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KR102025503B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 Download PDF

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KR102025503B1
KR102025503B1 KR1020187028824A KR20187028824A KR102025503B1 KR 102025503 B1 KR102025503 B1 KR 102025503B1 KR 1020187028824 A KR1020187028824 A KR 1020187028824A KR 20187028824 A KR20187028824 A KR 20187028824A KR 102025503 B1 KR102025503 B1 KR 102025503B1
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KR
South Korea
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compressor
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turbine
power
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하야토 치쿠고
요오스케 도미타
Original Assignee
닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

애노드 가스 및 캐소드 가스의 공급을 받아서 발전하는 연료 전지와, 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 컴프레서와, 연료 전지로부터 배출되는 캐소드 배기 가스의 공급을 받아서 동력을 생성하는 터빈과, 컴프레서 및 터빈에 연결되어 역행과 회생을 행하는 전동 모터와, 연료 전지와 상기 터빈 사이에 설치되어 캐소드 가스와 애노드 가스를 혼합하여 연소시키는 연소기와, 컴프레서로부터 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스를 냉각시키는 냉각기와, 냉각기의 상류로부터 냉각기와 연료 전지를 바이패스하여 연소기에 캐소드 가스를 공급하는 바이패스 통로와, 바이패스 통로에 설치된 바이패스 밸브를 구비한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법
본 발명은 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
JP2004-119239A에는, 연료 전지의 일종인 고체 전해질 연료 전지(SOFC)와 가스 터빈을 조합한 발전 설비이며, SOFC에 공기를 공급하는 압축기와 압축기에 연결된 터빈을 구비하는 동력 회수 기구와, 연료 전지로부터의 공기 배출 및 배기 가스를 연소하여 연소 가스를 터빈에 배출하는 연소기를 구비하는 가스 터빈 발전 설비가 개시되어 있다.
상기 가스 터빈 발전 설비는 비교적 고온에서 동작하는 SOFC를 상정한 시스템이다. 이러한 특허문헌 1의 시스템에서는, 고체 고분자형 연료 전지(PEM) 등의 비교적 저온에서 동작하는 연료 전지와는, 가스 온도 등의 다양한 조건이 크게 상이하다. 따라서, 상기 가스 터빈 발전 설비에 있어서의 동력 회수 기구를, 이렇게 비교적 저온에서 동작하는 연료 전지에 관한 시스템에 적용할 수는 없다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 저온 동작형 연료 전지에도 적합하게 적용할 수 있는 동력 회수 기구를 구비한 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 어느 양태에 의하면, 애노드 가스 및 캐소드 가스의 공급을 받아서 발전하는 연료 전지와, 연료 전지에 캐소드 가스를 공급하는 컴프레서와, 연료 전지로부터 배출되는 캐소드 배기 가스의 공급을 받아서 동력을 생성하는 터빈과, 컴프레서 및 터빈에 연결되어 역행(力行)과 회생을 행하는 전동 모터를 구비하는 연료 전지 시스템이 제공된다. 또한, 이 연료 전지 시스템은, 연료 전지와 터빈 사이에 설치되어 캐소드 가스와 애노드 가스를 혼합하여 연소시키는 연소기와, 컴프레서로부터 연료 전지에 공급되는 캐소드 가스를 냉각시키는 냉각기와, 냉각기의 상류로부터 냉각기와 연료 전지를 바이패스하여 연소기에 캐소드 가스를 공급하는 바이패스 통로와, 바이패스 통로에 설치된 바이패스 밸브를 구비한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템의 개략 구성도이다.
도 2a는, 노즐 베인이 개방되어 있는 상태를 설명하는 도면이다.
도 2b는, 노즐 베인이 폐색되어 있는 상태를 설명하는 도면이다.
도 3은, 제1 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템을 제어하는 컨트롤러의 기능 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 4는, 연료 전지에 공급해야 할 공기 압력의 목표값을 산출하는 기능 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 5는, 연료 전지에 공급해야 할 공기 유량의 목표값 및 컴프레서로부터 토출해야 할 공기 유량의 목표값을 산출하는 기능 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 6은, 압력비 목표값에 따른 컴프레서 모터에의 요구 전력과 스택 요구 컴프레서 유량의 관계를 나타내는 맵이다.
도 7은, 터빈 입구 온도의 목표값을 산출하는 기능 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 8은, 터빈 입구 온도 목표값을 정하기 위한 맵을 나타내는 도면이다.
도 9는, 요구 출력에 따른 연료 전지 시스템의 상태의 변화를 나타내는 타임 차트이다.
도 10은, 터빈 입구 온도가 허용 상한 온도를 취한 경우에 있어서의 유량과 터빈에 의한 회수 동력의 관계를 압력에 따라서 도시한 도면이다.
도 11은, 제1 실시 형태에 의한 바이패스 밸브의 개폐에 대하여 설명하는 흐름도이다.
도 12는, 제2 실시 형태에 있어서의, 연료 전지에 공급해야 할 공기 유량의 목표값 및 컴프레서로부터 토출해야 할 공기 유량의 목표값을 산출하는 기능 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 13은, 컴프레서 토출 온도에 따른 컴프레서 요구 발전 전력과 스택 요구 컴프레서 유량의 관계를 나타내는 맵이다.
이하, 도면 등을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
(제1 실시 형태)
본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지 스택(10)과, 캐소드 급배 기구(12)와, 애노드 공급 기구(14)와, 열공급 기구(15)와, 컴프레서(50) 및 터빈(52)을 갖는 동력 회수 기구로서의 컴프레서 동력 공급 기구(16)와, 스택 냉각 기구(17)와, 컨트롤러(20)를 갖고 있다.
연료 전지 스택(10)은 복수의 연료 전지를 적층한 적층 전지이다. 연료 전지 스택(10)은 애노드 공급 기구(14)로부터의 애노드 가스(수소)의 공급 및 캐소드 급배 기구(12)로부터의 캐소드 가스(공기)의 공급을 받아, 차량의 주행에 필요한 전력을 발전한다. 이 발전 전력은, 연료 전지 시스템(100)을 작동할 때에 사용되는 컴프레서(50) 등의 각종 보조 기계류나, 도시하지 않은 차륜 구동용 모터에서 사용된다. 연료 전지 스택(10)의 정극 단자 및 부극 단자에는, 연료 전지 스택(10)에 형성된 전해질막의 습윤 상태에 상관하는 임피던스를 계측하는 임피던스 계측 장치(11)가 접속되어 있다.
임피던스 계측 장치(11)는 연료 전지 스택(10)의 정극 단자에 교류 전류를 공급하고, 연료 전지 스택(10)의 정극 단자와 부극 단자에 발생하는 전압의 교류 성분을 검출한다. 그리고 임피던스 계측 장치(11)는, 공급한 교류 전류와 검출한 전압의 교류 성분에 기초하여, 연료 전지 스택(10)의 교류 저항, 즉, HFR(High frequency Resistance)을 연산한다. 임피던스 계측 장치(11)는 연산한 HFR을 HFR 계측값으로서 컨트롤러(20)에 입력한다. 또한, 임피던스 계측 장치(11)는 연료 전지 스택(10)의 출력 전압이나 출력 전류 등을 계측해도 된다.
캐소드 급배 기구(12)는 캐소드 가스 공급 통로(22)와 캐소드 배기 가스 통로(24)를 구비한다.
캐소드 가스 공급 통로(22)는, 연료 전지 스택(10)에 공급되는 공기가 흐르는 통로이다. 캐소드 가스 공급 통로(22)의 일단부는 가스 필터(23)에 접속되고, 타단부는 연료 전지 스택(10)에 접속된다.
그리고, 캐소드 가스 공급 통로(22)에는, 상류로부터 순서대로, 에어 플로우 센서(26)와, 컴프레서 토출 온도 센서(27)와, 애프터 쿨러(28)와, 스택 공급 공기 온도 센서(29)와, 공기 압력 센서(30)가 설치되어 있다.
에어 플로우 센서(26)는, 캐소드 가스 공급 통로(22)에 있어서 컴프레서 동력 공급 기구(16)의 컴프레서(50)의 흡기 입구에 설치되어 있다. 에어 플로우 센서(26)는 컴프레서(50)에 흡입되는 공기의 유량(이하에서는 「컴프레서 유량」이라고도 기재함)을 검출한다. 이하에서는, 이 에어 플로우 센서(26)의 검출값을 「컴프레서 유량 검출값」이라고도 기재한다. 에어 플로우 센서(26)에서 검출된 컴프레서 유량 검출값은, 컨트롤러(20)에 입력된다.
컴프레서 토출 온도 센서(27)는 컴프레서(50)로부터 토출되고, 애프터 쿨러(28)보다 상류의 공기 온도(이하에서는 「컴프레서 토출 온도」라고도 기재함)를 검출한다.
또한, 캐소드 가스 공급 통로(22)에 있어서, 에어 플로우 센서(26)와 컴프레서 토출 온도 센서(27) 사이에는, 바이패스 밸브(32)를 갖는 바이패스 통로(33)가 접속되어 있다. 이 바이패스 통로(33)는 캐소드 가스 공급 통로(22)와 캐소드 배기 가스 통로(24)를 연결하는 통로이다. 즉, 바이패스 통로(33)는, 애프터 쿨러(28)의 상류로부터 해당 애프터 쿨러(28)와 연료 전지 스택(10)을 바이패스하여 후술하는 촉매 연소기(36)에 캐소드 가스를 공급하는 통로이다.
애프터 쿨러(28)는 컴프레서(50)로부터 토출되어 연료 전지 스택(10)에 보내지는 공기를 냉각시킨다. 애프터 쿨러(28)는 수냉식 열교환기로서 구성되어 있고, 스택 냉각 기구(17)와 접속되어 있다. 즉, 애프터 쿨러(28)에 의해, 연료 전지 스택(10)의 냉각에 사용하는 냉각수와 연료 전지 스택(10)에 공급해야 할 공기 사이에서 열교환이 행해진다.
스택 공급 공기 온도 센서(29)는, 애프터 쿨러(28)에서 냉각되어 연료 전지 스택(10)에 공급되는 캐소드 가스의 온도(이하에서는 「스택 공급 공기 온도」라고도 기재함)를 검출한다.
공기 압력 센서(30)는 캐소드 가스 공급 통로(22) 내의 압력, 즉, 연료 전지 스택(10)에 공급되는 공기의 압력(이하에서는 「공기 압력」이라고도 기재함)을 검출한다. 공기 압력 센서(30)에서 검출된 공기 압력 검출값은, 컨트롤러(20)에 입력된다.
바이패스 밸브(32)는 연료 전지 스택(10)을 바이패스하여 캐소드 배기 가스 통로(24)에 공급하는 공기 유량을 조절하는 압력 조절 밸브이며, 컨트롤러(20)에 의해 개폐 제어된다. 즉, 바이패스 밸브(32)는, 컴프레서(50)로부터 공급된 공기 중, 바이패스 통로(33)를 통해 연료 전지 스택(10)을 바이패스하여 캐소드 배기 가스 통로(24)에 공급하는 공기 유량을 조절하는 밸브이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 바이패스 통로(33)는, 이미 설명한 바와 같이 캐소드 배기 가스 통로(24)에 있어서의 촉매 연소기(36)의 상류에 연통되어 있다. 따라서, 이 바이패스 통로(33)에 의해, 캐소드 가스 공급 통로(22) 내의 공기를 캐소드 배기 가스 통로(24)에 공급하고, 촉매 연소기(36)에 공급하는 캐소드 배기 가스의 산소 농도를 향상시킬 수 있다.
또한, 캐소드 배기 가스 통로(24)는, 일단부가 연료 전지 스택(10)의 캐소드 출구에 접속됨과 함께, 타단부가 터빈(52)에 연결되어 있다. 또한 캐소드 배기 가스 통로(24)에는, 열공급 기구(15)가 설치되어 있다.
열공급 기구(15)는 상술한 촉매 연소기(36)와 터빈 입구 온도 센서(38)를 갖고 있다. 이 촉매 연소기(36)와 터빈 입구 온도 센서(38)는, 연료 전지 스택(10)으로부터 터빈(52)을 향해서 이 순서로 캐소드 배기 가스 통로(24)에 설치되어 있다.
촉매 연소기(36)는, 애노드 가스와 캐소드 가스를 도시하지 않은 믹서에서 혼합하여 이루어지는 혼합 가스를, 백금 등에 의한 촉매 작용으로 촉매 연소시킨다. 이 촉매 연소기(36)에는, 애노드 공급 기구(14)로부터 연소용 애노드 가스 공급 통로(64)를 통해 애노드 가스가 공급되는 한편, 캐소드 배기 가스 통로(24)를 통해 연료 전지 스택(10)으로부터 캐소드 배기 가스 및 바이패스 통로(33)로부터 공기가 공급된다. 따라서, 촉매 연소기(36)에 공급되는 캐소드 가스에는, 바이패스 통로(33)를 통해 공급되는 공기와, 연료 전지 스택(10)으로부터 배출된 캐소드 배기 가스가 포함되게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연소기로서 촉매 연소기(36)를 사용함으로써 확산 연소 방식의 연소기나 희박 예혼합 연소 방식의 연소기를 사용하는 경우와 비교하여, 질소 화합물(Nox)의 발생이 억제된다. 그러나, 확산 연소 방식의 연소기나 희박 예혼합 연소 방식의 연소기 등의 촉매 연소기 이외의 연소기를 사용해도 된다.
터빈 입구 온도 센서(38)는, 촉매 연소기(36)에 의한 연소 후에 남은 연소 후 가스의 온도, 즉, 컴프레서 동력 공급 기구(16)의 터빈(52)에 공급되는 연소 후 가스의 온도(이하에서는, 「터빈 입구 온도」라고도 기재함)를 검출한다. 또한, 터빈 입구 온도 센서(38)에서 검출된 터빈 입구 온도의 검출값은, 컨트롤러(20)에 입력된다.
이어서, 애노드 공급 기구(14)에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에 있어서의 애노드 공급 기구(14)는 고압 탱크(60)와, 스택용 애노드 가스 공급 통로(62)와, 연소용 애노드 가스 공급 통로(64)를 구비한다.
고압 탱크(60)는, 연료 전지 스택(10)에 공급하는 애노드 가스인 수소를 고압 상태로 유지하여 저장하는 가스 저장 용기이다.
스택용 애노드 가스 공급 통로(62)는, 고압 탱크(60)로부터 배출되는 수소를 연료 전지 스택(10)에 공급하는 통로이다. 스택용 애노드 가스 공급 통로(62)의 일단부는 고압 탱크(60)에 접속되고, 타단부는 연료 전지 스택(10)에 접속된다.
또한, 스택용 애노드 가스 공급 통로(62)에는, 애노드 가스 공급 밸브(66)와 수소 압력 검출 센서(67)가 설치되어 있다. 애노드 가스 공급 밸브(66)는 연료 전지 스택(10)으로의 수소의 공급량을 임의로 조절하는 압력 조절 밸브이다.
수소 압력 검출 센서(67)는 연료 전지 스택(10)에 공급되는 수소의 압력(이하에서는, 「수소 압력」이라고도 기재함)을 검출한다. 또한, 수소 압력 검출 센서(67)에서 검출된 수소 압력 검출값은, 컨트롤러(20)에 입력된다.
한편, 연소용 애노드 가스 공급 통로(64)는, 고압 탱크(60)로부터 배출되는 수소의 일부를, 촉매 연소기(36)에 공급하는 통로이다. 그리고, 연소용 애노드 가스 공급 통로(64)는, 그 일단부가 스택용 애노드 가스 공급 통로(62)에 연통되어 분기되어 있으며, 타단부가 촉매 연소기(36)에 연결되어 있다.
또한, 연소용 애노드 가스 공급 통로(64)에는, 촉매 연소기(36)로의 수소 공급량을 임의로 조절하는 연소기 수소 공급 밸브(68)가 설치되어 있다. 연소기 수소 공급 밸브(68)는 그 개방도가 연속적 또는 단계적으로 조절됨으로써 촉매 연소기(36)로의 수소 공급량을 적절히 조절하는 압력 조절 밸브이다.
또한, 본 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어서, 연료 전지 스택(10)으로부터의 애노드 배기 가스는, 예를 들어 순환형 또는 비순환형의 도시하지 않은 애노드 배기 기구에 의해 처리할 수 있다.
이어서, 컴프레서 동력 공급 기구(16)에 대하여 설명한다. 컴프레서 동력 공급 기구(16)는 컴프레서(50)와, 터빈(52)과, 전동 모터로서의 컴프레서 구동 모터(54)를 구비한다.
컴프레서(50)는 컴프레서 구동 모터(54) 및 터빈(52)과 회전 구동축(57)을 통해 접속되어 있다. 컴프레서(50)는 회전 구동되어 외기를 흡입하고, 캐소드 가스 공급 통로(22)를 통해 연료 전지 스택(10)에 캐소드 가스를 공급하도록 구성되어 있다. 또한, 컴프레서(50)는 컴프레서 구동 모터(54) 및 터빈(52)의 한쪽 또는 양쪽의 동력 중 어느 것에 의해 구동할 수 있다.
터빈(52)은 촉매 연소기(36)로부터 공급되는 연소 후 가스에 의해 회전 구동된다. 그리고, 터빈(52)은 이 회전 구동력을, 회전 구동축(57) 및 컴프레서 구동 모터(54)를 통해 컴프레서(50)로 동력을 출력한다. 즉, 터빈(52)으로부터의 회수 동력으로 컴프레서(50)를 구동할 수 있다. 또한, 터빈(52)의 구동에 사용된 후의 연소 후 가스는, 터빈 배기 통로(53)를 통해 배출된다.
컴프레서(50)의 동력 요구가 비교적 크고, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 증가시킬 필요가 있는 경우 등에는, 터빈(52)에 유입되는 연소 후 가스의 공급 유량(이하에서는, 「터빈 가스 유입 유량」이라고도 기재함), 온도(이하에서는, 「터빈 입구 온도」), 및 압력을 증가시켜 컴프레서(50)에 적합하게 동력을 공급할 수 있다.
또한, 터빈(52)에 의한 회수 동력을, 컴프레서(50)의 회전 구동력뿐만 아니라, 연료 전지 시스템(100) 내의 다른 임의의 동력 요구 기구에 있어서 사용해도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 터빈(52)에는, 당해 터빈(52)에 공급되는 연소 후 가스의 압력을 조절하는 노즐 베인(58)이 설치되어 있다.
도 2a 및 도 2b는, 터빈(52)에 설치된 노즐 베인(58)의 개략 구조를 나타내는 도면이다. 특히, 도 2a는, 노즐 베인(58)이 개방되어 있는 상태를 나타내고, 도 2b는, 노즐 베인(58)이 폐색되어 있는 상태를 나타내고 있다. 또한, 도 2a 및 도 2b에 있어서는, 유입되는 연소 후 가스의 흐름 방향을 화살표 A로 모식적으로 도시한다.
도 2a에 나타내는 바와 같이, 노즐 베인(58)이 개방되어 있는 상태에서는, 노즐 베인(58)으로부터 터빈 휠(52a)의 입구 유로의 단면적이 증가한다. 따라서, 이 상태에서는, 캐소드 배기 가스 통로(24)로부터 터빈(52)에 유입되는 연소 후 가스의 압력 손실이 상대적으로 작아진다.
한편, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 노즐 베인(58)이 폐색되어 있는 상태에서는, 터빈 휠(52a) 입구 유로의 단면적이 상대적으로 감소되고, 압력 손실이 커진다.
도 1로 돌아가서, 컴프레서 구동 모터(54)는 회전 구동축(57)의 일방측에서 컴프레서(50)에 접속됨과 함께, 회전 구동축(57)의 타방측에서 터빈(52)에 접속된다. 컴프레서 구동 모터(54)는, 도시하지 않은 배터리, 연료 전지 스택(10) 및 터빈(52) 등으로부터 전력의 공급을 받아서 회전 구동하는 전동기로서의 기능(역행 모드), 및 외력에 의해 회전 구동됨으로써 발전하여, 배터리나 연료 전지 스택(10)에 전력을 공급하는 발전기로서의 기능(회생 모드)을 갖는다. 컴프레서 구동 모터(54)는 도시하지 않은 모터 케이스와, 모터 케이스의 내주면에 고정되는 스테이터와, 스테이터의 내측에 회전 가능하게 배치되는 로터와, 로터에 설치된 회전 구동축(57)을 구비한다.
또한, 컴프레서 구동 모터(54)에는, 토크 센서(55) 및 회전 속도 센서(56)가 설치되어 있다. 토크 센서(55)는 컴프레서 구동 모터(54)의 토크를 검출한다. 그리고, 토크 센서(55)에서 검출된 컴프레서 구동 모터(54)의 토크 검출값은, 컨트롤러(20)에 입력된다.
또한, 회전 속도 센서(56)는 컴프레서 구동 모터(54)의 회전 속도를 검출한다. 회전 속도 센서(56)에서 검출된 컴프레서 회전 속도 검출값은, 컨트롤러(20)에 입력된다.
이어서, 스택 냉각 기구(17)에 대하여 설명한다. 스택 냉각 기구(17)는 냉각수 순환 유로(76)와, 냉각수 순환 유로(76)를 흐르는 냉각수를 외기 등과 열교환하여, 당해 냉각수를 냉각시키는 라디에이터(77)를 갖고 있다.
냉각수 순환 유로(76)는 도시하지 않은 연료 전지 스택(10)의 냉각수 통로를 포함하는 환상 순환로로서 구성되어 있다. 이 냉각수 순환 유로(76)에는, 냉각수 순환 펌프(78)가 설치되어 있고, 이에 의해 냉각수의 순환이 가능하게 되어 있다.
그리고, 냉각수 순환 유로(76)를 순환하는 냉각수는, 연료 전지 스택(10)의 냉각수 입구(10a)로부터 스택 내로 공급됨과 함께, 연료 전지 스택(10)의 냉각수 출구(10b)로부터 배출되는 방향으로 흐른다.
또한, 냉각수 순환 유로(76)에는, 라디에이터(77)보다도 상류의 위치에 있어서 라디에이터 바이패스 삼방 밸브(80)가 설치되어 있다. 라디에이터 바이패스 삼방 밸브(80)는 라디에이터(77)에 공급되는 냉각수의 양을 조절한다. 예를 들어, 냉각수의 온도가 비교적 높은 경우에는, 라디에이터 바이패스 삼방 밸브(80)를 개방 상태로 하여, 냉각수를 라디에이터(77)로 순환시킨다. 한편, 냉각수의 온도가 비교적 높은 경우에는, 라디에이터 바이패스 삼방 밸브(80)를 폐색 상태로 하여, 라디에이터(77)를 바이패스하도록 냉각수를 바이패스로(80a)로 흐르게 한다.
또한, 냉각수 순환 유로(76)에는, 연료 전지 스택(10)의 냉각수 입구(10a)의 근방에 입구 수온 센서(81)가 설치되고, 연료 전지 스택(10)의 냉각수 출구(10b)의 근방에 출구 수온 센서(82)가 설치되어 있다.
입구 수온 센서(81)는 연료 전지 스택(10)에 유입되는 냉각수의 온도를 검출한다. 출구 수온 센서(82)는 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 냉각수의 온도를 검출한다. 입구 수온 센서(81)에서 검출된 스택 입구 수온 검출값과 출구 수온 센서(82)에서 검출된 스택 출구 수온 검출값은, 컨트롤러(20)에 입력된다.
또한, 상술한 바와 같이, 냉각수 순환 유로(76)에는, 애프터 쿨러(28)가 접속되어 있다. 이에 의해, 이미 설명한 것 같이, 냉각수 순환 유로(76) 내의 냉각수와 캐소드 가스 공급 통로(22) 내에 있어서의 연료 전지 스택(10)에 공급되는 공기 사이에서 열교환을 행하는 것이 가능하다. 따라서, 예를 들어 연료 전지 스택(10)의 난기 시 등의 열량이 요구되는 경우에 있어서, 컴프레서(50)로부터 토출된 고온의 공기열에 의해 냉각수 순환 유로(76) 내의 냉각수를 가열할 수 있어, 열량 요구를 충족시킬 수 있다. 한편, 애프터 쿨러(28)는 컴프레서(50)로부터 토출된 고온의 공기를 냉각시키므로, 공기가 연료 전지 스택(10)의 작동에 적합한 온도가 되어 당해 연료 전지 스택(10)에 공급되게 된다. 애프터 쿨러(28)에서 교환된 열은 냉각수를 통해 라디에이터(77)로 운반되고, 시스템 외부로 방열된다.
또한, 상술한 바와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)은 당해 시스템을 통괄적으로 제어하는 컨트롤러(20)를 갖고 있다.
컨트롤러(20)는 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로컴퓨터로 구성된다.
컨트롤러(20)에는, 연료 전지 시스템(100)의 각종 센서로부터의 신호 외에도, 대기의 압력을 검출하는 대기압 센서(111) 등의 연료 전지 시스템(100)의 작동 상태를 검출하는 각종 센서로부터의 신호가 입력된다.
또한, 컨트롤러(20)에는, 부하 장치(110)에 의한 부하에 따라서 연료 전지 시스템(100)에 요구되는 출력 전력(이하에서는, 간단히 「요구 출력」이라고도 기재함)에 관한 출력 요구 신호가 입력된다. 부하 장치(110)는, 예를 들어 차륜 구동용 모터나 이차 전지 등에 의해 구성된다. 본 실시 형태에서는, 예를 들어 도시되지 않은 액셀러레이터 페달 센서에서 검출되는 액셀러레이터 페달의 답입량을 나타내는 검출 신호가 커질수록, 부하 장치(110)의 요구 전력은 커지기 때문에, 컨트롤러(20)에 입력되는 출력 요구 신호의 신호 레벨은 높아진다.
컨트롤러(20)는 이들 입력 신호 등을 사용하여, 컴프레서 구동 모터(54), 노즐 베인(58), 냉각수 순환 펌프(78) 및 바이패스 밸브(32)를 포함하는 각종 밸브(32, 66, 68, 80) 등의 구동 제어를 행한다. 예를 들어, 컨트롤러(20)는 부하 장치(110)의 발전 요구 신호에 기초하여, 컴프레서 유량이나 공기 압력의 목표값이나, 연료 전지 스택(10)으로의 수소 공급 압력의 목표값을 산출하고, 그 산출 결과에 따라서, 컴프레서 구동 모터(54)의 토크(동력)나 노즐 베인(58)의 개방도, 애노드 가스 공급 밸브(66)의 개방도를 제어한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(20)는, 상기 요구 출력의 일부로서, 컴프레서 구동 모터(54)의 소비 전력에 관련되는 정보도 취득된다.
이어서, 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 각종 제어에 대해서, 도 3 내지 도 7에 나타내는 블록도를 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 도 3 내지 도 7에 나타내는 각 블록의 기능은, 컨트롤러(20)에 의해 실현된다.
도 3은, 본 실시 형태에 따른, 연소기 수소 공급 밸브(68)의 개방도, 노즐 베인(58)의 개방도, 컴프레서 구동 모터(54)의 토크 및 바이패스 밸브(32)의 개방도에 대한 피드백(F/B) 제어를 설명하는 제어 블록도이다.
도 3에 나타내는 제어 블록은, 막 습윤 F/B 제어 블록(B100)과, 공기 압력 목표값 연산 블록(B101)과, 공기 유량 목표값 연산 블록(B102)과, 터빈 입구 온도 목표값 연산 블록(B103)과, 연소기 수소량 F/B 제어 블록(B104)과, 공기계 F/B 제어 블록(B105)과, 바이패스 공기량 제어 블록(B106)을 갖는다.
막 습윤 F/B 제어 블록(B100)은, 연료 전지 스택(10)에 형성되는 전해질막의 습윤 상태를 적절하게 유지하도록, 당해 습윤 상태와 상관하는 HFR값을 제어한다.
본 실시 형태에서는, 막 습윤 F/B 제어 블록(B100)에는, HFR 목표값과 HFR 계측값이 입력된다. HFR 목표값은, 연료 전지 스택(10)의 발전 전력과 HFR 목표값의 관계를 정한 맵 등을 사용하여 미리 정해진다. HFR 계측값은, 연료 전지 스택(10)에 설치되는 임피던스 계측 장치(11)를 사용하여 계측된다.
막 습윤 F/B 제어 블록(B100)은, HFR 계측값이 HFR 목표값에 근접하도록, 연료 전지 시스템(100)의 작동 상태를 조절하는 관점에서, 요구되는 공기 압력(이하에서는, 「습윤 요구 공기 압력 Ph_r」이라고도 기재함) 및 요구되는 공기 유량(이하에서는, 「습윤 요구 공기 유량 Fh_r」이라고도 기재함)을 산출한다. 즉, 막 습윤 F/B 제어 블록(B100)은, HFR 목표값에 기초하여, 습윤 요구 공기 압력 Ph_r과 습윤 요구 공기 유량 Fh_r을 산출한다.
또한, 막 습윤 F/B 제어 블록(B100)은, 이 습윤 요구 공기 압력 Ph_r을 공기 압력 목표값 연산 블록(B101)으로 출력함과 함께, 습윤 요구 공기 유량 Fh_r을 공기 유량 목표값 연산 블록(B102)으로 출력한다.
공기 압력 목표값 연산 블록(B101)은, 전류 목표값 Is_t에 기초하여, 연료 전지 스택(10)에 공급해야 할 공기 압력의 목표값인 공기 압력 목표값 Pc_t를 연산한다. 또한, 전류 목표값 Is_t는, 시스템 요구 출력 및 터빈(52)에 의한 회수 동력에 기초하여 정해지는, 연료 전지 스택(10)으로부터 취출해야 할 전류의 목표값이다.
본 실시 형태에서는, 공기 압력 목표값 연산 블록(B101)에는, 전류 목표값 Is_t와, 스택 온도 검출값 Ts_d와, 막 습윤 F/B 제어 블록(B100)에서 산출된 습윤 요구 공기 압력 Ph_r이 입력된다. 스택 온도 검출값 Ts_d는, 예를 들어 입구 수온 센서(81) 및 출구 수온 센서(82)에서 검출된 각 검출값을 평균한 값이다. 또한, 각 검출값 중 어느 한쪽의 값이 사용되어도 된다. 공기 압력 목표값 연산 블록(B101)은, 상술한 전류 목표값 Is_t, 스택 온도 검출값 Ts_d 및 습윤 요구 공기 압력 Ph_r에 기초하여, 연료 전지 스택(10)에 공급해야 할 공기 압력의 목표값인 공기 압력 목표값 Pc_t를 산출하고, 이것을 공기 유량 목표값 연산 블록(B102) 및 터빈 입구 온도 목표값 연산 블록(B103)으로 출력한다.
도 4는, 공기 압력 목표값 연산 블록(B101)에 의해 실행되는 공기 압력 목표값 Pc_t의 산출 방법의 상세를 나타내는 블록도이다. 당해 도면에 나타내는 블록은, 발전 요구 공기 압력 산출 블록(B200)과 맥스 셀렉트 블록(B201)을 갖는다.
발전 요구 공기 압력 산출 블록(B200)에는, 전류 목표값 Is_t와 스택 온도 검출값 Ts_d가 입력된다. 그리고, 발전 요구 공기 압력 산출 블록(B200)은, 미리 기억된 맵에 기초하여, 전류 목표값 Is_t 및 스택 온도 검출값 Ts_d로부터, 연료 전지 스택(10)의 발전에 필요한 공기 압력인 발전 요구 공기 압력 Pg_r을 산출한다. 또한, 발전 요구 공기 압력 산출 블록(B200)은, 발전 요구 공기 압력 Pg_r을 맥스 셀렉트 블록(B201)으로 출력한다. 도면에 나타내는 발전 요구 공기 압력 산출 블록(B200)의 상기 맵으로부터 이해되는 바와 같이, 전류 목표값 Is_t가 커질수록 발전 요구 공기 압력 Pg_r은 커짐과 함께, 스택 온도 검출값 Ts_d가 높아질수록 발전 요구 공기 압력 Pg_r은 커진다.
맥스 셀렉트 블록(B201)에는, 발전 요구 공기 압력 산출 블록(B200)에서 산출된 발전 요구 공기 압력 Pg_r과, 막 습윤 F/B 제어 블록(B100)에서 산출된 습윤 요구 공기 압력 Ph_r이 입력된다. 그리고, 맥스 셀렉트 블록(B201)은, 발전 요구 공기 압력 Pg_r 및 습윤 요구 공기 압력 Ph_r 중 큰 쪽의 값을 공기 압력 목표값 Pc_t로 하여 공기 유량 목표값 연산 블록(B102) 및 터빈 입구 온도 목표값 연산 블록(B103)으로 출력한다.
따라서, 도 4에 나타내는 블록에서는, 연료 전지 스택(10)의 발전 상태를 제어하는 데 있어서 요구되는 공기 압력(발전 요구 공기 압력 Pg_r) 및 전해질막의 습윤 상태를 조작하는 데 있어서 요구되는 공기 압력(습윤 요구 공기 압력 Ph_r)을 고려하여, 최대의 값이 공기 압력 목표값 Pc_t로서 설정되게 된다.
도 3으로 돌아가서, 공기 유량 목표값 연산 블록(B102)은 컴프레서 유량 목표값 Fco_t 및 스택 유량 목표값 Fs_t를 연산한다. 스택 유량 목표값 Fs_t는, 연료 전지 스택(10)이 목표 전력을 발전했을 때, 연료 전지 스택(10)의 캐소드 전극 내에서 전극 반응에 필요한 스택 유량에 상당한다. 즉, 스택 유량 목표값 Fs_t는, 목표 전력을 발전하는 데 있어서, 출력 전류를 전류 목표값 Is_t로 하기 위해 필요한 스택 유량에 상당한다.
본 실시 형태에서는, 공기 유량 목표값 연산 블록(B102)에는, 공기 압력 목표값 연산 블록(B101)에 의해 산출된 공기 압력 목표값 Pc_t, 전류 목표값 Is_t, 스택 온도 검출값 Ts_d, 습윤 요구 공기 유량 Fh_r, 수소 압력 검출값 Pan_d 및 대기압 검출값 Pai_d가 입력된다. 공기 유량 목표값 연산 블록(B102)은, 이들 공기 압력 목표값 Pc_t, 전류 목표값 Is_t, 스택 온도 검출값 Ts_d, 습윤 요구 공기 유량 Fh_r, 수소 압력 검출값 Pan_d 및 대기압 검출값 Pai_d에 기초하여, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t 및 스택 유량 목표값 Fs_t를 산출한다.
도 5는, 공기 유량 목표값 연산 블록(B102)에 의해 실행되는 스택 유량 목표값 Fs_t 및 컴프레서 유량 목표값 Fco_t의 산출 방법의 상세를 나타내는 블록도이다. 당해 도면에 나타내는 블록은, 발전 요구 공기 유량 산출 블록(B300)과, 맥스 셀렉트 블록(B301)과, 압력비 목표값 연산 블록(B302)과, 스택 요구 컴프레서 유량 산출 블록(B303)과, 희석 요구 유량 산출 블록(B304)과 맥스 셀렉트 블록(B305)을 갖는다.
발전 요구 공기 유량 산출 블록(B300)에는, 전류 목표값 Is_t가 입력된다. 발전 요구 공기 유량 산출 블록(B300)은, 미리 기억된 맵에 기초하여, 전류 목표값 Is_t로부터, 연료 전지 스택(10)에 있어서 발전에 필요한 공기 유량인 발전 요구 공기 유량 Fg_r을 산출한다.
도면에 나타내는 바와 같이, 발전 요구 공기 유량 산출 블록(B300)의 상기 맵에서는, 전류 목표값 Is_t가 증대됨에 따라서, 발전 요구 스택 유량 Fs_gr도 증대된다. 또한, 발전 요구 공기 유량 산출 블록(B300)은 발전 요구 공기 유량 Fg_r을 맥스 셀렉트 블록(B301)으로 출력한다.
맥스 셀렉트 블록(B301)에는, 발전 요구 공기 유량 산출 블록(B300)에서 산출된 발전 요구 공기 유량 Fg_r과, 습윤 요구 공기 유량 Fh_r이 입력된다. 그리고, 맥스 셀렉트 블록(B301)은, 발전 요구 공기 유량 Fg_r 및 습윤 요구 공기 유량 Fh_r 중 큰 쪽의 값을 스택 유량 목표값 Fs_t로서 출력한다. 이에 의해, 스택 유량 목표값 Fs_t에는, 발전 요구에 기초하는 공기 유량 및 습윤 요구에 기초하는 공기 유량의 양쪽이 고려되게 된다.
압력비 목표값 연산 블록(B302)에는, 공기 압력 목표값 Pc_t와 대기압 검출값 Pai_d가 입력된다. 그리고, 압력비 목표값 연산 블록(B302)은, 공기 압력 목표값 Pc_t를 대기압 검출값 Pai_d로 나누어 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d를 구하고, 스택 요구 컴프레서 유량 산출 블록(B303)으로 출력한다.
스택 요구 컴프레서 유량 산출 블록(B303)에는, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco와, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d가 입력된다. 여기서, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco는, 요구 출력으로부터, 연료 전지 스택(10)의 출력 가능 전력(이하, 간단히 「출력 가능 전력」이라고도 기재함)을 감산한 값으로서 정의된다. 또한, 연료 전지 스택(10)의 출력 가능 전력은, 연료 전지 스택(10)의 사이즈나 연료 전지 스택(10)을 탑재한 차량의 주행 상태 등에 따라서 정해진다.
즉, 요구 출력이 출력 가능 전력을 상회하고 있는 경우에는, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 양(正)의 값이 된다. 이렇게 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 양의 값이 되는 것은, 요구 출력에 대한 연료 전지 스택(10)의 발전 전력이 부족한 것을 의미한다. 따라서, 본 실시 형태에서는 이 경우, 전력 부족분을 터빈(52)의 회수 동력에 기초하는 컴프레서 구동 모터(54)의 회생 전력으로 보상한다.
한편, 요구 출력이 출력 가능 전력을 하회하고 있는 경우에는, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 음(負)의 값이 된다. 이것은, 요구 출력에 대한 연료 전지 스택(10)의 발전 전력이 충분하고, 컴프레서 구동 모터(54)를 역행 모드에서 작동할 것을 의도하고 있다.
또한, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d는, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 커질수록 크게 설정된다. 즉, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d의 증감은 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco의 증감과 링크되어 있으므로, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d의 대소를 보면, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco의 대소도 검출할 수 있다.
그리고, 스택 요구 컴프레서 유량 산출 블록(B303)은, 입력된 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco 및 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d에 기초하여, 미리 정해진 맵에 의해 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 산출한다. 여기서, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr이란, 요구 출력과 출력 가능 전력 사이의 대소, 즉, 연료 전지 스택(10)의 발전 전력이 부족한지 여부에 따라서 정해지는 컴프레서 유량의 후보값이다.
도 6은, 압력비 목표값에 따른 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco와 스택 요구 컴프레서 유량의 관계를 나타내는 맵이다.
도시한 바와 같이, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 음의 값인 경우(연료 전지 스택(10)의 발전 전력이 부족하지 않은 경우)에는, 당해 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 소정값 Wco1에 도달할 때까지, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d의 값에 관계없이, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 소정값 Fco_sr1까지 증가시킨다. 이 소정값 Fco_sr1은 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 따라서 정해지는 스택 유량에 상당하는 값이다. 즉, 이렇게 발전 전력이 부족하지 않은 상황에 있어서는, 컴프레서 구동 모터(54)를 역행 모드에서 작동시키므로, 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 기초하는 유량을 초과한 컴프레서 유량을 설정할 필요는 없고, 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 따라서 정해지는 스택 유량에 상당하는 컴프레서 유량을 설정한다.
한편, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 양의 값인 경우(연료 전지 스택(10)의 발전 전력이 부족한 경우)에는, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d에 따라서 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr이 설정된다.
우선, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d를 가장 작게 설정하는 경우(저압 시)는 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco의 크기에 관계없이, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 증가시키지 않고 상기 소정값 Fco_sr1로 설정한다. 이렇게 저압 시에 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 소정값 Fco_sr1을 초과하여 증가시키지 않게 하는 이유는, 저압 시에는 캐소드계 압력 손실이 커서 터빈(52)에 의한 회수 동력이 낮아지므로, 컴프레서 유량을 증가시켜 터빈 가스 유입 유량을 증가시켰다고 해도, 터빈(52)에 의한 회수 동력의 대폭적인 향상을 바랄 수 없기 때문이다.
이어서, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d가 상기 저압 시보다도 큰 중간값으로 설정하는 경우(중압 시)는 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 소정값 Wco2에 도달한 이후에는, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 기초하는 소정값 Fco_sr1로부터 소정값 Fco_sr2까지 증가시킨다.
이와 같이, 중압 시에 있어서 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 기초하는 소정값 Fco_sr1보다 증가시키는 이유는, 발전 전력의 부족을 해소하기 위해, 컴프레서 구동 모터(54)로부터 회생 전력을 얻도록, 터빈 가스 유입 유량을 증가시키기 때문이다. 그러나, 중압 시에는, 여전히 캐소드계 압력 손실이 크기 때문에, 터빈 가스 유입 유량을 크게 증가시켜도 일정 이상의 회수 동력의 증가는 바랄 수 없기 때문에, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 증가시킬 수 있는 한도에서 컴프레서 유량을 증가시키기 위해, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 소정값 Fco_sr2까지 증가시킨다. 또한, 본 실시 형태에서는 후술하는 바와 같이, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr의 증가에 따라서, 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시켜, 연료 전지 스택(10)에 의해 요구되는 유량 이상의 캐소드 가스를, 애프터 쿨러(28)로 흐르지 않게 한다. 이 점은, 나중에 상세하게 설명한다.
또한, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d를 가장 큰 값으로 설정하는 경우(고압 시)는 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 소정값 Wco3에 도달하는 이후에, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 상기 소정값 Fco_sr1로부터 증가시킨다.
이와 같이, 고압 시에 있어서도, 컴프레서 구동 모터(54)로부터 회생 전력을 얻도록 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 기초하는 소정값 Fco_sr1보다 증가시킨다. 그리고, 고압 시에 있어서는, 캐소드계 압력 손실이 작기 때문에, 터빈 가스 유입 유량을 크게 증가시켜, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 일정 이상으로 증가시킬 수 있다.
여기서, 고압 시에 있어서도, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr의 증가에 따라서, 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시켜, 연료 전지 스택(10)에 의해 요구되는 유량 이상의 캐소드 가스를 애프터 쿨러(28)로 흐르지 않게 한다.
도 5로 돌아가서, 스택 요구 컴프레서 유량 산출 블록(B303)은, 스택 요구 컴프레서 유량 산출 블록(B303)에서 산출된 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 맥스 셀렉트 블록(B305)으로 출력한다.
한편, 희석 요구 유량 산출 블록(B304)에는, 스택 온도 검출값 Ts_d와, 수소 압력 검출 센서(67)에서 검출된 수소 압력 검출값 Pan_d가 입력된다. 그리고, 희석 요구 유량 산출 블록(B304)은, 미리 정해진 맵에 의해, 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 희석하기 위해 요구되는 공기 유량인 희석 요구 컴프레서 유량 Fco_dr을 산출하고, 맥스 셀렉트 블록(B305)으로 출력한다.
도면에 나타내는 희석 요구 유량 산출 블록(B304)의 맵에서는, 수소 압력 검출값 Pan_d가 커질수록 희석 요구 컴프레서 유량 Fco_dr도 커진다. 또한, 당해 맵에서는, 스택 온도 검출값 Ts_d가 높아지면, 희석 요구 컴프레서 유량 Fco_dr은 감소한다. 이것은, 스택 온도 검출값 Ts_d가 높은 상태에서는 애노드 배기 가스 온도가 높고, 애노드 배기 가스 배출 유로의 압력 손실이 높아져서 유량이 저하되는 만큼, 희석에 사용하는 공기량을 저감시키는 보정을 행할 필요가 있기 때문이다.
그리고, 희석 요구 유량 산출 블록(B304)은 이 희석 요구 컴프레서 유량 Fco_dr을 맥스 셀렉트 블록(B305)으로 출력한다.
맥스 셀렉트 블록(B305)에는, 스택 요구 컴프레서 유량 산출 블록(B303)으로부터 출력된 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr 및 희석 요구 유량 산출 블록(B304)에서 산출된 희석 요구 컴프레서 유량 Fco_dr이 입력된다. 그리고, 맥스 셀렉트 블록(B305)은, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr 및 희석 요구 컴프레서 유량 Fco_dr 중 큰 쪽의 값을 컴프레서 유량 목표값 Fco_t로 하여, 각 블록(B103, B105 및 B106)으로 출력한다.
즉, 본 실시 형태에서는 컴프레서 유량 목표값 Fco_t는, 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력과 애노드 배기 가스의 희석 요구를 고려하여 결정되게 된다. 또한, 이들 요구에 더하여, 컴프레서(50)의 서지를 회피하기 위한 서지 회피 요구를 고려하여 컴프레서 유량 목표값 Fco_t를 결정해도 된다.
도 3으로 돌아가서, 터빈 입구 온도 목표값 연산 블록(B103)은, 연료 전지 스택(10)에 공급되는 캐소드 가스의 유량 및 압력에 기초하여, 촉매 연소기(36)로부터 터빈(52)에 배출되는 연소 후 가스의 온도, 즉, 터빈 입구 온도를 제어한다.
본 실시 형태에서는, 터빈 입구 온도 목표값 연산 블록(B103)에는, 대기압 검출값 Pai_d와, 공기 압력 목표값 연산 블록(B101)에서 산출된 공기 압력 목표값 Pc_t와, 공기 유량 목표값 연산 블록(B102)에서 연산된 컴프레서 유량 목표값 Fco_t가 입력된다. 터빈 입구 온도 목표값 연산 블록(B103)은, 대기압 검출값 Pai_d, 공기 압력 목표값 Pc_t 및 컴프레서 유량 목표값 Fco_t에 기초하여, 터빈 입구 온도가 목표로 해야 할 터빈(52)의 입구 온도의 목표값(이하에서는 「터빈 입구 온도 목표값 Tt_t」라고도 기재함)을 구한다.
도 7은, 터빈 입구 온도 목표값 연산 블록(B103)에 의해 실행되는 터빈 입구 온도 목표값 Tt_t의 산출 방법의 상세를 나타내는 블록도이다. 당해 도면에 나타내는 블록은 압력비 목표값 연산 블록(B400)과 터빈 입구 온도 목표값 설정 블록(B401)을 갖고 있다.
압력비 목표값 연산 블록(B400)에는, 공기 압력 목표값 Pc_t와 대기압 검출값 Pai_d가 입력된다. 그리고, 압력비 목표값 연산 블록(B400)은, 공기 압력 목표값 Pc_t를 대기압 검출값 Pai_d로 나누어 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d를 구하고, 터빈 입구 온도 목표값 설정 블록(B401)으로 출력한다.
터빈 입구 온도 목표값 설정 블록(B401)에는, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t와, 압력비 목표값 연산 블록(B400)에서 산출된 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d가 입력된다. 그리고, 터빈 입구 온도 목표값 설정 블록(B401)은, 미리 기억된 맵에 기초하여, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t 및 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d로부터 터빈 입구 온도 목표값 Tt_t를 산출한다.
도 8은, 터빈 입구 온도 목표값을 정하기 위한 맵을 나타내는 도면이다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 터빈 입구 온도 목표값 Tt_t는, 미리 정해지는 터빈 입구 온도의 하한값 Tt_tmin과, 부품의 내열 온도를 고려하여 정해지는 터빈 입구 온도의 허용 상한 온도 Tt_tmax 사이에, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d 및 컴프레서 유량 목표값 Fco_t에 따라서 변동된다.
구체적으로 우선, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d가 가장 큰 값으로 설정되는 고압 시, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d가 중간값으로 설정되는 중압 시, 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d가 가장 작은 값으로 설정되는 저압 시에 있어서, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t가 각각 소정값 f1, f2, f3(f1<f2<f3)에 도달할 때까지 터빈 입구 온도 목표값 Tt_t가 하한값 Tt_tmin으로 유지되고, 그 후에 증가한다.
이와 같이, 고압일수록 보다 적은 컴프레서 유량 목표값 Fco_t에서 터빈 입구 온도 목표값 Tt_t를 증가시키기 시작하는 이유는, 동일한 컴프레서 유량 목표값 Fco_t라도, 고압일수록 연료 전지 스택(10)에 대한 요구 발전 전력이 크므로, 터빈 입구 온도를 상승시켜 터빈(52)으로부터의 회수 동력을 증가시킬 필요가 있기 때문이다.
또한, 고압 시, 중압 시 및 저압 시 중 어느 경우에도, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t가, 상기 터빈 입구 온도를 상승시키기 시작하는 유량 f1 내지 f3보다도 큰 소정값 f4에 도달하면, 터빈 입구 온도 목표값 Tt_t를 허용 상한 온도 Tt_tmax로 설정한다. 이것은, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t가 일정 이상으로 커지는 경우에는, 요구 출력이 크고, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 큰 상태이므로, 터빈(52)에서 얻어지는 회수 동력을 증가시키기 위해, 터빈 입구 온도를 급격하게 상승시키도록 하기 때문이다. 한편, 부품의 내열 온도의 관점에서, 터빈 입구 온도는 허용 상한 온도 Tt_tmax를 초과하여 증가시키지 않게 한다.
도 3으로 돌아가서, 연소기 수소량 F/B 제어 블록(B104)에는, 터빈 입구 온도 검출값 Tt_d와, 터빈 입구 온도 목표값 연산 블록(B103)에서 연산된 터빈 입구 온도 목표값 Tt_t가 입력된다. 연소기 수소량 F/B 제어 블록(B104)은, 터빈 입구 온도 검출값 Tt_d가 터빈 입구 온도 목표값 Tt_t에 근접하도록, 연소기 수소 공급 밸브(68)의 개방도를 피드백 제어한다.
본 실시 형태에서는, 연소기 수소 공급 밸브(68)의 개방도는, 연료 전지 스택(10)에의 요구 부하나 터빈(52)으로부터의 요구 동력이 커질수록 크게 한다. 구체적으로는, 스택 유량 목표값 Fs_t 및 컴프레서 유량 목표값 Fco_t 중 적어도 어느 한쪽이 증대되면, 촉매 연소기(36)에 공급되는 공기가 증가하기 때문에, 연소기 수소 공급 밸브(68)의 개방도를 크게 하여 당해 공기를 연소시키기 위해 촉매 연소기(36)로의 수소 공급량을 증대시키게 된다.
공기계 F/B 제어 블록(B105)에는, 각 검출값으로서, 컴프레서 유량 검출값 Fco_d와 공기 압력 검출값 Pc_d가 입력된다. 또한, 공기계 F/B 제어 블록(B105)에는, 각 목표값으로서, 공기 압력 목표값 Pc_t, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t 및 스택 유량 목표값 Fs_t가 입력된다.
그리고, 공기계 F/B 제어 블록(B105)은, 입력된 각 검출값 및 각 목표값에 기초하여, 노즐 베인(58)의 개방도 및 컴프레서 구동 모터(54)의 토크를 피드백 제어한다. 구체적으로 공기계 F/B 제어 블록(B105)은, 연료 전지 스택(10)에의 요구 부하가 높은 경우나 터빈(52)의 요구 동력이 높은 경우, 즉, 스택 유량 목표값 Fs_t 및 컴프레서 유량 목표값 Fco_t 중 적어도 어느 한쪽이 증대되는 경우에는, 노즐 베인(58)의 개방도를 크게 한다.
동일하게, 컴프레서 구동 모터(54)의 토크(동력)는 공기 압력 목표값 Pc_t, 스택 유량 목표값 Fs_t 및 컴프레서 유량 목표값 Fco_t 중 적어도 하나가 증대될수록 커지도록 제어된다.
바이패스 공기량 제어 블록(B106)에는, 공기 압력 목표값 Pc_t, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t 및 스택 유량 목표값 Fs_t가 입력된다. 그리고, 바이패스 공기량 제어 블록(B106)은, 이들 값에 기초하여 바이패스 밸브(32)의 개방도를 제어한다.
구체적으로 바이패스 공기량 제어 블록(B106)은, 바이패스 통로(33)에 흐르는 공기 유량이 컴프레서 유량 목표값 Fco_t와 스택 유량 목표값 Fs_t의 차분이 되도록, 바이패스 밸브(32)의 개방도를 제어한다.
이어서, 이미 설명한 연료 전지 시스템(100)에 있어서의 컴프레서 동력 공급 기구(16)(도 1 참조)에 의한 에너지 수지(收支)에 대하여 상세하게 설명한다.
이하에서는 우선, 컴프레서(50)에서 사용되는 일(work)(이하에서는, 「컴프레서 일 Wc」라고도 기재함)과 터빈(52)으로부터 회수할 수 있는 일(이하에서는, 「터빈 일 Wt」라고도 기재함)의 관계를 설명한다.
우선, 컴프레서 일 Wc를 구하는 이론식은
Figure 112018098328890-pct00001
로 표시된다. 단, Fco는 컴프레서 유량, Cpc는 컴프레서(50)에 의해 공급되는 공기의 비열, Tc는 컴프레서 토출 온도, Prc는 압력비, 및 ηc는 컴프레서 효율을 의미한다. 본 실시 형태에서는, 컴프레서(50)에 의해 공급되는 공기의 비열 Cpc나 컴프레서 효율 ηc는 컴프레서(50)의 성질에 기초하여 미리 정한 고정값을 사용한다. 따라서, 컴프레서 일 Wc는 주로 컴프레서 유량 Fco, 컴프레서 토출 온도 Tc 및 압력비 Prc에 따라서 변동하게 된다. 이에 의해, 식 (1)에 기초하면, 컴프레서 일 Wc는, 컴프레서 유량 Fco, 컴프레서 토출 온도 Tc 및 압력비 Prc 중 적어도 어느 것이 증가하면 증가된다.
또한, 터빈 일 Wt를 구하는 이론식은
Figure 112018098328890-pct00002
로 표시된다. 단, Ft는 터빈(52)에 유입되는 연소 후 가스의 유량(이하에서는, 「터빈 유입 유량」이라고도 기재함), Cpt는 터빈(52)에 유입되는 연소 후 가스의 비열, Tt는 터빈 입구 온도, Prt는 터빈 팽창비, ηt는 터빈 효율을 의미한다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 터빈(52)에 유입되는 연소 후 가스의 비열 Cpt에 대해서는, 연소 후 가스의 성분이 공기와 거의 동일하다고 간주하는 것 등에 의해 미리 정할 수 있다. 또한 터빈 효율 ηt는 터빈(52)의 성질에 기초하여 미리 정할 수 있다. 따라서, 터빈 일 Wt는 주로 터빈 유입 유량 Ft, 터빈 입구 온도 Tt 및 터빈 팽창비 Prt에 따라서 변동하게 된다. 이에 의해, 식 (2)에 기초하면, 터빈 일 Wt는 터빈 유입 유량 Ft 및 터빈 입구 온도 Tt 중 적어도 어느 것이 증가하면 증가된다.
또한, 연료 전지 스택(10)의 압력 손실 ΔPs를 구하는 이론식은
Figure 112018098328890-pct00003
으로 표시된다. 단, k는 연료 전지 스택(10) 내의 캐소드 유로에 있어서의 압력 손실 계수, Fs는 스택 유량, Ts는 스택 온도, 및 T0은 표준 상태의 온도(≒273.15K)를 의미한다. 또한, 식 (3) 중의 Prc는 이미 설명한 터빈 팽창비 Prt를 사용하여 이하의 식에 의해 구해진다.
Figure 112018098328890-pct00004
따라서, 연료 전지 스택(10)의 압력 손실 ΔPs는, 주로 스택 유량 Fs 및 스택 온도 Ts 중 적어도 어느 것이 증가하면 증가되게 된다.
또한, 연료 전지 스택(10) 내의 전기 화학 반응에 의한 생성수가 시스템 내에서 발생하지 않는 운전 조건 하이며 대기 중의 산소 농도를 21％라 가정했을 때에는, 컴프레서 유량 Fco와 터빈 유입 유량 Ft 사이의 관계는 이하의 식으로 표시된다.
Figure 112018098328890-pct00005
단, SRc는 스택의 공기 과잉율, FH는 촉매 연소기(36)에 투입되는 수소 유량을 의미한다. 또한, 수소 공급 유량 FH는, 예를 들어 수소 압력 검출 센서(67)에 의한 수소 압력 검출값 Pan_d와 연소기 수소 공급 밸브(68)의 개방도 등에 기초하여, 소정의 맵에 의해 구할 수 있다.
또한, 터빈 입구 온도 Tt는, 기본적으로 촉매 연소기(36)에 공급되는 가스 유량, 비열 및 촉매 연소기(36)로의 수소 공급 유량 FH에 의해 정해지는 발열량으로부터 산출된다. 또한, 터빈 입구 온도 Tt는, 또한 부품의 내열 온도를 고려한 허용 상한 온도 Tt_tmax를 초과하지 않게 조절된다.
또한, 컴프레서 구동 모터(54)가 행하는 일(이하에서는, 「구동 모터 일 Wm」이라고도 기재함)은 기본적으로는 이하의 식 (6)으로 부여된다.
Figure 112018098328890-pct00006
단, 구동 모터 일 Wm에 대해서는, 컴프레서 구동 모터(54)의 사이즈에 의한 제한과 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 의한 제한을 고려할 필요가 있다. 따라서, 구동 모터 일 Wm은 이하의 제한 값 Wml로 제한된다.
Figure 112018098328890-pct00007
여기서, Min(a, b)이란, a와 b 중 작은 쪽의 값(동일하면 어느 것이어도 됨)을 의미한다. 식 (7) 중, Wstmax는 연료 전지 스택(10)의 출력 가능 전력이다. Wmlm은 컴프레서 구동 모터(54)의 사이즈에 의한 제한값이다.
식 (7) 중의 출력 가능 전력 Wstmax는 이미 설명한 것과 같이, 연료 전지 스택(10)이 탑재되는 차량의 주행 상태나 스택 사이즈 등의 요인에 따라서 결정된다. 따라서, 예를 들어 열지(熱地)에 있어서의 온도 제한 시 등에 있어서는, 출력 가능 전력 Wstmax가 저하된다. 한편, Wreq는 요구 출력이다. 즉, 식 (7) 중의 Wstmax-Wreq는, 상술한 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco에 상당하게 된다. 따라서, 컴프레서 구동 모터(54)의 일 Wm은, 상기 식 (7)로 정의되는 제한값 Wml를 초과하지 않게 조절된다.
여기서, 식 (6)으로부터 이해되는 바와 같이, 터빈 일 Wt로 컴프레서 일 Wc를 조달할 수 있으므로, 연료 전지 스택(10)이나 배터리로부터 컴프레서 구동 모터(54)에 공급하는 전력을 저감시킬 수 있다.
또한, 구동 모터 일 Wm이 음의 값, 즉, 컴프레서 구동 모터(54)가 회생 모드에서 운전되고 있으며, 컴프레서 구동 모터(54)로부터 컴프레서(50)에 동력이 공급되지 않는 경우에는, 터빈 일 Wt에 의해 컴프레서 일 Wc를 확보할 수 있다. 또한, 터빈 일 Wt를 보다 증가시키면, 컴프레서(50)의 동력을 확보한 다음, 컴프레서 구동 모터(54)의 회생에 의해 얻어지는 전력이 향상되므로, 이 전력을 요구 출력에 대한 연료 전지 스택(10)의 출력 전력의 부족분에 활용할 수 있다.
이어서, 요구 출력에 따른 연료 전지 시스템(100)의 상태의 변화에 대하여 설명한다.
도 9는, 요구 출력에 따른 연료 전지 시스템(100)의 상태의 변화를 나타내는 타임 차트이다. 구체적으로 도 9의 (a) 내지 도 9의 (g)는, 각각, 요구 출력에 대한, 요구 스택 유량, 요구 공기 압력, 컴프레서(50)가 요구하는 동력(이하, 「요구 컴프레서 동력」이라고도 기재함), 수소 연료 소비량, 터빈 입구 온도 Tt, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t 및 바이패스 밸브 개방도의 변화를 나타내는 타임 차트이다.
이하에서는, 요구 출력이 Wreq1 이하인 구간 I, 요구 출력이 Wreq1 내지 Wreq2인 구간 II, 요구 출력이 Wreq2 내지 Wreq3인 구간 III, 요구 출력이 Wreq3 내지 Wreq4인 구간 IV, 및 요구 출력이 Wreq4 내지 Wreq5인 구간 V에 대해서, 시스템 상태의 변화에 대하여 설명한다.
우선, 구간 I에 있어서, 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 대하여 전력이 부족하지 않은 저부하 상태이며, 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 나타내는 바와 같이, 요구 스택 유량 및 요구 공기 압력의 값이 비교적 작다. 또한, 도 9의 (c)에 나타내는 바와 같이, 요구 출력의 증가에 따라서 요구 컴프레서 동력은 증가하였지만, 여전히 컴프레서 구동 모터(54)의 출력 제한값 Wml(도면에 파선으로 나타냄)에 도달하지 못하였다.
따라서, 이 경우, 터빈(52)에 의한 회수 동력없이도, 연료 전지 스택(10)이나 배터리로부터의 전력에 의해 컴프레서 동력을 조달할 수 있으므로, 컴프레서 구동 모터(54)를 역행 모드에서 가동시킨다.
또한, 구간 I에 있어서는, 상술한 바와 같이 터빈(52)의 회수 동력의 확보는 필수적이지는 않으므로, 터빈(52)의 출력을 비교적 작게 할 수 있다. 따라서, 수소 소비량, 터빈 입구 온도 Tt 및 터빈 유입 유량 Ft를 증가시키는 제어는 행해지지 않는다. 또한, 이 경우에는, 도 9의 (g)에 나타내는 바와 같이 바이패스 밸브(32)는 기본적으로 완전 폐쇄로 된다. 또한, 도 9의 (g)에는 요구 출력이 제로에 가까운 영역에서 바이패스 밸브(32)가 일정 개방도로 설정되어 있다. 이것은 극저부하에서는, 요구 스택 유량에 비해 도 5의 B304에서 연산되는 희석 요구 컴프레서 유량 Fco_dr이 커지기 때문에, 스택 유량에 비하여 잉여인 캐소드 가스를 바이패스 통로(33)를 통해 캐소드 배기 가스 통로(24)로 흐르게 할 것을 의도한 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 극저부하 이외의 구간 I에 있어서는, 터빈 유입 유량 Ft를 증가시키기 위해 특별한 제어를 행하지 않고, 또한 바이패스 밸브(32)는 기본적으로 완전 폐쇄로 설정된다. 따라서, 요구 스택 유량과 컴프레서 유량 목표값 Fco_t는 거의 동등해지고, 이들은 모두 요구 출력의 증가와 함께 증가된다(도 9의 (a) 및 도 9의 (f) 참조).
이어서, 구간 II에 있어서, 요구 출력이 Wreq1에 도달하면, 요구 컴프레서 동력이 컴프레서 구동 모터(54)의 출력 제한값 Wml을 초과한다. 이에 의해, 요구 컴프레서 동력에 대한 컴프레서 구동 모터(54)의 출력의 부족분(도 9의 (c)의 사선부에 상당)을, 터빈(52)의 회수 동력으로 조달할 수 있다. 또한, 이 때에 요구되는 터빈(52)의 회수 동력을 「요구 터빈 회수 동력」이라고도 기재한다.
따라서, 이 경우, 터빈(52)의 회수 동력을 증가시키기 위해, 도 9의 (d)에 나타내는 바와 같이, 촉매 연소기(36)로의 수소 연료 공급을 개시하고, 이 공급량을 서서히 증가시켜간다. 이에 의해, 도 9의 (e)에 나타내는 바와 같이 터빈 입구 온도 Tt가 증가하고, 터빈 회수 동력을 증가시킬 수 있다.
한편, 이미 설명한 것과 같이, 터빈 회수 동력을 증가시키기 위해서는 터빈 입구 온도 Tt뿐만 아니라, 터빈 유입 유량 Ft를 증가시키는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 구간 II의 단계에서는, 아직 공기 압력이 충분히 높지는 않고, 캐소드계 압력 손실이 크므로, 터빈 유입 유량 Ft를 증가시키는 제어를 행해도 터빈(52)의 회수 동력을 대폭 증가시킬 수는 없다. 따라서, 이 경우에도 도 9의 (g)에 나타내는 바와 같이 바이패스 밸브(32)가 완전 폐쇄로 되고, 요구 스택 유량과 컴프레서 유량 목표값 Fco_t는 거의 동등한 상태에서 요구 출력의 증가와 함께 증가된다(도 9의 (a) 및 도 9의 (f) 참조).
이어서, 구간 III에 있어서 요구 출력이 Wreq2에 도달하면, 연료 전지 스택(10)의 발전 전력이 최대 발전 전력 Wstmax에 달한다.
여기서, 요구 출력이 최대 발전 전력 Wstmax 이상이 되었을 경우, 요구 출력에 대하여 연료 전지 스택(10)의 발전 전력이 부족하게 되므로, 컴프레서 구동 모터(54) 등의 보조 기계 전력을 저하시켜 연료 전지 스택(10)의 발전 전력의 부족을 보충할 필요가 있다. 따라서, 컴프레서 구동 모터(54)의 소비 전력을 저감시키기 위해 컴프레서 구동 모터(54)의 제한값 Wml를 저하시킨다(도 9의 (c) 참조). 한편, 당해 제한값 Wml의 저하에 따른 컴프레서 구동 모터(54)의 동력 저하를 보충하기 위해서, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 증가시키기 위해, 연소용 애노드 가스 공급 통로(64)를 통한 수소 연료 공급량을 증가시킨다(도 9의 (d)의 사선부 참조). 이에 의해, 터빈 입구 온도 Tt가 증가하여(도 9의 (e) 참조), 터빈(52)에 의한 회수 동력이 증가하므로, 요구 컴프레서 동력과 컴프레서 구동 모터(54)의 제한값 Wml의 차분을, 터빈(52)에 의한 회수 동력으로 보충할 수 있다(도 9의 (c)의 사선부 참조).
또한, 구간 III의 단계에서는, 터빈 출구 온도는 상한 온도에 도달하지 않았기 때문에, 바이패스양을 증가시키지 않아도, 온도를 높임으로써 터빈 회수 동력을 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 이 경우, 도 9의 (g)에 나타내는 바와 같이 바이패스 밸브(32)가 완전 폐쇄로 되고, 요구 스택 유량과 컴프레서 유량 목표값 Fco_t는 서로 거의 동등한 상태에서 요구 출력의 증가와 함께 증가한다(도 9의 (a) 및 도 9의 (f) 참조).
이어서, 구간 IV는, 요구 출력이 Wreq3 내지 Wreq4가 되는 구간이다. 즉, 구간 I 내지 구간 III과 비교하여 보다 부하가 높은 구간이다. 이 구간 IV에서는, 요구 출력이 연료 전지 스택(10)의 출력 가능 전력을 초과하고, 또한 컴프레서 구동 모터(54)의 제한값 Wml를 제로, 즉, 컴프레서 구동 모터(54)로의 전력 공급을 제로로 해도 요구 출력이 채워지지 않는 상황(회생이 요구되는 상황)이 되었다.
이 구간 IV에서는, 터빈(52)의 회수 동력에 의해, 컴프레서(50)의 동력을 확보하고, 또한 요구 출력을 채우기 위해 컴프레서 구동 모터(54)를 회생 모드로 하여 발전을 행한다. 이에 의해, 요구 출력에 대한 전력의 부족분이 컴프레서 구동 모터(54)에 의한 발전으로 보충된다. 따라서, 도 9의 (d) 및 도 9의 (e)에 나타내는 바와 같이, 연소용 애노드 가스 공급 통로(64)를 통한 촉매 연소기(36)로의 수소 연료 공급량을 더 증가시켜, 터빈 입구 온도 Tt를 증대시키고, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 증가시킨다.
한편, 본 실시 형태에서는 구간 IV의 단계에서도, 터빈 유입 유량 Ft를 증가시키는 제어를 행하지 않는다. 그리고, 도 9의 (g)에 나타내는 바와 같이 바이패스 밸브(32)도 완전 폐쇄로 되어 있다. 따라서, 요구 스택 유량과 컴프레서 유량 목표값 Fco_t는 거의 동등한 상태에서 요구 출력의 증가와 함께 증가한다(도 9의 (a) 및 도 9의 (f) 참조).
또한, 구간 V는, 요구 출력이 Wreq4 내지 Wreq5가 되는 구간이다. 이 구간은, 요구 출력이 구간 I 내지 구간 IV와 비교하여 가장 크므로, 컴프레서 구동 모터(54)의 제한값 Wml이 더 낮게 되어 있다. 즉, 요구 출력에 대하여 연료 전지 스택(10)의 발전량이 보다 부족하다.
그러나, 구간 V에서는, 도 9의 (e)에 나타내는 바와 같이, 터빈 입구 온도 Tt가, 부품의 내열 온도 등의 관점으로부터 정해지는 허용 상한 온도 Tt_tmax에 도달해있다. 따라서, 더 이상 터빈 입구 온도 Tt를 상승시키지 않게 하면서도, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 증가시킬 것이 요구된다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 촉매 연소기(36)로의 수소 연료 공급량을 증가시키면서, 컴프레서 유량 Fco를 요구 스택 유량보다도 증대시킨다. 그리고, 이에 따라서, 요구 스택 유량에 대하여 잉여적인 공기를 바이패스 통로(33)로 흐르게 하기 위해 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시킨다(도 9의 (f) 및 도 9의 (g) 참조).
이에 의해, 바이패스 통로(33)를 통해, 본래, 촉매 연소기(36)로의 수소 연료 공급량을 연소시키는 데 필요한 캐소드 배기 가스 유량을 초과한 유량을 터빈(52)에 공급할 수 있다. 이에 의해, 터빈 입구 온도 Tt의 상승을 억제하면서도, 터빈 유입 유량 Ft를 증가시켜 터빈(52)으로부터의 회수 동력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 터빈(52)의 회수 동력에 기초한 컴프레서 구동 모터(54)의 발전 전력을 보다 향상시킬 수 있어, 부하의 증대에 따라서 증가된 요구 출력을 채울 수 있다.
특히, 본 실시 형태에서는, 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시킴으로써, 요구 스택 유량에 대하여 잉여적인 공기를, 바이패스 통로(33)를 통해 촉매 연소기(36)에 공급할 수 있다. 이에 의해, 요구 스택 유량에 대하여 과잉의 유량을 애프터 쿨러(28)(도 1 참조)로 흐르게 하는 것이 방지된다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 구간 V와 같이 터빈 입구 온도 Tt가 허용 상한 온도 Tt_tmax에 도달한 경우에, 컴프레서 유량 Fco 및 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시켜 터빈(52)으로의 가스 공급량을 증가시킴으로써, 터빈 입구 온도 Tt의 상승을 억제하면서도, 터빈(52)으로부터의 회수 동력을 향상시킬 수 있다.
특히 본 실시 형태에서는, 상기 구간 V와 같이, 터빈 입구 온도 Tt가 허용 상한 온도 Tt_tmax에 도달한 경우에서, 공기 압력이 어느 정도 높은 상태에서 컴프레서 유량 Fco 및 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시켜 터빈 유입 유량 Ft를 증가시키는 것이 바람직하다. 이하에서는, 그 이유의 상세에 대하여 설명한다.
도 10은, 터빈 입구 온도 Tt가 허용 상한 온도 Tt_tmax일 때에 있어서, 터빈 유입 유량 Ft, 터빈(52)에 의한 회수 동력 및 컴프레서 동력의 관계를, 공기 압력의 고저에 따라서 도시한 도면이다. 또한, 도면에 있어서는, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 실선으로 나타내고, 요구 컴프레서 동력을 파선으로 나타내고 있다.
도 10의 (a)는 저압 시(압력비 목표값 Pc_t/Pai_d가 가장 작게 설정되는 경우)의 터빈 회수 동력의 그래프를 나타내고 있고, 도 10의 (b)는 중압 시(압력비 목표값 Pc_t/Pai_d가 중간값으로 설정되는 경우)의 터빈 회수 동력의 그래프를 나타내고 있으며, 도 10의 (c)는 고압 시(압력비 목표값 Pc_t/Pai_d가 가장 큰 값으로 설정되는 경우)의 터빈 회수 동력의 그래프를 나타내고 있다.
도 10의 (a)에 나타내는 바와 같이, 저압 시에 있어서는, 이미 설명한 것과 같이, 캐소드계 압력 손실이 커지므로, 컴프레서 유량 Fco를 크게 하여 터빈 유입 유량 Ft를 증가시켜도 터빈(52)에 의한 회수 동력을 대폭 증가시킬 수 없다. 이에 비해, 컴프레서 유량 Fco의 증가에 따라서 요구 컴프레서 동력은 증가되어가고, 컴프레서 유량 Fco가 소정값 Fco1이 되었을 때에는 요구 컴프레서 동력이 터빈(52)에 의한 회수 동력을 상회하기 시작해버린다. 따라서, 저압 시에는, 컴프레서 유량 Fco를 스택 유량 Fs와 동일한 값으로 함과 함께, 바이패스 밸브(32)를 완전 폐쇄로 하여 바이패스 통로(33)를 통한 촉매 연소기(36)로의 공기의 공급을 행하지 않게 한다.
이어서, 도 10의 (b)에 나타내는 바와 같이, 중압 시에 있어서는, 터빈 유입 유량 Ft의 증가에 대한 터빈(52)에 의한 회수 동력의 증가량이, 저압 시와 비교하여 보다 커진다. 따라서, 컴프레서 유량 Fco를 일정 정도까지 증가해가도, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 증가시킬 수 있어, 당해 회수 동력이 요구 컴프레서 동력을 상회하는 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 중압 시에는, 컴프레서 유량 Fco가 스택 유량 Fs보다도 커지게 조절한다.
한편, 이렇게 조절한 경우, 스택 유량 Fs에 비하여 잉여인 공기를 그대로, 도 1의 애프터 쿨러(28)로 흐르게 하면, 애프터 쿨러(28)의 방열량이 커지게 되어, 애프터 쿨러(28)를 대형화할 필요성이 생긴다. 또한, 잉여의 공기가 연료 전지 스택(10)에 공급됨으로써, 연료 전지 스택(10)의 과건조나 과전압 등의 문제가 발생할 가능성이 있다. 이에 비해, 본 실시 형태에서는, 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시켜, 컴프레서(50)로부터 토출되는 공기를, 바이패스 통로(33)를 통해 촉매 연소기(36)에 직접 공급한다.
또한, 중압 시에 있어서는, 저압 시보다는 적기는 하지만, 일정 정도의 캐소드계 압력 손실이 발생한다. 이 때문에, 터빈 유입 유량 Ft가 일정 이상 증가되어가면, 터빈(52)의 회수 동력의 증가량이 적어진다. 따라서, 중압 시에 있어서는, 컴프레서 유량 Fco가 스택 유량 Fs를 크게 초과해버리지 않게 조절됨과 함께, 바이패스 밸브(32)의 개방도도 이에 맞추어 제한된다.
이어서, 도 10의 (c)에 나타내는 바와 같이, 고압 시에 있어서는, 컴프레서 유량 Fco의 증가에 비하여 요구 컴프레서 동력의 증가량이 커진다. 그러나, 고압 시는 캐소드계 압력 손실이 작기 때문에, 컴프레서 유량 Fco의 증가에 따른 터빈 유입 유량 Ft의 증가에 비하여 터빈(52)의 회수 동력도 크게 증가한다. 그리고, 컴프레서 유량 Fco의 증가에 의한 터빈(52)의 회수 동력의 증가량은, 요구 컴프레서 동력의 증가량을 크게 상회한다. 예를 들어, 터빈(52)의 회수 동력을 요구 컴프레서 동력보다 ΔP만큼 크게 하는 경우에도, 고압 시에서는 중압 시보다도 적은 컴프레서 유량 Fco에 의해 이것을 실현할 수 있다(도 10의 (b) 및 도 10의 (c) 참조).
따라서, 고압 시에 있어서는, 터빈(52)의 회수 동력을 크게 하기 위해서, 가능한 한 컴프레서 유량 Fco를 증가시킨다. 그리고, 컴프레서 유량 Fco가 스택 유량 Fs를 상회하는 잉여적인 공기는, 중압 시와 마찬가지로, 바이패스 밸브(32)의 개방도를 크게 함으로써, 바이패스 통로(33)를 통해 촉매 연소기(36)에 공급한다. 이에 의해, 상술한 애프터 쿨러(28)의 대형화나 연료 전지 스택(10)의 과건조 등을 방지할 수 있다.
또한, 고압 시에 있어서의 컴프레서 유량 Fco의 증가량에 대해서, 그 상한은 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 애프터 쿨러(28)나 연료 전지 스택(10)으로의 잉여적인 공기의 공급을 최대한 회피하는 관점에서, 컴프레서 유량 Fco로부터 스택 유량 Fs를 감하여 얻어지는 유량의 값이, 바이패스 밸브(32)를 통과 가능한 유량의 상한값 이하가 되도록, 컴프레서 유량 Fco의 증가량을 제한하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 실시 형태에 있어서 특징적인 바이패스 밸브(32)의 개폐 제어의 개요를 설명한다.
도 11은, 본 실시 형태에 있어서의 바이패스 밸브(32)의 개폐에 대하여 설명하는 흐름도이다.
도시한 바와 같이, 스텝 S110에 있어서, 컨트롤러(20) 및 각종 계측 장치에 의해, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t, 스택 유량 목표값 Fs_t 및 공기 압력 목표값 Pc_t를 취득한다.
이어서, 스텝 S120에 있어서, 컨트롤러(20)는 스택 유량 목표값 Fs_t 및 공기 압력 목표값 Pc_t로부터, 미리 설계된 맵을 사용하여 바이패스 유량 추정값 Fb_e를 산출한다. 바이패스 유량 추정값 Fb_e는, 스택 유량 목표값 Fs_t가 클수록 및 공기 압력 목표값 Pc_t가 클수록 크게 값으로서 연산된다. 또한, 컴프레서 유량 목표값 Fco_t로부터 스택 유량 목표값 Fs_t를 감산함으로써 목표 바이패스 유량 Fb_t를 산출한다.
스텝 S130에 있어서 컨트롤러(20)는, 바이패스 유량 추정값 Fb_e가 목표 바이패스 유량 Fb_t보다 큰지 여부를 판정한다. 그리고, 바이패스 유량 추정값 Fb_e가 목표 바이패스 유량 Fb_t 이하라고 판정되면, 스텝 S140으로 진행한다. 스텝 S140에 있어서, 컨트롤러(20)는 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시킨다. 한편, 스텝 S130에 있어서, 바이패스 유량 추정값 Fb_e가 목표 바이패스 유량 Fb_t보다 크다고 판정되면, 스텝 S150으로 진행한다. 스텝 S150에 있어서, 컨트롤러(20)는 바이패스 밸브(32)의 개방도를 감소시킨다.
또한, 본 실시 형태에서는 고압 탱크(60)로부터 촉매 연소기(36)에 직접 수소를 공급하는 구성이었지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 애노드 순환계의 연료 전지 시스템에 있어서 애노드 순환 통로를 흐르는 애노드 배기 가스의 일부를 촉매 연소기(36)에 공급하는 구성으로 해도 된다.
또한 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템(100)의 제어에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 시스템의 부하 요구를 대표하는 파라미터로서 스택 전류 목표값을 사용하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 부하 장치(110)에 있어서의 부하량에 상관되는 파라미터라면, 전력 목표값이나 전압 목표값 등의 다른 다양한 파라미터를 사용해도 된다.
이상 설명한 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100) 및 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법에 의하면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.
본 실시 형태에 따르면, 연료 전지 시스템(100)은, 애노드 가스 및 캐소드 가스의 공급을 받아서 발전하는 연료 전지인 연료 전지 스택(10)과, 연료 전지 스택(10)에 캐소드 가스를 공급하는 컴프레서(50)와, 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 캐소드 배기 가스의 공급을 받아서 동력을 생성하는 터빈(52)과, 컴프레서(50) 및 터빈(52)에 연결되어 역행과 회생을 행하는 전동 모터로서의 컴프레서 구동 모터(54)와, 연료 전지 스택(10)과 터빈(52) 사이에 설치되어 캐소드 가스와 애노드 가스를 혼합하여 연소시키는 연소기로서의 촉매 연소기(36)와, 컴프레서(50)로부터 연료 전지 스택(10)에 공급되는 캐소드 가스를 냉각시키는 냉각기로서의 애프터 쿨러(28)와, 애프터 쿨러(28)의 상류로부터 애프터 쿨러(28)와 연료 전지 스택(10)을 바이패스하여 촉매 연소기(36)에 캐소드 가스를 공급하는 바이패스 통로(33)와, 바이패스 통로(33)에 설치된 바이패스 밸브(32)를 구비한다.
이것에 의하면, 컴프레서(50)로부터 토출되는 공기 중, 연료 전지 스택(10)의 발전에 비하여 잉여적인 공기를, 바이패스 통로(33)를 통해 촉매 연소기(36)에 공급할 수 있다. 따라서, 터빈(52)의 회수 동력을 향상시키도록, 컴프레서(50)의 유량을 증가시켰다고 해도, 잉여적인 공기를 바이패스 밸브(32)를 통해 직접 촉매 연소기(36)에 공급할 수 있다.
이에 의해, 터빈(52)의 회수 동력에 의해, 컴프레서(50)의 동력이나 컴프레서 구동 모터(54)의 회생을 위한 동력을 조달하면서, 연료 전지 스택(10)의 발전에 비하여 잉여적인 공기를 애프터 쿨러(28)로 흘리는 것을 회피할 수 있다.
따라서, 연료 전지 스택(10)의 부하로의 전력을 터빈(52)의 회수 동력에 의해 보충하여 연료 전지 스택(10)이 발전해야 할 전력량을 감소시켜, 연료 전지 스택(10)의 최고 출력 성능을 억제하고, 연료 전지 스택(10)의 사이즈를 소형화할 수 있다.
그리고, 상술한 바와 같이, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 향상시키기 위해 컴프레서 유량 Fco를 증가시켰다고 해도, 잉여의 공기는, 애프터 쿨러(28)의 상류로부터 바이패스 통로(33)를 통해 촉매 연소기(36)에 공급되게 된다. 이에 의해, 터빈(52)에 의한 회수 동력의 증가를 실현하면서, 애프터 쿨러(28)로의 고온 공기의 다량의 유입을 억제할 수 있어, 애프터 쿨러(28)에 있어서의 방열량을 저감시킬 수 있다. 따라서, 애프터 쿨러(28)의 사이즈 및 라디에이터(77)의 사이즈를 소형화할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 따르면, 연료 전지 스택(10) 및 애프터 쿨러(28)의 양쪽의 소형화를 실현할 수 있으므로, 연료 전지 시스템(100) 전체의 소형화에 이바지하게 되고, 연료 전지 시스템(100)을 차량 탑재하는 경우 등과 같이 시스템 설치 스페이스가 한정되어 있는 경우에도 대응할 수 있다.
따라서, 본 실시 형태의 컴프레서 동력 공급 기구(16)가 실장된 연료 전지 시스템(100)은, PEM 등의 비교적 저온에서 동작하는 연료 전지 스택(10)에 있어서도 적합하게 적용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템(100)은, 컨트롤러(20)가 시스템의 부하 요구인 요구 출력에 기초하여 바이패스 밸브(32)를 제어하는 제어부로서 기능한다. 이에 의해, 요구 출력에 따라서 필요한 터빈(52)에 의한 회수 동력에 따라서 증가한 컴프레서 유량 Fco에 관하여, 스택 유량에 대한 잉여 공기를 보다 확실하게 바이패스 통로(33)로 흐르게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템(100)에서는, 컨트롤러(20)가 대기압에 대한 컴프레서(50)의 압력비 Prc의 목표값인 압력비 목표값에 기초하여 바이패스 밸브(32)의 개방도를 제어하는 제어부로서 기능한다.
이에 의해, 컴프레서 토출 온도와 상관하는 압력비 Prc에 대해서, 그 목표값인 압력비 목표값에 기초하여 바이패스 밸브(32)의 개방도가 정해지게 되므로, 컴프레서 토출 온도를 직접 검출하지 않고, 시스템의 고부하 상태(요구 출력이 상대적으로 높은 상태)를 고정밀도로 검지할 수 있다. 이에 의해, 바이패스 밸브(32)의 개방도의 증가를, 보다 확실하게 시스템의 고부하 상태에 따라서 행할 수 있으며, 결과적으로, 애프터 쿨러(28)로의 잉여 공기의 유입을 보다 확실하게 저감시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템(100)에서는, 컨트롤러(20)는 터빈(52)의 입구 온도(터빈 입구 온도 Tt)가 상한에 달한 후에, 컴프레서 유량 Fco를, 연료 전지 스택(10)이 요구하는 유량인 요구 스택 유량보다도 증가시키는 제어부로서 기능한다.
여기서, 터빈(52)의 회수 동력은 터빈 입구 온도 Tt가 높을수록 커지지만, 터빈 입구 온도 Tt는 부품의 내열성 등을 고려한 허용 상한 온도 Tt_tmax보다도 높일 수는 없다. 따라서, 터빈 입구 온도 Tt가 허용 상한 온도 Tt_tmax에 도달한 경우, 터빈 입구 온도 Tt가 증가되지 않도록, 컴프레서 유량 Fco를 요구 스택 유량보다도 높게 하여 터빈 유입 유량 Ft를 증가시킴으로써 터빈(52)의 회수 동력을 보다 증가시킬 수 있다. 또한, 이 경우에 바이패스 밸브(32)를 증가시킴으로써, 애프터 쿨러(28)로의 잉여 공기의 유입이 발생하는 상황에 있어서 적확하게 이것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템(100)에서는, 컨트롤러(20)는, 연료 전지 스택(10)에 접속되는 부하에 기초하여 정해지는 시스템 요구 출력(요구 출력)과, 연료 전지 스택(10)이 출력하는 것이 가능한 출력 가능 전력에 기초하여 컴프레서 유량 Fco를 제어하는 제어부로서 기능한다.
이에 의해, 요구 출력과 출력 가능 전력에 따라서 적합하게 터빈 유입 유량 Ft를 조절할 수 있어, 터빈(52)의 회수 동력을 보다 적합하게 얻을 수 있다.
특히, 요구 출력에 비하여 출력 가능 전력이 더 부족함에 따라서, 컴프레서 유량 Fco를 더 크게 함으로써, 연료 전지 스택(10)의 발전 전력의 부족분을 터빈(52)으로부터 회수할 수 있는 동력에 의해 적절하게 보충할 수 있다. 또한, 이 경우에 바이패스 밸브(32)를 증가시킴으로써, 애프터 쿨러(28)로의 잉여 공기의 유입이 발생하는 상황에 있어서 적확하게 이것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의한 연료 전지 시스템(100)에서는, 애프터 쿨러(28)에서 교환한 열을, 냉각수를 통해 연료 전지 스택(10)으로 전열시키는 것이 가능하다. 이에 의해, 예를 들어 난기 시 등의 연료 전지 스택(10)으로의 열공급이 요구되는 장면에 있어서, 컴프레서(50)로부터 토출된 고온 공기의 열을 연료 전지 스택(10)에 공급할 수 있다. 이에 의해, 시스템의 에너지 효율의 향상에 이바지하게 된다.
(제2 실시 형태)
다음으로 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템에 대하여 설명한다. 또한, 제1 실시 형태와 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
도 12는, 본 실시 형태에 있어서의 스택 유량 목표값 및 컴프레서 유량 목표값 Fco_t를 산출하는 기능을 나타내는 블록도이다. 본 실시 형태는, 제1 실시 형태와 같이, 스택 요구 컴프레서 유량 산출 블록(B303)에 압력비 목표값 Pc_t/Pai_d를 입력하는 대신에, 컴프레서 토출 온도 센서(27)에서 검출되는 컴프레서 토출 온도 검출값 Tc_d를 입력한다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 스택 요구 컴프레서 유량 산출 블록(B303)은, 입력된 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco 및 컴프레서 토출 온도 검출값 Tc_d에 기초하여, 미리 정해진 맵에 의해 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 산출한다.
도 13은, 컴프레서 토출 온도에 따른 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco와 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr의 관계를 나타내는 맵이다.
도시한 바와 같이, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 음의 값인 경우(연료 전지 스택(10)의 발전 전력이 부족하지 않은 경우)에는, 당해 컴프레서 모터로의 요구 전력 Wco가 소정값 Wco1에 도달할 때까지, 컴프레서 토출 온도 검출값 Tc_d의 값에 관계없이, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 소정값 Fco_sr1까지 증가시킨다. 이 소정값 Fco_sr1은, 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 따라서 정해지는 스택 유량에 상당하는 값이다. 즉, 이렇게 발전 전력이 부족하지 않은 상황에 있어서는, 컴프레서 구동 모터(54)를 역행 모드에서 작동시키므로, 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 기초하는 유량을 초과한 컴프레서 유량을 설정할 필요는 없고, 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 따라서 정해지는 스택 유량에 상당하는 컴프레서 유량을 설정할 것을 의도하고 있다.
한편, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 양의 값인 경우(연료 전지 스택(10)의 발전 전력이 부족한 경우)에는, 컴프레서 토출 온도 검출값 Tc_d에 따라서 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr이 설정된다.
우선, 컴프레서 토출 온도 검출값 Tc_d를 가장 작게 설정하는 경우(저온 시)는, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco의 크기에 관계없이, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 증가시키지 않고 상기 소정값 Fco_sr1로 설정된다. 이렇게 저온 시에 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 소정값 Fco_sr1 이상으로 증가시키지 않게 하는 이유는, 저온 시에는 캐소드계 압력 손실이 커서 터빈(52)에 의한 회수 동력이 낮아지므로, 컴프레서 유량을 증가시켜 터빈 가스 유입 유량을 증가시켰다고 해도, 터빈(52)에 의한 회수 동력의 대폭적인 향상을 바랄 수 없기 때문이다.
이어서, 컴프레서 토출 온도 검출값 Tc_d가 상기 저온 시보다도 큰 중간값으로 설정하는 경우(중온 시)는, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 소정값 Wco2에 도달한 이후에는, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 기초하는 소정값 Fco_sr1로부터 소정값 Fco_sr2까지 증가시킨다.
이와 같이, 중온 시에 있어서 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 기초하는 소정값 Fco_sr1보다 증가시키는 이유는, 발전 전력의 부족을 해소하기 위해, 컴프레서 구동 모터(54)로부터 회생 전력을 얻도록, 터빈 가스 유입 유량을 증가시키기 때문이다. 그러나, 중온 시에는, 여전히 캐소드계 압력 손실이 크기 때문에, 터빈 가스 유입 유량을 크게 증가시켜도 일정 이상의 회수 동력은 바랄 수 없기 때문에, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 증가시킬 수 있는 한도에서 컴프레서 유량을 증가시키기 위해, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 소정값 Fco_sr2까지 증가시킨다. 또한, 본 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr의 증가에 따라서, 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시켜, 연료 전지 스택(10)에 의해 요구되는 유량 이상의 캐소드 가스를, 애프터 쿨러(28)로 흐르지 않게 한다.
또한, 컴프레서 토출 온도 검출값 Tc_d를 가장 큰 값으로 설정하는 경우(고온 시)에는, 컴프레서 모터에의 요구 전력 Wco가 소정값 Wco3에 도달하는 이후에, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 상기 소정값 Fco_sr1로부터 증가시킨다.
이와 같이, 고온 시에 있어서도, 컴프레서 구동 모터(54)로부터 회생 전력을 얻도록 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr을 연료 전지 스택(10)의 요구 발전 전력에 기초하는 소정값 Fco_sr1보다 증가시킨다. 그리고, 고온 시에 있어서는, 캐소드계 압력 손실이 작기 때문에, 터빈 가스 유입 유량을 크게 증가시켜, 터빈(52)에 의한 회수 동력을 일정 이상으로 증가시킬 수 있다.
여기서, 고온 시에 있어서도, 스택 요구 컴프레서 유량 Fco_sr의 증가에 따라서, 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시켜, 연료 전지 스택(10)에 의해 요구되는 유량 이상의 캐소드 가스를, 애프터 쿨러(28)로 흐르지 않게 한다.
또한, 본 실시 형태에 있어서의 바이패스 밸브(32)의 개폐 제어는, 도 11에 의해 설명한 제1 실시 형태에 있어서의 바이패스 밸브(32)의 개방도 제어와 동일하다.
이상 설명한 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)은 이하의 작용 효과를 발휘한다.
본 실시 형태에 따르면, 컨트롤러(20)는, 컴프레서(50)로부터 토출되는 공기의 온도인 컴프레서 토출 온도에 기초하여 바이패스 밸브(32)의 개방도를 제어하는 제어부로서 기능한다.
이에 의해, 연료 전지 스택(10)의 부하에 따라서 변화되는 컴프레서 토출 온도에 따라서 바이패스 밸브(32)의 개방도를 제어하고, 터빈 유입 유량 Ft를 조절할 수 있다. 예를 들어, 시스템의 고부하 시에 상대적으로 고온이 되는 컴프레서 토출 온도에 따라서 바이패스 밸브(32)의 개방도를 증가시킴으로써, 바이패스 밸브(32)의 개방도의 증가 타이밍을 시스템의 고부하 상태로 보다 확실하게 맞출 수 있으며, 결과적으로, 애프터 쿨러(28)로의 잉여 공기의 유입을 보다 확실하게 저감시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.
본원은, 2016년 3월 22일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2016-056453호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.

Claims (8)

  1. 애노드 가스 및 캐소드 가스의 공급을 받아서 발전하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 상기 캐소드 가스를 공급하는 컴프레서와,
    상기 연료 전지로부터 배출되는 캐소드 배기 가스의 공급을 받아서 동력을 생성하는 터빈과,
    상기 컴프레서 및 상기 터빈에 연결되어 역행과 회생을 행하는 전동 모터와,
    상기 연료 전지와 상기 터빈 사이에 설치되어 상기 캐소드 가스와 애노드 가스를 혼합하여 연소시키는 연소기와,
    상기 컴프레서로부터 상기 연료 전지에 공급되는 상기 캐소드 가스를 냉각시키는 냉각기와,
    상기 냉각기의 상류로부터 상기 냉각기와 상기 연료 전지를 바이패스하여 상기 연소기에 상기 캐소드 가스를 공급하는 바이패스 통로와,
    상기 바이패스 통로에 설치된 바이패스 밸브와,
    시스템 요구 출력에 기초하여 상기 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 시스템 요구 출력이 소정 출력 이상인 경우에, 시스템 요구 출력의 증대에 대하여 상기 바이패스 밸브의 개방도를 증대시키는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 대기압에 대한 상기 컴프레서의 압력비의 목표값에 기초하여 상기 바이패스 밸브의 개방도를 제어하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료 전지에 접속되는 부하에 기초하여 정해지는 시스템 요구 출력과, 상기 연료 전지가 출력하는 것이 가능한 출력 가능 전력에 기초하여 상기 컴프레서의 유량을 제어하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각기는 상기 연료 전지와 열교환을 행하는, 연료 전지 시스템.
  5. 애노드 가스 및 캐소드 가스의 공급을 받아서 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 상기 캐소드 가스를 공급하는 컴프레서와, 상기 연료 전지로부터 배출되는 캐소드 배기 가스의 공급을 받아서 동력을 생성하는 터빈과, 상기 컴프레서 및 상기 터빈에 연결되어 역행과 회생을 행하는 전동 모터와, 상기 연료 전지와 상기 터빈 사이에 설치되어 상기 캐소드 가스와 애노드 가스를 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 컴프레서로부터 상기 연료 전지에 공급되는 상기 캐소드 가스를 냉각시키는 냉각기와, 상기 냉각기의 상류로부터 상기 냉각기와 상기 연료 전지를 바이패스하여 상기 연소기에 상기 캐소드 가스를 공급하는 바이패스 통로와, 상기 바이패스 통로에 설치된 바이패스 밸브를 구비하는 연료 전지 시스템에서 실행되는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    시스템 요구 출력에 기초하여 상기 바이패스 밸브를 제어하고,
    시스템 요구 출력이 소정 출력 이상인 경우에, 시스템 요구 출력의 증대에 대하여 상기 바이패스 밸브의 개방도를 증대시키는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 애노드 가스 및 캐소드 가스의 공급을 받아서 발전하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 상기 캐소드 가스를 공급하는 컴프레서와,
    상기 연료 전지로부터 배출되는 캐소드 배기 가스의 공급을 받아서 동력을 생성하는 터빈과,
    상기 컴프레서 및 상기 터빈에 연결되어 역행과 회생을 행하는 전동 모터와,
    상기 연료 전지와 상기 터빈 사이에 설치되어 상기 캐소드 가스와 애노드 가스를 혼합하여 연소시키는 연소기와,
    상기 컴프레서로부터 상기 연료 전지에 공급되는 상기 캐소드 가스를 냉각시키는 냉각기와,
    상기 냉각기의 상류로부터 상기 냉각기와 상기 연료 전지를 바이패스하여 상기 연소기에 상기 캐소드 가스를 공급하는 바이패스 통로와,
    상기 바이패스 통로에 설치된 바이패스 밸브와,
    상기 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 시스템 요구 출력이, 상기 터빈의 입구 온도가 허용 상한 온도에 달하는 소정 출력 이상의 경우에, 상기 컴프레서의 유량을 상기 연료 전지가 요구하는 유량보다도 증가시키고, 상기 바이패스 밸브의 개방도를 증대시키는, 연료 전지 시스템.
  8. 삭제
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