KR20090097958A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지 시스템은, 연료전지에 대한 요구전력이 소정값 미만일 때에 연료전지에 대한 반응가스 공급을 정지함과 동시에, 연료전지의 출력전압이 개방단 전압(OCV)보다 낮은 고전위 회피전압(V1)으로 유지되도록 제어하고, 연료전지에 대한 요구전력이 소정값 이상일 때에, 고전위 회피전압(V1)을 상한으로 하여 연료전지의 출력전압을 제어한다. 연료전지의 출력전압의 상한을 개방단 전압(OCV)보다 낮은 고전위 회피전압(V1)으로 설정함으로써, 연료전지의 출력전압이 개방단 전압(OCV)까지 상승함에 의한 매체의 열화를 제어할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지의 출력전압을 개방단 전압보다 낮은 고전위 회피전압을 상한으로 하여 운전 제어하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료를 전기화학 프로세스에 의하여 산화시킴으로써, 산화반응에 따라 방출되는 에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 발전 시스템이다. 연료전지 스택은, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 고분자 전해질막의 양쪽 측면을 다공질 재료로 이루어지는 한 쌍의 전극에 의하여 끼워 유지하여 이루어지는 막-전극 어셈블리를 가진다. 한 쌍의 전극의 각각은, 백금계의 금속촉매를 담지하는 카본 분말을 주성분으로 하고, 고분자 전해질막에 접하는 촉매층과, 촉매층의 표면에 형성되어, 통기성과 전자 도전성을 더불어 가지는 가스 확산층을 가진다.
연료전지 시스템을 전력원으로 하여 탑재하는 연료전지 차량에서는, 발전 효율이 좋은 고출력 영역에서는, 연료전지 스택을 발전시켜, 연료전지 스택과 2차 전지의 양쪽 또는 연료전지 스택만으로부터 트랙션 모터에 전력을 공급하는 한편, 발전 효율이 나쁜 저출력 영역에서는, 연료전지 스택의 발전을 일시 휴지하고, 2차 전지만으로부터 트랙션 모터에 전력을 공급하는 운전 제어를 행하고 있다. 이와 같이, 연료전지 시스템의 발전 효율이 낮은 저부하 영역에서, 연료전지 스택의 운전 을 일시 휴지하는 것을 간헐운전이라 한다. 연료전지 시스템의 발전 효율이 저하하는 저부하 영역에서는, 간헐운전을 실시함으로써, 연료전지 스택을 에너지 변환 효율이 높은 범위 내에서 운전시키는 것이 가능해져, 연료전지 시스템 전체의 효율을 높일 수 있다.
일본국 특개2004-172028호 공보에는, 연료전지 스택에 대한 요구 부하가 소정값 이하인 경우에, 간헐운전을 실시하는 연료전지 시스템에 대하여 언급하고 있다. 상기 공보는, 간헐운전을 실시함으로써 발전 휴지상태로 이행한 연료전지 스택의 셀 전압이 소정값을 하회(下回)하였을 때에, 에어 컴프레서를 구동시켜, 연료전지 스택에 산소가스를 공급하고, 연료전지 스택의 캐소드극에서의 산소 부족을 해소하여 셀 전압을 회복시켜, 발전 요구에 대한 응답 지연을 개선하는 것에 대해서도 언급하고 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2004-172028호 공보
그런데, 종래의 간헐운전에서는, 연료전지 스택에 대한 반응가스 공급을 정지함과 동시에, 연료전지 스택의 출력단자에 병렬 접속하는 DC/DC 컨버터의 지령전압을 개방단 전압으로 설정하여, 연료전지 스택의 출력단자 전압을 개방단 전압(OCV)으로 제어하고 있었다. 연료전지 스택의 출력단자 전압을 개방단 전압으로 유지함으로써, 간헐운전 중에 연료전지 스택으로부터 전류가 유출하지 않도록 제어할 수 있다.
그러나, 저부하 운전시에 연료전지 스택의 출력단자 전압을 개방단 전압으로 유지하면, 막-전극 어셈블리의 촉매층에 포함되는 백금 촉매가 이온화하여 용출하는 경우가 있기 때문에, 연료전지 스택의 성능 저하를 억제하는 것이 검토 과제가 된다.
그래서, 본 발명은, 연료전지의 발전 효율의 향상과 내구성 유지를 양립할 수 있는 연료전지 시스템을 제안하는 것을 과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와, 연료전지에 대한 요구전력이 소정값 미만일 때에 연료전지로의 반응가스 공급을 정지함과 동시에 연료전지의 출력전압이 개방단 전압보다 낮은 고전위 회피전압으로 유지되도록 제어하고, 연료전지에 대한 요구전력이 소정값 이상일 때에, 고전위 회피전압을 상한으로 하여 연료전지의 출력전압을 제어하는 제어장치를 구비한다.
연료전지의 출력전압의 상한을 개방단 전압보다 낮은 고전위 회피전압으로 설정함으로써, 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 상승함에 의한 촉매의 열화를 억제할 수 있다.
본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 연료전지의 출력전압을 제어하는 DC/DC 컨버터를 더 구비한다. 제어장치는, 연료전지에 대한 요구전력이 소정값 미만일 때에, 연료전지의 출력전압이 고전위 회피전압보다 소정 전압 저하한 단계에서 DC/DC 컨버터의 구동을 정지한다.
연료전지의 출력전압이 고전위 회피전압보다 소정 전압 저하한 단계에서 DC/DC 컨버터의 구동을 정지함으로써, DC/DC 컨버터의 스위칭 손실을 억제함과 동시에, 연료전지 내부에 잔류하는 반응가스에 의한 연료전지의 출력전압 상승을 회피할 수 있다.
본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 축전장치를 더 구비한다. 제어장치는, 연료전지의 발전전력이 축전장치에 의하여 충전 가능한 전력과 보조기계류에 의하여 소비 가능한 전력의 합계를 넘은 경우에는, 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 승압하는 것을 허가한다.
연료전지의 발전전력이 축전장치의 충전 가능한 전력을 넘은 경우에는, 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 승압하는 것을 허가함으로써, 축전장치의 손상을 회피할 수 있다.
본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 트랙션 모터를 더 구비한다. 제어장치는, 트랙션 모터에 의한 회생 제동이 한참 실시되고 있는 중에서는 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 승압하는 것을 허가한다.
트랙션 모터에 의한 회생 제동이 한참 실시되고 있는 중에서는 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 승압하는 것을 허가함으로써, 회생 제동 중에 있어서의 연료전지의 발전을 정지하고, 회생전력을 더 많이 축전장치에 충전할 수 있다.
본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 연료전지에 반응가스를 공급하기 위한 배관계통에 설치되는 복수의 차단밸브를 더 구비한다. 제어장치는, 복수의 차단밸브를 밸브 폐쇄함으로써 배관계통 내부에 폐쇄공간을 형성하고, 폐쇄공간 내부의 가스압 변동을 검출함으로써 가스 누설을 한참 검출하고 있는 중에는, 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 승압하는 것을 허가한다.
가스 누설 검출을 한참 하고 있는 중에는, 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 승압하는 것을 허가함으로써, 가스 누설 검출 중에 있어서의 연료전지의 발전에 의한 반응가스 소비를 억제하여 가스 누설 검출 정밀도를 높일 수 있다.
여기서, 연료전지는, 복수의 셀을 적층하여 이루어지는 셀 스택이다. 제어장치는, 복수의 셀의 출력전압 중의 최고 전압이 소정값 이하가 되도록, 고전위 회피전압을 보정하는 것이 바람직하다. 셀 전압이 불균일하게 되어 있으면, 복수의 셀의 출력전압 중 가장 높은 전압이 1셀당 고전위 회피전압을 상회(上回)하는 경우가 있다. 복수의 셀의 출력전압 중의 최고 전압이 소정값(예를 들면, 셀 스택의 목표 전압을 셀 총수로 나눈 전압값) 이하가 되도록, 고전위 회피전압을 보정함으로써, 셀 전압의 불균일에 기인하는 내구성 저하를 억제할 수 있다.
도 1은, 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템의 시스템 구성도,
도 2는, 연료전지 스택을 구성하는 셀의 분해 사시도,
도 3은, 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템의 운전 제어를 나타내는 타이밍 차트,
도 4는, 스택 전압의 검출 오차를 나타내는 그래프,
도 5는, 셀 전압의 불균일을 나타내는 그래프,
도 6은, DC/DC 컨버터의 간헐정지를 나타내는 타이밍 차트,
도 7은, 고전위 회피 제어의 실행 조건을 나타내는 설명도,
도 8은, 회생 제동의 유무에 따라 고전위 회피 제어를 온/오프 전환하기 위한 운전 제어를 나타내는 타이밍 차트,
도 9는, 주행모드와 고전위 회피전압의 관계를 나타내는 그래프,
도 10은, 가스 누설 검출의 유무에 따라 고전위 회피 제어를 온/오프 전환하기 위한 운전 제어를 나타내는 타이밍 차트이다.
이하, 각 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은 연료전지 차량의 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능하는 연료전지 시스템(10)의 시스템 구성을 나타낸다.
연료전지 시스템(10)은, 연료전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능하는 것으로, 반응가스(연료가스, 산화가스)의 공급을 받아 발전하는 연료전지 스택(20)과, 산화가스로서의 공기를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 산화가스 공급계(30)와, 연료가스로서의 수소가스를 연료전지 스택(20)에 공급하기 위한 연료가스 공급계(40)와, 전력의 충방전을 제어하기 위한 전력계(50)와, 시스템 전체를 통괄 제어하는 컨트롤러(60)를 구비하고 있다.
연료전지 스택(20)은, 다수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자 전해질형 셀 스택이다. 연료전지 스택(20)에서는, 애노드극에서 식 (1)의 산화 반응이 생기고, 캐소드극에서 식 (2)의 환원반응이 생긴다. 연료전지 스택(20) 전체로서는 식 (3)의 기전반응이 생긴다.
H2 → 2H+ + 2e- … (1)
(1/2) O2 + 2H+ + 2e- → H2O … (2)
H2 + (1/2) O2 → H2O … (3)
연료전지 스택(20)에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압(FC 전압)을 검출하기 위한 전압센서(71) 및 출력 전류(FC 전류)를 검출하기 위한 전류센서(72)가 설치되어 있다.
산화가스 공급계(30)는, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화가스가 흐르는 산화가스 통로(33)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스 통로(34)를 가지고 있다. 산화가스 통로(33)에는, 필터(31)를 거쳐 대기 중으로부터 산화가스를 도입하는 에어 컴프레서(32)와, 에어 컴프레서(32)에 의하여 가압되는 산화가스를 가습하기 위한 가습기(35)와, 연료전지 스택(20)으로의 산화가스 공급을 차단하기 위한 차단밸브(A1)가 설치되어 있다. 산화 오프 가스 통로(34)에는, 연료전지 스택(20)으로부터의 산화 오프 가스 배출을 차단하기 위한 차단밸브(A2)와, 산화가스 공급압을 조정하기 위한 배압 조정 밸브(A3)와, 산화가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스)의 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(35)가 설치되어 있다.
연료가스 공급계(40)는, 연료가스 공급원(41)과, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료전지 스택(20)의 애노드극에 공급되는 연료가스가 흐르는 연료가스 통 로(43)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료가스 통로(43)에 귀환시키기 위한 순환통로(44)와, 순환통로(44) 내의 연료 오프 가스를 연료가스 통로(43)에 압송하는 순환펌프(45)와, 순환통로(44)에 분기 접속되는 배기 배수 통로(46)를 가지고 있다.
연료가스 공급원(41)은, 예를 들면, 고압 수소 탱크나 수소 흡장 합금 등으로 구성되고, 고압(예를 들면, 35MPa 내지 70MPa)의 수소가스를 저류한다. 차단밸브(H1)를 개방하면, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료가스 통로(43)에 연료가스가 유출된다. 연료가스는, 레귤레이터(H2)나 인젝터(42)에 의하여, 예를 들면, 200kPa 정도까지 감압되어, 연료전지 스택(20)에 공급된다.
또한, 연료가스 공급원(41)은, 탄화수소계의 연료로부터 수소 농후한 개질가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성한 개질가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크로 구성하여도 된다.
연료가스 통로(43)에는, 연료가스 공급원(41)으로부터의 연료가스의 공급을 차단 또는 허용하기 위한 차단밸브(H1)와, 연료가스의 압력을 조정하는 레귤레이터(H2)와, 연료전지 스택(20)으로의 연료가스 공급량을 제어하는 인젝터(42)와, 연료전지 스택(20)으로의 연료가스 공급을 차단하기 위한 차단밸브(H3)와, 압력센서(74)가 설치되어 있다.
레귤레이터(H2)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 조압하는 장치이고, 예를 들면, 1차압을 감압하는 기계식의 감압밸브 등으로 구성된다. 기계식의 감압밸브는, 배압실과 조압실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체 를 가지고, 배압실 내의 배압에 의하여 조압실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 구성을 가진다. 인젝터(42)의 상류측에 레귤레이터(H2)를 배치함으로써, 인젝터(42)의 상류측 압력을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 인젝터(42)의 기계적 구조(밸브체, 박스체, 유로, 구동장치 등)의 설계 자유도를 높일 수 있다. 또, 인젝터(42)의 상류측 압력을 저감시킬 수 있기 때문에, 인젝터(42)의 상류측 압력과 하류측 압력의 차압의 증대에 기인하여 인젝터(42)의 밸브체가 이동하기 어려워지는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 인젝터(42)의 하류측 압력의 가변 조압 폭을 넓힐 수 있음과 동시에, 인젝터(42)의 응답성의 저하를 억제할 수 있다.
인젝터(42)는, 밸브체를 전자 구동력으로 직접적으로 소정의 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 이격시킴으로써 가스 유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자 구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(42)는, 연료가스 등의 기체연료를 분사하는 분사구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체연료를 분사구멍까지 공급 안내하는 노즐 보디와, 이 노즐 보디에 대하여 축선방향(기체 흐름 방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.
본 실시형태에서는, 인젝터(42)의 밸브체는 전자 구동장치인 솔레노이드에 의하여 구동되고, 이 솔레노이드에 급전되는 펄스형상 여자(勵磁)전류의 온·오프에 의하여, 분사구멍의 개구 면적을 2단계로 전환할 수 있다. 컨트롤러(60)로부터 출력되는 제어신호에 의하여 인젝터(42)의 가스 분사 시간 및 가스 분사 시기가 제어됨에 따라, 연료가스의 유량 및 압력이 고정밀도로 제어된다. 인젝터(42)는, 밸 브(밸브체 및 밸브자리)를 전자 구동력으로 직접 개폐 구동하는 것으로, 그 구동주기가 고응답의 영역까지 제어 가능하기 때문에, 높은 응답성을 가진다. 인젝터(42)는, 그 하류에 요구되는 가스 유량을 공급하기 위하여, 인젝터(42)의 가스 유로에 설치된 밸브체의 개구 면적(개방도) 및 개방시간 중 적어도 한쪽을 변경함으로써, 하류측에 공급되는 가스 유량(또는 수소 몰농도)을 조정한다.
순환통로(44)에는, 연료전지 스택(20)으로부터의 연료 오프 가스 배출을 차단하기 위한 차단밸브(H4)와, 순환통로(44)로부터 분기되는 배기 배수 통로(46)가 접속되어 있다. 배기 배수 통로(46)에는, 배기 배수 밸브(H5)가 설치되어 있다. 배기 배수 밸브(H5)는, 컨트롤러(60)로부터의 지령에 의하여 작동함으로써, 순환통로(44) 내의 불순물을 함유하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출한다. 배기 배수 밸브(H5)의 밸브 개방에 의하여, 순환통로(44) 내의 연료 오프 가스 중의 불순물의 농도가 내려가, 순환계 내를 순환하는 연료 오프 가스 중의 수소 농도를 올릴 수 있다.
배기 배수 밸브(H5)를 거쳐 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스 통로(34)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되고, 희석기(도시 생략)에 의하여 희석된다. 순환펌프(45)는, 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의하여 연료전지 스택(20)에 순환 공급한다.
전력계(50)는, DC/DC 컨버터(51), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 트랙션 모터(54) 및 보조기계류(55)를 구비하고 있다. 연료전지 시스템(10)은, DC/DC 컨버터(51)와 트랙션 인버터(53)가 병렬로 연료전지 스택(20)에 접속하는 병렬형 하이 브리드 시스템으로서 구성되어 있다. DC/DC 컨버터(51)는, 배터리(52)로부터 공급되는 직류 전압을 승압하여 트랙션 인버터(53)로 출력하는 기능과, 연료전지 스택(20)이 발전한 직류 전력, 또는 회생 제동에 의하여 트랙션 모터(54)가 회수한 회생전력을 강압하여 배터리(52)에 충전하는 기능을 가진다. DC/DC 컨버터(51)의 이러한 기능에 의하여, 배터리(52)의 충방전이 제어된다. 또, DC/DC 컨버터(51)에 의한 전압 변환 제어에 의하여, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력 전류)가 제어된다.
배터리(52)는, 잉여 전력의 저장원, 회생 제동시의 회생 에너지 저장원, 연료전지 차량의 가속 또는 감속에 따르는 부하 변동시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 배터리(52)로서는, 예를 들면, 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차 전지 등의 2차 전지가 적합하다. 배터리(52)에는, SOC(State of charge)를 검출하기 위한 SOC 센서(73)가 설치되어 있다.
트랙션 인버터(53)는, 예를 들면, 펄스 폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이고, 컨트롤러(60)로부터의 제어 지령에 따라, 연료전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토오크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는, 예를 들면, 3상 교류 모터이고, 연료전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조기계류(55)는, 연료전지 시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모터(예를 들면, 펌프류 등의 동력원)나, 이들 모터를 구동하기 위한 인버터류, 또한 각종 차량 탑재 보조기계류(예를 들면, 에어 컴프레서, 인젝터, 냉각수 순환펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
컨트롤러(60)는, CPU, ROM, RAM 및 입출력 인터페이스를 구비하는 컴퓨터 시스템으로, 연료전지 시스템(10)의 각부를 제어한다. 예를 들면, 컨트롤러(60)는, 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동 신호(IG)를 수신하면, 연료전지 시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터 센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개방도 신호(ACC)나, 차속센서로부터 출력되는 차속 신호(VC) 등을 기초로, 시스템 전체의 요구전력을 구한다. 시스템 전체의 요구전력은, 차량 주행 전력과 보조기계 전력의 합계값이다.
여기서, 보조기계 전력에는, 차량 탑재 보조기계류(가습기, 에어 컴프레서, 수소펌프 및 냉각수 순환펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어장치, 조타장치 및 현가장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승자 공간 내에 설치되는 장치(공기 조절장치, 조명기구 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(20)과 배터리(52)의 각각의 출력전력의 배분을 결정하고, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표전력에 일치하도록, 산화가스 공급계(30) 및 연료가스 공급계(40)를 제어함과 동시에, DC/DC 컨버터(51)를 제어하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력 전류)를 제어한다. 또한, 컨트롤러(60)는, 액셀러레이터 개방도에 따른 목표 토오크가 얻어지도록, 예를 들면, 스위칭 지령으로서, U상, V상 및 W상의 각 교류 전압 지령값을 트랙션 인버터(53)로 출력하여, 트랙션 모 터(54)의 출력 토오크 및 회전수를 제어한다.
도 2는 연료전지 스택(20)을 구성하는 셀(21)의 분해 사시도이다.
셀(21)은, 고분자 전해질막(22)과, 애노드극(23)과, 캐소드극(24)과, 세퍼레이터(26, 27)로 구성되어 있다. 애노드극(23) 및 캐소드극(24)은, 고분자 전해질막(22)을 양측에서 끼워 샌드위치 구조를 이루는 확산 전극이다. 가스 불투과의 도전성 부재로 구성되는 세퍼레이터(26, 27)는, 이 샌드위치 구조를 더욱 양측에서 끼우면서, 애노드극(23) 및 캐소드극(24)의 사이에 각각 연료가스 및 산화가스의 유로를 형성한다. 세퍼레이터(26)에는, 단면 오목형상의 리브(26a)가 형성되어 있다. 리브(26a)에 애노드극(23)이 맞닿음으로써, 리브(26a)의 개구부는 폐색(閉塞)되어, 연료가스 유로가 형성된다. 세퍼레이터(27)에는, 단면 오목형상의 리브(27a)가 형성되어 있다. 리브(27a)에 캐소드극(24)이 맞닿음으로써, 리브(27a)의 개구부는 폐색되어, 산화가스 유로가 형성된다.
애노드극(23)은, 백금계의 금속촉매(Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru 등)를 담지하는 카본 분말을 주성분으로 하고, 고분자 전해질막(22)에 접하는 촉매층(23a)과, 촉매층(23a)의 표면에 형성되어, 통기성과 전자 도전성을 더불어 가지는 가스 확산층(23b)을 가진다. 마찬가지로, 캐소드극(24)은, 촉매층(24a)과 가스 확산층(24b)을 가진다. 더욱 상세하게는, 촉매층(23a, 24a)은, 백금, 또는 백금과 다른 금속으로 이루어지는 합금을 담지한 카본 분말을 적당한 유기용매로 분산시켜, 전해질 용액을 적당량 첨가하여 페이스트화하고, 고분자 전해질막(22) 상에 스크린 인쇄한 것이다. 가스 확산층(23b, 24b)은, 탄소 섬유로 이루어지는 실로 직 성(織成)한 카본 크로스, 카본 페이퍼, 또는 카본 펠트에 의하여 형성되어 있다. 고분자 전해질막(22)은, 고체 고분자 재료, 예를 들면, 불소계 수지에 의하여 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이고, 습윤상태에서 양호한 전기 전도성을 발휘한다. 고분자 전해질막(22), 애노드극(23) 및 캐소드극(24)에 의하여 막-전극 어셈블리(25)가 형성된다.
도 3은 연료전지 시스템(10)의 운전 제어를 나타내는 타이밍 차트이다.
연료전지 시스템(10)은, 운전 부하에 따라, 연료전지 스택(20)의 운전모드를 전환함으로써 발전 효율의 향상을 도모한다. 예를 들면, 연료전지 시스템(10)은, 발전 효율이 낮은 저부하 영역(발전 요구가 소정값 미만이 되는 운전영역)에서는, 연료전지 스택(20)의 발전 지령값을 제로로 설정하여 운전 제어하고, 차량 주행에 필요한 전력이나 시스템 운용상 필요한 전력을 배터리(52)로부터의 전력에 의하여 공급한다(이하, 제 1 운전모드라 한다). 한편, 발전 효율이 높은 고부하 영역(발전 요구가 소정값 이상이 되는 운전영역)에서는, 액셀러레이터 개방도나 차속 등을 기초로 연료전지 스택(20)의 발전 지령값을 산출하여 운전 제어하고, 차량 주행에 필요한 전력이나 시스템 운용상 필요한 전력을 연료전지 스택(20)에 의한 발전전력만에 의하여 또는 연료전지 스택(20)에 의한 발전전력과 배터리(52)로부터의 전력에 의하여 공급한다(이하, 제 2 운전모드라 한다).
연료전지 시스템(10)은, 운전모드를 나타내는 제어 플래그를 일정 주기로 감시하고 있고, 제어 플래그가 온이 되면 제 1 운전모드로 운전 제어하고, 제어 플래그가 오프가 되면 제 2 운전모드로 운전 제어한다. 어느 운전모드에서도, 통상 운 전시에 있어서의 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 원칙적으로, 사용 상한 전압(V1)과 사용 하한 전압(V2)의 사이의 운전 범위로 제한된다.
사용 상한 전압(V1)으로서는, 연료전지 스택(20)의 촉매층(23a, 24a)에 함유되어 있는 백금 촉매가 용출하지 않는 정도의 전압 범위라는 조건을 만족하는 전압인 것이 바람직하고, 또한 그 조건에 더하여, 연료전지 스택(20)으로의 반응가스 공급을 정지한 상태에서 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전압(V1)으로 유지하였을 때에, 연료전지 스택(20)이 발전하는 전력을 보조기계류(55)에 의하여 소비할 수 있는 정도의 전압 범위라는 조건을 만족하는 전압인 것이 바람직하다. 연료전지 스택(20)에서는, 특히 저밀도 전류 운전시나 아이들 운전시와 같은 캐소드극(24)의 전위가 높게 유지되는 경우에, 촉매층(24a)의 백금 촉매가 용출할 가능성이 있다. 본 명세서에서는, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전압(V1) 이하로 제어하여, 연료전지 스택(20)의 내구성을 유지하는 것을 고전위 회피 제어라 한다. 또 사용 상한 전압(V1)을 고전위 회피전압이라 하는 경우가 있다. 본 실시형태에서는, 어느 운전모드에서도, 원칙적으로, 고전위 회피 제어가 실행된다. 사용 상한 전압(V1)은, 예를 들면 1개의 셀당 전압이 0.9V 정도가 되도록 설정하는 것이 적합하다.
사용 하한 전압(V2)으로서는, 셀 전압이 환원영역에 저하하지 않는 정도의 전압 범위라는 조건을 만족하는 전압인 것이 바람직하다. 연료전지 스택(20)을 산화영역에서 계속 연속 운전하면, 촉매층(24a)에 함유되는 백금 촉매의 표면에 산화 피막이 형성됨으로써 백금 촉매의 유효 면적이 감소한다. 그러면, 활성 전압이 증 대하기 때문에, 연료전지 스택(20)의 I-V 특성이 저하한다. 촉매 활성화 처리를 실시함으로써, 산화 피막을 환원하고, 백금 촉매로부터 산화 피막을 제거함으로써, I-V 특성을 회복시킬 수 있으나, 셀 전압을 산화영역과 환원영역의 사이에서 빈번하게 천이시키면, 연료전지 스택(20)의 내구성이 저하한다. 또, 셀 전압을 환원영역에까지 내린 후에, 요구 부하의 증대에 따라 셀 전압을 산화영역까지 끌어올리면, 백금 촉매를 담지하는 카본이 산화되는 경우가 있다. 이러한 사정을 감안하여, 통상 운전시에서의 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 하한 전압(V2) 이상으로 제어함으로써, 연료전지 스택(20)의 내구성 저하를 억제할 수 있다. 사용 하한 전압(V2)은, 예를 들면 1개의 셀당 전압이 0.8V 정도가 되도록 설정하는 것이 적합하다.
또한, 통상 운전시에서의 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 원칙적으로, 사용 상한 전압(V1)과 사용 하한 전압(V2)의 사이에 제어되나, 시스템 운용의 필요상, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전압(V1) 이상으로 제어하거나, 또는 사용 하한 전압(V2) 이하로 제어하는 경우가 있다. 예를 들면, 배터리(52)의 SOC가 소정 이상일 때, 가스 누설 검출을 실시할 때, 회생 제동에 의하여 회생전력을 회수할 때 등은, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 개방단 전압까지 끌어올려진다. 또, 촉매 활성화 처리를 실시할 때에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 사용 하한 전압(V2) 이하로 끌어내려진다.
그런데, 제 1 운전모드에서는, 컨트롤러(60)는, 발전 지령값을 제로로 설정하고, 연료전지 스택(20)으로의 반응가스 공급을 정지함과 동시에, DC/DC 컨버 터(51)로의 전압 지령값을 사용 상한 전압(V1)으로 설정한다(시각 t0∼t4). 반응가스 공급을 정지한 후에 있어서도, 연료전지 스택(20) 내부에는, 미반응의 반응가스가 잔류하고 있기 때문에, 연료전지 스택(20)은, 잠시 미량으로 발전한다.
시각 t0∼t2의 기간은, 잔류 반응가스가 가지는 화학에너지가 전기에너지로 변환됨으로써, 미량 발전이 계속되고 있는 발전기간이다. 이 발전기간에서는, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 상한 전압(V1)을 유지할 수 있을 만큼의 에너지를 잔류 반응 가스가 가지고 있기 때문에, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 사용 상한 전압(V1)을 계속 유지한다. 이 발전기간 중에 발전된 전력은, 보조기계류(55)에서 소비되나, 보조기계류(55)에서 다 소비하지 못하는 경우에는, 배터리(52)에 충전된다.
시각 t0∼t1의 기간에서는, 연료전지 스택(20)의 발전 에너지가 보조기계류(55)의 소비 용량을 넘고 있기 때문에, 발전 에너지의 일부가 배터리(52)에 충전되어 있다. 그런데, 잔류 반응 가스의 소비에 따라 연료전지 스택(20)에서 방출되는 발전 에너지는, 점차 감소해 가기 때문에, 시각 t1의 시점에서는, 연료전지 스택(20)으로부터 방출되는 발전에너지와, 보조기계류(55)의 소비 용량이 균형을 이루어, 배터리(52)에 충전되는 전력은 제로가 된다. 그리고, 시각 t1∼시각 t2의 기간에서는, 연료전지 스택(20)으로부터 방출되는 발전 에너지로는, 보조기계류(55)의 소비 전력을 공급할 수 없게 되기 때문에, 그 부족 전력을 보충하기 위하여, 배터리(52)로부터 보조기계류(55)에 전력이 공급되게 된다.
시각 t2∼t4의 기간은, 잔류 반응 가스의 소비에 의하여, 연료전지 스택(20) 의 출력전압을 더 이상 사용 상한 전압(V1)으로 유지할 수 없게 되어, 발전 정지에 도달하는 발전 정지 기간이다. 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전압(V1)으로 유지하기 위해서 필요한 에너지를 잔류 반응 가스가 가지지 않게 되면, 발전 정지에 도달하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 점차 저하해 간다. 이 발전 정지 기간에서는, 연료전지 스택(20)의 발전 에너지는 제로가 되기 때문에, 배터리(52)로부터 보조기계류(55)에 공급되는 전력은 대략 일정해진다.
연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 하한 전압(V2)까지 저하하는 시각 t3에서는, 산화가스 공급계(30)를 구동하여, 연료전지 스택(20)에 산화가스를 보급한다. 연료전지 스택(20)은, 산화가스의 보급을 받아 발전하기 때문에, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 상승으로 바뀐다. 연료전지 스택(20)의 출력전압이 소정 전압(예를 들면, 360V)까지 승압한 단계에서, 산화가스 보급을 종료한다. 이와 같이, 발전 정지 기간 중에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 하한 전압(V2)까지 저하할 때마다 산화가스가 적절하게 보급되어, 출력전압이 사용 하한 전압(V2)을 하회하지 않도록 제어된다.
제 2 운전모드에서는, 컨트롤러(60)는, 요구 부하에 따라 발전 지령값을 산출하고, 연료전지 스택(20)으로의 반응가스 공급을 제어함과 동시에, DC/DC 컨버터(51)를 거쳐 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력 전류)를 제어한다(시각 t4∼시각 t5). 이때, DC/DC 컨버터(51)에 대한 전압 지령값은, 사용 상한 전압(V1)과 사용 하한 전압(V2) 사이의 운전 범위로 제한된다.
또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 전압센서(71)에 의하여 측정되는 측정전 압(VDC)은, 연료전지 스택(20)의 실전압(VTC)보다 ΔVstack만큼 작은 경우가 있다. 오차(ΔVstack)의 주된 원인으로서, 스택 전류의 역류를 방지하기 위하여 설치된 다이오드(75)에 의한 전압 강하나 전압센서(71)에 의한 계측 오차 등을 생각할 수 있다. 이러한 오차가 생기면, 컨트롤러(60)는, 실전압(VTC)보다 ΔVstack만큼 작은 측정 전압(VDC)이 목표 전압에 일치하도록, DC/DC 컨버터(51)를 제어하게 되기 때문에, 실전압(VTC)은 목표 전압보다 ΔVstack만큼 높은 전압으로 제어되게 된다.
실전압(VTC)이 목표 전압보다 ΔVstack만큼 높은 전압으로 제어되면, 연료전지 스택(20)의 열화를 촉진하기 때문에, 오차(ΔVstack)를 가미한 후에, 측정 전압(VDC)을 보정하여, 실전압(VTC)이 목표 전압에 일치하도록 DC/DC 컨버터(51)를 제어하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 다이오드(75)에 의한 전압 강하나, 전압센서(71)에 의한 계측 오차를 정상 오차로서 취급할 수 있는 경우에는, 보정값으로서의 ΔVstack을 측정전압(VDC)에 가산하고, 이것을 실전압(VTC)으로서 취급하여, 실전압(VTC)이 목표 전압에 일치하도록 DC/DC 컨버터(51)를 제어하면 된다.
실전압(VTC)은, 셀모니터에 의하여 측정되는 각 셀(21)의 셀 전압의 합계값(Vcell _ all)과 같기 때문에, Vcell _ all과 VDC 사이의 오차(ΔVstack)를 소정의 연산주기로 산출하고, 오차(ΔVstack)를 가미한 후에 측정전압(VDC)을 실시간으로 보정하여, 실전 압(VTC)이 목표 전압에 일치하도록 DC/DC 컨버터(51)를 제어하여도 된다.
단, 실전압(VTC)이 목표 전압에 일치하도록 DC/DC 컨버터(51)를 제어하였다고 해도, 도 5에 나타내는 바와 같이, 셀(21)의 출력전압(셀 전압)에는, 불균일이 있기 때문에, 일부의 셀(21)의 셀 전압이 1셀당 목표 전압을 넘는 경우가 있다[1셀당 목표 전압이란, 연료전지 스택(20)의 목표 전압을 셀 총수로 나눈 전압값을 말한다]. 이러한 경우에는, 당해 일부의 셀(21)의 열화가 촉진되기 때문에, 어느 셀(21)의 셀 전압도 1셀당 목표 전압을 넘지 않도록, 컨트롤러(60)는, 목표 전압을 보정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(20)을 구성하는 각각의 셀(21)의 셀 전압을 셀 전압 검출장치(도시 생략)에 의하여 감시하고, 최고 셀 전압(Vcell _ max)과 평균 셀 전압(Vcell _ ave)의 차분(ΔVcell)을 기초로 연료전지 스택(20)의 목표 전압을 보정하여, 어느 셀(21)의 셀 전압도 1셀당 목표 전압을 넘지 않도록 제어하는 것이 바람직하다.
도 6은 DC/DC 컨버터(51)의 간헐정지를 나타내는 타이밍 차트이다.
이 타이밍 차트는, 연료전지 차량이 저속 주행으로부터 점차 감속하여 차량 정지에 도달하는 일련의 제어과정을 나타내고 있다.
저속 주행을 하고 있는 연료전지 차량의 부하가 가벼워져서, 연료전지 스택(20)에 대한 요구 부하가 소정의 문턱값을 하회하는 시각 t10에서는, 제어 플래그는 오프에서 온으로 전환된다. 이것에 의하여, 연료전지 시스템(10)의 운전모드는, 제 2 운전모드에서 제 1 운전모드로 전환된다. 그리고, 차속이 소정값(예를 들 면, 수 km/h 정도) 이하가 되는 시각 t11에서는, 주행 플래그는, 온에서 오프로 전환된다. 주행 플래그란, 차량이 주행상태에 있는지의 여부를 나타내는 플래그 정보로, 연료전지 차량이 주행하고 있는 상태(차속이 소정값 이상인 상태)에 있을 때는, 주행 플래그는 온이 되고, 정지하고 있는 상태(차속이 소정값 미만인 상태)에 있을 때는, 주행 플래그는 오프가 된다.
연료전지 차량이 완전히 정지하는 시각 t12에서는, 모터 구동 허가 플래그는, 온에서 오프로 전환된다. 모터 구동 허가 플래그란, 트랙션 모터(54)의 구동이 허가되어 있는 상태인지의 여부를 나타내는 플래그 정보로, 트랙션 모터(54)의 구동을 허가할 수 있는 경우는, 모터 구동 허가 플래그는 온이 되고, 트랙션 모터(54)의 구동을 허가할 수 없는 경우[트랙션 모터(54)가 셧다운하고 있는 상태]는, 모터 구동 허가 플래그는 오프가 된다.
그런데, 제 1 운전모드에서는, 컨트롤러(60)는, 발전 지령값을 제로로 설정하고, 연료전지 스택(20)으로의 반응가스 공급을 정지함과 동시에, DC/DC 컨버터(51)에 대한 전압 지령값을 사용 상한 전압(V1)으로 설정한다. 반응 가스 공급이 정지된 직후에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전압(V1)으로 유지하기 위하여 충분한 반응가스가 연료전지 스택(20) 내부에 잔류하고 있으나, 잔류 반응 가스에 의한 미량 발전에 의하여, 잔류 반응 가스는 점차 감소해 간다. 연료전지 스택(20)의 출력전압을 사용 상한 전압(V1)으로 유지하기 위하여 필요한 에너지를 잔류 반응 가스가 가지지 않게 되면, 발전 정지에 도달하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 점차 저하해 간다.
연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 상한 전압(V1)으로부터 ΔV만큼 저하하여 전압 V3에 도달하는 시각 t13에서는, 컨버터 구동 허가 플래그는, 온에서 오프로 전환된다. 컨버터 구동 허가 플래그란, DC/DC 컨버터(51)의 구동이 허가되어 있는 상태인지의 여부를 나타내는 플래그 정보이고, DC/DC 컨버터(51)의 구동을 허가할 수 있는 경우는, 컨버터 구동 허가 플래그는 온이 되고, DC/DC 컨버터(51)의 구동을 허가할 수 없는 경우는, 컨버터 구동 허가 플래그는 오프가 된다.
연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 하한 전압(V2)을 하회하는 시각 t14에서는, 컨트롤러(60)는, 산화가스 공급 시스템(40)을 구동하고, 연료전지 스택(20)에 산화가스를 보급한다. 연료전지 스택(20)은, 산화가스의 보급을 받아 발전하기 때문에, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 상승으로 바뀐다. 또, 연료전지 스택(20)으로의 산화가스 보급이 시작되는 시각 t14에서는, 컨버터 구동 허가 플래그가 오프에서 온으로 전환되어, DC/DC 컨버터(51)가 재기동된다. DC/DC 컨버터(51)가 재기동하는 시각 t14의 시점에서는, 제어 플래그는 온 상태 그대로이기 때문에, DC/DC 컨버터(51)에 대한 전압 지령값은, 사용 상한 전압(V1)으로 설정된다. 이것에 의하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 사용 상한 전압(V1)과 사용 하한 전압(V2)의 사이에 제어된다.
이와 같이, 「트랙션 모터(54)가 셧다운하고 있는 것」, 「연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 상한 전압(V1)으로부터 ΔV만큼 저하한 것」을 조건으로 하여, DC/DC 컨버터(51)의 구동(트랜지스터의 스위칭 동작)을 정지(이하, 간헐정지라 한다)함으로써, DC/DC 컨버터(51)의 스위칭 손실을 저감하여, 에너지 효율을 높 일 수 있다.
여기서, 상기 2개의 조건을, DC/DC 컨버터(51)를 간헐정지하기 위한 조건으로 하는 이유에 대하여 설명한다. 가령 트랙션 모터(54)가 셧다운하고 있지 않은 상태에서 DC/DC 컨버터(51)의 구동을 정지하면, DC/DC 컨버터(51)에 의한 연료전지 스택(20)에 대한 전압 제어가 작용하지 않게 되기 때문에, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 트랙션 인버터(53)에 의하여 끌어내려져서, 컨트롤 불능에 빠질 뿐 아니라, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 하한 전압(V2)을 하회할 우려가 있다.
또, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 상한 전압(V1)을 유지하고 있는 상태에서는, 충분한 양의 반응가스가 연료전지 스택(20)에 잔류하고 있어 발전을 계속하고 있을 가능성이 있다. 가령 이러한 상태에서, DC/DC 컨버터(51)의 구동을 정지하면, 연료전지 스택(20)이 발전하는 전력 중 트랙션 인버터(53)에 의하여 다 소비되지 않은 만큼만 연료전지 스택(20)의 출력전압이 상승하여, 사용 상한 전압(V1)을 넘을 우려가 있다.
한편, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 상한 전압(V1)으로부터 ΔV만큼 저하하는 상태에서는, 잔류 반응 가스의 양은 미량이고, 더구나 발전 정지 상태에 있기 때문에, DC/DC 컨버터(51)의 구동을 정지하여도, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 상승하는 일은 없다. 이상의 이유에서, 상기 2개의 조건을, DC/DC 컨버터(51)를 간헐정지하기 위한 조건으로 하고 있다.
도 7은 고전위 회피 제어의 실행 조건을 나타내는 설명도이다.
상기 도면에 나타내는 바와 같이, 고전위 회피 제어의 실시가 허가되기 위해 서는, (A1) 배터리(52)의 SOC가 SOC1 이하일 것, (B1) 차량이 회생 제동 중이 아닐 것, (C1) 가스 누설 검출의 판정 중이 아닐 것의 모든 조건이 만족되고 있는 것이 필요하다. 한편, 고전위 회피 제어의 실시가 금지되기 위해서는, (A2) 배터리(52)의 SOC가 SOC2 이상일 것, (B2) 차량이 회생 제동 중일 것, (C2) 가스 누설 검출의 판정 중일 것 중 어느 하나의 조건이 만족되고 있는 것이 필요하다.
(배터리)
컨트롤러(60)는, SOC 센서(73)로부터 출력되는 신호를 판독함으로써, 배터리(52)의 충전상태를 정기적으로 감시한다. 그리고, 배터리(52)의 SOC가 SOC2(예를 들면 75%) 이상이 되면, 컨트롤러(60)는, 고전위 회피 제어기능을 온(허가)에서 오프(금지)로 전환한다. 고전위 회피 제어기능이 오프가 되면, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 개방단 전압으로 유지된다. 한편, 배터리(52)의 SOC가 SOC1(예를 들면 70%) 이하가 되면, 컨트롤러(60)는, 고전지 회피 제어기능을 오프에서 온으로 전환한다. 고전위 회피 제어기능이 온이 되면, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 사용 상한 전압(V1) 이하로 제어된다.
제 1 운전모드에서, 고전지 회피 제어를 실시하면, 연료전지 스택(20)에 대한 발전 지령값은 제로임에도 불구하고, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 사용 상한 전압(V1)으로 유지되기 때문에, 연료전지 스택(20)은, 잔류 반응 가스에 의한 전기 화학 반응에 의하여 미량으로 발전한다. 이 발전에 의하여 생성된 전력은, 보조기계 손실로서, 보조기계류(55)에 의하여 소비 가능하다고 생각되나, 연료전지 스택(20)의 발전의 불균일이나, 보조기계류(55)에 의한 소비전력의 불균일 등에 의 하여, 보조기계류(55)만으로는, 다 소비하지 못하는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 보조기계류(55)가 다 소비하지 못하는 전력을 배터리(52)에 충전하게 되나, 배터리(52)의 SOC가 높은 경우에는, 과충전을 야기하여, 배터리(52)가 파손할 우려가 있다. 그래서, 상기한 바와 같이, 배터리(52)의 SOC가 SOC2 이상이 되는 것을 조건으로 하여, 고전위 회피 제어기능을 온에서 오프로 전환함으로써, 과충전에 의한 배터리(52)의 파손을 회피할 수 있다.
또한, 상기의 설명에서는, 배터리(52)의 SOC를 기준으로 고전위 회피 제어기능의 온/오프 전환을 하기 위한 판정조건을 설정하는 예를 나타내었으나, 배터리(52)의 충전 능력을 기준으로 고전위 회피 제어기능의 온/오프 전환을 하기 위한 판정조건을 설정하여도 된다. 예를 들면, 배터리(52)의 충전 능력이 Win1(예를 들면-4kW) 이하가 되면, 고전위 회피 제어기능을 오프에서 온으로 전환하는 한편, 배터리(52)의 충전 능력이 Win2(예를 들면-2kW) 이상이 되면, 고전위 회피 제어기능을 온에서 오프로 전환한다. 단, 고전위 회피 제어기능을 온/오프 전환하기 위한 판정 조건은, 반드시 히스테리시스를 가지고 있을 필요는 없다.
(회생 제동)
회생 제동의 유무에 따라 고전위 회피 제어를 온/오프 전환하기 위한 운전 제어에 대하여, 도 8에 나타내는 타이밍 차트를 참조하면서 설명한다. 이 타이밍 차트는, 연료전지 차량이 주행상태에서 회생 제동으로 이행하는 일련의 경과를 나타내고 있다. 운전자가 시각 t20에서 브레이크 페달을 밟으면, 트랙션 모터(54)는, 회생 제동을 하여, 차량의 운동에너지를 전기에너지로 변환한다. 또, 시각 t20에 서, 회생 플래그는, 오프에서 온으로 전환된다. 회생 플래그란, 차량이 회생 제동을 하고 있는지의 여부를 나타내는 플래그 정보이고, 차량이 회생 제동하고 있지 않을 때는, 회생 플래그는 오프가 되고, 차량이 회생 제동하고 있을 때는, 회생 플래그는 온이 된다.
회생 플래그가 온이 되면, 컨트롤러(60)는, 연료전지 스택(20)의 상한 전압을 사용 상한 전압(V1)으로부터 개방단 전압으로 변경하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 사용 상한 전압(V1)을 넘어 개방단 전압이 되는 것을 허용한다. 회생 제동시에 있어서의 연료전지 스택(20)에 대한 요구 부하는 가볍기 때문에, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 점차 상승해 가고, 시각 t21의 시점에서 개방단 전압과 같아져서, 그 후에는 개방단 전압을 계속 유지한다. 또, 연료전지 스택(20)의 출력전압이 개방단 전압과 같아지는 시각 t21 이후에는, 발전 전류는 제로가 된다.
연료전지 스택(20)의 발전 전류가 제로가 된다는 것은, 연료전지 스택(20)이 발전하지 않게 되는 것을 의미하고 있기 때문에, 발전전력을 배터리(52)에 충전할 필요가 없어진다. 이것에 의하여, 회생전력을 충분히 배터리(52)에 충전할 수 있다. 여기서, 실선으로 나타내는 회생전력은, 회생 제동시에 고전위 회피 제어를 금지함으로써 배터리(52)에 충전할 수 있는 전력을 나타내고, 점선으로 나타내는 회생전력은, 회생 제동시에 고전위 회피 제어를 실시함으로써 배터리(52)에 충전할 수 있는 전력을 나타낸다. 양자의 차분(ΔW)은, 회생 제동시에 연료전지 스택(20)이 발전한 전력을 배터리(52)에 충전할 필요가 없어진 것에 기인하여, 배터리(52)에 의하여 대부분 회수할 수 있는 회생전력을 나타낸다.
이와 같이, 차량이 회생 제동할 때에는, 고전위 회피 제어기능을 오프로 함으로써, 연료전지 스택(20)의 발전전력을 제로로 하여, 더욱 많은 회생전력을 배터리(52)에 충전할 수 있기 때문에, 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 회생 제동시에는, 고전위 회피기능을 오프로 하는 것은 아니고, 사용 상한 전압(V1)을 개방단 전압보다 낮은 전압으로 끌어올리도록 제어하여도 된다. 또, 배터리(52)의 SOC가 낮은 경우에는, 트랙션 모터(54)가 회수한 회생전력뿐 아니라, 연료전지 스택(20)의 발전전력도 충전할 수 있는 여유가 있기 때문에, 배터리(52)의 SOC가 소정값 이상일 때에 회생 제동하는 것을 조건으로 하여, 고전위 회피 제어를 오프로 하여도 된다.
또, 차량의 주행모드(D/B 레인지)에 따라, 회생 제동 중의 고전위 회피전압의 목표값을 변경하여도 된다. 여기서, D 레인지는, 통상 주행시에 사용되는 주행모드이고, B 레인지는, 내리막길이나 고갯길 등을 주행하는 경우와 같이, 통상 주행시보다 큰 제동력이 요구될 때에 사용되는 주행모드이다. 트랙션 모터(54)에 의한 회생 제동 중은, 모터 회생 토오크는, 전력으로 변환되어, 배터리(52)에 충전되기 때문에, 회생 제동 중에도 고전위 회피 제어가 실시되고 있는 경우, 이하에 나타내는 전력 수지가 성립한다.
배터리 충전전력 + 보조기계 소비전력 = 모터 회생전력 + 연료전지 발전전력 … (4)
식 (4)에 나타내는 바와 같이, 차량 제동시의 연료전지 발전전력이 많으면, 모터 회생전력이 그 분만큼 감소하고, 충분한 제동 토오크를 확보할 수 없다. 이 때문에, 차량 제동시에는 고전위 회피전압을 끌어올림으로써, 연료전지 발전전력을 감소시켜, 충분한 제동 토오크를 확보하는 것이 바람직하다. 그래서, 컨트롤러(60)는, 차량 제동시에, 이하의 식 (5)가 성립하도록 고전위 회피전압을 가변 설정한다.
배터리 충전전력 + 보조기계 소비전력 ≥ 모터 회생전력 + 연료전지 발전전력 … (5)
여기서, 식 (5)로부터 유도되는 고전위 회피전압은, 도 9에 나타내는 바와 같은 맵 데이터로서, 컨트롤러(60) 내의 ROM에 유지하여도 된다. 도 9에서, 가로축은 회생전력을 나타내고, 세로축은 고전위 회피전압을 나타내고 있다. B 레인지와 D/R 레인지에서는, 제동 토오크가 다르기 때문에, 다른 맵 데이터로 하고 있다. 실선은, D 레인지의 맵 데이터를 나타내고, 파선은, B 레인지의 맵 데이터를 나타내고 있다. 컨트롤러(60)는, 차량의 주행모드가 D 레인지인지 또는 B 레인지인지를, 시프트 포지션에 의거하여 판정하고, 주행모드가 B 레인지인 경우에는, 주행모드가 D 레인지인 경우보다 고전위 회피전압의 목표값을 끌어올려, 큰 제동력을 확보한다. 이것에 의하여, 차량의 드라이버빌리티를 높일 수 있다.
(가스 누설 검출)
가스 누설 검출의 유무에 따라 고전위 회피 제어를 온/오프 전환하기 위한 운전 제어에 대하여, 도 10에 나타내는 타이밍 차트를 참조하면서 설명한다. 이 타이밍 차트는, 정차상태에 있는 연료전지 차량이 제 1 운전모드로 운전 중에 연료전지 시스템(10)의 연료가스 배관계에 가스 누설(수소 누설)이 발생하고 있는지의 여 부를 판정하기 위한 일련의 제어과정을 나타내고 있다.
연료전지 차량이 정차하는 등의 이유로 연료전지 스택(20)에 대한 요구전력이 소정값 미만이 되는 시각 t30에서는, 제어 플래그는, 오프에서 온으로 전환된다. 그러면, 컨트롤러(60)는, 제 1 운전모드로 연료전지 스택(20)을 운전 제어한다.
컨트롤러(60)는, 정차상태에 있는 연료전지 차량이 제 1 운전모드로 운전 제어되는 것을 계기로 하여, 연료가스 배관계에 수소 누설이 발생하고 있는지의 여부를 판정하기 위한 가스 누설 검출 루틴을 기동한다. 가스 누설 검출 루틴이 기동되면, 연료전지 스택(20)의 연료가스 입구의 상류측에 배치되어 있는 차단밸브(H3)와, 연료가스 출구의 하류측에 배치되어 있는 차단밸브(H4)가 각각 밸브 폐쇄되어, 연료가스 배관계 내부에 밀폐공간이 형성된다. 이 밀폐공간 내부의 가스압은, 압력센서(74)에 의하여 검출된다. 밀폐공간 내부의 단위 시간당의 가스압 저하량이 소정의 문턱값 이상인 경우에는, 가스 누설이 발생하고 있다고 판정된다.
가스 누설 검출 루틴이 기동되는 시각 t30에서는, 가스 누설 검출 플래그는, 오프에서 온으로 전환된다. 가스 누설 검출 플래그는, 가스 누설 검출처리가 실시되고 있는지의 여부를 나타내는 플래그 정보이고, 가스 누설 검출이 실시되고 있을 때는, 가스 누설 검출 플래그는 온이 되고, 가스 누설 검출처리가 실시되고 있지 않을 때에는, 가스 누설 검출 플래그는 오프가 된다.
가스 누설 검출 플래그가 온이 되는 시각 t30에서는, 고전위 회피 플래그는 온에서 오프로 전환된다. 고전위 회피 플래그란, 고전위 회피 제어를 허가하고 있 는지의 여부를 나타내는 플래그 정보이고, 고전위 회피 제어를 허가하고 있을 때에는, 고전위 회피 플래그는 온이 되고, 고전위 회피 제어를 금지하고 있을 때에는, 고전위 회피 플래그는 오프가 된다. 가스 누설 검출 중에 있어서의 고전위 회피 제어를 금지함으로써, 연료전지 스택(20)의 출력전압은, 시각 t30의 시점에서 사용 상한 전압(V1)으로부터 점차 상승하여, 이윽고 개방단 전압에 도달한다. 연료전지 스택(20)의 출력전압이 개방단 전압에 일치하면, 연료전지 스택(20)에 의한 발전은 정지한다.
가스 누설 판정에 필요한 소요시간이 경과하여, 가스 누설 검출처리가 완료하는 시각 t31에서는 가스 누설 검출 완료 플래그가 오프에서 온으로 전환된다. 가스 누설 검출 완료 플래그란, 가스 누설 검출이 완료하였는지의 여부를 나타내는 플래그 정보이고, 가스 누설 검출이 완료하면, 가스 누설 검출 완료 플래그는 온이 되고, 가스 누설 검출이 완료하지 않는 때에는, 가스 누설 검출 완료 플래그는 오프가 된다.
또, 가스 누설 검출처리가 완료하는 시각 t31에서는, 가스 누설 검출 플래그는 온에서 오프로 전환되고, 고전위 회피 플래그는 오프에서 온으로 전환된다. 고전위 회피 플래그가 오프에서 온으로 전환됨으로써, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 시각 t31의 시점에서 개방단 전압으로부터 점차 저하하여, 이윽고 사용 상한 전압(V1)에 도달한다. 또, 가스 누설 검출처리가 완료하면, 차단밸브(81, 82)는, 밸브 개방된다.
연료가스 배관계 내부에 밀폐공간을 형성하고, 소정시간 경과 후의 밀폐공간 내부의 가스압 저하량을 측정함으로써, 가스 누설 검출을 한참 실시하고 있는 중에 고전위 회피 제어를 허가하면, 연료전지 스택(20)이 발전하여, 밀폐공간 내부의 수소가스를 소비하기 때문에, 오판정할 가능성이 있다. 이것에 대하여, 본 실시형태에 의하면, 가스 누설 검출을 한참 실시하고 있는 중에 있어서의 고전위 회피 제어를 금지하기 때문에, 연료전지 스택(20)이 발전함에 의한, 밀폐공간 내부의 수소가스 소비를 억제할 수 있기 때문에, 고정밀도의 가스 누설 판정을 실시하는 것이 가능하게 된다.
또, 상기의 실시형태에서는, 연료전지 시스템(10)을 차량 탑재 전원 시스템으로서 사용하는 이용형태를 예시하였으나, 연료전지 시스템(10)의 이용형태는, 이 예에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 연료전지 시스템(10)을 연료전지 차량 이외의 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)의 전력원으로서 탑재하여도 된다. 또, 본 실시형태에 관한 연료전지 시스템(10)을 주택이나 빌딩 등의 발전설비(정치용 발전 시스템)로서 사용하여도 된다.
본 발명에 의하면, 연료전지의 출력전압의 상한을 개방단 전압보다 낮은 고전위 회피전압으로 설정함으로써, 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 상승함에 의한 촉매의 열화를 억제할 수 있다.

Claims (6)

  1. 반응가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지에 대한 요구전력이 소정값 미만일 때에 상기 연료전지로의 반응가스 공급을 정지함과 동시에 상기 연료전지의 출력전압이 개방단 전압보다 낮은 고전위 회피전압으로 유지되도록 제어하고, 상기 연료전지에 대한 요구전력이 소정값 이상일 때에, 상기 고전위 회피전압을 상한으로 하여 상기 연료전지의 출력전압을 제어하는 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지의 출력전압을 제어하는 DC/DC 컨버터를 더 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지에 대한 요구전력이 소정값 미만일 때에, 상기 연료전지의 출력전압이 상기 고전위 회피전압보다 소정 전압 저하한 단계에서 상기 DC/DC 컨버터의 구동을 정지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    축전장치를 더 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 연료전지의 발전전력이 상기 축전장치에 의하여 충전 가능한 전력과 보조기계류에 의하여 소비 가능한 전력의 합계를 넘은 경우에는, 상기 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 승압하는 것을 허가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    트랙션 모터를 더 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 트랙션 모터에 의한 회생 제동이 한참 실시되고 있는 중에는 상기 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 승압하는 것을 허가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지에 반응가스를 공급하기 위한 배관계통에 배치되는 복수의 차단밸브를 더 구비하고,
    상기 제어장치는, 상기 복수의 차단밸브를 밸브 폐쇄함으로써 상기 배관계통 내부에 폐쇄공간을 형성하고, 상기 폐쇄공간 내부의 가스압 변동을 검출함으로써 가스 누설을 한참 검출하고 있는 중에는, 상기 연료전지의 출력전압이 개방단 전압까지 승압하는 것을 허가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지는, 복수의 셀을 적층하여 이루어지는 셀 스택이고,
    상기 제어장치는, 상기 복수의 셀의 출력전압 중의 최고 전압이 소정값 이하가 되도록, 상기 고전위 회피전압을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스 템.
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