KR100699788B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템은 공급 가스들의 반응의 결과로 발전(發電)을 실행하는 연료 전지(1), 물 탱크(31)로부터의 물을 사용하여 적어도 하나의 공급 가스를 가습하는 가습 디바이스(34), 및 연료 전지(1)의 온도를 제어하기 위해 연료 전지(1) 내에 흐르는 냉각제의 온도를 조절하는 냉각제 온도 조절 디바이스(21, 22, 25, 26, 27, 28, 51), 그리고 해동 디바이스(61)를 구비한다. 해동 디바이스(61)는 냉각제에 내재된 열을 얼음에 인가함으로써 연료 전지의 시동 동작 중에 물 탱크(31)내의 얼음을 용융시킨다. 여기에서, 냉각제는 연료 전지(1) 내에서 발전하는 동안 생성되는 폐열에 의해 상승된 온도를 갖는다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR CONTROLLING THE FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 연료 전지 시스템의 시동 제어에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료 전지는 양성자 투과성을 나타내는 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양측에 제공되는 다공성 촉매 전극을 포함한다. 공기(또는 산소)와 수소가 전극에 공급되어, 수소와 공기 중에 있는 산소 간의 전기 화학적 반응의 결과 발전(發電)이 행해진다.
양성자가 고분자막을 통과할 때, 애노드에 가까운 고분자막은 전기 침투(electro-osmosis)로 인해 물분자와 함께 양성자의 이동의 결과 건조된다. 이러한 건조 프로세스는 고분자막의 전기 전도성을 감소시키며, 따라서 발전 특성에 역효과를 갖는다. 건조 프로세스는 전극에 공급되는 수소 가스와 산소를 가습하여 방지될 수 있다. 2001년에 일본 특허청에서 공개된 특허 공개 2001-256989호 공보에는 수소와 공기와 같은 공급 가스를 가습하기 위해 물탱크로부터의 물(또는 순수한 물)을 사용하는 가습 디바이스가 개시되어 있다. 외부 가습 시스템을 채용하는 고분자 전해질 연료 전지에는 연료 전지의 외부에, 연료 전지에 공급되는 가스를 가습하는 가습 디바이스가 제공된다. 그러나, 연료 전지 시스템이 0℃ 미만의 온도에서 외부 환경에 배치되는 경우, 물탱크 내의 물이 동결하는 사실에 기인하여 수소나 공기와 같은 공급 가스를 가습하는 것이 불가능하게 된다. 결과적으로, 연료 전지는 물탱크 내의 얼음을 용융시킨 후에만 시동될 수 있다. 종래 기술에서는 외부 온도가 0℃ 미만일 때, 물탱크나 가습 디바이스를 가열하기 위한 전기 히터를 사용함으로써 물의 동결을 방지한다.
그러나, 상기 기술은 물의 동결을 방지하기 위해 전기 히터에 의해 사용되는 막대한 전력량으로 인해 배터리에 대한 부하를 증가시킨다.
연료 전지 시스템은 연료 전지를 통해 흐르는 냉각제의 온도를 조절하여 연료 전지가 적절한 온도로 유지되게 하는 온도 조절 디바이스를 포함한다. 연료 전지 내의 냉각제의 온도는 연료 전지에서의 발전으로 인한 폐열을 사용하여 상승한다.
따라서, 본 발명의 목적은 여분의 연료 소비나 전력 소비 없이 물탱크 내의 얼음을 용융시키기 위해 연료 전지 시스템의 시동 시에 온도 상승을 얻는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 공급 가스들 간의 화학 반응의 결과 발전(發電)하는 연료 전지로서, 연료 전지내로 냉각제가 흐르고, 이 냉각제는 연료 전지에서의 발전에 의해 생성된 폐열을 흡수한 결과 온도가 상승하는, 연료 전지; 물 탱크; 물 탱크로부터의 물을 사용하여 적어도 하나의 공급 가스를 가습하는 가습 디바이스 및 연료 전지의 온도를 제어하기 위해 연료 전지 내부에 흐르는 냉각제의 온도를 조절하는 냉각제 온도 조절 디바이스를 구비하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
연료 전지 시스템은 물 탱크에 냉각제의 열을 인가하여 물 탱크 내의 얼음을 용융시키는 해동 디바이스; 해동 디바이스와 연료 전지를 통해 냉각제가 순환하게 하는 냉각제 순환 통로; 연료 전지로부터 해동 디바이스로의 냉각제의 흐름을 발생시키는 흐름 발생기; 및 연료 전지 시스템의 시동 동작을 제어하는 제어기를 포함한다. 제어기는 연료 전지 시스템의 시동 동작 중에 물 탱크 내의 얼음을 용융시키기 위해 연료 전지로부터 해동 디바이스로의 냉각제의 흐름을 생성하도록 흐름 발생기를 제어하는 기능을 갖는다. 냉각제는 발전 동작으로 인한 폐열을 흡수하고, 물 탱크 내의 얼음을 용융시키는 기능을 갖는다.
또, 본 발명은 공급 가스들 간의 화학 반응의 결과 발전(發電)하는 연료 전지로서, 연료 전지내로 냉각제가 흐르고, 연료 전지에서의 발전에 의해 생성된 폐열을 흡수한 결과 온도가 상승하는, 연료 전지; 물 탱크; 물 탱크로부터의 물을 사용하여 적어도 하나의 공급 가스를 가습하는 가습 디바이스 및 연료 전지의 온도를 제어하기 위해 연료 전지 내부에 흐르는 냉각제의 온도를 조절하는 냉각제 온도 조절 디바이스를 구비하는, 연료 전지 시스템을 제어하는 제어 방법을 제공한다.
제어 방법은 물 탱크에 냉각제의 열을 인가하여 물 탱크 내의 얼음을 용융시키는 해동 디바이스를 제공하는 단계; 해동 디바이스와 연료 전지를 통해 냉각제가 순환하게 하는 냉각제 순환 통로를 제공하는 단계; 및 연료 전지 시스템의 시동 동작 중에 물 탱크 내의 얼음을 용융시키기 위해 연료 전지로부터 해동 디바이스로의 냉각제의 흐름을 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 상세한 설명뿐만 아니라 다른 특징 및 이점은 본 명세서의 나머지에 나타나 있고, 첨부하는 도면에 도시되어 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 제 1 실시예에 의해 정해지는 바와 같은 빙점 미만 시동 모드 플래그의 설정 루틴의 플로우차트이다.
도 3은 제 1 실시예에 따르는 제 1 시동 제어 루틴을 나타내는 플로우차트이다.
도 4는 제 1 실시예에 따르는 제 2 시동 제어 루틴을 나타내는 플로우차트이다.
도 5의 (A)는 제 1 실시예에 따르는 연료 전지의 발전과 연소기에서의 발열의 일시적인 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5의 (B)는 제 1 실시예에 따르는 연료 전지의 온도를 나타내는 그래프이다.
도 5의 (C)는 제 1 실시예에 따르는 물탱크에서 용융된 얼음의 양을 나타내는 그래프이다.
도 6은 제 2 실시예에 따르는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 7은 제 2 실시예에 따르는 시동 제어 루틴을 나타내는 플로우차트이다.
이하의 실시예에서 나타내는 연료 전지 시스템은 차량용으로 사용하는데 적합하지만, 연료 전지 시스템은 가전기기에 사용할 수 있도록 적절히 변형되어도 된 다.
도면의 도 1을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 의해 정해지는 바와 같은 연료 전지 시스템을 설명한다.
연료 전지 시스템은 공기 통로, 수소 통로 및 냉각제 통로(95)가 제공되는 연료 전지(1)와, 연료 전지(1)의 외부에 배치되는 가습 디바이스(34)를 포함한다. 연료 전지(1)는 고분자 전해질 연료 전지이다. 일반적인 경우에, 연료 전지(1)에 공급되는 수소 가스와 공기는 연료 전지(1)내의 다공성 격리판(porous separator)에 의해 추출되는 화학 반응으로 인해 생기는 물을 사용하여 가습된다. 이하, 공급된 공기 및 수소 가스는 간단히 공급 가스라고 한다. 한편, 연료 전지(1)의 온도가 연료 전지(1)에 대한 부하의 증가의 결과 상승함에 따라, 적절한 습도 레벨이 연료 전지(1)의 내부를 가습하는 것에 의해서만으로 유지될 수 없는 경우(예컨대, 도 5의 일정값 T3 이상의 온도 영역에 있는 경우), 가습 디바이스(34)는 물탱크(31)로부터의 물을 사용하여 공기와 수소 가스에 보조적인 가습 동작을 실행한다. 가습된 공기와 수소 가스가 연료 전지(1)내의 각 전극에 공급된다.
수소는 수소 탱크(2)로부터 수소 공급 통로(6)를 통해 인젝터(injector)(5)에 공급된다. 수소는 인젝터(5)로부터 연료 전지(1)의 수소 통로 입구(7)에 도입된다. 연료 전지(1)의 수소 통로 출구(8)는 수소 순환 통로(9)를 통해 인젝터(5)에 연결된다. 컷오프 밸브(3)가 개방 위치에 있는 경우, 수소는 수소 통로 출구(8)로부터 컷오프 밸브(70)를 통해 인젝터(5)에 복귀한다. 컷오프 밸브(3)는 통상 폐쇄 위치에 있다. 공기는 콤프레셔(11)에 의해 압축되어 공기 공급 통로(12)를 통해 연 료 전지(1)의 공기 통로 입구(13)에 공급된다.
물탱크(31)내의 물은 물 공급 펌프(32)로부터 물 공급 통로(33)를 통해 인젝터(34)(가습 디바이스)에 가압 하에 전송된다. 물은 물 인젝터(34)로부터 수소 공급 통로(6) 및 공기 공급 통로(12)로 주입된다. 이러한 동작으로 인해, 연료 전지(1)에 도입된 수소 가스와 공기가 가습된다.
물 공급 압력을 일정값으로 유지하기 위해, 물 공급 통로(33)에 압력 조절 밸브(35)가 제공된다. 압력 조절 밸브(35)로부터 연장하는 제 1 복귀 통로(36)가 물 공급 통로(33)상의 물 공급 펌프(32)의 상류측에 연결된다. 통상 폐쇄 위치에 있는 컷오프 밸브(38)는, 물 펌프(32)의 하류의 물 공급 통로(33)에서 분기하여 물을 물 탱크(31)로 복귀시키는 제 2 복귀 통로(37)에 제공된다. 통상 폐쇄 위치에 있는 컷오프 밸브(40)는, 압력 조절 밸브(35)의 제 1 복귀 통로(36)에서 분기하여 물을 물 탱크(31)로 복귀시키는 제 3 복귀 통로(39)에 제공된다. 컷오프 밸브(38, 40)가 모두 개방되는 경우, 물은 복귀 통로(37, 39)를 통해 물 탱크(31)로 배수된다.
연료 전지(1)에 의한 고레벨의 발전이 가능해진 후에, 제어기(51)는 요구되는 발전량에 응답하여 수소 공급 통로(6)에 제공되는 압력 제어 밸브(4)를 제어함으로써 수소 공급 통로(6)에 흐르는 수소 유량(flow amount)을 조절한다. 예를 들어, 요구되는 발전량이 변화하는 경우, 제어기(51)는 공기 공급 통로(12)의 공기 유량을 검출하는 유량 센서(53)와 수소 유량을 검출하는 유량 센서(52)로부터의 신호에 응답하여 공기와 수소의 유량 사이의 최적의 비(일정값)를 얻기 위해 콤프레 셔(11)로부터의 공기 유량을 제어한다.
제어기(51)는 프로그램을 실행하는 중앙 처리 장치(CPU), 프로그램과 데이터를 저장하는 판독 전용 메모리(ROM), CPU로부터의 연산 결과로서 획득되는 데이터를 일시 저장하는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 갖는 마이크로컴퓨터를 포함한다.
연료 전지 시스템은 냉각제의 흐름을 발생하는 흐름 발생기를 포함한다. 흐름 발생기는 냉각제 순환 통로에 배치되어 가압 하에 냉각제를 전송하는 냉각제 펌프(21)를 포함한다. 연료 전지 시스템은 연료 전지(1) 내부에 흐르는 냉각제의 온도를 조절하는 냉각제 온도 조절 디바이스를 포함하여, 연료 전지(1)에서 고레벨의 발전이 가능해질 때, 연료 전지(1)의 온도가 대체로 일정하게 된다. 냉각제 온도 조절 디바이스는 연료 전지(1) 내 및 라디에이터(26) 내에서 냉각제를 순환시키는 냉각제 순환 통로, 냉각제 순환 통로에서 분기하여 라디에이터(26)를 바이패스하는 제 1 바이패스 통로(27), 및 라디에이터(26)를 통과하는 통로에서 제 1 바이패스 통로(27)를 통과하는 통로로 냉각제의 통로를 전환하는 3방향 밸브(통로 전환 디바이스)를 포함한다. 제어기(51)는 연료 전지 내의 냉각제 온도를 제어하기 위해 2개의 통로를 선택적으로 전환하도록 3방향 밸브(28)를 사용한다.
라디에이터(26)는 차량이 주행하는 동안 유입하는 외부 공기를 사용하여 열교환을 실행한다. 한 쌍의 냉각제 통로(22, 25)는 연료 전지 및 라디에이터(26) 내의 냉각제 통로(95)를 연결한다. 따라서, 냉각제 순환 통로에는 라디에이터(26), 연료 전지(1) 내의 냉각제 통로(95), 냉각제 통로(22) 및 냉각제 통로(25)가 제공 된다. 냉각제 순환 통로에서 흐르는 냉각제는 냉각제 펌프(21)의 출구로부터 냉각제 통로(22), 연료 전지(1) 내의 냉각제 통로(95), 냉각제 통로(25) 및 라디에이터(26)로 흐른다. 그 후, 냉각제는 냉각제 펌프(21)의 입구로 복귀한다.
라디에이터(26)를 바이패스하는 제 1 바이패스 통로(27)는 연료 전지(1)의 하류의 냉각제 통로(25)에서 분기한다. 제 1 바이패스 통로(27)는 3방향 밸브(28)(통로 전환 디바이스)를 통해 냉각제 통로(22)와 연결된다.
전류가 인가되지 않는 경우, 3방향 밸브(28)는 포트 A를 포트 C와 연결하고 포트 B를 포트 C로부터 분리시킨다. 전류가 인가되는 경우, 3방향 밸브(28)는 포트 A와 포트 C 간의 연결을 차단하고 포트 B를 포트 C에 연결한다. 여기에서, 전류는 명령 신호로 기능한다. 냉각제용 통로는 3방향 밸브(28)의 작동 또는 비작동의 결과, 라디에이터(26)를 통과하는 통로에서 제 1 바이패스 통로(27)를 통과하는 통로로 전환된다.
연료 전지(1)에서의 발전이 가능해진 후에, 제어기(51)는 3방향 밸브(28)를 제어하여, 연료 전지(1) 내의 냉각제의 온도가 기준 온도(대체로 일정한 온도)와 일치하게 한다. 환언하면, 제어기(51)는 3방향 밸브(28)에 전류를 인가하거나 인가하지 않으며, 따라서 냉각제 온도가 기준 온도보다 높은 경우 라디에이터(26)를 통하고, 냉각제 온도가 기준 온도보다 낮은 경우 제 1 바이패스 통로(27)를 통해, 냉각제의 흐름을 전환하도록 3방향 밸브(28)에 명령한다. 기준 온도는 연료 전지의 상태에 따라 사전에 결정된다. 또, 제어기(51)는 냉각제 통로 출구(24)에서의 냉각제 온도를 검출하는 온도 센서(83), 냉각제 통로 입구(23)에서의 냉각제 온도를 검 출하는 온도 센서(54) 및 냉각제 압력을 검출하는 압력 센서(55)로부터의 신호에 응답하여 냉각제 펌프(21)에 의해 주입되는 냉각제 유량을 제어한다. 온도 센서(83)는 냉각제 통로 출구(24)에서의 냉각제 온도를 연료 전지(1)의 온도의 측정으로 검출한다. 그러나, 냉각제 통로 출구(24)의 냉각제 온도 대신에, 온도 센서(83)는 연료 전지(1)의 온도를 직접 검출해도 된다.
연료 전지(1)에 의해 발생되는 전력은 배터리 또는 전기 구동 모터와 같은 전기 장치에 공급된다. 연료 전지 시스템을 장착한 차량이 주차되어 0℃ 이하의 외부 온도에 방치되는 경우, 물 탱크(31)내의 물이 동결하여 공급 수소 가스와 산소가 가습될 수 없다. 결과적으로 본 실시예에서는, 연료 전지(1)내에서의 발전에 의해 생성되는 폐열을 사용하여 상승된 온도를 갖는 냉각제로부터의 열을 사용하여 물 탱크(31)내의 얼음을 용융하기 위해 해동 디바이스 또는 히터가 제공된다.
물 탱크(31)는 냉각제의 흐름과 관련하여 연료 전지(1)의 하류에 배치된다. 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)에 연결되는 냉각제 통로(25)의 부분에는 물 탱크(31)내의 물이 제공된다. 물 탱크(31) 내의 냉각제 통로의 부분은 예컨대, 코일의 형상으로 형성되며, 물 탱크(31)내의 물과 냉각제 간의 열교환을 가능하게 하는 열교환부(61)(열교환기)로 기능한다. 환언하면, 열교환부(61)는 해동 디바이스이다.
제 1 바이패스 통로(27)를 따라서 열교환기(65)가 제공되어, 제 1 바이패스 통로(27)내의 냉각제와 연소 가스 간의 열교환 동작을 실행한다. 열교환기(65)는 전열 촉매(67)(EHC) 및 촉매 연소기(66)와 일체화되어 있다. 수소 순환 통로(9)에 서 분기하는 수소 통로(68)는 전열 촉매(67)에 연결된다. 일단이 연료 전지(1)의 공기 통로 출구(14)에 연결되어 있는 배출 공기 통로(69)의 타단이 또한 전열 촉매(67)에 연결된다. 통상 폐쇄되어 있는 컷오프 밸브(70)는 수소 순환 통로(9)에 제공된다. 통상 폐쇄되어 있는 제어 밸브(71)는 분기 수소 통로(68)에 제공된다. 압력 제어 밸브(72)는 배출 공기 통로(69)에 제공된다.
수소 공급 통로(6)의 컷오프 밸브(3) 및 압력 제어 밸브(4)가 개방되고, 수소 순환 통로(9)의 컷오프 밸브(70)가 폐쇄되며, 분기 수소 통로(68)의 흐름 제어 밸브(71)가 수소를 공급하기 위해 개방되어 있다. 이러한 상황에서, 수소 탱크(2)내의 수소가 수소 공급 통로(6), 연료 전지(1)내의 수소 통로 및 분기 수소 통로(68)를 통해 촉매 연소기(66)에 공급된다. 콤프레셔(11)가 ON 위치로 되고, 배출 공기 통로(69)의 압력 제어 밸브(72)가 개방되는 경우, 콤프레셔(11)로부터 주입되는 공기가 공기 공급 통로(12), 연료 전지(1)내의 공기 통로 및 배출 공기 통로(69)를 통해 촉매 연소기(66)에 공급된다. 공기 내에 있는 수소 및 산소가 촉매 연소기(66)에서 연소된다. 연소 가스는 열교환기(65)로 흘러 열교환에 의해 냉각제를 가열한다. 그 후, 연소 가스는 외부 대기로 배출된다.
촉매 연소기(66)내의 촉매가 작동 온도에 도달할 때까지는 수소가 공기 내의 산소와 반응(연소)하지 않으므로, 전열 촉매(67)는 공기 및 수소 가스의 온도를 촉매 연소기(66)에서 점화가 가능한 온도로 상승시킨다.
이어서, 제어기(51)에 의해 실행되는 연료 전지 시스템의 시동 제어를 나타내는 도 2∼도 4의 플로우차트를 설명한다.
도 2의 플로우차트를 참조하여, 빙점 미만 시동 모드 플래그를 설정하는 제어 루틴을 설명한다. 이러한 제어 루틴은 스위치(85)로부터의 신호가 OFF 위치에서 ON 위치로 전환되는 경우(환언하면, 시동 동작이 시작되는 경우)에만 실행된다. 스위치(85)는 차량에 통상적으로 제공되는 키 스위치를 포함해도 된다. 스위치(85)가 차량을 시동하기 위해 OFF에서 ON으로 전환되는 경우, 연료 전지 시스템이 시동된다.
먼저 단계 S1에서, 물 탱크(31)내의 수온 Ttnk[℃]가 온도 센서(81)를 통해 판독된다. 단계 S2에서, 물 탱크(31)내의 수온 Ttnk[℃]가 빙점, 즉 0℃와 비교된다. 물 탱크(31)내의 수온 Ttnk[℃]가 0℃ 이하인 경우, 물 탱크(31)내의 물이 동결하였다고 판정되고, 루틴은 단계 S3으로 진행한다. 단계 S3에서, 빙점 미만 시동 모드 플래그가 단위값으로 설정된다(빙점 미만 시동 모드 플래그 = 1). 빙점 미만 시동 모드 플래그는 연료 전지 시스템이 빙점 미만의 온도에서 시동되는지 또는 이상의 온도에서 시동되는지를 나타낸다. 그 후, 루틴은 단계 S4로 진행하여 전열 촉매(67)에 전류가 인가된다. 그 결과, 전열 촉매(67)의 온도가 상승한다.
이 단계에서, 연료 전지(1)가 고레벨 발전을 실행하는 것은 불가능하므로, 차량은 작동될 수 없다. 따라서, 단계 S5에서, 주행 허가 플래그가 0으로 설정된다(주행 허가 플래그 = 0). 주행 허가 플래그는 차량의 주행이 금지되어 있는지의 여부를 나타내는 플래그이다. 주행 허가 플래그가 0으로 설정되는 경우, 차량 주행이 금지된 것을 나타내는 운전자의 좌석에 가까운 램프가 점등된다.
물 탱크(31)내의 수온 Ttnk가 빙점 0℃를 초과하는 경우, 물 탱크(31)내의 물이 동결하지 않은 것으로 결정된다. 이러한 상황에서, 공급 기체는 즉시 가습될 수 있고, 시스템은 정상 모드로 시프트한다. 결과적으로, 연료 전지(1)에 의한 고레벨의 발전이 즉시 가능해진다. 루틴이 단계 S2에서 단계 S6, S7로 진행할 때, 빙점 미만 시동 모드 플래그가 0의 값으로 설정되고(빙점 미만 시동 모드 플래그 = 0), 주행 허가 플래그가 1의 값으로 설정된다(주행 허가 플래그 = 1). 주행 허가 플래그가 1의 값으로 설정되는 경우, 차량 주행이 금지된 것을 나타내는 운전자의 좌석에 가까운 램프가 소등된다.
도 3의 플로우차트를 참조하여 제 1 빙점 미만 시동 제어를 설명한다. 도 3의 제어 루틴은 일정 간격(예컨대, 10msec)으로 실행된다.
도 3의 단계 S11에서, 빙점 미만 시동 모드 플래그의 값이 판독되고, 빙점 미만 시동 모드 플래그가 1인지의 여부가 결정된다. 빙점 미만 시동 모드 플래그 = 0인 경우, 빙점 미만 시동 제어를 실행할 필요가 없다. 따라서, 루틴은 그 시점에서 종료된다.
빙점 미만 시동 모드 플래그 = 1인 경우, 루틴은 단계 S12로 진행하여, 촉매 연소기 점화 플래그가 판독되고, 빙점 미만 시동 모드 플래그가 0인지의 여부가 결정된다. 촉매 연소기 점화 플래그는 촉매 연소기(66)에서 공기와 수소를 연소시키는 것이 가능한지의 여부를 나타내는 플래그이다. 촉매 연소기 점화 플래그 = 1인 경우, 촉매 연소기(66)에서 공기와 수소를 연소시킬 수 있게 된다. 촉매 연소기 점화 플래그는 연료 전지 시스템이 시동될 때 0의 초기값으로 설정된다. 촉매 연소기 점화 플래그가 0의 값을 갖는 경우(촉매 연소기 점화 플래그 = 0), 루틴은 단계 S13으로 진행하여, 전열 촉매(67)의 온도 Tehc[℃]가 온도 센서(82)를 통해 판독된다. 단계 S14에서, 전열 촉매(67)의 온도 Tehc[℃]가 소정의 온도 T1[℃]과 비교된다. 소정의 온도 T1은 촉매 연소기(66)에서 공기와 수소를 포함하는 가스의 점화가 가능하게 되는 최소 온도(예컨대, 70∼80℃)이다.
전열 촉매(67)의 온도 Tehc가 소정의 온도 T1 미만인 경우, 루틴은 종료한다. 이 때, 전열 촉매(67)에 전류가 인가되고, 전열 촉매(67)의 온도 Tehc가 상승한다.
전열 촉매(67)의 온도 Tehc가 소정의 온도 T1 이상인 경우, 루틴은 단계 S14에서 단계 S15로 진행하여, 촉매 연소기 점화 플래그가 1로 설정된다(촉매 연소기 점화 플래그 = 1). 이 때, 수소와 공기는 촉매 연소기(66)로 흘러 연소된다. 단계 S16에서, 콤프레셔(11)는 촉매 연소기(66)에 공기를 공급하기 위해 ON 위치로 전환되고, 압력 제어 밸브(72)가 개방된다. 컷오프 밸브(3) 및 압력 제어 밸브(4)는 촉매 연소기(66)에 수소 가스를 공급하기 위해 개방되고, 컷오프 밸브(70)는 폐쇄되며, 흐름 제어 밸브(71)은 개방된다.
이러한 방법으로, 콤프레셔(11)로부터 배출되는 공기는 연료 전지(1)와 압력 제어 밸브(72)를 통과하여 전열 촉매(67)에 공급된다. 수소는 컷오프 밸브(3), 압력 제어 밸브(4), 연료 전지(1), 흐름 제어 밸브(71)를 통해 흘러 전열 촉매(67)에 공급된다. 전열 촉매(67)에 의해 가열된 후, 수소 가스와 공기는 촉매 연소기(66)에 도입되고, 수소는 작동 온도에 도달한 촉매에 의해 공기 중의 산소를 사용하여 연소된다. 결과적인 연소 가스는 열교환기(65)로 도입되어, 냉각제와의 열교환으로 인해 열을 배출한다. 그 후, 연소 가스는 하강한 온도로 대기로 배출된다. 컷오프 밸브(70)가 폐쇄되기 때문에, 인젝터(5)의 수소 순환 통로(9)의 수소는 순환되지 않는다.
단계 S17에서, 열교환기(65)에서 연소 가스에 의해 가열된 냉각제는 냉각제 펌프(21)를 스위치 온함으로써 제 1 바이패스 통로(27)를 통해 연료 전지(1)에 전송된다. 제어기(51)는 3방향 밸브(28)에 전류를 인가하여 포트 A가 포트 C로부터 차단되고 포트 B가 포트 C에 연결된다. 이러한 방법으로, 열교환기(65)에서 가열된 냉각제는 제 1 바이패스 통로(27)로부터 냉각제 통로(22)를 경유하여 연료 전지 입구(23)를 통해 연료 전지(1)의 내부로 흐른다. 그 후, 연료 전지(1)에서의 열손실로 인해 더 낮은 온도를 갖는 냉각제가 연료 전지 출구(24)로부터 냉각제 통로(25)를 통해 흘러, 제 1 바이패스 통로(27)의 열교환기(65)로 복귀한다. 단계 S18에서, 촉매 연소기(66)에서의 연소가 이미 시작되었기 때문에, 전열 촉매(67)로의 전류의 인가가 정지되고 배터리에 의한 전력 소비가 정지된다.
촉매 연소기 점화 플래그 = 1이기 때문에, 제어 루틴이 바로 다음 회에 실행될 때, 루틴은 단계 S12에서 단계 S19로 진행하여, 연료 전지 출구(24)에서의 냉각제 온도 Tout[℃]가 온도 센서(83)를 통한 연료 전지(1)의 온도의 측정으로 판독된다. 단계 S20에서, 연료 전지 출구(24)에서의 냉각제 온도 Tout[℃]가 빙점 즉, 0℃와 비교된다.
연료 전지 출구(24)에서의 냉각제 온도 Tout[℃]가 빙점 0℃ 미만인 경우, 루틴은 단계 S21로 진행한다. 단계 S21에서, 흐름 제어 밸브(71)를 통해 흐르는 수 소 유량이 제어되어 유량 센서(52)에 의해 검출되는 실제의 수소 유량이 기준 수소 유량과 일치하게 된다. 기준 수소 유량은 촉매 연소기(66)에서 발열이 효율적으로 실행되도록 사전에 결정된다. 이러한 방법으로, 촉매 연소기의 발열량이 예컨대, 일정값으로 된다(도 5의 (a)에서의 실선 참조).
도 5는 연료 전지(1)가 타이밍 t1에서 시동된 후, 물 탱크(31)내의 물이 빙점 미만일 때 촉매 연소기 발열값(도 5의 (a)의 실선), 연료 전지(1)의 발전량(도 5의 (a)의 점선), 연료 전지 출구에서의 냉각제 온도(도 5의 (b)), 및 얼음 용융량(도 5의 (c))의, 시간에 대한 변화를 나타내는 개략도이다.
단계 S22에서, 콤프레셔(11)와 압력 제어 밸브(72)는 콤프레셔(11)로부터 배출되는 공기의 유량 및 압력을 조절하기 위해 제어되어, 온도 센서(84)에 의해 검출되는 실제 연소 온도가 기준 온도와 일치하게 된다. 실제 연소 온도가 기준 온도 미만인 경우, 공기-연료비(수소 유량과 공기 유량의 비)는 촉매 연소기(66)에 도입되는 공기 유량의 감소에 의해 커지도록 제어된다. 이러한 방법으로, 연소 온도가 상승한다. 역으로, 실제 연소 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 공기-연료비는 공기 유량의 증가에 의해 작아지도록 제어된다. 이러한 방법으로, 연소 온도가 하강한다.
냉각제 펌프(21)가 동작되고, 촉매 연소기(66)에 의해 발생한 열이 열교환기(65)에 의해 냉각제에 인가됨으로써 냉각제의 온도가 상승한다. 온도가 상승한 냉각제는 제 1 바이패스 통로(27)로부터 3방향 밸브(28)를 통과하여 연료 전지(1)로 흐른다. 촉매 연소기(66)에서 발생된 열은 냉각제의 순환을 통해 연료 전지(1)에 전송되어, 연료 전지(1)의 온도가 상승할 수 있게 된다. 연료 전지(1)는 통상적으로 연료 전지(1)내의 냉각제 통로(95)를 통해 흐르는 냉각제와의 매우 효율적인 열교환 동작을 실행하도록 배치되는 냉각제 통로(95)를 갖는다. 따라서, 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)는 연료 전지(1)의 온도와 대체로 같은 온도로 된다. 따라서, 연료 전지(1)가 흡수된 열로 인해 온도가 상승하더라도, 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)에서의 냉각제의 온도는 연료 전지(1)의 온도와 대체로 같아진다. 따라서, 연료 전지(1)가 0℃ 이상이 되는 경우, 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)에서의 냉각제의 온도도 또한 빙점 0℃ 이상이 되어야 한다. 연료 전지(1)가 빙점 미만(예컨대, -20℃)에 있는 경우 고레벨의 발전이 실행될 때에도, 발전 결과 생성된 물은 냉각되어 빙점 미만에 있는 연료 전지(1)에서 다시 동결된다. 물이 다시 동결하지 않는 온도까지 연료 전지(1)가 가열되지 않으면, 연료 전지(1)에서의 고레벨의 발전이 불가능해진다. 따라서, 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)의 냉각제 온도가 빙점 0℃를 초과한 후 (도 5에서의 시간 t2 후)에만, 고레벨의 발전이 가능해지고 차량 주행을 허가하는 주행 허가 플래그가 1로 설정된다.
0℃ 미만의 온도에서 냉각제가 연료 전지(1)의 하류에 있는 물 탱크(31)로 흐르는 경우, 물 탱크(31)에서 열교환기(61)에 의해 열이 얼음에 점진적으로 인가된다. 그러나, 이로 인해 얼음이 용융되지는 않는다. 냉각제의 빙점(예컨대, -20℃)은 0℃보다 매우 낮아 0℃ 미만의 온도에서도 냉각제가 흐를 수 있다. 따라서, 도 5의 (c)에 나타내는 바와 같이, 얼음의 용융량, 환언하면, 얼음을 용융시키는데 사용되는 열은 이 단계에서는 거의 0이다. 물 탱크(31)내의 열교환기(61)에서, 냉 각제는 얼음에 인가되는 용융열의 부족으로 인해 많은 열을 빼앗기지는 않는다. 이러한 방법으로, 촉매 연소기(66)에서 생성된 열을 연료 전지(1)에만 효율적으로 인가할 수 있게 된다. 따라서, 열은 0℃ 근방의 온도에 있는 연료 전지(1)에 인가될 수 있다. 동일한 수소 소비량에 대하여, 연료 전지(1)에 의한 고레벨의 발전 및 차량 주행이 가능한 상태에 빨리 도달할 수 있게 된다.
이러한 방법으로, 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)에서의 냉각제 온도 Tout가 0℃ 이상인 경우, 연료 전지(1)가 고레벨의 발전이 가능한 상태에 있다고 결정된다. 따라서, 루틴은 단계 S20에서 단계 S23 및 S24로 진행한다. 그 결과, 빙점 미만 시동 모드가 종료되고 차량 주행이 허가된다. 단계 S23에서, 빙점 미만 시동 모드 플래그는 0으로 설정되고, 단계 S24에서 주행 허가 플래그는 1로 설정된다. 주행 허가 플래그가 1의 값을 갖는 경우, 차량 주행이 금지되는 것을 나타내는 운전자의 시트에 가까운 램프가 소등된다.
램프가 소등된 후 운전자가 차량을 운전할 때, 연료 전지(1)는 차량 운전에 필요한 전력을 발생한다. 따라서, 단계 S25에서, 컷오프 밸브(70)가 개방되고, 흐름 제어 밸브(71)가 폐쇄되며, 촉매 연소기(66)로의 수소 공급이 종료되고, 수소가 수소 순환 통로(9)로 순환된다. 환언하면, 제어기(51)는 촉매 연소기(66)로의 수소의 공급을 정지시킴으로써 열교환기(65)(히터)의 동작을 정지시킨다. 이것은 연료 전지(1)에서 발생된 전력을 사용하여 연료 전지(1)로 흐르는 냉각제를 가열할 수 있다는 사실에 기인한다. 이러한 방법으로, 촉매 연소기(66)에서의 연소가 완료되고, 연소기 발열값이 0으로 된다(도 5의 (a)에서의 실선).
그러나, 이 때(도 5에서의 시간 t2), 물 탱크(31)내의 얼음이 용융되지 않는다. 그 결과, 단계 S26에서, 해동 플래그(연료 전지 시스템의 시동 동작이 시작될 때 0의 초기값)이 1로 설정된다(해동 플래그 = 1). 해동 플래그는 얼음의 용융이 물 탱크(31)에서 현재 실행되고 있는지의 여부를 나타내는 플래그이다. 차량 주행이 금지되는 것을 나타내는 램프가 소등된 직후 차량이 운전된다고 가정하는 경우, 연료 전지(1)에서의 발전량은 도 5의 (a)에서 점선으로 나타내는 바와 같이 시간 t2 후에 증가한다.
차량이 주행 중인 경우, 연료 전지(1)의 온도는 연료 전지(1)에서의 발전의 결과 증가하고, 연료 전지(1)에 흐르는 냉각제는 연료 전지(1)에 의해 생성된 열(폐열)에 의해 가열된다. 그 결과, 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)의 냉각제 온도 Tout는 0℃보다 높은 온도로 상승한다. 0℃보다 높은 온도에 있는 냉각제의 순환의 결과 물 탱크(31)내의 열교환기(61)에 의해 열(융해열에 대응)이 얼음에 인가된다. 그 결과, 얼음이 용융된다. 도 5의 (c)에 나타내는 바와 같이, 시간 t2에서 0인 얼음의 용융량은 시간의 함수로 증가한다. 시간 t4에서, 물 탱크(31)내의 모든 얼음의 용융이 완료되고, 시간 t4 후에 용융된 얼음의 양이 일정하게 된다. 시간 t4 후에, 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)에서의 냉각제 온도는 시간 t4 이전보다 더욱 빨리 상승한다.
이러한 방법으로, 본 실시예에서는, 먼저 열교환기(65)에서의 열교환의 결과 높은 온도를 갖는 냉각제를 사용하여 0℃의 값 이상으로 연료 전지(1)가 가열된다. 물 탱크 내의 얼음의 용융은 연료 전지에서의 발전 중에 생성된 냉각제 인가 열(폐 열)을 사용하여 실행된다. 물 탱크(31)내의 모든 얼음의 용융이 완료된 후에, 연료 전지 시스템은 정상 동작 모드로 시프트한다.
도 4는 제 2 빙점 미만 시동 제어를 도시한다. 도 4에서의 제어 루틴은 일정 기간(예컨대, 10 msec)마다 실행된다.
도 4에서의 단계 S31에서, 주행 허가 플래그가 1인지의 여부를 결정하기 위해 주행 허가 플래그가 판독되고, 단계 S32에서 해동 플래그가 1인지의 여부를 결정하기 위해 해동 플래그가 판독된다. 주행 허가 플래그 = 1이고 해동 플래그 = 1인 경우, 루틴은 단계 S33으로 진행하여, 연료 전지의 냉각제 통로 출구에서의 냉각제 온도 Tout[℃]가 온도 센서(83)를 통해 판독된다. 단계 S34에서, 연료 전지의 냉각제 통로 출구에서의 냉각제 온도 Tout[℃]가 제 2의 소정의 온도 T2[℃]와 비교된다.
제 2의 소정의 온도 T2는 물 탱크(31)내의 모든 얼음의 용융이 완료될 때의 온도이다. 제 2의 소정의 온도 T2는 연료 전지(1)에서의 발전량에 의존한다. 제어기(51)의 ROM은 연료 전지(1)에서의 발전량에 대응하는 소정의 온도 T2의 테이블을 저장해도 된다. 따라서, 제어기(51)는 연료 전지(1)의 실제 검출된 발전량으로부터 소정의 온도 T2를 산출하기 위해 테이블을 검색해도 된다. 간단하게는, 소정의 온도 T2를 일정값으로 두어도 된다. 단계 S34에서, 온도 비교와 달리, 연료 전지(1)의 발전량에 기초하여 물 탱크(31)내의 모든 얼음의 용융이 완료되었는지의 여부를 결정해도 된다.
연료 전지의 냉각제 통로 출구의 냉각제 온도 Tout가 일정 온도 T2 미만인 경우, 물 탱크(31)내의 모든 얼음의 용융이 완료되지 않았기 대문에, 루틴은 종료한다. 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)의 냉각제 온도 Tout가 소정의 온도 T2 이상인 경우(도 5에서의 시간 t4), 물 탱크(31)내의 모든 얼음의 용융이 완료된 것으로 결정되고, 루틴은 단계 S35로 진행한다. 단계 S35에서, 해동 플래그는 0의 값으로 설정된다(해동 플래그 = 0). 그 후, 단계 S36에서, 3방향 밸브(28)로의 전류의 인가가 정지되고, 포트 B와 포트 C가 차단되며, 포트 A와 포트 C가 연결된다. 이러한 방법으로, 연료 전지 시스템은 정상 모드로 시프트하여, 냉각제가 라디에이터(26)를 통해 흐른다.
본 실시예의 효과를 아래에 설명한다.
(a) 물 탱크(31)에서 동결되어 있는 물은 발전의 결과 생성된 연료 전지(1)의 열(폐열)을 사용하여 용융되기 때문에, 연료 전지(1)에서의 수소 가스의 과도한 소비나 전력의 과도한 사용을 방지할 수 있다. 이러한 방법으로, 연료 전지 시스템에서의 연료 소비가 감소될 수 있다. 발전에 의해 빙점 미만에서 생성된 대부분의 열은 연료 전지(1)의 온도를 상승시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 고레벨의 발전이 가능해질 때까지의 시간(연료 전지의 시동 시간)을 단축할 수 있게 된다.
(b) 물 탱크(31)내의 열교환기(61)가 연료 전지(1)의 하류에 배치되기 때문에, 열교환기(65)에서 가열된 냉각제의 열이 물 탱크(31)의 상류에 있는 연료 전지로 전달되고, 연료 전지(1)의 온도 상승이 최적화될 수 있다. 연료 전지(1)에서의 열교환이 행해진 후, 냉각제는 물 탱크(31)내의 열교환기(61)로 흐른다. 이 경우에, 연료 전지(1)에서 나온 냉각제의 온도가 연료 전지(1)의 본체의 온도보다 낮으 므로, 연료 전지(1)의 본체의 온도가 0℃ 이상이 될 때까지 연료 전지(1)에서 나온 냉각제의 온도가 0℃를 초과하는 것을 방지할 수 있게 된다. 이러한 방법으로, 연료 전지(1)에서 고레벨의 발전이 시작될 때까지 필요한 에너지가 높지 않아, 연료 전지(1)가 빠르게 시동될 수 있다.
(c) 외부 온도가 높을 때의 고부하 동작 중에는, 연료 전지(1)는 당연히 높은 온도를 갖는다. 이들 조건 하에서 냉각제가 흐르지 않게 제 1 바이패스 통로(27)(통상적으로 좁다)를 조절한다. 대량의 냉각제는 냉각제 순환 통로(22, 25)로 흘러, 연료 전지(1)의 온도가 하강한다. 열교환기(65)가 히터로서 냉각제 순환 통로(22, 25)에 제공된 경우, 압력 손실로 인해 냉각제 펌프(21)의 용량을 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 본 실시예에서는, 열교환기(65)가 냉각제 순환 통로(22, 25)에 제공되는 대신에 히터로서 작용하도록 제 1 바이패스 통로(27)에 제공되므로, 냉각제 순환 통로(22, 25)의 압력 손실의 증가를 방지할 수 있게 된다.
(d) 물 탱크(31)는 냉각제 통로(25)로부터 제 1 바이패스 통로(27)의 분기 위치의 상류의 냉각제 통로(25)에 위치한다. 그 결과, 물 탱크(31)내의 물은 연료 전지(1)가 워밍업되는 동안뿐만 아니라 연료 전지(1)를 냉각할 때 필요한 고온으로 연료 전지(1)가 동작될 때에도, 연료 전지(1)에 의해 데워진 냉각제에 의해 고온으로 유지될 수 있다. 이러한 방법으로, 가습 동작에 사용되는 물을 기화하기 위해 열이 덜 필요하게 된다. 특히, 물 탱크(31)가 단열된 경우, 효과가 증대한다.
(e) 연료 전지(1)의 온도가 0℃ 미만인 경우, 물 탱크(31)내의 물은 0℃를 초과하지 않는다. 그 결과, 연료 전지의 온도 검출값이 0℃ 미만인 영역에서 열교 환기(65)가 히터로서 동작되는 경우, 열교환기(65)로부터의 대량의 열이 얼음을 용융시키기 위한 융해열로 사용되지 않는다. 열교환기(65)의 열 에너지는 물 탱크(31)내의 얼음의 온도를 0℃까지 상승시키는데 사용된다. 이러한 방법으로, 연료 전지(1)로부터의 폐열만을 사용하여 물 탱크(31)내의 얼음을 용융시킬 수 있게 된다. 따라서, 발전에 필요한 수소 가스 이외의 수소 가스 소비를 억제할 수 있게 된다.
도 6 및 도 7을 참조하여, 제 2 실시예를 설명한다. 도 6은 제 2 실시예에 따르는 연료 전지 시스템의 개략도를 나타낸다. 도 7에 나타내는 플로우차트는 제 2 실시예에 따르는 빙점 미만 시동 제어 루틴을 나타낸다. 도 6은 도 1을 치환한 것이고, 도 7은 도 3을 치환한 것이다. 도 6에서, 동일한 구성요소는 도 1에서 사용한 것과 동일한 참조 번호로 나타낸다. 도 7에서, 동일한 단계 번호는 도 3에서 사용한 것과 동일한 참조 번호로 나타낸다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 제 2 실시예의 제 1 실시예와의 차이점은 연료 전지 시스템에 물 탱크(31)를 바이패스하고 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)에서 제 1 바이패스 통로(27)에 연결되는 제 2 바이패스 통로(91)가 제공되는 것이다. 제 2 바이패스 통로(91)는 3방향 밸브(92)를 통해 바이패스 통로(27)에 연결된다. 전류가 인가되지 않는 경우, 3방향 밸브(92)는 포트 D를 포트 F와 연결하고, 포트 E를 포트 F로부터 차단한다. 전류가 인가되는 경우, 포트 D는 포트 F로부터 차단되고, 포트 E는 포트 F에 연결된다.
도 7에서, 제 1 실시예와의 차이점은 단계 S41이 추가되어 있는 점에 있다. 도 7에서, 전열 촉매(67)의 온도 Tehc가 소정의 온도 T1에 도달하고, 촉매 연소기(66)에서 점화가 되었을 때, 촉매 연소기(66)로의 공기와 수소의 공급이 단계 S16 및 S17에서 실행된다. 제 1 실시예에서는, 냉각제가 물 탱크(31)내의 열교환기(61)를 통해 흐른다. 반대로 제 2 실시예에서는, 이 단계에서 3방향 밸브(92)에 전류가 인가되지 않으므로, 냉각제는 물 탱크(31)를 바이패스한다.
그 후, 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)의 냉각제 온도 Tout가 0℃ 이상의 값을 취한다. 따라서, 연료 전지(1)에 의한 고레벨의 발전이 가능해지고, 차량 운전이 허가된다. 단계 S25에서, 촉매 연소기(66)로의 수소 공급은 정지되고, 루틴은 단계 S41로 진행한다. 단계 S41에서, 제어기(51)는 전류를 3방향 밸브(92)에 인가하여, 냉각제가 열교환기(61)를 통해 흐르게 된다. 환언하면, 제어기(51)는 3방향 밸브(92)에 프트 D와 포트 F의 연결을 차단하고 포트 E와 포트 F를 연결하도록 지시한다.
따라서, 제 2 실시예의 제 1 실시예와의 차이점은 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)에서의 냉각제 온도 Tout(연료 전지의 온도로 나타낼 수 있음)가 0℃ 미만인 경우, 냉각제가 제 2 바이패스 통로(91)를 통해 3방향 밸브(92)(통로 전환 디바이스)로 흐르고, 열교환기(61)를 통해서는 흐르지 않는다는 것이다. 이러한 방법으로, 열교환기(65)(히터)에서 생성된 열 에너지가 물 탱크(31)내의 열교환기(61)에서는 사용되지 않는다. 환언하면, 열교환기(65)는 물 탱크(31)내의 얼음을 용융시키는데 필요한 융해잠열과, 얼음의 온도를 상승시키는 열 에너지를 발생하지 않는다. 이러한 방식으로, 연료 전지(1)의 시동 시간을 단축시킬 수 있게 된다.
연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구(24)의 냉각제 온도 Tout가 제 2의 소정의 온도 T2 이상의 값을 취하고, 물 탱크(31)내의 모든 얼음의 용융이 완료될 때, 3방향 밸브(28)에 전류가 인가되지 않으며, 따라서 냉각제가 라디에이터(26) 및 열교환기(61)를 통해 순환된다.
상기 2개의 실시예는, 연료 전지 내의 냉각제와의 열교환 특성이 매우 효율적이고, 연료 전지의 온도가 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구에서의 냉각제 온도 Tout와 거의 같다는 전제를 기초로 하고 있다. 그러나, 연료 전지 내의 냉각제와의 열교환 특성이 조악하고, 연료 전지(1)의 냉각제 통로 출구에서의 냉각제 온도 Tout가 연료 전지 온도에서 벗어나는 경우, 온도 센서(83)가 연료 전지의 냉각제 통로 출구에서의 냉각제의 온도를 검출하는 대신에 연료 전지(1)의 본체의 온도의 직접 검출을 실행한다. 따라서, 연료 전지(1)에 의한 발전이 가능해지는 온도가 정확하게 검출될 수 있다.
또한, 상기 2개의 실시예에서 연료 전지(1)에 공급되는 수소는 탄화수소 연료를 개질한 결과 얻어지는 수소(개질 가스)를 포함해도 된다.
일본 특허출원 P2002-301448호(2002년 10월 16에 출원)의 전체 내용은 참고로 본 명세서에 일체화되어 있다.
본 발명은 발명의 특정 실시예를 참조하여 이상 설명하였지만, 본 발명의 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니다. 상술한 실시예의 변형 및 수정이 상기 기술에 밝은 당업자에 의해 행해질 수 있다. 발명의 범위는 아래의 청구의 범위와 관련하여 정해진다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 공급 가스들 간의 화학 반응의 결과 발전(發電)하는 연료 전지(1)로서, 연료 전지내로 냉각제가 흐르고, 이 냉각제는 연료 전지에서의 발전에 의해 생성된 폐열을 흡수한 결과 온도가 상승하는 것인, 연료 전지(1); 물 탱크(31); 물 탱크(31)로부터의 물을 사용하여 적어도 하나의 공급 가스를 가습하는 가습 디바이스(34); 및 연료 전지(1)의 온도를 제어하기 위해 연료 전지(1) 내부에 흐르는 냉각제의 온도를 조절하는 냉각제 온도 조절 디바이스를 구비하는, 연료 전지 시스템에 있어서,
    물 탱크(31)에 냉각제의 열을 인가하여 물 탱크 내의 얼음을 용융시키는 해동 디바이스(61)로서, 상기 해동 디바이스(61)는 상기 물 탱크(31) 내에 배치되고, 상기 물 탱크(31)내의 냉각제와 얼음 간의 열교환을 행하는 열교환기(61)를 포함하는 해동 디바이스;
    해동 디바이스(61)와 연료 전지(1)를 통해 냉각제가 순환하게 하는 냉각제 순환 통로(22, 25, 95);
    연료 전지(1)로부터 해동 디바이스(61)로의 냉각제의 흐름을 발생시키는 흐름 발생기(21); 및
    연료 전지 시스템의 시동 동작을 제어하고, 연료 전지 시스템의 시동 동작 중에 물 탱크(31)내의 얼음을 용융시키기 위해 연료 전지(1)로부터 해동 디바이스(61)로의 냉각제의 흐름을 생성하도록 흐름 발생기(21)를 제어하는 기능을 갖는 제어기(51)를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 해동 디바이스(61)로부터 배출되는 냉각제를 가열하는 히터(65)를 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각제의 온도를 검출하는 온도 센서(83)를 추가로 포함하고,
    상기 냉각제 온도 조절 디바이스는:
    상기 냉각제 순환 통로에 제공되는 라디에이터(26);
    상기 냉각제 순환 통로에서 분기하여 상기 라디에이터(26)를 바이패스하고, 내부에 히터(65)가 배치되어 있는 제 1 바이패스 통로(27); 및
    상기 라디에이터(26)를 통과하는 통로와 상기 제 1 바이패스 통로(27)를 통과하는 통로 사이에서 냉각제의 통로를 선택적으로 전환하는 통로 전환 디바이스(28)를 포함하며;
    상기 제어기는 냉각제의 온도를 조절하기 위해 냉각제의 검출 온도에 응답하여 상기 통로 전환 디바이스(28)를 제어하도록 추가로 기능하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 물 탱크(31)는 상기 제 1 바이패스 통로(27)가 상기 순환 통로에서 분기하는 위치의 상류의 상기 냉각제 순환 통로에 배치되는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료 전지(1)의 온도를 검출하는 온도 센서(83)를 추가로 포함하고,
    상기 제어기는 상기 연료 전지(1)의 검출 온도와 물의 빙점을 비교하며; 상기 연료 전지(1)의 검출 온도가 빙점 미만인 경우 상기 히터(65)를 동작시키고; 상기 연료 전지(1)의 검출 온도가 빙점 이상인 경우 상기 히터(65)의 동작을 정지시키도록 추가로 기능하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 물 탱크(31)의 상류에서 분기하여 상기 물 탱크(31)를 바이패스하는 제 2 바이패스 통로(91); 및
    상기 물 탱크(31)내의 열교환기(61)를 통과하는 통로와 제 2 바이패스 통로를 통과하는 통로 사이에서 냉각제의 통로를 전환하는 통로 전환 디바이스(92)를 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지(1)의 온도를 검출하는 온도 센서(83)를 추가로 포함하고,
    상기 제어기(51)는 상기 연료 전지(1)의 검출 온도와 물의 빙점을 비교하며; 상기 연료 전지(1)의 검출 온도가 빙점 미만인 경우 냉각제가 제 2 바이패스 통로를 통해 흐르도록 상기 통로 전환 디바이스(92)를 제어하고; 상기 연료 전지(1)의 검출 온도가 빙점 이상인 경우 냉각제가 물 탱크 내의 열교환기를 통해 흐르도록 상기 통로 전환 디바이스(92)를 제어하도록 추가로 기능하는, 연료 전지 시스템.
  9. 공급 가스들 간의 화학 반응의 결과 발전(發電)하는 연료 전지(1)로서, 연료 전지내로 냉각제가 흐르고, 이 냉각제는 연료 전지에서의 발전에 의해 생성된 폐열을 흡수한 결과 온도가 상승하는 것인, 연료 전지(1); 물 탱크(31); 물 탱크(31)로부터의 물을 사용하여 적어도 하나의 공급 가스를 가습하는 가습 디바이스(34); 및 연료 전지(1)의 온도를 제어하기 위해 연료 전지(1) 내부에 흐르는 냉각제의 온도를 조절하는 냉각제 온도 조절 디바이스를 구비하는, 연료 전지 시스템에 있어서,
    물 탱크(31)에 냉각제의 열을 인가하여 물 탱크 내의 얼음을 용융시키는 해동 수단(61);
    해동 수단(61)과 연료 전지(1)를 통해 냉각제가 순환하게 하는 냉각제 순환 통로 수단(22, 25, 95);
    연료 전지(1)로부터 해동 수단(61)으로의 냉각제의 흐름을 발생시키는 흐름 발생 수단(21); 및
    연료 전지 시스템의 시동 동작 중에 물 탱크(31)내의 얼음을 용융시키기 위 해 연료 전지(1)로부터 해동 수단(61)으로의 냉각제의 흐름을 생성하도록 흐름 발생 수단(21)을 제어하는 제어 수단(51)을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  10. 공급 가스들 간의 화학 반응의 결과 발전(發電)하는 연료 전지(1)로서, 연료 전지내로 냉각제가 흐르고, 이 냉각제는 연료 전지에서의 발전에 의해 생성된 폐열을 흡수한 결과 온도가 상승하는 것인, 연료 전지(1); 물 탱크(31); 물 탱크(31)로부터의 물을 사용하여 적어도 하나의 공급 가스를 가습하는 가습 디바이스(34); 및 연료 전지(1)의 온도를 제어하기 위해 연료 전지(1) 내부에 흐르는 냉각제의 온도를 조절하는 냉각제 온도 조절 디바이스를 구비하는, 연료 전지 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    물 탱크(31)에 냉각제의 열을 인가하여 물 탱크 내의 얼음을 용융시키는 해동 디바이스(61)를 제공하는 단계로서, 상기 해동디바이스(61)는 상기 물탱크(31)내에 배치되고, 상기 물탱크(31)내의 냉각제와 얼음간의 열교환을 행하는 열교환기(61)을 포함하는 것인 단계;
    해동 디바이스(61)와 연료 전지(1)를 통해 냉각제가 순환하게 하는 냉각제 순환 통로(22, 25, 95)를 제공하는 단계; 및
    연료 전지 시스템의 시동 동작 중에 물 탱크(31)내의 얼음을 용융시키기 위해 연료 전지(1)로부터 해동 디바이스(61)로의 냉각제의 흐름을 발생시키는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
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