KR20210129593A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20210129593A
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마사히로 이토
마나부 다카하시
도모타카 이시카와
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지 스택(116)과, 전압 센서(91)가 계측한 계측 전압값을 사용하여 연료 전지 시스템(10)의 동작을 제어하는 제어 장치(60)를 구비하고, 제어 장치(60)는, 연료 전지 시스템(10)을 시동할 때에, 온도 센서(38)의 계측값이 미리 정해진 온도 이하인 경우에는, 전류 소인을 개시하기 전에, 캐소드에 산화제 가스를 공급함으로써, 연료 전지 스택(116)의 전압을 미리 정해진 전압 조건을 만족시킬 때까지 상승시켜, 천이 기간의 적어도 일부에 있어서, 연료 전지 스택(116)의 동작점을 이행시키는 경우에, 동작점이 연료 전지 스택(116)의 등파워 라인 상이 되도록, 전압 명령값과 전류 명령값을 설정한다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 개시는, 연료 전지 시스템의 기술에 관한 것이다.
종래, 연료 전지 시스템에 있어서, 캐소드로의 산화제 가스의 공급량을 통상 발전 시보다도 낮게 하여 난기 운전을 행하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 일본 특허 제6187774).
종래의 기술에서는, 연료 전지 시스템의 난기 운전을 행할 때에는, 상한 전류 및 하한 전류를 설정하고, 전류 목표값이 상한 전류 및 하한 전류로부터 벗어나는 경우, 상한 전류 및 하한 전류의 범위 내에 들어가도록 전류 목표값을 전류 명령값으로 하여 설정하고 있다. 또한 종래의 기술에서는, 상한 전류는, 연료 전지 스택의 펌핑 수소에 의한 배기 수소 농도의 상승을 제한하기 위하여 제한되는 전류값을 하나의 지표로 하여 설정된다. 그러나, 연료 전지 스택의 목표 전류값과 목표 전압값으로 정해지는 목표 동작점으로 이행할 때까지의 천이 기간에 있어서, 연료 전지 셀의 캐소드에 있어서 산화제 가스가 부족함으로써, 펌핑 수소가 발생하는 경우가 생길 수 있다. 연료 전지 셀에 있어서 펌핑 수소가 발생한 경우, 캐소드의 촉매 표면으로의 산화제 가스의 공급이 펌핑 수소에 의해 충분히 행하여지지 않기 때문에, 이후에 있어서도 펌핑 수소가 발생할 가능성이 높아진다. 캐소드에 있어서 펌핑 수소가 발생한 경우, 캐소드로부터 배출된 가스 중의 수소 농도가 높아지는 경우가 있다. 또한, 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택에 의해 발전된 전력을 충방전하는 이차 전지를 구비한다. 난기 운전은, 예를 들어 외기온이 빙점 하인 경우에 실행되지만, 이차 전지의 종류에 따라서는 빙점 하에서는 충방전량의 허용 범위가 작아지는 경우가 있다. 따라서, 빙점 하에 있어서 난기 운전이 실행되는 경우에는, 이차 전지의 충방전량을 허용 범위 내, 즉 일정한 범위 내에서 제어하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 또한, 펌핑 수소란, 난기 운전 시에 캐소드의 산소 부족에 의해, 캐소드에 있어서, 애노드로부터 전도된 수소 이온과 전자가 재결합함으로써 생성되는 수소이다.
본 개시는, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
본 개시의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다.
이 연료 전지 시스템은, 적층된 복수의 연료 전지 셀이며, 애노드와 캐소드를 각각 갖는 복수의 연료 전지 셀을 갖는 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택의 전압을 계측하도록 구성된 전압 센서와, 상기 캐소드에 산소를 포함하는 산화제 가스를 공급하도록 구성된 산화제 가스 공급계와, 상기 애노드에 연료 가스를 공급하도록 구성된 연료 가스 공급계와, 상기 연료 전지 시스템에 관한 온도를 계측하도록 구성된 온도 센서와, 상기 연료 전지 스택에 의해 발전된 전력을 충방전하도록 구성된 이차 전지와, 상기 전압 센서가 계측한 계측 전압값을 사용하여 상기 연료 전지 시스템의 동작을 제어하도록 구성된 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 연료 전지 시스템을 시동할 때에 상기 온도 센서의 계측값이 미리 정해진 온도 이하인 경우에는, 상기 연료 전지 스택의 전류 소인을 개시하기 전에, 상기 산화제 가스 공급계를 동작시켜서 상기 캐소드에 상기 산화제 가스를 공급함으로써, 상기 연료 전지 스택의 전압을 미리 정해진 전압 조건을 만족시킬 때까지 상승시켜, 상기 계측 전압값이 상기 전압 조건을 만족시킨 경우에, 상기 전류 소인을 개시하여, 상기 연료 전지 스택을 승온시키는 난기 운전을 실행하도록 구성되고, 상기 제어 장치는, 상기 난기 운전을 실행할 때에는, 상기 전류 소인을 개시하고 나서, 상기 연료 전지 스택의 전압값과 전류값으로 정해지는 동작점이 상기 난기 운전에 있어서의 목표 전압값과 목표 전류값으로 정해지는 목표 동작점에 이르기까지의 천이 기간의 적어도 일부에 있어서, 상기 동작점을 이행시키는 경우에, 상기 동작점이 상기 연료 전지 스택의 요구 발전 전력과 동일한 발전 전력을 나타내는 상기 연료 전지 스택의 등파워 라인 상이 되도록, 전압 명령값과 전류 명령값을 설정하도록 구성되어 있다. 이 형태에 의하면, 계측 전압값이 미리 정한 전압 조건을 만족시킨 후에 전류 소인을 개시함으로써, 연료 전지 스택의 캐소드에 산소를 충분히 존재시킨 후에 난기 운전을 행할 수 있다. 이에 의해, 난기 운전 중에 캐소드에 있어서의 산소가 결핍하여 펌핑 수소가 발생할 가능성을 저감할 수 있다. 게다가, 제어 장치는, 천이 기간에 있어서 동작점을 이행시키는 경우에, 등파워 라인 상이 되도록 전압 명령값과 전류 명령값을 설정하므로, 요구 발전 전력에 대하여 연료 전지 스택의 실제 발전 전력이 괴리하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 이차 전지의 충방전량을 일정한 범위 내로 제어할 수 있다. 이상과 같이, 상기 형태에 의하면, 펌핑 수소가 발생할 가능성을 저감하면서, 이차 전지의 충방전량을 일정한 범위 내로 제어할 수 있다.
상기 형태에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 천이 기간 중, 상기 계측 전압값이 미리 정해진 전환 전압값 이하가 된 시점으로부터 상기 목표 동작점의 상기 목표 전압값에 도달하는 시점까지의 전환 후 기간에서는, 상기 목표 전류값까지 미리 정해진 비율로 상기 전류 명령값을 상승시키는 통상 전류 제어를 실행하도록 구성되고, 상기 제어 장치는, 상기 통상 전류 제어를 실행하고 있는 경우에 있어서, 상기 계측 전압값이 상기 전압 명령값보다 낮은 값인 제어 개시 전압값이 된 경우에, 상기 통상 전류 제어를 중단하여 상기 전류 명령값을 일정하게 유지하는 대기 제어를 실행하도록 구성되고, 상기 대기 제어의 실행 중에 있어서, 상기 계측 전압값이 상기 전압 명령값 이상의 값인 허가 전압값이 된 경우에, 상기 전류 명령값의 변경을 허가함으로써, 상기 대기 제어를 종료하여 상기 통상 전류 제어를 재개하도록 구성되어도 된다. 이 형태에 의하면, 전환 후 기간에 있어서는, 통상 전류 제어가 실행되므로, 과도한 전류 소인이 실행되는 것을 억제할 수 있다. 또한 이 형태에 의하면, 통상 전류 제어를 실행하고 있는 경우에 있어서, 계측 전압값이 제어 개시 전압값이 된 경우에, 대기 제어가 실행됨으로써, 캐소드의 산소가 부족한 것을 억제할 수 있으므로, 펌핑 수소의 발생을 억제할 수 있다.
상기 형태에 있어서, 상기 전압 센서는, 상기 연료 전지 스택의 총 전압을 계측하도록 구성되고, 상기 전압 조건은, 상기 전압 센서에 의해 계측된 상기 계측 전압값으로서의 상기 총 전압의 값이 미리 정해진 기준 전압값을 초과했다는 조건이어도 된다. 이 형태에 의하면, 연료 전지 스택의 총 전압의 값을 바탕으로, 미리 정한 전압 조건을 만족시키는지의 여부를 판정할 수 있다.
상기 형태에 있어서, 상기 산화제 가스의 상기 연료 전지 스택으로의 공급은, 상기 복수의 연료 전지 셀이 적층된 적층 방향 중, 상기 연료 전지 스택의 한쪽의 단부측에 있어서 행하여지고, 상기 전압 센서는, 상기 복수의 연료 전지 셀 중, 상기 한쪽의 단부측과는 반대인 다른 쪽의 단부측에 위치하는 연료 전지 셀인 단부측 연료 전지 셀의 전압을 계측하도록 구성되고, 상기 전압 조건은, 상기 전압 센서에 의해 계측된 상기 계측 전압값으로서의 상기 단부측 연료 전지 셀의 전압값이 미리 정해진 단부측 기준 전압값을 초과했다고 하는 조건이어도 된다. 이 형태에 의하면, 연료 전지 스택의 적층 방향의 길이가 길어져서, 산화제 가스가 다른 쪽의 단부측에 도달하는데 상당의 시간이 걸리는 것과 같은 경우에도, 다른 쪽의 단부측의 전압값이 미리 정한 전압 조건을 만족시키는지의 여부를 판정함으로써, 펌핑 수소의 발생을 보다 억제할 수 있다. 연료 전지 스택의 다른 쪽의 단부측은, 한쪽의 단부측보다도 산화제 가스의 공급이 지연되기 때문에, 산화제 가스 공급에 의한 전압 상승이 한쪽의 단부측보다도 다른 쪽의 단부측쪽이 느린 경향에 있다. 따라서, 전압 상승이 느린 경향에 있는 다른 쪽의 단부측의 전압값이 미리 정한 전압 조건을 만족시키는지의 여부를 판정함으로써, 펌핑 수소의 발생을 보다 억제할 수 있다.
본 개시는, 여러가지 형태로 실현하는 것이 가능하고, 상기의 연료 전지 시스템 이외에, 예를 들어 연료 전지 시스템의 제어 방법, 제어 방법을 컴퓨터에 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램, 컴퓨터 프로그램을 기록한 비일과성의 기록 매체 등의 형태로 실현할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호들로 나타낸 첨부 도면을 참조하여 후술된다.
도 1은, 연료 전지 시스템의 개략 구성을 설명하기 위한 도면.
도 2는, 연료 전지 시스템의 상세 구성을 설명하기 위한 도면.
도 3은, 연료 전지 시스템의 전기적 구성을 도시하는 개념도.
도 4는, 제어 장치의 내부 블록도.
도 5는, 이차 전지의 온도 특성을 도시하는 도면.
도 6은, 연료 전지 시스템의 시동 처리를 도시하는 흐름도.
도 7은, 동작점 이행 처리를 도시하는 흐름도.
도 8은, 연료 전지 스택의 전압과 전류의 관계를 도시하는 제1 도.
도 9는, 연료 전지 스택의 전압과 전류의 관계를 도시하는 제2 도.
도 10은, 제2 실시 형태에 연료 전지 시스템(10)의 시동 처리를 도시하는 흐름도.
A. 제1 실시 형태:
도 1은, 연료 전지 시스템(10)의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이다. 연료 전지 시스템(10)은, 예를 들어 연료 전지 차량(12)에 탑재되어, 연료 전지 차량(12)의 구동용 모터를 구동시키기 위한 발전 장치로서 사용된다. 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지 스택(116)과, 연료 가스 급배계(50)와, 산화제 가스 급배계(30)와, 냉매 순환계(70)를 구비한다.
연료 전지 스택(116)은, 복수의 연료 전지 셀(11)과, 한 쌍의 엔드 터미널(110, 120)을 구비한다. 복수의 연료 전지 셀(11)은 각각, 판상이고, 두께 방향인 적층 방향 SD에 적층되어 있다. 연료 전지 셀(11)은, 반응 가스로서의 산화제 가스 및 연료 가스의 공급을 받아서 산소와 수소의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 고체 고분자형 연료 전지이다. 본 실시 형태에서는, 산화제 가스는 산소를 포함하는 공기이고, 연료 가스는 수소이다. 연료 전지 셀(11)은, 단체에서도 발전 가능한 발전 요소이다. 연료 전지 셀(11)은, 막전극 접합체와, 막전극 접합체를 끼우는 2매의 세퍼레이터를 구비한다. 막전극 접합체는, 전해질막과, 전해질막의 한쪽 면에 배치된 애노드와, 전해질막의 다른 쪽 면에 배치된 캐소드를 갖는다. 각 연료 전지 셀(11)의 외주 단부에는, 반응 가스나 발전부를 통과한 반응 오프 가스를 유통시키기 위한 매니폴드 Mfa를 형성하는 개구부(도시는 생략)가 마련되어 있다. 매니폴드 Mfa는, 각 연료 전지 셀(11)의 발전부에 분기 접속되어 있다. 또한, 각 연료 전지 셀(11)의 외주 단부에는, 냉매를 유통시키기 위한 매니폴드 Mfb를 형성하는 개구부(도시는 생략)가 마련되어 있다.
한 쌍의 엔드 터미널(110, 120)은, 복수의 연료 전지 셀(11)의 적층 방향 SD에 있어서의 양단부에 배치되어 있다. 구체적으로는, 제1 엔드 터미널(110)은 연료 전지 스택(116)의 한쪽의 단부에 위치하고, 제2 엔드 터미널(120)은 연료 전지 스택(116)의 한쪽의 단부와는 반대측의 다른 쪽의 단부에 위치한다. 제1 엔드 터미널(110)에는, 매니폴드 Mfa나 매니폴드 Mfb를 형성하기 위한 관통 구멍인 개구부(115)가 형성되어 있다. 한편으로, 제2 엔드 터미널(120)에는, 매니폴드 Mfa나 매니폴드 Mfb를 형성하기 위한 관통 구멍인 개구부(115)는 형성되어 있지 않다. 즉, 연료 가스와 산화제 가스와 냉매는, 연료 전지 스택(116) 중 적층 방향 SD의 일방측으로부터만 공급되거나 배출되거나 한다. 복수의 연료 전지 셀(11) 중, 다른 쪽의 단부측에 위치하는 연료 전지 셀(11)을 복수의 단부측 연료 전지 셀(11e)이라고도 칭한다. 본 실시 형태에서는, 복수의 단부측 연료 전지 셀(11e)은, 가장 다른 쪽의 단부에 위치하는 연료 전지 셀(11)을 포함한다.
연료 가스 급배계(50)는, 연료 가스 공급 기능과, 연료 가스 배출 기능과, 연료 가스 순환 기능을 갖는다. 연료 가스 공급 기능은, 연료 전지 셀(11)의 애노드에 연료 가스를 공급하는 기능이다. 연료 가스 배출 기능은, 연료 전지 셀(11)의 애노드로부터 배출되는 연료 가스(「연료 오프 가스」라고도 한다.)를 외부로 배출하는 기능이다. 연료 가스 순환 기능은, 연료 가스를 연료 전지 시스템(10) 내에 있어서 순환시키는 기능이다.
산화제 가스 급배계(30)는, 연료 전지 셀(11)의 캐소드에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 기능과, 연료 전지 셀(11)의 캐소드로부터 배출되는 산화제 가스(「산화제 오프 가스」라고도 한다.)를 외부로 배출하는 산화제 가스 배출 기능과, 공급되는 산화제 가스를 연료 전지 셀(11)을 통하지 않고 외부로 배출하는 바이패스 기능을 구비한다.
냉매 순환계(70)는, 연료 전지 스택(116)에 냉매를 순환시켜서, 연료 전지 스택(116)의 온도를 조절한다. 냉매로서는, 예를 들어 에틸렌글리콜 등의 부동액이나, 물 등의 액체가 사용된다.
도 2는, 연료 전지 시스템(10)의 상세 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서는, 연료 전지 스택(116)에 공급되거나, 연료 전지 스택(116)으로부터 배출되거나 하는 연료 가스나 산화제 가스나 냉매의 방향은 화살표로 기재하고 있다. 연료 전지 시스템(10)은, 상술한 연료 전지 스택(116), 산화제 가스 급배계(30), 연료 가스 급배계(50), 냉매 순환계(70)에 추가하여, 제어 장치(60)를 갖는다. 제어 장치(60)는, 연료 전지 시스템(10)의 동작을 제어한다. 제어 장치(60)의 상세는 후술한다.
산화제 가스 급배계(30)는, 산화제 가스 공급계(30A)와, 산화제 가스 배출계(30B)를 구비한다. 산화제 가스 공급계(30A)는, 연료 전지 스택(116)의 캐소드에 산화제 가스를 공급한다. 산화제 가스 공급계(30A)는, 산화제 가스 공급로(302)와, 온도 센서로서의 외기온 센서(38)와, 에어 클리너(31)와, 컴프레서(33)와, 모터(34)와, 인터쿨러(35)와, 제1 압력 조절 밸브(36)를 갖는다.
산화제 가스 공급로(302)는, 연료 전지 스택(116)의 상류측에 배치되고, 외부와 연료 전지 스택(116)의 캐소드를 연통시키는 관이다. 외기온 센서(38)는, 연료 전지 시스템(10)에 관한 온도를 계측한다. 구체적으로는, 외기온 센서(38)는, 에어 클리너(31)에 도입되는 산화제 가스인 공기의 온도, 즉 환경 온도인 외기온을 계측한다. 외기온 센서(38)의 계측 결과는 제어 장치(60)에 송신된다. 에어 클리너(31)는, 산화제 가스 공급로(302) 중에서 컴프레서(33)보다도 상류측에 마련되고, 연료 전지 스택(116)에 공급되는 산화제 가스 중의 이물을 제거한다. 컴프레서(33)는, 연료 전지 스택(116)보다도 상류측의 산화제 가스 공급로(302)에 마련되고, 제어 장치(60)로부터의 지시에 따라서 압축한 공기를 캐소드를 향하여 토출한다. 컴프레서(33)는, 제어 장치(60)로부터의 지시에 따라서 동작하는 모터(34)에 의해 구동된다. 인터쿨러(35)는, 산화제 가스 공급로(302) 중에서 컴프레서(33)보다도 하류측에 마련되어 있다. 인터쿨러(35)는, 컴프레서(33)에 의해 압축되어서 고온이 된 산화제 가스를 냉각한다. 제1 압력 조절 밸브(36)는, 전자 밸브나 전동 밸브이다. 제1 압력 조절 밸브(36)는, 제어 장치(60)에 의해 개방도가 조정됨으로써, 산화제 가스 공급로(302)로부터 연료 전지 스택(116)을 향하는 산화제 가스의 유량을 조정한다.
산화제 가스 배출계(30B)는, 캐소드를 유통한 산화제 가스를 외부로 배출한다. 산화제 가스 배출계(30B)는, 산화제 가스 배출로(308)와, 바이패스로(306)와, 제2 압력 조절 밸브(37)와, 제3 압력 조절 밸브(39)를 갖는다. 산화제 가스 배출로(308)는, 연료 전지 스택(116)의 캐소드로부터 배출된 산화제 가스(「산화제 오프 가스」라고도 칭한다.)와, 바이패스로(306)를 유통한 산화제 가스를 외부로 배출하기 위한 관이다. 제2 압력 조절 밸브(37)는, 전자 밸브나 전동 밸브이다. 제2 압력 조절 밸브(37)는, 제어 장치(60)에 의해 개방도가 조정됨으로써 연료 전지 스택(116)의 캐소드측 유로의 배압을 조정한다. 제2 압력 조절 밸브(37)는, 산화제 가스 배출로(308) 중에서 바이패스로(306)가 접속된 지점보다도 상류측에 배치되어 있다. 산화제 가스 배출로(308)의 하류측 단부에는 머플러(310)가 배치되어 있다.
제3 압력 조절 밸브(39)는, 바이패스로(306)에 배치되어 있다. 제3 압력 조절 밸브(39)는, 전자 밸브나 전동 밸브이다. 제3 압력 조절 밸브(39)는, 제어 장치(60)에 의해 개방도가 조정됨으로써 바이패스로(306)를 유통하는 산화제 가스의 유량을 조정한다. 바이패스로(306)는, 연료 전지 스택(116)을 경유하지 않고, 산화제 가스 공급로(302)와 산화제 가스 배출로(308)를 접속하는 관이다.
연료 가스 급배계(50)는, 연료 가스 공급계(50A)와, 연료 가스 순환계(50B)와, 연료 가스 배출계(50C)를 구비한다.
연료 가스 공급계(50A)는, 연료 전지 스택(116)의 애노드에 연료 가스를 공급한다. 연료 가스 공급계(50A)는, 연료 가스 탱크(51)와, 연료 가스 공급로(501)와, 개폐 밸브(52)와, 레귤레이터(53)와, 인젝터(54)와, 압력 센서(59)를 구비한다. 연료 가스 탱크(51)는, 예를 들어 고압의 수소 가스를 저장하고 있다. 연료 가스 공급로(501)는, 연료 가스 탱크(51)와 연료 전지 스택(116)에 접속되고, 연료 가스 탱크(51)로부터 연료 전지 스택(116)을 향하는 연료 가스가 유통하는 관이다. 개폐 밸브(52)는, 밸브 개방 상태에 있어서 연료 가스 탱크(51)의 연료 가스를 하류측으로 유통시킨다. 레귤레이터(53)는, 제어 장치(60)의 제어에 의해, 인젝터(54)보다도 상류측에 있어서의 연료 가스의 압력을 조정한다. 인젝터(54)는, 연료 가스 공급로(501) 중, 후술하는 연료 가스 순환로(502)의 합류 지점보다도 상류측에 배치되어 있다. 인젝터(54)는, 제어부(62)에 의해 설정된 구동 주기나 밸브 개방 시간에 따라, 전자적으로 구동하는 개폐 밸브이고, 연료 전지 스택(116)에 공급되는 연료 가스 공급량을 조정한다. 압력 센서(59)는, 연료 가스 공급로(501) 중에서 인젝터(54)보다도 하류측의 내부 압력(연료 가스의 공급 압력)을 계측한다. 계측 결과는 제어 장치(60)에 송신된다.
연료 가스 순환계(50B)는, 연료 전지 스택(116)으로부터 배출되는 연료 가스(「연료 오프 가스」라고도 칭한다.)를 다시 연료 가스 공급로(501)에 순환시킨다. 연료 가스 순환계(50B)는, 연료 가스 순환로(502)와, 기액 분리기(57)와, 순환 펌프(55)와, 모터(56)를 갖는다. 연료 가스 순환로(502)는, 연료 전지 스택(116)과 연료 가스 공급로(501)에 접속되고, 연료 가스 공급로(501)를 향하는 연료 오프 가스가 유통하는 관이다. 기액 분리기(57)는, 연료 가스 순환로(502)에 마련되고, 액체수 혼합의 애노드 오프 가스로부터 액체수를 분리한다. 순환 펌프(55)는, 모터(56)를 구동시킴으로써 연료 가스 순환로(502) 내의 애노드 오프 가스를 연료 가스 공급로(501)를 향하여 순환시킨다.
연료 가스 배출계(50C)는, 애노드 오프 가스나 연료 전지 스택(116)의 발전에 의해 발생한 액체수를 외부로 배출한다. 연료 가스 배출계(50C)는, 배기 배수로(504)와 배기 배수 밸브(58)를 갖는다. 배기 배수로(504)는, 액체수를 배출하는 기액 분리기(57)의 배출구와, 외부를 연통하는 관이다.
배기 배수 밸브(58)는, 배기 배수로(504)에 배치되고, 배기 배수로(504)를 개폐한다. 배기 배수 밸브(58)에는, 예를 들어 다이어프램 밸브가 사용된다. 연료 전지 시스템(10)의 통상 운전 시에서는, 제어 장치(60)는, 미리 정한 타이밍에 배기 배수 밸브(58)에 대하여 개방 밸브 지시를 행한다.
냉매 순환계(70)는, 냉매 순환로(79)와, 냉매 순환 펌프(74)와, 모터(75)와, 라디에이터(72)와, 라디에이터 팬(71)과, 스택 온도 센서(73)를 구비한다.
냉매 순환로(79)는, 냉매 공급로(79A)와, 냉매 배출로(79B)를 갖는다. 냉매 공급로(79A)는, 연료 전지 스택(116)에 냉매를 공급하기 위한 관이다. 냉매 배출로(79B)는, 연료 전지 스택(116)으로부터 냉매를 배출하기 위한 관이다. 냉매 순환 펌프(74)는, 모터(75)의 구동에 의해 냉매 공급로(79A)의 냉매를 연료 전지 스택(116)으로 송출한다. 라디에이터(72)는, 라디에이터 팬(71)에 의해 바람이 보내져서 방열함으로써, 내부를 유통하는 냉매를 냉각한다. 스택 온도 센서(73)는, 연료 전지 시스템(10)에 관한 온도를 계측한다. 구체적으로는, 스택 온도 센서(73)는, 냉매 배출로(79B) 내의 냉매의 온도를 계측한다. 냉매의 온도 계측 결과는, 제어 장치(60)에 송신된다. 제어 장치(60)는, 스택 온도 센서(73)의 계측 온도를, 연료 전지 스택(116)의 온도로 하여 연료 전지 시스템(10)의 동작을 제어한다. 또한, 냉매 순환계(70)는, 냉매를 가열하기 위한 히터를 구비하고 있어도 된다. 또한, 외기온 센서(38) 대신에, 스택 온도 센서(73)를, 과제의 해결 수단에 기재된 온도 센서로 해도 된다.
도 3은, 연료 전지 시스템(10)의 전기적 구성을 도시하는 개념도이다. 연료 전지 시스템(10)은, FDC(95)와, DC/AC 인버터(98)와, 전압 센서(91)와, 전류 센서(92)를 구비한다.
전압 센서(91)는, 연료 전지 스택(116)의 전압을 계측하기 위하여 사용된다. 전압 센서(91)는, 연료 전지 스택(116)의 모든 연료 전지 셀(11) 각각과 접속되어 있고, 모든 연료 전지 셀(11) 각각을 대상으로 전압을 계측한다. 전압 센서(91)는, 그 계측 결과를 제어 장치(60)에 송신한다. 전압 센서(91)에 의해 계측된 모든 연료 전지 셀(11)의 계측 전압을 합계함으로써 연료 전지 스택(116)의 총 전압이 계측된다. 또한, 연료 전지 시스템(10)은, 전압 센서(91) 대신에, 연료 전지 스택(116)의 양단의 전압을 계측하는 전압 센서를 갖고 있어도 된다. 이 경우, 계측된 양단의 전압값이, 연료 전지 스택(116)의 총 전압이 된다. 전류 센서(92)는, 연료 전지 스택(116)에 의한 출력 전류값을 계측하고, 제어 장치(60)에 송신한다.
FDC(95)는, DC/DC 컨버터로서 구성된 회로이다. FDC(95)는, 제어 장치(60)로부터 송신되는 전압 명령값에 기초하여, 연료 전지 스택(116)의 출력 전압을 제어한다. 또한, FDC(95)는, 제어 장치(60)로부터 송신되는 전류 명령값에 기초하여, 연료 전지 스택(116)에 의한 출력 전류를 제어한다. 전류 명령값이란, 연료 전지 스택(116)에 의한 출력 전류의 목표값이 되는 값이고, 제어 장치(60)에 의해 설정된다. 제어 장치(60)는, 예를 들어 연료 전지 스택(116)의 요구 발전 전력을 사용하여 요구 전류값을 산출함으로써 전류 명령값을 생성한다.
DC/AC 인버터(98)는, 연료 전지 스택(116)과 구동용 모터 등의 부하(255)에 접속되어 있다. DC/AC 인버터(98)는, 연료 전지 스택(116)으로부터 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 부하(255)에 공급한다.
연료 전지 시스템(10)은, 또한, 이차 전지(96)와, BDC(97)를 구비한다. 이차 전지(96)는, 예를 들어 리튬 이온 전지로 구성되어, 보조 전원으로서 기능한다. 또한 이차 전지(96)는, 부하(255)로의 전력의 공급과, 연료 전지 스택(116)에 의해 발생하는 전력이나 회생 전력의 충전을 행한다. 즉, 이차 전지(96)는, 연료 전지 스택(116)에 의해 발전된 전력을 충방전하기 위하여 사용된다.
BDC(97)는, FDC(95)와 함께 DC/DC 컨버터로서 구성된 회로이고, 제어 장치(60)의 지시에 따라서 이차 전지(96)의 충방전을 제어한다. BDC(97)는, 이차 전지(96)의 SOC(State Of Charge: 잔류 용량)를 계측하고, 제어 장치(60)에 송신한다.
도 4는, 제어 장치(60)의 내부 블록도이다. 제어 장치(60)는, RAM이나 ROM에 의해 구성된 기억부(68)와, 제어부(62)를 구비한다. 제어부(62)는, 예를 들어 전압 센서(91)가 계측한 계측 전압값 Vt를 사용하여 연료 전지 시스템(10)의 동작을 제어한다.
기억부(68)에는, 제어부(62)가 실행하는 각종 프로그램이 기억되어 있다. 제어부(62)는, 기억부(68)의 각종 프로그램을 실행함으로써, 동작 제어부(64)와, 전압 조건 판정부(66)로서 기능한다. 동작 제어부(64)는, 계측 전압값 Vt 등에 따라 연료 전지 시스템(10)의 동작을 제어한다. 전압 조건 판정부(66)는, 연료 전지 시스템(10)의 스타트 스위치가 ON이 되고, 연료 전지 시스템(10)이 시동할 때에 저효율 운전에 의해 연료 전지 스택(116)을 급속하게 승온시키는 난기 운전을 실행하는 경우에 기능한다. 난기 운전은, 예를 들어 외기온 센서(38)의 계측값이 빙점 하인 경우에 실행된다. 난기 운전은, 연료 전지 스택(116)의 온도가, 정상 상태로서 미리 정해진 목표 온도(예를 들어, 65℃)에 달하도록, 연료 전지 스택(116)의 발열을 이용하여 연료 전지 스택(116)을 승온시키는 운전 상태를 가리킨다. 난기 운전에서는, 연료 전지 스택(116)에 공급되는 산화제 가스의 화학 양론적비는, 정상 상태에 있어서의 화학 양론적비보다도 작게 설정되고, 산소 농도 과전압을 증대시킴으로써, 연료 전지 스택(116)의 발전 손실이 증대되고 있다. 산화제 가스의 화학 양론적비란, 요구 발전 전력을 발전하기 위하여 필요한 산소량의 최저량에 대한, 실제로 공급한 산소량의 비를 의미한다. 본 실시 형태에서는, 난기 운전에 있어서의 산화제 가스의 화학 양론적비는 1.0 정도이다. 전압 조건 판정부(66)는, 연료 전지 스택(116)으로부터의 전류의 인출인 전류 소인을 개시하여 난기 운전을 실행하기 위한 미리 정한 전압 조건을 만족시키는지의 여부를 판정한다. 이 상세는 후술한다.
도 5는, 이차 전지(96)의 온도 특성을 도시하는 도면이다. 리튬 이온 전지 등의 이차 전지는, 빙점 하, 특히 -20℃(섭씨) 이하가 되면, 급격하게 충방전 가능한 전력의 폭이 좁아진다. 이에 의해, 연료 전지 스택(116)의 발전 전력이 요구 발전 전력보다도 초과하거나, 부족하거나 한 경우에, 이차 전지(96)에 초과분의 전력을 충전하거나, 부족분의 전력을 이차 전지(96)로부터 방전하거나 하는 것이 곤란해지는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 외기온 센서(38)의 계측값이 빙점 하, 특히 -20℃ 이하인 경우에는, 연료 전지 스택(116)의 발전 전력을 요구 발전 전력으로부터 크게 괴리하지 않도록, 연료 전지 시스템(10)이 제어되는 것이 바람직하다.
도 6은, 연료 전지 시스템(10)의 시동 처리를 도시하는 흐름도이다. 도 7은, 동작점 이행 처리를 도시하는 흐름도이다. 도 8은, 시동 처리의 개시로부터 목표 동작점 Pg에 이르기까지의 연료 전지 스택(116)의 전압(총 전압)과 전류의 관계를 나타내는 제1 도이다. 도 9는, 시동 처리의 개시로부터 목표 동작점 Pg에 이르기까지의 연료 전지 스택(116)의 전압(총 전압)과 전류의 관계를 나타내는 제2 도이다. 또한, 도 8에 도시하는 점선의 곡선은, 연료 전지 스택(116)의 어느 요구 발전 전력(예를 들어, 목표 동작점 Pg에 있어서의 요구 발전 전력)과 동일한 발전 전력을 나타내는 동작점을 연결하는 등파워 라인 PL이다. 도 6에 도시하는 시동 처리는, 연료 전지 시스템(10)의 스타트 스위치가 ON이 된 것을 트리거에 개시된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 제어부(62)는 난기 요구가 있는지 여부를 판정한다(스텝 S10). 본 실시 형태에서는, 제어부(62)는, 외기온 센서(38)의 계측값이 미리 정한 온도 이하인 경우에, 난기 요구가 있다고 판정한다. 미리 정한 온도는, 예를 들어 빙점이어도 되고, 빙점보다도 낮은 온도여도 된다. 제어부(62)는, 난기 요구가 없다고 판정한 경우에는(스텝 S10; "아니오"), 시동 처리를 종료한다. 시동 처리를 종료한 이후에 있어서는, 제어부(62)는, 예를 들어 부하(255)로부터의 요구에 따라서 연료 전지 스택(116)을 발전시키는 통상 발전 처리를 실행한다.
한편으로, 동작 제어부(64)는, 난기 요구가 있다고 판정한 경우에는(스텝 S10: "예"), 전류 소인을 개시하여 난기 운전을 실행하기 전에, 산화제 가스 공급계(30A)를 포함하는 산화제 가스 급배계(30)를 제어하여, 각 연료 전지 셀(11)의 캐소드에 산소를 포함하는 산화제 가스의 공급을 개시한다(스텝 S20). 이에 의해, 연료 전지 스택(116)의 전압을 미리 정한 전압 조건을 만족시킬 때까지 상승시킨다. 또한, 제어부(62)는, 스텝 S20에 있어서, 연료 가스 급배계(50)를 제어하여, 각 연료 전지 셀(11)의 애노드에 미리 정한 유량의 연료 가스 공급을 개시한다. 또한, 제어부(62)는, 스텝 S20에 있어서, 냉매 순환계(70)의 동작을 제어하여 냉매의 순환을 개시한다.
미리 정한 전압 조건은, 난기 운전이 실행된 경우에, 각 연료 전지 셀(11)의 애노드로부터 캐소드로 전도한 수소 이온이, 캐소드에 존재하는 산소와 결합함으로써, 캐소드에서의 수소의 재결합을 억제할 수 있는 조건으로 설정된다. 즉, 미리 정한 전압 조건은, 캐소드에 전도한 수소 이온과 결합 가능한 한의 산소가 충분히 존재한다고 판정할 수 있는 전압 조건으로 설정된다. 본 실시 형태에서는, 미리 정한 전압 조건은, 연료 전지 스택(116)의 총 전압값에 의해 규정되어 있고, 전압 센서(91)의 총 전압값을 나타내는 계측 전압값(총 계측 전압값) Vt가 미리 정한 기준 전압값 Vs를 초과했다는 조건이다. 기준 전압값 Vs는, 예를 들어 Vc×Ln이다. Vc는, 1개의 연료 전지 셀(11)의 셀 기준 전압값이고, Ln은 연료 전지 셀(11)의 적층 매수이다. Vc는, 연료 전지 셀(11)의 캐소드에 산소가 충분히 공급되었다고 판정할 수 있는 값, 예를 들어 0.88V 이상으로 설정된다. 또한, Vc의 상한은, 연료 전지 셀(11)의 촉매층이 열화되는 것을 억제할 수 있는 정도의 값이다. 본 실시 형태에서는, Vc는 0.88V로 설정되어 있다.
스텝 S20의 다음에, 전압 조건 판정부(66)는, 전압 센서(91)의 계측 전압값 Vt가, 기준 전압값 Vs를 초과하였는지의 여부를 판정한다(스텝 S30). 계측 전압값 Vt가 기준 전압값 Vs 이하인 경우에는(스텝 S30: "아니오"), 동작 제어부(64)는 스텝 S20의 처리를 중지하지 않고 계속한다. 한편으로, 계측 전압값 Vt가 기준 전압값 Vs를 초과한 경우에는(스텝 S30: "예"), 동작 제어부(64)는, 연료 전지 스택(116)으로부터의 전류 소인을 허가하고(스텝 S40), 동작점 이행 처리가 개시된다(스텝 S50). 즉, 전류 소인이 허가됨으로써, 스텝 S50의 동작점 이행 처리에 있어서의 전류 소인을 개시한다.
동작점 이행 처리는, 난기 운전의 일부의 처리이다. 도 8의 화살표 방향으로 나타내는 것처럼, 동작점 이행 처리는, 전류 소인을 개시하고 나서, 연료 전지 스택(116)의 동작점이 연료 전지 스택(116)의 목표 전압값 Vg와 목표 전류값 Ig로 정해지는 목표 동작점 Pg에 이르기까지의 기간(천이 기간)에 실행되는 처리이다. 제어부(62)는, 천이 기간의 적어도 일부에 있어서, 연료 전지 스택(116)의 전압값과 전류값으로 정해지는 동작점을 이행시키는 경우에, 동작점이 연료 전지 스택(116)의 요구 발전 전력과 동일한 발전 전력을 나타내는 등파워 라인 PL 상이 되도록, 전압 명령값과 전류 명령값을 설정한다. 본 실시 형태에서는, 천이 기간 중에서 계측 전압값 Vt가 전환 전압값 Vsw 이하가 된 이후에는, 동작점을 이행시키는 경우에, 등파워 라인 PL 상이 되도록, 전압 명령값과 전류 명령값이 설정된다. 또한 다른 실시 형태에서는, 천이 기간의 전부에 있어서, 동작점을 이행시키는 경우에, 등파워 라인 PL 상이 되도록, 전압 명령값과 전류 명령값이 설정되어도 된다. 동작점 이행 처리 후에는, 목표 동작점 Pg에 있어서, 미리 정한 목표 온도가 될 때까지 난기 운전이 실행된다.
스텝 S50의 동작점 이행 처리의 상세를 설명하기 전에, 도 9를 사용하여 스텝 S40의 전류 소인 허가까지의 처리 내용을 설명한다. 시각 t0에 있어서 난기 요구가 있다고 판정되어, 각 연료 전지 셀(11)의 캐소드로의 산화제 가스의 공급이 개시된다. 산화제 가스가 캐소드에 공급되면, 연료 전지 스택(116)의 총 전압이 상승한다. 본 실시 형태에서는, 시각 t1에 있어서 연료 전지 스택(116)의 총 전압이 기준 전압값 Vs를 초과한다. 이에 의해, 시각 t1로부터 동작점 이행 처리가 실행된다. 도 8에 도시한 바와 같이, 동작점 이행 처리는, 전류 소인을 개시하고 나서 목표 동작점 Pg에 이르기까지에 실행되는 처리이다. 동작점 이행 처리를 포함하는 난기 운전 제어에서는, 연료 전지 스택(116)의 요구 발전 전력이 크게 변동하는 것을 억제하기 위해서, 컴프레서(33)(도 2)의 회전수는 미리 정한 목표 회전수에 도달 후는 일정하게 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 난기 운전 제어에서는, 컴프레서(33)가 목표 회전수에 도달한 후에 있어서, 캐소드로의 산화제 가스의 공급 유량을 변화시키는 경우에는, 제2 압력 조절 밸브(37)의 개방도나 제3 압력 조절 밸브(39)의 개방도를 조정함으로써 조정된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 난기 운전 제어에서는, 제1 압력 조절 밸브(36)는 완전 개방으로 유지된다.
도 7에 도시한 바와 같이, 동작 제어부(64)는, 천이 기간 중 계측 전압값 Vt가 전환 전압값 Vsw에 이르기까지의 전환 전 기간에서는, 실제 전압 제어를 실행한다(스텝 S52). 실제 전압 제어에서는, 동작 제어부(64)는, 연료 전지 스택(116)의 요구 발전 전력과, 연료 전지 스택(116)의 실 전압인 전압 센서(91)의 계측 전압값 Vt를 사용하여 전류 명령값을 설정한다. 구체적으로는, 동작 제어부(64)는, 요구 발전 전력을 계측 전압값 Vt로 나눔으로써 전류 명령값을 산출함으로써 설정한다. 실제 전압 제어에서는, 동작 제어부(64)는, 산출한 전류 명령값이 되도록 FDC(95)를 제어하여 전류 소인을 행한다.
전압 조건 판정부(66)는, 스텝 S52의 실 전압 제어를 개시한 후에, 계측 전압값 Vt가 미리 정한 전환 전압값 Vsw 이하에 도달했는지의 여부를 판정한다(스텝 S54). 계측 전압값 Vt가 전환 전압값 Vsw 이하가 될 때까지는 스텝 S52가 실행된다. 계측 전압값 Vt가 전환 전압값 Vsw 이하로 된 경우, 동작 제어부(64)는 통상 전류 제어와 대기 제어와의 어느 한쪽의 제어를 실행한다(스텝 S56). 즉, 천이 기간 중, 계측 전압값 Vt가 전환 전압값 Vsw 이하가 된 시점부터 목표 동작점 Pg에 도달하는 시점까지의 전환 후 기간에서는, 통상 전류 제어와 대기 제어의 어느 한쪽의 제어가 실행된다.
대기 제어는, 전환 후 기간에 있어서 일정한 조건을 만족시킨 경우에 통상 전류 제어를 중단하여 실행된다. 전환 전압값 Vsw는, 목표 전압값 Vg에 미리 정한 가산 전압값 Vad를 더한 값으로 설정된다. 가산 전압값 Vad는, 과도한 전류 소인이 발생한 경우에도 목표 전압값 Vg를 하회하지 않는 정도의 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 가산 전압값 Vad는 66V로 설정되어 있다.
통상 전류 제어에서는, 제어부(62)는, 목표 전류값 Ig까지 미리 정한 비율로 전류 명령값을 상승시킨다. 제어부(62)는, 계측 전압값 Vt가 전압 명령값보다도 낮은 값인 제어 개시 전압값이 된 경우에, 통상 전류 제어를 중단하여 대기 제어를 실행한다. 대기 제어에서는, 제어부(62)는, 제어 개시 전압값이 된 시점의 전류 명령값을 유지함으로써, 전류 명령값을 일정하게 유지한다. 이에 의해, 제어부(62)는, 연료 전지 스택(116)의 전압을 상승시켜, 계측 전압값 Vt가 전압 명령값 이상의 값인 허가 전압값이 된 경우에, 전류 명령값의 변경을 허가함으로써 대기 제어를 종료한다. 또한, 제어 개시 전압값은, 계측 전압값 Vt가 전압 명령값을 하회한 직후에 대기 제어가 실행되도록 설정되어 있어도 되고, 계측 전압값 Vt의 정밀도를 고려하여 전압 명령값보다도 미리 정한 값(예를 들어 5V)만큼 낮게 설정되어 있어도 된다. 또한, 허가 전압값은, 전압 명령값과 동일값이어도 되고, 계측 전압값 Vt의 정밀도를 고려하여 전압 명령값보다도 일정값(예를 들어 5V)만큼 높은 값이어도 된다. 대기 제어에서는, 제어부(62)는, 도 2에 도시하는 제2 압력 조절 밸브(37)나 제3 압력 조절 밸브(39)의 개방도를 조정함으로써 연료 전지 스택(116)에 공급하는 산화제 가스의 유량을 증대시켜도 된다. 이에 의해, 연료 전지 스택(116)의 전압을 보다 효율적으로 상승시킬 수 있다. 제어부(62)는, 대기 제어의 실행 중에 있어서 전류 명령값의 변경을 허가함으로써, 통상 전류 제어를 재개할 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 시각 t3에 있어서 계측 전압값 Vt가 전압 명령값인 목표 전압값 Vg보다 낮은 값인 제어 개시 전압값 Vcs가 되었다고 한다. 또한, 시각 t3에서는, 전류 센서(92)(도 3)의 계측 전류값 It는 목표 전류값 Ig에 도달하고 있지 않다. 이 경우, 시각 t3에 있어서 계측 전압값 Vt가 제어 개시 전압값 Vcs가 되었으므로, 제어부(62)는 통상 전류 제어를 중단하여 대기 제어를 실행한다. 즉, 제어부(62)는, 시각 t3에 있어서의 전류 명령값을 유지함으로써, 전류 명령값을 일정값 Ia로 유지한다.
시각 t4에 있어서 계측 전압값 Vt가 전압 명령값인 목표 전압값 Vg 이상의 값인 허가 전압값 Vp에 도달했기 때문에, 제어부(62)는, 대기 제어를 종료하여 통상 전류 제어를 재개한다. 이에 의해, 통상 전류 제어에 의해 미리 정한 비율로 전류 명령값이 목표 동작점 Pg를 향하여 다시 상승한다. 또한, 시각 t5 내지 시각 t6의 기간이나 시각 t7 내지 시각 t8의 기간에서도 마찬가지로, 대기 제어가 실행된다.
도 7에 도시한 바와 같이, 제어부(62)는, 연료 전지 스택(116)의 동작점(계측 전류값 It, 계측 전압값 Vt)이, 목표 동작점 Pg에 도달했는지의 여부를 판정한다(스텝 S58). 동작점이 목표 동작점 Pg에 도달할 때까지, 제어부(62)는 통상 전류 제어와 대기 제어의 어느 한쪽의 제어를 실행한다. 한편으로, 동작점이 목표 동작점 Pg에 도달한 경우에는, 제어부(62)는, 동작점 이행 처리를 종료한다. 도 9에 도시하는 예에서는, 시각 t9에 있어서, 동작점이 목표 동작점 Pg에 도달한다. 동작점 이행 처리가 종료한 후에는, 제어부(62)는, 연료 전지 스택(116)이 목표 온도에 도달할 때까지, 목표 동작점 Pg에 있어서 난기 운전을 실행한다. 제어부(62)는, 스택 온도 센서(73)(도 2)의 계측값을, 연료 전지 스택(116)이 온도로 하여 목표 온도에 도달했는지의 여부를 판정한다.
상기 제1 실시 형태에 의하면, 계측 전압값 Vt가 미리 정한 전압 조건을 만족시킨 후에 전류 소인을 행함으로써, 연료 전지 스택(116)의 캐소드에 산소를 충분히 존재시킨 후에 난기 운전을 행할 수 있다. 이에 의해, 난기 운전 중에 캐소드에 있어서의 산소가 결핍하여 펌핑 수소가 발생할 가능성을 저감할 수 있다. 펌핑 수소가 발생할 가능성을 저감함으로써, 산화제 가스 배출로(308)를 통해 외부에 수소가 방출되는 것을 억제할 수 있다. 게다가, 제어부(62)는, 천이 기간에 있어서 동작점을 이행시키는 경우에, 등파워 라인 PL 상이 되도록, 전압 명령값과 전류 명령값이 설정되므로, 요구 발전 전력에 대하여 연료 전지 스택(116)의 실제 발전 전력이 괴리하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 이차 전지의 충방전량을 일정한 범위 내로 제어할 수 있다.
또한 상기 제1 실시 형태에 의하면, 전환 전 기간에 있어서는, 실제 전압 제어가 실행되므로, 펌핑 수소의 발생을 억제하면서, 요구 발전 전력과, 연료 전지 스택(116)의 실제 발전 전력의 어긋남이 커지는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 이차 전지(96)의 충방전량을 일정한 범위 내로 보다 한층 제어할 수 있다.
또한 상기 제1 실시 형태에 의하면, 전환 후 기간에 있어서는, 통상 전류 제어가 실행되므로, 과도한 전류 소인이 실행되는 것을 억제할 수 있다. 게다가 이 형태에 의하면, 통상 전류 제어가 실행되고 있는 경우에 있어서, 계측 전압값 Vt가 제어 개시 전압값이 된 경우에, 대기 제어가 실행됨으로써, 캐소드의 산소가 부족한 것을 억제할 수 있으므로, 펌핑 수소의 발생을 억제할 수 있다.
B. 제2 실시 형태:
도 10은, 제2 실시 형태에 연료 전지 시스템(10)의 시동 처리를 도시하는 흐름도이다. 상기 제1 실시 형태의 시동 처리(도 6)와의 차이는, 스텝 S30a이다. 그 밖의 스텝에 대해서는 제1 실시 형태와 제2 실시 형태로 마찬가지의 스텝이기 때문에, 동일 부호를 붙임과 함께 설명을 생략한다. 제2 실시 형태에서는, 전류 소인이 허가되는 미리 정한 전압 조건은, 단부측 연료 전지 셀(11e)의 계측 전압값이 미리 정한 단부측 기준 전압값을 초과했다는 조건이다.
스텝 S20의 다음에, 전압 조건 판정부(66)는, 전압 센서(91)에 의해 계측된 단부측 연료 전지 셀(11e)의 계측 전압값이, 미리 정한 단부측 기준 전압값 Vce를 초과하였는지의 여부를 판정한다(스텝 S30a). 단부측 기준 전압값 Vce는, 단부측 연료 전지 셀(11e)의 캐소드에 산소가 충분히 공급되었다고 판정할 수 있는 값, 예를 들어 0.8V로 설정되어 있다. 여기서, 복수의 단부측 연료 전지 셀(11e)의 각 계측 전압값을 사용하여 스텝 S30a의 판정이 행하여지는 경우, 제어부(62)는, 예를 들어 복수의 단부측 연료 전지 셀(11e) 중 미리 정한 셀수의 각 계측 전압값이, 각각 단부측 기준 전압값 Vce를 초과한 것인지의 여부를 판정한다.
상기 제2 실시 형태에 따르면, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성을 갖는 점에 있어서 마찬가지의 효과를 발휘한다. 예를 들어, 단부측 연료 전지 셀(11e)의 계측 전압값이 미리 정한 전압 조건을 만족시킨 후에 전류 소인을 행함으로써, 연료 전지 스택(116)의 캐소드에 산소를 충분히 존재시킨 후에 난기 운전을 행할 수 있다. 이에 의해, 난기 운전 중에 캐소드에 있어서의 산소가 결핍하여 펌핑 수소가 발생할 가능성을 저감할 수 있다. 펌핑 수소가 발생할 가능성을 저감함으로써, 산화제 가스 배출로(308)를 통해 외부에 수소가 방출되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 연료 전지 스택(116)의 적층 방향 SD의 길이가 길어져서, 산화제 가스가 다른 쪽의 단부측에 도달하는데 상당의 시간이 걸리는 것과 같은 경우에도, 다른 쪽의 단부측에 위치하는 단부측 연료 전지 셀(11e)의 전압값이 미리 정한 전압 조건을 만족시키는지의 여부를 판정함으로써, 펌핑 수소의 발생을 보다 억제할 수 있다. 즉, 연료 전지 스택(116)의 다른 쪽의 단부측이, 한쪽의 단부측보다도 산화제 가스의 도달이 지연됨으로써, 산화제 가스 공급에 의한 전압 상승이 한쪽의 단부측보다도 다른 쪽의 단부측쪽이 느려진 경우에도, 전압 상승이 느린 단부측 연료 전지 셀(11e)의 계측 전압값이 미리 정한 전압 조건을 만족시키는지의 여부를 판정함으로써, 펌핑 수소의 발생을 보다 억제할 수 있다.
C. 다른 실시 형태:
C-1. 제1 다른 실시 형태:
상기 제1 실시 형태에 있어서, 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지 스택(116)의 한쪽의 단부측에서만, 연료 가스, 산화제 가스, 냉매를 공급하거나 배출하거나 하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지 스택(116)의 한쪽의 단부측에서 연료 가스, 산화제 가스, 냉매를 공급하고, 다른 쪽의 단부측에서 연료 가스, 산화제 가스, 냉매를 배출해도 된다.
C-2. 제2 다른 실시 형태:
제어부(62)는, 상기 제1 실시 형태에서는 연료 전지 스택(116)의 총 전압값이 전압 조건을 만족시킨 경우에 전류 소인을 개시하고, 상기 제2 실시 형태에서는 단부측 연료 전지 셀(11e)의 전압값이 전압 조건을 만족시키는 경우에 전류 소인을 개시하고 있었지만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 연료 전지 스택(116)의 일방측에 위치하는 연료 전지 셀(11)이나, 중앙에 위치하는 연료 전지 셀(11)의 전압값이 전압 조건을 만족시킨 경우에, 전류 소인을 개시해도 된다.
C-3. 제3 다른 실시 형태:
상기 각 실시 형태에서는, 제어부(62)는, 천이 기간에 있어서, 실제 전압 제어나 통상 전류 제어나 대기 제어를 실행하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제어부(62)는, 천이 기간에 있어서, 대기 제어를 실행하지 않아도 되고, 실제 전압 제어와 통상 전류 제어의 어느 한쪽 제어만을 실행해도 된다. 또한, 예를 들어 천이 기간에 있어서, 전류 명령값을 일시적으로 내리는 제어가 행하여져도 된다.
C-4. 제4 다른 실시 형태:
상기 각 실시 형태에서는, 도 6의 스텝 S10에서는, 제어부(62)는, 외기온 센서(38)의 계측값이 미리 정한 온도 이하인 경우에, 난기 요구가 있다고 판정하고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제어부(62)는, 스택 온도 센서(73)의 계측값이 미리 정한 온도 이하인 경우에, 난기 요구가 있다고 판정해도 된다.
본 개시는, 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 혹은, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히, 바꾸기나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히, 삭제하는 것이 가능하다.

Claims (4)

  1. 연료 전지 시스템(10)에 있어서,
    적층된 복수의 연료 전지 셀(11)이며, 애노드와 캐소드를 각각 갖는 복수의 연료 전지 셀(11)을 갖는 연료 전지 스택(116)과,
    상기 연료 전지 스택(116)의 전압을 계측하도록 구성된 전압 센서(91)와,
    상기 캐소드에 산소를 포함하는 산화제 가스를 공급하도록 구성된 산화제 가스 공급계(30A)와,
    상기 애노드에 연료 가스를 공급하도록 구성된 연료 가스 공급계(50A)와,
    상기 연료 전지 시스템(10)에 관한 온도를 계측하도록 구성된 온도 센서(38)와,
    상기 연료 전지 스택(116)에 의해 발전된 전력을 충방전하도록 구성된 이차 전지(96)와,
    상기 전압 센서(91)가 계측한 계측 전압값을 사용하여 상기 연료 전지 시스템(10)의 동작을 제어하도록 구성된 제어 장치(60)를
    포함하고,
    상기 제어 장치(60)는, 상기 연료 전지 시스템(10)을 시동할 때에, 상기 온도 센서(38)의 계측값이 미리 정해진 온도 이하인 경우에는,
    상기 연료 전지 스택(116)의 전류 소인을 개시하기 전에, 상기 산화제 가스 공급계(30A)를 동작시켜서 상기 캐소드에 상기 산화제 가스를 공급함으로써, 상기 연료 전지 스택(116)의 전압을 미리 정해진 전압 조건을 만족시킬 때까지 상승시켜,
    상기 계측 전압값이 상기 전압 조건을 만족시킨 경우에, 상기 전류 소인을 개시하여, 상기 연료 전지 스택(116)을 승온시키는 난기 운전을 실행하도록 구성되고,
    상기 제어 장치(60)는, 상기 난기 운전을 실행할 때에는, 상기 전류 소인을 개시하고 나서, 상기 연료 전지 스택(116)의 전압값과 전류값으로 정해지는 동작점이 상기 난기 운전에 있어서의 목표 전압값과 목표 전류값으로 정해지는 목표 동작점에 이르기까지의 천이 기간의 적어도 일부에 있어서, 상기 동작점을 이행시키는 경우에, 상기 동작점이 상기 연료 전지 스택(116)의 요구 발전 전력과 동일한 발전 전력을 나타내는 상기 연료 전지 스택(116)의 등파워 라인 상이 되도록, 전압 명령값과 전류 명령값을 설정하도록 구성되어 있는, 연료 전지 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치(60)는,
    상기 천이 기간 중, 상기 계측 전압값이 미리 정해진 전환 전압값 이하가 된 시점으로부터 상기 목표 동작점의 상기 목표 전압값에 도달하는 시점까지의 전환 후 기간에서는, 상기 목표 전류값까지 미리 정해진 비율로 상기 전류 명령값을 상승시키는 통상 전류 제어를 실행하도록 구성되고,
    상기 통상 전류 제어를 실행하고 있는 경우에 있어서, 상기 계측 전압값이 상기 전압 명령값보다 낮은 값인 제어 개시 전압값이 된 경우에, 상기 통상 전류 제어를 중단하여 상기 전류 명령값을 일정하게 유지하는 대기 제어를 실행하도록 구성되고,
    상기 대기 제어의 실행 중에 있어서, 상기 계측 전압값이 상기 전압 명령값 이상의 값인 허가 전압값이 된 경우에, 상기 전류 명령값의 변경을 허가함으로써, 상기 대기 제어를 종료하여 상기 통상 전류 제어를 재개하도록 구성되어 있는, 연료 전지 시스템(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전압 센서(91)는, 상기 연료 전지 스택(116)의 총 전압을 계측하도록 구성되고,
    상기 전압 조건은, 상기 전압 센서(91)에 의해 계측된 상기 계측 전압값으로서의 상기 총 전압의 값이 미리 정해진 기준 전압값을 초과했다는 조건인, 연료 전지 시스템(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화제 가스의 상기 연료 전지 스택(116)으로의 공급은, 상기 복수의 연료 전지 셀(11)이 적층된 적층 방향 중, 상기 연료 전지 스택(116)의 한쪽의 단부측에 있어서 행하여지고,
    상기 전압 센서(91)는, 상기 복수의 연료 전지 셀(11) 중, 상기 한쪽의 단부측과는 반대인 다른 쪽의 단부측에 위치하는 연료 전지 셀인 단부측 연료 전지 셀(11e)의 전압을 계측하도록 구성되고,
    상기 전압 조건은, 상기 전압 센서(91)에 의해 계측된 상기 계측 전압값으로서의 상기 단부측 연료 전지 셀(11e)의 전압값이 미리 정해진 단부측 기준 전압값을 초과했다는 조건인, 연료 전지 시스템(10).
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