KR100974594B1 - 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템 - Google Patents

연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR100974594B1
KR100974594B1 KR1020030100899A KR20030100899A KR100974594B1 KR 100974594 B1 KR100974594 B1 KR 100974594B1 KR 1020030100899 A KR1020030100899 A KR 1020030100899A KR 20030100899 A KR20030100899 A KR 20030100899A KR 100974594 B1 KR100974594 B1 KR 100974594B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
temperature
power
battery
Prior art date
Application number
KR1020030100899A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20050070730A (ko
Inventor
성용진
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020030100899A priority Critical patent/KR100974594B1/ko
Publication of KR20050070730A publication Critical patent/KR20050070730A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100974594B1 publication Critical patent/KR100974594B1/ko

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

예비 운전 초기, 연료 전지 스택에서 생성한 출력 중, 일부 혹은 배터리의 전력을 이용하여 연료 전지 스택을 직접적으로 가열하고 연료 전지 스택의 온도를 빠르게 상승시킴으로써 예비 운전 구간을 줄일 수 있도록 하는 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템을 제공한다.
연료 전지 스택, 온도 제어방법, 온도 제어 시스템

Description

연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템{METHOD OF CONTROLING FUEL CELL STACK TEMPERATURE AND SYSTEM THEREOF}
도 1은 일반적인 연료 전지의 온도에 따른 효율 상승 곡선,
도 2는 종래 연료 전지 스택의 시간에 따른 운전 구간별 온도 변화를 도시한 선도,
도 3은 종래 연료 전지 시스템의 전기 배선의 개략도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 온도 제어를 위한 가열수단의 구성을 보인 개략도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 온도 제어를 위한 전기 배선의 개략도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 온도 제어방법의 흐름도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 시간에 따른 운전 구간별 온도 변화를 나타낸 선도이다.
본 발명은 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 보 다 상세하게는 예비 운전 초기, 연료 전지 스택에서 생성한 출력 중, 일부 혹은 배터리의 전력을 이용하여 연료 전지 스택을 직접적으로 가열하고 연료 전지 스택의 온도를 빠르게 상승시킴으로써 예비 운전 구간을 줄일 수 있도록 하는 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 산화·환원 반응을 이용하여 에너지를 얻는 장치인데, 열효율이 높고 오염물질의 배출이 거의 없어 대체 에너지원으로 각광을 받고 있다. 이와 같은 이유로 연료 전지는 다양한 방면에서 연구 개발되고 있으며, 특히 자동차 등 동력을 필요로 하는 기계장치에 적용하기 위한 연구도 다양하게 진행되고 있다.
상기 연료 전지의 전기화학반응의 효율은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 적정 온도에 도달하기 전까지는 온도에 따른 효율 상승 효과가 크기 때문에, 운전 초기 연료 전지 스택의 온도를 빠르게 상승시키는 것은 효율적인 운전 전략 수립에 도움이 된다.
이러한 연료 전지 스택의 저온 운전을 위한 현재의 기술은, 도 2와 같이, 단순 화학반응 구간, 예비 운전 구간, 본 운전 구간의 3구간으로 나누어 설명할 수 있다.
즉, 단순 화학반응 구간은 멤브레인 근처의 촉매층에서 수소와 산소의 단순 화학반응을 유도하여 멤브레인을 일정 온도까지 가열하는 구간이며, 예비 운전 구간은 외부 회로를 통해 전기를 뽑아내며, 전기화학반응의 폐열로 연료 전지 스택의 반응 온도를 지속적으로 상승 및 연료 전지 스택이 아직 적정 온도에 도달하지 못 하여 효율이 낮은 구간이며, 본 운전 구간은 연료 전지 스택이 적정 온도에 도달한 후, 지속적으로 전력을 사용할 수 있으며, 폐열은 냉각수를 통해 외부로 방출되는 구간이다.
도 3은 현재 이용되고 있는 연료 전지 시스템의 전기 배선 개략도로써, 종래의 연료 전지 시스템의 경우, 제어기(101)의 제어신호에 따라 전원 단속을 위한 스위칭 소자인 PDU(103; Power Disconnection Unit)가 상기 연료 전지 스택(105)에서 생성된 전력을 외부 회로를 통해 쓰이도록 외부 전장 부하(107)에 연결하고, 이를 제외한 전력을 배터리(109)로 연결한다.
또한, 배터리(109)를 이용한 모터(111)의 직접 구동을 위해 고전압 DC/DC컨버터(113)를 구비함과 동시에, 제동을 통한 회생 에너지 확보를 가능하게 한다.
그러나 종래 연료 전지 스택의 경우, 도 2에서 도시한 바와 같이, 예비 운전 구간에서, 전기화학반응의 폐열로 연료 전지 스택의 반응 온도를 지속적으로 상승시키는 하나, 연료 전지 스택이 적정 온도까지 도달하는 시간이 너무 길다는 단점이 있으며, 이로 인한 연료 전지의 효율을 떨어지는 문제점을 내포하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 예비 운전 초기, 연료 전지 스택에서 생성한 출력 중, 일부 혹은 배터리의 전력을 이용하여 연료 전지 스택을 직접적으로 가열하고 연료 전지 스택의 온도를 빠르게 상승시킴으로써 예비 운전 구간을 줄일 수 있도록 하는 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템을 제공하는 것이다.
삭제
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 스택의 온도 제어방법은 연료 전기 스택의 분리판 혹은 엔드 플레이트에 저항선을 통한 분리판의 온도 제어를 가능하게 한 상태로, 연료 전지 스택의 매니폴드에 연료를 공급하여 멤브레인에서의 단순 화학반응을 통해 연료 전지 스택의 온도를 연료 전지 스택으로부터 안정적으로 전기를 뽑을 수 있는 온도인 제1설정 온도까지 상승시키는 제1단계; 상기 멤버레인 내에서 전기 화학반응을 시작하게 되면, 연료 전지 스택의 전력을 사용하여 분리판을 가열하는 제2단계; 상기 제2단계에서의 연료 전지 스택의 온도와 상기 연료 전지 스택의 정상 운전 조건에 해당하는 온도인 제2설정 온도를 비교하는 제3단계; 상기 제3단계에서의 연료 전지 스택의 온도와 상기 제2설정 온도를 비교하여 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 크면, 연료 전지 스택의 전력을 이용하여 모터를 구동하고, 동시에 회생 에너지를 이용하여 배터리를 충전하는 연료 전지 스택의 전력 구동단계; 상기 제3단계에서의 연료 전지 스택의 온도와 상기 제2설정 온도를 비교하여 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 작거나 같으면, 배터리의 전력을 이용하여 모터 구동 및 차량 운전을 진행한 후, 각 조건을 만족하는 경우, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계로 진행하는 배터리의 전력 구동단계를 포함한다.
상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계는 상기 제3단계에서 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 크면, 연료 전지 스택의 전력을 이용하여 모터를 구동하고, 동시에 회생 에너지를 이용하여 배터리를 충전하는 제4a단계; 상기 제4a단계의 진행 중, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 제1설정 퍼센트인 60% 보다 크고, 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 큰가를 판단하는 제4b단계; 상기 제4b단계의 조건을 만족하면, 상기 연료 전지 스택에 정격 출력을 요구함과 동시에, 차량 구동을 위해 사용되는 전력을 제외한 나머지 전력을 배터리에 충전하는 제4c단계; 상기 제4c단계의 진행 중, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 제2설정 퍼센트인 80% 보다 큰가를 판단하여, 조건을 만족하면, 정상 운전을 시작하고, 조건을 만족하지 않으면, 상기 제4c단계로 리턴하는 제4d단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계에서, 상기 제4b단계의 조건을 만족하지 않으면, 상기 제4a단계로 리턴하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리의 전력 구동단계는 상기 제3단계에서 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 작거나 같으면, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 제1설정 퍼센트인 60% 보다 큰가를 판단하는 제5a단계; 상기 제5a단계의 조건을 만족하면, 상기 배터리의 전력을 이용하여 모터를 구동하여 차량을 운행하는 제5b단계; 상기 제5b단계의 진행 중, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 제3설정 퍼센트인 40% 미만인가를 판단하여, 조건을 만족하면, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계로 진행하는 제5c단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리의 전력 구동단계에서, 상기 제5a단계의 조건을 만족하지 않으면, 상기 제2단계로 리턴하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기한 바와 같은 연료 전지 스택의 온도 제어방법을 구현하기 위한 연료 전지 스택의 온도 제어 시스템은 주동력원으로 사용되는 연료 전지 스택과, 보조 동력원으로 사용되는 배터리, 상기 배터리의 전압을 조정하여 모터를 구동하거나 회생 제동을 위해 전원을 입출력하는 고전압 DC/DC 컨버터, 및 각종 전장 부하 등에 전원을 제어기의 제어신호에 따라 단속하기 위한 스위칭 소자를 이용하는 연료 전지의 동력 분배 구성에서,
상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하여 제어기로 검출신호를 출력하는 온도센서와, 상기 연료 전지 스택 초기 온도를 제어하기 위하여 내부에 가열수단을 구 성하여 상기 스위칭 소자에 의해 예비 운전 초기, 연료 전지 스택에서 생성한 출력 중, 일부 혹은 배터리의 전력을 이용하여 연료 전지 스택을 직접적으로 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 온도 제어를 위한 가열수단의 구성을 보인 개략도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 온도 제어를 위한 전기 배선의 개략도로써, 먼저, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 온도 제어방법을 구현하기 위한 연료 전지 스택의 온도 제어 시스템의 구성은, 연료 전지 스택(1)을 가열하기 위한 가열수단을 구비하는데, 상기 가열수단은 도 4에서와 같이, 연료 전지 스택의 각 분리판(3)에 직접 저항선(5)을 심거나(A), 상기 분리판(3) 체결을 위한 연료 전지 스택(1)의 양쪽 끝판, 즉 엔드 플레이트(7; End Plate)를 내에 저항선(5)을 심어 이를 통해 가열하여 열전도에 의해 연료 전지 스택(1) 전체를 가열할 수 있도록 구성한다.
이러한 가열수단을 통하여 상기 연료 전지 스택을 가열하기 위한 기본적인 전기 배선은, 도 5에서 도시한 바와 같이, 주동력원으로 사용되는 연료 전지 스택(1)과, 보조 동력원으로 사용되는 배터리(9), 상기 배터리(9)의 전압을 조정하여 모터(11)를 구동하거나 회생 제동을 위해 전원을 입출력하는 고전압 DC/DC 컨버터(13), 및 각종 전장 부하(15) 등에 전원을 단속하기 위한 스위칭 소자인 PDU(17: Power Disconnection Unit)를 이용하게 된다.
즉, 상기 PDU(17)는 제어기(19)의 제어신호에 따라 연료 전지 스택(1)의 예비 운전 초기, 연료 전지 스택(1)에서 생성한 출력 중, 일부 혹은 배터리(9)의 전력을 이용하여 연료 전지 스택(1)을 직접적으로 가열하게 되는데, 이를 위해서는 상기 연료 전지 스택(1)의 온도를 검출하여 제어기(19)로 검출신호를 출력하는 온도센서(21)를 더 구비한다.
따라서 상기한 바와 같은 연료 전지 스택의 온도 제어 시스템의 구성을 통한 연료 전지 스택의 온도 제어방법을, 도 6을 통하여 설명한다.
먼저, 상기 연료 전지 스택(1)의 매니폴드에 연료를 공급하여 멤브레인에서의 단순 화학반응을 통해 연료 전지 스택(1)의 온도를 제1설정 온도까지 상승시킨다.(S1)
이 때, 상기 제1설정 온도(T1)는 연료 전지 스택(1)으로부터 안정적으로 전기를 뽑을 수 있는 온도를 지칭한다.
즉, 상기 제1설정 온도(T1)는 연료 전지 스택(1)의 저온 상태 시동(즉, 냉시동) 시 급격한 온도 상승을 위해 수소 + 산소 결합 반응을 통한 가열이 가능한데, 이를 위해서는 주로 cathode 측에 수소를 공급한다. 이때 멤브레인이 고온 상승하여 손상될 수 있으므로 멤브레인에 손상을 주지 않는 적정 온도 설정이 필요하고, MEA 막의 온도를 직접 측정하여 제어하기 곤란하므로 연료 전지 스택(1)의 온도를 기준으로 상한 온도를 둘 수 있는데, 이를 상기 제1설정 온도(T1)로 지칭한다.
따라서, 상기 제1설정 온도(T1)는 연료 전지 스택(1)의 구조 및 성능 특성에 따라 멤브레인의 온도와 연료 전지 스택(1)의 온도 연관이 매우 차이가 날 수 있으므로 연료 전지 스택(1)의 종류별로 실험적으로 결정되어야 한다.
한편, 상기 멤버레인 내에서 전기 화학반응을 시작하게 되면, 연료 전지 스택(1)의 전력을 사용하여 분리판(3)을 가열하게 된다.(S2)
이어서, 상기 단계(S2)에서의 연료 전지 스택(1)의 온도와 제2설정 온도(T2)를 비교하게 된다.(S3)
이 때, 상기 제2설정 온도(T2)는 연료 전지 스택(1)의 정상 운전 조건에 해당하는 온도를 지칭한다.
즉, 상기 제2설정 온도(T2)는 연료 전지 시스템에서 전기를 출력하기 시작하는 운전 온도 기준은 여러 가지 측면에서 검토되어야 하는데, 저온일 경우 flooding 문제, 저효율 문제 등이 발생하고, 지나친 고온에서는 멤브레인의 손상을 초래하므로 연료 전지 스택(1)의 특성에 맞는 운전 온도를 설정하는 것이 중요하다.
본 실시예에서는 상기 연료 전지 스택(1)의 운전 온도까지 빠른시간 내에 도달하기 위해 부가적인 가열수단을 적용하고, 적정 온도에 이르면 연료 전지 시스템에서 전기를 출력하는 기준 온도를 설정하여 이를 제2설정 온도(T2)라 하고, 이는 운전 온도 부근에서 설정 가능하고, 본 실시예의 연료 전지 스택(1)의 경우, 연료 전지 스택(1)의 온도 40℃ 부근으로 설정한다.
상기 단계(S3)에서의 연료 전지 스택(1)의 온도와 제2설정 온도(T2)를 비교하여 연료 전지 스택(1)의 온도가 제2설정 온도(T2)보다 크면, 연료 전지 스택(1) 의 전력을 이용하여 모터를 구동하고, 동시에 회생 에너지를 이용하여 배터리(9)를 충전하는 연료 전지 스택(1)의 전력 구동단계를 진행한다.
한편, 상기 단계(S3)에서의 연료 전지 스택(1)의 온도와 제2설정 온도(T2)를 비교하여 연료 전지 스택(1)의 온도가 제2설정 온도(T2)보다 작거나 같으면, 배터리(9)의 전력을 이용하여 모터(11)를 구동하여 차량 운전을 진행한 후, 각 조건을 만족하는 경우, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계(S4)로 진행하는 배터리의 전력 구동단계(S5)를 진행하게 된다.
상기에서, 연료 전지 스택의 전력 구동단계(S4)는 상기 단계(S3)에서 연료 전지 스택(1)의 온도가 제2설정 온도(T2)보다 큰 경우로, 연료 전지 스택(1)의 전력을 이용하여 모터(11)를 구동하고, 동시에 회생 에너지를 이용하여 배터리(9)를 충전하도록 제어한다.(S4a)
상기 단계(S4a)의 진행 중, 상기 배터리(9)의 충전 상태(SOC)가 제1설정 퍼센트인 60% 보다 크고, 연료 전지 스택(1)의 온도가 제2설정 온도(T2)보다 큰가를 판단하게 된다.(S4b)
여기서, 상기 제1설정 퍼센트(60%)는 연료 전지 스택(1)의 정격출력 요구 기준 값으로, 그 이하에서는 연료 전지 스택(1)의 출력을 제한하여 운전하도록 하는 기준이 된다.
상기 단계(S4b)의 조건을 만족하면, 상기 연료 전지 스택(1)에 정격 출력을 요구함과 동시에, 차량 구동을 위해 사용되는 전력을 제외한 나머지 전력을 배터리(9)에 충전하게 된다.(S4c)
상기 단계(S4c)단계의 진행 중, 상기 배터리(9)의 충전 상태(SOC)가 제2설정 퍼센트인 80% 보다 큰가를 판단하여, 조건을 만족하면, 정상 운전을 시작하고, 조건을 만족하지 않으면, 상기 단계(S4c)로 리턴하게 된다.(S4d)
여기서, 상기 제2설정 퍼센트(80%)는 연료 전지 차량을 정상 운행하기 위한 배터리(9)의 최소 충전량으로, 그 이상에서는 정상 운전 모드에 의한 충,방전을 이루는 기준이 된다.
이러한 연료 전지 스택의 전력 구동단계(S4)에서, 상기 단계(S4b)의 조건을 만족하지 않으면, 상위 단계(S4a)로 리턴하게 된다.
그리고 상기 배터리의 전력 구동단계(S5)는 상기 단계(S3)에서 연료 전지 스택(1)의 온도가 제2설정 온도(T2)보다 작거나 같으면, 상기 배터리(9)의 충전 상태(SOC)가 제1설정 퍼센트인 60% 보다 큰가를 판단하게 된다.(S5a)
이 때, 상기 단계(S5a)의 조건을 만족하면, 상기 배터리(9)의 전력을 이용하여 모터(11)를 구동하여 차량을 운행하게 된다.(S5b)
상기 단계(S5b)의 진행 중, 상기 배터리(9)의 충전 상태(SOC)가 제3설정 퍼센트인 40% 미만인가를 판단하여, 조건을 만족하면, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계(S4)의 상위 단계(S4a)로 진행하게 된다.(S5c)
여기서, 상기 제3설정 퍼센트(40%)는 배터리(9)에서 전기 에너지를 출력하여 사용 가능한 최소 충전 상태(SOC)로, 그 이하에서는 배터리(9)의 전기 에너지 사용을 자제하도록 하는 기준이 된다.
이러한 배터리의 전력 구동단계(S5)에서, 상기 단계(S5a)의 조건을 만족하지 않으면, 상기 단계(S2)로 리턴하게 된다.
이러한 각 단계별 연료 전지 스택의 온도 제어방법을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저, 운전 초기 단계에서 연료 전지 스택(1)의 가열과 시동 시간을 고려한 제어 알고리즘으로, 상기 제1설정 온도(T1)는 효율이 낮더라도 연료 전지 스택(1)으로부터 안정적으로 전기를 뽑을 수 있는 온도를 말하며, 제2설정 온도(T2)는 연료 전지 스택(1)의 정상 운전 조건에 해당하는 온도로서 최대 효율 구간과 일치한다.
즉, 상기 단계(S1)에서는 연료 전지 스택(1)의 매니폴드에 연료를 공급하여 멤브레인에서의 단순 화학반응을 통해 연료 전지 스택(1)의 온도를 상승시키게 되 며, 이 때, 상기 연료 전지 스택(1)의 온도가 제1설정 온도(T1)에 도달하기까지는 대기 상태를 유지한다.
상기 단계(S2)에서는 상기 멤버레인내에서 전기 화학반응 시작하게 되면, 연료 전지 스택(1)의 전력을 사용하여 분리판(3)을 가열하게 된다.
상기에서 연료 전지 스택(1)의 온도가 제2설정 온도(T2)에 도달하면, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계(S4)에 의해 연료 전지 스택(1)의 전력으로 차량 운전을 시작하고, 그 전에 출발을 원할 때, 즉 연료 전지 스택(1)의 온도가 제1설정 온도(T1)와 제2설정 온도(T2) 사이일 때, 상기 배터리의 전력 구동단계(S5)에 의해 배터리(9)의 충전 상태(SOC)가 60% 이상이면 차량을 운행하고, 그보다 작으면 상기 단계(S2)로 돌아가 연료 전지 스택(1)의 온도가 제2설정 온도(T2)에 도달할 때까지 대기하며, 이 상태에서도 출발은 가능하나 효율이 떨어진다.
그리고 상기 배터리의 전력 구동단계(S5)에 의해 배터리 전력으로 차량 구동 중, 배터리(9)의 충전 상태(SOC)가 40%미만으로 떨어지면, 연료 전지 스택(1)에서 전기 화학반응을 통해 생산되는 전력을 모터(11)에 직접 공급. 이 구간에서는 제동시의 회생 에너지를 통해 배터리 충전에 이용하는 연료 전지 스택의 전력 구동단계(S4)를 진행한다.
즉, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계(S4)에서, 배터리(9)의 충전 상태(SOC)가 60%이상이고, 연료 전지 스택(1)의 온도가 제2설정 온도(T2) 이상이 되면, 연료 전지 스택(1)에 정격 출력 요구. 이 때 차량 구동을 위해 사용되는 전력을 제외한 부분은 배터리(9)의 충전에 이용하게 된다.
또한, 배터리(9)의 충전 상태(SOC)가 80% 이상이 되면 정상 운전을 시작하여, 차량 정지 후 시스템 재구동을 위해 추후에 필요한 배터리(9)의 전력을 확보할 수 있도록 한다.
도 7에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템을 통하여 시간에 따른 연료 전지 스택(1)의 온도 변화를 나타낸 선도로써, 다른 조건이 동일할 때 연료 전지의 전기 화학반응 효율은 연료 전지 스택(1)의 온도에 비례함으로, 연료 전지 스택(1)의 온도를 빠르게 상승시켜 연료 전지 스택(1)을 고효율 구간에서 운전하는 시간을 앞당길 수 있음을 알 수 있으며, 이는 단순 화학반응과 예비 운전 구간으로 표현되는 초기 시동 시간의 단축을 의미한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템에 의하면, 예비 운전 초기, 연료 전지 스택에서 생성한 출력 중, 일부 혹은 배터리의 전력을 이용하여 연료 전지 스택을 직접적으로 가열하고 연료 전지 스택의 온도를 빠르게 상승시킴으로써 예비 운전 구간을 줄일 수 있도록 함으로써, 연료 전지 스택의 온도가 정상 상태에 이르게 되는 본 운전 구간에서 고효율 운전을 통한 연비 향상의 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 연료 전기 스택의 분리판 혹은 엔드 플레이트에 저항선을 통한 분리판의 온도 제어를 가능하게 한 상태로, 연료 전지 스택의 매니폴드에 연료를 공급하여 멤브레인에서의 단순 화학반응을 통해 연료 전지 스택의 온도를 연료 전지 스택으로부터 안정적으로 전기를 뽑을 수 있는 온도인 제1설정 온도까지 상승시키는 제1단계;
    상기 멤버레인 내에서 전기 화학반응을 시작하게 되면, 연료 전지 스택의 전력을 사용하여 분리판을 가열하는 제2단계;
    상기 제2단계에서의 연료 전지 스택의 온도와 상기 연료 전지 스택의 정상 운전 조건에 해당하는 온도인 제2설정 온도를 비교하는 제3단계;
    상기 제3단계에서의 연료 전지 스택의 온도와 상기 제2설정 온도를 비교하여 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 크면, 연료 전지 스택의 전력을 이용하여 모터를 구동하고, 동시에 회생 에너지를 이용하여 배터리를 충전하는 연료 전지 스택의 전력 구동단계;
    상기 제3단계에서의 연료 전지 스택의 온도와 상기 제2설정 온도를 비교하여 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 작거나 같으면, 배터리의 전력을 이용하여 모터 구동 및 차량 운전을 진행한 후, 각 조건을 만족하는 경우, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계로 진행하는 배터리의 전력 구동단계;를 포함하는 연료 전지 스택의 온도 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계는
    상기 제3단계에서 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 크면, 연료 전지 스택의 전력을 이용하여 모터를 구동하고, 동시에 회생 에너지를 이용하여 배터리를 충전하는 제4a단계;
    상기 제4a단계의 진행 중, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 제1설정 퍼센트인 60% 보다 크고, 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 큰가를 판단하는 제4b단계;
    상기 제4b단계의 조건을 만족하면, 상기 연료 전지 스택에 정격 출력을 요구함과 동시에, 차량 구동을 위해 사용되는 전력을 제외한 나머지 전력을 배터리에 충전하는 제4c단계;
    상기 제4c단계의 진행 중, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 제2설정 퍼센트인 80% 보다 큰가를 판단하여, 조건을 만족하면, 정상 운전을 시작하고, 조건을 만족하지 않으면, 상기 제4c단계로 리턴하는 제4d단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 온도 제어방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계에서, 상기 제4b단계의 조건을 만족하지 않으면, 상기 제4a단계로 리턴하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 온도 제어방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 전력 구동단계는
    상기 제3단계에서 연료 전지 스택의 온도가 상기 제2설정 온도보다 작거나 같으면, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 제1설정 퍼센트인 60% 보다 큰가를 판단하는 제5a단계;
    상기 제5a단계의 조건을 만족하면, 상기 배터리의 전력을 이용하여 모터를 구동하여 차량을 운행하는 제5b단계;
    상기 제5b단계의 진행 중, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 제3설정 퍼센트인 40% 미만인가를 판단하여, 조건을 만족하면, 상기 연료 전지 스택의 전력 구동단계로 진행하는 제5c단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 온도 제어방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 배터리의 전력 구동단계에서, 상기 제5a단계의 조건을 만족하지 않으면, 상기 제2단계로 리턴하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 온도 제어방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 주동력원으로 사용되는 연료 전지 스택과, 보조 동력원으로 사용되는 배터리, 상기 배터리의 전압을 조정하여 모터를 구동하거나 회생 제동을 위해 전원을 입출력하는 고전압 DC/DC 컨버터, 및 각종 전장 부하 등에 전원을 제어기의 제어신호에 따라 단속하기 위한 스위칭 소자를 이용하는 연료 전지의 동력 분배 구성에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하여 제어기로 검출신호를 출력하는 온도센서와, 상기 연료 전지 스택 초기 온도를 제어하기 위하여 내부에 가열수단을 구성하여 상기 스위칭 소자에 의해 예비 운전 초기, 연료 전지 스택에서 생성한 출력 중, 일부 혹은 배터리의 전력을 이용하여 연료 전지 스택을 직접적으로 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 온도 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 가열수단은
    연료 전지 스택의 각 분리판 내부에 심어지는 저항선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 온도 제어 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 가열수단은
    연료 전지 스택의 각 엔드 플레이트의 내부에 심어지는 저항선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 온도 제어 시스템.
KR1020030100899A 2003-12-30 2003-12-30 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템 KR100974594B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020030100899A KR100974594B1 (ko) 2003-12-30 2003-12-30 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020030100899A KR100974594B1 (ko) 2003-12-30 2003-12-30 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050070730A KR20050070730A (ko) 2005-07-07
KR100974594B1 true KR100974594B1 (ko) 2010-08-06

Family

ID=37260771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020030100899A KR100974594B1 (ko) 2003-12-30 2003-12-30 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100974594B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101470106B1 (ko) * 2012-12-28 2014-12-05 현대자동차주식회사 연료전지 히팅장치

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101349020B1 (ko) * 2008-11-07 2014-01-09 현대자동차주식회사 연료전지 하이브리드 차량의 냉시동 시퀀스 제어 방법
KR102030129B1 (ko) * 2015-06-03 2019-11-18 주식회사 엘지화학 연료 전지 시스템 및 그의 온도 관리 방법
KR101866733B1 (ko) * 2016-05-11 2018-06-15 현대자동차주식회사 차량 및 그 제어방법
CN112993342B (zh) * 2019-12-13 2022-02-11 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池电堆温度分布的精细调控方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000123854A (ja) 1998-10-14 2000-04-28 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
KR20010043579A (ko) * 1998-05-14 2001-05-25 와다 아끼히로 연료전지 시스템 및 이것을 탑재한 전기자동차 그리고연료전지 시스템의 기동제어방법
JP2003109636A (ja) 2001-09-30 2003-04-11 Equos Research Co Ltd 燃料電池スタック
JP2003308863A (ja) 2002-04-12 2003-10-31 Equos Research Co Ltd 燃料電池スタック

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010043579A (ko) * 1998-05-14 2001-05-25 와다 아끼히로 연료전지 시스템 및 이것을 탑재한 전기자동차 그리고연료전지 시스템의 기동제어방법
JP2000123854A (ja) 1998-10-14 2000-04-28 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
JP2003109636A (ja) 2001-09-30 2003-04-11 Equos Research Co Ltd 燃料電池スタック
JP2003308863A (ja) 2002-04-12 2003-10-31 Equos Research Co Ltd 燃料電池スタック

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101470106B1 (ko) * 2012-12-28 2014-12-05 현대자동차주식회사 연료전지 히팅장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20050070730A (ko) 2005-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101628514B1 (ko) 연료전지 스택의 온도 제어 방법
KR101230900B1 (ko) 연료전지 하이브리드 시스템의 운전 제어 방법
JP3999498B2 (ja) 燃料電池システム及びその停止方法
US9583774B2 (en) Method for cold starting a fuel cell system and fuel cell system of a motor vehicle
EP2178148B1 (en) Fuel cell system and its control method
JP5146599B2 (ja) 燃料電池システムおよびその電力制御方法
US20060280977A1 (en) Fuel cell system
US20080241608A1 (en) Method of starting up a fuel cell under conditions in which water may freeze
JP2009238660A (ja) 燃料電池システム
US11465505B2 (en) Fuel cell system
KR101558361B1 (ko) 연료전지 차량의 냉시동 제어장치 및 방법
EP1998397B1 (en) Fuel cell system and method of starting operation of fuel cell system
KR20080059673A (ko) 연료전지시스템
KR20140078948A (ko) 연료전지 승온 방법
EP2084770B1 (en) System and method for fuel cell load cycling for fast warm-up of a fuel cell stack
JP4505489B2 (ja) 燃料電池システム及びその起動方法
KR100974594B1 (ko) 연료 전지 스택의 온도 제어방법 및 그 시스템
KR20120061663A (ko) 하이브리드 자동차의 냉시동시의 전류제어 방법
US11398632B2 (en) Fuel-cell vehicle
JP4752342B2 (ja) 燃料電池システム
JP2008103154A (ja) 燃料電池システム
JP2004014185A (ja) 燃料電池の暖機システム
JP2009026563A (ja) 制御装置及び制御方法
CN114628739A (zh) 用于控制燃料电池的冷启动的系统和方法
KR101558343B1 (ko) 연료전지 관리방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130731

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150731

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160729

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180730

Year of fee payment: 9