KR101809796B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료 전지의 발전 효율의 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다.
연료 전지 시스템은, 애노드와 캐소드를 구비하는 단셀을 포함하는 연료 전지와, 애노드에 수소 가스를 공급하는 수소 공급 장치와, 연료 전지의 발전에 사용되지 않고 애노드로부터 배출되는 수소를 포함하는 애노드 배기 가스를 다시 애노드에 공급하여 애노드 배기 가스를 순환시키는 순환 펌프와, 수소 공급 장치에 의한 수소 가스의 공급량 및 순환 펌프의 회전수를 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 소정의 전류값에 있어서, 순환 펌프를 구동시키기 위해 필요한 전력에 상당하는 수소량과, 연료 전지의 애노드측으로부터 캐소드측으로 통과하는 수소량의 합계인 종합 수소 손실량이 최소로 되는 순환 펌프의 최적 회전수에 회전수가 근접하도록 순환 펌프를 구동시킨다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM CONTROL METHOD}
본원은, 2014년 11월 15일에 출원된 출원 번호 제2014-232249호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시 내용 전부가 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은, 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
종래부터, 인젝터를 통해 고압 수소 탱크에 저장되어 있는 수소를 연료 전지에 공급함과 함께, 한 번, 연료 전지에 공급되었음에도 불구하고 발전에 사용되지 않은 수소를 포함하는 애노드 배기 가스를 순환 펌프에 의해 순환시켜, 다시, 연료 전지에 공급하는 연료 전지 시스템이 알려져 있다(JP2008-235020A).
연료 전지 시스템에 있어서는, 종래부터, 발전 효율의 향상이 요구되고 있다. 연료 전지의 발전 효율의 저하를 초래하는 하나의 원인으로서, 애노드에 공급된 수소가 발전 반응에 사용되는 일 없이 전해질막을 투과하여 캐소드측으로 누설(이후, 단순히 「크로스 누설」이라고도 칭함)되어 버리는 경우가 있어, 수소가 발전에 이용되지 않고 소비되어 버리는 경우가 있었다. 특히, 간헐 운전시에 있어서, 인젝터로부터 공급되는 수소의 대부분이, 크로스 누설에 사용되어 버려, 발전 효율이 저하되는 문제가 있었다. 여기서의 간헐 운전이라 함은, 연료 전지 시스템을 탑재하는 차량에 있어서, 저부하 운전시에 연료 전지의 발전을 일시적으로 정지시켜 2차 전지로부터 부하(차량 모터 등)에 전력을 공급시키는 상태, 혹은 고전위 회피 제어 등을 행할 때의 극저부하에서의 소발전시의 상태를 말한다. 저부하 운전시로서, 아이들링시나 저속 주행시, 회생 제동시와 같은 상태가 예시된다. 고전위 회피라 함은, 이 간헐 운전시에 있어서, 애노드나 캐소드에 포함되는 촉매 금속의 형태 변화의 진행을 억제하기 위해, 연료 전지의 출력 전압을 개방 단부 전압(OCV)보다 작은 고전위 회피 전압으로 되도록 제어하는 것을 말한다.
본 발명은, 상술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 발명의 일 형태에 따르면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 애노드와 캐소드를 구비하는 단셀을 포함하는 연료 전지와, 상기 애노드에 수소 가스를 공급하는 수소 공급 장치와, 상기 연료 전지의 발전에 사용되지 않고 상기 애노드로부터 배출되는 수소를 포함하는 애노드 배기 가스를 다시 상기 애노드에 공급하여 상기 애노드 배기 가스를 순환시키는 순환 펌프와, 상기 수소 공급 장치에 의한 수소 가스의 공급량 및 상기 순환 펌프의 회전수를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 소정의 전류값에 있어서, 상기 순환 펌프를 구동시키기 위해 필요한 전력에 상당하는 수소량과, 상기 연료 전지의 애노드측으로부터 캐소드측으로 통과하는 수소량의 합계인 종합 수소 손실량이 최소로 되는 상기 순환 펌프의 최적 회전수에 대해, 상기 순환 펌프의 회전수가 근접하도록 상기 순환 펌프를 구동시키도록 구성되어 있다. 이 구성에 따르면, 크로스 누설량을 저감시키면서, 크로스 누설의 저감을 위한 순환 펌프의 구동에 의해 소비되는 수소량을 억제할 수 있다. 즉, 순환 펌프의 회전수를 상승시켜, 애노드 배기 가스의 순환량을 증가시킴으로써, 목표의 전류값을 발생시키기 위해 필요한 수소 이론 공연비를 확보하면서, 연료 전지의 애노드측의 수소 분압을 낮추어 크로스 누설량을 저감시킨다. 한편, 순환 펌프의 회전수를 지나치게 상승시키지 않음으로써, 크로스 누설의 저감을 위한 순환 펌프의 구동에 의해 소비되는 수소량을 억제할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지의 발전 효율의 향상을 도모할 수 있다.
(2) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 통상 운전과 간헐 운전을 전환하여, 상기 연료 전지의 통상 운전시에 있어서, 상기 종합 수소 손실량이 최소로 되는 최적 회전수보다도 작은 회전수로 상기 순환 펌프를 구동시켜, 상기 연료 전지의 간헐 운전시에 소정의 전류값에 있어서, 상기 종합 수소 손실량이 최소로 되는 상기 최적 회전수에 대해 상기 순환 펌프의 회전수가 근접하도록 상기 순환 펌프를 구동시키도록 구성되어 있어도 된다. 이 구성에 따르면, 연료 전지의 간헐 운전시에 있어서, 크로스 누설량을 저감시키면서, 크로스 누설의 저감을 위한 순환 펌프의 구동에 의해 소비되는 수소량을 억제할 수 있다.
(3) 본 발명의 다른 형태에 따르면, 연료 전지 시스템의 제어 방법이 제공된다. 이 제어 방법은, 연료 전지의 통상 운전시에 있어서, 상기 연료 전지로부터 얻어지는 전류의 증가에 수반하여, 수소 가스의 공급량을 증가시키는 공정과, 상기 연료 전지의 간헐 운전시에 있어서, 상기 연료 전지로부터 얻어지는 전류의 증가에 수반하여, 상기 연료 전지의 애노드로부터 배출되어 다시 상기 애노드에 공급되는 애노드 배기 가스의 유량을 증가시키고, 상기 애노드의 수소 분압을, 상기 연료 전지의 통상 운전시에 있어서 상기 전류를 발생시키기 위해 필요해지는 수소 분압보다도 저하시키는 공정을 구비하도록 구성되어 있다. 이 구성에 따르면, 간헐 운전시에 있어서, 목표의 전류값을 발생시키기 위해 필요한 수소 이론 공연비를 확보하면서, 연료 전지의 애노드측의 수소 분압을 낮출 수 있다. 이에 의해, 연료 전지의 발전 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들어 연료 전지 시스템을 탑재한 차량, 연료 전지에의 애노드 가스의 공급 방법, 연료 전지 시스템의 제어 방법을 실현하는 컴퓨터 프로그램, 그 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록 매체 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 개략도.
도 2는 순환 펌프의 회전수 RP와 수소 분압 PH2의 관계를 나타낸 설명도.
도 3은 순환 펌프의 회전수 RP와 소비 전력 WP의 관계를 나타낸 설명도.
도 4는 전류값 I와 순환 펌프의 최적 회전수의 관계를 설명하기 위한 도면.
도 5는 제어부에 의한 연료 전지 시스템의 제어 순서를 나타내는 흐름도.
도 6은 목표 수소 분압 PTH2를 설명하기 위한 도면.
도 7a는 간헐 운전시와 통상 운전시의 회전수의 제어 내용을 설명하기 위한 도면.
도 7b는 간헐 운전시와 통상 운전시의 회전수의 제어 내용을 설명하기 위한 도면.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태로서의 연료 전지 시스템(100)의 구성을 도시하는 개략도이다. 이 연료 전지 시스템(100)은, 예를 들어 연료 전지 차량에 탑재되어, 차량의 구동 모터나 전장품 등에 전력을 공급한다. 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지(10)와, 제어부(20)와, 캐소드 가스 공급부(30)와, 캐소드 배기 가스 배출부(40)와, 애노드 가스 공급부(50)와, 애노드 가스 순환부(60)를 구비한다.
연료 전지(10)는, 애노드 가스로서의 수소 및 캐소드 가스로서의 산소의 공급을 받아 발전하는 고체 고분자형 연료 전지이다. 연료 전지(10)는, 직렬로 적층 배열된, 단셀이라고도 불리는 복수의 발전체를 구비하고 있다. 각 단셀은, 전해질막(1)과, 전해질막(1)의 한쪽 면에 배치되어 있는 캐소드(2)와, 전해질막(1)의 다른 쪽 면에 배치되는 애노드(3)를 갖는 막 전극 접합체를 구비하고 있다. 또한, 도 1에서는, 연료 전지(10)로서, 하나의 단셀이 도시되어 있다. 전해질막(1)은, 습윤 상태에서 양호한 프로톤 전도성을 나타내는 고체 고분자 전해질막이며, 예를 들어 불소계의 이온 교환 수지에 의해 구성된다. 캐소드(2) 및 애노드(3)는, 가스 확산성과 도전성을 갖는 전극이며, 각각, 촉매 전극층과, 이 촉매 전극층에 면한 가스 유로를 포함하여 구성되어 있다. 촉매 전극층은, 전기 화학 반응을 진행하는 촉매 금속과, 프로톤 전도성을 갖는 고분자 전해질을 포함하고 있다. 촉매 전극층은, 예를 들어 백금 담지 카본과 전해질막(1)과 동일하거나 또는 유사한 고분자 전해질을 용매에 분산시킨 촉매 잉크의 건조 도막으로서 형성된다. 가스 유로는, 예를 들어 세퍼레이터의 홈부나 익스팬드 메탈에 의해 형성된다. 여기서는, 캐소드측의 가스 유로를 캐소드 가스 유로라고도 칭하고, 애노드측의 가스 유로를 애노드 가스 유로라고도 칭한다.
제어부(20)는, 중앙 처리 장치와 주 기억 장치를 구비하는 마이크로컴퓨터에 의해 구성된다. 제어부(20)는, 외부로부터의 출력 요구를 접수함과 함께, 시스템 내의 각종 센서류로부터의 출력 신호에 기초하는 계측값을 취득하고, 당해 출력 요구에 따른 발전을 연료 전지(10)에 행하게 하기 위한 제어 지령을 시스템 내의 각 구성부에 발행한다. 제어부(20)는, 연료 전지 시스템(100)의 각 부를 제어하여, 연료 전지(10)의 운전 상태의 전환을 행한다. 구체적으로는, 제어부(20)는 연료 전지(10)의 통상 운전과 간헐 운전의 전환을 행한다. 여기서의 「연료 전지(10)의 통상 운전」이라 함은, 연료 전지(10)가 발전 전력을 외부 부하에 공급 가능한 상태를 의미하고 있고, 예를 들어 연료 전지(10)의 정지시나 간헐 운전시 등은 제외된다. 「연료 전지(10)의 간헐 운전」이라 함은, 연료 전지(10)에 대한 요구 출력량이 소정값(예를 들어, 고전위 회피 제어 등을 하는 데 필요한 양) 이하로 되는 상태를 의미하고 있다. 또한, 간헐 운전인지 여부의 판단은, 요구 출력량에 한정되는 것은 아니며, 연료 전지(10)의 온도, 전압, 수소 압력 등으로부터 판단해도 된다.
그런데, 일반적으로, 연료 전지에서는, 애노드에 공급된 수소의 일부가 발전 반응에 사용되는 일 없이 전해질막을 통해 캐소드로 이동해 버리는, 이른바 크로스 누설이 발생한다. 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 간헐 운전시에 있어서, 크로스 누설에 의한 수소의 손실량(크로스 누설량 ML)과, 크로스 누설량 ML을 저감시키기 위한 후술하는 순환 펌프(64)의 구동에 필요로 하는 소비 전력 WP를 고려하여, 수소의 손실량을 억제하기 위한 운전 제어를 행한다. 그 제어의 구체적 내용에 대해서는 후술한다.
캐소드 가스 공급부(30)는, 연료 전지(10)의 캐소드(2)에 산소를 함유하는 고압 공기를 공급한다. 캐소드 가스 공급부(30)는, 캐소드 가스 배관(31)과, 에어 컴프레서(32)와, 에어 플로우 미터(33)와, 공급 밸브(34)를 구비한다. 캐소드 가스 배관(31)은, 한쪽의 단부가, 에어 필터를 통해 연료 전지 시스템(100)의 외부에 개방되어 있다. 캐소드 가스 배관(31)은, 다른 쪽의 단부가, 에어 플로우 미터(33), 에어 컴프레서(32), 압력 계측부(35), 공급 밸브(34)를 통해 연료 전지(10)의 캐소드 가스 유로의 입구에 접속되어 있다. 에어 컴프레서(32)는, 캐소드 가스 배관(31) 및 캐소드 가스 유로를 통해, 외기를 도입하여 압축한 고압 공기를 연료 전지(10)의 캐소드(2)에 공급한다. 에어 플로우 미터(33)는, 에어 컴프레서(32)가 도입하는 외기의 양을 계측하여, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)는, 이 계측값에 기초하여, 에어 컴프레서(32)를 구동시킴으로써, 캐소드(2)에 대한 공기의 공급량을 제어한다. 공급 밸브(34)는, 삼방 밸브로서 구성되고, 에어 컴프레서(32)로부터 보내지는 고압 공기를 캐소드(2), 또는 후술하는 캐소드 배기 가스 배관(41)의 배출 밸브(43)로부터 하류로 공급한다. 공급 밸브(34)는, 캐소드(2)에 공급되는 캐소드 가스의 압력에 따라서 개폐되고, 캐소드(2)로의 고압 공기의 유입을 제어한다. 압력 계측부(35)는, 공급 밸브(34)와 에어 컴프레서(32) 사이에 있어서의 캐소드 가스의 압력을 계측하여, 그 계측값을 제어부(20)로 송신한다.
캐소드 배기 가스 배출부(40)는, 캐소드(2)에 있어서 발전 반응에 사용되는 일이 없었던 미반응 가스나 생성 수분을 포함하는 배기 가스(이하, 「캐소드 배기 가스」라고도 칭함)를 배출한다. 캐소드 배기 가스 배출부(40)는, 캐소드 배기 가스 배관(41)과, 배출 밸브(43)를 구비한다. 캐소드 배기 가스 배관(41)은, 한쪽 단부가, 연료 전지(10)의 캐소드 가스 유로의 출구에 접속되어 있다. 캐소드 배기 가스 배관(41)은, 다른 쪽 단부가, 배출 밸브(43)를 통해 연료 전지 시스템(100)의 외부에 개방되어 있다. 배출 밸브(43)는, 캐소드 배기 가스 배관(41)에 있어서의 캐소드 배기 가스의 압력[연료 전지(10)의 캐소드(2)측의 배압]을 조정한다. 배출 밸브(43)는, 제어부(20)에 의해, 그 개방도가 조정된다.
애노드 가스 공급부(50)는, 애노드 가스 배관(51)과, 수소 탱크(52)와, 개폐 밸브(53)와, 레귤레이터(54)와, 수소 공급 장치(55)와, 압력 계측부(56)를 구비한다. 애노드 가스 배관(51)은, 한쪽 단부가, 수소 탱크(52)에 접속되어 있다. 애노드 가스 배관(51)은, 다른 쪽 단부가, 개폐 밸브(53), 레귤레이터(54), 수소 공급 장치(55), 압력 계측부(56)를 통해 연료 전지(10)의 애노드 가스 유로의 입구에 접속되어 있다. 수소 탱크(52)는, 애노드 가스 배관(51) 및 애노드 가스 유로를 통해, 저장되어 있는 고압 수소를, 연료 전지(10)의 애노드(3)로 공급한다. 개폐 밸브(53)는, 제어부(20)로부터의 지령에 의해 개폐되고, 수소 탱크(52)로부터 수소 공급 장치(55)의 상류측으로의 수소의 유입을 제어한다. 레귤레이터(54)는, 수소 공급 장치(55)의 상류측에 있어서의 수소의 압력을 조정하기 위한 감압 밸브이며, 그 개방도가 제어부(20)에 의해 제어된다. 수소 공급 장치(55)는, 예를 들어 전자 구동식 개폐 밸브인 인젝터에 의해 구성할 수 있다. 압력 계측부(56)는, 수소 공급 장치(55)의 하류측의 수소의 압력을 계측하여, 제어부(20)로 송신한다.
애노드 가스 순환부(60)는, 애노드(3)에 있어서 발전 반응에 사용되는 일이 없었던 미반응 가스(수소나 질소 등)를 포함하는 애노드 배기 가스를, 연료 전지(10)의 애노드(3)에 순환시킨다. 또한, 애노드 가스 순환부(60)는, 미리 설정된 타이밍에 있어서, 배수와 애노드 배기 가스 중의 불활성 가스를 캐소드 배기 가스 배관(41)으로부터 외부로 배출한다. 애노드 가스 순환부(60)는, 애노드 배기 가스 배관(61)과, 기액 분리부(62)와, 애노드 가스 순환 배관(63)과, 순환 펌프(64)와, 애노드 배수 배관(65)과, 배수 밸브(66)를 구비한다.
애노드 배기 가스 배관(61)은, 연료 전지(10)의 애노드 가스 유로의 출구와, 기액 분리부(62)를 접속하고 있고, 연료 전지(10)로부터 배출된 애노드 배기 가스를 기액 분리부(62)로 유도한다. 기액 분리부(62)는, 애노드 배기 가스 배관(61)으로부터 유도된 애노드 배기 가스에 포함되는 기체 성분과 수분을 분리하고, 기체 성분을 애노드 가스 순환 배관(63)으로 유도하고, 수분을 애노드 배수 배관(65)으로 유도한다. 애노드 가스 순환 배관(63)은, 애노드 가스 배관(51)의 수소 공급 장치(55)보다 하류에 접속되어 있다. 애노드 가스 순환 배관(63)에는, 순환 펌프(64)가 설치되어 있고, 순환 펌프(64)의 구동력에 의해, 기액 분리부(62)에 있어서 분리된 기체 성분에 포함되는 수소를 애노드 가스 배관(51)으로 송출한다. 애노드 배수 배관(65)은, 기액 분리부(62)에 있어서 분리된 수분(배수)이나 애노드 배기 가스 중의 불활성 가스를 캐소드 배기 가스 배관(41)의 배출 밸브(43)보다 하류로 배출한다. 애노드 배수 배관(65)에는, 배수 밸브(66)가 설치되어 있고, 제어부(20)로부터의 지령에 따라서 개폐된다.
또한, 도시나 상세한 설명은 생략하지만, 연료 전지 차량에 탑재된 연료 전지 시스템(100)은, 2차 전지와, 연료 전지(10)의 출력 전압이나 2차 전지의 충방전을 제어하는 DC/DC 컨버터를 더 구비한다. 2차 전지는, 연료 전지(10)가 출력하는 전력이나 회생 전력을 축전하여, 연료 전지(10)와 함께 전력원으로서 기능한다. 상술한 연료 전지 시스템(100)의 각 구성부는, 2차 전지의 전력을 사용함으로써, 연료 전지(10)의 운전 정지 후에 있어서도 구동하는 것이 가능하다.
그런데, 일반적으로, 크로스 누설량 ML은, 연료 전지 내의 압력에 영향을 받는다. 예를 들어, 연료 전지(10)의 애노드(3)의 수소 분압 PH2가 저하되면, 크로스 누설량 ML도 저감된다. 본 실시 형태의 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 간헐 운전시에 있어서, 애노드 배기 가스의 순환량을 증가시킴으로써, 목표의 전류값을 발생시키기 위해 필요한 수소 이론 공연비를 확보하면서, 연료 전지(10)의 애노드(3)의 수소 분압 PH2를 저감시킨다. 여기서는, 연료 전지(10)의 애노드의 수소 분압 PH2라 함은, 애노드(3) 중 애노드 가스 유로의 내부의 수소 분압을 의미한다. 연료 전지(10)의 간헐 운전시에 있어서의, 애노드 배기 가스의 순환량과 수소 분압 PH2의 관계에 대해 이하에서 설명한다.
간헐 운전시에 목표의 전류값 I를 발생시키기 위해 필요한 이론상의 수소량 MN(mol/s)에 대해, 수소 이론 공연비 C(예를 들어, C≒1.25)를 확보한 수소량 MN*(mol/s)는, 식(1)을 만족시킨다.
Figure 112015106911873-pat00001
여기서, MC는, 이론상의 수소량 MN에 대해, 수소 이론 공연비 C를 확보하기 위해 필요한 추가의 수소량이며, MC=(C-1)×MN이다.
이론상의 수소량 MN은, 발전시의 전기 화학 반응에 의해 소비된다. 또한, 애노드를 흐르는 수소 가스 유량은 애노드 배기 가스의 유량 VH2(㎥/s)와 동등하다. 따라서, 이 추가의 수소량 MC, 애노드 배기 가스의 유량 VH2, 수소 분압 PH2(Pa)는, 다음의 식(2)의 상태 방정식을 만족시킨다.
Figure 112015106911873-pat00002
여기서, R은 기체 상수이고, T는 애노드의 가스 온도(K)이다. 식(2)로부터, RT가 일정한 경우에는, 애노드 배기 가스의 유량 VH2를 증가시키면, 추가의 수소량 MC를 확보하는 데 있어서 필요한 수소 분압 PH2를 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 애노드 배기 가스의 유량 VH2는, 순환 펌프(64)의 회전수 RP와 상관된다(VH2=αRP, α: 단위 변환 계수). 이것으로부터, 애노드 배기 가스의 순환량을 증가시킴으로써, 필요한 수소 이론 공연비 C를 확보하면서, 수소 분압 PH2를 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
도 2는, 순환 펌프(64)의 회전수 RP와 수소 분압 PH2의 관계를 나타낸 설명도이다. 도 2의 횡축은 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 나타내고 있다. 도 2의 종축은 수소 분압 PH2를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이, 크로스 누설량 ML은 수소 분압 PH2와 비례하므로, 도 2의 종축은 크로스 누설량 ML과도 대응하고 있다. 도 2에는, 전류값 I가 I1일 때의 회전수 RP와 수소 분압 PH2의 관계, 및 전류값 I가 I2(I1＜I2)일 때의 회전수 RP와 수소 분압 PH2의 관계가 예시되어 있다. 연료 전지(10)는, 전류값 I가 일정한 경우, 회전수 RP와 수소 분압 PH2는, 대략 반비례한다. 상술한 식(2)로부터, 전류값 I가 일정한 경우, 추가의 수소량 MC가 일정해지기 때문이다. 또한, 연료 전지(10)는 전류값 I가 커질수록, 수소 분압 PH2가 커진다. 이것은, 상술한 식(1), (2)로부터, 전류값 I가 커질수록, 수소 이론 공연비 C를 확보하기 위해 필요한 추가의 수소량 MC가 커지기 때문이다.
도 3은, 순환 펌프(64)의 회전수 RP와 순환 펌프(64)의 소비 전력 WP의 관계를 나타낸 설명도이다. 도 3의 횡축은 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 나타내고 있다. 도 3의 종축은 순환 펌프(64)의 소비 전력 WP를 나타내고 있다. 애노드 배기 가스의 순환량을 증가시키기 위해 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 상승시키면, 순환 펌프(64)의 소비 전력 WP도 증가한다. 즉, 크로스 누설량 ML을 저감시키기 위해 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 상승시키면, 한편, 소비 전력 WP의 증가에 의한 수소의 손실량이 증가한다. 따라서, 제어부(20)는 크로스 누설량 ML과, 소비 전력 WP의 증가에 의한 수소의 손실량의 합계의 수소 손실량(종합 수소 손실량 MTL)이 억제되도록 순환 펌프(64)의 회전수 RP 및 수소 공급 장치(55)에 의한 수소 공급량의 제어를 행한다. 여기서, 종합 수소 손실량 MTL은, 예를 들어 이하의 식(3)과 같이 규정할 수 있다.
Figure 112015106911873-pat00003
여기서, β는, 소비 전력 WP를 수소의 손실량으로 변환하는 단위 변환 계수이다.
도 4는, 전류값 I와 순환 펌프(64)의 최적 회전수의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 횡축은 회전수 RP를 나타내고, 종축은 수소 분압 PH2 및 소비 전력 WP를 나타내고 있다. 도 4에는, 도 2와 마찬가지로, 전류값 I가 I1일 때의 회전수 RP와 수소 분압 PH2의 관계, 및 전류값 I가 I2(I1＜I2)일 때의 회전수 RP와 수소 분압 PH2의 관계가 예시되어 있다. 또한, 도 3과 마찬가지로, 순환 펌프(64)의 회전수 RP와 소비 전력 WP의 관계가 나타내어져 있다. 도 4에는, 이들에 추가하여, 전류값 I가 I1일 때의 최적 회전수 R1과, 전류값 I가 I2일 때의 순환 펌프(64)의 최적 회전수 R2(R1＜R2)가 나타내어져 있다. 최적 회전수라 함은, 종합 수소 손실량 MTL이 최소로 되는 순환 펌프(64)의 회전수이다. 연료 전지(10)는, 전류값 I에 따라 최적 회전수가 다르다. 이로 인해, 전류값 I에 따라서, 종합 수소 손실량 MTL이 보다 작아지도록 회전수 RP를 변경함으로써, 발전 효율의 향상을 도모할 수 있다. 예를 들어, 전류값 I가 I1로부터 I2를 향해 높아질 때, 회전수 RP를 R1로부터 R2를 향해 높게 함으로써, 종합 수소 손실량 MTL을 억제할 수 있다. 이러한 제어를 행하면, 예를 들어 전류값 I가 I1 정도로 작음에도 불구하고, 회전수 RP를 R2 이상으로 높게 해 버려, 크로스 누설량의 저감량보다도 순환 펌프(64)의 소비 전력의 증가에 의한 수소 손실량이 커져, 결과적으로 발전 효율이 나빠지는 것을 억제할 수 있다.
도 5는, 제어부(20)에 의한 연료 전지 시스템(100)의 제어 순서의 일례를 나타내는 흐름도이다. 여기서는, 제어부(20)에는, 도 4의 전류값 I1, I2(I1＜I2) 및 최적 회전수 R1, R2(R1＜R2)에 대응하는 설정값이 기억되어 있는 것으로서 설명한다. 전류값 I1, I2로서는 임의의 값을 설정할 수 있다. 또한, 제어부(20)에는, 도 2와 같은 회전수 RP와 수소 분압 PH2(여기서는, 「목표 수소 분압 PTH2」로 바꾸어 읽음)의 관계를 나타내는 맵(RP-PTH2 맵)을 연료 전지(10)의 전류값 I마다 복수 기억되어 있는 것으로서 설명한다.
제어부(20)는, 연료 전지(10)의 간헐 운전시에 이하의 운전 제어를 개시한다. 제어부(20)는, 애노드 가스 유로의 실제의 수소 분압 PH2가 목표 수소 분압 PTH2로 되도록 수소 공급 장치(55)를 제어하면서, 순환 펌프(64)의 회전수 RP가 R1로 되도록 순환 펌프(64)를 제어한다(스텝 S110). 이 R1은, 전류값 I가 I1일 때, 종합 수소 손실량 MTL이 최소로 되는 회전수로서 미리 특정되어 있는 설정값이다. 애노드 가스 유로의 수소 분압 PH2는, 예를 들어 애노드의 입구 부근의 압력계의 압력에 압력 손실 등을 고려하여 추정된 애노드의 출구 부근의 압력으로부터 특정할 수 있다. 또한, 애노드의 출구 부근에 압력계를 설치하여, 출구 부근의 압력계에 의해 계측되는 연료 전지(10)의 출구 근방의 애노드 배기 가스의 압력으로부터 특정해도 된다.
제어부(20)는, 전류값 I가 I2보다 커질 때까지, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R1의 상태 그대로 한다(스텝 S120). 이 I2는 상술한 설정값이며, 순환 펌프(64)의 회전수 RP가 R2(R1＜R2)일 때, 종합 수소 손실량 MTL이 최소로 되는 전류값이다. 전류값 I는, 연료 전지(10)를 흐르는 실제의 전류값이며, 전류 검출부에 의해 검출된 것이어도 되고, 외부로부터의 출력 요구 등에 기초하여 설정되는 목표 전류값이어도 된다. 전류값 I는, 시스템 내의 각종 센서류로부터의 출력 신호에 기초하는 계측값으로부터 특정되어도 된다. 또한, 전류값 I는, 예를 들어 고전위 회피를 위해 미리 설정되어 있는 목표 전압값과, 연료 전지(10)의 IV 특성으로부터 도출되어도 된다. 연료 전지(10)의 IV 특성은, 제어부(20)에 미리 기억되어 있어도 되고, 온도를 포함하는 연료 전지(10)의 상태로부터 차례로 IV 특성이 설정되어도 된다. 또한, 전류값 I가 목표 전류값인 경우, 연료 전지 시스템(100)의 보조 기계류에 대해 전력을 공급하기 위한 내적 출력 요구나, 연료 전지 차량의 운전자 등의 연료 전지 시스템(100)의 이용자에 의한 외적 출력 요구에 기초하여 설정되어도 된다.
제어부(20)는 전류값 I가 I2보다 커지면, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R1로부터 R2(R1＜R2)로 전환한다(스텝 S130). 전류값 I의 증가와 회전수 RP의 상승에 의해 목표 수소 분압 PTH2가 변경되므로, 제어부(20)는 수소 공급 장치(55)에 의한 수소 공급량을 제어하여, 수소 분압 PH2를 새로운 목표 수소 분압 PTH2에 근접시킨다.
도 6은, 전류값 I의 증가와 회전수 RP의 상승에 의해 변경되는 목표 수소 분압 PTH2를 설명하기 위한 도면이다. 여기서는, 전류값 I가 I3으로부터 I4(I1＜I3＜I2＜I4)로 증가한 것으로 한다. 도 6에는, 전류값 I3 및 전류값 I4에 있어서의 회전수 RP와 목표 수소 분압 PTH2의 관계가 각각 나타내어져 있다. 전류값 I가 I3으로부터 I4로 증가하였을 때, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R1의 상태 그대로 한 경우, 목표 수소 분압 PTH2는, PT1H2로부터 PT2H2로 상승한다. 한편, 전류값 I가 I3으로부터 I4로 증가하였을 때, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R1로부터 R2로 전환하면, 목표 수소 분압은, PT2H2보다도 낮은 PT3H2로 된다. 즉, 전류값 I의 증가에 수반하여 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 상승시킴으로써, 목표 수소 분압 PTH2를, 회전수 RP를 상승시키지 않은 경우에 있어서의 목표 수소 분압 PTH2보다도 저하시킬 수 있다.
이들에 의해, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R1로부터 R2로 전환하면, 회전수 RP를 R1의 상태 그대로 한 경우보다도, 종합 수소 손실량 MTL을 저감시킬 수 있다. 즉, 전류값 I가 I2보다 큰 경우, 전류값 I에 대응하는 최적 회전수는 R2보다도 커진다. 예를 들어, 도 6에서는, 전류값 I가 I4(I2＜I4)일 때의 최적 회전수는 R2보다도 큰 R4로 된다. 따라서, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R1의 상태 그대로 하는 것보다도, R2까지 상승시킴으로써, 회전수 RP가 전류값 I에 대응하는 최적 회전수에 대해 보다 근접해지므로, 연료 전지(10)의 발전 효율이 향상된다.
도 5로 되돌아가, 회전수 RP를 R2로 변경한 후, 제어부(20)는 전류값 I가 I1보다 작아질 때까지, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R2의 상태 그대로 한다(스텝 S140). 이 I1은 상술한 설정값이고, 순환 펌프(64)의 회전수가 R1(R1＜R2)일 때, 종합 수소 손실량 MTL이 최소로 되는 전류값이다. 제어부(20)는, 전류값 I가 I1보다 작아지면, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R1(R1＜R2)로 전환한다(스텝 S110). 전류값 I의 증가와 회전수 RP의 상승에 의해 목표 수소 분압 PTH2가 변경되므로, 제어부(20)는 수소 공급 장치(55)에 의한 수소 공급량을 제어하여, 수소 분압 PH2를 새로운 목표 수소 분압 PTH2에 접근시킨다. 이에 의해, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R2의 상태 그대로 한 경우보다도, 종합 수소 손실량 MTL을 저감시킬 수 있다. 즉, 전류값 I가 I1보다 작은 경우, 전류값 I에 대응하는 최적 회전수는 R1보다도 작아진다. 따라서, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R2의 상태 그대로 하는 것보다도, R1까지 저하시킴으로써, 회전수 RP가 전류값 I에 대응하는 최적 회전수에 대해 보다 근접해지므로, 연료 전지(10)의 발전 효율이 향상된다.
제어부(20)는, 연료 전지(10)의 간헐 운전 상태를 해소할 때까지, 상기한 스텝 S110∼S140의 처리 순서를 반복한다. 이와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 연료 전지(10)의 간헐 운전시에 있어서, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를, 종합 수소 손실량 MTL이 최소로 되는 최적 회전수에 근접해지도록 변경하므로, 이러한 변경을 행하지 않는 경우보다도, 종합 수소 손실량 MTL의 저감을 도모할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는, 연료 전지(10)의 간헐 운전시와 통상 운전시에 있어서의 회전수 RP의 제어 내용의 차이를 설명하기 위한 도면이다. 도 7a에는, 도 4와 마찬가지로 간헐 운전시의 전류값 I와 회전수 RP의 관계 외에, 통상 운전시의 일례로서의 전류값 I5와, 그때의 회전수 RP인 R5가 나타내어져 있다. 도 7b에는, 간헐 운전시와 통상 운전시에 있어서의 전류값 I와 회전수 RP의 관계가 나타내어져 있다. 도 7b의 횡축은 전류값 I를 나타내고, 종축은 회전수 RP를 나타내고 있다.
제어부(20)는, 연료 전지(10)의 간헐 운전시에 있어서는, 상술한 바와 같이, 종합 수소 손실량 MTL이 작아지도록 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 제어하고 있다. 즉, 제어부(20)는 순환 펌프(64)의 회전수 RP가 최적 회전수에 근접하도록 순환 펌프(64)를 제어한다. 한편, 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 통상 운전시에 있어서는, 도 7b에 나타내는 바와 같이, 전류값 I의 증가에 수반하여, 순환 펌프(64)의 회전수 RP가 증가하도록 순환 펌프(64)를 제어한다. 그 결과, 연료 전지(10)의 통상 운전시에 있어서는, 순환 펌프(64)의 회전수 RP는 최적 회전수보다도 작아진다. 제어부(20)는, 연료 전지(10)의 통상 운전시에 있어서, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 최적 회전수에 근접하도록 순환 펌프(64)를 제어시키고 있지 않다. 이것은, 일반적으로, 애노드 배기 가스에는 불순물이 포함되어 있으므로, 애노드 배기 가스의 비율이 증가하면 발전에 필요한 수소량이 얻어지지 않을 우려가 있고, 통상 운전시에는, 불순물이 적은 인젝터로부터 공급되는 수소의 비율을 많게 할 필요가 있기 때문이다. 또한, 통상 운전시에는, 애노드에 공급되는 수소는 발전에 의해 바로 소비되므로, 크로스 누설이 문제로 되기 어렵기 때문이다.
이상 설명한, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 제어부(20)는, 순환 펌프(64)의 회전수 RP가 최적 회전수에 근접하도록 순환 펌프(64)를 제어하므로, 크로스 누설량 ML을 저감시키면서, 크로스 누설량 ML의 저감을 위한 순환 펌프(64)의 구동에 필요로 하는 소비 전력 WP에 상당하는 수소의 손실량을 억제할 수 있다. 즉, 순환 펌프(64)의 회전수를 상승시켜, 애노드 배기 가스의 순환량을 증가시킴으로써, 목표의 전류값을 발생시키기 위해 필요한 수소 이론 공연비 C를 확보하면서, 연료 전지(10)의 애노드 가스 유로의 수소 분압 PH2를 낮추어 크로스 누설량 ML을 저감시킨다. 한편, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 지나치게 상승시키지 않음으로써, 크로스 누설량 ML의 저감을 위한 순환 펌프의 구동에 필요로 하는 소비 전력 WP에 상당하는 수소의 손실량을 억제할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지의 발전 효율의 향상을 도모할 수 있다.
·변형예:
또한, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 형태로 실시할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시 형태에 있어서, 소프트웨어에 의해 실현된 기능 및 처리의 일부 또는 전부는, 하드웨어에 의해 실현되어도 된다. 또한, 하드웨어에 의해 실현된 기능 및 처리의 일부 또는 전부는, 소프트웨어에 의해 실현되어도 된다. 하드웨어로서는, 예를 들어 집적 회로, 디스크리트 회로, 또는 그들 회로를 조합한 회로 모듈 등, 각종 회로(circuitry)를 사용할 수 있다. 또한, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.
·변형예 1:
제1 실시 형태에서는, 제어부(20)는, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를 R1과 R2 중 어느 하나로 전환하는 것으로 하였다. 그러나 제어부(20)는, 전류값 I에 따라서 최적 회전수를 특정하고, 순환 펌프(64)의 회전수 RP를, 특정한 최적 회전수로 변경하는 구성이어도 된다. 예를 들어, 제어부(20)에는, 연료 전지(10)의 전류값 I마다의 최적 회전수 및 목표 수소 분압 PTH2가 미리 기억되어 있는 것으로 한다. 이 경우, 제어부(20)는, 전류값 I로부터 최적 회전수와 목표 수소 분압 PTH2를 특정할 수 있다. 또한, 예를 들어 제어부(20)에는, 연료 전지(10)의 전류값 I마다의 RP-PTH2 맵과, 도 3에 나타내는, 회전수 RP와 소비 전력 WP의 관계를 나타낸 맵(RP-WP맵)이 기억되어 있는 것으로 한다. 이 경우, 제어부(20)는, RP-PTH2 맵으로부터 각 회전수 RP에 있어서의 크로스 누설량 ML을 특정하고, RP-WP 맵으로부터 각 회전수 RP에 있어서의 소비 전력 WP를 특정할 수 있다. 특정한 각 회전수 RP에 있어서의 크로스 누설량과 소비 전력 WP의 조합을 상술한 식(3)에 적용함으로써, 종합 수소 손실량 MTL이 최소로 되는 최적 회전수를 특정할 수 있다. 이 구성이라도, 수소의 손실을 저감시켜 발전 효율의 향상을 도모할 수 있다.
·변형예 2:
본 실시 형태에서는, 도 5의 운전 제어는 연료 전지(10)의 간헐 운전시에 실행되는 것으로서 설명하였다. 그러나, 도 5의 운전 제어는, 연료 전지(10)의 간헐 운전시 이외의 상태에 있어서도 실행되어도 된다. 이 경우라도, 수소의 손실을 저감시켜 발전 효율의 향상을 도모할 수 있다.
1 : 전해질막
2 : 캐소드
3 : 애노드
10 : 연료 전지
20 : 제어부
30 : 캐소드 가스 공급부
31 : 캐소드 가스 배관
32 : 에어 컴프레서
33 : 에어 플로우 미터
34 : 공급 밸브
35 : 압력 계측부
40 : 캐소드 배기 가스 배출부
41 : 캐소드 배기 가스 배관
43 : 배출 밸브
50 : 애노드 가스 공급부
51 : 애노드 가스 배관
52 : 수소 탱크
53 : 개폐 밸브
54 : 레귤레이터
55 : 수소 공급 장치
56 : 압력 계측부
60 : 애노드 가스 순환부
61 : 애노드 배기 가스 배관
62 : 기액 분리부
63 : 애노드 가스 순환 배관
64 : 순환 펌프
65 : 애노드 배수 배관
66 : 배수 밸브
100 : 연료 전지 시스템

Claims (5)

  1. 연료 전지 시스템이며,
    애노드와 캐소드를 구비하는 단셀을 포함하는 연료 전지와,
    상기 애노드에 수소 가스를 공급하는 수소 공급 장치와,
    상기 연료 전지의 발전에 사용되지 않고 상기 애노드로부터 배출되는 수소를 포함하는 애노드 배기 가스를 다시 상기 애노드에 공급하여 상기 애노드 배기 가스를 순환시키는 순환 펌프와,
    상기 수소 공급 장치에 의한 수소 가스의 공급량 및 상기 순환 펌프의 회전수를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 연료 전지의 간헐 운전에서, 소정의 전류값에 있어서, 상기 순환 펌프를 구동시키기 위해 필요한 전력에 상당하는 수소량과, 상기 연료 전지의 애노드측으로부터 캐소드측으로 통과하는 수소량의 합계인 종합 수소 손실량이 최소로 되는 상기 순환 펌프의 최적 회전수에 대해 상기 순환 펌프의 회전수가 근접하도록 상기 순환 펌프를 구동시키며,
    상기 제어부는 두 가지 목표 전류값에 대응하는 상기 순환 펌프의 최적 회전수를 각각 실현하는 설정을 기억하고,
    상기 간헐 운전에서,
    전류값이 증가하여 상기 두 가지 목표 전류값 중 큰 목표 전류값보다 커질 경우에, 상기 큰 목표 전류값에 대응하는 최적 회전수를 실현하는 설정으로 상기 순환 펌프의 운전을 하고,
    전류값이 감소하여 상기 두 가지 목표 전류값 중 작은 목표 전류값보다 작아질 경우에, 상기 작은 목표 전류값에 대응하는 최적 회전수를 실현하는 설정으로 상기 순환 펌프의 운전을 하며,
    전류값이 변화하여 상기 큰 목표 전류값보다 작고 상기 작은 목표 전류값보다 큰 경우에는 지금까지 이루어진 설정을 유지하며 상기 순환 펌프의 운전을 하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지의 통상 운전과 상기 간헐 운전을 전환하고,
    상기 연료 전지의 통상 운전시에 있어서, 상기 종합 수소 손실량이 최소로 되는 최적 회전수보다도 작은 회전수로 상기 순환 펌프를 구동시키고,
    상기 연료 전지의 간헐 운전시에 소정의 전류값에 있어서, 상기 종합 수소 손실량이 최소로 되는 상기 최적 회전수에 대해 상기 순환 펌프의 회전수가 근접하도록 상기 순환 펌프를 구동시키는, 연료 전지 시스템.
  3. 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    (a) 연료 전지의 통상 운전시에 있어서, 상기 연료 전지로부터 얻어지는 전류의 증가에 수반하여, 수소 가스의 공급량을 증가시키는 공정과,
    (b) 상기 연료 전지의 간헐 운전시에 있어서, 상기 연료 전지로부터 얻어지는 전류의 증가에 수반하여, 상기 연료 전지의 애노드로부터 배출되어 다시 상기 애노드에 공급되는 애노드 배기 가스의 유량을 증가시키고, 상기 애노드의 수소 분압을, 상기 연료 전지의 통상 운전시에 있어서 상기 전류를 발생시키기 위해 필요해지는 수소 분압보다도 저하시키는 공정으로서,
    미리 기억되고 있는 설정이며, 두 가지 목표 전류값에 대응하는 순환 펌프의 최적 회전수를 각각 실현하는 설정에 따라,
    전류값이 증가하여 상기 두 가지 목표 전류값 중 큰 목표 전류값보다 커질 경우에, 상기 큰 목표 전류값에 대응하는 최적 회전수를 실현하는 설정으로 상기 순환 펌프의 운전을 하고,
    전류값이 감소하여 상기 두 가지 목표 전류값 중 작은 목표 전류값보다 작아질 경우에, 상기 작은 목표 전류값에 대응하는 최적 회전수를 실현하는 설정으로 상기 순환 펌프의 운전을 하며,
    전류값이 변화하여 상기 큰 목표 전류값보다 작고 상기 작은 목표 전류값보다 큰 경우에는 지금까지 이루어진 설정을 유지하고 상기 순환 펌프의 운전을 하는 공정을 구비하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공정 (b)에서는, 소정의 전류값에 있어서, 상기 애노드 배기 가스를 순환시키는 순환 펌프를 구동시키기 위해 필요한 전력에 상당하는 수소량과, 상기 애노드측으로부터 상기 연료 전지의 캐소드측으로 통과하는 수소량의 합계인 종합 수소 손실량이 최소로 되는 상기 순환 펌프의 최적 회전수에 대해, 상기 순환 펌프의 회전수가 근접하도록 상기 순환 펌프를 구동시킴으로써 상기 애노드 배기 가스의 유량을 증가시킴과 함께, 상기 애노드의 수소 분압을 저하시키는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 공정(a)에 있어서 상기 종합 수소 손실량이 최소가 되는 최적 회전수보다도 작은 회전수로 상기 순환 펌프를 구동하고,
    상기 공정(b)에 있어서 상기 종합 수소 손실량이 최소가 되는 상기 최적 회전수에 대해 상기 순환 펌프의 회전수가 근접하도록 상기 순환 펌프를 구동하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
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