KR100722726B1 - 연료셀 시스템, 연료셀 시스템을 갖춘 이동 유닛 및 연료셀시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료셀 시스템(FC)은 간헐 동작 모드 중에도 압축기 (41) 또는 저압 밸브 (24) 를 일시적으로 구동하여 연료셀 스택을 공기 또는 수소로 보충한다. 보충을 위해 공기가 공급되면, 공기 공급 시스템에 잔류하는 공기의 양이 실질적으로 일정하게 유지되어, 연료셀 시스템의 정지 동안 전압이 강하하는 것을 억제할 수 있다. 보충을 위해 수소가 공급되면, 공기 공급 시스템으로 이동하는 수소의 양이 상쇄되어 수소 공급에서의 지연을 억제할 수 있다. 또한, 연료셀 시스템(FC)은 브레이크 센서 (102), 변속 선택기 (104) 등으로부터의 신호를 입력하고, 시스템(FC)을 갖춘 운송수단의 가속을 예측한다. 가속 예측에 기초하여, 시스템(FC)은 연료셀 스택을 공기 또는 수소로 미리 보충한다.
연료셀, 전기 모터

Description

연료셀 시스템, 연료셀 시스템을 갖춘 이동 유닛 및 연료셀 시스템의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM, MOBILE UNIT EQUIPPED WITH THE SYSTEM, AND CONTROL METHOD FOR THE FUEL CELL SYSTEM}
발명의 기술분야
본 발명은 수소와 산소간의 전기화학적 반응을 통해 전력을 생성하는 연료셀 (fuel cell) 의 동작 제어에 관한 것이다.
발명의 배경
수소와 산소간의 전기화학적 반응을 통해 전력을 생성하는 연료셀이 에너지원으로 주목받고 있다. 연료셀은 전해질이 수소 전극과 산소 전극 사이에 개재된 구조를 가진다. 수소가 풍부한 연료 가스가 수소 전극에 공급되고, 공기 등과 같은 산화 가스가 산소 전극에 공급될 때, 이러한 가스들로부터 수소와 산소가 반응하여 전력을 생성한다.
연료셀을 갖춘 몇몇 전기운송수단은 연료셀에 추가하여 2 차 전지를 사용하고, 적절한 방식으로 이들을 선택적으로 사용하는 제어를 수행한다. 예를 들어, 일본 특허출원 공개공보 제 2001-307758 호에 개시된 기술에서는, 연료셀 및 2 차 전지 모두가 통상조건 동안의 구동 전력원으로서 전기모터에 전력을 공급하도록 사용된다. 연료셀의 전력생성효율이 낮아지는 동작상태 동안에는, 연료셀의 전력생성을 정지시키고 2 차 전지만을 통해 전기모터를 구동하는 제어가 수행된다.
그러나, 전술한 연료셀 시스템에서, 산화가스 또는 연료가스를 공급하고, 전기화학적 반응을 활성화하고, 정지상태로부터 동작상태까지 연료셀의 전력생성 제어의 변화시간에 요구되는 레벨까지 전압을 올리는 것은 상당한 시간이 요구된다. 따라서, 몇몇 경우에, 요구 전력이 평활하게 출력될 수 없고, 전력생성에 지연이 발생한다. 이러한 전력생성의 지연은 때로는 자동차 등과 같은 이동수단의 경우에 조정성을 악화시킨다. 물론, 이러한 문제점은 정지타입 (standstill-type) 의 연료셀 시스템 등과도 관련되어 있다.
발명의 개시
연료셀 시스템이 전기를 공급하기 시작하는 적절한 시점에 요구 전력을 출력하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 제 1 양태는 수소 및 산소가 공급될 때 전력을 생성하는 연료셀 시스템에 관한 것이다. 이 연료셀 시스템은, 전해질의 대향하는 측에 배치되는 수소 전극 및 산소 전극을 포함하는 연료셀 스택; 수소 전극에 수소를 공급하는 수소공급부; 산소 전극에 산소를 공급하는 산소공급부; 요구 전력을 입력하는 입력부; 산소공급부 및 수소공급부를 제어함으로써, 연료셀 스택이 요구 전력에 대응하는 전력을 생성하도록 하는 발전 제어부; 및 요구 전력이 소정값 이하이면 발전 제어부에 의해 수행되는 발전 제어를 정지시키고, 요구 전력과 무관하게 소정의 조건에 기초하여 산소공급부와 수소공급부 중 하나 이상을 동작시키는 비발전시간 (non-generation-time) 제어부를 포함한다.
산소공급부는 산소 전극에 산소를 공급하는 메카니즘이고, 수소공급부는 수 소 전극에 수소를 공급하는 메카니즘이다. 두 공급부는 예를 들어, 파이핑, 펌프, 밸브 등을 포함한다. 산소 전극에 공급되는 가스는 순수한 산소일 필요는 없으며, 예를 들어, 공기 등과 같은 산소를 함유하는 산화가스일 수도 있다. 수소 전극에 공급되는 수소는 순수한 수소일 필요는 없으며, 수소가 풍부한 연료가스일 수도 있다. 전술한 요구 전력은 0 일 수도 있거나 연료셀 시스템의 발전효율을 고려하여 결정된 소정의 임계값일 수도 있다.
전술한 연료셀 시스템에서, 산소공급부 또는 수소공급부의 동작은 연료셀 스택에 의해 수행되는 전력생성이 정지되더라도, 소정의 조건에 기초하여 발생될 수 있다. 본 명세서에서의 "동작" 은, 전력생성이 수행되지 않아도 압축기, 펌프, 밸브 등과 같은 부속품(accessory)이 연료가스 또는 산화가스를 공급하기 위해 동작하고 있는 것을 의미한다. 이러한 구조로 인해, 산소공급부가 동작하고 있으면, 산소 전극측 상의 산소 부족이 해결될 수 있다. 수소공급부의 동작은 산소 전극측으로의 전해질을 통한 수소의 투과와 관련된 수소 전극측 상의 수소 부족을 해결한다. 따라서, 연료셀 시스템은, 연료셀 시스템의 활성화 또는 재활성화의 시간에 잔존하는 산소 또는 수소의 불충분한 양에 기인하는 전력생성 지연을 억제할 수 있다. 또한, 산소가 공급되면, 산소 전극측으로 투과되는 수소가 방출될 수 있다.
전술한 연료셀 시스템에서, 비발전시간 제어부는 소정의 시점에 산소공급부와 수소공급부 중 하나 이상을 동작시킬 수도 있다. 소정의 시점은 주기적인 시점일 수도 있고, 또는 불규칙적인 시점일 수도 있다. 따라서, 연료셀 시스템이 비교적 긴 시간동안 정지되는 경우에도 산소 부족 또는 수소 부족과 관련된 전 력생성 지연을 감소시킬 수 있다.
전술한 연료셀 시스템은 수소 전극에 공급되는 수소의 압력을 검출하는 수소압력검출부를 더 포함할 수도 있고, 소정의 조건은 수소의 압력이 소정값 이하라는 것일 수도 있다. 전술한 바와 같이, 수소 전극측으로부터 전해질을 통한 산소 전극측으로의 수소의 투과는 연료셀 시스템 등이 정지하는 동안 발생한다. 그러나, 전술한 구조에서, 수소량의 감소는 수소공급부를 동작시킴으로써 실질적으로 상쇄될 수 있다. 따라서, 연료셀 시스템의 활성화 또는 재활성화 시간에서의 수소 부족은 감소될 수 있다. 이러한 경우에 산소공급부가 동작하면, 산소 전극측으로 투과되는 수소는 방출될 것이다. 전술한 소정값은 전력생성 지연을 방지하기 위해 요구되는 수소의 압력이다.
연료셀 시스템은 연료셀 스택의 포지티브 전극과 네거티브 전극간의 전압을 측정하는 전압측정부를 더 포함할 수도 있고, 소정의 조건은 전압이 소정값 이하라는 것일 수도 있다.
따라서, 연료셀 스택의 단자간 전압이 낮아지면, 산소량 또는 수소량의 감소가 검출될 수 있다. 따라서, 이러한 구조는 또한 산소량 또는 수소량의 감소를 상쇄할 수 있게 하고 따라서 전력생성 지연을 제거한다. 전술한 소정값은 전력생성 지연을 방지하기 위해 요구되는 전압이다.
연료셀 시스템은 요구 전력에서의 증가를 예측하는 전력증가 예측부를 더 포함할 수도 있고, 소정의 조건은 요구 전력에서의 증가가 예측된다는 것일 수도 있다.
따라서, 보충을 위해 미리 산소 또는 수소를 공급함으로써 연료셀 시스템의 전력생성 지연을 억제할 수 있다. 요구 전력에서의 증가가 예측되는 경우는, 예를 들어, 연료셀 시스템이 활성화되도록 미리 설정된 소정 활성화 시점에 시간이 도달하는 경우 또는 이동 유닛이 연료셀 시스템을 갖춘 경우에 운송수단 등과 같은 이동 유닛의 가속이 예측되는 경우이다.
본 발명의 제 2 양태는 에너지원으로서의 연료셀 시스템에 의해 구동되는 전기모터에 의해 이동할 수 있는 이동 유닛에 관한 것이다. 이러한 연료셀 시스템은, 전해질의 대향하는 측에 배치되는 수소 전극 및 산소 전극을 포함하는 연료셀 스택; 수소 전극에 수소를 공급하는 수소공급부; 산소 전극에 산소를 공급하는 산소공급부; 모터를 구동하기 위해 요구 전력을 입력하는 입력부; 및 산소공급부 및 수소공급부를 제어함으로써, 연료셀 스택이 요구 전력에 대응하는 전력을 생성하도록 하는 발전 제어부를 포함한다. 이동 유닛은 요구 전력에서의 증가를 예측하는 전력증가 예측부; 및 요구 전력이 소정값 이하이면 발전 제어부에 의해 수행되는 발전 제어를 정지시키고, 증가가 예측되면 요구 전력과 무관하게 산소공급부와 수소공급부 중 하나 이상을 동작시키는 비발전시간 제어부를 포함한다.
요구 전력에서의 증가가 예측되는 경우의 예로 이동 유닛의 가속이 예측되는 경우 등이 포함된다. 이러한 경우, 전력이 곧 필요할 것이 예측된다. 본 발명의 이동 유닛에 따르면, 연료셀 시스템의 활성화 이전에 보충을 위해 산소 또는 수소가 공급될 수 있다. 따라서, 전력생성 지연을 감소시키고 조정성을 향상시킬 수 있다. 본 명세서에서 이동 유닛은 전력원으로서 연료셀 시스템을 사 용하여 이동하는 자동차, 배, 보트, 비행기 등을 칭한다.
전술한 이동 유닛에서, 전력증가 예측부는 이동 유닛의 가속 또는 감속에 관련된 동작부의 동작, 이동 유닛의 경로에 관련된 예측, 및 이동 유닛의 진행 방향의 측면 방향에서 이동 유닛에 작용하는 가속 중 하나 이상에 기초하여 증가를 예측한다.
"가속 또는 감속에 관련된 동작부의 동작" 의 예로 풋 브레이크의 가압량의 감소, 또는 그것의 릴리스, 주차 브레이크의 릴리스, 변속 선택기의 변경 (주차-주행 변경, 주차-후진 변경 등) 등이 포함된다. 운전자가 이러한 동작을 수행하면, 흔히 운전자는 가속을 위해 다음으로 가속기 페달을 누를 것이다. 따라서, 요구 전력에서의 증가가 예측될 수 있다.
"이동 유닛의 경로에 관련된 예측" 은 예를 들어, 네비게이션 시스템에 의해 제공되는 경로정보가 진행 방향에 오르막 경사가 있다거나, 이동 유닛이 고속 자동차도로로 진입하고 있다거나, 차선의 수가 증가한다거나, 제한속도가 증가될 것을 표시하는 경우가 될 수도 있다. 이러한 경우, 운전자는 가속기 페달을 누를 것이다. 따라서, 요구 전력에서의 증가가 예측될 수 있다.
이동 유닛의 진행 방향의 측면 방향에서 이동 유닛에 작용하는 가속이 검출되면, 이동 유닛이 곡선을 따라 주행하고 있다고 판단될 수 있다. 이동 유닛이 곡선을 통해 주행한 후 흔히 가속되기 때문에, 측면 가속의 검출로 인해, 요구 전력에서의 증가를 예측할 수 있다.
전술한 다양한 특성들은 적절하게 조합되어, 또는 하나 이상의 특성이 생략 되어 적용될 수 있다. 또한 본 발명은 연료셀 시스템 및 이동 유닛에 추가하여 또 다른 양태로서 연료셀 시스템의 제어방법을 제공한다. 이러한 양태들 중 임의의 하나에서, 전술한 특성들이 임의의 적절한 방식으로 적용될 수 있다.
본 발명의 전술한, 그리고 또 다른 목적, 특성 및 이점은 이하 첨부한 도면을 참조한 바람직한 실시형태의 설명으로부터 명백해질 것이고, 유사한 부호는 유사한 구성요소를 표현한다.
도면의 간단한 설명
도 1은 연료셀 시스템의 전반적인 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 동작모드 스위칭 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 3은 공기 보충 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 공기 보충 프로세스의 효과를 표시하는 도면이다.
도 5는 수소 보충 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 6은 수소 보충 프로세스의 효과를 표시하는 도면이다.
도 7은 수소 방출 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 예측기반 활성화 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
바람직한 실시형태의 상세한 설명
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 다음의 순서로 설명한다.
A. 연료셀 시스템의 전반적인 구조
B. 동작모드의 스위칭
C. 공기 보충
D. 수소 보충
E. 수소 방출
F. 예측기반 활성화
A. 연료셀 시스템의 전반적인 구조
도 1은 본 발명의 일 실시형태로서 연료셀 시스템(FC)의 전반적인 구조를 도시하는 도면이다. 그 실시형태의 연료셀 시스템(FC)은 전기모터에 의해 구동되는 전기운송수단 내에 전력원으로서 설치된다. 전기운송수단은 연료셀 시스템(FC)에 추가하여 다른 전력원으로서 2 차 전지를 구비한다. 운전자가 가속기를 동작시킬 때, 연료셀 시스템(FC)은 가속기 동작 센서 (101) 에 의해 검출된 가속기의 동작량에 따라 전력을 생성하여, 운송수단은 생성된 전력에 의해 주행된다. 연료셀 시스템(FC)의 전력생성 효율이 낮으면, 전기모터는 2 차 전지에 의해 구동될 수 있다. 이 실시형태에서, 연료셀 시스템(FC)이 운송수단에 설치되어 있음에도 불구하고, 정지타입 구조 등과 같은 다양한 다른 구조를 채택할 수도 있다.
연료셀 스택 (10) 은 수소와 산소 사이의 전기화학적 반응을 통해 전력을 생성하는 셀을 적층하여 형성된다. 각 셀은 전해질 멤브레인이 수소 전극 (이하 "애노드" 라 한다) 과 산소 전극 (이하 "캐소드" 라 한다) 사이에 배치된 구조를 가진다. 이 실시형태가 전해질 멤브레인으로서 나피온 (Nafion (등록됨)) 등으로 형성된 고체 폴리머 멤브레인을 결합한 고체 폴리머 타입의 셀을 채택하고 있지 만, 다른 타입의 다양한 셀을 사용하는 것 또한 가능하다. 전압을 측정하기 위한 전압측정부 (11) 가 연료셀 스택 (10) 의 포지티브 전극과 네거티브 전극 사이에 제공된다.
연료셀 스택 (10) 의 각 캐소드에는 산소함유가스로서 압축된 공기가 공급된다. 공기는 필터 (40) 를 통해 흡입된다. 공기가 압축기 (41) 에 의해 압축된 후, 가습기 (42) 에 의해 가습되고, 그 후 파이핑 (35) 을 통해 연료셀 (10) 에 공급된다. 각 캐소드로부터 배출된 가스 (이하, "캐소드-오프 가스" 라 한다) 는 파이핑 (36) 및 소음기 (43) 를 통해 연료셀 시스템(FC)으로부터 방출된다. 공급되는 공기의 압력은 압력 조절 밸브 (27) 의 개방정도에 의해 제어된다.
연료셀 스택 (10) 의 각 애노드에는 고압수소를 저장하는 수소 탱크 (20) 로부터 파이핑 (32) 을 통해 수소가 공급된다. 또한, 수소 탱크 (20) 를 사용하는 대신, 알코올, 탄화수소 (hydrocarbon), 알데히드 등과 같은 원료의 재형성 반응을 통해 수소를 생성하여, 수소를 애노드로 공급할 수도 있다.
수소 탱크 (20) 에 고압으로 저장된 수소는 애노드로 공급되기 전에, 수소 탱크 (20) 의 출구에 제공되는 폐쇄밸브 (21), 조절기 (regulator; 22), 고압밸브 (23), 및 저압밸브 (24) 에 의해 압력과 양이 조정된다. 애노드로부터의 배출가스 (이하, "애노드-오프 가스" 라 한다) 는 파이핑 (33) 으로 유출된다. 애노드로부터의 출구에는 애노드로 공급되는 수소의 압력과 양을 제어하는데 사용되는 압력센서 (51) 및 밸브 (25) 가 제공된다.
파이핑 (33) 은 중간지점에서 2 개의 라인으로 양분되어, 하나는 애노드-오 프 가스를 방출하는 방출파이프 (34) 로 연결되고, 다른 하나는 체크밸브 (28) 를 경유하여 파이핑 (32) 으로 연결된다. 연료셀 스택 (10) 의 전력생성에 따른 수소 소모의 결과로서, 애노드-오프 가스는 비교적 낮은 압력을 가진다. 따라서, 애노드-오프 가스의 압력을 유지하기 위하여 파이핑 (33) 에 펌프 (45) 가 제공된다.
방출파이프 (34) 상에 제공되는 방출 밸브 (26) 의 폐쇄상태 동안, 애노드-오프 가스가 파이핑 (32) 을 경유하여 연료셀 스택 (10) 을 통해 순환한다. 애노드-오프 가스가 전력을 생성하기 위해 소모되지 않는 잔여 수소를 포함하기 때문에, 애노드-오프 가스의 순환은 수소의 효과적인 사용을 가능하게 한다.
애노드-오프 가스가 순환하는 동안, 불순물, 즉, 수소 이외의 성분은 소모되지 않고 애노드-오프 가스에 잔류하는 반면, 수소는 전력 생성을 위해 소모되어 불순물의 농도는 점차 증가한다. 애노드-오프 가스 내의 불순물은 캐소드로부터 전해질 멤브레인을 통해 통과하는, 예를 들어 질소를 포함한다. 방출 밸브 (26) 가 이 상태 동안 개방되면, 애노드-오프 가스는 방출파이프 (34) 를 통해 통과하고, 희석기 (44) 내의 공기에 의해 희석되고, 그 후 연료셀 시스템(FC)으로부터 방출되어 순환하는 불순물의 양은 감소한다.
연료셀 시스템(FC)의 동작은 제어 유닛 (100) 에 의해 제어된다. 제어 유닛 (100) 은 CPU, RAM, ROM 등을 포함하는 마이크로컴퓨터로 형성된다. 제어 유닛 (100) 은 ROM 내에 저장된 프로그램에 따라 시스템의 동작을 제어한다.
프로그램에 의해 CPU는, 연료셀 스택 (10) 이 요구 전력에 대응하는 전력을 생성하도록 압축기 (41) 및 저압 밸브 (24) 를 제어하는 기능, 및 요구 전력이 소정값보다 크지 않으면 연료셀 스택의 전력 생성을 정지하고 소정의 조건에 기초하여 압축기 (41) 및 저압 밸브 (24) 를 동작시키는 기능을 수행한다.
이 실시형태에서 제어 유닛 (100) 이 압축기 (41) 및 저압 밸브 (24) 를 제어하지만, 압축기 (41) 대신에 압력 조정 밸브 (27) 를, 저압 밸브 (24) 대신에 고압 밸브 (23) 또는 조정기 (22) 를 제어하는 것 또한 가능하다. 즉, 산소 및 수소의 공급량을 조정할 수 있는 메커니즘이 제어될 수 있다.
도 1에서, 파선은 전술한 제어를 수행하기 위해 제어 유닛으로 입력되고 제어 유닛으로부터 출력된 신호의 예를 표시한다. 입력 신호의 예로 전압 측정부 (11), 압력 센서 (51), 가속기 동작 센서 (101), 브레이크 센서 (102), 주차 브레이크 센서 (103), 변속 선택기 (104), 네비게이션 시스템 (105), 측면 가속 센서 (106) 등으로부터의 검출 신호가 포함된다. 출력 신호의 예에는 압축기 (41), 저압 밸브 (24) 등으로의 신호가 포함된다.
B. 동작 모드의 스위칭
도 2는 전술한 연료셀 시스템(FC)을 갖춘 전기 운송수단의 동작 모드를 스위칭하는 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 동작 모드의 스위칭 프로세스는 전기 모터가 연료셀 시스템(FC)에 의해 생성된 전력을 사용하여 구동되는 모드 또는 전기 모터가 2 차 전지로부터 공급되는 전력에 의해서만 구동되는 모드를 선택하는 프로세스이다.
제어 유닛 (100) 은 가속기 동작 센서 (101) 를 통해 운전자에 의해 제공되는 가속기 동작의 양을 입력하고 (단계 S100), 가속기 동작의 양에 따라 전기 모터를 구동하기 위해 필요한 전력을 결정한다. 필요한 전력은 소정의 맵, 산술 표현 등으로부터 결정될 수 있다. 이렇게 결정된 전력은 전기 운송수단을 구동하기 위해 운전자에 의해 요구되는 전력이다.
다음으로, 제어 유닛 (100) 은 단계 S110 에서 결정된 요구 전력을 소정값 X와 비교한다 (단계 S120). 소정값 X는 연료셀 시스템(FC)의 발전 효율이 저하되는 영역을 나타내는 임계값이다. 발전 효율의 저하는 생성된 전력의 대부분이 압축기 (41), 펌프 (45) 등과 같은 부속품을 구동시키기 위해 소모될 때 발생하는 현상이다.
상기 비교가 요구 전력이 소정값 X 이하라고 판정하면 (단계 S130에서의 예), 간헐 동작 (intermittent operation) 모드가 동작 모드로서 설정된다 (단계 S140). 간헐 동작 모드는 연료셀 시스템(FC)이 정지되고 전기 모터가 2 차 전지에 의해서만 구동되는 모드이다. 여기서 연료셀 시스템(FC)의 정지는 압축기 (41) 의 정지 및 저압 밸브 (24) 의 폐쇄를 의미한다. 반대로, 요구 전력이 소정값 X보다 큰 것으로 판정되면 (단계 S130에서의 아니오), 통상 동작 모드가 동작 모드로서 설정된다 (단계 S150). 통상 동작 모드는 전기 모터가 연료셀 시스템(FC)을 사용하여 구동되는 모드이다. 통상 동작 모드 동안, 2 차 전지 또한 사용될 수도 있다. 전기 운송수단의 주요 전력 스위치가 온이면, 통상적으로, 제어 유닛 (100) 은 동작 모드 스위칭 프로세스를 주기적으로 실행한다.
전술한 바와 같이 적절하게 동작 모드를 스위칭함으로써, 이 실시형태의 전기 운송수단은 시스템(FC)의 발전 효율이 양호할 때에만 연료셀 시스템(FC)을 사용할 수 있다. 따라서, 수소의 사용이 경제적일 수 있다.
이하, 연료셀 시스템(FC)의 간헐 동작 모드 동안 수행되는 다양한 동작 제어를 설명한다.
C. 공기 보충
도 3은 제어 유닛 (100) 에 의해 실행되는 공기 보충 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 연료셀 시스템(FC)에서, 애노드측으로부터 전해질 멤브레인을 통해 캐소드측으로 이동하는 수소의 일부는 캐소드측에서 화학 반응을 발생시켜 파이핑 (35) 에 존재하는 산소가 소모된다. 산소는 공기 내에 단지 약 20%의 양이 존재하기 때문에, 산소가 수소보다 먼저 고갈된다. 따라서, 이 프로세스에서, 산소량의 감소는 압축기 (41) 의 적절한 동작에 의해 제공되는 산소의 공급에 의해 상쇄되고, 통상적으로, 간헐 동작 모드 동안에는 정지된다.
제어 유닛 (100) 은 현재의 동작 모드가 간헐 동작 모드인지 여부를 먼저 판정한다 (단계 S200). 현재의 모드가 간헐 동작 모드이면 (단계 S200에서의 예), 제어 유닛 (100) 은 소정의 주기가 경과했는지 여부를 판정한다 (단계 S210). 예를 들어, 소정의 주기는 10초, 20초 등의 시간 길이일 수도 있다. 소정의 주기가 경과되었으면 (단계 S210에서의 예), 압축기 (41) 는 일시적으로, 예를 들어 2 초 동안 구동되어, 공기를 공급한다 (단계 S220). 소정 주기의 경과는 타이머, 카운터 등의 설비에 의해 검출된다. 단계 S220 에서 압축기 (41) 가 구동된 후, 또는 단계 S210 에서 소정 주기가 경과하지 않았다고 판정되면, 제어 유닛 (100) 은 단계 S200 으로 복귀하고 전술한 프로세스를 루프로서 실행한다. 동작 모드가 간헐 동작 모드로부터 통상 동작 모드로 스위칭되면 (단계 S200에서의 아니오), 프로세스의 실행은 종료한다. 전술한 프로세스에 기인하여, 제어유닛 (100) 은 연료셀 시스템(FC)의 간헐 동작 모드 동안 캐소드에 공기를 정기적으로 보충할 수 있다.
도 4는 전술한 프로세스에 의해 달성되는 효과를 나타내는 도면이다. 도 4에서, 수평축은 간헐 동작 모드의 설정에 따른 경과 시간을 나타내고, 수직축은 연료셀 스택 (10) 의 포지티브 전극과 네거티브 전극 사이의 전압을 나타낸다. 파선으로 된 곡선은 공기 보충 프로세스가 실행되지 않는 경우의 시간 경과에 따른 전압에서의 변화를 표시하고, 실선은 보충 프로세스가 실행되는 경우의 전압에서의 변화를 표시한다. 실선으로 표시된 경우에, 압축기 (41) 는 주기 dt의 간격으로 시점 t1, t2, t3에서 동작되고, 간헐 동작 모드는 시점 t4에서 통상 동작 모드로 변화된다.
파선으로 표시된 바와 같이, 공기 보충 프로세스가 실행되지 않으면, 전위는 시간이 경과함에 따라 감소한다. 전위가 하강하는 이유는 전술한 전해질 멤브레인을 통한 수소의 투과에 기인하여 캐소드측에서 산소가 고갈되기 때문이다. 따라서, 연료셀 스택 (10) 의 출력이 요구 전력까지 상승하기 전에, 전력 생성 지연 Δt가 시점 t4에서 통상 동작으로의 스위칭에 후속한다. 그러나, 실선으로 표시된 바와 같이 공기 보충 프로세스의 주기적인 실행은 전압 강하를 억제하고, 실질적으로 전력 생성 지연을 제거한다.
수소의 투과로부터 기인하는 화학 반응이 캐소드측 상에 물을 생성하지만, 생성된 물은 압축기 (41) 를 적절하게 구동함으로써 연료셀 시스템(FC)으로부터 방출될 수 있다. 따라서, 공기 보충 프로세스는 또한 파이핑이 물 등으로 막히는 것을 방지한다.
전술한 프로세스에서, 압축기는 단계 S210 에서 소정의 타이밍에 따라 구동된다. 그러나, 압축기는 또한 예를 들어, 전압 측정부 (11) 에 의해 직접 검출되는 전압 강하에 기초하여 구동될 수도 있다.
D. 수소 보충
도 5는 제어 유닛 (100) 에 의해 실행되는 수소 보충 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 수소 보충 프로세스에서, 통상적으로, 수소가 간헐 동작 모드 동안 공급되지 않음에도 불구하고 전술한 수소의 투과에 의해 초래되는 애노드측 상에 수소 부족의 문제를 해결하기 위하여 수소는 간헐 동작 모드 동안 공급된다.
제어 유닛 (100) 은 현재의 동작 모드가 간헐 동작 모드인지 여부를 먼저 판정한다 (단계 S300). 현재의 동작 모드가 간헐 동작 모드이면 (단계 S300에서의 예), 제어 유닛 (100) 은 수소압력이 소정값 이하인지 여부를 판정한다 (단계 S310). 이 판정에 대한 기초로서, 압력 센서 (51) 로부터 입력되는 신호가 사용된다. 수소압력이 소정값 이하이면 (단계 S310에서의 예), 제어 유닛 (100) 은 일시적으로 저압 밸브 (24) 를 개방하여 애노드측에 수소를 보충한다 (단계 S320). 수소가 단계 S320 에서 보충된 후 또는 단계 S310 에서 수소압력이 소정값보다 높다고 판정되면 (단계 S310에서의 아니오), 제어 유닛 (100) 은 단계 S300 으로 복귀하고 전술한 프로세스를 루프로서 실행한다. 동작 모드가 간헐 동작 모드로부터 통상 동작 모드로 스위칭되면 (단계 S300에서의 아니오), 프로세스의 실행은 종료된다.
도 6은 수소 보충 프로세스에 의해 달성되는 효과를 나타내는 도면이다. 도 6에서, 수평축은 간헐 동작 모드의 설정에 따른 경과 시간을 나타내고, 수직축은 수소압력을 나타낸다. 도 6은 수소압력이 기준 압력 Pref (파스칼) 이하로 감소할 때 수소 보충이 수행되는 경우를 나타낸다. 이 프로세스는 애노드측 상의 수소압력을 도 6에 표시된 특정한 레벨로 또는 그 이상으로 유지하기 때문에, 프로세스는 통상 동작 모드로 스위칭하는 시간에 수소를 공급하는데 요구되는 시간을 감소시킨다. 따라서, 수소 보충 프로세스는 연료셀 시스템(FC)의 원활한 활성화를 가능하게 한다.
단계 S310 에서의 판정은 수소압력에 기초하지만, 소정 주기 경과 (도 6의 dt2) 의 검출이 수소 공급 여부 판정에 대한 기초로 채택될 수도 있다. 예를 들어, 이 주기는 수소압력에서의 특정한 하강에 대한 시간을 미리 측정하여 이 측정 시간을 제어 유닛 (100) 의 ROM에 저장함으로써 설정될 수도 있다. 또한, 전압 측정부 (11) 를 통해 전압을 측정하여, 전압이 소정의 전압으로 또는 소정의 전압 아래로 감소할 때 수소를 공급하는 것도 가능하다. 이러한 구조는 수소압력이 감소함에 따라 전위가 감소하기 때문에 가능하다. 수소는 공기가 공기 보충 프로세스에서 캐소드로 공급되는 타이밍과 동일한 타이밍, 예를 들어 10초마다 애노드로 공급된다. 또한, 수소는 공기가 공기 보충 프로세스에서 캐소드로 공급되는 타이밍과 다른 타이밍에도 애노드로 공급된다.
E. 수소 방출
도 7은 제어 유닛 (100) 에 의해 실행되는 수소 방출 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 이 프로세스에서, 통상적으로, 압축기 (41) 가 간헐 동작 모드 동안 정지됨에도 불구하고, 압축기 (41) 는 전술한 전해질 멤브레인을 통한 투과에 기인하여 캐소드측으로 이동한 수소를 방출하기 위해 간헐 동작 모드 동안 일시적으로 동작한다.
제어 유닛 (100) 은 현재의 동작 모드가 간헐 동작 모드인지 여부를 먼저 판정한다 (단계 S400). 현재의 동작 모드가 간헐 동작 모드이면 (단계 S400에서의 예), 제어 유닛 (100) 은 수소압력이 간헐 동작 모드의 설정 시간에 발생하는 수소압력 레벨로부터 소정량만큼 감소했는지 여부를 판정한다 (단계 S410). 이 판정에 대한 기초로서, 압력 센서 (51) 로부터 입력된 신호가 사용된다. 수소압력이 소정량만큼 감소했다고 판정되면 (단계 S410에서의 예), 제어 유닛 (100) 은 일시적으로 압축기 (41) 를 동작시킨다 (단계 S420). 압축기 (41) 가 단계 (S420) 에서 동작한 후, 또는 단계 S410 에서 수소압력이 소정량만큼 감소하지 않았다고 판정되면 (단계 S410에서의 아니오), 제어 유닛 (100) 은 단계 S400 으로 복귀하고, 전술한 프로세스를 루프로서 실행한다. 동작 모드가 간헐 동작 모드로부터 통상 동작 모드로 스위칭되면 (단계 S400에서의 아니오), 프로세스의 실행은 종료된다.
이 프로세스에 따르면, 수소압력이 하강하면 수소가 캐소드측으로 투과된 것으로 판단될 수 있다. 따라서, 수소는 압축기 (41) 의 사용을 통해 적절하게 방출될 수 있다. 이 프로세스는 실질적으로 캐소드측에서의 수소의 잔류를 방지하고, 따라서 통상 동작 모드로 변화하는 시간에 고농도 수소의 방출을 방지한다. 또한, 수소의 방출은 공기의 공급을 포함하기 때문에, 수소 방출 프로세스는 실질적으로 공기 보충 프로세스와 동일한 이점을 달성한다.
F. 예측기반 활성화
도 8은 제어 유닛 (100) 에 의해 실행되는 예측기반 활성화 프로세스이다. 이 프로세스는 간헐 동작 모드 동안 가속기의 가압이 수행되는지 예측될 때, 간헐 동작 모드로부터 통상 동작 모드로 동작 모드를 원활하게 스위칭하도록 실행된다.
제어 유닛 (100) 은 현재의 동작 모드가 간헐 동작 모드인지 여부를 먼저 판정한다 (단계 S500). 현재의 동작 모드가 간헐 동작 모드이면, 제어 유닛 (100) 은 가속을 예측하는 프로세스를 실행한다 (단계 S510). 가속 예측 프로세스는 가속기 페달이 가압될지 여부를 예측하기 위해 실행된다. 예를 들어, 가속기 페달은 운송수단이 가속될 때 가압된다. 도 8의 표에 도시된 바와 같이, 가속기 페달의 가압은 다음의 경우에 일반적으로 기대될 수도 있다.
(1) 브레이크 페달의 가압 양의 감소 또는 브레이크 페달의 릴리스가 브레이크 센서 (102) 에 의해 검출되는 경우.
(2) 주차 브레이크의 릴리스가 주차 브레이크 센서 (103) 에 의해 검출되는 경우.
(3) 변속 선택기 (104) 가 주차 (P) 로부터 주행 (D) 으로의 변속, 주차 (P) 로부터 후진 (R) 으로의 변속, 또는 주차로부터 제 1 속도 또는 제 2 속도로의 변속을 검출하는 경우.
(4) 네비게이션 시스템 (105) 이 경로 전방에 위치한 오르막 경사 또는 고속 자동차도로를 표시하는 경우.
(5) 운송수단에 대해 측면 방향에서의 가속이 측면 가속 센서 (106) 에 의해 검출되는 경우. (5) 의 경우, 운송수단이 곡선을 따라 주행하고 있다고 생각될 수 있고, 이러한 경우 운송수단은 곡선을 주행한 후에 가속되는 것이 일반적이다.
전술한 방법에 의해 가속기 페달의 가압이 예측되면 (단계 S520에서의 예), 요구 전력에서의 증가가 예측될 수 있고, 따라서 제어 유닛 (100) 은 연료셀 시스템(FC)을 활성화시킨다 (단계 S530). 가속이 예측되지 않으면, 제어 유닛 (100) 은 정지상태를 유지한다 (단계 S540). 여기서 "연료셀 시스템(FC)의 활성화" 는 간헐 동작 모드가 유지되고 연료셀 스택에 산소 및 수소가 공급되어, 요구 전력이 즉시 출력될 수 있음을 의미한다. 제어 유닛 (100) 은 간헐 동작 모드 동안 전술한 프로세스를 주기적으로 실행한다.
전술한 프로세스 때문에, 동작 모드가 간헐 동작 모드로부터 통상 동작 모드로 스위칭되는 때에도 적절한 타이밍에 요구 전력을 출력하는 것이 가능하다. 따라서, 조정성이 개선될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태를 설명했으나, 본 발명은 이러한 실시형태에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주 및 사상을 벗어나지 않는 다양한 구조를 채택할 수 도 있다. 예를 들어, 전술한 다양한 제어 프로세스는 소프트웨어 방식뿐 아니라 하드웨어 방식으로 달성될 수도 있다. 또한, 공기 보충 프로세스, 수소 보충 프로세스, 수소 방출 프로세스 및 예측기반 활성화 프로세스는 하나의 가능한 구조에서 동시에 실행될 수도 있다. 다른 구조에서는, 임의의 프로세스가 단독으로 실행될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 수소 및 산소의 공급시에 전력을 생성하는 연료셀 시스템으로서,
    전해질의 대향하는 측에 배치되는 수소 전극 및 산소 전극을 포함하는 연료셀 스택 (10);
    상기 수소 전극에 수소를 공급하는 수소 공급부 (20, 21, 22, 23, 24);
    상기 산소 전극에 산소를 공급하는 산소 공급부 (40, 41, 42);
    요구 전력을 입력하는 입력부 (100); 및
    상기 산소 공급부 및 상기 수소 공급부를 제어함으로써, 상기 연료셀 스택 (10) 이 상기 요구 전력에 대응하는 전력을 생성하도록 하는 발전 제어부 (100) 를 구비하며,
    상기 연료셀 시스템은, 상기 요구 전력이 소정값 이하이면 상기 발전 제어부에 의해 수행되는 발전 제어를 정지시키고, 상기 요구 전력에 무관하게 소정의 조건에 기초하여 상기 산소 공급부와 상기 수소 공급부 중 하나 이상을 동작시키는 비발전시간 (non-generation-time) 제어부 (100) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료셀 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비발전시간 제어부 (100) 는 소정의 시점에 상기 산소 공급부 (40, 41, 42) 및 수소 공급부 (20, 21, 22, 23, 24) 중 하나 이상을 동작시키는, 연료셀 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 비발전시간 제어부 (100) 는 상기 소정 시점에 상기 산소 공급부 (40, 41, 42) 를 동작시키는, 연료셀 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료셀 스택의 포지티브 전극과 네거티브 전극 사이의 전압을 측정하는 전압 측정부 (11) 를 더 구비하고,
    상기 소정의 조건은 상기 전압이 소정값 이하라는 것인, 연료셀 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 비발전시간 제어부 (100) 는 상기 전압이 상기 소정값 이하가 되면 상기 산소 공급부 (40, 41, 42) 를 동작시키는, 연료셀 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 전극에 공급되는 수소의 압력을 검출하는 수소압력 검출부 (51) 를 더 구비하고,
    상기 비발전시간 제어부 (100) 는, 상기 발전 제어부 (100) 에 의해 수행되는 발전 제어가 정지될 때 발생하는 수소압력 레벨로부터 소정량만큼 수소압력이 감소하면 상기 산소 전극에 산소를 공급하도록 상기 산소 공급부 (40, 41, 42) 를 제어하는, 연료셀 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 전극에 공급되는 수소의 압력을 검출하는 수소압력 검출부 (51) 를 더 구비하고,
    상기 소정의 조건은 상기 수소의 압력이 소정값 이하라는 것인, 연료셀 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 비발전시간 제어부 (100) 는 상기 수소의 압력이 상기 소정값 이하가 되면 상기 수소 공급부 (20, 21, 22, 23, 24) 를 동작시키는, 연료셀 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 비발전시간 제어부 (100) 는, 상기 발전 제어부 (100) 에 의해 수행되는 발전 제어가 정지될 때 발생하는 수소압력 레벨로부터 소정량만큼 수소압력이 감소하면 상기 산소 전극에 산소를 공급하도록 상기 산소 공급부 (40, 41, 42) 를 제어하는, 연료셀 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 요구 전력에서의 증가를 예측하는 전력 증가 예측부 (100) 를 더 구비하고,
    상기 소정의 조건은 상기 요구 전력에서의 증가가 예측된다는 것인, 연료셀 시스템.
  11. 에너지원으로서 연료셀 시스템에 의해 구동되는 전기 모터에 의해 이동가능한 이동 유닛으로서,
    상기 연료셀 시스템은,
    전해질의 대향하는 측에 배치되는 수소 전극 및 산소 전극을 포함하는 연료셀 스택 (10);
    상기 수소 전극에 수소를 공급하는 수소 공급부 (20, 21, 22, 23, 24);
    상기 산소 전극에 산소를 공급하는 산소 공급부 (40, 41, 42);
    상기 모터를 구동하기 위해 요구 전력을 입력하는 입력부 (100); 및
    상기 산소 공급부 (40, 41, 42) 및 상기 수소 공급부 (20, 21, 22, 23, 24) 를 제어함으로써 상기 연료셀 스택이 상기 요구 전력에 대응하는 전력을 생성하도록 하는 발전 제어부 (100) 를 구비하며,
    상기 이동 유닛은,
    상기 요구 전력에서의 증가를 예측하는 전력 증가 예측부 (100); 및
    상기 요구 전력이 소정값 이하이면 상기 발전 제어부 (100) 에 의해 수행되는 발전 제어를 정지시키고, 상기 증가가 예측되면 상기 요구 전력에 무관하게 상기 산소 공급부 (40, 41, 42) 와 상기 수소 공급부 (20, 21, 22, 23, 24) 중 하나 이상을 동작시키는 비발전시간 제어부 (100) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동 유닛.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전력 증가 예측부 (100) 는, 상기 이동 유닛의 가속 또는 감속에 관련되는 동작부의 동작, 상기 이동 유닛의 경로에 관련되는 예측, 및 상기 이동 유닛의 진행 방향에 대한 측면 방향에서 상기 이동 유닛에 작용하는 가속 중 하나 이상에 기초하여 상기 증가를 예측하는, 이동 유닛.
  13. 수소 및 산소의 공급시에 전력을 생성하는 연료셀 시스템의 제어 방법으로서,
    상기 연료셀 시스템은,
    전해질의 대향하는 측에 배치되는 수소 전극 및 산소 전극을 포함하는 연료셀 스택 (10);
    상기 수소 전극에 수소를 공급하는 수소 공급부 (20, 21, 22, 23, 24); 및
    상기 산소 전극에 산소를 공급하는 산소 공급부 (40, 41, 42) 를 구비하며,
    상기 제어 방법은,
    요구 전력을 입력하는 단계;
    상기 산소 공급부 (40, 41, 42) 및 상기 수소 공급부 (20, 21, 22, 23, 24) 를 제어함으로써 상기 연료셀 스택 (10) 이 상기 요구 전력에 대응하는 전력을 생성하도록 하는 단계를 포함하고,
    상기 제어 방법은,
    상기 요구 전력이 소정값 이하이면 상기 연료셀 스택 (10) 에 의한 전력 생성을 정지시키는 단계; 및
    상기 전력 생성이 정지한 후 상기 요구 전력에 무관하게 소정의 조건에 기초하여 상기 산소 공급부 (40, 41, 42) 와 상기 수소 공급부 (20, 21, 22, 23, 24) 중 하나 이상을 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료셀 시스템의 제어 방법.
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