KR101821015B1 - 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 고부하 연속 운전 시에 있어서의 연료 전지의 건조를 억제하는 것이다.
연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템이다. 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지의 임피던스를 검출하는 임피던스 검출부와, 상기 연료 전지의 출력 전류를 제한율에 기초하여 제한하는 전류 제한부를 구비하고, 상기 전류 제한부는, 상기 검출된 임피던스에 기초하여 상기 제한율을 변경한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본원은, 2014년 11월 14일에 출원된 출원 번호 제2014-231982호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 모두가 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은 연료 전지 시스템과, 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
종래의 연료 전지 시스템은, 예를 들어 국제 공개 WO/2010/073383호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 연료 전지의 셀면 내에 있어서의 함수량 분포를 추정하고, 그 추정 결과에 기초하여, 연료 전지로부터 취출하는 전류를 제한하고 있다. 상기 추정은, 예를 들어 연료 전지의 냉각수온에 기초하여 행해진다.
그러나, 상기 종래의 기술에서는, 고부하에서 연속 운전하고 있는 경우에, 냉각수온의 상승이 연료 전지 셀의 실제의 건조의 진행에 대해 지연되므로, 연료 전지 셀의 건조가 진행된 후에 전류 제한을 행하게 되고, 제어성이 악화되고, 연료 전지의 발열량이 증가한다. 이로 인해, 연료 전지 셀의 건조가 진행되고, 전해질막이 적당한 습윤 상태로 복귀되기 어려워진다고 하는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 발명의 일 형태는, 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템이며, 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지의 임피던스를 검출하는 임피던스 검출부와, 상기 연료 전지로부터 취출하는 전류를 상한 전류값 이하로 제한하는 전류 제한부를 구비해도 된다. 상기 전류 제한부는, 상기 검출된 임피던스에 기초하여 상기 상한 전류값을 변경해도 된다. 임피던스의 변화는, 냉각수온에 비해, 연료 전지의 건조에 대해 높은 응답성을 나타내므로, 이 형태의 연료 전지 시스템에 따르면, 연료 전지의 건조가 진행되기 전에 전류 제한을 행할 수 있다. 그 결과, 고부하에서 연속 운전하는 경우에 있어서도, 연료 전지의 발열의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 이 형태의 연료 전지 시스템은, 고부하 연속 운전 시에 있어서의 연료 전지의 건조를 억제할 수 있다.
(2) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 임피던스가 제1 임피던스값보다 높은 제2 임피던스값일 때, 상기 상한 전류값을 상기 제1 임피던스값 시의 상한 전류값보다도 낮은 값으로 해도 된다. 이 연료 전지 시스템에 따르면, 임피던스가 낮을 때보다도 높을 때의 쪽이, 상한 전류값이 낮은 값으로 되고, 전류 제한이 엄격하게 설정되게 된다. 임피던스가 높을수록 연료 전지의 수분량이 적어 건조되기 쉽고, 그 경우에, 전류 제한을 보다 엄격하게 설정할 수 있으므로, 연료 전지의 건조를 충분히 억제할 수 있다.
(3) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지의 온도를 검출하는 온도 검출부를 구비하고, 상기 검출된 온도에 기초하여 상기 상한 전류값을 변경하도록 해도 된다. 이 연료 전지 시스템에 따르면, 연료 전지의 온도에 의해 연료 전지의 건조를 컨트롤하는 것이 가능해지므로, 연료 전지의 건조를 보다 억제할 수 있다.
(4) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 검출된 온도가 제1 온도보다 높은 제2 온도일 때, 상기 상한 전류값을 상기 제1 온도 시의 상한 전류값보다도 낮은 값으로 하도록 해도 된다. 이 연료 전지 시스템에 따르면, 연료 전지의 온도가 낮을 때보다도 높을 때의 쪽이, 상한 전류값이 낮은 값으로 되고, 전류 제한이 엄격하게 설정되게 된다. 온도가 높을수록 연료 전지는 건조되기 쉽고, 그 경우에, 전류 제한을 보다 엄격하게 설정할 수 있으므로, 연료 전지의 건조를 보다 억제할 수 있다.
(5) 본 발명의 다른 형태는, 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이다. 이 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 연료 전지의 임피던스를 검출하는 공정과, 상기 연료 전지로부터 취출하는 전류를 상한 전류값 이하로 제한하는 공정을 구비하고 있어도 된다. 상기 전류를 제한하는 공정은, 상기 검출된 임피던스에 기초하여 상기 상한 전류값을 변경하도록 해도 된다. 이 구성의 연료 전지 시스템의 제어 방법에 따르면, 상기 형태의 연료 전지 시스템과 마찬가지로, 고부하 연속 운전 시에 있어서의 연료 전지의 건조를 억제할 수 있다.
본 발명은 연료 전지 시스템이나 연료 전지 시스템의 제어 방법 이외의 다양한 형태로 실현하는 것도 가능하다. 연료 전지 시스템을 구비하는 차량, 연료 전지 시스템의 제어 방법의 각 공정에 대응한 기능을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램, 그 컴퓨터 프로그램을 기록한 일시적이지 않은 기록 매체(non-transitory storage medium) 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 차량의 개략 구성을 나타내는 설명도.
도 2는 연료 전지 차량의 전기적 구성을 나타내는 블록도.
도 3은 제어 유닛이 실행하는 출력 제어 처리를 나타내는 흐름도.
도 4는 전류의 목표값의 취득 공정을 설명하기 위한 설명도.
도 5는 전류 제한용 맵의 일례를 나타내는 설명도.
도 6은 전류 제한용 맵의 제작에 사용한 그래프의 도면.
도 7은 전류 제한용 맵의 제작에 사용한 그래프의 도면.
도 8은 전류 제한용 맵의 제작에 사용한 그래프의 도면.
도 9는 전류 제한용 맵의 제작에 사용한 그래프의 도면.
도 10은 출력 제어 처리에 의해 변화하는 전류 제한용 맵 상의 동작점의 천이를 나타내는 설명도.
도 11은 출력 제어 처리에 의해 변화하는 연료 전지 스택의 발전 상태의 천이를 나타내는 설명도.
도 12는 참고예에 있어서의 연료 전지 스택의 발전 상태의 천이를 나타내는 설명도.
다음으로, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
A. 전체 구성:
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 차량(10)의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 연료 전지 차량(10)은, 사륜 자동차이며, 연료 전지 시스템(30)을 탑재한다. 연료 전지 시스템(30)은, 연료 전지 스택(40), 수소 가스 공급 배출 기구(50), 공기 공급 배출 기구(60), 냉각수 순환 기구(70) 및 제어 유닛(100)을 구비하고 있다.
연료 전지 스택(40)은, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 유닛이며, 복수의 단셀(41)을 적층하여 형성된다. 단셀(41)은, 애노드, 캐소드, 전해질, 세퍼레이터 등으로 구성된다. 연료 전지 스택(40)은, 수많은 형태를 적용 가능하지만, 본 실시 형태에서는, 고체 고분자형을 사용하는 것으로 하였다.
수소 가스 공급 배출 기구(50)는, 연료 전지 스택(40)에 수소 가스를 공급 및 배출한다. 수소 가스라 함은, 수소가 리치한 기체를 의미하고 있고, 순수소에 한정되는 것은 아니다. 수소 가스 공급 배출 기구(50)는, 수소 탱크(51)와, 수소 가스 공급 유로(52)와, 수소 가스 순환 유로(53)와, 수소 가스 배출 유로(54)를 구비한다.
수소 탱크(51)는, 고압의 수소 가스를 저장한다. 수소 가스 공급 유로(52)는, 수소 탱크(51)의 수소 가스를 연료 전지 스택(40)에 공급하기 위한 관로이다. 수소 가스 순환 유로(53)는, 소비되지 않고 연료 전지 스택(40)으로부터 배출된 수소 가스를 수소 가스 공급 유로(52)에 순환시키기 위한 관로이다. 수소 가스 배출 유로(54)는, 수소 가스 순환 유로(53)와, 공기 공급 배출 기구(60)에 구비되는 공기 배출로(66)(후술)를 연결하는 관로이다.
수소 가스 공급 유로(52)에 있어서의, 수소 가스 순환 유로(53)와 수소 가스 공급 유로(52)의 접속 지점 X보다도 상류측에는, 수소 가스 공급 밸브로서의 인젝터(55)가 설치되어 있다. 수소 가스 공급 배출 기구(50)는, 압력 센서(56)를 구비한다. 압력 센서(56)는, 접속 지점 X보다도 하류측에 있어서의 수소 가스 공급 유로(52) 내의 수소 가스의 압력을 검출한다.
수소 가스 순환 유로(53)에 있어서의, 수소 가스 배출 유로(54)와 수소 가스 순환 유로(53)의 접속 지점 Y보다도 하류측에는, 수소 순환 펌프(57)가 설치되어 있다. 수소 순환 펌프(57)에 의해, 수소 가스 순환 유로(53)에 있어서의 수소 가스의 순환이 이루어진다. 수소 가스 배출 유로(54)의 도중에는, 퍼지 밸브(58)가 설치되어 있다. 퍼지 밸브(58)는, 수소 가스 순환 유로(53) 내에 불순물이 증가하였을 때에, 그 불순물을 공기 배출로(66)로부터 배출하기 위해 개방된다.
연료 전지 스택(40)에 산화제 가스로서의 공기의 공급 및 배출을 하는 공기 공급 배출 기구(60)는, 공기 공급로(61)와, 공기 배출로(66)와, 바이패스로(69)를 구비한다. 공기 공급로(61) 및 공기 배출로(66)는, 연료 전지 스택(40)과, 공기 공급로(61) 및 공기 배출로(66)가 각각 구비하는 대기 개방구를 접속하는 유로이다. 공기 공급로(61)의 대기 개방구에는, 에어 클리너(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 바이패스로(69)는, 공기 공급로(61)와 공기 배출로(66)를 접속하는 유로이다.
공기 공급 배출 기구(60)는, 에어 컴프레서(62)를 구비한다. 에어 컴프레서(62)는, 공기 공급로(61)의 도중에 설치되고, 공기 공급로(61)의 대기 개방구측으로부터 공기를 흡입하여 압축한다. 에어 컴프레서(62)가 설치되는 위치는, 공기 공급로(61)와 바이패스로(69)의 접속 지점보다도 대기 개방구에 가까운 위치이다.
공기 공급 배출 기구(60)는, 분류 셧 밸브(63)를 구비한다. 분류 셧 밸브(63)는, 공기 공급로(61)와 바이패스로(69)의 접속 지점에 설치되고, 에어 컴프레서(62)로부터 흘러 오는 압축 공기를, 공기 공급로(61)의 하류측과, 바이패스로(69)에 분류한다. 이러한 밸브는, 3방향 밸브라고도 한다. 여기에서 말하는 「분류」라 함은, 양쪽에 유량을 배분하는 것과, 어느 한쪽에 100％의 유량을 배분하는 것을 포함한다.
공기 공급 배출 기구(60)는, 압력 검출부로서의 압력 센서(65)를 구비한다. 압력 센서(65)는, 에어 컴프레서(62)와 분류 셧 밸브(63) 사이에 있어서의 공기 공급로(61) 내의 공기압을 검출한다.
공기 공급 배출 기구(60)는, 압력 조정 셧 밸브(67)를 구비한다. 압력 조정 셧 밸브(67)는, 공기 배출로(66)에 설치되고, 밸브 개방도에 따라 공기 배출로(66)의 유로 단면적을 조정한다. 압력 조정 셧 밸브(67)를 통과한 공기는, 바이패스로(69)와의 접속 부위를 통과한 후, 대기 개방구로부터 대기에 배출된다.
연료 전지 스택(40)을 냉각하는 냉각수 순환 기구(70)는, 라디에이터(71)와, 냉각수 순환 펌프(72)와, 수온 센서(73, 74)와, 분류 셧 밸브(75)를 구비한다. 분류 셧 밸브(75)는, 냉각수 순환로(76)와 바이패스로(77)의 접속 지점에 설치되어 있다. 냉각수 순환 기구(70)는, 단셀(41)의 운전 온도를 제어하기 위해, 단셀(41)과 라디에이터(71) 사이에 있어서 냉각수를 순환시키고, 또한 바이패스로(77)를 통해 라디에이터(71)를 우회하도록 냉각수를 순환시킨다. 냉각수는, 이와 같이 순환함으로써, 단셀(41)에 있어서의 흡열과 라디에이터(71)에 있어서의 방열을 실행한다. 수온 센서(73)는, 냉각수 순환 기구(70)에 있어서의 연료 전지 스택(40)의 출구측에 설치되고, 출구측에 있어서의 냉각수의 온도를 검출한다. 수온 센서(73)는, 출구측의 냉각수의 온도를 검출함으로써, 연료 전지 스택(40)의 온도를 검출할 수 있다. 수온 센서(74)는, 라디에이터(71)의 출구측에 설치되고, 라디에이터(71)로부터 배출된 직후의 냉각수의 온도를 검출한다.
연료 전지 시스템(30)의 운전은, 제어 유닛(100)에 의해 제어된다. 제어 유닛(100)은, 내부에 CPU와 RAM과 ROM을 구비한 마이크로컴퓨터이다. 제어 유닛(100)은, 액셀러레이터 위치 센서(112)의 출력 신호를 비롯한 다양한 정보로부터, 연료 전지 스택(40)에 대한 출력 요구를 연산한다. 또한, 액셀러레이터 위치 센서(112)는, 운전자에 의해 조작되는 액셀러레이터 페달(110)의 조작량(이하, 「액셀러레이터 위치」라고도 함)을 검출한다. 또한, 제어 유닛(100)은, 압력 센서(56, 65) 등의 각종 센서로부터의 스테이터스 정보를 수취한다. 제어 유닛(100)은, 출력 요구와 스테이터스 정보를 기초로, 인젝터(55)의 동작, 각 밸브(58, 63, 67)의 동작, 펌프(57, 72) 및 에어 컴프레서(62)의 동작 등을 제어하여, 연료 전지 스택(40)의 출력을 제어한다.
도 2는 연료 전지 차량(10)의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다. 연료 전지 차량(10)은, 이차 전지(81)와, DC/DC 컨버터(82)와, FC용 DC/DC 컨버터(87)와, DC/AC 인버터(83)와, 구동 모터(85)를 더 구비한다.
연료 전지 스택(40)은, FC용 DC/DC 컨버터(87)를 통해 직류 전원 라인(DCL)에 접속되어 있다. 이차 전지(81)는, DC/DC 컨버터(82)를 통해 직류 전원 라인(DCL)에 접속되어 있다. 직류 전원 라인(DCL)은 DC/AC 인버터(83)에 접속되어 있다. DC/AC 인버터(83)는, 구동 모터(85)에 접속되어 있다.
이차 전지(81)는, 연료 전지 스택(40)의 보조 전원으로서 기능하고, 예를 들어 충·방전 가능한 니켈 수소 전지나 리튬 이온 전지로 구성할 수 있다. DC/DC 컨버터(82)는, 이차 전지(81)의 충·방전을 제어하는 충방전 제어부로서의 기능을 갖고 있으며, 제어 유닛(100)의 지시에 의해 직류 전원 라인(DCL)의 전압 레벨을 충전 또는 방전에 적합한 값으로 조정한다. 연료 전지 스택(40)의 출력이 액셀러레이터 위치로부터 정해지는 출력 요구에 대해 부족한 경우에는, DC/DC 컨버터(82)는, 그 부족분을 보충하도록 이차 전지(81)에 방전시킨다. FC용 DC/DC 컨버터(87)는, 연료 전지 스택(40)의 충·방전을 제어하는 충방전 제어부로서의 기능을 갖는다.
DC/AC 인버터(83)는, 연료 전지 스택(40) 및 이차 전지(81)로부터 얻어진 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 구동 모터(85)는, 삼상 모터 등으로 구성할 수 있고, DC/AC 인버터(83)로부터의 교류 전력에 따라 회전 구동력을 발생시킨다. 구동 모터(85)는, 외력에 의해 그 로터가 회전될 때에는 발전기로서 작용하고, 교류 전력(회생 전력)을 발생시킨다. 그러한 회생 전력은, DC/AC 인버터(83)에서 직류 전력으로 변환되고, DC/DC 컨버터(82)를 통해 이차 전지(81)에 충전된다.
연료 전지 스택(40)의 주변에는, 연료 전지 스택(40)의 발전 상태를 검출하는 센서군으로서, 전류계(91), 전압계(92), 임피던스계(93)가 각각 설치되어 있다. 임피던스계(93)는, 연료 전지 스택(40)에 고주파의 교류 전압을 인가하여, 연료 전지 스택(40)의 임피던스를 측정한다. 전류계(91), 전압계(92) 및 임피던스계(93)의 각 측정 결과는, 제어 유닛(100)에 송신된다.
제어 유닛(100)은, 전압계(92)(도 1)의 측정값으로부터 연료 전지 스택(40)의 출력 전력 측정값(발전 상태)을 검출한다. 또한, 제어 유닛(100)은, 도시하지 않은 SOC 검출부에 의해 이차 전지(81)의 충전 상태(SOC:State of Charge)를 검출한다. 제어 유닛(100)은, 이들 정보를 기초로 FC용 DC/DC 컨버터(87) 및 DC/DC 컨버터(82)의 출력 전압을 설정하여 연료 전지 스택(40) 및 이차 전지(81)의 출력 전력을 제어한다. 또한, 제어 유닛(100)은, DC/AC 인버터(83)에 의해 교류 전력의 주파수를 제어하여, 구동 모터(85)에 필요한 토크를 발생시킨다.
B. 출력 제어 처리:
도 3은 제어 유닛(100)이 실행하는 연료 전지 스택(40)의 출력 제어 처리를 나타내는 흐름도이다. 출력 제어 처리는, 연료 전지 스택(40)을 기동시키기 위한 스타터 스위치가 온된 후에 반복하여 실행된다. 처리가 개시되면, 제어 유닛(100)은, 액셀러레이터 위치를 비롯한 다양한 정보로부터 정해지는, 연료 전지 스택(40)에 대한 출력 요구를 접수한다(스텝 S100). 이어서, 제어 유닛(100)은, 접수한 출력 요구에 따라, 연료 전지 스택(40)에 출력시키는 전력을 결정하고, 그 전력을 얻기 위한 연료 전지 스택(40)의 전류의 목표값을 취득한다(스텝 S200).
도 4는 스텝 S200에 있어서의 전류의 목표값의 취득 공정을 설명하기 위한 설명도이다. 도 4 중에, 연료 전지 스택(40)의 전류-전력 특성(I-P 특성)을 나타내는 그래프 GI-P를, 좌측의 종축을 전력축으로 하고, 횡축을 전류축으로 하여 나타낸다. 또한, 도 4 중에, 후술하는 스텝 S400에서 사용하는 전류-전압 특성(I-V 특성)을 나타내는 그래프 GI-V를, 우측의 종축을 전압축으로 하고, 횡축을 전류축으로 하여 나타낸다.
통상, 연료 전지의 I-P 특성은, 위로 볼록한 곡선 그래프로서 나타내어진다. 또한, 연료 전지의 I-V 특성은, 전류의 증가에 따라 완만하게 전압이 하강하는 가로 S자 형상의 곡선 그래프로서 나타내어진다. 제어 유닛(100)은, 연료 전지 스택(40)에 관한 I-P 특성 및 I-V 특성을 나타내는 정보를, 연료 전지 스택(40)의 제어용 정보로서 미리 기억하고 있고, 그 제어용 정보에 기초하여, 연료 전지 스택(40)의 전류의 명령값을 취득한다. 구체적으로는, 다음과 같다.
제어 유닛(100)은, 스텝 S100에 의해 접수한 출력 요구에 따라, 연료 전지 스택(40)이 출력해야 할 전력(목표 전력 Pt)을 결정한다. 그리고, 연료 전지 스택(40)의 I-P 특성에 기초하여, 목표 전력 Pt에 대해 연료 전지 스택(40)이 출력해야 할 전류의 목표값(목표 전류 It)을 취득한다.
또한, 연료 전지 스택(40)의 I-P 특성 및 I-V 특성은, 연료 전지 스택(40)의 운전 온도 등, 그 운전 상태에 따라 변화한다. 그로 인해, 제어 유닛(100)은, 그들의 운전 상태마다의 제어용 정보를 미리 기억하고 있고, 현재의 연료 전지 스택(40)의 운전 상태에 따라, 적절히, 제어용 정보를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
도 3의 스텝 S200에 이어지는 스텝 S300에서는, 제어 유닛(100)은, 스텝 S200에서 구한 목표 전류 It의 상한을 제한하는 전류 제한 처리를 실행한다. 스텝 S300의 전류 제한 처리는, 상세하게는 다음과 같다.
제어 유닛(100)은, 우선, 임피던스계(93)로부터 임피던스 Z를 도입하고(스텝 S310), 수온 센서(73)로부터 연료 전지 스택(40)의 온도 T를 도입한다(스텝 S320). 또한, S310과 S320의 처리는, 병행하여 행해져도 되고, S320의 처리가 S310의 처리에 앞서 행해져도 된다. 이어서, 제어 유닛(100)은, ROM에 미리 저장된 전류 제한용 맵을 사용하여, 임피던스 Z 및 온도 T에 따른 전류 제한율 R을 산출하는 처리를 행한다(스텝 S330).
도 5는 전류 제한용 맵(MP)의 일례를 나타내는 설명도이다. 도시하는 바와 같이, 전류 제한용 맵(MP)은, 횡축에 연료 전지의 온도 T를 취하고, 종축에 전류 제한율 R을 취하고, 임피던스 Z마다 전류 제한율 R을 매핑한 3차원의 맵 데이터이다. 전류 제한율 R은, 목표 전류 It의 상한을 규정하기 위한 파라미터이다. 전류 제한율 R이 낮을수록, 목표 전류 It의 상한이 낮아지고, 전류 제한은 엄격한 것으로 된다. 맵 데이터는 4개의 그래프 G1∼G4로 이루어지고, 그래프 G1은 임피던스 Z＝Za에 관한 것이며, 그래프 G2는 Z＝Zb에 관한 것이며, 그래프 G3은 Z＝Zc에 관한 것이며, 그래프 G4는 Z＝Zd에 관한 것이다. Za는, 예를 들어 100[mΩ]이다. Za, Zb, Zc, Zd는, 이 순서대로 크게 되어 있다. 즉, Zd＞Zc＞Zb＞Za이다.
각 그래프 G1∼G4에 있어서는, 연료 전지 스택의 온도 T가 예를 들어 Ta 이하인 경우에는, 전류 제한율 R은 100％이며, 온도 T가 예를 들어 Ta를 초과하면, 온도 T의 상승에 수반하여, 전류 제한율 R은 점차 저감된다. 그 저감의 비율은, 그래프 G1∼G4 중에서 임피던스 Z가 가장 높은 그래프 G4에 있어서, 가장 크고, 임피던스 Z가 작아지는 것에 수반하여(G3, G2, G1로 이행하는 것에 수반하여) 서서히 작아진다. 따라서, 연료 전지 스택의 온도 T가 Ta를 초과한 경우, 동일한 온도에서의 전류 제한율 R은, G1, G2, G3, G4의 순으로 작아진다. 그래프 G4는, 본 실시 형태에서는, 고부하에서 연료 전지 스택(40)을 연속 운전해도, 연료 전지 스택(40)의 셀(41)의 건조가 진행되지 않는 라인으로 되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 전류 제한용 맵(MP)의 그래프수는 4개로 하였지만, 이것 대신에, 2개, 3개, 5개, 6개, …, 10개와 같은 다른 복수개로 해도 된다.
도 6∼도 9는 전류 제한용 맵(MP)의 제작에 사용한 그래프의 도면이다. 도 6은 연료 전지 스택(40)을 출력 전류 100[A]의 정상 상태에서 운전하면서, 연료 전지 스택(40)의 온도 T를 점차, 상승시키고, 그때의 셀(41)의 건조의 지표로 되는 임피던스의 상승을, 실험적으로 혹은 시뮬레이션에 의해 구한 그래프이다. 도 7은 연료 전지 스택(40)을 출력 전류 190[A]의 정상 상태에서 운전하면서, 도 6과 마찬가지로 하여 구한 그래프이다. 도 8은 연료 전지 스택(40)을 출력 전류 320[A]의 정상 상태에서 운전하면서, 도 6과 마찬가지로 하여 구한 그래프이다. 도 9는 연료 전지 스택(40)을 출력 전류 475[A]의 정상 상태에서 운전하면서, 도 6과 마찬가지로 하여 구한 그래프이다.
도 6∼도 9의 그래프로부터, 임피던스 Z가 온도 T에 따라 급격하게 변화하는 변곡점의 크기를 알 수 있다. 즉, 도 6의 그래프로부터, 전류가 100[A]에서, 온도 T가 Td를 상회하면, 임피던스 Z가 급격하게 커지는(즉, 연료 전지가 건조해지는) 것을 알 수 있다. 도 7의 그래프로부터, 전류가 190[A]에서, 온도 T가, Td보다 작은 Tc를 상회하면, 임피던스 Z가 급격하게 커지는 것을 알 수 있다. 도 8의 그래프로부터, 전류가 320[A]에서, 온도 T가, Tc보다 작은 Tb를 상회하면, 임피던스 Z가 급격하게 커지는 것을 알 수 있다. 도 9의 그래프로부터, 전류가 475[A]에서, 온도 T가, Tb보다 작은 Ta를 상회하면, 임피던스 Z가 급격하게 커지는 것을 알 수 있다. 도 6으로부터 도 9까지의 그래프로부터 얻어진 이들 변곡점 Ta∼Td를 사용하여, 전류 제한용 맵(MP)(도 5)의 그래프 G4의 제작이 가능해진다. 또한, Ta∼Td는, 이 순서대로 크게 되어 있다. 즉, Td＞Tc＞Tb＞Ta이다.
그런 후에, 도 5에 있어서, 임피던스 Z가 Zd일 때의 그래프 G4를 기준으로 하고, 온도 T에 따른 전류 제한율 R의 값이, 임피던스 Z가 Zc인 경우에는 기준의 ＋10％로 되고, 임피던스 Z가 Zb인 경우에는 기준의 ＋20％로 되고, 임피던스 Z가 Za인 경우에는 기준의 ＋30％로 되도록, 그래프 G3∼G1을 정하였다. 상기한 각 임피던스 Z의 값에 대한, 10％, 20％, 30％와 같은 비율은, 실험적으로 혹은 시뮬레이션에 의해 도출하였다.
도 3의 스텝 S330에서는, 제어 유닛(100)은, ROM으로부터 상술한 도 5의 전류 제한용 맵(MP)을 불러낸다. 그리고, 제어 유닛(100)은, 그 맵(MP)을 참조하여, 스텝 S310에서 도입한 임피던스 Z와 스텝 S320에서 도입한 온도 T에 대응하는 전류 제한율 R을 구한다. 임피던스 Z의 값이 Za 이하일 때에는, 그래프 G1에 의해 전류 제한율 R을 구한다. 임피던스 Z의 값이 Zd 이상일 때에는, 그래프 G4에 의해 전류 제한율 R을 구한다. 임피던스 Z의 값이 Zd로부터 Za까지의 사이에서, 그래프 G1∼G4의 임피던스의 값 이외의 값인 경우에는, 인접하는 그래프와 그래프 사이의 내분점을 연산에 의해 구하고, 그 내분점에 임피던스 Z를 대조함으로써, 전류 제한율 R을 구하도록 한다.
도 3의 스텝 S330의 실행 후, 제어 유닛(100)은, 스텝 S200에서 구해진 목표 전류 It에 스텝 S330에서 구해진 전류 제한율 R을 곱함으로써, 새로운 목표 전류 It*를 구한다(스텝 S340). 스텝 S340의 처리를 종료하면, 스텝 S300의 전류 제한 처리를 빠져나와, 스텝 S400으로 진행한다.
스텝 S400에서는, 제어 유닛(100)은, 도 4에 나타낸, 연료 전지 스택(40)의 I-V 특성에 기초하여, 스텝 S340에 의해 구한 새 목표 전류 It*를 출력하기 위해 필요한 연료 전지 스택(40)의 전압의 목표값(목표 전압 Vt)을 취득한다. 즉, 도 4에 나타내는 바와 같이, 스텝 S300의 전류 제한 처리에 의해, 목표 전류는, 출력 요구에 따른 목표 전력 Pt에 대응하는 목표 전류 It로부터, 전류 제한을 건 후의 새 목표 전류 It*로 이행한다. 그리고, 스텝 S400에 의해, 새 목표 전류 It*에 대응하는 목표 전압 Vt가, 전류-전압 특성(I-V 특성)을 나타내는 그래프 GI-V로부터 구해진다.
도 3의 스텝 S400의 실행 후, 제어 유닛(100)은, 스텝 S340에 의해 구해진 새 목표 전류 It*를 연료 전지 스택(40)에 출력시키기 위해, 연료 전지 스택(40)에 목표 전압 Vt를 출력시키도록, FC용 DC/DC 컨버터(87)에 지령하는 출력 제어를 행한다(스텝 S500). 즉, 제어 유닛(100)이 전류 제한부로서 기능한다. 그 후, 제어 유닛(100)은, 연료 전지 차량(10)의 운전이 정지될 때까지, 스텝 S100∼S500의 처리를 반복한다(스텝 S600). 연료 전지 차량(10)의 운전이 정지되면(스텝 S600:"예"), 출력 제어 처리를 종료한다.
도 10은 상술한 출력 제어 처리에 의해 변화하는 전류 제한용 맵(MP) 상의 동작점의 천이를 나타내는 설명도이다. 최초, 연료 전지 스택(40)은, 적당한 습윤 상태이며, 임피던스 Z가 Za(예를 들어 100[mΩ]) 이하인 경우에는, 연료 전지 스택(40)의 냉각수온인 온도 T가 높아져도, 그래프 G1의 라인 상에서 제어되므로, 전류 제한율 R은 높고, 전류 제한은 느슨하다.
연료 전지 스택(40)이 고부하에서 연속 운전되면, 연료 전지 스택(40)은 고온 상태를 계속하게 되고, 셀(41)은 건조되기 시작하고, 임피던스 Z는 상승한다. 임피던스 Z가 100[mΩ]을 초과하면, 그래프 G1과 그래프 G2 사이의 내분점의 제한값으로 전류 제한율 R은 제어된다. 예를 들어, 온도 T가 변화하지 않고, 임피던스 Z가 100[mΩ]으로부터 105[mΩ]로 상승한 경우에는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 그래프 G1 상의 동작점 P1로부터 동작점 P2로 천이하고, 전류 제한율 R은 Ra로부터 Rb(＜Ra)로 저하된다. 즉, 전류 제한은 엄격해진다.
그 후, 임피던스 Z의 상승과 함께, 전류 제한율 R은 저하되고, 임피던스 Z가 Zd 이상으로 된 경우에는, 그래프 G4의 라인 상의 동작점 P3으로 이행되므로, 연속 운전해도, 셀(41)의 건조는 진행되지 않는다. 또한, 여기에서는, 임피던스 Z의 상승과 함께, 연료 전지의 온도 T는 저하된 것으로 한다.
C. 실시 형태의 효과:
이상과 같이 구성된 연료 전지 시스템(30)에 따르면, 임피던스 Z에 기초하여 전류 제한율 R을 변화시키고 있으므로, 연료 전지 스택(40)의 셀(41)의 건조가 진행되기 전에 전류 제한을 행할 수 있다. 그 결과, 고부하에서 연료 전지 스택을 연속 운전하는 경우에 있어서도, 연료 전지의 발열의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템(30)은, 고부하 연속 운전 시에 있어서의 연료 전지의 건조를 억제할 수 있다.
도 11은 출력 제어 처리에 의해 변화하는 연료 전지 스택(40)의 발전 상태의 천이를 나타내는 설명도이다. 도면 중에는, 연료 전지 스택(40)의 전류-전압 특성(이하, 「IV 특성」이라 함) 곡선이 나타내어져 있다. 연료 전지 스택(40)의 온도 T가 80℃에서, 임피던스 Z가 Za(예를 들어 100[mΩ])인 것으로 한다. 이 운전 상태로부터 온도 T가 상승하면, 도 3의 출력 제어 처리에 의해, 전류가 제한된다(동작점 Q1). 전류 제한이 걸려 있는 상태에서 연료 전지 스택(40)을 연속 운전하고 있으면, 셀(41)의 건조가 진행되고, IV 특성의 커브의 기울기가 커진다. 이 결과, IV 특성은 베이스인 C1로부터 C2로 천이하고, 동작점은 C2 상의 Q2로 이행한다. IV 특성의 기울기가 임피던스 Z에 상당하므로, 동작점 Q2로 이행함으로써, 임피던스 Z가 상승하고, 도 5의 전류 제한용 맵(MP)에 따르는 출력 제어 처리에 의해, 전류 제한이 또한 실시되고, 동작점은 C2 상의 Q3으로 이행한다.
상기 임피던스 Z에 기초하는 동작점 Q3으로의 이행은, 종래 기술에 비교하여, 셀(41)의 건조를 빨리 보아 전류 제한을 건 것에 의한 것이며, 이때의 발열량의 증가는 낮게 억제할 수 있다. 이로 인해, 온도 T의 상승은 종래 기술에 비해 작고, IV 특성은 C2로부터 C3으로 천이하고, 동작점은 IV 특성 C3 상의 Q4로 이행하는 것에 지나지 않는다. 동작점 Q4로 이행함으로써, 임피던스 Z가 상승하고, IV 특성은 C3으로부터 C4로 천이하지만, C4는 C3에 대한 차이가 작은 것으로 된다. 이와 같이 하여, IV 특성의 변화는 수렴되어, 안정된 것으로 되고, 온도 T도 올라가기 어려워진다. 따라서, 도 11의 그래프로부터도, 고부하에서 연료 전지 스택(40)을 연속 운전하는 경우에, 연료 전지의 발열의 증대를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 12는 참고예에 있어서의 연료 전지 스택의 발전 상태의 천이를 나타내는 설명도이다. 참고예는, 연료 전지의 냉각수온만으로부터 전류 제한을 거는 구성이다. 연료 전지 스택의 온도(냉각수온)가 80℃인 경우에, 동작점 S1에서 운전하고 있는 것으로 한다. 이 운전 상태로부터 온도가 상승하면, 전류가 제한된다. 전류 제한이 걸려 있는 상태에서 연료 전지 스택(40)을 연속 운전하고 있으면, 셀의 건조가 진행되고, IV 특성의 커브의 기울기가 커진다. 이 결과, IV 특성은 베이스인 C11로부터 C12로 크게 천이하고, 동작점은 C12 상의 S2로 이행한다. 동작점이 S1로부터 S2로 이행한 것에 의한 전압 변화량과 그때의 전류값의 곱(도면 중의, 직사각형 Sa, S1, S2, Sb의 면적)이, 연료 전지의 발열량의 증가분에 상당한다. 이 발열량의 증가에 의해, 연료 전지 스택의 온도가 상승하므로, 전류 제한이 보다 엄격하게 걸리고, 동작점은 C12 상의 S3으로 이행한다. 냉각수온의 상승은 셀의 실제의 건조에 대해 지연되므로, 상기 실시 형태에 비해 온도 상승은 큰 것으로 된다.
전류 제한이 걸려 있는 상태에서 연속 운전하고 있으면, 셀의 건조가 진행되고, IV 특성의 커브의 기울기가 커진다. 이 결과, IV 특성은 C12로부터 C13으로 크게 천이하고, 동작점은 C13 상의 S4로 이행한다. 그렇게 하면, 연료 전지 스택의 발열량이 증가하고, 수온이 상승하고, 전류 제한이 보다 엄격하게 걸리는(S5) 것과 같은 순환이 반복되게 되어, 상태의 변화가 발산하고 있다. 이 결과, 참고예에 따르면, 고부하에서 연료 전지 스택이 연속 운전된 경우에, 연료 전지 스택의 셀이 완전히 건조되어 버릴 가능성이 있고, 전해질막이 적당한 습윤 상태로 복귀되기 어려워진다.
D. 변형예:
·변형예 1:
상기 실시 형태에서는, 연료 전지의 온도를 검출하는 온도 검출부로서, 연료 전지 스택(40)의 출구측에 설치된 수온 센서(73)를 사용하고 있었다. 그러나, 이것 대신에, 연료 전지 스택(40)의 입구측에 설치된 수온 센서를 사용해도 되고, 연료 전지 스택(40)의 내부의 온도를 직접 검출하는 온도 센서를 사용해도 된다.
상기 실시 형태에 있어서는, 연료 전지 스택의 온도 T가 Ta 이하인 경우에는, 전류 제한율 R은 100％이다. 그리고, 연료 전지 스택의 온도 T가 Ta보다 높은 영역에 있어서, 임피던스가 제1 임피던스값보다 높은 제2 임피던스값일 때, 전류 제한율을, 임피던스가 제1 임피던스값이며 온도가 동일할 때의 전류 제한율보다도 낮은 값으로 한다.
그러나, 연료 전지 스택의 온도에 상관없이, 100％ 미만의 전류 제한율을 설정하는 형태로 할 수도 있다. 그러한 형태에 있어서는, 연료 전지 스택의 온도에 상관없이, 임피던스가 제1 임피던스값보다 높은 제2 임피던스값일 때, 전류 제한율을, 임피던스가 제1 임피던스값이며 온도가 동일할 때의 전류 제한율보다도 낮은 값으로 한다.
상기 실시 형태에 있어서는, 연료 전지의 온도가 제1 온도보다 높은 제2 온도일 때, 전류 제한율을, 연료 전지의 온도가 제1 온도이며 임피던스가 동일할 때의 전류 제한율보다도 낮은 값으로 한다. 그러나, 연료 전지의 온도가 제1 온도보다 높은 제2 온도일 때, 전류 제한율을, 연료 전지의 온도가 제1 온도이며 임피던스가 동일할 때의 전류 제한율과 동일한 값, 또는 보다 높은 값으로 할 수도 있다.
또한, 연료 전지 스택의 온도에 상관없이, 전류 제한율을 정하는 형태로 할 수도 있다.
·변형예 2:
상기 실시 형태에서는, 임피던스 검출부로서 임피던스계(93)를 구비하고 있다. 그러나, 이것 대신에, 전류계(91)의 측정 결과와 전압계(92)의 측정 결과에 기초하여 임피던스를 구하는 구성으로 해도 된다.
·변형예 3:
상기 실시 형태는, 연료 전지 시스템은 차량에 탑재되어 있었다. 그러나, 상기 실시예의 연료 전지 시스템은, 차량 이외의 이동체에 탑재되는 것으로 해도 되고, 건조물이나 시설 등에 고정적으로 설치되는 것으로 해도 된다.
상기 실시예에 있어서 소프트웨어로 실현되고 있는 기능의 일부를 하드웨어(예를 들어 집적 회로)로 실현해도 되고, 혹은, 하드웨어로 실현되고 있는 기능의 일부를 소프트웨어로 실현해도 된다.
본 발명은 상술한 실시 형태나 변형예에 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절히 대체나 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 전술한 실시 형태 및 각 변형예에 있어서의 구성 요소 중의, 독립 청구항에서 기재된 요소 이외의 요소는, 부가적인 요소이며, 적절히 생략 가능하다.
10 : 연료 전지 차량
20 : 연료 전지 차량
30 : 연료 전지 시스템
40 : 연료 전지 스택
41 : 단셀
50 : 수소 가스 공급 배출 기구
51 : 수소 탱크
52 : 수소 가스 공급 유로
53 : 수소 가스 순환 유로
54 : 수소 가스 배출 유로
55 : 인젝터
56 : 압력 센서
57 : 수소 순환 펌프
58 : 퍼지 밸브
60 : 공기 공급 배출 기구
61 : 공기 공급로
62 : 에어 컴프레서
63 : 분류 셧 밸브
65 : 압력 센서
66 : 공기 배출로
67 : 압력 조정 셧 밸브
69 : 바이패스로
70 : 냉각수 순환 기구
71 : 라디에이터
72 : 냉각수 순환 펌프
73 : 수온 센서
74 : 수온 센서
76 : 냉각수 순환로
75 : 분류 셧 밸브
77 : 바이패스로
81 : 이차 전지
85 : 구동 모터
91 : 전류계
92 : 전압계
93 : 임피던스계
100 : 제어 유닛
110 : 액셀러레이터 페달
112 : 액셀러레이터 위치 센서
MP : 전류 제한용 맵

Claims (8)

  1. 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템이며,
    상기 연료 전지의 임피던스를 검출하는 임피던스 검출부와,
    상기 연료 전지의 출력 전류를 제한율에 기초하여 제한하는 전류 제한부와,
    상기 연료 전지의 온도를 검출하는 온도 검출부를 구비하고,
    상기 전류 제한부는,
    상기 검출된 임피던스와 검출된 온도에 기초하여 상기 제한율을 변경하고,
    상기 연료 전지의 온도가 온도 Ta 이하인 경우에는, 임피던스에 관계없이 상기 제한율은 100％이며,
    상기 연료 전지의 온도가 온도 Ta를 초과하는 경우에는, 연료 전지의 온도의 상승에 수반하여, 상기 제한율은 저감되고, 제한율의 저감 비율은 임피던스가 작아지는 것에 수반하여 작아지는, 연료 전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    상기 연료 전지의 임피던스를 검출하는 공정과,
    상기 연료 전지의 출력 전류를 제한율에 기초하여 제한하는 공정과,
    상기 연료 전지의 온도를 검출하는 공정과,
    상기 검출된 임피던스와 검출된 온도에 기초하여 상기 제한율을 변경하는 공정을 구비하고,
    상기 제한율을 변경하는 공정은,
    상기 연료 전지의 온도가 온도 Ta 이하인 경우에는, 임피던스에 관계없이 상기 제한율을 100％로 하고,
    상기 연료 전지의 온도가 온도 Ta를 초과하는 경우에는, 연료 전지의 온도의 상승에 수반하여, 상기 제한율을 저감시키고, 제한율의 저감 비율을 임피던스가 작아지는 것에 수반하여 작아지게 하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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