KR101319708B1 - 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 연료 전지 모듈(4, 6)과, 연료 전지 모듈(4, 6)의 냉각을 위한 냉각 장치(10)를 구비한 연료 전지 시스템(2)에서의 온도 조절 방법에 관한 것이며, 상기 시스템에서 냉각제는 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 안내되고 처리 수단(8)은 냉각제의 온도를 조절한다. 전류 구배가 심할 때 연료 전지 모듈에서의 온도 상승을 방지하기 위해, 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 전기 전류(I1, I2)의 변동이 조절을 위한 보정 변수로서 사용된다.

Description

연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법 및 연료 전지 시스템{METHOD FOR TEMPERATURE CONTROL IN A FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 하나 이상의 연료 전지 모듈과, 연료 전지 모듈의 냉각을 위한 냉각 장치를 구비한 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법에 관한 것이며, 상기 시스템에서 냉각제는 연료 전지 모듈을 통해 안내되고 처리 수단은 연료 전지 모듈의 출구에서의 냉각제의 온도를 조절한다. 또한, 본 발명은 하나 이상의 연료 전지 모듈과, 연료 전지 모듈을 통해 냉각제를 안내하기 위한 냉각 장치와, 냉각제의 온도를 조절하도록 제공된 처리 수단을 구비한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지에서, 수소(H2)와 산소(O2)는 전해질에 대해 반응하여 물과 전기 에너지를 방출하면서 반응물인 물을 생성한다. 큰 전류 소모 장치에 적합한 출력을 생성하기 위해 다수의 연료 전지들이 직렬 접속되어, 예컨대 다수의 플레이트형 연료 전지로 구성된 스택의 형태인 하나의 연료 전지 모듈로 통합된다.
전기 화학적 공정에서 발생한 열의 대부분은 냉각제 흐름에서 1개의 연료 전지 모듈의 연료 전지를 관류하거나 순환하는 냉각제, 예컨대 물로 방출된다. 연료 전지 모듈에 의해 생성된 열 에너지 또는 열의 양은 연료 전지 모듈에서 생성된 전기 에너지의 양에 따르며, 전기 에너지는 다시 연료 전지 모듈에 연결된 전기 부하의 크기에 따라 좌우된다. 전기 부하가 클수록, 더 많은 열이 발생하며, 연료 전지 모듈의 연료 전지를 사전 설정된 온도 범위 내에 유지하기 위해 냉각제 흐름의 냉각력이 더 커야 한다.
연료 전지 모듈을 냉각하기 위해, 연료 전지 모듈의 냉각제 출구에서의 냉각제의 온도를 측정하고 조절하는 것은 공지되어 있으며, 상기 조절의 조작 변수는 예컨대 냉각기에서 혼합 밸브의 위치이다.
연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전류 흐름을 온도 조절의 보정에 사용하는 것은 US 3,595,699호, US 6,186,254호, US 2006/172164 A1호에 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법과, 연료 전지 모듈의 연료 전지들의 온도가 매우 균등하게 유지될 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 방법과 관련된 목적은, 본 발명에 따라 연료 전지 모듈 내부에서 냉각제 온도가 측정되며 상기 측정값으로부터 도출된 장애 변수와 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전기 전류의 변동이 또 다른 장애 변수로서 조절에 적용되는, 서두에 언급한 유형의 방법에 의해 달성된다. 연료 전지 모듈의 출력이 상승할 경우 연료 전지에서의 온도 상승이 이른 시점에 저지될 수 있으며 이러한 온도는 허용된 온도 범위 내에 신뢰성 있게 유지될 수 있다.
본 발명은, 연료 전지 모듈의 부하가 상승할 경우 출구 온도가 조절될 때 연료 전지에서의 온도 상승이 조절 회로 내에서 비교적 늦게 비로소 측정되므로 연료 전지 모듈에서 냉각제 흐름의 냉각력이 비교적 늦게 비로소 상승한다는 개념으로부터 시작된다. 이로써 연료 전지 모듈을 위한 소정의 온도 범위 밖에 놓일 수 있는 양 또는 음의 온도 피크가 부하 변동에 따라 유도된다.
조절 회로의 반응 속도를 높이기 위해, 예컨대 연료 전지 모듈에서의 부하에 따라 또는 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전류에 따라 냉각력이 제어됨으로써 폐회로 제어는 개회로 제어와 조합될 수 있다. 따라서, 온도에 따른 폐회로 제어와, 연료 전지 모듈의 전류에 따른 개회로 제어의 조합이 구성된다. 상기의 방식으로, 연료 전지 모듈의 출력 상승 시 냉각제 온도의 상승이 신속하게 저지될 수 있다.
연료 전지 모듈에서 냉각제의 바람직하지 못한 가열에 대해 더욱 신속하게 반응하는 것은 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전기 전류의 변동(이는 이하에서 전류 구배로 칭함)에 기초하여 조절이 보정됨으로써 구현될 수 있다. 전류 구배가 작은 경우 즉, 전기 전류가 천천히 변동하는 경우, 조절도 이에 따라 약간 보정되며 전기 전류가 더 신속하게 변동하는 경우에는 조절이 더 심하게 보정된다. 이 경우 전류 구배는 예컨대 특성 맵 또는 수학적 함수에 기초해서 장애 변수로서 상기 조절에 적용될 수 있으므로 이를 통해 조절이 보정될 수 있다. 냉각제가 연료 전지 모듈을 관류하는데 소정의 시간이 소요됨에도 불구하고, 예측 가능한 방식으로 냉각력이 매칭될 수 있으므로 열 발생에 대해 냉각력이 신속하게 반응할 수 있다.
본 발명은 평평한, 바람직하게는 직사각형의 연료 전지들이 서로 적층되어 하나의 블록을 형성하는 연료 전지 블록의 경우에 특히 바람직하게 적용될 수 있다. 이러한 블록은 매체 채널, 격막, 가습 전지 및 또 다른 요소들과 함께 연료 전지 모듈을 형성할 수 있다. 주로 물로 구성되는 액체가 바람직하게 냉각제로서 제공될 수 있다.
조절된 온도는 연료 전지 모듈의 출구에서의 냉각제 온도이다. 상기 방식으로, 연료 전지 모듈에서 냉각제 흐름의 냉각력이 특히 간단하게 조절될 수 있다.
바람직하게 냉각 장치는 냉각기와 혼합 밸브를 구비한 냉각제 회로를 포함하며, 상기 혼합 밸브에 의해서는 냉각기를 관통하여 안내되는 냉각제와 냉각기를 스쳐 지나가는 냉각제 사이의 비율이 조정되고, 이때 혼합 밸브의 위치는 조절의 조작 변수를 형성한다. 이로써 연료 전지 모듈의 입구에서의 냉각제의 입구 온도뿐만 아니라 냉각력도 간단히 조정될 수 있다. 더 많은 냉각제가 냉각기를 통해 안내되면, 냉각제의 입구 온도가 하강하고, 연료 전지 모듈에서의 열 발생이 동일하게 유지될 경우 냉각력은 상승한다.
상기 조절은, 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전기 전류의 변동이 장애 변수로서 상기 조절의 조작 변수에, 특히 선형으로 적용될 때 신뢰성 있고 간단하게 보정될 수 있다. 조작 변수, 예컨대 혼합 밸브의 밸브 위치는 전류 구배에 상응하게 신속하고 제어 기술적으로 간단하게 보정되는 방식으로 조정될 수 있으며, 전류 구배가 증가할 경우 보정되는 방식의 조작 변수 조절은 상응하게 특히 선형으로 증가한다. 전류 구배가 동일하게 유지될 때 즉, 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전류가 균일하게 증가할 경우, 보정되는 방식의 조작 변수 조절이 일정하게 유지될 수 있으며 전류가 일정할 경우 즉, 전류 구배가 사라지면, 상기 조절은 다시 0으로 철회될 수 있다. 전류 구배가 음인 경우 유사하게 절차가 진행될 수 있다.
조절 회로의 진동을 방지하기 위해, 조절의 보정은 바람직하게 상기 조절의 하나의 조작 변수의 조절 범위 내에만 실행될 수 있으며, 이러한 조절 범위는 규칙적인 조절을 위해 제공된 조작 변수의 전체 조절 범위보다 작다.
냉각제 온도는 연료 전지 모듈 내부에서 측정되며 상기 측정값으로부터 도출된 장애 변수가 조절에 적용된다. 이를 위해 연료 전지 시스템은 연료 전지 모듈 내부에서 온도를 측정하기 위해 연료 전지 모듈 내에 하나 이상의 센서를 포함한다. 예컨대 사전 설정된 온도 범위를 온도가 벗어나면, 전류 구배로 이루어진 장애 변수에 대해 추가적으로 조절에 적용되는 추가의 조절 편차가 형성된다. 상기의 장애 변수 적용은 연료 전지 모듈 내부에서 측정된 온도가 온도 범위 밖에 위치하는 한, 유지될 수 있다.
바람직하게, 장애 변수는 점진적인 장애 변수이므로, 예컨대 온도 범위의 상한값을 온도가 초과할 경우, 온도가 계속 상승할 때 점진적으로 증가하는 완만한 조절 편차가 우선적으로 실행된다.
바람직하게, 냉각 장치는 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 냉각제 흐름의 세기를 조정하기 위한 양(quantity) 센서를 포함한다. 양 센서는 밸브이거나, 펌프 출력이 조정될 수 있는 냉각제 펌프일 수 있다. 상기의 방식으로, 펌프 출력이 조정됨으로써 온도가 설정될 수 있다. 바람직하게, 냉각제 흐름의 세기는 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전기 모듈 흐름의 세기에 따라 제어되므로, 예컨대 바람직한 파일럿 제어가 구현될 수 있다.
각각 하나의 냉각제 흐름이 관류하는 2개 이상의 연료 전지 모듈을 연료 전지 시스템이 포함하면, 모든 냉각제 흐름의 세기는 개별 연료 전지 모듈의 최대 전류에 따라 바람직하게 제어된다. 따라서 현재 최대의 모듈 전류는 상기 연료 전지 모듈뿐만 아니라, 모듈 전류 즉, 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전류가 더 낮은 그러한 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 모든 냉각제 흐름의 세기를 제어하는 데 사용된다. 이를 위해 모듈 전류들은 바람직하게 분리되어 측정되므로, 상기 모듈 전류들이 비교될 수 있다. 모든 모듈 전류들의 총합일 수 있는 배터리 전류가 동일할 경우, 더 많은 연료 전지 모듈들이 냉각될수록 냉각제 흐름이 바람직하게 더 커지기 때문에, 최대 전류가 바람직하게 가중되어 제어를 위해 사용된다. 상기의 가중은 냉각된 연료 전지 모듈의 수로부터 제공될 수 있다.
하나의 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 냉각제 흐름이 종료되어야 하는 반면, 다른 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 또 다른 냉각제 흐름이 계속되어야 하면, 다른 냉각제 흐름이 종료되기 전에, 또 다른 냉각제 흐름의 세기가 모듈 전류와 무관하게 감소하는 것이 바람직하다. 이로써 모듈 전류를 제공하는 연료 전지 모듈을 통해, 연료 전지 모듈을 손상시킬 수 있는 압력 서지(pressure surge)가 계속되는 것은 방지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 변형예에서, 연료 전지 모듈의 전방 및 후방에서의 냉각제의 온도 차이가 조절된다. 이러한 조절은, 온도 조절과 동시에 구현되고 특히 보정 방식으로 작용하는 조절일 수 있다. 바람직하게, 냉각제 펌프의 펌프 출력은 조절의 조작 변수이다. 이러한 조절에 의해, 온도 차이는 예컨대 사전 설정된 온도 범위로 조절될 수 있다. 온도 차이는 상기 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 냉각제 흐름 또는 모든 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전체 냉각제 흐름의 세기에 대한 수치이다. 온도 차이가 조작 변수로서 사용됨으로써, 냉각제 흐름은 특히 바람직한 하나의 범위 내에 유지될 수 있다. 이로써 연료 전지 모듈이 보호될 수 있으며, 연료 전지 모듈의 높은 효율이 긴 시간 동안 유지될 수 있다.
바람직하게, 상기 온도 차이는 특성 곡선을 기초로 모듈 전류에 의해 조절된다. 따라서 설정 온도 차이는 전류가 낮을 때 낮은 값으로 조절되고 전류가 높을 때 더 높은 값으로 조절될 수 있는데, 예컨대 최대 모듈 출력의 20%일 때 2℃로 조절되고 모듈 출력의 100%일 때 10℃로 조절될 수 있다.
연료 전지 모듈이 복수인 경우, 모든 연료 전지 모듈에 대한 입구와 모든 연료 전지 모듈로부터의 출구 사이의 온도 차이가 사용될 수 있다. 바람직하게, 냉각 장치에 의해 얼마나 많은 연료 전지 모듈이 현재 냉각되는지가 상기 조절 내에 유입된다. 이는 작동중인 연료 전지 모듈의 수에 따라, 상이한 특성 곡선에 의해 구현될 수 있다.
바람직하게, 특성 곡선은 연료 전지 시스템의 최대 출력의 50%의 출력, 특히 연료 전지 시스템의 출력의 70%부터는 일정하다.
연료 전지 시스템과 관련한 상기 목적은, 연료 전지 모듈 내부에서 냉각제 온도를 측정하며 상기 측정값으로부터 도출된 장애 변수와 연료 전지 모듈을 통해 흐르는 전기 전류의 변동을 또 다른 장애 변수로서 조절에 적용하기 위해, 본 발명에 따라 처리 수단이 제공되는, 서두에 언급한 유형의 연료 전지 시스템에 의해 달성된다. 연료 전지 모듈 내부에서 부하 변동으로 인해 야기된 온도 변화에 대해 신속한 반응이 구현될 수 있으므로, 상기 변동은 적게 유지될 수 있다. 앞서 설명한 방법 단계를 개회로 제어하거나 폐회로 제어하기 위해 처리 수단이 바람직하게 제공된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조로 더 자세히 설명된다.
도 1은 연료 전지를 형성하는 연료 전지 모듈을 갖는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도면에는 제1 연료 전지 모듈(4) 및 제2 연료 전지 모듈(6)과 함께, 연료 전지 시스템(2)이 매우 간단하고 개략적인 도면으로 도시되며, 상기 연료 전지 모듈들은 함께 연료 전지를 형성한다. 2개의 연료 전지 모듈(4, 6)은 도시되지 않은 부하, 예컨대 차량의 모터에 전기 접속되며, 상기 두 연료 전지 모듈(4, 6)은 구동 에너지로써 상기 연료 전지 모듈의 전류를 모터에 공급하고, 이러한 공급은 처리 수단(8)에 의해 제어된다.
또한, 연료 전지 시스템(2)은 냉각기(12)와, 냉각제 회로(16)를 통해 냉각제를 펌핑하기 위한 냉각제 펌프(14)를 구비한 냉각 장치(10)를 포함한다. 냉각제 회로(16)에서의 냉각제 흐름은 동시에 두 연료 전지 모듈(4, 6)로 분할되며 분리된 2개의 냉각제 흐름으로 상기 연료 전지 모듈들을 관류하고, 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 개별 냉각제 흐름은 각각 하나의 밸브(18, 20)에 의해 별도로 연결되거나 차단될 수 있다. 또한, 냉각제 회로(16)는 냉각제 회로에서 전체 냉각제 흐름 중 냉각기(12)를 통해 흐르는 냉각제의 비율을 조정할 수 있는 혼합 밸브(22)를 포함한다.
혼합 밸브(22)는 혼합 밸브(22)의 위치에 대한 설정값(24)을 조절 회로에서의 조작 변수로서 혼합 밸브(22)에 사전 설정하는 처리 수단(8)에 의해 제어된다. 냉각제 펌프(14) 역시, 상기 펌프의 회전수에 대한 설정값(26)을 또 다른 조절 회로에서의 조작 변수로서 냉각제 펌프(14)에 사전 설정하는 처리 수단에 의해 제어된다. 더욱이, 2개의 밸브(18, 20)는 "열림" 또는 "닫힘"으로 밸브의 위치를 사전 설정하는 처리 수단(8)에 의해 제어된다. 중간 위치는 제공되지 않는다.
연료 전지 모듈(4, 6)의 내부에는 각각 하나의 온도 센서(28, 30)가 제공되며, 온도 센서는 신호 기술적으로 처리 수단(8)에 연결되므로 온도 센서(28, 30)에 의해 측정된 온도가 처리 수단(8)에 의해 모니터링될 수 있다. 또한 2개의 또 다른 온도 센서(32, 34)가 냉각제 회로(16)에서 연료 전지 모듈(4, 6)의 외부에 배치되며, 온도 센서(32)는 연료 전지의 입구에서 냉각제의 입구 온도(TE)를 측정하며 온도 센서(34)는 연료 전지의 출구에서의 출구 온도(TA)를 측정한다. 또한, 2개의 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 전류는 상응하는 전류 센서(36, 38)를 이용하여 처리 수단(8)에 의해 각각 개별적으로 모니터링된다.
작동 중, 제1 연료 전지 모듈(4)만이 우선적으로 작동하는 반면, 제2 연료 전지 모듈(6)은 차단되며 전류를 생성하지 않는다. 밸브(18)는 열리고, 밸브(20)는 닫히며 전기 부하는 제1 연료 전지 모듈(4)에만 연결된다. 연료 전지 모듈(4)에서 생성된 열 에너지 또는 열의 대부분은 연료 전지 모듈(4)을 관류하는 냉각제로 송출되며, 더 적은 다른 부분은 연료 전지 모듈(4)로부터 외부로 방출된다. 가열된 냉각제는 혼합 밸브(22)의 위치에 상응하게, 부분적으로 냉각기(12)를 관통하여 안내되고 부분적으로 바이패스(40)를 통해 냉각기(12)를 지나쳐 흐른다. 냉각제 회로(16)에서의 냉각제 흐름의 세기 및, 연료 전지 모듈(4)을 통해 흐르는 냉각제 흐름의 세기는 냉각제 펌프(14)의 회전수에 의해 사전 설정된다.
온도 센서(34)에서 냉각제의 출구 온도(TA)는 처리 수단(8)에 의해 지속적으로 모니터링되며 온도 조절을 위한 조절 변수로서 사용된다. 혼합 밸브(22)의 위치의 설정값(24)이 상기 조절 시의 조절값으로서 사용되며, 조절에 대한 사전 설정값은 출구 온도(TA)인 75℃의 온도이다. 상기 온도가 75℃를 넘어서 상승하면, 혼합 밸브(22)가 냉각기(12) 쪽으로 더 많이 열리며, 이로써 냉각기(12)를 관류하는 냉각제의 비율이 증가하므로 입구 온도(TE)가 하강하고 따라서 작동 조건이 안정적인 경우 출구 온도(TA)도 잠시 후에 하강하게 된다. 온도가 조절됨으로써, 연료 전지 모듈(4)에서 냉각제 흐름의 냉각력이 간접적으로 조절된다.
작동중 전기 부하가 변동하면, 연료 전지 모듈(4)에 의해 생성된 전류의 크기도 상응하게 변동한다. 이로써 연료 전지 모듈(4)에서의 열 발생도 영향을 받게 되며, 이때 발생한 열은 전류가 증가함에 따라 상승한다. 연료 전지 모듈(4)의 내부는 더 뜨거워지며, 더 많은 열이 냉각제 흐름 쪽으로 방출되고 냉각력은 상승하며 이에 따라 출구 온도(TA)가 상승한다. 이러한 조절에 의해 혼합 밸브(22)가 냉각기(12)의 방향으로 더 많이 열리고, 냉각기(12)를 통해 더 많은 냉각제가 흐르며 냉각기에서는 더 많은 열이 냉각제로부터 방출되므로, 입구 온도(TE)는 예컨대 65℃로 일정하게 유지될 수 있거나 더 광범위한 조절의 경우 연료 전지 모듈(4)에서 발생한 더 큰 열량을 보상하기 위해 입구 온도(TE)는 더 낮은 값으로 하강한다.
이러한 조절에 대해 추가적으로, 연료 전지 모듈(4)에서의 냉각제 흐름의 냉각력은 냉각제 펌프(14)의 회전수의 설정값(26)이 조정됨으로써 처리 수단(8)에 의해 제어된다. 상기의 제어는 연료 전지 모듈(4)을 통해 흐르는 전류(I1)에 따라 실행되므로, 수학적 변환 또는 특성 곡선에 상응하게 전류(I1)가 클 때 회전수가 크며 전류(I1)가 작을 때 회전수는 작다. 냉각제 펌프(14)의 회전수가 더 높음으로써, 연료 전지 모듈(4)을 통해 냉각제가 더 신속하게 흐르고 즉, 냉각제 흐름이 더 커지므로, 연료 전지 모듈(4)에서 더 높은 전류 생성으로 인한 더 높은 열 발생이 더 높은 냉각력과 함께 고려된다.
연료 전지 모듈(4)의 출력 상승이 큰 경우, 전류에 따른 개회로 제어에도 불구하고, 발생된 열 에너지의 양이 신속하게 증가하는 것에 기초해서 연료 전지 모듈(4) 내부의 온도가 뚜렷이 상승할 수 있다. 이러한 온도 상승을 저지하기 위해, 설명한 조절에 대한 보정값으로서 연료 전지 모듈(4)을 통해 흐르는 전기 전류의 변동이 즉, 전류 구배가 사용된다. 이를 위해 연료 전지 모듈(4)을 통해 흐르는 전류(I1)가 처리 수단(8)에 의해 지속적으로 모니터링되며 전류 구배가 인식된다. 전류 구배가 양(positive)인 경우, 상기 전류 구배는 혼합 밸브(22)의 위치의 설정값(24)에 대해 선형으로 적용되어 처리 수단(8)에 의해 조절값 변동으로 변환된다. 예컨대 양의 전류 구배가 2배가 되면, 양의 조절값 변동도 2배가 되고, 혼합 밸브(22)는 냉각기(12) 쪽으로 추가로 2배 더 많이 열린다. 예컨대 전류(I1)가 지속적으로 선형으로 증가함으로 인해 전류 구배가 일정하면, 조절에 적용되는 장애 변수도 일정하다. 전류 구배가 사라지면, 조절에 대한 장애 변수의 적용도 종료된다.
이로써 혼합 밸브(22)는 예컨대 양의 전류 구배의 발생과 실질적으로 동시에 냉각기(12)의 방향으로 열리므로, 더 짧은 시간 내에 입구 온도(TE)가 하강한다. 이로써 양의 전류 구배에 대한 조절 변수인 출구 온도(TA)의 반응을 기다리지 않고서도 연료 전지 모듈(4)의 가열이 매우 신속하게 저지된다. 전류 구배가 음인 경우 즉, 연료 전지 모듈(4)에서의 부하가 감소하는 경우 다른 연산 부호를 고려할 때와 유사하게 절차가 실행될 수 있다.
연료 전지 모듈(4)에서의 온도(T1)가 어떠한 이유로 인해, 예컨대 매우 높은 양의 전류 구배로 인해, 사전 결정된 값보다 높게, 예컨대 85℃보다 높게 상승하면, 이는 지속적으로 온도(T1)를 모니터링하는 처리 수단(8)에 의해 인식된다. 후속해서, 처리 수단(8)은 조절 편차를 생성하고, 조절 편차는 장애 변수로서 조작 변수에 즉, 혼합 밸브(22)의 위치의 설정값(24)에 적용된다. 이러한 적용은 전류 구배로 인한 적용에 대해 추가로 제공된다. 혼합 밸브(22)는 온도 조절에 의한 것보다 더 많이 열리며, 전류 구배에 의해 경우에 따라 적용이 사전 설정된다. 연료 전지 모듈(4)에서의 온도(T1)가 사전 결정된 값 미만인 경우, 장애 변수는 유사하게, 그리고 반대 연산 부호로써 진행될 수 있다.
냉각제 펌프(14)의 회전수의 오프-루프 제어에 추가하여, 회전수가 조절될 수 있다. 조절 변수로는, 출구 온도(TA)와 입구 온도(TE) 사이의 온도 차이가 사용될 수 있다. 이 경우 온도 범위[상기 범위 내에서는 조절이 중단됨]가 조절 변수에 제공되는 것이 특히 바람직하다. 상기 범위는 예컨대 9℃ 내지 12℃이거나, 더 좁혀서 말하면 10℃ 내지 11℃일 수 있다. 온도 차이가 사전 결정된 값, 예컨대 11℃를 초과해서 상승해야만, 냉각제 펌프(14)의 회전수의 상응하는 조절에 의해 조절이 시작될 수 있다. 물론 목표한 온도 차이, 예컨대 10.5℃를 위해 정확한 값을 사전 설정하고 지속적인 보정 조절에 의해 제어를 중첩하는 것도 가능하다. 작동중인 연료 전지 모듈(4, 6)의 수에 따라 상이한 한계값이 사전 설정될 수 있다.
이러한 폐회로 제어는 전류(I1)에 기초해서 회전수의 개회로 제어에 중첩되며, 예컨대 사전 설정됨 범위에서 온도 차이를 조절하는 보정 조절로서 제공된다. 상기 온도 차이가 설정값을 초과하거나 조절이 실행되지 않는 범위의 상한값을 초과하면, 냉각제 펌프(14)의 회전수가 증가한다. 이와 유사하게, 상기 온도 차이가 설정값에 미달되거나 조절이 실행되지 않는 범위의 하한에 미달되는 경우 회전수가 감소한다.
2개의 연료 전지 모듈(4, 6)에 의한 작동 시, 설명한 개회로 제어와 폐회로 제어는 두 연료 전지 모듈(4, 6)에 대해 동일한 방식으로 실행될 수 있다.
제2 연료 전지 모듈(6)이 제1 연료 전지 모듈(4)에 연결된 경우, 제2 밸브(20)가 열리므로, 제2 연료 전지 모듈(6)을 관류하는 추가의 냉각제 흐름이 생성된다. 냉각제 펌프(14)의 회전수가 동일하게 유지되는 경우, 냉각제 회로(16)로부터의 전체 냉각제 흐름이 2개의 연료 전지 모듈(4, 6)에 분배되므로, 아직 전체 전류를 갖는 연료 전지 모듈(4)은 덜 냉각된다. 이로 인한 연료 전지 모듈(4)에서의 온도 상승을 저지하기 위해, 냉각된 연료 전지 모듈(4, 6)의 수에 따라 회전수가 제어될 수 있다.
대략 3분의 시동 시간 이후 제2 연료 전지 모듈(6)이 전기 부하의 일부를 맡으므로, 제1 연료 전지 모듈(4)을 통해 흐르는 전류는 감소한다. 전기 부하는 2개의 연료 전지 모듈(4, 6)에 예컨대 균일하게 분배된다. 이제 냉각제 펌프(14)의 회전수를 배터리 전류에 따라 즉, 모든 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 전체 전류에 따라 제어할 가능성이 생긴다.
물론 이러한 제어의 경우에는 전력 또는 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 전류가 동일하지 않게 분배될 수도 있다는 점이 고려되지 않으므로, 연료 전지 모듈들(4, 6) 중 어느 하나는 다른 하나의 연료 전지 모듈보다 더 큰 냉각력을 필요로 한다. 2개의 밸브(18, 20)가 열리기 때문에, 냉각제 회로(16)의 전체 냉각제 흐름은 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 두 냉각제 흐름에 균일하게 분배된다. 다시 말해, 예컨대 전기 부하의 분배가 처리 수단(8)에 의해 연료 전지 모듈(4, 6)에 대한 균일한 분배로부터 균일하지 않은 분배로 변동하면, 상기 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 냉각제 흐름의 세기는 상기 지점에서 더 많은 열이 발생하더라도 변동하지 않는다. 다른 하나의 연료 전지 모듈(4, 6)에서 열이 덜 발생하기 때문에, 전류 분배의 변동 역시 출구 온도(TA)의 변동에 의해 또는, 출구 온도(TA)와 입구 온도(TE) 사이의 온도 차이에 의해 측정되지 않거나 불충분한 정도로만 측정된다.
이러한 단점을 방지하기 위해, 냉각제 펌프(14)의 회전수는 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 최대 전류(I1, I2)에 따라 제어된다. 예컨대 제1 연료 전지 모듈(4)이 더 큰 전기 부하를 가지면, 회전수는 상기 연료 전지 모듈의 전류(I1)에 따르며 제2 연료 전지 모듈(6)을 통해 흐르는 전류(I2)와는 무관하다. 따라서 전류를 덜 갖는 다른 연료 전지 모듈(6)은 요구되는 것보다 더 심하게 냉각되지만 이는 허용될 수 있는 정도이다.
물론 냉각제 펌프(14)의 회전수가 상기와 같이 제어됨으로써, 전류를 덜 갖는 연료 전지 모듈(4)로부터 비교적 차가운 냉각제가 온도 센서(34)로 유입됨으로 인해 온도 차이가 심하게 감소한다. 이에 따라 냉각제 펌프(14)의 회전수가 보정 조절될 수도 있으므로, 2개의 연료 전지 모듈(4, 6)에서의 냉각력이 감소하며 더 큰 전류를 갖는 연료 전지 모듈(4)이 덜 냉각될 수도 있다. 이러한 작용을 방지하거나 적게 유지하기 위해서는, 냉각 장치(10)에 의해 얼마나 많은 연료 전지 모듈(4, 6)이 현재 냉각되는지가 온도에 따르는 보정 조절에 고려된다. 복수의 연료 전지 모듈(4, 6)의 경우, 조절이 실행되지 않는 범위가 예컨대 아래쪽으로 확대될 수 있으므로, 온도 차이가 적은 경우에도 보정 조절이 아직 개입되지 않는다.
연료 전지 모듈(4, 6), 예컨대 제1 연료 전지 모듈(4)이 차단되는 반면, 다른 연료 전지 모듈(6)은 계속해서 작동중이면, 연료 전지 모듈(4)로부터 전기 전류가 차단된 후 상기 연료 전지 모듈은 특정 시간 동안 계속해서 여전히 냉각되므로 잔열이 연료 전지 모듈(4)로부터 밖으로 빠져나갈 수 있다. 그 후, 해당 밸브(18)가 닫히며 연료 전지 모듈(4)을 통해 흐르는 냉각제 흐름이 정지하게 된다. 전체 냉각제 흐름은 전류를 갖는 연료 전지 모듈(6)을 통해 흐른다. 이러한 과정은 냉각에 유해하지는 않지만, 경우에 따라 연료 전지 모듈(6)의 장기적인 내구성과 효율을 저하시킨다. 따라서 이러한 압력 서지는 방지되어야 한다. 일반적으로 직류 펌프의 펌프 출력은 천천히만 감소할 수 있으므로, 밸브(18)가 닫히기 전에 즉, 연료 전지 모듈(4)을 통해 흐르는 냉각제 흐름이 정지하기 전에, 이미 특정 시간 동안 연료 전지 모듈(4)의 차단과 관련해서 냉각제 펌프(14)의 회전수가 처리 수단(8)에 의해 감소한다. 이러한 감소는 바람직하게, 냉각을 위해 제공되고 전기 부하로부터 연료 전지 모듈(4)이 차단된 이후 시작되는 시간 이후에야 실행된다. 냉각제 펌프(14)의 회전수 감소가 종료된 이후에야 밸브(18)가 닫히며 냉각제 흐름은 전체적으로 제2 연료 전지 모듈(6)을 통해 안내된다.
도시된 실시예의 경우 연료 전지 모듈(4, 6)이 2개인 경우에 대해서만 방법 단계가 설명되었다. 물론 상기의 방법 단계는, 개별적으로 작동되거나, 하나의 그룹으로 작동되거나 모두 함께 작동될 수 있는 복수의 연료 전지 모듈을 구비한 연료 전지 시스템에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 하나 이상의 연료 전지 모듈(4, 6)과, 연료 전지 모듈(4, 6)의 냉각을 위한 냉각 장치(10)를 구비한 연료 전지 시스템(2)에서의 온도 조절 방법이며, 상기 시스템에서 냉각제가 연료 전지 모듈(4, 6)을 통과하여 지나가고 처리 수단(8)이 연료 전지 모듈(4, 6)의 출구에서의 냉각제의 온도를 조절하는 연료 전지 시스템(2)에서의 온도 조절 방법에 있어서,
    연료 전지 모듈(4, 6) 내부에서 냉각제 온도가 측정되며, 상기 측정값으로부터 도출된 장애 변수와, 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 전기 전류(I1, I2)의 변동이 또 다른 장애 변수로서 조절에 적용되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법.
  2. 제1항에 있어서, 냉각 장치(10)는 냉각기(12)와 혼합 밸브(22)를 구비한 냉각제 회로(16)를 포함하며, 상기 혼합 밸브에 의해서는 냉각기(12)를 관통하여 안내되는 냉각제와 냉각기(12)를 스쳐 지나가는 냉각제 사이의 비율이 조정되고, 이때 혼합 밸브(22)의 위치는 조절의 조작 변수를 형성하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 전기 전류의 변동이 장애 변수로서 조절의 조작 변수에 적용되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각제 펌프(14)의 펌프 출력이 조정됨으로써 연료 전지 모듈의 온도가 설정되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각제 흐름의 세기는 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 전기 전류(I1, I2)의 세기에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 전지 시스템(2)은 각각 하나의 냉각제 흐름이 관류하는 2개 이상의 연료 전지 모듈(4, 6)을 포함하고, 모든 냉각제 흐름의 세기는 개별 연료 전지 모듈(4, 6)의 최대 전류(I1, I2)에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법.
  7. 제6항에 있어서, 모듈 전류를 제공하는 하나의 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 냉각제 흐름의 세기는, 다른 하나의 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 냉각제 흐름이 정지하기 전에, 모듈 전류와 무관하게 감소하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 전지 모듈(4, 6) 이전과 이후의 냉각제의 온도 차이가 조절되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법.
  9. 제8항에 있어서, 냉각 장치(10)에 의해 얼마나 많은 연료 전지 모듈(4, 6)이 현재 냉각되는지가 보정 조절에 고려되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템에서의 온도 조절 방법.
  10. 하나 이상의 연료 전지 모듈(4, 6)과, 냉각제가 연료 전지 모듈(4, 6)을 통과하여 지나가게 하는 냉각 장치(10)와, 연료 전지 모듈(4, 6)의 출구에서의 냉각제의 온도를 조절하기 위해 제공된 처리 수단(8)을 구비한 연료 전지 시스템(2)에 있어서,
    연료 전지 모듈(4, 6) 내부에서 냉각제 온도를 측정하며 상기 측정값으로부터 도출된 장애 변수와, 연료 전지 모듈(4, 6)을 통해 흐르는 전기 전류(I1, I2)의 변동을 또 다른 장애 변수로서 조절에 적용하기 위해 처리 수단(8)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(2).
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