KR101827606B1 - 연료 전지 시스템, 발전 감시 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 복수 셀마다의 전압에 기초하여 발전 상태를 판정하는 방법에 있어서, 판정 정밀도를 향상시키는 것이다. 에어의 유량이 소정값 이상인 경우(스텝 S210, "아니오"), 통상용의 판정 역치를 선택하고(스텝 S220), 에어의 유량이 소정값 미만인 경우(스텝 S210, "예"), 에어 결핍시용의 판정 역치를 선택한다(스텝 S225). 판정값이 판정 역치 미만인 경우(스텝 S250, "예"), 부전압의 발생을 검출한다(스텝 S270). 에어 결핍시용의 판정 역치는, 통상용의 판정 역치보다도, 이상 판정이 나오기 어려운 값이다.

Description

연료 전지 시스템, 발전 감시 방법{FUEL CELL SYSTEM AND POWER GENERATION MONITORING METHOD}
본원은, 2014년 11월 12일에 출원된 출원 번호 제2014-229452호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 전체가 참조에 의해 본원에 원용된다.
본 발명은 연료 전지에 의한 발전의 감시에 관한 것이다.
연료 전지 스택을 구성하는 복수 셀마다의 전압을 측정하고, 발전 상태를 감시하는 것이 알려져 있다(JP2013-69489).
상기 선행 기술의 경우, 복수 셀마다의 전압을 측정하고 있으므로, 1개씩의 셀의 전압을 정확하게 파악하는 것은 어렵다. 따라서, 이 측정값으로부터는, 각 셀에 의한 발전 상태가 정상인지 이상인지가 명확하지 않은 경우가 있다. 이상의 발전 상태로서는, 예를 들어 부전압의 발생을 들 수 있다. 부전압의 발생은, 셀의 열화로 이어지므로, 출력 제한 등의 조치에 의해 회피하는 것이 바람직하다. 따라서, 이상의 발전 상태인지의 여부가 상기 측정값으로부터 명확하지 않은 경우에는, 부전압이 발생했다고 판정함으로써, 부전압의 간과를 회피할 수 있다.
그러나, 상기한 판정 방법은, 실제로는 부전압이 발생하고 있지 않은 경우에도, 부전압이 발생했다는 오판정을 초래할 가능성이 있고, 나아가서는 불필요한 출력 제한을 야기할 가능성이 있다. 본원 발명은, 상기 선행 기술을 근거로 하여, 복수 셀마다의 전압에 기초하여 발전 상태를 판정하는 방법에 있어서, 판정 정밀도를 향상시키는 것을 해결 과제로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로, 이하의 형태로 하여 실현할 수 있다.
(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은; 연료 전지에 포함되는 2 이상의 셀에 의한 셀 전압의 합계값을 취득하는 취득부와; 상기 합계값이 제1 전압값인 경우에는 상기 2 이상의 셀의 적어도 일부에 의한 발전이 이상인 이상 발전이라고 판정하고, 상기 합계값이 상기 제1 전압값보다도 큰 제2 전압값인 경우에는 상기 2 이상의 셀에 의한 발전이 정상인 정상 발전이라고 판정하고, 상기 합계값이 상기 제1 전압값보다도 크고 상기 제2 전압값보다도 작은 제3 전압값인 경우, 캐소드 가스가 결핍되어 있을 때는 상기 정상 발전이라고 판정하고, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않을 때는 상기 이상 발전이라고 판정하는 판정부를 구비한다. 이 형태에 의하면, 상기한 합계값 외에, 캐소드 가스가 결핍되어 있는지의 여부를 가미함으로써, 발전 상태의 판정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
(2) 상기 형태에 있어서, 상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우, 판정값으로서 상기 합계값에 기초하여 산출되는 상기 셀 전압의 추정값을, 결핍시용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정해도 된다. 이 형태에 의하면, 다른 셀의 발전 상태에 영향받지 않고 판정을 할 수 있다.
(3) 상기 형태에 있어서, 상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우, 판정값으로서 상기 합계값과 상기 연료 전지의 발전 상태를 나타내는 대표 전압값의 비교 결과를, 통상용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정해도 된다. 이 형태에 의하면, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우에, 대표 전압값을 기준으로 한 판정을 할 수 있다.
(4) 상기 형태에 있어서, 상기 결핍시용 역치 및 상기 통상용 역치는, 동일한 값이어도 된다. 이 형태에 의하면, 캐소드 가스가 결핍되어 있는지의 여부로 역치를 변경하지 않아도 된다.
(5) 상기 형태에 있어서, 상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우, 판정값으로서 상기 합계값과 상기 연료 전지의 발전 상태를 나타내는 대표 전압값의 비교 결과를, 결핍시용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정해도 된다. 이 형태에 의하면, 캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우에, 대표 전압값을 기준으로 한 판정을 할 수 있다.
(6) 상기 형태에 있어서, 상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우, 상기 판정값을 통상용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정해도 된다. 이 형태에 의하면, 캐소드 가스가 결핍되어 있는지의 여부로 판정값을 변경하지 않아도 된다.
(7) 상기 형태에 있어서, 상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우, 상기 판정값이 상기 통상용 역치보다도 작은 것이 소정 시간, 계속된 경우에 상기 이상 발전이라고 판정해도 된다. 이 형태에 의하면, 외란에 의한 오판정을 억제할 수 있다.
(8) 상기 형태에 있어서, 상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우, 상기 판정값이 상기 결핍시용 역치보다도 작은 것이, 상기 소정 시간보다도 긴 시간, 계속된 경우에 상기 이상 발전이라고 판정해도 된다. 이 형태에 의하면, 캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우에는, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우에 비해, 이상 발전이라고 하는 판정 결과가 나오기 어려워진다. 나아가서는, 캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우에 있어서의 오판정의 가능성을 저감시킬 수 있다.
(9) 상기 형태에 있어서, 상기 비교 결과는, 상기 합계값으로부터 상기 대표 전압값을 감산하여 얻어지는 차이어도 된다. 이 형태에 의하면, 판정값을 간단하게 산출할 수 있다.
(10) 상기 형태에 있어서, 상기 대표 전압값은, 상기 연료 전지에 포함되는 모든 셀 각각에 의한 셀 전압을 평균한 값이어도 된다. 이 형태에 의하면, 연료 전지 전체의 발전 상태를 기준으로 한 판정을 할 수 있다.
(11) 상기 형태에 있어서, 상기 판정부는, 캐소드 가스의 유량에 기초하여, 캐소드 가스가 결핍되어 있는지의 여부를 판정해도 된다. 이 형태에 의하면, 캐소드 가스가 결핍되어 있는지를 용이하게 판정할 수 있다.
(12) 상기 판정부는, 발전 전류에 기초하여, 캐소드 가스가 결핍되어 있는지의 여부를 판정해도 된다. 이 형태에 의하면, 캐소드 가스가 결핍되어 있는지를 용이하게 판정할 수 있다.
본 발명은 상기 이외의 다양한 형태로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발전 감시 장치, 발전 감시 방법, 이 방법을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램, 이 컴퓨터 프로그램을 기억한 일시적이지 않은 기억 매체 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 연료 전지 시스템의 개략 구성도.
도 2는 취득부가 셀에 접속되는 모습을 도시하는 도면.
도 3은 측정 전압과 셀 전압의 관계를 나타내는 막대 그래프.
도 4는 발전 감시 처리를 나타내는 흐름도(제1 실시 형태).
도 5는 수소 결핍 및 에어 결핍이 진행된 경우에 있어서의 셀 전압의 변화를 나타내는 그래프.
도 6은 발전 감시 처리를 나타내는 흐름도(제2 실시 형태).
도 1은 자동차에 탑재되는 연료 전지 시스템(20)의 개략 구성을 도시한다. 연료 전지 시스템(20)은 애노드계(50)와, 캐소드계(60)와, 제어부(80)와, 취득부(85)와, 냉각계(90)와, 연료 전지(100)를 구비한다. 연료 전지(100)는 엔드 플레이트(110)와, 절연판(120)과, 집전판(130)과, 복수(예를 들어 400매)의 셀(140)과, 집전판(130)과, 절연판(120)과, 엔드 플레이트(110)가, 이 순서대로 적층된 스택 구조를 갖는다.
애노드계(50)는 수소 탱크(51)와, 탱크 밸브(52)와, 레귤레이터(53)와, 배관(54)과, 배출 제어 밸브(56)와, 배출 배관(57)과, 순환 펌프(58)를 구비한다. 수소 탱크(51)에 저장된 수소는, 탱크 밸브(52), 레귤레이터(53) 및 배관(54)을 통해, 연료 전지(100)의 애노드에 공급된다.
애노드 오프 가스(생성수를 포함함)는 배출 제어 밸브(56)가 개방되어 있는 경우, 배출 배관(57)으로부터 배출된다. 순환 펌프(58)는 애노드 오프 가스를 배관(54)에 다시 유입시킨다.
캐소드계(60)는 배관(61)과, 공기 압축기(62)와, 배출 배관(63)과, 압력계(65)를 구비한다. 공기 압축기(62)는 대기로부터 흡인한 에어를 압축하고, 배관(61)을 통해 연료 전지(100)의 캐소드에 공급한다. 캐소드 오프 가스(생성수를 포함함)는 배출 배관(57)을 통해 대기에 배출된다. 압력계(65)는 캐소드의 입구 부근의 압력을 계측한다.
냉각계(90)는 워터 펌프(91)와, 배관(92)과, 배관(93)과, 라디에이터(94)를 구비한다. 물 등의 냉각 매체는, 워터 펌프(91)에 의해, 배관(92)과, 연료 전지(100)와, 배관(93)과, 라디에이터(94)를 순환한다. 연료 전지(100)의 폐열이 라디에이터(94)에 있어서 대기에 방출됨으로써, 연료 전지(100)가 냉각된다.
제어부(80)는 판정부(82)를 구비한다. 제어부(80)는 상술한 각종 동작을 통괄 제어하거나, 통괄 제어에 필요한 정보를 취득함으로써, 연료 전지(100)에 의한 발전을 제어한다. 본 실시 형태에 있어서의 제어부(80)는 복수의 ECU에 의해 구성된다. 제어부(80)에 의한 상기 제어는, 이들 복수의 ECU가 서로 통신하고, 협조함으로써 실현되어 있다. 취득부(85)는 셀(140)의 발전 상태를 취득하고, 제어부(80)에 입력한다. 판정부(82)는 제어부(80)에 입력된 발전 상태를 취득한다.
도 2는 취득부(85)가 셀(140)에 접속되는 상태를 도시한다. 취득부(85)는 각 셀 그룹에 관한 셀 전압의 합계값을 측정한다. 판정부(82)는 취득부(85)에 의해 취득된 합계값을 취득한다. 본 실시 형태에 있어서의 셀 그룹은, 인접하는 2개의 셀(140)에 의해 구성된다. 이와 같은 구성에 의한 취득부(85)는 셀(140)마다 전압을 측정하는 구성에 비해, 저렴하게 제조할 수 있다. 이하, 상기한 합계값을 측정 전압이라고 한다.
연료 전지 시스템(20)은, 또한 전압계(87)와 전류계(89)를 구비한다. 전압계(87)는 발전 전압을 측정하고, 제어부(80)에 송신한다. 전류계(89)는 발전 전류를 측정하고, 제어부(80)에 송신한다. 제어부(80)는 발전 전압의 값, 발전 전류의 값을 상기한 통괄 제어에 사용한다.
도 3은 측정 전압과 셀 전압의 관계를 설명하기 위한 막대 그래프이다. 도 3의 (A)는 측정 전압 VA가, 스택 평균 셀 전압 Vm을 크게 초과하고 있는 경우를 예시한다. 스택 평균 셀 전압 Vm이란, 전압계(87)에 의한 측정값을 셀(140)의 수로 제산한 값이다. 스택 평균 셀 전압 Vm은, 본 실시 형태에 있어서의 대표 전압값이다. 측정 전압 VA로부터 스택 평균 셀 전압 Vm을 감산한 판정값 VdA(판정값 Vd에 대해서는 도 4와 함께 후술)는 정의 값이며, 스택 평균 셀 전압 Vm에 근사하는 값이다. 측정 전압 VA의 경우, 셀 전압 VA1, VA2는 양쪽 모두, 도 3의 (A)에 예시되는 바와 같이 스택 평균 셀 전압 Vm 부근의 값일 가능성이 높다. 셀 전압 VA1, VA2라 함은, 측정 전압 VA의 측정 대상으로 된 셀 그룹을 구성하는 각 셀(140)의 셀 전압으로서 추정되는 값을 의미한다. 이하, 「VA」를 「VB」 등으로 치환한 경우도 동일한 의미이다.
한편, 도 3의 (B), (C)에 예시된 측정 전압 VB, VC는, 부의 값인 동시에, 스택 평균 셀 전압 Vm을 대폭으로 하회한다. 이 결과, 판정값 VdB, VdC는 부의 값으로 된다. 이와 같은 경우에는, 적어도 일부의 셀(140)에 부전압이 발생하고 있을 가능성이 높다. 도 3의 (B)는 셀 전압 VB1, VB2가 양쪽 모두 부전압인 경우, (C)는 셀 전압 VC1이 정전압, 셀 전압 VC2가 부전압인 경우를 예시한다.
측정 전압의 취득은, 상기한 바와 같은 부전압이 발생하고 있는 셀(140)의 검출을 목적의 하나로 하고 있다. 부전압이 발생한 셀(140)은 열화가 진행되기 때문이다.
도 3의 (D), (E)에 예시된 측정 전압 VD, VE는, 정의 값이지만, 스택 평균 셀 전압 Vm보다 작다. 이에 따라, 판정값 VdD, VdE는 부의 값이 된다. 이와 같은 경우에는, 부전압이 발생하고 있는지의 여부를, 측정 전압으로부터 즉시 추측하는 것은 어렵다. 즉, 도 3의 (D)에 도시한 바와 같이 셀 전압 VD1, VD2의 양쪽 모두가 정전압일 가능성이 있는 한편, 도 3의 (E)에 도시한 바와 같이 셀 전압 VE1이 정전압이지만, 셀 전압 V2가 부전압일 가능성이 있다.
상기한 바와 같은 측정 전압과 셀 전압의 관계를 고려하여, 발전을 제어하기 위한 처리로서, 다음으로부터 발전 감시 처리를 설명한다.
도 4는 발전 감시 처리를 나타내는 흐름도이다. 발전 감시 처리는, 연료 전지(100)에 의한 발전 중, 제어부(80)에 의해 반복 실행된다. 보다 상세하게는, 제어부(80)에 포함되는 어느 1개의 ECU가 실행한다. 이 1개의 ECU는, 발전 감시 처리의 실행에 의해, 발전 감시 방법을 실현하는 발전 감시 장치로서 기능한다.
먼저, 에어의 유량이 소정값[예를 들어 1000NL(Normal Liter)] 미만인지를 판정부(82)가 판정한다(스텝 S210). 에어의 유량은, 대기 온도나, 압력계(65)에 의한 측정값, 공기 압축기(62)의 회전수 등으로부터 산출한다. 에어의 유량이 소정값 이상인 경우(스텝 S210, "아니오"), 통상용의 판정 역치(예를 들어 -0.2V)를 통상용 역치로서 선택하고(스텝 S220), 계속해서 통상용의 판정 시간(예를 들어 2초)을 선택한다(스텝 S230). 또한, 여기서 말하는 「통상」이라 함은, 적어도 에어 결핍(후술)은 발생하고 있지 않다고 하는 것을 의미한다.
상기한 판정 역치 및 판정 시간은, 발전의 이상을 검출하기 위한 스텝(후술하는 스텝 S250, S260)에서 사용되는 파라미터이다.
한편, 에어의 유량이 소정값 미만인 경우(스텝 S210, "예"), 에어 결핍시용의 판정 역치(예를 들어 -1.0V)를 결핍시용 역치로서 선택한다(스텝 S225). 에어 결핍시용의 판정 역치는, 통상용의 판정 역치보다도 작은 값이다. 계속해서 에어 결핍시용의 판정 시간(예를 들어 5초)을 선택한다(스텝 S235). 에어 결핍시용의 판정 시간은, 통상용의 판정 역치보다도 긴 시간이다. 다음부터, 상기한 에어 결핍에 대해 설명한다.
도 5는 수소 결핍이 발생한 경우와, 에어 결핍이 발생한 경우에 대해, 셀 전압의 변화를 개략적으로 나타내는 그래프이다. 수소 결핍이란, 애노드 가스의 결핍이며, 셀(140)에 있어서의 정상의 발전 반응에 필요한 양보다도 수소가 결핍된 상태를 의미한다. 에어 결핍이란, 캐소드 가스의 결핍이며, 셀(140)에 있어서의 정상의 발전 반응에 필요한 양보다도 산소가 결핍된 상태를 의미한다. 수소 결핍이 진행되면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 부전압을 발생시킨다. 이에 대해 에어 결핍이 진행되어도, 제로 V가 유지될 뿐이며, 부전압을 발생시키는 일은 없다.
따라서, 도 3과 함께 설명한 판정값 Vd가 부의 값으로 되는 경우에도, 그 원인이 에어 결핍이라면, 도 3의 (D)와 같이, 부전압은 발생하고 있지 않을 가능성이 높다. 따라서, 에어 결핍일 가능성이 높은 경우와, 그렇지 않은 경우에서, 부전압의 발생을 검출하기 위한 스텝에서 사용되는 파라미터를 전환한다. 상술한 스텝 S210은, 이 전환을 실현하기 위해, 에어 결핍의 발생을 검출하기 위한 판정 스텝이다. 에어의 유량이 적으면, 캐소드에 있어서의 수분 배출이 불충분해지고, 스토이키비가 충분해도, 일부의 셀에 대해 에어 결핍을 야기하기 쉬워진다.
상기한 바와 같이 판정 역치와 판정 시간을 선택한 후, 판정값 Vd를 산출한다(스텝 S240). 판정값 Vd는, 도 3과 함께 설명한 바와 같이, 측정 전압과 스택 평균 셀 전압 Vm의 비교 결과이며, 구체적으로는(측정 전압-스택 평균 셀 전압 Vm)에 의해 산출된다.
계속해서, 판정값 Vd와 판정 역치를 비교한 판정, 구체적으로는 판정값 Vd가 판정 역치 미만인지를 판정부(82)가 판정한다(스텝 S250). 이 판정 역치는, 상술한 바와 같이, 스텝 S220과 스텝 S225 중 어느 하나에서 선택된 것이다. 예를 들어 스택 평균 셀 전압이 0.7V인 경우, 판정 역치가 통상용의 -0.2V일 때, 측정 전압이 0.5V 미만이면 판정값 Vd가 판정 역치 미만이라고 판정된다.
한편, 예를 들어 스택 평균 셀 전압이 0.7V인 경우, 판정 역치가 에어 결핍시용의 -1.0V일 때, 측정 전압이 -0.3V 미만이면 판정값 Vd가 판정 역치 미만이라고 판정된다. 따라서, 측정 전압이 -0.3V 미만 또는 0.5V 이상인 경우, 판정 결과는 에어 결핍시인지 통상시인지에 의존하지 않는다. 이에 대해 측정 전압이 -0.3V 이상 0.5V 미만인 경우, 판정 결과는 에어 결핍시인지 통상시인지에 의존한다.
판정값 Vd가 판정 역치 미만인 경우(스텝 S250, "예"), 판정 시간이 경과하였는지를 판정한다(스텝 S260). 「판정 시간이 경과한다」고 함은, 첫회의 스텝 S250을 실행한 시각을 기준으로 하여, 스텝 S230 또는 스텝 S235에서 선택한 판정 시간이 경과하는 것을 의미한다.
판정 시간이 경과하고 있지 않은 경우(스텝 S260, "아니오"), 스텝 S210으로 복귀되고, 스텝 S250까지의 처리를 다시 실행한다. 판정값 Vd가 판정 역치 미만인 상태가 계속되면, 스텝 S210∼S250을 반복하고 있는 동안에, 판정 시간이 경과한다(스텝 S260, "예"). 이 경우, 이상 발전이라고 판정부(82)가 판정하고(스텝 S270), 출력 제한을 실시하여(스텝 S280), 발전 감시 처리를 종료한다. 상기한 이상 발전이란, 부전압의 발생을 말한다.
상기한 출력 제한이란, 연료 전지(100)에 의한 발전 전력이 상한값을 초과하지 않도록 제한하는 것을 말한다. 이 상한값은, 통상시에 있어서 설정되는 상한값보다도 낮은 값이다. 이러한 조치에 의해, 부전압에 의한 셀(140)의 열화를 억제한다.
한편, 판정 시간이 경과하기 전에, 판정값 Vd가 판정 역치 이상에 도달한 경우(스텝 S250, "아니오"), 정상 발전이라고 판정부(82)가 판정하고(스텝 S275), 발전 감시 처리를 종료한다. 즉, 출력 제한은 불필요하다고 판정한다. 이와 같이 판정하는 것은, 판정값 Vd가 판정 역치 이상이면, 수소 결핍이 발생하고 있지 않다고 추정되므로, 셀의 열화를 억제하는 것보다도 출력의 확보를 우선하기 위함이다.
상기한 제1 실시 형태에 의하면, 적어도 이하의 효과를 얻을 수 있다.
에어 결핍이 발생하고 있는 경우에 있어서의 판정 정밀도가 향상된다. 이것은, 에어 결핍이 검출된 경우, 통상의 경우에 비해, 이상 발전이라고 판정하는 기준(판정 역치 및 판정 시간)을 완화하기 때문이다.
판정값 Vd를 에어 결핍인지의 여부에 관계없이 변경하지 않으므로, 처리 부하가 경감된다.
판정값 Vd로서, 측정 전압으로부터 스택 평균 셀 전압 Vm을 감산한 값을 채용하고 있기 때문에, 일부의 셀에서 발생한 이상 발전을 검출하기 쉽다.
판정 시간을 사용한 판정 방법에 의해, 외란에 의한 오판정이 억제된다.
제2 실시 형태를 설명한다. 제2 실시 형태는 제1 실시 형태와 비교하면, 하드웨어 구성은 동일한 한편, 발전 감시 처리의 내용이 상이하다. 도 6은 제2 실시 형태에 있어서의 발전 감시 처리를 나타내는 흐름도이다.
발전 감시 처리를 개시하면, 전류계(89)로부터 취득한 발전 전류의 값이 소정값(예를 들어 50A) 미만인지를 판정부(82)가 판정한다(스텝 S310). 스텝 S310은, 제1 실시 형태의 스텝 S210과 마찬가지로, 에어 결핍의 발생을 검출하기 위한 판정 스텝이다. 발전 전류의 값이 작으면, 적절한 스토이키비를 확보하기 위한 에어의 유량도 작아진다. 이 결과, 제1 실시 형태에서 설명한 바와 같이 에어 결핍을 야기하기 쉬워진다.
발전 전류의 값이 소정값 이상인 경우(스텝 S310, "아니오"), 통상용의 판정값 Vd를 산출한다(스텝 S340). 통상용의 판정값 Vd라 함은, 제1 실시 형태에 있어서의 판정값 Vd와 동일하도록 산출되는 값이다. 즉, 통상용의 판정값 Vd는, (측정 전압-스택 평균 셀 전압 Vm)에 의해 산출된다. 통상용의 판정값 Vd는, 비교 결과이다. 스택 평균 셀 전압 Vm은, 본 실시 형태에 있어서의 대표 전압값이다.
한편, 발전 전류의 값이 소정값 미만인 경우(스텝 S310, "예"), 에어 결핍시용의 판정값 Vk를 산출한다(스텝 S345). 에어 결핍시용의 판정값 Vk는, (측정 전압/셀 그룹을 구성하는 셀수)에 의해 산출된다. 즉, 에어 결핍시용의 판정값 Vk는, 셀 그룹을 구성하는 셀(140)에 관한 평균 셀 전압이며, 측정 전압에 기초하여 산출되는 추정값이다. 이하, 이 값을, 그룹 평균 셀 전압이라고도 칭한다. 제2 실시 형태에 있어서의 그룹 평균 셀 전압은, (측정 전압/2)에 의해 산출된다.
판정값 Vk의 산출 후, 판정값 Vk가 판정 역치 미만인지를 판정부(82)가 판정한다(스텝 S350). 제2 실시 형태에서는, 판정 역치는 고정값(예를 들어 -0.2V)이다. 예를 들어, 에어 결핍시의 경우, 판정 역치가 -0.2V일 때는, 측정 전압이 -0.4V 미만이면 판정값 Vk가 판정 역치 미만이라고 판정된다. 한편, 통상시의 경우, 예를 들어 판정 역치가 -0.2V이며, 스택 평균 셀 전압이 0.7V일 때는, 측정 전압이 0.5V 미만이면 판정값 Vd가 판정 역치 미만이라고 판정된다. 따라서, 측정 전압이 -0.4V 미만 또는 0.5V 이상인 경우, 판정 결과는 에어 결핍시인지 통상시인지에 의존하지 않는다. 이에 대해 측정 전압이 -0.4V 이상 0.5V 미만인 경우, 판정 결과는 에어 결핍시인지 통상시인지에 의존한다.
판정값 Vk가 판정 역치 미만인 경우(스텝 S350, "예"), 판정 시간이 경과하였는지를 판정한다(스텝 S360). 제2 실시 형태에 있어서는, 판정 시간은 고정값(예를 들어 2초)이다.
판정 시간이 경과하고 있지 않은 경우(스텝 S360, "아니오"), 스텝 S310∼S350을 반복한다. 판정 시간이 경과한 경우(스텝 S360, "예"), 제1 실시 형태와 마찬가지로, 이상 발전이라고 판정부(82)가 판정하고(스텝 S370), 출력 제한을 실시하여(스텝 S380), 발전 감시 처리를 종료한다.
한편, 판정 시간이 경과하기 전에, 판정값 Vk가 역치 이상에 도달한 경우(스텝 S350, "아니오"), 정상 발전이라고 판정부(82)가 판정하고(스텝 S375), 발전 감시 처리를 종료한다.
상기한 제2 실시 형태에 의하면, 적어도 이하의 효과를 얻을 수 있다.
에어 결핍이 발생하는 경우에 있어서의 판정 정밀도가 향상된다. 이것은, 에어 결핍이 검출된 경우, 그룹 평균 셀 전압을 판정 역치와 비교하는 판정 방법을 채용하기 때문이다. 에어 결핍이 발생하고 있는 경우, 부전압이 발생하고 있을 가능성은 낮다. 따라서, 에어 결핍이 발생하고 있는 경우, 그룹 평균 셀 전압 자체가, 부전압의 발생을 나타내는 값(-0.2V 미만)인지의 여부라고 하는 판정 방법을 채용함으로써, 스택 평균 셀 전압을 고려한 판정 방법에 비해, 판정 기준의 완화와 판정 정밀도의 향상을 양립시킬 수 있다.
판정 역치와 판정 시간을 에어 결핍인지의 여부에 관계없이 변경하지 않으므로, 처리 부하가 경감된다.
본 발명은 본 명세서의 실시 형태나 실시예, 변형예로 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 개요의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 실시예, 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 또는, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절히, 변경이나, 조합을 행할 수 있다. 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히, 삭제할 수 있다. 예를 들어, 이하의 변형예를 들 수 있다.
에어 결핍이 발생하고 있는지의 여부의 판정 방법은, 제1, 2 실시 형태로서 개시된 2개의 방법(스텝 S210, S310) 외에도 다양하게 생각된다. 예를 들어 이하의 (a), (b), (c)의 경우에, 에어 결핍이 발생했다고 판정해도 된다. (a), (b), (c)의 판정 방법은, 어느 1개만 사용해도 되고, 복수의 조건을 조합해도 된다. 복수의 조건을 조합하는 경우, 제1, 2 실시 형태의 방법 중 적어도 어느 하나와 조합해도 된다. 조합하는 방법은 AND 조건이나 OR 조건 등, 어떤 방법이어도 된다.
(a) 애노드계의 순환 펌프의 회전수가 소정값(예를 들어 500rpm) 이상인 경우, (b) 연료 전지 시스템을 탑재한 자동차의 자세(기울기)가 캐소드로부터의 배수를 저해하는 경우, (c) 연료 전지 시스템을 탑재한 자동차의 가속도가 캐소드로부터의 배수를 저해하는 경우.
상기 (a)에 대해, 애노드계의 순환 펌프의 회전수가 소정값 이상인 것은, 수소 결핍이 발생하고 있지 않을 가능성이 높은 것을 나타낸다. 따라서, 상기 (a)는 에어 결핍의 발생 가능성을 나타내는 판정 기준으로서 사용할 수 있다.
상기 (b), (c)에 대해, 예를 들어 제1, 2 실시 형태의 경우, 배수의 방향이, 자동차의 전후 방향 후방으로 되도록, 연료 전지가 탑재되어 있다. 이와 같은 경우에는, 자동차의 리어가 프론트보다도 높아지면, 배수가 저해된다. 또는, 자동차의 전후 방향 후방의 가속도가 소정값(예를 들어 0.5G 이상)이 되면, 배수가 저해된다.
에어 결핍이 발생한 경우에 변경하는 내용은, 판정값, 판정 역치, 판정 시간 중 어느 하나이어도 되고, 2개 이상을 조합해도 된다. 예를 들어 제2 실시 형태와 같이, 에어 결핍이 발생하고 있는지의 여부에 기초하여 판정값을 변경하는 경우에, 판정 역치도 변경해도 된다.
에어 결핍이 발생한 경우, 이상 발전의 검출을 정지해도 된다.
제2 실시 형태에 있어서 설명한 에어 결핍시용의 판정값은, 셀 그룹에 포함되는 셀수로 제산하지 않아도 되고, 예를 들어 측정 전압 그 자체이어도 된다. 측정 전압 그 자체를 판정값으로서 사용하는 경우, 판정 역치를 변경해도 된다. 예를 들어, 제2 실시 형태의 경우라면, 판정 역치를 2배하여 -0.4V로 해도 된다. 이와 같이 해도, 에어 결핍 시에 있어서의 판정 방법으로서는 실질적으로 변함이 없다.
제2 실시 형태에 있어서 설명한 에어 결핍시용의 판정값과 비교하는 판정 역치는, 제로 V이어도 되고 정의 값이어도 된다.
제1 실시 형태에 있어서의 판정값이나, 제2 실시 형태에 있어서의 통상용의 판정값은, 측정값으로부터 스택 평균 셀 전압을 감산한 값이 아니어도 된다. 예를 들어, 스택 평균 셀 전압 대신에 일부의 셀(예를 들어 전체의 절반의 셀)에 관한 평균 셀 전압을 사용해도 된다. 또는, 측정값과 스택 평균 셀 전압의 비이어도 된다.
셀 그룹을 구성하는 셀의 수는, 복수라면 몇이어도 된다.
셀 그룹을 구성하지 않는 셀을 포함해도 된다. 즉, 1개의 셀마다 전압이 측정되는 것이 포함되어도 된다.
셀 그룹을 구성하는 셀의 수는, 통일되어 있지 않아도 된다.
전압이 측정되지 않는 셀이 포함되어 있어도 된다.
발전 감시 처리의 실행 주체는, 1개의 ECU가 아니어도 되고, 복수의 ECU(제어 장치)이어도 된다. 즉, 복수의 ECU가 서로 통신하고, 협조하여 발전 감시 처리를 실행해도 된다.
연료 전지의 용도는, 자동차용이 아니어도 된다. 예를 들어, 다른 수송용 기기(이륜차, 전철 등)에 탑재되는 것이어도 되고, 거치의 발전용이어도 된다.
상기 실시 형태에 있어서, 소프트웨어에 의해 실현된 기능 및 처리의 적어도 일부는, 하드웨어에 의해 실현되어도 된다. 또한, 하드웨어에 의해 실현된 기능 및 처리의 적어도 일부는, 소프트웨어에 의해 실현되어도 된다. 하드웨어로서는, 예를 들어 집적 회로, 디스크리트 회로, 또는 그들의 회로를 조합한 회로 모듈 등, 각종 회로(circuitry)를 사용할 수 있다.
20 : 연료 전지 시스템
50 : 애노드계
51 : 수소 탱크
52 : 탱크 밸브
53 : 레귤레이터
54 : 배관
56 : 배출 제어 밸브
57 : 배출 배관
58 : 순환 펌프
60 : 캐소드계
61 : 배관
62 : 공기 압축기
63 : 배출 배관
65 : 압력계
80 : 제어부
82 : 판정부
85 : 취득부
87 : 전압계
89 : 전류계
90 : 냉각계
91 : 워터 펌프
92 : 배관
93 : 배관
94 : 라디에이터
100 : 연료 전지
110 : 엔드 플레이트
120 : 절연판
130 : 집전판
140 : 셀

Claims (20)

  1. 연료 전지에 포함되는 2 이상의 셀에 의한 셀 전압의 합계값을 취득하는 취득부와,
    상기 합계값이 제1 전압값인 경우에는 상기 2 이상의 셀의 적어도 일부에 의한 발전이 이상인 이상 발전이라고 판정하고, 상기 합계값이 상기 제1 전압값보다도 큰 제2 전압값인 경우에는 상기 2 이상의 셀에 의한 발전이 정상인 정상 발전이라고 판정하고, 상기 합계값이 상기 제1 전압값보다도 크고 상기 제2 전압값보다도 작은 제3 전압값인 경우, 캐소드 가스가 결핍되어 있을 때는 상기 정상 발전이라고 판정하고, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않을 때는 상기 이상 발전이라고 판정하는 판정부를 구비하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우, 판정값으로서 상기 합계값에 기초하여 산출되는 상기 셀 전압의 추정값을, 결핍시용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우, 판정값으로서 상기 합계값과 상기 연료 전지의 발전 상태를 나타내는 대표 전압값의 비교 결과를, 통상용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 결핍시용 역치 및 상기 통상용 역치는, 동일한 값인, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우, 판정값으로서 상기 합계값과 상기 연료 전지의 발전 상태를 나타내는 대표 전압값의 비교 결과를, 결핍시용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정하는 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우, 상기 판정값을 통상용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제3항, 제4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우, 상기 판정값이 상기 통상용 역치보다도 작은 것이 소정 시간, 계속된 경우에 상기 이상 발전이라고 판정하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 판정부는, 캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우, 상기 판정값이 상기 결핍시용 역치보다도 작은 것이, 상기 소정 시간보다도 긴 시간, 계속된 경우에 상기 이상 발전이라고 판정하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비교 결과는, 상기 합계값으로부터 상기 대표 전압값을 감산하여 얻어지는 차인, 연료 전지 시스템.
  10. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대표 전압값은, 상기 연료 전지에 포함되는 모든 셀 각각에 의한 셀 전압을 평균한 값인, 연료 전지 시스템.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판정부는, 캐소드 가스의 유량에 기초하여, 캐소드 가스가 결핍되어 있는지의 여부를 판정하는, 연료 전지 시스템.
  12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판정부는, 발전 전류에 기초하여, 캐소드 가스가 결핍되어 있는지의 여부를 판정하는, 연료 전지 시스템.
  13. 연료 전지에 포함되는 2 이상의 셀에 의한 셀 전압의 합계값을 취득하고,
    상기 합계값이 제1 전압값인 경우에는 상기 2 이상의 셀의 적어도 일부에 의한 발전이 이상인 이상 발전이라고 판정하고, 상기 합계값이 상기 제1 전압값보다도 큰 제2 전압값인 경우에는 상기 2 이상의 셀에 의한 발전이 정상인 정상 발전이라고 판정하고, 상기 합계값이 상기 제1 전압값보다도 크고 상기 제2 전압값보다도 작은 제3 전압값인 경우, 캐소드 가스가 결핍되어 있을 때는 상기 정상 발전이라고 판정하고, 캐소드 가스가 결핍되어 있지 않을 때는 상기 이상 발전이라고 판정하는, 발전 감시 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우, 판정값으로서 상기 합계값에 기초하여 산출되는 상기 셀 전압의 추정값을, 결핍시용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정하는, 발전 감시 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우, 판정값으로서 상기 합계값과 상기 연료 전지의 발전 상태를 나타내는 대표 전압값의 비교 결과를, 통상용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정하는, 발전 감시 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 결핍시용 역치 및 상기 통상용 역치는, 동일한 값인, 발전 감시 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우, 판정값으로서 상기 합계값과 상기 연료 전지의 발전 상태를 나타내는 대표 전압값의 비교 결과를, 결핍시용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정하는, 발전 감시 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우, 상기 판정값을 통상용 역치와 비교함으로써 상기 정상 발전인지 상기 이상 발전인지를 판정하는, 발전 감시 방법.
  19. 제15항, 제16항 또는 제18항에 있어서,
    캐소드 가스가 결핍되어 있지 않은 경우, 상기 판정값이 상기 통상용 역치보다도 작은 것이 소정 시간, 계속된 경우에 상기 이상 발전이라고 판정하는, 발전 감시 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    캐소드 가스가 결핍되어 있는 경우, 상기 판정값이 상기 결핍시용 역치보다도 작은 것이, 상기 소정 시간보다도 긴 시간, 계속된 경우에 상기 이상 발전이라고 판정하는, 발전 감시 방법.
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