KR20170000781A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템의 발전 상태의 전환 시에 연료 전지의 출력이 일시적으로 저하되는 것을 억제한다.
연료 전지 시스템은, 연료 전지와, 연료 전지 제어용 컨버터와, 연료 전지에 산화 가스를 공급하는 산화 가스 공급부와, 연료 전지의 전압과 전류값을 제어하는 제어부를 구비한다. 제어부는, 제1 발전 상태에 있어서, 요구 출력에 따라 연료 전지의 전압과 전류값을, 연료 전지의 전류-전압 특성에 기초하여 설정하고, 제2 발전 상태에 있어서, 요구 출력과 요구 발열량에 따라 연료 전지의 전압과 전류값을, 제1 발전 상태보다도 발전 효율이 낮아지는 전압과 전류값으로 설정하며, 발전 상태를 제2 발전 상태에서 제1 발전 상태로 전환할 때, 요구 발열량을 저하시키고, 요구 출력이 기준값 이상인 경우에는, 요구 출력이 기준값 미만인 경우보다도 단위 시간당 요구 발열량을 저하시키는 양을 작게 한다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
본원은, 2015년 6월 24일에 출원된 일본 특허 출원 번호 제2015-126112호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하며, 그 개시의 전부가 참조에 의하여 본원에 포함된다.
종래, 연료 전지를 발전에 적합한 온도까지 난기하는 기술이 제안되어 있다. 예를 들어 JP2009-32605A에 기재된 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지의 고효율 발전 상태에 있어서의 I-V(전류-전압) 특성선 상으로부터 연료 전지의 동작점을 벗어나게 하여 전압을 저전압, 전류를 고전류로 함으로써, 연료 전지를 저효율 발전 상태로 하여 연료 전지를 난기시키고 있다.
난기가 불필요해진 경우에는, 연료 전지의 발전 상태는 저전압·대전류의 저효율 발전 상태에서 고전압·저전류의 통상 발전 상태로 전환된다. 그러나 발전 상태의 전환 시에 단시간 내에 전압을 급격히 상승시키면, DC/DC 컨버터에 과대한 전류가 흐를 우려가 있다. 따라서 발전 상태의 전환 시에는 전압을 완만히 상승시키는 것이 바람직하다. 그런데 전압을 완만히 상승시키면, 전압이 목표값까지 증가해 있지 않음에도 불구하고 전류값이 선행하여 목표값까지 저하되기 때문에, 연료 전지의 출력이 일시적으로 저하되는 경우가 있다. 이러한 출력의 저하는, 연료 전지 시스템의 이용 상황에 따라서는 간과할 수 없는 경우가 있다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 연료 전지와; 상기 연료 전지와 접속된 연료 전지 제어용 컨버터와; 상기 연료 전지에 산화 가스를 공급하는 산화 가스 공급부와; 상기 연료 전지 제어용 컨버터와 상기 산화 가스 공급부를 사용하여 상기 연료 전지의 전압과 전류값을 제어하는 제어부;를 구비한다. 그리고 상기 제어부는, 제1 발전 상태에 있어서, 요구 출력에 따라 상기 연료 전지의 전압과 전류값을, 상기 연료 전지의 전류-전압 특성에 기초하여 설정하고, 제2 발전 상태에 있어서, 요구 출력과 요구 발열량에 따라 상기 연료 전지의 전압과 전류값을, 상기 제1 발전 상태보다도 발전 효율이 낮아지는 전압과 전류값으로 설정하며, 발전 상태를 상기 제2 발전 상태에서 상기 제1 발전 상태로 전환할 때, 상기 요구 발열량을 저하시키고, 상기 제어부는, 발전 상태를 상기 제2 발전 상태에서 상기 제1 발전 상태로 전환할 때, 요구 출력이 기준값 이상인 경우에는, 요구 출력이 상기 기준값 미만인 경우보다도 단위 시간당 상기 요구 발열량의 저하량을 작게 하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 형태의 연료 전지 시스템이면, 발전 상태를 제2 발전 상태에서 제1 발전 상태로 전환할 때, 요구 출력이 기준값 이상인 경우에는 요구 발열량의 단위 시간당 저하량을 작게 하므로, 발전 상태의 전환 시에 전압과 전류값이 급격히 변화되는 것을 억제하면서, 연료 전지의 출력이 일시적으로 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(2) 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 요구 출력이 상기 기준값 이상인 경우에 상기 단위 시간당 상기 요구 발열량의 저하량을, 상기 연료 전지의 전압이 상승함에 따라 크게 해도 된다. 이와 같은 구성이면, 요구 출력이 기준값 이상인 경우에 연료 전지의 출력이 일시적으로 저하되는 것을 억제하면서, 제2 발전 상태에서 제1 발전 상태로 발전 상태를 단시간에 전환할 수 있다.
본 발명은 상술한 연료 전지 시스템으로서의 형태에 한정되지 않으며, 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들어 연료 전지 시스템을 구비하는 차량이나, 연료 전지 시스템의 제어 방법 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 연료 전지 시스템을 탑재한 연료 전지 차량의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는 연료 전지의 I-V 특성선과 동작점을 나타내는 도면이다.
도 3은 발전 상태 전환 처리의 흐름도이다.
도 4a는 급속 전환 처리의 타이밍 차트이다.
도 4b는 정 출력 전환 처리의 타이밍 차트이다.
도 5는 급속 전환 처리 및 정 출력 전환 처리에 있어서의 동작점의 천이를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 정 출력 전환 처리의 변형예를 나타내는 타이밍 차트이다.
A. 실시 형태:
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템(100)을 탑재한 연료 전지 차량(10)의 구성을 도시하는 개략도이다. 연료 전지 차량(10)은, 연료 전지(110)와, 온도 센서(112)와, 연료 가스 공급부(120)와, 산화 가스 공급부(130)와, 연료 전지 제어용 컨버터(131)와, 인버터(132)와, 배터리 제어용 컨버터(134)와, 트랙션 모터(136)와, 차속 센서(139)와, 배터리(140)와, 보조 기기류(150)와, 제어부(180)와, 액셀러레이터 위치 검출부(190)와, 차륜(195)을 구비한다. 연료 전지 차량(10)은, 연료 전지(110) 및 배터리(140) 중 적어도 한쪽으로부터 공급되는 전력에 의하여 트랙션 모터(136)를 구동시켜 주행한다. 연료 전지 시스템(100)은 적어도 상기 중, 연료 전지(110)와 연료 전지 제어용 컨버터(131)와 산화 가스 공급부(130)와 제어부(180)를 포함한다.
연료 전지(110)는, 본 실시 형태에서는 고체 고분자형 연료 전지이다. 연료 전지(110)는, 막 전극 접합체(MEA)를 구비한 복수의 단셀을 직렬로 적층한 스택 구조를 갖고 있다. 연료 전지(110)의 애노드에는, 연료 가스 공급부(120)로부터 연료 가스로서 수소 가스가 공급된다. 연료 전지(110)의 캐소드에는, 산화 가스 공급부(130)로부터 산화 가스로서 공기가 공급된다.
연료 가스 공급부(120)는 수소 탱크나 각종 밸브, 인젝터 등으로 구성된다. 연료 가스 공급부(120)는 제어부(180)에 의한 제어에 기초하여 연료 전지(110)에 연료 가스의 공급을 행한다.
산화 가스 공급부(130)는 공기 압축기나 각종 밸브 등으로 구성된다. 산화 가스 공급부(130)는 제어부(180)에 의한 제어에 기초하여 연료 전지(110)에 산화 가스의 공급을 행한다. 산화 가스 공급부(130)는, 연료 전지(110)의 전압이 소정의 값으로 되도록 제어부(180)로부터의 명령에 따라 산화 가스의 공급량을 조정한다. 산화 가스의 공급량의 증가에 수반하여, 연료 전지(110)의 전압은 후술하는 I-V 특성 곡선 상의 동작점까지 증가한다.
온도 센서(112)는 연료 전지(110)의 온도를 측정하는 센서이다. 온도 센서(112)는, 연료 전지(110) 내를 흐르는 냉매의 온도를 측정함으로써 연료 전지(110)의 온도를 측정한다.
연료 전지 제어용 컨버터(131)는 DC/DC 컨버터에 의하여 구성되어 있다. 연료 전지 제어용 컨버터(131)는 연료 전지(110)와 접속되어 있으며, 제어부(180)로부터의 명령에 따라 내부의 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 변경함으로써, 연료 전지(110)의 전류값을 조정한다.
배터리 제어용 컨버터(134)는 DC/DC 컨버터에 의하여 구성되어 있다. 배터리 제어용 컨버터(134)는 연료 전지 제어용 컨버터(131)를 통하여 연료 전지(110)에 접속되어 있다. 배터리 제어용 컨버터(134)는 제어부(180)로부터의 명령에 따라, 배터리(140)의 상태를 충전 상태 및 방전 상태 중 어느 하나로 전환한다.
배터리(140)는, 연료 전지(110)에 의하여 발전된 전력 에너지를 축적하여, 충전과 방전을 반복할 수 있는 축전 장치이다. 배터리(140)는, 예를 들어 리튬 이온 전지에 의하여 구성할 수 있다. 배터리(140)는 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지 등 다른 종류의 전지여도 된다.
인버터(132)는, 연료 전지(110) 및 배터리(140) 중 적어도 한쪽으로부터 얻어진 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 변환된 교류 전력은 트랙션 모터(136)에 공급된다.
트랙션 모터(136)는, 3상 코일을 구비하는 동기 모터에 의하여 구성된다. 트랙션 모터(136)는 인버터(132)로부터 교류 전력의 공급을 받아 차륜(195)을 구동한다. 차륜(195)의 회전에 의하여 트랙션 모터(136)에 있어서 회생 전력이 발생하는 경우에는, 그 회생 전력은 인버터(132)에 의하여 직류 전력으로 변환되어, 배터리 제어용 컨버터(134)를 통하여 배터리(140)에 충전된다.
차속 센서(139)는 연료 전지 차량(10)의 속도를 검출하는 센서이다. 차속 센서(139)는 트랙션 모터(136)의 회전수에 기초하여 차속을 검출한다. 검출된 차속은 제어부(180)에 전달된다.
액셀러레이터 위치 검출부(190)는, 연료 전지 차량(10)의 운전석에 설치된 액셀러레이터 페달의 조작량을 검출한다. 검출된 액셀러레이터 조작량은 제어부(180)에 전달된다.
제어부(180)는, CPU와 RAM과 ROM과, 상술한 각 부가 접속되는 인터페이스 회로를 구비하는 컴퓨터로서 구성되어 있다. 제어부(180)에 구비된 CPU는, ROM에 기록된 제어 프로그램을 RAM에 로드하여 실행함으로써, 연료 전지(110)의 발전이나 배터리(140)의 충방전, 연료 전지 차량(10)의 구동을 제어한다. 제어부(180)는 연료 전지 제어용 컨버터(131)와 산화 가스 공급부(130)를 사용하여 연료 전지(110)의 전압과 전류값을 제어한다. 보다 구체적으로는, 본 실시 형태에서는, 제어부(180)는 연료 전지(110)의 발전을 제어하는 데 있어서, 연료 전지 제어용 컨버터(131)를 사용하여 연료 전지(110)의 전류값을 제어하고, 산화 가스 공급부(130)를 사용하여 연료 전지(110)의 전압을 제어한다.
도 2는, 연료 전지(110)의 I-V 특성선 Lc와 동작점을 나타내는 도면이다. 제어부(180)는, 액셀러레이터 위치 검출부(190)에 의하여 검출된, 운전자에 의한 액셀러레이터 조작량이나, 차속 센서(139)에 의하여 검출된, 연료 전지 차량(10)의 차속에 따라, 요구 출력 P를 산출한다. 도 2에는, 산출된 요구 출력 P를 나타내는 등(等)출력 곡선 Lp를 나타내고 있다. 그리고 제어부(180)는, 연료 전지(110)의 통상 발전 상태에 있어서 산출된 요구 출력 P에 따라, 연료 전지(110)의 전압과 전류값을, 연료 전지(110)에 있어서 효율이 좋은 I-V 특성선 Lc에 기초하여 설정한다.
본 실시 형태에서는, 통상 발전 상태에서는 제어부(180)는, 전압과 전류값의 곱이 요구 출력 P를 만족시키고, 또한 연료 전지(110)의 동작점이 I-V 특성선 상의 동작점으로 되도록 전압과 전류값을 설정한다. 구체적으로는, 제어부(180)는 동작점을, 등출력 곡선 Lp와 I-V 특성선 Lc의 교점 상의 동작점 p0(전압 V0, 전류값 I0)으로 되도록 설정한다. 또한 교점이 2개 있는 경우에는, 제어부(180)는 동작점을, 전압이 큰 쪽의 교점 상의 동작점 p0(전압 V0, 전류값 I0)으로 되도록 설정한다. 제어부(180)는 산화 가스 공급부(130)를 제어하여, 연료 전지(110)에 공급되는 반응 가스의 양을 조정함으로써, 설정된 동작점 p0의 전압 V0으로 연료 전지(110)의 전압을 조정한다. 또한 제어부(180)는 연료 전지 제어용 컨버터(131)를 제어함으로써, 설정된 동작점 p0의 전류값 I0으로 연료 전지(110)의 전류값을 조정한다. 통상 발전 상태에서는 이와 같이, 연료 전지(110)의 전압과 전류값을 설정함으로써 효율적으로 발전을 행하게 할 수 있다. 또한 통상 발전 상태를 제1 발전 상태, 또는 고효율 발전 상태라고도 칭한다.
제어부(180)는, 온도 센서(112)를 사용하여 검출한 연료 전지(110)의 온도가 미리 정한 온도(예를 들어 0℃) 이하인 경우에는, 난기를 행하기 위하여 연료 전지(110)의 발전 상태를 저효율 발전 상태로 한다. 구체적으로는 먼저, 제어부(180)는 요구 출력 P와 함께, 연료 전지(110)를 발전에 적합한 온도(예를 들어 70 내지 90℃)까지 승온시키는 데 필요한 발열량(요구 발열량 Q)을 구한다. 도 2에는, 요구 발열량 Q를 나타내는 등(等)발열량 곡선 Lq를 나타내고 있다. 그리고 제어부(180)는 요구 출력 P와 요구 발열량 Q에 따라, 연료 전지(110)의 전압과 전류값을, 통상 발전 상태보다도 발전 효율이 낮아지는 전압과 전류값으로 설정한다.
본 실시 형태에서는, 저효율 발전 상태에서는 제어부(180)는, 전압과 전류값의 곱이 요구 출력 P를 만족시키고, 또한 연료 전지(110)의 개회로 전압(OCV)으로부터의 전압차(=OCV-V)와 전류값의 곱이 요구 발열량 Q를 만족시키도록 전압과 전류값을 설정한다. 달리 말하면, 제어부(180)는 저효율 발전 상태에 있어서의 동작점을, 등출력 곡선 Lp와 등발열량 곡선 Lq의 교점 상의 동작점 p1(전압 V1, 전류값 I1)로 되도록 설정한다. 동작점이 이러한 동작점 p1로 되면, 연료 전지(110)의 동작점은 I-V 특성선 Lc로부터 벗어남과 함께, 전압이 저전압, 전류값이 고전류로 되기 때문에 연료 전지(110)의 특성상, 발전 손실이 증대되어 폐열량이 증대된다. 그 때문에, 제어부(180)는 연료 전지(110)의 온도를 빠르게 승온시켜 난기할 수 있다. 또한 저효율 발전 상태를 제2 발전 상태, 또는 급속 난기 상태라고도 칭한다.
제어부(180)는, 연료 전지(110)의 발전 상태가 저효율 발전 상태인 경우에 연료 전지(110)의 온도가 적온에 도달하면, 발전 상태를 저효율 발전 상태에서 통상 발전 상태로 전환한다. 본 실시 형태에서는, 제어부(180)는 발전 상태를 저효율 발전 상태에서 통상 발전 상태로 전환할 때, 요구 발열량을 저하시킨다. 보다 상세하게는, 제어부(180)는 발전 상태를 저효율 발전 상태에서 통상 발전 상태로 전환할 때, 요구 출력이 기준값 이상인 경우에는, 요구 출력이 그 기준값 미만인 경우보다도 단위 시간당 요구 발열량의 저하량을 작게 한다. 이하에 있어서, 발전 상태를 저효율 발전 상태에서 통상 발전 상태로 전환하는 처리를 발전 상태 전환 처리라 한다.
도 3은, 제어부(180)에 의하여 실행되는 발전 상태 전환 처리의 흐름도이다. 이 발전 상태 전환 처리는, 연료 전지(110)의 발전 상태가 저효율 발전 상태인 경우에 있어서, 연료 전지(110)의 온도가 적온으로 된 것이 검출되었을 때 실행된다.
제어부(180)는, 발전 상태 전환 처리를 실행하면, 먼저 요구 출력이 기준값 이상인지의 여부를 판정한다(스텝 S10). 본 실시 형태에 있어서 이 기준값은, 연료 전지 차량(10)이 정차하고 있을 때 필요한 출력, 또는 발전 상태의 전환에 의하여 출력 변동이 발생한 경우에도 그 출력 변동이 탑승원에게 느껴지지 않을 정도로 낮은 출력에 기초하여 정해져 있다. 기준값은 미리 실험을 행함으로써 정해 둘 수 있다.
제어부(180)는, 스텝 S10에 있어서 요구 출력이 기준값 미만이라고 판단하면(스텝 S10: "아니오"), 급속 전환 처리를 실행한다(스텝 S20). 한편, 제어부(180)는, 스텝 S10에 있어서 요구 출력이 기준값 이상이라고 판단하면(스텝 S10: "예"), 정 출력 전환 처리를 실행한다(스텝 S30).
도 4a는 급속 전환 처리의 타이밍 차트이다. 도 4b는 정 출력 전환 처리의 타이밍 차트이다. 도 5는, 급속 전환 처리 및 정 출력 전환 처리에 있어서의 동작점의 천이를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a에 나타나 있는 바와 같이, 급속 전환 처리에서는, 연료 전지(110)의 온도가 적온으로 되어 저효율 발전을 행하는 요구가 해제되면, 제어부(180)는 타이밍 t0에 있어서 요구 발열량을 급속히 저하시켜 0으로 한다. 그리고 연료 전지 제어용 컨버터(131)에 명령하는 요구 전압을, 목표로 되는 전압까지 완만히 상승시킨다. 요구 전압을 급격히 상승시키면, 연료 전지 제어용 컨버터(131)의 특성에 따라서는, 연료 전지 제어용 컨버터(131)에 과대한 전류가 흐를 우려가 있기 때문이다. 한편, 요구 전류값에 대해서는 곧바로 저하시킨다. 연료 전지 제어용 컨버터(131)와 같은 DC/DC 컨버터에 과대한 전류가 흐르는 현상에 대해서는, 예를 들어 일본 특허 공개 제2009-158162호 공보(출원인: 도요타 지도샤 가부시키가이샤)에 기재되어 있다. 전압의 단위 시간당 증가량은, 연료 전지 제어용 컨버터(131)에 과대한 전류가 흐르지 않는 증가량에 기초하여 미리 정해져 있다. 타이밍 t1에 있어서, 전압이 목표로 되는 전압에 도달하면, 발전 상태의 전환이 완료된다.
도 4a에 나타낸 타이밍 차트에 따르면, 급속 전환 처리에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 연료 전지(110)의 동작점은, 저효율 발전 상태의 동작점 p1에서 통상 발전 상태의 동작점 p0에 이르기까지, 먼저 동작점 p3으로 이행한다. 동작점 p3에서는, 목표로 하는 통상 발전 상태의 동작점 p0과 전류값은 동일하지만, 전압에 대해서는, 연료 전지 제어용 컨버터(131)를 보호하기 위하여 동작점 p1에서 약간 상승한 정도이다. 즉, 급속 전환 처리에서는, 단위 시간당 전류값의 변화율에 비하여 전압의 변화율이 작게 되어 있다. 그리고 급속 전환 처리에서는, 동작점이 동작점 p3으로 이행하면, 그 후 전압이 서서히 높아져, 최종적으로 동작점은 I-V 특성선 Lc 상의 동작점 p0으로 되고, 발전 상태가 통상 발전 상태로 전환된다.
급속 전환 처리에 있어서, 이와 같이 동작점이 p1, p3, p0의 순서로 변경되면, 전류와 전압의 관계는 저전압·대전류 상태(동작점 p1)에서 저전압·저전류 상태(동작점 p3)로 되고, 최종적으로 고전압·저전류(동작점 p0)로 된다. 그 때문에, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 저전압·저전류 상태의 동작점 p3 부근에서는, 연료 전지(110)의 출력은 일시적으로 저하된다. 그러나 본 실시 형태에서는, 이 급속 전환 처리는, 요구 출력이 상술한 기준값 미만인 경우, 즉, 연료 전지 차량(10)이 정차 중의 출력의 경우나, 출력 변동이 발생했다고 하더라도 그 출력 변동이 탑승원에게 느껴지지 않을 정도의 출력의 경우이기 때문에, 발전 상태의 전환에 수반하여 출력이 일시적으로 저하되었다고 하더라도, 연료 전지 차량(10)의 드라이버빌리티는 손상되지 않는다.
도 4b에 나타나 있는 바와 같이, 정 출력 전환 처리에서는, 연료 전지(110)의 온도가 적온으로 되어 저효율 발전을 행하는 요구가 해제되면, 제어부(180)는 타이밍 t0 이후, 요구 발열량을 서서히 저하시킨다. 즉, 정 출력 전환 처리에서는, 제어부(180)는 요구 발열량의 단위 시간당 저하량을 급속 전환 처리에 있어서의 저하량보다도 작게 한다. 그리고 제어부(180)는 요구 발열량을 서서히 저하시키면서 요구 전압을 서서히 증가시키고, 또한 동시에 요구 전류값을 서서히 저하시킨다. 그리고 타이밍 t2에 있어서, 요구 발열량이 미리 정한 역치 이하로 된 경우에, 제어부(180)는 요구 발열량을 이용한 발전 제어를 정지시킴으로써, 발전 상태의 전환이 완료된다. 역치는, 예를 들어 타이밍 t0에 있어서의 요구 발열량의 10분의 1의 값 등, 발전 상태를 천이시키더라도 출력에 큰 영향을 미치지 않는 값이다. 역치는 미리 실험을 행함으로써 정해 둘 수 있다.
도 4b에 나타낸 타이밍 차트에 따르면, 정 출력 전환 처리에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 연료 전지(110)의 동작점은, 요구 발열량이 서서히 저하되어 가기 때문에, 저효율 발전 상태의 동작점 p1로부터 통상 발전 상태의 동작점 p0까지, 동작점을 등출력 곡선 Lp 상에서 원활히 변화시킬 수 있다. 그 때문에, 전압 및 전류의 급격한 상승을 억제하면서, 출력을 일정하게 유지하면서 발전 상태를 천이시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은, 저효율 발전 상태에서 통상 발전 상태로 발전 상태를 전환할 때, 요구 출력에 따라, 급속 전환 처리를 행할지 정 출력 전환 처리를 행할지를 선택한다. 그리고 요구 출력이 기준값 미만인 경우에는 급속 전환 처리를 실행하므로, 정차 중 등의 발전 상태에 있어서, 발전 상태를 신속히 통상 발전 상태로 전환할 수 있다. 그로 인하여, 발전 효율을 즉시 높이는 것이 가능해져 연비 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 요구 출력이 기준값 이상인 경우에는, 정 출력 전환 처리를 실행하여 요구 발열량의 단위 시간당 저하량을 작게 하므로, 급속 전환 처리보다도 발전 상태의 전환에 필요로 하는 시간은 길어지지만, 전압과 전류값이 급격히 변화되는 것을 억제함과 함께, 연료 전지(110)의 출력이 일시적으로 저하되는 것을 억제할 수 있다. 그로 인하여, 발전 상태의 전환에 수반하여 연료 전지 차량(10)에 토크 쇼크가 발생하는 것을 억제할 수 있어, 드라이버빌리티가 손상되는 것을 억제할 수 있다.
B. 변형예:
<변형예 1>
도 6은, 정 출력 전환 처리의 변형예를 나타내는 타이밍 차트이다. 본 변형예에서는, 제어부(180)는 정 출력 전환 처리에 있어서, 요구 발열량의 단위 시간당 저하량을, 전압이 상승함에 따라 크게 한다. 이와 같이 요구 발열량의 단위 시간당 저하량을 제어하면, 동작점을 등출력 곡선 Lp(도 5 참조)를 따라 변경하는 것이 용이해지므로, 요구 출력이 기준값 이상인 경우에 연료 전지(110)의 출력이 일시적으로 저하되는 것을 억제하면서, 발전 상태를 저효율 발전 상태에서 통상 발전 상태로 단시간에 전환할 수 있다.
<변형예 2>
상기 실시 형태에서는, 제어부(180)는 발전 상태 전환 처리에 있어서, 요구 출력과 기준값을 비교하여, 급속 전환 처리를 실행할지 정 출력 전환 처리를 실행할지를 선택하고 있다. 이에 대하여, 제어부(180)는, 연료 전지 차량(10)이 정차하고 있는 경우에는 요구 출력에 관계없이 급속 전환 처리를 실행해도 된다. 연료 전지 차량(10)이 정지하고 있으면, 출력이 일시적으로 저하되더라도 드라이버빌리티는 손상되지 않기 때문이다.
<변형예 3>
상기 실시 형태에서는, 제어부(180)는 발전 상태 전환 처리에 있어서, 요구 출력과 기준값을 비교하여, 급속 전환 처리를 실행할지 정 출력 전환 처리를 실행할지를 선택하고 있다. 이에 대하여, 제어부(180)는 요구 출력에 관계없이, 발전 상태 전환 처리에 있어서 항시 정 출력 전환 처리를 실행해도 된다. 이와 같이 하면, 연료 전지 차량(10)의 운전 상태에 관계없이, 발전 상태의 전환에 수반하여 출력이 일시적으로 저하되는 것을 억제할 수 있다.
<변형예 4>
상기 실시 형태에서는, 제어부(180)는 연료 전지(110)의 온도에 기초하여 발전 상태를 변경할지 말지를 판단하고 있다. 이에 대하여, 제어부(180)는, 예를 들어 외기온이나 보조 기기류(150)의 온도에 기초하여 발전 상태를 변경할지 말지를 판단해도 된다.
<변형예 5>
상기 실시 형태에 있어서, 연료 전지(110)를 난기하기 위한 요구 발열량은 미리 정해진 고정값이어도 된다. 또한 온도 센서(112)에 의하여 검출된 온도와 연료 전지(110)의 적온의 차에 기초하여 동적으로 산출해도 된다. 또한 요구 발열량에는, 연료 전지 차량(10)을 난방하기 위하여 필요한 발열량을 더해도 된다.
<변형예 6>
상기 실시 형태에서는, 제어부(180)는 통상 발전 상태에 있어서, 연료 전지(110)의 전압 및 전류값을, I-V 특성선 Lc 상의 동작점으로 되도록 제어하고 있다. 그러나 제어부(180)는, 엄밀히 동작점을 I-V 특성선 Lc 상의 동작점으로 하는 것은 아니며, I-V 특성선 Lc로부터 크게 벗어나지 않는 범위에서 제어해도 된다.
<변형예 7>
상기 실시 형태에서는, 산화 가스 공급부(130)를 사용하여 연료 전지(110)의 전압을 조정하고, 연료 전지 제어용 컨버터(131)를 사용하여 연료 전지(110)의 전류를 조정하고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 산화 가스 공급부(130)를 사용하여 전류를 조정하고, 연료 전지 제어용 컨버터(131)를 사용하여 전압을 조정해도 된다.
<변형예 8>
상기 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 차량(10)에 탑재되어 있다. 이에 대하여, 연료 전지 시스템(100)은 항공기나 선박 등 다른 이동체에 탑재되어도 된다. 또한 연료 전지 시스템(100)은 가정이나 사업소의 전력원으로서 건물이나 토지에 고정 설치되어도 된다.
본 발명은 상술한 실시 형태나 변형예에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어 발명의 내용란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태 또는 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위하여, 또는 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위하여 적절히 치환이나 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히 삭제하는 것이 가능하다.
10: 연료 전지 차량
100: 연료 전지 시스템
110: 연료 전지
112: 온도 센서
120: 연료 가스 공급부
130: 산화 가스 공급부
131: 연료 전지 제어용 컨버터
132: 인버터
134: 배터리 제어용 컨버터
136: 트랙션 모터
139: 차속 센서
140: 배터리
150: 보조 기기류
180: 제어부
190: 액셀러레이터 위치 검출부
195: 차륜

Claims (2)

  1. 연료 전지 시스템이며,
    연료 전지와,
    상기 연료 전지에 접속된 연료 전지 제어용 컨버터와,
    상기 연료 전지에 산화 가스를 공급하는 산화 가스 공급부와,
    상기 연료 전지 제어용 컨버터와 상기 산화 가스 공급부를 사용하여 상기 연료 전지의 전압과 전류값을 제어하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 제어부는,
    제1 발전 상태에 있어서, 요구 출력에 따라 상기 연료 전지의 전압과 전류값을, 상기 연료 전지의 전류-전압 특성에 기초하여 설정하고,
    제2 발전 상태에 있어서, 요구 출력과 요구 발열량에 따라 상기 연료 전지의 전압과 전류값을, 상기 제1 발전 상태보다도 발전 효율이 낮아지는 전압과 전류값으로 설정하며,
    발전 상태를 상기 제2 발전 상태에서 상기 제1 발전 상태로 전환할 때, 상기 요구 발열량을 저하시키고,
    상기 제어부는, 발전 상태를 상기 제2 발전 상태에서 상기 제1 발전 상태로 전환할 때, 요구 출력이 기준값 이상인 경우에는, 요구 출력이 상기 기준값 미만인 경우보다도 단위 시간당 상기 요구 발열량의 저하량을 작게 하는,
    연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 요구 출력이 상기 기준값 이상인 경우에 상기 단위 시간당 상기 요구 발열량의 저하량을, 상기 연료 전지의 전압이 상승함에 따라 크게 하는, 연료 전지 시스템.
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