KR101135659B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR101135659B1
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도모노리 이마무라
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지 시스템은, 소기 개시 시점에서 연료전지의 교류 임피던스를 측정함과 동시에, 소기 개시 시점으로부터 소정 시간 경과한 시점에서 연료전지의 교류 임피던스를 측정하는 교류 임피던스 측정부(92)와, 소기 개시 시점에서 측정한 교류 임피던스, 소기 개시 시점으로부터 소정 시간 경과한 시점에서 측정한 교류 임피던스, 및 소정 시간에 의거하여 소기 실시 시간을 측정하는 소기 실시 시간 추정부(94)와, 소기 개시 시점으로부터 소정 시간이 경과하는 시점까지의 사이에 연료전지의 셀 전압이 소정의 문턱값을 하회하였을 때에 소기 처리를 강제 종료하는 이상 처리부(95)를 구비한다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료가스 및 산화가스를 막-전극 접합체에 공급함으로써 전기 화학 반응을 일으켜, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 에너지 변환 시스템이다. 그 중에서도, 고체 고분자막을 전해질로서 사용하는 고체 고분자 전해질형 연료전지 스택은, 저비용으로 컴팩트화가 용이하고, 더구나 높은 출력 밀도를 가지기 때문에, 차량 탑재 전원으로서의 용도가 기대되고 있다.
연료전지의 가스 유로 내부에는, 반응가스의 전기 화학 반응으로 생긴 생성수나 반응가스를 가습하기 위한 가습수 등이 잔류하고 있고, 이 잔류수를 방치한 채 발전을 정지하면, 저온환경 하에서는, 잔류수가 동결하여, 막-전극 접합체에 대한 반응가스의 확산이 방해되어, 저온 시동성이 저하한다. 이러한 문제점을 감안하여, 일본국 특개2002-246053호 공보에는, 운전 정지시에 연료전지 스택 내부에 소기가스를 공급함으로써, 수분을 제거하고, 연료전지 스택의 교류 임피던스를 계측함으로써, 전해질막의 건조 정도를 판단하는 방법이 제안되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2002-246053호 공보
그러나, 소기를 개시하는 시점에서 측정한 연료전지 스택의 교류 임피던스와, 소기를 개시하고 나서 소정 시간 경과 후에 측정한 연료전지 스택의 교류 임피던스에 의거하여 소기 실시 시간을 추정하는 기능을 가지는 연료전지 시스템에서는, 소기 개시 시점에서의 연료전지 내부의 잔류 수분이 적으면, 소기를 개시하고 나서 소정 시간 경과하기 이전에 전해질막이 과도하게 건조하여, 연료전지가 손상을 받을 우려가 있다.
그래서, 본 발명은, 상기의 문제점을 해결하고, 연료전지를 과도하게 건조시키지 않기 위한 페일 세이프 처리를 실시할 수 있는 연료전지 시스템을 제안하는 것을 과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 연료전지와, 연료전지에 소기가스를 공급하는 소기장치와, 소기 개시 시점에서 연료전지의 교류 임피던스를 측정함과 동시에, 소기 개시 시점으로부터 소정 시간 경과한 시점에서 연료전지의 교류 임피던스를 측정하는 교류 임피던스 측정부와, 소기 개시 시점에서 측정한 교류 임피던스, 소기 개시 시점으로부터 소정 시간 경과한 시점에서 측정한 교류 임피던스, 및 소정 시간에 의거하여 소기 실시 시간을 추정하는 소기 실시 시간 추정부와, 소기 개시 시점에서 소정 시간이 경과하는 시점까지의 사이에 연료전지의 셀 전압이 소정의 문턱값을 하회하였을 때에 소기 처리를 강제 종료하는 이상 처리부를 구비한다.
셀 전압의 저하는, 연료전지 내부의 건조를 나타내고 있기 때문에, 셀 전압이 소정의 문턱값을 하회하였을 때에 소기 처리를 강제 종료시킴으로써, 연료전지를 과도하게 건조시키지 않기 위한 페일 세이프 처리를 실시할 수 있다.
여기서, 소기 실시 시간 추정부는, 보완 함수를 이용하여 소기 실시 시간을 추정하는 것이 바람직하다. 소기 처리 중의 시간 경과에 따르는 교류 임피던스의 변화는, 어떤 특정한 함수 곡선에 근사할 수 있기 때문에, 보완 함수를 이용함으로써 추정 정밀도를 높일 수 있다.
소기 개시 시점에서 소정 시간 경과하는 시점은, 연료전지의 온도 변화 속도의 절대값이 소정의 문턱값 미만이 되는 시점으로 하여도 되고, 또는 미리 정해진 일정 시간으로 하여도 된다. 가능한 한 연료전지 내부의 함수량이 저하되고 있는 것으로 예상되는 시기에 교류 임피던스를 측정함으로써, 소기 실시 시간 추정 정밀도를 높일 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템의 구성도,
도 2는 셀의 분해 사시도,
도 3은 셀의 전기적 특성을 나타내는 등가 회로도,
도 4는 연료전지 스택의 교류 임피던스를 복소(複素) 평면 상에 표시한 그래프,
도 5는 소기 처리에 관한 제어 유닛의 기능 블록도,
도 6A는 이그니션 스위치의 온/오프 상태를 나타내는 타이밍 차트,
도 6B는 이상 처리부에 부여되는 셀 전압 측정 지시의 타이밍 차트,
도 6C는 소기 처리 중의 셀 전압의 변화를 나타내는 타이밍 차트,
도 6D는 교류 임피던스 측정부에 부여되는 교류 임피던스 측정 지시의 타이밍 차트,
도 6E는 측정 메모리에 저장되는 교류 임피던스의 값을 나타내는 타이밍 차트,
도 6F는 이상 종료 플래그의 온/온을 나타내는 타이밍 차트,
도 6G는 연료전지 스택에 공급되는 에어 유량을 나타내는 타이밍 차트,
도 7A는 이그니션 스위치의 온/오프 상태를 나타내는 타이밍 차트,
도 7B는 이상 처리부에 부여되는 셀 전압 측정 지시의 타이밍 차트,
도 7C는 소기 처리 중의 셀 전압의 변화를 나타내는 타이밍 차트,
도 7D는 교류 임피던스 측정부에 부여되는 교류 임피던스 측정 지시의 타이밍 차트,
도 7E는 측정 메모리에 저장되는 교류 임피던스의 값을 나타내는 타이밍 차트,
도 7F는 이상 종료 플래그의 온/온을 나타내는 타이밍 차트,
도 7G는 연료전지 스택에 공급되는 에어 유량을 나타내는 타이밍 차트이다.
이하, 각 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템(10)의 시스템 구성을 나타낸다.
연료전지 시스템(10)은, 연료전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능하는 것으로, 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 제어 유닛(ECU)(90)을 구비하고 있다.
연료전지 스택(20)은, 복수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자 전해질형 셀 스택이다. 연료전지 스택(20)에서는, 애노드극에서 (1)식의 산화반응이 생기고, 캐소드극에서 (2)식의 환원반응이 생긴다. 연료전지 스택(20) 전체로서는 (3)식의 기전반응이 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 출력전압을 검출하기 위한 전압센서(71), 발전전류를 검출하기 위한 전류센서(72) 및 셀 전압을 검출하기 위한 셀 모니터(셀 전압 검출기)(75)가 설치되어 있다.
산화가스 공급계(30)는, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화가스 가 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.
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(47)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. 차단 밸브(42)를 개방하면, 연료가스 공급원(41)에서 연료가스 통로(45)로 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 이격시킴으로써 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 배치되어 있다. 배기 배수 밸브(49)는, 제어 유닛(90)으로부터의 지령에 의하여 작동함으로써, 순환통로(46) 내의 불순물을 함유하는 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 혼합되고, 희석기(도시 생략)에 의하여 희석된다. 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 직류전압을 승압하여 트랙션 인버터(53)로 출력하는 기능과, 연료전지 스택(20)이 발전한 직류전력, 또는 회생 제동에 의하여 트랙션 모터(54)가 회수한 회생전력을 강압하여 배터리(52)에 충전하는 기능을 가지는 전력 변환장치이다. 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(출력전압, 출력전류)가 제어된다.
배터리(52)는, 잉여전력의 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, 제어 유닛(90)으로부터의 제어지령에 따라서, 연료전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류전압을 3상 교류전압으로 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 모터(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 온도를 검출하기 위한 온도센서(74)를 구비하고 있다. 난기 운전이 완료한 후의 통상 운전시에는 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매 통로(61, 64)를 흘러 라디에이터(66)에서 냉각된 후, 냉매통로(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 냉매통로(61, 62, 63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러들도록 삼방밸브(67)가 개폐 제어된다.
제어 유닛(90)은, 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, 제어 유닛(90)은, 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동신호(IG)를 수신하면, 연료전지 시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개도 신호(ACC)나, 차속센서로부터 출력되는 차속 신호(VC) 등을 기초로 시스템 전체의 요구전력을 구한다.
시스템 전체의 요구전력은, 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 조절장치, 조명기구 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 제어 유닛(90)은, 연료전지 스택(20)과 배터리(52)의 각각의 출력전력의 배분을 결정하여, 발전 지령값을 연산함과 동시에, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표전력에 일치하도록, 산화가스 공급계(30) 및 연료가스 공급계(40)를 제어한다. 또한 제어 유닛(90)은, DC/DC 컨버터(51)를 제어하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)를 제어한다. 제어 유닛(90)은, 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, 애 노드극(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 금속촉매(Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru 등)를 담지하는 카본 분말을 주성분으로 하여, 전해질막(22)에 접하는 촉매층(23a)과, 촉매층(23a)의 표면에 형성되고, 통기성과 전자 도전성을 함께 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 적당량 첨가하여 페이스트화하고, 전해질막(22) 상에 스크린 인쇄한 것이다. 가스 확산층(23b, 24b)은, 탄소섬유로 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 셀(21)의 전기적인 특성을 나타내는 등가 회로도이다.
셀(21)의 등가 회로는, R2와 C의 병렬 접속회로에 R1이 직렬 접속하는 회로 구성을 가지고 있다. 여기서, R1은 전해질막(22)의 전기 저항에 상당하고, R2는 활성화 과전압과 확산 과전압을 저항 환산한 것에 상당하고 있다. C는 애노드 전극(23)과 전해질막(22)의 계면 및 캐소드 전극(24)과 전해질막(22)의 계면에 형성되는 전기 2중층 용량에 상당하고 있다. 이 등가 회로에 소정의 주파수를 가지는 정현파(正弦波) 전류를 인가한 경우, 전류의 변화에 대하여 전압의 응답이 늦어진다.
도 4는 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 복소 평면 상에 표시한 그래프이다. 가로축은 교류 임피던스의 실수부를 나타내고, 세로축은 교류 임피던스의 허수부를 나타내고 있다. ω는 정현파 전류의 각주파수이다.
도 3에 나타내는 등가 회로에 고주파에서 저주파까지의 정현파 신호를 인가하면, 도 4에 나타내는 바와 같은 그래프가 얻어진다. 정현파 신호의 주파수가 무한하게 큰 경우 (ω=∞)의 교류 임피던스는, R1이 된다. 정현파 신호의 주파수가 매우 작은 경우 (ω=0)의 교류 임피던스는, R1 + R2가 된다. 고주파에서 저주파의 사이에서 정현파 신호의 주파수를 변화시켰을 때에 얻어지는 교류 임피던스는, 도 4에 나타내는 바와 같은 반원을 그린다.
이와 같이, 교류 임피던스법을 이용함으로써, 연료전지 스택(20)의 등가 회로에서의 R1와 R2를 분리하여 계측하는 것이 가능해진다. R1이 미리 정해진 소정값보다 커져서, 연료전지 스택(20)의 출력이 저하하고 있는 경우에는, 전해질막(22)이 건조하여 저항 과전압이 커져서, 도전율이 저하하고 있는 것이 출력 저하의 원인이라고 판단할 수 있다. R2가 미리 정해진 소정값보다 커져서, 연료전지 스 택(20)의 출력이 저하하고 있는 경우에는, 전극 표면에 물이 과잉으로 존재하고, 확산 과전압이 커져 있는 것이 원인이라고 판단할 수 있다.
도 5는 소기 처리에 관한 제어 유닛(90)의 기능 블록을 나타낸다.
제어 유닛(90)은, 전압 지령부(91), 교류 임피던스 측정부(92), 측정 메모리(93), 소기 실시 시간 추정부(94) 및 이상 처리부(95)를 구비하고 있고, 이들 각 부가 협동함으로써 소기 제어장치로서 기능한다.
제어 유닛(90)에 의한 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스 계측은, 이하의 순서에 의하여 실시된다.
(1) 전압 지령부(91)는, 소정의 직류전압에 정현파 신호를 중첩한 전압 지령값을 생성하고, 이러한 전압 지령값을 DC/DC 컨버터(51)로 출력한다.
(2) DC/DC 컨버터(51)는, 전압 지령값에 의거하여 동작하고, 배터리(52)에 축전되어 있는 직류전력을 교류전력으로 변환하여, 연료전지 스택(20)에 정현파 신호를 인가한다.
(3) 교류 임피던스 측정부(92)는, 전압센서(71)에 의하여 검출되는 응답전압과, 전류센서(72)에 의하여 검출되는 응답전류를 소정의 샘플링 레이트로 샘플링하고, 고속 푸리에 변환처리(FFT 처리)를 행하며, 응답전압과 응답전류를 각각 실성분과 허성분으로 분할하고, FFT 처리한 응답전압을 FFT 처리한 응답전류로 나누어 교류 임피던스의 실성분과 허성분을 산출하며, 복소 평면 상에서의 원점으로부터의 거리(r)와 위상각(θ)을 산출한다. 연료전지 스택(20)에 인가되는 정현파 신호의 주파수를 연속적으로 변화시키면서 응답전압과 응답전류를 계측함으로써, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스를 산출할 수 있다.
또한, 연료전지 스택(20)을 흐르는 전류는 화학반응에 의한 전하의 이동을 따르기 때문에, 교류 신호의 진폭을 증대시키면, 공급 가스량에 대한 반응량(가스 이용률)이 변동하게 된다. 가스 이용률의 변동이 있으면, 교류 임피던스의 측정에 오차가 생길 우려가 있기 때문에, 교류 임피던스 측정시에 연료전지 스택(20)에 인가하는 신호의 교류성분은, 직류성분의 수% 정도가 바람직하다.
교류 임피던스 측정부(92)는, 상기한 바와 같이 하여 측정한 교류 임피던스의 값을 측정 메모리(93)에 저장한다. 소기 실시 시간 추정부(94)는, 측정 메모리(93)에 저장되어 있는 교류 임피던스의 값에 의거하여 소기 실시 시간을 추정한다. 이상 처리부(95)는, 소기 처리 중에 셀 모니터(75)에서 출력되는 셀 전압을 감시하고, 셀 전압이 이상을 나타내는 때에, 페일 세이프 처리로 하여, 이상 처리(소기 처리를 강제 종료하기 위한 처리)를 실시한다.
다음에, 도 6A에서 도 6G까지를 참조하면서 소기 처리의 상세에 대하여 설명을 덧붙인다.
도 6A는, 이그니션 스위치의 온/오프 상태를 나타내고, 도 6B는, 이상 처리부(95)에 부여되는 셀 전압 측정 지시를 나타내며, 도 6C는, 소기 처리 중의 셀 전압의 변화를 나타내고, 도 6D는, 교류 임피던스 측정부(92)에 부여되는 교류 임피던스 측정 지시를 나타내며, 도 6E는, 측정 메모리(93)에 저장되는 교류 임피던스의 값을 나타내고, 도 6F는, 이상 종료 플래그를 나타내며, 도 6G는, 연료전지 스택(20)에 공급되는 에어 유량을 나타내고 있다.
이그니션 스위치가 온에서 오프로 전환된 시각을 t1이라고 하면, 시각 t1 이전에서는, 연료전지 스택(20)은 발전상태에 있고, 일정주기 간격으로 교류 임피던스 측정 지시가 교류 임피던스 측정부(92)에 부여된다(도 6D). 이때 측정 메모리(93)에 저장되는 교류 임피던스의 값은, 최신의 값으로 점차 갱신된다(도 6E). 또, 연료전지 스택(20)에 공급되는 에어 유량은, 발전 요구에 적합한 유량(F1)으로 제어된다(도 6G).
시각 t1에서 이그니션 스위치가 오프가 되고, 제어 유닛(90)에 운전 정지가 지령되면, 제어 유닛(90)은, 시각 t1의 시점에서 계측한 교류 임피던스의 값(Z1)을 측정 메모리(93)에 저장하고, 소기 처리의 실시를 개시한다. 소기 처리는, 소기 장치로서의 에어컴프레서(32)를 구동하고, 연료전지 스택(20) 내부의 가스 채널에 소기가스로서의 가압 에어를 흘림으로써, 가스 채널 내부의 습윤 상태를 적절하게 조정하기 위한 처리이다. 가스 채널에 수분이 다량으로 잔존하면, 다음번의 기동시의 시동성이 저하할 뿐만 아니라, 저온 환경 하에서는, 수분 동결에 의하여 배관이나 밸브 등이 파손될 우려가 있다. 한편, 연료전지 스택(20) 내부의 수분이 부족 기미이면, 전해질막(22)의 전도성이 저하하기 때문에, 발전 효율의 저하를 야기한다. 이 때문에 소기 처리에서는, 연료전지 스택(20) 내부가 최적의 습윤 상태가 될 때의 교류 임피던스를 목표 교류 임피던스(Z3)로 하여 미리 설정하여 두고, 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스가 목표 교류 임피던스(Z3)에 일치하도록 소기 실시 시간을 조정하고 있다. 소기 처리 실시시에 연료전지 스택(20)에 공급되는 에어 유량은, 소기 유량(F2)으로 제어된다(도 6G).
그리고, 시각 t1에서 시각 t2까지의 사이에서는, 이상 처리부(95)에 셀 전압 측정 지시가 간헐적으로 부여된다. 셀 전압 측정 지시는, 연료전지 스택(20)에 정전류 발전을 실시시킴으로써, 셀 전압의 변화로부터 전해질막(22)의 건조도(저항 변화)를 판정하는 것을 목적으로 하고 있다. 이상 처리부(95)는, 소기 처리 중에 셀 모니터(75)에서 출력되는 셀 전압이 문턱값 전압(Vt)을 하회하는지의 여부를 체크한다. 그리고, 셀 전압이 문턱값 전압(Vt)을 하회하지 않고, 연료전지 스택(20)의 온도 변화 속도의 절대값이 소정의 문턱값을 하회하는 시각 t2에서는, 연료전지 스택(20) 내부의 기화수량이 포화하여, 적절한 건조상태에 있다고 생각되기 때문에, 교류 임피던스 측정부(92)에 교류 임피던스 측정 지시가 부여된다(도 6D).
그러면, 제어 유닛(90)은, 시각 t2에서의 연료전지 스택(20)의 교류 임피던스(Z2)를 측정하고, 측정 메모리(93)에 저장되어 있는 최신의 교류 임피던스의 값을 Z1에서 Z2로 갱신한다. 시각 t2로서는, 소기 실시 시간의 추정 정밀도를 향상시키는 관점에서, 가능한 한 연료전지 스택(20) 내부의 함수량이 저하하고 있다고 예상되는 시기가 바람직하다. 예를 들면, 상기한 바와 같이 연료전지 스택(20)의 온도 변화 속도의 절대값이 소정의 문턱값을 하회할 때나, 또는 소기 처리 개시 시점에서 일정 시간(고정 시간) 경과 후에 교류 임피던스 측정을 실시하는 것이 바람직하다.
소기 실시 시간 추정부(94)는, 보완 함수(CF)를 이용하여, 시각 t1의 시점에서 계측한 교류 임피던스(Z1), 시각(t2)의 시점에서 계측한 교류 임피던스(Z2) 및 시각 t1에서 시각 t2까지의 경과시간(T1)에 의거하여, 교류 임피던스가 목표 교류 임피던스(Z3)에 일치하기 위하여 필요한 소기 실시 시간(T2)을 추정한다.
보완 함수(CF)는, 적어도 2개의 측정 좌표, 예를 들면 (t1, Z1) 및 (t2, Z2)에 의거하여 목표 좌표(t3, Z3)를 추정하기 위한 함수이고, 미리 실험 등에 의하여 구해져 있다. 보완 함수(CF)로서, 예를 들면, 2차 함수가 적합하다. 2차 함수의 예로서, 예를 들면, t를 시간, Z를 교류 임피던스, a 및 Z0을 양의 정수로 하여, Z = at2 + Z0을 들 수 있다. 이 2차 함수에 2개의 측정 좌표를 대입하면, 정수 a 및 ZO의 값이 정해진다. Z = Z3가 될 때의 t의 해가 소기 완료 시각(t3)이다. 소기 실시 시간(T2) = 소기 완료 시각(t3) - 소기 개시 시각(t1)으로부터 소기 실시 시간(T2)을 산출할 수 있다. 교류 임피던스 측정부(92)는, 시각 t3에서 소기 처리를 종료한다(도 6G).
다음에, 도 7A에서 도 7G까지를 참조하면서 셀 전압이 문턱값 전압(Vt)을 하회할 때의 페일 세이프 처리에 대하여 설명한다.
제어 유닛(90)에 운전 정지가 지령되는 시각 t1에서, 소기 처리가 개시됨과 동시에, 셀 전압이 문턱값 전압(Vt)을 하회하는지의 여부가 체크된다. 셀 전압이 문턱값 전압(Vt)을 하회하는 시각 t4에서는, 전해질막(22)의 이상 건조에 의하여 그 저항값이 증대하고 있는 것으로 생각되기 때문에, 이상 플래그가 온이 되고(도 7F), 이상 처리부(95)는, 소기 처리를 강제 종료한다(도 7G).
본 실시형태에 의하면, 소기 개시 시점에서의 연료전지 스택(20) 내부의 잔류 수분량이 적고, 소기 처리에 의하여 과건조를 초래할 우려가 있는 경우에는, 페일 세이프 처리로서, 소기 처리를 강제적으로 종료함으로써, 연료전지 스택(20)의 과건조를 회피함과 동시에 연료전지 시스템(10)의 손상 등을 회피할 수 있다.
또한, 셀 전압 저하에 의거하여 연료전지 스택(20)의 건조 정도를 판정하는 예를 설명하였으나, 연료전지 스택(20)의 출력전압(각 셀 전압의 총합)에 의거하여 연료전지 스택(20)의 건조 정도를 판정하여도 된다.
상기의 실시형태에서는, 연료전지 시스템(10)을 차량 탑재 전원 시스템으로서 사용하는 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 관한 연료전지 시스템(10)을 주택이나 빌딩 등의 발전설비[정치용(定置用) 발전 시스템]로서 사용하여도 된다.
본 발명에 의하면, 연료전지를 과도하게 건조시키지 않기 위한 페일 세이프 처리를 실시할 수 있는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 연료전지와,
    상기 연료전지에 소기가스를 공급하는 소기장치와,
    소기 개시 시점에서 상기 연료전지의 교류 임피던스를 측정함과 함께, 소기 개시 후의 시점에서 상기 연료전지의 교류 임피던스를 측정하는 교류 임피던스 측정부와,
    상기 소기 개시 시점에서 측정한 교류 임피던스, 상기 소기 개시 후의 시점에서 측정한 교류 임피던스, 및 상기 소기 개시 시점으로부터 상기 소기 개시 후의 시점까지의 시간에 의거하여 소기 실시 시간을 추정하는 소기 실시 시간 추정부와,
    상기 소기 개시 시점으로부터 상기 소기 개시 후의 교류 임피던스를 측정하는 시점까지의 사이에 상기 연료전지의 셀 전압이 미리 설정된 문턱값을 하회하였을 때에 소기 처리를 강제 종료하는 이상 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 소기 실시 시간 추정부는, 보완 함수를 이용하여 상기 소기 실시 시간을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 소기 개시 후의 시점은, 소기에 의하여 상기 연료전지의 온도 변화 속도의 절대값이 미리 설정된 문턱값을 하회한 시점인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 소기 개시 후의 시점은, 소기의 개시로부터 미리 정해진 일정 시간이 경과한 시점인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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