KR20090009274A - 연료전지시스템, 그 제어방법 및 이동체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템(10)의 저효율 운전시에, 연료전지(20)에서 생성되는 수분량(gt)을 검출하는 생성수량 검출수단(101) 및 검출된 수분량(gt)에 의거하여 연료전지(20)에 대한 가스공급량(qt+1)을 제한하는 가스공급제한수단(102)을 구비한다. 생성수량 검출수단(101)을 구비하였기 때문에, 연료전지의 저효율 운전시에서의 생성수량을 정확하게 파악하여 적정한 난기가 가능하게 되어, 생성수가 과다해져 난기운전이 저해되는 상황의 발생을 억제 가능하다. 이것에 의하여 연료전지의 저효율 운전시에서의 생성수량을 정확하게 파악하여 적정한 난기를 가능하게 한다.

Description

연료전지시스템, 그 제어방법 및 이동체{FUEL CELL SYSTEM, METHOD OF CONTROLLING THE FUEL CELL SYSTEM, AND MOBILE BODY}
본 발명은, 시동시에 난기를 위하여 저효율 운전을 실시하는 연료전지시스템의 개량에 관한 것이다.
연료전지는, 빙점 이하의 저온환경에서 운전을 개시하면, 캐소드극이나 애노드극, 확산층에 잔류하는 물이 동결하여 가스유통을 저해하거나, 고분자 전해질막 내부에 잔류하는 물이 동결하여 프로톤 전도성을 저하시키기도 한다. 이 때문에, 저온 기동시에는 연료전지의 난기운전을 행하고 나서 고효율 운전으로 이행한다.
연료전지의 난기운전에서는, 발전효율을 저하시켜 자기 발열량을 증대시킴으로써 난기를 촉진한다. 예를 들면, 일본국 특개2005-174645호 공보에서는, 연료전지의 일부에 공급하는 산화제 가스유량을 저감 또는 차단한 상태에서 연료전지의 난기운전을 실시하는 기술이 기재되어 있다. 이 기술에 의하면, 산화제 가스가 부족한 부분에서 환원반응이 생겨 수소가 발생하여 발열함으로써, 적극적인 승온을 행하고 있다(단락 0013, 0037 ~ 0048).
또 일본국 특표2003-504807호 공보에서는, 마찬가지로 연료전지의 일부에 반응물 부족을 일으키게 하여, 해당 부분에서의 과전압을 증대시켜 발열시키는 기술 이 기재되어 있다(단락 0009).
그러나, 종래의 저효율 운전을 실시하는 연료전지시스템에서는, 연료전지의 온도를 모니터하여 승온이 생기면 저효율 운전을 정지시키고 있으나(예를 들면 일본국 특개2005-174645호 공보, 단락 0040), 저효율 운전시에 산화제 가스의 공급량이 너무 많으면, 발열반응이 일어나지 않고, 과잉의 수분이 발생하여 난기운전을 저해할 염려가 있었다.
그래서 본 발명은, 연료전지의 저효율 운전시에 있어서의 생성수량을 정확하게 파악하여 적정한 난기를 가능하게 하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지시스템은, 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하여 저효율 운전을 실시하는 연료전지시스템에 있어서, 상기 저효율 운전시에, 상기 연료전지에서 생성되는 수분량을 검출하여, 검출된 상기 수분량에 의거하여 상기 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하는 것을 특징으로 한다.
예를 들면, 상기 연료전지시스템은, 상기 저효율 운전시에, 상기 연료전지에서 생성되는 수분량을 검출하는 생성수량 검출수단과, 검출된 상기 수분량에 의거하여 상기 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하는 가스공급제한수단을 구비한다.
관련된 구성에 의하면, 저효율 운전시에서의 생성수의 발생량을 파악하여 그것에 의거하여 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하고 있기 때문에, 가스공급량이 너무 많아 지나친 수분이 생성되어, 난기운전이 저해될 가능성을 억제 가능하다.
여기서, 예를 들면 상기 생성수량 검출수단은, 상기 연료전지의 출력전류를 검출하는 출력전류 검출수단과, 검출된 상기 출력전류를 검출 타이밍마다 적산하는 출력전류 적산수단과, 적산한 상기 출력전류에 의거하여 생성수량을 추측하는 생성수량 연산수단을 구비한다.
관련된 구성에 의하면, 출력전류가 검출되고, 그 출력전류의 적산값에 의거하여 전기화학반응에 의한 시동 직후부터 발생한 수분의 총량을 검출할 수 있다.
여기서, 예를 들면 상기 가스공급제한수단은, 상기 연료전지의 출력전압을 검출하는 출력전압 검출수단과, 상기 연료전지의 온도를 검출하는 온도 검출수단과, 추측된 상기 생성수량, 검출된 상기 출력전압, 및 검출된 상기 온도에 의거하여, 기설정된 시간 후의 출력전류를 추측하는 다음번 전류 추측수단과, 추측된 상기 기설정된 시간 후의 출력전류에 의거하여 상기 연료전지에 공급해야 할 가스유량을 추측하는 가스유량 추측수단과, 추측된 상기 가스유량을 상기 연료전지에 공급하는 가스공급제어수단을 구비한다.
관련된 구성에 의하면, 기설정된 제어 타이밍으로 검출된 전압값, 온도, 그리고 생성수량 검출수단에 의하여 검출된 생성수량에 의거하여, 다음번 제어타이밍에서의 전류량을 정확하게 예측할 수 있고, 그 전류량을 발생시키기 위하여 적당한 가스공급량을 파악할 수 있고, 그 공급량으로 가스가 연료전지에 공급되기 때문에, 지나친 수분을 발생시키지 않고 적정한 난기운전을 행할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 연료전지 중에서 상대적으로 조건이 나빠지는 부분의 상황에 의거하여 상기 수분량을 검출하는 것이 바람직하다.
관련된 구성에 의하면, 상대적으로 조건이 나빠지기 쉬운 부분은, 적정한 난기운전을 저해하기 쉬운 부분이기 때문에, 그 부분의 수분량을 검출함으로써, 더욱 적정한 난기운전이 가능해진다.
본 발명에서는, 예를 들면 가스공급제한수단은, 캐소드가스의 공급을 제한한다. 산화제 가스를 적정하게 함으로써, 저효율 운전이 행하여지기 때문이다.
또 본 발명의 연료전지시스템의 제어방법은, 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하여 저효율 운전을 실시하는 연료전지시스템의 제어방법에 있어서, 상기 저효율 운전시에, 상기 연료전지에서 생성되는 수분량을 검출하는 단계와, 검출된 상기 수분량에 의거하여 상기 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하는 단계를 구비한 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 수분량을 검출하는 단계는, 상기 연료전지의 출력전류를 검출하는 단계와, 검출된 상기 출력전류를 검출 타이밍마다 적산하는 단계와, 적산한 상기 출력전류에 의거하여 생성수량을 추측하는 단계를 구비한다.
또, 상기 가스공급량을 제한하는 단계는, 상기 연료전지의 출력전압을 검출하는 단계와, 상기 연료전지의 온도를 검출하는 단계와, 추측된 상기 생성수량, 검출된 상기 출력전압 및 검출된 상기 온도에 의거하여, 기설정된 시간 후의 출력전류를 추측하는 단계와, 추측된 상기 기설정된 시간 후의 출력전류에 의거하여 상기 연료전지에 공급해야 할 가스유량을 추측하는 단계와, 추측된 상기 가스유량을 상기 연료전지에 공급하는 단계를 구비한다.
본 발명의 연료전지시스템은, 이동체에 탑재하는 것이 바람직하다. 이동체의 난기 운전시에 행하여지는 기동시 저효율 운전에 본 발명이 적합하기 때문이다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템의 시스템 구성도,
도 2는 본 실시형태에 관한 기동시 저효율 운전을 위한 기능 블럭도,
도 3은 기동시의 경과시간에 대한 출력전류(I) 및 생성수량(g)의 관계도(정전압),
도 4는 생성수량(g)과 출력전류(I)와의 관계도(정온도),
도 5는 생성수량과 출력전류와의 관계도에서의 제어 적정곡선의 설명도,
도 6은 본 실시형태에 관한 저효율 운전의 처리 플로우차트,
도 7은 변형예에서의 가스 제한 대상이 되는 단(單)셀의 위치의 설명도이다.
다음에 본 발명의 적합한 실시형태를 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용된 연료전지시스템의 시스템 구성도이다.
도 1에서, 연료전지시스템(10)은, 연료전지(20)에 연료가스(수소가스)를 공급하기 위한 연료가스 공급계통(4)과, 연료전지(20)에 산화가스(공기)를 공급하기 위한 산화가스 공급계통(7)과, 연료전지(20)를 냉각하기 위한 냉각계통(3)과, 연료전지(20)로부터의 발전 전력을 충방전하는 전력계통(9)을 구비하여 구성되어 있다.
연료전지(20)는, 불소계 수지 등에 의하여 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막 등으로 이루어지는 고분자 전해질막(21)의 양면에 애노드극(22)과 캐소드극(23)을 스크린 인쇄 등으로 형성한 막·전극 접합체(24)를 구비하고 있다. 막· 전극 접합체(24)의 양면은, 연료가스, 산화가스, 냉각수의 유로를 가지는 세퍼레이터(도시 생략)에 의하여 샌드위치되고, 이 세퍼레이터와 애노드극(22) 및 캐소드극(23)과의 사이에, 각각 홈 형상의 애노드가스 채널(25) 및 캐소드가스 채널(26)을 형성하고 있다. 애노드극(22)은, 연료극용 촉매층을 다공질 지지층 위에 설치하여 구성되고, 캐소드극(23)은, 공기극용 촉매층을 다공질 지지층 위에 설치하여 구성되어 있다. 이들 전극의 촉매층은, 예를 들면 백금입자를 부착하여 구성되어 있다.
애노드극(22)에서는, 다음 수학식 (1)의 산화반응이 생기고, 캐소드극(23)에서는, 다음 수학식 (2)의 환원반응이 생긴다. 연료전지(20) 전체로서는, 다음 수학식 (3)의 발전반응이 생긴다.
Figure 112008082098717-PCT00001
Figure 112008082098717-PCT00002
Figure 112008082098717-PCT00003
또한, 도 1에서는 설명의 편의상, 막, 전극 접합체(24), 애노드가스 채널(25) 및 캐소드가스 채널(26)로 이루어지는 단위셀의 구조를 모식적으로 나타내고 있으나, 실제로는, 상기한 세퍼레이터를 거쳐 복수의 단위셀이 직렬로 접속한 스택구조를 구비하고 있다.
연료전지시스템(10)의 냉각액 공급계통(3)에는, 냉각액을 순환시키는 냉각로(31), 연료전지(20)로부터 배수되는 냉각액의 온도를 검출하는 온도센서(32), 냉각액의 열을 외부로 방열하는 라디에이터(열교환기)(33), 라디에이터(33)에 유입하는 냉각액의 수량을 조정하는 밸브(34), 냉각액을 가압하여 순환시키는 냉각액 펌프(35), 연료전지(20)에 공급되는 냉각액의 온도를 검출하는 온도센서(36) 등이 설치되어 있다.
연료전지시스템(10)의 연료가스 공급계통(4)에는, 연료가스 공급장치(42)로부터의 연료가스(애노드가스), 예를 들면 수소가스를 애노드가스 채널(25)에 공급하기 위한 연료가스유로(40)와, 애노드가스 채널(25)로부터 배기되는 연료 오프 가스를 연료가스유로(40)에 순환시키기 위한 순환유로(순환경로)(51)가 배관되어 있고, 이들 가스유로에 의하여 연료가스 순환계통이 구성되어 있다.
연료가스유로(40)에는, 연료가스공급장치(42)로부터의 연료가스 유출을 제어하는 차단밸브(프라이머리 밸브)(43), 연료가스의 압력을 검출하는 압력센서(44), 순환경로(51)의 연료가스 압력을 조정하는 조정밸브(45), 연료전지(20)에 대한 연료가스공급을 제어하는 차단밸브(46)가 설치되어 있다. 연료가스공급장치(42)는, 예를 들면 고압 수소탱크, 수소흡장합금, 개질기 등에 의하여 구성된다.
순환유로(51)에는, 연료전지(20)로부터 순환유로(51)에 대한 연료 오프 가스 공급을 제어하는 차단밸브(52), 연료 오프 가스에 함유되는 수분을 제거하는 기액 분리기(53) 및 배출밸브(54), 애노드가스 채널(25)을 통과할 때에, 압력손실을 받 은 연료 오프 가스를 압축하여 적절한 가스압까지 승압시켜 연료가스유로(40)에 환류시키는 수소펌프(순환펌프)(55), 연료가스유로(40)의 연료가스가 순환 유로(51)측으로 역류하는 것을 방지하는 역류 저지 밸브(56)가 설치되어 있다. 수소펌프(55)를 모터에 의하여 구동함으로써, 수소펌프(55)의 구동에 의한 연료 오프 가스는, 연료가스유로(40)에서 연료가스공급장치(42)로부터 공급되는 연료가스와 합류한 후, 연료전지(20)에 공급되어 재이용된다. 또한, 수소펌프(55)에는, 수소펌프(55)의 회전수를 검출하는 회전수 센서(57)(도시 생략)가 설치되어 있다.
또, 순환유로(51)에는, 연료전지(20)로부터 배기된 연료 오프 가스를, 희석기(예를 들면 수소농도 저감장치)(64)를 거쳐 차 밖으로 배기하기 위한 배기유로(61)가 분기하여 배관되어 있다. 배기유로(61)에는 퍼지밸브(63)가 설치되어 있고, 연료 오프 가스의 배기제어를 행할 수 있도록 구성되어 있다. 퍼지밸브(63)를 개폐함으로써, 연료전지(20) 내의 순환을 반복하여 불순 농도가 증가한 연료 오프 가스를 외부로 배출하고, 신규의 연료가스를 도입하여 셀 전압의 저하를 방지할 수 있다. 또, 순환유로(51)의 내압에 맥동을 일으켜, 가스유로에 축적된 수분을 제거할 수도 있다.
한편, 연료전지시스템(10)의 산화가스 공급계통(7)에는, 캐소드가스 채널(26)에 산화가스(캐소드가스)를 공급하기 위한 산화가스유로(71)와, 캐소드가스 채널(26)로부터 배기되는 캐소드 오프 가스를 배기하기 위한 캐소드 오프 가스유로(72)가 배관되어 있다. 산화가스유로(71)에는, 대기로부터 에어를 도입하는 에어클리너(74) 및 도입한 에어를 압축하고, 압축한 에어를 산화제 가스로 하여, 캐 소드가스 채널(26)에 송급하는 에어 컴프레서(75)가 설정되어 있으며, 에어컴프레서(75)에는, 에어컴프레서(75)의 회전수를 검출하는 회전수 센서(73)(도시 생략)가 설치되어 있다. 산화가스유로(71)와 캐소드 오프 가스 유로(72)와의 사이에는 습도 교환을 행하는 가습기(76)가 설치되어 있다. 캐소드 오프 가스 유로(72)에는, 캐소드 오프 가스 유로(72)의 배기 압력을 조정하는 압력조절 밸브(77), 캐소드 오프 가스 중의 수분을 제거하는 기액 분리기(78), 캐소드 오프 가스의 배기음을 흡수하는 머플러(79)가 설치되어 있다. 기액 분리기(78)로부터 배출된 캐소드오프 가스는 분류되어, 한쪽은 희석기(62)로 흘러 들어, 희석기(62) 내에 체류하는 연료 오프 가스와 혼합 희석되고, 또 분류된 다른쪽의 캐소드 오프 가스는, 머플러(79)에서 흡음되고, 희석기(62)에 의하여 혼합 희석된 가스와 혼합되어, 차 밖으로 배출된다.
또, 연료전지시스템(10)의 전력계통(9)에는, 1차측에 배터리(91)의 출력단자가 접속되고, 2차측에 연료전지(20)의 출력단자가 접속된 DC-DC 컨버터(90), 2차 전지로서 잉여전력, 회생전력을 축전하는 배터리(91), 배터리(91)의 충전상황을 감시하는 배터리 컴퓨터(92), 연료전지(20)의 부하 또는 구동대상이 되는 차량 주행용 모터(94)에 교류 전력을 공급하는 인버터(93), 연료전지시스템(10)의 각종 고압 보조기계(96)에 교류 전력을 공급하는 인버터(95), 연료전지(20)의 출력전압을 측정하는 전압센서(97) 및 출력전류를 측정하는 전류센서(98)가 접속되어 있다.
DC-DC 컨버터(90)는, 연료전지(20)의 잉여전력 또는 차량 주행용 모터(94)에대한 제동동작에 의하여 발생하는 회생 전력을 전압 변환하여 배터리(91)에 공급하 여 충전시킨다. 또, 차량 주행용 모터(94)의 요구전력에 대한, 연료전지(20)의 발전전력의 부족분을 보충하기 위하여, DC-DC 컨버터(90)는, 배터리(91)로부터의 방전전력을 전압 변환하여 2차측에 출력한다.
인버터(93, 95)는, 직류전류를 3상 교류전류로 변환하여, 차량 주행용 모터(94) 및 고압 보조기계(96)에 각각 출력한다. 차량 주행용 모터(94)에는, 모터(94)의 회전수를 검출하는 회전수 센서(99)(도시 생략)가 설치되어 있다. 모터(94)는, 디퍼렌셜을 거쳐 차륜(100)이 기계적으로 결합되어 있고, 모터(94)의 회전력을 차량의 추진력으로 변환 가능하게 되어 있다.
전압센서(97) 및 전류센서(98)는, 전력계통에 중첩된 교류신호에 전압에 대한 전류의 위상과 진폭에 의거하여 교류 임피던스를 측정하기 위한 것이다. 교류 임피던스는, 연료전지(20)의 함수량에 대응하고 있다.
또한, 연료전지시스템(10)에는, 연료전지(12)의 발전을 제어하기 위한 제어부(80)가 설치되어 있다.
제어부(80)는, 예를 들면 CPU(중앙처리장치), RAM, ROM, 인터페이스회로 등을 구비한 범용 컴퓨터로 구성되어 있고, 온도센서(32, 36), 압력센서(44), 회전수센서(57, 73, 99)로부터의 센서신호나 전압센서(97), 전류센서(98), 이그니션 스위치(82)로터의 신호를 도입하여 전지운전의 상태, 예를 들면 전력부하에 따라 각 모터를 구동하여, 수소펌프(55) 및 에어 컴프레서(75)의 회전수를 조정하고, 또한 각종 밸브의 개폐제어 또는 밸브 개방도의 조정 등을 행하도록 되어 있다.
또, 제어부(80)는, 연료전지(20)의 운전 정지시에, 소기(scavenging)처리를 행함에 있어서, 연료전지(20)에 대하여 소기가스, 예를 들면 수소가스, 산화가스를 공급하는 소기가스 공급수단(보조기계류)으로서, 수소펌프(55) 또는/및 에어 컴프레서(75)를 선택하여, 수소펌프(55) 또는/및 에어 컴프레서(75)의 회전수 또는 회전수 × 구동시간을 제어하도록 되어 있다.
여기서, 제어부(80)는, 기동시에 저효율 운전을 실시하고, 연료전지(20)의 난기운전을 실시하도록 기능한다. 구체적으로는, 산화가스 공급계통(7)으로부터의 산화가스의 공급량을 제한하여 연료전지(20)의 단셀에 산화가스 부족상태를 만들어 발전되는 전류량과 생성되는 수분량을 억제함으로써 발열시켜 난기를 촉진하도록 되어 있다.
특히, 본 실시형태에서는, 제어부(80)는, 연료전지(20)에서 생성되는 수분량을 검출하고, 그 검출된 수분량에 의거하여, 공급해야 할 산화가스량을 결정하여 산화가스공급제어를 하도록 구성되어 있다.
(동작원리의 설명)
다음 본 발명에 관한 동작을 설명한다.
먼저, 본 실시형태에서의 연료전지의 생성수량의 검출 및 소기를 위한 산화가스량의 결정방법을 설명한다.
상기 연료전지시스템(10)에서는, 연료전지의 시동시에는, 산화가스의 공급량을 억제하고, 발열량을 많게 한 난기운전을 행한다. 이 때, 저효율 운전시에 산화가스의 공급량이 너무 많으면, 발열반응이 일어나지 않고, 과잉의 수분이 발생하여, 난기운전을 저해할 염려가 있다. 그래서 본 실시형태에서는, 아래와 같이 생 성수의 양을 정확하게 검출하여 적정한 산화가스를 공급하는 것이다.
도 3에, 빙점 이하의 환경에서의 기동시의 경과시간에 대한 출력전류(I) 및 생성수량(g)의 관계도를 나타낸다. 이 도면은, 연료전지(20)의 출력전압이 Vc에서 일정한 것으로 하고, 연료전지(20)의 온도가 일정한 것으로 한 경우의 특성이다.
도 3의 저온 출력 전류특성(f1)에 나타내는 바와 같이, 연료전지를 기동하면, 캐소드극(23)에서 상기 수학식 (2)의 반응을 일으켜, 물이 생성된다. 그러나 기동 직후의 온도가 빙점 이하의 온도로 되어 있으면, 생성수는 짧은 시간 경과 후(시각 tf), 동결을 개시한다. 생성수가 동결되면, 가스유통이 저해되어, 고분자전해질막(21)에서의 프로톤 전도성이 저하하게 된다. 이 때문에, 동결 개시시각 (tf)를 경계로 하여, 생성수량의 총량은 증가하여 감에도 불구하고, 대부분이 동결되어, 출력 전압 특성(f1)은 저하하여 가게 된다.
이 때, 생성수량 특성(f2)에서 나타내는 바와 같이, 생성수량(g)은 시간의 경과와 함께 증가하여 간다. 수분은, 상기 수학식 (2)에 따라 생성되어 가기 때문에, 전자 2개에 대하여 물의 분자(분자량 18)가 1개 생기는 관계가 된다. 따라서, ∫I를 발전개시부터의 총 전류량(전하량), F를 패러데이정수, M(H2O)을 물의 분자량으로 하고, 생성수량(g)은, 수학식 (4)로 계산할 수 있다.
생성수량 =(∫I×M(H2O))/2F
따라서, 도 3의 저온 출력 전류특성(f1)과 같이 변화하는 단위시간마다의 전 류량(I)를 모니터하여, 적산값(∫I)을 연산하고, 수학식 (4)에 대입함으로써, 생성수량 특성(f2)으로 나타내는 바와 같은 생성수량(g)을 검출할 수 있는 것이다.
본 실시형태에서, 전류량(I)은 연료전지(20)의 전류센서(98)의 검출신호로부터 계측 가능하다. 그래서 제어부(80)는, 단위시간마다 전류량(I)을 계측하고, 적산값(∫I)을 연산하여 갱신하여 감과 동시에, 수학식 (4)에 따라 단위시간마다의 생성수량(g)을 검출하도록 동작한다.
도 4에, 저온 기동시에서의 생성수량(g)과 출력전류(I)와의 관계도를 나타낸다. 이 도면은 연료전지(20)의 온도가 Tc에서 일정한 경우의 특성이다.
도 4의 저온 생성수 - 전류특성(f3)에 나타내는 바와 같이, 저온 기동시 당초는, 전류량(I)의 증가와 동시에 수분의 생성량도 증가하여 가나, 어느 정도 시간이 경과하면, 생성물이 동결하여 가스유통이 저해되나, 따라서 전류량(I)이 저하하여 가서, 전기광학반응이 거의 행하여지지 않게 된 단계에서 전류가 제로가 된다.
여기서, 전류량은, 연료전지의 출력전압(V), 연료전지의 온도(T) 및 생성수량(g)에 의거하여 추측할 수 있다. 즉, 기설정된 시각(t)에서의 연료전지의 출력전압을 Vt, 연료전지의 온도를 Tt, 그 때의 생성수량을 gt라 하면, 앞으로의 기설정된 시각(t+1)에서의 전류량(It+1)은, 수학식 (5)에 의거하여 도출할 수 있다.
Figure 112008082098717-PCT00004
본 실시형태에서, 연료전지(20)의 출력전압(V)은 전압센서(97)의 검출신호로 부터 검출 가능하고, 연료전지(20)의 온도(T)는 온도센서(32)의 검출신호로부터 검출 가능하다. 또 생성수량(g)은, 상기 수학식 (4)에 의거하여 검출된다. 그래서제어부(80)는, 단위시간마다 연료전지(20)의 출력전압(V) 및 온도(T)를 계측하고, 이 출력전압(T), 온도(T) 및 수학식 (4)에 의하여 검출한 생성수량(g)을 수학식 (5)에 대입하고, 다음번 단위시간 후에 있어서의 앞으로의 전류량(It+1)을 예측하도록 동작하는 것이다.
또한, 출력전압(V), 온도(T) 및 생성수량(g)을 파라미터로 한 경우의 전류량 (I)은 측정 등에 의하여 파악할 수 있다. 제어부(80)는, 이들 4개의 파라미터의 상호 관계를 메모리 테이블로서 기억하고 있다.
도 5에, 생성수량(g)과 발열량(Q)과의 관계에서, 종합적인 발열량에 따라 생성수 - 발열량 특성이 어떻게 변화하는지를 나타낸다. 이 도면은, 연료전지(20) 의 온도가 빙점 이하인 경우에서의 특성을 나타내고 있다.
연료전지에서의 발열량(Q)은, 전류량(I)에 대응하고 있기 때문에, 도 5의 생성수 - 발열량 특성 곡선은 도 4에 나타낸 바와 같은 생성수 - 전류량 특성 곡선에 근사한 특성을 나타낸다. 공급하는 가스유량이 작을수록, 발열량이 많아지는 경향에 있다. 곡선(f5)의 생성수 - 발열량 특성은, 연료전지가 온도(T)에서 지장없아 발생시킬 수 있는 최대의 열량(Qmax)[예를 들면, 이론공기비(stoichiometric air rate) = 1]를 나타내고 있다. 이 최대 열량(Qmax) 이상에서는, 연료전지에 미치는 영향의 점에서 바람직하지 않고, 반대로 Qmax에서 작은 발열량이 될수록, 난기운전 으로서의 목적에 합치하지 않는 운전상태라는 것이 된다.
예를 들면, 도 5에서의 곡선(f7)은, 가스유량이 너무 많아 발열량이 최대 발열량(Qmax)보다 매우 적어, 난기운전에는 적합하지 않은 조건에서의 운전 특성으로 되어 있다. 한편으로 곡선(f4)은, 가스가 너무 적어 발열량이 허용 발열량(Qmax)을 넘고 있고, 고온에 의하여 연료전지의 전해질막 그 밖의 부재를 열화시킬 염려가 있는 영역으로, 이것도 난기운전에는 적합하지 않은 조건으로 되어 있다.
이들에 대하여, 최대 발열량(Qmax)을 일으키게 하는 곡선(f5)에 마진을 취한 곡선(f6)을 중심으로 하는 일정한 범위(2개의 파선에 끼워진 화살표로 나타내는 범위)는, 최대 발열량(Qmax)의 근방에 제어되고 있기 때문에, 발열량이 너무 많아 연료전지에 악영향을 주거나, 발열량이 너무 적어 난기가 불충분해지지 않고, 최적의 발열량의 범위라고 할 수 있다. 본 실시형태에서는 제어부(80)는, 이 곡선(f6)을 중심으로 하는 최적화 범위에 생성수 - 발열량 특성이 유지되도록 시스템 전체, 구체적으로는 산화가스(에어)의 공급량을 제어하도록 되어 있다.
즉, 적정한 난기운전이 되기 위해서는, 생성수량(g)에 대한 전류량(I)을 최적화 범위가 되도록 제어할 필요가 있고, 그것을 위해서는 가스유량, 구체적으로는 연료전지의 캐소드극에 공급하는 산화가스 유량을 적정한 범위에 공급하는 제어가 필요하다. 그래서 본 실시형태에서는, 제어부(80)는, 수학식 (5)로 연산된 앞으로의 전류량이 생성수량(g)에 대하여 적정한 범위로 유지되도록, 연료전지(20)의 캐소드극(23)에 공급하는 산화가스 유량(q)을 조정한다. 구체적으로, 산화가스 유량은, 컴프레서(75)를 구동시키기 위한 제어신호가 지시하는 컴프레서의 회전수에 의 하여 조정된다.
또한, 생성수량(g)에 대하여 적정한 난기운전을 하기 위하여 최적한 범위의 전류량(I)은, 제어부(80)가 메모리 테이블로서 기억하고 있다. 또, 공급하는 산화가스유량과 연료전지(20)에 의하여 발전되는 전류량(I)과의 관계도, 제어부(80)는 메모리 테이블로서 기억하고 있다.
(기능블럭의 설명)
상기 원리에 의거하는 동작은, 이하의 기능 블럭에 의하여 실현된다.
도 2에, 제어부(80)를 중심으로 하여 실현되는 기동시의 저효율 운전시에서의 기능 블럭도를 나타낸다. 도 2에 나타내는 바와 같이 기동시에서의 저효율 운전시, 상기 연료전지시스템(10)은, 생성수량 검출수단(101)과 가스공급제한수단(102)을 구비한다.
생성수량 검출수단(101)은, 저효율 운전시에, 연료전지(20)에서 생성되는 수분량(g)을 검출한다. 가스공급제한수단(102)은, 검출된 생성수량(g)에 의거하여 연료전지(20)에 대한 산화가스공급량(q)을 제한한다. 가스공급제어는, 기설정된 제어 타이밍마다 행하여진다. 예를 들면, 시각(t)에서 행하는 가스공급제어는, 시각(t)에서의 시스템의 상태값에 의거하여 다음번 제어 타이밍인 시각(t+1)에서의 산화가스공급량(q)을 결정한다는 것이다.
구체적으로, 생성수량 검출수단(101)은, 출력전류 검출수단(1011), 출력전류 적산수단(1012) 및 생성수량 연산수단(1013)을 구비한다.
출력전류 검출수단(1011)은, 시각(t)에서의 연료전지(20)의 출력전류(It)를 검출하는 것으로, 전류센서(98) 및및 전류센서(98)의 검출신호에 의거하여 전류량을 파악하는 제어부(80)가 상당하고 있다. 출력전류 적산수단(1012)은, 검출된 출력전류(It)를 저효율 운전개시부터 검출 타이밍마다 적산하여 적산값(∫I)을 출력하는 것으로, 제어부(80)의 내부 메모리와 제어부(80)가 대응하고 있다. 생성수량 연산수단(1013)은, 적산한 출력전류(∫I)에 의거하여 시각(t)에서의 생성수량(gt)을 추측하는 것으로, 제어부(80)가 상당하고 있다.
또, 가스공급제한수단(102)은, 출력전압 검출수단(1021), 온도 검출수단(1022), 다음번 전류 추측수단(1023), 가스유량 추측수단(1024) 및 가스공급제어수단(1025)을 구비한다.
출력전압 검출수단(1021)은, 시각(t)에서의 연료전지(20)의 출력전압(Vt)을 검출하는 것으로, 전압센서(97) 및 전압센서(97)의 검출신호에 의거하여 전압량을 파악하는 제어부(80)가 상당하고 있다. 온도검출수단(1022)은, 시각(t)에서의 연료전지(20)의 온도(Tt)를 검출하는 것으로, 온도센서(32) 및 온도센서(32)의 검출신호에 의거하여 온도를 파악하는 제어부(80)가 상당하고 있다. 다음번 전류 추측수단(1023)은, 추측된 생성수량(gt), 검출된 출력전압(Vt) 및 검출된 온도(Tt)에 의거하여, 기설정된 시각(t+1)의 출력전류(It+1)를 추측하는 것으로, 제어부(80)가 상당하고 있다. 가스유량 추측수단(1024)은, 추측된 기설정된 시각(t+1)의 출력전류(It+1)에 의거하여 연료전지(20)에 공급해야 할 가스유량(Qt+1)을 추측하는 것으로, 제어부(80)가 상당하고 있다. 가스공급제어수단(1025)은, 추측된 가스유량 (Qt+1)을 연료전지(20)에 공급하는 것으로, 제어부(80) 및 제어부(80)의 제어에 의거하는 회전수로 회전하여 산화가스를 공급하는 컴프레서(75)가 상당하고 있다.
(동작순서의 설명)
다음에, 도 6의 플로우차트에 의거하여 본 실시형태의 저효율 운전의 동작을 설명한다. 이 플로우차트는, 기설정된 제어 타이밍마다 실행되는 것으로 한다. 이하는 시각(t)에서의 제어 타이밍에서, 시스템의 각 부의 상태를 계측함으로써, 다음번 제어 타이밍인 시각(t+1)의 산화가스공급량을 추측하는 피드포워드(feed-forward) 제어처리를 예시하는 것이다.
단계 10에서, 제어부(80)는 시각(t)에서, 온도센서(32) 등의 검출신호를 참조하여 연료전지(20)의 내부 온도(Tt)를 계측한다. 온도센서(32)에 의하여 나타내는 온도는 연료전지(20)의 내부를 유통하는 냉각액의 온도이고, 연료전지(20)의 평균 온도로 되어 있다.
단계 S11에서, 제어부(80)는 검출된 연료전지(20)의 온도(Tt)가 빙점 이하인지의 여부를 검사한다. 검사결과, 연료전지(20)의 온도(Tt)가 빙점보다 높은 경우에는(NO), 연료전지(20)에 대한 난기운전이 불필요한 온도라고 판단하여, 상기 난기운전의 처리를 종료한다. 한편, 연료전지(20)의 온도(Tt)가 빙점 이하인 경우에는(YES), 제어부(80)는, 연료전지(20)에 대한 난기운전, 즉 저효율 운전이 필요하다고 판단하고, 단계 S12로 진행한다.
단계 S12에서, 제어부(80)에 의하여 실현되는 생성수량 검출수단(101)의 출력전류 검출수단(1011)은, 전류센서(98)의 검출신호를 참조하여 시각(t)에서의 연 료전지(20)의 출력 전류량(It)을 검출하고, 기억한다. 단계 S13으로 이행하여, 전류 적산수단(1012)은, 금회 측정한 전류량(It)을, 전회의 제어 타이밍까지 적산하여 온 총 전류량에 다시 적산하고, 난기운전 개시부터 시각(t)까지의 총 전류량(∫I), 즉 전하량을 연산한다. 연산된 총 전류량은, 다음번 적산을 위하여 기억된다.
단계 S14로 이행하고, 생성수량 연산수단(1013)은, 갱신된 총 전류량(∫I)을 상기 수학식 (4)에 대입하여, 시각(t)에서의 생성수량(gt)을 연산한다. 검출된 생성수량(gt)은, 산화가스공급량(qt+1)을 추측하기 위하여, 가스공급제한수단(102)에 건네진다.
단계 S15로 이행하고, 가스공급제한수단(102)의 출력전압 검출수단(1021)은, 전압센서(97)의 검출신호를 참조하여 시각(t)에서의 연료전지(20)의 출력 전압량 (Vt)을 검출한다. 또, 온도 검출수단(1022)은, 온도센서(32)의 검출신호를 참조하여 연료전지(20)의 시각(t)에서의 온도(Tt)를 검출한다.
또한, 여기서는 온도센서(32)의 검출신호에 의거하여 연료전지(20)의 온도를 검출하고 있었으나, 단계 S10에서 이미 연료전지(20)의 온도(Tt)가 검출되어 있기 때문에, 그 값을 사용하는 것으로 하여도 된다. 단, 전류 추측을 위하여 특정한 단셀의 온도를 검출하도록 구성한 경우에는, 이 단계 S15에서, 그 특정한 단셀의 온도를 Tt로서 검출한다.
단계 S16에서, 다음번 전류 추측수단(1023)은, 시각(t)에서의 출력전압(Vt), 온도(Tt) 및 생성수량 검출수단(101)으로부터 공급된 생성수량(gt)에 의거하여 상 기 수학식 (5)에 의거하여 다음번 제어 타이밍인 시각(t+1)에서의 전류량(It+1)을 추측한다.
즉, 다음번 전류 추측수단(1023)은, 이들 3개의 파라미터를 참조값으로 하여 내부의 메모리 테이블을 참고하고, 이들 파라미터로부터 특정되는 하나의 전류값을 다음번 전류량(It+1)으로서 특정한다.
이어서 단계 S17에서, 가스유량 추측수단(1024)은, 추측된 연료전지(20)를 출력 전류량(It+1)으로 발전시키기 위하여 적정한 산화가스유량(qt+1)을 추측하는 연산을 한다. 즉, 내부의 메모리 테이블을 참조하여, 다음번 제어 타이밍에서의 전류값(It+1)의 발전에 필요한 산화가스유량(qt+1)을 결정한다.
단계 S18로 이행하여, 가스유량제어수단(1025)은, 산화가스유량(qt+1)을 공급하기 위한 컴프레서(75)의 회전수를 연산하고, 그 회전수로 구동시키는 제어신호를 컴프레서(75)에 공급한다. 또한, 이 회전수는, 시각(t+1)까지 산화가스유량(qt+1)이 공급될 회전수라 한다.
이상의 동작에 의하여 시각(t)에서, 다음번 제어 타이밍인 시각(t+1)에서의 적정한 산화가스유량(qt+1)이 추측되고, 실제로 컴프레서(75)가 구동되기 때문에, 시각(t+1)일 때에는 적정한 산화가스유량(qt+1)이 공급된 상태가 된다. 따라서, 연료전지(20)의 출력전류(I)는, 이 피드포워드 제어에 의하여 최적화 범위에 유지된다.
이상, 본 실시형태에 의하면, 시각(t)에서, 저효율 운전시에서의 생성수량(gt)을 파악하여 그것에 의거하여 다음번 제어 타이밍(시각 t+1)에서의 연료전지(20)에 대한 가스공급량(qt+1)을 제한하기 때문에, 가스공급량이 너무 많아 과잉의 수분이 생성되어, 난기운전이 저해되는 것이 억제 가능하다.
또, 본 실시형태에 의하면, 시각(t)의 제어 타이밍에서 검출된 전압값(Vt), 온도(Tt), 그리고 생성수량(gt)에 의거하여, 다음번 제어 타이밍(시각 t+1)에서의 전류량(It+1)을 정확하게 예측할 수 있고, 그 전류량을 발생시키기 위하여 적당한 가스공급량(qt+1)이 파악할 수 있어, 그 공급량으로 연료전지(20)에 산화가스가 공급되기 때문에, 과잉의 수분을 발생시키지 않고 적정한 난기운전을 행할 수 있다.
(변형예)
본 발명은, 상기 실시형태에 한정되지 않고 다양하게 변형하여 적용 가능하다.
상기 실시형태에서는, 연료전지(20)의 온도로서, 냉각액의 연료전지 출구 온도를 온도센서(32)에 의하여 검출하고 있었으나, 이것에 한정하지 않는다. 예를 들면 상기 실시형태와 같이, 생성수량을 검출하기 위한 온도를 냉각액의 온도라고 하면, 연료전지의 평균 온도에 의거하여 생성수량이 검출되나, 연료전지의 특정한 부위의 온도를 검출하는 것으로 하여도 된다. 단셀이 다수 스택된 연료전지에서는, 단셀의 위치에 의하여 상대적으로 열이 발산되기 쉽거나, 생성수량이 많아지기쉽다. 그 때문에, 가스유량 추정상, 상대적으로 불리해지는 경향에 있는 단셀, 예 를 들면 열을 발산하기 쉬워 저온이 되는 단셀이나, 생성수량의 배출 효율이 낮은 단셀을 특정하여 두고, 이와 같은 단셀에서의 온도나 수분량을 검출하여 산화가스유량제어를 행하면, 상대적으로 악조건에 맞춘 제어가 행하여지게 된다.
도 7에 이와 같이 연료전지(20) 중에서, 상대적으로 악조건이 되기 쉬운 단 셀의 위치를 사선으로 나타낸다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 끝부에 위치하는 단셀에서는, 열을 발산하기 쉽다. 이와 같은 경우, 끝부에 위치하는 1 또는 복수의 단셀을 시스템상태의 검출대상 단셀(군)로서 특정하고, 그것들 단셀(군)의 온도(T), 전류(A), 전압(V)을 측정하여, 생성수량의 검출, 산화가스유량의 추정을 행할 수 있다.
양쪽 끝의 단셀(군)을 시스템상태의 검출대상으로서 선택하는 경우에는, 산화가스유량제어의 관점에서, 어느 하나가 나쁜 쪽(예를 들면 온도가 낮은 쪽)의 단셀(군)의 검출값에 의거하여 산화가스유량을 추정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 처리하면, 평균적인 온도나 생성수량에 의거하여 추정된 산화가스유량이 적절하지 않은 악조건의 단셀에 있어서, 단점이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 생성수량 검출수단을 구비하고, 연료전지의 저효율 운전시에 있어서의 생성수량을 정확하게 파악하기 때문에, 생성물이 과다해져 난기운전이 저해되는 상황의 발생을 억제하면서 최단 시간으로의 적정한 난기운전이 가능하다.
또, 본 발명의 연료전지시스템은, 정치형(定値型)의 연료전지에 적용 가능한 외에, 이동체의 동력원으로서 탑재하는 것에 적합하다. 이동체에서는, 기동시 등, 상대적으로 저온상태인 경우에 난기운전을 행하는 것이 통례이며, 동력원이 연료전지 인 경우에는 저효율 운전이 실시되고, 그 저효율 운전시에 본 발명을 적용하는 것이 가능하기 때문이다. 이동체로서는, 4륜차, 2륜차 등의 육상 이동수단, 항공기나 헬리콥터, 우주선 등의 항공 이동수단, 선박, 잠수함 등의 해상·해중(海中) 이동수단이 포함된다.

Claims (10)

  1. 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하여 저효율 운전을 실시하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 저효율 운전시에, 상기 연료전지에서 생성되는 수분량을 검출하고,
    검출된 상기 수분량에 의거하여 상기 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 저효율 운전시에, 상기 연료전지에서 생성되는 수분량을 검출하는 생성수량 검출수단과,
    검출된 상기 수분량에 의거하여 상기 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하는 가스공급제한수단을 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 생성수량 검출수단은,
    상기 연료전지의 출력전류를 검출하는 출력전류 검출수단과,
    검출된 상기 출력전류를 검출 타이밍마다 적산하는 출력전류 적산수단과,
    적산한 상기 출력전류에 의거하여 생성수량을 추측하는 생성수량 연산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 가스공급제한수단은,
    상기 연료전지의 출력전압을 검출하는 출력전압 검출수단과,
    상기 연료전지의 온도를 검출하는 온도 검출수단과,
    추측된 상기 생성수량, 검출된 상기 출력전압, 및 검출된 상기 온도에 의거하여, 기설정된 시간 후의 출력 전류를 추측하는 다음번 전류 추측수단과,
    추측된 상기 기설정된 시간 후의 출력 전류에 의거하여 상기 연료전지에 공급해야 할 가스유량을 추측하는 가스유량 추측수단과,
    추측된 상기 가스유량을 상기 연료전지에 공급하는 가스공급제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 중에서 상대적으로 조건이 나빠지는 부분의 상황에 의거하여 상기 수분량을 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 가스공급제한수단은, 캐소드가스의 공급을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하여 저효율 운전을 실시하는 연료전지시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 저효율 운전시에, 상기 연료전지에서 생성되는 수분량을 검출하는 단계와,
    검출된 상기 수분량에 의거하여 상기 연료전지에 대한 가스공급량을 제한하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 수분량을 검출하는 단계는,
    상기 연료전지의 출력 전류를 검출하는 단계와,
    검출된 상기 출력 전류를 검출 타이밍마다 적산하는 단계와,
    적산한 상기 출력 전류에 의거하여 생성수량을 추측하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 가스공급량을 제한하는 단계는,
    상기 연료전지의 출력 전압을 검출하는 단계와,
    상기 연료전지의 온도를 검출하는 단계와,
    추측된 상기 생성수량, 검출된 상기 출력 전압 및 검출된 상기 온도에 의거하여, 기설정된 시간 후의 출력 전류를 추측하는 단계와,
    추측된 상기 기설정된 시간 후의 출력 전류에 의거하여 상기 연료전지에 공급해야 할 가스유량을 추측하는 단계와,
    추측된 상기 가스유량을 상기 연료전지에 공급하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.
  10. 제 1항에 기재된 연료전지시스템을 탑재한 것을 특징으로 하는 이동체.
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