KR20040015022A - 연료전지 기동 방법 - Google Patents

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KR20040015022A
KR20040015022A KR10-2003-7006805A KR20037006805A KR20040015022A KR 20040015022 A KR20040015022 A KR 20040015022A KR 20037006805 A KR20037006805 A KR 20037006805A KR 20040015022 A KR20040015022 A KR 20040015022A
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Abstract

연료전지(1)내의 연료가스통로, 산화제가스통로 및 냉각액체통로에 고온가스유동을 통과시킴으로써 연료전지(1)내의 얼음이 해동되고, 연료전지(1)는 저온상태로부터 기동된다. 기동프로세싱이 시작된 경우에, 물이 없거나 또는 실질적으로 물이 없는 건조고온가스를 구비한 가스유동이 연료전지(1)를 통과하고, 이후에는, 연료전지(1)의 온도상승에 따라 가스유동 내에 함유된 증기량이 증가한다.

Description

연료전지 기동 방법{FUEL CELL STARTUP METHOD}
고분자전해질 연료전지(PEFC)는, 고분자전해질막의 양쪽에 촉매와 가스확산전극층을 덧붙여서 형성된 애노드와 캐소드, 및 연료가스와 산화제가스를 상기 전극들로 공급하기 위해 통로가 형성되어 있는 탄소 또는 금속 양극판을 구비한 "MEA"로 알려진 막을 구비하고 있다.
PEFC가 전력을 발생하기 위해서는, 상기 고분자전해질막이 습기를 함유해야 하고, 따라서 막이 습기를 보유하는 것을 보장하기 위해서 연료전지에 공급되는 연료가스 및 산화제가스는 보통 가습되어 있다. 전력이 발생되는 경우에 캐소드에서도 순수한 물이 발생하고, 따라서 산화제통로는 습기를 함유한다. 일반적으로, 연료전지는 발생한 열을 냉각하기 위해 냉각유체를 순환시키는 통로를 가지고 있고, 순수한 물을 냉각유체로 사용할 수도 있다. 가스가 가습되고, 다공성요소를 통하여 냉각유체통로, 연료가스통로 및 산화제가스통로를 상호연결함으로써 발생한 물이 회수되는 연료전지에 있어서, 냉각유체통로와 다공성요소의 내부도 물을 함유하게 된다.
따라서, 물이 연료전지의 다양한 부분에 함유되고, 연료전지가 동작하지 않고 빙점 이하의 환경에서 장시간 방치되면 연료전지 내부의 물이 얼게 된다. 따라서, 이 상태에서 연료전지가 기동되는 경우 연료전지 내부의 얼음이 해동되어야 한다.
2000년에 일본특허청에서 공개한 JP2000-315514A는 연료전지통로(연료가스통로, 산화제가스통로, 냉각유체통로)로 고온가스를 통과시킴으로써 연료전지내의 얼음을 해동하는 방법을 제안한다.
본 발명은 연료전지의 기동에 관한 것으로서, 특히 저온상태로부터 연료전지를 기동하는 방법에 대한 것이다.
도 1은 연료전지 시스템 및 그 해동시스템의 개략도이다.
도 2는 연료전지 온도와 밸브 개방 사이의 관계를 구체화하는 표의 개략도이다.
도 3은 연료전지해동 기동프로세싱을 나타내는 흐름도이다.
도 4a-4d는 연료전지해동 기동프로세싱을 나타내는 타이밍도이다.
도 5a-5d는 연료전지해동 기동프로세싱을 나타내는 타이밍도이다.
도 6은 도 1과 유사하지만, 본 발명의 제2 실시예를 나타낸다.
도 7은 연료전지해동 기동프로세싱을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 표이고, 해동시작으로부터 경과된 시간, 외기온도 및 밸브 개방 사이의 관계를 구체화한다.
도 9는 연료전지해동 기동프로세싱을 나타내는 흐름도이다.
그러나, 해동 바로 직전의 연료전지는 저온이므로 고온가스유동의 일부가 통로벽상에서 급속하게 냉각되고 액화한다. 본 액체가 소량이고 액상이라면 이후 유입되는 가스에 의해 날려 하류로 수송되므로 문제점이 없지만, 대량이면 가스유동에 의해 날리지 않고 통로에 축적되어 통로를 막게 된다. 또한, 본 액체가 더 나아가 냉각되고 응고한다면 통로벽에 부착하게 되고, 부착량이 많아지면 통로를 또한 막게 된다. 통로가 막히면, 연료전지를 가열하기 위해 가스를 순환시키는 것이 더이상 불가능해지고 연료전지를 기동하는 것도 더이상 불가능해진다.
고온가스유동이 습기를 함유한다면, 통로를 막게 되는 문제점은 더욱 심각해진다. 그러나, 습기가 없는 경우보다 있는 경우에 연료전지의 온도상승효과가 더 크다. 이것은 고온가스유동의 수증기에 함유된 물이 연료전지 내부에서 냉각되고 얼음이 되는 상변화의 잠열도 연료전지에 전달되기 때문이다.
따라서, 연료전지의 가스유동내에 더 많은 물이 있는 경우에 연료전지는 더효율적으로 해동되지만, 이는 통로가 막힐 가능성 또한 증가시킨다.
따라서, 통로를 막지 않고 연료전지를 효율적으로 해동하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 기동프로세싱이 시작할 때 연료전지내의 통로로 건조고온가스를 포함한 가스유동을 통과시키는 단계 및 기동프로세싱이 시작한 후에 연료전지(1)의 온도에 따라 가스유동에 함유된 증기량을 변화시키는 단계를 포함하는, 저온상태로부터 연료전지를 기동하는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 특징, 이점 및 세부사항을 명세서의 나머지 부분에서 설명하고, 첨부한 도면에서 나타내도록 한다.
도면의 도 1을 참조하면, 연료전지 차량(vehicle)에 탑재된 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지해동 시스템은 연료전지(1)의 연료가스선(2), 공기선(3) 및 냉각액선(4)에 연결된다.
해동 시스템은, 펌프(5)에 의해 공기에 압력을 가하고 가열기(6)에 의해 이를 가열하여 연료전지(1)에 공급하는 건조고온가스를 발생하는 건조고온가스 공급시스템, 및 보일러(7)에서 물을 가열하여 연료전지(1)에 공급되는 증기를 발생하는 수증기 공급시스템을 구비한다. 건조고온가스는 습도 0% 또는 실질적으로 0%인 가스이다. 가열기(6) 및 보일러(7)용 열원은 가솔린 또는 메탄올 같은 연료를 연소함으로써 공급된다. 가열기(6) 및 보일러(7) 대신에, 차량에 설치된 제2 전지의 전력을 사용하는 가열기 또는 주차장에서 외부전력공급을 사용하는 가열기에 의해서 가열을 할 수도 있다.
유동률을 연속적으로 또는 단계별로 조절할 수 있는 밸브(8, 9)에 의해서 건조고온가스 및 증기의 유동률은 각각 조절된다. 건조고온가스 및 증기가 혼합매니폴드(manifold, 10)에서 혼합된 후에, 전환(change-over) 밸브(11, 12)를 통하여 연료가스선(2), 공기선(3) 및 냉각액선(4)으로 전해진다. 본 밸브의 개방은 컨트롤러(20)에 의해 제어된다.
연료전지(1)는 순수한 물을 냉각액으로 사용한다. 연료전지(1)내의 냉각액통로는 다공성 물질을 통하여 연료가스통로 및 산화제가스통로에 연결된다. 연료전지(1)의 내부온도는 온도센서(14)에 의해 검출되고, 외기(outside air)온도는 온도센서(21)에 의해 검출된다.
연료전지 시스템이 정지한 경우에, 연료전지(1)에 피해를 줄 수 있는 연료전지(1)내의 냉각액통로(4)에서의 물의 결빙에 의한 팽창을 막기 위해서, 물이 냉각액선(4)으로부터 외부로 방출된다. 그러나, 물이 냉각액선(4)으로부터 외부로 방출되더라도, 여전히 다공성 세퍼레이터, 전해질막, 연료가스통로 및 산화제가스통로에 물이 남아 있고, 차량이 빙점 이하의 환경에 있다면 상기 남아 있는 물은 결빙한다.
결빙한 연료전지 시스템을 기동하기 위해서는, 연료전지(1)내의 결빙한 물을 해동하는 것이 우선 필요하다. 본 실시예에서, 해동기동프로세싱은 아래에 설명한 바와 같이 수행된다.
해동기동프로세싱에 있어서, 우선, 해동 시스템으로부터 고온가스유동이 연료전지(1)에 유입하도록 건조고온가스 공급 시스템내의 밸브가 개방되고, 전환밸브(11, 12, 13)가 전환되며, 이것에 의하여 고온공기(건조고온가스)가 연료전지(1)내의 연료가스통로, 산화제가스통로 및 냉각액통로로 공급된다. 이 때, 증기공급 시스템의 밸브(9)는 여전히 닫혀 있다.
연료전지(1)는 건조고온가스에 의해 가열된다. 연료전지(1)의 내부온도가 상승함에 따라, 연료전지(1)에 공급되는 고온가스의 가습화를 증가시키기 위해 밸브(9)의 개방이 증가한다. 이 때, 최종적으로는 증기만이 연료전지(1)에 공급되도록 하기 위해서 밸브(8)는 점차 닫힌다.
증기가 연료전지(1)에 유입되는 경우에, 증기는 연료전지(1)와 열을 교환하고, 물 또는 얼음으로 응축하기 위해서 온도가 하강한다. 증기가 물 또는 얼음이 된 경우에, 물이 연료전지(1)로 잠열을 전달하기 때문에, 동일 온도의 건조고온가스가 공급된 경우보다 연료전지(1)로 전달된 열이 더 많고, 단위시간당 온도 상승률이 증가한다. 그러나, 연료전지(1) 내부의 응축 또는 결빙된 수분의 양이 증가한다면, 연료가스선(2), 공기선(3) 및 냉각액선(4)이 얼음 또는 물에 의해 막히고, 고온가스유동을 공급해서 연료전지(1)를 가열하는 것이 더 이상 불가능할 것이다.
따라서, 본 실시예에 따라서, 연료전지(1)의 내부온도를 감시하고, 그 온도에서 통로를 막지 않을 증기량이 연료전지(1)에 공급되도록 건조고온가스 및 증기의 혼합률을 제어한다. 도 3에 나타난 흐름도에 따라서 건조고온가스의 유동률 및 증기의 유동률의 제어를 수행한다.
도 3에 나타난 흐름도가 수행되는 경우에, 연료전지 온도 Ts에 대응하는 공기밸브(8)의 개방 VGs 및 증기밸브(9)의 개방 VVs가 도 2에 나타난 표로서 컨트롤러(20)의 메모리에 저장된다. 밸브개방 VGs, VVs는 목표증기량 Rs에 도달하는 밸브개방이고, 증기량 Rs는 연료전지 온도 Ts에서 연료전지(1)내의 통로의 막힘(blocking)이 발생하지 않는 증기량의 상한이다. 본 값들은 실험으로 미리 구한다. 밸브개방 VGs, VVs는 초기값 VG0, VV0를 제외한 n 세트로 정의되며, 본 세트 번호 n은 아래에 설명된 제어에 있어서 온도 단계의 최대치이다.
이제 도 3을 참조하면서, 해동기동프로세싱을 좀 더 상세하게 설명하도록 한다. 연료전지 시스템이 저온상태에서 기동하는 경우에 컨트롤러(20)에 의해서 본흐름도가 수행된다.
우선, 단계 S1에서, 연료전지 시스템이 기동하는 경우에, 해동 시스템으로부터 유출한 고온가스유동이 연료전지(1)로 들어갈 수 있도록 전환밸브(11, 12, 13)가 전환된다. 단계 S2에서, 건조고온가스밸브(8)의 개방은 VG0로 설정되고, 증기밸브(9)의 개방은 VV0로 설정된다. 연료전지(1)를 통해서 유동하는 증기가 기동프로세싱이 시작된 후에 즉시 막힘을 발생시키지 않도록 개방 VV0가 설정됨으로써, 밸브(8)의 개방 VG0에 따라 고온공기 및 소정의 양의 증기가 연료전지(1)에 공급되고, 연료전지(1)의 온도가 상승하기 시작한다. 이 때, 고온공기만 공급하고 막힘을 완벽하게 방지하기 위해서 VV0를 0으로 설정할 수도 있다.
단계 S3에서, 온도 단계 s는 1로 설정된다. 단계 S4에서, 온도 단계 s=1에 대응하는 온도 T1을 읽는다.
단계 S5에서, 온도센서(14)에 의해서 연료전지(1)의 내부온도 T가 검출된다. 단계 S6에서, 연료전지(1)의 온도 T를 T1과 비교한다. 연료전지(1)의 온도 T가 T1보다 낮은 경우에, 절차는 단계 S5로 돌아간다. 연료전지(1)의 온도 T가 T1으로 상승한 경우에, 절차는 단계 S7로 진행하고, 밸브(8, 9)의 개방은 표에서 읽힌 값 VG1, VV1으로 변경되며, 연료전지(1)에 공급되는 가스유동의 증기량은 R1으로 설정된다. 따라서, 물의 잠열 때문에 추가적인 온도상승이 있게 되고, 초기값 VV0가 0으로 설정되어 있으면, 연료전지(1)의 온도 상승률은 증기가 추가되기 전보다 더 높을 것이다.
단계 S8에서, 온도 단계 s가 한 단계 증가한다. 단계 S9에서, 새로운 온도단계 s가 표에 정의된 단계의 최대값 n과 비교되고, 온도 단계 s가 n보다 작다면, 절차는 단계 S4로 되돌아 간다.
온도 단계 s가 2이고 연료전지(1)의 온도 T가 T2에 도달한 경우에, 표에서 찾아서 밸브(8, 9)의 개방을 VG2, VV2로 각각 제어한다. 따라서, 연료전지(1)에 공급되는 증기량은 R2로 설정된다. 연료전지(1)의 온도상승 때문에, 연료전지(1)로 보내는 증기량이 물의 응축으로 인한 통로의 막힘을 발생하지 않으면서 증가하고, 증기밸브(9)의 개방 VV2는 직전 단계의 값 VV1 보다 크게 설정되며, 증기량 R2는 직전 단계의 값 R1보다 크게 설정된다. 연료전지(1)에 공급되는 증기량이 증가함에 따라, 잠열에 의한 연료전지(1)의 온도 상승의 비율이 증가하며, 연료전지(1)의 온도 상승률이 더 증가한다.
이후에, 온도 단계 s가 최대 단계 n에 도달할 때까지 단계 S4부터 단계 S8까지의 단계가 반복되고, 연료전지(1)의 내부온도의 상승에 따라 연료전지(1)에 공급되는 가스유동의 가습화가 증가한다. 온도 단계 s가 최대 단계 n을 초과하는 경우에, 해동기동프로세스가 종결한다. 연료전지(1)내의 얼음이 완전히 해동될 수 있고, 온도 단계가 n에 도달하는 경우에 전력발생이 시작할 수 있도록, 밸브개방 표는 설정된다.
상기 해동기동프로세스가 도 4a-4d에 나타난다. 도 4a는 연료전지(1)의 온도를 나타내고, 도 4b는 연료전지(1)에 대한 가스유동내의 증기량을 나타내며, 도 4c는 건조고온가스밸브(8)의 개방을 나타내고, 도 4d는 증기밸브(9)의 개방을 각각 나타낸다.
여기에 나타난 것처럼, 기동프로세싱이 시작된 직후에, 통로의 막힘이 발생하지 않도록 증기밸브(9)가 약간 개방되지만(상기 예에서는 완전히 닫힌다), 연료전지(1)의 온도가 T1, T2,...에 도달하면 개방이 단계별로 증가해서, 연료전지(1)에 공급되는 증기량이 증가하고 연료전지(1)의 온도증가율 또한 증가한다.
완전히 개방되고 완전히 닫히게 되는 양 끝값 사이에서 밸브(8, 9)의 개방이 전환되지 않고, 상기 양 끝값 사이에서 단계별로 전환된다. 따라서, 상기 방법에서는 중간값으로 제어함으로써, 연료전지(1)는 아래에 나타난 것처럼 효율적으로 해동될 수 있다.
도 4a-4d와 유사하게, 도 5a-5d는 밸브(8, 9)의 개방 및 연료전지(1)의 증기량과 온도의 시간에 따른 변화를 나타내는 시간도이다. 실선(51 내지 54)은 밸브개방이 단계별로 제어되는 경우를 나타내고, 파선(55 내지 58)은 완전히 개방되거나 완전히 닫히는 것 중에 한 경우로만 밸브(8, 9)의 개방을 제어하는 경우를 나타낸다. 전자의 경우에, 연료전지(1)의 온도상승에 따라 단계별로 밸브개방(51, 52)을 제어하고, 증기량이 점차 증가한다. 반면에, 후자의 경우에는, 연료전지(1)가 증기만이 통과할 수 있는 온도 Tx에 도달하기까지, 밸브(8)는 완전히 개방되고 밸브(9)는 완전히 닫혀 있고, 건조고온가스만이 통과한다. 온도가 Tx에 도달하면, 밸브(8)는 완전히 닫히고, 밸브(9)는 완전히 개방되어 증기만이 통과한다.
후자의 경우에, 온도가 Tx에 도달하기까지는 느린 온도상승만이 얻어지므로, 전자의 경우와 비교하면, 연료전지(1)의 온도상승 및 해동에 시간이 더 많이 걸린다. 역으로, 연료전지(1)의 온도에 따라 단계별로 밸브개방을 제어하는 전자의 경우에는, 연료전지(1)가 효율적으로 해동된다. 온도 및 밸브개방사이의 상관관계 곡선을 기초로 하여 더욱 우수한 제어를 연속적으로 수행할 수 있다는 것을 당연히 이해할 수 있을 것이다.
본 실시예에 있어서, 연료전지(1)는 냉각액으로 순수한 물을 사용하고, 가습화를 위해서 냉각액통로, 연료가스통로 및 산화제가스통로는 다공성 물질을 통해서 연결되지만, 다른 구성을 가지는 연료전지에도 동일한 해동기동방법이 적용될 수 있다. 예를 들어, 냉각용으로 부동액을 사용하며 연료가스 및 산화제가스통로가 연결되지 않고 완전히 독립인 연료전지에 있어서, 본 발명을 이하의 방법으로 적용할 수 있다.
이 경우에, 냉각액이 결빙할 위험이 없어서, 시스템이 정지한 경우에 냉각액을 연료전지로부터 방출하지 않는다. 연료전지가 정지한 경우에 연료전지 내에 남아서 결빙하는 물은, 가습화를 위해 연료가스통로 및 산화제가스통로에 남아 있는 물 및 생성된 물이므로, 상기 물은 기동시에 해동되어야 한다. 따라서, 본 형태의 연료전지에 대응하는 해동 시스템은 순수한 물을 냉각액으로 사용하는 경우와 기본적인 구성에서 실질적으로 동일하지만, 해동용 가스를 냉각액선에 공급하지 않고, 전환밸브(13)가 필요없다. 본 구성의 경우에 있어서, 상기 해동기동시스템 외에 부동액을 순환시키기 위한 장치가 추가된다면, 연료전지(1)내의 얼음은 더 효과적으로 해동될 수 있다.
또한, 기동프로세싱이 시작할 때 외기온도와의 차이를 고려하여, 기동이 시작할 때 외기온도가 낮을수록, 가스유동내의 증기량의 증가가 더 느려지도록 밸브개방을 제어할 수도 있다. 특히, 도 3의 단계 S7에서, 표에서 찾아서 얻은 밸브개방은 기동프로세싱이 시작할 때의 외기온도에 따라 정정되고, 밸브(8, 9)의 개방은 정정 후의 밸브개방으로 설정된다. 이런 방법으로, 외기온도가 높은 경우에, 신속한 온도상승을 얻을 수 있도록 증기량의 증가율이 향상되고, 외기온도가 낮은 경우에, 효과적인 해동을 수행하면서 통로의 막힘을 피할 수 있다.
제어의 단순화가 우선되는 경우에는, 기동프로세싱이 시작할 때 건조고온가스만이 연료전지(1)에 공급되도록 건조고온가스밸브(8)가 개방되고 증기밸브(9)가 닫히며, 연료전지(1)의 온도가 소정의 온도에 도달했을 때 연료전지(1)에 공급되는 가스의 성분이 증기뿐이도록 밸브(9, 8)의 개방이 조절되거나, 선택적으로는, 증기를 포함하는 가스와 건조고온가스를 전환할 수 있다(n=1인 경우에 대응한다). 이 경우에, 통로내의 물이 응결하지 않는 온도 중에서 최저 온도(또는 이것보다 높은 온도)를 전환을 수행하는 소정의 온도로 설정한다면, 물의 응축으로 인한 통로의 막힘이 방지되고, 물의 잠열에 의해 연료전지가 효율적으로 가열되고 해동된다.
소정의 온도는 응축(응축된 물의 특성, 즉 소정의 압력 또는 온도에서의 최대증기량 또는 포화증기량)의 용이성뿐만 아니라, 연료전지 통로의 단면 및 길이(통로의 용이성)와 연료전지의 크기(온도용량(thermal capacity))에도 의존하고, 실험에 의해서 결정된다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
도 6은 제2 실시예를 나타낸다. 기본적인 구성은 제1 실시예의 구성과 동일하지만, 연료전지 내의 온도센서(14) 대신에 온도센서(15)가 연료가스선(2)의 연료전지(1) 방출구 근처에 설치된다.
기동이 시작할 때 연료가스선(2)의 연료전지(1) 방출구로부터 방출되는 가스유동의 온도는 연료전지(1)의 내부온도와 동일하지 않지만, 연료전지(1)의 내부온도가 상승함에 따라 상승한다. 따라서, 연료전지(1)의 내부온도의 상승을 연료전지 방출구로부터 방출되는 가스유동의 온도로부터 추정할 수 있다. 밸브개방 대 온도의 표에 나타난 값을 센서위치의 차이에 따라 설정한다면, 선행 실시예에서와 동일한 제어를 수행할 수 있고, 통로의 막힘을 방지하면서 연료전지를 효율적으로 해동하고 기동할 수 있다.
도 7은 해동기동프로세싱의 흐름도를 나타낸다. 연료전지(1)의 방출구 온도 Tout을 검출하는 단계 S11이 추가되고, 연료전지(1)의 온도를 검출하는 단계 S5 대신에 연료전지 방출구 온도 Tout으로부터 연료전지(1)의 온도 T를 추정하는 S12가 제공되는 것을 제외하고는, 본 프로세싱은 도 3의 프로세싱과 동일하다.
특히, 선행 실시예에서 온도센서가 연료전지(1)내부에 제공되었을 때, 좁은 통로를 피하고 얇은 양극판에서 전기적인 단락회로를 방지하면서 온도센서를 설치해야 하므로 제작이 어려웠으나, 본 실시예에서는 연료전지(1)로부터 밖으로 돌출된 파이프의 일 부분에 온도센서를 설치하면 충분하여 제작이 더 쉽다.
도 6에서, 연료가스선(2)의 연료전지 방출구 근처에 온도센서(15)가 설치되지만, 공기선(3)의 연료전지 방출구 근처(16) 또는 냉각액선(4)의 연료전지 방출구 근처(17)에 설치될 수도 있다. 이 경우에 있어서도, 온도센서(15)의 검출결과로부터 연료전지(1)의 온도를 추정할 수 있고, 상기와 동일한 제어를 수행할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.
도 8, 도 9는 컨트롤러(20)의 메모리에 저장된 밸브개방 설정표 및 컨트롤러(20)에 의해 수행되는 연료전지(1)의 해동기동프로세싱을 나타내는 흐름도이다. 컨트롤러(20)가 수행하는 제어는 별문제로 하고, 본 실시예는 제1 실시예와 동일하다.
제1 실시예에서, 밸브개방 설정표가 연료전지(1)의 온도 T에 대하여 정의되었던 것에 반하여, 본 실시예에서는 도 8에 나타난 것처럼 기동프로세싱의 시작으로부터의 시간(경과시간 t)에 대해 정의된다. 기동프로세싱이 시작할 때의 외기온도에 따른 복수의 밸브개방 설정표(61-63)를 또한 제공한다. 건조고온가스 및 증기의 혼합률 즉, 연료전지(1)에 공급되는 가스유동내의 증기량을 도 9에 나타난 흐름도에 따라 제어한다.
우선, 단계 S21에서, 연료전지(1)의 해동기동프로세싱이 시작하고, 단계 S22에서, 차량 주위의 외기온도 Toa를 검출한다. 단계 S23에서, 기동프로세싱이 시작할 때의 외기온도에 따라서 복수의 표(61 내지 63)로부터 가장 적절한 표를 선택한다.
단계 S24에서, 밸브(11 내지 13)가 개방되고, 밸브(8, 9)의 개방은 표에 저장된 초기값 VG0, VV0로 각각 설정된다. 단계 S25에서, 컨트롤러(20)내의 타이머 t는 0으로 재설정되고, 이후로 파라미터 t는 시간이 경과함에 따라 증가한다. 또한, 단계 S26에서, 시간단계 s가 1로 설정된다.
단계 S27에서, 시간단계 s에 대응하는 시간 ts를 표로부터 읽는데, 우선, 단계 s=1에 대응하는 시간 t1을 읽는다. 단계 S28에서, 경과시간 t를 시간 t1과 비교하고, 경과시간이 시간 t1에 도달할 때 절차는 다음 단계 S29로 진행한다. 단계 S29에서, 그 때의 시간단계(본 경우에는 s=1)에 대응하는 밸브개방 VG1, VV1을 표로부터 읽고, 밸브(8, 9)의 개방을 각각 VG1, VV1으로 설정한다.
그 후에, 단계 S30에서 선행 실시예와 동일한 방법으로 시간단계 s가 증가한다. 단계 S31에서, 종결이 결정되고, 아직 남은 시간단계가 있다면 절차는 단계 S27로 돌아가고, 단계 S27-S31의 프로세싱이 반복된다.
이 방법으로, 본 실시예에 있어서, 해동기동프로세싱의 시작으로부터 경과된 시간에 따라 표에서 찾아서 밸브(8, 9)의 개방을 제어한다. 표의 시간 ts 및 밸브개방 VGs, VVs는 아래의 아이디어에 따라서 미리 정의된다.
연료전지(1)의 온도는 고온가스유동이 연료전지(1)내를 유동하기 시작할 때부터의 시간에 따라 증가하므로, 따라서 연료전지(1)의 온도는 시간으로부터 결정될 수 있다. 이 점에 기초하여, 해동기동프로세싱이 시작할 때부터 연료전지(1)가 완전히 해동될 때까지의 시간을 시간단계로 나누고, 각 시간에서의 연료전지(1)의 온도를 추정한다. 물의 응축으로 인한 통로의 막힘을 발생시키지 않고 연료전지(1)를 통과할 수 있는 최대증기량을 연료전지(1)의 추정된 온도로부터 계산하고, 본 증기비율을 실현하는 밸브개방 VVs, VGs를 각각 계산하여 그 값들을 표에 설정한다.
또한, 결빙된 연료전지(1)로 가스가 유입되는 경우에 온도의 변화는 연료전지(1)의 초기온도에 따라 다르다. 연료전지(1)로 가스가 유입하기 전의 초기온도는 외기온도에 의존하고, 일반적으로 사실상 외기온도와 일치한다. 따라서, 기동프로세싱이 시작할 때의 외기온도에 따라 복수의 표가 제공된다면, 연료전지(1)의 초기온도가 다른 경우를 다루는 것이 가능해진다. 기동프로세싱이 시작할 때의 외기온도가 낮을수록, 연료전지(1)의 온도상승이 덜 가파르기 때문에, 기동프로세싱이 시작할 때의 외기온도가 낮을수록 가스유동의 증기량의 증가율 dVAP가 감소하도록, 표의 값들이 설정된다.
시스템을 단순화시키기 위해서, 외기온도에 따른 별도의 표를 제공하는 것을 생략할 수도 있다. 이 경우에, 사실상 예상할 수 있는 최저의 외기온도에 따른 표 설정을 모든 온도조건에 대해 사용할 수 있다.
연료전지(1)의 온도를 검출하는 대신에 시간에 기초하여 제어를 수행한다면, 제1 실시예의 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있고, 또한 이것은 연료전지(1)의 온도를 검출하는 센서가 필요없도록 한다.
일본특허출원 P2001-342941(2001년 11월 8일 출원)의 모든 내용은 참조로서 여기에 통합된다.
본 발명의 몇몇 실시예를 참조하여 본 발명을 상술하였지만, 본 발명은 상술한 실시예로 제한되지 않는다. 당업자라면 상술한 바에 비추어, 상술한 실시예에 대해 변경을 할 수 있을 것이다. 발명의 범위는 다음의 청구항을 참조하여 정의된다.
본 발명은 차량용을 포함하여, 물을 사용하는 다양한 연료전지 시스템에 적용될 수 있고, 연료전지 시스템이 저온상태로부터 기동하는 경우에 통로의 막힘을 방지하는 데에 효과적이다.

Claims (11)

  1. 저온상태로부터 연료전지(1)를 기동하는 방법에 있어서,
    기동프로세싱이 시작할 때 상기 연료전지(1)내의 통로로 건조고온가스를 포함한 가스유동을 통과시키는 단계; 및
    기동프로세싱이 시작한 후에 상기 연료전지(1)의 온도에 따라 상기 가스유동에 함유된 증기량을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    기동프로세싱이 시작한 후에 상기 연료전지(1)의 온도상승에 따라 상기 가스유동에 함유된 증기량을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    기동프로세싱이 시작할 때 외기온도가 낮아질수록 상기 가스유동 내의 증기량의 증가율을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료전지(1)의 온도가 소정 온도보다 낮은 동안에 상기 연료전지(1)내의 상기 통로로 건조고온가스로 구성된 가스유동을 통과시키는 단계; 및
    상기 연료전지(1)의 온도가 소정 온도보다 높아지는 경우에 상기 가스유동내의 증기량을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소정 온도는, 증기가 상기 연료전지(1)내의 상기 통로로 통과하는 경우에, 상기 연료전지(1)내의 상기 통로의 증기가 응축으로 인해 상기 통로의 막힘을 발생시키지 않는 하한보다 더 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 소정 온도는, 증기가 상기 연료전지(1)내의 상기 통로로 통과하는 경우에, 상기 연료전지(1)내의 상기 통로의 증기가 상기 통로의 막힘을 발생시키는 상한보다 더 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지(1)의 온도상승에 기초하여 상기 가스유동내의 건조고온가스 및 증기의 혼합비를 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료전지(1)에서 응축으로 인해 증기가 상기 통로의 막힘을 발생시키는 상한량인 건조고온가스 및 증기의 혼합비와, 상기 연료전지(1)의 온도 사이의 관계를 저장하는 단계; 및
    저장된 관계를 참고하여 상기 연료전지(1)의 온도에 따라 건조고온가스 및 증기의 혼합비를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  9. 제1항, 제2항, 제3항, 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지(1)내의 상기 통로의 방출구 온도를 검출하는 단계; 및
    검출된 통로 방출구 온도로부터 상기 연료전지(1)의 온도를 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    기동프로세싱의 시작으로부터 경과된 시간에 따라 상기 가스유동의 증기량을 증가시키기 위해 상기 가스유동내의 건조고온가스 및 증기의 혼합비를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    기동프로세싱이 시작할 때의 외기온도가 낮을수록, 상기 가스유동의 증기량의 증가율을 감소시키기 위해 상기 가스유동내의 건조고온가스 및 증기의 혼합비를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기동 방법.
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