KR20100025012A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20100025012A
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고타 마나베
신지 아소
요시아키 나가누마
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

전회의 시스템 정지 시에 필요 충분한 소기가 행하여지지 않은 경우이어도, 금회의 시스템 운전 중에 충분한 소기를 행하는 것이 가능한 연료전지시스템을 제공한다. 제어장치(7)는, 시스템의 시동 명령이 입력되고, 또한, 저온 모드 플래그(80)가 「ON」되어 있는 것을 검지하면, 측정 임피던스 메모리(91)에 저장되어 있는 전회 시스템 정지 시의 측정 임피던스(Im)와, 기준 임피던스 메모리(92)에 저장되어 있는 저온 시동 목표 임피던스(It)를 비교하여, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단한다. 제어장치(7)는, 소기처리가 불충분하다고 판단한 경우에는, 금회의 시스템 운전 중에 급속 난기운전을 실행함으로써 신속하게 승온한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지시스템에 관한 것이다.
외부 온도가 낮은 경우에는, 연료전지시스템의 정지 후에 그 내부에서 발생한 물이 동결하여, 배관이나 밸브 등이 파손된다는 문제나, 동결한 물이 가스유로를 막아, 다음번 연료전지를 기동하였을 때에 가스의 공급이 방해되어 전기화학반응이 충분히 진행되지 않는다는 문제가 발생한다.
이와 같은 문제를 감안하여, 외기 온도가 낮은 환경 하에서 시스템의 정지요구가 있었던 경우에, 연료전지 내부의 잔수량(殘水量)을 저감하도록 소기처리를 실행함으로써, 배관이나 밸브 등의 동결을 방지하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면 하기 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1]
일본국 특개2005-108832호 공보
그런데, 무엇인가의 이유(예를 들면 연료가스의 잔량이 적은 등)에 의하여 필요 충분한 소기처리가 행하여지지 않고(환언하면, 소기가 불충분한 상태에서), 시스템이 정지되는 경우도 있다.
이와 같이 소기가 불충분한 상태에서 운전을 정지하고, 운전 재개 후에 얼마 안되어 운전을 정지하는 바와 같은 경우(예를 들면, 가까운 슈퍼마켓에 가는 경우 등)에는, 연료전지가 충분히 난기되지 않은 상태에서 시스템 정지 시의 소기처리가 행하여지게 된다. 이와 같이, 연료전지가 충분히 난기되지 않은 상태에서 소기처리를 행한 것에서는 충분히 소기할 수 없고, 발전이 안정되지 않는다는 문제가 생긴다.
본 발명은, 이상 설명한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 전회의 시스템 정지 시에 필요 충분한 소기가 행하여지지 않은 경우에도, 금회의 시스템 운전 중에 충분한 소기를 행하는 것이 가능한 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하도록, 본 발명의 연료전지시스템은, 저온 시동 시, 연료전지의 관련 온도가 기준 온도에 도달할 때까지 난기운전을 행하는 연료전지시스템에 있어서, 시스템 시동 시에 저온 시동해야 할지의 여부를 판정하는 제 1 판정수단과, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판정하는 제 2 판정수단과, 상기 각 판정수단에 의해, 저온 시동해야 하고, 또한, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였다고 판정된 경우에는, 상기 연료전지의 관련 온도가, 상기 기준 온도보다 높은 목표 온도에 도달할 때까지 난기운전을 계속하는 운전제어수단과, 시스템 정지 시에 소기처리를 행하는 소기수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의하면, 시스템 시동 시에 저온 시동해야 한다고 판정되고, 또한, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였다고 판정된 경우에는, 연료전지의 관련 온도가 기준 온도(예를 들면, 0℃)보다 높은 목표 온도(예를 들면, 70℃)에 도달할 때까지 난기운전이 계속된다. 이 때문에, 단시간에 운전을 정지하는 바와 같은 경우에도, 연료전지의 온도를 목표 온도까지 승온시킨 상태에서 충분한 소기처리를 행할 수 있다. 주지한 바와 같이, 연료전지의 온도가 낮은 상태에서 소기처리를 행하면, 충분한 소기를 행할 수 없는 등의 문제가 생기나, 상기 구성에 의하면, 연료전지의 온도를 목표 온도까지 승온시킨 상태에서 소기처리를 행하기 때문에, 다음번 저온 시동에 대비하여 충분한 소기가 가능해진다.
여기서, 상기 구성에서는, 상기 운전제어수단은, 상기 난기운전을 종료한 후에 통상 운전으로 이행하고, 상기 난기운전은, 상기 통상 운전에 비하여 전력 손실의 큰 저효율 운전인 형태가 바람직하다.
또, 상기 구성에서는, 시스템 정지 시의 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정수단을 더 구비하고, 상기 제 2 판정수단은, 전회 시스템 정지 시에 측정된 상기 연료전지의 임피던스에 의거하여, 상기 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판정하는 형태가 더욱 바람직하다.
또한, 시스템 정지 시에 소기처리를 행하는 소기수단과, 상기 시스템 정지 시의 소기시간을 측정하는 소기시간 측정수단을 더 구비하고, 상기 제 2 판정수단은, 전회 시스템 정지 시에 측정된 상기 소기시간에 의거하여, 상기 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판정하는 형태이어도 된다.
또한, 시스템 정지 시의 상기 연료전지의 잔수량을 추정하는 추정수단을 더 구비하고, 상기 제 2 판정수단은, 전회 시스템 정지 시에 추정된 상기 연료전지의 잔수량에 의거하여, 상기 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판정하는 형태이어도 된다.
또, 상기 어느 하나의 구성에서는, 상기 연료전지의 관련 온도는, 외기 온도, 연료전지 주변의 부품 온도, 연료전지의 냉매 온도 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제 1 판정수단은, 상기 연료전지의 관련 온도에 의거하여 저온 시동해야 할지의 여부를 판정하는 형태가 더욱 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 전회의 시스템 정지 시에 필요 충분한 소기가 행하여지지 않은 경우에도, 금회의 시스템 운전 중에 충분한 소기를 행하는 것이 가능해진다.
도 1은 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성도,
도 2는 제 1 실시형태에 관한 시스템 정지 시의 처리 플로우를 나타내는 플로우차트,
도 3은 제 1 실시형태에 관한 시스템 시동 시의 처리 플로우를 나타내는 플로우차트,
도 4는 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성도,
도 5는 제 2 실시형태에 관한 시스템 정지 시의 처리 플로우를 나타내는 플로우차트,
도 6은 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성도,
도 7은 제 3 실시형태에 관한 시스템 정지 시의 처리 플로우를 나타내는 플로우차트이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적합한 실시형태에 대하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 연료전지시스템의 개요에 대하여 설명한다.
A. 제 1 실시형태
도 1은, 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)의 구성도이다.
연료전지시스템(1)은, 연료전지 자동차(FCHV), 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 차량(100)에 탑재할 수 있다. 단, 연료전지시스템(1)은, 차량(100) 이외의 각종 이동체(예를 들면, 선박이나 비행기, 로봇 등)나 정치형 전원, 나아가서는 휴대형 연료전지시스템에도 적용 가능하다.
연료전지시스템(1)은, 연료전지(2)와, 산화가스로서의 공기를 연료전지(2)에 공급하는 산화가스 배관계(3)와, 연료가스로서의 수소가스를 연료전지(2)에 공급하는 연료가스 배관계(4)와, 연료전지(2)에 냉매를 공급하는 냉매 배관계(5)와, 시스템(1)의 전력을 충방전하는 전력계(6)와, 시스템(1)의 운전을 통괄 제어하는 제어장치(7)를 구비한다. 산화가스 및 연료가스는, 반응가스라 총칭할 수 있다.
연료전지(2)는, 예를 들면 고체 고분자 전해질형으로 구성되고, 다수의 단(單)셀을 적층한 스택 구조를 구비한다. 단셀은, 이온 교환막으로 이루어지는 전해질의 한쪽 면에 공기극(캐소드)를 가지고, 다른쪽 면에 연료극(애노드)를 가지며, 또한 공기극 및 연료극을 양측에서 끼워 넣도록 1쌍의 세퍼레이터를 가진다. 한쪽의 세퍼레이터의 산화가스유로(2a)에 산화가스가 공급되고, 다른쪽 세퍼레이터의 연료가스유로(2b)에 연료가스가 공급된다. 공급된 연료가스 및 산화가스의 전기화학반응에 의하여 연료전지(2)는 전력을 발생한다. 연료전지(2)에서의 전기화학반응은 발열 반응이고, 고체 고분자 전해질형의 연료전지(2)의 온도는, 약 60 내지 80℃가 된다.
산화가스 배관계(3)는, 연료전지(2)에 공급되는 산화가스가 흐르는 공급로(11)와, 연료전지(2)로부터 배출된 산화 오프 가스가 흐르는 배출로(12)를 가진다. 공급로(11)는, 산화가스유로(2a)를 거쳐 배출로(12)와 연통한다. 산화 오프 가스는, 연료전지(2)의 전지반응에 의해 생성된 수분을 함유하기 때문에 고습윤상태로 되어 있다.
공급로(11)에는, 에어클리너(13)를 거쳐 외기를 도입하는 컴프레서(14)와, 컴프레서(14)에 의해 연료전지(2)로 압송되는 산화가스를 가습하는 가습기(15)가 설치된다. 가습기(15)는, 공급로(11)를 흐르는 저습윤 상태의 산화가스와, 배출로(12)를 흐르는 고습윤 상태의 산화 오프 가스의 사이에서 수분 교환을 행하여, 연료전지(2)에 공급되는 산화가스를 적절하게 가습한다.
연료전지(2)의 공기극측의 배압은, 캐소드 출구 부근의 배출로(12)에 설치된 배압 조정밸브(16)에 의해서 조정된다. 배압 조정밸브(16)의 근방에는, 배출로(12) 내의 압력을 검출하는 압력센서(P1)가 설치된다. 산화 오프 가스는, 배압 조정밸브(16) 및 가습기(15)를 거쳐 최종적으로 배기 가스로서 시스템 밖의 대기 중으로 배기된다.
연료가스 배관계(4)는, 수소공급원(21)과, 수소공급원(21)으로부터 연료전지(2)에 공급되는 수소가스가 흐르는 공급로(22)와, 연료전지(2)로부터 배출된 수소 오프 가스(연료 오프 가스)를 공급로(22)의 합류점(A)으로 되돌리기 위한 순환로(23)와, 순환로(23) 내의 수소 오프 가스를 공급로(22)로 압송하는 펌프(24)와, 순환로(23)에 분기 접속된 퍼지로(25)를 가진다. 소스밸브(26)를 개방함으로써 수소공급원(21)으로부터 공급로(22)로 유출된 수소가스는, 압력조정밸브(27) 그 밖의 감압밸브, 및 차단밸브(28)를 거쳐, 연료전지(2)에 공급된다. 퍼지로(25)에는, 수소 오프 가스를 수소 희석기(도시 생략)로 배출하기 위한 퍼지밸브(33)가 설치된다.
냉매 배관계(5)는, 연료전지(2) 내의 냉각유로(2c)와 연통하는 냉매유로(41)와, 냉매유로(41)에 설치된 냉각펌프(42)와, 연료전지(2)로부터 배출되는 냉매를 냉각하는 라디에이터(43)와, 라디에이터(43)를 바이패스하는 바이패스 유로(44)와, 라디에이터(43) 및 바이패스 유로(44)로의 냉각수의 통류를 설정하는 변환밸브(45)를 가진다. 냉매유로(41)는, 연료전지(2)의 냉매 입구의 근방에 설치된 온도센서(46)와, 연료전지(2)의 냉매 출구의 근방에 설치된 온도센서(47)를 가진다. 온도센서(47)가 검출하는 냉매온도(연료전지의 관련 온도)는, 연료전지(2)의 내부 온도[이하, 연료전지(2) 온도라 한다.]를 반영한다. 또한, 온도센서(47)는, 냉매온도 대신(또는 아울러), 연료전지 주변의 부품 온도(연료전지의 관련 온도)를 검출하도록 하여도 된다. 또, 연료전지의 냉각펌프(42)는, 모터 구동에 의하여 냉매유로(41) 내의 냉매를 연료전지(2)에 순환 공급한다.
전력계(6)는, 고압 DC/DC 컨버터(61), 배터리(62), 트랙션 인버터(63), 트랙션 모터(64) 및 각종 보조기계 인버터(65, 66, 67)를 구비하고 있다. 고압 DC/DC 컨버터(61)는, 직류의 전압 변환기이고, 배터리(62)로부터 입력된 직류 전압을 조정하여 트랙션 인버터(63)측으로 출력하는 기능과, 연료전지(2) 또는 트랙션 모터(64)로부터 입력된 직류 전압을 조정하여 배터리(62)로 출력하는 기능을 가진다. 고압 DC/DC 컨버터(61)의 이들 기능에 의하여, 배터리(62)의 충방전이 실현된다. 또, 고압 DC/DC 컨버터(61)에 의하여, 연료전지(2)의 출력전압이 제어된다.
트랙션 인버터(63)는, 직류 전류를 3상 교류로 변환하여, 트랙션 모터(64)에 공급한다. 트랙션 모터(64)는, 예를 들면 3상 교류 모터이다. 트랙션 모터(64)는, 연료전지시스템(1)이 탑재되는 예를 들면 차량(100)의 주동력원을 구성하고, 차량(100)의 차륜(101L, 101R)에 연결된다. 보조기계 인버터(65, 66, 67)는, 각각, 컴프레서(14), 펌프(24), 냉각펌프(42)의 모터의 구동을 제어한다.
제어장치(7)는, 내부에 CPU, ROM, RAM을 구비한 마이크로컴퓨터로 구성된다. CPU는, 제어 프로그램에 따라 원하는 연산을 실행하여, 통상 운전의 제어 및 뒤에서 설명하는 난기운전의 제어 등, 여러가지 처리나 제어를 행한다. ROM은, CPU에서 처리하는 제어 프로그램이나 제어 데이터를 기억한다. RAM은, 주로 제어처리를 위한 각종 작업영역으로서 사용된다.
타이머(70), 전압센서(72) 및 전류센서(73)는, 제어장치(7)에 접속된다. 타이머(70)는, 연료전지시스템(1)의 운전을 제어하기 위하여 필요한 각종 시간을 계측한다(상세한 것은 뒤에서 설명). 전압센서(72)는, 연료전지(2)의 출력전압(FC 전압)을 검출한다. 구체적으로는, 전압센서(72)는, 연료전지(2)의 다수의 단셀의 하나하나가 발전하는 전압(이하,「셀 전압」이라 한다.)을 검출한다. 이에 의하여, 연료전지(2)의 각 단셀의 상태가 파악된다. 전류센서(73)는, 연료전지(2)의 출력전류(FC 전류)를 검출한다.
제어장치(7)는, 각종 압력센서(P1)나 온도센서(46, 47), 연료전지시스템(1)이 놓여지는 환경의 외기 온도(연료전지의 관련 온도)를 검출하는 외기온 센서(51) 및 차량(100)의 액셀러레이터 개방도를 검출하는 액셀러레이터 개방도 센서 등, 각종 센서로부터의 검출신호를 입력하여, 각 구성요소[컴프레서(14), 배압 조정밸브(16) 등]에 제어신호를 출력한다. 또, 제어장치(제 2 판정수단)(7)는, 저온 모드로 시동(이하, 저온 시동)할 때, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하여, 연료전지(2)의 잔수량을 저감할 필요가 있는지의 여부를 판단한다. 여기서, 저온 시동할지의 여부는, 제어장치(제 1 판정수단)(7)가 저온 모드 플래그(80)의 플래그값에 의거하여 판단한다. 저온 모드 플래그(80)의 플래그값은, 운전자 등에 의한 버튼 조작에 의해 저온 모드에서의 시동명령이 입력된 경우에 제어장치(7)에 의해 「온」으로 설정되는 한편, 이와 같은 조작이 이루어지지 않은(초기 설정도 포함한다) 경우에는 제어장치(7)에 의해 「오프」로 설정된다.
여기서, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였는지의 여부의 판단은, 전회 시스템 정지 시에 측정한 연료전지(2)의 임피던스에 의거하여 행한다. 상세하게 설명하면, 먼저, 제어장치(임피던스 측정수단)(7)는, 시스템 정지마다 연료전지(2)의 임피던스 측정을 행한다. 연료전지(2)의 임피던스 측정을 행할 때, 제어장치(7)는, 전압센서(72)에 의해 검출되는 연료전지(2)의 전압(FC 전압) 및 전류센서(73)에 의해 검출되는 연료전지(2)의 전류(FC 전류)를 소정의 샘플링 레이트로 샘플링하고, 푸리에 변환 처리(FFT 연산처리나 DFT 연산처리) 등을 실시한다. 그리고, 제어장치(7)는, 푸리에 변환 처리 후의 FC 전압신호를 푸리에 변환 처리 후의 FC 전류신호로 나누는 등으로 하여 연료전지(2)의 임피던스를 측정한다.
제어장치(7)는, 이와 같이 하여 측정한 연료전지(2)의 임피던스(측정 임피던스)를, 측정 임피던스 메모리(91)에 저장하고, 당해 시스템을 정지한다. 그 후, 제어장치(제 1 판정수단)(7)는, 이그니션 스위치의 ON 조작 등에 의해 시스템의 시동 명령이 입력되고, 또한 저온 모드 플래그(80)가 「ON」되어 있는 것을 검지하면, 측정 임피던스 메모리(91)에 저장되어 있는 전회 시스템 정지 시의 측정 임피던스(Im)를 판독함과 함께, 기준 임피던스 메모리(92)에 저장되어 있는 저온 시동 목표 임피던스(It)를 판독하여, 양 임피던스를 비교한다.
여기서, 저온 시동 목표 임피던스(It)는, 저온 모드로 시동할 때의 연료전지(2)의 잔수량이 적정한지의 여부를 판단하기 위한 기준값이고, 미리 실험 등에 의해 구해진다. 구체적으로는, 실험 등에 의해 최적의 잔수량을 얻기 위한 측정 임피던스를 구하고, 이것을 맵화하여 기준 임피던스 메모리(51)에 저장하여 둔다. 또한, 저온 시동 목표 임피던스(It)는 고정하여도 되나, 시동 전의 연료전지(2)의 온도 등에 따라 저온 시동 목표 임피던스를 적절히 바꾸도록 하여도 된다.
제어장치(제 2 판정수단)(7)는, 양 임피던스를 비교한 결과, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하고, 금회의 시스템 시동 시에 연료전지(2)의 잔수량을 저감할 필요가 있다고 판단되면, 제어장치(운전 제어수단)(7)는 연료전지(2)의 온도가 시동 기준 온도(T1)(예를 들면, 0℃ 등)에 도달한 시점에서 「Ready ON」시킨 후, 연료전지(2)의 온도를 목표 온도(T2)(> T1 ; 70℃ 등)로 신속하게 승온하도록, 급속 난기운전을 행한다. 여기서, 급속 난기운전이란, 연료전지(2)를 자기발열시킴으로써, 통상 운전에 비하여 단시간으로 연료전지(2)를 승온 가능한 운전을 말한다. 이와 같은 난기운전으로서는, 통상 운전에 비하여 반응가스를 부족 경향으로 하여 전력 손실을 크게 하는 저효율 운전, 즉 연료전지(2)의 발전효율을 저하시켜 발열량을 증가하는 저효율 운전 외에, 연료전지(2)의 출력전류를 증대시켜 발전에 따르는 발열량을 증가시키는 운전을 들 수 있다. 또한, 통상 운전은 비교적 발전효율이 높은 운전이며, 저효율 운전은 비교적 발전효율이 낮은 운전이라고도 환언할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 급속 난기운전으로서, 저효율 운전을 예로 설명한다.
제어장치(7)는, 급속 난기운전에 의해 신속하게 목표 온도(T2)로 승온시키면, 통상 운전으로 이행한다. 그 후, 이그니션 스위치의 OFF 조작 등에 의해 시스템의 정지명령이 입력되면, 제어장치(소기수단)(7)는, 다음번 저온 시동에 대비하여 연료전지(2)의 잔수량을 적정한 값으로 유지하도록, 필요한 소기처리를 실행한다.
이와 같이, 저온 시동할 때에는, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단한다. 소기처리가 불충분하다고 판단한 경우에는, 금회의 시스템 운전 중에 급속 난기운전을 실행함으로써 신속하게 승온한다. 이와 같이, 시스템 운전을 개시한 후, 신속하게 급속 난기운전을 행함으로써 운전 재개 후에 얼마 안되어 운전을 정지하는 바와 같은 경우(예를 들면, 가까운 슈퍼마켓에 가는 경우 등 ; 발명이 해결하고자 하는 과제란 참조)에도, 연료전지(2)는 이미 충분히 난기되어 있기 때문에, 충분한 소기가 가능해진다. 이에 의하여, 다음번 시스템 시동 시에는, 연료전지(2)의 잔수량을 적정하게 유지한 상태에서 발전을 개시할 수 있다. 이하, 연료전지시스템(1)의 운전 정지 시, 및 운전 시동 시에 있어서의 제어에 대하여 설명한다.
<운전 정지 시의 처리 플로우>
도 2는, 연료전지시스템(1)의 정지 시의 처리 플로우를 나타내는 플로우 차트이다. 또한, 이하의 설명에서는, 차량(100)이 저온 모드[연료전지(2)의 온도가 문턱값 온도 미만 등)로 주행하고 있는 경우를 상정한다.
차량(100)의 운전자에 의한 이그니션 스위치의 OFF 조작 등에 의해, 연료전지시스템(1)의 운전 정지지령이 입력되면(단계 S110), 다음번 저온 시동에 대비하 도록, 소기처리를 행한다(단계 S120).
여기서, 소기처리란, 연료전지시스템(2)의 운전종료 시에 연료전지(2) 내의 수분을 외부로 배출함으로써 연료전지(2) 내를 소기하는 것을 말하고, 캐소드계통[산화가스 배관계(3)]의 소기처리는, 연료전지(2)에 대한 수소가스의 공급을 정지한 상태에서 컴프레서(14)에 의해 산화가스를 산화가스유로(2a)에 공급하고, 이 공급한 산화가스에 의해 산화가스유로(2a)에 남는 생성수를 포함하는 수분을 배출로(12)로 배출함으로써 행하여진다. 또한, 이것에 더하여(또는 대신하여) 애노드계통[연료가스 배관계(4)]의 소기처리도 행하여지나, 동일하게 설명할 수 있으므로, 여기서는 설명을 할애한다.
제어장치(7)는, 소기처리를 종료하면, 상기한 바와 같이 연료전지(2)의 임피던스 측정을 행한다(단계 S130). 그리고, 제어장치(7)는, 임피던스 측정에 의해 얻어진 측정 임피던스를 측정 임피던스 메모리(91)에 저장한 후, 당해 시스템을 정지한다.
<운전 시동 시의 처리 플로우>
도 4에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 차량(100)의 운전자에 의한 이그니션 스위치의 ON 조작 등에 의해, 연료전지시스템(1)의 운전 개시가 지령되면(단계 S210), 제어장치(7)는, 저온 모드 플래그(80)를 참조하여, 저온 시동해야 할지의 여부를 판단한다(단계 S220). 상기한 바와 같이, 저온 모드 플래그(80)는, 운전자 등에 의한 버튼조작에 의해 저온 모드에서의 시동명령이 입력된 경우에 제어장치(7)에 의해 「온」으로 설정되는 한편, 이와 같은 조작이 이루어지지 않은(초기 설정도 포함한다) 경우에는 제어장치(7)에 의해 「오프」로 설정된다.
제어장치(7)는, 저온 시동할 필요가 없다고 판단한 경우에는(단계 S220 ; NO), 단계 S260으로 진행하여, 통상 운전을 개시한다. 한편, 제어장치(7)는, 저온 시동해야 한다고 판단하면(단계 S220 ; YES), 전회의 시스템 정지 시에 있어서의 연료전지(2)의 잔수량을 파악하여, 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단한다(단계 S230). 구체적으로는, 상기한 바와 같이, 측정 임피던스 메모리(91)에 저장되어 있는 전회 시스템 정지 시의 측정 임피던스(Im)와, 기준 임피던스 메모리(92)에 저장되어 있는 저온 시동 목표 임피던스(It)를 비교한다.
제어장치(7)는, 비교의 결과, 측정 임피던스(Im)가 저온 시동 목표 임피던스 (It) 이상이기 때문에, 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 충분하였다고 판단되면(단계 S230 ; NO), 단계 S260으로 진행하여, 통상 운전을 개시한다. 한편, 제어장치(7)는, 비교의 결과, 측정 임피던스(Im)가 저온 시동 목표 임피던스(It)를 하회하고 있기 때문에, 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였다고 판단되면(단계 S230 ; YES), 연료전지(2)의 온도가 시동 기준 온도(T1)(예를 들면, 0℃ 등)에 도달한 시점에서「Ready ON」한 후, 연료전지(2)의 온도를 목표 온도(T2)(> T1 ; 70℃ 등)로 신속하게 승온하도록, 급속 난기운전을 개시한다(단계 S240).
그 후, 제어장치(7)는, 급속 난기운전에 의해 목표 온도(T2)로 승온하였는지의 여부를 판단한다(단계 S250). 제어장치(7)는 목표 온도(T2)까지 승온하지 않았다고 판단되면, 단계 S240으로 되돌아가, 급속 난기운전을 계속한다. 한편, 제어장치(7)는, 목표 온도(T2)까지 승온하였다고 판단되면, 단계 S260으로 진행하여, 통상 운전을 행한다.
그 후, 제어장치(7)는, 연료전지시스템(1)의 운전 정지가 지령되었는지의 여부를 판단한다(단계 S270). 제어장치(7)는 연료전지시스템(1)의 운전 정지가 지령되어 있지 않은 경우에는, 단계 S260으로 되돌아가, 통상 운전을 계속한다. 한편, 제어장치(7)는, 운전자에 의한 이그니션 스위치의 OFF 조작 등에 의해 연료전지시스템(1)의 운전 정지가 지령된 것을 검지하면(단계 S270 ; YES), 다음번 저온 시동에 대비하여 연료전지(2)의 잔수량을 충분히 저감하도록, 소기처리를 행한 후(단계 S280), 처리를 종료한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 시스템 시동 시에 저온 시동해야 한다고 판정되고, 또한, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였다고 판정된 경우에는, 금회의 시스템 운전 중에 급속 난기운전을 행함으로써 연료전지(2)의 온도를 신속하게 목표 온도(T2)까지 승온하고, 그 후, 당해 시스템의 운전 정지가 지령된 경우에는 소기처리를 행한다. 이 때문에, 단시간으로 운전을 정지하는 바와 같은 경우에도, 연료전지(2)의 온도를 목표 온도(T2)까지 승온시킨 상태에서 충분한 소기처리를 행할 수 있다. 주지한 바와 같이, 연료전지(2)의 온도가 낮은 상태에서 소기처리를 행하면, 충분한 소기를 할 수 없는 등의 문제가 생기나, 상기 구성에 의하면, 연료전지(2)의 온도를 목표 온도(T2)까지 승온시킨 상태에서 소기처리를 행하기 때문에, 다음번 저온 시동에 대비하여 충분한 소기가 가능해진다.
B. 제 2 실시형태
상기한 제 1 실시형태에서는, 측정 임피던스를 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하였으나, 소기시간을 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하여도 된다. 도 4는, 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템(1')의 구성을 나타내는 도면이다. 또한, 도 1에 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고, 상세한 설명은 할애한다.
측정 소기시간 메모리(91a)는 시스템 정지 시에 실행한 소기처리의 시간(측정 소기시간)(Tm)을 기억하는 메모리이고, 기준 소기시간 메모리(92a)는 소기시간의 상한값(이하, 소기 상한시간)(Tt)을 기억하는 메모리이다. 소기 상한시간(Tt)은, 본 실시형태에 관한 저온 시동 목표 임피던스(It)와 마찬가지로, 저온 모드 시동할 때의 연료전지(2)의 잔수량이 적정한지의 여부를 판단하기 위한 기준값으로, 미리 실험 등에 의해 구해진다.
도 5는, 제 2 실시형태에 관한 연료전지시스템(1')의 정지 시의 처리 플로우를 나타내는 플로우 차트이고, 상기한 도 2에 대응하는 플로우 차트이다. 또한, 상기한 도 2와 대응하는 단계에는, 동일부호를 붙이고, 상세한 설명은 할애한다. 또, 이하의 설명에서는, 제 1 실시형태와 마찬가지로 차량(100)이 저온 모드[연료전지(2)의 온도가 문턱값 온도 미만 등]로 주행하고 있는 경우를 상정한다.
차량(100)의 운전자에 의한 이그니션 스위치의 OFF 조작 등에 의해, 연료전지시스템(1)의 운전 정지 지령이 입력되면(단계 S110), 다음번 저온 시동에 대비하 도록, 소기처리를 행한다(단계 S120).
또한, 제어장치(소기시간 측정수단)(7)는, 타이머(70)를 이용하여 소기처리개시부터 소기처리 종료까지의 시간(소기시간)(Tm)을 계측하고(단계 S130'), 계측한 소기시간을 측정 소기시간 메모리(91a)에 저장한 후(단계 S140'), 처리를 종료한다.
그 후, 도 3에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 차량(100)의 운전자에 의한 이그니션 스위치의 ON 조작 등에 의해 연료전지시스템(1)의 운전 개시가 지령되면(단계 S210), 제어장치(7)는, 저온 모드 플래그(80)를 참조하여, 저온 시동해야 할지의 여부를 판단한다(단계 S220). 제어장치(7)는, 저온 시동해야 한다고 판단되면(단계 S220 ; YES), 전회의 시스템 정지 시에 있어서의 연료전지(2)의 잔수량을 파악하고, 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단한다(단계 S230). 본 실시형태에서는, 전회 시스템 정지 시의 소기시간에 의거하여 당해 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단한다. 상세하게 설명하면, 제어장치(7)는, 측정 소기시간 메모리(91a)에 저장되어 있는 전회 시스템 정지 시의 측정소기시간(Tm)과, 기준 소기시간 메모리(92a)에 저장되어 있는 소기 상한시간(Tt)을 비교한다. 제어장치(제 2 판정수단)(7)는, 비교결과, 측정 소기시간(Tm)이 소기 상한시간(Tt) 이상이기 때문에, 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였다고 판단되면(단계 S230 ; YES), 급속 난기운전을 실행한다(단계 S240). 또한, 그 밖의 동작에 대해서는, 상기한 본 실시형태와 동일하게 설명할 수 있기 때문에, 더 이상의 설명은 할애한다.
이와 같이, 소기시간을 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하여도 된다. 또한, 측정 임피던스를 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단함과 함께(제 1 실시형태),소기시간을 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하여(제 2 실시형태), 이들 양쪽의 판단결과에 의거하여(예를 들면, OR 조건이나 AND 조건), 급속 난기운전을 실행할지의 여부를 판단하여도 된다.
C. 제 3 실시형태
제 2 실시형태에서는 소기시간을 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하였으나, 잔류수 추정값을 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하여도 된다.
도 6은, 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템(1")의 구성을 나타내는 도면이다. 또한, 도 4에 대응하는 부분에는 동일부호를 붙이고, 상세한 설명은 할애한다.
잔수량 추정값 메모리(91b)는 시스템 정지 시에 있어서의 연료전지(2)의 잔수량의 추정값(이하, 잔수량 추정값)(We)를 기억하는 메모리이고, 시동 시 목표 잔수량 메모리(92b)는 시스템 시동 시의 목표가 되는 잔수량(이하, 시동 시 목표 잔수량)(Wt)을 기억하는 메모리이다. 시동 시 목표 잔수량(Wt)은, 제 2 실시형태에 관한 소기 상한시간(Tt)과 마찬가지로 저온 모드 시동할 때의 연료전지(2)의 잔수량이 적정한지의 여부를 판단하기 위한 기준값이며, 미리 실험 등에 의해 구해진다.
도 7은 제 3 실시형태에 관한 연료전지시스템(1")의 정지 시의 처리 플로우를 나타내는 플로우 차트이고, 상기한 도 5에 대응하는 플로우 차트이다. 또한, 상기한 도 5와 대응하는 단계에는, 동일부호를 붙이고, 상세한 설명은 할애한다. 또, 이하의 설명에서는, 제 2 실시형태와 마찬가지로 차량(100)이 저온 모드[연료전지(2)의 온도가 문턱값 온도 미만 등)로 주행하고 있는 경우를 상정한다.
차량(100)의 운전자에 의한 이그니션 스위치의 OFF 조작 등에 의해, 연료전지시스템(1)의 운전 정지 지령이 입력되면(단계 S110), 다음번 저온 시동에 대비하 도록, 소기처리를 행한다(단계 S120).
또한, 제어장치(추정수단)(7)는, 컴프레서(14)에 의해 연료전지(2)에 공급되는 산화가스의 공급량, 연료전지(2)의 발전에 따라 생성되는 수분량(생성수량), 외부 가습 수분량의 적분값 등을 이용하여 잔수량 추정값(We)을 도출하고(단계 S130"), 도출한 잔수량 추정값(We)을 잔수량 추정값 메모리(70b)에 저장한 후(단계 S140"), 처리를 종료한다.
그 후, 도 4에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 차량(100)의 운전자에 의한 이그니션 스위치의 ON 조작 등에 의해 연료전지시스템(1)의 운전 개시가 지령되면(단계 S210), 제어장치(7)는, 저온 모드 플래그(80)를 참조하여, 저온 시동해야 할지의 여부를 판단한다(단계 S220). 제어장치(7)는, 저온 시동해야 한다고 판단되면(단계 S220 ; YES), 전회의 시스템 정지 시에 있어서의 연료전지(2)의 잔수량을 파악하고, 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단한다(단계 S230). 제 3 실시형태에서는, 전회 시스템 정지 시에 도출한 잔수량 추정값에 의거하여 당해 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단한다. 상세하게 설명하면, 제어장치(7)는, 잔수량 추정값 메모리(91b)에 저장되어 있는 전회 시스템 정지 시에 도출한 잔수량 추정값(We)과, 시동 시 목표 잔수량 메모리(92b)에 저장되어 있는 시동 시 목표 잔수량(Wt)을 비교한다. 제어장치(제 2 판정수단)(7)는, 비교결과, 잔수량 추정값(We)이 시동 시 목표 잔수량(Wt) 이상이기 때문에, 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였다고 판단되면(단계 S230 ; YES), 급속 난기운전을 실행한다(단계 S240). 또한, 그 밖의 동작에 대해서는, 상기한 본 실시형태와 동일하게 설명할 수 있기 때문에, 더 이상의 설명은 할애한다.
이와 같이, 잔수량 추정값을 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하여도 된다. 또한, 측정 임피던스를 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단함과 함께(제 1 실시형태), 소기시간을 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하고(제 2 실시형태), 나아가서는 잔수량 추정값을 이용하여 전회 시스템 정지 시의 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판단하여(제 3 실시형태), 이들 3개의 파라미터의 판단결과에 의거하여(예를 들면, OR 조건이나 AND 조건), 급속 난기운전을 실행할지의 여부를 판단하여도 된다.
또한, 이상 설명한 각 실시형태에서는, 운전자 등에 의한 버튼조작에 의해 저온 모드에서의 시동 명령이 입력된 경우에 저온 시동해야 한다고 판단하였으나, 온도센서(46, 47)나 외기온 센서(51)에 의해 검출되는 연료전지(2)의 관련 온도에 의거하여, 저온 시동해야 할지의 여부를 자동 판정하여도 된다. 상세하게 설명하면, 제어장치(제 1 판정수단)(7)는, 온도센서(46, 47)나 외기 온도센서(51)에 의해 검출되는 연료전지(2)의 관련 온도와, 미리 메모리 등에 저장되어 있는 시동 판정기준 온도(예를 들면, 0℃)를 비교한다. 제어장치(7)는, 검출되는 연료전지(2)의 관련 온도가, 시동 판정 기준 온도를 하회하고 있는 경우에는 저온 시동해야 한다고 판단하여, 저온 모드 플래그(80)를 「오프」에서 「온」으로 변환한다. 이와 같이, 운전자 등에 의한 버튼조작에 상관없이, 연료전지(2)의 관련 온도에 의거하여, 저온 시동해야 할지의 여부를 자동 판정하여도 된다.

Claims (6)

  1. 저온 시동 시, 연료전지의 관련 온도가 기준 온도에 도달할 때까지 난기운전을 행하는 연료전지시스템에 있어서,
    시스템 시동 시에 저온 시동해야 할지의 여부를 판정하는 제 1 판정수단과,
    전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판정하는 제 2 판정수단과,
    상기 각 판정수단에 의해, 저온 시동해야 하고, 또한, 전회의 시스템 정지 시에 실시된 소기처리가 불충분하였다고 판정된 경우에는, 상기 연료전지의 관련 온도가, 상기 기준 온도보다 높은 목표 온도에 도달할 때까지 난기운전을 계속하는 운전제어수단과,
    시스템 정지 시에 소기처리를 행하는 소기수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 운전제어수단은, 상기 난기운전을 종료한 후에 통상 운전으로 이행하고,
    상기 난기운전은, 상기 통상 운전에 비하여 전력손실이 큰 저효율 운전인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    시스템 정지 시의 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정수단을 더 구비하고,
    상기 제 2 판정수단은, 전회 시스템 정지 시에 측정된 상기 연료전지의 임피던스에 의거하여, 상기 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 시스템 정지 시의 소기시간을 측정하는 소기시간 측정수단을 더 구비하고,
    상기 제 2 판정수단은, 전회 시스템 정지 시에 측정된 상기 소기시간에 의거하여, 상기 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    시스템 정지 시의 상기 연료전지의 잔수량을 추정하는 추정수단을 더 구비하고,
    상기 제 2 판정수단은, 전회 시스템 정지 시에 추정된 상기 연료전지의 잔수량에 의거하여, 상기 소기처리가 불충분하였는지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 관련 온도는, 외기 온도, 연료전지 주변의 부품 온도, 연료전지의 냉매 온도 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 제 1 판정수단은, 상기 연료전지의 관련 온도에 의거하여 저온 시동해야 할지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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