KR20100065208A - 연료전지시스템 - Google Patents

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고타 마나베
요시아키 나가누마
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

연료전지의 출력전압이나 출력전압을 적합하게 제어하면서, 운전상태를 천이시키는 것이 가능한 연료전지시스템을 제공한다.
ECU는 상기한 바와 같이 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 천이해야 할 타이밍이 도래하였다고 판단하면, ΔV 제어로 이행하는 전처리로서, 연료전지 스택에 공급하는 산화가스를 소정량만큼 증량하는 처리를 행한다(S120). ECU는, 이와 같은 처리 후, 출력전력을 검지하여, 출력전력 편차(Pd)를 산출한 후, 이 출력전력 편차(Pd)와, 설정된 편차 문턱값(ΔP)을 비교한다. ECU(70)는, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과한 경우에는, ΔV 제어를 실행한 후, I - V 제어를 실행한다(S130 → S140 → S150 → S160). 한편, ECU는, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않은 경우에는, ΔV 제어의 실행 타이밍이 도래하지 않았다고 판단하여, ΔV 제어를 행하지 않고, 강제적으로 I - V 제어를 개시한다(S130 → S140 → S170).

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 특히, 연료전지의 용량 성분에 대한 충방전량을 고려하면서 운전 제어하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지는, 연료를 전기화학 프로세스에 의해 산화시킴으로써 산화반응에 따라 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전시스템이며, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 전해질막의 양 측면을 다공질 재료로 이루어지는 1 쌍의 전극에 의해 끼워 유지하여 이루어지는 막 - 전극 어셈블리를 복수 적층하여 이루어지는 스택구조를 가지고 있다. 그 중에서도, 고체 고분자막을 전해질로서 사용하는 고체 고분자 전해질형 연료전지는, 저비용으로 컴팩트화가 용이하고, 또한 높은 출력밀도를 가지기 때문에, 차량 탑재 전력원으로서의 용도가 기대되고 있다.
이와 같은 종류의 연료전지는, 일반적으로 70∼80℃가 발전에 최적한 온도역으로 되어 있으나, 한랭지 등의 환경에서는, 기동하고 나서 최적 온도역에 도달하기 까지 장시간을 요하는 경우가 있기 때문에, 각종 난기 시스템이 검토되고 있다. 예를 들면, 일본국 특개2004-30979호 공보에는, 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 실시함으로써 연료전지의 자기발열량을 제어하고, 연료전지를 난기하는 방법에 대하여 개시되어 있다. 이와 같은 방법에 의하면, 연료전지에 의한 자기난기가 가능하기 때문에, 난기용 장치를 탑재할 필요가 없어, 편리성이 우수하다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2004-30979호 공보
그런데, 저효율 운전에 의한 난기를 종료하고 통상 운전으로 이행하는 경우에는, 이 운전상태의 천이에 맞추어 요구 파워를 고려하면서 연료전지의 출력전압이나 출력전류를 변화시킬 필요가 있다. 그러나, 이와 같은 운전상태의 천이에 맞추어 어떻게 연료전지의 출력전압이나 출력전류를 제어하여야 하는지, 이 점을 분명하게 한 종래 기술은 존재하고 있지 않았다.
본 발명은 이상 설명한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 연료전지의 출력전압이나 출력전압을 적합하게 제어하면서, 운전상태를 천이시키는 것이 가능한 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 연료전지시스템은, 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 행함으로써, 연료전지를 난기하는 연료전지시스템으로서, 상기 저효율 운전으로부터 상기 통상 운전으로 이행할 때에, 설정조건을 충족시키는지의 여부를 판단하는 판단수단과, 상기 설정조건을 충족시키지 않은 경우에는, 상기 연료전지의 용량 성분에 대한 충방전량을 고려하면서 시스템 요구 파워를 충족시키도록 당해 연료전지의 출력전압을 제어하는 ΔV 제어를 실행함으로써, 저효율 운전으로부터 ΔV 제어를 경유하여 통상 운전으로 이행시키는 한편, 상기 설정조건을 충족시키는 경우에는, 상기 ΔV 제어를 경유하지 않고, 저효율 운전으로부터 강제적으로 통상 운전으로 이행시키는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의하면, 저효율 운전에 의한 난기가 불필요하게 된 후에 서, 설정조건을 충족시키는 경우에는, 저효율 운전으로부터 강제적으로 통상 운전으로 이행되기 때문에, 저효율 운전에 의한 난기가 불필요하게 된 후에도 통상 운전으로 이행할 수 없어, 발전효율이 나쁜 저효율 운전이 계속되는 등의 문제를 미연에 방지하는 것이 가능해진다.
그 한편으로, 설정조건을 충족시키지 않은 경우에는, 상기 연료전지의 용량 성분에 대한 충방전량을 고려하면서 시스템 요구 파워를 충족시키도록 당해 연료전지의 출력전압을 제어하는 ΔV 제어를 실행함으로써, 저효율 운전으로부터 ΔV 제어를 경유하여 통상 운전으로 이행시키기 때문에, 외부 부하(배터리 등)에 공급하는 전력이 부족하거나, 외부 부하에 과잉의 전력이 공급되는 등의 문제를 방지할 수 있다.
여기서, 상기 구성에서는, 상기 저효율 운전으로부터 상기 통상 운전으로 이행할 때, 상기 연료전지에 공급하는 산화가스를 소정량 증가시키는 공급 산화가스 제어수단과, 상기 산화가스의 증가 전후에서의 연료전지의 출력전력을 검지함으로써, 당해 연료전지의 출력전력 편차를 도출하는 도출수단을 더 구비하고, 상기 판단수단은, 도출된 상기 연료전지의 출력전력 편차가 설정된 전력 문턱값를 하회한 경우에, 상기 설정조건을 충족시킨다고 판단하는 형태가 바람직하다.
또, 상기 구성에서는, 상기 판단수단은, 도출된 상기 연료전지의 출력전력 편차가 설정된 전력 문턱값를 소정시간 이상 계속하여 하회한 경우에, 상기 설정조건을 충족시킨다고 판단하는 형태가 더욱 바람직하다.
또, 상기 구성에서는, 상기 연료전지의 관련 온도를 검지하는 검지수단과, 검지되는 상기 관련 온도에 의거하여 상기 저효율 운전으로부터 상기 통상 운전으로 이행해야 하는지의 여부를 판정하는 이행 판정수단을 더 구비하고, 상기 판단수단은, 상기 이행 판정수단에 의해 상기 저효율 운전으로부터 상기 통상 운전으로 이행해야 한다고 판정된 경우에, 상기 설정조건을 충족시키는지의 여부의 판단을 행하는 형태가 바람직하다.
또, 본 발명에 관한 다른 연료전지시스템은, 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 행함으로써, 연료전지를 난기하는 연료전지시스템으로서, 저효율 운전 중에 상기 연료전지의 출력전압을 변경해야 하는지의 여부를 판단하는 판단수단과, 상기 출력전압을 변경해야 한다고 판단한 경우에는, 상기 연료전지의 용량 성분에 대한 충방전량을 고려하면서 시스템 요구 파워를 충족시키도록 당해 연료전지의 출력전압을 제어하는 ΔV 제어를 실행함으로써, 상기 출력전압을 변경하는 전압 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 구성에서는, 배기수소 농도 하한값을 만족할 수 있는 상기 연료전지의 출력전압과 출력전류의 관계를 나타내는 배기수소 농도 정보를 기억하는 기억수단을 더 구비하고, 상기 판단수단은, 상기 배기수소 농도 정보에 의거하여 저효율 운전 중에 상기 연료전지의 출력전압을 변경해야 하는지의 여부를 판단하는 형태가 바람직하다.
본 발명에 의하면, 연료전지의 출력전압이나 출력전압을 적합하게 제어하면서, 운전상태를 천이시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은 제 1 실시형태에 관한 연료전지시스템의 시스템 구성도,
도 2는 연료전지 스택의 C-V 특성도,
도 3은 연료전지 스택의 등가 회로도,
도 4는 연료전지 스택의 운전 포인트의 설명도,
도 5는 운전 천이처리를 나타내는 플로우차트,
도 6은 제 2 실시형태에 관한 연료전지 스택(20)의 각 온도와 배기수소의 연료전지의 출력전류, 출력전압 특성을 나타내는 도,
도 7은 전압·전류 변환 맵을 예시한 도,
도 8은 다단 고정전압 제어처리를 나타내는 플로우차트이다.
A. 제 1 실시형태
이하, 각 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 관한 차량에 탑재된 연료전지시스템(10)의 시스템 구성을 나타낸다. 또한, 이하의 설명에서는 차량의 일례로서 연료전지자동차(FCHV ; Fuel Cell Hybrid Vehicle)를 상정하나, 전기자동차나 하이브리드 자동차에도 적용 가능하다. 또, 차량뿐만 아니라 각종 이동체(예를 들면, 선박이나 비행기, 로봇 등)나 정치형 전원, 또한 휴대형 연료전지시스템에도 적용 가능하다.
연료전지시스템(10)은, 연료전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원시스템으로서 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, 연료전지 스택(20)을 냉각하기 위한 냉각계(60)와, 시스템 전체를 제어하는 컨트롤러(ECU)(70)를 구비하고 있다.
연료전지 스택(20)은, 복수의 셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 고체 고분자전해질형 셀 스택이다. 연료전지 스택(20)에서는, 애노드극에서 (1)식의 산화반응이 생기고, 캐소드극에서 (2)식의 환원반응이 생긴다. 연료전지 스택(20) 전체로서는 (3)식의 발전반응이 생긴다.
Figure pct00001
연료전지 스택(20)에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 검출하기 위한 전압센서(71), 및 발전전류를 검출하기 위한 전류센서(72)가 설치되어 있다.
산화가스 공급계(30)는, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화가스가 흐르는 산화가스통로(34)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 산화 오프 가스가 흐르는 산화 오프 가스통로(36)를 가지고 있다. 산화가스통로(34)에는, 필터(31)를 거쳐 대기 중에서 산화가스를 도입하는 에어컴프레서(32)와, 연료전지 스택(20)의 캐소드극에 공급되는 산화가스를 가습하기 위한 가습기(33)와, 산화가스 공급량을 조정하기 위한 스로틀 밸브(35)가 설치되어 있다. 산화 오프 가스통로(36)에는, 산화가스 공급압을 조정하기 위한 배압조정 밸브(37)와, 산화가스(드라이 가스)와 산화 오프 가스(웨트 가스)의 사이에서 수분 교환하기 위한 가습기(33)가 설치되어 있다.
산화가스통로(34)와 산화 오프 가스통로(36)의 사이에는, 연료전지 스택(20)을 바이패스하여 양자 사이를 접속하는 바이패스 통로(38)와, 바이패스 통로(38)를 흐르는 산화가스 유량을 조정하는 바이패스 밸브(39)가 설치되어 있다. 바이패스 밸브(39)는, 통상 시에는 밸브 폐쇄되어 있고, 뒤에서 설명하는 전압강하 처리 시에 밸브 개방이 된다. 바이패스 통로(38)와 바이패스 밸브(39)는, 바이패스 에어 유량을 조정하기 위한 바이패스 수단으로서 기능한다.
연료가스 공급계(40)는, 연료가스 공급원(41)과, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료전지 스택(20)의 애노드극에 공급되는 연료가스가 흐르는 연료가스통로(45)와, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 연료 오프 가스를 연료가스통로(45)로 귀환시키기 위한 순환통로(46)와, 순환통로(46) 내의 연료 오프 가스를 연료가스통로(43)로 압송하는 순환펌프(47)와, 순환통로(47)에 분기 접속되는 배기 배수통로(48)를 가지고 있다.
연료가스 공급원(41)은, 예를 들면, 고압 수소 탱크나 수소흡장합금 등으로 구성되고, 고압(예를 들면, 35 MPa∼70 MPa)의 수소가스를 저류한다. 차단 밸브(42)를 개방하면, 연료가스 공급원(41)으로부터 연료가스통로(45)로 연료가스가 유출된다. 연료가스는, 레귤레이터(43)나 인젝터(44)에 의하여, 예를 들면, 200 kPa 정도까지 감압되어, 연료전지 스택(20)에 공급된다.
또한, 연료가스 공급원(41)은, 탄화수소계의 연료로부터 수소 리치한 개질 가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기에서 생성한 개질 가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압 가스 탱크로 구성하여도 된다.
레귤레이터(43)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 압력 조정하는 장치이고, 예를 들면, 1차압을 감압하는 기계식의 감압밸브 등으로 구성된다. 기계식의 감압밸브는, 배압실과 압력 조정실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의해 압력 조정실 내에서 1차압을 소정의 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 구성을 가진다.
인젝터(44)는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 소정의 구동주기로 구동하고 밸브자리로부터 이격시킴으로써 가스 유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(44)는, 연료가스 등의 기체 연료를 분사하는 분사구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체 연료를 분사구멍까지 공급 안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대하여 축선방향(기체 흐름방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다.
배기 배수통로(48)에는, 배기 배수밸브(49)가 설치되어 있다. 배기 배수밸브(49)는, 컨트롤러(70)로부터의 지령에 의해 작동함으로써, 순환통로(46) 내의 불순물을 포함하는 연료 오프 가스와 수분을 외부로 배출한다. 배기 배수밸브(49)의 밸브 개방에 의하여 순환통로(46) 내의 연료 오프 가스 중의 불순물의 농도가 내려 가고, 순환계 내를 순환하는 연료 오프 가스 중의 수소 농도를 올릴 수 있다.
배기 배수밸브(49)를 거쳐 배출되는 연료 오프 가스는, 산화 오프 가스통로(34)를 흐르는 산화 오프 가스와 혼합되고, 희석기(도시 생략)에 의해 희석된다. 순환 펌프(47)는, 순환계 내의 연료 오프 가스를 모터 구동에 의해 연료전지 스택(20)에 순환 공급한다.
전력계(50)는, DC/DC 컨버터(51), 배터리(52), 트랙션 인버터(53), 트랙션 모터(54) 및 보조 기기류(55)를 구비하고 있다. DC/DC 컨버터(51)는, 배터리(52)로부터 공급되는 직류전압을 승압하여 트랙션 인버터(53)에 출력하는 기능과, 연료전지 스택(20)이 발전한 직류전력, 또는 회생 제동에 의해 트랙션 모터(54)가 회수한 회생 전력을 강압하여 배터리(52)에 충전하는 기능을 가진다. DC/DC 컨버터(51)의 이들 기능에 의하여 배터리(52)의 충방전이 제어된다. 또, DC/DC 컨버터(51)에 의한 전압변환 제어에 의하여, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)가 제어된다.
배터리(52)는, 잉여 전력의 저장원, 회생 제동 시의 회생 에너지 저장원, 연료전지 차량의 가속 또는 감속에 따르는 부하 변동 시의 에너지 버퍼로서 기능한다. 배터리(52)로서는, 예를 들면, 니켈·카드뮴 축전지, 니켈·수소 축전지, 리튬 2차 전지 등의 2차 전지가 적합하다.
트랙션 인버터(53)는, 예를 들면, 펄스 폭 변조 방식으로 구동되는 PWM 인버터이고, 컨트롤러(70)로부터의 제어지령에 따라, 연료전지 스택(20) 또는 배터리(52)로부터 출력되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여, 트랙션 모터(54)의 회전 토오크를 제어한다. 트랙션 모터(54)는, 예를 들면, 3상 교류 모터이고, 연료전지 차량의 동력원을 구성한다.
보조 기기류(55)는, 연료전지시스템(10) 내의 각 부에 배치되어 있는 각 모터(예를 들면, 펌프류 등의 동력원)나, 이들 모터를 구동하기 위한 인버터류, 또한 각종 차량 탑재 보조기기류(예를 들면, 에어컴프레서, 인젝터, 냉각수 순환펌프, 라디에이터 등)를 총칭하는 것이다.
냉각계(60)는, 연료전지 스택(20) 내부를 순환하는 냉매를 흘리기 위한 냉매통로(61, 62, 63, 64), 냉매를 압송하기 위한 순환펌프(65), 냉매와 외기 사이에서 열교환하기 위한 라디에이터(66), 냉매의 순환경로를 변환하기 위한 삼방밸브(67),및 냉매온도를 검출하기 위한 온도센서(74)를 구비하고 있다. 난기운전이 완료된 후의 통상 운전 시에는 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매통로(61, 64)를 흘러 라디에이터(66)에서 냉각된 후, 냉매통로(63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러 들도록 삼방밸브(67)가 개폐 제어된다. 한편, 시스템 기동 직후에서의 난기운전 시에는, 연료전지 스택(20)으로부터 유출되는 냉매가 냉매통로(61, 62, 63)를 흘러 다시 연료전지 스택(20)으로 흘러 들도록 삼방밸브(67)가 개폐 제어된다.
컨트롤러(70)는, CPU, ROM, RAM, 및 입출력 인터페이스 등을 구비하는 컴퓨터시스템이고, 연료전지시스템(10)의 각 부[산화가스 공급계(30), 연료가스 공급계(40), 전력계(50) 및 냉각계(60)]를 제어하기 위한 제어수단으로서 기능한다. 예를 들면, 컨트롤러(70)는, 이그니션 스위치로부터 출력되는 기동신호(IG)를 수신하면, 연료전지시스템(10)의 운전을 개시하고, 액셀러레이터센서로부터 출력되는 액셀러레이터 개도 신호(ACC)나, 차속센서로부터 출력되는 차속신호(VC) 등을 기초로 시스템 전체의 요구 전력을 구한다.
시스템 전체의 요구 전력은, 차량 주행 전력과 보조기기 전력의 합계값이다. 보조기기 전력에는 차량 탑재 보조기기류(가습기, 에어컴프레서, 수소 펌프, 및 냉각수 순환 펌프 등)에서 소비되는 전력, 차량 주행에 필요한 장치(변속기, 차륜 제어장치, 조타장치 및 현가장치 등)에서 소비되는 전력, 탑승원 공간 내에 설치되는 장치(공조장치, 조명기구, 및 오디오 등)에서 소비되는 전력 등이 포함된다.
그리고, 컨트롤러(70)는, 연료전지 스택(20)과 배터리(52)의 각각의 출력전력의 배분을 결정하여, 발전 지령값을 연산함과 동시에, 연료전지 스택(20)의 발전량이 목표 전력에 일치하도록, 산화가스 공급계(30) 및 연료가스 공급계(40)를 제어한다. 또한 컨트롤러(70)는, DC/DC 컨버터(51)를 제어하여, 연료전지 스택(20)의 출력전압을 조정함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)를 제어한다. 컨트롤러(70)는, 액셀러레이터 개도에 따른 목표 토오크가 얻어지도록, 예를 들면, 스위칭 지령으로서, U상, V상, 및 W상의 각 교류전압 지령값을 트랙션 인버터(53)에 출력하고, 트랙션 모터(54)의 출력 토오크, 및 회전수를 제어한다.
도 2는 연료전지 스택(20)의 C-V 특성(사이클릭 볼타노그램)을 나타내고 있다.
이 C-V 특성은, 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 나타내는 것으로, 연료전지 스택(20)의 전압을 일정한 전압 상승율로 승압시키면, 외부로부터 연료전지 스택(20)으로 흘러 드는 방향(마이너스 방향)으로 전류가 흐르고, 연료전지 스택의 전압을 일정한 전압 하강율로 강압시키면, 연료전지 스택(20)으로부터 외부로 흐르는 방향(플러스 방향)으로 전류가 흐른다. 이와 같은 동적인 전기 특성은, 연료전지 스택(20)이 기생적으로 가지는 용량 성분에 의한 것이 판명하고 있다.
여기서, 발전 전류를 급격하게 증감시키면, 연료전지 스택(20)을 구성하는 각 셀의 전해질막의 옴저항에 기인하는 옴전압 강하는, 발전전류의 변화에 대하여 응답성 좋게 추종하여 가나, 전기 2중층에 생기는 활성화 과전압은, 발전전류의 변화에 대하여 응답성 좋게 추종할 수 없고, 어느 정도의 시간을 들여 천천히 평형 상태로 안정된다. 이와 같은 상위가 생기는 이유는, 전해질막(22)의 전기 특성은, 저항소자로서 모델화할 수 있는 데 대하여, 전기 2중층의 전기 특성은, 커패시터로서 모델화할 수 있기 때문이다.
도 3은 연료전지 스택(20)의 동적인 전기 특성을 모델화한 등가 회로도이다.
연료전지 스택(20)은, 이상연료전지(28)와 커패시터(29)가 병렬 접속되어 이루어지는 회로 구성을 가지고 있다. 이상연료전지(28)는, 상기한 C-V 특성을 가지지 않은 가상적인 연료전지를 모델화한 것으로, 전기 특성 상, 가변전원과 등가의 작용을 한다. 커패시터(29)는, 상기 계면에 형성되는 전기 2중층의 전기적인 작용을 용량 소자로서 모델화한 것이다. 외부 부하(56)는 전력계(50)를 모델화한 등가 회로이다. 이상연료전지(28)로부터 흘러 나가는 전류를 Ifc, 이상연료전지(28)의 출력전압[연료전지 스택(20)의 출력전압]을 Vfc, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류를 Ic, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류를 Is, 커패시터(29)의 용량을 C, 시간을 t라 하면, 이하에 나타내는 (4)∼(5)식이 성립한다.
Figure pct00002
(4)∼(5)식에 나타내는 바와 같이, 출력전압(Vfc)을 승압하면, 단위시간당 변화량(ΔVfc/Δt)에 따라, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류(Ic)가 증가하기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)는 감소한다. 한편, 출력전압(Vfc)을 강압하면, 단위시간당 변화량(ΔVfc/Δt)에 따라, 커패시터(29)로 흘러 드는 전류(Ic)가 감소하기 때문에, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)는 증가한다. 이와 같이, 출력전압(Vfc)의 단위시간당 승/강압량을 제어함으로써, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 흘러 나가는 전류(Is)를 가감할 수 있다(이하, 편의상, ΔV 제어라 한다).
ΔV 제어의 응용예로서, 예를 들면, 저효율 운전 시에 연료전지 스택(20)에대한 발전요구가 급감하였을 때에, 출력전압(Vfc)을 제어함으로써 커패시터(29)에 잉여 전력을 흡수하는 방법이 있다. 저효율 운전이란, 공기화학량론비를 1.0 미만으로 설정하여 연료전지 스택(20)에 대한 반응가스 공급량을 제어함으로써, 전력 손실을 높여, 낮은 발전효율로 운전하는 것을 말한다. 공기화학량론비란, 산소 잉여율을 말하고, 수소와 과부족없이 반응하는 데 필요한 산소에 대하여 공급 산소가 얼마만큼 잉여인지를 나타낸다. 공기화학량론비를 낮게 설정하여 저효율 운전을 실시하면, 통상 운전 시보다 농도 과전압이 커지기 때문에, 수소와 산소의 반응에 의해 인출할 수 있는 에너지 중 열손실(전력손실)이 증대한다.
저효율 운전은, 예를 들면, 저온 기동 시(스택 온도가 소정 온도 이하의 기동 시)에 있어서 열손실을 의도적으로 증대시킴으로써, 연료전지 스택(20)을 신속하게 난기하기 위한 수단으로서, 차량 주행 전의 기동 준비단계 또는 차량 주행하면서의 난기운전 시에 실시된다.
차량 주행하면서의 저효율 운전은, 연료전지 스택(20)에 대한 연료가스 공급량을 일정하게 유지하면서, 액셀러레이터 개도에 따라 원하는 전력이 얻어지도록 연료전지 스택(20)에 대한 산화가스 유량을 조정하면서, 스택 온도가 소정 온도(예를 들면 0℃)로 승온할 때까지 실시되고, 스택 온도가 소정 온도에 도달하면, 통상 운전으로 변환된다.
도 4는 연료전지 스택(20)의 I-V 특성을 나타내고 있다.
통상 운전 시에는, 발전효율을 높이기 위하여 운전 포인트[출력전류(Ifc), 출력전압(Vfc)]가 I-V 특성 곡선(전류 대 전압 특성 곡선)(200) 상에 위치하도록 운전 제어한다. 한편, 저효율 운전 시에는, 발전효율을 의도적으로 저하시켜 열손실을 높이기 때문에, 운전 포인트는, I-V 특성 곡선(200)보다 낮은 전압 포인트, 예를 들면, 출력전압(Vfc = V1이나 Vfc = V2)으로 설정된다. 여기서, 연료전지 스택(20)의 난기는, 차량의 기동 시나 정지 시뿐만 아니라, 통상 주행 시에도 행하여진다. 이와 같은 난기에 대하여, 열손실을 높인다는(환언하면 발열효율을 높인다) 관점에서는 출력전압(Vfc)을 가능한 한 낮게 설정한 편이 좋다. 그러나, 차량 주행 중의 부하(트랙션 모터나 각종 보조기기 등)로부터의 요구 전압 등은, 차량 기동 시 등의 요구 전압 등에 비하여 높게 설정되기 때문에, 저효율 운전에 의해 차량 주행하면서 난기운전하고 있을 때의 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)(예를 들면 도 4에 나타내는 V2)은, 저효율 운전에 의해 기동 시나 정지 시에 난기운전하고 있을 때의 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)(예를 들면 도 4에 나타내는 V1)에 비하여 높게 설정된다.
여기서, 저효율 운전 중의 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)은, 통상, 일정하게 유지되고(예를 들면, V1나 V2), 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화가스 유량을 제어함으로써 출력전류(Ifc)를 조정하여, 부하에 따른 발전제어를 실시한다(이하, 고정 전압 제어라 부른다). 단, 저효율 운전의 연료전지 스택(20)의 출력제어는, 이것에 한정되지 않고, 부하 등으로부터의 요구 전압에 따라 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)을 조정하면서, 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화가스 유량을 제어함으로써 출력전류(Ifc)를 조정하고, 부하에 따른 발전제어를 실시하여도 된다.
<저효율 운전으로부터 통상 운전으로 이행하는 경우의 동작>
예를 들면, 저효율 운전에 의해 차량 주행하면서 난기운전하고 있을 때의 운전 포인트를 OP2(I2, V2)라 한다. 난기운전을 하고 있는 동안에, 온도센서(74)에 의해 연료전지 스택(20)의 온도가 소정 온도(예를 들면 70℃)를 넘은 것이 검지되면, ECU(70)는 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 천이해야 할 타이밍이 도래하였다고 판단하여, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로의 운전 천이처리를 행한다. 구체적으로는, 운전 천이처리를 실행함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 포인트를, 저효율 운전 시의 운전 포인트(OP2)(I2, V2)로부터, I-V 특성 곡선(200) 상에 위치하는 운전 포인트(OP3)(I3, V3)로 천이시킨다. 또한, 이하의 설명에서는, 통상 운전으로 이행한 후의 I-V 특성 곡선(200) 상에서의 발전제어를 I-V 제어라 부른다.
여기서, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 이행할 때, 연료전지 스택(20) 내부에 기생적으로 존재하는 커패시터(29)의 존재를 조금도 고려하지 않고, 외부 부하(56)로부터의 요구 전력에 따라 연료전지 스택(20)의 출력전압이나 출력전류를 변동시키면, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)에 공급되는 전력[연료전지 스택(20)의 발전전력과 커패시터(29)로부터의 방전전력의 총합]과, 외부 부하(56)가 요구하는 전력이 일치하지 않고, 예를 들면 외부 부하(56)에 공급하는 전력이 부족되거나, 외부 부하(56)에 과잉의 전력이 공급되는 등의 문제가 생긴다.
그래서, 연료전지 스택(20)으로부터 외부 부하(56)로 공급되는 전력(이하, 공급 전력)과, 외부 부하(56)가 요구하는 전력(이하, 요구 전력)이 일치하도록, ΔV 제어를 행함으로써 저효율 운전으로부터 통상 운전으로의 천이를 행한다. 또한, ΔV 제어 시에는, 공급 전력과 요구 전력이 일치하도록 연료전지 스택(20)의 출력전압의 전압 변화 속도를 조정하면서, 당해 출력전압을 승/강압시킨다.
여기서, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로의 운전 천이처리에 대하여 상세하게 설명한다.
ECU(공급 산화가스 제어수단)(70)는, 상기와 같이 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 천이해야 할 타이밍이 도래하였다고 판단하면, ΔV 제어로 이행하는 전처리로서, 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급하는 산화가스를 소정량(예를 들면 0.5 mol/s)만큼 증량하는 처리(이하, ΔV 트리거 처리)를 행한다. 통상, 저효율 운전은 통상 운전보다 발전효율이 나쁜 운전영역[도 4에 나타내는 I-V 특성 곡선(200)보다 아래 영역]에서 운전이 행하여지기 때문에, 예를 들면 저효율 운전 시에 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급하는 산화가스량을 증량하면, 연료전지 스택(20)의 출력전류가 높아져, 결과로서 연료전지 스택(20)의 출력전력이 커진다.
이 원리를 이용하여, ECU(도출수단)(70)는, ΔV 트리거 처리 전후의 출력전력을 검지하여, 출력전력 편차(Pd)를 산출한 후, 이 출력전력 편차(Pd)와, 설정된 편차 문턱값(전력 문턱값)(ΔP)을 비교한다. ECU(판단수단)(70)는, 출력전력 편차 (Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과한 것을 검지하면(설정조건을 충족시키지 않은 경우), 이것을 계기(트리거)로 하여 ΔV 제어를 행한다. 그리고, ECU(70)는, 연료전지 스택(20)의 출력전압에 의거하여, ΔV 제어로부터 I-V 제어로의 변환 타이밍을 판정한다. 상세하게 설명하면, ECU(70)는, 연료전지 스택(20)의 출력전압의 지령값이 미리 설정된 문턱값 이하가 되고, 또한, 이 상태가 일정시간 이상 계속된 경우에는, 운전 포인트를 I-V 특성 곡선(200) 상으로 천이시켜, I-V 제어를 개시한다.
한편, ECU(70)는, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않은 경우에는, 아직 ΔV 제어의 실행 타이밍이 도래하지 않았다고 판단한다. 상기한 바와 같이, ΔV 제어는, ECU(70)에 의해 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하였다고 판단된 경우에, 이것을 트리거로 하여 개시되기 때문에, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않는 한은, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로의 이행이 행하여지지 않게(환언하면 I-V 제어가 행하여지지 않는다) 된다.
그러나, 연료전지 스택(20)의 온도가 소정 온도 이상이 되고, 저효율 운전에의한 난기가 불필요하게 된 후에도, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않기 때문에, 통상 운전으로 이행하지 않고 저효율 운전을 계속하는 것은, 발전효율이 나쁜 등의 문제가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, ECU(판단수단)(70)는, ΔV 처리를 개시하고 나서 일정시간(t > O) 이상 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않은 경우에는(설정조건을 충족시키는 경우), ΔV 제어를 행하지 않고, 강제적으로 I-V 제어를 개시한다. 이와 같이, 강제적으로 I-V 제어를 개시하는 것은, ΔV 처리를 개시하고 나서 일정시간 이상 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않은 것은, 즉 저효율 운전 시의 운전 포인트가, 이미 I-V 특성 곡선(200) 위에 올라 있던, 또는 특성 곡선(200) 위에 올라 있지 않아도 그 근방에 존재하고 있었다고 생각되기 때문이다[예를 들면, 도 4에 나타내는 운전 포인트(OP4)(I4, V4) 참조].
이와 같은 방법에 의하면, 저효율 운전의 운전 포인트가 I-V 특성 곡선(200) 위에 올라 있는 상태에서 저효율 운전에 의한 난기가 불필요하게 된 후는, 일정시간 경과 후에 강제적으로 I-V 제어(즉 통상 운전)가 행하여지기 때문에, 상기와 같이, 저효율 운전에 의한 난기가 불필요하게 된 후에도 통상 운전으로 이행할 수 없어, 발전효율이 나쁜 저효율 운전이 계속되는 등의 문제를 미연에 방지하는 것이 가능해진다.
도 5는 ECU(70)가 프로그램을 실행함으로써 실현되는 저효율 운전으로부터 통상 운전으로의 운전 천이처리를 나타내는 플로우차트이다. 또한, 도 5에 나타내는 예에서는, 주행 중에 저효율 운전에 의한 난기가 행하여져, 통상 운전으로 천이하는 경우를 상정한다.
예를 들면, 도 4에 나타내는 운전 포인트(OP2)(I2, V2)에서 저효율 운전에 의해 차량 주행하면서 난기를 하고 있는 상태에서, 온도센서(검지수단)(74)가 연료전지 스택(20)의 온도(관련 온도)가 소정 온도(예를 들면 70℃)를 초과한 것이 검지되면, ECU(이행 판정수단)(70)는 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 천이해야 할 타이밍이 도래하였다고 판단한다(단계 S110 ; YES). ECU(70)는 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 천이해야 할 타이밍이 도래하였다고 판단한다(단계 S110 ; YES). ECU(70)는 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 천이해야 할 타이밍이 도래하였다고 판단하면, ΔV 제어로 이행하는 전처리로서, 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급하는 산화가스를 소정량(예를 들면 0.5 mol)만큼 증량하는 처리(즉, ΔV 트리거 처리)를 행한다(단계 S120). 통상, 저효율 운전은 통상 운전보다 발전효율이 나쁜 운전영역[도 4에 나타내는 I-V 특성 곡선(200)보다 아래 영역]으로 운전이 행하여지기 때문에, 예를 들면 저효율 운전 시에 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급하는 산화가스량을 증량하면, 연료전지 스택(20)의 출력전류가 높아져, 결과로서 연료전지 스택(20)의 출력전력이 커진다.
이 원리를 이용하여, ECU(70)는, 먼저, ΔV 트리거 처리 전후의 출력전력을 검지하는(단계 S130), 그리고, ECU(70)는, 출력전력 편차(Pd)를 산출한 후, 이 출력전력 편차(Pd)와, 설정된 편차 문턱값(ΔP)을 비교하여, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)를 하회하고, 또한, 이 상태가 일정시간 이상 계속되고 있는지의 여부를 판단한다(단계 S140). ECU(70)는, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP) 이상인 경우, 또는 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 하회하였다 하여도 일정시간 이상 계속되지 않은 경우에는(단계 S140 ; NO), 이것을 계기(트리거)로 하여 ΔV 제어를 행한다(단계 S150). 그리고, ECU(70)는, 연료전지 스택(20)의 출력전압에 의거하여, ΔV 제어로부터 I-V 제어로의 변환 타이밍을 판정한다(단계 S155). 상세하게 설명하면, ECU(70)는, 연료전지 스택(20)의 출력전압의 지령값이 미리 설정된 문턱값 이하가 되고, 또한, 이 상태가 일정시간 이상 계속된 경우에는(단계 S155 ; YES), 운전 포인트를 I-V 특성 곡선(200) 상으로 천이시켜, I-V 제어를 개시한다(단계 S160).
한편, ECU(70)는, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(Δ)을 하회하고, 또한 일정시간 이상 계속되고 있는 경우에는, ΔV 제어의 실행 타이밍이 도래하지 않았다고 판단한다. 상기한 바와 같이, ΔV 제어는, ECU(70)에 의해 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하였다고 판단된 경우에, 이것을 트리거로 하여 개시되기 때문에, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않는 한은, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로의 이행이 행하여지지 않게(환언하면 I-V 제어가 행하여지지 않는다) 된다.
그러나, 연료전지 스택(20)의 온도가 소정 온도 이상이 되어, 저효율 운전에의한 난기가 불필요하게 된 후에도, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않기 때문에, 통상 운전으로 이행하지 않고 저효율 운전을 계속하는 것은, 발전효율이 나쁜 등의 문제가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, ECU(70)는, ΔV 트리거 처리를 개시하고 나서 일정시간(t > O) 이상 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않은 경우에는, ΔV 제어를 행하지 않고, 강제적으로 I-V 제어를 개시한다(단계 S170). 이와 같이, 강제적으로 I-V 제어를 개시하는 것은, ΔV 트리거 처리를 개시하고 나서 일정시간 이상 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 초과하지 않는 것은, 즉 저효율 운전 시의 운전 포인트가, 이미 I-V 특성 곡선(200) 위(또는 근방)에 올라 있었다고 생각되기 때문이다[예를 들면, 도 4에 나타내는 운전 포인트(OP4)(I4, V4) 참조].
이와 같은 방법에 의하면, 저효율 운전의 운전 포인트가 1-V 특성 곡선(200) 위에 올라 있는 상태에서 저효율 운전에 의한 난기가 불필요하게 된 후는, 일정시간 경과 후에 강제적으로 I-V 제어(즉 통상 운전)가 행하여지기 때문에, 상기와 같이, 저효율 운전에 의한 난기가 불필요하게 된 후에도 통상 운전으로 이행할 수 없어, 발전효율이 나쁜 저효율 운전이 계속되는 등의 문제를 미연에 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 실시형태에서는, 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 하회하고, 또한 일정시간 이상 계속되고 있는 경우에, ΔV 제어를 실행하지 않고 강제적으로 I-V 제어를 실시하였으나(도 5에 나타내는 단계 S140 → 단계 S170), 예를 들면 출력전력 편차(Pd)가 편차 문턱값(ΔP)을 하회한 경우는, 그 계속시간에 관계없이 항상 강제적으로 I-V 제어를 실시하여도 된다.
또, 본 실시형태에서는, 주행 중에 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 천이하는 경우를 상정하였으나, 기동 시나 정지 시 등에 행하여지는 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 천이하는 경우에도 마찬가지로 적용 가능하다. 또, 본 실시형태에서는, 온도센서(74)에 의해 검지되는 연료전지 스택(20)의 온도에 의거하여, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 이행해야 하는지의 여부를 판정하였으나, 연료전지 스택 주변의 환경온도나 부품온도, 외기온도 등, 연료전지 스택(20)의 관련온도를 검지하는 센서(검지수단)을 설치하고, 당해 센서에 의해 검지되는 관련 온도에 의거하여, 저효율 운전으로부터 통상 운전으로 이행해야 하는지의 여부를 판정하여도 된다.
B. 제 2 실시형태
제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 저효율 운전 중의 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)은 일정하게 유지되고, 에어컴프레서(32)로부터 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화가스 유량을 제어함으로써 출력전류(Ifc)를 조정하고, 부하에 따른 발전제어가 행하여진다(고정전압 제어).
그런데, 주행 중의 저효율 운전에서는, 고정전압 제어에 의한 출력전압(Vfc)이 일정해지면, 출력전류(Ifc)의 값에 따라서는, 설정된 배기수소 허용 농도를 만족할 수 없는 영역이 존재하는 것이 판명되었다. 그래서, 본 실시형태에서는, 저효율 운전 중의 출력전류(Ifc)의 값에 의하지 않고, 항상 설정된 배기수소 허용 농도를 만족할 수 있는, 다단 고정전압 제어를 실시한다. 또한, 다단 고정전압 제어란, 저효율 운전 중에 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)을 항상 일정값으로 고정하는 것은 아니고, 설정된 배기수소 허용 농도를 준수하기 위하여, 출력전류(Ifc)에 따라 당해 출력전압(Vfc)을 복수의 값(본 실시형태에서는 2값)으로 설정하고, 설정한 출력전압(Vfc)의 사이에서 적절하게 변환하는 제어를 말한다.
도 6은, 연료전지 스택(20)의 각 온도와 배기수소의 연료전지의 출력전류, 출력전압 특성을 나타내는 도면이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 연료전지 스택(20)의 온도가 높으면 높을수록,배기수소 허용 농도에 의한 전압 하한값은 높아진다. 본 실시형태에서는, 미리 실험 등에 의해 가장 온도가 높은 경우(여기서는 온도 T5의 경우)의 배기수소 허용 농도에 의한 전압 하한값을 설정하여 두고, 배기수소 허용 농도를 준수할 수 있도록, 출력전류(Ifc)에 따라 출력전압(Vfc)을 출력전압(Vfc1, Vfc2)(> Vfc1)의 사이에서 변환을 행한다.
여기서, 출력전압(Vfc1, Vfc2)의 사이에서 출력전압(Vfc)을 변환할 때에는,ΔV 제어를 사용하여 연료전지 스택(20)의 동작 포인트를 천이한다. 또한, ΔV 제어를 행할 때에, 급격하게 출력전압(Vfc)을 상하(구체적으로는 Vfc1 → Vfc2, Vfc2 → Vfc1)시키면, 외부 부하(56)에 공급하는 전력이 부족되거나, 외부 부하(56)에 과잉의 전력이 공급되는 등의 문제가 생긴다. 그래서, ΔV 제어 시에는, 공급 전력과 요구 전력이 일치하도록 연료전지 스택(20)의 출력전압의 전압 변화 속도를 조정하면서, 당해 출력전압을 승/강압시킨다.
이상 설명한 제어를 행함으로써, 저효율 운전을 행하는 경우에도 확실하게 배기 수소 허용 농도를 준수할 수 있음과 동시에, 외부 부하(56)에 공급하는 전력이 부족되거나, 외부 부하(56)에 과잉의 전력이 공급되는 등의 문제도 미연에 방지할 수 있다.
도 7은, ECU(기억수단)(70)에 저장되어 있는 전압·전류 변환 맵(MP)을 예시한 도면이다. 이 전압·전류 변환 맵(MP)은, 배기 수소 농도(배기 수소 농도 하한값)를 만족할 수 있는 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)과 출력전류(Ifc)의 관계를 나타내는 맵(배기 수소 농도 정보)이다. ECU(판단수단)(70)는, 이 전압·전류변환 맵(MP)을 참조함으로써, 예를 들면 출력전류(Ifc1)(50A 정도 등)까지는 출력전압(Vfc1)을 선택하고, 출력전류(Ifc1) 이상이면 출력전압(Vfc2)(<Vfc1)을 선택한다(도 6 참조).
도 8은, ECU(70)에 의해 실행되는 다단 고정 전압 제어처리를 나타내는 플로우차트이다.
저효율 운전을 개시할 때, 먼저, ECU(70)는 시스템 요구 전력과, 전압·전류변환 맵(MP)에 의거하여, 출력전압(Vfc)과 출력전류(Ifc)를 결정한다(단계 S210).
그 후, ECU(판단수단)(70)는, 도 6에 나타내는 배기 수소 허용 농도에 의한 전압 하한값을 참조하면서, 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)의 변환 타이밍이 도래하였는지를 판정한다(단계 S220). ECU(70)는, 예를 들면 현시점에서 출력전압(Vfc2), 출력전류(Ifc1)가 설정되어 있는 상태에서, 출력전류(Ifc1) 이하로 설정해야만 하는 경우에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)의 변환 타이밍이 도래하였다고 판단하고(단계 S220 ; YES), ECU(70)는, ΔV 제어를 행함으로써 출력전압(Vfc2)으로부터 출력전압(Vfc1)으로 변환하고(단계 S230 → 단계 S240), 처리를 종료한다. 한편, ECU(70)는, 예를 들면 현시점에서 출력전압(Vfc2), 출력전류 (Ifc1)가 설정되어 있는 상태에서, 출력전류(Ifc1) 이하로 설정할 필요가 없는 경우에는, 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)의 변환 타이밍은 도래하지 않았다고 판단하고(단계 S220 ; NO), 단계 S230, S240를 스킵하여 처리를 종료한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 저효율 운전을 행할 때, 설정된 배기 수소 허용 농도를 준수할 수 있도록, 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)에 대하여 다단 고정 전압 제어를 실시함과 동시에, 출력전압(Vfc)의 변환을 행할 때에는, ΔV 제어를 행한다. 이에 의하여, 저효율 운전을 행하는 경우에도 확실하게 배기 수소 허용 농도를 준수할 수 있음과 동시에, 외부 부하(56)에 공급하는 전력이 부족되거나, 외부 부하(56)에 과잉의 전력이 공급되는 등의 문제도 미연에 방지할 수 있다.
(1) 또한, 상기한 본 실시형태에서는, 연료전지 스택(20)의 출력전압(Vfc)을, 낮은 출력전압(Vfc2)으로부터 높은 출력전압(Vfc1)으로 변환하는 경우(시스템요구 파워가 감소하는 경우 등)를 예로 설명하였으나, 이것과는 반대로, 높은 출력전압(Vfc1)으로부터 낮은 출력전압(Vfc2)으로 변환하는 경우(시스템 요구 파워가 증가하는 경우 등)에도, 마찬가지로 적용 가능하다.
(2) 또, 상기한 본 실시형태에서는, 다단 고정 전압 제어의 일례로서, 2종류의 출력전압(Vfc1, Vfc2)으로 변환하는 2단 고정 전압 제어를 예시하였으나, 3종류 이상의 출력전압으로 변환하여도 된다. 변환 가능한 출력전압의 종류를 늘림으로써, 더욱 발전효율(또는 발열효율)이 높은 출력전압 제어가 가능해진다.
10 : 연료전지시스템 20 : 연료전지 스택
30 : 산화가스 공급계 40 : 연료가스 공급계
50 : 전력계 60 : 냉각계
70 : 컨트롤러

Claims (6)

  1. 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 행함으로써, 연료전지를 난기하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 저효율 운전으로부터 상기 통상 운전으로 이행할 때에, 설정조건을 충족시키는지의 여부를 판단하는 판단수단과,
    상기 설정조건을 충족시키지 않은 경우에는, 상기 연료전지의 용량 성분에 대한 충방전량을 고려하면서 시스템 요구 파워를 충족시키도록 당해 연료전지의 출력전압을 제어하는 ΔV 제어를 실행함으로써, 저효율 운전으로부터 ΔV 제어를 경유하여 통상 운전으로 이행시키는 한편, 상기 설정조건을 충족시키는 경우에는, 상기 ΔV 제어를 경유하지 않고, 저효율 운전으로부터 강제적으로 통상 운전으로 이행시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 저효율 운전으로부터 상기 통상 운전으로 이행할 때, 상기 연료전지에 공급하는 산화가스를 소정량 증가시키는 공급 산화가스 제어수단과, 상기 산화가스의 증가 전후에서의 연료전지의 출력전력을 검지함으로써, 당해 연료전지의 출력전력 편차를 도출하는 도출수단을 더 구비하고,
    상기 판단수단은, 도출된 상기 연료전지의 출력전력 편차가 설정된 전력 문턱값를 하회한 경우에, 상기 설정조건을 충족시킨다고 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 판단수단은, 도출된 상기 연료전지의 출력전력 편차가 설정된 전력 문턱값을 소정시간 이상 계속하여 하회한 경우에, 상기 설정조건을 충족시킨다고 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 관련 온도를 검지하는 검지수단과, 검지되는 상기 관련 온도에 의거하여 상기 저효율 운전으로부터 상기 통상 운전으로 이행해야 하는지의 여부를 판정하는 이행 판정수단을 더 구비하고,
    상기 판단수단은, 상기 이행 판정수단에 의해 상기 저효율 운전으로부터 상기 통상 운전으로 이행해야 한다고 판정된 경우에, 상기 설정조건을 충족시키는지의 여부의 판단을 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 통상 운전에 비하여 발전효율이 낮은 저효율 운전을 행함으로써, 연료전지를 난기하는 연료전지시스템에 있어서,
    저효율 운전 중에 상기 연료전지의 출력전압을 변경해야 하는지의 여부를 판단하는 판단수단과,
    상기 출력전압을 변경해야 한다고 판단한 경우에는, 상기 연료전지의 용량 성분에 대한 충방전량을 고려하면서 시스템 요구 파워를 충족시키도록 당해 연료전지의 출력전압을 제어하는 ΔV 제어를 실행함으로써, 상기 출력전압을 변경하는 전압 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    배기 수소 농도 하한값을 만족할 수 있는 상기 연료전지의 출력전압과 출력전류의 관계를 나타내는 배기 수소 농도 정보를 기억하는 기억수단을 더 구비하고,
    상기 판단수단은, 상기 배기 수소 농도 정보에 의거하여 저효율 운전 중에 상기 연료전지의 출력전압을 변경해야 하는지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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