KR101109716B1

KR101109716B1 - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR101109716B1
Application number: KR1020097013223A
Authority: KR
Inventors: 도모노리 이마무라; 시게토 가지와라; 신지 아소
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2012-02-09
Also published as: US8221925B2; KR20090082291A; CN101573822A; CA2673042C; DE112007003192T5; JP5024725B2; CA2673042A1; CN101573822B; JP2008166018A; WO2008078554A1; US20100323260A1

Abstract

본 발명은 연료전지의 수분량을 적절하게 제어하는 것이 가능한 연료전지 시스템을 제공한다. 임피던스 비교부(150)의 메모리(151)에 임피던스 기준값을 저장한다. 임피던스 기준값은, 연료전지(40)의 수분량이 너무 저감하지 않도록 설치한 기준값이다. 임피던스 비교부(150)는, 임피던스 연산부(140)로부터 공급되는 측정 임피던스와, 임피던스 기준값을 비교하고, 비교결과에 의거하여 소기 제어를 행한다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은, 임피던스 측정을 행하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

외부 온도가 낮은 경우에는, 연료전지 시스템의 정지 후에 그 내부에서 발생한 물이 동결하여, 배관이나 밸브 등이 파손된다는 문제가 있다. 또, 일반적으로 연료전지는 다른 전원에 비하여 기동성이 나쁘고, 특히, 저온 하에서는 원하는 전압/전류를 공급할 수 없어 기기를 기동할 수 없다는 문제도 있었다.

이러한 문제를 감안하여, 연료전지 시스템의 정지시에 소기(掃氣) 처리를 행함으로써 연료전지 내부에 고인 수분을 외부로 배출하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조).

[특허문헌 1]

일본국 특개2005-141943호 공보

그러나, 연료전지 시스템의 정지시에 매회 소기 처리를 행하면, 원래, 필요가 없는 소기 처리가 행하여짐에 의하여 연료전지가 필요 이상으로 건조하여, 오히려 기동성이 나빠지는 등의 문제가 생긴다.

본 발명은 이상 설명한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 연료전지의 수분량을 적절하게 제어하는 것이 가능한 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 연료전지의 임피던스를 측정하는 측정수단과, 임피던스 기준값을 기억하는 기억수단과, 상기 측정수단에 의한 측정 임피던스와 상기 임피던스 기준값의 비교결과에 의거하여, 소기 처리를 행해야 하는지의 여부를 판단하는 판단수단과, 긍정적인 판단결과가 얻어진 경우에 소기 처리를 행하는 실행수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 측정 임피던스와 임피던스 기준값의 비교결과에 의거하여, 소기 처리를 실행해야 한다고 판단한 경우에만, 소기 처리를 실행한다. 이것에 의하여, 불필요한 소기 처리가 행하여짐에 따른 폐해, 즉 불필요한 소기 처리가 행하여짐에 의하여 전해질막이 너무 건조해져, 기동성이 악화되는 등의 문제를 미연에 방지할 수 있다.

여기서, 상기 구성에서는, 상기 판단수단은, 상기 측정 임피던스가 상기 임피던스 기준값을 하회(下回)하고 있는 경우에 소기 처리를 행해야 한다고 판단하는 형태가 바람직하다.

또, 상기 구성에서는, 상기 임피던스 기준값을 하회하였을 때의 측정 임피던스와 소기 처리 개시로부터의 경과시간을 대응시켜 유지하는 유지수단과, 상기 측정 임피던스와 소기 처리 개시로부터의 경과시간과, 상기 임피던스 기준값에 의거하여, 상기 측정 임피던스가 당해 기준 임피던스에 도달하기까지의 시간을 산출하는 산출수단을 더 구비하는 형태가 바람직하다.

또, 본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 연료전지의 임피던스를 측정하고, 측정결과에 의거하여 소기 제어를 행하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 임피던스와, 소기 처리 개시로부터의 경과시간을 복수 회 측정하는 측정수단과, 측정된 상기 임피던스와 상기 경과시간의 쌍을 복수 유지하는 유지수단과, 임피던스 기준값을 기억하는 기억수단과, 상기 임피던스 기준값과, 상기 복수의 임피던스와 경과시간의 쌍에 의거하여, 소기 완료 시간을 추정하는 추정수단을 구비하는 형태가 바람직하다.

여기서, 상기 구성에서는, 상기 측정수단은, 상기 측정을 2회 행하고, 제 1회째의 측정을 소기 처리 개시 근방에서 행함과 동시에, 제 2회째의 측정을 소기 처리 개시로부터 소정 시간 경과 후에 행하는 형태가 바람직하다.

또, 상기 구성에서는, 상기 연료전지에 관한 온도를 검출하는 온도센서와, 검출되는 온도에 의거하여 상기 임피던스 기준값을 변경하는 변경수단을 더 구비하는 형태가 바람직하다.

또한, 상기 구성에서는, 일시를 검출하는 캘린더 기구와, 검출되는 일시에 의거하여 상기 임피던스 기준값을 변경하는 변경수단을 더 구비하는 형태가 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연료전지의 수분량을 적절하게 제어하는 것이 가능해진다.

도 1은 제 1 실시형태에 관한 연료전지 시스템의 구성을 나타내는 도,

도 2는 제 1 실시형태에 관한 제어 유닛의 기능을 설명하기 위한 도,

도 3은 제 1 실시형태에 관한 소기 제어 처리를 나타내는 플로우 차트,

도 4는 제 1 실시형태에 관한 소기 시간과 측정 임피던스의 관계를 예시한 도,

도 5는 제 2 실시형태에 관한 제어 유닛의 기능을 설명하기 위한 도,

도 6은 제 3 실시형태에 관한 제어 유닛의 기능을 설명하기 위한 도,

도 7은 제 3 실시형태에 관한 소기 시간과 측정 임피던스의 관계를 예시한 도면이다.

이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

A. 제 1 실시형태

<전체구성>

도 1은 제 1 실시형태에 관한 연료전지 시스템(100)을 탑재한 차량의 개략 구성이다. 또한, 이하의 설명에서는, 차량의 일례로서 연료전지 자동차(FCHV ; Fuel Cell Hyblid Vehicle)를 상정하나, 전기자동차나 하이브리드 자동차에도 적용 가능하다. 또, 차량뿐 아니라 각종 이동체(예를 들면, 선박이나 비행기, 로봇 등)에도 적용 가능하다.

이 차량은, 차륜(63L, 63R)에 연결된 동기모터(61)를 구동력원으로 하여 주행한다. 동기모터(61)의 전원은, 전원 시스템(1)이다. 전원 시스템(1)으로부터 출력되는 직류는, 인버터(60)에서 3상 교류로 변환되어, 동기모터(61)에 공급된다. 동기모터(61)는 제동시에 발전기로서도 기능할 수 있다.

전원 시스템(1)은, 연료전지(40), 배터리(20), DC/DC 컨버터(30) 등으로 구성된다. 연료전지(40)는 공급되는 연료가스 및 산화가스로부터 전력을 발생하는 수단이고, MEA 등을 구비한 복수의 단(單)셀을 직렬로 적층한 스택구조를 가지고 있다. 구체적으로는, 고체 고분자형, 인산형, 용융 탄산염형 등 여러가지 타입의 연료전지를 이용할 수 있다.

배터리(20)는, 충방전 가능한 2차 전지이고, 예를 들면 니켈 수소 배터리 등에 의하여 구성되어 있다. 그 외에, 여러가지 타입의 2차 전지를 적용할 수 있다. 또, 배터리(20) 대신에, 2차 전지 이외의 충방전 가능한 축전기, 예를 들면 커패시터를 사용하여도 된다. 이 배터리(20)는, 연료전지(40)의 방전 경로에 삽입되어, 연료전지(40)와 병렬 접속되어 있다.

연료전지(40)와 배터리(20)는 인버터(60)에 병렬 접속되어 있고, 연료전지(40)에서 인버터(60)로의 회로에는, 배터리(20)로부터의 전류 또는 동기모터(61)에서 발전된 전류가 역류하는 것을 방지하기 위한 다이오드(42)가 설치되어 있다.

이와 같이, 병렬 접속된 연료전지(40) 및 배터리(20)의 양쪽 전원의 적절한 출력 분배를 실현하기 위해서는 양쪽 전원의 상대적인 전압차를 제어할 필요가 있다. 이러한 전압차를 제어하기 위하여, 배터리(20)와 인버터(60)의 사이에는 DC/DC 컨버터(30)가 설치되어 있다. DC/DC 컨버터(30)는, 직류의 전압변환기이고, 배터리(20)로부터 입력된 DC 전압을 조정하여 연료전지(40) 측으로 출력하는 기능, 연료전지(40) 또는 모터(61)로부터 입력된 DC 전압을 조정하여 배터리(20) 측으로 출 력하는 기능을 구비하고 있다.

배터리(20)와 DC/DC 컨버터(30)의 사이에는, 차량 보조기계(50) 및 FC 보조기계(51)가 접속되고, 배터리(20)는 이들 보조기계의 전원이 된다. 차량 보조기계(50)란, 차량의 운전시 등에 사용되는 여러가지 전력 기기를 말하고, 조명기기, 공조기기, 유압펌프 등이 포함된다. 또, FC 보조기계(51)란, 연료전지(40)의 운전에 사용되는 여러가지 전력 기기를 말하고, 연료가스나 개질 원료를 공급하기 위한 펌프, 개질기의 온도를 조정하는 히터 등이 포함된다.

상기한 각 요소의 운전은, 제어 유닛(10)에 의하여 제어된다. 제어 유닛(10)은, 내부에 CPU, RAM, ROM을 구비한 마이크로 컴퓨터로서 구성되어 있다. 제어 유닛(10)은, 인버터(60)의 스위칭을 제어하여, 요구동력에 따른 3상 교류를 동기모터(61)로 출력한다. 또, 제어 유닛(10)은, 요구동력에 따른 전력이 공급되도록, 연료전지(40) 및 DC/DC 컨버터(30)의 운전을 제어한다. 이 제어 유닛(10)에는, 여러가지 센서 신호가 입력된다. 예를 들면, 액셀러레이터 페달 센서(11), 배터리(20)의 충전상태 SOC(State Of Charge)를 검출하는 SOC 센서(21), 연료전지(40)의 가스 유량을 검출하는 유량센서(41), 연료전지(40)의 내부온도(FC 온도)를 검출하는 온도센서(43), 차속을 검출하는 차속센서(62) 등으로부터, 여러가지 센서 신호가 제어 유닛(10)에 입력된다. 제어 유닛(10)은, 각 센서 신호를 이용하여 이하에 나타내는 연료전지(40)의 임피던스 측정을 행하고, 측정결과에 의거하여 소기 제어를 행한다.

<소기 제어 기능의 설명>

도 2는, 제어유닛(10)의 소기 제어 기능을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 제어 유닛(10)은, 상태 검출부(105), 목표전압 결정부(110), 중첩 신호 생성부(120), 전압 지령 신호 생성부(130), 임피던스 연산부(140), 임피던스 비교부(150), 가스 공급 제어부(160)를 구비하고 있다.

상태 검출부(105)는, 전압센서(141)에 의하여 검출되는 연료전지(40)의 전압(FC 전압)(Vf)이나 전류센서(142)에 의하여 검출되는 연료전지(40)의 전류(FC 전류)(If) 등에 의거하여, 연료전지(40)가 발전 상태에 있는지 비발전 상태에 있는지를 검출한다. 상태 검출부(105)는, 검출결과를 목표전압 결정부(110), 중첩 신호 생성부(120)로 출력한다.

목표전압 결정부(110)는, 액셀러레이터 페달 센서(11)나 SOC 센서(21) 등으로부터 입력되는 각 센서 신호에 의거하여 출력 목표전압(예를 들면 300V 등)을 결정하여, 이것을 전압 지령 신호 생성부(130)로 출력한다.

중첩 신호 생성부(120)는, 출력 목표전압에 중첩해야 할 임피던스 측정용 신호[예를 들면 진폭값(2V)의 저주파 영역의 사인파 등]를 생성하고, 이것을 전압 지령 신호 생성부(130)로 출력한다. 또한, 출력 목표전압이나 임피던스 측정용 신호의 각 파라미터(파형의 종류, 주파수, 진폭값)는, 시스템 설계 등에 따라 적절하게 설정하면 된다.

전압 지령 신호 생성부(130)는, 출력 목표전압에 임피던스 측정용 신호를 중첩하여, 전압 지령 신호(Vfcr)로서 DC/DC 컨버터(30)로 출력한다. DC/DC 컨버터(30)는, 주어지는 전압 지령 신호(Vfcr)에 의거하여 연료전지(30) 등의 전압제어 를 행한다.

임피던스 연산부(측정수단)(140)는, 전압센서(141)에 의하여 검출되는 연료전지(40)의 전압(FC 전압)(Vf) 및 전류센서(142)에 의하여 검출되는 연료전지(40)의 전류(FC 전류)(If)를 소정의 샘플링 레이트로 샘플링하고, 푸리에 변환처리(FFT 연산처리나 DFT 연산처리) 등을 실시한다. 임피던스 연산부(140)는, 푸리에 변환처리 후의 FC 전압신호를 푸리에 변환처리 후의 FC 전류신호로 나누거나 하여 연료전지(40)의 임피던스를 구하여, 임피던스 비교부(150)로 출력한다.

임피던스 비교부(판단수단)(150)는, 임피던스 연산부(140)로부터 연료전지(40)의 임피던스(이하, 측정 임피던스)를 수취하면, 메모리(기억수단)(151)에 저장되어 있는 임피던스 기준값(소기 완료 목표 임피던스)을 참조한다. 임피던스 기준값은, 연료전지(40)의 수분량이 너무 저감하지 않도록(즉, 전해질막이 너무 건조하지 않도록) 설치한 기준값으로, 미리 실험 등에 의하여 구하여진다. 이 임피던스 기준값은, FC 온도(T)에 의하지 않고 항상 일정하게 하여도 되나, FC 온도(T)마다 설정하여도 된다.

임피던스 비교부(150)는, 임피던스 연산부(140)로부터 측정 임피던스를 수취하면, 온도센서(43)에 의하여 검출되는 FC 온도(T)에 의거하여, 해당 온도에서의 임피던스 기준값을 결정한다. 임피던스 비교부(150)는, 결정한 임피던스 기준값과 측정 임피던스를 비교하여, 측정 임피던스가 임피던스 기준값을 하회하고 있는지의 여부를 판단한다. 임피던스 비교부(150)는, 측정 임피던스가 임피던스 기준값을 하회하고 있는 경우에는, 당해 측정 임피던스 등을 측정 메모리(유지수단)(152)에 저 장함과 동시에, 소기 처리를 계속해야 한다는 취지(또는 개시해야 한다는 취지)를 소기 제어부(160)에 통지한다. 한편, 측정 임피던스가 임피던스 기준값을 넘은 경우에는, 당해 측정 임피던스 등을 측정 메모리(152)에 저장하지 않고, 소기 처리를 종료해야 한다는 취지(또는 처음부터 실행하지 않는다는 취지)를 소기 제어부(160)에 통지한다.

소기 제어부(실행수단)(160)는, 임피던스 비교부(150)로부터의 통지 내용에 따라 소기 제어를 실행한다. 상세하게 설명하면, 소기 제어부(160)는, 임피던스 비교부(150)로부터 측정 임피던스 기준값을 하회하고 있다는 취지의 통지를 받은 경우에는, 소기 처리를 실행하는 한편, 측정 임피던스 기준값을 넘었다는 취지의 통지를 받은 경우에는, 소기 처리를 중지한다. 이 소기 처리는, 연료전지(40)에 공급하는 산화가스의 공급량, 바이패스 밸브(도시 생략)의 밸브 개방도 등을 조정함으로써 실현한다. 이하, 본 실시형태에 관한 소기 제어 처리에 대하여 설명한다.

<동작설명>

도 3은, 제어 유닛(10)에 의하여 간헐적으로 실행되는 소기 제어 처리를 나타내는 플로우 차트이다.

상태 검출부(105)는, FC 전압(Vf)이나 FC 전류(If) 등에 의거하여 연료전지(40)가 발전 상태에 있는지 비발전 상태에 있는지를 검출한다(단계 S100). 상태 검출부(105)는, 연료전지(40)가 발전 상태에 있음을 검출하면, 이하에 나타내는 단계를 실행하지 않고 소기 제어 처리를 종료한다. 한편, 상태 검출부(105)는, 이그니션키가 오프되는 등에 의하여, 비발전 상태에 있음을 검출하면, 임피던스 측정을 개시해야 한다는 취지를 목표전압 결정부(110), 중첩 신호 생성부(120)에 통지한다.

목표전압 결정부(110)는, 상태 검출부(105)로부터 임피던스 측정을 개시해야 한다는 취지의 통지를 수취하면, 액셀러레이터 페달(11)이나 SOC 센서(21) 등으로부터 입력되는 센서 신호에 의거하여 출력 목표전압을 결정하고, 이것을 전압 지령 신호 생성부(130)로 출력한다. 한편, 중첩 신호 생성부(120)는, 상태 검출부(105)로부터 임피던스 측정을 개시해야 한다는 취지의 통지를 수취하면, 출력 목표전압에 중첩해야 할 임피던스 측정용 신호를 생성하고, 이것을 전압 지령 신호 생성부(130)로 출력한다. 전압 지령 신호 생성부(130)는, 출력 목표전압에 임피던스 측정용 신호를 중첩하여, 전압 지령 신호(Vfcr)로서 DC/DC 컨버터(30)로 출력한다. DC/DC 컨버터(30)는, 주어지는 전압 지령 신호(Vfcr)에 의거하여 연료전지(40) 등의 전압제어를 행한다.

임피던스 연산부(140)는, 전압센서(141)에 의하여 검출되는 FC 전압(Vf) 및 전류센서(142)에 의하여 검출되는 FC 전류(If)에 의거하여 비발전 상태에서의 임피던스를 측정하고, 측정 임피던스로서 임피던스 비교부(150)에 공급한다(단계 S110).

임피던스 비교부(150)는, 임피던스 연산부(140)로부터 측정 임피던스를 수취하면, 메모리(151)에 저장되어 있는 복수의 임피던스 기준값 중에서, FC 온도(T)에 대응하는 임피던스 기준값을 취득한다(단계 S120). 그리고, 임피던스 비교부(150)는, 임피던스 연산부(140)로부터 수취한 측정 임피던스와, FC 온도(T)에 대응하는 임피던스 기준값을 비교한다(단계 S130).

임피던스 비교부(150)는, 측정 임피던스가 임피던스 기준값을 넘었다고 판단하면, 소기 처리를 종료해야 한다는 취지(또는 처음부터 실행하지 않는다는 취지)를 소기 제어부(160)에 통지한다. 한편, 임피던스 비교부(150)는, 측정 임피던스가 임피던스 기준값을 하회하고 있다고 판단하면, 당해 측정 임피던스 및 소기 처리 개시로부터의 경과시간(소기 시간)을 측정 메모리(152)에 등록한 후(단계 S140), 소기 처리를 계속해야 한다는 취지(또는 개시해야 한다는 취지)를 소기 제어부(160)에 통지한다.

도 4는, 소기 시간과 측정 임피던스의 관계를 예시한 도면이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 소기 시간이 길어짐에 따라, 전해질막의 건조는 진행되고, 측정 임피던스가 높아진다. 임피던스 비교부(150)는, 측정 임피던스가 임피던스 기준값(ins)을 하회하고 있는 동안은, 당해 측정 임피던스와 소기 시간의 쌍[(in, t)=(inO, tO), (in1, t1),…(in4, t4) 등]을 측정 메모리(152)에 등록한다. 또한, 도 4에 나타내는 (in0, t0)은, 소기 처리 개시 직전의 측정 임피던스와 소기시간을 나타낸다.

그 후, 측정 임피던스가 임피던스 기준값(ins)을 상회(上回)하면, 측정 임피던스와 소기 시간의 쌍[(in, t)=(in5, t5),(in6, t6) 등]을 측정 메모리(152)에 등록하지 않고, 소기 제어 처리를 종료한다. 여기서, 측정 임피던스에 대해서는, 소기 개시 전부터 이미 임피던스 기준값(ins)을 넘은 경우도 있다[도 4에 나타내는 (in0', t0') 등]. 이러한 경우에는, 소기 처리를 실행하지 않고 처리를 종료한다. 이것에 의하여, 불필요하게 소기 처리가 행하여지는 것에 의한 폐해, 즉 불필요한 소기 처리가 행하여짐으로써 전해질막이 너무 건조해져서, 기동성이 악화되는 등의 문제를 미연에 방지할 수 있다.

소기 제어부(160)는, 임피던스 비교부(150)로부터 소기 처리를 종료해야 한다는 취지(또는 처음부터 실행하지 않는다는 취지)를 수취하면, 이상 설명한 소기 제어 처리를 종료한다. 한편, 임피던스 비교부(150)로부터 소기 처리를 계속해야 한다는 취지(또는 개시해야 한다는 취지)를 수취하면, 연료전지(40)에 공급하는 산화가스의 공급량, 바이패스 밸브의 밸브 개방도 등을 조정함으로써 소기 처리를 실행한 후(단계 S150), 단계 S100으로 되돌아간다. 또한, 단계 S100으로 되돌아간 후의 동작에 대해서는, 상기와 마찬가지로 설명할 수 있으므로, 이 이상의 설명은 생략한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 측정 임피던스가 임피던스 기준값을 하회하는 경우에만, 소기 처리를 실행한다. 이것에 의하여, 불필요한 소기 처리가 행하여지는 것에 의한 폐해, 즉 불필요한 소기 처리가 행하여짐으로써 전해질막이 너무 건조해져서, 기동성이 악화되는 등의 문제를 미연에 방지할 수 있다.

여기서, 상기한 제 1 실시형태에서는, 단위 시간당의 소기량에 대하여 특별히 언급하지 않았으나, 일정해도 되고, 또 가변이어도 된다. 예를 들면, 단위 시간당의 소기량을 일정하게 유지하는 경우에는, 소기 처리를 실행하고 있는 동안, 산화가스의 공급량이나 바이패스 밸브의 밸브 개방도 등을 일정하게 유지하면 된다. 한편, 단위 시간당의 소기량을 가변으로 하는 경우에는, 측정 임피던스와 임피던스 기준값의 차분을 구하고, 구한 차분으로부터 산화가스의 공급량이나 바이패스 밸브의 밸브 개방도 등을 결정하면 된다. 예를 들면, 구한 차분이 설정된 문턱값보다도 큰 경우에는, 산화가스의 공급량 등을 크게 설정함으로써, 더욱 빨리 임피던스가 높아지도록 제어한다. 이와 같이, 단위 시간당의 소기량을 가변으로 함으로써, 더욱 신속하게 소기 처리를 종료하는 것이 가능해진다.

또, 상기한 제 1 실시형태에서는, 소기 처리시에 연료전지에 공급하는 가스로서 산화가스를 예시하였으나, 연료가스(수소 등)나 질소가스 등, 임피던스 측정가능한 모든 기체에 적용 가능하다.

B. 제 2 실시형태

상기한 제 1 실시형태에서는, 간헐적으로 연료전지의 임피던스 측정을 행하여, 측정 임피던스가 임피던스 기준값을 상회할 때까지 소기 처리를 실행하였으나, 측정 임피던스가 임피던스 기준값에 도달하는 시간을 추정하여, 추정한 시간(이하, 도달 추정시간)에 의거하여 소기 처리를 제어하여도 된다.

도 5는, 제 2 실시형태에 관한 제어 유닛(10')의 소기 제어 기능을 설명하기 위한 도면으로, 도 2에 대응하는 도면이다. 또한, 도 2와 대응하는 부분은 동일 부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.

도달 추정시간 산출부(산출수단)(170)는, 측정 메모리(152)에 등록되어 있는 측정 임피던스와 소기 시간의 쌍[예를 들면, 도 4에 나타내는 (in, t)=(in0, t0), (in1, t1),…(in4, t4) 등]으로부터, 도달 추정시간을 산출한다. 예를 들면, 도 4 에 나타내는 (in0, t0),(in1, t1)이 측정 메모리(152)에 등록되어 있는 경우에는, (in0, t0),(in1, t1)과 임피던스 기준값(ins)에 의거하여 2차 보간(補間) 처리를 행함으로써, 임피던스 기준값(ins)에 도달하는 시간(즉, 도달 추정시간 )(ts)을 산출한다. 이것에 의하여, 임피던스의 측정 횟수를 줄이면서도, 적정한 소기 제어를 실현하는 것이 가능해진다. 또한, 임피던스의 측정 횟수(n)(n≥2)는 적절하게 설정 가능하다.

C. 제 3 실시형태

상기한 제 2 실시형태에서는, 임피던스의 측정 횟수에 특별히 한정하지 않고, 도달 추정시간(ts)을 산출하였으나, 당해 시스템의 정지명령이 입력되면, 연료전지(40)에 대한 연료가스의 공급이 정지되어, 임피던스 측정에 필요한 연료가스의 사용이 제한된다. 그래서, 제 3 실시형태에서는, 한정된 임피던스 측정 횟수(2회 이하)로, 연료전지(40)의 함수량을 목표로 하는 함수량으로 제어하도록, 도달 추정시간(ts)을 정밀하게 구하는 것을 가능하게 한다.

도 6은, 제 3 실시형태에 관한 제어 유닛(10'')의 소기 제어 기능을 설명하기 위한 도면으로, 도 5에 대응하는 도면이다. 또, 도 7은, 소기 시간과 측정 임피던스의 관계를 예시한 도면으로, 도 4에 대응하는 도면이다. 또한, 도 6에 나타내는 구성에 대하여, 도 5와 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.

임피던스 연산부(측정수단)(140)는, 당해 시스템의 정지명령이 입력되면, 제 1회째의 임피던스 측정을 행하여, 소기 처리 개시 직전의 임피던스(제 1 측정 임피 던스)와 소기 시간의 쌍[도 7에 나타내는 (in, t)=(in0, t0)]을 측정 메모리(유지수단)(152)에 저장한다. 한편, 소기 제어부(160)는, 당해 시스템의 정지명령의 입력을 트리거(trigger)로 하여 소기 처리를 개시한다. 그 후, 임피던스 연산부(140)는, 타이머(141) 등을 이용하여 소기 처리 개시로부터 소정 시간(예를 들면 30초) 경과하였는지의 여부를 판단한다. 임피던스 연산부(140)는, 소정 시간 경과하였다고 판단하면, 제 2회째의 임피던스 측정을 행하여, 소기 처리 중의 임피던스(제 2 측정 임피던스)와 소기 시간의 쌍[도 7에 나타내는 (in, t)=(in1, t1)]을 측정 메모리(152)에 저장한다.

여기서, 제 2회째의 임피던스 측정은, 소기 완료 시간의 추정 정밀도를 향상시키는 관점에서, 가능한 한 연료전지(40)의 함수량이 저하한 타이밍에서 행하는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 연료전지(40)의 온도 변화 속도를 검출하여, 검출한 온도 변화 속도가 설정된 문턱값을 상회한 경우에 제 2회째의 임피던스 측정을 행하여도 된다. 또한, 문턱값에 대해서는, 연료전지(40)의 잔류수의 기화의 진행을 고려하여 설정하면 된다.

도달 추정시간 산출부(추정수단)(170)는, 측정 메모리(152)에 등록되어 있는 측정 임피던스와 소기 시간의 쌍으로부터, 도달 추정시간(소기 완료 시간)을 산출하는 수단이고, 메모리(기억수단)(151)에는 임피던스 기준값(소기 완료 목표 임피던스)(ins)이 기억되어 있다. 도달 추정시간 산출부(170)는, 제 1 측정 임피던스(in0)와, 제 2 측정 임피던스(in1)와, 임피던스 기준값(ins)과, 제 1 측정 임피던스의 소기 시간(t1)을 하기 식(1)에 대입함으로써, 도달 추정시간(ts)을 산출하 고, 산출결과를 소기 제어부(160)로 출력한다.

소기 제어부(160)는, 도달 추정시간 산출부(170)로부터 출력되는 도달 추정시간에 따라 소기 처리를 행한다. 이것에 의하여, 임피던스의 측정 횟수를 줄이면서도, 적정한 소기 제어를 실현하는 것이 가능해진다.

여기서, 상기한 실시형태에서는, 당해 시스템 정지명령이 입력된 후, 소기 처리 개시 직전(소기 처리 개시 근방)에서 제 1회째의 임피던스 측정을 행하였으나, 소기 처리 개시 직후(소기 처리 개시 근방)에서 제 1회째의 임피던스 측정을 행하여도 된다. 또, 당해 시스템 정지명령이 입력되기 직전에 측정한 임피던스를, 제 1회째의 측정 임피던스로서 이용하여도 된다.

상기한 실시형태에서는, 메모리(151)에 설정되는 임피던스 기준값에 대하여 특별히 언급하지 않았으나, 예를 들면 도달 추정시간 산출부(변경수단)(170)가 온도센서(43)에 의하여 검출되는 FC 온도(T)나, 당해 시스템에 내장된 캘린더 기구(도시 생략)에 의하여 특정되는 일시 정보에 따라 적절하게 변경하여도 된다.

또, 임피던스 기준값은 이하에 나타내는 학습결과에 따라 적절하게 변경하여도 된다. 실제로 도달 추정시간 경과 후에 임피던스 측정을 행하면, 부품의 경시 열화(經時劣化) 등에 의하여, 측정한 임피던스가 임피던스 기준값의 목표범위(예를 들면 ins±α)로부터 벗어나는 경우가 있다. 그래서, 당해 시스템 시동시에 측정되 는 임피던스를 메모리 등에 저장하여, 과거에 측정한 시동시 임피던스와 이번에 측정한 시동시 임피던스를 비교하고, 비교결과에 의거하여 임피던스 기준값을 변경하여도 된다. 구체적으로는, 과거에 측정한 시동시 임피던스와 이번에 측정한 시동시 임피던스의 차분이 소정 범위이면 임피던스 기준값은 변경하지 않고, 해당 차분이 소정 범위를 넘으면 임피던스 기준값을 변경한다. 물론, 비교대상으로서는 시동시 임피던스에 한정되지 않고, 시동시의 I-V 특성 등 임의 파라미터를 이용할 수 있다.

또, 상기한 실시형태에서는, 측정되는 임피던스의 시간 변화를 이차함수(y=at²+inO)로 가정하였으나, 지수함수 등 임의 함수를 이용할 수 있다.

Claims

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시스템 정지시에 연료전지의 임피던스를 측정하고, 측정결과에 의거하여 소기 제어를 행하는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료전지의 임피던스와, 소기 처리 개시로부터의 경과시간을 복수회 측정하는 측정수단과,

측정된 상기 임피던스와 상기 경과시간의 쌍을 복수 유지하는 유지수단과,

임피던스 기준값을 기억하는 기억수단과,

상기 임피던스 기준값과, 복수의 상기 임피던스와 경과시간의 쌍에 의거하여, 소기 완료 시간을 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 4항에 있어서,

상기 측정수단은, 상기 측정을 2회 행하여, 제 1회째의 측정을 소기 처리 개시 직전 또는 소기 처리 개시 직후에서 행함과 동시에, 제 2회째의 측정을 소기 처리 개시로부터 미리 설정된 시간 경과 후에 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,

상기 연료전지에 관한 온도를 검출하는 온도센서와, 검출되는 온도에 의거하여 상기 임피던스 기준값을 변경하는 변경수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,

일시를 검출하는 캘린더 기구와, 검출되는 일시에 의거하여 상기 임피던스 기준값을 변경하는 변경수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.