KR20090082281A - 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 기동방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지시스템에 있어서, 14 V 배터리(26)와 컨트롤러(48)와의 사이에는 IG 스위치(32)가 설치되고, 또, 이것과는 별도로, 스타트 스위치(36)가 설치되고, 그 온을 검출하면, 컨트롤러(48)는, FC용 보조기기(44) 등에 대하여 FC 기동 지령을 출력한다. 또, 14 V 배터리(26)와 FC용 보조기기(44) 등과의 사이에는, FC 인버터 등 스위치(38)가 설치되고, 컨트롤러(48)의 기능에 의하여, IG 스위치(32)가 온되고 나서 스타트 스위치(36)가 온되기까지의 대기기간에 있어서, IG 스위치(32)가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하고 나서 스타트 스위치(36)가 온되기까지의 기간에 대하여, FC용 보조기기 등에 대한 14 V 배터리(26)로부터의 전력공급이 정지된다.

Description

연료전지시스템 및 연료전지시스템의 기동방법{FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM START METHOD}
본 발명은, 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 기동방법에 관한 것으로, 특히, 기동시에 부하에 전력을 공급하는 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 기동방법에 관한 것이다.
환경에 미치는 영향이 적기 때문에, 예를 들면 차량에 연료전지를 탑재하는 것이 행하여지고 있다. 연료전지는, 복수의 단(單)전지를 조합시킨 연료전지 스택으로 함으로써 소망하는 전압, 전류를 인출할 수 있다. 연료전지는, 예를 들면 연료전지 스택의 애노드측에 수소 등의 연료가스를 공급하고, 캐소드측에 공기 등의 산소를 포함하는 산화가스를 공급하여, 적당한 온도 하에서, 전해질막을 통한 전기화학반응에 의해 필요한 전력을 인출할 수 있다.
따라서, 연료전지시스템의 운전에는, 연료가스를 공급하는 펌프, 산화가스를 공급하는 에어컴프레서(ACP), 연료전지 스택의 온도를 제어하기 위한 냉각수 순환펌프 등의 연료전지용 보조기기나, 연료전지 스택을 구성하는 각 단전지의 전압, 온도 등을 검출하는 셀 모니터 등의 센서가 필요하다. 연료전지시스템의 운전에는, 이들 보조기기 등에도 전력을 공급할 필요가 있고, 그 타이밍에도 배려가 행하 여진다.
예를 들면, 일본국 특개2005-332702호에는, IG 온으로부터 연료전지의 저항측정을 행하고, 그 후에 READY를 내세워, 모터로 전력을 공급하는 연료전지 진단장치가 개시되어 있다. 또, 일본국 국제공개 제03/096001호 팜플릿에는, IG 온으로부터 가스센서의 히터의 통전 기동을 행하고, 그 후에 연료가스공급을 행하여 발전하는 것이 개시되어 있다.
일본국 특개2004-178998호 공보에는, 연료전지 차량의 제어장치로서, 이그니션 스위치에 대응하는 스타트 스위치가 온되면, 커패시터 스위치를 폐쇄하고(온), 연료전지의 온도와 셀 전압을 측정하여, 이들이 낮을 때는 보조기기에 연료전지로부터 전력을 돌려 난기를 행하고, 그 후에 메인 스위치를 폐쇄(온)하여, 모터에 전력을 공급하는 것이 개시되어 있다.
연료전지시스템의 기동시에는, 연료전지용 보조기기 등의 부하에 전력을 공급할 필요가 있으나, 그 전력은 연료전지 이외의 전원, 즉, 저전압 배터리 등의 축전장치로부터 공급된다. 따라서, 2차 전지 등의 축전장치의 용량이 작고, 또는 충전상태가 충분하지 않은 경우 등에서는, 연료전지시스템의 기동시의 부하에 대한 전력 공급을 충분히 할 수 없게 되고, 또는, 그 단계에서 축전장치의 충전상태가 매우 저하하는 일이 생긴다.
마찬가지로, 예를 들면 그리드라 불리우는 송전선을 거쳐 대기 중의 전력이 공급되는 정치(定置)형 연료전지시스템에서도, 대기전력의 억제가 요망되고 있다.
따라서, 연료전지시스템의 기동시에 있어서의 부하에 대한 전력공급 억제를 검토할 필요가 있다. 일본국 특개2005-332702호, 국제공개제03/096001호 팜플릿에서는, 기동시에 앞서 저항 측정을 행하는 것, 가스 센서용 히터와 통전하는 것이 기재되어 있으나, 기동시에 축전장치로부터의 공급 전력을 제한하는 것은 설명되어 있지 않다. 일본국 특개2004-178998호 공보에서는, 전력의 제한 또는 소비전력의 억제에 대하여 설명되어 있으나, 어느 것이나 연료전지 자체의 전력에 대한 것으로, 축전장치로부터의 전력공급 제한 등에 대해서는 설명되어 있지 않다.
이와 같이, 종래 기술에서는, 연료전지시스템의 기동시에서의 부하에 대한 전력공급 제한으로서, 예를 들면 축전장치의 사용상태를 검토하는 것이 행하여져 있지 않다.
본 발명의 목적은, 연료전지시스템의 기동시에 있어서 축전장치의 소비전력을 억제하는 것을 가능하게 하는 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 기동방법을 제공하는 것이다. 다른 목적은, 연료전지시스템의 기동시에 있어서 부하에 대한 전력공급을 억제하는 것을 가능하게 하는 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 기동방법을 제공하는 것이다. 이하의 수단은, 이들 목적의 적어도 하나에 공헌한다.
본 발명에 관한 연료전지시스템은, 제 1 제어상태의 대기상태인 제 2 제어상태로서 상기 제 1 제어상태로의 이행이 지시되면 상기 제 1 제어상태로 이행하는 제 2 제어상태의 개시를 지시하는 조작자와, 상기 제 2 제어상태에서, 부하에 대한 전력소비를 저감하는 저감 지시의 입력에 의하여 대기에 인가되는 부하에서의 전력소비를 저감시키는 소비전력 저감수단을 가지는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 저감 지시는, 연료전지시스템의 상태가 소정 조건에 도달하였을 때에 입력되는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 제 1 제어상태인 제어시스템의 기동을 지시하는 제 1 조작자와, 제 2 제어상태인 연료전지에 의한 주행 가능상태로의 이행을 지시하는 제 2 조작자와, 상기 제 1 조작자가 온되고 나서 상기 제 2 조작자가 온되기까지의 대기기간에 있어서, 상기 제 1 조작자가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하고 나서 상기 제 2 조작자가 온되기까지의 기간에 대하여, 상기 연료전지를 위한 보조기기로의 축전장치로부터의 전력공급을 정지하는 소비전력 억제수단을 가지는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 소비전력 억제수단은, 상기 연료전지를 위한 유체 펌프로의 상기 축전장치로부터의 전력공급을 정지하는 것이 바람직하다.
또, 상기 소비전력 억제수단은, 또한, 상기 연료전지의 상태를 감시하는 셀 모니터로의 상기 축전장치로부터의 전력공급을 정지하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 연료전지의 기동의 지시로서, 송전선에 의해 상기 연료전지를 위한 보조기기에 전력을 공급하는 지시를 주는 제 1 조작자와, 상기 연료전지의 발전상태로의 이행을 지시하는 제 2 조작자와, 상기 제 1 조작자가 온되고 나서 상기 제 2 조작자가 온되기까지의 대기기간에 있어서, 상기제 1 조작자가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하고 나서 상기 제 2 조작자가 온되기까지의 기간에 대하여, 상기 송전선으로부터의 전력공급을 정지하는 소비전력 억제수단을 가지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관한 연료전지시스템의 기동방법은, 제 1 조작자의 온에 의하여 제어 컨트롤러를 기동시키는 공정과, 연료전지에 의한 주행 가능상태로의 이행을 지시하는 제 2 조작자가 온되었는지의 여부를 판단하는 공정과, 상기 제 2 조작자가 아직 온되어 있지 않다고 판단되었을 때에, 상기 제 1 조작자가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하였는지의 여부를 판단하는 공정과, 상기 대기기간이 경과하였다고 판단되었을 때에, 그 후에 상기 제 2 조작자가 온되기까지의 사이, 상기 연료전지를 위한 보조기기에 대한 축전장치로부터의 전력공급을 정지하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성의 적어도 하나에 의하여 연료전지시스템은, 제 1 제어상태로의 이행이 지시되면 제 1 제어상태로 이행하는 제 2 제어상태의 개시를 지시하는 조작자를 가지고, 제 2 제어상태에서, 부하에 대한 전력소비를 저감하는 저감 지시의 입력에 의하여 대기에 인가되는 부하에서의 전력 소비를 저감시킨다. 이에 의하여, 연료전지시스템의 기동시에 있어서, 부하에 대한 전력소비를 억제하는 것이 가능해진다.
상기 구성의 적어도 하나에 의하여, 연료전지시스템은, 제어시스템의 기동을 지시하는 제 1 조작자와, 연료전지에 의한 주행 가능상태로의 이행을 지시하는 제 2 조작자를 가지고, 제 1 조작자가 온되고 나서 제 2 조작자가 온되기까지의 대기기간에 있어서, 제 1 조작자가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하고 나서 제 2 조작자가 온되기까지의 기간에 대하여, 연료전지를 위한 보조기기로의 축전장치로부터의 전력공급을 정지한다. 이에 의하여, 연료전지시스템의 기동시에 있어서, 제 2 조작자가 온되기까지의 쓸데 없는 축전장치의 소비 전력을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 소비전력 억제수단으로서는, 연료전지를 위한 유체 펌프에 대한 축전장치로부터의 전력공급을 정지한다. 또, 더욱 바람직하게는, 연료전지의 상태를 감시하는 셀 모니터로의 축전장치로부터의 전력공급을 정지한다. 제 2 조작자가 온될 때까지는, 연료전지에 의한 주행 가능상태로의 이행이 지시되지 않은 것이기 때문에, 상기 구성에 의하여 쓸데 없는 축전장치의 소비 전력을 억제할 수 있다.
또, 상기 구성의 적어도 하나에 의하여 연료전지시스템은, 연료전지의 기동의 지시로서, 송전선에 의해 상기 연료전지를 위한 보조기기에 전력을 공급하는 지시를 주는 제 1 조작자와, 연료전지의 발전상태로의 이행을 지시하는 제 2 조작자를 가지고, 제 1 조작자가 온되고 나서 제 2 조작자가 온되기까지의 대기기간에 있어서, 제 1 조작자가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하고 나서 제 2 조작자가 온되기까지의 기간에 대하여, 연료전지를 위한 보조기기로의 송전선으로부터의 전력공급을 정지한다. 이에 의하여, 연료전지시스템의 기동시에 있어서, 제 2 조작자가 온되기까지의 보조기기에 대한 쓸데 없는 전력 소비를 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 관한 실시형태에서의 연료전지시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 관한 실시형태에서의 연료전지시스템 중에서, 14 V 배터리에 관계하는 블럭의 상세를 나타내는 도,
도 3은 본 발명에 관한 실시형태에서, 연료전지시스템의 기동시에 있어서의 소비 전력 억제를 위한 순서를 나타내는 플로우차트,
도 4는 본 발명에 관한 실시형태에서, 연료전지시스템의 각 스위치의 온/오프의 타이밍을 나타내는 타임 챠트이다.
이하에서는, 도면을 사용하여 본 발명에 관한 실시형태에 대하여, 상세하게 설명한다. 이하에서, 연료전지시스템의 구성으로서, 연료전지 스택과 2차 전지팩과의 사이에 쌍방향 전압 변환기를 설치하는 것으로 하나, 이것 외에, 전력분배기능을 가지는 요소를 연료전지 스택과 2차 전지팩의 사이에 설치하고, 그 전력분배기로부터 부하에 전력을 공급하는 구성으로 하여도 된다. 또, 이하에서는, 이들 이외에 14 VDC/DC 컨버터, 14 V 배터리, 시스템 메인 릴레이 등을 연료전지시스템의 구성요소에 포함하는 것으로서 설명하나, 이들 몇가지 요소를 생략한 시스템이어도 된다. 또, 이것 이외의 요소를 부가한 시스템이어도 된다,
또, 이하에서는, 연료전지용 보조기기 등의 부하에 공급하는 전원으로서, 14 V 배터리를 사용하는 것으로서 설명하나, 연료전지 이외의 전원이면, 그것 이외의 것이어도 된다. 예를 들면, 14 V 이외의 저전압 배터리이어도 되고, 또, 경우에 따라서는, 고전압 2차 전지이어도 된다. 또, 배터리가 아닌, 커패시터 등의 전력 축적수단이어도 된다. 2차 전지 또는 축전장치란, 배터리, 커패시터 등의 충방전가능한 전력축적수단을 넓게 가리키는 것으로서, 연료전지용 보조기기 등에 공급하는 전원으로서는, 이 광의의 축전장치이면 된다,
또, 연료전지는 차량 탑재용으로서 설명하나, 정치형의 연료전지이어도 된다. 이 경우에, 연료전지 이외에 부하에 전력을 공급하는 수단으로서, 그리드라 불리우는 송전선을 거쳐 외부로부터 전력을 공급하는 것이어도 된다.
도 1은, 연료전지시스템(10)의 구성도이다. 연료전지시스템(10)은, 고전압 2차 전지(12)와, 시스템 메인 릴레이(14)와, 14 VDC/DC 컨버터(16)와, 고전압 2차 전지측 평활 콘덴서(18)와, 전압변환기(20)와, 연료전지측 평활 콘덴서(22)와, 연료전지 스택(24)을 포함하여 구성된다. 또, 14 VDC/DC 컨버터(16)의 출력은, 14 V 배터리(26)에 접속된다. 14 V 배터리(26)에 관한 블럭(30)의 내용에 대해서는, 도 2를 사용하여 뒤에서 상세하게 설명한다. 또한, 여기서는 연료전지시스템(10)의 구성요소가 아니나, 연료전지측의 양극 모선과 음극 모선의 사이에는, M/G 인버터(8)가 접속되고, M/G 인버터(8)에는, 차량용 모터·제너레이터(M/G)(6)가 접속된다.
고전압 2차 전지(12)는, 리튬 이온 단전지를 복수 조합시키고, 또는 니켈 수소 단전지를 복수 조합시켜, 200 V 내지 400 V 정도, 예를 들면, 약 288 V의 고전압 배터리로 한 전지팩이다.
시스템 메인 릴레이(14)는, 고전압 2차 전지(12)측에서 고전압 전력 라인의 온/오프를 행하기 위한 릴레이이다. 고전압 전력을 차단할 때의 릴레이 용착을 고려하여, 양극 모선측과 음극 모선측에 각각 1개씩의 릴레이가 설치된다. 또, 어느 한쪽의 모선에, 전류제한 저항을 접속한 또 하나의 릴레이가 설치된다. 이 전류제한 저항이 있는 릴레이는, 이것을 온하여 충전을 서서히 행하는 기능 등을 가진다.
14 VDC/DC 컨버터(16)는, 고전압 전력을 14 V의 저전압으로 조정하고, 저전압 전원인 14 V 배터리(26)에 공급하는 기능을 가지는 전압 변환기이다. 쌍방향 작동으로 할 때는, 긴급의 경우 등에, 14 V 배터리(26)로부터의 전력을 고전압측으로 되돌릴 수도 있다.
고전압 2차 전지측 평활 콘덴서(18)는, 고전압 2차 전지(12)측의 양극 모선, 음극 모선 사이의 전압 등의 변동을 흡수하고, 직류 전력으로서 맥동을 억제하는 기능을 가지는 대용량 콘덴서이다.
전압 변환기(20)는, 고전압 2차 전지측의 고전압 전력과, 연료전지 스택(24)측의 고전압 전력과의 사이에서 전압 변환을 행하여, 전력의 수수(授受)를 행하는 기능을 가지는 고전압용 쌍방향 전압 변환기이다.
연료전지측 평활 콘덴서(22)는, 연료전지측의 양극 모선, 음극 모선 사이의 전압 등의 변동을 흡수하고, 직류 전력으로서 맥동을 억제하는 기능을 가지는 대용량 콘덴서이다.
연료전지 스택(24)은, 연료전지 셀이라 불리우는 단전지를 복수 조합시켜, 200 V 내지 400 V 정도의 고전압, 예를 들면 약 288 V의 발전전력을 인출할 수 있 도록 구성된 일종의 조전지(組電池)이다. 여기서, 각 연료전지 셀은, 애노드측에 연료가스로서 수소를 공급하고, 캐소드측에 산화가스로서 공기를 공급하여, 고체 고분자막인 전해질막을 통한 전지 화학반응에 의해 필요한 전력을 인출하는 기능을 가진다. 이 연료전지 스택(24)을 작동시키기 위해서는, 뒤에서 설명하는 연료전지용 보조기기 등의 부하의 작동 등이 필요하다.
또한, 연료전지 스택(24)에는, 도시 생략한 수소 저장장치로부터 수소가 공급된다. 수소 저장장치로서는, 수소탱크, 수소저장 합금 등을 사용할 수 있다.
이와 같이, 고전압 2차 전지(12)와 연료전지 스택(24)에 의하여 구성되는 전원의 직류전력은, M/G 인버터(8)에 의하여 3상 전력으로 변환되고, 차량용 모터·제너레이터(M/G)(6)를 구동할 수 있다. 또, 차량이 제동 시에는 차량용 모터·제너레이터(6)의 회생 전력을 M/G 인버터(8)에 의하여 직류전력으로 변환하고, 이것을 고전압 2차 전지(12)에 충전시킬 수 있다.
도 2는, 연료전지시스템(10) 중에서, 14 V 배터리(26)에 관계하는 블럭(30)의 상세를 나타내는 도면이다. 여기서, 14 V 배터리(26)는, 납축전지 등으로 구성되는 저전압 2차 전지, 즉 축전장치이다. 또한, 이하에서는, 도 1에서의 부호를 사용하여 설명한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 14 V 배터리(26)에 의해 전력이 공급되는 것은, 크게 구별하여 3개의 그룹으로 나뉜다. 즉, 액세서리(40) 등과, 컨트롤러(42) 등과, FC용 보조기기(44) 등이다. 또한, FC란, Fuel Cell의 약자로, 연료전지를 나타내고 있다. 이 중, FC용 보조기기(44) 등은, 연료전지측 평활 콘덴서(22)와 연료전지 스택(24)과의 사이의 배치에 있어서, 양극 모선과 음극 모선의 사이에 접속되기 때문에, 14 V 배터리(26)로부터의 전력공급과, 연료전지 스택(24)측으로부터의 고전압의 전력공급을 받게 된다. 또, 상기 3개의 그룹을 크게 구별하는 것에 대응하여, 14 V 배터리(26)와 이들 각 그룹과의 사이에, IG 스위치(32), 액세서리 스위치(34), 스타트 스위치(36), FC 인버터 등 스위치(38)가 설치된다.
액세서리(40) 등은, 차량에 탑재되는 라이터, 오디오, 내비게이션장치 등의 복수의 요소의 그룹이다. 14 V 배터리(26)와 액세서리(40) 등의 사이에는, 액세서리 스위치(34)가 설치된다. 액세서리 스위치(34)는, 차실 내에 그 조작부가 설치되고, 운전자 등에 의하여, 그 조작부가 조작되어 액세서리 스위치(34)가 온하면, 액세서리(40) 등에 전력이 공급되어, 라이터 등이 사용 가능해진다.
컨트롤러(42) 등은, 센서·공조기(46) 등과, 컨트롤러(48)로 나눌 수 있는 그룹이다. 센서는, 연료전지시스템(10)에서의 각 요소의 상태를 검출하기 위한 것으로, 예를 들면, 연료전지 스택(24)을 구성하는 각 단전지를 위한 전압 검출센서, 온도 검출센서, 연료전지 스택(24)에 공급되는 연료가스를 위한 유량계, 산화가스를 위한 유량계, 냉각수를 위한 수온계 등이 포함된다. 공조기 등에는, 차실 내의 공기조화를 위해 사용되는 팬, 히터, 냉매 순환펌프 등이 포함된다.
컨트롤러(48)는, 연료전지시스템(10)의 각 요소의 동작을 전체적으로 제어하는 기능, 특히 연료전지시스템(10)의 시동 제어를 행하는 기능을 가진다. 이와 같은 컨트롤러(48)는, 차량 탑재용 컴퓨터로 구성할 수 있다. 차량 탑재용 컴퓨터는, 마이크로프로세서의 칩 등으로 구성할 수 있다. 컨트롤러(48)는, 독립된 컴퓨터로 구성할 수도 있으나, 그 기능을 다른 차량 탑재용 컴퓨터의 기능으로 할 수도 있다. 예를 들면, 하이브리드 CPU를 가지는 차량의 경우, 컨트롤러(48)의 기능을 하이브리드 CPU에도 가지게 하여도 된다.
컨트롤러(48)는, 제어기능으로서, 연료전지시스템(10)의 작동 전체를 제어하는 전원계 제어 모듈(49)과, 특히, FC용 보조기기(44) 등에 기동지령을 주는 FC 기 동지령 모듈(50)와, 뒤에서 설명하는 FC 인버터 등 스위치(38)의 동작을 제어하여 기동 시의 소비전력을 억제하는 소비전력 억제 모듈(51)을 포함한다. 이들 기능은 소프트웨어로 실현할 수 있고, 구체적으로는, 대응하는 연료전지시스템 제어프로그램을 실행함으로써 실행할 수 있다.
14 V 배터리(26)와 컨트롤러(42) 등과의 사이에는, IG 스위치(32)가 설치된다. IG란, IGnition의 약자로, 원래는 내연기관의 점화를 의미하며, 연료전지시스템(10)에서는 반드시 적당한 용어는 아니나, 당업자에 있어서, 이그니션 스위치라 하면, 차량의 기동 스위치를 의미하는 것으로서 오랜 세월 사용되어 온 것이다. 그래서, 여기서도, 차량의 기동 스위치로서의 조작자의 의미로, IG 스위치 단어를 그대로 사용하는 것으로 한다.
IG 스위치(32)는, 차실 내에 그 조작부가 설치되고, 운전자 등에 의해, 그 조작부가 조작되어 IG 스위치(32)가 온되면, 컨트롤러(42) 등에 전력이 공급되고, 컨트롤러(48)가 시동하여, 연료전지시스템 제어프로그램이 개시된다. 즉, IG 스위치(32)는, 차량의 제어시스템의 기동을 지시하는 스위치이며, 차량의 기동 시에, 제일 먼저 운전자 등에 의하여 조작되는 스위치이기 때문에, 이것을, 다른 스위치와 구별하여, 특히 제 1 스위치 또는 제 1 조작자라 부를 수 있다.
또한, 상기에서는, IG 스위치(32)와 별도로 액세서리 스위치(34)를 설치하는 것으로서 설명하였으나, IG 스위치(32)와 동시에 액세서리 스위치(34)가 작동하는 것으로서, 실질상 하나의 스위치로, 컨트롤러(42) 등과 액세서리(40) 등을 개시하는 것으로 하여도 된다.
IG 스위치(32)와는 별도로, 14 V 배터리(26)와 컨트롤러(48)의 사이에는 스타트 스위치(36)가 설치된다. 도 2에서 나타내는 바와 같이, 스타트 스위치(36)의 온/오프신호(52)는 컨트롤러(48)에 전달되고, 스타트 스위치(36)가 온이 된 것을 컨트롤러(48)가 검출하면, FC 기동지령 모듈(50)의 기능에 의하여 FC 기동지령 신호(54)가 FC용 보조기기(44) 등에 대하여 출력된다.
스타트 스위치(36)는, 차실 내에 그 조작부가 설치되고, 운전자 등에 의하여, 그 조작부가 조작되어 스타트 스위치(36)가 온되면, 상기한 바와 같이, FC용 보조기기(44) 등에 FC 기동지령 신호(54)가 출력된다. FC용 보조기기(44) 등에 FC 기동지령 신호(54)가 출력되면, 다른 필요한 조건이 만족되는 것을 전제로, FC용 보조기기(44) 등이 기동하기 때문에, 스타트 스위치(36)는, 연료전지에 의한 차량 주행 가능상태로의 이행을 지시하는 스위치로서의 조작자의 기능을 가진다. 이와 같이, 스타트 스위치(36)는, IG 스위치(32)가 온된 후에, 다음 운전자 등에 의하여 조작되는 스위치이기 때문에, 이것을 다른 스위치와 구별하여, 특히 제 2 스위치 또는 제 2 조작자라 부를 수 있다.
FC용 보조기기(44) 등은, 연료전지 스택(24)을 작동시키기 위하여 사용되는 전기기기이다. FC연료 전지용 보조기기로서는, 산화가스를 압축하여 연료전지 스택(24)에 공급하는 에어컴프레서(ACP)(70), 연료가스인 수소를 연료전지 스택(24)으로 보내주기 위한 수소 펌프(72), 연료전지 스택(24) 등을 냉각하는 냉각수 펌프(74) 등의 회전기계 외에, 이들을 구동하기 위한 각 인버터회로(60, 62, 64)가 포함된다. 또, 연료전지 스택(24)을 구성하는 각 단전지의 전압, 온도 등을 감시 하는 셀 모니터(66)도, 연료전지 스택(24)을 작동시키기 위하여 사용되는 전기기기로서, FC용 보조기기(44) 등에 포함된다.
14 V 배터리(26)와 FC용 보조기기(44) 등과의 사이에는, FC 인버터 등 스위치(38)가 설치된다. 도 2에서 나타내는 바와 같이, FC 인버터 등 스위치(38)는, 인버터회로(60, 62, 64)와, 셀 모니터(66)에, 14 V 배터리(26)의 전력을 공급할지, 공급을 정지할지의 기능을 가지는 스위치이다. FC 인버터 등 스위치(38)는, 도 2에서 설명한 다른 IG 스위치(32), 액세서리 스위치(34), 스타트 스위치(36)와는 달리, 운전자 등의 조작에 의하지 않고, 컨트롤러(48)의 소비전력 억제 모듈(51)의 기능에 의해 제어된다.
여기서, 소비전력 억제 모듈(51)의 기능의 내용을 설명한다. 소비전력 억제 모듈(51)은, IG 스위치(32)의 온/오프신호와, 스타트 스위치(36)의 온/오프신호에 의거하여, FC 인버터 등 스위치(38)의 온/오프 제어신호(56)를 출력한다. 구체적으로는, 제 1 스위치인 IG 스위치(32)가 온되고 나서, 제 2 스위치인 스타트 스위치(36)가 온되기까지의 대기기간에 있어서, 제 1 스위치가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하고 나서 제 2 스위치가 온되기까지의 기간에 대하여, FC용 보조기기(44) 등으로의 14 V 배터리(26)로부터의 전력공급을 정지하는 기능을 가진다.
상기한 바와 같이, 제 1 조작자인 IG 스위치(32)는, 차량의 기동을 지시하는 스위치이고, 제 2 조작자인 스타트 스위치(36)는, 연료전지에 의한 차량 주행 가능상태로의 이행을 지시하는 스위치이다. 지금, 차량 주행 가능상태를 제 1 제어상 태로 하고, 제 1 제어상태의 대기상태, 즉, 제 1 제어상태로의 이행의 지시가 입력되면 제 1 제어상태로 이행하는 대기상태를 제 2 제어상태라고 생각하면, 제 1 조작자인 IG 스위치(32)는, 제 2 제어상태의 개시를 지시하는 조작자이고, 제 2 조작자인 스타트 스위치(36)는 제 1 제어상태로의 이행을 지시하는 조작자이다.
그리고, 소비 전력 억제모듈(51)이 출력하는 온/오프 제어신호(56)는, 이 제 2 제어상태인 대기상태에서, 소정의 조건 하에서, FC용 보조기기(44) 등의 부하에 대한 전력소비를 저감하는 저감 지시를 출력하는 수단이다. 즉, 여기서는, 제 1 조작자인 IG 스위치(32)가 온되어 대기상태가 되고 나서, 제 2 조작자인 스타트 스위치(36)가 온되어 주행 가능상태로의 이행 지시가 나가기까지의 대기기간에 있어서, 제 1 스위치가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하는 것을 소정의 조건으로 하여, 이 조건 시에, 온/오프 제어신호(56)가 오프된다. 이 온/오프 제어신호(56)의 오프가, 부하에 대한 전력소비를 저감하는 저감 지시가 된다.
FC용 보조기기(44) 등은, 상기한 바와 같이, 연료전지 스택(24)을 작동시키기 위하여 사용되는 전기기기이다. 따라서, 운전자 등의 조작에 의하여 스타트 스위치(36)가 온되어, 연료전지에 의한 차량 주행 가능상태로의 이행이 지시되기까지, 기동할 필요가 없다. 이것을, IG 스위치(32)의 온과 함께 FC용 보조기기(44) 등을 기동시키는 것으로 할 때는, 그 후에 즉시 스타트 스위치(36)가 온되면, 조기에 차량 주행 가능상태로 이행할 수 있기 때문에 편리하나, IG 스위치(32)의 온 후, 얼마동안 스타트 스위치(36)가 온되지 않았다고 하면, 그 동안의 FC용 보조기기(44) 등의 운전은 쓸데 없어진다. 그래서, IG 스위치(32)의 온과 함께 FC용 보 조기기(44) 등을 개시하는 것으로서 스타트 스위치(36)의 온을 대기하나, IG 스위치(32)의 온으로부터의 경과시간이 긴 경우에는, 일단, FC용 보조기기(44) 등으로의 전력공급을 정지하고, 스타트 스위치(36)의 온을 기다려, FC용 보조기기(44) 등으로의 전력공급을 재개하는 것으로 한다. 이에 의하여, 연료전지시스템(10)의 기동 시에 있어서, 제 2 스위치인 스타트 스위치(36)가 온되기까지의 FC용 보조기기(44) 등에 의하여 쓸데 없이 소비되는 14 V 배터리(26)의 전력을 억제할 수 있다.
상기 구성의 연료전지시스템(10)의 동작, 특히, 컨트롤러(48)의 각 기능에 대하여, 도 3과 도 4를 이용하여 설명한다. 또한, 이하에서는, 도 1, 도 2에서의 부호를 사용하여 설명한다. 도 3은, 연료전지시스템(10)의 기동시에 있어서의 소비전력 억제를 위한 순서를 나타내는 플로우차트이다. 이 각 순서는, 대응하는 연료전지시스템 제어프로그램 중에 포함되는 소비전력 억제 프로그램의 각 처리순서에 상당한다. 도 4는, 연료전지시스템(10)의 각 스위치의 온/오프의 타이밍을 나타내는 타임 차트이다. 도 4에서, 가로축은, 원점을 공통으로 한 시간을 취하고, 세로축에는, 각 스위치의 온/오프가 나타나 있다.
연료전지시스템(10)의 기동시에 있어서 소비전력을 억제하기 위한 순서의 제일 처음에는, IG 스위치(32)가 온되었는지의 여부의 판단이다(S10). IG 스위치(32)가 온되었다고 판단될 때까지 S10의 공정은 반복되고, IG 스위치(32)가 온되었다고 판단되면, FC 인버터 등 스위치(38)가 온된다(S12). 이들 기능은, 실제로는 컨트롤러(48)에 14 V 배터리(26)의 전력이 공급됨으로써 컨트롤러(48)가 개시되 면, 그것과 동시에, 또는 적당한 처리시간을 두고, 온/오프 제어신호(56)를 온신호로 하여, FC 인버터 등 스위치(38)에 대하여 출력함으로써 실행된다. 이에 의하여, FC용 보조기기(44) 등이 기동한다.
다음에, 스타트 스위치(36)가 온되었는지의 여부가 판단된다(S14). 통상은 IG 스위치(32)의 온과 동시에 스타트 스위치(36)가 온되는 일은 없기 때문에, 다음에, IG 스위치(32)가 온되고 나서부터의 경과시간(t)을, 미리 정한 대기시간(to)과 비교한다(S16). 대기시간(to)은 임의로 설정할 수 있으나, 예를 들면, 5 sec 등으로 정할 수 있다. 경과시간(t)이 대기시간(to) 미만일 때는, S14로 되돌아간다.
경과시간(t)이 대기시간(to)에 도달하기 전에, 스타트 스위치(36)가 온되었다고 판단되면(S14), 그 상태에서 도 3의 순서는 종료된다. 즉, FC 인버터 등 스위치(38)는 온된 채로 유지된다.
스타트 스위치(36)가 온되었다고 판단되기 전에, 경과시간(t)이 대기시간(to)에 도달하면, FC 인버터 등 스위치(38)가 오프된다(S18). 그 모양을 도 4에 나타낸다. 이 기능은, 컨트롤러(48)의 소비전력 억제 모듈(51)의 기능에 의하여 온/오프 제어신호(56)를 오프신호로 하여, FC 인버터 등 스위치(38)에 대하여 출력함으로써 실행된다. 이에 의하여, FC용 보조기기(44) 등에 대하여, 14 V 배터리(26)로부터의 전력공급이 정지한다.
그 후, 스타트 스위치(36)가 온이 되는지의 여부가 판단된다(S20). 스타트 스위치(36)가 온되었다고 판단될 때까지 S20의 공정은 반복되고, 스타트 스위치(36)가 온되었다고 판단되면, 다시 FC 인버터 등 스위치(38)가 온된다(S22). 이에 의하여, FC용 보조기기(44) 등이 기동한다. 여기서는, 스타트 스위치(36)의 온과 동시에, 또는 적당한 처리시간을 두고, FC용 보조기기(44) 등에 14 V 배터리(26)로부터 전원이 공급되게 된다.
이와 같이 하여, 연료전지시스템의 기동시에 있어서, 제 2 스위치가 온되기까지의 FC용 보조기기 등에서의 2차 전지의 전력소비를 억제할 수 있다.
바꾸어 말하면, 제 1 제어상태의 대기상태인 제 2 제어상태로서 제 1 제어상태로의 이행이 지시되면 제 1 제어상태로 이행하는 제 2 제어상태의 개시를 지시하는 조작자를 가지고, 제 2 제어상태에 있어서, 부하에 대한 전력 소비를 저감하는 저감 지시의 입력에 의하여 대기에 인가되는 부하에서의 전력 소비를 저감시킬 수 있다.
상기에서는, 제 2 제어상태로부터 제 1 제어상태로의 이행으로서, 연료전지나 축전장치 등의 전원과 차량 주행용 모터가 전기적으로 차단된 대기상태로부터, 그것들을 전기적으로 접속하는 주행 가능상태로의 이행을 설명하였다. 이 경우의 전기적인 접속과 차단에는, 상기한 바와 같이, 예를 들면 릴레이 등의 스위칭소자가 사용된다.
이 외에, 별도의 관점에서, 연료전지 차량에서, 주행의 가속도를 지시하는 액셀러레이터 페달 등의 액셀러레이터 조작자로부터 조작이 입력되었다 하여도 주행용 모터를 구동시키지 않고 가속도를 일으키지 않는 대기상태로서의 제 2 제어상 태로부터, 액셀러레이터 조작자의 조작에 따라 주행용 모터를 구동시키는 주행 모드 등의 제 1 제어상태로 이행하는 것이어도 된다. 이 경우에는, 제 2 제어상태로부터 제 1 제어상태로의 이행은, 주행 모드를 지정하는 이른바 시프트 레버 등을 거쳐 입력하는 구성으로 할 수 있다.
또, 연료전지에 연료가스나 산화가스가 공급되지 않고 발전상태에 없는 제 2 제어상태로부터, 연료전지에 연료가스와 산화가스가 공급되어 발전상태가 되는 제 1 제어상태로의 이행으로 하는 것이어도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 정치형연료전지에서도, 소정의 조건 하에서 절전을 할 수 있다.
이와 같이, 제 1 제어상태, 제 2 제어상태는, 시스템의 제어상태, 주행기구의 제어상태, 발전제어상태 등을 포함하는 광의의 의미로 사용된다. 또, 제 2 제어상태로부터 제 1 제어상태로의 이행이란, 하나의 상태로부터 다른 상태로 이행하는 것 외에, 상태가 추이하는 경우, 상태가 천이하는 경우 등과 같이 연속적으로 상태가 변화하는 것을 포함하는 것으로 할 수 있다.
또, 상기에서는, 부하에서의 전력 저감을 지시하는 조건으로서, 제 1 조작자가 온되고 나서, 제 2 조작자가 온되어 주행 가능상태로의 이행지시가 나오기까지의 대기기간에 있어서, 제 1 스위치가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하는 것을 소정의 조건으로 하였다. 이와 같이, 부하에서의 전력저감의 지시는, 연료전지시스템의 상황이 소정의 조건에 도달한 경우에 입력되는 것이 바람직하다. 소정의 조건으로서는, 이와 같이, 제 2 제어상태로 이행하고 나서부터의 누적시간이 소정시간에 도달하는 것으로 하는 외에, 제 2 제어상태 중에, 부하에 전력을 공 급하는 축전장치의 축전량을 검지하여, 그 축전량이 소정의 양까지 적어졌을 때에, 전력저감의 지시를 내는 것으로 할 수 있다. 다른 관점에서, 유저의 상태를 검지하고, 검지결과에 따라 저감 지시를 입력하는 것으로 하여도 된다. 예를 들면, 운전석에 사람이 존재하는지의 여부를 검지하여, 사람이 존재하지 않는 경우에는, 운전자 등에 의한 제 1 제어상태로의 이행이 얼마동안은 없는 것으로 간주하여, 전력저감의 지시를 낼 수 있다.
상기한 바와 같이, 제 1 제어상태의 대기상태란, 지시에 따라 제 1 제어상태로 이행이 가능한 제어모듈의 것이다. 제 1 제어상태로 이행이 가능한 경우를, 제2 제어상태에 있을 때에만 제한하는 것이 바람직하다. 즉, 제 1 제어상태로는, 제2 제어상태를 거쳐서밖에 이행할 수 없다고 하는 구성으로 하여도 된다.
본 발명에 관한 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 기동방법은, 차량 등에 탑재되는 연료전지시스템, 정치형의 연료전지시스템 등에 이용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 제 1 제어상태의 대기상태인 제 2 제어상태로서, 상기 제 1 제어상태로의 이행이 지시되면 상기 제 1 제어상태로 이행하는 제 2 제어상태의 개시를 지시하는 조작자와,
    상기 제 2 제어상태에서, 부하에 대한 전력소비를 저감하는 저감 지시의 입력에 의해 대기에 인가되는 부하에서의 전력소비를 저감시키는 소비전력 저감수단을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 저감 지시는, 연료전지시스템의 상태가 소정 조건에 도달하였을 때에 입력되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 1 제어상태인 제어시스템의 기동을 지시하는 제 1 조작자와,
    제 2 제어상태인 연료전지에 의한 주행 가능상태로의 이행을 지시하는 제 2 조작자와, ,
    상기 제 1 조작자가 온되고 나서 상기 제 2 조작자가 온되기까지의 대기기간에 있어서, 상기 제 1 조작자가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하고 나서 상기 제 2 조작자가 온되기까지의 기간에 대하여, 상기 연료전지를 위한 보조기기로의 축전장치로부터의 전력공급을 정지하는 소비전력 억제수단을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 소비전력 억제수단은,
    상기 연료전지를 위한 유체 펌프로의 상기 축전장치로부터의 전력공급을 정지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 소비전력 억제수단은,
    또한, 상기 연료전지의 상태를 감시하는 셀 모니터로의 상기 축전장치로부터의 전력공급을 정지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 연료전지의 기동의 지시로서, 송전선에 의해 상기 연료전지를 위한 보조기기에 전력을 공급하는 지시를 주는 제 1 조작자와,
    상기 연료전지의 발전상태로의 이행을 지시하는 제 2 조작자와,
    상기 제 1 조작자가 온되고 나서 상기 제 2 조작자가 온되기까지의 대기기간에 있어서, 상기 제 1 조작자가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하고 나서 상기 제 2 조작자가 온되기까지의 기간에 대하여, 상기 송전선으로부터의 전력공급을 정지하는 소비전력 억제수단을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 1 조작자의 온에 의하여 제어 컨트롤러를 기동시키는 공정과,
    연료전지에 의한 주행 가능상태로의 이행을 지시하는 제 2 조작자가 온되었는지의 여부를 판단하는 공정과,
    상기 제 2 조작자가 아직 온되어 있지 않다고 판단되었을 때에, 상기 제 1 조작자가 온되고 나서 임의로 설정된 대기기간이 경과하였는지의 여부를 판단하는 공정과,
    상기 대기기간이 경과하였다고 판단되었을 때에, 그 후에 상기 제 2조작자가 온되기까지의 사이, 상기 연료전지를 위한 보조기기로의 축전장치로부터의 전력공급을 정지하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 기동방법.
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