KR100514318B1

KR100514318B1 - 연료전지 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100514318B1
Application number: KR10-2003-7008669A
Authority: KR
Inventors: 사카이히로마사; 이와사키야스카즈
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2005-09-13
Also published as: KR20040044396A; JP3702827B2; WO2003032424A3; WO2003032424A2; CN1572037A; JP2003115320A; EP1495507A2; US20040028970A1

Abstract

수소포함 가스와 산소포함 가스가 공급되는 연료전지(29), 수소포함 가스와 산소포함 가스 중 하나 또는 양쪽을 물탱크(19)로부터의 물을 이용하여 가습하는 가습장치(73, 31), 연료전지로부터 물을 회수하여 물회수장치에 의해 회수된 물을 물탱크로 되돌리는 물회수장치(73, 31), 외기온도를 검출하는 외기온도 센서(69), 및 외기온도 센서에 의해 검출된 외기온도가 소정의 온도를 초과하는 경우에 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기를 포함한 배기를 증가시키는 고온제어를 수행하는 제어기(57)를 구비하는 연료전지 시스템.

Description

연료전지 시스템 및 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 연료전지 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 연료전지로부터 배출된 배기로부터 물을 회수하여 재이용하도록 하는 연료전지 시스템 및 방법에 관한 것이다.

전기자동차등의 차량용 연료전지 시스템에서, 생성된 물 및 가습용 물을 연료전지의 배기로부터 회수하여 재이용하는 구조가 제공되고 있었다.

일본 특허공개 제2001-23678호는 연료전지 시스템을 개시한다. 이 연료전지 시스템은, 연료전지로부터 배출된 배출가스로부터 물을 회수하는 응축기, 회수된 물을 저장하는 물탱크, 및 물탱크로부터의 물을 사용하여 메탄올을 개질하는 개질기를 포함한다. 이러한 구조에 있어서, 응축기로부터 배출된 배기의 온도에 따라, 연료전지 시스템 내에서 물수지(water balance)가 평형이 되는 평형운전압력을 계산하고, 평형운전압력 이상되는 범위의 운전점 하에서 연료전지를 운전한다.

일본 특허공개 제H5-74477호는 연료전지 발전플랜트의 출력제한장치를 개시한다. 이 연료전지 발전플랜트의 출력제한장치는, 배기열 제거장치로서 냉각탑을 구비하고, 냉각탑의 공기 입구의 대기온도를 검출한다. 출력상한값 함수발생기는 상기 대기온도로부터 출력상한값을 계산한다. 출력상한값은 연료전지 발전플랜트에서 생성된 잉여열 및 냉각탑의 최대열방사능력을 동등하게 하는 열량에 대응한다.

일본 특허공개 제H8-250130호는 다공성 양극판을 갖춘 연료전지를 개시한다.

도 1은 본 발명에 따른 제1 실시예의 연료전지 시스템을 탑재한 연료전지 자동차의 전체 구성을 나타내는 시스템 구성도이다.

도 2는 제1 실시예의 도 1에 나타난 연료전지 시스템의 제어 블록도이다.

도 3은 제1 실시예의 도 1에 나타난 연료전지 시스템에서, 물탱크의 수위(Lw)에 대한 연료전지 운전압력의 목표값(Pfc1)의 맵을 나타내는 도면이다.

도 4는 제1 실시예의 도 1에 나타난 연료전지 시스템에서, 수위가 낮은 수준으로 유지되는 경우에 외기온도(Tatm)에 대한 연료전지의 출력 상한값(PWlim)의 맵을 나타내는 도면이다.

도 5는 제1 실시예의 도 1에 나타난 연료전지 시스템에서, 물수지를 달성하는 값으로 압력이 유지되는 경우에, 외기온도(Tatm)에 대한 라디에이터의 방열량(QR)을 나타내는 도면이다.

도 6은 제1 실시예의 도 1에 나타난 연료전지 시스템에서, 수위가 보통 수준으로 유지되는 경우에 외기온도(Tatm)에 대한, 부하에 따른 연료전지 운전압력의 상한값(Pfclim)의 맵을 나타내는 도면이다.

도 7은 제1 실시예의 도 1에 나타난 연료전지 시스템의 기본적인 운전순서를 나타내는 일반적인 흐름도이다.

도 8은 본 발명에 따른 제2 실시예의 연료전지 시스템을 탑재한 연료전지 자동차의 전체 구성을 나타내는 시스템 구성도이다.

도 9는 제2 실시예의 도 8에 나타난 연료전지 시스템의 기본적인 운전순서를 나타내는 일반적인 흐름도이다.

도 10은 본 발명에 따른 제3 실시예의 연료전지 시스템의 기본적인 운전순서를 나타내는 일반적인 흐름도이다.

도 11은 제3 실시예의 도 10에 나타난 기본적인 운전순서를 나타내는 타이밍도이다.

그러나, 일본 특허공개 제2001-23678호에 개시된 연료전지 시스템에 있어서, 평형상태에서 물수지를 유지하기 위해 항상 평형운전압력을 확보하면서 대량의 출력을 얻기 위해서는, 극도로 많은 열방사가 수행되어야 한다는 것을 발명자들의 상당한 연구개발로 밝혀냈다. 특히, 대기온도가 높게 유지되는 경우에는, 라디에이터가 공기와 물의 온도차를 가질 수 없고, 따라서 큰 방열계수를 갖는 라디에이터가 필요하므로 냉각 시스템의 부피 및 무게가 증가하게 된다.

즉, 구조적인 구성부품의 크기가 제한되는 차량에 연료전지 시스템을 적용하는 경우에, 매우 큰 냉각 시스템을 성공적으로 둘러싸는 레이아웃을 차량 내에 제공하기가 곤란하다. 그러나, 이러한 경우에 냉각 시스템이 소용량을 갖도록 하면서 효율적으로 물을 회수하려는 시도를 포기한다면, 연료전지 시스템의 운전압력은 낮아지고, 전기전도도가 매우 낮고 이용도가 낮은 순수(pure water)를 개질하면서 차량이 주행을 계속해야 하는 심각한 상황에 처하게 된다. 그리고, 소용량을 갖는 냉각 시스템에서, 대기온도가 높은 경우에 연료전지 시스템이 고출력을 생성하도록 운전되어야 한다면, 연료전지의 온도는 불가피하게 증가하여 허용한계를 넘는 극도의 고온이 된다.

또한, 일본 특허공개 제H5-74477에 개시된 연료전지 발전플랜트의 출력제한장치는, 대기온도가 효과적인 방열이 어려워지는 소정의 수준을 초과하는 경우에, 연료전지 발전플랜트의 출력을 제한하도록 구성된다. 이 구조를 차량에 적용한다면, 한 여름에, 연료전지의 최대출력을 제한해야할 필요가 항상 있고, 차량의 동력성능이 저하되어 급가속과 같은 요구를 만족시킬 수 없게 된다는 것을 생각할 수 있다.

본 발명은 상술한 연구를 기초로 하여 완성되었고, 본 발명의 목적은, 차량에 다양한 응용을 제공하기 위해 냉각 시스템의 크기 및 무게의 증가를 제한하는 한편 순수를 공급할 필요가 없으며, 높은 대기온도에서도 연료전지의 출력을 제한하지 않고 급가속에 대한 요구를 만족시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 방법을 실제로 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 관점에 따라, 연료전지 시스템은, 수소포함 가스 및 산소포함 가스가 공급되는 연료전지; 상기 수소포함 가스와 상기 산소포함 가스 중 하나 또는 양쪽을 물탱크로부터의 물을 이용하여 가습하는 가습장치; 상기 연료전지로부터 물을 회수하는 물회수장치로서, 상기 물회수장치에 의해 회수된 물은 상기 물탱크로 되돌아가는 물회수장치; 외기온도를 검출하는 외기온도 센서; 및 상기 외기온도 센서에 의해 검출된 외기온도가 소정의 온도를 초과하는 경우에 상기 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기를 포함한 배기를 증가시키는 고온제어를 수행하는 제어기를 구비한다.

또 하나의 방식으로, 연료전지 시스템은, 수소포함 가스 및 산소포함 가스가 공급되는 연료전지; 상기 수소포함 가스와 상기 산소포함 가스 중 하나 또는 양쪽을 물탱크로부터의 물을 이용하여 가습하는 가습수단; 상기 연료전지로부터 물을 회수하는 물회수수단으로서, 상기 물회수수단에 의해 회수된 물은 상기 물탱크로 되돌아가는 물회수수단; 외기온도를 검출하는 외기온도 검출수단(69); 및 상기 외기온도 검출수단에 의해 검출된 외기온도가 소정의 온도를 초과하는 경우에 상기 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기를 포함한 배기를 증가시키는 고온제어를 수행하는 제어수단을 구비한다.

한편, 본 발명의 다른 관점에 따라, 수소포함 가스 및 산소포함 가스를 연료전지로 공급하는 단계; 상기 수소포함 가스와 상기 산소포함 가스 중 하나 또는 양쪽을 물탱크로부터의 물을 이용하여 가습하는 단계; 상기 연료전지로부터 물을 회수하는 단계로서, 상기 회수된 물을 상기 물탱크로 순환시키는, 물을 회수하는 단계; 외기온도를 검출하는 단계; 및 검출된 외기온도가 소정의 온도를 초과하는 경우에 상기 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기를 포함한 배기를 증가시키는 고온제어를 수행하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템을 제어하는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 추가적인 특징, 이점, 및 이익은 첨부된 도면과 결합하여 이하의 설명으로부터 좀 더 명확해질 것이다.

본 발명을 이하에서 좀 더 상세하게 설명하기 위해서, 이제부터 본 발명의 각 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 연료전지 시스템 및 그 관련 방법이 연료전지 자동차에 적용된 예와 함께 각 실시예를 설명한다.

(제1 실시예)

우선, 본 발명에 따른 제 1실시예의 연료전지 시스템 및 그 관련 방법을 도 1 내지 7을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템(S)을 탑재한 연료전지 자동차(10)의 전체 구성을 나타내는 전체 시스템 구성도이다. 또한, 도 1에 나타난 킥 다운 신호(KD)는 본 실시예에서는 사용되지 않고, 이하에서 설명할 제3 실시예에서 사용된다.

도 1에서, 개질기(13)는, 선(17)을 통해 연료탱크(15)로부터 공급된 연료를 형성하는 메탄올을, 선(21)을 통해 물탱크(19)로부터 공급된 순수를 이용하여 수증기 개질함으로써, 선(23)을 통해 연료전지(29)로 공급할 수소를 포함한 개질가스를 생성한다. 또한, 개질기(13)는, 선(27)을 통해 컴프레서(25)로부터 공급되는 공기 및 선(17)을 통해 연료탱크(15)로부터 공급되는 메탄올을 부분산화하여 개질가스를 생성하는 경우도 있다. 이러한 연결에서, 수증기개질 프로세스는 흡열반응을 이용하고, 부분산화는 발열반응을 이용한다는 것에 주목해야 한다.

선(23)을 통해 개질기(13)로부터 공급된 개질가스 및 선(28)을 통해 컴프레서(25)로부터 공급된 공기는, 연료전지(29)(연료전지 스택)의 여러 쌍의 연료전극(29a) 및 공기전극(29b)으로 각각 보내지고, 개질가스에 포함된 수소와 공기에 포함된 산소 사이에 전기화학반응을 일으켜 직류전력을 생성한다. 여기에서, 개질가스에 포함된 수소와 공기에 포함된 산소는 연료전지(29) 내에서 전부 소비되지 않고, 이 가스들은 각각 압력조절밸브(63, 65)를 통해 연소기(37)로 보내지며, 이 가스 중 일부는 연료전지(29)에 잔류한다. 또한, 공기전극(29b)에 공급되는 가스는 반드시 공기를 포함할 필요는 없으며, 산소를 포함한 가스를 포함하더라도 충분하다.

연소기(37)는 공기에 잔류한 산소를 이용하여 개질가스에 잔류한 수소를 연소한다. 또한, 연소기(37)에서 발생한 연소반응열은 개질기(13) 내의 메탄올 및 순수를 기화시키는 데 효과적이고, 수증기개질을 수행하는 흡열반응의 열원으로 사용되며, 나머지 배기가스는 외부로 방출된다.

물탱크(19)에 저장된 순수는, 냉각수로서 각각의 공기전극(29b)에 인접한 순수 채널(73)을 통해 연료전지(29)로 유입되고 나서, 중간 열교환기(35)에 유입되고, 다시 물탱크(19)로 복귀하는 방식으로 순환한다. 이 경우에, 물은, 연료전지(29)로 공급된 개질가스와 공기 중에서 하나 또는 양쪽과 냉각수 사이에서, 대응하는 다공성 양극판(porous bipolar plates, 미도시)을 통해 교환된다. 즉, 순수 채널(73)은, 연료전지(29)를 냉각시키는 냉각수를 공급하기에 유용할 뿐 아니라, 공급가스를 가습하는 가습장치로서 기능하기에도 유용함과 동시에, 연료전지(29)에서의 수소 및 산소의 전기화학반응을 통해 생성된 물과, 가습 목적으로 사용한 물의 일부를, 냉각수 내로 회수할 수 있게 하는 물회수장치로서 기능한다.

이 때, 중간 열교환기(35)는 순수 채널(73)의 순수와 LLC 채널(75)의 LLC 사이에 열교환을 수행하는 열교환기의 형태를 취한다. LLC 채널(75)은 중간 열 교환기(35)와 라디에이터(41) 사이에 LLC(롱라이프 냉각제(long life coolant): 부동액)를 순환시키는 기능을 하고, 중간 열교환기(35)에서 순수로부터 빼앗은 열을 라디에이터(41)를 통해 외부로 배출하도록 한다. 또한, 연료전지(29)의 냉각계는, 자동차와 같은 차량에 용이하게 장착하고 순수 순환계의 결빙방지를 용이하게 하기 위해 서로 분리된 순수 채널(73) 및 LLC 채널(75)을 포함한다.

2차전지(45)는, 연료전지(29)에 의해 발전된 전력, 및 전력조정기(49)를 이용하여 차량이 감속하는 동안 전기 모터(47)가 발전한 회생전력(regenerative power)을 저장하는 한편, 연료전지 시스템(S)의 기동시와 차량의 발진가속시에 부족한 전력을 연료전지(29)의 부속품과 모터(47)에 공급하는 기능을 한다.

연료전지(29)에 의해 발전된 전력이, 모터(47)에서 소비되는 주행전력 및 컴프레서(25), 개질기(13), 연소기(37)와 같은 부속품에서 소비되는 부속품전력을 마련할 수 없는 경우에는, 전력조정기(49)는 전력제어기(51)로부터의 제어 신호에 응답하여 2차전지(45)로부터 모터(47) 및 관련 부속품으로 전력을 분배한다. 또한, 전력조정기(49)의 내부에는 연료전지(29)에 의해 발전된 전력의 전압(V) 및 전류(I)를 각각 검출하는 전압센서 및 전류센서가 제공되어, 검출신호를 시스템 제어장치(57)로 보낸다.

전력제어기(51)는, 전력조정기(49)를 통해 전력이 분배되도록 하는 한편, 가속기 위치센서(55)가 검출한 가속페달(53)의 증가변위(incremental displacement)량을 지시하는 가속기 개방신호(APO)에 응답하여 전력조정기(49)를 통해 모터(47)로 공급되는 전력량을 제어한다. 또한, 모터(47)의 출력토크는, 기어감속(gear reduction) 및 차동기어(differential gear) 기능을 갖는 기어감속장치(77)를 통해 각 구동휠의 타이어(79, 79)로 전달되어, 연료전지 자동차(10)를 구동한다.

압력센서(59)는, 선(28)에 배치되어, 컴프레서(25)로부터 연료전지(29)로 공급되는 공기의 압력(PA)을 검출하여, 공기압력을 지시하는 검출신호를 생성하고, 시스템 제어장치(57)로 보낸다. 또한, 압력센서(61)는 선(23)에 배치되어, 개질기(13) 로부터 연료전지(29)로 공급되는 개질가스의 압력(PR)을 검출하여, 개질가스압력을 지시하는 검출신호를 생성하고, 시스템 제어장치(57)로 보낸다.

압력조절밸브(63)는, 연료전지(29)와 연소기(37) 사이의 선(62)에 배치되어, 연료전지(29)로부터 연소기(37)로 공급되는 배출 개질가스의 압력을 조절한다. 또한, 압력조절밸브(65)는, 연료전지(29)와 연소기(37) 사이의 선(64)에 배치되어, 연료전지(29)로부터 연소기(37)로 공급되는 배출 공기의 압력을 조절한다.

외기온도센서(69)는 외기의 온도(Tatm)를 검출하여, 시스템 제어장치(57)로 전달되는 외기온도 신호를 생성한다.

수위센서(71)는 물탱크(19)에 배치되어 저장된 순수의 수위(Lw)를 검출하여, 시스템 제어장치(57)로 전달되는 물탱크 수위신호를 생성한다.

시스템 제어장치(57)는 압력센서(59)가 검출한 공기압력값 및 압력센서(61)가 검출한 개질가스 압력신호를 감시하여, 압력조절밸브(63, 65)의 개방정도를 조절함으로써, 연료전지(29)의 운전압력을 제어한다. 또한, 시스템 제어장치(57)는, 전력조정기(49)에 포함된 전압센서와 전류센서가 각각 검출한 전압(V)과 전류(I)에 따라 연료전지 시스템의 운전부하를 계산한다.

또한, 외기온도 센서(69)가 소정의 온도 이상의 외기온도의 존재를 검출한 경우에, 시스템 제어장치(57)는, 외기온도에 따라 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기의 유량을 증가시키는 고온제어를 수행하여, 고온에서의 운전 동안에 연료전지(29)로부터 대량의 수증기를 포함한 배기를 방출함으로써 대량의 기화열을 배출하는 제어를 한다.

한편, 연료전지(29)로 공급되는 공기 및 개질가스의 가스압력(실질적으로 서로 동일한 값을 갖는다고 판단되고 연료전지(29)의 운전압력과 일치한다)이 높아질수록, 연료전지(29)에서 회수되는 물의 양도 많아질 것이다. 반대로, 가스압력이 감소함에 따라 회수되는 물의 양도 감소하지만, 회수된 물의 감소량은 외부로 배기되는 수증기가 되어 수증기 및 여기에 포함된 잠열을 방출함으로써, 연료전지(29)의 온도를 감소시킨다.

이 때, 연료전지 시스템은, 연료전지(29)로 공급되는 공급가스를 형성하는 공기(27) 및 개질가스(23)의 가스압력을 각각 선(28, 23)에 배치된 압력센서(59, 61)에 의해 검출하여, 연료전지(29)의 배기 수소선(62) 및 배기 공기선(64)에 각각 배치된 압력조절밸브(63, 65)의 개방정도를 각각 제어함으로써, 소정의 운전압력에서 연료전지(29)를 제어하는 구조이다.

도 2는 시스템 제어장치(57)의 블록도를 나타낸다.

도 2에서, 시스템 제어장치(57)는 연료전지(29)의 운전압력의 제어 및 외기온도 센서(69)의 검출값에 따라 높은 운전온도에서의 제어를 수행하는 구조를 갖는다.

특히, 시스템 제어장치(57)는, 출력상한 계산부(101), 셀렉트-로우(select-low) 회로(102), 스위치(103), 압력상한 계산부(104), 비교기(105), 제1 목표값 계산부(106) 및 셀렉트-로우 회로(107)를 포함한다.

상세하게는, 출력상한 계산부(101)는, 외기온도(Tatm)에 대한 연료전지(29)의 출력 상한값(PWlim)을 기억하는 외기온도-출력 상한값 맵(이하의 도 4에서 나타난다)을 참조하여, 연료전지(29)의 출력 상한값(PWlim)을 계산한다. 셀렉트-로우 회로(102)는 출력 상한값(PWlim)과 요구출력(PWd) 중에서 작은 값을 출력한다. 스위치(103)는 셀렉트-로우 회로(102)의 출력과 요구출력(PWd) 사이에서 스위칭하여 연료전지 출력(PWg)을 출력하는 기능을 한다. 이 때, 비교기(105)는, 물탱크 수위(Lw)와 소정의 경계값으로서 메모리(M)에 기억된 수위 최소값(Lwlow)을 비교하여, 선택신호(SC)를 스위치(103)로 보내서, 수위(Lw)가 하한값(Lwlow)을 초과하는 경우에 스위치(103)가 요구출력(PWd)을 선택하도록 하고, 수위(Lw)가 하한값(Lwlow) 보다 낮은 경우에는 셀렉트-로우 회로(102)의 출력을 선택하도록 한다. 이러한 수위 하한값(Lwlow)은, 연료전지(29)가 실질적인 방해물 없이 운전하기 위해서, 연료전지(29)를 통해 순환하는 데 필요한 최소의 물 부피에 대응하는 수위를 나타낸다. 압력상한값 계산부(104)는, 연료전지(29)의 출력(PWg) 및 외기온도(Tatm)에 대한 연료전지(29)의 압력 상한값(Pfclim)을 기억하는 외기온도-압력 상한값 맵(이하에 설명할 도 6에서 나타난다)을 참조하여, 연료전지(29)의 압력 상한값(Pfclim)을 계산한다. 제1 목표값 계산부(106)는, 물탱크 수위(Lw)에 대한 운전압력의 제1 목표값(Pfc1)을 기억하는 물탱크 수위-운전압력 맵(이하에 설명할 도 3에서 나타난다)을 참조하여, 연료전지(29)의 운전압력의 제1 목표값(Pfc1)을 계산한다. 셀렉트-로우 회로(107)는 압력 상한값(Pfclim)과 운전압력의 제1 목표값(Pfc1) 중에서 작은 값을 운전압력 제어 목표값(Pfc)으로 선택한다.

따라서, 시스템 제어장치(57)는, 상술한 방식으로 얻은 운전압력 제어 목표값(Pfc)에 응답하여, 배기 수소선(62) 및 배기 공기선(64)에 배치된 압력조절밸브(63, 65)의 개방정도를 각각 제어함으로써 연료전지(29)의 운전압력을 제어한다.

또한, 연료전지 출력(PWg)은 전력제어기(51)로 전달되고, 연료전지 출력(PWg)에 반응하여 전력조정기(49)를 통해 전력이 분배된다.

도 3은 물탱크 수위(Lw)에 대한 운전압력의 제1 목표값(Pfc1)을 기억하는 물탱크 수위-운전압력 맵을 나타낸다. 이 맵은 물탱크(19)의 수위(Lw)에 따라 연료전지(29)의 운전압력의 제1 목표값(Pfc1)을 결정하도록 설계되고, 이에 의해 물탱크(19)의 수위가 낮아질수록, 연료전지(29)의 운전압력은 높아져서 회수되는 물의 양을 증가시킨다. 반면에, 물탱크(19)의 수위가 높아질수록, 연료전지(29)의 운전압력은 낮아져서 컴프레서(25)의 부하가 감소하게 되고, 연료전지 시스템에 향상된 효율을 제공한다. 또한, 통상의 실시에서, 연료전지(29)의 운전압력(PO)은, 연료전지(29) 운전압력의 제1 목표값(Pfc1)에 대해 예비적으로 구체화된 물탱크(19)의 목표 수위(Lwt)에서 회수되는 물수지가 달성되도록 결정되고, 목표 수위(Lwt) 근처의 값에서 물수지가 달성되도록 한다. 또한, 도면에서, 외기압력은 Patm으로 나타난다.

도 4는 외기온도(Tatm)에 대한 연료전지(29)의 출력 상한값(PWlim)을 기억하는 외기온도-출력 상한값 맵을 나타낸다. 이 맵은, 외기온도(Tatm)에 대한 출력 한계값을 결정하도록, 즉 물수지가 부족하고(in short) 마이너스가 되도록 하지 않는 연료전지(29)의 운전압력(PO)에서 연료전지(29)의 출력 상한값(PWlim)을 결정하도록 설계된다. 이 때, 연료전지(29)의 정격출력은 PWR로 나타나고, 물탱크(19)의 물수지를 달성하여 정격출력(PWR)을 생성하고 물의 부피가 감소하는 것을 방지하는 외기온도(Tatm)의 한계값은 Tlim으로 나타난다. 외기온도가 한계값(Tlim)을 초과한다면, 출력 한계값(PWlim)은 정격출력(PWR)보다 낮은 값으로 감소한다. 또한, 라디에이터(41)의 방열량(QR)은 도 5에서 외기온도(Tatm)에 대해 도시된다. 도 5에 나타나듯이, 물탱크(19)의 물수지를 달성하여 정격출력(PWR)을 생성하고 물의 부피가 감소하는 것을 방지하는 외기온도(Tatm)의 한계값은 Tlim으로 나타나고, 정격출력(PWR)에 대응하는 라디에이터(41)의 방열량은 QO로 나타난다.

도 6은, 연료전지(29)의 출력(운전부하)(PWg) 및 외기온도(Tatm)에 대한, 연료전지(29)의 운전압력 상한에 대응하는 압력 상한값(Pfclim)을 기억하는 외기온도-압력 상한값 맵을 나타낸다. 이 맵에서, 연료전지(29)의 압력 상한값(Pfclim)은, 외기온도(Tatm)가 높아질수록 압력 상한값은 낮아지고, 연료전지(29)의 출력(운전부하)(PWg)이 커질수록 압력 상한값은 낮아지도록 결정된다. 또한, 도면에서, 물탱크(19)의 물수지를 달성하여 정격출력(PWR)을 생성하고 물의 부피가 감소하는 것을 방지하는 외기온도(Tatm)의 한계값은 Tlim으로 나타나고, 물수지가 부족하고 마이너스가 되도록 하지 않는 연료전지(29)의 운전압력은 PO로 나타나며, 연료전지(29)의 하드웨어 설계시에 고려해야 할 운전 압력의 상한은 PD로 나타난다.

또한, 시스템 제어장치(57)에 사용되는 다양한 맵은, 시스템 제어장치(57)에 내부적으로 합체된 메모리(미도시)에 예비적으로 기억된 것들 중에서 채택된다.

다음으로, 시스템 제어장치(57)를 사용하여 연료전지(29)를 제어하는 동작의 기본적인 순서를 설명하는 일반적인 흐름도를 나타내는 도 7을 참조하여, 본 실시예의 동작을 설명한다. 또한, 이 제어는 고정된 시간간격(예를 들어, 10ms)의 각 사이클에 대해 시스템 제어장치(57)에서 수행되게 된다.

도 7의 단계 S10에서 시작할 때, 시스템 제어장치(57)는 외기온도(Tatm), 물탱크 수위(Lw), 및 요구출력(PWd)을 각각 검출한다. 이 때, 요구출력(PWd)은 자동차에 의해 요구되는 연료전지(29)의 출력을 나타내고, 가속기 개방신호(APO) 및 2차전지(45)의 충전상태(SOC)에 의해 기술되는 가속 요구치에 따라 전력제어기(51)에서 계산되며, 요구출력(PWd)은 이후 시스템 제어장치(57)로 보내진다.

다음 단계 S12에서, 물탱크(19)의 수위(Lw) 및 소정의 하한값(Lwlow)을 비교기(105)를 사용하여 비교하고, 물탱크(19)의 수위(Lw)가 하한값(Lwlow)을 초과하는지 판단한다. 그리고, 수위가 소정의 하한치(Lwlow)를 초과한다고 판단되면, 절차는 단계 S14로 진행한다.

즉, 단계 S12에서, 물탱크 수위가 소정의 하한값(Lwlow)을 초과한다고 판단되면, 단계 S14에서, 스위치(103)가 작동되어, 연료전지(29)가 요구출력(PWd)과 동일한 양의 출력(PWg)을 생성하도록 한다.

그리고 단계 S20에서, 운전압력(Pfc)을 결정하기 위해서 도 3에 나타난 맵을 참조하고 연료전지(29)의 제1 목표값 계산부(106)를 이용하여, 연료전지(29)의 운전압력의 제1 목표값(Pfc1)을 물탱크 수위(Lw)에 대해 검색한다.

다음 단계 S22에서, 연료전지(29)의 운전압력(Pfc)을 결정하기 위해서 도 6에 나타난 맵을 참조하고 압력 상한값 계산부(104)를 이용하여, 열적으로 운전압력의 상한이 되는 연료전지(29)의 압력 상한값(Pfclim)을 검색한다.

계속되는 단계 S24에서, 셀렉트-로우 회로(107)를 이용하여 단계 S20에서 얻은 연료전지(29)의 운전압력의 제1 목표값(Pfc1) 및 단계 S22에서 얻은 열적으로 상한을 형성하는 연료전지(29)의 압력 상한값(Pfclim) 중에서 작은 값 하나를 선택함으로써, 연료전지의 운전압력(Pfc)을 결정한다. 즉, 시스템 제어장치(57)는 열적으로 상한을 형성하는 연료전지(29)의 압력 상한값(Pfclim)을 결정하며, 단계 S20에서 결정된 제1 목표값(Pfc1)에 대한 상한값을 제공하는 기능을 한다. 이것은, 물 회수를 위한 연료전지(29)의 운전압력 증가는 연료전지(29)의 발열증가를 초래하고, 연료전지(29)의 열이 라디에이터(41)의 방열 한계 이상이라면, 연료전지(29)는 허용값을 넘는 과도한 온도 상승을 겪어야 한다는 사실 때문이다. 이 문제를 미리 처리하기 위해서, 압력 상한값(Pfclim)이 라디에이터(41)의 방열 한계를 넘지 않도록 결정하고, 외기온도(Tatm) 및 연료전지(29)의 운전부하에 따라 제1 목표값(Pfc1)에 상한을 제공한다.

다음 단계 S26에서, 시스템 제어장치(57)는 압력조절밸브(63, 65)의 개방정도를 조절하여, 연료전지 시스템이 S24에서 얻은 연료전지(29)의 운전압력(Pfc)에서 동작하도록 한다.

즉, 이러한 경우에, 외기온도가 전형적으로 상한값(Tlim)을 넘는 고온이라면, 고온제어가 수행되어 연료전지(29)의 운전부하에 따라 물수지가 마이너스가 되게 하는 영역으로 운전압력을 하강시켜서, 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기량을 증가시켜 온도상승을 방지하는 기능을 한다. 또한, 선택적인 경우에, 압력조절밸브(63, 65) 뿐 아니라 컴프레서(25) 또는 연소기(37)를 사용해서도 운전압력을 제어할 수 있다.

반면에, 단계 S12에서, 물탱크 수위가 하한값(Lwlow) 이하라고 판단되면, 절차는 단계 S16으로 진행한다.

단계 S16에서, 도 4의 맵을 참조하고 출력 상한 계산부(101)를 이용하여, 연료전지(29)가 운전압력(PO)에서 동작하고 있는 경우에 물수지가 마이너스가 되도록 하지 않는 출력의 상한인 출력상한값(PWlim)을, 외기온도(Tatm)에 대해 검색한다.

계속되는 단계 S18에서, 셀렉트-로우 회로(102)를 이용하여, 요구출력(PWd) 및 단계 S16에서 얻은 출력 상한값(PWlim) 중 작은 값 하나를 선택하고, 연속적으로 스위치(103)를 이용하여 연료전지(29)의 출력(PWg)을 단계 S18에서 선택된 값으로 결정한다. 즉, 요구출력(PWd)이 출력 상한값(PWlim)을 초과한다면, 출력(PWg)은 출력 상한(PWlim)과 동일하도록 제한되고, 요구출력(PWd)이 출력 상한값(PWlim) 이하라면, 출력(PWg)은 요구출력(PWd)으로 제어된다.

그리고, 절차는 단계 S20 및 후속 단계로 진행하여, 단계 S12에서 물탱크 수위가 하한값(Lwlow)을 초과한다고 판단된 경우와 동일한 절차를 수행한다.

즉, 이러한 경우에, 연료전지(29)의 압력 상한값(Pfclim)은, 연료전지(29)의 출력(PWg)이 출력 상한값(PWlim)에 기초하여 열적으로 영향받는 문제 없이 달성되는 값으로 제한되고, 따라서 연료전지(29)의 운전압력이, 물수지가 달성되도록 하는 운전압력(PO)보다 낮은 값으로 감소할 가능성이 없으며, 결과적으로 물수지가 향상된다. 또한, 물탱크의 물수지가 낮은 값으로 유지되지 않고 기준값을 초과한 경우에, 외기온도가 높은 수준으로 유지되는 경우라도 운전압력은 물수지가 마이너스가 되는 영역으로 하강하게 된다. 따라서, 연료전지의 냉각수가 연료전지의 외부로 배기되는 수증기로서 기화되어 점차 물탱크의 수위를 낮추더라도, 외기온도가 높은 수준으로 유지되는 상황에서도 연료전지가 비교적 고부하로 동작할 수 있는 한편, 연료전지의 온도상승을 효과적으로 방지한다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따라, 연료전지 시스템의 냉각시스템의 크기를 증가시키지 않고 물 고갈을 막을 수 있으며, 출력이 감소되는 확률을 가능한 최소화하여 연료전지가 허용 한계값을 넘는 과도한 고온에서 동작하는 것을 방지한다.

(제2 실시예)

다음으로, 본 발명에 따른 제2 실시예의 연료전지 시스템 및 그 관련방법을 도 8 및 9를 참조하여 이하에서 상세하게 설명한다.

도 8은 본 실시예의 연료전지 시스템(S)을 탑재한 연료전지 자동차의 전체 구성을 나타내는 시스템 구성도이다. 제2 실시예는 엔탈피 교환장치(이하에서는 ERD라 한다)가 채택된다는 점에서 제1 실시예의 구조와 주요한 차이가 있고, 중복되는 설명을 적절히 피하기 위해서 동일 부분에는 제1 실시예에서 사용된 것과 동일한 참조번호를 붙여 이하에서 설명한다.

도 8에서, ERD(31)는 연료전지(29)의 공기전극의 흡기측 및 배기측에 배치된다.

ERD(31)는, 연료전지(29)의 배기의 열 및 습도와 흡기 공기 사이에서 열교환하는 습도교환형 열교환기를 포함한다. 연료전지(29)로부터 배출된 배기공기는 배기 공기선(64)을 통해 ERD(31)를 통과하고, 배기공기 온도가 낮아지면서 제습된다. 공기 흡기측에서, 선(28)을 통해 송풍기(125)로부터 연료전지(29)로 흐른 공기는 ERD(31)를 통과하여 흡기공기 온도가 상승하고 가습된다.

즉, ERD(31)를 제공함으로써, 배기공기로부터 제거될 수증기가 흡기공기로 되돌아가게 되어, 물을 효과적으로 회수하는 기능을 제공하므로, 연료전지 시스템은 물을 감소시키지 않고 물수지를 달성할 수 있는 더욱 확실한 방식으로 동작할 수 있다.

또한, 3방향 밸브(33)는 ERD(31)의 흡기측에서 연료전지(29)의 배기 공기선(64)에 배치된다. 이러한 3방향 밸브(33)를 전환함으로써 연료전지(29)로부터 배기된 공기가 ERD(31)를 우회하여 연소기(37)로 직접 공급될 수 있다. 공기가 이러한 방식으로 우회하는 경우에, 엔탈피 교환이 일어나지 않았으므로, 연료전지(29)로부터 배출된 배기공기는 고온과 고습을 유지하면서 배기되며, 따라서 연료전지(29)로 공급되는 공기는 가습되지 않고 흡기 공기의 온도가 상승하지 않는다.

즉, 3방향 밸브(33)와 결합된 ERD(31)로 인해 회수되는 물의 양이 감소하더라도, 연료전지(29)로부터 배출되는 배기공기로부터 제거되는 수증기량이 증가하여, 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기의 양이 결과적으로 증가하게 되고, 상응하여 배기공기의 온도와 배기습도를 증가시킨다. 따라서, 배기공기에 잔류하는 열량이 증가하고, 그 만큼 순수 채널(73)을 통해 연료전지(29)로부터 제거되는 열량은 감소하여, 중간 열 교환기(35)와 라디에이터(41)를 사용하는 연료전지(29)의 냉각부하가 감소한다.

다음으로, 시스템 제어장치(57)를 이용하여 연료전지(29)를 제어하는 기본적인 운전순서의 일반적인 흐름도를 나타내는 도 9를 참조하여, 이하에서 본 실시예의 동작을 설명한다.

우선 도 9의 단계 S30에서, 외기온도(Tatm), 물탱크 수위(Lw), 및 요구출력(PWd)을 검출한다.

다음 단계 S32에서, ERD(31)가 사용되는 것을 전제로 외기온도에 대한 물수지를 달성하는 즉시, 방열을 가능하게 하는 출력 상한값(PWlim)을 도 4의 맵을 참조하여 검색한다.

계속되는 단계 S34에서, 물탱크 수위(Lw)가 하한값(Lwlow)을 초과하는지 판단한다. 물탱크 수위(Lw)가 하한값(Lwlow)을 초과하면, 절차는 S36으로 진행하고, 물탱크 수위(Lw)가 하한값(Lwlow) 이하라면, 절차는 S44로 진행한다.

즉, 단계 S34에서, 물탱크 수위(Lw)가 하한값(Lwlow)을 초과한다고 판단되면, 단계 S36에서, 출력(PWg)은 요구출력(PWd)과 동일한 값으로 결정되고 절차는 S38로 진행한다.

그리고 단계 S38에서, 외기온도(Tatm)가 하한값(Tlim)을 초과하는지를 판단한다. 외기온도(Tatm)가 하한값(Tlim)을 초과한다면, 즉 고온이라면, 절차는 단계 S40으로 진행하여 고온제어를 수행하고, 외기온도(Tatm)가 하한값(Tlim) 이하라면, 절차는 S46으로 진행한다.

단계 S38에서, 운전온도가 고온에서 유지된다고 판단되면, 단계 S40에서, 출력(PWg)과 출력 상한값(PWlim)이 비교된다. 출력(PWg)이 출력 상한값(PWlim)을 초과한다면, 절차는 단계 S42로 진행하고, 출력(PWg)이 출력 상한값(PWlim) 이하라면, 절차는 단계 S46으로 진행한다.

단계 S40에서, 출력이 출력 상한값(PWlim)을 초과한다면 판단되면, 단계 S42에서, 3방향 밸브(33)가 전환되어 연료전지(29)로부터 배출된 공기가 ERD(31)를 우회하도록 하여 공기가 ERD(31)를 통과하지 않도록 한다.

즉, 이러한 경우에, 물탱크 수위가 소정 수위를 초과한다면, 외기온도가 높은 수준으로 유지되고 연료전지(29)가 심한 열 방출을 맞게 되는 조건 하에서도 연료전지(29)는 최대 출력을 생성하는 것이 가능하다.

반대로, 단계 S34에서, 물탱크 수위(Lw)가 하한값(Lwlow) 이하라면, 절차는 단계 S44로 진행한다. 단계 S44에서, 요구출력(PWd)과 출력 상한값(PWlim)이 비교되고, 연료전지(29)에 의해 발전된 출력이 이 값들 중 작은 값과 동일하게 결정되어, 열적으로 달성된 조건 하에서 연료전지(29)에 의해 발전된 출력(PWg)과 동일하도록 제한되는 출력량을 실현한다.

계속되는 단계 S46에서, 3방향 밸브(33)는 연료전지(29)로부터 방출된 공기가 ERD(31)를 우회하지 않고 통과하도록 제어된다.

또한, 물탱크 수위가 하한값(Lwlow)을 초과하더라도, 단계 S38에서 외기온도(Tatm)가 하한값(Tlim) 이하라고 판단되거나, 단계 S40에서 발전전력(PWg)이 출력 상한값(PWlim) 이하라고 판단된다면, 각각의 경우에 절차는 단계 S46으로 진행함으로써, 3방향 밸브(33)를 제어하여 연료전지(29)로부터 배출된 공기가 ERD(31)를 우회하지 않고 통과하도록 한다.

즉, 물탱크 수위가 소정 수위를 초과하고 외기온도가 방열한계값을 초과한 경우에, 연료전지(29)의 출력은 물수지가 달성될 수 있는 범위에서 요구되는 정도로 제한됨으로써, 물이 고갈되는 것을 방지한다. 반대로, 외기온도가 고온으로 유지되지 않고 방열한계값을 초과하지 않는 경우에는, 통상적인 방식으로 물이 회수되고 나서, 연료전지의 최대출력이 향상된다.

본 실시예에 따라, 상술한 바와 같이, 라디에이터는 실제 사용을 위한 최소한의 방열용량을 갖는 구조로 설계될 수 있고, 라디에이터의 사이즈와 무게가 감소되어 차량에서 향상된 탑재 성능을 제공한다. 또한, 제1 실시예와 대조적으로, 제2 실시예에서는 연료전지의 운전압력을 제어할 필요가 없고, 대신에 제2 실시예에서는 단지 3방향 밸브를 제어하면 된다. 따라서, 운전압력의 안정성을 고려할 필요가 없고, 운전압력을 최소치로 제어하는 데 있어 난이도를 최소화시키는 기능을 제공한다.

(제3 실시예)

다음으로, 본 발명에 따른 제3 실시예의 연료전지 시스템 및 그 관련방법을 도 10 및 11을 참조하여 이하에서 상세하게 설명한다.

본 실시예의 구조가 제1 실시예의 구조와 동일하더라도, 일반적으로 운전자의 가속 의지나 의도를 지시하는 도 1의 킥다운 신호(KD)는 시스템 제어장치(57)에서 통합하여 제어한다. 본 실시예는, 중복되는 설명을 적절하게 피하기 위해서 동일 부분에는 제1 실시예에서 사용된 것과 동일한 참조번호를 붙여 이하에서 설명한다.

우선, 본 실시예의 동작은, 시스템 제어장치(57)를 이용하여 연료전지(29)를 제어하는 기본적인 운전순서를 설명하는 일반적인 흐름도를 나타내는 도 10을 참조하여 설명된다. 또한, 이러한 제어의 타이밍도가 도 11에 나타나 있다.

일단, 단계 50에서, 외기온도(Tatm) 및 요구출력(PWd)을 검출한다.

계속되는 단계 S52에서, 물수지가 달성되는 운전압력(PO)하에서 운전되는 연료전지가 정격출력을 생성하도록 하는 온도 한계값(Tlim)을 외기온도가 초과하는지 판단한다. 외기온도(Tatm)가 한계값(Tlim) 이하라면, 절차는 단계 S70으로 진행하고, 외기온도(Tatm)가 한계값(Tlim)을 초과한다면, 절차는 단계 S54로 진행한다.

즉, 단계 S52에서, 외기온도(Tatm)가 한계값(Tlim) 이하라고 판단된 경우에는, 단계 S70에서, 시스템 제어장치(57)에 위치한 타이머(미도시)의 타이머 값(Ts)이 논리상태 "0"으로 리셋된다.

단계 S72에서, 연료전지(29)에서 발전하는 전력값(PWg)은 요구출력(PWd)의 양과 동일한 값으로 결정된다. 또한, 연료전지(29)의 운전압력(Pfc)은 물탱크 수위(Lw)에 따른 제1 목표값(Pfc1)으로 설정된다.

반대로, 단계 S52에서, 외기온도(Tatm)가 한계값(Tlim)을 초과하는 고온에서 유지된다고 판단된 경우에는, 단계 S54에서, 2개의 가속기 개방정도 신호(APO, APO) 사이의 변화율을 기초로 하여 판단이 수행되고, 일반적으로 운전자의 가속의지 또는 의도를 지시하는, 소위 킥다운 동작을 나타내는 KD 신호가 턴 "온(ON)" 상태로 유지되는 지를 판단한다. 그리고, 단계 S54에서, KD 신호가 턴 "온" 상태로 유지된다고 판단되면, 절차는 S56으로 진행하고, 단계 S54에서, KD 신호가 턴 "오프" 상태로 유지된다고 판단되면, 절차는 단계 S64로 진행한다. 또한, 가속기 개방정도 신호(APO)가 소정값 이상의 변화율로 상승한다면, 운전자의 가속의지 또는 의도가 인지되고, KD 신호가 턴 "온" 상태로 유지된다고 판단된다. 또한, 연료전지 자동차의 부하에 따라 연료전지(29)의 출력을 증가시키라는 요구에 대한 판단이 가능하다면, 다양한 판단기준이 사용될 수 있다.

즉, 단계 S54에서 KD 신호가 턴 "오프" 상태로 유지된다고 판단된다면, 단계 S64에서, 타이머(Ts)는 0으로 리셋된다.

다음 단계 S66에서, 도 4의 맵을 참조하여 외기온도(Tatm)에 대한 연료전지(29)의 출력 상한값(PWlim)을 검색하는 동작이 수행되고, 연료전지(29)가 운전압력(PO) 하에서 동작하도록 하며, 물수지를 달성하는 방열을 하도록 한다.

다음 단계 S68에서, 연료전지(29)에서 발전하는 출력(PWg)은 PWd와 PWlim 중에서 작은 값과 동일하도록 결정된다. 또한, 연료전지(29)의 운전압력(Pfc)은 물탱크 수위(Lw)에 따른 압력(Pfc1)과 동일하도록 결정된다.

또한, 반대로, 단계 S54에서 KD 신호가 턴 "온" 상태로 유지된다고 판단되면, 단계 S56에서, 타이머(Ts)에 제어주기(dT)를 가산함으로써 타이머(Ts)가 갱신된다.

다음 단계 S58에서, 타이머 값(Ts)과 소정의 한계값(T1, 수초에서 약 10초까지의 범위) 사이에 비교가 수행되고, 이 값들 중 작은 값이 타이머 값(Ts)과 동일하도록 선택된다. 즉, 타이머 값(Ts)은 소정의 한계값(T1)을 초과하지 않도록 결정된다.

다음 단계 S60에서, 타이머 값(Ts)이 값(T1)과 동일한지 그 미만인지에 대한 판단이 수행된다. 단계 S60에서, 소정의 한계값(T1)과 동일한 타이머 값(Ts)이 존재한다고 판단되면, 절차는 단계 S66으로 진행하고, 연료전지(29)는 물수지를 달성하면서 한계 출력을 발전하는 범위에서 운전한다. 반대로, 단계 S60에서, 타이머 값(Ts)이 값(T1)과 동일하지 않다고 판단되면, 절차는 단계 S62로 진행한다.

즉, 단계 S60에서, 타이머 값(Ts)이 값(T1)과 동일하지 않다고 판단되면, 단계 S62에서, 연료전지(29)에서 발전되는 출력(PWg)은 발전되는 출력량에 대한 제한없이 요구되는 출력(PWd)과 동일하게 결정된다. 한편, 연료전지(29)의 운전압력(Pfc)은 압력 상한값(Pfclim)과 동일하도록 결정되고, 물수지를 달성하는 압력(PO)보다 낮은 값으로 제어된다.

따라서, 이러한 경우에, 연료전지에서 회수되는 물의 양이 감소하고, 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기의 유동률이 증가하며, 냉각조건에 문제를 초래하지 않고 배출되는 열이 증가하여, 고온에서도 최대 출력을 얻을 수 있게 된다.

특히, 도 11에 나타난 타이밍도는, 외기온도(Tatm)가 한계값(Tlim) 이상인 조건하에서 가속기를 누르고, 한계값(T1)이 넘은 시간간격이 경과된 후에 가속기를 해방시키는 경우를 나타낸다.

도 11에서, 가속기 개방정도 신호(APO)가 소정값을 넘는 변화율로 상승한다면, 킥다운이 발생한다고 판단되고, KD 신호가 턴 "온" 상태를 유지한다고 간주한다. 시간간격(T1) 동안에, 연료전지(29)의 운전압력(Pfc)은 값(Pfc1)으로부터 하한값(Pfclim)으로 낮아지고, 요구출력(PWd)을 만족시키기 위해 출력(PWg)이 발전된다. 시간간격(T1)이 경과한 후 다음 단계에서, 운전압력(Pfc)은 값(Pfc1)으로 복귀하고 물수지가 달성되며, 연료전지(29)의 출력은 열적인 문제가 없는 하한값(PWlim)으로 낮아진다. 또한, 도면에서, 연료전지 자동차(10)의 차량 속도는 VSP로 나타나고, 물 회수율은 R로 지시된다. 이 때, 물 회수율(R)은 회수한 물의 양을 사용된 물의 양으로 나누어서 얻은 결과값을 나타낸다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예에서, 냉각 시스템의 크기를 증가시키지 않고, 외기온도가 높더라도 위험한 상황을 피하면서 가속력을 얻기 위해 필요한 정도의 연료전지의 출력을 확보할 수 있다.

또한, 킥다운이 시작된 후의 시간간격(T1, 수초에서 약 10초까지의 범위)에 대해 요구되는 출력이 확실하게 향상될 수 있기 때문에, 운전자는 가속기를 누른 후의 이러한 시간간격에 대해 의도된 느낌에 따라 가속을 수행할 수 있다.

2001년 10월 2일자로 출원된 일본 특허출원 제2001-306237호의 모든 내용이 여기에 참조되어 통합된다.

본 발명은, 본 발명의 몇몇 실시예를 참조하여 상술되었지만, 본 발명이 상술한 실시예로 제한되는 것은 아니다. 당업자라면 상술한 바에 비추어, 상술한 실시예에 대해 변경을 가할 수 있을 것이다. 발명의 범위는 다음의 청구항을 참조하여 정의된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라, 외기온도가 소정수준을 초과하는 경우에, 고온제어가 수행되어, 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기를 포함한 배기량을 증가시킴으로써, 물이 고갈되는 것을 방지하는 한편, 출력의 감소를 가능한 방지하고, 연료전지 시스템의 냉각 시스템 크기를 증가시키지 않으면서 연료전지의 온도가 허용한계를 넘는 고온으로 과도하게 상승하는 것을 방지한다. 따라서, 본 발명은 이러한 연료전지 시스템을 사용하는 연료전지 자동차, 가정용 및 산업용 장치에 이르는 다양한 응용범위를 갖는다.

Claims

수소포함 가스 및 산소포함 가스가 공급되는 연료전지;

상기 수소포함 가스와 상기 산소포함 가스 중 하나 또는 양쪽을 물탱크로부터의 물을 이용하여 가습하는 가습장치;

상기 연료전지로부터 물을 회수하는 물회수장치로서, 상기 물회수장치에 의해 회수된 물은 상기 물탱크로 되돌아가는 물회수장치;

외기온도를 검출하는 외기온도 센서; 및

상기 외기온도 센서에 의해 검출된 외기온도가 소정의 온도를 초과하는 경우, 상기 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기를 포함한 배기를 증가시켜, 상기 연료전지 시스템의 외부로 기화열을 방출하는 고온제어를 수행하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 연료전지를 냉각시키는 냉각장치를 더 구비하는 연료전지 시스템으로서,

상기 외기온도의 소정의 온도는, 연료전지에 요구되는 출력을 확보하는 데 필요한 방열량이 상기 냉각장치의 방열량을 초과하는 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,

상기 가습장치, 상기 물회수장치 및 상기 냉각장치는 공통의 물 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,

상기 냉각장치는 상기 연료전지에 공급되는 물과 부동액 사이에서 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 물탱크의 수위를 검출하는 수위 검출기를 더 구비하는 연료전지 시스템으로서,

상기 제어기는 상기 수위 검출기에 의해 검출된 상기 물탱크의 수위에 따라 고온제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제5항에 있어서,

상기 제어기는, 상기 수위 검출기에 의해 검출된 상기 물탱크의 수위가 소정의 하한값을 초과하는 경우에 고온제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제어기는, 상기 연료전지의 출력이 요구된 후 소정의 시간간격에 대한 고온제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제7항에 있어서,

상기 연료전지 시스템은 차량에 적용되고, 상기 제어기는 상기 차량의 부하에 따라 상기 소정의 시간간격에 대한 고온제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

고온제어는 상기 연료전지의 운전압력이 낮아지는 것을 허용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 물회수장치는 상기 연료전지의 공기전극에 근접하여 배치된 물 채널을 구비하고, 고온제어는 상기 연료전지의 상기 공기전극에 대한 공기의 공급압력이 낮아지는 것을 허용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 물회수장치는, 상기 연료전지의 공기전극으로부터의 배기 공기와 상기 공기전극으로 공급되는 흡기 공기 사이에 온도 및 습도에 있어서 교환을 수행하는 습도교환형 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제11항에 있어서,

고온제어는, 상기 공기전극으로부터 배출된 배기 공기 또는 상기 공기전극으로 공급된 흡기 공기가 상기 습도교환형 열교환기를 우회하도록 허용하여, 상기 배기 공기가 상기 연료전지 시스템의 외부로 배출되도록 강제하거나, 상기 흡기 공기가 상기 연료전지로 공급되도록 강제하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제어기는, 상기 외기온도 센서에 의해 검출된 외기온도에 따라 상기 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제13항에 있어서,

상기 제어기는, 상기 외기온도가 상기 소정의 온도를 초과하는 경우에 상기 연료전지의 출력을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
수소포함 가스 및 산소포함 가스가 공급되는 연료전지;

상기 수소포함 가스와 상기 산소포함 가스 중 하나 또는 양쪽을 물탱크로부터의 물을 이용하여 가습하는 가습수단;

상기 연료전지로부터 물을 회수하는 물회수수단으로서, 상기 물회수수단에 의해 회수된 물은 상기 물탱크로 되돌아가는 물회수수단;

외기온도를 검출하는 외기온도 검출수단; 및

상기 외기온도 검출수단에 의해 검출된 외기온도가 소정의 온도를 초과하는 경우에 상기 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기를 포함한 배기를 증가시켜, 상기 연료전지 시스템의 외부로 기화열을 방출하는 고온제어를 수행하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
수소포함 가스 및 산소포함 가스를 연료전지로 공급하는 단계;

상기 수소포함 가스와 상기 산소포함 가스 중 하나 또는 양쪽을 물탱크로부터의 물을 이용하여 가습하는 단계;

상기 연료전지로부터 물을 회수하는 단계로서, 상기 회수된 물을 상기 물탱크로 순환시키는, 물을 회수하는 단계;

외기온도를 검출하는 단계; 및

검출된 외기온도가 소정의 온도를 초과하는 경우에 상기 연료전지 시스템의 외부로 배출되는 수증기를 포함한 배기를 증가시켜, 상기 연료전지 시스템의 외부로 기화열을 방출하는 고온제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.