KR101079683B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 단계 S1에서 검출한 FC 전류로부터 인젝터(35)의 기본 분사시간을 구하고, 이 FC 전류에 의거하여 기본 분사시간에 기설정된 보정계수(K)를 곱하여 보정(학습)한 것을 다시 기본 분사시간이라 재정의하여, 최종적으로 구하여야 할 분사시간의 피드포워드항(F/F항)을 구한다(단계 S5). 이 보정계수(K)는, 시스템 기동시에 연료전지(10)의 애노드측에서의 FC 입구 압력을 기설정된 목표압까지 가압하고, FC 입구 압력이 상기 목표압에 도달하기까지의 인젝터(35)의 총 구동시간(Tinj)과 총 분사량(Q)과의 관계에서, 인젝터(35)의 단위 구동 시간당의 유량 특성을 구함으로써 설정하고, 시스템 기동시에 매회 갱신한다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 반응가스(연료가스 및 산화가스)의 공급을 받아 발전을 행하는 연료전지를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
현재, 반응가스(연료가스 및 산화가스)의 공급을 받아 발전을 행하는 연료전지를 구비한 연료전지 시스템이 제안되어, 실용화되어 있다. 이러한 연료전지 시스템에는, 수소탱크 등의 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지로 흘리기 위한 연료공급유로가 설치되어 있다.
그리고, 연료공급유로 상에 설치되어 연료전지에 공급되는 연료가스의 압력을 조정하는 압력조정밸브로서, 산화가스를 압력원으로 한 인가압력을 작용시킴으로써, 연료전지에 공급되는 연료가스의 압력을 조정 가능하게 한 가변압력 조절밸브를 구비한 연료전지 시스템이 알려져 있다(예를 들면, 일본국 특개2005-150090호 공보 참조).
상기, 일본국 특개2005-150090호 공보에 기재되어 있는 바와 같은 가변압력 조절밸브에 의하면, 운전 상황에 따라 연료가스의 공급 압력을 변화시키는 것이 가능해진다. 그러나, 이러한 가변압력 조절밸브이어도, 경년(經年) 변화나 개체차의 영향을 받는 것은 피할 수 없어, 압력 조절 정밀도나 압력 응답성의 저하를 초래하는 경우가 있다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 연료전지의 운전상태 에 따라 연료가스의 공급 압력을 적절하게 변화시키는 것이 가능하고, 경년 변화나 개체차의 영향을 극력 억제한 양호한 압력 응답성을 확보하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 연료전지와, 이 연료전지에 연료가스를 공급하기 위한 연료공급계와, 이 연료공급계의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가스 상태 가변 공급장치와, 상기 가스 상태 가변 공급장치를 상기 연료전지의 운전상태에 따라 구동 제어하는 제어수단을 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성을 학습하고, 상기 학습의 결과에 의거하여 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 파라미터를 설정하는 학습수단을 구비함과 동시에, 상기 학습수단은, 적어도, 상기 가스 상태 가변 공급장치에 의한 기설정된 값 이상의 가스 공급 변화에 의거하는 제 1 값과, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 작동지령값에 의거하는 제 2 값을 사용하여, 상기 구동 특성을 학습한다.
상기 학습수단은, 학습하는 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성을 상기 가스 상태 가변 공급장치의 상류압에 따라 보정하여도 된다.
상기 학습수단은, 학습하는 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성을 상기 연료가스의 온도에 따라 보정하여도 된다.
상기 가스 상태 가변 공급장치로서, 그 상류측과 하류측을 연통하는 내부 유로와, 상기 내부 유로 내에 이동 가능하게 설치되고 그 이동 위치에 따라 상기 내부 유로의 개구 상태를 변경 가능한 밸브체와, 전자구동력에 의하여 상기 밸브체를 구동하는 밸브체 구동부를 구비하여 이루어지는 인젝터를 채용하여도 된다.
상기 작동지령값으로서는, 상기 인젝터의 분사시간을 제어하는 지령값을 채용할 수 있다.
상기 인젝터의 분사시간은, 상기 연료전지의 발전 전류로부터 구해지는 기본 분사시간을 피드포워드항으로서 포함하고, 상기 학습수단은, 상기 피드포워드항에 상기 학습의 결과를 반영시켜도 된다.
상기 가스 공급 변화는, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 하류압의 상승으로 하여도 된다.
본 발명에 관한 다른 연료전지 시스템은, 연료전지와, 이 연료전지에 연료가스를 공급하기 위한 연료공급계와, 이 연료공급계의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가스 상태 가변 공급장치와, 상기 가스 상태 가변 공급장치를 상기 연료전지의 운전상태에 따라 구동 제어하는 제어수단을 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성을 학습하고, 상기 학습의 결과에 의거하여 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 파라미터를 설정하는 학습수단을 구비함과 동시에, 상기 학습수단은, 서로 다른 구동 조건으로 상기 가스 상태 가변 공급장치를 구동시켜, 이들 구동 조건으로의 연료가스 공급 회수로부터, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 무효 공급시간을 학습한다.
상기 무효 공급시간이란, 상기 가스 상태 가변 공급장치가 상기 제어수단으로부터 구동 제어신호를 받고 나서 실제로 가스 공급을 개시하기까지 필요한 시간을 말한다.
상기 서로 다른 구동 조건은, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 하류압의 상승폭과, 상기 가스 상태 가변 공급장치에 의한 연료가스의 1 공급 회수당의 공급시간 중, 적어도 한쪽으로 할 수 있다.
이상의 연료전지 시스템에서, 상기 학습수단은, 상기 연료전지의 기동시에 학습을 행하여도 된다.
이들 구성에 의하면, 가스 상태 가변 공급장치의 경년 변화나 개체차에 의한 구동 특성 또는 무효 공급시간의 불균일을 학습하고, 그 학습 결과를 반영시킨 가스 상태 가변 공급장치의 구동 제어가 가능해진다. 또한,「가스 상태」란, 가스의 상태(유량, 압력, 온도, 몰 농도 등)를 의미하고, 특히 가스 유량 및 가스 압력의 적어도 한쪽을 포함한다.
가스 상태 가변 공급장치는, 전자구동방식의 인젝터이어도 되고, 예를 들면 에어압이나 모터에 의하여 다이어프램을 거쳐 밸브체가 구동되는 다이어프램식의 레귤레이터와 같은 가변 압력 조절 레귤레이터이어도 된다.
가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성이란, 예를 들면 연료전지의 입구측 가스 상태(가스 상태 가변 공급장치의 2차측 가스 상태)와 입구측 목표가스 상태(가스 상태 가변 공급장치의 2차측 목표가스 상태)와의 관계, 연료전지의 입구측 가스 상태(가스 상태 가변 공급장치의 2차측 가스 상태)와 발전 전류와의 관계, 가스 상태 가변 공급장치의 1차측 가스 상태와 2차측 가스 상태와의 관계, 가스 상태 가변 공급장치의 1차측 가스 상태와 연료전지의 발전 전류와의 관계 등이다.
가스 상태 가변 공급장치의 구동 파라미터란, 예를 들면 가스 상태 가변 공급장치가 상기 전자구동방식의 인젝터인 경우에는, 분사량, 분사시간, 듀티비, 구동 주파수, 구동 펄스 등이고, 또, 가스 상태 가변 공급장치가 상기 다이어프램식의 레귤레이터인 경우에는, 다이어프램을 거쳐 밸브체를 개방 방향 또는 폐쇄 방향으로 가압하는 인가압력(예를 들면, 유체압이나 스프링압) 등이 있다.
상기 연료전지 시스템 중, 학습하는 가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성을 상기 가스 상태 가변 공급장치의 상류압 또는 온도에 따라 보정하는 구성에 의하면, 고정밀도의 학습이 가능해진다.
상기 연료전지 시스템 중, 인젝터의 분사시간에 포함되는 피드포워드항에 학습의 결과를 반영시키는 구성에 의하면, 인젝터의 응답성의 더 한층의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
상기 연료전지 시스템 중, 연료전지의 기동시(시스템 기동시)에 학습을 행하는 구성에 의하면, 연료전지에 의한 연료가스 소비가 없는 상태, 바꿔 말하면, 외부 혼란이 적은 상태에서, 고정밀도의 학습이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 가스 상태 가변 공급장치의 경년 변화나 개체차에 의하지 않는 양호한 응답성을 가지는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 연료전지 시스템의 구성도,
도 2는 도 1에 나타낸 연료전지 시스템에서의 인젝터 분사시간의 연산과정을 설명하기 위한 플로우차트,
도 3은 도 2에 나타낸 플로우차트의 단계 S3의 처리에 이용되는 맵의 일례,
도 4는, 도 2에 나타낸 플로우차트의 단계 S5의 처리에 이용되는 맵의 일례,
도 5는, 도 2에 나타낸 플로우차트의 단계 S5의 처리에 이용되는 다른 맵의 일례,
도 6은, 도 2에 나타낸 플로우차트의 단계 S5의 처리에 이용되는 또 다른 맵의 일례,
도 7은, FC 입구 압력의 목표압에 대한 실제 FC 입구 압력의 추종성에 대하여, 본 발명의 일 실시예와 일 비교예를 비교한 결과를 나타내는 도,
도 8은, 도 2에 나타낸 플로우차트의 단계 S11의 처리에 이용되는 맵의 일례,
도 9는, 도 8에 나타낸 구동시간 A, B의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 연료전지 시스템(1)에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 본 발명을 연료전지차량(이동체)의 차량 탑재 발전 시스템에 적용한 예에 대하여 설명하는 것으로 한다. 먼저, 도 1을 이용하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 연료전지 시스템(1)의 구성에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에 관한 연료전지 시스템(1)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 반응가스(산화가스 및 연료가스)의 공급을 받아 전력을 발생하는 연료전지(10)를 구비함과 동시에, 연료전지(10)에 산화가스로서의 공기를 공급하는 산화가스 배관계 (연료공급계)(2), 연료전지(10)에 연료가스로서의 수소가스를 공급하는 수소가스 배관계(3), 시스템 전체를 통합 제어하는 제어장치(제어수단, 학습수단)(4) 등을 구비하고 있다.
연료전지(10)는, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 단(單)전지를 필요로 하는 수 적층하여 구성한 스택 구조를 가지고 있는 연료전지(10)에 의하여 발생한 전력은, PCU(Power Control Unit)(11)에 공급된다. PCU(11)는, 연료전지(10)와 트랙션모터(12)와의 사이에 배치되는 인버터나 DC-DC 컨버터 등을 구비하고 있다. 또, 연료전지(10)에는, 발전 중의 전류를 검출하는 전류센서(13)가 설치되어 있다.
산화가스 배관계(2)는, 가습기(20)에 의하여 가습된 산화가스(공기)를 연료전지(10)에 공급하는 공기공급유로(21)와, 연료전지(10)로부터 배출된 산화 오프 가스를 가습기(20)로 유도하는 공기배출유로(22)와, 가습기(20)로부터 외부로 산화 오프 가스를 유도하기 위한 배기유로(23)를 구비하고 있다. 공기공급유로(21)에는, 대기 중의 산화가스를 받아들여 가습기(20)로 압송하는 컴프레서(24)가 설치되어 있다.
수소가스 배관계(3)는, 고압(예를 들면 70 MPa)의 수소가스를 저류한 연료공급원으로서의 수소탱크(30)와, 수소탱크(30)의 수소가스를 연료전지(10)에 공급하기 위한 연료공급유로로서의 수소공급유로(31)와, 연료전지(10)로부터 배출된 수소오프가스를 수소공급유로(31)로 되돌리기 위한 순환유로(32)를 구비하고 있다. 수소가스 배관계(3)는, 본 발명에서의 연료공급계의 일 실시 형태이다.
또한, 수소탱크(30) 대신, 탄화수소계의 연료로부터 수소가 농후한 개질 가 스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성한 개질 가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크를 연료공급원으로서 채용할 수도 있다. 또, 수소흡장합금을 가지는 탱크를 연료공급원으로서 채용하여도 된다.
수소공급유로(31)에는, 수소탱크(30)로부터의 수소가스의 공급을 차단 또는 허용하는 차단밸브(33)와, 수소가스의 압력을 조정하는 레귤레이터(34)와, 인젝터(가스 상태 가변 공급장치)(35)가 설치되어 있다. 또, 인젝터(35)의 상류측에는, 수소공급유로(31) 내의 수소가스의 압력 및 온도를 검출하는 1차측 압력센서(41) 및 온도센서(42)가 설치되어 있다. 또, 인젝터(35)의 하류측이고 수소공급유로(31)와 순환유로(32)의 합류부의 상류측에는, 수소공급유로(31) 내의 수소가스의 압력을 검출하는 2차측 압력센서(43)가 설치되어 있다.
레귤레이터(34)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 압력 조절하는 장치이다. 본 실시 형태에서는, 1차압을 감압하는 기계식 감압밸브를 레귤레이터(34)로서 채용하고 있다. 기계식 감압밸브의 구성으로서는, 배압실과 압력 조절실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의하여 압력 조절실 내에서 1차압을 기설정된 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 공지의 구성을 채용할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 인젝터(35)의 상류측에 레귤레이터(34)를 2개 배치함으로써, 인젝터(35)의 상류측 압력을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 인젝터(35)의 기계적구조(밸브체, 박스체, 유로, 구동장치 등)의 설계 자유도를 높일 수 있다.
또, 인젝터(35)의 상류측 압력을 저감시킬 수 있기 때문에, 인젝터(35)의 상류측 압력과 하류측 압력과의 차압의 증대에 기인하여 인젝터(35)의 밸브체가 이동하기 어려워지는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 인젝터(35)의 하류측 압력의 가변 압력 조절폭을 넓힐 수 있음과 동시에, 인젝터(35)의 응답성의 저하를 억제할 수 있다.
인젝터(35)는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 기설정된 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 격리시킴으로써 가스 유량이나 가스압 등의 가스 상태를 조정하는 것이 가능한 전자구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(35)는, 수소가스(5) 등의 기체연료를 분사하는 분사구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체연료를 분사구멍까지 공급 안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대하여 축선방향(기체 흐름 방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.
본 실시 형태에서는, 인젝터(35)의 밸브체는 전자구동장치인 솔레노이드에 의하여 구동되고, 이 솔레노이드에 급전되는 펄스형상 여자전류(勵磁電流)의 온·오프에 의하여, 분사구멍의 개구 면적을 2단계, 다단층, 연속적(무단계), 또는 리니어로 변환할 수 있게 되어 있다. 제어장치(4)로부터 출력되는 제어신호에 의하여 인젝터(35)의 가스 분사시간 및 가스 분사 시기가 제어됨으로써, 수소가스의 유량 및 압력이 고정밀도로 제어된다.
인젝터(35)는, 밸브(밸브체 및 밸브자리)를 전자구동력으로 직접 개폐 구동하는 것으로, 그 구동 주기가 고응답의 영역까지 제어 가능하기 때문에, 높은 응답 성을 가진다.
인젝터(35)는, 그 하류에 요구되는 가스유량을 공급하기 위하여, 인젝터(35)의 가스유로에 설치된 밸브체의 개구 면적(개방도) 및 개방 시간의 적어도 한쪽을 변경함으로써, 하류측[연료전지(10)측]에 공급되는 가스유량(또는 수소 몰 농도)을 조정한다.
또한, 인젝터(35)의 밸브체의 개폐에 의하여 가스유량이 조정됨과 동시에, 인젝터(35)보다도 하류에 공급되는 가스 압력이 인젝터(35)보다도 상류의 가스 압력보다 감압되기 때문에, 인젝터(35)를 압력조절밸브(감압밸브, 레귤레이터)로 해석할 수도 있다. 또, 본 실시 형태에서는, 가스 요구에 따라 기설정된 압력 범위 중에서 요구 압력에 일치하도록 인젝터(35)의 상류가스압의 압력 조절량(감압량)을 변화시키는 것이 가능한 가변 압력조절밸브로 해석할 수도 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 수소공급유로(31)와 순환유로(32)의 합류부(A1)보다 상류측에 인젝터(35)를 배치하고 있다. 또, 도 1에 파선으로 나타내는 바와 같이, 연료공급원으로서 복수의 수소탱크(30)를 채용하는 경우에는, 각 수소탱크(30)로부터 공급되는 수소가스가 합류하는 부분[수소가스 합류부(A2)]보다도 하류측에 인젝터(35)를 배치하도록 한다.
순환유로(32)에는, 기액분리기(36) 및 배기배수밸브(37)을 거쳐, 배출유로(38)가 접속되어 있다. 기액분리기(36)는, 수소오프가스로부터 수분을 회수하는 것이다. 배기배수밸브(37)는, 제어장치(4)로부터의 지령에 의하여 작동함으로써, 기액분리기(36)로 회수한 수분과, 순환유로(32) 내의 불순물을 포함하는 수소오프 가스를 외부에 배출(퍼지)하는 것이다.
또, 순환유로(32)에는, 순환유로(32) 내의 수소오프가스를 가압하여 수소공급유로(31)측으로 보내는 수소 펌프(39)가 설치되어 있다. 또한, 배출유로(38) 내의 가스는, 희석기(40)에 의하여 희석되어 배기유로(23) 내의 가스와 합류하게 되어 있다.
제어장치(4)는, 차량에 설치된 가속조작장치(액셀러레이터 등)의 조작량을 검출하고, 가속요구값[예를 들면 트랙션 모터(12) 등의 부하장치로부터의 요구 발전량] 등의 제어정보를 받아, 시스템 내의 각종 기기의 동작을 제어한다.
또한, 부하장치란, 트랙션 모터(12) 외에, 연료전지(10)를 작동시키기 위해 필요한 보조기계장치[예를 들면 컴프레서(24), 수소 펌프(39), 냉각 펌프의 모터 등), 차량의 주행에 관여하는 각종 장치[변속기, 차륜제어장치, 조타장치, 현가(懸架)장치 등]에서 사용되는 엑츄에이터, 탑승원 공간의 공기조절장치(에어컨디셔너), 조명, 오디오 등을 포함하는 전력소비장치를 총칭한 것이다.
제어장치(4)는, 도시 생략한 컴퓨터 시스템에 의하여 구성되어 있다. 이러한 컴퓨터 시스템은, CPU, ROM, RAM, HDD, 입출력 인터페이스 및 디스플레이 등을 구비하는 것이고, ROM에 기록된 각종 제어 프로그램을 CPU가 판독하여 실행함으로써, 각종 제어동작이 실현되도록 되어 있다.
구체적으로는, 도 2의 플로우차트에 나타내는 바와 같이, 제어장치(4)는, 연료전지(10)의 발전 전류(이하, FC 전류)를 전류센서(13)에서 검출하고(단계 S1), 예를 들면 도 3에 나타내는 맵, 즉, 단계 S1에서 검출한 FC 전류와, 연료전지(10) 에 대한 요구 출력에 대응하여 설정되는 연료전지(10)의 입구측 목표압력(이하, FC 입구 목표 압력)의 관계를 나타내는 맵을 이용하여, 단계 S1에서 검출한 FC 전류로부터 FC 입구 목표 압력을 구한다(단계 S3).
다음에, 제어장치(4)는, 예를 들면 도 4에 나타내는 맵, 즉, FC 전류와 인젝터(35)의 기본 분사시간과의 관계를 나타내는 맵을 이용하여, 먼저, 단계 S1에서 검출한 FC 전류로부터 인젝터(35)의 기본 분사시간을 구하고, 그런 다음에, 이 FC 전류에 의거하는 기본 분사시간에 기설정된 보정계수(K)를 곱하여 보정(학습)한 것을 다시 기본 분사시간으로 재정의하여, 최종적으로 구해야 할 분사시간의 피드포워드항(이하, F/F항)을 구한다(단계 S5).
이 보정계수(K)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 시스템 기동시에 연료전지(10)의 애노드측에서의 FC 입구 압력을 기설정된 목표압까지 가압(기동시 가압)하고, FC 입구 압력이 상기 목표압에 도달하기까지의 인젝터(35)의 총구동시간(Tinj)과 총분사량(Q)의 관계로부터, 인젝터(35)의 단위 구동 시간당의 유량 특성을 구함으로써 설정되는 것이고, 시스템 기동시에 매회 갱신된다.
구체적으로는, 먼저, 예를 들면 도 6에 나타내는 맵, 즉, 기동시 가압의 개시로부터 목표압에 도달하기까지의 압력 상승폭(ΔP)과, 인젝터(35)의 총분사량(Q)의 관계를 나타내는 맵을 이용하여, 상기 가압시에서의 압력 상승폭(ΔP)(기설정된 값 이상의 가스 공급 변화)으로부터 총분사량(Q)(제 1 값)을 구한다. 다음에, 이 구한 총분사량(Q)을 인젝터(35)의 총구동시간(Tinj)(제 2 값)으로 나눔으로써, 인젝터(35)의 유량 특성(Cinj)[= 총분사량(Q)/총구동시간(Tinj)]을 구한다.
다음에, 이 구한 유량 특성(Cinj)과, 연료전지 시스템(1)의 출하시 등에 미리 초기 설정되어 있는 기본 유량 특성(Cinj_base)을 이용하여, 상기 인젝터(35)에 고유의 유량 특성비를 구한다. 그리고, 이 유량 특성비를 상기 F/F항을 구할 때의 보정계수(K)[= 유량 특성(Cinj)/기본 유량 특성(Cinj_base)]로서 이용하여, F/F항[= 보정계수(K) × FC 전류에 의거하는 기본 분사시간)을 구한다.
다음에, 제어장치(4)는, 도 2의 단계 S3에서 구한 FC 입구 목표 압력과, 2차측 압력센서(43)에서 검출한 현재의 연료전지(10)의 입구측 압력(이하, FC 입구 압력)과의 편차(이하, FC 입구 압력 편차)를 구하고(단계 S7), 이 FC 입구 압력 편차를 보정(저감)하기 위한 보정값으로서, 인젝터 분사시간의 피드백항(이하, F/B항)을 구한다(단계 S9).
다음에, 제어장치(4)는, 인젝터(35)의 상류의 가스 상태(수소가스의 압력 및 온도) 및 인가 전압에 의거하여, 인젝터(35)의 무효 분사시간(Tv)을 산출한다(단계 S11). 무효 분사시간(Tv)이란, 인젝터(35)가 제어장치(4)로부터 제어신호를 받고 나서 실제로 분사를 개시하기까지 필요한 시간을 의미한다.
본 실시 형태에서는, 인젝터(35)의 상류측의 수소가스의 압력 및 온도와 인가전압과 무효 분사시간(Tv)의 관계를 나타내는 특정한 맵을 이용하여, 제어장치(4)의 연산 주기마다 무효 분사시간(Tv)을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
다음에, 제어장치(4)는, 단계 S3에서 구한 인젝터(35)의 F/F항에, 단계 S9에서 구한 F/B항과, 단계 S11에서 구한 무효 분사시간(Tv)을 가산함으로써, 인젝터(35)의 분사시간(분사량)을 구한다(단계 S13).
그리고, 제어장치(4)는, 이러한 인젝터 분사시간을 실현시키기 위한 제어신호를 인젝터(35)에 출력함으로써, 인젝터(35)의 분사시간 및 분사시기를 제어하고, 연료전지(10)에 공급되는 수소가스의 유량 및 압력을 조정한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료전지 시스템(1)에 의하면, 인젝터(35)의 분사시간을 구하는 데 있어서, 기본 분사시간인 F/F항을 F/B항과 무효 분사시간(Tv)으로 보정하고 있기 때문에, F/F항만으로부터 분사시간을 구하는 경우에 비하여, 연료전지(10)에 공급되는 수소가스의 유량 및 압력을 정밀도 좋게, 또한, 응답성 좋게 보정하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시 형태의 F/F항은, FC 전류에 의거하는 기본 분사시간을 그대로 F/F항으로 하는 것은 아니고, 이 FC 전류에 의거하는 기본 분사시간을, 시스템 기동시에 FC 입구 압력이 기설정된 목표압에 도달하기까지 인젝터(35)의 총구동시간(Tinj)과 총분사량(Q)의 관계로부터 구해져 매회 갱신되는 보정계수(K)[인젝터(35)의 단위 구동시간당의 유량 특성]를 이용하여 보정하고, 이것을 F/F항으로 하고 있다.
즉, 본 실시 형태에서는, 매 시스템 기동시에 F/F항의 보정계수(K)를 구함으로써, 인젝터(35)의 경년 변화나 개체차에 의한 유량 특성을 학습하고, 그 학습 결과를 F/F항에 반영시키고 있기 때문에, 연료전지(10)에 공급되는 수소가스의 유량 및 압력은, 인젝터(35)의 경년 변화나 개체차에 의한 불균일의 영향이 억제된 것이 되고, 정밀도 좋고, 또한, 응답성이 좋은 제어가 가능하다.
또, 본 실시 형태에서는, 연료전지(10)에 의한 수소가스 소비가 없는 상태, 바꿔 말하면, 외부 혼란이 적은 시스템 기동시에, 인젝터(35)의 경년 변화나 개체차에 의한 유량 특성을 학습하도록 하고 있기 때문에, 고정밀도의 학습이 가능하게 되어 있다.
도 7은, FC 입구 압력의 목표압에 대한 실제의 FC 입구 압력의 추종성을 비교한 결과의 일례이고, 실선은 FC 입구 압력의 목표압, 파선은 FC 전류에 의거하는 기본 분사시간에 보정계수(K)를 곱하여 F/F 항으로 한 본 발명의 일 실시예, 일점 쇄선은 FC 전류에 의거하는 기본 분사시간을 그대로 F/F항으로 한 하나의 비교예이다. 상기 도면에서, 본 실시예의 목표압에 대한 FC 입구 압력의 추종성은, 비교예보다도 각별하게 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 상기 보정계수(K)는, 1차측 압력센서(41)에서 검출한 인젝터(35)의 1차압(상류압)에 따라 보정하는 것으로 하여도 된다. 예를 들면, 인젝터(35)의 1차압이 상대적으로 높은 경우는, 상대적으로 낮은 경우와 비교하여, 동일한 총분사량(Q)이라도 총구동시간(Tinj)은 짧아지기 때문에, 외관상의 유량 특성(Cinj)[= 총분사량(Q)/총구동시간(Tinj)]은 실제보다도 커진다. 그래서, 인젝터(35)의 1차압이 높을수록 보정계수(K)가 작아지도록 보정한다.
또, 상기 보정계수(K)는, 온도센서(42)에서 검출한 인젝터(35)의 1차측의 가스 온도에 따라 보정하는 것으로 하여도 된다. 예를 들면, 인젝터(35)의 1차측의 가스 온도가 상대적으로 높은 경우는, 상대적으로 낮은 경우와 비교하여, 체적 유량적으로는 동일한 총분사량(Q)이라도 수소가스의 질량 유량은 감소하기 때문에, 외관상의 유량 특성(Cinj)[= 총분사량(Q)/총구동시간(Tinj)]은 실제보다도 커진다.
그래서, 인젝터(35)의 1차측의 가스 온도가 높을수록 보정계수(K)가 작아지도록 보정한다. 또한, 인젝터(35)의 1차측의 가스 온도 대신, 연료전지(10) 또는 연료전지(10)를 냉각하는 냉매 온도 등을 이용하여 보정계수(K)의 보정을 행하여도 된다.
그런데, 상기와 같은 인젝터(35)를 수소공급유로(31)에 구비한 연료전지 시스템(1)에서는, 인젝터(35)의 분사시간을 이용하여 수소가스의 유량 계측을 행하는 것이 가능하다. 이러한 경우에, 인젝터(35)의 무효 분사시간(Tv)에, 예를 들면 경년 변화나 개체차에 의한 불균일이 있으면, 이 불균일이 인젝터(35)의 분사시간의 정밀도에 영향을 주고, 유량 계측의 정밀도가 저하한다.
따라서, 인젝터(35)에 의한 수소가스의 유량 계측을 고정밀도로 행할 수 있게 하기 위해서는, 인젝터(35)의 경년 변화나 개체차에 의한 불균일의 영향을 억제하도록, 인젝터(35)의 무효 분사시간(Tv)을 매 시스템 기동시에, 상기 인젝터(35)의 실정에 맞추어 갱신(학습)할 수 있도록 해두는 것이 바람직하다. 이하, 무효 분사시간(Tv)의 하나의 학습예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.
우선, 도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 시스템 기동시에 연료전지(10)의 애노드측에서의 FC 입구 압력이 기설정된 압력 상승폭(ΔP)이 되도록, 인젝터(35)를 서로 다른 구동 조건, 즉, 1 분사(1 공급 회수)당 구동시간(공급시간)(Ta, Tb)(단, Ta ≠ Tb)으로, 2회에 걸쳐 가압하고(기동시 가압), 각 회의 가압시에 있어서의 분사회수(Na, Nb)(연료가스 공급 회수)를 구한다.
이때, 압력 상승폭(ΔP)과 총분사량(Q)의 사이에는, 예를 들면 상기 도 6의 맵에 나타내는 바와 같이, 일의(一意)의 관계가 있기 때문에, 압력 상승폭(ΔP)이 동일하면, 총분사량(Q)도 동일하다. 즉, 1회째의 가압시에 있어서의 인젝터(35)의 총분사량(Q1)과 2회째의 가압시에 있어서의 인젝터(35)의 총분사량(Q2)은 동일하고, 총분사량(Q1) = 총분사량(Q2)이 된다.
또, 각 회에 있어서의 가압시의 총분사량(Q1, Q2)은, 총분사량(Q1) = 분사회수(Na) × [구동시간(Ta) - 무효 분사시간(Tv)]이고, 또, 총분사량(Q2) = 분사회수(Nb) × [구동시간(Tb) - 무효 분사시간(Tv)]이다.
따라서, 총분사량(Q1) = 분사회수(Na)·[구동시간(Ta) - 무효 분사시간(Tv)] = 총분사량(Q2) = 분사회수(Nb)·[구동시간(Tb) - 무효 분사시간(Tv)]이고, 이 식을 정리하여 무효 분사시간(Tv)(무효 공급시간)을 구하면, 무효 분사시간(Tv) = [분사회수(Nb)·구동시간(Tb) - 분사회수(Na)·구동시간(Ta)] / [분사회수(Nb) - 분사회수(Na)]이 된다.
제어장치(4)는, 이상과 같이 하여 시스템 기동시에 구한 무효 분사시간(Tv)을, 도 2의 단계 S3에서 구한 인젝터(35)의 F/F항과, 단계 S9에서 구한 F/B항에 가산함으로써, 인젝터(35)의 분사시간을 구하고, 이러한 분사시간을 실현시키기 위한 제어신호를 인젝터(35)에 출력함으로써, 인젝터(35)의 분사시간 및 분사시기를 제어한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료전지 시스템(1)은, 인젝터(35)의 무효 분사시간(Tv)으로서, 시스템 기동시에 연료전지(10)의 애노드측에서의 FC 입구 압력이 기설정된 압력 상승폭(ΔP)이 되도록, 인젝터(35)를 서로 다른 1 분사 당 구동시간(Ta, Tb)(Ta ≠ Tb)으로 가압하였을 때의 분사회수(Na, Nb)로부터 구한 무효 분사시간(Tv)을 채용하고 있다.
즉, 본 실시 형태에서는, 매 시스템 기동시에 무효 분사시간(Tv)을 갱신함으로써, 인젝터(35)의 경년 변화나 개체차에 의한 무효 분사시간(Tv)의 불균일을 학습하고, 그 학습 결과를 인젝터(35)의 분사시간에 반영시키고 있기 때문에, 연료전지(10)에 공급되는 수소가스의 유량 및 압력은, 인젝터(35)의 경년 변화나 개체차에 의한 불균일의 영향이 억제되고, 정밀도 좋고, 또한, 응답성 좋게 제어된다.
따라서, 인젝터(35)를 이용한 수소공급유로(31)에서의 유량 계측시에서도, 인젝터(35)의 경년 변화나 개체차에 의한 불균일의 영향이 억제되게 되기 때문에, 정밀도 좋고, 또한, 응답성 좋게, 인젝터(35)에 의한 수소가스의 유량 계측을 행하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시 형태에서는, 연료전지(10)에 의한 수소가스 소비가 없는 상태, 바꿔 말하면, 외부 혼란이 적은 시스템 기동시에, 인젝터(35)의 경년 변화나 개체차에 의한 무효 분사시간(Tv)의 학습을 실시하고 있기 때문에, 고정밀도의 학습이 가능하게 되어 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 1회째와 2회째의 가압시에 있어서의 압력 상승폭(ΔP)을 동일하게 설정하였으나, 반드시 동일하게 설정할 필요는 없다.
또, 상기 실시 형태에서는, 본 발명에 관한 연료전지 시스템을 연료전지 차량에 탑재한 예를 나타내었으나, 연료전지 차량 이외의 각종 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)에 본 발명에 관한 연료전지 시스템을 탑재할 수도 있다. 또, 본 발명에 관한 연료전지 시스템을, 건물(주택, 빌딩 등)용의 발전 설비로서 이용되는 정치(定置)용 발전 시스템에 적용하여도 된다.

Claims (12)

  1. 연료전지와, 상기 연료전지에 연료가스를 공급하기 위한 연료공급계와, 상기 연료공급계의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가스 상태 가변 공급장치와, 상기 가스 상태 가변 공급장치를 상기 연료전지의 운전상태에 따라 구동 제어하는 제어수단을 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성을 학습하고, 상기 학습의 결과에 의거하여 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 파라미터를 설정하는 학습수단을 구비함과 동시에, 상기 학습수단은, 적어도, 상기 가스 상태 가변 공급장치에 의한 기설정된 값 이상의 가스 공급 변화에 의거하는 제 1 값과, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 작동지령값에 의거하는 제 2 값을 이용하여, 상기 구동 특성을 학습하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 학습수단은, 학습하는 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성을 상기 가스 상태 가변 공급장치의 상류압에 따라 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 학습수단은, 학습하는 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성을 상기 연료가스의 온도에 따라 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 상태 가변 공급장치는, 그 상류측과 하류측을 연통하는 내부 유로와, 상기 내부 유로 내에 이동 가능하게 설치되어 그 이동위치에 따라 상기 내부 유로의 개구 상태를 변경 가능한 밸브체와, 전자구동력에 의하여 상기 밸브체를 구동하는 밸브체 구동부를 구비하여 이루어지는 인젝터인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 작동지령값은, 상기 인젝터의 분사시간을 제어하는 지령값인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 인젝터의 분사시간은, 상기 연료전지의 발전 전류로부터 구해지는 기본 분사시간을 피드포워드항으로서 포함하고,
    상기 학습수단은, 상기 피드포워드항에 상기 학습의 결과를 반영시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 공급 변화는, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 하류압의 상승인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 연료전지와, 상기 연료전지에 연료가스를 공급하기 위한 연료공급계와, 상기 연료공급계의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가스 상태 가변 공급장치와, 상기 가스 상태 가변 공급장치를 상기 연료전지의 운전상태에 따라 구동 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 특성을 학습하고, 상기 학습의 결과에 의거하여 상기 가스 상태 가변 공급장치의 구동 파라미터를 설정하는 학습수단을 구비함과 동시에, 상기 학습수단은, 서로 다른 구동 조건으로 상기 가스 상태 가변 공급장치를 구동시키고, 이들 구동 조건으로의 연료가스 공급 회수로부터, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 무효 공급시간을 학습하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 무효 공급시간은, 상기 가스 상태 가변 공급장치가 상기 제어수단으로부터 구동 제어신호를 받고 나서 실제로 가스 공급을 개시하기까지 필요한 시간인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 서로 다른 구동 조건은, 상기 가스 상태 가변 공급장치의 하류압의 상승폭과, 상기 가스 상태 가변 공급장치에 의한 연료가스의 1 공급 회수당 공급시간중, 적어도 한쪽인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 학습수단은, 상기 연료전지의 기동시에 학습을 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 학습수단은, 상기 연료전지의 기동시에 학습을 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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