KR101237810B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지의 온도가 낮고, 또한, 연료전지가 건조상태에 있는 경우에도, 연료전지의 수분상태 및 연료전지의 온도를 신속하고 또한 최적으로 제어하는 것이다.
이를 해결하기 위하여, 제어장치는 연료전지가 건조상태에 있다고 판단되고(단계 S120 ; YES), 또한, 연료전지의 온도가 낮다고 판단된 경우에는(단계 S130 ; YES), 저효율 발전을 행한다(단계 S140). 저효율 발전을 행함으로써, 연료전지의 급속 난기를 실현함과 동시에 연료전지(2)의 캐소드 물수지를 플러스(웨트)상태로 할 수 있기 때문에, 연료전지의 수분상태 및 연료전지의 온도를 신속하고 또한 최적으로 제어할 수 있다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지시스템에는, 프로톤 도전성을 가지는 고체 고분자막을 전해질층에 구비하는 고체 고분자형의 연료전지가 탑재되어 있다. 이 연료전지의 고체 고분자막은, 습윤상태에 있을 때에 높은 프로톤 도전성을 나타내기 때문에, 효율적으로 발전을 행하기 위해서는 고체 고분자막을 습윤상태로 유지하는 것이 중요하다.
이와 같은 사정을 감안하여, 연료전지의 개방회로 전압에 의거하여 연료전지의 수분상태를 진단하고, 연료전지가 건조상태에 있다고 진단된 경우에는, 연료전지의 온도를 저하시키는 처리(이하, FC 온도 저감 처리)를 실행하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 여기서, 저온의 공기는 고온의 공기보다 반출수량이 적기 때문에, 상기한 바와 같이 연료전지의 온도를 낮게 함으로써, 연료전지로부터 배출되는 공기의 온도도 낮아져, 건조상태의 연료전지의 수분을 최적상태로 제어하는 것이 가능해진다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2005-32587호 공보
그러나, 연료전지의 온도가 낮고(예를 들면 저온 시동 시 등), 또한, 연료전지가 건조상태에 있는 경우에는, 일단 연료전지의 온도를 더욱 저하시켜 연료전지의 수분을 최적상태로 한 후, 연료전지를 난기(暖機)함으로써 연료전지의 온도를 목표온도에 근접시킨다는 처리(이하, 난기처리)가 필요하게 된다. 이와 같이, 종래 기술에 서는, 연료전지의 온도가 낮고, 또한, 연료전지가 건조상태에 있는 경우에는, FC 온도 저감처리 → 난기처리라는 번잡한 처리를 실행할 필요가 있어, 처리의 신속화의 요청에 따르는 것이 어렵다는 문제가 있었다.
본 발명은 이상 설명한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 연료전지의 온도가 낮고, 또한, 연료전지가 건조상태에 있는 경우에도, 연료전지의 수분상태 및 연료전지의 온도를 신속하고 또한 최적으로 제어하는 것이 가능한 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하도록, 본 발명의 연료전지시스템은, 연료전지가 건조상태에 있는지의 여부를 판단하는 제 1 판단수단과, 상기 연료전지가 건조상태에 있다고 판단된 경우, 상기 연료전지에 공급되는 반응가스가 통상 발전 시에 비하여 적고, 또한, 상기 통상 발전에 비하여 전력손실이 큰 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하는 제 2 판단수단과, 저효율 발전을 허가한다고 판단된 경우에 저효율 발전을 실행하는 발전 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의하면, 연료전지가 건조상태에 있다고 판단된 후, 저효율 발전을 허가한다고 판단된 경우에는, 저효율 발전을 행한다. 저효율 발전을 행함 으로써, 연료전지의 급속 난기를 실현함과 동시에 연료전지(2)의 캐소드 물수지를 플러스(웨트)상태로 할 수 있기 때문에, FC 온도 저감 처리 → 난기처리라는 번잡한 처리가 필요하였던 종래기술에 비하여, 연료전지의 수분상태 및 연료전지의 온도를 신속하고 또한 최적으로 제어하는 것이 가능해진다.
여기서, 상기 구성에서는, 저효율 발전을 허가하지 않는다고 판단된 경우에 상기 연료전지를 냉각하는 냉각기구를 더 구비하는 형태가 바람직하다.
또, 상기 구성에서는, 상기 제 1 판단수단은, 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정수단을 더 구비하고, 당해 임피던스의 측정 결과에 의거하여 상기 연료전지가 건조상태에 있는지의 여부를 판단하는 형태가 바람직하다.
또한, 상기 구성에서는, 상기 제 2 판단수단은, 상기 연료전지의 관련 온도를 측정하는 관련 온도 측정수단을 더 구비하고, 당해 관련 온도의 측정 결과에 의거하여 상기 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하는 형태가 바람직하다.
또한, 상기 구성에서는, 전력의 충방전을 행하는 축전기를 더 구비하고, 상기 제 2 판단수단은, 상기 축전기의 충전상태를 검지하는 검지수단을 더 구비하며, 상기 관련 온도의 측정 결과 및 상기 충전상태의 검지 결과에 의거하여 상기 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하는 형태가 바람직하다.
또한, 상기 구성에서는, 상기 검지수단은, 상기 축전기의 SOC 값 또는 충전 파워 중 어느 하나를 검지하고, 상기 제 2 판단수단은, 상기 관련 온도의 측정 결과 및 상기 축전기의 SOC 값 또는 충전 파워 중 어느 하나의 검지 결과에 의거하여 상기 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하는 형태가 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연료전지의 온도가 낮고, 또한, 연료전지가 건조상태에 있는 경우에도, 연료전지의 수분상태 및 연료전지의 온도를 신속하고 또한 최적으로 제어하는 것이 가능해진다.
도 1은 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성도,
도 2는 제 1 실시형태에 관한 FC 전류 FC 전압과의 관계를 나타내는 도,
도 3은 제 1 실시형태에 관한 FC 전류와 캐소드 물수지의 관계를 예시한 도,
도 4는 제 1 실시형태에 관한 수분 제어처리를 나타내는 플로우차트,
도 5는 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적합한 실시형태에 대하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 연료전지시스템의 개요에 대하여 설명한다.
A. 제 1 실시형태
도 1은, 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)의 구성도이다.
연료전지시스템(1)은, 연료전지자동차(FCHV), 전기자동차, 하이브리드자동차 등의 차량(100)에 탑재할 수 있다. 단, 연료전지시스템(1)은, 차량(100) 이외의 각종 이동체(예를 들면, 선박이나 비행기, 로봇 등)나 정치형(定置型) 전원, 나아가서는 휴대형 연료전지시스템에도 적용 가능하다.
연료전지시스템(1)은, 연료전지(2)와, 산화가스로서의 공기를 연료전지(2)에 공급하는 산화가스 배관계(3)와, 연료가스로서의 수소가스를 연료전지(2)에 공급하는 연료가스 배관계(4)와, 연료전지(2)에 냉매를 공급하는 냉매 배관계(5)와, 시스템(1)의 전력을 충방전하는 전력계(6)와, 시스템(1)의 운전을 통괄 제어하는 제어장치(7)를 구비한다. 산화가스 및 연료가스는, 반응가스라 총칭할 수 있다.
연료전지(2)는, 예를 들면 고체 고분자 전해질형으로 구성되고, 다수의 단(單)셀을 적층한 스택구조를 구비한다. 단셀은, 프로톤 도전성을 가지는 고체 고분자막을 전해질층에 구비하고 있고, 전해질의 한쪽 면에 공기극(캐소드)을 가지고, 다른쪽 면에 연료극(애노드)을 가지며, 또한 공기극 및 연료극을 양쪽으로부터 끼워 넣도록 1쌍의 세퍼레이터를 가진다. 한쪽의 세퍼레이터의 산화 가스 유로(2a)에 산화가스가 공급되고, 다른쪽 세퍼레이터의 연료 가스 유로(2b)에 연료가스가 공급된다. 공급된 연료가스 및 산화가스의 전기화학반응에 의하여, 연료전지(2)는 전력을 발생한다.
산화가스 배관계(3)는, 연료전지(2)에 공급되는 산화가스가 흐르는 공급로(11)와, 연료전지(2)로부터 배출된 산화 오프 가스가 흐르는 배출로(12)를 가진다. 공급로(11)는, 산화 가스 유로(2a)를 거쳐 배출로(12)에 연통한다. 산화 오프 가스는, 연료전지(2)의 전지반응에 의해 생성된 수분을 함유하기 때문에 고습윤상태로 되어 있다.
공급로(11)에는, 에어클리너(13)를 거쳐 외기를 도입하는 컴프레서(14)와, 컴프레서(14)에 의해 연료전지(2)로 압송되는 산화가스를 가습하는 가습기(15)가 설치된다. 가습기(15)는, 공급로(11)를 흐르는 저습윤 상태의 산화가스와, 배출로(12)를 흐르는 고습윤 상태의 산화 오프 가스와의 사이에서 수분 교환을 행하여, 연료전지(2)에 공급되는 산화가스를 적절하게 가습한다.
연료전지(2)의 공기극측의 배압은, 캐소드 출구 부근의 배출로(12)에 배치된 배압 조정 밸브(16)에 의하여 조정된다. 배압 조정 밸브(16)의 근방에는, 배출로(12) 내의 압력을 검출하는 압력센서(P1)가 설치된다. 산화 오프 가스는, 배압 조정 밸브(16) 및 가습기(15)를 거쳐 최종적으로 배기 가스로서 시스템 밖의 대기 중으로 배기된다.
연료가스 배관계(4)는, 수소 공급원(21)과, 수소 공급원(21)으로부터 연료전지(2)에 공급되는 수소가스가 흐르는 공급로(22)와, 연료전지(2)로부터 배출된 수소 오프 가스(연료 오프 가스)를 공급로(22)의 합류점(A)으로 되돌리기 위한 순환로(23)와, 순환로(23) 내의 수소 오프 가스를 공급로(22)로 압송하는 펌프(24)와, 순환로(23)에 분기 접속된 퍼지로(25)를 가진다. 소스 밸브(26)를 개방함으로써 수소 공급원(21)으로부터 공급로(22)로 유출된 수소가스는, 압력 조정 밸브(27) 그 밖의 감압밸브, 및 차단밸브(28)를 거쳐, 연료전지(2)에 공급된다. 퍼지로(25)에는, 수소 오프 가스를 수소 희석기(도시 생략)로 배출하기 위한 퍼지밸브(33)가 설치된다.
냉매 배관계(냉각기구)(5)는, 연료전지(2) 내의 냉각유로(2c)에 연통하는 냉매유로(41)와, 냉매유로(41)에 설치된 냉각 펌프(42)와, 연료전지(2)로부터 배출되는 냉매를 냉각하는 라디에이터(43)와, 라디에이터(43)를 바이패스하는 바이패스 유로(44)와, 라디에이터(43) 및 바이패스 유로(44)로의 냉각수의 통류를 설정하는 변환밸브(45)를 가진다. 냉매유로(41)는, 연료전지(2)의 냉매 입구의 근방에 설치된 온도센서(46)와, 연료전지(2)의 냉매 출구의 근방에 설치된 온도센서(47)를 가진다. 온도센서(47)가 검출하는 냉매온도(연료전지의 관련온도)는, 연료전지(2)의 내부 온도(이하, FC 온도라 한다.)를 반영한다. 또한, 온도센서(47)는, 냉매온도 대신(또는 더하여), 연료전지 주변의 부품 온도(연료전지의 관련 온도)나 연료전지주변의 외기 온도(연료전지의 관련 온도)를 검출하도록 하여도 된다. 또, 연료전지의 냉각 펌프(42)는, 모터 구동에 의해, 냉매유로(41) 내의 냉매를 연료전지(2)로 순환 공급한다.
전력계(6)는, 고압 DC/DC 컨버터(61), 배터리(62), 트랙션 인버터(63), 트랙션 모터(64) 및 각종 보조기계 인버터(65, 66, 67)를 구비하고 있다. 고압 DC/DC 컨버터(61)는, 직류의 전압 변환기이고, 배터리(62)로부터 입력된 직류전압을 조정하여 트랙션 인버터(63)측으로 출력하는 기능과, 연료전지(2) 또는 트랙션 모터(64)로부터 입력된 직류전압을 조정하여 배터리(62)에 출력하는 기능을 가진다. 고압 DC/DC 컨버터(61)의 이들 기능에 의하여, 배터리(62)의 충방전이 실현된다. 또, 고압 DC/DC 컨버터(61)에 의하여, 연료전지(2)의 출력전압이 제어된다.
배터리(축전기)(62)는, 충방전 가능한 2차 전지이고, 예를 들면 니켈 수소 배터리 등에 의해 구성되어 있다. 그 외, 여러가지의 타입의 2차 전지를 적용할 수 있다. 또, 배터리(62) 대신, 2차 전지 이외의 충방전 가능한 축전기, 예를 들면 커패시터를 사용하여도 된다.
트랙션 인버터(63)는, 직류전류를 3상 교류로 변환하여, 트랙션 모터(64)에 공급한다. 트랙션 모터(64)는, 예를 들면 3상 교류모터이다. 트랙션 모터(64)는, 연료전지시스템(1)이 탑재되는 예를 들면 차량(100)의 주동력원을 구성하고, 차량(100)의 차륜(101L, 101R)에 연결된다. 보조기계 인버터(65, 66, 67)는, 각각, 컴프레서(14), 펌프(24), 냉각 펌프(42)의 모터의 구동을 제어한다.
제어장치(7)는, 내부에 CPU, ROM, RAM을 구비한 마이크로컴퓨터로서 구성된다. CPU는, 제어 프로그램에 따라 원하는 연산을 실행하여, 통상 운전의 제어 및 뒤에서 설명하는 난기운전의 제어 등, 여러가지 처리나 제어를 행한다. ROM은, CPU로 처리하는 제어 프로그램이나 제어 데이터를 기억한다. RAM은, 주로 제어처리를 위한 각종 작업영역으로서 사용된다.
타이머(70), 전압센서(72) 및 전류센서(73)는, 제어장치(7)에 접속된다. 타이머(70)는, 연료전지시스템(1)의 운전을 제어하기 위하여 필요한 각종 시간을 계측한다. 전압센서(72)는, 연료전지(2)의 출력전압(FC 전압)을 검출한다. 구체적으로는, 전압센서(72)는, 연료전지(2)의 다수의 단셀의 개개가 발전하는 전압(이하, 「셀전압」이라 한다.)을 검출한다. 이에 의하여, 연료전지(2)의 각 단셀의 상태가 파악된다. 전류센서(73)는, 연료전지(2)의 출력전류(FC 전류)를 검출한다.
제어장치(7)는, 각종 압력센서(P1)나 온도센서(46, 47) 및 차량(100)의 액셀러레이터 개방도를 검출하는 액셀러레이터 개방도 센서 등, 각종 센서로부터의 검출신호를 입력하여, 각 구성요소[컴프레서(14), 배압 조정 밸브(16) 등]에 제어신호를 출력한다.
또, 제어장치(7)는, 소정의 타이밍으로 연료전지(2)의 수분상태의 진단 등을 행하고, 진단결과에 의거하여 연료전지(2)의 수분제어를 행한다. 상세한 것은 뒤에서 설명하나, 본 실시형태는 연료전지(2)가 건조상태에 있다고 판단되고, 또한, 연료전지(2)의 온도가 낮다고 판단된 경우에, 저효율 발전을 행함으로써 연료전지(2)의 적정한 온도제어와 적정한 수분제어의 양쪽을 실현하는 점에 특징이 있다.
이와 같이, 본 실시형태에서는 저효율 발전이라는 하나의 처리에 의하여 연료전지(2)의 수분상태의 최적화와 FC 온도의 최적화를 실현할 수 있기 때문에, FC 온도 저감 처리 → 난기처리라는 번잡한 수속이 필요하였던 종래 기술에 비하여, 처리를 신속화할 수 있다. 이하, 저효율 발전과 통상 발전의 상위에 대하여 설명한다.
<저효율 발전과 통상 발전의 상위>
도 2는, 연료전지의 출력전류(FC 전류)와 출력전압(FC 전압)의 관계를 나타내는 도면으로, 통상 발전을 행한 경우를 실선으로 나타내고, 저효율 발전을 행한 경우를 점선으로 나타낸다. 또한, 가로축은 FC전류, 세로축은 FC전압을 나타내고 있다.
여기서, 저효율 발전이란, 연료전지(2)에 공급되는 반응가스(본 실시형태에서는, 산화가스)가 통상 발전 시에 비하여 적고, 또한 통상 발전에 비하여 전력 손실이 큰 발전을 말하며, 예를 들면 공기화학량론비를 1.0 부근(이론값)으로 감소시킨 상태에서 연료전지(2)를 운전한다(도 2의 점선부분 참조). 이와 같이, 전력 손실을 크게 설정함으로써, 연료전지(2)를 급속 난기하는 것이 가능해진다. 한편, 통상 발전 시에는, 전력 손실을 억제하여 높은 발전효율이 얻어지도록, 예를 들면 공기화학량론비를 2.0 이상(이론값)으로 설정한 상태에서 연료전지(40)를 운전한다(도 2의 실선부분 참조).
도 3은, 저효율 발전 시 및 통상 발전 시에 있어서의 FC 전류와 캐소드 물수지의 관계를 예시한 도면으로, 파선은 저효율 발전 시의 동작점, 실선은 통상 발전시의 동작점을 나타낸다. 또한, 도 3에 나타내는 저효율 발전 시의 동작점 및 통상 발전 시의 동작점은, 어느 것이나 FC 온도가 동일(예를 들면 70℃)한 경우를 상정한다.
상기한 바와 같이, 통상 발전 시에 설정하는 공기화학량론비는 2.0 이상인 데 대하여, 저효율 발전 시에 설정하는 공기화학량론비는 1.0 전후이기 때문에, 산화 오프 가스에 포함되어 시스템 밖으로 배출되는 수분량은 감소한다. 도 3을 예로 설명하면, FC 온도 동일, 또한, FC 전류 동일한 경우, 저효율 발전 시의 캐소드 물수지는, 통상 발전 시의 캐소드 물수지보다 커진다(동작점 α1, α2 참조). 도 3에 나타내는 바와 같이, 동작점(α1)(통상 발전)으로부터 동작점(α2)(저효율 발전)으로 시프트함으로써, 캐소드 물수지는 건조측으로부터 습윤측으로 이동한다.
이상으로부터 분명한 바와 같이, 저효율 발전을 행함으로써, 연료전지(2)의 급속난기를 실현함과 동시에 연료전지(2)의 캐소드 물수지를 플러스(웨트)상태로 할 수 있다. 따라서, 연료전지(2)가 건조상태에 있다고 판단되고, 또한, 연료전지(2)의 온도가 낮다고 판단된 경우에도, 저효율 발전을 행함으로써 연료전지(2)의 수분상태 및 연료전지(2)의 온도를 신속하고 또한 최적으로 제어하는 것이 가능해진다. 이하, 연료전지(2)의 수분 제어처리에 대하여 설명한다.
도 4는, 제어장치(7)에 의해 실행되는 연료전지(2)의 수분 제어처리를 나타내는 플로우차트이다.
먼저, 제어장치(7)는, 단계 S110에서 연료전지(2)의 수분상태를 진단해야 할 타이밍(이하, 진단 타이밍)이 도래하였는지의 여부를 판단한다. 또한, 이하의 예에서는 진단 타이밍으로서 시스템 기동 시를 상정하나, 시스템 운전 중이나 시스템 정지 시나 간헐 운전 시 등, 시스템 설계 등에 따라 임의로 설정·변경 가능하다.
제어장치(7)는, 진단 타이밍이 도래하고 있지 않다고 판단한 경우에는(단계 S110 : NO), 이하에 나타내는 단계를 실행하지 않고 처리를 종료한다. 한편, 제어장치(7)는, 예를 들면 차량(100)의 운전자에 의한 이그니션 스위치의 ON 조작 등에 의해, 연료전지시스템의 기동 지령이 입력된 것을 검지하면, 진단 타이밍이 도래하였다고 판단하고(단계 S110 : YES), 단계 S120으로 진행한다.
제어장치(제 1 판단수단)(7)는, 단계 S120으로 진행하면, 연료전지(2)의 임피던스 측정을 행하고, 측정결과에 의거하여 연료전지(2)의 수분상태를 진단하여, 연료전지(2)가 건조상태에 있는지의 여부를 판단한다. 상세하게 설명하면, 먼저, 제어장치(임피던스 측정수단)(7)는, 전압센서(72)에 의해 검출되는 FC 전압 및 전류센서(73)에 의해서 검출되는 FC 전류를 소정의 샘플링 레이트로 샘플링하고, 푸리에 변환처리(FFT 연산처리나 DFT 연산처리) 등을 실시한다. 그리고, 제어장치(임피던스 측정수단)(7)는, 푸리에 변환 처리 후의 FC 전압신호를 푸리에 변환처리후의 FC 전류신호로 나누는 등으로 하여 연료전지(2)의 임피던스를 측정한다.
그리고, 제어장치(7)는, 기준 임피던스 메모리(92)에 저장되어 있는 기준 임피던스(IPth)를 판독하고, 판독한 기준 임피던스(IPth)와 측정한 임피던스(이하, 측정 임피던스)를 비교한다.
여기서, 기준 임피던스(IPth)는, 연료전지(2)가 건조상태에 있는지의 여부를 판단하기 위한 기준값이며, 미리 실험 등에 의해 구해진다. 구체적으로는, 실험 등에 의해 연료전지(2)가 건조상태에 있는지의 여부를 판단하기 위한 임피던스를 구하고, 이것을 맵화하여 기준 임피던스 메모리(92)에 저장하여 둔다.
제어장치(7)는, 측정 임피던스가 기준 임피던스(IPth)를 하회하고 있기 때문에, 연료전지(2)가 건조되어 있지 않다[환언하면, 연료전지(2)가 습윤상태에 있다]고 판단하면, 이하에 나타내는 단계를 실행하지 않고 처리를 종료한다. 한편, 제어장치(제 2 판단수단)(7)는, 측정 임피던스가 기준 임피던스(Pth) 이상이기 때문에, 연료전지(2)가 건조상태에 있다고 판단하면, 단계 S130으로 진행하여, 저효율발전을 허가할지의 여부를 판단한다.
상세하게 설명하면, 제어장치(7)는, 온도센서(47)에 의해 검지되는 FC 온도(이하, 검지 FC 온도)와, 기준 FC 온도 메모리(91)에 저장되어 있는 기준 FC 온도를 비교하여, 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단한다. 여기서, 기준 FC 온도 (Tth)는, 연료전지(2)가 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하기 위한 기준값(예를 들면 70℃)이며, 미리 실험 등에 의해 구해진다. 구체적으로는, 실험 등에 의해 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하기 위한 FC 온도를 구하고, 이것을 맵화하여 기준 FC 온도 메모리(91)에 저장하여 둔다.
제어장치(7)는, 검지 FC 온도가 기준 FC 온도(Tth)를 상회하고 있기 때문에, 저효율 발전을 허가하지 않는다(환언하면 금지한다)고 판단하면, 단계 S150으로 진행하여, FC 온도 저감 처리를 실시한 후, 처리를 종료한다. 구체적으로는, 냉각 펌프(42)나 라디에이터(43) 등의 냉각기구의 구동을 제어함으로써, 제어장치(7)에 설정 등 되어 있는 허용 온도까지 FC 온도를 저하시키고, 이것에 의하여 연료전지(2)의 수분을 최적상태로 하는 처리를 행한 후, 처리를 종료한다.
한편, 제어장치(발전제어수단)(7)는, 검지 FC 온도가 기준 FC 온도(Tth) 이하로 되어 있기 때문에, 저효율 발전을 허가한다고 판단하면, 단계 S140으로 진행하여, 저효율 발전을 실시한 후, 처리를 종료한다. 상기 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 저효율 발전을 행함으로써, 연료전지(2)의 급속 난기를 실현함과 동시에 연료전지(2)의 캐소드 물수지를 플러스(웨트)상태로 할 수 있다. 이에 의하여, 연료전지(2)가 건조상태에 있다고 판단되고(단계 S120 ; YES), 또한, 연료전지(2)의 온도가 낮다고 판단된 경우에도(단계 S130 ; YES), 저효율 발전을 행함으로써 연료전지(2)의 수분상태 및 연료전지(2)의 온도를 신속하고 또한 최적으로 제어하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 연료전지(2)가 건조상태에 있다고 판단되고, 또한, 연료전지(2)의 온도가 낮다고 판단된 경우에도, 저효율 발전을 행함으로써 연료전지(2)의 수분상태 및 연료전지(2)의 온도를 신속하고 또한 최적으로 제어하는 것이 가능해진다.
B. 제 2 실시형태
상기한 제 1 실시형태에서는, 검지 FC 온도만에 의거하여 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하였으나, 이것에 아울러 배터리(축전기)(62)의 충전상태에 의거하여 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하여도 된다. 도 5는, 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템(1')의 구성을 나타내는 도면이다. 또한, 도 1에 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고, 상세한 설명은 할애한다.
SOC 센서(검지수단)(74)는, 배터리(62)의 SOC 값[배터리(62)의 충전상태]을 검지하여, 검지 SOC 값으로서 제어장치(7)에 통지한다.
기준 SOC 메모리(93)에는, 연료전지(2)가 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하기 위한 기준 SOC 값(예를 들면 75%)이 저장된다. 기준 SOC 값(Sth)은, 미리 실험 등에 의해 구해진다. 구체적으로는, 실험 등에 의해 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하기 위한 기준 SOC 값(Sth)을 구하고, 이것을 맵화하여 기준 SOC 메모리(93)에 저장하여 둔다.
제어장치(제 2 판단수단)(7)는, FC 온도와 SOC 값에 의거하여 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단한다. 상세하게 설명하면, 제어장치(7)는, 검지 FC 온도가 기준 FC 온도(Tth) 이하이고, 또한, 검지 SOC 값이 기준 SOC 값(Sth) 이하인 경우에는, 저효율 발전을 허가한다고 판단하는 한편, 그 밖의 경우에는 저효율 발전을 금지해야 한다고 판단한다. 이와 같이, FC 온도 뿐만 아니라, 배터리(62)의 충전상태에 의거하여 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단함으로써, 저효율 발전에 의한 연료전지(2)로부터 배터리(62)로의 과충전을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 상기 예에서는, SOC값에 의거하여 배터리(62)의 충전상태를 검지하였으나, 이것 대신(또는 더하여) 배터리 충전 파워에 의거하여 배터리(62)의 충전상태를 검지하여도 된다. 구체적으로는 SOC 센서(74) 대신 배터리 충전 파워 검지센서(74')를 설치하고, 기준 SOC 메모리(93) 대신 기준 배터리 충전 허용 파워 메모리(93')를 설치한다.
배터리 충전 파워 검지센서(검지수단)(74')는, 배터리(62)의 충전 파워[배터리(62)의 충전상태]를 검지하여, 검지 충전 파워로서 제어장치(7)에 통지한다.
기준 배터리 충전 허용 파워 메모리(93')에는, 연료전지(2)가 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하기 위한 기준 배터리 충전 허용 파워(예를 들면 2.5 kW)가 저장된다. 기준 배터리 충전 허용 파워(Wth)는, 미리 실험 등에 의해 구해진다. 구체적으로는, 실험 등에 의해 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하기 위한 기준 배터리 충전 허용 파워(Wth)를 구하고, 이것을 맵화하여 기준 배터리 충전 허용 파워 메모리(93')에 저장하여 둔다.
제어장치(제 2 판단수단)(7)는, FC 온도와 검지 충전 파워에 의거하여 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단한다. 상세하게 설명하면, 제어장치(7)는, 검지 FC 온도가 기준 FC 온도(Tth) 이하이고, 또한 검지 충전 파워가 기준 배터리 충전허용 파워(Wth) 이하인 경우에는, 저효율 발전을 허가한다고 판단하는 한편, 그 밖의 경우에는 저효율 발전을 금지해야 한다고 판단한다. 이와 같은 구성에 의해서도, 저효율 발전에 의한 연료전지(2)로부터 배터리(62)에 대한 과충전을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 각 실시형태에서는 저효율 발전 시에 공급량을 감소시키는 반응가스로서 캐소드에 공급하는 산화가스를 예시하였으나, 애노드에 공급하는 연료가스이어도 되고, 이들 양 반응가스이어도 되는 것은 물론이다.
1, 1' : 연료전지시스템 2 : 연료전지
7 : 제어장치 42 : 냉각 펌프
43 : 라디에이터 47 : 온도센서
70 : 타이머 72 : 전압센서
73 : 전류센서 74 : SOC센서
74' : 배터리 충전 파워 검지센서 91 : 기준 FC 온도 메모리
92 : 기준 임피던스 메모리 93 : 기준 SOC 메모리
93' : 기준 배터리 충전 허용 파워 메모리

Claims (6)

  1. 연료전지가 건조상태에 있는지의 여부를 판단하는 제 1 판단수단과,
    상기 연료전지의 관련 온도를 측정하는 관련 온도 측정수단과,
    상기 연료전지가 건조상태에 있다고 판단된 경우, 상기 연료전지에 공급되는 반응가스가 통상 발전 시에 비하여 적고, 또한, 상기 통상 발전에 비하여 전력 손실이 큰 저효율 발전을 허가할지의 여부를, 상기 연료전지의 관련 온도에 기초하여 판단하는 제 2 판단수단과,
    저효율 발전을 허가한다고 판단된 경우에 저효율 발전을 실행하는 발전 제어수단과,
    저효율 발전을 허가하지 않는다고 판단된 경우에 상기 연료전지를 냉각하는 냉각기구를 구비하며,
    상기 연료전지의 관련 온도는, 상기 연료전지의 냉매 출구의 근방에서의 냉매 온도, 상기 연료전지 주변의 부품 온도, 및 상기 연료전지 주변의 외기 온도 중, 적어도 어느 하나이며,
    상기 제 2 판단수단은, 상기 연료전지가 저효율 발전을 허가할 지 여부를 판단하기 위한 기준치를 저장하는 데이터 저장수단을 구비하고,
    상기 제 2 판단수단은, 상기 연료전지의 관련 온도가, 상기 기준치 이하인 경우에, 저효율 발전을 허가한다고 판단하고, 상기 연료전지의 관련 온도가 상기 기준치를 초과하는 경우에, 저효율 발전을 허가하지 않는다고 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 판단수단은, 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정수단을 더 구비하고, 당해 임피던스의 측정 결과에 의거하여 상기 연료전지가 건조상태에 있는지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    전력의 충방전을 행하는 축전기를 더 구비하고,
    상기 제 2 판단수단은, 상기 축전기의 충전상태를 검지하는 검지수단을 더 구비하며, 상기 관련 온도의 측정 결과 및 상기 충전상태의 검지결과에 의거하여 상기 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 검지수단은, 상기 축전기의 SOC 값 또는 충전 파워 중 어느 하나를 검지하고,
    상기 제 2 판단수단은, 상기 관련 온도의 측정결과 및 상기 축전기의 SOC 값 또는 충전 파워 중 어느 하나의 검지 결과에 의거하여 상기 저효율 발전을 허가할지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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