KR20180030934A - 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템의 제어 장치 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템의 제어 장치는, 습윤 상태 검출부에 의해 검출한 전해질막의 습윤 상태에 기초하여, 애노드 가스 순환 유량을 제어하는 애노드 가스 순환 유량 제어부와, 습윤 상태 제어부에 의해 조작되는 복수의 물리량에 대하여 정상적인 조작의 우선 순위를 설정하는 우선 순위 설정부를 구비하고, 애노드 가스 순환 유량 제어부는, 전해질막의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한하는 애노드 가스 순환 유량 제한부와, 애노드 가스 순환 유량 제한부에 의해 애노드 가스 순환 유량의 변화율이 제한되어 있는 경우에는, 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분에 대해서, 우선 순위 설정부에 의해 설정된 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 물리량의 조작으로 보완하는 제어량 보완부를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템의 제어 장치 및 연료 전지 시스템의 제어 방법
본 발명은 복수의 물리량을 제어함으로써, 연료 전지의 전해질막의 습윤 상태를 제어하는 연료 전지 시스템의 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템으로서, 연료 가스인 애노드 가스를 순환시키지 않고, 반응 후의 애노드 오프 가스를 캐소드 오프 가스와 함께 배출하는 애노드 가스 비순환형 연료 전지 시스템과, 애노드 가스를 순환시키고, 필요에 따라, 고압 탱크로부터 애노드 가스를 추가 공급하는 애노드 가스 순환형 연료 전지 시스템이 제안되어 있다.
연료 전지 시스템에서는, 캐소드 전극에 있어서의 전극 반응으로 생성된 물이나 수증기(이하, 「수분」이라 한다)가 크로스 리크에 의해 애노드 전극측의 애노드 가스 유로에 유입된다. 애노드 가스 순환형 연료 전지 시스템에서는, 이 수분을 이용하여, 연료 전지 내의 전해질막의 습윤 상태(습윤도)를 제어할 수 있기 때문에, 애노드 가스 공급 통로나 애노드 가스 순환 통로에 가습기를 설치할 필요가 없다.
JP5104950B에는, 애노드 가스 순환형 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지 전체의 저항값을 측정하고, 측정한 저항값에 기초하여, 연료 전지의 산화제 가스 유로의 입구 근방 및 출구 근방의 수분량의 과부족을 판정하고, 그 수분량이 과잉이거나, 또는 부족하다고 판정된 경우에는, 연료 가스나 산화제 가스의 스토이키비(유량)나 압력을 조정하는 연료 전지 시스템이 개시된다.
상술한 바와 같이 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 전체의 저항값이 소정값보다도 큰 경우에는, 수분량이 부족하다고 판정하고, 예를 들어, 연료 가스의 스토이키비를 증가시킴과 함께, 연료 가스의 공급 압력을 저감시키는 제어가 행해진다. 이에 의해, 연료 가스가 산화제 가스와 반응하여 물이 생성됨과 함께, 애노드 가스 순환 통로의 체적 유량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 애노드 가스 순환 통로 쪽에 보유할 수 있는 수분량을 증가시킬 수 있다.
한편, 연료 전지 전체의 저항값이 소정값보다도 작은 경우에는, 수분량이 과잉이라고 판정하고, 예를 들어, 연료 가스의 스토이키비를 저감시킴과 함께, 연료 가스의 공급 압력을 증가시키는 제어가 행해진다. 이에 의해, 연료 가스와 산화제 가스의 반응을 억제하여 물의 생성을 저감시킴과 함께, 애노드 가스 순환 통로의 체적 유량을 저감시킬 수 있다. 따라서, 산화제 가스에 포함됨으로써 연료 전지 외부로 배출되는 수분량을 증가시켜서, 애노드 가스 순환 통로 쪽에 보유할 수 있는 수분량을 저감시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 제어를 행하는 경우에 있어서, 연료 가스의 스토이키비를 증가시킬 때에는, 애노드 가스 순환 통로에 설치된 애노드 순환 펌프를 기동하거나, 또는, 애노드 순환 펌프의 회전수를 상승시킴과 함께, 필요에 따라, 수소 탱크의 하류에 설치된 애노드 압력 조절 밸브를 밸브 개방하여 연료 가스를 공급하고 있다. 또한, 연료 가스의 스토이키비를 저감시킬 때에는, 애노드 가스 순환 통로에 설치된 애노드 순환 펌프의 회전수를 저하시킴과 함께, 필요에 따라, 애노드 가스 순환 통로에 설치된 퍼지 밸브를 밸브 개방하여 애노드 오프 가스를 배출하고 있다.
그러나, 이러한 경우에는, 과도적으로, 원래 원하는 제어와는 역의 조작이 되는 경우가 있다. 즉, 연료 전지 내의 수분량을 증가시키려고, 애노드 순환 펌프의 회전수를 상승시키면, 애노드 순환 펌프의 회전수를 상승시킨 순간부터 과도적으로, 연료 전지 내로부터 반출되는 애노드 오프 가스의 양이 증가하여, 그 중에 포함되는 물 또는 수증기의 분만큼 연료 전지 내의 수분량도 저감되어 버린다. 또한, 연료 전지 내의 수분량을 저감시키려고, 애노드 순환 펌프의 회전수를 저하시키면, 애노드 순환 펌프의 회전수를 저하시킨 순간으로부터 과도적으로, 연료 전지로부터 배출되는 애노드 오프 가스보다도 연료 전지 내에 유입되는 애노드 오프 가스의 양이 증가하여, 그 중에 포함되는 물 또는 수증기의 분만큼 연료 전지 내의 수분량이 증가해버린다.
이러한 과도적인 상황에 있어서는, 연료 전지의 수분량 제어가 지연될뿐만 아니라, 연료 전지 내의 전해질막을 파손 또는 열화시킬 가능성이나, 생성된 물에 의해 애노드 가스 유로의 출구 부근이 막혀서, 연료 전지 내의 수소(애노드 가스)가 결핍될 가능성이 있다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 문제점에 착안하여 이루어진 것이며, 연료 전지 내의 수분량을 제어하는 과도 상태에 있어서, 제어 방향과는 역효과가 되는 영향을 경감할 수 있는 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템은, 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지에 공급하여 발전시키는 연료 전지 시스템의 제어 장치이며, 연료 전지로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 연료 전지에 공급하는 애노드 가스를 혼합시켜서 연료 전지에 공급하는 애노드 가스 순환 통로와, 연료 전지의 전해질막의 습윤 상태를 검출하는 습윤 상태 검출부와, 애노드 가스 순환 통로에 흐르는 애노드 가스 순환 유량을 포함하는 복수의 물리량을 조작(액추에이터를 제어)함으로써, 전해질막의 습윤 상태를 제어하는 습윤 상태 제어부를 구비하는 애노드 가스 순환형의 연료 전지 시스템이다. 그리고, 연료 전지 시스템의 제어 장치는, 습윤 상태 검출부에 의해 검출한 전해질막의 습윤 상태에 기초하여, 애노드 가스 순환 유량을 제어하는 애노드 가스 순환 유량 제어부와, 습윤 상태 제어부에 의해 조작되는 복수의 물리량에 대하여 정상적인 조작의 우선 순위를 설정하는 우선 순위 설정부를 구비한다. 이 경우, 애노드 가스 순환 유량 제어부는, 전해질막의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한하는 애노드 가스 순환 유량 제한부와, 애노드 가스 순환 유량 제한부에 의해 애노드 가스 순환 유량의 변화율이 제한되어 있는 경우에는, 그 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분에 대해서, 우선 순위 설정부에 의해 설정된 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 물리량의 조작으로 보완하는 제어량 보완부를 포함한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 전체 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는, 도 1에 도시하는 연료 전지 스택 내에 포함되는 연료 전지의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 도 1에 도시하는 연료 전지 스택의 내부 임피던스를 측정하기 위한 임피던스 측정 장치의 회로도이다.
도 4는, 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템을 제어하는 컨트롤러의 기능 구성의 일례를 도시하는 블록도이다.
도 5는, 도 4에 도시하는 애노드 가스 순환 유량 제한부 및 냉각수 온도 제한부의 변화율의 제한 방법의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은, 도 4에 도시하는 애노드 가스 순환 유량 제한부 및 냉각수 온도 제한부의 변화율의 제한 방법의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은, 도 4에 도시하는 제어량 보완부의 드라이 조작에 있어서의 기능 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은, 종래의 연료 전지 시스템에 있어서의 드라이 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 9는, 애노드 가스 순환 유량의 변화율을 제한한 경우에 있어서의 드라이 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 10은, 애노드 가스 순환 유량 및 냉각수 온도의 변화율을 제한한 경우에 있어서의 드라이 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 11은, 도 4에 도시하는 제어량 보완부의 웨트 조작에 있어서의 기능 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 12는, 종래의 연료 전지 시스템에 있어서의 웨트 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 13은, 애노드 가스 순환 유량의 변화율을 제한한 경우에 있어서의 웨트 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 14는, 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러에 의해 실행되는 제어량 보완 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 15는, 제어량 보완 처리의 서브루틴인 시스템 운전 상태 검출 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 16은, 제어량 보완 처리의 서브루틴인 목표 물 수지 연산 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 17은, 제어량 보완 처리의 서브루틴인 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 18은, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 서브루틴인 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(드라이)의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 19는, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 서브루틴인 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(드라이)의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 20은, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 서브루틴인 목표 냉각수 온도 연산 처리(드라이)의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 21은, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 서브루틴인 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(드라이)의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 22는, 제어량 보완 처리의 서브루틴인 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 23은, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 서브루틴인 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(웨트)의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 24는, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 서브루틴인 목표 냉각수 온도 연산 처리(웨트)의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 25는, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 서브루틴인 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(웨트)의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 26은, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 서브루틴인 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(웨트)의 일례를 도시하는 흐름도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 전체 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은 도시하지 않은 강전 배터리 및 구동 모터를 구비하는 전기 자동차에 있어서, 이 연료 전지(연료 전지 스택)가 구동원의 하나로서 사용되는 것이다.
연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 스택(1)에 대하여 발전에 필요하게 되는 애노드 가스(수소) 및 캐소드 가스(공기)를 외부로부터 공급하고, 전기 부하에 따라서 연료 전지 스택(1)을 발전시키는 전원 시스템을 구성한다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100) 및 그 제어 장치는, 후술하는 애노드 가스의 순환 제어 시의 과도 상태에 있어서의 제어에 특화되어 있다. 그 때문에, 이하의 설명에서는, 과도 시의 제어에 특화하여 설명하고, 통상의 제어나 공지된 제어에 대해서는 적절히 그 설명을 생략하고 있다.
연료 전지 시스템(100)은 도 1에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(1)과, 캐소드 가스 급배 장치(2)와, 애노드 가스 급배 장치(3)와, 스택 냉각 장치(4)와, 부하 장치(5)와, 임피던스 측정 장치(6)와, 컨트롤러(200)를 포함한다.
연료 전지 스택(1)은 부하 장치(5)로서의 구동 모터로부터 요구되는 전력이 크기 때문에, 수백매의 연료 전지가 적층된 적층 전지이다. 연료 전지 스택(1)은 부하 장치(5)에 접속되어서 부하 장치(5)에 전력을 공급한다. 연료 전지 스택(1)은 예를 들어 수백V(볼트)의 직류의 전압을 발생시킨다.
도 2는, 도 1에 도시하는 연료 전지 스택(1) 내에 포함되는 연료 전지(10)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 연료 전지 스택(1)에는, 이 연료 전지(10)가 도 2의 지면 앞으로부터 안쪽으로 향하는 방향으로 적층되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 연료 전지(10)는 막전극 접합체(MEA)(11)에 의해, 애노드 가스 유로(121)와, 캐소드 가스 유로(131)로 나뉘어 있다. 또한, 도시를 생략하지만, 애노드 가스 유로(121)를 형성하도록 애노드 세퍼레이터가 배치되어 있고, 캐소드 가스 유로(131) 및 냉각수 유로(141)를 형성하도록 캐소드 세퍼레이터가 배치되어 있다.
MEA(11)는, 전해질막(111)과, 애노드 전극(112)과, 캐소드 전극(113)으로 구성되어 있다. MEA(11)는, 전해질막(111)의 한쪽 면측에 애노드 전극(112)을 갖고 있으며, 다른 쪽 면측에 캐소드 전극(113)을 갖고 있다.
전해질막(111)은 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이다. 전해질막(111)은 적당한 습윤도로 양호한 전기 전도성을 나타낸다. 여기에서 말하는 전해질막(111)의 습윤도란, 전해질막(111)에 포함되는 수분의 양(함수량)에 상당한다.
애노드 전극(112)은 도시하지 않지만, 촉매층과 가스 확산층을 적층하여 구성된다. 촉매층은, 전해질막(111)과 접하도록 설치되고, 백금 또는 백금 등이 담지된 카본 블랙 입자에 의해 형성된다. 가스 확산층은, 촉매층 및 애노드 세퍼레이터와 접하도록 촉매층의 외측에 배치되고, 가스 확산성 및 도전성을 갖는 카본 클로스로 형성된다.
캐소드 전극(113)은 도시하지 않지만, 애노드 전극(112)과 마찬가지로, 촉매층과 가스 확산층을 적층하여 구성된다.
애노드 가스 유로(121)는 애노드 세퍼레이터 내에 복수의 홈 형상 통로로서 형성된다. 애노드 가스 유로(121)는 애노드 전극(112)에 애노드 가스를 공급하기 위한 연료 유로를 구성한다.
캐소드 가스 유로(131)는 캐소드 세퍼레이터 내에 복수의 홈 형상 통로로서 형성된다. 캐소드 가스 유로(131)는 캐소드 전극(113)에 캐소드 가스를 공급하기 위한 산화제 유로를 구성한다.
냉각수 유로(141)는 캐소드 가스 유로(131)에 인접하여, 캐소드 세퍼레이터 내에 복수의 홈 형상 통로로서 형성된다. 냉각수 유로(141)는 애노드 가스와 캐소드 가스의 전기 화학 반응으로 온도가 상승한 연료 전지(10)를 냉각하기 위한 냉매를 통과시키는 냉매 유로를 구성한다. 본 실시 형태에서는, 냉매로서 냉각수가 사용된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 캐소드 세퍼레이터는, 냉각수 유로(141)에 흐르는 냉각수의 흐름 방향과 캐소드 가스 유로(131)에 흐르는 캐소드 가스의 흐름 방향이 서로 역방향이 되도록 구성되어 있다. 또한, 이들의 흐름 방향이 서로 동일한 방향이 되도록 구성되어도 된다. 또한, 이들의 흐름 방향이 소정의 각도를 가지도록 구성되어도 된다.
또한, 애노드 세퍼레이터 및 캐소드 세퍼레이터는, 애노드 가스 유로(121)에 흐르는 애노드 가스의 흐름 방향과 캐소드 가스 유로(131)에 흐르는 캐소드 가스의 흐름 방향이 서로 역방향으로 되도록 구성되어 있다. 또한, 이들의 흐름 방향이 소정의 각도를 가지도록 구성되어도 된다.
MEA(11)가 상기와 같이 구성됨으로써, 도 2의 화살표 X로 나타내는 바와 같이, 애노드 가스 유로(121)로부터 캐소드 가스 유로(131)에 애노드 가스가 누설됨과 함께, 캐소드 가스 유로(131)로부터 애노드 가스 유로(121)에 캐소드 가스 중의 질소 가스나 전기 화학 반응으로 생성된 수증기(수분)가 누설된다.
도 1로 돌아가서, 캐소드 가스 급배 장치(2)는 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스(산화제 가스)를 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 대기에 배출하는 장치이다. 즉, 캐소드 가스 급배 장치(2)는 연료 전지(10)의 전해질막(111)에 산화제(공기)를 공급하는 산화제 공급 수단을 구성한다.
캐소드 가스 급배 장치(2)는 도 1에 도시한 바와 같이, 캐소드 가스 공급 통로(21)와, 컴프레서(22)와, 유량 센서(23)와, 압력 센서(24)와, 캐소드 가스 배출 통로(25)와, 캐소드 압력 조절 밸브(26)를 포함한다.
캐소드 가스 공급 통로(21)는 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급하기 위한 통로이다. 캐소드 가스 공급 통로(21)의 일단부는 개구하고 있고, 타단부는, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 가스 입구 구멍에 접속된다.
컴프레서(22)는 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 컴프레서(22)는 캐소드 가스 공급 통로(21)의 개구단부로부터 산소를 함유하는 공기를 도입하고, 그 공기를 캐소드 가스로서 연료 전지 스택(1)에 공급한다. 컴프레서(22)의 회전 속도 데이터는 컨트롤러(200)에 의해 제어된다.
유량 센서(23)는 컴프레서(22)와 연료 전지 스택(1) 사이의 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 유량 센서(23)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 간단히 「캐소드 가스 유량」이라 한다. 이 유량 센서(23)에 의해 검출한 캐소드 가스 유량 데이터는, 컨트롤러(200)로 출력된다. 이렇게 검출한 캐소드 가스 유량은, 후술하는 제어량 보완 처리에서 이용된다.
압력 센서(24)는 컴프레서(22)와 연료 전지 스택(1) 사이의 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 압력 센서(24)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 간단히 「캐소드 가스 압력」이라 한다. 이 압력 센서(24)에 의해 검출한 캐소드 가스 압력 데이터는, 컨트롤러(200)로 출력된다. 이렇게 검출한 캐소드 가스 압력은, 후술하는 제어량 보완 처리에서 이용된다.
캐소드 가스 배출 통로(25)는 연료 전지 스택(1)으로부터 캐소드 오프 가스를 배출하기 위한 통로이다. 캐소드 가스 배출 통로(25)의 일단부는, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 가스 출구 구멍에 접속되고, 타단부는 개구되어 있다.
캐소드 압력 조절 밸브(26)는 캐소드 가스 배출 통로(25)에 설치된다. 캐소드 압력 조절 밸브(26)로서는, 예를 들어 밸브의 개방도를 단계적으로 변경 가능한 전자기 밸브가 사용된다. 캐소드 압력 조절 밸브(26)는 컨트롤러(200)에 의해 그 개폐가 제어된다. 이 개폐 제어에 의해 캐소드 가스 압력이 원하는 압력으로 조절된다. 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개방도가 커질수록, 캐소드 압력 조절 밸브(26)가 개방되어, 캐소드 오프 가스의 배출량이 증가한다. 한편, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개방도가 작아질수록, 캐소드 압력 조절 밸브(26)가 폐쇄되어, 캐소드 오프 가스의 배출량이 감소한다.
애노드 가스 급배 장치(3)는 연료 전지 스택(1)에 애노드 가스(연료 가스)를 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 연료 전지 스택(1)에 순환시키는 장치이다. 즉, 애노드 가스 급배 장치(3)는 연료 전지(10)의 전해질막(111)에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 수단을 구성한다.
애노드 가스 급배 장치(3)는 도 1에 도시한 바와 같이, 고압 탱크(31)와, 애노드 가스 공급 통로(32)와, 애노드 압력 조절 밸브(33)와, 이젝터(34)와, 애노드 가스 순환 통로(35)와, 애노드 순환 펌프(36)와, 압력 센서(37)와, 퍼지 밸브(38)를 포함한다.
고압 탱크(31)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스를 고압 상태로 유지하여 저장한다.
애노드 가스 공급 통로(32)는 고압 탱크(31)에 저장된 애노드 가스를 연료 전지 스택(1)에 공급하기 위한 통로이다. 애노드 가스 공급 통로(32)의 일단부는, 고압 탱크(31)에 접속되고, 타단부는, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 입구 구멍에 접속된다.
애노드 압력 조절 밸브(33)는 고압 탱크(31)와 이젝터(34) 사이의 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치된다. 애노드 압력 조절 밸브(33)로서는, 예를 들어 밸브의 개방도를 단계적으로 변경 가능한 전자기 밸브가 사용된다. 애노드 압력 조절 밸브(33)는 컨트롤러(200)에 의해 그 개폐가 제어된다. 이 개폐 제어에 의해, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력이 조절된다.
이젝터(34)는 애노드 압력 조절 밸브(33)와 연료 전지 스택(1) 사이의 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치된다. 이젝터(34)는 애노드 가스 공급 통로(32)에 대하여 애노드 가스 순환 통로(35)가 합류하는 부분에 설치되는 기계식 펌프이다. 이젝터(34)를 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치함으로써, 간이한 구성으로 연료 전지 스택(1)에 애노드 오프 가스를 순환시킬 수 있다.
이젝터(34)는 애노드 압력 조절 밸브(33)로부터 공급되는 애노드 가스의 유속을 가속시켜서 부압을 발생시킴으로써, 연료 전지 스택(1)으로부터의 애노드 오프 가스를 흡인한다. 이젝터(34)는 애노드 압력 조절 밸브(33)로부터 공급되는 애노드 가스와 함께, 흡인한 애노드 오프 가스를 연료 전지 스택(1)에 토출한다.
이젝터(34)는 구체적으로는 도시하지 않지만, 예를 들어, 애노드 압력 조절 밸브(33)로부터 연료 전지 스택(1)을 향하여 개구를 좁게 한 원추상의 노즐과, 연료 전지 스택(1)으로부터 애노드 오프 가스를 흡인하는 흡인구를 구비한 디퓨저에 의해 구성된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 애노드 가스 공급 통로(32)와 애노드 가스 순환 통로(35)의 접합부에 이젝터(34)를 사용했지만, 이 접합부는, 단지 애노드 가스 공급 통로(32)에 애노드 가스 순환 통로(35)를 합류시키는 구성이어도 된다.
애노드 가스 순환 통로(35)는 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 고압 탱크(31)로부터 애노드 압력 조절 밸브(33)를 통하여 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스를 혼합시켜서, 애노드 가스 공급 통로(32)에 순환시키는 통로이다. 애노드 가스 순환 통로(35)의 일단부는, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 출구 구멍에 접속되고, 타단부는, 이젝터(34)의 흡인구에 접속된다.
애노드 순환 펌프(36)는 애노드 가스 순환 통로(35)에 설치된다. 애노드 순환 펌프(36)는 이젝터(34)를 통하여 연료 전지 스택(1)에 애노드 오프 가스를 순환시킨다. 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도는, 컨트롤러(200)에 의해 제어된다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)을 순환하는 애노드 가스(및 애노드 오프 가스)의 유량이 조정된다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)을 순환하는 애노드 가스의 유량을 「애노드 가스 순환 유량」이라 한다.
여기서, 컨트롤러(200)는 애노드 순환 펌프(36)의 단위 시간당의 회전수와, 후술하는 연료 전지 스택(1) 내의 온도(또는, 도시하지 않은 온도 센서에 의해 검출되는 애노드 가스 급배 장치(3)의 분위기 온도)와, 후술하는 압력 센서(37)에 의해 검출되는 애노드 가스 순환 통로(35) 내의 애노드 가스의 압력에 기초하여, 표준 상태의 유량으로서, 애노드 가스 순환 유량을 추정(연산)한다. 이렇게 추정되는 애노드 가스 순환 유량은, 후술하는 제어량 보완 처리에 있어서의 각종 연산에 이용된다.
압력 센서(37)는 이젝터(34)와 연료 전지 스택(1) 사이의 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치된다. 압력 센서(37)는 애노드 가스 순환계에 있어서의 애노드 가스의 압력을 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 간단히 「애노드 가스 압력」이라 한다. 이 압력 센서(37)에 의해 검출한 애노드 가스 압력 데이터는, 컨트롤러(200)로 출력된다.
퍼지 밸브(38)는 애노드 가스 순환 통로(35)로부터 분기한 애노드 가스 배출 통로에 설치된다. 퍼지 밸브(38)는 애노드 오프 가스에 포함되는 불순물을 외부로 배출한다. 불순물이란, 연료 전지 스택(1) 내의 연료 전지(10)의 캐소드 가스 유로(131))로부터 전해질막(111)을 투과해 온 캐소드 가스 중의 질소 가스나, 발전에 수반하는 애노드 가스와 캐소드 가스의 전기 화학 반응에 의해 생성되는 물 등이다. 퍼지 밸브(38)의 개방도나 개폐 빈도는, 컨트롤러(200)에 의해 제어된다.
또한, 도시되어 있지 않으나, 애노드 가스 배출 통로는, 캐소드 압력 조절 밸브(26)보다도 하류측의 캐소드 가스 배출 통로(25)에 합류한다. 이에 의해, 퍼지 밸브(38)로부터 배출되는 애노드 오프 가스는 캐소드 가스 배출 통로(25) 내에서 캐소드 오프 가스와 혼합된다. 이에 의해, 혼합 가스 중의 수소 농도를 배출 허용 농도(4％) 이하로 제어할 수 있다.
스택 냉각 장치(4)는 연료 전지 스택(1) 내의 각 연료 전지(10)를 냉각하기 위한 냉매를 연료 전지 스택(1)에 공급하여, 연료 전지 스택(1)을 발전에 적합한 온도로 조정하는 장치이다. 본 실시 형태에서는, 냉매로서 냉각수가 사용된다.
또한, 스택 냉각 장치(4)는 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 가스 중의 수증기량을 증가시키기 위해서, 캐소드 가스 유로(131)를 통과하는 캐소드 가스의 온도를 높게 하는 가스 온도 조정 장치로서 기능한다. 즉, 스택 냉각 장치(4)는 연료 전지(10)에 공급되는 산화제의 온도를 조정하는 온도 조정 수단을 구성한다.
스택 냉각 장치(4)는 도 1에 도시한 바와 같이, 냉각수 순환 통로(41)와, 냉각수 펌프(42)와, 라디에이터(43)와, 바이패스 통로(44)와, 삼방 밸브(45)와, 입구 수온 센서(46)와, 출구 수온 센서(47)와, 라디에이터 팬(48)을 포함한다.
냉각수 순환 통로(41)는 연료 전지 스택(1)에 냉각수를 순환시키는 통로이다. 냉각수 순환 통로(41)의 일단부는, 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍에 접속되고, 타단부는, 연료 전지 스택(1)의 냉각수 출구 구멍에 접속된다.
냉각수 펌프(42)는 냉각수 순환 통로(41)에 설치된다. 냉각수 펌프(42)는 라디에이터(43)나 삼방 밸브(45)를 통하여 연료 전지 스택(1)에 냉각수를 공급한다. 냉각수 펌프(42)의 회전 속도는, 컨트롤러(200)에 의해 제어된다.
연료 전지 스택(1) 내의 온도가 연료 전지 스택(1)에 유입되는 냉각수의 온도보다도 높은 상태에 있어서는, 냉각수 펌프(42)의 회전 속도가 높아질수록, 연료 전지(10)로부터 냉각수에 방열하는 열량이 증가한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 온도가 저하된다. 한편, 동일한 상태에 있어서는, 냉각수 펌프(42)의 회전 속도가 낮아질수록, 열교환율이 저하되기 때문에, 연료 전지 스택(1)의 온도가 상승한다.
라디에이터(43)는 냉각수 펌프(42)보다도 하류의 냉각수 순환 통로(41)에 설치된다. 라디에이터(43)는 후술하는 라디에이터 팬(48)의 회전에 의한 송풍에 의해, 연료 전지 스택(1)에서 데워진 냉각수를 냉각한다.
바이패스 통로(44)는 일부의 냉각수에 라디에이터(43)를 바이패스시키기 위한 통로이며, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 냉각수를 연료 전지 스택(1)에 직접 순환시키는 통로이다. 바이패스 통로(44)의 일단부는, 냉각수 펌프(42)와 라디에이터(43) 사이의 냉각수 순환 통로(41)에 접속되고, 타단부는, 삼방 밸브(45)의 1개의 노즐에 접속된다. 또한, 바이패스 통로(44)에는, 연료 전지 시스템(100)의 영하 기동 시에 연료 전지 스택(1)을 난기하기 위한 히터가 설치되어도 된다.
삼방 밸브(45)는 라디에이터(43)를 통하여 냉각된 냉각수와, 바이패스 통로(44)를 통하여 냉각되어 있지 않은 냉각수를 혼합시킴으로써, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 냉각수의 온도를 조정하는 것이다. 본 실시 형태에서는, 삼방 밸브(45)는 예를 들어, 서모스탯에 의해 실현된다. 그러나, 삼방 밸브(45)는 각 노즐의 개방도(밸브 개방도)가 컨트롤러(200)에 의해 제어되는 전동 밸브 등이어도 된다. 삼방 밸브(45)는 라디에이터(43)와 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍 사이의 냉각수 순환 통로(41)에 있어서의 바이패스 통로(44)가 합류하는 부분에 설치된다.
삼방 밸브(45)는 냉각수의 온도가 소정의 개방 밸브 온도 이하인 때에는 라디에이터(43)로부터 연료 전지 스택(1)에의 냉각수 순환 통로(41)가 차단된 상태로 되어, 바이패스 통로(44)를 경유해 온 냉각수만을 연료 전지 스택(1)에 공급한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)에는, 라디에이터(43)를 경유해 오는 냉각수에 비하여 고온의 냉각수가 흐르게 된다.
한편, 냉각수의 온도가 소정의 개방 밸브 온도보다도 높아지면, 라디에이터(43)로부터 연료 전지 스택(1)에의 노즐의 밸브 개방도가 서서히 커지기 시작한다. 그리고, 삼방 밸브(45)는 바이패스 통로(44)를 경유해 온 냉각수와, 라디에이터(43)를 경유해 온 냉각수를 혼합하고, 혼합한 냉각수를 연료 전지 스택(1)에 공급한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)에는, 바이패스 통로(44)를 경유해 오는 냉각수에 비하여 저온의 냉각수가 흐르게 된다.
입구 수온 센서(46)는 연료 전지 스택(1)에 형성된 냉각수 입구 구멍의 근방에 위치하는 냉각수 순환 통로(41)에 설치된다. 입구 수온 센서(46)는 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍에 유입되는 냉각수의 온도를 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍에 유입되는 냉각수의 온도를 「스택 입구 수온」이라 한다. 입구 수온 센서(46)에 의해 검출한 스택 입구 수온 데이터는, 컨트롤러(200)로 출력된다.
출구 수온 센서(47)는 연료 전지 스택(1)에 형성된 냉각수 출구 구멍의 근방에 위치하는 냉각수 순환 통로(41)에 설치된다. 출구 수온 센서(47)는 연료 전지 스택(1)으로부터 배출된 냉각수의 온도를 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출된 냉각수의 온도를 「스택 출구 수온」이라 한다. 출구 수온 센서(47)에 의해 검출한 스택 출구 수온 데이터는, 컨트롤러(200)로 출력된다.
라디에이터 팬(48)은 라디에이터(43)의 근방에 설치되고, 라디에이터 팬(48)을 회전시킴으로써, 라디에이터(43) 내를 통과하는 냉각수를 공랭한다. 라디에이터 팬(48)의 회전 속도는, 스택 입구 수온 및 스택 출구 수온에 기초하여, 컨트롤러(200)에 의해 제어된다.
냉각수의 온도는, 소정의 처리를 실시함으로써, 연료 전지 스택(1)의 온도나 캐소드 가스가 온도로서 사용된다. 예를 들어, 입구 수온 센서(46)에 의해 검출한 스택 입구 수온과, 출구 수온 센서(47)에 의해 검출한 스택 출구 수온의 평균값을 냉각수의 온도 또는 연료 전지 스택(1)이 온도로 하면 된다. 이하에서는, 냉각수의 온도를 「냉각수 온도」라 하며, 연료 전지 스택(1)의 온도를 「스택 온도」라 한다.
부하 장치(5)는 연료 전지 스택(1)으로부터 공급되는 발전 전력을 받음으로써 구동한다. 부하 장치(5)로서는, 예를 들어, 차량을 구동하는 구동 모터(전동 모터)나, 연료 전지 스택(1)의 발전을 보조하는 보조 기기의 일부, 구동 모터를 제어하는 제어 유닛 등에 의해 구성된다. 연료 전지 스택(1)의 보조 기기로서는, 예를 들어, 컴프레서(22)나, 애노드 순환 펌프(36), 냉각수 펌프(42) 등을 들 수 있다.
또한, 부하 장치(5)는 연료 전지 스택(1)의 출력측에, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 승강압하는 DC/DC 컨버터를 포함함과 함께, DC/DC 컨버터와 구동 모터 사이에, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 구동 인버터를 포함해도 된다. 이 경우, 구동 모터에 대하여 연료 전지 스택(1)과 전기적으로 병렬이 되도록, 고압 배터리가 설치되어도 된다. 또한, 부하 장치(5)는 DC/DC 컨버터와 고압 배터리 사이의 전력선에 보조 기기의 일부를 접속하는 구성이어도 된다. 또한, 부하 장치(5)를 제어하는 제어 유닛(도시하지 않음)은 연료 전지 스택(1)에 요구하는 요구 전력을 컨트롤러(200)로 출력한다. 예를 들어, 차량에 설치된 액셀러레이터 페달의 답입량이 커질수록, 부하 장치(5)의 요구 전력은 커진다.
부하 장치(5)와 연료 전지 스택(1) 사이의 전력선에는, 전류 센서(51)와 전압 센서(52)가 배치된다.
전류 센서(51)는 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(1p)와 부하 장치(5) 사이의 전력선에 접속된다. 전류 센서(51)는 연료 전지 스택(1)으로부터 부하 장치(5)로 출력되는 전류를 연료 전지 스택(1)의 출력 전력으로서 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)으로부터 부하 장치(5)로 출력되는 전류를 「스택 출력 전류」라 한다. 전류 센서(51)에 의해 검출한 스택 출력 전류 데이터는, 컨트롤러(200)로 출력된다.
전압 센서(52)는 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(1p)와 부극 단자(1n) 사이에 접속된다. 전압 센서(52)는 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(1p)와 부극 단자(1n) 간의 전위차인 단자간 전압을 검출한다. 이하에서는, 연료 전지 스택(1)의 단자간 전압을 「스택 출력 전압」이라 한다. 전압 센서(52)에 의해 검출한 스택 출력 전압 데이터는, 컨트롤러(200)로 출력된다.
임피던스 측정 장치(6)는 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 측정하는 장치이다. 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스는, 전해질막(111)의 습윤 상태와 상관이 있다. 그 때문에, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 측정함으로써, 그 측정 결과에 기초하여, 전해질막(111)의 습윤 상태를 검출(추정)할 수 있다.
일반적으로, 전해질막의 함수량이 적어질수록, 즉 전해질막이 마를 기미가 될수록, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스는 커진다. 한편, 전해질막의 함수량이 많아질수록, 즉 전해질막이 습윤될 기미가 될수록, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스는 작아진다. 이 때문에, 전해질막(111)의 습윤 상태를 나타내는 파라미터로서, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스가 사용된다.
여기서, 임피던스 측정 장치(6)의 구성을 설명한다. 도 3은, 도 1에 도시하는 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 측정하기 위한 임피던스 측정 장치(6)의 회로도이다. 실선에 의해 나타나는 접속은, 전기적인 접속을 나타내고, 파선(대시 선)으로 나타나는 접속은, 전기 신호의 접속을 나타낸다.
이 임피던스 측정 장치(6)는 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(캐소드극측 단자)(1p)로부터 신장되는 단자(1B)와, 부극 단자(애노드극측 단자)(1n)로부터 신장되는 단자(1A)와, 중도 단자(1C)에 접속되어 있다. 또한, 중도 단자(1C)에 접속된 부분은 도면에 도시하는 바와 같이 접지되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 임피던스 측정 장치(6)는 정극측 전압 센서(62)와, 부극측 전압 센서(63)와, 정극측 전원부(64)와, 부극측 전원부(65)와, 교류 조정부(66)와, 임피던스 연산부(61)를 구비하고 있다.
정극측 전압 센서(62)는 단자(1B)와 중도 단자(1C)에 접속되고, 소정의 주파수에 있어서의 중도 단자(1C)에 대한 단자(1B)의 정극측 교류 전위차 V1을 측정하고, 교류 조정부(66) 및 임피던스 연산부(61)에 그 측정 결과를 출력한다. 부극측 전압 센서(63)는 중도 단자(1C)와 단자(1A)에 접속되고, 소정의 주파수에 있어서의 중도 단자(1C)에 대한 단자(1A)의 부극측 교류 전위차 V2를 측정하고, 교류 조정부(66) 및 임피던스 연산부(61)에 그 측정 결과를 출력한다.
정극측 전원부(64)는 예를 들어, 도시하지 않은 연산 증폭기에 의한 전압전류 변환 회로에 의해 실현되고, 단자(1B)와 중도 단자(1C)를 포함하는 폐회로에 소정의 주파수의 교류 전류 I1이 흐르도록, 교류 조정부(66)에 의해 제어된다. 또한, 부극측 전원부(65)는 예를 들어, 연산 증폭기(OP 증폭기)에 의한 전압전류 변환 회로에 의해 실현되고, 단자(1A)와 중도 단자(1C)를 포함하는 폐회로에 소정의 주파수의 교류 전류 I2가 흐르도록, 교류 조정부(66)에 의해 제어된다.
여기서, 「소정의 주파수」란, 전해질막(111)의 임피던스를 검출(측정)하기에 적합한 주파수이다. 이하, 이 소정의 주파수를 「전해질막 응답 주파수」라 한다.
교류 조정부(66)는 예를 들어, 도시하지 않은 PI 제어 회로에 의해 실현되고, 상술한 바와 같이 교류 전류 I1, I2가 각 폐회로에 흐르도록, 정극측 전원부(64) 및 부극측 전원부(65)에의 명령 신호를 생성한다. 이렇게 생성된 명령 신호에 따라서 정극측 전원부(64) 및 부극측 전원부(65)의 출력이 증감됨으로써, 각 단자 간의 교류 전위차 V1 및 V2가 모두 소정의 레벨(소정값)로 제어된다. 이에 의해, 교류 전위차 V1 및 V2는 등전위가 된다.
임피던스 연산부(61)는 도시하지 않은 AD 변환기나 마이크로컴퓨터 칩 등의 하드웨어, 및 임피던스를 산출하는 프로그램 등의 소프트웨어 구성을 포함한다. 임피던스 연산부(61)는 각 부(62, 63, 64, 65)로부터 입력된 교류 전압(V1, V2) 및 교류 전류(I1, I2)를 AD 변환기에 의해 디지털 수치 신호로 변환하고, 임피던스 측정을 위한 처리를 행한다.
구체적으로는, 임피던스 연산부(61)는 정극측 교류 전위차 V1의 진폭을 교류 전류 I1의 진폭으로 제산함으로써, 중도 단자(1C)부터 단자(1B)까지의 제1 임피던스 Z1을 산출한다. 또한, 임피던스 연산부(61)는 부극측 교류 전위차 V2의 진폭을 교류 전류 I2의 진폭으로 제산함으로써, 중도 단자(1C)부터 단자(1A)까지의 제2 임피던스 Z2를 연산한다. 또한, 임피던스 연산부(61)는 제1 임피던스 Z1과 제2 임피던스 Z2를 가산함으로써, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스 Z를 연산한다.
또한, 부하 장치(5)로서 DC/DC 컨버터를 구비하고 있는 경우에는, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 측정할 때에 컨트롤러(200)는 먼저, 그 DC/DC 컨버터에 연료 전지 스택(1)의 출력 전압을 승압시키면 된다. 이에 의해, 구동 인버터로부터 연료 전지 스택(1)측을 본 경우의 임피던스가 상승하여, 부하 변동이 있어도 임피던스 측정에 악영향을 주지 않는다고 하는 효과를 발휘한다.
도 3에서는, 도시의 사정상, 단자(1B) 및 단자(1A)를 연료 전지 스택(1)의 각 출력 단자에 직접적으로 접속하도록 도시하고 있다. 그러나, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 이러한 결선에 한하지 않고, 단자(1B) 및 단자(1A)는, 연료 전지 스택(1) 내에 적층되는 복수의 연료 전지의 가장 정극측의 연료 전지의 정극 단자와, 가장 부극측의 연료 전지의 부극 단자에 접속되어도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 임피던스 연산부(61)는 마이크로컴퓨터 칩 등의 하드웨어가 도시하지 않은 메모리에 미리 기억되어 있는 프로그램을 실행함으로써, 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 연산하는 구성으로 하고 있다. 그러나, 임피던스 연산부(61)는 이와 같은 구성에 제한하지 않는다. 예를 들어, 임피던스 연산부(61)는 아날로그 연산 IC를 사용한 아날로그 연산 회로로 실현되어도 된다. 아날로그 연산 회로를 사용함으로써, 시간적으로 연속한 임피던스의 변화를 출력할 수 있다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 임피던스 측정 장치(6)는 교류 전류 및 교류 전압으로서, 정현파 신호를 포함하는 교류 신호를 사용하고 있다. 그러나, 이들의 교류 신호는, 정현파 신호에 한하지 않고, 구형파 신호나 삼각파 신호, 톱니파 신호 등이어도 된다.
이하에서는, 전해질막 응답 주파수에 기초하여 측정되는 내부 임피던스를 HFR(High Frequency Resistance: 고주파수 저항)이라 한다. 임피던스 측정 장치(6)는 산출한 HFR을 컨트롤러(200)로 출력한다.
도 1로 돌아가서, 컨트롤러(200)는 도시하지 않지만, 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로컴퓨터로 구성된다.
컨트롤러(200)에는, 유량 센서(23), 압력 센서(24), 압력 센서(37), 입구 수온 센서(46), 출구 수온 센서(47), 전류 센서(51), 전압 센서(52), 및 임피던스 측정 장치(6)의 각 출력 신호와 부하 장치(5)의 요구 전력이 입력된다. 이들 신호는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 관한 파라미터로서 사용된다.
컨트롤러(200)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 따라, 컴프레서(22) 및 캐소드 압력 조절 밸브(26)를 제어함으로써, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 캐소드 가스의 유량 및 압력을 제어한다. 또한, 컨트롤러(200)는 애노드 압력 조절 밸브(33) 및 애노드 순환 펌프(36)를 제어함으로써, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 애노드 가스의 유량 및 압력을 제어한다. 또한, 컨트롤러(200)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 따라, 냉각수 펌프(42), 삼방 밸브(45) 및 라디에이터 팬(48)을 제어함으로써, 연료 전지 스택(1) 내의 각 연료 전지(10)의 온도(냉각수 온도 또는 스택 온도), 및 연료 전지 스택(1)에 공급한 캐소드 가스의 온도를 제어한다.
예를 들어, 컨트롤러(200)는 후술하는 바와 같이, 부하 장치(5)의 요구 전력에 기초하여, 캐소드 가스의 목표 유량 및 목표 압력과, 애노드 가스의 목표 유량 및 목표 압력과, 냉각수의 목표 온도(목표 냉각수 온도)를 연산한다. 컨트롤러(200)는 캐소드 가스의 목표 유량 및 목표 압력에 기초하여, 컴프레서(22)의 회전 속도와 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개방도를 제어한다. 또한, 컨트롤러(200)는 애노드 가스의 목표 유량 및 목표 압력에 기초하여, 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도와 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어한다.
또한, 컨트롤러(200)는 연료 전지 스택(1)의 발전 성능을 유지하기 위한 목표 냉각수 온도를 연산하고, 그 목표 냉각수 온도에 기초하여, 냉각수 펌프(42)의 회전 속도를 제어한다. 예를 들어, 컨트롤러(200)는 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도보다도 높은 경우에는, 냉각수 온도가 목표 냉각수 온도보다도 낮은 경우에 비하여, 냉각수 펌프(42)의 회전 속도를 높게 하도록 제어한다.
이러한 연료 전지 시스템(100)에서는, 각 전해질막(111)의 습윤도(함수량)가 너무 높아지거나 너무 낮아지거나 하면, 그 발전 성능이 저하된다. 연료 전지 스택(1)을 효율적으로 발전시키기 위해서는, 연료 전지 스택(1)의 전해질막(111)을 적당한 습윤도로 유지하는 것이 중요하다. 그 때문에, 컨트롤러(200)는 부하 장치(5)의 요구 전력을 확보할 수 있는 범위 내에 있어서, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태가 발전에 적합한 상태로 되도록, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 조작하고 있다.
이하에서는, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 건조(드라이)측으로 천이시키는 것, 즉, 전해질막(111)이 잉여적인 수분을 저감시키는 것을 「드라이 조작」이라 한다. 또한, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 습윤(웨트)측으로 천이시키는 것, 즉, 전해질막(111)의 수분을 증가시키는 것을 「웨트 조작」이라 한다.
본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 조작하는 습윤 제어를 위해서, 컨트롤러(200)는 캐소드 가스 유량, 캐소드 가스 압력, 애노드 가스 유량, 및 냉각수 온도 중 적어도 하나를 제어한다. 구체적인 습윤 제어에 대해서는, 후술한다.
이어서, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)을 제어하는 컨트롤러(200)의 제어 기능에 대하여 설명한다. 도 4는, 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)을 제어하는 컨트롤러(200)의 기능 구성의 일례를 도시하는 블록도이다. 또한, 도 4에 도시하는 컨트롤러(200)의 기능 블록도는, 본 발명에 따른 기능을 주로 하여 기재하고 있고, 연료 전지 시스템(100)의 통상 운전 제어에 관한 기능에 대해서는 일부 생략하고 있는 것도 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 컨트롤러(200)는 습윤 상태 검출부(210)와, 운전 상태 검출부(220)와, 습윤 상태 제어부(230)와, 우선 순위 설정부(240)와, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)를 구비한다. 또한, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 제어량 보완부(260)와, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)와, 냉각수 온도 제한부(280)를 포함한다.
습윤 상태 검출부(210)는 연료 전지 스택(1) 내의 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태를 검출한다. 구체적으로는, 습윤 상태 검출부(210)는 임피던스 측정 장치(6)에 의해 측정한 연료 전지 스택(1)의 HFR을 취득한다. 그리고, 습윤 상태 검출부(210)는 도시하지 않은 메모리에 미리 저장되어 있는 임피던스-습윤도 맵을 참조하여, 전해질막(111)의 습윤도를 검출한다. 검출한 습윤도 데이터는, 습윤 상태 제어부(230)로 출력된다. 또한, 이하에서는, 임피던스 측정 장치(6)로부터 출력되는 HFR을 「측정 HFR」이라 한다.
본 실시 형태에서는, 습윤 상태 검출부(210)는 임피던스 측정 장치(6)에 의해 측정한 연료 전지 스택(1)의 HFR에 기초하여, 연료 전지 스택(1) 내의 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태를 검출·연산하는 것으로서 설명하였다. 그러나, 습윤 상태 검출부(210)는 취득한 HFR을 그대로 후단으로 출력하고, 후단의 각 부가 그 HFR을 사용하여 제어를 행해도 된다.
운전 상태 검출부(220)는 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)에 의해 검출한 스택 입구 수온 데이터 및 스택 출구 수온 데이터를 취득하고, 스택 입구 수온과 스택 출구 수온의 평균값을 연산하고, 연료 전지 스택(1)의 스택 온도(냉각수 온도)를 검출한다. 또한, 운전 상태 검출부(220)는 전류 센서(51) 및 전압 센서(52)에 의해 검출한 연료 전지 스택(1)의 스택 출력 전류 데이터 및 스택 출력 전압 데이터를 취득하고, 스택 출력 전류와 스택 출력 전압을 승산함으로써, 연료 전지 스택(1)의 출력 전력을 검출한다.
또한, 운전 상태 검출부(220)는 유량 센서(23)에 의해 검출한 캐소드 가스 유량 데이터와, 압력 센서(24)에 의해 검출한 캐소드 가스 압력 데이터를 취득하고, 캐소드 가스 급배 장치(2)의 운전 상태를 검출한다. 마찬가지로, 운전 상태 검출부(220)는 압력 센서(37)에 의해 검출한 애노드 가스 압력 데이터를 취득하고, 애노드 가스 순환 유량을 추정함으로써, 애노드 가스 급배 장치(3)의 운전 상태를 검출한다.
또한, 운전 상태 검출부(220)는 컨트롤러(200) 내의 도시하지 않은 각종 연산부에 의해 연산한 각종 명령값 데이터도 취득한다. 각종 지시 데이터로서는, 컴프레서(22)의 회전 속도 데이터, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개방도 데이터, 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도 데이터, 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도 데이터, 냉각수 펌프(42)의 회전 속도 데이터, 삼방 밸브(45)의 각 노즐의 개방도 데이터, 및 라디에이터 팬(48)의 회전 속도 데이터를 적어도 포함한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 운전 상태 검출부(220)는 상술한 바와 같이, 취득한 데이터에 기초하여, 검출·연산을 하는 것으로서 설명하였다. 그러나, 운전 상태 검출부(220)는 습윤 상태 검출부(210)와 마찬가지로, 취득한 데이터를 그대로 후단으로 출력하고, 후단의 각 부가 그들 데이터를 사용하여 제어를 행해도 된다.
습윤 상태 제어부(230)는 애노드 가스 순환 유량을 포함하는 복수의 물리량을 조작(대응하는 액추에이터를 제어)함으로써, 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태를 제어한다. 습윤 상태 제어부(230)는 습윤 상태 검출부(210)에 의해 검출한 전해질막(111)의 측정 HFR과, 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 습윤도에 관한 운전 데이터를 취득하고, 현재의 물 수지를 연산함과 함께, 목표 물 수지를 연산한다. 그리고, 습윤 상태 제어부(230)는 연산한 목표 물 수지를 제어량 보완부(260)로 출력한다. 또한, 목표 물 수지는, 전해질막(111)의 습윤도와 상관이 있고, 전해질막(111)이 목표로 하는 습윤 상태에 대한 수분의 과부족을 나타내는 파라미터이다. 목표 물 수지는, 드라이 조작 시에는, 연료 전지 스택(1)에의 목표 급수·생성량(즉, 애노드 가스 순환 통로(35)를 통하여 공급되는 수량 및 전기 화학 반응에 의해 생성되는 수량)을 의미하고, 웨트 조작 시에는, 목표 배출 수량(즉, 캐소드 가스 배출 통로(25)를 통하여 배출되는 수량 및 퍼지 밸브(38)를 통하여 배출되는 수량)을 의미한다.
여기서, 습윤 상태 제어부(230)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여 설정된 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태 목표값과, 습윤 상태 검출부(210)에 의해 검출한 현재의 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태 검출값에 기초하여, 복수의 액추에이터(애노드 순환 펌프(36) 등)를 제어함으로써, 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태를 제어해도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서의 「물 수지」란, 연료 전지 스택(1)의 발전(전기 화학 반응)에 의해 생성된 수분량과, 애노드 가스 순환 통로(35)에 보유하고 있는 순환 보관수의 수분량을 가산하고, 그 가산값으로부터 캐소드 오프 가스 내에 포함되어서 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되어버린 수분량을 감산한 값을 말한다. 정상 상태에서는, 발전에 의해 생성된 수분량이 캐소드 오프 가스와 함께 배출되는 수분량과 대략 동등하기 때문에, 순환 보관수의 증감에 기초하여, 전해질막(111)의 습윤 상태가 결정되게 된다.
예를 들어, 습윤 상태 제어부(230)는 측정 HFR이 목표로 하는 값보다도 작은 경우에는, 전해질막(111)의 수분이 많다고 판정하고, 목표 물 수지로서 제로(0)보다도 작은 마이너스(부)의 값을 설정한다. 한편, 습윤 상태 제어부(230)는 측정 HFR이 목표로 하는 값보다도 큰 경우에는, 전해질막(111)의 수분이 적다고 판정하고, 목표 물 수지를 제로보다도 큰 플러스(정)의 값으로 설정한다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 「복수의 물리량」에는, 애노드 가스 순환 통로(35)에 흐르는 애노드 가스 순환 유량에 더하여, 컴프레서(22)로부터 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량(이하, 간단히 「캐소드 가스 유량」이라 한다) 및 압력(이하, 간단히 「캐소드 가스 압력」이라 한다)과, 냉각수 펌프(42)에 의해 연료 전지 스택(1)에 공급되는 냉각수의 온도(이하, 간단히 「냉각수 온도」라 한다)가 포함된다. 냉각수 온도로서는, 예를 들어, 스택 입구 수온을 이용해도 되고, 스택 입구 수온 및 스택 출구 수온의 평균값인 스택 온도를 이용해도 된다.
우선 순위 설정부(240)는 특히, 드라이 조작이나 웨트 조작의 개시 시를 위해서, 습윤 상태 제어부(230)에 의해 조작되는 복수의 물리량(즉, 애노드 가스 순환 유량, 캐소드 가스 유량, 캐소드 가스 압력, 및 냉각수 온도)에 대하여 정상적인 조작의 우선 순위를 설정한다. 우선 순위 설정부(240)는 드라이 조작의 경우에는, (1) 캐소드 가스 압력의 저하, (2) 애노드 가스 유량의 저하, (3) 냉각수 온도의 상승, (4) 캐소드 가스 유량의 증가의 순서로 우선도가 낮아져 가도록, 복수의 물리량에 우선 순위를 설정한다. 한편, 우선 순위 설정부(240)는 웨트 조작의 경우에는, (1) 캐소드 가스 유량의 저하, (2) 냉각수 온도의 저하, (3) 애노드 가스 유량의 증가, (4) 캐소드 가스 압력의 증가의 순서로 우선도가 낮아져 가도록, 복수의 물리량에 우선 순위를 설정한다.
여기서, 각 물리량의 제어 방법을 간단히 설명한다. 캐소드 가스 유량 제어는, 주로 컴프레서(22)에 의해 실행되고, 캐소드 가스 압력 제어는, 주로 캐소드 압력 조절 밸브(26)에 의해 실행된다. 또한, 애노드 가스 순환 유량 제어는, 주로 애노드 순환 펌프(36)에 의해 실행된다. 냉각수 온도 제어는, 주로 냉각수 펌프(42)에 의해 실행된다.
예를 들어, 드라이 조작에서는, 컨트롤러(200)의 애노드 가스 순환 유량 제어부(250) 및 제어량 보완부(260)는 연료 전지 스택(1)으로부터 배출하는 수분을 증가시키기 위해서, 캐소드 가스 압력을 낮게 하거나, 애노드 가스 유량을 작게 하거나, 냉각수 온도를 높게 하거나, 캐소드 가스 유량을 크게 하거나 한다. 한편, 웨트 조작에서는, 컨트롤러(200)의 애노드 가스 순환 유량 제어부(250) 및 제어량 보완부(260)는 캐소드 가스 유량을 작게 하거나, 냉각수 온도를 낮게 하거나, 애노드 가스 유량을 크게 하거나, 캐소드 가스 압력을 높게 하거나 한다. 또한, 캐소드 가스 압력의 증감에 의해 물 수지가 증감하는 것은, 캐소드 가스에 포함되는 수분(수증기)의 체적 유량이 변화하기 때문이다.
복수의 물리량에 대하여 이와 같이 우선 순위를 설정하는 것은, 습윤 상태 제어부(230)에 의해 연산한 목표 물 수지를 되도록 빨리 달성한다고 하는 목적에 추가로, 복수의 물리량을 제어하는 컴프레서(22), 캐소드 압력 조절 밸브(26), 애노드 순환 펌프(36), 및 냉각수 펌프(42)의 소비 전력이나 그 응답성을 고려했기 때문이다.
컴프레서(22)의 회전수의 상승은, 특히 소비 전력을 증가로 이어지고, 냉각수 펌프(42)나 애노드 순환 펌프(36)의 회전수 상승도 소비 전력의 증가로 이어진다. 한편, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개폐는 그다지 소비 전력을 소비하지 않는다. 그 때문에, 우선 순위 설정부(240)에 의해 설정되는 우선 순위는, 드라이 조작과 웨트 조작에서 정확히 반대로 되어 있다.
또한, 복수의 물리량을 동시에 제어하지 않고, 우선 순위를 붙여서 제어하고 있는 것은, 이들 보조 기기(22, 26, 36, 42)의 제어가 목표 물 수지에 대하여 얼마나 기여하고 있는지 실시간으로 확인할 수는 없어, 제어가 지나치게 행해지거나, 헌팅을 일으키거나 할 가능성이 있기 때문이다. 특히, 드라이 조작 제어가 지나치게 행해져버리는 경우에는, 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 파손이나 열화 등의 가능성도 있기 때문에, 본 실시 형태에서는, 복수의 물리량에 우선 순위를 붙여서 제어하도록 하고 있다.
애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 습윤 상태 검출부(210)에 의해 검출한 전해질막(111)의 습윤 상태에 기초하여, 애노드 가스 순환 통로(35)에 흐르는 애노드 가스 순환 유량을 제어한다. 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 추정한 애노드 가스 순환 유량과, 부하 장치(5)로부터 입력되는 부하 장치(5)의 요구 전력과, 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 연료 전지 스택(1)의 출력 전력에 기초하여, 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어함과 함께, 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도를 제어한다. 이에 의해, 애노드 가스 순환 통로(35)를 순환하는 애노드 가스 순환 유량을 제어할 수 있다.
또한, 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도가 소정의 속도 이하의 상태(애노드 순환 펌프(36)를 정지시키는 아이들 스톱 제어 시를 포함한다)로 회전 속도를 상승시키는 과도 상태에 있어서는, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 후술하는 바와 같은 목표 애노드 가스 순환 유량을 연산한다. 여기서, 상술한 바와 같이, 도 2에 도시하는 애노드 가스 유로(121)에 흐르는 애노드 가스는, 캐소드 가스 유로(131)의 하류측으로부터 전해질막(111)을 통하여 누설(투과)해 온 수증기에 의해 가습된다. 가습된 애노드 가스의 순환 유량을 증가시키면, 애노드 가스에 포함되는 수분이, 애노드 가스 유로(121)의 상류부터 하류까지 널리 퍼지기 쉬워져, 연료 전지 스택(1)의 습윤도가 증가하기 쉬워진다.
그로 인해, 예를 들어, 드라이 조작의 개시 시에는, 애노드 가스 유로(121) 내의 상태를 고려하면, 애노드 가스 순환 유량을 작게 하므로, 연료 전지 스택(1)으로부터 반출되는 수분에 대하여 연료 전지 스택(1)에 유입되어 오는 수분이 많아진다. 그로 인해, 드라이 조작의 개시 시에는, 과도적으로 웨트 조작이 행해지게 되어버린다.
한편, 웨트 조작의 개시 시에는, 애노드 가스 유로(121) 내의 상태를 고려하면, 애노드 가스 순환 유량을 크게 하므로, 연료 전지 스택(1)으로부터 반출되는 수분에 대하여 연료 전지 스택(1)에 유입되어 오는 수분이 적어진다. 그로 인해, 웨트 조작의 개시 시에는, 과도적으로 드라이 조작이 행해지게 되어버린다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에서는, 이러한 문제를 저감 또는 억제하기 위해서, 후술하는 바와 같이, 애노드 가스 순환 유량을 증감시키는 경우에는, 애노드 가스 순환 유량의 변화율(변화량)을 제한함과 함께, 기타의 물리량을 우선 순위에 따라서 제어하고 있다.
제어량 보완부(260)는 후술하는 바와 같이, 적어도 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)에 의해 애노드 가스 순환 유량의 변화율이 제한되어 있는 경우에는, 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분(목표 물 수지에 도달하기 위하여 필요한 제어량분)에 대해서, 우선 순위 설정부(240)에 의해 설정된 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 물리량의 조작으로 보완한다. 제어량 보완부(260)의 동작에 대해서는, 상세하게 후술한다.
애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 상술한 바와 같이, 드라이 조작이나 웨트 조작의 개시 시에 과도적으로 역의 조작을 행해버리는 것을 억제하기 위해서, 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율(또는 변화량)을 제한한다.
본 실시 형태에서는, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 드라이 조작에 있어서는, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)에 의해 설정되는 목표 애노드 가스 순환 유량이 현재의 애노드 가스 순환 유량보다도 작은 경우에, 그 목표 애노드 가스 순환 유량의 변화율을 제한하도록 명령값(제한값)을 설정한다.
또한, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 웨트 조작에 있어서는, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)에 의해 설정되는 목표 애노드 가스 순환 유량이 현재의 애노드 가스 순환 유량보다도 큰 경우에, 그 목표 애노드 가스 순환 유량의 변화율을 제한하도록 명령값을 설정한다.
여기서, 애노드 가스 순환 유량에 대한 변화율의 제한값을 결정하는 방법의 일례에 대하여 간단히 설명한다. 애노드 가스 순환 유량에 대한 변화율은, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스가 애노드 가스 순환 통로(35), 이젝터(34) 및 애노드 가스 공급 통로(32)를 통하여 연료 전지 스택(1)으로 되돌아 올 때까지의 시간을 감안하여 결정한다. 특히, 애노드 가스 순환 통로(35)가 길어, 일순할 때까지 시간이 걸리는 경우에도, 과도적인 역조작이 되지 않는 변화율이 결정된다.
구체적으로는, 이하의 연산식에 의해 연산된다. 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 이 연산식 (1), (2)에 기초하여, 예를 들어, 10m초마다 연산을 행하고, 애노드 가스 순환 유량의 변화율을 제어한다.
상승측 제한:
Figure pct00001
하강측 제한:
Figure pct00002
여기서, 각 문자는 이하의 내용을 나타낸다.
tmax: 최저 유량으로 애노드 가스 순환 통로(35)를 일순(일주)하는데 걸리는 시간,
ΔQ: 최저 유량과 최대 유량과의 차,
Δt: 제어 주기(본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 10m초),
Qn: 현재의 목표 유량,
Qtarget: 변화율 제한 없는 다음번 목표 유량,
Qn +1: 다음번 목표 유량.
냉각수 온도 제한부(280)는 드라이 조작의 개시 시에 과도적으로 역의 조작을 행해버리는 것을 억제하기 위해서, 전해질막(111)의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 냉각수의 온도의 단위 시간당의 변화율을 제한한다. 본 실시 형태에서는, 냉각수 온도 제한부(280)는 드라이 조작에 있어서의 냉각수 온도보다도 우선 순위가 높은 물리량, 즉, 캐소드 가스 압력 및 애노드 가스 유량의 제어를 행했다고 해도, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)에 의한 목표 애노드 가스 순환류의 변화율의 제한이 완료되지 않은 경우에만, 냉각수 온도의 단위 시간당의 변화율을 제한한다.
냉각수 온도에 대한 변화율의 제한값을 결정하는 방법의 일례에 대하여 간단히 설명한다. 냉각수 온도에 대한 변화율은, 드라이 조작의 과도 시에 있어서, 냉각수 온도보다도 우선 순위가 낮은 캐소드 가스 유량에 의한 보완이 작용하도록, 캐소드 가스 유량에 대한 응답 시간(시상수나 정정 시간)을 감안하여 결정한다. 이 경우, 목표 냉각수 온도에 대한 응답 시간이 길수록, 냉각수 온도에 대한 변화율이 엄격하게 제한되도록 결정한다. 특히, 냉각수 온도의 응답성은, 다른 물리량에 비교하여 완만하므로, 제어가 지나치게 행해지지 않도록 변화율을 결정한다.
구체적으로는, 이하의 연산식에 의해 연산된다. 냉각수 온도 제한부(280)는 이 연산식에 기초하여, 예를 들어, 10m초마다 연산을 행하여, 냉각수 온도의 변화율을 제어한다.
상승측 제한:
Figure pct00003
하강측 제한:
Figure pct00004
여기서, 각 문자는 이하의 내용을 나타낸다.
τmax: 캐소드 가스 유량의 응답(정정) 시간,
ΔTmax: 최저 냉각수 온도와 최고 냉각수 온도의 차,
Δt: 제어 주기(본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 10m초),
Tn: 현재의 목표 냉각수 온도,
Ttarget: 변화율 제한 없는 다음번 목표 냉각수 온도,
Tn +1: 다음번 목표 냉각수 온도.
여기서, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270) 및 냉각수 온도 제한부(280)의 제어량의 변화율의 제한 방법의 일례를 설명한다. 도 5 및 도 6은, 도 4에 도시하는 애노드 가스 순환 유량 제한부 및 냉각수 온도 제한부의 변화율의 제한 방법의 일례를 도시하는 도면이다. 또한, 점선은, 제어량의 변화율을 제한하지 않는 경우의 명령값을 나타내고, 실선은, 제어량의 변화율을 제한한 경우의 명령값을 나타낸다. 또한, 본 예에서는, 제어량을 증가시키는 경우만을 도시하지만, 제어량을 감소시키는 경우에는, 초기값과 최종 명령값의 평균값을 나타내는 선(S)(도 5의 (a) 참조)에 대하여 선 대칭으로 한 명령값이 된다.
도 5의 (a)는 제어량의 변화율을 단순히 제한한 것이다. 단위 시간당의 명령값의 변화량을 일정, 즉, 과도 시에 있어서의 시간에 대한 명령값의 기울기를 일정하게 함으로써, 이 제어량의 변화율의 제한을 설정할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270) 및 냉각수 온도 제한부(280)의 제어량의 변화율의 제한 방법은, 이러한 단순한 변화율의 제한에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 1차 지연 처리(도 5의 (b) 참조)나 2차 지연 처리(도 5의 (c) 참조)를 사용하여 제어량의 변화율을 제한해도 된다.
또한, 도 6의 (a)∼도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 도 5의 (a)∼도 5의 (c)에 도시하는 변화율의 제한 방법에 대하여 낭비 시간을 먼저 설정함으로써, 애노드 가스 순환 유량이나 냉각수 온도의 변화율을 더욱 완만하게 해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 1차 지연이나 2차 지연뿐만 아니라, 비선형 필터 등에 의해 변화율을 제한해도 된다.
애노드 가스 순환 유량 제어부(250), 및 그 중의 제어량 보완부(260), 애노드 가스 순환 유량 제한부(270) 및 냉각수 온도 제한부(280)에 의해 연산된 각종 명령값은, 대상으로 되는 컴프레서(22), 캐소드 압력 조절 밸브(26), 애노드 압력 조절 밸브(33) 및 냉각수 펌프(42)의 각각으로 출력된다.
이어서, 본 실시 형태의 컨트롤러(200)의 제어량 보완부(260)의 기능에 대해서, 드라이 조작의 경우와 웨트 조작의 경우로 나누어서 설명한다.
먼저, 드라이 조작의 경우 컨트롤러(200)의 제어량 보완부(260)의 기능에 대하여 설명한다. 도 7은, 도 4에 도시하는 제어량 보완부(260)의 드라이 조작에 있어서의 기능 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 여기에서는, 컨트롤러(200)에 의해 드라이 조작을 실행할 때의 제어 파라미터가 나타나 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)를 포함한다. 또한, 제어량 보완부(260)는 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)와, 목표 냉각수 온도 연산부(262)와, 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)를 포함한다.
본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 우선 순위 설정부(240)에 의해, 드라이 조작에 있어서는, 도면의 위에서부터 순차적으로 제어 대상의 우선 순위가 높게 설정되어 있다. 이하, 우선 순위가 높은 순서로 각 연산부(261∼263, 251)가 대응하는 목표 제어량을 연산한다.
먼저, 습윤 상태 제어부(230)는 습윤 상태 검출부(210)에 의해 검출한 전해질막(111)의 습윤도 데이터와, 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 습윤도에 관한 운전 데이터를 취득하고, 현재의 물 수지를 연산함과 함께, 목표 물 수지를 연산한다. 연산한 목표 물 수지는, 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261), 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251), 목표 냉각수 온도 연산부(262), 및 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)의 각각으로 출력된다.
계속해서, 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 설정하기 위한 캐소드 가스 압력의 목표값(이하, 「목표 캐소드 가스 압력」이라 한다)을 연산한다. 본 실시 형태에서는, 캐소드 가스 압력은, 드라이 조작에 있어서 우선 순위가 가장 높은 물리량이다.
목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 목표 물 수지와, 컨트롤러(200)가 도시하지 않은 메모리에 미리 보존되어 있는 각 펌프·컴프레서의 정격치에 기초하여, 목표 캐소드 가스 압력을 연산한다. 각 펌프·컴프레서의 정격치는, 애노드 순환 펌프(36)에 의한 토출 가능한 애노드 가스 순환 유량의 최댓값(이하, 「최대 애노드 가스 순환 유량」이라 한다)과, 냉각수 펌프(42)에 의해 냉각 불필요한 냉각수 온도의 최저값(이하, 「최저 냉각수 온도」라 한다)과, 컴프레서(22)에 의해 토출 가능한 캐소드 가스 유량의 최솟값(최소 캐소드 가스 유량)을 포함한다. 이와 같이, 우선 순위가 가장 높은 물리량을 연산하는 경우에는, 기타의 물리량에 대한 제어가 드라이 조작에 전혀 기여하지 않도록 설정된다.
구체적으로는, 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 목표 물 수지와, 최대 애노드 가스 순환 유량과, 최저 냉각수 온도와, 최소 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 캐소드 가스 압력을 연산한다. 그리고, 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 연산한 목표 캐소드 가스 압력에 기초하여, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 목표 개방도를 연산하고, 그 연산한 목표 개방도에 기초하여, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개폐를 제어한다.
목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 목표 물 수지가 작아질수록, 전해질막(111)의 습윤도(수분)를 저감시키기 때문에, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개방도를 커지도록 설정한다. 이에 의해, 연료 전지(10)의 캐소드 가스 유로(131) 내의 수분 체적 유량이 증가하여, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 수분이 늘어나게 된다.
계속해서, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 애노드 가스 순환 통로(35)를 순환하는 애노드 가스의 순환 유량을 설정하기 위한 애노드 가스 순환량의 목표값(이하, 「목표 애노드 가스 순환 유량」이라 한다)을 연산한다. 본 실시 형태에서는, 애노드 가스 순환 유량은, 드라이 조작에 있어서 우선 순위가 두번째로 높은 물리량이다. 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 목표 물 수지와, 캐소드 가스 압력의 계측값과, 최저 냉각수 온도와, 최소 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 애노드 가스 순환 유량을 연산한다. 이와 같이, 우선 순위가 낮아짐에 따라서, 자신의 우선 순위보다도 높은 우선 순위의 물리량에 대해서는, 실측값 또는 추정값 등을 사용하여, 대상으로 되는 목표값을 연산하게 된다. 이에 의해, 우선 순위가 높은 물리량의 제어만으로는 원하는 물 수지(습윤도)까지 도달하지 않을 때에, 다음으로 우선 순위가 높은 물리량의 제어에 의해 드라이 조작의 제어량(습윤 상태의 제어량분)을 보완할 수 있다.
구체적으로는, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 압력 센서(24)에 의해 검출되어, 운전 상태 검출부(220)로 출력된 캐소드 가스 압력(이하, 「계측 캐소드 가스 압력」이라고도 한다)을 취득한다. 그리고, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 목표 물 수지와, 계측 캐소드 가스 압력과, 최저 냉각수 온도와, 최소 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 애노드 가스 순환 유량을 연산한다. 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 연산한 목표 애노드 가스 순환 유량을 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)로 출력한다.
애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 현재의 애노드 가스 순환 유량(도 4 참조)과, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)로부터 취득한 목표 애노드 가스 순환 유량에 기초하여, 애노드 가스 순환 유량의 단위 제어 시간(본 실시 형태에서는, 10m초)당의 변화율을 제한하기 위한 제한값을 연산한다.
애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 애노드 가스 순환 유량의 명령값으로서, 상기 연산한 명령값(회전 속도의 제한값)을 애노드 순환 펌프(36)로 출력한다. 애노드 순환 펌프(36)는 이 명령값에 기초하여, 서서히 회전 속도를 낮추어 간다. 이와 같이, 애노드 가스 순환 유량의 목표값을 비교적 큰 스텝상의 명령값으로 제어하지 않고, 미소한 계단상의 (또는, 연속적인 기울기를 갖는) 명령값으로 제어함으로써, 드라이 조작의 과도 상태에 있어서, 연료 전지 스택(1) 내의 연료 전지(10)의 전해질막(111)이 제어 방향과는 역인 웨트 상태로 되는 것을 효과적으로 경감·억제할 수 있다.
계속해서, 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 연료 전지 스택(1)을 냉각하기 위한 냉각수 온도를 설정하기 위한 냉각수 온도의 목표값(이하, 「목표 냉각수 온도」라 한다)을 연산한다. 본 실시 형태에서는, 냉각수 온도는, 드라이 조작에 있어서 우선 순위가 세번째로 높은 물리량이다. 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 목표 물 수지와, 계측 캐소드 가스 압력과, 애노드 가스 순환 유량의 추정값과, 최소 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 냉각수 온도를 연산한다.
구체적으로는, 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 애노드 가스 급배 장치(3)의 운전 상태에 기초하여 운전 상태 검출부(220)에 의해 추정한 애노드 가스 순환 유량의 추정값(이하, 「추정 애노드 가스 순환 유량」이라 한다)을 취득한다. 그리고, 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 목표 물 수지와, 계측 캐소드 가스 압력과, 추정 애노드 가스 순환 유량과, 최소 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 냉각수 온도를 연산한다. 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 연산한 목표 냉각수 온도를 냉각수 온도 제한부(280)로 출력한다.
냉각수 온도 제한부(280)는 냉각수 온도보다도 우선 순위가 높은 물리량의 제어, 즉, 캐소드 가스 압력 및 애노드 가스 순환 유량의 제어에서는 목표 물 수지를 달성할 수 있는지 여부를 판정한다. 냉각수 온도 제한부(280)는 목표 물 수지를 달성할 수 없다고 판정한 경우에는, 냉각수 온도의 단위 제어 시간당(본 실시 형태에서는, 10m초)의 변화율을 제한하기 위한 제한값을 연산한다. 즉, 냉각수 온도 제한부(280)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 현재의 냉각수 온도(도 4 참조)와, 목표 냉각수 온도 연산부(262)로부터 취득한 목표 냉각수 온도에 기초하여, 냉각수 온도의 단위 제어 시간(본 실시 형태에서는, 10m초)당의 변화율을 제한하기 위한 제한값을 연산한다.
냉각수 온도 제한부(280)는 냉각수 온도의 명령값으로서, 상기 연산한 명령값(회전 속도의 제한값)을 냉각수 펌프(42)로 출력한다. 냉각수 펌프(42)는 이 명령값에 기초하여, 서서히 회전 속도를 낮추어 간다. 이와 같이, 냉각수 온도의 목표값을 비교적 큰 스텝상의 명령값으로 제어하지 않고, 미소한 계단상의(또는, 연속적인 기울기를 갖는) 명령값으로 제어함으로써, 드라이 조작의 과도 상태에 있어서, 연료 전지 스택(1) 내의 연료 전지(10)의 전해질막(111)이 제어 방향과는 역인 웨트 상태가 되는 것을 효과적으로 경감·억제할 수 있다.
또한, 냉각수 온도 제한부(280)는 목표 물 수지를 달성할 수 있다고 판정한 경우에는, 냉각수 온도의 변화율의 제한값을 연산하지 않고, 목표 냉각수 온도 연산부(262)에 의해 연산한 목표 냉각수 온도에 기초하여, 냉각수 펌프(42)의 회전 속도를 연산하고, 연산한 회전 속도를 명령값으로 하여 냉각수 펌프(42)로 출력한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 냉각수 온도(스택 입구 수온 또는 스택 온도)를 제어하기 위해서, 냉각수 펌프(42)의 회전 속도를 파라미터로서 사용하고 있다. 그러나, 필요에 따라, 삼방 밸브(45)의 각 노즐의 개방도나 라디에이터 팬(48)의 회전 속도 등도 파라미터로서 이용해도 된다.
계속해서, 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 설정하기 위한 캐소드 가스 유량의 목표값(이하, 「목표 캐소드 가스 유량」이라 한다)을 연산한다. 본 실시 형태에서는, 캐소드 가스 유량은, 드라이 조작에 있어서 우선 순위가 네번째로 높은(즉, 가장 낮은) 물리량이다. 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 목표 물 수지와, 계측 캐소드 가스 압력과, 추정 애노드 가스 순환 유량과, 냉각수 온도의 계측값에 기초하여, 목표 캐소드 가스 유량을 연산한다.
구체적으로는, 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 취득·연산한 냉각수 온도의 계측값(이하, 「계측 냉각수 온도」라 한다)을 취득한다. 그리고, 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 목표 물 수지와, 계측 캐소드 가스 압력과, 추정 애노드 가스 순환 유량과, 계측 냉각수 온도에 기초하여, 목표 캐소드 가스 유량을 연산한다. 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 연산한 목표 캐소드 가스 유량에 기초하여, 컴프레서(22)의 목표 회전 속도를 연산하고, 그 연산한 목표 회전 속도에 기초하여, 컴프레서(22)의 운전을 제어한다.
이어서, 연료 전지 시스템(100)의 드라이 조작에 있어서의 각 물리량의 상태 변화에 대하여 설명한다. 먼저, 본 실시 형태의 애노드 가스 순환 유량 제한부(270) 및 냉각수 온도 제한부(280)를 구비하고 있지 않은 종래의 연료 전지 시스템의 동작을 설명한다.
도 8은, 종래의 연료 전지 시스템에 있어서의 드라이 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다. 또한, 도 8에 있어서의 점선은 명령값을 나타내고, 실선은 실제의 값을 나타낸다. 또한, 도 8에서는, 애노드 가스 순환 유량보다도 우선 순위가 높은 냉각수 온도의 타임차트를 생략하고 있다.
이 경우, 애노드 가스 순환 유량의 명령값이 스텝상으로 변화하고 있으므로, 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도를 급격하게 저하시키게 된다. 이에 의해, 애노드 가스 순환 유량이 급격하게 감소한다. 그 때문에, 캐소드 가스 압력 및 캐소드 가스 유량은, 초기의 명령값에 대하여 거의 상승·증가하지 않고, 도중에 명령값에 따라붙고, 그 후에는 추종하여 저하되고, 최종적으로 정상 상태로 된다.
그러나, 애노드 가스 순환 유량의 급격한 감소에 의해, 연료 전지 스택(1) 내의 수분은, 과도 상태에서는, 배출되는 양보다도 유입되어 오는 양이 많아진다. 그리고, 도시한 바와 같이, 물 수지는, 목표 물 수지에 기초하여 저하시킬 필요가 있음에도 불구하고, 과도 상태에서는 상승해버린다.
즉, 연료 전지 스택(1)의 연료 전지(10) 내에서는, 과도적으로 과습윤의 상태로 되고, 애노드 가스 유로(121)의 출구 부근에 있어서, 물이 막혀버려, 연료 전지(10) 내의 애노드 가스(수소)가 결핍될 가능성이 발생한다.
계속해서, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 드라이 조작 시의 각 물리량의 상태 변화에 대하여 설명한다. 여기에서는, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)만이 물리량의 변화율의 제한을 하는 경우(도 9 참조)와, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270) 및 냉각수 온도 제한부(280)의 양쪽이 물리량의 변화율의 제한을 하는 경우(도 10 참조)를 각각 설명한다.
도 9는, 애노드 가스 순환 유량의 변화율을 제한한 경우에 있어서의 드라이 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다. 또한, 도 9에 있어서의 점선은 명령값을 나타내고, 실선은 실제의 값을 나타낸다. 또한, 도 9에서는, 캐소드 가스 압력의 타임차트를 생략하고 있다.
먼저, 도시하지 않은 캐소드 가스 압력의 명령값에 기초하여, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개방도가 증가한다. 애노드 가스 순환 유량에는, 변화율의 제한이 걸려 있기 때문에, 애노드 가스 순환 유량의 명령값은 천천히 감소한다. 그로 인해, 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도는, 변화율 제한의 명령값에 기초하여, 서서히 저하되어 간다. 또한, 본 예에서는, 변화율의 제한에 의해, 애노드 가스 순환 유량의 제어만으로는 목표 물 수지에 도달할 수 없으므로, 계속해서, 냉각수 온도의 제어를 행하고, 또한 캐소드 가스 유량의 제어를 행한다. 냉각수 온도 및 캐소드 가스 유량은, 초기의 명령값까지 상승하지 않고, 도중에 명령값에 따라붙고, 그 후에는 추종하여 저하되고, 최종적으로 정상 상태로 된다.
한편, 애노드 가스 순환 유량은, 다른 물리량의 제어가 추종함으로써, 도중부터 더 저하 속도가 느려지고, 최종적으로 정상 상태로 된다. 이러한 제어를 행함으로써, 도시한 바와 같이, 물 수지는, 스텝상의 초기 명령값에 단시간에 도달하는 경우는 없지만, 과도 상태에 있어서, 제어 방향(감소 방향)과는 역방향으로 늘어나는 것 없이, 확실하게 감소되어 간다. 이와 같이, 도 9에 도시하는 제어에 의하면, 물 수지가 제어 방향은 역방향의 제어가 되는 경우가 없으므로, 종래와 같은 애노드 가스의 결핍을 방지할 수 있다.
도 10은, 애노드 가스 순환 유량 및 냉각수 온도의 변화율을 제한한 경우에 있어서의 드라이 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다. 또한, 도 10에 있어서의 점선은 명령값을 나타내고, 실선은 실제의 값을 나타낸다. 또한, 도 10에서는, 도 9와 마찬가지로, 캐소드 가스 압력의 타임차트를 생략하고 있다.
먼저, 도시하지 않은 캐소드 가스 압력의 명령값에 기초하여, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개방도가 증가한다. 애노드 가스 순환 유량에는, 변화율의 제한이 걸려 있기 때문에, 애노드 가스 순환 유량의 명령값은 천천히 감소한다. 그로 인해, 애노드 순환 펌프의 회전 속도는, 변화율 제한의 명령값에 기초하여, 서서히 저하되어 간다.
본 예에서는, 애노드 가스 순환 유량의 제어만으로는 목표 물 수지에 도달할 수 없으므로, 냉각수 온도 및 캐소드 가스 유량의 제어를 행하는데, 냉각수 온도에 대해서도, 변화율의 제한이 걸려 있다. 그 때문에, 도시한 바와 같이, 냉각수 온도의 명령값은 서서히 상승하고, 어느 정도의 상승 후 저하되고, 정상 상태로 된다. 냉각수 온도의 명령값에 대응하여, 냉각수 펌프(42)의 회전 속도 명령값은, 서서히 상승하고, 도중부터 저하되게 된다.
냉각수 온도는, 제어의 응답성이 낮기 때문에, 명령값에 추종하지 않고, 정상 상태로 된다. 또한, 캐소드 가스 유량은, 초기의 명령값까지 상승하지 않고, 도중에 명령값에 따라붙고, 그 후에는 추종하여 저하되고, 최종적으로 정상 상태로 된다.
본 예에서는, 도 9에 도시하는 제어에 비하여, 물 수지가 목표 물 수지에 도달할 때까지의 시간이 다소 길어져버린다. 그러나, 물 수지가 제어 방향과는 역방향의 제어가 되는 것을 확실하게 방지할 수 있으므로, 종래와 같은 애노드 가스의 결핍을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
이어서, 웨트 조작의 경우 컨트롤러(200)의 제어량 보완부(260)의 기능에 대하여 설명한다. 도 11은, 도 4에 도시하는 제어량 보완부(260)의 웨트 조작에 있어서의 기능 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 여기에서는, 컨트롤러(200)에 의해 웨트 조작을 실행할 때의 제어 파라미터가 나타나 있다. 도 11에 도시한 바와 같이, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)를 포함한다. 또한, 제어량 보완부(260)는 드라이 조작의 경우와 마찬가지로, 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)와, 목표 냉각수 온도 연산부(262)와, 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)를 포함한다.
본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 우선 순위 설정부(240)에 의해, 웨트 조작에 있어서는, 도면의 아래부터 순서대로 제어 대상의 우선 순위가 높게 설정되어 있다. 이하, 우선 순위가 높은 순서로 각 연산부(263∼261, 251)가 대응하는 목표 제어량을 연산한다.
먼저, 습윤 상태 제어부(230)는 습윤 상태 검출부(210)에 의해 검출한 전해질막(111)의 습윤도 데이터와, 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 습윤도에 관한 운전 데이터를 취득하고, 현재의 물 수지를 연산함과 함께, 목표 물 수지를 연산한다. 연산한 목표 물 수지는, 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261), 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251), 목표 냉각수 온도 연산부(262), 및 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)의 각각으로 출력된다.
계속해서, 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 설정하기 위한 목표 캐소드 가스 유량을 연산한다. 본 실시 형태에서는, 캐소드 가스 유량은, 웨트 조작에 있어서 우선 순위가 가장 높은 물리량이다.
목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 목표 물 수지와, 컨트롤러(200)가 도시하지 않은 메모리에 미리 보존되어 있는 각 펌프·컴프레서의 가장 드라이 조작을 행했을 때의 정격치(이하, 「최드라이 조작 정격치」라 한다)에 기초하여, 목표 캐소드 가스 유량을 연산한다. 최드라이 조작 정격치는, 연료 전지 시스템(100)에 있어서 가장 드라이 조작을 행할 때의 각 명령값이며, 최드라이 조작 시에 있어서의 캐소드 가스 압력(이하, 「최드라이 캐소드 가스 압력」이라 한다)과, 애노드 가스 순환 유량(이하, 「최드라이 애노드 가스 순환 유량」이라 한다)과, 냉각수 온도(이하, 「최드라이 냉각수 온도」라 한다)를 포함한다. 이와 같이, 우선 순위가 가장 높은 물리량을 연산하는 경우에는, 기타의 물리량에 대한 제어가 웨트 조작에 전혀 기여하지 않도록 설정된다.
구체적으로는, 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 목표 물 수지와, 최드라이 캐소드 가스 압력과, 최드라이 애노드 가스 순환 유량과, 최드라이 냉각수 온도에 기초하여, 목표 캐소드 가스 유량을 연산한다. 그리고, 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 연산한 목표 캐소드 가스 유량에 기초하여, 컴프레서(22)의 목표 회전 속도를 연산하고, 그 연산한 목표 회전 속도에 기초하여, 컴프레서(22)의 운전을 제어한다.
목표 캐소드 가스 유량 연산부(263)는 목표 물 수지가 커질수록, 전해질막(111)의 습윤도(수분)를 증가시키기 때문에, 컴프레서(22)의 회전 속도를 작아지도록 설정한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 수분이 줄어들게 된다.
계속해서, 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 연료 전지 스택(1)을 냉각하기 위한 냉각수 온도를 설정하기 위한 목표 냉각수 온도를 연산한다. 본 실시 형태에서는, 냉각수 온도는, 웨트 조작에 있어서 우선 순위가 두번째로 높은 물리량이다. 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 목표 물 수지와, 최드라이 캐소드 가스 압력과, 최드라이 애노드 가스 순환 유량과, 캐소드 가스 유량의 계측값(이하, 「계측 캐소드 가스 유량」이라 한다)에 기초하여, 목표 냉각수 온도를 연산한다. 이와 같이, 우선 순위가 낮아짐에 따라서, 자신의 우선 순위보다도 높은 우선 순위의 물리량에 대해서는, 실측값 또는 추정값 등을 사용하여, 대상으로 되는 목표값을 연산하게 된다. 이에 의해, 우선 순위가 높은 물리량의 제어만으로는 원하는 물 수지(습윤도)까지 도달하지 않을 때에, 다음으로 우선 순위가 높은 물리량의 제어에 의해 웨트 조작의 제어량(습윤 상태의 제어량분)을 보완할 수 있다.
구체적으로는, 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 유량 센서(23)에 의해 검출되어, 운전 상태 검출부(220)로 출력된 캐소드 가스 유량(이하, 「계측 캐소드 가스 유량」이라고도 한다)을 취득한다. 그리고, 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 목표 물 수지와, 최드라이 캐소드 가스 압력과, 최드라이 애노드 가스 순환 유량과, 계측 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 냉각수 온도를 연산한다. 목표 냉각수 온도 연산부(262)는 연산한 목표 냉각수 온도에 기초하여, 냉각수 펌프(42)의 목표 회전 속도를 연산하고, 그 연산한 목표 회전 속도에 기초하여, 냉각수 펌프(42)의 운전을 제어한다.
계속해서, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 애노드 가스 순환 통로(35)를 순환하는 애노드 가스의 순환 유량을 설정하기 위한 목표 애노드 가스 순환 유량을 연산한다. 본 실시 형태에서는, 애노드 가스 순환 유량은, 웨트 조작에 있어서 우선 순위가 세번째로 높은 물리량이다. 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 목표 물 수지와, 최드라이 캐소드 가스 압력과, 냉각수 온도의 계측값과, 계측 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 애노드 가스 순환 유량을 연산한다.
구체적으로는, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 취득·연산한 냉각수 온도의 계측값(이하, 「계측 냉각수 온도」라 한다)을 취득한다. 그리고, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 목표 물 수지와, 최드라이 캐소드 가스 압력과, 계측 냉각수 온도와, 계측 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 애노드 가스 순환 유량을 연산한다. 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)는 연산한 목표 애노드 가스 순환 유량을 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)로 출력한다.
애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 현재의 애노드 가스 순환 유량(도 4 참조)과, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산부(251)로부터 취득한 목표 애노드 가스 순환 유량에 기초하여, 애노드 가스 순환 유량의 단위 제어 시간(본 실시 형태에서는, 10m초)당의 변화율을 제한하기 위한 제한값을 연산한다.
애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 애노드 가스 순환 유량의 명령값으로서, 상기 연산한 명령값(회전 속도의 제한값)을 애노드 순환 펌프(36)로 출력한다. 애노드 순환 펌프(36)는 이 명령값에 기초하여, 서서히 회전 속도를 높여 간다. 이와 같이, 애노드 가스 순환 유량의 목표값을 비교적 큰 스텝상의 명령값으로 제어하지 않고, 미소한 계단상의(또는, 연속적인 기울기를 갖는) 명령값으로 제어함으로써, 웨트 조작의 과도 상태에 있어서, 연료 전지 스택(1) 내의 연료 전지(10)의 전해질막(111)이 제어 방향과는 역인 드라이 상태가 되는 것을 효과적으로 경감·억제할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지(10) 내의 전해질막(111)이 파손 또는 열화될 가능성을 효과적으로 억제할 수 있다.
계속해서, 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 설정하기 위한 목표 캐소드 가스 압력을 연산한다. 본 실시 형태에서는, 캐소드 가스 압력은, 웨트 조작에 있어서 우선 순위가 네번째로 높은(즉, 가장 낮은) 물리량이다. 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 목표 물 수지와, 애노드 가스 순환 유량의 추정값과, 계측 냉각수 온도와, 계측 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 캐소드 가스 압력을 연산한다.
구체적으로는, 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 애노드 가스 급배 장치(3)의 운전 상태에 기초하여 운전 상태 검출부(220)에 의해 추정한 애노드 가스 순환 유량의 추정값(이하, 「추정 애노드 가스 순환 유량」이라 한다)을 취득한다. 그리고, 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 목표 물 수지와, 추정 애노드 가스 순환 유량과, 계측 냉각수 온도와, 계측 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 캐소드 가스 압력을 연산한다. 목표 캐소드 가스 압력 연산부(261)는 연산한 목표 캐소드 가스 압력에 기초하여, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 목표 개방도를 연산하고, 그 연산한 목표 개방도에 기초하여, 캐소드 압력 조절 밸브(26)의 개폐를 제어한다.
본 예에서는, 웨트 조작 시에 있어서, 애노드 가스 순환 유량보다도 우선 순위가 낮은 물리량은, 캐소드 가스 압력만이므로, 캐소드 가스 압력의 변화율의 제한을 행하고 있지 않다. 웨트 조작에 의해 연료 전지 스택(1) 내의 수분을 증가시킬 때, 특히, 애노드 순환 펌프(36)의 급격한 운전이 과도적인 문제를 발생시키기 쉽다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 애노드 가스 순환 유량보다도 우선 순위가 낮고, 물 수지의 제어에 악영향을 미치지 않는 물리량에만 제한을 가하도록 하고 있다.
이어서, 연료 전지 시스템(100)의 웨트 조작에 있어서의 각 물리량의 상태 변화에 대하여 설명한다. 먼저, 본 실시 형태의 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)를 구비하고 있지 않은 종래의 연료 전지 시스템의 동작을 설명한다.
도 12는, 종래의 연료 전지 시스템에 있어서의 웨트 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다. 또한, 도 12에 있어서의 점선은 명령값을 나타내고, 실선은 실제의 값을 나타낸다. 또한, 도 12에서는, 애노드 가스 순환 유량보다도 우선 순위가 높은 캐소드 가스 유량 및 냉각수 온도의 타임차트를 생략하고 있다.
이 경우, 애노드 가스 순환 유량의 명령값이 스텝상으로 변화하고 있으므로, 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도를 급격하게 증가시키게 된다. 이에 의해, 애노드 가스 순환 유량이 급격하게 증가한다. 그로 인해, 캐소드 가스 압력은, 초기의 명령값에 대하여 거의 증가하지 않고, 도중에 명령값에 따라붙고, 그 후에는 추종하여 저하되고, 최종적으로 정상 상태로 된다.
그러나, 애노드 가스 순환 유량의 급격한 증가에 의해, 연료 전지 스택(1) 내의 수분은, 과도 상태에서는, 유입되는 양보다도 배출되어 오는 양이 많아진다. 그리고, 도시한 바와 같이, 물 수지는, 목표 물 수지에 기초하여 상승시킬 필요가 있음에도 불구하고, 과도 상태에서는 저하되어버린다.
즉, 연료 전지 스택(1)의 연료 전지(10) 내에서는, 과도적으로 과건조의 상태로 되어, 연료 전지(10) 내의 전해질막(111)이 파손 또는 열화될 가능성이 발생한다.
계속해서, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 웨트 조작 시의 각 물리량의 상태 변화에 대하여 설명한다. 도 13은, 애노드 가스 순환 유량의 변화율을 제한한 경우에 있어서의 웨트 조작 시의 각 물리량의 상태 변화를 나타내는 타임차트이다. 도 13에 있어서의 점선은 명령값을 나타내고, 실선은 실제의 값을 나타낸다. 또한, 도 13에서는, 캐소드 가스 유량 및 냉각수 온도의 타임차트를 생략하고 있다.
먼저, 도시하지 않은 캐소드 가스 유량의 명령값에 기초하여, 컴프레서(22)의 회전 속도가 저하된다. 또한, 도시하지 않은 냉각수 온도의 명령값에 기초하여, 냉각수 펌프(42)의 회전 속도가 증가한다. 애노드 가스 순환 유량에는, 변화율의 제한이 걸려 있기 때문에, 애노드 가스 순환 유량의 명령값은 천천히 증가한다. 그로 인해, 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도는, 변화율 제한의 명령값에 기초하여, 서서히 증가해 간다.
본 예에서는, 변화율의 제한에 의해, 애노드 가스 순환 유량의 제어만으로는 목표 물 수지에 도달할 수 없으므로, 캐소드 가스 압력의 제어를 행한다. 캐소드 가스 압력은, 초기의 명령값 가까이까지 상승하여 명령값에 따라붙고, 그 후에는 추종하여 저하되고, 최종적으로 정상 상태로 된다.
한편, 애노드 가스 순환 유량은, 다른 물리량의 제어가 추종함으로써, 도중부터 더욱 증가 속도가 느려지고, 최종적으로 정상 상태로 된다. 이러한 제어를 행함으로써, 도시한 바와 같이, 물 수지는, 스텝상의 초기 명령값에 단시간에 도달하는 경우는 없지만, 과도 상태에 있어서, 제어 방향과는 역방향으로 감소하지 않고, 확실하게 증가해 간다. 이와 같이, 도 13에 도시하는 제어에 의하면, 물 수지가 제어 방향과는 역방향의 제어가 되는 경우가 없으므로, 종래와 같은 전해질막(111)의 파손 또는 열화의 가능성을 효과적으로 억제할 수 있다.
이어서, 도 14∼도 26에 도시하는 흐름도를 사용하여, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 동작을 설명한다. 도 14는, 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(200)에 의해 실행되는 제어량 보완 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다. 이 제어량 보완 처리는, 상술한 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)의 컨트롤러(200)에 의해, 예를 들어, 10m초마다 실행된다. 또한, 각 흐름도의 스텝 순서는, 모순이 발생하지 않는 범위에서 변경해도 된다.
이 제어량 보완 처리에서는, 먼저, 컨트롤러(200)의 운전 상태 검출부(220)는 연료 전지 시스템(100) 전체의 운전 상태를 검출하기 위한 시스템 운전 상태 검출 처리를 실행한다(스텝 S1). 그리고, 컨트롤러(200)의 습윤 상태 제어부(230)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 목표 물 수지를 연산하기 위한 목표 물 수지 연산 처리를 실행한다(스텝 S2).
계속해서, 컨트롤러(200)의 습윤 상태 제어부(230)는 스텝 S2에 있어서 취득한 목표 물 수지와, 습윤 상태 검출부(210)로부터 취득한 습윤도에 관한 운전 데이터에 따라서 연산한 현재의 물 수지에 기초하여, 연료 전지 스택(1)에 대하여 드라이 조작이 필요한지 여부를 판정한다(스텝 S3).
연료 전지 스택(1)에 대하여 드라이 조작이 필요하다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(200)는 드라이 조작 시에 있어서의 각 물리량의 제어량을 연산하기 위한 드라이 조작용 제어량 연산 처리를 실행한다(스텝 S4). 한편, 연료 전지 스택(1)에 대하여 드라이 조작이 필요한 것은 아니고, 웨트 조작이 필요하다고 판정한 경우에는, 컨트롤러(200)는 웨트 조작 시에 있어서의 각 물리량의 제어량을 연산하기 위한 웨트 조작용 제어량 연산 처리를 실행한다(스텝 S5).
계속해서, 컨트롤러(200)는 스텝 S4 또는 S5에 있어서의 연산 결과에 기초하여, 물 수지의 제어를 행할 때의 액추에이터가 되는 컴프레서(22), 캐소드 압력 조절 밸브(26), 애노드 순환 펌프(36), 및 냉각수 펌프(42)를 제어하기 위한 각 액추에이터 제어 처리를 실행하고(스텝 S6), 이 제어량 보완 처리를 종료한다. 또한, 제어량 보완 처리의 서브루틴인 각 액추에이터 제어 처리에 대해서는, 도 7 및 도 11을 사용하여 상술하고 있으므로, 흐름도의 도시 및 그 설명을 생략한다. 이하, 기타의 서브루틴에 대하여 상세하게 설명한다.
도 15는, 제어량 보완 처리의 스텝 S1에 대응하는 서브루틴인 시스템 운전 상태 검출 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다. 이 시스템 운전 상태 검출 처리에서는, 운전 상태 검출부(220)는 먼저, 압력 센서(24)를 사용하여, 캐소드 가스의 압력을 검출하고(스텝 S11), 유량 센서(23)를 사용하여, 캐소드 가스의 유량을 검출한다(스텝 S12).
계속해서, 운전 상태 검출부(220)는 연료 전지 스택(1)의 스택 온도(냉각수 온도)를 연산한다(스텝 S13). 상술한 바와 같이, 운전 상태 검출부(220)는 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)로부터 스택 입구 수온과 스택 출구 수온을 취득하고, 그 평균값을 연산함으로써, 연료 전지 스택(1)의 스택 온도, 즉, 상술한 냉각수 온도를 연산한다.
계속해서, 운전 상태 검출부(220)는 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도와, 압력 센서(37)에 의해 검출한 애노드 가스 압력과, 스택 온도에 기초하여, 애노드 가스 순환 유량을 추정한다(스텝 S14). 그리고, 운전 상태 검출부(220)는 이 시스템 운전 상태 검출 처리를 종료하고, 제어량 보완 처리의 메인플로우로 복귀된다. 상술한 바와 같이, 애노드 순환 유량은, 연료 전지 스택(1)의 스택 온도와, 압력 센서(37)에 의해 검출되는 애노드 가스 순환 통로(35) 내의 애노드 가스의 압력에 기초하여, 표준 상태의 유량으로서 추정된다.
운전 상태 검출부(220)는 습윤 상태 제어부(230) 및 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)에 대하여 이렇게 검출·연산·추정한 각종 물리량을 출력한다. 또한, 운전 상태 검출부(220)는 전류 센서(51)에 의해 검출되는 스택 출력 전류와, 전압 센서(52)에 의해 검출되는 스택 출력 전압에 기초하여, 연료 전지 시스템(100)의 출력 전력을 연산한다. 이들의 제어는, 본 실시 형태의 제어와는 그다지 관계가 없으므로, 추가 설명은 생략한다.
도 16은, 제어량 보완 처리의 스텝 S2에 대응하는 서브루틴인 목표 물 수지 연산 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다. 이 목표 물 수지 연산 처리에서는, 습윤 상태 검출부(210)는 먼저, 임피던스 측정 장치(6)에 대하여 연료 전지 스택(1)의 HFR을 측정·연산시킨다(스텝 S21). 임피던스 측정 장치(6)는 상술한 바와 같이 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 측정하고, 측정한 내부 임피던스(측정 HFR)를 습윤 상태 검출부(210)로 출력한다. 그리고, 습윤 상태 제어부(230)는 습윤 상태 검출부(210)를 통하여, 측정 HFR을 취득한다(스텝 S22).
계속해서, 습윤 상태 제어부(230)는 운전 상태 검출부(220)로부터 취득한 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 목표 HFR을 연산한다(스텝 S23). 습윤 상태 제어부(230)는 스텝 S22에 있어서 취득한 측정 HFR이 스텝 S23에서 연산한 목표 HFR로 되도록 목표 물 수지를 연산한다(스텝 S24). 그리고, 습윤 상태 제어부(230)는 이 목표 물 수지 연산 처리를 종료하고, 제어량 보완 처리의 메인플로우로 복귀된다.
또한, 목표 HFR에 대하여 측정 HFR이 큰 경우에는, 연료 전지(10) 내의 전해질막(111)이 목표값보다도 건조 기미가 있고, 그 때문에, 습윤 상태 제어부(230)는 웨트 조작을 실행시키도록 목표 물 수지를 설정한다. 한편, 목표 HFR에 대하여 측정 HFR이 작은 경우에는, 연료 전지(10) 내의 전해질막(111)이 목표값보다도 습윤 기미가 있다. 그 때문에, 습윤 상태 제어부(230)는 드라이 조작을 시키도록 목표 물 수지를 설정한다.
도 17은, 제어량 보완 처리의 스텝 S4에 대응하는 서브루틴인 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다. 제어량 보완 처리의 스텝 S3에 있어서 연료 전지 스택(1)에 대하여 드라이 조작이 필요하다고 판정한 경우에는, 이 드라이 조작용 제어량 연산 처리가 실행된다. 또한, 드라이 조작용 제어량 연산 처리는, 주로, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)와, 제어량 보완부(260)와, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)와, 냉각수 온도 제한부(280)에 의해 실행된다.
이 드라이 조작용 제어량 연산 처리에서는, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 최대 애노드 가스 순환 유량을 연산한다(스텝 S41). 또한, 최대 애노드 가스 순환 유량은, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 설계나 각 펌프류의 정격 출력 등에 기초하여, 미리 설정되어, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있어도 된다.
계속해서, 제어량 보완부(260)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 최저 냉각수 온도를 연산한다(스텝 S42). 또한, 최저 냉각수 온도는, 도시하지 않은 온도 센서에 의해 검출되는 연료 전지 시스템(100)의 분위기 온도(외기온)로 해도 되고, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 설계나 각 펌프류의 정격 출력 등에 기초하여, 미리 설정되어, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있어도 된다.
계속해서, 제어량 보완부(260)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 최소 캐소드 가스 유량을 연산한다(스텝 S43). 또한, 최소 캐소드 가스 유량은, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 설계나 각 펌프류의 정격 출력 등에 기초하여, 미리 설정되어, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있어도 된다.
계속해서, 제어량 보완부(260)는 스텝 S41∼S43에서 연산한 최대 애노드 가스 순환 유량, 최저 냉각수 온도 및 최소 캐소드 가스 유량에 기초하여, 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(드라이)를 실행한다(스텝 S44). 그리고, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 최저 냉각수 온도 및 최소 캐소드 가스 유량 등에 기초하여, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(드라이)를 실행한다(스텝 S45).
계속해서, 제어량 보완부(260)는 최소 캐소드 가스 유량 등에 기초하여, 목표 냉각수 온도 연산 처리(드라이)를 실행한다(스텝 S46). 마지막으로, 제어량 보완부(260)는 각종 계측값이나 추정값에 기초하여, 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(드라이)를 실행한다(스텝 S47). 그리고, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250) 및 제어량 보완부(260)는 이 드라이 조작용 제어량 연산 처리를 종료하고, 제어량 보완 처리의 메인플로우로 복귀된다.
또한, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S44∼S47은, 우선 순위 설정부(240)에 의해 설정된 각 물리량의 우선 순위에 기초하여 그 순서가 설정되어 있다. 그 때문에, 이들 스텝은, 그 순서를 변경해서는 안된다.
도 18은, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S44에 대응하는 서브루틴인 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(드라이)의 일례를 도시하는 흐름도이다. 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S43까지 최대 애노드 가스 순환 유량, 최저 냉각수 온도 및 최소 캐소드 가스 유량이 연산되면, 제어량 보완부(260)는 이 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(드라이)를 실행한다.
제어량 보완부(260)는 먼저, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S41∼S43에서 연산한 최대 애노드 가스 순환 유량, 최저 냉각수 온도 및 최소 캐소드 가스 유량과, 목표 물 수지 연산 처리의 스텝 S24에서 연산한 목표 물 수지를 판독한다(스텝 S441). 이들 데이터는, 필요에 따라, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있다.
계속해서, 제어량 보완부(260)는 판독한 각종 데이터에 기초하여, 목표 캐소드 가스 압력을 연산한다(스텝 S442). 그리고, 제어량 보완부(260)는 이 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(드라이)를 종료하고, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 메인플로우로 복귀된다.
도 19는, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S45에 대응하는 서브루틴인 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(드라이)의 일례를 도시하는 흐름도이다. 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(드라이)의 종료 후, 이 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(드라이)를 실행한다.
애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 먼저, 압력 센서(24)에 의해 검출한 캐소드 가스 압력을 취득(계측)한다(스텝 S451). 그리고, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 스텝 S451에 있어서 취득한 캐소드 가스 압력과, 스텝 S42∼S43에서 연산한 최저 냉각수 온도 및 최소 캐소드 가스 유량과, 스텝 S24에서 연산한 목표 물 수지를 판독한다(스텝 S452). 이들 데이터는, 필요에 따라, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있다.
계속해서, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 판독한 각종 데이터에 기초하여, 목표 애노드 가스 순환 유량을 연산한다(스텝 S453). 또한, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도와, 압력 센서(37)에 의해 검출한 애노드 가스 압력과, 스택 온도에 기초하여, 운전 상태 검출부(220)에 의해 추정한 현재의 애노드 가스 순환 유량을 취득한다(스텝 S454).
계속해서, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 취득한 현재의 애노드 가스 순환 유량과, 목표 애노드 가스 순환 유량에 기초하여, 애노드 가스 순환 유량의 변화율의 제한값을 연산한다(스텝 S455). 또한, 변화율의 제한값의 계산 방법은, 상기에서 상세하게 설명했으므로, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 이 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(드라이)를 종료하고, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 메인플로우로 복귀된다.
도 20은, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S46에 대응하는 서브루틴인 목표 냉각수 온도 연산 처리(드라이)의 일례를 도시하는 흐름도이다. 제어량 보완부(260)는 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(드라이) 및 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(드라이)의 종료 후, 이 목표 냉각수 온도 연산 처리(드라이)를 실행한다.
제어량 보완부(260)는 먼저, 스텝 S451에 있어서 계측한 계측 캐소드 가스 압력과, 스텝 S454에 있어서 취득한 애노드 가스 순환 유량과, 스텝 S43에서 연산한 최소 캐소드 가스 유량과, 스텝 S24에서 연산한 목표 물 수지를 판독한다(스텝 S461). 그리고, 제어량 보완부(260)는 판독한 각종 데이터에 기초하여, 목표 냉각수 온도를 연산한다(스텝 S462).
계속해서, 제어량 보완부(260)는 스텝 S455에서 연산한 애노드 가스 순환 유량의 변화율의 제한값과, 목표 물 수지 등에 기초하여, 애노드 가스 순환 유량을 제한했다고 해도, 목표 물 수지를 달성할 수 있는지 여부를 판정한다(스텝 S463). 목표 물 수지가 달성 가능하다고 판정한 경우에는, 제어량 보완부(260)는 그대로 이 목표 냉각수 온도 연산 처리(드라이)를 종료하고, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 메인플로우로 복귀된다.
한편, 목표 물 수지를 달성할 수 없다고 판정한 경우에는, 제어량 보완부(260)는 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)에 의해 검출한 스택 입구 수온과 스택 출구 수온에 기초하여, 현재의 냉각수 온도를 연산·계측한다(스텝 S464).
계속해서, 냉각수 온도 제한부(280)는 스텝 S464에 있어서 계측한 현재의 냉각수 온도와, 스텝 S462에서 연산한 목표 냉각수 온도에 기초하여, 냉각수 온도의 변화율의 제한값을 연산한다(스텝 S465). 또한, 변화율의 제한값의 계산 방법은, 상기에서 상세하게 설명했으므로, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 제어량 보완부(260)는 이 목표 냉각수 온도 연산 처리(드라이)를 종료하고, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 메인플로우로 복귀된다.
도 21은, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S47에 대응하는 서브루틴인 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(드라이)의 일례를 도시하는 흐름도이다. 제어량 보완부(260)는 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(드라이), 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(드라이) 및 목표 냉각수 온도 연산 처리(드라이)의 종료 후, 이 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(드라이)를 실행한다.
제어량 보완부(260)는 먼저, 스텝 S451에 있어서 계측한 계측 캐소드 가스 압력과, 스텝 S464에 있어서 계측한 냉각수 온도와, 스텝 S454에 있어서 취득한 애노드 가스 순환 유량과, 스텝 S24에서 연산한 목표 물 수지를 판독한다(스텝 S471).
제어량 보완부(260)는 판독한 각종 데이터에 기초하여, 목표 캐소드 가스 유량을 연산한다(스텝 S472). 그리고, 제어량 보완부(260)는 이 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(드라이)를 종료하고, 드라이 조작용 제어량 연산 처리의 메인플로우로 복귀된다.
이상과 같이 드라이 조작에 있어서의 각 목표값을 연산하면, 컨트롤러(200)는 제어량 보완 처리의 메인플로우로 돌아가서, 연산한 각 목표값에 기초하여, 각 액추에이터를 구동 제어하기 위한 각 액추에이터 제어 처리를 실행하고(스텝 S6), 이 제어량 보완 처리를 종료한다.
도 22는, 제어량 보완 처리의 스텝 S5에 대응하는 서브루틴인 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다. 제어량 보완 처리의 스텝 S3에 있어서 연료 전지 스택(1)에 대하여 웨트 조작이 필요하다고 판정한 경우에는, 이 웨트 조작용 제어량 연산 처리가 실행된다. 또한, 웨트 조작용 제어량 연산 처리는, 주로, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)와, 제어량 보완부(260)와, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)에 의해 실행된다.
이 웨트 조작용 제어량 연산 처리에서는, 제어량 보완부(260)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 최저 캐소드 가스 압력(즉, 최드라이 캐소드 가스 압력)을 연산한다(스텝 S51). 또한, 최저 캐소드 가스 압력은, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 설계나 각 펌프류의 정격 출력 등에 기초하여, 미리 설정되어, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있어도 된다.
계속해서, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 최소 애노드 가스 순환 유량(즉, 최드라이 애노드 가스 순환 유량)을 연산한다(스텝 S52). 또한, 최소 애노드 가스 순환 유량은, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 설계나 각 펌프류의 정격 출력 등에 기초하여, 미리 설정되어, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있어도 된다.
계속해서, 제어량 보완부(260)는 운전 상태 검출부(220)에 의해 검출한 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 최고 냉각수 온도(즉, 최드라이 냉각수 온도)를 연산한다(스텝 S53). 또한, 최고 냉각수 온도는, 도시하지 않은 온도 센서에 의해 검출되는 연료 전지 시스템(100)의 분위기 온도(외기온)로 해도 되고, 연료 전지 시스템(100)의 시스템 설계나 각 펌프류의 정격 출력 등에 기초하여, 미리 설정되어, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있어도 된다.
계속해서, 제어량 보완부(260)는 스텝 S51∼S53에서 연산한 최저 캐소드 가스 압력, 최소 애노드 가스 순환 유량 및 최고 냉각수 온도에 기초하여, 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(웨트)를 실행한다(스텝 S54). 그리고, 제어량 보완부(260)는 최저 캐소드 가스 압력 및 최소 애노드 가스 순환 유량 등에 기초하여, 목표 냉각수 온도 연산 처리(웨트)를 실행한다(스텝 S55).
계속해서, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 최저 캐소드 가스 압력 등에 기초하여, 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(웨트)를 실행한다(스텝 S56). 마지막으로, 제어량 보완부(260)는 각종 계측값이나 추정값에 기초하여, 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(웨트)를 실행한다(스텝 S57). 그리고, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250) 및 제어량 보완부(260)는 이 웨트 조작용 제어량 연산 처리를 종료하고, 제어량 보완 처리의 메인플로우로 복귀된다.
또한, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S54∼S57은, 우선 순위 설정부(240)에 의해 설정된 각 물리량의 우선 순위에 기초하여 그 순서가 설정되어 있다. 그 때문에, 이들 스텝은, 그 순서를 변경해서는 안된다.
도 23은, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S54에 대응하는 서브루틴인 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(웨트)의 일례를 도시하는 흐름도이다. 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S53까지 최저 캐소드 가스 압력, 최소 애노드 가스 순환 유량 및 최고 냉각수 온도가 연산되면, 제어량 보완부(260)는 이 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(웨트)를 실행한다.
제어량 보완부(260)는 먼저, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S51∼S53에서 연산한 최저 캐소드 가스 압력, 최소 애노드 가스 순환 유량 및 최고 냉각수 온도와, 목표 물 수지 연산 처리의 스텝 S24에서 연산한 목표 물 수지를 판독한다(스텝 S541). 이들 데이터는, 필요에 따라, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있다.
계속해서, 제어량 보완부(260)는 판독한 각종 데이터에 기초하여, 목표 캐소드 가스 유량을 연산한다(스텝 S542). 그리고, 제어량 보완부(260)는 이 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(웨트)를 종료하고, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 메인플로우로 복귀된다.
도 24는, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S55에 대응하는 서브루틴인 목표 냉각수 온도 연산 처리(웨트)의 일례를 도시하는 흐름도이다. 제어량 보완부(260)는 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(웨트)의 종료 후, 이 목표 냉각수 온도 연산 처리(웨트)를 실행한다.
제어량 보완부(260)는 먼저, 유량 센서(23)에 의해 검출한 캐소드 가스 유량을 취득(계측)한다(스텝 S551). 그리고, 제어량 보완부(260)는 스텝 S551에 있어서 취득한 캐소드 가스 유량과, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S51∼S52에서 연산한 최저 캐소드 가스 압력 및 최소 애노드 가스 순환 유량과, 목표 물 수지 연산 처리의 스텝 S24에서 연산한 목표 물 수지를 판독한다(스텝 S552). 이들 데이터는, 필요에 따라, 도시하지 않은 메모리에 저장되어 있다.
계속해서, 제어량 보완부(260)는 판독한 각종 데이터에 기초하여, 목표 냉각수 온도를 연산한다(스텝 S553). 그리고, 제어량 보완부(260)는 이 목표 냉각수 온도 연산 처리(웨트)를 종료하고, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 메인플로우로 복귀된다.
도 25는, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S56에 대응하는 서브루틴인 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(웨트)의 일례를 도시하는 흐름도이다. 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(웨트) 및 목표 냉각수 온도 연산 처리(웨트)의 종료 후, 이 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(웨트)를 실행한다.
애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 먼저, 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)에 의해 검출한 스택 입구 수온과 스택 출구 수온에 기초하여 연산한 냉각수 온도를 취득(계측)한다(스텝 S561). 그리고, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 스텝 S551에 있어서 취득한 캐소드 가스 유량과, 스텝 S561에 있어서 취득한 냉각수 온도와, 스텝 S51에서 연산한 최저 캐소드 가스 압력과, 목표 물 수지 연산 처리의 스텝 S24에서 연산한 목표 물 수지를 판독한다(스텝 S562).
계속해서, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 판독한 각종 데이터에 기초하여, 목표 애노드 가스 순환 유량을 연산한다(스텝 S563). 또한, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 애노드 순환 펌프(36)의 회전 속도와, 압력 센서(37)에 의해 검출한 애노드 가스 압력과, 스택 온도에 기초하여, 운전 상태 검출부(220)에 의해 추정한 현재의 애노드 가스 순환 유량을 취득한다(스텝 S564).
계속해서, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 취득한 현재의 애노드 가스 순환 유량과, 목표 애노드 가스 순환 유량에 기초하여, 애노드 가스 순환 유량의 변화율의 제한값을 연산한다(스텝 S565). 또한, 변화율의 제한값의 계산 방법은, 상기에서 상세하게 설명했으므로, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 이 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(웨트)를 종료하고, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 메인플로우로 복귀된다.
도 26은, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 스텝 S57에 대응하는 서브루틴인 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(웨트)의 일례를 도시하는 흐름도이다. 제어량 보완부(260)는 목표 캐소드 가스 유량 연산 처리(웨트), 목표 냉각수 온도 연산 처리(웨트) 및 목표 애노드 가스 순환 유량 연산 처리(웨트)의 종료 후, 이 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(웨트)를 실행한다.
제어량 보완부(260)는 먼저, 스텝 S564에 있어서 추정한 애노드 가스 순환 유량과, 스텝 S561에 있어서 취득한 냉각수 온도와, 스텝 S551에 있어서 취득한 캐소드 가스 유량과, 목표 물 수지 연산 처리의 스텝 S24에서 연산한 목표 물 수지를 판독한다(스텝 S571).
계속해서, 제어량 보완부(260)는 판독한 각종 데이터에 기초하여, 목표 캐소드 가스 압력을 연산한다(스텝 S572). 그리고, 제어량 보완부(260)는 이 목표 캐소드 가스 압력 연산 처리(웨트)를 종료하고, 웨트 조작용 제어량 연산 처리의 메인플로우로 복귀된다.
이상과 같이 웨트 조작에 있어서의 각 목표값을 연산하면, 컨트롤러(200)는 제어량 보완 처리의 메인플로우로 돌아가서, 연산한 각 목표값에 기초하여, 각 액추에이터를 구동 제어하기 위한 각 액추에이터 제어 처리를 실행하고(스텝 S6), 이 제어량 보완 처리를 종료한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)은 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지(10)(연료 전지 스택(1))에 공급하여 발전시키는 연료 전지 시스템(100)이며, 연료 전지(10)로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 연료 전지(10)에 공급하는 애노드 가스를 혼합시켜서 연료 전지(10)에 공급하는 애노드 가스 순환 통로(35)와, 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태를 검출하는 습윤 상태 검출부(210)와, 애노드 가스 순환 유량을 포함하는 복수의 물리량(본 실시 형태에서는, 캐소드 가스 유량, 캐소드 가스 압력, 및 냉각수 온도)을 조작함으로써, 전해질막(111)의 습윤 상태를 제어하는 습윤 상태 제어부(230)를 구비하고 있다. 그리고, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))는 습윤 상태 검출부(210)에 의해 검출한 전해질막(111)의 습윤 상태에 기초하여, 애노드 가스 순환 통로(35)의 애노드 가스 순환 유량을 제어하는 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)와, 습윤 상태 제어부(230)에 의해 조작되는 복수의 물리량에 대하여 정상적인 조작의 우선 순위를 설정하는 우선 순위 설정부(240)를 구비한다. 여기서, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 전해질막(111)의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한하는 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)와, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)에 의해 애노드 가스 순환 유량의 변화율이 제한되어 있는 경우에는, 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분에 대해서, 우선 순위 설정부(240)에 의해 설정된 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 물리량의 조작으로 보완하는 제어량 보완부(260)를 구비하고 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))를 이와 같이 구성하고 있으므로, 애노드 가스 순환 유량의 제어에 있어서 그 변화율에 제한을 설정함으로써, 과도적으로 의도한 제어(예를 들어, 드라이 조작 또는 웨트 조작)와는 역의 제어가 되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 그리고, 애노드 가스 순환 유량의 변화율에 제한을 설정한 경우에는, 애노드 가스 순환 유량보다도 우선 순위가 낮은 물리량으로 부족한 제어량분을 보충할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치에 의하면, 정상적인 우선 순위를 지키면서, 제어의 개시 시에 과도적으로 역효과가 되는 영향을 경감할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))에서는, 연료 전지(10)의 전해질막(111)을 습윤시키는 조작에 있어서, 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 조작 대상으로서, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 캐소드 가스의 압력(캐소드 가스 압력)을 포함하고, 연료 전지(10)를 습윤시키는 조작을 개시하면, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한함과 함께, 제어량 보완부(260)(목표 캐소드 가스 압력 연산부(261))는 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분을 공급하는 캐소드 가스의 압력을 높이는 조작으로 보완하고 있다. 웨트 조작에 있어서 애노드 가스 순환 유량을 제어하는 경우, 애노드 가스 순환 유량의 명령값을 스텝상으로 급격하게 변화시키면, 과도적으로 전해질막(111)이 드라이해질 가능성이 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 애노드 가스 순환 유량의 변화율에 제한을 설정함과 함께, 부족분의 제어량을 캐소드 가스 압력의 제어에 의해 보완하도록 하고 있다. 이에 의해, 애노드 가스 순환 유량과 캐소드 가스 압력에 있어서의 정상적인 우선 순위를 지키면서, 제어의 개시 시에 과도적으로 역효과가 되는 영향을 경감할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))에서는, 연료 전지(10)의 전해질막(111)을 건조시키는 조작에 있어서, 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 조작 대상으로서, 연료 전지 스택(1)을 냉각하는 냉각수의 온도(냉각수 온도)와, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 캐소드 가스의 유량(캐소드 가스 유량)을 포함하고, 연료 전지(10)의 전해질막(111)을 건조시키는 조작을 개시하면, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한함과 함께, 제어량 보완부(260)(목표 냉각수 온도 연산부(262) 또는 목표 캐소드 가스 유량 연산부(263))는 애노드 가스 순환 유량의 변화율의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분을 냉각수의 온도를 높이는 조작 및 캐소드 가스 유량을 증가시키는 조작 중 적어도 하나로 보완하고 있다. 드라이 조작에 있어서 애노드 가스 순환 유량을 제어하는 경우, 애노드 가스 순환 유량의 명령값을 스텝상으로 급격하게 변화시키면, 과도적으로 전해질막(111)이 습윤될 가능성이 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 애노드 가스 순환 유량의 변화율에 제한을 설정함과 함께, 부족분의 제어량을 냉각수 온도의 제어 또는 캐소드 가스 유량의 제어에 의해 보완하도록 하고 있다. 이에 의해, 애노드 가스 순환 유량과, 냉각수 온도 및 캐소드 가스 유량에 있어서의 정상적인 우선 순위를 지키면서, 제어의 개시 시에 과도적으로 역효과가 되는 영향을 경감할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))에서는, 전해질막(111)의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 냉각수의 온도(냉각수 온도)의 단위 시간당의 변화율을 제한하는 냉각수 온도 제한부(280)를 더 구비하고, 제어량 보완부(260)는 냉각수 온도의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분도 캐소드 가스의 유량을 증가시키는 조작으로 보완하고 있다. 본 실시 형태에서는, 드라이 조작에 있어서, 애노드 가스 순환 유량의 변화율에 제한을 가함과 함께, 냉각수 온도의 변화율에도 제한을 가하고, 부족분의 제어량을 캐소드 가스의 유량에 의해 보완하도록 하고 있다. 이에 의해, 애노드 가스 순환 유량의 조작에 의한 과도적인 역방향으로의 조작을 경감하면서, 냉각수 온도와 애노드 가스 순환 유량과의 관계에 의해 역방향으로의 조작이 되어버리는 것도 동시에 경감할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))에서는, 전해질막(111)의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서 수소 결핍이 우려되는 경우나, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시에, 수소 프론트에 의한 캐소드 촉매층의 열화를 방지하기 위해서, 연료 전지 스택(1)에 빠르게 애노드 가스를 공급해야하는 경우에는, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)는 애노드 가스 순환 유량의 변화율의 제한을 해제하도록 구성하고 있다. 이와 같이, 연료 전지(10)에 애노드 가스를 빠르게 공급할 필요가 있는 경우에는, 본 실시 형태의 애노드 가스 순환 유량의 변화율의 제한을 해제함으로써, 많은 애노드 가스를 연료 전지(10)에 공급할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지 스택(1)의 연료 전지(10)의 애노드 가스 유로(121)의 출구 근방의 물 막힘이나 기동 시의 촉매 열화 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))에서는, 습윤 상태 검출부(210)에 의해 검출되는 습윤 상태는, 연료 전지 스택(1)에 유입되는 물(수분) 및 연료 전지 스택(1) 내부에서 생성되는 물의 양과, 연료 전지로부터 배출되는 물의 양의 수지로서 계산되는 물 수지이면 된다. 이와 같이, 물 수지를 사용함으로써, 압력, 유량, 온도 등의 다른 물리 단위(디멘션: 차원) 간에도 부족한 제어량분의 보완을 실현할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))에서는, 애노드 가스 순환 유량 제어부(250)는 애노드 순환 펌프(36)를 포함하도록 구성된다. 애노드 순환 펌프(36)를 사용함으로써, 이젝터의 다단 전환 등과 비교해도, 유량 제어를 연속적으로 행할 수 있다. 이에 의해, 애노드 가스 순환 유량 제한부(270)의 변화율의 제한도 용이하게 행할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))에서는, 복수의 물리량은, 애노드 가스 순환 유량에 더하여, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 캐소드 가스의 압력과, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 캐소드 가스의 유량과, 연료 전지 스택(1)을 냉각하는 냉각수의 온도 4가지를 포함한다. 이렇게 4가지의 물리량을 순차 제어함으로써, 제어의 반동이나 지나침을 억제하면서, 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태를 효율적으로 제어할 수 있다. 한편, 복수의 물리량의 하나로서 스택 출력 전류를 사용하는 경우에는, 연료 전지 스택(1)의 출력 자체가 변동되어버리므로, 제어의 지나침이나 반동이 일어날 수 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에서는, 상기 4가지의 물리량을 제어 대상으로 하고 있다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(컨트롤러(200))에서는, 우선 순위 설정부(240)는 연료 전지(10)의 전해질막(111)을 건조시키는 조작에서는, 캐소드 가스 압력을 낮추는 조작, 애노드 가스 순환 유량을 낮추는 조작, 냉각수의 온도를 높이는 조작, 캐소드 가스의 유량을 높이는 조작의 순서로 낮아지는 정상적인 우선 순위를 설정하고 있다. 또한, 우선 순위 설정부(240)는 연료 전지(10)의 전해질막(111)을 습윤시키는 조작에서는, 캐소드 가스의 유량을 낮추는 조작, 냉각수의 온도를 낮추는 조작, 애노드 가스 순환 유량을 높이는 조작, 캐소드 가스의 압력을 높이는 조작의 순서로 낮아지는 정상적인 우선 순위를 설정하고 있다. 이렇게 제어 대상으로 되는 복수의 물리량에 우선 순위를 부여하고 있는 것은, 각 보조 기기의 소비 전력을 고려함과 함께, 이들을 동시에 조작한 경우에 있어서의 다른 물리량의 제어와의 간섭을 방지하기 위해서이다. 이에 의해, 쓸데없는 조작을 배제하면서, 쓸데없는 소비 전력을 억제할 수 있다.
또한, 드라이 조작에서는, 우선 순위로서, 애노드 가스 순환 유량을 낮추기보다도 먼저 캐소드 가스 압력을 낮추고 있다. 이것은, 소비 전력을 고려하여, 소비 전력을 낮추는 것을 먼저 조작하고 있기 때문이다. 예를 들어, 컴프레서(22)로 캐소드 가스를 공급하는 경우, 캐소드 가스 압력이 높을수록, 컴프레서(22)의 소비 전력이 커진다. 또한, 애노드 순환 펌프(36)의 소비 전력보다도 컴프레서(22)의 소비 전력이 크므로, 캐소드 가스 압력의 조작을 우선시키고 있다.
또한, 웨트 조작에 있어서, 애노드 가스 순환 유량의 우선 순위를 마지막으로 하지 않는 것은, 제어량의 보완을 할 수 없기 때문이다. 또한, 웨트 조작에서는, 냉각수 온도를 낮추기보다도 먼저 캐소드 가스의 유량을 낮추고 있다. 이것은, 소비 전력뿐만 아니라, 제어의 응답성을 고려했기 때문이다. 냉각수 온도의 조작 응답성은, 다른 물리량에 비교하여 나쁘므로, 제어성의 악화를 방지하기 위해서이다.
본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법은, 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지 스택(1)에 공급하여 발전시킴과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 연료 전지 스택(1)에 공급하는 애노드 가스를 혼합시켜서 연료 전지 스택(1)에 공급하는 애노드 가스 순환 통로(35)를 구비하는 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법이며, 연료 전지(10)의 전해질막(111)의 습윤 상태를 검출하는 스텝과, 검출한 전해질막(111)의 습윤 상태에 기초하여, 애노드 가스 순환 통로(35)의 애노드 가스 순환 유량을 제어하는 스텝과, 애노드 가스 순환 유량을 포함하고, 정상적인 조작의 우선 순위가 각각에 설정된 복수의 물리량을 조작(대응하는 액추에이터를 제어)함으로써, 전해질막(111)의 습윤 상태를 제어하는 스텝과, 전해질막(111)의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한하는 스텝과, 애노드 가스 순환 유량의 변화율이 제한되어 있는 경우에는, 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분에 대해서, 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 물리량의 조작으로 보완하는 스텝을 포함하고 있다. 연료 전지 시스템(100)을 이렇게 제어함으로써, 상술한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지가 아니다.
상기 실시 형태에서는, 애노드 가스 순환 유량 이외에 드라이 조작 및 웨트 조작에서 제어되는 물리량으로서, 캐소드 가스 압력과, 냉각수 온도와, 캐소드 가스 유량을 열거하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이들의 물리량에 한하지 않고, 예를 들어, 이들 중 하나가 제어 대상의 물리량에 포함되지 않아도 된다. 이 경우, 애노드 가스 순환 유량의 변화율에 제한을 걸 필요가 있어서, 애노드 가스 순환 유량보다도 우선 순위가 낮은 물리량이 적어도 하나 필요해진다. 그 때문에, 드라이 조작과 웨트 조작의 양쪽으로부터 배제 가능한 물리량은, 캐소드 가스 유량만이 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 제어 대상의 물리량으로서, 애노드 가스 순환 유량과, 캐소드 가스 압력과, 냉각수 온도와, 캐소드 가스 유량의 4가지를 열거했지만, 본 발명은 이들 4가지에 한하지 않는다. 예를 들어, 제어 대상으로서, 4가지의 물리량에 추가로, 순환 보관수를 포함해도 된다.

Claims (10)

  1. 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지에 공급하고, 부하의 요구에 따라서 발전하는 연료 전지 시스템의 제어 장치이며,
    상기 연료 전지 시스템은,
    상기 연료 전지로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 상기 연료 전지에 공급하는 애노드 가스를 혼합시켜서 상기 연료 전지에 공급하는 애노드 가스 순환 통로와,
    상기 연료 전지의 전해질막의 습윤 상태를 검출하는 습윤 상태 검출부와,
    상기 애노드 가스 순환 통로에 흐르는 애노드 가스 순환 유량을 포함하는 복수의 물리량을 조작함으로써, 상기 전해질막의 습윤 상태를 제어하는 습윤 상태 제어부
    를 구비하는 애노드 가스 순환형의 연료 전지 시스템이며,
    상기 제어 장치는,
    상기 습윤 상태 검출부에 의해 검출한 상기 전해질막의 습윤 상태에 기초하여, 상기 애노드 가스 순환 유량을 제어하는 애노드 가스 순환 유량 제어부와,
    상기 습윤 상태 제어부에 의해 조작되는 상기 복수의 물리량에 대하여 정상적인 조작의 우선 순위를 설정하는 우선 순위 설정부
    를 구비하고,
    상기 애노드 가스 순환 유량 제어부는,
    상기 전해질막의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 상기 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한하는 애노드 가스 순환 유량 제한부와,
    상기 애노드 가스 순환 유량 제한부에 의해 상기 애노드 가스 순환 유량의 변화율이 제한되어 있는 경우에는, 그 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 상기 습윤 상태의 제어량분에 대해서, 상기 우선 순위 설정부에 의해 설정된 상기 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 물리량의 조작으로 보완하는 제어량 보완부
    를 포함하는, 연료 전지 시스템의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지의 전해질막을 습윤시키는 조작에 있어서, 상기 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 조작 대상으로서, 상기 연료 전지에 공급하는 캐소드 가스의 압력을 포함하고,
    상기 연료 전지를 습윤시키는 조작을 개시하면, 상기 애노드 가스 순환 유량 제한부는, 상기 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한함과 함께, 상기 제어량 보완부는, 상기 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분을 상기 공급하는 캐소드 가스의 압력을 높이는 조작으로 보완하는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지의 전해질막을 건조시키는 조작에 있어서, 상기 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 조작 대상으로서, 상기 연료 전지를 냉각하는 냉각수의 온도와, 상기 연료 전지에 공급하는 캐소드 가스의 유량을 포함하고,
    상기 연료 전지의 전해질막을 건조시키는 조작을 개시하면, 상기 애노드 가스 순환 유량 제한부는, 상기 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한함과 함께, 상기 제어량 보완부는, 상기 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분을 상기 냉각수의 온도를 높이는 조작 및 상기 캐소드 가스의 유량을 증가시키는 조작 중 적어도 하나로 보완하는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 애노드 가스 순환 유량 제어부는, 상기 전해질막의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 상기 냉각수의 온도의 단위 시간당의 변화율을 제한하는 냉각수 온도 제한부를 더 구비하고,
    상기 제어량 보완부는, 상기 온도의 제한에 의해 부족한 습윤 상태의 제어량분도 상기 캐소드 가스의 유량을 증가시키는 조작으로 보완하는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질막의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서 수소 결핍이 우려되는 경우, 또는, 상기 연료 전지 시스템의 기동 시에 상기 연료 전지에 빠르게 애노드 가스를 공급해야하는 경우에는, 상기 애노드 가스 순환 유량 제한부는, 상기 애노드 가스 순환 유량의 변화율의 제한을 해제하는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습윤 상태 검출부에 의해 검출되는 습윤 상태는, 상기 연료 전지에 유입되는 물 및 상기 연료 전지 내부에서 생성되는 물의 양과, 상기 연료 전지로부터 배출되는 물의 양과의 수지로서 계산되는 물 수지에 의해 정해지는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 가스 순환 유량 제어부는, 애노드 순환 펌프를 포함하는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 물리량은, 상기 애노드 가스 순환 유량에 더하여, 상기 연료 전지에 공급하는 캐소드 가스의 압력과, 상기 연료 전지에 공급하는 캐소드 가스의 유량과, 상기 연료 전지를 냉각하는 냉각수의 온도를 포함하는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 우선 순위 설정부는, 상기 연료 전지의 전해질막을 건조시키는 조작에서는, 상기 캐소드 가스 압력을 낮추는 조작, 상기 애노드 가스 순환 유량을 낮추는 조작, 상기 냉각수의 온도를 높이는 조작, 상기 캐소드 가스 유량을 높이는 조작의 순서로 낮아지는 상기 정상적인 우선 순위를 설정하고,
    상기 우선 순위 설정부는, 상기 연료 전지의 전해질막을 습윤시키는 조작에서는, 상기 캐소드 가스 유량을 낮추는 조작, 상기 냉각수의 온도를 낮추는 조작, 상기 애노드 가스 순환 유량을 높이는 조작, 상기 캐소드 가스 압력을 높이는 조작의 순서로 낮아지는 상기 정상적인 우선 순위를 설정하는,
    연료 전지 시스템의 제어 장치.
  10. 애노드 가스 및 캐소드 가스를 연료 전지에 공급하여 발전시킴과 함께, 상기 연료 전지로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 상기 연료 전지에 공급하는 애노드 가스를 혼합시켜서 상기 연료 전지에 공급하는 애노드 가스 순환 통로를 구비하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    상기 연료 전지의 전해질막의 습윤 상태를 검출하는 스텝과,
    상기 검출한 전해질막의 습윤 상태에 기초하여, 상기 애노드 가스 순환 통로의 애노드 가스 순환 유량을 제어하는 스텝과,
    상기 애노드 가스 순환 유량을 포함하고, 정상적인 조작의 우선 순위가 각각에 설정된 복수의 물리량을 조작함으로써, 상기 전해질막의 습윤 상태를 제어하는 스텝
    을 포함하고,
    상기 전해질막의 습윤 상태를 제어하는 스텝은,
    상기 전해질막의 습윤 상태를 변화시키는 과도 운전 시에 있어서, 상기 애노드 가스 순환 유량의 단위 시간당의 변화율을 제한하는 스텝과,
    상기 애노드 가스 순환 유량의 변화율이 제한되어 있는 경우에는, 그 애노드 가스 순환 유량의 제한에 의해 부족한 상기 습윤 상태의 제어량분에 대해서, 상기 애노드 가스 순환 유량보다 정상적인 조작의 우선 순위가 낮은 물리량의 조작으로 보완하는 스텝
    을 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
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