KR100987738B1 - 연료전지시스템 및 이동체 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지시스템은 파괴된 전극촉매를 회복시키거나 연료전지를 워밍업시키는 경우에도, 보조기계를 안정하게 운전할 수 있다. 제어장치는 파괴된 전극촉매의 활성을 회복시키기에 충분한 목표 운전동작점을 도출하여, 출력전력이 일정하게 유지되는 상태로 목표 운전동작점으로의 운전동작점의 시프트를 실현한다. 운전이 저효율 운전동작점으로 전환되는 경우, 연료전지로부터의 출력 전압은 저하되지만, DC/DC 컨버터에 의하여 고압의 보조기계의 허용가능한 입력 전압까지 승압된다.

Description

연료전지시스템 및 이동체{FUEL CELL SYSTEM AND MOBILE OBJECT}
본 발명은 연료전지시스템 및 상기 시스템이 탑재된 이동체에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 타 전원에 비해 기동성이 좋지 않다. 이러한 연료전지의 발전 효율은 온도의 저하 및 파괴된(poisoned) 전극 촉매에 기인하여 감소하고, 소정의 전압/전류가 공급될 수 없어, 때때로 기기를 기동시킬 수 없게 된다.
이러한 사정을 감안하여, 전극들로 공급될 애노드연료(예컨대, 연료가스) 및 캐소드연료(예컨대, 산화가스) 중 하나 이상이 결핍상태로 되고, 상기 전극들의 일부의 과전압이 증가되어 연료전지의 온도를 상승시킴으로써, 파괴된 전극 촉매가 회복되고, 연료전지가 워밍업되는 방법이 제안된다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본특허공보 제2003-504807호
하지만, 상기 방법에 의해 파괴된 전극 촉매가 회복되고, 연료전지가 워밍업되는 경우에는, 이러한 운전 시에 연료전지의 전압이 저하되어, 보조기계가 안정하게 운전될 수 없다는 문제점이 있다.
상술된 사정을 감안하여 본 발명이 개발되었으며, 본 발명의 목적은 파괴된 전극 촉매를 회복시키고, 연료전지를 워밍업시킬 때에도, 보조기계를 안정하게 운전시킬 수 있는 연료전지시스템 등을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지; 전압변환장치; 상기 전압변환장치를 통해 상기 연료전지와 병렬로 연결된 축전장치; 상기 축전장치에 연결된 보조기계; 기설정된 조건이 충족되는 경우, 통상 운전동작점보다 전력 손실이 큰 저효율 운전동작점에서 상기 연료전지를 운전하기 위한 운전제어수단; 및 상기 연료전지의 운전동작점과 상기 보조기계의 구동전압을 토대로, 상기 전압변환장치의 전압변환동작을 제어하기 위한 전압변환제어수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 파괴된 전극 촉매를 회복시키고 연료전지를 워밍업하기 위하여 연료전지가 저효율 운전동작점에서 운전되는 경우에도, 전압변환장치의 전압변환동작이 상기 연료전지의 운전동작점과 보조기계의 구동전압을 토대로 제어된다. 그러므로, 연료전지의 운전동작점에 관계없이 항상 보조기계가 안정하게 운전될 수 있게 된다.
여기서는, 상기 구성에 있어서, 상기 전압변환제어수단은 전압변환장치가 상기 운전동작점에 대응하는 상기 연료전지의 단자전압을, 상기 보조기계의 상기 구동전압 이상까지 상승시키도록 하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 운전제어수단은 상기 연료전지의 워밍업 운전이 필요하거나 또는 상기 연료전지의 촉매 활성을 회복시키는 운전이 필요한 경우, 상기 연료전지를 상기 저효율 운전동작점에서 운전하는 구성이 바람직하다. 나아가, 상기 운전제어수단은 산화가스결핍상태를 생성한 다음, 상기 연료전지를 상기 저효율 운전동작점에서 운전하는 구성이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 이동체는 상기 구성을 구비한 연료전지시스템이 탑재되고, 모터가 동력원으로 사용되는 이동체로서, 상기 모터가 축전장치측에 연결되어 연료전지가 저효율 운전동작점에서 운전되는 경우, 상기 축전장치의 방전전력 또는 컨버터에 의해 승압된 상기 연료전지의 출력전력 중 하나 이상을 이용하여 상기 모터가 구동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 또다른 이동체는 상기 구성을 구비한 연료전지시스템이 탑재되고, 모터가 동력원으로 사용되는 이동체로서, 상기 모터가 축전장치측에 연결되고, 연료전지가 저효율 운전동작점에서 운전되는 경우, 상기 모터의 구동이 정지되거나 또는 상기 모터의 출력이 제한되어 상기 모터를 구동하게 되는 것을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 파괴된 전극 촉매가 회복되거나 연료전지가 워밍업되는 경우에도, 보조기계 등이 안정하게 운전될 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 주요부의 구성을 도시한 도면;
도 2a는 본 실시예에 따른 출력전력과 전력손실 간의 관계를 도시한 도면;
도 2b는 본 실시예에 따른 출력전력과 전력손실 간의 관계를 도시한 도면;
도 3은 본 실시예에 따른 출력전력의 변화를 도시한 도면;
도 4는 본 실시예에 따른 운전동작점의 시프트 처리를 도시한 흐름도;
도 5a는 본 실시예에 따른 출력전력의 변화를 도시한 도면;
도 5b는 본 실시예에 따른 출력전력의 변화를 도시한 도면;
도 6은 본 실시예에 따른 운전 시퀀스를 도시한 도면; 및
도 7은 변형예에 따른 연료전지시스템의 주요부의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 일 실시예를 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
A. 본 실시예
도 1은 본 실시예에 따른 연료전지시스템(100)의 주요부의 구성을 도시한 도면이다. 본 실시예에 있어서, 연료전지시스템은 연료전지하이브리드자동차(FCHV), 전기자동차 및 하이브리드자동차와 같은 차량에 탑재될 것으로 가정되지만, 상기 시스템은 차량뿐만 아니라 각종 이동체(예컨대, 선박, 비행기, 로봇 등)와 정치형 전원에도 적용가능하다.
연료전지(40)는 공급될 반응가스(연료가스와 산화가스)로부터 전력을 발생시키기 위한 수단이고, 고체고분자형, 인산형 또는 용융탄산염형과 같은 여하한의 종류의 연료전지가 사용될 수 있다. 상기 연료전지(40)는 MEA 등을 포함하는 복수의 단셀(unitary cells)이 직렬로 적층된 스택 구조를 가진다. 이러한 연료전지(40)의 출력 전압(이하, FC 전압이라고 함) 및 출력 전류(이하, FC 전류라고 함)는 전압센서(140) 및 전류센서(150)에 의해 각각 검출된다. 수소가스와 같은 연료가스는 연료가스공급원(10)으로부터 연료전지(40)의 연료극(애노드)으로 공급되는 반면, 공기와 같은 산화가스는 산화가스공급원(70)으로부터 산소극(캐소드)으로 공급된다.
상기 연료가스공급원(10)은 예컨대 수소탱크, 각종 밸브 등으로 구성되며, 상기 연료전지(40)로 공급될 연료가스의 양을 제어하도록 밸브개방도, ON/OFF 시간 등이 조정된다.
상기 산화가스공급원(70)은 예컨대 에어컴프레서, 상기 에어컴프레서를 구동시키는 모터, 인버터 등으로 구성되며, 상기 모터의 회전수 등이 상기 연료전지(40)로 공급될 산화가스의 양을 조정하도록 조정된다.
배터리(축전장치)(60)는 충방전가능한 2차전지로서, 예컨대 니켈수소전지 등으로 구성된다. 물론, 배터리(60) 대신에, 2차전지를 제외한 충방전가능한 축전기(예컨대, 캐패시터)가 배치될 수도 있다. 이러한 배터리(60)는 DC/DC 컨버터(130)를 통해 연료전지(40)와 병렬로 연결된다.
인버터(110)는 예컨대 펄스폭변조시스템의 PWM 인버터로서, 연료전지(40) 또는 배터리(60)로부터 출력되는 직류 전력을 제어장치(80)로부터 주어지는 제어지령에 응답하여 3상의 교류 전력으로 변환시켜, 상기 전력을 트랙션모터(115)로 공급하게 된다. 상기 트랙션모터(115)는 차륜(116L, 116R)을 구동시키는 모터(즉, 이동체의 동력원)이고, 이러한 모터의 회전수는 인버터(110)에 의해 제어된다. 이러한 트랙션모터(115) 및 인버터(110)는 연료전지(40)측에 연결된다.
상기 DC/DC 컨버터(전압변환장치)(130)는 예컨대 4개의 파워트랜지스터 및 전용의 구동회로(양자 모두 도시되어 있지 않음)로 구성된 풀브릿지컨버터(full bridge converter)이다. 상기 DC/DC 컨버터(130)는 전압을 연료전지(40)를 향해 출력하도록 배터리(60)로부터 입력되는 DC 전압을 승압 또는 감압시키는 기능과 전압을 배터리(60)를 향해 출력하도록 연료전지(40) 등으로부터 입력되는 DC 전압을 승 압 또는 감압시키는 기능을 가진다. 상기 DC/DC 컨버터(130)의 기능들은 배터리(60)의 충방전을 실현한다.
차량보조기계 및 FC보조기계와 같은 보조기계(120)들은 배터리(60)와 DC/DC 컨버터(130) 사이에 연결된다. 상기 배터리(60)는 이들 보조기계(120)용 전원이다. 차량보조기계는 차량 등의 운전 시에 사용하기 위한 각종 전력기기(조명기기, 공조기기, 유압펌프 등)이고, FC보조기계는 연료전지(40)의 운전 시에 사용하기 위한 각종 전력기기(연료가스와 산화가스를 공급하기 위한 펌프 등)라는 점에 유의한다.
상기 제어장치(80)는 CPU, ROM, RAM 등으로 구성되고, 시스템의 각 부들은 연료전지(40)의 온도를 검출하는 온도센서(50), 배터리(20)의 충전 상태를 검출하는 SOC 센서, 액셀러레이터페달의 개방 정도를 검출하는 액셀러레이터페달센서 등으로부터 입력되는 센서 신호들을 토대로 중앙에서 제어된다.
더욱이, 상기 제어장치(80)는 하기 방법에 의하여 연료전지(40)의 전극 촉매가 파괴되었는 지의 여부를 검출한다. 촉매가 파괴된 것으로 검출된 경우, 제어장치는 파괴된 전극 촉매의 특성을 회복시키기 위하여 연료전지(40)의 운전동작점을 전환시키는 처리를 수행한다(후술함).
메모리(160)는 예컨대 연료전지(40)의 초기상태(예컨대, 제조된 전지의 선적 시)의 전지 특성을 나타내는 초기전지특성데이터 등이 저장된 재기록가능한 비휘발성 메모리이다. 상기 초기전지특성데이터는 초기 상태에서 연료전지(40)의 전압 및 전류밀도 간의 관계를 도시한 2차원 맵으로, 전류밀도가 증가함에 따라 전압이 저하된다.
공지된 바와 같이, 연료전지(40)의 전극 촉매가 파괴되면, 전지특성이 저하된다. 동일한 전압에 의하면, 파괴 이후의 전류밀도는 파괴 전의 전류밀도(초기전지특성데이터에 의해 표시된 전류밀도)에 비해 감소한다. 본 실시예에서는, 전압센서(140)와 전류센서(150)에 의하여 검출되는 FC 전압과 FC 전류가 상술된 특성을 이용하여 초기전지특성데이터와 비교되어, 전극 촉매가 파괴되었는 지의 여부를 검출하게 된다. 보다 구체적으로, 전압센서(140)와 전류센서(150)가 FC 전압과 FC 전류를 검출하는 경우, 제어장치(검출수단)(80)는 검출 결과를 초기전지특성데이터의 동일한 전압에서 전류밀도와 비교한다. 이러한 비교 결과로서, 하기 공식 (1), (2)가 성립되면, 전극 촉매가 파괴된 것으로 판정된다. 다른 한편으로, 하기 공식 (1), (2)가 성립되지 않으면, 전극 촉매가 파괴되지 않은 것으로 판정된다.
Vfc = Vs ... (1), 및
Ifc < Is + α ... (2)
여기서, Vfc ; FC 전압,
Vs ; 초기전지특성데이터의 전압,
Ifc ; FC 전류,
Is ; 초기전지특성데이터의 전류밀도, 및
α ; 소정값.
상기 설명에서는, 전극 촉매가 파괴되었는 지의 여부를 초기전지특성데이터를 이용하여 검출하였지만, 전극 촉매가 파괴되었는 지의 여부는 당연히 다른 방법에 의해 검출될 수도 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 전극 촉매가 일산화탄소에 의해 파괴되면, 공지된 CO농도센서가 제공되고, CO 농도와 측정된 전압값 간의 관계가 사전에 미리 검사 및 매핑되어, 검출된 CO농도 등을 토대로 전극 촉매가 파괴되었는 지의 여부를 검출하게 된다. 이하, 연료전지(40)의 운전동작점을 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 연료전지가 상이한 운전동작점에서 운전될 때 전력 손실과 출력 전력 간의 관계를 도시한 도면이다. 가로축은 FC 전류를 가리키고, 세로축은 FC 전압을 가리킨다. 더욱이, 도 2a 및 도 2b에 도시된 개방회로전압(OCV)은 여하한의 전류가 연료전지를 통해 순환되지 않는 상태의 전압이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 전류 및 전압 특성(이하, IV 특성이라고 함)을 획득할 수 있는 연료전지(40)는 통상적으로 전력 손실이 출력 전력에 대해 적은 운전동작점(Ifc1, Vfc1)에서 운전된다(도 2a 참조). 하지만, 연료전지(40)의 전극 촉매가 파괴되면, 연료전지(40)의 내부 온도가 전극 촉매의 활성을 회복시키기 위해 상승되어야 한다. 그러므로, 본 실시예에서는, 연료전지의 운전이 필요한 출력 전력을 확보하면서 전력 손실이 큰 운전동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트되어, 파괴된 전극 촉매의 활성을 회복시키게 된다(도 2b 참조). 여기서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 운전동작점에서의 출력 전력(Pfc), 전력 손실(Ploss), 출력 전압(Pfc)들 간의 관계 및 전력 손실(Ploss)들 간의 관계는 다음과 같다.
<운전동작점(Ifc, Vfc1)에 관하여>
Ifc1*Vfc1 = Pfc1 ... (3)
Ifc1*OCV-Pfc1 = Ploss1 ... (4)
<운전동작점(Ifc2, Vfc2)에 관하여>
Ifc2*Vfc2 = Pfc2 ... (5)
Ifc2*OCV-Pfc2 = Ploss2 ... (6)
<출력 전력들 간의 관계와 전력 손실들 간의 관계>
Pfc1 = Pfc2 ... (7)
Ploss1 < Ploss2 ... (8)
도 3은 운전동작점이 시프트되면서 연료전지가 운전될 때의 출력 전력의 변화를 도시한 도면이다. 가로축은 FC 전류를 가리키고, 세로축은 FC 전압 및 출력 전력을 가리킨다. 도 3에는, 편의상 연료전지의 IV 특성이 직선(이하, IV선)으로 도시되어 있다는 점에 유의한다. IV선 상의 운전동작점(Ifc1, Vfc1), (Ifc2, Vfc2)은 도 2a 및 도 2b에 도시된 운전동작점(Ifc1, Vfc1), (Ifc2, Vfc2)에 대응한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지(40)의 출력 전력 Pfc에 관해서는, FC 전압 Vfc가 감소함에 따라, 출력 전력 Pfc는 최대 출력 전력 Pfcmax가 얻어지는 최대 출력 운전동작점(Ifcmax, Vfcmax)의 좌측에 도시된 IV선 상의 운전동작점에서 증가한다. 다른 한편으로, 최대 출력 운전동작점의 우측에 도시된 IV선 상의 운전동작점에서는, FC 전압 Vfc가 감소함에 따라 출력 전력 Pfc가 감소한다.
상술된 바와 같이, FC 전압 Vfc가 감소함에 따라, 전력 손실 Ploss가 증가한다. 그러므로, 연료전지(40)가 동일한 전력을 출력하도록 운전되는 경우에도, 연료전지가 최대 출력 운전동작점의 좌측에 도시된 IV선 상의 운전동작점(예컨대, 운전동작점(Ifc2, Vfc2))에서 운전되는 경우에 비해, 연료전지가 최대 출력 운전동작점 의 우측에 도시된 IV선 상의 운전동작점(예컨대, 운전동작점(Ifc1, Vfc1))에서 운전되는 경우에 전력 손실 Ploss가 크다. 그러므로, 하기 설명에서는, 출력 전력 Pfc가 FC 전압 Vfc의 감소에 따라 증가하는 IV선 상의 운전동작점이 통상 운전동작점으로 정의되고, 출력 전력 Pfc가 FC 전압 Vfc의 감소에 따라 감소하는 IV선 상의 운전동작점이 저효율 운전동작점으로 정의된다. 통상 운전동작점과 저효율 운전동작점은 다음과 같다는 점에 유의한다.
<통상 운전동작점(Ifc, Vfc)에 관하여>
Ifc ≤ Ifcmax ... (9)
Vfcmax ≤ Vfc ... (10)
<저효율 운전동작점(Ifc, Vfc)에 관하여>
Ifcmax < Ifc ... (11)
Vfc < Vfcmax ... (12)
다음으로, 제어장치(80)에 의해 실행될 운전동작점의 시프트 처리를 도 4 등을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 운전동작점의 시프트 처리를 도시한 흐름도이고, 도 5a 및 도 5b는 운전동작점이 시프트될 때의 출력 전력의 변화를 도시한 도면이다. 하기 설명에서는, 파괴된 전극 촉매의 활성을 회복시키기 위하여, 연료전지(40)의 운전동작점이 통상 운전동작점(Ifc1, Vfc1)에서 저효율 운전동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시프트된다고 가정된다는 점에 유의한다(도 5a 및 도 5b 참조).
상기 제어장치(판정수단)(80)는 우선 촉매 활성을 회복시키기 위한 동작이 필요한 지의 여부를 판정한다(단계 S1). 구체적으로는, 전극 촉매가 파괴되었는 지의 여부를 검출하도록 전압센서(140)와 전류센서(150)에 의해 검출된 FC 전압과 FC 전류가 초기전지특성데이터와 비교된다. 전극 촉매가 파괴되지 않았으면, 촉매 활성을 회복시키기 위한 동작이 필요하지 않다고 판정한다. 다른 한편으로, 전극 촉매가 파괴되면, 촉매 활성을 회복시키기 위한 동작이 필요한 것으로 판정한다.
전극 촉매가 파괴되지 않으면, 제어장치(운전제어수단)(80)는 시스템 요구에 응답하여 전력을 출력하도록 상기 통상 운전동작점에서의 운전을 계속한다. 다른 한편으로, 전극 촉매가 파괴되면, 제어장치(80)는 우선 현재 시점에서의 운전동작점(여기서는, 통상 운전동작점(Ifc1, Vfc1))을 확인한다(단계 S2).
후속해서, 제어장치(80)는 파괴된 전극 촉매의 활성을 회복시키기 위하여 연료전지(40)의 적절한 운전동작점(목표 운전동작점)을 도출한다(단계 S3). 일례를 설명하기로 한다. 예를 들어, 연료전지가 통상 운전동작점(Ifc1, Vfc1)에서 운전되어 출력 전력 Pfc1을 얻게 되면, 상기 출력 전력과 동일한 출력 전력 Pfc2(=Pfc1)를 획득할 수 있는 저효율 운전동작점(Ifc2, Vfc2)이 목표 운전동작점으로 도출된다.
예를 들어, 연료전지(40)의 전력 손실(즉, 온도를 높이는 데 필요한 열량)이 Ploss2이고, 요구된 출력 전력이 Pfc2이면, 목표 운전동작점은 하기 수학식 (13), (14)에 의해 도출된다.
<목표 운전동작점(Ifc, Vfc)에 관하여>
Ifc = (Ploss2+Pfc2)/OCV ... (13)
Vfc = Pfc2*OCV/(Ploss2+Pfc2) ... (14)
보다 구체적으로는, 연료전지(40)가 300개의 전지들이 적층된 스택 구조를 가지는 경우, 300개의 셀 스택의 OCV는 360 V이고, 요구되는 출력 전력은 1 kW이며, 필요한 열량은 20 kW이고, 목표 운전동작점은 하기 수학식 (15), (16)에 의해 도출된다.
Ifc = (20+1)/360 = 58.3 A ... (15)
Vfc = 1*360/(20+1) = 17 V ... (16)
파괴된 전극 촉매에서는, 연료전지(40)의 셀 전압이 0.6 V 이하로 제어되어, 촉매 활성을 회복시키도록 촉매환원반응이 일어나게 된다는 점에 유의한다. 그러므로, 이러한 조건들을 충족시키는 운전동작점은 목표 운전동작점으로 도출될 수도 있다(상세히 후술함).
제어장치(운전제어수단)(80)가 목표 운전동작점을 도출하면, 트랙션모터(115) 및 인버터(110)가 정지된 다음, 운전동작점의 시프팅이 개시된다(단계 S4 → 단계 S4'). 따라서, 트랙션모터(115) 및 인버터(110)를 정지시키기 위해서는, 운전이 저효율 운전동작점으로 전환되어, 상기 연료전지(40)의 출력 전압이 인버터(110) 등의 허용가능한 입력전압범위 아래로 저하되게 된다. 하지만, 배터리(60)에 연결된 고전압의 보조기계의 구동은 정지되지 않는다. 이는 연료전지(40)의 단자 전압이 저하되더라도, 상기 연료전지(40)의 출력 전압은 DC/DC 컨버터(130)에 의해 고압의 보조기계의 허용가능한 입력 전압으로 증가되어, 상기 구동이 계속될 수 있기 때문이다. 상기 고압의 보조기계는 연료전지(40)가 통상 운전동작점에서 운전될 때 얻어지는 출력 전압이 연결된 인버터의 정격 성능을 만족시킬 수 있는 보조기계임을 유의한다. 그러므로, 연료전지(40)가 저효율 운전동작점에서 운전되면, 제어장치(전압변환제어수단)는 상술된 구동을 계속하도록 DC/DC 컨버터(130)가 연료전지(40)의 단자 전압을 적어도 고전압의 보조기계의 허용가능한 입력 전압(구동전압)으로 상승시키도록 한다. 물론, 상기 구성은 단지 일례일 뿐, 상기 구동은 트랙션모터(15) 등의 출력(상한 전력)들이 트랙션모터(115)와 인버터(110)를 정지시키지 않으면서도 제한되는 상태로 수행될 수도 있다.
여기서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 운전동작점을 통상 운전동작점(Ifc1, Vfc1)에서 저효율 운전동작점(Ifc2, Vfc2)으로 시트프하도록 FC 전압만이 제어되는 경우, 연료전지(40)의 출력 전력은 IV선 l1의 운전동작점의 시프트에 응답하여 크게 변동한다(전력선 pl1 참조). 보다 구체적으로는, 시프트 공정 시, 운전동작점을 시프트하도록 DC/DC 컨버터(130)를 이용하여 FC 전압만이 제어되는 경우, 통상 사용 환경에서 수행되지 못할 수도 있는 고출력의 운전(최대 출력 운전동작점에서의 운전)을 수행할 필요가 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 실시예에서는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 운전동작점의 통상 운전동작점(Ifc1, Vfc1)에서 저효율 운전동작점(Ifc2, Vfc2)으로의 시프트를 실현하도록 FC 전류가 FC 전압과 함께 제어되어, 출력 전력이 일정하게 유지되도록 한다(전력선 pl2 참조). 구체적으로, FC 전압은 DC/DC 컨버터(전압변환장치)(130)를 이용하여 제어되고, 제어장치(조정수단)(80)는 산화가스공급원(70)으로부터 공급될 산화가스의 양을 조정하여(여기서는, 산화가스량을 감소시킴), FC 전류를 제어하게 된다. 이러한 제어가 수행되면, 연료전지(40)의 IV 특성이 IV선 l1에서 IV선 l2로 시프트되고, 상기 연료전지(40)의 출력 전력이 운전동작점의 시프트에 관계없이 일정하게 유지된다.
이하, 도 6을 참조하여 특정 운전 시퀀스를 설명하기로 한다. 우선, 제어장치(80)는 DC/DC 컨버터(130)로 하여금 연료전지측의 전압을 상기 연료전지(40)의 이론기전력 부근까지, 다시 말해 OCV 이상으로 상승시키도록 한다(단계 Sa1). 상기 제어장치(80)는 연료전지(40)를 본 시스템과 전기적으로 비접속 또는 접속시키는 릴레이(도시안됨)에 연료전지(40)를 연결시킨 다음, 연료가스의 공급을 개시한다(단계 Sa2). 하지만, 이 때 산화가스의 공급은 개시되지 않는다. 이러한 운전 시, OCV는 산화가스의 잔량에 따라 발생된다. 제어장치(운전제어수단)(80)가 DC/DC 컨버터(130)로 하여금 FC 전압을 목표운전전압(Vfc2)으로 낮추도록 하고, 캐소드측의 연료전지(40)가 산화가스결핍상태가 되도록 하는 경우, 상기 산화가스의 공급은 FC 전압이 목표운전전압(Vfc2)으로 유지되는 상태로 개시된다(단계 Sa3 → 단계 Sa4). 상기 제어장치(80)는 1.0의 공기이론비 정도의 유량으로 산화가스의 유량을 제어하여, FC 전류가 목표운전전류(Ifc2)와 일치되도록 한다(단계 Sa5). 상술된 운전이 수행되어, 연료전지(40)의 운전동작점이 운전동작점의 시프트에 관계없이 일정하게 유지되게 된다.
이러한 방식으로 운전동작점이 시프트되면, 제어장치(80)는 운전동작점이 시프트되었기 때문에 목표설정시간이 경과되었는 지의 여부를 타이머(도시안됨) 등을 참조하여 판정한다(단계 S5). 여기서, 목표설정시간은 전극 촉매의 활성을 회복시 키기 위해 적절한 시간(예컨대, 10초)이고, 상기 운전은 저효율 운전동작점에서 개시되었기 때문에 시간이 경과되었다. 상기 시간은 실험 등에 의하여 사전에 미리 획득될 수 있다. 목표설정시간이 경과되지 않은 것으로 판정 시(단계 S5; NO), 제어장치(80)는 반복해서 단계 S5를 실행한다. 다른 한편으로, 목표일정시간이 경과된 것으로 판정 시(단계 S5; YES), 제어장치(80)는 시프트된 운전동작점을 시프트 전의 운전동작점으로 복귀시켜(단계 S6), 처리를 종료시키게 된다.
상술된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지시스템에 따르면, 파괴된 전극 촉매가 회복되는 경우에도, 고전압으로 구동되는 고전압의 보조기계가 안정하게 운전될 수 있게 된다.
상술된 바와 같이, 파괴된 전극 촉매에 관해서는, 연료전지(40)의 셀전압이 촉매 활성을 회복하기 위하여 0.6 V 이하로 제어되어, 운전동작점이 다음과 같이 도출될 수도 있다는 점에 유의한다.
예를 들어, 연료전지(40)가 300개의 셀이 적층되어 요구 출력 전력이 1 kW인 스택 구조를 가지는 경우, 셀전압이 0.5 V(<0.6 V)로 설정된다면, 목표운전동작점은 다음과 같다.
<목표운전동작점(Ifc, Vfc)에 관하여>
Vfc = 300*0.5 = 150 V ... (17)
Ifc = 1000/150 = 6.7 A ... (18)
여기서는, 획득한 목표운전동작점이 시프트 전의 IV선 상에 존재하지 않는 경우에도, FC 전류가 FC 전압과 함께 제어되어 IV 특성을 변화시킴으로써, 획득한 목표운전동작점이 IV선 상에 위치될 수 있게 된다.
B. 변형예
(1) 상기 실시예에 있어서, 산화가스공급원(70)으로부터 공급될 산화가스량은 FC 전류를 제어하도록 조정된다. 하지만, 연료가스공급원(10)으로부터 공급될 연료가스량은 FC 전류를 제어하도록 조정될 수도 있다.
(2) 상기 실시예에 있어서, 전극 촉매가 파괴된 것으로 검출되는 경우, 연료전지(40)의 운전동작점은 통상 운전동작점에서 저효율 운전동작점으로 시프트되지만, 상기 운전동작점은 하기 시기에서 시프트될 수도 있다.
예를 들어, 연료전지는 시스템의 기동 시 저효율 운전동작점에서 한 번 운전될 수도 있고, 그 후에 상기 운전동작점이 통상 운전동작점으로 시프트되어, 촉매 활성이 일정하게 상승되는 상태로 시스템 운전을 수행하게 된다. 요구 출력 전력이 소정값 이하(예컨대, 공회전 출력 등)이면, 운전동작점이 통상 운전동작점에서 저효율 운전동작점으로 시프트될 수도 있다. 나아가, 시스템이 정지한 후, 다음 기동을 위한 준비 운전 시 저하된 촉매 활성을 회복시키기 위하여 저효율 운전동작점에서 운전이 수행될 수도 있다.
(3) 상기 실시예에 있어서, 파괴된 전극 촉매의 활성을 회복시키기 위하여 연료전지(40)의 운전동작점이 통상 운전동작점에서 저효율 운전동작점으로 시프트되는 것으로 구성되지만, 본 발명은 워밍업 운전을 요구하는 여하한의 경우, 예컨대 워밍업 운전이 저온에서의 기동 시에 수행되는 경우, 워밍업 운전이 시스템 운전을 정지하기 전에 신속하게 수행되는 경우 등에도 적용가능하다.
일례를 설명하기로 한다. 운전 스위치 등으로부터 시스템의 기동 지령을 수신할 때, 제어장치(80)는 온도센서(50) 등을 사용하여 연료전지(40)의 내측 온도를 검출한다. 상기 제어장치(판정수단)(80)는 연료전지(40)의 내측 온도가 미리 설정된 임계 온도보다 낮은 경우에 워밍업 운전이 필요한 것으로 판정하고, 도 4에 도시된 운전동작점의 시프트 처리가 실행된다. 후속 운전은 본 실시예의 것과 유사하므로, 그 설명은 생략하기로 한다. 온도센서(50) 대신에, 외부공기 온도를 검출하기 위한 온도센서, 냉각기구(도시안됨)를 통해 유동하는 냉매의 온도를 검출하기 위한 온도센서 등이 사용될 수도 있다는 점에 유의한다.
(4) 상기 실시예에 있어서는, 연료전지의 출력단이 트랙션모터용 인버터(110)에 연결된 구성이 일례로 기술되어 있다. 하지만, 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리(60)는 트랙션모터(115) 및 인버터(110)에 연결될 수도 있다. 도 7에 도시된 연료전지시스템(100')에서는, 도 1에 도시된 연료전지시스템(100)의 것에 대응하는 구성요소들이 동일한 도면 부호들로 표시되며, 그 상세한 설명은 생략된다는 점에 유의한다. 이러한 구성에 따르면, 운전이 저효율 운전동작점으로 전환되는 경우에도, 트랙션모터(115) 및 인버터(110)가 배터리(60)의 방전 전력으로 구동될 수 있다. 다시 말해, 트랙션모터(115) 및 인버터(110)를 통상 운전동작점에서 저효율 운전동작점으로 운전이 전환될 때에 정지시키거나 또는 상기 트랙션모터 및 인버터를 제한된 출력으로 구동시킬 필요가 없게 되어(단계 S4), 시스템 효율이 증가될 수 있게 된다. 물론, 트랙션모터(115) 등은 배터리(60)의 방전 전력으로 구동될 수도 있지만, 배터리(60)의 방전 전력 및 DC/DC 컨버터(130)에 의해 승압된 전 압을 갖는 연료전지(40)의 출력 전압으로 트랙션모터(115) 등이 구동될 수도 있다. 나아가, DC/DC 컨버터(130)에 의해 승압된 전압을 갖는 연료전지(40)의 출력 전압만으로 트랙션모터(115) 등이 구동될 수도 있다.
더욱이, 본 실시예에서는, 연료전지(40) 및 배터리(60)를 포함하는 하이브리드전원시스템이 일례로 기술되었지만, 본 발명은 연료전지(40)만을 포함하는 전원시스템에도 적용가능하다.

Claims (6)

  1. 연료전지시스템에 있어서,
    연료전지;
    전압변환장치;
    상기 전압변환장치를 통해 상기 연료전지와 병렬로 연결된 축전장치;
    상기 축전장치에 연결된 보조기계;
    기설정된 조건이 충족되는 경우, 통상 운전동작점보다 전력 손실이 큰 저효율 운전동작점에서 상기 연료전지를 운전하기 위한 운전제어수단; 및
    상기 연료전지의 운전동작점과 상기 보조기계의 구동전압을 토대로, 상기 전압변환장치의 전압변환동작을 제어하기 위한 전압변환제어수단을 포함하되,
    상기 운전제어수단은 출력전력이 일정하게 유지되는 상태로 상기 운전동작점을 시프트하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압변환제어수단은, 상기 전압변환장치가 상기 운전동작점에 대응하는 상기 연료전지의 단자전압을, 상기 보조기계의 상기 구동전압 이상까지 상승시키도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 운전제어수단은, 상기 연료전지의 워밍업 운전이 필요하거나 또는 상기 연료전지의 촉매 활성을 회복시키는 운전이 필요한 경우, 상기 연료전지를 상기 저효율 운전동작점에서 운전하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 운전제어수단은 산화가스결핍상태를 생성한 다음, 상기 연료전지를 상기 저효율 운전동작점에서 운전하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 연료전지시스템이 탑재되고, 모터가 동력원으로 사용되는 이동체에 있어서,
    상기 모터가 축전장치측에 연결되고, 연료전지가 저효율 운전동작점에서 운전되는 경우, 상기 축전장치의 방전전력 또는 컨버터에 의해 승압된 상기 연료전지의 출력전력 중 하나 이상을 이용하여 상기 모터가 구동되는 것을 특징으로 하는 이동체.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 연료전지시스템이 탑재되고, 모터가 동력원으로 사용되는 이동체에 있어서,
    상기 모터가 축전장치측에 연결되고, 연료전지가 저효율 운전동작점에서 운전되는 경우, 상기 모터의 구동이 정지되거나 또는 상기 모터의 출력이 제한되어 상기 모터를 구동하게 되는 것을 특징으로 하는 이동체.
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