KR101874183B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101874183B1
KR101874183B1 KR1020160091989A KR20160091989A KR101874183B1 KR 101874183 B1 KR101874183 B1 KR 101874183B1 KR 1020160091989 A KR1020160091989 A KR 1020160091989A KR 20160091989 A KR20160091989 A KR 20160091989A KR 101874183 B1 KR101874183 B1 KR 101874183B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
current
value
output
voltage
Prior art date
Application number
KR1020160091989A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170012083A (ko
Inventor
마사아키 마츠스에
Original Assignee
도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도요타지도샤가부시키가이샤 filed Critical 도요타지도샤가부시키가이샤
Publication of KR20170012083A publication Critical patent/KR20170012083A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101874183B1 publication Critical patent/KR101874183B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/04902—Current of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/0441—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(20)의 출력 전류값이 저전류 영역 내에 있고, 또한 목표 전류값이 고전류 영역 내에 설정된 전류 역치를 초과하고 있는 경우에, 저전류 영역에서의 연료 전지(20)의 출력 전압값에 기초하여 고전류 영역에서 연료 전지(20)의 전압 강하가 발생한다고 예측하는 예측부와, 전압 강하가 발생한다고 예측된 경우에, 설정되어 있는 목표 전류값(IA)보다 작은 전류값으로 목표 전류값을 재설정하는 재설정부를 구비하고 있다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지에는, 연료 전지 내의 수분이 전극 내의 세공이나 세퍼레이터의 유로를 폐색하는 플러딩이 발생하는 경우가 있다. 연료 전지가 플러딩 상태에 있는 경우, 고전류 영역에서 급한 전압 강하가 발생하여 연료 전지의 출력이 저하되는 경우가 있다. 이러한 전압 강하의 발생을 억제하는 기술로서, 예를 들어 캐소드 가스를 증량시켜 연료 전지로부터의 배수를 촉진하여 플러딩을 해소하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2013-196782호 참조). 또한, 모터의 운전 상태에 따른 연료 전지의 전압의 저하 정도를 추정하여, 전압의 저하 정도에 따라서 모터의 출력을 제한함으로써, 전압 강하의 발생을 억제하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2006-345651호 참조).
그러나, 캐소드 가스의 증량에 의해 플러딩을 해소하는 기술에서는, 캐소드 가스의 증량 요구가 있고 나서 플러딩이 해소될 때까지 소정의 시간을 필요로 한다. 따라서, 예를 들어 플러딩 상태에서 연료 전지에 출력 증대 요구가 있으면, 플러딩이 해소되기 전에 연료 전지의 운전 상태가 고전류 영역으로 이행하여 전압 강하가 발생하여, 연료 전지의 출력이 저하될 우려가 있다.
또한, 전압의 저하 정도를 추정하여 모터의 출력을 제한하는 기술에서는, 실측된 현 시점에서의 연료 전지의 출력 전압값에 기초하여, 현 시점에서의 전압의 저하 정도가 추정된다. 이로 인해, 예를 들어 연료 전지의 운전 상태가 단기간에 저전류 영역으로부터 고전류 영역으로 이행한 경우에는, 전압의 저하 정도의 추정이 연료 전지의 운전 상태의 이행에 대응할 수 없어, 전압의 저하 정도가 제한해야 할 정도를 초과하여, 고전류 영역에서 전압 강하가 발생할 가능성이 있다. 이 경우, 그 후에 추정된 전압의 저하 정도에 기초하여, 전압이 강하 전의 상태로 복귀되도록 제어될 가능성이 있다. 이러한 경우에는, 연료 전지의 출력의 수렴성이 저하될 가능성이 있다.
연료 전지의 출력의 저하와 출력의 수렴성의 저하를 억제한 연료 전지 시스템을 제공한다.
본 발명은, 연료 전지와, 상기 연료 전지에의 출력 요구에 기초하여 상기 연료 전지의 목표 전류값을 설정하는 설정부와, 설정된 상기 목표 전류값에 기초하여 상기 연료 전지의 출력 전류값을 저전류 영역으로부터 고전류 영역까지 제어 가능한 출력 제어부와, 상기 연료 전지의 출력 전류값이 상기 저전류 영역 내에 있고, 또한 상기 목표 전류값이 상기 고전류 영역 내에 설정된 전류 역치를 초과하고 있는 경우에, 상기 저전류 영역에서의 상기 연료 전지의 출력 전압값에 기초하여 상기 고전류 영역에서 상기 연료 전지의 전압 강하가 발생한다고 예측하는 예측부와, 상기 전압 강하가 발생한다고 예측된 경우에, 설정되어 있는 상기 목표 전류값보다 작은 전류값으로 목표 전류값을 재설정하는 재설정부를 구비한 연료 전지 시스템을 제공한다.
저전류 영역에서의 연료 전지의 출력 전압값은 연료 전지의 습윤 상태에 상관하고, 습윤 상태는 고전류 영역의 전압 강하의 발생에 상관하는 것이다. 이로 인해, 저전류 영역에서의 연료 전지의 출력 전압값에 기초하여, 고전류 영역에서의 전압 강하의 발생을 사전에 예측할 수 있다. 따라서, 전압 강하가 발생한다고 예측된 경우에는, 목표 전류값이 작은 전류값으로 재설정되므로, 전압 강하의 발생이 억제되어, 연료 전지의 출력의 저하가 억제된다. 또한, 고전류 영역에서의 전압 강하의 발생을 사전에 예측하여 전압 강하의 발생을 미연에 억제할 수 있으므로, 연료 전지의 운전 상태가 단기간에 저전류 영역으로부터 고전류 영역으로 이행한 경우라도, 연료 전지의 출력의 수렴성의 저하가 억제된다.
상기 예측부는, 상기 저전류 영역에서의 소정의 전류값에 있어서의 상기 연료 전지의 출력 전압값이 전압 역치를 초과하고 있는 경우에, 상기 전압 강하가 발생한다고 예측해도 된다. 이에 의해, 간이한 방법으로 전압 강하를 예측할 수 있다.
상기 전류 역치 및 전압 역치를 기억한 기억부와, 상기 연료 전지의 전류-전압 특성을 추정하는 특성 추정부와, 추정된 상기 전류-전압 특성에 기초하여 상기 연료 전지의 성능이 저하되었는지 여부를 판정하는 판정부와, 상기 연료 전지의 성능이 저하되었다고 판정된 경우에는, 추정된 상기 전류-전압 특성에 기초하여 상기 기억부에 기억된 상기 전류 역치 및 전압 역치 중 적어도 한쪽을 갱신하는 갱신부를 구비해도 된다. 이에 의해, 연료 전지의 경시적인 성능 저하에 대응하여, 연료 전지의 출력의 저하 및 출력의 수렴성의 저하가 억제된다.
연료 전지의 출력의 저하와 출력의 수렴성의 저하를 억제한 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술될 것이다.
도 1은 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 설명도.
도 2는 연료 전지의 전류-전압 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 3은 전류-전압 특성 곡선을 나타낸 맵.
도 4는 전압 강하 억제 제어의 일례를 나타내는 흐름도.
도 5는 전류-전압 특성 곡선과 등출력 곡선을 나타낸 맵.
도 6은 전류-출력 특성 곡선을 나타낸 맵.
도 7은 목표 전류값 재설정 처리의 일례를 나타낸 흐름도.
도 8은 갱신 제어의 일례를 나타낸 흐름도.
도 9는 연료 전지의 발전 성능의 저하에 수반되는 전류-전압 특성 곡선의 변화를 나타낸 맵.
도 10은 연료 전지의 발전 성능의 저하에 수반되는 전류-전압 특성 곡선의 변화를 나타낸 맵.
도 1은 연료 전지 시스템(10)의 구성을 도시하는 설명도이다. 이 실시예는, 연료 전지 시스템을 차량에 적용한 예이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지 스택(이하, 연료 전지라고 칭함)(20), 산화제 가스 배관계(30), 연료 가스 배관계(40), 전력계(50) 및 제어 유닛(60)을 포함한다. 연료 전지(20)는, 산화제 가스와 연료 가스의 공급을 받아 발전을 행한다. 산화제 가스 배관계(30)는, 산화제 가스로서의, 산소를 포함하는 공기를 연료 전지(20)에 공급한다. 연료 가스 배관계(40)는, 연료 가스로서의 수소 가스를 연료 전지(20)에 공급한다. 전력계(50)는, 시스템의 전력을 충방전한다. 제어 유닛(60)은, 시스템 전체를 통괄 제어한다.
연료 전지(20)는, 고체 고분자 전해질형이며, 다수의 단전지(셀)를 적층한 스택 구조를 구비하고 있다. 연료 전지(20)의 단전지는, 전해질로 이루어지는 이온 교환막의 한쪽 면에 캐소드극(공기극)을 갖고, 다른 쪽 면에 애노드극(연료극)을 갖고 있다. 캐소드극과 애노드극을 포함하는 전극에는, 예를 들어 다공질의 카본 소재를 기초로, 백금(Pt)이 촉매(전극 촉매)로 사용되고 있다. 캐소드극의 표면에는, 캐소드 측의 가스 확산층이 배치되고, 마찬가지로 애노드극의 표면에도 애노드 측의 가스 확산층이 배치되어 있다. 또한 캐소드 측 및 애노드 측의 가스 확산층을 양측으로부터 끼워넣도록 한 쌍의 세퍼레이터가 설치되어 있다. 한쪽 세퍼레이터의 연료 가스 유로에 연료 가스가 공급되고, 다른 쪽 세퍼레이터의 산화제 가스 유로에 산화제 가스가 공급되어, 연료 전지(20)는 전력을 발생한다.
연료 전지(20)에는, 출력 전류 및 전압을 각각 검출하는 전류 센서(2a) 및 전압 센서(2b), 연료 전지(20)의 온도를 검출하는 온도 센서(2c)가 장착되어 있다.
산화제 가스 배관계(30)는, 에어 컴프레서(31), 산화제 가스 공급로(32), 가습 모듈(33), 캐소드 오프 가스 유로(34) 및 에어 컴프레서(31)를 구동하는 모터(M1)를 갖고 있다.
에어 컴프레서(31)는, 모터(M1)에 의해 구동되고, 외기로부터 도입된 산소를 포함하는 공기(산화제 가스)를 압축하여 연료 전지(20)의 캐소드극에 공급한다. 모터(M1)에는, 그 회전수를 검출하는 회전수 검출 센서(3a)가 장착되어 있다. 산화제 가스 공급로(32)는, 에어 컴프레서(31)로부터 공급되는 산소를 연료 전지(20)의 캐소드극으로 유도한다. 연료 전지(20)의 캐소드극으로부터는 캐소드 오프 가스가 캐소드 오프 가스 유로(34)를 통해 배출된다.
가습 모듈(33)은, 산화제 가스 공급로(32)를 흐르는 저습윤 상태의 산화제 가스와, 캐소드 오프 가스 유로(34)를 흐르는 고습윤 상태의 캐소드 오프 가스 사이에서 수분 교환을 행하여, 연료 전지(20)에 공급되는 산화제 가스를 적절하게 가습한다. 캐소드 오프 가스 유로(34)는, 캐소드 오프 가스를 시스템 외부로 배기하고, 캐소드극 출구 부근에는 배압 조정 밸브(A1)가 배치되어 있다. 연료 전지(20)로부터 배출되는 산화제 가스의 압력, 즉, 캐소드 배압은 배압 조정 밸브(A1)에 의해 압력 조정된다. 캐소드 오프 가스 유로(34)에 있어서의 연료 전지(20)와 배압 조정 밸브(A1)의 사이에는, 캐소드 배압을 검출하는 압력 센서(3b)가 장착되어 있다.
연료 가스 배관계(40)는, 연료 가스 공급원(41), 연료 가스 공급로(42), 연료 가스 순환로(43), 애노드 오프 가스 유로(44), 수소 순환 펌프(45), 기액 분리기(46) 및 수소 순환 펌프(45)를 구동하기 위한 모터(M2)를 갖고 있다.
연료 가스 공급원(41)은, 연료 전지(20)에 연료 가스인 수소 가스를 공급하는 탱크이다. 연료 가스 공급로(42)는, 연료 가스 공급원(41)으로부터 방출되는 연료 가스를 연료 전지(20)의 애노드극으로 유도하고, 상류 측으로부터 차례로 탱크 밸브(H1), 수소 공급 밸브(H2), FC 입구 밸브(H3)가 배치되어 있다. 이들 밸브는, 연료 전지(20)에 연료 가스를 공급, 차단하는 전자 밸브이다.
연료 가스 순환로(43)는, 미반응 연료 가스를 연료 전지(20)로 환류시켜, 상류 측으로부터 차례로 기액 분리기(46), 수소 순환 펌프(45) 및 도시하지 않은 역지 밸브가 배치되어 있다. 연료 전지(20)로부터 배출된 미반응 연료 가스는, 수소 순환 펌프(45)에 의해 적절하게 가압되어, 연료 가스 공급로(42)로 유도된다. 연료 가스 공급로(42)로부터 연료 가스 순환로(43)로의 연료 가스의 역류는, 역지 밸브에 의해 억제된다. 애노드 오프 가스 유로(44)는, 연료 전지(20)로부터 배출된 수소 오프 가스를 포함하는 애노드 오프 가스나 기액 분리기(46) 내에 저류된 물을 시스템 외부로 배기하여, 배기 배수 밸브(H5)가 배치되어 있다.
전력계(50)는 고압 DC/DC 컨버터(51), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 보조 기계 인버터(54), 트랙션 모터(M3) 및 보조 기계 모터(M4)를 구비하고 있다.
고압 DC/DC 컨버터(51)는, 배터리(52)로부터의 직류 전압을 조정하여 트랙션 인버터(53) 측에 출력할 수 있고, 연료 전지(20)로부터의 직류 전압 또는 트랙션 인버터(53)에 의해 직류로 변환된 트랙션 모터(M3)로부터의 전압을 조정하여 배터리(52)에 출력 가능하다. 고압 DC/DC 컨버터(51)에 의해, 연료 전지(20)의 출력 전압이 제어된다.
배터리(52)는 충방전 가능한 이차 전지이며, 잉여 전력의 충전이나 보조적인 전력 공급이 가능하다. 연료 전지(20)에서 발전된 직류 전력의 일부는, 고압 DC/DC 컨버터(51)에 의해 승강압되어, 배터리(52)에 충전된다. 배터리(52)에는, 그 충전 상태를 검출하는 SOC 센서(5a)가 장착되어 있다.
트랙션 인버터(53), 보조 기계 인버터(54)는, 연료 전지(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류 전력을 삼상 교류 전력으로 변환하여 트랙션 모터(M3) 및 보조 기계 모터(M4)에 공급한다. 트랙션 모터(M3)는, 차륜(71 및 72)을 구동한다. 트랙션 모터(M3)에는, 그 회전수를 검출하는 회전수 검출 센서(5b)가 장착되어 있다. 보조 기계 모터(M4)는, 각종 보조 기계류를 구동하기 위한 모터이며, 모터(M1 및 M2)를 총칭한 것이다.
제어 유닛(60)은, CPU, ROM 및 RAM을 포함하고, 입력되는 각 센서 신호에 기초하여, 당해 시스템의 각 부를 통합적으로 제어한다. 구체적으로는, 제어 유닛(60)은, 액셀러레이터 페달(80)의 회동을 검출하는 액셀러레이터 페달 센서(81), SOC 센서(5a), 회전수 검출 센서(5b)로부터 송출되는 각 센서 신호에 기초하여, 연료 전지(20)에의 출력 요구의 유무를 판정하고, 목표 출력값을 산출한다. 제어 유닛(60)은, 후술하는 전류-출력 곡선(IP 곡선)에 기초하여, 연료 전지(20)의 목표 전류값을 설정한다. 상세하게는 후술한다.
제어 유닛(60)은, 이 목표 전류값을 출력하도록 연료 전지(20)를 저전류 영역으로부터 고전류 영역까지 제어한다. 제어 유닛(60)은, 트랙션 인버터(53) 및 보조 기계 인버터(54)의 출력 펄스를 제어하여, 트랙션 모터(M3) 및 보조 기계 모터(M4) 등을 제어한다.
여기서, 연료 전지(20)는, 습윤 상태에 따라서는, 고전류 영역에서 가스 확산 저항의 증대에 기인하여 전압 강하되어 원하는 요구 출력을 출력할 수 없을 가능성이 있다. 본 실시예에서는, 제어 유닛(60)은 연료 전지(20)의 전압 강하를 억제하는 전압 강하 억제 제어를 실행한다. 또한, 제어 유닛(60)은 연료 전지(20)의 경시적인 성능 저하를 고려한 갱신 제어를 실행한다. 이들 제어는, CPU, ROM 및 RAM에 의해 기능적으로 실현되는, 설정부, 출력 제어부, 예측부, 재설정부, 기억부, 특성 추정부, 판정부 및 갱신부에 의해 실행된다. 이들 제어를 설명하기 전에, 연료 전지(20)의 전류-전압 특성(IV 특성)과 고전류 영역에서의 전압 강하에 대해 설명한다.
도 2는, 연료 전지(20)의 IV 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 연료 전지(20)의 출력 전압은, 출력 전류가 증대됨에 따라 저하된다. 연료 전지(20)의 출력 전압이 저하되는 주된 요인은, 활성화 과전압, 저항 과전압 및 농도 과전압이다. 활성화 과전압이라 함은, 캐소드 전극에서의 산소의 환원 시에 소비되는 활성화 에너지에 의한 전압의 저하분이다. 저항 과전압이라 함은, 연료 전지(20) 내의 전해질막, 촉매층, 가스 확산층, 세퍼레이터 및 집전판의 내부 저항에 의한 전압의 저하분이다. 농도 과전압이라 함은, 연료 전지(20)의 셀에 공급되는 수분 및 셀 내에서의 생성수에 의한 가스 확산 저항의 증대에 기인한 전압의 저하분이다. 이하, 활성화 과전압, 저항 과전압, 농도 과전압에 의한 전압 강하를, 각각 제1 전압 강하, 제2 전압 강하, 제3 전압 강하라고 한다.
활성화 과전압, 저항 과전압 및 농도 과전압은, 각각 연료 전지(20)의 출력 전류의 저전류 영역, 중전류 영역 및 고전류 영역에서 증대된다. 저전류 영역은, 활성화 과전압, 저항 과전압 및 농도 과전압 중 활성화 과전압의 영향을 가장 크게 받아 전압이 저하되는 영역이다. 중전류 영역은, 저항 과전압의 영향을 가장 크게 받아 전압이 저하되는 영역이다. 고전류 영역은, 농도 과전압의 영향을 가장 크게 받아 전압이 저하되는 영역이다. 예를 들어 저전류 영역은, 연료 전지(20)가 전류를 출력 가능한 전체 전류 영역 중 전반의 약 4분의 1의 영역이다. 고전류 영역은, 전체 전류 영역 중 후반의 약 4분의 1의 영역이다. 중전류 영역은, 전체 전류 영역 중 저전류 영역 및 고전류 영역을 제외한, 전체 전류 영역의 약 2분의 1의 영역이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 전압값은 고전류 영역에서 최소로 된다. 또한, 연료 전지(20)가 전류를 출력 가능한 전체 전류 영역은, 연료 전지(20)의 발전 성능의 저하에 의해 축소된다. 상세하게는 후술한다.
다음으로 연료 전지(20)의 전압 강하에 대해 설명한다. 도 3은, 전류-전압 특성 곡선(IV 곡선)을 나타낸 맵이다. 도 3에는, 복수의 IV 곡선 C∼C2를 나타내고 있다. IV 곡선 C∼C2는, 연료 전지(20)의 습윤 상태에 따른 연료 전지(20)의 전류-전압 특성(IV 특성)을 나타내는 선이다. 도 3의 맵은, 미리 실험에 의해 산출되어 ROM에 기억되어 있다. 또한, 도 3에는, IV 곡선 C∼C2만을 나타내고 있지만, 이 이외의 IV 곡선이 복수 ROM에 기억되어 있어도 된다.
IV 곡선 C는, 연료 전지(20)의 전해질막의 습윤 상태가 양호 습윤하며 저전류 영역으로부터 고전류 영역으로 이행한 경우라도 고전류 영역에서 농도 과전압의 증대에 기인한 전압 강하(제3 전압 강하)가 발생하지 않는, 이상적인 IV 곡선이다. 양호 습윤이라 함은, 전해질막이 적절하게 습윤하여 플로톤 이동 저항이 작고, 또한 플러딩 등이 발생하고 있지 않은 상태이다. IV 곡선 C1은, 연료 전지(20) 내의 수분량이 많은 고습윤 상태에서 저전류 영역으로부터 고전류 영역으로 이행한 경우에 전압이 강하하는 경우의 IV 곡선이다. IV 곡선 C2는, 연료 전지(20) 내의 수분량이 더 많은 과가습 상태에서 저전류 영역으로부터 고전류 영역으로 이행한 경우에, 고전류 영역에서 크게 전압이 강하하는 경우의 IV 곡선이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 저전류 영역에서는, IV 곡선 C보다 IV 곡선 C1 및 C2의 쪽이 전압값은 크다. 그 이유는, 연료 전지(20) 내의 수분량이 많을수록, 캐소드극의 백금 촉매에의 피독량이 적어져, 환원 반응에 유효한 백금 표면적이 증가하고, 활성화 과전압이 작아져, 출력 전압이 증대되기 때문이라고 생각된다. 한편, 고전류 영역에서는, IV 곡선 C보다 IV 곡선 C1 및 C2의 쪽이 전압값은 낮다. 그 이유는 이하에 의한다. 연료 전지(20) 내의 수분량이 많은 상태에서 운전 상태가 고전류 영역으로 이행하면, 더 많은 전기 화학 반응이 필요해져, 연료 전지(20) 내에 반응 가스가 많이 공급된다. 한편, 전극 내의 세공이나 세퍼레이터의 유로의 일부는 물에 의해 폐색되어 있으므로, 반응 가스의 확산이나 반응이 저해되는 플러딩이 발생하고, 농도 과전압이 증대되어 전압 강하가 발생하기 때문이다. 특히, 고습윤 또는 과가습 상태에서 연료 전지(20)의 운전 상태가 단기간에 저전류 영역으로부터 고전류 영역으로 이행한 경우, 연료 전지(20)로부터 배수가 촉진되기 전에 연료 전지(20)의 운전 상태가 고전류 영역으로 이행하여 제3 전압 강하가 발생할 가능성이 있다. 또한, 제조 비용의 저감을 목적으로 하여 전극 촉매인 백금의 사용량을 저감시킨 경우에, 플러딩에 의해 백금 유효 면적이 저감되어 제3 전압 강하가 발생하기 쉬운 상황이 된다. 이상과 같이, 연료 전지(20) 내의 수분량이 많을수록, 저전류 영역에서의 전압값은 높아지고, 고전류 영역에서의 제3 전압 강하는 발생하기 쉬워진다. 바꾸어 말하면, 저전류 영역의 전압값은 연료 전지(20)의 습윤 상태에 상관하고, 습윤 상태는 고전류 영역에서의 전압 강하의 크기에 상관한다.
다음으로, 이러한 고전류 영역에서의 전압 강하를 억제하는 전압 강하 억제 제어에 대해 설명한다. 도 4는, 제어 유닛(60)이 실행하는 전압 강하 억제 제어의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 5는, 전류-전압 특성 곡선과 등출력 곡선 D1 및 D2를 나타낸 맵이다. 도 6은, 전류-출력 특성 곡선을 나타낸 맵이다. 또한, 도 6에 나타내는 IP 곡선 E∼E2는, 연료 전지(20)의 운전 상태가 IV 곡선 C∼C2에 각각 따라서 이행하는 경우에서의 연료 전지(20)의 출력 전류와 출력 전력의 관계를 나타낸다. 도 5 및 도 6에 나타낸 맵은, 미리 실험에 의해 산출되어 ROM에 기억되어 있다. 또한, 도 6에는, IP 곡선 E∼E2만을 나타내고 있지만, 그 이외의 IP 곡선이 복수 ROM에 기억되어 있어도 된다. 또한, 이들 IP 곡선은, IV 곡선에 대응되어 ROM에 기억되어 있다.
전압 강하 억제 제어는, 소정 시간마다 반복 실행된다. 먼저, 제어 유닛(60)은, 전류 센서(2a)로부터의 출력값에 기초하여 연료 전지(20)의 출력 전류값이 저전류 영역 내에 있고, 또한 전류 기준값 IKL 미만인지 여부를 판정한다(스텝 S1). 전류 기준값 IKL은, 저전류 영역 내에 있는 소정의 전류값이며, 연료 전지(20)의 아이들 운전 상태에서의 출력 전류값 ID보다 큰 값으로 설정되어 있다. 긍정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은 연료 전지(20)에의 출력 증대 요구가 있는지 여부를 판정한다(스텝 S2). 스텝 S1 및 S2 중 어느 하나가 부정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은 본 제어를 종료한다.
스텝 S2에서 긍정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은, 연료 전지(20)에 요구되는 목표 출력값에 대응한 목표 전류값을 설정한다(스텝 S3). 구체적으로는, 도 6에 나타낸 IP 곡선 E 상에서의 목표 출력값에 대응한 목표 전류값을 설정한다. 또한, IP 곡선 E는, 고전류 영역에서 플러딩이 발생하지 않는 이상적인 IV 곡선 C에 대응한다. 도 6에서는, 목표 출력값 P1의 경우에, 목표 전류값은 IP 곡선 E 상의 목표 전류값 IA로 되는 경우를 예시하고 있다.
제어 유닛(60)은, 연료 전지(20)의 출력 전류값이 목표 전류값에 도달하도록, 연료 전지(20)의 출력 증대를 개시한다(스텝 S4). 다음으로, 제어 유닛(60)은, 목표 전류값이, 전류 역치 IKH를 초과하고 있는지 여부를 판정한다(스텝 S5). 전류 역치 IKH는, 제어 유닛(60)의 ROM에 기억되고 고전류 영역 내에 설정되어 있다. 부정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은 본 제어를 종료한다. 도 5에는, 목표 전류값 IA가 전류 역치 IKH보다 초과하고 있는 경우를 예시하고 있다. 또한, 연료 전지(20)의 출력 전류값이 저전류 영역 내에 있는 상태이고 목표 전류값이 고전류 역 내에 설정되는 경우라 함은, 예를 들어 아이들 운전 상태에서 액셀러레이터 페달(80)이 답입되고 나서 수 초 이내에 연료 전지(20)의 운전 상태가 고전류 영역으로 이행하는 경우이다. 즉, 아이들 운전 상태로부터 급가속하는 경우이다.
스텝 S5에서 긍정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은, 연료 전지(20)의 저전류 영역에서의 출력 전압값을 취득한다(스텝 S6). 구체적으로는, 전류 센서(2a)에 의해 검출된 출력 전류값이 저전류 영역 내에 설정된 전류 기준값 IKL에 도달한 경우에서의 연료 전지(20)의 출력 전압값을, 저전류 영역에서의 출력 전압값으로서 취득한다. 전술한 바와 같이 목표 전류값이 설정되고 나서 출력 증대가 개시되므로, 목표 전류값이 설정되고 나서 단기간 내에 저전류 영역에서의 출력 전압값이 취득된다. 도 5에서는, 저전류 영역에서의 출력 전압값 V1이 취득되는 경우와, 출력 전압값 V1보다 큰 출력 전압값 V2가 취득되는 경우를 예시하고 있다. 여기서, 상술한 바와 같이, 저전류 영역에서의 출력 전압값은 실측값이므로, 도 5에 나타내는 바와 같이 출력 전압값 V1 및 V2는 각각 IV 곡선 C1 및 C2 상에 있다고는 할 수 없고, 근사하고 있는 경우가 있다.
다음으로 제어 유닛(60)은, 취득된 저전류 영역에서의 출력 전압값에 기초하여, 고전류 영역에서 농도 과전압의 증대에 기인한 전압 강하(제3 전압 강하)가 발생하는지 여부를 예측한다(스텝 S7). 구체적으로는, 취득된 출력 전압값이 전압 역치 VK 미만인 경우에는, 습윤 상태는 양호 또는 습윤도가 낮다고 추정되어, 고전류 영역에서 농도 과전압의 증대에 기인하는 전압 강하는 발생하지 않는다고 예측된다. 취득된 출력 전압값이 전압 역치 VK를 초과하고 있는 경우에는, 습윤도는 높다고 추정되어, 고전류 영역에서 제3 전압 강하가 발생한다고 사전에 예측된다. 전술한 바와 같이, 저전류 영역에서의 출력 전압값이 높을수록, 연료 전지(20) 내의 수분량이 많다고 생각되어, 고전류 영역에서 전압 강하가 커지기 쉬워지기 때문이다. 또한, 이와 같이 저전류 영역에서의 출력 전압값과 전압 역치 VK를 이용한 간이한 방법에 의해, 제3 전압 강하의 발생을 사전에 예측할 수 있다. 전압 역치 VK는, 저전류 영역 내에 설정되고 미리 ROM에 기억되어 있다. 전압 역치 VK는, IV 곡선 C에 기초하여 규정되고, 전류 기준값 IKL에서의 IV 곡선 C 상의 전압값이지만, 이 전압값보다 약간 높은 값이어도 된다. 이와 같이, 아이들 운전 상태에서의 출력 전류값 ID보다 높은 저전류 영역 내에서의 전류값에 대응한 출력 전압값에 기초하여 제3 전압 강하의 발생이 예측된다. 그 이유는, 아이들 운전 상태에서는 습윤 상태가 상이한 경우라도 출력 전압값의 차가 작아, 예측 정밀도가 저하될 우려가 있기 때문이다. 또한, 저전류 영역에서의 출력 전압값에 기초하여 제3 전압 강하의 발생을 예측함으로써, 연료 전지(20)의 출력 전류값이 적어도 고전류 영역에 도달하기 전에, 조기에 제3 전압 강하의 발생을 예측할 수 있기 때문이다.
스텝 S7에서 고전류 영역에서의 제3 전압 강하가 발생한다고 예측된 경우에는, 제어 유닛(60)은 설정된 목표 전류값보다 작은 전류값으로 목표 전류값을 재설정하는 목표 전류값 재설정 처리를 실행한다(스텝 S8). 이와 같이, 전압 강하의 발생이 사전에 예측되어, 목표 전류값보다 작은 전류값으로 목표 전류값이 재설정됨으로써, 제3 전압 강하의 발생이 미연에 억제된다. 따라서, 연료 전지(20)의 출력 저하도 억제된다. 또한, 연료 전지(20)의 운전 상태가 단기간에 저전류 영역으로부터 고전류 영역으로 이행하는 경우라도, 연료 전지(20)의 출력의 수렴성의 저하가 억제된다.
또한, 스텝 S7에서는, 취득된 출력 전압값이 전압 역치 VK를 초과하고 있는지 여부에 따라서 제3 전압 강하의 발생을 예측하였지만 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 저전류 영역 내에서의, 단위 전류 증가당 출력 전압값의 저하율이 소정의 역치보다 작은 경우에, 제3 전압 강하가 발생한다고 예측해도 된다. 또한, 저전류 영역 내에 있어서, 제1 소정의 전류값과, 제1 소정의 전류값보다 큰 제2 소정의 전류값의 사이에 있어서의 출력 전압값의 최대값과 최소값의 차가 소정의 역치보다 작은 경우에, 제3 전압 강하가 발생한다고 예측해도 된다. 저전류 영역 내에 있어서, 제3 소정의 전류값과, 제3 소정의 전류값보다 큰 제4 소정의 전류값의 사이에서 출력 전압값을 출력 전류값으로 적분한 값이 소정의 역치보다 큰 경우에, 제3 전압 강하가 발생한다고 예측해도 된다.
상기한 전압 강하 억제 제어에 있어서, 스텝 S3의 처리는, 연료 전지(20)에의 출력 요구에 기초하여 연료 전지(20)의 목표 전류값을 설정하는 설정부가 실행하는 처리의 일례이다. 스텝 S4의 처리는, 목표 전류값에 따라서 연료 전지(20)의 출력 전류값을 저전류 영역으로부터 고전류 영역 내에서 제어하는 출력 제어부가 실행하는 처리의 일례이다. 스텝 S7의 처리는, 연료 전지(20)의 출력 전류값이 저전류 영역 내에 있고, 또한 목표 전류값이 고전류 영역 내에 설정된 전류 역치를 초과하고 있는 경우에, 저전류 영역에서의 연료 전지(20)의 출력 전압값에 기초하여 고전류 영역에서 연료 전지(20)의 제3 전압 강하가 발생한다고 예측하는 예측부가 실행하는 처리의 일례이다. 스텝 S8의 처리는, 제3 전압 강하가 발생한다고 예측된 경우에, 설정되어 있는 목표 전류값보다 작은 전류값으로 목표 전류값을 재설정하는 재설정부가 실행하는 처리의 일례이다.
다음으로, 목표 전류값 재설정 처리에 대해 설명한다. 도 7은, 목표 전류값 재설정 처리의 일례를 나타낸 흐름도이다. 제어 유닛(60)은, 취득된 연료 전지(20)의 저전류 영역에서의 출력 전압값에 기초하여, ROM에 기억된 복수의 IV 곡선 중 하나를, 현 시점에서의 IV 특성으로서 특정한다(스텝 S11). 구체적으로는, 복수의 IV 곡선 중, 취득된 연료 전지(20)의 저전류 영역에서의 출력 전압값에 근사한 IV 곡선이 특정된다. 도 5에는, 출력 전압값 V1이 취득된 경우에는 IV 곡선 C1이 특정되고, 출력 전압값 V2가 취득된 경우에는 IV 곡선 C2가 특정되는 경우를 예시하고 있다.
다음으로, 제어 유닛(60)은, 특정된 IV 곡선 상에, 목표 출력값과 동일한 동일 출력 동작점이 있는지 여부를 판정한다(스텝 S12). 긍정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은, 목표 전류값을 동일 출력 동작점에서의 전류값으로 재설정한다(스텝 S13). 이에 의해, 제3 전압 강하를 억제하면서 연료 전지(20)의 출력을 확보할 수 있다. 도 5에는, IV 곡선 C1과, IV 곡선 C 상에서의 목표 전류값 IA를 통과하는 등출력 곡선 D1이 접하는 예를 나타내고 있다. 예를 들어 스텝 S11에서 IV 곡선 C1이 특정되면, IV 곡선 C1 상에 목표 출력값과 동일한 동일 출력 동작점이 있다고 판정되고, 목표 전류값 IA는, IV 곡선 C1 상의 동일 출력 동작점에서의 전류값 I1로 재설정된다. 전류값 I1은, 초기에 설정된 목표 전류값 IA보다 작으므로, 제3 전압 강하를 억제하면서 연료 전지(20)의 출력을 확보할 수 있다. 도 6에는, 목표 출력값 P1에 대응하는 IP 곡선 E1 상에서의 목표 전류값 I1로 목표 전류값이 재설정되는 예를 나타내고 있다. 또한, 특정된 IV 곡선 상에 동일 출력 동작점이 2개 있는 경우에는, 제어 유닛(60)은, 2개의 동일 출력 동작점 중 전류값이 작은 쪽으로 목표 전류값을 재설정한다. 이에 의해, 조기에 연료 전지(20)의 출력 전류값을 목표 전류값에 도달시킬 수 있다.
스텝 S12에서 부정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은, 특정된 IV 곡선 상에서의 출력이 최대로 되는 최대 출력 동작점에서의 전류값으로 목표 전류값을 재설정한다(스텝 S14). 이에 의해, 제3 전압 강하를 억제하면서 연료 전지(20)의 출력 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 도 5에는, IV 곡선 C2와 등출력 곡선 D1은 접하지 않고, 등출력 곡선 D1보다 출력이 작은 등출력 곡선 D2에 접하는 예를 나타내고 있다. 예를 들어 스텝 S11에서 IV 곡선 C2가 특정되면, IV 곡선 C2 상에는 동일 출력 동작점은 없다고 판단되어, 목표 전류값 IA는, 등출력 곡선 D2가 통과하는 IV 곡선 C2 상의 최대 출력 동작점에서의 전류값 I2로 재설정된다. 전류값 I2는 초기에 설정된 목표 전류값 IA보다 작으므로, 제3 전압 강하를 억제하면서 연료 전지(20)의 출력 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 도 6에는, 당초의 목표 출력값 P1보다 낮지만 IP 곡선 E2 상에서의 최대 출력값 P2에 대응한 전류값 I2로 목표 전류값이 재설정되는 예를 나타내고 있다. IP 곡선 E2 상에서의 최대 출력을 확보함으로써, 연료 전지(20)의 출력 저하를 최저한으로 억제하고 있다.
또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 목표 출력값 P1이 요구되어 상기한 재설정이 행해지지 않고, IP 곡선 E에 기초하여 목표 전류값이 설정되고, 연료 전지(20)의 실제의 출력이 IP 곡선 E1에 따라서 이행하는 경우, 연료 전지(20)의 실제의 출력값은 IP 곡선 E1 상의 목표 전류값 IA에 대응한 목표 출력값 P1'로 되어, 목표 출력값 P1로부터 크게 저하된다. 마찬가지로, 연료 전지(20)의 실제의 출력이 IP 곡선 E2에 따라서 이행하는 경우도, 연료 전지(20)의 실제의 출력값은, 후술하는 설계상의 하한 전압값으로 제한된 출력값으로 되어, 목표 출력값 P1로부터 크게 저하된다.
또한, 목표 전류값을 동일 출력 동작점에서의 전류값이나, 특정된 IV 곡선 상에서의 최대 출력 동작점에서의 전류값으로 재설정하는 경우에 한정되지 않는다. 목표 전류값을 당초의 목표 전류값보다 작은 전류값으로 재설정하면 된다. 예를 들어, 목표 전류값을, 전류 역치 IKH와 동일한 전류값으로 재설정해도 되고, 목표 전류값보다 작은 전류값으로 재설정해도 된다. 또한, 목표 전류값을, 중전류 영역의 중심으로부터 고전류 영역까지의 사이의 전류값으로 재설정해도 된다. 이 경우라도, 고전류 영역에서의 제3 전압 강하를 억제할 수 있기 때문이며, 제3 전압 강하가 발생한 경우보다 연료 전지(20)의 출력을 확보할 수 있는 경우가 있을 수 있기 때문이다. 또한, 전류 역치 IKH는, 고전류 영역 내에서의 최소 전류값으로 설정해도 된다.
그런데 연료 전지(20)는, 계속적인 사용에 의해, 예를 들어 촉매나 전해질막이 경시 변화되어, 연료 전지(20)의 출력 전압이 저하되는 경우가 있다. 성능 저하 후에는, 연료 전지(20)의 모든 운전 상태에서 IV 특성이나 IP 특성이 저하된다. 이와 같이 성능 저하 후에 있어서도, 상술한 전압 역치 VK 및 전류 역치 IKH에 기초하여 연료 전지(20)의 제3 전압 강하의 발생을 예측하면, 전압 역치 VK 및 전류 역치 IKH는 성능 저하 후의 연료 전지(20)에 대응하고 있지 않으므로 예측 정밀도가 저하될 가능성이 있다. 따라서 제어 유닛(60)은, 전압 역치 VK 및 전류 역치 IKH를 포함하는 연료 전지(20)의 성능 정보를 갱신하는 갱신 제어를 실행한다.
다음으로, 연료 전지(20)의 성능 정보를 갱신하는 갱신 제어에 대해 설명한다. 도 8은, 갱신 제어의 일례를 나타낸 흐름도이다. 도 9, 도 10은 연료 전지(20)의 발전 성능의 저하에 수반되는 IV 곡선의 변화를 나타낸 맵이다. 도 9에는, IV 곡선 C에 대응하는 성능 저하 후의 IV 곡선 Ca, Cb 및 Cc를 나타내고 있다. 도 10에는, IV 곡선 C1에 대응하는 성능 저하 후의 IV 곡선 C1a, C1b 및 C1c를 나타내고 있다. 또한, 도 9에는, IV 곡선 C∼Cc 각각에 의해 규정되는 전압 역치 VK, VKa, VKb 및 VKc를 나타내고 있다. 전압 역치 VK와 마찬가지로, 전압 역치 VKa, VKb 및 VKc는, 각각 IV 곡선 Ca∼Cc 상의 전압값이어도 되고, 그 전압값보다 약간 높은 값이어도 된다. 도 9 및 도 10에 나타낸 맵은, 미리 실험에 의해 산출되어 ROM에 기억되어 있다.
갱신 제어는, 소정 시간마다 반복하여 실행된다. 먼저 제어 유닛(60)은, 연료 전지(20)의 성능 저하를 검출하는 타이밍인지 여부를 판정한다(스텝 S21). 부정 판정인 경우에는 제어 유닛(60)은 본 제어를 종료한다. 긍정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은 연료 전지(20)의 복수의 출력 전류값과, 복수의 출력 전류값에 각각 대응한 복수의 출력 전압값을 검출한다(스텝 S22). 제어 유닛(60)은, 검출 결과에 기초하여 연료 전지(20)의 IV 특성을 추정한다(스텝 S23). 제어 유닛(60)은, 추정된 IV 특성과, ROM에 미리 기억된 IV 특성을 비교함으로써, 연료 전지(20)의 성능이 저하되었는지 여부를 판정한다(스텝 S24). 부정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은 본 제어를 종료한다.
스텝 S24에서 긍정 판정인 경우에는, 제어 유닛(60)은 연료 전지(20)의 성능의 저하 정도에 따라서, ROM에 기억된 성능 저하 전의 성능 정보를 성능 저하 후의 성능 정보로 갱신한다(스텝 S25). 성능 저하 전의 성능 정보 및 성능 저하 후의 성능 정보는, 미리 실험에 의해 산출되어 ROM에 기억되어 있다. 성능 정보는, IV 곡선, IP 곡선, 등출력 곡선, 전류 역치 및 전압 역치를 포함한다. 성능의 저하 정도마다의 성능 정보가 ROM에 기억되어 있다. IV 곡선, IP 곡선, 등출력 곡선, 전류 역치 및 전압 역치는 서로 관련되어 있다.
예를 들어, 검출된 복수의 출력 전류값 및 출력 전압값에 기초하여, 연료 전지(20)가 고전류 영역에서 플러딩이 발생하지 않는 경우에서의 IV 특성을 추정한다. 성능이 저하되어 있지 않은 경우에는 추정된 IV 특성은 ROM에 미리 기억되어 있는 IV 곡선 C와 대략 동일해진다. 성능이 저하되어 있는 경우에는, 추정된 IV 특성은 도 9의 맵 IV 곡선 Ca∼Cc 중 어느 하나에 근사한다. 예를 들어, 추정된 IV 특성이 IV 곡선 Ca에 가장 근사하고 있는 경우에는, ROM에 기억되어 있는 IV 곡선 C를 IV 곡선 Ca로 갱신한다. 이 갱신과 동시에, IV 곡선 C1, 전압 역치 VK를, IV 곡선 Ca에 대응되어 있는 IV 곡선 C1a, 전압 역치 VKa로 각각 갱신한다. 또한, 도 9에는 나타나 있지 않지만, 전류 역치 IKH를, IV 곡선 Ca에 대응되어 있는 전류 역치로 갱신한다. 그 밖의 IV 곡선, IP 곡선 및 등출력 곡선을, 각각 IV 곡선 Ca에 대응되어 있는 다른 IV 곡선, IP 곡선 및 등출력 곡선으로 갱신한다. 또한, 성능 저하에 수반하여, 전압 역치 VK 및 전류 역치 IKH는, 모두 작은 값으로 갱신된다.
이상과 같이 성능 저하 후에서의 성능 정보를 갱신하고, 그 성능 정보에 기초하여 상기한 전압 강하 억제 제어가 실행된다. 이로 인해, 성능 저하 후에도 전압 강하를 적절하게 억제할 수 있다. 상세하게는, IV 곡선, 전압 역치 및 전류 역치가 갱신됨으로써, 성능 저하 후에도 전압 강하의 발생을 고정밀도로 예측하여 전압 강하를 억제할 수 있다. 또한 등출력 곡선을 갱신함으로써, 성능 저하 후라도 전압 강하를 억제하였을 때의 연료 전지(20)의 출력 저하를 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 전압 역치 VK 및 전류 역치 IKH 모두 성능 저하에 수반하여 갱신되지만, 한쪽만을 갱신하고 다른 쪽을 갱신하지 않아도 된다. 예를 들어, 성능 저하에 수반되는 연료 전지(20)의 저전류 영역에서의 전압의 저하 정도는 작고, 고전류 영역에서의 전압의 저하 정도가 큰 경우에는, 전류 역치 IKH만을 갱신해도 된다.
상기한 갱신 제어에 있어서, 스텝 S23의 처리는, 연료 전지(20)의 전류-전압 특성을 추정하는 특성 추정부가 실행하는 처리의 일례이다. 스텝 S24의 처리는, 추정된 전류-전압 특성에 기초하여 연료 전지(20)의 성능이 저하되었는지 여부를 판정하는 판정부가 실행하는 처리의 일례이다. 스텝 S25의 처리는, 연료 전지(20)의 성능이 저하되었다고 판정된 경우에는, 추정된 전류-전압 특성에 기초하여 ROM에 기억된 전류 역치 및 전압 역치 중 적어도 한쪽을 갱신하는 갱신부가 실행하는 처리의 일례이다.
또한, 도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 연료 전지(20)의 운전이 허용되는 운전 허용 영역은, 설계상의 상한 전류값 UI 및 하한 전압값 LV에 의해 규정되어 있다. 이 상한 전류값 UI 및 하한 전압값 LV는, 연료 전지 시스템(10) 측의 정상 동작을 확보하는 것을 고려하여 규정된 것이며, 연료 전지(20)의 이론적으로 출력 가능한 최대 전류값 및 최저 전압값은 아니다. 예를 들어, 운전 허용 영역 내에서 연료 전지(20)의 최대 전류값은, 도 9의 IV 곡선 C와 같이 성능 저하 전에는 상한 전류값 UI이고, IV 곡선 Ca와 같이 성능 저하 후라도 성능 저하의 정도가 작은 경우에서는 상한 전류값 UI이다. 그러나, IV 곡선 Cb 및 Cc와 같이 더욱 성능이 저하된 후에는, 연료 전지(20)의 최대 전류값은 상한 전류값 UI 미만으로 되어 이때의 전압값은 하한 전압값 LV가 된다. 여기서, IV 곡선 C∼Cc는, 전술한 바와 같이 고전류 영역에서 농도 과전압의 증대가 발생하지 않는 이상적인 IV 곡선을 나타내고 있고, 각 성능 상태에 있어서 고전류 영역에서의 전압값이 가장 높은 IV 곡선이다. 따라서 본 실시예에 있어서, 연료 전지(20)가 전류를 출력 가능한 「전체 전류 영역」이라 함은, 전류값이 제로로부터, 상한 전류값 UI와 연료 전지(20)가 출력 가능한 최대 전류값 중 작은 쪽까지의 구간이다. 본 실시예에 있어서는, 이와 같이 정의되는 전체 전류 영역에 따라서, 저전류 영역, 중전류 영역 및 고전류 영역이 정의된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 특정 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형·변경이 가능하다.

Claims (3)

  1. 연료 전지 시스템이며,
    연료 전지(20)와,
    상기 연료 전지에의 출력 요구에 기초하여 상기 연료 전지의 목표 전류값을 설정하는 설정부(60)와,
    설정된 상기 목표 전류값에 기초하여 상기 연료 전지의 출력 전류값을 저전류 영역으로부터 고전류 영역까지 제어 가능한 출력 제어부(60)와,
    상기 연료 전지의 출력 전류값이 상기 저전류 영역 내에 있고, 또한 상기 목표 전류값이 상기 고전류 영역 내에 설정된 전류 역치를 초과하고 있는 경우에, 상기 저전류 영역에서의 상기 연료 전지의 출력 전압값에 기초하여 상기 고전류 영역에서 상기 연료 전지의 전압 강하가 발생한다고 예측하는 예측부(60)와,
    상기 전압 강하가 발생한다고 예측된 경우에, 설정되어 있는 상기 목표 전류값보다 작은 전류값으로 목표 전류값을 재설정하는 재설정부(60)를 포함하고,
    상기 예측부(60)는, 상기 저전류 영역에서의 소정의 전류값에 있어서의 상기 연료 전지의 출력 전압값이 전압 역치를 초과하고 있는 경우에, 상기 전압 강하가 발생한다고 예측하는, 연료 전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류 역치 및 전압 역치를 기억한 기억부(60)와,
    상기 연료 전지의 전류-전압 특성을 추정하는 특성 추정부(60)와,
    추정된 상기 전류-전압 특성에 기초하여 상기 연료 전지의 성능이 저하되었는지 여부를 판정하는 판정부(60)와,
    상기 연료 전지의 성능이 저하되었다고 판정된 경우에는, 추정된 상기 전류-전압 특성에 기초하여 상기 기억부에 기억된 상기 전류 역치 및 전압 역치 중 적어도 한쪽을 갱신하는 갱신부(60)를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
KR1020160091989A 2015-07-23 2016-07-20 연료 전지 시스템 KR101874183B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2015-146198 2015-07-23
JP2015146198A JP6225957B2 (ja) 2015-07-23 2015-07-23 燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170012083A KR20170012083A (ko) 2017-02-02
KR101874183B1 true KR101874183B1 (ko) 2018-07-03

Family

ID=56497629

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160091989A KR101874183B1 (ko) 2015-07-23 2016-07-20 연료 전지 시스템

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9979035B2 (ko)
EP (1) EP3121890B1 (ko)
JP (1) JP6225957B2 (ko)
KR (1) KR101874183B1 (ko)
CN (1) CN106374123B (ko)
CA (1) CA2936641C (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6447838B2 (ja) * 2016-11-21 2019-01-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
JP7302528B2 (ja) * 2020-05-15 2023-07-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN116247244A (zh) * 2023-02-08 2023-06-09 上海氢晨新能源科技有限公司 一种质子交换膜燃料电池的停机控制方法及系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014171291A1 (ja) * 2013-04-16 2014-10-23 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3915569B2 (ja) * 2002-03-27 2007-05-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の不具合判定装置および方法
JP2005032587A (ja) * 2003-07-07 2005-02-03 Denso Corp 燃料電池システム
JP4149463B2 (ja) 2005-06-09 2008-09-10 本田技研工業株式会社 燃料電池車両の制御装置および燃料電池車両の制御方法
JP4839698B2 (ja) 2005-06-30 2011-12-21 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池システム
JP2007018735A (ja) * 2005-07-05 2007-01-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の活性化過電圧低減装置
JP2008066081A (ja) * 2006-09-06 2008-03-21 Fujitsu Ltd 燃料電池装置、制御装置及びプログラム
JP4877656B2 (ja) * 2007-07-02 2012-02-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその電流制御方法
JP2009016191A (ja) * 2007-07-05 2009-01-22 Toshiba Corp 燃料電池および燃料電池システム
JP5411443B2 (ja) * 2008-04-04 2014-02-12 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US8405399B2 (en) * 2010-07-20 2013-03-26 GM Global Technology Operations LLC Method to predict min cell voltage from discrete min cell voltage output of stack health monitor
JP5522309B2 (ja) 2011-03-01 2014-06-18 日産自動車株式会社 燃料電池システム
WO2013065132A1 (ja) * 2011-11-01 2013-05-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の出力制御装置
JP6089420B2 (ja) 2012-03-15 2017-03-08 日産自動車株式会社 燃料電池システム
CA2926746C (en) * 2013-10-08 2019-07-09 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and method for controlling fuel cell system
US20170005350A1 (en) * 2015-07-02 2017-01-05 Greenlight lnnovation Corporation Systems and methods for acquisition, parameterization, and validation of fuel cell polarization data

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014171291A1 (ja) * 2013-04-16 2014-10-23 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3121890B1 (en) 2019-01-09
JP2017027820A (ja) 2017-02-02
CN106374123A (zh) 2017-02-01
KR20170012083A (ko) 2017-02-02
CA2936641C (en) 2019-03-05
CA2936641A1 (en) 2017-01-23
CN106374123B (zh) 2019-05-10
US9979035B2 (en) 2018-05-22
US20170025689A1 (en) 2017-01-26
JP6225957B2 (ja) 2017-11-08
EP3121890A1 (en) 2017-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8158293B2 (en) Fuel cell system
US7879502B2 (en) Method for revising a polarization curve that defines the current/voltage relationship of a fuel cell stack
US8546033B2 (en) Fuel cell apparatus comprising a high potential avoidance voltage setting device
US8227123B2 (en) Fuel cell system and current control method with PI compensation based on minimum cell voltage
US20100248054A1 (en) Fuel cell system
WO2013128610A1 (ja) 燃料電池システム
US20070224482A1 (en) Fuel Cell System
US9806357B2 (en) Fuel cell system
WO2012017474A1 (ja) 燃料電池システム
CN107634246B (zh) 燃料电池车辆的运转方法
KR20140144728A (ko) 연료전지 시스템
KR101874183B1 (ko) 연료 전지 시스템
CN108878929B (zh) 燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
CN103199281A (zh) 用以提高燃料电池系统寿命的备用模式的自适应限制
JP6423377B2 (ja) 燃料電池システムの電力制御方法
JP4505489B2 (ja) 燃料電池システム及びその起動方法
JP4739938B2 (ja) 燃料電池システム
JP2008301542A (ja) 燃料電池車両
JP2014002844A (ja) 燃料電池システム
JP6167864B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池車両、燃料電池システムの制御方法
JP2017037758A (ja) 燃料電池システム
CN116895802A (zh) 信息处理装置以及车辆

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant