KR101136497B1 - 연료전지시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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도모야 오가와
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Abstract

본 발명은, 발전을 행하는 연료전지와, 연료전지에 대한 반응가스의 공급량을 통상 발전 시보다 저감시킴으로써 연료전지의 저효율 발전을 실현시키는 제어수단을 구비하는 연료전지시스템이다.
이를 위하여 본 발명의 제어수단은, 저효율 발전 시에 있어서 연료전지의 캐소드에서 생성되는 애노드 가스(펌핑 수소)의 생성량이 소정량 이하가 되도록 연료전지의 전압 하한값을 설정한다.

Description

연료전지시스템 및 그 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND ITS CONTROL METHOD}
본 발명은, 연료전지시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
종래부터, 반응가스(연료가스 및 산화가스)의 공급을 받아 발전을 행하는 연료전지를 구비한 연료전지시스템이 제안되어, 실용화되고 있다. 이와 같은 연료전지시스템의 연료전지의 애노드로부터는, 발전 시에 소비되지 않고 남은 연료(수소)를 포함하는 연료 오프 가스가 배출된다. 이와 같은 연료 오프 가스를 그대로 시스템의 외부로 배출하면, 연료 오프 가스에 포함되는 수소의 배출량이 소정의 환경 기준값을 상회하는 경우가 있다. 이 때문에, 연료전지의 애노드로부터 배출되는 연료 오프 가스를 공기 등의 희석가스와 혼합?희석하여 수소 농도를 저감시키는 기술이 제안되어 있다.
그런데, 현재에는, 연료전지의 저효율 운전(통상 운전시 보다 발전효율이 낮은 상태에서의 운전)을 실시함으로써, 공급한 반응가스의 에너지를 더욱 많이 열에너지로 변환하여, 연료전지를 승온시키는 기술이 제안되어 있다. 이와 같은 저효율 운전에서는, 연료전지의 애노드로부터 수소를 포함하는 연료 오프 가스가 배출될 뿐만 아니라, 연료전지의 캐소드에서 애노드 가스(이른바 펌핑 수소)가 생성되는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 최근에는, 연료전지의 캐소드측에 희석수단을 설치함으로써, 배출되는 펌핑 수소의 농도를 저감시키는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 특개2005-l74645호 공보 참조).
그러나, 일본국 특개2005-174645호 공보에 기재된 기술을 채용하여도, 캐소드측의 희석수단이 고장난 경우에는, 펌핑 수소의 농도를 저감시킬 수 없기 때문에, 배출 수소 농도를 소정의 환경 기준값 이하로 억제할 수 없을 염려가 있다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 희석수단에 의하지않고 저효율 발전 시에 있어서의 펌핑 수소의 배출을 억제할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 발전을 행하는 연료전지와, 이 연료전지에 대한 반응가스의 공급량을 통상 발전 시보다 저감시킴으로써 연료전지의 저효율 발전을 실현시키는 제어수단을 구비하는 연료전지시스템에 있어서, 제어수단은, 저효율 발전 시에 있어서 연료전지의 캐소드에서 생성되는 애노드 가스(펌핑 수소)의 생성량이 소정량 이하가 되도록 연료전지의 전압 하한값을 설정하는 것이다.
또, 본 발명에 관한 제어방법은, 발전을 행하는 연료전지를 구비하고, 이 연료전지에 대한 반응가스의 공급량을 통상 발전 시보다 저감시킴으로써 연료전지의 저효율 발전을 실현시키는 연료전지시스템의 제어방법에 있어서, 저효율 발전 시에 있어서 연료전지의 캐소드에서 생성되는 애노드 가스(펌핑 수소)의 생성량이 소정량 이하가 되도록 연료전지의 전압 하한값을 설정하는 공정을 구비하는 것이다.
이와 같은 구성 및 방법을 채용하면, 저효율 발전 시에 있어서, 연료전지의 전압 하한값을 특정한 값으로 설정함으로써, 펌핑 수소의 생성량을 소정량 이하로 억제할 수 있다. 따라서, 저효율 발전 시에 있어서의 펌핑 수소의 배출량을 저감시킬 수 있기 때문에, 펌핑 수소를 희석하기 위한 장치를 생략할 수 있다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 펌핑 수소를 희석하는 희석수단을 구비할 수도 있다. 그리고, 이 희석수단이 이상인 경우에만, 저효율 발전 시에 있어서 펌핑 수소의 생성량이 소정량 이하가 되도록 연료전지의 전압 하한값을 설정하는 제어장치를 채용할 수 있다.
이와 같은 구성을 채용하면, 희석수단이 정상인 경우에는, 펌핑 수소의 농도를 희석수단으로 희석할 수 있고, 또한, 특히 전압의 하한값을 설정하지 않고 저효율 발전을 실시할 수 있기 때문에 난기(자기발열)를 효과적으로 행할 수 있다. 한편, 희석수단이 이상인 경우에는, 연료전지의 전압 하한값을 특정한 값으로 설정하면서 저효율 발전을 실시함으로써, 펌핑 수소의 생성량을 소정량 이하로 억제할 수 있다.
또, 상기 연료전지시스템에서, 산화가스 공급원으로부터 공급되는 산화가스를 연료전지의 캐소드에 공급하기 위한 가스공급 유로와, 연료전지의 캐소드로부터 배출되는 가스를 유통시키는 가스배출 유로를 설치할 수 있다. 그리고, 가스공급유로를 흐르는 산화가스의 일부를 연료전지를 바이패스하여 가스배출 유로로 유도하는 바이패스 유로와, 이 바이패스 유로를 유통하는 산화가스의 유량을 조정하는 바이패스 밸브를 가지고, 가스 공급 유로로부터 바이패스 유로를 경유하여 가스 배출 유로로 흐르는 산화가스에 의해 펌핑 수소를 희석하는 희석수단을 채용할 수 있다.
또, 상기 연료전지시스템에서, 산화가스 공급원으로부터 공급되는 산화가스의 압력을 검출하는 압력센서를 설치할 수 있다. 이와 같은 경우, 바이패스 유로를 유통하는 산화가스의 유량의 지령값과, 바이패스 밸브의 개방도에 의거하여, 산화가스 공급원으로부터 공급되는 산화가스의 압력을 추정하고, 이 추정 압력과 압력센서로 검출한 검출 압력과의 편차에 의거하여 희석수단의 이상을 판정하는 이상판정수단을 채용할 수 있다.
또, 상기 연료전지시스템에서, 추정 압력이 검출 압력보다 작고, 또한 추정 압력과 검출 압력의 편차의 절대값이 소정의 문턱값을 넘는 경우에, 바이패스 밸브에 폐쇄 고장이 생긴 것으로 판정하는 이상 판정수단을 채용할 수 있다.
또, 상기 연료전지시스템에서, 가스 배출 유로를 유통하는 가스의 압력을 조정하는 배압 밸브를 가지는 희석수단을 채용할 수 있다. 이와 같은 경우, 추정 압력이 검출 압력보다 크고, 또한, 추정 압력과 검출 압력의 편차의 절대값이 소정의 문턱값을 넘은 경우에, 배압 밸브에 개방 고장이 생긴 것으로 판정하는 이상 판정수단을 채용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 희석수단에 의하지 않고 저효율 발전 시에 있어서의 펌핑 수소의 배출을 억제할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성도,
도 2a는, 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 통상 운전 시의 출력 전력과 전력 손실의 관계를 나타내는 설명도,
도 2b는 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 저효율 운전 시의 출력 전력과 전력 손실의 관계를 나타내는 설명도,
도 3은 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 통상 운전 시 및 저효율 운전 시에 있어서의 IV 특성맵,
도 4a 및 도 4b는 펌핑 수소의 발생원리를 설명하기 위한 설명도,
도 5는 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 저효율 운전 시(희석수단 이상 시)에 있어서의 전압 하한값의 설정에 사용되는 테이블,
도 6은 도 5에 나타내는 테이블의 데이터를 플롯하여 작성한 근사 곡선 맵,
도 7은 도 1에 나타내는 연료전지시스템의 운전방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지시스템에 대하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 본 발명을 연료전지 차량의 차량 탑재 발전 시스템에 적용한 예에 대하여 설명하는 것으로 한다.
먼저, 도 1 내지 도 6을 이용하여, 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)의 구성에 대하여 설명한다.
본 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 반응가스(산화가스 및 연료가스)의 공급을 받아 전력을 발생하는 연료전지(2), 산화가 스로서의 공기를 연료전지(2)에 공급하는 산화가스 배관계(3), 연료가스로서의 수소가스를 연료전지(2)에 공급하는 연료가스 배관계(4), 시스템의 전력을 충방전하는 전력계(5), 시스템 전체를 통괄 제어하는 제어장치(6) 등을 구비하고 있다. 연료전지(2)는, 예를 들면 고체 고분자 전해질형으로 구성되고, 다수의 단(單)전지(20)(도 4a)를 적층한 스택구조를 구비하고 있다. 연료전지(2)의 단전지(20)는, 전해질막(21)(도 4a)의 한쪽 면에 캐소드(공기극)를 가지고, 다른쪽(타면) 면에 애노드(연료극)를 가지며, 또한 캐소드 및 애노드를 양측으로부터 끼워 넣도록 1쌍의 세퍼레이터를 가지고 있다. 한쪽의 세퍼레이터의 연료가스 유로에 연료가스가 공급되고, 다른쪽 세퍼레이터의 산화가스 유로에 산화가스가 공급되며, 이 가스공급에 의해 연료전지(2)는 전력을 발생한다. 또, 연료전지(2)의 캐소드로부터는 캐소드 오프 가스가 배출된다. 캐소드 오프 가스에는, 연료전지(2)의 전지반응에 제공한 후의 산소 오프 가스 외에, 캐소드에서 생성되는 펌핑 수소(뒤에서 설명)가 포함된다.
연료전지(2)에는, 발전 중의 전류 및 전압(출력전류 및 출력전압)을 검출하는 전류센서(2a) 및 전압센서(2b)와, 연료전지(2)의 온도를 검출하는 온도센서(2c)가 설치되어 있다. 전류센서(2a)에서 검출된 출력전류에 관한 정보나 온도센서(2c)에서 검출된 온도에 관한 정보는, 뒤에서 설명하는 전압제어에 사용된다. 또한, 연료전지(2)로서는, 고체 고분자 전해질형 외에, 인산형이나 용융 탄산염형의 것을 채용할 수 있다.
산화가스 배관계(3)는, 에어컴프레서(31), 산화가스 공급 유로(32), 가습 모 듈(33), 캐소드 오프 가스 유로(34), 바이패스 유로(38), 희석기(40), 에어컴프레서(31)를 구동하는 모터(M1) 등을 가지고 있다.
에어컴프레서(31)는, 제어장치(6)의 제어지령으로 작동하는 모터(M1)의 구동력에 의해 구동되어, 도시 생략한 에어필터를 개재하여 외기로부터 도입한 산소(산화가스)를 연료전지(2)의 캐소드극에 공급하는 것으로, 본 발명에서의 산화가스 공급원의 일 실시형태이다. 산화가스 공급 유로(32)는, 에어컴프레서(31)로부터 공급되는 산소를 연료전지(2)의 캐소드로 유도하기 위한 가스 유로이다. 산화가스 공급 유로(32)에는, 에어컴프레서(31)로부터 공급되는 산화가스의 압력 및 온도를 검출하는 압력센서(35) 및 온도센서(36)가 설치되어 있다. 이들 압력센서(35) 및 온도센서로 검출된 압력 및 온도에 관한 정보는, 뒤에서 설명하는 희석수단의 이상판정에 사용된다.
가습 모듈(33)은, 산화가스 공급 유로(32)를 흐르는 저습윤 상태의 산화가스와, 캐소드 오프 가스 유로(34)를 흐르는 고습윤 상태의 캐소드 오프 가스의 사이에서 수분 교환을 행하고, 연료전지(2)에 공급되는 산화가스를 적절하게 가습한다. 캐소드 오프 가스 유로(34)는, 캐소드 오프 가스를 시스템 밖으로 배기하기 위한 가스 유로이고, 본 발명에서의 가스 배출 유로의 일 실시형태이다. 캐소드 오프 가스 유로(34)의 캐소드극 출구 부근에는, 배압 밸브(37)가 설치되어 있다. 제어장치(6)가 배압 밸브(37)의 개폐 동작을 제어함으로써, 캐소드 오프 가스 유로(34)를 유통하는 캐소드 오프 가스의 압력이 조정되고, 이 결과, 펌핑 수소의 배출량이 조정되게 된다.
바이패스 유로(38)는, 산화가스 공급 유로(32)를 흐르는 산화가스의 일부를, 연료전지(2)를 바이패스하여, 캐소드 오프 가스 유로(34)로 유도하는 것이다. 바이패스 유로(38)에는, 바이패스 밸브(39)가 설치되어 있다. 바이패스 유로(38)를 유통하는 산화가스의 유량은, 바이패스 밸브(39)에 의해 조정된다. 제어장치(6)가 바이패스 밸브(39)의 개폐 동작을 제어함으로써, 산화가스 공급 유로(32)로부터 바이패스 유로(38)를 경유하여 캐소드 오프 가스 유로(34)로 산화가스가 공급되고, 이에 의하여, 캐소드 오프 가스 유로(34)를 유통하는 펌핑 수소가 희석된다. 즉, 바이패스 유로(38), 바이패스 밸브(39) 및 제어장치(6)는, 본 발명에서의 희석수단을 구성한다. 또한, 배압 밸브(37)도 또 펌핑 수소의 배출량을 조정하는 것이기 때문에, 본 발명에서의 희석수단을 구성한다.
희석기(40)는, 수소가스의 배출 농도를 미리 설정된 농도(소정의 환경 기준값) 이하로 억제하도록 희석한다. 희석기(40)에는, 캐소드 오프 가스 유로(34)의 하류 및 뒤에서 설명하는 애노드 오프 가스 유로(44)의 하류가 연통되어 있고, 수소 오프 가스 및 산소 오프 가스는 혼합 희석되어 시스템 밖으로 배기되게 된다.
연료가스 배관계(4)는, 연료가스 공급원(41), 연료가스 공급 유로(42), 연료가스 순환 유로(43), 애노드 오프 가스 유로(44), 수소 순환 펌프(45), 체크밸브(46), 수소 순환 펌프(45)를 구동하기 위한 모터(M2) 등을 가지고 있다.
연료가스 공급원(41)은, 연료전지(2)에 수소가스 등의 연료가스를 공급하는 수단이고, 예를 들면 고압 수소 탱크나 수소 저장 탱크 등에 의해 구성된다. 연료가스 공급 유로(42)는, 연료가스 공급원(41)으로부터 방출되는 연료가스를 연료전 지(2)의 애노드극으로 유도하기 위한 가스 유로이며, 그 가스 유로에는 상류에서부터 하류에 걸쳐 탱크 밸브(H1), 수소 공급 밸브(H2), FC 입구 밸브(H3) 등의 밸브가 설치되어 있다. 탱크 밸브(H1), 수소 공급 밸브(H2) 및 FC 입구 밸브(H3)는, 연료전지(2)로 연료가스를 공급(또는 차단)하기 위한 셔트 밸브이고, 예를 들면 전자밸브에 의해 구성되어 있다.
연료가스 순환 유로(43)는, 미반응 연료가스를 연료전지(2)로 환류시키기 위한 귀환 가스 유로이고, 그 가스 유로에는 상류에서부터 하류에 걸쳐 FC 출구 밸브(H4), 수소 순환 펌프(45), 체크밸브(46)가 각각 설치되어 있다. 연료전지(2)로부터 배출된 저압의 미반응 연료가스는, 제어장치(6)의 제어지령으로 작동하는 모터(M2)의 구동력에 의해 구동되는 수소 순환 펌프(45)에 의해 적절하게 가압되어, 연료가스 공급 유로(42)로 유도된다. 연료가스 공급 유로(42)로부터 연료가스 순환 유로(43)로의 연료가스의 역류는, 체크밸브(46)에 의해 억제된다. 애노드 오프 가스 유로(44)는, 연료전지(2)로부터 배출된 수소 오프 가스를 포함하는 애노드 오프 가스를 시스템 밖으로 배기하기 위한 가스 유로이고, 그 가스 유로에는 퍼지밸브(H5)가 설치되어 있다.
전력계(5)는, 고압 DC/DC 컨버터(51), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 보조기계 인버터(54), 트랙션 모터(M3), 보조 기계 모터(M4) 등을 구비하고 있다.
고압 DC/DC 컨버터(51)는, 직류의 전압 변환기이고, 배터리(52)로부터 입력된 직류 전압을 조정하여 트랙션 인버터(53)측으로 출력하는 기능과, 연료전지(2)또는 트랙션 모터(M3)로부터 입력된 직류 전압을 조정하여 배터리(52)로 출력하는 기능을 가진다. 고압 DC/DC 컨버터(51)의 이들 기능에 의하여 배터리(52)의 충방전이 실현된다. 또, 고압 DC/DC 컨버터(51)에 의하여, 연료전지(2)의 출력전압이 제어된다.
배터리(52)는, 충방전 가능한 2차 전지(예를 들면 니켈 수소전지 등)이다. 배터리(52)는, 도시 생략한 배터리 컴퓨터의 제어에 의하여 잉여전력을 충전하거나 보조적으로 전력을 공급하거나 하는 것이 가능하게 되어 있다. 연료전지(2)에서 발전된 직류 전력의 일부는, 고압 DC/DC 컨버터(51)에 의하여 승강압되고, 배터리(52)에 충전된다. 또한, 배터리(52) 대신 2차 전지 이외의 충방전 가능한 축전기(예를 들면 커패시터)를 채용할 수도 있다.
트랙션 인버터(53) 및 보조기계 인버터(54)는, 펄스폭 변조방식의 PWM 인버터이고, 주어지는 제어지령에 따라 연료전지(2) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류전력을 3상 교류전력으로 변환하여 트랙션 모터(M3) 및 보조기계 모터(M4)에 공급한다. 트랙션 모터(M3)는, 차륜(7L, 7R)을 구동하기 위한 모터이다. 보조 기계 모터(M4)는, 각종 보조 기계류를 구동하기 위한 모터이며, 에어컴프레서(31)를 구동하는 모터(M1)나 수소 순환 펌프(45)를 구동하는 모터(M2) 등을 총칭한 것이다.
제어장치(6)는, CPU, ROM, RAM 등에 의해 구성되고, 입력되는 각 센서신호에 의거하여, 당해 시스템의 각 부를 통합적으로 제어한다. 구체적으로는, 제어장치(6)는, 액셀러레이터 페달 개방도를 검출하는 도시 생략한 액셀러레이터 페달 센서 등으로부터 송출되는 각 센서신호에 의거하여, 연료전지(2)의 출력 요구 전력을 산출한다. 그리고, 제어장치(6)는, 이 출력 요구 전력에 대응하는 출력 전력을 발생시키도록 연료전지(2)의 출력전압 및 출력전류를 제어한다. 또, 제어장치(6)는, 트랙션 인버터(53) 및 보조기계 인버터(54)의 출력 펄스폭 등을 제어하고, 트랙션 모터(M3) 및 보조 기계 모터(M4)를 제어한다.
또, 제어장치(6)는, 연료전지(2)에 설치된 온도센서(2c)로부터 출력되는 센서신호에 의거하여 연료전지(2)의 온도를 검출하고, 검출한 온도와 소정의 기준 온도를 비교함으로써, 난기가 필요한지의 여부를 판정한다. 그리고, 제어장치(6)는, 연료전지(2)의 온도가 기준 온도를 넘어, 난기가 불필요하다고 판정된 경우에, 통상 운전처리를 행한다. 여기서, 통상 운전처리란, 난기하지 않고 효율이 높은 운전 동작점(즉 전력 손실이 작은 운전 동작점)에서 운전하는 처리를 말한다. 한편, 제어장치(6)는, 연료전지(2)의 온도가 기준 온도 이하이고, 난기가 필요하다고 판정된 경우에, 저효율 운전처리(발전효율이 낮은 운전 동작점에서 운전하는 처리)를 행한다.
여기서, 도 2a～도 4b를 이용하여, 통상 운전과 저효율 운전의 관계 및 펌핑 수소의 발생원리에 대하여 설명한다.
도 2a 및 도 2b에서, 가로축은 출력전류를, 세로축은 출력전압을, 각각 나타내고 있고, OCV(Open Circuit Voltage ; 개방회로 전압)는, 연료전지(2)에 전류를 흘리고 있지 않은 상태에서의 전압을 나타낸다. 일반적으로, 도 2a에 나타내는 바와 같은 전류?전압 특성(IV 특성)이 얻어지는 연료전지(2)에서는, 제어장치(6)는, 출력 전력에 대하여 전력 손실이 작은 통상 운전 동작점(IO, VO)에서 운전을 행한다. 이것에 대하여, 난기운전을 행하는 경우에는, 제어장치(6)는, 도 2b에 나타내는 바와 같이 전력 손실이 큰 저효율 운전 동작점(IL, VL)에서 운전을 행하여, 연료전지(2)의 내부 온도를 상승시킨다. 이와 같은 저효율 운전이 행하여지는 과정에서는, 수소와 산소의 반응에 의해 추출할 수 있는 에너지 중, 전력 손실분(열에너지)을 적극적으로 증대시킬 수 있기 때문에, 신속한 난기를 실현시킬 수 있다.
또한, 도 3은, 통상 운전 시에 있어서의 IV 특성맵(실선)과, 저효율 운전 시에 있어서의 IV 특성맵(파선)을 나타내는 것으로, 통상 운전 시 및 저효율 운전 시에 있어서는 이들 IV 특성맵을 이용하여 운전 동작점을 결정할 수 있다. 저효율 운전 시에 있어서의 IV 특성맵(파선)은, 트랙션 모터(M3)로부터의 출력요구에 따라 적절하게 설정할 수 있고, 도 3에 나타낸 것은 그 일례이다.
연료전지(2)의 통상 운전 시에는, 전력 손실을 억제하여 높은 발전효율이 얻어지도록, 공기화학량론비를 1.0 이상으로 설정한다. 여기서, 공기화학량론비란, 연료전지(2)를 발전시키는 데 필요한 산화가스 공급량의 이론값에 대한 실제의 산화가스 공급량의 비(실제의 산화가스 공급량을 이론값으로 나눈 값)를 의미한다. 이것에 대하여, 연료전지(2)의 저효율 운전 시에는, 전력 손실을 크게 하여 연료전지(2)의 온도를 상승시키도록, 공기화학량론비를 1.0 미만으로 설정한다. 공기화학량론비를 낮게 설정하면, 수소와 산소의 반응에 의해 추출할 수 있는 에너지 중, 전력 손실분(열에너지)을 적극적으로 증대시킬 수 있는 한편, 연료전지(2)의 캐소 드에는 펌핑 수소가 발생한다.
도 4a 및 도 4b는, 펌핑 수소의 발생원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4a는 통상 운전 시에 있어서의 전지 반응을 나타내는 도면이고, 도 4b는 저효율 운전 시에 있어서의 전지 반응을 나타내는 도면이다. 연료전지(2)의 각 단전지(20)는, 전해질막(21)과, 이 전해질막(21)을 끼워 유지하는 애노드 및 캐소드를 구비하고 있다. 수소(H2)를 포함하는 연료가스는 애노드에 공급되고, 산소(O2)를 포함하는 산화가스는 캐소드에 공급된다. 애노드에 연료가스가 공급되면 이하의 화학식(A)의 반응이 진행되어 수소가 수소 이온과 전자로 괴리된다. 애노드에서 생성한 수소 이온은 전해질막(21)을 투과하여 캐소드로 이동하는 한편, 전자는 애노드로부터 외부 회로를 통하여 캐소드로 이동한다.
Figure 112009081157218-pct00001
여기서, 캐소드에 대한 산화가스의 공급이 충분한 경우(공기화학량론비가 1.0 이상)에는, 이하의 화학식(B)의 반응이 진행하여, 도 4a에 나타내는 바와 같이 산소, 수소 이온 및 전자로부터 물이 생성된다. 한편, 캐소드에 대한 산화가스의 공급이 부족한 경우(공기화학량론비가 1.0 미만)에는, 부족되는 산화 가스량에 따라 이하의 화학식(C)의 반응이 진행하여, 도 4b에 나타내는 바와 같이 수소 이온과 전자가 재결합하여 수소가 생성된다. 생성된 수소는, 산소 오프 가스와 함께 캐소드로부터 배출되게 된다. 이와 같이 괴리된 수소 이온과 전자가 재결합함으로써 캐소드에서 생성되는 수소(즉 캐소드에서 생성되는 애노드 가스)를,「펌핑 수소」 라 부른다.
Figure 112009081157218-pct00002
Figure 112009081157218-pct00003
제어장치(6)는, 이와 같은 펌핑 수소가 생성되는 저효율 발전 시에 있어서, 희석수단이 이상인 경우[배압 밸브(37)나 바이패스 밸브(39)가 고장난 경우]에, 펌핑 수소의 생성량이 소정량 이하가 되도록 연료전지(2)의 출력전압의 하한값을 설정한다. 즉, 제어장치(6)는, 본 발명에서의 제어수단의 일 실시형태로서 기능한다.
저효율 발전 시?희석수단 이상 시에서의 제어장치(6)의 구체적인 전압제어에 대하여, 도 5 및 도 6을 이용하여 설명한다. 도 5는, 연료전지(2)의 출력전류(A)와, 연료전지(2)의 온도(℃)와, 연료전지(2)의 출력전압의 하한값(V)의 관계를 규정한 테이블이고, 도 6은, 도 5의 테이블 값을 플롯하여 근사 곡선을 그린 맵이다. 도 5의 테이블에 나타낸 연료전지(2)의 출력전압의 하한값은, 연료전지(2)의 출력전류를 I1～I10까지 변화시키고, 또한, 연료전지(2)의 온도를 T1～T6까지 변화시킨 경우에 있어서 펌핑 수소의 생성량이 소정량 이하가 되도록 설정한 값이다.
제어장치(6)는, 전류센서(2a)에서 검출한 연료전지(2)의 출력전류와, 온도센서(2c)에서 검출한 연료전지(2)의 온도와, 도 5 및 도 6의 테이블?맵에 의거하여, 연료전지(2)의 출력전압의 하한값을 설정한다. 예를 들면, 제어장치(6)는, 연료전지(2)의 온도가 T3인 경우에, 연료전지(2)의 출력전압의 하한값을 V31, V32,…, V36, …으로 설정한다. 또, 제어장치(6)는, 연료전지(2)의 온도가 T6인 경우에, 연료전지(2)의 출력전압의 하한값을 V61, V62, …, V60으로 설정한다. 즉, 제어장치(6)는, 연료전지(2)의 온도가 TN(N:1～6)인 경우에, 도 6의 맵에 그려진 근사곡선(TN)(N:1～6)보다 윗쪽의 영역에서, 출력전류와 출력전압을 설정하도록 한다.
또, 제어장치(6)는, 바이패스 유로(38)를 유통하는 산화가스 유량의 지령값과, 바이패스 밸브(39)의 개방도와, 온도센서(36)로 검출한 산화가스의 온도에 의거하여, 에어컴프레서(31)로부터 공급되는 산화가스의 압력을 추정한다. 그리고, 제어장치(6)는, 이 추정한 압력과, 압력센서(35)로 검출한 산화가스의 압력의 편차에 의거하여, 희석수단의 이상[배압 밸브(37)나 바이패스 밸브(39)의 고장]을 판정한다. 즉, 제어장치(6)는, 본 발명에서의 이상 판정수단의 일 실시형태로서도 기능한다.
제어장치(6)에 의한 희석수단의 이상 판정방법에 대하여, 구체적으로 설명한다. 바이패스 유로(38)를 유통하는 산화가스 유량의 지령값을 Q(L/min), 바이패스 밸브(39)의 개방도를 A(㎟), 바이패스 밸브(39)의 하류 압력을 PL(kPa)[= 101.3 (대기압)], 에어컴프레서(31)로부터 공급되는 산화가스의 압력의 추정값(추정 압력)을 PE(kPa), 에어컴프레서(31)로부터 공급되는 산화가스의 온도를 TO(℃), 단위 변환계수를 k(= 0.226)라 하면, 추정 압력(PE)은 이하의 수학식에 의해 산출된다. 또한, 바이패스 유로(38)를 유통하는 산화가스의 유량 지령값(Q) 및 바이패스 밸브(39)의 개방도(A)는, 연료전지(2)의 저효율 운전의 동작점에 따라, 제어장치(6)에 의해 결정되는 값이다.
Figure 112009081157218-pct00004
제어장치(6)는, 이와 같이 하여 산출한 추정 압력(PE)과, 압력센서(35)로 검출한 압력(검출 압력)(PO)을 비교하여, 양자의 편차의 절대값(e)을 산출한다. 그리고, 제어장치(6)는, 산출한 편차의 절대값(e)이 소정의 문턱값을 넘는 경우에, 배압 밸브(37) 또는 바이패스 밸브(39)가 고장나 있는(희석수단이 이상이다) 것으로 판정한다.
구체적으로는, 제어장치(6)는, 추정 압력(PE)이 검출 압력(PO)보다 작고, 또한, 이들 추정 압력(PE)과 검출 압력(PO)의 편차의 절대값(e)이 소정의 문턱값을 넘는 경우에, 바이패스 밸브(39)에 폐쇄 고장이 생긴 것으로 판정한다. 바이패스 밸브(39)에 폐쇄 고장이 생기면, 바이패스 유로(38)로 산화가스가 유입하기 어렵게 되어, 산화가스 공급 유로(32)에서의 산화가스의 압력(검출 압력)이 이론값(추정 압력)보다 유의하게 높아지기 때문이다. 한편, 제어장치(6)는, 추정 압력(PE)이 검출 압력(PO)보다 크고, 또한, 이들 추정 압력(PE)과 검출 압력(PO)의 편차의 절대값(e)이 소정의 문턱값을 넘는 경우에, 배압 밸브(37)에 개방 고장이 생긴 것으로 판정한다. 배압 밸브(37)에 개방 고장이 생기면, 배압 밸브(37)의 하류측으로 가 스가 누출되게 되기 때문에, 배압 밸브(37)의 상류측의 산화가스 공급 유로(32)에 서의 산화가스의 압력(검출 압력)이 이론값(추정 압력)보다 유의하게 낮아지기 때문이다.
다음에, 도 7의 플로우차트를 이용하여 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)의 제어방법에 대하여 설명한다.
먼저, 제어장치(6)는, 온도센서(2c)로부터 출력되는 센서신호에 의거하여 연료전지(2)의 온도를 검출하고(온도 검출공정 : S1), 검출한 온도와 소정의 기준 온도를 비교함으로써, 난기가 필요한지의 여부를 판정한다(난기 판정공정 : S2). 제어장치(6)는, 난기 판정공정(S2)에서, 연료전지(2)의 온도가 기준 온도를 넘어, 난기가 불필요하다고 판정한 경우에, 통상 운전을 실현시킨다(통상 운전공정 : S14). 한편, 제어장치(6)는, 난기 판정공정(S2)에서, 연료전지(2)의 온도가 기준 온도 이하이고, 난기가 필요한다고 판정한 경우에, 희석수단이 이상인지의 여부[배압 밸브(37) 또는 바이패스 밸브(39)가 고장나 있는지의 여부]를 판정한다(희석수단 이상 판정공정 : S3).
<이상 시 저효율 운전>
제어장치(6)는, 희석수단 이상 판정공정(S3)에서, 산출한 추정 압력(PE)과, 압력센서(35)에서의 검출 압력(PO)의 편차의 절대값(e)이 소정의 문턱값을 넘는(희석수단이 이상이다)다고 판정한 경우에, 이하의 이상 시 저효율 운전[전압 하한값설정공정(S4) ～ 이상 시 전류전압 제어공정(S6)]을 실시한다.
즉, 제어장치(6)는, 전류센서(2a)에서 검출한 연료전지(2)의 출력전류와, 온도센서(2c)에서 검출한 연료전지(2)의 온도와, 도 5 및 도 6의 테이블?맵에 의거하여, 연료전지(2)의 출력전압의 하한값을 설정한다(전압 하한값 설정공정 : S4). 그리고, 제어장치(6)는, 설정한 전압 하한값을 상회하는 목표 저효율 운전 동작점(목표로 하는 출력전류 지령값 및 출력전압 지령값)을 설정한다(이상 시 저효율 동작점 설정공정 : S5). 이어서, 제어장치(6)는, 고압 DC/DC 컨버터(51)를 사용함으로써, 전압센서(2b)에서 검출한 연료전지(2)의 출력전압을 출력 전압 지령값에 근접시키는 제어를 행함과 동시에, 에어컴프레서(31)나 배압 밸브(37)를 사용하여 연료전지(2)에 대한 공기 공급량을 조절함으로써, 전류센서(2a)에서 검출한 연료전지(2)의 출력전류를 출력전류 지령값에 근접시키는 제어를 행한다(이상 시 전류전압제어공정 : S6).
그 후, 제어장치(6)는, 연료전지(2)의 온도가 소정의 기준 온도를 넘었는지의 여부를 판정하여(온도 판정공정 : S7), 연료전지(2)의 온도가 기준 온도를 넘은 경우에는 이상 시 저효율 운전을 종료하고, 넘지 않은 경우에는 희석수단 이상 판정공정(S3)으로 되돌아가 제어를 속행한다. 이상과 같은 이상 시 저효율 운전에 서는, 바이패스 밸브(39) 등으로 구성되는 희석수단의 제어가 정지되게 된다.
<정상 시 저효율 운전>
한편, 제어장치(6)는, 희석수단 이상 판정공정(S3)에서, 산출한 추정 압력 (PE)과, 압력센서(35)에서의 검출 압력(PO)의 편차의 절대값(e)이 소정의 문턱값 이 하(희석수단이 정상이다)라고 판정한 경우에, 이하의 정상 시 저효율 운전[정상 시 저효율 동작점 설정공정(S8) ～ 수소 희석공정(S12)]을 실시한다.
즉, 제어장치(6)는, 소정의 난기 목표 온도 등에 따른 목표 저효율 운전동작점을 설정하고(정상 시 저효율 동작점 설정공정 : S8), 고압 DC/DC 컨버터(51)를 사용한 전압제어를 행함과 동시에, 에어컴프레서(31)나 배압 밸브(37)를 사용한 전류제어를 행한다(정상 시 전류전압 제어공정 : S9). 또, 제어장치(6)는, 설정한 목표 저효율 운전 동작점에 대응한 퍼지 수소량 및 펌핑 수소량을 맵 등에 의거하여 도출하고, 이들을 가산함으로써 연료전지(2)로부터의 총배출 수소량을 산출한다(총배출 수소량 산출공정 : S10). 이어서, 제어장치(6)는, 산출한 총배출 수소량에 의거하여, 배출 수소 농도를 소정의 환경 기준값 이하로 하기 위하여 필요한 희석정보[바이패스 유로(38)를 유통하는 산화가스의 유량의 지령값 등]를 산출한다(희석정보 산출공정 : S11). 그리고, 제어장치(6)는, 산출한 희석정보에 의거하여, 에어컴프레서(31)의 회전수, 배압 밸브(37)의 개방도, 바이패스 밸브(39)의 개방도 등을 조정하여, 정상 시 저효율 운전 중에 배출되는 펌핑 수소 등을 희석한다(수소 희석공정 : S12).
그 후, 제어장치(6)는, 연료전지(2)의 온도가 소정의 기준 온도를 넘었는지의 여부를 판정하여(온도 판정공정 : S13), 연료전지(2)의 온도가 기준 온도를 넘은 경우에는 정상 시 저효율 운전을 종료하고, 넘지 않은 경우에는 희석수단 이상 판정공정(S3)으로 되돌아가 제어를 속행한다. 이상과 같은 정상 시 저효율 운전에서는, 바이패스 밸브(39) 등으로 구성되는 희석수단에 의한 펌핑 수소의 희석이 가 능해지기 때문에, 전압의 하한값이 제한되는 경우가 없다.
이상 설명한 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에서는, 희석수단이 정상인 경우에는, 펌핑 수소의 농도를 희석수단으로 희석할 수 있고, 또한, 특히 전압의 하한값을 설정하지 않고 저효율 발전을 실시할 수 있기 때문에 난기(자기발열)를 효과적으로 행할 수 있다. 한편, 희석수단이 이상인 경우에는, 연료전지(2)의 전압 하한값을 특정한 값으로 설정하면서 저효율 발전을 실시함으로써, 펌핑 수소의 생성량을 소정량 이하로 억제할 수 있다.
또한, 이상의 실시형태에서는, 연료전지(2)의 온도가 저하한 경우에, 난기를 목적으로 하여 저효율 운전을 실시한 예를 나타내었으나, 연료전지(2)의 촉매 활성을 회복시키는 경우나, 연료전지(2)의 전극 촉매가 피독상태에 있는 것을 검지한 경우에, 저효율 운전을 실시할 수도 있다.
또, 이상의 실시형태에서는, 연료전지(2)에 설치한 온도센서(2c)를 사용하여 연료전지(2)의 온도를 검출하여 난기가 필요한지의 여부 등의 판정을 행하였으나, 연료전지(2)의 온도 대신, 외기 온도나 연료전지 주변의 부품 온도를 검출하여 난기가 필요한지의 여부 등의 판정을 행할 수도 있다.
본 발명에 관한 연료전지시스템은, 이상의 실시형태에 나타내는 바와 같이, 연료전지 차량에 탑재 가능하고, 또, 연료전지 차량 이외의 각종 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)에도 탑재 가능하다. 또, 본 발명에 관한 연료전지시스템을, 건물(주택, 빌딩 등)용 발전설비로서 사용되는 정치용 발전 시스템에 적용하여도 된다.

Claims (7)

  1. 발전을 행하는 연료전지와, 상기 연료전지에 대한 반응가스의 공급량을 통상 발전 시보다 저감시킴으로써 상기 연료전지의 저효율 발전을 실현시키는 제어수단을 구비하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 저효율 발전 시에 있어서 상기 연료전지의 캐소드에서 생성되는 애노드 가스의 생성량이 미리 설정된 양 이하가 되도록 상기 연료전지의 전압 하한값을 설정하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지의 캐소드에서 생성되는 애노드 가스를 희석하는 희석수단을 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 희석수단이 이상인 경우에만, 상기 저효율 발전 시에 있어서 상기 연료전지의 캐소드에서 생성되는 애노드 가스의 생성량이 미리 설정된 양 이하가 되도록 상기 연료전지의 전압 하한값을 설정하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    산화가스 공급원으로부터 공급되는 산화가스를 상기 연료전지의 캐소드에 공급하기 위한 가스공급 유로와,
    상기 연료전지의 캐소드로부터 배출되는 가스를 유통시키는 가스 배출 유로를 구비하고,
    상기 희석수단은, 상기 가스 공급 유로를 흐르는 산화가스의 일부를 상기 연료전지를 바이패스하여 상기 가스 배출 유로로 유도하는 바이패스 유로와, 상기 바이패스 유로를 유통하는 산화가스의 유량을 조정하는 바이패스 밸브를 가지고, 상기 가스 공급 유로로부터 상기 바이패스 유로를 경유하여 상기 가스 배출 유로로 흐르는 산화가스에 의해 상기 연료전지의 캐소드에서 생성되는 애노드 가스를 희석하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 산화가스 공급원으로부터 공급되는 산화가스의 압력을 검출하는 압력센서와,
    상기 바이패스 유로를 유통하는 산화가스의 유량의 지령값과, 상기 바이패스밸브의 개방도에 의거하여, 상기 산화가스 공급원으로부터 공급되는 산화가스의 압력을 추정하고, 이 추정 압력과 상기 압력센서로 검출한 검출 압력의 편차에 의거하여 상기 희석수단의 이상을 판정하는 이상 판정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이상 판정수단은, 상기 추정 압력이 상기 검출 압력보다 작고, 또한 상기 추정 압력과 상기 검출 압력의 편차의 절대값이 미리 설정된 문턱값을 넘는 경우에, 상기 바이패스 밸브에 폐쇄 고장이 생긴 것으로 판정하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 희석수단은, 가스 배출 유로를 유통하는 가스의 압력을 조정하는 배압 밸브를 가지고,
    상기 이상 판정수단은, 상기 추정 압력이 상기 검출 압력보다 크고, 또한, 상기 추정 압력과 상기 검출 압력의 편차의 절대값이 미리 설정된 문턱값을 넘는 경우에, 상기 배압 밸브에 개방 고장이 생긴 것으로 판정하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 발전을 행하는 연료전지를 구비하고, 상기 연료전지에 대한 반응가스의 공급량을 통상 발전 시보다 저감시킴으로써 상기 연료전지의 저효율 발전을 실현시키는 연료전지시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 저효율 발전 시에 있어서 상기 연료전지의 캐소드에서 생성되는 애노드 가스의 생성량이 미리 설정된 양 이하가 되도록 상기 연료전지의 전압 하한값을 설정하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.
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