KR100709972B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 시스템은, 전해질막을 가져, 연료 가스 및 산화제 가스를 이용하여 전력을 생성시키는 연료 전지(1), 연료 전지를 가습하는 물 저장 장치(51) 및 제어기(100)를 구비한다. 제어기(100)는, 연료 전지(1)가 저장 장치(51)의 물을 이용하여 가습될 수 있는 지를 판정하여, 연료 전지(1)가 가습될 수 없음을 판정한 경우에 연료 전지(1)의 동작 온도를 정상 동작 중에서보다 낮은 한계 온도 아래로 제한한다.
연료 전지 시스템, 저장 장치, 제어기, 연료 전지

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 특히, 연료 전지 시스템의 물 부족으로 유발되는 연료 전지의 성능 저하를 억제하는 기술에 관한 것이다.
고체 중합체 전해질의 연료 전지 시스템에서, 양성자 전도성 전해질 기능을 보증하기 위해서는, 양성자 교환막이 물을 연료 전지에 공급하여 포화 가수 상태로 유지되어야 한다. 양성자 교환막의 수화용 물을 확보하는 하나의 방법으로서, 연료 전지의 배기 가스에서 수분을 회수함으로써 연료 전지에 공급된 가스를 가습하는 투수성(water-permeable) 가습기를 제공하는 방법이 있다.
2001년 일본 특허청에 의해 발행된 JP2001-256989A에 의해 개시된 연료 전지는, 투수성 가습기 이외에, 연료 전지 배출 가스에서 물을 회수하는 수분 회수 장치 및, 이 수분 회수 장치에 의해 회수된 물에 의해 공급 가스를 가습하는 보조 가습 수단을 포함한다. 수분 회수 장치는 증기 분리 장치 및 회수된 수분 저장 탱크로 구성되고, 보조 가습 수단은 체크 밸브, 회수된 수분 공급 펌프, 보조 가습 관 및 분사기 등으로 구성된다. 연료 전지의 시동 중에, 회수된 수분 저장 탱크 내의 회수된 수분은, 회수된 수분 공급 펌프에 의해 이송되고, 분무(mist) 형식으로 분사기에 의해 분사되어, 연료 전지의 가스 공급측에 공급된다. 따라서, 양성자 교환 막은 또한 연료 전지의 시동 중에 가습될 수 있다.
그러나, 종래의 연료 전지 시스템에서, 추운 지역에서 저장 탱크 등의 결빙(freezing)을 방지하기 위해서는 상당량의 전력이 요구되고, 외부 전력 공급이 없을 시에는 배터리가 고갈될 가능성이 존재한다. 게다가, 또한, 온도가 유지되지 않고, 저장 탱크 내의 얼음이 시동 중에 해동할 경우에, 상당량의 전기 에너지가 요구되고, 연료 전지에 의해 전력이 생성되어야 하며, 이에 의해 연료 자원은 전기 전력의 증가에 의해 고갈된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 연료 전지 시스템의 수분이 결빙할 가능성이 있는 저온 환경에서 연료 전지의 가습 부족(dryout)에 의해 유발된 고장을 방지할 수 있게 하면서 급속 시동을 허용하는 연료 전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 연료 전지 시스템을 제공하는데, 연료 전지 시스템은, 전해질막을 갖고 연료 가스 및 산화제 가스를 이용하여 전력을 생성시키는 연료 전지, 연료 전지를 가습하는 물 저장 장치, 연료 전지가 저장 장치의 물을 이용하여 가습될 수 있는 지를 판정하여 연료 전지가 가습될 수 없다고 판정한 경우에 연료 전지의 동작 온도를 정상 동작 중에서보다 낮은 한계 온도 이하로 제한하는 기능을 하는 제어기를 포함한다.
본 발명의 상세 사항 뿐만 아니라 다른 특징 및 이점은 본 명세서의 잔여부에서 설명되고, 첨부한 도면에 도시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 연료 전지의 온도 제어의 블록도이다.
도 3은 연료 전지의 온도 제어의 개요를 도시한 플로우챠트이다.
도 4는 연료 전지 시스템의 냉각 시스템의 주 루틴이다.
도 5는 차량 시동 중에 냉각 시스템 제어의 플로우챠트이다.
도 6은 냉각제 출구 온도에 대해 드라이아웃(dryout)까지의 시간 구간과 냉각제 출구 온도에 대해 물을 확보하는데 필요한 시간 구간 간의 관계를 나타낸 테이블이다.
도 7은 3-웨이 밸브의 개방의 정도를 설정하기 위한 플로우챠트이다.
도 8은 온도 편차에 대해 3-웨이 밸브의 개방의 정도의 관계를 나타낸 테이블이다.
도 9는 냉각제 유량을 설정하기 위한 플로우챠트이다.
도 10은 연료 전지 출력에 대해 냉각제 유량의 관계를 나타낸 테이블이다.
도 11은 온도 편차에 대해 냉각제 유량의 최소 한계값의 관계를 나타낸 테이블이다.
도 12는 방열기 팬의 동작 제어를 위한 플로우챠트이다.
도 13은 온도 편차에 대해 방열기 팬 원동력의 관계를 나타낸 테이블이다.
도 14는 연료 전지 온도에 대해 동작 압력의 관계를 나타낸 테이블이다.
도 15는 외부 온도에 대해 연료 전지의 최대 출력의 관계를 나타낸 테이블이다.
도 16은 정상 동작으로의 전이 시간에서의 플로우챠트이다.
도 17은 연료 전지 온도의 변화 및 축적된 물의 양을 나타낸 타이밍 챠트이다.
도 18은, 도 1과 유사하며, 제 2 실시예의 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 19는 제 2 실시예의 연료 전지의 온도 제어의 개요를 도시한 플로우챠트이다.
도 20은 이런 제 2 실시예에 따라 차량 시동 중에 냉각 시스템 제어의 플로우챠트이다.
도 21은 냉각제 출구 온도에 대해 드라이아웃까지의 시간 구간과 냉각제 출구 온도에 대한 해동에 필요한 시간 구간 간의 관계를 나타낸 테이블이다.
도 22는 제 2 실시예에 따라 연료 전지 온도의 변화 및 해동된 물의 양을 나타낸 타이밍 챠트이다.
제 1 실시예
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제 1 실시예를 도시한 것이다. 연료 전지 시스템은 고체 중합체 전해질의 연료 전지 시스템이며, 정지 중에 물 탱크(60)의 정수(purified water)가 결빙될 것이 예측될 시에 (후술함), 연료 전지 시스템은 물 탱크(60) 내의 물을 배출함으로써 물의 결빙을 방지한다. 이하, 이런 시스템이 차량의 구동원으로서 이용되는 경우에 대해 설명한다.
이 시스템은, 산화제를 캐소드에 공급하고, 연료 가스를 애노드에 공급하여 전력을 생성시키는 연료 전지(1)를 포함한다. 여기서, 공기는 산화제로서 공급되고, 수소 가스는 연료 가스로서 공급되지만, 본 발명은 이와 같은 용도로 제한되지 않는다.
먼저, 공기를 캐소드로 및 그로부터 공급 및 배출하는 산화제 시스템이 기술된다.
산화제 시스템은 연료 전지 시스템에 공기를 도입하는 압축기(20)를 포함한다. 공기 청정기(10), 화학적 필터(11), 유량계(12) 및 소음기(13)는 압축기(20)의 흡기측 상에 제공되고, 소음기(14), 공기 온도 조절기(15) 및 마이크로필터(16)는 배기측 상에 제공된다. 게다가, 연료 전지(1)에 공급된 공기를 가습하는 물 회수 장치(WRD)(21)가 제공된다. WRD(21)는, 가습될 가스가 흐르는 가습되는 측 및, 가습원을 구성하는 가수된 가스가 흐르는 가습측을 포함하는 주 가습 수단이다. 아래에 기술되는 바와 같이, 압축기(20)에 의해 도입된 공기를 WRD(21)의 가습되는 측으로 흐르게 하고, 연료 전지(1)로부터의 캐소드 배기 가스를 이용하여 가습이 행해진다. 가습된 공기는, 연료 전지의 캐소드에 설치되는 캐소드 입구 매니폴드(1a)를 통해 연료 전지(1)에 도입된다. WRD(21)와 연료 전지(1) 사이에 압력 센서(101) 및 온도 센서(111)를 제공하여, 연료 전지(1)에 공급된 공기의 압력 및 온도를 검출한다.
물은 캐소드에서 전력 생성 반응(1/2O2+2H++2e-→H2O)에 의해 생성된다. 캐소드 출구 매니폴드(1d)는 물 분리기(17)를 구비하여, 캐소드에서 생성된 물을 회수 한다. 게다가, 캐소드 배기 가스의 온도는 온도 센서(112)에 의해 검출된다.
따라서, 캐소드 출구 매니폴드(1d)에 의해 배기된 캐소드 배기 가스는 WRD(21)의 가습측을 통과한다. 전술한 바와 같이, WRD(21)의 가습측을 통해 흐를 시에, 캐소드 배기 가스는 가습되는 측을 통과하는 공기를 가습한다. 이때에, 캐소드 배기 가스 내에 포함된 습기가 불충분할 시에, 공기는 적절히 가습될 수 없다. 그래서, 물 분사기(65) 및, 물 분사기(65)에 의해 분무된 물의 양을 조절하는 공급 압력 제어 밸브(PRV)(64)는 보조 가습 수단으로서 제공된다. 물 분사기(65)는, WRD(21)의 가습측의 상류의 캐소드 배기 가스에 물을 분무한다. PRV(64)는, 캐소드 배기 가스의 상태에 따라 물 분사기(65)에 가해진 압력을 조절하여, 물 분사기(65)에 의해 분무되는 물의 유량을 조절한다. WRD(21)의 가습측 상류의 위치로부터 PRV(64)로 연장하는 관(22)이 제공되고, PRV(64)은 기준 압력으로서 역할을 하는 캐소드 배기 가스의 압력에 의해 조절된다.
연소실의 열 교환기 ASSY(연소 장치)(30)는 WRD(21)의 가습측 하류에 제공된다. 캐소드의 압력을 조절하는 압력 제어 밸브(PCV)(18)는 WRD(21)와 연소 장치(30) 사이에 제공된다. 연소 장치(30)는 전열(electrically heated) 촉매(EHC)(30a), 촉매 전환기(CAT)(30b) 및 열 교환기(HE)(30c)를 포함한다. 캐소드 배기 가스는 연소 장치(30) 내의 연소를 위해 이용되어, 머플러(19)를 통해 외부로 배기된다. 또한, EHC(30a)에는 온도 센서(113)가 제공되고, 온도 센서(114)는 HE(30c)의 출구에 제공된다.
한편, 수소를 애노드에 공급 및 배기하는 수소 시스템은 아래와 같이 구성된 다.
수소 시스템은, 수소를 저장하는 수소 탱크(40), 수소 탱크(40)로부터 수소의 공급을 차단하는 차단 밸브(41), (후술되는) 공급된 수소의 온도를 냉각제를 이용하여 조절하는 수소 온도 조절기(42), 수소 가스 압력을 조절하는 압력 제어 밸브(PCV)(43), 및 수소 가스의 유량을 검출하는 유량계(44)를 포함한다. 따라서, 온도 및 압력이 조절된 수소 가스는, 후술되는 바와 같이, 애노드 배기 가스를 재순환시키는 분사기(45)를 통해 연료 전지(1)에 공급된다.
수소 가스는 애노드에 설치된 애노드 입구 매니폴드(1b)를 통해 연료 전지(1)에 도입된다. 압력 센서(102) 및 온도 센서(115)는 애노드의 상류측에 제공되어, 공급된 수소 가스의 압력 및 온도를 검출한다. 이와 같이, 애노드에 공급된 수소 가스가 사용되어, 전력 생성 반응(H2→2H++2e-) 으로 소비된다. 이것은, 모든 수소 가스가 전력 생성 반응에 의해 소비된다는 것을 의미하지 않는다. 수소 가스의 일부는 애노드 출구 매니폴드(1e)를 통해 배기된다. 이와 같이 배기된 애노드 배기 가스는, 애노드의 하류측에 제공되는 물 분리기(46) 및 차단 밸브(47)를 통해 분사기(45)의 입구에 공급되어, 연료 전지(1)에 재공급된다.
물 분리기(46) 및 차단 밸브(47) 사이에는 분기부(branched portion)(49)가 제공되고, 연소 장치(30)는 유량 제어 밸브(FCV)(48)를 통해 접속된다. 이와 같이, 애노드 순환 경로를 통해 배기된 애노드 배기 가스는, CAT(30b) 내에서 연소 처리된 후에 외부로 배기된다.
연료 전지(1)에 대한 온도 조절을 실행하는 냉각 시스템은 다음에 기술된다.
냉각제 저장 수단을 구성하는 냉각제 저장 탱크(51), 냉각제를 순환시키는 냉각제 펌프(52), 및 냉각제의 열을 발산시키는 방열기(50)가 제공된다. 방열기(50)에는 방열기 팬(50a)이 제공되고, 방열기(50)의 냉각 용량은 통과 공기 스트림의 유량을 조절함으로써 제어된다. 냉각제 펌프(52)의 흡기측은 냉각제 저장 펌프(51)에 연결되고, 출구측은 분기부(58a)에 연결된다. 분기부(58a)는, 연소 장치(30)에서 순환하는 예열 루프 및, 방열기(50)에서 순환하는 냉각 루프로 분할한다.
예열 루프는 연소 장치(30)의 HE(30c)에 연결되고, HE(30c)는, 냉각제와, CAT(30b)에 의해 생성된 연소 가스 간에 열을 교환한다. HE(30c)로부터 배출되는 냉각제는 3-웨이 밸브(53)로 흐른다. 한편, 냉각 루프는 방열기(50)에 연결되어, 냉각제가 열을 발산하게 한다. 그 후, 냉각된 냉각제는 3-웨이 밸브(53)로 흐른다. 냉각제의 온도가 상승하기를 바랄 시에는 냉각제가 예열 루프로 흐르게 하고, 냉각제의 온도가 억제되기를 바랄 시에는 냉각제가 냉각 루프로 흐르게 함으로써, 냉각제 온도는 동작 상태에 따라 조절될 수 있다.
온도 조절된 냉각제가 흐르는 3-웨이 밸브(53)의 나머지 포트는 연료 전지(1)에 설치된 냉각제 입구 매니폴드(1c)에 연결된다. 전도도계(121), 차단 밸브(54), 온도 센서(116) 및 압력 센서(103)는 3-웨이 밸브(53)와 연료 전지(1) 사이에 제공된다. 상술한 공기 온도 조절기(15) 및 수소 온도 조절기(42)로 분할하는 분기부(57)는 전도도계(121)와 차단 밸브(54) 사이에 형성된다. 공기 온도 조절기(15)는 냉각제와, 연료 전지(1)에 공급되는 공기 간에 열을 교환한다. 게다가, 수 소 온도 조절기(42)가 냉각제와, 연료 전지(1)에 공급되는 수소 가스 간에 열을 교환한 후, 냉각제는, 냉각제 내의 이온을 제거하기 위해 제공되는 이온 필터(56)를 통해 차단 밸브(54)의 하류측의 합류부(interflow portion)(59)로 흐른다.
연료 전지(1)의 온도는 냉각제 입구 매니폴드(1c)를 통해 도입되는 냉각제에 의해 조절된다. 그 후, 연료 전지(1)에 설치된 냉각제 출구 매니폴드(1f)를 통해 배출되는 냉각제는, 냉각제 펌프(52)에 의해 냉각 시스템에서 재순환되거나, 냉각제 저장 탱크(51)로 귀환(return)된다. 연료 전지(1)에 의해 방출되는 냉각제의 온도(Tso)를 검출하는 온도 센서(117), 및 냉각제의 압력을 조절하는 압력 제어 밸브(PCV)(55)가 제공된다.
다음에는, 연료 전지(1)의 가습 시에 이용되는 정수(purified water) 시스템이 기술된다. 정수 시스템은, 가열할 수 있는 (도시되지 않은) 전기 히터와 같은 가열원을 포함한다. 연료 전지(1)의 정지 중에 결빙이 예측되면, 정수 시스템으로부터 물을 배출함으로써 결빙을 방지한다.
물 탱크(60)는, 물 펌프(61), 물 탱크(60)내 수량, 여기서는 수위(water level)(Lw)를 검출하는 수위 센서(151), 및 온도 센서(118)를 포함한다. 게다가, 물 내의 입자 등을 여과하는 스트레이너(62)는 물 펌프(61)의 입구에 제공된다. 전도도계(122), 이온 필터(63) 및 상술한 물 분사기(65)를 가진 배출 통로(72)는 물 펌프(61)의 배출측에 제공된다. 물 분사기(65)의 상류측은 PRV(64)에 연결되고, 물 분사기(65)를 통해 분무되는 물의 양은, PRV(64)에 의해 실행되는 배출 경로(72)의 압력의 조절에 의해 제어된다. 또한, PRV(64) 및 물 탱크(60)와 통하는 귀환 경로(71)가 제공되어, 배출 경로(72)의 압력을 조절하기 위해 PRV(64)를 통해 배출 경로(72)로부터 제거된 물을 회수한다. 게다가, 배출 경로(72)에는 차단 밸브(66)가 제공되고, 귀환 경로(71)에는 차단 밸브(67)가 제공된다. 차단 밸브(66 및 67)가 개방하면, 이 회로를 통해 물이 배출된다.
더욱이, 공기 출구 매니폴드(1d)에 설치된 물 분리기(17)와 물 탱크(60)를 연결하는 경로가 제공되고 제공되어 차단 밸브(68)를 구비한다. 물 분리기(17)를 외부와 연결하는 경로는 별도로 제공되고, 차단 밸브(69)를 구비한다. 결과적으로, 물 분리기(17)에 의해 회수되는 물은 물 탱크(60) 내에 저장되거나, 외부로 배출된다. 게다가, 수소 출구 매니폴드(1e)의 측에 제공된 물 분리기(46)를 외부와 연결하는 경로가 제공되고, 차단 밸브(70)를 구비한다. 상당량의 물이 물 분리기(46)에 의해 회수되면, 물 분리기(46)의 물을 물 탱크(60)로 귀환시키는 회로는 요건에 따라 제공될 수 있다.
또한, 물 탱크(60) 내의 물을 외부로 선택적으로 배출하는 차단 밸브(74)가 제공된다. 시스템 정지 중에, (후술되는) 결빙 예측부(100a)에 의해 결빙이 예측되면, 물 탱크(60) 내의 물은 차단 밸브(74)를 개방함으로써 배출된다. 또한, 차단 밸브(67,68)가 개방되어, 배출 경로(72) 및 귀환 경로(71)에 물을 배출한다. 게다가, 물 분리기(17 및 46)에 의해 회수되는 물은 차단 밸브(69,70)를 개방함으로써 배출된다. 따라서, 정수 시스템 내의 물은, 결빙이 예측될 시에 배출되어, 시스템의 결빙을 감소시킬 수 있다.
상술한 연료 전지 시스템은 제어기(100)에 의해 제어된다. 제어기(100)는, 각 센서 등의 출력에 기초하여 각 장치 및 밸브 등을 제어함으로써, 연료 전지(1)의 온도를 제어한다. 제어기(100)는, 다수의 제어기가 조합되는 제어 유닛으로 구성될 수 있고, 차량을 제어하는 제어 유닛의 부분일 수 있다. 게다가, 이 시스템에서 물의 결빙을 예측하는 결빙 예측부(100a)는 제어기(100)의 부분으로서 제공된다. 예컨대, 지역 및 계절에 관련되는 온도 변화 데이터를 사전 기억하여, 이 데이터를 외부 온도(TATM)와 비교하거나, 무선으로 혹은 라디오 또는 카 네비게이션 시스템을 통해 예상 공기 온도에 관한 정보를 입수함으로써, 결빙 예측이 구현될 수 있다. 외부 공기 온도(TATM)는 온도 센서(119)에 의해 검출된다.
도 2는 제어기(100)에 의해 실행되는 연료 전지(1)의 온도 제어의 개략적인 블록을 도시한 것이다.
물 탱크(60) 내에 제공된 수위 센서(151)에 의해 검출되는 수위(Lw)를 나타내는 신호(수위 신호)는 연료 전지의 냉각제 출구 온도 타겟 생성 장치로 입력된다. 냉각제 출구 온도 타겟 생성 장치는, 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR)를 조사하여, 이 온도(TSOUPR)를 냉각제 출구 타겟 온도 신호로서 연료 전지의 냉각제 출구 온도 제어 장치로 출력시킨다. 또한, 냉각제 출구 온도는, 온도 센서(117)에 의해 검출되어, 냉각제 출구 온도(TSO) 신호로서 연료 전지의 냉각제 출구 온도 제어 장치로 입력된다. 연료 전지의 냉각제 출구 온도 제어 장치는, 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR) 및 냉각제 출구 온도(TSO)(검출된 값)에 기초하여 냉각제 온도를 조절하는 3-웨이 밸브(53)를 제어하는 연료 전지의 온도 제어 신호를 출력시켜, 연료 전지의 온도 제어 수단을 제어한다.
그 다음, 도 3에, 시동 중에 연료 전지(1)의 온도 제어의 개요를 도시하였다.
시동을 개시할 명령이 검출되고, 연료 전지(1)의 온도가 차량을 기동하는데 필요한 전력을 생성시키는 온도까지 상승되면, 도 3에 도시된 제어가 시작된다. 도 3의 단계(S1)에서 정수 축적량을 평가할 시에, 수위 센서(151)에 의해 수위(Lw)가 검출된다. 수위(Lw)가 소정의 레벨(Lw1) 이상이면, 물 탱크(60) 내에 물이 충분하고, 이 물이 가습을 위해 사용될 수 있는 것으로 평가되며, 그 후 처리는 단계(S2)로 진행한다. 단계(S2)에서, 연료 전지(1)의 출구에서 냉각제의 타겟 상한 온도인 TSOUPR가 정상 온도(TSONORM)로 설정된다.
한편, 단계(S1)에서, 정수 축적량이 불충분하기 때문에 Lw가 Lw1을 충족시키지 못하는 것으로 판정되면, 처리는 단계(S3)로 진행하며, 그 후, 연료 전지(1)의 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR)는 정상보다 더 낮은 한계 온도(TSOLIM)로 설정된다. 결과적으로, 정수를 이용한 가습을 위한 물이 준비될 수 있고, 드라이아웃(dryout) 전에 개시된 가습은 연료 전지(1)의 가습 부족으로 인해 행해진다. 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR)가 설정되면, 냉각제의 온도는 단계(S4)에서 조절되어(냉각제 온도 제어), 연료 전지의 온도는 조절된다.
그 다음, 도 4에 관련하여 이 제어의 상세 사항이 제공된다.
연료 전지 시스템의 시동 명령이 검출되면, 단계(S10)에서, 냉각제 펌프(52)는 냉각제를 순환시키기 위해 구동된다. 시스템 정지 중에 결빙을 방지하기 위해서는 부동액이 냉각제로서 사용된다. 냉각제 펌프(52)는 (도시되지 않은) 2차 배터리로부터의 전력에 의해 구동된다. 냉각제의 전도도는 전도도계(121)에 의해 감시된다. 3-웨이 밸브(53)는 예열 루프 및 연료 전지(1)가 연결되도록 설정된다.
냉각제의 전도도가 동작을 불가능하게 하는 소정의 전도도 이상이면, 차단 밸브(54)는 폐쇄된다. 결과적으로, 모든 냉각제는 이온 필터(56)를 통과하고, 전도도는 효율적으로 낮추어질 수 있다. 냉각제의 전도도가 소정의 값 보다 작으면, 차단 밸브(54)는 개방되고, 처리는 단계(S20)로 진행한다.
단계(S20)에서, 연료 전지(1)의 냉각제 출구 온도(Tso)는 온도 센서(117)에 의해 검출된다. 단계(S30)에서, 냉각제 출구 온도(Tso)가 소정의 온도(Ts)에 도달하였는 지의 여부가 판정된다. 소정의 온도(Ts)는, 온도가 온도(Ts)보다 적어도 더 클 시에, 차량 주행을 위해 필요한 전력이 연료 전지(1)에 의해 전력 생성될 수 있도록 한 온도이다. 연료 전지(1)의 용량에 따라 변화가 있지만, 주행에 필요한 출력은, 일반적으로, 온도가 전력 생성에 의해 생성된 물이 다시 결빙하지 않는 대략 0℃ 보다 더 높을 경우에 확보될 수 있다. 여기서, Ts는 0℃로 설정된다.
단계(S20)에서, 차량 시동에 필요한 전력이 획득되지 않았기 때문에, Tso는 Ts(Tso≤Ts) 이하인 것으로 판정되면, 처리는 단계(S40)로 진행하며, 그 후, 시동을 막는 신호가 출력된다. 단계(S50)에서, 연료 전지 예열 제어에 의해 연료 전지(1)의 온도를 증가시킴으로써, Tso는 상승된다. 단계(S50)의 연료 전지 예열 제어 에 대해서는 아래에 기술된다.
연소 장치(30)에서 연소에 수반되는 열을 이용하여 실행되는 연료 전지(1)의 가열 및, 연료 전지(1) 자체의 전력 생성에 의해 발생되는 열 발생의 조합된 적용에 의해 예열 제어가 행해진다. 결빙 이하의 시동 시에 Tso≤Ts인 것으로 판정되면, CAT(30b)의 온도는 EHC(30a)의 대전을 허용함으로써 상승된다. CAT(30b)의 온도는 온도 센서(113)에 의해 감시되고, 온도가 수소가 점화하는 온도 영역까지 상승되면, 압축기(20)는 구동된다. 압축기(20)에 의해 배기된 공기는, 공기 온도 조절기(15), WRD(21) 및 연료 전지(1)를 통과하여, PCV(18)를 통해 연소 장치(30)에 공급된다. 수소 탱크(40) 내에 저장된 수소 가스는, 차단 밸브(41)를 동시에 개방함으로써 연료 전지(1)에 공급된다. 여기서, 차단 밸브(47)가 폐쇄되기 때문에, 수소는, 분사기(45)를 통해 재순환되지 않고, 분기부(49)를 통해 연소 장치(30)에 공급된다. 연소 장치(30)에 도입되는 수소 유량은 FCV(48)에 의해 조절된다. 수소 유량은 유량계(44)에 의해 검출되고, 피드백 제어는 검출된 값을 이용하여 실행된다. 여기서, 수소 유량이, CAT(30b)의 촉매 연소 시에 소정의 열 발생을 행하기 위해 필요한 수소 유량, 및 연료 전지(1) 자체의 전력 생성에 필요한 수소 유량과의 합이도록 FCV(48)이 제어된다.
연료 전지(1)의 전력 생성량은 보조 머신에 의해 소비될 수 있는 전력량이다. 냉각 시스템을 가열하는 전기 히터와 같은 전기 가열 수단이 이용되면, 허용 가능한 전력 생성량은 더욱 증대되고, 연료 전지(1) 자체의 전력 생성량이 증대되면, 연료 전지(1)의 가열 시에 전기가 또한 이용될 수 있다. 그래서, 이것은 시동 시간 구간의 단축, 및 시동 등에 소비되는 수소량의 환원 등에 유리하다.
CAT(30b)의 연소 온도를 제어하기 위해, 압축기(20)의 배기 유량은, 소정의 공기 연료비를 획득하기 위해, 통과된 수소 유량에 대해 소정의 공기 유량으로 제어된다. 연소 가스 온도는 HE(30c)에 설치된 온도 센서(114)를 이용하여 감시되고, 공기 유량은, 연소 가스 온도가 타겟 온도이도록 피드백 제어한다.
냉각제 펌프(52)가 이때에 동작되므로, 냉각제는 HE(30c)의 열 교환부를 통과한다. CAT(30b)에 의해 공급된 연소 가스와 냉각제 간의 열 교환의 결과로서 HE(30c)에서 냉각제 온도가 상승한다. 온도가 상승하게 되면, 냉각제는 3-웨이 밸브(53) 및 개방된 차단 밸브(54)를 통과하여, 연료 전지(1)의 냉각제 입구 매니폴드(1c)에 도입된다. 냉각제의 일부는, 분기부(57)에서 분기하여, 연료 전지(1)로 흐르기 전에, 공기 온도 조절기(15) 및 수소 온도 조절기(42)를 통해 합류부(59)로 귀환한다. 따라서, CAT(30b)에 의해 발생된 열은 냉각제를 통해 연료 전지(1)로 전달된다. 따라서, 연료 전지(1)는, 연소 장치(30)에 의해 발생된 열의 결과로서 자신의 열 발생에 의해 온도를 급속히 상승시킬 수 있다.
연료 전지(1)는 냉각제와 열을 효율적으로 교환하여, 연료 전지(1)의 냉각제 출구 매니폴드(1f) 내의 냉각제 온도는 실질적으로 연료 전지(1)의 온도까지 떨어뜨린다. 그래서, 연료 전지(1)는 급속히 가열되어, 온도가 상승되며, 냉각제는 연료 전지(1)의 온도에 가깝다. 따라서, 연료 전지(1)의 온도가 Ts 보다 높지 않으면, 연료 전지(1)의 냉각제 출구 온도(Tso)는 Ts보다 거의 높지 않다. 그래서, 연료 전지(1)의 온도가 Ts 보다 높은 지의 여부를 냉각제 출구 온도(Tso)로부터 판정 된다. 단계(S10 내지 S50)는, 연료 전지 출구 온도(TSO)가 차량 시동에 필요한 전력을 생성시킬 수 있는 온도(TS)보다 높을 때까지 반복된다.
한편, 단계(S30)에서, TSO＞ TS 인 것으로 판정되면, 처리는 단계(S60)로 진행하며, 그 후, 차량을 시동할 시에 시동 제어가 실행된다. 여기서, 운전자는, 차량의 램프가 켜지게 한느 등을 행함으로써 차량을 주행 허용 상태에 들어갔을 시기를 통지받는다. 이제, 도 5를 참조로 하여 단계(S60)의 시동 제어가 기술된다.
단계(S110)에서, 외부 온도(TATM), 물 탱크 수위(Lw), 연료 전지 냉각제 출구 온도(TSO), 및 (도시되지 않은) 차량 제어 제어기로부터의 요청된 출력(Pwd)이 검출된다. 그 다음, 처리는 단계(S120)로 진행하며, 여기서, 물 탱크 수위(Lw)가 Lw1 이상인 지가 검출된다. Lw1는 물 순환을 개시하게 하는 물 탱크 수위이다. 물 탱크 수위가 너무 낮으면, 물 펌프(61)가 물을 취하지 못하는 것과 같은 문제가 발생할 가능성이 존재한다.
전력 생성 중에 캐소드 출구 매니폴드(1d) 내에 제공되는 물 분리기(17)에 의해 회수함으로써 생성되는 물은 물 탱크(60) 내에 저장된다. 물 탱크(60), 귀환 경로(71), 및 연료 전지(1)로부터의 물 배관, 뿐만 아니라, 이 배관에 밸브(68)는, (도시되지 않은) 전기 히터에 의해 가열함으로써 물의 재결빙을 방지한다. 연료 전지(1)의 동작 중에 고정 기간들에서, 또는 물 분리기(17) 내에 축적된 물의 수위 등으로부터 판정되는 바와 같이, 밸브(68)가 개방되어, 물 분리기(17)로 귀환되어 생성된 물은 물 탱크(60) 내에 저장된다.
이 실시예에서, 시스템 정지 중에 물 탱크(60) 내의 물이 결빙할 가능성이 존재하는 것으로 판정되면, 물은 정수 시스템으로부터 외부로 배출된다. 따라서, 물이 정수 시스템으로부터 배출되면, 다음 시동 시에 물을 확보할 필요성이 있다. 그래서, 단계(S120)에서, 물 탱크(60)의 수위(Lw)를 조사하여 물을 확보할 필요성이 있는지 여부가 판정된다.
단계(S120)에서, 물 탱크 수위(Lw)가 Lw1 보다 낮고, 물 순환이 불가능할 때, 처리는 단계(S130)로 진행한다. 단계(S130) 및 후속 단계들에서, 물 탱크(60)의 수위(Lw)를 높이도록 연료 전지(1)의 온도 제어가 행해진다.
단계(S130)에서, 물 탱크(60) 내에 축적되는 물의 순환을 방지할 명령이 출력된다. 단계(S140)에서, 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR)는 TSOLIM으로 설정된다. TSOLIM는, 물이 물 탱크(60) 내에 축적될 때까지 필요한 시간 구간에 대한 연료 전지(1)의 가습 부족에 의해 유발된 드라이아웃을 방지할 수 있게 하는 동작 온도이다.
도 6은, 연료 전지(1)가 연료 전지(1)의 냉각제 출구 온도(TSO)에 대한 가습 부족으로 인해 드라이아웃에 도달할 때까지의 시간 구간 및, 연료 전지(1)의 냉각제 출구 온도(TSO)에 대해 최대 부하 동작을 실행할 시에, 물이 물 탱크(60) 내에 축적될 때까지의 시간 구간을 도시한 것이다. 물의 축적에 필요한 시간 구간이, 연료 전지(1)가 물 부족으로 인해 드라이아웃할 때까지의 시간 구간보다 짧도록 TSOLIM이 설정된다. 캐소드 배기 가스의 온도는, 연료 전지(1)의 동작 온도를 억제함으로써 억제되고, 물 분리기(17)에 의해 회수된 물의 양이 증대하기 때문에, 저장에 필요한 시간 구간은 짧아질 수 있다. 동시에, 연료 전지(1)의 양성자 교환막 내에 포함된 습기의 증발이 방지되기 때문에, 가습 부족에 의해 유발된 연료 전지(1)의 드라이아웃이 생성될 때까지의 시간 구간은 연장될 수 있다.
그러나, 외부 공기 온도(TATM)가 높으면, 차량 주행을 허용하는 고 출력에 의해 연료 전지(1)의 동작 온도를 저온으로 유지하는 것이 곤란하다. 이런 이유로, 한계 온도(TSOLIM)가 매우 낮은 온도로 설정되면, 소정의 값 이상의 외부 공기 온도를 가진 출력을 제한할 필요가 있다. 그래서, 연료 전지(1)의 온도를 제한하면서, 주행에 필요한 출력을 획득하는 보다 저 한계치 이상의 온도로 TSOLIM가 설정된다. 또한, 물의 결빙이 예상될 수 있는 저온에서만 배수를 행하는 시스템에서, 물 탱크(60) 내의 물을 배출한 후에 재시동을 행할 시에 낮은 외부 온도가 예상된다. 이 경우에, 연료 전지(1)의 동작 온도는 낮게 설정될 수 있다.
단계(S140)에서, TSOUPR = TSOLIM가 설정되면, 처리는 단계(S150)로 진행하여, 3-웨이 밸브(53)의 개방 정도를 제어한다.
이제는, 도 7을 참조로 하여, 3-웨이 밸브(53)의 개방 정도의 제어에 대해 기술된다. 냉각제가 예열 루프 또는 냉각 루프로 흐르도록 3-웨이 밸브(53)의 개방 정도에 의해 유량 분배가 조절된다.
단계(S310)에서, 연료 전지(1)의 냉각제 출구 온도(Tso)와 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR) 간의 차(dT = TSOUPR - TSO)가 구해진다. 단계(S320)에서, 3-웨이 밸브(53)의 개방 정도(RVO)는, 이 차(dT)에 따라 도 8에 도시된 것과 같은 맵에 의해 구해진다. 도 8은 온도 차(dT)에 대해 설정되는 냉각 루프에 대한 분할(split) 유량 비(RVO)를 도시한 것이다. RVO = 100%이면, 이것은, 순환되는 모든 냉각제가 냉각 루프로 흐른다는 것을 의미한다. 차(dT)가 크면, RVO를 최소 값(RVDMIN)으로 되게 함으로써 실질적으로 모든 냉각제를 예열 루프로 흐르게 하여 냉각제 온도의 증대가 촉진된다. 그러나, 온도차(dT)가 소정의 값(dT1) 이하이면, 냉각제가 또한 냉각 루프로 순환되도록 분할 유량비(RVO)는 증대된다. 온도차가 dT2이면, 냉각 루프에 대한 분할 유량비(RVO)는 최대로 된다. 결과적으로, 냉각 시스템의 용량이 외부 온도에 적절하면, 온도차(dT)는 이런 조건에서 dT1과 dT2 간에 제어될 수 있다. 그러나, 온도차(dT)가 이런 조건에서 dT2 이하이면, 이것은, 냉각 시스템의 용량이 부적절하여, 온도 제어가 행해질 수 없음을 나타낸다. 또한, 여기서, dT2은 0에 가까운 정(positive)의 값이다. 즉, TSO가 TSOUPR 이하인 온도일 시에, 냉각 루프로의 냉각제의 분배는 최대로 된다.
3-웨이 밸브(53)가 이와 같이 제어되면, 처리는 단계(S160)로 진행하여, 냉각제 유량을 제어한다. 냉각제 유량의 제어에 대해서는 도 9를 참조로 행해진다.
먼저, 단계(S410)에서, 요구된 출력(Pwd)에 대해 냉각제 유량에 대한 기본 유량(Qcb)은, 도 10에 도시된 바와 같은 맵에 의해 검색된다. 기본 유량(Qcb)은 요구된 출력(Pwd)에 필요한 정규의 냉각제 유량이며, 냉각제 펌프(52)의 최저 유량(Qcmin) 내지 최대값(Qcmax) 사이에 설정된다. 그 다음, 단계(S420)에서, 도 7의 단계(S310)에서 구해진 온도차(dT)에 대해 냉각제 유량에 대한 최소 한계값(Qclim)이 구해진다. 도 11에 도시된 바와 같이, 온도차(dT)에 대한 최소 한계값(Qclim)의 맵은 미리 저장되어, 냉각제 유량의 최소 한계값(Qclim)을 구하기 위해 탐색된다. dT가 0에 가까운 정의 값인 dT4인 순간에, 최소 한계값(Qclim)은 최대값(Qcmax)이다. 즉, 최대 냉각제 유량은, 검출된 온도(TSO)가 타겟 온도(TSOUPR)에 가까운 값에 도달한 순간에 생긴다.
그 다음, 단계(S430)에서, 기본 유량(Qcb)의 값 및 최소 한계값(Qclim)은 비교되어, 이들 값 중 큰 것이 냉각제 유량(Qc)으로 되도록 선택된다. 냉각제 펌프(52)의 회전 속도는 냉각제 유량(Qc)을 구현하기 위한 회전 속도로 제어된다.
도 8 및 도 11에 도시된 바와 같이, Qclim=Qcmax인 dT4는 RVO=RVOMAX인 dT2보다 작고, 따라서, 냉각제는 냉각 루프로 흐른다. 즉, 냉각 루프로의 분할을 위한 분할 유량 비(RVO)는 최초에 최대값에 도달한다. 그러나, 타겟 온도를 확립하도록 제어하기 위한 냉각 용량이 부적절하면, 연료 전지(1)의 온도는 또한 총 냉각 유량(Qc)을 최대화시킴으로써 억제된다. 특히, 검출된 온도(TSO)가 냉각 시스템에서 타겟 온도(TSOUPR)를 초과하면(dT＜0), 최대 냉각제 유량은 냉각 루프에 대한 최대 유량이다.
그 다음, 방열기(50) 상에 제공된 방열기 팬(50a)은 단계(S170)에서 제어된다. 방열기 팬의 원동력 제어에 대해서는 도 12에 도시된다.
단계(S510)에서, 온도차(dT)에 대한 방열기 팬의 원동력(Pwrad)이 구해진다. 도 13에 도시된 것과 같은 맵은 미리 저장되어, 단계(S310)에서 구해진 온도차(dT)에 대한 방열기 팬의 원동력(Pwrad)이 검색된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 방열기 팬의 원동력(Pwrad)은, dT가 0에 가까운 정의 값(dT6(＜dT4))일 시에 최대에 도달한다. 즉, 방열기(50)를 포함하는 냉각 루프의 경우, TSO가 TSOUPR에 접근하면, 최대 냉각 용량이 나타난다. 이런 이유로, 냉각 시스템은, 타겟 온도가 초과되는 상황에서 최대 용량을 나타낸다. 여기서, dT6＜dT4에 따라, 방열기 팬의 원동력(Pwrad)은, 냉각제 펌프(52)의 부하가 최대에 도달한 후에, 최대에 도달한다.
그 다음, 처리는 단계(S180)로 진행하여, 연료 전지(1)의 동작 압력을 결정한다. 동작 압력은, 특히, 연료 전지(1)에 공급된 산화제 및 수소 가스의 각각의 압력이다. 이들 압력은, 도 14에 도시되어 있는 냉각제 출구 온도(TSO)에 대해 물 부족일 시에 대한 기준 맵을 토대로, 제각기 PCV(43) 및 PCV(18)에 의해 제어된다. 또한, 수소 가스 압력 및 산화제 압력이, 양성자 교환막의 양 측상의 압력을 실질적으로 동일하게 유지할 필요성의 이유로 실질적으로 동일한 압력으로 제어되기 때문에, 도 14에서의 한 맵은 이들 압력을 설정하기 위해 참조될 수 있다. 정상 동작 중에, 동작 압력은, 연료 전지의 동작 온도를 나타내는 TSO에 대해 물 균형을 달성 하는 압력이 설정되게 하는 압력이다. 그러나, 단계(S120)에서, 액상 물이 부적절한 것으로 판단되었을 때, 정상 제어 중에 맵의 압력보다 높은 압력에서 물 부족이 존재할 시에 대한 기준 맵이 탐색된다. 맵을 탐색함으로써 획득된 압력은, 물 균형이 정이고, 연료 전지(1)의 가습 부족을 방지하며, 가습 물 축적 속도가 높아지게 되는 압력이다. 결과적으로, 가습 물이 축적될 때까지의 시간 구간은 단축될 수 있고, 동작 온도 한계 시간 구간도 단축될 수 있어, 이것은 보다 큰 내구성의 관점에서 유리하다.
연료 전지(1)의 동작 압력이 결정되면, 단계(S190)에서, 냉각제 출구 온도(TSO)가 소정의 온도(TSOUPR)를 초과하였는 지를 판정한다.
소정의 온도(TSOUPR)가 초과되지 않으면, 처리는 단계(S200)로 진행하여, 연료 전지(1)의 출력(Pw)은 요구된 출력(Pwd)로 설정된다. 즉, 제한된 출력보다는 요구에 따른 출력이 생성된다. 따라서, TSO가 타겟 한계 온도(TSOUPR)보다 낮으면, 외부 온도(TATM)가 높을 시에도 출력은 제한되지 않아, 출력을 제한하는 상황이 감소될 수 있다.
한편, 단계(S190)에서, 냉각제 출구 온도(TSO)가 소정의 온도(TSOUPR)를 초과하면, 처리는 단계(S210)로 진행한다. 단계(S210)에서, 외부 온도(TATM)에 대해 설정된 최대 출력 한계값(Pwlim)은 도 15에 도시된 맵을 참조함으로써 검색된다. 외부 온도(TATM)가 높고, 냉각 시스템의 용량이 부적절하면, 출력은 타겟 온도(TSOUPR) 를 유지하기 위해 제한된다. 이 출력이 최대 출력(Pwlim) 이하이면, 냉각제 출구 온도(TSO)는 타겟 온도(TSOUPR) 이하이다. 환언하면, TATM=TATMLIM이면, 냉각 용량은 최대로 되고, 3-웨이 밸브(53)는 냉각 루프 방향으로 최대로 개방되며, 물 탱크(60) 상의 부하는 최대이고, 방열기 팬(50a)의 원동력은 최대이며, 냉각제 출구 온도(TSO)는 타겟 온도(TSOUPR)로 유지된다.
그 다음, 단계(S220)에서, 요구된 출력(Pwd) 및 최대 출력 한계값(Pwlim)은 비교된다. 그리고 나서, 낮은 값이 선택되어, 연료 전지 출력(Pw)으로서 설정된다. 따라서, 출구 온도(TSO)가 한계 온도(TSOUPR(=TSOLIM))를 초과하고, 연료 전지(1)의 가습 부족으로 인한 드라이아웃이 방지되면, 연료 전지(1)로부터 출력을 제한할 필요가 있는 상황이 최소화된다.
완료되면, 처리는 시작으로 복귀하고, 이 제어는 반복된다. 그러나, 단계(S120)에서, 물 탱크 수위가 Lw＞Lw1인 것으로 검출되면, 물 순환에 필요한 액상 물을 확보할 수 있는 것으로 판정되며, 그 후, 처리는 단계(S230)로 진행하여, 물 펌프(61)는 물 순환을 개시하도록 구동된다. 그 다음, 처리는 단계(S240)로 진행하여, 정상 동작으로의 이행(transition)이 행해진다. 정상 동작으로의 이행에 대해서는 이제 도 16을 참조로 기술된다.
단계(S610)에서, 외부 온도(TATM) 및 연료 전지(1)의 냉각제 출구 온도(TSO)가 검출된다. 단계(S610)에서, 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR)는 TSONORM으로 설정된다. 온도(TSONORM)는, 열 균형 및 물 균형이 달성될 수 있고, 정상 효율이 우선 순위(prioritize)가 되는 동작 온도이다. 단계(S630 내지 S650)에서, 도 5의 단계(S150 내지 S170)와 마찬가지로, 3-웨이 밸브(53)의 개방의 정도, 냉각제 유량 및 방열기 팬(50a)의 원동력이 설정된다. 그러나, 단계(S630 내지 S650)에서, TSOUPR의 값은 TSOLIM보다는 TSONORM으로 설정된다. 냉각제의 냉각 용량이 이와 같이 설정되면, 처리는 단계(S660)로 진행하여, 연료 전지(1)의 동작 압력이 단계(S180)에 따라 설정된다. 도 14에서, 정상 기준 맵이 이용되고, 연료 전지의 동작 온도를 나타내는 TSO에 대해 물 균형을 달성하는 압력이 설정된다. 연료 전지(1)의 동작 온도가 결정되면, 연료 전지(1)의 출력(Pw)은, 단계(S670)에서, 요구된 출력(Pwd)으로 설정된다.
연료 전지(1)의 가습 부족에 의해 유발된 성능 저하를 억제하면서, 요구된 출력에서 연료 전지(1)로부터의 출력을 유지할 수 있는 기회가 냉각 시스템을 조절하여 연료 전지(1)의 온도를 억제함으로써 증대될 수 있다.
그 다음, 상술한 바와 같은 제어가 행해질 시에, 물 탱크(60) 내에 축적된 물의 양에 대한 시간 구간의 변화 및, 연료 전지 온도의 변화에 대해서는 도 17에 도시되어 있다. 시동을 개시한 후, 주행에 필요한 전력이 연료 전지(1)에 의해 생성될 수 있을 때까지, 연료 전지(1)는 연소 및 자체 열 생성에 의해 예열된다. 이때에, 연료 전지(1)의 반응에 수반하여 물이 생성되고, 이 물은 물 탱크(60) 내에 저장된다. 연료 전지(1)의 온도가 허용 가능한 레벨까지 상승하여, 주행을 가능하게 하는 전력을 생성시키면, 차량 주행이 개시된다. 주행이 시작되고, 연료 전지 온도 및 저장된 물의 양이 증대할 지라도, 연료 전지 온도가 동작 타겟 온도(TSOUPR(=TSOLIM))를 초과하지 않도록 냉각 시스템은 조절된다. 이때에, 냉각 시스템 단독으로 온도를 억제할 수 없다면, 동작 온도는 연료 전지(1)의 출력을 억제함으로써 억제된다. 저장된 물의 양이 가습을 허용하는 소정의 값에 도달하면, 동작 타겟 온도(TSOUPR)를 TSONORM으로 설정함으로써 정상 동작이 개시된다.
그 다음, 이 실시예의 연료 전지 시스템에 의한 효과에 대해 기술된다.
연료 전지 시스템은, 전해질막을 구비하여, 연료 가스 및 산화제 가스를 이용하여 전력을 생성시키는 연료 전지(1)를 구비하고, 연료 전지(1)를 가습하는 물을 위한 물 탱크(60)를 포함한다. 연료 시스템은, 물 탱크(60) 내의 물을 이용하여 연료 전지(1)를 가습할 수 있는 지를 판정하는 가습 판정 수단(S120) 및, 연료 전지(1)의 온도를 제어하는 온도 제어 수단(제어기(100))을 더 포함한다. 단계(S140)에 도시된 바와 같이, 가습 판정 수단에 의해 연료 전지(1)가 가습될 수 없다고 판정되면, 연료 전지(1)의 동작 온도는 정상 동작 온도보다 낮은 한계 온도(TSOLIM)로 제한된다. 결과적으로, 연료 전지(1)의 가습 부족에 의해 유발된 고장은, 물 탱크(60) 내의 물을 이용한 가습이 행해질 수 없을 시에는 감소될 수 있고, 차량 주행에 필요한 전력 생성량을 획득하기 위한 시간 구간은 단축될 수 있다. 결과적으로, 연료 전지(1)의 전력 생성에 수반하여 생성된 물 또는 열을 이용하여 물 탱크(60)로부터 물을 공급할 수 있는 상태로 될 수 있어, 저온 환경에서도, 연료 및 전력의 쓸데없는 소비가 억제될 수 있고, 연료 전지가 효율적으로 시동될 수 있다.
가습 판정 수단은, 물 탱크(60) 내의 물이 소정의 값(Lw1) 이상의 양의 액상으로 제공되는 지를 판정하는 물의 양 판정 수단이며(S120), 액상 물이 소정의 값 이상의 양으로 제공되지 않으면, 연료 전지(1)의 동작 온도는 정상 동작 중에서보다 낮게 제한된다. 결과적으로, 차량 주행에 필요한 연료 전지의 전력 생성량이 적어질 수 있을 때까지의 시간 구간 및, 연료 전지의 가습 부족에 의해 유발된 고장은 가습 물이 축적되었을 때까지의 시간 구간 동안에 방지될 수 있어, 정상의 고 효율 동작이 가습 물을 준비한 후에 가능해질 수 있다.
연료 전지 시스템은, 물 탱크(60) 내의 물이 결빙할 가능성이 있는 지를 예측하는 결빙 예견부(100a), 물 탱크(60) 내의 물을 배출하는 차단 밸브(74) 및, 물 탱크(60) 내의 물의 양을 검출하는 수위 센서(151)를 포함한다. 물 탱크(60) 내의 물이 결빙할 가능성이 있다고 예측하면, 물 탱크(60) 내의 물은 배출되고, 연료 전지(1)의 동작 온도는, 물 탱크(60) 내의 물이 소정의 양(Lw1) 이상의 양으로 축적되었을 때까지 정상 동작 중에서보다 낮게 제한된다. 결과적으로, 물이 결빙할 시에 부품의 신뢰성을 보장할 수 있는 시스템에 의해, 물의 공급은 시동 중에 필요없게 된다. 이것은, 특히, 주행 본체, 여기서는 차량이 이용될 시에 효과적이다.
연료 전지 시스템은, 연료 전지(1)와의 열 교환을 실행하는 냉각제를 압력 이송하는 냉각제 펌프(52) 및, 연료 전지 온도 제어 수단으로서의 방열기(50)를 포함한다. 연료 전지(1)의 온도가 정상 동작 중에서보다 낮게 제한되면, 방열기(50) 내에서 순환되는 냉각제 유량은 이 온도가 한계 온도(TSOLIM)일 시에 최대화되어, 연료 전지(1)에 의해 배출되는 냉각제의 온도는 제한된다. 환언하면, 3-웨이 밸브(53)에 의해 냉각 루프에서 순환되는 냉각제의 비율은, TSO가 TSOUPR 이하일 시에 최대화된다. 게다가, 배출량은 냉각제 펌프(52)에 의해 최대화된다. 따라서, 연료 전지(1)의 온도 제어는 정확히 실행될 수 있고, 연료 전지(1)의 가습 부족에 의해 유발된 고장은 신뢰할 수 있을 정도로 방지될 수 있다.
연료 전지 시스템은, 연료 전지 온도 제어 수단으로서, 연료 전지(1)의 출력을 제한하는 출력 제한 수단을 더 포함한다(S220). 따라서, 외부 온도(TATM)가 높고, 온도 제한이 곤란한 상황에서도 연료 전지(1)의 온도를 신뢰할 수 있게 제한할 수 있으며, 결과적으로, 보다 광범위한 환경의 경우에, 연료 전지(1)의 가습 부족에 의해 유발된 고장은 신뢰할 수 있게 방지될 수 있어, 효율적인 동작이 실행될 수 있다.
연료 전지(1)의 동작 온도가 제한되면, 방열기(50)로의 냉각제 주변 유량이 방열기(50)로의 냉각제 유량을 선택적으로 증가시킨 결과로서 최대에 도달한 후에, 연료 전지(1)의 출력(Pw)은, 연료 전지(1)의 동작 온도가 한계 온도(TSOUPR)를 초과하는 경우로 제한된다. 따라서, 연료 전지(1)의 출력을 제한할 필요가 있는 상황이 감소될 수 있고, 운전자의 의도대로 가속화할 수 없는 조건이 최소화될 수 있다.
또한, 연료 전지(1)의 온도가 정상 동작 중에서보다 낮게 제한되는 경우에, 방열기 팬(50a)의 원동력은 연료 전지(1)에 의해 배출되는 냉각제의 온도는 한계 온도(TSOLIM)일 시에 최대화된다. 따라서, 연료 전지(1)의 온도를 정확히 제어하여, 연료 전지(1)의 가습 부족에 의해 유발된 고장을 신뢰할 수 있게 방지할 수 있다.
여기서, 또한,연료 전지(1)의 동작 온도가 제한되면, 방열기 팬(50a)의 원동력이 방열기 팬(50a)의 원동력을 선택적으로 증가시킨 결과로서 최대에 도달한 후에, 연료 전지(1)의 출력(Pw)은, 연료 전지(1)의 동작 온도가 한계 온도(TSOLIM)를 초과하는 경우로 제한된다. 따라서, 연료 전지(1)의 출력을 제한할 필요가 있는 상황이 더욱 감소될 수 있고, 운전자의 의도대로 가속화할 수 없는 조건이 최소화될 수 있다.
더욱이, 제 1 실시예의 연료 전지 시스템은 연료 전지의 동작 압력을 조절하는 압력 조절 수단(PCV 18, 43)을 포함한다. 연료 전지(1)가 가습될 수 없는 가습 판정 수단에 의해 판정되면(S120), 연료 전지(1)의 동작 압력은 증가된다. 여기서, 도 14에 도시된 바와 같이 큰 설정 압력에서 물 부족이 있을 경우에 대한 기준 맵이 이용된다. 그래서, 전력 생성에 의해 생성되는 생성된 물은 캐소드 배기 가스와 함께 쉽게 유출되지 않아, 연료 전지(1)의 가습 부족은 더욱 효율적으로 방지될 수 있고, 가습 물은 더욱 신속히 축적될 수 있다.
특히, 연료 전지(1)가 가습 판정 수단에 의해 가습될 수 없는 것으로 판정되면, 연료 전지(1)의 압력은, 연료 전지(1)의 동작 온도의 상승과 함께 증가됨으로써, 연료 전지(1)는, 연료 전지(1)의 온도를 제한하는 온도에 도달할 시에 최대 압력으로 동작하도록 한다. 따라서, 연료 전지(1)는 한계 온도(TSOLIM)의 상태에서 최대 압력(POMAX)로 동작하고, 연료 전지(1)의 가습 부족은 시스템 용량의 최대에서 방 지될 수 있다.
또한, 본 실시예에서, WRD(21)는 기본 가습 장치로서 제공되고, 가습 부족은 고온의 엄격한 동작 조건 밖에서는 쉽게 일어나지 않는다. 따라서, WRD(21)에 의한 가습은 저온에서의 시동에서도 어느 정도까지 실행될 수 있고, 보조 가습이 필요치 않은 정도까지, 전해질의 수분 보유는 연료 전지(1)의 동작 온도의 최소 제한을 통해 적절히 유지될 수 있다.
제 2 실시예
이제는, 제 2 실시예에 대해 기술된다. 연료 전지 시스템의 구성은 도 18을 참조로 기술된다. 여기서, 시스템 정지 중에 물 탱크(60) 내에 정수를 저장하여, 저장된 정수가 결빙할 시에 저 전력에서 해동(thawing)을 행하는 연료 전지 시스템이 기술된다. 아래 설명의 촛점은 제 1 실시예의 촛점과 상이한 부품에 관한 것이다.
먼저, 공기를 캐소드로 및 그로부터 공급 및 배출하는 산화제 시스템이 기술된다.
산화제 시스템은 공기 청정기(10), 화학적 필터(11) 및 유량계(12)를 포함하고, 이 산화제 시스템의 다운스트림측 및 압축기(20)의 흡기측은 연결되어 있다. 소음기(14), 마이크로필터(16) 및 공기 온도 조절기(15)는 압축기(20)의 배기측 상에 제공된다. 게다가, 연료 전지(1)의 캐소드 입구 매니폴드(1a)는 이들에, 가습원으로서 캐소드 배기 가스를 이용하는 WRD(21)의 가습측을 통해, 연결되어 있다. WRD(21)와 연료 전지(1) 사이에는 압력 센서(101) 및 온도 센서(111)가 제공된다. 연료 전지(1)의 캐소드 출구 매니폴드(1d)로부터의 다운스트림의 구성은 제 1 실시예와 동일하다. 그러나, 제 2 실시예에서, 캐소드 출구 매니폴드(1d)에 제공되는 물 분리기(17)의 물은 모두 물 탱크(60)로 송출되어, 차단 밸브(69)는 제공되지 않는다.
그 다음, 수소 가스를 애노드로 및 그로부터 공급 및 배출하는 수소 시스템이 기술된다.
수소 온도 조절기(42)는 차단 밸브(41)를 통해 수소 탱크(40)에 연결된다. 게다가, 분사기(45)는 압력 제어 밸브(PCV)(43) 및 유량계(44)를 통해 연결된다. 분사기(45)에서 연료 전지(1)의 애노드 입구 매니폴드(1b)에 연결이 행해지고, 연료 전지(1)에 공급된 수소의 압력 및 온도를 제각기 검출하는 압력 센서(102) 및 온도 센서(115)는 분사기(45)의 업스트림측 상에 제공된다. 수소 순환 통로는 애노드 출구 매니폴드(1e)와 분사기(45) 사이에 형성된다. 애노드 출구 매니폴드(1e)와 분사기(45) 사이에 제공되는 분기부(49)로부터 연소 장치(30)로 연장하는 분기 채널이 형성되어, 유량 제어 밸브(FCV)(48)에 의해 연소 장치(30)로 전환되는 애노드 배기 가스의 유량을 조절한다. 수소 시스템의 다른 부품은 제 1 실시예에서와 동일한 방식으로 구성된다.
그 다음, 연료 전지(1)의 온도를 제어하는 냉각 시스템이 기술된다.
냉각제 저장 탱크(51)는 냉각제 펌프(52)의 입구측에 연결된다. 냉각제 펌프(52)의 배출측은 전도도계(121)를 통해 연료 전지(1)의 냉각제 입구 매니폴드(1c) 에 연결된다. 연료 전지(1)에 의해 배출되는 냉각제의 냉각제 출구 온도(TSO)를 검출하는 온도 센서(117)는 냉각제 출구 매니폴드(1f)의 다운스트림측 상에 제공된다. 게다가, 이 다운스트림측 상에서, 회로는 공기 온도 조절기(15) 및 수소 온도 조절기(42)로 분할하고, 합류가 다시 일어나기 전에 공기 및 수소 가스와 교환된다. 그 후, 냉각 시스템은 물 탱크(60)를 통과한다. 물 탱크(60) 내에 배치된 냉각 시스템의 관은 열 교환부(60a)이고, 냉각제가 열 교환부(60a)를 통해 흐를 시에, 물 탱크(60) 내에 저장된 물에 의해 열 교환이 행해진다. 결과적으로, 물 탱크(60) 내의 물이 결빙하면, 예컨대, 비교적 높은 온도의 냉각제로부터의 열은 물에 공급되어, 물 탱크(60) 내의 물의 해동을 촉진할 수 있게 한다. 그 후, 열 교환부(60a)에서 순환된 냉각제는 [회로]를 방열기(50) 및 연소 장치(30)로 분할하는 3-웨이 밸브(53)에 연결된다. 3-웨이 밸브(53)는, 제 1 실시예에서와 같이, 예열 루프 및 냉각 루프로 분할하여, 냉각제의 온도를 조절한다. 예열 루프 및 냉각 루프는 합류부(58b)에 의해 연결되어, 물 펌프(52)의 입구측에 연결된다. 냉각제의 전도도를 감소시키는 이온 필터(56)는 물 펌프(52)와 평행하게 제공된다.
그 다음, 연료 전지(1)의 가습을 행하는 정수 시스템이 기술된다.
물 탱크(60)는, 물 펌프(61)의 흡기측에서, 수위 센서(151), 물 펌프(61) 및 스트레이너(62)를 포함한다. 물 펌프(61)의 배출측 상에는, 전도도계(122) 및 이온 필터(63)를 통해 연료 전지(1)에 연결되는 배출 통로(72)가 제공된다. 연료 전지(1) 내에는, 애노드 및 캐소드와, 다공판을 통한 물 채널이 제공된다. 정수가 물 채널을 통과하면, 다공판을 통해 수분을 각 전극 및 전해질막에 공급함으로써, 가습이 행해진다. 환언하면, 본 실시예에서, WRD(21)는 주 가습 수단으로서 이용되고, 보조 가습 수단을 구성하는 연료 전지(1) 내에서 순환하는 정수에 의해 가습은 행해진다.
연료 전지(1)의 가습 시에 이용되지 않는 정수를 물 탱크(60)로 귀환하는 귀환 통로(71)에는, 차단 밸브(81), 차단 밸브(83) 및 압력 제어 밸브(PRV)(84)가 제공된다. PRV(84)는 기준 압력으로서 연료 전지(1)의 캐소드 출구 압력을 이용한다. 차단 밸브(82)를 통해 캐소드 배기 가스측에 연결되는 통로는 차단 밸브(81)와 차단 밸브(83) 사이에 형성된다. 차단 밸브(82), 차단 밸브(81) 및 차단 밸브(83)를 개방함으로써, 회로 내의 물은 캐소드 배기 가스에 의해 물 탱크(60)로 귀환된다. 이 물 회로 및, 물 회로 내의 부분은 (도시되지 않은) 전기 히터와 같은 가열원에 의해 가열될 수 있다.
정지 중, 전력 생성이 멈춘 후, 압축기(20)는 (도시되지 않은) 2차 전지로부터의 전력에 의해 구동된다. PCV(18)에 의해 캐소드 압력을 약간 상승시킴으로써, 물 분리기(17) 내의 물은 물 탱크(60)로 귀환된다. 캐소드 출구 매니폴드(1d) 내의 배수가 완료되면, 차단 밸브(68)는 폐쇄되어 매니폴드(1d) 내의 배수 상태를 유지한다. 또한, 차단 밸브(81 내지 83)는 개방되어, 배출 통로(72) 및 귀환 통로(71)로부터 배수한다. 따라서, 관 내의 정수의 결빙은 방지된다.
그 다음, 시동 시에 연료 전지 온도 제어에 대해 기술된다. 도 19를 참조로 제어의 개요가 기술된다. 먼저, 시동을 개시할 명령이 검출되고, 연료 전지(1)가 차량 시동에 필요한 전력을 생성시키는 온도(Ts)까지 온도를 상승되면, 도 19에 도시된 처리는 개시된다.
단계(S11)에서, 물 탱크(60) 내의 정수가 해동될 필요가 있는 지를 판정한다. 이것은, 물 탱크(60) 내에 제공된 온도 센서(118)의 출력으로부터 판정될 수 있다. 물 탱크(60) 내의 정수의 온도(Tw)가 소정의 온도(Tw1) 이상이면, 처리는 단계(S12)로 진행하여, 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR)가 정상 온도(TSONORM)로 설정된다. 한편, 정수의 온도(Tw)가 소정의 온도(Tw1)를 충족하지 않으면, 처리는 단계(S13)로 진행하여, 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR)가 한계 온도(TSOLIM)로 설정된다. 단계(S14)의 냉각제 온도 제어 시에, 냉각 시스템은, 단계(S12 또는 S13)에서 설정된 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR) 및 검출된 냉각제 출구 온도(TSO)에 따라 제어된다. 결과적으로, 물 탱크(60) 내의 물이 결빙하고, 가습을 위한 물이 준비될 수 있어, 정수를 이용하여 드라이아웃 전에 개시된 가습이 연료 전지(1)의 가습 부족으로 인해 행해질 시에, 연료 전지(1)의 온도 상승은 억제된다.
그 다음, 제어의 상세 사항이 기술된다. 다음의 설명의 촛점은 제 1 실시예의 촛점과 상이한 부분에 관한 것이다.
시동 시에 온도 제어의 주 경로(routine)는 도 4에 도시된 제 1 실시예의 경로와 동일하다. 단계(S30)에서, 연료 전지(1)의 온도가 차량 시동에 필요한 전력을 생성시키기 위해 필요한 온도에 도달하였는 지를 판정한다. 여기서, 냉각제 출구 온도(TSO)는 TS(=0℃)에 도달하였는 지를 판정한다. TS가 도달되지 않았다면, 시동을 금지하는 명령이 출력되어, 단계(S50)에서, 연료 전지의 예열 제어가 실행된다. 그러나, 단계(S30)에서, 냉각제 출구 온도(TSO)가 TS에 도달하지 않았다면, 대기 온도는 결빙 온도 이하인 것으로 생각하여, 물 탱크(60) 내의 물이 결빙할 가능성이 있는 것으로 판정할 수 있다. 연료 전지의 예열 제어는 이런 가능성을 고려하여 다음과 같이 실행된다.
연료 전지의 예열 제어는 2차 전지 등을 이용하여 순환된 냉각제의 온도를 상승시키도록 연소 장치(30) 내에서 연소를 실행시킨다. 온도가 상승한 냉각제가 연료 전지(1)를 통해 흐르게 함으로써, 연료 전지(1)의 온도는 상승된다. 연료 전지(1)와 냉각제 간에 열이 효율적으로 교환되기 때문에, 냉각제 출구 매니폴드(1f)의 냉각제 온도는 연료 전지(1)의 것과 실질적으로 동일한 레벨이다.
연료 전지(1)가 결빙 온도(예컨대, -20℃) 이하이고, 정상 동작(본 실시예에서 차량 주행을 허용하는 동작 상태)에 필요한 상당량의 전력이 생성되는 경우에, 생성된 물은 냉각된 연료 전지(1)에 의해 냉각되어 재결빙됨으로써, 연료 전지(1)가 0℃에 가깝게 가열되지 않으면, 상당량의 전력을 생성시키기 어렵다. 그래서, 상당량의 전력이 생성될 수 있을 때까지 냉각제 출구 온도(TSO)가 결빙 온도 이상으로 되는 것이 쉽지 않다. 결과적으로, 결빙 온도 이상의 냉각제는 연료 전지(1)의 다운스트림인 물 탱크(60)에 입력시킬 수 없어, 물 탱크(60) 내에서 열 교환부내의 얼음 표면을 통해 열이 얼음에 단번에 잠깐 가해질 수 있지만, 결빙된 물의 해동은 이루어지지 않는다. 따라서, 물 탱크의 열 교환부(60a) 내의 냉각제로부터 매우 약 간의 열이 취해지고, 물 탱크(60)를 해동하기 위해 전력이 활동적으로 소비되지 않는다. 이런 이유로, 결빙점에 가까이 연료 전지(1)의 효율적인 가열은, CAT(30b)에 의해 생성된 열량을 이용하여 실시될 수 있다. 이것이 동일한 수소 소비량으로 고려되면, 상기 처리는 연료 전지(1)를 상당량의 전력을 신속히 생성시킬 수 있는 상태까지 미칠 수 있게 하여, 개시 시간 구간 및 개시 소비 에너지가 감소될 수 있다.
그 후, 연료 전지(1)가 전력 생성을 허용하는 온도에 도달하면, CAT(30b)의 동작은 정지되어, 예열 동작을 종료시킨다. 즉, 단계(S30)에서, TSO＞TS이면, 처리는 단계(S60)로 진행하여 개시 제어를 행하는 것으로 판정된다. 그 후, 물 탱크(60) 내의 정수는, 연료 전지(1)의 전력 생성에 의해 생성된 열을 이용하여 해동된다. 이 실시예의 개시 제어는 도 20에 도시되어 있다.
이 실시예에서, 정상 동작을 시작하는 지에 관한 결정은, 물 탱크(60)의 수위(Lw) 보다는 물 탱크(60) 내에 축적된 물의 온도(Tw)에 따라 판정된다. 여기서, 물 탱크(60) 내에 제공된 온도 센서(118)의 출력에 따라 판정이 행해진다. 즉, 단계(S720)에서, 물 탱크(60) 내의 물의 온도(Tw)가 소정의 온도(Tw1) 보다 높은 지에 기초하여 물 탱크(60) 내의 물을 이용하여 가습을 행할 수 있는 지가 판정된다. 소정의 온도(Tw1)는, 물 탱크(60) 내의 소정의 양의 물이 해동하였음을 판정할 수 있는 온도이다. 여기서, 이것은 물 펌프(61)에 의해 순환하는 양이다. 소정의 온도(Tw1)는, 예컨대, 0℃에 가깝게 미리 설정된다.
단계(S30)에서, Tw≤Tw1이면, 물 순환을 허용하는 정도까지 해동이 일어나지 않은 것으로 판정하여, 단계(S730 내지 S820)의 제어가 실행된다. 이들 단계는 제 1 실시예의 단계(S130 내지 S220)와 동일한 제어 방식이다. 이 제어의 결과로서, 연료 전지(1)와, 저온으로 설정되는 냉각제 사이에서 열 교환이 행해져, 가열된 냉각제는 물 탱크(60)의 열 교환부(60a)를 통과하도록 허용된다. 따라서, 물 탱크(60) 내의 물은 연료 전지(1)의 전력 생성에 수반하는 열을 이용하여 해동될 수 있다. 따라서, 연료 소비는 또한 CAT(30b)를 이용하여 물 탱크(60) 내의 물을 해동함으로써 감소될 수 있다.
물 탱크(60)의 온도(Tw)가 0℃를 초과하고, 물 탱크(60) 내의 물에 의한 가습이 가능한 것으로 판정될 때까지, 동작을 허용하는 온도 이상의 과도한 온도에 대한 제한은 연료 전지(1)의 가습없이 행해진다. 따라서, 물 탱크(60)가 해동하여, 효율적인 개시가 행해질 수 있을 때까지, 연료 전지(1)는 물 부족으로 인한 드라이아웃없이 동작될 수 있다.
또한, 단계(S740)에서, 동작 온도가 제한될 시에 냉각제 출구 타겟 온도(TSOUPR(=TSOLIM))가 설정되면, TSOLIM은, 도 6보다는 도 21에 도시된 냉각제 출력 온도에 대해 해동에 필요한 시간 구간의 관계에 기초로 하여 설정된다. 해동에 필요한 시간 구간은 제 1 실시예의 물 축적 때까지의 시간 구간에 대응한다.
한편, 단계(S720)에서, Tw＞Tw1이면, 처리는 단계(S830 및 S840)으로 진행하고, 정상 동작은, 물 펌프(61)를 동작함으로써, 제 1 실시예의 단계(S230 및 S240) 와 동일한 방식으로 개시된다.
상술한 제어의 결과로서, 연료 전지(1)의 온도에 대한 시간 구간의 변화 및 해동된 물의 양은 도 22에 도시되어 있다.
예열 동작 중에 연소 장치(30)에서 냉각제의 온도를 상승시킴으로써, 연료 전지(1)의 예열이 행해진다. 재결빙을 방지하여, 상당량의 전력이 생성되도록 하는 (0℃에 가까운) 온도(TS)까지, 연료 전지(1)가 예열되었으면, 연소 장치(30)의 연소는 정지되고, 전력은 차량 주행을 개시하도록 활성적으로 생성된다. 연료 전지(1)의 온도는 이런 전력 생성에 따라 상승한다. 냉각제 온도가 상승하므로, 물 탱크(60) 내의 열 교환부(60a)를 통해 냉각제를 통과시킴으로써, 물 탱크(60)내의 해동은 행해진다. 정수 시스템에 의해 연료 전지(1)의 가습없이 동작이 행해져, 연료 전지(1)의 온도가 과도하게 상승할 시에, 물 부족이 일어나, 연료 전지(1)가 성능 저하되는 가능성이 있다. 그래서, 냉각제 유량, 방열기(50)에서 순환되는 냉각제의 비율 및, 방열기(50)의 냉각 용량을 증대시킴으로써, 냉각 시스템의 냉각 용량은 증대된다. 게다가, 연료 전지(1)의 물 부족은 동작 압력을 증대시킴으로써 더 억제된다. 게다가, 온도 억제가 필요하면, 연료 전지(1)의 성능 저하는, 연료 전지(1)의 출력을 제한함으로써 억제된다.
결과적으로, 필요한 출력이 쉽게 생성되도록 연료 전지(1)의 온도를 조절하면서, 연료 전지(1)의 온도가 타겟 온도(TSOUPR)를 초과하지 않도록 할 수 있다. 물 탱크(60) 내의 해동은 이런 상태를 유지함으로써 계속되고, 해동된 양이 여기서 물 펌프(61)에 의해 순환을 허용하는 양인 소정의 양을 초과하면, 정상 동작이 개시된다.
그 다음, 이 실시예의 효과에 대해 기술된다. 제 1 실시예의 효과와 상이한 효과만이 여기서 기술된다.
물 탱크(60) 내의 결빙을 해동하는 해동 수단(열 교환부(60a)) 및, 물 탱크(60) 내의 물의 상태를 검출하는 온도 센서(118)가 제공된다. 적어도 소정의 양의 물이 물 탱크(60) 내에서 액상으로 있는 지를 판정하는 결빙 판정 수단(S720)은 가습 판정 수단으로서 이용된다. 물 탱크(60) 내의 물이 결빙 상태이고, 액상 물이 소정의 양을 충족하지 않는 것으로 판정되었다면, 연료 전지(1)의 동작 온도는 정상 동작의 온도 이하의 한계 온도(TSOLIM)로 제한된다. 게다가, 적어도 소정의 양의 물이 물 탱크(60) 내에서 액상으로 있음을 판정하면, 연료 전지(1)의 동작 온도의 제한은 해제된다. 결과적으로, 가습 물이 결빙하면서, 연료 전지(1)의 가습 부족에 의해 유발된 고장은 방지될 수 있고, 차량 주행에 필요한 전력 생성량을 획득하는 시간 구간은 단축되어, 가습 물을 준비하는 에너지는 감소될 수 있다. 그 후, 가습 물이 준비되었으면, 정상적이고, 매우 효율적인 동작이 가능하다.
물 탱크(60) 내의 물의 온도가 0℃를 초과하는 소정의 온도(Tw1)에 있다면, 소정의 양 이상의 물이 물 탱크(60) 내에서 액상으로 있음을 판정하도록, 물 탱크(60) 내의 물의 온도를 감지하는 온도 센서(118)는 물 탱크(60) 내의 물의 상태를 검출하는 상태 검출 수단으로서 제공된다. 따라서, 물 탱크(60)의 해동된 상태는 감지될 수 있어, 가습 물이 순환될 수 있는 지를 쉽게 판정할 수 있다. 따라서, 결빙 상태가 우세할 동안 물 순환을 개시한 결과로서, 정수 시스템의 순환 시스템의 부분에 대한 손상이 방지될 수 있다.
수소 함유 가스 및 산화제 가스를 연소하는 연소 장치(30)가 제공되고, 냉각제가 연소 장치(30), 연료 전지(1) 및 물 탱크(60)의 순서로 순환되도록 함으로써, 냉각제와 열 교환을 행하는 냉각 시스템은 연료 전지 온도 제어 수단으로서 제공된다. 연료 전지(1)를 예열하면, 연소 장치(30) 내에서 발생된 열은 냉각제를 통해 연료 전지(1)에 공급되어, 연료 전지(1)의 예열이 완료되고, 연소 장치(30)가 정지된 후, 물 탱크(60)는, 연료 전지(1)의 전력 생성에 수반하는 열을 냉각제를 통해 물 탱크(60)에 공급함으로써 예열된다.
주행을 가능하게 하는 전력 생성이 연료 전지(1)에 의해 행해질 때까지의 시간 구간은, 연소 장치(30)에 의해 연료 전지(1)만을 예열함으로써 단축될 수 있다. 게다가, 전력 생성을 허용하는 정도까지 연료 전지(1)를 예열한 후에 연소를 정지하여, 연료 전지(1)로부터 폐열(waste heat)을 이용함으로써, 물 탱크(60) 내의 물의 해동이 행해지기 때문에, 양호한 연료 효율의 해동이 행해질 수 있다. 냉각 시스템 및 동작 압력과, 필요한 경우, 동작 출력이 조절될 수 있으므로, 가습 동작의 부재 시에도 드라이아웃이 일어나지 않는 온도 범위가 연료 전지(1)에 대해 확립될 수 있다.
연료 전지(1)가 가습 판정 수단에 의해 가습될 수 있는 것으로 판정되면(S720), 연료 전지(1)의 동작 압력은 증대된다. 여기서, 크게 설정된 압력에 의해 물 부족이 있을 시의 경우에는 도 14에 도시된 기준 맵이 이용된다. 결과적으로, 연료 전지(1)의 가습 부족은 더욱 효율적으로 방지될 수 있고, 특히, 연료 전지(1)의 한계 동작 온도는 높게 설정될 수 있다. 물 탱크(60) 내의 얼음이 냉각제의 열을 이용하여 해동되는 경우에, 해동 시간 구간은 고온 냉각제에 의해 더욱 단축될 수 있고, 가습 물은 단시간에 준비될 수 있다.
더욱이, 이것은 본 발명을 상술한 실시예로 제한되지 않고, 청구범위에 나타낸 기술적 사상의 범주내에서 다양한 수정이 실행 가능하다.
(2002년 12월 3일자로 출원된) 일본 특허 출원 P2002-351174의 전체 내용은 여기서 참고로 포함된다.
본 발명이 본 발명의 어떤 실시예에 관련하여 상술되었지만, 본 발명은 상술한 실시예로 제한되지 않는다. 상술한 실시예의 수정 및 변형은 상기 요지에 비추어 당업자에게는 가능할 것이다. 본 발명의 범주는 아래의 청구범위에 관련하여 한정된다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 시스템 내의 물이 결빙할 가능성이 있는 저온 환경에서도, 연료 전지의 가습 부족에 의해 유발된 고장이 방지되면서 급속한 시동이 허용되어, 이는 연료 전지 시스템의 허용 가능한 적용 범위를 넓게 하는데 유리하다. 또한, 상기 시스템이 상기 실시예의 설명에서의 차량에 적용되었지만, 본 발명은 또한 차량 연료 전지 시스템과 다른 연료 전지 시스템에도 당연히 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 전해질막을 구비하며, 연료 가스 및 산화제 가스를 이용하여 전력을 생성시키는, 연료 전지(1),
    상기 연료 전지(1)를 가습하는 물(water)의 저장 장치(51), 및
    상기 연료 전지(1)가 상기 저장 장치(51)의 물을 이용하여 가습될 수 있는 지를 판정하고, 상기 연료 전지(1)가 가습될 수 없는 것으로 판정된 경우에 상기 연료 전지(1)의 동작 온도를, 정상 동작 중일 때보다 낮은 한계 온도 아래로 제한하는 제어기(100)
    를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(100)는,
    상기 저장 장치(51) 내의 물이 소정의 양 이상의 액상으로 존재하는 지를 판정하고,
    상기 액상의 물이 소정의 양 이상으로 존재하지 않는 경우에 상기 연료 전지(1)의 동작 온도를 상기 한계 온도 아래로 제한하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 장치(51) 내의 결빙한 물을 해동하는 해동 장치(60a) 및,
    상기 저장 장치(51) 내의 물의 상태를 검출하는 검출 장치(118)를 더 포함하며,
    상기 제어기(100)는, 추가로
    소정의 양 이상의 물이 상기 저장 장치(51) 내에서 액상으로 있는 지를 판정하고,
    상기 저장 장치(51) 내의 물이 결빙하여 있고, 액상의 물이 소정의 양을 충족하지 못하는 것으로 판정한 경우에 상기 연료 전지(1)의 동작 온도를 상기 한계 온도 아래로 제한하고, 소정의 양 이상의 물이 상기 저장 장치(51) 내에서 액상으로 있는 것으로 되었을 때 상기 연료 전지(1)의 동작 온도의 제한을 해제하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 추가로
    상기 저장 장치(51) 내의 물을 배출하는 배출 장치(74) 및,
    상기 저장 장치(51) 내의 물의 양을 검출하는 물의 양 검출 장치(151)를 더 포함하며,
    상기 제어기(100)는, 추가로,
    상기 저장 장치(51) 내의 물이 결빙할 가능성이 있는 지를 예측하고,
    상기 저장 장치(51) 내의 물이 결빙할 가능성이 있는 것으로 판정된 경우에는 상기 저장 장치(51) 내의 물을 배출하고,
    상기 저장 장치(51) 내의 물이 소정의 양 이상으로 축적될 때까지 상기 연료 전지(1)의 시동 시의 상기 연료 전지(1)의 동작 온도를 상기 한계 온도 아래로 제한하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 추가로
    상기 연료 전지(1)와 열을 교환하는 냉각제를 압력 이송하는 냉각제 펌프(52) 및 냉각제 열 발산을 행하는 방열기(50)를 가진 냉각 시스템을 더 포함하며,
    상기 제어기(100)는,
    상기 연료 전지(1)의 온도가 상기 한계 온도 아래로 제한되는 경우에, 상기 연료 전지(1)에 의해 배출된 냉각제의 온도가 한계 온도일 때 상기 방열기(50) 내에서 순환되는 냉각제 유량을 최대화하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기(100)는, 추가로
    상기 연료 전지(1)의 출력을 제한함으로써, 상기 연료 전지(1)의 온도를 제어하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기(100)는, 추가로,
    상기 연료 전지(1)의 동작 온도가 제한될 때 상기 방열기(50)로의 냉각제 유량을 우선적으로 증대시키고,
    상기 방열기(50)로의 냉각제 순환 유량이 최대로 된 후 상기 연료 전지(1)의 동작 온도가 상기 한계 온도를 초과한 경우에, 상기 연료 전지(1)의 출력을 제한하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 추가로,
    상기 방열기(50)를 통과하는 공기 스트림의 유량을 증대 및 감소시키는 방열기 팬(50a)을 더 포함하며,
    상기 제어기(100)는, 추가로,
    상기 연료 전지(1)의 동작 온도가 제한될 때 상기 방열기 팬(50a)의 원동력을 우선적으로 증대시키고,
    상기 방열기 팬(50a)의 원동력이 최대로 된 후 상기 연료 전지(1)의 동작 온도가 한계 온도를 초과한 경우에, 상기 연료 전지(1)의 출력을 제한하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서, 추가로,
    상기 방열기(50)를 통과하는 공기 스트림의 유량을 증대 및 감소시키는 방열기 팬(50a)을 더 포함하며,
    상기 제어기(100)는, 추가로,
    상기 연료 전지(1)의 동작 온도가 제한되었을 때, 상기 방열기(50)로의 냉각제 유량 및 상기 방열기 팬(50a)의 원동력이 모두 최대로 된 후 상기 연료 전지(1)가 상기 한계 온도를 초과한 경우에, 상기 연료 전지(1)의 출력을 제한하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서, 추가로,
    상기 저장 장치(51) 내의 물의 온도를 감지하는 물 온도 검출 장치(118)를 더 포함하며,
    상기 제어기(100)는, 추가로,
    상기 저장 장치(51) 내의 물의 온도가 0℃를 초과한 소정의 온도에 있을 경우에, 상기 저장 장치(51) 내의 소정의 양 이상의 물이 액상으로 있는 것으로 판정하는, 연료 전지 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 추가로,
    상기 연료 전지(1)의 동작 압력을 조절하는 압력 조절(regulation) 장치(18, 43)를 더 포함하며,
    상기 제어기(100)는, 추가로,
    상기 연료 전지가 가습될 수 없는 것으로 판정된 경우에, 상기 연료 전지(1)의 동작 압력을 증대시키는, 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기(100)는, 추가로,
    상기 연료 전지가 가습될 수 없는 것으로 판정된 경우에, 상기 연료 전지(1)의 동작 온도의 상승에 따라 상기 연료 전지(1)의 동작 압력을 증대시키고, 상기 연료 전지(1)의 온도가 상기 한계 온도에 도달하였을 때 상기 연료 전지(1)를 최대의 압력으로 동작시키는, 연료 전지 시스템.
  13. 제 3 항에 있어서,
    수소 함유 가스 및 산화제 가스를 연소하는 연소 장치(30) 및,
    냉각제를 연소 장치(30), 연료 전지(1) 및 저장 장치(51)의 순서로 순환시키는 냉각 시스템을 더 포함하며,
    상기 제어기(100)는, 추가로,
    상기 연료 전지(1)를 예열할 때 상기 연소 장치(30)에 의해 발생된 열을 상기 냉각제를 통해 연료 전지(1)에 공급하고,
    상기 연료 전지(1)의 예열이 완료되고 상기 연소 장치(30)가 정지된 후, 상기 연료 전지(1)의 전력 생성에 수반하는 열을 상기 냉각제를 통해 상기 저장 장치(51)에 공급함으로써 상기 저장 장치(51)를 예열하는 것인, 연료 전지 시스템.
  14. 전해질막을 구비하며, 연료 가스 및 산화제 가스를 이용하여 전력을 생성시키는 연료 전지(1), 및 상기 연료 전지를 가습하는 물의 저장 장치(51)를 포함하는 연료 전지 시스템의 시동 방법에 있어서,
    상기 연료 전지(1)가 상기 저장 장치(51)의 물을 이용하여 가습될 수 있는 지를 판정하는 단계, 및
    상기 연료 전지(1)가 가습될 수 없는 것으로 판정된 경우에 상기 연료 전지(1)의 동작 온도를 정상 동작 중에서보다 낮은 한계 온도 아래로 제한하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템의 시동 방법.
  15. 전해질막을 구비하며, 연료 가스 및 산화제 가스를 이용하여 전력을 생성시키는 연료 전지(1),
    상기 연료 전지(1)를 가습하는 물의 저장 장치(51),
    상기 연료 전지(1)가 상기 저장 장치(51)의 물을 이용하여 가습될 수 있는 지를 판정하는 수단, 및
    상기 연료 전지(1)가 가습될 수 없는 것으로 판정된 경우에 상기 연료 전지(1)의 동작 온도를 정상 동작 중에서보다 낮은 한계 온도 아래로 제한하는 수단을 포함하는, 연료 전지 시스템.
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