KR100669882B1 - 에너지 출력 장치 및 에너지 출력 장치의 제어 방법 - Google Patents

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히로아키 모리
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

스택 또는 연료 셀 스택을 갖춘 연료 셀 유닛 및 2차 배터리를 포함하는 전원 장치에서, 간헐 구동 모드는 소정의 조건 하에서 선택되어 2차 배터리로부터만 전원을 수용한다. 본 발명의 제어 절차는 연료 셀 스택의 일시 정지 또는 연료 셀 스택 정지의 지속이 연료 셀 유닛의 재시작 시에 연료 셀 스택의 잠재적인 성능 열화를 야기하는지 여부를 판정한다. 잠재적인 성능 열화의 추정에 응답하여, 제어 절차는 전원 장치를 제어하여, 소정의 조건 하에서 간헐 구동 모드의 선택에 상관없이, 연료 셀의 전력 발생을 지속하거나 시작한다.
연료 셀, 에너지 출력 장치, 에너지 출력 소스

Description

에너지 출력 장치 및 에너지 출력 장치의 제어 방법{ENERGY OUTPUT DEVICE AND CONTROL METHOD OF ENERGY OUTPUT DEVICE}
본 발명은, 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 가지고 그 복수의 에너지 출력 소스 중 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 에너지 출력 장치 뿐만 아니라, 그 에너지 출력 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 갖춘 공지의 에너지 출력 장치는 2차 배터리 및 연료 셀을 가지는 전원 장치이다. 이 전원 장치에서, 전원 장치로부터 전력의 공급을 수용하는 로드 (load) 가 소정의 저 로딩 상태에 있는 경우, 제어 절차는 연료 셀의 전력 발생을 정지하고 오직 2차 배터리로부터 전력을 공급한다. 이 제어는, 연료 셀의 총 에너지 효율이 저 로딩 상태에서 강하된다는 연료 셀의 특성에 기초한다. 바람직하게, 연료 셀의 동작을 정지시키고 저 로딩 상태에서 2차 배터리만을 활성화시키는 제어는 전원 장치의 전체 효율을 개선시킨다.
그러나, 저 로딩 상태에서 연료 셀의 전력 발생의 일시 정지 이후에 로드의 증가에 응답하여 연료 셀을 재시작할 시에, 전력 발생의 지연된 응답 또는 단위 셀의 강하된 전압과 같은 단점이 있을 수도 있다. 이러한 단점은, 예를 들어, 연 료 셀의 가스 유로 (flow path) 에서의 전력 발생 과정에서 생성되는 수분의 응축 또는 폴리머 전해질 연료 셀의 경우에 전해질 멤브레인의 습분 (moisture) 의 부분적 감소에 기인할 수도 있다. 따라서, 전원 장치의 전체 효율에 기초한 연료 셀의 전력 발생을 정지시키는 제어는 전원 장치의 이론상 고효율 동작을 달성할지 못할 수도 있다. 연료 셀의 재시작 시에 연료 셀의 전력 발생의 정지가 상기 단점을 야기할 수도 있다는 문제는, 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 갖춘 통상의 에너지 출력 장치에서 소정의 조건하에 연료 셀의 전력 발생을 정지시키는 제어에서 일반적으로 발견된다.
발명의 개시
따라서, 본 발명의 목적은, 연료 셀의 정지를 제어함으로써 연료 셀의 재시작시 연료 셀에서 발생하는 잠재적 문제를 방지하는 것이다.
상기 목적 및 다른 관련 목적의 적어도 일부를 달성하기 위해, 본 발명은 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 갖고 그 복수의 에너지 출력 소스 중 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 제 1 에너지 출력 장치에 관한 것이다. 제 1 에너지 출력 장치는, 소정의 조건하에서 연료 셀에 의한 전력 발생을 정지시키고 에너지 출력 장치에 포함된 연료 셀 이외의 에너지 출력 소스를 활성화시켜 에너지를 출력하는 출력 제어 모듈; 연료 셀의 전력 발생 동안에 추정을 수행하는 추정 모듈로서, 그 추정은 연료 셀의 일시 정지가 연료 셀의 재시작 시에 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 유도하는지 여부를 판정하는 추정 모듈; 및 추정 모듈이 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는 경우, 소정의 조건하에서도 연료 셀의 전력 발생을 강제적으로 지속시키는 강제 FC 동작 모듈을 포함한다.
본 발명의 제 1 에너지 출력 장치는 연료 셀의 잠재적인 성능 열화의 추정에 응답하여 연료 셀의 전력 발생을 지속한다. 이러한 구성은 연료 셀의 재시작 시에 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 효과적으로 방지하거나 적어도 억제한다.
본 발명의 제 1 에너지 출력 장치에서, 연료 셀의 잠재적인 성능 열화는 연료 셀의 전류-전압 특성의 열화일 수도 있다. 연료 셀의 전력 발생의 지속은 연료 셀의 전류-전압 특성의 열화를 방지하거나 적어도 억제하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 에너지 출력 장치의 바람직한 일 실시형태에서, 연료 셀에 공급되는 전극 활성 물질 함유 가스에 포함되는 불순물의 농도가 소정의 레벨 이상인 경우에, 추정 모듈은 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정한다. 전극 활성 물질 함유 가스에서의 불순물의 증가된 농도로 인해, 이러한 구성은 연료 셀의 전류-전압 특성의 열화를 방지하거나 적어도 억제하는 것이 바람직하다.
본 발명의 이러한 바람직한 실시형태에서, 제 1 에너지 출력 장치는, 수소 가스의 공급을 연료 셀의 애노드 (anode) 에 안내하는 수소 가스 공급 도관; 연료 셀의 애노드로부터 방전되는 애노드 배기가스 (anode exhaust) 의 적어도 일부를 수소 가스 공급 도관에 안내하는 배기가스 순환 도관을 더 포함한다. 수소 가스 공급 도관에 안내되는 애노드 배기가스에 포함된 불순물의 농도가 소정의 레벨 이상인 경우, 추정 모듈은 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정한다.
애노드 배기가스의 적어도 일부의 애노드로의 순환을 통한 애노드 배기가스의 불순물의 증가된된 농도로 인해, 연료 셀의 전류-전압 특성의 열화를 방지하거 나 적어도 억제하는 것이 바람직하다.
이러한 구성의 제 1 에너지 출력 장치에서, 바람직하게, 배기 가스 순환 도관은 애노드 배기가스의 일부를 에너지 출력 장치의 외부로 방출하는 가스 퍼지 유닛을 가진다. 애노드 배기가스의 일부를 방출하는 가스 퍼지 유닛의 최후의 동작 이후에 경과한 시간 주기가 소정의 기준 시간 이내인 경우, 추정 모듈은 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정한다.
애노드 배기가스의 일부를 방출하는 가스 퍼지 유닛의 동작 직후에, 불순물의 농도는 가스 유로에서의 가스 퍼지 유닛의 부근에서 강하되지만, 불순물의 농도는 연료 셀의 내부를 포함하는 가스 유로의 잔여 영역에서 비교적 높은 레벨로 계속 유지된다. 따라서, 가스 퍼지 유닛의 최종 동작 이후에 경과한 시간 주기가 소정의 기준 시간 이내인 경우, 연료 셀에 공급되는 가스의 불순물의 고농도가 예상된다.
본 발명의 제 1 에너지 출력 장치는, 가스 퍼지 유닛에 의해 방출되는 애노드 배기가스의 일부를 연료 셀의 캐소드로부터 배출된 캐소드 배기가스와 희석하고 희석된 애노드 배기가스를 에너지 출력 장치의 외부로 방출하는 수소 희석 모듈을 더 포함할 수도 있다.
이러한 구성은, 연료 셀의 재시작 시에 비교적 고농도의 수소의 바람직하지 못한 배출을 효과적으로 방지하거나 적어도 억제한다. 애노드 배기가스의 최종 방출 동작 이후에 짧은 시간만이 경과한 경우, 비교적 고농도의 수소가 수소 희석 모듈에 존재할 수도 있다. 연료 셀의 정지는 캐소드 배기가스와의 수소의 희석 을 간섭한다. 따라서, 수소 희석 모듈에 잔존하는 비교적 고농도의 수소는 연료 셀의 재시작 시에 수소 희석 모듈로부터 방출되어 캐소드 배기가스의 공급을 재개한다. 그러나, 본 발명의 구성은 그러한 잠재적 단점을 방지하거나 적어도 억제한다.
본 발명의 제 1 에너지 출력 장치에서, 출력 전류에 대한 연료 셀의 출력 전압이 출력 전류에 대한 소정의 기준 전압 이하인 경우, 추정 모듈은 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정할 수도 있다. 이러한 구성은, 연료 셀의 전류-전압 특성의 열화 가능성을 효과적으로 방지하거나 적어도 억제한다.
본 발명의 제 1 에너지 출력 장치에서, 연료 셀의 동작 온도가 소정의 기준 온도 이하인 경우, 추정 모듈은 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정할 수도 있다. 연료 셀의 동작 온도의 감소로 인해, 이러한 구성은, 연료 셀의 전력 발생 성능의 잠재적 열화를 효과적으로 방지하거나 적어도 억제한다.
또한, 본 발명은 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 가지고 그 복수의 에너지 출력 소스 중 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 제 2 에너지 출력 장치에 관한 것이다. 제 2 에너지 출력 장치는, 소정의 조건하에서 연료 셀에 의한 전력 발생을 정지시키고 에너지 출력 장치에 포함된 연료 셀 이외의 에너지 출력 소스를 활성화시켜 에너지를 출력하는 출력 제어 모듈; 연료 셀의 정지 동안에 추정을 수행하는 추정 모듈로서, 그 추정은 연료 셀의 정지의 지속이 연료 셀의 재시작 시에 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 유도하는지 여부를 판정하는 추정 모듈; 및 추정 모듈이 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는 경우, 소 정의 조건하에서도 연료 셀의 전력 발생을 강제적으로 시작하는 강제 FC 동작 모듈을 포함한다.
연료 셀의 잠재적인 성능 열화의 추정에 응답하여, 본 발명의 제 2 에너지 출력 장치는 연료 셀의 동작을 즉시 시작한다. 이러한 구성은 연료 셀의 재시작 시에 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 효과적으로 방지한다.
본 발명의 제 2 에너지 출력 장치에서, 연료 셀의 동작 온도가 소정의 기준 온도 이하인 경우, 추정 모듈은 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정할 수도 있다. 연료 셀의 동작 온도의 감소로 인해, 이러한 구성은 연료 셀의 전력 발생 성능의 잠재적 열화를 방지하거나 적어도 억제한다.
본 발명은, 또한 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 갖고 그 복수의 에너지 출력 소스 중 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 에너지 출력 장치에 관한 것이다. 제 3 에너지 출력 장치는, 소정의 조건하에서 연료 셀에 의한 전력 발생을 정지시키고 에너지 출력 장치에 포함된 연료 셀 이외의 에너지 출력 소스를 활성화시켜 에너지를 출력하는 출력 제어 모듈; 연료 셀의 전력 발생으로 동작하는 연료 셀 보조 기계; 연료 셀의 전력 발생 동안에 연료 셀 보조 기계의 동작 상태를 검출하고, 그 검출된 동작 상태에 기초하여 연료 셀 보조 기계가 비정상의 판단 이전의 과도 상태인 비정상 과도 상태에 있는지 여부를 판정하는 추정 모듈; 및 연료 셀 보조 기계가 비정상 과도 상태에 있다고 추정 모듈이 판정하는 경우, 소정의 조건하에서도 연료 셀의 전력 발생을 강제적으로 지속하는 강제 FC 동작 모듈을 포함한다.
연료 셀 보조 기계가 비정상 과도 상태에 있다고 판정되는 경우, 본 발명의 제 3 에너지 출력 장치는 연료 셀의 전력 발생을 지속한다. 따라서, 연료 셀 보조 기계의 동작 상태가 계속하여 모니터링된다. 이러한 구성은 연료 셀 보조 기계에서 발생하는 문제 또는 고장의 신속한 검출을 보장한다.
본 발명의 제 3 에너지 출력 장치에서, 추정 모듈은, 또한, 연료 셀 보조 기계의 온도를 검출하고, 연료 셀 보조 기계의 검출 온도가 소정의 기준 온도 이상인 경우, 연료 셀 보조 기계가 비정상 과도 상태에 있다고 판정한다.
연료 셀의 전력 발생이 지속되는 동안, 연료 셀 보조 기계의 온도 상승은 계속하여 모니터링된다. 따라서, 이러한 구성은 연료 셀 보조 기계에서 발생하는 고장 또는 문제의 신속한 검출을 보장한다.
본 발명의 기술은 상술한 에너지 출력 장치에 제한되지 않고, 다양한 다른 응용, 예를 들어, 에너지 출력 장치의 제어 방법 및 전력 소스로서 에너지 출력 장치가 탑재된 이동체 (moving body) 에 의해 구현될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에서의 전기 차량의 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2는 연료 셀 스택의 출력에 대해 도시된 연료 셀 유닛의 전체 에너지 효율의 편차를 나타낸 그래프이다.
도 3은 연료 셀 스택의 출력 전류에 대해 도시된 출력 전압 및 출력 전력의 편차를 나타낸 그래프이다.
도 4는 구동 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 간헐 구동 모드가 활성화될지 여부를 판정하는 제어 유닛에 포함된 회로의 구조를 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 6은 성능 열화 추정 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 비정상 과도 상태 처리 루틴을 나타내는 흐름도이다.
본 발명을 수행하는 최상의 모드
다음으로, 본 발명의 에너지 출력 장치 및 그 에너지 출력 장치의 제어 방법을 첨부 도면과 바람직한 실시형태를 참조하여 상세히 설명한다.
A. 일반적 시스템 구성
도 1은 본 발명의 일 실시형태에서의 전기 차량 (10) 의 구조를 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다. 전기 차량 (10) 은, 전력을 소비하는 로드로서 구동 모터 (33) 및 보조 기계 모터 (34), 및 이들 로드에 전력을 공급하는 전력 소스로서 전원 장치 (15) 를 포함한다. 전력이 전원 장치 (15) 와 로드 사이로 전송되도록, 전원 장치 (15) 는 배선 (50) 에 의해 로드와 접속된다.
전원 장치 (15) 는 연료 셀 유닛 (20) 및 2차 배터리 (30) 를 포함한다. 연료 셀 유닛 (20) 은, 전력 발생의 본체로서 서로 적층된 다수의 단위 셀 (이하, 연료 셀 스택으로 지칭됨) 로 구성된 연료 셀 (22) 의 스택을 가진다. 2차 배터리 (30) 는 DC-DC 컨버터 (32) 를 통해 배선 (50) 에 접속된다. DC-DC 컨버터 (32) 및 연료 셀 스택 (22) 은 배선 (50) 과 직렬로 접속된다. 배선 (50) 은 배선 (50) 과 연료 셀 스택 (22) 을 접속하고 접속해제하기 위한 스위치 (52) 를 가진다.
연료 셀 유닛 (20) 은, 연료 셀 스택 (22) 에 추가하여, 연료 셀 스택 (22) 에 공급되는 수소를 저장하기 위한 수소 탱크 (23) 및 압축 공기를 연료 셀 스택 (22) 에 공급하기 위해 공기 압축기 (24) 를 포함한다. 다양한 다른 연료 셀이 연료 셀 스택 (22) 에 적용가능할 수도 있지만, 이 실시형태에서 연료 셀 스택 (22) 은 폴리머 전해질 연료 셀로 구성된다.
수소 탱크 (23) 는, 예를 들어, 고압 수소 탱크 또는 저장을 위해 수소를 흡수하는 수소 저장 합금 (hydrogen storage alloy) 의 탱크일 수도 있다. 수소 탱크 (23) 에 저장된 수소 가스는, 수소 가스 공급 도관 (60) 에 안내되고, 수소 가스 공급 도관 (60) 에 설치된 압력 감소 밸브 (61) 에 의해 압력이 감소하게 되고, 압력 조정기 (62) 에 의해 소정의 압력 레벨로의 압력 조정을 경험하며, 연료 셀 스택 (22) 의 애노드에 공급된다. 애노드로부터 배출된 애노드 배기가스는 애노드 배기관 (63) 을 통해 수소 가스 공급 도관 (60) 으로 흐른다. 애노드 배기가스의 잔여 수소 가스는 유로를 통해 순환되고, 다시 전기화학 반응을 하게 된다.
수소 펌프 (65) 는 애노드 배기가스의 순환을 위해 애노드 배기관 (63) 내에 설치된다. 배기 가스 배출 도관 (64) 은 애노드 배기관 (63) 으로부터 분기한다. 배기 가스 배출 도관 (64) 은 열림/닫힘 밸브 (66) 를 가진다. 열림/닫힘 밸브 (66) 의 열림 위치에서, 애노드 배기관 (63) 을 통해 흐르는 애노드 배기가스의 일부는 배기 가스 배출 도관 (64) 을 통해 대기에 방출가능하다. 애 노드 배기가스에서의 불순물의 농도 (질소의 농도) 를 강하하기 위해 열림/닫힘 밸브 (66) 가 제공되며, 애노드 배기가스는 애노드 배기관 (63) 을 통해 순환하고 연료 셀 스택 (22) 의 애노드에 다시 공급된다. 수소 가스는 애노드 배기관 (63) 을 통해 순환하고 연료 셀 스택 (22) 에 재공급되지만, 전기화학 반응의 과정은 순환된 수소 가스에 포함된 극소량의 질소를 점진적으로 집중시켜 질소의 농도를 증가시킨다. 또한, 연료 셀 스택 (22) 에서 캐소드로부터 애노드로의 공기의 공급에 함유된 질소의 잠재적 누출은 수소 가스에서의 질소의 농도를 증가시킨다. 본 실시형태의 전기 차량 (10) 에서, 열림/닫힘 밸브 (66) 는 소정의 시간 간격으로 열림 위치에 설치되어 애노드 배기가스의 일부를 방출하고, 이에 따라 수소 가스의 애노드로의 공급에 포함된 질소 농도의 증가를 억제한다. 열림/닫힘 밸브 (66) 는, 소정의 시간 간격을 두는 대신에, 연료 셀 스택 (22) 의 축적된 전력 발생이 소정의 레벨에 도달할 때마다 열림 위치에 설정될 수도 있다.
배기 가스 배출 도관 (64) 은, 배기 가스 배출 도관 (64) 보다 더 큰 단면 을 가지는 희석 유닛 (26) 에 접속된다. 희석 유닛 (26) 은 애노드 배기가스의 대기로의 방출 이전에, 애노드 배기가스에 포함된 잔여 수소를 캐소드 배기가스 (이후에 설명함) 와 희석하도록 설계된다.
가스-액체 분리기 (27) 는 애노드 배기관 (63) 내에 위치한다. 수분은 전기화학 반응의 과정으로 캐소드에서 생성된다. 수분은 전해질 멤브레인을 통해 부분적으로 애노드 배기가스의 일부가 된다. 가스-액체 분리기 (27) 는 애노드 배기가스로부터의 스팀의 제거를 위해 저온의 가스-액체 분리기 (27) 의 내부 벽면 상에 애노드 배기가스에 축적된 스팀을 응축한다.
공기 압축기 (24) 는 산화 가스 공급 도관 (67) 을 통해 연료 셀 스택 (22) 의 캐소드에 산화 가스로서 압축 공기를 공급한다. 주위 공기는 필터를 갖춘 공기 유량계 (28) 를 통해 취해지고, 공기 압축기 (24) 에 의해 압축된다. 캐소드로부터 배출된 캐소드 배기가스는 캐소드 배기관 (68) 을 통해 안내되어 대기로 방출된다. 산화 가스 공급 도관 (67) 및 캐소드 배기관 (68) 은 습윤기 모듈 (25) 을 통과한다. 습윤기 모듈 (25) 에서, 산화 가스 공급 도관 (67) 의 벽의 일부는 캐소드 배기관 (68) 의 벽의 일부와 접촉되고, 스팀-삼투 멤브레인은 접촉부에 설치된다. 스팀-삼투 멤브레인은 캐소드 배기관 (68) 으로부터 산화 가스 공급 도관 (67) 을 분리한다. 이 구조는 스팀이 캐소드 배기가스로부터 압축 공기로 공급되는 것을 가능하게 한다. 캐소드 배기가스는 스팀 상태에서 전기화학 반응을 통해 생성되는 수분을 함유한다. 캐소드로의 공급 이전에, 습윤기 모듈 (50) 은 압축된 공기를 스팀 함유 캐소드 배기가스로 적신다. 배기 가스 브랜치 도관 (69) 은 캐소드 배기관 (68) 으로부터 분기한다. 배기 가스 브랜치 도관 (69) 은 희석 유닛 (26) 을 통과하고, 캐소드 배기관 (68) 과 다시 합쳐진다. 배기 가스 배출 도관 (64) 을 통해 희석 유닛 (26) 으로 흐르는 애노드 배기가스는 혼합되고, 희석 유닛 (26) 에서 캐소드 배기가스의 일부와 희석되며, 그 후 대기에 방출되기 이전에, 캐소드 배기관 (68) 으로 흘러 잔여 캐소드 배기가스와 더 희석된다.
연료 셀 유닛 (20) 은 냉각 시스템 (40) 을 더 포함하며, 이는 연료 셀 스택 (22) 을 냉각시키고 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도를 소정의 레벨로 유지시키는 기능을 한다. 냉각 시스템 (40) 은 냉각수 유로 (41), 냉각 펌프 (42), 및 라디에이터 (29) 를 포함한다. 냉각수는 냉각수 유로 (41) 를 통해 흘러, 연료 셀 스택 (22) 및 라디에이터 (29) 의 내부 사이에서 순환한다. 냉각 펌프 (42) 는 냉각수 유로 (41) 를 통해 냉각수를 순환시키는 기능을 한다. 라디에이터 (29) 는 냉각 팬을 갖고, 연료 셀 스택 (22) 을 통해 가열되는 냉각수를 냉각시킨다. 온도 센서 (43 및 44) 는 냉각수 유로 (41) 와 연료 셀 스택 (22) 의 접합부의 부근에 배열되어 냉각수의 온도를 측정한다. 냉각 팬 및 냉각 펌프 (42) 의 동작량은, 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도를 조정하도록 온도 센서 (43 및 44) 의 검출 결과에 따라 조정된다. 이후, 연료 셀 스택 (22) 의 전력 발생으로 작동되는 이들 유닛의 세트, 예를 들어, 공기 압축기 (24), 수소 펌프 (65), 냉각 펌프 (42), 라디에이터 (29) 의 냉각 팬, 및 다양한 유로에 설치되는 밸브는 연료 셀 보조 기계로 지칭된다.
2차 배터리 (30) 는 임의의 다양한 공지의 2차 배터리, 예를 들어, 납 배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-수소 배터리, 또는 리듐 배터리일 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, SOC 모니터 (31) 는 2차 배터리 (30) 에 부착되어 2차 배터리 (30) 의 충전 상태 (S0C) 를 모니터링한다. 이 실시형태의 구조에서, SOC 모니터 (31) 는 2차 배터리 (30) 의 충전-방전 전류의 축적 및 시간을 측정하는 SOC 미터이다. SOC 모니터 (31) 는 SOC 미터 대신에, 전압 센서일 수도 있다. 2차 배터리 (30) 는 충전 상태의 감소로 전압을 강하하는 경향이 있다. 따라서, 전압의 측정은 2차 배터리 (30) 의 충전 상태의 검출을 유도한다.
2차 배터리 (30) 의 충전 상태가 소정의 레벨 이하로 강하되는 경우, 연료 셀 스택 (22) 은 2차 배터리를 충전하기 시작한다. 전기 차량 (10) 의 브레이킹 상태에서 (즉, 차량의 운행 동안에 운전자의 브레이크 페달을 밟는 행동에 응답하여), 구동 모터 (33) 는 전력을 발생시키는 발생기로서 작동한다. 또한, 2차 배터리 (30) 는 구동 모터 (33) 에 의해 발생되는 이러한 전력으로 충전된다.
DC/DC 컨버터 (32) 는 타겟 출력 전압의 설정에 따라 배선 (50) 의 전압을 조정함으로써, 연료 셀 스택 (22) 으로부터 출력된 전력 레벨을 제어하도록 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전압을 조정한다. 또한, DC/DC 컨버터 (32) 는 배선 (50) 과의 2차 배터리 (30) 의 접속을 제어하는 스위치로서 작동한다. 2차 배터리 (30) 의 충전 또는 방전에 대한 요구가 없는 경우, 2차 배터리 (30) 와 배선 (50) 사이의 접속은 단절된다.
전원 장치 (15) 로부터 전력의 공급을 수용하는 로드 중 하나로서의 구동 모터 (33) 는 동기식 모터이고, 회전 자계 (rotating magnetic field) 의 형성을 위해 3-상 코일을 가진다. 전력의 공급은 구동 인버터 (35) 를 통해 전원 장치 (15) 로부터 구동 모터 (33) 에 주어진다. 구동 인버터 (35) 는 구동 모터 (33) 의 각 위상에 대응하는 스위칭 엘리먼트로서 복수의 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터 인버터로서 구성된다. 구동 모터 (33) 의 출력 샤프트 (37) 는 감속 기어 (38) 를 통해 차량 구동 샤프트 (39) 에 링크된다. 감속 기어 (38) 는 구동 모터 (33) 로부터 출력된 전력의 회전 속도를 조정하고, 출력 전력을 차량 구 동 샤프트 (39) 에 전달한다.
도 1의 구조에서, 보조 기계 모터 (34) 는 전원 장치 (15) 로부터 전력의 공급을 수용하는 또 다른 로드이다. 보조 기계 모터 (34) 는 상술한 보조 기계의 복수의 모터, 즉, 공기 압축기 (24), 냉각 펌프 (42), 및 수소 펌프 (65) 의 집합 형태이다. 보조 기계 모터 (34) 는 각 대응하는 인버터 (도 1의 인버터 (36) 로서 집합적으로 도시됨) 를 통해 전원 장치 (15) 로부터 전력의 공급을 수용한다. 또한, 전원 장치 (15) 로부터 전력의 공급을 수용하는 보조 기계는 전기 차량 (10) 에 탑재된 에어콘 및 차량의 다양한 전기 장치 뿐만 아니라, 라디에이터 (29) 의 냉각 팬 및 다양한 유로에 설치된 밸브와 같은 다른 연료 셀 보조 기계를 포함한다. 보조 기계 중에서, 비교적 낮은 동작 전압을 가지는 장치 (예를 들어, 유로에 설치된 밸브) 는 소정의 스텝-다운 (step-down) DC/DC 컨버터 (미도시) 를 통해 전력의 공급을 수용한다.
전기 차량 (10) 은 전기 차량 (10) 의 각 구성요소를 제어하는 제어 유닛 (70) 을 더 포함한다. 제어 유닛 (70) 은 마이크로컴퓨터를 포함하는 논리 회로로서 구성된다. 제어 유닛 (70) 은, 소정의 제어 프로그램에 따른 다양한 동작을 실행하는 CPU, 제어 프로그램을 저장하고 CPU에 의한 다양한 동작의 실행에 필요한 데이터를 제어하는 ROM, CPU에 의한 다양한 동작의 실행에 필요한 다양한 데이터가 일시적으로 기입되고 판독되는 RAM, 및 다양한 신호를 입력하고 출력하는 입력-출력 포트를 포함한다. 제어 유닛 (70) 은 상술한 온도 센서 (43 및 44) 를 포함하는 다양한 센서로부터의 검출 신호, SOC 모니터 (31) 로부터의 출력 신 호, 및 액셀러레이터 오프닝과 같은 차량의 구동 상태 및 차량 속도 (미도시) 에 관한 정보를 수신한다. 제어 유닛 (70) 은, 예를 들어, DC/DC 컨버터 (32), 구동 인버터 (35), 및 연료 셀 유닛 (20) 에 포함되는 유로에 설치된 펌프 및 밸브에 구동 신호를 출력한다.
B. 간헐 구동에 의한 구동 제어
이 실시형태의 구조에서, 연료 셀 유닛 (20) 은 보통 상태에서 전기 차량 (10) 을 구동하는데 필요한 전력을 공급하는 기능을 주로 한다. 그러나, 연료 셀 유닛 (20) 의 동작이 바람직하지 않게 에너지 효율을 강하하는 일정한 조건에서, 그 제어는 연료 셀 유닛 (20) 의 동작 (간헐 구동 모드; intermittent drive mode) 을 정지하고, 2차 배터리 (30) 로부터 전력의 공급을 시작한다. 전원 장치 (15) 에서 간헐 구동 모드를 설정하는 조건 중 적어도 하나가 에너지 효율의 편차에 따라 충족되는 경우, 본 실시형태의 제어 절차는 간헐 구동 모드가 실제로 활성화되는지 여부를 판정한다. 먼저, 보통 상태의 구동 제어 및 간헐 구동 모드의 구동 제어에 관하여 설명한다.
연료 셀 스택 (22) 및 2차 배터리 (30) 의 전력 발생의 레벨은, 전원 장치 (15) 의 전체 효율을 향상시키도록 조정된다. 도 2는 연료 셀 스택 (22) 의 출력에 대해 도시된 연료 셀 유닛 (20) 의 총 에너지 효율의 편차를 나타내는 그래프이다. 도 2a의 그래프는 연료 셀 스택 (22) 의 출력에 대해 도시된 연료 셀 스택 (22) 의 효율의 편차 및 연료 셀 보조 기계에 필요한 전력의 편차를 나타낸다. 도 2a의 그래프에 도시된 바와 같이, 연료 셀 스택 (22) 의 효율은 연료 셀 스택 (22) 출력의 증가에 따라 점차 낮아진다. 연료 셀 보조 기계의 필요 전력, 즉 연료 셀 보조 기계를 구동하는데 소모되는 에너지는 연료 셀 스택 (22) 출력의 증가에 따라 증가한다. 연료 셀 스택 (22) 이 상당히 작은 출력을 갖지만, 연료 셀 스택 (22) 의 출력에 대한 보조 기계의 필요 전력의 비는 매우 높다. 따라서, 도 2b의 그래프에 도시된 바와 같이, 연료 셀 스택 (33) 의 효율 및 보조 기계의 필요 전력에 의존하는 연료 셀 유닛 (20) 의 총 에너지 효율은 저 로딩 상태에서는 낮고, 연료 셀 스택 (22) 의 출력의 소정의 레벨에서 최대로 되고, 고 로딩 상태에서 점차 낮아진다.
본 실시형태의 전기 차량 (10) 에서, 제어 절차는, 일반적으로 연료 셀 유닛 (20) 의 총 에너지 효율이 낮은 저 로딩 상태에서, 연료 셀 스택 (22) 의 동작을 정지하여, 전원 장치 (15) 의 전체 에너지 효율의 감소를 방지한다. 연료 셀 스택 (22) 이 전력을 발생하도록 활성화되지만, 제어 절차는, 연료 셀 스택 (20) 의 총 에너지 효율이 상당히 높은 소정의 로딩 상태에서 연료 셀 스택 (22) 으로부터의 출력부로만의 전력 공급을 제한한다. 제어 절차는 더 높은 로딩 상태에서 연료 셀 스택 (22) 및 2차 배터리 (30) 모두로부터 전원을 수용한다.
전원 장치 (15) 로부터의 출력은 2차 배터리 (30) 의 충전 상태 (SOC) 에 영향 받는다. 2차 배터리 (30) 가 SOC의 충분한 레벨을 가지는 경우, 2차 배터리 (30) 로부터의 부분적인 출력은 전원 장치 (15) 의 전체 에너지 효율을 향상시킬 수도 있다. 2차 배터리 (30) 가 SOC의 불충분한 레벨을 가지는 경우, 2차 배터리 (30) 는 연료 셀 스택 (22) 에 의해 충전될 수 있다. 전원 장치 (15) 의 전 체 에너지 효율을 향상시키기 위해, 본 실시형태의 제어 절차는, 로드 요구 (이후 설명하는 전원 장치 전력 요구) 및 2차 배터리 (30) 의 SOC에 따라 연료 셀 스택 (22) 및 2차 배터리 (30) 의 타겟 전력 발생 레벨을 설정하고, 제어 유닛 (70) 의 맵 (전력 분배 맵) 의 형태로 타겟 전력 발생 레벨의 설정을 저장한다.
이후의 설명에서, 연료 셀 스택 (22) 의 전력 발생을 정지시키고, 비교적 저 로드 요구의 조건 하에서 2차 배터리 (30) 로부터의 출력부로의 전력 공급을 제한하는 구동 모드는 '간헐 구동 모드'로 명명된다. 연료 셀 스택 (22) 을 활성화시켜 전력을 발생시키는 구동 모드는 'FC 구동 모드'로 명명된다.
간헐 구동 모드에서, 연료 셀 보조 기계는 동작을 정지하고, 수소 가스 및 공기의 연료 셀 스택 (22) 으로의 공급은 단절된다. 스위치 (52) 는 열림 위치에 설정되어 배선 (50) 으로부터 연료 셀 스택 (22) 을 접속해제한다.
FC 구동 모드에서, 연료 셀 스택 (22) 및 2차 배터리 (30) 로부터 출력되는 전력 발생의 레벨은 DC/DC 컨버터 (32) 의 출력 전압에 따라 조정된다. 도 3은 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전류에 대해 도시된 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전력 및 출력 전압의 편차를 나타내는 그래프이다. 도 3의 그래프에 도시된 바와 같이, 타겟 전력 PFC를 연료 셀 스택 (22) 으로부터 출력되도록 설정하는 것은 연료 셀 스택 (22) 으로부터 출력 전류 IFC의 크기를 자동적으로 판정한다. 연료 셀 스택 (22) 의 출력 특성에 따라, 출력 전류 IFC 의 판정은 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전압 VFC 의 설정을 유도한다. FC 구동 모드에서, 제어 유닛 (70) 은 전력 분배 맵을 참조함으로써 타겟 전력 PFC를 연료 셀 스택 (22) 으로부터 출력되게 설정하고, 타겟 전압으로서의 출력 전압 VFC의 설정을 DC/DC 컨버터 (32) 에 제공한다. 제어 절차는, 연료 셀 스택 (22) 의 타겟 전력 발생 레벨을 만족시키는 수소 가스 및 공기의 공급을 보장하기 위해 연료 셀 보조 기계를 구동하고, 로드 요구에 따라 인버터 (35) 에 구동 신호를 출력한다. 따라서, 전력의 원하는 레벨은 연료 셀 스택 (22) 및 2차 배터리 (30) 로부터 각 로드에 공급된다.
도 4는 전기 차량 (10) 에서의 제어 유닛 (70) 에 의해 실행되는 구동 제어 루틴을 나타내는 흐름도이다. 이 구동 제어 루틴은 전기 차량 (10) 의 운행 동안에 반복하여 수행된다.
구동 제어 루틴이 시작되는 경우, 제어 유닛 (70) 은 먼저 차량 속도 및 액셀러레이터 오프닝에 관한 정보를 수신하고 (단계 S100), 후속하여, 입력 액셀러레이터 오프닝 및 차량 속도에 따라 구동 모터 (33) 의 전력 요구 PMreq (모터 전력 요구 PMreq) 를 계산하고 (단계 S110), 전원 장치 (15) 의 전력 요구 Preq (전원 장치 전력 요구 Preq) 를 계산한다 (단계 S120). 전원 장치 전력 요구 Preq 는 모터 전력 요구 PMreq 및 (전기 차량 (10) 에 탑재된 에어콘 및 연료 셀 보조 기계를 포함하여) 다른 로드의 전력 요구의 총 합계이고, 전원 장치 (15) 로부터 공급되는 총 전력을 나타낸다.
전원 장치 전력 요구 Preq 의 계산 이후에, 제어 유닛 (70) 은 SOC 모니터 (31) 로부터 2차 배터리 (30) 의 SOC를 판독하고 (단계 S130), 타겟 전력 발생 레벨 (전력 분배) 를 설정하여 입력 SOC 및 계산된 전원 장치 전력 요구 Preq 에 따라 연료 셀 스택 (22) 및 2차 배터리 (30) 로부터 출력되는 전력 분배 맵으로 지칭된다 (단계 S140). 그 후, 제어 유닛 (70) 은 단계 (S140) 에서 전력 분배의 설정이 간헐 구동 모드에 대응하는지 여부를 판정한다 (단계 S150). 전력 분배의 설정이 간헐 구동 모드에 대응하는 경우, 제어 유닛 (70) 은, 이후 설명되는 성능 열화 추정 루틴을 실행하고 (단계 S160), 이 구동 제어 루틴으로부터 종료한다. 한편, 전력 분배의 설정이 FC 구동 모드에 대응하는 경우, 제어 유닛 (70) 은 FC 구동 모드의 제어를 위해 전기 차량 (10) 의 각 구성요소에 구동 신호를 출력하여, 이 구동 제어 루틴으로부터의 종료 이전에, 단계 S140에서 전력 분배의 설정을 달성한다. 전원 장치 전력 요구 Preq 에 따라 연료 셀 보조 기계 및 로딩에 관한 다른 엘리먼트 및 인버터 (35 및 36) 를 구동하는 동안, 구체적인 절차는 연료 셀 유닛 (20) 및 DC/DC 컨버터 (32) 를 구동하여, 전력 분배 맵과 관련된 타겟 전력 발생 레벨의 설정에 대응하여 연료 셀 스택 (22) 및 2차 배터리 (30) 로부터 전력의 출력을 보장한다.
C. 간헐 구동을 금지하기 위한 구동 제어
본 실시형태의 전기 차량 (10) 에서, 단계 S140에서의 전력 분배의 설정이 간헐 구동 모드에 대응하는 경우, 제어 절차는 성능 열화 추정의 결과에 기초하여, 간헐 구동 모드가 실제로 활성화되는지 여부를 판정한다. 도 5는 간헐 구동 모 드가 활성화되는지 여부를 판정하는 제어 유닛 (70) 에 포함된 회로의 구조를 나타내는 블록 다이어그램이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제어 유닛 (70) 은 출력 제어 모듈 (72), 추정 모듈 (74), 및 강제 FC 동작 모듈 (76) 을 포함한다. 도 6은, 전력 분배의 설정이 간헐 구동 모드에 대응하는지가 단계 S150에서 판정되는 경우, 제어 유닛 (70) 에 의해 도 4의 구동 제어 루틴의 단계 S160에서 실행되는 성능 열화 추정 루틴을 나타내는 흐름도이다. 전력 분배의 설정이 간헐 구동 모드에 대응한다는 판정에 응답하여, 단계 S150에서의 판정의 결과 및 단계 S140에서의 전력 분배의 설정은, 단계 S160에서의 성능 열화 추정 루틴의 실행과 동시에, 제어 유닛 (70) 의 출력 제어 모듈 (72) 에 전달된다.
성능 열화 추정 루틴이 시작하는 경우, 먼저, 제어 유닛 (70) 은 성능 열화 추정에 관한 정보를 출력한다 (단계 S200). 그 후, 제어 유닛 (70) 의 추정 모듈 (74) 은 성능 열화 추정에 관한 입력 정보에 기초하여 성능 열화 추정 조건 중 적어도 하나가 충족되는지 여부를 판정한다 (단계 S210).
연료 셀 스택 (22) 이 FC 구동 모드에서 현재 구동되는 경우, 성능 열화 추정 조건은, 연료 셀 유닛 (20) 의 동작을 일시적으로 정지시키는 간헐 구동 모드의 선택이 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작 시에 연료 셀 스택 (22) 의 성능의 열화를 야기시킬 수도 있는 조건을 나타낸다. 한편, 연료 셀 스택 (22) 이 전력 발생을 위해 현재 구동되지 않은 경우, 성능 열화 추정 조건은, 연료 셀 유닛 (20) 의 현재 정지의 지속이 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작 시에 연료 셀 스택 (22) 의 성능의 열화를 야기시킬 수도 있는 조건을 나타낸다.
먼저, 설명은 FC 구동 모드에서 연료 셀 스택 (22) 의 동작 동안에 성능 열화 추정 조건을 고려한다. 성능 열화 추정에 관한 정보는, 예를 들어, 연료 셀 스택 (22) 의 애노드에 공급되는 가스에 포함된 질소의 농도, 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전압, 연료 셀 스택 (22) 의 각 단위 셀의 전압, 및 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도를 포함한다.
연료 셀 스택 (22) 의 애노드에 공급되는 가스에 포함된 질소의 증가된 농도의 조건 하에서 연료 셀 유닛 (20) 의 일시 정지는 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작 시에 연료 셀 스택 (22) 의 전력 발생 효율을 강하할 수도 있고, 연료 셀 스택 (22) 의 출력 특성 (즉, 출력 전류에 대한 출력 전압의 편차를 나타내는 전류-전압 특성) 을 열화시킬 수도 있다. 따라서, 이 실시형태에서, 애노드에 공급된 가스에 포함되는 질소의 증가된 농도는 성능 열화 추정 조건 중 하나로서 설정된다.
애노드 공급 가스에 포함된 질소의 농도는 열림/닫힘 밸브 (66) 의 최후의 밸브-오프닝 동작 이후에 경과한 시간 또는 열림/닫힘 밸브 (66) 의 최후의 밸브-오프닝 동작 이후에 연료 셀 스택 (22) 에서 축적된 전력 발생으로부터 추정될 수도 있다. 이 실시형태의 제어 절차는 시간의 경과 및 전력 발생의 축적을 계속하여 측정한다. 따라서, 제어 유닛 (70) 은, 단계 S200에서의 전력 발생의 축적 및 경과한 시간의 측정에 관한 애노드 공급 가스에 포함된 질소의 농도를 측정하고, 질소의 추정 농도가 소정의 기준 레벨을 초과하는 경우에 단계 S210에서 성능 열화 추정 조건이 충족한다고 판정한다. 그러나, 질소 농도의 추정은 필수적이지 않다. 성능 열화 추정 조건 중 하나의 충족은 열림/닫힘 밸브 (66) 의 최후의 밸브-오프닝 동작 이후에 경과한 시간에 단순히 기초하여 판정될 수도 있다. 제어 절차 (70) 는 사전에 질소 축적 기준 시간을 설정하며, 이는 애노드 공급 가스에 포함된 질소의 증가된 농도의 추정에 대한 기준 시간이다. 열림/닫힘 밸브 (66) 의 최후의 밸브/오프닝 동작 이후에 경과한 시간이 질소 축적 기준 시간을 초과하는 경우, 성능 열화 추정 조건 중 하나가 충족된다고 판정된다. 또 다른 실시예에서, 열림/닫힘 밸브 (66) 의 최후의 밸브-오프닝 동작 이후에 연료 셀 스택 (22) 에서의 전력 발생의 축적이 애노드 공급 가스에 포함된 질소의 증가된 농도의 추정에 대해 소정의 기준 레벨을 초과하는 경우, 제어 절차는 성능 열화 추정 조건 중 하나가 충족된다고 판정할 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 열림/닫힘 밸브 (66) 의 최후의 밸브-오프닝 동작 이후에 경과한 시간이 즉시의 밸브-오프닝 기준 시간, 즉, 질소 축적 기준 시간보다 상당히 더 짧은 시간 이내인 경우, 제어 절차는 성능 열화 추정 조건 중 하나가 충족된다고 판정할 수도 있다. 열림/닫힘 밸브 (66) 의 밸브-오프닝 동작에 응답하여, 질소의 농도는 애노드 배기관 (63) 에서 열림/닫힘 밸브 (66) 의 부근에서 갑자기 강하하지만, 질소의 농도는 연료 셀 스택 (22) 내부 및 가스 유로의 다른 영역에서 비교적 높게 계속 유지된다. 가스 유로에서의 질소의 농도를 균일하게 하고, 전체 가스 유로에서 질소의 농도를 충분히 강하하기 위해 열림/닫힘 밸브 (66) 의 밸브-오프닝 동작 이후에 일정 시간 주기가 필요하다. 따라서, 전체 가스 유로에서의 질소의 농도를 충분히 강하하는데 필요한 열림/닫힘 밸브 (66) 의 밸브-오프닝 동작 이후에 즉시의 밸브-오프닝 기준 시간이 일정 시간 주기로서 설 정된다. 그 후, 열림/닫힘 밸브 (66) 의 최후의 밸브-오프닝 동작 이후에 경과한 시간이 즉시의 밸브-오프닝 기준 시간 이내인 경우에, 성능 열화 추정 조건 중 하나가 충족된다고 판정된다.
열림/닫힘 밸브 (66) 의 최후의 밸브-오프닝 동작 이후에 경과한 시간이 즉시의 밸브-오프닝 기준 시간 이내인 경우, 애노드 공급 가스에서의 고 질소 농도의 단점 이외에, 수소가 희석 유닛 (26) 에서 비교적 고 농도로 유지된다는 추가적인 문제가 발생한다. 연료 셀 유닛 (20) 의 정지는 공기 압축기 (24) 의 동작을 정지시키고, 캐소드 배기가스의 희석 유닛 (26) 에의 공급을 단절한다. 따라서, 공기 압축기 (24) 가 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작 시에 동작을 재개하는 경우, 열림/닫힘 밸브 (66) 의 밸브-오프닝 동작 즉시 이후의 연료 셀 유닛 (20) 의 일시 정지는, 비교적 고 농도의 수소가 희석 유닛 (26) 으로부터 대기로 배출되도록 할 수도 있다. 따라서, (즉시의 밸브-오프닝 기준 시간 이내의) 열림/닫힘 밸브 (66) 의 최후의 밸브-오프닝 동작 이후의 단지 매우 짧은 시간의 경과는, 애노드 공급 가스에서 질소의 고 농도로 인해, 연료 셀 스택 (22) 의 전력 발생 성능의 잠재적 열화에 부가하여, 비교적 고 농도의 수소의 바람직하지 못한 방출을 유도한다.
연료 셀 스택 (22) 의 전해질 멤브레인이 불충분한 수분 함량을 갖거나, 응축수가 연료 셀 스택 (22) 의 가스 유로에 축적되어 원활한 가스 흐름을 방해하는 경우, 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전압 및 연료 셀 스택을 구성하는 임의의 각 단위 셀의 전압이 낮아질 수도 있다. 전해질 멤브레인의 불충분한 수분 함량의 조건 또는 가스 유로에서 응축수의 축적의 조건 하에서 연료 셀 유닛 (20) 의 일시 정지는, 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작 시에 연료 셀 스택 (22) 의 전력 발생 효율을 강하할 수도 있고, 전류-전압 특성을 열화시킬 수도 있다. 따라서, 이 실시형태에서, 연료 셀 유닛 (22) 의 강하된 출력 전압 및 연료 셀 스택 (22) 을 구성하는 임의의 각 단위 셀의 강하된 전압은 성능 열화 추정 조건으로서 설정된다.
본 실시형태의 전원 장치 (15) 는 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전류를 측정하기 위한 전류계, 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전압 (배선 (50) 의 전압) 을 측정하기 위한 전압계, 및 연료 셀 스택 (22) 을 구성하는 각 단위 셀의 전압을 측정하기 위한 단위 셀 전압계 (미도시) 를 포함한다. 도 6의 성능 열화 추정 루틴 중 단계 S200에서는, 제어 유닛 (70) 이 전류계, 전압계 및 각 단위 셀 전압계로부터의 검출 신호를 입력한다. 출력 전류에 대한 출력 전압이 소정의 기준 레벨보다 낮은 경우, 단계 210에서 제어 유닛 (70) 은 임의의 성능 열화 추정 조건이 충족되었다고 판정한다. 소정의 기준 레벨은 전력 발생 지속을 위한 허용 레벨이지만, 전해질 멤브레인의 불충분한 수분 함량 또는 응축수의 축적을 위한 전위를 나타내는 표준 레벨보다는 낮다. 이 실시형태의 구조에서는 전체 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전압 및 연료 셀 스택 (22) 을 구성하는 각 단위 셀의 전압 모두를 측정한다. 각 단위 셀의 전압의 측정은 더 빠른 타이밍에서의 잠재적 문제의 추정을 위해 특히 중요하다. 이러한 측정은 일정 단위 셀의 전해질 멤브레인에서 수분 함량의 불충분한 레벨 또는 일정 단위 셀에 포함된 가스 유로의 일부에서 응축수의 축적을 조기 검출하게 한다.
또한 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도의 감소는 연료 셀 스택 (22) 의 전류-전압 특성을 열화시킨다. 연료 셀 스택 (22) 의 온도 감소의 개시시에 연료 셀 유닛 (20) 의 정지는 연료 셀 스택 (22) 의 온도를 더 강하하고, 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작 시에 연료 셀 스택 (22) 의 출력 특성을 현저하게 열화시킬 수도 있다. 연료 셀 스택 (22) 의 강하된 온도 조건 하에서 연료 셀 스택 (22) 에 큰 로딩의 인가는 연료 셀 스택 (22) 에서 진행하는 표준 전기화학 반응과 상이한 반응을 야기하고, 연료 셀 스택 (22) 의 전력 발생 효율을 현저하게 강하한다. 따라서 이 실시형태에서, 연료 셀 스택 (22) 의 강하된 동작 온도는 임의의 성능 열화 추정 조건으로서 설정된다.
연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도는 연료 셀 스택 (22) 에 부착된 온도 센서로 직접 측정될 수도 있다. 그렇지 않으면, 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도는, 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도를 반영하는 또 다른 관측 온도로부터 추정될 수도 있다. 예를 들어, 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도는 냉각수 유로 (41) 에 위치하는 온도 센서 (43) 에 의한 관측 온도에 따라 추정된다. 도 6의 성능 열화 추정 루틴에서, 제어 유닛 (70) 은 단계 S200에서 온도 센서로부터 검출 신호를 입력하고, 단계 S210에서, 관측 온도가 소정의 이하인 경우에 임의의 성능 열화 추정 조건이 충족된다고 판정한다.
도 6의 성능 열화 추정 루틴 중 단계 S210에서 임의의 성능 열화 추정 조건이 충족된다고 추정 모듈 (74) 이 판정하는 경우, 즉, 추정 모듈 (74) 이 연료 셀 스택 (22) 의 전위 성능 열화를 추정한 경우, 이 추정의 결과는 제어 유닛 (70) 의 강제 FC 동작 모듈 (76) 로 전달된다. 제어 유닛 (70) 은 전술한 일반 전력 분배 맵에 추가하여, 간헐 구동 금지 조건 하에서의 전력 분배 맵을 저장한다. 일반 전력 분배 맵에서, 연료 셀 스택 (22) 에 의해 발생되는 전력의 레벨은 연료 셀 유닛 (20) 의 저 에너지 효율을 가지는 저 로딩 상태에서 0으로 설정된다. 한편, 간헐 구동 금지 조건하에서의 전력 분배 맵은 저 로딩 상태에서도 전력 설정이 연료 셀 스택 (22) 및 2차 배터리 (30) 에 의해 각각 발생되게 한다. 즉 연료 셀 스택 (22) 은 저 로딩 상태에서도 전력을 발생하도록 구동된다. 강제 FC 동작 모듈 (76) 은 간헐 구동 금지 조건하에서의 전력 분배 맵을 나타내고, 전력의 레벨이 연료 셀 스택 (22) 및 2차 배터리 (30) 에 의해 발생되도록 (전력 분배) 설정한다 (단계 S220). 단계 S220에서의 전력 분배의 설정을 달성하도록, 강제 FC 동작 모듈 (76) 은 FC 구동 모드에서의 제어를 위해 전원 장치 (15) 의 각 관련 엘리먼트에 구동 신호를 출력한다. 그 후 성능 열화 추정 루틴이 종료된다. 단계 S210에서 임의의 성능 열화 추정 조건이 충족된다고 추정 모듈 (74) 이 판정하는 경우, 또한 이 추정의 결과는 제어 유닛 (70) 의 출력 제어 모듈 (72) 에 전달된다. 이는, 간헐 구동 모드에 대응하는 전력 분배의 설정뿐만 아니라 도 4 의 구동 제어 루틴 중 단계 S150에서 출력 제어 모듈 (72) 에 전달되는 판정 (즉, 전력 분배가 간헐 구동 모드에 대응하는 판정) 을 취소한다.
한편, 단계 S210에서 성능 열화 추정 조건들 중 어느 것도 충족되지 않는다고 추정 모듈 (74) 이 판정한 경우, 즉, 연료 셀 스택 (22) 의 전위 성능 열화가 없다고 추정 모듈 (74) 이 추정한 경우, 이 추정의 결과는 제어 유닛 (70) 의 출력 제어 모듈 (72) 에 전달된다. 출력 제어 모듈 (72) 은 전원 장치 (15) 의 각 관련 엘리먼트에 구동 신호를 출력하여, 도 4의 구동 제어 루틴 중 단계 S150에서 전달된 간헐 구동 모드에 대응하는 전력 분배의 설정을 달성한다. 이는, 간헐 구동 모드에서의 제어를 실행하고, 2차 배터리 (30) 가 전원 장치 전력 요구 Preq 와 동등한 전력을 출력하게 한다 (단계 S240). 그 후, 성능 열화 추정 루틴이 종료된다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태의 전원 장치 (15) 는 임의의 성능 열화 추정 조건이 충족되는 경우, 전원 장치 (15) 의 에너지 효율과 무관하게 간헐 구동 모드를 채택하지 않는다. 이러한 구성에서는 연료 셀 스택 (22) 의 성능의 잠재적 열화를 방지하는 것이 바람직하다.
충족된 성능 열화 추정 조건이 애노드 공급 가스에서 질소의 증가된 농도인 경우, 연료 셀 스택 (22) 의 지속적 전력 발생은 열림/닫힘 밸브 (66) 의 밸브 오프닝 동작을 트리거하여 애노드 공급 가스에서 질소의 농도를 강하한다. 이러한 구성에서는 연료 셀 스택 (22) 성능의 잠재적 열화를 효율적으로 방지하거나 적어도 제한한다. 열림/닫힘 밸브 (66) 의 마지막 밸브 오프닝 동작 이후 짧은 시간 주기만이 경과된 경우, 간헐 구동 모드의 금지는 비교적 고농도의 수소의 대기로의 바람직하지 못한 배출을 방지하는 것이 바람직하다. 연료 셀 스택 (22) 의 성능 열화는 연료 셀 스택 (22) 의 성능과 관련된 단점 및 연료 셀 스택 (22) 의 동작에 수반되는 단점을 포함한다.
충족된 성능 열화 추정 조건이 연료 셀 스택 (22) 의 강하된 출력 전압 또는 연료 셀 스택 (22) 을 구성하는 각 단위 셀 중 임의의 셀의 강하된 전압인 경우, 연료 셀 스택 (22) 의 지속적 전력 발생은, 전해질 멤브레인에서 수분 함량의 충분한 레벨로의 복귀 및 가스 유로로부터 응축수의 제거를 보장하여, 연료 셀 스택 (22) 의 성능의 잠재적 열화를 효과적으로 방지하거나 적어도 제한한다. 가스 유량 및 가스 습도의 조정이 연료 셀 스택 (22) 에서 정상적으로 수행되는 한, 지속적 전력 발생은 연료 셀 스택 (22) 의 출력 전압 레벨 또는 연료 셀 스택 (22) 을 구성하는 각 단위 셀 중 임의의 셀의 전압 레벨을 원하는 레벨로 복구시킨다.
충족된 성능 열화 추정 조건이 연료 셀 스택 (22) 의 강하된 동작 온도인 경우, 연료 셀 스택 (22) 의 지속적 전력 발생은 전기화학 반응을 통해 생성된 열을 이용하여, 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도에서의 과도한 감소를 제어한다. 이러한 구성에서는 연료 셀 스택 (22) 성능의 잠재적 열화를 효과적으로 방지하거나 적어도 제한한다.
연료 셀 스택 (22) 의 지속적 전력 발생은 관련 성능 열화 추정 조건을 제거한다. 그 후, 저 로딩 상태에서 성능 열화 추정 루틴의 다음 사이클에서, 간헐 구동 모드가 선택가능하여 연료 셀 유닛 (20) 의 동작을 정지시킨다. 성능 열화 추정 조건의 제거 이후, 로딩에서의 증가로 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작은 상술한 연료 셀 스택 (22) 성능의 어떠한 열화도 야기시키지 않는다.
상술한 설명은 연료 셀 스택 (22) 이 FC 구동 모드에서 현재 구동되는 경우에 판정된 성능 열화 추정 조건에 관한 것이다. 연료 셀 스택 (22) 이 전력 발생을 위해 현재 구동되지 않는 동안에 연료 셀 유닛 (20) 은 유사하게 제어된다. 전력 발생을 위한 연료 셀 스택 (22) 의 비활성화 조건 하에서 도 6의 성능 열화 추정 루틴 중 단계 S200에서의 (즉, 간헐 구동 모드에서의) 정보 입력은, 예를 들어, 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도이다. 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도가 소정의 기준 레벨보다 낮아지는 경우, 제어 절차는, 임의의 성능 열화 추정 조건이 충족되었다고 판정하고 연료 셀 유닛 (20) 을 즉시 활성화시킨다 (연료 셀 스택 (22) 을 FC 구동 모드로 설정한다). 이는, 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도에서의 감소를 제어함으로써, 전력 발생 성능의 잠재적 열화를 방지한다. 이러한 제어는 간헐 구동 모드의 지속으로 인해 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작 시에 연료 셀 스택 (22) 성능의 잠재적 열화를 효과적으로 방지한다.
연료 셀 스택 (22) 동작 온도의 직접적 측정 대신에, 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도는 간헐 구동 모드의 시작 이후 경과한 시간 주기에 따라 추정될 수도 있다. 단계 S210에서는, 시간 주기의 경과가 소정의 기준 시간을 초과하는 경우, 임의의 성능 열화 추정 조건이 충족된다고 판정된다. 이러한 구성에서는, 간헐 구동 모드의 지속 시간을 소정의 기준 시간으로 제한하고, 간헐 구동 모드의 추가적인 지속도 금지한다. 이러한 구성에서는 간헐 동작 모드의 지속으로 인해 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도에서의 과도한 감소를 효과적으로 방지하거나 적어도 제한한다. 또한 간헐 구동 모드의 지속 시간 제한은, 간헐 구동 모드의 지속으로 인해 전해질 멤브레인에서의 바람직하지 못한 수분 함량의 부족을 방지하거나 적어도 억제한다. 간헐 구동 모드의 지속 시간 제한에 추가하여, 또는 그에 대신하여, 제어 절차는, 간헐 구동 모드로부터 FC 구동 모드로의 시프트 이후 간헐 구동 모드가 재개되는 재시작 시간을 제한할 수도 있다. 이 경우에, 제어 절차는, 단계 S200에서 간헐 구동 모드의 종료 이후 경과한 시간 주기를 입력하고, 단계 S210에서, 시간 주기의 경과가 소정의 기준 시간 미만인 경우에 임의의 성능 열화 추정 조건이 충족된다고 판정한다. 이러한 구성은, 연료 셀 스택 (22) 의 동작 온도를 충분히 고 레벨로 유지하고 전해질 멤브레인의 충분한 수분 함량 레벨을 유지하도록, 간헐 구동 모드의 설정 이후의 연료 셀 스택 (22) 에 의한 일정 시간 동안의 전력 발생을 보장한다.
도 6의 성능 열화 추정 루틴 중 단계 S200에서 간헐 구동 모드의 정보 입력은 연료 셀 스택 (22) 을 구성하는 각 단위 셀에서의 OCV (open-circuit voltage) 일 수도 있다. 일정한 단위 셀의 가스 유로에서 응축수의 축적은 표준 레벨까지의 OCV의 상승을 방지한다. 따라서, OCV 가 소정의 기준 전압 이하인 경우, 임의의 성능 열화 추정 조건이 충족된다고 판정된다. 간헐 구동 모드에서 연료 셀 유닛 (20) 의 동작 동안에 단계 S200에서의 OCV 입력이 소정의 기준 전압 이하인 경우, 단계 S230에서 제어 절차는 FC 구동 모드를 즉시 시작한다. 이러한 구성에서는 연료 셀 스택 (22) 으로의 가스 공급을 재개하여 응축수의 축적을 제거함으로써, 연료 셀 유닛 (20) 성능의 잠재적 열화를 방지한다.
D. 제 2 실시형태
제 1 실시형태의 절차에서는, 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작 시에 연료 셀 스택 (22) 의 잠재적 열화가 예상되는 경우 간헐 구동 모드를 금지한다. 한편, 제 2 실시형태의 절차에서는, 연료 셀 유닛 (20) 에 포함된 임의의 연료 셀 보조 기계의 비정상의 검출 이전인 비정상 과도 상태의 검출에 응답하여 간헐 구동 모드를 금지한다.
제 2 실시형태의 전기 차량은 제 1 실시형태의 전기 차량 (10) 과 실질적으로 동일한 구성을 가진다. 유사한 구성요소들은 유사한 부호로 나타내고, 여기서는 상세히 설명하지 않는다. 도 7 은 제 2 실시형태의 전기 차량 (10) 에서 제어 유닛 (70) 에 의해 실행되는 비정상 과도 상태 처리 루틴을 도시하는 흐름도이다. 이 비정상 과도 상태 처리 루틴은, 단계 S150에서 전력 분배의 설정이 도 4 의 구동 제어 루틴에서 간헐 구동 모드에 대응하는 것으로 판정된 경우, 제 1 실시형태 (도 6) 의 성능 열화 추정 루틴 대신에 단계 S160에서 실행된다.
비정상 과도 상태 처리 루틴이 시작하는 경우, 먼저 제어 유닛 (70) 은, 연료 셀 유닛 (20) 이 현재 간헐 구동 모드에서 구동되는지 여부를 판정한다 (단계 S300). 연료 셀 유닛 (20) 이 현재 간헐 구동 모드에서 구동되지 않는 경우, 제어 유닛 (70) 은 비정상 과도 상태에 관련된 정보를 입력한다 (단계 S305). 그 후, 제어 유닛 (70) 의 추정 모듈 (74) 은 비정상 과도 상태에 관련된 입력 정보에 기초하여 현재의 상태가 비정상 과도 상태인지 여부를 판정한다 (단계 S310).
비정상 과도 상태는, 연료 셀 유닛 (20) 에 포함된 연료 셀 보조 기계의 임의의 비정상의 검출 이전에 충족되는 임의의 소정의 조건을 나타낸다. 더 상세하게는, 비정상 과도 상태는, 비정상 과도 상태의 검출을 취소하고, 연료 셀 유닛 (20) 을 정지시키는 간헐 구동 모드의 설정에 의해 종래의 비정상의 원활한 검출을 방지하는 임의의 비정상 관련 조건을 의미한다.
비정상 과도 상태의 추정을 위해, 이 실시형태의 제어 절차에서는 단계 S305에서, 공기 압축기 (24) 에 의해 공급되는 압축 공기의 온도, 수소 펌프 (65) 에 의해 공급되는 수소 가스의 온도, 및 인버터 (36) 의 온도를 수용한다. 공기 온도 센서 (54) 는 공기 압축기 (24) 로부터의 압축 공기의 공급 유로에 위치하고, 수소 온도 센서 (56) 는 애노드 배기관 (63) (도 1 참조) 에서 수소 펌프 (65) 로부터의 압축 수소의 공급 유로에 위치한다. 온도 센서 (미도시) 는 인버터 (36) 의 온도를 측정하기 위해 인버터 (36) 에 부착된다. 제어 유닛 (70) 은 도 7 의 비정상 과도 상태 처리 루틴 중 단계 S305에서 이들 센서로부터의 검출 신호를 입력한다.
공기 압축기 (24) 또는 수소 펌프 (65) 에 의한 공기 또는 수소의 압축은 공기 또는 수소의 온도를 상승시킨다. 공기 압축기 (24) 또는 수소 펌프 (65) 에서 어떤 문제 또는 고장이 발생한 경우, 공기 또는 수소 가스의 온도는 소정의 레벨을 초과하여 계속 상승할 수도 있다. 인버터 (36) 에서 어떤 문제 또는 고장이 발생한 경우, 인버터 (36) 의 온도는 소정의 레벨을 초과하여 계속 상승할 수도 있다. 이 실시형태의 구조에서, 비정상 상태 기준 온도는 압축 공기의 온도, 수소 가스의 온도, 및 인버터 (36) 의 온도에 따라 미리 설정되어 제어 유닛 (70) 에 저장된다. 비정상 상태 기준 온도는 표준 온도 범위를 초과하고, 연료 셀 유닛 (20) 을 즉시 정지시키는 비정상 상태를 판정하는 기준으로서 이용된다. 또한 비정상 과도 상태 기준 온도는 압축 공기의 온도, 수소 가스의 온도, 및 인버터 (36) 의 온도에 따라 미리 설정되어 제어 유닛 (70) 에 저장된다. 비정상 과도 상태 기준 온도는 정상 온도 범위와 비정상 상태 기준 온도의 사이이며, 비정상 과도 상태를 판정하는 기준으로서 이용된다. 단계 S310의 절차에서는 이 3 개의 온도 중 임의의 온도가 비정상 과도 상태의 추정을 위한 각각의 비정상 과도 상태 기준 온도를 초과하는지 여부를 판정한다.
도 7 의 비정상 과도 상태 처리 루틴의 단계 S310에서 현재의 상태가 비정상 과도 상태에 있다고 추정 모듈 (74) 이 판정하는 경우, 판정 결과는 제어 유닛 (70) 의 강제 FC 동작 모듈에 전달된다. 강제 FC 동작 모듈 (76) 은 전력 분배를 설정하고 (단계 S320), FC 구동 모드에서의 제어를 위해 전원 장치 (15) 의 각 관련 엘리먼트에 구동 신호를 출력하여, 단계 S320에서의 전력 분배의 설정을 달성한다 (단계 S330). 그 후, 비정상 과도 상태 처리 루틴이 종료된다. 단계 S320 및 S330 의 처리는 도 6 의 성능 열화 추정 루틴에서의 단계 S220 및 S230의 처리와 동일하다.
한편, 단계 S310에서 현재의 상태가 비정상 과도 상태가 아니라고 추정 모듈 (74) 이 판정하는 경우, 판정 결과는 제어 유닛 (70) 의 출력 제어 모듈 (72) 에 전달된다. 출력 제어 모듈 (72) 은 전원 장치 (15) 의 각 관련 엘리먼트에 구동 신호를 출력하여, 도 4의 구동 제어 루틴 중 단계 S150에서 전달된 간헐 구동 모드에 대응하는 전력 분배의 설정을 달성한다. 이는, 간헐 구동 모드에서의 제어를 실행하고, 2차 배터리 (30) 가 전원 장치 전력 요구 Preq 와 동등한 전력을 출력하게 한다 (단계 S340). 그 후, 비정상 과도 상태 처리 루틴이 종료된다. 단계 S340의 처리는 도 6의 성능 열화 추정 루틴에서의 단계 S240의 처리와 동일하 다.
단계 S300에서 연료 셀 유닛 (20) 이 현재 간헐 구동 모드에서 구동된다고 판정되는 경우, 연료 셀 유닛 (20) 은 이미 정지되었고, 비정상 과도 상태를 판정할 필요가 없다. 따라서, 제어 유닛 (70) 은 즉시 단계 S340으로 이동하여 간헐 구동 모드를 지속한다. 그 후, 비정상 과도 상태 처리 루틴이 종료된다.
상술한 바와 같이, 제 2 실시형태의 전원 장치 (15) 에서, 연료 셀 유닛 (20) 의 정지는 임의의 공기 압축기 (24), 수소 펌프 (65) 및 인버터 (36) 에서 비정상 과도 상태의 검출에 응답하여 금지된다. 이러한 구성은 종래의 비정상의 검출의 지속성을 보장한다. 간헐 구동 모드가 연료 셀 유닛 (20) 의 동작을 정지시키는, 비정상 상태 이전의 비정상 과도 상태에 있는 경우, 예를 들어, 상승하는 온도를 가지고 비정상 과도 상태에 있다고 판정된 공기 압축기 (24) 는 그 동작을 정지하여 온도를 강하한다. 따라서, 연료 셀 유닛 (20) 의 재시작 시에는, 압축 공기의 온도가 비정상 과도 상태 기준 온도에 다시 도달하고 비정상 상태 기준 온도에 도달하기 이전에 비교적 긴 시간이 요구된다. 즉, 종래의 비정상을 검출하는데 긴 시간이 소요된다. 이 실시형태의 절차에서는 비정상 과도 상태의 검출에 응답하여 연료 셀 유닛 (20) 의 정지를 금지한다. 이러한 구성은, 예를 들어, 공기 압축기 (24) 에서의 문제 또는 고장 발생의 신속한 검출을 보장한다.
제 2 실시형태의 절차에서는 공기 압축기 (24), 수소 펌프 (65) 및 인버터 (36) 에 따라 비정상 과도 상태를 검출한다. 비정상 과도 상태는 연료 셀 유닛 (20) 에 포함된 다른 연료 셀 보조 기계에 따라 유사하게 검출될 수도 있다. 연료 셀 유닛 (20) 을 정지시키는 간헐 구동 모드의 설정이 비정상 과도 상태를 취소하고 종래의 비정상 (예를 들어, 온도 상승의 비정상) 의 원활한 검출을 방지하는 한, 임의의 연료 셀 보조 기계에서 비정상 과도 상태의 검출은, 상술한 것과 유사한 효과를 미친다. 예를 들어, 제어 절차에서는 연료 셀 스택 (22) 으로부터 배출되는 애노드 배기가스 또는 캐소드 배기가스의 온도를 측정하고, 애노드 배기가스 또는 캐소드 배기가스의 온도 상승으로 연료 셀 스택 (22) 의 비정상 과도 상태를 검출할 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 제어 절차는 연료 셀 스택 (22) 으로부터 배출되는 애노드 배기가스 또는 캐소드 배기가스의 압력을 측정하고, 애노드 배기가스 또는 캐소드 배기가스의 압력의 감소로 연료 셀 스택 (22) 의 비정상 과도 상태 (예를 들어, 전해질 멤브레인의 손상) 를 검출할 수도 있다.
E. 변형
상술한 실시형태는 모든 양태에서 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로서 간주해야 한다. 본 발명의 주요 특징의 범위 또는 사상에서 벗어나지 않고 다수의 변형, 변경 및 수정이 존재할 수도 있다. 이하, 일부 가능한 변형예를 설명한다.
E1. 제 1 변형예
상술한 제 1 및 제 2 실시형태에서, 제어 절차는 전원 장치 (15) 의 전체 에너지 효율에 기초하여 연료 셀 유닛 (20) 의 정지를 판정한다. 하나의 변형된 제어 절차에서는 전원 장치 (15) 의 전체 에너지 효율에 추가하여 또는 그 대신에 또 다른 조건에 기초하여, 연료 셀 단위 (20) 의 정지를 판정하고 2차 배터리 (30) 를 활성화시킬 수도 있다. 후자의 경우에, 성능 열화 추정 조건하에서 또는 비정상 과도 상태에서 연료 셀 유닛 (20) 의 정지를 금지시킴으로써 전술한 것과 유사한 효과를 나타낸다.
E2. 제 2 변형예
상술한 제 1 및 제 2 실시형태의 구조에서, 전원 장치 (15) 는 연료 셀 유닛 (20) 및 2차 배터리 (30) 를 포함한다. 또한, 본 발명의 기술은, 2차 배터리 (30) 에 추가하여 또는 그 대신에 내연 엔진을 포함하는 에너지 출력 장치에 적용가능하다. 연료 셀 유닛 및 내연 엔진을 구비한 차량에서, 차량의 구동 동력은 내연 엔진, 및 연료 셀 유닛으로부터의 전력 공급을 수용하는 모터 모두로부터 공급가능하다. 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 갖춘 에너지 출력 장치에서, 본 발명의 기술은 복수의 에너지 출력 소스 중 적어도 하나로부터의 에너지 출력을 제어하는데 적용가능하다. 에너지 출력 장치에서, 전체 에너지 효율과 같은 소정의 조건이 연료 셀의 전력 발생을 정지시키도록 충족되는 경우에도, 제어 절차는 성능 열화 추정 조건하에서 또는 비정상 과도 상태에서 연료셀의 정지를 금지한다. 이러한 구성은 전술한 것과 유사한 효과를 나타낸다.
E3. 제 3 변형예
상술한 제 1 및 제 2 실시형태의 구조에서, 연료 셀 유닛 (20) 은 애노드에 고순도의 수소 가스를 공급하고 애노드 배기가스를 애노드로 순환시킨다. 그러나, 이 구조가 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 기술은, 가솔린 또는 알코올과 같은 탄화수소 연료를 재형성하여 수소를 발생시키는 리포머 (reformer) 를 가진 연료 셀 단위를 갖춘 전원 장치에 적용가능하다. 리포머를 갖춘 연료 셀 유닛을 포함하는 전원 장치는 2차 배터리를 더 가질 수도 있다. 2차 배터리가 주전력 소스로서 이용되지만, 연료 셀 유닛은 2차 배터리를 충전하는데 주로 사용된다. 2차 배터리가 완전 충전된 경우에, 연료 셀 유닛의 전력 생성이 정지된다. 이 전원 장치에서는, 2차 배터리가, 연료 셀 유닛의 동작을 정지시키는 완전 충전 상태에 있는 경우에도, 제어 절차는 성능 열화 추정 조건하에서 또는 비정상 과도 상태에서 연료 셀 유닛의 정지를 금지한다. 이러한 구성은 상술한 것과 유사한 효과를 나타낸다.
이 변형 구조에서, 성능 열화 추정 조건 중 하나로서 전극 활성 물질 함유 가스에서의 불순물의 농도는 재형성 가스에서의 불순물의 농도 (예를 들어, 일산화탄소의 농도) 또는 재형성 가스에서의 수소의 농도일 수도 있다. 재형성 가스가 고농도의 불순물을 가지는 동안, 연료 셀 유닛의 지속적 동작은 리포머의 온도의 감소, 또는 재형성 가스를 정화하기 위한 촉매로 채워진 반응기의 온도의 감소를 방지하는 것이 바람직하다. 따라서, 제어 절차는 소정의 조건하에서 연료 셀 유닛의 정지를 금지함으로써, 연료 셀 유닛의 재시작 시에 허용 범위를 초과하는 재형성 가스에서 불순물의 농도 증가를 야기하는 리포머 또는 반응기의 온도의 감소를 더 금지한다.
E4. 제 4 변형예
상술한 제 1 및 제 2 실시형태에서, 연료 셀 유닛 (20) 을 포함하는 전원 장 치 (15) 는 전기 차량에 탑재된다. 또한, 본 발명의 기술은 연료 셀 유닛을 포함하는 정적 전원 장치와 같은 정적 에너지 출력 장치에 적용가능하다.
청구항과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 여기에 포함되는 것으로 의도된다. 본 발명의 범주 및 사상은 전술한 설명에 의해서가 아니라 첨부한 청구항에 의해 지정된다.

Claims (16)

  1. 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 가지며, 상기 복수의 에너지 출력 소스 중 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 에너지 출력 장치로서,
    소정의 조건 하에서 상기 연료 셀에 의한 전력 발생을 정지시키며, 상기 에너지 출력 장치에 포함된 상기 연료 셀 이외의 에너지 출력 소스를 활성화시켜 에너지를 출력하는 출력 제어 모듈;
    상기 연료 셀의 전력 발생 동안에 추정을 수행하는 추정 모듈로서, 상기 추정은 상기 연료 셀의 일시 정지가 상기 연료 셀의 재시작 시에 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 유도하는지 여부를 판정하는, 상기 추정 모듈; 및
    상기 추정 모듈이 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는 경우, 상기 소정의 조건 하에서도 상기 연료 셀의 전력 발생을 강제적으로 지속하는 강제 FC 동작 모듈을 포함하는, 에너지 출력 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화는 상기 연료 셀의 전류-전압 특성의 열화인, 에너지 출력 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 셀에 공급되는 전극 활성 물질 함유 가스에 포함되는 불순물의 농도가 소정의 레벨 이상인 경우, 상기 추정 모듈은 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는, 에너지 출력 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 에너지 출력 장치는,
    상기 연료 셀의 애노드에 수소 가스를 공급하는 수소 가스 공급 도관; 및
    상기 연료 셀의 애노드로부터 배출된 애노드 배기가스의 적어도 일부를 상기 수소 가스 공급 도관에 안내하는 배기가스 순환 도관을 더 포함하며,
    상기 수소 가스 공급 도관에 안내되는 상기 애노드 배기가스에 포함되는 불순물의 농도가 상기 소정의 레벨 이상인 경우, 상기 추정 모듈은 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는, 에너지 출력 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배기 가스 순환 도관은 상기 애노드 배기가스의 일부를 상기 에너지 출력 장치의 외부로 방출하는 가스 퍼지 유닛을 가지며,
    상기 애노드 배기가스의 일부를 방출하는 상기 가스 퍼지 유닛의 최후의 동작 이후에 경과한 시간 주기가 소정의 기준 시간 이내인 경우, 상기 추정 모듈은 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는, 에너지 출력 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 에너지 출력 장치는,
    상기 가스 퍼지 유닛에 의해 방출되는 상기 애노드 배기가스의 일부를 상기 연료 셀의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 배기가스와 희석하고, 그 희석된 애노드 배기가스를 상기 에너지 출력 장치의 외부로 방출하는 수소 희석 모듈을 더 포함하는, 에너지 출력 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    출력 전류에 대한 상기 연료 셀의 출력 전압이 상기 출력 전류에 대한 소정의 기준 전압 이하인 경우, 상기 추정 모듈은 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는, 에너지 출력 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 셀의 동작 온도가 소정의 기준 온도 이하인 경우, 상기 추정 모듈은 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는, 에너지 출력 장치.
  9. 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 가지며, 상기 복수의 에너지 출력 소스 중 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 에너지 출력 장치로서,
    소정의 조건 하에서 상기 연료 셀에 의한 전력 발생을 정지시키며, 상기 에너지 출력 장치에 포함되는 상기 연료 셀 이외의 에너지 출력 소스를 활성화시켜 에너지를 출력하는 출력 제어 모듈;
    상기 연료 셀의 정지 동안에 추정을 수행하는 추정 모듈로서, 상기 추정은 상기 연료 셀의 정지의 지속이 상기 연료 셀의 재시작 시에 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 유도하는지 여부를 판정하는, 상기 추정 모듈; 및
    상기 추정 모듈이 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는 경우, 상기 소정의 조건 하에서도 상기 연료 셀의 전력 발생을 강제적으로 시작하는 강제 FC 동작 모듈을 포함하는, 에너지 출력 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 셀의 동작 온도가 소정의 기준 온도 이하인 경우, 상기 추정 모듈은 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 추정하는, 에너지 출력 장치.
  11. 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 가지며, 상기 복수의 에너지 출력 소스 중 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 에너지 출력 장치로서,
    소정의 조건 하에서 상기 연료 셀에 의한 전력 발생을 정지시키며, 상기 에너지 출력 장치에 포함되는 상기 연료 셀 이외의 에너지 출력 소스를 활성화시켜 에너지를 출력하는 출력 제어 모듈;
    상기 연료 셀의 전력 발생으로 동작하는 연료 셀 보조 기계;
    상기 연료 셀의 전력 발생 동안에 상기 연료 셀 보조 기계의 동작 상태를 검출하고, 그 검출된 동작 상태에 기초하여, 상기 연료 셀 보조 기계가 비정상의 판단 이전의 과도 상태인 비정상 과도 상태에 있는지 여부를 판정하는 추정 모듈; 및
    상기 연료 셀 보조 기계가 비정상 과도 상태에 있다고 상기 추정 모듈이 판정하는 경우, 상기 소정의 조건 하에서도 상기 연료 셀의 전력 발생을 강제적으로 지속하는 강제 FC 동작 모듈을 포함하는, 에너지 출력 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 추정 모듈은, 또한,
    상기 연료 셀 보조 기계의 온도를 검출하고, 상기 연료 셀 보조 기계의 검출 온도가 소정의 기준 온도 이상인 경우, 상기 연료 셀 보조 기계가 비정상 과도 상태에 있다고 판정하는, 에너지 출력 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 조건은 상기 에너지 출력 장치의 에너지 효율에 기초하는, 에너지 출력 장치.
  14. 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 가지며, 상기 복수의 에너지 출력 소스 중 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 에너지 출력 장치의 제어 방법으로서,
    (a) 상기 연료 셀이 전력을 발생시키는 FC 전력 발생 모드와, 상기 연료 셀의 전력 발생이 정지되고 상기 연료 셀 이외의 에너지 출력 소스로부터 에너지가 출력되는 FC 정지 모드 사이에서, 소정의 조건 하에서 상기 에너지 출력 장치로부 터 에너지를 출력하기 위한 구동 모드를 선택하는 단계;
    (b) 상기 연료 셀의 전력 발생 동안에 추정을 수행하는 단계로서, 그 추정은 상기 연료 셀의 일시 정지가 상기 연료 셀의 재시작 시에 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 유도하는지 여부를 판정하는, 상기 추정 수행 단계;
    (c) 상기 단계 (a) 에서 FC 정지 모드를 선택한 경우에, 상기 단계 (b) 에서 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화의 추정에 응답하여 상기 FC 정지 모드의 선택을 취소하는 단계; 및
    (d) 상기 FC 정지 모드의 선택이 상기 단계 (c) 에서 취소되지 않은 경우에는, 상기 연료 셀 및 상기 연료 셀 이외의 상기 에너지 출력 소스를 구동 및 제어하여 상기 단계 (a) 에서 선택된 상기 구동 모드를 활성화시키지만, 상기 FC 정지 모드의 선택이 상기 단계 (c) 에서 취소되는 경우에는, 상기 연료 셀 및 상기 연료 셀 이외의 상기 에너지 출력 소스를 구동 및 제어하여 상기 FC 전력 발생 모드를 활성화시키는 단계를 포함하는, 에너지 출력 장치의 제어 방법.
  15. 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 가지며, 상기 복수의 에너지 출력 소스 중에서 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 에너지 출력 장치의 제어 방법으로서,
    (a) 상기 연료 셀이 전력을 발생시키는 FC 전력 발생 모드와, 상기 연료 셀의 전력 발생이 정지되고 상기 연료 셀 이외의 에너지 출력 소스로부터 에너지가 출력되는 FC 정지 모드 사이에서, 소정의 조건 하에서 상기 에너지 출력 장치로부 터 에너지를 출력하기 위한 구동 모드를 선택하는 단계;
    (b) 상기 연료 셀의 정지 동안에 추정을 수행하는 단계로서, 상기 추정은 상기 연료 셀의 정지의 지속이 상기 연료 셀의 재시작 시에 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화를 유도하는지 여부를 판정하는, 상기 추정 수행 단계;
    (c) 상기 단계 (a) 에서 상기 FC 정지 모드를 선택한 경우에, 상기 단계 (b) 에서 상기 연료 셀의 잠재적인 성능 열화의 추정에 응답하여 상기 FC 정지 모드의 선택을 취소하는 단계; 및
    (d) 상기 FC 정지 모드의 선택이 상기 단계 (c) 에서 취소되지 않은 경우에는, 상기 연료 셀 및 상기 연료 셀 이외의 상기 에너지 출력 소스를 구동 및 제어하여 상기 단계 (a) 에서 선택된 상기 구동 모드를 활성화시키지만, 상기 FC 정지 모드의 선택이 상기 단계 (c) 에서 취소되는 경우에는, 상기 연료 셀 및 상기 연료 셀 이외의 상기 에너지 출력 소스를 구동 및 제어하여 상기 FC 전력 발생 모드를 활성화시키는 단계를 포함하는, 에너지 출력 장치의 제어 방법.
  16. 연료 셀을 포함하는 복수의 에너지 출력 소스를 가지며, 상기 복수의 에너지 출력 소스 중에서 적어도 하나를 활성화시켜 에너지를 출력하는 에너지 출력 장치의 제어 방법으로서,
    (a) 상기 연료 셀이 전력을 발생시키는 FC 전력 발생 모드와, 상기 연료 셀의 전력 발생이 정지되고 상기 연료 셀 이외의 에너지 출력 소스로부터 에너지가 출력되는 FC 정지 모드 사이에서, 소정의 조건 하에서 상기 에너지 출력 장치로부 터 에너지를 출력하기 위한 구동 모드를 선택하는 단계;
    (b) 상기 연료 셀의 전력 발생으로 동작되는 연료 셀 보조 기계의 동작 상태를 검출하고, 그 검출 동작 상태에 기초하여, 상기 연료 셀 보조 기계가 비정상의 판단 이전의 과도 상태인 비정상 과도 상태에 있는지 여부를 판정하는 단계;
    (c) 상기 단계 (a) 에서 상기 FC 정지 모드를 선택한 경우에, 상기 연료 셀 보조 기계가 상기 단계 (b) 에서 상기 비정상 과도 상태에 있다는 판정에 응답하여 상기 FC 정지 모드의 선택을 취소하는 단계; 및
    (d) 상기 FC 정지 모드의 선택이 상기 단계 (c) 에서 취소되지 않은 경우에는, 상기 연료 셀 및 상기 연료 셀 이외의 상기 에너지 출력 소스를 구동 및 제어하여 상기 단계 (a) 에서 선택된 상기 구동 모드를 활성화시키지만, 상기 FC 정지 모드의 선택이 상기 단계 (c) 에서 최소되는 경우에는, 상기 연료 셀 및 상기 연료 셀 이외의 상기 에너지 출력 소스를 구동 및 제어하여 상기 FC 전력 발생 모드를 활성화시키는 단계를 포함하는, 에너지 출력 장치의 제어 방법.
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