KR101838359B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

저온 시동 시에도 순환 기구의 동결 및 연료 전지의 열화를 억제 가능한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
연료 전지와, 연료 공급원과, 연료 가스의 일부가 순환되는 연료 가스 경로와, 반응 후의 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 기구와, 연료 가스를 순환시키는 순환 기구와, 제어부를 구비하고, 제어부는, 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니라고 판단한 경우에 순환 기구에 의한 연료 가스의 순환을 일단 정지시킴과 함께, 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니고 연료 가스 경로 내의 수증기에 관한 파라미터가 소정값 이상이라고 판단한 경우에 제1 순환 속도로 연료 가스의 순환이 행해지도록 순환 기구를 구동시키고, 배출 기구로부터의 배출이 정상이라고 판단한 경우에 제2 순환 속도로 연료 가스의 순환이 행해지도록 순환 기구를 구동시키며, 제1 순환 속도가 제2 순환 속도보다도 저속도인 연료 전지 시스템이 제공된다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지에서는, 연료로서 수소, 산화제로서 산소를 포함하는 공기를 사용하여, 화학 반응에 의하여 발전을 행한다. 연료 전지 시스템에서는, 순환 기구를 사용하여, 연료 전지로부터 배출된 미반응된 연료 가스(수소 가스)를 순환시키는 경우가 있다. 이 경우, 수소 가스 순환 유로 내에는 수소 가스뿐만 아니라 질소나 수분 등이 존재하기 때문에, 운전을 계속하고 있는 동안에 질소 가스나 수분 등의 불순물이 농축되어 간다. 따라서 연료 전지 시스템은, 발전에 필요한 수소 분압을 확보할 수 있도록 적절히 수소 가스 배출 유로로부터 가스나 수분의 일부를 대기로 배출하는 배출 기구를 갖고 있는 경우가 많다.
빙점하 등의 저온 시동 시에 있어서는 연료 전지 내 등에 잔류하고 있는 수분이 동결되어, 수소 가스 배출 유로의 일부가 폐색되는 경우가 있다. 이 경우, 수소 가스의 유로가 순환 유로로 되어 있으면, 수소 가스는 연료 전지 내에서 산소와 화학 반응함으로써 감소하는 데 비하여, 반응하지 않는 질소 가스는 폐색된 수소 가스 배출로로부터 배출되지 않아, 폐색된 수소 가스 배출로에 질소 가스가 축적, 농축되게 된다. 그 결과, 수소 분압이 저하되어 연료 전지의 발전 전압이 저하된다. 발전 전압이 저하되어 마이너스 전압으로 되면 연료 전지가 열화되는 경우가 있다. 특허문헌 1에는, 연료 전지 내부의 수소 가스 유로의 폐색 발생 시에, 수소 순환을 위한 펌프를 정지시키는 기술이 기재되어 있다. 펌프를 정지시킴으로써 질소의 순환이 정지되고, 연료 전지에의 유입이 억제되어 수소 분압의 저하가 억제된다.
국제 공개 제2011/021301호 공보
또한 저온 시동 시에는 수소 가스 배출 유로뿐만 아니라, 순환 경로로부터 질소 가스 및 수분 등의 불순물을 배출하기 위한 배출 기구가 동결되기도 한다. 배출 기구가 동결되면 수소 가스 순환 유로 내로부터 불순물의 배출이 곤란해지기 때문에, 순환 유로 및 연료 전지의 셀에 질소 가스가 축적되어 수소 분압이 저하된다. 수소 분압의 저하를 억제하기 위해서는, 특허문헌 1과 마찬가지로 역시 순환 기구를 정지시키면 된다.
그러나 순환 기구를 정지시키고 있더라도, 수소 가스 배출 유로나 배출 기구가 동결된 채 연료 전지에서 발전을 계속하고 있으면, 발전에 의하여 발생한 수분의 일부가 수증기로 된다. 순환 기구를 정지시키고 있으면 수증기를 대기로 배출할 수 없으므로, 폐색된 유로 내에서 수증기 분압이 상승한다. 수증기 분압이 상승하면, 순환 기구가 정지되어 있더라도 수소 가스 순환 유로 내에서 수증기가 확산되게 된다. 순환 기구가 정지되어 있으면 순환 기구를 충분히 승온할 수 없기 때문에, 확산되어진 수증기가 원인으로 되어 순환 기구가 동결되어 버릴 우려가 있다. 본 발명은 상기 과제를 감안하여, 저온 시동 시에도 순환 기구의 동결 및 연료 전지의 열화를 억제 가능한 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 연료 전지와, 연료 공급원과, 상기 연료 전지에 접속되고, 상기 연료 공급원으로부터 연료가 공급됨과 함께, 상기 연료 전지로부터 배출된 연료 가스의 일부가 순환되는 연료 가스 경로와, 상기 연료 전지에 있어서의 반응 후의 상기 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 기구와, 상기 연료 가스 경로에 설치되어 상기 연료 가스를 순환시키는 순환 기구와, 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니라고 판단한 경우에 상기 순환 기구에 의한 상기 연료 가스의 순환을 일단 정지시킴과 함께, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니고 상기 연료 가스 경로 내의 수증기에 관한 파라미터가 소정값 이상이라고 판단한 경우에 제1 순환 속도로 상기 연료 가스의 순환이 행해지도록 상기 순환 기구를 구동시키고, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이라고 판단한 경우에 제2 순환 속도로 상기 연료 가스의 순환이 행해지도록 상기 순환 기구를 구동시키며, 상기 제1 순환 속도가 상기 제2 순환 속도보다도 저속도인 연료 전지 시스템이다.
상기 구성에 있어서, 상기 연료 전지를 냉각하는 냉매의 온도를 검출하는 온도 검출부를 갖고, 상기 제어부는, 상기 온도 검출부에 의하여 검출된 상기 냉매의 온도가 제1 온도 이상인 경우에 상기 연료 가스 경로 내의 수증기에 관한 상기 파라미터가 소정값 이상이라고 판단하며, 상기 제1 온도보다 높은 온도인 제2 온도 미만인 경우에 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니라고 판단하는 구성으로 할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 제1 온도는 상기 연료 전지로부터 발생하는 수증기의 양이 소정값 이상으로 된다고 추정되는 온도이고, 상기 제2 온도는 상기 순환 기구의 동결이 해제된다고 추정되는 온도인 구성으로 할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 연료 가스 경로 내의 압력을 검출하는 압력 센서를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 배출 기구에 배출의 지시를 내린 때의 상기 연료 가스 경로 내의 밸브 개방 전후의 소정 시간에서의 압력의 저하량에 의하여, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상인지의 여부를 판단하는 구성으로 할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 제어부는, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상으로 되기까지의 추정 시간으로부터 구해지는 질소 농축 상태가 허용 범위 내에 수용되도록 상기 제1 순환 속도를 정하는 구성으로 할 수 있다.
상기 구성에 있어서, 상기 배출 기구는 밸브이고, 상기 순환 기구는 펌프이며, 상기 제어부는 상기 펌프의 회전 속도를 제1 회전 속도로 함으로써 상기 제1 순환 속도로 하고, 상기 펌프의 회전 속도를 제2 회전 속도로 함으로써 상기 제2 순환 속도로 하는 구성으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 연료 전지와, 연료 공급원과, 상기 연료 전지에 접속되고, 상기 연료 공급원으로부터 연료가 공급됨과 함께, 상기 연료 전지로부터 배출된 연료 가스의 일부가 순환되는 연료 가스 경로와, 상기 연료 전지에 있어서의 반응 후의 상기 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 기구와, 상기 연료 가스 경로에 설치되어 상기 연료 가스를 순환시키는 순환 기구와, 상기 연료 전지를 냉각하는 냉매의 온도를 검출하는 온도 검출부와, 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니라고 판단한 경우에 상기 순환 기구에 의한 상기 연료 가스의 순환을 일단 정지시킴과 함께, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니고 상기 온도 검출부에 의하여 검출된 상기 냉매의 온도가 소정의 온도 이상이라고 판단한 경우에 제1 순환 속도로 상기 연료 가스의 순환이 행해지도록 상기 순환 기구를 구동시키고, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이라고 판단한 경우에 제2 순환 속도로 상기 연료 가스의 순환이 행해지도록 상기 순환 기구를 구동시키며, 상기 제1 순환 속도가 상기 제2 순환 속도보다도 저속도인 연료 전지 시스템이다.
본 발명에 따르면, 저온 시동 시에도 순환 기구의 동결 및 연료 전지의 열화를 억제 가능한 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.
도 1의 (a)는 실시예 1에 관한 연료 전지 시스템을 예시하는 블록도이다. 도 1의 (b)는 제어부의 구성을 예시하는 기능 블록도이다.
도 2는 연료 전지 시스템의 처리를 도시하는 흐름도의 일례이다.
이하, 도면을 사용하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
도 1의 (a)는 실시예 1에 관한 연료 전지 시스템(100)을 예시하는 블록도이다. 연료 전지 시스템(100)은, 차량이 구비하는 차륜을 구동하는 구동용 전원을 공급하기 위한 시스템으로서, 연료 전지 자동차나 전기 자동차 등에 탑재되어 사용된다. 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이 연료 전지 시스템(100)은, CPU(Central Processing Unit: 중앙 연산 처리 장치)(10), 연료 전지(20)(Fuel Cell: FC), 수소 탱크(22) 및 라디에이터(24)(열교환기)를 구비한다. CPU(10)는 제어부의 일례이다. 수소 탱크(22)는 연료 공급원의 일례이다.
연료 전지(20)에는 공기 공급 유로(30), 공기 배출 유로(32), 연료 가스 공급 유로(34) 및 연료 가스 배출 유로(35)가 접속되어 있다. 연료 가스 공급 유로(34)와 연료 가스 배출 유로(35) 사이에는 순환 유로(36)가 접속되어 있다. 순환 유로(36)에는 기액 분리기(37)가 설치되어 있다. 연료 가스 공급 유로(34), 연료 가스 배출 유로(35) 및 순환 유로(36)는 수소 가스가 순환되는 연료 가스 경로를 형성한다. 또한 연료 가스 경로에는 수소 가스와 함께 불순물(질소 가스 및 수증기 등)도 순환한다.
또한 연료 전지(20)에는 냉매 유로(39)가 접속되어 있다. 냉각수(냉매)는 냉매 유로(39)를 통하여 연료 전지(20) 내에 흘러 연료 전지(20)를 냉각한다. 냉각 후의 냉각수는 냉매 유로(39)를 통하여 라디에이터(24)에 공급된다. 냉매는 라디에이터(24)에서 냉각되어 다시 연료 전지(20)에 공급된다.
공기 배출 유로(32)에는 밸브(40)가 설치되고 연료 가스 공급 유로(34)에는 밸브(41)가 설치되어 있다. 또한 외부 배출 유로(38)에는 밸브(42)가 설치되어 있다. 밸브(40)는 공기의 유량을 조절한다. 밸브(41)는 연료 가스의 유량을 조절한다. 밸브(42)는 연료 가스의 일부 및 불순물을 연료 가스 경로로부터 외부로 배출하기 위한 밸브이다. 밸브(42)가 개방됨으로써 연료 가스의 일부 및 불순물은 연료 가스 경로로부터 외부 배출 유로(38)에 흘러, 대기 중으로 배출된다.
압력 센서(48)는 연료 가스 배출 유로(35)에 설치되며, 연료 가스 경로{연료 가스 공급 유로(34), 연료 가스 배출 유로(35), 순환 유로(36)} 내의 압력을 검출한다. 온도 센서(50)는 냉매 유로(39)의 연료 전지(20)로부터의 출구 부근에 설치되며, 연료 전지(20) 냉각 후의 냉각수의 온도(수온)를 검출한다. 또한 온도 센서(50)는 온도 검출부의 일례이다. 수온은 연료 전지(20)의 온도와 대응하고 있으며, 연료 전지(20)가 저온이면 수온도 낮고, 연료 전지(20)가 고온이면 수온도 높다. 순환 유로(36)에는 펌프(44)가 설치되어 있다. 냉매 유로(39)에는 펌프(46)가 설치되어 있다. 펌프(44 및 46)는, 예를 들어 루츠 펌프, 스크루 펌프 또는 터보 펌프 등으로 할 수 있다.
공기는 대기로부터 공기 공급 유로(30)를 통하여 연료 전지(20)의 공기측극(산화제극)에 공급된다. 수소 가스는 수소 탱크(22)에 저류되며, 연료 가스 공급 유로(34)를 통하여 연료 전지(20)의 수소측극(연료극)에 공급된다. 연료 전지(20)는 연료 가스로서 수소 가스, 산화제로서 산소를 포함하는 공기를 사용하여 발전한다. 발전된 전력은 차량의 주행을 위한 모터, 조명, 공조 및 오디오 등의 기기에 이용된다.
연료 전지(20)에 있어서의 반응 후의 공기는 공기 배출 유로(32)를 통하여 외부로 배출된다. 반응에 있어서 소비되지 않은 수소 가스는 연료 가스 배출 유로(35)로부터 배출되어, 순환 유로(36)를 통하여 연료 가스 공급 유로(34)에 순환하고, 다시 연료 전지(20)에 공급된다.
기액 분리기(37)에 있어서, 질소 가스 및 수분 등의 불순물과 수소 가스가 비중 차에 의하여 분리된다. 기액 분리기(37)는 경사진 저면을 구비하며, 저면의 최하부에 외부 배출 유로(38)가 접속되어 있다. 비중이 큰 불순물은 기액 분리기(37)의 하방에 체류하며, 외부 배출 유로(38)로 배출된다. 외부 배출 유로(38)는 공기 배출 유로(32)에 접속되어 있으며, 불순물은 밸브(42)를 통하여 외부 배출 유로(38)로부터 외부로 배출된다. 한편, 비중이 작은 수소 가스는 기액 분리기(37)로부터 순환 유로(36)에 흐른다. 또한 소량의 불순물도 수소 가스와 함께 순환한다.
도 1의 (b)는 CPU(10)의 구성을 예시하는 기능 블록도이다. 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이 CPU(10)는, 압력 취득부(12), 온도 취득부(14), 펌프 제어부(16) 및 밸브 제어부(18)로서 기능한다. 압력 취득부(12)는 압력 센서(48)가 검출한 압력을 취득한다. 또한 압력 취득부(12)는, 밸브(42)의 밸브 개방 지시를 내리기 전의 압력과 밸브 개방 지시를 내린 후의 압력의 차(압력의 저하량)에 기초하여, 밸브(42)로부터의 배기량을 추정한다. 온도 취득부(14)는 온도 센서(50)가 검출한 수온을 취득한다. 펌프 제어부(16)는 펌프(44)의 구동 상태(회전수)를 변화시킴으로써 연료 가스 경로 내의 가스의 순환량을 조정하고, 또한 펌프(46)의 구동 상태를 변화시켜 냉각수의 유량을 조정한다. 밸브 제어부(18)는 밸브(40 내지 42)의 개폐 상태를 변화시킨다.
도 1의 (a)에 도시하는 밸브(42)를 개방함으로써, 연료 가스 경로 내의 불순물은 외부 배출 유로(38)로부터 대기로 배출된다. 그러나 빙점하 시동 시에는 밸브(42)가 동결되어 폐색되는 경우가 있다. 이 경우, 불순물은 배출되지 않으며, 연료 가스 유통 경로 내의 압력의 저하량이 작아진다. 이하에 있어서 설명하는 처리는 빙점하 시동 시에 있어서 실행되는 처리이다.
도 2는 연료 전지 시스템(100)의 처리를 도시하는 흐름도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 밸브 제어부(18)는 밸브(42)에 밸브 개방의 지시를 내린다(스텝 S10).
다음으로, 압력 취득부(12)는 압력 센서(48)로부터 압력 P를 취득하고, 밸브 개방 지시 전후에 있어서의 압력의 저하량 및 수소 소비량에 기초하여 밸브(42)로부터의 배기량을 추정한다(스텝 S12).
펌프 제어부(16)는 추정된 배기량(추정 배기량)이 목표 배기량 미만인지의 여부를 판단한다(스텝 S14). 이것에 의하여 밸브(42)가 정상으로 기능하고 있는지{밸브(42)로부터의 배출이 정상인지} 판단한다. 또한 목표 배기량이란, 밸브 개방 지시에 대하여 기대되는 배기량이다. 스텝 S14에 있어서 "아니오"의 경우, CPU(10)는 스텝 S30으로 이행한다. 스텝 S14에 있어서 "예"의 경우, CPU(10)는 스텝 S16으로 이행한다. 스텝 S14를 실행함으로써, CPU(10)는 밸브(42)가 동작 불량의 상태에 있는지의 여부를 판단할 수 있다. 즉, 밸브(42)가 동결되어 있지 않으면 스텝 S10의 밸브 개방 지시에 의하여 밸브(42)는 개방된다. 이 때문에, 압력의 저하량은 커지고 추정 배기량은 목표 배기량으로 된다. 한편, 밸브(42)가 동결되어 있으면 밸브(42)는 동작 불량의 상태에 있으며, 밸브 개방되지 않거나 또는 약간 밸브 개방된다. 이 때문에 압력의 저하량은 작아지고 추정 배기량은 목표 배기량 미만으로 된다.
스텝 S14에 있어서 "예"의 경우, 스텝 S16에 있어서, 펌프 제어부(16)는 펌프(44)를 정지시킨다. 이때, 연료 가스 경로 내에 있어서의 수소 가스, 질소 가스 등의 순환은 정지된다.
온도 취득부(14)는 온도 센서(50)가 검출한 냉각수의 온도(수온) T를 취득한다(스텝 S18).
펌프 제어부(16)는 수온 T가 소정의 온도 T1(제1 온도, 예를 들어 30 내지 40℃) 이상인지 판단한다(스텝 S20). "아니오"의 경우, CPU(10)는 스텝 S16으로 복귀된다. "예"의 경우, CPU(10)는 스텝 S22로 이행한다.
스텝 S22에 있어서, 펌프 제어부(16)는 수온 T가 온도 T2(제2 온도) 미만인지 판단한다. T2는 T1보다 높은 온도이며, 예를 들어 50℃이다. "아니오"의 경우, CPU(10)는 스텝 S30으로 이행한다. "예"의 경우, CPU(10)는 스텝 S24로 이행한다.
스텝 S24에 있어서, 펌프 제어부(16)는 펌프(44)를 저회전수로 구동시킨다. 저회전수에 의한 펌프(44)의 회전에 의하여 연료 가스 경로 내의 가스의 순환 속도는 제1 순환 속도로 된다. 제1 순환 속도란, 수분이 연료 전지(20) 내에 유입되지 않는 순환 속도, 및 밸브(42)가 정상으로 기능 가능해지기까지(해동되기까지) 걸린다고 추정되는 시간에 있어서, 연료 전지(20)에 있어서의 질소의 농축 상태가 허용 범위 내에 수용되는 정도의 순환 속도이다. 질소의 농축 상태를 허용 범위 내로 함으로써 수소 분압을 적절한 수준으로 할 수 있다. 펌프(44)의 구동에 의하여 수소 가스가 연료 가스 경로를 순환하고, 연료 전지(20)로 보내진다.
압력 취득부(12)는 압력 센서(48)로부터 압력 P를 취득하고, 압력의 저하량 및 수소 소비량에 기초하여 배기량을 추정한다(스텝 S26).
펌프 제어부(16)는 스텝 S26에 있어서 추정된 추정 배기량이 목표 배기량 이상인지의 여부를 판단한다(스텝 S28). 이것에 의하여 밸브(42)가 정상으로 기능하고 있는지(배출이 정상인지) 판단한다. "아니오"의 경우, CPU(10)는 스텝 S26으로 복귀된다. "예"의 경우, CPU(10)는 스텝 S30으로 이행한다.
스텝 S30에 있어서, 펌프 제어부(16)는 펌프(44)를 고속 회전수로 구동시킨다. 고속 회전수란, 예를 들어 수소 가스의 유량이 연료 전지(20)에 요구되는 발전 전력에 대하여 최적으로 되는 회전수이다. 펌프(44)의 고속 회전수로의 구동에 의하여, 순환 속도는 제1 순환 속도보다 큰 제2 순환 속도로 된다. 제2 순환 속도는, 예를 들어 연료 전지(20)에 요구되는 발전 전력에 대하여 최적의 순환 속도이다. 스텝 S30 후, 처리는 종료된다.
실시예 1에 의하면, 밸브(42)로부터의 배출이 불량한 경우, 펌프 제어부(16)는 펌프(44)를 일단 정지시킨다(도 2의 S16). 이 때문에 질소 가스의 연료 전지(20)에의 유입이 억제된다. 따라서 질소 분압의 상승 및 수소 분압의 저하가 억제되어, 수소 가스의 부족에 의한 연료 전지(20)의 발전 전압의 저하가 억제된다. 단, 펌프(44)를 장시간 정지시키고 있으면, 연료 전지(20)가 발전함으로써 발생하는 수분에 의하여 펌프(44)가 동결될 우려가 있다. 실시예 1에 의하면, 밸브(42)의 동작 불량이라고 판단되고, 또한 냉각수의 온도 T가 T1 이상이고 T2 미만인 경우, 펌프 제어부(16)는 펌프(44)를 구동시킨다(S24). 이 때문에 펌프(44)의 동결이 억제된다. 이때, 펌프(44)를 정지시키고 있는 경우에 비하여 연료 전지(20)에 수증기 및 질소 가스는 유입되지만, 펌프(44)의 회전수는 낮다. 또한 연료 전지(20)의 온도가 어느 정도 상승되어 있으므로, 밸브(42)가 정상으로 동작하기까지의 시간이 짧아도 된다. 이 때문에, 밸브(42)가 정상으로 동작하기까지의 수증기 및 질소 가스의 연료 전지(20)에의 유입량을 적게 할 수 있으므로, 수소 분압 저하에 의한 연료 전지(20)의 열화를 억제할 수 있다. 즉, 본 실시예 1에서는, 연료 전지(20)의 열화를 억제하면서 펌프(44)의 동결도 방지하는 것이 가능해진다.
또한 추정 배기량이 목표 배기량 이상인 경우, 펌프 제어부(16)는 펌프(44)를 고속 회전수로 구동시킨다(S30). 추정 배기량이 목표 배기량 이상인 경우, 밸브(42)는 해동되어 있는 것으로{밸브(42)로부터의 배출이 정상인 것으로} 추정되기 때문에, 외부 배출 유로(38)를 통하여 질소 가스 및 수분의 배출이 정상으로 행해진다. 따라서 질소 가스 및 수증기가 연료 가스 경로를 순환하더라도 수소 분압은 높게 유지된다. 또한 연료 전지(20)의 온도는 시동 시에 비하여 상승해 있다. 따라서 수분이 연료 전지(20)에 침입하더라도 동결은 발생하기 어렵다. 따라서 연료 전지(20)에 요구되는 발전 전력에 대하여 최적으로 되는 고속 회전수로 펌프(44)를 회전시키더라도 연료 전지(20)의 열화를 억제할 수 있다. 이상과 같이 실시예 1에 의하면, 저온 시동 시에 있어서도 연료 전지의 열화 및 펌프(44)의 동결을 억제할 수 있으므로, 조기에 통상 운전 상태로 이행하는 것이 가능해진다.
또한 연료 전지(20)의 온도가 낮은 상태에서 수분이 연료 전지(20) 내에 유입되면 연료 전지(20) 내의 셀에 동결이 발생한다. 이 때문에, 도 2의 스텝 S24에 있어서, 펌프 제어부(16)는 수분이 연료 전지(20) 내로 유입되지 않을 정도의 순환 속도로 되는 회전수로 펌프(44)를 구동시키는 것이 바람직하다.
또한 스텝 S24에 있어서의 펌프(44)의 회전에 의한 순환 속도는 스텝 S30에 있어서의 순환 속도보다 저속도이며, 예를 들어 밸브(42)가 불량으로부터 정상으로 되기까지의 추정 시간으로부터 구해지는 질소 농축 상태가 허용 범위 내에 수용되는 순환 속도로 하는 것이 바람직하다. 질소 농축 상태를 허용 범위 내에 수용함으로써 수소 분압은, 예를 들어 80㎪ 이상을 유지한다.
또한 실시예 1에서는, 밸브(42)로부터의 배출이 정상이 아니고 또한 수온 T가 T1 이상 T2 미만인 경우에 펌프(44)를 저회전수로 구동시키는 것으로 하였다. 수온 T가 T1 이상 T2 미만인 경우, 연료 가스 경로 내에는 소정값 이상의 수증기가 확산되어 있다고 추정된다. 펌프(44)를 구동시킴으로써 펌프(44)의 동결을 억제할 수 있다. 단, 구성은 이에 한정되지 않는다. 즉, 수증기에 관한 파라미터로서는 수온 T 이외의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어 연료 가스 경로 내의 수증기량, 수증기 분압, 연료 전지(20)로부터 발생하는 수증기량 등이다. 이들 파라미터가 소정량 이상인 경우, 펌프(44)를 저회전수로 구동시킨다. 상기 파라미터를 측정하는 센서를 설치하고, CPU(10)가 센서로부터 이들 파라미터를 취득해도 된다. 또한 CPU(10)가, 예를 들어 수온 T나, 연료 전지(20)로부터 배출되는 가스의 온도를 취득하고, 이들 온도로부터 수증기에 관한 파라미터가 소정값 이상인지 판단해도 된다. 또한 파라미터는 복수 사용해도 되며, 상기의 것들 중 어느 하나를 사용해도 된다.
또한 실시예 1에서는, 밸브 개방 지시(배출의 지시)를 내린 때의 압력 P의 저하량으로부터 배기량을 추정하고, 추정 배기량과 목표 배기량을 비교함으로써 밸브(42)의 동작 불량을 검출했지만, 구성은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 압력 취득부(12)가 밸브 개방 지시 후의 압력 P를 취득하고, 그 압력 P가 소정의 압력 P1 이상인지 판단함으로써 밸브(42)의 동작 불량을 검출해도 된다. 역치로 되는 P1은 밸브(42)로부터의 배출이 정상이라고 추정되는 압력이다. 즉, 밸브(42)가 동결되어 있지 않으면 밸브 개방 지시에 의하여 밸브(42)가 개방되어, 밸브 개방 지시에 대하여 기대된 바와 같이 배기가 행해지고, 압력 P도 저하되어 P1 미만으로 된다. 한편, 밸브(42)가 동결되어 있으면 밸브(42)는 동작 불량의 상태에 있으며, 밸브 개방되지 않거나 또는 약간 밸브 개방된다. 이 때문에, 배기량이 기대되는 배기량보다 작아지고 압력 P는 P1 이상의 높은 값으로 된다. 또한 온도 센서(50)가 검출하는 수온 T가 소정의 역치(예를 들어 상기 T2) 이상이 된 경우에 밸브(42)의 동작이 정상이라고 판단해도 된다. 역치 T2는 밸브(42)의 동결이 해제되어 있다고 추정되는 온도이다.
또한 수증기 분압은 30 내지 40℃로부터 크게 상승하며, 이것에 의하여 연료 가스 경로 내 전체에 수증기가 확산되어 펌프(44)가 동결될 우려가 있다. 이 때문에 T1을 30 내지 40℃로 하는 것이 바람직하다. 수온 T가 T1 이상으로 된 때 펌프(44)가 구동됨으로써 펌프의 동결이 억제된다. 또한 온도 T1 및 T2는 상기 값으로부터 변경 가능하다.
온도 센서(50)는 냉매 유로(39)의 라디에이터(24)보다 상류측에 설치되는 것이 바람직하며, 특히 연료 전지(20)의 냉각수 출구 부근에 설치되는 것이 바람직하다. 냉각에 사용된 직후의 냉각수의 온도를 검출할 수 있기 때문이다.
또한 펌프(44) 이외에, 예를 들어 이젝터 등을 수소의 순환 기구로서 사용해도 된다. 이젝터를 사용하는 경우, CPU(10)는 수소 탱크(22)로부터의 수소 공급 속도, 이젝터의 개방도 등을 조정함으로써 순환 속도를 변화시킨다. 또한 밸브(42) 이외의 배출 기구를 사용해도 된다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명했지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지 범위 내에서 다양한 변형·변경이 가능하다.
10: CPU
12: 압력 취득부
14: 온도 취득부
16: 펌프 제어부
18: 밸브 제어부
20: 연료 전지
34: 연료 가스 공급 유로
35: 연료 가스 배출 유로
36: 순환 유로
40 내지 42: 밸브
44, 46: 펌프
50: 온도 센서

Claims (6)

  1. 연료 전지와,
    연료 공급원과,
    상기 연료 전지에 접속되고, 상기 연료 공급원으로부터 연료가 공급됨과 함께, 상기 연료 전지로부터 배출된 연료 가스의 일부가 순환되는 연료 가스 경로와,
    상기 연료 전지에 있어서의 반응 후의 상기 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 기구와,
    상기 연료 가스 경로에 설치되어 상기 연료 가스를 순환시키는 순환 기구와,
    제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니라고 판단한 경우에 상기 순환 기구에 의한 상기 연료 가스의 순환을 일단 정지시킴과 함께,
    상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니고 상기 연료 가스 경로 내의 수증기에 관한 파라미터가 소정값 이상이라고 판단한 경우에 제1 순환 속도로 상기 연료 가스의 순환이 행해지도록 상기 순환 기구를 구동시키고,
    상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이라고 판단한 경우에 제2 순환 속도로 상기 연료 가스의 순환이 행해지도록 상기 순환 기구를 구동시키며, 상기 제1 순환 속도가 상기 제2 순환 속도보다도 저속도인 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지를 냉각하는 냉매의 온도를 검출하는 온도 검출부를 갖고,
    상기 제어부는, 상기 온도 검출부에 의하여 검출된 상기 냉매의 온도가 제1 온도 이상인 경우에 상기 연료 가스 경로 내의 수증기에 관한 상기 파라미터가 소정값 이상이라고 판단하며, 상기 제1 온도보다 높은 온도인 제2 온도 미만인 경우에 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니라고 판단하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 가스 경로 내의 압력을 검출하는 압력 센서를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 배출 기구에 배출의 지시를 내린 때의 상기 연료 가스 경로 내의 밸브 개방 전후의 소정 시간에서의 압력의 저하량에 의하여, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상인지의 여부를 판단하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상으로 되기까지의 추정 시간으로부터 구해지는 질소 농축 상태가 허용 범위 내에 수용되도록 상기 제1 순환 속도를 결정하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배출 기구는 밸브이고,
    상기 순환 기구는 펌프이며,
    상기 제어부는 상기 펌프의 회전 속도를 제1 회전 속도로 함으로써 상기 제1 순환 속도로 하고, 상기 펌프의 회전 속도를 제2 회전 속도로 함으로써 상기 제2 순환 속도로 하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  6. 연료 전지와,
    연료 공급원과,
    상기 연료 전지에 접속되고, 상기 연료 공급원으로부터 연료가 공급됨과 함께, 상기 연료 전지로부터 배출된 연료 가스의 일부가 순환되는 연료 가스 경로와,
    상기 연료 전지에 있어서의 반응 후의 상기 연료 가스를 외부로 배출하는 배출 기구와,
    상기 연료 가스 경로에 설치되어 상기 연료 가스를 순환시키는 순환 기구와,
    상기 연료 전지를 냉각하는 냉매의 온도를 검출하는 온도 검출부와,
    제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니라고 판단한 경우에 상기 순환 기구에 의한 상기 연료 가스의 순환을 일단 정지시킴과 함께,
    상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이 아니고 상기 온도 검출부에 의하여 검출된 상기 냉매의 온도가 소정의 온도 이상이라고 판단한 경우에 제1 순환 속도로 상기 연료 가스의 순환이 행해지도록 상기 순환 기구를 구동시키고,
    상기 배출 기구로부터의 배출이 정상이라고 판단한 경우에 제2 순환 속도로 상기 연료 가스의 순환이 행해지도록 상기 순환 기구를 구동시키며, 상기 제1 순환 속도가 상기 제2 순환 속도보다도 저속도인 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
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