KR101859803B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

발전 효율이 낮은 운전으로부터 통상 운전으로 복귀할 때의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지의 출력 전압의 회복과 전력 응답성의 향상을 양립시키는 것이 가능한 기술을 제공한다.
컨트롤러는, 간헐 운전이나 난기 운전 등, 발전 효율이 낮은 운전으로부터 통상 운전으로 복귀할 때까지의 동안, FC 전압의 회복에 따라서 하한 전압 역치를 갱신한다(스텝 S1). 컨트롤러는, 갱신되는 하한 전압 역치에 따라서 FC 전류를 끌어냄으로써(스텝 S2, 스텝 S3), 연료 전지 스택의 출력 전압의 회복과 전력 응답성의 양쪽의 요구를 충족시키는 것이 가능해진다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND OPERATION CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명은, 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것으로, 특히 간헐 운전이나 난기 운전으로부터 통상 운전으로 복귀할 때의 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지는, 연료를 전기 화학 프로세스에 의해 산화시킴으로써 산화 반응에 수반하여 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전 시스템이며, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 전해질막의 양 측면을 다공질 재료로 이루어지는 한 쌍의 전극에 의해 끼움 지지하여 이루어지는 복수의 막-전극 접합체(셀)를 적층하여 이루어지는 스택 구조를 갖고 있다.
이러한 종류의 연료 전지 시스템을 통상 운전할 때에는, 연료 전지 스택의 발전 효율을 높이기 위해, 도 4에 도시하는 바와 같은 전류·전압의 특성 라인(소위 IV 특성 라인) La1 상에서 연료 전지 스택의 동작점이 움직이도록, 연료 전지 스택의 발전을 제어한다. 한편, 연료 전지 시스템을 간헐 운전 또는 난기 운전할 때에는, IV 특성 라인 La1로부터 벗어난 영역(도 4에 도시하는 간헐 운전 영역 Aim, 난기 운전 영역 Awp 참조)에서 연료 전지 스택의 동작점이 움직이도록, 연료 전지 스택의 발전을 제어한다. 또한, 난기 운전이라 함은, 저온 시동시(예를 들어, 영하 시동시)에 에어 이론 공연비를 통상 운전시보다도 줄임으로써, 발전 효율을 의도적으로 낮추고, 그 대신에 연료 전지 스택의 발열량을 증가시키는 것을 의도한 운전이다. 한편, 간헐 운전이라 함은, 저부하 운전시(예를 들어, 아이들링 중이나 정체 주행 중 등)에 연료 전지 스택에의 산화 가스 및 연료 가스의 공급을 일시적으로 정지시키는 운전이다.
이것에 관련되는 기술로서, 예를 들어 하기 특허문헌 1에는, 발전 효율이 낮은 운전(간헐 운전)으로부터 발전 효율이 높은 운전(통상 운전)으로의 복귀에 있어서 연료 전지 스택의 출력 응답 성능을 확보하기 위해, 간헐 운전 중에 산화 가스를 소량, 또한 연속적으로 공급하고, 요구 전력이 소정값을 상회한 경우에 통상 운전으로 전환하는 제어 방법이 개시되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 연료 전지 스택을 간헐 운전하고 있는 동안에, 연료 전지 스택의 출력 전압이 개방 단부 전압을 초과해 버리는 것과 같은 문제를 억제하는(달리 말하면, 고전위 회피 제어를 행하는) 것이 가능해진다.
일본 특허 공개 제2010-244937호 공보 [발명의 개요]
그러나, 상기 종래 기술에서는, 발전 요구에 따라서 전류를 지나치게 높이면 연료 전지 스택의 출력 전압이 복귀할 수 없는 것과 같은 문제가 발생할 수 있는 한편, 반대로, 연료 전지 스택의 출력 전압 상승을 대기하기 위해 출력 전류를 높이지 않으면 전력 응답성이 저하된다고 하는 문제가 지적되고 있었다.
본 발명은 이상 설명한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 간헐 운전이나 난기 운전 등, 발전 효율이 낮은 운전으로부터 통상 운전으로 복귀할 때의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지의 출력 전압의 회복과 전력 응답성의 향상을 양립시키는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 통상 운전에 비해 발전 효율이 낮은 저효율 운전으로부터, 통상 운전으로 복귀할 때의 연료 전지 시스템의 제어 방법이며, 연료 전지의 측정 전압이, 연료 전지의 하한 전압을 초과한 경우에, 설정되는 허용 전류까지 연료 전지의 출력 전류를 끌어내는 제1 스텝과, 출력 전류를 끌어낸 후, 하한 전압을 측정 전압으로 갱신하는 제2 스텝을 포함하고, 측정 전압이, 설정되는 한계 전압에 도달할 때까지, 제1 스텝과 제2 스텝을 반복하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 구성에 있어서는, 측정 전압이 상기 하한 전압을 초과하지 않는 경우에, 출력 전류를 낮추는 제3 스텝을 더 포함하는 양태가 바람직하고, 또한 허용 전류는, 연료 전지에의 산화 가스 공급량과 에어 이론 공연비에 기초하여 설정되는 양태가 더욱 바람직하다. 또한, 상기 구성에 있어서의 저효율 운전은, 간헐 운전 또는 난기 운전 중 어느 하나여도 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템은, 통상 운전에 비해 발전 효율이 낮은 저효율 운전과 통상 운전 사이에서, 운전 전환을 행하는 것이 가능한 연료 전지 시스템이며, 연료 전지의 측정 전압이, 연료 전지의 하한 전압을 초과한 경우에, 설정되는 허용 전류까지 연료 전지의 출력 전류를 끌어내는 전류 제어부와, 출력 전류가 끌어내어진 후, 하한 전압을 측정 전압으로 갱신하는 전압 갱신부와, 측정 전압이, 설정되는 한계 전압에 도달할 때까지, 전류 제어부에 의한 출력 전류를 끌어내는 동작과, 전압 갱신부에 의한 하한 전압을 측정 전압으로 갱신하는 동작을 반복하여 실행시키는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 간헐 운전이나 난기 운전 등, 발전 효율이 낮은 운전으로부터 통상 운전으로 복귀할 때의 연료 전지 시스템에 있어서, 전류 제한 등의 다양한 제한을 피하면서, 요구 발전량을 충족시키는 것을 우선시켜 연료 전지의 동작점을 결정하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 2는 간헐 운전으로부터 통상 운전으로 복귀하는 경우의 운전 제어 프로세스를 나타내는 흐름도.
도 3은 액셀러레이터 개방도 신호 ACC, 운전 모드 Om, FC 전압 Vfc, 에어 유량 Fa, FC 전류 Ifc의 관계를 나타내는 타이밍 차트.
도 4는 종래의 연료 전지 시스템에 있어서의 운전 동작점의 변화를 나타내는 개념도.
이하, 본 발명에 관한 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
A. 본 실시 형태
A-1. 구성
도 1은, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템(10)을 탑재한 차량의 개략 구성이다. 또한, 이하의 설명에서는 차량의 일례로서 연료 전지 자동차(FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle)를 상정하지만, 차량뿐만 아니라 각종 이동체(예를 들어, 선박이나 비행기, 로봇 등)나 정치형 전원, 나아가 휴대형 연료 전지 시스템에도 적용 가능하다.
연료 전지 시스템(10)은, 통상 운전에 비해 발전 효율이 낮은 저효율 운전과 통상 운전 사이에서, 운전 전환을 행하는 것이 가능한 연료 전지 시스템이며(상세는 후술), 연료 전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능한다. 연료 전지 시스템(10)은, 반응 가스(연료 가스, 산화 가스)의 공급을 받아 발전하는 연료 전지 스택(20)과, 산화 가스로서의 공기를 연료 전지 스택(20)에 공급하기 위한 산화 가스 공급계(30)와, 연료 가스로서의 수소 가스를 연료 전지 스택(20)에 공급하기 위한 연료 가스 공급계(40)와, 전력의 충방전을 제어하기 위한 전력계(50)와, 연료 전지 스택(20)을 냉각하기 위한 냉각계(60)와, 시스템 전체를 제어하는 컨트롤러(ECU)(70)를 구비하고 있다.
연료 전지 스택(20)은, 복수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자 전해질형 셀 스택이다. 연료 전지 스택(20)에서는, 애노드극에 있어서 (1)식의 산화 반응이 발생하고, 캐소드극에 있어서 (2)식의 환원 반응이 발생한다. 연료 전지 스택(20) 전체적으로는, (3)식의 기전 반응이 발생한다.
Figure 112015108202621-pat00001
Figure 112015108202621-pat00002
Figure 112015108202621-pat00003
연료 전지 스택(20)에는, 연료 전지 스택(20)의 출력 전압을 검출하기 위한 전압 센서(71), 발전 전류를 검출하기 위한 전류 센서(72), 나아가 셀 전압을 검지하기 위한 셀 전압 센서(73)가 장착되어 있다.
산화 가스 공급계(30)는, 연료 전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화 가스가 흐르는 산화 가스 통로(34)와, 연료 전지 스택(20)으로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스 통로(36)를 갖고 있다. 산화 가스 통로(34)에는, 필터(31)를 통해 대기 중으로부터 산화 가스를 도입하는 에어 컴프레서(32)와, 연료 전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화 가스를 가습하기 위한 가습기(33)와, 산화 가스 공급량을 조정하기 위한 스로틀 밸브(35)가 설치되어 있다. 산화 오프 가스 통로(36)에는, 산화 가스 공급압을 조정하기 위한 배압 조정 밸브(37)와, 산화 가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스) 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(33)가 설치되어 있다.
연료 가스 공급계(40)는, 연료 가스 공급원(41)과, 연료 가스 공급원(41)으로부터 연료 전지 스택(20)의 애노드극에 공급되는 연료 가스가 흐르는 연료 가스 통로(45)와, 연료 전지 스택(20)으로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료 가스 통로(45)에 귀환시키기 위한 순환 통로(46)와, 순환 통로(46) 내의 연료 오프 가스를 연료 가스 통로(45)에 압송하는 순환 펌프(47)와, 순환 통로(46)에 분기 접속되는 배기 배수 통로(48)를 갖고 있다.
연료 가스 공급원(41)은, 예를 들어 고압 수소 탱크나 수소 흡수 합금 등으로 구성되고, 고압(예를 들어, 35㎫∼70㎫)의 수소 가스를 저류한다. 차단 밸브(42)를 개방하면, 연료 가스 공급원(41)으로부터 연료 가스 통로(45)에 연료 가스가 유출된다. 연료 가스는, 레귤레이터(43)나 인젝터(44)에 의해, 예를 들어 200㎪ 정도까지 감압되어, 연료 전지 스택(20)에 공급된다.
또한, 연료 가스 공급원(41)은, 탄화수소계의 연료로부터 수소 리치의 개질 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성된 개질 가스를 고압 상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크로 구성해도 된다.
레귤레이터(43)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 조압하는 장치이며, 예를 들어 1차압을 감압하는 기계식 감압 밸브 등으로 구성된다. 기계식 감압 밸브는, 배압실과 조압실이 다이어프램을 개재하여 형성된 하우징을 갖고, 배압실 내의 배압에 의해 조압실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 구성을 갖는다.
인젝터(44)는, 밸브체를 전자 구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브 시트로부터 이격시킴으로써 가스 유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자 구동식 개폐 밸브이다. 인젝터(44)는, 연료 가스 등의 기체 연료를 분사하는 분사 구멍을 갖는 밸브 시트를 구비함과 함께, 그 기체 연료를 분사 구멍까지 공급 안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대해 축선 방향(기체 흐름 방향)으로 이동 가능하게 수용 지지되어 분사 구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.
배기 배수 통로(48)에는, 배기 배수 밸브(49)가 배치되어 있다. 배기 배수 밸브(49)는, 컨트롤러(70)로부터의 지령에 의해 작동함으로써, 순환 통로(46) 내의 불순물을 포함하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출한다. 배기 배수 밸브(49)의 개방에 의해, 순환 통로(46) 내의 연료 오프 가스 중의 불순물의 농도가 낮아져, 순환계 내를 순환하는 연료 오프 가스 중의 수소 농도를 높일 수 있다.
배기 배수 밸브(49)를 통해 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스 통로(36)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되어, 희석기(도시하지 않음)에 의해 희석된다. 순환 펌프(47)는, 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의해 연료 전지 스택(20)에 순환 공급한다.
전력계(50)는, 연료 전지 스택용 컨버터(FDC)(51a), 배터리용 컨버터(BDC)(51b), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 트랙션 모터(54) 및 보조 기기류(55)를 구비하고 있다. FDC(51a)는, 연료 전지 스택(20)의 출력 전압을 제어하는 역할을 담당하고 있고, 1차측(입력측: 연료 전지 스택(20)측)에 입력된 출력 전압을, 1차측과 다른 전압값으로 변환(승압 또는 강압)하여 2차측(출력측: 인버터(53)측)에 출력하고, 또한 반대로, 2차측에 입력된 전압을, 2차측과 다른 전압으로 변환하여 1차측에 출력하는 쌍방향의 전압 변환 장치이다. 이 FDC(51a)에 의한 전압 변환 제어에 의해, 연료 전지 스택(20)의 동작점(I, V)이 제어된다.
BDC(51b)는, 인버터(53)의 입력 전압을 제어하는 역할을 담당하고 있고, 예를 들어 FDC(51a)와 마찬가지의 회로 구성을 갖고 있다. 또한, BDC(51b)의 회로 구성은, 상기에 한정하는 취지는 아니며, 인버터(53)의 입력 전압의 제어가 가능한 모든 구성을 채용할 수 있다.
배터리(52)는, 잉여 전력의 저장원, 회생 제동시의 회생 에너지 저장원, 연료 전지 차량의 가속 또는 감속에 수반되는 부하 변동시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 배터리(52)로서는, 예를 들어 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차 전지 등의 2차 전지가 적합하다.
트랙션 인버터(53)는, 예를 들어 펄스폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이며, 컨트롤러(70)로부터의 제어 지령에 따라서, 연료 전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류 전압을 삼상 교류 전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는, 차륜(56L, 56R)을 구동하기 위한 모터(예를 들어, 삼상 교류 모터)이며, 연료 전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조 기기류(55)는, 연료 전지 시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모터(예를 들어, 펌프류 등의 동력원)나, 이 모터를 구동하기 위한 인버터류, 나아가 각종 차량 탑재 보조 기기류(예를 들어, 에어 컴프레서, 인젝터, 냉각수 순환 펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
냉각계(60)는, 연료 전지 스택(20) 내부를 순환하는 냉매를 흐르게 하기 위한 냉매 통로(61, 62, 63, 64), 냉매를 압송하기 위한 순환 펌프(65), 냉매와 외기 사이에서 열교환하기 위한 라디에이터(66), 냉매의 순환 경로를 전환하기 위한 삼방 밸브(67) 및 연료 전지 스택(20)의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(74)를 구비하고 있다. 난기 운전이 완료된 후의 통상 운전시에는 연료 전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매 통로(61, 64)를 흘러 라디에이터(66)에서 냉각된 후, 냉매 통로(63)를 흘러 다시 연료 전지 스택(20)으로 유입되도록 삼방 밸브(67)가 개폐 제어된다. 한편, 시스템 기동 직후에 있어서의 난기 운전시에는, 연료 전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매 통로(61, 62, 63)를 흘러 다시 연료 전지 스택(20)으로 유입되도록 삼방 밸브(67)가 개폐 제어된다.
컨트롤러(70)는, CPU, ROM, RAM 및 입출력 인터페이스 등을 구비하는 컴퓨터 시스템이며, 연료 전지 시스템(10)의 각 부(산화 가스 공급계(30), 연료 가스 공급계(40), 전력계(50) 및 냉각계(60))를 제어하기 위한 제어 수단으로서 기능한다. 예를 들어, 컨트롤러(70)는 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동 신호 IG를 수신하면, 연료 전지 시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개방도 신호 ACC나, 차속 센서로부터 출력되는 차속 신호 VC 등을 기초로 시스템 전체의 요구 전력을 구한다.
시스템 전체의 요구 전력은, 차량 주행 전력과 보조 기기 전력의 합계값이다. 보조 기기 전력에는 차량 탑재 보조 기기류(가습기, 에어 컴프레서, 수소 펌프 및 냉각수 순환 펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어 장치, 조타 장치 및 현가 장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승원 공간 내에 배치되는 장치(공조 장치, 조명 기구 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 컨트롤러(70)는, 연료 전지 스택(20)과 배터리(52)의 각각의 출력 전력의 배분을 결정하고, 발전 지령값을 연산함과 함께, 연료 전지 스택(20)의 발전량이 요구 발전량 Preq를 충족시키도록, 산화 가스 공급계(30) 및 연료 가스 공급계(40)를 제어한다. 또한, 컨트롤러(70)는 FDC(51a) 등을 제어하여 연료 전지 스택(20)의 동작점을 제어한다. 컨트롤러(70)는, 액셀러레이터 개방도에 따른 목표 차속이 얻어지도록, 예를 들어 스위칭 지령으로서, U상, V상 및 W상의 각 교류 전압 지령값을 트랙션 인버터(53)에 출력하고, 트랙션 모터(54)의 출력 토크 및 회전수를 제어한다. 또한, 본 실시 형태에서는 난기 운전이나 간헐 운전(통상 운전에 비해 발전 효율이 낮은 운전; 이하, 적절하게 「저효율 운전」이라고 함) 등으로부터 통상 운전으로 복귀할 때, 컨트롤러(70)는, 연료 전지 스택(20)에 하한 전압 역치 V｜o｜을 설정하고, 산화 가스의 공급에 의해 연료 전지 스택(20)의 출력 전압이 하한 전압 역치 V｜o｜ 초과할 때까지, 연료 전지 스택(20)의 출력 전류를 끌어내지 않는(즉, 올리지 않는) 제어를 행한다(상세는 후술). 이하, 본 실시 형태의 특징 중 하나인, 저효율 운전(이하에서는, 간헐 운전을 상정)으로부터 통상 운전으로 복귀하는 경우의 연료 전지 스택(20)의 운전 제어 프로세스에 대해 설명한다.
A-2. 동작
<통상 운전으로 복귀하는 경우의 운전 제어 프로세스>
도 2는, 컨트롤러(70)에 의해 실행되는 간헐 운전으로부터 통상 운전으로 복귀하는 경우의 운전 제어 프로세스를 나타내는 흐름도이고, 도 3은 액셀러레이터 개방도 신호 ACC, 운전 모드 Om, 연료 전지 스택(20)의 출력 전압(FC 전압) Vfc, 연료 전지 스택(20)에 공급되는 산화 가스의 유량(에어 유량) Fa, 연료 전지 스택(20)의 출력 전류(FC 전류) Ifc의 관계를 나타내는 타이밍 차트이다. 또한, FC 전압 Vfc에 대해서는, 측정값 Vmes를 굵은 실선, 하한 전압 역치 V｜o｜을 일점 쇄선으로 나타낸다. 또한, 에어 유량 Fa에 대해서는, 지령값 Fcom을 굵은 실선, 측정값 Fmes를 일점 쇄선으로 나타냄과 함께, FC 전류 Ifc에 대해서는, 지령값 Icom을 굵은 실선, 측정값 Imes를 일점 쇄선으로 나타낸다.
컨트롤러(제어부)(70)는, 액셀러레이터 개방도 신호 ACC의 급준한 변화를 검지함으로써, 연료 전지 스택(20)의 운전 상태를, 간헐 운전 OIm으로부터 통상 운전 ONm으로 복귀시켜야 한다고 판단하면, 산화 가스의 공급(에어 공급)을 개시함과 함께, FC 전류 Ifc의 상승을 FDC(51a)에 지시한다(도 3에 나타내는 지령값 Fcom, 지령값 Icom 참조). 또한, 컨트롤러(70)는, 연료 전지 스택(20)에 대해 하한 전압 역치 V｜o｜을 설정한다(스텝 S1). 하한 전압 역치 V｜o｜의 초기값으로서는, 예를 들어 FC 전압 Vfc의 상승이 개시되기 직전의 연료 전지 스택(20)의 전압 측정값 Vmes(도 3에서는, 하한 전압 역치 V｜o｜의 초기값은 「0」)를 이용할 수 있다. 여기서 중요한 것은, 연료 전지 스택(20)에 하한 전압 역치 V｜o｜이 설정되면, 에어 공급에 의해 연료 전지 스택(20)의 측정값 Vmes가, 하한 전압 역치 V｜o｜을 초과할 때까지, 연료 전지 스택(20)의 출력 전류 Ifc를 끌어내지 않는(올리지 않는) 것이다.
스텝 S2로 진행하면, 컨트롤러(70)는, 전압 센서(71)에 의해 측정되는 연료 전지 스택(20)의 측정값 Vmes가, 하한 전압 역치 V｜o｜을 초과하였는지 여부를 축차 판단한다(스텝 S2). 컨트롤러(전류 제어부)(70)는, 연료 전지 스택(20)의 측정값 Vmes가, 하한 전압 역치 V｜o｜을 초과하였다고 판단하면(스텝 S2; "예"), 요구 발전량 Preq에 기초하여, 에어 유량 Fa로 설정된 에어 이론 공연비로부터 정해지는 허용 전류 Iper까지, FC 전류 Ifc를 끌어낸다(스텝 S3). 이러한 제어가 행해짐으로써, FC 전류의 측정값 Imes는, 연료 전지 스택(20)의 하한 전압 역치 V｜o｜의 상승에 추종해 간다. 또한, 연료 전지 스택(20)의 측정값 Vmes가, 하한 전압 역치 V｜o｜을 초과하였는지 여부의 판단에 대해서는, 시간적인 제약을 설정해도 된다. 구체적으로는, 하한 전압 역치 V｜o｜이 설정되고 나서 소정 시간 내에, 연료 전지 스택(20)의 측정값 Vmes가, 하한 전압 역치 V｜o｜을 초과하였는지 여부를 판단하도록 해도 된다.
한편, 컨트롤러(70)는, 스텝 S2에 있어서, 연료 전지 스택(20)의 측정값 Vmes가, 하한 전압 역치 V｜o｜을 초과하고 있지 않다고 판단하면(스텝 S2; "아니오"), 하한 전압 역치 V｜o｜을, 전회의 값보다도 최저 상승량 ΔV만큼 상승시켜 갱신함과 함께, FC 전류 Ifc를 낮추도록 FDC(51a)에 지시한다(스텝 S5). 이와 같이, FC 전류 Ifc를 낮춤으로써, 예를 들어 연료 전지 스택(20)이 열화되거나 하여 FC 전압 Vfc가 회복되기 어려운 상황에 있었다고 해도, 에어 유량 Fa의 증가에 수반하여 FC 전압 Vfc는 상승(회복)한다. 이후, 컨트롤러(70)는 스텝 S2로 되돌아가, 연료 전지 스택(20)의 측정값 Vmes가, 하한 전압 역치 V｜o｜을 초과하였는지 여부를 판단한다. 컨트롤러(70)는, 연료 전지 스택(20)의 측정값 Vmes가, 하한 전압 역치 V｜o｜을 초과하였다고 판단하면(스텝 S2; "예"), 요구 발전량 Preq에 기초하여, 에어 유량 Fa로 설정된 에어 이론 공연비로부터 정해지는 허용 전류 Iper까지, FC 전류 Ifc를 끌어낸다(스텝 S3). 또한, 스텝 S5에 있어서, 하한 전압 역치 V｜o｜을 최저 상승량 ΔV만큼 상승시켜 갱신하는 대신에, 최저 상승량 ΔV를 설정하지 않고, 전회의 값을 그대로(혹은 전회의 값보다도 낮은 값을) 하한 전압 역치 V｜o｜로서 사용해도 된다.
컨트롤러(70)는, 스텝 S3에 있어서, FC 전류 Ifc를 상승시키면, 하한 전압 역치 V｜o｜의 갱신을 계속해야 할지 여부를 판단한다(스텝 S4). 상세하게 서술하면, 컨트롤러(70)는 "에어 유량 Fa로 설정된 에어 이론 공연비로부터 정해지는, 허용 전류 Iper 이하의 전류를 끌어내어도, 연료 전지 스택(20)의 출력 전압 Vfc가 회복되는 전압(이하, 「한계 전압」이라고 함) Vlim(도 3 참조)"에 도달하였는지 여부를 판단한다. 이 한계 전압 Vlim이나 상술한 최저 상승량 ΔV는, 예를 들어 컨트롤러(70)의 메모리 등에 재기입 가능하게 기억되어 있다.
컨트롤러(70)는, FC 전압 Vfc가 한계 전압 Vlim에 아직 도달되어 있지 않으므로, 하한 전압 역치 V｜o｜의 갱신을 계속해야 한다고 판단하면(스텝 S4; "예"), 스텝 S1로 되돌아가, 새로운 하한 전압 역치 V｜o｜을 설정한다. 상세하게 서술하면, 컨트롤러(전압 갱신부)(70)는, 전압 센서(71)에 의해 측정되는, 현 시점에서의 FC 전압 Vfc의 측정값 Vmes를, 새로운 하한 전압 역치 V｜o｜로서 설정(갱신)한다. 또한, 이후의 동작에 대해서는 상기와 마찬가지로 설명할 수 있으므로 생략한다. 한편, 연료 전지 스택(20)의 출력 전압 Vfc가 한계 전압 Vlim에 도달하였으므로, 하한 전압 역치 V｜o｜의 갱신을 계속할 필요는 없다고 판단하면(스텝 S4; "아니오"), 이상 설명한 처리를 종료한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 간헐 운전이나 난기 운전 등, 발전 효율이 낮은 운전으로부터 통상 운전으로 복귀할 때까지의 동안, FC 전압의 회복에 따라서 하한 전압 역치를 갱신하고, 갱신되는 하한 전압 역치에 따라서 FC 전류를 끌어냄으로써, 연료 전지 스택의 출력 전압의 회복과 전력 응답성의 양쪽의 요구를 충족시키는 것이 가능해진다. 또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택의 측정값이, 하한 전압 역치를 초과하고 있지 않다고 판단하면 FC 전류를 낮추는 제어를 행한다. 이에 의해, FC 전압의 회복을 촉진시키는 것이 가능해진다.
본 발명은, 발전 효율이 낮은 운전으로부터 통상 운전으로 복귀할 때의 연료 전지 시스템에 적용하기에 적합하다.
10 : 연료 전지 시스템
20 : 연료 전지 스택
30 : 산화 가스 공급계
40 : 연료 가스 공급계
50 : 전력계
60 : 냉각계
70 : 컨트롤러

Claims (5)

  1. 통상 운전에 비해 발전 효율이 낮은 저효율 운전으로부터, 통상 운전으로 복귀할 때의 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    연료 전지의 측정 전압이, 상기 연료 전지의 하한 전압을 초과한 경우에, 설정되는 허용 전류까지 상기 연료 전지의 출력 전류를 끌어내는 제1 스텝과,
    상기 출력 전류를 끌어낸 후, 상기 하한 전압을 상기 측정 전압으로 갱신하는 제2 스텝을 포함하고,
    상기 측정 전압이, 설정되는 한계 전압에 도달할 때까지, 상기 제1 스텝과 상기 제2 스텝을 반복하고,
    상기 측정 전압이 상기 하한 전압을 초과하지 않는 경우에, 상기 출력 전류를 낮추는 제3 스텝을 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 허용 전류는, 상기 연료 전지에의 산화 가스 공급량과 에어 이론 공연비에 기초하여 설정되는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 저효율 운전은, 간헐 운전 또는 난기 운전 중 어느 하나인, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  4. 통상 운전에 비해 발전 효율이 낮은 저효율 운전과 통상 운전 사이에서, 운전 전환을 행하는 것이 가능한 연료 전지 시스템이며,
    연료 전지의 측정 전압이, 상기 연료 전지의 하한 전압을 초과한 경우에, 설정되는 허용 전류까지 상기 연료 전지의 출력 전류를 끌어내는 전류 제어부와,
    상기 출력 전류가 끌어내어진 후, 상기 하한 전압을 상기 측정 전압으로 갱신하는 전압 갱신부와,
    상기 측정 전압이, 설정되는 한계 전압에 도달할 때까지, 상기 전류 제어부에 의한 상기 출력 전류를 끌어내는 동작과, 상기 전압 갱신부에 의한 상기 하한 전압을 상기 측정 전압으로 갱신하는 동작을 반복하여 실행시키고, 상기 측정 전압이 상기 하한 전압을 초과하지 않는 경우에, 상기 출력 전류를 낮추는 제어부를 구비하는, 연료 전지 시스템.
  5. 삭제
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