KR100962690B1

KR100962690B1 - 연료전지시스템

Info

Publication number: KR100962690B1
Application number: KR1020077029995A
Authority: KR
Inventors: 미츠루 기마타
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2010-06-11
Also published as: US8735011B2; WO2006126740A1; DE112006001348B8; DE112006001348T5; DE112006001348B4; US20100003563A1; CN100566000C; KR20080011442A; JP4725191B2; CN101180757A; JP2006331868A

Abstract

본 발명에 따르면, 연료전지(10)와 열교환하는 열매체를 가열하기 위한 가열수단(16)을 구비하고, 상기 연료전지(10)는 상기 가열수단(16)에 의해 가열된 열매체에 의해 따뜻해지는 연료전지시스템이 제공된다. 상기 연료전지시스템은 가열수단(16)으로 유동하는 열매체의 유량을 검출하기 위한 유량검출수단(17) 및 상기 유량검출수단(17)에 의해 검출된 열매체의 유량을 토대로 가열수단(16)을 제어하기 위한 가열제어수단(20)을 구비한다. 이에 따라, 열매체가 가열되어 연료전지를 따뜻하게 하는 연료전지시스템에서는, 상기 열매체의 과열이 방지될 수 있다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 전기화학반응을 통해 전기에너지를 생성하는 연료전지시스템에 관한 것이다.

연료전지시스템은 수소와 같은 연소가스를 전해질을 통해 산소함유산화가스와 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 얻는다. 이러한 연료전지시스템은 발전을 가능하게 하는 한정된 동작 온도를 가지기 때문에, 연료전지의 온도가 동작 온도에 도달하지 않는 경우, 예컨대 시동 시에는 상기 연료전지가 신속하게 가열(워밍업)되어 발전가능한 온도에 이르도록 구성되기도 한다. 나아가, 연료전지시스템의 발전 효율성은 동작 온도가 너무 높을 때 감소되므로, 연료전지의 온도가 너무 높으면, 라디에이터와 같은 열교환수단이 외부 공기와의 열교환에 사용되어 열매체를 냉각시킨 다음, 이렇게 냉각된 열매체가 연료전지를 냉각시키는 데 사용되도록 구성된다.

종래의 연료전지시스템의 한 가지 유형은, 연료연소식 히터를 통해 가열된 열매체 및 상기 히터로부터 얻어진 배기가스를 이용하여 연료전지가 워밍업되는 연료전지시스템이다(예컨대, 일본특허출원공개공보 제2001-155753호 참조). 이러한 유형의 연료전지시스템에 의하면, 연소식 히터가 시동 직후에 아직 열매체의 온도 가 낮은 경우에도, 가열된 열매체와 배기가스를 이용하여 신속하게 연료전지를 워밍업할 수 있다.

또 다른 유형의 종래 연료전지시스템은, 연료전지로부터 배기된 수소를 연소시키기 위한 수소연소장치의 열을 이용하여 열매체가 가열되고, 이렇게 가열된 열매체가 연료전지를 워밍업하는 데 사용되는 연료전지시스템으로서, 여기서는 중간열교환수단이 열매체가 순환하도록 되어 있는 열매체와 수소연소장치 사이의 열교환장치로부터 하류에 배치되어, 수소연소장치의 열이 중간열교환수단을 통해 방출되도록 하는 것을 특징으로 한다(예컨대, 일본특허출원공개공보 제2004-235075호 참조). 이러한 유형의 연료전지시스템에 의하면, 수소연소장치의 열이 중간열교환수단을 통해 방출될 수 있고, 상기 수소연소장치와 열접촉되는 열매체의 가열이 감소될 수 있다. 그러므로, 연료전지를 냉각시키기 위한 열매체의 과도한 온도 상승을 방지하는 것이 가능하게 된다.

상술된 문헌 이외에도, 일본특허출원공개공보 제6-304087호, 일본특허출원공개공보 제1-169269호 및 일본특허출원공개공보 제2003-249251호가 연료전지시스템과 관련된 기술들을 개시하고 있다.

종래의 연료전지시스템에서는, 연료전지의 온도가 전자제어유닛(ECU)으로 입력되고, 상기 ECU가 연료전지온도를 토대로 미리 설치된 프로그램에 따라 상술된 히터, 열매체의 순환로 등을 조절한다. 그러므로, ECU가 정상적으로 동작하는 경우, 열매체의 과열에 반응하여 열매체를 냉각시키는 방식으로 히터가 정지되거나 열매체가 순환되어, 상기 열매체의 과열이 방지될 수 있게 된다. 하지만, ECU가 정상적으로 동작하지 못하면, 히터가 적절한 방식으로 정지되지 못하거나 열매체가 상기 열매체를 냉각시키는 방식으로 순환되지 못하여 냉각수가 과열될 수도 있는 가능성이 있다. 특히, 열매체가 히터 내에서 유동하지 않는다면, 가열될 목표로서 작용하는 열매체가 순환 없이 히터 내에 남아 있을 수도 있어, 열매체가 가열되어 격렬하게 끓게 될 가능성도 있다.

나아가, 종래의 연료전지시스템에서는, 히터를 통해 가열되는 열매체의 온도를 검출하기 위해 온도센서가 제공되고, 상기 열매체의 검출된 온도를 토대로 히터가 정지된다. 하지만, 가열된 열매체가 온도센서에 도달하기 전 소정의 시간 지체가 있기 때문에, 상기 히터의 정지가 지연될 수도 있어, 열매체의 과열을 더욱 초래할 수도 있다.

상술된 여러 문제점의 관점에 있어서, 본 발명의 기술적 목적은 열매체가 연료전지를 워밍업하도록 가열되고, 열매체의 과열이 방지될 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 전기화학반응을 통해 전력을 획득하는 연료전지; 상기 연료전지의 온도를 검출하기 위한 온도검출수단; 상기 연료전지와의 열교환을 위한 열매체가 순환되는 열매체순환로; 상기 열매체순환로에서 상기 열매체를 순환시키기 위한 열매체펌프; 상기 열매체순환로 상에 배치되어, 상기 열매체를 냉각시키기 위한 열교환수단; 상기 열매체가 순환되어 상기 열매체순환로 상의 상기 열교환수단을 우회시키는 열교환수단바이패스; 상기 온도검출수단에 의해 검출된 상기 연료전지의 온도를 토대로, 상기 열교환수단바이패스를 통과하는 상기 열매체와 상기 열매체순환로를 통과하는 상기 열매체 중 하나 이상의 유량을 제어하기 위한 열매체유량제어수단; 상기 열교환수단바이패스 상에 배치되어, 상기 열매체를 가열하기 위한 가열수단; 상기 열교환수단바이패스를 통과하는 상기 열매체의 상기 유량을 검출하기 위한 유량검출수단; 및 상기 유량검출수단에 의해 검출된 상기 열매체의 유량을 토대로, 상기 가열수단을 제어하기 위한 열제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 연료전지시스템은, 온도검출수단에 의해 검출된 연료전지의 온도를 토대로, 열매체순환로를 통과하는 열매체와 열교환수단바이패스를 통과하는 열매체 중 하나 이상의 유량을 제어한다. 상기 열매체순환로를 통과하는 열매체는 열교환수단에 의해 냉각되고, 상기 열교환수단바이패스를 통과하는 열매체는 가열수단에 의해 가열된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템은 냉각된 또는 가열된 열매체를 이용하여 연료전지를 냉각 또는 가열시킨다.

연료전지가 발전을 가능하게 하는 온도에 아직 이르지 못하여 워밍업이 필요한 경우, 열매체의 유량 제어의 예시들은 가열수단이 배치된 열교환수단바이패스를 통해서만 열매체를 유동시키는 단계, 즉 열교환수단을 통해서가 아니라 가열수단을 통해서만 열매체를 유동시키는 단계; 열매체의 보다 많은 유량을 가열수단을 통과시키는 단계; 및 열매체의 보다 적은 유량을 열교환수단을 통과시키는 단계를 포함할 수도 있다. 이에 따라, 열매체의 유량을 이러한 방식으로 제어함으로써, 가열된 열매체를 이용하여 연료전지를 워밍업하는 것이 가능하다.

다른 한편으로, 연료전지가 고온에 있는 경우, 열매체의 유량 제어의 예시들은 가열수단을 통해서가 아니라 열교환수단을 통해서만 열매체를 통과시키는 단계; 열매체의 보다 많은 유량을 열교환수단을 통과시키는 단계; 및 열매체의 보다 적은 유량을 가열수단을 통과시키는 단계를 포함할 수도 있다. 이에 따라, 열매체의 유량을 이러한 방식으로 제어함으로써, 냉각된 열매체를 이용하여 연료전지의 온도를 낮출 수도 있다.

본 발명에 따른 연료전지시스템은, 가열수단을 통과하는 열매체의 유량을 검출하기 위한 유량검출수단; 및 상기 검출된 유량을 토대로 가열수단을 제어하기 위한 열제어수단을 포함할 수도 있어, 상기 가열수단이 가열수단을 통과하는 열매체의 유량을 토대로 제어될 수도 있다. 이에 따라, 가열수단은 적절한 유량의 열매체가 가열수단을 통과하고 있는 경우에만 동작될 수도 있고, 또는 가열수단을 통과하는 열매체의 유량을 토대로 상기 열매체의 과열을 방지하는 방식으로 가열수단이 제어될 수도 있다. 이에 따라, 가열수단을 통과하는 열매체의 유량을 검출하고, 상기 검출된 유량을 토대로 가열수단을 제어함으로써, 상기 열매체의 과열을 방지하고 그것이 끓는점에 이르지 못하도록 하여, 연료전지시스템의 고장을 피할 수 있게 된다.

상기 열제어수단은 유량검출수단에 의해 검출된 열매체의 유량을 토대로 가열수단의 기동 및 정지를 제어할 수도 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 열제어수단은 유량검출수단에 의해 검출된 열매체의 유량을 토대로 상기 열매체의 과열을 방지하는 방식으로 가열수단을 제어한다. 상기 가열수단은 상기 검출된 열매체의 유량을 토대로 가열수단을 기동 또는 정지시키는 형태, 상기 검출된 유량을 토대로 가열수단의 열량을 증가 또는 감소시키는 형태 등을 포함하는 여러 형태로 제어될 수도 있다.

하지만, 본 발명에 따른 열제어수단은 열매체가 끓게 되는 온도보다 높지 않도록 상기 열매체의 온도를 유지시켜야만 하지만, 여하한의 미세한 온도 제어를 제공할 필요는 없다. 이에 따라, 열제어수단은 가능한 한 단순한 형태를 가지는 것이 바람직하고, 열매체의 유량을 토대로 가열수단을 기동 또는 정지시키는 형태가 더욱 적절하다. 이러한 형태에 의하면, 열제어수단에 의한 제어를 단순화하여, 비용 절감뿐만 아니라 고장 방지를 실현할 수 있게 된다.

나아가, 본 발명에 따른 연료전지시스템에서는, 유량검출수단이 가열수단 안으로 유동하는 열매체와 가열수단 밖으로 유동하는 열매체 간의 압력차에 따라 열교환수단바이패스를 통과하는 열매체의 유량을 검출하는 것이 바람직하다.

상기 가열수단은 가열수단을 통과하는 열매체가 있는 경우 저항으로서 작용하기 때문에, 가열수단 안으로 유동하기 전의 열매체와 가열수단 밖으로 유동한 후의 열매체는 서로 열교환수단바이패스 내에서 상이한 압력을 가질 수도 있다. 다른 한편으로, 가열수단이 그 내부에서 유동하는 열매체를 갖지 않거나 또는 내부에서 유동하는 열매체의 양이 적은 경우에는, 상기 가열수단 안으로 유동하기 전의 열매체와 가열수단 밖으로 유동한 후의 열매체가 열교환수단바이패스 내에서 압력차가 없거나 소량의 압력차만을 가질 수도 있다.

따라서, 가열수단 안으로 유동하기 전의 열매체와 가열수단 밖으로 유동한 후의 열매체 간의 압력차를 검출함으로써 상기 가열수단을 통과하는 열매체의 유량을 검출하는 것이 가능하다. 또한, 압력차의 검출을 위한 상술된 형태는 유량의 검출을 위해 유량계 등을 이용하는 다른 형태들에 비해 단순하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 블록도; 및

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 공정을 도시한 흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지시스템을 구현하기 위한 방법들을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

<제1실시예>

도 1은 본 발명이 적용된 연료전지시스템의 블록도이다. 상기 연료전지시스템은 연료전지(10); 연료로서 수소를 공급하는 수소공급유닛(도시 안됨); 공기공급유닛(도시 안됨); 가열냉각시스템; 및 전자제어유닛(ECU)(20)을 포함한다.

상기 연료전지(10)는 전해질을 통해 수소와 산소 간의 전기화학반응을 통해 전기에너지를 얻는다. 본 실시예에 따른 연료전지(10)는 중합체전해질멤브레인연료전지, 즉 전원으로서 연료전지로 작동되는 전기자동차에 흔히 사용되는 연료전지 유형이다.

상기 연료전지(10)는 수소가 수소공급유닛으로부터 공급되고, 산소함유공기가 공기공급유닛으로부터 공급되도록 구성되어 있다. 예를 들어, 리포머유닛 또는 수소저장탱크가 수소공급유닛으로 사용될 수 있고, 단열컴프레서인 에어컴프레서가 공기공급유닛으로 사용될 수 있다.

연료전지(10)에서의 발전 공정 시, 발전을 위한 화학반응으로부터 물과 열이 발생되므로, 상기 연료전지(10) 내의 온도를 상승시키게 된다. 하지만, 발전 효율성의 관점에서는, 연료전지(10)의 온도가 발전 시 소정 수준보다 높지 않도록 유지되는 것이 바람직하다. 따라서, 연료전지(10)는 상기 연료전지(10) 내에서 발생되는 열을 방출하도록 열매체를 이용하는 냉각시스템을 포함한다.

상기 냉각시스템은, 열매체로서 작용하는 냉각수를 연료전지(10)를 통해 순환시키기 위한 냉각수순환로(11); 냉각수를 냉각시키기 위한 열교환수단으로서 작용하는 라디에이터(12); 순환될 냉각수의 유량을 조정하기 위한 열매체펌프로서 작용하는 냉각수펌프(13); 및 연료전지(10)를 통과한 냉각수의 온도를 검출하기 위한 온도검출수단으로서 작용하는 온도센서(14)를 포함한다. 상기 연료전지(10)를 통해 가열된 냉각수는 냉각수순환로(11) 및 냉각수와 외부 공기간에 열교환이 되는 라디에이터(12)를 거쳐, 상기 냉각수를 냉각시키게 된다. 냉각된 냉각수는 다시 연료전지(10)를 거쳐, 연료전지(10)와의 열교환 후, 가열된 후에 상기 연료전지(10) 밖으로 유동한다.

상기 연료전지시스템은 또한 냉각시스템과 일체형인 가열시스템도 포함한다. 상기 가열시스템은, 저온에서 시동할 때와 같이 발전을 가능하게 하는 온도에 아직 이르지 못한 경우에 연료전지(10)를 가열(워밍업)하기 위한 시스템이다.

상기 가열시스템은, 냉각수순환로(11)와 연통되어 냉각수가 라디에이터(12) 를 우회하도록 하는 열교환수단바이패스로서 작용하는 라디에이터바이패스(15); 상기 라디에이터바이패스(15) 상에 배치되어 냉각수를 가열하기 위한 가열수단으로서 작용하는 히터(16); 및 상기 히터(16)를 통과하는 냉각수의 유량을 검출하기 위한 유량검출수단으로서 작용하는 차동압력센서(17)를 포함한다. 히터(16)에 대한 요건만이 열매체로서 작용하는 냉각수를 가열할 수 있기 때문에, 전기 히터 또는 연소식 히터가 사용될 수도 있다.

상기 차동압력센서(17)는 상기 라디에이터바이패스(15)에서 히터(16) 안으로 유동하는 냉각수와 상기 히터(16) 밖으로 유동하는 냉각수 간의 압력차를 검출한다. 상기 히터(16)는 히터(16)를 통과하는 냉각수가 있는 경우 저항으로 작용하기 때문에, 히터(16) 안으로 유동하기 전의 냉각수와 상기 히터(16) 밖으로 유동한 후의 냉각수 간의 압력차가 발생할 수도 있다. 상기 차동압력센서(17)는 상기 압력차를 검출하여, 상기 히터(16)를 통과하는 냉각수의 유량(이하, 히터관통유량(Fh)이라 함)을 검출하게 된다. 여기서는, 상기 히터관통유량(Fh)을 검출하기 위하여, 냉각수의 유량을 직접 검출하는 유동센서와 같은 차동압력센서(17) 대신에 여타의 방법들이 사용될 수도 있고, 또는 압력 이외의 물리량, 예컨대 냉각수의 온도의 변동에 기초한 여하한의 간접적 검출 방법이 사용될 수도 있다.

연료전지(10)의 워밍업 시, 예컨대 저온 하에 연료전지시스템을 시동할 때, 냉각수는 라디에이터바이패스(15)에서 순환된다. 냉각수는 라디에이터바이패스(15) 상에 배치된 히터(16)에 의해 가열된 후, 연료전지(10)를 워밍업하도록 상기 연료전지(10)를 통과하게 된다. 3방향 밸브(18)가 냉각수순환로(11)와 라디에이터바이 패스(15)의 접합부에 배치되어, 상기 냉각수가 냉각수순환로(11) 또는 라디에이터바이패스(15)에서 순환되도록 한다.

상기 전자제어유닛(ECU)(20)은 온도센서(14)에 의해 검출된 연료전지(10)의 온도(이하, 연료전지온도(Tfc)라고 함) 및 히터관통유량(Fh)의 입력들을 갖도록 구성된다. 상기 ECU(20)는 히터(16), 3방향 밸브(18) 및 냉각수펌프(13)를 연료전지온도(Tfc) 및 히터관통유량(Fh)을 토대로 미리 설치된 프로그램에 따라 제어하고, 본 발명에 따른 열매체유량제어수단 및 열제어수단으로서의 기능을 한다.

이하, 도 2에 도시된 흐름도를 참조하여 상술된 구성의 연료전지시스템에서의 연료전지온도의 제어를 기술한다. 도 2의 흐름도에 도시된 연료전지온도의 제어는 ECU(20)에 의해 실행된다. 연료전지온도의 제어는 규칙적인 간격으로 반복되는 루틴이다.

우선, 연료전지온도(Tfc)가 계산된 다음(단계 1), 기설정된 온도(T1)보다 낮은 지의 여부를 판정한다(단계 2). 상기 연료전지온도(Tfc)는 온도센서(14)에 의해 검출된 연료전지(10) 밖으로 막 유동한 냉각수의 온도를 토대로 계산된다. 상기 기설정된 온도(T1)는 연료전지(10)에서 발전을 가능하게 하는 최소 온도에 기설정된 허용치를 더하여 얻어진다. 상기 연료전지(10)는 그 온도가 기설정된 온도(T1)보다 높지 않으면 발전을 행하지 못한다. 단계 2의 판정이 내려지면, 연료전지(10)가 발전가능한 상태에 있는 지의 여부를 판정할 수 있다.

만일 연료전지온도(Tfc)가 단계 2에서 내려진 판정의 결과로서 기설정된 온도(T1)보다 낮은 것으로 판정된다면, 상기 연료전지(10)는 발전할 수 없는 상태에 있다. 따라서, 발전가능한 상태로 연료전지(10)를 워밍업하기 위해 워밍업 공정이 수행된다.

워밍업 공정 시, 3방향 밸브(18)는 냉각수의 순환로를 제어하는 데 사용된다(단계 3). 구체적으로, 상기 3방향 밸브(18)는 라디에이터(12)가 배치되는 냉각수순환로(11)가 아닌 히터(16)가 배치되는 라디에이터바이패스(15)를 냉각수가 통과하도록 제어된다. 냉각수를 라디에이터바이패스(15)를 통과시킴으로써, 라디에이터바이패스(15) 상에 배치된 히터(16)를 통해 냉각수를 가열한 다음, 이렇게 가열된 냉각수를 연료전지(10)를 워밍업하는 데 사용하는 것이 가능하다.

히터(16)의 열량 및 순환될 냉각수의 유량은 연료전지온도(Tfc)를 토대로 결정된다(단계 4). 상기 히터(16)의 열량은 연료전지온도(Tfc)에 좌우되는 냉각수에 대한 열량 및 연료전지온도(Tfc)를 토대로 계산된다. 구체적으로는, 연료전지온도(Tfc)가 낮은 경우, 연료전지(10)를 가열하는 데 많은 열량이 필요하게 되므로, 상기 히터(16)의 열량뿐만 아니라 냉각수의 유량도 증가되게 된다.

단계 4에서 결정된 냉각수의 유량을 토대로, 냉각수펌프(13)가 제어되어(단계 5), 냉각수의 유량을 조정하게 된다. 이는 냉각수의 기설정된 유량이 연료전지(10)에서 순환되도록 한다. 냉각수의 유량이 조정된 후, 히터관통유량(Fh)이 검출된다(단계 6). 상기 히터관통유량(Fh)은 히터(16)의 내부를 유동 중인 냉각수와 히터(16)의 외부를 유동 중인 냉각수 간의 압력차를 검출하는 차동압력센서(17)에 의해 검출된다. 상기 히터(16)를 통과하는 냉각수가 있는 경우, 상기 히터(16)는 저항으로서 작용하여, 히터 안으로 유동하기 전의 냉각수와 히터 밖으로 유동한 후 의 냉각수 간의 압력차를 발생시킨다. 냉각수의 유량이 많을수록, 압력차도 커지게 된다. 따라서, 히터관통유량(Fh)은 상기 차동압력센서(17)에 의해 검출된 압력차를 토대로 계산된다.

히터관통유량(Fh)이 계산된 후, 상기 히터관통유량(Fh)이 기설정된 유량(F1) 이상인 지의 여부를 판정하게 된다(단계 7). 상기 기설정된 유량(F1)은 단계 4에서 계산된 히터(16)의 열량을 토대로 결정되는 값이고, 냉각수의 과열을 유발하지 않는, 즉 히터(16)가 기동될 때 냉각수가 끓지 않게 되는 유량이다. 이는 히터(16)를 통과하는 냉각수의 적은 유량만으로 히터(16)가 기동되는 경우, 상기 냉각수의 온도가 격렬하게 증가될 수도 있고, 냉각수가 국부적으로 끓을 수도 있기 때문이다. 부가적으로는, ECU(20)의 고장, 3방향 밸브(18)의 제어 실패 등으로 인해 라디에이터바이패스(15)를 통과하는 냉각수가 없이 히터(16)가 기동되는 경우, 상기 냉각수가 끓게 될 수도 있어, 연료전지시스템의 고장을 초래할 수도 있다. 이에 따라, 기설정된 유량(F1)에 대한 요건만이 냉각수가 히터(16)에 의해 가열될 때 냉각수를 끓지 못하게 하는 유량이 되도록 하므로, 히터(16)의 열용량, 상기 히터(16)의 관통저항 등을 토대로 결정되는 것이 바람직하다.

상기 히터관통유량(Fh)이 단계 7에서 내려진 판정의 결과로서 기설정된 유량(F1) 이상인 것으로 판정된다면, 히터(16)를 통과하는 냉각수의 유량은 충분한 것으로 간주된다. 따라서, 히터(16)에 의해 가열 공정이 실시된다.

히터(16)가 기동 상태에 있는 지에 대한 판정이 내려진다(단계 8). 히터(16)가 기동 상태에 있는 것으로 판정된다면, 가열 공정은 단계 4에서 결정된 히터(16) 의 열량을 토대로 상기 히터(16)의 열량을 제어한다(단계 10). 다른 한편으로, 히터(16)가 기동 상태에 있지 않은 것으로 판정되면, 가열 공정은 히터(16)를 기동시킨 다음(단계 9), 상기 히터(16)의 열량을 제어한다(단계 10).

만일 히터관통유량(Fh)이 단계 7에서 내려진 판정의 결과로서 기설정된 유량(F1)보다 적은 것으로 판정된다면, 상기 히터(16)를 통과하는 냉각수의 유량이 충분하지 않은 것으로 간주된다. 따라서, 히터(16)에 의해 가열 공정이 실시되지 않는다. 이는 히터(16)가 냉각수를 과열시키는 것을 방지하고자 함이다. 히터(16)에 의해 가열 공정이 실시되지 않는다면, 상기 히터(16)가 기동 상태에 있는 지의 여부를 판정하고(단계 11), 상기 히터(16)가 기동 상태에 있는 것으로 판정되면, 상기 히터(16)가 정지된다(단계 12). 히터(16)가 정지된 후 또는 히터(16)가 정지된 상태에 있는 것으로 판정된다면, 냉각수펌프(13)가 다시 제어되어 상기 냉각수의 유량을 단계 4에서 결정된 유량에 근접시킴으로써(단계 5), 냉각수의 유량을 조정한 다음, 히터관통유량(Fh)이 다시 검출된다(단계 6). 그 후의 공정들은 상술된 것과 동일하다.

연료전지온도(Tfc)가 단계 2에서 기설정된 온도(T1) 이상인 것으로 판정된다면, 상기 연료전지온도(Tfc)가 기설정된 온도(T2)보다 낮은 지의 여부를 판정한다(단계 14). 상기 기설정된 온도(T2)는 연료전지(10)가 상기 연료전지(10)의 발전 효율의 관점에서 바람직하게 유지되고, 예컨대 연료전지의 유형에 따라 요구되는 바와 같이 설정되는 온도 이하이다.

연료전지온도(Tfc)가 기설정된 온도(T2) 이상인 것으로 판정된다면, 연료전 지(10)에 대한 냉각 공정이 냉각수를 이용하여 실시됨으로써, 연료전지(10)의 발전 효율성이 감소되는 것을 막게 된다. 우선, 상기 냉각 공정은 히터(16)가 기동 상태에 있는 지의 여부를 판정한다(단계 15). 상기 판정 결과로서 히터(16)가 기동 상태에 있는 것으로 판정된다면, 상기 냉각 공정은 히터(16)를 정지시킨다(단계 16). 이는 상술된 워밍업 공정으로 인해 히터(16)가 때때로 작동되고 있을 수도 있지만, 연료전지온도(Tfc)가 기설정된 온도(T2) 이상이므로 워밍업 공정이 더 이상 요구되지 않기 때문이다.

히터(16)가 정지된 후, 또는 히터(16)가 단계 15에서 내려진 판정의 결과로서 기동 상태에 있지 않은 것으로 판정된다면, 수소와 산소의 공급이 개시된다(단계 17). 수소와 산소의 공급에 의하여, 발전 공정이 연료전지(10)에 의해 실시된다.

다음으로, 3방향 밸브(18)가 제어되어 냉각수용 순환로를 조정하게 된다(단계 18). 구체적으로, 상기 3방향 밸브(18)는 히터(16)가 배치되는 라디에이터바이패스(15)가 아니라 라디에이터(12)가 배치되는 냉각수순환로(11)를 냉각수가 통과하도록 제어된다. 냉각수순환로(11)에서 냉각수를 순환시킴으로써, 냉각수가 라디에이터(12)를 통과하도록 할 수 있다. 냉각수와 외부 공기 사이에서 라디에이터(12)에 의해 열교환이 이루어지고, 상기 라디에이터(12)를 통과한 냉각수는 냉각된 후 연료전지(10)를 거쳐, 상기 연료전지(10)가 냉각될 수 있게 된다.

3방향 밸브(18)가 제어된 후, 순환될 냉각수의 유량이 연료전지온도(Tfc)를 토대로 결정된다(단계 19). 상기 냉각수의 유량은 냉각을 목표로 한 연료전지(10) 의 연료전지온도(Tfc)를 토대로 계산된다. 구체적으로는, 연료전지온도(Tfc)가 높은 경우, 연료전지(10)를 냉각하는 데 많은 열량이 요구되므로, 냉각수의 유량이 증가하게 된다. 상기 냉각수펌프(13)는 이렇게 결정된 냉각수의 유량을 토대로 제어되어(단계 20), 상기 냉각수의 유량을 조정하게 된다.

이하, 단계 14에서 연료전지온도(Tfc)가 기설정된 온도(T2)보다 낮은 것으로 판정될 때 실시될 공정을 기술한다. 연료전지온도(Tfc)가 기설정된 온도(T2)보다 낮은 것으로 판정된다면, 상기 연료전지(10)는 발전을 가능하게 하는 기설정된 온도(T1) 이상이면서도, 발전 효율이 떨어지기 시작하는 하한값 이상인 기설정된 온도(T2)보다 낮다. 그러므로, 연료전지(10)는 발전에 적합한 온도에 있다.

수소와 산소의 공급이 개시되고(단계 21), 발전 공정이 수행된다. 그런 다음, 연료전지온도(Tfc)를 적절한 온도로 유지시키면서, 냉각수용 순환로를 제어하는 것과 같은 워밍업 공정과 유사한 공정들이 실행된다(단계 3).

상술된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지시스템에 따르면, 연료전지(10)를 가열하기 위한 공정과 연료전지(10)를 냉각시키기 위한 냉각 공정을 연료전지온도(Tfc)를 토대로 실시할 수 있다. 상기 워밍업 공정은 히터(16)에 의해 냉각수를 가열시켜 상기 가열된 냉각수를 연료전지(10)를 통과시킴으로써 실시된다. 상기 히터(16)는 히터관통유량(Fh)을 토대로 제어되기 때문에, 상기 히터(16)가 냉각수를 과열시키는 것이 방지되어, 냉각수가 끓는 것뿐만 아니라 이를 수반하는 연료전지시스템의 고장 등을 회피할 수 있게 된다.

<제2실시예>

상술된 제1실시예에서는, 온도센서(14)에 의해 검출되고 연료전지(10) 밖으로 막 유동된 냉각수의 온도를 토대로 계산되는 연료전지온도(Tfc)에 기초한 3방향 밸브(18)에 의해 열매체로서 냉각수의 유동이 제어된다. 다시 말해, 연료전지(10)가 워밍업 공정을 요구하는 것으로 연료전지온도(Tfc)에 따라 판정된다면, 상기 3방향 밸브(18)는 ECU(20)로부터의 지령에 따라 제어되어, 냉각수가 라디에이터바이패스(15)를 통과하게 된다. 만일 연료전지(10)가 냉각 공정을 요구한다고 상기 연료전지온도(Tfc)에 따라 판정된다면, 상기 3방향 밸브(18)는 ECU(20)로부터의 지령에 따라 제어되어, 냉각수가 라디에이터(12)를 통과하게 된다.

3방향 밸브(18)가 연료전지온도(Tfc)에 기초하여 영향을 받은 방식으로 제어되지 않는 경우에도, 도 2에 도시된 연료전지온도의 제어, 특히 히터(16) 안으로 유동하는 냉각수의 유량(히터관통유량(Fh))에 기초한 상기 히터(16)의 제어가 여전히 유용하다. 예를 들어, 3방향 밸브(18) 대신, 온도감응회전밸브가 사용되어 냉각수순환로(11)를 통과하는 냉각수의 온도에 대한 활성 반응으로 냉각수의 루트를 전환시킬 수도 있다. 이러한 형태에 의하면, 냉각수의 유동이 ECU(20)로부터의 어떠한 지령 없이도 전환될 수 있다.

이 경우에도, 상술된 연료전지온도의 제어에 있어서 히터관통유량(Fh)에 기초하여 히터(16)에 의해 실시되는 공정(특히, S6 내지 S10의 공정)들이 여전히 적용가능하다. 따라서, 히터(16)가 냉각수를 과열시키는 것을 방지하는 것이 가능하여, 냉각수의 비등뿐만 아니라 그와 관련된 연료전지시스템의 고장 등을 회피할 수 있게 된다.

히터관통유량(Fh)에 기초하여 히터(16)에 의해 실시되는 공정들은, 3방향 밸브(18), 온도감응회전밸브 등과 같은 히터(16) 및 라디에이터(12) 안으로 유동하는 냉각수의 유량을 제어하기 위한 제어 밸브가 없는 연료전지시스템에서도 여전히 유용하다. 이러한 연료전지시스템에서는, 상술된 연료전지용 워밍업 및 냉각 공정들이 라디에이터(12)의 냉각 능력(예컨대, 냉각팬의 회전 속도) 및 히터(16)의 가열 능력(예컨대, 전기 히터인 경우, 그것에 제공될 전력)을 제어하여 실행될 수 있다. 이 경우들에서도, 히터(16) 안으로 유동하는 냉각수의 유량이 감소될 가능성이 여전히 존재할 수 있다. 이는 냉각수의 유량이 냉각수펌프(13)에 의해 조정되기 때문이다. 그러므로, 히터관통유량(Fh)에 기초한 공정들이 히터(16)에 의해 실시됨으로써, 상기 히터(16)가 냉각수를 과열시키는 것을 방지하게 된다.

연료전지를 워밍업하기 위해 열매체가 가열되는 연료전지시스템에 있어서, 상기 열매체를 가열하기 위한 가열수단을 통과하는 열매체의 유량을 검출하고, 상기 검출된 유량을 토대로 상기 가열수단을 제어함으로써, 상기 열매체의 과열을 방지할 수 있게 된다.

Claims

연료전지시스템에 있어서,

전기화학반응을 통해 전력을 획득하는 연료전지;

상기 연료전지의 온도를 검출하기 위한 온도검출수단;

상기 연료전지와의 열교환을 위한 열매체가 순환되는 열매체순환로;

상기 열매체순환로에서 상기 열매체를 순환시키기 위한 열매체펌프;

상기 열매체순환로 상에 배치되어, 상기 열매체를 냉각시키기 위한 열교환수단;

상기 열매체가 순환되어 상기 열매체순환로 상의 상기 열교환수단을 우회시키는 열교환수단바이패스;

상기 온도검출수단에 의해 검출된 상기 연료전지의 온도를 토대로, 상기 열교환수단바이패스를 통과하는 상기 열매체와 상기 열매체순환로를 통과하는 상기 열매체 중 하나 이상의 유량을 제어하기 위한 열매체유량제어수단;

상기 열교환수단바이패스 상에 배치되어, 상기 열매체를 가열하기 위한 가열수단;

상기 열교환수단바이패스 상에 배치되어, 상기 열교환수단바이패스를 통과하는 상기 열매체의 상기 유량을 검출하기 위한 유량검출수단; 및

상기 유량검출수단에 의해 검출된 상기 열매체의 유량을 토대로, 상기 가열수단을 제어하기 위한 열제어수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항에 있어서,

상기 열매체유량제어수단은,

상기 온도검출수단에 의해 검출된 상기 연료전지의 상기 온도가 기설정된 제1온도보다 낮은 경우, 상기 열교환수단바이패스를 통과하는 상기 열매체의 유량을 상기 열교환수단이 배치된 상기 열매체순환로를 통과하는 상기 열매체의 유량보다 많게 하고,

상기 온도검출수단에 의해 검출된 상기 연료전지의 상기 온도가 기설정된 제2온도 이상인 경우에는, 상기 열교환수단이 배치된 상기 열매체순환로를 통과하는 상기 열매체의 유량을 상기 열교환수단바이패스를 통과하는 상기 열매체의 유량보다 많게 하도록 하는 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
연료전지시스템에 있어서,

전기화학반응을 통해 전력을 획득하는 연료전지;

상기 연료전지와의 열교환을 위한 열매체가 순환되는 열매체순환로;

상기 열매체순환로에서 상기 열매체를 순환시키기 위한 열매체펌프;

상기 열매체순환로 상에 배치되어, 상기 열매체를 냉각시키기 위한 열교환수단;

상기 열매체가 순환되어 상기 열매체순환로 상의 상기 열교환수단을 우회시키는 열교환수단바이패스;

상기 열교환수단바이패스 상에 배치되어, 상기 열매체를 가열하기 위한 가열수단;

상기 열교환수단바이패스 상에 배치되어, 상기 열교환수단바이패스를 통과하는 상기 열매체의 유량을 검출하기 위한 유량검출수단; 및

상기 유량검출수단에 의해 검출된 상기 열매체의 상기 유량을 토대로, 상기 가열수단을 제어하기 위한 열제어수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열제어수단은, 상기 유량검출수단에 의해 검출되는 상기 열매체의 상기 유량을 토대로, 상기 가열수단의 기동 및 정지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유량검출수단은, 상기 가열수단 안으로 유동하는 상기 열매체와 상기 가열수단 밖으로 유동하는 상기 열매체 간의 압력차에 따라 상기 열교환수단바이패스를 통과하는 상기 열매체의 유량을 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열제어수단은, 상기 유량검출수단에 의해 검출된 상기 열매체의 상기 유량이 기설정된 유량보다 적으면, 상기 가열수단이 상기 열매체에 대해 가열처리를 행하지 않도록 상기 가열수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 열매체유량제어수단은 3방향 밸브이고, 상기 3방향 밸브는 상기 온도검출수단에 의해 검출된 상기 연료전지의 상기 온도를 토대로, 상기 열매체가 상기 열매체순환로 및 상기 열교환수단바이패스 중 하나를 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 열매체펌프는, 상기 열매체순환로를 통과하는 상기 열매체의 상기 유량을 조정할 수 있는 펌프이고, 상기 펌프는 상기 온도검출수단에 의해 검출된 상기 연료전지의 상기 온도를 토대로 상기 유량을 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열교환수단은 라디에이터이고, 상기 라디에이터는 상기 열매체를 외부 공기와 열교환시켜 상기 라디에이터를 통과하는 상기 열매체를 냉각시키는 것을 특 징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 가열수단은 전기 히터 또는 연소식 히터인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.