KR101828656B1

KR101828656B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지의 제어 방법

Info

Publication number: KR101828656B1
Application number: KR1020150150963A
Authority: KR
Inventors: 요헤이 오카모토; 유타카 다노; 미츠히로 나다; 도모히코 가네코
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2018-02-12
Also published as: CA2909850C; CN105609829A; DE102015118844A1; US20160141689A1; DE102015118844B4; JP6314799B2; KR20160057307A; US10158136B2; CN105609829B; CA2909850A1; JP2016095964A

Abstract

본 발명은, 연료 전지에 교류를 인가하여도, 연료 전지의 제어를 안정시키는 것을 과제로 한다. 목표 전력값을 결정하고(스텝 S500), 계속해서, 목표 전력값을 기준으로 불감대를 설정한다(스텝 S600). 전력값이 불감대의 범위 내인 경우(스텝 S700, 예), 전력값을 목표 전력값에 근접하는 제어를 정지한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL CONTROL METHOD}

본원은, 2014년 11월 13일에 출원된 출원번호 제2014-230379호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 전부가 참조에 의해 본원에 도입된다.

본 발명은, 연료 전지에 관한 것이다.

연료 전지의 건조를 검출하기 위해서, 연료 전지에 교류를 인가하는 방법이 알려져 있다. 이와 같이 교류를 인가함으로써, 셀 전압의 측정값은, 교류의 전압이 발전 전압에 중첩된 값으로 된다(JP2007-053013).

통상, 연료 전지에 의한 발전을 제어하기 위해서는, 셀 전압이 제어된다. 그러나, 상기 선행 기술의 경우, 상기와 같이 셀 전압의 측정값에 교류의 전압이 중첩되므로, 셀 전압의 제어가, 교류에 영향을 받아서 불안정해지는 경우가 있었다. 이와 같은 과제는, 셀 전압의 제어에 한정되지 않고, 연료 전지에 의한 발전 상태를 나타내는 어떠한 값이며, 교류의 영향을 받는 값(이하 「제어 대상값」이라고도 함)을 제어하는 경우에 공통이었다. 본 발명은, 상기를 감안하여, 연료 전지에 교류를 인가하여도, 제어 대상값의 제어를 안정시키는 것을 해결 과제로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위한 것으로, 이하의 형태로서 실현할 수 있다.

본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 연료 전지에 의한 발전 상태를 나타내는 값이며, 상기 연료 전지에 인가된 교류에 영향을 받는 값인 제어 대상값을, 목표값에 근접하도록 제어하는 발전 제어부와, 상기 목표값을 기준으로 하여, 불감대를 설정하는 불감대 설정부와, 상기 제어 대상값이 상기 불감대에 포함되는 경우, 상기 발전 제어부에 의한 제어를 정지시키는 정지부를 구비한다. 이 형태에 의하면, 연료 전지에 교류를 인가하여도, 제어 대상값의 제어가 안정되기 쉬워진다. 왜냐하면, 불감대가 설정되어 있으므로, 제어 대상값이 교류에 의해 영향을 받아도, 발전 제어부의 제어가 그 영향에 추종하는 것을 억제할 수 있기 때문이다.

상기 형태에 있어서, 상기 발전 제어부는, 상기 발전 상태를 나타내는 물리량을 시계열에 대하여 평활화 처리한 값을, 상기 제어 대상값으로서 취득하여도 된다. 이 형태에 의하면, 제어가 보다 안정된다.

상기 형태에 있어서, 상기 평활화 처리에 이용하는 처리 조건으로서, 상기 발전 상태가 정상 상태인 경우에는 정상 상태용 조건을 선택하고, 상기 발전 상태가 과도 상태인 경우에는 과도 상태용 조건을 선택하는 선택부를 구비하여도 된다. 이 형태에 의하면, 발전 상태가 정상 상태인지 과도 상태인지에 따라서, 평활화 처리의 조건을 선택할 수 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 불감대 설정부는, 상기 교류의 성분을 상기 정상 상태용 조건에 의해 상기 평활화 처리를 실행함으로써 얻어지는 값의 진폭 이상의 폭을 갖는 범위를, 상기 불감대의 편 폭으로서 설정하여도 된다. 이 형태에 의하면, 발전 상태가 정상 상태인 경우, 발전 제어부가 정지하기 쉬워지므로, 제어 대상값의 제어가 안정된다.

상기 형태에 있어서, 상기 과도 상태용 조건은, 상기 정상 상태용 조건보다도, 현재에 보다 가까운 시각에서의 값이 상기 제어 대상값에 의해 반영되는 조건이어도 된다. 이 형태에 의하면, 발전 상태가 과도 상태인 경우에는, 제어 대상값의 제어 응답성이 양호해진다.

상기 형태에 있어서, 상기 불감대 설정부는, 상기 교류의 성분을 상기 과도 상태용 조건에 의해 상기 평활화 처리를 실행함으로써 얻어지는 값의 진폭보다도 작은 폭을 갖는 범위를, 상기 불감대의 편 폭으로서 설정하여도 된다. 이 형태에 의하면, 불감대가 상기와 같이 작은 폭을 갖는 범위로 설정되어 있으므로, 제어 대상값의 제어 응답성이 양호해진다.

상기 형태에 있어서, 상기 선택부는, 전류값의 변동과 전압값의 변동 중 적어도 어느 한쪽에 기초하여, 상기 발전 상태가 상기 과도 상태인지 상기 정상 상태인지를 판정하여도 된다. 이 형태에 의하면, 발전 상태가 과도 상태인지 정상 상태인지를 용이하게 판정할 수 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 교류의 인가와, 상기 연료 전지의 발전 전압에 상기 교류가 중첩된 전압의 측정을 실행하는 회로를 구비하고, 상기 발전 제어부는, 상기 회로에 의해 측정된 전압에 기초하여, 상기 물리량을 취득하여도 된다. 이 형태에 의하면, 상기의 회로에 복수의 기능을 갖게 할 수 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 회로는, 상기 발전 전압을 변압하는 컨버터이어도 된다. 이 형태에 의하면, 컨버터에 복수의 기능을 갖게 할 수 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 물리량은, 전력이어도 된다. 이 형태에 의하면, 상기 형태를 전력값의 제어에 적용할 수 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 불감대 설정부는, 상기 불감대의 상한값과 상기 목표값의 차가, 상기 목표값과 상기 목표값의 상한값과의 차보다도 작은 경우, 상기 불감대의 상한값을 상기 목표값의 상한값보다도 큰 값으로 설정하여도 된다. 이 형태에 의하면, 제어 대상값이 목표값의 상한값을 초과하여도, 불감대의 범위 내이면, 발전 제어부를 정지시킬 수 있다.

본 발명은, 상기 이외의 다양한 형태로 실현할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지의 제어 방법이나, 이 방법을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램, 이 컴퓨터 프로그램을 기억한 일시적이지 않은 기억 매체, 이 컴퓨터 프로그램을 실행하는 발전 제어 장치 등의 형태로 실현할 수 있다.

도 1은, 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 연료 전지 시스템의 전기적 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은, 발전 제어 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 4는, 평활화 조건 선택 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 5는, 발전 제어 처리에 의한 제어 결과의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 정상 상태용 조건과 과도 상태용 조건을 비교하기 위한 그래프이다.

도 1은, 연료 전지 시스템(100)의 구성을 나타내는 개략도이다. 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지(10)와, 제어부(20)와, 캐소드 가스 공급부(30)와, 캐소드 가스 배출부(40)와, 애노드 가스 공급부(50)와, 애노드 가스 순환 배출부(60)와, 냉매 공급부(70)를 구비한다.

연료 전지(10)는, 반응 가스로서 수소(애노드 가스)와 공기(캐소드 가스)와의 공급을 받아서 발전하는 고체 고분자형 연료 전지이다. 연료 전지(10)는, 복수(예를 들어 400)의 셀(11)이 적층된 스택 구조를 갖는다. 각 셀(11)은, 전해질막의 양면에 전극을 배치한 발전체인 막전극 접합체와, 막전극 접합체를 끼움 지지하는 2매의 세퍼레이터를 갖는다.

전해질막은, 습윤 상태에서 양호한 프로톤 전도성을 나타내는 고체 고분자 박막에 의해 구성된다. 전극은, 카본에 의해 구성된다. 전극의 전해질막측의 면에는, 발전 반응을 촉진시키기 위한 백금 촉매가 담지되어 있다. 각 셀(11)에는, 반응 가스나 냉매를 위한 매니폴드(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 매니폴드의 반응 가스는, 각 셀(11)에 설치된 가스 유로를 통하여, 각 셀(11)의 발전 영역에 공급된다.

제어부(20)는, 선택부(23)와, 불감대 설정부(26)와, 정지부(27)와, 발전 제어부(28)를 구비한다. 제어부(20)는, 부하(200)로부터의 발전 요구를 받아, 그 요구에 따라서, 이하에 설명하는 연료 전지 시스템(100)의 각 구성부를 제어하고, 연료 전지(10)에 의한 발전을 실현한다.

캐소드 가스 공급부(30)는, 캐소드 가스 배관(31)과, 공기 압축기(32)와, 개폐 밸브(34)를 구비한다. 캐소드 가스 배관(31)은, 연료 전지(10)의 캐소드측에 접속된 배관이다. 공기 압축기(32)는, 캐소드 가스 배관(31)을 통해 연료 전지(10)와 접속되어 있으며, 외기를 도입해서 압축한 공기를, 캐소드 가스로서 연료 전지(10)에 공급한다. 제어부(20)의 발전 제어부(28)는, 공기 압축기(32)를 구동함으로써, 연료 전지(10)에 대한 공기의 공급량을, 부하(200)로의 전력 공급과 관련지어 제어한다.

개폐 밸브(34)는, 공기 압축기(32)와 연료 전지(10)의 사이에 설치되어 있으며, 캐소드 가스 배관(31)에 있어서의 공급 공기의 흐름에 따라서 개폐한다. 구체적으로는, 개폐 밸브(34)는, 통상적으로 폐쇄된 상태이며, 공기 압축기(32)로부터 소정의 압력을 갖는 공기가 캐소드 가스 배관(31)에 공급되었을 때 개방된다.

캐소드 가스 배출부(40)는, 캐소드 배기 가스 배관(41)과, 압력 조절 밸브(43)를 구비한다. 캐소드 배기 가스 배관(41)은, 연료 전지(10)의 캐소드측에 접속된 배관이며, 캐소드 배기 가스를 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출한다. 압력 조절 밸브(43)는, 캐소드 배기 가스 배관(41)에 있어서의 캐소드 배기 가스의 압력[연료 전지(10)의 배압]을 조정한다.

애노드 가스 공급부(50)는, 애노드 가스 배관(51)과, 수소 탱크(52)와, 개폐 밸브(53)와, 레귤레이터(54)와, 인젝터(55)를 구비한다. 수소 탱크(52)는, 애노드 가스 배관(51)을 통해 연료 전지(10)의 애노드와 접속되어 있으며, 탱크 내에 충전된 수소를 연료 전지(10)에 공급한다.

개폐 밸브(53), 레귤레이터(54), 인젝터(55)는, 애노드 가스 배관(51)에, 이 순서로 상류측[즉 수소 탱크(52)에 가까운 측]으로부터 설치되어 있다. 개폐 밸브(53)는, 제어부(20)로부터의 지령에 의해 개폐하고, 수소 탱크(52)로부터 인젝터(55)의 상류측으로의 수소의 유입을 제어한다. 레귤레이터(54)는, 인젝터(55)의 상류측에 있어서의 수소의 압력을 조정하기 위한 감압 밸브이다.

인젝터(55)는, 제어부(20)에 의해 설정된 구동 주기나 개방 밸브 시간에 따라서, 밸브체가 전자적으로 구동하는 전자 구동식 개폐 밸브이다. 제어부(20)는, 인젝터(55)의 구동 주기나 개방 밸브 시간을 제어함으로써, 연료 전지(10)에 공급되는 수소의 양을 제어한다.

애노드 가스 순환 배출부(60)는, 애노드 배기 가스 배관(61)과, 기액 분리부(62)와, 애노드 가스 순환 배관(63)과, 수소 순환용 펌프(64)와, 애노드 배수 배관(65)과, 배수 밸브(66)를 구비한다. 애노드 배기 가스 배관(61)은, 연료 전지(10)의 애노드 출구와 기액 분리부(62)를 접속하는 배관이며, 발전 반응에 사용되는 적이 없던 미반응 가스(수소나 질소 등)를 포함하는 애노드 배기 가스를 기액 분리부(62)로 유도한다.

기액 분리부(62)는, 애노드 가스 순환 배관(63)과, 애노드 배수 배관(65)에 접속되어 있다. 기액 분리부(62)는, 애노드 배기 가스에 포함되는 기체 성분과 수분을 분리하고, 기체 성분에 대해서는, 애노드 가스 순환 배관(63)으로 유도하고, 수분에 대해서는 애노드 배수 배관(65)으로 유도한다.

애노드 가스 순환 배관(63)은, 애노드 가스 배관(51)의 인젝터(55)보다 하류에 접속되어 있다. 애노드 가스 순환 배관(63)에는, 수소 순환용 펌프(64)가 설치되어 있으며, 이 수소 순환용 펌프(64)에 의해, 기액 분리부(62)에 있어서 분리된 기체 성분에 포함되는 수소는, 애노드 가스 배관(51)으로 송출된다. 이와 같이, 이 연료 전지 시스템(100)에서는, 애노드 배기 가스에 포함되는 수소를 순환시켜서, 다시 연료 전지(10)에 공급함으로써, 수소의 이용 효율을 향상시키고 있다.

애노드 배수 배관(65)은, 기액 분리부(62)에 있어서 분리된 수분을 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출하기 위한 배관이다. 배수 밸브(66)는, 애노드 배수 배관(65)에 설치되어 있으며, 제어부(20)로부터의 지령에 따라서 개폐한다. 제어부(20)는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 중에는, 통상적으로 배수 밸브(66)를 폐쇄해 두고, 미리 설정된 소정의 배수 타이밍이나, 애노드 배기 가스 중의 불활성 가스의 배출 타이밍에 배수 밸브(66)를 개방한다.

냉매 공급부(70)는, 냉매용 배관(71)과, 라디에이터(72)와, 냉매 순환용 펌프(73)를 구비한다. 냉매용 배관(71)은, 연료 전지(10)에 설치된 냉매용 입구 매니폴드와 출구 매니폴드를 연결하는 배관이며, 연료 전지(10)를 냉각하기 위한 냉매를 순환시킨다. 라디에이터(72)는, 냉매용 배관(71)에 설치되어 있으며, 냉매용 배관(71)을 흐르는 냉매와 외기의 사이에서 열 교환시킴으로써 냉매를 냉각한다.

냉매 순환용 펌프(73)는, 냉매용 배관(71)에 있어서, 라디에이터(72)보다 하류측[연료 전지(10)의 냉매 입구측]에 설치되어 있으며, 라디에이터(72)에 있어서 냉각된 냉매를 연료 전지(10)로 송출한다.

도 2는, 연료 전지 시스템(100)의 전기적 구성을 나타내는 개략도이다. 연료 전지 시스템(100)은, 전술한 제어부(20) 등에 추가로, 이차 전지(81)와, FDC(82)와, DC/AC 인버터(83)와, BDC(85)와, 셀 전압 계측부(91)와, 전류 계측부(92)를 구비한다.

셀 전압 계측부(91)는, 연료 전지(10)의 각 셀(11)과 접속되어 있으며, 각 셀(11)의 전압(셀 전압)을 계측한다 . 셀 전압 계측부(91)는, 그 계측 결과를 제어부(20)로 송신한다. 전류 계측부(92)는, 연료 전지(10)에 의한 발전 전류의 값(이하 「측정 전류값」이라고 함)을 계측하고, 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)로 송신된 측정 전류값은, 선택부(23)에 입력된다.

FDC(82) 및 BDC(85)는, DC/DC 컨버터로서 구성된 회로이다. FDC(82)는, 제어부(20)의 제어에 기초하여, 연료 전지(10)에 의한 발전 전류와 발전 전압을 제어함과 함께, 발전 전압을 변압하여 DC/AC 인버터(83)에 공급한다. 또한, FDC(82)는, 발전 전압의 값(이하 「측정 전압값」이라고 함)을 측정하여 제어부(20)로 송신한다. 제어부(20)로 송신된 측정 전압값은, 선택부(23)에 입력된다. BDC(85)는, 제어부(20)의 제어에 기초하여 이차 전지(81)의 충방전을 제어한다. 이차 전지(81)는, 리튬 이온 전지로 구성되고, 연료 전지(10)의 보조 전원으로서 기능한다.

DC/AC 인버터(83)는, 연료 전지(10)와 부하(200)에 접속되어 있다. DC/AC 인버터(83)는, 연료 전지(10)와 이차 전지(81)로부터 얻어진 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 부하(200)에 공급한다. 부하(200)에 있어서 발생한 회생 전력은, DC/AC 인버터(83)에 의해 직류 전류로 변환되고, BDC(85)에 의해 이차 전지(81)에 충전된다.

FDC(85)는, 제어부(20)의 지령에 추종하여, 연료 전지(10)에 저주파(예를 들어 20㎐)의 교류 신호를 인가한다. FDC(85)는, 이 교류 신호를, 연료 전지(10)로부터의 발전 전류에 중첩시켜 인가한다. 따라서, 전류 계측부(92)에 의한 측정 전류값 및 FDC(85)에 의한 측정 전압값은, 이 교류 신호가 중첩된 값으로 된다.

상기의 교류 신호의 인가는, 연료 전지(10)에 포함되는 전해질막이 건조되어 있는 것인지 습윤하고 있는 것인지를 판정하기 위해 실행된다. 연료 전지(10)에 교류 신호를 인가하면, 연료 전지(10)의 임피던스를 측정할 수 있다. 연료 전지(10)의 임피던스는, 연료 전지(10) 내의 수분량을 반영하는 것이 알려져 있으며, 상기 판정에 이용할 수 있다.

도 3은, 발전 제어 처리를 나타내는 흐름도이다. 발전 제어 처리는, 연료 전지(10)에 의한 발전 중, 제어부(20)에 의해 반복 실행된다. 제어부(20)는, 발전 제어 처리를 실행함으로써, 발전 제어 방법을 실현하는 발전 제어 장치로서 기능한다.

우선, 평활화 조건 선택 처리를 실행한다(스텝 S300). 도 4는, 평활화 조건 선택 처리를 나타내는 흐름도이다. 평활화 조건 선택 처리의 각 스텝은, 제어부(20)의 선택부(23)에 의해 실행된다. 우선, 측정 전류값을 대상으로, 평활화 처리를 실행한다(스텝 S310). 본 실시 형태에서는, 평활화 처리의 구체적 방법으로서 이동 평균에 의한 필터 처리(어닐링 처리)를 사용한다. 측정 전류값을 대상으로 한 필터 처리에 이용하는 조건은, 미리 정해져 있다. 이 조건이라 함은, 시계열 구간과, 각 시각의 가중치 부여를 의미한다. 이 시계열 구간이라 함은, 현재 시각으로부터 어느 정도의 과거까지 거슬러 올라서 산출 결과에 반영시킬지를 나타내는 시간의 길이이다. 가중치 부여는, 현재 시각에 가까운 값일수록 무거워지도록 정해져 있다.

다음으로, 측정 전압값을 대상으로, 평활화 처리를 실행한다(스텝 S315). 스텝 S315는, 스텝 S310에 있어서의 평활화 처리와 마찬가지의 것이다. 또한, 이 필터 처리에 이용하는 조건은, 스텝 S310과 동일하여도 되고 상이하여도 된다.

계속해서, 상기의 평활화 처리에 의해 산출된 전류값(평활화 전류값)과, 현재의 측정 전류값(현재 전류값)의 차의 절댓값이, 임계값 ThI 미만인지를 판정한다(스텝 S320). 스텝 S320은, 전류가 과도 상태에 있는지 정상 상태에 있는지를 판정하는 스텝이며, 상기의 임계값 ThI는, 이 판정에 적합한 값으로서 미리 정해져 있다.

평활화 전류값과 현재 전류값과의 차의 절댓값이 임계값 ThI 미만인 경우(스텝 S320, 예), 상기의 평활화 처리에 의해 산출된 전압값(평활화 전압값)과, 현재의 측정 전압값(현재 전압값)의 차의 절댓값이 임계값 ThV 미만인지를 판정한다(스텝 S340). 스텝 S340은, 스텝 S320과 마찬가지의 것이다.

평활화 전압값과 현재 전압값과의 차의 절댓값이 임계값 ThV 미만인 경우(스텝 S340, 예), 정상 상태용 조건을 선택하고(스텝 S350), 평활화 조건 선택 처리를 종료한다. 정상 상태용 조건이란, 전류값과 전압값이 모두 정상 상태인 경우에, 즉 발전 상태가 정상 상태인 경우에 선택되는 조건이며, 측정 전력값을 대상으로 한 평활화 처리(도 3과 함께 후술)에 이용된다.

한편, 평활화 전류값과 현재 전류값과의 차의 절댓값이 임계값 ThI 이상인 경우(스텝 S320, 아니오), 또는 평활화 전압값과 현재 전압값의 차의 절댓값이 임계값 ThV 이상인 경우(스텝 S340, 아니오), 과도 상태용 조건을 선택하고(스텝 S360), 평활화 조건 선택 처리를 종료한다. 과도 상태용 조건이라 함은, 전류값과 전압값 중 적어도 한쪽이 과도 상태인 경우에, 즉 발전 상태가 과도 상태인 경우에 선택되는 조건이며, 측정 전력값을 대상으로 한 평활화 처리(도 3과 함께 후술)에 이용된다.

정상 상태용 조건은, 과도 상태용 조건에 비하여, 값이 보다 평활화되도록 설정된 조건이다. 즉, 정상 상태용 조건은, 과도 상태용 조건에 비하면, 시계열 구간이 길어, 가중치 부여가 현재 시각으로부터 과거를 향해 완만하게 감소하도록 설정되어 있다. 예를 들어, 평활화된 전력값 Ps는, 과도 상태인 경우에서는 Ps=α1×Pr1+α2×Pr2, 정상 상태인 경우에서는 Ps=β1×Pr1+β2×Pr2+β3×Pr3과 같이 산출할 수 있다. 또한, α1>α2, β1>β2>β3, α1+α2=β1+β2+β3=1이다. Pr1, Pr2, Pr3은, 각 시각에서의 측정 전력값이며, Pr1의 측정 시각이 가장 현재 시각에 가깝고, 다음으로 가까운 것이 Pr2, 다음으로 가까운 것이 Pr3이다. 또한, 예를 들어 α1>β1과 같이, 과도 상태 쪽이 정상 상태에 비하여, 보다 현재 시각에 가까운 값에 가중치를 부여한다.

평활화 조건 선택 처리를 종료하면 도 3에 도시한 바와 같이, 제어부(20)가, 측정 전력값을 대상으로, 평활화 처리를 실행한다(스텝 S400). 측정 전력값은, 측정 전압값과 측정 전류값의 곱에 의해 산출된다. 이 평활화 처리에는, 평활화 조건 선택 처리에 있어서 선택한 조건을 이용한다.

계속해서, 제어부(20)가, 목표 전력값 Ptgt를 결정한다(스텝 S500). 목표 전력값 Ptgt는, 부하(200)로부터의 요구 전력값에 기초하여 결정된다. 단, 목표 전력값 Ptgt는, 상한 전력값 Pmax 이하인 것을 조건으로 설정된다. 즉, 요구 전력값을 만족할 수 있는 목표 전력값 Ptgt가 상한 전력값 Pmax를 초과한 경우이더라도, 목표 전력값 Ptgt는 상한 전력값 Pmax 이하로 설정된다. 상한 전력값 Pmax는, 연료 전지(10)의 발전 상태에 기초하여 결정되는 변수이며, 예를 들어 연료 전지(10)의 발전 전력, 발전 전압, 발전 전류, 온도 등을 가미하고, 연료 전지(10)나 이차 전지(81)의 보호 등을 위해 결정된다.

다음으로, 불감대 설정부(26)가, 불감대를 설정한다(스텝 S600). 도 5를 이용하여, 불감대에 대하여 설명한다.

도 5는, 발전 제어 처리에 의한 제어 결과의 일례를 나타내는 그래프이다. 그래프의 종축은 전력, 횡축은 시간을 나타낸다. 목표 전력값 Ptgt는, 시각 t0으로부터 시각 t2까지의 사이는 전력값 P1로 설정되고, 시각 t2 이후에는 상한 전력값 Pmax와 동등한 값으로 설정되어 있다. 불감대는, 각 시각에서의 목표 전력값 Ptgt가 중앙값이며, 상하에 동일한 편 폭 DZ를 갖게 한 범위(Ptgt±DZ)로서 설정된다.

본 실시 형태에서는, Pmax-Ptgt<DZ가 만족되는 경우, 불감대는, 상한 전력값 Pmax를 초과한 범위를 포함하도록 설정된다. 도 5에 도시된 경우, 시각 t2 이후에 있어서, 목표 전력값 Ptgt가 상한 전력값 Pmax와 일치(Pmax-Ptgt=0<DZ)하므로, 불감대는 상한 전력값 Pmax를 초과한 범위를 포함한다.

또한, 도 5에 도시된 과도 상태 및 정상 상태라 함은, 전술한 평활화 조건 선택 처리에 있어서 결정되는 것이다. 도 5에 도시된 경우에 있어서는, 시각 t0으로부터 시각 t1까지와, 시각 t3으로부터 시각 t4까지가 과도 상태이며, 시각 t1로부터 시각 t3까지와, 시각 t4 이후가 정상 상태이다.

또한, 과도 상태인지 정상 상태인지는, 전술한 바와 같이 전류값 및 전압값에 기초하여 결정되므로, 전력값의 변동과 강한 상관이 있지만, 전력값의 변동으로부터 즉시 결정되는 것은 아니다.

계속해서, 정지부(27)가, 상기의 평활화 처리에 의해 산출된 전력값(평활화 전력값)이 불감대의 범위 내인지를 판정한다(스텝 S700).

평활화 전력값이 불감대의 범위 내가 아닌 경우(스텝 S700, 아니오), 발전 제어부(28)가, 평활화 전력값을 목표 전력값 Ptgt에 근접하는 제어(이하 「전력 제어」라고 함)를 실행하고(스텝 S800), 발전 제어 처리를 종료한다. 도 5에서 도시된 경우, 시각 t0으로부터 시각 t1까지의 대부분, 및 시각 t2로부터 시각 t4까지 대부분의 시간대에서, 평활화 전력값이 불감대의 범위 밖이다.

한편, 평활화 전력값이 불감대의 범위 내인 경우(스텝 S700, 예), 정지부(27)가 스텝 S800을 스킵하여, 발전 제어 처리를 종료한다. 즉, 전력 제어를 실행하지 않는다.

도 5에서 도시된 경우, 시각 t1 전후에서 시각 t2까지, 및 시각 t4 전후 이후의 시간대에서, 평활화 전력값이 불감대의 범위 내이다. 또한, 이와 같이 시각 t1 전후나 시각 t4 전후라고 표현하고 있는 것은, 평활화 전력값이 불감대의 범위 내인지 여부는, 과도 상태와 정상 상태의 전환에 대하여, 시간적으로 어긋나기 때문이다. 평활화 전력값이 불감대의 범위 내이면, 평활화 전력값이 목표 전력값 Ptgt에 일치하지 않아 편차가 있더라도, 전력 제어를 실행하지 않는다. 즉, 현상의 발전 상태를 유지한다. 예를 들어, 평활화 전력값이 상한 전력값 Pmax를 초과하여도, 평활화 전력값이 불감대의 범위 내이면, 평활화 전력값을 감소시키는 제어를 실행하지 않는다.

도 6은, 정상 상태용 조건과 과도 상태용 조건을 비교한 그래프이다. 도 6은, 연료 전지(10)에 의한 발전 전력이 일정한 경우를 나타낸다. 즉, 도 6에 도시된 측정 전압값의 진동은, 교류 신호에 의한 것이다.

이와 같은 경우, 발전 상태는 정상 상태이므로, 평활화 처리는 정상 상태용 조건을 이용하여 실행된다. 정상 상태용 조건에 의해 실행된 평활화 전력값은, 도 6에 도시한 바와 같이, 불감대의 범위 내에 수용된 상태에서 안정되어 있다. 바꾸어 말하면, 편 폭 DZ는, 정상 상태용 조건을 이용하여 평활화된 교류 신호 성분의 진폭 이상으로 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서 말하는 진폭이라 함은, 중앙값으로부터의 변위량을 의미한다.

한편, 도 6에 도시된 과도 상태용 조건에 의한 평활화 전력값은, 상기와 같은 측정 전류값을 대상으로, 과도 상태용 조건을 이용하여 평활화 처리를 사용하고, 또한 평활화 전력값이 불감대를 벗어나도 전력 제어를 실행하지 않는다고 하는 조건하에서의 값을 나타낸다. 또한, 이와 같은 조건은, 본 실시 형태에서는 채용되는 일은 없다.

도 6에 도시한 바와 같이, 과도 상태용 조건에 의한 평활화 전력값은, 일부의 시간대에서 불감대로부터 벗어난다. 또한, 교류 신호 바로 그 자체의 진동은, 도 6에 도시한 바와 같이 일부의 시간대에서 불감대로부터 벗어난다. 바꾸어 말하면, 편 폭 DZ는, 교류 신호 바로 그 자체의 진폭, 나아가 과도 상태용 조건을 이용하여 평활화된 교류 신호 성분의 진폭보다도 작게 설정되어 있다.

편 폭 DZ가 상기와 같이 설정되어 있는 것은, 정상 상태에 있어서는 가능한 한 전력 제어를 정지시키는 점, 및 과도 상태에 있어서는 가능한 한 제어의 응답성을 양호하게 하는 점을 양립시키기 위해서이다. 편 폭 DZ가 너무 크면, 발전 전력의 변동을 검출하는 것이 지연되거나, 오버슈트나 언더슈트의 양을 증대시키거나 하므로, 제어의 응답성이 악화된다. 따라서, 제어의 응답성을 양호하게 하기 위해서는, 편 폭 DZ는 가능한 한 좁게 설정되는 것이 바람직하다. 따라서, 불감대를 설정한 목적이 달성되는 범위에서, 가능한 한 편 폭 DZ를 좁게 설정하면, 상기 양립이 실현된다. 불감대를 설정한 목적이라 함은, 전술한 바와 같이, 발전 전력의 값이 안정되어 있음에도 불구하고, 교류 신호의 영향에 의해 평활화 전력값의 제어가 불안정해진다는 점의 회피이다. 단, 본 실시 형태에 있어서의 편 폭 DZ는, 도 6에 도시된 바와 같이, 정상 상태에 있어서의 평활화 전력값의 안정성을 중시하고, 평활화 전력값의 진폭에 대하여 약간의 여유가 있는 폭으로서 설정되어 있다.

또한, 과도 상태와 정상 상태로 평활화 처리의 조건을 변경함으로써 편 폭 DZ를 좁게 설정할 수 있어, 상기의 양립이 좋은 조건으로 실현되고 있다.

본 발명은, 본 명세서의 실시 형태나 실시예, 변형예에 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 실시예, 변형예 중의 기술적 특징은, 전술의 과제 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 혹은, 전술의 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히 바꾸기나, 조합을 행할 수 있다. 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히 삭제할 수 있다. 예를 들어, 이하의 것이 예시된다.

불감대의 설정은, 다양한 변경이 고려된다. 예를 들어, 상측의 편 폭과 하측의 편 폭이, 상이한 폭이어도 된다. 예를 들어 목표 전력값이 상한 전력값 부근에 설정되어 있는 경우, 측정 전력값이 상측으로 흔들리는 것보다도 하측으로 흔들리는 쪽을 허용할 수 있다고 하는 기술 사상에 기초하여, 하측의 편 폭을 상측의 편 폭보다 크게 하여도 된다.

정상 상태의 범위 내에서 평활화 전력값이 변동하여도, 평활화 전력값이 불감대로부터 벗어나지 않도록, 실시 형태보다도 큰 폭에 의해 불감대를 설정하여도 된다.

불감대의 편 폭은, 정상 상태에 있어서의 평활화 전력값의 진폭과 동일하여도 되고, 이 진폭보다 작아도 된다. 예를 들어, 불감대의 편 폭이 상기 진폭보다 작아도, 그 차가 근소하면 평활화 전력값이 불감대를 벗어나는 시간은 얼마 되지 않으므로, 제어는 안정적이라고 생각된다.

평활화 처리의 방법은, 다양하게 고려된다. 예를 들어, 단순한 가중 이동 평균이나 지수 이동 평균 등이어도 된다. 또는, 단순하게 시계열 구간에 있어서의 측정값의 평균값을 구하여도 된다.

평활화 처리에 아날로그 회로를 사용하여도 된다. 예를 들어, 전류값을 아날로그 신호로서 검출하고, 적분 회로를 통과함으로써 실현하여도 된다. 평활화의 정도는, 적분 회로의 시상수로 조정하여도 된다.

평활화 처리의 조건은, 정상 상태와 과도 상태에서 동일한 것을 채용하여도 된다. 이 경우, 정상 상태인지 과도 상태인지의 판정이 불필요해지므로, 처리 부하가 저감된다.

평활화 처리를 실행하지 않아도 된다. 이 경우, 처리 부하가 더 저감된다. 평활화 처리를 실행하지 않아도, 교류 신호에 의한 진폭에 맞춰서 불감대의 편 폭을 설정하면, 정상 상태에 있어서의 제어를 안정시킬 수 있다.

불감대의 상한값은, 목표 전력값의 상한값을 초과하지 않도록 설정되어도 된다. 이 경우, 평활화 전력값이 목표 전력값을 초과하는 것을 억제할 수 있다.

정상 상태인지 과도 상태인지의 판정 방법은, 변경하여도 된다. 예를 들어, 전류값과 전압값과 전력값 중 적어도 어느 하나에 기초하여 판정하여도 된다.

제어 대상으로 하는 물리량은, 전력이 아니어도, 예를 들어 전압이나 전류이어도 된다. 즉, 평활화한 전압값, 또는 평활화한 전류값이 목표값에 근접하도록 제어하여도 된다.

대상으로 되는 연료 전지는, 자동차용이 아니어도 되며, 다른 수송용 기기(이륜차, 전철 등)에 탑재되는 것이나, 거치용의 것이어도 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 그들 회로를 조합한 회로 모듈 등, 각종 회로(circuitry)를 사용할 수 있다.

10: 연료 전지
11: 발전체
20: 제어부
23: 선택부
26: 불감대 설정부
27: 정지부
28: 발전 제어부
30: 캐소드 가스 공급부
31: 캐소드 가스 배관
32: 공기 압축기
34: 개폐 밸브
40: 캐소드 가스 배출부
41: 캐소드 배기 가스 배관
43: 압력 조절 밸브
50: 애노드 가스 공급부
51: 애노드 가스 배관
52: 수소 탱크
53: 개폐 밸브
54: 레귤레이터
55: 인젝터
60: 애노드 가스 순환 배출부
61: 애노드 배기 가스 배관
62: 기액 분리부
63: 애노드 가스 순환 배관
64: 수소 순환용 펌프
65: 애노드 배수 배관
66: 배수 밸브
70: 냉매 공급부
71: 냉매용 배관
72: 라디에이터
73: 냉매 순환용 펌프
81: 이차 전지
82: FDC
85: BDC
91: 셀 전압 계측부
92: 전류 계측부
100: 연료 전지 시스템
200: 부하

Claims

연료 전지에 의한 발전 상태를 나타내는 값이며, 상기 연료 전지에 인가된 교류에 영향을 받는 값인 제어 대상값을, 목표값에 근접하도록 제어하는 발전 제어부와,
상기 목표값을 기준으로 하여, 불감대를 설정하는 불감대 설정부와,
상기 제어 대상값이 상기 불감대에 포함되는 경우, 상기 발전 제어부에 의한 제어를 정지시키는 정지부
를 구비하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 발전 제어부는, 상기 발전 상태를 나타내는 물리량을 시계열에 대하여 평활화 처리한 값을, 상기 제어 대상값으로서 취득하는, 연료 전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 평활화 처리에 사용하는 처리 조건으로서, 상기 발전 상태가 정상 상태인 경우에는 정상 상태용 조건을 선택하고, 상기 발전 상태가 과도 상태인 경우에는 과도 상태용 조건을 선택하는 선택부를 구비하는, 연료 전지 시스템.
제3항에 있어서,
상기 불감대 설정부는, 상기 교류의 성분을 상기 정상 상태용 조건에 의해 상기 평활화 처리를 실행함으로써 얻어지는 값의 진폭 이상의 폭을 갖는 범위를, 상기 불감대의 편 폭으로서 설정하는, 연료 전지 시스템.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 과도 상태용 조건은, 상기 정상 상태용 조건보다도, 현재에 보다 가까운 시각에서의 값이 상기 제어 대상값에 의해 반영되는 조건인, 연료 전지 시스템.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 불감대 설정부는, 상기 교류의 성분을 상기 과도 상태용 조건에 의해 상기 평활화 처리를 실행함으로써 얻어지는 값의 진폭보다도 작은 폭을 갖는 범위를, 상기 불감대의 편 폭으로서 설정하는, 연료 전지 시스템.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 선택부는, 전류값의 변동과 전압값의 변동 중 적어도 어느 한쪽에 기초하여, 상기 발전 상태가 상기 과도 상태인지 상기 정상 상태인지를 판정하는, 연료 전지 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 교류의 인가와, 상기 연료 전지의 발전 전압에 상기 교류가 중첩된 전압의 측정을 실행하는 회로를 구비하고,
상기 발전 제어부는, 상기 회로에 의해 측정된 전압에 기초하여, 상기 물리량을 취득하는, 연료 전지 시스템.
제8항에 있어서,
상기 회로는, 상기 발전 전압을 변압하는 컨버터인, 연료 전지 시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물리량은, 전력인, 연료 전지 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 불감대 설정부는, 상기 불감대의 상한값과 상기 목표값의 차가, 상기 목표값과 상기 목표값의 상한값의 차보다도 작은 경우, 상기 불감대의 상한값을 상기 목표값의 상한값보다도 큰 값으로 설정하는, 연료 전지 시스템.
연료 전지에 의한 발전 상태를 나타내는 값이며, 상기 연료 전지에 인가된 교류에 영향을 받는 값인 제어 대상값을, 목표값에 근접하도록 제어하고,
상기 목표값을 기준으로 하여 설정된 불감대에 상기 제어 대상값이 포함되는 경우, 상기 제어를 정지하는, 연료 전지의 제어 방법.
제12항에 있어서,
상기 발전 상태를 나타내는 물리량을 시계열에 대하여 평활화 처리한 값을, 상기 제어 대상값으로서 취득하는, 연료 전지의 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 평활화 처리에 사용하는 처리 조건으로서, 상기 발전 상태가 정상 상태인 경우에는 정상 상태용 조건을 선택하고, 상기 발전 상태가 과도 상태인 경우에는 과도 상태용 조건을 선택하는, 연료 전지의 제어 방법.
제14항에 있어서,
상기 교류의 성분을 상기 정상 상태용 조건에 의해 상기 평활화 처리를 실행함으로써 얻어지는 값의 진폭 이상의 폭을 갖는 범위를, 상기 불감대의 편 폭으로서 설정하는, 연료 전지의 제어 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 과도 상태용 조건은, 상기 정상 상태용 조건보다도, 현재에 보다 가까운 시각에서의 값이 상기 제어 대상값에 의해 반영되는 조건인, 연료 전지의 제어 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 교류의 성분을 상기 과도 상태용 조건에 의해 상기 평활화 처리를 실행함으로써 얻어지는 값의 진폭보다도 작은 폭을 갖는 범위를, 상기 불감대의 편 폭으로서 설정하는, 연료 전지의 제어 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
전류값의 변동과 전압값의 변동 중 적어도 어느 한쪽에 기초하여, 상기 발전 상태가 상기 과도 상태인지 상기 정상 상태인지를 판정하는, 연료 전지의 제어 방법.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 교류의 인가와, 상기 연료 전지의 발전 전압에 상기 교류가 중첩된 전압의 측정을 실행하는 회로에 의해 측정된 전압에 기초하여, 상기 물리량을 취득하는, 연료 전지의 제어 방법.
제19항에 있어서,
상기 회로는, 상기 발전 전압을 변압하는 컨버터인, 연료 전지의 제어 방법.