KR20080089460A

KR20080089460A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지의 출력 특성을 추정하는방법

Info

Publication number: KR20080089460A
Application number: KR1020087018605A
Authority: KR
Inventors: 노부오 와따나베
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-10-06
Also published as: WO2007085956A1; KR100998825B1; EP1982379B1; JP2007207442A; US20090061263A1; CN101375455B; CN101375455A; EP1982379A1; DE602007005355D1

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 연료 전지의 작동 매개변수를 검출하는 검출 유닛(6, 12)과, 기본 내부 저항을 연료 전지의 내부 저항으로 설정하는 내부 저항 추정 유닛(20)과, 공기 유량을 측정하는 유량 측정 유닛(3)과, 공기 압력을 측정하는 압력 측정 유닛(4)과, 연료 전지의 IR-프리 출력 특성을 판단하는 판단 유닛(20)과, 연료 전지의 기본 출력 특성을 설정하는 설정 유닛(20)과, 연료 전지의 출력 전류를 측정하는 출력 전류 측정 유닛(8)과, 연료 전지의 출력 전압을 측정하는 출력 전압 측정 유닛(9)과, 출력 전류 및 출력 전압을 사용하여 기본 출력 특성을 수정하는 산출 유닛(20)을 포함한다.

연료 전지, 작동 매개변수, 내부 저항, 유량, 압력

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지의 출력 특성을 추정하는 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING OUTPUT CHARACTERISTIC OF FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지 시스템 및 연료 전지의 출력 특성을 추정하는 방법에 관한 것이다.

연료 전지의 발전 효율을 향상시키기 위해, 연료 전지의 전류-전압 특성을 고려하여 연료 전지 출력(이하, "출력 특성"이라 함)이 결정되는 제어가 통상적으로 수행된다. 그러나, 전류-전압 특성은 연료 전지의 상태에 따라 또는 시간이 갈수록 변한다. 따라서, 예컨대 연료 전지의 온도, 수소 압력 등으로부터 연료 전지의 출력 특성이 추정되고 추정된 출력 특성을 사용해서 연료 전지의 출력을 제어하여 연료 전지 효율을 올리는 종래 기술이 일본특허공개 JP-A-2002-231295호에 제안되어 있다.

그러나, 전술한 종래 기술에서는 연료 전지의 출력 특성이 단지 수소 공급 압력 및 연료 전지의 온도에 의해서만 추론된다. 연료 전지의 출력 특성에 큰 영향을 주는 다른 작동 매개변수는 고려되지 않았다. 따라서, 높은 추정 정확도가 반드시 달성되지 않을 수도 있다.

본 발명은 연료 전지의 출력 특성의 추정 정확도를 향상시킨다.

본 발명의 제1 태양은 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 연료 전지 시스템은, 연료 전지에 대한 반응 가스의 유량에 따라 발생되는 연료 전지의 확산 저항 및 반응 가스의 압력에 따라 발생되는 연료 전지의 반응 저항 모두를 배제한 연료 전지의 내부 저항과 연료 전지의 작동 상태를 나타내는 하나 이상의 작동 매개변수 사이의 관계를 저장하는 작동 매개변수 저장 유닛과, 연료 전지의 하나 이상의 작동 매개변수의 현재값을 검출하는 검출 유닛과, 작동 매개변수 저장 유닛에 저장된 관계를 참조하여 작동 매개변수의 검출된 값을 기초로 연료 전지의 내부 저항을 추정하고, 추정된 내부 저항을 기본 내부 저항으로 설정하는 내부 저항 추정 유닛과, 연료 전지에 공급되는 공기의 다른 유량 및 압력에서의 내부 저항의 영향을 배제하고 유량 및 압력과 함께 연료 전지의 출력 전류 및 출력 전압 사이의 관계인 IR 프리(내부 저항 프리) 출력 특성을 저장하는 IR 프리 출력 특성 저장 유닛과, 연료 전지에 공급되는 공기의 유량을 측정하는 유량 측정 유닛과, 공기의 압력을 측정하는 압력 측정 유닛과, 공기의 압력 및 유량을 기초로 연료 전지의 IR 프리 출력 특성을 판단하는 판단 유닛과, 기본 내부 저항 및 IR 프리 전류-전압 특성을 기초로 연료 전지의 기본 전류-전압 특성을 설정하는 설정 유닛을 포함한다. 전술한 구성에서, 연료 전지 시스템은 연료 전지의 출력 전류를 측정하는 출력 전류 측정 유닛과, 출력 전류를 출력하는 연료 전지의 출력 전압을 측정하는 출력 전압 측정 유닛과, 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 기본 출력 특성을 수정하는 산출 유닛을 더 포함할 수 있다.

연료 전지 시스템에 따르면, IR-프리 출력 특성은 연료 전지에 공급되는 공기의 다른 유량 및 압력에서의 내부 저항의 영향을 배제한 연료 전지의 출력 전압과 출력 전류 사이의 관계이다. IR 출력 특성은 유량 및 압력과 함께 저장된다. 연료 전지에 공급되는 공기의 유량 및 압력이 측정되고, 측정된 공기의 유량 및 압력을 기초로 연료 전지의 IR-프리 출력 특성이 판단된다. 따라서, 연료 전지의 기본 출력 특성은 정확하게 추정될 수 있으며, 결과적으로, 기본 출력 특성이 정확하게 수정될 수 있다.

작동 매개변수는 연료 전지의 온도, 연료 전지의 습도 및 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 전류(AC) 신호를 사용하여 연료 전지의 출력 단자를 가로질러 측정된 임피던스 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 구성에 따르면, 연료 전지의 온도, 연료 전지의 습도 또는 연료 전지의 출력 단자들 사이의 임피던스를 기초로 기본 내부 저항이 추정될 수 있다.

산출 유닛은 출력 전류와 출력 전압을 기초로 연료 전지의 기본 내부 저항을 수정하는 제1 수정 유닛과, 수정된 기본 내부 저항을 사용하여 기본 출력 특성을 수정하는 제2 수정 유닛을 포함할 수 있다. 이 구성에 따르면, 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 연료 전지의 기본 내부 저항이 수정되고, 기본 출력 특성이 수정된다. 따라서, 기본 출력 특성의 추정 정확도가 향상될 수 있다.

산출 유닛은 수정된 기본 내부 저항을 새로운 기본 내부 저항으로 저장하는 수정값 저장 유닛과, 기본 내부 저항이 수정값 저장 유닛 내에 저장될 때 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 기본 내부 저항을 추가로 수정하는 제3 수정 유닛과, 추가로 수정된 기본 내부 저항을 사용하여 기본 출력 특성을 수정하는 제4 수정 유닛을 포함할 수 있다. 이 구성에 따르면, 수정된 기본 내부 저항이 새로운 기본 내부 저항으로 저장되고, 기본 내부 저항은 기본 내부 저항이 수정값 저장 유닛 내에 저장될 때 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 추가로 수정된다. 따라서, 기본 출력 특성의 추정 정확도가 향상될 수 있다.

검출 유닛은 미리 정해진 주파수를 갖는 AC 신호를 사용하여 연료 전지의 출력 단자를 가로질러 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 유닛과 측정된 임피던스를 저장하는 AC 임피던스 저장 유닛을 포함하고, 산출 유닛은 임피던스 저장 유닛에 저장된 사전에 측정된 임피던스와 임피던스 측정 유닛에 의해 측정된 임피던스를 비교하는 비교 유닛과 비교 유닛에 의한 비교 결과 측정된 임피던스와 사전에 측정된 임피던스 사이의 차이가 미리 정해진 값 이상이면 기본 내부 저항을 수정하고 그 차이가 미리 정해진 값보다 작으면 IR 프리 출력 특성을 수정하는 출력 특성 수정 유닛을 포함할 수 있다.

이 구성에 따르면, 측정 유닛에 의해 측정된 임피던스와 사전에 측정되어 임피던스 저장 유닛 내에 저장된 임피던스가 비교된다. 측정된 임피던스와 사전에 측정된 임피던스 사이의 차이가 미리 정해진 값 이상이면 기본 내부 저항은 수정된다. 차이가 그렇지 않으면 IR-프리 출력 특성이 수정된다. 따라서, 수정될 대상이 한정되고 수정의 정확도가 향상될 수 있다.

본 발명의 제2 태양은 연료 전지의 출력 특성을 추정하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 연료 전지의 작동 상태를 나타내는 하나 이상의 작동 매개변수의 현재값을 검출하는 단계와, 연료 전지에 대한 반응 가스의 유량에 따라 발생되는 연료 전지의 확산 저항 및 반응 가스의 압력에 따라 발생되는 연료 전지의 반응 저항 모두를 배제한 연료 전지의 내부 저항과 작동 매개변수 사이의 관계를 참조하여 검출된 작동 매개변수의 값을 기초로 연료 전지의 내부 저항을 추정하는 단계와, 추정된 내부 저항을 기본 내부 저항으로 설정하는 단계와, 연료 전지에 공급되는 공기의 유량을 측정하는 단계와, 공기의 압력을 측정하는 단계와, 공기의 압력과 유량을 기초로 연료 전지의 IR 프리 출력 특성을 판단하는 단계와, 연료 전지에 공급되는 공기의 다른 유량 및 압력에서의 내부 저항의 영향을 배제하고 연료 전지의 출력 전류 및 출력 전압 사이의 관계인 IR 프리 출력 특성과 기본 내부 저항을 기초로 연료 전지의 기본 출력 특성을 설정하는 단계를 포함한다. 이 구성에서, 방법은 연료 전지의 출력 전류를 측정하고 출력 전류를 출력하는 연료 전지의 출력 전압을 측정하는 단계와, 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 기본 출력 특성을 수정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

작동 매개변수는 연료 전지의 온도, 연료 전지의 습도 및 미리 정해진 주파수를 갖는 AC 신호를 사용하여 연료 전지의 출력 단자를 가로질러 측정된 임피던스 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

방법은 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 연료 전지의 기본 내부 저항을 수정하는 단계와, 수정된 기본 내부 저항을 사용하여 기본 출력 특성을 수정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

방법은 수정된 기본 내부 저항을 새로운 기본 내부 저항으로 저장하는 단계와, 기본 내부 저항이 저장될 때 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 기본 내부 저항을 수정하는 단계와, 추가로 수정된 기본 내부 저항에 의해 기본 출력 특성을 수정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

방법은 미리 정해진 주파수를 갖는 AC 신호를 사용하여 연료 전지의 출력 단자를 가로질러 임피던스를 측정하는 단계와, 측정된 임피던스를 사전에 측정된 임피던스와 비교하는 단계와, 측정된 임피던스와 사전에 측정되어 저장된 임피던스 사이의 차이가 미리 정해진 값 이상이면 기본 내부 저항을 수정하고 그 차이가 미리 정해진 값보다 작으면 IR 프리 출력 특성을 수정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 전술한 그리고 추가적인 목적, 특징 및 잇점은 동일 도면 부호가 동일 구성을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 이하의 양호한 실시예의 설명으로부터 명백하게 된다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시스템 구조도이다.

도2는 전지 적층체 온도 및 내부 저항 사이의 관계의 예를 도시한 그래프이다.

도3은 공기 전극측 상에 상이한 압력에서의 전류-전압 특성의 변화의 예를 도시한 그래프이다.

도4는 연료 전지에 대한 상이한 공기 유량에서의 전류-전압 특성의 예를 도시한 그래프이다.

도5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도이다.

도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시스템 구조도이다.

도7은 연료 전지 내의 습도량, 연료 전지 온도 및 내부 저항 사이의 관계를 도시한 그래프이다.

도8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도이다.

도9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시스템 구조도이다.

도10은 습윤기 내의 공기 유량, 연료 전지 본체(1)의 온도 및 습도량 사이의 관계의 예를 도시한 그래프이다.

도11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도이다.

도12는 AC 임피던스의 예를 도시한 챠트이다.

도13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도이다.

도14는 공기에 대한 상이한 습도량에서의 내부 저항과 AC 임피던스 사이의 관계의 측정 결과의 예를 도시한 그래프이다.

도15a 및 도15b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도이다.

도16a 및 도16b는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료 전지 시스템 제어 작동 의 흐름도이다.

본 발명을 실시하기 위한 최상의 모드(이하, "실시예"라 함)에 따른 연료 전지 시스템이 도면을 참조하여 이하에 설명된다. 본 실시예의 구성은 예시적인 것이며, 본 발명은 본 실시예의 구성에 한정되지 않는다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시스템 구조도이다. 연료 전지 시스템은, 단전지가 적층된 전지 적층체를 포함하는 연료 전지 본체(1)와, 공기 공급 통로(L1)를 통해 연료 전지 본체(1) 내의 공기 전극측에 공기를 공급하는 공기 압축기(2)와, 공기 압축기(2)로부터 연료 전지 본체(1)로 공급되는 공기의 유량을 측정하는 공기 유량계(3, 유량 측정 유닛으로 간주됨)와, 연료 전지 본체(1)의 공기 전극측 상의 배출 통로(L2)를 통해 공기 전극측 상의 가스 압력을 측정하는 압력 센서(4, 압력 측정 유닛으로 간주됨)와, 배출 통로(L2)를 포함하는 공기 전극측 상의 가스 압력을 제어하는 압력 제어 밸브(5)와, 수소가 수소 공급 통로(L3)를 통해 연료 전지 본체(1) 내의 수소 전극 측에 공급되는 수소 탱크(7)와, 연료 전지 본체(1)의 출력 단자에 접속된 부하(10)에 공급되는 전류와 전압을 각각 측정하는 전류 센서(8, 출력 전류 측정 유닛으로 간주됨) 및 전압 센서(9, 출력 전압 측정 유닛으로 간주됨)와, 연료 전지 본체(1)의 온도(전지 적층체의 온도)를 측정하는 온도 센서(6, 검출 유닛으로 간주됨)와, 연료 전지 시스템의 모든 부분의 상태를 모니터링하고 전체 연료 전지 시스템을 제어하는 전자 제어 유닛(ECU, 20)을 구비한다. 연료 전지 시스템을 구성하는 구성 성분 각각은 잘 알려져 있으 므로, 그 설명은 생략한다.

도1에 도시된 연료 전지 시스템에서, ECU(20)는 이하의 기능을 갖는다. (1) ECU(20)는 연료 전지 본체(1)의 전지 적층체의 온도를 기초로 연료 전지 본체(1)의 내부 저항을 판단한다. 내부 저항은 출력 전류가 연료 전지 본체(1)에서 부하(10)로 공급될 때 연료 전지 본체(1) 내의 전압 강하를 유발하는 저항이다. 내부 저항의 원인의 예로는, 양자가 연료 전지 본체(1) 내에서 폴리머 전해질 멤브레인을 통해 도전될 때 발생되는 저항과, 전자가 세퍼레이터를 통해 도전될 때 발생되는 저항이 포함된다.

본 실시예에서, ECU(20)는 사전에 실험적으로 측정된 내부 저항과 전지 적층체 온도 사이의 관계가 맵으로 저장된 메모리(작동 매개변수 저장 유닛으로 간주됨)를 구비한다. 따라서, ECU(20)는 전지 적층체 온도를 검출하고, 온도 센서(6)로부터의 출력 신호를 모니터링하여 내부 저항을 판단할 수 있다. 저장된 맵에 따른 전지 적층체 온도를 기초로 판단된 내부 저항은 "기본 내부 저항(R0)"이라 한다.

도2는 내부 저항(R0)과 전지 적층체 온도(Tfc) 사이의 관계의 예를 도시한다. 일반적으로, 연료 전지의 내부 저항은 전지 적층체 온도(Tfc)의 상승과 함께 단순하게 감소한다. 이는 연료 전지의 내부 저항이 우선적으로 활성 물질(폴리머 전해질 멤브레인형 연료 전지 내의 양자)의 이동 속도에 의해 판단되기 때문이며, 일반적으로 온도가 더 높을수록 양자의 이동 속도는 더 빠르고 내부 저항은 더 낮다.

(2) ECU(20)는 공기 전극에 대한 공기 유량과 연료 전지 본체(1) 내의 공기 전극측 상의 압력을 기초로 연료 전지 본체(1)의 IR-프리 출력 특성을 판단한다. 연료 전지 본체(1)의 IR-프리 출력 특성은 또한 사전에 실험적으로 측정되고, 맵으로서 ECU(20)의 메모리(출력 특성 저장 유닛으로 간주됨) 내에 저장된다.

이런 맵은 예컨대 이하의 처리 절차에 의해 얻어질 수 있다. 출력 특성, 즉 연료 전지의 출력 전류와 출력 전압 사이의 관계는 공기 전극측 상의 압력 및 공기 전극에 대한 공기 유량이 변경되면서 실험에 의해 사전에 측정된다. 그후, 예컨대 도2에 도시된 바와 같이 내부 저항과 전지 적층체 온도 사이의 관계의 맵에 따라, 현재 전지 적층체 온도를 기초로 연료 전지의 내부 저항이 추정된다. 마지막으로, 측정된 출력 특성으로부터 추정된 내부 저항에 의해 유발되는 전압 강하를 뺌으로써 IR-프리 출력 특성이 얻어진다. 전술한 바와 같이, IR-프리 출력 특성은 작동 매개변수로서 공기 전극에 대한 공기 유량과 공기 전극측 상의 압력을 사용하여 계산된다.

도3은 공기 전극측 상에 다른 압력에서의 전류-전압 특성의 변화의 예를 도시하고 있다. 공지된 바와 같이, 연료 전지 본체(1)의 전류-전압 특성은 수평축이 출력 전류(Ifc)이고 수직축이 출력 전압(Vfc)인 그래프 상에 도시될 때 하향 경사 곡선을 형성한다. 그러나, 도3에 도시된 예에서는, 연료 전지 본체(1)의 내부 저항이 배제되기 때문에 출력 전압(Vfc)은 출력 전류(Ifc)의 변화에 상관없이 그래프의 중앙부에서 거의 일정하다.

출력 전류(Ifc)가 소정 한도를 초과하면, 출력 전압(Vfc)이 급격히 강하한 다. 이는 출력 전류(Ifc)를 발생시키기에 불충분한 반응 가스가 공급됨으로써, 가스가 전극 내에서 확산될 때 발생하는 가스 확산 저항이 현저하게 저항값으로 나타나기 때문이다. 반응 가스의 양(예컨대, 공기 전극측 상의 공기 유량)이 출력 전류(Ifc)를 발생시키기에 충분히 크면, 반응 가스 확산 저항의 영향은 작고 출력 전압의 강하는 작다.

또한, 공기가 동일한 유량으로 공급되더라도, 도3에 도시된 바와 같이 공기 전극측 상의 압력이 높을수록 출력 전류(Ifc)에 대응하는 출력 전압(Vfc)이 더 높다고 알려져 있다. 즉, 연료 전지에 공급되는 가스 압력은 전극 반응 활성화에 큰 영향을 미치며, 가스 압력이 증가함에 따라 연료 전지 본체(1) 내의 촉매(도시되지 않음)에 의한 반응 효과도 증가한다. 가스 압력이 낮으면, 촉매에 의한 반응 효과는 낮고 출력 전압(Vfc)은 낮다. 따라서, 연료 전지 본체(1)의 전류-전압 특성은 도3에 도시된 바와 같이 공기 전극측 상의 압력에 따라 중앙에서 2개의 상이한 전압값으로 수직으로 분리된 곡선을 나타낸다.

도4는 연료 전지 본체(1) 내의 공기 전극 상의 가스 압력이 일정하게 유지되면서 공기 전극에 대한 공기 유량이 변할 때 얻어지는 전류-전압 특성의 예를 도시한다. 도4에 도시된 바와 같이, 공기 유량이 높을 때, 출력 전압(Vfc)은 출력 전류(Ifc)가 공기 공급량에 대응하는 현재값에 도달할 때까지 강하하지 않는다. 공기 유량이 낮을 때, 출력 전압(Vfc)은 출력 전류(Ifc)가 공기 공급량에 대응하는 낮은 현재값에 도달할 때 급격히 강하한다. 이는 제한 현재값 및 가스 확산 저항이 연료 전지에 공급되는 가스의 유량에 따라 변하기 때문이다.

즉, 공기 유량이 낮으면, 제한 현재값은 낮다. 그리고, (농도 분극이라고 불리는) 가스 확산 저항의 영향이 작은 현재값 영역 내에 나타나고 IR-프리 전압[Virf(Ifc)]은 강하한다. 이는 공기 유량이 출력 전류(Ifc)값에 대응할 만큼 높지 않아서 가스 확산 저항의 효과가 크기 때문이다. 따라서, 연료 전지 본체(1)의 전류-전압 특성은 도4에 도시된 바와 같이 출력 전류(Ifc)의 값에 따라 두 갈래로 갈라지는 곡선을 나타낸다.

(3) ECU(20)는 각각 (1) 및 (2)에서 설명된 바와 같이 얻어진 IR-프리 출력 특성과 기본 내부 저항(R0) 사이의 관계로부터 그 즉시 내부 저항을 포함한 연료 전지 본체(1)의 전류-전압 특성을 추정한다. 전류-전압 특성은 본 실시예에서 "기본 출력 특성"으로 언급된다.

그리고, ECU(20)는 각각 전류 센서(8) 및 전압 센서(9)에 의해 실제로 측정된 출력 전류 및 출력 전압과 기본 출력 특성의 차이를 기초로 기본 내부 저항(R0)을 수정하기 위한 수정량(ΔR)을 계산하여, 수정된 내부 저항(R1=R0+ΔR)을 얻는다. 그리고, ECU(20)는 수정된 내부 저항(R1)을 사용하여 전류-전압 특성을 새롭게 설정한다. 이렇게 설정된 전류-전압 특성은 공급되는 반응 가스의 양 또는 연료 전지 본체(1)로부터 요구되는 전력량에 대한 다른 작동을 설정하기 위한 기준으로 사용된다. ECU(20)는 미리 정해진 간격으로 전술한 과정 (1) 내지 (3)을 반복적으로 수행한다.

도5는 ECU(20)에 의해 수행되는 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도를 도시한다. 도5에서, 특히 출력 특성 추정 작동이 연료 전지 시스템 제어 작동과 함 께 상세하게 도시되어 있다. 이 작동에서, 우선 ECU(20)는 온도 센서(6)로부터 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc)를 판독한다(S100). ECU(20)는 또한 공기 유량계(3)로부터 공기 유량(Fair)을 판독한다. 또, ECU(20)는 압력 센서(4)로부터 공기 압력(Pair)을 판독한다.

그후, ECU(20)는 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc)를 기초로 기본 내부 저항(R0)을 산출한다(S101, 이 단계를 수행하는 ECU(20)는 내부 저항 추정 유닛으로 간주됨). 그후, ECU(20)는 공기 유량(Fair) 및 공기 압력(Pair)을 기초로 사전에 측정된 IR-프리 출력 특성[Virf(Ifc)]을 산출한다(S102, 이 단계를 수행하는 ECU(20)는 판단 유닛으로 간주됨). Virf(Ifc)는 출력 전류(Ifc)와 IR-프리 전압(Virf) 사이의 관계를 나타내는 함수이며, 예컨대 출력 전류(Ifc)와 IR-프리 전압(Virf)의 쌍으로 표현될 수 있다. 그러나, 출력 전류(Ifc)와 IR-프리 전압(Virf) 사이의 관계는 실험식으로 표현될 수 있다.

그후, ECU(20)는 기본 출력 특성을 산출한다(S103, 이 단계를 수행하는 ECU(20)는 설정 유닛으로 간주됨). 기본 출력 특성은 전술한 IR-프리 출력 특성에 기본 내부 저항(R0)의 효과를 추가함으로써 Virf(Ifc)-Ifc×R0로 유도된다.

그후, ECU(20)는 연료 전지 시스템에 요구되는 출력을 기초로 기본 출력 특성[Virf(Ifc)-Ifc×R0] 상의 동작점(Ifc, Vfc)을 결정하고, 연료 전지 본체(1)의 출력 단자를 가로지르는 전압을 Vfc로 제어한다(S104). 더 구체적으로, ECU(20)는 예컨대 출력 단자를 가로지르는 전압을 (도시되지 않은) DC-DC 컨버터를 통해 Vfc로 제어한다. 이 때, 연료 전지의 출력에 대응하는 반응 가스(수소 또는 공기)가 많은 양이 연료 전지에 공급되지 않아서 불충분하면, 전류는 감소된다. 따라서, 도5에는 도시되지 않았지만, ECU(20)는 연료 전지의 요구되는 전력을 기초로 반응 가스의 필요량을 결정하고, 반응 가스양에서의 전류-전압 특성을 기초로 동작점을 결정한다.

그후, ECU(20)는 전류 센서(8) 및 전압 센서(9)로부터 각각 연료 전지의 실제 출력 전류(Ifc_m) 및 출력 전압(Vfc_m)을 판독한다(S105). 그후, ECU(20)는 출력 전류(Ifc_m)에 대응하는 기본 출력 특성 상의 값 Vfc0 = Virf(Ifc_m)-Ifc_m×R0를 유도한다(S106). IR-프리 출력 특성[Virf(Ifc)]이 실험식으로 주어지면, 예컨대 상기 값은 상기 식을 사용하여 산출된 값에 기본 내부 저항(R0)에 의해 야기된 전압 강하를 더하여 얻어진다. IR-프리 출력 특성[Virf(Ifc)]이 전류-전압쌍(I,V)으로 주어지면, 상기 값은 보간법에 의해 I=Ifc_m 이 얻어질 때의 출력 전압값에 기본 내부 저항(R0)에 의해 야기된 전압 강하를 더하여 얻어진다.

그후, ECU(20)는 기본 출력 특성으로부터 얻어진 출력 전압(Vfc0)과 전압 센서(9)로부터 얻어진 출력 전압(Vfc_m) 사이의 차이가 미리 정해진 범위 내에 있는지를 판단한다(S107). 그 차이가 미리 정해진 범위 내에 있지 않고 더 큰 차이라고 판단되면, ECU(20)는 다음과 같이 기본 출력 특성을 수정하여 새로운 출력 특성을 얻는다.

즉, ECU(20)는 수식 ΔR=(Vfc0-Vfc_m)/Ifc_m 에 따라 기본 내부 저항(R0)에 대한 수정값을 산출한다(S108). 그후, ECU(20)는 수식 R1=R0+ΔR 에 따라 기본 내부 저항(R0)을 수정하여 새로운 내부 저항(R1)을 얻는다(S109, 이 단계를 수행하는 ECU(20)는 제1 수정 유닛으로 간주됨).

또한, ECU(20)는 새롭게 얻어진 내부 저항(R1)을 사용하여 출력 특성 Vfc(Ifc)=Virf(Ifc)-R1×Ifc을 산출한다(S110, 이 단계를 수행하는 ECU(20)는 산출 유닛 및 제2 수정 유닛으로 간주됨).

전술한 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 시스템에 따르면, 공기 압력의 변화로 야기된 반응 저항의 변화와 공기 유량의 변화로 야기된 가스 확산 저항 그리고 제한 현재값의 변화가 기본 출력 특성에 반영된다. 따라서, 공기 압력 및 공기 유량의 변화가 반영된 출력 특성이 산출되고, 출력 특성은 더 높은 정확도로 추정될 수 있다.

전술한 실시예에서, 검출된 내부 저항 차이값(ΔR)은 도5의 단계(S109)에 도시된 바와 같이 내부 저항에 대한 수정값으로 사용된다. 그러나, 본 발명은 이 방법에 한정되는 것은 아니다. 즉, 도5에 도시된 바와 같이 내부 저항의 수정에 의해 야기된 갑작스런 변화를 피하기 위해, 새로운 저항(R1)을 얻은 후에 그 값의 변화를 늦추기 위해 필터링 과정이 수행될 수 있다. 또한, 수정량(ΔR)은 아래에 도시된 수식에서와 같이 비례항과 적분항으로 분류될 수 있고, 비례 및 적분 작용에 의한 PI제어가 수행될 수 있다.

R1 = R0 + Kp × ΔR + Ki ×

ΔRdt

여기서, Kp 및 Ki는 각각 비례 이득 및 적분 이득이다.

또한, 도5에 도시된 흐름도에서, S101에서 기본 내부 저항(R0)이 얻어지고, 연료 전지의 내부 저항(R1)은 S109에서 기본 내부 저항(R0)으로부터 수정된다. 그러나, 본 발명의 작동은 그 처리 절차에 한정되지 않는다. 내부 저항(R1)이 기본 내부 저항(R0)으로부터 얻어지면, 내부 저항(R1)은 ECU(20)의 메모리 내에 저장될 수 있다. 그후, 다음에 이어지는 작동에서, ECU(20)는 출력 전류 및 출력 전압으로부터 실제 측정된 내부 저항과 저장된 내부 저항(R1) 사이의 차이를 사용하여 내부 저항(R1)을 순차적으로 수정할 수 있다.

도6 내지 도8을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예가 설명된다. 제1 실시예에서는, 공기 전극에 공급되는 공기 유량과 공기 전극측 상의 공기 압력을 기초로 기본 출력 특성이 추정되고, 실제로 검출된 출력 전류와 출력 전압을 사용하여 기본 출력 특성이 수정되어, 연료 전지의 출력 특성을 얻는다. 또한, 제1 실시예에서는, 기본 출력 특성 내에 포함된 기본 내부 저항이 연료 전지 본체(1)의 온도를 기초로 판단된다. 본 실시예에서는, 기본 내부 저항을 판단함에 있어서 연료 전지 본체(1) 내의 습윤량이 반영되는 연료 전지 시스템이 설명된다. 본 실시예의 다른 구성 및 기능은 제1 실시예와 동일하다. 따라서, 동일 구성 성분은 동일한 참조 부호로 표시하며, 그 설명은 반복하지 않는다.

도6은 본 실시예의 연료 전지 시스템을 도시한다. 연료 전지 시스템은 습윤기(11) 및 습도 센서(12)가 공기 압축기(2)의 하류, 즉 공기 공급 통로(L1) 상의 연료 전지 본체(1) 인접측 상에 추가된다는 점에서 제1 실시예의 연료 전지 시스템과 상이하다.

ECU(20)는 메모리 내에 매개변수로서 연료 전지 본체(1)에 대한 습윤량에 의 한 연료 전지 본체(1)의 내부 저항과 온도(Tfc) 사이의 관계의 맵을 갖는다. 여기서, 습윤량은 공기가 습할 때 측정되는 습도이다. 따라서, ECU(20)는 습도 센서(12)에서의 검출 신호로부터 공기 습윤량(Sair)과 온도 센서(6)에서의 검출 신호로부터 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc)를 얻는다. 그후, ECU(20)는 습윤량(Sair)과 온도(Tfc)를 기초로 기본 내부 저항(R0)을 산출한다.

도7은 ECU(20)가 메모리 내에 갖는 습윤량, 연료 전지 온도(Tfc) 및 내부 저항 사이의 관계를 도시한 그래프이다. 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지의 내부 저항은 활성 물질(양자)의 이동 속도(도전성)에 의존한다. 폴리머 전해질 멤브레인을 통한 양자의 도전성은 폴리머 전해질 멤브레인의 수분 함유량 및 멤브레인의 온도에 의존한다. 폴리머 전해질 멤브레인의 수분 함유량은 공급된 가스의 습도의 영향으로 변한다.

연료 전지 본체(1)의 온도가 높으면, 폴리머 전해질 멤브레인의 온도가 높고 이때 공급되는 공기의 온도도 높기 때문에, 공기의 포화 증기압이 높다. 따라서, 공기에 대한 습윤량의 변화는 폴리머 전해질 멤브레인 내의 수분량에 큰 영향을 끼친다. 따라서, 도7에 도시된 바와 같이, 내부 저항은 고온측 상에서 공기에 대한 습윤량에 따라 크게 변한다.

연료 전지 본체(1)의 온도가 낮으면, 이때 공급되는 공기의 온도가 낮기 때문에, 공기의 포화 증기압이 낮다. 따라서, 공기에 대한 습윤량의 변화는 고온에서보다 폴리머 전해질 멤브레인 내의 수분량에 적은 영향을 끼친다. 따라서, 도7에 도시된 바와 같이, 공기에 대한 습윤량의 변화에 의해 야기된 내부 저항의 변화 는 저온 측상에서는 작다.

또한, 도7에 도시된 바와 같이, 가스의 습도가 낮으면, 연료 전지 본체(1)의 온도가 증가할 때 폴리머 전해질 멤브레인은 건조하게 되는 경향이 있다. 이 경우, 내부 저항은 그에 따라 증가한다. 습도가 높으면, 연료 전지 본체(1)의 온도가 높더라도 폴리머 전해질 멤브레인은 건조하게 되지 않는다. 이 경우, 도2에 도시된 바와 같이, 온도 증가로 인해 양자의 이동 속도는 증가하고 내부 저항은 감소한다.

도8은 ECU(20)에 의해 수행되는 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도를 도시한다. 이 작동에서, 우선 ECU(20)는 온도 센서(6)로부터 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc)를 판독한다(S200). ECU(20)는 또한 공기 유량계(3)로부터 공기 유량(Fair)을 판독한다. 또한, ECU(20)는 압력 센서(4)로부터 공기 압력(Pair)을 판독한다. 또한, ECU(20)는 압력 센서(4)로부터 공기 습윤량(Sair)을 판독한다.

그후, ECU(20)는 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc) 및 습윤량(Sair)을 기초로 기본 내부 저항(R0)을 산출한다(S201). 이어지는 단계들은 도5의 S102 이후와 동일하다.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 시스템에서, 멤브레인의 양자 도전성으로 귀결되는 기본 내부 저항(R0)이 연료 전지 온도(Tfc) 및 공기 습윤량(Sair)으로부터 추정된다. 즉, 공기의 습윤도는 기본 내부 저항(R0)의 추정에 반영된다. 따라서, 출력 특성은 제1 실시예의 시스템보다 더 높은 정확도로 추정될 수 있다.

도9 내지 도11을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예가 설명된다. 제2 실시예에서, 공기 습윤량은 습도 센서(12)에서의 검출 신호로부터 얻어지고 기본 내부 저항(R0)을 추정하는 데 사용된다. 본 실시예에서는, 공기 습윤량이 습도 센서(12)에서의 검출 신호 대신에 연료 전지 온도 및 습윤기를 통해 유동하는 공기 유량을 기초로 얻어지고 기본 내부 저항(R0)을 추정하는 데 사용되는 연료 전지 시스템이 설명된다. 본 실시예의 다른 구성 및 기능은 제2 실시예와 동일하다. 따라서, 동일 구성 성분은 동일한 참조 부호로 표시하며, 그 설명은 반복하지 않는다.

도9는 본 실시예의 연료 전지 시스템을 도시한다. 제2 실시예의 연료 전지 시스템과 비교하면, 연료 전지 시스템은 습도 센서(12)를 갖지 않는다. 또한, 연료 전지 시스템은 도6의 습윤기(11) 대신에 공기를 가습하는 수증기 교환 멤브레인을 갖는 수증기 교환 멤브레인형 습윤기(13)를 구비한다. 수증기 교환 멤브레인형 습윤기는 공기 전극측 상의 배출 통로(L2)를 통해 배출된 배출 가스 내의 (생성된 수분) 수증기를 내부의 교환 멤브레인을 통해 상류측 상의 공기 공급 통로(L1)로 복귀시킨다.

도10은 수증기 교환 멤브레인형 습윤기(13) 내의 공기 유량(Fair), 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc) 및 습윤량(Sair) 사이의 관계의 예를 도시한다. 여기서, 공기 유량(Fair)은 공기 공급 통로(L1) 내의 상류측 상의 유량이다.

일반적으로, 도10에 도시된 바와 같이 습윤량(Sair)은 공기 공급 통로(L1) 내의 공기 유량(Fair)이 증가함에 따라 수증기 교환 멤브레인형 습윤기(13) 내에서 증가한다. 그러나, 습윤량(Sair)의 증가율은 공기 유량(Fair)이 증가함에 따라 점 차 감소하고, 습윤량(Sair)은 높은 유량 영역에서 포화된다. 또한, 연료 전지 온도(Tfc)가 높으면, 공기의 포화 증기압은 증가하고 습윤량은 증가한다.

연료 전지 온도(Tfc)가 낮으면, 연료 전지 온도(Tfc)가 높을 때에 비해서 공기의 포화 증기압은 감소하고 습윤량은 감소한다. 따라서, 공기 유량(Fair), 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc) 및 습윤량(Sair) 사이의 관계가 ECU(20)의 메모리 내에 맵으로서 사전에 저장되어, 습윤량(Sair)은 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc) 및 공기 유량(Fair)의 측정 결과를 기초로 산출될 수 있다.

도11은 ECU(20)에 의해 수행되는 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도를 도시한다. 이 작동에서, ECU(20)는 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc), 공기 유량(Fair) 및 공기 압력(Pair)을 판독한다(S100). 이 단계는 도5에 도시된 제1 실시예의 S100과 동일하다.

그후, ECU(20)는 메모리 내에 저장된 맵에 따라 공기 유량(Fair)과 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc)를 기초로 공기 습윤량(Sair)을 산출한다(S210).

그후, ECU(20)는 습윤량(Sair)과 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc)를 기초로 기본 내부 저항(R0)을 산출한다(S201). 이어지는 단계들은 도5의 S102 이후와 동일하다.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 시스템에서, 공기 습윤량(Sair)은 습도 센서(12) 없이 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc) 및 공기 유량(Fair)으로부터 얻어질 수 있다. 따라서, 습도계(12)가 불필요하기 때문에, 연료 전지 시스템은 긴 수명을 가질 것이 요구되는 차량 등에 바람직하게 적용될 수 있다.

도12 및 도13을 참조하여, 본 발명의 제4 실시예가 설명된다. 제1 내지 제3 실시예에서는, 연료 전지 본체(1)의 기본 내부 저항(R0)이 공기 습윤량 또는 연료 전지 본체(1)의 온도를 기초로 추정되고, 출력 전류 및 출력 전압이 측정되어 기본 내부 저항(R0)을 수정한다.

제4 실시예에서는, 연료 전지 본체(1)의 출력 단자에 AC 신호가 입력되고, 출력 단자 사이의 임피던스를 기초로 기본 내부 저항(R0)의 수정 필요성이 추정되는 연료 전지 시스템이 설명된다. 다른 구성 및 기능은 제1 실시예와 동일하다. 따라서, 제1 내지 제3 실시예와 동일한 구성 성분은 동일한 참조 부호로 표시하며, 그 설명은 반복하지 않는다.

연료 전지의 내부 저항을 측정하는 방법으로서, 연료 전지의 AC 임피던스가 측정되는 방법이 예컨대 일본특허공개 JP-A-2003-297408호에 개시되어 있다. 연료 전지의 AC 임피던스는 연료 전지의 출력 전류(출력 전압) 상에 중첩되는 사인파에 의해 측정되는 전류 및 전압의 주파수 분석에 의해 얻어질 수 있다.

도12는 연료 전지의 AC 임피던스의 예를 도시한다. AC 임피던스가 도12에 도시된 바와 같이 주파수에 의해 가스 확산 저항, 반응 저항 및 옴 저항을 각각 반영하는 영역으로 분할된다는 것은 알려져 있다. 도12에 도시된 바와 같이 주파수(ω)는 약 1kHz 이상의 영역에서 무한대(ω=∞)로 간주될 수 있고, AC 임피던스의 실제 부분은 옴 저항과 거의 같다는 것도 알려져 있다.

이 경우 옴 저항은 일반적으로 폴리머 전해질 멤브레인 및 세퍼레이터 부분의 저항으로 귀결하고, 연료 전지의 내부 저항의 주성분을 이룬다. 따라서, 옴 저 항이 변동하는지를 모니터링함으로써, 내부 저항이 변동하는지를 알 수 있다.

도13은 ECU(20)에 의해 수행되는 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도를 도시한다. 이 작동에서, 우선 ECU(20)는 도1에 도시된 S100 내지 S104와 동일한 단계를 수행하여 기본 내부 저항(R0) 및 연료 전지의 기본 출력 특성을 판단하고, 연료 전지 본체(1)를 미리 정해진 동작점으로 제어한다. 여기서, 기본 내부 저항(R0)은 사전에 저장된 맵에 따라 연료 전지의 작동 매개변수[연료 전지 본체(1)의 온도 및 공기 습윤량 등]를 기초로 추정되는 내부 저항일 수 있다.

그후, ECU(20)는 전류 센서(8) 및 전압 센서(9)로부터 각각 연료 전지의 실제 출력 전류(Ifc_m)와 출력 전압(Vfc_m)을 판독한다(S105).

그후, ECU(20)는 AC 임피던스를 측정하고 AC 임피던스의 실제 부분[Zre(ω)]을 얻는다[S301, 이 단계를 수행하는 ECU(20)는 검출 유닛 및 AC 임피던스 측정 유닛으로 간주됨]. AC 임피던스의 실제 부분은, 이후 본 실시예에서 간단하게 "AC 임피던스"로 언급된다.

그후, ECU(20)는 출력 전류(Ifc_m)에 대응하는 기본 출력 특성 상의 값 Vfc0=Virf(Ifc_m)-Ifc_m×R0을 유도한다(S106).

그후, ECU(20)는 기본 출력 특성으로부터 얻어진 출력 전압(Vfc0)과 전압 센서(9)로부터 얻어진 출력 전압(Vfc_m) 사이의 차이가 미리 정해진 범위 내에 있는지 여부를 판단한다(S107). 그 차이가 미리 정해진 범위 내에 있지 않고 큰 차이라고 판단되면, ECU(20)는 다음과 같이 기본 출력 특성을 수정하여 새로운 출력 특성을 얻는다.

즉, ECU(20)는 S301에서 얻어진 AC 임피던스[Zre(ω)]와 이전에 측정된 AC 임피던스[Zre(ω)_old]를 비교하여, 그들의 차이가 미리 정해진 범위 내에 있는지 여부를 판단한다(S302, 이 단계를 수행하는 ECU(20)는 비교 유닛으로 간주함). 그 차이가 미리 정해진 범위 내에 있지 않고 큰 차이라고 판단되면, ECU(20)는 연료 전지의 내부 저항이 기본 내부 저항(R0)과 상이한 값으로 변한 것으로 판단하고, 도1에 도시된 경우에서와 같이 내부 저항 및 출력 특성을 수정한다(S108 내지 S110).

S302에서 AC 임피던스들 간의 차이가 미리 정해진 범위 내에 있고 단지 작은 변화만 있다고 판단되면, IR-프리 출력 특성이 변한 것으로 판단된다. 그후, ECU(20)는 전압 센서(9)에 의해 측정된 실제 출력 전압(Vfc_m)과 기본 출력 특성을 기초로 얻어진 출력 전압(Vfc0) 사이의 차이(ΔV)를 산출한다(S303).

그후, ECU(20)는 아래에 도시된 다음 방정식에 따라 IR-프리 출력 특성을 수정한다(S304).

Virf'=Virf+ΔV

그후, ECU(20)는 수정된 IR-프리 출력 특성을 기초로 연료 전지의 출력 특성을 얻는다(S305).

Vfc(If)=Virf'(If)+R0×If

전술한 과정 후에, ECU(20)는 측정된 AC 임피던스를 이전에 측정된 AC 임피던스로서 저장한다(S306, 이 단계를 수행하는 ECU(20)는 임피던스 저장 유닛으로 간주됨). 그후, ECU(20)는 출력 특성 추정 작동을 종료한다. 단계 S108 내지 S110 또는 S303 내지 S305를 수행하는 ECU(20)는 출력 특성 수정 유닛으로 간주될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 시스템에 따르면, 기본 출력 특성과 실제로 측정된 전류-전압 특성 사이의 차이는 IR-프리 출력 특성 또는 내부 저항으로 귀결되고, 연료 전지의 출력 특성이 추정된다. 따라서, 연료 전지의 출력 특성은 제1 실시예에서보다 더 높은 정확도로 추정될 수 있다. 결과적으로, 사전에 얻어지는 IR-프리 출력 특성의 정확도는 어느 정도의 오차를 포함하는 것이 허용되기 때문에, 그것을 얻기 위한 단계 수가 현저하게 감소될 수 있다.

도13의 S109에서 수정된 내부 저항(R1)은 ECU(20)의 메모리 내에 저장될 수 있다. 이 경우, 수정된 내부 저항(R1)이 이미 저장되어 있을 때, S305에서 기본 내부 저항(R0) 대신 수정된 내부 저항(R1)을 사용하여 출력 특성이 얻어질 수 있다. 즉, 출력 특성은 다음 식을 사용하여 수정될 수 있다.

Vfc(If)=Virf'(If)+R1×If

도14 및 도15를 참조하여, 본 발명의 제5 실시예가 설명된다. 제2 실시예에서는, 연료 전지 본체(1)의 기본 내부 저항(R0)은 연료 전지 본체(1)의 온도 및 공기 습윤량을 기초로 추정된다. 제4 실시예에서는, 연료 전지의 AC 임피던스 내의 변화를 기초로, 기본 내부 저항(R0)이 수정되어야 하는지 또는 기본 출력 특성이 수정되어야 하는지가 판단된다. 본 실시예에서는, 기본 내부 저항(R0)이 공기 습윤량 및 연료 전지의 AC 임피던스를 기초로 추정되는 연료 전지 시스템이 설명된다. 본 실시예의 다른 구성 및 기능은 제1 실시예와 동일하다. 따라서, 제1 실시 예와 동일한 구성 성분은 동일한 참조 부호로 표시하며, 그 설명은 반복하지 않는다.

도14는 공기에 대한 상이한 습윤량에서 AC 임피던스(옴 저항)와 내부 저항 사이의 관계의 측정 결과의 예를 도시한다. 도14에 도시된 바와 같이, 내부 저항은 통상 더 낮은 습도에서 더 높다. 내부 저항은 예컨대 제1 실시예와 같은 방법으로 측정될 수 있으며, AC 임피던스는 제4 실시예와 같은 방법으로 측정될 수 있다. 즉, 연료 전지 본체(1)의 온도, 공기 습윤량 및 AC 임피던스가 우선 측정되고, 도7에 따라 습윤량 및 연료 전지 본체(1)의 온도를 기초로 기본 내부 저항(R0)이 얻어진다. 이때, 동일 온도 및 습윤량 조건 하에서 AC 임피던스가 얻어진다. 그후, 기본 내부 저항(R0)과 AC 임피던스 사이의 관계가 작성될 수 있다.

본 실시예에서, 습윤량, AC 임피던스 및 기본 내부 저항(R0) 사이의 관계는 사전에 ECU(20)의 메모리 내에 맵으로 저장된다. 그후, AC 임피던스 및 습윤량의 측정 결과를 기초로 기본 내부 저항(R0)이 판단된다.

도15는 ECU(20)에 의해 수행되는 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도를 도시한다. 이 작동에서, ECU(20)는 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc), 공기 유량(Fair) 및 공기 압력(Pair)을 판독한다(S100). 이 단계는 도5에 도시된 제1 실시예의 것과 동일하다.

그후, ECU(20)는 연료 전지의 AC 임피던스[Zre(ω)]를 측정한다. 이 단계는 도13에 도시된 제4 실시예의 S301과 동일하다.

그후, ECU(20)는 습윤기 또는 습도 센서로부터 유량을 기초로 습윤량(Sair) 을 산출한다(S210). 그후, ECU(20)는 습윤량 및 AC 임피던스[Zre(ω)]를 기초로 맵(도14 참조)으로부터 기본 내부 저항(R0)을 참조한다. 이어지는 단계들은 도5 내의 S102 이후와 동일하다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 기본 내부 저항(R0)이 AC 임피던스, 공기 습윤량 및 기본 내부 저항(R0) 사이의 관계의 맵을 참조하여 공기 습윤량 및 연료 전지의 AC 임피던스로부터 판단된다. 따라서, 기본 내부 저항(R0)이 단순히 습윤량으로부터 판단되는 제2 실시예보다 더 높은 정확도로 연료 전지의 출력 특성이 추정될 수 있다. 또한, 내부 저항이 변했는지를 판단하기 위해 AC 임피던스의 측정값이 사용되는 제4 실시예보다 더 높은 정확도로 연료 전지의 출력 특성이 추정될 수 있다.

도16을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 설명된다. 제5 실시예에서는, 연료 전지의 기본 내부 저항(R0)이 연료 전지의 AC 임피던스 및 공기 습윤량을 기초로 산출되는 연료 전지 시스템의 예가 설명되었다. 본 실시예에서는, 전술한 방법에 의해 얻어진 기본 내부 저항(R0)을 사용하여 산출된 연료 전지의 출력 특성이 AC 임피던스를 사용하여 수정된다. 즉, 본 실시예에서는, 제4 실시예와 동일한 수정 작동이 제5 실시예의 연료 전지 시스템에서 수행된다.

본 실시예의 다른 구성 및 기능은 제4 및 제5 실시예와 동일하다. 따라서, 제4 및 제5 실시예와 동일한 구성 성분은 동일한 참조 부호로 표시하며, 그 설명은 반복하지 않는다.

도16은 ECU(20)에 의해 수행되는 연료 전지 시스템 제어 작동의 흐름도를 도시한다. 이 작동에서, ECU(20)는 연료 전지 본체(1)의 온도(Tfc), 공기 유량(Fair) 및 공기 압력(Pair)을 판독한다(S100). 이 단계는 도5에 도시된 제1 실시예의 것과 동일하다.

그후, ECU(20)는 연료 전지의 AC 임피던스[Zre(ω)]를 측정한다. ECU(20)는 또한 공기 습윤량(Sair)을 산출한다(S210). 그후, ECU(20)는 습윤량과 AC 임피던스[Zre(ω)]를 기초로 맵(도14 참조)으로부터 기본 내부 저항(R0)을 참조한다. 이 단계들은 도15의 것과 동일하다. 그후, ECU(20)는 연료 전지의 기본 출력 특성과 출력 전압 사이의 차이의 판단(S107) 및 AC 임피던스의 변화량의 판단(S302)을 수행하고, 연료 전지의 출력 특성을 수정한다. 이 단계들은 도13에 도시된 제4 실시예의 것과 동일하다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 기본 내부 저항(R0)이 공기 습윤량 및 연료 전지의 AC 임피던스를 기초로 산출되고, 연료 전지의 AC 임피던스의 변화량을 기초로 연료 전지의 출력 특성이 수정된다. 따라서, 연료 전지의 출력 특성은 제4 또는 제5 실시예보다 더 높은 정확도로 산출될 수 있다.

본 발명은 그 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 전술한 실시예 또는 구성에 한정되는 것은 아니다. 반대로, 본 발명은 다양한 수정예 및 등가의 구성을 포함한다. 추가로, 본 실시예의 다양한 요소들이 다양한 예시적인 조합 및 구성으로 도시되었지만, 더 많은 요소, 더 적은 요소 또는 단일 요소를 포함하는 다른 조합 및 구성도 본 발명의 범주 내에 있다.

본 발명에 따르면, 연료 전지의 출력 특성의 추정 정확도가 향상된다.

Claims

연료 전지에 대한 반응 가스의 유량에 따라 발생되는 연료 전지의 확산 저항 및 반응 가스의 압력에 따라 발생되는 연료 전지의 반응 저항 모두를 배제한 연료 전지의 내부 저항과, 연료 전지의 작동 상태를 나타내는 하나 이상의 작동 매개변수 사이의 관계를 저장하는 작동 매개변수 저장 유닛과,

상기 하나 이상의 작동 매개변수의 현재값을 검출하는 검출 유닛과,

상기 작동 매개변수 저장 유닛에 저장된 관계를 참조하여 작동 매개변수의 검출된 현재값을 기초로 연료 전지의 내부 저항을 추정하고, 추정된 내부 저항을 기본 내부 저항으로 설정하는 내부 저항 추정 유닛과,

연료 전지에 공급되는 공기의 다른 유량 및 압력에서의 내부 저항의 영향을 배제하고, 유량 및 압력과 함께 연료 전지의 출력 전류 및 출력 전압 사이의 관계인 IR 프리 출력 특성을 저장하는 IR 프리 출력 특성 저장 유닛과,

상기 연료 전지에 공급되는 공기의 유량을 측정하는 유량 측정 유닛과,

상기 연료 전지에 공급되는 공기의 압력을 측정하는 압력 측정 유닛과,

상기 공기의 압력 및 유량을 기초로 연료 전지의 IR 프리 출력 특성을 판단하는 판단 유닛과,

상기 기본 내부 저항 및 IR 프리 출력 특성을 기초로 연료 전지의 기본 출력 특성을 설정하는 설정 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 연료 전지의 출력 전류를 측정하는 출력 전류 측정 유닛과,

상기 연료 전지의 출력 전압을 측정하는 출력 전압 측정 유닛과,

상기 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 기본 출력 특성을 수정하는 산출 유닛을 더 포함하는 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 작동 매개변수는 연료 전지의 온도, 연료 전지의 습도 및 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 전류 신호를 사용하여 연료 전지의 출력 단자를 가로질러 측정된 임피던스 중 하나 이상을 포함하는 연료 전지 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 산출 유닛은 출력 전류와 출력 전압을 기초로 연료 전지의 기본 내부 저항을 수정하는 제1 수정 유닛과, 수정된 기본 내부 저항을 사용하여 기본 출력 특성을 수정하는 제2 수정 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템.
제4항에 있어서, 상기 산출 유닛은 수정된 기본 내부 저항을 새로운 기본 내부 저항으로 저장하는 수정값 저장 유닛과, 상기 기본 내부 저항이 수정값 저장 유닛 내에 저장될 때 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 기본 내부 저항을 추가로 수정하는 제3 수정 유닛과, 추가로 수정된 기본 내부 저항을 사용하여 기본 출력 특 성을 수정하는 제4 수정 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 검출 유닛은 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 전류 신호를 사용하여 연료 전지의 출력 단자를 가로질러 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 유닛과, 측정된 임피던스를 저장한 임피던스 저장 유닛을 포함하고,

상기 산출 유닛은 임피던스 저장 유닛에 저장된 사전에 측정된 임피던스와 임피던스 측정 유닛에 의해 측정된 임피던스를 비교하는 비교 유닛과, 상기 비교 유닛에 의한 비교 결과 측정된 임피던스와 사전에 측정된 임피던스 사이의 차이가 미리 정해진 값 이상이면 기본 내부 저항을 수정하고 그 차이가 미리 정해진 값보다 작으면 IR 프리 출력 특성을 수정하는 출력 특성 수정 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템.
연료 전지의 출력 특성을 추정하는 방법이며,

상기 연료 전지의 작동 상태를 나타내는 하나 이상의 작동 매개변수의 현재값을 검출하는 단계와,

상기 연료 전지에 대한 반응 가스의 유량에 따라 발생되는 연료 전지의 확산 저항 및 반응 가스의 압력에 따라 발생되는 연료 전지의 반응 저항 모두를 배제한 연료 전지의 내부 저항과 상기 작동 매개변수 사이의 관계를 참조하여, 검출된 작동 매개변수의 현재값을 기초로 연료 전지의 내부 저항을 추정하고, 추정된 내부 저항을 기본 내부 저항으로 설정하는 단계와,

상기 연료 전지에 공급되는 공기의 유량을 측정하는 단계와,

상기 연료 전지에 공급되는 공기의 압력을 측정하는 단계와,

상기 공기의 압력과 유량을 기초로 연료 전지의 IR 프리 출력 특성을 판단하는 단계와,

상기 연료 전지에 공급되는 공기의 상이한 유량 및 압력에서의 내부 저항의 영향을 배제하고, 연료 전지의 출력 전류 및 출력 전압 사이의 관계인 IR 프리 출력 특성과 기본 내부 저항을 기초로 연료 전지의 기본 출력 특성을 설정하는 단계를 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 연료 전지의 출력 전류 및 출력 전압을 측정하는 단계와, 상기 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 기본 출력 특성을 수정하는 단계를 포함하는 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 작동 매개변수는 연료 전지의 온도, 연료 전지의 습도 및 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 전류 신호를 사용하여 연료 전지의 출력 단자를 가로질러 측정된 임피던스 중 하나 이상을 포함하는 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 연료 전지의 기본 내부 저항을 수정하는 단계와,

수정된 기본 내부 저항을 사용하여 기본 출력 특성을 수정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 수정된 기본 내부 저항을 새로운 기본 내부 저항으로 저장하는 단계와,

기본 내부 저항이 저장될 때 출력 전류 및 출력 전압을 기초로 기본 내부 저항을 수정하는 단계와,

추가로 수정된 기본 내부 저항에 의해 기본 출력 특성을 수정하는 단계를 포함하는 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 전류 신호를 사용하여 연료 전지의 출력 단자를 가로질러 임피던스를 측정하는 단계와,

상기 측정된 임피던스를 사전에 측정된 임피던스와 비교하는 단계와,

비교 결과, 상기 측정된 임피던스와 사전에 측정된 임피던스 사이의 차이가 미리 정해진 값 이상이면 기본 내부 저항을 수정하고, 그 차이가 미리 정해진 값보다 작으면 IR 프리 출력 특성을 수정하는 단계를 더 포함하는 방법.