KR20110033950A - 연료전지의 수소농도 추정장치, 연료전지시스템 - Google Patents

연료전지의 수소농도 추정장치, 연료전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 임피던스 원호와 수소농도의 상관을 이용하여, 연료전지 내부의 수소농도를 추정할 수 있는 연료전지의 수소농도 추정장치 및 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
연료전지시스템이, 연료전지(2)와, 임피던스 측정장치(3) 및 제어장치(5)를 구비하고 있다. 제어장치(5)는. 임피던스 측정장치(3)와 접속되어 있다. 임피던스 측정장치(3)는, 교류 임피던스법에 따라 연료전지(2)의 임피던스를 측정하기 위한 장치이다. 제어장치(5)에, 기준 수소농도에 대응하는 판정값을 미리 기억하여 둔다. 제어장치(5)가, 이 판정값과, 임피던스 측정장치(3)를 통해 취득한 임피던스의 실수부(Z')를 비교한다. Z'가 판정값 이상이면, 제어장치(5)는, 연료전지(2) 내부의 수소농도가 기준 수소농도 이하라고 추정한다.

Description

연료전지의 수소농도 추정장치, 연료전지시스템{FUEL CELL HYDROGEN CONCENTRATION ESTIMATION DEVICE AND FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지의 수소농도 추정장치, 연료전지시스템에 관한 것이다.
종래, 예를 들면, 일본국 특개2009-4180호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 시스템 주변 장치를 수소농도에 따라 제어하는 연료전지시스템이 알려져 있다. 이 종래의 연료전지시스템은, 연료전지의 애노드 출구의 하류측에, 수소농도 센서를 구비하고 있다. 이 수소농도 센서는, 연료전지의 애노드 출구로부터 배출된 애노드 오프 가스의 수소농도를 검지한다.
상기 종래의 연료전지시스템은, 수소농도 센서의 출력에 의거하여, 연료전지의 애노드 출구 밸브를 제어하고 있다. 이 애노드 출구 밸브는, 구체적으로는, 연료전지 내부의 수소 소비량에 걸맞는 양의 수소가 연료전지에 공급되도록 제어된다. 상기 공보에 의하면, 이 애노드 출구 밸브 제어의 결과, 애노드 출구 밸브로부터의 배출 가스의 수소농도를 낮게 할 수 있다.
또, 종래, 연료전지의 임피던스 측정을 행함으로써 연료전지의 상태(예를 들면, 연료전지의 함수량)를 조사하는 기술이 알려져 있다. 연료전지를 대상으로 한 임피던스 측정의 방법으로서, 교류 임피던스법이 알려져 있다.
교류 임피던스법의 측정 결과를, 복소 평면 상에 나타내는 도시 방법이 알려져 있다. 이 도시 방법은, 일반적으로, 콜-콜-플롯(Cole-Cole Plot)이라 불리운다. 콜-콜-플롯은, 교류 임피던스법에서 주파수를 상위시키면서 측정한 복수의 임피던스값을, 복소 평면 상에 나타내는 도시 방법이다. 콜-콜-플롯도에서, 복소 평면 상의 복수의 임피던스의 점을 지나는 곡선(즉 임피던스값의 궤적)이, 원호(semicircle)를 그리는 것이 알려져 있다. 이하, 이 원호를, 「임피던스 원호(impedance semicircle)」라고도 부른다.
예를 들면, 일본국 특개2008-8750호 공보는, 연료전지에 관한 개시는 아니나, 임피던스 원호에 의거하여 과산화수소의 양을 측정하는 기술을 개시하고 있다.
또, Naoki Ito et al., "Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells", Journal of Power Sources 185(2008) p.922-926.은, 연료전지에 관하여, 임피던스 원호에 의거하는 분석 결과를 개시하고 있다. 이 문헌은, 수소 분리 막형 연료전지(HMFC)에서의, 전기화학적 특성의 평가 결과를 개시하고 있다. 이 문헌의 도 1(b), 도 1(c)에는, 애노드의 수소농도나 캐소드의 산소농도와 임피던스 원호에 관한 도면이 있다.
일본국 특개2009-4180호 공보 일본국 특개2008-8750호 공보 일본국 특개2005-201639호 공보
Naoki Ito et al., "Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells", Journal of Power Sources 185(2008) p.922-926.
수소농도에 따른 시스템 제어를 정확하게 행하기 위해서는, 연료전지 내부의 수소농도를 정확하게 아는 것이 바람직하다. 연료전지 내부의 수소농도를 알기 위한 실용적인 기술이, 종래부터 요망되고 있다.
본원 발명자는, 실험, 연구를 예의 거듭함으로써, 임피던스 원호와 연료전지 내부 수소농도의 사이에, 수소농도 추정에 사용할 수 있을 정도로 강한 상관이 있는 것을 간파하였다. 예의 연구를 더욱 진행한 결과, 본원 발명자는, 임피던스 원호와 수소농도의 상관을 이용하여, 연료전지 내부의 수소농도를 추정할 수 있는 수소농도 추정장치에 상도(想到)하였다.
또, 본원 발명자가 이 상관에 대하여 예의 연구를 더욱 진행한 결과, 이 상관을 이용한 수소농도 추정의, 정밀도 향상을 실현할 수 있는 조건도 발견되었다.
본 발명은, 임피던스 원호와 수소농도의 상관을 이용하여, 연료전지 내부의 수소농도를 추정할 수 있는, 연료전지의 수소농도 추정장치 및 연료전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 연료전지 내부의 수소농도에 따른 제어를 정밀도 좋게 행할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것이다.
제 1 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지의 수소농도 추정장치에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스 또는 어드미턴스를 측정하는 측정수단과, 상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 연료전지의 임피던스 원호가 상대적으로 클 때에 수소농도가 상대적으로 낮게 추정되도록, 상기 연료전지 내부의 수소농도를 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 2 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지의 수소농도 추정장치에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스를 측정하는 측정수단과, 상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 상기 연료전지의 임피던스의 실수부의 값을 취득하는 수단과, 상기 실수부의 값이 소정값 이상인 경우에, 상기 연료전지의 수소농도가 소정농도 이하라고 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 3 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지의 수소농도 추정장치에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스를 측정하는 측정수단과, 상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 상기 연료전지의 임피던스의 허수부의 값을 취득하는 수단과, 상기 허수부의 값의 절대값이 소정값 이상인 경우에, 상기 연료전지의 수소농도가 소정 농도 이하라고 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 4 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지의 수소농도 추정장치에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스를 측정하는 측정수단과, 상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 복소 평면 상에서의 임피던스 주파수 특성 곡선의, 피팅 커브를 얻는 피팅수단과, 상기 피팅 커브의, 곡률, 곡률 반경, 길이, 또는 이들과 상관을 가지는 수치를 취득하는 커브 파라미터 취득수단과, 상기 커브 파라미터 취득수단이 취득한 상기 곡률, 상기 곡률 반경, 상기 길이, 또는 상기 수치에 의거하여, 상기 연료전지의 수소농도를 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 5 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지의 수소농도 추정장치에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, I-V 접선 저항값을 측정하는 측정수단과, 상기 I-V 접선 저항값에 의거하여, 상기 연료전지의 수소농도를 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 6 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지의 수소농도 추정장치에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하는 측정수단과, 상기 연료전지의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값과, 상기 연료전지 내부의 수소농도와의 관계를 정한 수소농도 특성을 기억한 기억수단과, 상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스 또는 상기 I-V 접선 저항값에 의거하여, 상기 수소농도 특성에 따라, 상기 연료전지 내부의 수소농도 추정값을 산출하는 추정값 산출수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 7 발명은, 제 1 내지 4 및 제 6 발명 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 연료전지의 전압이 OCV(Open Circuit Voltage) 미만이 되고, 또한, 바이어스 전압이 소정 전압 이상이 되도록 또는 바이어스 전류가 소정 전류 이하가 되도록, 상기 측정수단의 임피던스 측정 중에 상기 연료전지에 바이어스를 주는 소정 바이어스 공급수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 8 발명은, 제 7 발명에 있어서, 상기 연료전지의 OCV를 취득하는 OCV취득수단과, 상기 OCV 취득수단이 취득한 OCV의 값에 의거하여, 상기 소정 바이어스 공급수단이 상기 연료전지에 주는 상기 바이어스의 크기를, 보정하는 바이어스 보정수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 9 발명은, 제 1 내지 4 및 제 6 발명 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 연료전지의 OCV를 취득하는 OCV 취득수단과, 상기 OCV 취득수단이 취득한 OCV로부터 소정값을 뺌으로써, 목표 바이어스 전압을 산출하는 목표 바이어스 산출수단과, 상기 측정수단의 임피던스 측정 중에, 상기 목표 바이어스 전압에 의거하여, 상기 연료전지에 바이어스를 주는 목표 바이어스 공급수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 10 발명은, 제 1 내지 4 및 제 6 발명 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 연료전지의 임피던스의 저주파수 영역에서의 주파수 특성 곡선이 복소 평면 상에서 실질적으로 하나의 원호를 그리는 정도의 크기의, 바이어스 전압 또는 바이어스 전류를, 상기 측정수단의 임피던스 측정 중에 상기 연료전지에 주는 특정 바이어스 공급수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 11 발명은, 제 10 발명에 있어서, 상기 저주파수 영역이, 100 Hz∼0.1 Hz인 것을 특징으로 한다.
또, 제 12 발명은, 제 6 또는 제 7 발명에 있어서, 상기 측정수단이, 상기 연료전지의 전류 및 전압을 계측하기 위한 계측수단과, 상기 계측수단의 계측값에 의거하여, 상기 연료전지의 I-V 특성상에서의 OCV 부근의 소정 부분의 기울기를 산출하는 수단과, 상기 기울기에 의거하여 상기 I-V 접선 저항값을 산출하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 13 발명은, 제 1 내지 제 12 발명 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 연료전지 내부의 수분량을 검지 또는 추정하는 수단을 구비하고, 상기 추정수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값과, 상기 검지수단이 검지 또는 추정한 상기 수분량에 의거하여 상기 연료전지 내부의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 14 발명은, 제 1 내지 제 13 발명 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 연료전지가, 고체 고분자 전해질형 연료전지인 것을 특징으로 한다.
제 15 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 애노드 유로를 가지고 당해 애노드 유로에 수소의 공급을 받아 발전하는 제 1 단위셀과, 애노드 유로를 가지고 당해 애노드 유로에 수소의 공급을 받아 발전하는 제 2 단위셀을 구비한 연료전지와, 제 1 내지 제 13 발명 중 어느 하나의 발명에 관한, 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하고, 상기 제 1 단위셀의 상기 애노드 유로보다, 상기 제 2 단위셀의 상기 애노드 유로의 쪽이, 압력손실이 크고, 상기 수소농도 추정장치의 상기 측정수단이, 상기 제 2 단위셀의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하고, 상기 수소농도 추정장치의 상기 추정수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 제 2 셀의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
제 16 발명은, 제 15 발명에 있어서, 상기 연료전지가, 상기 복수의 단위셀의 각각의 상기 애노드 유로 출구에 접속되는 출구 매니폴드를 구비하고, 상기 출구 매니폴드의 출구에 접속되는 밸브를 더 구비하며, 상기 제 2 단위셀의 애노드 유로 출구와 상기 출구 매니폴드의 합류부가, 상기 제 1 단위셀의 애노드 유로 출구와 상기 출구 매니폴드의 합류부보다, 유로 단면적이 작은 것을 특징으로 한다.
제 17 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 연료전지와, 제 1 내지 제 13 발명 중 어느 하나의 발명에 관한, 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하고, 상기 연료전지가, 각각이, 입구와 출구를 구비한 애노드 유로를 가지고, 당해 애노드 유로에 수소의 공급을 받아 발전하는 복수의 단위셀과, 상기 복수의 단위셀 중 제 1군의 단위셀의, 상기 애노드 유로 입구에 접속되는 제 1 매니폴드와, 상기 복수의 단위셀 중 제 2군의 단위셀의, 상기 애노드 유로 출구에 접속되는 제 2 매니폴드와, 상기 제 1군의 단위셀의 상기 애노드 유로 출구와, 상기 제 2군의 단위셀의 상기 애노드 유로 입구에 접속되는 제 3 매니폴드를 구비하고, 상기 수소농도 추정장치의 상기 측정수단이, 상기 제 2군의 단위셀의 적어도 하나의 단위셀의, 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하고, 상기 수소농도 추정장치의 상기 추정수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 적어도 하나의 단위셀의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
제 18 발명은, 제 17 발명에 있어서, 상기 복수의 단위셀은, 각각이 평평한 형상이고, 상기 복수의 단위셀은, 각각, 입구와 출구를 가지고 상기 애노드 유로에 대하여 소정 방향을 향하도록 설치된 캐소드 유로를 구비하고, 상기 연료전지는, 상기 형상의 상기 단위셀이, 각각의 상기 캐소드 유로의 상기 입구의 위치와 상기 출구의 위치가 일치되도록 겹쳐진 구성을 가지며, 상기 제 3 매니폴드가, 상기 제 1군의 단위셀의 상기 애노드 유로 출구에 접속되는 제 1 부분과, 상기 제 2군의 단위셀의 상기 애노드 유로 입구에 접속되는 제 2 부분과, 상기 제 1군의 단위셀과 상기 제2군의 단위셀과의 사이에 구비되고, 상기 제 1군의 단위셀의 상기 애노드 유로와, 상기 제 2군의 단위셀의 상기 애노드 유로가, 동일 방향을 향하도록, 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분을 접속하는 더미 유로를 가지는 것을 특징으로 한다.
제 19 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 애노드에 수소의 공급을 받고 캐소드에 산화제 가스의 공급을 받아 발전하는 복수의 단위셀이 적층됨으로써 형성된 단위셀 적층체와, 상기 단위셀 적층체를 사이에 두는 플러스측 엔드 플레이트와 마이너스측 엔드 플레이트를 가지는 연료전지 스택과, 제 1 내지 제 13 발명 중 어느 하나의 발명에 관한, 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하며, 상기 단위셀 적층체는, 상기 마이너스측 엔드 플레이트에 가장 가까운 단(端)측 단위셀을 포함하고, 상기 수소농도 추정장치의 상기 측정수단이, 상기단측 단위셀의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하고, 상기 수소농도 추정장치의 상기 추정수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 단측 단위셀의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 20 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 전해질의 표면에 애노드가 설치된 발전체와, 상기 발전체의 애노드측 표면에 설치된 애노드 유로를 구비한 연료전지와, 상기 발전체의 상기 애노드 유로 상에서의 특정 부분의, 전류값 및 전압값을 계측하는 부분 전기특성 계측수단과, 제 1 내지 제 13 발명 중 어느 하나의 발명에 관한, 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하고, 상기 수소농도 추정장치의 상기 측정수단이, 상기 부분 전기특성 계측수단이 계측한 상기 전류값과 상기 전압값에 의거하여, 상기 특정 부분의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하고, 상기 수소농도 추정장치의 상기 추정수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 특정 부분의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 21 발명은, 상기한 다른 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와, 상기 연료전지에 접속되는 시스템 주변 장치와, 상기 시스템 주변 장치를 제어하는 제어수단과, 상기 연료전지를 추정 대상으로 하는, 제 1 내지 제 13 발명 중 어느 하나의 발명에 관한 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하고, 상기 제어수단이, 상기 수소농도 추정장치에 의해 얻어진 수소농도의 추정 결과에 의거하여 상기 시스템 주변 장치의 제어를 행하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 22 발명은, 상기한 다른 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와, 상기 연료전지에 접속되는 시스템 주변 장치와, 상기 연료전지의, 임피던스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하는 측정수단과, 상기 시스템 주변 장치를 제어하는 제어수단을 구비하고, 상기 제어수단이, 상기 연료전지의 상기 임피던스의 절대값, 실수부의 값, 또는 허수부의 값의 절대값, 또는, I-V 접선 저항값이 소정의 판정값 이상인 경우에 상기 연료전지의 발전량이 저감하도록 또는 발전이 정지하도록, 상기 측정수단에 의한 측정값에 의거하여 상기 시스템 주변 장치를 제어하는 발전 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 23 발명은, 상기한 다른 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와, 연료전지의 애노드의 퍼지를 하기 위한 퍼지기구와, 상기 연료전지의, 임피던스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하는 측정수단과, 상기 연료전지의 상기 임피던스의 절대값, 실수부의 값, 또는 허수부의 값의 절대값, 또는, I-V 접선 저항값이 소정값 이상인 경우에 상기 퍼지가 실행되도록, 상기 측정수단에 의한 측정값에 의거하여 상기 퍼지기구를 제어하는 퍼지 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 24 발명은, 제 23 발명에 있어서, 상기 퍼지 제어수단이, 상기 퍼지의 실행 중에 상기 연료전지의 상기 임피던스의 절대값, 실수부의 값, 또는 허수부의 값의 절대값, 또는, I-V 접선 저항값이 소정값을 하회한 경우에 상기 퍼지가 종료되도록, 상기 퍼지기구를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 25 발명은, 상기한 다른 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와, 상기 연료전지에 접속되는 시스템 주변 장치와, 상기 시스템 주변 장치를 제어하는 제어수단과, 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 측정수단과, 상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 복소 평면 상에서의 임피던스 주파수 특성 곡선의, 피팅 커브를 얻는 피팅수단과, 상기 피팅 커브의, 곡률, 곡률 반경, 길이, 또는 이들과 상관을 가지는 수치를 취득하는 커브 파라미터 취득수단을 구비하고, 상기 제어수단이, 상기 커브 파라미터 취득수단이 취득한 상기 곡률, 상기 곡률 반경, 상기 길이 또는 상기 수치와, 소정의 판정값과의 비교에 의거하여, 상기 연료전지의 발전 상태를 조절하는 발전 조절수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 26 발명은, 상기한 다른 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와, 연료전지의 애노드의 퍼지를 하기 위한 퍼지기구와, 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 측정수단과, 상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 복소 평면 상에서의 임피던스 주파수 특성 곡선의, 피팅 커브를 얻는 피팅수단과, 상기 피팅 커브의, 곡률, 곡률 반경, 길이, 또는 이들과 상관을 가지는 수치를 취득하는 커브 파라미터 취득수단과, 상기 커브 파라미터 취득수단이 취득한 상기 곡률, 상기 곡률 반경, 상기 길이 또는 상기 수치와, 소정의 판정값과의 비교에 의거하여, 상기 퍼지기구를 제어하는 퍼지 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 제 27 발명은, 상기한 다른 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와, 상기 연료전지에 접속되는 시스템 주변 장치와, 상기 시스템 주변 장치를 제어하는 제어수단과, 상기 연료전지의 임피던스의 위상을 측정하는 측정수단과, 상기 제어수단이, 상기 측정수단이 측정한 상기 위상과 소정 위상의 위상차에 의거하여 상기 연료전지의 발전상태를 조절하는 발전 조절수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 28 발명은, 상기한 다른 목적을 달성하기 위하여, 연료전지시스템에 있어서, 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와, 연료전지의 애노드의 퍼지를 하기 위한 퍼지기구와, 상기 연료전지의 임피던스의 위상을 측정하는 측정수단과, 상기 측정수단이 측정한 상기 위상과 소정 위상과의 위상차에 의거하여, 상기 퍼지기구를 제어하는 퍼지 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 1 발명에 의하면, 연료전지의 임피던스에 의거하여, 또는 임피던스의 역수인 어드미턴스에 의거하여, 연료전지 내부의 수소농도를 추정할 수 있다. 연료전지에서는, 연료전지 내부의 수소농도가 낮을수록, 임피던스 원호가 커진다는 상관이 있다. 연료전지의 임피던스 또는 어드미턴스가 임피던스 원호가 클 때의 값을 나타내고 있으면, 이 상관에 따라 연료전지 내부의 수소농도를 상대적으로 낮게 추정할 수 있다. 그 결과, 연료전지의 임피던스 또는 어드미턴스에 의거하여, 연료전지 내부의 수소농도를 추정할 수 있다.
제 2 발명에 의하면, 연료전지의 임피던스의 실수부의 값에 의거하여, 연료전지의 수소농도가, 소정 농도 이하인지의 여부를 추정할 수 있다. 상기한 상관이 성립하기 때문에, 연료전지의 임피던스의 실수부의 값을 소정값과 비교하면, 그 소정값에 따른 수소 농도값과 연료전지 내부의 수소농도와의 상대적 관계를 추정할 수 있다.
제 3 발명에 의하면, 연료전지의 임피던스의 허수부의 값에 의거하여, 연료전지의 수소농도를 추정할 수 있다. 임피던스의 허수부의 값을 사용함으로써, 임피던스의 실수부의 값을 사용하는 경우에 비하여, 수소농도의 추정을 고정밀도로 행할 수 있다.
제 4 발명에 의하면, 임피던스의 주파수 특성의 피팅 커브를 구하여, 이 피팅 커브의 곡률 또는 곡률 반경을 얻을 수 있다. 이 임피던스 원호의 곡률이나 곡률 반경에 의거하여, 수소농도 추정을 행할 수 있다. 그 결과, 수소농도와 임피던스 원호의 상관을 더욱 정밀하게 이용하여, 정밀도 높은 수소농도 추정을 행할 수 있다.
제 5 발명에 의하면, 연료전지 내부의 수소농도를 추정할 수 있다. 즉, 임피던스의 실수부의 값과, I-V 특성의 접선의 기울기의 절대값(「I-V 접선 저항값」이라고도 한다)의 사이에는, 상관이 있다. 이 때문에, 연료전지 내부의 수소농도와 I-V 접선 저항값의 사이에도, 상관이 있다. 따라서, I-V 접선 저항값에 의거하여, 연료전지 내부의 수소농도를 추정할 수 있다.
제 6 발명에 의하면, 기억수단이, 연료전지의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값과, 연료전지 내부의 수소 농도값과의 관계(수소농도 특성)를 기억하고 있다. 제 6 발명에 의하면, 연료전지의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값의 측정값이 얻어지면, 기억하고 있는 수소농도 특성에 따라, 연료전지 내부의 수소 농도값을 계산에 의해 취득할 수 있다.
제 7 발명에 의하면, 다음의 효과가 얻어진다. 즉, 본원 발명자는, 수소농도와 임피던스 원호의 상관의 명료함이, 연료전지의 바이어스 조건에 좌우되는 것을 발견하였다. 바이어스 전압이 지나치게 낮은 경우 또는 바이어스 전류가 지나치게 큰 경우에는, 수소농도의 추정 정밀도가 저하된다. 제 7 발명에 의하면, 임피던스 측정 시에, 소정 전압 이상의 바이어스 전압 또는 소정 전류 이하의 바이어스 전류가 되도록, 연료전지에 대한 바이어스를 조정할 수 있다. 이에 의하여, 수소농도의 추정 정밀도를 확보할 수 있다.
제 8 발명에 의하면, 연료전지의 OCV가 변화된 경우에도, 임피던스 측정 시의 바이어스를, 수소농도 추정을 위한 적합한 조건으로 유지할 수 있다.
제 9 발명에 의하면, OCV의 변화량에 따라, 임피던스 측정 시의 연료전지에대한 바이어스의 크기를 조절할 수 있다.
제 10 발명에 의하면, 수소농도와 임피던스 원호의 상관이 명료하게 나타나는 조건으로, 임피던스를 측정할 수 있다. 그 결과, 임피던스에 의거하는 수소농도 추정을, 높은 정밀도로 행할 수 있다.
제 11 발명에 의하면, 100 Hz∼0.1 Hz의 저주파수 영역에서 수소농도와 임피던스 원호의 상관이 명료하게 나타나는 조건으로, 임피던스를 측정할 수 있다.
제 12 발명에 의하면, I-V 특성상에서의 OCV 부근의 소정 구간의 기울기에 의거하여, 수소농도 추정의 기초가 되는 I-V 접선 저항값을 취득할 수 있다. 그 결과, I-V 접선 저항값에 의거하는 수소농도 추정을, 높은 정밀도로 행할 수 있다.
제 13 발명에 의하면, 연료전지 내부의 수분량의 영향을, 수소농도의 추정 결과에 반영시킬 수 있다. 연료전지 내부의 수분량은, 임피던스 원호를 나타내는 방법에 영향을 끼친다. 제 13 발명에 의하면, 수분량의 영향에 의해, 수소농도추정 정밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
제 14 발명에 의하면, 고체 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 연료전지 내부의 수소농도를 추정할 수 있다.
제 15 발명에 의하면, 연료전지 내부에 있어서, 저수소 농도 부위의 수소농도를 정밀도 좋게 알 수 있다. 연료전지가 발전하고 있는 동안, 제 1, 제 2 단위셀의 애노드 유로 사이의 압력 손실 차에 따라, 제 2 단위셀의 애노드 유로의 수소농도가 상대적으로 낮아진다. 수소농도 추정장치가 제 2 단위셀을 대상으로 수소농도 추정을 행함으로써, 연료전지의 저수소 농도 부분을 대상으로 수소농도 추정을 행할 수 있다.
제 16 발명에서는, 제 2 단위셀의 애노드 유로 출구의 유로 단면적이, 상대적으로 작다. 이 때문에, 밸브가 개방되었을 때에 출구 매니폴드 내의 가스가 배출되는 과정에서, 제 2 단위셀의 애노드 유로 출구에서의 가스 유속을 높일 수 있다. 그 결과, 밸브가 개방되었을 때에, 제 2 단위셀의 내부로부터 가스를 빼낼 수 있다. 따라서, 수소농도가 낮아지기 쉬운 제 2 단위셀의 퍼지 효과를 높일 수 있다.
제 17 발명에 의하면, 연료전지 내부에서, 저수소 농도 부위의 수소농도를 정밀도 좋게 알 수 있다. 제 1군의 단위셀의 애노드 유로 출구가, 제 3 매니폴드를 통해, 제 2군의 단위셀의 애노드 유로 입구에 접속되어 있다. 그 결과, 제 2군의 단위셀의 애노드 유로의 수소농도는, 상대적으로 낮아진다. 제 17 발명에 의하면, 수소농도 추정장치가, 제 2 단위셀을 대상으로 수소농도 추정을 행한다. 따라서, 연료전지의 저수소 농도 부분을 대상으로 수소농도 추정을 행할 수 있다.
제 18 발명에 의하면, 제 17 발명에 있어서, 제 1군의 단위셀과 제 2군의 단위셀의 사이에서, 애노드의 수소의 흐름과 캐소드의 산화제의 흐름의 방향을 일치시킬 수 있다.
제 19 발명에 의하면, 연료전지를 구성하는 복수의 단위셀 중, 잔류수의 문제가 생기기 쉬운 단위셀의 수소농도를, 정밀도 좋게 추정할 수 있다.
제 20 발명에 의하면, 연료전지 내부의 특정 부분의 수소농도를, 당해 특정 부분의 전기적 계측값에 의거하여, 추정할 수 있다.
제 21 발명에 의하면, 연료전지 내부의 수소농도에 따른 제어를 정밀도 좋게 행할 수 있다.
제 22 발명에 의하면, 연료전지 내부의 수소농도가 판정값에 따른 수소농도보다 낮을 때에는, 연료전지의 발전량 저감 또는 발전 정지를 행할 수 있다.
제 23 발명에 의하면, 연료전지 내부의 수소농도에 따라, 과부족 없이 퍼지를 행할 수 있다. 그 결과, 수소부족 방지와 연비 저하 억제를 양립할 수 있다.
제 24 발명에 의하면, 제 23 발명에 있어서, 연료전지 내부의 수소농도에 따라, 필요 이상으로 퍼지가 이루어지는 것을 회피할 수 있다. 그 결과, 연비 저하를 한층 더 억제할 수 있다.
제 25 발명에 의하면, 연료전지 내부의 수소농도가 판정값에 따른 수소농도보다 낮을 때에는, 연료전지의 발전량 저감 또는 발전 정지를 행할 수 있다.
제 26 발명에 의하면, 연료전지 내부의 수소농도에 따라, 과부족 없이 퍼지를 행할 수 있다. 그 결과, 수소부족 방지와 연비 저하 억제를 양립할 수 있다.
제 27 발명에 의하면, 연료전지 내부의 수소농도가 소정 위상에 따른 수소농도보다 낮을 때에는, 연료전지의 발전량 저감 또는 발전 정지를 행할 수 있다.
제 28 발명에 의하면, 연료전지 내부의 수소농도에 따라, 과부족없이 퍼지를 행할 수 있다. 그 결과, 수소부족 방지와 연비 저하 억제를 양립할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1의 실시예 1에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 2는 본원 발명자가 행한 실험결과를, 콜-콜-플롯에 의해 정리한 도,
도 3은 연료전지의 전류 전압 특성과 I-V 접선을 나타내는 도,
도 4는 연료전지의 바이어스 전압이 1.0 V의 조건으로, 도 2와 마찬가지로 콜-콜-플롯도를 작성한 도,
도 5는 연료전지의 바이어스 전압이 0.6 V 이하의 조건으로, 도 2와 마찬가지로 콜-콜-플롯에 의해 작성한 도,
도 6은 임피던스 원호의 크기와 전류밀도의 관계를 설명하기 위한 도,
도 7은 임피던스 원호에 대한 연료전지의 수분량의 영향을 설명하기 위한 모식도,
도 8은 실시형태 1의 실시예 1에서 제어장치가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 9는 실시형태 1의 실시예 1에서 제어장치가 실행하는 루틴의 흐름도의 다른 예,
도 10은 실시형태 1의 실시예 2에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면과, 단위셀의 구성을 나타내는 평면도,
도 11은 실시형태 1의 실시예 2에서 ECU(Electronic Control Unit)가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 12는 본 발명의 실시형태 2의 실시예 1에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 13은 실시형태 2의 실시예 1에 관한 변형예를 나타내는 도,
도 14는 실시형태 2의 실시예 1에서, ECU가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 15는 실시형태 2의 실시예 2에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면과, 연료전지 스택의 확대 단면도,
도 16은 실시형태 2의 실시예 2에서, ECU가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 17은 실시형태 2의 실시예 3에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 18은 도 17에서의 단위셀(202, 244)의 인접 부분을 확대한 도,
도 19는 본 발명의 실시형태 3에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 20은 실시형태 3에서 ECU가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 21은 실시형태 3의 변형예의 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 22는 본 발명의 실시형태 4에 관한 단위셀의 구성을 나타내는 평면도,
도 23은 도 22의 A-A에 따라 단위셀(400)을 절단한 단면도와, 도 22에서의 단자(420) 근방을 확대한 도,
도 24는 실시형태 4의 연료전지시스템에서 실행되는 루틴의 흐름도,
도 25는 실시형태 4의 연료전지시스템의 제어동작을 설명하기 위한 도,
도 26은 실시형태 4에 대한 비교예를 나타내는 도,
도 27은 실시형태 4의 연료전지시스템에서 실행되는 루틴의 흐름도,
도 28은 본 발명의 실시형태 5에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 29는 실시형태 5에서 ECU가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 30은 수소농도 센서를 사용하여 실시형태 5에 관한 제어동작을 행하는 경우의 연료전지시스템의 구성예를 나타내는 도,
도 31은 본 발명의 실시형태 6에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 32는 실시형태 6에서의 단위셀의 평면도,
도 33은 본 발명의 실시형태 6에서 ECU가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 34는 본 발명의 실시형태 7에서 ECU가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 35는 본 발명의 실시형태 8에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 36은 실시형태 8의 연료전지시스템의 동작을 설명하기 위한 타임 차트,
도 37은 실시형태 8에서 ECU가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 38은 실시형태 8의 비교예로서 나타내는 연료전지 스택의, 내부 구성의 모식도,
도 39는 본 발명의 실시형태 9의 실시예 1에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도,
도 40은 실시형태 9에 관한 단위셀의 구성을 나타내는 평면도,
도 41은 실시형태 9의 실시예 1에서 ECU가 실행하는 루틴의 흐름도,
도 42는 실시형태 9의 실시예 2에서 ECU가 실행하는 루틴의 흐름도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태인 실시형태 1∼9를 각각 설명한다.
실시형태 1에 의하면, 본 발명에 관한 수소농도 추정장치 및 그것을 사용한 연료전지시스템의 기본적인 형태가 제공된다.
실시형태 2∼9에 의하면, 실시형태 1의 수소농도 추정 기술을 활용한 연료전지시스템이 제공된다.
실시형태 1.
[실시형태 1의 실시예 1]
<실시형태 1의 실시예 1의 시스템 구성>
도 1은, 본 발명의 실시형태 1의 실시예 1에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시예에 관한 연료전지시스템은, 연료전지(2)와, 연료전지(2)에 접속된 임피던스 측정장치(3) 및 부하(4)를 구비하고 있다. 제어장치(5)는, 임피던스 측정장치(3) 및 부하(4)와 접속되어 있다. 임피던스 측정장치(3)는, 교류 임피던스법에 따라 연료전지(2)의 임피던스를 측정하기 위한 장치이다.
도시 생략하나, 본 실시예의 연료전지시스템은, 연료전지(2)에 수소를 공급하기 위한 수소계와, 연료전지(2)에 공기를 공급하기 위한 공기계를 구비하고 있다. 수소계에는, 수소공급량을 조절하는 수소계 기기(도시 생략)가 구비된다. 공기계에는, 공기공급량을 조절하는 공기계 기기(도시 생략)가 구비된다. 또, 필요에 따라, 연료전지(2)를 냉각하기 위한 냉각계를, 시스템이 탑재하고 있어도 된다.
연료전지(2)는, 애노드에 수소의 공급을 받고, 캐소드에 공기의 공급을 받아, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 발전한다. 연료전지(2)의 구체적 구성에는, 한정은 없다. 고체 고분자형 연료전지(PEMFC), 고체 산화물형 연료전지(SOFC), 수소 분리막형 연료전지(HMFC)라는 여러가지 타입의 구성을, 연료전지(2)의 구성으로서 사용할 수 있다.
제어장치(5)는, 임피던스 측정장치(3)를 통해, 연료전지(2)의 임피던스를 취득할 수 있다. 제어장치(5)는, 각종 프로그램, 데이터의 기억이 가능한 기억장치(예를 들면, RAM, ROM 그 외)를 내장하고 있다. 또, 제어장치(5)는, 연산 처리를 실행할 수 있는 연산장치(예를 들면, MPU, CPU, 마이크로컴퓨터)를 내장하고 있다. 또, 제어장치(5)는, 상기한 수소계 기기나 공기계 기기 모두 접속하고, 그들 기기를 제어할 수 있다.
또한, 연료전지에 대하여 교류 임피던스법을 적용하는 기술이나, 측정 결과로부터 임피던스를 수치로서 얻기 위한 기술은, 이미 공지 기술이며, 신규 사항은 아니다. 따라서, 임피던스 측정장치(3)의 구체적 구성이나, 제어장치(5)의 처리 내용에 대해서는, 상세한 설명은 행하지 않는다.
<실시형태 1에 관한 수소농도 추정>
이하, 본 발명의 실시형태 1에 관한 수소농도 추정의 내용을 설명한다. 설명은, 하기 (1)∼(4)의 순서로 각각 행한다.
(1) 본원 발명자가 행한, 실험 및 그 실험 결과의 분석
(2) 수소농도 추정의 구체적 수법
(3) 정밀도 높은 수소농도 추정을 위한 연료전지의 바이어스 조건
(4) 수분량의 영향
실시형태 1의 실시예 1의 연료전지시스템은, 이하 설명하는 수소농도 추정 수법에 따라, 연료전지(2)의 수소농도 추정을 행할 수 있다.
(1) 본원 발명자가 행한, 실험 및 그 실험 결과의 분석
수소농도 추정의 구체적 수법의 설명에 앞서, 본원 발명자가 행한, 실험 및 그 실험 결과의 분석을 설명한다. 도 2는, 본원 발명자가 행한 실험결과(수소농도에 따른 임피던스 측정 결과)를, 콜-콜-플롯(Cole-Cole Plot, 복소 평면 표시)에 의해 정리한 도면이다.
측정 조건은, 면적이 13 ㎠인 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : MEA)에 대하여, 바이어스 전압(Vbias)을 0.9V, 진폭을 ±50 mV, 주파수는 100 Hz∼0.1 Hz로 하였다. MEA의 캐소드에 공기를 공급하고, MEA의 애노드에는 수소와 질소의 혼합 가스를 흘렸다. 혼합 가스의 수소농도는, 0%∼80%에서 변화시켰다. 이 조건으로, 교류 임피던스법에 따라, 주파수에 따른 임피던스를 콜-콜-플롯도로서 정리하였다.
또한, 임피던스의 주파수 특성을 나타낸 곡선(임피던스값의 궤적)이, 복소 평면 상에 원호(semicircle)를 그리는 것이 알려져 있다. 이하, 이 원호를, 「임피던스 원호」라고도 부른다.
도 2의 결과에 의하면, 수소농도 0%의 경우를 제외하고, 수소농도가 높아짐에 따라 임피던스 원호가 서서히 작아지고 있다. 발전 중에 연료전지 내부(애노드)의 수소농도가 저하하면, 과전압에 미소량의 변화가 나타난다. 이 과전압이, 콜-콜-플롯도 상의 임피던스 원호의 크기를 변화시킨다. 그 결과, 도 2에서, 임피던스 원호가, 수소농도의 저하에 따라, 서서히 커지고 있다. 수소농도가 높을수록, 임피던스 원호의 지름은 작아져, 임피던스 원호의 곡률 반경이 작고, 즉 곡률이 커지고 있다.
도 2는, 고체 고분자형 연료전지(PEMFC)에 관한 실험 결과이다. 고체 산화물형 연료전지(SOFC), 수소 분리막형 연료전지(HMFC)라는 다른 타입의 연료전지도, 원리적 공통성이 있기 때문에, 동일한 경향을 나타낸다고 생각된다.
(2) 수소농도 추정의 구체적 수법
그래서, 본원 발명자는, 임피던스 원호와 수소농도의 상관을, 연료전지 내부의 수소농도 추정에 이용하는 것으로 상도하였다. 본원 발명자는, 몇가지 바람직한 구체적 수법을 찾아내고 있다. 그들의 바람직한 구체적 수법을, 하기 (i)∼(iV)에 열거한다. 제어장치(5)가 하기 (i)∼(iV) 중 적어도 하나를 실행함으로써, 연료전지(2)의 수소농도 추정을 행할 수 있다.
(i) 임피던스의 실수부(Z') 또는 허수부(Z")
도 2에 나타내는 바와 같이, Z'는, 수소농도가 낮을수록, 큰 값을 취한다. 그래서, Z'가 소정값 이상이면, 연료전지 내부의 수소농도가, 이 소정값 상당의 수소농도와 비교하여 동일하거나 또는 낮은 농도라고 추정할 수 있다.
구체적으로는, 본 실시예에서는, 먼저, 제어장치(5)에, 기준 수소농도에 대응하는 판정값을 미리 기억하여 둔다. 제어장치(5)가, 이 판정값과, 임피던스 측정장치(3)를 통해 취득한 임피던스의 실수부(Z')를 비교한다. Z'가 판정값 이상이면, 제어장치(5)는, 연료전지(2) 내부의 수소농도가 기준 수소농도 이하라고 판정한다. 반대로, 제어장치(5)는, Z'가 판정값을 경계로 작은 쪽의 값일 때에는, 수소농도가, 기준 수소농도보다 낮지 않은 즉 기준 수소농도보다 높다고 판정한다. 이상에 의하여, 연료전지(2) 내부의 수소농도가, 소정의 기준 수소농도와 비교하여 높은지 낮은지가 추정된다.
예를 들면, 도 2에서는, 임피던스 원호의 가장 오른쪽의 값은 0.1 Hz의 측정점이다. 도 2에서 0.1 Hz의 Z'를 보면, 0.6Ω의 우측에는 수소농도 40% 이하일 때의 Z'의 점이 플롯되어 있다. 판정값을 0.6Ω로 정함으로써, 0.1 Hz의 Z'가 판정값 이하이면 수소농도가 적어도 40% 이상이라고 추정할 수 있다.
또, 도 2에 나타내는 바와 같이, Z"의 값도, 수소농도에 따라 변화된다. 따라서, Z'와 마찬가지로, 소정의 판정값과의 비교에 의한 추정을 행할 수 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 임피던스의 허수부의 값의 절대값(|Z"|)은, Z'와 마찬가지로 수소농도가 낮을수록 커진다. 그러나, 도 2에 나타내는 바와 같이, 실수부의 값과 허수부의 값에서는 부호가 반대이어서, Z"는 마이너스 방향으로 커지는 경향을 나타낸다. 따라서, Z"를 이용하는 경우에는, 제어장치(5)는, |Z"|가 소정 판정값 이상일 때에는 기준 수소농도 이하라는 판정을 내린다.
구체적으로는, 예를 들면, 도 2에서 0.1 Hz의 Z"를 보면, 0∼-0.1Ω의 범위 내에, 수소농도 40%인 Z"의 점이 플롯되어 있다. 또, -0.1∼-0.2Ω의 범위 내에, 수소농도 20%일 때의 Z"의 점이 플롯되어 있다. 예를 들면, 0.1 Hz의 임피던스 측정값에서, 판정값을 0.1Ω로 정한 경우, |Z"|가 이 판정값 이상일 때( 즉, |Z"|≥0.1Ω일 때)에는, 수소농도가 40%보다 낮다고 추정할 수 있다.
또, 미리, Z'나 Z"와 수소농도와의 대응 관계를 정한 수소농도 특성맵을 작성하여 두고, 이 수소농도 특성맵을 제어장치(5)에 기억하고 있어도 된다. 제어장치(5)가, 이 수소농도 특성맵에 따라, Z'나 Z"에 의거하는 수소농도 추정값의 계산 처리를 실행하여도 된다. Z'에 대한 수소농도 특성맵은, Z'가 클수록 수소농도가 낮아지도록, 정할 수 있다. 또, Z"에 대한 수소농도 특성맵은, Z"의 절대값(|Z"|)이 클수록 수소농도가 낮아지도록, 정할 수 있다. Z' 또는 Z'와, 수소농도와의 관계는, 곡선적 특성, 직선적 특성, 또는 계단 형상의 특성, 또는, 꺾인 선 그래프적인 특성으로서 정할 수 있다.
(ii) 임피던스 원호의 곡률 반경(ρ) 또는 곡률(k) 그 밖의 수치
도 2에 나타내는 바와 같이, 수소농도의 저하에 따라, 임피던스 원호가 서서히 커지고 있다. 임피던스 원호의 곡률 반경(ρ)이나 곡률(k)을 사용하여, 수소농도 추정을 행할 수도 있다. 즉, 제어장치(5)가, 기준 수소농도에 대한 임피던스 원호의 ρ나 k를, 판정값으로서 미리 기억하여도 된다. 또는, 제어장치(5)가, 수소농도마다의 복수의 임피던스 원호에 따른 복수의 ρ나 k를, 수소농도 특성맵으로서 기억하여도 된다.
한편, 이 경우에는, 제어장치(5)에, 임피던스 원호의 피팅 커브(근사 곡선)를 취득하기 위한 피팅용 프로그램을 기억시켜 둔다. 이에 의하여, 제어장치(5)는, 임피던스 측정장치(3)를 통해 얻은 임피던스의 값(예를 들면, 4개의 값)에 의거하여, 임피던스 원호의 피팅 커브를 계산에 의해 취득할 수 있다. 제어장치(5)는, 피팅의 결과로부터, 피팅 커브의 곡률 반경(ρ)이나 곡률(k)을 취득할 수 있다. 제어장치(5)는, 피팅 커브로부터 구한 ρ나 k와, 판정값이나 수소농도 특성맵값과의 비교 대조를 행한다. 이에 의하여, 수소농도와 임피던스 원호의 상관을 더욱 정밀하게 이용하여, 연료전지(2)의 수소농도를 높은 정밀도로 추정할 수 있다.
또한, 여기서 사용하는 피팅용 프로그램은, 공지의 여러가지 계산방법의 프로그램을 사용할 수 있다. 피팅용 프로그램은, 피팅 계산 과정에서, 피팅 커브의 형상이나 크기와 관련되는 파라미터를 산정하는 점에서는 공통된다. 이들 파라미터는, 곡률 반경이나 곡률과 마찬가지로, 임피던스 원호의 크기나 형상에 상관을 가진다. 따라서, 이와 같은 파라미터를, 임피던스 원호와 상관을 가지는 값으로서, 수소농도 추정을 위하여 사용할 수도 있다.
(iii) 연료전지의 I-V 접선 저항값
도 3은, 연료전지의 전류 전압 특성(이하, 「I-V 특성」이라고도 부른다)과, 연료전지의 I-V 접선을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서는 도 3에 나타내는 바와 같이, I-V 특성 곡선 상의 어느 점에서의 접선을, 이 점에서의 「I-V 접선」이라 부른다. 또, 이 접선의 기울기의 절대값을 「I-V 접선 저항값」이라 부르고, |ΔV|/|ΔI|라고도 기재한다. I-V 접선 저항값은, I-V 접선의 방향계수의 절대값[전압(V)을 y축이라 하고 전류(I)를 x축이라 한 경우의 y=ax+b에서의, "a"의 절대값(|a|)]에 상당한다.
임피던스의 실수부(Z')의 값과, I-V 접선 저항값과의 사이에는 상관이 있다. 구체적으로는, Z'가 클수록, I-V 접선의 기울기가 급해져, I-V 접선 저항값이 큰 값이 된다. 따라서, I-V 접선 저항값을, 임피던스의 실수부(Z')의 값과 마찬가지로, 본 실시형태에 관한 수소농도 추정에 사용할 수 있다.
I-V 접선 저항값은, 다음에 설명하는 순서를 제어장치(5)에 실행시킴으로써, 취득할 수 있다. 연료전지(2)에 전류계와 전압계를 접속하여 두고, 연료전지(2)의 I-V 특성상의 2개의 동작점[(V1, I1) 및 (V2, I2)라 한다]을 취득한다. 이 2개의 점의 거리(구간)는 가능한 한 미소하게 하는 것이 바람직하다. 이어서, 제어장치(5)는, 하기의 식에 따라 |ΔV|/|ΔI|를 계산하는 계산 처리를 실행한다.
|ΔV|/|ΔI|=|V1-V2|/|I1-I2|
이 후, |ΔV|/|ΔI|를 Z'와 동일하게 취급하여, 상기 (i)에 기재한 수소농도 추정을 행할 수 있다. 또한, |ΔV|/|ΔI|는, 3점 이상의 복수의 점에 의거하는 계산에 의해 구해져도 된다. 단, 복수점 중 양 단점(端点)의 거리는, 가능한 한 미소한 것이 바람직하다. 또, OCV에 가까운 복수의 전압값, 바꿔 말하면 복수의 미소 전류값으로, |ΔV|/|ΔI|를 취득하는 것이 바람직하다.
(iv) 그 밖의 베리에이션
도 2에서도 분명한 바와 같이, 상기한 (i)∼(iii) 외에, 임피던스의 위상(θ) 또는 절대값(|Z|)이나, 피팅 커브 길이(L)(원호길이)도, 임피던스 원호의 크기에 따라 변화된다. 따라서, 이들 값을 상기한 Z' 등과 마찬가지로 이용하여, 판정값과의 비교나 맵에 의거하는 추정값 산출을 행하여도 된다.
상기 (i)∼(iV) 중 어느 하나를 제어장치(5)에 실행시킴으로써, 연료전지(2) 내부의 수소농도를 추정할 수 있다.
또한, (i)의 란에서 설명한 것과 마찬가지로, (ii)∼(iv)에서도 수소농도 특성맵을 사용한 추정값의 계산을 행할 수 있다. 즉, 제어장치(5)가, ρ, k, |ΔV|/|ΔI|, |Z|, θ 또는 L과, 수소농도와의 관계를 정한 수소농도 특성맵을 미리 기억하여도 된다. 제어장치(5)가, 기억한 수소농도 특성맵을 이용하여, 수소농도 추정값의 계산 처리를 실행하여도 된다. 또한, I-V 접선 저항값이나 임피던스의 실수부의 값을 사용하는 경우에 비하여, 허수부의 값이나, 절대값 및 위상각을 사용함으로써 고정밀도의 수소농도 추정 정밀도가 가능하다.
(3) 정밀도가 높은 수소농도 추정을 위한 연료전지의 바이어스 조건
본원 발명자는, 수소농도와 임피던스 원호의 상관의 명료함이, 연료전지의 바이어스 조건에 크게 좌우되는 것을 발견하였다. 도 2는, 교류 임피던스법에서, 바이어스 전압을 0.9V로 한 조건으로 작성한 콜-콜-플롯도이다. 본원 발명자는, 바이어스 전압을 0.9V 이외의 복수의 값으로 설정하면서, 몇개의 콜-콜-플롯도를 도 2와 마찬가지로 작성하였다. 본원 발명자의 실험 결과에서는, 수소농도와 임피던스 원호의 상관을, 0.6V 이상 1.0V 미만의 바이어스 전압범위(더욱 바람직하게는0.7V∼1.0V 미만)에서, 양호하게 식별할 수 있었다. 도 4 및 도 5는, 연료전지의 바이어스 전압이 1.0V 또는 0.6V 이하의 조건으로, 도 2와 마찬가지로 콜-콜-플롯도를 작성한 도면이다. 도 4는, 바이어스 전압이 1.0V인 경우이고, 이것은 OCV 상태에 상당하는 결과이다. 바이어스 전압이 1.0V에 도달한 경우에는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 임피던스 원호는 관측되지 않았다. 도 5는, 바이어스 전압이 0.6이하인 경우이고, 임피던스 원호는 이제는 관측할 수 없다. 단, 도 5의 결과가 얻어진 이유로는, 실험에 사용한 임피던스 측정장치의 사양의 영향이 있다고, 본원발명자는 생각하고 있다.
본원 발명자는, 예의 연구를 진행한 결과, 실시형태 1에 관한 수소농도 추정을 행하는 데에 있어서, 높은 바이어스 전압이 적합한 것을 찾아내었다. 이하, 그 이유를 설명한다.
도 6(a) 및 도 6(b)는, 임피던스 원호의 크기와 전류밀도의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 6(a)의 I-V 특성상의 점 A, B, C와, 도 6(b)의 콜-콜-플롯도 중의 임피던스 원호 A, B, C가, 각각 대응한다.
과전압이 하기의 타펠식에 따르는 것이 알려져 있고, 과전압은 전류의 대수와 비례한다.
V = a-b×log(I)
과전압을 저항값으로 표현하면, 하기의 식이 성립한다.
I×R = a-b×log(I)
I가 클수록 R은 작아지기 때문에, 전류밀도가 작을수록 즉 C, B, A의 순으로 임피던스 원호는 커진다.
수소농도 변화에 따르는 과전압 증감이, 임피던스의 실수부(연료전지의 내부저항)의 증대로서 나타난다. 이에 의하여, 수소농도와 임피던스 원호와의 상관이 생기고 있다. 여기서 설명하고 있는 과전압 변화는 미소하고, 예를 들면 I-V 특성상으로부터는 거의 식별할 수 없다. 이 미소한 과전압 변화를 정밀도 좋게 식별할 수 있으면, 수소농도 변화를 고정밀도로 추정할 수 있다. 그것을 위해서는, 임피던스 원호가 약간 커지는 고바이어스 전압으로, 임피던스를 측정, 평가하는 것이 유효하다.
또, 상기한 바와 같이, 임피던스 원호와 수소농도의 상관은, 수소농도에 따른 미소한 과전압 변화에 유래(由來)한다. 연료전지의 출력 전류가 큰 경우, 발전 생성수의 영향이나, 저항 과전압이나 농도 과전압이라는 여러가지 노이즈가 임피던스 원호를 일그러뜨린다. 연료전지의 출력 전류가 충분히 작으면, 즉 바이어스 전압을 약간 높게 하면, 그것들의 노이즈를 충분히 배제할 수 있다.
이들 사항을 종합하면, 노이즈가 적고 또한 사이즈가 약간 큰 임피던스 원호가 나타나는 조건인 고바이어스 전압이, 적합하다.
그래서, 본 실시예에 관한 연료전지시스템에서, 제어장치(5)가, 하기 (i)∼(iii) 중 어느 하나를 실행하여도 된다.
(i) 제 1 바이어스 조건
제어장치(5)가, 소정 전압 이상의 바이어스 전압이 되도록, 임피던스 측정 시에 있어서의 연료전지(2)의 바이어스 전압을 조정하여도 된다. 이에 의하여, 수소농도 추정용의 임피던스 측정을 행할 때에, 바이어스 전압이 지나치게 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 수소농도의 추정 정밀도를 확보할 수 있다.
바이어스 전압이 OCV 미만의 높은 전압으로 설정됨으로써, 수소농도의 상위(相違)에 따른 임피던스 원호의 크기의 상위가, 도 2에 나타내는 바와 같이 명료하게 나타난다. 본원 발명자의 지견(知見)에 의하면, 바이어스 전압이 연료전지의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage : OCV)에 한층 가까울수록, 임피던스 원호의 원호형상이 깨끗해진다(노이즈가 적어진다). 이 때문에, 바이어스 전압은, OCV 미만의 전압이거나 또한 가능한 한 OCV에 가까운 고전압(예를 들면, OCV 마이너스 0.3∼0.1V, 또는 그것보다도 작은 차)이 바람직하다.
또, 연료전지에 고바이어스 전압을 주는 상태는, 연료전지에 저바이어스 전류를 주는 것에 의해서도 마찬가지로 실현할 수 있다. 따라서, 임피던스 측정 시에, 연료전지(2)의 바이어스 전류를 소정 전류 이하로 조절하여도 된다. 바이어스 전류는, 가능한 한 낮은 값이 바람직하다.
(ii) 바이어스 보정
연료전지의 OCV는 일정하지는 않고, 예를 들면, 연료전지의 경년(經年) 열화에 의해 OCV는 저하된다. 그래서, 제어장치(5)가, 연료전지(2)의 OCV를 정기적으로 검지하여, 바이어스 전압이 OCV 부근에 유지되도록, 바이어스값을 보정하여도 된다. OCV의 값은, 전압계(예를 들면, 셀 전압 모니터)를 사용하여 적절하게 취득되면 된다. 이에 의하여, 연료전지(2)의 OCV가 변화된 경우에도, 임피던스 측정 시의 연료전지(2)에 대한 바이어스를, 수소농도 추정을 위한 적합한 조건으로 유지할 수 있다.
또, 제어장치(5)가, OCV로부터 소정값을 뺌으로써 목표 바이어스 전압을 산출하여도 된다. 이 목표 바이어스 전압에 의거하여, 제어장치(5)가, 임피던스 측정 중에 바이어스 전압이나 바이어스 전류를 조절하여도 된다. 이에 의하여, OCV의 변화량에 따라, 임피던스 측정 시의 연료전지(2)에 대한 바이어스의 크기를 조절할 수 있다. 따라서, OCV의 증가나 감소에 따르도록, 바이어스 전압이나 바이어스 전류를 증감할 수 있다.
(iii) 제 2 바이어스 조건
상기한 비특허문헌 1 「Naoki Ito et al., "Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells", Journal of Power Sources 185(2008) p.922-926.」은, 수소 분리막형 연료전지에서의 전기화학적 특성 평가의 결과를 개시하고 있다.
비특허문헌 1의 도 1(b), 도 1(c)에는, 각각, 애노드의 수소농도나 캐소드의 산소농도와 임피던스 원호에 관한 측정 결과가 나타나 있다. 그러나, 비특허문헌 1의 도 1(b), 도 1(c)의 임피던스 원호는 매우 일그러져 있고, 또, 수소농도마다, 2000 Hz(2 kHz) 이하의 저주파수 영역에 2개의 임피던스 원호가 나타나 있다.
한편, 도 2에 나타낸 실험 결과에서는, 100 Hz∼0.1 Hz에 걸친 임피던스 원호가 하나의 원호로서 나타나 있다. 또, 개개의 임피던스 원호의 형상도 노이즈가 적은 깨끗한 원호이다.
상기한 바와 같이, 임피던스 원호와 수소농도의 상관은, 수소농도에 따른 미소한 과전압 변화에 유래된다. 연료전지의 출력 전류를 충분히 낮게 하면, 노이즈의 영향이 충분히 배제된다. 이 때, 도 2와 마찬가지로 저주파수 영역에서의 임피던스 원호가 각각 하나의 원호로서 질서있게 나타난다.
그래서, 임피던스 측정 시의 연료전지(2)의 바이어스 전압 또는 바이어스 전류를, 저주파수 영역의 임피던스 원호가 하나의 원호로서 나타날 정도로 높은 바이어스 전압(또는 낮은 바이어스 전류)으로 정하는 것이 바람직하다. 이 바이어스값은, 임피던스 측정의 대상이 되는 연료전지의 구체적 구성에 의해 좌우되나, 대상인 연료전지의 임피던스 원호를 실제로 조사함으로써 특정 가능하다. 제어장치(5)가, 그와 같은 특정 바이어스값을 기억하여 두고, 임피던스 측정 시에 연료전지(2)의 바이어스 전압을 이 특정 바이어스값으로 조절하여도 된다.
이 특정 바이어스값을 기점으로 하여, 높은 전압, 또는 낮은 전류가 되는 바이어스이면, 임피던스 원호가 하나의 원호로서 나타난다. 따라서, 이 특정 바이어스값보다 높은 바이어스 전압 또는 낮은 바이어스 전류를, 연료전지(2)에 주어도 된다.
이에 의하여, 수소농도의 영향이 임피던스 원호에 분명히 나타나는 조건으로, 임피던스 측정을 행할 수 있다. 그 결과, 제어장치(5)가 실행하는 수소농도 추정 처리가, 높은 정밀도로 행하여진다.
또한, 통상, 교류 임피던스 측정은, 10 kHz∼0.1 Hz의 주파수 영역에서 행하여진다. 한편, 상기한 바와 같이, 도 2에 나타낸 임피던스 원호는, 이 통상 주파수 영역에 비하여 약간 낮은 주파수 영역인 100 Hz∼0.1 Hz에서 얻어졌다. 그래서, 이 100 Hz∼0.1 Hz의 저주파수 영역에서의 임피던스 원호가 하나의 원호로서 나타날 정도로, 상기한 특정 바이어스값을 정하여도 된다.
또한, 상기한 바이어스 조건에 의하면, 하기에 설명하는 바와 같이, 연료전지 특유의 현저한 효과를 얻을 수 있다.
연료전지는, 저수소 농도일 때의 열화라는 특유의 사정도 안고 있다. 이 때문에, 저수소 농도일 때에는, 연료전지(2)의 출력 전류를 크게 하는 것은 피하고 싶다. 한편, 이미 설명한 바와 같이, 임피던스 측정 시의 바이어스를 연료전지의 출력 전류를 적게 하도록 정하는 쪽이, 수소농도에 따른 임피던스 원호의 변화가 명료해진다. 즉, OCV 부근의 고바이어스 전압은, 수소농도의 추정 정밀도 향상과, 연료전지(2)의 열화 억제라는 2개의 효과를 초래한다.
또, 연료전지(2) 내부의 수소농도 부족(수소부족)을 검출하고 싶은 경우에는, 수소를 그다지 소비하고 싶지 않다. 실시형태 1에 의하면, 연료전지(2)의 출력 전류를 작게 함으로써, 수소농도의 추정 정밀도 향상과 함께, 수소 소비 억제도 실현할 수 있다. 또, 발전 중의 전류밀도가 작으면 플로딩(flooding)이 일어나기 어렵고, 플로딩이 임피던스 원호에 주는 영향(노이즈)도 작다.
이상과 같이, 실시형태 1에 관한 바이어스 조건에 의하면, 연료전지 특유의 유익한 효과도 아울러 얻을 수 있다.
또한, 상기한 내용으로부터, |ΔV|/|ΔI|를 취득할 때에도 가능한 한 OCV에 가까운 전압값(바꿔 말하면 가능한 한 낮은 전류값)이 바람직한 것이 유도된다. 따라서, 본 실시예에서는, 제어장치(5)가, |ΔV|/|ΔI|를 취득하기 위한 측정값으로서, OCV 부근의 측정값을 사용한다. 그 결과, 높은 추정 정밀도와, 상기한 각종 연료전지 특유의 효과(열화 억제, 수소 소비 억제, 플로딩 억제)가 달성된다.
(4) 수분량의 영향
도 7은, 임피던스 원호에 대한 연료전지의 수분량의 영향을 설명하기 위한 모식도이다. 연료전지 내부의 수분이 부족한 즉 드라이한 경우에는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 임피던스 원호는, 사이즈가 커지고 또한 Z'축 상을 시프트한다. 따라서, 연료전지 내부의 습윤상태에 따라, 제어장치(5)의 판정값이나 수소농도 특성맵의 내용을 보정하는 것이 바람직하다.
그래서, 제어장치(5)가, 연료전지 습윤상태와, 임피던스 원호의 사이즈나 Z'축 상의 위치 사이의 상관맵을 기억하여도 된다. 제어장치(5)가, 이와 같은 상관맵에 의거하여 수소농도 추정 결과, 수소농도 추정값을 보정하여도 된다. 또한, 연료전지의 함수량(바꿔 말하면, 수분량, 습윤상태)를 검지, 추정하기 위한 기술은 이미 많은 기술이 공지이기 때문에, 상세한 설명은 행하지 않는다.
<실시형태 1의 실시예 1에 관한 구체적 처리>
이하, 본 실시예에 관한 연료전지시스템에서, 제어장치(5)가 실행하는 구체적 처리를 설명한다. 여기서는, 상기 "(i) 임피던스의 실수부(Z')에 의거하는 수소농도 추정"의 구체적 처리와, 상기 "(iii) I-V 접선 저항값에 의거하는 수소농도 추정"의 구체적 처리를, 각각 설명한다.
(1) Z'에 의거하는 추정 처리
도 8은, 실시형태 1의 실시예 1에서 제어장치(5)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 본 실시예에서는, 도 8의 루틴이 연료전지의 발전 중에 실행되는 것으로 한다.
도 8의 루틴에서는, 먼저, 캐소드에 공기가 공급된다(단계 S100). 이 때, 캐소드에 대하여 풍부하게 공기가 공급되는 것이 바람직하다. 그 후, 연료전지(2)의 바이어스 전압(Vbias)이 0.9V로 조절된다(단계 S102). 그 후, 제어장치(5)가, 주파수 0.1 Hz 또한, 소정 진폭으로, 교류 임피던스법에 따라, 임피던스 측정장치(3)를 통한 임피던스 측정을 행한다(단계 S104). 단계 S104에서의 주파수는, 1 kHz∼0.1 Hz의 주파수 범위에서 미리 정하여 둔다.
그 후, 단계 S104에 의해 얻어진 임피던스에 의거하여, 수소농도 추정이 행하여진다(단계 S106). 본 실시예에서는, 제어장치(5)가, 단계 S104의 다음에 최종적으로 임피던스의 실수부(Z')의 값을 취득하고, 실수부(Z')가 소정 판정값에 비해 큰지의 여부를 판정하는 판정 처리를 실행한다. 이상의 처리가, 수소농도 추정을 실현한다.
또한, 도 8의 루틴에서는, 임피던스 측정장치(3)가, 상기 제 1∼6 발명에서의 「측정수단」에 상당한다. 제어장치(5)가 도 8의 루틴의 단계 S106의 처리를 실행함으로써, 상기 제 1 발명 및 상기 제 2 발명에서의 「추정수단」이 실현되어 있다. 또, 제어장치(5)가 임피던스의 실수부(Z')의 값을 산출하는 처리를 실행함으로써, 상기 제 2 발명에서의 「임피던스의 실수부의 값을 취득하는 수단」이 실현되어 있다.
또, 제어장치(5)가 도 8의 루틴의 단계 S102의 처리를 실행함으로써, 상기 제 7 발명에서의 「소정 바이어스 공급수단」이 실현되어 있다.
또한, Z' 대신, Z", ρ, k, θ, |Z|, L 중 어느 하나에 의거하는 수소농도 추정을 행하도록, 단계 S106의 연산 처리 내용을 변경하여도 된다. 이 경우에는, 제어장치(5)가, 미리, Z", ρ, k, θ, |Z| 또는 L을 계산하기 위한 연산 처리와, Z", ρ, k, θ, |Z| 또는 L에 따라 정한 소정 판정값을 기억하여도 된다. 부호가 마이너스인 Z"에 대해서는, 절대값(|Z"|)을, 양의 소정값과 비교하면 된다. 또한, 상기한 루틴에서의 단계 S104에서, 0.9V보다 높거나 또는 낮은 바이어스 전압으로 하여도 된다. 또, 미리 정한 낮은 바이어스 전류이어도 된다.
또한, 단계 S102의 처리를, 상기한 "(ii) 바이어스 보정"의 기재 내용을 따른 바이어스 전압 보정처리로 치환하여도 된다.
(2) |ΔV|/|ΔI|에 의거하는 추정 처리
도 9는, 실시형태 1의 실시예 1에서 제어장치(5)가 실행하는 루틴의 흐름도의 다른 예이다.
도 9의 루틴에서는, 단계 S100의 캐소드 공기공급 제어 후, 연료전지(2)의 I-V 특성상의 2개의 점이 취득된다(단계 S152). 이어서, 이들 2점으로부터 |ΔV|/|ΔI|가 산출된다(단계 S154). 계속해서, |ΔV|/|ΔI|의 값에 의거하여, 수소농도 추정(판정값과의 비교, 또는 맵에 의거하는 추정값 산출)이 행하여진다(단계 S156). 제어장치(5)가 이상의 처리를 실행함으로써, 앞에 설명한 (iii) I-V 접선 저항값을 사용한 수소농도 추정이 실현된다.
도 9에 나타낸 변형예에서는, 단계 S152 및 S154의 처리가 실행됨으로써, 상기 제 5 발명에서의 「측정수단」이 실현되어 있다.
(3) 다른 변형예
또한, 다른 변형예로서, 제어장치(5)의 기억장치가, 수소농도와, Z', |Z"|, ρ, k, θ, |Z|, L 중 어느 하나와의 사이의 관계를, 수소농도 특성맵으로서, 기억하여도 된다. 제어장치(5)가, 이 수소농도 특성맵에 의거하는 수소농도 추정값의 산출 처리를, 상기한 단계 S106의 처리 대신 행하여도 된다. 이 변형예의 경우에는, 제어장치(5)가 내장하는 기억장치가, 상기 제 6 발명에서의 「기억수단」에 상당한다. 그리고, 제어장치(5)가 수소농도 특성맵에 따라 수소농도 추정값을 산출함으로써, 상기 제 6 발명에서의 「추정값 산출수단」이 실현되고 있다.
[실시형태 1의 실시예 2]
<실시형태 1의 실시예 2의 시스템 구성>
이하, 도 10(a), 도 10(b)를 참조하여, 실시형태 1의 실시예 2에 관한 연료전지시스템을 설명한다. 본 실시예에 관한 연료전지시스템은, 차량 등의 이동체에 적합하다. 도 10(a)는, 실시형태 1의 실시예 2에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 이 실시예 2는, 고체 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)를 대상으로, 상기한 수소농도 추정을 행한다.
연료전지 스택(10)은, 복수의 단위셀(20)을 구비하고 있다. 연료전지 스택(10)은, 관로(12, 14, 16, 18)와 접속한다. 공기가 관로(12)을 통하여 연료전지 스택(10) 내부의 캐소드 매니폴드(도시 생략)에 유입하고, 수소가 관로(14)을 통하여 연료전지 스택(10) 내부의 애노드 매니폴드(도시 생략)에 유입한다. 애노드 오프 가스, 캐소드 오프 가스가, 관로(16, 18)에 각각 유출된다. 애노드 오프 가스가 흐르는 쪽의 관로는, 더욱 하류이고, 퍼지 밸브(56)와 접속된다.
ECU(Electronic Control Unit)(50)가, 전류계(52) 및 전압계(54)와 접속된다. 전류계(52)와 전압계(54)에 의해, 연료전지 스택(10)의 전류나 전압을 계측할 수 있다. ECU(50)는, 상기한 실시예 1의 제어장치(5)와 마찬가지로, 교류 임피던스법을 따른 임피던스 측정을 행하기 위한 처리를 기억하고 있다. ECU(50)는, 전류계(52) 및 전압계(54)가 나타내는 값에 의거하여 임피던스 측정을 행할 수 있다. 연료전지의 임피던스 측정 기술은 이미 공지기술이기 때문에, 더 이상의 설명은 행하지 않는다.
도시 생략하나, 관로(12)는 에어컴프레서 등의 공기계 기기와 접속되고, 관로(12)의 말단은 대기에 개방된다. 도시 생략하나, 관로(16)는, 레귤레이터나 셧 밸브 등의 수소계 기기를 통해, 고압의 수소가 저류된 수소 탱크에 접속된다. ECU(50)는, 이들 공기계 기기나 수소계 기기를 제어한다. ECU(50)는, 퍼지 밸브(56)의 개폐도 제어한다.
도 10(b)는, 단위셀(20)의 구성을 나타내는 평면도이다. 단위셀(20)은, 그 내부에, 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : MEA)(22)를 구비하고 있다. MEA(22)는, 프로톤 전도성의 고체 고분자 전해질막의 양면에, 전극 촉매층이 설치된 구성을 가진다. 이 전극 촉매층은, 촉매(예를 들면, 백금)가 담지된 담체(예를 들면, 카본 미립자)를 함유하는 층이다. 전극 촉매층 위에는, 카본 시트 등으로 이루어지는 가스 확산층, 세퍼레이터가 적층된다. 도 10(b)에는, 단위셀(20) 내부의 수소의 흐름이 화살표로 나타나 있다. 파선 사각 영역은, 단위셀(20) 내에서의 수소의 흐름의 하류 부분(24)이다. 하류 부분(24)은, 단위셀(20) 내에서 수소농도가 가장 낮아지기 쉽다.
연료전지 스택(10)에서는, 도 10(a)의 지면 상에서 가장 오른쪽 위에 위치하는 단위셀(20)이, 스택 내의 수소 흐름의 최하류에 위치한다. 본 실시예에서는, 이 단위셀(20)이, 하류 부분(24)에 대하여 부분적으로 전기 계측을 행하기 위한 구성을 구비하고 있다. 구체적 구조는 도시 생략하나, 당해 단위셀(20)의 세퍼레이터에 부분적 절연을 실시함으로써, 하류 부분(24)의 부분 전류를 측정할 수 있다. 이와 같은, 연료전지의 부분적 전기 계측 기술은, 이미 공지이다. 따라서, 더 이상의 설명은 행하지 않는다.
일반적으로, 단위셀 내부(MEA면 내)에는 수소농도의 분포가 존재한다. 또, 연료전지 스택 내에서도, 매니폴드 상류측에 접속되는 단위셀보다, 매니폴드 하류측에 접속되는 단위셀의 쪽이 수소농도가 낮아지기 쉽다. 이 때문에, 연료전지 스택(10) 내부의 수소농도의 평균적인 값을 파악하는 것이 아니고, 연료전지 스택(10)의 필요한 부분의 수소농도를 정확하게 파악하는 것이 바람직하다.
실시형태 1의 수소농도 추정을 연료전지의 특정 부분의 임피던스에 의거하여 행한 경우, 그 특정 부분의 수소농도를 국소적으로 추정할 수 있다. 본 실시예에 의하면, 하류 부분(24)의 임피던스에 의거하여, 단위셀(20) 내부의 하류 부분(24)의 수소농도를 추정에 의해 취득할 수 있다. 즉, 본 실시예에 의하면, 수소흐름 최하류의 단위셀(20)에서의 하류 부분(24)의 수소농도를, 추정할 수 있다. 이에 의하여, 수소농도 추정을, 연료전지 스택(10) 내부에서 가장 수소농도가 낮은 부분을 대상으로 행할 수 있다.
또한, 종래, 수소농도의 부분적 검지의 요망을 충족시키기 위하여, 연료전지의 내부에 수소농도 센서를 탑재하는 시안도 이루어져 있다. 그러나, 현실에는, 연료전지 내부에 대한 수소농도 센서 탑재는, 아직 실용화하기에는 멀다. 한편, 연료전지의 특정 부분에 대한 전기 측정은, 수소농도 센서에 비하여 구조상의 현실성이 있다. 본 실시예의 연료전지시스템은, 수소농도 센서를 필요로 하지 않고, 단위셀 면내의 부분적인 수소농도 검지의 요망을 실현할 수 있다.
<실시형태 1의 실시예 2에 관한 구체적 처리>
도 11은, 실시형태 1의 실시예 2에서 ECU(50)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 도 11의 루틴은, 시스템 기동 시에 실행된다. 이 루틴은, 시스템 기동 시에 있어서의, 연료전지 스택(10)의 수소 퍼지 필요성 판단을 실현할 수 있다. 또한, 여기서는, 수소농도 추정에 사용하는 값으로서 Z'를 사용한다.
도 11의 루틴에서는, 먼저, 도 8의 루틴과 마찬가지로 단계 S100, S102, S104가 ECU(50) 상에서 실행된다.
그 후, 제 1 판단 지표가 OK인지의 여부가 판정된다(단계 S107). 단계 S107에서는, 금회 얻어진 Z'가, 연료전지 스택(10)의 발전 개시를 하여도 되는 허용 수소 농도값(Z'0) 이하인지의 여부가 판정된다. 즉, Z'≤Z'0가 성립되어 있는지의 여부가 판정된다. 예를 들면, 허용 수소농도가 50%인 경우에는, 수소농도가 50%일 때의 Z'의 수치가, Z'0으로서 설정된다. Z'≤Z'0인 경우에는, 연료전지 스택(10)의 수소농도가 허용 수소농도 이상이라고 판단할 수 있다. 따라서, Z'≤Z'0인 경우에는, 퍼지 불필요 판정이 내려지고(S110), 그 후 금회의 루틴이 종료된다.
단계 S107의 조건이 성립하지 않은 경우, 즉 Z'>Z'0의 경우에는, 퍼지가 실행된다(단계 S108). 이 경우에는 퍼지 밸브(56)가 제어됨과 함께, 수소로 퍼지가 행하여진다.
이어서, 제 2 판단 지표가 OK인지의 여부가 판정된다(단계 S112). 이 단계 에서는, 먼저, ECU(50)가, S104의 때와 동일한 주파수로, 바꿔 말하면 주파수 조건을 S104의 때의 조건으로 고정한 채, 다시 임피던스 측정용 처리를 실행한다. ECU(50)는, 그 후, 측정에 의해 얻어진 Z'가, Z'0 이상인지의 여부의 판정 처리를 행한다. 단계 S108 이후는 퍼지 실행 중이기 때문에, 수소농도는 마침내 허용 수소농도까지 상승한다. 그 과정에서 Z'는 증대하여, Z'0에 도달한다.
단계 S112에서 Z'≤Z'0가 성립한 경우에는, 퍼지가 종료된다(S114). 그 후, 연료전지 스택(10)의 발전 개시로 시스템의 제어가 진행된다. 한편, Z'≤Z'0가 성립할 때까지는, 처리는 S108로 되돌아가 퍼지가 계속된다.
이상의 처리에 의하면, 연료전지 스택(10)의 수소 퍼지를, 연료전지 스택(10) 내부의 수소농도에 따라, 과부족없이 정확하게 행할 수 있다.
또한, 상기한 실시형태 1의 실시예 2에서는, 연료전지(10)가, 상기 제 23 발명에 있어서의 「연료전지」에, 퍼지 밸브(56)가, 상기 제 23 발명에 있어서의 「퍼지기구」에, 각각 상당하고 있다. 또, 실시형태 1의 실시예 2에서는, ECU(50)가 도 11의 루틴의 단계 S107을 실행함으로써, 상기 제 23 발명에 있어서의 「퍼지 제어수단」이 실현되고 있다. 또, 실시형태 1의 실시예 2에서는, ECU(50)가 도 11의 루틴의 단계 S112를 실행함으로써, 상기 제 24 발명에 있어서의 「퍼지 제어수단」이 실현되고 있다.
또한, 연료전지시스템에는, 발전 중에 연료전지의 애노드에서 수소를 순환시키는 순환 타입의 시스템과, 그와 같은 순환을 행하지 않는 비순환 타입(순환 리스)의 시스템이 있다. 비순환 시스템에는, 또한, 발전 중에 연료전지의 애노드계를 폐쇄하는 시스템(소위 데드 엔드형 시스템)과, 발전 중에 애노드 하류에 미소량의 가스를 배출하는 시스템이 있다. 상기한 실시형태 1에 관한 수소농도 추정 기술은, 이들 중 어느 타입의 연료전지시스템에도 적용 가능하다.
또한, 어드미턴스(Y)는, 임피던스(Z)의 역수이다. 따라서, 실시형태 1에 관한 판정값 비교에 의한 수소농도 추정이나 수소농도 추정값 계산과 실질적으로 동일한 추정 수법을, 어드미턴스의 값을 이용하여 실시할 수 있다. 이 실시형태는, 형식상 어드미턴스의 값을 판정이나 계산에 사용하고 있다 하여도, 임피던스와 어드미턴스가 역수의 관계에 있기 때문에, 「연료전지의 임피던스」에 의거하여 수소농도 추정을 행한다는 점에서 실시형태 1과 실질적으로 동일하다. 따라서, 어드미턴스의 값을 사용하여 판정이나 계산을 행함으로써 실시형태 1∼9와 실질적으로 동일한 구성, 동작을 실시하는 수소농도 추정장치나 연료전지시스템도, 본 발명에서의 수소농도 추정장치나 연료전지시스템에 포함된다. 또한, 임피던스와 어드미턴스는, 일반적으로 이미턴스라고 총칭된다.
실시형태 2.
이하, 본 발명의 실시형태 2에 관한 연료전지시스템을 설명한다. 또한, 본 실시형태에서 행하여지는 수소농도 추정의 구체적 내용은, 이미 실시형태 1에서 설명이 끝났다. 이 때문에, 이하의 설명에서는, 수소농도 추정에 관한 내용은 적절하게 설명을 생략 내지는 간략화한다.
연료전지 스택 내의 수소농도는 균일하지 않고, 어느 정도의 분포가 있다. 예를 들면, 스택 내에서, 애노드 매니폴드 하류의 단위셀은, 애노드 매니폴드 상류의 단위셀보다 수소농도가 낮다. 수소가 불충분한 상태(수소부족)에서 연료전지가 발전하면, 여러가지 문제를 초래하는 것이 알려져 있다.
실시형태 2에 의하면, 연료전지 스택 내의 저수소 농도 부위의 수소농도를 정밀도 좋게 추정할 수 있는 연료전지시스템이 제공된다. 실시형태 2의 연료전지시스템에 의하면, 연료전지 스택 내의 최저 수소농도에 맞추어, 수소부족을 피하기 위한 정확하고 또한, 안전한 시스템 제어를 행할 수 있다.
또한, 실시형태 2의 연료전지시스템은, 연료전지의 발전 중에 애노드의 수소 순환을 행하지 않는 타입(소위 순환 리스타입)의 시스템이다. 본 실시형태에 관한 연료전지시스템은, 차량 등의 이동체에 적합하다.
[실시형태 2의 실시예 1]
실시형태 2의 실시예 1에서는, 연료전지 스택에 불순물 가스(「발전 비관여 가스」라고도 부른다)가 체류하기 쉬운 단위셀이 설치된다. 이 단위셀에 대하여 수소농도 추정이 행하여진다.
<실시형태 2의 실시예 1의 구성>
도 12는, 실시형태 2의 실시예 1에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시예에 관한 연료전지시스템은, 연료전지 스택(200)을 구비하고 있다. 연료전지 스택(200)은, 다수 겹쳐진 단위셀(202)을 구비한다. 단위셀(202)의 구성은, 실시형태 1에서 도 10에 관하여 설명한 구성과 동일한 것으로 한다.
연료전지 스택(200)은, 수소 흐름의 상류측 끝에, 고압손 단위셀(204)을 구비한다. 고압손 단위셀(204)의 애노드 가스 유로는, 단위셀(202)의 애노드 가스 유로보다, 압력 손실이 높게 되어 있다. 애노드 가스 유로의 구체적 구성은 설명하지 않으나, 유로 단면적(구체적으로는, 유로의 폭, 높이, 유로 길이, 다공질체 유로이면 세공 지름이나 개구율 등)을, 압력손실을 상위시키도록 적절하게 상위시키면 된다.
연료전지 스택(200)은, 매니폴드(210, 212)를 구비하고 있다. 매니폴드(210, 212)는, 단위셀(202) 및 고압손 단위셀(204)의 적층 방향으로 연장되어 있다. 매니폴드(210)는, 연료전지 스택(200)의 한쪽 면(지면 좌측면)으로부터, 스택 외부로 개구되어 있다(도면에서 H2의 화살표 위치). 매니폴드(210)는, 도시 생략한 고압수소 탱크에 레귤레이터, 셧 밸브 등을 통해 접속된다. 매니폴드(212)도, 연료전지 스택(200)의 지면 좌측면으로부터 스택 외부로 개구되고, 배기 밸브(216)를 통해 도시 생략한 배기계와 접속된다.
ECU(220)는, 임피던스 측정장치(222)와 배기 밸브(216)에 접속된다. 임피던스 측정장치(222)는, 고압손 단위셀(204)의 하나와 접속되어 있다. ECU(220)는, 임피던스 측정장치(222)를 통해, 고압손 단위셀(204)의 임피던스를 측정할 수 있다. ECU(220)는, 실시형태 1의 ECU(50)와 마찬가지로, 임피던스 측정장치(222)를 통해 얻은 임피던스값에 의거하여, 수소농도 추정을 행할 수 있다. ECU(220)는, 배기 밸브(216)를, 연료전지 스택(200)의 통상 발전 중에는 폐쇄한다. 그리고, 소정의 퍼지 조건이 성립한 경우에는, ECU(220)는 배기 밸브(216)를 개방한다. 또한, 연료전지 스택(200)의 통상 발전 중에, 배기 밸브(216)를 완전히 폐쇄하지 않고 미소량 배기를 행하는 연료전지시스템이어도 된다.
매니폴드(210)는, 단위셀(202) 및 고압손 단위셀(204) 각각의 가스 유로의 입구에 접속된다. 매니폴드(212)는, 단위셀(202) 및 고압손 단위셀(204) 각각의 가스 유로의 출구에 접속된다.
매니폴드(212)의 내부에는, 고압손 단위셀(204)의 출구부분에, 패킹(214)이 설치되어 있다. 패킹(214)은, 고압손 단위셀(204)의 출구부분에서, 매니폴드(212)의 유로 단면적을 부분적으로 작게 한다. 또한, 도 13은, 실시형태 2의 실시예 1에 관한 변형예를 나타내는 도면으로, 패킹(214) 이외를 사용하는 변형예를 나타내는 도면이다. 도 13과 같이 , 단위셀(202)의 매니폴드 구멍[매니폴드(212)용 관통 구멍]보다 작게, 고압손 단위셀(204)의 매니폴드 구멍(218)을 형성할 수도 있다. 이에 의하여, 패킹(214)과 동일한 효과가 얻어진다.
상기한 도 12의 구성에서, 매니폴드(210)의 일단(一端)으로부터 유입된 수소 가스가, 도면 중의 화살표와 같이 각 단위셀 내부(애노드의 가스 유로 내)를 통하여 흐른다. 그 결과, 매니폴드(212)에는 애노드 오프 가스가 흘러 들어 온다.
연료전지 스택(200) 내부에서는, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 발전이 행하여진다. 한편, 연료전지 스택(200) 내부에는, 발전 시간의 경과와 함께, 질소(N2) 등의 발전 비관여 가스가 축적되어 간다. 이에 따라 수소농도가 저하한다. N2의 축적은, 수소 탱크 내의 수소 가스의 불순물이나, 캐소드과 애노드 사이에서의 MEA를 통한 투과 가스에 기인한다. 또한, 이하, 편의상, N2가스를 발전 비관여 가스의 대표로서 설명하나, N2 이외의 발전 비관여 가스를 본 발명으로부터 제외하는 것은 아니다.
본 실시예에 의하면, 배기 밸브(216)가 폐쇄되어 있는 상태 또는 배기 밸브(216) 개방도가 미소한 상태에서 연료전지 스택(200)이 발전하고 있는 동안, 고압손 단위셀(204)의 애노드 유로의 수소농도가 단위셀(202)에 비하여 낮아진다. ECU(220)가 수소농도 추정을 행함으로써, 고압손 단위셀(204) 즉 연료전지 스택(200)의 최저 수소농도 부분을 대상으로, 수소농도 추정을 행할 수 있다. 이에 의하여, 연료전지 스택(200) 내의 최저 수소농도에 따라, 수소부족을 피하기 위한 정확하고 또한, 안전한 시스템 제어를 행할 수 있다.
또, 본 실시예에 의하면, 고압손 단위셀(204)의 출구 부분은, 패킹(214)에 의해 매니폴드(212)의 유로 단면적이 부분적으로 작아져 있다. 이 때문에, 배기 밸브(216)가 개방되어 매니폴드(212) 내의 애노드 오프 가스가 배출될 때, 고압손 단위셀(204)의 출구 부분에서의 가스 유속을 높일 수 있다. 가스 유속이 높기 때문에, 고압손 단위셀(204)의 출구 부분이 부압(負壓)이 된다. 그 결과, 배기 밸브(216)가 개방되었을 때에, 고압손 단위셀(204) 내부로부터 가스를 빼낼 수 있다. 이와 같이, 본 실시예의 구성에 의하면, 발전 비관여 가스가 많은 고압손 단위셀(204)을, 충분하게 퍼지 할 수 있다.
또한, 본 실시예의 구성에는, 하기의 다른 실시예와는 달리, 매니폴드(210)의 개구와 매니폴드(212)의 개구가 연료전지 스택(200)의 한쪽 면에 집약되어 있다는 특징도 있다.
<실시형태 2의 실시예 1의 동작 및 구체적 처리>
이하, 본 실시예의 연료전지시스템의 동작을, 본 실시예에 관한 구체적 처리 내용과 함께 설명한다. 본 실시예의 연료전지시스템은, 고압손 단위셀(204)의 수소농도 추정을 행함으로써, 연료전지 스택(200) 내부의 수소농도를 감시한다. 감시 중에, 수소농도가 소정값보다 낮은 경우에는, 배기 밸브(216)를 제어하여 배기량을 약간 많게 조절한다.
도 14는, 실시형태 2의 실시예 1에서, ECU(220)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 이 루틴은, 연료전지 스택(200)의 발전 중에 실행된다.
도 5의 루틴에서는, 먼저, 임피던스 측정이 행하여진다(단계 S230). 이 단계에서는, 실시형태 1에서의 도 8에서 행하여진 단계 S102, S104, S106과 동일한 처리가 실행된다.
이어서, H2 농도가 OK인지의 여부가 판정된다(단계 S232). 이 단계에서는, 도 11의 루틴의 단계 S107과 마찬가지로, 소정 판정값과의 비교에 의거하여, H2 농도가 OK인지의 여부의 판정이 행하여진다. 또한, 판정값은, 판정하고 싶은 수소농도에 따라, 적절하게 정하여 두면 된다.
단계 S232에서 H2 농도가 OK인 경우에는, 시스템 제어는 현상유지가 된다(단계 S236). 단계 S232에서 H2 농도가 OK가 아닌 경우(즉 NG인 경우)에는, 소정시간(일례로서는 수초간 정도), 배기 밸브(216)의 개방도 증대에 의한 배기량 증가가 행하여진다(단계 S234). 그 후, 처리가 단계 S230으로 되돌아간다.
이상의 처리에 의하여, 연료전지 스택(200) 내부의 수소농도가 소정값보다 낮은 경우에는, 배기량을 약간 많게 조절할 수 있다.
또한, 실시형태 2의 실시예 1에서는, 단위셀(202)이, 상기 제 15 발명에 있어서의 「제 1 단위셀」에, 고압손 단위셀(204)이, 상기 제 15 발명에 있어서의 「제 2 단위셀」에, 각각 상당하고 있다.
[실시형태 2의 실시예 2]
실시형태 2의 실시예 2에서는, 연료전지 스택 내의 수소 흐름의 최하류에 위치하는 단위셀을 대상으로, 임피던스에 의거하는 수소농도 추정이 행하여진다. 이에 의하여, 연료전지 스택 내의 최저 수소농도를 정밀도 좋게 추정할 수 있다.
<실시형태 2의 실시예 2의 구성>
도 15는, 실시형태 2의 실시예 2에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 15(a)에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 연료전지시스템은, 연료전지 스택(240)과, 배기 밸브(258)를 구비하고 있다. 본 실시예의 연료전지시스템은, 상기한 도 12의 시스템과 마찬가지로, ECU(220) 및 임피던스 측정장치(222)를 구비하고 있다. 연료전지 스택(240)은, 복수의 단위셀(202)과 복수의 단위셀(244)이 적층함으로써 구성되어 있다. 본 실시예에서는, 임피던스 측정장치(222)가 단위셀(244)과 접속된다.
도 15(a)에 나타내는 본 실시예에서는, 매니폴드(210)의 끝에 칸막이(255)가, 매니폴드(212)의 일단에 덮개(253)가, 각각 설치되어 있다. 칸막이(255)의 지면 우측에는, 매니폴드(254)가 존재하고 있다.
도 15(b)는, 도 15(a)에서의 단위셀(202)과 단위셀(244)의 인접 부분을 확대한 도면이다. 단위셀(202, 244)의 내부에는, 각각, MEGA(Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)(270)가 설치되어 있다. MEGA(270)는, MEA의 양면에 가스 확산층이 일체화된 것이다. 단위셀(202, 244)은，모두, MEGA(270)를 사이에 두고 위치하는 캐소드 가스 유로(272) 및 애노드 가스 유로(274)를 구비하고 있다. 부호280은, 수지로 만든 개스킷이다.
연료전지 스택(240) 내에서는, 캐소드측 세퍼레이터(275)와, 애노드측 세퍼레이터(276)가, 각 단위셀을 칸막이하고 하고 있다. 본 실시예에서는, 연료전지 스택(240) 내에, 도 15(b)에 나타내는 바와 같이, 매니폴드 구멍이 펀칭되어 있지 않은 캐소드측 세퍼레이터(277)가 배치되어 있다. 이 캐소드측 세퍼레이터(277)의 일부(매니폴드 구멍이 펀칭되어 있지 않은 부분)가, 칸막이(255)의 역할을 담당하고 있다.
상기한 구성에 의하여, 연료전지 스택(240)에서는, 수소 가스가, 매니폴드(210)→개개의 단위셀(202)의 애노드→매니폴드(212)→개개의 단위셀(244)의 애노드→매니폴드(254)라는 경로를 따라 흐른다. 이 구성에 의하면, 단위셀(244)은, 연료전지 스택(240) 내의 수소 흐름의 최하류에 위치한다. 단위셀(244)에는, 발전 비관여 가스의 농도가 높은(예를 들면, N2 농도가 약 5∼10%) 가스가 유입된다. 단위셀(244)의 임피던스에 의거하는 수소농도 추정에 의해, 연료전지 스택(240) 내의 최저 수소농도를 정밀도 좋게 추정할 수 있다.
또한, 매니폴드(254)의 하류에는 배기 밸브(258)가 위치한다. 배기 밸브(258)를 개방함으로써, 애노드를 퍼지할 수 있다. 또는, 배기 밸브(258)의 개방도 조절에 의하여, 애노드 오프 가스를 조금씩 배기하면서 연료전지 스택(240)의 발전을 계속할 수 있다.
<실시형태 2의 실시예 2의 구체적 처리>
도 16은, 실시형태 2의 실시예 2에서, ECU(220)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 이 루틴은, 연료전지 스택(240)의 발전 중에 실행된다. 도 16의 루틴에서는, 먼저, 도 14의 루틴과 마찬가지로, 앞서 설명한 단계 S230에 관한 임피던스 측정이 행하여진다.
그 후, 단계 S230에서 추정된 수소 농도값에 따라, 배기 밸브(258)의 개방도가 제어된다(단계 S262). 구체적으로는, ECU(220)가, 단위셀(244)의 수소농도가 소정 범위 내(본 실시예에서는 수소농도 30%∼80%)에 들어가도록, 수소농도 추정 값을 배기 밸브(258)의 개방도로 피드백한다. 단계 S262에서는, ECU(220)가, 수소농도 추정값이 80% 이상인 경우에는 배기 밸브(258)가 폐쇄되는 경향이 되도록, 배기 밸브(258)를 제어한다. 수소농도 추정값이 30∼80%인 경우에는, 배기 밸브(258)의 현재의 개방도가 유지된다. 수소농도 추정값이 30% 이하인 경우에는, 배기 밸브(258)의 개방도가 증대된다.
또한, 실시형태 2의 실시예 2에서는, 단위셀(202)이, 상기 제 17 발명에 있어서의 「제 1군의 단위셀」에, 단위셀(244)이, 상기 제 17 발명에 있어서의 「제 2군의 단위셀」에, 매니폴드(210)가, 상기 제 17 발명에 있어서의 「제 1 매니폴드」에, 매니폴드(254)가, 상기 제 17 발명에 있어서의 「제 2 매니폴드」에, 매니폴드(212)가, 상기 제 17 발명에 있어서의 「제 3 매니폴드」에, 각각 상당하고 있다.
[실시형태 2의 실시예 3]
<실시형태 2의 실시예 3의 구성>
도 17은, 실시형태 2의 실시예 3에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시예의 연료전지시스템은, 도시 생략하나, 상기한 도 15의 시스템과 마찬가지로, ECU(220) 및 임피던스 측정장치(222)를 구비하고 있다. 본 실시예에서도, 임피던스 측정장치(222)가, 단위셀(244)과 접속된다. 본 실시예에서는, 단위셀(202)과 단위셀(244)에서, 캐소드 가스 유로(272) 내의 공기의 흐름은 동일한 것으로 한다.
본 실시예의 연료전지 스택(264)은, 매니폴드(212)에 칸막이(257)가 존재한다. 칸막이(255)와 칸막이(257)에 의하여, 더미 유로(290)가 구비된다. 그 결과, 연료전지 스택(264)에서는, 수소가, 매니폴드(210)→단위셀(202)의 애노드→매니폴드(212)→더미 유로(290)→단위셀(244)의 애노드→매니폴드(256)라는 경로를 따라 흐른다. 따라서, 단위셀(244)에는 수소농도가 낮은 가스(질소 농축 가스)가 흘러 들어 온다. 단위셀(244)의 임피던스에 의거하는 수소농도 추정을 행함으로써, 연료전지 스택(264) 내의 최저 수소농도를 정밀도 좋게 추정할 수 있다.
도 18은, 도 17에서의 단위셀(202, 244)의 인접 부분을 확대한 도면이다. 연료전지 스택(264)은, 도 18에 나타내는 애노드측 세퍼레이터(292) 및 캐소드측 세퍼레이터(294)를 구비한다. 이들 세퍼레이터의 사이에는, 도 18에 나타내는 바와 같이, 개스킷이 개재함으로써, 간극이 생기고 있다. 애노드측 세퍼레이터(292)의 일부(매니폴드 구멍이 펀칭되어 있지 않은 부분)가, 칸막이(255)의 역할을 담당하고 있다. 캐소드측 세퍼레이터(294)의 일부(매니폴드 구멍이 펀칭되어 있지 않은 부분)가, 칸막이(257)의 역할을 담당하고 있다. 그 결과, 이들 세퍼레이터의 사이에 더미 유로(290)가 형성되어 있다.
연료전지 스택(264)에 의하면, 수소가 단위셀(202) 내를 매니폴드(210)측으로부터 매니폴드(212)측을 향하여 흐르고, 또한, 수소가 단위셀(244) 내를 매니폴드(254)측으로부터 매니폴드(256)측을 향하여 흐른다. 따라서, 수소가, 단위셀(202, 244)의 애노드 가스 유로(274) 내를, 동일한 방향으로 흐른다. 즉, 본 실시예에 의하면, 단위셀(202)과 단위셀(244)에서, 애노드 가스의 입구와 출구의 줄을 일치시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에서는, 단위셀(202)과 단위셀(244)에서, 캐소드 가스 유로(272) 내의 공기의 흐름이 동일한 방향이다. 그 결과, 본 실시예에 의하면, 단위셀(202)과 단위셀(244)에서, 수소와 공기의 양쪽의 흐름 방향을 통일할 수 있다.
또한, 실시형태 2의 실시예 3에서는, 단위셀(202)이, 상기 제 18 발명에 있어서의 「제 1군의 단위셀」에, 단위셀(244)이, 상기 제 18의 발명에 있어서의 「제 2군의 단위셀」에, 매니폴드(210)가, 상기 제 18 발명에 있어서의 「제 1 매니폴드」에, 매니폴드(256)가, 상기 제 18 발명에 있어서의 「제 2 매니폴드」에, 더미 유로(290)를 통해 접속되는 매니폴드(212)와 매니폴드(254)가, 상기 제 18 발명에 있어서의 「제 3 매니폴드」에, 각각 상당하고 있다. 그리고, 실시형태 2의 실시예 3에서는, 매니폴드(212)가, 상기 제 18 발명에 있어서의 「제 1 부분」에, 매니폴드(254)가, 상기 제 18 발명에 있어서의 「제 2 부분」에, 더미 유로(290)가, 상기 제 18 발명에 있어서의 「더미 유로」에, 각각 상당하고 있다.
실시형태 3.
이하, 본 발명의 실시형태 3에 관한 연료전지시스템을 설명한다. 또한, 본 실시예에서 행하여지는 수소농도 추정의 구체적 내용은, 이미 실시형태 1에서 설명이 끝났다. 이 때문에, 이하의 설명에서는, 수소농도 추정에 관한 내용은 적절하게 설명을 생략 내지는 간략화한다.
[실시형태 3의 구성]
도 19는, 본 발명의 실시형태 3에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에 관한 연료전지시스템은, 차량 등의 이동체에 적합하다. 연료전지 스택(300)은, 복수의 단위셀이, 엔드 플레이트(306, 308)에 의해 끼워 넣어진 구성을 가진다. 연료전지 스택(300)은, 마이너스 전위측의 엔드 플레이트(306)에 접하는 단위셀(304)을 구비하고 있다. 단위셀(304)의 플러스 전위측에는, 복수의 단위셀(302)이 더 적층되어 있다. 단위셀(302)과 단위셀(304)은, 동일한 내부 구조를 가지고 있다.
단위셀(304)에는, 임피던스 측정장치(322)가 접속되어 있다. 임피던스 측정장치(322)는, ECU(320)에 접속되어 있다. ECU(320)는, 실시형태 1, 2의 ECU와 마찬가지로, 임피던스에 의거하는 수소농도 추정 처리를 실행할 수 있다. ECU(320)는, 임피던스 측정장치(322)를 통해 단위셀(304)의 임피던스의 측정값을 취득하고, 또한, 그 측정값에 의거하여 단위셀(304)의 수소농도를 추정할 수 있다. 연료전지 스택(300)에는, 수소 탱크(도시 생략), 퍼지 밸브(312), 에어 펌프(314)가 접속되어 있다.
[실시형태 3의 동작]
단위셀(304)은, 다음 이유에 의하여, 애노드에 액체수가 고이기 쉽다. 먼저, 단위셀(304)은, 애노드가, 엔드 플레이트(306)에 면하고 있다. 엔드 플레이트(306)를 통한 방열에 의해, 단위셀(304)은 차가워지기 쉽다. 또, 단위셀(304) 내의 워터 밸런스가 있기 때문에, 캐소드 생성수는 애노드으로 이동한다. 또, 캐소드과 애노드에서 가스 유량을 비교하면 애노드 내의 가스 유량은 적어, 애노드 내에서 가스가 물을 불어 날리는 효과는 낮다. 이들의 이유가 있기 때문에, 마이너스 전위측의 끝에 위치하는 단위셀인 단위셀(304)은, 애노드에 액체수가 고이기 쉽다.
일반적으로, 연료전지 스택 내에 다량의 잔류수가 있으면, 여러가지 폐해를 야기한다. 구체적으로는, 예를 들면, 연료전지시스템의 빙점 하 기동 시에, 개개의 단위셀 내의 물이 동결될 염려가 있다. 이와 같은 문제를 해소하는 수법으로서, 연료전지 스택 내의 애노드를 퍼지하는 수법이 있다.
그러나, 애노드의 퍼지는, 수소의 배출을 초래한다. 퍼지를 행하면, 그만큼, 발전에 사용되지 않는 수소의 양이 많아져 연비가 악화된다.
그래서, 실시형태 3에서는, 단위셀(304)에 대하여 실시형태 1에 관한 수소농도 추정이 행하여진다. 단위셀(304) 내의 수소농도를 추정함으로써, 단위셀(304)의 애노드의 퍼지가 필요한지의 여부를 판단할 수 있다. 실시형태 3에서는, 단위셀(304)의 퍼지가 필요하다고 판단된 경우에, 연료전지 스택(300)의 퍼지도 필요하다고 판단된다. 즉, 단위셀(304)이, 스택 전체의 퍼지 필요성 유무의 판단 지표가 된다.
상기한 바와 같이, 단위셀(304)은, 다른 단위셀에 비하여 애노드에 액체수가 고이기 쉽다. 단위셀(304)을 퍼지 필요성 유무의 판단 지표로 함으로써, 연료전지 스택(300)의 잔류수 대책을 확실하게 행할 수 있다. 또, 단위셀(304)의 퍼지가 필요없다고 판단할 수 있으면, 다른 단위셀에서도 퍼지를 행하지 않아도 된다고 생각할 수 있다. 따라서, 단위셀(304)을 퍼지 필요성 유무의 판단 지표로 함으로써, 불필요한 퍼지를 피할 수 있다.
이상으로 설명한 바와 같이, 실시형태 3에 의하면, 연료전지 스택(300) 내의 잔류수 대책과, 수소의 쓸데 없는 배출의 억제를 양립할 수 있다.
[실시형태 3의 구체적 처리]
도 20은, 실시형태 3에서 ECU(320)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 여기서는, 실시형태 3의 연료전지시스템이, 차량에 탑재되어 있는 것으로 한다. 이에 의하여, 연료전지 자동차의 유효한 한랭지 대책이 실현된다. 또한, 도 20은, 실시형태 1의 실시예 2에 관한 도 11의 루틴과 동일한 처리를 포함하고 있다. 이 때문에, 적절하게 설명을 간략화 또는 생략한다.
도 20의 루틴에서는, 먼저, 이그니션 OFF인지의 여부가 판정된다(단계 S320). 이그니션이 OFF인 경우에는, 도 11의 루틴의 단계 S102, S104가 실행된다.
이어서, 제 1 판단 지표가 OK인지의 여부가 판정된다(단계 S336). 이 단계 에서는, 도 11의 루틴의 단계 S107과 기본적으로 동일한 처리가 실행되고, 임피던스의 실수부의 값(Z')이 취득된다. 단, 단계 S336에서는, Z'가, 미리 정해진 퍼지 기준 농도값(Z'P)과 비교된다. Z'와 Z'P의 비교 결과, 추정 수소농도가 퍼지 기준농도를 상회하고 있으면, 퍼지가 불필요하다고 판단되어 처리는 단계 S110으로 진행된다. 반대로, 추정 수소농도가 퍼지 기준농도보다 작으면, 퍼지가 필요하다고 판단되어 처리는 단계 S108으로 진행된다.
단계 S108의 퍼지 개시 후, 이어서, 제 2 판단 지표가 OK인지의 여부가 판정된다(단계 S342). 이 단계에서는, ECU(320)가, 도 11의 루틴의 단계 S112의 처리를, Z'0 대신 Z'P를 이용하여 실행한다. 그 후는 도 11의 루틴과 마찬가지로, 단계 S114를 거쳐 금회의 루틴이 종료된다.
이상의 처리에 의하면, 연료전지 스택(300) 내의 잔류수 대책과, 수소의 쓸데 없는 배출의 억제를 양립할 수 있다.
또한, 상기한 실시형태 3에서는, 엔드 플레이트(306)가, 상기 제 19 발명에 있어서의 「마이너스측 엔드 플레이트」에, 엔드 플레이트(308)가, 상기 제 19 발명에 있어서의 「플러스측 엔드 플레이트」에, 단위셀(304)이, 상기 19 발명에 있어서의 「단측 단위셀」에, 각각 상당하고 있다.
[실시형태 3의 변형예]
도 21은, 실시형태 3의 변형예의 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 본 변형예에서는, 엔드 플레이트(306)와 단위셀(304)의 사이에, 대책 셀(362)이 설치되어 있다. 잔류수 대책용으로, 비발전용 셀을 연료전지 스택 내에 설치하는 기술이 알려져 있다. 대책 셀(362)은, 이 관점에서 잔류수 대책용으로 설치된 부품으로, 그 내부에 발전용 구성 대신, 히터를 구비하고 있다. 이와 같은 다른 부품이 있는 경우에도, 도 21에 나타내는 바와 같이, 엔드 플레이트(306)에 가장 가까운 단위셀(304)의 수소농도 추정을 행하면 된다. 또한, 대책 셀(362) 대신 단열재가 배치되는 경우도 마찬가지이다.
실시형태 4.
이하, 본 발명의 실시형태 4에 관한 연료전지시스템을 설명한다. 본 실시형태에 관한 연료전지시스템은, 차량 등의 이동체에 적합하다. 또한, 본 실시형태에서 행하여지는 수소농도 추정의 구체적 내용은, 이미 실시형태 1에서 설명이 끝났다. 이 때문에, 이하의 설명에서는, 수소농도 추정에 관한 내용은 적절하게 설명을 생략 내지는 간략화한다.
도 22는, 실시형태 4에 관한 단위셀(400)의 구성을 나타내는 평면도이다. 단위셀(400)은, 애노드의 가스 입구(404)와, 애노드의 가스 출구(406)를 구비하고 있다. 도면 중의 화살표는, 단위셀(400) 면내의 수소의 흐름을 모식적으로 나타내고 있다. 단위셀(400)은, 임피던스 측정용 단자(420)를 구비하고 있다. 단자(420)는, 단위셀(400)의 가스 출구(406) 근방의 임피던스를 측정하기 위한 단자이다. 단자(420)는, 코드(422)를 통해, 임피던스 측정장치(430)에 접속되어 있다.
도 23(a)는, 도 22의 A-A에 따라 단위셀(400)을 절단한 단면도이다. 절연 시일(426)이, 전극(424)과 세퍼레이터 사이의 절연을 확보하고 있다. 도 23(b)는, 도 22에서의 단자(420) 근방을 확대한 도면이다. 전극(424)의 주위에 절연 시일(426)이 설치되어 있다. 이 구성에 의하면, 간소하고 또한, 저렴한 구성에 의하여, 단위셀(400) 내에서 수소부족이 생기기 쉬운 가스 출구(406) 근방의, 임피던스를 측정할 수 있다.
도 24는, 실시형태 4의 연료전지시스템에서 실행되는 루틴의 흐름도이다. 도 24의 루틴에 의하여, 연료전지의 수소부족 감시를 실현할 수 있다. 도 24의 루틴에서는, 먼저, 전압 인가 및 임피던스 측정이 행하여진다(단계 S450). 이어서, 수소농도 추정값이 산출된다(단계 S452). 단계 S450은, 실시형태 1의 도 11의 루틴에서의 단계 S102 및 S104와 동일한 내용으로 하면 된다. S452의 처리 내용은, 도시 생략한 ECU에, 수소농도 특성맵에 의거하는 수소농도 추정값의 산출을 행하게 하면 된다.
단계 S452의 다음은, 설정 수소농도 이상인지의 여부의 판정 처리가 행하여진다(단계 S454). 단계 S454에서는, 현재의 단위셀(400)의 수소농도 추정값이, 미리 설정된 기준값 이상인지의 여부가 판정된다. 이 조건이 긍정된 경우에는, 수소부족의 문제는 발생하고 있지 않다고 판단할 수 있다. 이 경우, 본 루틴에서는, S450으로 처리가 되돌아간다.
단계 S454의 조건이 부정된 경우에는, 수소부족의 염려가 있다. 본 실시예에서는, 이 경우에는 처리가 단계 S456으로 이행되어, 수소부족 대책처리가 실행된다. 또한, 본 실시형태에서는 연료전지의 출력 제한, 수소 화학양론비 UP, 배기 밸브를 개방하는, 간헐 운전 종료를, 수소부족 대책처리로 하였다. 연료전지의 출력 제한 및 수소 화학양론비 UP은, 예를 들면, 연료전지 자동차에서, WOT(Wide Open throttle) 시 등 가속 시에 수소부족 대책의 필요성이 인정된 경우에 적합하다. 또, 단계 S454에서 배기 밸브를 개방함으로써, 수소 순환 시스템이나 데드 엔드 시스템(수소를 순환시키지 않고 애노드 내에서 수소를 끊어 발전시키는 시스템)에서, 애노드의 배기를 적합한 타이밍으로 행할 수 있다. 또, 단계 S454를 간헐 운전 종료 처리로 한 경우에는, 연료전지시스템의 간헐 운전 제어 중에서의 간헐 운전 해제 플래그의 역할을 가지게 할 수 있다.
도 25는, 실시형태 4의 연료전지시스템의 다른 제어동작을 설명하기 위한 도면이다. 연료전지가 고전위 상태에 놓여지는 것은, 연료전지 내부의 촉매에 있어서는 바람직하지 않다. 그래서, 실시형태 4에서는, 수소농도의 추정에 의해 수소부족 감시를 행하여, 배터리와 연료전지의 출력 분배를 행하는 것으로 하였다. 이에 의하여, 가능한 한 연료전지를 고전위에 노출하지 않고 전기 소인(掃引)을 행하는 것으로 하였다. 즉, 실시형태 4의 연료전지시스템에서는, 도 25에 나타내는 바와 같이, 수소부족 감시가 행하여지면서 연료전지로부터 소량의 출력이 인출되고, 또한, 차량 요구 출력의 부족분이 배터리 출력(Bat 출력)으로 보충된다. 이에 의하여, 비교예에 비해, 연료전지의 전위를 낮게 할 수 있다.
도 26은, 실시형태 4에 대한 비교예를 나타내는 도면이다. 종래는, 비교예에 나타내는 바와 같이, 각 단위셀의 OCV를 검지하고 나서 연료전지로부터 출력을 인출하고 있었다. 이 경우, 연료전지가 고전위에 놓여져 있어, 촉매에 있어서 바람직하지 않다. 이 점, 도 25에 나타낸 실시형태 4의 제어에 의하면, 연료전지가 고전위에 노출되는 빈도를 줄여, 연료전지의 촉매에 대한 악영향을 방지할 수 있다.
도 27은, 실시형태 4의 연료전지시스템에서 실행되는 루틴의 흐름도이다. 도 27의 루틴은, 연료전지시스템의 운전 상태가 미리 정한 특정한 운전 상태에 들어갔을 때에 실행된다. 도 27의 루틴에 의하여, 연료전지시스템의 수소 리크(leak) 감시 및 헬스 모니터링이 실현된다. 실시형태 4에서는, 수소농도 추정값을 이용하여, 외수소(外水素) 가스의 감시를 행한다. 이에 의하여, 압력 강하법에 의하지 않는 리크 체크가 가능하다.
도 27의 루틴에서는, 도 24의 루틴과 마찬가지로 단계 S450∼S454가 행하여진다. 단, 단계 S454의 기준값은, 리크 체크용이나 헬스 모니터링용에 적합한 수치로, 적절하게 변경되어도 된다.
단계 S454에서의 수소농도 추정값과 기준값의 비교 결과에 문제가 없는 경우에는, 이력 데이터로서 금회의 수소농도 추정값이 기록되고, 처리가 단계 S450으로 되돌아간다. 단계 S454에서 문제가 인정된 경우에는, 리크 판정, 메인 스톱 밸브를 폐쇄하는 제어, 알람 처리가 행하여지고, 종료 처리가 실행된다. 그 후, 본 루틴은 종료된다. 이상의 처리에 의하면, 전해질막 찢어짐 등에 의한 리크의 발견, 크로스 리크량의 경년 열화 등의 모니터링을 행할 수 있다.
실시형태 5.
이하, 본 발명의 실시형태 2에 관한 연료전지시스템을 설명한다. 본 실시형태에 관한 연료전지시스템은, 연료전지차량 탑재용 시스템으로서 적합하다. 또한, 본 실시예에서 행하여지는 수소농도 추정의 구체적 내용은, 이미 실시형태 1에서 설명이 끝났다. 이 때문에, 이하의 설명에서는, 수소농도 추정에 관한 내용은 적절하게 설명을 생략 내지는 간략화한다.
연료전지차량의 보급을 생각한 경우, 항상 고순도의 수소 가스가 연료가스로서 공급된다고는 한정하지 않는다. 예를 들면, 저수소 순도의 연료가스가 공급되는 경우가 상정된다. 이 경우, 고수소 순도의 연료가스와 동일한 운전 조건으로 연료전지시스템을 운전하면, 연료전지의 수소부족의 발생을 초래할 염려가 있다. 저수소 농도의 연료가스가 공급된 경우에도, 수소부족을 초래하지 않도록 그 수소농도에 대응할 필요가 있다. 본원 발명자는, 예의 연구를 행한 결과, 연료가스의 수소순도가 상위할 수 있는 환경 하에서도, 그 농도에 대응 가능한 연료전지시스템을 찾아내었다.
도 28은, 본 발명의 실시형태 5에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 연료전지(510)의 애노드의 입구는, 관로(512)와 연통하고, 연료전지(510)의 애노드의 출구는, 관로(514)와 연통한다. 관로(514)는 관로(512)와 연통하여 순환 관로를 형성한다. 관로(514)에는, 퍼지 밸브(518)와 수소 펌프(516)도 구비된다. 연료전지(510)에는, 임피던스 측정장치(520)가 접속되어 있다. ECU(522)는, 임피던스 측정장치(520), 수소 펌프(516), 퍼지 밸브(518)와 접속된다.
ECU(522)는, 미리, 수소 화학양론비 맵을 기억하고 있다. 이 수소 화학양론비 맵에 의거하여, 연료전지(510)에 대한 수소 공급량이 제어된다. 수소 화학양론비란, 연료전지의 발전량에 대하여 최저한 필요한 수소량(즉 전기화학적 반응에 제공되는 수소량)과, 연료전지에 실제로 공급된 수소량의 비이다. 본 실시예에서는 수소 화학양론비 맵이, 연비향상을 위하여 좁혀진 설정[구체적으로는, 연료전지(510) 상류에서의 수소 화학양론비를 가능한 한 낮게 억제한 설정]으로 되어 있다.
도 29는, 실시형태 5에서 ECU(522)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 도 29의 루틴에서는, 먼저 초기 기동 시퀸스가 실행된다(단계 S530). 그 후, OCV인지의 여부가 판정된다(단계 S532). 그 후, 임피던스 측정으로 처리가 이행된다(단계 S534). 그 후, 수소농도 추정값이 산출된다(단계 S536). 이에 의하여, 현재 사용되고 있는 연료가스의 수소농도를, 추정에 의해 취득할 수 있다.
그 후, 수소농도 추정값이, 적합 범위 내인지의 여부가 판정된다(단계 S538). 적합 범위 외이면 알람 처리(단계 S542), 적합 범위 내이면 수소 화학양론비 맵의 Map값의 보정(갱신)이 행하여진다(단계 S540). 단계 S540에서는, 단계 S536에서 구한 수소농도를 이용하여, 수소부족을 초래하지 않는 범위에서 가능한 한 낮은 수소 화학양론비가 되도록, 수소 화학양론비 맵의 값이 보정된다. 그 후, 금회의 루틴이 종료된다.
이상의 처리에 의하면, 수소 화학양론비 맵이, 현재의 사용 연료의 수소농도에 따라 갱신된다. 이에 의하여, 수소 화학양론비 맵에 연료 순도 불균일분의 안전율을 예상하지 않아도 된다. 또는, 그 안전율을 작게 억제할 수 있다. 그 결과, 연료가스의 수소순도가 상위할 수 있는 환경 하에서도, 수소부족을 회피하면서 연료전지시스템을 운전할 수 있다.
또한, 도 30은, 수소농도 센서(550)를 사용하여 실시형태 5에 관한 제어동작을 행하는 경우의 연료전지시스템의 구성예를 나타내는 도면이다. 실시형태 5와는 달리 임피던스에 의거하는 수소농도 추정을 행하지 않는 경우에는, 수소농도 센서(550)의 출력에 의거하여 수소농도를 검지하는 예를 생각할 수 있다.
실시형태 6.
실시형태 6에 의하면, 플로딩에 신속하게 대처할 수 있는 연료전지시스템이 제공된다. 본 실시형태에 관한 연료전지시스템은, 차량 등의 이동체에 적합하다. 또한, 본 실시형태에서 행하여지는 수소농도 추정의 구체적 내용은, 이미 실시형태 1에서 설명이 끝났다. 따라서, 이하의 설명에서는 수소농도 추정에 관한 내용은, 적절하게 설명을 생략 내지는 간략화한다.
도 31은, 본 발명의 실시형태 6에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 실시형태 6의 연료전지시스템은, 연료전지 스택(600)과, 이것에 접속된 관로(606, 608)를 구비하고 있다. 연료전지 스택(600)은, 복수의 단위셀(602)을 구비하고 있다. 도 32는, 실시형태 6에서의 단위셀(602)의 평면도이다. 도 32에 나타내는 바와 같이, 단위셀(602)의 면내에서는, 수소가 지면 좌측 아래쪽을 향하여 흐른다.
복수의 단위셀(602) 중 스택 내의 수소 하류측의 끝에 위치하는 단위셀(602)에는, 전류 검지판(604)이 인접한다. 전류 검지판(604)은, 인접하는 단위셀(602)의 전류를 계측하기 위한 부품이다. 전류 검지판(604)은, 단위셀(602)의 전면(全面)에 걸치는 크기이어도 되고, 또, 가스 흐름에 따라 분할된 것이어도 된다. 전류 검지판의 구성은, 이미 공지의 각종 구성이 알려져 있어, 신규 사항은 아니기 때문에 여기서는 설명을 생략한다. 또한, 전류 검지판(604)은, 연료전지 스택(600)의 끝에 한정하지 않고, 스택 내의 복수 부분에 배치하여도 된다.
실시형태 6에 관한 연료전지시스템은, ECU(620)를 구비하고 있다. ECU(620)는, 실시형태 1∼5의 각각에 관한 ECU와 마찬가지로, 임피던스에 의거하는 수소농도 추정 처리를 실행할 수 있다. 또한, 실시형태 6에서는, 전류 검지판(604)을 사용하여 취득된 임피던스가, 수소농도 추정에 이용되는 것으로 한다.
ECU(620)는, 연료전지 스택(600)의 온도(T), 애노드의 가스 유량(Q), 발전량(P), 부하의 크기(L)가, 각각 입력된다. ECU(620)는, 온도(T), 가스 유량(Q), 발전량(P)을 이력 데이터에 보존하는 처리와, 이력 데이터를 적절하게 참조 가능한 처리를 구비하고 있다. 또한, 온도(T), 가스 유량(Q), 발전량(P), 부하의 크기(L)는, 각각, 도면에 생략한 각종 센서를 연료전지 스택(600)에 설치하여 검지하면 된다.
도 33은, 본 발명의 실시형태 6에서 ECU(620)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 실시형태 6에서는, 먼저, 연료전지 스택(600)의 발전 이력으로부터, 생성수 적산량이 계산된다(단계 S640). 이어서, 연료전지 스택(600)의 온도 이력 및 가스유량 이력으로부터, 지금까지 수증기로서 제거되고 있는 물의 총량이 계산된다(단계 S642).
다음으로 하기의 조건이 성립하고 있는지의 여부가 판정된다(단계 S644).
WP ≤ WV+WA
단,
WP = 단계 S640에서 계산된 생성수 적산량
WV = 단계 S642에서 계산된 수증기 제거량
WA = 소정의 허용 스택 함수량
이다.
허용 스택 함수량은, 발전에 지장이 없는 범위에서 연료전지 스택(600)이 함유 가능한 수량이다.
단계 S644의 조건이 부정된 경우, 즉 WP>(WV+WA)인 경우에는, 스택 내에 액체의 상태로 물이 존재하고 있다고 판단할 수 있다. 이 경우에는, 본 루틴에서는, 처리가 스타트로 되돌아온다.
단계 S644의 조건이 긍정된 경우, 즉 WP≤(WV+WA)인 경우에는, 계속해서, 현재의 생성수량이, 현재의 수증기 제거량 이하인지의 여부가 판정된다(단계 S646). 이 조건이 부정된 경우에는, 스택 내에 액체인 상태로 물이 존재하고 있다고 판단할 수 있다. 이 경우에는, 본 루틴에서는, 처리가 스타트로 되돌아온다.
단계 S646의 양쪽의 조건이 긍정된 경우, 처리는 단계 S648 이후로 이행된다. 단계 S644와 단계 S646의 양쪽의 조건이 긍정된 경우에는, 연료전지 스택(600) 내에 액체인 물이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다.
단계 S648, S650에서는, 실시형태 1에서 설명한 임피던스에 의거하는 수소농도 추정 처리가 실행되고, 최종적으로 수소농도(Cest)가 산출된다.
이어서, 수소 공급량이 측정됨과 함께, 발전량으로부터 소비 수소량이 계산된다(단계 S652). 수소 공급량은, 연료전지의 부하의 크기에 의거하여 측정할 수 있다. 소비 수소량은 발전량에 비례하기 때문에, 발전량을 계측하면 계산에 의해 소비 수소량을 취득할 수 있다.
이어서, 수소농도(Ccalc)가 산출된다(단계 S654). 수소 공급량이란, 즉, 스택 내에 투입된 수소의 양이다. 소비 수소량이란, 즉, 스택 내에서 발전에 의해 소비된 수소의 양이다. 수소 공급량으로부터 소비 수소량을 차감함으로써, 연료전지 스택(600) 내에 남아 있을 수소량(추정 잔존 수소량)을 취득할 수 있다. 이 추정 잔존 수소량을 연료전지 스택(600) 내부의 수소농도로 환산함으로써, Ccalc을 취득할 수 있다.
계속해서, 수소농도(Cest)가, 수소농도(Ccalc) 이상인지의 여부가 판정된다(단계 S654). 이 조건이 성립하고 있는 경우에는, 현재의 연료전지 스택(600) 내의 수소농도는 문제없다고 판단할 수 있어, 이력 데이터에 보존되어 금회의 루틴이 종료된다.
한편, 단계 S654에서, 수소농도(Cest)가 수소농도(Ccalc)를 하회하고 있다고 판정된 경우에는, 애노드의 플로딩이 발생하고 있다고 판정되어 단계 S660으로 처리가 이행된다.
상기한 바와 같이, 단계 S644와 단계 S646의 양쪽의 조건이 긍정된 경우는, 연료전지 스택(600) 내에 물이 액체상태로는 존재하지 않는다고 판단할 수 있다. 즉, 이 때, 연료전지 스택(600) 내에는, 수소가 발전에 기여하는 것을 저해하는 물이 없다. 발전 저해수가 없음에도 불구하고, 연료전지 스택(600) 내의 수소농도가 낮게 추정되고 있다. 이 경우, 연료전지 스택(600) 전체의 수량은 적으나, 전류 검지판(604) 근처의 단위셀(602)에서는 애노드의 플로딩이 일어나고 있다고 생각된다. 따라서, 본 실시형태의 루틴에서는, 수소농도(Cest)가 수소농도(Ccalc)를 하회하고 있다고 판정된 경우에는, 애노드의 플로딩으로 판정되어 단계 S660으로 처리가 이행된다.
단계 S660에서는, 애노드 플로딩 판정 처리와 함께, 하기의 3개의 제어 중 어느 하나(또는 2개 이상)의 제어를 실현하는 처리가 행하여진다.
· 애노드 또는/및 캐소드의 가스 유량 증대 제어
· 애노드의 가스 순환비의 저감 제어(함수량이 많은 순환 가스의 양을 저감하고, 수소 탱크로부터의 수소량을 증대)
· 스택 온도 상승 제어(예를 들면, 냉각수 유량의 저감)
그 후, 금회의 루틴이 종료된다.
이상의 처리에 의하면, 실시형태 1에 관한 수소농도 추정 수법을 이용하여, 플로딩에 신속하게 대처할 수 있다.
실시형태 7.
실시형태 7에 의하면, 우수한 수소누출 검지 기능을 구비한 연료전지시스템이 제공된다. 본 실시형태에 관한 연료전지시스템은, 차량 등의 이동체에 적합하다. 또한, 본 실시형태에서 행하여지는 수소농도 추정의 구체적 내용은, 이미 실시형태 1에서 설명이 끝났다. 따라서, 이하의 설명에서는, 수소농도 추정에 관한 내용은 적절하게 설명을 생략 내지는 간략화한다.
또, 실시형태 7의 연료전지시스템은, 실시형태 6의 연료전지시스템과 동일한 하드웨어 구성을 구비한다. 이 때문에, 하드웨어 구성의 설명은 생략한다. 다만, 실시형태 7에서는, ECU(620)가, Cest 및 Ccalc의 이력을 보존하는 이력 보존 처리를 구비하고 있다.
도 34는, 본 발명의 실시형태 7에서 ECU(620)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 단계 S648, S650, S652, S654, 및 S656의 처리는, 도 33과 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
도 34의 루틴에서는, 단계 S656에서 Cest가 Ccalc 이상이라고 판정된 경우에는, 이력 데이터로의 보존이 행하여져 금회의 루틴이 종료된다.
한편, 단계 S656에서 Cest가 Ccalc를 하회하고 있다고 판정된 경우에는, 이력 데이터와 비교하여 Cest와 Ccalc의 차가 증대 경향에 있는지의 여부가 판정된다(단계 S712). 이 조건이 부정된 경우에는, 단계 S656으로 처리가 이행되고, 그 후 금회의 루틴이 종료된다.
단계 S712의 조건의 성립이 인정된 경우에는, Cest가, Ccalc을 하회하거나 또한 그들의 괴리가 확대 경향에 있다고 판단할 수 있다. 이 경우에는, 연료전지 스택(600) 내의 수소농도가 수소 공급량 및 소비 수소량의 차감으로부터 얻어진 수소농도를 하회한 후, 다시 그 수소농도가 계속해서 저하하고 있다. 그와 같은 수소농도 저하는, 수소 누출에 기인할 가능성이 매우 크다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 단계 S712의 조건의 성립이 인정된 경우에는, 수소누출 판정, 수소 봄베 직하(直下)의 밸브(메인 스톱 밸브)를 폐쇄하는 제어, 알람 처리, 및 종료 처리가 실행된다. 그 후, 금회의 루틴이 종료된다.
이상의 처리에 의하면, 실시형태 1에 관한 수소농도 추정 수법을 이용하여, 수소누출 검지를 행할 수 있다.
실시형태 8.
실시형태 8에 의하면, 시스템 시동 시의 밸브의 제어 타이밍을, 학습에 의해 최적화할 수 있는 연료전지시스템이 제공된다. 본 실시예에 관한 연료전지시스템은, 차량 등의 이동체에 적합하다. 또한, 본 실시형태에서 행하여지는 수소농도 추정의 구체적 내용은, 이미 실시형태 1에서 설명이 끝났다. 이 때문에, 이하의 설명에서는, 수소농도 추정에 관한 내용은 적절하게 설명을 생략 내지는 간략화한다.
도 35는, 본 발명의 실시형태 8에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 실시형태 8의 연료전지시스템은, 연료전지 스택(800)을 구비하고 있다. 연료전지 스택(800)은, 다수의 단위셀이 적층됨으로써 구성되어 있다. 이들 다수의 단위셀 중, 스택 양단(兩端)의 단위셀을, 도 35에 나타내는 바와 같이, 단위셀(804)과 단위셀(806)이라 부른다. 양단 이외의 단위셀은, 단위셀(802)이라 부른다. 연료전지 스택(800)의 내부에는, 애노드 매니폴드(810, 812)가 연장되어 있다.
ECU(820)는, 임피던스 측정장치(822), 애노드 입구 밸브(814) 및 애노드 출구 밸브(816)에 접속된다. 임피던스 측정장치(822)는, 단위셀(804) 및 단위셀(806)과 접속되어 있다. ECU(820)는, 임피던스 측정장치(822)를 통해, 단위셀(804)의 임피던스의 측정값 및 단위셀(806)의 임피던스의 측정값을 얻을 수 있다. ECU(820)는, 실시형태 1의 ECU(50)와 마찬가지로, 임피던스 측정장치(822)를 통해 얻은 임피던스값에 의거하여, 수소농도 추정을 행할 수 있다. 이하, 설명의 편의상, 단위셀(804)의 임피던스의 실수부의 값을 Z'front라고도 부르고, 단위셀(806)의 임피던스의 실수부의 값을 Z'end라고도 부른다. 또한, ECU(820)는, 타이머 기능을 탑재하는 것으로 한다.
[실시형태 8의 동작]
일반적으로, 밸브를 폐쇄하는 제어신호를 발하고 나서, 실제로 그 밸브가 폐쇄될 때까지의 기간에는, 응답 지연분의 시간(지연 시간)이 포함된다. 애노드 입구 밸브(814)나 애노드 출구 밸브(816)도, 지연 시간(이하, ΔT라고도 부른다)을 가지고 있다. 지연 시간(ΔT)은, ECU(820)가 밸브 폐쇄 신호를 발하고 나서, 실제로 그들 밸브가 폐쇄될 때까지 걸리는 시간의 길이이다. 이 지연 시간이 고려에 넣어져 있지 않으면, 애노드 입구 밸브(814)나 애노드 출구 밸브(816)가 실제로 폐쇄되는 시간이, 의도하는 타이밍과 어긋난다. 그래서, 실시형태 8에서는, 애노드 입구 밸브(814)나 애노드 출구 밸브(816)의 제어 타이밍을, 학습에 의해 최적화하는 것으로 하였다.
도 36은, 실시형태 8의 연료전지시스템의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다. 본 실시형태에서는, 시스템 기동 시, 먼저, 애노드 입구 밸브(814)가 개방됨으로써, 연료전지 스택(800)의 수소 충전이 개시된다. 또, 본 실시형태에서는, 애노드 출구 밸브(816)도 같은 시기에 개방된다. 이에 의하여, 시스템 정지 시에, 연료전지 스택(800) 내의 발전 비관여 가스(더욱 구체적으로는 질소)를, 수소에 의해 외부로 흘러가게 할 수 있다.
실시형태 8의 연료전지시스템은, Z'front 및 Z'end에 의거하여, 시스템 기동 기간에 수소농도 추정을 행한다. 충분한 수소농도 상승을 나타내는 변화를 Z'front가 나타낸 경우(구체적으로는 Z'front가 소정값 이하가 된 경우), 단위셀(804) 내에 수소가 공급되었다고 판단할 수 있다. 단위셀(806)에 대해서도 Z'end에 의거하여 동일한 판단을 할 수 있다.
본 실시형태에서는, 단위셀(804) 내에 충분하게 수소가 널리 퍼진 시각을, 기준 시각으로서 취급한다. 도 36에, 이 시각을 tstart라고 기재한다.
도 36에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는, tstart로부터 소정시간(T0)을 경과한 후에, ECU(820)가 애노드 입구 밸브(814)에 대하여 제어신호를 발한다. 또, ECU(820)는, 애노드 출구 밸브(816)에 대해서도 같은 시기에 제어신호를 발한다. 이 타이밍으로부터, ΔT가 더욱 경과한 후에, 최종적으로 그들 밸브가 폐쇄된다.
한편, 본 실시형태에서는, tstart으로부터 시간의 카운트(계측)가 행하여진다. 이 카운트는, 충분한 수소농도 상승을 나타내는 변화를 Z'end가 나타내면(구체적으로는 Z'end가 소정값 이하가 되면), 종료된다. 이 카운트에 의하여 시간 T1이 얻어진다. 시간 T1은, 단위셀(804)의 수소농도 변화가 인정된 시점과, 단위셀(806)의 수소농도 변화가 인정된 시점 사이의 시간이다. 본 실시형태에서는, 이 시간 T1을, 연료전지 스택(800)에서 수소 유입 개시로부터 수소 충전 완료까지 걸린 시간으로서 취급한다.
본 실시형태에서는, T0+ΔT의 길이가 T1과 일치하도록, T1에 의거하여 T0을 보정하는 것으로 하였다. T0+ΔT=T1이 성립하면, 정확히 연료전지 스택(800)의 수소 충전이 완료되는 타이밍에, 애노드 입구 밸브(814)나 애노드 출구 밸브(816)가 실제로 폐쇄된다. 따라서, 과부족이 없는 이상적인 타이밍으로, 애노드 입구 밸브(814)나 애노드 출구 밸브(816)를 폐쇄할 수 있다. 그 결과, 예를 들면, 여분 수소 배출의 회피나, 배기계의 수소 희석기의 소형화나 생략이 가능하다.
또, 본 실시형태에서는, T0+ΔT<T1이 되지 않도록 T0의 수정을 행하는 것으로 하였다.
[실시형태 8의 구체적 처리]
도 37은, 실시형태 8에서 ECU(820)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 도 37의 루틴은, 연료전지시스템 기동 시에, 매회, 실행된다.
도 37의 루틴에서는, 먼저, 애노드 입구 밸브(814) 및 애노드 출구 밸브(816)가 개방된다(단계 S850). 이에 의하여, 연료전지 스택(800)의 수소 충전이 개시된다.
계속해서, Z'front가 소정값 이하가 되면, 타이머 리세트(T=0)가 행하여지고, 시간(T)의 카운트가 개시된다(단계 S852).
단계 S852의 다음에, 시간(T)이 T0이 되었을 때에, ECU(820)가 애노드 입구 밸브(814) 및 애노드 출구 밸브(816)에 대하여 제어신호를 발한다(단계 S854). 여기서는, 전회의 시스템 기동 시에 갱신된 최신의 T0이 사용된다. 단, 첫회의 시스템 기동 시에는, 미리 실험 등에 의해 정한 초기 설정 시의 T0이 사용된다.
한편, 단계 S852의 다음에, 단계 S856도 실행된다. 단계 S856에서는, Z'end가 소정값 이하가 되었을 때에, 타이머가 스톱된다. 이에 의하여, 시간 T1이 기억된다.
또한, 단계 S856의 실행 중에, 장기간에 걸쳐 Z'end에 변화가 보이지 않는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우에는, 도 36의 T1'라고 기재한 바와 같이, 애노드 입구 밸브(814)가, 단위셀(806)에 수소가 도달하기 전에 폐쇄되었다고 생각된다. 이 경우, T0이 지나치게 짧다고 판단할 수 있다. 따라서, 단계 S852에서는, 소정의 판정 시간까지 Z'end의 변화가 인정되지 않은 경우에는, 하기의 식에 따라 T1이 갱신된다.
T1=(A×T0+ΔT)
A > 1.0
이 A의 값은 사전에 결정하여 둔다.
단계 S854 및 S856의 다음에, T0의 갱신 처리가 실행된다(단계 S858). 단계 S858에서는, 하기의 식에 따라, T0이 보정된다.
T0 = T0-B×S
B < 1.0
S = T0+ΔT-T1
상기한 식에 의하면, T0이 T1에 근접하도록 보정되어 간다. 최종적으로 T0=T1이 성립한 경우에는 S=0이 되고, T0의 최적화가 완료된다.
이상의 처리에 의하면, 애노드 입구 밸브(814)나 애노드 출구 밸브(816)에 대하여 제어신호를 발하는 타이밍을, 학습에 의해 최적화할 수 있다.
[실시형태 8의 비교예]
여기서, 비교예를 이용하여, 수소 센서를 사용하여 연료전지 스택 내의 수소농도를 검지하는 경우에 발생되는 문제를 설명한다. 도 38은, 실시형태 8의 비교 예로서 나타내는 연료전지 스택의, 내부 구성의 모식도이다. 비교예의 연료전지 스택은, 더미 셀(876)을 구비하고 있다. 더미 셀(876)은, 스택 내의 수소 흐름 가장 하류단에 위치하는 단위셀(872)(이하 「엔드 셀(872)」이라고도 한다)의, 더욱 안쪽에 배치되어 있다. 더미 셀(876)은, 내부에 발전용 구성을 구비하고 있지 않다.
비교예의 연료전지 스택은, 애노드 입구 매니폴드(880)와, 애노드 출구 매니폴드(882), 및, 수소 센서(884)를 구비하고 있다. 이 구성에서 엔드 셀(872)의 수소부족이 발생한 경우, 수소 센서(884)는 그 수소부족을 검지해야 한다.
그러나, 더미 셀(876)을 흘러 온 수소가 수소 센서(884)에 도달되면, 수소 센서(884)가, 수소를 감지한다. 더미 셀은, 단위셀에 비하여 작은 유로 저항, 짧은 유로 길이로 설계되는 경우도 있다. 이 경우, 수소가 더미 셀 내를 신속하게 통과한다. 이와 같이, 비교예의 구성에서는, 수소 센서(884)의 수소부족 검지가 저해된다.
한편, 실시형태 8에 의하면, 단위셀(806)의 임피던스에 의거하여 단위셀(806)의 수소농도를 추정하고 있다. 따라서, 비교예와 같은 문제를 초래하지 않는다.
[실시형태 8의 변형예]
실시형태 8에서는, 특히, 단위셀(804)의 애노드 입구 부분의 임피던스와, 단위셀(806)의 애노드 출구 부분의 임피던스를, 수소농도 추정의 기초로 하는 것이 바람직하다. 단위셀의 특정 부분의 임피던스를 측정할 때에는, 실시형태 1의 실시예 2에서 설명한 구성이나, 실시형태 4에서 설명한 구성, 또는 공지 기술을, 적당하게 이용하면 된다.
실시형태 9.
이하, 본 발명의 실시형태 9에 관한 연료전지시스템을 설명한다. 실시형태 9에 의하면, 시스템 시동 시에 있어서의 연료전지의 발전 개시를, 연료전지 내부의 수소농도가 충분히 높아진 적절한 타이밍에서 행할 수 있다. 본 실시예에 관한 연료전지시스템은, 차량 등의 이동체에 적합하다. 또한, 본 실시형태에서 행하여지는 수소농도 추정의 구체적 내용은, 이미 실시형태 1에서 설명이 끝났다. 이 때문에, 이하의 설명에서는, 수소농도 추정에 관한 내용은 적절하게 설명을 생략 내지는 간략화한다.
[실시형태 9의 실시예 1]
<실시형태 9의 실시예 1의 시스템 구성>
도 39는, 본 발명의 실시형태 9의 실시예 1에 관한 연료전지시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시예의 연료전지시스템은, 바이패스 관로(912)와 검지용 셀(930)을 구비하는 점을 제외하고, 실시형태 1의 실시예 2의 연료전지시스템(도 10 참조)과 기본적으로 동일한 하드웨어 구성을 구비하고 있다. 단위셀(920)은, 단위셀(20)과 동일한 구성을 구비한다.
검지용 셀(930)은, 애노드 오프 가스가 흐르는 관로(18)에 배치된다. 검지용 셀(930)은, 그 내부에, 단위셀(20)과 동일한 발전용 구성(MEA, 가스 확산층 등)을 구비하고 있다. 검지용 셀(930)은, 애노드에, 관로(18)를 흘러 오는 애노드 오프 가스의 공급을 받고, 캐소드에, 관로(12)에 연통하는 바이패스 관로(912)를 흘러 오는 공기의 공급을 받는다. 검지용 셀(930)에는, 전류계(52) 및 전압계(54)가 접속되어 있다. ECU(50)는, 전류계(52) 및 전압계(54)가 나타내는 값에 의거하여, 검지용 셀(930)의 임피던스의 측정값을 얻을 수 있다.
도 40은, 실시형태 9에 관한 단위셀(920)의 구성을 나타내는 평면도이다. 단위셀(920)은, 애노드의 가스 유로의 출구(924)를 구비하고 있다. 출구(924) 근방의 부분(922)이, 가장 수소농도가 낮다.
<실시형태 9의 실시예 1의 구체적 처리>
도 41은, 실시형태 9의 실시예 1에서 ECU(50)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 도 41의 루틴은, 연료전지시스템의 기동 시에 실행된다.
도 41의 루틴에서는, 먼저, 도 11의 루틴과 마찬가지로 단계 S100, S102, S104가 ECU(50) 상에서 실행된다. 그 후, 연료전지 스택(910)의 애노드 출구의 수소농도가 산출된다(단계 S956). 검지용 셀(930)의 임피던스에 의거하여 애노드 출구의 수소농도 추정값이 산출된다.
이어서, 수소농도가 OK인지의 여부가 판정된다(단계 S957). 단계 S957에서는, 금회 얻어진 Z'가, 연료전지 스택(910)의 발전 가능 수소 농도값(Z'STA) 이하인지의 여부가 판정된다. 즉, Z'≤Z'STA가 성립되어 있는지의 여부가 판정된다.
단계 S957의 조건이 성립되지 않은 경우, 즉 Z'>Z'STA의 경우에는, 연료전지 스택(910)의 발전은 대기(즉 발전 금지)되고, 애노드에 수소가 흘려짐과 함께, 처리는 S956으로 되돌아간다. 그 후, S956→S957→S960의 처리가 반복된다. 마침내 충분히 스택 내의 수소농도가 높아지면, Z'≤ Z'STA가 성립한다.
Z'≤ Z'STA인 경우에는, 연료전지 스택(10)의 수소농도가 충분히 높다고 판단할 수 있다. 따라서, Z'≤Z'STA인 경우에는, 연료전지 스택(910)의 기동 개시 처리 가 이루어진다(단계 S958). 그 후 금회의 루틴이 종료된다.
이상의 처리에 의하면, 연료전지 스택(910)의 기동(발전 개시)을, 스택 수소농도가 충분히 높아졌을 때에, 개시할 수 있다.
[실시형태 9의 실시예 2]
실시형태 9의 실시예 2에 관한 연료전지시스템의 구성은, 실시형태 9의 실시예 1에 관한 연료전지시스템과 동일한 구성이다. 본 실시예는, ECU(50)가 도 42의 루틴을 실행함으로써 실현된다.
도 42는, 실시형태 9의 실시예 2에서 ECU(50)가 실행하는 루틴의 흐름도이다. 도 42의 루틴은, 연료전지 스택(910)의 발전 중에 실행된다. 이 루틴에 의하면, 시스템 운전 중에 연료전지 스택(910)의 수소농도가 과도하게 낮아진 경우에, 연료전지 스택(10)의 발전 억제 및 수소농도 회복을 행할 수 있다.
도 42의 루틴에서는, 먼저, 반응 가스 즉 공기 및 수소가 연료전지 스택(910)에 공급된다(단계 S950). 공기량은 풍부한 쪽이 바람직하다. 또한, 통상 발전 중이면 이미 공기와 수소의 공급은 실행 중이기 때문에, 단계 S950은 생략하여도 된다. 그 후, 도 11의 루틴과 마찬가지로 단계 S102, S104가 ECU(50) 상에서 실행된다.
그 후, 수소농도가 OK인지의 여부가 판정된다(단계 S970). 단계 S970에서는, 도 11의 루틴의 단계 S107과 마찬가지로, 금회 얻어진 Z'가, 연료전지 스택(910)의 발전 시의 허용 수소 농도값(Z'P) 이하인지의 여부가 판정된다. 즉, Z'≤Z'P가 성립되어 있는지의 여부가 판정된다. Z'≤ Z'P인 경우에는, 연료전지 스택(910)의 수소농도가 충분히 높다고 판단할 수 있다. 따라서, Z'≤Z'P인 경우에는, 금회의 루틴이 종료된다.
단계 S970의 조건이 성립하지 않은 경우, 즉 Z'>Z'P의 경우에는, 연료전지 스택(910)의 발전이 정지된다. 게다가, 도시 생략한 수소 탱크와 관로(14) 사이에 있는 레귤레이터의 개방도 증가에 의하여, 관로(14)를 통해 연료전지 스택(910)에 공급되는 수소 가스량이 증가된다. 또한, Z'>Z'P의 경우에, 연료전지 스택(910)의 발전 정지 대신에, 연료전지 스택(910)의 발전량을 저감하여도 된다. 이 발전량 저감의 경우에는, 수소부족에 의한 연료전지 내부 구성의 열화를 초래하지 않을 정도까지, 충분히 발전량을 저감하는 것이 바람직하다.
이어서, 제 2 판단 지표가 OK인지의 여부가 판정된다(단계 S974). 이 단계 에서는, 먼저, ECU(50)가, S104일 때와 동일한 주파수에서, 계속해서 임피던스 측정용 처리를 실행한다. 계속해서, ECU(50)는, 측정에 의해 얻어진 Z'가, Z'P 이하인지의 여부의 판정 처리를 행한다. 단계 S972 이후는, 수소량이 증대 중이다. 이 때문에, 수소농도는 마침내 허용 수소농도까지 상승한다. 이에 따라, Z'의 값은 작아지고, 마침내 Z'≤Z'P가 성립한다.
단계 S974에서 Z'≤Z'P가 성립한 경우에는, 단계 S972에서 행하여지고 있던 제어가 종료되고, 발전이 재개된다(단계 S976). 그 후, 금회의 루틴이 종료된다.
이상의 처리에 의하면, 연료전지 스택(910) 내부의 수소농도가 소정 농도보다 낮은 경우에는, 연료전지 스택(910)의 발전 금지 또는 발전 억제를 행할 수 있다. 또한, 시스템 운전 중에 연료전지 스택(910)의 수소농도가 과도하게 낮아진 경우에, 연료전지 스택(10)의 수소농도 회복을 행할 수 있다.
또한, 실시형태 9의 연료전지시스템을 차량에 탑재한 경우에는, 발전 정지 중이나 발전량 저감 중에, 차량의 배터리로부터 차량 요구 출력이 제공된다(배터리 주행). 또, 수소농도 회복 시의 잉여 전력은, 배터리에 충전 또는 방열판을 통해 폐기할 수 있다.
또한, 실시형태 9에서는, 검지용 셀(930)을 시스템에 설치하고, 검지용 셀(930)의 임피던스 측정값을 사용하여 수소농도 추정을 행하였다. 그러나, 검지용 셀(930)을 사용하지 않아도 된다. 이 경우에는, 단위셀(920) 중 어느 하나에 대하여 임피던스 측정을 행하면 된다. 바람직하게는, 실시형태 1의 실시예 2와 동일한 구성에 의하여, 수소 흐름의 하류 부분[부분(922)]의 임피던스 측정을 행하면 된다.
또한, 상기한 실시형태 1∼9에서는, 부하(4), 실시형태 1의 실시예 1에 관한 도시 생략한 수소계 기기 및 공기계 기기, 퍼지 밸브(56), 배기 밸브(216), 배기 밸브(258), 퍼지 밸브(312), 에어 펌프(314), 수소 펌프(516), 퍼지 밸브(518), 애노드 입구 밸브(814), 애노드 출구 밸브(816)가, 상기 제 21, 22, 25 또는 27의 발명에 관한 「시스템 주변장치」에 상당하고 있다.
또, 상기한 실시형태 9에서는, 연료전지 스택(910)이, 상기 제 22 발명에 있어서의 「연료전지」에 상당하고 있다. 또, 실시형태 9에서는, ECU(50)가 도 41의 루틴의 단계 S957을 실행함으로써, 상기 제 22 발명에 있어서의 「발전 제어수단」이 실현되고 있다. 또, 실시형태 9에서는, ECU(50)가 도 42의 루틴의 단계 S970, S972를 실행함으로써, 상기 제 22 발명에서의 「발전 제어수단」이 실현되고 있다.
또한, 실시형태 2∼9에서는, 편의상, 임피던스의 실수부의 값(Z')을 사용한 경우를 대표예로 하여, 본 발명에 관한 수소농도 추정 수법을 연료전지시스템 상에서 실현하는 형태를 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 실시형태 2∼9의 연료전지시스템에 대하여, 실시형태 1의 수소농도 추정 수법에 관한 여러가지의 값[허수부의 값(Z"), 절대값(|Z|), 위상(θ), I-V 접선 저항값(|ΔV|/|ΔI|), 임피던스 원호의 곡률 반경(ρ) 또는 곡률(k) 그 밖의 수치, 피팅 커브의 길이(L)] 중, 어느 수법이 적용되어도 된다. 그들의 값과 소정의 판정값의 비교에 의거하여, 연료전지 내부의 수소농도에 따라, 실시형태 2∼9의 각종 제어를 실행할 수 있다. 또, 그들의 값을 이용하여 정해진 수소농도 특성맵에 의거하여 추정값을 산출하고, 추정값을 소정의 기준 수소 농도값과 비교하여도 된다.
2 : 연료전지 3 : 임피던스 측정장치
4 : 부하 5 : 제어장치
10 : 연료전지 스택 12, 14, 16 : 관로
20 : 단위셀 24 : 하류 부분
50 : ECU(Electronic Control Unit)
52 : 전류계 54 : 전압계
56 : 퍼지 밸브 200, 240, 264 : 연료전지 스택
202, 244, 284 : 단위셀 204 : 고압손 단위셀
210, 212, 254, 256 : 매니폴드 214 : 패킹
216, 258 : 배기 밸브 220 : ECU
222 : 임피던스 측정장치 253 : 덮개
255, 257 : 칸막이
270 : MEGA(Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)
272 : 캐소드 가스 유로 274 : 애노드 가스 유로
275, 277, 294 : 캐소드측 세퍼레이터
276, 292 : 애노드측 세퍼레이터
290 : 더미 유로 300 : 연료전지 스택
302, 304 : 단위셀 306, 308 : 엔드플레이트
312 : 퍼지 밸브 314 : 에어 펌프
320 : ECU 322 : 임피던스 측정장치
362 : 대책 셀 400 : 단위셀
404 : 가스 입구 406 : 가스 출구
420 : 단자 422 : 코드
424 : 전극 426 : 절연 시일
430 : 임피던스 측정장치 510 : 연료전지
512, 514 : 관로 516 : 수소 펌프
518 : 퍼지 밸브 520 : 임피던스 측정장치
522 : ECU 550 : 수소농도 센서
600 : 연료전지 스택 602 : 단위셀
604 : 전류 검지판 606, 608 : 관로
620 : ECU 800 : 연료전지 스택
802, 804, 806 : 단위셀 810 : 애노드 매니폴드
814 : 애노드 입구 밸브 816 : 애노드 출구 밸브
822 : 임피던스 측정장치 910 : 연료전지 스택
912 : 바이패스 관로 920 : 단위셀
922 : 부분 924 : 출구
930 : 검지용 셀

Claims (28)

  1. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스 또는 어드미턴스를 측정하는 측정수단과,
    상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 연료전지의 임피던스 원호가 상대적으로 클 때에 수소농도가 상대적으로 낮게 추정되도록, 상기 연료전지 내부의 수소농도를 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  2. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스를 측정하는 측정수단과,
    상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 상기 연료전지의 임피던스의 실수부의 값을 취득하는 수단과,
    상기 실수부의 값이 소정값 이상인 경우에, 상기 연료전지의 수소농도가 소정농도 이하라고 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  3. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스를 측정하는 측정수단과,
    상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 상기 연료전지의 임피던스의 허수부의 값을 취득하는 수단과,
    상기 허수부의 값의 절대값이 소정값 이상인 경우에, 상기 연료전지의 수소농도가 소정농도 이하라고 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  4. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스를 측정하는 측정수단과,
    상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 복소 평면 상에서의 임피던스 주파수 특성 곡선의, 피팅 커브를 얻는 피팅수단과,
    상기 피팅 커브의, 곡률, 곡률 반경, 또는 이들과 상관을 가지는 수치를 취득하는 커브 파라미터 취득수단과,
    상기 커브 파라미터 취득수단이 취득한 상기 곡률, 상기 곡률 반경, 또는 상기 수치에 의거하여, 상기 연료전지의 수소농도를 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  5. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, I-V 접선 저항값을 측정하는 측정수단과,
    상기 I-V 접선 저항값에 의거하여, 상기 연료전지의 수소농도를 추정하는 추정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  6. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지의, 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하는 측정수단과,
    상기 연료전지의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값과, 상기 연료전지 내부의 수소농도와의 관계를 정한 수소농도 특성을 기억한 기억수단과,
    상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스 또는 상기 I-V 접선 저항값에 의거하여, 상기 수소농도 특성에 따라, 상기 연료전지 내부의 수소농도 추정값을 산출하는 추정값 산출수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  7. 제 1항, 제 2항, 제 3항, 제 4항 또는 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 전압이 OCV(Open Circuit Voltage) 미만이 되고, 또한, 바이어스 전압이 소정 전압 이상이 되도록 또는 바이어스 전류가 소정 전류 이하가 되도록, 상기 측정수단의 임피던스 측정 중에 상기 연료전지에 바이어스를 주는 소정 바이어스 공급수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 연료전지의 OCV를 취득하는 OCV 취득수단과,
    상기 OCV 취득수단이 취득한 OCV의 값에 의거하여, 상기 소정 바이어스 공급수단이 상기 연료전지에 주는 상기 바이어스의 크기를, 보정하는 바이어스 보정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  9. 제 1항, 제 2항, 제 3항, 제 4항 또는 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 OCV를 취득하는 OCV 취득수단과,
    상기 OCV 취득수단이 취득한 OCV로부터 소정값을 뺌으로써, 목표 바이어스 전압을 산출하는 목표 바이어스 산출수단과,
    상기 측정수단의 임피던스 측정 중에, 상기 목표 바이어스 전압에 의거하여, 상기 연료전지에 바이어스를 주는 목표 바이어스 공급수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  10. 제 1항, 제 2항, 제 3항, 제 4항 또는 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 임피던스의 저주파수 영역에서의 주파수 특성 곡선이 복소 평면 상에서 실질적으로 하나의 원호를 그릴 정도의 크기의, 바이어스 전압 또는 바이어스 전류를, 상기 측정수단의 임피던스 측정 중에 상기 연료전지에 주는 특정 바이어스 공급수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 저주파수 영역이, 100 Hz∼0.1 Hz인 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  12. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 측정수단이,
    상기 연료전지의 전류 및 전압을 계측하기 위한 계측수단과,
    상기 계측수단의 계측값에 의거하여, 상기 연료전지의 I-V 특성상에서의 OCV 부근의 소정 부분의 기울기를 산출하는 수단과,
    상기 기울기에 의거하여, 상기 I-V 접선 저항값을 산출하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 내부의 수분량을 검지 또는 추정하는 수단을 구비하고,
    상기 추정수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값과, 상기 검지수단이 검지 또는 추정한 상기 수분량에 의거하여 상기 연료전지 내부의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지가, 고체 고분자 전해질형 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소농도 추정장치.
  15. 애노드 유로를 가지고 당해 애노드 유로에 수소의 공급을 받아 발전하는 제 1 단위셀과, 애노드 유로를 가지고 당해 애노드 유로에 수소의 공급을 받아 발전하는 제 2 단위셀을 구비한 연료전지와,
    제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 기재된, 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하고,
    상기 제 1 단위셀의 상기 애노드 유로보다, 상기 제 2 단위셀의 상기 애노드 유로의 쪽이, 압력손실이 크고,
    상기 수소농도 추정장치의 상기 측정수단이, 상기 제 2 단위셀의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하고,
    상기 수소농도 추정장치의 상기 추정수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 제 2 셀의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 연료전지가, 상기 복수의 단위셀의 각각의 상기 애노드 유로 출구에 접속되는 출구 매니폴드를 구비하고,
    상기 출구 매니폴드의 출구에 접속되는 밸브를 더 구비하며,
    상기 제 2 단위셀의 애노드 유로 출구와 상기 출구 매니폴드의 합류부가, 상기 제 1 단위셀의 애노드 유로 출구와 상기 출구 매니폴드의 합류부보다, 유로 단면적이 작은 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  17. 연료전지와,
    제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 기재된, 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하고,
    상기 연료전지가,
    각각이, 입구와 출구를 구비한 애노드 유로를 가지고, 당해 애노드 유로에 수소의 공급을 받아 발전하는 복수의 단위셀과,
    상기 복수의 단위셀 중 제 1군의 단위셀의, 상기 애노드 유로 입구에 접속되는 제 1 매니폴드와,
    상기 복수의 단위셀 중 제 2군의 단위셀의, 상기 애노드 유로 출구에 접속되는 제 2 매니폴드와,
    상기 제 1군의 단위셀의 상기 애노드 유로 출구와, 상기 제 2군의 단위셀의 상기 애노드 유로 입구에 접속되는 제 3 매니폴드를 구비하고,
    상기 수소농도 추정장치의 상기 측정수단이, 상기 제 2군의 단위셀의 적어도 하나의 단위셀의, 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하고,
    상기 수소농도 추정장치의 상기 추정 수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 적어도 하나의 단위셀의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 복수의 단위셀은, 각각이 평평한 형상이고,
    상기 복수의 단위셀은, 각각, 입구와 출구를 가지고 상기 애노드 유로에 대하여 소정 방향을 향하도록 설치된 캐소드 유로를 구비하고,
    상기 연료전지는, 상기 형상의 상기 단위셀이, 각각의 상기 캐소드 유로의 상기 입구의 위치와 상기 출구의 위치가 일치되도록 겹쳐진 구성을 가지며,
    상기 제 3 매니폴드가,
    상기 제 1군의 단위셀의 상기 애노드 유로 출구에 접속되는 제 1 부분과,
    상기 제 2군의 단위셀의 상기 애노드 유로 입구에 접속되는 제 2 부분과,
    상기 제 1군의 단위셀과 상기 제 2군의 단위셀의 사이에 구비되고, 상기 제 1군의 단위셀의 상기 애노드 유로와, 상기 제 2군의 단위셀의 상기 애노드 유로가, 동일 방향을 향하도록, 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분을 접속하는 더미 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  19. 애노드에 수소의 공급을 받고 캐소드에 산화제 가스의 공급을 받아 발전하는 복수의 단위셀이 적층됨으로써 형성된 단위셀 적층체와, 상기 단위셀 적층체를 사이에 두는 플러스측 엔드 플레이트와 마이너스측 엔드 플레이트를 가지는 연료전지 스택과,
    제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 기재된, 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하며,
    상기 단위셀 적층체는, 상기 마이너스측 엔드 플레이트에 가장 가까운 단(端)측 단위셀을 포함하고,
    상기 수소농도 추정장치의 상기 측정 수단이, 상기 단측 단위셀의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하고,
    상기 수소농도 추정장치의 상기 추정수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 단측 단위셀의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  20. 전해질의 표면에 애노드가 설치된 발전체와, 상기 발전체의 애노드측 표면에 설치된 애노드 유로를 구비한 연료전지와,
    상기 발전체의 상기 애노드 유로 상에서의 특정 부분의, 전류값 및 전압값을 계측하는 부분 전기특성 계측수단과,
    제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 기재된, 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하고,
    상기 수소농도 추정장치의 상기 측정 수단이, 상기 부분 전기특성 계측수단이 계측한 상기 전류값과 상기 전압값에 의거하여, 상기 특정 부분의 임피던스, 어드미턴스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하고,
    상기 수소농도 추정장치의 상기 추정수단이, 상기 측정수단이 측정한 측정값에 의거하여, 상기 특정 부분의 수소농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  21. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지에 접속되는 시스템 주변 장치와,
    상기 시스템 주변 장치를 제어하는 제어수단과,
    상기 연료전지를 추정 대상으로 하는, 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 기재된, 연료전지의 수소농도 추정장치를 구비하고,
    상기 제어수단이, 상기 수소농도 추정장치에 의해 얻어진 수소농도의 추정 결과에 의거하여 상기 시스템 주변 장치의 제어를 행하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  22. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지에 접속되는 시스템 주변 장치와,
    상기 연료전지의, 임피던스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하는 측정수단과,
    상기 시스템 주변 장치를 제어하는 제어수단을 구비하고,
    상기 제어수단이, 상기 연료전지의 상기 임피던스의 절대값, 실수부의 값, 또는 허수부의 값의 절대값, 또는, I-V 접선 저항값이 소정값 이상인 경우에 상기 연료전지의 발전량이 저감하도록 또는 발전이 정지하도록, 상기 측정수단에 의한 측정값에 의거하여 상기 시스템 주변 장치를 제어하는 발전 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  23. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와,
    연료전지 애노드의 퍼지를 하기 위한 퍼지기구와,
    상기 연료전지의, 임피던스 또는 I-V 접선 저항값을 측정하는 측정수단과,
    상기 연료전지의 상기 임피던스의 절대값, 실수부의 값, 또는 허수부의 값의 절대값, 또는, I-V 접선 저항값이 소정값 이상인 경우에 상기 퍼지가 실행되도록, 상기 측정수단에 의한 측정값에 의거하여 상기 퍼지기구를 제어하는 퍼지 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 퍼지 제어수단이, 상기 퍼지의 실행 중에 상기 연료전지의 상기 임피던스의 절대값, 실수부의 값, 또는 허수부의 값의 절대값, 또는, I-V 접선 저항값이 소정값을 하회한 경우에 상기 퍼지가 종료되도록, 상기 퍼지기구를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  25. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지에 접속되는 시스템 주변 장치와,
    상기 시스템 주변 장치를 제어하는 제어수단과,
    상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 측정수단과,
    상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 복소 평면 상에서의 임피던스 주파수 특성 곡선의, 피팅 커브를 얻는 피팅수단과,
    상기 피팅 커브의, 곡률, 곡률 반경, 길이, 또는 이들과 상관을 가지는 수치를 취득하는 커브 파라미터 취득수단을 구비하고,
    상기 제어수단이, 상기 커브 파라미터 취득수단이 취득한 상기 곡률, 상기 곡률 반경, 상기 길이 또는 상기 수치와, 소정의 판정값과의 비교에 의거하여, 상기 연료전지의 발전 상태를 조절하는 발전 조절수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  26. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와,
    연료전지의 애노드의 퍼지를 하기 위한 퍼지기구와,
    상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 측정수단과,
    상기 측정수단이 측정한 상기 임피던스에 의거하여, 복소 평면 상에서의 임피던스 주파수 특성 곡선의, 피팅 커브를 얻는 피팅수단과,
    상기 피팅 커브의, 곡률, 곡률 반경, 길이, 또는 이들과 상관을 가지는 수치를 취득하는 커브 파라미터 취득수단과,
    상기 커브 파라미터 취득수단이 취득한 상기 곡률, 상기 곡률 반경, 상기 길이 또는 상기 수치와, 소정의 판정값과의 비교에 의거하여, 상기 퍼지기구를 제어하는 퍼지 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  27. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와,
    상기 연료전지에 접속되는 시스템 주변 장치와,
    상기 시스템 주변 장치를 제어하는 제어수단과,
    상기 연료전지의 임피던스의 위상을 측정하는 측정수단과,
    상기 제어수단이, 상기 측정수단이 측정한 상기 위상과 소정 위상과의 위상차에 의거하여 상기 연료전지의 발전상태를 조절하는 발전 조절수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  28. 애노드에 수소를 받고 캐소드에 산소를 받아 발전하는 연료전지와,
    연료전지의 애노드의 퍼지를 하기 위한 퍼지기구와,
    상기 연료전지의 임피던스의 위상을 측정하는 측정수단과,
    상기 측정수단이 측정한 상기 위상과 소정 위상의 위상차에 의거하여, 상기 퍼지기구를 제어하는 퍼지 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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