KR20020020947A - 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템 및 그 제어방법에 있어서, 연료전지 시스템은 각각이 고분자 전해질막(13)을 갖는 연료전지들(11)을 포함하는 스택(21) 및 제어기(61)를 포함한다. 제어기(61)는 변위센서(27)와 온도센서(28)의 검출 출력에 반응하여, 고분자 전해질막(13)이 지나치게 건조한 상태에 있는 것으로 식별된 경우에 차단 밸브(37)에 "닫힘" 제어신호를 인가하여 스택(21)으로의 연료가스 공급을 저지하고, 동시에, 순수탱크(55)로부터 가습기(35)로 순환되는 순수(59)의 유속을 증가시키도록 그 회전속도를 최대로 하기 위해 펌프 제어신호를 펌프(57)로 인가하면서 차단 밸브(41)에 "개방" 제어신호를 인가하여 스택(21)으로 공기가 공급되도록 제어한다.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
최근에, 모터 차량의 전력발생 시스템으로써, 고 전력밀도를 가지며 저온에서 작동가능한 고분자 전해질막 타입의 연료전지를 상업적으로 응용하기 위해 상당한 연구와 개발이 수행되어 왔다.
그러한 고분자 전해질막 연료전지는 일반적으로 고분자 전해질막, 그 막의 일측에 결합된 양극 및 그 막의 타측에 결합된 음극으로 구성되어 결합구조를 제공하며, 이 구조는 격리판 사이에 끼워져 있다.
고분자 전해질막 타입의 복수의 연료전지를 스택(stack)으로 포함하는 연료전지 시스템에서, 연료가스와 공기는 일반적으로 고분자 전해질막이 건조되는 것을 방지하기 위해 가습기로 가습되며, 이로써 고분자 전해질막이 전력발생 동안 적당히 습한 상태로 유지된다.
본 발명은 연료전지 시스템 및 이를 제어하는 방법, 특히 고분자 전해질 타입의 연료전지 제어 시스템 및 고분자 전해질 타입의 연료전지를 제어하는 방법에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템에 포함된 고분자 전해질막 타입의 연료전지의 전지구조를 도해하기 위한 도면이다.
도2는 상기 실시예에 따른 복수의 연료전지로 구성된 스택에 대한 고정 구조의 전형적인 예를 도해하기 위한 개략도이다.
도3은 상기 실시예에 따른 스택의 습한 상태의 차이에 따른 적층 방향으로의 스택 길이의 변위 특성을 도해하기 위한 도면이다.
도4는 상기 실시예에 따른 연료전지 시스템용 시동장치의 블록도이다.
도5는 상기 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동장치의 작동을 도해하기 위한 흐름도이다.
도6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동장치의 블록도이다.
도7은 상기 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동장치의 작동을 도해하기 위한 흐름도이다.
그러나, 이러한 연료전지 시스템에서는, 연료전지 시스템이 오랜 시간 동안 비-사용 상태에 있고 고분자 전해질막이 지나치게 건조한 상태에 있는 경우에도, 스택의 통상적인 작동에서 보통 행해지는 통상적인 관습이 스택을 시동(start up)시키는데 채택되어 왔다.
이 때문에, 안정된 방식으로 스택으로부터 출력전력을 취함에 있어서의 결과적인 어려움 또는 대량의 출력전력이 필요할 때 야기되는 급격한 전압강하로 인한 바람직하지 않은 시스템 고장과 함께, 충분히 습한 상태로의 고분자 전해질막의 가습은 장기간의 예비 작동시간을 어느 정도 필요로 한다.
본 발명은 상기 연구결과를 고려하여 이루어졌으며, 고분자 전해질 타입의 연료전지 시스템이 건조한 상태에 있는 경우라도 실질적으로 최적 시동 제어를 달성할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공할 목적을 갖는다.
본 발명의 연료전지 시스템은: 연료가스 및 공기를 가습하는 가습기; 복수의 연료전지를 포함하며 적층 방향으로의 자유이동을 위해 고정되고 상기 복수의 연료전지 각각은 고분자 전해질막을 가지며 상기 가습기에 의해 가습된 연료가스와 상기 가습기에 의해 가습된 공기를 반응시켜 전력을 발생시키는 스택; 적층 방향으로의 상기 스택의 길이의 변위값을 검출하는 변위센서; 상기 스택의 온도를 검출하는 온도센서; 및, 상기 변위센서에 의해 검출된 상기 스택의 변위값 및 상기 온도센서에 의해 검출된 상기 스택의 온도에 응답하여 상기 고분자 전해질막이 건조 상태에 있는지 여부를 식별하며 상기 고분자 전해질막이 상기 스택의 작동 개시시에 건조 상태에 있는 것으로 식별되면 상기 고분자 전해질막이 습한 상태가 되도록 상기 가습기를 제어하는 제어기를 갖는다.
다시 말하면, 본 발명의 연료전지 시스템은: 연료가스 및 공기를 가습하는 가습수단; 복수의 연료전지를 포함하며 적층 방향으로의 자유이동을 위해 고정되고 상기 복수의 연료전지 각각은 고분자 전해질막을 가지며 상기 가습수단에 의해 가습된 연료가스와 상기 가습수단에 의해 가습된 공기를 반응시켜 전력을 발생시키는 스택; 적층 방향으로의 상기 스택의 길이의 변위값을 검출하는 변위 검출수단; 상기 스택의 온도를 검출하는 온도 검출수단; 및 상기 변위 검출수단에 의해 검출된 상기 스택의 변위값 및 상기 온도 검출수단에 의해 검출된 상기 스택의 온도에 응답하여 상기 고분자 전해질막이 건조 상태에 있는지 여부를 식별하며 상기 고분자 전해질막이 상기 스택의 작동 개시시에 건조 상태에 있는 것으로 식별되면 상기 고분자 전해질막이 습한 상태가 되도록 상기 가습수단을 제어하는 제어수단을 갖는다.
이 밖에도, 연료가스 및 공기를 가습하는 가습기 및 복수의 연료전지를 포함하며 적층 방향으로의 자유이동을 위해 고정되고 상기 복수의 연료전지 각각은 고분자 전해질막을 가지며 상기 가습기에 의해 가습된 연료가스와 상기 가습기에 의해 가습된 공기를 반응시켜 전력을 발생시키는 스택을 갖는 시스템에 연료전지 시스템을 제어하는 방법이 적용된다. 이 방법은 적층 방향으로의 상기 스택 길이의 변위값 및 상기 스택의 온도를 검출하고, 변위센서에 의해 검출된 상기 스택의 변위값 및 온도센서에 의해 검출된 상기 스택의 온도에 응답하여 상기 고분자 전해질막이 건조 상태에 있는지 여부를 식별하며, 상기 고분자 전해질막이 상기 스택의작동 개시시에 건조상태에 있는 것으로 식별되면 상기 고분자 전해질막이 습한 상태가 되도록 상기 가습기를 제어한다.
본 발명의 다른 추가적인 특징, 장점 및 이득은 도면과 함께 하는 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예들이 도면들을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
(제1 실시예)
도1은 본 발명의 바람직한 실시예의 연료전지 시스템용의 고분자 전해질 타입의 전지의 구조를 도시한다.
도1에서, 연료전지(11)는 고분자 전해질(13), 고분자 전해질막(13)의 일측에 위치한 양극전극(15), 고분자 전해질막(13)의 타측에 위치한 음극(17)으로 구성되어 막전극 어셈블리(MEA)를 형성하고, 이 어셈블리는 격리판(separators)(19) 사이에 끼워져 있다.
도2는 복수의 연료전지로 구성된 스택의 고정 구조의 전형적인 예를 도해한 도면이다.
스택(21)이 다수의 연료전지(11)로 구성되었기 때문에, 스택(21)은 가습 수분으로 인한 고분자 전해질막(13)의 팽창을 야기하여, 결과적으로 열적 팽창으로 인해 적층 방향 X로 각각의 격리판(19)에 팽창과 수축이 야기된다.
이 때문에, 스택(21)의 일측 말단은 비가동 고정물(23)에 의해 차량 몸체(25)에 단단히 고착되어 있고, 스택(21)의 타측 말단은 적층방향 X로의 팽창 및 수축 이동을 허용하면서 방향 Z로의 수직 이동을 방지하기 위해 가동 고정물(24)을 경유하여 차량 몸체(25)에 연결되어 있다. 또한, 변위센서(27)는 가동 고정물(24) 상에 위치하며 그 가공 단계에서 측정된 스택(21)의 원래 길이에 대한 현재의 변위값을 검출하고 변위검출 신호(27a)를 생성하며, 이 신호는 앞으로 상세하게 설명될 방식으로 제어기(61)로 전달된다.
도3은 스택(21)의 습한 상태의 차이로 인한 적층 방향 X로의 다양한 길이와 관련하여 스택(21)의 변위 특성을 도해하기 위한 도면이다.
스택(21)이 제작된 직후 또는 스택(21)이 비-가동 상태에 오랜 시간 동안 놓여 있어서 스택(21)이 지나치게 건조한 상태로 되어 스택(21)의 고분자 전해질막(13)이 수분을 함유하지 않는 경우에, 스택(21)은 도3에 도시된 바와 같이 스택의 최단길이 및 지나치게 건조한 상태를 나타내는 최소 변위 위치 P1에 있다.
이에 반해, 스택(21)이 적당히 습한 상태로 계속 가습이 되고 최대 출력에서 작동하고 있을 때에는, 스택(21)이 팽창 및 열적 팽창을 겪게 되어 전력 생성 중에 도3에서 도시된 바와 같이 스택의 최장 길이에 필적하는 적당한 습한 위치 P5를 취한다. 또한, 연료 스택(21)의 작동이 적당한 주기로 반복되면, 고분자 전해질막(13)은 수분을 함유하기 마련이고, 따라서 스택(21)은 스택(21)이 보통의 비-작동 상태에 있을 경우라도 도3에 도시된 바와 같이 적당한 습한 위치 P5에 보다 가까운 중간 길이에 필적하는 보통의 습한 위치 P3를 취한다.
도4는 본 발명에 따른 바람직한 제1 실시예의 연료전지 시스템의 시동장치(31)를 도시한 블록도이다. 도3의 연료전지 시스템(S)의 시동장치(31)는 이하에서 주로 상세하게 설명될 것이다.
연료가스(33)는 수소 가스 또는 예를 들어 개질기(reformer)(도시되지 않음)로부터 전달된 개질 가스이며 연료가스(33)를 가습하는 가습기(35)로 공급된다. 가습된 연료가스는 이제 차단 밸브(37)를 통해 스택(21)으로 공급된다. 또한, 공기(39)는 예를 들어 공기 압축기(도시되지 않음)로부터 공급되어 가습기(35)에서가습된다. 가습된 공기는 이제 차단 밸브(41)를 통해 스택(21)으로 공급된다.
스택(21)에서는, 비-반응 배기가스(43)는 방출되고 비-반응 공기(45) 역시 배기공기(49)를 방출하는 응축기(47)를 통해 배출되면서, 가습된 연료가스 및 가습된 공기가 반응하여 전력을 생성한다. 또한, 온도센서(28)는 스택(21)의 온도를 검출하고 제어기(61)로 인가되는 온도 검출신호(28a)를 생성하기 위해 스택(21)상에 장착되어 있다.
응축기(47)에서는, 스택(21)으로부터 방출된 공기(45)가 냉각제(51)가 순환되는 복수의 냉각핀을 통해 통과되고, 그럼으로써 공기(45)에 함유된 잉여 수분을 응축시켜 수분을 재생시킨다. 재생된 순수(pure water)(53)는 순수 탱크(55)로 공급된다.
순수 탱크(55)는 이온 필터를 이용하여 순수(53)로부터 이온들을 포획하는데 소용되고 그 안에 순수를 저장하며, 이어서, 순수(59)는 펌프(57)로 가압되어 가습기(35)로 공급된다.
제어기(61)는 제어 데이터를 저장하는 RAM(도시되지 않음), 제어 프로그램을 저장하는 ROM(도시되지 않음), 제어 프로그램에 따라 시스템을 제어하는 CPU(도시되지 않음) 및 CPU로 인가되는 인터럽팅 신호(INT)를 생성하기 위해 미리 설정된 증분 시간을 계수하는 타이머(도시되지 않음)를 포함한다.
제어기(61)는 변위센서(27)로부터 전달된 변위 검출신호(27a)와 온도 검출센서(28)로부터 전달된 온도 검출신호(28a)에 반응하여 스택(21) 내에 위치한 고분자 전해질막이 건조한 상태에 있는지 또는 습한 상태에 있는지 여부를 식별함으로써,지나치게 건조한 상태인 경우에는 건조-상태 개시 수순에서 작동되고 습한 상태인 경우에는 절환되어 정상 개시 수순에서 작동을 개시하게끔 제어되도록 차단 밸브(37, 41)와 펌프(57)를 제어하기 위해 펌프 제어신호(61a)를 생성한다.
DC/DC 컨버터(63)에는 스택(21)으로부터의 출력전력이 인가되고, DC/DC 컨버터(63)는, 스택(21)으로부터 전달되어 DC/DC 컨버터(63)를 통해 부하로 작용하는 배터리(도시되지 않음)나 다른 부하 유니트(도시되지 않음)로 공급되는 출력전력의 양을 제어하고 제한하기 위해 제어기(61)로부터 전달된 수요전력 명령신호(61b)에 반응하여 전압 승압 변환 및 전압 강하 변환을 달성하는 기능을 한다.
이제, 바람직한 제1 실시예의 연료전지 시스템의 시동장치(31)의 작동이 도5에 도시된 통합 흐름도를 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다. 도5의 통합 흐름도에 도해된 작동의 기본 수순은 제어기(61)의 내부 ROM에 제어 프로그램으로 저장되어 있다.
시동시에, 전력은 연료전지 시스템의 시동장치(31)로 인가되고, 그럼으로써 제어기의 작동을 시동시킨다. 이 순간, 제어기(61)는 ROM에 저장된 제어 프로그램을 독출하기 시작하여 이하에 설명된 방식으로 제어를 시작한다.
첫 번째 단계(S10)의 실행에서는, 스택(21) 길이의 변위값 L 및 그 온도 T가 변위센서(27) 및 온도센서(28) 각각에 의해 항상 감시 및 검출된다.
스택(21)의 변위값 L과 관련하여, 가공 단계에서 원래 측정되었던 스택(21)의 길이는 제어기(61)의 RAM에 참조 데이터로써 미리 저장되어 있다. 또한, 스택(21)이 새로운 것으로 교체되면, 이 참조 데이터도 갱신될 필요가 있다. 또한,제어기(61)의 RAM은 스택 온도 T에 반응하여 열적 팽창에 의해 야기된 다른 변위값들을 다루는 파라미터들을 그 안에 미리 저장한다.
다음 단계(S20)에서는, 고분자 전해질막의 습한 상태가 변위센서(27) 및 온도센서(28) 각각에 의해 검출된 변위값 L과 온도 T의 관점에서 식별된다. 고분자 전해질막의 습한 상태를 식별하는 과정은 이하에서 상세하게 설명될 것이다.
예를 들어, 격리판이 예를 들면 탄소로 만들어진 경우에, 순시값은 가공 단계에서 측정된 원래 길이 A, 스택이 적당한 습한 상태 하에서 비-작동 상태에 있을 때(다시 말해서, 스택이 상온에서 비-작동 상태에 있을 때) 측정된 길이 B, 스택이 최대 출력전력으로 정상 상태에서 작동하고 있을 때 측정된 길이 C로부터 얻어지고 열적 팽창에 의해 야기된 스택의 최대 변위값 d는 다음의 관계로 표시된다:
A + d < B - d (1)
또한, 열적 팽창에 의해 야기된 스택의 최대 변위값 d는 적층 방향 X로의 선형 팽창 계수, 온도 T 및 가공 단계 중에 0℃에서 측정된 길이 A'로부터 유도되며, 다음과 같이 표시된다:
d =× T × A' (2)
이 방정식(2)에 대해, 식(1)은 다음과 같이 표시된다:
A +× T × A' < B -× T × A' (3)
식(1)은 탄소로 만들어진 격리판의 열팽창 계수는 10-6차수임에도 불구하고, 습한 상태로 인한 고분자 전해질막의 팽창량(팽창량은 고분자 전해질막의 박막 두께와 화학구조에 의존하지만)은 10-1차수라는 논거로부터 입증된다.
이 때문에, 스택은, 고분자 전해질막이 적당한 습한 상태 하에서 스택 온도가 낮을 때에는, 고분자 전해질막이 지나치게 건조한 상태 하에서 스택 온도가 높을 때에 겪게 되는 것보다 항상 더 큰 값의 열적 팽창을 겪는다.
따라서, 작동 개시시에 변위센서(27)에 의해 검출된 스택의 길이 L이 다음의 식에 의해 얻어지는 경우에는:
L < B - d = B -× T × A' (4)
즉, 스택의 길이 L이, 스택이 적당한 습한 상태 하에서 비-작동 상태에 있을 때 측정된 스택의 길이 B에서 열적 팽창에 의해 야기된 최대 변위값 d를 뺀 순시값보다 작은 경우에는, 고분자 전해질막이 지나치게 건조한 상태에 있는 것임을 파악할 수 있다.
두 번째 단계(S20)의 실행에서는, 또한, 제어기(61)는 변위센서(27) 및 온도센서(28)의 검출값을 바탕으로 고분자 전해질막이 지나치게 건조한 상태에 있는지를 식별하여 그럴 경우에는 단계(S30)로 간다.
단계(S30)에서, 가습기(35)와 스택(21) 사이에 위치한 차단 밸브(37)에는 스택(21)으로의 연료가스의 공급을 저지하기 위한 "닫힘" 제어신호가 인가되고, 동시에, 가습기(35)와 스택(21) 사이에 위치한 차단 밸브(41)에는 공기가 스택(21)으로 공급되는 것을 허용하기 위한 "개방" 제어신호가 인가된다. 동시에, 펌프(57)에는 회전 속도가 최대가 되도록 하는 펌프 제어신호가 인가되고, 그럼으로써 순수탱크(55)로부터 가습기(35)로 순환되는 순수(59)의 유속(flow rate)을 증가시킨다. 동시에, 제어기(61)의 타이머는 증분 시간을 계수하기 시작한다. 결과적으로, 가습기(35)에 의해 지나치게 가습된 공기가 차단 밸브(41)를 통해 스택(21)으로 공급된다.
이어지는 단계(S40)에서는, 계수된 증분 시간이 타이머로부터 독출되고 스택(21)의 고분자 전해질막은 가습 시간이 소정의 시간 Sh에 도달할 때까지 가습된다.
가습 시간이 소정의 증분 시간 Sh에 도달하면 단계(S50)로 가고, 이 단계에서는, 공기를 공급하는 것 이외에, 가습기(35)와 스택(21) 사이에 위치한 차단 밸브(37)에는 "개방" 제어신호가 인가되어 스택(21)으로의 연료가스 공급을 시작하고, 한편으로는 펌프(57)의 유속이 정상값으로 복귀되어 스택(21)이 전력생성을 시작할 수 있도록 펌프 제어신호(61a)를 펌프(57)에 인가한다.
그 다음 단계(S60)에서는, 단계(S10)에서 이전에 언급된 방식과 동일한 방식으로, 변위센서(27) 및 온도센서(28)가 스택 길이의 변위값 L 및 그 온도를 검출한다.
이어지는 단계(S70)에서는, 단계(S20)에서 이전에 언급된 방식과 동일한 방식으로, 제어기(61)는 변위센서(27) 및 온도센서(28) 각각의 검출된 값에 반응하여, 만약 고분자 전해질막이 건조한 상태에 있는 것이 발견되면, 단계(S80)로 돌아간다.
단계(S80)에서는, 스택(21)으로부터 추출되어야 할 출력전력의 양이 소정값 Ph 미만의 제한된 값으로 통제된다. 특히, 스택(21)의 출력전력은, 제어기(61)로부터 인가된 수요전력 명령신호(61b)에 응답하여 전압을 상승 또는 하강 변환하며 스택(21)으로부터 추출될 전력량을 소정값 Ph 미만의 제한된 값으로 제어하는 DC/DC 컨버터(63)로 전달되며, 이로써 DC/DC 컨버터(63)로부터의 출력전력이 배터리(도시되지 않음)나 다른 부하 유니트(도시되지 않음)로 공급되는 것을 허용한다. 그리고, 단계(S60)로 돌아가서 상기 논의된 과정이 반복된다.
단계(S70)의 실행에서, 만약 고분자 전해질막이 건조한 상태에 있지 않고 충분히 습한 상태에 있는 것이 발견되면 단계(S90)로 가서 스택(21)이 정상 작동 모드에서 출력전력을 발생시키는 것을 허용한다. 특히, 제어기(61)로부터 DC/DC 컨버터(63)로 인가되는 수요전력 명령신호(61b)는 정상 전력레벨을 갖도록 변조되고, 그 레벨에 의해 DC/DC 컨버터(63)는 전압 상승 변환 또는 전압 강하 변환에서의 제한을 느슨하게 하도록 제어하며, 이로써 정상 전력이 DC/DC 컨버터(63)로부터 배터리(도시되지 않음)나 다른 부하 유니트(도시되지 않음)로 공급되는 것을 허용한다.
따라서, 스택의 길이 L 및 그 온도 T를 바탕으로, 스택(21)에 위치한 고분자 전해질막이 충분히 습하며 활용될 전력량은 최대 출력전력이 얻어질 때까지 소정값 Ph 미만으로 통제된다는 것을 파악할 수 있다. 결과적으로, 급격한 전압강하와 같은 이유로 인해 시스템에 야기되는 돌발 정지와 같은 바람직하지 않은 상황들을 억제할 수 있다.
단계(S20)의 실행에서, 변위센서(27)와 온도센서(28) 각각의 검출값을 바탕으로 제어기(61)에 의해, 스택(21)에 위치한 고분자 전해질막이 지나치게 건조한 상태에 있지 않고 습한 상태에 있는 것이 발견되면, 단계(S100)로 간다.
단계(S100)의 실행에서, 가습기(35)와 스택(21) 사이에 위치한 양 차단 밸브(37, 41)에는 "개방" 제어신호가 인가되어, 연료가스와 공기가 스택(21)으로 공급되는 것을 허용한다. 동시에, 제어기(61)는 펌프 제어신호(61a)를 펌프(57)로 인가하여 그 유속이 정상값을 갖도록 하여, 스택(21)이 출력전력을 생성하기 시작하는 것을 허용한다.
이어지는 단계(S110)에서는, 제어기(61)는 온도센서(28)의 검출값을 독출하여 스택 온도 T가 설정 온도 Td를 초과하는지 또는 Td 미만인지를 식별한다. 스택 온도가 설정 온도 Td 미만인 경우에는 단계(S120)로 돌아가고, 거기서 단계(S80)에서와 동일한 방식으로 스택(21)으로부터 추출될 전력량이 소정값 Ph 미만으로 제한된다.
단계(S110)의 실행에서, 스택 온도가 설정 온도 Td를 초과하는 것이 발견되면 단계(S90)로 돌아가서 스택이 정상전력 발생모드에서 작동하는 것을 허용한다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따르면, 스택에 위치한 고분자 전해질막의 습한 상태가 검출되고, 고분자 전해질막이 지나치게 건조한 상태에 있는 경우라도 스택은 습한 상태가 회복된 후에 시동될 수 있으며, 연료전지 시스템이 항상 순조로운 방식으로 시동될 수 있도록 대량 전력 생성 중에 야기되는 급격한 전압강하를 피하는 한편 안정된 방식으로 출력전력이 스택으로부터 추출될 수 있게 해준다.
바람직한 제1 실시예의 다른 장점은, 연료전지 시스템은, 변위센서가 스택에 장착될 수 있도록 간소한 구조를 그 안에 단지 포함시킴으로써 실현될 수 있다는 점에 있다. 결과적으로, 또한, 상대적으로 쉬운 방식으로 연료전지 시스템에 이 시동 프로세스를 단지 추가함으로써 연료전지 시스템을 실현할 수 있다.
또한, 스택에서 발생된 일부 문제들에 대해 요구되는 문제 해결시간의 결과적인 감소와 함께 스택의 습한 상태가 검출될 수 있다.
(제2 실시예)
도6은 본 발명에 따른 바람직한 제2 실시예의 연료전지 시스템의 시동장치(71)의 구조를 도해하기 위한 블록도이다. 또한, 바람직한 제2 실시예는 도4의 바람직한 제1 실시예의 연료전지 시스템과 동일한 기본 구조를 가지며, 동일한 부분은 도4에서 사용된 것과 동일한 참조번호를 지니고 명료성을 위해 동일한 부분의 상세한 설명은 생략되었다.
바람직한 제2 실시예의 본질적인 특징은 가습기(73)가 그 안에 히터(75)를 포함한다는 점에서 바람직한 제1 실시예와 다르다.
바람직한 제2 실시예의 연료전지 시스템의 시동장치(71)의 작동은 도7에 도시된 통합 흐름도를 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 도7의 통합 흐름도에서 도해된 작동들의 기본 수순은 제어기(61)의 내부 ROM에 제어 프로그램으로 저장되어 있다. 또한, 바람직한 제2 실시예는 도5에 도시된 바람직한 제1 실시예의 흐름도와 동일한 기본 단계들을 가지며, 동일한 단계는 도5에서 사용된 것과 동일한 참조부호를 지니고 명료성을 위해 동일한 단계의 상세한 설명은 생략되었다.
바람직한 제1 실시예에서의 단계(S30)를 대체하는 단계(S130)의 실행에서, 가습기(73)와 스택(21) 사이에 위치한 차단 밸브(37)에는 스택(21)으로의 연료가스의 공급을 저지하기 위한 "닫힘" 제어신호가 인가되고, 동시에, 가습기(73)와 스택(21) 사이에 위치한 차단 밸브(41)에는 "개방" 제어신호를 인가하여 스택(21)으로 공기가 공급되는 것을 허용한다. 동시에, 가습기(73)에 위치한 히터(75)에는 전력(61c)이 인가되고, 순수탱크(55)로부터 가습기(73)로 순환되는 순수(59)의 유속을 증가시키도록 펌프(57)의 회전속도를 최대로 하기 위해 제어기(61)로부터 펌프(57)로 펌프 제어신호(61a)가 인가된다. 동시에, 제어기(61)의 타이머는 증분 시간의 계수동작을 시작한다.
결과적으로, 스택(21)에 위치한 고분자 전해질막이 동작 개시시에 지나치게 건조한 상태에 있는 경우라도, 차단 밸브(41)를 통해 스택(21)으로 공급될 더 지나치게 가습된 공기를 생성하기 위해 가습기(73) 내의 히터(75)가 가열되고, 고분자 전해질막을 습하게 하는데 필요한 동작시간이 결과적으로 감소한다.
바람직한 제1 실시예의 단계(S50)를 대체하는 단계(S150)의 실행에서, 공기를 공급하는 것에 더하여 가습기(73)와 스택(21) 사이에 위치한 차단 밸브(37)에는 "개방" 제어신호가 인가되어 스택(21)으로의 연료가스 공급을 시작하며, 한편 가습기(73)에 위치한 히터(75)에는 전력(61c)이 공급되고 펌프(57)의 유속이 정상값으로 복귀되어 스택(21)이 전력생성을 시작하는 것을 허용하도록 펌프(57)로 펌프 제어신호(61a)를 인가한다.
결과적으로, 스택(21)에 위치한 고분자 전해질막이 소정 시간 동안에 한 번 가습된 경우라도, 차단 밸브(41)를 통해 스택(21)으로 공급될 더 지나치게 가습된 공기를 생성하기 위해 가습기(73) 내의 히터(75)가 가열되고, 결과적으로 고분자 전해질막을 습하게 하는데 필요한 작동시간이 감소한다.
바람직한 제1 실시예의 단계(S100)를 대체하는 단계(S170)의 실행에서, 가습기(73)와 스택(21) 사이에 위치한 차단 밸브(37, 41)에는 "개방" 제어신호가 인가되어 스택(21)으로의 연료가스와 공기의 공급을 시작하는 한편 가습기(73) 내에 위치한 히터(75)로 전력을 공급한다. 동시에, 유속을 정상값으로 통제하고 스택(21)이 전력생성을 시작하는 것을 허용하기 위해서 펌프 제어신호(61a)가 제어기(61)로부터 펌프(57)로 전달된다.
결과적으로, 스택(21)에 위치한 고분자 전해질막이 작동 개시시에 정상적인 습한 상태에 있는 경우라도, 가습기(73) 내에 위치한 히터(75)가 가열되어 더 지나치게 가습된 공기를 차단 밸브(41)를 경유하여 스택(21)으로 제공함으로써 감소된 작동시간에 고분자 전해질막이 습해지는 것이 가능하다.
바람직한 제2 실시예의 전형적인 장점은, 가습량의 증가가 고분자 전해질막을 습하게 하기 위한 대기시간을 감소시킨다는 점이다.
본 발명에서는, 연료전지 시스템의 작동 신뢰성이 크게 향상되어 시스템이 지나치게 건조한 상태에 있는 경우라도 언제나 연료전지 시스템에서의 안정적인 작동을 제공한다. 시동시에 정상 모드에서 고분자 전해질막을 가습하기 시작하는 가습 프로세스를 채용하는 연료전지 시스템의 구조와는 다르게, 본 발명의 시스템은 고분자 전해질막이 지나치게 건조한 상태에 있는 경우라도 시동시에 스택의 고분자 전해질막이 최단 시간 내에 적당하게 습해지는 것을 허용하는 제어기를 갖는다. 분명한 결과는, 시스템의 시동 중의 대기 시간 및 스택이 건조한 상태에 있을 때 대량 전력이 소비되는 경우에 발생할 수 있는 시스템 고장의 제거이다.
적층 방향으로의 스택 길이의 변위값과 스택의 온도의 관점에서 스택의 건조한 상태가 식별되기 때문에, 연료전지 시스템의 최적 시동 제어는 크게 단순화된 작동 프로세스를 갖게 되며 전부하(full load) 상태에서의 연료전지 시스템의 신속한 시동이 매우 신뢰성 있는 방식으로 달성될 수 있다. 이러한 최적 시동 제어는 현저한 비용상승을 야기시키지 않으면서 최소의 구성요소를 사용하여 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 시스템은 작동 성능을 향상시키기 위해 기존의 연료전지 시스템에 용이하게 적용될 수 있다.
제어기는 스택이 건조한 상태에 있는 경우에 가습된 공기가 스택에 단지 공급되어 고분자 전해질막을 짧은 기간에 습해지도록 연료전지 시스템을 제어한다.
또한, 연료전지 시스템의 시동 중에, 스택의 고분자 전해질막이 건조한 상태에 있는 경우, 제어기는 가습된 공기가 소정 시간 동안 스택으로 먼저 공급되고 이어서 가습된 연료가스 역시 스택으로 공급되도록 가습기를 제어하며, 고분자 전해질막이 충분히 습한 상태로 될 때까지 스택에 의해 생성된 출력전력이 소정값 미만으로 제한되도록 스택을 역시 제어한다. 이것은 전압강하 또는 그로 인해 야기된 시스템 고장의 제거로 귀결된다.
또한, 더 지나치게 가습된 연료가스 및 공기를 스택으로 공급하기 위해 히터가 가습기에 포함될 수도 있어서, 충분한 정도로 고분자 전해질막을 습하게 하는데 필요한 작동시간을 감소시켜 고분자 전해질막이 건조한 상태에 있는 경우라도 짧은 시간 내에 연료전지 시스템이 시동되는 것을 가능케 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 연료전지 시스템에서의 스택의 건조한 상태가 스택 길이의 변위값 및 스택 온도의 관점에서 감시되며, 연료가스 및 공기의 가습량은 스택의 고분자 전해질막이 고효율 및 높은 신뢰성으로 적당히 습해지도록 제어된다. 따라서, 차량용 연료전지 시스템을 포함한 광범위한 이용가능성이 기대된다.

Claims (10)

  1. 연료가스 및 공기를 가습하는 가습기;
    복수의 연료전지를 포함하며 그 적층 방향으로의 자유 이동을 위해 고정되고, 상기 복수의 연료전지 각각은 고분자 전해질막을 가지며, 상기 가습기에 의해 가습된 연료가스와 상기 가습기에 의해 가습된 공기를 반응시켜 전력을 발생시키는 스택;
    상기 적층 방향으로의 상기 스택의 길이의 변위값을 검출하는 변위센서;
    상기 스택의 온도를 검출하는 온도센서; 및,
    상기 변위센서에 의해 검출된 상기 스택의 변위값 및 상기 온도센서에 의해 검출된 상기 스택의 온도에 반응하여 상기 고분자 전해질막이 건조한 상태에 있는지 여부를 식별하며, 상기 고분자 전해질막이 상기 스택의 작동 개시시에 건조한 상태에 있는 것으로 식별된 경우에는 상기 고분자 전해질막이 습한 상태가 되도록 상기 가습기를 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 고분자 전해질막이 상기 작동 개시시에 건조한 상태에 있는 것으로 식별된 경우에는 상기 가습기를 통해 상기 스택으로 연료가스를 공급하지 않는 한편 상기 가습기를 통해 상기 스택으로 소정 시간 동안 공기를 공급하도록 상기 가습기를 제어하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 소정 시간 동안 상기 가습기를 통해 공기만이 상기 스택으로 공급된 후에 연료가스 및 공기를 상기 가습기를 통해 상기 스택으로 공급하도록 가습기를 제어하면서, 상기 고분자 전해질막이 습한 상태에 있는 것으로 결정될 때까지 상기 스택으로부터의 전력출력이 소정값 미만의 제한된 값으로 통제되도록 상기 스택을 제어하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가습기는 연료가스 및 공기를 가열하는 히터를 포함하며, 상기 스택은 상기 가습기에 의해 가습되고 가열된 연료가스 및 상기 가습기에 의해 가습되고 가열된 공기를 반응시켜 전력을 발생시키는 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 고분자 전해질막이 상기 작동 개시시에 건조한 상태에 있는 것으로 식별된 경우에는 상기 가습기를 통해 상기 스택으로 연료가스를 공급하지 않는 한편 상기 가습기를 통해 상기 스택으로 소정 시간 동안 공기를 공급하도록 상기 가습기를 제어하는 연료전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 소정 시간 동안 상기 가습기를 통해 공기만이 상기 스택으로 공급된 후에 상기 가습기를 통해 상기 스택으로 연료가스 및 공기를 공급하도록 가습기를 제어하면서, 상기 고분자 전해질막이 습한 상태에 있는 것으로 결정될 때까지 상기 스택으로부터의 전력출력이 소정값 미만의 제한된 값으로 통제되도록 상기 스택을 제어하는 연료전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 고분자 전해질막이 상기 스택의 상기 작동 개시시에 습한 상태에 있는 것으로 식별된 경우에는 연료가스 및 공기를 상기 가습기를 통해 상기 스택으로 공급하도록 상기 가습기를 제어하는 연료전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는, 연료가스 및 공기를 상기 가습기를 통해 상기 스택으로 공급하도록 상기 가습기를 제어하면서, 상기 스택의 온도가 소정 온도를 초과할 때까지 상기 스택으로부터의 출력전력이 소정값 미만의 제한된 값으로 통제되도록 상기 스택을 제어하는 연료전지 시스템.
  9. 연료가스 및 공기를 가습하는 가습수단;
    복수의 연료전지를 포함하며 그 적층 방향으로의 자유 이동을 위해 고정되고, 상기 복수의 연료전지 각각은 고분자 전해질막을 가지며, 상기 가습수단에 의해 가습된 연료가스와 상기 가습수단에 의해 가습된 공기를 반응시켜 전력을 발생시키는 스택;
    상기 적층 방향으로의 상기 스택의 길이의 변위값을 검출하는 변위검출수단;
    상기 스택의 온도를 검출하는 온도검출수단; 및,
    상기 변위검출수단에 의해 검출된 상기 스택의 변위값 및 상기 온도검출수단에 의해 검출된 상기 스택의 온도에 반응하여 상기 고분자 전해질막이 건조한 상태에 있는지 여부를 식별하고, 상기 고분자 전해질막이 상기 스택의 작동 개시시에 건조한 상태에 있는 것으로 식별된 경우에는 상기 고분자 전해질막이 습한 상태가 되도록 상기 가습수단을 제어하는 제어수단을 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 연료가스 및 공기를 가습하는 가습기와, 복수의 연료전지를 포함하며 그 적층 방향으로의 자유 이동을 위해 고정되고, 상기 복수의 연료전지 각각은 고분자 전해질막을 가지며, 상기 가습기에 의해 가습된 연료가스와 상기 가습기에 의해 가습된 공기를 반응시켜 전력을 발생시키는 스택을 갖는 연료전지 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 적층 방향으로의 상기 스택의 길이의 변위값을 검출하고;
    상기 스택의 온도를 검출하고;
    변위센서에 의해 검출된 상기 스택의 변위값 및 온도센서에 의해 검출된 상기 스택의 온도에 반응하여 상기 고분자 전해질막이 건조한 상태에 있는지 여부를 식별하며; 및,
    상기 고분자 전해질막이 상기 스택의 작동 개시시에 건조한 상태에 있는 것으로 식별된 경우에는 상기 고분자 전해질막이 습한 상태로 되도록 상기 가습기를 제어하는 것을 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
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