KR20220127163A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20220127163A
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유우키 가사하라
마사유키 이토
사토시 안도
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 내에서의 부분 연료 가스 결핍의 발생을 억제할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공한다. 제어부는, 출력 전류값에 따라서, 연료 전지에 대한 연료 가스의 압력이 소정의 범위 내로 유지되도록, 제1 인젝터 및 제2 인젝터로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 큰지 여부를 판정하고, 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 적어도 상기 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에 상기 제2 인젝터를 밸브 개방하도록 상기 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 개시는, 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(FC)는, 1개의 단셀 또는 복수의 단셀(이하, '셀'이라고 기재하는 경우가 있음)을 적층한 연료 전지 스택(이하, 단순히 '스택'이라고 기재하는 경우가 있음)에, 수소 등의 연료 가스와 산소 등의 산화제 가스와의 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 취출하는 발전 장치이다. 또한, 실제로 연료 전지에 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스는, 산화·환원에 기여하지 않는 가스와의 혼합물인 경우가 많다. 특히 산화제 가스는 산소를 포함하는 공기인 경우가 많다.
또한, 이하에서는, 연료 가스나 산화제 가스를, 특별히 구별하지 않고 단순히 '반응 가스' 혹은 '가스'라고 칭하는 경우도 있다. 또한, 단셀 및 단셀을 적층한 연료 전지 스택 모두, 연료 전지라고 칭하는 경우가 있다.
이 연료 전지의 단셀은, 통상, 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 구비한다.
막전극 접합체는, 고체 고분자형 전해질막(이하, 단순히 '전해질막'이라고도 칭함)의 양면에, 각각, 촉매층 및 가스 확산층(GDL, 이하 단순히 '확산층이라고 기재하는 경우가 있음)이 순서대로 형성된 구조를 갖고 있다. 그 때문에, 막전극 접합체는, 막전극 가스 확산층 접합체(MEGA)라고 칭해지는 경우가 있다.
단셀은, 필요에 따라 당해 막전극 가스 확산층 접합체의 양면을 끼움 지지하는 2매의 세퍼레이터를 갖는다. 세퍼레이터는, 통상, 가스 확산층에 접하는 면에 반응 가스의 유로로서의 홈이 형성된 구조를 갖고 있다. 또한, 이 세퍼레이터는 전자 전도성을 갖고, 발전한 전기의 집전체로서도 기능한다.
연료 전지의 연료극(애노드)에서는, 가스 유로 및 가스 확산층으로부터 공급되는 연료 가스로서의 수소(H2)가 촉매층의 촉매 작용에 의해 프로톤화하고, 전해질막을 통과해서 산화제극(캐소드)으로 이동한다. 동시에 생성된 전자는, 외부 회로를 통해 일을 하고, 캐소드로 이동한다. 캐소드에 공급되는 산화제 가스로서의 산소(O2)는, 캐소드의 촉매층에서 프로톤 및 전자와 반응하고, 물을 생성한다. 생성된 물은, 전해질막에 적당한 습도를 부여하고, 잉여의 물은 가스 확산층을 투과해서, 계외로 배출된다.
연료 전지 차량(이하 '차량'이라고 기재하는 경우가 있음)에 차량 탑재되어 사용되는 연료 전지 시스템에 관하여 다양한 연구가 이루어져 있다.
예를 들어 특허문헌 1에서는, 연료 전지 스택으로부터 배출된 애노드 오프 가스를 순환시키는 연료 순환 장치의 순환 능력의 향상을 도모하는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.
특허문헌 2에서는, 연료 전지의 발전 성능의 저하를 억제한 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.
특허문헌 3에서는, 간단한 제어에 의해 연료 오프 가스를 연료 전지에 안정적으로 순환시킬 수 있고, 상황에 따라서 연료 전지의 배수 효율을 높이거나 인젝터의 작동 시의 잡음 및 진동을 억제하기도 할 수 있는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.
특허문헌 4에서는, 적절히 연료 가스를 공급할 수 있는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2011-179333호 공보 일본 특허 공개 제2020-123458호 공보 일본 특허 공개 제2019-169264호 공보 일본 특허 공개 제2014-123555호 공보
연료 전지 시스템의 연료 가스계에 있어서, 연료 전지로부터 배출된 연료 오프 가스를 순환시키는 연료 순환 장치의 순환 능력의 향상을 도모하는 것이 중요하다.
연료 전지의 발전량이 큰 경우, 인젝터가 밸브 폐쇄 중의 순환 유로 내의 압력이 급격하게 저하되고, 압력 센서의 압력 검출값의 변동, 신호 전달 지연 등의 영향에 의해, 설정한 압력 범위의 하한값을 하회하고, 그 결과, 연료 전지 내에 수소 결핍이 발생하여, 연료 전지의 촉매를 열화시킬 우려가 있다.
상기 특허문헌 1의 구성에 있어서, 제1 인젝터와 제2 인젝터는 교대로 분사하는 것이고, 또한, 각각 공급하는 연료의 분사량은 동일하며, 연료 전지가 고부하 발전을 실시하고 있을 때, 인젝터 정지 중의 순환 유로 내의 압력이 급격하게 저하된다는 과제는 해결할 수 없다. 그 때문에, 연료 전지 내에서 부분 연료 가스 결핍이 발생하여, 연료 전지의 촉매를 열화시킬 우려가 있다.
본 개시는, 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 연료 전지 내에서의 부분 연료 가스 결핍의 발생을 억제할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 개시의 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템이며,
상기 연료 전지 시스템은, 연료 전지와,
상기 연료 전지의 출력 전류값을 검출하는 전류 센서와,
연료 가스를 상기 연료 전지에 공급하는 연료 가스 공급부와,
상기 연료 전지의 연료 가스 출구와 상기 연료 전지의 연료 가스 입구를 접속하고, 또한, 상기 연료 전지의 연료 가스 출구로부터 배출되는 연료 오프 가스를 순환 가스로서 상기 연료 전지의 연료 가스 입구로 되돌려서 순환시키는 것을 가능하게 하는 순환 유로와,
상기 순환 유로에 배치되는 이젝터와,
상기 연료 가스 공급부와 상기 이젝터를 접속하는 연료 가스 공급 유로와,
상기 연료 가스 공급 유로의 상기 이젝터보다도 상류에 배치되는 인젝터 집합부와,
상기 순환 유로의 상기 이젝터보다도 상류에 배치되는 기액 분리기와,
상기 순환 유로의 상기 기액 분리기로부터 분기하고, 또한, 상기 연료 오프 가스를 상기 연료 전지 시스템의 외부로 배출하는 것을 가능하게 하는 연료 오프 가스 배출 유로와,
상기 순환 유로에 배치되는 압력 센서와,
제어부
를 구비하고,
상기 인젝터 집합부는, 제1 인젝터 및 제2 인젝터를 병렬로 갖고,
상기 제2 인젝터는, 상기 제1 인젝터보다도 단위 시간당 상기 연료 가스의 분사량이 작고,
상기 제어부는, 상기 출력 전류값에 따라서, 상기 연료 전지에 대한 상기 연료 가스의 압력이 소정의 범위 내로 유지되도록, 상기 제1 인젝터 및 상기 제2 인젝터로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고,
상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 큰지 여부를 판정하고,
상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 적어도 상기 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에 상기 제2 인젝터를 밸브 개방하도록 상기 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시킨다.
본 개시의 연료 전지 시스템에 있어서는, 상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 상기 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 후에 상기 제2 인젝터를 밸브 개방하고, 상기 제1 인젝터의 밸브 개방 후에 상기 제2 인젝터를 밸브 폐쇄하도록 상기 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시켜도 된다.
본 개시의 연료 전지 시스템에 있어서는, 상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 상기 제2 인젝터를 항상 밸브 개방하는 제어를 행해도 된다.
본 개시의 연료 전지 시스템에 있어서는, 상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값 이하라고 판정한 경우에, 상기 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 작은 소정의 상기 제2 임계값 이하인지 여부를 판정하고,
상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제2 임계값 이하라고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 항상 밸브 폐쇄하고, 또한, 상기 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고,
상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제2 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제2 인젝터를 항상 밸브 폐쇄하고, 또한, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시켜도 된다.
본 개시의 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지 내에서의 부분 연료 가스 결핍의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은, 본 개시의 연료 전지 시스템의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는, 연료 전지가 일정한 중부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은, 종래 기술에 있어서의 연료 전지가 일정한 고부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 개시에 있어서의 연료 전지가 일정한 고부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터 밸브 개폐 상태와, 제2 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 개시에 있어서의 연료 전지가 일정한 고부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터 밸브 개폐 상태와, 제2 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 개시에 있어서의 연료 전지가 일정한 고부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터 밸브 개폐 상태와, 제2 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 개시의 연료 전지 시스템의 제어의 일례를 나타내는 흐름도이다.
본 개시의 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템이며,
상기 연료 전지 시스템은, 연료 전지와,
상기 연료 전지의 출력 전류값을 검출하는 전류 센서와,
연료 가스를 상기 연료 전지에 공급하는 연료 가스 공급부와,
상기 연료 전지의 연료 가스 출구와 상기 연료 전지의 연료 가스 입구를 접속하고, 또한, 상기 연료 전지의 연료 가스 출구로부터 배출되는 연료 오프 가스를 순환 가스로서 상기 연료 전지의 연료 가스 입구로 되돌려서 순환시키는 것을 가능하게 하는 순환 유로와,
상기 순환 유로에 배치되는 이젝터와,
상기 연료 가스 공급부와 상기 이젝터를 접속하는 연료 가스 공급 유로와,
상기 연료 가스 공급 유로의 상기 이젝터보다도 상류에 배치되는 인젝터 집합부와,
상기 순환 유로의 상기 이젝터보다도 상류에 배치되는 기액 분리기와,
상기 순환 유로의 상기 기액 분리기로부터 분기하고, 또한, 상기 연료 오프 가스를 상기 연료 전지 시스템의 외부로 배출하는 것을 가능하게 하는 연료 오프 가스 배출 유로와,
상기 순환 유로에 배치되는 압력 센서와,
제어부
를 구비하고,
상기 인젝터 집합부는, 제1 인젝터 및 제2 인젝터를 병렬로 갖고,
상기 제2 인젝터는, 상기 제1 인젝터보다도 단위 시간당 상기 연료 가스의 분사량이 작고,
상기 제어부는, 상기 출력 전류값에 따라서, 상기 연료 전지에 대한 상기 연료 가스의 압력이 소정의 범위 내로 유지되도록, 상기 제1 인젝터 및 상기 제2 인젝터로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고,
상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 큰지 여부를 판정하고,
상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 적어도 상기 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에 상기 제2 인젝터를 밸브 개방하도록 상기 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시킨다.
제1 인젝터와, 제1 인젝터보다도 단위 시간당 분사량이 작은 제2 인젝터와, 순환 유로를 연료 가스계로서 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지의 발전량이 크고, 제1 인젝터 정지 중에 순환 유로의 압력이 급격하게 저하되어, 부분 연료 가스 결핍이 발생할 우려가 있다. 본 개시에 의하면, 연료 전지의 발전량이 크고, 제1 인젝터가 밸브 폐쇄 중에 순환 유로 내의 압력 저하가 큰 경우에, 제2 인젝터를 사용하여, 순환 유로 내의 압력 저하를 완만하게 한다. 즉, 제1 인젝터의 분사 정지 중에, 제2 인젝터로부터 연료 가스를 분사하고, 순환 유로의 급격한 압력 저하를 억제한다. 본 개시에 의해, 순환 유로 내의 압력이 급격하게 저하되는 경우에도, 설정한 압력 범위의 하한값을 하회하는 것을 저감시킬 수 있고, 그 결과 연료 전지 내에서 연료 가스 결핍의 발생을 억제하여, 연료 전지의 촉매 열화를 억제할 수 있다.
도 1은, 본 개시의 연료 전지 시스템의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 1에 도시한 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지(10)와, 연료 가스계로서, 연료 가스 공급 유로(11)와, 순환 유로(12)와, 연료 오프 가스 배출 유로(13)와, 연료 가스 공급부(21)와, 메인 스톱 밸브(22)와, 압력 조절 밸브(23)와, 제1 인젝터(24)와, 제2 인젝터(25)와, 이젝터(26)와, 기액 분리기(27)와, 배기 배수 밸브(28)와, 압력 센서(29)와, 전류 센서(30)와, 제어부(40)를 구비한다. 또한, 도 1에서는, 연료 가스계만 도시하고, 그 밖의 산화제 가스계, 냉각계 등의 도시는 생략하였다.
압력 센서(29)는, 연료 가스의 압력을 검출한다. 압력 센서(29)는, 제어부(40)와 전기적으로 접속되고, 검출한 연료 가스의 압력을 제어부(40)에 부여한다.
전류 센서(30)는, 연료 전지의 출력 전류값을 검출한다. 전류 센서(30)는, 제어부(40)와 전기적으로 접속되고, 검출한 연료 전지의 출력 전류값을 제어부(40)에 부여한다.
압력 조절 밸브(23)는, 제어부(40)와 전기적으로 접속되고, 제1 인젝터(24)와, 제2 인젝터(25)에 걸리는 압력을 예를 들어 1MPa 정도가 되도록 감압한다.
기액 분리기(27)는, 순환 유로(12)의 연료 오프 가스 배출 유로(13)와의 분기점에 배치되고, 애노드 출구로부터 배출되는 연료 가스인 연료 오프 가스로부터, 연료 가스와 수분을 분리하고, 순환 유로(12)에 연료 가스를 순환 가스로서 되돌린다.
제어부(40)는, 배기 배수 밸브(28)와 전기적으로 접속되고, 필요에 따라 배기 배수 밸브(28)를 개방하고, 불필요한 가스 및 수분 등을 연료 오프 가스 배출 유로(13)로부터 외부로 배출한다.
이젝터(26)는, 순환 유로(12)의 연료 가스 공급 유로(11)와의 합류부에 배치되어 있다.
제1 인젝터(24) 및 제2 인젝터(25)는, 연료 가스 공급 유로(11)의 이젝터(26)보다도 상류에 구비한다.
제어부(50)는, 제1 인젝터(24) 및 제2 인젝터(25)와 전기적으로 접속되고, 연료 전지(10)의 출력 전류값에 따라서, 제1 인젝터(24), 제2 인젝터(25)의 구동/휴지를 전환한다. 제2 인젝터(25)는 제1 인젝터(24)보다도 단위 시간당 연료 가스 분사량이 적다.
제어부(50)는, 연료 전지(10)의 출력 전류값이 작을 때에는, 제2 인젝터(25)만으로부터 연료 가스를 공급하고, 출력 전류값이 중 정도일 때에는, 제1 인젝터(24)만으로부터 연료 가스를 공급하고, 출력 전류값이 클 때에는, 제1 인젝터(24), 제2 인젝터(25)의 양쪽으로부터 연료 가스를 공급한다.
도 1은, 연료 전지(10)에서 사용되지 않은 연료 오프 가스를, 이젝터(26)에 의해 재순환시키고 있지만, 이젝터(26) 대신에 순환 펌프를 구비하고 있어도 된다. 또한, 연료 전지 시스템(100)은, 순환 유로(12)의 이젝터(26)보다도 상류에 순환 펌프를 구비하고 있어도 된다.
본 개시에 있어서는, 연료 가스 및 산화제 가스를 총괄해서 반응 가스라고 칭한다. 애노드에 공급되는 반응 가스는, 연료 가스이며, 캐소드에 공급되는 반응 가스는 산화제 가스이다. 연료 가스는, 주로 수소를 함유하는 가스이며, 수소여도 된다. 산화제 가스는 산소, 공기, 건조 공기 등이어도 된다.
본 개시의 연료 전지 시스템은, 통상, 구동원으로서 전동기를 갖는 차량에 탑재되어 사용된다.
또한, 본 개시의 연료 전지 시스템은, 이차 전지의 전력으로도 주행 가능한 차량에 탑재되어 사용되어도 된다.
전동기는, 특별히 한정되지 않고, 종래 공지된 구동 모터여도 된다.
차량은, 연료 전지 차량이어도 된다.
차량은, 본 개시의 연료 전지 시스템을 구비하고 있어도 된다.
본 개시의 연료 전지 시스템은, 연료 전지를 구비한다.
연료 전지는, 단셀을 1개만 갖는 것이어도 되고, 단셀을 복수개 적층한 적층체인 연료 전지 스택이어도 된다.
단셀의 적층수는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 2 내지 수 백개여도 되며, 2 내지 300개여도 된다.
연료 전지 스택은, 단셀의 적층 방향의 양단에 엔드 플레이트를 구비하고 있어도 된다.
연료 전지의 단셀은, 적어도 막전극 가스 확산층 접합체를 구비한다.
막전극 가스 확산층 접합체는, 애노드측 가스 확산층, 및 애노드 촉매층, 및 전해질막, 및 캐소드 촉매층, 및 캐소드측 가스 확산층을 이 순서로 갖는다.
캐소드(산화제극)는, 캐소드 촉매층 및 캐소드측 가스 확산층을 포함한다.
애노드(연료극)는, 애노드 촉매층 및 애노드측 가스 확산층을 포함한다.
캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층을 총괄해서 촉매층이라고 칭한다. 또한, 애노드 촉매 및 캐소드 촉매로서는, 예를 들어 Pt(백금), Ru(루테늄) 등을 들 수 있고, 촉매를 담지하는 모재 및 도전재로서는, 예를 들어 카본 등의 탄소 재료 등을 들 수 있다.
캐소드측 가스 확산층 및 애노드측 가스 확산층을 총괄해서 가스 확산층이라고 칭한다.
가스 확산층은, 가스 투과성을 갖는 도전성 부재 등이어도 된다.
도전성 부재로서는, 예를 들어 카본 클로스 및 카본 페이퍼 등의 카본 다공질체, 및 금속 메쉬 그리고 발포 금속 등의 금속 다공질체 등을 들 수 있다.
전해질막은, 고체 고분자 전해질막이어도 된다. 고체 고분자 전해질막으로서는, 예를 들어 수분이 포함된 퍼플루오로술폰산의 박막 등의 불소계 전해질막 및 탄화수소계 전해질막 등을 들 수 있다. 전해질막으로서는, 예를 들어 나피온 막(듀퐁사 제조) 등이어도 된다.
단셀은, 필요에 따라 막전극 가스 확산층 접합체의 양면을 끼움 지지하는 2매의 세퍼레이터를 구비해도 된다. 2매의 세퍼레이터는, 한쪽이 애노드측 세퍼레이터이며, 다른 한쪽이 캐소드측 세퍼레이터이다. 본 개시에서는, 애노드측 세퍼레이터와 캐소드측 세퍼레이터를 총괄해서 세퍼레이터라고 한다.
세퍼레이터는, 반응 가스 및 냉매를 단셀의 적층 방향으로 유통시키기 위한 공급 구멍 및 배출 구멍을 갖고 있어도 된다. 냉매로서는, 저온 시의 동결을 방지하기 위해서 예를 들어 에틸렌글리콜과 물과의 혼합 용액을 사용할 수 있다.
공급 구멍은, 연료 가스 공급 구멍, 산화제 가스 공급 구멍 및 냉매 공급 구멍 등을 들 수 있다.
배출 구멍은, 연료 가스 배출 구멍, 산화제 가스 배출 구멍 및 냉매 배출 구멍 등을 들 수 있다.
세퍼레이터는, 1개 이상의 연료 가스 공급 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 산화제 가스 공급 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 냉매 공급 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 연료 가스 배출 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 산화제 가스 배출 구멍을 갖고 있어도 되며, 1개 이상의 냉매 배출 구멍을 갖고 있어도 된다.
세퍼레이터는, 가스 확산층에 접하는 면에 반응 가스 유로를 갖고 있어도 된다. 또한, 세퍼레이터는, 가스 확산층에 접하는 면과는 반대측의 면에 연료 전지의 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉매 유로를 갖고 있어도 된다.
세퍼레이터가 애노드측 세퍼레이터인 경우에는, 1개 이상의 연료 가스 공급 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 산화제 가스 공급 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 냉매 공급 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 연료 가스 배출 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 산화제 가스 배출 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 냉매 배출 구멍을 갖고 있어도 되고, 애노드측 세퍼레이터는, 애노드측 가스 확산층에 접하는 면에 연료 가스 공급 구멍으로부터 연료 가스 배출 구멍으로 연료 가스를 흘리는 연료 가스 유로를 갖고 있어도 되며, 애노드측 가스 확산층에 접하는 면과는 반대측의 면에 냉매 공급 구멍으로부터 냉매 배출 구멍으로 냉매를 흘리는 냉매 유로를 갖고 있어도 된다.
세퍼레이터가 캐소드측 세퍼레이터인 경우에는, 1개 이상의 연료 가스 공급 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 산화제 가스 공급 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 냉매 공급 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 연료 가스 배출 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 산화제 가스 배출 구멍을 갖고 있어도 되고, 1개 이상의 냉매 배출 구멍을 갖고 있어도 되고, 캐소드측 세퍼레이터는, 캐소드측 가스 확산층에 접하는 면에 산화제 가스 공급 구멍으로부터 산화제 가스 배출 구멍으로 산화제 가스를 흘리는 산화제 가스 유로를 갖고 있어도 되며, 캐소드측 가스 확산층에 접하는 면과는 반대측의 면에 냉매 공급 구멍으로부터 냉매 배출 구멍으로 냉매를 흘리는 냉매 유로를 갖고 있어도 된다.
세퍼레이터는, 가스 불투과의 도전성 부재 등이어도 된다. 도전성 부재로서는, 예를 들어 카본을 압축해서 가스 불투과로 한 치밀질 카본, 및 프레스 성형한 금속(예를 들어, 철, 알루미늄 및 스테인리스 등)판 등이어도 된다. 또한, 세퍼레이터가 집전 기능을 구비하는 것이어도 된다.
연료 전지 스택은, 각 공급 구멍이 연통한 입구 매니폴드, 및 각 배출 구멍이 연통한 출구 매니폴드 등의 매니폴드를 갖고 있어도 된다.
입구 매니폴드는, 애노드 입구 매니폴드, 캐소드 입구 매니폴드, 및 냉매 입구 매니폴드 등을 들 수 있다.
출구 매니폴드는, 애노드 출구 매니폴드, 캐소드 출구 매니폴드, 및 냉매 출구 매니폴드 등을 들 수 있다.
연료 전지 시스템은, 연료 전지의 연료 가스계로서, 연료 가스 공급부와, 연료 가스 공급 유로와, 순환 유로와, 이젝터와, 인젝터 집합부와, 기액 분리기와, 연료 오프 가스 배출 유로와, 제어부와, 전류 센서와, 압력 센서를 구비한다.
연료 가스 공급부는, 연료 가스를 연료 전지에 공급한다. 구체적으로는 연료 가스 공급부는, 연료 가스를 연료 전지의 애노드에 공급한다.
연료 가스 공급부로서는, 예를 들어 연료 탱크 등을 들 수 있으며, 구체적으로는, 액체 수소 탱크, 압축 수소 탱크 등을 들 수 있다.
연료 가스 공급부는, 제어부와 전기적으로 접속된다. 연료 가스 공급부는, 제어부로부터의 제어 신호에 따라서, 연료 가스 공급부의 메인 스톱 밸브의 개폐가 제어됨으로써 연료 가스의 연료 전지에 대한 공급의 ON/OFF가 제어되어도 된다.
순환 유로는, 연료 전지의 연료 가스 출구와 연료 전지의 연료 가스 입구를 접속한다.
순환 유로는, 연료 전지의 연료 가스 출구로부터 배출된 연료 가스인 연료 오프 가스를 순환 가스로서 연료 전지의 연료 가스 입구로 되돌려서 순환시키는 것을 가능하게 한다. 연료 가스 입구는, 연료 가스 공급 구멍, 애노드 입구 매니폴드 등이어도 된다.
순환 유로에는, 이젝터가 배치된다.
이젝터는, 예를 들어 순환 유로상의 연료 가스 공급 유로와의 합류부에 배치되어 있어도 된다. 이젝터는, 연료 가스와 순환 가스를 포함하는 혼합 가스를 연료 전지의 애노드에 공급한다. 이젝터로서는, 종래 공지된 이젝터를 채용할 수 있다.
순환 펌프는, 순환 유로의 이젝터보다도 상류에 배치되어 있어도 된다. 순환 펌프는, 이젝터 대신에 순환 유로의 연료 가스 공급 유로와의 합류부에 배치해도 된다. 순환 펌프는, 연료 오프 가스를 순환 가스로서 순환시키는 추진력이 되어도 된다. 순환 펌프는, 제어부와 전기적으로 접속되고, 제어부에 의해 순환 펌프의 구동 온·오프 및 회전수 등이 제어됨으로써, 순환 가스의 유량을 조정해도 된다.
연료 가스 공급 유로는, 연료 가스 공급부와 이젝터를 접속한다. 연료 가스 공급 유로는, 연료 가스의 이젝터에 대한 공급을 가능하게 한다.
인젝터 집합부는, 연료 가스 공급 유로의 이젝터보다도 상류에 배치된다.
인젝터 집합부는, 제1 인젝터 및 제2 인젝터를 병렬로 갖는다.
제2 인젝터는, 제1 인젝터보다도 단위 시간당 연료 가스의 분사량이 작다. 제1 인젝터 및 제2 인젝터는, 종래 공지된 인젝터를 적절히 채용할 수 있다.
압력 조절 밸브는, 연료 가스 공급 유로의 인젝터 집합부보다도 상류에 배치되어 있어도 된다. 압력 조절 밸브는, 제어부와 전기적으로 접속되고, 제1 인젝터와, 제2 인젝터에 걸리는 압력을 감압한다.
기액 분리기(애노드 기액 분리기)는, 순환 유로의 이젝터보다도 상류에 배치된다.
기액 분리기는, 연료 오프 가스 배출 유로와 순환 유로의 분기점에 배치되어 있어도 된다.
기액 분리기는, 연료 오프 가스 배출 유로의 배기 배수 밸브보다도 상류에 배치되어 있어도 된다.
기액 분리기는, 연료 가스 출구로부터 배출되는 연료 가스인 연료 오프 가스 중에 포함되는 수분과 연료 가스를 분리한다. 이에 의해, 연료 가스를 순환 가스로서 순환 유로로 되돌려도 되고, 불필요한 가스 및 수분 등을 연료 오프 가스 배출 유로의 배기 배수 밸브를 밸브 개방해서 외부로 배출해도 된다. 또한, 기액 분리기에 의해, 여분의 수분이 순환 유로에 흐르는 것을 억제할 수 있기 때문에, 당해 수분에 의한 순환 펌프 등의 동결의 발생을 억제할 수 있다.
연료 오프 가스 배출 유로는, 순환 유로로부터 기액 분리기를 통해 분기한다.
연료 오프 가스 배출 유로는, 연료 전지의 연료 가스 출구로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료 전지 시스템의 외부로 배출하는 것을 가능하게 한다. 연료 가스 출구는, 연료 가스 배출 구멍, 애노드 출구 매니폴드 등이어도 된다.
연료 오프 가스 배출 유로에는, 배기 배수 밸브(연료 오프 가스 배출 밸브)가 배치되어도 된다. 배기 배수 밸브는, 연료 오프 가스 배출 유로의 기액 분리기보다도 하류에 배치된다.
배기 배수 밸브는, 연료 오프 가스 및 수분 등을 외부(계외)로 배출하는 것을 가능하게 한다. 또한, 외부란, 연료 전지 시스템의 외부여도 되며, 차량의 외부여도 된다.
배기 배수 밸브는, 제어부와 전기적으로 접속되고, 제어부에 의해 배기 배수 밸브의 개폐가 제어됨으로써, 연료 오프 가스의 외부로의 배출 유량을 조정해도 된다. 또한, 배기 배수 밸브의 개방도를 조정함으로써, 연료 전지의 애노드에 공급되는 연료 가스 압력(애노드 압력)을 조정해도 된다.
연료 오프 가스는, 애노드에 있어서 미반응인 채로 통과한 연료 가스, 및 캐소드에서 생성된 생성수가 애노드에 도달한 수분 등을 포함하고 있어도 된다. 연료 오프 가스는, 촉매층 및 전해질막 등에서 생성된 부식 물질, 및 소기 시에 애노드에 공급되어도 되는 산화제 가스 등을 포함하는 경우가 있다.
전류 센서는, 연료 전지의 출력 전류값을 검출한다. 전류 센서는, 제어부와 전기적으로 접속되고, 검출한 연료 전지의 출력 전류값을 제어부에 부여한다.
전류 센서는, 종래 공지된 전류계 등을 사용할 수 있다.
압력 센서는, 순환 유로에 배치된다. 압력 센서는, 검출 정밀도 향상의 관점에서, 순환 유로의 이젝터보다도 하류인, 이젝터와 연료 전지 사이의 영역에 배치되어 있어도 된다.
압력 센서는, 연료 가스의 압력을 검출한다. 압력 센서는, 제어부와 전기적으로 접속되고, 검출한 연료 가스의 압력을 제어부에 부여한다.
압력 센서는, 종래 공지된 압력계 등을 사용할 수 있다.
연료 전지 시스템은, 연료 전지의 산화제 가스계로서, 산화제 가스 공급부를 구비하고 있어도 되고, 산화제 가스 공급 유로를 구비하고 있어도 되며, 산화제 오프 가스 배출 유로를 구비하고 있어도 된다.
산화제 가스 공급부는, 연료 전지에 산화제 가스를 공급한다. 구체적으로는, 산화제 가스 공급부는, 연료 전지의 캐소드에 산화제 가스를 공급한다.
산화제 가스 공급부로서는, 예를 들어 에어 컴프레서 등을 사용할 수 있다.
산화제 가스 공급부는, 제어부와 전기적으로 접속된다. 산화제 가스 공급부는, 제어부로부터의 제어 신호에 따라서 구동된다. 산화제 가스 공급부는, 제어부에 의해 산화제 가스 공급부로부터 캐소드에 공급되는 산화제 가스의 유량 및 압력으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나가 제어되어도 된다.
산화제 가스 공급 유로는, 산화제 가스 공급부와 연료 전지의 산화제 가스 입구를 접속한다.
산화제 가스 공급 유로는, 산화제 가스 공급부로부터 연료 전지의 캐소드로의 산화제 가스의 공급을 가능하게 한다. 산화제 가스 입구는, 산화제 가스 공급 구멍, 캐소드 입구 매니폴드 등이어도 된다.
산화제 오프 가스 배출 유로는, 연료 전지의 산화제 가스 출구와 접속한다. 산화제 오프 가스 배출 유로는, 연료 전지의 캐소드로부터 배출되는 산화제 가스인 산화제 오프 가스의 외부로의 배출을 가능하게 한다. 산화제 가스 출구는, 산화제 가스 배출 구멍, 캐소드 출구 매니폴드 등이어도 된다.
산화제 오프 가스 배출 유로에는, 산화제 가스 압력 조정 밸브가 마련되어 있어도 된다.
산화제 가스 압력 조정 밸브는, 제어부와 전기적으로 접속되고, 제어부에 의해 산화제 가스 압력 조정 밸브가 밸브 개방됨으로써, 반응이 완료된 산화제 가스인 산화제 오프 가스를 산화제 오프 가스 배출 유로로부터 외부로 배출한다. 또한, 산화제 가스 압력 조정 밸브의 개방도를 조정함으로써, 캐소드에 공급되는 산화제 가스 압력(캐소드 압력)을 조정해도 된다.
연료 전지 시스템은, 연료 전지의 냉각계로서, 냉매 공급부를 구비하고 있어도 되며, 냉매 순환 유로를 구비하고 있어도 된다.
냉매 순환 유로는, 연료 전지에 마련되는 냉매 공급 구멍 및 냉매 배출 구멍에 연통하고, 냉매 공급부로부터 공급되는 냉매를 연료 전지 내외에서 순환시키는 것을 가능하게 한다.
냉매 공급부는, 제어부와 전기적으로 접속된다. 냉매 공급부는, 제어부로부터의 제어 신호에 따라서 구동된다. 냉매 공급부는, 제어부에 의해 냉매 공급부로부터 연료 전지에 공급되는 냉매의 유량을 제어한다. 이에 의해 연료 전지의 온도가 제어되어도 된다.
냉매 공급부는, 예를 들어 냉각수 펌프 등을 들 수 있다.
냉매 순환 유로에는, 냉각수의 열을 방열하는 라디에이터가 마련되어 있어도 된다.
냉매 순환 유로에는, 냉매를 축적하는 리저브 탱크가 마련되어 있어도 된다.
연료 전지 시스템은, 이차 전지를 구비하고 있어도 된다.
이차 전지(배터리)는, 충방전 가능한 것이면 되며, 예를 들어 니켈 수소 이차 전지 및 리튬 이온 이차 전지 등의 종래 공지된 이차 전지를 들 수 있다. 또한, 이차 전지는, 전기 이중층 콘덴서 등의 축전 소자를 포함하는 것이어도 된다. 이차 전지는, 복수개를 직렬로 접속한 구성이어도 된다. 이차 전지는, 전동기 및 산화제 가스 공급부 등에 전력을 공급한다. 이차 전지는, 예를 들어 가정용 전원 등의 차량의 외부의 전원으로부터 충전 가능하게 되어 있어도 된다. 이차 전지는, 연료 전지의 출력에 의해 충전되어도 된다. 이차 전지의 충방전은, 제어부에 의해 제어되어도 된다.
제어부는, 물리적으로는, 예를 들어 CPU(중앙 연산 처리 장치) 등의 연산 처리 장치와, CPU에서 처리되는 제어 프로그램 및 제어 데이터 등을 기억하는 ROM(리드 온리 메모리), 그리고, 주로 제어 처리를 위한 각종 작업 영역으로서 사용되는 RAM(랜덤 액세스 메모리) 등의 기억 장치와, 입출력 인터페이스를 갖는 것이다. 또한, 제어부는, 예를 들어 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit) 등의 제어 장치여도 된다.
제어부는, 차량에 탑재되어 있어도 되는 이그니션 스위치와 전기적으로 접속되어 있어도 된다. 제어부는 이그니션 스위치가 끊어져 있어도 외부 전원에 의해 동작 가능하여도 된다.
제어부는, 출력 전류값에 따라서, 연료 전지에 대한 연료 가스의 압력이 소정의 범위 내로 유지되도록, 제1 인젝터 및 제2 인젝터로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 인젝터 듀티비를 제어한다.
제어부는, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 큰지 여부를 판정한다.
제어부는, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 적어도 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에 제2 인젝터를 밸브 개방하도록 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시킨다.
인젝터의 듀티비란, 인젝터의 밸브 개폐의 주기적인 제어에 있어서, 인젝터의 밸브가 개방한 시점을 시기로 하여, 밸브가 폐쇄한 후, 다시 밸브가 개방할 때까지의 시간을 1주기로 하고, 1주기의 시간에 대한 밸브가 개방하여 있는 시간의 비율을 의미한다.
본 개시에 있어서 듀티비 제어란, 듀티비가 0％를 초과하고, 100％ 미만의 임의의 값이 되도록 제어하는 것을 의미한다. 듀티비가 0％인 상태는, 제어부로부터의 구동 지령이 없고, 인젝터가 밸브 폐쇄하여 정지하여 있는 상태이기 때문에, 듀티비를 제어하고 있는 상태가 아니다. 듀티비가 100％인 상태는, 인젝터가 항상 밸브 개방하여 구동하고 있는 상태이기 때문에, 듀티비를 제어하고 있는 상태가 아니다. 제어하는 듀티비는, 연료 전지에 대한 연료 가스의 압력이 소정의 범위 내로 유지되고, 또한, 0％를 초과하고, 100％ 미만이면 특별히 한정되지 않고, 출력 전류값에 따라서 적절히 설정할 수 있다. 연료 가스의 압력은 압력 센서로 검출된 값을 제어부가 모니터링함으로써, 제어부는, 연료 가스의 압력이 소정의 범위 내로 유지되도록 듀티비를 제어할 수 있다.
출력 전류값의 소정의 제1 임계값은, 예를 들어 연료 전지가 고부하 전류로 발전하고 있을 때의 연료 전지의 출력 전류값이어도 된다. 구체적인 출력 전류값은, 연료 전지의 성능에 따라서 적절히 설정하면 된다.
연료 가스의 소정의 범위 내의 압력의 하한값은, 경험 법칙에 의해 부분 연료 가스 결핍이 발생하기 어려운 압력을 적절히 설정해도 된다. 연료 가스의 소정의 범위 내의 압력의 상한값은, 경험 법칙에 의해 전해질막의 열화가 일어나기 어려운 압력을 적절히 설정해도 된다.
제어부는, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 제1 실시 형태로서, 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 제1 인젝터의 밸브 폐쇄와 동시에 제2 인젝터를 밸브 개방하고, 제1 인젝터의 밸브 개방과 동시에 제2 인젝터를 밸브 폐쇄하도록 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시켜도 된다.
제어부는, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 제2 실시 형태로서, 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 후에 제2 인젝터를 밸브 개방하고, 제1 인젝터의 밸브 개방 후에 제2 인젝터를 밸브 폐쇄하도록 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시켜도 된다.
제어부는, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 제3 실시 형태로서, 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 제2 인젝터를 항상 밸브 개방(듀티비 100％)하는 제어를 행해도 된다.
제어부는, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값 이하라고 판정한 경우에, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 작은 소정의 제2 임계값 이하인지 여부를 판정한다.
제어부는, 출력 전류값이 소정의 제2 임계값 이하라고 판정한 경우에, 제1 인젝터를 항상 밸브 폐쇄하고, 또한, 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시켜도 된다. 이에 의해 연비를 향상시킬 수 있다.
한편, 제어부는, 출력 전류값이 소정의 제2 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 제2 인젝터를 항상 밸브 폐쇄하고, 또한, 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시켜도 된다. 이에 의해, 예를 들어 연료 전지의 통상 운전 시에는 제1 인젝터만으로 연료 가스를 연료 전지에 공급해도 된다.
출력 전류값의 소정의 제2 임계값은, 예를 들어 연료 전지가 중부하 전류로 발전하고 있을 때의 연료 전지의 출력 전류값이어도 된다. 구체적인 출력 전류값은, 연료 전지의 성능에 따라서 적절히 설정하면 된다. 즉, 연료 전지가 중부하 전류로 발전하고 있을 때는, 제2 인젝터를 정지(항상 밸브 폐쇄, 듀티비 0％)하고, 제1 인젝터로부터 연료 가스를 주기적으로 분사(듀티비 제어)하고, 연료 전지가 중부하 전류 미만으로 발전하고 있을 때는, 제1 인젝터를 정지(항상 밸브 폐쇄, 듀티비 0％)하고, 제2 인젝터로부터 주기적으로 연료 가스를 분사(듀티비 제어)한다.
도 2는, 연료 전지가 일정한 중부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
연료 전지는 일정한 부하 전류로 발전하고 있기 때문에, 연료 전지 내에서는 단위 시간당 일정량의 연료 가스를 소비하고 있다. 순환 유로 내 압력 P가 하한값 PL에 도달하면, 제어부(ECU)는 제1 인젝터를 밸브 개방시킨다. 제1 인젝터가 밸브 개방 시에 분사하는 연료 가스의 양은, 연료 전지가 소비하는 연료 가스의 양보다도 많다. 따라서, 제1 인젝터의 밸브 개방 중에는, 순환 유로 내 압력 P가 상승한다. 순환 유로 내 압력 P가 상한값 PU에 도달하면, ECU는 제1 인젝터를 밸브 폐쇄시킨다. 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에는, 연료 전지가 발전에 의해 연료 가스를 소비함으로써, 순환 유로 내 압력 P가 저하된다. 이것을 반복함으로써, 순환 유로 내 압력 P는, 하한값 PL 이상, 상한값 PU 이하의 범위 내로 유지된다.
도 3은, 종래 기술에 있어서의 연료 전지가 일정한 고부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
연료 전지는 일정한 고부하 전류로 발전하고 있기 때문에, 중부하 시와 비교하면, 단위 시간당 연료 전지 내에서 소비되는 연료 가스의 양이 많다. 한편, 제1 인젝터는, 밸브 개방 시간에 의해 연료 가스 분사량을 제어하는 것이며, 밸브 개방중에 분사하는 단위 시간당 연료 가스의 양은 일정하다. 따라서, 제1 인젝터가 밸브 개방 중의 압력 상승의 기울기는 작아지고, 제1 인젝터가 밸브 폐쇄 중의 압력 저하의 기울기가 커지게 된다.
제1 인젝터는, 순환 유로 내 압력 P가 하한값 PL에 도달하면 다시 밸브 개방하지만, 압력 저하의 기울기가 큰 경우, 제1 인젝터의 응답의 지연이나, 압력 센서의 신호의 지연, 검출값의 변동 등에 의해, 하한값 PL을 하회하기 쉬워진다.
<제1 실시 형태>
도 4는, 본 개시에 있어서의 연료 전지가 일정한 고부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터 밸브 개폐 상태와, 제2 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
본 개시의 제1 실시 형태에서는, 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에 제2 인젝터를 밸브 개방시켜서 연료 전지에 연료 가스를 공급함으로써, 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중의 압력 저하의 기울기를 작게 한다.
또한, 제2 인젝터의 단위 시간당 연료 가스 분사량은, 연료 전지가 고부하 시에 소비하는 연료의 양보다도 적다. 따라서, 제2 인젝터가 밸브 개방하여 연료 가스를 분사하고 있는 기간도, 순환 유로 내 압력 P는 점차 저하된다. 즉, 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중의 압력 저하 속도가, 도 3에 도시한 비교예보다도 완만해져 있다.
따라서, 순환 유로 내 압력이 하한값 PL을 하회하기 어려워져서, 연료 전지 내에서 부분 연료 가스 결핍의 발생이나 촉매의 열화를 억제할 수 있다.
<제2 실시 형태>
도 5는, 본 개시에 있어서의 연료 전지가 일정한 고부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터 밸브 개폐 상태와, 제2 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
제1 실시 형태에서는, 제2 인젝터의 밸브 개방 시기가 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 시기와 일치하고 있지만, 어긋나 있어도 된다.
도 5에 도시한 타임차트에서는, 제2 실시 형태에 있어서도, 제2 인젝터는, 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에 제1 인젝터가 밸브 개방할 때까지 밸브 개방하고 있다. 그러나, 제1 인젝터가 밸브 폐쇄한 후에 제2 인젝터가 밸브 개방하고, 제1 인젝터가 밸브 개방한 후에 제2 인젝터가 밸브 폐쇄하여 있다.
제1 실시 형태와 같이, 제1 인젝터의 밸브 개방과 제2 인젝터의 밸브 폐쇄의 시기가 동일해지도록, 밸브 개폐 제어를 행하고자 했을 때, 제1 인젝터의 응답 지연이 제2 인젝터의 응답 지연보다도 큰 경우에, 순환 유로 내 압력 P가 하한값 근방에서 양쪽의 밸브를 폐쇄하고 있는 시간대가 발생하여, 압력 저하의 기울기가 커질 우려가 있다. 제2 실시 형태와 같이, ECU가, 제1 인젝터가 밸브 개방하였음을 확인하고 나서 제2 인젝터를 밸브 폐쇄하도록 하면, 압력 저하의 기울기가 커지는 것을 억제할 수 있다.
또한, 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 직후에 제2 인젝터도 밸브 폐쇄하여 있는 시간도 존재하고, 순환 유로 내 압력 P의 기울기가 크게 되어 있지만, 하한값 PL로부터는 충분히 이격되어 있기 때문에, 압력 P가 하한값 PL을 하회하여 연료 전지의 연료 가스 결핍이 발생할 가능성은 낮다. 또한, 압력이 과도하게 높은 상태가 길어지면 전해질막이 열화되기 쉬워지지만, 제2 실시 형태에서는, 우선 한번에 압력을 떨어뜨리고, 그 후 완만하게 압력을 떨어뜨리고 있기 때문에, 압력이 과도하게 높은 상태를 빠르게 해소할 수 있어, 전해질막의 열화를 억제할 수 있다.
<제3 실시 형태>
도 6은, 본 개시에 있어서의 연료 전지가 일정한 고부하 전류로 발전하고 있을 때의, 제1 인젝터 밸브 개폐 상태와, 제2 인젝터의 밸브 개폐 상태와, 순환 유로 내 압력 P의 관계의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
제3 실시 형태에서는, 제2 인젝터는, 연료 전지가 고부하 전류로 발전하고 있을 때, 제1 인젝터의 밸브 개방 상태에 관계없이 항상 밸브 개방하고 있다. 제3 실시 형태에서는, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 비교해서 연비가 나빠지지만, 제3 실시 형태의 경우에도, 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에 제2 인젝터가 밸브 개방해서 연료 가스를 공급함으로써, 제1 인젝터가 밸브 폐쇄 중에 순환 유로 내 압력 P가 급격하게 저하되는 것을 억제하고 있다.
도 7은, 본 개시의 연료 전지 시스템의 제어의 일례를 나타내는 흐름도이다.
제어부는, 전류 센서가 검출한 연료 전지의 출력 전류값을 검지한다.
제어부는, 검지한 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 큰지 여부를 판정한다.
제어부는, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 적어도 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에 제2 인젝터를 밸브 개방하도록 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 제어를 종료한다.
한편, 제어부는, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값 이하라고 판정한 경우에, 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 작은 소정의 제2 임계값 이하인지 여부를 판정한다.
제어부는, 출력 전류값이 소정의 제2 임계값 이하라고 판정한 경우에, 제1 인젝터를 항상 밸브 폐쇄하고, 또한, 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 제어를 종료한다.
한편, 제어부는, 출력 전류값이 소정의 제2 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 제2 인젝터를 항상 밸브 폐쇄하고, 또한, 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 제어를 종료한다.
10: 연료 전지(스택)
11: 연료 가스 공급 유로
12: 순환 유로
13: 연료 오프 가스 배출 유로
21: 연료 가스 공급부(수소 탱크)
22: 메인 스톱 밸브
23: 압력 조절 밸브
24: 제1 인젝터
25: 제2 인젝터
26: 이젝터
27: 기액 분리기
28: 배기 배수 밸브
29: 압력 센서
30: 전류 센서
40: 제어부(ECU)
100: 연료 전지 시스템

Claims (4)

  1. 연료 전지 시스템이며,
    상기 연료 전지 시스템은, 연료 전지와,
    상기 연료 전지의 출력 전류값을 검출하는 전류 센서와,
    연료 가스를 상기 연료 전지에 공급하는 연료 가스 공급부와,
    상기 연료 전지의 연료 가스 출구와 상기 연료 전지의 연료 가스 입구를 접속하고, 또한, 상기 연료 전지의 연료 가스 출구로부터 배출되는 연료 오프 가스를 순환 가스로서 상기 연료 전지의 연료 가스 입구로 되돌려서 순환시키는 것을 가능하게 하는 순환 유로와,
    상기 순환 유로에 배치되는 이젝터와,
    상기 연료 가스 공급부와 상기 이젝터를 접속하는 연료 가스 공급 유로와,
    상기 연료 가스 공급 유로의 상기 이젝터보다도 상류에 배치되는 인젝터 집합부와,
    상기 순환 유로의 상기 이젝터보다도 상류에 배치되는 기액 분리기와,
    상기 순환 유로의 상기 기액 분리기로부터 분기하고, 또한, 상기 연료 오프 가스를 상기 연료 전지 시스템의 외부로 배출하는 것을 가능하게 하는 연료 오프 가스 배출 유로와,
    상기 순환 유로에 배치되는 압력 센서와,
    제어부
    를 구비하고,
    상기 인젝터 집합부는, 제1 인젝터 및 제2 인젝터를 병렬로 갖고,
    상기 제2 인젝터는, 상기 제1 인젝터보다도 단위 시간당 상기 연료 가스의 분사량이 작고,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류값에 따라서, 상기 연료 전지에 대한 상기 연료 가스의 압력이 소정의 범위 내로 유지되도록, 상기 제1 인젝터 및 상기 제2 인젝터로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 큰지 여부를 판정하고,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 적어도 상기 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 중에 상기 제2 인젝터를 밸브 개방하도록 상기 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 상기 제1 인젝터의 밸브 폐쇄 후에 상기 제2 인젝터를 밸브 개방하고, 상기 제1 인젝터의 밸브 개방 후에 상기 제2 인젝터를 밸브 폐쇄하도록 상기 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키는, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고, 또한, 상기 제2 인젝터를 항상 밸브 개방하는 제어를 행하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제1 임계값 이하라고 판정한 경우에, 상기 출력 전류값이 소정의 제1 임계값보다도 작은 소정의 상기 제2 임계값 이하인지 여부를 판정하고,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제2 임계값 이하라고 판정한 경우에, 상기 제1 인젝터를 항상 밸브 폐쇄하고, 또한, 상기 제2 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키고,
    상기 제어부는, 상기 출력 전류값이 소정의 상기 제2 임계값보다도 크다고 판정한 경우에, 상기 제2 인젝터를 항상 밸브 폐쇄하고, 또한, 상기 제1 인젝터를 듀티비 제어하여 구동시키는, 연료 전지 시스템.
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