KR101152856B1 - 연료전지시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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히로유키 이마니시
도모야 오가와
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Abstract

연료가스와 산화제 가스를 반응가스로 하여 발전하는 연료전지(100)와, 연료전지의 전류를 제어하는 전류 제어수단(306)과, 연료전지의 전압을 제어하는 전압 제어수단(506)과, 연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량을 산출하고, 산출된 필요 열량을 발열하도록 상기 전류 제어수단의 전류 목표값과 상기 전압 제어수단의 전압 목표값을 결정함으로써 발열량을 제어하는 발열량 제어수단(600)을 구비한다. 이에 의하여, 연료전지시스템을 대형화하지 않고, 또한, 연료전지시스템에 필요한 열량을 공급할 수 있다.

Description

연료전지시스템 및 그 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND ITS CONTROL METHOD}
본 발명은, 필요한 열량을 공급하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지는, 연료가스로서의 수소 가스와 산화제 가스를 반응시켜 전기적 에너지를 생성하는 것이다. 자동차 등에 탑재되는 연료전지시스템은, 통상 시에 있어서 연료전지에 투입된 수소 에너지를 고효율로 전기 에너지로 변환하도록 제어된다(이하, 고효율 발전). 그 때문에, 고효율 발전하고 있는 연료전지는, 수소 에너지로부터 열에너지로 변환하는 비율은 적어, 발열량이 적다.
그 결과, 연료전지를 발전에 적합한 온도(80℃ 부근)까지 일정시간 내에서 난기(暖機)하기 위하여 필요한 열량이 부족되어 있었다. 또, 연료전지시스템이 난방장치를 구비하고 있는 경우, 고효율 발전 시의 연료전지로부터 생기는 열에너지는 적어, 난방의 열원으로서는 불충분하다. 그 때문에, 부족분의 열량을 보충할 것을 목적으로 한, 연료전지시스템의 고안이 이루어져 왔었다.
종래의 연료전지시스템으로서, 공급하는 공기량을 감소시킴으로써 연료전지를 저효율로 발전시키는 구성이 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1을 참조). 이에 따라, 연료전지를 난기하기 위한 발열량을 증가시킬 수 있다.
또, 종래의 난방장치를 구비하는 연료전지시스템은, 난방에 필요한 열량(이하, 난방 필요 열량)을 공급하기 위하여, 연료전지의 냉각매체 순환로에, 냉각매체를 가열하는 가열수단 및 공조용 난방에 사용되는 열을 공급하는 열교환기를 구비하고 있다(예를 들면, 특허문헌 2 또는 특허문헌 3을 참조). 연료전지로부터의 발열량이 적은 경우에는, 냉각매체를 가열수단에 의해 가열하여, 난방 때문에 부족된 열량을 공급하고 있었다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2004-30979호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개2004-311229호 공보
[특허문헌 3]
일본국 특개2007-38952호 공보
특허문헌 1에 기재된 종래의 연료전지시스템에서, 연료전지의 전류 - 출력 곡선과 연료전지에 요구되는 출력에 의거하여, 연료전지의 전류와 전압이 일의적으로 결정되어 있다. 그 때문에, 연료전지시스템이 난기를 위해 필요로 하는 필요 열량에 대하여 공급하는 발열량이 부족, 또는 과잉이 된다는 문제가 있었다.
특허문헌 2, 3에 기재된 종래의 연료전지시스템에서, 부족분의 난방 필요 열량을 공급하기 위하여 가열수단에 의한 가열량을 크게 할 필요가 있었다. 그 결과, 가열수단은 커져, 연료전지시스템의 대형화를 초래하고 있었다.
본 발명은, 연료전지시스템을 대형화하지 않고, 또한 연료전지시스템에 필요한 열량을 공급하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 연료가스와 산화제 가스를 반응가스로 하여 발전하는 연료전지와, 연료전지의 전류를 제어하는 전류 제어수단과, 연료전지의 전압을 제어하는 전압 제어수단과, 연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량을 산출하고, 산출된 필요 열량을 발열하도록 전류 제어수단의 전류 목표값과 전압 제어수단의 전압 목표값을 결정함으로써 발열량을 제어하는 발열량 제어수단을 구비하는 연료전지시스템이다.
또, 연료전지의 발열을 열원으로서 사용하는 난방장치를 구비하고, 상기 필요 열량은 작동하고 있는 상기 난방장치가 필요로 하는 난방 필요 열량을 포함하는 것이 적합하다.
또, 상기 필요 열량은, 연료전지의 난기에 필요한 난기 필요 열량을 포함하는 것이 적합하다.
또, 필요 열량은, 연료전지시스템의 온도를 소정 온도로 유지하기 위하여 필요한 유지 필요 열량을 포함하는 것이 적합하다.
또, 제어수단은, 연료전지의 고효율 발전보다 발전효율을 저하시킨 저효율 발전으로 제어하는 것이 적합하다.
또, 상기 전압 제어수단은 DC/DC 컨버터로, 상기 전류 제어수단은 반응가스의 공급수단인 것이 적합하다.
또, 본 발명은 연료가스와 산화제 가스를 반응가스로 하여 발전하는 연료전지와, 상기 연료전지의 출력을 충방하거나 또는 충전한 전력을 방전하는 2차 전지와, 상기 2차 전지의 전압을 제어하는 전압 제어수단을 가지는 연료전지시스템에 있어서, 연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량과 요구되는 요구 출력을 산출하고, 산출된 필요 열량과 요구 출력에 의거하여, 연료전지를 고효율로 발전시키는 고효율 발전 모드와, 전압의 하한값을 제 1 전압 하한값으로 하는 고효율 발전보다 발전효율이 저하한 제 1 저효율 발전 모드와, 전압의 하한값이 제 1 전압 하한값보다 작은 제 2 전압 하한값인 제 2 저효율 발전 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 연료전지를 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템이다.
또, 본 발명은 연료가스와 산화제 가스를 반응가스로 하여 발전하는 연료전지와, 상기 연료전지의 전압을 제어하는 전압 제어수단을 가지는 연료전지시스템에 있어서, 연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량과 요구되는 요구 출력에 의거하여, 연료전지를 고효율로 발전시키는 고효율 발전 모드와, 전압의 하한값을 제 2 전압 하한값으로 하는 고효율 발전보다 발전효율이 저하한 제 1 저효율 발전 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 연료전지를 제어하는 제어수단을 구비하는 연료전지시스템이다.
또, 상기 연료전지의 발열을 열원으로서 사용하는 난방장치를 구비하고, 상기 필요 열량은 작동하고 있는 상기 난방장치가 필요로 하는 난방 필요 열량을 포함하는 것이 적합하다.
또, 필요 발열량은 연료전지의 온도를 소정 온도로 유지하기 위하여 필요한 유지 필요 열량을 포함하는 것이 적합하다.
또, 상기 필요 열량은 연료전지의 난기에 필요한 난기 필요 열량을 포함하는 것이 적합하다.
또, 제어수단은, 상기 제 1 저효율 발전 모드 또는 상기 제 2 저효율 발전 모드로부터 고효율 발전 모드로 이행한 경우에, 연료전지에 공급되는 상기 반응가스량을 증가시키는 것이 적합하다.
또, 본 발명은 연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량과 요구되는 요구 출력을 구하는 제 1 단계와, 반응가스의 공급상태에 의하여 결정되는 연료전지의 전류 - 전압 곡선에서 필요 열량과 요구 출력을 만족시키는 전류값과 전압값으로 정해지는 동작점을 구하는 제 2 단계와, 동작점에서 연료전지의 발전이 행하여지도록 연료전지의 전류값과 전압값을 제어하는 제 3 단계를 가지는 연료전지시스템의 제어방법이다.
또, 연료전지시스템은 연료전지의 발열을 열원으로서 사용하는 난방장치를 구비하고, 필요 열량은 작동하고 있는 난방장치가 필요로 하는 난방 필요 열량과 연료전지의 난기에 필요한 난기 필요 열량을 포함하는 것이 적합하다.
또, 요구 출력은 연료전지시스템이 탑재된 차량이 요구하는 구동력과 연료전지시스템의 보조기계가 요구하는 출력을 포함하는 것이 적합하다.
또, 연료전지시스템은 동작점을 설정하기 위한 컨버터를 구비하는 것이 적합하다.
본 발명에 의하면, 연료전지시스템의 필요한 필요 열량을 공급할 수 있다.
또, 연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량과 요구되는 요구 출력에 의거하여 연료전지의 동작점을 제어하기 위하여, 연료전지시스템에 요구되는 출력을 공급하면서, 필요 열량을 공급할 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 2는 난방 필요 열량과 열교환기의 교환하는 열량의 맵을 나타내는 도,
도 3은 난기 필요 열량 맵을 나타내는 도,
도 4는 연료전지를 소정 온도로 유지하기 위한 유지 필요 열량 맵을 나타내는 도,
도 5는 연료전지의 I-V 특성을 나타내는 도,
도 6은 필요 열량과 요구 출력에 의거하여 연료전지의 동작점을 구하는 도,
도 7은 제 1 실시형태에 관한 플로우차트,
도 8은 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 9는 제 2 실시형태에 관한 플로우차트이다.
이하, 제 1 실시형태를 도 1 내지 도 7에 의거하여 설명한다. 또한, 제 1 실시형태는, 연료전지시스템을 연료전지차에 적용한 것이다. 이하의 실시형태는, 본 발명의 적용형태의 단순한 예시에 지나지 않고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 1은, 연료전지시스템(10)을 나타낸 것이다. 제 1 실시형태의 연료전지시스템(10)은, 연료전지(100)와, 연료전지에 연료가스를 공급하는 수소계(200), 연료전지에 산화제 가스를 공급하는 에어계(300), 연료전지를 냉각하기 위한 냉각계(400), 연료전지의 전기적 에너지를 이용하는 부하계(500) 및 연료전지시스템을 제어하는 제어부(600)로 구성된다.
연료전지(100)는, 예를 들면 고체 고분자형의 연료전지가 사용된다. 제 1 실시형태에서는, 복수의 단위 전지를 적층한 연료전지 스택을 사용한다. 연료가스로서 수소 가스, 산화제 가스로서 공기를 공급하여 발전을 행한다. 또, 발전 시에 있어서의 연료전지의 전류값을 검출하는 전류센서(102)와, 연료전지의 단자 간 전압을 검출하는 전압센서(104) 및 연료전지의 온도를 측정하는 온도센서(106)를 구비하고 있다. 검출된 각각의 값은, 제어부(600)에 입력된다.
연료전지에 연료가스를 공급하는 수소계(200)는, 연료가스로서의 수소를 가지는 수소 탱크(202)로부터 연료전지(100)로 공급되는 수소 가스의 경로를 포함하는 시스템이다. 수소 탱크(202)로부터 공급되는 수소 가스는, 수소 가스를 소정 압력으로 감압하는 감압밸브(204), 수소 가스의 압력을 측정하는 압력센서(206), 수소공급로(208)를 순서대로 통과한 후에, 연료전지(100)의 애노드측의 수소 가스 유로에 공급된다. 검출된 수소 가스의 압력값은 제어부(600)에 입력되고, 제어부(600)가 수소 가스의 압력값이 소정값이 되도록 감압밸브(204)를 제어한다.
이 수소 가스는, 연료전지(100)의 발전에 사용되나, 공급되는 전량이 소비되는 것은 아니고, 미반응 수소 가스는, 연료전지(100)로부터 배출된다. 또한, 배출수소 가스는 통상 연료전지 내에서의 반응 생성물인 물의 함유량이 증가하고 있다. 배출된 수소 가스는, 수소 가스를 구동하는 수소 펌프(210), 수소 공급 경로(208)와 합류하는 수소 가스 순환로(212)를 통과하여, 수소 공급로(208)를 흐르는 수소 가스와 합류한다. 수소 가스의 순환의 구동력으로서, 본 실시형태에서는 수소 펌프(210)를 나타내고 있으나 이젝터이어도 된다. 즉, 수소 탱크로부터의 수소 가스가 충분한 압력이 있기 때문에, 이젝터를 이용함으로써, 수소 탱크로부터의 수소 가스의 흐름에 의하여, 순환 수소 가스를 수반할 수 있다.
연료전지에 산화제 가스를 공급하는 에어계(300)는, 공기(특히, 공기 중에 존재하는 산소)를 연료전지에 공급 및 배출하기 위한 산화제 가스의 경로이다. 흡입구(302)로부터 흡입되는 공기는, 공기의 온도를 검출하는 온도센서(304), 공기를 가압하는 에어 펌프(306), 가압된 공기의 압력을 검출하는 압력 센서(308)를 통과한 후에, 연료전지(100)의 캐소드측의 가스 유로에 공급된다. 검출된 공기온도와 공기압력은 제어부(600)에 입력된다. 공기는, 연료전지(100)의 발전에 사용된 후, 압력 조정밸브(310)를 거쳐 외부로 방출된다. 또한, 연료전지(100)에 공기를 공급하는 에어계에는 공기를 가습하기 위한 가습기를 구비하고 있어도 된다.
연료전지를 냉각하기 위한 냉각계(400)는, 연료전지(100)의 발전에 따르는 발열을 냉각하기 위한 냉각매체의 경로이다. 본 실시형태에서는, 냉각매체로서 냉각액을 사용하고 있다. 연료전지(100)로부터 배출되는 냉각매체는, 냉각매체의 온도를 검출하는 온도센서(402), 난방용 열교환로(416)에 대한 냉각매체의 유량을 제어하는 크로스 밸브(404), 라디에이터 바이패스로(420)에 대한 냉각매체의 유량을 제어하는 크로스 밸브(406), 냉각매체를 냉각하는 라디에이터(408), 냉각매체의 순환을 구동하는 냉각매체 펌프(410), 냉각매체의 온도를 검출하는 온도센서(412)를 순서대로 구비하는 냉각매체 순환로(414)를 흘러, 다시 연료전지(100)에 공급된다. 난방용 열교환로(416)는, 라디에이터(408)를 바이패스하도록 냉각매체 순환로로부터 분기되고, 연료전지(100)에 의해 따뜻해진 냉각매체의 열원을 난방의 열원으로 하는 열교환기(418)를 통과한 후에, 다시 냉각매체 순환로(414)와 합류한다. 라디에이터 바이패스로(420)는, 라디에이터(408)를 바이패스하도록 냉각매체 순환로(414)로부터 분기하여, 다시 냉각매체 순환로(414)와 합류한다. 난방용 열교환로의 크로스 밸브(404)와 라디에이터 바이패스로의 크로스 밸브(406)는 각각 제어부(600)에 의해 제어되고, 냉각매체의 유량을 제어한다. 검출된 냉각매체의 온도는, 제어부(600)에 입력된다.
열교환기(418)는 난방장치(422) 열원으로서 기능한다. 난방장치(422)는, 난방온도를 임의로, 또는 자동으로 설정할 수 있는 난방온도 조작부를 구비하고 있다. 또, 난방장치(422)는 난방 대상인 차실 내의 온도를 검출하는 온도센서를 구비하고 있는 것이 적합하다. 검출된 차실 내의 온도는 제어부(600)에 입력된다.
연료전지의 전기적 에너지를 이용하는 부하계(500)는, 연료전지(100)에, 직류 전류를 교류 전류로 변환하는 구동모터의 인버터(502)와, 자동차를 구동하는 구동 모터(504)가 접속되어 있다. 인버터(502)는, 예를 들면 6개의 트랜지스터로 구성되는 3상 브리지 회로를 구비하고 있고, 트랜지스터의 스위치 작용에 의해 직류 전류를 교류 전류로 변환하고 있다. 인버터(502)는 제어부(600)의 요구에 따라, 교류 전류를 제어하여, 구동모터(504)의 출력 토오크 및 회전수를 제어한다. 연료전지로부터의 잉여 출력을 흡수하기 위하여 콘덴서(514)를 구비하고 있다.
또한, 연료전지의 부하계(500)는, 구동모터의 인버터(502)와 구동모터(504)와 병렬하도록, DC/DC 컨버터(506)와 2차 전지(508)와 보조 기계류(510)를 구비하고 있다. 2차 전지(508)는, 2차 전지(508)의 전압을 측정하는 전압센서(512)를 구비하고 있다. DC/DC 컨버터(506)는 연료전지(100)의 발전에서의 전압값을 제어하는 기능과, 연료전지(100)의 전압을 2차 전지(508)의 전압으로 제어하여 충전하는 기능을 가진다. 2차 전지(508)는, 예를 들면 납 축전지, 니켈 수소 축전지, 리튬이온전지 등을 들 수 있다.
보조 기계류(510)는, 2차 전지(508)와 접속되어 있고, 2차 전지(508)로부터 공급되는 전력을 소비하여 기능한다. 본 실시형태의 시스템에서의 보조 기계류(510)로서, 수소 펌프(210), 에어 펌프(306), 냉각매체 펌프(410), 가습기 등이 있고, 이들 보조 기계류에 2차 전지(508)로부터 전력이 공급된다.
연료전지시스템을 제어하는 제어부(600)는, 연료전지시스템(10)이 필요로 하는 필요 열량 및 요구하는 요구 출력에 따라 연료전지시스템(10)을 제어하는 것이다. 필요로 하는 필요 열량으로서, 난방장치(422)가 열원으로서 요구하는 난방 필요 열량이나, 연료전지(100)를 최적의 발전온도까지 난기하기 위하여 필요한 열량(이하, 난기 필요 열량) 등이 있다. 요구되는 요구 출력으로서, 부하계의 구동모터(504)의 요구 출력이나, 보조 기계류(510)에서의 요구 출력 등이 있다.
필요 열량은 제어부(600)에 의해 산출된다. 난방 필요 열량은, 외기의 공기온도에 의해 미리 구해진 난방 필요 열량 맵을 참조하여 산출된다. 난방 필요 열량 맵은, 차실 내의 용적, 단열재의 유무 등에 의해 결정되는 차실 단열 계수를 고려하여 작성된다. 또, 난방장치(422)의 설정온도나 차실 내의 온도도 고려하여 작성된다. 도 2에 소정 조건화에서의 외기의 공기온도에 의거하는 난방 필요 열량(602)과 열교환기가 교환하는 열량(604)의 맵을 나타낸다. 도 2의 맵에서는, 예를 들면 온도가 -16℃ 이하의 영역에서는, 필요 난방 열량(602)이 열교환기의 교환하는 열량(604)에 대하여 커진다. 이 영역에서는, 난방장치(422)에 공급되는 열량이 열교환기(418)의 교환하는 열량에 의해 제한된다. 그 때문에, 온도가 -16℃ 이하의 영역에서는 충분한 열량을 난방장치에 공급할 수 없게 된다. 그래서, -16℃ 이하의 영역에서는, 연료전지(100)를 뒤에서 설명하는 저효율 발전시켜 발열량을 증가시키고, 부족분의 열량을 정상적으로 공급할 수 있도록 하는 것이 적합하다.
난기 필요 열량은, 외기의 온도에 의거하여 미리 구해진 난기 필요 열량 맵을 참조하여 산출된다. 도 3에 소정 조건 하에서의 외기 온도에 의거하는 난기 필요 열량(606)의 맵을 나타낸다. 또한, 난기 필요 열량은, 외기 온도에 더하여 연료전지(100)의 온도나 냉각매체의 온도를 고려하여 작성하는 것이 적합하다.
난기운전 후, 연료전지(100)는 소정 온도(80도 부근)가 된다. 난기 후의 연료전지(100)의 온도(80도 부근)는 외기 온도에 대하여 높은 온도가 되기 때문에, 연료전지 자체가 가지는 열량을 방열하여 버린다. 특히, 빙점 하의 조건에서는 연료전지(100)로부터의 방열량이, 통상 발전에서의 발열량에 대하여 커지고, 연료전지를 소정 온도로 유지할 수 없는 경우가 생긴다. 그 때문에, 난기 후의 연료전지의 필요 열량에는 연료전지를 포함한 연료전지시스템(10)을 소정 온도로 유지하기 위하여 필요한 유지 필요 열량을 포함하는 것이 필요하고, 도 4에 소정 온도의 연료전지에서의 유지 필요 열량(607)의 맵을 나타낸다. 도 4의 유지 필요 열량 맵은, 연료전지시스템의 소정 온도에서의 방열계수와 연료전지(100)의 온도와 외기온의 차의 곱으로서 작성된다. 유지 필요 열량(607)을 고려하여 연료전지를 발열시킴으로써, 연료전지온도가 소정 온도에 대하여 저하하는 경우나, 연료전지시스템(10)이 동결되는 경우를 방지할 수 있다.
제어부(600)는, 냉각매체 순환로(414)의 크로스 밸브(404, 406)를 제어한다. 난방이 필요한 경우에는 난방용 열교환로(416)로 냉각매체가 순환하도록 크로스 밸브(404)를 제어한다. 또, 난방이 불필요한 경우는 난방용 열교환로에 냉각매체가 순환하지 않도록, 난방용 열교환로와 통하는 크로스 밸브(404)를 폐쇄한다. 냉각매체가 따뜻해져 있지 않은 경우는 냉각매체를 냉각하지 않도록 라디에이터(408)를 바이패스하도록 크로스 밸브(406)가 제어되고, 또, 냉각매체의 온도가 고온이 된 경우는 냉각매체가 라디에이터(408)를 통과하도록 크로스 밸브(406)는 제어된다.
요구 출력은, 제어부(600)에 의해 산출된다. 구동모터(504)의 출력 요구는, 예를 들면, 액셀러레이터 페달로부터의 요구와, 차속센서가 검출한 차속도 등으로부터 산출된다. 보조 기계류(510)에서의 출력 요구는, 수소 펌프(210)·에어펌프(306)·냉각매체 펌프(410)를 구동하는 데 필요한 출력을 각각 합계하여 산출된다.
또, 제어부(600)는 DC/DC 컨버터(506)에 의해 연료전지(100)의 전압값을 제어한다. 본 실시형태에서는, 연료전지(100)의 전압값을 제어하기 위하여, 전압센서(104)로 검출되는 연료전지(100)의 전압값과 전압센서(512)로 검출되는 2차 전지(508)의 전압값의 비에 의거하여 DC/DC 컨버터(506)의 듀티 제어를 하고 있다.
도 5를 이용하여 연료전지(100)의 고효율 발전에 따르는 발열과 출력에 대하여 설명한다. 도 5에는 실험적으로 구한 고효율 발전에서의 연료전지의 전류 - 전압 곡선(이하, I-V 곡선)(608)과, I-V 곡선 상에 동작점(A)을 나타내고 있다. 연료전지의 고효율 발전이란, 연료전지(100)·보조 기계류(510) 등을 포함한 연료전지시스템(10) 전체의 최적의 발전효율을 나타내는 I-V 곡선(608) 상에 연료전지의 동작점이 있는 상태이다. 최적의 발전효율이란, 발전효율의 최대값 내지 극대값 또는 그 근방의 발전효율의 것을 말한다. 동작점(A)에서 전류값은 I1, 전압값은 V1이다. 연료전지의 발전효율이란, 연료전지에 투입되는 수소 에너지에 대한 연료전지의 출력의 비이다. 투입되는 수소 에너지란, 전류값(I1)과 연료전지의 기전압 (Vmax)의 곱이다. 연료전지의 기전압(Vmax)은, 다음과 같이 계산된다. 예를 들면, 연료전지가 단위 전지를 400매 적층하고 있는 경우는, 단위 전지의 기전압이 1.23 V이기 때문에, 연료전지의 기전압은 양자를 곱하여 492 V라고 구해진다. 연료전지의 출력은, 전류값(I1)과 전압값(V1)의 곱(I1 × V1)이다. 연료전지의 발열량은, 투입되는 수소 에너지로부터 연료전지의 출력을 뺀 에너지(I1 × Vmax - I1× V1)가 된다. 또한, 고효율 발전의 전압값은, 연료전지의 기전압의 50%～70%의 범위로 제어되어 있다.
연료전지(100)의 발열량을 증가시키기 위하여, 고효율 발전의 I-V 곡선(608) 상의 동작점(A)에 대하여 저전압이고 전압값(V2)·고전류인 전류값(I2)인 동작점(B)으로 동작점 제어한다. 이에 의하여, 고효율 발전보다 발전효율이 저하한 저효율 발전의 상태가 되어, 동작점(B)의 발열량은 I2 × Vmax - I2 × V2와 동작점(A)의 발열량에 대하여 증가한다.
연료전지를 동작점(B)에서 제어하기 위하여, DC/DC 컨버터에 의해 전압값을 V2로 제어하고, 고효율 발전의 I-V 곡선(608) 상의 동작점(C)이라 한다. 다음에, 에어펌프(306)에 의해 연료전지에 대한 공기공급량을 저하시키고, 전류값을 I2로 제어한다. 여기서, 연료전지(100)에 대한 공기의 공급량이 감소하면, 고효율 발전의 I-V 곡선(608)에 대하여 발전효율이 저하한 I-V 곡선(610)이 생긴다. 공기의 공급량의 저하에 따라, 캐소드에서의 산소의 공급량 및 생성된 물의 배출량이 저하한다. 그 때문에, 캐소드에서의 반응이 저해되고, 소정의 전압값에서 전류값이 저하하기 때문이다. 또한, 실시형태에서는 먼저 DC/DC 컨버터에 의해 전압을 제어하였으나, 에어펌프(306)에 의한 공기 공급량을 제어하여 I-V 곡선을 먼저 변화시켜도 된다.
주행 중에 있어서 연료전지(100)의 발열량을 증가시키는 경우는, 구동 모터(504) 등의 출력요구를 만족시키기 위하여, 연료전지를 어느 정도 높은 전압값(V2)으로 하여 출력을 확보하는 것이 바람직하다. 전압값은, 구동모터의 출력 토오크 요구로부터 결정되는 전압값(예를 들면, 120 V)으로부터 연료전지의 기전압의 50%의 범위로 제어하는 것이 적합하다. 여기서, 구동모터의 출력 토오크 요구 로부터 결정되는 전압값을 제 1 전압 하한값으로 하고, 제 1 전압 하한값을 전압의 하한값으로 하는 저효율 발전을 제 1 저효율 발전 모드라 한다. 제 1 저효율 발전에서는 요구 출력과 필요 열량에 따라, 연료전지의 전압을 제 1 전압 하한값 이상으로 하도록 DC/DC 컨버터에 의해 제어하고, 연료전지에 대한 공기의 공급량을 변화시켜 전류값을 제어한다.
빙점 하 시동 시 등의 차의 정지 시에 연료전지(100)의 발열량을 크게 증가시키는 경우는, 구동모터(504)의 요구 출력은 없고, 보조 기계류(510)를 구동하는 출력만을 공급할 수 있으면 된다. 그 때문에, 소정값에 고정된 전압값(V2)보다 전압 목표값을 낮게 설정하는 저전압 저효율 발전에 의하여, 더욱 큰 발열량을 공급 가능하다. 연료전지(100)의 전압값은, DC/DC 컨버터의 제어 한계로부터 결정되는 전압값(예를 들면, 15 V)으로부터 구동모터(504)의 출력 토오크 요구로부터 결정되는 전압값(예를 들면, 120 V)의 범위로 제어하는 것이 바람직하다. 여기서, DC/DC 컨버터의 제어 한계로부터 결정되는 전압값을 제 2 전압 하한값으로 한다. 또한, 주행 중에 있어서도 구동모터의 출력 토오크 요구가 없는 경우에는, 전압의 하한값을 제 2 전압 하한값으로 하여, 발열량을 크게 할 수 있다. 제 2 전압 하한값을 전압의 하한값으로 하는 저효율 발전을 제 2 저효율 발전 모드라 한다.
다음에, 도 6을 이용하여, 본 실시형태의 저효율 발전에 의한 연료전지(100)의 출력과 발열량의 관계에 대하여 설명한다. 제어부(600)에 의해 구해진 필요 열량(Q[W])과 요구 출력(P[W])에 의거하여, 동작점(D)의 전류값(I3)과 전압값(V3)이 구해진다. 즉, 연료전지에서 소비되는 수소 에너지는 I3 × Vmax = Q + P 이다. 이에 의하여, I3=(Q+P)/Vmax와, V3=(Vmax×P)/(Q+P)라 구한다. 구해진 동작점[전류값(I3)과 전류값(V3)]에 연료전지를 제어함으로써, 요구 열량(P)과 요구 출력(Q)을 동시에 만족할 수 있다. 또한, 상기 계산에 의거하는 동작점 제어에서, 필요 열량(Q)은 Q=(Vmax-V)×I로 하여, 요구 출력(P)은 P=I×V라는 관계식을 각각 만족시킨다.
다음에, 제 1 실시형태에서의 연료전지의 운전제어의 일례를 도 7에 의해 설명한다. 또한, 도 7에 나타내는 제어는, 일정 시간마다 차례로 연산된다.
연료전지시스템(10)의 난방장치가 작동하고 있어, 연료전지(100)의 발열량을 난방장치의 열원으로서 사용하고 있다(단계 S101). 이 때, 난방온도 조작부에 의해 난방의 설정온도가 입력되어 있다. 난방 필요 열량은 맵을 사용하여 산출된다(단계 S103). 연료전지의 난기 필요 열량이 산출된다(단계 S105). 여기서, 난방 필요 열량과 난기 필요 열량의 합계값이 필요 열량(Qa)이 된다. 또한, 시스템이 소정 온도에 도달하고 있는 경우는, 단계 S105 대신 유지 필요 열량의 계산을 한다.
다음에, 구동모터의 출력 요구와 연료전지시스템(10)의 보조 기계류의 출력 요구의 합계값의 요구 출력이, 제어부(600)에서 산출된다(단계 S107).
산출된 요구 출력의 출력을 공급할 수 있고, 또한, 고효율 발전에서의 IV 곡선 상에 있는 연료전지의 동작점이 구해진다. 이 동작점에서의 연료전지의 발열량[통상 발열량(Qb)]을 산출한다(단계 S109).
산출된 필요 열량(Qa)이, 통상 발열량(Qb)보다 큰지 판정한다(단계 S111). 판정의 결과, 필요 열량(Qa)이 통상 발열량(Qb)보다 큰 경우(단계 S111 : YES)는, 연료전지(100)는 저효율 발전의 상태가 된다(단계 S113). 다음에, 구동모터의 출력 토오크 요구가 있는지를 판정한다(단계 S115). 구동모터의 출력 토오크 요구가 있다고 판정된 경우(단계 S115 : YES)는, 전압의 하한값은 제 1 전압 하한값까지 허용되는 제 1 저효율 발전 모드가 된다(단계 S117). 허용되는 전압의 범위 내에서, 또한, 필요 열량과 요구 출력을 만족시키는, 전압 목표값을 전류 목표값이 결정한다(단계 S119). 연료전지(100)의 전압이 전압 목표값이 되도록 DC/DC 컨버터의 듀티비가 제어된다(단계 S121). 또, 연료전지(100)의 전류가 전류 목표값이 되도록 공기의 공급량이 에어펌프에 의해 제어된다(단계 S121).
구동모터의 출력 토오크 요구가 없다고 판정된 경우(단계 S115 : NO)는, 전압의 하한값은 제 2 전압 하한값까지 허용되는 제 2 저효율 발전 모드가 된다(단계 S123). 허용되는 전압의 범위 내에서, 또한, 필요 열량과 요구 출력을 만족시키는 전압 목표값을 전류 목표값이 결정한다(단계 S125). 연료전지(100)의 전압이 전압 목표값이 되도록 DC/DC 컨버터의 듀티비가 제어된다(단계 S127). 또, 연료전지(100)의 전류가 전류 목표값이 되도록 공기의 공급량이 에어펌프에 의해 제어된다(단계 S127).
단계 121 또는 단계 127이 일정시간 경과한 후, 다시 단계 S103으로 되돌아간다. 또한, 단계 S111 판정에서는, Qa > Qb의 판정기준이 일정시간 만족시켜진 경우에 판정을 하는 것이 바람직하다.
단계 S1l1에서 필요 열량(Qa)이 통상 발열량(Qb)보다 작다고 판정된 경우(단계 S111 : NO)는, 연료전지(100)는 고효율 발전 모드의 상태가 된다(단계 S129). 이 상태에서는, 연료전지의 동작점이 요구 출력의 출력을 공급할 수 있는 고효율 발전시의 I-V 곡선 상의 전압 목표값·전류 목표값이 계산된다(단계 S131). 고효율 발전에서의 I-V 곡선 상에서는, 전압값을 결정하면 전류값도 동시에 결정되기 때문에, DC/DC 컨버터의 듀티 제어를 함으로써 전압값의 제어만을 행하면 된다(단계 S133). 고효율 발전에 의하여 필요 열량의 발열량을 공급하면서, 연료전지시스템(10)을 고효율로 발전할 수 있다.
한편, 연료전지(100)의 저효율 발전 시는, 공기의 공급량이 적고, 연료전지 내에서 발전에 따라 생성한 물을 효과적으로 배출할 수 없어, 물이 고인다는 문제가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, 저효율 발전 모드로부터 고효율 발전 모드로 발전상태가 변경된 후에, 셀 내의 잔수량이 소정값보다 큰지 판정한다(단계 S135). 셀 내 잔수량은, 연료전지의 전류값 및 공급한 공기량으로부터 추정하여도 되고, 연료전지를 구성하는 고체 고분자막의 저항값으로부터 추정하여도 된다. 여기서, 셀 내 잔수량이 소정값보다 많다고 판단된 경우(단계 S135 : YES)는, 반응가스유량을 증가시킴으로써 셀 내의 가스 유로에 고인 수분을 배출한다(단계 S137). 연료전지의 캐소드측의 가스유로에서는, 공기의 공급량을 에어펌프에 의해 증가시킨다. 이에 의하여, 물의 배출을 행할 수 있다. 또한, 연료전지의 애노드측의 가스유로에 고인 물의 배출은, 수소 순환로의 수소 펌프를 구동하여 가스의 공급량을 증가시켜 행하여도 된다. 소정 시간, 가스유량을 증가한 후에 본 실시형태의 제어는 종료한다. 여기서, 고효율 발전의 I-V 곡선은 가장 효율이 좋은 곡선을 나타내고 있고, 공기 공급량에 대하여 발전효율이 포화된 상태이다. 그 때문에, 고효율 발전 시에 공기의 공급량을 증가시켜도, 그 I-V 곡선의 특성은 변화하지 않는다. DC/DC 컨버터에 의해 전압값이 일정하게 제어되어 있으면, 연료전지의 동작점은 변화하지 않는다. 그 때문에, 연료전지의 출력은 일정하며, 잉여의 출력이 공급된다는 문제는 생기지 않는다.
한편, 셀 내 잔수량이 소정값보다 적다고 판단된 경우(단계 S135 : NO)는, 본 실시형태의 제어는 그대로 종료한다.
다음에, 제 2 실시형태에 대하여 도 8과 도 9를 이용하여 설명한다. 도 8에 제 2 실시형태의 시스템 구성도를 나타낸다. 제 2 실시형태의 시스템 구성은, 제 1 실시형태와 연료전지 부하계(500)에서, 연료전지(100)의 출력단에도 DC/DC 컨버터(507)가 더 구비되는 구성이다. 즉, 연료전지시스템의 부하계(500)는, 연료전지(100)가 DC/DC 컨버터(507)와 구동모터의 인버터(502)와 구동모터(504)와 직렬로 접속되고, 구동모터의 인버터(502)와 구동모터(504)와 병렬로, DC/DC 컨버터(506)와 2차 전지(508)와 보조 기계류(510)를 구비하고 있다. 연료전지(100)의 출력단에 DC/DC 컨버터(506)를 구비하는 구성에 의하여, 연료전지의 전압이 제 1 전압 하한값보다 낮은 경우에도 승압시킴으로써, 구동모터(504)를 동작시킬 수 있다. 이에 의하여, DC/DC 컨버터(507)의 제어 한계로부터 결정되는 제 2 전압 하한값까지 연료전지(100)의 전압을 저하시킬 수 있다.
다음에, 제 2 실시형태의 연료전지시스템의 운전제어의 일례를 도 9에 의해 설명한다. 제 2 실시형태의 운전제어에서는, 연료전지시스템(10)이 소정 온도인 경우로서, 연료전지시스템의 온도 유지에 필요한 유지 필요 열량(607)을 연료전지시스템(10)의 필요 열량에 포함하는 제어에 대하여 설명한다.
작동하고 있는 난방장치(단계 S201)가 필요로 하는 난방 필요 열량이, 맵을 사용하여 산출된다(단계 S203). 연료전지시스템의 온도 유지에 필요한 유지 필요 열량이 맵을 사용하여 산출된다(단계 S205). 여기서, 난방 필요 열량과 유지 필요 열량의 합계값이 필요 열량(Qa)이 된다.
다음에, 구동모터(504)의 출력 요구와 연료전지시스템(10)의 보조 기계류의 출력 요구의 합계값의 요구 출력이, 제어부(600)에서 산출된다(단계 S207). 고효율 발전상태에서 요구 출력을 만족시키는 동작점에서의 연료전지의 발열량[통상 발열량(Qb)]을 산출한다(단계 S209).
산출된 필요 열량(Qa)이, 통상 발열량(Qb)보다 큰지 판정한다(단계 S211). 판정의 결과, 필요 열량(Qa)이 통상 발열량(Qb)보다 큰 경우(단계 S211 : YES)는, 연료전지(100)는 저효율 발전의 상태가 된다(단계 S213). 본 실시형태에서 저효율 발전(단계 S213)이 되면, 구동모터의 출력 토오크 요구의 유무에 관계없이, 전압의 하한값이 제 2 전압 하한값까지 허용되는 제 2 저효율 발전 모드가 된다(단계 S223). 허용되는 전압의 범위 내에서, 또한, 발열 요구와 출력 요구를 만족시키는, 전압 목표값과 전류 목표값이 결정된다(단계 S225). 연료전지의 전압이 전압 목표값이 되도록 DC/DC 컨버터의 듀티비가 제어되고, 전류가 전류 목표값이 되도록 공기의 공급량이 에어펌프에 의해 제어된다(단계 S227).
판정의 결과, 필요 열량(Qa)이 통상 발열량(Qb)보다 작은 경우(단계 S 211 : NO)는, 고효율 발전이 된다(단계 S229). 단계 S231 이후의 제어는, 제 1 실시형태의 단계 S131 이후와 동일하다.
본 실시형태에서는, 연료전지시스템의 필요 열량을 연료전지의 발열에 의해 공급하였으나, 연료전지시스템에 부속적으로 가열수단을 설치하여 필요 열량으로부터 가열수단에 의한 가열량을 제외한 열량을 연료전지에 의해 과부족없이 공급하는 것도 적합하다.
또, 실시형태에서는 저효율 발전 모드에서 고인 물의 배수를 고효율 발전모드로 이행 후에 행하고 있었으나, 저효율 발전 모드로부터 고효율 발전 모드로 이행할 때에 배수를 하는 것도 적합하다. 이 경우, 저효율 발전 모드로부터의 고효율 발전 모드의 이행 시에 강제적으로 반응가스 유량을 증가시키면 된다. 또, 셀 내 잔수량의 추정은, 저효율 발전 모드의 계속시간으로부터 추정하여도 된다. 또한 배수를 위한 반응가스 증가량은 셀 내 잔수량이 많을수록 증량하도록 설정하여도 된다.
10 : 연료전지시스템 100 : 연료전지
102 : 전류센서 104 : 전압센서
106 : 온도센서 200 : 수소계
202 : 수소 탱크 204 : 감압밸브
206 : 압력센서 208 : 수소 공급로
210 : 수소펌프 212 : 수소 가스 순환로
300 : 에어계 302 : 흡입구
304 : 공기온도센서 306 : 에어펌프
308 : 압력센서 310 : 압력조정밸브
400 : 냉각계 402, 412 : 온도센서
404, 406 : 크로스 밸브 408 : 라디에이터
410 : 냉각매체 펌프 414 : 냉각매체 순환로
416 : 난방용 열교환로 418 : 열교환기
420 : 라디에이터 바이패스로 422 : 난방장치
500 : 부하계 502 : 인버터
504 : 구동모터 506 : DC/DC 컨버터
508 : 2차 전지 510 : 보조 기계류
512 : 전압센서 514 : 콘덴서
600 : 제어부 602 : 난방 필요 열량
604 : 열교환기가 교환하는 열량 606 : 난기 필요 열량
607 : 유지 필요 열량 608 : 고효율 발전의 I-V 곡선
610 : 저효율 발전의 I-V 곡선

Claims (16)

  1. 연료가스와 산화제 가스를 반응가스로 하여 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지의 전류가 전류 목표값이 되도록 제어하는 전류 제어수단과,
    상기 연료전지의 전압이 전압 목표값이 되도록 제어하는 전압 제어수단과,
    연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량을 산출하고, 산출된 필요 열량을 발열하도록 상기 전류 제어수단의 전류 목표값과 상기 전압 제어수단의 전압 목표값을 결정함으로써 발열량을 제어하는 발열량 제어수단을 구비하고,
    상기 발열량 제어수단은, 상기 연료전지에 요구되는 출력인 요구출력을 P, 상기 필요열량을 Q, 연료전지의 이론 출력 전압인 기전압을 Vmax라 한 경우에, 상기 전류 목표값 = (Q + P)/Vmax, 상기 전압 목표값 = (Vmax × P)/(Q + P)라 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지의 발열을 열원으로서 사용하는 난방장치를 구비하고,
    상기 필요 열량은 작동하고 있는 상기 난방장치가 필요로 하는 난방 필요 열량을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 필요 열량은, 연료전지의 난기에 필요한 난기 필요 열량을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 필요 열량은, 연료전지시스템의 온도를 소정 온도로 유지하기 위하여 필요한 유지 필요 열량을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제어수단은, 연료전지의 고효율 발전보다 발전효율을 저하시킨 저효율 발전으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전압 제어수단은 DC/DC 컨버터이고, 상기 전류 제어수단은 반응가스의 공급수단인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 연료가스와 산화제 가스를 반응가스로 하여 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지의 출력을 충전하거나 또는 충전한 전력을 방전하는 2차 전지와,
    상기 2차 전지의 전압을 제어하는 전압 제어수단을 가지는 연료전지시스템에 있어서,
    연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량과 요구되는 요구 출력을 산출하고, 산출된 필요 열량과 요구 출력에 의거하여, 연료전지를 고효율로 발전시키는 고효율 발전 모드와, 전압의 하한값을 제 1 전압 하한값으로 하는 고효율 발전보다 발전효율이 저하한 제 1 저효율 발전 모드와, 전압의 하한값이 제 1 전압 하한값보다도 작은 제 2 전압 하한값인 제 2 저효율 발전 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 연료전지를 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 연료가스와 산화제 가스를 반응가스로 하여 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지의 전압을 제어하는 전압 제어수단을 가지는 연료전지시스템에 있어서,
    연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량과 요구되는 요구 출력에 의거하여, 연료전지를 고효율로 발전시키는 고효율 발전 모드와, 전압의 하한값을 제 2 전압 하한값으로 하는 고효율 발전보다 발전효율이 저하한 제 2 저효율 발전 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 연료전지를 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 연료전지의 발열을 열원으로서 사용하는 난방장치를 구비하고,
    상기 필요 열량은 작동하고 있는 상기 난방장치가 필요로 하는 난방 필요 열량을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 필요 열량은 연료전지의 난기에 필요한 난기 필요 열량을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 필요 열량은 연료전지의 온도를 소정 온도로 유지하기 위하여 필요한 유지 필요 열량을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  12. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 제어수단은, 제 1 저효율 발전 모드 또는 상기 제 2 저효율 발전 모드로부터 고효율 발전 모드로 이행한 경우에, 연료전지에 공급되는 상기 반응가스량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 연료전지시스템이 필요로 하는 필요 열량과 요구되는 요구 출력을 구하는 제 1 단계와,
    반응가스의 공급상태에 의하여 결정되는 연료전지의 전류 - 전압 곡선에서 상기 필요 열량과 상기 요구 출력을 만족시키는 전류값과 전압값으로 정해지는 동작점을 구하는 제 2 단계와,
    상기 동작점에서 연료전지의 발전이 행하여지도록 연료전지의 전류값과 전압값을 제어하는 제 3 단계를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 연료전지시스템은 연료전지의 발열을 열원으로서 사용하는 난방장치를 구비하고,
    상기 필요 열량은 작동하고 있는 난방장치가 필요로 하는 난방 필요 열량과 연료전지의 난기에 필요한 난기 필요 열량을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 요구 출력은 상기 연료전지시스템이 탑재된 차량이 요구하는 구동력과 상기 연료전지시스템의 보조 기계가 요구하는 출력을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.
  16. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 연료전지시스템은 동작점을 설정하기 위한 컨버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.
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