KR20210147908A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20210147908A
KR20210147908A KR1020210065277A KR20210065277A KR20210147908A KR 20210147908 A KR20210147908 A KR 20210147908A KR 1020210065277 A KR1020210065277 A KR 1020210065277A KR 20210065277 A KR20210065277 A KR 20210065277A KR 20210147908 A KR20210147908 A KR 20210147908A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
power generation
target
power
battery
Prior art date
Application number
KR1020210065277A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102627125B1 (ko
Inventor
료이치 남바
아스카 다카사키
히로유키 츠네카와
Original Assignee
도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도요타지도샤가부시키가이샤 filed Critical 도요타지도샤가부시키가이샤
Publication of KR20210147908A publication Critical patent/KR20210147908A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102627125B1 publication Critical patent/KR102627125B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/31—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for starting of fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/40—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for controlling a combination of batteries and fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04947—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

저효율 발전 시에, 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되어 배터리가 열화되는 것을 억제한다.
연료 전지 시스템(100)의 제어 장치(200)는, 통상 발전과 비교하여 발전 손실이 커지는 저효율 발전을 실시하는 저효율 발전 실시부를 구비한다. 저효율 발전 실시부는, 저효율 발전 시의 연료 전지(10)의 동작점이 되는 목표 전류 및 목표 전압을 설정하는 동작점 설정부와, 저효율 발전 시에, 연료 전지(10)의 전류를 목표 전류로 제어하면서, 이차 전지(53)의 충방전 전력이 허용 충방전 전력보다도 커지지 않는 범위 내에서, 연료 전지(10)의 전압이 목표 전압에 걸쳐서 증감하도록 연료 전지(10)에 공급하는 산화제 가스의 공급 유량을 변동시킴으로써, 연료 전지(10)의 발전 전력을 증감시키는 발전 전력 제어부를 구비한다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는, 종래의 연료 전지 시스템으로서, 예를 들어 시스템 기동 시 등의 소정의 타이밍에 있어서, 통상 발전과 비교하여 발전 손실이 커지는 저효율 발전을 실시함으로써, 연료 전지의 자기 발열량을 증대시켜 연료 전지를 급속하게 난기시키는 급속 난기 운전을 실시하는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2009-099341호 공보
저효율 발전 시는, 농도 과전압을 크게 하여 발전 손실을 증대시키기 위해, 발전 전력이 동일하면 통상 발전 시보다도 연료 전지에 공급되는 산화제 가스의 공급 유량이 적어진다. 즉, 저효율 발전 시에 설정되는 공기 화학양론비(목표 발전 전력을 발전하기 위해 최저한 필요한 산화제 가스의 공급 유량에 대한, 실제로 공급되는 산화제 가스의 공급 유량의 비)의 목표값은, 통상 발전 시에 설정되는 공기 화학양론비의 목표값보다도 작아진다. 그리고, 통상 발전 시보다도 공기 화학양론비를 작게 한 상태에서 행해지는 저효율 발전 시는, 공기 화학양론비가 그 목표값으로부터 어긋났을 때, 통상 발전 시보다도 연료 전지의 전압 변동폭이 커지는 경향이 있다.
여기서, 목표 발전 전력이 변화되는 과도 시에는, 산화제 가스의 공급 유량이 과도 후의 목표 유량으로 제어될 때까지의 동안, 공기 화학양론비가 과도후의 목표값으로부터 어긋나게 된다. 그 때문에, 저효율 발전 시는, 과도시에 있어서, 연료 전지의 실제 전압이 목표 전압에 비해 크게 어긋나는 경향이 있고, 그 결과, 실제 발전 전력이 목표 발전 전력에 비해 크게 어긋나는 경향이 있다.
실제 발전 전력이 목표 발전 전력보다도 커지면, 그때의 잉여 전력은 배터리에 충전되게 된다. 한편 실제 발전 전력이 목표 발전 전력보다도 작아지면, 그때의 부족 전력은 배터리로부터 방전되게 된다. 그 때문에, 목표 발전 전력에 대한 실제 발전 전력의 어긋남이 커지면, 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되어 배터리가 열화될 우려가 있다. 배터리의 허용 충전 전력 및 허용 방전 전력은, 배터리 온도에 따라 변화하고, 배터리 온도가 낮아질수록, 작아지는 경향이 있다.
따라서, 저온 환경 하에서 저효율 발전이 실시되면, 특히 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되기 쉽고, 배터리가 열화되기 쉽다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점에 착안하여 이루어진 것으로, 저효율 발전 시에, 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되어 배터리가 열화되는 것을 억제하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태에 의한 연료 전지 시스템은, 연료 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지와, 연료 전지의 발전 시에 있어서의 잉여 전력을 충전함과 함께 부족 전력을 방전하는 이차 전지와, 제어 장치를 구비한다. 제어 장치는, 통상 발전과 비교하여 발전 손실이 커지는 저효율 발전을 실시하는 저효율 발전 실시부를 구비한다. 저효율 발전 실시부는, 저효율 발전 시의 상기 연료 전지의 동작점이 되는 목표 전류 및 목표 전압을 설정하는 동작점 설정부와, 저효율 발전 시에, 연료 전지의 전류를 목표 전류로 제어하면서, 이차 전지의 충방전 전력이 이차 전지의 허용 충방전 전력보다도 커지지 않는 범위 내에서, 연료 전지의 전압이 목표 전압에 걸쳐서 증감하도록 연료 전지에 공급하는 산화제 가스의 공급 유량을 변동시킴으로써, 연료 전지의 발전 전력을 증감시키는 발전 전력 제어부를 구비한다.
본 발명의 이 양태에 의하면, 연료 전지의 전류를 목표 전류로 제어하면서, 목표 전압에 걸치도록 연료 전지의 전압을 증감시킴으로써, 목표 발전 전력에 걸치도록 발전 전력을 증감시킬 수 있다. 그 때문에, 배터리(이차 전지)의 충방전을 반복할 수 있으므로, 배터리의 온도를 빠르게 높일 수 있다. 그 결과, 배터리의 허용 충방전 전력을 신속하게 크게 할 수 있으므로, 저효율 발전이 실시되어 발전 전력과 목표 발전 전력의 사이에 어긋남이 생겼을 때, 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 FC 온도가 어떤 온도일 때의 연료 전지 스택의 기준이 되는 전류 전압 특성을 도시한 도면이다.
도 3은 공기 화학양론비와, 발전 손실의 하나의 요인이 되는 산소 농도 과전압의 관계에 대해서 설명하는 도면이다.
도 4는 FC 전류를 일정하게 유지한 상태로, 공기 화학양론비를 변화시켰을 때의 FC 전압의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 배터리 승온 처리를 수반하는 연료 전지 시스템의 급속 난기 제어에 대해서 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 저효율 발전이 상세한 처리에 대해서 설명하는 흐름도이다.
도 7은 급속 난기 동작점 X2를 산출하기 위한, 등전력선과 등발열량선이 그려진 IV 특성 맵이다.
도 8은 급속 난기 동작점 X2의 산출 방법에 대해서 설명하는 도면이다.
도 9는 기준 FC 전압을 산출하기 위한, 기준 IV 특성 맵이다.
도 10은 기준 공기 화학양론비를 산출하기 위한, 공기 화학양론비와 산소 농도 과전압의 관계를 나타내는 맵이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 배터리 승온 처리의 상세에 대해서 설명하는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 배터리 승온 처리 중의 동작에 대해서 설명하는 타임차트이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 부여한다.
도 1은, 차량에 탑재되는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)의 개략 구성도이다.
연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 스택(10)과, 연료 전지 스택(10)에 애노드 가스(연료 가스)로서의 수소를 공급하기 위한 수소 공급 장치(20)와, 연료 전지 스택(10)에 캐소드 가스(산화제 가스)로서의 공기를 공급하기 위한 공기 공급 장치(30)와, 연료 전지 스택(10)의 출력 단자에 전기적으로 접속되는 전기 부하부(50)와, 연료 전지 시스템(100)의 각종 제어 부품을 통괄적으로 제어하기 위한 전자 제어 유닛(200)을 구비한다.
연료 전지 스택(10)은, 복수의 연료 전지 단셀(이하 「단셀」이라고 한다.)을 적층 방향을 따라 서로 적층하고, 각 단셀을 전기적으로 직렬로 접속한 것이다. 각 단셀은, MEA(Membrane Electrode Assembly)를 구비한다.
MEA는, 고체 고분자 재료로 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막(이하 「전해질막」이라고 한다.)의 한쪽 표면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 쪽 표면에 캐소드 전극을 형성하여 그것들을 일체화한 것이다. 연료 전지 스택(10)에서 발전이 행해지고 있을 때는, 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 이하의 전기 화학 반응이 일어난다.
애노드 전극: 2H2→4H++4e- …(1)
캐소드 전극: 4H++4e-+O2→2H2O …(2)
애노드 전극 및 캐소드 전극은, 다공질의 카본 소재에 촉매를 담지시킨 촉매층을 각각 구비하고 있고, 각 촉매층에는 수소와 산소의 전기 화학 반응(식 (1)의 수소 산화 반응과 식 (2)의 산소 환원 반응)을 촉진시키기 위한 촉매로서 백금이 포함되어 있다. 또한, MEA의 양 외측에, 애노드 가스 확산층 및 캐소드 가스 확산층을 더 구비하고 있어도 된다.
수소 공급 장치(20)는, 수소 공급관(21)과, 수소원으로서의 고압 수소 탱크(22)와, 수소 공급 제어부(23)와, 애노드 오프 가스관(24)과, 기액 분리기(25)와, 수소 복귀관(26)과, 수소 순환 펌프(27)와, 퍼지관(28)과, 퍼지 제어 밸브(29)를 구비한다.
수소 공급관(21)은, 연료 전지 스택(10)에 공급하는 수소가 흐르는 배관이며, 일단이 고압 수소 탱크(22)에 연결되고, 타단이 연료 전지 스택(10)에 연결된다.
고압 수소 탱크(22)는, 수소 공급관(21)을 통해 연료 전지 스택(10), 나아가 각 단셀의 애노드 전극에 공급하기 위한 수소를 저장한다.
수소 공급 제어부(23)는, 메인 스톱 밸브(231)와, 레귤레이터(232)와, 인젝터(233)를 구비한다.
메인 스톱 밸브(231)는, 전자 제어 유닛(200)에 의해 개폐되는 전자 밸브이며, 수소 공급관(21)에 마련된다. 메인 스톱 밸브(231)가 개방되면, 고압 수소 탱크(22)로부터 수소 공급관(21)에 수소가 유출된다. 메인 스톱 밸브(231)가 폐쇄되면, 고압 수소 탱크(22)로부터의 수소의 유출이 정지된다.
레귤레이터(232)는, 메인 스톱 밸브(231)보다도 하류의 수소 공급관(21)에 마련된다. 레귤레이터(232)는, 연속적 또는 단계적으로 개방도를 조정할 수 있는 압력 제어 밸브이며, 그 개방도는 전자 제어 유닛(200)에 의해 제어된다. 레귤레이터(232)의 개방도를 제어함으로써, 레귤레이터(232)보다도 하류측의 수소의 압력, 즉 인젝터(233)로부터 분사되는 수소의 압력이 제어된다.
인젝터(233)는, 레귤레이터(232)보다도 하류의 수소 공급관(21)에 마련된다. 인젝터(233)는, 예를 들어 니들 밸브이며, 전자 제어 유닛(200)에 의해 개폐 제어된다. 인젝터(233)의 밸브 개방 시간을 제어함으로써, 인젝터(233)로부터 분사되는 수소의 유량이 제어된다.
이와 같이, 수소 공급 제어부(23)에 의해, 고압 수소 탱크(22)로부터 연료 전지 스택(10)에서의 수소의 공급이 제어된다. 즉, 수소 공급 제어부(23)에 의해, 원하는 압력 및 유량에 제어된 수소가 연료 전지 스택(10)에 공급된다.
애노드 오프 가스관(24)은, 연료 전지 스택(10)으로부터 유출되어 온 애노드 오프 가스가 흐르는 배관이며, 일단이 연료 전지 스택(10)에 연결되고, 타단이 기액 분리기(25)의 가스류 입구(25a)에 연결된다. 애노드 오프 가스는, 각 단셀 내에서 전기 화학 반응에 사용되지 않은 잉여의 수소나, 캐소드 전극측에서 MEA를 통해 애노드 전극측에 투과해 온 질소 등의 불활성 가스 및 수분(액수나 수증기)을 포함하는 가스이다.
기액 분리기(25)는, 가스류 입구(25a)와, 가스류 출구(25b)와, 액수류 출구(25c)를 구비한다. 기액 분리기(25)는, 가스류 입구(25a)로부터 내부로 유입해 온 애노드 오프 가스 중의 물을 분리한다. 그리고 기액 분리기(25)는, 분리한 물을 액수류 출구(25c)로부터 퍼지관(28)에 배출함과 함께, 물이 분리된 수소를 포함하는 애노드 오프 가스를 가스류 출구(25b)로부터 수소 복귀관(26)으로 배출한다.
수소 복귀관(26)은, 일단이 기액 분리기(25)의 가스류 출구(25b)에 연결되고, 타단이 수소 공급 제어부(23)보다도 하류의 수소 공급관(21)에 연결되는 배관이다. 수소 복귀관(26)에는, 기액 분리기(25)의 가스류 출구(25b)로부터 배출된 애노드 오프 가스가 흐른다.
수소 순환 펌프(27)는, 수소 복귀관(26)에 마련된다. 수소 순환 펌프(27)는, 애노드 오프 가스 중에 포함되는 수소, 즉 각 단셀 내에서 전기 화학 반응에 사용되지 않은 잉여의 수소를 수소 공급관(21)으로 되돌려서 순환시키기 위한 펌프이다. 수소 순환 펌프(27)는, 기액 분리기(25)의 가스류 출구(25b)로부터 배출된 애노드 오프 가스를 가압하여 수소 공급관(21)에 압송한다.
퍼지관(28)은, 일단이 기액 분리기(25)의 액수류 출구(25c)에 연결되고, 타단이 후술하는 캐소드 오프 가스관(38)에 연결되는 배관이다.
퍼지 제어 밸브(29)는, 전자 제어 유닛(200)에 의해 개폐되는 전자 밸브이며, 퍼지관(28)에 마련된다. 퍼지 제어 밸브(29)는, 통상은 밸브를 폐쇄하고 있어 주기적으로 단시간에 걸쳐 밸브를 개방한다. 퍼지 제어 밸브(29)가 밸브를 개방하면, 기액 분리기(25) 내에서 분리된 물이, 퍼지관(28)을 통해 캐소드 오프 가스관(38)으로부터 외부로 배출된다.
이와 같이 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 수소 통로(2)로부터 유출된 애노드 오프 가스를 수소 공급관(21)으로 되돌려서 순환시키는 수소 순환식의 연료 전지 시스템이지만, 수소 통로(2)로부터 유출된 애노드 오프 가스를 수소 공급관(21)으로 되돌리지 않는 수소 비순환식 연료 전지 시스템으로 해도 된다.
공기 공급 장치(30)는, 공기 공급관(31)과, 에어 클리너(32)와, 컴프레서(33)와, 인터쿨러(34)와, 캐소드 흡입 밸브(35)와, 바이패스관(36)과, 분류 밸브(37)와, 캐소드 오프 가스관(38)과, 캐소드 압력 제어 밸브(39)를 구비한다.
공기 공급관(31)은, 연료 전지 스택(10), 나아가 각 단셀의 캐소드 전극에 공급하기 위한 공기가 흐르는 배관이며, 일단이 에어 클리너(32)에 연결되고, 타단이 연료 전지 스택(10)에 연결된다.
에어 클리너(32)는, 공기 공급관(31)에 흡입되는 공기 중의 이물을 제거한다. 에어 클리너(32)는, 산소원(32a)이 되는 대기 중에 배치된다. 즉, 산소원(32a)은 에어 클리너(32)를 통해 공기 공급관(31)과 연통되어 있다.
컴프레서(33)는, 예를 들어 원심식 또는 축류식 터보 컴프레서이며, 공기 공급관(31)에 마련된다. 컴프레서(33)는, 에어 클리너(32)를 통해 공기 공급관(31)에 흡입한 공기를 압축하여 토출한다. 또한, 컴프레서(33)보다도 상류의 공기 공급관(31)에는, 컴프레서(33)에 의해 흡입되어 토출되는 공기의 유량(이하 「총에어 공급량」이라고 함) Qacp[NL/min]을 검출하기 위한 캐소드 유량 센서(211)가 마련된다.
인터쿨러(34)는, 컴프레서(33)보다도 하류의 공기 공급관(31)에 마련되고, 컴프레서(33)로부터 토출된 공기를 예를 들어 주행풍이나 냉각수 등으로 냉각한다.
캐소드 흡입 밸브(35)는, 전자 제어 유닛(200)에 의해 개폐되는 전자 밸브이며, 인터쿨러(34)보다도 하류의 공기 공급관(31)에 마련된다. 캐소드 흡입 밸브(35)는, 연료 전지 스택(10)에 공기를 공급할 필요가 있을 때 밸브를 개방한다.
바이패스관(36)은, 컴프레서(33)로부터 토출된 공기의 일부 또는 전부를, 필요에 따라 연료 전지 스택(10)을 경유시키지 않고 후술하는 캐소드 오프 가스관(38)에 직접 유입시키기 위한 배관이다. 바이패스관(36)은, 일단이 인터쿨러(34)와 캐소드 흡입 밸브(35)의 사이의 공기 공급관(31)에 연결되고, 타단이 후술하는 캐소드 압력 제어 밸브(39)보다도 하류의 캐소드 오프 가스관(38)에 연결된다.
분류 밸브(37)는, 바이패스관(36)에 마련된다. 분류 밸브(37)는, 연속적 또는 단계적으로 개방도를 조정할 수 있는 전자 밸브이며, 그 개방도는 전자 제어 유닛(200)에 의해 제어된다.
캐소드 오프 가스관(38)은, 연료 전지 스택(10)으로부터 유출된 캐소드 오프 가스가 흐르는 배관이며, 일단이 연료 전지 스택(10)에 연결되고, 타단이 대기에 개구되어 있다. 캐소드 오프 가스는, 각 단셀 내에서 전기 화학 반응에 사용되지 않은 잉여의 산소나, 질소 등의 불활성 가스, 전기 화학 반응에 의해 생긴 수분(액수나 수증기)을 포함하는 가스이다.
캐소드 압력 제어 밸브(39)는, 캐소드 오프 가스관(38)에 마련된다. 캐소드 압력 제어 밸브(39)는, 연속적 또는 단계적으로 개방도를 조정할 수 있는 전자 밸브이며, 그 개방도는 전자 제어 유닛(200)에 의해 제어된다. 캐소드 압력 제어 밸브(39)의 개방도를 제어함으로써, 연료 전지 스택(10) 내의 압력인 캐소드 압력이 제어된다.
컴프레서(33), 나아가 총에어 공급량 Qafc와, 캐소드 흡입 밸브(35), 분류 밸브(37) 및 캐소드 압력 제어 밸브(39)의 각각의 개방도를 제어함으로써, 컴프레서(33)로부터 토출되는 공기 중, 연료 전지 스택(10)에 공급되는 공기의 유량(이하 「FC 에어 공급량」이라고 함) Qfc[NL/min]가 제어된다.
전기 부하부(50)는, 제1 컨버터(51)와, 회로 차단기(52)와, 배터리(53)와, 제2 컨버터(54)와, 모터 제너레이터(55)와, 인버터(56)를 구비한다.
전기 부하부(50)와 연료 전지 스택(10)의 출력 단자의 접속 라인(57)에는, 연료 전지 스택(10)으로부터 인출되는 전류(이하 「FC 전류」라고 함) Ifc[A]를 검출하기 위한 전류 센서(212)와, 연료 전지 스택(10)의 출력 단자의 단자간 전압(이하 「FC 전압」이라고 함) Vfc[V]를 검출하기 위한 전압 센서(213)가 마련된다.
제1 컨버터(51)는, 1차측 단자의 단자간 전압을 승강압시키는 것이 가능한 전기 회로를 구비한 쌍방향성의 DC/DC 컨버터이며, 1차측 단자가 연료 전지 스택(10)의 출력 단자에 접속되고, 2차측 단자가 인버터(56)의 직류측 단자에 접속된다. 제1 컨버터(51)는, 전자 제어 유닛(200)으로부터의 제어 신호에 기초하여 1차측의 단자간 전압이 되는 FC출력 전압 Vfc를 승강압시켜, 이에 의해 FC 전류 Ifc를 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 따라 설정되는 목표 FC 전류 Itg로 제어한다.
회로차단기(52)는, 전자 제어 유닛(200)에 의해 개폐되고, 연료 전지 스택(10)과 전기 부하부(50)를 전기적, 물리적으로 접속 또는 차단한다.
배터리(53)는, 예를 들어 니켈ㆍ카드뮴 축전지나 니켈ㆍ수소 축전지, 리튬 이온 전지 등의 충방전 가능한 이차 전지이다. 배터리(53)에는, 연료 전지 스택(10)의 잉여 전력 및 모터 제너레이터(55)의 회생 전력이 충전된다. 배터리(53)에 충전된 전력은, 필요에 따라 모터 제너레이터(55)나 컴프레서(33) 등의 연료 전지 시스템(100)이 구비하는 각종 제어 부품을 구동하기 위해 사용된다.
제2 컨버터(54)는, 예를 들어 2차측 단자의 단자간 전압을 승강압시키는 것이 가능한 전기 회로를 구비한 쌍방향성의 DC/DC 컨버터이며, 1차측 단자가 배터리(53)의 출력 단자에 접속되고, 2차측 단자가 인버터(56)의 직류측 단자에 접속된다. 제2 컨버터(54)는, 전자 제어 유닛(200)로부터의 제어 신호에 기초하여 2차측의 단자간 전압이 되는 인버터(56)의 입력 전압을 승강압시킨다.
모터 제너레이터(55)는, 예를 들어 3상의 영구 자석형 동기 모터이며, 연료 전지 시스템(100)이 탑재되는 차량의 동력을 발생시키는 모터로서의 기능과, 차량의 감속 시에 발전하는 제너레이터로서의 기능을 구비한다. 모터 제너레이터(55)는, 인버터(56)의 교류측 단자에 접속되고, 연료 전지 스택(10)의 발전 전력 및 배터리(53)의 전력에 의해 구동된다.
인버터(56)는, 전자 제어 유닛(200)으로부터의 제어 신호에 기초하여 직류측 단자로부터 입력된 직류 전류를 교류 전류로 변환하여 교류측 단자로부터 출력하고, 반대로 전자 제어 유닛(200)으로부터의 제어 신호에 기초하여 교류측 단자로부터 입력된 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 직류측 단자로부터 출력하는 것이 가능한 전기 회로를 구비한다. 인버터(56)의 직류측 단자는 제1 컨버터(51) 및 제2 컨버터(54)의 2차측 단자에 접속되고, 인버터(56)의 교류측 단자는 모터 제너레이터(55)의 입출력 단자에 접속된다. 인버터(56)는, 모터 제너레이터(55)를 모터로서 기능시킬 때에는, 연료 전지 스택(10) 및 배터리(53)로부터의 직류 전류를 교류 전류(본 실시 형태에서는 3상 교류 전류)로 변환하여 모터 제너레이터(55)에 공급한다. 한편 인버터(56)는, 모터 제너레이터(55)를 제너레이터로서 기능시킬 때에는, 모터 제너레이터(55)로부터의 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 배터리(53) 등에 공급한다.
전자 제어 유닛(200)은, 디지털 컴퓨터로 구성되고, 양방성 버스(201)에 의해 서로 접속된 ROM(리드 온리 메모리)(202), RAM(랜덤 액세스 메모리)(203), CPU(마이크로 프로세서)(204), 입력 포트(205) 및 출력 포트(206)를 구비한다.
입력 포트(205)에는, 상술한 캐소드 유량 센서(211)나 전류 센서(212), 전압 센서(213) 외에도, 연료 전지 스택(10)의 온도(이하 「FC 온도」라고 한다.) Tfc[℃]을 검출하기 위한 FC 온도 센서(214)나, 액셀러레이터 페달의 답입량(이하 「액셀러레이터 답입량」이라고 한다.)을 검출하기 위한 부하 센서(215) 등의 출력 신호가 대응하는 각 AD 변환기(207)를 통해 입력된다.
출력 포트(206)에는, 대응하는 구동 회로(208)를 통해, 수소 공급 제어부(23)(메인 스톱 밸브(231), 레귤레이터(232) 및 인젝터(233))나 수소 순환 펌프(27), 퍼지 제어 밸브(29), 컴프레서(33), 캐소드 흡입 밸브(35), 분류 밸브(37), 캐소드 압력 제어 밸브(39), 제1 컨버터(51), 회로 차단기(52), 제2 컨버터(54), 인버터(56) 등의 각 제어 부품이 전기적으로 접속된다.
전자 제어 유닛(200)은, 입력 포트(205)에 입력된 각종 센서의 출력 신호에 기초하여, 각 제어 부품을 제어하기 위한 제어 신호를 출력 포트(206)로부터 출력하여 연료 전지 시스템(100)을 제어한다. 이하, 전자 제어 유닛(200)이 실시하는 연료 전지 시스템(100)의 제어, 특히 연료 전지 시스템(100)의 빙점 하 시동 시에 있어서의 급속 난기 제어에 대해서 설명한다.
도 2는, 스택 온도 Tfc가 어떤 온도일 때 연료 전지 스택(10)의 기준이 되는 전류 전압 특성(이하 「기준 IV 특성」이라고 한다.)을 도시한 도면이다. 기준 IV 특성은, 발전 시에 생기는 각종 발전 손실을 억제한 고효율 발전(통상 발전)을 실시하였을 때의 IV 특성이다.
전자 제어 유닛(200)은, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 연료 전지 스택(10)의 목표 발전 전력 Ptg[kW]를 산출한다. 본 실시 형태에서는 전자 제어 유닛(200)은, 액셀러레이터 답입량 등에 기초하여 산출되는 모터 제너레이터(55)의 요구 전력과, 컴프레서(33) 등의 각종 보조 기기류의 요구 전력의 합계값을 목표 발전 전력 Ptg로서 산출한다.
그리고 도 2에 도시하는 바와 같이, 전자 제어 유닛(200)은, 연료 전지 스택(10)의 난기가 완료된 후의 고효율 발전을 실시하는 통상 운전 시에는, FC 전류 Ifc 및 FC 전압 Vfc에 의해 규정되는 동작점 X가, 기준 IV 특성상에서 목표 발전 전력 Ptg를 발전 가능한 통상 동작점 X1이 되도록, 공기 화학양론비, 나아가 FC 에어 공급량 Qfc를 제어한다.
공기 화학양론비란, 목표 발전 전력 Ptg를 발전하기 위해 최저한 필요한 FC 에어 공급량(이하 「이론 FC 에어 공급량」이라고 한다.) Qst에 대한, 실제의 FC 에어 공급량 Qfc의 비이다. 따라서, 공기 화학양론비(=Qfc/Qst)가 1.0보다도 커짐에 따라, 실제의 FC 에어 공급량 Qfc가 이론 FC 에어 공급량 Qst보다도 많아진다.
도 3은, 공기 화학양론비와, 발전 손실의 하나의 요인이 되는 산소 농도 과전압(발전 시에 산소 부족에 의해 생기는 발전 손실)의 관계에 대해서 설명하는 도면이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 산소 농도 과전압은, 공기 화학양론비가 클 때에 비하여, 작을 때의 쪽이, 커지는 경향이 있다. 바꾸어 말하면, 산소 농도 과전압을 요인으로 하는 발전 손실(전압 강하량)은, 공기 화학양론비가 클 때에 비하여, 작을 때의 쪽이, 커지는 경향이 있다.
따라서 전자 제어 유닛(200)은, 통상 운전 시에는, 발전 손실을 억제한 고효율 발전을 실시하기 위해, 공기 화학양론비가, 산소 농도 과전압을 거의 무시할 수 있는 통상 영역 내의 공기 화학양론비(도 3에 도시한 예에서는, 예를 들어 1.5 근방의 공기 화학양론비)가 되도록 FC 에어 공급량 Qfc를 제어한다.
한편 전자 제어 유닛(200)은, 빙점 하의 환경에서 연료 전지 시스템(100)을 시동하여 운전할 때는, 발전에 따라 생기는 생성수의 동결을 억제하면서, 저온 시일수록 악화되는 IV 특성을 조기에 회복시키기 위해, 급속 난기 운전을 실시한다. 급속 난기 운전은, FC 에어 공급량 Qfc를 제어하여 통상 운전시보다도 산소 농도 과전압을 증대시킴으로써 의도적으로 발전 손실을 증대시켜, 이에 의해 연료 전지 스택(10)의 자기 발열량을 증대시켜 난기의 촉진을 도모하는 운전 방법이다.
전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 운전 시에는, 목표 발전 전력 Ptg를 발전하면서, 통상 운전 시보다도 발전 손실(자기 발열량)을 증대시킨 저효율 발전을 실시하기 위해, 공기 화학양론비가, 산소 농도 과전압을 무시할 수 없게 되는 급속 난기 영역 내의 공기 화학양론비(도 3에 도시하는 예에서는, 예를 들어 1.0 근방의 공기 화학양론비)가 되도록 FC 에어 공급량 Qfc를 제어한다.
이에 의해, 도 2에 있어서 기준 IV 특성상의 통상 동작점 X1로 고효율 발전(통상 발전)을 행한 경우와 비교하여, 공기 화학양론비에 따른 산소 농도 과전압분만 FC 전압 Vfc를 강하시킬 수 있다. 즉, FC 전류 Ifc를 제어하면서, 공기 화학양론비, 나아가 FC 에어 공급량 Qfc를 적절하게 제어함으로써, 도 2에 도시하는 바와 같이, 통상 동작점 X1과 등전력선(점선 참조) 상에 있는, 통상 동작점 X1보다도 발전 손실을 증대시킨, 원하는 자기 발열량이 얻어지는 급속 난기 동작점 X2로 발전을 행할 수 있으므로, 연료 전지 스택(10)의 난기 촉진을 도모할 수 있다.
여기서, 발명자들의 예의 연구의 결과, 이 급속 난기 운전 중은, 목표 발전 전력 Ptg와 실제 발전 전력 Pfc 사이에 차가 생기기 쉬워지는 경향이 있고, 그 결과, 배터리 충방전 전력이 커져서 배터리를 열화시킬 우려가 있음을 알 수 있다. 이하, 이 문제점에 대해, 도 3 이외에도 도 4를 참조하여 설명한다. 또한, 도 4는, FC 전류 Ifc를 일정하게 유지한 상태로, 공기 화학양론비를 변화시켰을 때(즉 FC 에어 공급량 Qfc를 변화시켰을 때)의 FC 전압 Vfc의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 공기 화학양론비가 소정량만 변화한 경우의 산소 농도 과전압의 변화량을 비교하면, 공기 화학양론비가 클 때에 비하여, 작을 때의 쪽이, 커지는 경향이 있다. 바꾸어 말하면, 공기 화학양론비가 클 때에 비하여, 작을 때의 쪽이, 공기 화학양론비가 변화하였을 때 전압 강하량, 나아가 FC 전압 Vfc가 변동하기 쉬워지는 경향이 있다.
그 때문에, 도 4에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 공기 화학양론비가 전술한 산소 농도 과전압을 거의 무시할 수 있는 통상 영역 내의 어떤 목표 공기 화학양론비 SRtg1이 되도록 FC 에어 공급량 Qfc가 제어되어 있는 통상 운전시는, FC 에어 공급량 Qfc가 변동하여 공기 화학양론비가 목표 공기 화학양론비 SRtg1로부터 어긋났다고 해도, FC 전압 Vfc의 변동량은 적다.
이에 반하여, 예를 들어 공기 화학양론비가 전술한 산소 농도 과전압을 무시할 수 없게 되는 급속 난기 영역 내의 어떤 목표 공기 화학양론비 SRtg2가 되도록 FC 에어 공급량 Qfc가 제어되어 있는 급속 난기 운전 시에는, FC 에어 공급량 Qfc가 변동하여 공기 화학양론비가 목표 공기 화학양론비 SRtg2로부터 어긋나면, 통상 운전 시와 변위 폭이 동일하였다고 해도, FC 전압 Vfc가 크게 변동하게 된다.
이와 같이 급속 난기 운전 중은, 공기 화학양론비가 목표 공기 화학양론비로부터 어긋났을 때, 통상 발전 시보다도 FC 전압 Vfc의 변동량이 커지는 경향이 있다.
그리고, 목표 발전 전력 Ptg가 스텝적으로 변화되는 과도 시에는, FC 에어 공급량 Qfc가 과도 후의 목표 에어 공급량 Qtg에 제어될 때까지의 동안, 공기 화학양론비가 과도 후의 목표 공기 화학양론비로부터 어긋나게 된다. 그 때문에, 급속 난기 운전 중은, 특히 과도시에 있어서, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg에 대해 크게 어긋나는 경향이 있고, 그 결과, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg에 대해 크게 어긋나는 경향이 있다.
실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg보다도 커지면, 그때의 잉여 전력은 배터리(53)에 충전되게 된다. 그 때문에, 잉여 전력이 커지면, 배터리(53)의 충전 전력이, 배터리(53)의 열화를 억제하기 위해 배터리 상태에 따라 설정되는 허용 충전 전력 Win[kW] 이상으로 되어, 배터리(53)를 열화시킬 우려가 있다. 특히 배터리(53)로서 리튬 이온 전지를 사용하고 있는 경우에는, 잉여 전력이 커지면, 배터리(53)의 부극 표면에 리튬이 석출되는 소위 리튬 석출이 생길 우려가 있다.
또한, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg보다도 작아지면, 그때의 부족 전력은 배터리(53)로부터 출력되게 된다. 그 때문에, 부족 전력이 커지면, 배터리(53)의 방전 전력이, 허용 충전 전력 Win과 마찬가지로 배터리(53)의 열화를 억제하기 위해 배터리 상태에 따라 설정되는 허용 방전 전력 Wout[kW] 이상으로 되어, 배터리(53)를 열화시킬 우려가 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 배터리(53)의 충전 전력은, 배터리(53)에 대한 충전 전력이 커질수록 그 값이 커지는 양의 값이다. 또한 배터리(53)의 방전 전력도 마찬가지로, 배터리(53)로부터 방전 전력이 커질수록 그 값이 커지는 양의 값이다.
그리고, 이 허용 충전 전력 Win 및 허용 방전 전력 Wout는, 배터리 상태에 따라 변화하고, 예를 들어 배터리(53)의 온도가 높을 때에 비하여, 낮을 때의 쪽이 작아지는 경향이 있다. 그 때문에, 기본적으로 빙점 하의 환경에서 행해지는 급속 난기 운전 중은, 배터리(53)의 온도도 저온이기 때문에, 허용 충전 전력 Win 및 허용 방전 전력 Wout도 통상 운전시보다도 작아지는 경향이 있다. 따라서, 급속 난기 운전 중은, 실제 발전 전력 Pfc와 목표 발전 전력 Ptg 사이에 어긋남이 발생하면, 특히 배터리(53)이 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되기 쉽고, 배터리(53)가 열화되기 쉽다.
그래서 본 실시 형태에서는, 급속 난기 운전 중에, 배터리(53)의 충전 전력 및 방전 전력이 각각 허용 충전 전력 Win 및 허용 방전 전력 Wout를 초과하지 않는 범위에서, 목표 발전 전력 Ptg를 중심으로 하여 발전 전력 Pfc를 목표 발전 전력 Ptg에 대해 의도적으로 증감시키는 것으로 하였다. 즉, 급속 난기 운전 중에, 배터리(53)의 충전 및 방전을 반복하여 실시하기로 하였다.
배터리(53)는, 충방전 시에 발열하기 위해, 이와 같이 급속 난기 운전 중에 배터리(53)의 충전 및 방전을 반복함으로써, 배터리(53)의 온도를 빠르게 높일 수 있다. 그 결과, 허용 충전 전력 Win 및 허용 방전 전력 Wout를 각각 신속하게 크게 할 수 있으므로, 실제 발전 전력 Pfc와 목표 발전 전력 Ptg 사이에 어긋남이 생긴 때에, 배터리(53)가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되는 것을 억제할 수 있다. 이하, 이와 같이 발전 전력 Pfc를 의도적으로 증감시킴으로써 배터리(53)의 승온을 행하는 본 실시 형태에 따른 배터리 승온 제어를 수반하는 연료 전지 시스템(100)의 급속 난기 제어에 대해, 도 5 내지 도 12를 참조하여 설명한다.
도 5는, 본 실시 형태에 따른 배터리 승온 제어를 수반하는 연료 전지 시스템(100)의 급속 난기 제어에 대해서 설명하는 흐름도이다. 전자 제어 유닛(200)은, 본 루틴을 소정의 연산 주기(예를 들어 10)[ms])로 반복하여 실행한다.
스텝 S1에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 플래그 F1이 0으로 설정되어 있는지 여부를 판정한다. 급속 난기 플래그 F1은, 초깃값이 0으로 설정되어 있는 플래그이며, 급속 난기 운전의 개시 시에 1로 설정되고, 급속 난기 운전의 종료 시에 0으로 되돌려지는 플래그이다. 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 플래그 F1이 0이면, 스텝 S2의 처리로 진행된다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 플래그 F1이 1이면, 스텝 S4의 처리로 진행된다.
스텝 S2에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 운전의 실시 요구가 있는지 여부를 판정한다. 본 실시 형태에서는 전자 제어 유닛(200)은, 연료 전지 시스템(100)의 기동 시이며, 또한, FC 온도가 소정의 급속 난기 요구 온도(예를 들어 0[도]) 이하이면 급속 난기 운전의 실시 요구가 있다고 판정한다. 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 운전의 실시 요구가 있다고 판정하였을 때에는, 스텝 S3의 처리로 진행된다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 운전의 실시 요구가 없다고 판정하였을 때에는, 금회의 처리를 종료한다.
스텝 S3에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 플래그 F1을 1로 설정한다.
스텝 S4에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 모터 제너레이터(55)에 의한 회생 제어를 금지한다. 회생 제어란, 모터 제너레이터(55)를 제너레이터로서 기능시킴으로써, 차량 감속 시 등에 생기는 잉여 에너지를 회생 전력으로서 회수하는 제어이다. 또한, 급속 난기 운전 중에 회생 제어를 금지하는 이유는, 이하 대로이다.
즉, 허용 충전 전력 Win은, 배터리 온도 이외에도, 배터리 충전율에 의해서도 변화하고, 구체적으로는 배터리 충전율이 낮을 때와 비교하여, 높을 때의 쪽이 작아지는 경향이 있다. 그 때문에, 급속 난기 운전 중에 회생 제어가 실시되어 배터리 충전율이 높아지면, 허용 충전 전력 Win이 작아진다. 그 결과, 잉여 전력이 커졌을 때, 배터리의 충전 전력이 허용 충전 전력 Win 이상이 될 가능성이 높아지기 때문이다.
스텝 S5에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 저효율 발전을 실시한다. 본 실시 형태에 따른 저효율 발전의 상세한 처리에 대해서는, 도 6을 참조하여 후술한다.
스텝 S6에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 연료 전지 스택(10)의 난기가 완료되었는지 여부를 판정한다. 본 실시 형태에서는 전자 제어 유닛(200)은, FC 온도 Tfc가, 소정의 급속 난기 완료 온도(예를 들어 70[℃]) 이상으로 되었는지 여부를 판정한다. 전자 제어 유닛(200)은, FC 온도 Tfc가 급속 난기 완료 온도 이상이면, 스텝 S7의 처리로 진행된다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, FC 온도 Tfc가 급속 난기 완료 온도 미만이면 금회의 처리를 종료한다.
스텝 S7에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 운전을 종료하고, 급속 난기 플래그 F1을 0으로 복귀시킴과 함께, 회생 제어의 금지를 해제한다.
도 6은, 본 실시 형태에 따른 저효율 발전이 상세한 처리에 대해서 설명하는 흐름도이다.
스텝 S51에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 연료 전지 스택(10)의 목표 발전 전력 Ptg를 산출한다. 본 실시 형태에서는 전자 제어 유닛(200)은, 전술한 바와 같이, 모터 제너레이터(55)의 요구 전력과, 컴프레서(33) 등의 각종 보조 기기류의 요구 전력의 합계값을 목표 발전 전력 Ptg로서 산출한다.
스텝 S52에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 도 7에 도시한 등전력선(가는 실선 참조)과 등발열량선(굵은 실선 참조)이 그려진 IV 특성 맵을 참조하여, 목표 발전 전력 Ptg와, 목표 발열량 PLtg[kW]에 기초하여, 급속 난기 동작점 X2, 즉 목표 FC 전류 Itg 및 목표 FC 전압 Vtg를 산출한다. 저효율 발전 시의 목표 발열량 PLtg는, 본 실시 형태에서는 미리 정한 고정값으로 되지만, 가변값으로 해도 된다.
구체적으로는 전자 제어 유닛(200)은, 도 8에 도시한 바와 같이, 등전력선 중으로부터 목표 발전 전력 Ptg를 발전하는 것이 가능한 등전력선을 선택하고, 선택한 등전력선과, IV 특성 맵 상에서 발열량을 목표 발열량 PLtg으로 하는 것이 가능한 등발열량선이 교차하는 점을 급속 난기 동작점 X2로서 산출한다.
스텝 S53에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 과도 시이거나, 또는 정상 시인지를 판정한다. 구체적으로는 전자 제어 유닛(200)은, 목표 발전 전력 Ptg가 그 전회값 Ptgz와 다르면 과도 시라고 판정하고, 목표 발전 전력 Ptg가 그 전회값 Ptgz와 같으면 정상 시라고 판정한다. 그리고 전자 제어 유닛(200)은, 과도 시라고 판정하였을 때에는, 동작점 X를 스텝 S52에서 산출된 새로운 급속 난기 동작점 X2에 제어하기 위해 스텝 S54의 처리로 진행된다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 정상 시라면, 스텝 S59의 처리로 진행된다.
스텝 S54에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 도 9에 도시한 기준 IV 특성 맵을 참조하여, 기준 IV 특성상에서 FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg로 제어하였을 때의 FC 전압(이하 「기준 FC 전압」이라고 함) Vstd를 산출한다. 기준 FC 전압 Vstd는, 바꾸어 말하면, 고효율 발전(통상 발전)을 실시하여 FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg로 제어하였을 때의 FC 전압이다.
또한 기준 IV 특성은, FC 온도 Tfc에 따라 변화하기 때문에, 기준 IV 특성 맵은 FC 온도마다 복수 준비되어 있다. 따라서 전자 제어 유닛(200)은, 복수의 기준 IV 특성 맵 중에서, 현재의 FC 온도 Tfc에 따른 최적의 기준 IV 특성 맵을 참조하여 기준 FC 전압 Vstd를 산출하고 있다.
스텝 S55에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 도 3과 마찬가지의 도 10에 나타내는 공기 화학양론비와 산소 농도 과전압의 관계를 나타내는 맵을 참조하여, 기준 FC 전압 Vstd와 목표 FC 전압 Vtg의 차분(즉, 기준 FC 전압 Vstd를 목표 FC 전압 Vtg까지 저하시키기 위해 발생시킬 필요가 있는 산소 농도 과전압)ΔV1(=Vstd-Vtg)에 기초하여, 기준 공기 화학양론비 SRstd를 산출한다.
스텝 S56에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 목표 FC 전압 Vtg와, FC 전압 Vfc의 편차(이하 「FC 전압 편차」라고 한다.) ΔV2(=Vtg-Vfc)에 기초하여, 기준 공기 화학양론비 SRstd에 대한 피드백 보정값을 산출하고, 기준 공기 화학양론비 SRstd에 당해 피드백 보정값을 가산함으로써, 목표 공기 화학양론비 SRtg를 산출한다.
스텝 S57에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 목표 발전 전력 Ptg를 발전하기 위해 필요한 이론 FC 에어 공급량 Qth에 목표 공기 화학양론비 SRtg를 곱함으로써, 목표 FC 에어 공급량 Qtg를 산출한다.
스텝 S58에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, FC 전류 Ifc 및 FC 전압 Vfc에 의해 규정되는 동작점 X가, 급속 난기 동작점 X2가 되도록, 각 제어 부품을 제어한다.
구체적으로는 전자 제어 유닛(200)은, 제1 컨버터(51)를 제어하여 FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg로 제어함과 함께, FC 에어 공급량 Qfc를 목표 에어 공급량 Qtg로 제어한다. 이 때 전자 제어 유닛(200)은, 총에어 공급량 Qafc가 일정해지도록 컴프레서(33)를 제어하면서, 캐소드 흡입 밸브(35), 분류 밸브(37) 및 캐소드 압력 제어 밸브(39)의 각 개방도를 제어함으로써, FC 에어 공급량 Qfc를 목표 에어 공급량 Qtg로 제어한다.
스텝 S59에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 발전 전력 Pfc를 의도적으로 증감시킴으로써 배터리 온도를 승온시키는 배터리 승온 제어를 실시한다. 배터리 승온 제어의 상세에 대해서는, 도 11을 참조하여 설명한다.
도 11은, 배터리 승온 제어의 상세에 대해서 설명하는 흐름도이다.
스텝 S591에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 에어 증량 플래그 F2가 0으로 설정되어 있는지 여부를 판정한다. 에어 증량 플래그 F2는, FC 전압 Vfc를 목표 FC 전압 Vtg보다도 높게 하기 위해(발전 전력 Pfc를 목표 발전 전력 Ptg보다도 크게하기 위해), 공기 화학양론비, 나아가 FC 에어 공급량 Qfc를 증량시키고 있을 때에 1로 설정되는 플래그이며, 초깃값은 0으로 설정된다. 전자 제어 유닛(200)은, 에어 증량 플래그 F2가 0으로 설정되어 있으면, 스텝 S592의 처리로 진행된다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 에어 증량 플래그 F2가 1로 설정되어 있으면, 스텝 S593의 처리로 진행된다.
스텝 S592에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 에어 감량 플래그 F3이 0으로 설정되어 있는지 여부를 판정한다. 에어 감량 플래그 F3은, FC 전압 Vfc를 목표 FC 전압 Vtg보다도 낮게 하기 위해(발전 전력 Pfc를 목표 발전 전력 Ptg보다도 작게하기 위해), 공기 화학양론비, 나아가 FC 에어 공급량 Qfc를 감량시키고 있을 때에 1로 설정되는 플래그이며, 초깃값은 0으로 설정된다. 전자 제어 유닛(200)은, 에어 감량 플래그 F3이 0으로 설정되어 있으면, 스텝 S593의 처리로 진행된다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 에어 감량 플래그 F3이 1로 설정되어 있으면, 스텝 S595의 처리로 진행된다.
스텝 S593에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Ifc로 유지한 채, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 커지도록 FC 에어 공급량 Qfc를 증량시킨다.
구체적으로는 전자 제어 유닛(200)은, 목표 공기 화학양론비 SRtg를, FC 전압 Vfc를 목표 FC 전압 Vtg로 하는 것이 가능한 당초의 목표 공기 화학양론비 SRtg에, 소정값 α를 더한 것으로 갱신한다. 본 실시 형태에서는, 소정값 α를, 대략 0.1정도의 값으로 설정하고 있지만, 이에 한정되지는 않고, 배터리(53)의 과충전이나 리튬 석출을 방지할 수 있는 범위 내에서 적절하게 변경해도 된다. 그리고, 목표 발전 전력 Ptg를 발전하기 위해 필요한 이론 FC 에어 공급량 Qth에, 갱신한 목표 공기 화학양론비 SRtg를 곱함으로써 목표 FC 에어 공급량 Qtg를 갱신하고, FC 에어 공급량 Qfc를 그 갱신한 목표 FC 에어 공급량 Qtg에 제어함으로써, FC 에어 공급량 Qfc를 증량시킨다.
스텝 S594에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, FC 전압 Vfc가, 목표 FC 전압 Vtg보다도 큰지 여부를 판정한다. 전자 제어 유닛(200)은, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 크면, 스텝 S595의 처리로 진행된다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg 이하이면 스텝 S599의 처리로 진행된다.
스텝 S595에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Ifc로 유지한 채, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 작아지도록 FC 에어 공급량 Qfc를 감량시킨다.
구체적으로는 전자 제어 유닛(200)은, 목표 공기 화학양론비 SRtg를, FC 전압 Vfc를 목표 FC 전압 Vtg로 하는 것이 가능한 당초의 목표 공기 화학양론비 SRtg로부터 소정값 β를 뺀 것으로 갱신한다. 본 실시 형태에서는, 소정값 β를, 소정값 α와 동일하게 대략 0.1정도의 값으로 설정하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 배터리(53)의 과방전을 방지할 수 있는 범위 내에서 적절하게 변경해도 된다. 그리고, 목표 발전 전력 Ptg를 발전하기 위해 필요한 이론 FC 에어 공급량 Qth에, 갱신한 목표 공기 화학양론비 SRtg를 곱함으로써 목표 FC 에어 공급량 Qtg를 갱신하고, FC 에어 공급량 Qfc를 그 갱신한 목표 FC 에어 공급량 Qtg로 제어함으로써, FC 에어 공급량 Qfc를 감량시킨다.
스텝 S596에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, FC 전압 Vfc가, 목표 FC 전압 Vtg보다도 작은지 여부를 판정한다. 전자 제어 유닛(200)은, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 작으면, 스텝 S597의 처리로 진행된다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg 이상이면, 스텝 S598의 처리로 진행된다.
스텝 S597에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 플래그 F2 및 플래그 F3을 각각 0으로 되돌린다.
스텝 S598에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 플래그 F3을 0으로 되돌린다.
스텝 S599에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 플래그 F2를 0으로 되돌린다.
이와 같이 본 실시 형태에서는, FC 전압 Vfc를 목표 FC 전압 Vtg로 하는 것이 가능한 당초의 목표 공기 화학양론비 SRtg에 대해, 공기 화학양론비를 대략 0.1정도 증감시킴으로써, FC 에어 공급량 Qfc를 증감시키고 있다.
도 12는, 배터리 승온 처리 중의 FC 전류 등의 동작에 대해서 설명하는 타임차트이다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 시각 t0으로, 배터리 승온 처리가 개시되면, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Ifc로 유지한 채, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 높아지도록 FC 에어 공급량 Qfc가 증량된다. 이에 의해, 시각 t0 이후는, 산소 농도 과전압이 감소되어 FC 전압 Vfc가 점차 상승한다. 그 결과, 발전 전력 Pfc가 증가하여 목표 발전 전력 Ptg보다도 커지므로, 배터리(53)에 잉여 전력이 충전된다.
시각 t1로, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 높아졌다고 판정되면, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Ifc로 유지한 채, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 낮아지도록 FC 에어 공급량 Qfc가 감량된다. 이에 의해, 시각 t1 이후는, 산소 농도 과전압이 증대하여 FC 전압 Vfc가 점차 저하되고, 그 결과, 발전 전력 Pfc도 감소해 간다. 그리고 시각 t2 이후는, 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg보다도 작아지므로, 부족 전력이 배터리(53)로부터 출력된다.
시각 t3으로, 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 낮아졌다고 판정되면, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Ifc로 유지한 채, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 높아지도록 FC 에어 공급량 Qfc가 다시 증량된다. 그리고 시각 t4로, 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 높아졌다고 판정되면, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Ifc로 유지한 채, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg보다도 낮아지도록 FC 에어 공급량 Qfc가 다시 감량된다.
이와 같이, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg를 걸쳐서 증감하도록 공기 화학양론비, 나아가 FC 에어 공급량 Qfc를 변동시킴으로써, 목표 발전 전력 Ptg에 걸치도록 발전 전력 Pfc를 반복하여 증감시킬 수 있다. 그 때문에, 배터리(53)의 충방전을 반복할 수 있으므로, 배터리(53)의 온도를 빠르게 높일 수 있다. 그 결과, 허용 충전 전력 Win 및 허용 방전 전력 Wout를 각각 신속하게 크게 할 수 있으므로, 실제 발전 전력 Pfc와 목표 발전 전력 Ptg 사이에 어긋남이 생겼을 때, 배터리(53)가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되는 것을 억제할 수 있다.
또한 도 12에 도시하는 예에서는, 배터리(53)의 충방전을 반복할 때의 주기(시각 t1부터 시각 t4까지의 시간)는, 0.5초 정도이지만, 적절히 변경해도 된다. 단, 1주기를 너무 길게 하면, 배터리(53)에 잉여 전력이 충전되는 시간이 길어진다. 그렇게 하면, 가령 잉여 전력이 작은 경우라도, 리튬 석출이 생길 우려가 있다. 따라서, 배터리(53)의 충방전을 반복할 때의 주기를 길게 하는 경우에는, 리튬 석출이 생기지 않는 범위에서 길게 하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)은, 연료 가스로서의 수소와 산화제 가스로서의 공기와의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(10)(연료 전지)과, 연료 전지 스택(10)의 발전 시에 있어서의 잉여 전력을 충전함과 함께 부족 전력을 방전하는 배터리(53)(이차 전지)와, 전자 제어 유닛(200)(제어 장치)을 구비한다. 전자 제어 유닛(200)은, 통상 발전과 비교하여 발전 손실이 커지는 저효율 발전을 실시하는 저효율 발전 실시부를 구비한다.
그리고 저효율 발전 실시부는, 저효율 발전 시의 연료 전지 스택(10)의 동작점이 되는 목표 FC 전류 Itg 및 목표 FC 전압 Vtg를 설정하는 동작점 설정부와, 저효율 발전 시에, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg로 제어하면서, 배터리(53)의 충방전 전력이 배터리(53)의 허용 충방전 전력 Win, Wout보다도 커지지 않는 범위 내에서, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg를 걸쳐서 증감하도록 FC 에어 공급량 Qfc를 변동시킴으로써, 발전 전력 Pfc를 증감시키는 발전 전력 제어부를 구비하도록 구성된다.
이에 의해, 목표 발전 전력 Ptg에 걸치도록 발전 전력 Pfc를 반복하여 증감시킬 수 있으므로, 배터리(53)의 충방전을 반복할 수 있다. 그 때문에, 배터리(53)의 온도를 빠르게 높일 수 있다. 그 결과, 허용 충전 전력 Win 및 허용 방전 전력 Wout를 각각 신속하게 크게 할 수 있으므로, 실제 발전 전력 Pfc와 목표 발전 전력 Ptg 사이에 어긋남이 생겼을 때, 배터리(53)가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 전자 제어 유닛(200)은, 저효율 발전 시에, 연료 전지 시스템(100)의 잉여 에너지를 모터 제너레이터(55)에 의해 배터리(53)에 회생 전력으로서 회수하는 회생 제어를 금지하는 회생 제어 금지부를 더 구비한다.
배터리(53)의 허용 충전 전력 Win은, 배터리 온도 이외에도, 배터리 충전율에 따라서도 변화하고, 구체적으로는 배터리 충전율이 낮을 때와 비교하여, 높을 때의 쪽이 작아지는 경향이 있다. 그 때문에, 저효율 발전 시에 실시되는 급속 난기 운전 중에 회생 제어가 실시되어 배터리 충전율이 높아지면, 허용 충전 전력 Win이 작아져 배터리(53)가 과충전 상태로 될 우려가 있다.
따라서, 본 실시 형태와 같이, 저효율 발전 시에 실시되는 급속 난기 운전 중에 회생 제어를 금지함으로써, 급속 난기 운전 중에 회생 제어가 실시되어 허용 충전 전력 Win이 작아져 버리는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 잉여 전력이 발생했을 때에 배터리(53)가 과충전 상태로 되는 것을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않으며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지가 아니다.
예를 들어 상기 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)을 차량에 탑재한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 차량에 한정되지 않고 각종 이동체에 탑재해도 되고, 또한 정치식 시스템으로 해도 된다.
10: 연료 전지 스택(연료 전지)
53: 배터리(이차 전지)
100: 연료 전지 시스템
200: 전자 제어 유닛(제어 장치)

Claims (2)

  1. 연료 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지와,
    상기 연료 전지의 발전 시에 있어서의 잉여 전력을 충전함과 함께 부족 전력을 방전하는 이차 전지와,
    제어 장치를
    구비하는 연료 전지 시스템이며,
    상기 제어 장치는,
    통상 발전과 비교하여 발전 손실이 커지는 저효율 발전을 실시하는 저효율 발전 실시부를 구비하고,
    상기 저효율 발전 실시부는,
    상기 저효율 발전 시의 상기 연료 전지의 동작점이 되는 목표 전류 및 목표 전압을 설정하는 동작점 설정부와,
    상기 저효율 발전 시에, 상기 연료 전지의 전류를 상기 목표 전류로 제어하면서, 상기 이차 전지의 충방전 전력이 상기 이차 전지의 허용 충방전 전력보다도 커지지 않는 범위 내에서, 상기 연료 전지의 전압이 상기 목표 전압에 걸쳐서 증감하도록 상기 연료 전지에 공급하는 상기 산화제 가스의 공급 유량을 변동시킴으로써, 상기 연료 전지의 발전 전력을 증감시키는 발전 전력 제어부를
    구비하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 모터 제너레이터를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 저효율 발전 시에, 상기 연료 전지 시스템의 잉여 에너지를 상기 모터 제너레이터에 의해 상기 이차 전지에 회생 전력으로서 회수하는 회생 제어를 금지하는 회생 제어 금지부를 더 구비하는,
    연료 전지 시스템.
KR1020210065277A 2020-05-29 2021-05-21 연료 전지 시스템 KR102627125B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020094406A JP7272321B2 (ja) 2020-05-29 2020-05-29 燃料電池システム
JPJP-P-2020-094406 2020-05-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210147908A true KR20210147908A (ko) 2021-12-07
KR102627125B1 KR102627125B1 (ko) 2024-01-23

Family

ID=78509250

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210065277A KR102627125B1 (ko) 2020-05-29 2021-05-21 연료 전지 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11670786B2 (ko)
JP (1) JP7272321B2 (ko)
KR (1) KR102627125B1 (ko)
CN (1) CN113745598B (ko)
DE (1) DE102021113151A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022204876A1 (de) 2022-05-17 2023-11-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009099341A (ja) 2007-10-16 2009-05-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
KR20100034053A (ko) * 2007-08-28 2010-03-31 도요타 지도샤（주） 연료전지시스템

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH029A (ja) 1987-06-08 1990-01-05 Seiko Epson Corp 液晶ライトバルブの駆動方法
JP3183101B2 (ja) 1995-06-20 2001-07-03 三菱電機株式会社 ゾーン間接続通信システム
JP4626125B2 (ja) 2003-03-14 2011-02-02 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4561743B2 (ja) * 2004-08-25 2010-10-13 トヨタ自動車株式会社 電源装置
JP2007141744A (ja) 2005-11-22 2007-06-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008103228A (ja) 2006-10-20 2008-05-01 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5326220B2 (ja) * 2007-04-11 2013-10-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びハイブリッド車両システム
JP4353305B2 (ja) * 2008-03-21 2009-10-28 トヨタ自動車株式会社 電源制御回路
JP5434196B2 (ja) * 2009-03-31 2014-03-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びこれを備えた車両
JP2010246230A (ja) * 2009-04-03 2010-10-28 Panasonic Corp 車両用電源装置
JP6278000B2 (ja) * 2014-11-14 2018-02-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、燃料電池車両、および、燃料電池システムの制御方法
JP2018073565A (ja) * 2016-10-27 2018-05-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムの暖機方法
JP6926547B2 (ja) * 2017-03-14 2021-08-25 三菱自動車工業株式会社 電動車両の電源装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100034053A (ko) * 2007-08-28 2010-03-31 도요타 지도샤（주） 연료전지시스템
JP2009099341A (ja) 2007-10-16 2009-05-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP7272321B2 (ja) 2023-05-12
DE102021113151A1 (de) 2021-12-02
CN113745598A (zh) 2021-12-03
CN113745598B (zh) 2024-02-23
KR102627125B1 (ko) 2024-01-23
JP2021190305A (ja) 2021-12-13
US11670786B2 (en) 2023-06-06
US20210376359A1 (en) 2021-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5003980B2 (ja) 燃料電池システム
US8227123B2 (en) Fuel cell system and current control method with PI compensation based on minimum cell voltage
KR102551676B1 (ko) 연료전지 차량의 외부 전력 공급시스템 및 공급방법
US7947403B2 (en) Fuel cell system
JP2009158209A (ja) 燃料電池システム
US10115986B2 (en) Method for changing a fuel cell system over to a standby mode as well as such a fuel cell system
US11962048B2 (en) Fuel cell system with improved low temperature operation
CN113745594B (zh) 燃料电池系统
US6504339B2 (en) Technique and apparatus to control the charging of a battery using a fuel cell
JP2007141744A (ja) 燃料電池システム
KR102627125B1 (ko) 연료 전지 시스템
CN113745602B (zh) 燃料电池系统
JP7306327B2 (ja) 燃料電池システム
US11158873B2 (en) Control device for fuel cell system
CN113036184A (zh) 燃料电池电网系统及其控制方法
JP2016134258A (ja) 燃料電池システムの制御装置
JP2011070894A (ja) 燃料電池システム
JP2013098052A (ja) 燃料電池システム
JP2005158542A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant