KR101054140B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR101054140B1
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겐지 요네꾸라
히또시 이가라시
데쯔야 가미하라
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

시스템이 아이들 정지 상태로부터 정상 동작을 재개하는 경우 성능에서의 열화를 방지하는 것이 가능한 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템 제어 방법이다. 아이들 정지 상태로부터 연료 가스 및 산화제 가스의 공급을 재개한 후 소정 시간 동안, 오프 가스의 배출이 발생하고 연료 가스 및 산화제 가스 공급의 중단이 금지된다.
Figure R1020087022603
시스템 제어 장치, 퍼지 밸브, 아이들 정지 금지 시간

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2006년 3월 17일자로 출원된 일본 특허출원 제2006-074428호를 기초로 하여 우선권을 주장하고, 이들의 개시 내용은 본 명세서에서 전체적으로 참조로서 수록되어 있다.
본 발명은 통상 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
종래의 연료 전지 시스템은 대체로 연료 전지 및 2차 전지를 포함하고 있다. 종래의 연료 전지 시스템은 소정의 조건 하에서는 연료 전지가 발전을 중단하고 2차 전지로부터만 부하에 전력을 공급하는 아이들 정지 기능을 더 갖고 있다. 일본 공개특허공보 제2005-26054호에 도시된 바와 같이, 아이들 정지 기능이 수행된 후 연료 전지가 발전을 재개하는 경우, 연료 전지의 성능에 열화(예를 들어, 발전 응답 지연 또는 셀 전압 저하)가 있는지의 여부가 판정된다. 소정 조건에 든다 하더라도, 성능에 있어서의 열화가 있다고 판정된다면, 종래의 연료 전지 시스템은 아이들 정지 기능(예를 들어, 연료 전지가 발전을 중단함)을 수행하지 않고 연료 전지의 발전을 유지한다.
본 명세서에 교시된 연료 전지 시스템의 일 예는, 연료 가스가 공급되는 연료 전극과 산화제 가스가 공급되는 산화제 전극을 구비한 연료 전지를 포함하며, 연료 전지는 공급된 연료 가스와 산화제 가스의 반응을 통하여 발전하도록 구성되어 있다. 가스 배출 유닛은 연료 전지 시스템의 일부로서 연료 전지의 연료 전극으로부터의 배출 가스를 배출하고, 연료 전지로부터 구동력을 받는 외부 부하가 존재한다. 연료 전지 시스템은, 연료 전지로부터 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 없으면 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 중단하고, 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 중단한 후에 연료 전지로부터 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 있으면 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 재개하고, 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 재개한 후 연료 전지로부터 외부 부하로 더 이상 구동력을 공급할 필요가 없더라도, 소정 시간 동안 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 지속하고 가스 배출 유닛을 통해 배출 가스를 배출하도록 실시 가능한 제어기 유닛을 또한 포함한다.
본 명세서에 교시된 연료 전지와 2차 전지를 포함하는 연료 전지 시스템의 또 다른 실시 형태는, 연료 전지로부터 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 없으면 연료 전지로의 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 중단하는 수단과, 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 중단한 후에 연료 전지로부터 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 있으면 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 재개하는 수단과, 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 재개한 후 연료 전지로부터 외부 부하로 더 이상 구동력을 공급할 필요가 없더라도, 소정 시간 동안 연료 전지로의 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 지속하고 연료 전지로부터 배출 가스를 배출하는 수단을 포함한다.
연료 전지와 2차 전지를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법 또한 본 명세서에 교시되어 있다. 그러한 하나의 방법은, 연료 전지로부터 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 없으면 연료 가스와 산화제 가스의 연료 전지로의 공급을 중단하는 단계와, 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 중단한 후에 연료 전지로부터 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 있으면 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 재개하는 단계와, 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 재개한 후 연료 전지로부터 외부 부하로 구동력을 더 이상 공급할 필요가 없더라도, 소정 시간 동안 연료 전지로의 연료 가스와 산화제 가스의 공급을 지속하고 연료 전지로부터 배출 가스를 배출하는 단계를 포함한다.
이하, 여러 도면에 있어서 유사한 도면 부호는 유사한 부분을 가리키는 첨부 도면을 참조로 하여 설명한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성된 연료 전지 시스템을 도시한다.
도2는 도1에 도시된 연료 전지 시스템의 동작을 도시하는 타임 차트이며, 도2의 (a)는 연료 전지 시스템의 상태를 도시하고, 도2의 (b)는 퍼지 밸브의 개방도를 도시하고, 도2의 (c)는 연료 전극측에서의 질소량을 도시하고, 도2의 (d)는 가스 순환 시스템을 통해 순환하는 수소의 순환 유량을 도시한다.
도3의 (a) 및 도3의 (b)는 도1에 도시된 시스템 제어 장치를 통한 아이들 정지 금지 시간을 산출하는 동작을 도시하며, 도3의 (a)는 아이들 정지 금지 시간의 초기값을 산출하는 동작을 도시하고, 도3의 (b)는 아이들 정지 금지 시간을 보정하 는 동작을 도시한다.
도4는 도1에 도시된 연료 전지 시스템의 동작을 도시하는 흐름도이다.
도5는 본 발명의 제2 실시형태에 따라 구성된 연료 전지 시스템의 동작을 도시하는 타임 차트이며, 도5의 (a)는 연료 전지 시스템의 상태를 도시하고, 도5의 (b)는 퍼지 밸브의 개방도를 도시하고, 도5의 (c)는 연료 전극측에서의 질소량을 도시하고, 도5의 (d)는 가스 순환 시스템을 통해 순환하는 수소의 순환 유량을 도시한다.
앞서 설명한 종래의 연료 전지 시스템은, 불순물(예를 들어, 질소 농도)이 산화제 전극측으로부터 누설되고 아이들 정지 상태 중에 연료 전극측에 축적되는 경향이 있다는 하는 문제를 지니고 있다. 불순물은 소정의 시간 간격에 따라 또는 발전 축적 값이 소정 값에 도달할 때마다 배출된다. 따라서, 종래의 연료 전지 시스템이 아이들 정지 상태로부터 정상 작동을 재시작하는 경우, 성능에 있어서 열화가 있을 가능성이 있다.
이와 달리, 본 발명의 실시예는 시스템이 아이들 정지 상태로부터 정상 작동을 재시작하는 경우에 성능에 있어서의 열화를 방지할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공한다. 일 실시예에 따르면, 아이들 정지 상태로부터 연료 가스 및 산화제 가스의 공급을 재시작한 후에 애노드 가스의 배출과 연료 가스 및 산화제 가스의 중단이 소정 시간 동안 금지되는 연료 전지 시스템이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 산화제 전극측으로부터 누설되어 연료 전극측에 축적되는 불순물이 아이들 정지 상태 후에 배출될 수 있다. 또한, 아이들 정지 상태로부터 정상 작동을 재시작하는 경우에 성능에 있어서의 열화를 방지할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 특정 실시예를 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성된 연료 전지 시스템을 도시한다. 도1에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)은 연료 전지(10), 연료 가스 공급 시스템(20), 가스 순환 시스템(30)과 같은 가스 순환 유닛, 가스 배출 시스템(40)과 같은 가스 배출 유닛, 산화제 가스 공급 시스템(50), 산화제 가스 배출 시스템(60) 및 냉각액 순환 시스템(70)을 포함하고 있다.
연료 전지(10)는 연료 가스(예를 들어, 수소 가스)가 공급되는 연료 전극(11)을 포함한다. 또한, 연료 전지(10)는 산화제(예를 들어, 산소)(이하, 산화제 가스라고 기재)가 공급되는 산화제 전극(12)을 포함한다. 이러한 전극(11, 12)을 구비함으로써, 연료 전지(10)는 공급된 연료 가스와 산화제 가스의 반응에 의해 발전을 행할 수 있다. 연료 전극(11)과 산화제 전극(12)은 그들 사이에 전해질 멤브레인을 개재하여 중첩되어있으며, 이에 의해 발전 셀(10)을 형성한다. 연료 전지(10)는 스택 구조로 다층으로 배열되는 복수의 발전 셀을 포함한다.
연료 가스 공급 시스템(20)은 수소 탱크(21), 수소 가스 입구 배관(22), 압력 제어 밸브(23)를 포함한다. 수소 탱크(21)는 연료 전지(10)의 연료 전극(11)에 공급되는 수소 가스를 축적한다. 수소 가스 입구 배관(22)은 수소 탱크(21)로부터 연료 전지(10)의 연료 전극(11)으로 수소 가스를 유도하도록 수소 탱크(21)와 연료 전지(10)의 연료 전극측의 입구를 연결한다. 압력 제어 밸브(23)는 개방도를 조정 하도록 수소 가스 입구 배관(22)에 장착되어, 연료 전지(10)의 연료 전극측에 공급되는 수소 가스의 양을 제어한다. 또한, 압력 제어 밸브(23)는 수소 가스의 공급량을 조절함으로써 연료 전지(10)의 연료 전극측의 압력을 제어한다.
가스 순환 시스템(30)은 연료 전지(10)의 연료 전극측으로부터 배출된 가스를 순환시킨다. 그리고나서, 가스 순환 시스템(30)은 한 번 더 가스를 연료 전지(10)의 연료 전극측으로 다시 유도한다. 이는 배출된 연료 가스는 발전용으로 재사용되지 않기 때문이다. 가스 순환 시스템(30)은 순환 배관(31)과 가스 순환 장치(32)를 포함한다. 순환 배관(31)의 일단부는 연료 전지(10)의 연료 전극측의 배출구에 접속된다. 순환 배관(31)의 타단부는 압력 제어 밸브(23)와 연료 전지(10)의 연료 전극측의 입구 사이의 수소 가스 입구 배관(22)에 접속된다. 이러한 접속에 의해, 연료 전지(10)의 연료 전극측으로부터 배출된 오프 가스가 순환 배관(31)을 통해 다시 연료 전지(10)의 연료 전극측으로 순환되고 유도된다. 가스 순환 장치(32)는 순환 배관(31)에 장착된다. 가스 순환 장치(32)는 연료 전지(10)의 연료 전극측으로부터 배출된 가스를 순환시키고 그 가스를 연료 전지(10)의 연료 전극측으로 다시 유도하는 동력원으로서 기능한다.
가스 배출 시스템(40)은, 가스 순환 장치(32)를 통해 순환하는 가스가 연료 전지(10)에 도달하는, 순환 배관(31)에 있어서의 일부분과 외부를 연결한다. 가스 배출 시스템(40)은 연료 전지(10)의 연료 전극측으로부터 외부로 가스를 배출한다. 가스 배출 시스템(40)은 가스 배출 유동로를 형성하는 가스 배출 배관(41)과 퍼지 또는 제어 밸브(42)를 포함한다. 가스 배출 배관(41)의 일단부는 가스 순환 장 치(32)로부터 연료 전지(10)로의 순환 배관(31)에 연결되고, 가스 배출 배관(41)의 타단부는 외부로 연결된다. 이러한 연결에 의해, 연료 전지(10)의 연료 전극측으로부터의 가스가 효과적으로 배출될 수 있다. 퍼지 밸브(42)는 가스 배출 배관(41)에 장착되어 가스의 배출량을 제어하기 위해 가스 배출 배관(41)의 개방도를 조정한다.
다음으로, 퍼지 밸브(42)의 동작을 설명한다. 연료 전지(10)를 구성하는 전해질 멤브레인의 온도뿐만 아니라 산화제 전극측과 연료 전극측 사이의 부분 압력차에 따라, 연료 전지(10)의 발전에 사용되지 않는 산화제 전극측에 존재하는 가스(예를 들어, 질소)가 산화제 전극측으로부터 전해질 멤브레인을 통해 연료 전극측으로 전달된다. 가스 순환 장치(32)는 가스 순환 장치(32)의 가스 순환 성능과, 연료 전지(10)의 압력 손실과, 순환 배관(31)의 압력 손실을 기초로 하여 얻어지는 최대 순환 유량값을 갖는다. 그러나, 질소가 연료 전극측으로 전달되면, 최대 순환 유량값은 감소한다. 그러므로, 연료 전지(10)의 발전에 따른 순환 유량을 얻지 못할 가능성이 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 퍼지 밸브(42)의 개방도를 조정하고 연료 전극측으로부터 외부로 질소를 배출함으로써, 가스 순환 장치(32)의 순환 유량 감소가 방지된다.
산화제 가스 공급 시스템(50)은 압축기(51), 공기 공급 배관(52), 애프터 쿨러(53) 및 가습기(54)를 포함한다. 압축기(51)는 연료 전지(10)의 산화제 전극(12)으로 이동되는 공기를 압축한다. 연료 공급 배관(52)은 압축기(51)와 연료 전지(10)의 산화제 전극측의 입구를 연결한다. 이와 같이, 공기 공급 배관(52)은 압축된 공기를 압축기(51)로부터 연료 전지(10)의 산화제 전극측으로 유도한다. 애프터 쿨러(53)는 압축기(51)와 연료 전지(10)의 산화제 전극측의 입구 사이의 공기 공급 배관(52)에 장착된다. 애프터 쿨러(53)는 압축기(51)로부터의 압축된 공기를 연료 전지(10)에서의 반응에 적합한 온도로 냉각하도록 구성된다. 가습기(54)는 애프터 쿨러(53)와 연료 전지(10)의 산화제 전극측의 입구 사이의 공기 공급 배관(52)에 장착된다. 가습기(54)는 연료 전지(10)에 공급되는 냉각 압축된 공기를 가습하여 연료 전지(10)의 전해질 멤브레인을 습한 상태로 유지하는 기능을 한다.
산화제 가스 배출 시스템(60)은 산화제 가스 배출 배관(61)과 제2 압력 제어 밸브(62)를 포함한다. 산화제 가스 배출 배관(61)은 연료 전지(10)의 산화제 전극측과 외부를 연결한다. 이 연결에 의해, 산화제 가스 배출 배관(61)은 산화제 전극측 밖으로 유동하는 가스를 외부로 유도할 수 있다. 제2 압력 제어 밸브(62)는 산화제 가스 배출 배관(61)에 장착되어 산화제 전극측으로부터 배출되는 가스의 양을 제어한다. 또한, 가습기(54)가 산화제 가스 배출 배관(61) 상에 배치된다. 이에 따라, 산화제 전극측 밖으로 유동하는 오프 가스가 가습기(54)를 거쳐 외부로 배출된다. 여기에서, 산화제 전극측으로부터의 오프 가스에 함유된 수분은 압축기(51)와 애프터 쿨러(53)로부터의 공기의 가습기(54)에 의한 가습에 사용된다.
냉각액 순환 시스템(70)은 연료 전지(10)의 과도한 온도 상승을 방지하도록 연료 전지(10)의 온도를 조정하는데 사용된다. 냉각액 순환 시스템(70)은 냉각액 순환 배관(71)과, 라디에이터(72)와, 라디에이터 팬(73)과 펌프(74)를 포함한다. 냉각액 순환 배관(71)은 냉각액을 냉각액 순환 시스템(70)에서 순환시키는 유동로이다. 냉각액은 연료 전지(10)와, 펌프(74)와, 라디에이터(72)를 차례로 통과하고나서 연료 전지(10)로 다시 돌아온다. 라디에이터(72)는 냉각액을 냉각하는데 사용된다. 라디에이터 팬(73)은 냉각액의 냉각을 촉진하도록 공기를 라디에이터(72)를 향해 송풍한다. 펌프(74)는 냉각액 순환 시스템(70)에서 냉각액을 순환시키는 소스이다.
제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)은 복수의 센서(81 내지 88), 동력 관리기(90), 배터리(100)(또한, 보조 전력원이라고도 부름), 구동 모터(110), 외부 부하로서의 보조 기계류(120) 및 시스템 제어 장치(130)를 더 포함한다.
센서(81 내지 88) 중에서, 제1 압력 센서(81)는 압력 제어 밸브(23)와 연료 전지(10)의 연료 전극측의 입구 사이의 수소 가스 입구 배관(22)에 장착된다. 제1 압력 센서(81)는 연료 전지(10)의 연료 전극측의 압력을 검출한다. 제2 압력 센서(82)는 가습기(54)와 연료 전지(10)의 산화제 전극측의 입구 사이의 공기 공급 배관(52)에 장착된다. 제2 압력 센서(82)는 연료 전지(10)의 산화제 전극측의 압력을 검출한다.
제1 온도 센서(83)는 압력 제어 밸브(23)와 연료 전지(10)의 연료 전극측의 입구 사이의 수소 가스 입구 배관(22)에 장착된다. 제1 온도 센서(83)는 연료 전지(10)의 연료 전극측으로 유동하는 가스의 온도를 검출한다. 제2 온도 센서(84)는 가습기(54)와 연료 전지(10)의 연료 전극측의 입구 사이의 공기 공급 배관(52)에 장착된다. 제2 온도 센서(84)는 연료 전지(10)의 산화제 전극측으로 유동하는 가스의 온도를 검출한다.
제3 온도 센서(85)는 가스 배출 배관(41)에 탑재되고 연료 전지(10)의 연료 전극측으로부터 배출된 가스의 온도를 검출한다.
제4 온도 센서(86)는 연료 전지(10)의 밖으로 유동하는 냉각수가 펌프(74)에 도달하는 냉각액 순환 배관(71)의 부분에 탑재된다. 제4 온도 센서(86)는 연료 전지(10)를 냉각함으로써 따뜻해진 냉각수의 온도를 검출한다. 제5 온도 센서(87)는 라디에이터(72)의 밖으로 유동하는 냉각수가 연료 전지(10)에 도달하는 냉각액 순환 배관(71)의 부분에 탑재된다. 제5 온도 센서(87)는 연료 전지(10)로 이동되어 연료 전지(10)를 식히는 냉각수의 온도를 검출한다.
대기압 센서(88)는 연료 전지 시스템(1) 주변의 대기압을 검출한다.
동력 관리기(90)는 연료 전지(10)로부터 전력을 추출하고 전력을 배터리(100) 또는 구동 모터(110)에 공급한다. 전력 추출을 제어하기 위해, 동력 관리기(90)는 연료 전지(10)의 총 전류 또는 전압을 결정하도록 연료 전지(10)의 각각의 전지의 전류 또는 전압을 검출하는 기능을 한다.
배터리(100)는 연료 전지(10)로부터 구동 모터(110)에 공급되지 않는 동력을 보상하기 위해, 구동 모터(110)에 동력을 공급하는데 이용된다. 또한, 배터리(100)는 연료 전지 시스템(1)에서 발전하는데 필요한 보조 기계류(120)를 구동하는데 필요한 전력을 공급한다. 마지막으로, 배터리(100)는 구동 모터(110)의 임의의 재생 전력뿐만 아니라 연료 전지(10)에서 발생하는 임의의 여유 전력을 축적한다.
구동 모터(110)는 구동력을 발생하기 위해, 연료 전지(10) 또는 배터리(100)로부터 전력을 공급받는다. 보조 기계류(120)는 대체로 연료 전지(10) 또는 배터리(100)로부터 전력을 공급받아 작동하는 수소 탱크(21), 압력 제어 밸브(23), 가스 순환 장치(32), 압축기(51) 및 펌프(74)를 포함한다.
시스템 제어 장치(130)는 연료 전지 시스템(1)의 동작 상태(다양한 밸브, 가스 공급 및 배출, 전력 추출 등)를 제어하는데 이용된다. 시스템 제어 장치(130)는 배터리(100)의 잔류 용량과, 구동 모터(110)에 의해 소비된 전력과, 배터리(100)에 의해 공급되는 전력과, 연료 전지(10)의 각 전지의 전류 및 전압과, 연료 전지(10)의 총 전류 및 전압과, 센서(81 내지 88)에 의해 검출된 값에 대한 정보를 수신한다. 상기 입력된 정보를 기초로 하여, 시스템 제어 장치(130)는 밸브(23, 42, 62)와, 압축기(51)와 라디에이터 팬(73)을 제어하는 제어 신호를 출력한다.
시스템 제어 장치 또는 제어기 유닛(130)은, 이하에 설명하는 바와 같이 실행가능한 프로그램 및 특정 저장값에 대한 전자 저장 매체로서의 판독 전용 기억 장치(ROM), 공통 데이터 버스, 활동 유지 기억 장치(KAM), 임의 접근 기억 장치(RAM), 입출력 포트(I/O) 및 중앙 처리 유닛(CPU)을 포함하는 마이크로 컴퓨터로 통상 이루어진다. 본 명세서에서 설명된, 입력된 정보를 수신하고 제어 신호를 출력하는 시스템 제어 장치(130)의 여러 부분은 예를 들어, 실행가능한 프로그램으로서 소프트웨어에서 실시되거나, 하나 이상의 집적 회로(IC)의 형식의 개별 하드웨어의 전체 혹은 일부에서 실시될 수 있다.
시스템 제어 장치(130)는, [연료 전지(10)만으로 또는 연료 전지(10) 및 배터리(100)에 의해 구동 모터(100)와 같은 부하에 전력을 공급하는] 통상 발전 모드로부터, [배터리(100)만으로 부하에 전력을 공급하는]아이들 정지 모드로 또는 그 반대로 전환하도록 구성된다. 이하 상세히 설명되는 바와 같이 연료 전지 시스템에 필요한 전력이 소정값보다 작다는 규정 조건이 충족되면, 시스템 제어 장치(130)는 시스템을 아이들 정지 모드에서 작동시킨다. 이는, 연료 전지(10)에 의한 발전이 중단되고 배터리(100)로부터만 부하에 전력이 공급되기 때문이다.
시스템 제어 장치(130)는 차량 정지 판정부(131)와 아이들 정지 판정부(132)를 포함한다. 차량 정지 판정부(131)는 차량이 정지되는지의 여부를 판정한다. (1) 차량 속도 센서에 의해 검출된 값이 소정값보다 작고, (2) 구동 모터(110)의 기대 전력 소비가 소정값보다 작고, (3) 배터리(100)의 잔류 용량이 소정값보다 크면, 차량 정지 판정부(131)는 차량이 정지된다고 판정한다. 환언하면, 차량 정지 판정부(131)는 시스템에 대해 요구되는 동력이 배터리(100)에 의해서만 보충될 수 있는 상태에 차량이 있다고 결론내린다. 다른 한편, 상기 조건들 중에서 어느 것도 충족되지 않으면, 차량 정지 판정부(131)는 차량이 정지되지 않는다고 판정한다.
차량 정지 판정부(131)가 차량이 정지된다고 판정하면, 아이들 정지 판정부(132)가 연료 전지(10)에 의한 발전이 중단되는 아이들 정지 모드를 시스템이 실행하는 것이 바람직한지의 여부를 판정한다. (1) 제1 압력 센서(81)에 의해 검출된 값이 소정값보다 작고, (2)제1 온도 센서(83)에 의해 검출된 값이 소정값보다 작고, (3) 연료 전지(10)의 각 전지의 전압 중 최소 전압이 소정 범위에 있으면, 아이들 정지 판정부(132)는 아이들 정지 모드를 실행하는 것이 바람직하다고 판단한다. 반면에, 상기 세 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않으면, 아이들 정지 판정부(132)는 아이들 정지 모드를 실행하면 안된다고 판단한다.
다음에, 아이들 정지 모드에서의 연료 전지 시스템(1)의 제어 동작을 설명한다. 아이들 정지 모드에서, 시스템 제어 장치(130)는 연료 전지(10)에 의한 발전 뿐만 아니라 압축기(51)의 작동도 정지시킨다. 또한 시스템 제어 장치(130)는 압축 제어 밸브(23)와, 퍼지 밸브(42)와, 제2 압축 제어 밸브(62)를 완전히 폐쇄한다. 이에 따라, 연료 전지 시스템(1)은 연료 효율을 상승시키면서, 보조 기계류(120)의 전력 소비 및 수소 소비를 제한할 수 있다. 아이들 정지 모드에서, 압력 제어 밸브(23)와, 퍼지 밸브(42)와, 제2 압축 제어 밸브(62)가 완전히 폐쇄되고 압축기(51)의 작동이 중단되기 때문에, 연료 전지(10)는 밀봉상태에 있다. 따라서, 연료 전지 시스템(1)이 장시간 동안 아이들 정지 모드에서 유지되는 경우, 산화제 전극측의 질소가 연료 전극측으로 교차 누설된다. 이 경우, 연료 전극측에서의 질소 농도가 상승한다. 또한, 발전이 재개될 때, 질소 농도가 과도하게 상승하면, 연료 전지(10)에 의한 요구 발전은 달성될 수 없다.
이 실시예에서, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간을 계산한다. 이와 같이, 시스템 제어 장치(130)는 발전이 재개된 후에 아이들 정지 금지 시간이 경과할 때까지 아이들 정지 모드가 실행되는 것을 방해한다. 또한, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간이 경과할 때까지 연료 전극측으로부터 가 스를 배출한다.
보다 구체적으로는, 상기 3가지 조건이 충족되는 경우, 연료 전지(10)에 의한 발전은 중단된다. 그 후, 연료 전지(10)에 의한 발전이 재개된다. 발전을 재개한 후에 아이들 정지 금지 시간 동안 상기 3가지 조건이 충족될지라도, 시스템 제어 장치(130)는 연료 전지(10)에 의한 발전을 중단하지 않는다. 이와 같이, 발전을 재개한 후에 아이들 정지 금지 시간 동안만이라도, 시스템은 아이들 정지 상태로 들어가지 않는다. 정상 작동 모드와 아이들 정지 모드가 발전 재개 직후에 반복되어 시스템 사용자에게 불쾌감을 유발하는 것이 방지된다.
또한, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간 동안 가스 배출 시스템(40)을 통해 가스를 배출한다. 이에 따라, 산화제 전극측으로부터 교차 누설하고 아이들 정지 상태에서 연료 전극측에 축적하는 질소가 배출될 수 있다. 따라서, 연료 전극측의 질소 농도가 감소할 수 있다. 시스템이 다시 아이들 정지 상태로 들어가는 경우에 질소 농도가 감소하면, 질소 농도는 낮아질 수 있다. 질소 농도가 소정값에 도달한 경우에 연료 전지 시스템이 아이들 정지 상태를 취소하더라도, 아이들 정지 상태는 즉시 해제되지 않는다. 이와 같이, 연료 효율이 증가한다.
다음에, 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)의 동작을 설명한다. 도2는 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)의 동작을 도시하는 타임 챠트이다. 도2의 (a)는 연료 전지 시스템(1)의 상태를 도시하고, (b)는 퍼지 밸브(42)의 개방도를 도시하고, (c)는 연료 전극측의 질소량을 도시하고, (d)는 가스 순환 시스템(30)을 통해 순환하는 수소의 순환 유량을 도시한다.
도2의 (a)에 도시된 바와 같이, 시간(t1)에서 3가지의 조건이 충족되고 아이들 정지 판정부(132)가 아이들 정지 모드를 실행하는 것이 바람직하다고 판단하면, 연료 전지 시스템(1)은 아이들 정지 상태로 들어간다. 이때, 도2의 (b)에 도시된 바와 같이, 시스템 제어 장치(130)는 퍼지 밸브(42)를 완전히 폐쇄한다. 또한, 시스템 제어 장치(130)는 압축기(51)의 동작을 정지시킨다. 동시에, 시스템 제어 장치(130)는 압력 제어 밸브(23)와 제2 압력 밸브(62)를 완전히 폐쇄한다. 따라서, 시간(t1)부터 시간(t2)까지, 산화제 전극측의 공기는 연료 전극측으로 교차 누설되어, 연료 전극측의 질소량은 이에 따라 증가한다[도2의 (c) 참조]. 또한, 수분을 형성하도록 산화제 전극측으로부터 교차 누설된 공기 내에 함유된 산소가 연료 전극측의 수소와 반응하기 때문에, 연료 전극측의 수소량은 감소한다. 따라서, 시간(t1)부터 시간(t2)까지, 연료 전극측에서의 수소 순환 유량은 감소한다[도2의 (d) 참조]. 도2의 (c)에서의 "허용 가능한 질소량의 상한"은 연료 전지(10)에서의 발전을 정상적으로 실행하도록 연료 전극측의 질소량이 초과하지 않는 값을 나타낸다. 도2의 (d)에서의 "요구 수소 순환 유량"은 연료 전지(10)에서 발전을 유지하기 위해 요구되는 순환 유량의 최소값을 나타낸다.
시간(t2)에서, (예컨대, 가속 페달을 밟음으로써) 발전의 요구량이 상승하면, 연료 전지 시스템(1)은 아이들 정지 모드를 도2의 (a)에 도시된 바와 같이 통상 발전 모드로 전환한다. 이때, 도2의 (b)에 도시된 바와 같이, 시스템 제어 장치(130)는 퍼지 밸브(42) 완전히 개방한다. 퍼지 밸브(42)는 아이들 정지 금지 시간이 경과할 때까지 완전 개방 상태로 유지된다. 또한, 차량으로부터 요구되는 발 전을 실행하기 위해, 시스템 제어 장치(130)는 압축기(51)를 제어한다. 통상 발전 모드를 실행할 때, 아이들 정지 금지 시간이 계산되기 시작하고, 퍼지 밸브(42)는 아이들 정지 금지 시간 동안 완전히 개방된다. 따라서, 시간(t2)으로부터 시간(t3)까지, 연료 전극측의 질소량은 감소한다[도2의 (c) 참조]. 또한, 연료 전극측의 수소 순환 유량은 질소량의 감소에 따라 증가한다[도2의 (d) 참조].
특히, 본 실시예에서 아이들 정지 금지 시간 동안 상기 3개의 조건이 충족되더라도, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 모드를 실행하지 않는다. 이에 따라, 적어도 아이들 정지 금지 시간 동안에는 모드 변화가 수행되지 않는다. 따라서, 시스템 사용자에게 불편을 최소화하도록, 모드 변화가 빈번히 일어나는 것이 방지된다. 아이들 정지 금지 시간 동안 연료 전극측에서 가스를 배출하기 위해, 시간(t1)으로부터 시간(t2)까지의 아이들 정지 상태에서 연료 전극측에서 축적된 질소는 시간(t2)으로부터 시간(t3)까지 배출될 수 있다. 이와 같이, 연료 전극에서의 질소 농도는 감소될 수 있다. 또한, 아이들 정지 모드가 다시 시간(t3)에서 실행되는 경우에 아이들 정지 금지 시간 동안 질소를 배출하기 위해, 질소 농도는 낮아야 한다. 또한, 질소 농도가 소정값에 도달하는 경우에 시스템 제어 장치가 아이들 정지 상태를 취소하더라도, 아이들 정지 상태는 즉시 중단되지 않아, 연료 효율을 증가시킨다.
시간(t3) 이후의 작동 상태는 시간(t1) 및 시간(t3) 동안의 작동 상태와 동일한 방식으로 반복된다. 아이들 정지 금지 시간은 시스템 제어 장치(130)에 의해 계산된다. 시스템 제어 장치(130) 는 연료 전지(10)에 의한 발전이 중단되고 재개 되는 계속시간[예를 들어, 시간(t1)으로부터 시간(t2)까지]이 단축되는 만큼 아이들 정지 금지 시간을 단축한다. 이 계속시간이 단축되면, 산화제 전극측으로부터 연료 전극측으로 교차 누설된 질소의 양은 적다. 따라서, 가스가 배출되는 아이들 정지 금지 시간이 단축되더라도, 질소는 충분히 배출될 수 있다.
가스 배출 시스템(40)에 의해 배출된 가스의 유동량이 상승함에 따라, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간을 단축한다. 배출된 가스의 유동량이 상승하면, 아이들 정지 상태에서 산화제 전극측으로부터 교차 누설하는 질소가 다량 배출된다.
특히, 시스템 제어 장치(130)는 도1에 도시된 시스템 제어 장치(130)를 이용하여 아이들 정지 금지 시간을 계산하는 동작을 도시하는 도3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 아이들 정지 금지 시간을 계산한다. 여기에서, 아이들 정지 금지 시간의 계산은 아이들 정지 시간의 초기값 계산과 아이들 정지 시간의 보정을 포함한다. 도3의 (a)는 아이들 정지 금지 시간의 초기값을 계산하는 동작을 도시하고, 도3의 (b)는 아이들 정지 금지 시간을 보정하는 동작을 도시한다.
도3의 (a)에 도시된 바와 같이, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간율(
Figure 112008065153776-pct00001
)을 저장한다. 아이들 정지 시간이 일정 시간(Tc) 동안 지속된 경우, 시간율(
Figure 112008065153776-pct00002
)은 일정 시간(Tc) 동안 연료 전극측에서 축적된 질소의 양이 퍼지 밸브(42)를 완전히 개방함으로써 배출될 수 있는 시간을 구하는 계수로서 작용한다. 이에 따라, 아이들 정지 시간이 일정 시간(Tc) 동안 지속된 경우의 아이들 정지 금 지 시간의 초기값이 참조번호 "a"를 참조로 하여 값(Tc×
Figure 112008065153776-pct00003
)이 된다. 단지 시간(Tc×
Figure 112008065153776-pct00004
) 동안만 퍼지 밸브(42)를 완전히 개방함으로써, 일정 시간(Tc) 동안 연료 전극측에서 축적된 질소의 양이 배출될 수 있다. 아이들 정지 금지 시간의 초기값은 추후에 보정된다. 또한, 초기값은 아이들 정지 금지 시간에 대한 기준이다. 따라서, 계속시간이 단축된 만큼, 시스템 제어 장치(130)가 아이들 정지 금지 시간을 단축한다.
도3의 (b)에 도시된 바와 같이, 시스템 제어 장치(130)가 아이들 정지 금지 시간의 초기값을 보정한다. 다시 말해, 시스템 제어 장치(130)가 아이들 정지 금지 시간의 공제 시간을 구하고, 참조 부호 "f"를 참조로 하여 아이들 정지 금지 시간의 초기값으로부터 감소 시간을 공제한다. 이에 의해, 아이들 정지 금지 시간이 손쉽게 구해질 수 있으면서, 아이들 정지 금지 시간의 초기값이 보정될 수 있다.
더 자세하게는, 시스템 제어 장치(130)는 제1 압력 센서(81)에 의해 검출된 압력과, 대기압 센서(88)에 의해 검출된 대기압과, 제1 온도 센서(83)에 의해 검출된 온도와 관련된 정보를 수신한다. 다시 말해, 제1 압력 센서(81)의 압력 정보를 입력함으로써, 퍼지 밸브(42)의 상류의 압력 정보가 시스템 제어 장치(130)에 입력된다. 또한, 대기압 센서(88)의 대기압 정보를 입력함으로써, 퍼지 밸브(42)의 하류의 압력 정보가 시스템 제어 장치(130)에 입력된다. 또한, 제1 온도 센서(83)의 온도 정보를 입력함으로써, 연료 가스의 온도 정보가 시스템 제어 장치(130)에 입력된다.
또한, 시스템 제어 장치(130)는 연료 가스의 온도뿐만 아니라 퍼지 밸브(42) 의 상하류 온도를 기초로 하여 (참조 부호 "b"를 참조로 한) 단위 시간 당 퍼지 밸브(42)를 통해 배출된 가스의 배출 유량(R)을 계산한다. 여기에서, 시스템 제어 장치(130)는 퍼지 밸브(42)로부터의 배출 유량(R)과 아이들 정지 금지 시간의 공제 시간율(
Figure 112008065153776-pct00005
) 사이의 관계를 도시하는 참조 부호 "c"를 참조로 한 관계 맵을 저장한다. 아이들 정지 금지 시간의 공제 시간율(
Figure 112008065153776-pct00006
)은 퍼지 밸브(42)로부터의 배출 유량을 기초로 하여 아이들 정지 금지 시간의 공제 시간을 구하는 계수이다. 퍼지 밸브(42)로부터 배출 유량(R)을 구하는 경우, 시스템 제어 장치(130)는 관계 맵을 기초로 하여 아이들 정지 금지 시간의 공제 시간율(
Figure 112008065153776-pct00007
)을 평가한다.
그 후, 참조 부호 "d"를 참조하면, 시스템 제어 장치(130)는 제어 기간(Tp)과 관계 맵으로부터 구해진 아이들 정지 금지 시간의 공제 시간율(
Figure 112008065153776-pct00008
)을 곱한다. 시스템 제어 장치(130)는 구해진 시간(Tp×
Figure 112008065153776-pct00009
)을 참조 번호 "e"를 참조로 하여 적분하고, 아이들 정지 금지 시간의 공제 시간(Ts)으로서 소정 계속시간 동안 적분에 의해 구해진 시간을 출력한다. 그 후, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간의 공제 시간(Ts)을 미리 언급한 아이들 정지 금지 시간의 초기값(Tc×
Figure 112008065153776-pct00010
)으로부터 감산하여, 아이들 정지 시간(Tc×
Figure 112008065153776-pct00011
- Ts)을 얻는다.
도3의 (b)로부터 명백한 바와 같이, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간의 초기값(Tc×
Figure 112008065153776-pct00012
)으로부터 아이들 정지 금지 시간의 공제 시간(Ts)을 감산함으로써 아이들 정지 금지 시간을 보정한다. 이러한 보정은 퍼지 밸브(42)의 상류 압력, 퍼지 밸브(42)의 하류 압력 및 연료 가스의 온도를 기초로 실시된다. 퍼지(42)의 상류 압력이 높으면, 퍼지 밸브(42)를 통해 배출된 가스의 유량이 증가한다. 퍼지 밸브(42)의 하류 압력이 높으면, 배출 가스의 유량은 감소한다. 가스의 온도가 높으면, 배출 가스의 유량은 감소한다. 이와 같이, 시스템 제어 장치(130)는 퍼지 밸브(42)의 상류 압력, 퍼지 밸브(42)의 하류 압력 및 연료 가스의 온도를 기초로 하여 보정을 실시함으로써, 정확한 아이들 정지 금지 시간을 구할 수 있다.
시스템 제어 장치(130)는 상기 3개의 인자, 예를 들어, 퍼지 밸브(42)의 상류 압력, 퍼지 밸브(42)의 하류 압력 및 연료 가스의 온도를 기초로 하여 보정을 실시하는 데에 제한되지는 않는다. 시스템 제어 장치(130)는 3가지의 인자 중 하나 이상을 기초로 하여 보정을 실시할 수 있다. 또한, 시스템 제어 장치(130)가 퍼지 밸브(42)의 상류 압력, 퍼지 밸브(42)의 하류 압력 및 연료 가스의 온도를 기초로 아이들 정지 금지 시간을 보정하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 시스템 제어 장치(130)는 산화제 전극측의 온도[예를 들어, 제1 압력 센서(82)에 의해 검출된 값] 또는 연료 전지(10) 본체의 온도[예를 들어, 제4 및 제5 온도 센서(86, 87)에 의해 검출된 값]를 기초로 하여 보정을 실시하도록 구성될 수 있다. 산화제 전극측으로부터 연료 전극측으로 교차 누설하는 질소의 양은 산화제 전극측의 압력과 연료 전지(10) 본체의 온도(예를 들어, 전해질 멤브레인의 온도)에 의해 영향을 받는다. 특히, 산화제 전극측의 온도가 높으면, 교차 누설하는 질소의 양이 증가한다. 또한, 전해질 멤브레인의 온도가 높으면, 교차 누설하는 질소의 양이 증가한다. 다시 말해, 산화제 전극측의 압력 또는 전해질 멤브레인의 온도를 기초로 아이들 정지 금지 시간을 보정하면, 아이들 정지 금지 시간을 정확하게 구할 수 있다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)의 동작을 도시하는 흐름도이다. 도4에 도시된 바와 같이, 시스템 제어 장치(130)는 스텝(ST1)에서 아이들 정지 플래그에 "0"을 대입한다. 아이들 정지 플래그는 현재 아이들 정지 모드가 실행되는 지의 여부를 나타낸다. 다시 말해,아이들 정지 플래그가 "1"인 경우, 연료 전지 시스템(1)이 아이들 정지 모드를 실행하고 있다는 것을 의미한다. 그러나, 아이들 정지 플래그가 "0"인 경우는, 연료 저지 시스템(1)이 통상 발전 모드를 실행하고 있다는 것을 의미한다.
시스템 제어 장치(130)는 스텝(ST2)에서 아이들 정지 금지 시간을 계산한다. 이때, 시스템 제어 장치(130)는 도3의 (b)에 도시된 공정에 의해 아이들 정지 금지 시간을 구한다. 스텝(ST2)에서 아이들 정지 모드를 통상 발전 모드로 전환함으로써 발전을 재개하는 경우, 시스템 제어 장치(130)는 스텝(ST2)에서 퍼지 밸브(42)를 완전히 개방하고, 아이들 정지 금지 시간이 "0"이 될 때까지 퍼지 밸브(42)를 완전 개방 상태로 유지한다. 이와 같이, 아이들 정지 상태에서 연료 전극측에 축적된 질소는 가능한 많이 외부로 배출된다. 아이들 정지 금지 시간이 "0"이 되면, 시스템 제어 장치(130)는 퍼지 밸브(42)의 개방도를 제어한다. 이는 통상 발전을 행하는데 필요한 정도로 퍼지 밸브(42)가 개방되게 한다. 다시 말해, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간에서의 퍼지 밸브(42)의 개방도를 아이들 정지 금지 시간이 경과한 후의 퍼지 밸브(42)의 개방도 보다 크게 한다.
다음에, 시스템 제어 장치(130)의 차량 정지 판정부(131)가 스텝(ST3)에서 차량이 정지된 지의 여부를 판정한다. 차량이 정지되지 않으면[즉, 스텝(ST3)의 질문에의 대답이 "아니오"], 공정은 스텝(ST7)으로 진행된다. 그러나, 차량이 정지되면[즉, 스텝(ST3)의 질문에의 대답이 "예"], 아이들 정지 판정부(132)는 3가지의 조건의 충족 여부와 스텝(ST4)에서 아이들 정지 모드를 실행하는 것이 바람직한 지의 여부를 판정한다.
스텝(ST4)의 질문에의 대답이 "아니오"임으로서 3가지의 조건이 충족되지 않고 아이들 정지 모드가 실행되어서는 안 되면, 프로세스는 스텝(S7)으로 진행한다. 그러나, 스텝(ST4)의 질문에의 대답이 "예"임으로서 3가지의 조건이 충족되고 아이들 정지 모드를 실행하는 것이 바람직하면, 시스템 제어 장치(130)는 스텝(ST5)에서 아이들 정지 플래그에 "1"을 대입한다. 시스템 제어 장치(130)는 발전을 재개시 한 후 아이들 정지 금지 시간이 경과할 때까지 아이들 정지 모드를 금지한다. 이에 따라, 스텝(ST4)에서의 대답이 "예"일지라도, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간이 경과하지 않는 한 아이들 정지 보드의 실행을 금지한다. 그리고 나서, 공정은 스텝(ST7)으로 진행한다. 시스템 제어 장치(130)가 스텝(ST5)에서 아이들 정지 모드를 실행하면, 시스템 제어 장치(130)는 퍼지 밸브(42)를 완전히 폐쇄하고 압축기(51)의 작동을 정지시킨다.
스텝(ST5)에서 아이들 정지 플래그에 "1"을 대입한 후, 시스템 제어 장치(130)는 스텝(ST6)에서 아이들 정지 상태로의 전환 후의 지속 시간을 평가한다. 이와 같이, 아이들 정지 모드에서의 지속 시간이 구해지고 아이들 정지 금지 시간 의 초기값을 계산하는 데 이용된다. 그리고 나서, 공정은 스텝(ST3)으로 복귀한다.
또한, 시스템 제어 장치(130)는 계속시간의 최대값을 저장한다. 지속 시간이 최대값을 초과하면, 연료 전지 시스템(1)이 아이들 정지 모드를 통상 발전 모드로 전환하기 위해 제어될 수 있다. 이 결과, 질소가 연료 전극측에서 과도하게 모이는 것을 방지할 수 있다.
시스템 제어 장치(130)는 스텝(ST7)에서 아이들 정지 플래그가 "1"인지의 여부를 판정한다. 아이들 정지 플래그가 "1"이면[예를 들어, 스텝(ST7)의 질문에의 대답이 "예"], 스텝(ST6)에서의 지속 시간이 초과되기 때문에, 시스템 제어 장치(130)는 다음 아이들 정지 금지 시간을 계산하도록 스텝(ST7)에서의 아이들 정지 시간의 초기값을 구한다. 이때, 시스템 제어 장치(130)는 도3의 (a)에 도시된 단계를 통해 아이들 정지 시간의 초기값을 구한다. 그리고 나서, 공정은 스텝(ST1)으로 복귀한다. 그러나, 아이들 정지 플래그가 "1"이 아니면[즉, 스텝(ST7)의 질문에의 대답이 "아니오"], 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간의 초기값을 구하지 않는다. 그리고 나서, 공정은 스텝(ST1)으로 진행한다.
규정 조건을 충족시킴으로써 시스템이 아이들 상태에 있고 연료 전지에 의해 아이들 정지를 취소하는 경우, 시스템은 아이들 정지를 취소한 후 소정 시간 동안 규정 조건이 충족되더라도 아이들 정지 모드를 실행하지 않는다. 또한, 소정 시간 동안 가스 배출 수단에 의해 가스가 배출된다. 이에 따라, 아이들 정지 상태에서 산화제 전극측으로부터 교차 누설하고 연료 전극측에 축적하는 불순물이 배출될 수 있다. 따라서, 아이들 정지 상태로부터 정상 작동을 개시하는 경우에 성능에의 저하가 방지될 수 있다. 소정 시간은 불순물의 양이 예를 들어, 가스 배출 수단에 의해 가스를 방출함으로써 정상 작동을 수행하는데 필요한 수소의 양에 의해 대체되는 시간으로 설정될 수 있다.
시스템이 3가지의 규정 조건을 충족시킴으로써 연료 전지(10)에 의한 발전을 중단하고 연료 전지(10)에 의한 발전을 재개하는 경우, 시스템은 발전을 재개한 후 아이들 정지 금지 시간에서 상기 조건이 충족되더라도 연료 전지(10)에 의한 발전을 중단하지 않는다. 이와 같이, 발전을 재개한 후에 아이들 정지 금지 시간 동안만이라도, 시스템은 아이들 정지 상태로 들어가지 않는다. 정상 작동 모드와 아이들 정지 모드가 발전 재개 직후에 반복되는 것이 방지되어, 시스템 사용자에게 불편을 유발할 수 있다.
또한, 아이들 정지 금지 시간 동안 가스 배출 시스템(40)에 의해 가스가 배출되기 때문에, 아이들 정지 상태에서 산화제 전극측으로부터 교차 누설하고 연료 전극측에 축적되는 질소가 배출될 수 있다. 따라서, 연료 전극측의 질소 농도가 감소될 수 있다. 그 후, 시스템이 다시 아이들 정지 상태로 들어가는 경우, 질소 농도는 낮다. 질소 농도가 소정값에 도달하는 경우에 시스템 제어 장치가 아이들 정지 상태를 취소하더라도, 아이들 정지 상태는 즉시 중단되지 않는다.
이에 따라, 시스템 사용자에 대한 불편이 감소할 수 있다. 또한, 연료 효율이 증가할 수 있다.
지속 시간[예를 들어, 연료 전지(10)에 의해 발전을 중단하고 재개하기까지] 이 단축될수록, 아이들 정지 금지 시간이 단축된다. 지속 시간이 단축되면, 산화제 전극측으로부터 연료 전극측으로 교차 누설하는 질소의 양이 매우 적기 때문에, 가스가 배출되는 아이들 정지 금지 시간이 단축될 수 있다. 따라서, 아이들 정지 금시 시간은 단축되는 반면, 시스템 사용자의 불편이 감소할 수 있고, 연료 효율이 증가할 수 있다.
가스 배출 시스템(40)에 의해 배출된 가스의 유량이 증가함에 따라, 아이들 정지 금지 시간은 단축되게 설정된다. 배출 가스의 유량이 증가하면, 산화제 전극측으로부터 연료 전극측으로 교차 누설하는 다량의 질소가 배출되기 때문에, 아이들 정지 금지 시간이 단축될 수 있다. 따라서, 아이들 정지 금지 시간은 단축되는 반면, 시스템 사용자의 불편이 감소할 수 있고, 연료 효율이 증가할 수 있다.
또한, 아이들 정지 상태에서의 퍼지 밸브(42) 개방도가 아이들 정지 금지 시간이 경과한 후의 퍼지밸브(42) 개방도 보다 크다. 이 결과, 아이들 정지 금지 시간에서의 가스 배출량이 아이들 정지 금지 시간이 경화한 후의 통상 발전에서의 가스 배출량보다 많다. 이에 따라, 단축될 수 있는 아이들 정지 금지 시간에서 다량의 질소가 배출된다.
아이들 정지 금지 시간은 퍼지 밸브(42)의 상류 압력, 퍼지 밸브(42)의 하류 압력 그리고/또는 연료 가스의 온도를 기초로 하여 보정된다. 가스 배출량은 퍼지 밸브(42)의 상류 압력, 퍼지 밸브(42)의 하류 압력 및 연료 가스의 온도에 의해 영향받는다. 이 결과, 상기 인자 중 하나 이상을 기초로 하여 아이들 정지 금지 시간을 보정함으로써, 아이들 정지 금지 시간이 정확하게 구해질 수 있다.
아이들 정지 금지 시간은 또한 연료 전지(10)의 산화제 전극측의 압력 또는 연료 전지(10)의 본체 온도를 기초로 하여 보정된다. 산화제 전극측으로부터 연료 전극측으로 교차 누설하는 질소의 양은 산화제 전극측의 온도 및 연료 전지(10)의 본체 온도(예를 들어, 전해질 멤브레인의 온도)에 의해 영향받는다. 이 결과, 상기 인자 중 하나 이상을 기초로 하여 아이들 정지 금지 시간을 보정함으로써, 아이들 정지 금지 시간이 정확하게 구해질 수 있다.
다음에, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 대해 설명한다. 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(2)의 구성 요소는 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 동일할 수 있다. 그러나, 각 작동 공정은 후술하는 바와 같이 상이하다.
도5는 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(2)의 작동을 도시하는 타임 챠트이다. 도5의 (a)는 연료 전지 시스템(2)의 상태를 도시하고, 도5의 (b)는 퍼지 밸브(42)의 개방도를 도시하고, 도5의 (c)는 연료 전극측의 질소량을 도시하고, 도5의 (e)는 가스 순환 시스템(30)을 통해 순환하는 수소의 순환 유량을 도시한다.
도5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 시간(t11)에서 3가지의 조건이 충족되고, 연료 전지 시스템(2)이 아이들 정지 상태로 들어가면, 시스템 제어 장치(130)는 퍼지 밸브(42)를 완전히 폐쇄한다. 따라서, 시간(t11)으로부터 시간(t12)까지, 산화제 전극측의 산소는 연료 전극측으로 교차 누설하고, 연료 전극측의 질소량은 도5의 (c)에 도시된 바와 같이 상승한다. 산화제 전극측으로부터 교차 누설한 공기 내에 함유된 산소가 수분을 형성하도록 연료 전극측의 수소와 반 응하기 때문에, 연료 전극측의 수소량은 감소한다. 이 결과, 시간(t11)으로부터 시간(t12)까지, 연료 전극측에서의 수소 순환 유량은 도5의 (d)에 도시된 바와 같이 감소된다.
제2 실시예에 따른 시스템 제어 장치(130)는 시간(t11)에서의 수소 순환 유량을 구한다. 또한, 시스템 제어 장치(130)는 시간(t11)에서의 수소 순환 유량과 요구 수소 순환 유량 사이의 차를 구한다. 시스템 제어 장치(130)는 그 후, 이러한 차이로부터 아이들 정지 금지 시간을 구한다. 특히, 수소 순환 유량과 요구 수소 순환 유량 사이의 차가 증가함에 따라, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간이 단축되도록 보정한다.
대체로, 연료 전극측의 질소량이 상승하면, 가스 순환 유량은 감소한다. 따라서, 연료 전극측의 질소량이 적은 것이 바람직하다. 반대로, 연료 전지(10)의 발전이 유지될 수 있는 한, 질소는 연료 전극측에 존재할 수 있다. 다시 말해, 수소 순환 유량이 요구 수소 순환 유량에 미치지 못하게 하락해서는 안 된다. 또한, 요구 수소 순환 유량에 미치지 못하게 강하하지 않도록 아이들 정지 금지 시간이 하락해야 한다. 이에 따라, 수소 순환 유량과 요구 수소 순환 유량 사이의 차가 증가함에 따라, 제2 실시예에 따른 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간을 단축한다.
또한, 전술된 바와 같이, 시스템 제어 장치(130)는 수소 순환 유량과 요구 수소 순환 유량 사이의 차를 구한다. 그러나, 시스템 제어 장치(130)가 이에 한정되는 것은 아니다. 시스템 제어 장치(130)는 요구 수소 순환 유량에 대한 수소 순 환 유량의 비율을 구한다. 다시 말해, 시스템 제어 장치(130)가 요구 수소 순환 유량에 대한 현재 수소 순환 유량의 과잉을 구할 수 있는 한, 시스템 제어 장치(130)는 과잉을 나타내는 차이, 비율 또는 여타 지수를 구하도록 구성될 수 있다.
시간(t12)에서, (예를 들어, 가속 페달을 밟음으로써) 요구 발전량이 상승하면, 연료 전지 시스템(2)은 도5의 (a)에 도시된 바와 같이, 아이들 정지 모드를 통상 발전 모드로 전환한다. 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간이 경과할 때까지 아이들 정지 모드로의 전환을 금지한다.
여기에서, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간이 경과한 후 통상 발전에서의 순환 유량보다 아이들 정지 금지 시간 동안의 순환 유량을 더 크게 설정한다. 요구 수소 순환 유량에 대한 여유분을 증가시키기 위해 아이들 정지 금지 시간 동안의 순환 유량을 증가시킴으로써, 아이들 정지 금지 시간이 더 단축될 수 있다.
또한, 시스템 제어 장치(130)는 아이들 정지 금지 시간이 경과한 후 통상 발전에서의 연료 전극측의 압력보다 아이들 정지 금지 시간 동안의 연료 전극측의 압력을 더 크게 설정한다. 아이들 정지 금지 시간 동안의 연료 전극측의 압력이 상승하면, 연료 전극측의 수소 농도가 상승한다. 또한, 수소 순환 유량도 상승한다. 이 결과, 아이들 정지 금지 시간이 더 단축되면서, 요구 수소 순환 유량에 대한 여유분도 상승한다.
시스템 제어 장치(130)가 시간(t11)에서의 수소 순환 유량 사이의 차를 구하 고, 요구 수소 순환 유량이 아이들 정지 금지 시간을 보정한다는 것이 상기에서 설명되었다. 그러나, 요구 수소 순환 유량이 아이들 정지 금지 시간을 보정하면서, 시스템 제어 장치(130)는 시간(t12)(예를 들어, 통상 발전 상태로 전환할 때)에서의 수소 순환 유량 사이의 차를 구하도록 구성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(2)은 제1 실시예에 따른 연료 전시 시스템(1)과 유사하게 연료 효율을 상승시키면서, 시스템 사용자의 불편을 감소시킬 수 있다. 또한, 아이들 정지 금지 시간을 단축하면서, 연료 효율을 상승시킬 수 있으면서 시스템 사용자의 불편을 감소시킬 수 있다. 또한, 아이들 정지 금지 시간이 정확하게 구해질 수 있다.
제1 실시예에 따른 시스템 제어 장치(130)는 연료 전지(10)의 발전을 유지하는데 요구되는 순환 유량의 최소값(요구 수소 순환 유량)을 저장한다. 시스템 제어 장치(130)는 그 후, 요구 수소 순환 유량에 대한 현재 순환 유량의 여유분이 상승함에 따라, 아이들 정지 금지 시간을 단축할 수 있다. 질소가 산화제 전극측으로부터 연료 전극측으로 교차 누설하고, 연료 전극측의 질소가 증가하면, 순환 유량은 감소한다. 또한, 연료 전극측의 질소량이 증가하면, 이는 가스 순환 시스템(30)에 의한 순환 유량이 불충분 하다는 것을 의미하고, 연료 전지(10)의 발전 성능이 유지될 수 없다. 반대로, 연료 전지(10)에서의 발전이 유지될 수 있는 한, 연료 전극측에 질소가 존재할 수 있다. 다시 말해, 수소 순환 유량이 요구 수소 순환 유량에 미치지 못하게 하락해서는 안 된다. 또한, 요구 수소 순환 유량에 미치지 못하게 강하하지 않도록 아이들 정지 금지 시간이 단축되어야 한다. 이에 따 라, 요구 수소 순환 유량에 대한 현재 순환 유량의 여유분이 상승함에 따라, 아이들 정지 금지 시간을 단축할 수 있다. 이 결과, 아이들 정지 금지 시간을 단축하면서, 시스템 사용자의 불편을 감소시키고 연료 효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 아이들 정지 금지 시간 동안의 순환 유량은 아이들 정지 금지 시간이 경과한 후 통상 발전에서의 순환 유량보다 크게 설정된다. 요구 수소 순환 유량에 대한 여유분을 증가시키기 위해 아이들 정지 금지 시간 동안의 순환 유량을 증가시킴으로써, 아이들 정지 금지 시간이 더 단축될 수 있다.
아이들 정지 금지 시간 동안의 연료 전극측의 압력은 아이들 정지 금지 시간이 경과한 후 통상 발전에서의 연료 전극측의 압력보다 더 크게 설정된다. 아이들 정지 금지 시간 동안의 연료 전극측의 압력이 증가하면, 연료 전극측의 수소 농도가 증가한다. 또한, 수소 순환 유량도 증가한다. 이 결과, 요구 순환 유량에 대한 여유분이 증가하고, 아이들 정지 금지 시간이 더 단축될 수 있다.
본 발명은 그 정신이나 본질적인 특성을 벗어나지 않으면서 다른 특정 형태에서 실시될 수 있다. 전술된 실시예는 모든 면에 있어서 제한적인 것이 아니라 단지 예시적인 것이라고 여겨진다. 따라서, 본 발명의 범주는 상기의 기재 내용 보다는 첨부된 청구범위에 의해 나타내진다. 청구항의 등가적인 의미와 범위에 속하는 모든 수정은 그 범주에 들어있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 연료 전지의 작동이 아이들 정지 모드에서 중단되도록 구성될 수 있다. 그러나, 발전은 완전히 중단되지 않을 수 있고, 차량을 구동하는데 필요한 양보다 적은 전기량이 생성될 수 있다. 또한, 아이들 정지 판정은 시스템의 발전 요구량만으로 3가지의 규 정 조건을 결정함으로써 실시될 수 있다.
다시, 전술된 실시예는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 기술된 것으로 본 발명을 제한하지는 않는다. 반면에, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 포함되는 다양한 변형예 및 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 법하에 인정되는 그러한 모든 변형예 및 균등물을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 연료 가스가 공급되는 연료 전극 및 산화제 가스가 공급되는 산화제 전극을 갖고, 상기 공급된 연료 가스와 산화제 가스 사이의 반응을 통해 발전하도록 구성된 연료 전지와,
    상기 연료 전지의 연료 전극으로부터 배출 가스를 배출하는 가스 배출 유닛과,
    상기 연료 전지로부터 전력을 공급받는 외부 부하와,
    제어기 유닛을 포함하고,
    상기 제어기 유닛은,
    상기 연료 전지로부터 상기 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 없으면, 아이들 정지 모드를 실행하고, 상기 아이들 정지 모드 중에는 연료 가스와 산화제 가스가 연료 전지로 공급되지 않고, 연료 전지는 발전하지 않으며,
    상기 연료 전지로부터 상기 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 있게 되면, 상기 아이들 정지 모드를 종료하고, 상기 아이들 정지 모드가 종료되면 연료 가스 및 산화제 가스의 공급은 재시작되고 연료 전지는 발전을 재개하고,
    상기 아이들 정지 모드가 종료되면 아이들 정지 금지 시간을 개시하고, 상기 아이들 정지 금지 시간은 소정 시간 동안 계속되고,
    상기 연료 전지로부터 상기 외부 부하로 구동력을 더 이상 공급할 필요가 없는 경우이더라도, 아이들 정지 금지 시간 동안에는 아이들 정지 모드를 실행하는 것을 금지하여, 상기 아이들 정지 모드가 종료된 때부터 최소한 아이들 정지 금지 시간이 종료될 때까지 연료 가스 및 산화제 가스가 공급될 수 있게 하고,
    상기 아이들 정지 모드가 종료된 때부터 최소한 아이들 정지 금지 시간이 종료될 때까지 상기 가스 배출 유닛을 통해 연료 전지로부터 배출 가스를 배출하도록 하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기 유닛은 상기 연료 전지에 의한 발전의 중단부터 재개까지의 계 속 시간이 단축됨에 따라 상기 소정 시간을 단축하도록 조작가능한 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전극으로부터 상기 배출 가스를 순환시키고 상기 배출 가스를 다시 상기 연료 전극으로 유도하는 순환 유닛을 더 포함하고,
    상기 제어기 유닛은 상기 연료 전지의 발전을 유지하는 데 필요한 상기 순환 유닛의 순환 유량의 최소값을 저장하고, 상기 최소값에 대한 상기 순환 유닛의 현재 순환 유량의 여유분이 증가함에 따라 상기 소정 시간을 단축하도록 더 조작가능한 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 순환 유닛은 상기 소정 시간 동안의 상기 순환 유닛의 제1 순환 유량이 상기 소정 시간이 경과한 후 통상 발전에서의 제2 순환 유량보다 높도록 구성되는 연료 전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어기 유닛은 상기 소정 시간 동안의 상기 연료 전극의 제1 압력이 상기 소정 시간이 경과 한 후 통상 발전에서의 상기 연료 전극의 제2 압력보다 더 높게 제어하도록 더 조작가능한 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어기 유닛은 상기 가스 배출 유닛에 의해 배출된 상기 배출 가스의 유량이 증가함에 따라 상기 소정 시간을 단축하도록 더 조작가능한 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스 배출 유닛은 상기 연료 전지의 상기 연료 전극으로부터 상기 배출 가스를 배출하는 가스 배출 배관과, 상기 가스 배출 배관에 장착되어 개방도를 조정하는 제어 밸브를 구비하고, 상기 소정 시간 동안의 상기 제어 밸브의 제1 개방도는 상기 소정 시간이 경과한 후 상기 제어 밸브의 제2 개방도보다 큰 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어기 유닛은 상기 제어 밸브의 상류 압력과, 상기 제어 밸브의 하류 압력과, 상기 연료 가스의 온도 중 하나 이상을 기초로 하여 상기 소정 시간을 보정하도록 더 조작가능한 연료 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어기 유닛은 상기 연료 전지의 산화제 전극측의 압력과 상기 연료 전 지의 본체의 온도 중 하나 이상을 기초로 하여 상기 소정 시간을 보정하도록 더 조작가능한 연료 전지 시스템.
  10. 연료 전지 및 2차 전지를 포함하는 연료 전지 시스템이며,
    연료 전지로부터 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 없으면, 아이들 정지 모드를 실행하고, 상기 아이들 정지 모드 중에는 연료 가스와 산화제 가스가 연료 전지로 공급되지 않고, 연료 전지는 발전하지 않게 하는 수단과,
    상기 연료 전지로부터 상기 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 있게 되면, 상기 아이들 정지 모드를 종료하고, 상기 아이들 정지 모드가 종료되면 연료 가스 및 산화제 가스의 공급은 재시작되고 연료 전지는 발전을 재개하게 하는 수단과,
    상기 아이들 정지 모드가 종료되면 아이들 정지 금지 시간을 개시하고, 상기 아이들 정지 금지 시간을 소정 시간 동안 지속시키는 수단과,
    상기 연료 전지로부터 상기 외부 부하로 구동력을 더 이상 공급할 필요가 없는 경우이더라도, 아이들 정지 금지 시간 동안에는 아이들 정지 모드를 실행하는 것을 금지하여, 상기 아이들 정지 모드가 종료된 때부터 최소한 아이들 정지 금지 시간이 종료될 때까지 연료 가스 및 산화제 가스를 공급하는 수단과,
    상기 아이들 정지 모드가 종료된 때부터 최소한 아이들 정지 금지 시간이 종료될 때까지 가스 배출 유닛을 통해 연료 전지로부터 배출 가스를 배출하는 수단을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 소정 시간 동안의 제1 순환 유량이 상기 소정 시간이 경과한 후 통상 발전에서의 제2 순환 유량보다 높도록 상기 배출 가스의 순환 유량을 제어하는 수단을 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 연료 전지 및 2차 전지를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    상기 연료 전지로부터 상기 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 없으면, 아이들 정지 모드를 실행하고, 상기 아이들 정지 모드 중에는 연료 가스와 산화제 가스가 연료 전지로 공급되지 않고, 연료 전지는 발전하지 않는 단계와,
    상기 연료 전지로부터 상기 외부 부하로 구동력을 공급할 필요가 있게 되면, 상기 아이들 정지 모드를 종료하고, 상기 아이들 정지 모드가 종료되면 연료 가스 및 산화제 가스의 공급은 재시작되고 연료 전지는 발전을 재개하는 단계와,
    상기 아이들 정지 모드가 종료되면 아이들 정지 금지 시간을 개시하고, 상기 아이들 정지 금지 시간은 소정 시간 동안 계속되는 단계와,
    상기 연료 전지로부터 상기 외부 부하로 구동력을 더 이상 공급할 필요가 없는 경우이더라도, 아이들 정지 금지 시간 동안에는 아이들 정지 모드를 실행하는 것을 금지하여, 상기 아이들 정지 모드가 종료된 때부터 최소한 아이들 정지 금지 시간이 종료될 때까지 연료 가스 및 산화제 가스가 공급되는 단계와,
    상기 아이들 정지 모드가 종료된 때부터 최소한 아이들 정지 금지 시간이 종료될 때까지 가스 배출 유닛을 통해 연료 전지로부터 배출 가스를 배출하는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지로 상기 연료 가스 및 상기 산화제 가스의 공급을 중단하고 재개하는 사이의 경과 시간을 기초로 하여 상기 소정 시간을 계산하는 단계와,
    상기 연료 가스와 상기 산화제 가스의 공급을 중단하고 재개하는 사이의 경과 시간이 감소함에 따라 상기 소정 시간을 단축하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지로부터의 상기 배출 가스를 다시 상기 연료 전지로 순환시키는 단계와,
    현재 순환 유량과 최소 순환 유량 사이의 차를 기초로 하여 상기 소정 시간을 계산하는 단계와,
    상기 최소 순환 유량에 대한 상기 현재 순환 유량의 여유분이 증가함에 따라 상기 소정 시간을 단축하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 연료 전지로부터의 상기 배출 가스를 다시 상기 연료 전지로 순환시키는 것은 상기 소정 시간 동안의 제1 순환 유량에서 일어나고,
    순환 유량을 상기 제1 순환 유량보다 큰, 상기 소정 시간이 경과한 후의 제2 순환 유량으로 변경하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 소정 시간 동안 상기 연료 가스의 압력을 제1 압력으로 제어하는 단계와,
    상기 소정 시간이 경과한 후 상기 연료 전지의 압력을 제2 압력으로 제어하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 압력은 상기 제2 압력보다 더 높은 연료 전지 시스템 제어 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 배출 가스의 유량을 기초로 하여 상기 소정 시간을 계산하는 단계와,
    상기 배출 가스의 유량이 증가함에 따라 상기 소정 시간을 단축하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 배출 가스의 통로에 제어 밸브를 포함하고,
    상기 제어 밸브의 개방도에 의해 배출 가스 유량을 제어하는 단계를 더 포함하며, 상기 소정 시간 동안에 제1 개방도가 일어나고 상기 소정 시간이 경과한 경우에 제2 개방도가 일어나며, 상기 제1 개방도가 상기 제2 개방도 보다 더 큰 연료 전지 시스템 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어 밸브의 상류의 압력, 상기 제어 밸브의 하류의 압력 및 상기 연료 가스의 온도 중 하나 이상을 기초로 하여 상기 소정 시간을 계산하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지에서의 상기 산화제 가스의 압력 및 상기 연료 전지의 본체의 온도 중 하나 이상을 기초로 하여 상기 소정 시간을 계산하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템 제어 방법.
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