KR100987739B1 - 연료 전지 시스템 및 이동체 - Google Patents

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Abstract

전압 컨버터가 이상하게 되는 경우에도, 연료 전지를 안정되게 작동할 수 있고 시스템의 주행을 지속시킬 수 있는 연료 전지 시스템, 및 이동체가 제공된다. 연료 전지 시스템(1)에서, 축전 장치(3)는 전압 컨버터(4)를 통하여 연료 전지(2)와 병렬로 트랙션 모터(8)에 연결된다. 연료 전지 시스템(1)은 전압 컨버터(4)가 아닌 연료 전지(2)의 측면에 연결되는 보조 장비, 및 전압 컨버터(4) 및 보조 장비를 제어하기 위한 제어 장치(13)를 포함한다. 전압 컨버터(4)가 이상한 경우 제어 장치(13)는 보조 장비의 작동점을 변경시킨다. 전압 컨버터(4)의 이상시, 예를 들어, 연료 전지 보조 장비의 효율이 정상시보다 더 낮아질 수 있도록 설정이 만들어진다. 이러한 설정에 의해, 예를 들어, 공기 압축기(5)의 모터 속도가 증가하여, 높은 공기 화학량론비의 상태로 작동이 실행된다. 더욱이, 이러한 설정에 의해, 소 펌프(26)의 모터 속도도 증가된다. 상기 설정에 의하여, 산화 가스 및 수소 가스가 연료 전지(2)에 충분히 공급되어, 연료 전지(2)에 의해 발생되는 전력으로 연료 전지 보조 장비는 구동될 수 있다. 연료 전지 시스템(1)이 여유있게 작동할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 이동체{FUEL CELL SYSTEM AND MOBILE BODY}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 이동체에 관한 것으로, 특히 축전 장치 및 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
종래, 일본 특허 출원 공개 No. 2002-118981 및 No. 2004-222376에 묘사된 바와 같이, 전압 컨버터로서 기능하는 DC-DC 컨버터를 매개로 하여 배터리가 연료 전지에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템이 공지되어 있다.
일본 특허 출원 공개 No. 2002-118981에 따르면, 연료 전지 시스템은 차량에 탑재된다. 그 다음에, 연료 전지 보조 장비가 DC-DC 컨버터와 배터리 사이에 연결된다. 이러한 배치로 인해, DC-DC 컨버터에 이상이 발생하는 경우, 배터리로부터 받은 전력에 의해 연료 전지 보조 장비가 계속하여 구동되고, 연료 전지의 중단 없는 작동이 보장된다.
그러나, DC-DC 컨버터에 이상 발생시에, 연료 전지 보조 장비로의 전력의 공급은 배터리에 의존한다. 그러므로, 배터리에 저장된 전기가 줄어드는 경우에 있어서는, 연료 전지 보조 장비를 구동하는 것이 어려워지고, 연료 전지를 작동하는 것이 곤란해진다.
또한, 일본 특허 출원 공개 No. 2002-118981에 있어서는, DC-DC 컨버터가 이상에 의해 정지되는 경우, 트랙션 모터 등의 림프-홈(limp-home) 모드에 관한 설명이 없다. 그러므로, 전력 공급 부족 또는 과잉 발전이 발생할 수가 있다.
본 발명의 목적은 전압 컨버터에 이상이 발생된 경우에도, 연료 전지를 안정적으로 작동하고, 그러므로 시스템의 중단 없는 작동을 가능하게 하는 연료 전지 시스템 및 이동체를 제공하는 것이다.
상술된 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지; 부하(load)에 대하여 전압 컨버터를 통하여 연료 전지에 병렬로 연결되는 축전 장치; 전압 컨버터보다 연료 전지에 더 가깝게 연결되는 보조 장비; 및 전압 컨버터 및 보조 장비를 제어하는 제어 장치를 포함한다. 전압 컨버터에 이상 발생시에, 제어 장치는 보조 장비의 작동점을 변경한다.
이러한 구성에 따르면, 전압 컨버터에 이상이 발생하는 경우, 연료 전지로부터의 전력 공급에 의해 보조 장비가 구동될 수 있다. 또한, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 보조 장비의 작동점이 변경된다. 그러므로, 예를 들어, 보조 장비가 연료 전지의 작동에 관련되는 경우에는, 연료 전지의 안정적인 작동을 제공하기 위해 작동점이 변경되어, 시스템의 작동이 계속된다. 또한, 예를 들어, 보조 장비가 연료 전지의 작동에 관련되지 않는 경우에도, 연료 전지의 안정적인 작동의 실행을 위해 작동점이 변경될 수도 있어, 시스템의 작동이 계속될 수 있다.
바람직하게는, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 제어 장치는 전압 컨버터가 정지된 후에 보조 장비의 작동점을 변경한다.
이러한 구성으로 인해, 전압 컨버터가 정지가 되기 때문에, 고-전압 부품의 손상이 회피될 수 있다.
바람직하게는, 보조 장비는 연료 전지의 작동과 관련되는 보조 장비이고, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 보조 장비에 의해 소비되는 전력이 정상적으로 소비되는 것보다 더 커지도록, 제어 장치는 작동점을 변경한다.
이러한 구성으로 인해, 보조 장비는 평상시보다 더 충분한 여유를 가지고 구동될 수 있고, 연료 전지는 안정적으로 작동될 수 있다.
보조 장비는 연료 전지에 산화 가스를 압력하에서 공급하는 압축기, 연료 전지에 연료 가스를 순환시키는 펌프, 및 연료 전지에 냉각제를 공급하는 냉각 펌프 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
더 바람직하게는, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 제어 장치는 압축기, 펌프 및 냉각 펌프 중 적어도 어느 하나의 회전수를 증가시킨다.
바람직하게는, 보조 장비는 연료 전지로부터 연료 오프-가스(off-gas)를 배출하는 퍼징(purging) 밸브 또는 연료 전지를 냉각하기 위해 냉각제 유로 사이를 스위칭하는 유로 스위칭 밸브 중 적어도 하나를 포함한다.
더 바람직하게는, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 제어 장치는 퍼징 밸브의 ON/OFF 횟수 또는 유로 스위칭 밸브의 스위칭 횟수 중 적어도 하나를 증가시킨다.
바람직하게는, 보조 장비는 고-전압에서 사용하기 위한 보조 장비이다.
바람직하게는, 본 발명의 연료 전지 시스템은 제2 전압 컨버터를 매개로 하여 전압 컨버터에 축전 장치와 병렬로 연결되는 제2 축전 장치; 및 제2 전압 컨버터보다 제2 축전 장치에 더 가깝게 연결되는 제2 보조 장비를 포함한다. 또한, 제2 축전 장치, 제2 전압 컨버터 및 제2 보조 장비는 축전 장치, 전압 컨버터 및 보조 장비보다 더 낮은 전압에서 사용되는 것이다.
상술된 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 연료 전지 시스템은 전력을 받음으로써 구동되는 동력 발생 장치; 동력 발생 장치에 전력을 공급하는 연료 전지; 동력 발생 장치에 대해 연료 전지와 병렬로 연결되는 축전 장치; 및 연료 전지와 동력 발생 장치 사이 또는 축전 장치와 동력 발생 장치 사이에 배치되는 전압 컨버터를 포함한다. 이 연료 전지 시스템은 전압 컨버터 및 동력 발생 장치를 제어하기 위한 제어 장치를 포함하되, 상기 제어 장치는 전압 컨버터에 이상 발생시에 동력 발생 장치의 출력을 제한한다.
이러한 구성을 따르면, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 연료 전지 또는 축전 장치에 의해 공급되는 전력에 의해 동력 발생 장치가 여전히 구동될 수 있다. 또한, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 동력 발생 장치의 출력이 제한된다. 그러므로, 전력의 공급 부족 또는 과잉 발전이 회피될 수 있고, 연료 전지의 안정적인 작동의 실행을 통하여 시스템의 작동이 계속될 수 있다. 예를 들어, 이 연료 전지 시스템이 이동체에 탑재되는 경우에는, 전압 컨버터에 이상 발생시에 이동체의 이동은 정지될 필요가 없다.
바람직하게는, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 제어 장치는 동력 발생 장치의 출력의 상한값을 조정한다.
상술된 바와 같이, 연료 전지에 의해 발생되는 전력량에 관하여 동력 발생 장치의 상한 출력이 설정되기 때문에, 시스템은 충분한 여유를 가지고 작동될 수 있다.
더 바람직하게는, 제어 장치는 동력 발생 장치의 출력의 상한값을 설정하되, 그것은 동력 발생 장치의 정격 부하 전력보다 더 작은 값이다.
바람직하게는, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 제어 장치는 동력 발생 장치의 출력의 하한값을 조정한다.
예를 들면, 동력 발생 장치가 트랙션 모터인 경우를 가정한다. 전압 컨버터에 이상 발생시에, 트랙션 모터의 회생에 의해 더 많은 전력이 발생되는 경우, 발생된 전력은 축전 장치에 축전되지 않고, 갈 곳을 잃는다. 이러한 상황을 참작하여, 전압 컨버터에 이상 발생시에 트랙션 모터의 하한 출력이 설정되어, 잉여 전력 상태가 방지될 수 있다.
더 바람직하게는, 제어 장치는 동력 발생 장치에 의해 발생되는 정격 전력보다 더 큰, 동력 발생 장치의 출력의 하한값을 설정한다.
바람직하게는, 연료 전지 시스템은 전압 컨버터보다 연료 전지에 더 가깝게 연결되는 보조 장비를 포함한다.
바람직하게는, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 제어 장치는 보조 장비의 작동점을 변경한다.
본 발명의 이동체는 상술된 본 발명의 연료 전지 시스템을 포함한다. 이 이동체는, 예컨대, 2륜 또는 4륜 자동 추진 차량과 같은 자동차 또는 열차, 항공기, 선박 또는 로봇이다.
바람직하게는, 전압 컨버터에 이상 발생시에, 제어 장치는 이동체가 림프 홈 모드에서 주행하는 것을 허용한다.
도 1은 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템의 구성을 도해하는 개략적인 다이어그램이며; 및
도 2는 전압 컨버터에 정상 상황 및 이상 상황에 있어서 연료 전지 시스템에 의해 실행되는 제어 처리를 도해하는 풀로우차트이다.
본 발명의 바람직한 형태에 따른 연료 전지 시스템이 첨부한 도면을 참조하여 지금 설명될 것이다. 여기에서는, 연료 전지 시스템이 자동 추진식의 이동체의 하나로서 차량에 탑재되는 일례를 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 차량(100)은 휠(101L 및 101R)에 결합되는 트랙션 모터(8)(동력 발생 장치)를 구동력원으로서 사용하여 주행한다. 트랙션 모터(8)의 전원은 연료 전지 시스템(1)이다. 연료 전지 시스템(1)에 의해 출력되는 직류는 인버터(7)에 의해 3-상 교류 전류로 변환되고, 상기 3-상 교류 전류는 트랙션 모터(8)에 공급된다. 또한, 차량(100)을 제동하기 위해, 트랙션 모터(8)는 휠(101L 및 101R)에 의해 구동되고, 3-상 교류 발전을 실행하는 발전기로서 기능한다. 3-상 교류 전류는 인버터(7)에 의해 직류로 변환되고, 그 직류는 축전 장치(3)에 축전된다.
연료 전지 시스템(1)은 연료 전지(2), 축전 장치(3), 고-전압 DC/DC 컨버 터(4) 및 제어 장치(13)를 포함한다. 고-전압 DC/DC 컨버터(4)는 축전 장치(3)와 인버터(7) 사이에 배치된다. 축전 장치(3)는 고-전압 DC/DC 컨버터(4)를 매개로 하여 트랙션 모터(8)에 연료 전지(2)와 병렬로 연결된다. 고-전압 DC/DC 컨버터(4)가 축전 장치(3)와 트랙션 모터(8) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 구성 대신에, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)가 연료 전지(2)와 트랙션 모터(8) 사이에 배치될 수도 있음을 유의한다.
연료 전지(2)는 다수의 전지가 라미네이팅(laminating)되는 것을 특징으로 하는 스택 구조를 갖는다. 연료 전지(2)로서, 인산 형 및 고체 산화물 형과 같은 다양한 종류가 있고, 고분자 전해질 형이 이 모드의 연료 전지(2)로서 채택된다.
산화 가스가 공기 압축기(5)에 의해 연료 전지(2)의 공기 전극(캐소드(cathode))에 압력하에서 공급된다. 연료 전지(2)에서 전지 반응이 실행된 후의 산화 오프-가스는 오프-가스 유로(16)를 따라 흐르고, 가습기(17)에서 수분의 교환을 위해 사용되고, 마지막으로 시스템 외부로 배출된다.
연료 가스로서 수소 가스는 공급로(23)를 따라 연료 전지(2)의 수소 전극(애노드(anode))에 공급된다. 수소 가스는, 예를 들어, 공급로(23)의 상류에 배치되는 고-압력 수소 탱크와 같은 수소 저장원(24)으로부터 연료 전지(2)에 공급된다. 알코올 또는 압축 천연 가스와 같은 원료를 개질(reforming)함으로써 발생되는 수소 가스가 연료 전지(2)에 공급될 수도 있음을 유의한다.
연료 전지(2)의 전지 반응이 실행된 후의, 수소 오프-가스(연료 오프-가스)는 오프-가스 유로(25)에 배출되고, 수소 펌프(26)에 의해 공급로(23)에 돌려 보내 지고, 다시 연료 전지(2)에 공급된다. 배기 유로(27)는 오프-가스 유로(25)에 분기 및 연결된다. 연료 전지 시스템(1)이 작동되는 동안, 배기 유로(27) 상에 배치되는 퍼징 밸브(28)가 적절하게 열리게 되고, 수소 오프-가스에 포함된 여러 불순물이 수소 오프-가스와 함께 배기 유로(27)의 하류에 배출된다. 그러므로, 수소 순환 라인 상의 수소 오프-가스에 포함된 불순물의 농도가 감소될 수 있고, 순환되는 수소 오프-가스의 수소 농도가 증가될 수 있다.
냉각제를 순환시키기 위한 순환 배관(11)이 연료 전지(2)의 냉각제 입구/출구에 연결된다. 연료 전지(2)를 냉각하기 위해, 냉각제는 순환 배관(11) 상의 냉각 펌프(10)에 의해 연료 전지(2)에 공급된다.
순환 배관(11) 상에 배치되는 유로 스위칭 밸브(12)는, 냉각제가 연료 전지(2)에 공급되지 않도록, 냉각제를 우회시키도록 사용될 수도 있다. 즉, 유로 스위칭 밸브(12)는 냉각제가 흐르는 유로를 변경한다.
축전 장치(3)(제1 축전 장치)는 고-전압 축전 장치로서 기능하는, 충전 및 방전이 가능하게 되는 2차 전지이다. 축전 장치(3)는, 예컨대, 니켈 수소 전지 또는 리튬 이온 전지이고, 2차 전지 이외의 캐패시터가 채택될 수도 있다.
고-전압 DC/DC 컨버터(4)는 직류의 전압 컨버터(제1 전압 컨버터)이다. 고-전압 DC/DC 컨버터(4)는 축전 장치(3)로부터 받은 직류 전압을 조정하고 얻어진 전압을 인버터(7) 측으로 출력하는 기능; 트랙션 모터(8) 또는 연료 전지(2)로부터 받은 직류 전압을 조정하고, 얻어진 전압을 축전 장치(3)로 출력하는 기능을 포함한다. 축전 장치(3)의 충전 및 방전은 이들 기능들을 사용하여 제공된다. 또한, 연 료 전지(2)에 의해 출력되는 전압은 고-전압 DC/DC 컨버터(4)에 의해 제어된다.
연료 전지(2)와 관련되는 다양한 종류의 보조 장비는 고-전압 DC/DC 컨버터(4)와 연료 전지(2) 사이에 연결된다. 본 실시예의 보조 장비는 고 전압(예를 들어, 12 V보다 더 높은 전압)용으로 사용되는 것(제1 보조 장비)을 포함하며, 공기 압축기(5), 냉각 펌프(10), 수소 펌프(26), 퍼징 밸브(28) 및 유로 스위칭 밸브(12)가 될 수 있다. 인버터(5, 9 및 19)에 의한 변환을 통해 얻어지는 교류 전류는 공기 압축기(5), 냉각 펌프(10) 및 수소 펌프(26)에 공급된다. 또한, 보조 장비가 개질 원료를 공급하는 펌프 및 개질 장치의 온도를 조정하는 히터를 포함함을 유의한다.
연료 전지(2)의 통상의 작동 동안에는, 보조 장비(5, 10 및 26)로의 전력은 고-전압 DC/DC 컨버터(4)를 매개로 하지 않고 연료 전지(2)에 의해 공급된다. 반면에, 연료 전지(2)의 작동을 정지하기 위해 실행되는 처리 동안에, 또는 초기 작동시에 있어서는, 보조 장비(5, 10 및 26)로의 전력은 고-전압 DC/DC 컨버터(4)를 매개로 하여 축전 장치(3)에 의해 공급된다.
저-전압 DC/DC 컨버터(18)(2차 전압 컨버터)는 축전 장치(3)와 고-전압 DC/DC 컨버터(4) 사이에 연결된다. 저-전압 DC/DC 컨버터(18)는 고-전압 회로 측의 직류 전력의 일부의 전압을 강하(drop)하고, 이 전력을 저-전압 회로 측에 공급한다. 결과로서 생기는 직류 전력의 일부는 저-전압 축전 장치로서 기능하는 저-전압 배터리(2차 전지)(19)에 저장되고, 나머지는 저-전압 보조 장비(20)를 구동하기 위한 전력으로서 사용된다. 저-전압 배터리(19)(제2 축전 장치)는 저-전압 보조 장 비(20)에 전력을 공급하기 위한 소스(source)로서 기능한다.
저-전압 보조 장비(20)는 저 전압(예컨대, 12 V)에서 구동되는 다양한 종류의 장치를 포함하며, 상술된 바와 같이, 본 실시예의 고-전압 보조 장비(공기 압축기(5), 냉각 펌프(10) 및 수소 펌프(26))와는 다른 것이다. 수소 탱크 밸브, 주입 압력을 조정하여 수소를 주입하기 위한 인젝터(injector) 및 차량(100)용 보조 장비와 같은 다양한 전기 장치가 저-전압 보조 장비(20)에 해당한다. 예를 들면, 차량(100)용 보조 장비는 차량(100)에 탑재되는 에어컨, 내비게이션 시스템, 라이트, 인젝터 장치 및 브링커(blinker)(방향 지시 램프(turn signal lamp))가 될 수 있다. 저-전압 보조 장비(20)는 저-전압 배터리(19)로부터 받은 전력에 의해 구동될 수도 있다.
제어 장치(13)는 CPU, ROM 및 RAM을 포함하는 마이크로 컴퓨터로서 제공된다. 제어 장치(13)는 연료 전지 시스템(1)의 개개의 구성 요소(고-전압 DC/DC 컨버터(4) 등) 및 차량(100)의 개개의 구성 요소(인버터(7) 등) 모두를 제어한다.
구체적으로, 제어 장치(13)는 인버터(7)의 스위칭을 제어하여, 요구 구동력에 따르는 3-상 교류 전류를 트랙션 모터(8)로 출력한다. 또한, 제어 장치(13)는 고-전압 DC/DC 컨버터(4)의 작동을 제어하여, 요구 구동력에 따르는 전력이 공급된다. 또한, 제어 장치(13)는 연료 전지(2)의 목표 전력에 따르는 산화 가스 및 수소 가스의 공급을 제어하고, 냉각 시스템을 사용하여 연료 전지(2)의 온도를 제어한다. 예를 들면, 제어 장치(13)는 인버터(6, 29 및 9)가 공기 압축기(5), 수소 펌프(26) 및 냉각 펌프(10)를 구동하는 모터(도시 안됨)의 회전수를 각각 조정하는 것을 허용한다. 또한, 제어 장치(13)는 다양한 밸브(퍼징 밸브(28) 등)를 열고 닫는다.
도 2는 고-전압 DC/DC 컨버터(4)의 정상 및 이상 상황에 있어서 연료 전지 시스템(1)에 의해 실행되는 제어 처리를 도해하는 풀로우차트이다.
이 루틴(routine)은 제어 장치(13)의 ROM으로부터 판독되고, CPU에 의해 실행된다.
우선, 단계 S101에 있어서는, 제어 장치(13)는 전압 컨버터의 작동이 이상한지 여부, 즉, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)에 이상이 발생했는지 여부를 판단한다. 고-전압 DC/DC 컨버터(4)에 이상이 발생되지 않은 경우(단계 S101; NO), 고-전압 DC/DC 컨버터(4)의 작동은 계속되고(단계 S102), 제어 처리는 다음 단계 S103으로 이동된다.
단계 S103에서는, 트랙션 모터(8)를 위해 요구되는 전력(Pm)이 산출된다. 요구 전력(Pm)은 트랙션 모터(8)에 공급되는 전력이고, 다음의 방식으로 얻어진다. 우선, 제어 장치(13)가 트랙션 모터(103)의 목표 회전수 및 목표 토크를 설정한다. 이들 2개의 곱은 트랙션 모터(103)에 의해 출력되는 구동력으로서 채택된다. 이 구동력값이, 작동 효율 및 전력 소비에 관한 트랙션 모터(103)에 의해 출력되는 구동력의 비를 근거하여 나누어지는 경우, 요구 전력(Pm)이 얻어진다. 트랙션 모터(8)가 발전기로서 기능하여 회생 제동을 실행하는 경우, 목표 토크는 음의 값이다. 이러한 경우에, 요구 전력(Pm)도 음의 값이다.
다음으로, 단계 S104에서는, 연료 전지 보조 장비-작동점(Xm)은 얻어진 요구 전력(Pm)에 근거하여 산출된다. 본 실시예에 있어서, 공기 압축기(5), 냉각 펌프(10), 수소 펌프(26), 퍼징 밸브(28) 및 유로 스위칭 밸브(12)가 연료 전지 보조 장비에 해당한다. 연료 전지 보조 장비-작동점(Xm)이 변경되는 경우, 공기 압축기(5), 냉각 펌프(10) 및 수소 펌프(26)의 단위 시간당 모터 회전수, 퍼징 밸브(28)의 단위 시간당 ON/OFF 횟수 및 유로 스위칭 밸브(12)의 단위 시간당 스위칭 횟수가 변경된다.
다음 단계 S105에서는, 주행용 구동 장치의 요구 상한 전력(Pmax)이 설정된다. 예를 들면, 요구 상한 전력(Pmax)은 트랙션 모터(8)의 정격 부하 전력(P1)이 되도록 설정된다. 여기에서, 요구 상한 전력(Pmax)은 정격 부하 전력(P1)이기 때문에, 양의 값이다.
다음에, 단계 S106에서는, 주행용 구동 장치의 요구 하한 전력(Pmin)이 설정된다. 예를 들면, 요구 하한 전력(Pmin)은 트랙션 모터(8)에 의해 발생되는 정격 발생 전력(P2)이 되도록 설정된다. 여기에서, 요구 하한 전력(P2)은, 트랙션 모터(8)가 발전기로서 기능하는 경우이기 때문에, 음의 값이다.
다음의 단계 S107에서는, 연료 전지 보조 장비의 작동점의 보정 계수 X가 설정된다. 후술되는 바와 같이, 보정 계수 X는 상기 설정된, 작동점(Xm)이 곱해진 값이다. 고-전압 DC/DC 컨버터(4)가 정상적으로 작동하는 경우이기 때문에, 보정 계수 X는 1.O과 동일한 X1이다. 이것은 다음과 같이 나타내진다.
X = X1 = 1.0
그 후에, 요구 상한 전력(Pmax) 및 요구 하한 전력(Pmin)이 요구 전력(Pm)에 주어지고, 요구 전력(Pm)이 얻어진다(단계 S112). 그 다음에, 작동점(Xm)이 보정 계수 X(= X1)를 사용하여 보정되고, 최종 작동점(Xm)이 결정되고(단계 S113), 그리고 처리는 "리턴(Return)"으로 진행된다.
반면에, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)에 이상이 발생된 경우(단계 S101; YES), 고-전압 DC/DC 컨버터(4)의 작동이 정지된다(단계 S108). 이러한 경우에, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)의 이상은 예컨대, 과전류가 그 트랜지스터를 가로질러 흐르는 경우 또는 온도가 상승되는 경우를 포함할 수 있다. 고-전압 DC/DC 컨버터(4)가 이상에 기인하여 정지되는 경우, 축전 장치(3)의 충전/방전 및 연료 전지(2)에 의해 발생되는 전력량을 제어하는 것은 억제된다.
이때, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)가 정지되는 경우에는(단계 S108), 작동을 정지시키기 위해 고-전압 DC/DC 컨버터(4)로 제어 신호를 출력하는 제어 장치(13)의 결과, 또는 자기-보호 회로(고-전압 DC/DC 컨버터(4)의 스위칭의 정지)를 활성화하는 고-전압 DC/DC 컨버터(4)의 결과이다. 후자의 경우, 제어 장치(13)는 고-전압 DC/DC 컨버터(4)가 정지됨을 나타내는 신호를 수신한다. 이때, 제어 장치(13)는 고-전압 DC/DC 컨버터(4)로 작동 정지 신호를 전송할 수도 있다.
다음 단계 S109에서는, 주행용 구동 장치의 요구 상한 전력(Pmax)이 P3이 되도록 설정된다. 여기에서, 요구 상한 전력(P3)은 정격 부하 전력(P1)보다 더 작은 값으로 설정된다. 즉, P3 < P1이다. 예를 들어, 요구 상한 전력(P3)은 다음과 같이 설정된다.
P3 = P1 ×1/3
트랙션 모터(8)의 출력 상한값이 이러한 방식으로 제어되기 때문에, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)에 이상 발생시에, 상기 시스템(1)은 충분한 여유를 가지고 작동될 수 있다.
다음 단계 S110에서는, 주행용 구동 장치의 요구 하한 전력(Pmin)이 P4가 되도록 설정된다. 여기에서, 요구 하한 전력(P4)은 발생되는 정격 전력(P2)보다 더 큰 값으로 설정된다. 즉, P4 > P2이다. 요구 하한 전력(P4)이 P4 = 0으로 설정되어, 트랙션 모터(8)의 회생이 억제된다. 트랙션 모터(8)의 출력 하한값이 이러한 방식으로 제어되는 경우, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)에 이상 발생시에, 잉여 전력 상태가 억제될 수 있다. P4 ≠ 0인 경우, 회생에 의해 얻어지는 전력은 연료 전지 보조 장비에 의해 소비됨을 유의한다.
다음 단계 S111에서는, 연료 전지 보조 장비의 작동점의 보정 계수 X는 X2가 되도록 설정된다. 여기에서, 보정 계수 X2는 보정 계수 X1보다 더 큰 값으로 설정된다. 즉, X2 > X1이다. 예를 들면, 보정 계수 X2는 1.5로 설정된다. 연료 전지 보조 장비에 의해 소비되는 전력이 정상시에 소비되는 전력보다 더 커지도록, 연료 전지 보조 장비의 작동점(X)이 이러한 방식으로 변경되어야 한다.
다음 단계 S112에서는, 요구 상한 전력(Pmax)(= P3) 및 요구 하한 전력 (Pmin)(= P4)이 요구 전력(Pm)에 주어지고, 요구 전력(Pm)이 결정된다. 이러한 방식으로 트랙션 모터(8)의 출력이 제한되는 동안, 통상의 주행 제어에서 림프-홈 제어로 이동된다. 그 결과, 연료 전지(2)에 의한 전력 공급 부족이 억제되고, 잉여 전력 상태 또한 억제되고, 트랙션 모터(8)의 구동이 계속될 수 있다. 즉, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)에 이상이 발생되는 경우에도, 차량(100)의 작동의 정지가 필요하지 않고, 차량(100)의 주행이 (림프 홈 모드에서) 계속될 수 있다.
다음 단계 S113에서는, 작동점(Xm)이 보정 계수 X(= X2)를 사용하여 보정되고, 최종적인 작동점(Xm)이 결정된다. 이러한 방식으로, 작동점(Xm)이 X1보다 더 큰 X2를 사용하여 보정되어, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)에 이상 발생시에, 연료 전지 보조 장비의 효율이 정상시보다 더 저하된다. 이러한 설정에 기인하여, 공기 압축기(5)의 모터 회전수가 증가되고, 공기 화학량론비(stoichiometric ratio)가 높아진 상태로 작동이 실행된다. 또한, 상기 설정에 따르면, 수소 펌프(26)의 모터 회전수도 증가된다. 잉여 산화 가스 및 수소 가스가 연료 전지(2)에 공급되는 이러한 설정에 기인하여, 연료 전지 보조 장비가 연료 전지(2)에 의해 발생되는 전력에 의해 구동될 수 있고, 연료 전지 시스템(10)이 충분한 여유를 가지고 작동될 수 있다.
또한, 단계 S113에서 작동점(Xm)이 결정되는 경우, 냉각 펌프(10)의 모터 회전수의 증가가 설정될 수 있다. 또한 퍼징 밸브(28)의 ON/OFF 횟수 및/또는 유로 스위칭 밸브(12)의 스위칭 횟수가 증가될 수도 있다. 특히, 공기 압축기(5)의 모터 회전수가 증가되는 경우, 전해질 막을 통과하는 질소(가스 불순물)의 크로스 리키지(cross leakage) 양은 증가되는 경향이 있고, 수소 오프-가스에 포함된 수소의 농도는 감소되는 경향이 있다. 그러므로, 퍼징 밸브(28)의 ON/OFF 횟수를 증가시키는 것이 유용하다. 연료 전지 보조 장비 유닛(5, 26, 18, 28 및 12) 중 하나의 동작점이 변경될 수 있고, 또는 모든 동작점이 변경될 수도 있음을 유의한다.
상술된 실시예의 연료 전지 시스템(1)에 따르면, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)가 이상에 기인하여 정지되는 경우에도, 트랙션 모터(8)는 림프-홈 제어 모드로 이동된다. 그 결과, 이상이 발생된 후에 차량(100)이 즉시 정지될 필요가 없고, 차량(100)의 작동 신뢰도가 향상될 수 있다. 또한, 연료 전지(2)에 의해 발생되는 전력에 의해 연료 전지 보조 장비가 구동되기 때문에, 연료 전지(2)의 안정적인 작동이 계속적으로 실행될 수 있고, 연료 전지 시스템(1)의 작동이 적절히 계속될 수 있다.
차량 장비가 연료 전지(2)와 고-전압 DC/DC 컨버터(4) 사이에 연결되는 경우에, 단계 S111 및 S113에 있어서, 상기 차량 장비의 작동점이 변경될 수 있음을 유의한다. 여기에서, 차량 장비는 차량의 작동시에 사용되는 다양한 전력 장치에 해당하고, 조명 장치. 에어컨 및 유압 펌프를 포함한다.
또한, 고-전압 DC/DC 컨버터(4)에 이상 발생시에, 그 영향에 대한 통지가 차량(100)의 운전자와 같은 탑승자에게 전달될 수도 있다. 예를 들어, 단계 S108에서 전압 컨버터를 정지시키는 지시가 내려진 후에, 트랙션 모터(8)가 림프-홈 제어 모드로 이동되었다는 통지가 음성, 표시 등을 사용하여 탑승자에게 전달된다.
상술된 연료 전지 시스템(1)은 2륜 또는 4륜 자동차뿐만 아니라, 열차, 항공기, 선박, 로봇과 같은 다른 이동체에도 탑재될 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템(1)은 공동 발전 시스템에 탑재되는 고정 유닛으로서 사용될 수도 있다.

Claims (19)

  1. 부하와의 사이에 제공되는 전기적 접속에 의해 상기 부하에 연결되는 연료 전지; 및 상기 부하와 상기 연료전지 사이의 전기적 접속에 전기적으로 연결되는 전압 컨버터를 통하여 상기 연료 전지에 연결되되 상기 부하에 대하여 상기 연료전지에 병렬로 연결되는 축전 장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은:
    상기 부하와 상기 연료전지 사이의 상기 전기적 접속에 전기적으로 연결되고, 전력을 소비하는 보조 장비; 및
    상기 전압 컨버터 및 상기 보조 장비를 제어하는 제어 장치를 포함하되,
    상기 전압 컨버터가 상기 부하와 상기 연료전지 사이의 상기 전기적 접속에 연결되는 접속점에 비해, 상기 보조장비가 상기 부하와 상기 연료전지 사이의 상기 전기적 접속에 연결되는 접속점이 상기 연료전지 쪽에 가깝게 배치되고,
    상기 제어장치는, 상기 전압 컨버터에 이상 발생시에 상기 보조 장비의 작동점을 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 컨버터에 이상 발생시에, 상기 제어 장치는 상기 전압 컨버터가 정지된 후에 상기 보조 장비의 상기 작동점을 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보조 장비는 상기 연료 전지의 작동과 관련되는 보조 장비이고,
    상기 전압 컨버터에 이상 발생시에, 상기 보조 장비에 의해 소비되는 전력이 정상적으로 소비되는 것보다 더 커지도록, 상기 제어 장치는 상기 작동점을 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보조 장비는 상기 연료 전지에 산화 가스를 압력하에서 공급하는 압축기, 상기 연료 전지에 연료 가스를 순환시키는 펌프, 및 상기 연료 전지에 냉각제를 공급하는 냉각 펌프 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전압 컨버터에 이상 발생시에, 상기 제어 장치는 상기 압축기, 상기 펌프 및 상기 냉각 펌프 중 하나 이상의 회전수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 보조 장비는 상기 연료 전지로부터 연료 오프-가스(off-gas)를 배출하는 퍼징(purging) 밸브 또는 상기 연료 전지를 냉각하기 위해 냉각제 유로 사이를 스위칭하는 유로 스위칭 밸브 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 컨버터에 이상 발생시에, 상기 제어 장치는 상기 퍼징 밸브의 ON/OFF 횟수 또는 상기 유로 스위칭 밸브의 스위칭 횟수 중 하나 이상을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보조 장비는 고-전압에서 사용하기 위한 보조 장비인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 컨버터와 상기 축전 장치의 사이에 제공되는 전기적 접속에 전기적으로 연결되는 제2 전압 컨버터를 매개로 하여 상기 전압 컨버터에 상기 축전 장치와 병렬로 연결되는 제2 축전 장치; 및
    상기 제2 전압 컨버터와 상기 제2 축전 장치 사이에 제공되는 전기적 접속에 전기적으로 연결되고, 전력을 소비하는 제2 보조 장비를 더 포함하되,
    상기 제2 축전 장치, 상기 제2 전압 컨버터 및 상기 제2 보조 장비는 상기 축전 장치, 상기 전압 컨버터 및 상기 보조 장비보다 더 낮은 전압에서 사용되는 것임을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 전력을 받음으로써 구동되는 동력 발생 유닛; 상기 동력 발생 유닛과의 사이에 제공되는 전기적 접속에 의해 상기 동력 발생 유닛에 연결되어 전력을 공급하는 연료 전지; 및 상기 동력 발생 유닛과 상기 연료 전지 사이의 상기 전기적 접속에 전기적으로 연결되는 전압 컨버터를 통하여 상기 동력 발생 유닛에 대하여 상기 연료 전지와 병렬로 연결되는 축전 장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은:
    상기 전압 컨버터 및 상기 동력 발생 유닛을 제어하기 위한 제어 장치를 포함하되,
    상기 전압 컨버터에 이상 발생시에, 상기 제어 장치는 상기 동력 발생 유닛의 출력의 하한값을 설정하고, 그것은 상기 동력 발생 유닛에 의해 발생되는 정격 전력보다 더 큰 값임을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전압 컨버터에 이상 발생시에, 상기 제어 장치는 상기 동력 발생 장치의 상기 출력의 상한값을 조정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 동력 발생 장치의 상기 출력의 상기 상한값을 설정하되, 그것은 상기 동력 발생 장치의 정격 부하 전력보다 더 작은 값인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동력 발생 유닛과 상기 연료 전지 사이의 상기 전기적 접속에 전기적으로 연결되어 전력을 소비하는 보조장비를 더 포함하되,
    상기 전압 컨버터가 상기 동력 발생 유닛과 상기 연료 전지 사이의 상기 전기적 접속에 연결되는 접속점에 비해, 상기 보조 장비가 상기 동력 발생 유닛과 상기 연료 전지 사이의 상기 전기적 접속에 연결되는 접속점이 상기 연료 전지 쪽에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전압 컨버터에 이상 발생시에, 상기 제어 장치는 상기 보조 장비의 작동점을 변경하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  17. 제1항 또는 제2항에 따른 연료 전지 시스템을 포함하는 이동체.
  18. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 시스템을 포함하는 이동체.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전압 컨버터에 이상 발생시에, 상기 제어 장치는 상기 이동체가 림프 홈 모드(limp home mode)에서 주행하는 것을 허용하는 것을 특징으로 하는 이동체.
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