KR101217644B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

운전상태의 변환 등이 행하여지는 경우에도, 외부 부하에 대하여 과부족없이 전력을 공급하는 것이 가능한 연료전지시스템을 제공한다.
난기 타이밍 판정부(70a)는, 연료전지 스택의 온도에 의거하여, 난기 타이밍이 도래하였는지의 여부를 판정한다. 천이 목표 전압 결정부(70b)는, 난기운전 시의 연료전지 스택의 출력 목표전압을 결정하고, 전압 변환속도 결정부(70c)는, 연료전지 스택에 대한 요구전력, 천이 목표전압 결정부(70b)로부터 출력되는 난기운전 시의 연료전지 스택의 출력 목표전압, 전압센서에 의하여 검출되는 현시점에서의 출력전압에 의거하여, 전압 변화속도를 결정한다. 전압 강하처리 실행부(70d)는, 전압 변화 속도 결정부(70c)로부터 통지되는 전압 변화속도에 따라, 전압 강하처리를 실행한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히 저효율 운전에 의해 연료전지를 난기하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지는, 연료를 전기화학 프로세스에 의해 산화시킴으로써 산화반응에 따라 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전시스템이고, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 전해질막의 양 측면을 다공질 재료로 이루어지는 한 쌍의 전극에 의해 끼워 유지하여 이루어지는 복수의 막 - 전극 어셈블리를 적층하여 이루어지는 스택구조를 가지고 있다. 그 중에서도, 고체 고분자막을 전해질로서 사용하는 고체 고분자 전해질형 연료전지는, 저비용으로 컴팩트화가 용이하고, 또한 높은 출력밀도를 가지기 때문에, 차량 탑재 전력원으로서의 용도가 기대되고 있다.
이와 같은 종류의 연료전지는, 일반적으로 70～80℃가 발전에 최적의 온도역으로 되어 있으나, 한냉지 등의 환경에서는, 기동하고 나서 최적 온도역에 도달하기까지 장시간을 요하는 경우가 있기 때문에, 각종 난기 시스템이 검토되고 있다. 예를 들면, 하기 특허문헌 1에는, 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 실시함으로써 연료전지의 자기 발열량을 제어하여, 차량 주행하면서 연료전지를 난기하는 방법에 대하여 개시되어 있다. 이와 같은 방법은, 연료전지의 출력전압을 그 전류?전압특성(이하, N 특성)에 의거하는 전압값보다 낮은 전압값으로 설정하고, 연료전지의 열손실을 증대시켜 자기발열에 의한 난기운전을 실시하는 것이기 때문에, 난기용 장치를 탑재할 필요가 없어, 편리성이 우수하다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2002-313388호 공보
그런데, 연료전지의 IV 특성은 일정하지 않고, 연료전지의 운전상태(예를 들면, 통상 운전으로부터 저효율 운전으로의 변환 등)에 의해 크게 변동한다. 이와 같은 변동을 고려하지 않고 연료전지의 출력전력이 제어되면, 연료전지로부터 외부부하(트랙션 모터나 각종 보조기기, 2차 전지 등)에 공급하는 전력에 과부족이 생기는 등의 문제가 염려된다.
본 발명은 이상 설명한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 운전상태의 변환 등이 행하여지는 경우에도, 외부 부하에 대하여 과부족없이 전력을 공급하는 것이 가능한 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 행함으로써, 당해 연료전지를 난기하는 연료전지시스템에 있어서, 상기 연료전지의 난기의 개시 타이밍이 도래하였는지의 여부를 판단하는 판단수단과, 상기 연료전지의 난기 목표 전압을 설정하는 설정수단과, 상기 연료전지의 현시점에서의 출력전압을 검지하는 검지수단과, 상기 연료전지의 개시 타이밍이 도래하였다고 판단한 경우에, 요구전력과 검지되는 상기출력전압과 상기 난기 목표전압에 의거하여, 당해 출력전압의 전압 변화 속도를 결정하는 결정수단과, 결정한 전압 변화 속도로 상기 출력전압을 상기 난기 목표 전압까지 천이시키는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의하면, 연료전지의 난기의 개시 타이밍이 도래한 경우, 연료전지 등에 대한 요구전력, 난기운전 시의 연료전지의 목표전압, 현시점에서의 출력전압에 의거하여, 전압 변화 속도를 결정하고, 결정한 전압 변화 속도로 연료전지 스택의 출력전압을 출력 목표 전압까지 천이(변화)시킨다.
여기서, 연료전지로부터 추출할 수 있는 출력전류는, 연료전지의 출력전압의 전압 변화 속도에 의해 변화되고, 전압 변화 속도가 클수록, 순간적인 출력전류의 변화량은 커진다(도 3 참조). 이 때문에, 요구전력에 따라 연료전지의 출력전압의 전압 변화 속도를 차차 변화시켜 출력전류를 제어함으로써, 출력 요구 전력을 충족시키면서, 연료전지를 신속하게 난기하는 것이 가능해진다.
여기서, 상기 구성에서는, 상기 연료전지의 관련 온도를 검지하는 온도검지수단을 더 구비하고, 상기 판단수단은, 상기 관련 온도에 의거하여 상기 개시 타이밍이 도래하였는지의 여부를 판단하는 형태가 바람직하다.
또, 상기 구성에서는, 상기 설정수단은, 적어도 상기 관련 온도 또는 상기 시스템의 요구 전력에 따라, 상기 난기 목표 전압을 변경하는 형태가 바람직하다.
또한, 상기 구성에서는, 상기 검지수단은, 상기 출력전압이 상기 난기 목표 전압까지 천이되기까지의 사이에, 현시점에서의 출력전압을 소정 타이밍으로 복수회 검지하고, 상기 결정수단은, 검지 타이밍마다, 당해 시스템의 요구전력과 검지되는 상기 출력전압과 상기 난기 목표 전압에 의거하여, 당해 출력전압의 전압 변화 속도를 결정하는 형태가 바람직하다.
또한, 상기 구성에서는, 상기 난기 목표 전압보다 큰 문턱값 전압을 설정하는 문턱값 설정수단을 더 구비하고, 상기 제어수단은, 상기 출력전압이 상기 문턱값 전압을 하회한 경우에, 당해 시점에서의 전압 변화 속도보다 빠른 전압 변화 속도로, 상기 출력전압을 상기 난기 목표 전압까지 천이시키는 형태가 바람직하다.
또, 상기 구성에서는, 상기 출력전압의 천이를 개시하고 나서의 경과시간을 계측하는 계측수단을 더 구비하고, 상기 결정수단은, 상기 출력전압이 상기 문턱값 전압을 하회하고, 또한, 상기 경과시간이 문턱값 시간을 넘은 경우에, 당해 시점에서의 전압 변화 속도보다 빠른 전압 변화 속도로, 상기 출력전압을 상기 난기 목표 전압까지 천이시키는 형태가 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 운전상태의 변환 등이 행하여지는 경우에도, 외부 부하에 대하여 과부족없이 전력을 공급하는 것이 가능해진다.
도 1은 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템의 주요부 구성을 나타내는 도,
도 2는 연료전지시스템의 등가회로를 나타내는 도,
도 3은 상태 천이하였을 때의 연료전지 스택의 IV 특성을 나타내는 도,
도 4는 난기 제어처리를 실현하는 컨트롤러의 기능 블럭도,
도 5는 난기 제어처리를 나타내는 플로우차트,
도 6은 제 2 실시형태에 관한 컨트롤러의 기능 블럭도,
도 7은 제 3 실시형태에 관한 컨트롤러의 기능 블럭도이다.
이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
A. 제 1 실시형태
A-1. 구성
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(10)을 탑재한 차량의 개략 구성이다. 또한, 이하의 설명에서는 차량의 일례로서 연료전지 자동차(FCHV ; Fuel Cell Hybrid Vehicle)를 상정하나, 전기자동차나 하이브리드 자동차에도 적용 가능하다. 또, 차량뿐만 아니라 각종 이동체(예를 들면, 선박이나 비행기, 로봇 등)나 정치형 전원, 나아가서는 휴대형 연료전지시스템에도 적용 가능하다.
연료전지시스템(10)은, 연료전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원시스템으로서 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 컨트롤러(ECU)(70)를 구비하고 있다.
연료전지 스택(20)은, 복수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자전해질형 셀 스택이다. 연료전지 스택(20)에서는, 애노드극에서 (1)식의 산화반응이 생기고, 캐소드극에서 (2)식의 환원반응이 생긴다. 연료전지 스택(20) 전체로서는 (3)식의 기전반응이 생긴다.
Figure 112010030749570-pct00001
연료전지 스택(20)에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 검출하기 위한 전압센서(71) 및 발전전류를 검출하기 위한 전류센서(72)가 설치되어 있다.
산화가스 공급계(30)는, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화가스가 흐르는 산화가스통로(34)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스통로(36)를 가지고 있다. 산화가스통로(34)에는, 필터(31)를 거쳐 대기 중에서 산화가스를 도입하는 에어컴프레서(32)와, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화가스를 가습하기 위한 가습기(33)와, 산화가스 공급량을 조정하기 위한 스로틀 밸브(35)가 설치되어 있다. 산화 오프 가스통로(36)에는, 산화가스 공급압을 조정하기 위한 배압조정 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 연료가스통로(45)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료가스통로(45)로 귀환시키기 위한 순환통로(46)와, 순환통로(46) 내의 연료 오프 가스를 연료가스통로(43)로 압송하는 순환펌프(47)와, 순환통로(47)에 분기 접속되는 배기 배수통로(48)를 가지고 있다.
연료가스 공급원(41)은, 예를 들면, 고압수소 탱크나 수소흡장합금 등으로 구성되고, 고압(예를 들면, 35 MPa 내지 70 MPa)의 수소가스를 저류한다. 차단밸브(42)를 개방하면, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료가스통로(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 리치한 개질 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기로 생성한 개질 가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크로 구성하여도 된다.
레귤레이터(43)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 압력 조정하는 장치이고, 예를 들면, 1차압을 감압하는 기계식 감압밸브 등으로 구성된다. 기계식 감압밸브는, 배압실과 압력 조정실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의해 압력 조정실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 구성을 가진다.
인젝터(44)는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 소정의 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시킴으로써 가스유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(44)는, 연료가스 등의 기체연료를 분사하는 분사구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체연료를 분사구멍까지 공급안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대하여 축선방향(기체 흐름방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.
배기 배수통로(48)에는, 배기 배수밸브(49)가 설치되어 있다. 배기 배수밸브(49)는, 컨트롤러(70)로부터의 지령에 의해 작동함으로써, 순환통로(46) 내의 불순물을 포함하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출한다. 배기 배수밸브(49)의 개방에 의하여, 순환통로(46) 내의 연료 오프 가스 중의 불순물의 농도가 내려가고, 순환계 내를 순환하는 연료 오프 가스 중의 수소 농도를 올릴 수 있다.
배기 배수밸브(49)를 거쳐 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스통로(34)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되고, 희석기(도시 생략)에 의해 희석된다. 순환펌프(47)는, 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의해 연료전지 스택(20)에 순환 공급한다.
전력계(50)는, DC/DC 컨버터(51), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 트랙션 모터(54) 및 보조기기류(55)를 구비하고 있다. DC/DC 컨버터(51)는, 배터리(52)로부터 공급되는 직류전압을 승압하여 트랙션 인버터(53)에 출력하는 기능과, 연료전지 스택(20)이 발전한 직류전력, 또는 회생 제동에 의해 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 동작점(출력전압, 출력전류)이 제어된다.
배터리(52)는, 잉여전력의 저장원, 회생 제동 시의 회생 에너지 저장원, 연료전지 차량의 가속 또는 감속에 따르는 부하변동 시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 배터리(52)로서는, 예를 들면, 니켈?카드늄 축전지, 니켈?수소 축전지, 리튬 2차 전지 등의 2차 전지가 적합하다.
트랙션 인버터(53)는, 예를 들면, 펄스폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이고, 컨트롤러(70)로부터의 제어지령에 따라, 연료전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토오크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는, 차륜(56L, 56R)을 구동하기 위한 모터(예를 들면 3상 교류모터)이고, 연료전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조기기류(55)는, 연료전지시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모터(예를 들면, 펌프류 등의 동력원)나, 이들 모터를 구동하기 위한 인버터류, 또한 각종 차량 탑재 보조기기류(예를 들면, 에어컴프레서, 인젝터, 냉각수 순환펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
냉각계(60)는, 연료전지 스택(20) 내부를 순환하는 냉매를 흘리기 위한 냉매통로(61, 62, 63, 64), 냉매를 압송하기 위한 순환펌프(65), 냉매와 외기 사이에서 열교환하기 위한 라디에이터(66), 냉매의 순환경로를 변환하기 위한 삼방밸브(67)및 냉매온도를 검출하기 위한 온도센서(74)를 구비하고 있다. 난기운전이 완료된 후의 통상 운전 시에는 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매통로(61, 64)를 흘러 라디에이터(66)로 냉각된 후, 냉매통로(63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러들도록 삼방밸브(67)가 개폐 제어된다. 한편, 시스템 기동 직후에서의 난기운전 시에는, 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매통로(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 컴퓨터시스템이고, 연료전지시스템(10)의 각 부[산화가스 공급계(30), 연료가스 공급계(40), 전력계(50), 및 냉각계(60)]를 제어하기 위한 제어수단으로서 기능한다. 예를 들면, 컨트롤러(70)는, 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동신호 IG를 수신하면, 연료전지시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개방도 신호(ACC)나, 차속센서로부터 출력되는 차속신호(VC) 등을 기초로 시스템 전체의 요구전력을 구한다.
시스템 전체의 요구전력은, 차량 주행 전력과 보조기기 전력의 합계값이다. 보조기기 전력에는 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(공조장치, 조명기구, 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 컨트롤러(70)는, 연료전지 스택(20)과 배터리(52)의 각각의 출력전력의 배분을 결정하여, 발전 지령값을 연산함과 동시에, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표 전력(요구전력)에 일치하도록, 산화가스 공급계(30) 및 연료가스 공급계(40)를 제어한다. 또한 컨트롤러(70)는, DC/DC 컨버터(51)를 제어하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 동작점(출력전압, 출력전류)을 제어한다. 컨트롤러(70)는, 액셀러레이터 개방도에 따른 목표 차속이 얻어지도록, 예를 들면, 스위칭 지령으로서, U상, V상, 및 W상의 각 교류전압지령값을 트랙션 인버터(53)에 출력하여, 트랙션 모터(54)의 출력 토오크, 및 회전수를 제어한다.
<연료전지 스택(20)의 C-V 특성>
연료전지 스택(20)의 C-V 특성(사이클릭 볼탐모노그램)은, 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 나타내는 것으로, 연료전지 스택(20)의 전압을 일정한 속도로 승압시켜 가면, 외부로부터 연료전지 스택(20)으로 흘러 드는 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. 이와 같은 동적인 전기 특성은, 연료전지 스택(20)의 촉매 담지체의 전기 2중층 용량 성분과 촉매의 산화환원반응에 의한 외견상의 용량 성분에 의한 것이 알려져 있다.
여기서, 도 2는 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 모델화한 등가회로도이다.
연료전지 스택(20)은, 이상 연료전지(28)와 커패시터(29)가 병렬 접속되어 이루어지는 회로 구성을 가지고 있다. 이상 연료전지(28)는, 상기한 C-V 특성을 가지지 않은 가상적인 연료전지를 모델화한 것으로, 전기 특성 상, 가변 전원과 등가의 기능을 한다. 커패시터(29)는, 상기 계면에 형성되는 전기 2중층의 전기적인 기능을 용량 소자로서 모델화한 것이다. 외부 부하(56)는 전력계(50)를 모델화한 등가회로이다. 이상 연료전지(28)로부터 흘러 나가는 전류를 Ifc, 이상 연료전지(28)의 출력전압[연료전지 스택(20)의 출력전압]을 Vfc, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류를 Ic, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류를 Is, 커패시터(29)의 용량을 C, 시간을 t라 하면, 이하에 나타내는 (4)～(5)식이 성립한다.
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(4)～(5)식에 나타내는 바와 같이, 출력전압(Vfc)을 승압하면, 단위시간당 변화량(ΔVfc/Δt)에 따라, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류(Ic)가 증가하기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)는 감소한다. 한편, 출력전압(Vfc)을 강압하면, 단위시간당 변화량(ΔVfc/Δt)에 따라, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류(Ic)가 감소하기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)는 증가한다. 이와 같이, 출력전압(Vfc)의 단위시간당 승강압량을 제어함으로써, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)를 가감할 수 있다(이하, 편의상, ΔV 제어라 함).
본 실시형태에서는, 당해 차량의 운전을 정지하고 있는 상태(즉, 차량 주행 전의 기동 준비단계 ; 이하, 기동 준비상태라 한다)에서, 스택 온도가 소정 온도(예를 들면 0℃) 미만인 것이 검지되면, 저효율 운전을 개시하고(즉, 기동 준비상태로부터 저효율 운전상태로 이행하여), 연료전지 스택(20)의 급속난기를 행한다.
여기서, 저효율 운전이란, 통상 운전에 비하여 공기의 공급량을 조절함으로써(예를 들면, 공기화학량론비를 1.0부근에 설정한다), 발전손실을 높여 낮은 발전효율로 운전하는 것을 말한다. 공기화학량론비를 낮게 설정하여 저효율 운전을 실시하면, 통상 운전 시보다 농도 과전압이 커지기 때문에, 수소와 산소의 반응에 의해 추출할 수 있는 에너지 중 열손실(발전손실)이 증대한다.
또한, 저효율 운전은 저온 기동 시에 있어서 열손실을 의도적으로 증대시킴으로써 연료전지 스택(20)을 신속하게 난기하기 위하여, 차량 주행 전(기동 준비상태 → 저효율 운전상태) 뿐만 아니라, 차량 주행 중(통상 운전상태 → 저효율 운전상태) 등에도 실행된다. 또, 저효율 운전 시의 공기화학량론비(즉 산소 잉여율)는 1.0 부근에 한정하는 취지가 아니고, 통상 운전에 비하여 작은 값이면 임의로 설정?변경 가능하다.
본 실시형태에서는, 연료전지 스택(20)을 기동 준비상태로부터 저효율 운전상태로 이행할 때, 연료전지 스택(20)에 공급하는 산화가스유량을 일정값으로 고정하면서, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 요구전력에 따라 가변 제어한다. (4)～(5)식으로 나타낸 바와 같이, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 변화시키면, 연료전지 스택(20)의 용량 특성에 의해 커패시터(29)로부터의 전력의 충방전이 생기고, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)에 공급되는 전력(즉 출력전력)에 변화가 생긴다.
도 3은, 상태 천이하였을 때의 연료전지 스택(20)의 IV 특성을 나타내는 도면이고, 전압 변화 속도 Sch1 = 25 V/s의 경우의 IV 특성을 실선으로 나타내고, 전압 변화 속도 Sch2 = 50 V/s의 경우의 IV 특성을 일점 쇄선으로 나타낸다. 또한, 도 3에 나타내는 IV 특성은, 연료전지 스택(20)에 공급하는 산화가스량을 일정하게 제어한 경우를 상정한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 연료전지 스택(20)을 기동 준비상태로부터 저효율 운전상태로 이행할 때, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 강하시키면, 출력전류가 크게 변화되는 영역(구체적으로는, 촉매환원영역)(A1)이 존재한다. 이와 같은 촉매환원영역(A1)에서 연료전지 스택(20)으로부터 추출할 수 있는 전류(즉 출력전류)는, 연료전지 스택(20)의 출력전압의 전압 변화 속도에 의해 변화되고, 도 3에 나타내는 바와 같이 전압 변화 속도가 클수록, 순간적인 출력전류의 변화량은 커진다[도 3에 나타내는 전압 변화 속도(Sch1, Sch2) 참조]. 주지한 바와 같이, 연료전지 스택(20)의 출력전력은, 출력전류에 출력전압을 곱함으로써 구할 수 있기 때문에, 연료전지 스택(20)에 대한 요구전력에 따라 연료전지 스택(20)의 출력전압의 전압 변화 속도를 차차 변화시켜 출력전류를 제어함으로써, 원하는 출력전력을 얻을 수 있다.
도 4는, 난기 제어처리를 실현하는 컨트롤러(70)의 기능 블럭도이다.
컨트롤러(70)는, 난기 타이밍 판정부(70a)와, 천이 목표 전압 결정부(70b)와, 전압 변화 속도 결정부(70c)와, 전압 강하 처리 실행부(70d)를 구비하고 있다.
난기 타이밍 판정부(판단수단)(70a)는, 온도센서(74)에 의해 검지되는 연료전지 스택(20)의 온도(FC 온도)에 의거하여, 난기 타이밍이 도래하였는지의 여부를 판정한다. 또한, FC 온도 대신, 연료전지 스택(20) 주위의 환경온도나 주위의 부품 온도(연료전지의 관련온도)를 검출하여도 되는 것은 물론이다. 여기서, 난기 타이밍 판정부(70a)에는, 난기운전을 개시해야 하는지의 여부를 판정하기 위한 FC 온도 문턱값(예를 들면 0℃)이 등록되어 있다. 난기 타이밍 판정부(70a)는, 온도센서(74)로부터 검지된 FC 온도를 수취하면, 이 FC 온도와 FC 온도 문턱값을 비교한다. 난기 타이밍 판정부(70a)는, FC 온도가 FC 온도 문턱값을 하회하고 있는 것을 검지하면, 저효율 운전에 의한 난기운전의 개시 타이밍이 도래하였다는 취지를 천이 목표 전압 결정부(70b), 전압 변화 속도 결정부(70c)에 출력한다.
천이 목표 전압 결정부(70b)는, 난기 타이밍 판정부(70a)로부터의 통지에 따라, 연료전지 스택(20)에 대한 요구전력 등에 의거하여, 난기운전 시의 연료전지 스택(20)의 출력 목표 전압(Vo1)[즉, 기동 준비상태로부터 저효율 운전상태로 천이하였을 때의 연료전지 스택(20)의 천이 목표전압 ; 도 4 참조]을 결정한다. 천이목표전압 결정부(설정수단)(70b)는, 난기운전 시의 연료전지 스택(20)의 출력 목표전압(난기 목표전압)(Vo1)을 결정(설정)하면, 이것을 전압 변화 속도 결정부(70c)에 출력한다. 또한, 난기운전 시의 연료전지 스택(20)의 출력 목표전압(Vo1)은, FC 온도나 연료전지 스택(20)에 대한 요구 발열량, 요구전력 등에 따라 적절하게 설정하여도 되나, 고정값으로 하여도 된다.
전압 변화 속도 결정부(결정수단)(70c)는, 난기 타이밍 판정부(70a)로부터의 통지에 따라, 연료전지 스택(20)에 대한 요구전력, 천이 목표 전압 결정부(70b)로부터 출력되는 난기운전 시의 연료전지 스택(20)의 출력 목표전압(Vo1), 전압센서(검지수단)(71)에 의해 검출되는 현시점에서의 출력전압(예를 들면, 도 4에 나타내는 Vp1 참조)에 의거하여, 전압 변화 속도(여기서는, 전압 강하 속도)를 결정하고, 결정한 전압 변화 속도를 전압 강하 처리 실행부(70d)에 통지한다.
상기한 바와 같이, 연료전지 스택(20)을 기동 준비상태로부터 저효율 운전상태로 이행하는 경우에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압의 전압 변화 속도를 변화시킴으로써 원하는 출력전력을 얻을 수 있다. 따라서, 전압 변화 속도 결정부(70c)는, 연료전지 스택(20)에 대한 요구전력이 얻어지도록, 이 요구전력과 출력목표전압(Vo1)과 현시점에서의 출력전압에 의거하여 전압 변화 속도를 결정한다. 또한, 전압 변화 속도에 대해서는, 예를 들면 전압센서(검지수단)의 출력전압의 검지 타아밍에 맞추어 소정 시간마다(4 mS마다 등) 전압 변화 속도를 결정하여도 되나, 전압 변화 속도를 한번 결정한 후는 고정하여도 되고, 어떠한 타이밍으로 전압 변화 속도를 결정할지는 임의이다.
전압 강하처리 실행부(제어수단)(70d)는, 전압 변화 속도 결정부(70c)로부터 통지되는 전압 변화 속도에 따라, 원하는 요구전력이 얻어지도록, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 강하시키는 처리(이하, 전압 강하처리)를 실행한다. 상세하게 설명하면, 전압 강하처리 실행부(70d)는, DC/DC 컨버터(51)를 사용하여, 하기식(6)～(7)에 따라 연료전지 스택(20)의 출력전압을 출력 목표전압까지 강압시킨다.
전류편차 = 전류 지령값 - 전류 실측값 ㆍㆍㆍ(6)
전압 지령값 = 전압 지령값(전회값) - (전류편차 × 비례 게인 + 전류 편차적분항 × 적분 게인) ㆍㆍㆍ(7)
이때, 전압 강하처리 실행부(70d)는, 전압 변화 속도 결정부(70c)에서 결정된 전압 변화 속도를 유지하도록, DC/DC 컨버터(51)의 강압동작을 제어한다. 이에 의하여, 출력 요구전력을 충족시키면서, 연료전지 스택(20)을 신속하게 난기할 수 있다. 또한, 전압 강하처리 실행부(70d)는, FC 온도가 설정된 통상 운전 변환온도(예를 들면 5℃)까지 승온한 것을 검지하면, 연료전지 스택(20)의 난기를 종료하고, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로의 변환을 행한다. 이하, 난기 제어처리에 대하여 도 5를 참조하면서 설명한다.
A-2. 동작설명
도 5는 컨트롤러(70)에 의해 실행되는 난기 제어처리를 나타내는 플로우차트이다.
난기 타이밍 판정부(70a)는, 온도센서(74)에 의해 검지되는 연료전지 스택(20)의 온도(FC 온도)에 의거하여, 난기 타이밍이 도래하였는지의 여부를 판정한다. 상세하게 설명하면, 난기 타이밍 판정부(70a)는, 온도센서(74)에 의해 검지되는 FC 온도와 미리 설정되어 있는 FC 온도 문턱값을 비교하여, FC 온도가 FC 온도 문턱값을 하회하고 있는지의 여부를 판정한다. 난기 타이밍 판정부(70a)는, FC 온도가 FC 온도 문턱값 이상인 경우에는(단계 S100 ; NO), 이하에 나타내는 단계를 실행하지 않고 처리를 종료한다.
한편, 난기 타이밍 판정부(70a)는, FC 온도가 FC 온도 문턱값을 하회하고 있기 때문에, 난기 타이밍이 도래하였다고 판단하면(단계 S100 ; YES), 저효율 운전에 의한 난기운전의 개시 타이밍이 도래하였다는 취지를 천이 목표 전압 결정부(70b), 전압 변화 속도 결정부(70c)에 대하여 출력한다.
천이 목표 전압 결정부(70b)는, 난기 타이밍 판정부(70a)로부터의 통지에 따라, 연료전지 스택(20)에 대한 요구전력 등에 의거하여, 난기운전 시의 연료전지 스택(20)의 출력 목표전압(Vo1)[즉, 기동 준비상태로부터 저효율 운전상태로 천이하였을 때의 연료전지 스택(20)의 천이 목표전압 ; 도 4 참조]을 결정한다(단계 S200). 천이 목표 전압 결정부(70b)는, 난기운전 시의 연료전지 스택(20)의 출력목표전압(Vo1)을 결정하면, 이것을 전압 변화 속도 결정부(70c)에 출력한다.
전압 변화 속도 결정부(70c)는, 난기 타이밍 판정부(70a)로부터의 통지에 따라, 연료전지 스택(20)에 대한 요구전력, 천이 목표 전압 결정부(70b)로부터 출력되는 난기운전 시의 연료전지 스택(20)의 출력 목표전압(Vo1), 전압센서(71)에 의해 검출되는 현시점에서의 출력전압에 의거하여, 전압 변화 속도(여기서는, 전압 강하속도)를 결정하고, 결정한 전압 변화 속도를 전압 강하처리 실행부(70d)에 통지한다(단계 S300).
전압 강하처리 실행부(70d)는, 전압 변화 속도 결정부(70c)로부터 통지되는 전압 변화 속도에 따라, 원하는 요구전력이 얻어지도록, 연료전지 스택(20)의 전압 강하처리를 실행한다(단계 S400). 상세하게 설명하면, 전압 강하처리 실행부(70d)는, DC/DC 컨버터(51)를 사용하여, 상기한 식(6)～(7)에 따라 연료전지 스택(20)의 출력전압을 출력 목표전압까지 강압시킨다. 이때, 전압 강하처리 실행부(70d)는, 전압 변화 속도 결정부(70c)에서 결정된 전압 변화 속도를 유지하도록, DC/DC 컨버터(51)의 강압동작을 제어한다. 이에 의하여, 출력 요구전력을 충족시키면서, 연료전지 스택(20)을 신속하게 난기할 수 있다. 또한, 전압 강하처리 실행부(70d)는, FC 온도가 설정된 통상 운전 변환 온도(예를 들면 5℃)까지 승온한 것을 검지하면, 이상 설명한 난기 제어처리를 종료하고, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 이행한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 난기운전을 행할 때, 연료전지 스택에 대한 요구전력, 난기운전 시의 연료전지 스택의 출력 목표전압, 현시점에서의 출력전압에 의거하여, 전압 변화 속도를 결정하고, 결정한 전압 변화 속도로 연료전지 스택의 출력전압을 출력 목표전압까지 변화시킨다.
여기서, 연료전지 스택으로부터 추출할 수 있는 출력전류는, 연료전지 스택의 출력전압의 전압 변화 속도에 의하여 변화되고, 전압 변화 속도가 클수록, 순간적인 출력전류의 변화량은 커지기 때문에(도 4 참조), 연료전지 스택에 대한 요구전력에 따라 연료전지 스택의 출력전압의 전압 변화 속도를 차차 변화시켜 출력전류를 제어함으로써, 출력 요구전력을 충족시키면서, 연료전지 스택을 신속하게 난기하는 것이 가능해진다.
B. 제 2 실시형태
도 6은, 제 2 실시형태에 관한 난기 제어처리를 실현하는 컨트롤러(70')의 기능 블럭도이고, 상기한 도 4에 대응하는 도면이다. 따라서, 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고, 상세한 설명은 할애한다.
전압 강하처리 실행부(문턱값 설정수단)(70d')에는, 천이 가능 문턱값 전압 (Va1)이 등록되어 있다(도 3 참조). 천이 가능 문턱값 전압(문턱값 전압)(Va1)은, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 급격하게 변화(여기서는 강하)시키는 것이 가능한지의 여부를 판단하기 위한 문턱값이며, 출력 목표전압보다 큰 값이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 천이 가능 문턱값 전압(Va1)을 넘는 전압영역에서는, 연료전지 스택(20)의 출력전압의 변화에 따라 출력전류는 큰 변동을 나타내는 한편[도 3에 나타내는 촉매 환원영역(A1) 참조], 천이 가능 문턱값 전압(Va1)을 하회하는 전압영역에서는, 출력전압을 급격하게 변동시켜도, 연료전지 스택(20)의 출력전류는 큰 변동을 나타내지 않는다.
그래서, 본 실시형태에서는, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 천이 가능 문턱값 전압(Va1) 이상인 경우에는, 이미 설정된 전압 변화 속도[여기서는 전압 변화 속도(S1)]로 연료전지 스택(20)의 출력전압을 변화시키는 한편, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 천이 가능 문턱값 전압(Va1)을 하회하고 있는 경우에는, 이미 설정된 전압 변화 속도(S1)보다 빠른 전압 변화 속도(S2)로, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 변화시킨다.
상세하게 설명하면, 전압 강하처리 실행부(결정수단)(70d')는, 전압센서(71)에 의해 검출되는 현시점에서의 출력전압과 천이 가능 문턱값 전압(Va1)을 비교한다. 전압 강하처리 실행부(70d')는, 현시점에서의 출력전압이 천이 가능 문턱값 전압(Va1) 이상인 경우에는, 전압 변화 속도 결정부(70c)에 의해 이미 설정된 전압 변화 속도(S1)로 연료전지 스택(20)의 출력전압을 변화시킨다. 한편, 전압 강하처리 실행부(70d')는, 현시점에서의 출력전압이 천이 가능 문턱값 전압(Va1)을 하회한 것을 검지하면, 이미 설정된 전압 변화 속도(S1)보다 빠른 전압 변화 속도 S2(> S1)로, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 출력 목표전압까지 변화시킨다. 또한, 전압 변화 속도(S2)에 대해서는, 고정값으로 하여도 되나, 적절히 변화시켜도 되고, 어떻게 설정할지는 임의이다.
C. 제 3 실시형태
도 7은, 제 3 실시형태에 관한 난기 제어처리를 실현하는 컨트롤러(70")의 기능 블럭도이고, 상기한 도 6에 대응하는 도면이다. 따라서, 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고, 상세한 설명을 할애한다.
전압 강하처리 실행부(70d")에는, 타이머(70e)가 접속되어 있다. 타이머(계측수단)(70e)는, 전압 강하처리를 개시하고 나서의 시간을 계측하기 위한 수단이다. 또한, 전압 강하처리 실행부(70d")에는, 문턱값 처리시간(T1)이 등록되어 있다. 문턱값 처리시간(T1)은, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 급격하게 변화(여기서는 강하)시키는 것이 가능한지의 여부를 판단하기 위한 문턱값이다.
전압 강하처리 실행부(70d")는, 전압 강하처리를 개시하면, 타이머(70e)를 이용하여 전압 강하처리를 개시하고 나서의 경과시간(이하, 전압 강하처리 시간)을 계측한다. 그리고, 전압 강하처리 실행부(70d")는, 현시점에서의 출력전압이 천이가능 문턱값 전압(Va1)을 하회한 것을 검지하면, 타이머(70e)를 참조하여, 현시점에서의 전압 강하처리 시간을 파악한다.
전압 강하처리 실행부(70d")는, 타이머(70e)에 의해 계측되는 현시점에서의 전압 강하처리 시간이 문턱값 처리시간(T1)을 하회하고 있는 경우에는 이미 설정된 전압 변화 속도(S1)로 연료전지 스택(20)의 출력전압을 변화시킨다. 한편, 전압 강하처리 실행부(70d')는, 문턱값 처리시간(T1)을 넘은 것을 검지하면, 이미 설정된 전압 변화 속도(S1)보다 빠른 전압 변화 속도 S2(>S1)로, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 출력 목표전압까지 변화시킨다.
이와 같이, 전압 강하처리 실행부(결정수단)(70d")는, 현시점에서의 출력전압이 천이 가능 문턱값 전압(Va1)을 하회하고, 또한, 현시점에서의 전압 강하처리 시간이 문턱값 처리시간(T1)을 넘은 경우에, 이미 설정된 전압 변화 속도(S1)보다 빠른 전압 변화 속도 S2(>S1)로, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 출력 목표전압까지 변화시킨다. 이와 같은 제어를 행하는 것은, 전류센서(72) 등에 이상 등이 생겨 실제의 전류값보다 큰 값이 계측값(전류 실측값)으로서 검지되면, 식(6)으로부터 분명한 바와 같이 전류편차가 작아져, 식(7)에 나타내는 전압 지령값이 전회의 전압 지령값과 거의 변함없이, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 내려 가지 않고 체류하기 때문이다.
그래서, 본 실시형태에서는, 현시점에서의 전압 강하처리 시간이 문턱값 처리시간(T1)을 넘어도 연료전지 스택(20)의 출력전압이 출력 목표전압까지 다 내려가지 않은 경우에는, 전류센서(72) 등에 어떠한 이상 등이 생겨 있다고 판단하고, 강제적으로 연료전지 스택(20)의 출력전압을 출력 목표전압까지 내리는 처리를 행한다. 이와 같은 구성에 의하면, 전류센서(72) 등에 이상이 생겨 있는 경우에도, 연료전지 스택(20)을 신속하게 난기하는 것이 가능해진다. 또한, 문턱값 처리시간(T1)에 대해서는, 미리 실험 등에 의해 연료전지 스택(20)의 출력전압이 출력 목표전압까지 다 내려가는 정상 시간범위를 구하여 두고, 이 정상 시간범위에 의거하여 적절하게 설정하면 된다.
10 : 연료전지시스템 20 : 연료전지 스택
30 : 산화가스 공급계 40 : 연료가스 공급계
50 : 전력계 60 : 냉각계
70, 70', 70" : 컨트롤러 70a : 난기 타이밍 판정부
70b : 천이 목표 전압 결정부
70c : 전압 변화 속도 결정부
70d, 70d',70d" : 전압 강하처리 실행부
70e : 타이머

Claims (7)

  1. 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 행함으로써, 당해 연료전지를 난기하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 연료전지의 난기의 개시 타이밍이 도래하였는지의 여부를 판단하는 판단수단과,
    상기 연료전지의 난기 목표 전압을 설정하는 설정수단과,
    상기 연료전지의 현시점에서의 출력전압을 검지하는 검지수단과,
    상기 연료전지의 개시 타이밍이 도래하였다고 판단하고, 상기 출력전압을 상기 난기 목표 전압까지 강압시키는 경우에, 요구 전력과 검지되는 상기 출력전압과 상기 난기 목표 전압에 의거하여, 당해 출력전압의 전압 변화 속도를 결정하는 결정수단과,
    상기 요구 전력이 얻어지도록, 결정한 전압 변화 속도로 상기 출력전압을 상기 난기 목표 전압까지 강압시키는 DC/DC 컨버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지의 관련 온도를 검지하는 온도 검지수단을 더 구비하고,
    상기 판단수단은, 상기 관련 온도에 의거하여 상기 개시 타이밍이 도래하였는지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 설정수단은, 상기 관련 온도, 요구 발열량 또는 상기 요구 전력에 따라, 상기 난기 목표 전압을 변경하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 검지수단은, 상기 출력전압이 상기 난기 목표 전압까지 천이되기까지의 사이에, 현시점에서의 출력전압을 소정 타이밍으로 복수회 검지하고,
    상기 결정수단은, 검지 타이밍마다, 당해 시스템의 요구전력과 검지되는 상기 출력전압과 상기 난기 목표 전압에 의거하여, 당해 출력전압의 전압 변화 속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 난기 목표 전압보다 큰 문턱값 전압을 설정하는 문턱값 설정수단을 더 구비하고,
    상기 DC/DC 컨버터는, 상기 출력전압이 상기 문턱값 전압을 하회한 경우에, 당해 시점에서의 전압 변화 속도보다 빠른 전압 변화 속도로, 상기 출력전압을 상기 난기 목표 전압까지 천이시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 출력전압의 천이를 개시하고 나서의 경과시간을 계측하는 계측수단을 더 구비하고,
    상기 결정수단은, 상기 출력전압이 상기 문턱값 전압을 하회하고, 또한, 상기 경과시간이 문턱값 시간을 넘은 경우에, 당해 시점에서의 전압 변화 속도보다 빠른 전압 변화 속도로, 상기 출력전압을 상기 난기 목표 전압까지 천이시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지는, 이상 연료전지와 커패시터가 병렬 접속된 회로구성을 가지고 있고,
    상기 결정수단은, 상기 연료전지에서의 상기 커패시터의 용량 성분을 고려하여 상기 출력전압의 전압 변화 속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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