KR20210147909A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20210147909A
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KR1020210065279A
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료이치 남바
도시유키 사나다
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

급속 난기 운전 중에 배터리가 열화되는 것을 억제한다.
연료 전지 시스템(100)은, 연료 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지(10)와, 연료 전지(10)의 발전 시에 있어서의 잉여 전력을 충전함과 함께 부족 전력을 방전하는 이차 전지(53)와, 제어 장치(200)를 구비한다. 제어 장치(200)는, 연료 전지(10)의 난기 요구가 있을 때, 통상 발전과, 통상 발전과 비교하여 발전 손실이 큰 저효율 발전을 선택적으로 실시 가능하게 구성된 발전 실시부를 구비한다. 발전 실시부는, 저효율 발전의 실시 중에, 연료 전지(10)의 목표 발전 전력이 소정의 제1 전환 전력 이상으로 되었을 때는, 저효율 발전을 일시적으로 정지하고 통상 발전을 실시한다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 종래의 연료 전지 시스템으로서, 시스템 시동 시에 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.
국제 공개 제2010/150337호
저효율 발전 시에는, 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 시에는, 공기 화학양론비가 그 목표값으로부터 어긋났을 때, 통상 발전 시보다도 연료 전지의 전압의 변동폭이 커지는 경향이 있다.
여기서, 목표 발전 전력이 변화되는 과도 시에는, 산화제 가스의 공급 유량이 과도 후의 목표 유량으로 제어될 때까지의 동안, 공기 화학양론비가 과도 후의 목표값으로부터 어긋나게 된다. 그 때문에, 저효율 발전 시에는, 과도 시에 있어서, 연료 전지의 실제 전압이 목표 전압에 대하여 크게 어긋나는 경향이 있고, 그 결과, 실제 발전 전력이 목표 발전 전력에 대하여 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 출력되게 된다. 그 때문에, 목표 발전 전력에 대한 실제 발전 전력의 어긋남이 커지면, 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태가 되어 배터리가 열화될 우려가 있다.
이와 같이, 저효율 발전 시는, 과도 시에 있어서, 실제 발전 전력이 목표 발전 전력에 대하여 크게 어긋나는 경향이 있기 때문에, 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태가 되어 배터리가 열화될 우려가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점에 주목하여 이루어진 것이며, 저효율 발전이 실시되는 급속 난기 운전 중에, 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태가 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, 연료 전지의 난기 요구가 있을 때, 통상 발전과, 통상 발전과 비교하여 발전 손실이 큰 저효율 발전을 선택적으로 실시 가능하게 구성된 발전 실시부를 구비한다. 발전 실시부는, 저효율 발전의 실시 중에, 연료 전지의 목표 발전 전력이 소정의 제1 전환 전력 이상으로 되었을 때는, 저효율 발전을 일시적으로 정지하고 통상 발전을 실시하도록 구성된다.
본 발명의 이 양태에 의하면, 목표 발전 전력이 증가되는 과도 시에 있어서, 통상 발전을 실시할 수 있으므로, 실제 발전 전력이 목표 발전 전력에 대하여 어긋나는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 배터리가 과충전 상태 또는 과방전 상태가 되어 배터리가 열화되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 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 일 요인이 되는 산소 농도 과전압의 관계에 대하여 설명하는 도면이다.
도 4는 FC 전류를 일정하게 유지한 상태에서, 공기 화학양론비를 변화시켰을 때의 FC 전압의 변화를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 급속 난기 운전 중의 발전 전환 제어에 대하여 설명하는 흐름도이다.
도 6은 저효율 발전 시의 상세한 처리에 대하여 설명하는 흐름도이다.
도 7은 급속 난기 동작점 X2를 산출하기 위한, 등전력선과 등발열량선이 그려진 IV 특성맵이다.
도 8은 급속 난기 동작점 X2의 산출 방법에 대하여 설명하는 도면이다.
도 9는 기준 FC 전압을 산출하기 위한, 기준 IV 특성맵이다.
도 10은 기준 공기 화학양론비를 산출하기 위한, 공기 화학양론비와 산소 농도 과전압의 관계를 나타내는 맵이다.
도 11은 급속 난기 운전 중에 통상 발전으로부터 저효율 발전으로 전환될 때 일어날 수 있는 문제점과 그 대응책에 대하여 설명하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 붙인다.
도 1은 차량에 탑재되는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 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」이라 함)을 적층 방향을 따라서 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」이라 함)의 한쪽의 표면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 쪽의 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((1)식의 수소 산화 반응과 (2)식의 산소 환원 반응)을 촉진시키기 위한 촉매로서 백금이 포함되어 있다. 또한, MEA의 양쪽 외측에, 또한 애노드 가스 확산층 및 캐소드 가스 확산층을 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), 나아가서는 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)으로의 수소의 공급이 제어된다. 즉, 수소 공급 제어부(23)에 의해, 원하는 압력 및 유량으로 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 가스 유입구(25a)에 연결된다. 애노드 오프 가스는, 각 단셀 내에서 전기 화학 반응에 사용되지 않은 잉여의 수소나, 캐소드 전극측으로부터 MEA를 통해 애노드 전극측으로 투과해 온 질소 등의 불활성 가스 및 수분(액수나 수증기)을 포함하는 가스이다.
기액 분리기(25)는, 가스 유입구(25a)와, 가스 유출구(25b)와, 액수 유출구(25c)를 구비한다. 기액 분리기(25)는, 가스 유입구(25a)로부터 내부에 유입되어 온 애노드 오프 가스 중의 물을 분리한다. 그리고 기액 분리기(25)는, 분리된 물을 액수 유출구(25c)로부터 퍼지관(28)에 배출함과 함께, 물이 분리된 수소를 포함하는 애노드 오프 가스를 가스 유출구(25b)로부터 수소 복귀관(26)에 배출한다.
수소 복귀관(26)은, 일단이 기액 분리기(25)의 가스 유출구(25b)에 연결되고, 타단이 수소 공급 제어부(23)보다도 하류의 수소 공급관(21)에 연결되는 배관이다. 수소 복귀관(26)에는, 기액 분리기(25)의 가스 유출구(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 되돌려 순환시키기 위한 펌프이다. 수소 순환 펌프(27)는, 기액 분리기(25)의 가스 유출구(25b)로부터 배출된 애노드 오프 가스를 가압하여 수소 공급관(21)에 압송한다.
퍼지관(28)은, 일단이 기액 분리기(25)의 액수 유출구(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 밸브 폐쇄되어 있고, 주기적으로 단시간에 걸쳐 밸브 개방된다. 퍼지 제어 밸브(29)가 밸브 개방되면, 기액 분리기(25) 내에서 분리된 물이, 퍼지관(28)을 통해 캐소드 오프 가스관(38)으로부터 외부로 배출된다.
이와 같이 본 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템(100)은, 수소 통로(2)로부터 유출된 애노드 오프 가스를 수소 공급관(21)으로 되돌려 순환시키는 수소 순환식의 연료 전지 시스템이지만, 수소 통로(2)로부터 유출된 애노드 오프 가스를 수소 공급관(21)으로 되돌리지 않는 수소 비순환식의 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 입구 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), 나아가서는 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 축류식의 터보 컴프레서이며, 공기 공급관(31)에 마련된다. 컴프레서(33)는, 에어 클리너(32)를 통해 공기 공급관(31)에 흡입된 공기를 압축하여 토출한다. 또한, 컴프레서(33)보다도 상류의 공기 공급관(31)에는, 컴프레서(33)에 의해 흡입되어 토출되는 공기의 유량(이하 「총 에어 공급량」이라 함) Qacp[NL/min]를 검출하기 위한 캐소드 유량 센서(211)가 마련된다.
인터쿨러(34)는, 컴프레서(33)보다도 하류의 공기 공급관(31)에 마련되며, 컴프레서(33)로부터 토출된 공기를 예를 들어 주행풍이나 냉각수 등으로 냉각한다.
캐소드 입구 밸브(35)는, 전자 제어 유닛(200)에 의해 개폐되는 전자 밸브이며, 인터쿨러(34)보다도 하류의 공기 공급관(31)에 마련된다. 캐소드 입구 밸브(35)는, 연료 전지 스택(10)에 공기를 공급할 필요가 있을 때 밸브 개방된다.
바이패스관(36)은, 컴프레서(33)로부터 토출된 공기의 일부 또는 전부를, 필요에 따라서 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 입구 밸브(35) 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 발생한 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), 나아가서는 총 에어 공급량 Qafc와, 캐소드 입구 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」이라 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」라 함) Ifc[A]를 검출하기 위한 전류 센서(212)와, 연료 전지 스택(10)의 출력 단자의 단자간 전압(이하 「FC 전압」이라 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 FC 출력 전압 Vfc를 승강압시키고, 이에 의해 FC 전류 Ifc를 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 따라서 설정되는 목표 FC 전류 Itg로 제어한다.
회로 차단기(52)는, 전자 제어 유닛(200)에 의해 개폐되며, 연료 전지 스택(10)과 전기 부하부(50)를 전기적, 물리적으로 접속 또는 차단한다.
배터리(53)는, 예를 들어 니켈·카드뮴 축전지나 니켈·수소 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 따라서 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)으로부터의 제어 신호에 기초하여 2차측의 단자간 전압이 되는 인버터(56)의 입력 전압을 승강압시킨다.
모터 제너레이터(55)는, 예를 들어 삼상의 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 접속되며, 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 때는, 연료 전지 스택(10) 및 배터리(53)로부터의 직류 전류를 교류 전류(본 실시 형태에서는 삼상 교류 전류)로 변환하여 모터 제너레이터(55)에 공급한다. 한편 인버터(56)는, 모터 제너레이터(55)를 제너레이터로서 기능시킬 때는, 모터 제너레이터(55)로부터의 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 배터리(53) 등에 공급한다.
전자 제어 유닛(200)은, 디지털 컴퓨터로 구성되고, 쌍방성 버스(201)에 의해 서로 접속된 ROM(리드 온리 메모리)(202), RAM(랜덤 액세스 메모리)(203), CPU(마이크로프로세서)(204), 입력 포트(205) 및 출력 포트(206)를 구비한다.
입력 포트(205)에는, 전술한 캐소드 유량 센서(211)나 전류 센서(212), 전압 센서(213) 외에도, 연료 전지 스택(10)의 온도(이하 「FC 온도」라 함) Tfc[℃]를 검출하기 위한 FC 온도 센서(214)나, 액셀러레이터 페달의 답입량(이하 「액셀러레이터 답입량」이라 함)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 입구 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 빙점하 시동 시에 있어서의 급속 난기 운전 중의 FC 에어 공급량 Qfc의 제어에 대하여 설명한다.
도 2는 스택 온도 Tfc가 어떤 온도일 때의 연료 전지 스택(10)의 기준이 되는 전류 전압 특성(이하 「기준 IV 특성」이라 함)을 도시한 도면이다. 기준 IV 특성은, 발전 시에 발생하는 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 도시한 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, 나아가서는 FC 에어 공급량 Qfc를 제어한다.
공기 화학양론비란, 목표 발전 전력 Ptg를 발전하기 위해 최저한 필요한 FC 에어 공급량(이하 「이론 FC 에어 공급량」이라 함) Qst에 대한, 실제의 FC 에어 공급량 Qfc의 비이다. 따라서, 공기 화학양론비(=Qfc/Qst)가 1.0보다도 커짐에 따라서, 실제의 FC 에어 공급량 Qfc가 이론 FC 에어 공급량 Qst보다도 많아진다.
도 3은 공기 화학양론비와, 발전 손실의 일 요인이 되는 산소 농도 과전압(발전 시에 산소 부족에 의해 발생하는 발전 손실)의 관계에 대하여 설명하는 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 산소 농도 과전압은, 공기 화학양론비가 클 때에 비해, 작을 때 쪽이, 커지는 경향이 있다. 환언하면, 산소 농도 과전압을 요인으로 하는 발전 손실(전압 강하량)은, 공기 화학양론비가 클 때에 비해, 작을 때쪽이, 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, 빙점하의 환경에서 연료 전지 시스템(100)을 시동하여 운전할 때는, 발전에 수반하여 발생하는 생성수의 동결을 억제하면서, 저온 시일수록 악화되는 IV 특성을 조기에 회복시키기 위해, 급속 난기 운전을 실시한다. 급속 난기 운전은, FC 에어 공급량 Qfc를 제어하여 통상 운전 시보다도 산소 농도 과전압을 증대시킴으로써 의도적으로 발전 손실을 증대시키고, 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 도시한 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 X1에서 고효율 발전(통상 발전)을 행한 경우와 비교하여, 공기 화학양론비에 따른 산소 농도 과전압 분만큼 FC 전압 Vfc를 강하시킬 수 있다. 즉, FC 전류 Ifc를 제어하면서, 공기 화학양론비, 나아가서는 FC 에어 공급량 Qfc를 적절하게 제어함으로써, 도 2에 도시한 바와 같이, 통상 동작점 X1과 등전력선(파선 참조) 상에 있는, 통상 동작점 X1보다도 발전 손실을 증대시킨, 원하는 자기 발열량이 얻어지는 급속 난기 동작점 X2에서 발전을 행할 수 있으므로, 연료 전지 스택(10)의 난기 촉진을 도모할 수 있다.
여기서, 발명자들의 예의 연구의 결과, 이 급속 난기 운전 중에는, 목표 발전 전력 Ptg와 실제 발전 전력 Pfc 사이에 차가 발생하기 쉬워지는 경향이 있고, 그 결과, 배터리 충방전 전력이 커져 배터리를 열화시킬 우려가 있음을 알 수 있었다. 이하, 이 문제점에 대하여, 도 3에 더하여 도 4를 참조하여 설명한다. 또한, 도 4는, FC 전류 Ifc를 일정하게 유지한 상태에서, 공기 화학양론비를 변화시켰을 때(즉 FC 에어 공급량 Qfc를 변화시켰을 때)의 FC 전압 Vfc의 변화를 도시하는 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 공기 화학양론비가 소정량만큼 변화된 경우의 산소 농도 과전압의 변화량을 비교하면, 공기 화학양론비가 클 때에 비해, 작을 때쪽이, 커지는 경향이 있다. 환언하면, 공기 화학양론비가 클 때에 비해, 작을 때쪽이, 공기 화학양론비가 변화되었을 때 전압 강하량, 나아가서는 FC 전압 Vfc가 변동되기 쉬워지는 경향이 있다.
그 때문에, 도 4에 도시한 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 제어되고 있는 통상 운전 시는, FC 에어 공급량 Qfc가 변동되어 공기 화학양론비가 목표 공기 화학양론비 SRtg1로부터 어긋났다고 해도, FC 전압 Vfc의 변동량은 적다.
이에 반해, 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 제어되고 있는 급속 난기 운전 시는, FC 에어 공급량 Qfc가 변동되어 공기 화학양론비가 목표 공기 화학양론비 SRtg2로부터 어긋나면, 통상 운전시와 어긋남 폭이 동일하였다고 해도, FC 전압 Vfc가 크게 변동되게 된다.
이와 같이 급속 난기 운전 중에는, 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 Qtg로 제어될 때까지의 동안, 공기 화학양론비가 과도 후의 목표 공기 화학양론비로부터 어긋나게 된다. 그 때문에, 급속 난기 운전 중에는, 특히 과도 시에 있어서, FC 전압 Vfc가 목표 FC 전압 Vtg에 대하여 크게 어긋나는 경향이 있고, 그 결과, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg에 대하여 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 따라서 설정되는 허용 충전 전력 Win[kW] 이상이 되어, 배터리(53)를 열화시킬 우려가 있다. 특히 배터리(53)로서 리튬 이온 전지를 사용하고 있었던 경우에는, 잉여 전력이 커지면, 배터리(53)의 부극 표면에 리튬이 석출되는 소위 리튬 석출이 발생할 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 따라서 설정되는 허용 방전 전력 Wout[kW] 이상이 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 따라서 변화되고, 예를 들어 배터리(53)의 온도가 높을 때에 비해, 낮을 때쪽이, 작아지는 경향이 있다. 그 때문에, 기본적으로 빙점하의 환경에서 행해지는 급속 난기 운전 중에는, 배터리(53)의 온도도 저온이기 때문에, 허용 충전 전력 Win 및 허용 방전 전력 Wout도 통상 운전 시보다도 작아지는 경향이 있다. 따라서, 급속 난기 운전 중에는, 실제 발전 전력 Pfc와 목표 발전 전력 Ptg 사이에 어긋남이 발생하면, 특히 배터리(53)가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되기 쉬워, 배터리(53)가 열화되기 쉽다.
그래서 본 실시 형태에서는, 급속 난기 운전의 실시 요구가 있을 때, 목표 발전 전력 Ptg에 기초하여, 통상 발전(고효율 발전)과, 저효율 발전을 선택적으로 실시하도록 하였다. 구체적으로는, 급속 난기 운전의 실시 요구가 있어 저효율 발전을 실시하고 있는 경우에, 목표 발전 전력 Ptg가 소정의 제1 전환 전력 Pthr1 이상으로 되었을 때는, 저효율 발전을 일시적으로 정지하고 통상 발전을 실시하는 것으로 하였다.
여기서, 전술한 바와 같이, 급속 난기 운전 중에는, 목표 발전 전력 Ptg가 변동되는 과도 시에 있어서, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg에 대하여 크게 어긋나는 경향이 있고, 환언하면, 액셀러레이터 페달의 조작이 행해지는 차량 주행 시에 있어서, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg에 대하여 크게 어긋나는 경향이 있다.
따라서 제1 전환 전력 Pthr1은, 예를 들어 액셀러레이터 페달이 답입되어 차량의 가속이 개시된 것을 판정할 수 있는 발전 전력(예를 들어 30[kW])으로 된다. 이에 의해, 목표 발전 전력 Ptg가 변동되기 쉬운 차량 주행 시에 있어서는, 통상 발전을 실시할 수 있으므로, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg에 대하여 어긋나는 것을 억제하여, 배터리(53)가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되는 것을 억제할 수 있다.
또한 본 실시 형태에서는, 저효율 발전을 일시적으로 정지하고 통상 발전을 실시하고 있는 경우에, 목표 발전 전력 Ptg가, 제1 전환 전력 Pthr1보다도 작은 소정의 제2 전환 전력 Pthr2 미만으로 되었을 때는, 저효율 발전을 실시하는 것으로 하였다.
제2 전환 전력 Pthr2는, 예를 들어 액셀러레이터 페달이 답입되어 있지 않고, 차량이 정지 상태에 있는 경우 등, 목표 발전 전력 Ptg가 변동되기 어려운 상태라고 판정할 수 있는 발전 전력(예를 들어 20[kW])으로 된다. 이에 의해, 목표 발전 전력 Ptg가 변동되기 어려운 상태로 되었을 때는, 통상 발전으로부터 저효율 발전로 전환할 수 있으므로, 연료 전지 스택(10)의 난기의 촉진을 도모할 수 있다.
또한, 저효율 발전으로부터 통상 발전으로 전환하는 역치(제1 전환 전력 Pthr1)와, 통상 발전으로부터 저효율 발전으로 전환하는 역치(제2 전환 전력 Pthr2)를 다르게 함으로써, 발전 양태의 전환이 반복되는 헌팅을 억제할 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여, 이 본 실시 형태에 의한 급속 난기 운전 중의 발전 전환 제어에 대하여 설명한다.
도 5는 본 실시 형태에 의한 급속 난기 운전 중의 발전 전환 제어에 대하여 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 진행한다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 플래그 F1이 1이면, 스텝 S4의 처리로 진행한다.
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[℃]) 이하이면 급속 난기 운전의 실시 요구가 있다고 판정한다. 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 운전의 실시 요구가 있다고 판정하였을 때는, 스텝 S3의 처리로 진행한다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 운전의 실시 요구가 없다고 판정하였을 때는, 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, 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 S5에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 목표 발전 전력 Ptg가, 소정의 제1 전환 전력 Pthr1 이상인지 여부를 판정한다. 전자 제어 유닛(200)은, 목표 발전 전력 Ptg가, 제1 전환 전력 Pthr1 이상이면, 저효율 발전을 일시적으로 정지하고 통상 발전을 실시하기 위해, 스텝 S6의 처리로 진행한다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 목표 발전 전력 Ptg가, 제1 전환 전력 Pthr1 미만이면, 스텝 S10의 처리로 진행한다.
스텝 S6에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 통상 발전을 실시한다. 구체적으로는 전자 제어 유닛(200)은, FC 전류 Ifc 및 FC 전압 Vfc에 의해 규정되는 동작점 X가, 기준 IV 특성상에서 목표 발전 전력 Ptg를 발전 가능한 통상 동작점 X1이 되도록, 각 제어 부품을 제어한다.
스텝 S7에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 통상 발전 실시 플래그 F2를 1로 설정한다. 통상 발전 실시 플래그 F2는, 급속 난기 운전의 실시 요구가 있는 경우에 통상 발전을 실시하고 있을 때 1로 설정되는 플래그이며, 초깃값은 0으로 설정된다.
스텝 S8에 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 S9의 처리로 진행한다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, FC 온도 Tfc가 급속 난기 완료 온도 미만이면, 금회의 처리를 종료한다.
스텝 S9에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 급속 난기 운전을 종료하고, 급속 난기 플래그 F1 및 통상 발전 실시 플래그 F2를 각각 0으로 되돌린다.
스텝 S10에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 통상 발전 실시 플래그 F2가 1로 설정되어 있는지 여부, 즉, 통상 발전의 실시 중인지 여부를 판정한다. 전자 제어 유닛(200)은, 통상 발전의 실시 중이면, 스텝 S11의 처리로 진행한다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 통상 발전의 실시 중이 아니면, 스텝 S12의 처리로 진행한다.
스텝 S11에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 목표 발전 전력 Ptg가, 소정의 제2 전환 전력 Pthr2 미만인지 여부를 판정한다. 전자 제어 유닛(200)은, 목표 발전 전력 Ptg가, 제2 전환 전력 Pthr2 미만이면, 저효율 발전을 재개하기 위해, 스텝 S12의 처리로 진행한다. 한편 전자 제어 유닛(200)은, 목표 발전 전력 Ptg가, 저제1 전환 전력 Pthr2 이상이면, 통상 발전을 계속하기 위해, 스텝 S6의 처리로 진행한다.
스텝 S12에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 저효율 발전을 실시한다. 저효율 발전 시의 상세한 처리에 대해서는, 도 6을 참조하여 후술한다.
스텝 S13에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 통상 발전 실시 플래그 F2를 0으로 되돌린다.
도 6은 저효율 발전 시의 상세한 처리에 대하여 설명하는 흐름도이다.
스텝 S121에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 저효율 발전 중의 목표 발열량 PLtg를 설정한다. 목표 발열량 PLtg는, 본 실시 형태에서는 미리 정한 고정값으로 되지만, 가변값으로 해도 된다.
스텝 S122에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 도 7에 도시한 등전력선(가는 실선 참조)과 등발열량선(굵은 실선 참조)이 도시된 IV 특성맵을 참조하여, 목표 발전 전력 Ptg와, 목표 발열량 PLtg에 기초하여, 급속 난기 동작점 X2, 즉 목표 FC 전류 Itg[A] 및 목표 FC 전압 Vtg[V]를 산출한다.
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 특성맵 상에서 발열량을 목표 발열량 PLtg로 하는 것이 가능한 등발열량선이 교차하는 점을 급속 난기 동작점 X2로서 산출한다.
스텝 S123에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 도 9에 도시한 기준 IV 특성맵을 참조하여, 기준 IV 특성상에서 FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg로 제어하였을 때의 FC 전압(이하 「기준 FC 전압」이라 함) Vstd를 산출한다. 기준 FC 전압 Vstd는, 환언하면, 고효율 발전(통상 발전)을 실시하여 FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg로 제어하였을 때의 FC 전압이다.
또한 기준 IV 특성은, FC 온도 Tfc에 따라서 변화되기 때문에, 기준 IV 특성맵은 FC 온도마다 복수 준비되어 있다. 따라서 전자 제어 유닛(200)은, 복수의 기준 IV 특성맵 중으로부터, 현재의 FC 온도 Tfc에 따른 최적의 기준 IV 특성맵을 참조하여 기준 FC 전압 Vstd를 산출하고 있다.
스텝 S124에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 도 3과 마찬가지의 도 10에 도시한 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 S125에 있어서, 전자 제어 유닛(200)은, 목표 FC 전압 Vtg와, FC 전압 Vfc의 편차(이하 「FC 전압 편차」라 함) 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 S126에 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 S127에 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. 본 실시 형태에서는 전자 제어 유닛(200)은, 총 에어 공급량 Qafc가 일정해지도록 컴프레서(33)를 제어하고, 캐소드 입구 밸브(35), 분류 밸브(37) 및 캐소드 압력 제어 밸브(39)의 각각의 개방도를 제어함으로써, FC 에어 공급량 Qfc를 목표 에어 공급량 Qtg로 제어하고 있다.
그런데, 본 실시 형태와 같이 급속 난기 운전 중에 통상 발전과 저효율 발전을 선택적으로 실시할 수 있도록 하면, 통상 발전으로부터 저효율 발전으로 전환할 때, 즉 동작점 X를 통상 동작점 X1로부터 급속 난기 동작점 X2로 이행시킬 때, 배터리(53)가 과충전 상태가 되어 배터리(53)가 열화되는 경우가 있다. 이하, 이 문제점과 대응책에 대하여, 도 11을 참조하여 간단하게 설명한다.
도 11에 도시한 바와 같이, 예를 들어 시각 t1에서 액셀러레이터 페달이 답입되어 목표 발전 전력 Ptg가 제1 전환 전력 Pthr1 이상이 되어, 저효율 발전으로부터 통상 발전으로 전환된 것으로 한다. 이 급속 난기 운전 중의 통상 발전 시에 있어서, 어떠한 요인으로 IV 특성이 악화되어 있는 경우, FC 전류 Ifc를 통상 동작점 X1 상의 목표 FC 전류 Itg1까지 증가시키려고 하였을 때, FC 전압 Vfc가 하한 전압(모터 제너레이터(55)의 동작 보증 전압)까지 저하되어 버려, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg1까지 증가시킬 수 없는 경우가 있다. FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg1까지 증가시킬 수 없으면, 산소의 소비량이 감소되기 때문에, FC 에어 공급량 Qfc가 과잉(공기 화학양론비가 과대)이 된다.
그리고 시각 t2에서, 액셀러레이터 페달이 복귀되어 목표 발전 전력 Ptg가 저하되어, 목표 발전 전력 Ptg가 제1 전환 전력 Pthr2 미만으로 되면, 통상 발전으로부터 저효율 발전으로 전환되어, 급속 난기 동작점 X2 상에서 발전시키는 것이 가능한 목표 FC 전류 Itg2 및 목표 FC 에어 공급량 Qtg2가 산출되게 된다. 저효율 발전 시의 목표 FC 에어 공급량 Qtg2는, 통상 발전 시의 목표 FC 에어 공급량 Qtg1보다도 당연히 작아진다.
그리고 전술한 바와 같이, 시각 t2에서 저효율 발전으로 전환되기 전의 통상 발전 시에 있어서는, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg1까지 증가시킬 수 없고 FC 에어 공급량 Qfc가 과잉으로 되어 있다. FC 에어 공급량 Qfc의 제어 응답 속도는, FC 전류 Ifc의 제어 응답 속도보다도 느리기 때문에, 통상 발전으로부터 저효율 발전으로의 전환과 동시에 아무것도 생각하지 않고 FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg2까지 저하시켜 버리면, FC 에어 공급량 Qfc가 한층 더 과잉의 상태가 된다.
그 결과, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg2로 제어하였을 때, FC 에어 공급량 Qfc를 목표 FC 에어 공급량 Qtg2까지 저하시키고 있는 동안, FC 전압 Vfc가 급속 난기 동작점 X2 상의 목표 FC 전압 Ffc보다도 높아지기 때문에, 배터리(53)가 과충전 상태로 될 우려가 있다.
그래서 본 실시 형태에서는, 도 11에 도시한 바와 같이, 시각 t2에서 액셀러레이터 페달이 복귀되어 통상 발전으로부터 저효율 발전으로 전환되었을 때는, 일시적으로 하한 전압을 저하시켜, FC 전류 Ifc를 예를 들어 통상 발전 시의 목표 FC 전류 Itg1까지 증가시키도록 하고 있다. 이에 의해, 산소의 소비량을 증대시키면서, FC 에어 공급량 Qfc를 목표 FC 에어 공급량 Qtg2를 향하여 저하시킬 수 있으므로, FC 에어 공급량 Qfc가 과잉의 상태가 되는 것을 억제할 수 있다. 환언하면, 공기 화학양론비를 급속 난기 영역 내의 공기 화학양론비를 향하여 빠르게 수렴시킬 수 있다.
그리고, FC 전류 Ifc를 증가시킨 것에 의한 전압 강하가 발생하고, 그 후, 공기 화학양론비의 저하에 의한 산소 농도 과전압에 기인하는 전압 강하가 다시 발생하여 예를 들어 FC 전압 Vfc가 일시적으로 저하시킨 하한 전압까지 저하되면, FC 전류 Ifc를 목표 FC 전류 Itg2를 향하여 저하시키도록 하고 있다.
이와 같이 하여 동작점 X를 통상 동작점 X1로부터 급속 난기 동작점 X2로 이행시킴으로써, 동작점 X의 이행 중에, FC 전압 Vfc가 급속 난기 동작점 X2 상의 목표 FC 전압 Ffc보다도 높아지는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 배터리(53)가 과충전 상태로 되어 배터리(53)가 열화되는 것을 억제할 수 있다.
이상 설명한 본 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템(100)은, 연료 가스로서의 수소와 산화제 가스로서의 공기의 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, 연료 전지 스택(10)의 난기 요구가 있을 때, 통상 발전과, 통상 발전과 비교하여 발전 손실이 큰 저효율 발전을 선택적으로 실시 가능하게 구성된 발전 실시부를 구비한다.
그리고 발전 실시부는, 저효율 발전의 실시 중에, 연료 전지 스택(10)의 목표 발전 전력 Ptg가 소정의 제1 전환 전력 Pthr1 이상으로 되었을 때는, 저효율 발전을 일시적으로 정지하고 통상 발전을 실시하도록 구성된다.
이에 의해, 목표 발전 전력 Ptg가 증가하는 과도 시에 있어서, 통상 발전을 실시할 수 있으므로, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg에 대하여 어긋나는 것을 억제하여, 배터리(53)가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 통상 발전 시인지, 또는 저효율 발전 시인지에 상관없이, 실제 발전 전력 Pfc가 증가됨에 따라서, 기본적으로 발전 손실이 증가되어 자기 발열량이 증가되기 때문에, 통상 발전을 실시하였다고 해도 어느 정도의 발열량을 확보하여, 난기의 촉진을 도모할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 의한 발전 실시부는, 저효율 발전을 일시적으로 정지하고 통상 발전을 실시하고 있는 경우에, 목표 발전 전력 Ptg가, 제1 전환 전력 Pthr1보다도 작은 소정의 제2 전환 전력 Pthr2 미만으로 되었을 때는, 저효율 발전을 실시하도록 구성된다.
이와 같이, 저효율 발전으로부터 통상 발전으로 전환하는 역치(제1 전환 전력 Pthr1)와, 통상 발전으로부터 저효율 발전으로 전환하는 역치(제2 전환 전력 Pthr2)를 다르게 함으로써, 발전 양태의 전환이 반복되는 헌팅을 억제할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 스택(10)의 발전 전력에 의해 구동되는 모터 제너레이터(55)(회전 전기 기기)를 더 구비하고, 제1 전환 전력 Pthr1은, 모터 제너레이터(55)가 구동 상태라고 판단 가능한 전력 (예를 들어 30[kW])으로 되고, 제2 전환 전력 Pthr2는, 모터 제너레이터(55)가 비구동 상태라고 판단 가능한 전력(예를 들어 20[kW])으로 된다.
급속 난기 운전 중에는, 목표 발전 전력 Ptg가 변동되는 과도 시에 있어서, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg에 대하여 크게 어긋나는 경향이 있고, 환언하면, 액셀러레이터 페달의 조작이 행해지는 차량 주행 시에 있어서, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg에 대하여 크게 어긋나는 경향이 있다.
그 때문에, 제1 전환 전력 Pthr1을, 모터 제너레이터(55)가 구동 상태라고 판단 가능한 전력으로 설정함으로써, 목표 발전 전력 Ptg가 변동되기 쉬운 차량 주행 시에, 통상 발전을 실시할 수 있다. 따라서, 실제 발전 전력 Pfc가 목표 발전 전력 Ptg에 대하여 어긋나는 것을 억제하여, 배터리(53)가 과충전 상태 또는 과방전 상태로 되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 제2 전환 전력 Pthr2를, 모터 제너레이터(55)가 비구동 상태라고 판단 가능한 전력으로 설정함으로써, 목표 발전 전력 Ptg가 변동되기 어려운 상태로 되었을 때는, 통상 발전으로부터 저효율 발전으로 전환할 수 있으므로, 연료 전지 스택(10)의 난기 촉진을 도모할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정한다는 취지는 아니다.
예를 들어 상기 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템(100)을 차량에 탑재한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 차량에 한하지 않고 각종 이동체에 탑재해도 되고, 정치식의 발전 설비에 탑재해도 된다.
10: 연료 전지 스택(연료 전지)
53: 배터리(이차 전지)
100: 연료 전지 시스템
200: 전자 제어 유닛(제어 장치)

Claims (6)

  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,
    상기 연료 전지의 난기 요구가 있을 때, 통상 발전과, 상기 통상 발전과 비교하여 발전 손실이 큰 저효율 발전을 선택적으로 실시 가능하게 구성된 발전 실시부를 구비하고,
    상기 발전 실시부는,
    상기 저효율 발전의 실시 중에, 상기 연료 전지의 목표 발전 전력이 소정의 제1 전환 전력 이상으로 되었을 때는, 상기 저효율 발전을 일시적으로 정지하고 통상 발전을 실시하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전 실시부는,
    상기 저효율 발전을 일시적으로 정지하고 상기 통상 발전을 실시하고 있는 경우에, 상기 연료 전지의 목표 발전 전력이, 상기 제1 전환 전력보다도 작은 소정의 제2 전환 전력 미만으로 되었을 때는, 상기 저효율 발전을 실시하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지의 발전 전력에 의해 구동되는 회전 전기 기기를 더 구비하고,
    상기 제1 전환 전력은, 상기 회전 전기 기기가 구동 상태라고 판단 가능한 전력인, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전환 전력은, 30[kW]인, 연료 전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지의 발전 전력에 의해 구동되는 회전 전기 기기를 더 구비하고,
    상기 제1 전환 전력은, 상기 회전 전기 기기가 구동 상태라고 판단 가능한 전력이며,
    상기 제2 전환 전력은, 상기 회전 전기 기기가 비구동 상태라고 판단 가능한 전력인, 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전환 전력은, 30[kW]이고,
    상기 제2 전환 전력은, 20[kW]인, 연료 전지 시스템.
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