검출한 코일 온도가 사전설정된 문턱값을 넘는 경우에, 도 6에 나타낸 맵을 이용하여 폐쇄 고장 판정조건을 보정할 수 있다. 구체적으로는, 제어장치(4)는, 검출한 코일 온도가 사전설정된 문턱값을 넘는 경우에, 도 6에 나타내는 바와 같이 표준의 폐쇄 고장 판정조건(돌입전류시간)을 t0에서 t0'으로 보정하고, 이 보정된 폐쇄 고장 판정조건(t0')의 경과 후에 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정을 행할 수 있다. 또, 검출한 1차압이 P1(> PMAX)이고, 또한, 검출한 코일 온도가 사전설정된 문턱값을 넘는 경우에는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 변경 후의 폐쇄 고장 판정조건을 t1에서 t1'으로 보정하고, 이 보정된 폐쇄 고장 판정조건(t1')의 경과 후에 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정을 행할 수 있다.
이와 같이 하면, 인젝터(35)의 온도에 의거하여, 폐쇄 고장 판정조건인 돌입전류시간을 보정할 수 있기 때문에, 인젝터(35)의 온도가 상승하여 저항이 커지는 것에 기인하여, 인젝터(35)의 개방에 필요한 전류를 얻기 위한 통전시간이 통상보다 길어지는 경우에 있어서도, 인젝터(35)의 폐쇄 고장 판정을 정확하게 실현시킬 수 있다.
또, 이상의 실시형태에서는, 본 발명에서의 개폐밸브로서 인젝터(35)를 채용한 예를 나타내었으나, 개폐밸브는 공급유로[수소공급유로(31)]의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 것이면 되고, 인젝터(35)에 한정되는 것은 아 니다.
본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 이상의 실시형태에 나타내는 바와 같이, 연료전지차량에 탑재 가능하고, 또, 연료전지 차량 이외의 각종 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)에도 탑재 가능하다. 또, 본 발명에 관한 연료전지 시스템을, 건물(주택, 빌딩 등)용의 발전설비로서 사용되는 정치용(定置用) 발전 시스템에 적용하여도 된다.

Claims (6)

  1. 연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지로 흘리기 위한 연료공급유로와, 상기 연료공급유로의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 개폐밸브와, 상기 개폐밸브의 폐쇄 고장의 유무를 검출하는 고장검출수단을 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 개폐밸브의 상류측에서의 연료가스의 압력값을 검출하는 압력센서와,
    상기 압력센서에서의 검출압력값에 의거하여 상기 개폐밸브의 폐쇄 고장 판정조건을 설정하는 판정조건 설정수단을 구비하고,
    상기 고장검출수단은, 상기 판정조건 설정수단으로 설정한 폐쇄 고장 판정조건에 의거하여 상기 개폐밸브의 폐쇄 고장의 유무를 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 개폐밸브는, 인젝터인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 판정조건 설정수단은, 상기 인젝터의 개방에 필요한 전류값을 얻기 위한 통전시간을 상기 폐쇄 고장 판정조건으로 하여, 상기 검출압력값이 사전설정된 문턱값을 넘는 경우에, 상기 검출압력값에 따라 상기 통전시간을 변경하는 것을 특 징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 판정조건 설정수단은, 상기 인젝터의 온도에 의거하여 상기 통전시간을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지로 흘리기 위한 연료공급유로와, 상기 연료공급유로의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 개폐밸브를 구비하는 연료전지 시스템의 개폐밸브의 진단방법에 있어서,
    상기 개폐밸브의 상류측에서의 연료가스의 압력값을 검출하는 제 1 공정과,
    상기 제 1 공정에서의 검출압력값에 의거하여 상기 개폐밸브의 폐쇄 고장 판정조건을 설정하는 제 2 공정과,
    상기 제 2 공정에서 설정한 폐쇄 고장 판정조건에 의거하여 상기 개폐밸브의 폐쇄 고장의 유무를 판정하는 제 3 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 개폐밸브의 진단방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 개폐밸브는, 인젝터인 것을 특징으로 하는 개폐밸브의 진단방법.
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