KR20100034053A

KR20100034053A - 연료전지시스템

Info

Publication number: KR20100034053A
Application number: KR1020107004051A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 이마니시; 고타 마나베; 도모야 오가와
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-03-31
Also published as: JP4329043B2; CN101796679A; US8460835B2; CN101796679B; DE112008002094T5; JP2009054465A; KR101099739B1; WO2009028637A1; DE112008002094B4; US20100291452A1

Abstract

연료전지시스템은, 통상 운전에 비하여 발전 효율이 낮은 저효율 운전에 의하여 연료전지를 한창 난기하고 있는 중에 연료전지에 대한 발전 지령값(Pref)이 급감하면, 연료전지의 출력 전압을 승압시킴으로써, 연료전지의 발전량(Pmes)과 발전 지령값(Pred)의 차분에 상당하는 잉여 전력(Ws)을 연료전지의 용량 성분에 충전하고, 연료전지의 외부 부하에 공급되는 전력(Pmes-Ws)과 발전 지령값(Pref)을 일치시킨다. 이에 의하여, 저효율 운전 시에 연료전지에 대한 요구 전력이 급격하게 감소하였을 때에 외부 부하에 잉여 전력을 공급하지 않도록 제어할 수 있다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 저효율 운전에 의해 연료전지를 난기(暖機)하는 연료전지시스템에 관한 것이다.

연료전지는, 연료를 전기화학 프로세스에 의해 산화시킴으로써 산화반응에 따라 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전시스템으로, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 전해질막의 양 측면을 다공질 재료로 이루어지는 한 쌍의 전극에 의해 끼워 유지하여 이루어지는 복수의 막 - 전극 어셈블리를 적층하여 이루어지는 스택구조를 가지고 있다. 그 중에서도, 고체 고분자막을 전해질로서 사용하는 고체 고분자 전해질형 연료전지는, 저비용으로 컴팩트화가 용이하고, 또한 높은 출력밀도를 가지기 때문에, 차량 탑재 전력원으로서의 용도가 기대되고 있다.

이와 같은 종류의 연료전지는, 일반적으로 70 ∼ 80℃가 발전에 최적한 온도역으로 되어 있으나, 한랭지 등의 환경에서는, 기동하고 나서 최적 온도역에 도달하기까지 장시간을 요하는 경우가 있기 때문에, 각종 난기 시스템이 검토되고 있다. 예를 들면, 일본국 특개2002-313388호 공보에는, 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 실시함으로써 연료전지의 자기 발열량을 제어하고, 차량 주행하면서 연료전지를 난기하는 방법에 대하여 개시되어 있다. 이와 같은 방법은, 연료전지의 출력 전압을 그 I-V 특성(전류 대 전압 특성)에 의거하는 전압값보다 낮은 전압값으로 설정하고, 연료전지의 열손실을 증대시켜 자기 발열에 의한 난기운전을 실시하는 것이기 때문에, 난기용 장치를 탑재할 필요가 없어, 편리성이 우수하다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2002-313388호 공보

그런데, 차량 주행하면서의 저효율 운전에서는, 연료전지의 출력 전압을 그 I-V 특성에 의거하는 전압값보다 낮은 일정한 전압값으로 고정하면서, 연료전지에 공급되는 산화 가스유량을 요구 전력에 따라 가변 제어하는 것이 적합하다. 이 때의 연료전지의 출력 전압은, 신속한 난기운전을 실현함과 동시에, 차량 주행에 최저한도 필요한 모터 출력을 얻을 수 있는 일정한 전압값으로 설정된다. 여기서, 연료전지의 출력 전압을 일정한 전압값으로 고정하는 이유는, 난기운전 시에 발전효율을 저하시키는 관점에서 연료전지의 출력 전압을 그 I-V 특성에 의거하는 전압보다 낮은 전압으로 운전 제어하는 경우, 연료전지의 출력 전압이 변동(승압 또는 강압)하면, 연료전지 내부에 기생적으로 형성되어 있는 용량 성분으로부터의 전력의 충방전이 생겨, 연료전지로부터 외부 부하(트랙션 모터나 차량 탑재 보조 기계류 등)에 공급되는 전력에 과부족이 생기기 때문이다.

한편, 일본국 특개2002-313388호 공보에 개시되어 있는 방법에서는, 난기운전 시에 연료전지의 발전효율을 저하시키는 대상으로서, 연료전지의 출력도 저하시키기 때문에, 요구 전력에 적합한 출력제어를 실시할 수 없다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는, 차량 주행하면서의 저효율 운전에서는, 연료전지의 출력 전압을 그 I-V 특성에 의거하는 전압값보다 낮은 일정한 전압값으로 고정하면서, 연료전지에 공급되는 산화 가스유량을 요구 전력에 따라 가변 제어하면 된다.

그러나, 연료전지시스템을 차량 탑재 전원으로 하는 연료전지 차량에서는, 에어컴프레서에 의해 연료전지에 산화 가스를 공급하고 있는 것이 있다. 에어컴프레서에 실장되는 구동 모터는 응답성이 좋은 것이 채용되어 있고, 액셀러레이터 개방도가 급격하게 증대하는 경우에 있어서의 에어컴프레서의 응답성은 양호하다. 그러나, 에어컴프레서에는, 브레이크 등의 감속장치가 탑재되어 있지 않은 경우가 많기 때문에, 액셀러레이터 개방도가 급격하게 감소하는 경우에 있어서의 응답성은 나쁘고, 타성에 의해 회전수가 감소하여 가는 것을 기다리고 있는 것이 현상이다.

그 때문에, 차량 주행하면서의 저효율 운전 시에, 액셀러레이터 개방도가 급격하게 감소하여도, 연료전지에 대한 산화 가스 유량을 급격하게 조절할 수 없기 때문에, 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을 발전한다. 이 잉여 전력은 배터리에 충전되나, 저온 환경 하에 의하여 배터리의 충전능력이 저하하고 있는 경우에는, 배터리의 과충전을 초래할 염려가 있다.

그래서, 본 발명은 저효율 운전 시에 연료전지에 대한 요구 전력이 급격하게 감소하였을 때에 외부 부하에 잉여 전력을 공급하지 않도록 제어할 수 있는 연료전지시스템을 제안하는 것을 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와, 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전에 의해 연료전지를 난기하는 난기장치와, 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 연료전지에 대한 발전 지령값이 급감하였을 때에 연료전지의 출력 전압을 승압시킴으로써 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을 연료전지의 용량 성분에 충전하는 제어장치를 구비한다.

이와 같은 구성에 의하면, 저효율 운전 중에 발전 지령값이 급감하였을 때에, 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을 연료전지의 용량 성분에 충전할 수 있기 때문에, 연료전지로부터 외부 부하에 대한 잉여 전력공급을 억제할 수 있다.

여기서, 연료전지의 용량 성분이란, 연료전지의 촉매 담지체의 전기 2중층 용량 성분과 촉매의 산화환원반응에 의한 외견상의 용량 성분을 의미한다. 또, 저효율 운전이란, 연료전지의 전류 대 전압 특성 곡선으로부터 정해지는 전압값보다 낮은 전압값을 가지는 운전 포인트로 전지 운전하는 것을 의미한다.

본 발명에 관한 연료전지시스템은, 용량 성분의 전압에 대한 용량값을 나타내는 맵 데이터와, 연료전지의 출력 전류를 연료전지의 출력 전압의 단위 시간당 변화로 나눔으로써 얻어지는 상기한 용량 성분의 실측값을 기초로 상기한 맵 데이터를 보정하는 보정장치를 더 구비하여도 된다.

연료전지의 용량 성분은, 장기간 계속하여 사용하면, 촉매산화 등에 의해 경년열화하는 것이 알려져 있다. 용량 성분의 전압에 대한 용량값을 나타내는 맵 데이터를 용량 성분의 실측값을 기초로 보정함으로써, 잉여 전력을 정밀도 좋게 용량 성분에 충전할 수 있다.

본 발명에 관한 연료전지시스템은, 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 연료전지에 대한 운전부하가 급감하였을 때에 연료전지의 발전량과 발전 지령값과의 차분이 적어지도록 발전 지령값을 완만하게 감소시키는 발전 지령장치를 더 구비하여도 된다.

연료전지의 발전량과 발전 지령값과의 차분이 적어지도록 발전 지령값을 완만하게 감소시킴으로써, 잉여 전력을 적극 적게 하여, 연료전지의 외부 부하에 공급되는 발전량과 발전 지령값과의 어긋남을 저감할 수 있다.

제어장치는, 잉여 전력을 용량 성분에 충전시키기 위하여 지령한 운전 포인트가 통상 운전 시의 연료전지의 전류 대 전압 특성 곡선에 의해 정해지는 전압값보다 높은 전압값을 가지는 경우에는, 운전 포인트가 저효율 운전영역에서 벗어나 있는 것을 의미하고 있기 때문에, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환하는 것이 바람직하다.

제어장치는, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환할 때에, 발전 지령값에 적합한 반응가스 공급량보다 많은 반응가스를 연료전지에 공급함으로써 잉여 전력을 강제적으로 생성하고, 연료전지의 출력 전압을 승압시켜 그 잉여 전력을 용량 성분에 충전하는 것이 바람직하다.

저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환하기 위해서는, 연료전지의 운전 포인트를 저효율 운전영역으로부터 전류 대 전압 특성 곡선에 의해 정해지는 운전 포인트로 이동시킬(운전 포인트의 전압값을 올릴) 필요가 있다. 이 때 반응가스를 과잉 경향으로 연료전지에 공급함으로써, 잉여 전력을 강제적으로 생성하고, 연료전지의 출력 전압을 승압시켜 그 잉여 전력을 용량 성분에 충전함으로써, 연료전지의 외부 부하에 공급되는 전력에 변동을 초래하지 않고 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환할 수 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 타이밍 차트,
도 7은 ΔV 제어의 제어과정을 나타내는 타이밍 차트,
도 8은 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환하기 위한 제어과정을 나타내는 타이밍 차트,
도 9는 ΔV 제어 시에 연료전지 스택의 전압 지령값을 산출하기 위한 기능 블록도,
도 10은 연료전지 스택에 기생적으로 존재하는 용량 성분의 맵 데이터,
도 11은 연료전지 스택에 기생적으로 존재하는 용량 성분의 맵 데이터를 보정하기 위한 블럭도이다.

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 전원시스템으로서 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 (1)식의 산화반응이 생기고, 캐소드극에서 (2)식의 환원반응이 생긴다. 연료전지 스택(20) 전체로서는 (3)식의 기전반응이 생긴다.

연료전지 스택(20)에는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 검출하기 위한 전압센서(71) 및 발전 전류를 검출하기 위한 전류센서(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 중으로부터 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, 산화 가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스)의 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(33)가 설치되어 있다.

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 수소흡장 합금 등으로 구성되고, 고압(예를 들면, 35 MPa 내지 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, 탄화 수소계의 연료로부터 수소 리치한 개질 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기로 생성한 개질 가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크로 구성하여도 된다.

레귤레이터(43)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 압력 조정하는 장치로서, 예를 들면, 1차압을 감압하는 기계식 감압밸브 등으로 구성된다. 기계식 감압밸브는, 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 전자구동력으로 직접적으로 소정의 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시킴으로써 가스 유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(44)는, 연료가스 등의 기체연료를 분사하는 분사구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체연료를 분사구멍까지 공급 안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대하여 축선방향(기체 흐름방향)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 밸브 개방에 의하여, 순환 통로(46) 내의 연료 오프 가스 중의 불순물의 농도가 내려가고, 순환계 내를 순환하는 연료 오프 가스 중의 수소농도를 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, 출력 전류)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. 배터리(52)로서는, 예를 들면, 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차 전지 등의 2차 전지가 적합하다.

트랙션 인버터(53)는, 예를 들면, 펄스 폭 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, 나아가서는 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 외기의 사이에서 열교환하기 위한 라디에이터(66), 냉매의 순환 경로를 변환하기 위한 삼방(三方) 밸브(67) 및 냉매 온도를 검출하기 위한 온도센서(74)를 구비하고 있다. 난기운전이 완료된 후의 통상 운전 시에는 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매통로(61, 64)를 흘러 라디에이터(66)로 냉각된 후, 냉매통로(63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러들도록 삼방 밸브(67)가 개폐 제어된다. 한편, 시스템 기동 직후에 있어서의 난기운전 시에는, 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매통로(61, 62, 63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러들도록 삼방 밸브(67)가 개폐 제어된다.

컨트롤러(70)는, CPU, ROM, RAM, 및 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 액셀러레이터 개방도 신호(ACC)나, 차속센서로부터 출력되는 차속신호(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, 수소펌프, 및 냉각수 순환 펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어장치, 조타장치, 및 현가장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승자 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 출력전력의 배분을 결정하여, 발전 지령값을 연산함과 동시에, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표 전력에 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, 출력 전류)를 제어한다. 컨트롤러(70)는, 액셀러레이터 개방도에 따른 목표 차속이 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 양측으로부터 사이에 두고 샌드위치 구조를 이루는 확산 전극이다. 가스 불투과의 도전성부재로 구성되는 세퍼레이터(26, 27)는, 이 샌드위치 구조를 다시 양측으로부터 끼우면서, 애노드극(23) 및 캐소드극(24)과의 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, 산화 가스 유로가 형성된다.

애노드극(23)은, 백금계의 금속촉매(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 유기용매에 분산시키고, 전해질 용액을 적량 첨가하여 페이스트화하여, 전해질막(22) 상에 스크린 인쇄한 것이다. 가스 확산층(23b, 24b)은, 탄소섬유로 이루어지는 실로 짜서 이루어진 카본 삼방, 카본 페이퍼, 또는 카본 펠트에 의해 형성되어 있다. 전해질막(22)은, 고체 고분자 재료, 예를 들면, 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이며, 습윤상태에서 양호한 전기전도성을 발휘한다. 전해질막(22), 애노드극(23) 및 캐소드극(24)에 의해 막-전극 어셈블리(25)가 형성된다.

도 3은 연료전지 스택(20)의 C-V특성(cyclic voltanogram)을 나타내고 있다.

이 C-V 특성은, 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 나타내는 것이고, 연료전지 스택(20)의 전압을 일정한 속도로 승압시켜 가면, 외부로부터 연료전지 스택(20)으로 흘러드는 방향(마이너스 방향)으로 전류가 흐르고, 연료전지 스택의 전압을 일정한 속도로 강압시켜 가면, 연료전지 스택(20)으로부터 외부로 흐르는 방향(플러스 방향)으로 전류가 흐른다. 이와 같은 동적인 전기 특성은, 연료전지 스택(20)의 촉매 담지체의 전기 2중층 용량 성분과 촉매의 산화 환원반응에 의한 외견상의 용량 성분에 의한 것으로 판명되어 있다.

도 4는 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 모델화한 등가 회로도이다.

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 특성상, 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)로 흘러 나가는 전류를 Is, 커패시터(29)의 용량을 C, 시간을 t라 하면, 이하에 나타내는 (4)∼(5)식이 성립한다.

(4)∼(5)식에 나타내는 바와 같이, 출력 전압(Vfc)을 승압하면, 단위 시간당 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 시간당 변화량(ΔVfc/Δt)에 따라, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류(Ic)가 감소하기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)는 증가한다. 이와 같이, 출력 전압(Vfc)의 단위 시간당 승/강압량을 제어함으로써, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)를 가감할 수 있다(이하, 편의상, ΔV 제어라 부른다.).

본 실시형태에서는, 연료전지시스템(10)을 기동하였을 때의 스택 온도가 소정 온도(예를 들면 0℃) 미만인 경우에 차량 주행하면서의 저효율 운전을 실시하고, 연료전지 스택(20)을 난기한다. 저효율 운전이란, 공기화학량론비를 1.0 부근에 설정하여 연료전지 스택(20)에 대한 반응가스 공급량을 제어함으로써, 발전 손실을 높여, 낮은 발전 효율로 운전하는 것을 말한다. 공기화학량론비란, 산소잉여율을 말하며, 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(발전 손실)이 증대한다. 저효율 운전은, 예를 들면, 저온 기동 시에 있어서 열손실을 의도적으로 증대시킴으로써 연료전지 스택(20)을 신속하게 난기하기 위한 수단으로서, 차량 주행 전의 기동 준비단계 또는 차량 주행하면서의 난기운전 시에 실시된다.

차량 주행하면서의 저효율 운전에서는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 그 I-V 특성에 의거하는 전압값보다 낮은 일정한 전압값으로 고정하면서, 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화 가스 유량을 요구 전력에 따라 가변 제어한다. 여기서, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 일정한 전압값으로 고정하는 이유는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 변동시키면, (4)∼(5)식에 나타내는 바와 같이, 연료전지 스택(20)의 용량 특성에 의해 커패시터(29)로부터의 전력의 충방전이 생겨, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)에 공급되는 전력에 과부족이 생기기 때문이다.

저효율 운전 시의 연료전지 스택(20)의 출력 전압은, 신속한 난기운전을 실현함과 동시에, 차량 주행에 최저한도 필요한 모터 출력을 얻을 수 있는 전압값으로 설정된다. 조기 난기의 관점에서는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압을 가능한 한 낮게 설정하는 것이 바람직하나, 과도하게 너무 낮으면, 차량 주행에 필요한 모터 출력을 얻을 수 없는 경우가 있기 때문에, 난기성능을 만족하면서 차량 주행 시의 적절한 모터 출력을 얻을 수 있는 전압으로 설정하는 것이 바람직하다. FC 출력단에 승압 컨버터를 구비하는 경우는, 이것에 한정하지 않는다.

이와 같이, 저효율 운전 시에서의 연료전지 스택(20)의 출력 전압은, 일정 전압으로 고정되기 때문에, 컨트롤러(70)는, 연료전지 스택(20)에 대한 산화 가스공급량을 가변 제어함으로써, 요구 전력(액셀러레이터 개방도 등)에 따른 발전제어를 실시한다. 예를 들면, 고부하 시에는, 연료전지 스택(20)에 대한 산화 가스 유량을 증대하고, 저부하 시에는, 연료전지 스택(20)에 대한 산화 가스 유량을 감소시킨다. 단, 연료전지 스택(20)에 대한 연료가스 공급은 일정 유량으로 유지되는 것으로 한다.

또한, 저효율 운전은, 스택 온도가 소정 온도(예를 들면 O℃)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[출력 전류(Ifc), 출력 전압(Vfc)]가 I-V 특성 곡선(전류 대 전압 특성 곡선)(200) 상에 위치하도록운전 제어한다. 한편, 저효율 운전 시에는, 발전효율을 의도적으로 저하시켜 열손실을 높이기 때문에, 운전 포인트는, I-V 특성 곡선(200)보다 낮은 전압 포인트, 예를 들면, 출력 전압(Vfc=V1)으로 설정된다. 저효율 운전에서는, 출력 전압(Vfc)은 V1에 고정되기 때문에, 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급되는 에어 유량을 제어함으로써, 출력 전류(Ifc)를 조정하고, 운전 부하(예를 들면, 액셀러레이터 개방도)에 따른 발전 제어를 실시한다.

예를 들면, 저효율 운전에 의해 차량 주행하면서 난기운전하고 있을 때의 운전 포인트를 OP1(I3, V1)이라 하자. 운전자가 액셀러레이터 오프로 함으로써, 연료전지 스택(20)의 발전 지령값이 급감하여도, 에어컴프레서(32)는, 급격하게 그 회전수를 저하시킬 수 없기 때문에, 발전 지령값에 적합한 회수수보다 약간 많은 회전수로 잠시 회전을 계속한다. 그렇게 하면, 연료전지 스택(20)의 발전량과 발전 지령값의 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 부하에 공급되는 전력값과 발전 지령값을 대략 일치시킬 수 있다.

또한, 도 5에서, 부호 300, 400은 각각 같은 파워라인을 나타내고 있다.

여기서, 도 5 내지 도 6을 참조하면서 ΔV 제어의 상세에 대하여 설명을 가한다.

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 상정하여, ΔV 제어에 대하여 설명한다.

액셀러레이터 오프가 되는 시각 t11에서는, 연료전지 스택(20)의 운전부하(구체적으로는 차량 주행에 요하는 전력)가 저감하기 때문에, 컨트롤러(70)는, 운전부하의 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 차례로 감소하여 간다. 시각 t11의 직전에서의 운전 포인트는, OP1(I3, 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, 잠깐의 기간, 타성으로 계속 회전하여, 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)을 ΔVfc = (V2-V1)만큼 승압하고, 운전 포인트를 OP2(I2, 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 완료되는 시각 t12에서는, 출력 전압(Vfc)이 ΔVfc=(V2-V1)만큼 강압되고, 운전 포인트는, OP2(I2, V2)로부터 OP1(I3, V1)로 복귀한다.

또한, I-V 특성 곡선(200) 상에 위치하는 운전 포인트(OP3)(I3, V3)는, 출력 전류(I3)일 때에 연료전지 스택(20)으로부터 이론상 최대한 출력할 수 있는 전압이 V3인 것을 나타내고 있다. 잉여 전력(Ws)을 커패시터(29)에 충전하기 위한 ΔV 제어 시에 출력 전압(Vfc)을 승압할 때의 운전 포인트로서, OP4'(I3, V4)가 지령되었다 하여도, 연료전지 스택(20)은, 운전 포인트(OP4')로 운전할 수 없기 때문에, I-V 특성 곡선(200) 상의 Vfc = V4가 되는 운전 포인트(OP4)(I1, V4)로 운전하게 된다.

ΔV 제어에 의해 운전 포인트가 I-V 특성 곡선(200) 상의 운전 포인트로 이동하면, 컨트롤러(70)는, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환한다. 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환하기 위한 판정조건으로서, 예를 들면, ΔV 제어 시에 이동 포인트로서 지령된 운전 포인트에 있어서의 전력과, ΔV 제어 후의 실제의 운전 포인트에 있어서의 전력과의 차분이 소정의 문턱값을 넘는 것을 조건으로 하면 된다. 상기한 예에서는, ΔV 제어 시에 이동 포인트로서 지령된 운전 포인트(OP4')(I3, V4)에서의 전력은 I3 × V4이고, ΔV 제어 후의 실제의 운전 포인트(OP4)(I1, V4)에서의 전력은 I1 × V4이기 때문에, 양자의 차분[(I3-I1) × V4]이 소정의 문턱값을 넘었을 때에, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환하면 된다. 또한, 이 판정조건은, 뒤에서 설명하는 도 9의 Min 함수(910)의 기능에 상당하는 것이다.

다음에, 도 7을 참조하면서 ΔV 제어의 응용예에 대하여 설명한다.

연료전지 스택(20)에 대한 발전요구가 급감하는 예로서, 시각 t20∼시각 t21의 기간에서, 액셀러레이터 온의 상태가 유지되고, 시각 t21의 타이밍에서 액셀러레이터 오프가 되는 경우를 상정하고, ΔV 제어의 응용예에 대하여 설명한다.

액셀러레이터 오프가 되는 시각 t21에서는, 연료전지 스택(20)에 대한 운전부하가 급감하기 때문에, 컨트롤러(70)는, 발전량(Pmes)과 발전 지령값(Pref)의 차분에 상당하는 잉여 전력(Ws)이 적어지도록 발전 지령값(Pref)을 완만하게 감소시킨다. 발전 지령값(Pref)을 완만하게 감소시켜 간다는 것은, 바꿔 말하면, 운전부하에 적합한 전력 이상의 전력을 발전 지령값으로 설정한다는 것이기도 하다. 액셀러레이터 오프 시에 드라이버빌리티에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 발전 지령값(Pref)을 완만하게 감소시켜 가는 방법은, 소위, 액셀러레이터 완화(easing an accelerator pedal)라 불리우고 있는 방법이다. 액셀러레이터 완화를 실시함으로써, 트랙션 모터(54)의 회전 토오크는 완만하게 감소하여 가기 때문에, 발전 지령값(Pref)과 발전량(Pmes)의 차분에 상당하는 잉여 전력(Ws)은 약간의 것이 된다.

시각 t21 ∼ 시각 t22의 기간에 출력 전압(Vfc)을 ΔVfc=(V2'-V1)만큼 약간 승압시킴으로써(단, V1 < V2' < V2라 하자.), 이 잉여 전력(Ws)을 연료전지 스택(20) 내부의 커패시터(29)에 충전할 수 있다. DC/DC 컨버터(51)에 의한 출력 전압(Vfc)의 승압동작에 시간 지연이 생겼다 하여도, 약간의 잉여 전력(Ws)을 충전하기 위하여 승압해야 할 전압(ΔVfc)은 약간으로 되기 때문에, 연료전지 스택(20) 외부 부하(56)에 공급되는 전력(Pmes-Ws)과, 발전 지령값(Pref)을 일치시키는 것이 한층 용이해진다.

또한, ΔV 제어의 다른 응용예에 대하여 설명을 가한다.

운전자가 액셀러레이터 온으로부터 액셀러레이터 오프로 함으로써, 운전부하가 급감하면, 상기와 같이 컨트롤러(70)는, 연료전지 스택(20)의 출력 전압(Vfc)을 승압하고, 잉여 전력(Ws)을 커패시터(29)에 충전하는 것이나, 운전자가 액셀러레이터 오프로 한 직후에 다시 액셀러레이터 온으로 하면, 연료전지 스택(20)은 발전 지령값(Pref)에 적합한 전력을 신속하게 외부 부하(56)에 공급할 필요가 생긴다. 그런데, 연료전지 스택(20)에 대한 반응가스 공급량을 증량으로 하였다 하여도, 발전 지령값(Pref)에 적합한 전력을 발전하기까지 시간적인 지연이 생긴다. 그래서, 이와 같은 경우에, ΔV 제어에 의해 연료전지 스택(20)의 출력 전압(Vfc)을 강압하고, 커패시터(29)로부터 전력을 인출함으로써, 요구 전력을 신속하게 외부 부하(56)에 공급할 수 있다.

다음에, 도 8을 참조하면서 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환하는 제어과정에 대하여 설명을 가한다.

저효율 운전 플래그는, 저효율 운전을 실시하고 있는지의 여부를 나타내는 플래그 정보이며, 저효율 운전을 실시하고 있을 때에는 온이 되는 한편, 저효율 운전을 실시하고 있지 않을 때에는 오프가 된다.

시각 t32 이전의 기간에서는, 컨트롤러(70)는, 저효율 운전으로 전지운전을 제어하고 있고, 액셀러레이터 개방도에 대응하여 전류 지령값을 연산하고, 그 전류지령값에 적합한 산화 가스가 연료전지 스택(20)에 공급되도록 에어컴프레서(32)의 회전수를 제어하고 있다. 예를 들면, 시각 t30에서는, 액셀러레이터 온이 되기 때문에, 컨트롤러(70)는, 액셀러레이터 개방도에 대응하여 전류 지령값을 증가시키고, 그 전류 지령값의 증가에 따르도록 에어컴프레서(32)의 회전수를 올린다. 그리고, 시각 t31에서는, 액셀러레이터 오프가 되기 때문에, 컨트롤러(70)는, 액셀러레이터 개방도에 대응하여 전류 지령값을 감소시키고, 그 전류 지령값의 감소에 따르도록 에어컴프레서(32)의 회전수를 내린다.

저효율 운전에 의한 난기운전이 완료되는 시각 t32에서는, 저효율 운전 플래그는 온으로부터 오프로 변환된다. 그렇게 하면, 전압 복귀처리 루틴이 기동되고, 시각 t32 ∼ 시각 t33의 기간에 전압 복귀처리 루틴이 실행된다. 전압 복귀처리 루틴에서는, 컨트롤러(70)는, 액셀러레이터 개방도에 대응하는 전류 지령값에 적합한 에어컴프레서(32)의 회전수보다 약간 많은 회전수로 에어컴프레서(32)를 구동하고, 잉여 전력을 강제적으로 생성한다. 예를 들면 도 8에 나타내는 바와 같이 액셀러레이터 오프의 상태에서는, 전류 지령값은 제로가 되나, 컨트롤러(70)는, 전류지령값 제로에 적합한 에어컴프레서(32)의 회전수보다 약간 많은 회전수로 에어컴프레서(32)를 구동한다. 강제적으로 만들어 내는 잉여 전력량은, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(OP1)를 ΔV 제어에 의해 I-V 특성 곡선(200) 상의 운전 포인트(OP3)로 이동시키기 위하여 필요 또한 충분한 것이 바람직하다.

컨트롤러(70)는, 발전량이 발전 지령값보다 많아지는 것(잉여 전력의 발생)을 검출하면, ΔV 제어를 실시하고, 연료전지 스택(20)의 출력 전압(Vfc)을 V1로부터 V3으로 승압시켜 잉여 전력을 커패시터(29)에 충전한다. 그리고, 컨트롤러(70)는, ΔV 제어 시에 이동 포인트로서 지령된 운전 포인트에서의 전력과, ΔV 제어 후의 실제의 운전 포인트에서의 전력과의 차분이 소정의 문턱값을 넘었는지의 여부를 판정함으로써 연료전지 스택(20)의 운전 포인트가 I-V 특성 곡선(200) 상으로 이동하였는지의 여부를 판정한다. 그리고, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트가 I-V 특성 곡선(200) 상으로 이동한 것으로 판정되는 시각 t33에서는, 전압 복귀처리는 종료되고, 통상 운전으로 변환된다.

상기한 설명으로부터 분명한 바와 같이, 연료전지시스템(10)의 운전 모드를 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환하기 위해서는, 운전 포인트를 저효율 운전영역으로부터 I-V 특성 곡선(200) 상의 운전 포인트로 이동시킬(운전 포인트의 전압값을 올릴) 필요가 있다. 이 때, 산화 가스를 과잉 경향으로 연료전지 스택(20)에 공급함으로써, 잉여 전력을 강제적으로 만들어 내어, 연료전지 스택(20)의 출력 전압(Vfc)을 승압시켜, 그 잉여 전력을 커패시터(29)에 충전함으로써, 연료전지 스택(20)의 외부 부하(56)에 공급되는 전력에 변동을 초래하지 않고 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환할 수 있다.

도 9는 ΔV 제어 시에 연료전지 스택(20)의 전압 지령값(Vref)을 산출하기 위한 기능 블럭도이다.

상기 도면에 나타내는 각 기능 블럭(901∼910)은, 컨트롤러(70)의 연산기능에 의해 실현되는 것으로, 단위 시간당 커패시터(29)에 충전되는 전력(ΔP)으로부터 단위 시간당 상승 전압(ΔVfc)을 산출하고, 전압 지령값(Vref)을 구하고 있다.

FC 출력 추정기능(901)은, 연료전지 스택(20)에 공급되는 에어 유량(Qafm), 출력 전압(Vfc)에 의거하여 소정의 연산식에 의해 이론상의 발전 전력(Pest)을 산출한다. MAX 함수(902)는, 연료전지 스택(20)의 실제의 발전 전력(Pmes)과, 이론상의 발전 전력(Pest)을 비교하여, 양자의 전력값 중 어느 것인가 큰쪽을 출력값으로서 출력한다. 감산기능(903)은, 발전 지령값(Pref)으로부터 MAX 함수(902)의 출력값을 차감함으로써 전력 오차(ΔP)를 구한다.

맵 데이터(904)는, 커패시터(29)의 용량값을 유지한다. 커패시터(29)는, 전압 의존 가변 용량 커패시터이기 때문에, 그 용량값은 출력 전압(Vfc)에 의존하고 있어, 출력 전압(Vfc)이 변하면, 커패시터(29)의 용량값도 변한다. ΔVfc 산출기능(905)은, 감산기(903)로부터 ΔP를 취득함과 동시에, 맵 데이터(904)로부터 커패시터(29)의 용량값(C)을 취득하고, ΔVfc=-Vfc + sqr(Vfc2 + 2ΔPΔt/C)에 의하여, 승압 전압(ΔVfc)을 산출한다. 여기서, Δt는 연산주기(샘플링 주기), ΔP는 단위 시간당 커패시터(29)에 충전되는 전력을 나타내고, 함수(sqr)는 인수의 평방근을 출력값으로 하는 함수이다.

지연기능(906)은, 1 샘플링 전의 전압 지령값(Vref)을 기억한다. 감산기능(907)은, 지연기능(906)에 기억되어 있는 1 샘플링 전의 전압 지령값(Vref)으로부터 ΔVfc 산출기능(905)에 의해 산출된 ΔVfc를 차감함으로써(ΔVfc의 부호는 마이너스이기 때문에, 실제로는 ΔVfc를 가산하게 된다.), 전압 지령값을 산출한다.

P-I 맵(908)은, 연료전지 스택(20)의 전력과 전류 사이의 이론상의 대응관계를 나타내는 맵 데이터이다. V-I 맵 데이터(909)는, 연료전지 스택(20)의 전압과 전류 사이의 이론상의 대응관계를 나타내는 맵 데이터이다. 이들 맵 데이터(908, 909)를 참조함으로써 발전 지령값(Pref)에 대응하는 이론상의 전압값[I-V 특성 곡선(200) 상의 전압값]을 취득할 수 있다. Min 함수(910)는, ΔVfc 산출기능(905)을 경유하여 산출된 전압 지령값과, 상기한 맵 데이터(908, 909)를 경유하여 산출된, 발전 지령값(Pref)에 대응하는 이론상의 전압값을 비교하여, 어느 쪽인가 작은 쪽을 전압 지령값(Vref)으로서 출력한다. Min 함수(910)의 기능은, ΔV 제어 시에 이동 포인트로서 지령된 운전 포인트가 I-V 특성 곡선(200) 상의 운전 포인트로 이동하였는지의 여부의 판정처리에 상당하는 것이다.

또한, 컨트롤러(70)는, ΔV 제어 실행 시에 상기한 연산을 Δt 마다 실시하고, 전압 지령값(Vref)을 차례로 갱신하고 있다.

다음에, 도 10 내지 도 11을 참조하면서, 커패시터(29)의 용량값을 유지하는 맵 데이터(904)를 보정하는 처리에 대하여 설명을 가한다.

도 10은 커패시터(29)의 용량값을 유지하는 맵 데이터(904)를 나타내고 있다. 상기한 바와 같이 커패시터(29)는, 전압 의존 가변 용량 커패시터이기 때문에, 그 용량값은 출력 전압(Vfc)에 의존하고 있고, 출력 전압(Vfc)에 따라 커패시터(29)의 용량값이 변한다는 특성을 가지고 있다. 연료전지 스택(20)은 산화 전위로 장기간 계속 사용하면, 촉매층(23a, 24a)의 표면에 산화물이 피착되기 때문에, 경년(經年) 열화에 의해 C-V 특성이 저하한다. 연료전지 스택(20)의 C-V 특성의 변화는, 도 4에 나타내는 등가회로에서, 커패시터(29)의 용량값의 변화를 의미하고 있기 때문에, C-V 특성의 변화에 따라 맵 데이터(904)를 보정할 필요가 있다.

도 11은 커패시터(29)의 용량값을 유지하는 맵 데이터(904)를 보정하기 위한 기능 블럭도를 나타내고 있다.

상기 도면에서 PI 제어기능(402)은, 컨트롤러(70)의 연산기능에 의해 실현되는 것이다.

컨트롤러(70)는, 전압센서(71) 및 전류센서(72)의 각각으로부터 출력 전압(Vfc), 및 출력 전류(Ifc)를 판독하고, 소정의 연산주기마다 Ifc/(ΔVfc/Δt)의 값을 매회 산출함으로써, 출력 전압(Vfc)에 대응하는 커패시터(29)의 실측 용량값(401)을 구한다. PI 제어기능(402)은, 출력 전압(Vfc)에 대응하는 커패시터(29)의 용량값을 맵 데이터(904)로부터 판독하고, 그 판독한 용량값과 실측 용량값(401)의 차분을 PI 제어하여 오차 보정 맵 데이터(403)를 작성한다. 맵 데이터(904)로부터 판독한 용량값과, 오차 보정 맵 데이터(403)로부터 판독한 보정값을 가산함으로써, 커패시터(29)의 정확한 용량값을 구할 수 있다.

또한, 상기한 ΔVfc 산출기능(905)이 맵 데이터(904)로부터 커패시터(29)의 용량값을 판독할 때에는, 오차 보정 맵 데이터(403)에 의해 보정된 용량값을 사용하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 의하면, 저효율 운전 중에 발전 지령값이 급감하였을 때에, 발전 지령값(Pref)을 넘는 잉여 전력(Ws)을 연료전지 스택(20)에 기생적으로 존재하는 커패시터(29)에 충전할 수 있기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)에 대한 잉여 전력공급을 억제할 수 있다.

또, 본 실시형태에 의하면, 커패시터(29)의 전압에 대한 용량값을 나타내는 맵 데이터(904)와, 연료전지 스택(20)의 출력 전류(Ifc)를 연료전지 스택(20)의 출력 전압(Vfc)의 단위 시간당 변화로 나눔으로써 얻어지는 실측 용량값(401)을 기초로, 맵 데이터(904)를 보정하는 보정수단으로서의 오차 보정 맵 데이터(403)를 가지고 있기 때문에, 잉여 전력(Ws)을 정밀도 좋게 커패시터(29)에 충전할 수 있다.

또, 본 실시형태에 의하면, 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 연료전지 스택(20)에 대한 운전부하가 급감하였을 때에 연료전지 스택(20)의 발전량(Pmes)과 발전 지령값(Pref)의 차분이 적어지도록 발전 지령값(Pref)을 완만하게 감소시키고 있기 때문에, 잉여 전력(Ws)을 적극 적게 하여, 연료전지 스택(20)의 외부 부하(56)에 공급되는 발전량(Pmes-Ws)과 발전 지령값(Pref)의 어긋남을 저감할 수 있다.

또, 본 실시형태에 의하면, 잉여 전력(Ws)을 커패시터(29)에 충전시키기 위하여 지령한 운전 포인트가 통상 운전 시의 연료전지 스택(20)의 I-V 특성 곡선(200)에 의해 정해지는 전압값보다 높은 전압값을 가지는 경우에는, 운전 포인트가 저효율 운전영역에서 벗어나 있는 것으로 판정하고, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환할 수 있다.

또, 본 실시형태에 의하면, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환할 때에, 발전 지령값(Pref)에 적합한 산화 가스 공급량보다 많은 산화 가스를 연료전지 스택(20)에 공급함으로써 잉여 전력(Ws)을 강제적으로 생성하고, 연료전지 스택(20)의 출력 전압(Vfc)을 승압시켜 그 잉여 전력(Ws)을 커패시터(29)에 충전하기때문에, 연료전지 스택(20)의 외부 부하(56)에 공급되는 전력에 변동을 초래하지 않고 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환할 수 있다.

상기한 실시형태에서는, 연료전지시스템(10)을 차량 탑재 전원시스템으로서 사용하는 이용형태를 예시하였으나, 연료전지시스템(10)의 이용형태는, 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 발전시스템)로서 사용하여도 된다.

본 발명에 의하면, 저효율 운전 중에 발전 지령값이 급감하였을 때에, 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을 연료전지의 용량 성분에 충전할 수 있기 때문에, 연료전지로부터 외부 부하에 대한 잉여 전력 공급을 억제할 수 있다.

Claims

반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와,
통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전에 의해 연료전지를 난기하는 난기장치와,
상기 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 상기 연료전지에 대한 발전 지령값이 급감하였을 때에 상기 연료전지의 출력 전압을 승압시킴으로써 상기 발전 지령값을 넘는 잉여 전력을 상기 연료전지의 용량 성분에 충전하는 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,
상기 용량 성분의 전압에 대한 용량값을 나타내는 맵 데이터와,
상기 연료전지의 출력 전류를 상기 연료전지의 출력 전압의 단위 시간당 변화로 나눔으로써 얻어지는 상기 용량 성분의 실측값을 기초로 상기 맵 데이터를 보정하는 보정장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,
상기 저효율 운전을 한창 실시하고 있는 중에 상기 연료전지에 대한 운전부하가 급감하였을 때에 상기 연료전지의 발전량과 상기 발전 지령값의 차분이 적어지도록 상기 발전 지령값을 완만하게 감소시키는 발전 지령장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 잉여 전력을 상기 용량 성분에 충전시키기 위하여 지령한 운전 포인트가 통상 운전 시의 상기 연료전지의 전류 대 전압 특성 곡선으로부터 정해지는 전압값보다 높은 전압값을 가지는 경우에는, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 4항에 있어서,
상기 제어장치는, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 변환할 때에, 상기 발전 지령값에 적합한 반응가스 공급량보다 많은 반응가스를 상기 연료전지에 공급함으로써 상기 잉여 전력을 강제적으로 생성하고, 상기 연료전지의 출력 전압을 승압시켜 상기 잉여 전력을 상기 용량 성분에 충전하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,
상기 저효율 운전은, 상기 연료전지의 전류 대 전압 특성 곡선으로부터 정해지는 전압값보다 낮은 전압값을 가지는 운전 포인트로 전지 운전하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서,
상기 용량 성분은, 상기 연료전지의 촉매 담지체의 전기 2중층 용량 성분과 촉매의 산화환원반응에 의한 외견상의 용량 성분인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.