KR100599886B1 - 연료 전지 시스템용 제어 장치 및 관련 방법 - Google Patents

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Abstract

산화 가스가 공급되는 산화제극(11b)과 연료 가스가 공급되는 연료극(11a)을 구비하여 발전시키는 연료 전지 스택(11)을 갖는 연료 전지 시스템용 제어 장치(2)는 연료 가스를 연료 전지 스택의 연료극에 공급하는 연료 가스 유로(HL, HL') 내에 응축수가 체류하는 물막힘 현상의 발생을 예측하는 예측부(13)와, 연료 전지 스택의 하류에 배치되어, 상기 예측부가 물막힘 현상의 발생을 예측할 때에 개방된 상태로 하여 연료 전지 스택으로부터 연료 가스를 배출시키는 연료 가스 배출 밸브(15)를 제어하는 제어부(14)를 갖는다.

Description

연료 전지 시스템용 제어 장치 및 관련 방법{CONTROL DEVICE FOR FUEL CELL SYSTEM AND RELATED METHOD}
본 발명은 연료 전지 시스템용 제어 장치 및 관련 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 차량에 탑재되어 연료 전지 스택에 의해 발전한 전력을 모터에 공급하여 구동력을 발생시키고 연료 전지 스택 내의 체류수를 제거하는 연료 전지 시스템용 제어 장치 및 이의 관련 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 스택에서 발전 반응을 발생시키기 위해서는 이온 교환막을 통해서 이온이 이동하기 위한 매체로서 수분이 필요하기 때문에, 연료 가스 및 산화 가스를 가습한 상태에서 공급하는 일이 많다.
이러한 연료 전지 시스템에서는, 이상적으로는, 연료 가스 및 산화 가스의 습도를 100% 이하로 하여 잉여수의 발생이 없는 상태인 것이 바람직하다. 그렇지만, 현실적으로는 가습수의 잉여분이나 연료 전지 스택에서의 발전에 수반하는 생성수 등에 의해, 연료 전지 스택 내의 가스 유로의 수분이 과잉으로 되는 일이 많다. 가스 유로 내의 수분이 많아지면, 이온 교환 막으로의 가스 침투를 방해하게 되어, 셀 전압의 저하를 초래하여 연료 전지 스택의 발전 효율이 저하한다.
일본국 특개 2001-307757호 공보에 개시되어 있는 구조에서는, 연료 전지 스택의 평균 단위 셀 발전량에 대하여 최소 셀 전압이 너무 낮아져 있을 때에는, 연료 전지 스택의 가스 유로의 수분이 과잉해져 있다고 판단하여, 연료 전지 스택에 연통한 퍼지(purge) 밸브를 통하여 연료 가스의 퍼징을 행하고 있다.
또, 연료 전지 시스템에서는 연료 전지 스택이 발전에 수반하여 열을 발생시키고 있지만, 고체 고분자 막에서 효율적으로 발전시키기 위한 작동 온도가 한정되어 있기 때문에 연료 전지 스택에 냉각수를 흘려, 연료 전지 스택을 소정 온도로 유지할 필요가 있다. 여기서, 연료 전지 스택 내에서는 가스 온도의 상승이 가장 크기 때문에, 가스 온도를 저하시키기 위해, 냉각수 유로를 가스 유로에 가능한 한 가깝게 배치하여 가스 흐름 가까이 냉각수를 흐르게 할 필요가 있다. 그 때문에, 연료 가스 및 냉각수를 다공질 막을 통하여 서로 분리된 인접 유로로 흐르게 하는 구조를 제공할 수도 있다.
또한, 연료 전지 시스템에서는 연료 전지 스택이 자동차에 탑재되어 있는 경우에 있어서, 냉각수를 차량 전부에 설치된 라디에이터에 의한 통과풍으로 냉각하여 연료 전지 스택에 공급하는 일이 많다.
또, 본 발명자에 의해 연구가 실시될 때, 연료 전지 시스템에서는 연료 전지 스택이 발전에 수반하여 열을 발생시키고 있지만, 고체 고분자 막에서 효율적으로 발전시키기 위한 작동 온도가 한정되어 있기 때문에 연료 전지 스택에 냉각수를 흘려, 연료 전지 스택을 소정 온도로 유지할 필요가 있다. 여기서, 연료 전지 스택 내에서는 가스 온도의 상승이 가장 크기 때문에, 가스 온도를 저하시키기 위해, 냉 각수 유로를 가스 유로에 가능한 한 가깝게 배치하여 가스 흐름 가까이 냉각수를 흐르게 할 필요가 있다. 그 때문에, 연료 가스 및 냉각수를 다공질 막을 통하여 서로 분리된 인접 유로로 흐르게 하는 구조를 제공할 수도 있다.
또한, 연료 전지 시스템에서는 연료 전지 스택이 자동차에 탑재되어 있는 경우에 있어서, 냉각수를 차량 전부에 설치된 라디에이터에 의한 통과풍으로 냉각하여 연료 전지 스택에 공급하는 일이 많다.
그렇지만, 본 발명자에 의해 연구가 실시될 때, 연료 전지 차량이 고속 도로 등을 계속해서 주행하면, 연료 전지 스택에 의해 발전된 발전량이 큰 상태가 지속하기 때문에, 냉각수 온도가 고온이 되는 일이 있다. 냉각수 온도가 고온인 주행 상태로부터 순항 주행 상태(cruising traveling condition)로 바뀌면, 연료 전지 스택에서의 발전량의 저하에 따라 열량이 작아지기 때문에, 냉각수 온도가 급격하게 내려가는 것이 추정된다. 특히, 차량 속도가 높은 경우에는 라디에이터의 통과 풍속이 커서 냉각수 온도가 급격하게 내려가는 경우가 있다.
이러한 상황에서, 연료 전지 스택 내의 가스 유로를 통과하는 가스도 급격하게 온도가 저하하고, 연료 전지 스택에 송출되는 가스 흐름 중의 수증기가 다량으로 응축해서 액체수가 되어서 연료 전지 스택에 흘러드는 일이 있다. 이 경우, 가스 유로에 흘러드는 액체수의 존재에 의해 이온 교환막으로의 가스 침투가 방해가 되어서 급격하게 발전 효율이 저하하는 일이 있고, 연료 가스의 퍼징을 행해도 연료 전지 스택의 발전 효율을 회복할 수 없을 가능성이 있다.
본 발명은 상술한 실정에 비추어 보아서 제안된 것이며 연료 전지 스택에 공 급하는 가스 온도가 급격하게 저하하는 경우에서도, 발전 효율의 저하를 방지할 수 있는 연료 전지 시스템용 제어 장치 및 이의 관련 방법을 제공하는 목적을 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 한 측면에 있어서, 산화 가스가 공급되는 산화제극 및 연료 가스가 공급되는 연료극을 구비하여 발전시키는 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템용 제어 장치를 제공하고, 상기 장치는 연료 가스를 연료 전지 스택의 연료극에 공급하는 연료 가스 유로 중에 응축수가 체류하는 물막힘 현상의 발생을 예측하는 예측부; 및 연료 전지 스택의 하류에 배치되어, 연료 전지 스택으로부터 연료 가스를 배출시키고, 예측부가 물막힘 현상의 발생을 예측하는 경우에 개방 상태로 이르게 하는 연료 가스 배출 밸브를 제어하는 제어부를 구비한다.
즉, 본 발명의 다른 측면에 있어서, 산화 가스가 공급되는 산화제극 및 연료 가스가 공급되는 연료극을 구비하여 발전시키는 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템용 제어 장치를 제공하고, 상기 제어 장치는 연료 가스를 연료 전지 스택의 연료극에 공급하는 연료 가스 유로 중에 응축수가 체류하는 물막힘 현상의 발생을 예측하는 예측 수단; 및 연료 전지 스택의 하류에 배치되어, 연료 전지 스택으로부터 연료 가스를 배출시키고, 물막힘 현상의 발생이 예측되는 경우에 개방 상태로 이르게 하는 연료 가스 배출 밸브를 제어하는 제어 수단을 구비한다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 있어서, 산화 가스가 공급되는 산화제극 및 연료 가스가 공급되는 연료극을 구비하여 발전시키는 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템용 제어 방법을 제공하고, 상기 제어 방법은 연료 가스를 연료 전지 스택 의 연료극에 공급하는 연료 가스 유로 중에 응축수가 체류하는 물막힘 현상의 발생을 예측하는 단계; 및 연료 전지 스택의 하류에 배치되어, 연료 전지 스택으로부터 연료 가스를 배출시키고, 물막힘 현상의 발생이 예측되는 경우에 개방 상태로 이르게 하는 연료 가스 배출 밸브를 제어하는 단계를 구비한다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시 형태의 연료 전지 시스템을 갖는 연료 전지 차량의 구조를 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 실시 형태의 연료 전지 시스템의 기능적 구조를 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 실시 형태의 연료 전지 시스템의 구체적인 구조를 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 실시 형태의 연료 전지 시스템에 의해 실시되는 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 5(a)에서는 연료 전지 시스템의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 도시하는 연료 전지 스택의 발전 출력과 관계가 있는 타이밍 차트이고, 본 실시 형태에서 횡축은 시간(t)을 표시하고, 종축은 연료 전지 스택의 발전 출력(Pw_STACK)을 표시한다.
도 5(b)는 냉각수 온도와 관계가 있는 타이밍 차트이고, 본 실시 형태에서 횡축은 시간(t)을 표시하고, 종축은 냉각수 온도(T_LLC)를 표시한다.
도 5(c)는 차량 속도와 관계가 있는 타이밍 차트이고, 본 실시 형태에서 횡 축은 시간(t)을 표시하고, 종축은 차량 속도(VSP)를 표시한다.
도 5(d)는 최소 셀 전압과 관계가 있는 타이밍 차트이고, 본 실시 형태에서 횡축은 시간(t)을 표시하고, 종축은 최소 셀 전압(VC)을 표시한다.
도 5(e)는 연료 가스 배출 밸브의 작동과 관계가 있는 타이밍 차트이고, 본 실시 형태에서 횡축은 시간(t)을 표시하고, 종축은 연료 전지 시스템의 연료 가스 배출 밸브의 개폐 상태를 표시한다.
도 6은 본 발명에 따른 제2 실시 형태의 연료 전지 시스템의 기능적 구조를 도시하는 블록도이다.
도 7은 본 실시 형태의 연료 전지 시스템에 의해 실시되는 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 8은 대기 온도 및 차량 속도에 대하여 냉각수 온도에 따라 물막힘 발생 예측 플래그를 변경하는 맵 데이터를 도시하는 도면이고, 본 실시 형태에서 횡축은 차량 속도(VSP)를 표시하고, 종축은 냉각수 온도(T_LLC)를 표시한다.
도 9는 본 발명에 따른 제3 실시 형태의 연료 전지 시스템의 기능적 구조를 도시하는 블록도이다.
도 10은 본 실시 형태의 연료 전지 시스템에 의해 실시되는 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명에 따른 제4 실시 형태의 연료 전지 시스템에 의해 실시되는 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 12는 본 발명에 따른 제5 실시 형태의 연료 전지 시스템에 의해 실시되는 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 13은 본 발명에 따른 제6 실시 형태의 연료 전지 시스템의 구조를 도시하는 블록도이다.
도 14는 본 실시 형태에서 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 15는 차량 속도 및 액셀러레이터의 조작량에 따른 목표 구동력의 변화를 설명하는 맵 데이터를 나타내는 도면이고, 본 실시 형태에서 횡축은 차량 속도(VSP)를 표시하고, 종축은 목표 구동력(tT_drive)을 표시한다.
도 16은 차량 속도 및 목표 구동력에 따른 목표 총 전력의 변화를 설명하는 맵 데이터를 나타내는 도면이고, 본 실시 형태에서 횡축은 차량 속도(VSP)를 표시하고, 종축은 목표 총 전력(tP_total)을 표시한다.
도 17은 SOC에 대하여 목표 총 전력/목표 총 전력의 변화 및 SOC에 대하여 스택 발전량/목표 총 전력의 변화를 설명하는 맵 데이터를 나타내는 도면이고, 본 실시 형태에서 횡축은 SOC를 표시하고, 좌측 종축은 총 발전(tP_total)을 표시하고, 우측 종축은 배터리 전력 공급량(tP_battery/target)/목표 총 전력(tP_total)을 표시한다.
이후, 도면을 적절히 참조하여 본 발명에 따른 각 실시 형태의 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 이의 관련 방법을 상세하게 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1 내지 도 5(e)를 참조하여 본 발명에 따른 제1 실시 형태의 연료 전지 시스템용 제어 장치 및 이의 관련 방법을 상세하게 설명한다.
우선, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템을 갖는 연료 전지 차량의 구조를 설명한다.
연료 전지 차량의 구조
도 1은 본 출원 실시 형태의 따른 연료 전지 시스템을 갖는 연료 전지 차량의 구조를 도시하는 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템(2)은 연료 전지 차량(1)에 탑재된다.
연료 전지 차량(1)은 연료 전지 시스템(2)에 의해 발전된 전력 출력을 이용하는 전원을 사용하고, 연료 전지 시스템(2)에 의해 발전된 발전 출력이 공급되는데 적합한 전기 모터(3)를 가지며, 전기 모터(3)의 구동력이 구동력 라인(D)을 통하여 바퀴(WH)에 전송되어 주행한다. 주행시에, 연료 전지 차량(1)은 차량 정면(FR)으로부터 주행풍(W)을 차체(B)의 정면에 위치한 라디에이터(4)에 흡입하여, 연료 전지 시스템(2) 내측의 연료 전지 스택과 라디에이터(4) 사이에 순환하는 냉각수를 냉각한다. 연료 전지 시스템(2)의 발전 운전시에, 연료 전지 차량(1)은 라디에이터(4)에 의해 냉각된 냉각수를 전달 파이프(L)를 통하여 순환시키는 펌프(5)를 구동한다.
도 2는 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템의 기능적 구조를 도시하는 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 차량(1)의 연료 전지 시스템(2)은 연료극(11a) 및 산화제극(11b)과 이들 사이에 개재하는 고분자 막으로 구성된 전해질(11c)을 각각 포함하는 복수의 스택으로 구성된 연료 전지 스택(11)을 포함하고, 연료 가스를 연료극(11a)에 공급하고, 산화 가스를 산화제극(11b)에 공급함으로써 발전시킨다. 본 출원 실시 형태에 있어서, 일반적으로, 수소 가스는 연료 가스로서 연료 전지 스택(11)에 공급되고 공기는 산화 가스로서 연료 전지 스택(11)에 공급된다.
연료 전지 차량(1)의 주행시에, 연료 전지 시스템(2)에 있어서는, 연료 전지 스택(11)의 연료극(11a) 및 산화제극(11b)에 수소 및 공기를 각각 공급한다. 이 때, 연료 전지 시스템(2)은 냉각수 온도 검출부(12)에서 라디에이터(4)와 연료 전지 스택(11) 사이를 순환하는 냉각수의 온도를 검출하고, 냉각수 막힘 예측부(13)에서는 얻어진 냉각수 온도에 기초하여 연료 전지 스택(11) 내의 냉각수 막힘 현상의 발생 가능성을 예측한다. 냉각수 막힘 예측부(13)가 냉각수 막힘 현상의 발생을 예측하면, 응축수를 연료 전지 스택(11)의 내측의 연료 가스 유로로부터 외측으로 배출시키기 위해, 연료 가스 배출 제어부(14)는 연료 가스 배출 밸브(15)를 개방 상태로 하도록 작동한다.
다음에, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템(2)의 구체적인 구조를 도 3을 참조하여 설명한다. 또한, 여기서 본 출원 실시 형태는 수소를 연료 가스로서 직접적으로 보유하는 예에 관하여 설명되지만, 물론, 수소가 개질 연료에 의해 얻어지는 대체 시스템을 채용하는 것을 반대하지 않는다.
연료 전지 시스템의 구체적인 구조
도 3은 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템의 구체적인 구조를 도시하는 블록도이다.
도 3에 있어서, 연료 전지 시스템(2)은 연료극(11a) 및 산화제극(11b)과 이들 사이에 개재하는 고분자 막으로 구성된 전해질(11c)을 각각 포함하는 복수의 스택으로 구성되는 연료 전지 스택(11)(도 2 참조)의 연료극(11a)에 수소 가스를 공급시키면서, 공기를 산화제극(11b)에 공급시켜, 연료 전지 스택(11)을 발전시킨다. 연료 전지 스택(11)은 여기에 도시하지 않은 수소 가스 유로, 공기 유로 및 냉각수 유로를 내부적으로 구비하고 있다.
수소 가스를 고압하의 수소 저장 탱크(21)에 가압 저장한다.
연료 전지 스택(11)의 발전 운전시에, 수소 저장 탱크(21)에 저장된 수소 가스는 수소 압력 제어 밸브(22)에 의해 가스 압력을 적절히 조절 및 감압한 후, 연료 전지 스택(11)과 통하는 수소 가스 유로(HL)에 공급한다. 또한, 본 출원 실시 형태는 수소 저장 탱크(21) 및 수소 압력 제어 밸브(22)가 연료 전지 스택(11)과 직접적으로 통하는 구조와 관련하여 도시되지만, 물론, 가스 압력의 추가의 감소를 위해 별도의 밸브를 연료 전지 스택(11)에 이어지는 중간에 위치시키도록 변경될 수도 있다.
여기서, 연료 전지 스택(11)으로 수소 가스가 전송되면, 수소 가스를 순환 파이프 라인(HL)에 위치한 이젝터(ejector) 순환 장치(23)에 공급한다. 이젝터 순환 장치(23)는 수소 가스 저장 탱크(21)로부터 전달되는 수소 가스와, 소비되지 않고 연료 전지 스택(11)으로부터 배출되는 수소 가스를 혼합하도록 작용하여, 얻어진 혼합 가스를 연료 전지 스택(11)에 공급한다.
이어서, 이젝터 순환 장치(23)로부터 연료 전지 스택(11)에 공급되는 수소 가스는 수소 가스에 함유된 수분이 회수되는 물 회수 장치(24)를 통과한다. 여기서, 수소 가스 중에 함유된 수증기가 이젝터 순환 장치(23)와 연료 전지 스택(11) 사이에 연장하는 파이프 라인(HL)의 방사열 냉각에 의해 수분으로 응축되는 일이 많지만, 수소 가스 및 수소 가스 중의 수분을 연료 전지 스택(11)의 입구 정면에 배치된 물 회수 장치(24)에 의해 완전히 분리하여 수소 가스로부터 수분을 제거하여, 연료 전지 스택(11)에 공급한다.
다음에, 연료 전지 스택(11)에서는, 연료극(11a)은 수분 함량이 없이 공급된 수소 가스를 소비하고, 소비되지 않은 잔류 수소 가스를 이젝터 순환 장치(23)에 전달한다.
여기서, 연료 전지 스택(11)의 수소 배출측과 이젝터 순환 장치(23) 사이에의 순환 파이프 라인(HL') 중에 수소 가스로부터 응축수를 회수하는 응축수 회수 장치(25)가 배치된다.
또, 연료 전지 스택(11)의 수소 배출측에 개폐 밸브로 구성되는 수소 가스 배출 밸브(26)가 배치된다. 연료 전지 스택(11)에 요구된 발전 출력의 급격한 저하 또는 연료 전지 스택(11)의 운전이 정지할 때, 순환 파이프 라인(HL, HL')에 충만한 수소 가스를 소비하기 어려운 경우에, 수소 가스 배출 밸브(26)는 개방 상태가 된다. 따라서, 수소 가스 배출 밸브(26)는 순환 파이프 라인(HL, HL') 중에 충만하고, 소비될 수 없는 수소 가스를 외부로 방출한다. 또한, 제어의 용이성을 얻기 위해 수소 가스 배출 밸브(26)가 바람직하게는 개폐 밸브로 구성되는 것이 바람직하지만, 물론, 개방도가 제어 가능한 유량 및 압력 제어 밸브를 사용할 수도 있다. 또한, 이 수소 가스 배출 밸브(26)는 도 2의 연료 가스 배출 밸브(15)에 해당한다.
한편, 연료 전지 스택(11)의 발전 운전시에, 연료 전지 시스템(2)은 공기 압축기(27)에 의해 대기를 흡입하여 연료 전지 스택(11)에 전달한다.
여기서, 공기 압축기(27)에 의해 압축된 공기가 고온이 되기 때문에, 연료 전지 스택(11)을 효율적으로 반응시키기 위해, 공기를 연료 전지 스택(11)의 공기 도입구에 배치한 공기 냉각기(28)에 의해 냉각시킨다.
게다가, 공기 중의 산소를 연료 전지 스택(11)의 산화제극(11b)에 의해 소비하여 잔류 공기 가스는 연료 전지 스택(11)의 내측에서 발생하는 반응으로부터 응축되어 얻는 수분을 포함하지만, 얻어진 수분은 물 회수 장치(29)에 의해 회수한 후, 얻어진 공기 가스를 연료 전지 스택(11)의 공기 배출측에 배치되는 공기 압력 제어 밸브(30)를 통하여 대기로 배출한다. 여기서, 공기 압력은 공기 압력 제어 밸브(30)의 개방도를 조절함으로써 제어된다. 또한, 연료 전지 스택(11)의 공기 배출측에 공기 퍼지 밸브(31)가 배치된다. 공기 퍼지 밸브(31)는 산화제극(11b)으로부터 응축수의 제거시에 개방 상태로 유지되도록 배치된다.
또, 연료 전지 스택(11)을 냉각하고, 이의 온도를 조절하는 냉각수는 비점을 높게 한 에틸렌글리콜을 포함하여도 된다. 이 냉각수는 펌프(32)에 의해 순환 라인(RL)에 공급되고, 라디에이터 및 팬을 조합하여 대략 일정 수준의 온도를 유지하도록 작동하는 온도 조절기(33)를 통하여 연료 전지 스택(11)에 공급된다.
다음에, 냉각수는 연료 전지 스택(11)에서의 열 교환을 달성하여 연료 전지 스택의 온도 조절을 위해 연료 전지 스택(11)을 냉각한다. 이 때, 온도 조절기(33)의 운전은 연료 전지 스택(11)의 냉각수 도입구측에 배치된 냉각수 온도 센서(34)에 의해 검출된 냉각수 온도에 따라 제어된다. 또한, 펌프(32)는 도 1에 도시된 펌프(5)에 해당하고, 냉각수 온도 센서(34)는 도 2에 도시된 냉각수 온도 검출 장치(12)에 해당하고, 온도 조절기(33)는 도 1에 도시된 라디에이터(4)를 포함하는 것을 주목해야 한다.
여기서, 실질적으로 서로 동일하게 행하여지고, 연료 전지 스택(11)의 출력 전압에 따라 각각 변화하는 수소 가스 압력 및 공기 압력에 대하여 냉각수 압력은 실질적으로 동일 수준을 유지하도록 조절되면서, 펌프(32)의 토출 유량을 제어한다.
여기서, 수소 가스 압력 및 공기 압력은 연료 전지 스택(11)에서 실질적으로 각각 동일 수준이 되도록 조절되고, 펌프(32)의 토출 유량을 제어함으로써 연료 전지 스택(11)의 출력 전압에 따라 냉각수 압력을 변화시킨다.
또한, 본 출원 실시 형태는 펌프(32)의 토출 유량이 제어되어 냉각수 압력이 동시에 제어되는 구조에 대하여 설명하지만, 오리피스(orifice) 밸브를 냉각수 유로에 배치하여, 냉각수 압력을 보다 정밀한 방법으로 제어하도록 변경될 수도 있다.
이어서, 연료 전지 스택(11)의 발전 운전시에 가열되는 냉각수는 펌프(32)에 반환되기 전에 저장 탱크(35)에 반환된다. 이에 의해 수격(water hammer) 현상과 같은 급격한 압력 변화를 흡수하거나, 펌프(32)의 유량에 대해 어큐뮬레이터와 같이 작용하도록 기능하게 된다.
연료 전지 스택(11)의 발전 운전시에, 이러한 연료 전지 제어 시스템(2)은 제어 유닛(36)이 수소 압력 제어 밸브(22)의 개방도를 조절하는 제어 신호(C1), 압축기(27)의 동작량을 조절하는 제어 신호(C2), 공기 압력 제어 밸브(30)의 개방도를 조절하는 제어 신호(C3), 펌프(32)의 동작량을 조절하는 제어 신호(C4), 및 온도 조절기(33)의 동작량을 조절하는 제어 신호(C5)를 출력하도록 작동한다.
또, 제어 유닛(36)은 냉각수 온도 센서(34)로부터 전달된 센서 신호(SG1)를 독취하여, 연료 전지 스택(11)의 물막힘 현상의 발생을 예측하여, 제어 신호(C6)를 수소 가스 배출 밸브(26)에 출력하여 수소 가스 배출 밸브(26)를 제어 가능하게 개폐하는 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 실시한다. 또한, 제어 유닛(36)은 제어 유닛(36)의 기능적 블록을 형성하는 도 2에 도시된 물막힘 예측부(13) 및 연료 가스 배출 제어부(14)를 포함한다는 것을 주목해야 한다.
또, 연료 전지 스택(11)의 공기 퍼지 모드시에, 제어 유닛(36)은 공기 퍼지 밸브(31)를 개방하기 위해 공기 퍼지 밸브(31)에 제어 신호(C7)를 출력하도록 작동한다.
다음에, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템(2)의 작동을 제어하는 연료 가스 배출 밸브를 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.
연료 가스 배출 밸브 제어 처리
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의해 실시되는 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다. 또한, 연료 전지 시스템(2)의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리는 소정 시간 간격, 즉 등 시간 간격(예를 들면, 10msec 간격)에서 제어 유닛(36)에 내부적으로 구비된 타이머(도시 생략)를 사용하여 실시된다.
도 4에 있어서, 우선, 단계 S1에서 제어 유닛(36)은 냉각수 온도 센서(34)(냉각수 온도 검출부(12))로부터 전달된 센서 신호(SG1)를 독취하여, 냉각수 온도(T_LLC)를 검출하여, 단계 S2로 처리를 진행한다.
이어지는 단계 S2에서는, 금번의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리가 연료 전지 시스템(2)이 기동한 후의 제1 연산에 해당하는지 아닌지를 판정하여, 이러한 제1 연산이 포함되지 않는다고 판정한 경우에는 단계 S3로 처리를 진행하고, 제1 연산이 포함된다고 판정한 경우에는 단계 S4로 처리를 진행한다. 여기서, 제어 유닛(36)은 연료 전지 시스템(2)을 기동한 직후, 연산 처리 판정 플래그가 "0(제로)" 로 초기화되고, 연료 전지 시스템(2)이 기동된 후, 연산 처리 판정 플래그는 "1"로 설정되어, 플래그를 참조하여 단계 S2에서의 판정이 가능하도록 된다.
이어지는 단계 S3에서는, 냉각수 온도 하강 분(ΔT)(즉, ΔT = T_LLC - T_LLCold)을 얻기 위해, 금번의 단계 S1에서 검출된 냉각수 온도(T_LLC)와, 전회의 처리에서 검출된 냉각수 온도(T_LLCold) 사이의 차분을 연산하여, 단계 S5로 처리를 진행한다. 여기서, 금번의 냉각수 온도(T_LLC)가 전회의 냉각수 온도(T_LLCold)보다 더 낮은 값으로 저하하는 경우에 있어서, 냉각수 온도 하강 분(ΔT)은 음의 값이 된다.
한편, 단계 S4에 있어서, 냉각수 온도 하강 분(ΔT)은 "0"(즉, ΔT = 0)의 값으로 설정되어, 단계 S5로 처리를 진행한다.
이어지는 단계 S5에 있어서, 제어 유닛(36)에 의해 실시되고, 차기의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 위한 단계 S3에서 사용되기 위해, 금번의 온도 검출값(T_LLC)은 전회의 냉각수 온도 검출값(T_LLCold)(즉, T_LLCold = T_LLC)으로서 메모리(도시 생략)에 저장되어, 단계 S6으로 처리를 진행한다.
다음의 단계 S6에 있어서, 제어 유닛(36)에 의해, 단계 S3 또는 단계 S4에서 연산되거나 결정된 냉각수 온도 하강 분(ΔT)이 냉각수 온도 강하 임계값(dT_thlev)(즉, ΔT ≤ dT_thlev) 이하인지 아닌지를 판정함으로써, 연료 전지 스택(11) 내의 물막힘 현상의 발생을 예측하여, 수소 가스 배출 밸브(26)를 개방할지 아닐지에 대해 판정한다. 여기서, 냉각수 온도 하강 분(ΔT) 및 예정된 냉각수 온도 강하 임계값(dT_thlev) 모두는 일반적으로 음의 값이 된다. 다음에 단계 S6에 있어서, 제어 유닛(36)에 의해, 냉각수 온도 하강 분(ΔT)이 예정된 냉각수 온도 강하 임계값(dT_thlev) 이하로 판정된다면, 즉, 수소 가스 배출 밸브(26)가 개방된다고 판정될 때, 단계 S7로 처리를 진행하여, 제어 유닛(36)의 연료 가스 배출 제어부(14)가 수소 가스 배출 밸브(26)를 개방시키도록 제어된다.
한편, 단계 S6에 있어서, 제어 유닛(36)에 의해, 냉각수 온도 하강 분(ΔT)이 예정된 냉각수 온도 강하 임계값(dT_thlev)보다 커진다고 판정된다면, 즉, 수소 가스 배출 밸브(26)가 개방되지 않는다고 판정될 때, 단계 S8로 처리를 진행하여, 제어 유닛(36)의 연료 가스 배출 제어부(14)가 수소 가스 배출 밸브(26)를 개방하지 않도록 하여 폐쇄된 상태로 유지된다.
따라서, 일련의 상술의 처리를 실시하였을 때, 즉, 단계 S7 또는 단계 S8의 처리가 실시된 후, 금번의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리가 종지된다. 또한, 상기 개시된 단계 S1 내지 단계 S6의 처리는 제어 유닛(36)의 물막힘 예측부(13)에 의해 실시된다.
다음에, 단계 S6에서 사용된 예정된 냉각수 온도 강하 임계값(dT_thlev)을 도 5(a) 내지 도 5(e)를 참조하여 하기에 상세하게 설명한다.
도 5(a)는 연료 전지 시스템의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 나타내는 연료 전지 스택의 발전 출력의 타이밍 차트이고, 횡축은 시간 간격(t)을 표시하고, 종축은 연료 전지 스택의 발전 출력(Pw_STACK)을 표시한다. 도 5(b)는 연료 전지 스택의 냉각수 온도의 타이밍 차트이고, 횡축은 시간 간격(t)을 표시하고, 종축은 연료 전지 스택의 냉각수 온도(T_LLC)를 표시한다. 도 5(c)는 차량 속도의 타이밍 차트이고, 횡축은 시간 간격(t)을 표시하고, 종축은 차량 속도(VSP)를 표시한다. 도 5(d)는 최소 셀 전압의 타이밍 차트이고, 횡축은 시간 간격(t) 표시하고, 종축은 최소 셀 전압(VC)을 표시한다. 도 5(e)는 연료 가스 배출 밸브의 작동과 관계가 있는 타이밍 차트이고, 횡축은 시간 간격(t) 표시하고, 종축은 연료 전지 시스템의 연료 가스 배출 밸브의 개방 및 폐쇄 상태를 표시한다.
이러한 임계값(dT_thlev)은 냉각수 온도(T_LLC)가 전회의 냉각수 온도(T_LLCold)보다 더 낮은 값으로 급격히 저하하는지 아닌지를 판정하는 예정된 값을 갖는다. 구체적으로, 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 시간 간격에 의존하지만, ΔT가 1초당 1℃의 비율로 온도 강하에 도달하거나 상회한다고 판정되면(즉, dT_thlev = -1℃/s), 연료 전지 스택(11)에서의 급격한 온도 강하에 의해 응축수가 연료 전지 스택(11) 내측에 발생할 가능성이 있어, 물막힘 현상이 연료 전지 스택(11) 내에 발생한다고 예측한다.
즉, 상기 개시된 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 실시하는 연료 전지 시스템(2)에 있어서, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 시간(t1) 이전에서는, 연료 전지 스택(11)의 발전 출력(Pw_STACK)은 P1에서와 같이 고 부하 상태로 유지되고, 도 5(b)에 도시된 냉각수 온도(T)는 T1으로 유지된다. 이 때, 발전 출력(V1)은 연료 전지 스택(11)으로부터 전기 모터(3)에 인가되어, 연료 전지 차량(1)은 도 5(c)에 도시된 바와 같이 차량 속도(VSP)가 v0로부터 점차적으로 증가하는 상태로 가속된다.
그리고, 시간(t1)에서, 연료 전지 차량(1)의 가속을 정지하여, 차량이 순항 속도(cruising speed)로 주행하기 시작하도록 차량 운전이 실시되면, 제어 유닛(36)은 작동하여 연료 전지 스택(11)의 발전 출력(Pw_STACK)을 저하시키기 위해, 수소 압력 제어 밸브(22)를 제어함으로써 수소 가스 공급 유량 및 수소 가스 압력을 저하시키면서, 압축기(27) 및 공기 압력 제어 밸브(30)를 제어하여 공기 공급 유량 및 공기 압력을 저하시키고, 펌프(22)를 제어하여 냉각수 순환 유량을 감소시킨다. 다음에, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택(11)의 발전 출력(Pw_STACK)은 P1으로부터 P2로 저하하기 시작하고, 도 5(d)에 도시된 바와 같이 VCO로부터 최소 셀 전압(VC)의 증가가 수반한다.
이어서, 시간(t2)에서, 도 5(a)에 도시된 연료 전지 스택(11)의 발전 출력(Pw_STACK)이 P1으로부터 P2로 급격히 저하하는 경우, 차량 속도(VSP)는 여전히 고 수준으로 유지되고, 도 5(b)에 도시된 냉각수 온도(T_LLC)는 T1으로부터 급격하게 저하하기 시작한다.
이 때, 도 4에 도시된 단계 S3에서 실시되고 있는 연산의 결과와 같이, 제어 유닛(36)은 냉각수 온도 하강 분(ΔT)(음의 값에서)이 임계값(dT_thlev)(즉, dT_thlev =-1℃/s) 이하라고 판정하여, 물막힘 현상의 발생을 예측하여, 시간(t3)에서, 수소 가스 배출 밸브(26)는 도 5(e)에 도시된 바와 같이 개방 상태로 된다. 이에 의해, 시간(t2) 이후에 냉각수 온도(T_LLC)를 더 저하시켜, 연료 전지 스택(11)의 연료 가스 유료 내에 응축수가 생기는 경우라도, 시간(t3) 이후에 응축수를 외부로 배출시키는 것이 가능해진다. 또한, 시간(t4)에서, 시간(t3)으로부터 소정 시간 간격의 경과 후에, 제어 유닛(36)은 수소 가스 배출 밸브(26)를 이의 폐쇄된 상태로 회복시킨다.
한편, 상술의 구조에 의존하는 일 없이, 연료 전지 스택(11)의 최소 셀 전압만을 목적으로 하여 제어가 실시된다고 추정한다. 즉, 연료 셀 전압의 최소 셀 전압이 검출되고, 연료 셀 전압의 최소 셀 전압이 소정 값까지 저하할 때 물막힘 현상이 발생한다고 판정하는 경우, 수소 가스 배출 밸브(26)는 개방 상태로 되는 구조가 채택된다고 추정하면, 도 5(d)의 점선으로 도시된 바와 같이, 시간(t2) 이후에 냉각수 온도의 급격한 저하에 기인하는 응축수의 실제적인 발생에 이어서 시간(t11)(도 5(d)의 점선 참조)에서 최소 셀 전압의 저하의 최종적인 개시 때문에, 최소 셀 전압이 도 5(e)의 점선으로 도시된 바와 같은 방법으로 어느 정도까지 저하한다면, 연료 가스 유로(도 5(e)의 점선 참조)에 생성된 응축수의 퍼징을 개시하는 것이 어렵다. 따라서, 이러한 최소 셀 전압만을 목적으로 하는 구조적인 예에서는, 응축수가 일시에 연료 가스 유로에 다량으로 흐르는 경우에 있어서, 응축수의 퍼징은 연료 전지 스택(11)의 셀 전압의 강하를 급속하게 진행시키는 시간이 되지 않아서, 극도의 경우에 있어서, 셀 전압이 제로까지 저하할 가능성이 있다고 추정된다.
상술한 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템 및 관련 방법에서는, 연료 전지 스택의 냉각수 온도가 저하하거나 연료 전지 스택의 발전 출력이 감소한 시점에서, 다량의 응축수가 연료 전지 스택 내측의 연료 가스 유로에서 생성된다고 판정하여, 수소 가스 배출 밸브가 개방 상태로 되기 때문에, 응축수가 연료 전지 스택에 체류하는 것을 방지하여, 셀 전압 저하를 피할 수 있어, 발전 효율의 저하를 최소한으로 방지할 수 있다.
(제2 실시 형태)
다음에, 본 발명에 따른 제2 실시 형태의 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 이의 관련 방법을 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 또한, 상기 개시된 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여함으로써 이들 구성 요소의 설명을 생략한다.
도 6은 본 출원 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 기능적 구조를 도시하는 블록도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템(2)은 제1 실시 형태의 구조와 기본적으로는 동일하고, 연료 전지 시스템(2)이 추가로 대기 온도 검출부(41), 연료 전지 차량(1)의 차량 속도를 검출하는 차량 속도 검출부(42) 및 연료 전지 스택(11)의 출력을 검출하는 스택 출력 검출부(43)를 포함하고 있다는 점에서, 제1 실시 형태와 상이하다.
이러한 연료 전지 시스템(2)에서는, 제어 유닛(36)의 물막힘 예측부(13)는 냉각수 온도 검출부(12)에 의해 검출된 냉각수 온도 이외에, 대기 온도 검출부(41)에 의해 검출된 대기 온도, 차량 속도 검출부(42)에 의해 검출된 차량 속도 및 스택 출력 검출부(43)에 의해 검출된 스택 출력을 사용하여 물막힘 현상의 발생을 예측한다.
이후, 본 출원 실시 형태의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 우선, 단계 S11에 있어서, 제어 유닛(36)은 스택 냉각수 온도(T_LLC) 이외에, 대기 온도(T_amb)를 검출하는 대기 온도 검출부(41)로부터 전달된 센서 신호(SG2), 차량 속도(VSP)를 검출하는 차량 속도 검출부(42)로부터 전달된 센서 신호(SG3) 및 연료 전지 스택 출력(Pw_STACK)을 검출하는 스택 출력 검출부(43)로부터 전달된 센서 신호(SG4)를 독취하여, 단계 S2로 처리를 진행한다.
다음에 단계 S2에 있어서, 제1 연산이 포함되지 않는다고 판정한 경우, 이어지는 단계 S12에 있어서, 연산을 실시하여 스택 출력 강하 분(ΔPw)을 제공한다. 구체적으로, 제어 유닛(36)은 전회의 연료 전지 스택 출력(Pw_STACKold)과 단계 S11에서 검출한 금번의 연료 전지 스택 출력(Pw_STACK) 사이의 차분을 연산하여, 스택 출력 강하 분(ΔPw)(즉, ΔPw = Pw_STACK - Pw_STACKold)을 연산하여, 단계 S14로 처리를 진행한다. 여기서, 금번의 연료 전지 스택 출력(Pw-STACK)이 전회의 연료 전지 스택 출력(Pw_STACKold) 미만으로 강하한다면, 스택 출력 강하 분(ΔPw)은 음의 값이 된다. 한편, 단계 S2에 있어서, 제1 연산이 포함된다고 판정한 경우, 이어지는 단계 S13에 있어서, 스택 출력 강하 분(ΔPw)은 "0"(즉, ΔPw = 0)으로 초기화되어, 단계 S14로 처리를 진행한다.
이어지는 단계 S14에 있어서, 금번의 연료 전지 스택 출력(Pw_STACK)은 메모리(도시 생략)(즉, Pw_STACKold = Pw_STACK)에 저장되어 이후의 처리에서 사용된다.
이어지는 단계 S15에 있어서, 제어 유닛(36)은 스택 출력 강하 분(ΔPw)이 예정된 스택 출력 저하 임계값(dPw_thlev) 이하(즉, ΔPw ≤ dPw_thlev)인지 아닌지를 판정하여, 제1 물막힘 예측을 실시한다. 스택 출력 강하 분(ΔPw)이 예정된 스택 출력 저하 임계값(dPw_thlev) 이하라고 판정한 경우에는 단계 S16으로 처리를 진행하고, 반대로, 스택 출력 강하 분(ΔPw)이 예정된 스택 출력 저하 임계값(dPw_thlev)보다 크다고 판정한 경우에는 단계 S8로 처리를 진행하여, 제어 유닛(36)의 연료 가스 배출 제어부(14)는 수소 가스 배출 밸브(26)를 폐쇄된 상태로 유지시킨다.
여기서, 스택 출력 저하 임계값(dPw_thlev)은 연료 전지 스택 출력(Pw-STACK)이 전회의 연료 전지 스택 출력(Pw_STACKold)보다 더 낮은 값으로 급격하게 저하되는지 아닌지에 대하여 판정하는 값으로 설정된다. 구체적으로, 이러한 연료 가스 배출 밸브 제어 처리가 실시되는 시간 간격에 의존하지만, 상기 출력 강하가 1초의 시간 간격에 대해 약 30kW(즉, Pw_thlev = -30kW/s)의 값이 되거나 초과한다고 판정한 경우에는, 연료 전지 스택(11)의 발열량이 급격하게 강하했다고 판정한다.
이어서, 단계 S16로 처리를 진행하여, 단계 S11에서 검출된 차량 속도(VSP), 냉각수 온도(T_LLC) 및 대기 온도(T_amb)와 관계가 있는 연료 전지 스택(11)의 물막힘 현상의 발생을 도 8에 도시된 맵 데이터에 기초하여 예측하는 제2 물막힘 예측 처리(단계 S17)를 실시하기 위해, 제어 유닛(36)은 단계 S16에서의 물막힘 발생 예측 플래그(fPURGE)(즉, fPURGE = F1[VSP, T_LLC, T_amb])를 설정한다. 또한, 이러한 맵 데이터는 제어 유닛(36)의 메모리(도시 생략)에 저장된다.
도 8은 물막힘 발생 예측 플래그가 단계 S16에서 사용된 대기 온도 및 차량 속도와 관계가 있는 냉각수 온도에 따라 변화하는 맵 데이터를 나타내는 도면이고, 횡축은 차량 속도(VSP)를 표시하고, 종축은 냉각수 온도(T_LLC)를 표시한다.
즉, 단계 S16에 있어서, 제어 유닛(36)은 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 대기 온도(T_amb)에 대해 결정되는 차량 속도와 냉각수 온도(T_LLC) 사이의 관계를 설명하는 맵 데이터를 참조한다.
도 8에 있어서, 맵 데이터는 각각의 대기 온도(T_amb)에 대해 차량 속도(VSP)에 대한 냉각수 온도(T_LLC)의 특성을 갖도록 설정된다. 본 출원 실시 형태에 있어서, 대기 온도(T_amb)의 고온 영역에서의 차량 속도(VSP)에 대한 냉각수 온도(T_LLC)의 특성 A, 대기 온도(T_amb)의 중간 온도 영역에서의 차량 속도(VSP)에 대한 냉각수 온도(T_LLC)의 특성 B 및 대기 온도(T_amb)의 저온 영역에서의 차량 속도(VSP)에 대한 냉각수 온도(T_LLC)의 특성 C를 포함하는 3개의 곡선이 도시화된다.
보다 구체적으로, 제어 유닛(36)에서는, 도 8에서의 각각의 대기 온도(T_amb)에 대한 각각의 특성에 있어서, 단계 S11에서 검출된 냉각수 온도(T_LLC)가 차량 속도(VSP)에 대한 냉각수 온도(T_LLC)보다 크다면, 물막힘 발생 예측 플래그(fPURGE)는 "1"로 설정된다. 한편, 단계 S11에서 검출된 냉각수 온도(T_LLC)가 차량 속도(VSP)에 대한 냉각수 온도(T_LLC) 미만이라면, 물막힘 발생 예측 플래그(fPURGE)는 "0"으로 설정된다. 즉, 이러한 처리시에, 차량 속도(VSP) 가 크고, 제어 유닛(36)은 차량 속도(VSP)에 대한 냉각수 온도(T_LLC)가 더 높을수록, 응축수 형성 및 물막힘 현상의 발생 가능성은 더 높다는 것을 사용하여, 이후의 단계 S17에서 물막힘 현상의 발생을 예측한다.
이어지는 단계 S17에 있어서, 단계 S16에서 설정된 물막힘 발생 예측 플래그(fPURGE)의 값이 "1"인지 아닌지를 판정하는 제2 물막힘 예측 처리를 실시한다. 단계 S16에서 설정된 물막힘 발생 예측 플래그(fPURGE)의 값이 "1"(즉, fPURGE = 1)로 유지된다고 판정한 경우에는, 물막힘 현상의 발생이 예측되어, 제어 유닛(36)의 연료 가스 배출 제어부(14)는 수소 가스 배출 밸브(26)를 개방하여 퍼징하는 단계 S7로 처리를 진행한다. 다른 한편으로, 단계 S16에서 설정된 물막힘 발생 예측 플래그(fPURGE)의 값이 "1"로 유지되지 않는다(즉, fPURGE = 0)고 판정한 경우에는, 물막힘 현상이 발생하지 않는다고 판정하여 단계 S8로 처리를 진행한다.
이어지는 단계 S8에 있어서, 제어 유닛(36)의 연료 가스 배출 제어부(14)는 수소 가스 배출 밸브(26)를 폐쇄된 상태로 유지시킨다.
다음에, 상기 개시된 일련의 처리의 경과 후에, 즉, 단계 S7 또는 단계 S8의 처리가 실시된 후, 금번의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 종지한다. 또한, 상기 개시된 단계 S11 내지 단계 S17에서의 처리를 제어 유닛(36)의 물막힘 예측부(13)에서 실시한다.
상술한 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템 및 관련 방법에서는, 연료 전지 스택 출력에서 직면한 급격한 저하의 경우에, 대기 온도에 대한 차 량 속도와 냉각수 온도 사이의 관계에 기초하여 물막힘 현상의 발생이 예측되기 때문에, 연료 전지 시스템(2)은 응축수에 의한 발전 출력의 저하 발생을 예측할 수 있다. 따라서, 이러한 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 스택의 발전 효율의 저하를 확실히 방지하는 것이 가능해진다.
(제3 실시 형태)
다음에, 본 발명의 제3 실시 형태의 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 이의 관련 방법을 도 9 및 도 10을 참조하여 자세하게 설명한다. 또한, 본 출원 실시 형태에 있어서, 제2 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하여 이의 설명을 생략한다.
도 9는 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템의 기능적 구조를 도시하는 블록도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템(2)은 제2 실시 형태와 기본적으로 동일한 구조를 갖고, 연료 전지 차량(1)의 액셀러레이터 개방도를 검출하는 액셀러레이터 개방도 검출부(51)가 연료 전지 스택(11)의 출력을 검출하는 스택 출력 검출부(43)의 소정 위치에서 사용된다는 점에서 제2 실시 형태와 상이하다.
이러한 연료 전지 시스템(2)에서는, 제어 유닛(36)의 물막힘 예측부(13)는 액셀러레이터 개방도 검출부(51)에 의해 검출된 액셀러레이션 개방도를 추가로 사용하여 물막힘 현상의 예측을 실시한다.
이후, 본 출원 실시 형태의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10은 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 우선 단계 S21에 있어서, 제어 유닛(36)은 스택 냉각수 온도(T_LLC) 이외에, 대기 온도(T_amb)를 검출하는 대기 온도 검출부(41)로부터 전달된 센서 신호(SG2), 차량 속도(VSP)를 검출하는 차량 속도 검출부(42)로부터 전달된 센서 신호(SG3) 및 액셀러레이터의 조작량(APO)을 검출하는 액셀러레이터 개방도 검출부로부터 전달된 센서 신호(SG5)를 독취하여, 단계 S2로 처리를 진행한다.
다음의 단계 S2에 있어서, 제1 연산이 현재 포함되어 있지 않다고 판정한 경우에는, 이어지는 단계 S22에 있어서, 액셀러레이터의 조작량 강하 분(ΔAPO)을 연산한다. 여기서, 제어 유닛(36)은 전회의 액셀러레이터의 조작량(APOold)과 단계 S21에서 검출된 금번의 액셀러레이터의 조작량(APO) 사이의 차분을 연산하여, 액셀러레이터의 조작량 강하 분(ΔAPO)(즉, ΔAPO = APO - APOold)을 연산하여, 단계 S24로 처리를 진행한다. 여기서, 금번의 액셀러레이터의 조작량(APO)이 전회의 액셀러레이터의 조작량(APOold) 미만으로 저하된다면, 액셀러레이터의 조작량 강하 분(ΔAPO)은 음의 값이 된다. 한편, 단계 S2에 있어서, 제1 연산이 현재 포함된다고 판정한 경우에는, 이어지는 단계 S23에 있어서, 액셀러레이터의 조작량 강하 분(ΔAPO)은 "0"(즉, ΔAPO = 0)으로 초기화되고, 단계 S24로 처리를 진행한다.
이어지는 단계 S24에 있어서, 금번의 액셀러레이터의 조작량(APO)은 메모리(도시 생략)(즉, APOold = APO)에 저장되어 이후의 처리에 사용된다.
이어지는 단계 S25에 있어서, 제어 유닛(36)은 액셀러레이터의 조작량 강하 분(ΔAPO)이 예정된 액셀러레이터의 조작량 강하 임계값(dAPO_thlev) 이하(즉, ΔAPO ≤ dAPO_thlev)인지 아닌지를 판정하여, 제1 물막힘 발생의 예측을 실시한다. 액셀러레이터의 조작량 강하 임계값(dAPO)이 예정된 액셀러레이터의 조작량 강하 임계값(dAPO_thlev) 이하라고 판정한 경우에는, 단계 S16로 처리를 진행한다. 한편, 액셀러레이터의 조작량 강하 임계값(dAPO)이 예정된 액셀러레이터의 조작량 강하 임계값(dAPO_thlev)보다 크다고 판정한 경우에는, 단계 S8로 처리를 진행하여 제어 유닛(36)의 연료 가스 배출 제어부(14)는 수소 가스 배출 밸브(26)를 폐쇄된 상태로 유지시킨다.
여기서, 예정된 액셀러레이터의 조작량 강하 임계값(dAPO_thlev)은 금번의 액셀러레이터의 조작량(APO)이 전회의 액셀러레이터의 조작량(APOold)보다 더 낮은 값으로 급격하게 저하되는지 아닌지에 대하여 판정할 수 있는 값으로 설정된다. 구체적으로, 예정된 액셀러레이터의 조작량 강하 임계값(dAPO_thlev)은 연료 전지 스택(11)의 발열량을 급격하게 저하시키는 액셀러레이터의 조작량으로 설정된다.
이어서, 단계 S16로 처리를 진행하는 경우, 이후, 제2 실시 형태와 동일한 일련의 단계를 실시한다.
다음에, 상기 개시된 일련의 처리의 경과 후에, 즉, 단계 S7 또는 단계 S8에 서의 처리를 실시한 후, 금번의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 종지한다. 또한, 상기 개시된 단계 S21 내지 단계 S17에서의 처리는 제어 유닛(36)의 물막힘 예측부(13)에서 실시된다.
상술한 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템 및 관련 방법에서는, 연료 전지 스택의 발열량의 급격한 저하를 연료 전지 스택 온도의 급격한 저하에 수반하여 발생시키는 금번의 액셀러레이터의 조작량(APO)이 검출된다면, 수소 가스 배출 밸브를 개방 상태로 할 수 있기 때문에, 연료 전지 스택의 발전량이 실제로 저하하여 가스 온도가 저하하기 전에 수소 가스 배출 밸브를 개방시킬 수 있어, 연료 전지 스택의 발전 효율의 저하를 회피할 수 있다.
(제4 실시 형태)
다음에, 본 발명의 제4 실시 형태의 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 이의 관련 방법을 도 11을 참조하여 자세하게 설명한다. 또한, 본 출원 실시 형태에서는 상술한 실시 형태 중의 어느 1개와 동일한 구조를 채용할 수 있고, 상기 개시된 실시 형태의 연료 전지 스택의 물막힘 현상을 예측하는 단계의 순서 중 어느 1개와 동일한 단계를 채용할 수 있어, 동일한 참조 부호를 갖는 동일한 구성 요소에 대한 상세한 설명을 생략한다.
본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템(2)은 제어 유닛(36)의 연료 가스 배출 제어부(14)가 수소 가스 배출 밸브(26)를 예정된 시간 간격에서 정기적으로 개방시키는 퍼징을 실시하도록 구성된다는 점에서 상술할 실시 형태와 상이하고, 다 른 구조에서는 마찬가지이다.
이러한 연료 전지 시스템(2)의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 도 11의 흐름도를 참조하여 설명한다.
도 11은 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 우선 단계 S31에 있어서, 제어 유닛(36)은 연료 가스 배출 밸브 개폐 플래그(Cc_P)의 값이 연료 가스 배출 밸브 개폐 플래그(Cc_P)의 값을 참조하여 "1"의 값을 갖는지 아닌지를 판정함으로써, 수소 가스 배출 밸브(26)가 개방된 상태로 유지되는지 아닌지에 대해 판정한다. 수소 가스 배출 밸브(26)가 개방된 상태로 유지된다(즉, Cc_P = 1)고 판정한 경우에는, 단계 S32로 처리를 진행하지만, 수소 가스 배출 밸브(26)가 개방된 상태로 유지되어 있지 않는다(즉, Cc_P = 0)고 판정한 경우에는, 단계 S33로 처리를 진행한다.
다음의 단계 S32에 있어서, 제어 유닛(36)은 예정된 배출 시간 간격 연산 타이머(도시 생략)의 값(decTIM)으로부터 감산 처리를 실시함으로써, 값(decTIM - 1)(즉, decTIM = decTIM - 1)을 연산하여, 단계 S34로 처리를 진행한다.
이어지는 단계 S34에 있어서, 감산한 배출 시간 간격 연산 타이머의 얻어진 값(decTIM)이 "0"보다 큰지 아닌지를 판정함으로써, 수소 가스가 여전히 배출되는지 아닌지를 판정한다. 배출 시간 간격 연산 타이머의 값(decTIM)이 "0"보다 크고(즉, decTIM > 0), 수소 가스는 계속하여 배출된다고 판정한 경우에는, 단계 S35로 처리를 진행하여, 연료 가스 배출 밸브 개폐 플래그(Cc_P)를 "1"(즉, Cc_P = 1)로 유지하면서, 수소 가스 배출 밸브(26)를 개방 상태로 유지하도록 처리한다. 한편, 배출 시간 간격 연산 타이머의 값(decTIM)이 "0"보다 크지 않고(즉, decTIM ≤ 0), 수소 가스는 배출되지 않는다고 판정한 경우에는, 단계 S36으로 처리를 진행하여, 연료 가스 배출 밸브 개폐 플래그(Cc_P)를 "0"(즉, Cc_P = 0)으로 재설정하면서, 수소 가스 배출 밸브(26)를 폐쇄된 상태로 유지하도록 처리한다.
다른 한편으로, 단계 S31에서 수소 가스 배출 밸브(26)가 폐쇄되어 있다고 판정한 경우의 단계 S33에 있어서, 제어 유닛(36)은 연료 전지 스택(11)의 물막힘 현상을 예측한다. 이 때, 제어 유닛(36)은 상술의 제1 내지 제3 실시 형태의 물막힘 현상을 예측하는 단계의 순서 중 어느 1개와 동일한 처리를 실시함으로써, 연료 전지 스택(11) 내에 발생하는 물막힘 현상의 발생을 예측한다. 단계 S33에 있어서, 물막힘 현상의 발생이 예측된다면, 단계 S37로 처리를 진행하지만, 물막힘 현상이 예측되지 않는다면, 단계 S38로 처리를 진행한다.
이어지는 단계 S37에 있어서, 수소 가스 배출 밸브(26)를 개방 상태로 하는 시간 간격을 설정하기 위해 배출 시간 간격 연산 타이머의 값(decTIM)은 예정된 값(TIM_WS)(즉, decTIM = TIM_WS)으로 설정되어, 단계 S35로 처리를 진행한다. 예정된 값(TIM_WS)은 연료 전지 스택(11) 내측의 물막힘 현상의 발생시에 응축수의 체류를 미연에 방지하기 위해 충분한 시간 간격, 또는 물막힘 현상의 발생시에 물막힘 발생을 극복하기 위해 충분한 시간 간격이 되도록 설정되어 있다.
한편, 단계 S33에 있어서, 물막힘 현상이 없다고 예측한 경우에는, 단계 S38로 처리를 진행하여, 정기적으로 수소 가스 배출 밸브(26)를 개방 상태로 하는 퍼지 타이밍이 나타나는지 아닌지를 판정한다. 정기적인 퍼지 타이밍에 대한 요구가 발견된다고 판정한 경우에는, 단계 S39로 처리를 진행하고, 배출 시간 간격 연산 타이머의 값(decTIM)이 소정값(TIM_Normal)(즉, decTIM = TIM_Normal)으로 설정되어, 단계 S35로 처리를 진행한다. 여기서, 소정값(TIM_Normal)은 물막힘 현상이 있다고 예측한 경우에 나타나는 소정값(TIM_WS)보다 짧은 시간 간격으로 설정된다. 단계 S38에 있어서, 또, 정기적으로 수소 가스 배출 밸브(26)를 개방 상태로 하는 퍼지 타이밍이 없다고 판정한 경우에는, 단계 S36으로 처리를 진행한다.
다음에, 상기 개시된 일련의 처리의 경과 후에, 즉, 단계 S35 또는 단계 S36에서의 처리를 실시한 후, 금번의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 종지한다. 또한, 상기 개시된 단계 S33에서의 처리는 제어 유닛(36)의 물막힘 예측부(13)에서 실시되고, 다른 처리는 제어 유닛(36)의 연료 가스 배출 제어부(14)에 의해 실시된다.
상술한 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템 및 관련 방법에서는, 물막힘 현상이 연료 전지 스택에서 발생할 것이라고 예측한 경우에는, 수소 가스 배출 시간 간격을 정기적인 퍼지 타이밍에서 나타나는 수소 가스 배출 시간 간격보다 긴 값으로 연장하여, 물막힘 현상이 발생할 것이라고 예측했을 때의 배출되는 수소 가스의 양을 증가시킴으로써, 다량의 응축수가 수소 가스 유로 중에 형성되어, 연료 전지 스택으로 응축수가 유입될 가능성을 회피할 수 있다.
(제5 실시 형태)
다음에, 본 발명의 제5 실시 형태의 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 이의 관련 방법을 도 12를 주로 참조하여 자세하게 하기에 설명한다. 또한, 본 출원 실시 형태에 있어서, 제4 실시 형태와 동일한 구성 요소에 동일한 참조 부호를 부여하여, 이의 상세한 설명을 생략한다.
본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템(2)은 제어 유닛(36)에 의해 물막힘 현상의 발생을 예측한 경우, 그 시점에서의 냉각수 온도는 저장되고, 수소 가스 배출 밸브(26)가 개방된 후, 물막힘 현상의 발생이 예측되었을 때의 온도에 도달한다면, 수소 가스 배출 밸브(26)가 폐쇄된 상태로 된다는 점에서 제4 실시 형태와 상이하고, 다른 구조에서 제4 실시 형태와 마찬가지이다.
이러한 연료 전지 시스템(2)의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 도 12의 흐름도를 참조하여 설명한다.
도 12는 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 우선 단계 S41에 있어서, 제어 유닛(36)은 금번의 냉각수 온도(T_LLC)를 검출하는 냉각수 온도 검출부(12)로부터 전달된 센서 신호(SG1)를 독취한다.
다음의 단계 S31에 있어서, 연료 가스 배출 밸브 개폐 플래그(Cc_P)의 값이 "1" 인지 아닌지를 판정하여, 수소 가스 배출 밸브(26)가 개방 상태(즉, Cc_P = 1)로 유지된다고 판정한다면, 단계 S42로 처리를 진행한다. 반대로, 개방 상태가 없다(즉, Cc_P = 0)고 판정한 경우에는, 단계 S33으로 처리를 진행한다.
다음의 단계 S42에 있어서, 제어 유닛(36)은 단계 S41에서 검출된 냉각수 온도(T_LLC)가 물막힘 현상시의 냉각수 온도(TS_LLC)와 동일한지 아닌지를 판정한다. 이 때, 양쪽 온도가 서로 동일하다(즉, T_LLC ≒ TS_LLC)고 판정한 경우에는, 단계 S36으로 처리를 진행하여 수소 가스 배출 밸브(26)를 폐쇄한다. 반대로, 양쪽 온도가 서로 동일하지 않다(즉, T_LLC ≠ TS_LLC)고 판정한 경우에는, 단계 S35로 처리를 진행하여 수소 가스 배출 밸브(26)를 개방된 상태(즉, Cc_P = 1)로 유지시킨다. 물론, 이 경우에 있어서, 허용 오차를 고려하여, 냉각수 온도(T_LLC)가 실질적으로 물막힘 현상시의 냉각수 온도(TS_LLC)와 동일할 때에, 양쪽 온도가 서로 동일하다고 판정하는 것을 반대하지 않는다.
한편, 단계 S31에서 수소 가스 배출 밸브(26)가 폐쇄된다고 판정한 경우에 진행하는 단계 S33에 있어서, 제어 유닛(36)은 연료 전지 스택(11)의 물막힘 현상의 발생을 예측한다. 물막힘 현상의 발생이 예측되지 않는다고 판정한 경우에는, 수소 가스 배출 밸브(26)를 단계 S36에서 폐쇄된 상태로 유지시키지만, 물막힘 현상의 발생이 예측된다면, 단계 S43으로 처리를 진행한다. 이 때, 물막힘 현상은 상기 개시된 실시 형태의 연료 전지 스택의 물막힘 현상을 예측하는 단계의 순서 중 어느 1개와 동일한 처리를 실시하여 예측된다.
이어지는 단계 S43에 있어서, 제어 유닛(36)은 온도 값(T_LLCold)을 메모리(도시 생략)에 물막힘 현상(즉, TS_LLC = T_LLCold)을 야기하는 냉각수 온도(TS_LLC)로서 저장하여, 단계 S35로 처리를 진행한다.
다음에, 상기 개시된 일련의 처리의 경과 후에, 즉, 단계 S35 또는 단계 S36 에서의 처리를 실시한 후, 금번의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 종지한다. 또한, 상기 개시된 단계 S33에서의 처리는 제어 유닛(36)의 물막힘 예측부(13)에서 실시하고, 다른 처리는 제어 유닛(36)의 연료 가스 배출 제어부(14)에서 실시한다.
상술한 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템 및 관련 방법에서는, 물막힘 현상이 예측될 때의 온도 값이 저장되어, 냉각수 온도가 실질적으로 이러한 온도 값과 동일해질 때에 수소 가스 배출 밸브를 폐쇄된 상태로 유지시킴으로써, 연료 전지 스택 온도가 물막힘 현상이 예측될 때의 이러한 온도 값으로 회복된다고 판정하기까지, 수소 가스 배출 밸브를 개방 상태로 유지할 수 있다. 따라서, 이러한 구조에서는, 다량의 응축수가 연료 전지 스택 내에 발생할 가능성이 낮아질 뿐만 아니라, 연료 가스 배출이 정지될 수 있기 때문에, 무용의 연료 가스의 방출을 방지할 수 있어, 연료 소비 성능의 악화도 최소한으로 방지할 수 있다.
(제6 실시 형태)
다음에, 본 발명의 제6 실시 형태의 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 이의 관련 방법을 도 13 내지 도 17을 주로 참조하여 자세하게 하기에 설명한다. 또한, 본 출원 실시 형태는 상기 개시된 실시 형태와 상이하지만, 상술의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리 중 어느 1개와 병행하여 연료 전지 시스템에 의해 실시되는 출력 제어 처리에 관한 것이고, 예를 들면, 본 출원 실시 형태는 상술의 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 연료 전지 스택(11)의 물막힘 현상을 예측하는 단계 중 어느 1개와 동일한 단계를 채택할 수 있다. 본 출원 실시 형태에 있어서, 상기와 동일 한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하여 이의 상세한 설명을 생략한다.
도 13은 본 출원 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 도시하는 블록도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템(2)의 연료 전지 스택(11)은 스택용 J/B(Junction Box)(62) 및 전력 제어부(63)에 고전압 라인(61)을 통하여 접속된다. 연료 전지 스택(11)에 의해 발전된 전력 출력은 제어 유닛(36)에 의해 제어되는 전력 제어부(63)에 의해 조정되고 있는 전압을 스택용 J/B(62)에 공급하고, 조정된 전압을 구동 모터(64) 및 배터리용 J/B(66)에 공급한다. 따라서, 구동 모터(64)는 제어 유닛(36)에 의해 제어되는 모터 제어기(65)의 제어에 따라 구동되어, 연료 전지 차량(1)의 구동에 필요한 출력 토크를 생성한다. 다른 한편으로, 배터리용 J/B(66)에 공급된 발전 출력은 구동 모터(64)에 병렬로 접속되는 2차 전지(67)에 공급된다.
또, 연료 전지 시스템(2)에서는, 제어 유닛(36)에 의해 제어되는 배터리 제어기(68)의 제어에 따라 2차 전지(67)에 저장된 전력을 방전시켜, 배터리용 J/B(66)를 통하여, 구동 모터(64)에 공급한다.
즉, 제어 유닛(36)에 의해 제어된 전력 제어부(63)는 스택용 J/B(62)로부터 인출된 발전 출력을 조정하여 배터리용 J/B(66) 및 구동 모터(64)에 공급하고, 제어 유닛(36)에 의해 제어된 배터리 제어기(68)는 2차 전지(67)의 충방전 상을 제어하고, 제어 유닛(36)에 의해 제어된 모터 제어기(65)는 구동 모터(64)의 구동 토크를 제어한다.
이러한 구조의 연료 전지 시스템(2)의 제어 유닛(36)에 있어서, 물막힘 현상의 발생이 예측된 경우에는, 연료 전지 스택(11)의 금번의 전력 출력은 연료 전지 스택(11)의 발전 출력을 저하시키는 요구가 있는 경우라도 일시적으로 유지된다. 이 경우, 연료 전지 스택(11)의 발전 출력은 요구된 수준보다 과잉으로 더 커지더라도, 제어 유닛(36)은 얻어지는 과잉의 전력을 2차 전지(67)에 충전시키도록 전력 제어부(63)를 제어한다. 연료 전지 스택(11)의 금번의 전력 출력이 유지되는 상태에서, 일정 시간 간격(TIM_init)의 경과시에, 물막힘 현상의 발생이 예측되는 상태가 여전히 발생한다면, 수소 가스 배출 밸브(26)를 폐쇄된 상태로 유지하도록 제어한다.
이러한 연료 전지 시스템(2)의 출력을 제어하는 출력 제어 처리를 도 14의 흐름도를 참조하여 설명한다. 또한, 제어 유닛(36) 중의 타이머(도시 생략)를 사용하여 동일한 시간 간격(예를 들면 10msec마다)으로 이러한 처리를 상술의 실시 형태와 동일한 방법으로 실시한다.
도 14는 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템의 출력 제어 처리의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다. 또한, 이러한 출력 제어 처리는 상기 개시된 제1 내지 제5 실시 형태의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리 중 어느 1개와 병행하여 실시될 수 있다.
도 14에 있어서, 우선 단계 S51에 있어서, 제어 유닛(36)은 차량(1)의 액셀러레이션 등을 요청하는 일반적으로 운전자인 외부로부터 전달되는 구동력 요구에 응답하여, 구동 모터(64)에 대해 목표 구동력 연산 처리를 실시하여, 단계 S52로 처리를 진행한다. 이 때, 제어 유닛(36)은 액셀러레이터의 조작량(APO) 및 차량 속도(VSP)를 검출하여, 액셀러레이터의 조작량(APO) 및 차량 속도(VSP)와 관계가 있는 목표 구동력(tT_drive)의 변화를 설명하는 도 15에 도시된 맵 데이터를 참조한다. 도 15에 있어서, 횡축은 차량 속도(VSP)를 표시하고, 종축 목표 구동력(tT_drive)을 표시한다. 이 맵 데이터는 각각의 액셀러레이터의 조작량에 대한 차량 속도와 관계가 있는 목표 구동력(tT_drive)의 특성을 도시화함으로써, 액셀러레이터의 조작량(APO) 및 차량 속도(VSP)에 따라 목표 구동력(tT_drive)(즉, tT_drive = F2[VSP, APO])을 얻도록 할 수 있다. 또한, 이러한 맵 데이터는 제어 유닛(36)의 메모리(도시 생략)에 저장된다.
이어지는 단계 S52에 있어서, 단계 S51에서 연산된 목표 구동력(tT-drive)을 사용함으로써, 제어 유닛(36)은 모터(64)를 구동시키는 것을 목적으로, 연료 전지 스택(11)에 의해 발전시킬 필요가 있는 목표 총 전력(tP_total)을 연산하여, 단계 S53으로 처리를 진행한다. 발전 출력이 2차 전지(67)로부터 모터(64)에 또한 공급되는 경우에 있어서, 목표 총 전력(tP_total)은 연료 전지 스택(11)에 의해 발전시킬 필요가 있는 발전 출력 및 2차 전지(67)에 의해 생성시킬 필요가 있는 전력의 합과 동등해질 가능성이 있다. 이 때, 제어 유닛(36)은 단계 S51에서 연산된 목표 구동력(tT-drive) 및 차량 속도(VSP)과 관계가 있는 목표 총 전력(tP_total)을 설명하는 도 16에 도시된 맵 데이터를 참조한다. 도 16에 있어서, 횡축은 차량 속도(VSP)를 표시하고, 종축은 목표 총 전력(tP_total)을 표시한다. 이 맵 데이터는 각각의 목표 구동력(tT-drive)에 대해 차량 속도(VSP)와 관계가 있는 목표 총 전력(tP_total)의 특성을 도시화함으로써, 목표 구동력(tT-drive) 및 검출된 차량 속도(VSP)에 따라 목표 총 전력(tP_total)(즉, tP_total = F3[tT_drive, VSP])을 얻게 할 수 있다. 또한, 이러한 맵 데이터는 제어 유닛(36)의 메모리(도시 생략)에 저장된다.
이어지는 단계 S53에 있어서, 제어 유닛(36)은 스택 발전량 보정 타이머 값의 내부에서 유지되고 있는 값(TIM_st)이 "0"(즉, TIM_st = 0)인지 아닌지를 판정함으로써, 연료 전지 스택(11)으로부터 모터(64)에 공급된 발전 출력의 보정이 실시되는지 아닌지를 판정한다. 연료 전지 스택(11)의 발전 출력의 보정이 행하여지지 않는다(즉, TIM_st = 0)고 판정한 경우에는, 단계 S54로 처리를 진행하지만, 연료 전지 스택(11)의 발전 출력이 보정 상(즉, TIM_st > 0)으로 유지된다고 판정한 경우에는, 단계 S55로 처리를 진행한다.
이어지는 단계 S54에 있어서, 제어 유닛(36)은 상기 개시된 실시 형태의 연료 전지 스택의 물막힘 현상을 예측하는 단계의 순서 중 어느 1개와 동일한 단계를 실시하여, 물막힘 현상의 발생이 예측되는지 아닌지를 판정한다. 이 때, 물막힘 현상의 발생이 예측되고 있지 않다고 판정한 경우에는, 단계 S56으로 처리를 진행하지만, 물막힘 현상의 발생이 예측되는 경우에는, 단계 S57로 처리를 진행한다.
이어지는 단계 S56에 있어서, 제어 유닛(36)은 스택 발전량 보정 타이머의 값(TIM_st)을 "0"(즉, TIM_st = 0)으로 클리어하여, 단계 S58로 처리를 진행한다.
다음에, 단계 S58에 있어서, 단계 S52에서 연산된 목표 총 전력(tP_total) 및 배터리 제어기(68)에 의해 검출된 2차 전지(67)의 SOC(State of Charge)를 사용함으로써, 제어 유닛(36)은 연료 전지 스택(11)에 의해 발전되는 스택 발전량(tP_stack) 및 2차 전지(67)에 의해 공급되는 배터리 전력 공급량(tP_battery)(즉, tP_stack = F4[tP_total, SOC], tP_battery = F5[tP_total, SOC])을 연산하여, 단계 S59로 처리를 진행한다. 이 때, SOC와 관계가 있는 배터리 전력 공급량/목표 총 전력(즉, tP_battery/tP_total)의 변화 및 SOC와 관계가 있는 스택 발전량/목표 총 전력(즉, tP_stack/tP_total)의 변화를 설명하는 도 17에 도시된 맵 데이터 F4, F5를 참조함으로써, 제어 유닛(36)은 스택 발전량(tP_stack) 및 배터리 전력 공급량(tP_battery)을 얻는다. 또한, 이러한 맵 데이터는 제어 유닛(36)의 메모리(도시 생략)에 저장된다.
이어지는 단계 S59에 있어서, 제어 유닛(36)은 단계 S58에서 연산된 스택 발전량(tP_stack) 및 배터리 전력 공급량(tP_battery)을 차기의 출력 제어 처리에서 각각 사용되는 스택 발전량(tP_stack_old) 및 배터리 전력 공급량(tP_battery_old)(즉, tP_stack_old = tP_stack, tP_battery_old = tP_battery)으로 각각 저장하여 일련의 처리를 종지한다.
한편, 단계 S54에서 물막힘 현상이 예측될 때 처리가 진행하는 단계 S57에 있어서, 제어 유닛(36)은 스택 발전량 보정 타이머의 값(TIM_st)을 초기 값(TIM_init)( 즉, TIM_st = TIM_init)으로 설정하여, 단계 S60으로 처리를 진행한다. 이 초기 값(TIM_init)은 연료 전지 스택(11)의 물막힘 현상의 발생을 확실히 판정하기 위해서, 연료 전지 스택(11)의 출력이 제어 및 보정되는 기간이 예정된 수치로서 설정되어 있다.
이어지는 단계 S60에 있어서, 전회의 출력 제어 처리와 관계가 있는 단계 S59에서 저장된 값(tP_stack_old, tP_battery_old)을 사용함으로써, 연료 전지 스택(11)의 출력은 스택용 J/B(62), 전력 제어부(63), 배터리용 J/B(66) 및 배터리 제어기(68)에 의한 보정을 위해 제어되어, 금번의 스택 발전량(tP_stack) 및 배터리 전력 공급량(tP_battery)을 각각 tP_stack_old 및 tP_battery_old(즉, tP_stack = tP_stack_old, tP_battery = tP_battery_old)로 하도록 하여, 일련의 처리를 종지한다.
여기서, 물막힘 현상의 발생이 예측되어, 스택 발전량 보정 타이머 값(TIM_st)이 설정되는 경우에 있어서, 즉, 단계 S51 및 단계 S52에서의 연료 전지 스택(11)의 발전 출력을 저하시키기 위한 요구가 발생한 경우라도, 스택 발전량 보정 타이머의 값(TIM_st)이 초기 값(TIM_init)으로부터 "0"로 초기화되는 시간 간격에서, 모터(64)에 공급되는 연료 전지 스택(11)의 출력 값은 스택 발전량(tP_stack) 및 배터리 전력 공급량(tP_battery)이 각각 tP_stack_old 및 tP_battery_old가 되도록 보정되어, 물막힘 현상의 발생을 예측하기 바로 전에 선행 값을 형성한다. 이 때, 제어 유닛(36)은 연료 전지 스택(11)에 의해 발전된 발전 출력의 과잉량을 2차 전지(67)에 저장하도록 전력 제어부(63)를 제어한다.
또한, 단계 S53에서 연료 전지 스택(11)의 발전 출력의 보정이 실시된다고 판정한 후, 진행하는 단계 S55에 있어서, 제어 유닛(36)은 스택 발전량 보정 타이머의 값(TIM_st)의 감산 처리를 실시하고, 즉, TIM_st - 1(즉, TIM_st = TIM_st - 1) 등을 실시하여, 단계 S60으로 처리를 진행하고, 연료 전지 스택(11)의 출력은 보정을 위해 연속적으로 제어되어, 일련의 처리가 종지한다.
또, 제어 유닛(36)은 상술의 출력 제어 처리와 병행하여 상기 개시된 각 실시 형태의 연료 가스 배출 밸브 제어 처리를 실시한다. 이 때, 물막힘 현상이 발생한다고 판정한 경우에는, 제어 유닛(36)은 스택 발전량 보정 타이머의 값(TIM_st)이 "0"에 도달하기까지의 시간 간격에서 수소 가스 배출 밸브(26)를 폐쇄된 상태로 유지하고, 스택 발전량 보정 타이머의 값(TIM_st)이 "0"에 도달하는 타이밍에서 수소 가스 배출 밸브(26)를 제어 가능하게 개방한다.
상술한 바와 같이, 본 출원 실시 형태의 연료 전지 시스템 및 관련 방법에서는, 연료 전지 스택의 응축수의 형성 때문에, 전압을 강하시키는 물막힘 현상의 발생이 예측되는 경우에 있어서, 연료 전지 스택으로부터 부하에 전달되는 발전 출력은 연료 전지 스택 그 자체에 의해 발전된 전력의 양을 감소시키는 제어를 통하여 적절히 보정된다. 따라서, 냉각수 온도의 저하를 최소한으로 제거할 수 있기 때문에, 응축수의 발생을 최소한의 값으로 억제할 수 있다.
또, 이러한 구조에서는, 스택 발전량 보정 타이머의 값이 "0"에 도달하기까지, 즉, 연료 전지 스택으로부터 부하에 공급되는 발전 출력의 보정이 실시되는 경우에는, 수소 가스 배출 밸브가 폐쇄된 상태로 유지되기 때문에, 응축수가 수소 가스와 함께 방출되더라도, 얻어진 방출량은 작게 들기 때문에, 연료 소비율의 악화를 방지할 수 있다.
일본국 특원 제2002-197573호 공보(2002년 7월 5일 출원)의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본 발명은 특정 실시 형태를 참조하여 상술하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 교시를 고려하여 상술의 실시 형태의 변경 및 변화가 당업자에 의해 실시될 것이다. 본 발명의 범위는 하기의 청구항을 참조하여 규정한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는, 연료를 연료 전지 스택의 연료극에 공급하는 연료 가스 유로 중의 물막힘 현상의 발생을 예측하는 경우, 연료 전지 스택의 하류에 배치된 연료 가스 배출 밸브를 제어하여, 연료 전지 스택으로부터 연료 가스를 배출하는 개방 상태로 하는 연료 전지 시스템의 제어 장치를 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 제어 장치를 구비한 연료 전지 시스템은 물막힘 현상이 연구되는 다양한 연료 전지 시스템에 적용할 수 있고, 광범위한 적용이 기대되는 연료 전지 차량과 관계가 있는 산업적 용도 또는 가정용 용도의 발전기에 적용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 산화 가스가 공급되는 산화제극 및 연료 가스가 공급되는 연료극을 구비하여 전력을 발전시키는 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템용 제어 장치로서,
    연료 가스를 연료 전지 스택의 연료극에 공급하는 연료 가스 유로 중에 응축수가 체류하는 물막힘 현상의 발생을 예측하는 예측부; 및
    연료 전지 스택으로부터 연료 가스를 배출시키게 상기 연료 전지 스택의 하류에 배치된 연료 가스 배출 밸브를, 상기 예측부가 물막힘 현상의 발생을 예측하는 경우에 개방 상태가 되게 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택을 냉각하는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 검출부를 추가로 포함하고,
    상기 예측부는 연료 전지 시스템의 전력 발전시에 상기 냉각수의 온도가 저하하는 정도에 응하여 물막힘 현상의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 스택은 복수의 스택 구조를 포함하고, 각각의 스택 구조는 산화제극과 연료극 사이에 개재시킨 전해질 층을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택에 의해 발전된 전력 출력을 검출하는 전력 출력 검출부를 추가로 포함하고,
    상기 예측부는 연료 전지 스택에 의해 발전된 발전 출력이 저하하는 정도에 응하여 물막힘 현상의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은, 구동원으로서 작용하는 모터를 구비한 차량에 탑재되고, 상기 연료 전지 스택을 냉각하는 냉각수는 주행풍에 의해 냉각되고, 상기 예측부는 차량의 속도에 추가로 응하여 물막힘 현상의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 예측부는 차량을 둘러싸는 대기 온도를 고려하여 차량의 속도에 따라 미리 결정된 냉각수의 온도와 실제로 측정되는 냉각수의 온도 사이의 관계에 대응하여 물막힘 현상의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은, 구동원으로서 작용하는 모터를 구비하고, 액셀러레이터 페달의 변위량에 따라 주행하는 차량에 탑재되고, 상기 액셀러레이터 페달의 변위량을 검출하는 변위량 검출부를 추가로 포함하고,
    상기 예측부는 변위량이 저하하는 정도에 응하여 물막힘 현상의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 차량은 연료 전지 스택을 냉각하는 냉각수를 주행풍을 통하여 냉각시키고, 상기 예측부는 차량의 속도에 추가로 대응하여 물막힘 현상의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 예측부는 차량을 둘러싸는 대기 온도를 고려하여 차량의 속도에 따라 미리 결정된 냉각수의 온도와 실제로 측정되는 냉각수의 온도 사이의 관계에 대응하여 물막힘 현상의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 제1 소정의 개방 기간으로 연료 가스 배출 밸브를 정기적으로 개방하고, 상기 예측부가 물막힘 현상의 발생을 예측하는 경우에, 상기 연료 가스 배출 밸브는 제1 소정의 개방 기간보다 긴 제2 소정의 개방 기간으로 개방되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연료 가스 배출 밸브를 개방된 상태로 한 후에 나타나는 냉각수의 온도가 상기 예측부가 물막힘 현상의 발생을 예측할 때의 냉각수 온도와 동일해지는 경우에, 상기 제어부는 연료 가스 배출 밸브를 폐쇄된 상태로 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택으로부터 출력된 전력에 의해 구동하는 데 적합한 부하와, 상기 부하와 병렬로 접속된 2차 전지를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 예측부가 물막힘 현상의 발생을 예측하는 경우에 연료 전지 스택에 의해 발전된 전력을 일시적으로 유지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 예측부가 물막힘 현상의 발생을 예측하는 경우에, 상기 제어부는 연료 전지 스택에 의해 발전된 전력으로부터 수요 전력을 부하에 공급하면서 연료 전지 스택에 의해 발전된 전력의 잉여 전력을 2차 전지에 저장하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 장치.
  14. 삭제
  15. 산화 가스가 공급되는 산화제극 및 연료 가스가 공급되는 연료극을 구비하여 전력을 발전시키는 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템용 제어 방법으로서,
    연료 가스를 연료 전지 스택의 연료극에 공급하는 연료 가스 유로 중에 응축수가 체류하는 물막힘 현상의 발생을 예측하는 단계; 및
    연료 전지 스택으로부터 연료 가스를 배출시키게 상기 연료 전지 스택의 하류에 배치된 연료 가스 배출 밸브를, 물막힘 현상의 발생이 예측되는 경우에 개방 상태가 되게 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 물막힘 현상의 발생을 예측하는 상기 단계는 연료 전지 스택의 전력 발전시에 냉각수의 온도가 저하하는 정도에 응하여 구현되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템용 제어 방법.
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