KR101048050B1 - 연료전지시스템 및 연료전지시스템의 배수제어방법 - Google Patents

연료전지시스템 및 연료전지시스템의 배수제어방법 Download PDF

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Abstract

연료전지, 상기 연료전지로부터 배출되는 수분이 통과하는 배수유로, 및 상기 배수유로 내의 수분을 상기 시스템으로부터 배출하는 배수밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템이 개시되어 있고, 상기 연료전지시스템은 외기온도가 사전설정된 임계값 미만인 환경에서 상기 시스템의 시동이 요구되는 경우, 상기 시스템의 시동 요구 시로부터 상기 시스템의 온도가 사전설정된 온도에 도달할 때까지 상기 배수밸브로부터의 배수를 억제하기 위하여 상기 배수밸브를 제어하기 위한 배수제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지시스템 및 연료전지시스템의 배수제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND WATER DISCHARGE CONTROL METHOD FOR THE SYSTEM}
본 발명은 연료전지시스템 및 상기 시스템의 배수제어방법에 관한 것이다.
종래에는, 반응가스(연료가스 및 산화가스)의 공급을 받아 발전을 행하는 연료전지를 포함하는 연료전지시스템이 제안되어 실용화되고 있다. 이러한 연료전지시스템의 연료전지의 내부 및 연료오프가스의 순환유로에는, 발전 시에 생성되는 질소 또는 일산화탄소와 같은 불순물가스 및 수분이 시간의 경과와 함께 축적된다. 이러한 가스와 수분을 상기 시스템으로부터 배출하기 위하여, 배기밸브와 배수밸브가 순환유로(또는 상기 순환유로에 연결된 배출유로)에 제공되고, 이들 배기 및 배수밸브는 개폐가 제어되어, 축적된 가스 및 수분이 각각의 사전설정된 시간 후에 배출되는 기술(퍼지 기술)이 제안되어 있다.
더욱이, 현재에는 배기배수를 행하기 위한 퍼지밸브가 저온 환경 하에 개폐되도록 제어되어, 연료전지시스템의 저온시동성능이 개선되는 기술이 제안되어 있다. 예를 들어, 저온 환경 하에, 점화스위치가 턴 온된 다음, 퍼지밸브가 한 번 개방되어 퍼지 처리를 행하게 되는 기술이 제안되어 있다. 그 후, 승온 과정에서, 연료전지가 워밍업될 때까지 퍼지 처리가 억제되어, 새로운 수소가스의 공급으로 인 한 연료전지의 온도 저하가 억제된다(일본특허출원공개공보 제2004-178901호 참조).
하지만, 일본특허출원공개공보 제2004-178901호에 개시된 기술이 채택되는 경우에는, 점화스위치가 턴 온된 다음, 퍼징이 한 번 수행되므로, 저온 환경에서 그 온도가 저하된 퍼지밸브로 수분이 유동하게 되고, 상기 밸브로 유동된 수분이 동결될 수도 있다. 퍼지밸브로 유동된 수분이 이러한 방식으로 동결되는 경우에는, 퍼지밸브가 폐쇄되어, 후속 퍼지 처리를 행하는 것이 곤란하게 될 것으로 보인다.
본 발명은 이러한 상황의 관점에서 개발되었고, 그 목적은 배수밸브가 제공된 연료전지시스템의 저온 환경 하에 배수밸브가 동결되는 것을 방지하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은, 연료전지; 상기 연료전지로부터 배출되는 수분이 통과하는 배수유로; 및 상기 배수유로 내의 수분을 상기 시스템으로부터 배출하는 배수밸브를 포함하여 이루어지고, 상기 연료전지시스템은, 외기온도가 사전설정된 임계값 미만인 환경에서 상기 시스템의 시동이 요구되는 경우, 상기 시스템의 시동 요구 시로부터 상기 시스템의 온도가 사전설정된 온도에 도달할 때까지 상기 배수밸브로부터의 배수를 억제하기 위하여 상기 배수밸브를 제어하기 위한 배수제어수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따른 배수제어방법은, 연료전지, 상기 연료전지로부터 배출되는 수분이 통과하는 배수유로, 및 상기 배수유로 내의 수분을 상기 시스템으로부터 배출하는 배수밸브를 포함하는 연료전지시스템의 배수제어방법으로서, 상기 배수제어방법은, 상기 시스템의 시동이 요구되었는 지의 여부를 판정하는 제1단계; 외기온도가 사전설정된 임계값 미만인 지의 여부를 판정하는 제2단계; 및 상기 제1단계에서 상기 시스템의 시동이 요구된 것으로 판정되는 경우, 그리고 상기 제2단계에서 상기 외기온도가 사전설정된 임계값 미만인 것으로 판정되는 경우, 상기 시스템의 시동 요구 시로부터 상기 시스템의 온도가 사전설정된 온도에 도달할 때까지 상기 배수밸브로부터의 배수를 억제하는 제3단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성 및 방법이 채택되는 경우에는, 외기온도가 사전설정된 임계값 미만인 환경(예컨대, 빙점 미만의 저온 환경)에서 시스템의 시동 요구시로부터 상기 시스템의 온도가 사전설정된 온도에 도달할 때까지 배출유로 내의 수분이 배수밸브 안으로 유동하는 것이 억제될 수 있다. 그러므로, 저온 환경에서도, 배수밸브의 동결(및 동결로 인한 배수밸브의 폐쇄)이 억제될 수 있게 된다. 여기서, "시스템의 시동 요구"는 운전정지상태를 갖는 연료전지시스템을 시동하기 위한 정보(예컨대, 점화스위치의 ON-신호)를 의미한다. 더욱이, "시스템의 온도"는 전체 연료전지시스템의 평균 온도 또는 연료전지시스템의 구체적인 구성의 온도(예컨대, 배수유로의 온도)를 의미한다.
상기 연료전지시스템에서는, 상기 배수밸브에 수용되는 물의 열량(quantity of heat)이 사전설정된 열량을 초과하는 경우, 상기 배수밸브로부터의 배수를 허용하도록 상기 배수밸브를 제어하는 배수제어수단이 채택될 수 있다. 더욱이, "사전설정된 열량"으로서, 0℃ 돌파 열량(외기온도가 0℃ 이하인 환경에서, 상기 배수밸브 및 상기 배수유로가 0℃를 초과하기 위해 필요한 열량)이 채택될 수도 있다.
이러한 구성이 채택되는 경우에는, 배수밸브에 물이 수용되는 경우에도, 수용된 물의 열량이 사전설정된 열량을 초과한 다음, 상기 배수밸브로부터의 배수가 허용될 수 있다. 그러므로, 배수밸브 또는 배수유로에 물이 동결되거나 또는 배수가 중단되는 문제점(예컨대, 배기와 배수를 동시에 행하기 위해 배기배수밸브가 채용되는 경우, 발전에 기여하지 못하는 여하한의 물질, 예컨대 질소가 배수유로 등으로부터 배출되지 못함)을 해결할 수 있게 된다.
더욱이, 상기 연료전지시스템에 있어서, 배수밸브로는 배수와 배기 양자 모두를 행하는 배기배수밸브가 채택될 수 있다. 이러한 경우에는, 상기 배기배수밸브로부터의 배수가 상기 배수제어수단에 의해 억제되는 동안, 상기 연료전지로의 연료가스의 공급량 및/또는 순환량을 사전설정된 양보다 많은 양으로 설정하기 위한 연료공급제어수단이 상기 시스템에 제공될 수 있다.
이러한 구성이 채택되는 경우에는, 배기배수밸브로부터의 배기 또는 배수가 억제되는 동안, 연료전지로의 연료가스의 공급량 및/또는 순환량이 사전설정된 양(예컨대, 배기 또는 배수가 억제되지 않을 때, 통상적인 시동 시의 연료가스의 공급량 및/또는 순환량)보다 많은 양으로 설정될 수 있다. 그러므로, 상기 연료전지로 공급될 연료의 농도가 배기 및 배수의 억제로 인하여 저하되는 것이 방지될 수 있게 된다.
더욱이, 상기 연료전지시스템은 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지에 공급하는 공급유로, 및 상기 공급유로의 상류측의 가스 상태를 조정하여 상기 가스를 하류측에 공급하는 가변가스공급장치를 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 이러한 경우에는, 상기 배수밸브로부터의 배수가 상기 배수제어수단에 의해 억제되는 동안, 상기 연료전지로 공급될 연료가스량을 사전설정된 공급량보다 많은 양으로 설정하기 위하여 상기 가변가스공급장치를 제어하기 위한 연료공급제어수단이 채택될 수 있다.
이러한 구성이 채택되는 경우에는, 배기배수밸브로부터의 배기 또는 배수가 억제되는 동안, 상기 가변가스공급장치가 연료전지로 공급될 연료가스량을 사전설정된 공급량(예컨대, 배기 또는 배수가 억제되지 않을 때, 통상적인 시동 시의 공급량)보다 많은 양으로 설정하도록 제어될 수 있다. 상기 "가스 상태"는 유량, 압력, 온도, 분자 농도 등으로 표현되는 가스 상태로서, 특히 가스유량과 가스압력 중 하나 이상을 포함한다는 점에 유의한다. 가변가스공급장치로는, 예컨대 인젝터가 채택될 수도 있다.
더욱이, 상기 연료전지시스템은 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지로 공급하는 공급유로, 상기 배수유로에 상당하고, 상기 연료전지로부터 배출되는 연료오프가스를 상기 공급유로로 순환시키는 순환유로, 및 상기 순환유로 내의 가스를 상기 공급유로로 강제적으로 순환시키는 순환펌프를 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 배기배수밸브로부터의 배수가 상기 배수제어수단에 의해 억제되는 동안, 상기 연료전지를 통해 순환될 연료가스량을 사전설정된 순환량보다 많은 양으로 설정하기 위한 연료공급제어수단이 채택될 수도 있다.
이러한 구성에 따르면, 배기배수밸브로부터의 배기 또는 배수가 억제되는 동안, 상기 순환펌프는 연료전지를 통해 순환될 연료가스량을 사전설정된 순환량(예컨대, 배기 또는 배수가 억제되지 않을 때, 통상적인 시동 시의 순환량)보다 많은 양으로 설정하도록 제어될 수 있다.
본 발명에 따르면, 배수밸브가 제공된 연료전지시스템에서는, 빙점 미만 등의 저온 환경에서 배수밸브 또는 배수유로의 동결을 억제할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성도;
도 2는 도 1에 도시된 연료전지시스템의 제어부의 제어 구성을 도시한 제어블럭도;
도 3은 도 1에 도시된 연료전지시스템의 시동 시의 퍼지제어방법(본 발명의 실시예에 따른 배수제어방법)을 도시한 흐름도; 및
도 4는 도 1에 도시된 연료전지시스템의 변형예를 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 일 실시예의 연료전지시스템(1)을 도면들을 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시예에서는, 연료전지차량의 차-탑재발전시스템에 적용되는 일례를 설명하기로 한다.
우선, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템(1)의 구성을 도 1을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지시스템(1)은 발전을 위하여 반응가스(산화가스 및 연료가스)의 공급을 받는 연료전 지(2); 상기 연료전지(2)에 산화가스로서 공기를 공급하는 산화가스배관시스템(3); 상기 연료전지(2)에 연료가스로서 수소가스를 공급하는 연료가스배관시스템(4); 상기 연료전지(2)를 냉각시키기 위해 연료전지(2)에 냉매를 공급하는 냉매배관시스템(5); 상기 시스템의 전력을 공급하거나 방전하는 전력시스템(6); 및 전체 시스템을 일반적으로 제어하는 제어부(7)를 포함한다.
상기 연료전지(2)는 예컨대 고체고분자전해질형으로 구성되고, 다수의 단전지(unitary cell)가 적층되는 스택 구조를 가진다. 상기 연료전지(2)의 단전지는 이온교환막으로 구성된 전해질의 일 면 상에 공기극(air electrode)을 구비하고, 타 면 상에는 연료극(fuel electrode)을 구비하며, 상기 공기극과 연료극을 대향하는 면으로부터 유지하기 위하여 한 쌍의 세퍼레이터를 추가로 구비한다. 일 세퍼레이터의 연료가스유로에 연료가스가 공급되고, 타 세퍼레이터의 산화가스유로에 산화가스가 공급된다. 이들 가스가 공급되어, 연료전지(2)가 발전을 행하게 된다. 발전 시 전류를 검출하는 전류센서(2a)가 연료전지(2)에 부착된다.
상기 산화가스배관시스템(3)은 연료전지(2)에 공급될 산화가스가 통과하는 공기공급유로(11), 및 상기 연료전지(2)로부터 배출되는 산화오프가스가 통과하는 가스배출유로(12)를 포함한다. 상기 공기공급유로(11)에는 필터(13)를 통해 산화가스를 취하는 컴프레서(14) 및 상기 컴프레서(14)에 의한 압력 하에 공급되는 산화가스를 가습하는 가습기(15)가 제공된다. 상기 가스배출유로(12)를 통과하는 산화오프가스는 배압조정밸브(16)를 통과하고, 상기 가습기(15)에서의 수분 교환 시에 사용되며, 최종적으로 시스템 외부의 분위기로 배기가스로서 배출된다. 상기 컴프 레서(14)는 분위기로부터 산화가스를 취하도록 모터(도시안됨)에 의해 구동된다.
상기 연료가스배관시스템(4)은 수소공급원(21); 상기 수소공급원(21)으로부터 연료전지(2)로 공급될 수소가스가 통과하는 수소공급유로(22); 상기 수소공급유로(22)의 합류부(A1)로 상기 연료전지(2)로부터 배출되는 수소오프가스를 되돌리기 위한 순환유로(23); 상기 수소공급유로(22)로 상기 순환유로(23) 내의 압력 하에 수소오프가스를 공급하는 수소펌프(24); 및 상기 순환유로(23)로 분기되어 연결된 배기배수유로(25)를 구비한다.
상기 수소공급원(21)은 본 발명에 따른 연료공급원에 대응하고, 예컨대 고압탱크, 수소흡장합금 등으로 구성되며, 예컨대 35 MPa 또는 70 MPa의 수소가스를 수용하도록 구성될 수 있다. 후술하는 셧밸브(26)가 개방되면, 수소가스가 수소공급원(21)으로부터 수소공급유로(22)로 유동한다. 수소가스의 압력은 최종적으로 후술하는 바와 같이 레귤레이터(27) 및 인젝터(28)에 의해 대략 200 kPa 정도로 감압되고, 상기 가스는 연료전지(2)로 공급된다. 수소공급원(21)은 탄화수소계 연료로부터 수소-리치 개질 가스를 형성하는 개질기 및 상기 개질기로 형성되는 개질 가스를 고압 상태로 만들어 압력을 축적시키는 고압가스탱크로 구성될 수도 있다는 점에 유의한다. 대안적으로, 수소흡장합금을 구비한 탱크가 연료공급원(21)으로서 채택될 수도 있다.
상기 수소공급유로(22)에는 수소공급원(21)으로부터 수소가스의 공급을 차단하거나 허용하는 셧밸브(26), 상기 수소가스의 압력을 조정하는 레귤레이터(27) 및 인젝터(28)가 제공된다. 상기 인젝터(28)의 하류측에 그리고 수소공급유로(22)와 순환유로(23)의 합류부(A1)의 상류측에는, 상기 수소공급유로(22)에서의 수소가스의 압력을 검출하는 압력센서(29)가 제공된다. 나아가, 인젝터(28)의 상류측에는, 수소공급유로(22)에서의 수소가스의 온도와 압력을 검출하는 온도센서(도시안됨)와 압력센서가 제공된다.
상기 레귤레이터(27)는 레귤레이터의 상류압력(1차압력)을 미리 설정된 2차압력으로 조정하는 장치이다. 본 실시예에서는, 1차압력을 감압하는 기계적 감압밸브가 레귤레이터(27)로서 채택된다. 기계적 감압밸브의 구성으로는, 다이어프램을 통해 형성되는 압력조정챔버와 배압챔버가 제공되는 하우징을 구비하고, 1차압력이 상기 배압챔버의 배압으로 인해 사전설정된 압력으로 감압되어, 상기 압력조정챔버에서 2차압력을 형성하게 되는 공지된 구성이 채택될 수도 있다. 본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 인젝터(28)의 상류측에 두 레귤레이터(27)가 배치되어, 상기 인젝터(28)의 상류압력이 효과적으로 감압될 수 있게 된다. 그러므로, 인젝터(28)의 기계적 구조(밸브본체, 하우징, 유로, 구동장치 등) 설계 시의 자유도가 증대될 수 있다. 더욱이, 상기 인젝터(28)의 상류압력이 감압될 수 있어, 인젝터(28)의 밸브본체가 인젝터(28)의 상류압력과 그 하류압력간의 압력차의 증가로 인하여 쉽게 이동하지 못하게 되는 것을 방지할 수 있게 된다. 그러므로, 인젝터(28)의 하류압력의 가변압력조정폭이 확장될 수 있고, 상기 인젝터(28)의 반응 특성의 저하가 억제될 수 있게 된다. 상기 레귤레이터(27)는 수소공급유로(22)의 상류측에서 가스 상태(가스압력)를 조정하여 상기 가스를 하류측으로 공급하게 되고, 본 발명에 따른 가변가스공급장치에 대응한다.
상기 인젝터(28)는 밸브본체가 직접 전자기구동력으로 구동되어 사전설정된 구동 사이클로 밸브시트로부터 멀리 배치됨으로써, 가스유량 또는 가스압력이 조정될 수 있는 전자기구동식 개폐밸브이다. 상기 인젝터(28)는 수소가스와 같은 가스연료를 분사하는 분사구를 구비한 밸브시트를 포함하고, 상기 가스연료를 분사구에 공급 및 안내하는 노즐본체 및 상기 분사구를 개폐하기 위해 상기 노즐본체에 대하여 축방향(가스유동방향)으로 이동가능하게 수용 및 유지되는 밸브본체를 포함한다. 본 실시예에서, 상기 인젝터(28)의 밸브본체는 전자기구동장치인 솔레노이드에 의해 구동되고, 상기 솔레노이드로 공급되는 펄스형 여자전류는 두 스테이지 또는 다수의 스테이지에서 분사구의 개방 면적을 절환하도록 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 상기 인젝터(28)의 가스분사시간 및 가스분사타이밍은 제어부(7)로부터 출력되는 제어신호를 토대로 제어되어, 수소가스의 유량 및 압력이 정밀하게 제어되게 된다. 상기 인젝터(28)에서는, 밸브(밸브본체 및 밸브시트)가 직접 전자기구동력으로 구동되어 개폐되며, 상기 밸브의 구동 사이클은 고응답성 영역으로 제어될 수 있어, 상기 인젝터가 고응답성을 가지게 된다.
상기 인젝터(28)에서는, 가스를 요구된 유량으로 인젝터의 하류측에 공급하기 위하여, 인젝터(28)의 가스유로에 제공되는 밸브본체의 개방 면적(개방율)과 개방 타이밍 중 하나 이상이 변경되어, 하류측(연료전지(2)측)으로 공급될 가스의 유량(또는 수소분자농도)이 조정된다. 상기 인젝터(28)의 밸브본체는 가스유량을 조정하도록 개폐되고, 상기 인젝터(28)의 하류측으로 공급될 가스의 압력은 상기 인젝터(28)의 상류측에서의 가스압력에 비해 감압되므로, 인젝터(28)가 압력조정밸 브(감압밸브, 레귤레이터)로서 해석될 수 있다는 점에 유의한다. 더욱이, 본 실시예에서, 인젝터는 압력이 요구가스에 기초한 사전설정된 압력 범위 내의 요구 압력을 충족시키도록, 상기 인젝터(28)의 상류가스압력의 조정량(감압량)을 변경할 수 있는 가변압력조정밸브로서 해석가능하다. 상기 인젝터(28)는 수소공급유로(22)의 상류측에서 가스 상태(가스유량, 수소분자농도 또는 가스압력)를 조정하여, 상기 가스를 하류측으로 공급하게 되고, 본 발명에 따른 가변가스공급장치에 대응한다.
본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 인젝터(28)가 수소공급유로(22) 및 순환유로(23)의 합류부(A1)의 상류측에 배치된다는 점에 유의한다. 더욱이, 도 1의 파선으로 도시된 바와 같이, 복수의 수소공급원(21)이 연료공급원으로 채택되는 경우에는, 수소공급원(21)으로부터 공급되는 수소가스들이 합류되는 부분(수소가스합류부(A2))의 하류측에 인젝터(28)가 배치된다.
상기 순환유로(23)는 기액분리기(30)와 배기배수밸브(31)를 통해 배기배수유로(25)에 연결된다. 상기 기액분리기(30)는 수소오프가스로부터 수분을 모은다. 상기 배기배수밸브(31)는 제어부(7)로부터의 지령에 따라 동작하여, 상기 시스템으로부터 상기 기액분리기(30)에 의해 수집된 수분 및 상기 순환유로(23) 내의 불순물을 포함하는 수소오프가스(연료오프가스)를 배출(퍼지)시키게 된다. 상기 배기배수밸브(31)가 개방되어, 상기 순환유로(23)의 수소오프가스 내의 불순물의 농도가 저하되고, 순환 및 공급될 수소오프가스의 수소농도가 상승하게 된다. 상기 기액분리기(30)에는 그 안에 수용되는 수분의 온도를 검출하는 수온센서(도시안됨)가 제공되고, 상기 배기배수유로(25)에는 상기 유로 내의 온도를 검출하는 온도센서(32)가 제공된다. 상기 수온센서 및 온도센서(32)에 의해 검출되는 온도 정보는 후술하는 시동 시에 퍼지 제어에 사용된다. 상기 순환유로(23) 및 배기배수유로(25)는 본 발명에 따른 배수유로의 일 실시예에 대응한다.
상기 배기배수밸브(31) 및 배기배수유로(25)를 통해 배출되는 수소오프가스는 희석기(도시안됨)에 의해 희석되어, 가스배출유로(12)에 산화오프가스를 합류시킨다. 상기 수소펌프(24)는 모터(도시안됨)에 의해 구동되어 순환시스템 내의 수소가스를 연료전지(2)로 순환 및 공급시키고, 본 발명의 순환펌프의 일 실시예로서의 기능을 한다. 상기 수소가스의 순환시스템은 수소공급유로(22)의 합류부(A1)의 하류측에 있는 유로, 상기 연료전지(2)의 세퍼레이터들에 형성된 연료가스유로 및 순환유로(23)로 구성된다.
상기 냉매배관시스템(5)은 연료전지(2)의 냉각유로와 연통되는 냉매유로(41), 상기 냉매유로(41)에 제공된 냉각펌프(42) 및 상기 연료전지(2)로부터 배출되는 냉매를 냉각시키는 라디에이터(43)를 구비한다. 상기 냉각펌프(42)는 모터(도시안됨)에 의해 구동되어, 상기 냉매유로(41) 내의 냉매를 연료전지(2)로 순환 및 공급시키게 된다.
상기 전력시스템(6)은 고전압 DC/DC 컨버터(61), 배터리(62), 트랙션인버터(63), 트랙션모터(64), 각종 보조인버터(도시안됨) 등을 포함한다. 상기 고전압 DC/DC 컨버터(61)는 직류전압컨버터이고, 상기 배터리(62)로부터 입력되는 직류전압을 조정하여 상기 전압을 트랙션인버터(63)측으로 출력시키는 기능과 상기 연료전지(2) 또는 트랙션모터(64)로부터 입력되는 직류전압을 조정하여 상기 전압을 배 터리(62)로 출력시키는 기능을 가진다. 상기 배터리(62)의 충방전은 이들 고전압 DC/DC 컨버터(61)의 기능들로 실현된다. 더욱이, 연료전지(2)의 출력전압은 고전압 DC/DC 컨버터(61)에 의해 제어된다.
상기 배터리(62)는 배터리셀들을 적층시켜 구성되고, 단자전압으로서 사전설정된 고전압을 가지며, 잉여 전력을 충전하거나 또는 전력을 보조적으로 공급하도록 배터리컴퓨터(도시안됨)에 의해 제어될 수 있다. 상기 트랙션인버터(63)는 직류를 3상교류로 변환시켜, 상기 전류를 트랙션모터(64)로 공급하게 된다. 상기 트랙션모터(64)는 예컨대 3상교류모터이고, 연료전지시스템(1)이 탑재된 차량의 메인동력원을 구성한다. 상기 보조인버터는 각각의 모터의 구동을 제어하는 모터제어부이고, 직류를 3상교류로 변환시켜 상기 전류를 각각의 모터에 공급하게 된다. 상기 보조인버터는 예컨대 펄스폭변조시스템의 PWM인버터이고, 상기 제어부(7)로부터의 제어 지령에 따라 연료전지(2) 또는 배터리(62)로부터 출력되는 직류전압을 3상교류전압으로 변환시켜, 각각의 모터에 발생되는 회전 토크를 제어하게 된다.
상기 제어부(7)는 차량에 제공되는 가속조작부재(액셀러레이터 등)의 조작량을 검출하고, 가속요구값(예컨대, 트랙션모터(64)와 같은 부하장치로부터의 요구발전량)과 같은 제어 정보를 수신하여, 상기 시스템 내의 각종 유닛들의 조작을 제어하게 된다. 상기 부하장치는 트랙션모터(64) 이외에, 연료전지(2)를 동작시키는 데 필요한 보조장치(예컨대, 컴프레서(14)의 모터들, 수소펌프(24), 냉각펌프(42) 등), 차량의 주행과 관련된 각종 장치(변속기, 차륜제어부, 조향장치, 현가장치 등)에 사용하기 위한 액추에이터, 승객 공간의 공조장치(에어컨디셔너), 조명, 오디오 등을 포함하는 일반적인 전력소비장치라는 점에 유의한다.
상기 제어부(7)는 컴퓨터시스템(도시안됨)으로 구성된다. 이러한 컴퓨터시스템은 CPU, ROM, RAM, HDD, 입출력 인터페이스, 디스플레이 등을 포함하고, 상기 CPU는 ROM에 기록된 각종 제어 프로그램을 판독하여 원하는 연산을 실행함으로써, 후술하는 퍼지 제어와 같은 제어 및 각종 처리가 수행되게 된다.
구체적으로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(7)는 전류센서(2a)에 의해 검출되는 연료전지(2)의 발전 시의 전류값을 토대로 상기 연료전지(2)에 의해 소비되는 수소가스의 유량(이하, "수소소비량"이라고 함)을 산출한다(연료소비량산출기능: B1). 본 실시예에서, 상기 수소소비량은 발전 시의 전류값과 수소소비량간의 관계를 나타내는 특정 연산식을 이용하여 상기 제어부(7)의 각각의 연산 주기마다 산출 및 갱신된다.
더욱이, 상기 제어부(7)는 연료전지(2)의 발전 시의 전류값을 토대로 인젝터(28)의 하류 위치에서 연료전지(2)로 공급될 수소가스의 목표압력값을 산출하고(목표압력값산출기능: B2), 상기 제어부는 목표퍼지량(배기배수밸브(31)로부터의 수소오프가스의 목표배출량)을 산출한다(목표퍼지량산출기능: B3). 본 실시예에서, 상기 목표압력값 및 목표퍼지량은 발전 시의 전류값과 목표압력값 및 목표퍼지량간의 관계를 나타내는 특정 맵을 이용하여 상기 제어부(7)의 각각의 연산 주기마다 산출된다.
나아가, 상기 제어부(7)는 산출된 목표압력값과 압력센서(29)에 의해 검출되는 인젝터(28)의 하류 위치의 압력값(검출된 압력값)간의 편차를 산출한다(압력편 차산출기능: B4). 그 후, 상기 제어부(7)는 수소소비량에 부가될 수소가스유량(피드백보정유량)을 산출하여 상기 산출된 편차를 줄이게 된다(보정유량산출기능: B5). 본 실시예에서, 상기 피드백보정유량은 PI 제어 등의 목표추종형 제어를 이용하여 산출된다. 상기 제어부(7)는 또한 수소소비량과 피드백보정유량을 더하여, 인젝터(28)의 분사유량을 산출하게 된다(분사유량산출기능: B6). 그 후, 상기 제어부(7)는 산출된 분사유량과 구동 주기를 토대로 상기 인젝터(28)의 분사 시간을 산출하며, 상기 분사 시간을 실현하기 위한 제어 신호를 출력함으로써, 상기 인젝터(28)의 가스분사시간과 가스분사타이밍이 연료전지(2)로 공급될 수소가스의 압력과 유량을 조정하도록 제어된다.
또한, 상기 제어부(7)는 인젝터(28)의 피드백 제어를 행하고(인젝터(28)의 하류 위치에서의 검출된 압력값이 사전설정된 목표압력값을 추종하도록, 상기 인젝터(28)의 가스분사시간과 가스분사타이밍을 제어함), 상기 제어부는 배기배수밸브(31)의 개폐 제어도 행함으로써, 순환유로(23) 내의 수분과 수소오프가스가 배기배수밸브(31)를 통해 시스템으로부터 배출되게 된다. 이 경우, 상기 제어부(7)는 인젝터(28)로부터의 가스공급상태의 변화를 토대로 배기배수밸브(31)로부터의 수소오프가스의 총 배출량(퍼지량)을 산출하여(퍼지량산출기능: B7), 상기 산출된 퍼지량이 사전설정된 목표퍼지량 이상인 지의 여부를 판정하게 된다(퍼지량편차판정기능: B8). 그 후, 상기 제어부(7)는 산출된 퍼지량(Q)이 목표퍼지량(Q0) 이상인 경우 배기배수밸브(31)를 개방시킨다(퍼지제어기능: B9).
여기서, 상기 제어부(7)의 퍼지량산출기능(B7)을 상세히 설명하기로 한다. 배기배수밸브(31)가 개방되어, 인젝터(28)의 하류 위치에서의 압력센서(29)의 검출된 압력값이 인젝터(28)의 피드백 제어로 인한 목표압력값을 추종하는 상태에서 순환유로(23)로부터 수소오프가스를 배출시키는 경우에는, 상기 검출된 압력값이 일시적으로 저하된다. 상기 제어부(7)는 이러한 수소오프가스의 배출(퍼징)로 인한 압력저하분을 산출하고, 상기 산출된 압력저하분을 토대로 상기 압력저하분에 대응하는 수소오프가스의 배출량(압력 변화에 대응하는 유량)을 산출한다(압력변화대응유량산출기능: B7a). 본 실시예에서, 압력변화대응유량(Q1)은 퍼징으로 인한 압력저하분과 상기 압력저하분에 대응하는 수소가스배출량간의 관계를 나타내는 특정 연산식을 이용하여 산출된다. 더욱이, 상기 제어부(7)는 수소오프가스의 배출(퍼징)로 인한 압력저하분을 보상하기 위한 피드백보정유량(가스보정공급유량)을 산출하여(보정유량산출기능: B5), 퍼징이 개시되는 시점으로부터의 상기 피드백보정유량의 시간적산값(Q2)을 산출하게 된다(보정유량적산기능: B7b). 그 후, 상기 제어부(7)는 압력변화대응유량(Q1)과 퍼징 개시 시점으로부터 시간 경과에 따른 피드백보정유량의 시간적산값(Q2)을 더하여, 배기배수밸브(31)로부터의 수소오프가스의 총 배출량(퍼지량 Q)을 산출하게 된다(퍼지량산출기능: B7).
더욱이, 상기 제어부(7)의 퍼지제어기능(B9)을 상세히 설명하기로 한다. 상기 제어부(7)는 연료전지차량의 점화스위치의 ON-신호(시스템의 시동 요구)를 검출하고, 외기온도센서(도시안됨)를 이용하여 외기온도를 검출한다. 그 후, 상기 제어 부(7)는, 외기온도가 사전설정된 임계값(예컨대, 0℃) 미만인 환경에서 점화스위치의 ON-신호가 검출되는 경우, 상기 ON-신호가 검출되는 시점으로부터 상기 시스템의 온도가 사전설정된 온도에 도달하는 시점까지 배기배수밸브(31)로부터의 배수를 억제하기 위하여 배기배수밸브(31)를 제어한다. 즉, 상기 제어부(7)는 본 발명의 배출제어수단으로서의 기능을 한다. 여기서, 상기 "시스템의 온도"는 시스템에서의 특정 구성의 온도 또는 전체 시스템의 평균 온도를 의미한다. 본 실시예에서, 배기배수밸브(31)로부터의 배수는 온도센서(32)를 통해 검출되는 온도(배기배수유로(25)에서의 온도)가 사전설정된 온도에 도달할 때까지 억제된다. 배수가 허용되는 경우의 표준으로서 "사전설정된 온도"는 전체 시스템의 스케일 또는 명세, 외기온도 등에 따라 적절하게 설정될 수 있다.
나아가, 상기 제어부(7)는 기액분리기(30)에 수용되는 물(배기배수밸브(31)에 수용되는 물)의 열량이 사전설정된 열량을 초과하는 경우, (배기배수유로(25)에서의 온도가 사전설정된 온도보다 낮은 경우에도) 배기배수밸브(31)로부터의 배수를 허용하기 위하여 배기배수밸브(31)를 제어한다. 본 실시예에서, 수용되는 물의 열량은 연료전지(2)의 발전 시의 전류값으로부터 추정되는 수용된 물의 양 및 수온센서를 통해 검출되는 수용된 물의 온도를 토대로 산출된다. 상기 배수가 허용되는 경우의 표준으로서 "사전설정된 열량"은 전체 시스템의 스케일 또는 명세, 배기배수유로(25)의 단면적이나 유로 길이 등에 따라 적절하게 설정될 수 있다. 본 실시예에서는, 배기배수유로(25)의 열용량 및 온도센서(32)를 통해 검출되는 배기배수유로(25)에서의 온도를 토대로 산출되는 0℃ 돌파 열량(외기온도가 0℃인 환경에 서, 배수밸브(31) 및 배기배수유로(25)가 0℃를 초과하기 위해 필요한 열량)이 "사전설정된 열량"으로 채택된다.
더욱이, 배기배수밸브(31)로부터의 배수가 억제되는 동안, 제어부(7)는 사전설정된 공급량보다 많은 양으로 상기 연료전지(2)로 공급될 수소가스량을 설정하기 위하여 인젝터(28)를 제어하고, 상기 제어부는 사전설정된 순환량보다 많은 양으로 상기 연료전지(2)를 통해 순환될 수소가스량을 설정하기 위하여 수소펌프(24)를 제어한다. 즉, 상기 제어부(7)는 본 발명에서의 연료공급제어수단으로서의 기능도 한다. 본 실시예에서, "사전설정된 공급(순환)량"으로는, 배기 또는 배수가 억제되지 않는 경우, 통상적인 시동 시의 공급(순환)량이 채택된다.
다음으로, 본 실시예에 따른 연료전지시스템(1)의 기동 시의 퍼지제어방법(배수제어방법)을 도 3의 흐름도를 참조하여 설명하기로 한다.
연료전지시스템(1)의 통상적인 운전 시, 수소가스는 수소탱크(21)로부터 수소공급유로(22)를 통해 연료전지(2)의 연료극으로 공급되고, 가습 및 조정된 공기가 공기공급유로(11)를 통해 연료전지(2)의 산화극으로 공급되어 발전을 행하게 된다. 이 경우, 연료전지(2)로부터 도출될 전력(요구전력)은 제어부(7)에 의해 산출되고, 수소가스 및 공기의 양은 상기 연료전지에 의해 발생되는 전력량에 따라 상기 연료전지(10) 안으로 공급된다. 본 실시예에서는, 이러한 통상 운전이 행해지기 전 상기 시스템의 기동 시에 퍼지 제어가 수행된다. 배기배수밸브(31)는 연료전지시스템(1) 기동 전에 폐쇄된다는 점에 유의한다.
우선, 연료전지시스템(1)의 제어부(7)는 점화스위치의 ON-신호(시스템의 시 동 요구)가 운전정지상태에 존재하는 지의 여부를 판정한다(시동요구판정단계: S1). 후속해서, 점화스위치의 ON-신호가 검출되는 경우, 상기 제어부(7)는 외기온도센서를 이용하여 외기온도를 검출하여, 외기온도가 사전설정된 임계값(예컨대, 0℃)보다 낮은 지의 여부를 판정하게 된다(외기온도판정단계: S2).
이어서, 상기 제어부(7)는 외기온도가 사전설정된 임계값 이상인 것으로 상기 외기온도판정단계 S2에서 판정되는 경우 배기배수밸브(31)의 개방단계(후술하는 퍼지밸브개방단계 S6)로 이동한다. 다른 한편으로, 외기온도가 사전설정된 임계값보다 낮은 것으로 상기 외기온도판정단계 S2에서 판정되는 경우에는, 상기 제어부(7)가 배기배수밸브(31)의 폐쇄 상태를 유지시키고, 인젝터(28) 및 수소펌프(24)를 제어하여, 연료전지(2)로 공급될 그리고 그를 통해 순환될 수소가스량이 사전설정된 양보다 많은 양으로 설정되도록 한다(폐쇄퍼지밸브유지단계: S3).
상기 폐쇄퍼지밸브유지단계 S3에 이어, 상기 제어부(7)는 온도센서(32)를 통해 검출되는 배기배수유로(25)에서의 온도가 사전설정된 온도에 도달하였는 지의 여부를 판정한다(시스템온도판정단계: S4). 긍정적인 판정이 취득되는 경우, 상기 단계는 배기배수밸브(31)의 개방단계(후술하는 퍼지밸브개방단계 S6)로 이동한다. 다른 한편으로, 상기 시스템온도판정단계 S4에서 부정적인 판정이 얻어지는 경우, 상기 제어부(7)는 배기배수밸브(31)에 수용되는 물(기액분리기(30)에 수용되는 물)의 열량이 사전설정된 열량을 초과하였는 지의 여부를 판정한다(수용수열량판정단계: S5).
이어서, 상기 수용수열량판정단계 S5에서 부정적인 판정이 얻어지면, 상기 제어부(7)는 상기 폐쇄퍼지밸브유지단계 S3으로 이동하는 단계를 반복해서 수행한다. 다른 한편으로, 긍정적인 판정이 얻어지면, 제어부는 배기배수밸브(31)를 개방시킨다(퍼지밸브개방단계: S6). 상기 단계 그룹을 통하여, 시동 시의 연료전지시스템(1)의 퍼징이 실현된다.
본 실시예의 시동요구판정단계 S1 및 외기온도판정단계 S2는 본 발명의 제1단계 및 제2단계에 각각 대응하고, 본 실시예의 폐쇄퍼지밸브유지단계 S3 및 시스템온도판정단계 S4는 본 발명의 제3단계에 대응한다는 점에 유의한다.
상기 실시예의 연료전지시스템(1)에 있어서는, 외기온도가 사전설정된 임계값보다 낮은 저온 환경에서, 점화스위치의 ON-조작이 수행되는 시점으로부터 상기 시스템의 온도가 사전설정된 온도에 도달하는 시점까지, 상기 순환유로(23) 내의 수분이 배기배수밸브(31) 안으로 유동하는 것이 억제될 수 있다. 그러므로, 저온 환경에서도, 배기배수밸브(31)의 동결(및 동결로 인한 배기배수밸브(31)의 폐쇄)이 억제될 수 있게 된다.
더욱이, 상기 실시예의 연료전지시스템(1)에서는, 기액분리기(30)에 수용되는 물의 열량이 사전설정된 열량을 초과하는 경우, 상기 배기배수밸브(31)로부터의 배수가 허용될 수 있다. 그러므로, 물이 배기배수밸브(31)에서 동결되어 배수가 정지되는 것과, 발전에 기여하지 못하는 여하한의 물질, 예컨대 질소가 이와 유사하게 배출되지 못하여 축적되게 된다는 문제점을 해결할 수 있게 된다.
나아가, 상기 실시예의 연료전지시스템(1)에서는, 배기배수밸브(31)로부터의 배기/배수가 억제되는 동안, 연료전지(2)로의 수소가스의 공급량 및 순환량이 사전 설정된 양(배기/배수가 억제되지 않는 경우, 통상적인 시동 시의 공급량 및 순환량)보다 많은 양으로 설정될 수 있다. 그러므로, 배수와 동시에 배기의 억제로 인하여 연료전지(2)로 공급될 수소의 농도가 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 실시예에서는, 연료전지시스템(1)의 수소가스배관시스템(4)에 순환유로(23)가 제공되는 예시가 기술되었지만, 예컨대 도 4에 도시된 바와 같이, 배출유로(33)가 연료전지(2)에 연결되고, 순환유로(23)가 생략될 수도 있다는 점에 유의한다. 이러한 구성(데드엔드시스템)이 채택되는 경우에도, 점화스위치의 ON-조작이 저온 환경에서 수행되고, 제어부(7)는 배기배수밸브(31)의 폐쇄 상태를 유지하여, 상기 실시예와 유사한 기능 및 효과를 취득할 수 있게 된다. 이러한 구성의 배출유로(33)는 본 발명의 배수유로의 일 실시예에 대응한다.
더욱이, 상기 실시예에서는, 순환유로(23)에 수소펌프(24)가 제공되는 예시가 설명되어 있지만, 수소펌프(24) 대신에 이젝터가 채택될 수도 있다. 나아가, 상기 실시예에서는, 배기 및 배수 양자 모두를 실현하기 위한 배기배수밸브(31)가 순환유로(23)에 제공되는 예시가 기술되어 있다. 하지만, 기액분리기(30)에 의해 수집되는 수분을 시스템으로부터 배출하는 배수밸브가 상기 순환유로(23) 내의 가스를 상기 시스템으로부터 배출하기 위한 배기밸브와 별도로 제공되고, 상기 제어부(7)가 배수밸브와 배기밸브를 별도로 제어할 수도 있다. 이러한 구성이 채택되는 경우에도, 점화스위치의 ON-조작이 저온 환경에서 수행되면, 제어부(7)는 배수밸브의 폐쇄 상태를 유지하여, 상기 실시예와 유사한 기능 및 효과를 취득할 수 있게 된다.
나아가, 상기 실시예에서는, 배기배수밸브(31)로부터의 배수가 억제되는 동안, 연료전지(2)로 공급될 수소가스량을 증가시키도록 인젝터(28)가 제어되는 예시가 기술되어 있다. 하지만, 상기 연료전지(2)로 공급될 수소가스량을 증가시키기 위하여 인젝터(28) 대신에(또는 인젝터(28)와 동시에) 레귤레이터(27)가 제어될 수도 있다.
더욱이, 상기 실시예에서는, 배기배수밸브(31)로부터의 배수가 억제되는 동안, 연료전지(2)로의 수소가스의 공급량과 순환량 양자 모두를 증가시키도록 인젝터(28)와 수소펌프(24) 양자 모두가 제어되는 예시가 기술되어 있다. 하지만, 상기 연료전지(2)로의 수소가스의 공급량과 순환량 중 한 가지를 증가시키기 위하여 인젝터(28) 및 수소펌프(24) 중 한 가지만을 제어할 수도 있다.
상기 실시예에 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지차량에 탑재될 수 있고, 상기 시스템은 연료전지차량 이외에 각종 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)에 탑재될 수도 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 건물(주택, 빌딩 등)용 발전 설비로서 이용하기 위한 정치식 발전시스템(stationary power generation system)에도 적용가능하다.

Claims (7)

  1. 연료전지시스템에 있어서,
    연료전지;
    상기 연료전지로부터 배출되는 수분이 통과하는 배수유로; 및
    상기 배수유로 내의 수분을 상기 시스템으로부터 배출하는 배수밸브를 포함하여 이루어지고,
    상기 연료전지시스템은,
    외기온도가 사전설정된 임계값 미만인 환경에서 상기 시스템의 시동이 요구되는 경우, 상기 시스템의 시동 요구 시로부터 상기 시스템의 온도가 사전설정된 온도에 도달할 때까지 상기 배수밸브로부터의 배수를 억제하도록 상기 배수밸브를 제어하기 위한 배수제어수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배수제어수단은, 상기 배수밸브에 수용되는 물의 열량이 사전설정된 열량을 초과하는 경우, 상기 배수밸브로부터의 배수를 허용하도록 상기 배수밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 사전설정된 열량은, 외기온도가 0℃ 이하인 환경에서, 상기 배수밸브 및 상기 배수유로가 0℃를 초과하기 위해 필요한 열량인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배수밸브는 배수와 배기 양자 모두를 행하는 배기배수밸브이고,
    상기 연료전지시스템은,
    상기 배기배수밸브로부터의 배수가 상기 배수제어수단에 의해 억제되는 동안, 상기 연료전지로의 연료가스의 공급량 및 순환량 중 하나 이상을 사전설정된 양보다 많은 양으로 설정하기 위한 연료공급제어수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지에 공급하는 공급유로; 및
    상기 공급유로의 상류측의 가스 상태를 조정하여 상기 가스를 하류측에 공급하는 가변가스공급장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 연료공급제어수단은, 상기 배수밸브로부터의 배수가 상기 배수제어수단에 의해 억제되는 동안, 상기 연료전지로 공급될 연료가스량을 사전설정된 공급량보다 많은 양으로 설정하기 위하여 상기 가변가스공급장치를 제어하는 것을 특징으 로 하는 연료전지시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지로 공급하는 공급유로;
    상기 배수유로에 상당하고, 상기 연료전지로부터 배출되는 연료오프가스를 상기 공급유로로 순환시키는 순환유로; 및
    상기 순환유로 내의 가스를 상기 공급유로로 강제적으로 순환시키는 순환펌프를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 연료공급제어수단은, 상기 배기배수밸브로부터의 배수가 상기 배수제어수단에 의해 억제되는 동안, 상기 연료전지를 통해 순환될 연료가스량을 사전설정된 순환량보다 많은 양으로 설정하기 위하여 상기 순환펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 연료전지, 상기 연료전지로부터 배출되는 수분이 통과하는 배수유로, 및 상기 배수유로 내의 수분을 상기 시스템으로부터 배출하는 배수밸브를 포함하는 연료전지시스템의 배수제어방법에 있어서,
    상기 시스템의 시동이 요구되었는 지의 여부를 판정하는 제1단계;
    외기온도가 사전설정된 임계값 미만인 지의 여부를 판정하는 제2단계; 및
    상기 제1단계에서 상기 시스템의 시동이 요구된 것으로 판정되고, 상기 제2 단계에서 상기 외기온도가 사전설정된 임계값 미만인 것으로 판정되는 경우, 상기 시스템의 시동 요구 시로부터 상기 시스템의 온도가 사전설정된 온도에 도달할 때까지 상기 배수밸브로부터의 배수를 억제하는 제3단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배수제어방법.
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