KR101109714B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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고타 마나베
히로유키 이마니시
도모야 오가와
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지 시스템은, 통상운전에 비하여 발전 효율이 낮은 저효율 운전에 의하여 연료전지를 한창 난기하고 있는 중에 연료전지에 대한 발전 지령값(Pref)이 감소한 경우에 있어서, 발전 지령값(Pref)의 감소에 따르도록 연료전지에 대한 반응 가스 공급을 제어할 수 없는 경우에는, 연료전지에 대한 반응 가스 공급을 줄임과 동시에, 연료전지의 출력 전압을 승압시킴으로써, 연료전지의 발전량(Pmes)과 발전 지령값(Pref)의 차분에 상당하는 잉여 전력(Ws)을 연료전지의 용량 성분으로 충전하고, 연료전지의 외부 부하에 공급되는 전력(Pmes-Ws)과 발전 지령값(Pref)을 일치시킨다. 이것에 의하여, 저효율 운전시에 연료전지에 대한 요구 전력이 급격하게 감소하였을 때에 외부 부하에 잉여 전력을 공급하지 않도록 제어할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 저효율 운전에 의하여 연료전지를 난기(暖機)하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히, 차량 주행 중의 저효율 운전에 있어서의 연료전지의 출력 제어방법에 관한 것이다.
연료전지는, 연료를 전기 화학 프로세스에 의하여 산화시킴으로써 산화 반응에 따라 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전 시스템으로서, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 전해질막의 양쪽 측면을 다공질 재료로 이루어지는 한 쌍의 전극에 의해 끼워 유지하여 이루어지는 복수의 막-전극 어셈블리를 적층하여 이루어지는 스택 구조를 가지고 있다. 그 중에서도, 고체 고분자막을 전해질로서 이용하는 고체 고분자 전해질형 연료전지는, 저비용으로 컴팩트화가 용이하고, 더구나 높은 출력 밀도를 가지기 때문에, 차량 탑재 전력원으로서의 용도가 기대되고 있다.
이 종류의 연료전지는, 일반적으로 70～80℃가 발전에 최적의 온도역이라고 되어 있으나, 한랭지 등의 환경에서는, 기동하고 나서 최적 온도역에 도달하기까지 장시간을 필요로 하는 경우가 있기 때문에, 각종 난기 시스템이 검토되고 있다. 예를 들면, 일본국 특개2002-313388호 공보에는, 통상 운전에 비하여 발전 효율이 낮 은 저효율 운전을 실시함으로써 연료전지의 자기 발열량을 제어하여, 차량 주행하면서 연료전지를 난기하는 방법에 대하여 개시되어 있다. 이러한 방법은, 연료전지의 출력 전압을 그 I-V 특성(전류 대 전압 특성)에 의거하는 전압값보다 낮은 전압값으로 설정하고, 연료전지의 열 손실을 증대시켜서 자기 발열에 의한 난기 운전을 실시하는 것이기 때문에, 난기용 장치를 탑재할 필요가 없어, 편리성이 우수하다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2002-313388호 공보
그런데, 차량 주행하면서의 저효율 운전에서는, 연료전지의 출력 전압을 그 I-V 특성에 의거하는 전압값보다 낮은 일정한 전압값으로 고정하면서, 연료전지에 공급되는 산화가스 유량을 요구전력에 따라 가변 제어하는 것이 적합하다. 이때의 연료전지의 출력 전압은, 신속한 난기 운전을 실현함과 동시에, 차량 주행에 최저 한도 필요한 모터 출력을 얻을 수 있는 일정한 전압값으로 설정된다. 여기서, 연료전지의 출력 전압을 일정한 전압값으로 고정하는 이유는, 난기 운전시에 발전 효율을 저하시키는 관점에서 연료전지의 출력 전압을 그 I-V 특성에 의거하는 전압보다 낮은 전압으로 운전 제어하는 경우, 연료전지의 출력 전압이 변동(승압 또는 강압)하면, 연료전지 내부에 기생적으로 형성되어 있는 용량 성분으로부터의 전력의 충방전이 생겨서, 연료전지로부터 외부 부하(트랙션 모터나 차량 탑재 보조기계류 등)로 공급되는 전력에 과부족이 생기기 때문이다.
한편, 일본국 특개2002-313388호 공보에 개시되어 있는 방법에서는, 난기 운전시에 연료전지의 발전 효율을 저하시키는 대상으로서, 연료전지의 출력도 저하시키기 때문에, 요구전력에 알맞은 출력 제어를 실시할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 차량 주행하면서의 저효율 운전에서는, 연료전지의 출력 전압을 그 I-V 특성에 의거하는 전압값보다 낮은 일정한 전압값으로 고정하면서, 연료전지에 공급되는 산화가스 유량을 요구전력에 따라 가변 제어하면 된다.
그러나, 연료전지 시스템을 차량 탑재 전원으로 하는 연료전지 차량에서는, 에어컴프레서에 의하여 연료전지에 산화가스를 공급하고 있는 것이 있다. 에어컴프레서에 실장되는 구동모터는 응답성이 좋은 것이 채용되고 있고, 액셀러레이터 개도가 급격하게 증대한 경우에 있어서의 에어컴프레서의 응답성은 양호하다. 그러나, 에어컴프레서에는, 브레이크 등의 감속장치가 실장되어 있지 않은 경우가 많기 때문에, 액셀러레이터 개도가 급격하게 감소하는 경우에 있어서의 응답성은 나쁘고, 타성(惰性)에 의하여 회전수가 감소해 가는 것을 기다리고 있는 것이 현상(現狀)이다.
그 때문에, 차량 주행하면서의 저효율 운전시에 액셀러레이터 개도가 급격하게 감소하여도, 연료전지에 대한 산화가스 유량을 급격하게 줄일 수 없기 때문에, 발전 지령값보다 많은 잉여 전력을 발전한다. 이 잉여 전력은 배터리에 충전되나, 저온 환경 하에 따라 배터리의 충전 능력이 저하되어 있는 경우에는, 배터리의 과충전을 초래할 우려가 있다.
그래서, 본 발명은 저효율 운전시에 연료전지에 대한 요구전력이 급격하게 감소하였을 때에 외부 부하에 잉여 전력을 공급하지 않도록 제어할 수 있는 연료전지 시스템을 제안하는 것을 과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관계되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와, 연료전지에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급장치와, 통상 운전에 비하여 발전 효율이 낮은 저효율 운전에 의하여 연료전지를 난기하는 난기장치와, 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에 있어서, 발전 지령값의 감소에 따르도록 연료전지에 대한 반응가스 공급을 제어할 수 있는 경우에는, 연료전지의 출력 전압을 일정하게 유지한 채, 연료전지에 대한 반응가스 공급을 줄여서, 발전 지령값의 감소에 따르도록 연료전지에 대한 반응가스 공급을 제어할 수 없는 경우에는, 연료전지에 대한 반응가스 공급을 줄임과 동시에, 연료전지의 출력 전압을 승압시킴으로써, 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을 연료전지의 용량 성분으로 충전하는 컨트롤러를 구비한다.
이러한 구성에 의하면, 저효율 운전 중에 발전 지령값이 급감한 경우에 있어서, 발전 지령값의 감소에 따르도록 연료전지에 대한 반응가스 공급을 제어할 수 없는 경우에는, 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을 연료전지의 용량 성분으로 충전할 수 있기 때문에, 연료전지에서 외부 부하로의 잉여 전력 공급을 억제할 수 있다.
반응가스 공급장치는, 회생 브레이크를 구비하여도 된다. 이러한 구성에 의하면, 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에, 회생 브레이크에 의한 회생 제동에 의하여, 발전 지령값의 감소에 따라 연료전지에 대한 반응가스 공급을 감소시킬 수 있다.
반응가스 공급장치는, 기계식 브레이크를 구비하여도 된다. 이러한 구성에 의하면, 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에, 기계식 브레이크에 의한 제동에 의하여, 발전 지령값의 감소에 따라 연료전지에 대한 반응가스 공급을 감소시킬 수 있다.
컨트롤러는, 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에, 발전 지령값의 감소에 따라 연료전지에 대한 반응가스 공급이 감소하도록 발전 지령값의 감소를 완만하게 하여도 된다.
연료전지 시스템은, 반응가스 공급장치로부터 공급되는 반응가스의 일부를, 연료전지를 바이패스하여 배기하기 위한 바이패스 장치를 더 구비하여도 된다. 이러한 구성에 의하면, 바이패스 장치는, 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에, 바이패스 장치를 통과하는 반응가스의 바이패스 유량을 제어함으로써, 발전 지령값의 감소에 따라 연료전지에 대한 반응가스 공급을 감소시킬 수 있다.
연료전지 시스템은, 잉여 전력을 충전하기 위한 충분한 용량을 가지는 축전장치를 더 구비하여도 된다.
여기서, 연료전지의 용량 성분이란, 연료전지의 촉매층과 전해질막의 계면에 기생적으로 형성되는 전기 2중층의 용량 성분을 의미한다. 그 용량값은, 촉매층의 산화 환원 반응에 의하여 변동한다. 또, 저효율 운전이란, 연료전지의 전류 대 전압 특성 곡선으로부터 정해지는 전압값보다 낮은 전압값을 가지는 운전 포인트에서 전지 운전하는 것을 의미한다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템의 시스템 구성도,
도 2는 셀의 분해 사시도,
도 3은 연료전지 스택의 C-V 특성도,
도 4는 연료전지 스택의 등가 회로도,
도 5는 연료전지 스택의 운전 포인트의 설명도,
도 6은 ΔV 제어의 제어과정을 나타내는 타이밍 차트,
도 7은 ΔV 제어의 제어과정을 나타내는 타이밍 차트이다.
이하, 각 도면을 참조하면서 본 발명에 관계되는 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 관계되는 연료전지 시스템(10)의 시스템 구성을 나타낸다.
연료전지 시스템(10)은, 연료전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능하는 것으로서, 반응가스(연료가스, 산화가스)의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택(20)과, 산화가스로서의 공기를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 산화가스 공급계(30)와, 연료가스로서의 수소가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 연료가스 공급계(40)와, 전력의 충방전을 제어하기 위한 전력계(50)와, 연료전지 스택(20)을 냉각하기 위한 냉각계(60)와, 시스템 전체를 제어하는 컨트롤러(ECU)(70)를 구비하고 있다.
연료전지 스택(20)은, 복수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자 전해질형 셀 스택이다. 연료전지 스택(20)에서는, 애노드극에서 (1)식의 산화 반응이 생기고, 캐소드극에서 (2)식의 환원 반응이 생긴다. 연료전지 스택(20) 전체로서는 (3)식의 기전(起電) 반응이 생긴다.
H2 → 2H+ + 2e- … (1)
(1/2) O2 + 2H+ + 2e- → H2O … (2)
H2 + (1/2) O2 → H2O … (3)
연료전지 스택(20)에는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 검출하기 위한 전압센서(71) 및 발전 전류를 검출하기 위한 전류센서(72)가 설치되어 있다.
산화가스 공급계(30)는, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화가스가 흐르는 산화가스 통로(34)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스 통로(36)를 가지고 있다. 산화가스 통로(34)에는, 필터(31)를 거쳐 대기 중으로부터 산화가스를 도입하는 에어컴프레서(32)와, 연료전지 스택(20)의 캐소드극으로 공급되는 산화가스를 가습하기 위한 가습기(33)와, 산화가스 공급량을 조정하기 위한 스로틀 밸브(35)가 설치되어 있다. 산화 오프 가스 통로(36)에는, 산화가스 공급압을 조정하기 위한 배압 조정 밸브(37)와, 산화가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스)의 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(33)가 설치되어 있다.
산화가스 통로(34)와 산화 오프 가스 통로(36)의 사이에는, 연료전지 스택(20)을 바이패스하여 양자간을 접속하는 바이패스 통로(38)와, 바이패스 통로(38)를 흐르는 산화가스 유량을 조정하는 바이패스 밸브(39)가 설치되어 있다. 바이패스 밸브(39)는, 통상시에는 밸브 폐쇄되어 있다. 바이패스 통로(38)와 바이패스 밸브(39)는, 바이패스 에어 유량을 조정하기 위한 바이패스 장치로서 기능한다.
연료가스 공급계(40)는, 연료가스 공급원(41)과, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료전지 스택(20)의 애노드극에 공급되는 연료가스가 흐르는 연료가스 통로(45)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료가스 통로(45)로 귀환시키기 위한 순환통로(46)와, 순환통로(46) 내의 연료 오프 가스를 연료가스 통로(43)로 압송하는 순환펌프(47)와, 순환통로(46)에 분기 접속되는 배기 배수 통로(48)를 가지고 있다.
연료가스 공급원(41)은, 예를 들면, 고압 수소 탱크나 수소 흡장 합금 등으로 구성되어, 고압(예를 들면, 35 MPa 내지 70 MPa)의 수소가스를 저류한다. 차단밸브(42)를 개방하면, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료가스 통로(45)에 연료가스가 유출된다. 연료가스는, 레귤레이터(43)나 인젝터(44)에 의하여, 예를 들면, 200 kPa 정도까지 감압되어, 연료전지 스택(20)에 공급된다.
또한, 연료가스 공급원(41)은, 탄화수소계의 연료로부터 수소 농후한 개질(改質)가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성한 개질가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크로 구성하여도 된다.
레귤레이터(43)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 조압(調壓)하는 장치이고, 예를 들면, 1차압을 감압하는 기계식의 감압밸브 등으로 구성된다. 기계식의 감압밸브는, 배압실과 조압실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의하여 조압실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 구성을 가진다.
인젝터(44)는, 밸브체를 전자 구동력으로 직접적으로 소정의 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격(離隔)시킴으로써 가스 유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자 구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(44)는, 연료가스 등의 기체 연료를 분사하는 분사 구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체 연료를 분사 구멍까지 공급 안내하는 노즐 보디와, 이 노즐 보디에 대하여 축선방향(기체 흐름 방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사 구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.
배기 배수 통로(48)에는, 배기 배수 밸브(49)가 설치되어 있다. 배기 배수 밸브(49)는, 컨트롤러(70)로부터의 지령에 의하여 작동함으로써, 순환통로(46) 내의 불순물을 포함하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출한다. 배기 배수 밸브(49)의 밸브 개방에 의하여, 순환통로(46) 내의 연료 오프 가스 중의 불순물의 농도가 내려가서, 순환계 내를 순환하는 연료 오프 가스 중의 수소 농도를 올릴 수 있다.
배기 배수 밸브(49)를 거쳐 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스 통로(34)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되어, 희석기(도시 생략)에 의하여 희석된 다. 순환펌프(47)는, 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의하여 연료전지 스택(20)으로 순환 공급한다.
전력계(50)는, DC/DC 컨버터(51), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 트랙션 모터(54) 및 보조기계류(55)를 구비하고 있다. DC/DC 컨버터(51)는, 배터리(52)로부터 공급되는 직류 전압을 승압하여 트랙션 인버터(53)로 출력하는 기능과, 연료전지 스택(20)이 발전한 직류 전력, 또는 회생 제동에 의하여 트랙션 모터(54)가 회수한 회생 전력을 강압하여 배터리(52)에 충전하는 기능을 가진다. DC/DC 컨버터(51)의 이들 기능에 의하여, 배터리(52)의 충방전이 제어된다. 또, DC/DC 컨버터(51)에 의한 전압 변환 제어에 의하여, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력 전압, 출력 전류)가 제어된다.
배터리(52)는, 잉여 전력의 저장원, 회생 제동시의 회생 에너지 저장원, 연료전지 차량의 가속 또는 감속에 따르는 부하 변동시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 배터리(52)로서는, 예를 들면, 니켈?카드뮴 축전지, 니켈?수소 축전지, 리튬 2차 전지 등의 2차 전지가 적합하다.
트랙션 인버터(53)는, 예를 들면, 펄스 폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이고, 컨트롤러(70)로부터의 제어 지령에 따라서, 연료전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토오크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는, 예를 들면, 3상 교류 모터이고, 연료전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조기계류(55)는, 연료전지 시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모 터(예를 들면, 펌프류 등의 동력원)나, 이들 모터를 구동하기 위한 인버터류, 또한 각종 차량 탑재 보조기계류(예를 들면, 에어컴프레서, 인젝터, 냉각수 순환펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
냉각계(60)는, 연료전지 스택(20) 내부를 순환하는 냉매를 흘리기 위한 냉매 통로(61, 62, 63, 64), 냉매를 압송하기 위한 순환펌프(65), 냉매와 외기의 사이에서 열교환하기 위한 라디에이터(66), 냉매의 순환경로를 전환하기 위한 삼방밸브(67) 및 냉매 온도(스택 온도)를 검출하기 위한 온도센서(74)를 구비하고 있다. 난기 운전이 완료한 후의 통상 운전시에는 연료전지 스택(20)으로부터 유출하는 냉매가 냉매 통로(61, 64)를 흘러 라디에이터(66)에서 냉각된 후, 냉매 통로(63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러들도록 삼방밸브(67)가 개폐 제어된다. 한편, 시스템 기동 직후에 있어서의 난기 운전시에는, 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매 통로(61, 62, 63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러들도록 삼방밸브(67)가 개폐 제어된다.
컨트롤러(70)는, CPU, ROM, RAM 및 입출력 인터페이스 등을 구비하는 컴퓨터 시스템으로서, 연료전지 시스템(10)의 각 부[산화가스 공급계(30), 연료가스 공급계(40), 전력계(50) 및 냉각계(60)]를 제어하기 위한 제어장치로서 기능한다. 예를 들면, 컨트롤러(70)는, 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동신호(1G)를 수신하면, 연료전지 시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개도신호(ACC)나, 차속센서로부터 출력되는 차속신호(VC) 등을 기초로 시스템 전체의 요구 전력을 구한다.
시스템 전체의 요구 전력은, 차량 주행 전력과 보조기계 전력의 합계값이다. 보조기계 전력에는 차량 탑재 보조기계류(가습기, 에어컴프레서, 수소 펌프 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(공기 조절 장치, 조명기구 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 컨트롤러(70)는, 연료전지 스택(20)과 배터리(52) 각각의 출력 전력의 배분을 결정하여, 발전 지령값을 연산하고, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표 전력에 일치하도록, 산화가스 공급계(30) 및 연료가스 공급계(40)를 제어한다. 또한 컨트롤러(70)는, DC/DC 컨버터(51)를 제어하여, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력 전압, 출력 전류)를 제어한다. 컨트롤러(70)는, 액셀러레이터 개도에 따른 목표 차속이 얻어지도록, 예를 들면, 스위칭 지령으로서 U상, V상 및 W상의 각 교류전압 지령값을 트랙션 인버터(53)로 출력하여, 트랙션 모터(54)의 출력 토오크 및 회전수를 제어한다.
도 2는 연료전지 스택(20)을 구성하는 셀(21)의 분해 사시도이다.
셀(21)은, 전해질막(22)과, 애노드극(23)과, 캐소드극(24)과, 세퍼레이터(26, 27)로 구성되어 있다. 애노드극(23) 및 캐소드극(24)은, 전해질막(22)을 양쪽에서 끼워 샌드위치 구조를 이루는 확산 전극이다. 가스 불투과의 도전성 부재로 구성되는 세퍼레이터(26, 27)는, 이 샌드위치 구조를 더욱 양쪽에서 끼우면서, 애노드극(23) 및 캐소드극(24)의 사이에 각각 연료가스 및 산화가스의 유로를 형성한다. 세퍼레이터(26)에는, 단면 오목형상의 리브(26a)가 형성되어 있다. 리브(26a) 에 애노드극(23)이 맞닿음으로써, 리브(26a)의 개구부는 폐색되고, 연료가스 유로가 형성된다. 세퍼레이터(27)에는, 단면 오목형상의 리브(27a)가 형성되어 있다. 리브(27a)에 캐소드극(24)이 맞닿음으로써, 리브(27a)의 개구부는 폐색되고, 산화가스 유로가 형성된다.
애노드극(23)은, 백금계의 금속 촉매(Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru 등)를 담지하는 카본 분말을 주성분으로 하고, 전해질막(22)에 접하는 촉매층(23a)과, 촉매층(23a)의 표면에 형성되어, 통기성과 전자 도전성을 더불어 가지는 가스 확산층(23b)을 가진다. 마찬가지로, 캐소드극(24)은, 촉매층(24a)과 가스 확산층(24b)을 가진다. 더 상세하게는, 촉매층(23a, 24a)은, 백금 또는 백금과 다른 금속으로 이루어지는 합금을 담지한 카본 분말을 적당한 유기 용매로 분산시켜, 전해질 용액을 적정량 첨가하여 페이스트화하고, 전해질막(22) 상에 스크린 인쇄한 것이다. 가스 확산층(23b, 24b)은, 탄소 섬유로 이루어지는 실로 직성(織成)한 카본 크로스, 카본 페이퍼, 또는 카본 펠트에 의하여 형성되어 있다. 전해질막(22)은, 고체 고분자 재료, 예를 들면, 불소계 수지에 의하여 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막으로서, 습윤 상태에서 양호한 전기 전도성을 발휘한다. 전해질막(22), 애노드극(23) 및 캐소드극(24)에 의하여 막-전극 어셈블리(25)가 형성된다.
도 3은 연료전지 스택(20)의 C-V 특성(cyclic voltammogram)을 나타내고 있다.
이 C-V 특성은, 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 나타내는 것으로서, 연료전지 스택(20)의 전압을 일정한 속도로 승압시켜 가면, 외부로부터 연료전 지 스택(20)으로 흘러드는 방향(마이너스 방향)으로 전류가 흐르고, 연료전지 스택의 전압을 일정한 속도로 강압시켜 가면, 연료전지 스택(20)으로부터 외부로 흐르는 방향(플러스 방향)으로 전류가 흐른다. 이러한 동적인 전기 특성은, 연료전지 스택(20)이 기생적으로 가지는 용량 성분에 의한 것이라는 것을 판명하고 있다.
다시 도 2를 참조하면, 전해질막(22)과 촉매층(23a)의 계면, 전해질막(22)과 촉매층(24a)의 계면에는, 상기 (1)～(2)식에 나타내는 전기 화학 반응에 관여하는 전자와 수소 이온이 집합함으로써, 전기 2중층이 형성된다. 전기 2중층에 모이는 전자와 수소 이온에 의하여 생기는 전압은, 기저(基底) 상태에 있는 수소가스 및 산소가스 각각을 활성화하기 위한 에너지원으로서 소비되기 때문에, 일반적으로 활성화 과전압이라 불린다. 상기 계면에 형성되는 전기 2중층은, 전기 에너지 저장원으로서 기능하는 것으로서, 그 동적인 전기 특성은, 커패시터와 등가(等價)인 것이 알려져 있다. 발전 전류를 급격하게 증감시키면, 전해질막(22)의 옴 저항에 기인하는 옴 전압 강하는, 발전 전류의 변화에 대하여 응답성 좋게 따라가나, 전기 2중층에 생기는 활성화 과전압은, 발전 전류의 변화에 대하여 응답성 좋게 따라갈 수 없고, 어느 정도의 시간을 들여 천천히 평형상태로 안정된다. 이러한 상위가 생기는 이유는, 전해질막(22)의 전기 특성은, 저항 소자로서 모델화할 수 있음에 대하여, 전기 2중층의 전기 특성은, 커패시터로서 모델화할 수 있기 때문이다.
도 4는 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 모델화한 등가 회로도이다.
연료전지 스택(20)은, 이상(理想) 연료전지(28)와 커패시터(29)가 병렬 접속되어 이루어지는 회로 구성을 가지고 있다. 이상 연료전지(28)는, 상기의 C-V 특성 을 가지지 않는 가상적인 연료전지를 모델화한 것으로서, 전기 특성상, 가변 전원과 등가의 작동을 한다. 커패시터(29)는, 상기 계면에 형성되는 전기 2중층의 전기적인 작동을 용량 소자로서 모델화한 것이다. 외부 부하(56)는 전력계(50)를 모델화한 등가 회로이다. 이상 연료전지(28)로부터 흘러나오는 전류를 Ifc, 이상 연료전지(28)의 출력 전압[연료전지 스택(20)의 출력 전압]을 Vfc, 커패시터(29)로 흘러들어가는 전류를 Ic, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러나오는 전류를 Is, 커패시터(29)의 용량을 C, 시간을 t라고 하면, 이하에 나타내는 (4)～(5)식이 성립한다.
Ifc = Ic + Is … (4)
Ic = C?ΔVfc/Δt … (5)
(4)～(5)식에 나타내는 바와 같이, 출력 전압(Vfc)을 승압하면, 단위 시간당의 변화량(ΔVfc/Δt)에 따라, 커패시터(29)로 흘러들어가는 전류(Ic)가 증가하기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러나오는 전류(Is)는 감소한다. 한편, 출력 전압(Vfc)을 강압하면, 단위 시간당의 변화량(ΔVfc/Δt)에 따라, 커패시터(29)로 흘러들어가는 전류(Ic)가 감소하기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러나오는 전류(Is)는 증가한다. 이와 같이, 출력 전압(Vfc)의 단위 시간당의 승강압량을 제어함으로써, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러나오는 전류(Is)를 가감할 수 있다(이하, 편의상 ΔV 제어라 부른다).
본 실시형태에서는, 연료전지 시스템(10)을 기동하였을 때의 스택 온도가 소 정 온도(예를 들면 O℃) 미만인 경우에 차량 주행하면서의 저효율 운전을 실시하여, 연료전지 스택(20)을 난기한다. 저효율 운전이란, 공기 화학량론비를 1.0 부근으로 설정하여 연료전지 스택(20)에 대한 반응가스 공급량을 제어함으로써 발전 손실을 높여 낮은 발전 효율로 운전하는 것을 말한다. 공기 화학량론비란, 산소 잉여율을 말하고, 수소와 과부족 없이 반응하는 데 필요한 산소에 대하여 공급 산소가 얼만큼 잉여인가를 나타낸다. 공기 화학량론비를 낮게 설정하여 저효율 운전을 실시하면, 통상 운전시보다 농도 과전압이 커지기 때문에, 수소와 산소의 반응에 의하여 추출되는 에너지 중 열 손실(발전 손실)이 증대한다.
차량 주행하면서의 저효율 운전에서는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 그 I-V 특성에 의거하는 전압값보다 낮은 일정한 전압값으로 고정하면서, 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화가스 유량을 요구전력에 따라 가변 제어한다. 여기서, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 일정한 전압값으로 고정하는 이유는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 변동시키면, (4)～(5)식에 나타내는 바와 같이, 연료전지 스택(20)의 용량 특성에 의하여 커패시터(29)로부터의 전력의 충방전이 생겨서, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 공급되는 전력에 과부족이 생기기 때문이다.
저효율 운전시의 연료전지 스택(20)의 출력 전압은, 신속한 난기 운전을 실현함과 동시에, 차량 주행에 최저 한도 필요한 모터 출력을 얻을 수 있는 전압값으로 설정된다. 조기 난기의 관점에서는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 가능한 한 낮게 설정하는 것이 바람직하나, 과도하게 너무 낮으면, 차량 주행에 필요한 모 터 출력을 얻을 수 없는 경우가 있기 때문에, 난기 성능을 만족하면서 차량 주행시의 적절한 모터 출력을 얻을 수 있는 전압으로 설정하는 것이 바람직하다. FC 출력단에 승압 컨버터를 구비하는 경우는, 이에 한정하지 않는다.
이와 같이, 저효율 운전시에 있어서의 연료전지 스택(20)의 출력 전압은, 일정 전압으로 고정되기 때문에, 컨트롤러(70)는, 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 공급량을 가변 제어함으로써, 요구전력(액셀러레이터 개도 등)에 따른 발전 제어를 실시한다. 예를 들면, 고부하시에는, 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 유량을 증대하고, 저부하시에는, 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 유량을 감소시킨다. 단, 연료전지 스택(20)에 대한 연료가스 공급은 일정 유량으로 유지되는 것으로 한다.
또한, 저효율 운전은, 스택 온도가 소정 온도(예를 들면 0℃)로 승온할 때까지 실시되고, 스택 온도가 소정 온도에 도달하면, 통상 운전으로 전환된다.
다음에, 저효율 운전 실시시에 연료전지 스택(20)에 대한 발전 요구가 급감하였을 때의 외부 부하(56)에 대한 잉여 전력 공급을 억제하는 방법에 대하여 설명한다.
도 5는 연료전지 스택(20)의 I-V 특성을 나타내고 있다.
통상 운전시에는, 발전 효율을 높이기 위하여, 운전 포인트[출력 전류(Ifc), 출력 전압(Vfc)]가 I-V 특성 곡선(200) 상에 위치하도록 운전 제어한다. 한편, 저효율 운전시에는, 발전 효율을 의도적으로 저하시켜서 열 손실을 높이기 때문에, 운전 포인트는, I-V 특성 곡선(200)보다 낮은 전압 포인트, 예를 들면, 출력 전압 Vfc = V1로 설정된다. V 저효율 운전에서는, 출력 전압(Vfc)은 V1로 고정되기 때문에, 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)으로 공급되는 산화가스 유량을 제어함으로써 출력 전류(Ifc)를 조정하여, 운전부하(예를 들면, 액셀러레이터 개도)에 따른 발전 제어를 실시한다.
또한, 부호 300, 400은 저효율 운전시의 I-V 특성 곡선을 나타내고 있다.
저효율 운전에 의하여 차량 주행하면서 난기 운전하고 있을 때의 운전 포인트를 A(I3, V1)라 하고, 운전자가 액셀러레이터 오프로 함으로써 발전 지령값(Pref)으로서 W1이 지정된 경우를 고찰한다. 여기서, 등파워 라인(500)은, 발전 전력이 W1이 되는 운전 포인트의 집합체인 것으로 한다(예를 들면, 운전 포인트 B의 발전 전력 I2 × V1과, 운전 포인트 B′의 발전 전력 I1 × V2는, 어느 것이나 W1로 동일하다). 액셀러레이터 오프 후의 운전 포인트는, 등파워 라인(500) 상에 존재할 수 있는 복수의 운전 포인트 중 어느 하나의 운전 포인트로 설정된다.
예를 들면, 도 6에 나타내는 바와 같이, 에어컴프레서(32)의 회전수가 액셀러레이터 개도(발전 요구)에 따를 수 있는 정도의 속도로 시각 t10에서 시각 t11에 걸쳐 액셀러레이터 개도를 점차 좁혀 가면, 발전 지령값(Pref)과 발전량(Pmes)의 사이에 거의 차이는 없고, 잉여 전력(Ws)은 거의 발생하지 않는다. 이러한 경우에는, 액셀러레이터 개도를 따라 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 유량을 줄이는 것만으로 발전 전력을 W1로 설정할 수 있기 때문에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 출력 전압(Vfc)을 V1로 유지한 채, 출력 전류(Ifc)가 I3에서 I2로 저하하도록 산화 가스 유량을 줄여, 운전 포인트를 A에서 B로 이동하면 된다.
한편, 도 7에 나타내는 바와 같이, 에어컴프레서(32)의 회전수가 액셀러레이터 개도(발전 요구)에 따를 수 없을 정도의 속도로, 시각 t20에서 액셀러레이터 개도를 급격하게 좁히면, 에어컴프레서(32)는, 급격하게 그 회전수를 저하시킬 수 없고, 발전 지령값(Pref)에 알맞은 회전수보다 많은 회전수로 타성적으로 회전을 계속한다. 그 때문에, 발전 지령값(Pref)과 발전량(Pmes)의 차분에 상당하는 잉여 전력(Ws)이 발생한다. 이러한 경우에는 ΔV 제어에 의하여 출력 전압(Vfc)을 ΔVfc = V2 - V1만큼 승압시키고, 도 5에 나타내는 바와 같이 운전 포인트를 A에서 B′로 이동시켜서, 잉여 전력(Ws)을 커패시터(29)에 충전함으로써, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)에 공급되는 전력값(Pmes - Ws)과 발전 지령값(Pref)을 일치시키면 된다.
또한, 운전 포인트 A에서 전지 운전하고 있을 때에 커패시터(29)에 축적되는 전기 에너지와, 운전 포인트 B′에서 전지 운전하고 있을 때에 커패시터(29)에 축적되는 전기 에너지와의 차분이 잉여 전력(Ws)에 상당한다.
본 실시형태에 의하면, 저효율 운전 중에 발전 지령값(Pref)이 급감한 경우에 있어서, 발전 지령값(Pref)의 감소에 따르도록 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 공급을 제어할 수 없는 경우에는, 출력 전압(Vfc)을 승압함으로써 잉여 전력(Ws)을 커패시터(29)에 충전할 수 있기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)에 대한 잉여 전력 공급을 억제할 수 있다.
또한, 발전 지령값(Pref)의 급감에 따라 에어컴프레서(32)의 회전을 급감할 수 없는 경우의 대책으로서, 이하의 조치 (1)～(5)를 강구하여도 된다.
(1) 에어컴프레서(32)에 회생 브레이크를 미리 실장하고, 액셀러레이터 오프시에 에어컴프레서(32)에 의한 전력 회생을 실시함으로써, 에어컴프레서(32)의 감속 응답성을 높인다.
(2) 에어컴프레서(32)에 기계식 브레이크를 미리 실장하여, 액셀러레이터 오프시의 에어컴프레서(32)의 감속 응답성을 높인다.
(3) 액셀러레이터 오프시에 에어컴프레서(32)가 따를 수 있을 정도로 발전 지령값(Pref)을 완만하게 감소시킨다. 즉, 발전량(Pmes)과 발전 지령값(Pref)의 차분에 상당하는 잉여 전력(Ws)이 적어지도록 발전 지령값(Pref)을 완만하게 감소시킨다. 발전 지령값(Pref)을 완만하게 감소시켜 간다는 것은, 운전 부하에 알맞은 전력 이상의 전력을 발전 지령값으로 설정한다는 것이다. 액셀러레이터 오프시에 드라이버빌리티에 영향을 주지 않는 범위 내에서 발전 지령값(Pref)을 완만하게 감소시켜 가는 방법은, 소위 액셀러레이터 어닐링(accelerator annealing)이라 불리고 있는 방법이다. 액셀러레이터 어닐링을 실시함으로써, 트랙션 모터(54)의 회전 토오크는 완만하게 감소해 가기 때문에, 발전 지령값(Pref)과 발전량(Pmes)의 차분에 상당하는 잉여 전력(Ws)은 매우 적은 것이 되고, ΔV 제어에 의하여 잉여 전력(Ws)을 흡수하는 것이 용이하게 된다.
(4) 액셀러레이터 오프시에 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 공급을 안정 한계 유량까지 저하시키고, 또한 바이패스 밸브(39)의 밸브 개도를 조정함으로써, 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 공급을 안정 한계 유량 이하로 좁힌다. 안정 한계 유량이란 저회전 영역에서의 유량 안정성 내지 응답 성을 확보할 수 있는 범위 내에서 에어 공급할 수 있는 최저 한계 유량을 의미하는 것으로 한다. 에어컴프레서(32)의 용량이 대용량인 경우에는, 액셀러레이터 오프시에 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 공급되는 전력에 과부족이 생기지 않도록, 연료전지 스택(20)으로 공급되는 산화가스 유량을 안정 한계 유량 이하로 줄이는 것은 곤란하나, 상기의 구성에 의하면, 바이패스 통로(38)를 흐르는 바이패스 에어 유량을 조정함으로써, 액셀러레이터 오프시에 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 공급되는 전력에 과부족이 생기지 않도록, 연료전지 스택(20)으로 공급되는 산화가스 유량을 안정 한계 유량 이하로 줄이는 것이 가능해진다.
(5) 충분한 용량의 배터리(52)를 탑재함으로써, 액셀러레이터 오프시에 발생하는 잉여 전력(Ws)을 배터리(52)에 충전한다.
상기의 실시형태에서는, 연료전지 시스템(10)을 차량 탑재 전원 시스템으로서 이용하는 이용형태를 예시하였으나, 연료전지 시스템(10)의 이용형태는, 이 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 연료전지 시스템(10)을 연료전지 차량 이외의 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)의 전력원으로서 탑재하여도 된다. 또, 본 실시형태에 관계되는 연료전지 시스템(10)을 주택이나 빌딩 등의 발전 설비[정치용(定置用) 발전 시스템]로서 사용하여도 된다.
본 발명에 의하면, 저효율 운전 중에 발전 지령값이 급감한 경우에 있어서, 발전 지령값의 감소에 따르도록 연료전지에 대한 반응가스 공급을 제어할 수 없는 경우에는, 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을 연료전지의 용량 성분으로 충전할 수 있기 때문에, 연료전지로부터 외부 부하에 대한 잉여 전력 공급을 억제할 수 있다.

Claims (9)

  1. 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지에 상기 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급장치와,
    통상 운전에 비하여 발전 효율이 낮은 저효율 운전에 의하여 연료전지를 난기하는 난기장치와,
    상기 저효율 운전을 실시하고 있는 때 상기 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에 있어서, 상기 발전 지령값의 감소에 따르도록 상기 연료전지에 대한 반응가스 공급을 제어할 수 있는 경우에는, 상기 연료전지의 출력 전압을 일정하게 유지한 채, 상기 연료전지에 대한 반응가스 공급을 줄이고, 상기 발전 지령값의 감소에 따르도록 상기 연료전지에 대한 반응가스 공급을 제어할 수 없는 경우에는, 상기 연료전지에 대한 반응가스 공급을 줄임과 동시에, 상기 연료전지의 출력 전압을 승압시킴으로써, 상기 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을, 상기 연료전지의 촉매층과 전해질막의 계면에 기생적으로 형성되는 전기 2중층의 용량 성분(capacitance component)으로 충전하는 컨트롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 저효율 운전은, 상기 연료전지의 전류 대 전압 특성 곡선으로부터 정해지는 전압값보다 낮은 전압값을 가지는 운전 포인트에서 전지 운전하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반응가스 공급장치는, 회생 브레이크를 구비하고 있고, 상기 저효율 운전을 실시하고 있는 때 상기 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에, 상기 회생 브레이크에 의한 회생 제동에 의하여, 상기 발전 지령값의 감소에 따라 상기 연료전지에 대한 반응가스 공급을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반응가스 공급장치는, 기계식 브레이크를 구비하고 있고, 상기 저효율 운전을 실시하고 있는 때 상기 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에, 상기 기계식 브레이크에 의한 제동에 의하여, 상기 발전 지령값의 감소에 따라 상기 연료전지에 대한 반응가스 공급을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 저효율 운전을 실시하고 있는 때 상기 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에, 상기 발전 지령값의 감소에 따라 상기 연료전지에 대한 반응가스 공급이 감소하도록 상기 발전 지령값의 감소를 완만하게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 반응가스 공급장치로부터 공급되는 반응가스의 일부를, 상기 연료전지를 바이패스하여 배기하기 위한 바이패스 장치를 더 구비하고,
    상기 바이패스 장치는, 상기 저효율 운전을 실시하고 있는 때 상기 연료전지에 대한 발전 지령값이 감소한 경우에, 상기 바이패스 장치를 통과하는 반응가스의 바이패스 유량을 제어함으로써, 상기 발전 지령값의 감소에 따라 상기 연료전지에 대한 반응가스 공급을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 잉여 전력을 충전하기 위한 축전장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 용량 성분의 용량값은, 상기 촉매층의 산화 환원 반응에 의하여 변동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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