KR20040108740A - 연료전지 스택 디프로스팅 - Google Patents

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KR20040108740A
KR20040108740A KR10-2004-7016583A KR20047016583A KR20040108740A KR 20040108740 A KR20040108740 A KR 20040108740A KR 20047016583 A KR20047016583 A KR 20047016583A KR 20040108740 A KR20040108740 A KR 20040108740A
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다카하시나오키
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

연료전지 파워 플랜트는 수소와 산소의 반응에 의해 전력 발생을 수행하는 다수의 연료전지로 구성된 연료전지 스택(1)을 포함한다. 컨트롤러(1)는 연료전지 스택(1) 내부의 수분이 동결되는지의 여부를 판정하고, 수분이 동결되면, 컨트롤러(16)는 연료전지 스택(1)으로 산소를 계속 공급하면서 연료전지 스택(1)이 인버터(27)를 통해 간헐 전력 발생을 수행하게 한다. 전력 발생의 결과로서 연료전지 스택(1)은 열을 발생시키고, 이것에 의해 캐소드(9)에는 수분이 생성된다. 전력 발생이 수행되지 않는 기간은, 연료전지들의 캐소드(9)로 공급된 산소는 생성된 수분을 소기함으로써, 전력 발생 중에 캐소드(9)로의 산소의 공급을 확실하게 한다.

Description

연료전지 스택 디프로스팅{FUEL CELL STACK DEFROSTING}
PEFC(폴리머 전해질형 연료전지:polymer electrolyte fuel cell)에는 여러 위치에 물이 존재한다. 연료전지의 동작 중에, 예를 들면, 폴리머 전해질막은 축축한(damp) 상태로 유지된다. 또한, 전력 발생 중에 연료전지의 캐소드에는 순수가 생성된다. 또한, 전력 발생 중에 연료전지가 열을 발생시키므로, 연료전지에는 냉각수 통로가 형성된다. 따라서 연료전지가 장시간 어는점 이하의 상태에 놓이는 경우, 그 내부의 수분이 동결한다. 이 상태에서 연료전지를 동작시키기 위해서는, 먼저 내부 얼음이 해동되어야 한다.
2000년 일본국 특허청에 의해 공개된 JP2000-315514A에서는 연료전지 내부의 수분을 해동시키기 위해서 이차전지의 전력을 이용하여 가열된 고온 유체의 이용을 제안하고 있다.
2000년 일본국 특허청에 의해 공개된 JP2000-512068A에서는 발전(power generation) 중에 생성된 열에 의해 연료전지의 내부 얼음이 해동되도록 동결 상태에서 연료전지의 전력 발생이 개시되는 것을 제안하고 있다.
본 발명은 어는점 이하에서 연료전지 스택이 동작될 때의 연료전지 스택의 내부에서의 얼음의 디프로스팅에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 연료전지 파워 플랜트의 개략도,
도 2는 본 발명에 의한 컨트롤러에 의해 수행되는 연료전지 스택을 해동시키는 루틴을 도시하는 플로우 차트,
도 3a 내지 도 3c는 어는점 이하에서의 시동 중에 파워 플랜트의 연료전지의 파워 전류, 온도 및 전압의 변화를 도시하는 타이밍 차트,
도 4는 연료전지의 전압과 파워 전류 간의 관계를 도시하는 도면,
도 5는 디프로스팅 루틴과 병행하여 컨트롤러에 의해 수행되는 연료전지 스택으로의 수소 공급을 제어하기 위한 루틴을 도시하는 플로우 차트,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 컨트롤러에 의해 수행되는 연료전지 스택을 해동시키는 루틴을 도시하는 플로우 차트,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제2 실시예에 의한 어는점 이하에서의 시동 중에 파워 플랜트의 연료전지의 파워 전류 및 전압의 변화를 도시하는 타이밍 차트,
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 의한 컨트롤러에 의해 수행되는 연료전지 스택을 해동시키는 루틴을 도시하는 플로우 차트,
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 의한 컨트롤러에 의해 저장되어 있는 파워 전류 파라미터 테이블의 내용을 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 의한 연료전지 파워 플랜트의 개략도,
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 제4 실시예에 의한 어는점 이하에서의 시동 중에 파워 플랜트의 연료전지의 파워 전류, 온도 및 전압의 변화를 도시하는 타이밍 차트이다.
JP2000-315514A에 의한 파워 플랜트(power plant)는 고온 유체를 연료전지로 재순화시키기 위해서 필요한 에너지 및 가열 에너지 등의 모든 종류의 구동 에너지에 대해 이차전지에 의존한다. 그 결과, 이차전지에 대한 부하가 크고 따라서 대용량의 이차전지가 필요하다.
JP2000-512068A에 의한 파워 플랜트에서는, 모든 내부 수분이 동결된 상태로 연료전지에서 발전이 수행될 때에, 캐소드에서 생성된 수증기는 주변 부재들과의 열교환에 의해 급속히 냉각됨으로써, 응축하여 물 또는 얼음을 형성한다. 이 물 또는 얼음이 캐소드의 가스 확산층 및 가스 통로를 차단함으로써, 캐소드로의 공기의 공급을 방해한다. 이 상태에서는 발전 반응을 불충분하고 생성된 열량은 작으므로, 연료전지가 정상적으로 동작될 수 있도록 완전히 해동하기 위해서 얼음에는 많은 시간이 필요하다. 가스 통로 및 가스 확산층에서의 차단을 방지하기 위해서, 낮은 파워 전류값으로 발전이 수행되어야 하지만, 그렇게 함으로써 발전 반응에 의해 생성된 열량은 작으므로, 여전히 디프로스팅은 많은 시간을 필요로 한다.
따라서 본 발명의 목적은 이차전지의 전력 소비 없이 동결 상태에서 연료전지 스택의 시동 시간을 단축하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 수소와 산소의 공급 하에서 전력을 발생시키는 연료전지들을 포함하는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 산소를 공급하는 기구, 연료전지 스택의 수분이 동결되는지를 판정하기 위한 파라미터를 검출하는 센서, 및 컨트롤러를 포함하는 연료전지 파워 플랜트를 제공한다.
컨트롤러는, 파라미터에 근거하여 연료전지 스택의 수분이 동결되는지를 판정하도록 기능하고, 연료전지 스택의 수분이 동결될 때 연료전지 스택이 간헐 전력 발생을 수행하게 한다.
또한 본 발명은 수소와 산소의 공급 하에서 전력을 발생시키는 연료전지들을 포함하는 연료전지 스택 및 연료전지 스택에 산소를 공급하는 기구를 포함하는 연료전지 파워 플랜트의 제어 방법을 제공한다. 이 방법은, 연료전지 스택의 수분이 동결되는지를 판정하기 위한 파라미터를 검출하는 단계, 이 파라미터에 근거하여 연료전지 스택의 수분이 동결되는지를 판정하는 단계, 및 연료전지 스택의 수분이 동결될 때 연료전지 스택이 간헐 전력 발생을 수행하게 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상세한 것과 다른 특징들 및 이점들은 명세서의 나머지 부분에서 설명되고 첨부 도면에 도시되고 있다.
도면들 중 도 1을 참조하면, 차량에 설치하기 위한 연료전지 파워 플랜트는 연료전지 스택(1)을 포함한다. 연료전지 스택(1)은 직렬로 접속되는 다수의 연료전지에 의해 구성되지만, 설명의 편의상, 도면의 연료전지 스택(1)은 하나의 연료전지로 도시되어 있다.
연료전지 스택(1)에는, 수소 공급 통로(3), 공기 공급 통로(10), 전환 밸브(6), 및 배기구(12)가 접속되어 있다.
연료전지 스택(1)의 각 연료전지는 애노드(2)와 캐소드(9) 사이에 개재된 폴리머 전해질막(25)을 포함한다.
수소 공급 통로(3)에 유량 제어 밸브(4)가 설치되어 수소 탱크(26)에서 각 연료전지의 애노드(2)로의 수소 공급을 제어한다. 전환 밸브(6)는 각 연료전지의 애노드(2)에서 배출되는 발전 반응에서 사용되지 않은 잉여 수소를 함유하는 애노드 유출물(effluent)을 재순환 통로(7) 또는 배기구(5)로 선택적으로 인도한다. 재순환 통로(7)는 이젝터 펌프(8)를 통과하는 수소의 유속에 의해 생성되는 흡인력을 이용함으로써 재순환 통로(7)의 애노드 유출물을 흡인하는 이젝터 펌프(8)를 통해 수소 공급 통로(3)에 접속된다. 배기구(5)는 외기로 개구되어 있다.
공기 공급 통로(10)는 송풍기(11)로부터 배출되는 공기를 각 연료전지의 캐소드(9)로 공급한다. 배기구(5)는 발전 반응에 의해 생성되는 수증기 및 각 연료전지의 캐소드(9)에서 배출되는 발전 반응에 사용되는 않은 산소를 포함하는 캐소드 유출물을 외기로 배출한다.
연료전지 스택(1)에는 연료전지에 의해 발생된 직류 파워 전류를 추출하기 위한 전선(13 및 14)이 접속된다. 전선(13 및 14)은 전기 부하(15)에 접속된다. 여기서, 전기 부하(15)는, 차량의 구동에 사용되는 전동 모터, 송풍기(11), 펌프와 같은 각종 보조 기계류, 이차전지 및 그 이차전지 충방전 컨트롤러, 차량 에어컨 장치, 각종 조명, 및 그 밖의 전기 부품을 포함하는 총칭 용어이다. 전기 부하(15)에서의 파워 전류 소비는 인버터(27)를 통해 제어되고 있다.
송풍기(11)의 동작, 전환 밸브(6)의 스위칭, 및 전기 부하(15)에서의 파워 전류 소비는 컨트롤러(16)에 의해 제어되고 있다.
컨트롤러(16)는, CPU(central processing unit), ROM(read only memory), RAM(random access memory), 및 입출력 인터페이스(I/O interface)를 포함하는 마이크로컴퓨터로 구성된다. 컨트롤러는 다수의 마이크로컴퓨터로 구성될 수도 있다.
연료전지 파워 플랜트가 연료전지 스택(1) 내의 수분이 동결하는 온도 이하에서 기동될 때에, 연료전지 스택(1)은 해동되어야 한다. 이 디프로스팅은 시동시에 연료전지 스택(1)의 발전 부하를 컨트롤러(16)가 적절히 제어하게 함으로써 단기간에 효율적으로 실현될 수 있다.
이 제어를 수행하기 위해서, 연료전지 파워 플랜트는, 연료전지 스택(1)의 내부 온도를 측정하기 위한 온도 센서(19), 애노드 유출물을 압력을 검출하기 위한 압력 센서(21), 연료전지 스택의 단자 전압을 검출하기 위한 전압계(17), 전기 부하(15)의 전류 소비를 검출하기 위한 전류계(18), 외기 온도(Ta)를 검출하기 위한 외부 온도 센서(20), 및 연료전지 파워 플랜트의 시동을 명령하기 위한 메인 스위치(28)를 포함한다. 이들 센서들 각각의 검출된 데이터는 신호들로서 컨트롤러(16)에 입력된다.
다음에, 도 2를 참조하여, 컨트롤러(16)에 의해 실행되는 연료전지 스택(1)을 해동시키는 루틴이 설명된다. 연료전지 파워 플랜트는 차량 운전자가 메인 스위치(28)를 켤 때에 시동된다. 이 루틴은 메인 스위치(28)가 켜져 있음을 검출시 실행된다.
단계 S1에서, 컨트롤러(16)는 연료전지 스택(1)이 동결 상태에 있는지의 여부를 판정한다. 이 판정은, 연료전지 스택(1)의 내부 수분이 동결 상태에서 발전이 수행될 때에 물 또는 얼음으로 변화하는 발전시에 생성되는 수증기에 기인하여 캐소드로의 공기의 공급이 차단될 가능성이 있는지의 여부를 판단하기 위해서 수행된다. 이 현상은 공기 온도가 하강할수록 더 발생하게 되므로, 실험이 미리 수행되어 이 공기 공급 차단 현상이 생기는 공기 온도 경계를 결정한다. 컨트롤러(16)는 외부 온도 센서(20)에 의해 검출된 외기 온도(Ta)가 이 경계 온도에 근거하여 설정된 소정 온도(Te) 이하일 때에 연료전지 스택(1)이 동결 상태에 있는 것으로 판정한다. 연료전지 스택(1)이 동결 상태에 있는 것으로 판정되면, 컨트롤러(16)는 단계 S3 내지 단계 S9 처리를 실행한다.
한편, 외부 온도 센서(20)에 의해 검출된 외기 온도(Ta)가 소정 온도(Te) 이하가 아니면, 단계 S2에서 컨트롤러(16)는 상온(normal temperature)에서 연료전지 파워 플랜트의 시동 처리를 실행한 다음에, 루틴을 종료한다. 상온에서의 연료전지 파워 플랜트의 시동 처리는 본 발명과 관계가 없고 종래 기술에 속하므로, 그 설명은 생략하고 있다.
연료전지 스택(1)의 동결 상태의 판정은 외부 온도 센서(20)에 의해 검출된 외기 온도(Ta) 대신에 온도 센서(19)에 의해 검출된 연료전지 스택(1)의 온도(T)에 근거하여 수행되어도 된다.
연료전지 스택(1)이 동결 상태에 있는 경우, 단계 S3에서 컨트롤러(16)는 먼저 송풍기(11)의 동작을 개시시킨다. 그 결과, 수소와 공기가 각각 연료전지 스택(1)의 애노드(2)와 캐소드(9)로 공급된다.
다음에, 단계 S4에서, 컨트롤러(16)는 온도 센서(19)에 의해 검출된 연료전지 스택(1)의 온도(T)를 판독한다.
다음에, 단계 S5에서, 컨트롤러(16)는 연료전지 스택(1)의 온도(T)에 근거하여 내부 메모리에 미리 저장된 파워 전류 파라미터 테이블을 검색하여 온도(T)에 따라 연료전지 스택(1)에 의해 출력되는 파워 전류 펄스의 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)을 결정한다. 표 1은 파워 전류 파라미터 테이블의 예이다.
[표 1]
여기서, T1 < T2 < …< T7 < T8,
t11 < t12 < …< t17 < t18, 및
t21 > t22 > …> t27 > t28이다.
표 1을 참조하면, 파워 전류 파라미터 테이블은 온도(T)가 상승할수록 펄스 폭(t1)은 증가하고 펄스 간격(t2)은 감소하는 특징이 있다. 여기서, 펄스 폭(t1)은 펄스의 지속시간을 나타내고, 펄스 간격(t2)은 연료전지 스택(1)에 의해 출력된 펄스 전류의 정지부터 다음 펄스 전류 출력의 개시까지의 간격을 나타낸다. 컨트롤러(16)는 파워 전류 파라미터 테이블로부터의 온도(T)에 따라 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)을 설정한다. 파워 전류 파라미터 테이블은 실험적으로 미리 설정되어 있다. 표 1에서, 파라미터 t1i, t2i는 i = 1 - 8로 되게 8개의 온도(Ti)의 각각에 설정되어 있지만, i의 값은 임의로 설정될 수 있다. 저온에서의 시동 중의 연료전지 스택(1) 내부에서의 열 이동과 물질 이동에 근거하는 수값 모델을 생성하여 이 수값 모델에 근거하는 방정식으로 폭스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)이 표시되는 것도 가능하다.
다음 단계 S6에서, 컨트롤러(16)는 결정된 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)에 맞는 파워 전류가 연료전지 스택(1)으로부터 출력되도록 인버터(27)를 제어한다. 표 1에 나타내어진 펄스의 높이는 파워 전류 A에 해당한다는 것에 유의하여야 한다. 파워 전류 A는 고정값이다. 이 파워 전류 A의 설정 방법은 후술된다.
다음에, 단계 S7에서, 컨트롤러(16)는 단계 S6에서 이루어진 인버터의 제어된 상태를 일정 시간 유지한다.
다음에, 단계 S8에서, 컨트롤러(16)는 온도 센서(19)에 의해 검출된 연료전지 스택(1)의 온도(T)를 다시 한번 판독한다.
다음에, 단계 S9에서, 연료전지 온도(T)가 연료전지 스택(1)의 디프로스팅 완료 온도(Tc)에 도달하였는지의 여부를 판정한다. 디프로스팅 완료 온도(Tc)는 연료전지 스택(1)이 통상 운전을 개시하더라도 캐소드(9)로의 공기의 공급이 차단되도록 캐소드(9)에서 생성되는 수증기가 물 또는 얼음으로 변화할 가능성이 없는 온도이다.
단계 S9에서, 연료전지 온도(T)가 연료전지 스택(1)의 디프로스팅 완료 온도(Tc)에 도달하지 않았으면, 연료전지 온도(T)가 디프로스팅 완료 온도(Tc)에 도달할 때까지 단계 S5 내지 단계 S9의 처리가 반복된다. 연료전지 온도(T)가 디프로스팅 완료 온도(Tc)에 도달하였으면, 컨트롤러(16)는 루틴을 종료한다.
디프로스팅 동작의 종료 타이밍을 판정하기 위해서 연료전지 온도(T)를 디프로스팅 완료 온도(Tc)와 비교하는 대신에, 단계 S1에서 외기 온도(Ta)에 따라 디프로스팅 동작 기간을 미리 결정하고, 단계 S9에서 디프로스팅 동작의 개시 이후의 경과 시간이 디프로스팅 동작 기간에 도달하였는지를 판정하는 것도 가능하다.
또한, 캐소드(9)의 흡기구와 배기구 간의 차압을 모니터하거나 또는 연료전지 스택(1)의 출력 전압을 모니터하여 디스로스팅 동작의 종료 타이밍을 판정하는 것도 가능하다. 캐소드로의 공기의 공급이 가스 통로의 얼음에 의해 차단되는 경우, 캐소드의 흡기구와 배기구 간의 차압은 증가하고 연료전지 스택(1)의 출력 전압은 하강한다. 따라서, 차압 또는 출력 전압을 모니터링함으로써, 연료전지 온도를 검출하지 않고 디프로스팅 동작의 종료 타이밍을 판정할 수 있다. 그러나, 디프로스팅 동작의 종료 타이밍을 정밀하게 판정하기 위해서, 큰 출력 전류와 큰 펄스 폭의 간헐 발전을 수행하는 것이 요구될 것이다.
상기 어떤 경우라도, 온도 센서(19)가 생략될 수 있어, 연료전지 스택(1)의 구성이 간략화될 수 있다.
이 디프로스팅 루틴의 완료 후에, 컨트롤러(16)는 통상 운전의 제어를 실행한다.
이 디프로스팅 루틴 중의 연료전지 스택(1)으로의 공기의 공급은 간헐적으로수행되지 않고, 연속적이고 일정 유량으로 수행된다. 상술한 펄스 간격(t2)에 대응하는 시간 동안 캐소드(9)로 공급된 공기는, 거의 전혀 발전 반응에 사용되지 않지만, 대신에 발전 반응에 의해 캐소드(9)에서 생성된 수분을 캐소드(9)에 인접하여 있는 가스 확산층과 가스 통로에 축적없이 하류측으로 흘러 배기구(12)로부터 배출되도록 기능한다. 캐소드(9)로 공급된 공기는, 송풍기(11)에 의해 수행된 단열 압축에 기인하여 외측 공기보다 높은 온도를 갖고, 일반적으로 어는점 이상이므로, 이러한 기능을 수행할 수 있다.
전기 부하가 연료전지 스택(1)에 발휘되더라도, 또는 바꿔 말하면, 펄스 폭(t1)에 대응하는 기간 동안, 캐소드(9)에서 생성된 수분이 가스 통로와 가스 확산층에 축적되어 캐소드(9)로의 공기 통로가 차단되면, 축적된 수분은 연료전지 스택(1)에 전기 부하가 발휘되지 않을 때에, 또는 바꿔 말하면 펄스 간격(t2)에 대응하는 기간 동안 공기에 의해 하류측으로 밀리므로, 후속 전기 부하가 발휘될 때에 연료전지 스택(1)이 다시 전력을 발생시킬 수 있다. 이 유입(in-flowing) 공기의 소기(scavenging) 효과는 공급되는 공기의 양이 증가할수록 보다 두드러지게 되고, 펄스 간격(t2)은 공급되는 공기 양이 증가할수록 감소된다. 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기 양은, 펄스 전류 발전에 소비되는 공기 양의 적어도 1.8배가 바람직하고, 적어도 3배가 보다 바람직하다.
상술한 바와 같이, 캐소드(9)로의 공기의 공급은 간헐적으로보다는 계속적으로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 애노드(2)에 대한 수소의 공급에 관해서는, 연료전지 스택(1)이 전력을 발생시키지 않는 기간 동안에 수소도 소비되지 않으므로, 수소는 펄스 전류에 따라 간헐적으로 공급되는 것이 바람직하다. 그러나, 수소 가스를 간헐적으로 공급하는 것은 어렵다. 수소는 펄스 전류와 시간이 결합된 평균 유량으로 공급될 수 있지만, 유량 제어 밸브(4)의 유량 제어에는 높은 정밀도가 요구되고 있다.
연료전지 스택(1)의 디프로스팅 제어 기간 동안에 도 5에 도시된 수소 공급 제어 루틴을 컨트롤러(16)가 실행시킴으로써, 또는 바꿔 말하면 도 2에 도시된 디프로스팅 루틴과 병행하여, 애노드(2)로의 수소 공급이 정확한 비율로 수행된다.
먼저, 단계 S51에서, 컨트롤러(16)는 유량 제어 밸브(4)의 개도를 증가시킨다.
다음에, 단계 S52에서, 연료전지 스택(1)이 디프로스팅을 필요로 하는지를 판정한다. 이것은 도 2의 디프로스팅 루틴의 단계 S3 내지 단계 S9가 현재 실행되고 있는지에 의해서 판정된다.
연료전지 스택(1)이 디프로스팅을 필요로 하면, 단계 S53에서 컨트롤러(16)는 전환 밸브(6)를 돌려 이젝터 펌프(8)를 통해 애노드(2)의 애노드 유출물이 재순환 통로(7)에 유입하므로, 이젝터 펌프(8), 애노드(2), 전환 밸브(6), 및 재순환 통로(7)를 포함하는 폐쇄 회로를 형성하고, 이것을 통해 애노드 유출물이 재순환된다.
다음에, 단계 S54에서, 압력 센서(21)에 의해 검출된 애노드 유출물의 압력(P)이 판독된다.
다음에, 단계 S55에서, 애노드 유출물의 압력(P)이 소정 압력(P0)을 초과하는지에 대해 판정된다. 컨트롤러(16)는 애노드 유출물의 압력(P)이 소정 압력(P0)에 도달할 때까지 대기하고, 애노드 유출물의 압력(P)이 소정 압력(P0)을 초과하는 경우, 단계 S56에서 컨트롤러(16)는 유량 제어 밸브(4)의 개도를 감소시킨다. 연료전지 스택(1)이 펄스 전류 발전을 수행하는 후속 기간 동안, 또는 바꿔 말하면 펄스 폭(t1)에 대응하는 기간에는, 폐쇄 회로에서의 애노드 유출물에 포함된 수소는 애노드(2)에서 소비된다. 이 수소 소비를 통해, 애노드 유출물의 압력(P)이 하강한다.
유량 제어 밸브(4)의 개도가 감소한 후에, 단계 S57에서 컨트롤러(16)는 다시 한번 애노드 유출물 압력(P)을 판독하고, 단계 S58에서 애노드 유출물 압력(P)을 소정 압력(P1)과 비교한다. 소정 압력(P1)은 애노드 유출물에서의 수소 농도의 감소를 보상하기 위해서 탱크(26)로부터 수소의 공급량을 증가시키도록 유량 제어 밸브(4)의 개도가 다시 증가되어야 하는지를 판정하기 위한 값이다.
상기 설명으로부터 알 수 있듯이, 소정 압력(P0)은 소정 압력(P1)보다 높다.
컨트롤러(16)는 단계 S57에서 애노드 유출물 압력(P)이 소정 압력(P1) 이하로 하강할 때까지 단계 S57 및 단계 S58의 처리를 반복한다. 단계 S57에서 애노드 유출물 압력(P)이 소정 압력(P1) 이하로 하강하면, 컨트롤러(16)는 단계 S51로 복귀하여 유량 제어 밸브(4)의 개도를 증가시킨 다음에, 단계 S52 내지 단계 S58의 처리를 반복한다.
도 2의 디프로스팅 루틴이 완료되면, 단계 S52의 판정 결과는 네거티브가 되고, 따라서 컨트롤러(16)는 루틴을 종료한다.
이 루틴에 의하면, 도 2의 디프로스팅 동안에 애노드(2)로의 수소 공급이 정확한 비율로 수행될 수 있다.
다음에, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여, 상술한 제어에 의해 연료전지 스택(1)이 동결 상태로부터 시동될 때의 펄스 전류, 연료전지 온도(T), 및 발전 전압의 변화가 설명된다.
도면의 파선은 종래 기술의 JP2000-512068A의 장치에서와 같이 일정한 발전 전류(a0)로 디프로스팅이 수행될 때의 특징을 나타낸다. 이 종래 기술의 장치에서는, 동결 상태에서의 발전 중에 캐소드에서 생성된 수분에 의해 캐소드로의 공기 공급이 차단되는 것을 방지하기 위해서 낮은 파워 전류(a0) 하에서 연료전지 스택이 동결 상태로부터 시동된다. 발전 개시 직후에, 단자 전압은 초기 전압(V0) 아래로 약간 하강하지만, 파워 전류(a0)가 작기 때문에, 그 효과는 작다. 연료전지 스택(1)의 전력에 의해 생성되는 열에 기인하여 연료전지 스택(1)의 온도는 점차 증가한다.
그러나, 캐소드에서 생성된 수분이 가스 통로 및 가스 확산층에 축적하여 공기가 캐소드에 도달하는 것을 방해하는 경우, 연료전지 스택(1)의 발전 전압은 결국 하강하고, 시간(tc)에서 전압이 최소값(Vmin) 이하로 하강하는 경우, 연료전지 스택(1)은 발전이 불가능하게 된다. 이 제로 전류 상태는 연료전지 스택(1)에서 짧게 지속된다. 이 상태에서, 발전 반응이 일어나지 않으므로, 캐소드에서는 물이 발생되지 않는다. 그 다음, 가스 통로 및 가스 확산층에 축적된 수분이 확산하여공기 공급이 캐소드에 도달할 수 있는 경우, 연료전지 스택(1)은 발전 반응을 개개하고, 시간(td)에서 단자 전압이 최소값(Vmin) 이상 상승한다. 이 종래의 장치에서는 이와 같이 낮은 파워 전류(a0)로 연료전지 스택(1)의 발전 전류를 억제함으로써, 도 3b에 도시되는 바와 같이, 연료전지 스택(1)의 온도 상승은 매우 느리고, 또한, 낮은 파워 전류(a0) 하에서, 발전 불능의 상태가 시간(tc-td)에 도시된 바와 같이 생긴다.
한편, 본 발명에 의한 연료전지 파워 플랜트에서, 컨트롤러(16)는 시동 시간의 연료전지 온도(T)에 근거하여 미리 내부 메모리에 저장되어 있는 테이블을 참조하여 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)을 결정한다. 예를 들면, 연료전지 온도(T)가 T2이면, 펄스 폭(t1)은 t12로 설정되고 펄스 간격(t2)은 t22로 설정된다. 그 다음 인버터(27)는 설정된 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)에 따라 일정 시간에 걸쳐 발전이 수행되도록 제어된다. 이 때의 파워 전류(A)는 종래 장치의 파워 전류(a0)를 크게 초과하고, 따라서 발전에 수반하는 전압 하강도 크다. 이 큰 전압 하강, 또는 바꿔 말하면 낮은 발전 효율은, 종래 장치보다 다량의 열이 발생되도록 발열하게 한다. 그 결과, 도 3b에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(1)의 온도(T)는 급속히 상승한다.
큰 파워 전류 하에서 발전이 수행되므로, 캐소드(9)에서는 다량의 수분이 생성되고, 생성된 수분은 캐소드(9)로의 공기 공급을 차단하기 시작한다. 그러나, 전압이 최소값(Vmin)으로 하강하는 경우, 펄스 폭(t12)에 대응하는 시간이 경과하여 연료전지 스택(1)에서의 발전이 정지된다. 한편, 공기 공급 통로(10)를 통해공기가 계속 공급되고 이 공기의 흐름이 연료전지 스택(1) 내부의 캐소드(9)에 도달하여 가스 통로 및 가스 확산층 내의 수분을 소기하고 이 수분을 배기구(12)를 통해 배출한다.
그 결과, 연료전지 스택(1)은 발전 가능 상태로 복원된다. 펄스 간격(t22)이 경과하면, 연료전지 스택(1)에 의한 발전은 재개한다. 이와 같이 펄스 형태의 전류 출력이 수행되도록 인버터(27)를 컨트롤러(16)가 제어함으로써, 큰 파워 전류(A)의 출력을 수반하는 발열에 의해 연료전지 스택(1)이 가열되고, 펄스 간격(t22) 동안의 소기 동작에 의해, 가스 통로 및 가스 확산층에 축적된 수분이 제거된다. 이 때의 전압 변화가 도 3c에 도시된다.
도 3b에 도시되는 바와 같이, 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 일정 시간에 걸쳐 연료전지 스택(1)에 의한 간헐 발전에 뒤따르는 소정 온도(T3)에 도달하는 경우, 컨트롤러(16)는 다시 한번 표 1을 참조하여 새로운 펄스 폭(t13)과 펄스 간격(t23)을 설정한다. 새롭게 설정된 펄스 폭(t13)은 이전의 펄스 폭(t12)보다 크고, 새롭게 설정된 펄스 간격(t23)은 이전의 펄스 간격(t22)보다 작다. 이것은, 캐소드(9)에서 발전 반응에 의해 생성된 수분 중에서, 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 상승함에 따라 보다 작은 비율이 가스 통로 및 가스 확산층에서 응축 또는 동결하여 캐소드(9)로의 공기 통로를 차단한다는 사실에 기인한다. 가스 통로 및 가스 확산층에 축적되는 수분의 양이 감소하기 때문에, 축적된 수분을 제거하는데 필요한 시간도 감소한다.
컨트롤러(16)는 새로운 펄스 폭(t13)과 펄스 간격(t23)에 따라 일정 시간에걸쳐 연료전지 스택(1)이 간헐 발전을 재개하게 한다. 펄스 폭(t13)이 펄스 폭(t12)보다 크기 때문에, 발전에 의해 생성되는 열량은 증가하고, 도 3b에 도시되는 바와 같이, 연료전지 스택(1)의 온도(T)는 보다 급속히 상승한다. 이 상태가 일정 시간 동안 지속된 후에 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 소정 온도(T4)에 도달하면, 컨트롤러(16)는 다시 한번 표 1을 참조하여 새로운 펄스 폭(t14)과 펄스 간격(t24)을 설정한 다음에, 새로운 설정 하에서 일정 시간에 걸쳐 간헐 발전을 연료전지 스택(1)이 재개하게 한다.
이와 같이 일정 시간 간격에서의 연료전지 스택(1)의 온도(T)에 근거하여 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)을 재설정하면서 간헐 발전을 수행함으로써, 연료전지 스택(1)의 온도(T) 증가는 도 3b에 도시되는 바와 같이 촉진된다. 도 3b에 도시되는 바와 같이, 0℃에서 연료전지 스택(1)의 온도(T) 증가가 일시적으로 멈추는 이유는, 연료전지 스택(1)의 발전 반응에 의해 생성되는 열이 가스 통로 및 가스 확산층의 얼음 이외에 연료전지 스택(1)의 다른 부분에 존재하는 얼음을 녹일 때에 발생되는 잠열의 보상에 이용되므로 감열(sensible heat)로서 연료전지 스택(1)의 온도 상승에 기여하지 않기 때문이다.
최종적으로 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 통상 운전이 가능한 온도(Te)에 도달하면, 통상 운전으로의 이행은 도 2의 단계 S9의 다음 판정 기회에서 결정되고, 그 뒤 컨트롤러(16)는 제어를 종료한다.
다음에, 도 4를 참조하여, 파워 전류(A)의 크기의 결정 방법이 설명된다. 이 도면의 실선 곡선은 연료전지 스택의 단자 전압과 출력 전류 간의 통상적인 관계를 나타내고, I-V 곡선으로 알려져 있다.
단자 전압(Vt)은 수소의 산화반응에 의해 배출된 에너지의 양에 근거하여 산출된 논리값이다. 이 논리값(Vt)으로 나뉘어진 실제 단자 전압(V)은 생성 효율로 알려져 있다. 발전시 배출되는 에너지 중에서, 전력으로 변환되지 않는 에너지는 도면에서 L1과 L2로 도시된 에너지이고 발열에서 소비된다.
출력 전류(I)가 증가함에 따라, 단자 전압(V)은 하강하고, 동일한 양의 연료 소비에 의하더라도, 열로 변환되는 에너지의 양은 증가한다. 전압 감소는 도면의 고 전류 영역(Z)에서 특히 두드러진다. 이것은, 반응에서 소비된 가스량이 반응 가스, 즉, 수소와 산소의 확산 속도에 비례하여 증가하여 연료전지 스택(1)의 전극 표면으로 확산하고, 그 결과 발전 반응의 속도가 가스 확산 속도에 의존한다는 사실에 기인하고 있다. 가스 확산의 속도에 기인하는 단자 전압의 저하는 확산 과전위로 알려져 있다.
연료전지 스택(1)의 출력 전류(A)는 확산 과전위가 현저하게 되는 Z 영역 부근에 설정된다. JP2000-512068A에 개시된 종래의 장치의 동결 상태에서의 연료전지 스택의 출력 전류(a0)는 X 영역 부근에 설정되므로, 생성된 열량이 적다.
연료전지 스택의 특성에 근거한 확산 과전위에 기인하여 전압이 급속히 감소하는 파워 전류 영역에 출력 전류를 설정함으로써, 발전 중에 생성되는 열량은 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 효율적으로 상승될 수 있도록 증가한다.
출력 전류(I)와 단자 전압(V) 간의 관계는 균등하지 않고 연료전지 스택에 따라 다르다. 특히 저온 하에서 활동이 감소하는 경우 또는 연료전지 스택의 일부가 동결되어 있는 경우, 도면의 실선 곡선으로 도시된 표준적 특성으로부터, 도면에 파선 곡선으로 도시된 바와 같이, 성능이 저하한다. 연료전지 스택(1)의 성능이 저하하는 경우, 동결 상태의 출력 전류(A)를 Y 영역 부근으로 변화시키는 것이 바람직하다.
고정값으로서 출력 전류(A)를 설정하는 대신에, Z 및 Y 영역에서 단자 전압(V)이 극단으로 감소하는 현상을 이용하여 출력 전류(A)가 동적으로 변화될 수도 있다. 보다 구체적으로, 컨트롤러(16)는 미리설정된 최소 전압(Vmin)으로 전압이 하강하도록 파워 전류값을 제어한다. 최소 전압(Vmin)은 0.3 내지 0.5 볼트로 설정되어 있다.
이와 같이 결정된 출력 전류(A)가 실현되도록 컨트롤러(16)가 인버터(27)를 제어함으로써, 낮은 파워 전류가 연료전지 스택으로부터 끊임없이 추출되는 종래의 장치와 달리, 동일한 연비량에 대해 생성 효율이 감소될 수 있으므로, 발생되는 열량이 증가할 수 있다. 또한, 연료전지 스택의 온도(T)의 증가에 따라 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)이 미리 설정되므로, 축적된 수분은 가스 통로 및 가스 확산층으로부터 확실히 제거될 수 있어 연료전지 스택(1)에서 발전 반응이 확실히 이루어질 수 있다.
다음에, 도 6 및 도 7a, 도 7b를 참조하여 본 발명의 제2 실시예가 설명된다.
본 실시예에 의한 연료전지 파워 플랜트는 제1 실시예와 동일한 하드웨어 구성을 갖지만, 펄스 형태 출력 전류를 제어하기 위한 논리가 제1 실시예와 다르다.
이 실시예에서, 컨트롤러(16)는 도 2에 도시된 디프로스팅 루틴 대신에 도 6에 도시된 디프로스팅 루틴을 실행한다.
단계 S1 내지 단계 S3 및 단계 S8, S9의 처리는 도 2의 디프로스팅 루틴과 동일하다.
단계 S3에서 송풍기(11)의 개시 동작 후에, 단계 S21에서 컨트롤러(16)는 인버터(27)를 제어하여 출력 전류(A) 하에서 연료전지 스택(1)의 발전을 개시한다.
다음에, 단계 S22에서, 컨트롤러(16)는 전압계(17)에 의해 검출되는 연료전지 스택(1)의 단자 전압(V)을 판독한다.
다음에, 단계 S23에서, 컨트롤러(16)는 단자 전압(V)을 미리설정된 최소 전압(Vmin)을 비교하고 단자 전압(V)이 최소 전압(Vmin) 이하로 하강할 때까지 단계 S22 및 단계 S23의 처리를 반복한다. 단자 전압(V)이 최소 전압(Vmin) 이하로 하강하는 경우, 단계 S24에서 연료전지 스택(1)의 발전은 일정 시간동안 정지된다.
그 다음, 도 2에 도시된 디프로스팅 루틴과 마찬가지로, 단계 S8 및 단계 S9에서 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 통상 운전이 가능한 온도(Tc)에 도달하였는지를 판정한다. 이 온도(T)가 통상 운전 온도(Tc)에 도달할 때까지 단계 S21 이후의 처리가 반복되고, 이 온도(T)가 통상 운전 온도(Tc)에 도달하는 경우, 루틴은 종료한다. 제1 실시예와 마찬가지의 방법으로 캐소드(9)로의 공기 공급의 제어가 수행된다.
본 실시예에 의한 제어 하에서 출력 전류와 단자 전압의 변화가 도 7a 및 도 7b에 도시된다. 도 7a에 도시되는 바와 같이, 연료전지 스택(1)의 단자 전압(V)은출력 전류(A)에 대응하는 펄스 전류의 출력 결과로서 급격히 경사지지만, 수분이 가스 통로와 가스 확산층에 축적하여 캐소드(9)로의 공기 공급이 차단되는 경우, 단자 전압(V)은 더 경사져 최소 전압(Vmin)에 도달한다.
연료전지 스택(1)의 단자 전압(V)이 최소 전압(Vmin) 이하로 하강하는 경우, 단계 S24에서 컨트롤러(16)는 일정 시간 동안 연료전지 스택(1)의 발전을 정지한다. 이 정지 기간은 제1 실시예의 펄스 간격(t2)에 대응한다. 일정 시간이 경과하고, 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 통상 운전 온도(Te)에 도달하지 않았으면, 출력 전류(A) 하에서 연료전지 스택(1)의 발전이 재개된다.
이 실시예에서는, 펄스 폭(t1)을 설정하는 대신에 단자 전압(V)의 감소에 근거하여 발전이 개시되고 정지하므로, 가스 통로와 가스 확산층의 수분의 축적에 기인하여 발전이 불가능한 상태는 확실히 회피될 수 있어 발전이 가능한 전체 기간에 걸쳐 발전이 수행될 수 있다. 그 결과, 연료전지 스택(1)의 온도는 효율적으로 상승될 수 있다.
이 실시예에서, 단계 S24의 발전 정지 시간은 고정값으로 설정되지만, 연료전지 스택(1)의 단자 전압(V)이 초기 전압(V0)으로 복귀하는 경우 발전을 재개함으로써, 연료전지 스택(1)의 온도는 훨씬 더 효율적으로 상승될 수 있다.
다음에, 도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예가 설명된다.
본 실시예의 연료전지 파워 플랜트의 하드웨어 구성은 제1 실시예와 동일하고, 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)의 설정 방법만이 제1 실시예와 다르다. 보다 구체적으로, 컨트롤러(16)는 도 2의 디프로스팅 루틴 대신에 도 8에 도시된 디프로스팅 루틴을 실행한다.
도 8을 참조하면, 이 루틴에서는 도 2의 디프로스팅 루틴의 단계 S4 및 단계 S5 대신에 단계 S31 및 단계 S32가 제공된다. 그 밖의 단계는 모두 도 2의 루틴과 동일하다. 컨트롤러(16)에는 메인 스위치가 운전자에 의해 스위치가 켜진 후의 경과 시간을 계수하기 위한 타이머가 설치된다. 메인 스위치가 켜진 후의 경과 시간은 연료전지 스택(1)의 디프로스팅의 개시에 뒤따르는 경과 시간과 동일하다.
단계 S31에서, 컨트롤러(16)는 메인 스위치가 켜진 후의 경과 시간(t0)을 판독한다. 다음에, 단계 S32에서, 대응 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)을 결정하기 위해서 미리 메모리에 저장되어 있는 도 9에 도시된 것과 같은 내용을 갖는 테이블이 경과 시간(t0)과 외기 온도(Ta)에 근거하여 참조된다.
도 9를 참조하면, 외기 온도(Ta)에 따라 미리 메모리에는 다수 종류의 테이블이 저장되어 있고, 컨트롤러(16)는 먼저 외기 온도(Ta)에 대응하는 테이블을 검색하여 얻어진 테이블로부터 경과 시간(t0)에 대응하는 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)을 결정한다.
여기서, 경과 시간(t0)이 연료전지 스택(1)의 디프로스팅 시간과 동일하므로, 경과 시간(t0)이 증가할수록 연료전지 스택(1)의 온도(T)는 상승한다. 따라서 테이블에서는, 경과 시간(t0)이 증가함에 따라 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)은 각각 증가하고 감소하도록 설정된다.
한편, 외기 온도(Ta)에 관해서는, 동일한 경과 시간(t0)에 대해 외기 온도(Ta)가 저하할수록 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)이 각각 증가하고 감소하도록 설정된다. 이것은 저온에서의 가스 통로와 가스 확산층의 수분의 축적에 의해 야기되는 발전 방해를 회피하기 위해서이다. 이들 두 파라미터, 즉, 경과 시간(t0)과 외기 온도(Ta)에 따라 펄스 폭(t1)과 펄스 간격(t2)을 설정함으로써, 연료전지 스택(1)의 발열량은 상한쪽으로 증가될 수 있고, 따라서 디프로스팅에 필요한 시간은 단축될 수 있다.
다음에, 도 10 및 도 11a 내지 도 11c를 참조하여 본 발명의 제4 실시예가 설명된다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 의한 연료전지 파워 플랜트는 연료전지 스택(1)을 냉각시키기 위한 냉각 통로(101) 및 냉각액을 가열하기 위한 전기 히터(103)를 포함한다. 냉각 통로(101)의 냉각액은 펌프(105)에 의해 가압되어 연료전지 스택(1)으로 순환된다. 냉각액 통로(101)로부터 두 갈래로 나뉘는 가열 통로(102)에는 전기 히터(103)가 제공된다. 이 히터(103)는 차량에 설치된 이차전지로부터의 전원 공급에 의해 열을 발생시킴으로써 냉각 통로(101)에서 가열 통로(102)로 인도된 냉각액을 가열시킨다. 그 다음 냉각액은 가열 통로(102)를 통해 냉각 통로(101)로 재순환된다.
차량의 메인 스위치가 어는점 이하에서 켜지는 경우, 컨트롤러(16)는 먼저 전기 히터(103)를 통전시키고 펌프(105)를 동작시킨다. 그 결과, 연료전지 스택(1)의 온도(T)는 도 11b에 도시되는 바와 같이 상승한다.
온도(T)가 0℃에 도달하면, 컨트롤러(16)는 전기 히터(103)의 통전과 펌프(105)의 동작을 정지한다. 그 다음, 연료전지 스택(1)과 인버터(27)로 공급되는 수소와 공기는 연료전지 스택(1)이 펄스 형태 전류를 출력하도록 제어된다.
0℃로 유지되면서 연료전지 스택(1)이 발전을 수행하고, 내부 얼음이 녹는 것에 수반하는 잠열은 발전 동안에 발생된 열에 의해 보상된다. 디프로스팅이 완료하고 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 통상 동작 온도(Te)에 도달하면, 컨트롤러(16)는 연료전지 스택(1)의 간헐 발전을 정지하고 통상 운전으로 이행한다. 이 간헐 발전에는 제1 실시예 내지 제3 실시예 중의 어느 하나의 수순이 적용될 수도 있다.
이 실시예의 연료전지 파워 플랜트가 어는점 이하에서 시동되면, 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 어는점 이하로 유지되면서 연료전지 스택(1)은 전기 히터(103)를 사용하여 가열되고, 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 어는점에 도달하면, 연료전지 스택의 온도 증가는 연료전지 스택(1)의 간헐 발전 동안에 발생된 열에 의해 실현된다. 연료전지 스택(1)이 어는점 이하에서 발전을 수행하게 되면, 캐소드(9)로의 공기 공급은 캐소드(9)에서 생성된 수분에 의해 더욱 차단되기 쉬워진다.
따라서 이 실시예에서는, 전기 히터(103)에 의해 생성된 열과 발전 반응에 의해 생성된 열이 0℃의 경계에서 분리된다. 연료전지 스택(1)의 가열에 이용되는 열에너지는 연료전지 스택(1)의 온도를 상승시키기 위한 감열과 연료전지 스택(1) 내부의 얼음을 녹일 때에 소비되는 잠열로 나뉘어지는데, 일반적으로, 어는점 이하부터 연료전지 스택(1)이 가열되는 경우 잠열이 감열을 초과한다.
이차전지로부터의 전력 공급에 의해 동작되는 전기 히터(103)는 연료전지 스택(1)이 동결 상태에 있는지의 여부에 상관없이 열을 공급할 수 있다. 연료전지 스택(1)의 온도(T)가 0℃에 도달하였으면, 연료전지 스택(1)의 간헐 발전 반응 중에 생성되는 열에 의해 잠열에 상당하는 가열이 수행되므로, 이차전지(104)의 에너지 소비는 최소화된다. 또한, 간헐 발전에 의해 이차전지(104)를 충전시킴으로써, 이차전지(104)의 충전량이 증가될 수 있거나 또는 구동력이 보조 기계류에 공급될 수 있다.
전기 히터(103)만을 사용하여 연료전지 스택(1)의 온도(T)를 통상 동작 온도(Te)로 증가시키도록 다량의 전기 에너지가 소비되어야 하지만, 0℃로 연료전지 스택(1)을 가열하는데에만 전기 히터(103)가 사용되면, 전기 히터(103)의 전력 소비는 크게 억제된다.
따라서 이 실시예에 의하면, 전기 히터(103)만 또는 연료전지 스택(1)의 발전 반응만을 이용하여 그 속의 동결된 수분을 디프로스팅함으로써 통상 운전이 가능한 상태로 연료전지 스택(1)이 가온(加溫)되는 경우보다 짧은 시간으로 통상 운전이 개시될 수 있다.
이 실시예에서는 경계 온도가 0℃와 동일하게 설정되었지만, 공기 공급 차단 현상이 나타나는 온도 경계는 반드시 0℃가 아니다. 실제 온도 경계는 연료전지들의 열용량, 연료전지 부근 배관의 온도와 열용량, 연료전지로 공급되는 가스의 온도 등에 따라 다르다. 그래서 경계 온도는 실험을 통해 결정되는 것이 바람직하다.
일본에서 2002년 6월 26일 출원된 특원 2002-185889의 내용이 여기에 참조를위해 포함된다.
본 발명이 본 발명의 실시예를 참조하여 상술되었지만, 본 발명은 상술된 실시예로 한정되는 것은 아니다. 당해 기술분야의 숙련된 자에게는 상기 교시로 미루어보아 상술한 실시예의 변형 및 변화가 가능하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 동결 상태의 연료전지 스택이 연료전지 발전에 의해 해동될 때에 간헐적으로 발전을 수행함으로써, 발전 중에 캐소드에서 생성되는 수분은 발전이 정지되면서 산소에 의해 소기된다. 그 결과, 축적된 수분에 의해 캐소드로의 산소 공급이 차단되지 않고 동결된 경우라도 큰 파워 전류 하에서 연료전지 스택에 의해 발전이 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명이 차량을 구동하기 위한 연료전지 파워 플랜트에 적용되는 경우에, 동결과 연료전지 스택은 외부의 에너지 공급을 받지않고 단시간에 가온될 수 있다.
독점권 또는 특권이 청구되는 본 발명의 실시예는 첨부와 같이 한정된다.

Claims (20)

  1. 연료전지 파워 플랜트에 있어서,
    수소와 산소의 공급 하에서 전력을 발생시키는 연료전지들을 포함하는 연료전지 스택(1);
    상기 연료전지 스택(1)에 산소를 공급하는 산소 공급 기구(11);
    상기 연료전지 스택의 수분이 동결되는지를 판정하기 위한 파라미터를 검출하는 파라미터 검출 수단(19, 20);
    상기 파라미터에 근거하여 연료전지 스택의 수분이 동결되는지를 판정하는 판정 수단(16, S1); 및
    상기 연료전지 스택(1)의 수분이 동결할 때에 연료전지 스택(1)이 간헐 전력 발생을 수행하게 하는 원인(causing) 수단(16, 27, S3, S6)을 포함하는, 연료전지 파워 플랜트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원인 수단(16, 27, S3, S6)은 연료전지 스택(1)이 간헐 전력 발생을 수행할 때에 산소 공급 기구(11)가 연료전지 스택(1)에 산소를 지속적으로 공급하게 하는, 연료전지 파워 플랜트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 파라미터 검출 수단(19, 20)은 연료전지 스택의 수분이 동결되는지를 판정하기 위한 파라미터를 검출하는 센서(19, 20)를 포함하고, 상기 판정 수단(16, S1)과 상기 동기 수단(16, 27, S3, S6)은, 상기 파라미터에 근거하여 연료전지 스택(1)의 수분이 동결되는지를 판정하고(S1), 산소 공급 기구(11)가 연료전지 스택에 지속적으로 산소를 공급하게 하면서 연료전지 스택(1)이 간헐 전력 발생을 수행하게 하도록(S3, S6) 기능하는 컨트롤러(16)를 포함하는, 연료전지 파워 플랜트.
  4. 제3항에 있어서, 상기 연료전지 스택(1)은 파워 필요에 따라 전력을 발생시키고, 상기 파워 플랜트는 파워 필요를 조절하는 기구(27)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는 연료전지 스택의 수분이 동결될 때에 상기 조절 기구(27)를 제어하여 연료전지 스택(1)이 간헐 전력 발생을 수행하게 하도록(S6, S21-S24) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료전지 스택(1)은 전기 부하(15)에 전기적으로 접속되고, 상기 조절 기구(27)는 연료전지 스택(1)으로부터의 전기 부하(15)에 대한 전원을 조절하는 인버터(27)를 포함하는, 연료전지 파워 플랜트.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 컨트롤러(16)는 상기 조절 기구(27)를 제어하여 연료전지 스택(1)에 의한 간헐 전력 발생의 출력 전류가 확산 과전위에 기인하여 연료전지 스택(1)의 출력 전압의 감소가 발생하는 전류와 일치하게 하도록 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파라미터는 연료전지 스택(1)의 온도와 외기 온도 중의 하나인, 연료전지 파워 플랜트.
  8. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 연료전지들의 각각은 수소가 공급되는 애노드(2)와 산소가 공급되는 캐소드(9)를 포함하고, 상기 산소 공급 기구(11)는 캐소드(9)에 산소를 공급하도록 배치되고, 상기 컨트롤러(16)는 연료전지 스택(1)이 간헐 전력 발생을 수행할 때에 산소 공급 기구(11)가 캐소드(19)에 대한 산소 공급량을 발전에 필요한 양의 적어도 1.8배 증가시키도록(S3) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  9. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 파워 플랜트의 동작을 개시하는 스위치(28)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는 상기 스위치(28)가 온으로 된 직후에 연료전지 스택(1)의 수분이 동결되는지를 판정하도록(S1) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  10. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 연료전지 스택(1)의 온도를 검출하는 센서(19)를 더 포함하고, 상기 간헐 전력 발생은 전류의 출력을 펄스의 형태로 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는 연료전지 스택(1)의 온도에 따라 펄스의 폭과 간격을 변화시키도록(S6) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 컨트롤러(16)는 연료전지 스택(1)의 온도가 증가할수록 펄스의 폭을 증가시키도록 더 기능하는(S6), 연료전지 파워 플랜트.
  12. 제10항에 있어서, 상기 컨트롤러(16)는 연료전지 스택(1)의 온도가 증가할수록 펄스의 간격을 감소시키도록 더 기능하는(S6), 연료전지 파워 플랜트.
  13. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 연료전지 스택(1)의 출력 전압을 검출하는 전압계(17)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는, 연료전지 스택(1)의 출력 전압이 소정 전압 이하로 하강하는 지점에서, 연료전지 스택(1)이 전력 발생을 개시하게 한 후에 전력 발생을 정지하게 함으로써 연료전지 스택(1)이 간헐 전력 발생을 수행하도록 하고(S23, S24), 전력 발생이 정지된 후에 소정 시간이 경과할 때에 전력 발생을 재개하도록(S21) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  14. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 파워 플랜트의 동작을 개시하는 스위치(28)를 더 포함하고, 상기 간헐 전력 발생은 전류의 출력을 펄스의 형태로 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는 상기 스위치(28)가 온으로 된 후의 경과 시간을 계수하고 경과 시간이 증가할수록 펄스의 폭을 증가시키도록(S32) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  15. 제14항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 외기 온도를 검출하는 센서(20)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는 외기 온도가 감소할수록 펄스의 폭을 감소시키도록(S32) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  16. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 파워 플랜트의 동작을 개시하는 스위치(28)를 더 포함하고, 상기 간헐 전력 발생은 전류의 출력을 펄스의 형태로 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는 상기 스위치(28)가 온으로 된 후의 경과 시간을 계수하고(S31), 경과 시간이 증가할수록 펄스의 간격을 감소시키도록(S32) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  17. 제16항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 외기 온도를 검출하는 센서(20)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는 외기 온도가 감소할수록 펄스의 간격을 증가시키도록(S32) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  18. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료전지들의 각각은 수소가 공급되는 애노드(2)를 포함하고, 상기 연료전지 파워 플랜트는, 상기 애노드(2)에 대한 수소 공급을 조절하는 수소 공급 밸브(4), 상기 애노드(2)로부터 배출되는 애노드 유출물을 애노드(2)에 재공급하는 전환 밸브(6), 및 애노드 유출물의 압력을 검출하는 센서(21)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는, 연료전지 스택의 수분이 동결될 때에, 전환 밸브(6)가 애노드(2)에 대해 애노드 유출물을 재순환하게 하고(S53), 수소 공급 밸브(4)가 애노드 유출물의 압력을 소정의 압력 범위 내로 유지하게 하도록(S51, S55, S56, S58) 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  19. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 연료전지 스택(1) 이외의 소스(104)로부터 공급되는 에너지를 이용하여 연료전지 스택(1)을 가열하는 히터(103) 및 연료전지 스택(1)의 온도를 검출하는 센서(19)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(16)는, 연료전지 스택(1)의 수분이 동결될 때에, 연료전지 스택(1)의 온도가 소정 온도보다 낮은 경우에 연료전지 스택(1)이 발전을 수행하는 것을 방지하면서 상기 히터(103)를 사용하여 연료전지 스택(1)을 가열하고, 연료전지 스택(1)의 온도가 소정 온도에 도달한 경우에 연료전지 스택(1)이 간헐 전력 발생을 수행하게 하도록 더 기능하는, 연료전지 파워 플랜트.
  20. 수소와 산소의 공급 하에서 전력을 발생시키는 연료전지들을 포함하는 연료전지 스택(1) 및 연료전지 스택(1)에 산소를 공급하는 기구(11)를 포함하는 연료전지 파워 플랜트의 제어 방법에 있어서,
    연료전지 스택(1)의 수분이 동결되는지를 판정하기 위한 파라미터를 검출하는 단계;
    상기 파라미터에 근거하여 연료전지 스택(1)의 수분이 동결되는지를 판정하는 단계(S1); 및
    연료전지 스택(1)의 수분이 동결될 때에 간헐 전력 발생을 연료전지 스택(1)이 수행하게 하는 단계(S6)를 포함하는, 연료전지 파워 플랜트의 제어 방법.
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