KR20020049014A - 연료전지 차량 - Google Patents

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하나와 요시카즈
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Abstract

압축기(202)에 의해 연료전지(200)에 공급되는 공기 중에 함유된 CO를 검출하는 CO 센서(250), 및 축전지(207)의 충전상태(SOC)를 검출하는 센서(206)는 연료전지 차량에 제공된다. 제어기(254)는 CO농도 및 축전지(207)의 충전상태에 기초하여 연료전지의 작동 및 정지를 제어하며, 축전지(207)의 충전상태가 높은 상태, CO농도가 낮은 연료전지(200)의 작동을 정지시킨다.

Description

연료전지 차량{FUEL CELL VEHICLE}
연료전지는 이용되는 전해질의 성분에 따라서 고체 산소 연료전지(SOFC), 용융 탄소 연료전지(MCFC), 인산 연료전지(PAFC), 고분자 전해질 연료전지(PEFC) 및 알카라인 연료전지(AFC)를 포함한 다양한 형태로 존재한다.
전해질로 불소형 이온 변환 박막(fluorine type ion exchange membrane)을 사용하는 PEFC에서, 종래 기술에서 얻어지는 것보다 몇 배 더 높은 전류 밀도를 허용하는 고성능 이온 변환 박막이 개발되고 있다. 그 결과, 차량의 제한된 장착 공간에 충분한 출력의 연료전지를 설치하는 것이 가능해졌다.
미국 캘리포니아주의 배기 가스 방출 제한에 기인하여, 전기 차량에 PEFC의 적용이 고려중이지만, 소비시장에서는 아직 어떠한 연료전지 차량(FCV)도 없으며, 단지 실험용 차량으로만 발표되고 있다.
FCV는 수소 연료 및 공기를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지, 연료전지에 공기를 공급하는 에어 피더, 연료전지에 수소를 함유하는 연료가스를 공급하는 연료 공급 장치, 및 전력을 구동력으로 변환시키는 모터를 구비한다. 또한, 일반적으로 연료전지에 부가하여 축전지를 제공한다.
수소를 저장하고, 이를 연료전지에 공급하거나, 또는 개질기를 이용하여 수소를 함유하는 가스를 개질하기 위해 메탄올 또는 가솔린과 같은 연료를 변환하고, 이를 연료전지에 공급하는 것과 같은 연료 공급의 상이한 방법이 고려되고 있다.
본 발명은 연료전지 차량에 관한 것이다.
도 1은 연료전지 차량(FCV)이 종래의 내연기관 엔진 차량(ICEV)과 함께 터널에서 주행할 때의 환경을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 FCV의 개략적인 구조를 도시하는 블록선도이다.
도 3은 연료전지의 작동 및 정지 제어를 도시하는 순서도이다.
도 4는 연료전지의 작동 또는 정지 여부를 판정하기 위해 사용된 지도이다.
도 5는 도 2와 유사하지만, 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 제2 실시예에서 연료전지의 작동 및 정지 제어를 도시하는 순서도이다.
동력원으로 PEFC를 사용하는 차량(FCV)이 터널을 주행할 때, 압축기는 연료전지에 공급하는 동력원으로서 종래의 연소 엔진을 사용하는 차량(ICEV)으로부터 배출된 일산화탄소(CO), 산화질소(NOx) 및 오일 성분을 빨아들인다.
도 1에 도시된 것과 같이, 터널(106)의 내부는 ICEV(105)의 배기가스로 채워진 환경이다. FCV(103)가 이 터널(106)을 주행한다면, 압축기(101)는 필터(102)를 통해 배기가스를 빨아들여, 이를 연료전지(100)에 공급한다.
배출된 물질 중, CO는 연료전지의 전극 촉매를 저하시켜, 촉매의 활동도(activity)를 현저하게 감소시킨다. NOx는 급수계통 및 질산 또는 아질산을 증가시키는 연료전지의 고분자 필름으로 흡수되고, 자연 산화에 기인하여 다양한 성분 및 고분자 필름을 저하시켜, 연료전지의 성능을 감소시킨다. 급수계통의 탈 이온화 필터의 교환시간이 앞당겨짐에 따라, 유지비용이 증가한다. 또한, 오일 성분이 연료전지의 전극 촉매에 고착되어, 전극 촉매를 저하시켜, 연료전지의 성능을 감소시킨다.
에어 필터의 성능이 이를 처리하기 위해 증가된다면, 제조 비용 및 유지 비용은 증가하지 않지만, 에어 필터 중의 압력 손실이 증가함에 따라, 압축기의 전력 소비가 증가하고, FCV의 연비 성능은 하락할 것이다.
1997년 일본국 특허청에 의해 발행된 JP-A-H9-63620호 공보는 흡기 중의 CO의 산화처리를 실행하는 방법을 제안한다. 그러나, 이러한 접근에서, 가열 버너에 의해 공기를 예열시키기 위해 과도한 연료가 요구된다. 또한, 가열된 공기를 냉각시키기 위해, 라디에이터(radiator)에 의해 방열되어야 하는 열이 증가한다. 연료전지 자체가 다량의 배기 열을 방출하므로, 라디에이터에 의해 방열되어야만 하는 열의 증가는 바람직하지 못하다.
산화에 의해 대기 중의 오일 성분을 제거하는 것은 어렵다.
또한, 산화에 의해 NOx를 제거하는 것이 이론적으로 불가능하므로, 이는 질소 및 산소로 분해하여 제거되어야 하지만, 다량의 산소를 함유하는 대기의 산화분위기에서 환원 반응인 분해 반응을 일으키는 것은 매우 어렵다.
1997년 일본국 특허청에 의해 발행된 JP-A-H9-180744호 공보에는, 유독성 물질이 검출되어, 유독성 물질의 흡입이 검출된다면 연료전지에 의한 전력 발생이 정지되는 것을 특징으로 하는 방법이 고안되어 있다. 그러나, 이러한 접근이 변형 없이 FCV에 적용될 때, 전력의 공급이 불충분해지고, 주행 성능이 하락할 것이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 FCV의 주행 성능을 감소시키지 않고 흡기 중의 CO와 같은 유독성 물질에 기인하여 FCV의 연료전지의 성능을 하락시키는 것을 방지하는 것이다.
상기 목적을 얻기 위해, 본 발명은 수소를 함유하는 연료 가스를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지, 상기 연료전지에 공기를 공급하는 에어 피더, 상기 연료전지에 연료 가스를 공급하는 연료 공급 장치, 상기 연료전지에 의해 발생된전력에 의해 차량을 구동시키는 모터, 상기 연료전지에 의해 발생된 전력 및 상기 모터에 의해 재발생된 전력을 저장하고, 상기 모터에 저장된 전력을 공급하는 축전지, 상기 에어 피더에 의해 공급된 공기 중에 함유된 연료전지의 성능 악화를 유발하는 유독성 물질을 검출하는 센서, 상기 축전지의 충전 상태를 검출하는 센서, 및 유독성 물질의 검출 결과 및 상기 축전지의 충전 상태에 기초하여 상기 연료전지의 작동 및 정지를 제어하도록 프로그램된 마이크로프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량을 제공한다.
본 발명의 상세뿐 아니라 다른 특징 및 이점은 명세서에서 설명되고, 첨부된 도면에 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 기호 200은 수소 및 공기를 포함하는 연료 가스를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지이다. 기호 201은 연료(예컨대, 액체 연료인 메탄올 또는 가솔린)를 수소를 함유하는 개질 가스로 개질하여, 이를 연료 가스로서 연료전지(200)에 공급하는 개질기이다. 기호 202는 연료전지(200)에 공기를 공급하는 에어 피더로서의 압축기이다. 기호 205는 필요시 연료를 개질하기 위해 요구되는 연료 및 물을 공급하는 연료 공급 장치이다. 기호 208은 차량을 주행시키기 위한 모터이다.
기호 207은 연료전지(200)에 의해 발생된 전력 및 모터(208)가 가속될 때, 재발생된 전력을 저장하고, 모터(208)를 구동시키기 위한 전력을 공급하는 축전지이다. 기호 209는 연료전지(200), 축전지(207) 및 모터(208) 사이의 전력의 변화 및 연료전지(200)로부터 추출된 전력량을 제어하는 전력 제어 장치이다.
전력 제어 장치(209)는 축전지(207)의 충전상태(SOC)를 연산한다. SOC는 축전지(207) 중에 저장된 전기적 에너지가 크게 증가할수록 증가되고, 축전지(207)의 최대 용량에서 100%이다. 이는 축전지(207) 중에 저장된 전기적 에너지가 감소함에 따라 감소되고, 축전지(207) 중에 저장된 전기적 에너지가 0에 접근할 때, 0%로 된다. SOC는 예컨대, 전압계(206) 및 SOC에 의해 검출된 축전지(207)의 단자 사이 전압의 관계를 도시하는 표를 조사하여 연산될 수 있다.
기호 250은 압축기(202)의 흡기구(251)에서 압축기(202)에 의해 빨아들인 공기 중의 CO 농도를 검출하는 CO 센서이다. 제어기(254)는 CO 센서(250)에 의해 검출된 CO 농도, 및 전력 제어 장치(209)에 의해 연산된 축전지(207)의 충전 상태에 기초하여 개질기(201), 압축기(202), 연료 공급 장치(205) 및 연료전지(200)의 작동 또는 정지를 제어한다. 연료전지(200)는 개질기(201)를 작동시키므로 작동될 수 있으며, 연료전지(200)는 개질기(201)를 정지시키므로 정지될 수 있다. 이러한 작동은 일본국 특허청에 의해 2001년 발행된 JP-A-2001-23678호 공보에 상세하게 개시되어 있다.
다음으로, 제어기(254)에 의해 실행된 연료전지(200)의 작동 및 정지 제어에 대해 도 3의 순서도를 참조로 하여 설명한다.
우선, 스텝(S1)에서, CO 센서(250)에 의해 검출된 CO 농도가 판독된다. 스텝(S2)에서, CO 농도의 시간 평균치가 제어기(254)의 메모리에 저장된 CO 농도의 이전치 및 스텝(S1)의 판독치를 이용하여 연산된다.
스텝(S3)에서, 전력 제어 장치(209)에 의해 연산된 축전지(207)의 SOC가 판독된다.
스텝(S4)에서, 도 4에 도시된 맵 A를 조사하여 연료전지의 작동 및 정지 여부가 판정된다.
스텝(S5, S6)에서, 개질기(201)가 작동중인지의 여부가 판정된다. 개질기(201)가 작동중이면, 작동이 계속되는 반면, 개질기(201)가 정지되었다면, 개질기(201)는 재시동된다.
스텝(S7, S8)에서, 개질기(201)가 작동중인지의 여부가 판정된다. 개질기(201)가 정지되었다면, 정지 상태가 계속되는 반면, 개질기(201)가 작동중이면, 개질기(201)는 정지된다.
개질기(201)는 연료 공급 장치(205) 및 압축기(202)를 작동시켜, 연료 및 공기를 공급하여 작동된다. 개질기(201)는 연료 공급 장치(205) 및 압축기(202)를 정지시켜, 연료 및 공기의 공급을 중단하여 정지된다. 개질기(202)가 작동중인지의 여부는 제어기(254)가 연료 공급 장치(205) 및 압축기(202)로 공기 공급 신호 및 연료 공급신호를 출력하는지의 여부에 기초하여 결정될 수 있다.
도 4에 도시된 맵 A는 매개변수로서 CO 농도 및 SOC를 이용하여 연료전지(200)의 작동 영역 및 정지 영역을 설정한다. 이는 축전지의 과충전을 방지하고 SOC를 어느 정도로 유지하기 위해 연료전지의 정지를 억제하는 것이 바람직하다. 다른 한편, 연료전지의 저하를 방지하기 위해 연료전지를 정지하는 것이 바람직하다. 그러므로, 맵 A는 연료전지가 더 낮은 CO 농도 및 더 높은 SOC에서 정지되도록 설정된다.
도 4에 도시된 맵 A에 따라, 충전 상태가, 축전지(207)의 과충전을 방지하기 위해, 제1 기준치(SOC_L) 미만이면, 개질기(201)는 압축기(202)에 의해 빨아들인 공기 중의 CO 농도에 상관없이 작동되며, 연료전지(200)는 전력을 발생시키게된다. 다른 한편, 충전 상태가 제1 기준치(SOC_L)보다 높게 설정된 제2 기준치(SOC_H)보다 높은 상태이면, 충분한 구동력이 축전지(207)로부터 단지 모터(208)로 공급된 전력에 의해 잠시동안(예컨대, 터널을 통과할 때까지)얻어질 수 있으므로, 개질기(201)는 압축기(202)에 의해 빨아들인 공기 중의 CO 농도에 상관없이 정지된다.
여기서, 제1 기준치(SOC_L)는 연료전지 시스템의 개시 시간(연료전지 시스템을 재시동하기 위해 요구된 시간)에 따라 설정된다. 예컨대, 제1 기준치(SOC_L)는개시 시간이 짧을 때 20%로 설정되고, 개시 시간이 길 때, 60%로 설정된다. 제2 기준치(SOC_H)는 예컨대, 80%로 설정된다.
상기 언급한 연료전지(200)의 작동 및 정지 제어에 기인하여, 차량이 연료전지(200)를 저하시킬 수 있는 환경에서 주행할 때, 연료전지(200)는 SOC가 충분하다면 정지된다. 그러므로, 연료전지(200)의 저하는 차량의 주행 성능을 감소시키지 않고 방지된다. 이 제어는 맵 A를 참조하여 연료전지의 작동 및 정지 여부를 판정하여 용이하게 실행될 수 있다.
개질기(201)가 디젤 차량이 통과할 때와 같은 CO 농도의 일시적인 변화에 기인하여 빈번하게 정지되고 재시동된다면 에너지 효율은 떨어지지만, 본 실시예와 같이 CO 농도의 시간 평균치를 이용하여 제어를 실행하므로, 그러한 빈번한 전환이 억제될 수 있고, 고효율이 유지될 수 있다.
흡기 중의 유독성 물질을 검출하는 CO 센서를 이용하여, 연료전지의 대부분을 저하시키는 CO에 기인한 연료전지의 저하는 방지될 수 있다.
CO 이외의 빨아들인 공기 중의 유독성 물질, 예컨대, NOx 및 오일 성분을 검출하는 센서가 제공된다면, 상기와 동일한 제어는 이 물질의 농도에 따라 실행될 수 있다.
본 발명은 개질 연료에 의해 연료전지에 공급되는 수소를 발생시키는 연료전지 차량뿐만 아니라, 장치에 저장된 수소가 도 5에 도시된 것과 같은 연료전지에 직접적으로 공급되는 수소를 저장하기 위한 수소 저장 장치(수소 저장 탱크, 금속 수소 합금, 등)를 구비하는 연료전지 차량에도 또한 적용될 수 있다.(제2 실시예).이 경우에, 연료전지의 작동 및 정지는 수소의 공급을 제어하므로 제어된다.
도 6은 도 5에 도시된 것과 같은 수소 저장 탱크에 의해 연료전지(200)에 대한 제어기(254)에 의해 실행된 작동 및 정지 제어를 도시한다.
스텝(S1) 내지 스텝(S4)은 도 3과 동일하다. 스텝(S1) 내지 스텝(S4)에서, CO 농도 및 SOC에 기초하여 연료전지(200)의 작동 및 정지 여부가 판정된다.
스텝(S15, S16)에서, 연료전지(200)가 작동중인지의 여부가 판정된다. 연료전지(200)가 작동중이면, 작동이 계속되는 반면, 연료전지(200)가 정지되었다면, 연료전지(200)는 재시동된다.
스텝(S17, S18)에서, 연료전지가 작동중인지의 여부가 판정된다. 연료전지(200)가 정지되었다면, 정지상태가 계속되는 반면, 연료전지(200)가 작동중이면, 연료전지(200)는 정지된다.
제어기(254)가 연료 공급 장치(수소 저장 탱크, 260)에 연료 공급 신호를 출력중이고, 압축기(202)에 작동 신호를 공급중이며, 전력 제어 장치(209)가 전력 공급 신호를 수신중일 때, 제어기(254)는 연료전지(200)가 작동중인 것으로 판정한다. 제어기(254)가 연료 공급 장치(수소 저장 탱크, 260)에 연료 공급 신호를 출력하지 않고, 압축기(202)에 작동 신호를 공급하지 않으며, 전력 제어 장치(209)가 전력 공급 신호를 수신하지 않을 때, 제어기(254)는 연료전지(200)가 정지 상태인 것으로 판정한다.
연료전지(200)는 연료 공급 장치(260), 압축기(202)를 작동시켜, 연료 및 공기를 공급하므로 작동된다. 연료전지(200)는 연료 공급 장치(260) 및 압축기(202)를 정지시켜, 연료 및 공기 공급을 정지하므로 정지된다.
연료전지는, 개질기의 작동이 연료 공급 장치로부터 연료 공급을 제어하여 제어됨에 따라, 수소를 발생시키는 개질기를 갖는다면, 연료전지의 작동 및 정지 제어는 수소 저장 장치에 의한 연료전지의 경우와 동일한 방법으로 실행될 수 있다.
상기 언급한 제어를 실행하므로, 흡기 중의 유독성 물질이 높을 때조차, 연료전지의 저하가 방지될 수 있다.
일본국 특허출원 P2000-266857(2000년 9월 4일자 출원)의 전체 내용이 참조로 여기에 포함되어 있다.
본 발명이 본 발명의 일정한 실시예를 참조로 하여 설명되었지만, 본 발명은 상기 설명한 실시예로 제한되지는 않는다. 상기 언급된 실시예의 변형 및 변경은 상기 기술에 관한 당 기술의 숙련공들에게서 발생할 수 있다. 본 발명의 범주는 하기의 청구범위를 참조로 하여 한정된다.
본 발명은 연료전지가 설치된 차량에 사용될 수 있으며, 흡기 중에 함유된 CO, NOx 및 오일 성분에 기인한 연료전지의 성능 감소를 방지하는데 효과적이다.

Claims (8)

  1. 수소를 함유하는 연료 가스를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지(200),
    상기 연료전지(200)에 공기를 공급하는 에어 피더(202),
    상기 연료전지(200)에 연료 가스를 공급하는 연료 공급 장치(201, 205, 260),
    상기 연료전지(200)에 의해 발생된 전력에 의해 차량을 구동시키는 모터(208),
    상기 연료전지(200)에 의해 발생된 전력 및 상기 모터(208)에 의해 재발생된 전력을 저장하고, 상기 모터(208)에 저장된 전력을 공급하는 축전지(207),
    상기 에어 피더(202)에 의해 공급된 공기 중에 함유된 연료전지의 성능 악화를 유발하는 유독성 물질을 검출하는 센서(250),
    상기 축전지(207)의 충전 상태를 검출하는 센서(206), 및
    유독성 물질의 검출 결과 및 상기 축전지(207)의 충전 상태에 기초하여 상기 연료전지(200)의 작동 및 정지를 제어하도록 프로그램된 마이크로프로세서(209, 254)를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(209, 254)는 유독성 물질의 농도가 낮고, 상기 축전지(207)의 높은 충전상태에서 상기 연료전지(200)의 작동을 정지하도록 더 프로그램된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(209, 254)는 상기 축전지(207)의 충전상태가 제1 기준치보다 낮을 때, 연료전지(200)를 작동시키고, 상기 축전지(207)의 충전상태가 유독성 물질의 검출 결과에 상관없이 제1 기준치보다 큰 제2 기준치보다 클 때, 상기 연료전지(200)의 작동을 정지시키도록 더 프로그램된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(209, 254)는 상기 유독성 물질의 농도의 시간 평균치 및 상기 축전지(207)의 충전상태에 기초하여 상기 연료전지(200)를 작동시키거나 정지시키도록 더 프로그램된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
  5. 제1항에 있어서,
    유독성 물질의 농도를 검출하는 센서(250)는 일산화탄소를 검출하는 센서인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(209, 254)는 매개변수로서 상기 유독성 물질의 농도및 축전지(207)의 충전상태를 갖는 상기 연료전지(200)의 작동 영역 및 정지 영역을 설정한 지도를 조사하여 상기 연료전지(200)의 작동 또는 정지 여부를 판정하도록 더 프로그램된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급 장치(201, 205, 260)는 수소를 발생시키는 개질기(201)를 포함하고, 상기 마이크로프로세서(209, 254)는 상기 개질기(201)의 작동을 제어하여 상기 연료전지(200)의 작동 또는 정지를 제어하도록 더 프로그램된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급 장치(201, 205, 260)는 상기 연료전지(200)에 저장된 수소를 공급하고, 상기 마이크로프로세서(209, 254)는 상기 연료 공급 장치(201, 205, 260)로부터 상기 연료전지(200)로의 수소 공급을 제어하여 상기 연료전지(200)를 작동시키거나 또는 정지시키도록 더 프로그램된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량.
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