KR102157708B1 - 연료 전지 시스템 및 그 제어 장치, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템은, 연료 전지에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 장치와, 연료 전지에 공급되는 애노드 가스에 대하여 연료 전지로부터 배출된 애노드 배가스를 합류시키는 이젝터와, 이젝터에 애노드 배가스를 공급하는 액추에이터를 구비한다. 이 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 연료 전지에 요구되는 부하의 크기에 따라서, 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 제어하는 캐소드 가스 제어 스텝과, 부하가 낮을 때는, 부하가 높을 때 비해서, 애노드 가스 공급 장치에 의해 캐소드 가스의 압력과 애노드 가스의 압력의 차압을 크게 하는 애노드 가스 제어 스텝을 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 장치, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법
본 발명은, 연료 전지로부터 배출된 가스를 연료 전지에 도입해서 순환시키는 연료 전지 시스템 및 그 제어 장치, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
일본특허공개 제2008-131633호 공보에는, 탱크로부터 연료 전지에 공급되는 애노드 가스에 대하여 연료 전지로부터 배출된 애노드 배가스를 합류시켜서 연료 전지에 공급하는 이젝터와, 그 애노드 배가스를 가압해서 이젝터로 송출하는 펌프를 구비하는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.
이 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지의 부하가 저부하역보다 높은 영역에 있어서, 펌프를 구동해서 애노드 배가스를 승압함과 함께, 그 애노드 배가스의 압력이 이젝터에서 강압되지 않도록 이젝터에 공급하는 애노드 가스의 압력을 저부하역에 비하여 증가시킨다.
상술한 바와 같은 연료 전지 시스템은, 연료 전지의 부하가 저부하역보다 높은 영역에 있을 때는, 이젝터에 공급하는 애노드 가스의 압력을 증가시키는 점에서, 연료 전지에 대한 애노드 가스의 공급량이 과잉이 되어 버릴 가능성이 있다. 이러한 경우에는, 연료 전지에 있어서 필요 이상으로 애노드 가스를 소비하거나, 외부로 애노드 가스를 배출하거나 할 필요가 있어, 연비가 나빠져 버린다.
한편, 연료 전지의 부하가 저부하역에 있을 때는, 이젝터에 공급하는 애노드 가스의 압력을 감소시키기 위해서, 이에 수반하여 펌프에 의한 애노드 배가스의 승압량을 크게 하지 않으면 안되어, 펌프를 구동하는 액추에이터의 소비 전력이 커져 버린다. 그 때문에, 펌프의 성능을 높게 해야 한다는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 문제점에 착안해서 이루어진 것으로, 연료 전지에 애노드 가스를 순환시키는 액추에이터의 소비 전력을 저감하는 연료 전지 시스템 및 그 제어 장치, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 어느 양태에 의하면, 연료 전지 시스템은, 연료 전지에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 장치와, 상기 연료 전지에 공급되는 애노드 가스에 대하여 상기 연료 전지로부터 배출된 애노드 배가스를 합류시키는 이젝터와, 상기 이젝터에 당해 애노드 배가스를 공급하는 액추에이터와, 상기 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급 장치를 구비한다. 이 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 연료 전지에 요구되는 부하의 크기에 따라서, 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 제어하는 캐소드 가스 제어 스텝과, 상기 부하가 낮을 때는, 상기 부하가 높을 때 비해서, 상기 애노드 가스 공급 장치에 의해 상기 캐소드 가스의 압력과 상기 애노드 가스의 압력의 차압을 크게 하는 애노드 가스 제어 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 구성예를 도시하는 구성도이다.
도 2는 본 실시 형태에 있어서의 이젝터의 성능과 애노드 순환계의 필요 양정의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지의 애노드 가스 압력의 제어 방법의 일례를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템을 제어하는 컨트롤러의 기능 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 6은 연료 전지에 공급해야 할 애노드 가스의 목표 압력을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7은 애노드 순환 펌프의 목표 동력을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 8은 연료 전지에 공급해야 할 캐소드 가스의 목표 압력을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9는 캐소드 가스의 목표 유량을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 10은 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 작동 상태의 변화를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 구성예를 도시하는 구성도이다.
도 12는 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러의 기능 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 13은 연료 전지에 대한 습윤 요구에 따라서 애노드 가스의 목표 압력을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 14는 요구 부하에 기초하여 이젝터에 의한 애노드 배가스의 승압량을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 15는 애노드 순환 펌프용 인버터의 온도에 기초하여 애노드 순환 펌프에 의한 상한 승압량을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 16은 애노드 순환 펌프의 동력 경감을 위한 애노드 가스 압력을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 17은 캐소드 가스를 공급하는 컴프레서의 동력 증가를 억제하기 위한 애노드 가스 압력을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 18은 습윤 요구에 따라서 애노드 순환 펌프의 목표 동력을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 19는 습윤 요구에 따라서 캐소드 가스의 목표 압력을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 20은 습윤 요구에 따라서 캐소드 가스의 목표 유량을 연산하는 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
도 21은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 애노드 가스 압력의 제어 방법의 일례를 도시하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지의 발전에 필요해지는 연료를 포함하는 애노드 가스 및 산화제를 포함하는 캐소드 가스를 각각 연료 전지 스택(1)에 공급하고, 전기 부하에 따라서 연료 전지를 발전시키는 전원 시스템을 구성한다. 본 실시 형태에서는, 연료로서 수소가 사용되고, 산화제로서 산소가 사용된다. 연료 전지 시스템(100)은, 예를 들어 전동 차량이나 하이브리드 차량 등에 탑재된다.
연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 스택(1)과, 캐소드 가스 급배 장치(2)와, 애노드 가스 급배 장치(3)와, 스택 냉각 장치(4)와, 부하 장치(5)와, 컨트롤러(200)를 포함한다.
연료 전지 스택(1)은, 복수의 연료 전지가 적층된 적층 전지이다. 연료 전지 스택(1)은, 부하 장치(5)에 대하여 접속되어, 부하 장치(5)에 전력을 공급하는 전원이다. 연료 전지 스택(1)은, 예를 들어 수백V(볼트)의 직류의 전압을 발생시킨다.
연료 전지는, 애노드 전극(연료극)과, 캐소드 전극(산화제극)과, 이들 전극 사이에 끼워진 전해질막을 갖는다. 연료 전지는, 애노드 전극에 공급되는 애노드 가스 중의 수소와, 캐소드 전극에 공급되는 캐소드 가스 중의 산소가 전기 화학 반응을 일으켜서 발전한다. 전기 화학 반응(발전 반응)은, 애노드 전극 및 캐소드 전극에 있어서 이하와 같이 진행된다.
애노드 전극: 2H2→4H++4e- … (1)
캐소드 전극: 4H++4e-+O2→2H2O … (2)
캐소드 가스 급배 장치(2)는, 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급 장치를 포함한다. 본 실시 형태의 캐소드 가스 급배 장치(2)는, 산소를 포함하는 공기를 캐소드 가스로서 연료 전지 스택(1)의 캐소드 전극측에 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 전극측으로부터 배출되는 공기를 캐소드 배가스로서 대기로 방출한다.
캐소드 가스 급배 장치(2)는, 캐소드 가스 공급 통로(21)와, 컴프레서(22)와, 유량 센서(23)와, 인터쿨러(24)와, 캐소드 압력 센서(25)와, 캐소드 가스 배출 통로(26)와, 캐소드 압력 조절 밸브(27)를 포함한다.
캐소드 가스 공급 통로(21)는, 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급하기 위한 통로이다. 캐소드 가스 공급 통로(21)의 일단부는 개구되어 있고, 타단부는 연료 전지 스택(1)의 캐소드 가스 입구 구멍에 접속된다.
컴프레서(22)는, 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 컴프레서(22)는, 캐소드 가스 공급 통로(21)의 개구단부로부터 공기를 도입하고, 그 공기를 연료 전지 스택(1)에 공급한다. 컴프레서(22)의 조작량은 컨트롤러(200)에 의해 제어된다.
유량 센서(23)는, 컴프레서(22)보다 상류인 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 유량 센서(23)는, 컴프레서(22)에 의해 흡인되어 연료 전지 스택(1)을 향해서 토출되는 캐소드 가스의 유량을 검출한다. 이하에서는, 컴프레서(22)에 의해 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 「컴프레서 유량」이라고 한다. 유량 센서(23)는, 컴프레서 유량을 검출한 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
인터쿨러(24)는, 컴프레서(22)보다 하류인 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 인터쿨러(24)는, 인터쿨러(24)보다 하류에 배치된 부품의 온도가 너무 높아지지 않도록, 컴프레서(22)로부터 토출되는 캐소드 가스를 냉각한다.
캐소드 압력 센서(25)는, 인터쿨러(24)와 연료 전지 스택(1) 사이의 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 캐소드 압력 센서(25)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 「캐소드 압력」이라고 한다. 캐소드 압력 센서(25)는, 캐소드 압력을 검출한 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
캐소드 가스 배출 통로(26)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 캐소드 가스를 배출하기 위한 통로이다. 캐소드 가스 배출 통로(26)의 일단부는, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 가스 출구 구멍에 접속되고, 타단부는 개구되어 있다.
캐소드 압력 조절 밸브(27)는, 캐소드 가스 배출 통로(26)에 설치된다. 캐소드 압력 조절 밸브(27)로서 본 실시 형태에서는, 밸브의 개방도를 단계적으로 변경 가능한 전자기 밸브가 사용된다. 또한, 캐소드 압력 조절 밸브(27)로서, 오리피스나, 터빈 노즐과 같은 것을 사용해도 된다. 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도는 컨트롤러(200)에 의해 제어된다. 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도가 커질수록 캐소드 압력 조절 밸브(27)가 개방되고, 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도가 작아질수록 캐소드 압력 조절 밸브(27)가 폐쇄된다.
애노드 가스 급배 장치(3)는, 연료 전지 스택(1)에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 장치와 애노드 순환계를 구성한다.
본 실시 형태의 애노드 가스 급배 장치(3)는, 애노드 가스로서 수소를 연료 전지 스택(1)의 애노드 전극측으로 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)의 애노드 전극측으로부터 배출되는 가스를 연료 전지 스택(1)의 애노드 전극에 다시 도입해서 순환시킨다.
또한, 애노드 가스 급배 장치(3)는, 연료 전지 스택(1)의 애노드극측으로부터 배출되는 가스 중의 불순물을, 캐소드 배가스에 의해 희석해서 대기로 방출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)의 애노드 전극측으로부터 배출되는 가스를 「애노드 배가스」라고 한다.
애노드 가스 급배 장치(3)는, 고압 탱크(31)와, 애노드 가스 공급 통로(32)와, 애노드 압력 조절 밸브(33)와, 이젝터(34)와, 애노드 가스 순환 통로(35)와, 애노드 순환 펌프(36)와, 애노드 압력 센서(37)와, 불순물 배출 통로(38)와, 퍼지 밸브(39)를 포함한다. 또한, 본 실시 형태의 애노드 순환계는, 연료 전지 스택(1), 이젝터(34), 애노드 가스 순환 통로(35) 및 애노드 순환 펌프(36)에 의해 구성된다.
고압 탱크(31)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 연료인 수소를 고압 상태로 유지해서 저장한다.
애노드 가스 공급 통로(32)는, 고압 탱크(31)에 수용된 수소를 애노드 가스로서 연료 전지 스택(1)에 공급하기 위한 통로이다. 애노드 가스 공급 통로(32)의 일단부는 고압 탱크(31)에 접속되고, 타단부는, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 입구 구멍에 접속된다.
애노드 압력 조절 밸브(33)는, 이젝터(34)보다 상류인 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치된다. 애노드 압력 조절 밸브(33)는, 애노드 가스 공급 통로(32)의 압력, 즉 이젝터(34)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 조정한다. 애노드 압력 조절 밸브(33)로서는, 예를 들어 밸브의 개방도를 단계적으로 변경 가능한 전자기 밸브가 사용된다. 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도는, 컨트롤러(200)에 의해 개폐 제어된다.
이젝터(34)는, 애노드 압력 조절 밸브(33)와 연료 전지 스택(1) 사이의 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치된다. 이젝터(34)는, 애노드 압력 조절 밸브(33)에 의해 공급되는 애노드 가스에 대하여 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배가스를 합류시켜서, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 기계식 펌프이다.
본 실시 형태의 이젝터(34)는, 노즐 직경이 일정한 이젝터이다. 이 이젝터(34)에서는, 고압 탱크(31)로부터 공급되는 애노드 가스를, 유입구에 있는 노즐부터 디퓨저를 향해서 분사함으로써, 디퓨저 내에 부압을 발생시킨다. 그리고, 이 부압을 이용해서 애노드 배가스를 흡인구로부터 디퓨저 내로 흡인되고, 흡인시킨 애노드 배가스와 노즐로부터 분사되는 새로운 애노드 가스를 혼합해서 유출구로부터 연료 전지 스택(1)을 향해서 배출한다.
이와 같이, 이젝터(34)는, 애노드 압력 조절 밸브(33)에 의해 공급되는 애노드 가스의 유속을 높임으로써, 애노드 가스 순환 통로(35)로부터 애노드 배가스를 흡인해서 그 애노드 배가스를 연료 전지 스택(1)의 애노드 전극에 순환시킨다.
애노드 가스 순환 통로(35)는, 연료 전지 스택(1)으로부터의 애노드 배가스를, 애노드 가스 공급 통로(32)에 도입해서 연료 전지 스택(1)에 순환시키는 통로이다. 애노드 가스 순환 통로(35)의 일단부는, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 출구 구멍에게 접속되고, 타단부는 이젝터(34)의 흡인구(순환구)에 접속된다.
애노드 순환 펌프(36)는, 애노드 가스 순환 통로(35)에 설치된다. 애노드 순환 펌프(36)는, 이젝터(34)를 통해서 애노드 배가스를 연료 전지 스택(1)으로 송출하기 위한 액추에이터를 갖는다. 애노드 순환 펌프(36)는, 연료 전지 스택(1) 내의 애노드 전극을 순환하는 애노드 배가스의 순환 유량을 확보하기 위해서, 애노드 가스 순환 통로(35)의 압력을 상승시킨다.
본 실시 형태의 애노드 순환 펌프(36)는, HRB(Hydrogen recirculation blower)에 의해 실현된다. 애노드 순환 펌프(36)를 이하에서는 「HRB」라고도 칭한다. 애노드 순환 펌프(36)의 회전수(회전 속도)는 컨트롤러(200)에 의해 제어된다. 또한, 애노드 순환 펌프(36)는, 애노드 배가스를 승압해서 이젝터(34)로 송출하는 것이면 되고, HRB에 한정되지 않고, 컴프레서나, 펌프여도 된다.
애노드 압력 센서(37)는 이젝터(34)와 연료 전지 스택(1) 사이의 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치된다. 애노드 압력 센서(37)는, 이젝터(34)로부터 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 「애노드 압력」이라고 한다. 애노드 압력 센서(37)는, 애노드 압력을 검출한 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
불순물 배출 통로(38)는, 애노드 배가스 중의 불순물을 배출하는 통로이다. 여기에서 말하는 불순물이란, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 발전에 수반하는 생성수나, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 전극으로부터 전해질막을 통해서 애노드 전극에 투과해 온 질소 가스 등을 말한다.
불순물 배출 통로(38)의 일단부는 애노드 가스 순환 통로(35)에 접속되고, 타단부는, 캐소드 압력 조절 밸브(27)보다 하류인 캐소드 가스 배출 통로(26)에 접속된다. 이에 의해, 불순물 배출 통로(38)로부터 불순물과 함께 배출되는 수소가, 캐소드 가스 배출 통로(26)를 흐르는 캐소드 배가스에 의해 희석되게 된다.
또한, 여기에서는 도시되어 있지 않지만, 애노드 가스 순환 통로(35)와 불순물 배출 통로(38)의 접속 부분에는, 애노드 배가스 중의 생성수와 질소 가스 등의 기체를 분리하는 기액 분리 장치가 설치되어 있다.
퍼지 밸브(39)는, 불순물 배출 통로(38)에 설치된다. 퍼지 밸브(39)는, 애노드 배가스에 포함되는 불순물을 외부로 퍼지한다. 퍼지 밸브(39)는 컨트롤러(200)에 의해 개폐 제어된다. 예를 들어, 퍼지 밸브(39)는, 듀티 제어에 의해 일정한 주기로 개폐를 반복한다.
퍼지 밸브(39)로부터 불순물과 함께 수소가 퍼지되고, 이들을 포함하는 퍼지 가스는 캐소드 가스 배출 통로(26)로 배출된다. 캐소드 배가스에 의한 희석 후의 수소 농도가 규정값 이하가 되도록, 캐소드 배가스의 유량이 조정된다.
스택 냉각 장치(4)는, 연료 전지 스택(1)의 온도를 냉각하는 장치이다. 스택 냉각 장치(4)는, 냉각수 순환 통로(41)와, 냉각수 펌프(42)와, 라디에이터(43)와, 바이패스 통로(44)와, 삼방 밸브(45)와, 입구 수온 센서(46)와, 출구 수온 센서(47)를 포함한다.
냉각수 순환 통로(41)는, 연료 전지 스택(1)에 냉각수를 순환시키는 통로이다. 냉각수 순환 통로(41)의 일단부는 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍에 접속되고, 타단부는 연료 전지 스택(1)의 냉각수 출구 구멍에 접속된다.
냉각수 펌프(42)는, 냉각수 순환 통로(41)에 설치된다. 냉각수 펌프(42)는, 라디에이터(43)를 통해서 연료 전지 스택(1)에 냉각수를 공급한다. 냉각수 펌프(42)의 회전수는, 컨트롤러(200)에 의해 제어된다.
라디에이터(43)는, 냉각수 펌프(42)보다 하류인 냉각수 순환 통로(41)에 설치된다. 라디에이터(43)는, 연료 전지 스택(1)의 내부에서 따뜻해진 냉각수를 팬에 의해 냉각한다.
바이패스 통로(44)는, 라디에이터(43)를 바이패스하는 통로이며, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출된 냉각수를 연료 전지 스택(1)으로 되돌려서 순환시키는 통로이다. 바이패스 통로(44)의 일단부는, 냉각수 펌프(42)와 라디에이터(43) 사이의 냉각수 순환 통로(41)에 접속되고, 타단부는 삼방 밸브(45)에 접속된다.
삼방 밸브(45)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 냉각수의 온도를 조정한다. 삼방 밸브(45)는, 예를 들어 서모스탯에 의해 실현된다. 삼방 밸브(45)는, 라디에이터(43)와 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍 사이의 냉각수 순환 통로(41)에 있어서 바이패스 통로(44)가 합류하는 부분에 설치된다.
입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)는, 냉각수의 온도를 검출한다. 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)에 의해 검출되는 냉각수의 온도는, 연료 전지 스택(1)의 온도로서 사용된다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)의 온도를 「FC 온도」라고도 한다.
입구 수온 센서(46)는, 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍 근방에 위치하는 냉각수 순환 통로(41)에 설치된다. 입구 수온 센서(46)는, 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍으로 유입되는 냉각수의 온도를 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)으로 유입되는 냉각수의 온도를 「FC 입구 수온」이라고 한다. 입구 수온 센서(46)는, FC 입구 수온을 검출한 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
출구 수온 센서(47)는, 연료 전지 스택(1)에 형성된 냉각수 출구 구멍의 근방에 위치하는 냉각수 순환 통로(41)에 설치된다. 출구 수온 센서(47)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출된 냉각수의 온도를 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출된 냉각수의 온도를 「FC 출구 수온」이라고 한다. 출구 수온 센서(47)는, FC 출구 수온을 검출한 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
부하 장치(5)는, 연료 전지 스택(1)에 접속되고, 연료 전지 스택(1)에 의해 공급되는 전력을 받아서 구동하는 장치이다. 부하 장치(5)로서는, 예를 들어 차량을 구동하는 전동 모터나, 그 전동 모터를 제어하는 제어 유닛, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 부속 기기인 FC 보조 기계 등이 포함된다. FC 보조 기계로서는, 예를 들어 컴프레서(22)나, 애노드 순환 펌프(36), 냉각수 펌프(42) 등을 들 수 있다.
부하 장치(5)의 제어 유닛은, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하를 컨트롤러(200)에 출력한다. 여기에서 말하는 요구 부하는, 연료 전지 스택(1)의 발전량과 상관이 있는 파라미터이고, 예를 들어 부하 장치(5)의 구동에 필요해지는 요구 전력이나, 그 요구 전력을 부하 장치(5)에 공급하는 데 필요해지는 연료 전지 스택(1)의 목표 전류 또는 목표 전압 등이어도 된다. 부하 장치(5)의 요구 전력이 커질수록, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하는 높아진다. 차량에 탑재된 연료 전지 시스템(100)에서는, 액셀러레이터 페달의 답입량이 커질수록, 부하 장치(5)의 요구 부하가 커진다.
부하 장치(5)와 연료 전지 스택(1) 사이에는, 전류 센서(51) 및 전압 센서(52)가 배치된다. 전류 센서(51)는, 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(1p)와 부하 장치(5)의 정극 단자 사이의 전원선에 접속된다. 전류 센서(51)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 부하 장치(5)에 출력되는 전류를 검출한다. 전압 센서(52)는, 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(1p)와 부극 단자(1n) 사이에 접속된다. 전압 센서(52)는, 정극 단자(1p)와 부극 단자(1n) 사이의 전압인 단자간 전압을 검출한다.
컨트롤러(200)는, 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로컴퓨터로 구성되는 제어 장치이다. 또한, 컨트롤러(200)는, 복수의 마이크로컴퓨터로 구성되는 것이어도 된다.
컨트롤러(200)에는, 유량 센서(23), 캐소드 압력 센서(25), 애노드 압력 센서(37), 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)의 각 출력 신호와, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하가 입력된다. 그 외에 컨트롤러(200)에는, 대기 압력을 검출하는 대기압 센서(201)의 출력 신호가 입력된다. 이들 입력 신호는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 관한 파라미터로서 사용된다.
컨트롤러(200)는, 이들의 입력 신호에 따라서 연료 전지 스택(1)의 발전량을 제어한다. 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하의 크기에 따라서, 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도 및 애노드 순환 펌프(36)의 조작량을 제어한다. 이것과 함께 컨트롤러(200)는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 따라서, 컴프레서(22)의 조작량 및 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 제어한다.
예를 들어, 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하에 기초하여, 연료 전지 스택(1)에 공급해야 할 캐소드 가스의 목표 유량 및 목표 압력, 그리고 애노드 가스의 목표 순환 유량 및 목표 압력을 연산한다.
컨트롤러(200)는, 캐소드 가스의 목표 유량 및 목표 압력에 기초하여 컴프레서(22)의 모터 토크 및 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 제어한다. 이것과 함께 컨트롤러(200)는, 애노드 가스의 목표 순환 유량 및 목표 압력에 기초하여 애노드 순환 펌프(36)의 회전수 및 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어한다.
예를 들어, 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 압력과 애노드 압력의 차압, 즉 극간 차압이 최대한 작아지도록, 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도 및 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어한다.
도 2는 본 실시 형태에 있어서의 이젝터(34)의 성능에 관한 설명도이다. 도 2의 (a)는, 이젝터(34)의 성능과 애노드 순환계의 필요 양정의 관계를 관념적으로 나타내고 있다.
도 2의 (a)에서는, 횡축이, 연료 전지 시스템(100)으로부터 부하 장치(5)에 대한 출력 전력(W)이고, 종축이 애노드 순환계의 압력 손실이다. 여기에서 말하는 애노드 순환계의 압력 손실은, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 애노드 가스 입구 압력과 애노드 가스 출구 압력의 차압인 압력 손실 ΔPIO를 의미한다.
도 2의 (a)에는, 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력(W)와 이젝터(34)의 양정의 관계가 파선에 의해 나타나고, 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력(W)를 확보하는 데 필요해지는 애노드 순환계의 필요 양정의 변화가 점선에 의해 나타나고 있다.
또한, 이젝터(34)의 양정이란, 이젝터(34)에 의한 애노드 가스 순환 통로(35)의 압력의 승압량, 즉 애노드 배가스의 승압량을 의미한다. 필요 양정이란, 연료 전지 스택(1)에 공급해야 할 애노드 가스 순환 유량을 확보하는 데 필요해지는 애노드 배가스의 승압량을 의미한다.
도 2의 (a)의 파선으로 나타낸 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력이 높은 영역, 즉 연료 전지 스택(1)의 고부하역에서는, 요구 부하가 커질수록 이젝터(34)에 공급되는 애노드 가스의 압력이 높아지기 때문에, 이젝터(34)의 양정이 크게 상승한다. 이와 같이, 본 실시 형태의 이젝터(34)는, 연료 전지 스택(1)의 고부하역에 있어서 이젝터(34)의 양정이 커지도록 설계되어 있다.
한편, 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력이 낮은 영역, 즉 연료 전지 스택(1)의 저부하역에서는, 이젝터(34)에 공급되는 애노드 가스의 압력이 낮아지기 때문에, 이젝터(34)의 양정이 마이너스가 되어, 이젝터(34)의 구조 상의 특성에 의해 애노드 배가스의 압력이 내려가 버린다. 이에 반해, 도 2의 (a)의 실선으로 나타낸 바와 같이, 필요 양정을 확보하기 위해서는, 저중 부하역에 있어서 애노드 순환 펌프(36)를 구동해서 애노드 배가스의 압력을 상승시키는 것이 일반적인 방법이다.
도 2의 (b)는, 필요 양정에 대한 이젝터(34)의 양정 부족을 애노드 순환 펌프(36)에 의해서만 어시스트했을 때의 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 나타내는 관념도이다.
도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력이 0으로부터 커질수록, 이젝터(34) 자신의 압력 손실이 원인이 되어, 이젝터(34)의 양정이 마이너스 방향으로 커진다. 그 때문에, 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력이 0으로부터 커질수록, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력이 커진다.
그리고, 연료 전지 시스템(100)의 출력점 wp에 있어서, 이젝터(34)의 양정이 마이너스 방향으로 가장 커지기 때문에, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력이 최대가 된다. 출력점 wp는, 연료 전지 시스템(100)의 출력 범위 중, 대략 20% 내지 30%까지의 구간에 존재하고, 이 구간은, 차량의 고속 주행 상태에서의 평균 출력에 상당한다.
연료 전지 시스템(100)의 출력 전력이 출력점 wp보다 커질수록, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 이젝터(34)에 공급되는 애노드 가스의 압력이 높아지므로, 이젝터(34)의 양정이 커지고, 그 만큼만 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력이 저하된다. 이에 의해, 고부하역에 있어서 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력이 0 또는 일정해진다.
이와 같이, 이젝터(34)의 양정이 마이너스 방향으로 최대가 되는 출력점 wp에 있어서는, 애노드 순환 펌프(36)의 요구 동력이 최대가 된다. 즉, 연료 전지 스택(1)의 저부하역에 있어서는, 이젝터(34)의 특성에 의해 애노드 배가스의 압력이 강하되어 버리기 때문에, 그 만큼만 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력이 증가해 버린다.
그 결과, 연료 전지 스택(1)의 부하가 저부하역에 있을 때는, 애노드 순환 펌프(36)를 구동해서 애노드 배가스를 승압하고 있음에도 불구하고, 이젝터(34)의 압력 손실에 의해 애노드 배가스의 압력이 내려 버린다. 즉, 저부하역에 있어서는 애노드 순환 펌프(36)의 동력 일부가 낭비되어 버린다.
또한, 애노드 순환 펌프(36)를 구동해서 필요 양정을 확보하려고 하면 연료 전지 스택(1)에 대한 캐소드 가스의 유속이 높아져서, 연료 전지 스택(1)을 포함하는 애노드 순환계의 압력 손실이 커져 버린다.
이에 반해, 이젝터(34)에 공급하는 애노드 가스의 압력을 높게 하면, 애노드 가스의 밀도가 높아지므로, 애노드 전극에 대한 수소 공급량을 확보하면서 연료 전지 스택(1)에 대한 애노드 가스의 유속을 낮추는 것이 가능해진다. 애노드 순환계의 압력 손실은, 애노드 가스의 밀도 및 애노드 가스의 유속의 제곱에 비례하는 점에서, 애노드 가스의 유속이 저하되면, 애노드 순환계의 압력 손실이 작아지므로, 애노드 순환계의 필요 양정도 저하되게 된다. 따라서, 이젝터(34)에 공급하는 애노드 가스의 압력을 높게 함으로써, 애노드 순환 펌프(36)의 동력을 낮추는 것이 가능해진다.
그래서, 본 실시 형태의 컨트롤러(200)는, 이젝터(34)에 의해 애노드 배가스가 강압하는 저부하역에 있어서, 애노드 순환계의 필요 양정을 낮추기 위해서 애노드 가스의 압력을 증가시킨다.
도 3은 본 실시 형태에 있어서의 애노드 가스 압력의 제어 방법의 일례를 도시하는 도면이다. 도 3의 (a)는, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하와 연료 전지 스택(1)에 있어서의 애노드 압력 및 캐소드 압력의 관계의 일례를 나타내고 있다.
도 3의 (a)에는, 본 실시 형태에 있어서의 압력 제어를 실행했을 때의 애노드 압력의 변화가 실선에 의해 나타나고, 캐소드 압력의 변화가 점선에 의해 나타나고 있다. 또한 도 3의 (a)에는, 비교예가 파선에 의해 나타나고 있다.
도 3의 (a)의 점선으로 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요한 산소 분압을 확보하기 위해서, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하가 커질수록, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 압력을 높게 한다.
이와 함께 컨트롤러(200)는, 요구 부하가 저부하역에 있을 때는, 캐소드 압력과 애노드 압력의 극간 차압을, 요구 부하가 고부하역에 있을 때 비교해서 크게 한다. 즉, 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)의 부하가 낮을 때는, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 캐소드 가스의 압력에 대하여 애노드 가스의 압력을 증가시킨다.
본 실시 형태에서는, 컨트롤러(200)는, 요구 부하가 높아질수록 애노드 압력을 크게 하고, 또한 저부하역에 있어서는 요구 부하에 대한 애노드 압력의 특성이 볼록부를 갖도록 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어한다.
도 3의 (b)는, 본 실시 형태에 있어서의, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하와 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 관계를 관념적으로 나타내고 있다.
도 3의 (b)에는, 본 실시 형태에 있어서의 압력 제어를 실행했을 때의 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 변화가 실선에 의해 나타나고, 도 3의 (a)의 파선으로 나타낸 압력 제어를 실행했을 때의 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 변화를 나타내는 비교예가 파선에 의해 나타나고 있다.
도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 저부하역에 있어서 이젝터(34)에 대한 애노드 가스 압력을 증가시킴으로써 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 가스 순환 유량을 낮출 수 있으므로, 그 만큼만 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감하는 것이 가능해진다.
도 3의 (b)의 예에서는, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 피크가 비교예에 비해 30%정도 저감된다. 이와 같이, 저부하역에 있어서 시스템 전체의 소비 전력을 증가시키는 일 없이 애노드 압력을 증가시킴으로써, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 피크값을 낮출 수 있으므로, 애노드 순환 펌프(36)를 소형으로 하는 것이 가능해진다.
또한, 저부하역에서 애노드 가스 압력을 증가시킴으로써, 이젝터(34)에 의한 애노드 배가스의 압력 저하가 억제되므로, 애노드 순환 펌프(36)의 동력의 일부가 이젝터(34)에 의한 애노드 배가스의 강압에 의해 낭비된다고 하는 사태를 회피할 수 있다.
또한, 연료 전지 스택(1)이 고부하역에 있을 때는, 애노드 가스 압력의 증가가 억제되므로, 연료 전지 스택(1)에 대한 애노드 가스의 공급 유량이 너무 많아진다고 하는 사태를 회피할 수 있다.
가령 저부하역에서 애노드 가스의 공급 유량이 과잉이 되었다 하더라도, 연료 전지 스택(1)이 고부하역에서 천이했을 때 잉여의 애노드 가스를 소비하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 연료 전지 스택(1)에 있어서 필요 이상으로 애노드 가스를 소비하거나, 잉여의 애노드 가스를 버리거나 할 필요가 없어진다. 따라서, 연료 전지 시스템(100)의 연비가 악화되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 고부하역에 있어서 애노드 가스 압력의 증가가 억제되므로, 애노드 압력과 캐소드 압력의 극간 차압이 작아져서, 전해질막의 내구성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 고부하역에서 애노드 가스 압력의 증가량을 작게 함으로써, 퍼지 밸브(39)로부터 대기로 배출되는 수소의 배출량이 적어지므로, 연료 전지 시스템(100)의 연비를 개선할 수 있다. 또한, 애노드 전극으로부터 캐소드 전극에 대한 수소의 투과량(누설량)이 감소하므로, 연비를 한층 더 개선할 수 있다.
또한, 도 3의 (a)의 예에서는 요구 부하가 0으로부터 특정한 값까지의 극저부하역에 있어서 극간 차압이 0이 되어 있지만, 컨트롤러(200)는, 이 극저부하역에 있어서도 극간 차압이 일정하거나, 또는 애노드 압력이 일정해지도록 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어해도 된다. 이러한 경우에도, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감하는 것이 가능하다.
도 4는 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법의 처리 수순의 일례를 나타내는 흐름도이다.
스텝 S1에 있어서 컨트롤러(200)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하의 크기에 따라서, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력인 캐소드 압력을 제어한다. 예를 들어, 컨트롤러(200)는, 요구 부하가 높아질수록 캐소드 압력을 크게 한다.
스텝 S2에 있어서 컨트롤러(200)는, 요구 부하가 소정의 저부하역에 있는지의 여부를 판단한다. 소정의 저부하역은, 이젝터(34)에 의한 애노드 가스의 순환 유량을 확보할 수 없는 부하의 영역으로 설정된다.
스텝 S3에 있어서 컨트롤러(200)는, 요구 부하가 소정의 저부하역에 있을 때는, 요구 부하의 크기에 따라서 애노드 순환 펌프(36)의 동력을 제어한다.
스텝 S4에 있어서 컨트롤러(200)는, 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어함으로써, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 캐소드 압력과 애노드 압력의 극간 차압을 크게 한다. 이에 의해, 이젝터(34)에 공급되는 애노드 가스의 압력이 증가하므로, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 가스의 유속을 낮출 수 있어, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감할 수 있게 된다.
예를 들어, 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 배가스의 유량만으로 퍼지 가스를 희석할 수 있는 범위에 있어서 애노드 압력을 증가시킨다. 이에 의해, 컴프레서 유량을 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 캐소드 가스 유량보다 크게 할 필요가 없으므로, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증가를 억제할 수 있다.
스텝 S5에 있어서 컨트롤러(200)는, 요구 부하가 소정의 저부하역 외에 있을 때는, 애노드 압력과 캐소드 압력이 서로 똑같게 되도록 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어한다. 이에 의해, 전해질막의 내구성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
스텝 S4 또는 S5의 처리가 종료되면, 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법의 일련의 처리 수순이 종료된다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스에 대하여 연료 전지 스택(1)의 애노드 배가스를 합류시키는 이젝터(34)와, 이젝터(34)에 애노드 배가스를 공급하는 애노드 순환 펌프(36)를 구비한다.
이 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법은, 연료 전지 스택(1)에 요구되는 요구 부하의 크기에 따라서, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 제어하는 캐소드 가스 제어 스텝 S1을 포함한다. 또한, 제어 방법은, 요구 부하가 낮을 때는, 요구 부하가 높을 때 비해서, 애노드 압력 조절 밸브(33)에 의해 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력과 캐소드 가스의 압력의 차압을 크게 하는 애노드 가스 제어 스텝 S2 내지 S4를 포함한다.
이와 같이, 연료 전지 스택(1)의 부하가 낮을 때 애노드 가스의 압력을 증가시킴으로써, 이젝터에서의 애노드 배가스의 강압이 억제되므로, 그 만큼만 애노드 순환 펌프(36)의 액추에이터에 의한 애노드 배가스의 승압량을 낮출 수 있다. 따라서, 액추에이터의 소비 전력을 저감할 수 있다.
한편, 연료 전지 스택(1)의 부하가 높을 때는 캐소드 가스 및 애노드 가스의 차압을 작게 함으로써, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 애노드 전극으로부터 캐소드 전극에 대한 애노드 가스의 누설량이 감소하므로, 쓸데없는 애노드 가스의 배출을 억제할 수 있다. 즉, 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 연비의 악화를 억제할 수 있다.
또한, 연료 전지 스택(1)의 부하가 높을 때는 캐소드 가스 및 애노드 가스의 차압이 작아지므로, 연료 전지 스택(1)에 형성된 전해질막의 내구성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 컨트롤러(200)는, 스텝 S3에 있어서 요구 부하의 크기에 따라서 애노드 순환 펌프(36)의 동력을 제어한다. 예를 들어, 컨트롤러(200)는, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 요구 부하가 낮을 때는, 요구 부하가 높을 때 비해서 애노드 순환 펌프(36)에 의해 애노드 배가스의 승압량을 크게 한다.
그리고, 컨트롤러(200)는, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 애노드 순환 펌프(36)의 동력이 증가하는 소정의 저부하역에 있어서, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력에 대하여 애노드 가스의 압력을 증가시킨다. 이에 의해, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 최댓값이 내려가므로, 애노드 순환 펌프(36)를 소형으로 하는 것이 가능해진다.
상술한 소정의 저부하역은, 도 2의 (a)의 파선으로 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 가스 압력에서는 이젝터(34)에 의해 애노드 배가스를 흡인해서 순환시킬 수 없는 부하의 영역으로 설정된다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 컨트롤러(200)는, 스텝 S5에 있어서 요구 부하가 소정의 저부하역 외에 있을 때는, 캐소드 가스의 압력과 똑같아지도록 애노드 가스의 압력을 작게 한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 극간 차압이 0에 근접하게 되므로, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 전해질막의 열화를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 급배 장치(2)와, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 조정하는 애노드 압력 조절 밸브(33)와, 연료 전지 스택(1)으로의 애노드 가스에 대하여 연료 전지 스택(1)의 애노드 배가스를 합류시키는 이젝터(34)를 포함한다. 또한, 연료 전지 시스템(100)은, 이젝터(34)에 애노드 배가스를 공급하는 애노드 순환 펌프(36)의 액추에이터와, 연료 전지 스택(1)에 접속된 부하 장치(5)에 따라서 연료 전지 스택(1)의 발전을 제어하는 제어 장치를 구성하는 컨트롤러(200)를 포함한다.
그리고, 컨트롤러(200)는, 부하 장치(5)에 의해 요구되는 요구 부하가 낮을 때는, 부하가 높을 때 비해서, 캐소드 가스 급배 장치(2)에 의한 캐소드 가스 압력의 조작량에 대한 애노드 압력 조절 밸브(33)의 조작량의 비율을 크게 한다.
예를 들어, 컨트롤러(200)는, 저부하역에 있어서 캐소드 가스 급배 장치(2)에 있어서의 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 조작량에 대한 애노드 압력 조절 밸브(33)의 조작량의 비율을 크게 한다. 이에 의해, 저부하역에 있어서 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도에 대하여 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도가 커지는 점에서, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 캐소드 가스 압력 및 애노드 가스 압력의 차압을 크게 할 수 있다.
따라서, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 애노드 전극으로부터 캐소드 전극에 대한 애노드 가스의 누액량을 저감하면서, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 억제할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(200)의 기능 구성을 도시하는 블록도이다.
컨트롤러(200)는, An 압력 연산부(210)와, An 압력 조절 밸브 FB 제어기(220)와, HRB 회전수 연산부(230)와, Ca 압력 연산부(240)와, Ca 유량 연산부(250)와, Ca 유량·압력 FB 제어기(260)를 포함한다.
An 압력 연산부(210)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하와 연료 전지 스택(1)의 온도인 FC 온도에 기초하여, 연료 전지 스택(1)에 공급되어야 할 애노드 가스의 목표 압력을 연산한다. An 압력 연산부(210)의 상세에 대해서는 도 6을 참조하여 후술한다.
본 실시 형태의 An 압력 연산부(210)는, 입구 수온 센서(46)로부터 출력되는 FC 입구 온도와, 출구 수온 센서(47)로부터 출력되는 FC 출구 온도의 평균값을 FC 온도로서 산출한다. 또한, FC 온도로서는, FC 입구 온도와 FC 출구 온도 중 어느 한쪽을 사용하도록 해도 된다.
An 압력 조절 밸브 FB 제어기(220)는, 애노드 가스의 목표 압력과 애노드 압력 센서(37)로부터의 애노드 압력값에 기초하여, 애노드 압력값이 목표 압력에 수렴하도록, 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 피드백 제어한다.
HRB 회전수 연산부(230)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하에 기초하여, 이젝터(34) 및 애노드 순환 펌프(36)를 포함하는 애노드 순환계의 필요 양정을 확보하는 데 필요해지는 애노드 순환 펌프(36)의 목표 회전수를 연산한다. HRB 회전수 연산부(230)의 상세에 대해서는 도 7을 참조하여 후술한다.
HRB 회전수 연산부(230)는, 연산한 목표 회전수를 애노드 순환 펌프(36)에 출력한다. 이에 의해, 애노드 순환 펌프(36)의 회전수는 목표 회전수로 제어된다.
Ca 압력 연산부(240)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하와 상술한 FC 온도에 기초하여, 연료 전지 스택(1)에 공급되어야 할 캐소드 가스의 목표 압력을 연산한다. Ca 압력 연산부(240)의 상세에 대해서는 도 8을 참조하여 후술한다.
Ca 유량 연산부(250)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하와, 애노드 압력 센서(37)로부터의 애노드 압력값과, 대기압 센서(201)로부터의 대기 압력값에 기초하여, 연료 전지 스택(1)에 공급되어야 할 캐소드 가스의 목표 유량을 연산한다. Ca 유량 연산부(250)의 상세에 대해서는 도 9를 참조하여 후술한다.
Ca 유량·압력 FB 제어기(260)는, 캐소드 가스의 목표 압력 및 목표 유량과, 캐소드 압력 센서(25)로부터의 캐소드 압력값과, 유량 센서(23)로부터의 컴프레서 유량에 기초하여, 컴프레서(22)의 조작량과 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 제어한다. 컴프레서(22)의 조작량은, 예를 들어 컴프레서(22)에 설치된 모터의 토크를 조작하는 양이다.
예를 들어, Ca 유량·압력 FB 제어기(260)는, 캐소드 압력값이 목표 압력에 수렴하도록, 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 피드백 제어한다. 이와 함께 Ca 유량·압력 FB 제어기(260)는, 컴프레서 유량이 목표 유량에 수렴하도록 컴프레서(22)의 조작량을 피드백 제어한다. 혹은, Ca 유량·압력 FB 제어기(260)는, 캐소드 압력값이 목표 압력에 수렴하도록, 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도에 더해서 컴프레서(22)의 조작량에 대해서도 피드백 제어하도록 해도 된다.
도 6은 본 실시 형태에 있어서의 An 압력 연산부(210)의 상세 구성을 도시하는 블록도이다.
An 압력 연산부(210)는, 부하 장치(5)의 요구 부하에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 가스의 압력을 나타내는 목표 압력을 연산한다. 그리고, An 압력 연산부(210)는, 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)의 검출값에 기초하는 FC 온도에 따라서, 애노드 가스의 목표 압력을 보정한다.
도 6에 도시한 바와 같이, An 압력 연산부(210)에는, FC 온도마다, 요구 부하와, 요구 부하를 확보하는 데 필요해지는 애노드 압력의 관계를 나타내는 An 압력 제어맵이 저장되어 있다. An 압력 연산부(210)는, 부하 장치(5)로부터 요구 부하를 취득함과 함께 FC 온도를 산출하면, 그 FC 온도에 대응하는 An 압력 제어맵을 참조하여, 취득한 요구 부하에 관계된 애노드 압력을 애노드 가스의 목표 압력으로서 산출한다.
본 실시 형태에서는, An 압력 제어맵은, 요구 부하가 커질수록 애노드 압력이 커지고, 또한 저부하역에 있어서 애노드 압력의 특성이 볼록부를 갖도록 설정되어 있다.
An 압력 제어맵에 있어서는, 기본적으로, 전해질막의 내구성의 저하를 억제하기 위해서, 캐소드 압력과 애노드 압력의 극간 차압이 작아지도록, 애노드 가스의 목표 압력이 설정된다. 통상, 동일한 요구 부하에 있어서는, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 가스의 목표 압력이 캐소드 가스의 목표 압력보다 작아진다. 그 때문에, 애노드 가스의 목표 압력은 캐소드 가스의 목표 압력과 일치하도록 설정된다.
저부하역에 있어서는, 도 2의 (a)의 파선으로 나타낸 바와 같이 이젝터(34)에 의한 애노드 배가스의 승압량이 마이너스가 되기 때문에, 이젝터(34)에 공급하는 애노드 가스의 압력을 증가시키기 위해서 애노드 가스의 목표 압력이 캐소드 가스의 목표 압력보다 높은 값으로 설정된다. 이에 의해, 이젝터(34)의 양정이 증가하므로, 그 만큼만 애노드 순환 펌프(36)의 동력을 저감하는 것이 가능해진다.
요구 부하에 대한 애노드 압력의 특성이 볼록부를 갖는 부하역은, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 애노드 순환 펌프(36)의 동력이 증가하는 영역이며, 이젝터(34)의 양정이 필요 양정보다 부족한 영역이다. 예를 들어, 애노드 압력 특성의 볼록부는, 요구 부하의 상한값에 대하여 20% 내지 30%까지의 부하역을 포함하도록 설정된다.
또한, An 압력 제어맵에서는, FC 온도가 높아질수록 애노드 압력이 커진다. 이와 같이 하는 이유는, FC 온도가 높아질수록, 연료 전지 스택(1) 내의 수증기압이 높아지는 점에서, 이에 수반하여 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 수소 분압을 확보하는 것이 필요하게 되기 때문이다.
그리고 저부하역에 있어서는, FC 온도가 높아질수록, 애노드 압력 특성에 있어서의 볼록부가 작아진다. 즉, FC 온도가 높아질수록, 캐소드 가스의 목표 압력과 애노드 가스의 목표 압력의 차분을 작게 한다. 이에 의해, FC 온도가 높을 때 쓸데없이 애노드 가스의 압력을 높게 해서 연료 전지 스택(1)에 대한 애노드 가스의 공급량이 과잉이 되는 것을 억제할 수 있다.
이와 같이, An 압력 연산부(210)는, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하가 낮을 때는, 요구 부하가 높을 때 비해서, 캐소드 가스의 목표 압력과 애노드 가스의 목표 압력의 차분을 크게 한다.
그리고, 저부하역에 있어서 An 압력 연산부(210)는, 연료 전지 스택(1)의 온도가 높아질수록, 캐소드 가스의 목표 압력과 애노드 가스의 목표 압력의 차분을 작게 한다. 또한, An 압력 연산부(210)는, 요구 부하가 저부하역 외에 있을 때는, 캐소드 가스의 목표 압력과 똑같아지도록 애노드 가스의 목표 압력을 산출한다.
도 7은 본 실시 형태에 있어서의 HRB 회전수 연산부(230)의 상세 구성을 도시하는 블록도이다.
HRB 회전수 연산부(230)는, 부하 장치(5)의 요구 부하에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 순환 펌프(36)의 회전수를 나타내는 목표 회전수를 연산한다.
도 7에 도시한 바와 같이, HRB 회전수 연산부(230)에는, 요구 부하와, 요구 부하를 확보하는 데 필요한 HRB 회전수의 관계를 나타내는 HRB 제어맵이 저장되어 있다. HRB 회전수 연산부(230)는, 부하 장치(5)로부터 요구 부하를 취득하면, HRB 제어맵을 참조하여, 그 요구 부하에 관계된 HRB 회전수를 HRB 목표 회전수로서 산출한다.
본 실시 형태에서는, HRB 제어맵은, 저부하역에 있어서 HRB 회전수의 특성이 사다리꼴 형상이 되도록 설정되어 있다.
HRB 제어맵에서는, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 이젝터(34)의 양정이 필요 양정을 하회하는 저부하역에 있어서 HRB 회전수가 증가한다. 저부하역에 있어서는, 요구 부하가 0으로부터 커질수록 HRB 회전수가 커지고, 도 6의 An 압력 제어맵에 있어서의 볼록부에 상당하는 부하역에 있어서 HRB 회전수가 거의 일정해진다. 이 부하역보다 요구 부하가 커지면, HRB 회전수가 급준하게 작아진다.
도 6의 An 압력 제어맵에 볼록부를 설정함으로써, HRB 회전수의 피크가 억제되어, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템(100)의 소비 전력을 증가시키는 일 없이, 애노드 순환 펌프(36)를 소형으로 할 수 있다.
이와 같이, HRB 회전수 연산부(230)는, 요구 부하가 낮을 때는, 요구 부하가 높을 때 비해서, 애노드 배가스의 승압량이 커지도록 애노드 순환 펌프(36)의 회전수를 증가시킨다.
도 8은 본 실시 형태에 있어서의 Ca 압력 연산부(240)의 상세 구성을 도시하는 블록도이다.
Ca 압력 연산부(240)는, 부하 장치(5)의 요구 부하에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 캐소드 가스 압력을 나타내는 목표 압력을 연산한다. 그리고, Ca 압력 연산부(240)는, 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)의 검출값에 기초하는 FC 온도에 따라서 캐소드 가스의 목표 압력을 보정한다.
도 8에 도시한 바와 같이, Ca 압력 연산부(240)에는, FC 온도마다, 요구 부하와, 요구 부하의 확보에 필요한 캐소드 압력의 관계를 나타내는 Ca 압력 제어맵이 저장되어 있다. Ca 압력 연산부(240)는, 부하 장치(5)로부터 요구 부하를 취득함과 함께 FC 온도를 산출하면, 그 FC 온도에 대응하는 Ca 압력 제어맵을 참조하여, 취득한 요구 부하에 관계된 캐소드 압력을 캐소드 가스의 목표 압력으로서 산출한다.
Ca 압력 제어맵은, 요구 부하가 커질수록, 캐소드 압력이 커지도록 설정되어 있다. 이와 같이 설정하는 이유는, 요구 부하가 커질수록, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 캐소드 전극에 있어서의 산소 분압이 커지기 때문이다.
또한, Ca 압력 제어맵은, FC 온도가 높아질수록, 캐소드 압력이 커지도록 설정되어 있다. 이와 같이 설정하는 이유는, FC 온도가 높아질수록, 연료 전지 스택(1) 내의 수증기압이 높아지는 점에서, 이에 수반하여 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 산소 분압을 확보할 필요가 있기 때문이다.
이와 같이, Ca 압력 연산부(240)는, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하가 높아질수록, 연료 전지 스택(1)에 공급되어야 할 캐소드 가스의 목표 압력을 크게 한다. 그리고, Ca 압력 연산부(240)는, 연료 전지 스택(1)의 온도가 높아질수록, 캐소드 가스의 압력이 커지도록 캐소드 가스의 목표 압력을 보정한다. Ca 압력 연산부(240)는, 캐소드 가스의 목표 압력을 Ca 유량·압력 FB 제어기(260)에 출력한다.
도 9는 본 실시 형태에 있어서의 Ca 유량 연산부(250)의 상세 구성을 도시하는 블록도이다.
Ca 유량 연산부(250)는 발전 유량 연산부(251)와, 산소 소비량 연산부(252)와, Ca 배가스 유량 연산부(253)와, 희석 요구 유량 산출부(254)와, 목표 유량 설정부(255)를 포함한다.
발전 유량 연산부(251)는 부하 장치(5)로부터의 요구 부하에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 캐소드 가스의 유량을 나타내는 발전 요구 캐소드 유량을 연산한다.
발전 유량 연산부(251)에는, 도 9에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하와 발전 요구 캐소드 유량의 관계를 나타내는 Ca 유량 제어맵이 저장되어 있다. 발전 유량 연산부(251)는, 부하 장치(5)로부터 요구 부하를 취득하면, Ca 유량 제어맵을 참조하여, 그 요구 부하에 관계된 발전 요구 캐소드 유량을 산출한다.
Ca 유량 제어맵은, 요구 부하가 커질수록, 발전 요구 캐소드 유량이 커지도록 설정되어 있다. 이 때문에, 발전 유량 연산부(251)는, 요구 부하가 커질수록, 발전 요구 캐소드 유량을 크게 한다. 그리고, 발전 유량 연산부(251)는, 발전 요구 캐소드 유량을 FC 요구 캐소드 유량으로서 목표 유량 설정부(255)에 출력한다.
산소 소비량 연산부(252)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하에 기초하여, 연료 전지 스택(1)에서의 전기 화학 반응에 의해 소비되는 산소의 소비 유량을 나타내는 산소 소비량을 연산한다.
산소 소비량 연산부(252)는, 부하 장치(5)로부터 요구 부하를 취득하면, 그 요구 부하에 대하여 미리 정해진 환산값을 곱하여, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 산소 소비 유량을 산출한다.
Ca 배가스 유량 연산부(253)는, 애노드 압력 센서(37)로부터의 애노드 압력값에 기초하여, 캐소드 가스 배출 통로(26)로부터 대기로 방출되는 배가스 중 수소 농도가 규정값, 예를 들어 4% 이하가 되도록, 캐소드 배가스의 희석 요구 유량을 연산한다. 여기에서 말하는 캐소드 배가스의 희석 요구 유량이란, 퍼지 밸브(39)로부터 배출되는 수소의 희석에 필요해지는 캐소드 배가스 유량이다. 또한, Ca 배가스 유량 연산부(253)는, 대기압 센서(201)로부터의 대기 압력값에 따라서, 캐소드 배가스의 희석 요구 유량을 보정한다.
Ca 배가스 유량 연산부(253)에는, 도 9에 도시한 바와 같이, 대기 압력값마다 요구 부하와 캐소드 배가스의 희석 요구 유량의 관계를 나타내는 희석 요구 맵이 저장되어 있다. Ca 배가스 유량 연산부(253)는, 부하 장치(5)로부터 요구 부하를 취득함과 함께 대기압 센서(201)로부터 대기 압력값을 취득하면, 그 대기 압력값에 대응하는 희석 요구 맵을 참조하여, 취득한 요구 부하에 관계된 희석 요구 유량을 산출한다.
희석 요구 맵은, 애노드 압력값이 커질수록, 캐소드 배가스의 희석 요구 유량이 커지도록 설정되어 있다. 이와 같이 설정하는 이유는, 애노드 압력값이 커질수록, 퍼지 밸브(39)로부터 배출되는 퍼지 가스량이 증가해서 캐소드 가스 배출 통로(26)로 방출되는 수소량이 증가하기 때문이다.
또한, 희석 요구 맵은, 대기 압력값이 커질수록, 캐소드 배가스의 희석 요구 유량이 작아지도록 설정되어 있다. 이와 같이 설정하는 이유는, 대기 압력값이 커질수록, 애노드 가스 순환 통로(35)의 압력과 대기압의 차압이 작아지므로, 퍼지 가스량이 감소하기 때문이다.
희석 요구 유량 산출부(254)는, 캐소드 배가스의 희석 요구 유량에 대하여, 산소 소비량 연산부(252)로부터의 산소 소비 유량을 첨가함으로써, 퍼지 가스 중의 수소의 희석에 필요해지는 컴프레서(22)의 토출량을 나타내는 희석 요구 컴프레서 유량을 산출한다. 희석 요구 유량 산출부(254)는, 산출한 희석 요구 컴프레서 유량을 목표 유량 설정부(255)에 출력한다.
목표 유량 설정부(255)는, 희석 요구 컴프레서 유량과, 발전 유량 연산부(251)로부터의 FC 요구 캐소드 유량 중, 큰 쪽의 값을 캐소드 가스의 목표 유량으로 설정한다. 목표 유량 설정부(255)는, 설정한 캐소드 가스의 목표 유량을 Ca 유량·압력 FB 제어기(260)에 출력한다.
이와 같이, 희석 요구에 기초하는 캐소드 가스의 유량과, 발전 요구에 기초하는 캐소드 가스의 유량 중 큰 쪽의 값을 선택함으로써, 요구 부하를 만족시키면서, 연료 전지 시스템(100)의 배출 가스의 수소 농도를 규정값 이하로 유지하는 것이 가능해진다.
도 10은 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하와 연료 전지 시스템(100)의 작동 상태의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.
도 10의 (a)는 연료 전지 스택(1)에 있어서의 애노드 압력 및 캐소드 압력의 변화를 나타낸다. 도 10의 (a)에는, 애노드 압력이 굵은 선에 의해 나타나고, 캐소드 압력이 세선에 의해 나타나고 있다.
도 10의 (b)는 이젝터(34) 및 애노드 순환 펌프(36)를 포함하는 애노드 순환계의 압력 손실의 변화를 나타낸다. 도 10의 (b)에는, 애노드 순환계의 필요 양정이 세선에 의해 나타나고, 이젝터(34)의 양정이 점선에 의해 나타나고, 애노드 순환 펌프(36)의 양정이 굵은 선에 의해 나타나고 있다. 여기에서 말하는 애노드 순환 펌프(36)의 양정은, 애노드 순환 펌프(36)에 의한 애노드 배가스의 승압량을 의미한다.
애노드 순환계의 필요 양정이란, 요구 부하에 따라서 정해진 애노드 가스 순환 유량을 확보하는 데 필요해지는 애노드 배가스의 승압량을 의미한다. 애노드 가스 순환 유량은, 요구 부하가 대폭으로 높아졌을 때 연료 전지 스택(1)의 하류측 애노드 전극에서 수소 부족이 발생하지 않도록 정해진다. 예를 들어, 애노드 가스 순환 유량은, 요구 부하의 확보에 최저한 필요해지는 순환 유량에 대하여 1.0보다 큰 소정의 값을 곱해서 구해지고, 이 애노드 가스 순환 유량에 기초하여 필요 양정이 정해진다.
도 10의 (c)는 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 변화를 나타낸다. 도 10의 (a) 내지 도 10의 (c)는 FC 온도가 낮을 때의 연료 전지 시스템(100)의 작동 상태가 실선에 의해 나타나고, FC 온도가 높을 때의 연료 전지 시스템(100)의 작동 상태가 파선에 의해 나타나고 있다.
도 10의 (d)는 캐소드 가스의 목표 유량의 변화를 도시하는 도면이다. 도 10의 (d)에는, 캐소드 가스의 희석 요구 유량인 희석 요구 컴프레서 유량이 실선에 의해 나타나고, 캐소드 가스의 발전 요구 유량인 FC 요구 캐소드 유량이 일점쇄선에 의해 나타나고 있다.
또한, 도 10의 (a) 내지 도 10의 (d)의 횡축은, 서로 공통의 축이고, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하 L을 나타낸다.
먼저, FC 온도가 낮은 경우에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 동작에 대해서 설명한다.
요구 부하가 0부터 부하점 L1까지의 제1 부하역(극저부하역)에 있을 때는, 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이, 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량보다 커진다. 이 때문에, 도 9에 도시한 목표 유량 설정부(255)에 의해 희석 요구 컴프레서 유량이 캐소드 가스의 목표 유량으로서 설정된다.
제1 부하역에 있어서는, 도 8에 도시한 Ca 압력 연산부(240)의 맵에 따라서, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 요구 부하가 높아질수록 캐소드 압력이 커진다. 이것과 함께, 도 6에 도시한 An 압력 연산부(210)의 맵에 따라서, 요구 부하가 높아질수록, 캐소드 압력과 같이 애노드 압력이 커진다. 즉, 캐소드 압력과 애노드 압력의 차압은 증대하지 않는다.
이와 같이 하는 이유는, 제1 부하역에 있어서 애노드 압력을 캐소드 압력보다 크게 하면, 퍼지 가스의 증량에 수반하여 희석 요구 컴프레서 유량이 증가하기 때문에, 캐소드 가스의 목표 유량이 증가하게 된다. 즉, 애노드 압력을 증가하면 컴프레서(22)의 소비 전력이 증가해 버린다. 이 대책으로서, 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량을 상회하는 제1 부하역에 있어서는, 캐소드 압력에 대한 애노드 압력의 증가가 억제된다. 즉, 저부하역에 있어서, 요구 부하가 낮아질수록 애노드 압력의 증가가 억제된다.
또한, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 이젝터(34)에 의해 애노드 배가스의 승압이 행해지지 않기 때문에, 애노드 순환 펌프(36)를 구동해서 애노드 배가스의 승압이 행해진다. 이 때문에, 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력이 증가한다. 제1 부하역은, 예를 들어 연료 전지 스택(1)의 출력 범위의 0%에서 십몇%까지의 영역이다.
요구 부하가 부하점 L1까지 커지면, 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이, FC 요구 캐소드 유량은 희석 요구 컴프레서 유량에 대하여 똑같아진다. 그리고, 요구 부하가 부하점 L1부터 부하점 L4까지의 저부하역에 있을 때는, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 애노드 압력과 캐소드 압력의 극간 차압을 크게 하는 차압 운전이 실시된다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 순환계의 필요 양정이 저하된다.
요구 부하가 부하점 L1부터 부하점 L2까지의 제2 부하역에 있을 때는, 도 6에 도시한 An 압력 연산부(210)가, 도 10의 (a) 및 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량을 초과하지 않는 범위에서 애노드 압력을 캐소드 압력보다 증가시킨다. 이 예에서는, 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량에 대하여 똑같아질 때까지 애노드 압력이 증가하고 있다.
제2 부하역에서 연료 전지 스택(1)의 애노드 압력을 증가시킴으로써, 이젝터(34)에 공급되는 애노드 가스의 압력이 증가하므로, 애노드 순환계의 필요 양정이 내려감과 함께, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이 이젝터(34)의 양정이 마이너스가 되지 않게 일정하게 유지된다. 이 때문에, 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이, 애노드 압력을 캐소드 압력과 일치시키는 경우에 비해 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력이 억제된다. 제2 부하역은, 예를 들어 연료 전지 스택(1)의 출력 범위에 십몇%에서 이십몇%까지의 영역이다.
요구 부하가 부하점 L2까지 커지면, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 이젝터(34)의 양정이 상승을 개시한다. 그 때문에, 요구 부하가 부하점 L2부터 부하점 L3까지의 제3 부하역에 있을 때는, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 캐소드 압력에 대한 애노드 압력의 증가량이 작아진다. 이때, 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이, 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량을 하회한다.
제3 부하역에서는, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 요구 부하가 커질수록, 이젝터(34)의 양정이 증가하는 점에서, 그만큼만 애노드 순환 펌프(36)의 양정이 감소한다. 따라서, 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력이 감소한다. 제3 부하역은, 예를 들어 연료 전지 스택(1)의 출력 범위의 이십몇%에서 삼십몇%까지의 영역이다.
요구 부하가 부하점 L3까지 커지면, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이 이젝터(34)의 양정과 애노드 순환 펌프(36)의 양정이 서로 똑같아진다.
요구 부하가 부하점 L3부터 부하점 L4까지의 제4 부하역에 있을 때는, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이 애노드 순환 펌프(36)의 양정이 이젝터(34)의 양정을 하회하고, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이 캐소드 압력과 애노드 압력의 극간 차압은 작아진다.
요구 부하가 부하점 L4까지 커지면, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 이젝터(34)의 양정이 필요 양정까지 커지므로 애노드 순환 펌프(36)의 양정이 0 또는 일정해진다. 이때, 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력이 0 또는 일정해짐과 함께, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이 애노드 압력과 캐소드 압력이 서로 똑같아진다.
이와 같이, 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량을 하회하는 제2 부하역 내지 제4 부하역에 있어서 애노드 압력을 캐소드 압력에 대하여 크게 함으로써, 컴프레서(22)의 소비 전력이 증가하는 것을 억제하는 것이 가능해진다.
요구 부하가 부하점 L4보다 높은 고부하역에 있을 때는, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이 애노드 압력과 캐소드 압력의 극간 차압이 0 또는 소정의 값으로 유지된다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 전해질막의 내구성 저하가 억제된다.
이와 같이, 부하점 L1부터 부하점 L4까지의 저부하역에 있어서 캐소드 압력과 애노드 압력의 극간 차압을 크게 함으로써, 부하점 L2에 있어서의 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 피크값을 저감할 수 있다. 그리고, 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량을 초과하지 않는 범위에 있어서 애노드 압력을 증가시킴으로써, 컴프레서(22)의 소비 전력이 증가하는 것을 회피할 수 있다.
또한, 요구 부하가 낮은 저부하역 중, 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량보다 커지는 제1 부하역에 있어서 애노드 압력의 증가를 억제함으로써, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증가를 억제할 수 있다. 또한, 제1 부하역은, 연료 전지 스택(1)의 사용 비율이 높은 영역인 점에서, 컴프레서(22)의 소비 전력의 저감에 크게 기여한다.
다음에 FC 온도가 높은 경우에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 동작에 대해서 설명한다.
저부하역에 있어서는, 도 10의 (a)의 점선으로 나타낸 바와 같이, FC 온도가 높을 때의 애노드 압력은, FC 온도가 낮을 때의 애노드 압력에 비하여 높아진다. 또한, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, FC 온도가 높을 때의 필요 양정은, FC 온도가 낮을 때의 필요 양정에 비하여 작아진다.
따라서, 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이, FC 온도가 높을 때는 애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 하지 않아도, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력은 FC 온도가 낮을 때 비하여 작아진다.
이 때문에, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, FC 온도가 높을 때는, 도 6에 도시한 An 압력 연산부(210)의 맵에 따라서, FC 온도가 낮을 때 비해서 캐소드 압력과 애노드 압력의 극간 차압을 작게 한다. 이에 의해, 애노드 압력을 쓸데없이 크게 해서 애노드 가스 순환 유량이 과잉이 되는 것을 회피할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따르면, 컨트롤러(200)는, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 소정의 저부하역에 있어서, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 캐소드 가스 압력과 애노드 가스 압력의 차압을 크게 한다. 이에 의해, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 일부를 삭감할 수 있어, 애노드 순환 펌프(36)를 구동하는 액추에이터를 소형으로 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 컨트롤러(200)는, 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이, 소정의 저부하역에 있어서, 요구 부하의 크기에 따라서 애노드 순환 펌프(36)의 동력을 제어한다. 여기에서 말하는 소정의 저부하역은, 이젝터(34)에 의한 애노드 가스의 순환 유량이, 요구 부하에 따라서 정해지는 기준 유량에 대하여 부족한 부하의 영역으로 설정된다. 이 기준 유량은, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 가스 유량에 대하여, 예를 들어 1.5를 곱해서 구해진다.
이에 의해, 애노드 가스 순환 유량이 기준 유량이 되도록 애노드 순환 펌프(36)가 구동하므로, 요구 부하가 급준하게 높아졌다 하더라도, 연료 전지 스택(1)의 하류측에 있어서 애노드 가스가 부족하다고 하는 사태를 회피할 수 있다. 즉, 애노드 가스 부족에 수반하는 전해질막의 성능 열화를 억제할 수 있다.
그리고 컨트롤러(200)는, 애노드 순환 펌프(36)의 동력이 증가하는 소정의 저부하역에 있어서, 캐소드 가스 압력에 대하여 애노드 가스 압력을 증가시킨다. 이에 의해, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 피크값이 내려가므로, 애노드 순환 펌프(36)를 소형으로 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 스택(1)으로부터의 애노드 배가스에 포함되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브(39)와, 퍼지 밸브(39)로부터의 퍼지 가스를 연료 전지 스택(1)의 캐소드 배가스에 의해 희석하는 가스 통로를 구성하는 불순물 배출 통로(38)를 포함한다.
이 연료 전지 시스템(100)을 제어하는 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스를 사용해서 퍼지 가스를 희석하는 것이 가능한 소정의 저부하역에 있어서 애노드 가스 압력을 캐소드 가스 압력에 비해서 증가시킨다.
이와 같이 하는 이유는, 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이, 애노드 가스 압력의 증가에 수반하여 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량을 상회하는 일이 없는 한, 컴프레서(22)의 동력은 증가하지 않기 때문이다. 그 때문에, 본 실시 형태에 있어서는 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량보다 적어지는 상황에서 애노드 가스 압력을 증가시키므로, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감하면서, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증가를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 컨트롤러(200)는, 도 6에 도시한 An 압력 연산부(210)에 유지된 맵에 따라서, 연료 전지 스택(1)의 온도가 높아질수록, 캐소드 가스 압력과 애노드 가스 압력의 차압을 작게 한다.
도 8에 도시한 Ca 압력 연산부(240)에 있어서의 맵과 같이, 연료 전지 스택(1)의 온도가 높아질수록 캐소드 가스 압력이 커지는 점에서, 가령 캐소드 가스 압력을 기준으로 해서 애노드 가스 압력을 일정량만큼 증가시키면, 쓸데없이 애노드 가스 압력을 높게 해 버린다.
이 대책으로서, 본 실시 형태의 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)의 온도가 높아질수록, 캐소드 가스 압력과 애노드 가스 압력의 차압을 작게 한다. 이에 의해, 애노드 가스 압력을 쓸데없이 높게 하는 것을 회피할 수 있어, 퍼지 가스의 배출량이나 애노드 전극으로부터 캐소드 전극에 대한 수소 누설량이 쓸데없이 증가하는 일이 없어지므로, 연비의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 연료 전지 스택(1)의 온도가 높아질수록 캐소드 가스 압력과 애노드 가스 압력의 극간 차압을 작게 하는 예에 대해서 설명했지만, 캐소드 가스 압력이 높아질수록 극간 차압을 작게 하도록 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어해도 된다.
예를 들어, 도 6에 도시한 맵 대신에, 캐소드 압력값마다 요구 부하와 애노드 압력의 관계를 나타내는 맵을 An 압력 연산부(210)에 기록하고, An 압력 연산부(210)는, 캐소드 압력 센서(25)로부터의 검출값 또 캐소드 가스의 목표 압력을 취득하면, 취득한 값에 대응하는 맵을 참조하여 애노드 가스의 목표 압력을 산출한다. 이와 같이 해도, 본 실시 형태와 마찬가지 작용 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 도 6에 도시한 An 압력 연산부(210)는, 요구 부하가 낮을 때는, 요구 부하가 높을 때 비해서 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요한 애노드 가스 발전 요구 압력보다 큰 값이 애노드 가스의 목표 압력으로 설정된 맵을 유지한다. 그리고, An 압력 연산부(210)인 제어부는, 요구 부하를 취득하면, 그 맵을 참조하여, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 목표 압력으로 제어한다. 이에 의해, 저부하역에 있어서의 애노드 가스 압력의 증가를 간이한 구성에 의해 실현할 수 있다.
특히, An 압력 연산부(210)에 유지된 맵은, 요구 부하가 높아질수록 애노드 가스의 목표 압력이 커지고, 또한 요구 부하가 낮은 저부하역에 있어서 목표 압력의 특성이 볼록부를 갖도록 설정되어 있다.
이에 의해, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 저부하역(0-L4) 중 부하가 낮은 극저부하역(0-L1)에 있어서 극간 차압을 대략 0으로 억제할 수 있다. 이와 같이, 저부하역(0-L4)에 있어서 요구 부하가 낮아질수록, 애노드 가스 압력의 증가를 억제할 수 있다.
이와 같이 하는 이유는, 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이, 극저부하역(0-L1)에 있어서는 FC 요구 캐소드 유량보다 희석 요구 컴프레서 유량이 커지기 때문이다. 그 때문에, 애노드 가스 압력이 증가하면, 캐소드 가스의 목표 유량으로 설정되어 있는 희석 요구 컴프레서 유량이 커지기 때문에, 컴프레서(22)의 소비 전력이 증가해 버린다.
이 대책으로서, 본 실시 형태에서는 저부하역에 있어서 애노드 가스의 목표 압력의 특성이 볼록부를 갖도록 맵을 설정함으로써, 극저부하역에 있어서의 애노드 가스 압력의 증가가 억제되므로, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증가를 억제할 수 있다.
또한, 연료 전지 스택(1)에 있어서는 연료 전지의 전해질막이 너무 건조하면 발전 성능이 저하되고, 전해질막이 너무 젖어도 전해질막이 눈막힘을 일으켜서 발전 성능이 저하하는 점에서, 전해질막의 습윤 상태(함수량)를 연료 전지의 발전에 적합한 상태로 조작하는 것이 바람직하다. 그래서, 전해질막의 습윤 상태를 조작하는 연료 전지 시스템의 실시 형태를 이하에서 설명한다.
(제3 실시 형태)
도 11은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(101)의 구성예를 도시하는 구성도이다.
연료 전지 시스템(101)은, 도 1에 도시한 연료 전지 시스템(100)의 구성에 더하여, 임피던스 측정 장치(6)를 구비하고 있다. 또한, 연료 전지 시스템(101)은, 연료 전지 시스템(100)의 캐소드 가스 급배 장치(2)를 대신하여 캐소드 가스 급배 장치(2a)를 구비하고 있다.
캐소드 가스 급배 장치(2a)는, 도 1에 도시한 캐소드 가스 급배 장치(2)의 구성에 더하여, 캐소드 바이패스 통로(28) 및 바이패스 밸브(29)를 구비하고 있다.
캐소드 바이패스 통로(28)는, 컴프레서(22)에 의해 공급되는 캐소드 가스의 일부가 연료 전지 스택(1)을 우회해서 외부로 배출되도록, 캐소드 가스 공급 통로(21)와 캐소드 가스 배출 통로(26) 사이에 설치된 통로이다. 캐소드 바이패스 통로(28)의 일단부는 인터쿨러(24)와 연료 전지 스택(1) 사이의 캐소드 가스 공급 통로(21)에 접속되고, 그 타단부는 캐소드 압력 조절 밸브(27)보다 하류인 캐소드 가스 배출 통로(26)에 접속된다.
바이패스 밸브(29)는, 캐소드 바이패스 통로(28)에 설치된다. 바이패스 밸브(29)는, 컴프레서(22)로부터 공급되는 캐소드 가스의 일부를 캐소드 가스 배출 통로(26)로 배출하는 캐소드 가스의 유량을 조정한다. 바이패스 밸브(29)로서는, 예를 들어 밸브의 개방도를 단계적으로 변경 가능한 전자기 밸브가 사용된다. 바이패스 밸브(29)의 개방도는 컨트롤러(200)에 의해 제어된다.
발전 요구 캐소드 유량에 비하여 희석 요구 컴프레서 유량이 커지는 상황에 있어서는, 통상, 컴프레서 유량이 희석 요구 컴프레서 유량이 되도록 컴프레서(22)의 조작량이 제어된다. 이러한 경우에 있어서, 도 1에 도시한 연료 전지 시스템(100)에는 캐소드 바이패스 통로(28)가 설치되어 있지 않은 점에서, 연료 전지 스택(1)에 대한 캐소드 가스 유량이 발전 요구 캐소드 유량에 대하여 많아져 버린다. 그 결과, 잉여의 캐소드 가스에 기인해서 연료 전지 스택(1)으로부터 반출되는 수분이 증가하여, 전해질막이 건조될 우려가 있다.
그 때문에, 발전 요구 캐소드 유량보다 희석 요구 컴프레서 유량이 커질 때는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량이 발전 요구 캐소드 유량을 상회하지 않도록, 바이패스 밸브(29)의 개방도가 컨트롤러(200)에 의해 제어된다.
임피던스 측정 장치(6)는, 전해질막의 습윤 상태를 검출하는 장치이다. 임피던스 측정 장치(6)는, 전해질막의 습윤 상태와 상관이 있는 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 측정한다. 임피던스 측정 장치(6)는, 측정한 내부 임피던스를 컨트롤러(200)에 출력한다.
일반적으로, 전해질막의 함수량이 적어질수록, 즉 전해질막이 말라갈수록, 내부 임피던스의 전기 저항 성분은 커진다. 한편, 전해질막의 함수량이 많아질수록, 즉 전해질막이 젖어갈수록, 내부 임피던스의 전기 저항 성분은 작아진다. 그 때문에, 전해질막의 습윤 상태를 나타내는 파라미터로서, 본 실시 형태에서는 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스가 사용된다.
연료 전지 스택(1)에는, 정극 단자(1p)와 직렬로 접속된 정극 탭과, 부극 단자(1n)과 직렬로 접속된 부극 탭이 설치되어 있고, 임피던스 측정 장치(6)가 정극 탭 및 부극 탭에 접속된다.
임피던스 측정 장치(6)는, 전해질막의 전기 저항을 계측하기에 적합한 소정의 주파수를 갖는 교류 전류를 정극 단자(1p)에 공급하고, 정극 단자(1p)와 부극 단자(1n) 사이에 발생하는 교류 전압을 검출한다. 임피던스 측정 장치(6)는, 검출한 교류 전압의 진폭을, 정극 단자(1p)에 공급한 교류 전류의 진폭에 의해 제산해서 내부 임피던스를 산출한다. 이하에서는, 산출한 내부 임피던스를 HFR(High Frequency Resistance; 고주파수 저항)이라고 한다.
본 실시 형태의 컨트롤러(200)에는, 제1 실시 형태에서 설명한 입력 신호 외에, 임피던스 측정 장치(6)로부터 출력되는 연료 전지 스택(1)의 HFR과, 도시하지 않은 HRB 인버터의 온도를 검출하는 INV 온도 센서(202)의 출력 신호가 입력된다. HRB 인버터는, 연료 전지 스택(1) 또는 배터리로부터 출력되는 전력을 교류 전력으로 변환하고, 변환한 교류 전력을 애노드 순환 펌프(36)의 모터에 공급한다.
컨트롤러(200)는, 임피던스 측정 장치(6)로부터의 HFR에 따라서, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하를 연료 전지 스택(1)에서 실현할 수 있는 범위 내에서 컴프레서(22)의 조작량, 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도 및 애노드 순환 펌프(36)의 회전수를 조작한다. 본 실시 형태에서는, 애노드 순환 펌프(36)의 회전수가 커질수록, 애노드 순환계에 유보하는 수량이 증가하므로, 연료 전지 스택(1)의 전해질막이 습기찬 상태가 된다.
예를 들어, 연료 전지 스택(1)의 HFR이 목표값보다 큰 경우, 즉 전해질막이 조금 마른 경우에는, 컨트롤러(200)는, 요구 부하를 실현할 수 있는 범위에 있어서, 캐소드 가스의 유량을 저감시키거나, 캐소드 가스의 압력을 증가시키거나, 애노드 순환 펌프(36)의 회전수를 크게 한다.
한편, 연료 전지 스택(1)의 HFR이 목표값보다 작은 경우에는, 컨트롤러(200)는, 요구 부하를 확보할 수 있는 범위에서, 캐소드 가스의 유량을 증가시키거나, 캐소드 가스의 압력을 저감시키거나, 애노드 순환 펌프(36)의 회전수를 작게 한다.
도 12는 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(200)의 기능 구성예를 도시하는 블록도이다.
본 실시 형태의 컨트롤러(200)는, An 압력 연산부(310)와, An 압력 조절 밸브 FB 제어기(320)와, HRB 회전수 연산부(330)와, Ca 압력 연산부(340)와, Ca 유량 연산부(350)와, Ca 유량·압력 FB 제어기(360)와, 막습윤 FB 제어기(370)를 포함한다.
또한, 컨트롤러(200)에 있어서의 막습윤 FB 제어기(370) 이외의 구성은, 기본적으로 제2 실시 형태의 구성과 동일하다. 여기에서는, 주로 막습윤 FB 제어기(370)의 구성에 대해서 상세하게 설명하고, 그 후, 제2 실시 형태와 비교해서 입력 파라미터가 다른 An 압력 연산부(310), HRB 회전수 연산부(330), Ca 압력 연산부(340) 및 Ca 유량 연산부(350)의 구성에 대해서 간단하게 설명한다.
막습윤 FB 제어기(370)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하와 임피던스 측정 장치(6)로부터의 HFR에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 목표 상태로 조작하는 데 필요해지는, HRB 회전수, 캐소드 압력 및 캐소드 유량을 각각 연산한다. 이하에서는 이들의 파라미터를, 각각 「습윤 요구 HRB 회전수」, 「습윤 요구 캐소드 압력」 및 「습윤 요구 캐소드 유량」이라고 한다.
예를 들어, 막습윤 FB 제어기(370)에는, 연료 전지 스택(1)의 목표 HFR과 요구 부하의 관계를 나타내는 습윤 제어맵이 미리 저장되어 있다. 여기에서 말하는 목표 HFR은, 연료 전지의 전해질막이 발전에 적합한 목표가 되는 상태에서 유지되도록, 실험 등을 통하여 결정된다. 예를 들어, 요구 부하마다, 연료 전지 스택(1)에서 생성되는 수량이나, 캐소드 배가스에 의해 연료 전지 스택(1)으로부터 반출되는 수량 등을 고려해서 목표 HFR이 결정된다.
막습윤 FB 제어기(370)는, 부하 장치(5)로부터, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하를 취득하면, 습윤 제어맵을 참조하여, 그 요구 부하에 관계된 목표 HFR을 산출한다. 그리고, 막습윤 FB 제어기(370)는, 임피던스 측정 장치(6)로부터의 HFR이 목표 HFR이 되도록, 습윤 요구 HRB 회전수, 습윤 요구 캐소드 압력 및 습윤 요구 캐소드 유량을 피드백 제어한다.
연료 전지 스택(1)의 HFR이 목표 HFR보다 커질수록, 즉 전해질막이 말라갈수록, 습윤 요구 HRB 회전수를 크게 하고, 습윤 요구 캐소드 압력을 크게 하고, 습윤 요구 캐소드 유량을 작게 한다. 습윤 요구 HRB를 크게 함으로써 애노드 순환계의 수분이 증가하기 때문에, 연료 전지 스택(1)의 전해질막이 습기차기 쉬워진다. 또한, 습윤 요구 캐소드 압력을 크게 함과 함께 습윤 요구 캐소드 유량을 작게 함으로써 캐소드 가스에 의해 연료 전지 스택(1)으로부터 반출되는 수분이 감소하기 때문에, 전해질막이 한층 더 습기차기 쉬워진다.
한편, 연료 전지 스택(1)의 HFR이 목표 HFR보다 작아질수록, 즉 전해질막이 너무 습기찰수록, 습윤 요구 HRB 회전수를 작게 하고, 습윤 요구 캐소드 압력을 작게 하고, 습윤 요구 캐소드 유량을 크게 한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 전해질막이 마르기 쉬워진다.
막습윤 FB 제어기(370)는, 습윤 요구 HRB 회전수를 HRB 회전수 연산부(330)에 출력하고, 습윤 요구 캐소드 압력을 Ca 압력 연산부(340)에 출력하고, 습윤 요구 캐소드 유량을 Ca 유량 연산부(350)에 출력한다.
An 압력 연산부(310)는, 제2 실시 형태의 An 압력 연산부(210)에 대응한다. An 압력 연산부(310)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하와, HRB 인버터 온도와, 대기압 센서(201)로부터의 대기 압력값과, 캐소드 압력 센서(25)로부터의 캐소드 압력값과, 캐소드 가스의 목표 압력에 기초하여, 애노드 가스의 목표 압력을 연산한다. An 압력 연산부(310)의 상세에 대해서는 도 13을 참조하여 후술한다.
An 압력 조절 밸브 FB 제어기(320)는, 제2 실시 형태의 An 압력 조절 밸브 FB 제어기(220)와 동일한 기능을 갖는다.
HRB 회전수 연산부(330)는, 제2 실시 형태의 HRB 회전수 연산부(230)에 대응한다. HRB 회전수 연산부(330)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하와, 막습윤 FB 제어기(370)로부터의 습윤 요구 HRB 회전수에 기초하여, 애노드 순환 펌프(36)의 목표 회전수를 연산한다. HRB 회전수 연산부(330)의 상세에 대해서는 도 18을 참조하여 후술한다.
Ca 압력 연산부(340)는, 제2 실시 형태의 Ca 압력 연산부(240)에 대응한다. Ca 압력 연산부(340)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하와, 애노드 압력 센서(37)로부터의 애노드 압력값에 기초하여, 캐소드 가스의 목표 압력을 연산한다. Ca 압력 연산부(340)의 상세에 대해서는 도 19를 참조하여 후술한다.
Ca 유량 연산부(350)는, 제2 실시 형태의 Ca 유량 연산부(250)에 대응한다. Ca 유량 연산부(350)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하와, 애노드 압력 센서(37)로부터의 애노드 압력값과, 대기압 센서(201)로부터의 대기 압력값에 기초하여, 컴프레서 목표 유량 및 캐소드 목표 유량을 연산한다.
컴프레서 목표 유량은, 컴프레서(22)로부터 토출해야 할 캐소드 가스 유량의 목표값을 나타내는 파라미터이고, 캐소드 목표 유량은, 연료 전지 스택(1)에 공급해야 할 캐소드 가스 유량의 목표값을 나타내는 파라미터이다.
Ca 유량 연산부(350)는, 캐소드 목표 유량을 An 압력 연산부(310)에 출력함과 함께, 컴프레서 목표 유량 및 캐소드 목표 유량을 Ca 유량·압력 FB 제어기(360)에 출력한다. Ca 유량 연산부(350)의 상세에 대해서는 도 20을 참조하여 후술한다.
Ca 유량·압력 FB 제어기(360)는, 제2 실시 형태의 Ca 유량·압력 FB 제어기(260)에 대응한다. Ca 유량·압력 FB 제어기(360)는, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 캐소드 가스의 목표 압력 및 컴프레서 목표 유량과, 캐소드 압력 센서(25)로부터의 캐소드 압력값과, 유량 센서(23)로부터의 컴프레서 유량에 기초하여, 컴프레서(22)의 조작량과 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 제어한다.
또한, Ca 유량·압력 FB 제어기(360)는, 컴프레서 목표 유량 및 캐소드 목표 유량에 기초하여 바이패스 밸브(29)의 개방도를 제어한다. 예를 들어, Ca 유량·압력 FB 제어기(360)는, 소정의 맵을 참조하여, 캐소드 바이패스 통로(28)를 흐르는 캐소드 가스의 유량이, 컴프레서 목표 유량으로부터 캐소드 목표 유량을 뺀 바이패스 유량이 되도록, 바이패스 밸브(29)의 개방도를 제어한다.
또한, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 검출하는 센서를 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치하고, 그 센서의 검출값이 캐소드 목표 유량이 되도록 바이패스 밸브(29)의 개방도를 피드백 제어하도록 해도 된다.
도 13은 본 실시 형태에 있어서의 An 압력 연산부(310)의 상세 구성예를 도시하는 블록도이다. 또한, 도 14 내지 도 17은 An 압력 연산부(310)에 저장된 맵을 설명하는 도면이다.
An 압력 연산부(310)는, 이젝터 양정 연산부(311)와, HRB 상한 양정 연산부(312)와, 가산기(313)와, HRB 요구 압력 연산부(314)를 포함한다. 또한 An 압력 연산부(310)는, 산소 소비량 연산부(315)와, Ca 배가스 유량 연산부(316)와, Comp 요구 압력 연산부(317)와, 허용 차압값 유지부(318)와, 막 보호 요구 압력 산출부(319)와, 승압 설정부(321)를 포함한다. 또한, An 압력 연산부(310)는, 통상 차압값 유지부(322)와, 등압 제어 압력 산출부(323)와, An 목표 압력 설정부(324)를 포함한다.
이젝터 양정 연산부(311)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하에 기초하여, 이젝터(34)의 양정(승압량)의 예측값을 나타내는 이젝터 예측 양정을 연산한다. 이젝터(34)의 양정은, 이젝터(34)의 노즐로부터 분사되는 애노드 가스의 분사 유량에 의해 정해지고, 이젝터(34)의 분사 유량은 요구 부하에 비례한다. 이 때문에, 이젝터 양정 연산부(311)는, 요구 부하가 커질수록, 이젝터 예측 양정을 크게 한다.
본 실시 형태에서는, 도 14에 도시한 바와 같이, 요구 부하와 이젝터 예측 양정의 관계를 나타내는 이젝터 양정 연산맵이 이젝터 양정 연산부(311)에 저장되어 있다. 이젝터 양정 연산부(311)는, 부하 장치(5)로부터 요구 부하를 취득하면, 이젝터 양정 연산맵을 참조하여, 그 요구 부하에 관계된 이젝터 예측 양정을 산출한다.
양정 연산맵은, 저부하역에 있어서 이젝터(34)의 양정은 0으로 설정되고, 중고부하역에 있어서는 요구 부하가 커질수록 이젝터 예측 양정이 커지도록 설정되어 있다. 이것은, 이젝터(34)의 양정이 고부하역에서 커지도록 설계되어 있기 때문이다.
HRB 상한 양정 연산부(312)는, INV 온도 센서(202)로부터의 HRB 인버터 온도에 기초하여, 애노드 순환 펌프(36)의 승압량의 상한값을 나타내는 HRB 상한 양정을 연산한다.
애노드 순환 펌프(36)의 인버터는, 내부에 설치된 스위칭 소자의 온도가 너무 높아져서 손상되지 않도록, 애노드 순환 펌프(36)에 공급하는 전력을 제한한다. 이 때문에, HRB 상한 양정 연산부(312)는, HRB 인버터 온도가 소정의 역치보다 높아진 경우에는, HRB 상한 양정을 작게 한다. 또한, 소정의 역치는 실험 등에 의해 구해진다.
본 실시 형태에서는, 도 15에 도시한 바와 같이, HRB 인버터 온도와 HRB 상한 양정의 관계를 나타내는 HRB 제한맵이 HRB 상한 양정 연산부(312)에 저장되어 있다. HRB 상한 양정 연산부(312)는, INV 온도 센서(202)로부터 HRB 인버터 온도를 취득하면, HRB 제한맵을 참조하여, HRB 인버터 온도에 관계된 HRB 상한 양정을 산출한다.
HRB 제한맵은, HRB 인버터 온도가 0부터 소정의 역치까지의 온도역에 있어서는 HRB 상한 양정이 일정한 값으로 설정되어 있다. 이 온도역은, 인버터의 스위칭 소자의 온도가 너무 높아지지 않고, 스위칭 소자가 손상될 우려가 매우 낮은 온도역이다.
또한, HRB 제한맵은, HRB 인버터 온도가 소정의 역치보다 높은 온도역에 있어서는 HRB 인버터 온도가 높아질수록 HRB 상한 양정이 작아지도록 설정되어 있다. 이 온도역에서는, 스위칭 소자의 온도가 상한 온도를 초과하지 않도록, 애노드 순환 펌프(36)에 대한 공급 전력이 제한된다.
또한, 본 실시 형태에서는 애노드 순환 펌프(36)용 인버터의 온도를 사용해서 HRB 상한 양정을 연산하는 예에 대해서 설명했지만, 인버터의 온도 대신에 인버터내의 스위칭 소자의 온도나, 애노드 순환 펌프를 구동하는 모터의 온도 등이 사용되어도 된다. 이러한 파라미터를 사용했다 하더라도 HRB 상한 양정의 산출 오차를 작게 하는 것이 가능하게 된다.
가산기(313)는, HRB 상한 양정과 이젝터 예측 양정을 더함으로써, 이젝터(34) 및 애노드 순환 펌프(36)에 의한 확보 가능 양정을 산출한다. 여기에서 말하는 확보 가능 양정이란, 이젝터(34) 및 애노드 순환 펌프(36)의 양쪽을 사용해서 애노드 배가스를 승압하는 것이 가능한 승압량의 상한값이다.
HRB 요구 압력 연산부(314)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하에 기초하여, 애노드 순환 펌프(36)의 동력을 경감하기 위해서 요구되는 애노드 압력을 나타내는 HRB 요구 애노드 압력을 연산한다. 또한 HRB 요구 압력 연산부(314)는, 가산기(313)로부터의 확보 가능 양정에 따라서 HRB 요구 애노드 압력을 보정한다.
본 실시 형태에서는, 도 16에 도시한 바와 같이, 애노드 순환계의 확보 가능 양정마다, 요구 부하와 HRB 요구 애노드 압력의 관계를 나타내는 HRB 동력 경감맵이, HRB 요구 압력 연산부(314)에 저장되어 있다. HRB 요구 압력 연산부(314)는, 부하 장치(5)로부터 요구 부하를 취득함과 함께 가산기(313)로부터 확보 가능 양정을 취득하면, 그 확보 가능 양정에 대응하는 HRB 동력 경감맵을 참조하여, 취득한 요구 부하에 관계된 HRB 요구 애노드 압력을 산출한다.
HRB 동력 경감맵은, 요구 부하가 높아질수록 HRB 요구 애노드 압력이 작아지도록 설정된다. 이것은, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 요구 부하가 높아질수록 이젝터(34)의 양정이 커지기 때문에, 고부하역에서는 애노드 순환 펌프(36)의 동력을 저감하는 것이 가능해지기 때문이다.
또한, 저부하역에 있어서의 요구 부하에 대한 애노드 압력의 기울기(저하율)가 고부하역의 것보다 크게 되어 있다. 이것은, 저부하역에 있어서 애노드 순환 펌프(36)의 동력이 증가하므로, 저부하역에 있어서 요구 부하가 낮아질수록 HRB 요구 애노드 압력을 크게 함으로써 애노드 순환 펌프(36)의 동력을 고부하역보다 경감하는 것이 가능해지기 때문이다. 이에 의해, 애노드 순환 펌프(36)의 동력을 저감할 수 있어, 애노드 순환 펌프(36)를 소형으로 하는 것이 가능해진다.
또한, HFR 동력 경감맵은, 애노드 순환계의 확보 가능 양정이 커질수록, HRB 요구 애노드 압력이 작아지도록 설정된다. 이것은, 이젝터(34) 및 애노드 순환 펌프(36)에 의한 토탈의 양정이 충분히 확보되고 있는 상태에서도 애노드 압력을 높게 해서 쓸데없이 애노드 가스 공급량을 증가시키거나, 애노드 압력과 캐소드 압력의 차압을 크게 하거나 하는 것을 억제하기 위해서이다. 이에 의해, 고부하역에서는, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 이젝터(34)의 양정이 충분히 커지는 점에서, 애노드 압력의 증가를 작게 할 수 있다.
상술한 바와 같이 HRB 동력 경감맵을 설정함으로써, 도 3의 (b) 및 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 저부하역에 있어서 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력의 피크를 저감하면서, 고부하역에 있어서 애노드 압력과 캐소드 압력의 차압을 작게 하는 것이 가능해진다.
HRB 요구 압력 연산부(314)는, 산출한 HRB 요구 애노드 압력을 승압 설정부(321)에 출력한다.
산소 소비량 연산부(315)는, 도 9에 도시한 산소 소비량 연산부(252)와 마찬가지로, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하에 미리 정해진 환산값을 곱하고, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 산소 소비 유량을 연산한다.
Ca 배가스 유량 연산부(316)는, Ca 유량 연산부(350)로부터의 캐소드 가스의 목표 유량으로부터 산소 소비 유량을 감산하고, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 배가스의 유량을 나타내는 캐소드 배가스 유량을 연산한다.
Comp 요구 압력 연산부(317)는, 컴프레서(22)의 동력을 경감하기 위해서 요구되는 애노드 압력을 나타내는 Comp 요구 애노드 압력을 연산한다. 또한, Comp 요구 압력 연산부(317)는, 대기압 센서(201)로부터의 대기 압력값에 따라서, Comp 요구 애노드 압력을 보정한다.
여기에서 말하는 Comp 요구 애노드 압력은, 캐소드 배가스만을 사용해서 퍼지 가스 중의 수소를 희석할 수 있는 애노드 압력의 상한값을 나타내는 파라미터이다. 여기에서 말하는 퍼지 가스 중의 수소를 희석할 수 있다는 것은, 연료 전지 시스템(101)의 배가스 중의 수소 농도를 규정값 이하로 유지할 수 있다고 하는 의미이다. 즉, Comp 요구 애노드 압력은, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증가를 억제하기 위해서 HRB 요구 애노드 압력을 제한하는 파라미터이다.
본 실시 형태에서는, 도 17에 도시한 바와 같이, 대기압마다, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 배가스 유량과 Comp 요구 애노드 압력의 관계를 나타내는 Comp 제한맵이 Comp 요구 압력 연산부(317)에 저장되어 있다. Comp 요구 압력 연산부(317)는, Ca 배가스 유량 연산부(316)로부터 캐소드 배가스 유량을 취득함과 함께, 대기압 센서(201)로부터 대기 압력값을 취득한다. 그리고, Comp 요구 압력 연산부(317)는, 그 대기 압력값에 대응하는 Comp 제한맵을 참조하여, 취득한 캐소드 배가스 유량에 관계된 Comp 요구 애노드 압력을 산출한다.
Comp 제한맵은, 캐소드 배가스 유량이 커질수록, Comp 요구 애노드 압력이 커지도록 설정된다. 이것은, 캐소드 배가스 유량이 커질수록, 컴프레서(22)의 동력을 증가시키지 않고 애노드 압력의 증가폭을 크게 하는 것이 가능해지기 때문이다.
또한 Comp 제한맵은, 대기 압력값이 커질수록, Comp 요구 애노드 압력이 커지도록 설정된다. 이것은, 대기 압력값이 커질수록, 애노드 전극으로부터 캐소드 전극에 대한 수소 누설량 및 퍼지 밸브(39)로부터 대기에 대한 퍼지 가스의 배출량이 적어지고, 그만큼만 애노드 압력을 높게 하는 것이 가능해지기 때문이다.
이와 같이, Comp 요구 압력 연산부(317)는, Comp 제한맵을 사용하여, 연료 전지 스택(1)으로부터의 캐소드 배가스 유량만으로 퍼지 가스를 희석하는 것이 가능한 애노드 압력의 상한값을 산출한다. 이에 의해, 컨트롤러(200)는, 퍼지 가스의 희석에 필요해지는 캐소드 가스 희석 유량이 연료 전지 스택(1)에 대한 캐소드 가스의 공급 유량 이하가 되도록 애노드 압력을 증가시키는 것이 가능해진다.
Comp 요구 압력 연산부(317)는, 산출한 Comp 요구 애노드 압력을 승압 설정부(321)에 출력한다.
허용 차압값 유지부(318)는, 캐소드 압력과 애노드 압력의 차압에 대해서, 연료 전지 스택(1)의 전해질막을 허용할 수 있는 차압의 상한값을 나타내는 허용 차압 상한값을 유지한다.
막 보호 요구 압력 산출부(319)는, 캐소드 압력 센서(25)로부터의 캐소드 압력값에 대하여 상술한 허용 차압 상한값을 더함으로써, 전해질막을 보호하기 위해서 요구되는 애노드 압력을 나타내는 막 보호 요구 애노드 압력을 산출한다. 막 보호 요구 압력 산출부(319)는, 막 보호 요구 애노드 압력을 승압 설정부(321)에 출력한다.
승압 설정부(321)는, HRB 요구 애노드 압력과, Comp 요구 애노드 압력과, 막 보호 요구 애노드 압력 중, 가장 작은 값을 승압 요구 애노드 압력으로서 An 목표 압력 설정부(324)에 출력한다.
예를 들어, 요구 부하가, 도 10의 부하점 L1부터 부하점 L2까지의 제2 부하역에 있을 때는, HRB 요구 애노드 압력이 Comp 요구 애노드 압력보다 커지기 때문에, 승압 설정부(321)는, Comp 요구 애노드 압력을 승압 요구 애노드 압력으로 설정한다.
또한, 요구 부하가, 도 10의 부하점 L2부터 부하점 L3까지의 제3 부하역에 있을 때는, HRB 요구 애노드 압력이 Comp 요구 애노드 압력보다 작아지기 때문에, 승압 설정부(321)는, HRB 요구 애노드 압력을 승압 요구 애노드 압력으로 설정한다.
통상 차압값 유지부(322)는, 통상의 발전 제어 중에 있어서의 캐소드 압력과 애노드 압력의 극간 차압의 기준값을 나타내는 통상 차압 기준값을 유지한다. 예를 들어, 통상 차압 기준값은, 제로(0) 또는 차압 제어의 오차를 고려한 값으로 설정된다.
등압 제어 압력 산출부(323)는, 캐소드 압력 센서(25)로부터의 캐소드 압력값에 대하여 상술한 통상 차압 기준값을 더함으로써, 캐소드 압력과 애노드 압력을 서로 똑같게 하기 위한 애노드 압력을 나타내는 등압 제어 애노드 압력을 산출한다. 등압 제어 압력 산출부(323)는, 등압 제어 애노드 압력을 An 목표 압력 설정부(324)에 출력한다. 이에 의해, 전해질막의 내구성을 유지하는 것이 가능해짐과 함께, 퍼지 가스의 증가가 억제되어 컴프레서(22)의 동력을 억제하는 것이 가능해진다.
An 목표 압력 설정부(324)는, 승압 요구 애노드 압력과 등압 제어 애노드 압력 중, 큰 쪽의 값을 애노드 가스의 목표 압력으로서 설정한다. 그리고, An 목표 압력 설정부(324)는, 애노드 가스의 목표 압력을 An 압력 조절 밸브 FB 제어기(320)에 출력한다.
도 18은 본 실시 형태에 있어서의 HRB 회전수 연산부(330)의 상세 구성예를 도시하는 블록도이다.
HRB 회전수 연산부(330)는, 발전 요구 회전수 연산부(331)와 목표 회전수 설정부(332)를 포함한다.
발전 요구 회전수 연산부(331)는, 도 7에 도시한 HRB 회전수 연산부(330)와 동일한 기능을 갖는다. 발전 요구 회전수 연산부(331)에는, 도 7에 도시한 HRB 제어맵과 동일한 내용의 맵이 저장되어 있고, 발전 요구 회전수 연산부(331)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하를 취득하면, 상술한 맵을 참조하여 발전 요구 HRB 회전수를 산출한다. 발전 요구 HRB 회전수는, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 순환 펌프(36)의 회전수를 나타내는 파라미터이다.
목표 회전수 설정부(332)는, 발전 요구 HRB 회전수와, 막습윤 FB 제어기(370)로부터의 습윤 요구 HRB 회전수 중, 큰 쪽의 값을 애노드 순환 펌프(36)의 목표 회전수로서 설정한다.
임피던스 측정 장치(6)로부터의 HFR이 목표 HFR보다 큰 경우, 즉 전해질막이 조금 마른 경우에 있어서 요구 부하가 고부하역에 있을 때는, 습윤 요구 HRB 회전수가 발전 요구 HRB 회전수보다 커진다. 이러한 경우에는, 목표 회전수 설정부(332)는, 습윤 요구 HRB 회전수를 목표 회전수로 설정하고, 그 목표 회전수를 애노드 순환 펌프(36)에 출력한다. 이에 의해, 애노드 배가스의 순환 유량이 커져서, 전해질막이 습기차기 쉬워진다.
도 19는 본 실시 형태에 있어서의 Ca 압력 연산부(340)의 상세 구성예를 도시하는 블록도이다.
Ca 압력 연산부(340)는, 발전 요구 압력 연산부(341)와, 허용 차압값 유지부(342)와, 막 보호 요구 압력 산출부(343)와, 목표 압력 설정부(344)를 포함한다.
발전 요구 압력 연산부(341)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하에 기초하여, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요한 산소 분압을 확보하기 위한 캐소드 압력을 나타내는 발전 요구 캐소드 압력을 연산한다.
본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하와 발전 요구 캐소드 압력의 관계를 나타내는 산소 분압 제어맵이, 발전 요구 압력 연산부(341)에 저장되어 있다. 발전 요구 압력 연산부(341)는, 부하 장치(5)로부터 요구 부하를 취득하면, 산소 분압 제어맵을 참조하여, 요구 부하에 관계된 발전 요구 캐소드 압력을 산출한다.
산소 분압 제어맵은, 요구 부하가 커질수록 발전 요구 캐소드 압력이 커지도록 설정되어 있다. 이것은, 요구 부하가 커질수록, 전해질막에 있어서의 산소 소비량이 많아지기 때문이다.
허용 차압값 유지부(342)는, 전해질막의 내압을 고려해서 정해진 허용 차압 상한값을 유지한다. 허용 차압 상한값은, 도 13의 허용 차압값 유지부(318)에 유지된 값과 동일하다.
막 보호 요구 압력 산출부(343)는, 애노드 압력 센서(37)로부터의 애노드 압력값으로부터 허용 차압 상한값을 감산하고, 전해질막을 보호하는 데 요구되는 캐소드 압력을 나타내는 막 보호 요구 캐소드 압력을 연산한다. 막 보호 요구 압력 산출부(343)는, 그 막 보호 캐소드 압력을 목표 압력 설정부(344)에 출력한다.
목표 압력 설정부(344)는, 막습윤 FB 제어기(370)로부터의 습윤 요구 캐소드 압력과, 발전 요구 캐소드 압력과, 막 보호 요구 캐소드 압력 중, 가장 큰 값을 캐소드 가스의 목표 압력으로서 설정한다. 목표 압력 설정부(344)는, 캐소드 가스의 목표 압력을 Ca 유량·압력 FB 제어기(360)에 출력한다.
이와 같이, Ca 압력 연산부(340)는, 연료 전지 스택(1)에 대한 습윤 요구나, 발전 요구, 막 보호 요구 등의 요구에 따라서, 연료 전지 스택(1)에 공급해야 할 캐소드 가스의 목표 압력을 산출한다. 즉, 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)의 발전 상태나, 습윤 상태, 차압 상태 등의 운전 상태에 따라서, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 압력이 연료 전지 스택(1)에 대하여 요구되는 캐소드 가스 압력이 되도록 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어한다. 그리고, 도 13에 도시한 An 압력 연산부(310)의 등압 제어 압력 산출부(323)는, 캐소드 압력 센서(25)로부터의 캐소드 압력값에 대하여 애노드 압력이 대략 똑같아지도록, 등압 제어 애노드 압력을 산출한다.
도 20은 본 실시 형태에 있어서의 Ca 유량 연산부(350)의 상세 구성예를 도시하는 블록도이다.
Ca 유량 연산부(350)는, 발전 요구 유량 연산부(351)와, FC 요구 유량 설정부(352)와, 산소 소비량 연산부(353)와, Ca 배가스 유량 연산부(354)와, 희석 요구 유량 산출부(355)와, Comp 목표 유량 설정부(356)를 포함한다.
발전 요구 유량 연산부(351)는, 도 9에 도시한 Ca 유량 연산부(250)와 동일한 기능을 갖는다. 발전 요구 유량 연산부(351)에는, 도 20에 도시한 바와 같이, 도 9의 Ca 유량 제어맵과 동일한 맵이 저장되어 있고, 발전 요구 유량 연산부(351)는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하를 취득하면, Ca 유량 제어맵을 참조하여 발전 요구 캐소드 유량을 산출한다.
FC 요구 유량 설정부(352)는, 막습윤 FB 제어기(370)로부터의 습윤 요구 캐소드 유량과 발전 요구 캐소드 유량 중 큰 쪽의 값을 FC 요구 캐소드 유량으로서 설정한다. 여기에서 말하는 FC 요구 캐소드 유량은, 연료 전지 스택(1)에 대한 발전 요구나 습윤 요구 등의 요구에 의해 정해지는 연료 전지 스택(1)에 대한 캐소드 가스의 공급 유량을 나타내는 파라미터이다.
FC 요구 유량 설정부(352)는, FC 요구 캐소드 유량을 캐소드 목표 유량으로서, An 압력 연산부(310) 및 Ca 유량·압력 FB 제어기(360)에 출력한다.
산소 소비량 연산부(353), Ca 배가스 유량 연산부(354) 및 희석 요구 유량 산출부(355)는, 각각, 도 9에 도시한 산소 소비량 연산부(252), Ca 배가스 유량 연산부(253) 및 희석 요구 유량 산출부(254)에 대하여 동일한 기능을 갖는다. 이 때문에, 이들 구성에 대해서는 여기에서의 설명을 생략한다.
Comp 목표 유량 설정부(356)는, FC 요구 캐소드 유량과 희석 요구 컴프레서 유량 중 큰 쪽의 값을, 컴프레서 목표 유량으로서 Ca 유량·압력 FB 제어기(360)에 출력한다.
본 실시 형태의 컨트롤러(200)에 대해서도, 도 10에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)의 저부하역에 있어서 애노드 압력을 캐소드 압력에 비해서 크게 한다.
An 압력 연산부(310)에서는, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 부하점 L1 내지 부하점 L4까지의 제2 내지 제4 부하역에 있어서 HRB 요구 애노드 압력이 캐소드 압력값을 상회한다. 그리고, 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이 부하점 L1부터 L2까지의 제2 부하역에 있어서, HRB 요구 애노드 압력은 Comp 요구 애노드 압력에 의해 제한된다.
이에 의해, 희석 요구 컴프레서 유량이 FC 요구 캐소드 유량 이하가 되도록, 애노드 압력을 증가시키는 것이 가능해진다. 이 때문에, An 압력 연산부(310)는, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증가를 억제하면서, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감할 수 있다.
본 발명의 제3 실시 형태에 따르면, 연료 전지 시스템(101)은, 연료 전지 스택(1)으로부터의 애노드 배가스에 포함되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브(39)와, 퍼지 밸브(39)로부터 배출되는 퍼지 가스를 연료 전지 스택(1)으로부터의 캐소드 배가스를 사용해서 희석하는 통로를 구성하는 불순물 배출 통로(38) 및 캐소드 가스 배출 통로(26)를 포함한다.
그리고, 컨트롤러(200)의 An 압력 연산부(310)는, 캐소드 목표 유량에 기초하여, 퍼지 가스의 희석에 필요해지는 캐소드 가스 희석 유량이, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 배가스 유량 이하가 되도록, 애노드 가스 압력의 증가량을 제어한다.
본 실시 형태에서는, An 압력 연산부(310)의 Comp 요구 압력 연산부(317)에 저장된 맵에, 연료 전지 스택(1)으로부터의 캐소드 배가스 유량만으로 퍼지 가스를 희석할 수 있는 애노드 압력의 상한값을 나타내는 Comp 요구 애노드 압력이 설정되어 있다. 이 때문에, Comp 요구 압력 연산부(317)는, 그 맵에 따라서, Comp 요구 애노드 압력을 산출해서 승압 설정부(321)에 출력한다.
이에 의해, 저부하역에 있어서, HRB 요구 애노드 압력이 캐소드 압력보다 커져서 Comp 요구 애노드 압력을 상회했다 하더라도, 승압 설정부(321)에 의해 Comp 요구 애노드 압력이 애노드 가스의 목표 압력으로서 설정된다. 이 때문에, 애노드 가스의 목표 압력은 Comp 요구 애노드 압력보다 큰 값이 되는 일은 없다.
따라서, 컨트롤러(200)는, 퍼지 가스의 희석에 필요해지는 캐소드 가스 희석 유량이 연료 전지 스택(1)의 캐소드 배가스 유량 이하가 되도록, 애노드 압력의 증가량을 증가 또는 감소시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감하면서, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증가를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 막 보호 요구 압력 산출부(319)는, 캐소드 압력값에 허용 차압의 상한값을 가산한 값을 나타내는 막 보호 요구 애노드 압력을 승압 설정부(321)에 출력한다. 이에 의해, An 압력 연산부(310)에 있어서, HRB 요구 애노드 압력 및 Comp 요구 애노드 압력이 모두 막 보호 요구 애노드 압력보다 커졌다 하더라도, 승압 설정부(321)에 의해 막 보호 요구 애노드 압력이 애노드 가스의 목표 압력으로서 설정된다.
따라서, 컨트롤러(200)는, 애노드 압력과 캐소드 압력의 극간 차압이 전해질막의 허용 차압 이하가 되도록, 애노드 압력의 증가량을 제한하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감하면서, 전해질막의 내구성이 저하되어 발전 성능이 저하되는 것을 회피할 수 있다.
상기 각 실시 형태에서는, 고부하역에 있어서 극간 차압이 작아지도록 애노드 압력 및 캐소드 압력을 등압 제어하는 예에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 전해질막의 내구성이 높은 연료 전지 시스템에 있어서는, 다음 도면에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 압력값에 애노드 압력을 제어하도록 해도 된다.
(제4 실시 형태)
본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(200)에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 컨트롤러(200)의 기본 구성은, 도 5에 도시한 컨트롤러의 구성과 마찬가지이지만, An 압력 연산부(210)의 메모리에 유지된 맵의 설정 내용이 다르다.
도 21은 본 발명의 제4 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(200)에 의한 애노드 압력 제어의 일례를 도시하는 도면이다.
도 21에는, 본 실시 형태의 컨트롤러(200)에 의한 압력 제어를 실행했을 때의 애노드 압력의 변화가 실선에 의해 나타나고, 중고부하에 있어서 등압 제어를 실행했을 때의 애노드 압력의 변화가 파선에 의해 나타나고 있다.
도 21에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 컨트롤러(200)는, 저부하역에 있어서는 도 10의 (a)의 굵은 선과 같이, 요구 부하에 대한 애노드 압력의 특성이 볼록부를 갖도록 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어한다.
고부하역에 있어서는, 본 실시 형태의 컨트롤러(200)는, 다른 실시 형태와는 달리, 애노드 압력을 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 압력값으로 제어한다. 이에 의해, 도 21의 실선으로 나타낸 바와 같이, 파선으로 나타낸 등압 제어에 비해, 요구 부하에 대한 애노드 압력의 구배는 작아진다.
예를 들어, 컨트롤러(200)는, 도 21의 실선으로 나타내는 요구 부하와 애노드 가스의 목표 압력의 관계를 나타낸 압력 제어맵을, 도 6에 도시한 An 압력 연산부(210)의 메모리에 유지하고, 이 압력 제어맵에 따라서 애노드 압력을 목표 압력으로 제어한다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 압력값을 고려한 다음, 압력 제어맵의 요구 부하에 대한 애노드 압력의 구배를 제로로 해도 된다.
혹은, 도 13에 도시한 An 압력 연산부(310)의 구성 중, 통상 차압값 유지부(322), 등압 제어 압력 산출부(323) 및 An 목표 압력 설정부(324)를 생략하여, 승압 설정부(321)의 출력을 애노드 가스의 목표 압력으로 해도 된다. 이러한 구성에서도, 도 21과 같이, 고부하역에 있어서, 등압 제어에 비해 요구 부하가 높아질수록 완만하게 애노드 압력이 커지거나, 혹은 애노드 압력이 일정해지거나 한다.
본 발명의 제4 실시 형태에 따르면, 이젝터(34) 및 애노드 순환 펌프(36)를 구비하는 연료 전지 시스템(100)의 컨트롤러(200)는, 메모리를 갖는 An 압력 연산부(210)를 구비한다. An 압력 연산부(210)의 메모리는, 연료 전지 스택(1)의 부하가 낮을 때는 부하가 높을 때 비해서 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 압력보다 큰 값을 애노드 가스의 목표 압력으로 설정한 맵을 유지한다. 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 부하를 취득하면, 그 맵을 참조하여, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 목표 압력으로 제어한다.
이에 의해, 컨트롤러(200)는, 간이한 구성에 의해, 연료 전지 스택(1)의 저부하역에 있어서, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을, 연료 전지 스택(1)의 발전에 필요해지는 애노드 가스 압력값보다 높게 하는 것이 가능해진다. 따라서, 컨트롤러(200)의 연산 부하를 경감시키면서, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감할 수 있게 된다.
또한 본 실시 형태에 따르면, 도 6에 도시한 바와 같이, An 압력 연산부(210)의 맵은, 연료 전지 스택(1)의 부하가 높아질수록 애노드 가스의 목표 압력이 커지고, 또한 부하가 낮은 부하역에 있어서 목표 압력의 특성이 볼록부를 갖도록 설정된다.
이와 같이, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 저부하역에 있어서는 희석 요구 컴프레서 유량이 발전 요구 캐소드 유량을 초과하지 않는 범위에서 애노드 압력을 증가시킴으로써, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증가를 억제하면서 애노드 순환 펌프(36)를 소형화할 수 있다.
또한 본 실시 형태에서는, 도 21에 도시한 바와 같이, 부하가 높은 부하역에 있어서 애노드 가스의 목표 압력의 구배가 캐소드 가스의 목표 압력의 구배보다 작아지도록 설정된다.
이와 같이, 고부하역에 있어서는 애노드 압력을 캐소드 압력보다 작게 함으로써, 애노드 전극으로부터 전해질막을 통해서 캐소드 전극으로 투과해 오는 수소의 누설량이 적어지므로, 연료 전지 시스템(100)의 연비를 개선할 수 있다.
또한, 도 10의 (b)에 나타낸 이젝터(34)의 양정이 상승하는 부하점 L2를 예를 들어 부하점 L1로 이동시키는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 저부하역에서 이젝터(34)의 양정이 높아지기 때문에, 애노드 순환 펌프(36)의 요구 동력이 작아져서, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예 일부를 나타낸 것에 지나지 않으며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성으로 한정한다는 취지가 아니다.
예를 들어, 도 10의 (a)에서는 저부하역 중 부하점 L1 내지 부하점 L4까지의 부하역만, 캐소드 가스 압력과 애노드 가스 압력의 극간 차압을 크게 하는 예에 대해서 설명했지만, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증가가 경미하면 0부터 부하점 L1까지의 부하역에 있어서도 극간 차압을 크게 해도 된다. 이와 같이 해도 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 이젝터(34)를 통해서 연료 전지 스택(1)에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 장치를 애노드 압력 조절 밸브(33)에 의해 구성했지만, 인젝터나 펌프 등에 의해 구성하도록 해도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는 도 9 및 도 20에 도시한 바와 같이 컴프레서 목표 유량을 연산함에 있어서 FC 요구 유량과 희석 요구 컴프레서 유량을 고려했지만, 컴프레서(22)의 서징 발생을 회피하는 데 필요해지는 서지 회피 요구 컴프레서 유량을 더욱 고려하도록 해도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는 도 19에 도시한 바와 같이 캐소드 가스의 목표 압력을 연산함에 있어서, 습윤 요구, 발전 요구, 막 보호 요구를 고려했지만, 이에 더하여, 컴프레서(22)의 하류에 있는 부품의 과열을 회피하기 위해서 요구되는 부품 보호 요구를 고려하도록 해도 된다.
또한, 상기 각 실시 형태는, 적절히 조합 가능하다.
본원은, 2016년 3월 15일에 일본특허청에 출원된 일본특허출원 제2016-51472호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (12)

  1. 연료 전지에 애노드 가스를 공급하는 애노드 가스 공급 장치와, 상기 연료 전지에 공급되는 애노드 가스에 대하여 상기 연료 전지로부터 배출된 애노드 배가스를 합류시키는 이젝터와, 상기 이젝터에 당해 애노드 배가스를 공급하는 액추에이터와, 상기 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급 장치를 구비하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    상기 연료 전지에 요구되는 부하의 크기에 따라서, 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 제어하는 캐소드 가스 제어 스텝과,
    상기 부하가 미리 설정된 저부하역보다 높은 부하역에 있는 때는 상기 애노드 가스의 압력과 상기 캐소드 가스의 압력이 실질적으로 동일해지는 한편, 상기 부하가 상기 저부하역에 있는 때는 상기 애노드 가스의 압력이 상기 캐소드 가스의 압력을 상회하도록, 상기 애노드 가스 공급 장치를 제어하는 애노드 가스 제어 스텝을 포함하는,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 가스 제어 스텝에서는,
    상기 부하가 상기 저부하역에 있는 때는, 상기 부하가 상기 저부하역보다 높은 부하역에 있는 때에 비해서, 상기 액추에이터에 의해 상기 애노드 배가스의 승압량을 크게 하고,
    상기 액추에이터의 동력이 증가하는 부하역(負荷域)에 있어서, 상기 캐소드 가스의 압력에 대하여 상기 애노드 가스의 압력을 증가시키는,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 애노드 가스 제어 스텝에서는, 상기 부하가 상기 저부하역보다 낮은 부하역에 있을 때는, 상기 캐소드 가스의 압력까지 상기 애노드 가스의 압력을 작게 하는,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은,
    상기 연료 전지로부터의 애노드 배가스에 포함되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브와,
    상기 퍼지 밸브로부터 배출되는 퍼지 가스를 상기 연료 전지로부터의 캐소드 배가스에 의해 희석하는 가스 통로를 포함하고,
    상기 애노드 가스 제어 스텝에서는,
    상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 목표 유량을 연산하고,
    상기 애노드 가스의 압력이 상기 캐소드 가스의 압력을 상회하도록 하는 상기 제어는, 상기 캐소드 가스의 목표 유량에 따라서 상기 퍼지 가스의 희석에 필요해지는 캐소드 가스 유량이 상기 연료 전지로부터 배출되는 캐소드 배가스의 유량 이하가 되는 범위에서 행해지는,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 애노드 가스 제어 스텝에서는, 상기 저부하역에 있어서, 상기 부하가 낮아질수록 상기 애노드 가스의 압력의 증가를 억제하는,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 가스 제어 스텝에서는,
    상기 연료 전지에 있어서의 전해질막의 허용 차압에 기초하여, 상기 애노드 가스의 압력과 상기 캐소드 가스의 압력의 차압이 상기 허용 차압 이하가 되도록, 상기 애노드 가스의 압력을 제한하는,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 저부하역은, 상기 이젝터에 의한 애노드 가스의 순환량이, 상기 부하에 의해 정해지는 순환량에 대하여 부족한 부하의 영역인,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  8. 제2항 또는 제7항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은,
    상기 연료 전지로부터의 애노드 배가스에 포함되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브와,
    상기 퍼지 밸브로부터 배출된 퍼지 가스를 상기 연료 전지로부터의 캐소드 배가스에 의해 희석하는 가스 통로를 포함하고,
    상기 저부하역은, 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스를 사용해서 상기 퍼지 가스를 희석할 수 있는 부하의 영역인,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제3항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 가스 제어 스텝에서는, 상기 연료 전지의 온도 또는 캐소드 가스의 압력이 높아질수록, 상기 애노드 가스의 압력과 상기 캐소드 가스의 압력의 차압을 작게 하는,
    연료 전지 시스템의 제어 방법.
  10. 연료 전지에 공급되는 애노드 가스에 대하여 상기 연료 전지로부터 배출된 애노드 배가스를 합류시키는 이젝터와, 상기 이젝터에 당해 애노드 배가스를 공급하는 액추에이터를 구비하는 연료 전지 시스템의 제어 장치이며,
    상기 연료 전지의 부하가 미리 설정된 저부하역보다 높은 부하역에 있는 때는 상기 연료 전지의 발전에 필요해지는 애노드 가스의 압력을 애노드 가스의 목표 압력으로 설정하고, 상기 연료 전지의 부하가 상기 저부하역에 있는 때는 상기 연료 전지의 발전에 필요해지는 애노드 가스의 압력보다 큰 값을 애노드 가스의 목표 압력으로 설정된 맵을 유지하는 메모리와,
    상기 연료 전지에 대한 요구 부하가 취득되면, 상기 맵을 참조하여, 상기 연료 전지에 공급되는 애노드 가스의 압력을 상기 목표 압력으로 제어하는 제어부를 포함하는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 맵은, 상기 부하가 저부하역보다 높은 부하역에 있는 때는 상기 부하가 높아질수록 상기 목표 압력이 커지고, 또한 상기 부하가 상기 저부하역에 있는 때는 상기 목표 압력이 볼록부를 갖도록 설정되는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  12. 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급 장치와,
    상기 연료 전지에 공급되는 애노드 가스의 압력을 조정하는 압력 조절 밸브와,
    상기 연료 전지에 공급되는 애노드 가스에 대하여 상기 연료 전지로부터 배출된 애노드 배가스를 합류시키는 이젝터와,
    상기 이젝터에 상기 애노드 배가스를 공급하는 액추에이터와,
    상기 연료 전지에 접속된 부하에 따라서 상기 연료 전지의 발전을 제어하는 제어 장치를 포함하고,
    상기 제어 장치는, 상기 부하가 미리 설정된 저부하역보다 높은 부하역에 있는 때는 상기 캐소드 가스 공급 장치에 의한 캐소드 가스의 압력과, 상기 압력 조절 밸브에 의한 애노드 가스의 압력을 상기 부하에 따라 함께 증가시키는 한편, 상기 부하가 상기 저부하역에 있는 때는 상기 애노드 가스의 압력이 상기 캐소드 가스의 압력보다 높아지도록 상기 압력 조절 밸브를 제어하는,
    연료 전지 시스템.
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