KR20190012104A - 연료 전지 시스템 및 제어 장치 - Google Patents

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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료 전지 시스템은, 수소 가스를 공급하는 공급 경로(16)에 마련되며, 연료 전지 스택(12)에 공급되는 수소 가스를 감압시키는 조압 밸브(30)와, 공급 경로에 있어서의 조압 밸브(30)의 상류측에 마련되며, 수소 탱크(14)로부터 공급되는 수소 가스를 감압팽창시키는 팽창기(24)와, 공급 경로에 있어서의 팽창기(24)의 상류측에 마련되며, 팽창기(24)에 수소 가스의 공급을 행하는 개방 상태와, 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급을 차단하거나 또는 상기 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급량을 상기 개방 상태의 경우보다도 감소시키는 폐쇄 상태 중 어느 상태로 전환 가능한 제 2 제어 밸브(22)와, 제 2 제어 밸브(22)를 제어하는 제어부(54)를 포함하는 제어 장치(50)를 구비한다.

Description

연료 전지 시스템 및 제어 장치{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL DEVICE}
본 발명은, 연료 전지 시스템 및 제어 장치에 관한 것이다.
일본국 공개특허 특개2003-217641에는, 고압 수소 탱크와 연료 전지 스택의 사이에 수소 가스를 감압팽창시키는 팽창기를 마련하고, 팽창기에서 수소 가스를 팽창시킬 때의 팽창 에너지를 기계 에너지로 변환하는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.
그러나, 상기 서술한 팽창기에 의한 팽창 에너지는, 수소 가스의 유량, 및 팽창기의 상류의 압력과 하류의 압력의 차에 의존한다. 즉, 당해 차이가 비교적 작은 상태에서 수소 가스를 팽창기에 유입시켰을 경우, 수소 가스의 유량이 비교적 많은 상태여도 팽창기로부터 취출할 수 있는 에너지량이 적어져버린다.
본 발명은, 팽창기에 의한 수소 가스의 팽창 에너지를 효율적으로 회수한다.
본 발명의 제 1 양태는, 수소 탱크로부터 연료 전지 스택에 수소 가스를 공급하는 공급 경로에 마련되며, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 수소 가스를 감압시키는 제 1 감압부와, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 제 1 감압부의 상류측에 마련되며, 상기 수소 탱크로부터 공급되는 수소 가스를 감압팽창시키는 팽창기와, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 팽창기의 상류측에 마련되며, 상기 팽창기에 수소 가스의 공급을 행하는 개방 상태와, 상기 팽창기에의 수소 가스의 공급을 차단하거나 또는 상기 팽창기에의 수소 가스의 공급량을 상기 개방 상태의 경우보다도 감소시키는 폐쇄 상태 중 어느 상태로 전환 가능한 유량 조정부와, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 팽창기의 상류측의 제 1 압력과 상기 팽창기의 하류측의 제 2 압력의 압력차가 제 1 역치 미만이 되었을 경우, 또는 상기 제 1 압력에 대한 상기 제 2 압력의 압력비가 제 2 역치 이상이 되었을 경우에, 상기 유량 조정부를 상기 폐쇄 상태로 전환하는 제어를 행하는 제어부를 구비하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
공급 경로에 있어서의 팽창기의 상류측의 제 1 압력과 상기 팽창기의 하류측의 제 2 압력의 압력차가 제 1 역치 미만이 되었을 경우, 또는 제 1 압력에 대한 제 2 압력의 압력비가 제 2 역치 이상이 되었을 경우에, 유량 조정부가 폐쇄 상태로 전환된다. 따라서, 압력차가 제 1 역치 미만, 또는 압력비가 제 2 역치 이상의 상태에서는 팽창기에 수소 가스가 공급되지 않기 때문에, 팽창기에 의한 수소 가스의 팽창 에너지를 효율적으로 회수할 수 있다.
연료 전지 시스템은, 수소 탱크의 내압을 상기 제 1 압력으로 하여 측정하는 제 1 압력 센서와, 상기 팽창기와 상기 제 1 감압부의 사이의 압력을 상기 제 2 압력으로 하여 측정하는 제 2 압력 센서를 더 구비하고 있어도 된다. 따라서, 팽창기의 상류측의 압력과 하류측의 압력의 압력차 또는 압력비를 양호한 정밀도로 얻을 수 있다.
또한, 상기 제어부가, 상기 압력차가 상기 제 1 역치보다도 큰 제 3 역치 이상이 되었을 경우, 또는 상기 압력비가 상기 제 2 역치보다도 작은 제 4 역치 미만이 되었을 경우에, 상기 유량 조정부를 상기 개방 상태로 전환하는 제어를 행해도 된다. 따라서, 팽창기에 의한 수소 가스의 팽창 에너지를 효율적으로 회수할 수 있다.
또한, 상기 공급 경로에, 상기 팽창기의 상류측으로부터 하류측으로 바이패스하는 바이패스 경로를 더 마련해도 된다. 상기 유량 조정부는, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 바이패스 경로의 제 1 단부가 연결된 상류측 부분에 마련된 3방 밸브로서, 상기 개방 상태에서 상기 팽창기에 수소 가스를 공급하면서, 또한 상기 바이패스 경로에의 수소 가스의 공급을 차단하고, 상기 폐쇄 상태로서, 상기 팽창기에의 수소 가스의 공급을 차단하면서, 또한 상기 바이패스 경로에 수소 가스를 공급하는 제 1 폐쇄 상태, 및 상기 팽창기와 상기 바이패스 경로의 쌍방에의 공급을 차단하는 제 2 폐쇄 상태를 가지는 3방 밸브여도 된다. 따라서, 팽창기를 가지지 않는 수소 가스의 공급 경로를 마련할 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 시스템은, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 바이패스 경로의 제 2 단부가 연결된 하류측 부분과 상기 팽창기의 사이에, 상기 팽창기에 의해 감압팽창된 수소 가스와, 상기 연료 전지 스택을 냉각하는 냉각수의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기를 더 구비해도 된다. 따라서, 연료 전지 스택을 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 시스템은, 상기 냉각수의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 구비하고 있어도 된다. 상기 제어부가, 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도가, 미리 정해진 온도 역치 이하의 경우에, 상기 유량 조정부를 상기 제 1 폐쇄 상태로 전환하는 제어를 행해도 된다. 따라서, 연료 전지 스택의 과냉각을 억제할 수 있다.
또한, 상기 제 1 감압부가, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 바이패스 경로의 제 2 단부가 연결된 하류측 부분과 상기 팽창기의 사이에 마련되며, 상기 팽창기와 상기 유량 조정부의 사이에 마련되며, 상기 수소 탱크로부터 공급되는 수소 가스를 감압시키는 제 2 감압부와, 상기 바이패스 경로에 마련되며, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 수소 가스를 감압시키는 제 3 감압부와, 상기 하류측 부분과 상기 연료 전지 스택의 사이에 마련된 인젝터를 더 구비하고 있어도 된다. 따라서, 출력을 안정화시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1 감압부가, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 바이패스 경로의 제 2 단부가 연결된 하류측 부분과 상기 팽창기의 사이에 마련되어 있어도 된다. 연료 전지 시스템은, 상기 유량 조정부와 상기 수소 탱크의 사이에 마련되며, 상기 수소 탱크로부터 공급되는 수소 가스를 감압시키는 제 2 감압부와, 상기 바이패스 경로에 마련된 인젝터를 더 구비하고 있어도 된다. 따라서, 시스템을 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 양태는, 수소 탱크로부터 연료 전지 스택에 수소 가스를 공급하는 공급 경로에 마련되며, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 수소 가스를 감압시키는 감압부와, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 감압부의 상류측에 마련되며, 상기 수소 탱크로부터 공급되는 수소 가스를 감압팽창시키는 팽창기와, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 팽창기의 상류측에 마련되며, 상기 팽창기에 수소 가스의 공급을 행하는 개방 상태와, 상기 팽창기에의 수소 가스의 공급을 차단하거나 또는 상기 팽창기에의 수소 가스의 공급량을 상기 개방 상태의 경우보다도 감소시키는 폐쇄 상태 중 어느 상태로 전환 가능한 유량 조정부를 제어하는 제어 장치에 관한 것이다. 이 제어 장치는, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 팽창기의 상류측의 제 1 압력과 상기 팽창기의 하류측의 제 2 압력의 압력차가 제 1 역치 미만이 되었을 경우, 또는 상기 제 1 압력에 대한 상기 제 2 압력의 압력비가 제 2 역치 이상이 되었을 경우에, 상기 유량 조정부를 상기 폐쇄 상태로 전환하는 제어를 행하는 제어부를 포함한다. 따라서, 팽창기에 의한 수소 가스의 팽창 에너지를 효율적으로 회수할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 팽창기에 의한 수소 가스의 팽창 에너지를 효율적으로 회수할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태의 특징, 이점, 및 기술적 그리고 산업적 중요성이 첨부 도면을 참조하여 하기에 기술될 것이며, 첨부 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
도 1은 제 1 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 2는 제 1 실시형태와 관련되는 제어 장치의 하드웨어 구성의 일례를 나타내는 정면도이다.
도 3은 제 1 실시형태와 관련되는 제어 장치에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 제 1 실시형태와 관련되는 압력의 시계열의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 5는 제 2 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 6은 제 2 실시형태와 관련되는 제어 장치의 하드웨어 구성의 일례를 나타내는 정면도이다.
도 7은 제 2 실시형태와 관련되는 제어 장치에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 제 2 실시형태와 관련되는 압력의 시계열의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 9는 제 3 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 10은 제 3 실시형태와 관련되는 제 2 제어 밸브가 취할 수 있는 상태의 일례를 나타내는 도이다.
도 11은 제 3 실시형태와 관련되는 제어 장치에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다.
도 12는 제 4 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 13은 제 4 실시형태와 관련되는 제어 장치의 하드웨어 구성의 일례를 나타내는 정면도이다.
도 14는 제 4 실시형태와 관련되는 제어 장치에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다.
도 15는 제 5 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 16은 변형예와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 17은 변형예와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 18은 제 6 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 19는 제 7 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 20은 제 8 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템의 개략 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 21은 제 8 실시형태와 관련되는 제 2 제어 밸브가 취할 수 있는 상태의 일례를 나타내는 도이다.
도 22는 제 8 실시형태와 관련되는 제어 장치에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태예를 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 각 실시형태에서는, 연료 전지 시스템이 차량에 탑재된 경우의 형태예를 설명한다.
[제 1 실시형태]
우선, 도 1을 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(10)의 구성에 대하여 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지 스택(12), 수소 탱크(14), 제 1 제어 밸브(18), 제 1 압력 센서(20), 제 2 제어 밸브(22), 팽창기(24), 열교환기(26), 서브 탱크(28), 조압(調壓) 밸브(30), 및 인젝터(32)를 구비한다. 또한, 연료 전지 시스템(10)은, 에너지 회수 장치(34), 기액(氣液) 분리부(36), 수소 펌프(38), 배수 밸브(40), 라디에이터(42), 및 제어 장치(50)를 더 구비한다.
연료 전지 스택(12)은, 수소 가스와 산소의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 유닛이며, 복수의 단(單)셀이 적층되어서 형성되어 있다. 수소 탱크(14)에는, 연료 전지 스택(12)에 공급하기 위한 고압(예를 들면, 70㎫ 이상)의 수소 가스가 충전된다. 또한, 이하에서는, 수소 탱크(14)측을 수소 가스의 유로의 상류로 하고, 연료 전지 스택(12)측을 수소 가스의 유로의 하류로 하여 설명한다.
수소 탱크(14)로부터 연료 전지 스택(12)에의 수소 가스의 공급 경로(16)에는, 제 1 제어 밸브(18), 제 1 압력 센서(20), 제 2 제어 밸브(22), 팽창기(24), 열교환기(26), 서브 탱크(28), 조압 밸브(30), 및 인젝터(32)가, 이 순서로 상류로부터 하류를 향하여 마련되어 있다.
제 1 제어 밸브(18)는, 제어 장치(50)에 의한 제어에 의해, 개방 상태 및 폐쇄 상태 중 어느 상태로 되는 밸브체이다. 제 1 압력 센서(20)는, 제 1 제어 밸브(18)와 제 2 제어 밸브(22)의 사이의 압력을, 수소 탱크(14)의 내압으로서 이용한, 수소 탱크(14)의 내압을, 수소 탱크(14)의 내부에 마련된 압력 센서에 의해 측정하여도 된다. 제 2 제어 밸브(22)는, 개시된 기술의 유량 조정부의 일례로서, 제어 장치(50)에 의한 제어에 의해, 수소 탱크(14)로부터 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급을 차단하는 폐쇄 상태, 및 수소 탱크(14)로부터 팽창기(24)에 수소 가스를 공급하는 개방 상태 중 어느 상태로 되는 밸브체이다.
팽창기(24)는, 수소 탱크(14)로부터 공급된 수소 가스를 감압팽창시킨다. 팽창기(24)에는, 에너지 회수 장치(34)가 접속되며, 에너지 회수 장치(34)는, 팽창기(24)가 수소 가스를 감압팽창시킬 때의 팽창 에너지를, 기계 에너지로 변환하여 회수한다. 에너지 회수 장치(34)의 예로서는, 감속기, 발전기, 흡기 압축기, 및 송풍기 등을 들 수 있다.
열교환기(26)는, 팽창기(24)에 의한 감압팽창에 의해 냉각된 수소 가스와, 후술하는 냉각수 순환로(44)를 순환하는 냉각수의 사이에서 열교환을 행한다. 서브 탱크(28)에는, 수소 가스가 축적된다. 조압 밸브(30)는, 개시된 기술의 감압부의 일례로서, 서브 탱크(28)로부터 유입되는 수소 가스를 감압시킨다. 인젝터(32)는, 예를 들면, 전자(電磁)식의 개폐 밸브를 포함하며, 연료 전지 스택(12)에의 수소 가스의 공급량을 조정한다.
또한, 본 실시형태에서는, 연료 전지 스택(12)과 인젝터(32)의 사이의 압력 영역을 공급압 영역이라고 하고, 공급압 영역의 압력은, 예를 들면, 40[㎪] 이상 200[㎪] 미만으로 한다. 또한, 본 실시형태에서는, 인젝터(32)와 조압 밸브(30)의 사이의 압력 영역을 조압 영역이라고 하고, 조압 영역의 압력은, 예를 들면, 1[㎫] 이상 1.5[㎫] 미만으로 한다. 또한, 본 실시형태에서는, 조압 밸브(30)와 제 2 제어 밸브(22)의 사이의 압력 영역을 압력 변동 영역이라고 하고, 압력 변동 영역의 압력은, 예를 들면, 1.5[㎫] 이상 70[㎫] 미만으로 한다. 또한, 본 실시형태에서는, 제 2 제어 밸브(22)보다 상류의 압력 영역을 고압 영역이라고 하고, 고압 영역의 압력은, 예를 들면, 70[㎫] 이하로 한다.
기액 분리부(36)는, 연료 전지 스택(12)으로부터 배출된 수소 가스 및 반응 가스를 기체 성분과 액체 성분으로 분리한다. 수소 펌프(38)는, 기액 분리부(36)에 의해 분리된 기체 성분에 포함되는 수소 가스를, 공급 경로(16) 상의 인젝터(32)의 하류로 송출하는 순환 펌프로서 기능한다. 또한, 기액 분리부(36)에 의해 분리된 액체 성분은, 배수 밸브(40)를 개재하여 외부로 배출된다. 라디에이터(42)는, 예를 들면 외기를 받아 들이는 팬을 가지며, 팬을 회전시킴으로써, 냉각수 순환로(44)를 흐르는 냉각수를 냉각한다. 냉각수 순환로(44)를 흐르는 냉각수에 의해, 연료 전지 스택(12)이 냉각된다.
제어 장치(50)는, 기능적으로는 도 1에 나타내는 바와 같이, 추정부(52) 및 제어부(54)를 구비한다. 추정부(52)는, 팽창기(24)의 상류측의 압력(P1)과 하류측의 압력(P2)의 압력차(PD(=P1-P2))를 추정한다. 본 실시형태에서는, 추정부(52)는, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력을 압력(P1)으로서 이용한다. 또한, 추정부(52)는, 제 2 제어 밸브(22) 폐쇄 후의 인젝터(32)의 수소 가스의 누적 분사량 및 수소 탱크(14) 내의 수소 가스의 잔량 등에 의거하여, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력을 추정하고, 이 압력을 압력(P2)으로서 이용한다. 그리고, 추정부(52)는, 압력(P1)에서, 압력(P2)을 감산하여 얻어진 값을, 압력차(PD)로서 추정한다.
제어부(54)는, 추정부(52)에 의해 추정된 압력차(PD)가, 미리 정해진 역치(TH1) 미만이 되었을 경우에, 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 전환하는 제어를 행함으로써, 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급을 차단시킨다. 또한, 이 경우의 역치(TH1)는, 팽창기(24)의 설계 사양 등에 따라 적절히 정하면 된다. 또한, 제어부(54)는, 추정부(52)에 의해 추정된 압력(P2)이 미리 정해진 하한값(LV1)(예를 들면, 2㎫) 미만이 되었을 경우에, 제 2 제어 밸브(22)를 개방 상태로 전환하는 제어를 행함으로써, 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급을 개시시킨다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 제어 장치(50)의 하드웨어 구성에 대하여 설명한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(50)는, ECU(Electronic Control Unit)(60)를 구비한다. ECU(60)는, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), 및 RAM(Random Access Memory) 등을 포함하는 마이크로컴퓨터로 구성되어 있다. 또한, ECU(60)에는, 상기 서술한 제 1 제어 밸브(18), 제 1 압력 센서(20), 및 제 2 제어 밸브(22) 등이 접속된다. 이상의 구성에 의해, ECU(60)는, 제 1 제어 밸브(18) 및 제 2 제어 밸브(22)의 제어와, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력의 취득을 행한다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(10)의 작용에 대하여 설명한다. 또한, 도 3은, 본 실시형태와 관련되는 제어 장치(50)의 ECU(60)에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다. 또한, 본 실시형태에서는, ROM에 미리 기억된 프로그램을 ECU(60)가 실행함으로써, 상기 제어 처리가 실행된다. 또한, 도 3에 나타내는 제어 처리는, 예를 들면 도면에 나타나 있지 않은 파워 스위치가 온 상태로 된 경우 등의 연료 전지 스택(12)의 구동이 개시되었을 경우에 실행된다. 또한, 제어 장치(50)의 ECU(60)가 ROM에 미리 기억된 프로그램을 실행함으로써, 도 1에 나타내는 추정부(52) 및 제어부(54)로서 기능한다.
또한, 도 4는, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(P1)과, 추정부(52)에 의해 추정된 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)의 시계열의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 4의 실선(L1)이 압력(P1)을 나타내고, 실선(L2)이 압력(P2)을 나타낸다.
도 3의 단계 S10에서, 제어부(54)는, 제 1 제어 밸브(18)를 개방 상태로 하는 제어를 행한다. 다음의 단계 S12에서, 제어부(54)는, 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 하는 제어를 행한다. 다음의 단계 S14에서, 추정부(52)는, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(P1)을 취득한다. 또한, 추정부(52)는, 인젝터(32)에 의한 수소 가스의 분사량 및 수소 탱크(14) 내의 수소 가스의 잔량 등에 의거하여, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)을 추정한다. 그리고, 추정부(52)는, 압력(P1)에서 압력(P2)을 감산하여 얻어진 값을, 압력차(PD)로서 추정한다.
다음의 단계 S16에서, 제어부(54)는, 단계 S14의 처리에 의해 추정된 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 하한값(LV1) 미만인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S20으로 이행하고, 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S18로 이행한다.
단계 S18에서, 제어부(54)는, 제 2 제어 밸브(22)를 개방 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 이미 제 2 제어 밸브(22)가 개방 상태인 경우에는, 개방 상태를 계속한다. 단계 S18의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다. 한편, 단계 S20에서, 제어부(54)는, 단계 S14의 처리에 의해 추정된 압력차(PD)가, 역치(TH1) 미만인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S22로 이행한다. 단계 S22에서, 제어부(54)는, 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 이미 제 2 제어 밸브(22)가 폐쇄 상태인 경우에는, 폐쇄 상태를 계속한다. 단계 S22의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다. 또한, 단계 S20의 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 단계 S22의 처리는 실행하지 않고, 처리는 단계 S24로 이행한다.
단계 S24에서, 제어부(54)는, 미리 정해진 종료 타이밍이 도래하였는지 아닌지를 판정한다. 이 종료 타이밍으로서는, 파워 스위치가 오프 상태로 된 타이밍 등의 연료 전지 스택(12)의 구동이 정지되는 타이밍을 들 수 있다. 단계 S24의 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S14로 되돌아가고, 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S26으로 이행한다.
단계 S26에서, 제어부(54)는, 제 1 제어 밸브(18)를 폐쇄 상태로 하는 제어를 행한다. 단계 S26의 처리가 종료되면, 제어 처리가 종료된다.
이상의 제어 처리에 의해, 일례로서 도 4에 나타내는 바와 같이, 우선, 연료 전지 스택(12)의 구동이 개시되면, 단계 S10, S12의 처리에 의해 제 1 제어 밸브(18)가 개방 상태로 되고, 제 2 제어 밸브(22)는 폐쇄 상태로 된다. 이 처리에 의해, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 저하되기 시작한다. 또한, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 하한값(LV1) 이상인 기간(T1) 동안은, 제 2 제어 밸브(22)는 폐쇄 상태가 계속되고, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 저하되어 소정의 압력차(PD)가 확보된다.
또한, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 하한값(LV1) 이상에서 하한값(LV1) 미만이 되면, 단계 S18의 처리에 의해 제 2 제어 밸브(22)가 개방 상태로 되어, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 상승된다. 그리고, 압력차(PD)가 역치(TH1) 미만이 될 때까지의 기간(T2) 동안은, 제 2 제어 밸브(22)는 개방 상태가 계속되고, 이 기간(T2)의 압력차(PD)에 따른 팽창기(24)에 의한 팽창 에너지가 에너지 회수 장치(34)에 의해 회수된다.
다음으로, 압력차(PD)가 역치(TH1) 이상에서 역치(TH1) 미만이 되면, 단계 S22의 처리에 의해 제 2 제어 밸브(22)가 폐쇄 상태로 되어, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 저하된다. 그리고, 압력차(PD)가 역치(TH1) 이상이면서, 또한 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 하한값(LV1) 미만이 될 때까지의 기간(T3) 동안은, 제 2 제어 밸브(22)는 폐쇄 상태가 계속되고, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 저하되어 소정의 압력차(PD)가 확보된다. 이후는, 연료 전지 스택(12)의 구동이 정지할 때까지, 기간(T2)과 기간(T3)이 번갈아 반복된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 압력차(PD)가 역치(TH1) 미만이 되었을 경우에 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 함으로써, 역치(TH1) 이상의 압력차(PD)가 확보된다. 따라서, 팽창기(24)에 의한 수소 가스의 팽창 에너지를 효율적으로 회수할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 조압 밸브(30)와 팽창기(24)의 사이의 압력(P2)이 하한값(LV1) 미만이 되었을 경우에, 제 2 제어 밸브(22)를 개방 상태로 하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되지 않는다. 압력차(PD)가, 역치(TH1)보다도 큰 역치(TH2) 이상이 되었을 경우에, 제 2 제어 밸브(22)를 개방 상태로 함으로써, 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급을 개시시키는 형태로 하여도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 하면, 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급이 차단될 경우에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 하면, 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급량이, 제 2 제어 밸브(22)를 개방 상태로 하였을 경우보다도 감소되는 형태로 하여도 된다.
[제 2 실시형태]
다음으로, 제 2 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성으로 이루어진 부분에 대해서는, 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 5를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(210)의 구성에 대하여 설명한다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 시스템(210)은, 제 2 압력 센서(21)를 더 구비한다. 제 2 압력 센서(21)는, 공급 경로(16) 상의 서브 탱크(28)와 조압 밸브(30)의 사이에 마련되며, 서브 탱크(28)와 조압 밸브(30)의 사이의 압력을 측정한다. 제어 장치(50)는, 기능적으로는, 추정부(252) 및 제어부(254)를 구비한다.
추정부(252)는, 팽창기(24)의 상류측의 압력(P1)과 하류측의 압력(P2)의 압력차(PD)를 추정한다. 본 실시형태에서는, 추정부(252)는, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력을 압력(P1)으로서 이용한다. 또한, 추정부(252)는, 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력을 압력(P2)으로서 이용한다. 그리고, 추정부(252)는, 압력(P1)에서, 압력(P2)을 감산하여 얻어진 값을, 압력차(PD)로서 추정한다. 또한, 제어부(254)는, 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력(P2)이 하한값(LV1) 미만이 되었을 경우에, 제 2 제어 밸브(22)를 개방 상태로 전환하는 제어를 행함으로써, 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급을 개시시킨다.
또한, 제어부(254)는, ECU(60)와는 다른 ECU(도시 생략)로부터 고부하 지령이 입력되어 있는 동안은, 제 1 실시형태와 관련되는 제어부(54)와 마찬가지로, 압력차(PD)가 역치(TH1) 미만이 되었을 경우에, 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 전환하는 제어를 행한다. 한편, 제어부(254)는, 고부하 지령이 입력되어 있지 않은 경우이면서, 또한 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력이 상한값(UV1) 이상이 되었을 경우, 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 전환하는 제어를 행한다. 이 경우의 상한값(UV1)의 예로서는, 하한값(LV1)보다도 크고, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(P1)보다도 작은 범위 내의 소정의 값을 들 수 있다. 또한, 상기 고부하 지령은, 예를 들면, 차량의 액셀러레이터 개도가 소정값 이상의 상태가, 소정 기간 이상 계속되고 있을 경우 등의 소정의 부하 이상인 경우에, ECU(60)에 입력된다.
다음으로, 도 6을 참조하여, 제어 장치(50)의 하드웨어 구성에 대하여 설명한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, ECU(60)에는, 상기 서술한 제 2 압력 센서(21)가 더 접속된다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(210)의 작용에 대하여 설명한다. 또한, 도 7은, 본 실시형태와 관련되는 제어 장치(50)의 ECU(60)에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다. 또한, 본 실시형태에서는, ROM에 미리 기억된 프로그램을 ECU(60)가 실행함으로써, 상기 제어 처리가 실행된다. 또한, 도 7에 나타내는 제어 처리는, 예를 들면 도면에 나타나 있지 않은 파워 스위치가 온 상태로 된 경우 등의 연료 전지 스택(12)의 구동이 개시되었을 경우에 실행된다. 또한, 제어 장치(50)의 ECU(60)가 ROM에 미리 기억된 프로그램을 실행함으로써, 도 5에 나타내는 추정부(252) 및 제어부(254)로서 기능한다. 또한, 도 7에 있어서의 도 3과 동일한 처리를 실행하는 단계에 대해서는, 동일한 단계 번호를 붙여서 설명을 생략한다.
또한, 도 8은, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(P1)과, 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력(P2)의 시계열의 추이의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 8의 실선(L3)이 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(P1)을 나타내고, 실선(L4)이 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력(P2)을 나타낸다. 또한, 도 8에서는, 기간(T1,T4)이, 고부하 지령이 입력되어 있지 않는 기간이면서, 또한 기간(T2,T3)이, 고부하 지령이 입력되어 있는 기간인 경우의 예를 나타내고 있다.
도 7의 단계 S214에서, 추정부(252)는, 제 1 압력 센서(20) 및 제 2 압력 센서(21)의 각각에 의해 측정된 압력을 취득한다. 그리고, 추정부(252)는, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(P1)에서, 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력(P2)을 감산하여 얻어진 값을, 압력차(PD)로서 추정한다.
단계 S216에서, 제어부(254)는, 단계 S214에서 취득된 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력(P2)이 하한값(LV1) 미만인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S18로 이행하고, 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S230으로 이행한다.
단계 S230에서, 제어부(254)는, 상기 고부하 지령이 입력되어 있는지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S20으로 이행하고, 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S232로 이행한다. 단계 S232에서, 제어부(254)는, 단계 S214에서 취득된 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력(P2)이 상한값(UV1) 이상인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S234로 이행한다. 단계 S234에서, 제어부(254)는, 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 하는 제어를 행한다. 단계 S234의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다. 또한, 단계 S232의 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 단계 S234의 처리는 실행하지 않고, 처리는 단계 S24로 이행한다.
이상의 제어 처리에 의해, 일례로서 도 8에 나타내는 바와 같이, 기간(T1,T2,T3)은, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 압력이 변화된다. 한편, 고부하 지령이 입력되어 있지 않는 기간(T4)은, 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력(P2)이 하한값(LV1) 이상이면서, 또한 상한값(UV1) 미만의 범위 내가 되도록, 제 2 제어 밸브(22)의 개폐가 반복된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 고부하 지령이 입력되어 있지 않는 기간 중에 팽창기(24)에 의한 수소 가스의 팽창 에너지를 회수하면서, 고부하 지령이 입력된 시점에서의 압력차(PD)를 비교적 큰 상태로 유지할 수 있다. 따라서, 팽창기(24)에 의한 수소 가스의 팽창 에너지를 효율적으로 회수할 수 있다.
[제 3 실시형태]
다음으로, 제 3 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제 2 실시형태와 동일한 구성으로 이루어지는 부분에 대해서는, 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 9 및 도 10을 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(310)의 구성에 대하여 설명한다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 시스템(310)은, 제 2 실시형태의 제 2 제어 밸브(22) 대신에, 제 2 제어 밸브(22A)를 구비한다. 또한, 연료 전지 시스템(310)은, 역지 밸브(46)를 더 구비한다.
또한, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(310)에서는, 공급 경로(16)에, 팽창기(24)의 상류측으로부터 하류측으로 바이패스하는 바이패스 경로가 마련되어 있다. 또한, 이하에서는, 착종을 회피하기 위하여, 공급 경로(16)에 있어서의 상기 바이패스 경로의 상류측의 일단에 연결된 부분과 하류측의 타단에 연결된 부분의 사이의 경로를 제 1 공급 경로(16A)라고 하고, 바이패스 경로를 제 2 공급 경로(16B)라고 한다. 제 1 공급 경로(16A)에는, 팽창기(24), 열교환기(26), 서브 탱크(28), 제 2 압력 센서(21), 및 역지 밸브(46)가, 이 순서로 상류로부터 하류를 향하여 마련되어 있다. 본 실시형태에서는, 제 1 공급 경로(16A)와 제 2 공급 경로(16B)는, 조압 밸브(30)의 상류에서 합류한다. 역지 밸브(46)는, 서브 탱크(28)에의 수소 가스의 역류를 방지하기 위하여 마련되어 있다.
또한, 연료 전지 시스템(310)에서는, 공급 경로(16)에 있어서의 제 2 공급 경로(16B)의 상류측의 일단에 연결된 부분에 3방 밸브인 제 2 제어 밸브(22A)가 마련되어 있다. 본 실시형태와 관련되는 제 2 제어 밸브(22A)는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 개방 상태, 제 1 폐쇄 상태, 및 제 2 폐쇄 상태 중 어느 상태로 되는 밸브체이다. 개방 상태는, 제 2 공급 경로(16B)에의 수소 가스의 공급을 차단하면서, 또한 제 1 공급 경로(16A)(즉, 팽창기(24))에 수소 가스의 공급을 행하는 상태이다. 또한, 제 1 폐쇄 상태는, 제 2 공급 경로(16B)에 수소 가스의 공급을 행하면서, 또한 제 1 공급 경로(16A)에의 수소 가스의 공급을 차단하는 상태이다. 또한, 제 2 폐쇄 상태는, 제 1 공급 경로(16A) 및 제 2 공급 경로(16B)의 쌍방에의 수소 가스의 공급을 차단하는 상태이다.
제어 장치(50)는, 기능적으로는, 추정부(252) 및 제어부(354)를 구비한다. 제어부(354)는, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(P1)이 미리 정해진 역치(TH3) 미만의 경우에는, 제 2 제어 밸브(22A)를 제 1 폐쇄 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 제어부(354)는, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(P1)이 역치(TH3) 이상의 경우에는, 제 2 실시형태와 관련되는 제어부(254)와 같은 제어를 행한다.
제어 장치(50)의 하드웨어 구성은, 제 2 실시형태의 제 2 제어 밸브(22)를 제 2 제어 밸브(22A)로 치환하면 되기 때문에, 설명을 생략한다.
다음으로, 도 11을 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(310)의 작용에 대하여 설명한다. 또한, 도 11은, 본 실시형태와 관련되는 제어 장치(50)의 ECU(60)에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다. 또한, 본 실시형태에서는, ROM에 미리 기억된 프로그램을 ECU(60)가 실행함으로써, 상기 제어 처리가 실행된다. 또한, 도 11에 나타내는 제어 처리는, 예를 들면, 도면에 나타나 있지 않은 파워 스위치가 온 상태로 된 경우 등의 연료 전지 스택(12)의 구동이 개시되었을 경우에 실행된다. 또한, 제어 장치(50)의 ECU(60)가 ROM에 미리 기억된 프로그램을 실행함으로써, 도 9에 나타내는 추정부(252) 및 제어부(354)로서 기능한다. 또한, 도 11에 있어서의 도 7과 동일한 처리를 실행하는 단계에 대해서는, 동일한 단계 번호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 11의 단계 S300에서, 제어부(354)는, 단계 S214에서 취득된 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(P1)이 역치(TH3) 미만인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S216으로 이행하고, 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S302로 이행한다.
단계 S302에서, 제어부(354)는, 제 2 제어 밸브(22A)를 제 1 폐쇄 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 이미 제 2 제어 밸브(22A)가 제 1 폐쇄 상태인 경우에는, 제 1 폐쇄 상태를 계속한다. 단계 S302의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다.
한편, 단계 S318에서는, 제어부(254)는, 제 2 제어 밸브(22A)를 개방 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 이미 제 2 제어 밸브(22A)가 개방 상태인 경우에는, 개방 상태를 계속한다. 또한, 단계 S322 및 단계 S334에서는, 제어부(254)는, 제 2 제어 밸브(22A)를 제 2 폐쇄 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 이미 제 2 제어 밸브(22A)가 제 2 폐쇄 상태인 경우에는, 제 2 폐쇄 상태를 계속한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 제 2 실시형태와 동일한 효과를 가질 수 있는 것과 함께, 수소 탱크(14)의 내압이 비교적 저압으로 된 경우에도, 팽창기(24)를 가지지 않는 공급 경로를 사용하여 연료 전지 스택(12)에 수소 가스를 공급함으로써, 연료 전지 시스템(310)의 동작을 안정시킬 수 있다.
[제 4 실시형태]
다음으로, 제 4 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제 3 실시형태와 동일한 구성으로 이루어지는 부분에 대해서는, 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 12를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(410)의 구성에 대하여 설명한다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 시스템(410)은, 냉각수 순환로(44)를 흐르는 냉각수의 온도를 측정하는 온도 센서(48)를 더 구비한다. 제어 장치(50)는, 기능적으로는, 추정부(252) 및 제어부(454)를 구비한다.
제어부(454)는, 온도 센서(48)에 의해 측정된 온도가 미리 정해진 온도 역치 이하의 경우에는, 제 2 제어 밸브(22A)를 제 1 폐쇄 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 제어부(454)는, 온도 센서(48)에 의해 측정된 온도가 상기 온도 역치를 넘는 경우에는, 제 3 실시형태와 관련되는 제어부(354)와 같은 제어를 행한다.
다음으로, 도 13을 참조하여, 제어 장치(50)의 하드웨어 구성에 대하여 설명한다. 도 13에 나타내는 바와 같이, ECU(60)에는, 상기 서술한 온도 센서(48)가 더 접속된다.
다음으로, 도 14를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(410)의 작용에 대하여 설명한다. 또한, 도 14는, 본 실시형태와 관련되는 제어 장치(50)의 ECU(60)에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다. 또한, 본 실시형태에서는, ROM에 미리 기억된 프로그램을 ECU(60)가 실행함으로써, 상기 제어 처리가 실행된다. 또한, 도 14에 나타내는 제어 처리는, 예를 들면, 도면에 나타나 있지 않은 파워 스위치가 온 상태로 된 경우 등의 연료 전지 스택(12)의 구동이 개시되었을 경우에 실행된다. 또한, 제어 장치(50)의 ECU(60)가 ROM에 미리 기억된 프로그램을 실행함으로써, 도 12에 나타내는 추정부(252) 및 제어부(454)로서 기능한다. 또한, 도 14에 있어서의 도 11과 동일한 처리를 실행하는 단계에 대해서는, 동일한 단계 번호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 14의 단계 S400에서, 제어부(454)는, 온도 센서(48)에 의해 측정된 온도를 취득한다. 다음의 단계 S402에서, 제어부(454)는, 단계 S400에서 취득된 온도가 상기 온도 역치 이하인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S302로 이행하고, 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S214로 이행한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 제 3 실시형태와 동일한 효과를 가질 수 있다. 또한, 본 실시형태에 의하면, 연료 전지 스택(12)을 냉각하는 냉각수의 온도가 온도 역치 이하인 경우에는, 제 2 제어 밸브(22A)를 제 1 폐쇄 상태로 함으로써, 제 1 공급 경로(16A)에의 수소 가스의 공급이 차단되고, 제 2 공급 경로(16B)에 수소 가스가 공급된다. 따라서, 이 경우, 열교환기(26)에서의 열교환이 행해지지 않기 때문에, 냉각수가 냉각되지 않는 결과, 연료 전지 스택(12)의 과냉각을 억제할 수 있다.
[제 5 실시형태]
다음으로, 제 5 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제 4 실시형태와 동일한 구성으로 이루어지는 부분에 대해서는, 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 15를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(510)의 구성에 대하여 설명한다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(510)은, 제 2 공급 경로(16B)에 조압 밸브(30)가 마련되어 있다. 또한, 제 1 공급 경로(16A)에 있어서의 제 2 압력 센서(21)의 하류측에는, 조압 밸브(30)와 마찬가지의 제 2 조압 밸브(31A)가 마련되어 있다. 또한, 제 1 공급 경로(16A)에 있어서의 팽창기(24)의 상류측에는, 유입되는 수소 가스를 감압시키는 제 3 조압 밸브(31B)가 마련되어 있다. 또한, 제 1 공급 경로(16A) 및 제 2 공급 경로(16B)는, 인젝터(32)의 상류에서 합류한다.
제어 장치(50)는, 기능적으로는, 추정부(552) 및 제어부(454)를 구비한다. 추정부(552)는, 팽창기(24)의 상류측의 압력(P1)과 하류측의 압력(P2)의 압력차(PD)를 추정한다. 본 실시형태에서는, 추정부(552)는, 제 3 조압 밸브(31B)에 의해 감압된 압력을 압력(P1)으로서 이용한다. 이 압력(P1)은, 예를 들면, 제 3 조압 밸브(31B)의 설계 사양 등에 의거하여 미리 정해져 있다. 또한, 추정부(552)는, 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력을 압력(P2)으로서 이용한다. 그리고, 추정부(552)는, 압력(P1)에서, 압력(P2)을 감산하여 얻어진 값을, 압력차(PD)로서 추정한다.
또한, 본 실시형태와 관련되는 제어 장치(50)의 하드웨어 구성은, 제 4 실시형태와 같기 때문에, 설명을 생략한다.
또한, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(510)의 작용은, 팽창기(24)의 상류측의 압력(P1)으로서, 제 4 실시형태에서 이용한 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력 대신에, 제 3 조압 밸브(31B)에 의해 감압된 압력을 이용하는 점만이 다르기 때문에 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 팽창기(24)의 상류측의 압력(P1)의 상한값을 제 3 조압 밸브(31B)에 의해 제 4 실시형태보다도 낮은 값으로 설정하고 있다. 이에 의해, 팽창기(24)의 출력을 안정화함과 함께, 제 2 제어 밸브(22A)의 개폐 시의 팽창기(24)에의 압력 변화를 완화할 수 있다.
또한, 예를 들면, 도 16에 나타내는 바와 같이, 제 4 실시형태와 마찬가지로 제 1 공급 경로(16A)에 역지 밸브(46)를 마련하고, 제 1 공급 경로(16A) 및 제 2 공급 경로(16B)가 조압 밸브(30)의 상류에서 합류하여도 된다. 또한, 예를 들면, 도 17에 나타내는 바와 같이, 제 2 제어 밸브(22A) 대신에, 제 2 제어 밸브(22)와 마찬가지로 2방 밸브인 제 2 제어 밸브(22B)를 제 1 공급 경로(16A)에 마련하고, 제 2 제어 밸브(22C)를 제 2 공급 경로(16B)에 마련하는 형태로 하여도 된다. 이 경우, 제 2 제어 밸브(22B)가 개방 상태이며, 제 2 제어 밸브(22C)가 폐쇄 상태인 상태가, 제 2 제어 밸브(22A)의 개방 상태에 상당한다. 또한, 제 2 제어 밸브(22B)가 폐쇄 상태이며, 제 2 제어 밸브(22C)가 개방 상태인 상태가, 제 2 제어 밸브(22A)의 제 1 폐쇄 상태에 상당한다. 또한, 제 2 제어 밸브(22B,22C)의 쌍방이 폐쇄 상태인 상태가, 제 2 제어 밸브(22A)의 제 2 폐쇄 상태에 상당한다. 또한, 도 17에 나타낸 형태예에 있어서, 제 2 제어 밸브(22B)의 위치와 제 3 조압 밸브(31B)의 위치는 반대여도 된다.
[제 6 실시형태]
다음으로, 제 6 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제 5 실시형태와 동일한 구성으로 이루어지는 부분에 대해서는, 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 18을 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(610)의 구성에 대하여 설명한다. 도 18에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(610)은, 제 1 공급 경로(16A) 및 제 2 공급 경로(16B)가 인젝터(32)의 하류에서 합류한다. 즉, 본 실시형태에서는, 팽창기(24)의 하류측의 압력의 하한값이 제 5 실시형태보다도 작은 값이 된다.
또한, 본 실시형태와 관련되는 제어 장치(50)의 하드웨어 구성은, 제 5 실시형태와 같기 때문에, 설명을 생략한다.
또한, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(610)의 작용은, 하한값(LV1)을 제 5 실시형태보다도 작은 값으로 하는 것 이외는 제 5 실시형태와 같기 때문에, 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 제 5 실시형태보다도 팽창기(24)의 하류측의 압력의 하한값이 작아지기 때문에, 적절한 팽창비를 선택할 수 있다.
[제 7 실시형태]
다음으로, 제 7 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제 6 실시형태와 동일한 구성으로 이루어지는 부분에 대해서는, 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 19를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(710)의 구성에 대하여 설명한다. 도 19에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(710)은, 제 3 조압 밸브(31B)가, 공급 경로(16)에 있어서의 제 2 제어 밸브(22A)의 상류측에 마련되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 제 2 제어 밸브(22A)에 유입되는 압력의 상한값이 제 6 실시형태보다도 작은 값이 된다. 또한, 제 2 공급 경로(16B)에는, 인젝터(32)가 마련되어 있다.
또한, 본 실시형태와 관련되는 제어 장치(50)의 하드웨어 구성은, 제 6 실시형태와 같기 때문에, 설명을 생략한다.
또한, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(710)의 작용은, 제 6 실시형태와 같기 때문에, 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 고압계의 수소 가스를 이용하지 않기 때문에, 팽창기(24)의 높은 시일 성능을 실현할 수 있는 결과, 연료 전지 시스템(710)을 소형화할 수 있다.
[제 8 실시형태]
다음으로, 제 8 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 제 5 실시형태와 동일한 구성으로 이루어지는 부분에 대해서는, 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 20을 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(810)의 구성에 대하여 설명한다. 도 20에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(810)의 제어 장치(50)는, 기능적으로는, 추정부(852) 및 제어부(854)를 구비한다.
또한, 본 실시형태와 관련되는 제어 장치(50)의 하드웨어 구성은, 제 5 실시형태와 같기 때문에, 설명을 생략한다.
다음으로, 도 22를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 연료 전지 시스템(810)의 작용에 대하여 설명한다. 또한, 도 22는, 본 실시형태와 관련되는 제어 장치(50)의 ECU(60)에서 실행되는 제어 처리의 흐름의 일례를 나타내는 플로우 차트이다. 또한, 본 실시형태에서는, ROM에 미리 기억된 프로그램을 ECU(60)가 실행함으로써, 상기 제어 처리가 실행된다. 또한, 도 22에 나타내는 제어 처리는, 예를 들면, 도면에 나타나 있지 않은 파워 스위치가 온 상태로 된 경우 등의 연료 전지 스택(12)의 구동이 개시되었을 경우에 실행된다. 또한, 제어 장치(50)의 ECU(60)가 ROM에 미리 기억된 프로그램을 실행함으로써, 도 20에 나타내는 추정부(852) 및 제어부(854)로서 기능한다. 또한, 도 22에 있어서의 도 14와 동일한 처리를 실행하는 단계에 대해서는, 동일한 단계 번호를 붙여서 설명을 생략한다.
또한, 이하에서는, 착종을 회피하기 위하여, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력을 Pa로 나타내고, 제 3 조압 밸브(31B)에 의해 감압된 압력을 Pc로 나타내며, 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력을 Pd로 나타낸다. 또한, 이하에서는, 착종을 회피하기 위하여, 조압 밸브(30)에 의해 감압된 압력을 Pe로 나타내고, 온도 센서(48)에 의해 측정된 온도를 Te로 나타낸다.
또한, 이하에서는, 착종을 회피하기 위하여, 도 21에 나타내는 바와 같이, 제 2 제어 밸브(22A)의 제 2 공급 경로(16B)에 접속되는 제 1 회로(Vb)를 폐쇄 상태로 하며, 제 1 공급 경로(16A)에 접속되는 제 2 회로(Vc)를 개방 상태로 한 상태를, 도 10에 있어서의 개방 상태로 나타낸다. 또한, 도 21에 나타내는 바와 같이, 제 2 제어 밸브(22A)의 제 1 회로(Vb)를 개방 상태로 하며, 제 2 회로(Vc)를 폐쇄 상태로 한 상태를, 도 10에 있어서의 제 1 폐쇄 상태로 나타낸다. 또한, 도 21에 나타내는 바와 같이, 제 2 제어 밸브(22A)의 제 1 회로(Vb) 및 제 2 회로(Vc)의 쌍방을 폐쇄 상태로 한 상태를, 도 10에 있어서의 제 2 폐쇄 상태로 나타낸다.
도 22의 단계 S800에서, 추정부(852)는, 제 1 압력 센서(20)에 의해 측정된 압력(Pa), 및 제 2 압력 센서(21)에 의해 측정된 압력(Pd)을 취득한다. 단계 S802에서, 제어부(854)는, Pa가 (Pe+δ) 이상인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S804로 이행한다. 단계 S804에서, 제어부(854)는, 제 1 회로(Vb)를 개방 상태로 제어하고, 제 2 회로(Vc)를 폐쇄 상태로 제어한다. 단계 S804의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다.
한편, 단계 S802의 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S806으로 이행한다. 단계 S806에서, 제어부(854)는, 고부하 지령이 입력되어 있는지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S808로 이행한다. 단계 S808에서, 제어부(854)는, Te가 90[℃]보다 높은지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S810으로 이행한다.
단계 S810에서, 제어부(854)는, Pd가 Pe보다 높은지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S814로 이행하고, 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S812로 이행한다. 단계 S812에서, 제어부(854)는, 제 1 회로(Vb)를 개방 상태로 제어한다. 단계 S812의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다.
단계 S814에서, 제어부(854)는, 제 1 회로(Vb)를 폐쇄 상태로 제어한다. 단계 S816에서, 제어부(854)는, Pd가 (Pc-α) 이하인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S822로 이행하고, 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S818로 이행한다.
단계 S818에서, 제어부(854)는, 제 2 회로(Vc)가 폐쇄 상태이면서, 또한 Pd가 (Pe+γ)보다 높은지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S822로 이행하고, 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S820로 이행한다. 단계 S820에서, 제어부(854)는, 제 2 회로(Vc)를 개방 상태로 제어한다. 단계 S820의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다. 또한, 단계 S822에서, 제어부(854)는, 제 2 회로(Vc)를 폐쇄 상태로 제어한다. 단계 S822의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다.
한편, 단계 S808의 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S824로 이행한다. 단계 S824에서, 제어부(854)는, Te가 30[℃]보다 높으면서, 또한 90[℃] 이하인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S828로 이행하고, 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S826으로 이행한다. 단계 S826에서, 제어부(854)는, 제 1 회로(Vb)를 개방 상태로 제어하고, 제 2 회로(Vc)를 폐쇄 상태로 제어한다. 단계 S826의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다.
단계 S828에서, 제어부(854)는, Pd가 Pe보다 높은지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S832로 이행하고, 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S830으로 이행한다. 단계 S830에서, 제어부(854)는, 제 1 회로(Vb)를 개방 상태로 제어한다. 단계 S830의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다.
단계 S832에서, 제어부(854)는, 제 1 회로(Vb)를 폐쇄 상태로 제어한다. 단계 S834에서, 제어부(854)는, 제 2 회로(Vc)가 폐쇄 상태이면서, 또한 Pd가 (Pe+β) 이하인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S842로 이행하고, 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S836으로 이행한다.
단계 S836에서, 제어부(854)는, Pd가 (Pe+γ) 이하인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S840으로 이행하고, 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S838로 이행한다. 단계 S838에서, 제어부(854)는, 제 2 회로(Vc)를 개방 상태로 제어한다. 단계 S838의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다. 단계 S840에서, 제어부(854)는, 제 2 회로(Vc)를 폐쇄 상태로 제어한다. 단계 S840의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다.
단계 S842에서, 제어부(854)는, Pd가 (Pe+β) 이하인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S846으로 이행하고, 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S844로 이행한다. 단계 S844에서, 제어부(854)는, 제 2 회로(Vc)를 개방 상태로 제어한다. 단계 S844의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다. 단계 S846에서, 제어부(854)는, 제 2 회로(Vc)를 폐쇄 상태로 제어한다. 단계 S846의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다.
한편, 단계 S806의 판정이 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S848로 이행한다. 단계 S848에서, 제어부(854)는, Te가 30[℃] 이하인지 아닌지를 판정한다. 이 판정이 부정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S810으로 이행하고, 긍정 판정이 된 경우에는, 처리는 단계 S850으로 이행한다. 단계 S850에서, 제어부(854)는, 제 1 회로(Vb)를 개방 상태로 제어하고, 제 2 회로(Vc)를 폐쇄 상태로 제어한다. 단계 S850의 처리가 종료되면, 처리는 단계 S24로 이행한다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 하한의 압력의 판정에 이용하는 Pe 대신에, Pd의 위치에서의 압력으로 하여, Pe에 제 2 조압 밸브(31A)의 저항분에 대응하는 ε을 첨가한 Pe'(＝Pe+ε)를 이용하여도 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 제 5 실시형태와 동일한 효과를 가질 수 있다.
또한, 상기 각 실시형태에서는, 팽창기(24)의 상류측의 압력(P1)과 하류측의 압력(P2)의 압력차(PD)를 역치와 비교함으로써, 제어 밸브의 개폐 상태를 전환하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 팽창기(24)의 상류측의 압력(P1)에 대한 하류측의 압력(P2)의 압력비(PR(=P2/P1))를 역치와 비교함으로써, 제어 밸브의 개폐 상태를 전환하는 형태로 하여도 된다. 이 경우, 예를 들면, 제 1 실시형태에서는, 압력비(PR)가 미리 정해진 역치(TH4) 이상이 되었을 경우에, 제 2 제어 밸브(22)를 폐쇄 상태로 하는 형태가 예시된다. 또한, 예를 들면, 압력비(PR)가 역치(TH4)보다 작은 역치(TH5) 미만이 되었을 경우에, 제 2 제어 밸브(22)를 개방 상태로 하는 형태가 예시된다. 이 경우의 역치(TH4,TH5)는, 팽창기(24)의 설계 사양 등에 따라 적절히 정하면 된다.
또한, 상기 각 실시형태에 있어서의 ECU(60)에서 행해지는 처리는, 프로그램을 실행하는 것에 의해 행해지는 소프트웨어 처리로써 설명하였지만, 하드웨어로 행해지는 처리로 하여도 된다. 또한, ECU(60)에서 행해지는 처리는, 소프트웨어 및 하드웨어의 쌍방을 조합시켜서 행해지는 처리로 하여도 된다. 또한, ROM에 기억되는 프로그램은, 각종 기억매체에 기억되어 유통시켜도 된다.
또한, 본 발명은, 상기의 형태예로 한정되는 것이 아니며, 상기의 형태예 이외에도, 그 주지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양하게 변형하여 실시 가능한 것은 물론이다.

Claims (9)

  1. 수소 탱크로부터 연료 전지 스택(12)에 수소 가스를 공급하는 공급 경로(16)에 마련되며, 상기 연료 전지 스택(12)에 공급되는 수소 가스를 감압시키는 제 1 감압부(30)와,
    상기 공급 경로(16)에 있어서의 상기 제 1 감압부(30)의 상류측에 마련되며, 상기 수소 탱크(14)로부터 공급되는 수소 가스를 감압팽창시키는 팽창기(24)와,
    상기 공급 경로(16)에 있어서의 상기 팽창기(24)의 상류측에 마련되며, 상기 팽창기(24)에 수소 가스의 공급을 행하는 개방 상태와, 상기 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급을 차단하거나 또는 상기 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급량을 상기 개방 상태의 경우보다도 감소시키는 폐쇄 상태 중 어느 상태로 전환 가능한 유량 조정부(22)와,
    상기 공급 경로(16)에 있어서의 상기 팽창기(24)의 상류측의 제 1 압력과 상기 팽창기(24)의 하류측의 제 2 압력의 압력차가 제 1 역치 미만이 되었을 경우, 또는 상기 제 1 압력에 대한 상기 제 2 압력의 압력비가 제 2 역치 이상이 되었을 경우에, 상기 유량 조정부(22)를 상기 폐쇄 상태로 전환하는 제어를 행하는 제어부를 구비하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 탱크(14)의 내압을 상기 제 1 압력으로 하여 측정하는 제 1 압력 센서(20)와,
    상기 팽창기(24)와 상기 제 1 감압부(30)의 사이의 압력을 상기 제 2 압력으로 하여 측정하는 제 2 압력 센서(21)를 더 구비하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 압력차가 상기 제 1 역치보다도 큰 제 3 역치 이상이 되었을 경우, 또는 상기 압력비가 상기 제 2 역치보다도 작은 제 4 역치 미만이 되었을 경우에, 상기 유량 조정부(22)를 상기 개방 상태로 전환하는 제어를 행하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 경로에, 상기 팽창기(24)의 상류측으로부터 하류측으로 바이패스하는 바이패스 경로(16B)를 더욱 마련하고,
    상기 유량 조정부(22A)는, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 바이패스 경로(16B)의 제 1 단부가 연결된 상류측 부분에 마련된 3방 밸브로서, 상기 개방 상태에서 상기 팽창기에 수소 가스를 공급하면서, 또한 상기 바이패스 경로(16B)에의 수소 가스의 공급을 차단하고, 상기 폐쇄 상태로서, 상기 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급을 차단하면서, 또한 상기 바이패스 경로(16B)에 수소 가스를 공급하는 제 1 폐쇄 상태, 및 상기 팽창기(24)와 상기 바이패스 경로(16B)의 쌍방에의 공급을 차단하는 제 2 폐쇄 상태를 가지는 3방 밸브인 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공급 경로에 있어서의 상기 바이패스 경로(16B)의 제 2의 단부가 연결된 하류측 부분과 상기 팽창기(24)의 사이에, 상기 팽창기(24)에 의해 감압팽창된 수소 가스와, 상기 연료 전지 스택을 냉각하는 냉각수의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기(26)를 더 구비하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각수의 온도를 측정하는 온도 센서(48)를 더 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도가, 미리 정해진 온도 역치 이하의 경우에, 상기 유량 조정부(22A)를 상기 제 1 폐쇄 상태로 전환하는 제어를 행하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 감압부(31A)는, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 바이패스 경로(16B)의 제 2 단부가 연결된 하류측 부분과 상기 팽창기(24)의 사이에 마련되고,
    상기 연료 전지 시스템은,
    상기 팽창기(24)와 상기 유량 조정부(22A)의 사이에 마련되며, 상기 수소 탱크로부터 공급되는 수소 가스를 감압시키는 제 2 감압부(31B)와,
    상기 바이패스 경로(16B)에 마련되며, 상기 연료 전지 스택(12)에 공급되는 수소 가스를 감압시키는 제 3 감압부와,
    상기 하류측 부분과 상기 연료 전지 스택의 사이에 마련된 인젝터(32)를 더 구비하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 감압부(31A)는, 상기 공급 경로에 있어서의 상기 바이패스 경로(16B)의 제 2의 단부가 연결된 하류측 부분과 상기 팽창기(24)의 사이에 마련되고,
    상기 연료 전지 시스템은,
    상기 유량 조정부(22A)와 상기 수소 탱크(14)의 사이에 마련되며, 상기 수소 탱크로부터 공급되는 수소 가스를 감압시키는 제 2 감압부(31B)와,
    상기 바이패스 경로에 마련된 인젝터(32)를 더 구비하는 연료 전지 시스템.
  9. 수소 탱크로부터 연료 전지 스택(12)에 수소 가스를 공급하는 공급 경로(16)에 마련되며, 상기 연료 전지 스택(12)에 공급되는 수소 가스를 감압시키는 감압부(31A)와, 상기 공급 경로(16)에 있어서의 상기 감압부(31A)의 상류측에 마련되며, 상기 수소 탱크(14)로부터 공급되는 수소 가스를 감압팽창시키는 팽창기(24)와, 상기 공급 경로(16)에 있어서의 상기 팽창기(24)의 상류측에 마련되며, 상기 팽창기(24)에 수소 가스의 공급을 행하는 개방 상태와, 상기 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급을 차단하거나 또는 상기 팽창기(24)에의 수소 가스의 공급량을 상기 개방 상태의 경우보다도 감소시키는 폐쇄 상태 중 어느 상태로 전환 가능한 유량 조정부(22A)를 제어하는 제어장치에 있어서:
    상기 공급 경로(16)에 있어서의 상기 팽창기(24)의 상류측의 제 1 압력과 상기 팽창기(24)의 하류측의 제 2 압력의 압력차가 제 1 역치 미만이 되었을 경우, 또는 상기 제 1 압력에 대한 상기 제 2 압력의 압력비가 제 2 역치 이상이 되었을 경우에, 상기 유량 조정부(22A)를 상기 폐쇄 상태로 전환하는 제어를 행하는 제어부를 포함하는 제어장치.
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