KR20090067216A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20090067216A
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데츠야 보노
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 입구측과 출구측에 설치되는 셔트밸브(40)는, 다이어프램(42)을 구비하고 있고, 그 다이어프램(42)의 상면측에는 밸브 폐쇄측 압력실(43)이 설치되고, 다이어프램(42)의 하면측에는 밸브 개방측 압력실(44)이 설치되어 있다. 그리고 셔트밸브(40)의 밸브 폐쇄측 압력실(43)이 가압된 상태에서, 비통전상태의 ViS, ViC, ViO에 의하여 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내의 압력이 유지된다. 또, 셔트밸브(40)의 밸브 개방측 압력실(44) 내가 압 빼기된 상태로 유지된다. 이것에 의하여, 다이어프램(42)을 거쳐 밸브체(41)에 대하여 폐쇄되는 방향으로 힘이 작용하여, 셔트밸브(40)가 폐쇄된 상태를 유지한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히, 유체 유로에 설치되는 밸브의 개폐상태의 제어에 관한 것이다.
수소 등의 연료가스와 공기 등의 산화가스를 이용하여 발전하는 연료전지시스템이 알려져 있다. 연료전지시스템은, 예를 들면 차량 등에 탑재되어 차량 주행용 모터의 전원으로서 이용된다. 물론, 연료전지시스템은 차량 이외에도 이용 가능하다.
연료전지시스템은, 연료가스와 산화가스를 반응시켜 발전하는 연료전지와, 그 연료전지에 연료가스나 산화가스라는 반응가스를 공급하여 연료전지로부터 반응후의 가스나 생성수 등을 배출하는 유체 유로를 구비하고 있다.
이와 같은 연료전지시스템에서, 유체 유로에 설치되는 밸브(valve)에 관한 여러가지 기술이 제안되어 있다.
예를 들면, 특허문헌 1(일본국 특개2004-6166호 공보)에는, 반응가스의 공급 라인과 배출 라인의 각각에 개폐 밸브를 설치하여, 연료전지의 발전운전 정지시에 개폐 밸브를 폐쇄함으로써, 연료전지 내부의 반응가스 공간을 밀폐하는 기술이 개시되어 있다.
상기한 바와 같이, 특허문헌 1에는, 연료전지의 발전운전 정지시에 개폐 밸브를 폐쇄함으로써, 연료전지 내부의 반응가스 공간을 밀폐하는 기술이 기재되어 있다. 그런데, 그 개폐 밸브로서 예를 들면 전자밸브를 이용하면, 노멀 오픈 전자밸브이면 연료전지의 발전정지 중에 전자밸브를 클로즈시키기 위하여 전자밸브에 제어전압을 계속해서 인가할 필요가 있고, 한편, 노멀 클로즈 전자밸브이면 연료전지의 발전 중에 전자밸브를 오픈시키기 위하여 전자밸브에 제어전압을 계속해서 인가할 필요가 있는 등의 사정으로부터, 소비전력의 면에서의 문제를 무시할 수 없다.
이와 같은 배경에서, 본원 발명자들은, 연료전지시스템의 유체 유로에 설치되는 밸브의 개폐상태의 제어에 관한 연구개발을 거듭해 왔다.
본 발명은, 그 연구개발의 과정에서 이루어진 것으로, 그 목적은, 연료전지시스템에 이용되는 밸브의 개폐상태의 제어에 관한 개량기술을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 적합한 형태인 연료전지시스템은, 연료전지와, 연료전지에 접속되는 유체 유로와, 유체 유로에 설치되는 유체 제어밸브를 가지고, 상기 유체 제어밸브는, 밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력의 압력차에 따라 구동하는 밸브체와, 밸브 개방용 압력 또는 밸브 폐쇄용 압력을 밸브체에 가하는 압력실을 구비하고, 상기 압력실이 밀폐됨으로써 밸브체의 개폐상태가 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에서는, 압력실이 밀폐되어 그 압력실 내의 압력이 유지됨으로써 밸브체의 개폐상태가 유지되기 때문에, 예를 들면 밸브체의 폐쇄상태를 유지하기 위하여 제어 전압 등을 상기 밸브체에 계속해서 인가하지 않아도 된다. 그 때문에, 예를 들면, 밸브의 제어를 위한 소비전력을 저감할 수 있다.
또한, 상기 구성에서는, 유체 제어밸브는 밸브 개방용 압력 또는 밸브 폐쇄용 압력에 대응한 압력실을 구비하고 있으나, 유체 제어밸브는 밸브 개방용 압력에 대응한 압력실과 밸브 폐쇄용 압력에 대응한 압력실의 양쪽의 압력실을 구비하고 있어도 된다. 또, 밸브체에 가해지는 힘에는, 압력실 내의 압력 외에, 유체 제어밸브에 들어가는 유체로부터 직접 받는 압력이나, 유체 제어밸브에 설치된 스프링에 의한 스프링력이나 동결 등에 의해 밸브체를 고착시키려고 하는 동결력 등이 포함되어도 된다.
바람직한 형태에 있어서, 상기 유체 제어밸브는, 노멀상태에서 밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력 중 한쪽의 압력이 다른쪽의 압력보다 큰 상태가 되고, 비 노멀상태에서 다른쪽의 압력에 대응한 압력실이 밀폐되어 다른쪽의 압력이 한쪽의 압력보다 큰 상태가 되는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하여 예를 들면, 제어전압 등을 계속해서 인가하지 않아도 노멀상태를 유지할 수 있는 유체 제어밸브에 대하여, 그 유체 제어밸브를 비노멀상태에서 이용하는 경우에, 압력실을 밀폐함으로써 비노멀상태에 대응한 압력차 관계가 실현되기 때문에, 제어전압 등을 계속해서 인가하지 않아도 비노멀상태를 유지하는 것이 가능하게 된다.
바람직한 형태에서, 상기 유체 제어밸브는, 노멀상태에서 밸브 개방용 압력이 밸브 폐쇄용 압력보다 커져 밸브체를 개방상태로 하는 노멀 오픈 밸브이고, 연료전지의 유체의 입구측과 출구측 중의 적어도 한쪽측에 설치되고, 비노멀상태에서 밸브 폐쇄용 압력이 밸브 개방용 압력보다 커져 밸브체를 폐쇄상태로 함으로써 셔트밸브로서 기능하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에서는, 연료전지의 유체의 입구측과 출구측 중의 적어도 한쪽측에, 바람직하게는 입구측과 출구측의 양쪽에, 셔트밸브로서 노멀 오픈 밸브가 설치된다. 노멀 오픈 밸브를 셔트밸브로서 이용함으로써, 예를 들면 노멀 클로즈 밸브를 이용하는 경우에 비하여, 더욱 확실하게 밸브의 개방된 상태를 실현할 수 있다. 그 때문에, 예를 들면 연료전지의 발전기간 중에서 개방상태를 유지하는 기간이 긴 산화가스측의 셔트밸브로서, 노멀 오픈 밸브는 적합하다.
바람직한 형태에 있어서, 상기 유체 제어밸브는, 밸브 개방용 압력에 대응한 밸브 개방측 압력실과 밸브 폐쇄용 압력에 대응한 밸브 폐쇄측 압력실의 2개의 압력실을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 구성에서는, 밸브 개방측 압력실과 밸브 폐쇄측 압력실 중 어느 한 쪽만의 압력실을 구비하는 경우에 비하여, 압력차에 의한 제어의 신뢰성을 높일 수 있다.
바람직한 형태에 있어서, 상기 유체 제어밸브의 2개의 압력실 중 한쪽의 압력실을 선택적으로 유체 유로와 접속하는 삼방밸브를 더 가지고, 삼방밸브를 거쳐 전해지는 유체의 압력을 이용하여 2개의 압력실 내의 압력이 제어되는 것을 특징으로 한다. 바람직한 형태에 있어서, 상기 삼방밸브는, 비제어상태에서 상기 유체 제어밸브의 2개의 압력실 중 한쪽의 압력실을 유체 유로와 접속하고, 제어상태에서 상기 유체 제어밸브의 2개의 압력실 중 다른쪽의 압력실을 유체 유로와 접속하는 것을 특징으로 한다. 이 구성에서, 비제어상태란, 예를 들면 삼방밸브에 대하여 제어전압의 인가(통전) 등을 필요로 하지 않는 상태이고, 제어상태란, 예를 들면 삼방밸브에 대하여 제어전압을 인가(통전)하는 상태이다.
바람직한 형태에서, 상기 유체 제어밸브의 밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력 중의 노멀상태에서 큰 쪽의 압력에 대응한 압력실과 유체 유로를 접속하여 해당 압력실 내를 가압함으로써, 해당 유체 제어밸브의 노멀상태를 유지하는 것을 특징으로 한다. 바람직한 형태에 있어서, 상기 유체 제어밸브의 2개의 압력실 중 한쪽의 압력실 내를 감압하고 나서 다른쪽의 압력실 내를 가압함으로써, 상기 유체 제어밸브의 노멀상태와 비노멀상태를 변환하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 형태에 있어서, 상기 유체 유로에 유체를 유통시키는 컴프레서와, 상기 유체 제어밸브의 압력실과 컴프레서의 상류측을 접속하는 압 빼기 유로를 가지고, 상기 컴프레서의 하류측의 압력보다 작은 상류측의 압력을 이용하여 상기 유체 제어밸브의 압력실 내를 감압하는 것을 특징으로 한다. 이 구성에서는, 컴프레서의 상류측이 작은 압력(예를 들면 부압)을 이용하여 압력실 내를 감압시키고 있기 때문에, 예를 들면 대기개방에 의해 압력실 내를 감압시키는 경우에 비하여, 감압에 관한 응답성이 향상한다.
바람직한 형태에 있어서, 상기 유체 유로에 유체를 유통시키는 컴프레서를 정지시켜 상기 유체 제어밸브의 압력실과 유체 유로를 접속함으로써, 상기 유체 제어밸브의 압력실 내를 감압하는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의하여 예를 들면 유체 제어밸브의 압력실을 감압하기 위한 압 빼기용 밸브를 생략한 연료전지시스템을 실현하는 것이 가능하게 된다.
바람직한 형태에 있어서, 상기 유체 제어밸브의 압력실 내를 감압하기 위한 압 빼기용 밸브를 더 가지고, 상기 유체 제어밸브의 압 빼기용 밸브의 이상시에 컴프레서를 정지시켜, 상기 유체 제어밸브의 압력실과 유체 유로를 접속하여 압력실 내를 감압하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 적합한 형태인 연료전지시스템은, 연료전지와, 연료전지에 접속되는 유체 유로와, 유체 유로에 설치되는 유체 제어밸브를 가지고, 상기 유체 제어밸브는, 밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력의 압력차에 따라 구동되는 밸브체를 구비하고, 연료전지의 유체의 입구측과 출구측 중 적어도 한쪽측에 상기 유체 제어밸브가 설치되고, 연료전지의 발전운전의 정지 후에 상기 유체 제어밸브의 밸브체를 폐쇄상태로 함으로써, 연료전지의 입구측과 출구측 중의 적어도 한쪽측을 봉쇄하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 형태에 있어서, 상기 유체 제어밸브는, 유체 유로를 흐르는 유체의 압력을 이용하여 밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력 중의 적어도 한쪽이 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하여 연료전지시스템에 이용되는 밸브의 개폐상태의 제어에 관한 개량기술이 제공된다. 예를 들면, 본 발명의 적합한 형태에 의하여, 밸브의 제어를 위한 소비전력을 저감할 수 있다. 또, 예를 들면, 본 발명의 적합한 형태에 의하여 제어전압 등을 계속해서 인가하지 않아도 노멀상태와 비노멀상태의 양쪽의 상태를 계속해서 유지할 수 있다. 또, 예를 들면 본 발명의 적합한 형태에 의하여 유체 제어밸브의 압력실 내의 감압에 관한 응답성이 향상한다. 또, 예를 들면, 본 발명의 적합한 형태에 의하여 유체 제어밸브의 압력실을 감압하기 위한 압 빼기용 밸브를 생략한 연료전지시스템을 실현하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 관한 연료전지시스템의 전체 구성도,
도 2는 셔트밸브의 구조를 설명하기 위한 도,
도 3은 셔트밸브의 개폐동작을 설명하기 위한 도,
도 4는 가습 M 바이패스 밸브의 구조를 설명하기 위한 도,
도 5는 가습 M 바이패스 밸브의 개폐동작을 설명하기 위한 도,
도 6은 연료전지시스템의 통상 운전 중의 상태를 설명하기 위한 도,
도 7은 연료전지시스템의 정지 지시시의 상태를 설명하기 위한 도,
도 8은 연료전지시스템의 소기(掃氣) 중의 상태를 설명하기 위한 도,
도 9는 연료전지시스템의 소기 후의 상태를 설명하기 위한 도,
도 10은 연료전지시스템의 정지 중의 상태를 설명하기 위한 도,
도 11은 연료전지시스템의 개시 지시시의 상태를 설명하기 위한 도,
도 12는 연료전지시스템의 기동 중의 상태를 설명하기 위한 도,
도 13은 압 빼기 동작을 설명하기 위한 플로우차트,
도 14는 에어컴프레서의 상류측과 압 빼기용 PSV를 접속한 연료전지시스템의 전체 구성도이다.
이하, 본 발명의 적합한 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다.
도 1에는, 본 발명에 관한 연료전지시스템의 적합한 실시형태가 나타나 있고, 도 1은 그 전체 구성도이다. 도 1의 연료전지시스템은, 연료전지스택(10), 유체 유로(20) 등에 의해 구성되어 있고, 유체 유로(20)에는, 가습 모듈 바이패스 밸브(가습 M 바이패스 밸브)(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B) 등이 설치되어 있다.
연료전지스택(10)은, 수소 등을 함유한 연료가스와, 산소 등을 함유한 산화가스를 반응시켜 발전한다. 즉, 연료가스와 산화가스가 연료전지스택(10)에 공급되고, 연료전지스택(10) 내의 도시 생략한 복수의 전지 셀에서 연료가스와 산화가스를 반응시켜 전기 에너지가 얻어진다. 전지 셀은, 예를 들면 대략 장방형상의 판형상의 셀이고, 그것들 복수의 판형상의 전지 셀이 적층되어 연료전지스택(10)이 형성된다. 또한, 각 전지 셀은, 예를 들면 원통형상의 것이어도 좋다.
덧붙여 말하면, 본 실시형태의 연료전지시스템은, 예를 들면 차량에 탑재되고, 연료전지스택(10)이 차량 주행용 모터의 전원으로서 이용된다. 물론, 본 실시형태의 연료전지시스템은, 차량 이외의 장치나 시스템 등에 조립되어도 된다.
유체 유로(20)는, 연료전지스택(10)에 반응가스를 공급하는 유로로서 기능한다. 즉, 유체 유로(20)를 거쳐, 한쪽의 반응가스(예를 들면, 산화가스로서 이용되는 공기)가 연료전지스택(10) 내로 공급된다. 또, 유체 유로(20)는, 연료전지스 택(10) 내에서 반응 후의 가스나 생성수 등을 배출하는 유로로서 기능한다. 또한, 연료전지스택(10)에는, 다른쪽의 반응가스(예를 들면, 수소가스)를 공급하는 유로도 접속되나, 도 1에서는 그 유로를 도시 생략하고 있다.
가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)의 각 밸브는, 유체 유로(20) 내의 공기(에어)의 흐름을 조정하는 유체 제어밸브로서 기능하고 있다. 이들 3개의 밸브의 각각에는, 압력 제어 유로(70)를 거쳐 3개의 PSV (Pressure Switching Valve)가 접속되어 있다.
즉, 가습 M 바이패스 밸브(30)에는, VbS, VbC, VbO의 3개의 PSV가 접속되어 있다. 또, 입구 셔트밸브(40A)에는, ViS, ViC, ViO의 3개의 PSV가 접속되어 있고, 출구 셔트밸브(40B)에는, VoS, VoC, VoO의 3개의 PSV가 접속되어 있다. 이들 PSV는, 압력 제어 유로(70)를 거쳐, 유체 유로(20)의 상류측, 예를 들면 에어컴프레서(AP)와 가습 모듈(50)의 사이 등에 접속된다. 또, 이들 PSV는, 예를 들면 도시생략한 제어부에 의하여 제어된다.
가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)는, 각각에 대응한 PSV에 의해 제어된다. 본 실시형태에서는, 연료전지스택(10)의 상태 등에 따라, 가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)의 각 밸브가 제어된다. 연료전지스택(10)의 상태 등에 따른 제어에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명한다.
다음에, 유체 유로(20) 내의 공기의 흐름에 대하여 설명한다. 유체 유로(20) 내를 흐르는 공기는, 에어컴프레서(AP)로부터 유체 유로(20) 내로 도입된 다. 에어컴프레서는, 예를 들면 공기 클리너(도시 생략) 등을 거쳐 대기 중에서 유체 유로(20) 내로 공기를 도입한다. 에어컴프레서로부터 토출된 공기는, 가습 모듈(50), 가습 M 바이패스 밸브(30), 연료전지 바이패스 밸브(80)로 공급된다.
가습 모듈(50)은, 유체 유로(20)를 흐르는 공기의 습도를 조정한다. 즉, 가습 모듈(50)은, 예를 들면 연료전지스택(10) 내에서의 화학반응에 적합한 습도가 되도록 공기를 가습한다. 습도가 조정된 공기는, 입구 셔트밸브(40A)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공급된다.
가습 모듈(50)을 거치지 않고 연료전지스택(10)으로 공기를 공급하는 루트도 존재한다. 즉, 에어컴프레서로부터 가습 M 바이패스 밸브(30)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공기를 공급하는 루트가 있고, 그 루트를 지나는 공기는, 가습 조정되지 않고 연료전지스택(10) 내로 공급된다.
연료전지 바이패스 밸브(80)로 공급되는 공기는, 연료전지스택(10)으로 공급되지 않고, 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다. 연료전지 바이패스 밸브(80)는, 연료전지스택(10)으로 공급되는 공기의 압력(토출압)의 제어에 이용된다. 즉, 연료전지 바이패스 밸브(80)의 밸브 개방도에 의하여 압력계(P1)의 위치에서의 유체 유로(20) 내의 공기의 압력이 조정된다. 또한, 에어컴프레서(AP)부터 토출되는 공기유량에 의해 토출압이 제어되어도 된다. 물론, 연료전지 바이패스 밸브(80)의 밸브 개방도와 에어컴프레서의 공기유량의 양쪽을 이용하여 토출압을 제어하여도 된다.
연료전지스택(10)으로부터 배출되는 가스(반응 후의 공기)는, 공기압력 조절 밸브(90)로 보내진다. 공기압력 조절밸브(90)는, 연료전지스택(10)으로부터 배출되는 공기의 압력(배압)의 제어에 이용된다. 즉, 공기압력 조절밸브(90)의 밸브 개방도에 의하여 압력계(P2)의 위치에서의 유체 유로(20) 내의 공기의 압력이 조정된다. 배압은, 예를 들면 연료전지스택(10)을 효율좋게 발전시키기 위한 목표값이 되도록 제어된다.
그리고, 공기압력 조절밸브(90)로부터 출력된 공기는, 출구 셔트밸브(40B), 가습 모듈(50), 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다.
다음에, 도 2 내지 도 5를 이용하여, 가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)에 대하여 상세하게 설명한다. 먼저, 도 2 및 도 3을 이용하여, 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)에 대하여 설명한다.
도 2는, 셔트밸브(40)[도 1의 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)]의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 셔트밸브(40)는, 노멀상태에 있어서, 밸브 개방력이 밸브 폐쇄력보다 커져 밸브체(41)를 개방된 상태로 하는 노멀 오픈 밸브이다.
셔트밸브(40)는, 다이어프램(42)을 구비하고 있고, 그 다이어프램(42)의 상면측에는 밸브 폐쇄측 압력실(43)이 설치되고, 다이어프램(42)의 하면측에는 밸브 개방측 압력실(44)이 설치되어 있다.
다이어프램(42)은, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내의 압력과 밸브 개방측 압력실(44) 내의 압력의 압력차에 따라 도면의 상하방향을 따라 변위한다. 예를 들면, 도 2에서, 다이어프램(42)의 좌우의 양쪽 끝은 고정되어 있고, 다이어프램(42)의 중앙부분이 상하로 휘도록 변위한다. 물론, 다이어프램(42)의 전체가 상하로 변위 하는 구성을 채용하여도 된다. 다이어프램(42)이 변위하면, 다이어프램(42)에 접속되어 있는 밸브체(41)도 변위한다. 그 결과, 다이어프램(42)의 변위에 의하여 셔트밸브(40)의 밸브 개방도가 조정된다.
예를 들면, 다이어프램(42)의 변위에 의하여 밸브체(41)가 상향으로 구동됨으로써, 유체 유로(20)로부터 셔트밸브(40)의 입구(46)를 향하여 흐르는 공기가, 셔트밸브(40)의 출구(47)로부터 유체 유로(20)로 배출된다. 한편, 다이어프램(42)의 변위에 의하여 밸브체(41)가 하향으로 구동되어 출구(47)를 막음으로써, 입구(46)측의 유체 유로(20)로부터 출구(47)측의 유체 유로(20)로 향하는 공기의 흐름이 차단된다.
또한, 다이어프램(42)의 하면측에는 스프링(45)이 설치되어 있고, 다이어프램(42)에는, 상향의 스프링력이 가해지고 있다.
덧붙여 말하면, 압력실 내와 외부를 가로막는 격벽을 설치하여, 압력실의 내외의 압력차에 따라 이동하는 격벽과, 밸브체(41)가 연결되어도 된다. 이 경우, 밸브체(41)는, 압력차에 따라 이동하는 격벽에 연동하여 구동함으로써, 유체 유로(20)의 개방도를 바꾼다.
밸브 폐쇄측 압력실(43) 내의 압력과 밸브 개방측 압력실(44) 내의 압력은, 3개의 PSV에 의해 제어된다. 즉, 셔트밸브(40)가 입구 셔트밸브(도 1의 부호 40A)이면, ViS, ViC, ViO의 3개의 PSV에 의하여 각 압력실 내의 압력이 제어된다. 또, 셔트밸브(40)가 출구 셔트밸브(도 1의 부호 40B)이면, VoS, VoC, VoO의 3개의 PSV에 의해 각 압력실 내의 압력이 제어된다.
ViS(또는 VoS)는, 3 Way식의 PSV이고, 밸브 폐쇄측 압력실(43)과 밸브 개방측 압력실(44)의 2개의 압력실 중의 한쪽의 압력실을 선택적으로 유체 유로(20)와 접속하는 삼방밸브로서 기능한다. 즉, ViS에 의해, 유체 유로(20)와 통하는 압력 제어 유로(70)와, 밸브 폐쇄측 압력실(43)과 통하는 압력 제어 유로(70) 또는 밸브 개방측 압력실(44)과 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다.
ViS는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 접속상태를 변화시킨다. ViS는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서, 밸브 개방측 압력실(44)을 선택한다. 즉, 비통전상태에서는, ViS에 의하여, 유체 유로(20)와 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 개방측 압력실(44)과 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다. 한편, ViS는, 제어상태, 즉 통전된 상태(통전상태)이고, 밸브 폐쇄측 압력실(43)을 선택한다. 즉, 통전상태에서는, ViS에 의해, 유체 유로(20)와 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 폐쇄측 압력실(43)과 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다.
ViC(또는 VoC)는, 2 Way식의 PSV이고, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내를 감압하기 위한 압 빼기 밸브로서 기능한다. ViC의 한쪽 측은 밸브 폐쇄측 압력실(43)과 통하는 압력 제어 유로(70)에 접속되어 있고, ViC의 다른쪽 측은 대기개방되어 있다.
ViC는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 개폐상태를 변화시킨다. ViC는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서 밸브 폐쇄상태를 유지한다. 이에 따라, ViC가 비통전상태의 경우에는, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 한편, ViC는, 제어상태, 즉 통전된 상태(통전상태)에서 밸브 개방한다. 이에 의하여, ViC가 통전상태의 경우에는, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성된다.
ViO(또는 VoO)는, 2 Way식의 PSV이고, 밸브 개방측 압력실(44) 내를 감압하기 위한 압 빼기 밸브로서 기능한다. ViO의 한쪽측은 밸브 개방측 압력실(44)과 통하는 압력 제어 유로(70)에 접속되어 있고, ViO의 다른쪽측은 대기 개방되어 있다.
ViO는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 개폐상태를 변화시킨다. ViO는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서 밸브 폐쇄상태를 유지한다. 이에 의하여, ViO가 비통전상태의 경우에는, 밸브 개방측 압력실(44) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 한편, ViO는, 제어상태, 즉 통전된 상태(통전상태)에서 밸브 개방한다. 이에 의하여 ViO가 통전상태의 경우에는, 밸브 개방측 압력실(44) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성된다.
덧붙여 말하면, 본 실시형태를 설명하기 위한 각 도면에서, ViS(VoS), ViC(VoC), ViO(VoO)를 나타내고 있는 복수의 3각형 중, 빈틈없이 칠해진 삼각형은 압력 제어 유로(70)를 폐쇄한 상태를 나타내고 있고, 빈틈없이 칠해져 있지 않은 삼각형은 압력 제어 유로(70)를 개방한 상태를 나타내고 있다.
예를 들면, 도 2에 나타낸 각 삼각형의 빈틈없이 칠해진 상태에 있어서, ViS(또는 VoS)는, 밸브 폐쇄측 압력실(43)과 통하는 압력 제어 유로(70)를 폐쇄하고 있고, 유체 유로(20)와 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 개방측 압력실(44)과 통하는 압력 제어 유로(70)를 접속한 상태(비통전상태)를 나타내고 있다. 또, 도 2에서, ViC(또는 VoC)를 나타내는 삼각형은 빈틈없이 칠해져 있고, 이것은 ViC(또는 VoC)가 폐쇄된 상태(비통전상태)인 것을 나타내고 있다. 또, 도 2에서, ViO(또는 VoO)를 나타내는 삼각형도 빈틈없이 칠해져 있고, 이것은 ViO(또는 VoO)도 폐쇄된 상태(비통전상태)인 것을 나타내고 있다.
도 3은, 셔트밸브(40)[도 1의 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)]의 개폐동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3(A)는, 셔트밸브(40)의 밸브 개방동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 내려져 폐쇄된 상태에 있는 밸브체(41)를 상향으로 이동시켜 밸브 개방할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
셔트밸브(40)를 밸브 개방하는 경우, ViS(또는 VoS)는 비통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(44)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속된다. 또, ViO(또는 VoO)는 비통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(44) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, ViC(또는 VoC)는 통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성되어, 밸브 폐쇄측 압력실(43)이 압 빼기된다.
이 상태에서, 셔트밸브(40)의 밸브체(41)에는 다음과 같은 힘이 작용한다. 먼저, 에어컴프레서(도 1의 AP)의 토출압을 P1, 다이어프램(42)의 면적을 A1이라고 하면, 밸브 개방측 압력실(44)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속되어 있기 때문에, 밸브 개방측 압력실(44) 내가 가압되어 압력이 P1이 되고, 다이어프램(42)을 거 쳐 밸브체(41)에 상향의 힘(PlA1)이 작용한다.
또, 셔트밸브(40)의 입구(46)로부터 공기[압력(P1)]가 들어가 밸브체(41)에 직접적으로 힘을 가하기 때문에, 밸브체(41)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(41)에 하향의 힘(PlA2)이 작용한다. 또, 연료전지스택(도 1의 부호 10) 내의 부압을 P2라고 하면, 그 부압이 셔트밸브(40)의 출구(47)로부터 밸브체(41)에 힘을 가하기 때문에, 밸브체(41)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(41)에 하향의 힘(P2A2)이 작용한다.
또한, 스프링(45)에 의하여 다이어프램(42)을 거쳐 밸브체(41)에 상향의 힘(Fs)이 작용하고, 또, 동결 등에 의하여 밸브체(41)가 출구(47) 부분에 고착되는 힘을 고려하면, 밸브체(41)에 하향의 동결력(Fl)이 작용한다.
따라서, 밸브체(41)를 상향으로 이동시켜 밸브 개방하기 위해서는, 밸브체(41)의 상하방향으로 작용하는 힘의 관계가 PlA1 + Fs > P1A2 + P2A2 + Fl이 되면 좋다. 이 힘의 관계가 성립하도록, 예를 들면, 공기의 토출압(P1) 등이 제어된다.
도 3(B)는, 셔트밸브(40)의 밸브 폐쇄동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 올려져 개방된 상태에 있는 밸브체(41)를 하향으로 이동시켜 밸브를 폐쇄할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
셔트밸브(40)를 밸브 폐쇄하는 경우, ViS(또는 VoS)는 통전상태가 되고, 밸 브 폐쇄측 압력실(43)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속된다. 또, ViC(또는 VoC)는 비통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, ViO(또는 VoO)는 통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(44) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성되어, 밸브 개방측 압력실(44)이 압 빼기된다.
이 상태에서, 셔트밸브(40)의 밸브체(41)에는 다음과 같은 힘이 작용한다. 먼저, 에어컴프레서(도 1의 AP)의 토출압을 P1, 다이어프램(42)의 면적을 A1이라고 하면, 밸브 폐쇄측 압력실(43)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속되어 있기 때문에, 밸브 폐쇄측 압력실(43) 내가 가압되어 압력이 P1 이 되고, 다이어프램(42)을 거쳐 밸브체(41)에 하향의 힘(P1A1)이 작용한다.
또, 셔트밸브(40)의 입구(46)로부터 공기[압력(P1)]가 들어가 밸브체(41)에 직접적으로 힘을 가하기 때문에, 밸브체(41)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(41)에 상향의 힘(PlA2)이 작용한다. 또한, 스프링(45)에 의하여 다이어프램(42)을 거쳐 밸브체(41)에 상향의 힘(Fs)이 작용한다.
따라서, 밸브체(41)를 하향으로 이동시켜 밸브 폐쇄하기 위해서는, 밸브체(41)의 상하방향으로 작용하는 힘의 관계가 PlA1 > PlA2 + Fs가 되면 좋다. 이 힘의 관계가 성립하도록, 예를 들면, 공기의 토출압(P1) 등이 제어된다.
또한, 도 2 및 도 3에서는, 2개의 압력실을 이용한 셔트밸브(40)를 설명하였 으나, 압력실은, 예를 들면 밸브 폐쇄측 압력실(43)뿐이어도 된다. 즉, 셔트밸브(40)를 폐쇄할 때에는, 밸브 폐쇄측 압력실(43)을 가압하여 밸브체(41)를 하향으로 이동시키는 힘의 관계를 성립시키고, 또, 셔트밸브(40)를 개방할 때에는, 밸브 폐쇄측 압력실(43)을 압 빼기하고, 스프링(45)의 힘이나, 입구(46)로부터 들어가는 공기의 압력에 의해 밸브체(41)를 상향으로 이동시키는 힘의 관계를 성립시키는 구성이어도 된다.
다음에, 도 4 및 도 5를 이용하여, 가습 M 바이패스 밸브(30)에 대하여 설명한다. 도 4는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 가습 M 바이패스 밸브(30)는, 노멀상태에서, 밸브 폐쇄력이 밸브 개방력보다 커져 밸브체(31)를 폐쇄상태로 하는 노멀 클로즈 밸브이다.
가습 M 바이패스 밸브(30)는, 다이어프램(32)을 구비하고 있고, 그 다이어프램(32)의 상면측에는 밸브 폐쇄측 압력실(33)이 설치되고, 다이어프램(32)의 하면측에는 밸브 개방측 압력실(34)이 설치되어 있다.
다이어프램(32)은, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내의 압력과 밸브 개방측 압력실(34) 내의 압력의 압력차에 따라 도면의 상하방향을 따라 변위한다. 예를 들면, 도 4에서, 다이어프램(32)의 좌우의 양쪽 끝은 고정되어 있고, 다이어프램(32)의 중앙부분이 상하로 휘도록 변위한다. 물론, 다이어프램(32)의 전체가 상하로 변위하는 구성을 채용하여도 좋다. 다이어프램(32)이 변위하면, 다이어프램(32)에 접속되어 있는 밸브체(31)도 변위한다. 그 결과, 다이어프램(32)의 변위에 의하여 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방도가 조정된다.
예를 들면, 다이어프램(32)의 변위에 의하여 밸브체(31)가 상향으로 구동됨으로써, 유체 유로(20)로부터 가습 M 바이패스 밸브(30)의 입구(36)를 향하여 흐르는 공기가, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 출구(37)로부터 유체 유로(20)로 배출된다. 한편, 다이어프램(32)의 변위에 의하여 밸브체(31)가 하향으로 구동되어 출구(37)를 막음으로써, 입구(36)측의 유체 유로(20)로부터 출구(37)측의 유체 유로(20)로 향하는 공기의 흐름이 차단된다.
또한, 다이어프램(32)의 상면측에는 스프링(35)이 설치되어 있고, 다이어프램(32)에는, 하향의 스프링력이 가해지고 있다.
밸브 폐쇄측 압력실(33) 내의 압력과 밸브 개방측 압력실(34) 내의 압력은, 3개의 PSV에 의해 제어된다. 즉, VbS, VbC, VbO의 3개의 PSV에 의해 각 압력실 내의 압력이 제어된다.
VbS는, 3 Way식의 PSV이고, 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 밸브 개방측 압력실(34)의 2개의 압력실 중의 한쪽의 압력실을 선택적으로 유체 유로(20)와 접속하는 삼방밸브로서 기능한다. 즉, VbS에 의해, 유체 유로(20)와 통하는 압력 제어 유로(70)와, 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 통하는 압력 제어 유로(70) 또는 밸브 개방측 압력실(34)과 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다.
VbS는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 접속상태를 변화시킨다. VbS는, 비제어상태 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에 있어서, 밸브 폐쇄측 압력실(33)을 선택한다. 즉, 비통전상태에서는, VbS에 의해, 유체 유로(20)와 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 통하는 압력 제어 유로(70) 가 접속된다. 한편, VbS는, 제어상태 즉 통전된 상태(통전상태)이고, 밸브 개방측 압력실(34)을 선택한다. 즉, 통전상태에서는, VbS에 의해, 유체 유로(20)와 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 개방측 압력실(34)과 통하는 압력 제어 유로(70)가 접속된다.
VbC는, 2 Way식의 PSV이고, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내를 감압하기 위한 압빼기 밸브로서 기능한다. VbC의 한쪽 측은 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 통하는 압력 제어 유로(70)에 접속되어 있고, VbC의 다른쪽 측은 대기 개방되어 있다.
VbC는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 개폐상태를 변화시킨다. VbC는, 비제어상태, 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서 밸브 폐쇄상태를 유지한다. 이에 의하여, VbC가 비통전상태의 경우에는, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 한편, VbC는, 제어상태 즉 통전된 상태(통전상태)에서 밸브 개방한다. 이에 의하여, VbC가 통전상태의 경우에는, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성된다.
VbO는, 2 Way식의 PSV 이고, 밸브 개방측 압력실(34) 내를 감압하기 위한 압빼기 밸브로서 기능한다. VbO의 한쪽 측은 밸브 개방측 압력실(34)과 통하는 압력 제어 유로(70)에 접속되어 있고, VbO의 다른쪽 측은 대기 개방되어 있다.
VbO는, 예를 들면 전자밸브이고, 통전됨으로써 개폐상태를 변화시킨다. VbO는, 비제어상태 즉 통전되어 있지 않은 상태(비통전상태)에서 밸브 폐쇄상태를 유지한다. 이에 의하여, VbO가 비통전상태의 경우에는, 밸브 개방측 압력실(34) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 한편, VbO는, 제어상태 즉 통전된 상태(통 전상태)에서 밸브 개방한다. 이에 의하여, VbO가 통전상태의 경우에는, 밸브 개방측 압력실(34) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성된다.
덧붙여 말하면, 본 실시형태를 설명하기 위한 각 도면에 있어서, VbS, VbC, VbO를 나타내고 있는 복수의 3각형 중, 빈틈없이 칠해진 삼각형은 압력 제어 유로(70)를 폐쇄한 상태를 나타내고 있고, 빈틈없이 칠해져 있지 않은 삼각형은 압력 제어 유로(70)를 개방한 상태를 나타내고 있다.
예를 들면, 도 4에 나타낸 각 3각형의 빈틈없이 칠한 상태에 있어서, VbS는, 밸브 개방측 압력실(34)과 통하는 압력 제어 유로(70)를 폐쇄하고 있고, 유체 유로(20)와 통하는 압력 제어 유로(70)와 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 통하는 압력 제어 유로(70)를 접속한 상태(비통전상태)를 나타내고 있다. 또, 도 4에서, VbC를 나타내는 삼각형은 빈틈없이 칠해져 있고, 이것은 VbC가 폐쇄된 상태(비통전상태)인 것을 나타내고 있다. 또, 도 4에서, VbO를 나타내는 삼각형도 빈틈없이 칠해져 있고, 이것은 VbO도 폐쇄된 상태(비통전상태)인 것을 나타내고 있다.
도 5는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 개폐동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5(A)는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 내려져 폐쇄된 상태에 있는 밸브체(31)를 상향으로 이동시켜 밸브 개방할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
가습 M 바이패스 밸브(30)를 밸브 개방하는 경우, VbS는 통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(34)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속된다. 또, VbO는 비통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(34) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, VbC는 통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성되어, 밸브 폐쇄측 압력실(33)이 압 빼기된다.
이 상태에서, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브체(31)에는 다음과 같은 힘이 작용한다. 먼저, 에어컴프레서(도 1의 AP)의 토출압을 P1, 다이어프램(32)의 면적을 A1이라고 하면, 밸브 개방측 압력실(34)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속되어 있기 때문에, 밸브 개방측 압력실(34) 내가 가압되어 압력이 P1 이 되고, 다이어프램(32)을 거쳐 밸브체(31)에 상향의 힘(PlA1)이 작용한다.
또, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 입구(36)로부터 공기[압력(P1)]가 들어가 밸브체(31)에 직접적으로 힘을 가하기 때문에, 밸브체(31)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(31)에 하향의 힘(PlA2)이 작용한다. 또, 스프링(35)에 의해 다이어프램(32)을 거쳐 밸브체(31)에 하향의 힘(Fs)이 작용하고, 또 동결 등에 의하여 밸브체(31)가 출구(37) 부분에 고착되는 힘을 고려하면, 밸브체(31)에 하향의 동결력 (Fl)이 작용한다.
따라서, 밸브체(31)를 상향으로 이동시켜 밸브 개방하기 위해서는, 밸브체(31)의 상하방향으로 작용하는 힘의 관계가 PlA1 > PlA2 + Fs + FI가 되면 좋다. 이 힘의 관계가 성립하도록, 예를 들면, 공기의 토출압(P1) 등이 제어된다.
도 5(B)는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 폐쇄동작을 설명하기 위한 도 면이다. 즉, 올려져 개방된 상태에 있는 밸브체(31)를 하향으로 이동시켜 밸브 폐쇄할 때의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
가습 M 바이패스 밸브(30)를 밸브 폐쇄하는 경우, VbS는 비통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속된다. 또, VbC는 비통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, VbO는 통전상태가 되고, 밸브 개방측 압력실(34) 내와 대기를 연결하는 유로가 형성되어, 밸브 개방측 압력실(34)이 압 빼기된다.
이 상태에서, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브체(31)에는 다음과 같은 힘이 작용한다. 먼저, 에어컴프레서(도 1의 AP)의 토출압을 P1, 다이어프램(32)의 면적을 A1이라고 하면, 밸브 폐쇄측 압력실(33)과 유체 유로(도 1의 부호 20)가 접속되어 있기 때문에, 밸브 폐쇄측 압력실(33) 내가 가압되어 압력이 P1 이 되고, 다이어프램(32)을 거쳐 밸브체(31)에 하향의 힘(PlA1)이 작용한다.
또, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 입구(36)로부터 공기[압력(P1)]가 들어가 밸브체(31)에 직접적으로 힘을 가하기 때문에, 밸브체(31)의 수압면적을 A2라고 하면, 밸브체(31)에 상향의 힘(PlA2)이 작용한다. 또한 스프링(35)에 의하여 다이어프램(32)을 거쳐 밸브체(31)에 하향의 힘(Fs)이 작용한다.
따라서, 밸브체(31)를 하향으로 이동시켜 밸브 폐쇄하기 위해서는, 밸브 체(31)의 상하방향으로 작용하는 힘의 관계가 Fs + PlA1 > PlA2가 되면 좋다. 이 힘의 관계가 성립하도록, 예를 들면 공기의 토출압(P1) 등이 제어된다.
또한, 도 4 및 도 5에서는, 2개의 압력실을 이용한 가습 M 바이패스 밸브(30)를 설명하였으나, 압력실은, 예를 들면 밸브 개방측 압력실(34)뿐이어도 된다. 즉, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 개방할 때에는, 밸브 개방측 압력실(34)을 가압하여 밸브체(31)를 상향으로 이동시키는 힘의 관계를 성립시키고, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 폐쇄할 때에는, 밸브 개방측 압력실(34)을 압 빼기하고, 스프링(35)의 힘 등에 의하여 밸브체(31)를 하향으로 이동시키는 힘의 관계를 성립시키는 구성이어도 좋다.
본 실시형태에서는, 연료전지스택(10)의 상태 등에 따라, 가습 M 바이패스 밸브(30), 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B)의 각 밸브가 제어된다. 그래서, 도 6 내지 도 12를 이용하여, 연료전지스택(10)의 상태 등에 따른 각 밸브의 제어에 대하여 설명한다. 또한, 도 6 내지 도 12의 각 도면은, 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 전체 구성도에, 유체 유로(20) 내의 공기의 흐름 등을 나타낸 것이다. 그 때문에, 이미 도 1을 이용하여 설명한 부분(구성)에 대해서는 설명을 생략한다.
도 6은, 도 1의 연료전지시스템의 통상 운전 중의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 통상 운전 중의 연료전지시스템은, 연료전지스택(10)을 발전시킨 상태이다. 즉, 연료전지스택(10)에, 가습된 공기가 공급되고, 또, 연료전지스택(10)으로 부터 반응 후의 공기가 배출되고 있다.
통상 운전 중에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)는 폐쇄된 상태이고, 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)는 함께 개방된 상태이다. 또, 에어컴프레서(AP)는 운전되고 있고, 에어컴프레서로부터 토출된 공기는, 가습 모듈(50), 가습 M 바이패스 밸브(30), 연료전지 바이패스 밸브(80)로 공급된다.
에어컴프레서로부터 가습 모듈(50)로 공급된 공기는, 가습 모듈(50)에 의해가습된 후, 개방된 상태의 입구 셔트밸브(40A)를 거쳐, 연료전지스택(10)으로 공급된다. 또, 에어컴프레서로부터 가습 M 바이패스 밸브(30)로 공급된 공기는, 가습 M 바이패스 밸브(30)가 폐쇄된 상태이기 때문에, 그곳에서 차단된다. 또한, 연료전지바이패스 밸브(80)도 폐쇄된 상태이고, 공기의 흐름을 차단하고 있다.
연료전지스택(10)으로부터 배출된 반응 후의 공기는, 배압을 조정하는 공기압력 조절밸브(90)와, 개방된 상태의 출구 셔트밸브(40B)를 통하고, 또한, 가습 모듈(50), 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다.
통상 운전 중에 있어서, 입구 셔트밸브(40A)를 제어하는 ViS, ViC, ViO는, 모두 비통전상태로 되어 있다. 즉, ViS에 의해 밸브 개방측 압력실(도 2의 부호44)이 선택된 상태이고, 또 ViC와 ViO가 폐쇄된 상태이다. 이 상태에서는, 에어컴프레서로부터 토출되는 공기의 토출압에 의하여 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 개방측 압력실 내가 가압되어, 밸브체(도 2의 부호 41)를 개방하는 방향으로 힘을 가한다. 또, 입구 셔트밸브(40A) 내의 스프링(도 2의 부호 45)도 밸브체를 개방하는 방향으로 힘을 가하고 있고, 또한, 입구 셔트밸브(40A)의 입구(도 2의 부호 46)로부터 들 어가는 공기도 밸브체를 개방하는 방향으로 힘을 가하고 있다. 그 때문에, ViS, ViC, ViO가 모두 비통전상태이면서, 입구 셔트밸브(40A)를 개방된 상태, 즉 노멀상태를 유지하는 것이 가능하게 된다.
또, 통상 운전 중에 있어서, 출구 셔트밸브(40B)를 제어하는 VoS, VoC, VoO도 모두 비통전상태로 되어 있다. 그리고, 입구 셔트밸브(40A)의 경우와 동일한 이유에 의하여 VoS, VoC, VoO가 모두 비통전상태이면서, 출구 셔트밸브(40B)를 개방된 상태, 즉 노멀상태를 유지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 통상 운전 중에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 제어하는 VbS, VbC, VbO는, 모두 비통전상태로 되어 있다. 즉, VbS에 의해 밸브 폐쇄측 압력실(도 4의 부호 33)이 선택된 상태이고, 또 VbC과 VbO가 폐쇄된 상태이다. 이 상태에서는, 에어컴프레서로부터 토출되는 공기의 토출압에 의하여 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 폐쇄측 압력실 내가 가압되고, 밸브체(도 4의 부호 31)를 폐쇄하는 방향으로 힘을 가한다. 또, 가습 M 바이패스 밸브(30) 내의 스프링(도 4의 부호 35)도 밸브체를 폐쇄하는 방향으로 힘을 가하고 있고, 또한 가습 M 바이패스 밸브(30)의 입구(도 4의 부호 36)로부터 들어가는 공기도 밸브체를 폐쇄하는 방향으로 힘을 가하고 있다. 그 때문에, VbS, VbC, VbO가 모두 비통전상태이면서, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 폐쇄된 상태, 즉 노멀상태를 유지하는 것이 가능하게 된다.
도 7은, 도 1의 연료전지시스템의 정지 지시시의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이 상태는, 예를 들면 통상 운전 중의 상태(도 6)로부터 유저 등에 의하여 연료전지시스템의 운전을 정지시키는 조작이 이루어진 경우의 상태이다.
정지 지시시에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)는, 폐쇄된 상태로부터 개방된 상태로 변환하여 제어된다. 가습 M 바이패스 밸브(30)를 밸브 개방시키는 동작은, 앞서 설명한 바와 같다(도 5 참조). 즉, VbS가 통전되어, 밸브 개방측 압력실(도 5의 부호 34)과 유체 유로(20)가 접속된다. 또, VbO는 비통전상태이고, 밸브 개방측 압력실 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, VbC는 통전되고, 밸브 폐쇄측 압력실(도 5의 부호 33)이 압 빼기된다. 이에 의하여, 가습 M 바이패스 밸브(30)가 밸브 개방된다. 가습 M 바이패스 밸브(30)가 밸브 개방되면, 에어컴프레서로부터 토출된 공기가 가습 M 바이패스 밸브(30)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공급된다.
정지 지시시에 있어서, 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)는 함께 통상 운전 중(도 6 참조)과 마찬가지로, 개방된 상태이다. 또, 입구 셔트밸브(40A)를 제어하는 ViS, ViC, ViO는 모두 비통전상태로 되어 있고, 출구 셔트밸브(40B)를 제어하는 VoS, VoC, VoO도 모두 비통전상태로 되어 있다.
에어컴프레서로부터 가습 모듈(50)로 공급된 공기는, 가습 모듈(50)에 의해 가습된 후, 개방된 상태의 입구 셔트밸브(40A)를 거쳐, 연료전지스택(10)으로 공급된다. 또한, 연료전지 바이패스 밸브(80)는 폐쇄된 상태이며, 공기의 흐름을 차단하고 있다.
연료전지스택(10)으로부터 배출된 반응 후의 공기는, 배압을 조정하는 공기압력 조절밸브(90)와, 개방된 상태의 출구 셔트밸브(40B)를 통하고, 또한 가습 모듈(50), 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다.
도 8은, 도 1의 연료전지시스템의 소기 중의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 소기는, 예를 들면 연료전지스택(10) 내의 생성물 등을 토출시키기 위하여 실행된다. 그 실행 타이밍은, 예를 들면, 정지 지시시의 상태(도 7)에서부터 연료전지시스템의 운전을 실제로 정지시키기까지의 사이이다.
소기 중에 있어서, 입구 셔트밸브(40A)는, 개방된 상태로부터 폐쇄된 상태로 변환하여 제어된다. 입구 셔트밸브(40A)를 밸브 폐쇄시키는 동작은, 앞서 설명한 바와 같다(도 3 참조). 즉, ViS가 통전되고, 밸브 폐쇄측 압력실(도 3의 부호 43)과 유체 유로(20)가 접속된다. 또, ViC는 비통전상태이고, 밸브 폐쇄측 압력실 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, ViO는 통전되고, 밸브 개방측 압력실(도 3의 부호 44)이 압 빼기된다. 입구 셔트밸브(40A)가 폐쇄되면, 입구 셔트밸브(40A)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공급되고 있던 공기의 흐름이 차단된다.
소기 중에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)는, 정지 지시시(도 7 참조)와 마찬가지로, 밸브 개방된 상태에 있다. 또, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 제어하는 VbS, VbC는 통전상태로 되어 있고, VbO는 비통전상태로 되어 있다. 가습 M 바이패스 밸브(30)가 밸브 개방되어 있기 때문에, 에어컴프레서로부터 토출된 공기가 가습 M 바이패스 밸브(30)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공급된다.
또, 소기 중에 있어서, 출구 셔트밸브(40B)도, 정지 지시시(도 7 참조)와 마찬가지로, 밸브 개방된 상태에 있다. 출구 셔트밸브(40B)를 제어하기 위한 VoS, VoC, VoO는 모두 비통전상태로 되어 있다. 출구 셔트밸브(40B)가 밸브 개방되어 있기 때문에, 연료전지스택(10)으로부터 배출된 공기는, 공기압력 조절밸브(90)와, 개방된 상태의 출구 셔트밸브(40B)를 통하고, 또한, 가습 모듈(50), 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다.
또, 소기 중에 있어서는, 연료전지스택(10) 내로부터 생성수 등을 효율좋게 토출시키기 위하여, 공기압력 조절밸브(90)를 완전 개방상태로 하는 것이 바람직하다. 또, 연료전지 바이패스 밸브(80)는 폐쇄된 상태로서, 공기의 흐름을 차단하고 있다.
도 9는, 도 1의 연료전지시스템의 소기 후의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이 상태는, 소기(도 8)가 종료된 직후의 상태이다.
소기 후에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)는, 개방된 상태로부터 폐쇄된 상태로 변환하여 제어된다. 가습 M 바이패스 밸브(30)를 밸브 폐쇄시키는 동작은, 앞서 설명한 바와 같다(도 5 참조). 즉, VbS가 비통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실(도 5의 부호 33)과 유체 유로(20)가 접속된다. 또, VbC는 비통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, VbO는 통전되고, 밸브 개방측 압력실(도 5의 부호 34)이 압 빼기된다. 가습 M 바이패스 밸브(30)가 폐쇄되면, 가습 M 바이패스 밸브(30)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공급되고 있던 공기의 흐름이 차단된다.
또, 소기 후에 있어서, 출구 셔트밸브(40B)는, 개방된 상태로부터 폐쇄된 상태로 동작 제어된다. 출구 셔트밸브(40B)를 밸브 폐쇄시키는 동작은, 앞서 설명한 바와 같다(도 3 참조). 즉, VoS가 통전되고, 밸브 폐쇄측 압력실(도 3의 부호 43)과 유체 유로(20)가 접속된다. 또, VoC는 비통전상태가 되고, 밸브 폐쇄측 압력실 내와 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한 VoO는 통전되고, 밸브 개방측 압력실(도 3의 부호 44)이 압 빼기된다.
또, 소기 후에 있어서, 입구 셔트밸브(40A)는, 소기 중(도 8 참조)과 마찬가지로, 폐쇄된 상태에 있다. 입구 셔트밸브(40A)를 제어하는 ViS, ViO는 통전상태로 되어 있고, ViC는 비통전상태로 되어 있다. 입구 셔트밸브(40A)가 폐쇄되어 있기 때문에, 입구 셔트밸브(40A)를 거쳐 연료전지스택(10)으로 공급되는 공기의 흐름이 차단되어 있다.
또한, 소기 후의 상태에서는, 에어컴프레서(AP)가 운전되고 있고, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 폐쇄측 압력실, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실, 출구 셔트밸브(40B)의 밸브 폐쇄측 압력실은, 에어컴프레서로부터 토출되는 공기의 토출압에 의해 가압되어 있다. 또한, 연료전지 바이패스 밸브(80)는 폐쇄된 상태로서, 공기의 흐름을 차단하고 있다.
도 10은, 도 1의 연료전지시스템의 정지 중의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이 상태는, 소기가 종료된 직후(정지 직후)부터 다음 번의 운전지시가 이루어지기까지의 사이의 상태이다.
정지 중에 있어서, 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)는 함께 폐쇄된 상태로 유지된다. 본 실시형태에서는, 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)를 폐쇄된 상태로 유지하기 위하여, 밸브 폐쇄측 압력실(도 2의 부호 43)을 밀폐하여 밸브 폐쇄측 압력실 내의 압력을 유지하고 있다. 압력을 유지하여 밀폐하기 위한 동작은 다음과 같다.
먼저, 소기 후(도 9)의 상태, 즉, 에어컴프레서로부터 토출되는 공기의 토출압에 의하여 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실이 가압되어 있는 상태로부터, ViS의 통전을 정지한다. 이에 의하여, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실에 연결되는 압력 제어 유로(70)가 폐쇄된다. 이 때 ViC는 비통전상태로서, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실과 대기를 연결하는 유로도 차단되어 있다. 따라서, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실이, 가압된 상태를 유지한 채로 밀폐된다.
그 후, 에어컴프레서가 정지되고, ViO에 대한 통전도 정지된다. ViS와 ViO가 함께 비통전상태가 되면, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 개방측 압력실과 유체 유로(20)가 접속된다. 그러나, 에어컴프레서가 정지되어 있고 유체 유로(20) 내도 대기압으로 되어 있기 때문에, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 개방측 압력실 내는 가압되지 않는다. 또한, 에어컴프레서의 정지 후에, ViO를 통전하고, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 개방측 압력실 내를 압 빼기하도록 하여도 된다.
이상의 동작에 의하여 도 10에 나타내는 바와 같이, ViS, ViC, ViO를 비통전상태로 한 채로, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실 내가 가압된 상태로 유지되고, 또 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 개방측 압력실 내가 압 빼기된 상태(대기압 상태)로 유지된다. 그 때문에, 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실 내와 밸브 개방측 압력실 내의 압력차에 의하여 밸브체(도 2의 부호 41)를 폐쇄하는 방향으로 이동시키는 힘이 작용하고, 그 힘이, 예를 들면 스프링(도 3의 부호 45)에 의한 힘보다 크면, 입구 셔트밸브(40A)가 폐쇄된 상태를 유지하게 된다. 또, 앞서 설명한 바와 같이(도 3 참조), 입구 셔트밸브(40A)에는, 연료전지스택 내의 부압이나 동결력 등, 밸브체를 폐쇄하는 방향으로 이동시키는 힘이 가해지고 있어도 좋다.
출구 셔트밸브(40B)에 대해서도, 입구 셔트밸브(40A)의 경우와 동일한 동작에 의하여, 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다. 즉, 소기 후(도 9)의 상태로부터 VoS의 통전을 정지하고, 에어컴프레서를 정지시켜, VoO에 대한 통전을 정지함으로써, 도 10에 나타내는 바와 같이 VoS, VoC, VoO를 비통전상태로 한 채로, 출구 셔트밸브(40B)를 폐쇄된 상태로 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에서는, ViS, ViC, ViO가 모두 비통전상태이면서, 입구 셔트밸브(40A)를 폐쇄된 상태, 즉 비노멀상태를 유지하는 것이 가능하게 된다. 또, VoS, VoC, VoO가 모두 비통전상태이면서, 출구 셔트밸브(40B)를 폐쇄된 상태, 즉 비노멀상태를 유지하는 것이 가능하게 된다.
또, 정지 중에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)는, 폐쇄된 상태로 되어 있다. 가습 M 바이패스 밸브(30)는, 소기 후(도 9)의 상태로 폐쇄되어 있고, 그 때에, VbO가 통전되어 밸브 개방측 압력실이 압 빼기되어 있다. 그리고, 도 10에 나타내는 바와 같이 정지 중에 있어서, VbO의 통전이 정지되고, VbS, VbC, VbO의 모두가 비통전상태가 된다. 또한, 도 10에 나타내는 바와 같이, 에어컴프레서가 정지된 상태에서는, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 폐쇄측 압력실이 가압되지 않기 때문에, 가습 M 바이패스 밸브(30)의 밸브 개방측 압력실과 밸브 폐쇄측 압력실이 함께 대기압의 상태가 된다. 그 때문에, 스프링(도 4의 부호 35)의 힘에 의하 여 가습 M 바이패스 밸브(30)가 폐쇄된 상태(노멀상태)를 유지한다. 또, 앞서 설명한 바와 같이(도 5 참조), 가습 M 바이패스 밸브(30)에는, 연료전지스택 내의 부압이나 동결력 등, 밸브체를 폐쇄하는 방향으로 이동시키는 힘이 가해지고 있어도 좋다.
이와 같이, 본 실시형태에서는, 도 10에 나타내는 9개의 PSV를 모두 비통전상태로 한 채로, 입구 셔트밸브(40A), 출구 셔트밸브(40B), 가습 M 바이패스 밸브(30)의 3개의 밸브를 모두 폐쇄된 상태로 유지할 수 있다.
도 11은, 도 1의 연료전지시스템의 개시 지시시의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이 상태는, 예를 들면 정지 중의 상태(도 10)로부터 유저 등에 의하여, 연료전지시스템의 운전을 개시시키는 조작이 이루어진 경우의 상태이다.
이 개시 지시시에는, 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)를 밸브 개방시키기 위한 준비동작이 행하여진다. 즉, ViC가 통전되고, 정지 중의 상태(도 10)에서 가압상태를 유지하고 있던 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실이 압 빼기된다. 또, VoC가 통전되고, 정지 중의 상태(도 10)에서 가압상태를 유지하고 있던 출구 셔트밸브(40B)의 밸브 폐쇄측 압력실도 압 빼기된다.
또한, 개시 지시시에 있어서, 가습 M 바이패스 밸브(30)는 정지 중의 상태(도 10) 그대로 폐쇄된 상태이며, 또, 에어컴프레서도 정지한 상태이다.
도 12는, 도 1의 연료전지시스템의 기동 중의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이 상태는, 개시 지시된 상태(도 11)로부터 연료전지시스템의 통상 운전을 개시하기까지의 사이의 상태이다.
이 기동 중의 상태에서는, 개시 지시시의 상태(도 11)에서 정지되어 있던 에어컴프레서(AP)가 운전 개시되고, 에어컴프레서로부터 토출된 공기는, 가습 모듈(50)을 거쳐 입구 셔트밸브(40A)로 공급되고, 또 가습 M 바이패스 밸브(30), 연료전지 바이패스 밸브(80)로도 공급된다. 또한, 연료전지 바이패스 밸브(80)의 밸브 개방도에 따라 에어컴프레서로부터 토출되는 공기의 토출압이 적절하게 제어된다. 연료전지 바이패스 밸브(80)를 통과한 공기는, 희석기(60)를 거쳐 대기로 방출된다.
이와 같이, 기동 중의 상태에서는, 에어컴프레서가 동작하여, 유체 유로(20) 내로 공기가 흐르기 시작한다. 그리고, 그 공기의 토출압에 의하여, 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)가, 함께 폐쇄된 상태로부터 개방된 상태로 변환된다.
입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)를 밸브 개방시키는 동작은, 앞서 설명한 바와 같다(도 3 참조). 즉, ViS (또는 VoS)는 비통전상태이고, 밸브 개방측 압력실(도 3의 부호 44)과 유체 유로(20)가 접속된다. 또, ViO(또는 VoO)는 비통전상태이고, 밸브 개방측 압력실과 대기를 연결하는 유로가 차단된다. 또한, ViC(또는 VoC)는 통전되고, 밸브 폐쇄측 압력실(도 3의 부호 43)이 압 빼기된다. 이에 따라, 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)가 밸브 개방한다. 그 후, 도 6에 나타낸 통상 운전 중의 상태로 이행한다.
즉, 도 6에 나타내는 바와 같이, 입구 셔트밸브(40A)와 출구 셔트밸브(40B)가 밸브 개방하면, 입구 셔트밸브(40A)를 거쳐 공기가 연료전지스택(10) 내로 공급 되고, 또 연료전지스택(10)으로부터 배출된 반응 후의 공기는, 공기압력 조절밸브(90)를 통하여 출구 셔트밸브(40B)까지 진행하고, 개방된 상태의 출구 셔트밸브(40B)를 통과한다. 또한, 통상 운전 중에서는, 도 6에 나타내는 모든 PSV가 비통전상태가 된다. 즉, 기동 중(도 12)에서 통전되어 있던 ViC와 VoC의 통전이 정지된다.
이상, 도 6 내지 도 12를 이용하여 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 연료전지스택(10)의 상태 등에 따라 각 밸브가 제어된다. 또한, 이상으로 설명한 제어에 있어서, 예를 들면, 도 11에 나타낸 개시 지시시의 제어에 있어서, ViC를 통전하여 입구 셔트밸브(40A)의 밸브 폐쇄측 압력실을 압 빼기하고 있고, 또 VoC를 통전하여 출구 셔트밸브(40B)의 밸브 폐쇄측 압력실을 압 빼기하고 있다. 본 실시형태에서는, ViC나 VoC를 폐쇄한 채로, 밸브 폐쇄측 압력실을 압 빼기할 수도 있다.
도 13은, 입구 셔트밸브(도 1의 부호 40A)의 밸브 폐쇄측 압력실의 압 빼기 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다. 먼저, 제어부 등으로부터 입구 셔트밸브의 밸브 개방지령이 나오면(S1301), 입구 셔트밸브의 밸브 폐쇄측 압력실(도 2의 부호 43)이 가압되어 있는지의 여부가 확인된다(S1302). 밸브 폐쇄측 압력실이 가압되어 있지 않으면, 압 빼기 처리를 생략하고, S1307으로 진행하여 밸브 개방동작이 행하여진다.
밸브 폐쇄측 압력실이 가압되어 있으면, 압 빼기용 밸브인 ViC가 이용 가능한지의 여부를 확인한다(S1303). ViC가 이용 가능하면 ViC를 통전하여 밸브 폐쇄 측 압력실을 압 빼기한다(S1306).
이것에 대하여, 예를 들면 ViC를 통전하기 위한 배선 등에 단선 등이 있으면, ViC가 고장 등의 상태에 있어 이용 불가능하다고 판단된다. 또한, 본 실시형태에서는, ViC가 존재하지 않는 경우에도, 즉, 예를 들면 도 1에 나타내는 ViC의 위치에 있어서, 압력 제어 유로(70)가 항상 폐쇄된 상태에서도, 이하의 동작에 의하여 입구 셔트밸브의 밸브 폐쇄측 압력실을 압 빼기할 수 있다.
ViC가 고장 또는 존재하지 않는 등의 이유로 이용 불가능한 경우, 에어컴프레서가 정지된다(S1304). 그리고, ViS가 통전되어, 밸브 폐쇄측 압력실과 유체 유로가 접속된다. 그 때, 에어컴프레서가 정지되고, 유체 유로 내는 대기압으로 되어 있기 때문에, 밸브 폐쇄측 압력실과 유체 유로가 접속됨으로서, 밸브 폐쇄측 압력실이 압 빼기된다(S1305).
밸브 폐쇄측 압력실의 압 빼기가 종료하면, ViS의 통전이 정지된다(S1307). ViS가 비통전상태가 됨으로써, 밸브 개방측 압력실과 유체 유로가 접속된다. 이 상태에서, 에어컴프레서를 운전시킴으로써, 밸브 개방측 압력실이 가압되고 (S1308), 압 빼기된 밸브 폐쇄측 압력실과의 사이에 압력차가 생겨, 입구 셔트밸브가 밸브 개방한다(S1309).
도 13에 나타낸 바와 같이, ViC를 이용하지 않고, 입구 셔트밸브의 밸브 폐쇄측 압력실을 압 빼기할 수 있다. 이 압 빼기처리의 동작은, 입구 셔트밸브의 밸브 개방측 압력실이나, 다른 밸브의 압력실의 압 빼기에도 응용할 수 있다. 즉, 에어컴프레서를 정지시키고 나서, VbS, ViS, VoS를 적절히 동작시켜, 압 빼기를 필 요로 하는 압력실과 유체 유로를 접속하면 된다.
또, 도 1에 나타낸 연료전지시스템에서는, 압 빼기용 PSV(VbC, VbO, ViC, ViO, VoC, VoO)는, 각각 한쪽 측이 압력실과 통하는 압력 제어 유로(70)에 접속되어 있고 다른쪽 측이 대기 개방되어 있다. 그 압 빼기용 PSV의 다른쪽 측은, 에어컴프레서의 상류측에 접속되어도 된다.
도 14는, 에어컴프레서의 상류측과 압 빼기용 PSV를 접속한 연료전지시스템의 전체 구성도이다. 도 14의 연료전지시스템은, 압 빼기용의 PSV(VbC, VbO, ViC, ViO, VoC, VoO)의 다른쪽 측이, 압력 제어 유로(70)를 거쳐, 에어컴프레서(AP)의 상류측에 접속되어 있다.
에어컴프레서는, 공기 클리너(100)를 거쳐 대기 중으로부터 유체 유로(20) 내로 공기를 도입한다. 에어컴프레서가 동작하고 있는 경우, 에어컴프레서의 하류측[압력계(P1)측]에는 토출압이 발생한다. 그 한편, 에어컴프레서의 상류측[에어클리너(100)측]에는 부압이 발생한다.
도 1에 나타내는 연료전지시스템에서는, 압 빼기용 PSV를 통전하여 그 PSV에 대응한 압력실과 대기를 연결하는 유로를 형성하여 그 압력실을 압 빼기하고 있다.
이것에 대하여, 도 14에 나타내는 연료전지시스템에서는, 에어컴프레서의 상류측에 발생하는 부압을 이용하여 압력실의 압 빼기를 행한다. 즉, 압 빼기용 PSV를 통전하여 그 PSV에 대응한 압력실과 에어컴프레서의 상류측을 연결하는 유로를 형성하고, 에어컴프레서의 상류측에 발생하는 부압을 이용하여 압력실을 압 빼기하고 있다. 그 때문에, 대기 개방에 의하여 압 빼기를 행하는 경우에 비하여, 압 빼 기(감압)에 관한 응답성이 향상하고, 나아가서는 셔트밸브의 응답성이 향상한다.
또한, 도 14의 구성에 있어서, 에어컴프레서의 상류측에 접속되는 압력 제어 유로(70)는, 에어컴프레서에 가까운 위치에 접속되는 것이 바람직하다. 또한, 도 14에 나타내는 연료전지시스템의 다른 부분(구성)에 대해서는, 도 1에 나타내는 연료전지시스템과 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
이상, 본 발명의 적합한 실시형태를 설명하였으나, 상기한 실시형태는, 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 그 본질을 일탈하지 않는 범위에서 각종 변형 형태를 포함한다.

Claims (13)

  1. 연료전지와,
    연료전지에 접속되는 유체 유로와,
    유체 유로에 설치되는 유체 제어밸브를 가지고,
    상기 유체 제어밸브는,
    밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력의 압력차에 따라 구동하는 밸브체와,
    밸브 개방용 압력 또는 밸브 폐쇄용 압력을 밸브체에 가하는 압력실을 구비하고,
    상기 압력실이 밀폐됨으로써 밸브체의 개폐상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브는, 노멀상태에 있어서 밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력 중의 한쪽의 압력이 다른쪽의 압력보다 큰 상태가 되고, 비노멀상태에 있어서 다른쪽의 압력에 대응한 압력실이 밀폐되어 다른쪽의 압력이 한쪽의 압력보다 큰 상태가 되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브는, 노멀상태에 있어서 밸브 개방용 압력이 밸브 폐쇄용 압력보다 커져 밸브체를 개방된 상태로 하는 노멀 오픈 밸브이고, 연료전지의 유체의 입구측과 출구측 중의 적어도 한쪽측에 설치되고, 비노멀상태에 있어서 밸브 폐쇄용 압력이 밸브 개방용 압력보다 커져 밸브체를 폐쇄상태로 함으로써 셔트밸브로서 기능하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브는, 밸브 개방용 압력에 대응한 밸브 개방측 압력실과 밸브 폐쇄용 압력에 대응한 밸브 폐쇄측 압력실의 2개의 압력실을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브의 2개의 압력실 중의 한쪽의 압력실을 선택적으로 유체 유로와 접속하는 삼방밸브를 더 가지고, 삼방밸브를 거쳐 전해지는 유체의 압력을 이용하여 2개의 압력실 내의 압력이 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 삼방밸브는, 비제어상태에 있어서 상기 유체 제어밸브의 2개의 압력실 중의 한쪽의 압력실을 유체 유로와 접속하고, 제어상태에 있어서 상기 유체 제어밸브의 2개의 압력실 중 다른쪽의 압력실을 유체 유로와 접속하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브의 밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력 중의 노멀상태에 있어서 큰 쪽의 압력에 대응한 압력실과 유체 유로를 접속하여 해당 압력실 내를 가압함으로써, 해당 유체 제어밸브의 노멀상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브의 2개의 압력실 중의 한쪽의 압력실 내를 감압하고 나서다른쪽의 압력실 내를 가압함으로써, 해당 유체 제어밸브의 노멀상태와 비노멀상태를 변환하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 유로에 유체를 유통시키는 컴프레서와,
    상기 유체 제어밸브의 압력실과 컴프레서의 상류측을 접속하는 압 빼기 유로를 가지고,
    상기 컴프레서의 하류측의 압력보다 작은 상류측의 압력을 이용하여 상기 유체 제어밸브의 압력실 내를 감압하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 유로에 유체를 유통시키는 컴프레서를 정지시켜 상기 유체 제어밸브의 압력실과 유체 유로를 접속함으로써, 해당 유체 제어밸브의 압력실 내를 감압하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브의 압력실 내를 감압하기 위한 압 빼기용 밸브를 더 가지고,
    해당 유체 제어밸브의 압 빼기용 밸브의 이상시에 컴프레서를 정지시켜 해당 유체 제어밸브의 압력실과 유체 유로를 접속하여 압력실 내를 감압하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  12. 연료전지와,
    연료전지에 접속되는 유체 유로와,
    유체 유로에 설치되는 유체 제어밸브를 가지고,
    상기 유체 제어밸브는, 밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력의 압력차에 따라 구동되는 밸브체를 구비하고,
    연료전지의 유체의 입구측과 출구측 중의 적어도 한쪽측에 상기 유체 제어밸브가 설치되고, 연료전지의 발전 운전의 정지 후에 상기 유체 제어밸브의 밸브체를 폐쇄상태로 함으로써, 연료전지의 입구측과 출구측 중의 적어도 한쪽측을 봉쇄하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 유체 제어밸브는, 유체 유로를 흐르는 유체의 압력을 이용하여 밸브 개방용 압력과 밸브 폐쇄용 압력 중의 적어도 한쪽이 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4894481B2 (ja) 2006-11-28 2012-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN101553678B (zh) * 2006-12-07 2013-09-18 丰田自动车株式会社 流体控制阀及燃料电池系统
JP5040411B2 (ja) * 2007-04-18 2012-10-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR101124985B1 (ko) * 2009-06-19 2012-03-27 현대자동차주식회사 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치
US8920996B2 (en) 2010-05-11 2014-12-30 Dcns Systems and methods for regulating fuel cell air flow during low loads or cold temperature operation
JP2011249151A (ja) * 2010-05-27 2011-12-08 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム
WO2014103589A1 (ja) * 2012-12-28 2014-07-03 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP6308189B2 (ja) * 2015-09-08 2018-04-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102019216655A1 (de) * 2019-10-29 2021-04-29 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Absperrventil sowie Brenn-stoffzellenstapel

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3159506A (en) * 1961-03-31 1964-12-01 Gen Electric Gaseous fuel generator for fuel cells
JPS63151779A (ja) * 1986-12-12 1988-06-24 泰平電機株式会社 車両用扉開閉装置における半自動弁
JPH0815541B2 (ja) * 1988-06-24 1996-02-21 富士通株式会社 制御機能付きバルブ及び減圧室のリーク方法
JP3288442B2 (ja) * 1992-09-08 2002-06-04 富士通株式会社 エアオペレートバルブ
JP2000003717A (ja) * 1998-06-13 2000-01-07 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム
JP2000161509A (ja) 1998-11-24 2000-06-16 Aisin Seiki Co Ltd 流体制御バルブ及びバルブユニット及び燃料電池システム
JP2004006166A (ja) 2002-06-03 2004-01-08 Fuji Electric Holdings Co Ltd 固体高分子電解質形燃料電池とその運転方法
JP4017971B2 (ja) 2002-11-29 2007-12-05 株式会社ケーヒン 燃料電池用開閉弁
JP2004183706A (ja) 2002-11-29 2004-07-02 Keihin Corp 燃料電池用開閉弁
JP2004319413A (ja) * 2003-04-21 2004-11-11 Aisan Ind Co Ltd 燃料電池システムのガス減圧装置
JP2005150090A (ja) 2003-10-24 2005-06-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4397686B2 (ja) * 2003-12-25 2010-01-13 本田技研工業株式会社 燃料電池の反応ガス供給装置
US7790325B2 (en) * 2004-03-31 2010-09-07 Canon Kabushiki Kaisha Valve having valve element displaced by at least one of a movement of a diaphragm and a movement of an actuator, and fuel cell using the valve
JP2005339847A (ja) * 2004-05-24 2005-12-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4761181B2 (ja) 2004-05-28 2011-08-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4495575B2 (ja) * 2004-11-25 2010-07-07 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法

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