KR20090096539A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20090096539A
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Abstract

실제로 저온 대책 처리를 실행하기까지의 시간을 단축하는 것이 가능한 연료전지 시스템을 제공한다. 연료전지 시스템의 제어유닛은, 기동시, 검출되는 FC 온도 등을 참조하여, 기동시에 저온 대책 처리가 필요한지의 여부를 판단한다. 제어유닛은, 저온 대책 처리의 필요가 있다고 판단되면, 연료전지를 OCV 상태로 하지 않고, 당해 연료전지의 출력 전압을 저온 대책 처리용의 목표 전압으로 제어하여, 저온 대책 처리를 실행한다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것이다.
외부 온도가 낮은 경우에는, 연료전지 시스템의 정지 후에 그 내부에서 발생한 물이 동결하여, 배관이나 밸브 등이 파손된다는 문제나, 동결한 물이 가스 유로를 막아, 다음번에 연료전지를 기동하였을 때에 가스의 공급이 방해를 받아 전기 화학 반응이 충분하게 진행되지 않는다는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 감안하여, 시스템 기동시에 연료전지의 각 전극에 공급하는 애노드 가스(예를 들면, 연료가스) 및 캐소드 가스(예를 들면, 산화가스)의 적어도 어느 한쪽을 부족상태로 하여, 전극의 일부의 과전압을 증가시켜 연료전지의 온도를 상승시키는 처리(이하, 저온 대책 처리)를 행하는 것이 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1]
일본국 특개2003-504807호 공보
그런데, 종래 기술에서는, 시스템 기동시에 일단 연료전지를 OCV 상태로 하여[바꿔 말하면 연료전지에 OCV(Open circuit voltage)를 발생시켜], 당해 시스템에 이상이 없는지를 체크(진단)하고 나서 저온 대책 처리의 필요성을 판단하고 있었다. 따라서, 시스템 기동시에는, 일단 연료전지를 OCV 상태로 할 필요가 있어, 실제로 저온 대책 처리를 실행하기까지 장시간을 필요로 한다는 문제가 있었다.
본 발명은 이상 설명한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 실제로 저온 대책 처리를 실행하기까지의 시간을 단축하는 것이 가능한 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 저온 대책 처리의 실행이 가능한 연료전지 시스템에 있어서, 기동시, 연료전지에 개방회로 전압이 발생하기 전에 저온 대책 처리의 필요성을 판정하는 판정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 시스템 기동시, 연료전지를 OCV 상태로 하기 전(즉 연료전지에 개방회로 전압이 발생하기 전)에 저온 대책 처리가 필요한지의 여부의 판단을 행하는 구성을 채용함으로써, 저온 대책 처리가 필요하다고 판단한 경우에는, 연료전지를 OCV 상태로 하지 않고 저온 대책용의 목표 운전 동작점으로 시프트시키는 것이 가능해진다. 따라서, 일단 연료전지를 OCV 상태로 하고 나서 저온 대책 처리를 행하는 종래 기술에 비하여, 저온 대책 처리를 실행하기까지의 시간을 단축하는 것이 가능해진다.
여기서, 상기 구성에서는, 상기 판정수단에 의하여 저온 대책 처리가 필요하다고 판정된 경우에는, 상기 연료전지에 개방회로 전압을 발생시키지 않고, 저온 대책 처리용의 목표전압을 발생시키는 제어수단을 더 구비하는 형태가 바람직하다.
또, 상기 구성에서는, 당해 시스템 종료시에 상기 연료전지에 관계되는 부품의 상태를 진단하는 진단수단과, 상기 진단 결과를 기억하는 기억수단을 더 구비하고, 상기 판정수단은, 상기 기억수단에 기억되어 있는 당해 시스템 종료시에 있어서의 진단 결과에 의거하여 상기 저온 대책 처리의 필요성을 판정하는 형태가 바람직하다.
또한, 상기 구성에서는, 상기 연료전지에 관계되는 온도를 검출하는 온도센서를 더 구비하고, 상기 판정수단은, 상기 기억수단에 기억되어 있는 당해 시스템 종료시에 있어서의 진단 결과와, 상기 온도센서에 의하여 검출되는 상기 연료전지에 관계되는 온도에 의거하여, 상기 저온 대책 처리의 필요성을 판정하는 형태가 바람직하다.
또, 상기 구성에서는, 상기 연료전지에 관계되는 부품은, 상기 연료전지의 셀 전압을 검출하는 셀 전압 센서인 형태가 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 실제로 저온 대책 처리를 실행하기까지의 시간을 단축하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템의 구성을 나타내는 도,
도 2는 기동시에 있어서의 FC 전압의 변화를 나타내는 도,
도 3(a)는 저온 대책 처리를 행하지 않은 경우의 연료전지의 운전상태를 나타내는 도,
도 3(b)는 저온 대책 처리를 행하는 경우의 연료전지의 운전상태를 나타내는 도,
도 4는 기동처리를 나타내는 플로우 차트이다.
이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
A. 본 실시형태
(1) 실시형태의 구성
도 1은, 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템(100)의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서는, 연료전지 자동차(FCHV ; Fuel Cell Hyblid Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 차량에 탑재되는 연료전지 시스템을 상정하나, 차량뿐 아니라 각종 이동체(예를 들면, 선박이나 비행기, 로봇 등)나 정치형(定置型) 전원에도 적용 가능하다.
연료전지(40)는, 공급되는 반응가스(연료가스 및 산화가스)로부터 전력을 발생하는 수단이고, 고체 고분자형, 인산형, 용융 탄산염형 등 여러가지 타입의 연료전지를 이용할 수 있다. 연료전지(40)는, MEA 등을 구비한 복수의 단셀을 직렬로 적층한 스택구조를 가지고 있다. 이 연료전지(40)의 출력전압(이하, FC 전압) 및 출력전류(이하, FC 전류)는, 각각 전압센서(140) 및 전류센서(150)에 의하여 검출된다. 연료전지(40)의 연료극(애노드)에는, 연료가스 공급원(10)으로부터 수소가스 등의 연료가스가 공급되는 한편, 산소극(캐소드)에는, 산화가스 공급원(70)으로부터 공기 등의 산화가스가 공급된다.
연료가스 공급원(10)은, 예를 들면 수소탱크나 여러가지 밸브 등으로 구성되 고, 밸브 개방도나 ON/OFF 등을 조정함으로써, 연료전지(40)에 공급하는 연료가스량을 제어한다.
산화가스 공급원(70)은, 예를 들면 에어 컴프레서나 에어 컴프레서를 구동하는 모터, 인버터 등으로 구성되고, 당해 모터의 회전수 등을 조정함으로써, 연료전지(40)에 공급하는 산화가스량을 조정한다.
배터리(60)는, 충방전 가능한 2차 전지이고, 예를 들면 니켈 수소 배터리 등에 의하여 구성되어 있다. 물론, 배터리(60) 대신 2차 전지 이외의 충방전 가능한 축전기(예를 들면 커패시터)를 설치하여도 된다. 이 배터리(60)는, DC/DC 컨버터(130)를 거쳐 연료전지(40)와 병렬로 접속되어 있다.
인버터(110)는, 예를 들면 펄스 폭 변조 방식의 PWM 인버터이고, 제어유닛(80)으로부터 주어지는 제어지령에 따라 연료전지(40) 또는 배터리(60)로부터 출력되는 직류전력을 3상 교류전력으로 변환하여, 트랙션 모터(115)로 공급한다. 트랙션 모터(115)는, 차륜(116L, 116R)을 구동하기 위한 모터(즉 이동체의 동력원)이고, 이러한 모터의 회전수는 인버터(110)에 의하여 제어된다. 이 트랙션 모터(115) 및 인버터(110)는, 연료전지(40) 측에 접속되어 있다.
DC/DC 컨버터(130)는, 예를 들면 4개의 파워 트랜지스터와 전용 드라이브 회로(모두 도시 생략)에 의하여 구성된 풀 브리지 컨버터이다. DC/DC 컨버터(130)는, 배터리(60)로부터 입력된 DC 전압을 승압 또는 강압하여 연료전지(40) 측에 출력하는 기능, 연료전지(40) 등으로부터 입력된 DC 전압을 승압 또는 강압하여 배터리(60) 측에 출력하는 기능을 구비하고 있다. 또, DC/DC 컨버터(130)의 기능에 의 하여, 배터리(60)의 충방전이 실현된다.
배터리(60)와 DC/DC 컨버터(130)의 사이에는, 차량 보조기계나 FC 보조기계 등의 보조기계류(120)가 접속되어 있다. 배터리(60)는, 이들 보조기계류(120)의 전원이 된다. 또한, 차량 보조기계란, 차량의 운전시 등에 사용되는 여러가지 전력기기(조명기기, 공조기기, 유압펌프 등)를 말하고, FC 보조기계란, 연료전지(40)의 운전에 사용되는 여러가지 전력기기(연료가스나 산화가스를 공급하기 위한 펌프 등)를 말한다.
셀 전압 센서(75)는, 제어유닛(80)에 의한 제어 하에, 연료전지(40)를 구성하는 각 셀의 전압(셀 전압)을 검출한다. 구체적으로는, 시스템 종료시 등에 연료전지(40)를 구성하는 각 셀의 전압을 검출하고, 검출 결과를 제어유닛(80)에 출력한다.
제어유닛(80)은, CPU, ROM, RAM 등에 의하여 구성되고, 전압센서(140)나 전류센서(150), 연료전지(40)의 온도(FC 온도)를 검출하는 온도센서(50), 배터리(60)의 충전상태를 검출하는 SOC 센서, 액셀러레이터 페달 등으로부터 입력되는 각 센서 신호에 의거하여 당해 시스템 각부를 중추적으로 제어한다.
또, 제어유닛(80)은, 당해 시스템의 운전 종료시에 셀 전압의 검출을 행한다. 구체적으로는, 제어유닛(진단수단)(80)은, 셀 전압 센서(연료전지에 관계되는 부품)(75)에 의하여 검출되는 각 셀 전압에 의거하여, 당해 시스템이 정상상태에 있는지 이상상태에 있는지의 판단(이하, 셀 모니터 진단)을 행하고, 진단 결과를 불휘발성 메모리(기억수단)(85)에 기억한다. 또한, 불휘발성 메모리(85)로서는, FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) 등을 들 수 있으나, 이것에 한정한다는 취지는 아니고 여러가지 메모리를 채용할 수 있다.
또한, 제어유닛(80)은, 당해 시스템을 기동할 때, 먼저 불휘발성 메모리(85)에 액세스하여, 정상이라는 취지의 진단 결과가 불휘발성 메모리(85)에 기억되어 있는지의 여부를 확인한다. 제어유닛(80)은, 정상이라는 취지의 진단 결과가 기억되어 있다고 판단하면, 온도센서(50) 등에 의하여 검출되는 FC 온도에 의거하여, 기동시에 저온 대책 처리가 필요한지의 여부를 판단한다.
도 2는, 기동시에 있어서의 FC 전압의 변화를 나타내는 도면으로서, OCV를 발생시키지 않고 저온 대책 처리하는 경우의 FC 전압의 변화를 실선으로 나타내고, OCV를 발생시킨 후에 저온 대책 처리하는 경우의 FC 전압의 변화를 점선으로 나타낸다.
제어유닛(80)은, 저온 대책 처리가 필요하다고 판단되면, 연료전지(40)를 OCV 상태로 하지 않고, 당해 연료전지(40)의 출력전압을 저온 대책 처리용의 목표전압으로 제어하여, 저온 대책 처리를 실행한다(도 2의 A 부분 참조 ; 상세한 것은 뒤에서 설명). 이와 같이, 연료전지(40)를 OCV 상태로 하기 전에, 저온 대책 처리가 필요한지의 여부의 판단을 행함으로써, 실제로 당해 시스템을 기동하기까지의 시간을 단축하는 것이 가능해진다.
단, 제어유닛(80)은, 정상이라는 취지의 진단 결과가 기억되어 있지 않다고 판단한 경우(예를 들면, 차량 점검 등에 의하여 과거의 진단 결과가 소거되어 있는 경우 등)에는, 당해 시스템이 정상인지의 여부의 판정이 불가능하다. 여기서, 당해 시스템이 정상인지의 여부의 셀 모니터 진단을 행하기 위해서는, 연료전지(40)를 OCV 상태로 하는 것이 필요하기 때문에, 제어유닛(80)은, 일단 연료전지(40)를 OCV 상태로 한 후, 당해 연료전지(40)를 이용함으로써 셀 모니터 진단을 행한다. 제어유닛(80)은, 정상이라는 취지의 진단 결과가 얻어지면, 상기와 같이 저온 대책 처리가 필요한지의 여부를 판단하고, 저온 대책 처리가 필요하다고 판단되면 저온 대책 처리를 실행한다(도 2의 A' 부분 참조 ; 상세한 것은 뒤에서 설명).
<저온 대책 처리>
도 3(a)는, 저온 대책 처리를 행하지 않은 경우의 연료전지의 운전(통상 운전)을 설명하기 위한 도면이고, 도 3(b)는, 저온 대책 처리를 행하는 경우의 연료전지의 운전(저효율 운전)을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 3(a) 및 도 3(b)에서 가로축은 FC 전류, 세로축은 FC 전압을 나타낸다.
일반적으로, 도 3에 나타내는 바와 같은 전류·전압 특성(이하, IV 특성)이 얻어지는 연료전지(40)에서는, 출력 전력에 대하여 전력 손실이 작은 통상 운전 동작점(Ifc1, Vfc1)에서 운전을 행한다[도 3(a) 참조].
이것에 대하여, 저온 대책 처리를 행하는 경우에는, 전력 손실이 큰 저효율 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)에서 운전을 행하여, 연료전지(40)의 내부 온도를 상승시킨다[도 3(b) 참조]. 이러한 저효율 운전이 행하여지는 과정에서는, 수소와 산소의 반응에 의하여 도출되는 에너지 중, 전력 손실분(즉 열 손실분)이 적극적으로 증대되기 때문에, 신속하게 난기할 수 있다.
본 실시형태에서는, 저온 대책 처리를 행할 때, 도 3(b)의 α에 나타내는 바 와 같이 연료전지(40)를 OCV 상태로 하고 나서 저온 대책 처리용의 목표 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트시키는 것은 아니고, 도 3(b)의 β에 나타내는 바와 같이 연료전지(40)를 OCV 상태로 하지 않고 저온 대책 처리용의 목표 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트시킨다. 이것에 의하여, 실제로 당해 시스템을 기동하기까지의 시간을 단축하는 것이 가능해진다. 이하, 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템(100)의 기동시의 동작에 대하여 설명한다.
(2) 실시형태의 동작
도 4는, 제어유닛(80)에 의하여 실행되는 기동처리를 나타내는 플로우 차트이다.
제어유닛(80)은, 당해 시스템의 기동요구가 입력된 것을 검출하면(단계 S10), 불휘발성 메모리(85)를 참조하여(단계 S20), 정상이라는 취지의 진단 결과가 불휘발성 메모리(85)에 기억되어 있는지의 여부를 확인한다(단계 S30).
제어유닛(판정수단)(80)은, 정상이라는 취지의 진단 결과가 기억되어 있다고 판단되면(단계 S30 ; YES), 온도센서(50) 등에 의하여 검출되는 FC 온도 등을 참조하여, 기동시에 저온 대책 처리가 필요한지의 여부를 판단한다(단계 S40). 일례를 들어 설명하면, 온도센서(50)에 의하여 검출되는 FC 온도가 설정된 문턱값 온도를 하회(下回)하고 있는 경우에는, 저온 대책 처리가 필요하다고 판단한다. 물론, 판단방법은 이것에 한정한다는 취지가 아니라, 예를 들면 FC 온도 대신 외기 온도 또는 기타 시스템 부품의 온도를 검출하여, 외기 온도가 문턱값 온도를 하회하고 있는 경우에 저온 대책 처리가 필요하다고 판단하여도 된다.
제어유닛(제어수단)(80)은, 저온 대책 처리의 필요가 있다고 판단되면(단계 S40 ; YES), 연료전지(40)를 OCV 상태로 하지 않고, 당해 연료전지(40)의 출력전압을 저온 대책 처리용의 목표전압으로 제어하여, 저온 대책 처리를 실행한다(도 2의 실선 참조).
상세하게 설명하면, 먼저, 제어유닛(80)은, 목표로 하는 FC 온도와 금회 검출된 FC 온도의 차분에 의거하여, 도 3(b)에 나타내는 저온 대책 처리용의 목표 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)을 연산한다. 이러한 연산을 행하면, 제어유닛(80)은, DC/DC 컨버터(130)를 제어함으로써, 연료전지(40)의 운전 동작점을 목표 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트시켜, 저효율 운전을 개시한다(단계 S50). 구체적으로는, 제어유닛(80)은, 연료전지(40)를 OCV 상태로 하지 않고, 도 3(b)의 β로 나타내는 바와 같은 경로를 더듬어 저온 대책 처리용의 목표 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트시킨 후, 저효율 운전을 개시한다. 이와 같이, 연료전지(40)를 OCV 상태로 하지 않고 저온 대책용의 목표 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트시킴으로써, 실제로 당해 시스템을 기동하기까지의 시간을 단축하는 것이 가능해진다.
한편, 저온 대책 처리가 불필요하다고 판단되면(단계 S40 ; NO), 제어유닛(80)은, 연료전지(40)를 통상 운전 동작점(Ifc1, Vfc1)으로 시프트시킨 후[도 3(a) 참조], 통상운전을 개시한다(단계 S60).
또, 제어유닛(80)은, 불휘발성 메모리(85)에 정상이라는 취지의 진단 결과가 기억되어 있지 않다고 판단되면(단계 S30 ; NO), 일단 연료전지(40)를 OCV 상태로 한다(단계 S70). 이와 같이, 기동 전에 OCV를 발생시키는 것은 셀 모니터 진단을 실시하기 위함이다. 상기한 바와 같이, 당해 시스템을 기동할 때는, 당해 시스템이 정상인 것을 확인할 필요가 있으나, 불휘발성 메모리(85)에 정상이라는 취지의 진단 결과가 기억되어 있지 않은 경우에는, 정상인지의 여부의 판정이 불가능하다. 그래서, 이러한 경우에는, 일단 연료전지(40)를 OCV 상태로 한 후(도 2의 점선 참조), 당해 연료전지(40)를 이용함으로써 셀 모니터 진단을 행한다(단계 S80).
제어유닛(80)은, 정상이라는 취지의 진단 결과가 얻어지면, 단계 S40으로 진행하여, 저온 대책 처리가 필요한지의 여부를 판단한다. 제어유닛(80)은, 저온 대책 처리가 필요하다고 판단되면, 연료전지(40)를 저온 대책 처리용의 목표 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트시킨 후, 저효율 운전을 개시한다. 단, 이 경우에는, 기동 전에 연료전지(40)를 OCV 상태로 하고 있기 때문에, 도 3(b)의 α로 나타내는 바와 같은 경로를 더듬어 저온 대책 처리용의 목표 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트시킨 후, 저효율 운전을 개시하게 된다(단계 S40 → 단계 S50). 한편, 제어유닛(80)은, 저온 대책 처리가 불필요하다고 판단되면, 상기와 마찬가지로, 연료전지(40)를 통상 운전 동작점(Ifc1, Vfc1)으로 시프트시킨 후[도 3(a) 참조], 통상 운전을 개시하게 된다(단계 S40 → 단계 S60).
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 시스템 기동시에 저온 대책 처리를 행할 때, 연료전지를 OCV 상태로 하기 전에 저온 대책 처리가 필요한지의 여부의 판단을 행한다. 이러한 판단에서 저온 대책 처리가 필요하다고 판단되었을 경우, 연료전지를 OCV 상태로 하지 않고 저온 대책용의 목표 운전 동작점으로 시프트시킴으로써, 실제로 시스템을 기동하기까지의 시간을 단축하는 것이 가능해진다.
또한, 상기한 본 실시형태에서는, 불휘발성 메모리(85)에 정상이라는 취지의 진단 결과가 기억되고, 또한, 저온 대책 처리가 필요하다고 판단한 경우에, 연료전지(40)를 OCV 상태로 하지 않고 저온 대책용의 목표 운전 동작점으로 시프트하였으나, 어떠한 방법으로 당해 시스템에 이상이 없는 것을 확인할 수 있는 것이면, 당해 진단 결과의 유무에 관계없이 저온 대책 처리가 필요하다고 판단한 경우에, 연료전지(40)를 OCV 상태로 하지 않고 저온 대책용의 목표 운전 동작점으로 시프트하여도 된다.

Claims (6)

  1. 저온 대책 처리의 실행이 가능한 연료전지 시스템에 있어서,
    기동시, 연료전지에 개방회로 전압이 발생하기 전에 저온 대책 처리의 필요성을 판정하는 판정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 판정수단에 의하여 저온 대책 처리가 필요하다고 판정된 경우에는, 상기 연료전지에 개방회로 전압을 발생시키지 않고, 저온 대책 처리용의 목표전압을 발생시키는 제어수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    당해 시스템 종료시에 상기 연료전지에 관계되는 부품의 상태를 진단하는 진단수단과,
    상기 진단 결과를 기억하는 기억수단을 더 구비하고,
    상기 판정수단은, 상기 기억수단에 기억되어 있는 당해 시스템 종료시에 있어서의 진단 결과에 의거하여 상기 저온 대책 처리의 필요성을 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연료전지에 관계되는 온도를 검출하는 온도센서를 더 구비하고,
    상기 판정수단은, 상기 기억수단에 기억되어 있는 당해 시스템 종료시에 있어서의 진단 결과와, 상기 온도센서에 의하여 검출되는 상기 연료전지에 관계되는 온도에 의거하여, 상기 저온 대책 처리의 필요성을 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 판정수단은, 상기 기억수단에 정상이라는 취지의 진단 결과가 기억되고, 또한, 상기 온도센서에 의하여 검지되는 상기 연료전지에 관계되는 온도가 문턱값 온도를 하회하고 있는 경우에, 상기 저온 대책이 필요하다고 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 연료전지에 관계되는 부품은, 상기 연료전지의 셀 전압을 검출하는 셀 전압 센서인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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