KR20090121394A - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 저효율 발전 시에 연료전지의 운전 동작점을 변경하는 데 적합한 연료전지시스템을 과제로 한다.
본 발명의 연료전지시스템은, 반응가스의 공급에 의하여 발전하는 연료전지와, 연료전지에 공급되는 반응가스의 유량을 조정하는 에어컴프레서와, 에어컴프레서를 제어함으로써 연료전지의 출력 전류를 제어하고, 연료전지의 운전 동작점을 변경하는 제어장치를 구비한다. 제어장치는, 통상 발전에 비하여 전력 손실이 큰 저효율 발전의 영역에서 연료전지의 운전 동작점을 변경할 때에, 단위시간당의 전류 변화량 및 전압 변화량의 적어도 하나에 제한을 설정한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히, 연료전지의 저효율 발전을 행하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지 자동차 등에 탑재되는 고체 고분자형의 연료전지는, 수소를 함유하는 연료가스 및 산화가스(이하, 「반응가스」라고 총칭한다.)의 화학반응에 의해, 전력을 발생한다. 이 연료전지는, 일반적으로 70 ∼ 80℃가 발전에 최적의 온도 영역으로 되어 있으나, 이 온도 영역에 도달할 때까지는 연료전지의 발전이 목표 전력을 추종할 수 없어, 기기(모터 등)를 요구에 따른 구동을 할 수 없는 경우가 있다. 또, 빙점하 등의 사용환경에 따라서는, 연료전지를 기동하고 나서 최적의 온도 영역에 도달하기 위하여 긴 시간을 요하는 경우가 있다.
이와 같은 사정을 감안하여, 일본국 특개2002-313388호에 기재된 연료전지시스템에서는, 저온 시에 연료전지의 저효율 발전을 행함으로써 연료전지를 신속하게 승온하려고 하고 있다. 이 저효율 발전이란, 통상 발전에 비하여 전력 손실이 큰 발전을 말하며, 바꾸어 말하면, 연료전지를 통상 발전 시에 비하여 발전 효율을 내림으로써 통상 발전 시에 비하여 자기 발열량을 증대시키는 발전을 말한다. 이 연료전지시스템의 경우, 저효율 발전을 행하기 위하여, 연료전지에 대한 반응가스의 공급 압력이나 공급 유량을 부족상태로 하는 방법이 취해지고 있다.
그런데, 저효율 발전 중에 연료전지의 운전 동작점(전류, 전압)을 변경할 때에, 전류의 변화량이 크면, 연료전지에 대한 반응가스의 공급상태를 조정하는 보조기계(예를 들면, 에어컴프레서나 에어압력 조정밸브 등)의 제어값이 불안정해져, 보조기계 손실 변동이 발생된다. 마찬가지로, 전압의 변화량이 크면, 연료전지의 용량 성분의 충방전이 발생된다. 이들이 발생하면, 연료전지의 출력 정밀도가 악화되고, 연료전지의 요구 출력의 지령값에 헌팅(hunting)이 일어난다. 그런데, 종래의 일본국 특개2002-313388호에서는, 이와 같은 점에 대하여 조금도 고려되어 있지 않았다.
본 발명은, 저효율 발전 시에 연료전지의 운전 동작점을 변경하는 데 적합한 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하도록, 본 발명의 연료전지시스템은, 반응가스의 공급에 의해 발전하는 연료전지와, 연료전지에 공급되는 반응가스의 상태를 조정하는 가스 조정수단과, 가스 조정수단을 제어함으로써 연료전지의 출력 전류를 제어하고, 연료전지의 운전 동작점을 변경하는 제어장치를 구비한다. 제어장치는, 통상 발전에 비하여 전력 손실이 큰 저효율 발전의 영역에서 연료전지의 운전 동작점을 변경할 때에, 단위시간당의 전류 변화량 및 전압 변화량의 적어도 하나에 제한을 설정한다.
예를 들면, 전류 변화량을 제한하면, 가스 조정수단의 제어값이 불안정해져 보조기계 손실 변동이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 전압 변화량을 제한하면, 연료전지의 용량 성분의 충방전을 억제할 수 있다. 이와 같이, 전류 또는 전압에 레이트 처리를 행함으로써, 저효율 발전의 영역에서의 운전 동작점의 변경 시에 연료전지의 출력 정밀도를 확보할 수 있다.
바람직하게는, 제어장치는, 연료전지의 요구 출력값 및 요구 자기 발열값에 의거하여 연료전지의 목표의 운전 동작점을 산출하고, 그 산출된 목표의 운전 동작점을 오버슈트 또는 언더슈트하지 않도록, 현재의 운전 동작점에서 목표의 운전 동작점으로 변경할 때에 경유하는 다음번 운전 동작점을 결정하면 된다.
이와 같은 구성에 의하면, 현재의 운전 동작점에서 목표의 운전 동작점까지의 일련의 변경 과정에서, 연료전지의 출력 전류 또는 출력 전압을 상하로 올리거나 내리거나 하지 않아도 된다.
더욱 바람직하게는, 제어장치는, 다음번 운전 동작점으로서, 연료전지의 요구 출력값을 충족시키는 운전 동작점을 선택하면 된다.
더욱 바람직하게는, 제어장치는, 연료전지의 요구 출력값을 충족시킨 후, 그 요구 출력값을 유지하면서 다음번 운전 동작점에서 목표의 운전 동작점으로 변경하면 된다.
이와 같은 구성에 의하면, 연료전지의 요구 출력을 관리하면서, 연료전지의 운전 동작점을 변경할 수 있다.
다른 바람직한 형태에 의하면, 제어장치는, 다음번 운전 동작점으로서, 연료전지의 요구 출력값을 충족시키는 운전 동작점을 선택할 수 없는 경우, 요구 출력값에 가장 가까운 출력값을 충족시키는 운전 동작점을 선택하면 된다.
이와 같은 구성에 의하면, 일단 경유하는 다음번 운전 동작점에서, 연료전지의 요구 출력을 가능한 한 충족시킬 수 있다.
바람직하게는, 가스 조정수단은, 연료전지에 산화가스를 공급하는 공급기, 및 연료전지로부터 배출되는 산화제 오프 가스를 조압하는 압력 조정밸브의 적어도 하나를 포함하면 된다.
더욱 바람직하게는, 제어장치는, 저효율 발전 시에, 통상 발전 시보다 연료전지에 대한 산화가스의 공급 유량 및 공급 압력의 적어도 하나가 저하하도록 가스 조정수단을 제어하면 된다.
도 1은 실시형태에 관한 연료전지시스템의 주요부를 나타내는 구성도,
도 2a, b는 실시형태에 관한 연료전지의 출력 전력과 전력 손실의 관계를 나타내는 도면으로, 도 2a는 통상 발전의 경우, 도 2b는 저효율 발전의 경우를 나타내는 도,
도 3은 실시형태에 관한 연료전지의 동작점을 시프트하면서 운전하였을 때의 FC 출력의 변화를 나타내는 도,
도 4는 실시형태에 관한 연료전지의 동작점의 시프트 처리를 나타내는 플로우차트,
도 5는 실시형태에 관한 연료전지의 동작점을 시프트하는 방법을 나타내는 도,
도 6은 변형예 1에 관한 연료전지의 동작점을 시프트하는 방법을 나타내는 도,
도 7은 변형예 1에 관한 연료전지의 동작점의 시프트 처리를 나타내는 플로우차트이다.
이하, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
A. 본 실시형태
도 1은 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(100)의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서는, 연료전지 자동차(FCHV ; Fuel Cell Hyblid Vehicle), 전기자동차, 및 하이브리드 자동차 등의 차량에 탑재되는 연료전지시스템을 상정하나, 차량뿐만 아니라 각종 이동체(예를 들면, 선박이나 비행기, 로봇 등)나 정치형 전원에도 적용 가능하다.
연료전지(40)는, 공급되는 반응가스(연료가스 및 산화가스)로부터 전력을 발생하는 수단이며, 고체 고분자형, 인산형, 및 용융 탄산염형 등 여러가지 타입을 이용할 수 있다. 연료전지(40)는, MEA 등을 구비한 복수의 단셀을 직렬로 적층한 스택구조를 가진다. 연료전지(40)의 출력 전압(이하,「FC 전압」이라 한다.) 및 출력 전류(이하, 「FC 전류」라 한다.)는, 각각 전압센서(140) 및 전류센서(150)에 의해 검출된다. 연료전지(40)의 출력 전력(이하,「FC 출력」이라 한다.)은, FC 전압에 FC 전류를 곱한 것이다.
연료가스공급계(10)는, 수소가스 등의 연료가스를 연료전지(40)의 연료극에 공급한다. 연료가스 공급계(10)는, 예를 들면, 수소탱크(12), 밸브(13), 순환펌프(14) 및 퍼지밸브(15)를 구비한다. 연료가스 공급계(10)는, 제어장치(80)로부터의 지령에 따라, 밸브(13)의 개방도나 ON/0FF 시간 등을 조정받고, 연료전지(40)에 공급하는 연료 가스량이나 연료 가스압을 제어한다. 연료가스는, 순환펌프(14)에 의해 연료전지(40)에 순환 공급되는 한편, 퍼지밸브(15)의 밸브 개방에 의해 외부로 배출된다.
산화가스 공급계(70)는, 공기 등의 산화가스를 연료전지(40)의 공기극에 공급한다. 산화가스 공급계(70)는, 예를 들면, 산화가스용의 가스 조정수단으로서, 에어컴프레서(72)및 압력 조정밸브(73)를 구비한다. 에어컴프레서(72)는, 제어장치(80)로부터의 지령에 따라, 구동원인 모터의 회전수 등이 조정되고, 연료전지(40)에 공급하는 산화 가스량을 제어한다. 또, 압력 조정밸브(73)는, 제어장치(80)로부터의 지령에 따라 개방도를 조정받고, 연료전지(40)에 공급하는 산화가스압을 제어한다.
배터리(축전장치)(60)는, 충방전 가능한 2차 전지이고, 예를 들면 니켈 수소 배터리 등에 의해 구성된다. 배터리(60) 대신, 2차 전지 이외의 충방전 가능한 축전기(예를 들면 커패시터)를 설치하여도 된다. 배터리(60)는, DC/DC 컨버터(130)를 거쳐 연료전지(40)와 병렬로 접속된다.
인버터(110)는, 예를 들면 펄스폭 변조 방식의 PWM 인버터이다. 인버터(110)는, 제어장치(80)로부터의 제어지령에 따라 연료전지(40) 또는 배터리(60)로부터 출력되는 직류 전류를 3상 교류로 변환하고, 트랙션 모터(115)에 공급한다. 트랙션 모터(115)는, 차륜(116L, 116R)을 구동하기 위한 것으로, 그 회전수는 인버터(110)에 의해 제어된다. 트랙션 모터(115) 및 인버터(110)는, 연료전지(40)측에 접속된다.
DC/DC 컨버터(130)는, 배터리(60)로부터 입력된 직류 전압을 승압 또는 강압하여 인버터(110)측에 출력하는 기능과, 연료전지(40) 등으로부터 입력된 직류 전압을 승압 또는 강압하여 배터리(60)에 출력하는 기능을 구비한다. 또, DC/DC 컨버터(130)의 기능에 의하여, 배터리(60)의 충방전이 실현됨과 동시에 연료전지(2)의 FC 전압이 제어된다. 또한, FC 전압의 하한값은, DC/DC 컨버터(130)에 의한 제어한계값까지 허용된다.
배터리(60)와 DC/DC 컨버터(130)의 사이에는, 차량 보조기계나 FC 보조기계 등의 보조기계류(120)가 인버터(도시 생략)를 거쳐 접속되어 있다. 배터리(60)는, 이들 보조기계류(120)의 전원이 된다. 또한, 차량 보조기계란, 차량의 운전 시 등에 사용되는 여러가지 전력기기(조명기기, 공조기기, 유압펌프 등)를 말하고, FC 보조기계란, 연료전지(40)의 운전에 사용되는 여러가지의 전력기기, 예를 들면, 상기한 밸브(13), 순환 펌프(14), 에어컴프레서(72) 및 압력 조정밸브(73) 등을 말한다. 단, 다른 실시형태에서는, 배터리(60)측에 트랙션 모터(115) 및 인버터(110)를 접속하여도 된다.
제어장치(80)는, 내부에 CPU, ROM, RAM을 구비한 마이크로컴퓨터로서 구성된다. CPU는, 제어 프로그램에 따라 원하는 연산을 실행하여, 뒤에서 설명하는 연료전지(40)의 운전 동작점의 변경 등, 여러가지의 처리나 제어를 행한다. ROM은, CPU에서 처리하는 제어 프로그램이나 제어 데이터를 기억한다. RAM은, 주로 제어처리를 위한 각종 작업영역으로서 사용된다.
제어장치(80)는, 전압센서(140), 전류센서(150), 연료전지(40)의 온도를 검출하는 온도센서(50), 배터리(60)의 충전상태를 검출하는 SOC 센서, 연료전지시스템(1)이 놓여지는 환경 온도를 검출하는 외기온 센서 및 연료전지 차량의 액셀러레이터 페달의 개방도를 검출하는 액셀러레이터 페달 센서 등으로부터 센서신호를 입력한다. 그리고, 제어장치(80)는, 각 센서신호에 의거하여 당해 시스템 각 부를 중추적으로 제어한다. 특히, 제어장치(80)는, 저온 시동 시 등 연료전지(40)를 급속 난기할 필요가 있는 경우에는, 연료전지(40)의 운전 동작점을 시프트하고, ROM에 저장되어 있는 각종 맵을 이용하여 발전효율이 낮은 운전을 행한다.
도 2a 및 b를 참조하여, 연료전지(40)의 운전 동작점(전류, 전압)에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 운전 동작점을 단지「동작점」이라고 약기한다.
도 2a 및 b는, 다른 동작점에서 연료전지(40)를 운전하였을 때의 FC 출력 (Pfc)과 전력 손실(Ploss)의 관계를 나타내는 도면으로, 가로축에 FC 전류(Ifc), 세로축에 FC 전압(Vfc)을 나타내고 있다. 또, 도 2a 및 b에 나타내는 OCV(Open Circuit Voltage ; 개회로 전압)는, 연료전지(40)에 전류를 흘리고 있지 않은 상태에서의 전압을 나타내고, Vth는, 연료전지(40)의 이론 기전압을 나타낸다. 일례를 나타내면, 연료전지(40)의 단셀이 400매에서는, OCV가 400V가 되고, 셀 이론 기전압 1.23V 하에서는 Vth가 492V가 된다. 또한, 실제의 총 에너지 상당의 전압은 1.25V ∼ 1.48V의 사이로 되어 있다. 단, 외부 방열이 없다고 가정하면, 상기 이론값이어도 된다.
도 2a 및 b에 나타내는 전류·전압특성(이하, 「IV 특성」이라 한다.)이 얻어지는 연료전지(40)에서는, FC 출력(Pfc)에 대하여 전력 손실(Ploss)이 작은 동작점 [Q1(Ifc1, Vfc1)]으로 운전되는 것이 일반적이다(도 2a 참조). 그러나, 연료전지(40)를 급속 난기하는 경우에는, 연료전지(40)의 내부 온도를 상승시킬 필요가 있다. 본 실시형태에서는, 필요한 FC 출력(Pfc)을 확보하면서 전력 손실(Ploss)이 큰 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]으로 시프트하여 운전한다(도 2b 참조). 전력 손실(Ploss)은 열에너지로서, 연료전지(40)를 자기발열시켜 그 내부 온도를 상승시키는 데 적극적으로 활용된다.
여기서, 도 2a 및 b에 나타내는 각 동작점에서의 FC 출력(Pfc) 및 전력 손실(Ploss)의 관계를 나타내면 다음과 같다.
<동작점 [Ql(Ifc1, Vfc1)]에 대하여>
[수학식 3]
Figure 112009063319195-PCT00001
[수학식 4]
Figure 112009063319195-PCT00002
<동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]에 대하여>
[수학식 5]
Figure 112009063319195-PCT00003
[수학식 6]
Figure 112009063319195-PCT00004
<FC 출력(Pfc)과 전력 손실(Ploss)의 관계>
[수학식 7]
Figure 112009063319195-PCT00005
[수학식 8]
Figure 112009063319195-PCT00006
도 3은, 동작점을 시프트하면서 연료전지(40)를 운전하였을 때의 FC 출력(Pfc)의 변화를 나타내는 도면으로, 가로축에 FC 전류, 세로축에 FC 전압 및 FC 출력을 나타내고 있다. 또한, 도 3에서는, 설명의 편의상, 연료전지(40)의 IV 특성을 나타내는 선(이하,「IV 라인」이라 한다.)을 직선으로 나타낸다. 또, IV 라인 상의 동작점[Q1(Ifc1, Vfc1) 및 Q2(Ifc2, Vfc2)]은, 도 2a 및 b에 나타내는 동작 점[Q1(Ifc1, Vfc1) 및 Q2(Ifc2, Vfc2)]에 대응하는 것으로 한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 최대 FC 출력(Pfcmax)이 얻어지는 최대 출력 동작점(Ifcmax, Vfcmax)을 중심으로, 도시 좌측에 나타내는 IV 라인 상의 동작점에서는 FC 전압(Vfc)의 저하에 따라 FC 출력(Pfc)은 증대하는 한편, 도시 우측에 나타내는 IV 라인 상의 동작점에서는 FC 전압(Vfc)의 저하에 따라 FC 출력(Pfc)은 감소한다.
상기한 바와 같이, 전력 손실(Ploss)은, FC 전압(Vfc)이 저하함에 따라 증대한다. 이 때문에, 연료전지(40)를 운전하여 동일한 전력을 출력하는 경우이더라도, 최대 출력 동작점의 우측에 나타내는 IV 라인 상의 동작점[예를 들면, 동작점(Q2)]에서 운전하는 쪽이, 최대 출력 동작점의 좌측에 나타내는 IV 라인 상의 동작점[예를 들면, 동작점(Q1)]에서 운전하기보다 전력 손실(Ploss)은 크다. 따라서, 이하의 설명에서는, FC 전압(Vfc)의 저하에 수반하여 FC 출력(Pfc)이 증대하는 IV 라인 상의 동작점을 포함하는 영역을, 통상 발전의 영역이라 정의한다. 또, FC 전압(Vfc)의 저하에 따라 FC 출력(Pfc)이 감소하는 IV 라인 상의 동작점을 포함하는 영역을, 저효율 발전의 영역이라 정의한다.
통상 발전 및 저효율 발전의 각 동작점을 나타내면 다음과 같다.
<통상 발전의 동작점(Ifc, Vfc)에 대하여>
[수학식 9]
Figure 112009063319195-PCT00007
[수학식 10]
Figure 112009063319195-PCT00008
<저효율 발전의 동작점(Ifc, Vfc)에 대하여>
[수학식 11]
Figure 112009063319195-PCT00009
[수학식 12]
Figure 112009063319195-PCT00010
통상 발전의 경우, 공기화학량론비는 1.0 이상으로 설정된다. 공기화학량론비란, 산소 잉여율을 말하며, 수소와 과부족없이 반응하는 데 필요한 산소에 대하여 공급되는 산소가 얼마만큼 잉여인지를 나타낸다. 한편, 저효율 발전의 경우, 공기화학량론비는 1.0 미만으로 설정되고, 연료전지(40)에 대한 산화가스의 공급은 부족한 상태가 된다. 연료전지(40)의 FC 전류(Ifc)는, 산화가스량(공기화학량론비)으로 제어된다. 또한, 산화가스량(공기화학량론비)은 상기한 바와 같이 에어컴프레서(72)의 모터의 회전수에 의해 제어된다.
저효율 발전의 동작점의 목표값[FC 전류 목표값(Ireq), FC 전압 목표값(Vreq)은, FC 출력 지령값(Pref)(즉, 요구 출력값) 및 FC 자기발열 지령값(Lref) (즉, 요구 자기 발열값)에 의거하여, 이하와 같이 구해진다.
[수학식 13]
Figure 112009063319195-PCT00011
[수학식 14]
Figure 112009063319195-PCT00012
여기서, FC 출력 지령값(Pref)은, 연료전지시스템(100)의 요구 파워이다. FC 자기발열 지령값(Lref)은, 연료전지(40)를 급속 난기하는 데 필요한 발열량으로, 예를 들면 외기온 센서나 온도센서(50)의 검출결과를 가미하여 설정된다. 유저의 요구 등에 의하여 FC 출력 지령값(Pref) 또는 FC 자기발열 지령값(Lref)이 저효율 발전 시로 변화되면, 연료전지(40)의 동작점의 목표값이 변경된다. 동작점의 목표값의 변경은, 통상 발전의 영역으로부터 저효율 발전영역 및 그 반대, 및 각 영역 내에서 행하여진다.
도 4는 동작점의 시프트 처리를 나타내는 플로우차트이고, 도 5는, 동작점을 시프트하는 방법을 나타내는 도면이다. 이하의 설명에서는, 연료전지(40)의 동작점을 저효율 발전의 영역 내에서 변경하는 경우를 상정한다. 일례로서, 도 3 및 도 5에 나타내는 현재의 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]으로부터 목표 동작점[Q3(Ifc3, Vfc3)]으로의 변경 처리를 설명한다. 또한, 도 5에 나타내는 동작점(Q3)을 지나는 곡선은, 동작점(Q3)과 동일한 파워(FC 출력)를 나타내는 등파워 라인이며, FC 출력 지령 값(Pref)과의 관계는 이하와 같다.
[수학식 15]
Figure 112009063319195-PCT00013
제어장치(80)는, 먼저, 연료전지(40)의 급속 난기가 필요한지의 여부를 판단한다(단계 S1). 구체적으로는, 외기온 센서나 온도센서(50)에 의해 검출되는 온도가 저온(예를 들면 0℃ 이하)이 아닌 경우에는, 급속 난기는 필요없다고 판단된다(단계 S1 : No). 한편으로, 검출 온도가 저온(예를 들면 0℃ 이하)인 경우에는, 급속 난기가 필요하다고 판단되고(단계 S1 : Yes), 현시점의 동작점[여기서는, Q2(Ifc2, Vfc2)]이 확인된다(단계 S2).
다음에, 제어장치(80)는, FC 출력 지령값(Pref) 및 FC 자기발열 지령값(Lref)으로부터 목표 동작점을 도출한다(단계 S3). 여기서는, 목표 동작점으로서, 동작점[Q3(Ifc3, Vfc3)]을 도출한다.
이어서, 제어장치(80)는, 현재의 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]으로부터의 단위시간당의 전류 변화량(ΔI) 및 전압 변화량(ΔV)에 제한을 설정한다(단계 S4). 전류 변화량(ΔI) 및 전압 변화량(ΔV)은, 연료전지시스템(100)의 능력을 넘지 않는 값으로 설정된다. 구체적으로는, 전류 변화량(ΔI)은, 에어컴프레서(72)의 응답성을 만족할 수 있는 전류 레이트로 설정된다. 전압 변화량(ΔV)은, 연료전지(40)의 용량 성분에 의한 충방전을 억제 가능한 전압 레이트로 설정된다. 이와 같은 제한을 마련함으로써, 에어컴프레서(72)의 제어값이 불안정해져 에어컴프레서(72)의 모터의 회전수 변동에 의한 동작점의 변화가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또, 연료전지(40)의 용량 성분의 충방전을 억제할 수 있다.
그리고, 제어장치(80)는, 전류 변화량(ΔI) 및 전압 변화량(ΔV)으로부터 출력 변화의 최대값(Pmax) 및 최소값(Pmin)을 다음의 수학식 (15) 및 (16)과 같이 산출한다. 또, 제어장치(80)는, 최대값을 출력 변화 최대값(Pmax)으로 하는 상한 처리와, 최소값을 출력 변화 최소값(Pmin)으로 하는 하한 처리를 행하고, 변경할 수 있는 동작 가능 영역(Ss1)(즉, FC 출력 변화 허가값)을 산출한다. 동작 가능 영역(Ss1)은, 도 5에 나타내는 사각형의 테두리 내의 영역이다. 따라서, 단계 S4에 의하면, 제어장치(80)는, 동작 가능 영역(Ss1) 밖으로의 동작점의 변경을 제한하게 된다.
[수학식 15]
Figure 112009063319195-PCT00014
[수학식 16]
Figure 112009063319195-PCT00015
다음에, 제어장치(80)는, 현재 동작점과 목표 동작점으로부터 동작 가능 영역을 더욱 한정한다(단계 S5). 구체적으로는, 제어장치(80)는, 현재의 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)] 및 목표 동작점[Q3(Ifc3, Vfc3)]으로부터 전류 및 전압의 변화 방향 을 한정한다. 아울러, 제어장치(80)는, 그 한정 범위를 동작점(Q3)의 전류(Ifc3) 및 전압(Vfc3)을 오버슈트 및 언더슈트하지 않는 범위로 한정한다. 이와 같이 함으로써, 제어장치(80)는, 변경 가능한 동작 가능 영역(Ss2)을 구한다. 이상의 단계 S4 및 S5에 의하면, 현재의 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]으로부터 변경할 수 있는 동작점은, 동작가능 영역(Ss1 및 Ss2)의 중복되는 사선으로 나타내는 영역(Ss3)이 된다.
그런데, 목표 동작점[Q3(Ifc3, Vfc3)]은 영역(Ss3)밖에 위치한다. 그래서, 제어장치(80)는, 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]으로부터 동작점[Q3(Ifc3, Vfc3)]으로 변경할 때에 경유하는 다음번 동작점[Qa(Ifca, Vfca)]을, 사선영역(Ss3) 내에서 결정한다(단계 S6). 여기서, 다음번 동작점(Qa)은, 영역(Ss3) 내이면 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 FC 출력 지령값(Pref)을 달성하는 등파워 라인 상의 동작점으로 결정되면 된다. 이와 같이 하면, 다음번 동작점(Qa)에서도 최종적인 FC 출력 지령값(Pref)을 충족시킬 수 있다. 이 경우에는, 이하의 관계식이 성립하게 된다.
[수학식 17]
Figure 112009063319195-PCT00016
이어서, 제어장치(80)는, 동작점의 시프트를 개시하고, 현재의 동작점[Q2 (Ifc2, Vfc2)]으로부터 다음번 동작점(Qa)(Ifca, Vfca)으로 변경한다(단계 S7). 이때, 제어장치(80)는, 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]으로부터 동작점[Qa(Ifca, Vfca)]으로 최단으로 이동할 수 있는 동작점 천이 루트를 찾도록, FC 전압(Vfc) 및 FC 전류(Ifc)를 제어한다. 구체적으로는, 제어장치(80)는, DC/DC 컨버터(130)를 사용하여 FC 전압(Vfc)을 제어하고 다음번 전압(Vfca)까지 상승시킨다. 아울러, 제어장치(80)는, 에어컴프레서(72)를 제어하여 연료전지(40)에 대한 산화가스량을 조정한다(여기서는 산화가스량을 줄인다). 이와 같이 함으로써, 제어장치(80)는, FC 전류(Ifc)를 다음번 전류(Ifca)까지 저하시킨다.
다음번 동작점[Qa(Ifca, Vfca)]으로의 변경 후, 제어장치(80)는, 다시 동작점의 시프트를 개시하고, 동작점[Qa(Ifca, Vfca)]으로부터 목표 동작점[Q3(Ifc3, Vfc3)]으로 변경한다(단계 S8). 이 경우, 제어장치(80)는, 등파워 라인 상의 이동으로 동작점 [Q3(Ifc3, Vfc3)]에 도달하도록, DC/DC 컨버터(130) 및 에어컴프레서(72)를 제어함으로써 FC 전압(Vfc) 및 FC 전류(Ifc)를 제어한다. 이와 같은 제어에 의하여 연료전지(40)의 FC 출력(Pfc)은 일정하게 유지하면서, 목표 동작점(Q3)으로의 변경이 완료된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(100)에 의하면, 저효율 발전의 영역에서 연료전지(40)의 동작점을 변경하는 경우에, 전류 및 전압에 레이트 처리를 행하고 있다. 이에 의하여, 보조기계 손실 변동[에어컴프레 서(72)의 변동]을 억제할 수 있음과 동시에, 연료전지(40)의 용량 성분의 충방전을 억제할 수 있다. 따라서, 연료전지(40)의 출력 정밀도를 향상할 수 있다. 특히, 동작점의 일련의 변경 과정에서, FC 전류(Ifc) 및 FC 전압(Vfc)을 상하에 올리거나 내리거나 하지 않아도 됨과 동시에, FC 출력(Pfc)을 지켜보지 않고 관리할 수 있기 때문에, 연료전지(40)의 동작점을 적합하게 변경할 수 있다. 또, 에어의 보조기계[에어컴프레서(72)]의 추종성을 전력 제어계로 적절하게 확보할 수 있다.
또한, 다른 실시형태에서는, 단계 S4에서 제한을 설정하는 전류 변화량(ΔI)및 전압 변화량(ΔV)은, 어느 쪽인지 한쪽뿐이어도 된다. 즉, 단계 S4에서는, 전류 변화량(ΔI) 및 전압 변화량(ΔV)의 적어도 하나에 제한이 설정되어도 된다.
B. 변형예
다음에, 연료전지시스템(100)의 변형예에 대하여 설명한다.
변형예 1
도 6은, 변형예 1에 관한 동작점을 시프트하는 방법을 나타내는 도면이고, 도 7은, 변형예 1에 관한 동작점의 시프트 처리를 나타내는 플로우차트이다. 이하의 설명에서는, 연료전지(40)의 동작점을 저효율 발전의 영역 내에서 변경하는 경우를 상정하고, 도 6에 나타내는 현재의 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]으로부터 목표 동작점[Q4(Ifc4, Vfc4)]으로의 변경 처리를 예로 설명한다.
제어장치(80)는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 상기 실시형태와 동일한 단계 S1 ∼ S5를 실행한다. 예를 들면, 제어장치(80)는, 단계 S4에 의해, 전류 변화량 (ΔI) 및 전압 변화량(ΔV)에 제한을 설정하고, 동작 가능 영역(Ss1)을 설정한다. 또, 제어장치(80)는, 단계 S5에 의해, 현재의 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)] 및 목표 동작점[Q4(Ifc4, Vfc4)]으로부터 전류 및 전압의 변화 방향을 한정하고, 또한 그 한정범위를 동작점(Q4)의 전류(Ifc4) 및 전압(Vfc4)을 오버슈트 및 언더슈트하지 않는 범위로 한정한다. 이와 같이 함으로써, 제어장치(80)는, 변경 가능한 동작 가능 영역 (Ss2)을 구한다. 그 결과, 현재의 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]으로부터 변경할 수 있는 동작점은, 동작 가능 영역(Ss1 및 Ss2)의 중복되는 사선으로 나타내는 영역(Ss3)이 된다.
이어서, 제어장치(80)는, 영역(Ss3) 내에서 다음번 동작점[Qb(Ifcb, Vfcb)]을 선택하나, 상기 실시형태와 달리, 영역(Ss3) 내에는, FC 출력 지령값(Pref)을 달성하는 등파워 라인 상의 동작점이 존재하지 않는다. 이 때문에, 제어장치(80)는, FC 출력 지령값(Pref)을 충족시키는 동작점을 선택할 수 없다. 이 경우에는, 제어장치(80)는, 영역(Ss3) 내에서 FC 출력 지령값(Pref)에 가장 가까운 FC 출력(Pfc)을 충족시키는 동작점을, 다음번 동작점[Qb(Ifcb, Vfcb)]으로서 결정하면 된다(단계 S6'). 이와 같이 함으로써, 일단 경유하는 다음번 동작점(Qb)에서, FC 출력 지령값(Pref)을 가능한 한 충족시킬 수 있다.
현재의 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)], 다음번 동작점[Qb(Ifcb, Vfcb)] 및 목표 동작점 [Q4(Ifc4, Vfc4)]의 관계는 이하와 같다
[수학식 18]
Figure 112009063319195-PCT00017
[수학식 19]
Figure 112009063319195-PCT00018
이어서, 제어장치(80)는, 현재의 동작점[Q2(Ifc2, Vfc2)]으로부터 다음번 동작점[Qb(Ifcb, Vfcb)]으로 변경한다(단계 S7). 그 후, 제어장치(80)는, 다시 동작점의 시프트를 개시하고, 동작점[Qb(Ifcb, Vfcb)]으로부터 목표 동작점[Q4(Ifc4, Vfc4)]으로 변경한다(단계 S8). 어느 쪽의 시프트 처리의 경우도, 제어장치(80)는, 최초의 동작점으로부터 변경 후의 동작점으로 최단으로 이동할 수 있는 동작점 천이 루트를 찾도록, DC/DC 컨버터(130) 및 에어컴프레서(72)를 제어함으로써 FC 전압(Vfc) 및 FC 전류(Ifc)를 제어한다.
이와 같이, 변형예 1에 의하면, 다음번 동작점을 목표 동작점[Q4(Ifc4, Vfc4)]의 등파워 라인 상에 설정할 수 없는 경우에도, 상기 실시형태와 마찬가지로, 연료전지(40)의 동작점을 적합하게 변경할 수 있다.
변형예 2
상기한 실시형태에서는, 산화가스량을 조정함으로써 FC 전류(Ifc)를 제어하였으나, 산화가스압을 조정함으로써 FC 전류(Ifc)를 제어하여도 된다. 구체적으로는, 제어장치(80)는, 저효율 발전 시에는, 연료전지(40)에 공급되는 산화가스의 압력이 통상 발전 시보다 저하하도록 압력 조정밸브(73)를 제어함으로써, FC 전류(Ifc)를 제어하여도 된다.
또, FC 전류(Ifc)의 제어는, 연료전지(40)에 대한 산화가스의 상태를 조정함으로써 행하는 것은 아니고, 연료가스의 상태를 조정함으로써 행하여도 된다. 예를 들면, 제어장치(80)는, 저효율 발전 시에는, 연료전지(40)에 공급되는 연료가스의 양이 통상 발전 시보다 저하하도록 밸브(13)나 펌프(14)를 제어함으로써, FC 전류(Ifc)를 제어하여도 된다. 또는, 제어장치(80)는, 저효율 발전 시에는, 연료전지(40)에 공급되는 연료가스의 압력이 통상 발전 시보다 저하하도록 밸브(13)를 제어함으로써, FC 전류(Ifc)를 제어하여도 된다.

Claims (7)

  1. 반응가스의 공급에 의해 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지에 공급되는 반응가스의 상태를 조정하는 가스 조정수단과,
    상기 가스 조정수단을 제어함으로써 상기 연료전지의 출력 전류를 제어하고, 당해 연료전지의 운전 동작점을 변경하는 제어장치를 구비한 연료전지시스템에 있어서,
    상기 제어장치는, 통상 발전에 비하여 전력 손실이 큰 저효율 발전의 영역에서 상기 연료전지의 운전 동작점을 변경할 때에, 단위시간당의 전류 변화량 및 전압 변화량의 적어도 하나에 제한을 설정하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지의 요구 출력값 및 상기 연료전지의 요구 자기 발열값에 의거하여 상기 연료전지의 목표의 운전 동작점을 산출하고, 그 산출된 목표의 운전 동작점을 오버슈트 또는 언더슈트하지 않도록, 현재의 운전 동작점으로부터 당해 목표의 운전 동작점으로 변경할 때에 경유하는 다음번 운전 동작점을 결정하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 다음번 운전 동작점으로서, 상기 연료전지의 요구 출 력값을 충족시키는 운전 동작점을 선택하는 연료전지시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지의 요구 출력값을 충족시킨 후, 그 요구 출력값을 유지하면서 상기 다음번 운전 동작점으로부터 상기 목표의 운전 동작점으로 변경하는 연료전지시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 다음번 운전 동작점으로서, 상기 연료전지의 요구 출력값을 충족시키는 운전 동작점을 선택할 수 없는 경우, 당해 요구 출력값에 가장 가까운 출력값을 충족시키는 운전 동작점을 선택하는 연료전지시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 조정수단은, 상기 연료전지에 산화가스를 공급하는 공급기, 및 상기 연료전지로부터 배출되는 산화제 오프 가스를 조압하는 압력 조정밸브의 적어도 하나를 포함하는 연료전지시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 저효율 발전 시에, 상기 통상 발전 시보다 상기 연료전지에 대한 산화가스의 공급 유량 및 공급 압력의 적어도 하나가 저하하도록 상기 가스 조정수단을 제어하는 연료전지시스템.
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