KR20180108868A - 연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법 및 습윤 상태 제어 장치 - Google Patents

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

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Abstract

캐소드 가스의 일부를 바이패스시키면서 연료 전지에 공급하는 연료 전지 시스템에서, 바이패스 밸브 개방도, 캐소드 가스 압력 및 캐소드 가스 유량을 포함하는 습윤 제어 파라미터를 조절하여 연료 전지의 습윤 상태를 제어하는 연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법이며, 연료 전지를 습윤 방향으로 제어할 때, 바이패스 밸브 개방도의 조절에 우선하여 상기 캐소드 가스 유량 및 캐소드 가스 압력 중 적어도 어느 한쪽을 조절한다.

Description

연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법 및 습윤 상태 제어 장치
본 발명은 연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법 및 습윤 상태 제어 장치에 관한 것이다.
컴프레서로부터 캐소드계에 공급되는 캐소드 가스의 일부를, 연료 전지를 바이패스하도록 바이패스 통로로 흐르게 하는 연료 전지 시스템이 알려져 있다. JP2010-114039A에는 이와 같은 연료 전지 시스템의 일례가 개시되어 있다.
JP2010-114039A의 연료 전지 시스템에 있어서, 컴프레서가 연료 전지의 부하에 따른 목표대로 작동하고 있었다고 하더라도, 애노드 오프 가스의 희석이나 터보 서지 회피 등의 다양한 관점에서, 캐소드계의 압력이나 유량이 부하의 요구와는 상이하게 변화되는 경우가 있다. 이 결과, 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스 유량이 적절히 유지되지 않아 연료 전지의 습윤 상태가 적합하게 유지되지 않을 우려가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점에 착안하여 이루어진 것이며, 보다 적합하게 연료 전지의 습윤 상태를 제어할 수 있는 연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법 및 습윤 상태 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 어떤 양태에 의하면, 캐소드 가스의 일부를 바이패스시키면서 연료 전지에 공급하는 연료 전지 시스템에서, 바이패스 밸브 개방도, 캐소드 가스 압력 및 캐소드 가스 유량을 포함하는 습윤 제어 파라미터를 조절하여 연료 전지의 습윤 상태를 제어하는 연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법이 제공된다. 특히 이 습윤 상태 제어 방법에서는, 연료 전지를 습윤 방향으로 제어할 때, 바이패스 밸브 개방도의 조절에 우선하여 캐소드 가스 유량 및 캐소드 가스 압력 중 적어도 어느 한쪽을 조절한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 습윤 제어에 관한 컨트롤러의 전체적인 기능을 설명하는 블록도이다.
도 3은 막 습윤 F/B 제어부에 의한 제어의 상세를 설명하는 도면이다.
도 4는 목표 물 수지의 연산 양태를 설명하는 도면이다.
도 5는 웨트 조작 시에 있어서의 각 습윤 제어 파라미터의 우선 순위를 설정하는 로직을 설명하는 도면이다.
도 6은 막 습윤 제어 맵을 나타내는 도면이다.
도 7은 바이패스 개방도와 바이패스 유량 비율의 관계를 나타내는 맵이다.
도 8은 목표 압력 연산부의 기능을 설명하는 도면이다.
도 9는 목표 압력의 연산 양태를 설명하는 블록도이다.
도 10은 목표 유량 연산부의 기능을 설명하는 도면이다.
도 11은 목표 유량의 연산 양태를 설명하는 블록도이다.
도 12는 공기 유량·압력 F/B 제어부의 기능을 설명하는 도면이다.
도 13은 애노드계의 제어를 설명하는 블록도이다.
도 14는 목표 HRB 회전수 맵의 일례를 나타낸다.
도 15는 연료 전지 시스템의 습윤 제어를 설명하는 흐름도이다.
도 16은 웨트 조작의 흐름을 설명하는 흐름도이다.
도 17은 웨트 조작 시에 있어서의 각 습윤 제어 파라미터의 우선 순위와, 이들 습윤 제어 파라미터의 증감 경향의 관계를 나타낸 표이다.
도 18은 어떤 요구 부하에 있어서의 웨트 조작 시의 연료 전지 시스템의 상태의 변화의 일례를 설명하는 도면이다.
도 19는 드라이 조작의 흐름을 설명하는 흐름도이다.
도 20은 드라이 조작 시에 있어서의 각 습윤 제어 파라미터의 우선 순위와, 이들 습윤 제어 파라미터의 증감 경향의 관계를 나타낸 표이다.
도 21은 연료 전지 시스템의 습윤 제어에 있어서의 경시적인 흐름을 설명하는 타임 챠트이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 구성의 일례를 도시하는 구성도이다.
도면에 도시하는 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지로서의 연료 전지 스택(1)에 대하여 외부로부터 발전에 필요한 애노드 가스(연료) 및 캐소드 가스(공기)를 공급하여, 전기 부하에 따라 연료 전지를 발전시키는 전원 시스템을 구성한다.
연료 전지 시스템(100)은 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 계측 장치(6)와 컨트롤러(200)를 포함한다.
연료 전지 스택(1)은 상술한 바와 같이, 복수의 연료 전지가 적층된 적층 전지이다. 연료 전지 스택(1)은 부하 장치(5)에 접속되어 부하 장치(5)에 전력을 공급한다. 연료 전지 스택(1)은, 예를 들어 수백 V(볼트)의 직류 전압을 발생시킨다. 또한 연료 전지 스택(1)을 구성하는 연료 전지는 주로 전해질막과 애노드 전극과 캐소드 전극으로 구성되어 있다. 여기서, 전해질막은 적당한 습윤도(함수량)에서 양호한 전기 전도성을 나타낸다. 이하에서는 이 각 연료 전지에 있어서의 전해질막의 습윤 상태를 「연료 전지 스택(1)의 습윤 상태」, 「연료 전지의 습윤 상태」, 또는 간단히 「습윤 상태」라 기재한다.
캐소드 가스 급배 장치(2)는, 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 대기로 배출하는 장치이다.
캐소드 가스 급배 장치(2)는 캐소드 가스 공급 통로(21)와 컴프레서(22)와 에어플로 미터(23)와 인터쿨러(24)와 캐소드 압력 센서(25)와 캐소드 가스 배출 통로(26)와 캐소드 압력 조절 밸브(27)와 바이패스 통로(28)와 바이패스 밸브(29)를 포함한다.
캐소드 가스 공급 통로(21)는 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급하기 위한 통로이다. 캐소드 가스 공급 통로(21)의 일 단부는 개구되어 있고, 타 단부는 연료 전지 스택(1)의 캐소드 가스 입구 구멍에 접속된다.
컴프레서(22)는 산소를 포함하는 공기를, 캐소드 가스 공급 통로(21), 연료 전지 스택(1), 바이패스 통로(28) 및 캐소드 가스 배출 통로(26)를 포함하는 캐소드계에 공급한다. 컴프레서(22)는 캐소드 가스 공급 통로(21)의 일 단부의 개구 단부에 설치된다.
또한 컴프레서(22)는 컴프레서 모터(22a)에 의하여 구동되며, 캐소드 가스 공급 통로(21)의 개구 단부로부터 연료 전지 시스템(100) 내에 공기를 흡입하여 캐소드 가스 공급 통로(21)를 거쳐 연료 전지 스택(1)에 공급한다. 컴프레서 모터(22a)의 회전 속도, 즉, 컴프레서(22)의 출력(이하에서는 컴프레서 출력이라고도 기재함)은 컨트롤러(200)에 의하여 제어된다.
구체적으로 컴프레서 모터(22a)에는 그 회전 속도를 검출하는 회전수 센서(22b)가 설치되어 있다. 회전수 센서(22b)는 컴프레서 모터(22a)의 회전 속도의 검출 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다. 그리고 컨트롤러(200)는 회전수 센서(22b)로부터의 검출 신호에 기초하여 컴프레서 모터(22a)의 회전 속도, 즉, 컴프레서(22)의 출력을 조절한다. 또한 컴프레서(22)는, 예를 들어 터보식 컴프레서나 용적식 컴프레서에 의하여 구성할 수 있다.
에어플로 미터(23)는 컴프레서(22)의 입구에 설치된다. 에어플로 미터(23)는 캐소드 가스 공급 통로(21)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 검출하는 캐소드 가스 유량 취득부로서 기능한다. 이하에서는 이 캐소드 가스의 유량을 「컴프레서 유량」이라고도 기재한다. 에어플로 미터(23)는 컴프레서 유량의 검출 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
인터쿨러(24)는 컴프레서(22)로부터 캐소드 가스 공급 통로(21)에 토출되어 연료 전지 스택(1)으로 보내지는 공기를 냉각한다.
캐소드 압력 센서(25)는 캐소드 가스 공급 통로(21)에 있어서, 인터쿨러(24)와 연료 전지 스택(1) 사이이고 또한 캐소드 가스 공급 통로(21)와 바이패스 통로(28)의 합류부의 상류에 설치된다. 캐소드 압력 센서(25)는 캐소드 가스 배출 통로(26)에 있어서의 캐소드 가스의 압력을 검출한다. 이하에서는 캐소드 가스 배출 통로(26)에 있어서의 캐소드 가스의 압력을 「캐소드 가스 압력」이라고도 기재한다. 캐소드 압력 센서(25)는 캐소드 가스 압력의 검출 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
캐소드 가스 배출 통로(26)는 연료 전지 스택(1)으로부터 캐소드 오프 가스를 배출하기 위한 통로이다. 캐소드 가스 배출 통로(26)의 일 단부는 연료 전지 스택(1)의 캐소드 가스 출구 구멍에 접속되고, 타 단부는 개구되어 있다.
캐소드 압력 조절 밸브(27)는 캐소드 가스계의 압력을 조정한다. 캐소드 압력 조절 밸브(27)는 캐소드 가스 배출 통로(26)에 있어서, 캐소드 가스 배출 통로(26)와 바이패스 통로(28)의 합류부의 하류에 설치된다. 캐소드 압력 조절 밸브(27)로서는, 예를 들어 밸브의 개방도를 단계적으로 변경 가능한 전자기 밸브가 사용된다. 캐소드 압력 조절 밸브(27)는 컨트롤러(200)에 의하여 개폐 제어된다. 이 개폐 제어에 의하여 캐소드 가스 압력이 원하는 압력으로 조절된다. 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도가 커질수록 캐소드 압력 조절 밸브(27)가 개방되고, 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도가 작아질수록 캐소드 압력 조절 밸브(27)가 폐쇄된다. 또한 캐소드 압력 조절 밸브(27)는 캐소드 가스 배출 통로(26)에 있어서, 캐소드 가스 배출 통로(26)와 바이패스 통로(28)의 합류부의 상류에 설치해도 된다.
바이패스 통로(28)는 컴프레서(22)로부터의 캐소드 가스의 일부에 대하여 연료 전지 스택(1)을 바이패스시키는 통로이다. 본 실시 형태에서는 바이패스 통로(28)는, 캐소드 가스 공급 통로(21)에 있어서의 캐소드 압력 센서(25)의 하류 부분과, 캐소드 가스 배출 통로(26)에 있어서의 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 상류 부분에 걸쳐 접속되어 있다.
바이패스 밸브(29)는 바이패스 통로(28)에 설치되어 있다. 바이패스 밸브(29)는, 연료 전지 스택(1)을 바이패스하여 캐소드 가스 배출 통로(26)에 공급하는 캐소드 가스 유량(이하에서는 「바이패스 유량」이라고도 기재함)을 조절하는 밸브이며, 컨트롤러(200)에 의하여 연속적으로 개방도를 조절 가능하게 구성되어 있다. 또한 이하에서는 컴프레서 유량으로부터 이 바이패스 유량을 빼서 얻어지는, 연료 전지 스택(1)에 대한 캐소드 가스의 공급 유량(연료 전지 공급 유량)을 「스택 공급 유량」이라고도 기재한다.
또한 바이패스 밸브(29)에는 그 개방도를 검출하는 개방도 센서(29a)가 설치되어 있다. 개방도 센서(29a)는 바이패스 밸브(29)의 개방도(이하에서는 간단히 「바이패스 밸브 개방도」라고도 기재함)의 검출 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
애노드 가스 급배 장치(3)는, 연료 전지 스택(1)에 애노드 가스를 공급함과 함께, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 연료 전지 스택(1)에 도입하여 순환시키는 장치이다.
애노드 가스 급배 장치(3)는 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 가스 순환 블로워(36)와 애노드 압력 센서(37)와 퍼지 통로(38)와 퍼지 밸브(39)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 일 단부는 고압 탱크(31)에 접속되고, 타 단부는 이젝터(34)를 거쳐 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 입구 구멍에 접속된다.
애노드 압력 조절 밸브(33)는 연료계를 구성하는 애노드 가스 공급 통로(32)의 압력을 조정한다. 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)의 개방도를 변화시킴으로써, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력은 상승 또는 강하한다.
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 의하여 개폐 제어된다. 이 개폐 제어에 의하여, 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.
애노드 가스 순환 통로(35)는 연료계를 구성하는 통로이며, 애노드 가스 공급 통로(32)에 이젝터(34)의 흡인구를 거쳐 접속된다.
애노드 가스 순환 블로워(36)는 애노드 가스 순환 통로(35) 내에서 이젝터(34)의 상류에 설치된다. 애노드 가스 순환 블로워(36)는 이젝터(34)를 통해 애노드 오프 가스를 연료 전지 스택(1)에 순환시킨다. 애노드 가스 순환 블로워(36)의 회전 속도는 컨트롤러(200)에 의하여 제어된다. 이것에 의하여, 애노드 가스 순환 통로(35)를 순환하는 애노드 가스의 유량이 조정된다. 이하에서는 연료 전지 스택(1)에 순환되는 애노드 가스의 유량을 「애노드 가스 순환 유량」이라고도 기재한다.
애노드 압력 센서(37)는 이젝터(34)와 연료 전지 스택(1) 사이의 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치된다. 애노드 압력 센서(37)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 검출한다. 이하에서는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 간단히 「애노드 가스 압력」이라고도 기재한다. 애노드 압력 센서(37)는 애노드 가스 압력을 검출한 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
퍼지 통로(38)는 애노드 가스 순환 통로(35)로부터 분기하여 설치되어 있으며, 캐소드 압력 조절 밸브(27)보다도 하류측의 캐소드 가스 배출 통로(26)에 합류한다. 퍼지 통로(38)는 애노드 오프 가스에 포함되는 질소 가스나 발전에 의한 생성수 등의 불순물을 외부로 배출하는 통로이다. 이것에 의하여, 퍼지 통로(38)를 통해 배출되는 애노드 오프 가스는 캐소드 가스 배출 통로(26)에서 캐소드 오프 가스와 혼합되므로, 혼합 가스 중의 수소 농도가 규정값 이하로 유지된다.
퍼지 밸브(39)는 퍼지 통로(38)에 설치된다. 퍼지 밸브(39)는 그 개방도에 따라 퍼지 통로(38)를 통한 불순물의 배출량을 조절한다. 퍼지 밸브(39)의 개방도는 컨트롤러(200)에 의하여 제어된다.
또한 애노드 가스 순환 통로(35)와 퍼지 통로(38)의 합류부에 기액 분리 장치를 설치하여 불순물을 액체 성분과 기체 성분으로 분리하여, 액체 성분을 도시하지 않은 배출 계통으로부터 시스템 외부로 배출함과 함께, 기체 성분만을 퍼지 통로(38)에 흐르게 하도록 해도 된다.
스택 냉각 장치(4)는 연료 전지 스택(1)의 온도를 냉각하는 장치이다. 스택 냉각 장치(4)는 냉각수 순환 통로(41)와 냉각수 펌프(42)와 라디에이터(43)와 냉각수 바이패스 통로(44)와 3방 밸브(45)와 입구 수온 센서(46)와 출구 수온 센서(47)를 포함한다.
냉각수 순환 통로(41)는 연료 전지 스택(1)에 냉각수를 순환시키는 통로이다. 냉각수 순환 통로(41)의 일 단부는 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍에 접속되고, 타 단부는 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)를 통해 연료 전지 스택(1)에 냉각수를 공급한다. 냉각수 펌프(42)의 회전 속도는 컨트롤러(200)에 의하여 제어된다.
라디에이터(43)는 냉각수 펌프(42)보다도 하류의 냉각수 순환 통로(41)에 설치된다. 라디에이터(43)는 연료 전지 스택(1)의 내부에서 데워진 냉각수를 팬에 의하여 냉각한다.
냉각수 바이패스 통로(44)는 라디에이터(43)를 바이패스하는 통로이며, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 냉각수를 연료 전지 스택(1)으로 복귀시켜 순환시키는 통로이다. 냉각수 바이패스 통로(44)의 일 단부는 냉각수 순환 통로(41)에 있어서 냉각수 펌프(42)와 라디에이터(43)의 사이에서 접속되고, 타 단부는 3방 밸브(45)의 일 단부에 접속된다.
3방 밸브(45)는 연료 전지 스택(1)에 공급되는 냉각수의 온도를 조정한다. 3방 밸브(45)는, 예를 들어 서모스탯에 의하여 실현된다. 3방 밸브(45)는, 라디에이터(43)와 연료 전지 스택(1)의 냉각수 입구 구멍 사이의 냉각수 순환 통로(41)에 있어서 냉각수 바이패스 통로(44)가 합류하는 부분에 설치된다.
입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)는 냉각수의 온도를 검출한다. 냉각수의 온도는 연료 전지 스택(1)의 온도 또는 캐소드 가스의 온도로서 이용된다.
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)는 스택 입구 수온의 검출 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
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)는 스택 출구 수온의 검출 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
본 실시 형태에서는, 컨트롤러(200)에 있어서 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)의 각각의 검출값의 평균값이 산출된다. 그리고 이 평균값이 스택 온도로서 이용된다. 또한 스택 온도는 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)의 각각의 검출값의 평균값으로 하는 것에 한정되지 않으며, 예를 들어 컨트롤러(200)가 입구 수온 센서(46)와 출구 수온 센서(47)의 각각의 검출값 중 작은 쪽 또는 큰 쪽을 스택 온도로서 취득해도 된다.
부하 장치(5)는 연료 전지 스택(1)으로부터 공급되는 발전 전력을 받아서 구동된다. 부하 장치(5)로서는, 예를 들어 차량을 구동하는 전동 모터나, 전동 모터를 제어하는 제어 유닛, 연료 전지 스택(1)의 발전을 보조하는 보조 기기 등을 들 수 있다. 연료 전지 스택(1)의 보조 기기로서는, 예를 들어 컴프레서(22), 애노드 가스 순환 블로워(36) 및 냉각수 펌프(42) 등을 들 수 있다.
또한 부하 장치(5)을 제어하는 제어 유닛은, 부하 장치(5)의 작동에 필요한 전력을 연료 전지 스택(1)에 대한 요구 전력으로서 컨트롤러(200)에 출력한다. 예를 들어 차량에 설치된 액셀러레이터 페달의 답입량이 커질수록 부하 장치(5)의 요구 전력은 커진다. 본 실시 형태에서는, 이 부하 장치(5)의 요구 전력이 요구 부하에 상당한다.
부하 장치(5)와 연료 전지 스택(1)의 사이에는 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)의 정극 단자 사이의 전원선에 접속된다. 전류 센서(51)는 연료 전지 스택(1)으로부터 부하 장치(5)에 출력되는 전류를 검출한다. 이하에서는 연료 전지 스택(1)으로부터 부하 장치(5)에 출력되는 전류를 「스택 출력 전류」라고도 기재한다. 전류 센서(51)는 스택 출력 전류의 검출 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
전압 센서(52)는 연료 전지 스택(1)의 정극 단자(1p)와 부극 단자(1n)의 사이에 접속된다. 전압 센서(52)는 정극 단자(1p)와 부극 단자(1n) 사이의 전압인 단자 간 전압을 검출한다. 이하에서는 연료 전지 스택(1)의 단자 간 전압을 「스택 출력 전압」이라 한다. 전압 센서(52)는 스택 출력 전압의 검출 신호를 컨트롤러(200)에 출력한다.
임피던스 계측 장치(6)는 전해질막의 습윤 상태를 취득하는 습윤 상태 취득 장치로서 기능한다. 임피던스 계측 장치(6)는 연료 전지 스택(1)에 접속되어, 전해질막의 습윤 상태와 상관이 있는 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스를 측정한다.
일반적으로 전해질막의 함수량(수분)이 적어질수록, 즉, 전해질막이 건조한 경향이 있을수록 내부 임피던스는 커진다. 한편, 전해질막의 함수량이 많아질수록, 즉, 전해질막이 축축한 경향이 있을수록 내부 임피던스는 작아진다. 이 때문에 본 실시 형태에서는, 전해질막의 습윤 상태를 나타내는 파라미터로서 연료 전지 스택(1)의 내부 임피던스가 이용된다.
그리고 임피던스 계측 장치(6)는, 예를 들어 전해질막의 전기 저항을 검출 하는 데 적합한 고주파수의 교류 전류를 공급하고, 출력되는 교류 전압의 진폭을 당해 교류 전류의 진폭으로 나눔으로써, 내부 임피던스를 산출한다.
이하에서는 이 고주파수의 교류 전압 및 교류 전류에 기초하여 산출되는 내부 임피던스를 HFR(High Frequency Resistance)이라고도 기재한다. 임피던스 계측 장치(6)는 산출한 HFR값을 HFR 측정값으로서 컨트롤러(200)에 출력한다.
컨트롤러(200)는, 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로컴퓨터로 구성된다.
컨트롤러(200)는 적어도 임피던스 계측 장치(6), 회전수 센서(22b), 에어플로 미터(23), 캐소드 압력 센서(25), 개방도 센서(29a), 애노드 압력 센서(37), 입구 수온 센서(46), 출구 수온 센서(47) 및 대기압 센서(50)로부터의 각 검출 신호와 부하 장치(5)로부터의 요구 부하 등을 입력 신호로서 취득한다.
특히 본 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(200)는 상기 각 입력 신호에 기초하여 컴프레서(22)(컴프레서 모터(22a)), 캐소드 압력 조절 밸브(27) 및 바이패스 밸브(29)를 조작하여 컴프레서 유량, 캐소드 가스 압력 및 바이패스 밸브 개방도(바이패스 유량)를 조절한다. 또한 컨트롤러(200)는 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도 및 애노드 가스 순환 블로워(36)의 출력을 조절하여 애노드 가스 유량 및 애노드 가스 압력을 제어한다. 또한 컨트롤러(200)는 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 관한 파라미터에 따라 냉각수 펌프(42)의 출력 및 3방 밸브(45)의 개방도를 조절하여 연료 전지 스택(1)의 온도를 제어한다.
특히 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태가 발전에 적합한 상태로 유지되도록 컴프레서 유량, 캐소드 가스 압력 및 바이패스 밸브 개방도가 조절되는 습윤 제어가 행해진다.
즉, 본 실시 형태의 습윤 제어에서는, 컨트롤러(200)는 주로 컴프레서 유량, 캐소드 가스 압력 및 바이패스 개방도의 3개의 습윤 제어 파라미터를 제어한다. 즉, 습윤 제어에 있어서 컨트롤러(200)에 의하여 제어되는 액추에이터는 컴프레서(22), 캐소드 압력 조절 밸브(27) 및 바이패스 밸브(29)이다.
또한 본 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(200)에 의하여 실행되는 습윤 제어에는, 전해질막의 잉여 수분을 저감시키기 위하여 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 건조(드라이)측으로 천이시키는 조작인 「드라이 조작」, 및 전해질막의 수분을 증가시키기 위하여 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 습윤 방향으로 천이시키는 「웨트 조작」이 포함된다.
웨트 조작에는, 컴프레서 유량을 감소시키는 조작(컴프레서(22)의 출력을 저하), 캐소드 가스 압력을 증가시키는 조작(캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도의 감소), 및 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는 조작(바이패스 유량의 증가)이 포함된다.
여기서, 컴프레서 유량을 감소시키는 조작에 의하면, 스택 공급 유량도 감소하므로 연료 전지 스택(1)의 습윤이 진행되게 된다.
또한 캐소드 가스 압력을 증가시키는 조작에 의하면, 캐소드 가스 압력이 증가할수록 연료 전지 스택(1)으로부터 배수되는 배수량이 감소한다. 따라서 연료 전지 스택(1) 내에 수분이 더 유지되게 되어 연료 전지 스택(1)의 습윤이 더욱 진행되게 된다.
또한 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는 조작에 의하면, 스택 공급 유량이 감소하므로 연료 전지 스택(1)의 습윤이 진행되게 된다.
또한 드라이 조작에는, 바이패스 밸브 개방도를 감소시키는 조작(바이패스 유량의 감소), 캐소드 가스 압력을 감소시키는 조작(캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도의 증가), 및 컴프레서 유량을 증가시키는 조작(컴프레서(22)의 출력의 향상)이 포함된다.
여기서, 바이패스 밸브 개방도를 감소시키는 조작에 의하면, 스택 공급 유량이 증가하므로 연료 전지 스택(1)의 건조가 진행되게 된다.
또한 캐소드 가스 압력을 감소시키는 조작에 의하면, 캐소드 가스 압력이 감소할수록 연료 전지 스택(1)으로부터 배수되는 배수량이 증가한다. 따라서 연료 전지 스택(1) 내에 수분이 더 배출되게 되어 연료 전지 스택(1)의 건조가 더욱 진행되게 된다.
여기서, 컴프레서 유량은, 요구 부하, 희석 요구 및 서징 회피를 위한 최저 유량에 따라 정해진다. 그러나 희석 요구나 서징 회피의 관점에서, 컴프레서 유량이 요구 부하에 따라 필요한 스택 공급 유량을 초과하는 경우에는 바이패스 밸브 개방도를 증가시켜, 이 잉여 분을 바이패스 통로(28)를 통해 바이패스시켜 스택 공급 유량을 적절히 유지하는 것이 고려된다.
그러나 이 경우, 예를 들어 캐소드 가스 압력이 낮아 캐소드 가스 공급 통로(21)와 캐소드 가스 배출 통로(26)의 차압이 큰 상태에서 바이패스 밸브 개방도를 증가시키면, 스택 공급 유량이 요구보다도 감소하는 경우가 있다. 또한 컴프레서 유량이 요구 부하에 따른 하한 유량에 대하여 과잉의 상태에서 바이패스 밸브 개방도를 증가시키면, 컴프레서 출력이 과잉의 상태로 제어되어 소비 전력이 증대된다.
그래서 본 실시 형태에서는, 바이패스 밸브 개방도, 캐소드 가스 압력 및 캐소드 가스 유량을 습윤 제어 파라미터로 하여, 연료 전지의 습윤 상태가 목표보다도 건조측이고, 웨트 조작을 행할 때는, 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는 조작에 우선하여 컴프레서 유량을 감소시키는 조작 및 캐소드 가스 압력을 증가시키는 조작을 행하도록 하였다.
이것에 의하여, 웨트 조작 시에, 컴프레서 유량이 충분히 감소하지 않은 상태에서 바이패스 밸브 개방도가 증가되어 연료 전지 스택(1)에 과잉으로 캐소드 가스가 공급되는 것을 방지할 수 있다. 또한 캐소드 가스 압력이 충분히 증가해 있지 않은 상태에서 바이패스 밸브 개방도가 증가되어, 스택 공급 유량이 저하되어 출력 전압이나 셀 전압이 저하되어 버리는 것을 방지할 수 있다.
또한 연료 전지의 습윤 상태가 목표보다도 습윤측이고, 드라이 조작을 행할 때는, 컴프레서 유량을 증가시키는 조작 및 캐소드 가스 압력을 감소시키는 조작에 우선하여 바이패스 밸브 개방도를 감소시키는 조작이 행해진다.
여기서 본 실시 형태에 있어서의 「우선」이란, 웨트 조작 또는 드라이 조작에 있어서, 컴프레서 유량의 조절, 캐소드 가스 압력의 조절 및 바이패스 밸브 개방도의 조절 중, 하나의 습윤 제어 파라미터의 조절량을 최대화(또는 지배적으로)하는 것을 다른 습윤 제어 파라미터의 조절에 대하여 우선시키는 것을 의미한다.
예를 들어 본 실시 형태에서는, 웨트 조작의 경우에 있어서는 컴프레서 유량을 가능한 한 많이 조절하고(우선 순위 1), 다음으로 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 가능한 한 많이 조절하고(우선 순위 2), 마지막으로 바이패스 밸브 개방도를 감소시키는 조절을 행한다(우선 순위 3).
이하에서는 본 실시 형태에 따른 웨트 조작 및 드라이 조작에 관한 제어 구성 및 그 로직을 상세히 설명한다.
도 2는, 본 실시 형태에 있어서의 습윤 제어에 관한 컨트롤러(200)의 전체적인 기능을 설명하는 블록도이다.
도시한 바와 같이 컨트롤러(200)는 막 습윤 F/B 제어부(B101)와 목표 압력 연산부(B102)와 목표 유량 연산부(B103)와 유량·압력 F/B 제어부(B104)를 갖는다.
막 습윤 F/B 제어부(B101)는, 연료 전지의 습윤 상태의 관점에서 정해지는 캐소드 가스 압력의 목표값으로서의 습윤 제어 요구 목표 압력과, 연료 전지의 습윤 상태의 관점에서 정해지는 컴프레서 유량의 목표값으로서의 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산한다. 그리고 막 습윤 F/B 제어부(B101)는, 연산한 습윤 제어 요구 목표 압력 및 습윤 제어 요구 목표 유량을 각각 목표 압력 연산부(B102)와 목표 유량 연산부(B103)에 출력한다.
목표 압력 연산부(B102)는, 입력된 습윤 제어 요구 목표 압력에 기초하여 캐소드 가스 압력의 최종적인 목표값인 목표 압력을 연산하여 목표 유량 연산부(B103)와 유량·압력 F/B 제어부(B104)에 출력한다.
목표 유량 연산부(B103)는, 입력된 목표 압력 및 습윤 제어 요구 목표 유량에 기초하여 컴프레서 유량의 최종적인 목표값인 목표 유량을 연산하여 유량·압력 F/B 제어부(B104)에 출력한다.
유량·압력 F/B 제어부(B104)는, 입력된 목표 압력 및 목표 유량에 기초하여 컴프레서(22) 및 캐소드 압력 조절 밸브(27)를 피드백 제어한다. 이하에서는 도 3 내지 도 12에 기초하여, 본 실시 형태에 따른 습윤 제어에 있어서의 캐소드의 제어를 보다 상세히 설명한다.
도 3은, 막 습윤 F/B 제어부(B101)에 의한 제어의 상세를 설명하는 도면이다.
도시한 바와 같이 막 습윤 F/B 제어부(B101)에는, 부하 장치(5)로부터의 요구 부하, 임피던스 계측 장치(6)에서 산출된 HFR값, 에어플로 미터(23)로부터의 컴프레서 유량의 검출값(이하에서는 「컴프레서 유량 검출값」이라고도 기재함), 캐소드 압력 센서(25)로부터의 캐소드 가스 압력의 검출값(이하에서는 「캐소드 가스 압력 검출값」이라고도 기재함), 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)의 검출값에 기초한 스택 온도, 대기압 센서(50)로부터의 대기압 검출값이 입력된다. 그리고 막 습윤 F/B 제어부(B101)는 이들 각 값에 기초하여 습윤 제어 요구 목표 압력 및 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산한다. 여기서, 막 습윤 F/B 제어부(B101)에 의한 습윤 제어 요구 목표 압력 및 습윤 제어 요구 목표 유량의 연산의 상세에 대하여 설명한다.
도 4는, 막 습윤 F/B 제어부(B101)에 의한 목표 물 수지의 연산 양태를 설명하는 도면이다. 또한 도 5는, 막 습윤 F/B 제어부(B101)에 의한 웨트 조작 시에 있어서의 각 습윤 제어 파라미터의 우선 순위를 설정하는 로직을 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 막 습윤 F/B 제어부(B101)는 목표 HFR 연산부(B1011)와 목표 물 수지 연산부(B1012)와 우선 순위 설정부(B1013)와 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)와 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)와 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)를 갖고 있다.
목표 HFR 연산부(B1011)에는 요구 부하가 입력된다. 목표 HFR 연산부(B1011)는, 요구 부하에 기초하여 미리 정해진 막 습윤 제어 맵으로부터 HFR값의 목표값인 목표 HFR을 연산한다.
도 6은, 막 습윤 제어 맵을 나타내는 도면이다. 막 습윤 제어 맵에서는, 요구 부하가 상대적으로 작은 영역 Ⅰ에서는 요구 발전량이 작아 연료 전지 내의 액수량을 낮게 할 수 있으므로, 목표 HFR은 상대적으로 큰 소정의 일정값을 취한다.
또한 요구 부하가 중간의 값을 취하는 영역 Ⅱ에서는, 요구 부하가 증가함에 따라 연료 전지 내를 보다 습윤 방향으로 제어하여 발전 상태를 적절히 유지한다. 따라서 이 영역 Ⅱ에서는, 요구 부하가 증가함에 따라 목표 HFR이 작아진다.
또한 요구 부하가 상대적으로 큰 영역 Ⅲ에서는, 컴프레서 유량이 충분히 커지기 때문에 연료 전지 스택(1) 내에 체류하는 액수의 영향이 작아진다. 그 때문에, 고요구 부하의 범위 내의 목표 HFR은 상대적으로 가장 작은 일정값으로 설정된다.
도 4로 되돌아와 목표 HFR 연산부(B1011)는 연산한 목표 HFR을 출력한다.
목표 물 수지 연산부(B1012)에는, 목표 HFR을 HFR 측정값에서 감산한 값(이하에서는 이 값을 「HFR 편차」라고도 기재함)이 입력된다. 목표 물 수지 연산부(B1012)는 HFR 편차에 기초하여 목표 물 수지를 연산한다.
여기서 목표 물 수지란, 연료 전지 스택(1)의 발전에 수반하여 생성되는 수량과, 연료 전지 스택(1)으로부터 연료 전지 시스템(100)의 외부로 배출되는 수량의 수지를 의미한다.
즉, 목표 물 수지는, 연료 전지에 있어서 목표로 하는 습윤 상태로부터의 수분의 과부족을 나타내는 파라미터로 된다. 구체적으로는, 목표 물 수지로부터 연료 전지 스택(1)의 실제의 물 수지인 실제 물 수지를 감산한 값이 양의 값인 경우에는, 연료 전지가 건조되어 있는 상태에서 웨트 조작이 요구되는 것을 의미한다. 한편, 목표 물 수지로부터 실제 물 수지를 감산한 값이 음의 값인 경우에는, 연료 전지의 수분이 잉여 상태에서 드라이 조작이 요구되는 것을 의미한다. 따라서 연료 전지의 습윤 상태를 적절히 유지하는 관점에서, 실제 물 수지로부터 목표 물 수지를 감산한 값을 0으로 하는 것이 목표로 된다.
본 실시 형태에 있어서, 목표 물 수지 연산부(B1012)는 목표 물 수지 QF_net_water를 이하의 식 (1)에 기초하여 산출한다.
Figure pct00001
단,
QF _H2O_in: 연료 전지의 발전에 의한 생성수량
CC_H2O_out: 캐소드 출구 수증기 농도
CC_dry_out: 캐소드 출구 드라이 가스 농도
QC _dry_out: 캐소드 출구 드라이 가스 유량
이다.
여기서 캐소드 출구 수증기 농도 CC_H2O_ out이란, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 출구에 있어서의 캐소드 가스에 포함되는 수증기의 농도이며, 예를 들어 하기 식 (2)에 기초하여 구해진다.
Figure pct00002
단,
PCH2O _out: 캐소드 출구 수증기 분압
PC_out: 캐소드 출구 압력
이다.
또한 캐소드 출구 수증기 분압 PCH2O _ out이란, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 출구에 있어서의 캐소드 가스에 포함되는 수증기의 분압이며, 예를 들어 하기 식 (3)에 기초하여 구해진다.
Figure pct00003
단, EXP는 자연 대수를 의미한다.
또한 캐소드 출구 드라이 가스 농도 CC_dry_ out이란, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 출구에 있어서의 캐소드 가스에 포함되는 수증기 이외의 기체의 농도이며, 하기 식 (4)에 기초하여 구해진다.
Figure pct00004
또한 캐소드 출구 드라이 가스 유량 QC _dry_out는, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 출구에 있어서의 캐소드 가스에 포함되는 수증기 이외의 기체의 유량이며, 하기 식 (5)에 기초하여 구해진다.
Figure pct00005
단,
QS _in: 스택 공급 유량
Qo _ exp: 산소 소비 유량
이다.
스택 공급 유량 QS _in은 이미 설명한 바와 같이, 컴프레서 유량으로부터, 바이패스 통로(28)에 바이패스되는 캐소드 가스의 유량인 바이패스 유량을 감산함으로써 구해진다.
또한 본 실시 형태에서는, 바이패스 유량은, 미리 정해진 맵에 의하여 바이패스 밸브 개방도와 컴프레서 유량에 기초하여 산출할 수 있다.
도 7은, 바이패스 개방도와 바이패스 유량 비율의 관계를 나타내는 맵이다. 여기서 바이패스 유량 비율 λ란, 바이패스 밸브 개방도에 따른 컴프레서 유량 중 바이패스 유량의 비율을 의미한다. 따라서 바이패스 유량=바이패스 유량 비율 λ×컴프레서 유량으로 된다. 또한 도 7에 나타내는 바이패스 유량 맵을 이용하여 바이패스 밸브 개방도로부터 바이패스 유량 비율 λ가 정해지므로, 컴프레서 유량으로부터 바이패스 유량을 구할 수 있다.
산소 소비 유량 Qo _ exp는, 연료 전지 스택(1) 내에 있어서의 전기 화학 반응에 의하여 소비되는 캐소드 가스 중의 산소의 유량이다. 산소 소비 유량 Qo _ exp는, 예를 들어 미리 실험 등에 의하여 정해지는 산소 소비 유량 변환 계수를 요구 부하에 곱함으로써 구할 수 있다.
그리고 도 4로 되돌아와 목표 물 수지 연산부(B1012)는, 연산한 목표 물 수지 QF _net_water를 우선 순위 설정부(B1013)에 출력한다.
도 5에 도시한 바와 같이 우선 순위 설정부(B1013)에는 컴프레서 유량 검출값, 캐소드 가스 압력 검출값, 바이패스 밸브 개방도, 대기압 검출값, 및 목표 물 수지 연산부(B1012)에서 연산한 목표 물 수지 QF_net_water가 입력된다.
우선 순위 설정부(B1013)는 이들 입력된 값에 기초하여, 습윤 제어에 이용되는 캐소드 가스 압력, 컴프레서 유량, 및 바이패스 밸브 개방도의 각 습윤 제어 파라미터를 조절하는 우선도를 설정한다.
우선 순위 설정부(B1013)는 HFR 계측값으로부터 미리 정해진 물 수지 맵에 기초하여 실제 물 수지 QF _net_water_R을 취득한다. 그리고 우선 순위 설정부(B1013)는 목표 물 수지 QF _net_water와 실제 물 수지 QF _net_water_R에 기초하여, 웨트 조작을 실시할 필요가 있는지 드라이 조작을 실시할 필요가 있는지를 판단한다.
구체적으로 우선 순위 설정부(B1013)는, 목표 물 수지 QF _net_water-실제 물 수지 QF_net_water_R>0인 경우에는 웨트 조작을 실시할 필요가 있다고 판단하고, 목표 물 수지 QF _net_water-실제 물 수지 QF _net_water_R≤0인 경우에는 드라이 조작을 실시할 필요가 있다고 판단한다. 이하에서는 목표 물 수지 QF _net_water-실제 물 수지 QF _net_water_R을 물 수지 편차 ΔQ라고도 기재한다.
또한 우선 순위 설정부(B1013)는 습윤 상태 제어 파라미터로서의 물 수지 편차 ΔQ, 스택 온도, 컴프레서 유량 및 바이패스 밸브 개방도를 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)에 출력한다. 또한 우선 순위 설정부(B1013)는 습윤 상태 제어 파라미터로서의 물 수지 편차 ΔQ, 스택 온도, 캐소드 가스 압력 및 바이패스 밸브 개방도를 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)에 출력한다. 또한 우선 순위 설정부(B1013)는 습윤 상태 제어 파라미터로서의 물 수지 편차 ΔQ, 스택 온도, 컴프레서 유량 및 캐소드 가스 압력을 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)에 출력한다.
특히 본 실시 형태에서는, 우선 순위 설정부(B1013)는, 상술한 물 수지 편차 ΔQ의 음양에 기초하여 행한 웨트 조작을 실시할지 드라이 조작을 실시할지의 판단 결과에 따라, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)에 출력하는 컴프레서 유량 및 바이패스 밸브 개방도, 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)에 출력하는 캐소드 가스 압력 및 바이패스 밸브 개방도, 그리고 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)에 출력하는 컴프레서 유량 및 캐소드 가스 압력을 적절히 정한다.
먼저, 웨트 조작을 실시할 필요가 있다고 판단한 경우에는, 우선 순위 설정부(B1013)는 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량으로서의 컴프레서 유량 검출값, 바이패스 밸브 개방도로서의 0(완전 폐쇄)을 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)에 출력한다.
또한 우선 순위 설정부(B1013)는 목표 물 수지, 스택 온도, 캐소드 가스 압력으로서의 캐소드 가스 압력 검출값, 및 바이패스 밸브 개방도로서의 값 0을 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)에 출력한다.
또한 우선 순위 설정부(B1013)는 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량으로서의 컴프레서 유량 검출값, 및 캐소드 가스 압력으로서의 캐소드 가스 압력 검출값을 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)에 출력한다.
한편, 드라이 조작을 실시할 필요가 있다고 판단한 경우에는, 우선 순위 설정부(B1013)는 물 수지 편차, 스택 온도, 컴프레서 유량으로서의 유량 최젓값, 바이패스 밸브 개방도로서의 바이패스 밸브 개방도 검출값을 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)에 출력한다.
또한 우선 순위 설정부(B1013)는 목표 물 수지, 스택 온도, 캐소드 가스 압력으로서의 대기압 검출값, 바이패스 밸브 개방도로서의 바이패스 밸브 개방도 검출값을 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)에 출력한다.
또한 우선 순위 설정부(B1013)는 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량으로서의 유량 최젓값, 및 캐소드 가스 압력으로서의 대기압 검출값을 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)에 출력한다.
다음으로, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는, 우선 순위 설정부(B1013)로부터 입력된 물 수지 편차 ΔQ, 스택 온도, 컴프레서 유량 및 바이패스 밸브 개방도에 기초하여 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산한다.
구체적으로 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는, 입력된 목표 물 수지가 클(또는 작을)수록 습윤 제어 요구 목표 압력이 높아(또는 낮아)지도록 연산을 행한다. 또한 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는, 입력된 스택 온도가 클(또는 작을)수록 습윤 제어 요구 목표 압력이 높아(또는 낮아)지도록 연산을 행한다. 또한 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는, 입력된 컴프레서 유량이 높을(낮을)수록 습윤 제어 요구 목표 압력이 높아(낮아)지도록 연산을 행한다. 또한 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는, 입력된 바이패스 밸브 개방도가 높을(낮을)수록 습윤 제어 요구 목표 압력이 낮아(높아)지도록 연산을 행한다.
습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 우선 순위 설정부(B1013)로부터 입력된 목표 물 수지, 스택 온도, 캐소드 가스 압력 및 바이패스 밸브 개방도에 기초하여 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산한다.
구체적으로 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 입력된 목표 물 수지가 클(또는 작을)수록 습윤 제어 요구 목표 유량이 높아(또는 낮아)지도록 연산을 행한다. 또한 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 스택 온도가 클(또는 작을)수록 습윤 제어 요구 목표 유량이 낮아(또는 높아)지도록 연산을 행한다. 또한 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 입력된 캐소드 가스 압력이 높을(또는 낮을)수록 습윤 제어 요구 목표 유량이 높아(또는 낮아)지도록 연산을 행한다. 또한 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 입력된 바이패스 밸브 개방도가 높을(또는 낮을)수록 습윤 제어 요구 목표 유량이 높아(또는 낮아)지도록 연산을 행한다.
목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 우선 순위 설정부(B1013)로부터 입력된 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량 및 캐소드 가스 압력에 기초하여 목표 바이패스 밸브 개방도를 연산한다.
구체적으로 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 입력된 목표 물 수지가 클(또는 작을)수록 목표 바이패스 밸브 개방도가 높아(또는 낮아)지도록 연산을 행한다. 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 입력된 스택 온도가 클(또는 작을)수록 목표 바이패스 밸브 개방도가 높아(또는 낮아)지도록 연산을 행한다. 또한 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 입력된 컴프레서 유량이 높을(또는 낮을)수록 목표 바이패스 밸브 개방도가 높아(또는 낮아)지도록 연산을 행한다. 또한 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 입력된 캐소드 가스 압력이 높을(또는 낮을)수록 목표 바이패스 밸브 개방도가 낮아(또는 높아)지도록 연산을 행한다.
다음으로, 웨트 조작 시에 있어서의 각 목표값의 연산에 대하여 설명한다.
웨트 조작 시에 있어서는 이미 설명한 바와 같이, 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)에는 목표 물 수지, 스택 온도, 캐소드 가스 압력으로서의 대기압 검출값, 및 바이패스 밸브 개방도로서의 0이 우선 순위 설정부(B1013)로부터 입력된다.
여기서, 대기압 검출값은 캐소드 가스 압력으로서 상정되는 최젓값이며, 바이패스 밸브 개방도가 0이라는 것은 바이패스 밸브(29)가 완전 폐쇄인 것을 의미한다. 따라서 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는 웨트 조작에 있어서, 캐소드 가스 압력이 가장 낮고 또한 바이패스 밸브 개방도가 가장 낮은 것을 전제로 하여, 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산하게 된다. 즉, 습윤 제어 요구 목표 유량은 연료 전지를 습윤 방향으로 제어하는 데 있어서 가능한 한 작은 값으로서 연산되게 된다.
또한 웨트 조작 시에 있어서, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)에는 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량의 검출값, 및 바이패스 밸브 개방도로서의 0이 입력된다.
여기서, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는 웨트 조작에 있어서, 바이패스 밸브 개방도를 가장 낮은 0으로 하면서, 컴프레서 유량으로서 습윤 제어 요구 목표 유량에 의하여 감소 방향(연료 전지 스택(1)의 습윤 방향)으로 조절되어 있는 검출값을 이용하여 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산하게 된다. 즉, 습윤 제어 요구 목표 압력은 웨트 조작에 있어서, 바이패스 밸브 개방도가 가장 낮은 것을 전제로 하는 한편, 습윤 상태를 조절하기 위하여 컴프레서 유량이 감소되어 있는 것이라고 보고 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산한다.
또한 웨트 조작 시에 있어서, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)에는 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량의 검출값, 및 캐소드 가스 압력의 검출값이 입력된다.
따라서 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 컴프레서 유량으로서 상기 습윤 제어 요구 목표 유량에 의하여 감소 방향(연료 전지 스택(1)의 습윤 방향)으로 조절되어 있는 검출값, 및 캐소드 가스 압력으로서 상기 습윤 제어 요구 목표 압력에 의하여 증가 방향(연료 전지 스택(1)의 습윤 방향)으로 조절되어 있는 검출값에 기초하여, 목표 바이패스 밸브 개방도를 연산하게 된다. 즉, 목표 바이패스 밸브 개방도는, 컴프레서 유량의 감소 및 캐소드 가스 압력의 증가에 의하여 연료 전지의 습윤 방향에 대한 제어가 이루어지고 있음을 전제로 하여 바이패스 밸브 개방도의 증가량이 최소한으로 설정되도록 연산되게 된다.
이상과 같이, 웨트 조작 시에 있어서의 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014), 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015) 및 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)에 의한 각 습윤 제어 파라미터의 목표값의 연산 양태에 의하면, 웨트 조작을 실행하는 데 있어서, 컴프레서 유량을 감소시키는 조작이, 연료 전지의 습윤 방향으로 제어하는 것에 가장 기여하도록 습윤 제어 요구 목표 유량이 연산된다.
다음으로, 캐소드 가스 압력을 증가시키는 조작이, 연료 전지의 습윤 방향으로의 제어에 기여하도록, 습윤 제어 요구 목표 압력이 연산된다. 그리고 마지막으로, 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는 조작에 의한 연료 전지의 습윤 방향으로의 제어에 대한 기여가 가장 낮아지도록 목표 바이패스 밸브 개방도가 연산된다.
다음으로, 드라이 조작에 대하여 설명한다.
드라이 조작 시에 있어서는, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)에는 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량으로서 유량 최젓값, 및 캐소드 가스 압력으로서 대기압 검출값이 입력된다.
여기서 유량 최젓값이란, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 최대로 할 때의 컴프레서 유량이다. 또한 유량 최젓값은, 지나치게 낮으면 캐소드 가스의 연료 전지 스택(1)에 대한 공급량 부족에 의한 발전 불량이 발생할 우려가 있다. 한편, 지나치게 높으면 서징 등에 의한 소음이 발생하기 쉬워질 우려가 있다. 따라서 유량 최젓값은, 이들을 종합적으로 고려하여, 연료 전지 스택(1)의 성능을 확보할 수 있는 범위에서 가장 낮은 값이 채용된다. 이 유량 최젓값은 미리 실험에 의하여 연료 전지의 운전 상태에 따라 설정되어 있다.
따라서 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 연료 전지를 건조 방향으로 제어하는 데 있어서, 컴프레서 유량이 유량 최젓값이고 캐소드 가스 압력이 대기압 검출값인 것을 전제로 하여 목표 바이패스 밸브 개방도를 연산한다. 즉, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는 목표 바이패스 밸브 개방도를, 바이패스 밸브 개방도가 가능한 한 작게 설정되도록 연산된다.
또한 드라이 조작 시에 있어서, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)에는 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량으로서의 유량 최젓값, 및 바이패스 밸브 개방도로서 검출값이 입력된다.
이것에 의하여, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는, 컴프레서 유량으로서 연료 전지 스택(1)의 건조측으로의 제어에 대한 기여가 가장 낮은 유량 최젓값, 및 바이패스 밸브 개방도로서 상기 목표 바이패스 밸브 개방도에 의하여 감소 방향(연료 전지 스택(1)의 건조 방향)으로 조절되어 있는 검출값에 기초하여, 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산한다.
또한 드라이 조작 시에 있어서, 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)에는 목표 물 수지, 스택 온도, 바이패스 밸브 개방도의 검출값, 및 캐소드 가스 압력의 검출값이 입력된다. 따라서 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 바이패스 밸브 개방도로서 상기 목표 바이패스 밸브 개방도에 의하여 감소 방향(연료 전지 스택(1)의 건조 방향)으로 조절되어 있는 검출값, 및 캐소드 가스 압력으로서 상기 습윤 제어 요구 목표 압력에 의하여 감소 방향(연료 전지 스택(1)의 건조 방향)으로 조절되어 있는 검출값에 기초하여, 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산하게 된다.
이상과 같이, 드라이 조작 시에 있어서의 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014), 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015) 및 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)에 의한 목표값의 연산 양태에 의하면, 바이패스 밸브 개방도의 조절에 의한 드라이 조작이 가장 우선하여 행해진다. 특히 바이패스 밸브 개방도의 감소, 캐소드 가스 압력의 감소, 및 컴프레서 유량의 증가의 우선 순위로 드라이 조작이 행해진다.
그리고 도 5에 도시한 바와 같이 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014), 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015) 및 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 웨트 조작 시 및 드라이 조작 시 중 어느 경우에 있어서도, 연산된 습윤 제어 요구 목표 압력 및 습윤 제어 요구 목표 유량을 각각 목표 압력 연산부(B102) 및 목표 유량 연산부(B103)에 출력한다.
또한 본 실시 형태에서는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 막 습윤 F/B 제어부(B101)는, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)에서 연산된 목표 바이패스 밸브 개방도에 기초하여, 바이패스 밸브(29)의 개방도가 목표 바이패스 밸브 개방도에 근접하도록 당해 바이패스 밸브(29)를 피드백 제어한다(도 2 참조). 즉, 바이패스 밸브(29)는 막 습윤 F/B 제어부(B101)에 의하여, 연료 전지의 습윤 상태에 따라서 행해지는 웨트 조작이나 드라이 조작에 따라 적절히 개폐되게 된다.
도 8은, 도 2에 도시하는 목표 압력 연산부(B102)의 기능을 설명하는 도면이다. 도시한 바와 같이 목표 압력 연산부(B102)에는, 막 습윤 F/B 제어부(B101)에서 연산된 습윤 제어 요구 목표 압력, 요구 부하, 애노드 압력 센서(37)로부터의 애노드 가스 압력의 검출값, 및 스택 온도가 입력된다. 목표 압력 연산부(B102)는 이들 파라미터에 기초하여 캐소드 가스 압력의 최종적인 목표값인 목표 압력을 연산한다.
도 9는, 목표 압력 연산부(B102)에 있어서의 목표 압력의 연산 양태를 설명하는 블록도이다.
도시한 바와 같이 목표 압력 연산부(B102)는 산소 분압 확보 요구 공기 압력 산출부(B1021)와 과잉 승압 방지 상한 압력 산출부(B1022)와 맥스 셀렉트부(B1023)와 미니멈 셀렉트부(B1024)와 맥스 셀렉트부(B1025)를 갖고 있다.
산소 분압 확보 요구 공기 압력 산출부(B1021)에는 요구 부하가 입력된다. 산소 분압 확보 요구 공기 압력 산출부(B1021)는 요구 부하에 기초하여, 미리 정해진 산소 분압 확보 요구 공기 압력 맵으로부터 산소 분압 확보 요구 공기 압력을 산출한다.
여기서 산소 분압 확보 요구 공기 압력이란, 요구 부하에 따른 연료 전지 스택(1)의 발전력을 확보하기 위하여 정해진 연료 전지 스택(1) 내의 산소 농도의 요구를 만족시키기 위하여 정해지는 캐소드 가스 압력의 최젓값이다.
따라서 산소 분압 확보 요구 공기 압력 맵에서는, 요구 부하가 커져 연료 전지 스택(1) 내의 전기 화학 반응에 의하여 소비되어야 하는 산소량이 증가함에 따라, 구해야 할 산소 분압 확보 요구 공기 압력의 값이 높게 되어 있다.
그리고 산소 분압 확보 요구 공기 압력 산출부(B1021)는, 산출한 산소 분압 확보 요구 공기 압력을 맥스 셀렉트부(B1023)에 출력한다.
과잉 승압 방지 상한 압력 산출부(B1022)에는 요구 부하 및 스택 온도가 입력된다. 과잉 승압 방지 상한 압력 산출부(B1022)는 요구 부하 및 스택 온도에 기초하여, 미리 정해진 과잉 승압 방지 상한 압력 맵으로부터 과잉 승압 방지 상한 압력을 산출한다.
여기서 과잉 승압 방지 상한 압력이란, 웨트 조작이나 드라이 조작에 있어서, 캐소드 가스 압력이 계속해서 상승하는 것을 방지하는 관점에서 정해지는 캐소드 가스 압력의 상한값이다.
과잉 승압 방지 상한 압력 맵에서는, 요구 부하가 커짐에 따라, 구해야 할 과잉 승압 방지 상한 압력이 높아진다. 또한 과잉 승압 방지 상한 압력 맵에서는, 스택 온도가 높아짐에 따라, 구해야 할 과잉 승압 방지 상한 압력이 높아진다.
이와 같은 과잉 승압 방지 상한 압력 맵의 경향은, 고부하 상태나 고온 시에 있어서는 과잉 승압 방지 상한 압력을 상대적으로 높게 설정하는 한편, 저부하 상태나 저온 시에 있어서는 과잉 승압 방지 상한 압력을 상대적으로 낮게 설정한다.
또한 과잉 승압 방지 상한 압력 산출부(B1022)에서는, 요구 부하 및 스택 온도 대신 또는 이들과 함께, 목표 HFR 연산부(B1011)에서 연산된 목표 HFR 또는 목표 물 수지 등의 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 고려하여 과잉 승압 방지 상한 압력을 정하도록 해도 된다. 특히 과잉 승압 방지 상한 압력을, 연료 전지 스택(1)이 건조측으로 이행함에 따라 높게 해도 된다.
특히 저부하 상태, 저온 시, 및 연료 전지 스택(1)의 건조 시에 있어서, 과잉 승압 방지 상한 압력을 상대적으로 낮게 설정해 두면, 바이패스 밸브(29)가 폐색되는 경우에도 캐소드 가스 압력이 과잉으로 증가하는 것이 억제되어 컴프레서(22)의 소비 전력을 감소시킬 수 있어, 연비의 개선이나 소음의 억제에 기여할 수 있다.
다음으로, 맥스 셀렉트부(B1023)에는, 산소 분압 확보 요구 공기 압력 산출부(B1021)에서 산출된 산소 분압 확보 요구 공기 압력, 및 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)에서 연산된 습윤 제어 요구 목표 압력이 입력된다. 그리고 맥스 셀렉트부(B1023)는, 이들 입력된 산소 분압 확보 요구 공기 압력 및 습윤 제어 요구 목표 압력 중 큰 쪽을 미니멈 셀렉트부(B1024)에 출력한다.
이것에 의하여, 미니멈 셀렉트부(B1024)로부터 출력된 값에서는, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 발전량의 요구에 따른 산소 농도의 확보, 및 연료 전지 스택(1)의 습윤 제어에 있어서 요구되는 캐소드 가스 압력의 확보의 양쪽이 고려되게 된다.
미니멈 셀렉트부(B1024)에는, 맥스 셀렉트부(B1023)로부터 출력된 압력값, 및 과잉 승압 방지 상한 압력 산출부(B1022)에서 산출된 과잉 승압 방지 상한 압력이 입력된다. 미니멈 셀렉트부(B1024)는 이들 입력된 압력값 및 과잉 승압 방지 상한 압력 중 작은 쪽을 맥스 셀렉트부(B1025)에 출력한다.
이것에 의하여, 미니멈 셀렉트부(B1024)로부터 출력된 값에서는, 연료 전지 스택(1) 내의 산소 농도의 확보 및 습윤 제어에 있어서 요구되는 값을 만족시키면서도 과잉 승압 방지 상한 압력을 초과하지 않도록 제한하는 것이 고려된다.
또한 맥스 셀렉트부(B1025)에는, 미니멈 셀렉트부(B1024)로부터 입력되는 압력값, 및 애노드 가스 압력의 검출값으로부터 허용 차압 상한을 감산하여 얻어지는 막 간 차압 허용 상한값이 입력된다.
여기서 허용 차압 상한이란, 연료 전지의 전해질막을 보호하는 관점에서, 연료 전지 스택(1) 내의 애노드 가스 압력과 캐소드 가스 압력의 차압으로서 허용되는 상한의 압력이다. 따라서 애노드 가스 압력의 검출값으로부터 허용 차압 상한을 감산함으로써, 연료 전지의 전해질막을 보호하는 관점에서 허용되는 캐소드 가스 압력의 상한으로서의 막 간 차압 허용 상한 압력을 얻을 수 있다.
그리고 맥스 셀렉트부(B1025)는, 미니멈 셀렉트부(B1024)로부터 입력되는 압력값과 상기 막 간 차압 허용 상한 압력 중 큰 쪽을 목표 압력으로 하여 목표 유량 연산부(B103) 및 유량·압력 F/B 제어부(B104)에 출력한다.
이것에 의하여, 캐소드 가스 압력의 최종적인 목표값인 목표 압력은, 막 간 차압의 과도한 상승을 제한하면서 연료 전지 스택(1) 내의 산소 농도의 확보 및 습윤 제어에 있어서 요구를 만족시키고 과잉 승압 방지 상한 압력을 초과하지 않도록 설정되게 된다.
도 10은, 목표 유량 연산부(B103)의 기능을 설명하는 도면이다. 도시한 바와 같이 목표 유량 연산부(B103)에는 요구 부하, 애노드 가스 압력의 검출값, 스택 온도, 대기압 검출값, 습윤 제어 요구 목표 유량, 및 목표 압력이 입력된다. 목표 유량 연산부(B103)는 이들 입력된 값에 기초하여 컴프레서 유량의 최종적인 목표값인 목표 유량을 연산한다.
도 11은, 목표 유량 연산부(B103)에 있어서의 목표 유량의 연산 양태를 설명하는 블록도이다.
도시한 바와 같이 목표 유량 연산부(B103)는 산소 분압 확보 하한 유량 산출부(B1031)와 압력 확보 요구 유량 산출부(B1032)와 퍼지 수소 희석 요구 유량 산출부(B1033)와 부하/산소 소비 유량 변환부(B1034)와 맥스 셀렉트부(B1035)를 갖고 있다.
산소 분압 확보 하한 유량 산출부(B1031)에는 요구 부하가 입력된다. 산소 분압 확보 하한 유량 산출부(B1031)는 요구 부하에 기초하여, 미리 정해진 산소 분압 확보 하한 유량 맵으로부터 산소 분압 확보 하한 유량을 산출한다. 산소 분압 확보 하한 유량이란, 연료 전지 스택(1) 내의 산소 농도의 요구를 만족시키는 관점에서 미리 정해진 실험 등에서 얻어지는 컴프레서 유량의 하한값이다.
따라서 산소 분압 확보 하한 유량 맵에서는, 요구 부하가 커져 연료 전지 스택(1) 내의 전기 화학 반응에 의하여 소비되는 산소량이 증가함에 따라, 구해야 할 산소 분압 확보 하한 유량의 값이 높아지고 있다.
또한 이 컴프레서 유량의 하한값은, 연료 전지 스택(1) 내의 플러딩이나 국소 물 막힘을 방지하는 관점에서 정해도 된다. 특히 연료 전지 스택(1) 내의 산소 농도를 확보하면서 플러딩이나 국소 물 막힘을 방지할 수 있는 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
그리고 산소 분압 확보 하한 유량 산출부(B1031)는, 산출한 산소 분압 확보 요구 공기 유량을 맥스 셀렉트부(B1035)에 출력한다.
압력 확보 요구 유량 산출부(B1032)에는 목표 압력 연산부(B102)로부터의 목표 압력 및 스택 온도가 입력된다. 압력 확보 요구 유량 산출부(B1032)는 목표 압력 및 스택 온도에 기초하여, 미리 정해진 압력 확보 요구 유량 맵으로부터 압력 확보 요구 유량을 산출한다. 또한 여기서 압력 확보 요구 유량이란, 스택 온도에 따라, 서징 회피의 관점에서 목표 압력을 확보하기 위하여 요구되는 컴프레서 유량의 최젓값이다.
압력 확보 요구 유량 맵에서는, 목표 압력이 높아짐에 따라, 구해야 할 압력 확보 요구 유량이 높아진다. 또한 압력 확보 요구 유량 맵에서는, 스택 온도가 높아짐에 따라, 구해야 할 압력 확보 요구 유량이 낮아지도록 보정된다.
그리고 압력 확보 요구 유량 산출부(B1032)는, 산출한 압력 확보 요구 유량을 맥스 셀렉트부(B1035)에 출력한다.
퍼지 수소 희석 요구 유량 산출부(B1033)에는 애노드 가스 압력의 검출값 및 대기압 검출값이 입력된다. 퍼지 수소 희석 요구 유량 산출부(B1033)는 입력된 이들 파라미터에 기초하여, 미리 정해진 퍼지 수소 희석 요구 유량 맵으로부터 퍼지 수소 희석 요구 유량을 산출한다. 퍼지 수소 희석 요구 유량은, 연료 전지 스택(1)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 희석하기 위하여 요구되는 컴프레서 유량이다.
퍼지 수소 희석 요구 유량 맵에서는, 애노드 가스 압력의 검출값이 커질수록, 구해야 할 퍼지 수소 희석 요구 유량이 커진다. 이는, 애노드 가스 압력이 높아질수록 희석에 필요한 컴프레서 유량이 커지기 때문이다. 또한 퍼지 수소 희석 요구 유량 맵에서는, 대기압 검출값이 커질수록, 구해야 할 퍼지 수소 희석 요구 유량이 작아지도록 보정된다. 이는, 대기압이 커지면, 캐소드 가스 공급 통로(21)와 캐소드 가스 배출 통로(26)의 차압이 커져 바이패스 유량이 커지기 때문에, 컴프레서 유량으로서의 퍼지 수소 희석 요구 유량을 낮출 수 있기 때문이다.
부하/산소 소비 유량 변환부(B1034)에는 요구 부하가 입력된다. 부하/산소 소비 유량 변환부(B1034)는, 입력된 요구 부하에 미리 실험 등에서 정해진 부하/산소 소비 유량 변환 계수를 곱하여 연료 전지 스택(1)에 있어서의 산소 소비 유량을 산출한다. 또한 부하/산소 소비 유량 변환부(B1034)는, 요구 부하와 연료 전지 스택(1)에 있어서의 산소 소비 유량의 관계를 규정하는 소정의 맵에 기초하여 산소 소비 유량을 산출해도 된다.
그리고 본 실시 형태에서는, 퍼지 수소 희석 요구 유량 산출부(B1033)에서 산출된 퍼지 수소 희석 요구 유량에, 보정값으로서의 상기 산소 소비 유량을 가산하여 맥스 셀렉트부(B1035)에 출력한다. 이와 같이, 퍼지 수소 희석 요구 유량에, 연료 전지 스택(1)에 있어서 전기 화학 반응에서 소비되는 산소 유량을 나타내는 산소 소비 유량을 첨가하는 보정을 행함으로써, 퍼지 수소 희석 요구 유량의 정밀도가 보다 향상된다.
맥스 셀렉트부(B1035)에는, 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)로부터의 습윤 제어 요구 목표 유량, 산소 분압 확보 하한 유량 산출부(B1031)로부터의 산소 분압 확보 요구 공기 유량, 압력 확보 요구 유량 산출부(B1032)로부터의 압력 확보 요구 유량, 및 보정된 퍼지 수소 희석 요구 유량이 입력된다.
맥스 셀렉트부(B1035)는 이들 습윤 제어 요구 목표 유량, 산소 분압 확보 요구 공기 유량, 압력 확보 요구 유량, 및 퍼지 수소 희석 요구 유량 중 최대의 값을 목표 유량으로 하여 유량·압력 F/B 제어부(B104)에 출력한다.
이것에 의하여, 최종적인 목표 유량은, 요구 부하에 따른 연료 전지 스택(1) 내의 산소 분압의 확보, 연료 전지 스택(1)의 습윤 제어에 있어서의 요구, 연료 전지 스택(1)에 대한 캐소드 가스의 압력 확보, 및 희석 요구 모두를 만족시킨 값으로 된다.
도 12는 유량·압력 F/B 제어부(B104)의 기능을 설명하는 도면이다. 도시한 바와 같이 유량·압력 F/B 제어부(B104)에는, 목표 압력 연산부(B102)에서 연산된 목표 압력, 목표 유량 연산부(B103)에서 연산된 목표 유량, 캐소드 가스 압력의 검출값, 및 컴프레서 유량의 검출값이 입력된다.
유량·압력 F/B 제어부(B104)는, 입력된 이들 값에 기초하여 컴프레서 출력 및 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 조절한다.
본 실시 형태에서는, 유량·압력 F/B 제어부(B104)는, 컴프레서 유량이 목표 유량에 수렴하도록 컴프레서 출력을 조절한다. 또한 유량·압력 F/B 제어부(B104)는, 캐소드 가스 압력이 목표 압력에 수렴하도록 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 조절한다.
다음으로, 애노드계의 제어에 대하여 설명한다.
도 13은, 컨트롤러(200)에 있어서의 애노드계의 제어를 설명하는 블록도이다. 도시한 바와 같이 컨트롤러(200)는 목표 수소 압력 연산부(B105)와 수소 압력 조절 밸브 F/B 제어부(B106)와 목표 HRB(Hydrogen recirculation blower) 회전수 연산부(B107)와 HRB F/B 제어부(B108)를 갖는다.
도시한 바와 같이 목표 수소 압력 연산부(B105)에는 요구 부하 및 캐소드 가스 압력의 검출값이 입력된다. 목표 수소 압력 연산부(B105)는 이들 입력된 값에 기초하여, 소정의 목표 애노드 가스 압력 맵을 이용하여 목표 애노드 가스 압력을 연산한다.
수소 압력 조절 밸브 F/B 제어부(B106)에는 연산된 목표 애노드 가스 압력 및 애노드 가스 압력의 검출값이 입력된다. 수소 압력 조절 밸브 F/B 제어부(B106)는, 애노드 가스 압력의 검출값이 목표 애노드 가스 압력에 수렴하도록 애노드 압력 조절 밸브(33)의 개방도를 제어한다.
또한 목표 HRB 회전수 연산부(B107)에는 요구 부하가 입력된다. 목표 HRB 회전수 연산부(B107)는, 입력된 요구 부하에 기초하여 소정의 목표 HRB 회전수 맵으로부터 애노드 가스 순환 블로워(36)의 목표 회전수인 목표 HRB 회전수를 연산한다.
도 14는, 목표 HRB 회전수 맵의 일례를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 요구 부하가 증가함에 따라, 즉, 연료 전지 내의 전기 화학 반응에서 소비되어야 할 애노드 가스량이 증가함에 따라, 목표 HRB 회전수가 높은 값으로 설정된다.
도 13으로 되돌아와 HRB F/B 제어부(B108)에는, 목표 HRB 회전수 연산부(B107)에서 연산된 목표 HRB 회전수가 입력된다. HRB F/B 제어부(B108)는, 입력된 목표 HRB 회전수에 기초하여 애노드 가스 순환 블로워(36)의 회전수를 제어한다.
이하에서는, 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 습윤 제어에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 15는, 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 습윤 제어를 설명하는 흐름도이다. 이 제어의 처리 수순은 소정의 제어 주기로 반복하여 실행된다.
스텝 S10에 있어서, 컨트롤러(200)는 연료 전지 스택(1)의 운전 상태를 검출한다. 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(200)의 지시에 따라 에어플로 미터(23)가 컴프레서 유량을 검출하고 캐소드 압력 센서(25)가 캐소드 가스 압력을 검출한다. 또한 개방도 센서(29a)가 바이패스 밸브(29)의 개방도를 검출한다. 또한 컨트롤러(200)는 입구 수온 센서(46) 및 출구 수온 센서(47)에 의한 냉각수 온도의 검출값에 기초하여 스택 온도의 검출값을 연산한다.
스텝 S20에 있어서, 컨트롤러(200)는 부하 장치(5)의 요구 부하를 취득한다.
스텝 S30에 있어서, 컨트롤러(200)는 임피던스 계측 장치(6)로부터, 전해질막의 습윤 상태와 상관이 있는 HFR 측정값을 취득한다.
스텝 S40에 있어서, 컨트롤러(200)의 목표 HFR 연산부(B1011)(도 4 참조)는 요구 부하에 기초하여 목표 HFR을 연산한다.
스텝 S50에 있어서, 컨트롤러(200)의 목표 물 수지 연산부(B1012)(도 4 참조)는 HFR 측정값이 목표 HFR에 수렴하도록, 즉, HFR 편차에 기초하여 목표 물 수지를 연산한다.
스텝 S60에 있어서, 컨트롤러(200)의 우선 순위 설정부(B1013)(도 5 참조)는 HFR 계측값으로부터 실제 물 수지를 구한다.
스텝 S70에 있어서 컨트롤러(200)의 우선 순위 설정부(B1013)는, 웨트 조작을 실시하는지 여부를 판단한다. 구체적으로는 이미 설명한 바와 같이, 우선 순위 설정부(B1013)는 목표 물 수지와 실제 물 수지의 대소 관계를 판정하여, 목표 물 수지-실제 물 수지>0이면 웨트 조작을 실시한다고 판단하고, 그렇지 않은 경우, 즉, 목표 물 수지-실제 물 수지≤0이면 웨트 조작을 실시하지 않는다고 판단한다.
상기 스텝 S70에 있어서 웨트 조작을 실시한다고 판단되면, 스텝 S80에 있어서 컨트롤러(200)가 웨트 조작 처리를 실행한다. 또한 상기 스텝 S70에 있어서 웨트 조작을 실시하지 않는다고 판단되면, 스텝 S90에 있어서 컨트롤러(200)가 드라이 조작을 실행한다.
이하에서는, 웨트 조작 및 드라이 조작의 흐름을 설명한다.
도 16은, 스텝 S80에서 실행되는 웨트 조작의 흐름을 설명하는 흐름도이다.
스텝 S81에 있어서, 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)(도 5 참조)가 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산한다. 이미 도 5에 있어서 설명한 바와 같이 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 목표 물 수지, 스택 온도, 캐소드 가스 압력으로서의 대기압 검출값, 및 바이패스 밸브 개방도로서의 0에 기초하여 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산한다.
따라서 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 웨트 조작에 있어서, 이들 캐소드 가스 압력이 가장 낮고 또한 바이패스 밸브 개방도가 가장 낮은 것을 전제로 하여, 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산하게 된다. 즉, 습윤 제어 요구 목표 유량은, 연료 전지를 습윤 방향으로 제어하는 것에 가장 기여하는 최소의 값으로 하여 연산되게 된다.
스텝 S82에 있어서, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산시킨다. 이미 도 5에 있어서 설명한 바와 같이, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는, 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량의 검출값, 및 바이패스 밸브 개방도로서의 0에 기초하여 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산한다.
즉, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는, 바이패스 밸브 개방도를 가장 낮은 0으로 하면서 습윤 제어 요구 목표 유량에 의하여 감소 방향(연료 전지 스택(1)의 습윤 방향)으로 조절되어 있는 컴프레서 유량으로서의 검출값을 이용하여 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산한다.
스텝 S83에 있어서, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)가 목표 바이패스 밸브 개방도를 연산한다. 이미 도 5에 있어서 설명한 바와 같이 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량의 검출값, 및 캐소드 가스 압력의 검출값에 기초하여 목표 바이패스 밸브 개방도를 연산한다.
즉, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 컴프레서 유량의 감소 및 캐소드 가스 압력의 증가에 의하여 연료 전지의 습윤 방향으로의 제어가 이루어져 있음을 전제로 하여, 바이패스 밸브 개방도의 증가량이 최소한으로 설정되도록 목표 바이패스 밸브 개방도를 연산하게 된다.
스텝 S84에 있어서 컨트롤러(200)는, 스텝 S81에서 연산된 습윤 제어 요구 목표 유량, 스텝 S82에서 연산된 습윤 제어 요구 목표 압력, 및 스텝 S83에서 연산된 목표 바이패스 밸브 개방도에 기초하여 컴프레서(22), 캐소드 압력 조절 밸브(27) 및 바이패스 밸브(29)를 제어한다.
구체적으로 목표 유량 연산부(B103)(도 11 참조)가, 스텝 S81에서 연산된 습윤 제어 요구 목표 유량 등에 기초하여, 도 11에서 설명한 로직에 따라 목표 유량을 산출한다. 그리고 유량·압력 F/B 제어부(B104)(도 12 참조)가, 산출된 목표 유량 및 컴프레서 유량 검출값에 기초하여 컴프레서 출력을 조절한다.
또한 목표 압력 연산부(B102)(도 9 참조)가, 스텝 S82에서 연산된 습윤 제어 요구 목표 압력에 기초하여, 도 9에서 설명한 로직에 따라 목표 압력을 산출한다. 그리고 유량·압력 F/B 제어부(B104)(도 12 참조)가, 산출된 목표 압력 및 캐소드 가스 압력 검출값에 기초하여 캐소드 압력 조절 밸브 개방도를 조절한다.
또한 막 습윤 F/B 제어부(B101)(도 3 참조)가, 스텝 S83에서 연산된 목표 바이패스 밸브 개방도에 기초하여 바이패스 밸브 개방도를 조절한다.
따라서 캐소드 가스 압력을 대기압 검출값 및 바이패스 밸브 개방도를 0으로 하여 연산된 습윤 제어 요구 목표 유량에 기초한 목표 유량으로 정해지는 컴프레서 유량은, 습윤 제어 파라미터로서 가장 우선된 제1위 습윤 제어 파라미터로 된다.
한편, 도 11에 있어서 설명한 바와 같이 목표 유량은, 습윤 제어 요구 목표 유량, 산소 분압 확보 하한 유량, 압력 확보 요구 유량, 및 퍼지 수소 희석 요구 유량 중 최대값으로서 설정되므로, 목표 유량은 산소 분압 확보 하한 유량을 하회하지 않는다. 따라서 본 실시 형태에서는, 컴프레서 유량은 산소 분압 확보 하한 유량을 하회하지 않도록 조절되게 된다.
또한 컴프레서 유량을 검출값 및 바이패스 밸브 개방도를 0으로 하여 연산된 습윤 제어 요구 목표 압력에 기초한 목표 압력에 의하여 정해지는 캐소드 가스 압력은, 습윤 제어 파라미터로서 2번째로 우선된 제2위 습윤 제어 파라미터로 된다.
한편, 도 9에 있어서 설명한 로직에 따르면, 목표 압력은 과잉 승압 방지 상한 압력을 초과하지 않도록 설정된다. 따라서 본 실시 형태에서는, 캐소드 가스 압력은 과잉 승압 방지 상한 압력을 초과하지 않도록 조절되게 된다.
또한 컴프레서 유량을 검출값 및 캐소드 가스 압력을 검출값으로 하여 연산된 목표 바이패스 밸브 개방도에 의하여 정해지는 바이패스 밸브 개방도는, 습윤 제어 파라미터로서 가장 우선도가 낮은 제3위 습윤 제어 파라미터로 된다.
여기서, 도 17에 있어서, 웨트 조작 시에 있어서의 각 습윤 제어 파라미터의 우선 순위와, 이들 습윤 제어 파라미터의 그 증감 경향의 관계를 나타낸 표를 나타낸다.
도시한 바와 같이 웨트 조작에서는, 제1위 습윤 제어 파라미터로서의 컴프레서 유량이 감소하도록 컴프레서 출력이 저하된다. 또한 이 컴프레서 유량의 감소가 실행된 후에 제2위 습윤 제어 파라미터로서의 캐소드 가스 압력이 증가하도록 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도가 감소된다. 또한 컴프레서 유량의 감소 및 캐소드 가스 압력의 증가가 실행된 후에 바이패스 유량이 증가하도록 제3위 습윤 제어 파라미터로서의 바이패스 밸브 개방도가 증가된다.
즉, 웨트 조작에 있어서, 컴프레서 유량의 감소, 캐소드 가스 압력의 증가, 및 바이패스 밸브 개방도의 증가의 우선 순위로 연료 전지 스택(1)의 습윤 방향으로의 제어가 행해지게 된다.
도 18은, 어떤 요구 부하에 있어서의 웨트 조작 시의 연료 전지 시스템(100)의 상태의 변화의 일례를 설명하는 도면이다. 여기서, 도면에 나타내는 부호 「C1」로 나타내는 직선 화살표는, 컴프레서(22)의 출력을 저하시켜 컴프레서 유량을 감소시키는 조작을 나타낸다. 즉, 도 18로부터 밝혀지겠지만, 이 조작에 있어서는 바이패스 밸브 개방도가 일정하면 스택 유량이 감소하도록 된다.
또한 부호 「C2」로 나타내는 굴절된 화살표는, 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 감소시키는 조작을 나타낸다. 그리고 부호 「C3」로 나타내는 직선 화살표는, 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는 조작, 즉, 바이패스 유량을 증가시키는 조작을 나타낸다.
또한 도 18에 있어서는, 스택 온도가 어떤 온도 T1일 때의 목표 습윤 상태선, 및 스택 온도가 어떤 온도 T2일 때의 목표 습윤 상태선을 점선으로 나타내고 있다(T1<T2). 또한 도 18에서는, 컴프레서(22)의 서징 회피의 관점에서 정해지는 캐소드 가스 압력에 대한 스택 공급 유량의 최젓값을 나타내는 캐소드계 운전 한계선을 일점 쇄선으로 나타내고 있다. 또한 산소 분압 확보 하한 유량 및 과잉 승압 방지 상한 압력을 파선으로 나타내고 있다.
도 18에서는, 웨트 조작을 행하여 연료 전지 시스템(100)의 운전점을 현재의 운전점으로부터 목표 운전점으로 천이시키는 것을 상정하고 있다. 여기서, 현재의 운전점은, 스택 온도가 어떤 온도 T1이고, 당해 온도 T1에 따른 목표 습윤 상태를 만족시키고 있는 상태이다. 또한 목표 습윤 상태란, 물 수지 편차 ΔQ가 0으로 되는 상태이다.
한편, 목표 운전점은, 스택 온도가 온도 T2(>T1)이고, 당해 온도 T2에 따른 목표 습윤 상태를 만족시키는 어떤 운전점이다. 따라서 연료 전지 시스템(100)의 운전점을 현재의 운전점으로부터 목표 운전점으로 천이시키기 위해서는, 연료 전지를 보다 습윤시키도록 웨트 조작이 행해지게 된다.
웨트 조작에 있어서는 먼저, 화살표 C1로 나타낸 바와 같이 현재의 운전점으로부터 컴프레서 유량을 감소시킨다. 이미 설명한 바와 같이 목표 유량은 산소 분압 확보 하한 유량을 하회하지 않도록 조절되므로(도 11 참조), 컴프레서 유량(스택 공급 유량)은 산소 분압 확보 하한 유량에서 낮아짐이 멈춘다.
다음으로, 화살표 C2로 나타낸 바와 같이 캐소드 가스 압력을 증가시킨다. 이미 설명한 바와 같이 목표 압력은 과잉 승압 방지 상한 압력을 초과하지 않도록 조절되므로(도 9 참조), 캐소드 가스 압력은 과잉 승압 방지 상한 압력에서 높아짐이 멈춘다. 여기서, 화살표 C2에서는, 캐소드 가스 압력이 과잉 승압 방지 상한 압력을 초과하여 증가하지 않도록 조절되어 있음으로써, 캐소드 가스 압력이 과잉으로 증가하는 것이 억제된다.
특히 이 캐소드 가스 압력을 증가시키는 조작에서는, 운전점을 캐소드계 운전 한계선에 유지되도록 컴프레서 유량도 증가한다. 그러나 컴프레서 유량이 계속해서 증가되면, 컴프레서 출력이 높아져 전력 소비량의 증대에 기인한 연비의 저하가 우려된다. 또한 컴프레서 유량이 증가되면, 스택 공급 유량이 증가되어 연료 전지 스택(1)의 과건조를 유발할 우려도 있다.
이와 같은 우려에 대하여 본 실시 형태에서는, 캐소드 가스 압력이 과잉 승압 방지 상한 압력을 초과하지 않도록 제한하고 있음으로써, 컴프레서(22)의 소비 전력의 증대나 연료 전지 스택(1)의 과건조의 발생을 억제할 수 있다.
또한 화살표 C3으로 나타낸 바와 같이, 바이패스 밸브 개방도를 증가시키고 스택 공급 유량을 감소시켜 연료 전지를 습윤 방향으로 하여, 연료 전지 시스템(100)을 목표 운전점에 도달시킨다.
이와 같이 본 실시 형태에서는, 웨트 조작을 행하는 데 있어서, 컴프레서 유량을 감소시키는 조작을, 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는 조작에 우선하여 실행하고 있다. 이것에 의하여, 컴프레서 유량이 유량 하한값으로 저하되기 전에 바이패스 밸브 개방도를 증가시킨 결과, 스택 공급 유량 확보의 관점에서 목표 유량이 높게 설정되어 버려, 컴프레서 출력이 과잉으로 증가하는 것에 의한 소비 전력의 증대나 소음의 발생을 억제할 수 있다.
또한 본 실시 형태에서는, 캐소드 가스 압력을 증가시키는 조작을, 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는 조작에 우선하여 실행하고 있다. 따라서 캐소드 가스 압력이 낮은 상태에서 바이패스 밸브 개방도를 증가시킨 결과, 스택 공급 유량이 감소하여, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압의 저하나 연료 전지 셀 전압의 변동이 증대되어 버리는 것을 억제할 수 있다.
도 19는, 도 15의 스텝 S90에서 실행되는 드라이 조작의 흐름을 설명하는 흐름도이다.
스텝 S91에 있어서, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는 목표 바이패스 밸브 개방도를 연산한다. 이미 도 5에 있어서 설명한 바와 같이 드라이 조작에서는, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량으로서의 유량 최젓값, 및 캐소드 가스 압력으로서의 대기압 검출값에 기초하여 목표 바이패스 밸브 개방도를 연산한다.
즉, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는, 드라이 조작을 행하는 데 있어서, 컴프레서 유량이 유량 최젓값이고 캐소드 가스 압력이 대기압 검출값인 것을 전제로 하여 목표 바이패스 밸브 개방도를 연산한다. 즉, 목표 바이패스 밸브 개방도 연산부(B1016)는 목표 바이패스 밸브 개방도를, 바이패스 밸브 개방도가 가능한 한 작게 설정되도록 연산된다.
스텝 S92에 있어서, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산한다. 이미 도 5에 있어서 설명한 바와 같이, 드라이 조작 시에서는, 습윤 제어 요구 목표 압력 연산부(B1014)는, 목표 물 수지, 스택 온도, 컴프레서 유량으로서의 유량 최젓값, 및 바이패스 밸브 개방도로서 검출값에 기초하여, 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산한다.
즉, 컴프레서 유량으로서 연료 전지 스택(1)의 건조측으로의 제어에 대한 기여가 가장 낮은 유량 최젓값, 및 바이패스 밸브 개방도로서 상기 목표 바이패스 밸브 개방도에 의하여 감소 방향(연료 전지 스택(1)의 건조 방향)으로 조절되어 있는 검출값에 기초하여 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산한다.
스텝 S93에 있어서, 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산한다. 이미 도 5에 있어서 설명한 바와 같이 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 드라이 조작 시에 있어서, 목표 물 수지, 스택 온도, 바이패스 밸브 개방도의 검출값, 및 캐소드 가스 압력의 검출값에 기초하여 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산한다.
즉, 습윤 제어 요구 목표 유량 연산부(B1015)는, 상기 목표 바이패스 밸브 개방도에 의하여 이미 감소 방향(연료 전지 스택(1)의 건조 방향)으로 조절되어 있는 바이패스 밸브 개방도의 검출값, 및 상기 습윤 제어 요구 목표 압력에 의하여 이미 감소 방향(연료 전지 스택(1)의 건조 방향)으로 조절되어 있는 캐소드 가스 압력의 검출값에 기초하여, 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산한다.
스텝 S94에 있어서 컨트롤러(200)는, 스텝 S91에서 연산된 목표 바이패스 밸브 개방도, 스텝 S92에서 연산된 습윤 제어 요구 목표 압력, 및 스텝 S93에서 연산된 습윤 제어 요구 목표 유량에 기초하여, 바이패스 밸브(29), 캐소드 압력 조절 밸브(27) 및 컴프레서(22)를 제어한다. 또한 구체적인 제어의 양태는 스텝 S84의 경우와 마찬가지이다.
구체적으로 스텝 S91에서 산출된 목표 바이패스 밸브 개방도에 기초하여 막 습윤 F/B 제어부(B101)가 바이패스 밸브 개방도를 조절한다(도 3 및 도 5 참조). 또한 목표 압력 연산부(B102)가, 스텝 S92에서 산출된 습윤 제어 요구 목표 압력에 기초하여, 도 9로 설명한 로직에 따라 목표 압력을 연산한다. 그리고 유량·압력 F/B 제어부(B104)가 이 목표 압력에 기초하여 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도를 조절한다.
또한 목표 유량 연산부(B103)가, 스텝 S93에서 산출된 습윤 제어 요구 목표 유량에 기초하여, 도 11에서 설명한 로직에 따라 목표 유량을 연산한다. 그리고 유량·압력 F/B 제어부(B104)가 이 목표 유량에 기초하여 컴프레서 출력을 조절한다.
따라서 드라이 조작 시에 있어서는, 컴프레서 유량을 유량 최젓값 및 캐소드 가스 압력을 대기압 검출값으로 하여 연산된 목표 바이패스 밸브 개방도에 의하여 정해지는 바이패스 밸브 개방도는, 습윤 제어 파라미터로서 가장 우선된 제1위 건조 제어 파라미터로 된다.
또한 드라이 조작 시에 있어서는, 바이패스 밸브 개방도를 검출값 및 컴프레서 유량을 유량 최젓값으로 하여 연산된 습윤 제어 요구 목표 압력에 기초한 목표 압력에 의한 정해지는 캐소드 가스 압력은, 습윤 제어 파라미터로서 2번째로 우선된 제2위 건조 제어 파라미터로 된다.
또한 드라이 조작 시에 있어서는, 바이패스 밸브 개방도를 검출값 및 캐소드 가스 압력을 검출값으로 하여 연산된 습윤 제어 요구 목표 유량에 기초한 목표 유량에 의한 정해지는 컴프레서 유량은, 습윤 제어 파라미터로서 가장 우선도가 낮은 제3위 건조 제어 파라미터로 된다.
여기서, 도 20에 있어서, 드라이 조작 시에 있어서의 각 습윤 제어 파라미터의 우선 순위와, 이들 습윤 제어 파라미터의 그 증감 경향의 관계를 나타낸 표를 나타낸다.
도시한 바와 같이 드라이 조작에서는, 바이패스 유량이 감소하도록 제1위 건조 제어 파라미터로서의 바이패스 밸브 개방도가 감소된다. 또한 바이패스 밸브 개방도가 감소된 후에 제2위 건조 제어 파라미터로서의 캐소드 가스 압력이 감소하도록 캐소드 압력 조절 밸브(27)의 개방도가 증가된다. 또한 바이패스 밸브 개방도의 감소 및 캐소드 가스 압력의 감소가 실행된 후에 제3위 건조 제어 파라미터로서의 컴프레서 유량이 증가된다.
이와 같이 드라이 조작에 있어서는, 캐소드 가스 압력의 감소 및 컴프레서 유량의 증가에 우선하여 바이패스 밸브 개방도를 감소시킨다. 이것에 의하여, 드라이 조작 시에 있어서, 바이패스 밸브 개방도가 비교적 큰 상태에서 캐소드 가스 압력을 감소시키는 것을 억제할 수 있다. 따라서 당해 캐소드 가스 압력의 감소에 기인하여 컴프레서 유량을 증가시키기 위하여 컴프레서(22)의 출력이 상승하도록 제어되는 것이 억제되고, 그 결과, 소비 전력의 증대나 소음이 발생을 보다 저감시킬 수 있다.
다음으로, 연료 전지 시스템(100)의 습윤 제어의 일례에 있어서의 경시적인 흐름을 설명한다.
도 21은, 연료 전지 시스템(100)의 습윤 제어의 일례에 있어서의 경시적인 흐름을 설명하는 타임 챠트이다. 특히 도 21의 (a) 내지 도 21의 (f)는 각각 연료 전지 시스템(100)의 부하(예를 들어 각 부하에 대한 전력 공급량 또는 출력 전류를 의미함), 스택 온도, HFR, 압력, 유량, 및 바이패스 밸브 개방도의 경시 변화를 나타내고 있다.
또한 도 21의 (c)에서는, 목표 HFR을 실선으로 나타내고, HFR 측정값을 파선으로 나타낸다. 또한 도 21의 (d)에서는, 목표 압력을 굵은 실선으로 나타내고, 산소 분압 확보 요구 압력을 가는 실선으로 나타내고, 습윤 제어 요구 목표 압력을 파선으로 나타내고, 과잉 승압 방지 상한 압력을 일점 쇄선으로 나타낸다. 또한 설명의 간략화를 위하여, 막 간 차압 허용 상한 압력은 도면에 있어서 반영하고 있지 않다. 또한 도 21의 (e)에서는, 컴프레서 유량을 굵은 실선으로 나타내고, 스택 공급 유량을 가는 실선으로 나타낸다. 또한 도 21의 (f)에서는, 바이패스 밸브 개방도의 검출값을 실선으로 나타내고, 바이패스 밸브(29)가 완전 개방 상태일 때 상당하는 개방도를 파선으로 나타내고 있다.
도면에 나타내는 시간 구간 (ⅰ)에 있어서, 연료 전지 시스템(100)은 아이들링 상태이다. 여기서 아이들링 상태란, 연료 전지 스택(1)으로부터 주행 모터나 컴프레서 모터(22a) 등의 보조 기기류에 대한 전력 공급량이 대략 0이고, 연료 전지 스택(1)의 발전 전력량이 상대적으로 적으며, 발전 전력이 도시하지 않은 배터리 등에 공급되고 있는 상태이다.
시간 구간 (ⅰ)에서는, 연료 전지 스택(1)에 대한 발전 요구 전력(요구 부하)이 작기 때문에 연료 전지 스택(1)을 습윤시키려는 요구는 낮다. 따라서 연료 전지 스택(1)을 비교적 습윤하지 않은 상태(건조한 상태)로 유지하기 위하여, 목표 HFR이 비교적 높은 일정값으로 설정된다. 따라서 목표 물 수지가 비교적 작은 일정값으로 설정된 상태에서 습윤 제어가 행해지고 있다.
한편, 시간 구간 (ⅰ)에 있어서, 도 9에서 설명한 로직에 따라 캐소드 가스 압력의 상한값으로 되는 과잉 승압 방지 상한 압력은, 요구 부하나 스택 온도가 낮기 때문에 비교적 낮은 값으로 설정되어 있다(도 21의 (a), (b), (d)). 따라서 캐소드 가스 압력은 과잉 승압 방지 상한 압력에 따른 비교적 낮은 값을 취한다. 또한 상술한 습윤 제어의 결과로서, 바이패스 밸브 개방도는 비교적 작은 일정값으로 설정된다(도 21의 (f)).
시간 구간 (ⅱ)에 있어서, 아이들링 상태가 종료되고 요구 부하 및 스택 온도가 상승하여(도 21의 (a), (b)), 연료 전지 시스템(100)의 부하가 상승한다. 이에 수반하여, 요구 부하 및 스택 온도가 상승하고, 목표 HFR이 저하된다(도 21의 (c)). 여기서, 도시한 바와 같이 시간 구간 (ⅱ)에서는, HFR 측정값이 목표 HFR값을 초과한 상태로 된다. 따라서 목표 물 수지보다도 실제 물 수지가 낮아져, 목표 습윤 상태를 실현하기 위하여 웨트 조작이 개시되게 된다.
여기서, 시간 구간 (ⅱ)에 있어서의 웨트 조작에서는, 요구 부하의 상승에 수반하여 도 11에서 설명한 산소 분압 확보 하한 유량을 어느 정도의 값으로 확보할 필요가 있다. 따라서 도 11에서 나타내는 로직으로부터 이해된 바와 같이, 습윤 제어 요구 목표 유량을 감소시켰다고 하더라도 목표 유량을 감소시키지는 못한다. 따라서 웨트 조작을 행하는 데 있어서, 도 5에서 설명한 로직에 따라, 제1위 습윤 제어 파라미터인 컴프레서 유량의 감소가 아니라 그 다음에 우선되는 제2위 습윤 제어 파라미터인 캐소드 가스 압력을 증가시키는 조작이 실행된다(도 21의 (d)의 목표 압력 참조). 한편, 도 9의 로직에 따르면, 목표 압력은 과잉 승압 방지 상한 압력 이하로 제어되므로, 캐소드 가스 압력은 상한인 과잉 승압 방지 상한 압력으로 제한되면서 증가되게 된다.
또한 시간 구간 (ⅱ)에서는, 캐소드 가스 압력을 과잉 승압 방지 상한 압력까지 증가시킴으로써, 연료 전지 스택(1)을, 요구되는 정도로 습윤 방향으로 이행시킬 수 있으므로, 제3위 습윤 제어 파라미터인 바이패스 밸브 개방도는 유지된 채 그대로이다.
시간 구간 (ⅲ)에 있어서, 연료 전지 시스템(100)의 부하 상승이 종료된다. 이에 수반하여 목표 HFR이 정정(靜定)된다. 그리고 시간 구간 (ⅱ)로부터의 웨트 조작에 의하여 습윤이 진행되어 목표 물 수지보다도 실제 물 수지가 높아진다. 따라서 시간 구간 (ⅲ)에서는, 목표 습윤 상태를 실현하기 위하여 드라이 조작이 개시된다.
여기서, 시간 구간 (ⅲ)의 드라이 조작에서는, 도 5에서 설명한 로직에 따라, 조작하는 것이 가장 우선되는 제1위 건조 제어 파라미터인 바이패스 밸브 개방도가 0으로 된다(도 21의 (f)). 그리고 바이패스 밸브 개방도를 0으로 하는 드라이 조작을 보완하도록 제2위 건조 제어 파라미터인 캐소드 가스 압력을 감소시킨다(도 21의 (d)). 이것에 의하여, 캐소드 가스 압력이, 도 9에서 설명한 하한값의 산소 분압 확보 요구 압력까지 감소된다. 또한 이들 조작에 의하여, 연료 전지 스택(1)을, 요구되는 정도로 건조 방향으로 이행시킬 수 있으므로, 제3위 건조 제어 파라미터인 컴프레서 유량은 유지된다(도 21의 (e)).
시간 구간 (ⅳ)에 있어서, 시간 구간 (ⅲ)에 있어서의 드라이 조작의 결과, HFR 측정값이 목표 HFR로 정정되고(도 21의 (c)), 그리고 캐소드 가스 압력이 하한값인 산소 분압 확보 요구 압력까지 저하된다(도 21의 (d)).
시간 구간 (ⅴ)에 있어서, 스택 온도의 상승에 따라 HFR 측정값이 증가된다. 이것에 의하여, 목표 물 수지보다도 실제 물 수지가 낮아져 웨트 조작이 개시된다. 이 웨트 조작에 있어서, 도 11의 로직에 따라, 제1위 습윤 제어 파라미터인 컴프레서 유량에 대하여, 산소 분압 확보 하한 유량을 확보하는 관점에서 목표 유량은 감소되지 않는다. 따라서 이 웨트 조작에서는, 제2위 습윤 제어 파라미터인 캐소드 가스 압력을 증가시키기 위하여, 목표 압력을 증가시킨다.
다음으로, 시간 구간 (ⅵ)에 있어서, 시간 구간 (ⅴ)의 웨트 조작에 의하여 캐소드 가스 압력이 상승한다. 따라서 도 11의 로직에 따라, 압력 확보 요구 유량이 증가하고, 결과로서 목표 유량이 증가되기 때문에, 컴프레서 유량이 증가한다.
그리고 시간 구간 (ⅶ)에 있어서, 시간 구간 (ⅴ)의 웨트 조작에 의한 캐소드 가스 압력의 증가에 수반하여, 캐소드 가스 압력이 다시 과잉 승압 방지 상한 압력에 도달한다. 따라서 도 9의 로직에 의하면, 이 이상 캐소드 가스 압력은 증가하지 않는다. 그러나 연료 전지 스택(1)은 아직 목표 습윤 상태에 도달해 있지 않으므로, 제3위 습윤 제어 파라미터인 바이패스 밸브 개방도의 증가가 개시된다(도 21의 (f)). 이 바이패스 밸브 개방도의 증가에 의하여, HFR 측정값이 목표 HFR에 근접하도록 감소된다(도 21의 (c)).
시간 구간 (ⅷ)에 있어서, HFR 측정값이 시간 구간 (ⅶ)로부터 계속해서 감소하고 있으며, 목표 HFR에 정정된다(도 21의 (c)). 또한 부하도 고부하 상태 및 스택 온도도 고온 상태에 정정된다(도 21의 (a) 및 (b)).
시간 구간 (ⅸ)에 있어서, 부하 및 스택 온도가 감소한다. 이 부하의 감소에 수반하여 과잉 승압 방지 상한 압력이 저하되므로(도 21의 (d)), 도 9의 로직에 따라, 캐소드 가스 압력이 과잉 승압 방지 상한 압력으로 제한되면서 저하되게 된다. 또한 캐소드 가스 압력의 저하에 수반하여 HFR 측정값이 더욱 증가한다(연료 전지 스택(1)이 보다 건조측으로 된다).
따라서 다시 웨트 조작이 행해진다. 여기서, 제1위 습윤 제어 파라미터인 컴프레서 유량은, 도 11의 로직에 따라, 산소 분압 확보 하한 유량으로 제한되어 있기 때문에 감소되지 않는다. 또한 제2위 습윤 제어 파라미터인 캐소드 가스 압력은, 과잉 승압 방지 상한 압력으로 제한되어 있기 때문에, 도 9의 로직에 따라 증가되지 않는다. 따라서 본 웨트 조작에 있어서는, 제3위 습윤 제어 파라미터인 바이패스 밸브 개방도를 더욱 증가시켜 완전 개방 상당의 개방도로 한다(도 21의 (f)).
다음으로, 시간 구간 (ⅹ)에 있어서, 스택 온도의 저하 및 시간 구간 (ⅸ)에 있어서의 상기 웨트 조작에 수반하여 HFR 측정값이 저하된다(도 21의 (c)). 그 결과, 연료 전지 스택(1)의 습윤이 진행되어 목표 물 수지보다도 실제 물 수지보다도 높아진다. 따라서 드라이 조작이 행해진다. 본 드라이 조작에 있어서는, 제1위 건조 제어 파라미터인 바이패스 밸브 개방도를 감소시킨다(도 21의 (f)). 또한 본 시간 구간 (ⅹ)에서는, 스택 온도의 저하에 수반하여 과잉 승압 방지 상한 압력이 저하된다(도 21의 (d)). 따라서 과잉 승압 방지 상한 압력으로 제한되어 있는 캐소드 가스 압력도 저하된다.
시간 구간 (ⅹⅰ)에 있어서, 바이패스 밸브 개방도의 감소(웨트 조작)가 종료되고, 연료 전지 시스템(100)은 다시 아이들링 상태로 이행한다.
이상, 설명한 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법의 효과에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에 의하면, 캐소드 가스의 일부를 바이패스시키면서 연료 전지로서의 연료 전지 스택(1)에 공급하는 연료 전지 시스템(100)에서, 습윤 제어 파라미터를 조절하여 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 제어하는 연료 전지 시스템(100)의 습윤 상태 제어 방법이 제공된다. 그리고 이 연료 전지 시스템(100)의 습윤 상태 제어 방법에서는, 습윤 제어 파라미터가 바이패스 밸브 개방도, 캐소드 가스 압력 및 캐소드 가스 유량으로서의 컴프레서 유량을 포함하고, 연료 전지 스택(1)을 습윤 방향으로 제어할 때(웨트 조작 시), 바이패스 밸브 개방도의 조절에 우선하여 캐소드 가스 압력 및 컴프레서 유량을 조절한다.
특히 본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)과, 연료 전지 스택(1)을 포함하는 캐소드계 1, 21, 26, 28에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급 장치로서의 컴프레서(22)와, 컴프레서(22)로부터 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 일부를 바이패스시키는 바이패스 통로(28)와, 바이패스 통로(28)에 설치되는 바이패스 밸브(29)와, 바이패스 밸브(29)의 개방도를 조절하는 바이패스 밸브 개방도 조절 장치로서의 막 습윤 F/B 제어부(B101)와, 캐소드 가스 압력을 조절하는 캐소드 가스 압력 조절 장치로서의 캐소드 압력 조절 밸브(27)와, 컴프레서(22)에 의하여 캐소드계 1, 21, 26, 28에 공급되는 캐소드 가스 유량을 조절하는 캐소드 가스 유량 조절 장치로서의 컴프레서 모터(22a)와, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 취득하는 습윤 상태 취득 장치로서의 임피던스 계측 장치(6)와, 바이패스 밸브(29)의 개방도를 취득하는 바이패스 밸브 개방도 취득 장치로서의 개방도 센서(29a)와, 캐소드 가스 압력을 취득하는 캐소드 가스 압력 취득부로서의 캐소드 압력 센서(25)와, 컴프레서 유량을 취득하는 캐소드 가스 유량 취득부로서의 에어플로 미터(23)와, 막 습윤 F/B 제어부(B101)에 의한 바이패스 밸브 개방도의 조절, 캐소드 압력 조절 밸브(27)에 의한 캐소드 가스 압력의 조절, 및 컴프레서 모터(22a)에 의한 컴프레서 유량의 조절 중 우선 순위를 설정하는 우선 순위 설정부(B1013)를 갖는 습윤 상태 제어 장치가 제공된다.
그리고 이 습윤 상태 제어 장치에서는, 우선 순위 설정부(B1013)는, 연료 전지 스택(1)을 습윤 방향으로 제어할 때, 막 습윤 F/B 제어부(B101)에 의한 바이패스 밸브 개방도의 조절에 대하여, 캐소드 압력 조절 밸브(27)에 의한 캐소드 가스 압력의 조절 및 컴프레서 모터(22a)에 의한 캐소드 가스 유량의 조절이 우선되도록 우선 순위를 설정한다.
이것에 의하여, 웨트 조작에 있어서, 바이패스 밸브 개방도의 조절에 우선하여 캐소드 가스 압력 및 컴프레서 유량이 조절되게 된다. 따라서 웨트 조작 시에, 컴프레서 유량이나 캐소드 가스 압력의 조절이 이루어지지 않은 상태에서 바이패스 밸브 개방도를 조절함으로써 발생하는 스택 공급 유량의 과부족을 억제하여, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 적합하게 유지할 수 있다.
또한 본 실시 형태에서는, 연료 전지 스택(1)을 건조 방향으로 제어하는 드라이 조작을 실행할 때, 컴프레서 유량 및 캐소드 가스 압력의 조절에 우선하여 바이패스 밸브 개방도를 조절한다.
특히 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 습윤 상태 제어 장치에서는, 우선 순위 설정부(B1013)는, 드라이 조작 시에, 캐소드 압력 조절 밸브(27)에 의한 캐소드 가스 압력의 조절 및 컴프레서 모터(22a)에 의한 캐소드 가스 유량의 조절 중 적어도 한쪽에 대하여 막 습윤 F/B 제어부(B101)에 의한 바이패스 밸브 개방도의 조절을 우선시킨다.
이것에 의하여, 드라이 조작 시에 있어서는, 바이패스 밸브 개방도가 조절 되어 있지 않은 상태에서 컴프레서 유량이나 캐소드 가스 압력이 조절되는 것을 억제할 수 있다. 따라서 드라이 조작 시에, 바이패스 밸브 개방도가 조절되어 있지 않은 상태에서 컴프레서 유량이나 캐소드 가스 압력을 조절함으로써 발생하는 스택 공급 유량의 과부족을 억제하여, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 적합하게 유지할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 의하면, 캐소드 가스의 일부를 바이패스시키면서 연료 전지로서의 연료 전지 스택(1)에 공급하는 연료 전지 시스템(100)에서, 습윤 제어 파라미터를 조절하여 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 목표 습윤 상태에 근접시키도록 제어하는 연료 전지 시스템(100)의 습윤 상태 제어 방법이 제공된다. 그리고 이 습윤 상태 제어 방법에서는, 습윤 제어 파라미터가 바이패스 밸브 개방도, 캐소드 가스 압력 및 캐소드 가스 유량으로서의 컴프레서 유량을 포함하고, 웨트 조작 시에는, 캐소드 가스 유량으로서의 컴프레서 유량의 감소 및 캐소드 가스 압력의 증가를 실행하여, 컴프레서 유량의 감소 및 캐소드 가스 압력의 증가에 의한 연료 전지 스택(1)의 습윤 방향으로의 제어를 보완하도록, 바이패스 밸브 개방도를 증가시킨다.
이것에 의하여, 웨트 조작 시에 있어서, 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는 것이 우선하여 실행되고, 컴프레서 유량의 감소 및 캐소드 가스 압력의 증가가 보조적으로 실행되게 된다. 따라서 웨트 조작 시에, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 목표 습윤 상태에 보다 확실히 근접시키면서, 컴프레서 유량의 감소나 캐소드 가스 압력의 증가가 이루어지지 않은 상태에서 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는 것에 의한 스택 공급 유량의 과부족을 억제하여, 연료 전지 스택(1)의 습윤 상태를 적합하게 유지할 수 있다.
특히 웨트 조작 시에 있어서, 컴프레서 유량의 감소가 바이패스 밸브 개방도의 증가에 우선하여 실행됨으로써, 컴프레서 유량이 저하되기 전에 바이패스 밸브 개방도를 증가시킨 결과, 목표 유량이 높게 설정되어 버려 컴프레서 출력이 과잉으로 증가하는 것에 의한 소비 전력의 증대나 소음의 발생을 억제할 수 있다.
또한 웨트 조작 시에 있어서, 캐소드 가스 압력의 증가가 바이패스 밸브 개방도의 증가에 우선하여 실행되게 된다. 따라서 캐소드 가스 압력이 증가하기 전에 바이패스 밸브 개방도를 증가시킨 결과, 연료 전지 스택(1)에 대한 캐소드 가스의 공급 유량이 감소하여, 연료 전지 스택(1)의 출력 전압의 저하나 연료 전지 셀 전압의 변동이 증대되는 것을 억제할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서의 습윤 상태 제어 방법에서는, 컨트롤러(200)가, 연료 전지 스택(1)을 습윤 방향으로 제어하는 웨트 조작 시에는, 캐소드 가스 압력의 최젓값인 대기압 검출값, 및 바이패스 밸브 개방도의 최젓값(=0)에 기초하여 컴프레서(22)의 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산하고, 컴프레서 유량 검출값, 및 바이패스 밸브 개방도의 최젓값에 기초하여 캐소드 가스의 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산하고, 캐소드 가스 압력 검출값, 컴프레서 유량 검출값에 기초하여 바이패스 밸브 개방도 목표값을 연산하고, 컴프레서 유량, 캐소드 가스 압력 및 바이패스 밸브 개방도를 각각 습윤 제어 요구 목표 유량, 습윤 제어 요구 목표 압력 및 목표 바이패스 밸브 개방도에 근접하도록 조절한다.
이것에 의하여, 웨트 조작 시에 있어서, 컴프레서 유량의 감소, 캐소드 가스 압력의 증가, 및 바이패스 밸브 개방도의 증가의 순으로 조작의 우선 순위가 정해지게 된다. 따라서 컴프레서 유량이나 캐소드 가스 압력의 조절이 이루어지지 않은 상태에서 바이패스 유량을 조절하지 않도록 하는 구성을 보다 용이하게 실현할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서의 습윤 상태 제어 방법에서는, 연료 전지 스택(1)을 건조 방향으로 제어하는 드라이 조작 시에 바이패스 밸브 개방도를 감소시키는 조작을 행하고, 이 바이패스 밸브 개방도의 감소 조작을 보완하도록 컴프레서 유량의 증가 및 캐소드 가스 압력의 감소를 실행한다.
이것에 의하여, 드라이 조작 시에 있어서, 바이패스 밸브 개방도가 감소한 후에 컴프레서 유량이 증가하므로, 바이패스 밸브 개방도가 감소하기 전에 컴프레서 유량이 증가함으로써 발생할 수 있는, 연료 전지 스택(1)에 대한 캐소드 가스의 과잉 공급을 보다 확실히 방지할 수 있다.
또한 드라이 조작 시에 있어서, 바이패스 밸브 개방도가 감소한 후에 캐소드 가스 압력이 감소하므로, 바이패스 유량이 완전히 감소해 있지 않은 상태에서 캐소드 가스 압력을 감소시키는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의하여, 캐소드 가스 압력의 감소에 기인하여 컴프레서 유량을 증가시키기 위하여 컴프레서 출력이 상승하도록 제어되는 것이 억제되고, 그 결과, 소비 전력의 증대나 소음의 발생을 보다 저감시킬 수 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서의 습윤 상태 제어 방법에서는, 컨트롤러(200)는, 연료 전지 스택(1)을 건조 방향으로 제어하는 드라이 조작 시에는, 캐소드 가스의 압력의 최젓값인 대기압 검출값, 및 캐소드 가스 유량의 최젓값인 유량 최젓값에 기초하여 바이패스 밸브 개방도의 목표값을 연산하고, 바이패스 개방도의 검출값, 및 유량 최젓값에 기초하여 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산하고, 바이패스 밸브 개방도의 검출값, 및 캐소드 가스 압력의 검출값에 기초하여 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산하고, 바이패스 밸브 개방도, 캐소드 가스 압력 및 캐소드 가스 유량을 각각 목표 바이패스 밸브 개방도, 습윤 제어 요구 목표 압력 및 습윤 제어 요구 목표 유량에 근접하도록 조절한다.
이것에 의하여, 드라이 조작 시에 있어서, 바이패스 밸브 개방도의 감소, 캐소드 가스 압력의 감소, 및 컴프레서 유량의 순서대로 조작의 우선 순위가 정해지게 된다. 바이패스 밸브 개방도를 감소시킨 후에 캐소드 가스 압력의 감소 및 컴프레서 유량의 증가를 실행하는 구성을 보다 용이하게 실현할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서의 습윤 상태 제어 방법에서는, 캐소드 가스 압력이 압력 상한값으로서의 과잉 승압 방지 상한 압력을 초과하지 않도록 제한된다.
이것에 의하여, 캐소드 가스 압력이 불필요하게 증가하는 것이 억제되어, 컴프레서 유량이 계속해서 증가하는 것에 의한 컴프레서(22)의 출력 증가를 억제하여, 연비의 개선이나 소음의 억제에 기여할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서의 습윤 상태 제어 방법에서는, 과잉 승압 방지 상한 압력을, 요구 부하 및 연료 전지의 온도인 스택 온도에 기초하여 연산하고 있다.
이것에 의하여, 고부하 상태 등에 있어서는, 목표 압력이 높아진다는 점에서 과잉 승압 방지 상한 압력을 상대적으로 높게 설정하는 한편, 저부하 상태 등에 있어서는, 목표 압력이 낮아진다는 점에서 과잉 승압 방지 상한 압력을 상대적으로 낮게 설정할 수 있다. 특히 저부하 상태나 저온 시에, 과잉 승압 방지 상한 압력을 상대적으로 낮게 설정해 두면, 캐소드 가스 압력이 과잉으로 증가하는 것이 억제되어, 컴프레서 출력을 감소시킬 수 있어, 연비의 개선이나 소음의 억제에 기여할 수 있다.
또한 과잉 승압 방지 상한 압력을, 목표 HFR이나 목표 물 수지 등의 목표 습윤 상태에 기초하여 연산하도록 해도 된다. 이것에 의하여, 연료 전지 스택(1)이 목표로 하는 습윤 상태에 따라서 적합하게 캐소드 가스 압력의 상한을 조절할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법에서는, 컴프레서 유량이 그 하한값인 유량 하한값(산소 분압 확보 하한 유량)을 하회하지 않도록 조절된다.
이것에 의하여, 웨트 조작 시 등에 있어서 컴프레서 유량이 과소해짐으로써, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 컴프레서 유량이 부족하여 발전 상태가 불안정해지는 것이 방지된다.
특히 유량 하한값인 산소 분압 확보 하한 유량은, 연료 전지 스택(1)이 요구하는 캐소드 가스의 공급 유량(스택 공급 유량)을 만족시키도록 설정된다.
이것에 의하여, 예를 들어 요구 부하에 따른 발전량을 만족시키기 위하여 필요한 스택 공급 유량이 보다 확실히 확보되게 되어 연료 전지 스택(1) 내의 산소 농도가 적합하게 유지되어, 발전 상태가 적절히 유지된다.
또한 유량 하한값을, 연료 전지 스택(1) 내에 있어서의 국소 물 막힘을 방지할 수 있도록 설정해도 된다. 이것에 의하여, 한층 더 연료 전지의 습윤 상태가 적합하게 유지되어 과건조나 플러딩이 방지되어, 보다 양호한 발전 상태의 유지에 이바지하게 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 데 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정한다는 취지는 아니다.
예를 들어 상기 실시 형태에서는, 웨트 조작 시에, 컴프레서 유량을 제1위 습윤 제어 파라미터, 캐소드 가스 압력을 제2위 습윤 제어 파라미터, 및 바이패스 밸브 개방도를 제3위 습윤 제어 파라미터로 하여 습윤 제어를 행하고 있다.
그러나 본 발명은, 적어도 컴프레서 유량 및 캐소드 가스 압력 중 어느 한쪽이, 바이패스 밸브 개방도보다도 우선되는 습윤 제어 파라미터로 되면, 반드시 상기 실시 형태에 있어서의 습윤 제어 파라미터의 우선 순위에 한정되는 것은 아니다. 즉, 컴프레서 유량을 제1위 습윤 제어 파라미터, 바이패스 밸브 개방도를 제2위 습윤 제어 파라미터, 및 캐소드 가스 압력을 제3위 습윤 제어 파라미터로 해도 된다. 또한 캐소드 가스 압력을 제1위 습윤 제어 파라미터, 바이패스 밸브 개방도를 제2위 습윤 제어 파라미터, 및 컴프레서 유량을 제3위 습윤 제어 파라미터로 해도 된다.
또한 본 실시 형태에 있어서는, 도 5에서 설명한 바와 같이, 웨트 조작을 실행하는 데 있어서, 조절량이 최대로 되는 컴프레서 유량이 제1위 습윤 제어 파라미터로서 우선되고, 캐소드 가스 압력이나 바이패스 밸브 개방도가 제2위 또는 제3위 습윤 제어 파라미터로 되어 있다. 그러나 우선 순위의 설정의 양태는 이에 한정되지 않으며, 예를 들어 웨트 조작에 있어서, 제1위 습윤 제어 파라미터인 컴프레서 유량의 조절을 맨 처음 행하고, 그 후, 제2위 습윤 제어 파라미터인 캐소드 가스 압력의 조절을 다음에 행하고, 마지막으로 바이패스 밸브 개방도의 조절을 행하는 등, 각 습윤 제어 파라미터에 시간적인 우선 관계를 설정하도록 해도 된다. 또한 드라이 조작에 있어서도, 각 습윤 제어 파라미터에 시간적인 우선 관계를 설정할 수 있다.
또한 드라이 조작 시에 있어서의, 습윤 제어 파라미터의 우선 순위에 대해서도, 반드시 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
또한 습윤 제어 파라미터로서, 컴프레서 유량 및 캐소드 가스 압력 이외의 다른 파라미터, 예를 들어 HRB 회전수 등이 포함되어 있어도 된다.
또한 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)의 각 구성도 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 캐소드 압력 조절 밸브(27)를, 전자기 밸브 대신 오리피스 등의 고정 개방도를 갖는 교축부로서 구성해도 된다. 또한 컴프레서(22)에, 캐소드 가스 배출 통로(26)로부터의 캐소드 가스나 고압 탱크(31)로부터의 애노드 가스의 공급을 받아서 구동하는 터빈을 부속시켜도 된다.
또한 본 실시 형태에 있어서의 HFR 측정값을 스택 온도에 의하여 보정하도록 해도 된다.
또한 상기 실시 형태는 적절히 조합 가능하다.
본원은 2016년 3월 15일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2016-051340호에 기초한 우선권을 주장하며, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의하여 본 명세서에 원용된다.

Claims (13)

  1. 캐소드 가스의 일부를 바이패스시키면서 연료 전지에 공급하는 연료 전지 시스템에서, 습윤 제어 파라미터를 조절하여 상기 연료 전지의 습윤 상태를 제어하는 연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법이며,
    상기 습윤 제어 파라미터가 바이패스 밸브 개방도, 캐소드 가스 압력 및 캐소드 가스 유량을 적어도 포함하고,
    상기 연료 전지를 습윤 방향으로 제어할 때, 상기 바이패스 밸브 개방도의 조절에 우선하여 상기 캐소드 가스 유량 및 상기 캐소드 가스 압력 중 적어도 어느 한쪽을 조절하는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지를 건조 방향으로 제어할 때, 상기 캐소드 가스 유량 및 상기 캐소드 가스 압력 중 적어도 어느 한쪽의 조절에 우선하여 상기 바이패스 밸브 개방도를 조절하는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  3. 캐소드 가스의 일부를 바이패스시키면서 연료 전지에 공급하는 연료 전지 시스템에서, 습윤 제어 파라미터를 조절하여 상기 연료 전지의 습윤 상태를 목표 습윤 상태에 근접시키도록 제어하는 연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법이며,
    상기 습윤 제어 파라미터가 바이패스 밸브 개방도, 캐소드 가스 압력 및 캐소드 가스 유량을 적어도 포함하고,
    상기 연료 전지를 습윤 방향으로 제어할 때는,
    상기 캐소드 가스 유량의 감소 및 상기 캐소드 가스 압력의 증가 중 적어도 어느 한쪽을 실행하고,
    상기 캐소드 가스 유량의 감소 및 상기 캐소드 가스 압력의 증가 중 적어도 어느 한쪽에 의한 상기 연료 전지의 습윤 방향으로의 제어를 보완하도록 상기 바이패스 밸브 개방도를 증가시키는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료 전지를 습윤 방향으로 제어할 때는,
    상기 캐소드 가스 압력의 최젓값 및 상기 바이패스 밸브 개방도의 최젓값에 기초하여 상기 캐소드 가스의 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산하고,
    상기 캐소드 가스 유량의 검출값 및 상기 바이패스 밸브 개방도의 최젓값에 기초하여 상기 캐소드 가스의 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산하고,
    상기 캐소드 가스 압력의 검출값, 상기 캐소드 가스 유량의 검출값에 기초하여 상기 바이패스 밸브 개방도의 목표값을 연산하고,
    상기 캐소드 가스 유량, 상기 캐소드 가스 압력 및 상기 바이패스 밸브 개방도를, 각각 상기 습윤 제어 요구 목표 유량, 상기 습윤 제어 요구 목표 압력 및 상기 바이패스 밸브 개방도의 목표값에 근접하도록 조절하는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지를 건조 방향으로 제어할 때는,
    상기 바이패스 밸브 개방도를 감소시키는 조작을 행하고,
    상기 바이패스 밸브 개방도의 감소 조작을 보완하도록 상기 캐소드 가스 유량의 증가 및 상기 캐소드 가스 압력의 감소 중 적어도 어느 한쪽을 실행하는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료 전지를 건조 방향으로 제어할 때는,
    상기 캐소드 가스의 압력의 최젓값 및 상기 캐소드 가스 유량의 최젓값에 기초하여 상기 바이패스 밸브 개방도의 목표값을 연산하고,
    상기 바이패스 밸브 개방도의 검출값 및 상기 캐소드 가스 유량의 최젓값에 기초하여 상기 캐소드 가스의 습윤 제어 요구 목표 압력을 연산하고,
    상기 바이패스 밸브 개방도의 검출값 및 상기 캐소드 가스 압력의 검출값에 기초하여 상기 캐소드 가스의 습윤 제어 요구 목표 유량을 연산하고,
    상기 바이패스 밸브 개방도, 상기 캐소드 가스 압력 및 상기 캐소드 가스 유량을, 각각 상기 바이패스 밸브 개방도의 목표값, 상기 습윤 제어 요구 목표 압력 및 상기 습윤 제어 요구 목표 유량에 근접하도록 조절하는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드 가스 압력이 압력 상한값을 초과하지 않도록 제한되는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압력 상한값을, 요구 부하, 상기 연료 전지의 온도, 및 목표로 하는 습윤 상태 중 적어도 어느 하나에 기초하여 연산하는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드 가스 유량이 그 하한값인 유량 하한값을 하회하지 않도록 조절되는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유량 하한값을, 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 유량인 연료 전지 공급 유량의 요구를 만족시키도록 설정하는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 유량 하한값을, 상기 연료 전지에 있어서의 국소 물 막힘을 방지할 수 있도록 설정하는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법.
  12. 연료 전지와,
    상기 연료 전지를 포함하는 캐소드계에 캐소드 가스를 공급하는 캐소드 가스 공급 장치와,
    상기 캐소드 가스 공급 장치로부터 상기 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스의 일부를 바이패스시키는 바이패스 통로와,
    상기 바이패스 통로에 설치되는 바이패스 밸브와,
    상기 바이패스 밸브의 개방도를 조절하는 바이패스 밸브 개방도 조절 장치와,
    캐소드 가스 압력을 조절하는 캐소드 가스 압력 조절 장치와,
    상기 캐소드 가스 공급 장치에 의하여 상기 캐소드계에 공급되는 캐소드 가스 유량을 조절하는 캐소드 가스 유량 조절 장치와,
    상기 연료 전지의 습윤 상태를 취득하는 습윤 상태 취득 장치와,
    상기 바이패스 밸브의 개방도를 취득하는 바이패스 밸브 개방도 취득 장치와,
    상기 캐소드 가스 압력을 취득하는 캐소드 가스 압력 취득부와,
    상기 캐소드 가스 유량을 취득하는 캐소드 가스 유량 취득부와,
    상기 바이패스 밸브 개방도 조절 장치에 의한 바이패스 밸브 개방도의 조절, 상기 캐소드 가스 압력 조절 장치에 의한 캐소드 가스 압력의 조절, 및 상기 캐소드 가스 유량 조절 장치에 의한 캐소드 가스 유량의 조절 중 우선 순위를 설정하는 우선 순위 설정부
    를 갖고,
    상기 우선 순위 설정부는,
    상기 연료 전지를 습윤 방향으로 제어할 때, 상기 바이패스 밸브 개방도 조절 장치에 의한 바이패스 밸브 개방도의 조절에 대하여, 상기 캐소드 가스 압력 조절 장치에 의한 캐소드 가스 압력의 조절 및 상기 캐소드 가스 유량 조절 장치에 의한 캐소드 가스 유량의 조절 중 적어도 한쪽이 우선되도록 우선 순위를 설정하는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 우선 순위 설정부는,
    상기 연료 전지를 건조 방향으로 제어할 때, 상기 캐소드 가스 압력 조절 장치에 의한 캐소드 가스 압력의 조절 및 상기 캐소드 가스 유량 조절 장치에 의한 캐소드 가스 유량의 조절 중 적어도 한쪽에 대하여, 상기 바이패스 밸브 개방도 조절 장치에 의한 바이패스 유량의 조절을 우선시키는,
    연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 장치.
KR1020187027297A 2016-03-15 2016-12-08 연료 전지 시스템의 습윤 상태 제어 방법 및 습윤 상태 제어 장치 KR102004112B1 (ko)

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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017222390A1 (de) * 2017-12-11 2019-06-13 Robert Bosch Gmbh Fördereinrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung zum Fördern und/oder Rezirkulieren von einem gasförmigen Medium
JP7140000B2 (ja) * 2019-03-01 2022-09-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US11108065B2 (en) * 2019-06-03 2021-08-31 Microsoft Technology Licensing, Llc Fuel cell throttle
DE102019216712A1 (de) * 2019-10-30 2021-05-06 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben und zum Auslegen eines Brennstoffzellensystems
JP7238805B2 (ja) * 2020-01-16 2023-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN111959253A (zh) * 2020-07-15 2020-11-20 北汽福田汽车股份有限公司 冷却控制方法及系统，电动汽车
CN112751061B (zh) * 2020-12-31 2022-02-25 吉林大学 一种燃料电池空气路测试系统及方法
CN113571746B (zh) * 2021-06-04 2024-02-06 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种燃料电池系统及防止电堆阳极水淹的方法
CN114142064A (zh) * 2021-12-07 2022-03-04 浙江锋源氢能科技有限公司 一种燃料电池增湿系统、燃料电池系统
CN115295826B (zh) * 2022-07-25 2023-04-18 上海杰宁新能源科技发展有限公司 一种燃料电池控制方法、系统、存储介质及智能终端

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010114039A (ja) * 2008-11-10 2010-05-20 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2013030346A (ja) * 2011-07-28 2013-02-07 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の湿潤状態制御装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007257956A (ja) 2006-03-22 2007-10-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
WO2012169287A1 (ja) 2011-06-06 2012-12-13 日産自動車株式会社 燃料電池の湿潤状態制御装置
JP5765064B2 (ja) * 2011-06-06 2015-08-19 日産自動車株式会社 燃料電池の湿潤状態制御装置
WO2013150651A1 (ja) * 2012-04-06 2013-10-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
WO2013187514A1 (ja) * 2012-06-15 2013-12-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム
CN104885278A (zh) 2012-12-28 2015-09-02 日产自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法
US9905867B2 (en) * 2012-12-28 2018-02-27 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
CN103050723B (zh) * 2012-12-28 2014-12-24 清华大学 一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统
JP2016009518A (ja) * 2014-06-20 2016-01-18 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの運転方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010114039A (ja) * 2008-11-10 2010-05-20 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2013030346A (ja) * 2011-07-28 2013-02-07 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の湿潤状態制御装置

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