KR20090108129A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20090108129A
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지시스템(10)은, 연료가스 및 산화 가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택(20)과, 연료전지 스택(20)에 산화 가스를 공급하는 에어컴프레서(32)와, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 강압시킬 때에 연료전지 스택(20)의 용량 성분으로부터의 방전을 가미하여 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화 가스 유량을 저감시키는 컨트롤러(30)를 구비한다. 연료전지시스템(10)은, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 강압하였을 때에, 연료전지 스택(20)의 용량 성분으로부터 외부 부하로의 방전을 가미하여 전지 운전을 제어할 수 있다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지의 출력 전압을 강하시킬 때에, 연료전지의 용량 성분으로부터의 방전을 가미하여 운전 제어하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지는, 연료를 전기화학 프로세스에 의하여 산화시킴으로써 산화반응에 따라 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전시스템으로, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 전해질막의 양 측면을 다공질 재료로 이루어지는 1 쌍의 전극에 의해 끼워 유지하여 이루어지는 막 - 전극 어셈블리를 복수 적층하여 이루어지는 스택 구조를 가지고 있다. 그 중에서도, 고체 고분자막을 전해질로서 사용하는 고체 고분자 전해질형 연료전지는, 저비용으로 컴팩트화가 용이하고, 또한 높은 출력 밀도를 가지기 때문에, 차량 탑재 전력원으로서의 용도가 기대되고 있다.
이와 같은 종류의 연료전지는, 일반적으로 70∼80℃가 발전에 최적의 온도역으로 되어 있으나, 한냉지 등의 환경에서는, 기동하고 나서 최적 온도역에 도달할 때까지 장시간을 요하는 경우가 있기 때문에, 각종 난기 시스템이 검토되고 있다. 예를 들면, 일본국 특개2004-30979호 공보에는, 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 실시함으로써 연료전지의 자기 발열량을 제어하고, 연료전지를 난기하는 방법에 대하여 개시되어 있다. 이와 같은 방법에 의하면, 연료전지에 의한 자기 난기가 가능하기 때문에, 난기용 장치를 탑재할 필요가 없고, 편리성이 우수하다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2004-30979호 공보
그런데, 저효율 운전 중에 연료전지에 대한 요구 전력이 저감한 경우, 에어컴프레서로부터 연료전지에 대한 공기 유량을 급격하게 스로틀할 수 없기 때문에, 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을 발전하는 경우가 있다. 이와 같은 잉여 전력은, 연료전지의 출력 전압을 일시적으로 승압함으로써 연료전지의 용량 성분에 충전시킬 수 있다.
그리고, 잉여 전력이 연료전지의 용량 성분에 충전된 후는, 연료전지의 출력 전압을 원래의 전압으로 강압시킬 필요가 있다. 연료전지의 출력 전압을 강압시키면, 연료전지의 용량 성분에 충전되어 있는 전력이 외부 부하로 방전되기 시작하기때문에, 연료전지로부터 외부 부하로 공급되는 전력이 요구 전력을 넘지 않도록, 연료전지의 발전량을 적절하게 억제하는 것이 검토 과제로 되어 있다.
이와 같은 검토 과제는, 통상 운전으로부터 저효율 운전으로 변환할 때나, 시스템 정지 시 등, 연료전지의 출력 전압을 강압시킬 때에 공통하여 생기는 것이다.
그래서, 본 발명은 연료전지의 출력 전압을 강압하였을 때에, 연료전지의 용량 성분으로부터 외부 부하로의 방전을 가미하여 전지운전을 제어하는 연료전지시스템을 제안하는 것을 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 연료가스 및 산화 가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와, 연료전지에 산화 가스를 공급하는 산화 가스 공급장치와, 연료전지의 출력 전압을 강압시킬 때에 연료전지의 용량 성분(capacitance component)으로부터의 방전을 가미하여 산화 가스 공급장치로부터 연료전지에 공급되는 산화 가스 유량을 저감시키는 컨트롤러를 구비한다.
연료전지의 출력 전압을 강압시키면, 연료전지의 용량 성분으로부터 외부 부하에 방전이 생기기 때문에, 이와 같은 방전을 가미하여 연료전지에 대한 산화 가스 공급을 저감함으로써, 연료전지로부터 외부 부하로 공급되는 전력과, 외부 부하가 요구하는 전력을 일치시킬 수 있다.
여기서, 연료전지의 용량 성분이란, 연료전지의 촉매층과 전해질막과의 계면에 기생적으로 형성되는 전기 2중층의 용량 성분을 의미한다.
본 발명에 관한 연료전지시스템은, 산화 가스 공급장치로부터 공급되는 산화 가스의 일부를, 연료전지를 바이패스하여 배기하기 위한 바이패스 장치를 더 구비하여도 된다. 바이패스 장치는, 연료전지의 출력 전압을 강압시킬 때에 산화 가스의 바이패스 유량을 조정함으로써 연료전지에 공급되는 산화 가스 유량을 저감시킨다.
산화 가스 공급장치가 대유량용의 것으로, 저유량 가스를 안정되게 공급하는 것이 곤란한 유량 특성을 가지고 있는 경우에는, 전압 강하 처리 시에 연료전지의 발전을 적절하게 억제하기 위하여 연료전지에 대한 산화 가스 유량을 조정하는 것은 곤란하나, 상기한 구성에 의하면, 바이패스 장치를 흐르는 바이패스 공기 유량을 조정함으로써, 전압 강하 처리 시에 연료전지로부터 외부 부하로 공급되는 전력과 외부 부하가 요구하는 전력이 일치하도록, 연료전지의 발전을 적절하게 억제할 수 있다.
또, 산화 가스 공급장치가 대유량용의 것이고, 저유량 가스를 안정되게 공급하는 것이 곤란한 유량 특성을 가지고 있는 경우에는, 전압 강하 처리 완료 후에 요구 전력에 적합한 전력을 발전할 것을 목적으로 하여 산화 가스 공급장치로부터 연료전지에 산화 가스를 공급하면, 필요 이상의 산화 가스를 연료전지에 공급하여, 잉여 전력을 발생시킬 가능성이 있으나, 상기한 구성에 의하면, 산화 가스 공급장치의 구동 제어에 더하여 바이패스 장치를 흐르는 바이패스 공기 유량을 조정함으로써, 요구 전력에 적합한 산화 가스를 연료전지에 안정되게 공급할 수 있다.
한편, 산화 가스 공급장치가 소유량용의 것이고, 저유량 가스를 안정되게 공급하는 것이 가능한 유량 특성을 가지고 있는 경우에는, 전압 강하 처리 시에 연료전지로부터 외부 부하로 공급되는 전력과 외부 부하가 요구하는 전력이 일치하도록, 연료전지에 공급되는 산화 가스 유량을 미세 조정하는 것이 가능하고, 또한 전압 강하 처리 완료 후에 요구 전력에 적합한 산화 가스를 연료전지에 안정되게 공급하는 것도 가능하다. 이와 같은 경우에는, 컨트롤러는, 연료전지의 출력 전압을 강압시킬 때에, 산화 가스 공급장치로부터 연료전지에 대한 산화 가스 공급을 정지하여도 된다.
연료전지의 출력 전압을 강압하는 경우로서, 예를 들면, (1) 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 한창 실시하고 있을 때에 발생한 잉여 전력을 연료전지의 용량 성분에 충전하기 위하여 연료전지의 출력 전압을 승압하고, 용량 성분에 대한 잉여 전력의 충전이 완료된 단계에서 연료전지의 출력 전압을 강압하는 경우, (2) 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전에 의해 연료전지를 난기할 때에 연료전지의 출력 전압을 연료전지의 전류 대 전압 특성 곡선에 의해 정해지는 전압값 이하로 강압하는 경우가 있다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템의 시스템 구성도,
도 2는 셀의 분해사시도,
도 3은 연료전지 스택의 C-V 특성도,
도 4는 연료전지 스택의 등가 회로도,
도 5는 연료전지 스택의 운전 포인트의 설명도,
도 6은 ΔV 제어의 제어과정을 나타내는 타이밍차트이다.
이하, 각 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(10)의 시스템 구성을 나타낸다.
연료전지시스템(10)은, 연료전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능하는 것으로, 반응가스(연료가스, 산화 가스)의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택(20)과, 산화 가스로서의 공기를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 산화 가스 공급계(30)와, 연료가스로서의 수소가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 연료가스 공급계(40)와, 전력의 충방전을 제어하기 위한 전력계(50)와, 연료전지 스택(20)을 냉각하기 위한 냉각계(60)와, 시스템 전체를 제어하는 컨트롤러(ECU)(70)를 구비하고 있다.
연료전지 스택(20)은, 복수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자전해질형 셀 스택이다. 연료전지 스택(20)에서는, 애노드극에서 식 (1)의 산화반응이 생기고, 캐소드극에서 식 (2)의 환원반응이 생긴다. 연료전지 스택(20) 전체로서는 식 (3)의 기전반응이 생긴다.
Figure 112009055067994-PCT00001
연료전지 스택(20)에는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 검출하기 위한 전압 센서(71),및 발전 전류를 검출하기 위한 전류 센서(72)가 설치되어 있다.
산화 가스 공급계(30)는, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화 가스가 흐르는 산화 가스 통로(34)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스 통로(36)를 가지고 있다. 산화 가스 통로(34)에는, 필터(31)를 거쳐 대기 중에서 산화 가스를 도입하는 에어컴프레서(32)와, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화 가스를 가습하기 위한 가습기(33)와, 산화 가스 공급량을 조정하기 위한 스로틀 밸브(35)가 설치되어 있다. 산화 오프 가스 통로(36)에는, 산화 가스 공급압을 조정하기 위한 배압 조정 밸브(37)와, 산 화 가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스)의 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(33)가 설치되어 있다.
산화 가스 통로(34)와 산화 오프 가스 통로(36)의 사이에는, 연료전지 스택(20)을 바이패스하여 양자 사이를 접속하는 바이패스 통로(38)와, 바이패스 통로(38)를 흐르는 산화 가스 유량을 조정하는 바이패스 밸브(39)가 설치되어 있다. 바이패스 밸브(39)는, 통상 시에는 밸브 폐쇄되어 있고, 뒤에서 설명하는 전압 강하 처리 시에 밸브 개방된다. 바이패스 통로(38)와 바이패스 밸브(39)는, 바이패스 공기 유량을 조정하기 위한 바이패스 장치로서 기능한다.
연료가스 공급계(40)는, 연료가스 공급원(41)과, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료전지 스택(20)의 애노드극에 공급되는 연료가스가 흐르는 연료가스 통로(45)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료가스 통로(45)로 귀환시키기 위한 순환 통로(46)와, 순환 통로(46) 내의 연료 오프 가스를 연료가스 통로(43)로 압송하는 순환 펌프(47)와, 순환 통로(47)에 분기 접속되는 배기 배수 통로(48)를 가지고 있다.
연료가스 공급원(41)은, 예를 들면, 고압 수소 탱크나 수소 흡장 합금 등으로 구성되고, 고압(예를 들면, 35 MPa∼70 MPa)의 수소가스를 저류한다. 차단 밸브(42)를 개방하면, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료가스 통로(45)로 연료가스가 유출된다. 연료가스는, 레귤레이터(43)나 인젝터(44)에 의하여 예를 들면, 200 kPa 정도까지 감압되어, 연료전지 스택(20)에 공급된다.
또한, 연료가스 공급원(41)은, 탄화수소계의 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성한 개질 가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크로 구성하여도 된다.
레귤레이터(43)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 조압하는 장치로서, 예를 들면, 1차압을 감압하는 기계식 감압 밸브 등으로 구성된다. 기계식 감압 밸브는, 배압실과 조압실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의해 조압실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 구성을 가진다.
인젝터(44)는, 밸브체를 전자 구동력으로 직접적으로 소정의 구동 주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시킴으로써 가스 유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자 구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(44)는, 연료가스 등의 기체 연료를 분사하는 분사 구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체 연료를 분사구멍까지 공급 안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대하여 축선방향(기체 흐름 방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.
배기 배수 통로(48)에는, 배기 배수 밸브(49)가 설치되어 있다. 배기 배수 밸브(49)는, 컨트롤러(70)로부터의 지령에 의해 작동함으로써, 순환 통로(46) 내의 불순물을 포함하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출한다. 배기 배수 밸브(49)의 개방에 의하여, 순환 통로(46) 내의 연료 오프 가스 중의 불순물의 농도가 내려 가고, 순환계 내를 순환하는 연료 오프 가스 중의 수소 농도를 올릴 수 있다.
배기 배수 밸브(49)를 거쳐 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스 통로(34)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되고, 희석기(도시 생략)에 의해 희석된다.순환 펌프(47)는, 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의해 연료전지 스택(20)에 순환 공급한다.
전력계(50)는, DC/DC 컨버터(51), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 트랙션 모터(54) 및 보조 기계류(55)를 구비하고 있다. DC/DC 컨버터(51)는, 배터리(52)로부터 공급되는 직류 전압을 승압하여 트랙션 인버터(53)에 출력하는 기능과, 연료전지 스택(20)이 발전한 직류 전력, 또는 회생 제동에 의해 트랙션 모터(54)가 회수한 회생 전력을 강압하여 배터리(52)에 충전하는 기능을 가진다. DC/DC 컨버터(51)의 이들 기능에 의하여 배터리(52)의 충방전이 제어된다. 또, DC/DC 컨버터(51)에 의한 전압 변환 제어에 의하여, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력 전압, 출력전류)가 제어된다.
배터리(52)는, 잉여 전력의 저장원, 회생 제동 시의 회생 에너지 저장원, 연료전지 차량의 가속 또는 감속에 따르는 부하 변동 시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 배티러(52)로서는, 예를 들면, 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차 전지 등의 2차 전지가 적합하다.
트랙션 인버터(53)는, 예를 들면, 펄스폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이고, 컨트롤러(70)로부터의 제어지령에 따라, 연료전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토오크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는, 예를 들면, 3상 교류 모터이고, 연료전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조 기계류(55)는, 연료전지시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모터(예를 들면, 펌프류 등의 동력원)나, 이들 모터를 구동하기 위한 인버터류, 또한, 각종 차량 탑재 보조 기계류(예를 들면, 에어컴프레서, 인젝터, 냉각수 순환 펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
냉각계(60)는, 연료전지 스택(20) 내부를 순환하는 냉매를 흘리기 위한 냉매통로(61, 62, 63, 64), 냉매를 압송하기 위한 순환 펌프(65), 냉매와 외기 사이에서 열교환하기 위한 라디에이터(66), 냉매의 순환경로를 변환하기 위한 삼방 밸브(67) 및 냉매 온도를 검출하기 위한 온도 센서(74)를 구비하고 있다. 난기 운전이 완료된 후의 통상 운전 시에는 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매 통로(61, 64)를 흘러 라디에이터(66)에서 냉각된 후, 냉매 통로(63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러 들도록 삼방 밸브(67)가 개폐 제어된다. 한편, 시스템 기동 직후에서의 난기 운전 시에는, 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매 통로(61, 62, 63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러 들도록 삼방밸브(67)가 개폐 제어된다.
컨트롤러(70)는, CPU, ROM, RAM, 입출력 인터페이스 등을 구비하는 컴퓨터 시스템이고, 연료전지시스템(10)의 각 부[산화 가스 공급계(30), 연료가스 공급계(40), 전력계(50) 및 냉각계(60)]를 제어하기 위한 제어장치로서 기능한다. 예를 들면, 컨트롤러(70)는, 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동신호(IG)를 수신하면, 연료전지시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액 셀러레이터 개방도 신호(ACC)나, 차속 센서로부터 출력되는 차속 신호(VC) 등을 기초로 시스템 전체의 요구 전력을 구한다.
시스템 전체의 요구 전력은, 차량 주행 전력과 보조 기계 전력과의 합계값이다. 보조 기계 전력에는 차량 탑재 보조 기계류(가습기, 에어컴프레서, 수소 펌프, 및 냉각수 순환 펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어장치, 조타장치, 및 현가장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승원 공간 내에 설치되는 장치(공기조절장치, 조명기구, 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 컨트롤러(70)는, 연료전지 스택(20)과 배터리(52)의 각각의 출력 전력의 배분을 결정하고, 발전 지령값을 연산함과 동시에, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표 전력과 일치하도록, 산화 가스 공급계(30) 및 연료가스 공급계(40)를 제어한다. 또한 컨트롤러(70)는, DC/DC 컨버터(51)를 제어하여, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력 전압, 출력전류)를 제어한다. 컨트롤러(70)는, 액셀러레이터 개방도에 따른 목표 토오크가 얻어지도록, 예를 들면, 스위칭 지령으로서, U상, V상, 및 W상의 각 교류 전압 지령값을 트랙션 인버터(53)에 출력하고, 트랙션 모터(54)의 출력 토오크, 및 회전수를 제어한다.
도 2는 연료전지 스택(20)을 구성하는 셀(21)의 분해 사시도이다.
셀(21)은, 전해질막(22)과, 애노드극(23)과, 캐소드극(24)과, 세퍼레이터(26, 27)로 구성되어 있다. 애노드극(23) 및 캐소드극(24)은, 전해질막(22)을 양측에서 끼워 샌드위치 구조를 이루는 확산 전극이다. 가스 불투과의 도전성 부재로 구성되는 세퍼레이터(26, 27)는, 이 샌드위치 구조를 다시 양측에서 끼우면서, 애노드극(23) 및 캐소드극(24)의 사이에 각각 연료가스 및 산화 가스의 유로를 형성한다. 세퍼레이터(26)에는, 단면 오목형상의 리브(26a)가 형성되어 있다. 리브(26a)에 애노드극(23)이 맞닿음으로써, 리브(26a)의 개구부는 폐쇄되고, 연료가스 유로가 형성된다. 세퍼레이터(27)에는, 단면 오목형상의 리브(27a)가 형성되어 있다. 리브(27a)에 캐소드극(24)이 맞닿음으로써, 리브(27a)의 개구부는 폐쇄되고, 산화가스 유로가 형성된다.
애노드극(23)은, 백금계의 금속 촉매(Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru 등)를 담지하는 카본 분말을 주성분으로 하고, 전해질막(22)에 접하는 촉매층(23a)과, 촉매층(23a)의 표면에 형성되고, 통기성과 전자 도전성을 아울러 가지는 가스 확산층(23b)을 가진다. 마찬가지로, 캐소드극(24)은, 촉매층(24a)과 가스 확산층(24b)을 가진다. 더욱 상세하게는, 촉매층(23a, 24a)은, 백금, 또는 백금과 다른 금속으로 이루어지는 합금을 담지한 카본 분말을 적당한 유기용매로 분산시키고, 전해질 용액을 적당량 첨가하여 페이스트화하여, 전해질막(22) 상에 스크린 인쇄한 것이다. 가스 확산층(23b, 24b)은, 탄소섬유로 이루어지는 실로 짜서 이루어진 카본 크로스, 카본 페이퍼, 또는 카본 펠트에 의하여 형성되어 있다. 전해질막(22)은, 고체 고분자 재료, 예를 들면, 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이고, 습윤상태에서 양호한 전기 전도성을 발휘한다. 전해질막(22), 애노드극(23) 및 캐소드극(24)에 의하여 막 - 전극 어셈블리(25)가 형성된다.
도 3은 연료전지 스택(20)의 C-V 특성(사이클릭 볼타모그램 ; cyclic voltammogram)을 나타내고 있다.
이 C-V 특성은, 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 나타내는 것으로, 연료전지 스택(20)의 전압을 일정한 전압 상승율로 승압시키면, 외부로부터 연료전지 스택(20)으로 흘러 드는 방향(마이너스 방향)으로 전류가 흐르고, 연료전지 스택의 전압을 일정한 전압 하강율로 강압시키면, 연료전지 스택(20)으로부터 외부로 흐르는 방향(플러스 방향)으로 전류가 흐른다. 이와 같은 동적인 전기 특성은, 연료전지 스택(20)이 기생적으로 가지는 용량 성분에 의한 것임이 판명되어 있다.
다시 도 2를 참조하면, 전해질막(22)과 촉매층(23a)과의 계면, 전해질막(22)과 촉매층(24a)과의 계면에는, 상기한 식 (1)∼(2)에 나타내는 전기화학반응에 관여하는 전자와 수소 이온이 집합함으로써, 전기 2중층이 형성된다. 전기 2중층에 모이는 전자와 수소 이온에 의하여 생기는 전압은, 기저 상태에 있는 수소가스 및 산소가스의 각각을 활성화하기 위한 에너지원으로서 소비되기 때문에, 일반적으로 활성화 과전압이라 불리운다. 상기 계면에 형성되는 전기 2중층은, 전기 에너지 저장원으로서 기능하는 것으로, 그 동적인 전기 특성은, 커패시터와 등가인 것이 알려져 있다.
발전 전류를 급격하게 증감시키면, 전해질막(22)의 오옴 저항에 기인하는 오옴 전압 강하는, 발전 전류의 변화에 대하여 응답성 좋게 추종하여 가나, 전기 2중층에 생기는 활성화 과전압은, 발전 전류의 변화에 대하여 응답성 좋게 추종할 수 없고, 어느 정도의 시간을 들여 천천히 평형상태로 안정된다. 이와 같은 상위가 생기는 이유는, 전해질막(22)의 전기 특성은, 저항소자로서 모델화할 수 있는 것에 대하여, 전기 2중층의 전기 특성은, 커패시터로서 모델화할 수 있기 때문이다.
도 4는 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 모델화한 등가회로도이다.
연료전지 스택(20)은, 이상(理想) 연료전지(28)와 커패시터(29)가 병렬 접속되어 이루어지는 회로 구성을 가지고 있다. 이상 연료전지(28)는, 상기한 C-V 특성을 가지지 않은 가상적인 연료전지를 모델화한 것으로, 전기 특성 상, 가변 전원과 등가의 작용을 한다. 커패시터(29)는, 상기 계면에 형성되는 전기 2중층의 전기적인 작용을 용량 소자로서 모델화한 것이다. 외부 부하(56)는 전력계(50)를 모델화한 등가회로이다. 이상 연료전지(28)로부터 흘러 나가는 전류를 Ifc, 이상 연료전지(28)의 출력 전압[연료전지 스택(20)의 출력 전압]을 Vfc, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류를 Ic, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)에 흘러 나가는 전류를 Is, 커패시터(29)의 용량을 C, 시간을 t라 하면, 이하에 나타내는 식 (4)∼(5)가 성립한다.
Figure 112009055067994-PCT00002
식 (4)∼(5)에 나타내는 바와 같이, 출력 전압(Vfc)을 승압하면, 단위 시간당의 변화량(ΔVfc/Δt)에 따라, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류(Ic)가 증가하기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)는 감소한다. 한편, 출력 전압(Vfc)을 강압하면, 단위 시간당의 변화량(ΔVfc/Δt)에 따라, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류(Ic)가 감소하기 때문에, 연료전지 스택(20)으 로부터 외부 부하(56)에 흘러 나가는 전류(Is)는 증가한다. 이와 같이, 출력 전압(Vfc)의 단위 시간당의 승/강압량을 제어함으로써, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)를 가감할 수 있다(이하, 편의상, ΔV 제어라 부른다).
ΔV 제어의 응용예로서, 예를 들면, 저효율 운전 시에 연료전지 스택(20)에대한 발전 요구가 급감하였을 때에, 출력 전압(Vfc)을 제어함으로써 커패시터(29)에 잉여 전력을 흡수하는 방법이 있다. 저효율 운전이란, 공기화학량론비를 1.0 미만으로 설정하여 연료전지 스택(20)에 대한 반응가스 공급량을 제어함으로써, 전력 손실을 높여, 낮은 발전 효율로 운전하는 것을 말한다. 공기화학량론비란, 산소 잉여율을 말하고, 수소와 과부족없이 반응하는 데 필요한 산소에 대하여 공급 산소가 얼마만큼 잉여인지를 나타낸다. 공기화학량론비를 낮게 설정하여 저효율 운전을 실시하면, 통상 운전 시보다 농도 과전압이 커지기 때문에, 수소와 산소의 반응에 의해 인출할 수 있는 에너지 중 열손실(전력 손실)이 증대한다.
저효율 운전은, 예를 들면, 저온 기동 시(스택 온도가 소정 온도 이하의 기동 시)에 있어서 열손실을 의도적으로 증대시킴으로써, 연료전지 스택(20)을 신속하게 난기하기 위한 수단으로서, 차량 주행 전의 기동 준비단계 또는 차량 주행하면서의 난기 운전 시에 실시된다.
차량 주행하면서의 저효율 운전은, 연료전지 스택(20)에 대한 연료가스 공급량을 일정하게 유지하면서, 액셀러레이터 개방도에 따라 원하는 전력이 얻어지도록 연료전지 스택(20)에 대한 산화 가스 유량을 조정하면서, 스택 온도가 소정 온도 (예를 들면 0℃)로 승온할 때까지 실시되고, 스택 온도가 소정 온도에 도달하면, 통상 운전으로 변환된다.
도 5는 연료전지 스택(20)의 I-V 특성을 나타내고 있다.
통상 운전 시에는, 발전효율을 높이기 위하여 운전 포인트[출력전류(Ifc), 출력 전압(Vfc)]가 I-V 특성 곡선(전류 대 전압 특성 곡선)(200) 상에 위치하도록운전 제어한다. 한편, 저효율 운전 시에는, 발전 효율을 의도적으로 저하시켜 열손실을 높이기 때문에, 운전 포인트는, I-V 특성 곡선(200)보다 낮은 전압 포인트, 예를 들면, 출력 전압(Vfc) = V1로 설정된다. V1로서는, 예를 들면, 연료전지 스택(20)의 개방단 전압(OCV)의 1/2 정도가 바람직하다. 저효율 운전에서는, 출력 전압(Vfc)은 V1로 고정되기 때문에, 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화 가스 유량을 제어함으로써 출력 전류(Ifc)를 조정하고, 운전부하(예를 들면, 액셀러레이터 개방도)에 따른 발전제어를 실시한다.
예를 들면, 저효율 운전에 의해 차량 주행하면서 난기 운전하고 있을 때의 운전 포인트를 OP1(I1, V1)로 한다. 운전자가 액셀러레이터 오프로 함으로써, 연료전지 스택(20)에 대한 발전 지령값이 급감하여도, 에어컴프레서(32)는, 브레이크 등의 감속장치를 구비하고 있지 않기 때문에, 급격하게 그 회전수를 저하시킬 수 없고, 발전 지령값에 적합한 회전수보다 높은 회전수로 잠시 회전을 계속한다. 그렇게 하면, 연료전지 스택(20)의 발전량과 발전 지령값과의 차분에 상당하는 잉여 전력이 발생한다. 이 잉여 전력은, ΔV 제어에 의해 출력 전압(Vfc)을 V1로부터 V2로 승압시킴으로써(이 때 운전 포인트는, OP1로부터 OP2로 이동한다), 연료전지 스택(20) 내부에 기생적으로 존재하는 커패시터(29)에 충전할 수 있기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)에 공급되는 전력값과 발전 지령값을 대략 일치시킬 수 있다.
잉여 전력을 커패시터(29)에 충전한 후는, 출력 전압(Vfc)을 V2로부터 V1로 강압시킴으로써, 운전 포인트를 OP2로부터 OP1로 되돌린다. 이 때, 커패시터(29)에 충전되어 있는 전력은, 출력 전압(Vfc)의 저하에 따라 외부 부하(56)로 방전되기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 공급되는 전력[연료전지 스택(20)의 발전 전력과 커패시터(29)로부터의 방전 전력과의 총합]과, 외부 부하(56)가 요구하는 전력이 일치하도록, 연료전지 스택(20)의 발전을 억제할 필요가 있다.
그래서, 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 대한 산화 가스 공급을 안정 한계 유량(저회전 영역에서의 유량 안정성 내지 응답성을 확보할 수 있는 범위 내에서 공기를 공급할 수 있는 최저 한계 유량)까지 저하시키고, 또한 바이패스 밸브(39)의 밸브 개방도를 조정함으로써, 연료전지 스택(20)에 대한 산화 가스 공급을 안정 한계 유량 이하로 조절한다.
에어컴프레서(32)의 용량이 대용량인 경우에는, 전압 강하 처리 시에 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 공급되는 전력과, 외부 부하(56)가 요구하는 전력이 일치하도록, 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화 가스 유량을 안정 한계 유량 이하로 스로틀하는 것은 곤란하나, 상기한 구성에 의하면, 바이패스 통로(38)를 흐르는 바이패스 공기 유량을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화 가스 유량을 안정 한계 유량 이하로 스로틀하는 것이 가능해진다.
전압 강하 처리 완료 후에서는, 요구 전력에 적합한 산화 가스가 연료전지 스택(20)에 공급되도록 에어컴프레서(32)의 회전수와 바이패스 밸브(39)의 밸브 개방도를 조정한다. 에어컴프레서(32)의 용량이 대용량인 경우에는, 전압 강하 처리 완료 후에 요구 전력에 적합한 전력을 발전할 것을 목적으로 하여 에어컴프레서(32)를 구동하면, 필요 이상의 산화 가스를 연료전지 스택(20)에 공급하여, 잉여 전력을 발생시킬 가능성이 있으나, 상기한 구성에 의하면, 에어컴프레서(32)의 구동 제어에 더하여 바이패스 통로(38)를 흐르는 바이패스 공기 유량을 조정함으로써, 요구 전력에 적합한 산화 가스를 연료전지 스택(20)에 안정되게 공급할 수 있다.
또한, 에어컴프레서(32)의 용량이 작은 경우로서, 전압 강하 처리 시에 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)에 공급되는 전력과, 외부 부하(56)가 요구하는 전력이 일치하도록 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기 유량을 미세 조정하는 것이 가능하고, 또한 전압 강하 처리 완료 후에 요구 전력에 적합한 산화 가스를 연료전지 스택(20)에 안정되게 공급할 수 있는 경우에는, 바이패스 통로(38)는 필수가 아니다. 또한 이와 같은 경우에는, 전압 강하 처리 시에 에어컴프레서(32)의 구동을 정지하는 것도 가능하다.
또, I-V 특성 곡선(200) 상에 위치하는 운전 포인트(OP3)(I1, V3)는, 출력 전류(I1) 시에 연료전지 스택(20)으로부터 이론상 최대한 출력할 수 있는 전압이 V3인 것을 나타내고 있다. 운전 포인트(OP1)에서 저효율 운전을 한창 실시하고 있 을 때에, 출력 전류(Ifc)를 I1로 유지하면서, ΔV 제어에 의해, 출력 전압(Vfc)을 승압할 수 있는 범위는, OP1∼OP3의 범위로 한정되기 때문에, (V3-V1)을 넘는 전압 상승이 지령되면, 지령된 전압값에 대응하는 I-V 특성 곡선(200) 상의 운전 포인트가 새로운 운전 포인트가 된다.
도 6은 ΔV 제어의 제어과정을 나타내는 타이밍 차트이다.
연료전지 스택(20)에 대한 발전요구가 급감하는 예로서, 시각 t10∼시각 t11의 기간에 있어서, 액셀러레이터 온의 상태가 유지되고, 시각 t11의 타이밍에서 액셀러레이터 오프가 되는 경우를 상정하고, ΔV 제어에 대하여 설명한다.
액셀러레이터 오프가 되는 시각 t11에서는, 연료전지 스택(20)의 운전 부하(구체적으로는 차량 주행에 요하는 전력)가 저감하기 때문에, 컨트롤러(70)는, 운전 부하의 저감에 적합한 전력이 발전되도록 발전 지령값(Pref)을 연산한다. 이 때, 차량 탑재 보조 기계류 등에 공급하기 위한 전력을 발전할 수 있으면 되기 때문에, 발전 지령값(Pref)은 점차로 감소하여 간다. 시각 t11의 시점에서의 운전 포인트는, OP1(I1, V1)에 있는 것으로 한다.
그런데, 에어컴프레서(32)는, 브레이크 등의 감속장치를 구비하고 있지 않기 때문에, 시각 t11에서 액셀러레이터 오프가 되어도 즉시 그 회전을 제한할 수 없고, 잠깐 동안, 타성으로 회전을 계속하여, 발전 지령값(Pref)에 적합한 산화 가스 공급량보다 많은 산화 가스를 연료전지 스택(20)에 공급한다. 그 때문에, 연료전지 스택(20)의 발전량(Pmes)은, 발전 지령값(Pref)보다 많아져, 양자의 차분(Ws)은 잉여 전력이 된다.
DC/DC 컨버터(51)는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압(Vfc)ΔVfc = (V2-V1)만큼 승압하고, 운전 포인트를 OP2(I1, V2)로 설정한다. 그렇게 하면, 잉여 전력(Ws)은, 연료전지 스택(20) 내부의 용량 성분, 즉, 커패시터(29)에 충전되기 때문에, 연료전지 스택(20) 외부로 출력되는 전력(Pmes - Ws)과, 발전 지령값(Pref)은, 대략 일치하게 된다.
커패시터(29)에 대한 잉여 전력(Ws)의 충전이 완료하는 시각 t12에서는, 출력 전압(Vfc)이 ΔVfc = (V2-V1)만큼 강압되고, 운전 포인트는, OP2(I1, V2)로부터 OP1(I1, V1)로 복귀한다. 이 때, 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에대한 산화 가스 공급을 안정 한계 유량까지 저하시키고, 또한 바이패스 밸브(39)의 밸브 개방도를 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 발전을 억제한다. 에어컴프레서(32)의 용량이 작은 경우로서, 전압 강하 처리 완료 후에 요구 전력에 적합한 산화 가스를 연료전지 스택(20)에 안정되게 공급할 수 있는 경우에는, 전압 강하 처리 시에 에어컴프레서(32)의 회전을 정지하여도 된다. 운전 포인트가 OP1로 복귀한 후는, 요구 전력에 적합한 산화 가스가 연료전지 스택(20)에 공급되도록 에어컴프레서(32)의 회전수를 제어한다.
또한, 전압 강하 처리의 일례로서, 잉여 전력(Ws)을 흡수하기 위하여 승압한 출력 전압(Vfc)을 강압하는 처리를 예시하였으나, 그 밖에 예를 들면, 저온 기동 시에 있어서, 출력 전압(Vfc)을 개방단 전압(OCV)으로 원하는 운전 포인트의 전압값으로 강하시켜 저효율 운전을 실시하는 경우에도 상기한 제어를 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 연료전지 스택(20)의 출력 전압(Vfc)을 강압시켰을 때의 커패시터(29)로부터 외부 부하(56)에 대한 방전을 가미하여 연료전지 스택(20)에 대한 산화 가스 공급을 저감함으로써, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 공급되는 전력과, 외부 부하(56)가 요구하는 전력을 일치시킬 수 있다.
상기한 실시형태에서는, 연료전지시스템(10)을 차량 탑재 전원 시스템으로서 사용하는 이용 형태를 예시하였으나, 연료전지시스템(10)의 이용 형태는, 이 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 연료전지시스템(10)을 연료전지 차량 이외의 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)의 전력원으로서 탑재하여도 된다. 또, 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(10)을 주택이나 빌딩 등의 발전설비(정치용 발전 시스템)로서 사용하여도 된다.
본 발명에 의하면, 연료전지의 출력 전압을 강압하였을 때에, 연료전지의 용량 성분으로부터 외부 부하로의 방전을 가미하여 전지운전을 제어할 수 있다.

Claims (6)

  1. 연료가스 및 산화 가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지에 상기 산화 가스를 공급하는 산화 가스 공급장치와,
    상기 연료전지의 출력 전압을 강압시킬 때에 상기 연료전지의 용량 성분으로부터의 방전을 가미하여 상기 산화 가스 공급장치로부터 상기 연료전지에 공급되는 산화 가스 유량을 저감시키는 컨트롤러를 구비하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산화 가스 공급장치로부터 공급되는 산화 가스의 일부를, 상기 연료전지를 바이패스하여 배기하기 위한 바이패스 장치를 더 구비하고,
    상기 바이패스 장치는, 상기 연료전지의 출력 전압을 강압시킬 때에 상기 산화 가스의 바이패스 유량을 조정함으로써 상기 연료전지에 공급되는 산화 가스 유량을 저감시키는 연료전지시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 출력 전압을 강압시킬 때에 상기 산화 가스 공급장치로부터 상기 연료전지에 대한 산화 가스 공급을 정지하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 한창 실시하고 있을 때에 발생한 잉여 전력을 상기 용량 성분에 충전하기 위하여 상기 출력 전압을 승압하고, 상기 용량 성분에 대한 잉여 전력의 충전이 완료된 단계에서 상기 출력 전압을 강압하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 통상 운전에 비하여 발전 효율이 낮은 저효율 운전에 의해 상기 연료전지를 난기할 때에 상기 출력 전압을 상기 연료전지의 전류 대 전압 특성 곡선에 의해 정해지는 전압값 이하로 강압하는 연료전지시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 용량 성분은, 상기 연료전지의 촉매층과 전해질막과의 계면에 기생적으로 형성되는 전기 2중층의 용량 성분인 연료전지시스템.
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