KR101083370B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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시게토 가지와라
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지시스템(10)은, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택(40)과, 연료전지 스택(40) 내부에 잔류하고 있는 수분을 발전 정지시에 소기하기 위한 에어컴프레서(14)와, 에어컴프레서(14)에 작동전력을 공급하는 2차 전지(42)와, 연료전지 스택(40)의 교류 임피던스를 기초로 연료전지 스택(40) 내부에 잔류하고 있는 수분량을 추정하고 그 수분량을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 2차 전지(42)에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하며, 2차 전지(42)의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록 충방전 제어하는 컨트롤러(60)를 구비한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 발전 정지시에 연료전지 스택에 소기가스를 공급하여, 연료전지 스택 내부의 수분을 배수하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
최근, 환경문제에 대한 대처의 일환으로서, 저공해 차의 개발이 진행되고 있고, 그 중의 하나로 연료전지시스템을 차량 탑재 전원으로 하는 연료전지차량이 있다. 연료전지시스템은, 전해질막의 한쪽 면에 애노드극을 배치하고, 다른쪽 면에 캐소드극을 배치하여 이루어지는 막 - 전극 접합체에 반응가스를 공급함으로써 전기화학반응을 일으켜, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환시스템 이다. 그 중에서도 고체 고분자막을 전해질로서 사용하는 고체 고분자 전해질형 연료전지시스템은, 저비용으로 컴팩트화가 용이하고, 또한 고출력 밀도를 가지기 때문에, 차량 탑재 전력원으로서의 용도가 기대되고 있다.
연료전지 스택의 가스 채널 내부에는, 반응가스의 전기화학반응으로 생긴 생성수나 반응가스를 가습하기 위한 가습수 등이 잔류하고 있고, 이 잔류수를 방치한 채로 발전을 정지하면, 저온 환경하에서는, 잔류수가 동결되어, 막 - 전극 접합체로의 반응가스의 확산이 방해되어, 저온 시동성이 저하한다.
이와 같은 문제점을 감안하여, 종래에는, 발전 정지시에, 축전장치의 전력으 로 에어컴프레서를 구동하여, 연료전지 스택 내부의 가스 채널에 잔류하는 수분을 배수하기 위한 소기처리가 행하여지고 있다. 일본국 특개2006-179472호 공보에는, 발전 정지시의 소기처리가 필요한지의 여부를 판정하여, 소기처리가 필요하다고 판정되었을 때에, 연료전지 스택에 의해 축전장치를 충전하기 위한 충전 문턱값을, 통상의 문턱값과 비교하여 큰 값으로 변경하는 방법이 제안되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2006-179472호 공보
그러나, 소기처리에 필요로 하는 전력은, 가스 채널 내부에 잔류하는 수량(水量)에 의해 크게 다름에도 불구하고, 일본국 특개2006-179472호 공보의 방법에서는, 소기처리가 필요하다고 판정되었을 때에 축전장치를 충전하기 위한 충전 문턱값을 고정값으로 설정하고 있기 때문에, 잔류 수분량에 따라서는, 소기처리에 필요한 전력이 부족하게 되어, 소기처리가 불충분해질 염려가 있다.
그래서, 본 발명은 상기한 문제를 해결하여, 필요하고 또한 충분한 소기처리를 행할 수 있는 연료전지시스템을 제안하는 것을 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분을 발전 정지시에 소기하기 위한 소기장치와, 소기장치에 작동전력을 공급하는 축전장치와, 연료전지 스택의 교류 임피던스를 기초로 연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분량을 추정하고, 그 수분량을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 축전장치에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하는 추정장치와, 축전장치의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록 축전장치를 충방전제어하는 SOC 컨트롤러를 구비한다.
연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분량은, 연료전지 스택의 교류 임피던스를 기초로 추정할 수 있다. 발전 정지시에 연료전지 스택 내부에 잔류하는 수분을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 축전장치에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하고, 축전장치의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록 축전장치를 충방전제어함으로써, 소기처리에 필요한 전력을 과부족없이 축전장치에 축전할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 관한 연료전지시스템은, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분을 발전 정지시에 소기하기 위한 소기장치와, 소기장치에 작동전력을 공급하는 축전장치와, 연료전지 스택의 물수지 계산을 기초로 연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분량을 추정하고, 그 수분량을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 축전장치에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하는 추정장치와, 축전장치의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록 축전장치를 충방전제어하는 SOC 제어장치를 구비한다.
연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분량은, 연료전지 스택의 물수지 계산(생성수량, 제거수량, 및 가습수량의 수지계산)을 기초로 추정할 수 있다. 발전 정지시에 연료전지 스택 내부에 잔류하는 수분을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 축전장치에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하고, 축전장치의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록 축전장치를 충방전제어함으로써, 소기처리에 필요한 전력을 과부족없이 축전장치에 축전할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 관한는 연료전지시스템의 시스템 구성도,
도 2는 소기처리에 필요한 전력을 2차 전지에 충전하기 위한 제 1 처리를 나타내는 플로우차트,
도 3은 목표 SOC의 계산과정을 나타내는 설명도,
도 4는 소기처리에 필요한 전력을 2차 전지에 충전하기 위한 제 2 처리를 나타내는 플로우차트,
도 5는 물수지 계산의 계산과정을 나타내는 설명도,
도 6은 목표 SOC의 계산과정을 나타내는 설명도이다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(10)의 시스템 구성을 나타낸다.
연료전지시스템(10)은, 연료전지 차량의 차량 탑재용 발전시스템으로서 기능하는 것으로, 복수의 셀를 적층하여 이루어지는 스택구조로 이루어지는 고체 고분자 전해질형의 연료전지 스택(40)을 구비하고 있다. 셀은, 전해질막의 한쪽 면에 애노드극을 배치하고, 다른쪽 면에 캐소드극을 배치하여 이루어지는 막 - 전극 접합체와, 막 - 전극 접합체에 반응가스(연료가스, 산화가스)를 흘리기 위한 가스 채널(애노드 가스 채널, 캐소드 가스 채널)이나 냉매를 흘리기 위한 냉매유로가 형성된 세퍼레이터로 이루어진다. 연료전지 스택(40)은, 애노드극에 수소가스(연료가스)의 공급을 받음과 동시에, 캐소드극에 산소가스(산화가스)의 공급을 받아 발전한다.
연료전지 스택(40)에서는, 애노드극에서 식 (1)의 산화반응이 생기고, 캐소드극에서 식 (2)의 환원반응이 생긴다. 연료전지 스택(40) 전체로서는 식 (3)의 발전반응이 생긴다.
Figure 112009022506727-pct00001
Figure 112009022506727-pct00002
Figure 112009022506727-pct00003
연료전지시스템(10)의 산소가스공급계에는, 연료전지 스택(40)에 산소가스를 공급하기 위한 산소가스공급로(11)와, 연료전지 스택(40)으로부터 배출되는 산소 오프 가스를 외부로 배기하기 위한 산소 오프 가스 배출로(12)가 설치되어 있다. 산소가스공급로(11)에는, 대기 중의 산소가스에 함유되어 있는 분진 등을 제거하기 위한 필터(13)와, 산소가스를 가압하기 위한 에어컴프레서(14)와, 에어컴프레서(14)에 의해 가압되는 산소가스를 적절하게 가습하기 위한 가습 모듈(15)이 설치되어 있다.
가습 모듈(15)은, 대기로부터 도입된 저습윤의 산소가스(드라이 가스)와, 연료전지 스택(40)의 캐소드극에서 배기된 고습윤의 산소 오프 가스(웨트 가스)와의 사이에서 수분 교환을 행한다. 식 (2)에 나타내는 바와 같이, 캐소드극에서는, 수 분이 생성되기 때문에, 캐소드극에서 배출되는 산소 오프 가스는, 다량의 수분을 함유하고 있다. 가습 모듈(15)로 가습된 산소가스는, 산소가스공급로(11)를 거쳐 연료전지 스택(40)에 공급되고, 연료전지 스택(40)의 발전에 제공된다. 산소 오프 가스 배출로(12)는, 산소가스의 배출계에 설치된 배관이며, 가습 모듈(15)과 연료전지 스택(40)과의 사이에는, 연료전지 스택(40) 내의 산소 가스압을 조절하는 압력조절밸브(16)가 설치되어 있다. 산소 오프 가스 배출로(12)를 흐르는 산소 오프 가스는, 압력조절밸브(16)를 통하여 가습 모듈(15)로 수분교환에 제공된 후, 배기 가스로서 시스템 밖의 대기 중으로 배기된다.
연료전지시스템(10)의 수소가스공급계에는, 고압의 수소가스를 저장한 수소공급원으로서의 수소 탱크(21)와, 수소 탱크(21) 내에 충전되어 있는 수소가스를 연료전지 스택(40)에 공급하는 수소가스공급로(22)와, 수소 탱크(21)로부터 수소가스공급로(22)에 대한 수소가스공급/정지를 제어하는 차단밸브(29)와, 수소가스공급로(22)로부터 연료전지 스택(40)의 수소가스공급/정지를 제어하는 차단밸브(28)와, 연료전지 스택(40)으로부터 배출된 수소 오프 가스(미반응 수소가스)를 수소 오프 가스 배출로(22)에 환류시키기 위한 순환로(23)와, 순환로(23)를 흐르는 수소 오프 가스를 수소가스공급로(22)에 압송하는 수소 펌프(24)와, 순환로(23)로부터 분기되어, 산소 오프 가스 배출로(12)에 합류하는 배출로(25)가 설치되어 있다.
수소 오프 가스 배출로(22)의 상류측에는, 수소 탱크(21)로부터 유출되는 고압 수소가스의 압력을 조정하는 레귤레이터(27)가 설치되고, 레귤레이터(27)의 하류측에 순환로(23)가 합류하고 있다. 수소 탱크(21)로부터 수소가스공급로(22)로 유출되는 수소가스와, 순환로(23)를 환류하는 수소 오프 가스는, 수소가스공급로(22)와 순환로(23)와의 접속점에서 합류하고, 혼합가스가 되어 연료전지 스택(40)에 공급된다. 순환로(23)의 수소 펌프(24)의 하류측에는, 연료전지 스택(40)으로 환류하는 수소 오프 가스의 역류를 억제하기 위한 체크밸브(26)가 설치되어 있다.
수소 펌프(24)의 상류측에는, 순환로(23)를 흐르는 수소 오프 가스로부터 수분을 분리시키기 위한 기액분리기(30)가 설치되어 있다. 순환로(23)를 흐르는 유체에는, 연료전지 스택(40)으로부터 배출되는 수소 오프 가스와, 연료전지 스택(40)에서의 전기화학반응에 의해 생성된 생성수가 함유되어 있다. 기액분리기(30)는, 이 생성수를 수소 오프 가스로부터 분리한다. 수분이 분리된 수소 오프 가스는, 수소 펌프(24)에 의해 연료전지 스택(40)으로 환류되는 한편, 기액분리기(30)로 회수된 수분은, 드레인 밸브(31)를 거쳐 유체 배관(32)으로부터 산소 오프 가스 배출로(12)에 배출된다.
유체 배관(32)은, 그 상류단이 기액분리기(30)의 드레인 밸브(31)에 접속되고, 그 하류단이 산소 오프 가스 배출로(12)에 접속되어 있으며, 기액분리기(30)로 분리된 수분을 산소 오프 가스 배출로(12)에 유입시킨다. 배출로(25)에는, 이것을 개폐하는 셧밸브로서 기능하는 퍼지밸브(33)가 설치되어 있다. 퍼지밸브(33)를 적절하게 개폐시킴으로써, 수소 오프 가스에 함유되어 있는 불순물을 수소 오프 가스와 함께 배출로(25)를 경유하여 산소 오프 가스 배출로(12)에 배출시킬 수 있다. 수소오프 가스에 함유되어 있는 불순물을 배출로(25)로부터 배출함으로써, 수소 오 프 가스 중의 불순물 농도를 내림과 동시에 연료전지 스택(40)에 순환 공급되는 수소오프 가스 중의 수소농도를 높일 수 있다.
연료전지시스템(10)의 전력계에는, 연료전지 스택(40)의 발전전력 또는 차량제동 시의 회생 에너지를 축전하기 위한 축전장치로서의 2차 전지(42)와, 연료전지 스택(40)의 출력전압을 조정하여 연료전지 스택(40)과 2차 전지(42)와의 전력공급분배를 제어하는 DC/DC 컨버터(41)와, 연료전지 스택(40) 또는 2차 전지(42)로부터 공급되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 트랙션 모터(차량 주행모터)(44)에 공급하는 트랙션 인버터(43)가 설치되어 있다.
2차 전지(42)는, 전력의 축전 및 방전이 가능한 축전장치이고, 브레이크 회생시의 회생 에너지 저장원, 연료전지 차량의 가속 또는 감속에 따르는 부하변동시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 2차 전지(42)로서는, 예를 들면, 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차 전지 등이 적합하다. 2차 전지(42) 대신 커패시터 등의 축전장치를 탑재하여도 된다.
연료전지시스템(10)의 냉각계에는, 연료전지 스택(40) 내를 순환하는 냉매를 흘리기 위한 냉매유로(51)와, 냉매유로(51)를 따라 냉매를 압송하기 위한 냉매 펌프(54)와, 냉매를 냉각하기 위한 라디에이터(53)와, 라디에이터(53)를 바이패스시켜 냉매유로(51) 상에 냉매를 흘리기 위한 바이패스 밸브(52)가 설치되어 있다. 라디에이터(53)를 바이패스하는 냉매의 바이패스량을 가감함으로써, 냉매 온도를 조정할 수 있다.
연료전지시스템(10)의 제어계에는, 연료전지시스템(10) 전체를 제어하기 위 한 컨트롤러(60)가 설치되어 있다. 컨트롤러(60)는, 중앙처리장치(CPU), 기억장치(ROM, RAM), 입출력 인터페이스 등을 구비하는 제어 유닛(ECU)이다. 컨트롤러(60)는, 각종 센서류로부터의 센서출력을 기초로 운전상태를 모니터링하여, 연료전지시스템(10)을 제어한다.
센서류로서, 기동/정지신호를 출력하는 이그니션 스위치(71), 차속을 검출하는 차속센서(72), 액셀러레이터 개방도를 검출하는 액셀러레이터 센서(73), 연료전지 스택(40)을 구성하는 각 셀의 출력전압을 검출하는 전압센서(74), 연료전지 스택(40)의 출력전류(FC 전류)를 검출하는 전류센서(75), 연료전지 스택(40)의 온도(FC 온도)를 검출하는 온도센서(76), 연료전지 스택(40)의 캐소드 출구로부터 유출하는 공기의 유량을 검출하는 공기유량센서(77), 연료전지 스택(40)의 캐소드 출구로부터 유출하는 공기의 압력을 검출하는 공기압력센서(78), 2차 전지(42)의 SOC를 검출하는 SOC(State of charge)센서(79) 등이 있다.
예를 들면, 컨트롤러(60)는, 이그니션 스위치(71)로부터 출력되는 기동신호를 수신하면, 연료전지시스템(10)의 운전을 개시하여, 액셀러레이터 센서(73)로부터 출력되는 액셀러레이터 개방도 신호나, 차속센서(72)로부터 출력되는 차속신호 등을 기초로 시스템 전체의 요구전력을 구한다. 시스템 전체의 요구전력은, 차량 주행 전력과 보조기기 전력과의 합계값이다. 보조기기 전력에는, 예를 들면, 차량 탑재 보조기기류(가습기, 에어컴프레서, 수소펌프 및 냉각수 순환펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어장치, 조타장치 및 현가장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승자 공간 내에 설치되는 장치(공기조절장치, 조명 기구 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(40)과 2차 전지(42)의 출력전력의 배분을 결정하고, 연료전지 스택(40)의 발전량이 목표전력에 일치하도록, 에어컴프레서(14)의 회전수나 레귤레이터(27)의 밸브 개방도를 조정하며, 연료전지 스택(40)에 대한 반응가스공급량을 조정함과 동시에, DC/DC 컨버터(41)를 제어하여 연료전지 스택(40)의 출력전압을 조정함으로써 연료전지 스택(40)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)를 제어한다. 또한, 컨트롤러(60)는, 액셀러레이터 개방도에 따른 목표 차속이 얻어지도록 예를 들면, 스위칭지령으로서, U상, V상, 및 W상의 각 교류전압 지령값을 인버터(43)에 출력하고, 트랙션모터(44)의 출력 토오크 및 회전수를 제어한다.
다음에, 도 2를 참조하면서 소기처리에 필요한 전력을 2차 전지(42)에 충전하기 위한 제 1 처리에 대하여 개설(槪說)한다.
컨트롤러(60)는, 이그니션 스위치(71)로부터 출력되는 기동신호를 수신하면, 통상 운전을 실시한다(단계 201). 통상 운전시에는, 컨트롤러(60)는, 액셀러레이터 센서(73)로부터 출력되는 액셀러레이터 개방도 신호나, 차속센서(72)로부터 출력되는 차속신호 등을 기초로 시스템 전체의 요구전력을 구하고, 연료전지 스택(40)과 2차 전지(42)의 출력전력의 배분을 결정하여, 연료전지 스택(40)의 발전량이 목표전력에 일치하도록 보조기기류를 제어한다.
컨트롤러(60)는, DC/DC 컨버터(41)를 제어하여 연료전지 스택(40)에 교류신호를 인가하고, 그 전압 응답을 전압센서(74)에 의해 검출함으로써, 연료전지 스 택(40)의 교류 임피던스를 계측한다(단계 202).
또한, 연료전지 스택(40)에 교류신호를 인가하였을 때의 연료전지 스택(40)의 응답전압을 E, 응답전류를 I, 교류 임피던스를 Z라 하면, 이하의 관계식이 성립하는 것이 알려져 있다
Figure 112009022506727-pct00004
여기서, E0는 응답전압의 진폭을 나타내고, I0는 응답전류의 진폭을 나타낸다. ω는 각(角)주파수를 나타내고, Φ는 초기 위상을 나타낸다. R은 저항성분(실수부분)을 나타내고, χ는 리액턴스성분(허수부분)을 나타낸다. j는 허수단위를 나타내고, t는 시간을 나타낸다.
컨트롤러(60)는, 온도센서(76)의 출력을 기초로 FC 온도를 계측한다(단계 203).
그리고, 컨트롤러(60)는, 단계 202에서 계측한 교류 임피던스를 기초로 연료전지 스택(40) 내부에 잔류하는 수분량을 추정하고, 그 수분량을 소기하기 위하여 필요한 전력을 2차 전지(42)에 축적하기 위한 SOC(이하, SOC1이라 한다.)를 산출한다. 또한, 컨트롤러(60)는, 단계 203에서 계측한 FC 온도를 기초로 연료전지 스택(40)의 수분을 소기할 때의 건조속도(단위 시간당 배수되는 수분량)를 추정하고, 그 건조속도에서 잔류수분을 소기하기 위하여 필요한 전력을 2차 전지(42)에 축적 하기 위한 S0C(이하, S0C2라 한다.)를 산출한다. 그리고, 컨트롤러(60)는, SOC1과 SOC2 중에서 어느 것인가 큰 쪽을 목표 SOC로 한다(단계 204).
컨트롤러(60)는, SOC 센서(79)의 출력값을 기초로 2차 전지(42)의 SOC를 모니터링하면서, 2차 전지(42)의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록, 2차 전지(42)를 충방전제어한다(단계 205).
그리고, 컨트롤러(60)는 발전 정지요구가 있는지의 여부를 판정한다(단계 206). 이그니션 스위치(71)가 온에서 오프로 변환되는 것, 발전 정지요구는, 컨트롤러(60)에 출력된다. 발전 정지요구가 없는 한(단계 206 ; NO), 컨트롤러(60는, 단계 201 내지 단계 205의 처리를 실행한다.
연료전지 스택(40)의 교류 임피던스나 온도는, 운전상태에 따라 시시각각 변동하기 때문에, 목표 SOC도 운전상태에 따라 시시각각 변동한다. 컨트롤러(60)는, 시시각각 변동하는 목표 SOC에 따라, 2차 전지(42)를 충방전제어한다.
컨트롤러(60)는, 발전 정지요구를 받으면(단계 206 ; YES), 2차 전지(42)에 축전된 전력을 사용하여 에어컴프레서(14)를 구동하고, 연료전지 스택(40) 내부의 가스 채널에 소기가스를 공급함으로써, 가스 채널 내의 수분을 소기한다(단계 207). 에어컴프레서(14)는, 연료전지 스택(40) 내의 수분을 소기하기 위한 소기장치로서 기능한다.
또한, 단계 202에서는, 내부 저항계측기를 사용하여 연료전지 스택(40)의 교류 임피던스를 계측하여도 된다. 내부 저항계측기는, 예를 들면, 연료전지 스택(40)에 고주파 전류를 인가하고, 그 전압 응답을 검출함으로써, 연료전지 스 택(40)의 교류 임피던스를 구할 수 있는 고주파 임피던스 계측기이다.
여기서, 도 3을 참조하면서 목표 SOC의 계산과정(단계 204)에 대하여 상세하게 설명한다.
컨트롤러(60)는, 단계 202에서 계측한 교류 임피던스(101)와, 교류 임피던스-SOC 맵 데이터(102)를 기초로, SOC1을 산출한다. 교류 임피던스-SOC 맵 데이터(12)는, 가로축을 교류 임피던스로 하고, 세로축을 SOC로 하는 맵 데이터이고, 교류 임피던스로부터 추정되는 수분량을 소기하기 위하여 필요한 전력을 2차 전지(42)에 축적하기 위한 SOC가 플롯되어 있다.
컨트롤러(60)는, 단계 203에서 계측한 FC 온도(103)와, FC 온도-SOC 맵 데이터(104)를 기초로, SOC2를 산출한다. FC 온도-SOC 맵 데이터(104)는, 가로축을 FC 온도로 하고, 세로축을 SOC로 하는 맵 데이터이고, FC 온도로부터 구하는 건조속도에서 잔류 수분을 소기하기 위하여 필요한 전력을 2차 전지(42)에 축적하기 위한 SOC가 플롯되어 있다. FC 온도(1O3)가 높을수록, 건조속도는 빠르기 때문에, 소기에 필요로 하는 전기 에너지는 적어지는 한편, FC 온도(103)가 낮을수록, 건조속도는 느리기 때문에, 소기에 필요로 하는 전기 에너지는 많아진다.
컨트롤러(60)는, MAX 함수(105)에 인수(SOC1, SOC2)를 대입하고, 그 리턴값을 목표 SOC(106)로 한다. MAX 함수(105)는, 복수의 인수 중 최대값을 취하는 것을 리턴값으로 하는 함수이다.
연료전지 스택(40) 내부에 잔류하고 있는 수분량은, 연료전지 스택(40)의 교류 임피던스를 기초로 추정할 수 있다. 발전 정지시에 연료전지 스택(40) 내부에 잔류하는 수분을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 2차 전지(42)에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하고, 2차 전지(42)의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록 2차 전지(42)를 충방전제어함으로써, 소기처리에 필요한 전력을 과부족없이 2차 전지(42)에 축전할 수 있다.
또한, 컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(40)의 교류 임피던스를 기초로 연료전지 스택(40) 내부에 잔류하고 있는 수분량을 추정하고, 그 수분량을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 2차 전지(42)에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하는 추정장치(단계 204) 및 2차 전지(42)의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록 2차 전지(42)를 충방전제어하는 SOC 제어장치(단계 205) 로서 기능한다.
다음에, 도 4를 참조하면서 소기처리에 필요한 전력을 2차 전지(42)에 충전하기 위한 제 2 처리에 대하여 개설한다.
상기한 제 1 처리에서는, DC/DC 컨버터(41)를 제어하여 연료전지 스택(40)에 교류신호를 인가하고, 그 전압응답을 검출함으로써, 교류 임피던스를 계측하고 있었으나, DC/DC 컨버터(41)의 데드 타임 보정량이 크게 변동하는 동작범위에서는, DC/DC 컨버터(41)의 응답성능이 저하하기 때문에, DC/DC 컨버터(41)를 사용하여 교류 임피던스를 정확하게 계측할 수 없는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 교류 임피던스의 계측을 일시적으로 중지하고, 물수지 계산에 의거하여 연료전지 스택(40) 내부의 수분량을 추정하는 것이 바람직하다.
제 2 처리에서는, 교류 임피던스 계측(단계 202) 대신, 물수지 계산(단계 402)을 실행하고 있는 점이 제 1 처리와 다르다. 그 밖의 각 처리(단계 401, 단계 403 내지 단계 407)는, 제 1 처리의 각 처리(단계 201, 단계 203 내지 단계 207)에 대응하고 있다.
또, 연료전지 스택(40)의 잔류 수분량이나 온도는, 운전상태에 따라 시시각각 변동하기 때문에, 목표 SOC도 운전상태에 따라 시시각각 변동한다. 컨트롤러(60)는, 시시각각 변동하는 목표 SOC에 따라, 2차 전지(42)를 충방전제어한다.
여기서, 도 5를 참조하면서 물수지 계산의 계산과정(단계 402)에 대하여 상세하게 설명한다.
컨트롤러(60)는, 전류센서(75)의 출력값으로부터 계측한 FC 전류값(107)에 게인(110)을 곱함으로써, 생성수량(W1)[g/sec]을 산출한다. 게인(110)은 셀수/LVFF/2×18의 값을 가지는 정수이고, LVFF는, 패러데이정수(96500 C/mol)이다. 또한, 컨트롤러(60)는, 온도센서(76)의 출력값으로부터 계측한 FC 온도(103)와, 물포화 증기 특성 맵 데이터(111)로부터 수증기압(U1)을 산출하고, 공기압력센서(78)의 출력값으로부터 공기압력값(109)[이하, 공기압력값(U2)이라 한다]을 계측한다. 그리고, 컨트롤러(60)는, 함수(112)에 인수(U1, U2)를 대입하여, 수증기와 공기의 분압비(V1)를 산출한다.
컨트롤러(60)는, 전류센서(75)의 출력값으로부터 계측한 FC 전류값(107)에 게인(113)을 곱함으로써, 공기 소비량(Al)[mol/sec]을 산출한다. 게인(113)은, 셀수/LVFF/4의 값을 가지는 정수이다. 컨트롤러(60)는, 공기유량센서(77)의 출력값으로부터 캐소드 출구의 공기유량값(108){이하, 공기유량값(A2)[mol/sec]이라 한다}을 계측한다. 그리고, 컨트롤러(60)는, 제거수분으로 전환한 공기유량(V2)을 공기유량(A2) - 공기소비량(Al)에 의해 산출한다. 컨트롤러(60)는, 곱셈함수(115)에 인수(V1, V2)를 대입하고, 그 리턴값에 게인(116)을 곱함으로써 제거수량(W2) [g/sec]을 산출한다. 게인(116)은, 18의 값을 가지는 정수이다. 제거수량(W2)은, -1의 값을 가지는 게인(117)이 곱해져, 부호가 (-)가 된다.
컨트롤러(60)는, 가습 모듈 수증기 교환율 맵 데이터(118)를 기초로, 공기유량(A2)에 대응하는 수증기 교환율(X1)을 산출한다. 컨트롤러(60)는, MIN 함수(119)에 인수(W1, W2)를 대입하고, 그 리턴값을 X2라 한다. MIN 함수(119)는, 복수의 인수 중 최소값을 취하는 것을 리턴값으로 하는 함수이다. 컨트롤러(60)는, 곱셈함수(120)에 인수(X1, X2)를 대입하고, 그 리턴값을 가습수량(W3)[g/sec]으로 한다. 컨트롤러(60)는, 가산함수(121)에 인수(W1, -W2, W3)를 대입하고, 그 리턴값을, 연료전지 스택(40)에 잔류하는 수분량(122)으로 한다.
여기서, 도 6을 참조하면서 목표 SOC의 계산과정(단계 404)에 대하여 상세하게 설명한다.
컨트롤러(60)는, 단계 402에서의 물수지 계산으로 얻은 수분량(122)과, 수분량 - 교류 임피던스 맵 데이터(123)를 기초로, 교류 임피던스를 산출한다. 수분량 - 교류 임피던스 맵 데이터(123)는, 가로축을 수분량으로 하고, 세로축을 교류 임피던스로 하는 맵 데이터이고, 수분량에 대응하는 교류 임피던스가 플롯되어 있다. 컨트롤러(60)는, 교류 임피던스와, 교류 임피던스-SOC 맵 데이터(102)를 기초로, SOC1을 산출한다.
컨트롤러(60)는, 단계 403에서 계측한 FC 온도(103)와, FC 온도-SOC 맵 데이 터(104)를 기초로, SOC2를 산출하고, MAX 함수(105)에 인수(SOC1, SOC2)를 대입하며, 그 리턴값을 목표 SOC(106)로 한다.
연료전지 스택(40) 내부에 잔류하고 있는 수분량은, 연료전지 스택(40)의 물수지 계산을 기초로 추정할 수 있다. 발전 정지시에 연료전지 스택(40) 내부에 잔류하는 수분을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 2차 전지(42)에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하고, 2차 전지(42)의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록 2차 전지(42)를 충방전제어함으로써, 소기처리에 필요한 전력을 과부족없이 2차 전지(42)에 축전할 수 있다.
또한, 컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(40)의 물수지 계산을 기초로 연료전지 스택(40) 내부에 잔류하고 있는 수분량을 추정하고(단계 402), 그 수분량을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 2차 전지(42)에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하는 추정장치(단계 404) 및 2차 전지(42)의 SOC가 목표 SOC에 일치하도록 2차 전지(42)를 충방전제어하는 SOC 제어장치(단계 405)로서 기능한다.
본 발명에 의하면, 소기처리에 필요로 하는 전력을 연료전지 스택의 교류 임피던스 또는 물수지 계산에 의거하여 추정하고, 전지 운전 중에 축전장치에 축전해 둘 수 있기 때문에, 발전 정지시에 있어서의 소기처리를 필요하고 또한 충분히 행할 수 있다.

Claims (2)

  1. 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택과,
    상기 연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분을 발전 정지시에 소기하기 위한 소기장치와,
    상기 소기장치에 작동전력을 공급하는 축전장치와,
    상기 연료전지 스택의 교류 임피던스를 기초로 상기 연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분량을 추정하고, 상기 수분량을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 상기 축전장치에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하는 추정장치와,
    상기 축전장치의 SOC가 상기 목표 SOC에 일치하도록 상기 축전장치를 충방전제어하는 SOC 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택과,
    상기 연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분을 발전 정지시에 소기하기 위한 소기장치와,
    상기 소기장치에 작동전력을 공급하는 축전장치와,
    상기 연료전지 스택의 물수지 계산을 기초로 상기 연료전지 스택 내부에 잔류하고 있는 수분량을 추정하고, 상기 수분량을 소기하기 위하여 필요로 하는 전력을 상기 축전장치에 축전하기 위한 목표 SOC를 추정하는 추정장치와,
    상기 축전장치의 SOC가 상기 목표 SOC에 일치하도록 상기 축전장치를 충방전 제어하는 SOC 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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