KR20030084906A - 연료 셀 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

재충전 배터리(18)와 협동하는 연료 셀 시스템은 전기 모터를 가지는 전기 차량에서 구동용 전원의 소스로서 연료 셀(12)을 장착시킨다. 연료 셀 시스템과 재충전 배터리(18)는 전기 모터에 전력을 공급한다. 연료 셀 시스템은 또한 연료 셀(12)로 공급된 수소 함유 가스의 소스로서 개질기(11)를 더 구비한다. 연료 셀 시스템은, 재충전 배터리의 온도(Tb)를 측정하기 위한 온도 센서(19)와, 측정된 온도(Tb)에 기초하여 상기 연료 셀 시스템의 반응 특성(주로, 개질기의 반응 특성)을 제어하기 위한 제어기(16)를 구비한다. 제어기(16)는 측정된 온도에 기초하여 연료 셀 시스템의 반응 시간을 계산하고, 상기 계산된 반응 시간에 응답하여 상기 연료 셀로의 수소 함유 가스의 공급을 제어한다.

Description

연료 셀 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM}
일본 특개평 1992년 제04-051466호에는 재충전 배터리와 협동하는 연료 셀 시스템을 개시한다. 연료 셀 시스템과 재충전 배터리는 부하 회로에 접속되어, 상기 부하 회로에 전력을 공급한다. 이 종래 연료 셀 시스템에서, 부하 회로용으로 요구되는 전력이 연료 셀의 전력 발생량을 초과할 때, 재충전 배터리는 방전 동작을 수행한다. 부하 회로용으로 요구되는 전력이 연료 셀의 발생량 보다 작을 때, 연료 셀에 의하여 생성되는 과잉 전력은 배터리에 재발생된다.
일본국 특개평 1997년 제09-007618호에 개시된 연료 개질 연료 셀 시스템은 부하 회로용으로 요구되는 전력의 변화율에 따라 연료 셀 시스템에서 개질기의 반응 속도를 규제함으로써 연료 셀 시스템과 협동하는 재충전 배터리의 용량을 감소시킨다.
본 발명은 연료 셀 시스템에 관한 것으로, 특히 재충전 배터리와 협동하는 연료 셀 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 셀 시스템의 구조의 개략도이다.
도 2는 시스템 반응 시간(Rt)을 계산하기 위한 메인 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도 3은 시스템 기본 반응 시간(Rtm)을 계산하기 위한 맵이다.
도 4는 보정 계수(C1)를 계산하기 위한 맵이다.
도 5는 보정 계수(C2)를 계산하기 위한 서브루틴의 흐름도이다.
도 6은 차량의 동작 조건을 결정하기 위한 맵이다.
도 7은 보정 계수(C3)를 계산하기 위한 맵이다.
도 8은 보정 계수(C4)를 계산하기 위하여 사용되는 맵이다.
도 9는 연료, 물, 및 공기의 유속의 시간 변화를 도시하는 반응 시간(Rt)에 대응하는 맵들의 집합이고, 도 9a는 Rt = 3초일 때의 맵을 도시하고, 도 9b는 Rt = 7초일 때의 맵을 도시한다.
그러나, 개질기의 동작이 연료 셀 시스템용으로 요구되는 전력에 관하여 개질기의 반응 속도를 억제하고, 개질기의 출력의 변화를 억제하도록 제어될 때, 재충전 배터리에 대한 출력 요구사항은 증가한다. 이는 재충전 배터리의 온도 증가를 유발하고, 재충전 배터리의 열화 또는 손상을 유발한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 재충전 배터리의 열적 조건, 예컨대 재충전 배터리의 온도에 기초한 연료 셀 시스템의 반응 특성을 제어하는 효과적인 연료 셀 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 모터와 재충전 배터리에 접속되고, 연료 셀과 상기 연료 셀에 공급되는 수소 함유 가스의 소스가 제공된 연료 셀 시스템을 제공하고, 상기 연료 셀 시스템과 상기 재충전 배터리(18)는 모터에 전력을 공급한다. 연료 셀 시스템은 재충전 배터리의 온도를 검출하기 위한 온도 센서, 모터용으로 요구되는 전력을 검출하기 위한 부하 센서, 및 상기 온도 센서와 상기 부하 센서에 연결된 제어기를 구비한다. 상기 제어기는, 모터용으로 요구되는 전력의 변화를 검출할 때, 재충전 배터리의 검출된 온도에 기초하여 연료 셀 시스템의 반응 시간을 계산하여, 상기 계산된 반응 시간에 따라 연료 셀로의 수소 함유 가스의 공급을 제어한다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들 외, 상세는 이하의 명세서에 나타나고 첨부된 도면에 도시된다.
도 1은 본 발명을 적용하는 개질형 연료 셀 시스템을 도시한다. 이 연료 셀 시스템은 전기 차량 또는 전력을 요하는 임의의 이동체에서 사용된다. 연료 탱크(10)로부터 공급된 연료는 개질기(11)에서 개질 반응을 수행하여, 수소 농축 개질 가스를 생성한다. 따라서, 개질기(11)는 수소 함유 가스의 소스로서 기능한다. 개질 가스 및 공기는 연료 셀(12)로 공급되어, 연료 셀(12)이 전력 발생 동작을 수행하도록 한다. 발생된 전력은 전력 제어 회로(31)를 경유하여 모터(13)로 공급된다. 이러한 방식으로, 모터(13)가 구동된다. 공기 압축기(25a)와 공기 유속 제어 밸브(25b)가 제공된 공기 공급 장치(25)는 공기를 개질기(11)에 공급한다. 워터 소스(27a)와 물 유속 제어 밸브(27b)가 제공된 물 공급 장치(27)는 물을 개질기(11)에 공급한다. 선택적으로, 개질기(11)로부터의 개질 가스의 유량(유속)을제어하는 유속 제어 밸브(29)는 개질기(11)와 연료 셀(12) 사이에 제공될 수도 있다. 모터(13)는 차량 휠(14)에 연결되어, 차량이 차량 휠(14)을 회전시키는 모터(13)의 결과로서 구동될 수도 있다.
제어기(16)는 중앙 처리 장치(CPU), 리드 온리 메모리(ROM), 랜덤 억세스 메모리(RAM), 및 입/출력 인터페이스(I/O interface)가 제공된 마이크로컴퓨터이다. 제어기(16)는 복수의 마이크로컴퓨터를 구비할 수도 있다. 제어기(16)는, 액셀레이터 페달 센서(17), 제1 온도 센서(19), 제2 온도 센서(20), 제3 온도 센서(21), 연료 유속 제어 밸브(23), 공기 공급 장치(25), 물 공급 장치(27), 및 전력 제어 회로(31)에 전기적으로 연결된다. 제어기(13)는 이들 구성요소들로부터/로 신호를 수신/출력한다.
재충전 배터리로서 기능하는 배터리(18)는 연료 셀(12)과 병렬로 배치된다. 제어기(16)는 모터(13)를 구동하기 위하여 요구되는 전력량과 연료 셀(12)의 전력 발생량에 기초하여 전력 제어 회로(31)를 경유하여 배터리(18)에서 모터(13)로 공급되는 전력을 제어한다. 연료 셀(12)의 전력 발생량이 모터(13)용으로 요구되는 전력 보다 작을 때, 배터리(18)로부터의 전력은 전력 제어 회로(31)를 경유하여 모터(13)로 공급된다. 연료 셀(12)의 전력 발생량이 모터(13)용으로 요구되는 전력 보다 클 때, 연료 셀(12)로부터의 전력은 연료 셀(12)로부터의 과잉 발생 전력을 이용하여 전력 제어 회로(31)를 경유하여 배터리(18)로 공급된다. 또한, 전력 제어 회로(31)는 연료 셀(12)의 발생된 전력량을 검출하는 기능을 가진다.
모터(13)는 교류 전류 모터일 수도 있다. 이 경우, 전력 제어 회로(31)는연료 셀(12)의 전압을 규제하기 위한 DC-DC 변환 회로(31a)와, 연료 셀(12) 또는 배터리(18)의 직류를 모터(13)에 공급되는 교류로 변환시키기 위한 인버터 회로(31b)를 포함한다. 인버터 회로(31b)는 전력 재발생 동작에서 모터(13)로부터 공급된 교류를 연료 셀(12) 또는 배터리(18)의 직류로 변환시킨다. DC-DC 변환 회로(31a)는 배터리(18)와 인버터 회로(31b)에 연결된다. 연료 셀(12)로부터의 전력은 DC-DC 변환 회로(31a)와 인버터 회로(31b)를 경유하여 모터(13)로, 또는 DC-DC 변환 회로(31a)를 경유하여 배터리(18)로 공급된다.
제어기(16)는 액셀레이터 페달의 밟음량을 검출하는 액셀레이터 페달 센서(17)(부하 센서)로부터의 신호에 기초하여 모터(13)의 요구되는 전력(요구되는 부하)을 계산한다. 액셀레이터 페달의 밟음량은 모터(13)의 요구되는 부하(전력)을 나타낸다. 액셀레이터 페달 상의 밟음량이 증가할 때, 모터(13)용으로 요구되는 전력이 증가한다. 제어기(16)의 메모리는 액셀레이터 페달의 밟음량과 요구되는 전력량의 관계를 지정하는 맵(미도시)을 기억한다.
연료 유속 제어 밸브(23)가 연료 탱크(10)에 제공되어, 연료의 유속을 제어한다. 제어기(16)는 연료 유속 제어 밸브(23)의 개구를 제어한다.
연료 셀 시스템에는, 배터리(18)의 열적 조건으로서 배터리(18)의 온도를 검출하는 제1 온도 센서(19), 개질기(11)의 온도를 검출하는 제2 온도 센서(20), 연료 셀 시스템의 외부 부분의 주변 온도를 검출하는 제3 온도 센서(21), 및 배터리의 충전 상태(SOC)를 측정하는 배터리 센서(22)가 제공되어 있다. 이들 센서들로부터의 신호들은 I/O 인터페이스를 통하여 제어기(16)로 입력된다. 배터리센서(22)는 배터리(18)의 충전 상태를 측정하기 위하여 배터리(18)에서의 충전/방전 전류의 전류값과 시간을 적분하는 센서이다. 그러나, 이것은 이러한 관점에 한정되지 않는다. 배터리 센서(22)는 충전/방전 전류의 전류값을 검출하도록 채용될 수도 있고, 따라서 제어기(16)가 시간에 대한 전류값을 적분한다.
연료 셀 시스템의 반응 특성을 제어하는 제어 루틴은 도 2의 흐름도에 기초하여 이하에 설명될 것이다. 제어기(16)는 3초일 수도 있는 규칙적 실행 간격(Tp)으로 제어 루틴을 수행한다.
개질기의 반응 특성과 연료 셀 시스템의 반응 특성은 차량의 성능에 큰 영향을 끼치는 반응 특성들이다. 연료 셀 시스템의 반응 시간은, 모터(13)의 요구되는 전력이 연료 셀(12)에 의하여 도달할 때까지 드라이버가 액셀레이터 페달을 동작시키는 것으로부터(모터(13)용으로 요구되는 전력 변화의 발생으로부터) 경과된 시간으로서 정의될 수도 있다. 액셀레이터 페달의 밟음량, 개질기의 온도, 및 배터리의 SOC에 의존하는 연료의 목표 유속이 개질기에 의하여 개질될 때, 연료 셀(12)은 모터(13)의 요구되는 전력을 발생시킬 수 있다. 제어기(16)는 모터(13)의 요구되는 전력에 대응하는 수소 함유 가스의 목표 유속을 생성하는 연료의 목표 유속을 계산하고, 연료의 목표 유속에서 연료 셀(12)은 모터(13)의 요구되는 전력을 발생시킬 수 있다.
개질기의 반응 시간은, 수소 함유 가스의 목표 유속이 개질기에 의하여 생성될 때 까지 드라이버가 액셀레이터 페달을 동작시키는 것으로부터(모터(13)용으로 요구되는 전력에서의 변화 발생으로부터) 경과된 시간으로서 정의될 수도 있다.수소 함유 가스의 목표 유속은 연료 셀(12)이 모터(13)의 요구되는 전력을 발생시킬 수 있는 유속이다.
개질기(11)의 반응이 느리므로, 개질기(11)의 반응 속도는 연료 셀 시스템의 반응 속도에 관하여 가장 지배적이다. 즉, 연료 셀 시스템의 반응 시간은 개질기의 반응 시간과 거의 동일하다. 따라서, 본 발명에 의하여 수행되는 제어는 재충전 배터리와 개질기의 동작을 조화시키기 위하여 동작한다.
우선, 단계 S1에서, 모터(13)에 의하여 요구되는 부하의 차수(La)와 부하의 변화율(Lv)(단위 시간당 부하의 변화)이 판독된다. 변화율(Lv)은 액셀레이터 페달 센서(17)로부터의 신호와 연료 셀(12)의 현재 출력 전압에 기초하여 모터(13)에 의하여 요구되는 부하의 차수(La)를 기초로 계산된다.
다음, 단계 S2에서 부하의 변화율(Lv)이 임계값(Ra)보다 큰 지의 여부가 판정된다. 부하의 변화율(Lv)이 임계값(Ra)보다 작을 때, 부하의 변화는 완만하여, 연료 셀만을 이용하여(배터리(18)를 이용하지 않고) 처리될 수도 있다. 그 후, 루틴은 단계 S10으로 진행한다. 단계 S10에서, 연료 셀 시스템의 동작은 소정의 반응 속도(Sa), 다시 말하면 소정의 반응 시간(Rp)으로 계속된다. 연료 셀 시스템의 반응 시간(Rt)은 소정의 반응 시간(Rp)에 설정된다(Rt = Rp). 소정 반응 시간(Rp)은 5초 내지 10초 범위에 있다. 바람직하게는, 상기 소정의 반응 시간(Rp)은 7초의 값을 취한다. 그 후, 루틴은 단계 S11로 진행한다. 변화율(Lv)이 임계값(Ra) 이상이라면, 부하의 급속한 변화가 있는 것으로 판정되어, 배터리(18)로부터 전력 공급을 요한다. 이 경우, 루틴은, 배터리 온도(Tb), 충전의 배터리 상태(SOC), 주변 온도(Ta), 및 개질기 온도(Tr)가 각 센서들로부터 판독되는 단계 S3로 진행한다.
예컨대, 부하에서의 변화율(Lv)용 임계값(Ra)은 최대 부하를 100%로 취할 때 10(%/초)으로 설정된다. 다시 말하면, 부하 변화가 초당 10%보다 클 때, 루틴은 단계 S3로 진행한다.
다음, 단계 S4후의 단계에서, 연료 셀 시스템의 반응 시간(Rt)의 실제 계산이 수행된다. 연료 셀 시스템의 반응 시간(Rt)은 Rt = Rtm/(C1xC2xC3xC4)의 등식으로 주어진다. 여기서, Rtm은 기본 반응 시간이고, C1, C2, C3, C4는 보정 계수이다.
단계 S4에서 우선, 연료 셀 시스템의 기본 반응 시간(Rtm)은 연료 셀 시스템의 기본 반응 시간(Rtm)과 배터리 온도(Tb) 간의 관계를 지정하는 메인 맵(도 3에 도시)을 이용하여 계산된다. 도 3의 메인 맵은 제어기(16)의 메모리에 기억된다. 계산은 배터리 온도(Tb)에 대한 값들에 기초하여 수행된다. 기본 반응 시간(Rtm)은 소정의 배터리 온도(Tbmax) 미만으로 배터리 온도(Tb)가 증가함에 따라 증가하고, 소정의 배터리 온도(Tbmax)를 초과하여 배터리 온도(Tb)가 증가함에 따라 감소하여, 소정의 배터리 온도(Tbmax)에서 최대값을 취한다. 소정의 배터리 온도(Tbmax)는 0℃에서 배터리(18)의 최대 허용 온도(예컨대, 60℃)까지의 범위이다. 배터리(18)는 최대 허용 온도 초과시 손상되거나 열화를 겪는다.
이러한 이유로, 메인 맵은, 배터리 온도(Tb)가 최대 허용 온도에 도달할 때, 기본 반응 시간(Rtm)이 실질적으로 영으로 감소되어 연료 셀 시스템의 반응 속도를증가시키도록 되어 있다. 배터리(18)로부터의 전력 공급은 연료 셀 시스템의 반응 속도를 증가시킴으로써 감소된다. 결과적으로, 배터리 온도(Tb)를 최대 허용 온도 이하로 제어하는 것이 가능하여, 배터리(18)로의 손상 또는 열화를 방지하기 위한 예방책을 취할 수 있다.
다음 단계 S5에서, 제1 보정 계수(C1)는 배터리(18)의 SOC에 응답하여 시스템에 대한 기본 반응 시간(Rtm)을 보정하도록 계산된다.
제1 보정 계수(C1)의 계산은 도 4에 도시된 바와 같은 맵을 이용하여, SOC 값으로부터 반응 시간에 대한 제1 보정 계수(C1)를 판독하는 단계를 구비한다. 도 4의 맵은 제어기(16)의 메모리에 기억된다. 이 맵에서, SOC 값이 증가하면, 제1 보정 계수(C1)가 감소하여, 연료 셀 시스템의 반응 시간(Rt)이 SOC 값과 함께 증가된다. 따라서, SOC 값이 클 때, 배터리 전력이 소모되고, SOC 값의 증가가 억제된다. 연료 셀 시스템은 배터리(18)의 SOC에 응답하여 반응 시간(Rt)을 적응시킬 수 있다.
다음, 단계 S6에서, 도 5에서의 서브루틴에 도시된 바와 같은 계산이 수행된다. 도 5의 서브루틴에서, 차량의 동작 조건의 분류가 수행된다. 이 단계에서, 모터(13)의 부하에서의 변화율(Lv)이 부하(La)가 소정값(Lc)보다 큰 조건하에서, 단위 시간(Te)당 임계값(Ld)을 얼마나 자주 초과하는 지(부하에서 급속한 변화가 얼마나 자주 발생하는 지)의 여부가 판정된다. 이는 차량의 동작 조건을 판정하기 위해서이다.
단계 S21에서 우선, 1의 값이 시간에 대하여 카운터 값(Td)에 부가된다. 단계 S22에서, 부하(Lv)의 변화율(%/sec)이 계산된다. 단계 S23에서, 액셀레이터 페달 센서(17)의 검출값에 기초하여 요구되는 부하에 대한 차수(La)가 임계값(Lc)(예컨대, 20%) 보다 큰 지의 여부와, 부하의 변화율(Lv)(%/sec)이 임계값(Ld)(예컨대, 30%/sec) 보다 큰 지의 여부가 판정된다. 요구되는 부하의 차수(La)(%)가 임계값(Lc)보다 크고, 부하에서의 변화율(Lv)(%/sec)이 도 6의 맵에 도시된 바와 같이 임계값(Ld)보다 클 때, 루틴은 현재 동작 인덱스(Di)에 1이 부가된 값이 새로운 동작 인덱스(Di)로서 설정되는 단계 S24로 진행한다. 도 6의 메인 맵은 제어기(16)의 메모리에 기억된다. 도 6은 차량의 동작 조건을 판정하는 데 사용된다. 요구되는 부하의 차수(La)(%)와 부하에서의 변화율(Lv)(%/sec)이 도 6의 빗금친 영역 내에 있을 때, 차량은 급속히 가속되는 것으로 판정된다. 이후, 동작 인덱스(Di)는 1의 값만큼 증가된다. 동작 인덱스는 부하에서의 급속한 변화 빈도 또는 차량의 급속한 가속 빈도를 나타낸다.
단계 S25에서, 시간에 대한 카운터 값(Td)이 고정값(Te)에 도달했을 때, 루틴은 차량의 동작 조건을 판정하기 위하여 단계 S26으로 진행한다. 반면, 단계 S25에서, 시간에 대한 카운터 값(Td)이 고정값(Te) 보다 작을 때, 루틴은 단계 S1으로 리턴한다. 고정값(Te)은 60/Tp 내지 300/Tp 의 범위의 값이다. 상술된 바와 같은 소정 시간(Tp)은 도 2에 도시된 메인 루틴의 실행 간격을 나타낸다. 소정 시간(Tp)이 3초일 때, 고정값(Te)은 20 내지 100의 값을 취한다.
단계 S26에서, 동작 인덱스(Di)가 임계값(Df) 이상인 지의 여부가 판정된다. 임계값(Df)은 제어 루틴의 실행 시간(Tp)에 의존하고, 분당 10배의 동작인덱스(Di)에서의 증가에 대응하는 값이다. 동작 인덱스(Di)가 임계값(Df) 이상일 때, 차량은 모터(13)의 부하가 크고, 요구되는 부하에서의 변이가 또한 큰 조건 하에서 동작한다. 이 경우, 단계 S27에서, 제2 보정 계수(C2)는 BB(C2 = BB)로 설정된다. 여기서, BB는 1보다 큰 상수이다. 제2 보정 계수(C2)가 계산된 후, Td와 Di에 대한 값이 단계 S28에서 영으로 리셋된다. 부하 및 부하 변이 모두가 큰 값을 취할 때, 연료 셀 시스템의 반응 속도가 증가되고, 배터리(18)로부터 공급된 전력은 1보다 큰 값으로 제2 보정 계수(C2)를 설정함으로써 감소된다.
단계 S26에서, Di이 임계값(Df) 보다 작을 때, 루틴은 단계 S29로 진행하고, 제2 보정 계수(C2)는 1의 값으로 설정된다. 그 후, 루틴은 단계 S28로 진행한다.
이러한 방식으로, 단위 시간(Te)에서의 모터(13)의 부하의 변화 및 모터(13)의 부하의 차수는 액셀레이터 페달 센서(17)로부터 검출된 값을 기초로 계산된다. 그 후, 차량의 동작 조건의 분류가 계산 결과에 기초하여 수행되고, 개질기(11)의 반응 속도가 보정된다. 이러한 방식으로, 부하(La)와 부하에서의 변화(Lv)가 클 때, 개질기(11)의 반응 속도(Rt)를 증가시키기 위한 보정이 수행되어 배터리(18)의 열화를 방지한다.
서브루틴의 완료후, 단계 S7에서, 제3 보정 계수(C3)가 제3 온도 센서(21)에 의하여 검출된 주변 온도(Ta)에 기초하여 계산된다. 도 7에 도시된 맵을 사용하여, 시스템 반응 시간에 대한 제3 보정 계수(C3)가 주변 온도(Ta)에 기초하여 계산된다. 도 7의 맵은 제어기(16)의 메모리에 기억된다. 도 7에 도시된 맵의 특성은, 제3 보정 계수(C3)가 주변 온도(Ta)가 증가함에 따라 증가하는 것이다. 따라서, 연료 셀 시스템의 반응 시간(Rt)은 주변 온도(Ta)가 증가함에 따라 감소하므로, 고온에서 배터리(18) 상의 부하를 감소시킬 수 있고, 배터리(18)에서의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 배터리의 냉각 효율은 주변 온도(Ta)가 감소함에 따라 증가한다. 예컨대, 배터리의 냉각 효율은, 주변 온도가 40℃ 일 때보다 주변 온도가 20℃ 일 때 더 높다. 결과적으로, 주변 온도(Ta)가 낮을 때, 연료 셀 시스템의 반응 시간(Rt)는 비교적 높아서, 배터리(18)는 비교적 큰 전력량을 공급한다.
다음, 단계 S8에서, 도 8에 도시된 맵을 사용하여, 시스템 반응 시간에 대한 제4 보정 계수(C4)가 개질기 온도(Tr)에 기초하여 계산된다. 도 8의 맵은 제어기(16)의 메모리에 기억된다. 개질기 온도(Tr)가 임계값(Ti)보다 낮고, 배터리 온도(Tb)가 임계값(Tk)보다 작고, 임계값(Tj)보다 클 때, 보정 계수(C4)는 DD로 설정된다(C4 = DD). 여기서, DD는 1보다 작은 상수이다. 다른 모든 경우에서, 제4 보정 계수(C4)는 1의 값으로 설정된다(C4 = 1). 예컨대, 임계값(Ti)은 개질기(11)의 촉매 활성 온도 700℃를 나타낸다. 임계값(Tj)은, 예컨대 20℃의 온도이다. 임계값(Tk)은, 예컨대 40℃의 온도이다.
도 8에 도시된 맵의 특성은, 연료 셀 시스템의 반응 특성이 보정되어, 개질기(11)의 온도가 소정 온도(Ti) 보다 작을 때(예컨대, 촉매 활성 온도 보다 작을 때), 그리고 배터리(18)의 온도가 적당한 온도 범위(임계값(Tj, Tk)에 의하여 경계지워진 온도 영역)에 있을 때, 배터리(18)로부터의 전력 공급이 증가한다는 것이다. 따라서, 개질기(11)의 온도가 예컨대, 촉매에 대한 활성 온도 보다 작을 때,시스템의 반응 특성은, 개질기(11)의 온도가 개질기(11)의 촉매의 활성 온도 보다 큰 통상적인 동작 조건에 비하여, 배터리(18)로부터의 전력 공급량이 증가되도록 보정된다. 이러한 방식으로, 세부적인 반응 제어가 가능한 연료 셀 시스템을 제공할 수 있다.
단계 S9에서, 연료 셀 시스템의 최종 반응 시간(Rt)은, 보정 계수(C1 ~ C4)와 상술된 바와 같이 계산된 기본 반응 시간(Rtm)에 기초하여, 계산식 Rt = Rtm/(C1xC2xC3xC4)을 사용하여 계산된다. 이러한 방식으로, 보다 정확한 반응 시스템 시간(Rt)을 계산함으로써 배터리(18)의 열화를 방지할 수 있다. 이는, 개질기 온도(Tr), 주변 온도(Ta), 배터리의 SOC, 요구되는 부하의 차수(La), 및 그 변화량(Lv)을 기초로 하여 시스템의 기본 반응 시간(Rtm)을 보정함으로써 달성된다.
단계 S11에서, 단계 S9 또는 단계 S10에서의 설정된 반응 시간(Rt) 및 부하에서의 변화율(Lv)(%/sec)에 응답하여, 도 9에 도시된 맵들로부터 하나의 맵이 선택된다. 제어기(16)는 읽혀진 맵을 기초로 하여 연료 유속 제어 밸브(23)의 개구를 규제함으로써 연료의 유속을 제어한다. 도 9에서의 맵들의 집합은 제어기(16)의 메모리에 기억된다. 이들 맵에 따르면, 개질기(11)에 공급된 연료, 물, 및 공기의 공급량(유속)은 반응 시간(Rt)이 감소함에 따라 급격히 증가된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 반응 시간(Rt)은 연료의 공급량이 목표값에 도달할 때 까지의 시간을 실질적으로 나타낸다. 따라서, 제어기(16)는 상기 계산된 반응 시간(Rt)이 감소할 때, 개질기(11)로의 연료의 유속을 제어함으로써 연료 셀(12)로의 수소 함유 개질 가스의 목표 유속의 발생을 촉진한다.
대신, 연료 셀로의 개질 가스의 공급량은 단계 S11에서, 설정된 반응 시간(Rt)에 기초하여 유속 제어 밸브(29)를 제어함으로써 제어될 수도 있다. 따라서, 제어기(16)는 상기 계산된 반응 시간(Rt)에 따른 연료 셀로의 개질 가스의 공급을 제어할 수도 있다. 제어기(16)는 반응 시간(Rt)에서의 감소에 따라 유속 제어 밸브(29)를 경유하여 연료 셀로의 개질 가스의 목표 유속의 달성을 촉진시킬 수도 있다.
상기 실시예는 연료 셀용 수소원으로서 개질기를 사용하는 연료 셀 시스템에 관한 것이다. 단계 S11에서, 개질기가 생략되고, 연료 셀용 수소원으로서 동작하는 고압 수소 탱크가 연료 탱크(10)로서 사용될 때, 연료 셀로의 수소 공급량은 유속 제어 밸브(23)를 사용하여 제어기(16)에 의하여 제어된다. 이 경우에서, 제어기(16)는 상기 실시예에서 계산된 반응 시간(Rt)에서의 감소에 따라 수소 탱크에서 연료 셀로의 수소 가스의 목표 유속의 달성을 촉진한다. 제어기(16)는 모터(13)의 요구되는 전력에 따른 수소 가스의 목표 유속을 계산하고, 수소 가스의 목표 유속에서, 연료 셀(12)은 모터(13)의 요구되는 전력을 발생시킬 수 있다.
또한 SOC의 제어에 관하여, SOC가 극히 낮을 때, 연료 셀 시스템의 반응 속도도 당연히 향상시킬 수 있다.
일본 특개평 제P2002-46260호(2002년 2월 22일 출원)의 전체 내용이 참조용으로 여기에 사용되었다.
본 발명이 본 발명의 특정 실시예를 참조로 하여 상술되었으나, 본 발명은 상술된 실시예에 한정되는 것은 아니다. 상술된 실시예의 변형 및 변경이 상기 교시의 관점에서 당업자들에게 행해질 것이다. 본 발명의 범위는 다음의 청구항을 참조하여 규정된다.
본 발명에 따른 연료 셀 시스템은 전력 공급 장치로서, 특히 전기 모터가 제공된 전기 차량 상에 장착된 전력 공급 장치로서 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 모터(13)와 재충전 배터리(18)에 접속되고, 연료 셀(12)과 상기 연료 셀에 공급되는 수소 함유 가스 소스(11)가 제공된 연료 셀 시스템으로서, 상기 연료 셀 시스템과 상기 재충전 배터리(18)는 모터(13)에 전력을 공급하고, 상기 연료 셀 시스템은,
    상기 재충전 배터리의 온도(Tb)를 검출하기 위한 온도 센서(18);
    상기 모터(13)용으로 요구되는 전력을 검출하기 위한 부하 센서(17); 및
    상기 온도 센서(18)와 상기 부하 센서(17)에 연결된 제어기(16)를 구비하고,
    상기 제어기는 상기 모터용으로 요구되는 전력의 변화를 검출할 때, 상기 재충전 배터리의 상기 검출된 온도에 기초하여 상기 연료 셀 시스템의 반응 시간(Rt, Rtm)을 계산하고,
    상기 계산된 반응 시간에 따라 상기 연료 셀로의 수소 함유 가스의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수소 함유 가스 소스(11)는 상기 연료 셀에 개질 가스를 공급하는 개질기이고, 상기 연료 셀 시스템의 상기 반응 시간은 실질적으로 상기 개질기의 상기 반응 시간과 동일한 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 개질기(11)에 연결된 연료 탱크(10)와, 상기 개질기에 공급된 연료의 유속을 규제하기 위한 연료 유속 제어 밸브(23)를 더 구비하고,
    상기 제어기(16)는 상기 연료 유속 제어 밸브의 개구를 제어하여, 상기 계산된 반응 시간에 응답하여 상기 개질기에서 상기 연료 셀로의 수소 함유 가스의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 전력 제어 회로(31)를 더 구비하고,
    상기 제어기(16)는 상기 재충전 배터리의 상기 검출된 온도에 기초하여, 상기 전력 제어 회로를 경유하여 상기 재충전 배터리(18)로의/로부터의 전력의 공급/방전을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재충전 배터리(22)의 방전 상태(SOC)를 검출하기 위한 수단을 더 구비하고,
    상기 제어기(16)는 상기 재충전 배터리의 상기 검출된 SOC에 기초하여 상기 연료 셀 시스템의 상기 반응 시간을 또한 보정하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기(16)는 또한 상기 부하의 변화(Lv)를 검출하여, 상기 부하에서의 상기 검출된 변화(Lv)와 상기 부하의 차수(La)에 기초하여 상기 연료 셀 시스템의 반응 시간을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 셀 시스템의 외부 부분의 주변 온도(Ta)를 검출하기 위한 온도 센서(21)를 구비하고, 상기 제어기(16)는 상기 검출된 주변 온도에 기초하여 상기 연료 셀 시스템의 반응 시간을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 개질기의 온도(Tr)을 검출하기 위한 온도 센서(20)를 구비하고, 상기 제어기(16)는 상기 개질기의 상기 검출된 온도에 기초하여 상기 연료 셀 시스템의 반응 시간을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기(16)는 반응 시간(Rtm)과 상기 재충전 배터리의 온도 간의 관계를 지정하는 맵을 구비하고,
    상기 반응 시간은 소정의 배터리 온도(Tbmax) 미만으로 배터리 온도(Tb)가 증가함에 따라 증가하고, 상기 소정의 배터리 온도를 초과하여 배터리 온도가 증가함에 따라 감소하여, 상기 소정의 배터리 온도에서 최대값을 가지고, 상기 배터리 온도가 최대 허용 온도에 도달할 때, 상기 반응 시간은 실질적으로 영으로 감소되어 상기 연료 셀 시스템의 반응 속도를 증가시키고,
    상기 제어기는 상기 맵에 기초하여 상기 반응 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템.
  10. 모터(13)와 재충전 배터리(18)에 접속되고, 연료 셀(12)과 상기 연료 셀에 공급되는 수소 함유 가스 소스(11)가 제공된 연료 셀 시스템을 제어하기 위한 제어 방법으로서, 상기 연료 셀 시스템과 상기 재충전 배터리(18)는 상기 모터(13)에 전력을 공급하고, 상기 제어 방법은,
    상기 재충전 배터리의 온도(Tb)를 검출하는 단계;
    상기 모터(13)용으로 요구되는 전력을 검출하는 단계;
    상기 모터용으로 상기 요구되는 전력에서의 변화를 검출할 때, 상기 재충전 배터리의 상기 검출된 온도에 기초하여 상기 연료 셀 시스템의 반응 시간(Rt, Rtm)을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 반응 시간에 따라 상기 연료 셀로의 수소 함유 가스의 공급을 제어하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 시스템을 제어하기 위한 제어 방법.
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