KR20120136387A - 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법이 제공된다. 연료 전지 시스템 (100) 은 복수의 적층된 발전체들 (11) 로 형성된 연료 전지 (10); 발전체들 (11) 중 어느 하나에 있어서의 부 전압을 검출하는 셀 전압 계측부 (91); 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 전력을 제어하는 제어부 (20); 및 연료 전지로부터 출력되는 전류의 시간 적분에 의해 얻어진 전류 적산치를 계측하는 전류 적산치 계측부 (21) 를 포함한다. 제어부 (20) 는 부 전압이 발생되는 기간에 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 적산치와 전류 밀도 사이의 대응 관계를 미리 기억한다. 제어부 (20) 는 부 전압이 검출된 경우에는, 대응 관계의 전류 적산치와 전류 밀도로 규정되는 운전 허용가능 영역 내에 들어가도록, 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 전력을 제한하는 출력 제한 처리를 실행한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREFOR}
본 발명은 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 통상 발전체 (power generating element) 들로서 역할을 하는 복수의 단전지들이 적층된 스택 구조를 갖는다. 반응 가스들은 각각의 매니폴드를 통하여 각각의 단전지에 형성된 가스 유로로 유입하고, 각각의 단전지의 발전부에 공급된다. 그러나, 단전지들의 일부의 가스 유로들이 수분의 동결 등에 의해 차단되어 버리면, 단전지들의 일부에 공급된 반응 가스의 공급량이 부족하게 되어, 당해 단전지들의 일부가 부 전압을 가능하게 발생시킬 수도 있다. 이러한 방식으로, 단전지들의 일부가 부 전압을 발생시키는 상태에서 연료 전지의 운전을 계속하면, 연료 전지 전체의 발전 성능이 저하할 뿐만 아니라, 당해 단전지들의 전극들도 가능하게 열화할 수도 있다. 지금까지, 이러한 부 전압으로 인한 연료 전지의 발전 성능의 저하 또는 연료 전지의 열화를 억제하기 위한 여러 가지의 기술들이 제안되어 왔다 (일본 공개특허공보 제2006-179389호 (JP-A-2006-179389), 일본 공개특허공보 제2007-035516호 (JP-A-2007-035516) 등 참조).
본 발명은 부 전압으로 인한 연료 전지의 성능 저하 및 열화를 억제하는 기술을 제공한다.
본 발명은, 상술한 문제들 중 적어도 일부를 해결하기 위하여 완성된 것으로, 다음 실시형태들 또는 대체 실시형태들로서 구현될 수도 있다.
본 발명의 일 양상은 외부 부하로부터의 요구에 응답하여 전력을 출력하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 이 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 발전체를 갖는 연료 전지; 적어도 하나의 발전체에서의 부 전압을 검출하도록 구성된 부 전압 검출부; 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제어하도록 구성된 제어부; 및 연료 전지로부터 출력되는 전류의 시간 적분에 의해 얻어진 전류 적산치를 계측하도록 구성된 전류 적산치 계측부를 포함하며, 제어부는 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 허용가능한 전류 적산치들과, 기간에 허용가능한 전류 밀도들 사이의 대응 관계를 미리 기억하도록 구성되고, 제어부는 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 검출된 경우에는, 대응 관계의 허용가능한 전류 적산치들과 허용가능한 전류 밀도들로 규정되는 운전 허용가능 영역 내에 들어가도록 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제한하는 출력 제한 처리를 실행하도록 구성된다. 여기서, 본 발명의 발명자들은 부 전압이 발생되는 발전체에 있어서, 전극의 산화가 시작되어, 발전 성능이 저하하기 시작하는 타이밍은, 부 전압이 발생되는 기간에 연료 전지로부터 출력된 전류와, 전류의 시간 적분에 의해 구한 전류 적산치에 의해 규정될 수도 있음을 알아냈다. 이에 따라 구성된 연료 전지 시스템에 의하면, 부 전압이 발생되는 경우에, 허용가능한 전류 적산치들과 허용가능한 전류 밀도들로 규정되는 미리 설정된 운전 허용가능 영역 내에 들어가도록 연료 전지로부터 출력되는 전력이 제한된다. 따라서, 부 전압이 발생되는 발전체의 성능의 저하가 생기지 않는 운전 허용가능 영역을 미리 설정함으로써, 부 전압의 발생에 의한 연료 전지의 성능의 저하를 억제하여, 전극의 산화 (전극의 열화) 를 억제할 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템에서는, 제 1 축이 연료 전지의 전류 적산치를 나타내고 제 2 축이 연료 전지의 전류 밀도를 나타내는 그래프에 의해 대응 관계가 나타내어지는 경우에, 허용가능한 전류 적산치가 증가할수록, 허용가능한 전류 밀도가 감소하는 하향 볼록 곡선 (downward-convex curve) 으로서 나타내어진다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 제어부에 기억된 전류 적산치들과 전류 밀도들 사이의 대응 관계에 있어서, 운전 허용가능 영역은 부 전압이 발생되는 발전체의 성능의 저하가 생기지 않는 적절한 범위로 설정될 수도 있다. 따라서, 보다 적절히, 부 전압의 발생에 의한 연료 전지의 성능의 저하 및 열화를 억제할 수 있다.
또한, 이 연료 전지 시스템에서는, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서, 허용가능한 전류 적산치의 증가에 따라 허용가능한 전류 밀도들의 최대치들을 나타내는 상기 연료 전지의 전류 밀도를 하향 볼록 곡선을 따라 저하시키도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 부 전압이 발생되는 경우에, 운전 허용가능 영역의 경계치 (허용가능 한계치) 를 따라, 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제한할 수 있다. 따라서, 연료 전지로부터 출력되는 전력의 과도한 제한을 억제하면서, 부 전압의 발생에 의한 연료 전지의 성능 저하 및 열화를 억제할 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템은 연료 전지의 내부의 습윤 상태를 조정하기 위해 연료 전지에 공급되는 반응 가스의 가습량 (humidification amount) 을 제어하는 가습부와, 연료 전지의 운전 온도를 조정하기 위해 연료 전지에 공급되는 냉매의 유량을 제어하는 냉매 공급부 중 적어도 일방을 포함하도록 구성된 운전 상태 조정부; 및 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방에 응답하여 대응 관계를 변경하도록 구성된 대응 관계 변경부를 더 포함할 수도 있고, 제어부는 적어도 하나의 발전체에 부 전압이 발생되는 기간에 외부 부하로부터 요구된 출력 전류에 대응하는 전류 밀도가 소정의 값보다 큰 경우에, 대응 관계 변경부에 의해 대응 관계가 변경되는 방식으로 운전 허용가능 영역을 확대하도록 운전 상태 조정부로 하여금 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방을 조정하게 하도록 구성될 수도 있다. 여기서, 부 전압이 발생되는 기간에, 연료 전지에 허용가능한 전류 적산치들과 연료 전지에 허용가능한 전류 밀도들 사이의 대응 관계는 연료 전지의 내부의 습윤 상태, 또는 연료 전지의 운전 온도에 따라 변화한다. 이에 따라 구성된 전지 시스템에 의하면, 연료 전지에 요구되는 전류가, 연료 전지의 운전 허용가능 영역 밖에 있는 경우라도, 그 요구 전류는, 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방을 조정하여 운전 허용가능 영역을 확대하도록 하는 방식으로 운전 허용가능 영역 내에 들어가게 될 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템에서는, 제어부는 출력 제한 처리가 완료될 경우에, 출력 제한 처리에 있어서 연료 전지로부터 출력된 전류의 전류 적산치를 불휘발적으로 기억하도록 구성될 수도 있고, 제어부는 출력 제한 처리가 재개된 경우에, 기억된 전류 적산치와, 출력 제한 처리가 재개된 후에 연료 전지로부터 출력된 전류의 전류 적산치를 가산하여 구한 누적 전류 적산치를 이용하여 출력 제한 처리를 실행하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지 시스템의 재기동 후에도, 전류 적산치가 기록된다. 따라서, 연료 전지 시스템의 재기동 후에, 전류 제한 처리가 다시 실행될 경우에도, 그 기록된 전류 적산치로부터 누적된 총 전류 적산치를 이용하여 전류 제한 처리를 실행한다.
또한, 연료 전지 시스템은 연료 전지의 열화를 사용자에게 경보하도록 구성된 경보부를 더 포함할 수도 있고, 제어부는 연료 전지의 전류 밀도의 하한치를 미리 기억하도록 구성될 수도 있고, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서, 연료 전지의 전류 밀도가 하한치보다 낮아지는 경우에, 경보부로 하여금 연료 전지의 열화를 사용자에게 경보하게 하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 출력 제한 처리 동안, 연료 전지가 부 전압으로부터 회복되지 않았지만, 미리 설정된 연료 전지의 전류 밀도의 하한치에 도달해 버린 경우에는, 사용자에게 연료 전지의 열화를 경보한다. 따라서, 사용자는 연료 전지를 메인터넌스해야 하는 타이밍을 적절히 알 수 있다.
또한, 이 연료 전지 시스템은, 연료 전지에 냉매를 공급하여 연료 전지의 온도를 제어하도록 구성된 냉매 공급부; 및 연료 전지의 운전 온도를 계측하도록 구성된 온도 계측부를 더 포함할 수 있고, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서, 연료 전지로 하여금 연료 전지에 대한 전류 밀도 커맨드치에 기초하여 전류 밀도에서의 전력을 출력하게 하는 경우에 연료 전지의 발열량인 추정 발열량을 구하고, 온도 계측부에 의해 계측된 운전 온도와 추정 발열량에 기초하여 냉매 공급부에 의해 연료 전지에 공급된 냉매의 양을 제어하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 출력 제한 처리를 실행함으로써, 연료 전지로부터 출력되는 전력이 제한되는 경우에도, 적절히 냉매의 공급 유량이 제어되기 때문에, 출력 제한 처리가 실행되고 있는 동안 연료 전지의 운전 온도의 상승이 촉진된다. 따라서, 연료 전지가 부 전압 상태로부터 회복할 가능성이 높아진다.
이 연료 전지 시스템에서는, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서, 추정 발열량과 온도 계측부에 의해 계측된 운전 온도를 이용하여, 연료 전지에 냉매를 공급하면서 소정의 기간 동안에 연료 전지로 하여금 전력을 출력하게 하는 경우에 연료 전지의 상승 추정 온도 (estimated temperature increase) 를 산출하도록 구성될 수도 있고, 제어부는 상승 추정 온도가 미리 설정된 임계값 이하인 경우에 냉매 공급부로 하여금 연료 전지에 대한 냉매의 공급을 정지하게 한 상태에서 연료 전지로 하여금 전력을 발전하게 하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 출력 제한 처리의 실행에 의해 연료 전지로부터 출력되는 전력이 제한되기 때문에 연료 전지의 운전 온도를 목표치에 도달하지 못한 경우에 연료 전지의 냉매 공급이 정지된다. 따라서, 출력 제한 처리가 실행되고 있는 동안에 연료 전지의 운전 온도의 상승이 촉진되어, 연료 전지가 부 전압 발생 상태로부터 회복할 가능성이 높아진다.
또한, 연료 전지 시스템에서는, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서, 연료 전지의 운전 온도의 상승 속도가 미리 설정된 임계값보다 낮은 경우에, 냉매 공급부로 하여금 연료 전지에 대한 냉매의 공급을 정지하게 한 상태에서 연료 전지로 하여금 전력을 발전하게 하도록 구성될 수 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 출력 제한 처리가 실행되는 동안 연료 전지의 실제 측정된 운전 온도에 따라, 연료 전지의 온도에서의 증가율이 목표치에 도달되지 못할 경우에는, 연료 전지에 대한 냉매의 공급이 정지된다. 따라서, 출력 제한 처리가 실행되고 있는 동안의 연료 전지의 승온이 촉진되어 연료 전지가 부 전압 발생 상태로부터 회복할 가능성이 높아진다.
본 발명의 다른 양상은 외부 부하로부터의 요구에 응답하여 적어도 하나의 발전체를 갖는 연료 전지에 의해 발전된 전력을 출력하는 연료 전지 시스템의 제어 방법을 제공한다. 이 제어 방법은 적어도 하나의 발전체에 있어서의 부 전압을 검출하는 단계; 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 있어서의 연료 전지로부터 출력된 전류의 시간 적분에 의해 구해진 전류 적산치를 계측하는 단계; 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 허용가능한 전류 적산치들과 기간에 허용가능한 전류 밀도들 사이의 미리 설정된 대응 관계를 참조하는 단계; 및 대응 관계의 허용가능한 전류 적산치들과 허용가능한 전류 밀도들에 의해 규정되는 운전 허용가능 영역의 범위 내에 들어가도록, 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제한하는 출력 제한 처리를 실행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상은 외부 부하로부터의 요구에 응답하여 발전한 전력을 출력하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 이 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 발전체를 갖는 연료 전지; 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제어하도록 구성된 제어부; 및 연료 전지로부터 출력된 전류의 시간 적분에 의해 구해진 전류 적산치를 계측하도록 구성된 전류 적산치 계측부를 포함하고, 제어부는 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 허용가능한 전류 적산치들과 기간에 허용가능한 전류 밀도들 사이의 대응 관계를 미리 기억하도록 구성되고, 제어부는 부 전압이 발생되는 가능성을 나타내는 미리 설정된 환경 조건이 성립되는 경우에는 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 것으로 결정한 다음, 대응 관계의 허용가능한 전류 적산치들과 허용가능한 전류 밀도들에 의해 규정되는 운전 허용가능 영역 내에 들어가도록, 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제한하는 출력 제한 처리를 실행하도록 구성된다. 이에 따라 구성된 연료 전지 시스템에 의하면, 경험적 또는 실험적으로 부 전압이 발생될 가능성이 높은 경우로서 간주되는 환경 조건의 경우이지만 부 전압을 발생되지 않는 경우에도, 출력 제한 처리가 실행된다. 따라서, 보다 확실하게, 연료 전지의 성능 저하 및 열화를 억제할 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템에서는, 대응 관계는 제 1 축이 연료 전지의 전류 적산치를 나타내고, 제 2 축이 연료 전지의 전류 밀도를 나타내는 그래프에 의해 나타내어지는 경우에, 허용가능한 전류 적산치가 증가할수록 허용가능한 전류 밀도가 감소하는 하향 볼록 곡선으로서 나타내어진다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 제어부에 기억된 전류 적산치들과 전류 밀도들 사이의 대응 관계에 있어서, 부 전압이 발생되는 발전체의 성능의 저하를 야기하지 않는 적절한 범위에서 운전 허용가능 영역을 설정할 수도 있다. 따라서, 보다 적절히, 부 전압의 발생에 의한 연료 전지의 성능의 저하 및 열화를 억제할 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템에서는, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서 전류 적산치에서의 증가에 따라, 허용가능한 전류 밀도들의 최대치들을 나타내는 연료 전지의 전류 밀도를 하향 볼록 곡선을 따라 감소시키도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 부 전압이 발생했을 경우에, 운전 허용가능 영역의 허용가능 한계치를 따라, 연료 전지의 출력을 제한할 수 있다. 따라서, 연료 전지로부터 출력되는 전력의 과도한 제한을 억제하면서, 부 전압의 발생에 의한 연료 전지의 성능 저하 및 열화를 억제할 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템은 연료 전지의 내부의 습윤 상태를 조정하기 위하여 연료 전지에 공급되는 반응 가스의 가습량을 제어하는 가습부와 연료 전지의 운전 온도를 조정하기 위하여 연료 전지에 공급되는 냉매의 유량을 제어하는 냉매 공급부 중 적어도 일방을 포함하도록 구성된 운전 상태 조정부; 및 대응 관계를, 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방에 응답하여 변경하도록 구성된 대응 관계 변경부를 더 포함할 수 있고, 제어부는 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 외부 부하로부터 요구된 출력 전류에 대응하는 전류 밀도가 소정의 값보다 큰 경우에는, 대응 관계 변경부에 의해 대응 관계가 변경되는 방식으로 운전 허용가능 영역을 확대하도록 운전 상태 조정부로 하여금 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방을 조정하게 하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지에 요구되는 전류가, 연료 전지의 운전 허용가능 영역 밖에 있는 경우에도, 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방을 조정하여 운전 허용가능 영역을 확대시키는 방식으로 그 요구 전류가 운전 허용가능 영역 내에 들어가도록 할 수도 있다.
또한, 연료 전지 시스템에서는, 제어부는 출력 제한 처리가 완료될 경우에, 출력 제한 처리에 있어서 연료 전지로부터 출력된 전류의 전류 적산치를 불휘발적으로 기억하도록 구성될 수도 있고, 제어부는 출력 제한 처리가 재개된 경우에, 기억된 전류 적산치와, 출력 제한 처리가 재개된 후에 연료 전지로부터 출력된 전류의 전류 적산치를 가산하여 구한 누적 전류 적산치를 이용하여 출력 제한 처리를 실행하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지 시스템의 재기동 후에, 전류 제한 처리가 다시 실행되었을 경우에도, 기록된 전류 적산치로부터 누적된 총 전류 적산치를 이용하여 전류 제한 처리를 실행한다.
또한, 연료 전지 시스템은 연료 전지의 열화를 사용자에게 경보하도록 구성된 경보부를 더 포함할 수도 있고, 제어부는 연료 전지의 전류 밀도의 하한치를 미리 기억하도록 구성될 수도 있고, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서, 연료 전지의 전류 밀도가 하한치보다 낮아지는 경우에, 경보부로 하여금 연료 전지의 열화를 사용자에게 경보하게 하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 출력 제한 처리 동안, 연료 전지가 부 전압으로부터 회복되지 않았지만, 미리 설정된 연료 전지의 전류 밀도의 하한치에 도달해 버린 경우에는, 사용자에게 연료 전지의 열화를 경보한다. 따라서, 사용자는 연료 전지를 메인터넌스해야 하는 타이밍을 적절히 알 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템은 연료 전지에 냉매를 공급하여 연료 전지의 온도를 제어하도록 구성된 냉매 공급부; 및 연료 전지의 운전 온도를 계측하도록 구성된 온도 계측부를 더 포함할 수도 있고, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서, 연료 전지로 하여금 연료 전지에 대한 전류 밀도 커맨드치에 기초하여 전류 밀도에서의 전력을 출력하게 하는 경우에 연료 전지의 발열량인 추정 발열량을 구하고, 온도 계측부에 의해 계측된 운전 온도와 추정 발열량에 기초하여 냉매 공급부에 의해 연료 전지에 공급된 냉매의 양을 제어하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 출력 제한 처리를 실행함으로써, 연료 전지로부터 출력되는 전력이 제한되는 경우에도, 적절히 냉매의 공급 유량이 제어되기 때문에, 출력 제한 처리가 실행되고 있는 동안 연료 전지의 운전 온도의 상승이 촉진된다. 따라서, 연료 전지가 부 전압 상태로부터 회복할 가능성이 높아진다.
또한, 연료 전지 시스템에서는, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서, 추정 발열량과 온도 계측부에 의해 계측된 운전 온도를 이용하여, 연료 전지에 냉매를 공급하면서 소정의 기간 동안에 연료 전지로 하여금 전력을 출력하게 하는 경우에 연료 전지의 상승 추정 온도를 산출하도록 구성될 수도 있고, 제어부는 상승 추정 온도가 미리 설정된 임계값 이하인 경우에 냉매 공급부로 하여금 연료 전지에 대한 냉매의 공급을 정지하게 한 상태에서 연료 전지로 하여금 전력을 발전하게 하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 출력 제한 처리의 실행에 의해 연료 전지로부터 출력되는 전력이 제한되기 때문에 연료 전지의 운전 온도를 목표치에 도달하지 못한 경우에 연료 전지의 냉매 공급이 정지된다. 따라서, 출력 제한 처리가 실행되고 있는 동안에 연료 전지의 운전 온도의 상승이 촉진되어, 연료 전지가 부 전압 발생 상태로부터 회복할 가능성이 높아진다.
또한, 이 연료 전지 시스템에서는, 제어부는 출력 제한 처리에 있어서, 연료 전지의 운전 온도의 상승 속도가 미리 설정된 임계값보다 낮은 경우에, 냉매 공급부로 하여금 연료 전지에 대한 냉매의 공급을 정지하게 한 상태에서 연료 전지로 하여금 전력을 발전하게 하도록 구성될 수도 있다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 출력 제한 처리가 실행되는 동안 연료 전지의 실제 측정된 운전 온도에 따라, 연료 전지의 온도에서의 증가율이 목표치에 도달되지 못할 경우에는, 연료 전지에 대한 냉매의 공급이 정지된다. 따라서, 출력 제한 처리가 실행되고 있는 동안의 연료 전지의 승온이 촉진되어 연료 전지가 부 전압 발생 상태로부터 회복할 가능성이 높아진다.
본 발명의 또 다른 양상은 외부 부하로부터의 요구에 응답하여 적어도 하나의 발전체를 갖는 연료 전지에 의해 발전된 전력을 출력하는 연료 전지 시스템의 제어 방법을 제공한다. 이 제어 방법은, 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 가능성을 나타내는 미리 설정된 환경 조건이 성립되는 기간에 연료 전지로부터 출력되는 전류의 시간 적분에 의해 구해진 전류 적산치를 계측하는 단계; 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 허용가능한 전류 적산치들과 기간에 허용가능한 전류 밀도들 사이의 미리 설정된 대응 관계를 참조하는 단계; 및 대응 관계의 허용가능한 전류 적산치들과 허용가능한 전류 밀도들에 의해 규정되는 운전 허용가능 영역의 범위 내에 들어가도록, 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제한하는 출력 제한 처리를 실행하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 양상은 여러 가지의 형태로 실현될 수도 있고, 예를 들어, 연료 전지 시스템, 그 연료 전지 시스템을 탑재한 차량, 그 연료 전지 시스템의 제어 방법, 그들의 시스템이나 차량, 제어 방법의 기능을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램, 및 그 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록 매체와 같은 형태로 실현될 수도 있음을 주지한다.
본 발명의 특징, 이점, 및 기술과 산업적 중요성은 첨부 도면을 참조로 본 발명의 예시적인 실시형태의 다음 상세한 설명에서 설명될 것이며 도면 내 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소를 표시한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 전기적 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3(a) 및 도 3(b) 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지에 대한 출력 제어를 나타내는 그래프들이다.
도 4(a), 도 4(b), 및 도 4(c) 는 연료 전지 시스템에서의 수소의 공급 불량에 의해 생긴 부 전압에 의한 연료 전지의 성능 저하를 나타내는 그래프들이다.
도 5 는 연료 전지 시스템에서의 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 6 은 발전 허용가능 레벨로부터 성능 저하 레벨로의 부 전압의 이행이 연료 전지 시스템에서 발생하는 타이밍을 나타내는 그래프이다.
도 7 은 연료 전지 시스템에서 실험에 의해 규정된 연료 전지의 운전 허용가능 영역을 나타내는 그래프이다.
도 8(a), 도 8(b) 및 도 8(c) 는 연료 전지 시스템에서의 전류 제한 처리를 나타내는 그래프이다.
도 9 는 제 1 실시형태에 대한 제 1 대안의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 전기적 구성을 나타낸 개략도이다.
도 10 은 제 1 실시형태에 대한 제 1 대안의 실시형태에 따른 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 11 은 제 1 실시형태에 대한 제 2 대안의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 전기적 구성을 나타내는 개략도이다.
도 12 는 제 1 실시형태에 대한 제 2 대안의 실시형태에 따른 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 13 은 제 2 실시형태에 따른 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 14 는 제 2 실시형태에 따른 전류 제한 처리를 나타내는 그래프이다.
도 15 는 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 전기적 구성을 나타내는 개략도이다.
도 16 은 제 3 실시형태에 따른 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 17 은 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 내부의 습도 상태의 변화에 의한 운전 허용가능 영역의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 18 은 제 3 실시형태에 따른 운전 허용가능 영역 변경 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 19 는 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 내부의 목표 습도를 결정하는데 사용되는 습도 결정 맵의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 20(a), 도 20(b) 및 도 20(c) 는 제 3 실시형태에 따라, 습도 결정 맵을 사용하여 연료 전지 내부의 목표 습도를 결정하는 결정 처리 및 허용가능 영역 맵을 변경하는 변경 처리를 나타내는 그래프이다.
도 21(a) 및 도 21(b) 는 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에 있어서의 허용가능 영역 변경 처리를 나타내는 그래프이다.
도 22 는 제 5 실시형태에 따른 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 23 은 제 5 실시형태에 따른 냉매 제어 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 24 는 제 6 실시형태에 따른 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 25(a) 및 도 25(b) 는 제 6 실시형태에 따른 제 1 및 제 2 냉매 제어 처리를 각각 보여주는 흐름도이다.
도 26(a) 및 도 26(b) 는 본 발명의 참고예에 따른 저온 환경하에 있어서의 부 전압 셀의 셀 온도의 시간 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다. 이 연료 전지 시스템 (100) 은 연료 전지 (10) 와 제어부 (20) 와 음극 가스 공급부 (30) 와 음극 가스 배출부 (40) 와 양극 가스 공급부 (50) 와 양극 가스 순환 배출부 (60) 와 냉매 공급부 (70) 를 포함한다.
연료 전지 (10) 는 반응 가스로서 수소 (양극 가스) 와 공기 (음극 가스) 의 공급을 받아 발전하는 고분자형 전해질형 연료 전지이다. 연료 전지 (10) 는 단전지라고도 불리는 복수의 발전체 (11) 가 적층된 스택 (stack) 구조를 갖는다. 각각의 발전체 (11) 는 막 전극 어셈블리 (도시 생략) 와 두개의 세퍼레이터 (도시 생략) 를 갖는다. 막 전극 어셈블리는 전해질 막의 양면에 전극을 배치한 발전체이다. 두개의 세퍼레이터는 막 전극 어셈블리를 협지한다.
여기서, 전해질 막은 습윤 상태에서 양호한 프로톤 전도성을 나타내는 고체 고분자 박막으로 형성될 수도 있다. 또한, 각각의 전극은 카본 (C) 으로 형성될 수도 있다. 또한, 전해질 막을 향하는 전극의 표면은 발전 반응을 촉진시키기 위한 촉매 (예를 들어, 백금 (Pt)) 을 담지하고 있음을 주지한다. 각각의 발전체 (11) 에는, 반응 가스 및 냉매를 위한 매니폴드 (도시 생략) 가 제공된다. 매니폴드의 반응 가스는 각각의 발전체 (11) 에 제공된 각각의 가스 유로들을 통하여 각각의 발전체 (11) 의 발전부에 공급된다.
제어부 (20) 는 중앙 처리 유닛과 주 기억 장치를 포함하는 마이크로컴퓨터로 형성된다. 제어부 (20) 는 외부 부하 (200) 로부터의 출력 전력의 요구를 받아들인다. 요구에 따라, 제어부 (20) 는 이하에 설명된 연료 전지 시스템 (100) 의 구조 유닛들을 제어하여 연료 전지 (10) 로 하여금 발전시키게 한다.
음극 가스 공급부 (30) 는 음극 가스 배관 (31) 과 에어 콤프레서 (32) 와 에어 플로우 미터 (33) 와 개폐 밸브 (34) 와 가습부 (35) 를 포함한다. 음극 가스 배관 (31) 은 연료 전지 (10) 의 음극에 접속된다. 에어 콤프레서 (32) 는 음극 가스 배관 (31) 을 통하여 연료 전지 (10) 에 접속된다. 에어 콤프레서 (32) 는 바깥 공기를 흡기하여 압축한 다음, 압축된 공기를 음극 가스로서 연료 전지 (10) 에 공급한다.
에어 플로우 미터 (33) 는 에어 콤프레서 (32) 의 상류부에 있어서 에어 콤프레서 (32) 에 의해 흡기된 바깥 공기의 유량을 계측한 다음 계측된 유량을 제어부 (20) 에 송신한다. 제어부 (20) 는 이 계측된 유량에 기초하여, 에어 콤프레서 (32) 를 구동시켜 연료 전지 (10) 에 공급된 공기량을 제어한다.
개폐 밸브 (34) 는 에어 콤프레서 (32) 와 연료 전지 (10) 사이에 제공된다. 개폐 밸브 (34) 는 음극 가스 배관 (31) 에 있어서의 공급 공기의 플로우에 응답하여 개방 또는 폐쇄한다. 구체적으로는, 개폐 밸브 (34) 는, 통상 폐쇄된 상태이며, 에어 콤프레서 (32) 로부터 음극 가스 배관 (31) 으로 소정의 압력을 가진 공기가 공급되었을 때 개방된다.
가습부 (35) 는 에어 콤프레서 (32) 로부터 펌핑된 고압 공기를 가습한다. 제어부 (20) 는 양호한 프로톤 전도성을 얻도록 전해질 막의 습윤 상태를 유지하기 위하여, 가습부 (35) 를 이용하여 연료 전지 (10) 에 공급된 공기의 가습량을 제어하여, 연료 전지 (10) 내부의 습윤 상태를 조정한다.
음극 가스 배출부 (40) 는 음극 배기 가스 배관 (41) 과 압력 조절 밸브 (43) 와 압력 계측부 (44) 를 포함한다. 음극 배기 가스 배관 (41) 은 연료 전지 (10) 의 음극에 접속된 배관이며, 음극 배기 가스를 연료 전지 시스템 (100) 의 외부로 배출한다. 압력 조절 밸브 (43) 는 음극 배기 가스 배관 (41) 에 있어서의 음극 배기 가스의 압력 (연료 전지 (10) 의 배압) 을 조정한다. 압력 계측부 (44) 는 압력 조절 밸브 (43) 의 상류부에 제공된다. 압력 계측부 (44) 는 음극 배기 가스의 압력을 계측한 다음, 그 계측된 압력을 제어부 (20) 에 송신한다. 제어부 (20) 는 압력 계측부 (44) 에 의해 계측된 압력에 기초하여 압력 조절 밸브 (43) 의 개도를 조정한다.
양극 가스 공급부 (50) 는 양극 가스 배관 (51) 과 수소 탱크 (52) 와 개폐 밸브 (53) 와 레귤레이터 (54) 와 인젝터 (55) 와 2개의 압력 계측부들 (56u, 56d) 을 포함한다. 수소 탱크 (52) 는 양극 가스 배관 (51) 을 통하여 연료 전지 (10) 의 양극에 접속되어 있고, 탱크 내에 충전된 수소를 연료 전지 (10) 에 공급한다. 연료 전지 시스템 (100) 은 수소 탱크 (52) 대신에 개질부를 수소 공급원으로서 포함할 수도 있음을 주지한다. 개질부는 탄화수소계의 연료를 개질하여 수소를 생성한다.
개폐 밸브 (53), 레귤레이터 (54), 제 1 압력 계측부 (56u), 인젝터 (55), 제 2 압력 계측부 (56d) 는 양극 가스 배관 (51) 에, 언급된 순서대로 상류측 (수소 탱크 (52) 에 인접한 측) 으로부터 제공된다. 개폐 밸브 (53) 는 제어부 (20) 로부터의 커맨드에 응답하여 개방 또는 폐쇄한다. 개폐 밸브 (53) 는 수소 탱크 (52) 로부터 인젝터 (55) 의 상류측을 향하여 수소의 플로우를 제어한다. 레귤레이터 (54) 는 인젝터 (55) 의 상류부에 있어서의 수소의 압력을 조정하기 위한 감압 밸브이다. 레귤레이터 (54) 의 개도는 제어부 (20) 에 의해 제어된다.
인젝터 (55) 는 제어부 (20) 에 의해 설정된 구동 간격이나 밸브 개방 유지 기간에 따라 밸브 엘리먼트가 전자적으로 구동하는 전자 구동식의 개폐 밸브이다. 제어부 (20) 는 인젝터 (55) 의 구동 간격이나 밸브 개방 유지 기간을 제어하여, 연료 전지 (10) 에 공급되는 수소의 양을 제어한다. 제 1 및 제 2 압력 계측부 (56u, 56d) 는 각각, 인젝터 (55) 의 상류부에서의 수소의 압력과 하류부에서의 수소의 압력을 계측한 다음, 계측된 압력을 제어부 (20) 에 송신한다. 제어부 (20) 는 이들의 계측된 압력을 이용하여, 인젝터 (55) 의 구동 간격이나 밸브 개방 유지 기간을 결정한다.
양극 가스 순환 배출부 (60) 는 양극 배기 가스 배관 (61) 과, 기액 분리부 (62) 와, 양극 가스 순환 배관 (63) 과, 수소 순환용 펌프 (64) 와, 양극 배수 배관 (65) 과, 배수 밸브 (66) 를 포함한다. 양극 배기 가스 배관 (61) 은 연료 전지 (10) 의 양극의 출구를 기액 분리부 (62) 에 접속한다. 양극 배기 가스 배관 (61) 은 발전 반응에 사용되지 않는 미반응 가스 (수소, 질소 등) 를 포함하는 양극 배기 가스를 기액 분리부 (62) 로 유도한다.
기액 분리부 (62) 는 양극 가스 순환 배관 (63) 과 양극 배수 배관 (65) 에 접속되어 있다. 기액 분리부 (62) 는 양극 배기 가스에 포함되는 기체 성분과 수분을 분리한다. 기액 분리부 (62) 는 기체 성분에 대해서는, 양극 가스 순환 배관 (63) 으로 유도하고, 수분에 대해서는 양극 배수 배관 (65) 으로 유도한다.
양극 가스 순환 배관 (63) 은 인젝터 (55) 의 하류부에서 양극 가스 배관 (51) 에 접속되어 있다. 양극 가스 순환 배관 (63) 에는 수소 순환용 펌프 (64) 가 제공된다. 수소 순환용 펌프 (64) 에 의해, 기액 분리부 (62) 에 의해 분리된 기체 성분에 포함되는 수소가 양극 가스 배관 (51) 으로 펌핑된다. 이와 같이, 이 연료 전지 시스템 (100) 에서는, 양극 배기 가스에 포함되는 수소를 순환시켜, 다시 연료 전지 (10) 에 공급함으로써, 수소의 이용 효율을 향상시키고 있다.
양극 배수 배관 (65) 은 기액 분리부 (62) 에 의해 분리된 수분을 연료 전지 시스템 (100) 의 외부로 배출하는데 사용된다. 배수 밸브 (66) 는 양극 배수 배관 (65) 에 제공된다. 배수 밸브 (66) 는 제어부 (20) 로부터의 커맨드에 응답하여 개방 또는 폐쇄한다. 제어부 (20) 는 연료 전지 시스템 (100) 의 운전 동안에 통상, 배수 밸브 (66) 를 폐쇄하고, 미리 설정된 소정의 배수 타이밍이나 양극 배기 가스에 포함된 불활성 가스가 배출되는 타이밍에서 배수 밸브 (66) 를 개방한다.
냉매 공급부 (70) 는 냉매용 배관 (71) 과 라디에이터 (72) 와 냉매 순환용 펌프 (73) 과 2개의 냉매 온도 계측부 (74, 75) 를 포함한다. 냉매용 배관 (71) 은 냉매용 입구 매니폴드를 냉매용 출구 매니폴드에 연결한다. 냉매용 입구 매니폴드와 냉매용 출구 매니폴드는 연료 전지 (10) 에 제공된다. 냉매용 배관 (71) 은 연료 전지 (10) 을 냉각하기 위한 냉매를 순환시킨다. 라디에이터 (72) 는 냉매용 배관 (71) 에 제공된다. 라디에이터 (72) 는 냉매용 배관 (71) 을 흐르는 냉매와 바깥 공기와의 사이에 열을 교환시킴으로써, 냉매를 냉각한다.
냉매 순환용 펌프 (73) 는 냉매용 배관 (71) 에 있어서 라디에이터 (72) 의 하류부에 (연료 전지 (10) 의 냉매 입구측에 인접하여) 제공된다. 냉매 순환용 펌프 (73) 는 라디에이터 (72) 에 의해 냉각된 냉매를 연료 전지 (10) 에 펌핑한다. 2개의 냉매 온도 계측부 (74, 75) 는 각각, 냉매용 배관 (71) 에 있어서, 연료 전지 (10) 의 냉매 출구의 근방에 그리고 연료 전지 (10) 의 냉매 입구의 근방에 제공된다. 2개의 냉매 온도 계측부 (74, 75) 는 각각, 계측된 온도를 제어부 (20) 에 송신한다. 제어부 (20) 는 2개의 냉매 온도계측부 (74, 75) 에 의해 계측된 각각의 온도 사이의 차이로부터 연료 전지 (10) 의 운전 온도를 검출한 다음, 그 검출된 운전 온도에 기초하여 냉매 순환용 펌프 (73) 에 의해 펌핑된 냉매의 양을 제어 함으로써, 연료 전지 (10) 의 운전 온도를 조정한다.
도 2 는 연료 전지 시스템 (100) 의 전기적 구성을 나타내는 개략도이다. 연료 전지 시스템 (100) 은 2차 전지 (81) 와, DC/DC 컨버터 (82) 와, DC/AC 인버터 (83) 를 포함한다. 또한, 연료 전지 시스템 (100) 은, 셀 전압 계측부 (91) 와, 전류 계측부 (92) 와, 임피던스 계측부 (93) 와, 충전 상태 검출부 (94) 를 포함한다.
연료 전지 (10) 는 직류 전원 라인 (DCL) 를 통하여 DC/AC 인버터 (83) 에 접속되어 있다. 2차 전지 (81) 는 DC/DC 컨버터 (82) 를 통하여 직류 전원 라인 (DCL) 에 접속되어 있다. DC/AC 인버터 (83) 는 외부 부하 (200) 에 접속되어 있다. 연료 전지 시스템 (100) 에서는, 연료 전지 (10) 와 2차 전지 (81) 로부터 출력하는 전력의 일부를, 연료 전지 시스템 (100) 을 구성하는 각 보조 장치 (auxiliary) 를 구동하는데 사용하지만, 보조 장치에 대한 배선은 도시하지 않고 그 설명은 생략함을 주지한다.
2차 전지 (81) 는 연료 전지 (10) 의 보조 전원으로서 기능한다. 2차 전지 (81) 는 예를 들어, 충·방전 가능한 리튬 이온 배터리로 형성될 수 있다. DC/DC 컨버터 (82) 는 2차 전지 (81) 의 충·방전을 제어하는 충방전 제어부로서 기능한다. DC/DC 컨버터 (82) 는 제어부 (20) 로부터의 커맨드에 응답하여 직류 전원 라인 (DCL) 의 전압 레벨을 가변으로 조정한다. 제어부 (20) 는 연료 전지 (10) 의 출력이 외부 부하 (200) 로부터의 출력 요구에 대해 부족할 경우에는, 그 부족한 전력을 보상시키기 위해서, DC/DC 컨버터 (82) 로 하여금 2차 전지 (81) 의 방전을 명령한다.
DC/AC 인버터 (83) 는 연료 전지 (10) 와 2차 전지 (81) 로부터 얻은 직류 전력을 교류 전력으로 변환한 다음, 교류 전력을 외부 부하 (200) 에 공급한다. 외부 부하 (200) 에 있어서 회생 전력 (regenerative electric power) 이 발생하는 경우에는, 그 회생 전력이 DC/AC 인버터 (83) 에 의해 직류 전력으로 변환된 다음, 2차 전지 (81) 가 DC/DC 컨버터 (82) 에 의해 직류 전력으로 충전됨을 주지한다.
셀 전압 계측부 (91) 는 연료 전지 (10) 의 각 발전체 (11) 에 접속되어, 각 발전체 (11) 의 전압 (셀 전압) 을 계측한다. 셀 전압 계측부 (91) 는, 그 계측된 셀 전압을 제어부 (20) 에 송신한다. 셀 전압 계측부 (91) 는 계측된 셀 전압들 가운데 가장 낮은 셀 전압만을 제어부 (20) 에 송신할 수도 있음을 주지한다.
전류 계측부 (92) 는 직류 전원 라인 (DCL) 에 접속되어 있다. 전류 계측부 (92) 는 연료 전지 (10) 로부터 출력된 전류를 계측한 다음, 계측된 전류를 제어부 (20) 에 송신한다. 충전 상태 검출부 (94) 는 2차 전지 (81) 에 접속되어 있다. 충전 상태 검출부 (94) 는 2차 전지 (81) 의 충전 상태 (SOC : State of Charge) 를 검출한 다음 그 검출된 SOC 를 제어부 (20) 에 송신한다.
임피던스 계측부 (93) 는 연료 전지 (10) 에 접속되어 있다. 임피던스 계측부 (93) 는 연료 전지 (10) 에 교류 전류를 인가함으로써, 연료 전지 (10) 의 임피던스를 측정한다. 여기서, 연료 전지 (10) 의 임피던스는 연료 전지 (10) 의 내부에 존재하는 수분량에 따라 변화하는 것으로 알려져 있다. 즉, 연료 전지 (10) 의 임피던스와 연료 전지 (10) 내부의 수분량 (습도) 사이의 대응 관계가 미리 취득된 다음, 연료 전지 (10) 의 임피던스를 계측함으로써, 연료 전지 (10) 내부의 수분량 (습도) 을 구하는 것이 가능하게 될 수 있다.
부수적으로, 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100) 에서는, 제어부 (20) 는 또한, 전류 적산치 계측부 (21) 로서 기능한다. 전류 적산치 계측부 (21) 는 소정의 기간 동안 전류 계측부 (92) 에 의해 계측된 연료 전지 (10) 로부터 출력된 전류를 시간에 대해 적분함으로써, 연료 전지 (10) 로부터 출력된 전하를 나타내는 전류 적산치를 산출한다. 제어부 (20) 는 이 전류 적산치를 이용하여, 발전체 (11) 의 발전 성능의 저하를 억제하기 위한 전류 제한 처리를 실행하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
도 3(a) 및 도 3(b) 는 연료 전지 시스템 (100) 의 연료 전지 (10) 에 대한 출력 제어를 설명하기 위한 그래프이다. 도 3(a) 는 연료 전지 (10) 의 W - I 특성을 나타내는 그래프이며, 세로축은 연료 전지 (10) 의 전력을 나타내고, 가로축은 연료 전지 (10) 의 전류를 나타낸다. 일반적으로, 연료 전지의 W - I 특성은 위쪽으로 볼록한 곡선에 의해 나타내어진다.
도 3(b) 는 연료 전지 (10) 의 V - I 특성을 나타내는 그래프이며, 세로축은 연료 전지 (10) 의 전압을 나타내고, 가로축은 연료 전지 (10) 의 전류를 나타낸다. 일반적으로, 연료 전지의 V - I 특성은 전류의 증가에 따라 하강하는 옆으로 누운 S자 모양의 곡선에 의해 나타내진다. 도 3(a) 및 도 3(b) 에서, 각각의 그래프의 가로축은 서로 대응하고 있음을 주지한다.
제어부 (20) 는 이들의 연료 전지 (10) 에 대한 W - I 특성 및 V - I 특성을 미리 기억한다. 제어부 (20) 는 W - I 특성을 이용하여 외부 부하 (200) 로부터 요구되는 전력 Pt 에 대해 연료 전지 (10) 로부터 출력되어야 하는 목표 전류 It 를 취득한다. 또한, 제어부 (20) 는 V - I 특성을 이용하여, W - I 특성으로부터 얻어진 목표 전류 It 를 출력하기 위하여 연료 전지 (10) 의 목표 전압 Vt 를 결정한다. 제어부 (20) 는 DC/DC 컨버터 (82) 에서의 목표 전압 Vt 를 설정하여 DC/DC 컨버터 (82) 로 하여금 직류 전원 라인 (DCL) 의 전압을 조정하게 한다.
부수적으로, 상술한 바와 같이, 연료 전지 (10) 에서는, 반응 가스는, 매니폴드로부터 각각의 발전체 (11) 의 가스 유로로 흐른다. 그러나, 각각의 발전체 (11) 의 가스 유로는 연료 전지 (10) 에 있어서 생성된 수분 등에 의해 가능성있게 차단될 수도 있다. 발전체 (11) 의 일부의 가스 유로가 차단된 상태에서, 연료 전지 (10) 가 발전을 계속하게 한 경우에는 발전체 (11) 의 일부에서의 반응 가스의 공급 부족 때문에 발전 반응이 억제되어 버린다. 한편, 다른 발전체 (11) 는 발전을 계속하여, 발전체 (11) 의 일부가, 연료 전지 (10) 에 있어서 저항으로서 작용하여 부 전압을 발생하게 된다. 이하, 부 전압이 발생되는 발전체 (11) 를 본 명세서에서는, "부 전압 셀 (11)"이라고 한다.
부 전압 셀 (11) 의 부 전압 상태가 계속됨에 따라, 각각의 부 전압 셀 (11) 에 있어서의 전극의 열화가 진행한 다음, 연료 전지 (10) 의 발전 성능의 저하가 생기는 것으로 알려져 있다. 여기서, 부 전압의 발생 원인으로서는, 양극에 대한 수소의 공급이 저해되어 야기되는 수소의 공급 불량 때문이거나 또는 음극에 대한 산소의 공급이 저해되어 산소의 공급 불량 때문이다. 양극에 대한 수소의 공급 불량을 원인으로 하는 부 전압의 발생의 경우에는, 부 전압의 레벨에 의존하여, 연료 전지 (10) 의 성능이 다음과 같이 저하된다.
도 4(a) 내지 도 4(c) 는 발전체들 (11) 중 어느 하나에 있어서 수소의 공급 불량에 의해 생긴 부 전압에 의한 연료 전지 (10) 의 성능 저하를 설명하기 위한 그래프이다. 도 4(a) 는 발전체 (11) 들 중 어느 하나에 있어서 부 전압이 발생했을 때의 셀 전압의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4(a) 의 그래프에서는, 세로축이 셀 전압을 나타내고 있고 가로축이 시간을 나타내고 있다.
이 그래프에서는, 시각 t0 에 있어서 부 전압이 발생하고, 셀 전압이 전압 V1 까지 실질적으로 수직으로 강하하고 있다. 그 후, 셀 전압은 전압 V1 근방에서 일정하게 유지되어 시각 t1 에 있어서 다시 전압 V2 까지 실질적으로 수직으로 강하한 다음, 전압 V2 에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 이와 같이, 수소의 공급 불량에 의해 생긴 부 전압의 레벨은, 시간의 경과와 함께, 실질적으로 단계적으로 2 단계로 저하한다.
여기서, 각각의 부 전압 셀 (11) 의 양극에서는, 수소의 공급 부족을 보상하기 위하여 다음의 화학 반응에 의해 프로톤이 생성된다. 즉, 시각 t0 에서부터 시각 t1 까지의 기간 동안에는 하기의 반응식 (1) 에 표현되는 수분해 반응에 의해 프로톤이 생성되고, 시각 t2 이후에서는, 하기의 반응식 (2) 에 표현되는 전극 (양극) 을 구성하는 카본의 산화 반응에 의해 프로톤이 생성된다.
2H2O → O2 ＋ 4H+ ＋ e- (1)
C ＋ 2H2O → CO2 ＋ 4H+ ＋ 4e- (2)
도 4(b) 는 시각 t0 에서부터 시각 t1 까지의 기간 동안의 각각의 부 전압 셀 (11) 의 발전 성능을 나타내는 그래프를 나타낸다. 도 4(c) 는 시각 t1 이후에 있어서의 각각의 부 전압 셀 (11) 의 발전 성능을 나타내는 그래프를 나타낸다. 도 4(b) 및 도 4(c) 는 각각, 가로축이 전류 밀도를 나타내고, 세로축이 셀 전압을 나타내는 각각의 부 전압 셀 (11) 의 I - V 특성을 나타내는 그래프 GI -V 및 가로축이 전류 밀도를 나타내고 세로축이 저항을 나타내는 각각의 부 전압 셀 (11) 의 I - R 특성을 나타내는 그래프 GI -R 을 포함한다. 도 4(c) 에서, 특성의 변화들을 나타내기 위하여, 도 4(b) 에 나타낸 그래프 GI -V, GI -R 를 파선으로 나타내고, 각각의 그래프가 이동하는 방향들을 나타내는 화살표가 도시되어 있음을 주지한다.
이와 같이, 시각 t0 에서부터 시각 t1 까지의 기간 동안에서와 같이 각각의 부 전압 셀 (11) 의 양극에 있어서 수분해 반응이 생기고 있는 경우에는, 연료 전지 (10) 의 발전 성능의 저하는 비교적 억제된다 (도 4(b)). 도 4(b) 의 경우에, 부 전압이 발생하고 있지 않은 각각의 발전체 (11) 의 I - V 특성은, 각각의 부 전압 셀 (11) 의 I - V 특성과 실질적으로 일치하고 있음을 주지한다. 한편, 시각 t1 이후에서와 같이, 각각의 부 전압 셀 (11) 의 양극에 있어서 카본의 산화 반응이 생기고 있는 경우에는, 각각의 부 전압 셀 (11) 의 I - V 특성은 저하하고, 각각의 부 전압 셀 (11) 에 있어서의 내부 저항은 증가한다 (도 4(c)). 각각의 부 전압 셀 (11) 의 성능의 저하 때문에, 연료 전지 (10) 의 발전 성능도 저하하는 것임을 주지한다. 또한, 시각 t1 이후에서와 같이, 전극의 카본이 산화한 경우에는, 연료 전지 (10) 를 재기동한 후에도, 각각의 부 전압 셀 (11) 에 있어서의 발전 성능의 회복이 곤란해진다.
이하, 본 명세서에서는, 시각 t0 에서부터 시각 t1 까지의 기간 동안의 경우에서와 같이, 부 전압 셀 (11) 의 양극에 있어서의 수분해 반응을 통하여, 연료 전지 (10) 의 발전 성능의 저하를 억제하면서, 발전이 계속될 수도 있는 부 전압의 레벨을 "발전 허용가능 레벨"이라고 한다. 또한, 시각 t1 이후에서와 같이, 부 전압 셀 (11) 의 전극의 열화를 일으키고, 연료 전지 (10) 의 발전 성능이 저하하는 부 전압의 레벨을 "성능 저하 레벨"이라고 한다.
제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100) 에서는, 연료 전지 (10) 의 발전체 (11) 들 중 어느 하나에 있어서, 부 전압의 발생이 검출된 경우에는, 이하에 설명하는 부 전압 회복 처리에 의해, 부 전압 상태가 회복된다. 이 부 전압 회복 처리에서는, 부 전압의 원인이, 수소의 공급 불량에 의한 것으로 판정된 경우에는, 부 전압의 레벨이 성능 저하 레벨에까지 도달하는 것이 억제되는 출력 제어를 실행하여, 부 전압 셀 (11) 에 있어서의 전극의 열화를 회피하면서, 부 전압을 회복함을 주지한다.
도 5 는 제어부 (20) 에 의해 실행된 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 제어부 (20) 는 연료 전지 (10) 의 통상적인 운전 (단계 S5) 을 개시한 후에, 셀 전압 계측부 (91) 에 의해, 발전체들 (11) 중 적어도 하나에서 부 전압이 검출된 경우에는, 단계 S20 및 다음 단계들에서의 처리를 개시한다 (단계 S10). 단계 S20 에서는, 제어부 (20) 는 전류 적산치 계측부 (21) 로 하여금 전류 제한 처리 (후술함) 에 사용되는 전류 적산치의 계측을 개시하게 한다.
여기서, 단계 S10 에 있어서 부 전압의 발생이 검출된 단계에서는, 부 전압의 발생 원인이, 양극에 대한 수소의 공급 불량에 의한 것인지, 음극에 대한 산소의 공급 불량에 의한 것인지가 판별되지 않는다. 그 후, 단계 S30 에서는, 제어부 (20) 는, 먼저, 에어 콤프레서 (32) 의 회전 속도를 증대시켜, 연료 전지 (10) 에 대한 공기의 공급량을 증대시킨다. 음극에 대한 산소의 공급 불량에 의해 부 전압이 발생하고 있는 경우에는, 이 처리에 의해, 공기의 공급량 부족을 해소함과 함께, 음극측의 가스 유로를 차단하는 수분을 배기하여, 그 차단을 제거하는 것이 가능해진다.
제어부 (20) 는 공기의 공급량을 증대시킨 후에, 부 전압 셀 (11) 의 전압이 상승한 경우에는, 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복한 것으로서 판정한 다음, 연료 전지 (10) 의 통상적인 운전 제어로 돌아온다 (단계 S40). 한편, 공기의 공급량 증대에 의해서도 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복하지 않았을 경우에는, 제어부 (20) 는 부 전압의 발생 원인이, 수소의 공급 불량에 의한 것으로 판정한 다음, 단계 S50 및 다음 단계들에서 전극 열화 및 발전 성능의 저하를 회피하기 위한 전류 제한 처리를 개시한다.
단계 S50 에서는, 제어부 (20) 는 부 전압이 발생한 기간에서 출력된 연료 전지 (10) 의 전류에 기초하여, 전류 적산치 계측부 (21) 로부터 전류 적산치를 취득한다. 단계 S60 및 S70 에서는, 제어부 (20) 는 단계 S50 에서 취득한 전류 적산치를 이용하여, 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 전력 한계를 구한 다음, 그 한계 범위 내에서 연료 전지 (10) 로 하여금 전력을 출력하게 한다. 이렇게 함으로써, 각각의 부 전압 셀 (11) 의 전극의 열화나, 연료 전지 (10) 의 발전 성능의 저하가 억제된다. 여기서, 단계 S60 및 S70 에 있어서의 구체적인 동작의 내용을 설명하기 전에, 본 발명의 발명자가 실험에 의해 얻은 전류 적산치와, 부 전압에 의한 전극의 산화 및 발전 성능의 저하를 회피하기 위한 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 전력 한계와의 대응 관계를 설명한다.
도 6 은 발전 허용가능 레벨로부터 성능 저하 레벨로의 부 전압 천이가 발생하는 타이밍을 조사하기 위하여 본 발명의 발명자에 의해 수행된 실험의 결과를 나타내는 그래프이다. 이 실험에서는, 발전체들 (11) 중 선택된 발전체에 대해, 양극측 가스 유로를 차단시킨 상태에서, 연료 전지 (10) 로 하여금 일정한 반응 가스의 유량에서 및 일정한 운전 온도에서, 일정한 전류를 출력하게 하는 발전을, 일정한 간격으로 5회 간헐적으로 수행하였다. 도 6 의 그래프는 그 발전 횟수 마다의 시간에 따른 부 전압의 변화를 나타낸다.
1번째 내지 3번째의 발전시에는 부 전압이 발전 허용가능 레벨에 도달하기 전에 계측 시간이 종료했다. 그러나, 4번째의 발전시에는, 계측 도중에, 셀 전압이 성능 저하 레벨로 저하했다. 그 후, 5번째의 발전시에는, 발전이 개시된 직후 셀 전압이 성능 저하 레벨까지 저하했다.
본 발명의 발명자는 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 다른 전류를 이용하여, 동일한 실험을 반복하였고, 부 전압이 발전 허용가능 레벨로부터 성능 저하 레벨로 천이할 때까지의 누적 시간은, 부 전압 발생 후에 발전의 정지와 재개를 반복하는 경우에도, 전류 밀도 마다 실질적으로 일정하다는 지견을 얻었다. 이것은, 수분해반응을 통하여 부 전압 셀 (11) 의 양극에 형성된 산화 피막이, 발전을 정지시켰을 경우에서도 잔류할 만큼 강고하기 때문이라고 생각된다.
그 후, 부 전압이 발생하고 나서부터 부 전압이 성능 저하 레벨에 도달할 때까지의 기간 동안에 출력될 수 있는 전하는 전류 밀도 마다 실질적으로 일정하며, 그 기간에 출력된 전하는 그 기간의 발전의 이력으로서 남겨지는 것으로 생각된다. 이들의 지견으로부터, 본 발명의 발명자는, 부 전압이 성능 저하 레벨로 천이하기 전에 연료 전지 (10) 에 허용가능한 운전 조건은, 발전 허용가능 레벨의 부 전압 발생 기간에 있어서의 연료 전지 (10) 의 전류 밀도와, 그 기간에 있어서의 연료 전지 (10) 의 전류 적산치로 규정될 수도 있음을 알아냈다.
도 7 은 발전 허용가능 레벨의 부 전압이 발생하고 있는 기간에 있어서 연료 전지 (10) 에 허용가능한 운전 조건을 규정하기 위하여 본 발명의 발명자에 의해 수행된 실험의 결과를 나타내는 그래프이다. 이 실험에서는, 발전체들 (11) 중 어느 하나의 양극측 가스 유로를 차단시킨 다음, 부 전압이 발생하고 나서부터 성능 저하 레벨에 도달할 때까지 연료 전지 (10) 가 계속 발전하도록 할 때의 전류 적산치를 계측하였다. 그 후, 이 전류 적산치의 계측을, 연료 전지 (10) 의 상이한 전류 밀도에서 복수회 실시하여, 전류 밀도 마다의 전류 적산치를 구하였다. 이 실험에서는, 연료 전지 (10) 에 대해 공급되는 반응 가스의 유량과 연료 전지 (10) 의 운전 온도는 일정하였음을 주지한다.
도 7 은 세로축을 전류 적산치로 나타내고, 가로축을 전류 밀도로서 나타내며, 상기 실험의 계측 결과를 플롯하는 방식으로 얻은 그래프이다. 이와 같이, 발전 허용가능 레벨의 부 전압이 발생되는 기간에 있어서의 연료 전지 (10) 의 전류 밀도와 그 기간에 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 적산치 사이의 대응 관계는, 아래쪽으로 볼록한 하강 곡선 그래프에 의해 나타내어진다. 즉, 발전 허용가능 레벨의 부 전압이 발생되는 기간 (이후, "발전 허용가능 기간) 이라 함) 에 있어서의 연료 전지 (10) 의 전류 밀도가 증가할수록 그 기간에 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 적산치는 감소한다. 전류 적산치는 전류 밀도가 증가할 수록 실질적으로 지수함수적으로 감소한다.
여기서, 도 7 에 있어서, 아래쪽으로 볼록한 곡선 아래의 해칭된 영역은 발전 허용가능 기간에 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 밀도와 전류 적산치의 조합을 포함하는 영역으로서 이해될 수도 있다. 이 영역을 이후, "운전 허용가능 영역"이라고 한다. 즉, 수소의 공급 불량에 의해, 부 전압이 발생하고 있는 경우에는, 이 운전 영역 내에 들어가는 전류 밀도와 전류 적산치와의 조합을 연료 전지 (10) 로 하여금 출력하도록 하는 경우에, 연료 전지 (10) 로 하여금 부 전압이 성능 저하 레벨에 도달하는 것을 회피하면서, 발전을 계속하게 하는 것을 가능하게 한다. 이 그래프의 세로축이 전류 적산치인 것으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 이 운전 허용가능 영역은, 부 전압이 발생한 후의 연료 전지 (10) 의 발전 기간의 증가에 따라 감소함을 주지한다.
제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100) 에서는, 제어부 (20) 는 도 7의 그래프에 의해 나타내어진, 부 전압이 발생하고 있는 기간에 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 적산치와 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 밀도와의 대응 관계를 맵으로서 미리 기억한다. 그 후, 맵 (이하, "허용가능 영역 맵"이라고 한다) 을 사용하여, 단계 S60 및 S70 (도 5) 에 있어서의 전류 제한 처리를 실행한다.
도 8(a) 내지 도 8(c) 는 단계 S60 및 S70 에 있어서의 처리를 설명하기 위한 개략적 그래프이다. 도 8(a) 내지 도 8(c) 에는, 상술한 허용가능 영역 맵 MPA 를, 세로축을 전류 적산치로서 나타내고, 가로축을 전류 밀도로서 나타내는 그래프에 의해 나타낸다. 도 8(a) 및 도 8(b) 에서의 허용가능 영역 맵 MPA 의 그래프에는, 운전 허용가능 영역이 해칭되어 있다. 여기서, 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100) 에서는, 제어부 (20) 가 연료 전지 시스템 (100) 의 운전을 계속 하기 위해서, 연료 전지 (10) 로부터 출력되어야 하는 최저한의 전류 밀도 ilim ("최저 전류 밀도 ilim"라고도 함) 가 설정된다. 따라서, 그 최저 전류 밀도 ilim 이하의 영역은, 운전 허용가능 영역에 포함되지 않는다.
단계 S60 에서는, 제어부 (20) 는 전류 적산치 계측부 (21) 에 의해 취득된 전류 적산치 Qe1 에 대한 전류 밀도 i1 를 취득한다 (도 8(a)). 이하, 허용가능 영역 맵 MPA 를 이용하여 취득되는 전류 밀도를 또한 "한계 전류 밀도"라고도 한다. 이 때의 전류 적산치 Qe1 는, 단계 S20 내지 S60 의 처리 동안에 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 전류에 기초하여 얻어짐을 주지한다.
단계 S70 에서는, 제어부 (20) 는, 단계 S60 에서 구한 한계 전류 밀도 i1 를, 연료 전지 (10) 에 현재 허용가능한 전류 밀도로서 설정한 다음, 그 한계 전류 밀도 i1 보다 작은 전류 밀도 i1c ("제한 전류 밀도 i1c"라고도 함) 에서 연료 전지 (10) 로 하여금 전력을 발전시키도록 한다. 구체적으로는, 제어부 (20) 는 한계 전류 밀도 i1 로부터, 미리 설정된 값 Δi 를 감산하여, 제한 전류 밀도 i1c 를 산출할 수도 있다 (i1c = i1 - Δi). 이 미리 설정된 값 Δi 는 한계 전류 밀도의 값에 따라 변동할 수도 있음을 주지한다. 구체적으로는, 한계 전류 밀도가 감소할수록, 값 Δi 는 증가하는 것도 또한 적용가능하다.
허용가능 영역 맵 MPA 에 있어서의 운전 허용가능 영역은, 세로축 방향에서, 전류 적산치 Qe1 만큼 감소되어, 단계 S70 에 있어서, 한계 전류 밀도 i1 보다 작은 제한 전류 밀도 i1c 에서 발전을 개시하는 경우, 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 전력은 운전 허용가능 영역 내에 들어간다. 따라서, 전극의 열화를 회피하면서 연료 전지 (10) 의 운전을 계속하는 것이 가능하다.
여기서, 제어부 (20) 는 연료 전지 (10) 의 운전을 계속할 수 있도록 전류가 제한되는 동안, 단계 S80 에 있어서 수소의 공급 불량으로부터 회복하기 위한 처리를 개시한다. 구체적으로는, 인젝터 (55) 의 구동 간격이나 밸브 개방 유지 시간을 조정하거나, 수소 순환용 펌프 (64) 의 회전 속도를 증대시키는 등에 의해, 연료 전지 (10) 에 대한 수소의 공급 유량을 증대시켜, 연료 전지 (10) 에 있어서의 수소의 압력을 증대시키는 것도 또한 적용가능하다.
또한, 연료 전지 시스템 (100) 이 저온 환경 하에 놓이는 경우에는, 수분의 동결에 의해, 양극의 가스 유로가 차단될 수도 있음을 주지한다. 따라서, 이 경우에는, 예를 들어, 냉매 순환용 펌프 (73) 의 회전 속도를 저하시키는 것과 같이, 연료 전지 (10) 의 온도를 상승시키기 위한 처리를 실행할 수도 있다.
단계 S80 의 수소의 공급 불량 회복 처리의 실행을 개시한 후에, 부 전압이 여전히 회복하지 않는 경우에는, 제어부 (20) 는, 다시 단계 S50 내지 S70 의 전류 제한 처리를 반복한다 (단계 S90). 단계 S50 에서는, 전회와 마찬가지로, 부 전압이 검출된 때에서부터 현재까지 연료 전지 (10) 로부터 출력된 전류에 기초하여, 전류 적산치 Qe2 를 취득한다 (단계 S50). 그 후, 허용가능 영역 맵 MPA 을 이용하여, 그 전류 적산치 Qe2 에 대응하는 한계 전류 밀도 i2 를 취득한다 (도 8(b)). 단계 S70 에서는, 제어부 (20) 는 그 한계 전류 밀도 i2 보다 작은 제한 전류 밀도 i2c 에서 연료 전지 (10) 를 발전시킨다.
도 8(c) 는 전류 제한 처리에 있어서의 한계 전류 밀도의 변화를 설명하기 위한 개략적 그래프이다. 단계 S50 내지 S80 의 전류 제한 처리는 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복할 때까지 반복 실행된다 (단계 S90). 그 전류 제한 처리의 반복 동안에, 한계 전류 밀도는 전류 적산치의 증가에 따라, 그래프로 나타나는 곡선 (그래프에서의 화살표들) 을 따라 단계적으로 감소한다. 또한, 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 전류는, 한계 전류 밀도의 변화에서와 마찬가지로, 그래프를 따라 단계적으로 감소한다. 제어부 (20) 는 단계 S60 에 있어서 취득된 제한 전류 밀도가, 최저 전류 밀도 ilim 이하가 된 경우에는, 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복하지 않고, 최저한도의 연료 전지 (10) 의 전력이 얻어질 수 없다고 판정한 다음, 연료 전지 (10) 의 재기동 처리를 실행함을 주지한다.
이와 같이, 제 1 실시형태의 연료 전지 시스템 (100) 에서는, 부 전압 회복 처리에 있어서, 부 전압의 원인이 수소 공급 불량에 의한 것이라고 판정된 경우에는, 전류 제한 처리에 의해, 부 전압이 성능 저하 레벨까지 저하하는 것을 억제하면서 발전을 계속한다. 그 후, 전류 제한 처리 동안에, 부 전압으로부터 회복하기 위한 처리를 실행한다. 따라서, 부 전압에 의한 연료 전지 (10) 의 발전 성능의 저하 및 연료 전지 (10) 의 전극의 열화를 억제할 수 있다.
다음으로, 제 1 실시형태에 대한 제 1 대안의 실시형태를 설명한다. 도 9 는 본 발명의 제 1 실시형태에 대한 제 1 대안의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100a) 의 전기적 구성을 나타내는 개략도이다. 도 9 는 전류 적산치 기록부 (23) 가 추가된 점을 제외하면, 도 2 와 실질적으로 동일하다. 이 구성 예에 있어서의 연료 전지 시스템 (100a) 의 다른 구성은 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100) 의 구성과 같음을 주지한다 (도 1). 연료 전지 시스템 (100a) 의 전류 적산치 기록부 (23)(도 9) 는 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) 과 같은 데이터의 소거·개서가능한 불휘발성 메모리로 형성된다.
도 10 은 연료 전지 시스템 (100a) 에 의해 실행되는 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 10 은 단계 S90 의 뒤에, 단계 S100 이 추가된 점을 제외하면, 도 5 와 실질적으로 동일하다. 연료 전지 시스템 (100a) 에서는, 연료 전지 (10) 에 있어서 부 전압이 검출된 경우에는, 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100) 의 경우에서와 마찬가지로, 부 전압 회복 처리를 실행한다. 그 후, 그 부 전압 회복 처리에 있어서, 부 전압의 발생 원인이 수소의 공급 불량에 의한 것이라고 판정된 경우에는, 제 1 실시형태에서 설명한 것과 같은 전류 제한 처리를 실행한다 (단계 S50 내지 S90).
전류 제한 처리의 실행시에 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복한 경우에는, 제어부 (20) 는 전류 제한 처리의 전류 제한 처리에 이용된 전류 적산치를 전류 적산치 기록부 (23) 에 기록한다 (단계 S100). 여기서, 부 전압 셀 (11) 이 전류 제한 처리에 의해 부 전압으로부터 회복한 것으로 간주한다. 이와 같은 경우에서도 역시, 부 전압을 발생하고 있던 발전체 (11) 의 메인터넌스가 수행되지 않으면, 그 발전체 (11) 에서 다시 부 전압이 발생하고 그 다음, 전류 제한 처리가 개시되었을 때의 운전 허용가능 영역은, 전회의 전류 제한 처리 종료시에 있어서의 운전 허용가능 영역이 될 것이다.
그 후, 제어부 (20) 는, 단계 S100 에 있어서 다음번의 전류 제한 처리에 대한 준비시, 전류 적산치를 불휘발적으로 기록해 둔다. 여기서, 제어부 (20) 는 부 전압의 발생시에는, 부 전압이 발생되는 발전체 (부 전압 셀 (11)) 를 식별하고, 전류 적산치 기록부 (23) 에, 대응 부 전압 셀 (11) 에 대한 전류 적산치를 기록해 둔다.
제어부 (20) 는 다시 전류 제한 처리가 실행되었을 때에, 단계 S20 에 있어서, 전류 적산치 기록부 (23) 에 기록되고 각각의 부 전압 셀 (11) 에 대응하는 전류 적산치를, 전류 적산치의 초기치로서 로딩한 다음, 전류 적산치의 계측을 개시한다. 즉, 제어부 (20) 는 전류 적산치 기록부 (23) 에 기록된 전류 적산치와 전류 제한 처리가 재개된 후에 연료 전지 (10) 로부터 출력된 전류의 전류 적산치를 가산하여 누적의 전류 적산치를 이용하여, 전류 제한 처리를 실행한다. 부 전압의 발생 원인이 된 발전체 (11) 가 메인터넌스되는 경우에는, 전류 적산치 기록부 (23) 에 기록된, 그 메인터넌스된 발전체 (11) 의 전류 적산치를 초기화시킬 수도 있음을 주지한다.
다음으로, 제 1 실시형태에 대한 제 2 대안의 실시형태를 설명한다. 도 11 은 본 발명의 제 1 실시형태에 대한 제 2 대안의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100b) 의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 11 은 경보부 (25) 가 추가된 점을 제외하면, 도 9 와 실질적으로 동일하다. 이 구성 예에 있어서의 연료 전지 시스템 (100b) 의 다른 구성은, 제 1 대안의 실시형태에서의 연료 전지 시스템 (100a) 의 구성 (도 9) 과 같음을 주지한다.
연료 전지 시스템 (100b) 의 경보부 (25)(도 11) 는 제어부 (20) 의 커맨드에 응답하여, 연료 전지 시스템 (100b) 의 사용자에 대해, 연료 전지 (10) 의 메인터넌스를 시각적 또는 청각적으로 경고한다. 경보부 (25) 는, 예를 들어, 사용자가 시인가능한 디스플레이나 발광부에 의해 형성될 수도 있거나 또는 스피커나 부저로 형성될 수도 있다.
도 12 는 연료 전지 시스템 (100b) 에 의해 실행되는 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 12 는 단계 S62 및 S63 가 추가된 점을 제외하면, 도 10 과 실질적으로 동일하다. 이 구성 예에 따라 연료 전지 시스템 (100b) 에 의해 실행되는 부 전압 회복 처리에서는, 단계 S60 에 있어서 허용가능 영역 맵 MPA (도 8(a) 내지 도 8(c)) 를 이용해 한계 전류 밀도를 얻은 다음, 단계 S62 에 있어서, 그 한계 전류 밀도가 소정의 임계값 이하 인지의 여부를 판정한다. 여기서, 소정의 임계값으로서는, 예를 들어, 연료 전지 시스템 (100b) 의 운전을 계속할 수도 있는 전력을 얻는데 필요한 전류 밀도일 수도 있다.
단계 S62 에 있어서 한계 전류 밀도가 소정의 임계값보다 낮다고 판정된 경우에는, 제어부 (20) 는, 연료 전지 (10) 의 메인터넌스를 수행하지 않으면 연료 전지 시스템 (100b) 의 운전 계속이 곤란하다는 것으로 판정하여, 경보부 (25) 로 하여금 경보 처리를 실행하게 한다 (단계 S63). 구체적으로, 이 경보 처리에서는, 연료 전지 시스템 (100b) 의 운전을 정지한 다음, 사용자가 부 전압이 발생되는 부 전압 셀 (11) 의 교체를 재촉하는 메세지를 통지받는 것이 적용가능하다.
이와 같이, 이 구성예에 따른 연료 전지 시스템 (100b) 에서는, 경보부 (25) 에 의해, 전류 제한 처리에 있어서, 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 전력이 제한되어 연료 전지 시스템 (100b) 의 운전 계속이 곤란해진다는 정보가 시스템의 사용자에게 제공된다. 따라서, 사용자는, 연료 전지 (10) 의 메인터넌스를 실시해야 하는 상황을 알 수 있다. 제어부 (20) 는, 전류 제한 처리를 실행하는 동안 또는 단계 S100 에 있어서 전류 적산치가 기록될 때, 전류 적산치가 소정의 임계값 이상인 경우에, 경보부 (25) 를 통하여 그 사실을 사용자에게 통지하는 것이 적용가능함을 주지한다.
다음으로, 제 2 실시형태를 설명한다. 도 13 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 13 은 단계 S60 및 S70 대신에, 단계 S61 및 S71 이 제공되고, 단계 S91 이 추가되는 점을 제외하면, 도 5와 실질적으로 동일하다. 제 2 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 구성은, 제 1 실시형태에서 설명한 연료 전지 시스템 (100) 의 구성과 같다 (도 1 및 도 2). 제 2 실시형태 따른 연료 전지 시스템에서는, 단계 S50 내지 S91 에 있어서, 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 적산치를 구한 다음 그 전류 적산치에 기초하여, 전류 제한 처리를 실행한다.
도 14 는 제 2 실시형태에 따른 전류 제한 처리를 설명하기 위한 그래프이며, 제 1 실시형태에서 설명한 것과 같은 허용가능 영역 맵 MPA 를 나타내는 그래프이다. 단계 S61 에서는, 제어부 (20) 는 단계 S50 에서 취득된 전류 적산치 Qe1 에 대응하는 한계 전류 밀도 i1 를 취득한다. 그 후, 그 한계 전류 밀도 i1 보다 미리 설정된 값 만큼 작은 제한 전류 밀도 i1c 를, 연료 전지 (10) 에 대한 출력 커맨드값으로서 결정하고, 그 제한 전류 밀도 i1c 에서 연료 전지 (10) 로 하여금 발전하도록 한다
단계 S71 에서는, 제어부 (20) 는 다시, 허용가능 영역 맵 MPA 를 이용하여, 연료 전지 (10) 에 대한 커맨드 값인 제한 전류 밀도 i1c 에 대응하는 전류 적산치 Qe2 를 취득한다. 제어부 (20) 는, 그 전류 적산치 Qe2 보다 소정의 값만큼 작은 값을, 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 적산치 (이하, "한계 전류 적산치"라고도 함) 로 설정한다. 그 후, 제어부 (20) 는 단계 S80 에 있어서, 수소의 공급 불량으로부터 회복하기 위한 처리를 실행한 다음, 단계 S90 에 있어서, 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복하고 있는지의 여부의 판정한다.
부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복한 경우에는, 제어부 (20) 는 통상적인 운전 제어 (단계 S5) 를 재개한다. 또한, 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복하지 않는 경우에는, 제어부 (20) 는 전류 적산치 계측부 (21) 로부터, 부 전압 발생 기간에 있어서의 전류 적산치를 취득한 다음, 전류 적산치가 단계 S71 에서 취득된 한계 전류 적산치에 도달했는지의 여부를 판정한다 (단계 S91). 현재의 전류 적산치가, 한계 전류 적산치에 도달하고 있지 않는 경우에는, 제어부 (20) 는 단계 S80 및 S90 의 처리를 반복한다.
단계 S91 에 있어서, 현재의 전류 적산치가, 한계 전류 적산치에 도달하고 있던 경우에는, 제어부 (20) 는 단계 S61 로 되돌아간 다음, 커맨드 값으로서 설정되어 있던 제한 전류 밀도 i1c 보다 미리 설정된 값만큼 작은 전류 밀도 i2c 를, 연료 전지 (10) 에 대한 새로운 커맨드 값으로서 설정한다. 단계 S71 에서는, 허용가능 영역 맵 MPA 를 이용하여, 새로운 커맨드 값인 전류 밀도 i2c 에 대한 전류 적산치 Qe2 를 취득한 다음, 그 전류 적산치 Qe2 에 기초하여, 한계 전류 적산치를 결정한다.
이와 같이, 제 2 실시형태에 따른 전류 제한 처리에서는, 제어부 (20) 는 허용가능 영역 맵 MPA 를 이용하여, 연료 전지 (10) 에 대한 커맨드 값으로서 설정된 전류 밀도에 대응하는 한계 전류 적산치를 구한다. 그 후, 전류 적산치가 전류 한계 적산치에 가까워질 때까지, 연료 전지 (10) 가 커맨드 값으로서 설정된 전류 밀도에서의 발전을 계속하도록 한다. 전류 적산치가 전류 한계 적산치에 가까워졌을 때에는, 제어부 (20) 는 커맨드 값인 전류 밀도를 저하시켜, 다시, 저하 후의 커맨드 값에 대응하는 한계 전류 적산치를 취득한 다음, 연료 전지 (10) 로 하여금 발전을 계속하게 한다. 이렇게 행함으로써, 도 14 의 그래프 중의 화살표에 의해 나타내는 바와 같이, 연료 전지 (10) 의 전류 밀도가, 전류 적산치의 증대에 따라, 그래프에 나타내진 곡선을 따라 단계적으로 감소한다.
제 2 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100) 과 마찬가지로, 부 전압에 의한 연료 전지 (10) 의 발전 성능의 저하 및, 연료 전지 (10) 의 전극의 열화를 억제할 수 있다. 또한, 제어부 (20) 는 허용가능 영역 맵 MPA 에 의해 취득한 한계 전류 적산치에 기초한 커맨드 값인 전류 밀도에서 이용가능한 발전 유지 기간을 산출한 다음, 그 발전 유지 기간에 기초하여 전류 밀도, 즉, 커맨드 값을 저하시키는 타이밍을 제어하는 것이 적용가능함을 주지한다.
다음으로, 제 3 실시형태를 설명한다. 도 15 는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100B) 의 전기적 구성을 나타내는 개략도이다. 도 15 는 직류 전원 라인 (DCL) 에 개폐 스위치 (84) 가 추가되는 점과 제어부 (20) 에 허용가능 영역 변경부 (22) 가 추가되는 점을 제외하면, 도 2 와 실질적으로 동일하다. 연료 전지 시스템 (100B) 의 다른 구성은, 제 1 실시형태에서 설명한 구성 (도 1) 과 같음을 주지한다. 그러나, 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100B) 에서는, 연료 전지 (10) 가 일정한 운전 온도에서 운전된다.
개폐 스위치 (84) 는 DC/DC 컨버터 (82) 와 연료 전지 (10) 사이에 제공된다. 개폐 스위치 (84) 는 제어부 (20) 의 커맨드에 응답하여 개방 또는 폐쇄한다. 개폐 스위치 (84) 가 폐쇄되는 경우에는, 연료 전지 (10) 가 외부 부하 (200) 에 전기적으로 접속되는 반면, 개폐 스위치 (84) 가 개방될 때에는, 연료 전지 (10) 가 외부 부하 (200) 로부터 전기적으로 분리된다. 연료 전지 (10) 가 외부 부하 (200) 로부터 전기적으로 분리될 때에는, 2차 전지 (81) 가 외부 부하 (200) 에 공급된 전력을 출력할 수 있음을 주지한다.
제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100B) 에서는, 제어부 (20) 가 허용가능 영역 변경부 (22) 로서 또한 기능한다. 허용가능 영역 변경부 (22) 는 부 전압 회복 처리에 있어서의 전류 제한 처리에 있어서, 연료 전지 (10) 의 운전 허용가능 영역을 변경하기 위한 처리를 실행한다. 구체적인 처리 내용에 대해서는 후술한다.
도 16 은 제 3 실시형태에 따른 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 16 은 단계 S65 이 추가되는 점을 제외하면, 도 5 와 실질적으로 동일하다. 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100B) 에서는, 제 1 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100) 의 경우에서와 마찬가지로, 부 전압 회복 처리를 실행한다. 그 후, 부 전압 회복 처리에 있어서, 수소의 공급 불량에 의해 부 전압이 발생하고 있다고 판정된 경우에는, 전류 제한 처리 및 수소의 공급 불량 회복을 위한 처리가 실행된다.
여기서, 전류 제한 처리에서는, 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류가, 외부 부하 (200) 로부터 요구되는 전력을 공급하기 위한 연료 전지 (10) 의 목표 전류 보다 현저하고 작은 경우에는, 2차 전지 (81) 에 의해서도, 그 부족 전류를 보상할 수 없을 가능성이 있다. 그 후, 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100B) 에서는, 단계 S60 에 있어서 취득된 한계 전류 밀도와 연료 전지 (10) 의 목표 전류를 출력하는 전류 밀도 사이의 차이가, 소정의 값보다 큰 경우에는, 허용가능 영역 변경부 (22) 로 하여금 운전 허용가능 영역 변경 처리를 실행하게 한다 (단계 S65).
도 17 은 연료 전지 (10) 내부의 습도의 변화에 의한 운전 허용가능 영역의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 17 에 나타난 그래프는 도 7 의 그래프를 얻기 위하여 수행된 실험과 유사한 실험을, 연료 전지 (10) 내부의 습도를 저하시킨 상태에서 실시함으로써 얻어졌다. 도 17 은 도 7 의 그래프의 경우에서와 마찬가지로, 그래프에 나타내는 곡선 하측의 운전 허용가능 영역이 해칭되어 있음을 주지한다. 또한, 도 17 의 그래프에는, 편의상, 도 7 의 그래프에 나타낸 곡선을 나타내는 파선과 그 파선 곡선으로부터의 변화를 나타내는 화살표가 도시되어 있다.
본 발명의 발명자들은 연료 전지 (10) 내부의 습도를 저하시킴으로써 발전 허용가능 기간에 있어서의 전류 적산치와 전류 밀도와의 대응 관계를 나타내는 곡선이 상방향으로 이동하여, 운전 허용가능 영역이 확대되는 것을 알아냈다. 이와 같이, 운전 허용가능 영역이 확대되는 것은 하기의 이유 때문이다.
발전 허용가능 기간에서는, 부 전압 셀 (11) 의 양극에 있어서, 상기 반응식 (1) 에 의해 표현되는 반응 및 하기 반응식 (3) 에 의해 표현되는 반응이 진행하여, 촉매가 불활성화하는 것으로 알려져 있다.
Pt ＋ 2H20 → PtO2 ＋ 4H+ ＋ 4e- (3)
연료 전지 (10) 의 내부의 습도가 저하함에 따라, 양극에 있어서의 수분량 (막 전극 어셈블리의 수분 함유) 이 감소하여, 상기의 반응들은 완만하게 진행하고 촉매의 불활성화가 억제된다. 따라서, 촉매의 불활성화의 진행을 지연시킬 수도 있는 양만큼 운전 허용가능 영역이 확대된다.
즉, 연료 전지 (10) 내부의 습도를 저감시킴으로써, 전류 제한 처리에 있어서의 연료 전지 (10) 의 운전 허용가능 영역을 확대할 수도 있어, 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 밀도를 증대시키는 것이 가능하다. 그 후, 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100B) 에서는, 이하에 설명하는 허용가능 영역 변경 처리에 있어서, 연료 전지 (10) 의 습도를 저하시켜, 운전 허용가능 영역을 확대한다.
도 18 은 허용가능 영역 변경부 (22) 에 의해 실행되는 허용가능 영역 변경 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 단계 S110 에서는, 허용가능 영역 변경부 (22) 는, 개폐 스위치 (84) 를 개방하여, 연료 전지 (10) 를 외부 부하 (200) 로부터 전기적으로 분리한다. 그 후, 2차 전지 (81) 으로부터 외부 부하 (200) 로 전력을 공급한다. 허용가능 영역 변경부 (22) 는 연료 전지 (10) 로 하여금 발전을 일단 정지하게 하여, 연료 전지 (10) 내부의 습도를 용이하게 조정하도록 허용한다. 단계 S120 에서는, 운전 허용가능 영역을 확대하기 위한, 연료 전지 (10) 내부의 목표 습도를 취득한다.
도 19 는 단계 S120 에 있어서, 허용가능 영역 변경부 (22) 에 의해 연료 전지 (10) 내부의 목표 습도를 결정하기 위해 사용하는 습도 결정 맵 MHD 의 일례를 나타내는 그래프이다. 이 습도 결정 맵 MHD 은 세로축을 전류 적산치로 하고, 가로축을 습도로 할 때 아래쪽으로 볼록한 하강 곡선으로서 나타내진다. 습도 결정 맵 MHD 은 도 7 에 설명된 것과 유사한 실험을, 연료 전지 (10) 내부의 습도마다 실시하여 측정치들을 얻은 다음, 측정치들을 이용하여 연료 전지 (10) 의 전류 밀도마다, 전류 적산치와 습도와의 조합을 플롯화하는 방식으로 얻어진다.
도 20(a) 및 도 20(b) 는 단계 S120 에 있어서의 습도 결정 맵 MHD 를 사용한 연료 전지 (10) 내부의 목표 습도의 결정 처리를 설명하기 위한 그래프이다. 도 20(a) 는 도 16 의 단계 S60 에서 사용되는 허용가능 영역 맵 MPA 를 나타내는 그래프이다. 여기서, 단계 S60 에서, 전류 적산치 Qea 가 계측되고, 허용가능 영역 맵 MPA 로부터 한계 전류 밀도 ia 가 결정되어, 외부 부하 (200) 가 연료 전지 (10) 의 운전 허용가능 영역 밖에서 전류 밀도 it 를 요구하는 것으로 간주한다. 이 때, 허용가능 영역 변경부 (22) 는 다음과 같이, 연료 전지 (10) 내부의 목표 습도를 결정한다.
허용가능 영역 변경부 (22) 는 현재 계측되고 있는 전류 적산치 Qea 보다, 미리 설정된 소정의 값만큼 높은 전류 적산치 Qet 를 확대 후의 운전 허용가능 영역 (expanded operation allowable range) 의 경계치로서 결정한다. 그 후, 전류 밀도 마다 준비된 습도 결정 맵 MHD 중에서, 요구 전류 밀도 it 에 대응하는 습도 결정 맵 MHD 를 선택하여, 선택된 습도 결정 맵 MHD 를 사용하여, 전류 적산치 Qet 에 대응하는 습도 h 를 목표 습도로서 취득한다 (도 20(b)).
단계 S130 (도 18) 에서는, 허용가능 영역 변경부 (22) 는 연료 전지 (10) 내부의 습도가, 단계 S120 에서 취득된 목표 습도와 일치하도록 제어를 실행한다. 구체적으로는, 허용가능 영역 변경부 (22) 는 음극 가스 공급부 (30)(도 1) 의 에어 콤프레서 (32) 의 회전 속도를 증대시켜, 연료 전지 (10) 에 공급되는 공기량을 증대시키고, 가습부 (35) 에 의한 공급 공기의 가습량을 저하시킨다. 이렇게 행함으로써, 연료 전지 (10) 내부를, 습도가 저하된 공급 공기에 의해 소기할 수도 있어, 연료 전지 (10) 내부의 습도를 저하시킬 수도 있다. 허용가능 영역 변경부 (22) 는 임피던스 계측부 (93) 에 의해 계측된 값에 기초하여, 연료 전지 (10) 내부의 습도가 목표 습도에 도달했는지 여부를 판정함을 주지한다.
도 20(c) 는 단계 S140 에 있어서의 허용가능 영역 맵 MPA 의 변경 처리를 설명하기 위한 그래프이다. 도 20(c) 에는 변경 후의 허용가능 영역 맵 MPA 를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 20(c) 에는 변경전의 허용가능 영역 맵 MPA 를 나타내는 곡선이 파선으로 도시되고 운전 허용가능 영역이 해칭에 의해 나타내어진다.
여기서, 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100B) 에서는, 연료 전지 (10) 내부의 습도마다의 허용가능 영역 맵 MPA 가 미리 준비되어 제어부 (20) 에 저장된다. 허용가능 영역 변경부 (22) 는 습도마다의 허용가능 영역 맵 MPA 중에서 단계 S120 에서 취득된 목표 습도에 대응하는 허용가능 영역 맵 MPA 을 새로운 허용가능 영역 맵 MPA 로서 선택한다. 연료 전지 (10) 내부의 습도가 저하된 후의 전류 제한 처리에서는, 새롭게 선택된 허용가능 영역 맵 MPA 이 사용된다. 이 새롭게 선택된 허용가능 영역 맵 MPA 이 확대된 운전 허용가능 영역을 가짐으로써, 외부 부하 (200) 로부터 요구되는 전류 밀도 it 는 운전 허용가능 영역 내에 포함됨을 주지한다.
단계 S150 (도 18) 에서는, 허용가능 영역 변경부 (22) 는 연료 전지 (10) 를 기동시키고, 개폐 스위치 (84) 를 폐쇄하여 (즉, 개폐 스위치 (84) 를 턴온하여), 연료 전지 (10) 를 외부 부하 (200) 에 전기적으로 접속시킨다. 단계 S160 에서는, 연료 전지 (10) 가 정지되는 동안, 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복되었는지 여부를 판정한다. 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복되었을 경우에는, 연료 전지 (10) 의 통상적인 운전 제어 (도 16 의 단계 S5) 를 재개한다. 한편, 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복되지 않을 경우에는, 단계 S50 으로 복귀한 다음, 새롭게 선택되고 변경된 허용가능 영역 맵 MPA 를 사용하여 전류 제한 처리를 개시한다.
이와 같이, 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100B) 은 연료 전지 (10) 내부의 습도를 조정함으로써, 전류 제한 처리에 있어서의 연료 전지 (10) 의 운전 허용가능 영역을 확대할 수 있다. 따라서, 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100B) 에서는, 부 전압으로 인한 연료 전지 (10) 의 성능 저하 및 열화를 억제하면서, 외부 부하 (200) 의 요구에 대응하는 전력을 더욱 신뢰성있게 공급할 수 있다.
다음으로, 제 4 실시형태를 설명한다. 도 21(a) 및 도 21(b) 는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에 있어서의 허용가능 영역 변경 처리를 설명하기 위한 그래프이다. 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 구성은, 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 구성과 유사함을 주지한다. 그러나, 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 (10) 내부의 습도를 일정하게 유지한 상태에서 연료 전지 (10) 를 운전시킨다.
도 21(a) 는 연료 전지 (10) 의 온도를 변화시켰을 때의 발전 허용가능 기간에 있어서의 전류 적산치와 전류 밀도와의 대응 관계의 변화를, 도 17 의 경우에서와 같이 나타낸 그래프이다. 도 21(a) 에서의 실선은 도 7 의 그래프를 얻기 위하여 수행된 실험과 유사한 실험을, 연료 전지 (10) 의 온도를 저하시킨 상태에서 실시하는 방식으로 얻어졌다.
전류 적산치와 전류 밀도와의 대응 관계를 나타내는 곡선은 연료 전지 (10) 의 온도를 저하시켰을 때에는, 상방향으로 이동하였다. 이는 상기 제 3 실시형태에서 설명한 반응식 (3) 에 의해 표현되는 반응의 진행이, 연료 전지 (10) 의 온도의 저하에 의해, 완만하게 되기 때문이다. 이와 같이, 연료 전지 (10) 의 운전 온도를 저하시킴으로써, 제 3 실시형태에서 설명한 경우에서와 마찬가지로, 전류 제한 처리에 있어서의 연료 전지 (10) 의 운전 허용가능 영역을 확대시킬 수 있다.
여기서, 도 7 에 설명한 실험과 유사한 실험을, 연료 전지 (10) 의 상이한 운전 온도로 실시하고, 연료 전지 (10) 의 운전 온도마다, 전류 적산치와 전류 밀도 사이의 대응 관계를 미리 얻어, 연료 전지 (10) 의 운전 온도마다의 허용가능 영역 맵 MPA 을 얻을 수 있다. 또한, 그 실험 데이터에 기초하여, 전류 적산치와 연료 전지 (10) 의 운전 온도 사이의 대응 관계를 나타내는 전류 밀도마다의 운전 온도 결정 맵 MTD 를 얻을 수 있다. 도 21(b) 는 소정의 전류 밀도에 있어서의 운전 온도 결정 맵 MTD 의 일례를, 세로축을 전류 적산치로 나타내고, 가로축을 연료 전지 (10) 의 운전 온도로 나타내는 그래프에 나타낸다.
제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 (10) 의 운전 온도마다의 허용가능 영역 맵 MPA 와 전류 밀도마다의 운전 온도 결정 맵 MTD 가 미리 제어부 (20) 에 기억된다. 그후, 이들의 맵 MPA 및 MTD 를 사용하여, 제 3 실시형태에서 설명한 허용가능 영역 변경 처리를, 연료 전지 (10) 내부의 습도를 조정하는 것 대신에 연료 전지 (10) 의 운전 온도를 조정함으로써 실행한다. 연료 전지 (10) 의 운전 온도는, 냉매 공급부 (70) 의 냉매 순환용 펌프 (73) 의 회전 속도를 제어하여, 냉매에 의한 냉각 효율을 변화시키는 방식으로 조정할 수도 있음을 주지한다.
이와 같이, 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 제 3 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 경우에서와 마찬가지로, 부 전압으로 인한 연료 전지 (10) 의 성능 저하 및 열화를 억제하면서, 외부 부하 (200) 의 요구에 대응하는 전력의 공급을 더욱 신뢰성있게 실시할 수 있다.
다음으로, 제 5 실시형태를 설명한다. 도 22 는 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에 있어서 실행되는 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 22 는 단계 S68 의 냉매 제어 처리가 추가되고 있는 점을 제외하면, 도 12 와 실질적으로 동일하다. 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 구성은 제 1 실시형태에 대한 제 2 대안의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (100b) 의 구성과 유사함 (도 1, 도 11) 을 주지한다. 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 바깥 공기 온도나 연료 전지 (10) 의 온도가 영하인 경우 또는 시스템의 기동시에는, 냉매 공급부 (70) 로부터 연료 전지 (10) 로, 연료 전지 (10) 의 열화가 억제되는 정도의 최소한의 일정 유량으로 냉매가 공급됨을 주지한다.
여기서, 연료 전지 (10) 의 반응 가스의 유로에 있어서의 동결 때문에, 부 전압이 발생하고 있는 상태로부터 회복하기 위하여, 연료 전지 (10) 의 운전 온도를 빙점 이상으로 바람직하게 도달하게 하여, 그 동결 상태를 해소시킨다. 그러나, 전류 제한 처리가 실행된 경우에는, 연료 전지 (10) 의 출력 전류가 제한되고 있는 양만큼, 연료 전지 (10) 의 발열이 억제된다 (줄의 법칙). 따라서, 이 경우에는, 연료 전지 (10) 의 운전 온도를 상승시키는 것이 곤란해진다. 따라서, 이 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 영하와 같은 저온 환경하에 있어서 전류 제한 처리를 실행하는 경우에는, 단계 S68 의 냉매 제어 처리를 실행하여 연료 전지 (10) 의 운전 온도의 상승을 촉진시킨다.
도 23 은 단계 S68 의 냉매 제어 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 이 냉매 제어 처리는, 연료 전지 시스템의 기동시에 전류 제한 처리가 실행될 때마다 실행될 수도 있다. 또한, 이 냉매 제어 처리는, 냉매 온도 계측부 (74 및 75) 에 의해 계측된 값에 기초하여 얻어지는 연료 전지 (10) 의 운전 온도가 영하일 때 또는 바깥 공기 온도가 영하일 때 실행될 수도 있다.
단계 S200 에서는, 제어부 (20) 는 한계 전류 밀도로부터 구해지는 제한 전류 밀도에서 연료 전지 (10) 가 소정의 발전 유지 시간 t (예를 들어, 약 10 내지 30 초) 동안 발전되게 할 때의 추정된 발열값 (이하, "추정 발열량 Qe"라고 함) 을 취득한다. 구체적으로는, 제어부 (20) 는 추정 발열량 Qe 를, 줄의 법칙에 기초하여 수학식 (4) 에 의해 산출할 수도 있다.
Qe = I2 × R × t (4)
여기서, I 는 제한 전류 밀도, R 은 연료 전지 (10) 에 있어서의 내부 저항에 기초하여 미리 설정된 상수이다. 제어부 (20) 는 상기 수학식 (4) 대신에 미리 실험 등을 통하여 얻은 맵이나 테이블에 기초하여 제한 전류 밀도에 대응하는 추정 발열량을 취득할 수도 있음을 주지한다.
단계 S210 에서는, 제어부 (20) 는 냉매 공급부 (70) 에 의해 연료 전지 (10) 에 냉매를 순환시키고 있을 때의 연료 전지 (10) 의 간주 열용량 Cc 을 취득한다. 여기서, "연료 전지 (10) 의 간주 열용량 Cc"은, 연료 전지 (10) 의 온도를 1 ℃ 만큼 상승시키는 열량에 대응하는 값이다.
부수적으로, 연료 전지 (10) 에 냉매를 순환시키고 있는 경우에는, 연료 전지 (10) 의 온도를 상승시키는데 필요한 열량은, 연료 전지 (10) 의 온도 또는 냉매의 온도 및 유량에 의존하여 달라진다. 상술한 바와 같이, 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 냉매를 미리 설정된 최소한의 일정 유량으로, 연료 전지 (10) 에 공급한다. 따라서, 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 제어부 (20) 가 냉매의 온도와 연료 전지 (10) 의 온도에 대응하는 간주 열용량 Cc 를 고유하게 결정할 수 있는 맵이나 테이블을 미리 기억하고, 그 맵이나 테이블을 이용하여 간주 열용량 Cc 을 취득한다.
단계 220 에서는, 제어부 (20) 는 단계 S200 에 있어서 취득한 추정 발열량 Qe 와 단계 S210 에 있어서 취득한 연료 전지 (10) 의 간주 열용량 Cc 를 이용하여, 소정의 발전 유지 시간 t 이후의 연료 전지 (10) 의 예측된 온도인 추정 온도 Te 를 산출한다. 구체적으로는, 추정 온도 Te 는 하기의 수학식 (5) 를 이용하여 산출될 수도 있다.
Qe = Cc × (Te - Tm) (5)
여기서, Tm 은 연료 전지 (10) 의 현재 계측된 운전 온도이다.
단계 S230 에서는, 제어부 (20) 는 단계 S220 에서 산출된 추정 온도 Te 가 소정의 임계값 이하인지를 판정한다. 여기서, 소정의 임계값은 연료 전지 (10) 의 반응 가스의 유로에 있어서의 동결 상태가 해소되기 시작하는 온도 (예를 들어 0 ℃) 로 설정될 수도 있다.
추정 온도 Te 가 소정의 임계값보다 큰 경우에는, 제어부 (20) 는 소정의 발전 유지 시간 t 에서 연료 전지 (10) 의 운전 온도가 목표치에 도달한다는 가정에서, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급을 계속하면서 전류 제한 처리 (도 22) 의 단계 S70 및 후속 단계들에서의 처리를 실행한다. 한편, 추정 온도 Te 가 소정의 임계값 이하인 경우에는, 제어부 (20) 는 소정의 발전 유지 시간 t 에서 연료 전지 (10) 온도의 승온을 촉진하기 위해서, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급 및 순환을 정지시킨다 (단계 S240).
여기서, 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 상술한 바와 같이, 시스템 기동시와 같이 연료 전지 (10) 의 온도가 저온 상태일 경우에도, 연료 전지 (10) 에 대해 냉매를 공급한다. 이는 이하의 이유 때문이다. 즉, 시스템의 기동시 등에는, 연료 전지 (10) 내부의 가스 유로의 차단 때문에, 연료 전지 (10) 의 발전체 (11) 간에 또는 각각의 발전체 (11) 의 발전 영역마다의 발전량이 불균일하게 될 가능성이 높다.
연료 전지 (10) 의 내부에 있어서의 발전 분포가 불균일한 동안에는, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급을 정지시키는 경우, 발전량이 비교적 많은 발전체 (11) 또는 영역이, 발전으로부터 수반되는 발열 때문에 국소적으로 열화할 수도 있다. 발열량의 불균일성에 의한 연료 전지 (10) 의 국소적인 열화를 회피하기 위하여, 연료 전지 (10) 의 온도가 저온 상태인 경우에도, 연료 전지 (10) 에 냉매가 공급되는 것이 바람직하다.
그러나, 전류 제한 처리가 실행되고 있는 경우에는, 연료 전지 (10) 의 발열량이 제한되고 있기 때문에, 연료 전지 (10) 에 있어서 발전량이 국소적으로 증대 하고 있는 부분에서도 발열량이 비교적 작다. 따라서, 단계 S240 의 경우에서와 같이, 전류 제한 처리 동안에, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급을 정지하는 경우에도, 상술한 바와 같이, 발열량의 불균일성에 의한 연료 전지 (10) 의 열화가 거의 발생하지 않는다. 따라서, 냉매의 공급의 정지에 의해, 연료 전지 (10) 를 열화시키는 일 없이, 연료 전지 (10) 온도의 승온을 촉진하는 것이 가능해진다.
단계 S240 에 있어서, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급을 정지시킨 후에, 제어부 (20) 는 전류 제한 처리 (도 22) 의 단계 S70 및 후속 단계들의 처리를 실행한다. 제어부 (20) 는 부 전압 셀 (11) 이 부 전압으로부터 회복되고 연료 전지 (10) 의 통상 운전을 재개할 때에는, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급을 재개함을 주지한다.
이와 같이, 제 5 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 (10) 에 있어서 부 전압이 발생하고, 전류 제한 처리가 실행되고 있는 경우에도, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급을 적절히 제어하여, 연료 전지 (10) 의 운전 온도의 승온을 촉진한다. 따라서, 연료 전지 (10) 의 승온에 의해, 부 전압 상태로부터의 회복이 촉진된다.
다음으로, 제 6 실시형태를 설명한다. 도 24 는 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에 있어서 실행되는 부 전압 회복 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 24 는 단계 S68 대신에, 단계 S68F 가 제공되는 점을 제외하면, 도 22 와 실질적으로 동일하다. 이 제 6 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 구성은, 제 5 실시형태에서 설명한 연료 전지 시스템의 구성과 유사함 (도 1, 도 11) 을 주지한다. 제 6 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 제어부 (20) 는 정기적으로 (예를 들어, 1초 간격으로) 연료 전지 (10) 의 운전 온도를 계측하고 기록함을 주지한다.
제 6 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 시스템의 기동시 또는 연료 전지 (10) 의 온도가 저온 (예를 들어, 0 ℃ 이하의 온도) 인 동안, 전류 제한 처리가 실행된 경우에는, 단계 S62 이후에 제 1 또는 제 2 냉매 제어 처리가 실행된다 (단계 S68F). 구체적으로는, 전류 제한 처리가 개시된 후의 단계 S68F 에서는, 제 1 냉매 제어 처리가 실행된다. 그 후, 전류 제한 처리의 단계들을 거쳐, 다시 단계 S68F 가 실행될 때, 소정의 조건이 충족된 경우에는 제 2 냉매 제어 처리가 실행된다.
도 25(a) 는 제 1 냉매 제어 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 25(a) 는 도 23 과 실질적으로 동일하다. 즉, 제 1 냉매 제어 처리는, 제 5 실시형태에서 설명한 냉매 제어 처리와 유사한 방식으로 실행된다. 제 1 냉매 제어 처리에서는, 단계 S230 에 있어서 전류 제한 처리에 의해 연료 전지 (10) 의 운전 온도가 목표 운전 온도에 도달하는 것이 곤란하다고 판정된 경우에는, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급이 정지된다 (단계 S240).
도 25(b) 는 제 2 냉매 제어 처리의 절차를 나타내는 흐름도이다. 제 2 냉매 제어 처리는 제 1 냉매 제어 처리에 있어서의 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급이 정지되지 않았던 경우에 실행된다. 단계 S250 에서는, 제어부 (20) 는 연료 전지 (10) 의 운전 온도의 계측 기록에 기초하여, 연료 전지 (10) 의 운전 온도 T 의 시간 변화율인 운전 온도 T 에서의 상승 속도 (dT/dt) 를 산출한다.
단계 S260 에서는, 제어부 (20) 는 산출된 운전 온도 T 에서의 상승 속도에 기초하여, 연료 전지 (10) 의 운전 온도 T 가 목표 운전 온도 (예를 들어, 0 ℃) 에 도달할 때까지의 추정 시간 te 를 산출한다. 단계 S270 에서는, 제어부 (20) 는 이 추정 시간 te 를 사용하여 판정 처리를 실행한다. 제어부 (20) 는 추정 시간 te가 소정의 임계값 (예를 들어, 30초) 보다 큰 경우에는, 냉매의 공급이 계속된 상태에서 연료 전지 (10) 의 운전 온도가 소정의 시간 내에 목표치에 도달하지 않는다고 판정한 다음, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급을 정지시킨다 (단계 S280).
한편, 제어부 (20) 는 추정 시간 te 가 소정의 임계값 이하인 경우에는, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급을 계속하는 경우에도, 소정의 시간 내에 연료 전지 (10) 의 운전 온도가 목표 운전 온도에 도달할 수 있다고 판정한다. 그 후, 제어부 (20) 는 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급을 계속한 상태에서, 전류 제한 처리 (도 22) 를 계속적으로 실행한다.
여기서, 제 1 냉매 제어 처리에 있어서, 냉매의 공급을 계속하는 경우에도, 연료 전지 (10) 의 운전 온도가 소정의 발전 유지 시간에 목표 온도에 도달한 것으로 판정된 경우에도, 연료 전지 (10) 로부터 출력되는 전력이 제한되고 있기 때문에, 그 운전 온도가 예측 온도보다 상승하지 않을 수도 있다. 그러나, 제 6 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서는, 제 2 냉각 제어 처리에 있어서, 연료 전지 (10) 의 운전 온도의 실제 측정된 운전 온도에서의 시간 변화율에 기초하여, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급이 계속될지 여부를 다시 판정한다. 따라서, 시스템 기동시 또는 연료 전지 (10) 의 온도가 저온 상태인 동안에 전류 제한 처리가 실행되는 경우에, 냉매의 공급 제어가, 보다 적절하게 실행되어, 연료 전지 (10) 의 온도에서의 승온이 촉진되고, 부 전압 상태로부터의 회복이 촉진된다.
도 26(a) 및 도 26(b) 는 본 발명의 참고예들로서 본 발명의 발명자들에 의한 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 26(a) 및 도 26(b) 는 영하의 저온 환경에 있어서, 연료 전지의 단전지들 중 하나가 부 전압이 발생되고 있는 때의 연료 전지의 전류 밀도에서의 시간 변화와 부 전압 셀의 온도 (셀 온도) 의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 도 26(a) 는 연료 전지로부터 출력되는 전력이 실질적으로 일정한 저전류 밀도로 제한되는 경우를 나타낸다. 도 26(b) 는 전류 밀도를 점진적으로 상승시켰을 경우를 나타낸다. 또한, 도 26(a) 및 도 26(b) 에서의 세로축 및 가로축 각각의 스케일은 서로 동일함을 주지한다.
여기서, 연료 전지의 단전지들 중 일부에서의 부 전압은, 저온 환경하에 있어서, 당해 일부의 단전지들에 제공된 반응 가스 유로에 잔류하고 있던 수분이 동결되어, 당해 가스 유로가 차단되기 때문에 가능하게 발생할 수도 있다. 이와 같은 경우에는, 연료 전지의 온도를 상승시켜, 가스 유로의 동결된 수분을 해동하여, 이에 의해 반응 가스의 공급 불량을 해소함으로써 부 전압으로부터 회복하는 것이 바람직하다.
도 26(a) 및 도 26(b) 의 그래프에 나타내는 바와 같이, 일정한 저전류 밀도에서 연료 전지가 전력을 출력하게 한 경우에는, 일정한 저전류 밀도보다 높은 전류 밀도에서 연료 전지가 전력을 출력하게 하는 경우보다 셀 온도의 상승이 보다 완만하게 된다. 따라서, 부 전압이 발생되는 경우에는, 연료 전지가 가능한 많이 높이 전류 밀도에서 전력을 출력하게 하여 이에 의해 연료 전지의 운전 온도를 단기간에 상승시키는 것이 바람직하다.
상기 실시형태들에서 설명한 부 전압 발생시의 전류 제한 처리에서는, 전류 적산치의 증대에 따라, 허용가능 영역 맵 MPA 를 나타내는 아래쪽으로 볼록한 곡선을 따라 단계적으로 전류 밀도를 저하시킨다. 이렇게 행함으로써, 운전 허용가능 영역에 있어서의 전류 밀도의 허용가능 한계 전류 밀도 근방에서 연료 전지 (10) 를 운전시킬 수도 있어, 저온 환경하에 있어서, 보다 단기간에서의 연료 전지 (10) 의 온도를 승온하는 것이 가능해져, 부 전압으로부터의 회복이 용이하게 된다. 즉, 부 전압이 발생되는 경우에 일정한 저전류 밀도로 전류를 제한하는 경우보다, 상기 실시형태에 따른 전류 제한 처리의 경우에서 보다 바람직하다.
본 발명의 양태는 상기의 실시예들이나 실시형태들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 양태는 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 형태로 구현될 수도 있다. 예를 들어 다음의 제 1 내지 제 13 대안의 실시형태들이 가능하다.
먼저, 제 1 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 실시형태들에서는, 제어부 (20) 는 부 전압이 발생하고 있는 기간에, 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 적산치들과 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 밀도 사이의 대응 관계를, 허용가능 영역 맵 MPA 로서 기억한다. 그러나, 이 대응 관계는, 맵으로서 기억될 필요가 있는 것은 아니며, 그 대신에, 예를 들어, 대응 관계가 연산식 또는 함수로서 기억될 수도 있다.
다음으로, 제 2 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 실시형태에서는, 부 전압이 발생 하고 있는 기간에, 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 적산치와 연료 전지 (10) 에 허용가능한 전류 밀도 사이의 대응 관계가, 허용가능 영역 맵 MPA 에 있어서, 아래쪽으로 볼록한 하강 곡선으로 정의되도록 설정된다. 그러나, 대응 관계는, 허용가능 영역 맵 MPA 에 있어서, 다른 형상을 갖는 곡선에 의해 정의되는 것으로서 설정될 수도 있다. 예를 들어, 대응 관계는, 허용가능 영역 맵 MPA 에 있어서, 선형적으로 하강하는 직선으로 정의되는 것으로서 설정될 수도 있다. 그러나, 상기 실시형태에 있어서의 허용가능 영역 맵 MPA 를 정의하는 아래쪽으로 볼록한 하강 곡선은 본 발명의 발명자들의 실험에 기초하는 것이며, 부 전압 발생 기간에 있어서의 운전 허용가능 영역을 규정하는 그래프로서 보다 바람직하다.
다음으로, 제 3 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 실시형태에서는, 부 전압 회복 처리에 있어서의 전류 제한 처리에 있어서, 전류 적산치의 증가에 따라, 연료 전지 (10) 의 전류 밀도를, 허용가능 영역 맵 MPA 를 정의하는 아래쪽으로 볼록한 곡선을 따라 단계적으로 저하된다. 그러나, 전류 제한 처리에서는, 연료 전지 (10) 의 전류 밀도는 아래쪽으로 볼록한 곡선을 따라 단계적으로 저하되지 않을 수도 있다. 연료 전지 (10) 의 전류 밀도는, 허용가능 영역 맵 MPA 에서 정의된 운전 허용가능 영역 내에 들어가도록 제어되기만 하면 된다. 그러나, 상술한 실시형태들의 경우에서와 같이, 연료 전지 (10) 의 전류 밀도를 아래쪽으로 볼록한 곡선을 따라 저하시키는 것이, 전류 제한 처리에 있어서, 전류 밀도의 허용가능 한계 전류 밀도에 더 가까운 전류 밀도에서의 제어를 실행할 수 있기 때문에 보다 바람직하다.
다음으로, 제 4 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 실시형태들에서는, 셀 전압 계측부 (91) 가 연료 전지 (10) 의 모든 발전체 (11) 의 전압을 계측함으로써, 부 전압을 검출한다. 그러나, 셀 전압 계측부 (91) 는 모든 발전체 (11) 의 전압을 계측할 필요가 없다; 셀 전압 계측부 (91) 는 단지 발전체 (11) 중 적어도 하나의 발전체의 전압을 계측함으로써, 부 전압을 검출한다. 예를 들어, 발전체들 (11) 중에서, 운전 온도가 가장 낮아지는 경향이 있는 연료 전지 (10) 의 단부에 배치된 발전체 (11) 에서 부 전압이 발생될 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 그 후, 셀 전압 계측부 (91) 는 그 단부에 배치된 발전체 (11) 만의 전압을 계측하여 부 전압을 검출할 수도 있다.
다음으로, 제 5 대안의 실시형태를 설명한다. 제 1 실시형태에서는, 전류 제한 처리에 있어서의 연료 전지 (10) 의 최소한의 전류 밀도로서 최저 전류 밀도 ilim 가 설정되고, 제어부 (20) 가 최저 전류 밀도 ilim 를 임계값으로서 사용하여 연료 전지 (10) 의 재기동 처리를 실행한다. 그러나, 제어부 (20) 에서는, 최소 전류 밀도 ilim 가 설정되지 않을 수도 있다.
다음으로, 제 6 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 제 3 실시형태 또는 제 4 실시형태에서는, 연료 전지 (10) 내부의 운전 온도 또는 연료 전지 (10) 의 운전 온도 중 하나를 조정하여, 운전 허용가능 영역을 확대하는 처리를 실행한다. 그러나, 연료 전지 (10) 내부의 습도와 연료 전지 (10) 의 운전 온도 양쪽 모두를 조정 하여 운전 허용가능 영역을 확대하는 것도 또한 적용가능하다. 이 경우에는, 연료 전지 (10) 내부의 습도와 연료 전지 (10) 의 운전 온도와의 조합 마다 허용가능 영역 맵 MPA 가 준비되어 있는 것이 바람직하다.
다음으로, 제 7 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 제 3 실시형태 또는 제 4 실시형태에서는, 허용가능 영역 변경부 (22) 는 연료 전지 (10) 내부의 습도 마다 또는 연료 전지 (10) 의 운전 온도 마다 미리 준비된 허용가능 영역 맵 MPA 중에서, 연료 전지 (10) 내부의 습도 또는 연료 전지 (10) 의 운전 온도에 대응하는 맵을 선택하여, 운전 허용가능 영역을 확대한다. 그러나, 허용가능 영역 변경부 (22) 는, 미리 설정된 연산식이나 알고리즘 등을 이용하여, 허용가능 영역 맵 MPA 로 설정되어 있는 대응 관계를, 연료 전지 (10) 내부의 습도 또는 연료 전지 (10) 의 운전 온도에 따라 보정함으로써, 운전 허용가능 영역을 확대할 수도 있다.
다음으로, 제 8 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 실시형태들에 있어서, 허용가능 영역 맵 MPA 에서는, 연료 전지 (10) 의 전류 밀도와 연료 전지 (10) 의 전류 적산치 사이의 대응 관계가 설정되어 있다. 그러나, 허용가능 영역 맵 MPA 에서는, 전류 밀도 대신에, 연료 전지 (10) 의 전류값들과 연료 전지 (10) 의 전류 적산치들 사이의 대응 관계가 설정될 수도 있다. 연료 전지 (10) 의 전류값은 전류 밀도에 전극의 면적을 곱한 것이기 때문에, 연료 전지 (10) 의 전류값들과 연료 전지 (10) 의 전류 적산치들 사이의 대응 관계도, 연료 전지 (10) 의 전류 밀도와 연료 전지 (10) 의 전류 적산치 사이의 대응 관계의 일종인 것으로서 고려될 수도 있다.
다음으로, 제 9 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 실시형태들에 따른 연료 전지 시스템에서는, 음극 가스의 공급량 증대를 실행한 후에, 부 전압 셀이 부 전압으로부터 회복되지 않은 경우에는, 수소의 공급 불량에 의해 부 전압이 발생 하고 있는 것으로 판정한 다음, 전류 제한 처리를 실행한다. 그러나, 음극 가스의 공급량 증대에 의한 부 전압의 회복 처리를 실행하는 일 없이, 부 전압의 검출 후에, 전류 제한 처리를 개시하는 것도 또한 적용가능하다.
다음으로, 제 10 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 실시형태들에 따른 연료 전지 시스템에서는, 부 전압을 검출했을 때에, 부 전압을 회복하기 위한 처리를 개시하고 그 처리에 있어서 전류 제한 처리를 실행한다. 그러나, 연료 전지 시스템에서는, 부 전압을 검출하고 있지 않은 경우에도, 부 전압이 발생될 가능성을 나타내는 미리 설정된 환경조건이 성립하는 경우에, 전류 제한 처리를 실행하는 것도 또한 적용가능하다. 예를 들어, 바깥 공기온이 영하 이하가 되는 환경이나, 또는 연료 전지 (10) 의 온도가 영하에 가까운 온도 또는 영하 이하인 경우 등에, 상술한 실시형태들에서 설명된 전류 제한 처리가 실행될 수도 있다. 또한, 그 전류 제한 처리에 따른 경보 처리 (도 12 의 단계 S63) 또는 허용가능 영역 변경 처리 (도 16 의 단계 S65), 냉매 제어 처리 (도 22 의 단계 S68, 도 24 의 단계 S68F) 가 실행될 수도 있다.
다음으로, 제 11 대안의 실시형태를 설명한다. 제 2 실시형태, 제 3 실시형태, 또는 제 4 실시형태에 있어서, 제 1 실시형태에 대한 다른 구성예에서 설명된 바와 마찬가지로, 전류 적산치가, 전류 적산치 기록부 (23) 에 비휘발적으로 기록될 수도 있다. 또한, 한계 전류 적산치가 소정의 임계값 이상인 경우, 또는 제한 전류 밀도가 소정의 임계값 이하인 경우에, 경보부 (25) 에 의해 경보 처리를 실행할 수도 있다.
다음으로, 제 12 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 제 5 실시형태에서는, 추정 발열량 Qe, 또는 간주 열용량 Cc 을 이용하여 산출된 연료 전지 (10) 의 추정 온도 Te 에 기초하여, 냉매 공급의 계속 여부를 판정한다. 그 대신에, 제어부 (20) 는 연료 전지 (10) 의 운전 온도와 추정 발열량 Qe 에 기초하여, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급 유량을 제어할 수도 있다. 즉, 제어부 (20) 는 추정 발열량 Qe 가 감소할수록, 연료 전지 (10) 에 대한 냉매의 공급 유량을 저하시킬 수도 있고, 연료 전지 (10) 의 운전 온도가 증가할 때 그 냉매 공급 유량의 저하의 정도를 저감시킬 수도 있다.
다음으로, 제 13 대안의 실시형태를 설명한다. 상술한 제 5 실시형태에서는, 제어부 (20) 는 미리 준비한 맵 또는 테이블을 이용하여 연료 전지 (10) 의 온도 및 냉매의 온도에 대한 간주 열용량 Cc 를 취득한다. 그러나, 제어부 (20) 는 연료 전지 (10) 의 온도 또는 냉매의 온도와는 관계가 없는 일정한 상수로서의 간주 열용량 Cc 를 가질 수도 있다. 이 경우에는, 간주 열용량 Cc 는 연료 전지 (10) 의 구성 부재의 열용량의 합계 CFC 와 연료 전지 (10) 의 내부에 존재하는 일정량의 냉매의 열용량 CRE 와의 합계 (CFC＋CRE) 로서 설정될 수도 있다.

Claims (20)

  1. 외부 부하로부터의 요구에 응답하여 전력을 출력하는 연료 전지 시스템으로서,
    적어도 하나의 발전체 (power generating element) 를 갖는 연료 전지;
    상기 적어도 하나의 발전체에서의 부 전압을 검출하도록 구성된 부 전압 검출부;
    상기 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제어하도록 구성된 제어부; 및
    상기 연료 전지로부터 출력되는 전류의 시간 적분에 의해 얻어진 전류 적산치를 계측하는 전류 적산치 계측부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 허용가능한 전류 적산치와, 상기 기간에 허용가능한 전류 밀도 사이의 대응 관계 (correlation) 를 미리 기억하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 검출된 경우에는, 상기 대응 관계의 상기 허용가능한 전류 적산치와 상기 허용가능한 전류 밀도들로 규정되는 운전 허용가능 영역 내에 들어가도록 상기 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제한하는 출력 제한 처리를 실행하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 축이 상기 연료 전지의 전류 적산치를 나타내고 제 2 축이 상기 연료 전지의 전류 밀도를 나타내는 그래프에 의해 상기 대응 관계가 나타내어지는 경우에, 상기 허용가능한 전류 적산치가 증가할수록, 상기 허용가능한 전류 밀도가 감소하는 하향 볼록 곡선 (downward-convex curve) 으로서 나타내어지는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리에 있어서, 상기 전류 적산치의 증가에 따라 상기 허용가능한 전류 밀도들의 최대치들을 나타내는 상기 연료 전지의 전류 밀도를 하향 볼록 곡선을 따라 저하시키도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 내부의 습윤 상태를 조정하기 위해 상기 연료 전지에 공급되는 반응 가스의 가습량 (humidification amount) 을 제어하는 가습부와, 상기 연료 전지의 운전 온도를 조정하기 위해 상기 연료 전지에 공급되는 냉매의 유량을 제어하는 냉매 공급부 중 적어도 일방을 포함하도록 구성된 운전 상태 조정부; 및
    상기 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 상기 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방에 응답하여 상기 대응 관계를 변경하도록 구성된 대응 관계 변경부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 발전체에 부 전압이 발생되는 기간에 상기 외부 부하로부터 요구된 출력 전류에 대응하는 전류 밀도가 소정의 값보다 큰 경우에, 상기 대응 관계 변경부에 의해 상기 대응 관계가 변경되는 방식으로 상기 운전 허용가능 영역을 확대하도록 상기 운전 상태 조정부로 하여금 상기 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 상기 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방을 조정하게 하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리가 완료될 경우에, 상기 출력 제한 처리에 있어서 상기 연료 전지로부터 출력된 전류의 전류 적산치를 불휘발적으로 기억하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리가 재개된 경우에, 기억된 상기 전류 적산치와, 상기 출력 제한 처리가 재개된 후에 상기 연료 전지로부터 출력된 전류의 전류 적산치를 가산하여 구한 누적 전류 적산치를 이용하여 상기 출력 제한 처리를 실행하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 열화를 사용자에게 경보하도록 구성된 경보부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 연료 전지의 전류 밀도의 하한치를 미리 기억하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리에 있어서, 상기 연료 전지의 전류 밀도가 상기 하한치보다 낮아지는 경우에, 상기 경보부로 하여금 상기 연료 전지의 열화를 사용자에게 경보하게 하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지에 냉매를 공급하여 상기 연료 전지의 온도를 제어하도록 구성된 냉매 공급부; 및
    상기 연료 전지의 운전 온도를 계측하도록 구성된 온도 계측부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리에 있어서, 상기 연료 전지로 하여금 상기 연료 전지에 대한 전류 밀도 커맨드치에 기초하여 전류 밀도에서의 전력을 출력하게 하는 경우에 상기 연료 전지의 발열량 (heat value) 인 추정 발열량을 구하고, 상기 온도 계측부에 의해 계측된 운전 온도와 상기 추정 발열량에 기초하여 상기 냉매 공급부에 의해 상기 연료 전지에 공급된 상기 냉매의 양을 제어하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리에 있어서, 상기 추정 발열량과 상기 온도 계측부에 의해 계측된 운전 온도를 이용하여, 상기 연료 전지에 냉매를 공급하면서 소정의 기간 동안에 상기 연료 전지로 하여금 전력을 출력하게 하는 경우에 상기 연료 전지의 상승 추정 온도 (estimated temperature increase) 를 산출하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 상승 추정 온도가 미리 설정된 임계값 이하인 경우에 상기 냉매 공급부로 하여금 상기 연료 전지에 대한 상기 냉매의 공급을 정지하게 한 상태에서 상기 연료 전지로 하여금 전력을 발전하게 하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리에 있어서, 상기 연료 전지의 운전 온도의 상승 속도가 미리 설정된 임계값보다 낮은 경우에, 상기 냉매 공급부로 하여금 상기 연료 전지에 대한 상기 냉매의 공급을 정지하게 한 상태에서 상기 연료 전지로 하여금 전력을 발전하게 하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  10. 외부 부하로부터의 요구에 응답하여 적어도 하나의 발전체를 갖는 연료 전지에 의해 발전된 전력을 출력하는 연료 전지 시스템의 제어 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 발전체에 있어서의 부 전압을 검출하는 단계;
    상기 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 있어서의 상기 연료 전지로부터 출력된 전류의 시간 적분에 의해 구해진 전류 적산치를 계측하는 단계;
    상기 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 허용가능한 전류 적산치들과 상기 기간에 허용가능한 전류 밀도들 사이의 미리 설정된 대응 관계를 참조 (consulting) 하는 단계; 및
    상기 대응 관계의 상기 허용가능한 전류 적산치들과 상기 허용가능한 전류 밀도들에 의해 규정되는 운전 허용가능 영역의 범위 내에 들어가도록, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제한하는 출력 제한 처리를 실행하는 단계를 포함하는, 제어 방법.
  11. 외부 부하로부터의 요구에 응답하여 발전한 전력을 출력하는 연료 전지 시스템으로서,
    적어도 하나의 발전체를 갖는 연료 전지;
    상기 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제어하도록 구성된 제어부; 및
    상기 연료 전지로부터 출력된 전류의 시간 적분에 의해 구해진 전류 적산치를 계측하도록 구성된 전류 적산치 계측부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 허용가능한 전류 적산치들과 상기 기간에 허용가능한 전류 밀도들 사이의 대응 관계를 미리 기억하도록 구성되고,
    상기 제어부는 부 전압이 발생되는 가능성을 나타내는 미리 설정된 환경 조건이 성립되는 경우에는 상기 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 것으로 결정한 다음, 상기 대응 관계의 상기 허용가능한 전류 적산치들과 상기 허용가능한 전류 밀도들에 의해 규정되는 운전 허용가능 영역 내에 들어가도록, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제한하는 출력 제한 처리를 실행하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 대응 관계가 제 1 축이 상기 연료 전지의 전류 적산치를 나타내고, 제 2 축이 상기 연료 전지의 전류 밀도를 나타내는 그래프에 의해 나타내어지는 경우에, 상기 대응 관계는 상기 허용가능한 전류 적산치가 증가할수록 상기 허용가능한 전류 밀도가 감소하는 하향 볼록 곡선으로서 나타내지는, 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부 (20) 는 상기 출력 제한 처리에 있어서 상기 전류 적산치에서의 증가에 따라, 상기 허용가능한 전류 밀도들의 최대치들을 나타내는 상기 연료 전지의 전류 밀도를 상기 하향 볼록 곡선을 따라 감소시키도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 내부의 습윤 상태를 조정하기 위하여 상기 연료 전지에 공급되는 반응 가스의 가습량을 제어하는 가습부와 상기 연료 전지의 운전 온도를 조정하기 위하여 상기 연료 전지에 공급되는 냉매의 유량을 제어하는 냉매 공급부 중 적어도 일방을 포함하도록 구성된 운전 상태 조정부; 및
    상기 대응 관계를, 상기 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 상기 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방에 응답하여 변경하도록 구성된 대응 관계 변경부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 상기 외부 부하로부터 요구된 출력 전류에 대응하는 전류 밀도가 소정의 값보다 큰 경우에는, 상기 대응 관계 변경부에 의해 상기 대응 관계가 변경되는 방식으로 상기 운전 허용가능 영역을 확대하도록 상기 운전 상태 조정부로 하여금 상기 연료 전지의 내부의 습윤 상태와 상기 연료 전지의 운전 온도 중 적어도 일방을 조정하게 하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리가 완료될 경우에, 상기 출력 제한 처리에 있어서 상기 연료 전지로부터 출력된 전류의 전류 적산치를 불휘발적으로 기억하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리가 재개된 경우에, 기억된 상기 전류 적산치와, 상기 출력 제한 처리가 재개된 후에 상기 연료 전지로부터 출력된 전류의 전류 적산치를 가산하여 구한 누적 전류 적산치를 이용하여 상기 출력 제한 처리를 실행하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 열화를 사용자에게 경보하도록 구성된 경보부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 연료 전지의 전류 밀도의 하한치를 미리 기억하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리에 있어서, 상기 연료 전지의 전류 밀도가 상기 하한치보다 낮아지는 경우에, 상기 경보부로 하여금 상기 연료 전지의 열화를 사용자에게 경보하게 하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지에 냉매를 공급하여 상기 연료 전지의 온도를 제어하도록 구성된 냉매 공급부; 및
    상기 연료 전지의 운전 온도를 계측하도록 구성된 온도 계측부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리에 있어서, 상기 연료 전지로 하여금 상기 연료 전지에 대한 전류 밀도 커맨드치에 기초하여 전류 밀도에서의 전력을 출력하게 하는 경우에 상기 연료 전지의 발열량인 추정 발열량을 구하고, 상기 온도 계측부에 의해 계측된 운전 온도와 상기 추정 발열량에 기초하여 상기 냉매 공급부에 의해 상기 연료 전지에 공급된 상기 냉매의 양을 제어하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리에 있어서, 상기 추정 발열량과 상기 온도 계측부에 의해 계측된 운전 온도를 이용하여, 상기 연료 전지에 냉매를 공급하면서 소정의 기간 동안에 상기 연료 전지로 하여금 전력을 출력하게 하는 경우에 상기 연료 전지의 상승 추정 온도 (estimated temperature increase) 를 산출하도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 상승 추정 온도가 미리 설정된 임계값 이하인 경우에 상기 냉매 공급부로 하여금 상기 연료 전지에 대한 상기 냉매의 공급을 정지하게 한 상태에서 상기 연료 전지로 하여금 전력을 발전하게 하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 출력 제한 처리에 있어서, 상기 연료 전지의 운전 온도의 상승 속도가 미리 설정된 임계값보다 낮은 경우에, 상기 냉매 공급부로 하여금 상기 연료 전지에 대한 상기 냉매의 공급을 정지하게 한 상태에서 상기 연료 전지로 하여금 전력을 발전하게 하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  20. 외부 부하로부터의 요구에 응답하여 적어도 하나의 발전체를 갖는 연료 전지에 의해 발전된 전력을 출력하는 연료 전지 시스템의 제어 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 가능성을 나타내는 미리 설정된 환경 조건이 성립되는 기간에 상기 연료 전지로부터 출력되는 전류의 시간 적분에 의해 구해진 전류 적산치를 계측하는 단계;
    상기 적어도 하나의 발전체에서 부 전압이 발생되는 기간에 허용가능한 전류 적산치들과 상기 기간에 허용가능한 전류 밀도들 사이의 미리 설정된 대응 관계를 참조하는 단계; 및
    상기 대응 관계의 상기 허용가능한 전류 적산치들과 상기 허용가능한 전류 밀도들에 의해 규정되는 운전 허용가능 영역의 범위 내에 들어가도록, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전력을 제한하는 출력 제한 처리를 실행하는 단계를 포함하는, 제어 방법.
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