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KR101829509B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 Download PDF

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KR101829509B1
KR101829509B1 KR1020150153773A KR20150153773A KR101829509B1 KR 101829509 B1 KR101829509 B1 KR 101829509B1 KR 1020150153773 A KR1020150153773 A KR 1020150153773A KR 20150153773 A KR20150153773 A KR 20150153773A KR 101829509 B1 KR101829509 B1 KR 101829509B1
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fuel cell
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flow path
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마사시 도이다
요시아키 나가누마
도모히로 오가와
츠요시 마루오
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는, 저온 환경하에 있어서의 연료 전지 시스템의 기동성의 저하를 억제할 수 있는 기술을 제공하는 것이다. 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 연료 전지의 기동 시에, 상기 연료 전지의 온도를 취득하는 온도 취득 공정과, 상기 연료 전지의 온도가 소정의 값보다 낮은 경우에, 상기 연료 전지의 배기 가스의 유로의 적어도 일부를 구성하는 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량을, 상기 연료 전지의 온도가 상기 소정의 값 이상일 때와 비교하여 제한하는 배기 가스 제어 공정을 구비한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본원은, 2014년 11월 14일에 출원된 특허 출원 제2014-232071호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 전체가 참조에 의해 본원에 원용된다.
본 발명은 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
고체 고분자형 연료 전지(이하, 간단히 「연료 전지」라고도 칭함)에서는, 발전 반응에 의해, 내부에 다량의 수분이 생성되어 배출된다. 연료 전지 시스템에 있어서는, 영하 등의 저온 환경하에 있어서 시스템 내에 잔류하고 있는 수분의 동결에 의해 시스템의 기동성이 저하되어 버리는 것을 억제하기 위한 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2010-282823호 공보).
상기한 일본 특허 공개 제2010-282823호 공보의 기술에서는, 연료 전지 내부의 함수량을 구하고, 그 함수량에 따라, 연료 전지의 소기의 조건이나, 영하에서의 연료 전지의 기동 모드를 전환함으로써, 잔류 수분의 동결에 기인하는 시스템의 기동성의 저하를 억제하고 있다. 그러나, 본 발명의 발명자는, 저온 환경하에서는, 기동 전에 연료 전지에 잔류하고 있었던 수분으로 한정되지 않고, 기동 시에 연료 전지에 있어서 생성되는 수분의 동결에 의해서도 시스템의 기동성이 저하되어 버릴 가능성이 있는 것을 발견하였다. 저온 환경하에 있어서의 연료 전지 시스템의 기동성의 저하를 억제하는 기술에는, 여전히 개량의 여지가 있다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 있어서의 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 이하의 형태로 하여 실현하는 것이 가능하다.
[1] 본 발명의 제1 형태에 의하면, 연료 전지 시스템의 제어 방법이 제공된다. 이 제어 방법은, 온도 취득 공정과, 배기 가스 제어 공정을 구비해도 된다. 상기 온도 취득 공정은, 연료 전지의 기동 시에, 상기 연료 전지의 온도를 취득하는 공정이면 된다. 상기 배기 가스 제어 공정은, 상기 연료 전지의 온도가 소정의 값보다 낮은 경우에, 상기 연료 전지의 배기 가스의 유로의 적어도 일부를 구성하는 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량을 제한하는 공정이면 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템의 제어 방법에 의하면, 저온 환경하에 있어서 유로 구성부에 유입되는 배기 가스의 유량을, 상기 연료 전지의 온도가 상기 소정의 값 이상일 때와 비교하여 제한할 수 있기 때문에, 배기 가스에 포함되는 수증기에 의해 유로 구성부가 동결되어 버리는 것이 억제된다. 따라서, 저온 환경하에 있어서의 연료 전지 시스템의 기동성의 저하가 억제된다.
[2] 상기 형태의 제어 방법에 있어서, 상기 배기 가스 제어 공정은, 상기 배기 가스의 유량을 제한할 때에, 상기 연료 전지의 온도가 낮을수록 상기 배기 가스의 유량을 작게 설정하는 공정을 포함해도 된다. 이 형태의 제어 방법에 의하면, 배기 가스에 포함되는 수증기에 의한 유로 구성부의 동결이 더욱 억제된다.
[3] 상기 형태의 제어 방법에 있어서, 상기 배기 가스 제어 공정은, 상기 연료 전지의 온도의 계측값을 취득하고, 미리 준비된 상기 연료 전지의 온도와 상기 배기 가스의 유량의 허용값의 관계에 기초하여, 상기 연료 전지의 온도의 계측값에 대한 상기 허용값을 취득하고, 상기 배기 가스의 유량을 상기 허용값으로 설정하여 상기 배기 가스의 유량을 제한하는 공정을 포함하고, 상기 허용값은, 상기 연료 전지의 온도에 있어서의 상기 배기 가스에 포함되는 수증기의 양에 기초하여 결정된 값이면 된다. 이 형태의 제어 방법에 의하면, 배기 가스에 포함되는 수증기에 의한 유로 구성부의 동결이 더욱 억제된다.
[4] 상기 형태의 제어 방법은, 상기 배기 가스 제어 공정의 실행이 개시된 후에, 상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값을 취득하는 유로 구성부 온도 취득 공정과, 상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값이 소정의 값보다 커졌을 때에 상기 배기 가스의 유량의 제한을 해제하는 제한 해제 공정이 더 실행되어도 된다. 이 형태의 제어 방법에 의하면, 유로 구성부의 온도가 동결의 가능성이 낮은 온도로 되었을 때에, 배기 가스의 유량의 제한이 해제되도록 할 수 있기 때문에, 배기 가스의 유량의 제한에 의한 시스템 효율의 저하가 억제된다.
[5] 상기 형태의 제어 방법에 있어서, 상기 유로 구성부 온도 취득 공정은, 상기 배기 가스의 유량과, 상기 연료 전지의 온도에 기초하여, 상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값을 취득하는 공정이면 된다. 이 형태의 제어 방법에 의하면, 유로 구성부의 온도의 직접적인 계측을 생략할 수 있어, 효율적이다.
[6] 상기 형태의 제어 방법에 있어서, 상기 유로 구성부는, 상기 연료 전지에 상기 배기 가스를 순환시키는 순환 펌프를 포함하고, 상기 배기 가스 제어 공정은, 상기 순환 펌프의 회전수에 의해 상기 배기 가스의 유량을 제어하는 공정을 포함해도 된다. 이 형태의 제어 방법에 의하면, 저온 환경하에 있어서, 순환 펌프의 동결에 기인하여 연료 전지 시스템의 기동성이 저하되어 버리는 것이 억제된다.
[7] 본 발명의 제2 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 형태의 연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 온도 취득부와, 배기 가스 처리부와, 제어부를 구비해도 된다. 상기 온도 취득부는, 상기 연료 전지의 온도를 취득 가능하면 된다. 배기 가스 처리부는, 상기 연료 전지의 배기 가스 유로의 적어도 일부를 구성하는 유로 구성부를 갖고, 상기 배기 가스를 처리 가능하면 된다. 상기 제어부는, 상기 배기 가스 처리부를 제어 가능하면 된다. 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 기동 시에 있어서, 상기 연료 전지의 온도가 소정의 값보다 낮은 경우에, 상기 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량을, 상기 연료 전지의 온도가 상기 소정의 값 이상일 때와 비교하여 제한하는 유량 제한 제어를 실행해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 저온 환경하에 있어서 유로 구성부에 유입되는 배기 가스의 유량을 제한할 수 있기 때문에, 배기 가스에 포함되는 수증기에 의해 유로 구성부가 동결되어 버리는 것이 억제된다. 따라서, 저온 환경하에 있어서의 연료 전지 시스템의 기동성의 저하가 억제된다.
[8] 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 유량 제한 제어에 있어서 상기 배기 가스의 유량을 제한할 때에, 상기 연료 전지의 온도가 낮을수록 상기 배기 가스의 유량을 작게 설정해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 배기 가스에 포함되는 수증기에 의한 유로 구성부의 동결이 더욱 억제된다.
[9] 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 유량 제한 제어에 있어서, 상기 연료 전지의 온도의 계측값을 취득하고, 미리 준비된 상기 연료 전지의 온도와 상기 배기 가스의 유량의 허용값의 관계에 기초하여, 상기 연료 전지의 온도의 계측값에 대한 상기 허용값을 취득하고, 상기 배기 가스의 유량을 상기 허용값으로 설정해도 된다. 상기 허용값은, 상기 연료 전지의 온도에 있어서의 상기 배기 가스에 포함되는 수증기의 양에 기초하여 결정된 값이면 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 배기 가스에 포함되는 수증기에 의한 유로 구성부의 동결이 더욱 억제된다.
[10] 상기 형태의 연료 전지 시스템은, 상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값을 취득하는 유로 구성부 온도 취득부를 더 구비해도 된다. 상기 제어부는, 상기 유량 제한 제어에 있어서, 상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값이 소정의 값보다 커졌을 때에 상기 배기 가스의 유량의 제한을 해제해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 유로 구성부의 온도가 동결의 가능성이 낮은 온도로 되었을 때에, 배기 가스의 유량의 제한이 해제되도록 할 수 있기 때문에, 배기 가스의 유량의 제한에 의한 시스템 효율의 저하가 억제된다.
[11] 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로 구성부 온도 취득부는, 상기 배기 가스의 유량과, 상기 연료 전지의 온도에 기초하여, 상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값을 취득해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 유로 구성부의 온도를 직접적으로 계측하는 온도 계측부를 생략할 수 있어, 효율적이다.
[12] 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 배기 가스 처리부는, 상기 유로 구성부로서 순환 펌프를 구비하고, 상기 순환 펌프에 의해, 상기 배기 가스를 상기 연료 전지에 순환시켜도 된다. 상기 제어부는, 상기 순환 펌프의 회전수에 의해 상기 배기 가스의 유량을 제어해도 된다. 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 저온 환경하에 있어서, 순환 펌프의 동결에 기인하여 연료 전지 시스템의 기동성이 저하되어 버리는 것이 억제된다.
상술한 본 발명의 각 형태가 갖는 복수의 구성 요소는 전체가 필수적인 것은 아니고, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 또는, 본 명세서에 기재된 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절히, 상기 복수의 구성 요소의 일부의 구성 요소에 대해, 그 변경, 삭제, 새로운 다른 구성 요소와의 변경, 한정 내용의 일부 삭제를 행하는 것이 가능하다. 또한, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 또는, 본 명세서에 기재된 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 상술한 본 발명의 일 형태에 포함되는 기술적 특징의 일부 또는 전부를 상술한 본 발명의 다른 형태에 포함되는 기술적 특징의 일부 또는 전부와 조합하여, 본 발명의 독립된 일 형태로 하는 것도 가능하다.
본 발명은 연료 전지 시스템의 제어 방법이나 연료 전지 시스템 이외의 다양한 형태로 실현하는 것도 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 시스템을 탑재하는 이동체나, 연료 전지 시스템의 기동 방법, 순환 펌프의 제어 방법, 연료 전지의 배기 가스의 처리 방법, 그들 방법을 실현하는 컴퓨터 프로그램, 그 컴퓨터 프로그램을 기록한 일시적이지 않은 기록 매체 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 개략도.
도 2는 연료 전지 시스템의 기동 시에 있어서의 운전 제어의 플로우를 나타내는 설명도.
도 3은 배기 가스 제어의 플로우를 나타내는 설명도.
도 4는 펌프 회전수 맵의 일례를 나타내는 설명도.
도 5는 영하 기동 시에 있어서의 연료 전지의 온도와 수소 펌프의 온도의 시간 변화의 일례와, 수소 펌프의 회전수의 시간 변화의 일례를 나타내는 설명도.
도 6은 펌프 온도 취득 처리의 플로우를 나타내는 설명도.
도 7은 승온 속도 맵의 일례를 나타내는 설명도.
A. 실시 형태:
[연료 전지 시스템의 구성]
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템(100)의 구성을 도시하는 개략도이다. 이 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 차량에 탑재되고, 운전자로부터의 요구에 따라, 구동력으로서 사용되는 전력을 출력한다. 연료 전지 시스템(100)은 제어부(10)와, 연료 전지(20)와, 캐소드 가스 급배부(30)와, 애노드 가스 급배 순환부(50)와, 냉매 공급부(70)를 구비한다.
제어부(10)는 중앙 처리 장치와 주기억 장치를 구비하는 마이크로 컴퓨터에 의해 구성되고, 주기억 장치상에 프로그램을 읽어들여 실행함으로써, 다양한 기능을 발휘한다. 제어부(10)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 중에, 이하에 설명하는 각 구성부를 제어하여 연료 전지(20)의 운전 제어를 실행하고, 연료 전지(20)에 출력 요구에 따른 전력을 발전시킨다. 제어부(10)는, 또한 영하 근방의 저온 환경하에 있어서, 연료 전지(20)의 배기 가스에 포함되는 수증기의 동결에 기인하는 시스템 기동성의 저하를 억제하기 위한 배기 가스 제어를 실행하는 기능을 갖는다. 그 외에, 제어부(10)는 배기 가스 제어 시에 수소 펌프(64)의 온도를 나타내는 파라미터인 펌프 온도를 취득하는 펌프 온도 취득부(15)로서의 기능을 갖는다. 배기 가스 제어 및 배기 가스 제어 시에 펌프 온도 취득부(15)가 실행하는 처리에 대해서는 후술한다.
연료 전지(20)는 반응 가스로서 수소(애노드 가스)와 공기(캐소드 가스)의 공급을 받아 발전하는 고체 고분자형 연료 전지이다. 연료 전지(20)는 복수의 단셀(21)이 적층된 스택 구조를 갖는다. 각 단셀(21)은 각각이 단체이어도 발전 가능한 발전 요소이며, 전해질막의 양면에 전극을 배치한 발전체인 막전극 접합체와, 막전극 접합체를 사이에 끼우는 2매의 세퍼레이터(도시하지 않음)를 갖는다. 전해질막은, 내부에 수분을 포함한 습윤 상태일 때에 양호한 프로톤 전도성을 나타내는 고체 고분자 박막에 의해 구성된다.
캐소드 가스 급배부(30)는 연료 전지(20)에 캐소드 가스를 공급하는 기능과, 연료 전지(20)의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 배기 가스 및 배수를 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출하는 기능을 갖는다. 캐소드 가스 급배부(30)는 연료 전지(20)의 상류측에, 캐소드 가스 배관(31)과, 공기 압축기(32)와, 에어 플로우 미터(33)와, 개폐 밸브(34)를 구비한다. 캐소드 가스 배관(31)은 연료 전지(20)에 있어서의 캐소드측의 가스 유로의 입구에 접속되어 있다. 공기 압축기(32)는 캐소드 가스 배관(31)을 통해 연료 전지(20)에 접속되어 있고, 외기를 도입하여 압축한 공기를, 캐소드 가스로서 연료 전지(20)에 공급한다.
에어 플로우 미터(33)는, 공기 압축기(32)의 상류측에 있어서, 공기 압축기(32)가 도입하는 외기의 양을 계측하고, 제어부(10)에 송신한다. 제어부(10)는 이 계측값에 기초하여 공기 압축기(32)를 구동함으로써, 연료 전지(20)에 대한 공기의 공급량을 제어한다. 개폐 밸브(34)는 공기 압축기(32)와 연료 전지(20) 사이에 설치되어 있다. 개폐 밸브(34)는 통상 폐쇄된 상태이며, 공기 압축기(32)로부터 소정의 압력을 갖는 공기가 캐소드 가스 배관(31)에 공급되었을 때에 개방된다.
캐소드 가스 급배부(30)는 연료 전지(20)의 하류측에, 캐소드 배기 가스 배관(41)과, 압력 조절 밸브(43)와, 압력 계측부(44)를 구비한다. 캐소드 배기 가스 배관(41)은 연료 전지(20)에 있어서의 캐소드측의 가스 유로의 출구에 접속되어 있고, 캐소드 배기 가스 및 배수가 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출되도록 유도한다. 압력 조절 밸브(43)는 캐소드 배기 가스 배관(41)에 있어서의 캐소드 배기 가스의 압력인 연료 전지(20)의 캐소드측의 배압을 조정한다. 압력 계측부(44)는 압력 조절 밸브(43)의 상류측에 설치되어 있고, 캐소드 배기 가스의 압력을 계측하고, 그 계측값을 제어부(10)에 송신한다. 제어부(10)는 압력 계측부(44)의 계측값에 기초하여 압력 조절 밸브(43)의 개방도를 조정한다.
애노드 가스 급배 순환부(50)는 연료 전지(20)에 애노드 가스를 공급하는 기능을 갖는다. 또한, 애노드 가스 급배 순환부(50)는 연료 전지(20)의 애노드로부터 배출되는 애노드 배기 가스 및 배수를 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출하는 기능과, 애노드 가스를 연료 전지 시스템(100) 내에 있어서 순환시키는 기능을 갖는다. 애노드 가스 급배 순환부(50)는 본 발명에 있어서의 배기 가스 처리부의 하위 개념에 상당한다. 이하에서는, 애노드 가스 급배 순환부(50)에 있어서 애노드 배기 가스가 유입되고, 애노드 배기 가스의 유로를 구성하는 각 구성부를 「배기 가스 유로 구성부」라고도 칭한다. 구체적으로, 애노드 가스 급배 순환부(50)에 있어서의 배기 가스 유로 구성부에는, 이하에 설명하는 애노드 가스 급배 순환부(50)의 각 배관(51, 61, 63)이나 기액 분리부(62), 수소 펌프(64) 등이 포함된다. 또한, 애노드 가스 급배 순환부(50)에는, 가스 유로 구성부로서, 이하에 설명하는 것의 외에, 애노드 배기 가스가 유입되는 필터부나 밸브 등이 설치되어 있어도 된다.
애노드 가스 급배 순환부(50)는 연료 전지(20)의 상류측에, 애노드 가스 배관(51)과, 수소 탱크(52)와, 개폐 밸브(53)와, 레귤레이터(54)와, 수소 공급 장치(55)와, 압력 계측부(56)를 구비한다. 수소 탱크(52)에는, 연료 전지(20)에 공급하기 위한 고압 수소가 충전되어 있다. 수소 탱크(52)는 애노드 가스 배관(51)을 통해 연료 전지(20)에 있어서의 애노드측의 가스 유로의 입구에 접속되어 있다.
애노드 가스 배관(51)에는, 개폐 밸브(53)와, 레귤레이터(54)와, 수소 공급 장치(55)와, 압력 계측부(56)가 이 순서로, 상류측인 수소 탱크(52)측으로부터 설치되어 있다. 제어부(10)는 개폐 밸브(53)의 개폐를 제어함으로써, 수소 탱크(52)로부터 수소 공급 장치(55)의 상류측으로의 수소의 유입을 제어한다. 레귤레이터(54)는 수소 공급 장치(55)의 상류측에 있어서의 수소의 압력을 조정하기 위한 감압 밸브이며, 그 개방도가 제어부(10)에 의해 제어되어 있다. 수소 공급 장치(55)는, 예를 들어 전자기 구동식의 개폐 밸브인 인젝터에 의해 구성된다. 압력 계측부(56)는 수소 공급 장치(55)의 하류측의 수소의 압력을 계측하고, 제어부(10)에 송신한다. 제어부(10)는 압력 계측부(56)의 계측값에 기초하여, 수소 공급 장치(55)의 개폐 타이밍을 나타내는 구동 주기를 제어함으로써, 연료 전지(20)에 공급되는 수소량을 제어한다.
애노드 가스 급배 순환부(50)는 연료 전지(20)의 하류측에, 애노드 배기 가스 배관(61)과, 기액 분리부(62)와, 애노드 가스 순환 배관(63)과, 수소 펌프(64)와, 애노드 배수 배관(65)과, 배수 밸브(66)를 구비한다. 애노드 배기 가스 배관(61)은 연료 전지(20)의 애노드측의 출구와 기액 분리부(62)에 접속되어 있다.
기액 분리부(62)는 애노드 가스 순환 배관(63)과, 애노드 배수 배관(65)에 접속되어 있다. 애노드 배기 가스 배관(61)을 통해 기액 분리부(62)에 유입된 애노드 배기 가스는, 기액 분리부(62)에 의해 기체 성분과 수분으로 분리된다. 기액 분리부(62) 내에 있어서, 애노드 배기 가스의 기체 성분은 애노드 가스 순환 배관(63)으로 유도되고, 수분은 애노드 배수 배관(65)으로 유도된다.
애노드 가스 순환 배관(63)은 애노드 가스 배관(51)의 수소 공급 장치(55)보다 하류에 접속되어 있다. 애노드 가스 순환 배관(63)에는, 수소 펌프(64)가 설치되어 있다. 수소 펌프(64)는 기액 분리부(62)에 있어서 분리된 기체 성분에 포함되는 수소를 애노드 가스 배관(51)으로 송출하는 순환 펌프로서 기능한다. 수소 펌프(64)는 인코더(64e)를 구비하고 있다. 제어부(10)는 인코더(64e)에 의해 구동 중의 수소 펌프(64)의 회전수의 실측값을 취득 가능하다. 제어부(10)는 수소 펌프(64)의 목표 회전수와 회전수의 실측값에 기초하여, 수소 펌프(64)의 회전수를 피드백 제어한다. 또한, 제어부(10)의 펌프 온도 취득부(15)는 수소 펌프(64)의 회전수의 실측값을, 펌프 온도의 취득에 사용한다(후술).
애노드 배수 배관(65)에는 배수 밸브(66)가 설치되어 있다. 배수 밸브(66)는 제어부(10)로부터의 지령에 따라 개폐된다. 제어부(10)는 통상 배수 밸브(66)를 폐쇄해 두고, 미리 설정된 소정의 배수 타이밍이나, 애노드 배기 가스 중의 불활성 가스의 배출 타이밍에서 배수 밸브(66)를 개방한다. 애노드 배수 배관(65)의 하류 단부는, 애노드측의 배수와 애노드 배기 가스를, 캐소드측의 배수와 캐소드 배기 가스에 혼합하여 배출 가능하도록, 캐소드 배기 가스 배관(41)에 합류되어 있다(도시는 생략).
냉매 공급부(70)는 냉매용 배관(71)과, 라디에이터(72)와, 순환 펌프(75)와, 2개의 온도 계측부(76a, 76b)를 구비한다. 냉매용 배관(71)은 연료 전지(20)를 냉각하기 위한 냉매를 순환시키기 위한 배관이며, 상류측 배관(71a)과, 하류측 배관(71b)으로 구성된다. 상류측 배관(71a)은 연료 전지(20) 내의 냉매 유로의 출구와 라디에이터(72)의 입구를 접속한다. 하류측 배관(71b)은, 연료 전지(20) 내의 냉매 유로의 입구와 라디에이터(72)의 출구를 접속한다.
라디에이터(72)는 외기를 도입하는 팬을 갖고, 냉매용 배관(71)의 냉매와 외기 사이에서 열교환시킴으로써, 냉매를 냉각한다. 순환 펌프(75)는 하류측 배관(71b)에 설치되어 있고, 제어부(10)의 지령에 기초하여 구동한다. 냉매는, 순환 펌프(75)의 구동력에 의해 냉매용 배관(71) 내를 흐른다.
제1 온도 계측부(76a)는 상류측 배관(71a)에 설치되고, 제2 온도 계측부(76b)는 하류측 배관(71b)에 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 제어부(10)는 2개의 온도 계측부(76a, 76b)에 의해 각 배관(71a, 71b)에 있어서의 냉매 온도를 검출하고, 각 배관(71a, 71b)의 냉매 온도로부터 연료 전지(20)의 온도를 검출한다. 제어부(10)는 연료 전지(20)의 온도에 기초하여 순환 펌프(75)의 회전수를 제어함으로써, 연료 전지(20)의 온도를 제어한다. 2개의 온도 계측부(76a, 76b)에 의해 취득되는 연료 전지(20)의 온도는, 제어부(10)에 의한 배기 가스 제어나, 펌프 온도 취득부(15)에 의한 펌프 온도의 취득에 사용된다(후술). 2개의 온도 계측부(76a, 76b)는, 본 발명에 있어서의 온도 검출부의 하위 개념에 상당한다. 단, 제2 온도 계측부(76b)는 생략되어도 되고, 제1 온도 계측부(76a)의 계측값에 의해서만 연료 전지(20)의 온도가 검출되어도 된다.
그 외에, 연료 전지 시스템(100)은 2차 전지와, DC/DC 컨버터를 구비한다(도시는 생략). 2차 전지는, 연료 전지(20)가 출력하는 전력이나 회생 전력을 축전 하고, 연료 전지(20)와 함께 전력원으로서 기능한다. DC/DC 컨버터는, 2차 전지의 충방전이나 연료 전지(20)의 출력 전압을 제어할 수 있다.
[연료 전지 시스템의 기동 시의 운전 제어]
도 2는 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 있어서의 운전 제어의 플로우를 나타내는 설명도이다. 연료 전지 시스템(100)은 운전자에 의해 연료 전지 차량의이그니션 온의 조작이 이루어졌을 때에 기동한다. 제어부(10)는 연료 전지 시스템(100)이 기동하면, 캐소드 가스 급배부(30)와 애노드 가스 급배 순환부(50)에 연료 전지(20)에 대한 반응 가스의 공급을 개시시킴으로써 연료 전지(20)에 발전을 개시시킴과 함께, 이하의 운전 제어를 실행한다.
스텝 S10에서는, 제어부(10)는 냉매 공급부(70)의 2개의 온도 계측부(76a, 76b)의 계측 결과에 기초하여 연료 전지(20)의 현재의 온도, 즉, 연료 전지(20)의 시동 시의 온도(시동 온도)를 취득한다. 제어부(10)는 연료 전지(20)의 시동 온도가 소정의 제1 역치 온도(예를 들어, 5∼10℃)보다 높은 경우에는, 연료 전지(20)의 난기는 필요없는 것으로 하여, 그대로 통상의 운전 제어로 이행한다(스텝 S20의 "아니오"의 화살표). 제1 역치 온도는, 연료 전지(20) 내의 수분이 동결되어 있을 가능성이 있는 빙점에 가까운 온도로서 실험적으로 미리 결정된 온도이면 된다.
한편, 연료 전지(20)의 시동 온도가 소정의 제1 역치 온도 이하인 경우에는, 스텝 S20의 "예"의 화살표로 나타내어져 있는 바와 같이, 제어부(10)는 연료 전지(20)의 난기가 필요한 것으로 하여, 연료 전지(20)의 난기 운전을 개시한다(스텝 S30). 연료 전지(20)의 난기 운전에서는, 제어부(10)는 연료 전지(20)에 대한 캐소드 가스의 공급량을 애노드 가스의 공급량에 대해 저하시킨다. 이에 의해, 연료 전지(20)의 발전 효율이 저하되어, 연료 전지(20)의 발열량이 증대하기 때문에, 연료 전지(20)의 신속한 승온이 가능해진다.
난기 운전 시에는, 제어부(10)는 수소 펌프(64)를 후술하는 배기 가스 제어에 있어서 상정되는 최소 회전수보다도 작은 회전수로 구동한다. 이때의 회전수는, 난기 운전 시에 발생하는 애노드측의 수분을 수소 펌프(64)보다도 하류측으로 이동시킬 수 있는 정도의 회전수이면 된다. 이에 의해, 난기 운전 중에 배수가 체류되어 동결되어 버리는 것이 억제된다. 제어부(10)는 연료 전지(20)의 온도가 소정의 온도(예를 들어, 45∼55℃ 정도의 온도)에 도달할 때까지, 스텝 S30의 난기 운전을 계속한다.
스텝 S40에서는, 제어부(10)는 스텝 S10에 있어서 취득한 연료 전지(20)의 시동 온도가, 제1 역치 온도보다도 낮은 소정의 제2 역치 온도(예를 들어 0∼5℃) 이하인지의 여부를 판정한다. 제2 역치 온도는, 난기 운전 후에 애노드 가스 급배 순환부(50)에 있어서의 배기 가스 유로 구성부의 온도가 빙점 이하인 상태의 가능성이 있는 온도로서 미리 실험적으로 구해진 온도이면 된다. 스텝 S40의 판정 처리는, 스텝 S30의 난기 운전 전에 실행되어 있어도 된다.
제어부(10)는 연료 전지(20)의 시동 온도가 제2 역치 온도보다 높았던 경우에는, 연료 전지(20)의 난기 운전이 종료된 후, 그대로 통상의 운전 제어로 이행한다(스텝 S40의 "아니오"). 한편, 연료 전지(20)의 온도가 제2 역치 온도 이하이었던 경우에는(스텝 S40의 "예"), 제어부(10)는 연료 전지(20)의 난기 운전을 계속하면서, 이하에 설명하는 배기 가스 제어를 개시한다(스텝 S50).
도 3은 배기 가스 제어의 플로우를 나타내는 설명도이다. 스텝 S110에서는, 제어부(10)는 냉매 공급부(70)의 2개의 온도 계측부(76a, 76b)의 계측값에 기초하여 연료 전지(20)의 시동 온도를, 애노드 가스 급배 순환부(50)에 있어서의 배기 가스 유로 구성부의 연료 전지 시스템(100)의 시동 시에 있어서의 온도를 나타내는 온도로서 취득한다. 제어부(10)는 스텝 S10(도 2)에 있어서 취득한 연료 전지(20)의 시동 온도를 그대로 사용해도 된다. 스텝 S110은, 본 발명에 있어서의 온도 취득 공정의 하위 개념에 상당한다. 스텝 S120에서는, 제어부(10)는 미리 준비된 맵을 참조하여, 스텝 S110에서 취득한 연료 전지(20)의 시동 온도에 기초하여 수소 펌프(64)의 목표 회전수를 결정한다.
도 4는 스텝 S120에 있어서 수소 펌프(64)의 회전수를 결정하기 위해 사용되는 맵의 일례를 나타내는 설명도이다. 이 맵(16)[이하, 「펌프 회전수 맵(16)」이라고 칭함]에는, 연료 전지(20)의 시동 온도가 높을수록 수소 펌프(64)의 목표 회전수가 계단 형상으로 높아지는 관계가 설정되어 있다. 펌프 회전수 맵(16)에 있어서, 연료 전지(20)의 시동 온도에 대한 수소 펌프(64)의 목표 회전수는 이하와 같이 결정된 값이다.
도 5의 상단에는, 영하에 있어서 연료 전지 시스템(100)을 기동시키고, 연료 전지(20)에 난기 운전시켰을 때의 연료 전지(20)의 온도와 수소 펌프(64)의 온도의 시간 변화를 나타내는 그래프가 예시되어 있다. 실선 그래프 GFC가 연료 전지(20)의 온도의 시간 변화를 나타내고, 파선 그래프 GHP가 수소 펌프(64)의 온도의 시간 변화를 나타내고 있다.
영하에서 잠시 방치되어 있었던 연료 전지 시스템(100)의 기동 시(시각 ts)에는, 연료 전지(20)의 온도와 수소 펌프(64)의 온도는 거의 동일하고, 수소 펌프(64)는 동결되어 있을 가능성이 있다. 연료 전지(20)의 난기 운전이 개시되면, 동결되어 있는 수소 펌프(64)는 연료 전지(20)로부터 배출되는 애노드 배기 가스에 포함되는 수증기로부터의 수열에 의해 승온하고, 해동된다. 단, 수소 펌프(64)는 연료 전지(20)보다도 지연되어 승온하고, 난기 운전에 의해 연료 전지(20)의 온도가 약 50℃ 정도일 때에 겨우 빙점을 초과한다.
수소 펌프(64)의 내부 온도가 빙점 이하일 때에, 수소 펌프(64)에 다량의 수증기가 유입되어 버리면, 수소 펌프(64) 내에 있어서 수증기가 응축되어 동결되고, 수소 펌프(64)의 로터의 고착이 발생해 버릴 가능성이 있다. 또한, 수소 펌프(64) 이외의 배기 가스 유로 구성부에 있어서도 수증기의 동결에 의해, 필터의 막힘이나 밸브의 고착, 배기 가스 유로의 폐색 등이 발생해 버릴 가능성이 있다. 애노드 배기 가스에 포함되는 수증기량은, 연료 전지(20)의 온도에 대한 포화 수증기량에 의해 결정되고, 애노드 배기 가스의 유량은 수소 펌프(64)의 회전수에 의해 결정된다. 즉, 수소 펌프(64)에 유입되는 수증기량은, 연료 전지(20)의 온도와, 수소 펌프(64)의 회전수에 의해 결정된다.
본 실시 형태의 펌프 회전수 맵(16)(도 4)에서는, 연료 전지(20)의 시동 온도에 대해, 수소 펌프(64) 내에 있어서 수증기의 동결이 발생하는 일 없이, 수소 펌프(64)의 승온이 가능한 수증기의 유입량이 얻어지는 수소 펌프(64)의 회전수의 허용값이 설정되어 있다. 따라서, 펌프 회전수 맵(16)에 기초하여 얻어진 목표 회전수로 수소 펌프(64)를 구동하면, 수소 펌프(64)의 해동에 필요한 열량이 애노드 배기 가스에 포함되는 수증기로부터 얻어짐과 함께, 당해 수증기의 수소 펌프(64) 내에서의 동결이 억제된다.
스텝 S130(도 3)에서는, 제어부(10)는 펌프 회전수 맵(16)에 의해 연료 전지(20)의 시동 온도 TFC에 대해 결정된 수소 펌프(64)의 목표 회전수 PR에서의 수소 펌프(64)의 구동을 개시한다. 목표 회전수 PR은, 통상의 운전 제어에 있어서의 수소 펌프(64)의 회전수보다 낮은 값이다. 따라서, 목표 회전수 PR로 수소 펌프(64)가 구동되어 있는 동안에는, 연료 전지(20)로부터 수소 펌프(64)를 포함하는 애노드 가스 급배 순환부(50)에 있어서의 배기 가스 유로 구성부에 유입되는 애노드 배기 가스의 유량이 제한되어 있다고 해석할 수 있다. 즉, 스텝 S120, S130의 공정은, 본 발명에 있어서의 배기 가스 제어 공정의 하위 개념에 상당하고, 본 실시 형태의 배기 가스 제어는, 본 발명에 있어서의 배기 가스 제어 공정 및 유량 제한 제어의 하위 개념에 상당한다.
스텝 S140에서는, 펌프 온도 취득부(15)가 현재의 연료 전지(20)의 온도와, 현재의 수소 펌프(64)의 회전수의 실측값에 기초하여, 현재의 수소 펌프(64)의 온도의 추정값인 펌프 온도를 펌프 온도 취득 처리(후술)에 의해 산출한다. 제어부(10)는 펌프 온도 취득부(15)에 의해 얻어지는 펌프 온도가 빙점보다 높아질 때까지, 목표 회전수 PR에서의 수소 펌프(64)의 구동을 계속한다(스텝 S150의 "아니오"). 목표 회전수 PR에서의 수소 펌프(64)의 구동이 계속되어 있는 동안에는, 스텝 S140의 펌프 온도 취득부(15)에 의한 펌프 온도 취득 처리가 소정의 제어 주기로 반복되고, 펌프 온도가 순차적으로 갱신된다.
제어부(10)는 펌프 온도가 빙점보다 높아진 경우에는(스텝 S150의 "예"), 수소 펌프(64)의 목표 회전수 PR에서의 구동을 종료한다(스텝 S160). 즉, 제어부(10)는 수소 펌프(64)의 회전수의 제한을 해제하고, 수소 펌프(64)의 회전수를 통상의 운전 제어에 있어서의 회전수로 복귀시킨다. 스텝 S160이 본 발명에 있어서의 제한 해제 공정의 하위 개념에 상당한다.
도 5의 하단에는, 저온 환경하에서의 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에 있어서의 수소 펌프(64)의 회전수의 시간 변화를 나타내는 그래프의 일례가 나타내어져 있다. 도 5의 하단의 그래프의 시간축은, 상술한 상단의 그래프의 시간축과 대응하고 있다. 시각 ts에 있어서 연료 전지 시스템(100)이 기동되고, 난기 운전이 개시된 경우에는, 제어부(10)는 수소 펌프(64)를 배기 가스 제어의 실행 중이나 통상의 운전 시보다도 낮은 회전수 Ra로 구동한다. 시각 ta에 있어서, 연료 전지(20)의 온도가 난기 운전의 종료 역치 Thw에 도달하고, 배기 가스 제어로 이행한 경우에는, 제어부(10)는 수소 펌프(64)를 통상의 운전 시보다도 낮은 회전수 Rb로 구동한다. 시각 tb에 있어서 수소 펌프(64)의 온도가 빙점을 돌파하고, 배기 가스 제어를 종료하여 통상의 운전 제어로 이행한 후에는, 제어부(10)는 수소 펌프(64)를 소정의 회전수 Rc로 구동한다.
이와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 수소 펌프(64)의 온도가 빙점을 초과할 때까지, 수소 펌프(64)의 회전수가 제한되고, 수소 펌프(64)나 다른 배기 가스 유로 구성부에의 수증기의 유입량이 제한된다. 따라서, 수증기의 동결에 의한 수소 펌프(64)의 고착을 비롯해, 배기 가스 유로 구성부에 있어서의 배기 가스 유로의 폐색 등의 수증기의 동결에 기인하는 문제의 발생이 억제된다. 또한, 수소 펌프(64)의 온도가 빙점을 초과한 경우에는, 바로 수소 펌프(64)의 회전수의 제한이 해제되기 때문에, 수소 펌프(64)의 회전수가 제한되어 있는 것에 의한 시스템 효율의 저하가 억제된다.
도 6은 펌프 온도 취득부(15)가 실행하는 펌프 온도 취득 처리의 플로우를 도시하는 설명도이다. 상술한 바와 같이, 펌프 온도 취득 처리는, 수소 펌프(64)의 회전수가 제한되어 있는 동안에 소정의 제어 주기로 반복된다. 펌프 온도 취득 처리는, 본 발명에 있어서의 유로 구성부 온도 취득 공정의 하위 개념에 상당하고, 펌프 온도 취득부(15)는 본 발명에 있어서의 유로 구성부 온도 취득부의 하위 개념에 상당한다.
스텝 S210에서는, 펌프 온도 취득부(15)는 기억부(도시는 생략)에 저장한 전회값 TPp를 읽어들이고, 취득한다. 펌프 온도 취득 처리의 실행이 첫회인 경우에는, 펌프 온도 취득부(15)는 전회값 TPp의 초기값으로서, 도 3의 스텝 S110에서 취득한 연료 전지(20)의 온도를 읽어들인다. 전회값 TPp의 초기값으로서는, 저온 환경하에서 방치되어 있을 때의 연료 전지(20)의 온도 변화와 수소 펌프(64)의 온도 변화의 대응 관계를 실험 등에 의해 미리 얻어 두고, 그 대응 관계에 기초하여 얻어지는 값이 사용되어도 된다.
스텝 S220에서는, 펌프 온도 취득부(15)는 냉매 공급부(70)의 2개의 온도 계측부(76a, 76b)의 계측값에 기초하여, 현재의 연료 전지(20)의 온도 TC를 취득한다. 스텝 S230에서는, 펌프 온도 취득부(15)는 수소 펌프(64)의 인코더(64e)에 의해, 현재의 수소 펌프(64)의 회전수 RC를 취득한다.
스텝 S240에서는, 펌프 온도 취득부(15)는 미리 준비되어 있는 맵을 사용하여, 현재의 연료 전지(20)의 온도 TC와, 현재의 수소 펌프(64)의 회전수 RC에 기초하여, 수소 펌프(64)의 승온 속도 VTP를 취득한다. 「수소 펌프(64)의 승온 속도 」란, 단위 시간당 수소 펌프(64)의 승온량이다.
도 7은 스텝 S240에 있어서 수소 펌프(64)의 승온 속도 VTP의 취득에 사용되는 맵의 일례를 개념적으로 나타내는 설명도이다. 이 맵(18)[이하, 「승온 속도 맵(18)」이라고 칭함]은 수소 펌프(64)의 회전수마다, 연료 전지(20)의 온도가 높을수록 수소 펌프(64)의 승온 속도가 높아지는 관계가 설정되어 있다.
본 실시 형태에서는, 승온 속도 맵(18)에 있어서의 수소 펌프(64)의 승온 속도는, 수소 펌프(64)의 회전수에 의해 결정되는 애노드 배기 가스의 유량과, 포화 수증기량의 수증기를 포함하는 애노드 배기 가스로부터의 수소 펌프(64)의 수열량에 기초하여 산출되는 값이다. 제어부(10)는 현재의 수소 펌프(64)의 회전수 RC에 대응하는 연료 전지(20)의 온도와 수소 펌프(64)의 승온 속도의 관계에 기초하여, 현재의 연료 전지(20)의 온도 TC에 대한 수소 펌프(64)의 승온 속도 VTP를 취득한다.
스텝 S250(도 6)에서는, 펌프 온도 취득부(15)는 수소 펌프(64)의 승온 속도 VTP에 제어 주기에 상당하는 미소 시간 Δt를 승산하고, 전회값 TPp를 가산함으로써, 펌프 온도의 금회값 TPc를 산출한다[하기 (A)식].
[식 (A)]
TPc＝TPp＋VTP×Δt…(A)
스텝 S260에서는, 펌프 온도 취득부(15)는 금회값 TPc를 기억부에 저장한다. 펌프 온도 취득부(15)는 기억부에 저장된 금회값 TPc를, 다음 주기의 펌프 온도 취득 처리의 스텝 S210에 있어서 전회값 TPp로서 읽어들인다.
본 실시 형태의 펌프 온도 취득 처리에 의하면, 연료 전지(20)의 온도와 수소 펌프(64)의 회전수에 기초하여, 현재의 수소 펌프(64)의 온도를 나타내는 펌프 온도가, 간이한 계산에 의해, 고정밀도로 산출된다. 따라서, 수소 펌프(64)의 온도를 직접 측정하기 위한 온도 센서나 측정 공정을 생략할 수 있어, 효율적이다.
[정리]
이상과 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 저온 환경하에서의 기동 시에, 수소 펌프(64)를 포함하는 애노드 가스 급배 순환부(50)에 있어서의 배기 가스 유로 구성부에 대한 과잉의 수증기의 유입이 억제된다. 따라서, 배기 가스 유로 구성부에 있어서의 수증기의 동결에 기인하는 문제의 발생이 억제된다. 또한, 수소 펌프(64)를 비롯한 배기 가스 유로 구성부의 해동이 가능한 정도의 수증기의 유입량이 확보되기 때문에, 수소 펌프(64)의 기동성이 확보됨과 함께 애노드 가스 급배 순환부(50)의 기동성이 확보된다. 따라서, 저온 환경하에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 기동성의 저하가 억제된다.
B. 변형예:
B1. 변형예 1:
상기 실시 형태에서는, 펌프 회전수 맵(16)에 기초하여, 연료 전지(20)의 온도에 대한 수소 펌프(64)의 목표 회전수를 결정하고 있다. 이에 대해, 수소 펌프(64)의 목표 회전수는, 펌프 회전수 맵(16)에 기초하여 결정되지 않아도 된다. 수소 펌프(64)의 목표 회전수는, 애노드 가스 급배 순환부(50)에 있어서의 배기 가스 유로 구성부에 유입되는 배기 가스의 유량이, 통상의 운전 시보다도 제한되도록 설정되면 된다. 수소 펌프(64)의 목표 회전수는, 연료 전지(20)의 온도에 따라 설정되지 않아도 되고, 연료 전지(20)의 온도에 관계없이, 통상의 운전 제어 시보다도 낮은 소정의 회전수로 설정되어도 된다. 또한, 펌프 회전수 맵(16)에는, 도 4와 같이, 연료 전지(20)의 온도가 클수록, 수소 펌프(64)의 목표 회전수가 계단 형상으로 증가하는 관계가 설정되어 있지 않아도 되고, 연료 전지(20)의 온도에 대해 수소 펌프(64)의 목표 회전수가 직선 형상이나 곡선 형상으로 변화되는 관계가 설정되어 있어도 된다.
B2. 변형예 2:
상기 실시 형태의 배기 가스 제어에서는, 애노드 가스 급배 순환부(50)에 있어서의 배기 가스 유로 구성부에 대한 애노드 배기 가스의 유입량이 제한되어 있다. 이에 대해, 배기 가스 제어에서는, 캐소드 가스 급배부(30)에 있어서의 캐소드 배기 가스의 유로를 구성하는 배기 가스 유로 구성부에 대해 캐소드 배기 가스의 유입량이 제한되어도 된다.
B3. 변형예 3:
상기 실시 형태의 배기 가스 제어에서는, 수소 펌프(64)의 회전수에 의해 배기 가스 유로 구성부에 유입되는 애노드 배기 가스의 유량이 조정되어 있다. 이에 대해, 배기 가스 유로 구성부에 유입되는 애노드 배기 가스의 유량은, 수소 펌프(64)의 회전수에 의해 조정되어 있지 않아도 된다. 배기 가스 유로 구성부에 유입되는 애노드 배기 가스의 유량은, 압력 조절 밸브 등의 밸브에 의해 조정되어도 되고, 애노드 배기 가스의 일부를 이 외에 분기시킴으로써 조정되어도 된다. 또한, 배기 가스 제어에서는, 연료 전지(20)의 온도의 상승을 제한함으로써, 배기 가스 유로 구성부에 애노드 배기 가스와 함께 유입되는 수증기량이 제한되어도 된다. 구체적으로는, 냉매 공급부(70)의 냉매 유로에 설치되어 있는 로터리 밸브 등의 밸브의 개방도를 제어하여, 연료 전지(20)의 운전 온도를 통상의 운전 온도보다도 낮은 값으로 제한한다. 예를 들어, 통상의 운전 온도가 80℃ 정도인 경우에는, 그 8∼9할 정도의 온도, 즉, 60∼70℃ 정도로 제한한다. 이에 의해, 배기 가스의 온도가 저하되고, 배기 가스의 수증기 분압을 저하시킬 수 있다. 따라서, 배기 가스 유로 구성부에 유입되는 수증기량을 제한할 수 있어, 상기한 각 실시 형태에서 설명한 배기 가스 제어와 마찬가지로, 수증기에 의한 배기 가스 유로 구성부의 동결을 억제할 수 있다. 이 연료 전지(20)의 운전 온도를 제한하는 처리는, 상기 실시 형태의 배기 가스 제어에 있어서, 수소 펌프(64)의 회전수를 제한하는 처리에 조합하여 실행하는 것도 가능하다. 이에 의해, 배기 가스 유로 구성부의 동결이 보다 효과적으로 억제된다.
B4. 변형예 4:
상기 실시 형태에서는, 순차적으로 실행되는 펌프 온도 취득 처리에 의해, 수소 펌프(64)의 온도를 나타내는 펌프 온도가 취득되어 있다. 이에 대해, 수소 펌프(64)의 온도를 나타내는 펌프 온도는, 수소 펌프(64)의 온도를 온도 센서 등에 의해 직접적으로 계측함으로써 취득되어도 된다. 또는, 펌프 온도는, 미리 준비된 연료 전지(20)의 온도와 펌프 온도의 관계에 기초하는 맵을 사용하여, 펌프 온도 취득 처리가 실행될 때마다, 새롭게 취득되어도 된다.
B5. 변형예 5:
상기 실시 형태에서는, 연료 전지(20)의 온도가 제2 역치 온도 이하일 때에, 배기 가스 제어가 실행되어 있다(도 2의 스텝 S40). 이에 대해, 연료 전지(20)의 온도가 제2 역치 온도 이하가 아닐 때라도 배기 가스 제어의 실행이 개시되어도 된다.
B6. 변형예 6:
상기 실시 형태에서는, 펌프 온도가 빙점을 돌파하였을 때에, 수소 펌프(64)의 회전수의 제한이 해제되어 있다. 이에 대해, 펌프 온도가 다른 온도에 도달하였을 때에, 수소 펌프(64)의 회전수의 제한이 해제되어도 된다. 제어부(10)는 펌프 온도에 상관없이, 예를 들어 소정의 시간이 경과하였을 때에, 수소 펌프(64)의 회전수의 제한을 해제해도 된다.
B7. 변형예 7:
상기 실시 형태에서는, 연료 전지(20)의 난기 운전이 실행되어 있을 때에, 평행하여 배기 가스 제어가 실행되어 있다. 이에 대해, 연료 전지(20)의 난기 운전은 생략되어도 되고, 저온 환경하에서는, 배기 가스 제어만이 실행되어도 된다.
B8. 변형예 8:
상기 실시 형태의 배기 가스 제어는, 연료 전지 시스템(100)에 있어서, 애노드 배기 가스를 순환·배출하는 처리를 행하는 애노드 가스 급배 순환부(50)를 제어 대상으로 하여 실행되어 있다. 이에 대해, 배기 가스 제어는, 연료 전지(20)의 배기 가스에 대해 순환·배출 이외의 처리를 행하는 배기 가스 처리부를 제어 대상으로 하여 실행되어도 된다. 배기 가스 제어는, 예를 들어 연료 전지(20)의 배기 가스로부터 수소를 분리하는 처리를 실행하는 배기 가스 처리부에 대해 실행되어도 된다.
본 발명은 상술한 실시 형태나 실시예, 변형예로 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 개요의 란에 기재된 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 실시예, 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 또는, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절히, 변경이나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히, 삭제하는 것이 가능하다. 또한, 상기한 각 실시 형태 및 변형예에 있어서, 소프트웨어에 의해 실현되어 있는 기능 및 처리의 일부 또는 전부는, 하드웨어에 의해 실현되어도 된다. 또한, 하드웨어에 의해 실현되어 있는 기능 및 처리의 일부 또는 전부는, 소프트웨어에 의해 실현되어도 된다. 하드웨어로서는, 예를 들어 집적 회로, 디스크리트 회로, 그들 회로를 조합한 회로 모듈 등, 각종 회로를 사용할 수 있다.
10 : 제어부
15 : 펌프 온도 취득부
16 : 펌프 회전수 맵
18 : 승온 속도 맵
20 : 연료 전지
30 : 캐소드 가스 급배부
31 : 캐소드 가스 배관
32 : 공기 압축기
33 : 에어 플로우 미터
34 : 개폐 밸브
41 : 캐소드 배기 가스 배관
43 : 압력 조절 밸브
44 : 압력 계측부
50 : 애노드 가스 급배 순환부
51 : 애노드 가스 배관
52 : 수소 탱크
53 : 개폐 밸브
54 : 레귤레이터
55 : 수소 공급 장치
56 : 압력 계측부
61 : 애노드 배기 가스 배관
62 : 기액 분리부
63 : 애노드 가스 순환 배관
64 : 수소 펌프
64e : 인코더
65 : 애노드 배수 배관
66 : 배수 밸브
70 : 냉매 공급부
71(71a, 71b) : 냉매용 배관
72 : 라디에이터
75 : 순환 펌프
76a, 76b : 온도 계측부

Claims (14)

  1. 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    연료 전지의 기동 시에, 상기 연료 전지의 시동 온도를 취득하는 온도 취득 공정과,
    상기 시동온도가 미리 정해진 제1 역치 온도 이하일 때, 상기 연료 전지의 통상 운전 때보다도 상기 연료 전지의 발열량을 증대시키는 난기 운전을 시작하는 난기 운전 개시 공정과,
    상기 시동 온도가 상기 제1 역치 온도보다도 낮은 미리 정해진 제2 역치 온도 이하일 경우에는, 상기 난기 운전에 있어서 상기 연료 전지의 온도가 미리 정해진 온도에 도달한 이후에, 상기 연료 전지의 배기 가스의 유로의 적어도 일부를 구성하는 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량을, 상기 연료 전지의 통상 운전 때보다도 제한하고, 상기 유로 구성부의 온도가 상승하는 유량으로 제어하는 배기 가스 제어 공정을 구비하는, 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 가스 제어 공정은, 상기 시동 온도가 낮을수록 상기 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량이 작게 하는 공정을 포함하는, 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배기 가스 제어 공정은,
    상기 연료 전지의 온도의 계측값을 취득하고,
    미리 준비된 상기 연료 전지의 온도와 상기 배기 가스의 유량의 허용값의 관계에 기초하여, 상기 시동 온도의 계측값에 대한 상기 허용값을 취득하고,
    상기 배기 가스의 유량을 상기 허용값으로 설정하여 상기 배기 가스의 유량을 제한하는 공정을 포함하고,
    상기 허용값은, 상기 연료 전지의 온도에 있어서 상기 배기 가스에 포함되는 수증기의 양에 기초하여 결정된 값인, 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스 제어 공정의 실행이 개시된 후에,
    상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값을 취득하는 유로 구성부 온도 취득 공정과,
    상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값이 소정의 값보다 커졌을 때에 상기 배기 가스의 유량의 제한을 해제하는 제한 해제 공정이 더 실행되는, 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유로 구성부 온도 취득 공정은, 상기 배기 가스의 유량과, 상기 연료 전지의 온도에 기초하여, 상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값을 취득하는 공정인, 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로 구성부는, 상기 연료 전지에 상기 배기 가스를 순환시키는 순환 펌프를 포함하고,
    상기 배기 가스 제어 공정은, 상기 순환 펌프의 회전수에 의해 상기 배기 가스의 유량을 제어하는 공정을 포함하는, 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배기 가스 제어 공정에서는 상기 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량은, 상기 배기 가스 제어 공정이 실행되지 않는 때의 상기 난기 운전에 있어서 상기 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량보다 많은 제어 방법.
  8. 연료 전지 시스템이며,
    연료 전지와,
    상기 연료 전지의 온도를 취득하는 온도 취득부와,
    상기 연료 전지에 반응 가스를 공급하는 공급부와,
    상기 연료 전지의 배기 가스의 유로의 적어도 일부를 구성하는 유로 구성부를 갖고, 상기 배기 가스를 처리하는 배기 가스 처리부와,
    상기 공급부와 상기 배기 가스 처리부를 제어하고, 상기 연료 전지의 운전을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 연료 전지의 기동 시에, 상기 온도 취득부에 의해서 취득한 상기 연료 전지의 시동 온도가 미리 정해진 제1 역치 온도 이하일 때, 상기 연료 전지의 통상 운전 때보다도 상기 연료 전지의 발열량을 증대시키는 난기 운전을 시작하고, 상기 시동 온도가 상기 제1 역치 온도보다도 낮은 미리 정해진 제2 역치 온도 이하일 경우에는, 상기 난기 운전에서 상기 연료 전지의 온도가 미리 정해진 온도에 도달한 이후에, 상기 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량을, 상기 연료 전지의 통상 운전 때보다도 제한하면서, 상기 유로 구성부의 온도가 상승하는 유량으로 제어하는 유량 제한 제어를 실행하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 유량 제한 제어에 있어서 상기 시동 온도가 낮을수록 상기 배기 가스의 유량을 작게 하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 유량 제한 제어에 있어서,
    상기 연료 전지의 온도의 계측값을 취득하고,
    미리 준비된 상기 연료 전지의 온도와 상기 배기 가스의 유량의 허용값의 관계에 기초하여, 상기 연료 전지의 온도의 계측값에 대한 상기 허용값을 취득하고,
    상기 배기 가스의 유량을 상기 허용값으로 설정하고,
    상기 허용값은, 상기 연료 전지의 온도에 있어서의 상기 배기 가스에 포함되는 수증기의 양에 기초하여 결정된 값인, 연료 전지 시스템.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값을 취득하는 유로 구성부 온도 취득부를 더 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 유량 제한 제어에 있어서, 상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값이 소정의 값보다 커졌을 때에 상기 배기 가스의 유량의 제한을 해제하는, 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유로 구성부 온도 취득부는, 상기 배기 가스의 유량과, 상기 연료 전지의 온도에 기초하여, 상기 유로 구성부의 온도를 나타내는 값을 취득하는, 연료 전지 시스템.
  13. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스 처리부는, 상기 유로 구성부로서 순환 펌프를 구비하고, 상기 순환 펌프에 의해, 상기 배기 가스를 상기 연료 전지에 순환시키고,
    상기 제어부는, 상기 순환 펌프의 회전수에 의해 상기 배기 가스의 유량을 제어하는, 연료 전지 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 유량 제한 제어에서 상기 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량이, 상기 유량 제한 제어가 실행되지 않는 때의 상기 난기 운전에서의 상기 유로 구성부에 유입되는 상기 배기 가스의 유량보다 많아지도록 제어하는, 연료 전지 시스템.
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