KR100980967B1 - 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법에 관한 것으로서, 연비가 낮은 저출력 구간에서 연료전지 및 그 보기류의 작동을 정지하는 파워 스탑 제어를 통하여 연비 향상을 도모함과 아울러, 연료전지의 파워 스탑에 대한 응답성을 빠르게 하기 위해 공기극에 공기대신 질소를 공급하여 공기극이 질소 분위기가 되도록 함으로써, 연료전지 파워 스탑에 따른 공기극에서의 수소/산소 계면 형성으로 연료전지의 수명이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.
연료전지, 축전수단, 하이브리드, 파워 스탑, 제어, 연비 향상, 질소

Description

연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법{Method for power stop of fuel cell hybrid vehicle}
본 발명은 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연비가 낮은 저출력 구간에서 연료전지 및 그 보기류의 작동을 정지하는 제어를 통하여 연비를 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량은 차세대 차량으로서 배기가스 저감 및 연비 성능 향상 등의 장점이 있지만, 물 생성 문제와 동특성 문제 등의 단점을 감안하여 연료전지와 다른 에너지 저장장치인 축전수단을 갖는 연료전지 하이브리드 시스템이 적용되고 있다.
연료전지 및 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량에서, 축전수단은 에너지 저장장치, 배터리 또는 슈퍼캐패시터(수퍼캡)로 불리우고 있다.
연료전지와 축전수단이 연결된 하이브리드 차량은 연료전지에서 일정한 전력 을 계속 출력하여 주행이 이루어지되, 전력이 남는 경우 잉여분의 전력으로 축전수단을 충전하고, 전력이 모자라는 경우 부족분의 전력을 축전수단에서 보충 출력하는 운전 모드가 적용되고 있다.
연료전지 및 축전수단을 포함하는 하이브리드 차량의 주행모드는 연료전지만을 구동원으로 모터를 구동시키는 연료전지 주행모드(EV Mode)와, 연료전지 및 축전수단이 직결된 하이브리드 모드(HEV Mode), 그리고 축전수단에 대한 충전이 이루어지는 회생제동모드로 구분된다.
여기서, 연료전지 하이브리드 차량의 연료전지 시스템 구성 및 그 동작을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 10 및 도 11은 연료전지 하이브리드 차량에 적용되는 연료전지 시스템의 구성 및 그 반응 원리를 설명하는 모식도이다.
상기 연료전지(100)는 수소 양이온(proton)을 이동시킬 수 있는 전해질층(120: electrolyte layer)과; 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질층(120)의 양면에 도포된 촉매층인 연료(수소)극(anode, 121) 및 공기극(cathode, 122)와; 상기 연료극의 외측에 적층되는 연료 흐름 영역(160: anode flow field)와; 상기 공기극의 외측에 적층되는 공기 흐름 영역(170: cathode flow field)과; 냉각수가 흐르는 냉각수 흐름 유로(150)와; 수소, 공기, 냉각수를 분배하는 분배구조물(140) 과; 반응에 의해 생성되는 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판(110) 등을 포함하여 구성되어 있다.
연료전지 구동시, 수소공급원(200)으로부터 공급된 수소가 수소공급 솔레노 이드밸브(201) 및 배관(202)를 차례로 거쳐서, 연료전지의 연료 흐름 영역(160)으로 공급된다.
이때, 연료인 수소의 이용률을 높이기 위해 미반응된 수소를 재순환시키는 바, 이 재순환 과정을 위해 퍼지밸브(204)를 닫은 상태에서 수소재순환 블로워(207)을 가동시킴으로써, 연료전지내에서 미반응된 수소는 배관(206), 수소재순환 블로워(207), 배관(208), 수소재순환 차단밸브를 차례로 거쳐 연료전지의 수소 흐름 영역(160)으로 들어가게 되고, 정해진 시간에 상기 수소퍼지밸브(204)를 열어 전해질층(120)을 통해 넘어온 질소와 수분이 배출되도록 한다.
또한, 연료전지 구동시, 공기공급원(300: 대기)으로부터의 공기가 배관(301)을 통해 공기블로워(302)에 의하여 흡입된 후, 공기블로워(302)에서 그 유량이 제어되면서 배관(303)을 통해 연료전지의 공기 흐름 영역(170)으로 공급된다.
따라서, 상기 연료 흐름 영역(160)의 수소는 연료극(121)의 촉매에서 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분리되고, 수소이온은 전해질층(120)을 통해 공기극(122)측으로 넘어가게 된다.
연이어, 상기 공기극(122)으로 넘어온 수소 이온(H+)은 공기 흐름 영역(170)에 공급된 산소(O2) 및 외부도선을 통해 들어온 전자와 반응하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키며, 이때의 연료전지 이론 전위는 1.23V이고, 그 반응식은 아래와 같다.
연료극(Anode) : H2 → 2H+ + 2e-
공기극(Cathode) : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
한편, 상기 공기극에서는 공기극 흐름 영역에 공급된 공기중 산소(O2)를 반응에 사용하며, 이에 공기극 흐름 영역에는 공기중의 산소 농도보다 낮은 산소 농도상태(질소가 많음)가 되며, 반응을 마친 공기는 공기 배기용 배관(304)를 통해 빠져나가게 된다.
또한, 연료전지 구동시, 연료전지의 냉각을 위해 냉각수 흐름 유로(150)에 냉각수를 공급하여 연료전지를 냉각하는 과정이 진행되며, 최적의 온도를 유지하기 위해 냉각수펌프(401)을 조건에 따라 구동시킨다.
상기 냉각수펌프(401)의 구동시, 온도가 상승된 냉각수 흐름 유로(150)내의 냉각수가 배관(400)을 통해 냉각수펌프(401)로 들어가고, 연이어 배관(402)를 통해 열교환기(403)로 들어가 냉각된다.
이어서, 냉각된 냉각수는 배관(404), 냉각수 차단밸브(405), 배관(406)을 차례로 거쳐 다시 냉각수 흐름 유로(150)으로 들어가 연료전지를 냉각시키게 된다.
이와 같은 연료전지 구동 즉, 연료전지의 시동 및 중지시, 상기 연료 흐름 영역에 공기중의 산소가 유입되었을 경우, 연료전지 내부에 부분적으로 고전압 회로가 형성되어 공기극측의 카본 지지용(carbon support) 재질이 부식되고, 그 결과 연료전지의 성능이 급격이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 점을 감안하여, 수소/산소의 계면 형성에 의한 연료전지의 수명저하를 막기 위하여, 미국특허 공개번호(US2003/034165)에는 연료전지 시스템 정지시 연료전지 스택과 병렬로 연결된 부하를 이용하여 연료전지 전압을 낮추는 동시에 공기극측의 산소를 제거하는 방법이 개시되어 있고, 미국특허 공개번호(US 2003/0129462)에는 수소재순환 블로워내 수소가스버너에 수소를 공급하여 산소를 제거하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 수소/산소의 계면 형성에 의한 연료전지의 수명저하를 방지하는 방법 이외에 연료전지의 연비 향상을 도모하고자, 일본특허 공개번호(2006-24458)에 연료전지 성능 열화 추정모듈을 통해 연료전지 아이들 스탑 여부를 결정하는 방법이 개시되어 있고, 미국특허(US6484075)에는 다양한 조건을 통해 아이들 스탑을 결정하고 구현하는 방법이 개시되어 있으며, 미국특허 공개번호(US2003/118876)에는 수퍼캡 전압과 그 변화율을 통해 아이들 스탑 여부를 결정하는 방법이 개시되어 있다.
이에, 연료전지 시동 및 중지시, 공기극측의 수소/산소 계면 형성에 따른 연료전지 수명 저하를 방지함과 함께 연료전지의 연비 향상이 동시에 이루어질 수 있다면 연료전지의 기술적 수준를 한층 발전시킬 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 연비가 낮은 저출력 구간에서 연료전지 및 그 보기류의 작동을 정지하는 파워 스탑 제어를 통하여 연비 향상을 도모함과 아울러, 연료전지의 파워 스탑에 대한 응답성을 빠르게 하기 위해 공기극에 공기대신 질소를 공급하여 공기극이 질소 분위기가 되도록 함으로써, 연료전지 파워 스탑에 따른 공기극에서의 수소/산소 계면 형성으로 연료전지의 수명이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료전지 하이브리드 차량이 저출력 구간인지 확인하는 동시에 축전수단에 충전된 전기에너지 양을 확인하여, 연료전지의 파워 스탑 여부를 결정하는 단계와; 저출력 구간이면서 축전수단의 전기에너지 양이 임계치 이상이면, 연료전지의 파워 스탑이 결정되는 단계와; 연료전지의 파워 스탑이 결정되면, 연료전지 공기극측에 질소를 공급하여 질소분위기로 만들어주는 파워 스탑 모드가 실행되는 단계와; 상기 파워 스탑 모드로의 진입시, 저출력 구간에서의 주행을 위한 파워를 축전수단으로부터 공급받아 차량이 EV모드로 주행하는 단계와; 주행을 위한 파워가 요청되면, 파워 스탑 모드를 종료하고 연료전지 재시동 모드가 실행되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 제공한다.
상기 파워 스탑 모드에서 공기극에 질소를 공급하기 위하여, 파워 스탑 모드 이전의 연료전지 작동 및 상기 연료전지 재시동 모드 진입후 작동 상태에서, 연료전지의 연료극으로부터 배출되는 배기가스로부터 질소를 분리하여 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방 법.
상기 파워 스탑 모드가 실행되는 단계는: 연료전지에 수소 및 공기 공급을 차단하는 단계와; 연료전지의 공기극에 질소를 공급하여 질소분위기로 만들어주는 단계와; 질소분위기로 인해, 연료전지의 파워가 정지되는 단계와; 저출력 구간에서의 주행을 위한 파워를 축전수단으로부터 공급받아 차량이 EV모드로 주행하는 단계; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 질소 공급 이전에, 공기극에 잔류하던 산소에 의한 전류는 공기극에 질소를 공급하는 질소공급기의 구동에너지로 소모되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 재시동 모드가 실행되는 단계는: 연료전지 하이브리드 차량의 축전수단에 충전된 전기에너지 양을 확인하는 단계와; 차량의 요구 파워가 일정치 이상인지를 판단하는 단계와; 상기 축전수단의 전기에너지 양이 임계치 이하이거나, 차량의 요구 파워가 일정치 이상이면, 상기 연료극과 공기극에 각각 수소와 공기가 다시 공급되어 연료전지의 재시동이 이루어지는 단계; 차량이 연료전지와 축전수단의 파워를 동시에 사용하는 HEV모드로 주행하는 단계; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 재시동 모드 진입후, 연료전지의 작동 상태를 체크하는 단계와; 연료전지 작동 상태가 전기에너지를 기준치 이하로 발생시키는 경고 상황이면, 상기 공기극에 대한 공기 공급을 증가시키는 동시에 수소 퍼징주기를 짧게 설정시키는 단계; 가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
1) 연료전지 하이브리드 차량의 저출력 구간에서, 연료전지에 질소를 공급하여 연료전지 및 그 보기류의 작동을 정지시킴과 함께 축전수단에 의한 EV모드로 주행하도록 함으로써, 연비 향상을 도모할 수 있다.
2) 특히, 연료전지에 공급하는 질소를 별도로 구비하지 않고, 연료전지로부터 배출되는 배기가스에서 질소를 분리저장하여 자체적으로 사용함으로써, 질소에 의한 연료전지 파워 스탑이 경제적이면서 효율적으로 이루어질 수 있다.
3) 또한, 연료전지의 공기극에 질소를 공급하여 질소분위가를 만들어줌에 따라, 공기극측의 수소/산소 계면 형성에 따른 연료전지 수명 저하를 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어를 위하여, 연료전지로부터 배출되는 배기가스로부터 질소를 분리하여 저장하고, 저장된 질소를 후술하는 파워 스탑 모드에서 연료전지의 공기극으로 공급하는 질소 분리저장 및 공급수단이 설치된다.
여기서, 본 발명에 따른 질소 분리저장 및 공급수단에 대한 구성을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 연료전지의 연료극으로부터 배출되는 배기가스(수소, 질소, 물, 기타불순물 등)로부터 질소만을 분리 저장하여 상태를 나타내는 모식도이고, 도 2는 연료전지 파워 스탑 모드 진입시 저장된 질소를 연료전지의 공기극으로 공급하는 상태를 나타내는 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 연료전지(100)의 연료(수소)극(121)으로부터 배출되는 배기가스로부터 질소를 분리하기 위한 질소분리기(500)가 연료전지의 연료극(121) 출구에 연결된다.
상기 질소분리기(500)는 상기 연료극(121) 출구와 연결되는 배기가스 배출통로(502)가 관통된 구조의 하우징(504)과, 상기 배기가스 배출통로(502)의 내경부에 장착되는 기체분리막(506)으로 구성된다(도 3참조).
상기 기체분리막(506)은 중공사막을 적용하는 것이 바람직하며, 그 이유는 중공사막을 이용한 기체 분리는 농도차이를 이용한 확산 방법 및 기체의 상대적인 투과속도 차이를 이용한 방법을 위해 주로 사용되면서 물질의 이동을 촉진시키기 때문이다.
이때, 기체 및 수분 등이 중공사막을 투과할 때, 그 투과속도 차이는 H20가 가장 빠르고, 그 다음에 H2, He, CO2, H2S, O2, AR, CO의 순이고, 가장 느린 것이 질 소(N2) 및 CH4 으로 알려져 있다.
이에, 상기 질소분리기(500)의 하우징(504)내에 중공사막이 장착된 상태에서, 연료전지(100)의 연료극(121)으로부터 배출되는 배기가스로부터 질소, 수소, 물 등을 투과속도 차이로 분리할 수 있다.
한편, 기체 투과 물질의 이동 효율을 좋게 하기 위해 내층 또는 외층에 적절한 표면처리, 예를 들면 친수성 재질의 코팅 또는 소수성 재질의 코팅이 이루어진 중공사막을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 질소분리기(500)의 하우징(504) 외측면에는 배기가스의 성분중 기체분리막(506: 중공사막)을 통과하여 분리된 수소 및 낮은 농도의 질소가 연료극으로 재순환되도록 수소 재순환 라인(수소재순환 블로워(207)쪽)이 연결되고, 또한 상기 하우징(504)에는 배기가스의 성분중 기체분리막(506)을 통과한 물과 기타 불순물을 배출시키는 배출라인(203)이 연결되며, 특히 상기 하우징(504)의 배기가스 배출통로(502) 출구에는 기체분리막(506)을 통과하지 못한 높은 농도의 질소를 저장하기 위한 질소탱크(600)가 연결된다.
또한, 상기 하우징(504)의 배기가스 배출통로(502) 출구와, 질소탱크(600)의 입구 사이에는 질소를 질소탱크(600)에 압축 저장하기 위한 질소압축기(700)가 배치된다.
또한, 상기 질소탱크(600)의 출구와 연료전지(100)의 공기극(122)간을 연결하는 질소공급라인(802)에는 질소개폐밸브(800)가 장착된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 질소 분리저장 및 공급수단에 대한 작동흐름을 살펴보면 다음과 같다.
연료전지의 정상 작동 상태, 즉 하기에서 상세하게 설명되어질 파워 스탑 모드로 진입하기 전, 그리고 연료전지의 재시동 모드로 진입한 후, 연료전지(100)가 작동하는 중에 연료극(121)으로부터 반응을 마친 배기가스가 배출되어 상기 질소분리기(500)로 유입된다.
상기 질소분리기(500)로 유입되면, 배기가스 성분중 고농도의 질소는 상기 하우징(504)내에 형성된 배기가스 배출통로(502)를 그대로 통과한 후, 상기 질소압축기(700)에 의하여 질소탱크(600)내에 압축 저장된다.
이때, 상기 연료전지(100)는 정상 작동 상태이므로, 그 공기극(122)은 공기 분위기이고, 상기 질소개폐밸브(800)는 닫힘상태이다(도 1 참조).
이와 동시에, 상기 하우징(504)의 배기가스 배출통로(502)를 통해 배기가스가 통과할 때, 배기가스 성분중 수소 또는 낮은 농도의 질소는 기체분리막(506: 중공사막)을 통과하여 수소 재순환 라인(수소재순환 블로워(207)쪽)으로 공급되고, 또한 배기가스의 성분중 기체분리막(506)을 통과한 물과 기타 불순물은 배출라인(203)을 통하여 가습기(미도시됨)를 거쳐 외부로 배출된다.
반면에, 후술하는 바와 같이 연료전지가 파워 스탑 모드로 진입하면, 상기 질소개폐밸브(800)가 열리게 되고, 상기 질소탱크(600)내의 질소가 질소압축기(700)의 압축력을 받으면서 상기 연료전지(100)의 공기 흐름 영역(170)을 통해 공기극(122)으로 공급된다(도 2 참조).
따라서, 상기 연료전지(100)의 공기극(122)은 질소분위기가 되고, 공기극(122)이 질소분위기가 되면 산소가 부족하여 연료전지(100)의 파워가 생성되지 않거나 매우 느려지게 되어, 연료전지의 파워 스탑이 이루어진다.
한편, 상기 질소 공급 이전에, 공기극(122)에 잔류하던 산소에 의하여 생성된 전류는 상기 공기극(122)에 질소를 공급하는 질소공급수단, 즉 질소개폐밸브(800) 및 질소압축기(700)의 구동에너지로 소모된다.
여기서, 상기와 같은 질소 분리저장 및 공급장치를 기반으로 이루어지는 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 설명하는 순서도이고, 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 설명하는 그래프이다.
통상, 연료전지 하이브리드 차량의 주행시 저출력 구간에서, 연료전지의 효율성이 저하되어 낮은 연비를 나타낸다.
본 발명에 따르면 연비가 낮은 저출력 구간에서 연료전지 및 그 보기류(공기 블로워, 수소재순환 블로워, 물펌프 등)의 작동을 정지하는 파워 스탑 모드를 실행하여, 저출력 구간에서의 주행을 위한 파워를 축전수단(예를들어, 배터리 또는 슈퍼캐패시터(수퍼캡))로부터 공급받아 차량이 EV모드로 주행하도록 함으로써, 연비 향상을 도모할 수 있다.
이를 위해, 연료전지의 파워 스탑 여부를 결정하는 단계가 선행된다.
먼저, 상기 연료전지 파워 스탑 여부를 결정하고자, 연료전지 하이브리드 차량이 저출력 구간에서 주행하는지, 그리고 연료전지 하이브리드 차량의 축전수단(미도시됨)에 충전된 전기에너지 양이 임계치 이상인지 확인을 한다.
저출력 구간이면서, 축전수단의 전기에너지 양이 임계치 이상이면, 연료전지의 파워 스탑이 결정된다.
한편, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 연료전지 파워 스탑(연료전지 오프) 및 연료전지 파워 온(연료전지 온) 시점에 히스테리시스를 두어 빈번한 온/오프를 방지하고, 파워 스탑 상태에서 축전수단의 전기에너지 충전량(SOC)가 임계치 이하이거나 차량 요구 파워가 증가[차량 부하(모터 전류, 차량 요구토크, 엑셀 개도)가 일정수준 이상]하면 후술하는 바와 같이 연료전지 재시동 모드가 실행된다.
다음으로, 상기와 같이 연료전지의 파워 스탑이 결정되면, 상기 연료전지(100)의 공기극(122)측에 질소를 공급하여 질소분위기로 만들어주는 파워 스탑 모드가 실행된다.
여기서, 연료전지 파워 스탑 모드의 실행 단계를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 6 및 도 7은 연료전지 파워 스탑 모드를 실행하는 단계를 설명하는 순서도 및 그래프이다.
상기 파워 스탑 모드가 실행되면, 각종 보기류(공기 블로워, 수소재순환 블로워, 물펌프 등)등이 정지된 상태가 되므로, 연료전지에 수소 및 공기 공급이 차단된다.
또한, 상기 파워 스탑 모드가 실행되면, 연료전지(100)의 공기극(122)에 잔류하던 산소에 의하여 생성된 전류를 구동에너지로 이용하여 상기 질소개폐밸브(800) 및 질소압축기(700)가 구동된다.
이때, 상기와 같이 파워 스탑 모드에서 공기극에 질소를 공급하기 위하여, 파워 스탑 모드 이전의 연료전지 작동 및 하기와 같은 연료전지 재시동 모드 진입후 작동 상태에서, 연료전지(100)의 연료극(121)으로부터 배출된 배기가스로부터 질소가 분리되어 질소탱크(600)에 미리 저장된 상태이다.
이에, 상기 질소개폐밸브(800)가 열림과 동시에, 상기 질소압축기(700)의 작동압력에 의하여 상기 질소탱크(600)내에 미리 저장되어 있던 질소가 연료전지(100)의 공기 흐름 영역(170)을 통해 공기극(122)으로 공급된다.
따라서, 상기 연료전지(100)의 공기극(122)은 질소분위기가 되고, 공기극이 질소분위기가 되면 산소가 부족하여 연료전지의 파워가 생성되지 않거나 매우 느려지게 되어, 결국 연료전지의 파워 스탑이 이루어진다.
이와 같이, 연료전지의 파워 스탑이 이루어짐과 함께, 저출력 구간에서의 주행을 위한 파워를 축전수단으로부터 공급받아 차량은 EV모드로 주행하게 되고, 결국 저출력 구간에서 연료전지 및 그 보기류 등이 정지됨에 따라 연비 향상을 도모할 수 있다.
여기서, 연료전지 파워 스탑후 재시동 모드가 실행되는 단계를 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 8 및 도 9는 연료전지 파워 스탑후 재시동 모드의 실행 단계를 설 명하는 순서도 및 그래프이다.
상기와 같은 연료전지의 파워 스탑 상태에서, 축전수단의 전기에너지 충전량(SOC)가 임계치 이하이거나, 또는 차량 요구 파워가 증가[차량 부하(모터 전류, 차량 요구토크, 엑셀 개도)가 일정수준 이상]하면 파워 스탑 모드를 종료하고 연료전지 재시동 모드가 실행된다.
즉, 연료전지 하이브리드 차량의 축전수단에 충전된 전기에너지 양을 확인하여 축전수단의 전기에너지 양이 임계치 이하이거나, 차량의 요구 파워가 일정치 이상인지를 판단하여 요구 파워가 일정치 이상이면 상기 연료극과 공기극에 각각 수소와 공기가 다시 공급되어 연료전지의 재시동이 이루어진다.
이렇게 연료전지 재시동 모드가 실행됨과 함께, 상기 질소개폐밸브(800)가 닫히게 되고, 각종 보기류(공기 블로워, 수소재순환 블로워, 물펌프 등)등이 작동하여 연료전지(100)의 연료극(121) 및 수소극(122)에 각각 수소 및 공기 공급이 재개된다.
따라서, 차량은 연료전지와 축전수단의 파워를 동시에 사용하는 HEV모드로 주행하게 된다.
한편, 상기 연료전지 재시동 모드 진입후, 연료전지에서 생성된 전기에너지 즉, 전류가 빠르게 소모되므로, 연료전지의 작동 상태를 체크하여 연료전지 작동 상태가 전기에너지를 기준치 이하로 발생시키는 경고 상황(Fuel Cell Warning Flag)인지 확인하고, 만일 경고 상황이라면 상기 공기극에 대한 공기 공급을 증가시키는 동시에 수소 퍼징주기를 짧게 제어함으로써, 연료전지의 전기에너지 생성이 보다 빠르게 진행되도록 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 파워 스탑 제어 방법 및 장치를 실차에 직접 적용하여, 실제 도심주행 모드로 주행하였는 바, 그 주행결과는 첨부한 도 10에 나타낸 바와 같다.
도 10에 도시된 바와 같이, 연료전지 효율이 낮은 저출력 구간에서 배기가스로부터 미리 분리하여 저장된 질소를 이용하여 연료전지 및 그 보기류 작동을 정지시킴으로써, 연료전지 고효율 영역에서 집중적으로 연료전지를 사용할 수 있으므로, 연비 향상을 이끌어낼 수 있음을 알 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 위한 장치 구성으로서, 연료전지에 질소를 공급하기 전 상태를 나타내는 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 위한 장치 구성으로서, 연료전지에 질소를 공급하는 상태를 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 위한 장치의 일 구성으로서, 질소분리기 구조의 일례를 설명하는 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 설명하는 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 설명하는 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 설명하기 위한 것으로서, 연료전지 파워 스탑 모드를 실행하는 단계를 설명하는 순서도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 설명하기 위한 것으로서, 연료전지 파워 스탑 모드를 실행하는 단계를 설명하는 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 설명하기 위한 것으로서, 연료전지 파워 스탑후 재시동 모드의 실행 단계를 설명하는 순서도,
도 9는 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법을 설명하기 위한 것으로서, 연료전지 파워 스탑후 재시동 모드의 실행 단계를 설명하는 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법 및 장치를 적용하여, 실차 운행한 테스트 결과를 나타내는 그래프,
도 11 및 도 12는 연료전지 구성 및 전기 발생을 위한 반응 원리를 설명하기 위한 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연료전지 110 : 분리판
120 : 전해질층 121 : 연료극
122 : 공기극 140 : 분배구조물
150 : 냉각수 흐름 영역 160 : 연료 흐름 영역
170 : 공기 흐름 영역 200 : 수소공급원
201 : 솔레노이드밸브 203 : 배출라인
204 : 퍼지밸브 207 : 수소재순환 블로워
300 : 공기공급원 302 : 공기블로워
304 : 공기 배기용 배관 401 : 냉각수펌프
403 : 열교환기 405 : 냉각수 차단밸브
500 : 질소분리기 502 : 배기가스 배출통로
504 : 하우징 506 : 기체분리막
600 : 질소탱크 700 : 질소압축기
800 : 질소개폐밸브 802 : 질소공급라인

Claims (6)

  1. 연료전지 하이브리드 차량이 저출력 구간인지 확인하는 동시에 축전수단에 충전된 전기에너지 양을 확인하여, 연료전지의 파워 스탑 여부를 결정하는 단계와;
    저출력 구간이면서 축전수단의 전기에너지 양이 임계치 이상이면, 연료전지의 파워 스탑이 결정되는 단계;
    연료전지의 파워 스탑이 결정되면, 연료전지 공기극측에 질소를 공급하여 질소분위기로 만들어주는 파워 스탑 모드가 실행되는 단계와;
    상기 파워 스탑 모드로의 진입시, 저출력 구간에서의 주행을 위한 파워를 축전수단으로부터 공급받아 차량이 EV모드로 주행하는 단계;
    주행을 위한 파워가 요청되면, 파워 스탑 모드를 종료하고 연료전지 재시동 모드가 실행되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파워 스탑 모드에서 공기극에 질소를 공급하기 위하여, 파워 스탑 모드 이전의 연료전지 작동 및 상기 연료전지 재시동 모드 진입후 작동 상태에서, 연료전지의 연료극으로부터 배출되는 배기가스로부터 질소를 분리하여 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 파워 스탑 모드가 실행되는 단계는:
    연료전지에 수소 및 공기 공급을 차단하는 단계와;
    연료전지의 공기극에 질소를 공급하여 질소분위기로 만들어주는 단계와;
    질소분위기로 인해, 연료전지의 파워가 정지되는 단계;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 질소 공급 이전에, 공기극에 잔류하던 산소에 의한 전류는 상기 공기극에 질소를 공급하는 질소공급수단의 구동에너지로 소모되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 재시동 모드가 실행되는 단계는:
    연료전지 하이브리드 차량의 축전수단에 충전된 전기에너지 양을 재차 확인하는 단계와;
    차량의 요구 파워가 일정치 이상인지를 판단하는 단계와;
    상기 축전수단의 전기에너지 양이 임계치 이하이거나, 차량의 요구 파워가 일정치 이상이면, 연료전지의 연료극과 공기극에 각각 수소와 공기가 다시 공급되어 연료전지의 재시동이 이루어지는 단계;
    차량이 연료전지와 축전수단의 파워를 동시에 사용하는 HEV모드로 주행하는 단계;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료전지 재시동 모드 진입후,
    연료전지의 작동 상태를 체크하는 단계와;
    연료전지 작동 상태가 전기에너지를 기준치 이하로 발생시키는 경고 상황이면, 상기 공기극에 대한 공기 공급을 증가시키는 동시에 수소 퍼징주기를 짧게 설정시키는 단계;
    가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 하이브리드 차량의 파워 스탑 제어 방법.
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