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KR101803650B1 - 연료 전지 시스템, 연료 전지의 제어 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템, 연료 전지의 제어 방법 Download PDF

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KR101803650B1
KR101803650B1 KR1020160077017A KR20160077017A KR101803650B1 KR 101803650 B1 KR101803650 B1 KR 101803650B1 KR 1020160077017 A KR1020160077017 A KR 1020160077017A KR 20160077017 A KR20160077017 A KR 20160077017A KR 101803650 B1 KR101803650 B1 KR 101803650B1
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

냉각 매체의 온도를 이용하여 간편하게 연료 전지의 출력 제한을 하면서, 또한 연료 전지의 시동성을 향상시킨다.
연료 전지 시스템의 제어부는, 연료 전지의 단부 주변의 셀로부터 취득된 셀 전압이 제1 임계값 이하로 된 경우에는, 연료 전지의 출력 제한에 사용하는 출력 제한량을, 온도 측정부에 의해 측정된 냉각 매체의 온도에 따른 출력 제한량보다도 작게 한다.

Description

연료 전지 시스템, 연료 전지의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF FUEL CELL}
본원은, 2015년 6월 26일에 출원된 출원번호 제2015-128259호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 전부가 참조에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은, 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는, 발전의 기본 단위로 되는 발전체(이후 「셀」이라고도 함)가 복수 적층된 스택 구조를 갖고 있다. 종래, 이와 같은 연료 전지를 포함하여 구성되는 연료 전지 시스템이 알려져 있다. JP2011-034837A에는, 연료 전지 시스템을 빙점하 환경에서 기동시키기 위한 방법이 기재되어 있다.
JP2011-034837A와 같은 연료 전지 시스템의 시동 시에 있어서, 연료 전지의 전압의 저하가 검출된 경우, 연료 전지 시스템은, 연료 전지의 셀의 열화를 억제하기 위해서, 연료 전지의 출력 제한을 한다. 구체적으로는, 연료 전지 시스템은, 연료 전지에 대하여 요구하는 전류에 상한을 설정한다.
전압의 저하에 수반되는 셀의 열화는, 셀의 온도가 높아짐에 따라서 진행되기 쉬워진다는 성질이 있다. 이로 인해, 연료 전지 시스템은, 연료 전지의 온도가 높아짐에 따라서 연료 전지의 출력 제한량을 크게 한다. 한편, 연료 전지의 온도를 나타내는 지표로서, 연료 전지의 냉각에 사용되는 냉각 매체의 온도가 사용되고 있다. 이 냉각 매체의 온도는, 연료 전지로부터 배출된 후의 냉각 매체의 온도를 온도 센서에 의해 측정함으로써, 간편하게 취득할 수 있다. 이상에 의해, 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지의 전압 저하가 검출된 경우, 냉각 매체의 온도에 따른 크기의 출력 제한량으로, 연료 전지의 출력 제한을 하는 것이 생각된다.
여기서, 복수의 셀을 구비하는 연료 전지의 경우, 연료 전지의 각 셀의 온도는 균일하지 않다. 예를 들어, 스택 구조의 단부 주변에 위치하는 셀은, 중앙부 주변에 위치하는 셀과 비교하여, 방열하기 쉽고 또한 승온성이 나쁘기 때문에, 온도가 낮다는 특징이 있다. 이에 반하여, 냉각 매체의 온도는, 어디까지나 연료 전지 전체의 온도를 나타내는 지표에 불과하다. 따라서, 냉각 매체의 온도에 따른 출력 제한량으로 연료 전지의 출력 제한을 한 경우, 특히 연료 전지의 단부 주변에 위치하는 셀에 대해서는 과잉 출력 제한을 부과하게 된다. 이와 같은 과잉 출력 제한은, 연료 전지의 각 셀에 있어서의 발열량의 저하를 초래하여, 연료 전지의 시동성을 악화시킨다는 과제가 있었다.
이로 인해, 냉각 매체의 온도를 이용하여 간편하게 연료 전지의 출력 제한을 하면서, 또한 연료 전지의 시동성을 향상시키는 것이 가능한 연료 전지 시스템이 요구되고 있었다.
본 발명은, 전술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 복수의 셀이 적층된 연료 전지와, 상기 셀의 전압인 셀 전압을 측정하는 셀 모니터와, 상기 연료 전지의 냉각에 사용되는 냉각 매체의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 상기 셀 전압의 저하에 기초하여 상기 연료 전지의 출력 제한을 하는 제어부이며, 상기 출력 제한에 있어서의 출력 제한량을 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따른 양으로 하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 단부 주변의 상기 셀로부터 취득된 상기 셀 전압이 제1 임계값 이하로 될 경우에는, 상기 출력 제한에 사용되는 출력 제한량을, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따른 상기 출력 제한량보다도 작게 한다.
연료 전지의 출력 제한량은, 연료 전지의 온도와 정의 상관이 있다. 즉, 연료 전지의 온도가 높으면 높을수록 출력 제한량은 커지게 되고, 연료 전지의 온도가 낮으면 낮을수록 출력 제한량은 작아지게 된다. 한편, 복수의 셀을 구비하는 연료 전지의 경우, 연료 전지의 각 셀의 온도는 균일하지 않다. 예를 들어, 연료 전지의 단부 주변의 셀의 온도는, 연료 전지의 중앙부 주변의 셀의 온도와 비교해서 낮다. 이로 인해, 연료 전지의 온도를 나타내는 지표로서 널리 사용되고 있는 냉각 매체의 온도는, 실제의 연료 전지의 단부 주변의 셀의 온도와 비교해서 높아지게 된다. 따라서, 냉각 매체의 온도에 따라서 연료 전지의 출력 제한량을 결정한 경우, 연료 전지의 단부 주변의 셀에 대해서는, 과잉 출력 제한을 부과하게(즉, 출력 제한량이 너무 크게) 된다. 이와 같은 과잉 출력 제한은, 연료 전지의 각 셀에 있어서의 발열량의 저하를 초래하여, 연료 전지의 시동성의 악화의 원인으로 된다. 이러한 점에서, 이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제어부는, 연료 전지의 단부 주변의 셀로부터 취득된 셀 전압이 저하되고 있는 경우에, 연료 전지의 출력 제한에 사용하는 출력 제한량을, 온도 측정부에 의해 측정된 냉각 매체의 온도에 따른 출력 제한량보다도 작게 한다. 이로 인해, 본 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지의 단부 주변의 셀에 대하여 과잉 출력 제한을 부과하는 것을 회피할 수 있기 때문에, 연료 전지의 각 셀에 있어서의 발열량을 향상시킴과 함께, 연료 전지의 시동성을 향상시킬 수 있다. 이 결과, 본 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 냉각 매체의 온도를 이용하여 간편하게 연료 전지의 출력 제한을 하면서, 또한 연료 전지의 시동성을 향상시킬 수 있다.
(2) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 단부 주변의 상기 셀로부터 취득된 상기 셀 전압이 상기 제1 임계값 이하로 될 경우에 있어서의 상기 출력 제한량을, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도보다도 낮은 온도로 보정된 보정 후의 온도에 따라서 결정해도 된다.
이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제어부는, 연료 전지의 출력 제한량을, 연료 전지의 단부 주변의 셀의 온도에 적합하도록 낮게 보정된 보정 후의 온도에 따라서 결정할 수 있다.
(3) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 1차 지연 요소에 의해 상기 보정을 행해도 된다.
이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제어부는, 1차 지연 요소에 의해 보정 후의 온도를 구한다. 이로 인해, 보정 후의 온도는, 연료 전지의 시동 후부터 잠시 동안은, 온도 측정부에 의해 측정된 냉각 매체의 온도보다도 낮은 온도로 되고, 그 후, 온도 측정부에 의해 측정된 냉각 매체의 온도에 가까운 온도로 된다. 이 결과, 제어부는, 연료 전지의 시동 후부터 잠시 동안(예를 들어, 연료 전지의 난기가 진행될 때까지의 어느 정도의 동안)은, 연료 전지의 각 셀에 있어서의 발열량의 향상과, 그에 수반되는 시동성의 향상을 우선시킬 수 있고, 그 후(예를 들어, 연료 전지의 난기가 진행된 후)에는 셀의 열화 억제를 우선시킬 수 있다.
(4) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 시스템의 난기 중에는, 1차 지연 요소에 의해 상기 보정을 행하고, 상기 연료 전지 시스템의 난기 종료 후에는 1차 지연 요소와, 외기온에 따라서 결정된 값 중, 상기 보정량이 커지게 되는 한쪽에 의해 상기 보정을 행해도 된다.
이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제어부는, 연료 전지 시스템의 난기 중에는, 1차 지연 요소에 의해 보정 후의 온도를 구한다. 이로 인해, 연료 전지 시스템의 난기 중에는, 연료 전지의 각 셀에 있어서의 발열량의 향상과, 그에 수반되는 시동성의 향상을 우선시킬 수 있다. 또한, 제어부는, 연료 전지 시스템의 난기 종료 후에는 1차 지연 요소와 외기온에 따라서 결정된 값 중, 보정량이 커지게 되는 한쪽, 즉, 보정 후의 온도가 보다 낮아지게 되는 한쪽에 의해 보정 후의 온도를 구한다. 이로 인해, 연료 전지 시스템의 난기 종료 후에는 외기온을 고려하여 가능한 한 시동성의 향상을 도모하면서, 또한 셀의 열화를 억제할 수 있다.
(5) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 복수의 셀이 적층된 연료 전지와, 상기 셀의 전압인 셀 전압을 측정하는 셀 모니터와, 상기 연료 전지의 냉각에 사용되는 냉각 매체의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 상기 셀 전압의 저하에 기초하여 상기 연료 전지의 출력 제한을 하는 제어부이며, 상기 출력 제한에 있어서의 출력 제한량을 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따른 양으로 하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 연료 전지의 단부 주변의 상기 셀로부터 취득된 상기 셀 전압이 제1 임계값 이하로 되고, 또한 상기 연료 전지의 모든 상기 셀로부터 취득된 상기 셀 전압이 제2 임계값 이하로 될 경우에는, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도보다도 낮은 온도로 보정된 보정 후의 온도에 따른 출력 제한량과, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따른 상기 출력 제한량 중, 상기 출력 제한량이 커지게 되는 한쪽을 선택하여 상기 출력 제한을 한다.
이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 제어부는, 보정 후의 온도, 즉, 연료 전지의 단부 주변의 셀의 온도에 따른 출력 제한량과, 냉각 매체의 온도, 즉, 연료 전지의 온도에 따른 출력 제한량 중, 출력 제한량이 커지게 되는 한쪽을 선택해서 연료 전지의 출력 제한을 한다. 이 결과, 본 형태에 의하면, 냉각 매체의 온도를 이용하여 간편하게 연료 전지의 출력 제한을 하면서, 또한 연료 전지의 시동성을 향상시킨 연료 전지 시스템에 있어서, 셀 열화의 억제 효과를 더 크게 할 수 있다.
(6) 상기 형태의 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 임계값은, 상기 보정 후의 온도에 따라서 결정되는 값이며, 상기 제2 임계값은, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따라서 결정되는 값이어도 된다.
이 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 연료 전지의 단부 주변의 셀 전압의 저하를 검출하기 위한 제1 임계값을, 보정 후의 온도, 즉, 연료 전지의 단부 주변의 셀의 온도에 따라서 결정할 수 있다. 또한, 연료 전지의 모든 셀 전압의 저하를 검출하기 위한 제2 임계값을, 냉각 매체의 온도, 즉, 연료 전지의 온도에 따라서 결정할 수 있다. 즉, 본 형태의 연료 전지 시스템에 의하면, 셀 전압의 저하를 검출하기 위한 임계값을 정밀하게 결정할 수 있다.
본 발명은, 상기 이외의 다양한 형태로 실현할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템의 제어 장치, 연료 전지 시스템의 제어 방법, 연료 전지의 제어 장치, 연료 전지의 제어 방법, 이들 제어 방법을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램, 그 컴퓨터 프로그램을 기억한 일시적이지 않은 기억 매체 등의 형태로 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태로서의 연료 전지 시스템은, 냉각 매체의 온도를 이용하여 간편하게 연료 전지의 출력 제한을 하면서, 또한 연료 전지의 시동성을 향상시키는 것을 과제로 하고 있다. 그러나, 이 기술에는, 그 밖에도, 연료 전지 시스템에 있어서의 각종 성능의 향상, 유저빌리티의 향상, 연료 전지 시스템의 제어 방법의 간략화, 공통화 등이 요망되고 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태로서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 출력 제한량 맵의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은, 출력 제한량 결정 처리의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 4는, 단부 온도의 추정 방법에 대하여 설명하는 도면이다.
도 5는, 단부 온도의 추정 방법의 변형에 대하여 설명하는 도면이다.
도 6은, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은, 제2 실시 형태에 있어서의 출력 제한량 결정 처리의 수순을 나타내는 흐름도이다.
A. 제1 실시 형태:
A-1. 연료 전지 시스템의 구성:
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태로서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 연료 전지 시스템(10)은, 구동용 전원을 공급하기 위한 시스템으로서, 예를 들어 전기 자동차에 탑재되어 사용된다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에서는, 연료 전지의 단부 주변의 셀에 있어서의 셀 전압의 저하가 검출된 경우에, 냉각 매체의 온도에 따른 출력 제한량보다도 작은 출력 제한량으로 연료 전지의 출력 제한을 한다.
여기서, 「연료 전지의 출력 제한」이란, 연료 전지 시스템(10)이 연료 전지에 대하여 요구하는 전류에 상한을 설정하는 것을 의미한다. 또한, 「출력 제한량」이란, 연료 전지 시스템(10)이 연료 전지의 출력 제한을 할 때의, 제한의 크기를 의미한다. 출력 제한량이 큰 경우, 연료 전지 시스템(10)이 연료 전지에 대하여 요구하는 전류의 상한이 낮아지게 되어, 출력 제한량이 작은 경우, 연료 전지 시스템(10)이 연료 전지에 대하여 요구하는 전류의 상한이 높아지게 된다. 또한, 「단부 주변의 셀」이란, 스택 구조에 적층된 복수의 셀에 있어서의, 적층 방향의 가장 외측에 위치하는 셀을 적어도 포함하는, 인접한 1개부터 수개의 셀을 의미한다. 「수개」란, 예를 들어 2, 3개 내지 5, 6개 정도여도 되고, 예를 들어 적층 방향의 가장 외측에 위치하는 셀로부터, 적층 방향에 있어서의 전체 셀의 길이 1/20 이하의 범위 내에 존재하는 셀까지여도 된다.
연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(100)와, 연료 가스 공급계(200)와, 산화 가스 공급계(300)와, 연료 전지 냉각계(400)와, 부하 장치(500)와, 전원 전환 스위치(600)와, 배터리(700)와, 셀 모니터(800)와, 시스템 컨트롤러(900)를 구비하고 있다.
연료 전지(100)는, 복수의 연료 전지 셀(110)(이후, 단순히 「셀(110)」이라고도 함)을 적층한 스택 구조를 갖고 있다. 셀(110)은, 전해질막과, 전해질막의 한쪽 면에 배치된 애노드측 촉매 전극층(이후, 단순히 「애노드」라고도 함)과, 전해질막의 다른 쪽 면에 배치된 캐소드측 촉매 전극층(이후, 단순히 「캐소드」라고도 함)을 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 전해질막으로서 고체 고분자 전해질막을 채용하고 있다. 또한, 애노드측 및 캐소드측의 촉매 전극층으로서, 백금(Pt)을 담지한 카본 입자 및 전해질을 포함하는 촉매를 채용하고 있다. 셀(110)은, 애노드측 촉매 전극층에 공급되는 연료 가스(예를 들어, 수소)와, 캐소드측 촉매 전극층에 공급되는 산화 가스(예를 들어, 공기에 함유되는 산소)와의 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생한다. 적층된 셀(110)의 양단에는, 종합 전극으로서의 2개의 터미널 플레이트(111)가 배치되어 있다.
연료 가스 공급계(200)는, 수소 탱크(210)와, 유량 조정부(220)와, 가습 조정부(230), 순환 컴프레서(240)와, 기액 분리부(250)와, 전환 밸브(260)를 구비하고 있다. 연료 가스 공급계(200)는, 수소 탱크(210)로부터, 연료 전지(100)를 구성하는 각 셀(110)의 애노드에 대하여 연료 가스인 수소를 공급한다. 수소의 공급은, 수소 탱크(210)로부터, 연료 가스 공급 유로(271a), 유량 조정부(220), 연료 가스 공급 유로(271b), 가습 조정부(230), 및 연료 가스 공급 유로(271c)를 통해 행해진다. 유량 조정부(220)는, 시스템 컨트롤러(900)로부터의 지시에 따른 유량 및 압력으로 되도록, 수소의 공급량을 조정한다. 가습 조정부(230)는, 수소의 습도가 시스템 컨트롤러(900)로부터의 지시에 따른 상태로 되도록, 수소의 가습 온도를 조정한다. 수소 탱크(210)로서는, 예를 들어 고압 수소가 저장된 수소 탱크와 압력 조정 밸브를 채용할 수 있다.
또한, 연료 가스 공급계(200)는, 전환 밸브(260)를 개방함으로써, 애노드에서 사용되지 않은 수소를, 연료 전지 시스템(10)의 외부로 배출한다. 수소의 배출은, 연료 가스 배출 유로(271d), 기액 분리부(250), 및 전환 밸브(260)를 통해 행해진다. 또한, 연료 가스 공급계(200)는, 전환 밸브(260)를 폐쇄함으로써, 애노드에서 사용되지 않은 수소를 연료 가스 공급 유로(271c)로 되돌리고, 연료 가스로서 재이용한다. 수소의 재이용은, 연료 가스 배출 유로(271d), 기액 분리부(250), 순환 유로(271e), 순환 컴프레서(240), 및 순환 유로(271f)를 통해 행해진다. 순환 컴프레서(240)는, 시스템 컨트롤러(900)로부터의 지시에 따라 수소의 순환량 및 압력을 조정한다.
산화 가스 공급계(300)는, 흡기구(310)와, 컴프레서(320)와, 가습 조정부(330)와, 밀봉 밸브(340)와, 배기구(390)를 구비하고 있다. 산화 가스 공급계(300)는, 연료 전지(100)를 구성하는 각 셀(110)의 캐소드에 대하여, 산화 가스인 산소를 포함하는 공기를 공급한다. 공기의 공급은, 흡기구(310)로부터, 산화 가스 공급 유로(351a), 컴프레서(320), 산화 가스 공급 유로(351b), 가습 조정부(330), 및 산화 가스 공급 유로(351c)를 통해 행해진다. 컴프레서(320)는, 시스템 컨트롤러(900)로부터의 지시에 따른 압력으로 되도록, 흡기구(310)로부터 도입되는 공기량을 조정한다. 가습 조정부(330)는, 공기의 습도가 시스템 컨트롤러(900)로부터의 지시에 따른 상태로 되도록, 공기의 가습 온도를 조정한다.
또한, 산화 가스 공급계(300)는, 연료 전지(100)로부터 배출된 전기 화학 반응에 사용된 산소의 양만큼 농도가 얇아진 배기 가스를, 배기구(390)로부터 배출한다. 배기 가스의 배출은, 산화 가스 배출 유로(351d), 밀봉 밸브(340), 및 산화 가스 배출 유로(351e)를 통해 행해진다. 밀봉 밸브(340)는, 연료 전지 시스템(10)의 정지 시에 있어서, 배기구(390), 산화 가스 배출 유로(351e), 밀봉 밸브(340), 및 산화 가스 배출 유로(351d)를 통하여, 공기가 캐소드에 공급되는 것을 억제한다. 밀봉 밸브(340)는, 공기의 공급 억제를, 시스템 컨트롤러(900)로부터의 지시에 따라서, 그 개폐 상태를 조정함으로써 실현한다.
연료 전지 냉각계(400)는, 라디에이터(410)와, 냉매 온도 센서(420)와, 냉매 순환 펌프(430)와, 로터리 밸브(450)를 구비하고 있다. 연료 전지 냉각계(400)는, 냉각 매체를 순환시켜서, 연료 전지(100)를 냉각한다. 냉각 매체로서는, 물, 공기 등을 사용할 수 있지만, 본 실시 형태로서는 물을 채용한다. 라디에이터(410)는, 냉매 공급 유로(441a)와, 냉매 배출 유로(441b)를 통해 연료 전지(100)에 접속되어 있다. 라디에이터(410)는, 냉각 매체를, 냉매 공급 유로(441a)를 통해 연료 전지(100)에 공급하고, 냉각에 제공된 후의 냉각 매체를, 냉매 배출 유로(441b)를 통해 수취함으로써 냉각 매체를 순환시킨다. 냉매 온도 센서(420)는, 연료 전지(100)로부터 배출된 후의 냉각 매체의 온도를 측정한다. 냉매 온도 센서(420)의 출력은, 시스템 컨트롤러(900)에 접속되어 있다. 냉매 온도 센서(420)는, 「온도 측정부」로서 기능한다. 냉매 순환 펌프(430)와, 로터리 밸브(450)는, 시스템 컨트롤러(900)로부터의 지시에 따라 냉각 매체의 순환량 및 압력을 조정한다.
부하 장치(500)는, 예를 들어 차량 구동용 모터 등에 의해 구성된다. 부하 장치(500)는, 전원 전환 스위치(600)를 통하여, 연료 전지(100)의 정극측 및 부극측의 터미널 플레이트(111)에 각각 접속되어 있다. 인버터(550)는, 연료 전지(100) 또는 배터리(700)로부터 공급되는 직류 전류를, 교류 전류로 변환하여 부하 장치(500)에 공급한다. 인버터(550)는, 연료 전지(100) 및 배터리(700)와 병렬로 접속되어 있다. 전류 센서(560)는 연료 전지(100)와 직렬로 접속되고, 연료 전지(100)를 흐르는 전류값을 측정한다.
배터리(700)는, 예를 들어 이차 전지에 의해 구성된다. 배터리(700)는, DC-DC 컨버터(750)를 통해 부하 장치(500) 및 연료 전지(100)와 병렬로 접속되어 있다. DC-DC 컨버터(750)는, 배터리(700)의 출력 전압을 승압하여 인버터(550)에 공급하고, 또한 연료 전지(100)의 잉여 발전력을 축전하기 위해서, 출력 전압을 강압하여 배터리(700)에 공급한다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)은, 전원 전환 스위치(600)가 오프(개방)일 때에는, DC-DC 컨버터(750)와 인버터(550)를 통하여, 배터리(700)가 부하 장치(500)에 접속된다. 한편, 전원 전환 스위치(600)가 온(폐쇄)일 때에는, 연료 전지(100)가 부하 장치(500)에 접속된다.
셀 모니터(800)는, 연료 전지(100)를 구성하는 각 셀(110)과 접속되어 있으며, 각 셀(110)에 있어서의 셀 전압을 각각 측정한다. 셀 전압이란, 캐소드 및 애노드의 각 전극에 있어서의 전위차를 의미한다. 본 실시 형태의 셀 모니터(800)는, 연료 전지(100)를 구성하는 셀(110)의 모두에 대하여 각각 접속되어 있으며, 각 셀(110)에 있어서의 셀 전압을 개별로 측정할 수 있다. 그러나, 셀 모니터(800)는 연료 전지(100)를 구성하는 셀(110)의 일부에 대하여 접속되어 있으며, 당해 일부의 셀(110)에 있어서의 셀 전압을 취득해도 된다. 셀 모니터(800)의 출력은, 시스템 컨트롤러(900)에 접속되어 있다.
시스템 컨트롤러(900)는, CPU(Central Processing Unit)(910)와, 기억부(920)와, ROM(Read Only Memory)(930)과, RAM(Random Access Memory)(940)과, 외기온을 측정하는 외기온 센서(950)를 구비하고 있다. 시스템 컨트롤러(900)는, 연료 전지 시스템(10)의 각 구성 요소와 전기적으로 접속되고, 각 구성 요소로부터 수취하는 정보에 기초하여, 각 구성 요소의 동작을 제어한다.
CPU(910)는, ROM(930)에 저장되어 있는 제어 프로그램을 판독해서 실행함으로써, 연료 전지 시스템(10)의 각 구성 요소의 동작을 제어함과 함께, 제어부(912), 단부 온도 추정부(914)로서 기능한다. 기억부(920)는, ROM, RAM, 하드디스크 등으로 구성되어 있다. 기억부(920)에는, 출력 제한량 맵(922)이 미리 기억되어 있다.
제어부(912)는, 연료 전지(100)에 대하여 요구하는 전류에 상한을 설정함으로써, 연료 전지(100)의 출력 제한을 한다. 제어부(912)가 연료 전지(100)의 출력 제한을 함으로써 발생한 전력의 부족은, 예를 들어 배터리(700)에 의해 보충된다. 또한, 제어부(912)는, 후술하는 출력 제한량 결정 처리를 실행함으로써, 제어부(912)가 연료 전지(100)의 출력 제한을 할 때의, 제한의 크기(출력 제한량)를 결정한다. 단부 온도 추정부(914)는, 출력 제한량 결정 처리에 있어서, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)의 온도를 추정한다.
도 2는, 출력 제한량 맵(922)의 일례를 나타내는 도면이다. 출력 제한량 맵(922)에는, 제한 개시 전압(V)과, 온도(℃)에 의해 정해지는 임계값(도 2, 파선)이 대응지어져 기억되어 있다. 제한 개시 전압은, 제어부(912)가 연료 전지(100)의 출력 제한을 개시할 전압을 의미한다. 셀 전압의 저하에 수반되는 셀(110)의 열화는, 셀(110)의 온도가 높아짐에 따라서 진행되기 쉽다고 하는 성질이 있다. 이로 인해, 출력 제한량 맵(922)의 임계값(파선)은, 제한 개시 전압과 온도가 정의 상관 관계를 갖도록 규정되어 있다. 또한, 도 2에 도시한 출력 제한량 맵(922)은 일례에 지나지 않으며, 구체적인 전압의 값, 온도, 임계값에 대해서는 적절히 변경할 수 있다.
A-2. 출력 제한량 결정 처리:
도 3은, 출력 제한량 결정 처리의 수순을 나타내는 흐름도이다. 출력 제한량 결정 처리는, 제어부(912)와 단부 온도 추정부(914)가 협동함으로써 실행된다. 출력 제한량 결정 처리는, 연료 전지 시스템(10)의 시동 후, 소정의 간격을 두고 반복해서 실행된다. 소정의 간격은 임의로 정할 수 있다.
스텝 S10에 있어서 제어부(912)는, 냉각 매체 온도를 취득한다. 구체적으로는, 제어부(912)는, 냉매 온도 센서(420)로부터, 냉매 온도 센서(420)에 의해 측정된 최신의 냉각 매체의 온도를 취득하고, 이 온도를 냉각 매체 온도라 한다. 또한, 냉매 온도 센서(420)에 의해 취득된 냉각 매체의 온도는, 연료 전지(100)로부터 배출된 후의 냉각 매체의 온도이기 때문에, 냉각 매체 온도는, 연료 전지(100)를 구성하는 복수의 셀(110)의 평균 온도와 동일시할 수 있다.
스텝 S12에 있어서 단부 온도 추정부(914)는 단부 온도를 추정한다. 「단부 온도」란, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)의 온도를 의미한다. 구체적으로는, 단부 온도 추정부(914)는, 스텝 S10에서 취득된 냉각 매체 온도에 대하여 1차 지연 필터를 적용함으로써 구해진 값을, 단부 온도라 한다. 단부 온도는, 「보정 후의 온도」로서 기능한다.
도 4는, 단부 온도의 추정 방법에 대하여 설명하는 도면이다. 도 3의 스텝 S12에서 설명한 바와 같이, 단부 온도 추정부(914)는, 냉각 매체 온도 Tfc에 대하여 1차 지연 필터 flt를 적용함으로써, 단부 온도 TEfc를 구한다(식 1).
(식 1)
TEfc=flt(Tfc)
도 4에서는, 스텝 S10에서 취득된 냉각 매체 온도 Tfc와, 스텝 S12에서 추정된 단부 온도 TEfc의, 시간 경과에 수반되는 추이를 나타내고 있다. 도 4에서는, 냉각 매체 온도 Tfc를 실선으로, 단부 온도 TEfc를 파선으로, 각각 나타내고 있다. 1차 지연 필터가 적용된 결과, 도시한 바와 같이 단부 온도 TEfc는, 연료 전지 시스템(10)의 시동 후, 일정한 시간에 걸쳐 냉각 매체 온도 Tfc보다도 낮은 값으로 된다. 일반적으로, 연료 전지(100)에 있어서, 단부 주변의 셀(110)은, 스택 구조의 중앙부 주변에 위치하는 셀(110)과 비교해서 방열하기 쉽고, 또한 승온성이 나쁘기 때문에, 온도가 낮다는 특징이 있다. 이로 인해, 출력 제한량 결정 처리(도 3)의 스텝 S12에 의하면, 단부 온도 추정부(914)는, 단부 온도 TEfc를 실정에 가까운 값에 보정할 수 있다.
도 3의 스텝 S14에 있어서 제어부(912)는, 각 셀(110)의 셀 전압을 취득한다. 구체적으로는, 제어부(912)는, 셀 모니터(800)에 의해 측정된 각 셀(110)에 있어서의 최신의 셀 전압을 각각 취득한다.
스텝 S16에 있어서 제어부(912)는, 단부 셀의 최소 전압이, 제1 임계값 이하인지 여부를 판정한다. 구체적으로는, 제어부(912)는, 이하의 수순 a1 내지 a4를 실행한다.
(a1) 제어부(912)는, 스텝 S14에서 취득된 각 셀(110)의 셀 전압 중에서 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)에 있어서의 셀 전압을, 각각 추출한다.
(a2) 제어부(912)는, 수순 a1에서 추출한 셀 전압 중에서 최소의 셀 전압을 추출하여 「단부 셀의 최소 전압」이라 한다.
(a3) 제어부(912)는, 제1 임계값을 구한다. 구체적으로는, 제어부(912)는, 출력 제한량 맵(922)을 참조하고, 스텝 S12에서 추정된 단부 온도 TEfc에 대응한 제한 개시 전압을 구하고, 제1 임계값이라 한다. 이와 같이, 제1 임계값은, 단부 온도 TEfc에 따라서 결정되는 값이다.
(a4) 제어부(912)는, 수순 a2에서 구한 단부 셀의 최소 전압이, 수순 a3에서 구한 제1 임계값(단부 온도에 대응한 제한 개시 전압) 이하인지 여부를 판정한다.
단부 셀의 최소 전압이 제1 임계값보다 큰 경우(스텝 S16: 아니오), 스텝 S18에 있어서 제어부(912)는, 연료 전지(100)에 대한 출력 제한을 실시하지 않았다(즉, 출력 제한량=0)고 판정하고, 처리를 종료한다.
단부 셀의 최소 전압이 제1 임계값 이하인 경우(스텝 S16: 예), 스텝 S20에 있어서 제어부(912)는, 단부 셀의 최소 전압(수순 a2)과, 제1 임계값으로서 구해진 제한 개시 전압(수순 a3)과의 괴리량에 따라서, 연료 전지(100)에 대한 출력 제한량을 구한다. 제어부(912)는, 출력 제한량을 임의의 방법으로 구할 수 있다. 예를 들어, 기억부(920)에 미리 준비된 맵을 이용하여 구해도 되고, 소정의 계산식에 의해 구해도 된다. 출력 제한량을 구한 후, 제어부(912)는 처리를 종료하고, 연료 전지(100)에 대하여 요구하는 전류에 대하여 얻어진 출력 제한량에 기초하는 상한을 설정한다.
이와 같이, 본 실시 형태의 출력 제한량 결정 처리에 의하면, 제어부(912)는, 냉각 매체 온도보다도 낮은 온도로 보정된 단부 온도(스텝 S12)에 의해, 제1 임계값을 결정한다(스텝 S16, 수순 a3). 출력 제한량 맵(922)(도 2)에 있어서 제한 개시 전압과 온도와는 정의 상관 관계가 있기 때문에, 제1 임계값으로서 구해지는 제한 개시 전압은, 냉각 매체 온도에 의해 결정되는 제한 개시 전압보다도 낮아진다. 이 결과, 단부 셀의 최소 전압과, 제1 임계값으로서 구해진 제한 개시 전압과의 괴리량(스텝 S20)은, 단부 셀의 최소 전압과, 냉각 매체 온도에 의해 결정되는 제한 개시 전압과의 괴리량과 비하여, 작아지게 된다. 제어부(912)는, 상기와 같이 하여, 냉각 매체 온도를 이용한 경우보다도 작게 보정된 괴리량에 따라서 출력 제한량을 구한다(스텝 S20). 따라서, 본 실시 형태의 출력 제한량 결정 처리에 의하면, 제어부(912)는, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)에 있어서의 셀 전압의 저하가 검출된 경우에, 냉각 매체 온도에 따른 출력 제한량보다도 작은 출력 제한량으로, 연료 전지(100)의 출력 제한을 할 수 있다.
또한, 스텝 S16에서는, 단부 셀의 최소 전압과 제1 임계값을 비교하였다. 그러나, 스텝 S16에 있어서 제어부(912)는, 단부 셀의 셀 전압의 통계값(예를 들어, 평균값, 중앙값, 최빈값 등)과, 제1 임계값을 비교해도 된다. 또한, 제어부(912)는, 단부 셀의 각 셀 전압과, 제1 임계값을 각각 비교해도 된다. 각각 비교하는 경우, 제어부(912)는 어느 하나의 셀에 있어서 셀 전압이 제1 임계값 이하로 된 경우에 스텝 S16의 조건이 성립되었다고 판정해도 되고, n개(n은 2 이상의 정수)의 셀에 있어서 셀 전압이 제1 임계값 이하로 된 경우에 스텝 S16의 조건이 성립되었다고 판정해도 된다.
연료 전지(100)의 출력 제한량은, 연료 전지(100)의 온도와 정의 상관이 있다. 즉, 연료 전지(100)의 온도가 높으면 높을수록 출력 제한량은 커지게 되고, 연료 전지(100)의 온도가 낮으면 낮을수록 출력 제한량은 작아지게 된다. 한편, 본 실시 형태와 같이, 복수의 셀(110)을 구비하는 연료 전지(100)의 경우, 연료 전지(100)의 각 셀(110)의 온도는 균일하지 않다. 예를 들어, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)의 온도는, 연료 전지(100)의 중앙부 주변의 셀(110)의 온도와 비교해서 낮다. 이로 인해, 연료 전지(100)의 온도를 나타내는 지표로서 널리 사용되고 있는 냉각 매체의 온도(냉각 매체 온도 Tfc)는, 실제의 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)의 온도(단부 온도 TEfc)와 비교하여, 높아지게 된다. 따라서, 냉각 매체의 온도에 따라서 연료 전지(100)의 출력 제한량을 결정한 경우, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)에 대해서는, 과잉 출력 제한을 부과하게(즉, 출력 제한량이 너무 크게) 된다. 이와 같은 과잉 출력 제한은, 연료 전지(100)의 각 셀(110)에 있어서의 발열량의 저하를 초래하여, 연료 전지(100) 시동성의 악화의 원인으로 된다.
이러한 점에서, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에 의하면, 제어부(912)는, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)로부터 취득된 셀 전압이 저하된 경우(도 3, 스텝 S16: 예)에, 실제의 연료 전지(100)의 출력 제한에 사용하는 출력 제한량을, 온도 측정부[냉매 온도 센서(420)]에 의해 측정된 냉각 매체의 온도(냉각 매체 온도 Tfc)에 따른 출력 제한량보다도 작게 한다(도 3, 스텝 S20). 이로 인해, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에 의하면, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)에 대하여 과잉 출력 제한을 부과하는 것을 회피할 수 있기 때문에, 연료 전지(100)의 각 셀(110)에 있어서의 발열량을 향상시킴과 함께, 연료 전지(100)의 시동성을 향상시킬 수 있다. 이 결과, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에 의하면, 냉각 매체의 온도를 이용하여 간편하게 연료 전지(100)의 출력 제한을 하면서, 또한 연료 전지(100)의 시동성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에 의하면, 제어부(912)는, 연료 전지(100)의 출력 제한량을, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)의 온도에 적합하도록 낮게 보정된 보정 후의 온도(단부 온도 TEfc)에 의해 결정할 수 있다(도 3, 스텝 S20).
또한, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에 의하면, 제어부(912)는 1차 지연 필터 flt에 의해 보정 후의 온도(단부 온도 TEfc)를 구한다(도 3, 스텝 S12). 이로 인해, 보정 후의 온도는, 연료 전지(100)의 시동 후부터 잠시 동안은, 온도 측정부[냉매 온도 센서(420)]에 의해 측정된 냉각 매체의 온도(냉각 매체 온도 Tfc)보다도 낮은 온도로 되고, 그 후, 온도 측정부에 의해 측정된 냉각 매체의 온도에 가까운 온도로 된다(도 4). 이 결과, 제어부(912)는 연료 전지(100)의 시동 후부터 잠시 동안[예를 들어, 연료 전지(100)의 난기가 진행될 때까지의 어느 정도의 동안]은, 연료 전지(100)의 각 셀(110)에 있어서의 발열량의 향상과, 그에 수반되는 시동성의 향상을 우선시킬 수 있고, 그 후[예를 들어, 연료 전지(100)의 난기가 진행된 후]에는 셀(110)의 열화 억제를 우선시킬 수 있다. 셀 전압의 저하에 수반되는 셀(110)의 열화는, 셀(110)의 온도가 높아짐에 따라서 진행되기 쉽다고 하는 성질이 있다. 이로 인해, 본 실시 형태와 같이, 셀(110)의 온도가 올라가지 않은 연료 전지(100)의 시동 후에 있어서는, 출력 제한량을 크게 함으로써 얻어지는 셀(110)의 열화 억제 효과보다도, 출력 제한량을 작게 함으로써 얻어지는 시동성의 향상 효과를 우선시키는 것이 바람직하기 때문이다.
A-3. 단부 온도의 추정 방법의 변형:
도 5는, 단부 온도의 추정 방법의 변형에 대하여 설명하는 도면이다. 도 3에서 설명한 출력 제한량 결정 처리에 있어서, 단부 온도의 추정(스텝 S12)은, 전술한 수순 대신에, 이하의 수순 b1 내지 b3에 의해 실시되어도 된다.
(b1) 단부 온도 추정부(914)는, 연료 전지 시스템(10)이 난기 중인지 여부를 판정한다. 구체적으로는, 단부 온도 추정부(914)는, 스텝 S10에 의해 취득된 냉각 매체 온도가, 소정의 목표 온도 이하인 경우에는 연료 전지 시스템(10)이 난기 중이라고 판정하고, 소정의 목표 온도에서 높은 경우에는 연료 전지 시스템(10)의 난기가 종료되었다고(난기 중이 아니라고) 판정한다. 소정의 목표 온도는, 미리 정해져서 기억부(920)에 저장되어 있다. 소정의 목표 온도는, 예를 들어 외기온에 따라서 변동해도 된다.
(b2) 연료 전지 시스템(10)이 난기 중인 경우: 단부 온도 추정부(914)는, 스텝 S10에서 취득된 냉각 매체 온도 Tfc에 대하여 1차 지연 필터 flt를 적용함으로써 구해진 값, 즉, 도 3의 스텝 S12에서 설명한 식 1에 의해 구해진 값을, 단부 온도 TEfc라 한다.
(b3) 연료 전지 시스템(10)의 난기가 종료된 경우: 우선, 단부 온도 추정부(914)는, 스텝 S10에서 취득된 냉각 매체 온도 Tfc로부터, 외기온에 따라서 결정된 소정의 오프셋값 ΔT를 뺀다(식 2). 소정의 오프셋값 ΔT는, 외기온마다 미리 정해져서 기억부(920)에 저장되어 있다.
(식 2)
Tfc-ΔT(외기온)
다음으로, 단부 온도 추정부(914)는, 냉각 매체 온도 Tfc에 대하여 1차 지연 필터 flt를 적용한 값(식 1의 우항)과, 냉각 매체 온도 Tfc로부터 소정의 오프셋값 ΔT를 뺀 값(식 2)을 비교하여, 어느 작은 한쪽의 값을, 단부 온도 TEfc라 한다.
도 5에서는, 스텝 S10에서 취득된 냉각 매체 온도 Tfc와, 스텝 S12의 변형에 있어서 추정된 단부 온도 TEfc와의 시간 경과에 수반되는 추이를 나타내고 있다. 도시한 바와 같이, 일점쇄선의 원형으로 둘러싼 난기 종료 전에 있어서는, 1차 지연 필터가 적용된 결과로서, 단부 온도 TEfc는, 냉각 매체 온도 Tfc보다도 낮은 값으로 된다. 또한, 난기 종료 후에 있어서도, 1차 지연 필터와 외기온에 기초하는 오프셋값의 감산 중, 보정 후의 온도가 낮아지게 되는 한쪽(즉, 보정량이 커지게 되는 한쪽)이 적용된 결과로서, 단부 온도 TEfc는, 냉각 매체 온도 Tfc보다도 낮은 값으로 된다.
이상과 같이, 본 변형의 연료 전지 시스템(10)에 의하면, 제어부(912)는, 연료 전지 시스템(10)의 난기 중에는, 1차 지연 필터 flt에 의해 보정 후의 온도(단부 온도 TEfc)를 구한다. 이로 인해, 연료 전지 시스템(10)의 난기 중에는, 연료 전지(100)의 각 셀(110)에 있어서의 발열량의 향상과, 그에 수반되는 시동성의 향상을 우선시킬 수 있다. 또한, 제어부(912)는, 연료 전지 시스템(10)의 난기 종료 후에는 1차 지연 필터 flt와 외기온에 따라서 결정된 값(ΔT) 중, 보정량이 커지게 되는 한쪽, 즉, 보정 후의 온도가 보다 낮아지게 되는 한쪽에 의해 보정 후의 온도를 구한다. 이로 인해, 연료 전지 시스템(10)의 난기 종료 후에는 외기온을 고려하여 가능한 한 시동성의 향상을 도모하면서, 또한 셀(110)의 열화를 억제할 수 있다.
B. 제2 실시 형태:
본 발명의 제2 실시 형태에서는, 출력 제한량 결정 처리에 있어서의 처리 내용이 상이한 구성에 대하여 설명한다. 도면 중에 있어서 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성 및 처리를 갖는 부분은, 앞에서 설명한 제1 실시 형태와 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다. 즉, 이하에 설명하지 않는 구성 및 처리는, 전술한 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
B-1. 연료 전지 시스템의 구성:
도 6은, 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 제1 실시 형태와의 차이는, 연료 전지 시스템(10a)이 제어부(912) 대신에 제어부(912a)를 구비하는 점만이다. 제어부(912a)는, 실행하는 출력 제한량 결정 처리에 있어서의 처리 내용이, 제1 실시 형태와는 상이하다.
B-2. 출력 제한량 결정 처리:
도 7은, 제2 실시 형태에 있어서의 출력 제한량 결정 처리의 수순을 나타내는 흐름도이다. 도 3에 도시한 제1 실시 형태와의 차이는, 스텝 S20 대신에 스텝 S26을 구비하는 점과, 또한 스텝 S21 내지 S30을 구비하는 점이다.
출력 제한량 결정 처리의 개시 후, 스텝 S21에 있어서 제어부(912a)는, 처리 내부에서 사용하는 변수 i에 0을 세트함으로써 변수 i를 초기화한다. 스텝 S10 내지 S14는, 도 3에서 설명한 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
스텝 S22에 있어서 제어부(912a)는, 전체 셀의 최소 전압이, 제2 임계값 이하인지 여부를 판정한다. 구체적으로는, 제어부(912a)는 이하의 수순 c1 내지 c3을 실행한다.
(c1) 제어부(912a)는, 스텝 S14에서 취득된 각 셀(110)의 셀 전압 중에서 최소의 셀 전압을 추출하여 「전체 셀의 최소 전압」이라 한다. 여기에서는, 단부 주변의 셀(110)에 있어서의 셀 전압이 추출되어도 되고, 중앙부 주변의 셀(110)에 있어서의 셀 전압이 추출되어도 된다.
(c2) 제어부(912a)는, 제2 임계값을 구한다. 구체적으로는, 제어부(912a)는, 출력 제한량 맵(922)을 참조하여, 스텝 S10에서 취득된 냉각 매체 온도 Tfc에 대응한 제한 개시 전압을 구하고, 제2 임계값이라 한다. 이와 같이, 제2 임계값은, 냉각 매체 온도 Tfc에 따라서 결정되는 값이다.
(c3) 제어부(912a)는, 수순 c1에서 구한 전체 셀의 최소 전압이, 수순 c2에서 구한 제2 임계값(냉각 매체 온도에 대응한 제한 개시 전압) 이하인지 여부를 판정한다.
전체 셀의 최소 전압이 제2 임계값보다 큰 경우(스텝 S22: 아니오), 제어부(912a)는 처리를 스텝 S16으로 천이시킨다. 한편, 전체 셀의 최소 전압이 제2 임계값 이하인 경우(스텝 S22: 예), 스텝 S24에 있어서 제어부(912a)는 전체 셀의 최소 전압(수순 c1)과, 제2 임계값으로서 구해진 제한 개시 전압(수순 c2)과의 괴리량을 RAM(940)이나 기억부(920)에 기억시킨다. 그 후, 제어부(912a)는 변수 i에 1을 세트하고, 처리를 스텝 S16으로 천이시킨다.
스텝 S16에 있어서 제어부(912a)는, 단부 셀의 최소 전압이, 제1 임계값으로서 구해진 제한 개시 전압 이하인지 여부를 판정한다. 상세는, 도 3의 스텝 S16과 마찬가지이다.
단부 셀의 최소 전압이 제1 임계값보다 큰 경우(스텝 S16: 아니오), 제어부(912a)는, 처리를 스텝 S28로 천이시킨다. 한편, 단부 셀의 최소 전압이 제1 임계값 이하인 경우(스텝 S16: 예), 스텝 S26에 있어서 제어부(912a)는, 단부 셀의 최소 전압(수순 a2)과, 제1 임계값으로서 구해진 제한 개시 전압(수순 a3)과의 괴리량을 RAM(940)이나 기억부(920)에 기억시킨다. 그 후, 제어부(912a)는, 변수 i에 1을 세트하고, 처리를 스텝 S28로 천이시킨다.
스텝 S28에 있어서 제어부(912a)는, 변수 i가 0인지 여부를 판정한다.
변수 i가 0인 경우(스텝 S28: 예), 스텝 S18에 있어서 제어부(912a)는, 연료 전지(100)에 대한 출력 제한을 실시하지 않았다(즉, 출력 제한량=0)고 판정하고, 처리를 종료한다.
변수 i가 0이 아닌 경우(스텝 S28: 아니오), 스텝 S30에 있어서 제어부(912a)는 스텝 S24에서 기억된 괴리량과, 스텝 S26에서 기억된 괴리량 중, 어느 큰 한쪽의 값을 취득한다. RAM(940) 등에 1개밖에 괴리량이 기억되지 않는 경우, 제어부(912a)는 기억된 괴리량을 취득한다. 제어부(912a)는, 취득한 괴리량에 따라, 연료 전지(100)에 대한 출력 제한량을 구한다. 출력 제한량을 구한 후, 제어부(912a)는 처리를 종료하고, 시스템 컨트롤러(900)가 연료 전지(100)에 대하여 요구하는 전류에 대하여 얻어진 출력 제한량에 기초하는 전류 제한을 마련한다.
또한, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 스텝 S16에 있어서 제어부(912a)는, 단부 셀의 셀 전압의 통계값과 제1 임계값을 비교해도 되고, 단부 셀의 각 셀 전압과 제1 임계값을 각각 비교해도 된다. 마찬가지로, 스텝 S22에 있어서 제어부(912a)는, 전체 셀의 셀 전압의 통계값과 제2 임계값을 비교해도 되고, 전체 셀에 대하여, 각 셀 전압과 제2 임계값을 각각 비교해도 된다.
B-3. 단부 온도의 추정 방법의 변형:
제2 실시 형태의 출력 제한량 결정 처리에 있어서, 단부 온도의 추정(스텝 S12)은, 도 5에서 설명한 수순 b1 내지 b4에 의해 실시되어도 된다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10a)에 의하면, 제어부(912a)는 보정 후의 온도(단부 온도 TEfc), 즉, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)의 온도에 따른 출력 제한량과, 냉각 매체의 온도(냉각 매체 온도 Tfc), 즉, 연료 전지(100)의 온도에 따른 출력 제한량 중, 출력 제한량이 커지게 되는 한쪽을 선택하여(도 7, 스텝 S30) 연료 전지(100)의 출력 제한을 한다. 이 결과, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10a)에 의하면, 냉각 매체의 온도를 이용하여 간편하게 연료 전지(100)의 출력 제한을 하면서, 또한 연료 전지(100)의 시동성을 향상시킨 연료 전지 시스템(10a)에 있어서, 셀(110)의 열화 억제 효과를 더 크게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10a)에 의하면, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀 전압의 저하를 검출하기 위한 제1 임계값을, 보정 후의 온도(단부 온도 TEfc), 즉, 연료 전지(100)의 단부 주변의 셀(110)의 온도에 따라서 결정할 수 있다. 또한, 연료 전지(100)의 모든 셀 전압의 저하를 검출하기 위한 제2 임계값을, 냉각 매체의 온도(냉각 매체 온도 Tfc), 즉, 연료 전지(100)의 온도에 따라서 결정할 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10a)에 의하면, 셀 전압의 저하를 검출하기 위한 임계값을 정밀하게 결정할 수 있다.
C. 변형예:
또한, 본 발명은 상기의 실시 형태나 실시예로 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 형태로 실시할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시 형태에 있어서, 소프트웨어에 의해 실현된 기능 및 처리의 일부 또는 전부는, 하드웨어에 의해 실현되어도 된다. 또한, 하드웨어에 의해 실현된 기능 및 처리의 일부 또는 전부는, 소프트웨어에 의해 실현되어도 된다. 하드웨어로서는, 예를 들어 집적 회로, 디스크리트 회로, 또는 그들 회로를 조합한 회로 모듈 등, 각종 회로(circuitry)를 사용할 수 있다. 또한, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.
·변형예 1:
상기 실시 형태에서는, 연료 전지 시스템의 구성의 일례를 나타내었다. 그러나, 연료 전지 시스템의 구성은 다양한 변경이 가능하며, 예를 들어 구성 요소의 추가, 삭제, 치환 등을 실시할 수 있다.
예를 들어, 연료 전지로서는, 고체 고분자형 연료 전지에 한하지 않고, 다른 다양한 타입의 연료 전지를 채용할 수 있다.
·변형예 2:
상기 실시 형태에서는, 출력 제한량 결정 처리의 일례에 대하여 설명하였다. 그러나, 도 3 및 도 7에 도시한 처리의 수순은 어디까지나 일례이며, 다양한 변형이 가능한, 예를 들어 일부의 스텝을 생략해도 되고, 또 다른 스텝을 추가해도 된다. 또한, 실행되는 스텝의 순서를 변경해도 된다.
예를 들어, 단부 온도를 추정하기 위해서 채용된 수단(1차 지연 필터, 외기온에 기초하는 오프셋값)은, 어디까지나 일례에 지나지 않으며, 다양한 변경이 가능하다. 예를 들어, 단부 온도 추정부는, 일정한 오프셋값을 이용하여 단부 온도를 추정해도 되고, 연료 전지 시스템이 시동되고 나서의 경과 시간에 따른 오프셋값을 이용해서 단부 온도를 추정해도 된다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 연료 전지의 한쪽의 단부 주변에 있어서의 셀 전압 및 단부 온도와, 다른 쪽의 단부 주변에 있어서의 셀 전압 및 단부 온도를 구별하지 않고 처리를 행하였다. 그러나, 단부 온도 추정부는, 연료 전지의 한쪽 단부와 다른 쪽 단부를 구별하여, 각각에 대한 단부 온도를 추정해도 된다. 또한, 제어부는, 연료 전지의 한쪽 단부와 다른 쪽 단부를 구별하여, 셀 전압을 취득하고, 도 3 또는 도 7의 제어를 실시해도 된다.
·변형예 3:
본 발명은 전술한 실시 형태나 실시예, 변형예로 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 실시예, 변형예 중의 기술적 특징은, 전술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 혹은, 전술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히 교체나 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되지 않으면, 적절히 삭제하는 것이 가능하다.
10, 10a: 연료 전지 시스템
100: 연료 전지
110: 셀
111: 터미널 플레이트
200: 연료 가스 공급계
210: 수소 탱크
220: 유량 조정부
230: 가습 조정부
240: 순환 컴프레서
250: 기액 분리부
260: 전환 밸브
271a 내지 d: 연료 가스 배출 유로
271e, f: 순환 유로
300: 산화 가스 공급계
310: 흡기구
320: 컴프레서
330: 가습 조정부
340: 밀봉 밸브
351a 내지 c: 산화 가스 공급 유로
351d, e: 산화 가스 배출 유로
390: 배기구
400: 연료 전지 냉각계
410: 라디에이터
420: 냉매 온도 센서
430: 냉매 순환 펌프
441a: 냉매 공급 유로
441b: 냉매 배출 유로
450: 로터리 밸브
500: 부하 장치
550: 인버터
560: 전류 센서
600: 전원 전환 스위치
700: 배터리
750: DC-DC 컨버터
800: 셀 모니터
900: 시스템 컨트롤러
910: CPU
912, 912a: 제어부
914: 단부 온도 추정부
920: 기억부
922: 출력 제한량 맵
930: ROM
940: RAM
950: 외기온 센서

Claims (12)

  1. 복수의 셀이 적층된 연료 전지와,
    상기 셀의 전압인 셀 전압을 측정하는 셀 모니터와,
    상기 연료 전지의 냉각에 사용되는 냉각 매체의 온도를 측정하는 온도 측정부와,
    상기 셀 전압의 저하에 기초하여 상기 연료 전지의 출력 제한을 하는 제어부이며, 상기 출력 제한에 있어서의 출력 제한량을 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따른 양으로 하는 제어부
    를 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지의 단부 주변의 상기 셀로부터 취득된 상기 셀 전압이 제1 임계값 이하로 된 경우에는, 상기 출력 제한에 사용하는 출력 제한량을, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따른 상기 출력 제한량보다도 작게 하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료 전지의 단부 주변의 상기 셀로부터 취득된 상기 셀 전압이 상기 제1 임계값 이하로 된 경우에 있어서의 상기 출력 제한량을, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도보다도 낮은 온도로 보정된 보정 후의 온도에 따라서 결정하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 1차 지연 요소에 의해 상기 보정을 행하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지 시스템의 난기 중에는, 1차 지연 요소에 의해 상기 보정을 행하고,
    상기 연료 전지 시스템의 난기 종료 후에는 1차 지연 요소와, 외기온에 따라서 결정된 값 중, 상기 보정량이 커지게 되는 한쪽에 의해 상기 보정을 행하는, 연료 전지 시스템.
  5. 복수의 셀이 적층된 연료 전지와,
    상기 셀의 전압인 셀 전압을 측정하는 셀 모니터와,
    상기 연료 전지의 냉각에 사용되는 냉각 매체의 온도를 측정하는 온도 측정부와,
    상기 셀 전압의 저하에 기초하여 상기 연료 전지의 출력 제한을 하는 제어부이며, 상기 출력 제한에 있어서의 출력 제한량을 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따른 양으로 하는 제어부
    를 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지의 단부 주변의 상기 셀로부터 취득된 상기 셀 전압이 제1 임계값 이하로 되고, 또한 상기 연료 전지의 모든 상기 셀로부터 취득된 상기 셀 전압이 제2 임계값 이하로 된 경우에는,
    상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도보다도 낮은 온도로 보정된 보정 후의 온도에 따른 출력 제한량과, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따른 상기 출력 제한량 중, 상기 출력 제한량이 커지게 되는 한쪽을 선택하여 상기 출력 제한을 하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 임계값은, 상기 보정 후의 온도에 따라서 결정되는 값이며,
    상기 제2 임계값은, 상기 온도 측정부에 의해 측정된 상기 냉각 매체의 온도에 따라서 결정되는 값인, 연료 전지 시스템.
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