KR20050016666A - 연료 전지 파워 플랜트 - Google Patents

연료 전지 파워 플랜트

Info

Publication number
KR20050016666A
KR20050016666A KR10-2004-7021527A KR20047021527A KR20050016666A KR 20050016666 A KR20050016666 A KR 20050016666A KR 20047021527 A KR20047021527 A KR 20047021527A KR 20050016666 A KR20050016666 A KR 20050016666A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power plant
water
fuel cell
cell power
freezing
Prior art date
Application number
KR10-2004-7021527A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100644182B1 (ko
Inventor
후쿠다다카시
Original Assignee
닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 filed Critical 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Publication of KR20050016666A publication Critical patent/KR20050016666A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100644182B1 publication Critical patent/KR100644182B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료 전지 파워 플랜트의 캐소드(1B)로부터의 캐소드 유출물에 포함된 물은 응축기(8)에 의해 응축되고 물 탱크(10)로 회수된다. 물 탱크(10)의 물은 물 통로(9B)를 통해 애노드(1A)로 공급된 수소-리치 가스를 가습하는 가습기로 펌프(17)로부터 공급된다. 파워 플랜트가 동작을 정지할 때에, 제어기(30)는 먼저 물 탱크(10)에 물 통로(9B)의 물을 회수시킨다. 또한, 물 통로(9B)의 동결 가능성은 외부 공기 온도 센서(31)에 의해 검출되는 온도로부터 정해지고, 대기 시간은 동결 가능성에 따라 설정된다. 대기 시간 경과 후에 물 통로(9B)의 남겨진 물을 배수하고 드레인 밸브(15)를 개방함으로써, 최소 물 배수량으로 물 통로(9B)의 동결은 방지될 수 있다.

Description

연료 전지 파워 플랜트{FUEL CELL POWER PLANT}
본 발명은 연료 전지 파워 플랜트의 수분 동결 방지에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소 간의 전기화학 반응에 의해 전력을 발생시키고, 동시에 수증기가 생성된다. 또한, 연료 전지에 의해 사용되는 수소 또는 공기는 공급되기 전에 가습된다. 따라서, 연료 전지 파워 플랜트에는 항상 물이 존재하고, 연료 전지 파워 플랜트가 저온 조건 하에서 동작을 정지할 때에, 이 물은 연료 전지 파워 플랜트가 동작되지 않는 기간 동안에 동결하고, 다음 기동시 파워 플랜트의 재기동을 방해한다.
1988년 일본국 특허청에 의해 공개된 JP10-223249A에는 파워 플랜트 동작 정지부터 일정 시간 경과한 후에 연료 전지 파워 플랜트의 응축수를 배출하여, 이 물 동결을 회피하는 것이 개시되어 있다.
구체적으로, 내부 통로에 잔류하는 물은 파워 플랜트의 일정 사이트에 제공된 개방 드레인들(opening drains)에 의해 배출된다. 파워 플랜트 동작 정지부터 일정 시간 후에 드레인들이 개방되는 이유는, 동작이 정지한 후의 온도 강하에 기인하여 수증기가 응축하는데 소정의 시간이 필요하기 때문이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 의한 연료 전지 파워 플랜트의 개략도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 제어기에 의해 수행되는 동결 방지 루틴을 도시하는 플로우 차트,
도 3은 일본 도쿄의 각 달의 최소 외부 온도 모델을 도시하는 도면,
도 4는 지역에 따른 2월달의 전형적인 평균 일일 대기 온도 변화 모델을 도시하는 도면,
도 5는 제어기에 의해 저장되어 있는 동결 가능성과 추정된 최소 온도 간의 관계를 정하는 맵의 특성을 도시하는 도면,
도 6은 제어기에 의해 저장되어 있는 수온, 동결 가능성 및 대기 시간의 관계를 정하는 맵의 특성을 도시하는 도면,
도 7은 제어기에 의해 수행되는 콜드 시동 제어 루틴을 도시하는 플로우 차트,
도 8은 제어기에 의해 수행되는 통상 시동 제어 루틴을 도시하는 플로우 차트,
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제어기에 의해 수행되는 동결 방지 루틴을 도시하는 플로우 차트,
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제어기에 의해 행해지는 동결 가능성을 보정하는 방법을 설명하는 도면이다.
탄화수소 연료를 개질시킴으로써 수소를 추출하는 개질기(reformer)가 구비된 연료 전지 파워 플랜트에 있어서, 수증기는 연료의 개질 및 개질 가스로부터의 일산화탄소의 제거에 사용된다.
또한, 고체 폴리머 전해질 연료 전지(PEFC)에 있어서, 전해질막은 발전(power generation) 중에 항상 습한 상태로 유지되어야 한다. 즉, 이 연료 전지 파워 플랜트는 물을 생성할 뿐만 아니라, 물을 소비도 한다.
외부로부터 물을 공급하는 것이 곤란한 차량에 연료 전지 파워 플랜트가 장착되는 경우에는, 이 물 입출력 밸런스를 유지하는 것이 필수이다. 그러나, 종래 기술에 의하면, 드레인들은 파워 플랜트가 동작을 정지할 때마다 개방되어 플랜트 외부로 물을 배출하고, 플랜트에서의 물 입출력 밸런스를 잃어 물 부족을 초래할 가능성이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 물 부족을 초래하지 않고 연료 전지 파워 플랜트의 물 동결을 방지하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 연료 전지 파워 플랜트의 물 동결을 방지하기 위한 부동 메카니즘, 연료 전지 파워 플랜트의 동작이 정지한 후의 연료 전지 파워 플랜트의 물 동결 가능성을 추정하기 위한 파라미터를 검출하는 센서, 및 프로그램가능 제어기를 포함하는, 동작을 위해 물을 사용하는, 연료 전지 파워 플랜트를 제공한다.
제어기는, 상기 파라미터에 기초하여 연료 전지 파워 플랜트의 동작이 정지한 후의 연료 전지 파워 플랜트의 물 동결 가능성을 추정하고, 이 동결 가능성에 기초하여 파워 플랜트 동작 정지부터의 대기 시간을 추정하고, 연료 전지 파워 플랜트 동작 정지부터의 대기 시간이 경과할 때까지 부동 메카니즘의 동작을 일시 중지하도록, 프로그램된다.
본 발명은 또한 동작을 위한 물을 사용하는 연료 전지 파워 플랜트의 동결 방지 방법을 제공하고, 연료 전지 파워 플랜트의 물 동결을 방지하기 위한 부동 메카니즘를 포함한다.
이 방법은, 연료 전지 파워 플랜트의 동작이 정지한 후에 연료 전지 파워 플랜트의 물의 동결 가능성을 추정하기 위한 파라미터를 검출하는 단계, 상기 파라미터에 기초하여 연료 전지 파워 플랜트의 동작이 정지한 후에 연료 전지 파워 플랜트의 물 동결 가능성을 추정하는 단계, 이 동결 가능성에 기초하여 파워 플랜트가 동작을 정지한 때부터 대기 시간을 추정하는 단계, 및 연료 전지 파워 플랜트가 동작을 정지한 때부터 대기 시간이 경과할 때까지 부동 메카니즘의 동작을 일시 중지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상세한 것과 그 밖의 특징들 및 이점들이 명세서의 나머지 부분에서 설명되며 첨부 도면에 도시되어 있다.
도면들 중 도 1a를 참조하면, 차량용 연료 전지 파워 플랜트는 고체 폴리머 전해질 연료 전지(PEFC)에 기초한 연료 전지 스택(1)을 포함한다.
각각의 연료 전지는 전해질막(1C)의 어느 한 측에 제공된 애노드(1A)와 캐소드(1B)를 포함하고, 애노드(1A)에 공급되는 수소와 캐소드(1B)에 공급되는 산소 간의 전기화학 반응에 의해 전력을 발생한다. 도면을 단순화하기 위해, 하나의 연료 전지만이 도시되지만, 연료 전지 스택(1)은 이들 연료 전지가 직렬로 다수 배치된 적층을 포함한다.
가습기(4)에 의해 가습된 수소-리치(rich) 가스는 수소 공급 통로(3)를 통해 애노드(1A)에 공급된다. 가습기(4)에 의해 가습된 공기는 공기 공급 통로(7)를 통해 캐소드(1B)로 공급된다. 수소-리치 가스는, 도시되지 않은 개질기(reformer)에서 가솔린이나 메탄올과 같은 탄화수소 연료로부터 발생된다.
연료 전지 스택(1)에서의 전기화학 반응 후에, 애노드(1A)로부터의 애노드 유출물(effluent)과 캐소드(1B)로부터의 캐소드 유출물이 각각 배출된다. 애노드 유출물은 버너(5)로 보내져, 공기 흡입구(6)로부터 도입된 공기와 혼합되어 버너(5)에서 연소되고, 무독성 연소 가스로서 대기로 배출된다.
캐소드 유출물은 연료 전지에서의 수소와 산소 간의 반응 결과로서 생성되는 다량의 수증기를 포함한다. 캐소드 유출물은 응축기(condenser)(8)로 보내지고, 캐소드 유출물 중의 물이 응축기(8)의 열 교환부(26)에서의 냉각에 의해 응축되고, 그 다음에, 이 유출물은 대기로 배출된다. 응축기(8)에서 응축된 물은 물 통로(9A)를 통해 물 탱크(10)에 유입한다. 이 실시예에 의하면, 응축기(8)에는 물-냉각 응축기가 사용되지만, 응축기(8)에는 캐소드 유출물 중의 물을 회수할 수 있는 물 분리막 또는 공기 냉각 열 교환기가 사용될 수도 있다. 필요하면 물 통로(9A)에는 필터가 제공될 수도 있다.
물 탱크(10)는 물 통로(9B)를 통해 가습기(4)에 의해 가습을 위한 물을 공급한다. 물 통로(9B)에는, 차단 밸브(14), 펌프(17), 및 3방향 밸브(18)가 설치된다. 차단 밸브(14)와 펌프(17) 사이에는 드레인 밸브(15)를 포함하는 드레인(16)이 접속된다. 3방향 밸브(18)는 가습기(4)와 공기 펌프(20)를 물 통로(9B)에 선택적으로 접속시키는 밸브이다. 물 탱크(10)에는 저장된 물을 가온시키기 위한 히터(13)가 구비되어 있다.
연료 전지 스택(1)은 시동 중의 웜업과 발전 중의 냉각을 위한 물 통로(41)를 포함한다. 물 통로(41)는 실제로 연료 전지의 애노드(1A)와 캐소드(1B)에 각각 인접하여 형성되지만, 도면에는 편의상 개략적으로 도시되어 있다.
물은 펌프(28)에서 히터(29)를 통해 물 통로(41)에 공급된다. 물 통로(41)에서는, 연료 전지 스택(1)을 웜업하거나 냉각시키는 물이 통로(21)와 3방향 밸브(22)를 통해 냉각 통로(23)와 바이패스 통로(25)로 선택적으로 배출된다. 냉각 통로(23)는 라디에이터(24)와 응축기(8)의 열 교환부(26)를 통과한 후에 펌프(28)의 흡인 포트에 접속된다. 라디에이터(24)에는 라디에이터 팬이 설치된다. 바이패스 통로(25)는 라디에이터(24)와 열 교환부(26)를 우회하고, 냉각 통로(23)의 하류부에 접속되어 있다.
냉각 통로(23)의 중도에는 리저브 탱크(27)가 제공된다. 에틸렌글리콜과 같은 부동액이 냉각수와 혼합된다.
도 1b를 참조하면, 히터(13), 차단 밸브(14), 드레인 밸브(15), 펌프(17), 3방향 밸브(18), 공기 펌프(20), 3방향 밸브(22), 라디에이터(24)의 라디에이터 팬, 펌프(28), 및 히터(29)는 각각 제어기(30)로부터 출력되는 신호들에 의해서 제어된다.
제어기는, 중앙처리장치(CPU), 리드-온리 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 및 입출력 인터페이스(I/O interface)를 포함하는 마이크로컴퓨터를 포함한다. 제어기는 다수의 마이크로컴퓨터를 포함할 수도 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 연료 전지 파워 플랜트가 통상적으로 동작할 때, 제어기(30)는 히터(29)를 off로 전환하고, 3방향 밸브(22)를 제어하여 통로(21)가 냉각 통로(23)에 접속된다.
연료 전지 파워 플랜트가 통상적으로 동작할 때, 연료 전지 스택(1)은 전력과 함께 열을 발생시킨다. 물 통로(41) 내의 냉각수가 이 발생 열을 흡수하여, 라디에이터(24)에 의해 발산된다. 발산 열량은 라디에이터 팬의 회전 속도에 따라 조절된다. 응축기 유닛(8)의 열 교환부(26)에서는, 라디에이터(24)에 의해 냉각된 냉각수가 캐소드 유출물을 냉각시켜 캐소드 유출물 내의 수증기가 응축한다. 계속해서, 냉각수는 냉각 통로(23)를 통해 펌프(28)의 흡인 포트까지 순환되고, 다시 펌프(28)로부터 연료 전지 스택(1)의 물 통로(41)에 공급된다.
연료 전지 파워 플랜트가 기동할 때, 제어기(30)는 히터(29)를 on으로 하고, 3방향 밸브(22)를 제어하여 통로(21)가 바이패스 통로(25)에 접속된다. 이렇게 하여, 히터(29)에 의해 가온된 물이 연료 전지 스택(1)의 냉각 통로(41)에 공급되고, 연료 전지 스택(1)을 웜업한다. 웜업 후, 물은 바이패스 통로(25)를 통해 펌프(28)의 흡인 포트로 직접 재순환된다.
리저브 탱크(27)는 냉각 또는 웜업을 위한 물 재순환 시스템에서이 물의 전술한 물의 열 팽창 또는 수축에 의해 물을 저장 또는 공급함으로써 물 재순환 시스템에서의 안정한 양의 물을 유지한다.
물은 물 탱크(10)로부터 펌프(17) 및 물 통로(9B)를 통해 가습기(4)로 공급된다. 히터(13)는 연료 전지 파워 플랜트의 콜드 기동(cold start-up)시 물 탱크(10) 내의 물이 동결할 때 물을 해동시키는데 사용된다. 또한, 전술한 바와 같이 응축기(8)에서 응축된 캐소드 유출물 내의 수분은 물 통로(9A)를 통해 물 탱크(10)에 의해 회수된다. 물 통로(9B)에 제공되어 있는 차단 밸브(14)는 물 탱크(10)에서 물 통로(9B)로의 물의 유출을 차단하는데 사용된다. 드레인(16)과 드레인 밸브(15)는 물 통로(9B)로부터 물을 배출하는데 사용된다. 3방향 밸브(18)와 공기 펌프(20)는 압축 공기를 물 통로(9B)에 공급함으로써 물 통로(9B) 내의 물을 드레인(16)으로 강제로 배출한다.
연료 전지 파워 플랜트가 저온에서 동작을 정지하면, 동작이 정지한 후 물 통로(9B)에 축적된 물이 동결한다. 물 통로(9B) 내의 동결한 물은 시스템이 재개될 때 가습기(4)로의 물의 공급을 방해한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 시스템이 정지한 때부터 일정 시간이 경과한 후에 물 통로(9B)가 일정하게 배출된다면, 물 통로(9B)의 동결은 방지되더라도 물 탱크(10) 내의 물은 불충분하게 될 것이다.
이 연료 전지 파워 플랜트에서는, 제어기(30)는 파워 플랜트의 동작이 정지할 때 동결 가능성을 추정하고, 동결 가능성에 따른 대기 시간 후 물 통로(9B)를 배수함으로써, 동결이 방지될 수 있는 동시에 배수 빈도가 최소로 억제된다.
이 제어를 수행하기 위해서, 연료 전지 파워 플랜트는, 연료 전지 스택(1)의 온도를 검출하는 온도 센서(2), 물 탱크(10)의 수온을 검출하는 수온 센서(11), 물 탱크(10)의 물 레벨을 검출하는 레벨 센서(12), 및 외부 공기 온도를 검출하는 외부 공기 온도 센서(31)를 포함한다. 또한, 연료 전지 파워 플랜트는, 연료 전지 파워 플랜트에게 동작의 개시 또는 동작의 정지를 명령하는 메인 스위치(40)를 포함한다. 이들 센서들로부터의 출력 데이터는 각각 신호로서 제어기(30)에 입력된다. 또한, 차량이 운전하고 있는 영역의 대기 온도의 변화에 관계된 데이터와 달력이 제어기(30)의 ROM에 미리 저장된다.
제어기(30)는 이 데이터를 이용하여 도 2a 및 도 2b에 도시된 부동 루틴을 실행한다. 이 루틴은 메인 스위치(40)가 스위치 온될 때 개시된다.
도 2a를 참조하면, 먼저, 단계 S1에서, 제어기(30)가 센서들(2, 11, 12 및 31)로부터 출력 데이터를 독출한다.
다음 단계 S2에서, 연료 전지 스택(1)의 온도가 50℃를 넘는지의 여부를 판정한다. 이 단계는 기동 동작을 수행하는지의 여부를 판정하기 위한 단계이다. 연료 전지 스택(1)의 온도가 50℃를 넘으면 기동 동작은 불필요하다. 이 경우, 단계 S3에서, 연료 전지 파워 플랜트가 전력을 발생시키고 있는지의 여부를 판정한다. 전력을 발생시키고 있지 않으면, 제어기(30)는 단계 S7의 처리를 수행한다. 전력을 발생시키고 있으면, 제어기(30)는 단계 S8의 처리를 수행한다.
연료 전지 파워 플랜트에 의해 발생된 전력은 동일 제어기(30)에서 개별적으로 프로그램된 전력 제어 루틴에 의해 제어된다. 따라서 연료 전지 파워 플랜트가 전력을 발생시키고 있는지의 여부의 물음은 제어기(30)에 알려진다. 연료 전지 파워 플랜트의 파워 제어는 다른 제어기에 의해 제어될 수도 있다. 이 경우, 연료 전지 파워 플랜트가 전력을 발생시키고 있는지의 여부는 이 다른 제어기로부터의 신호에 근거하여 판정된다.
단계 S7에서, 신호는 발전 제어 루틴에 시동 완료를 통지하는 출력이다. 이 시동 신호의 완료를 수신할 때에 제어 루틴은 전력 발생을 개시하지만, 이 전력 제어가 본 발명과는 상관이 없으므로, 이것의 설명은 생략된다. 단계 S7의 처리 후에, 제어기(30)는 단계 S8의 처리를 수행한다.
단계 S2에서, 연료 전지 스택(1)의 온도가 50℃ 아래인 경우, 제어기(30)는, 단계 S4에서, 수온 센서(11)에 의해 검출된 물 탱크(10)의 수온이 5℃ 아래인지의 여부를 판정한다. 5℃는 콜드 시동과 통상 시동을 구분하기 위해 설정된 온도이다.
물 탱크의 수온이 5℃보다 작은 경우, 단계 S5에서, 제어기(30)는 도 7에 도시된 콜드 시동 서브루틴을 실행한다. 물 탱크의 수온이 5℃ 아래가 아니면, 단계 S6에서, 제어기(30)는 도 8에 도시된 통상 시동 서브루틴을 실행한다. 이들 서브루틴은 후술된다. 단계 S5 또는 단계 S6의 처리 후에, 제어기(30)는 단계 S8의 처리를 수행한다.
단계 S8에서, 제어기(30)는 레벨 센서(12)에 의해 검출된 물 탱크(10)의 물 레벨에 근거하여 소정의 레벨(L1)보다 작은지의 여부를 판정한다. 레벨 센서(12)의 출력이 물 표면의 변동에 따라 변화하므로, 예를 들면 1분에 걸쳐 검출되는 물 레벨의 평균값을 물 탱크(10)의 물 레벨로 간주하고, 이 평균값이 소정의 레벨(L1)과 비교된다. 또한, 제어 안정성의 관점에서, 물 레벨이 상승할 때와 물 레벨이 하강할 때에 대해 소정 레벨의 다른 값을 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 판정에 히스테리시스(hysteresis) 영역을 할당하는 것이 바람직하다. 히스테리시스 영역은 최대 물 레벨 변동 범위의 대략 1/10이다.
단계 S8에서, 물 레벨이 소정의 레벨(L1)보다 작은 경우, 제어기(30)는 단계 S9에서 물 발생 동작을 수행한다. 구체적으로, 라디에이터(24)의 라디에이터 팬의 회전 속도를 증가시킴으로써 응축기(8)의 수증기 응축 안정성이 향상되고, 그럼으로써 응축기(8)에서 물 탱크(10)로 회수되는 물의 양은 증가된다.
단계 S9의 처리 후에, 단계 S10에서, 제어기(30)는 물 레벨을 소정의 레벨보다 작은 최소 레벨(L2)과 비교한다. 최소 레벨(L2)이라 함은 그 이하부터는 외부로부터의 보충수(supplemental water) 공급 없이 가습기(4)로의 물 공급이 더 이상 수행될 수 없는 임계 레벨이다. 물 레벨이 최소 레벨(L2) 아래이면, 단계 S11에서, 운전자에게는 운전자의 컴파트먼트(compartment) 등에서의 경고등(warning light)에 의해 불충분한 물의 경고가 이루어진다. 경고 후 소정의 시간이 경과한 후에 보충수가 공급되지 않으면, 연료 전지 파워 플랜트의 동작은 강제로 종료된다.
단계 S11의 처리 후에, 제어기(30)는 단계 S12의 처리를 수행한다. 단계 S10에서 물 레벨이 최소 레벨(L2)보다 작지 않으면, 단계 S11을 건너뛰고 루틴은 단계 S12로 진행한다. 단계 S8에서 물 레벨이 소정의 레벨(L1)보다 작지 않으면, 단계 S9 내지 단계 S11를 건너뛰고 루틴은 단계 S12로 진행한다.
단계 S12에서, 제어기(30)는 메인 스위치(40)가 오프인지의 여부를 판정한다. 메인 스위치(40)가 오프가 아니면, 즉, 연료 전지 파워 플랜트의 동작을 정지시키는 명령이 발행되지 않았으면, 제어기(30)는 단계 S1 내지 단계 S12의 처리를 반복한다.
메인 스위치(40)가 오프이면, 이것은 연료 전지 파워 플랜트의 동작을 정지시키는 명령이 발행된 것을 의미한다. 이 경우, 제어기(30)는 도 2b에 도시된 단계 S13 내지 단계 S21에서 동작이 정지하였을 때의 처리를 실행한다.
도 2b를 참조하면, 단계 S13에서, 제어기(30)는 동작이 정지한 후에 파워 플랜트 내의 물이 동결할 위험이 있는지의 여부를 판정한다.
도 3은 일본 도쿄의 각 달의 외부 온도 모델을 도시한다. 이 도면으로부터, 12월에서 3월까지의 기간 동안은 연료 전지 파워 플랜트 내의 물이 동결할 위험이 있는 것으로 보여진다. 동결이 발생할 수 있는 기간은 지역에 따라 다른데, 추운 지역에서는 길고, 따뜻한 지역에서는 짧다.
도 4는 지역에 따른 일본의 2월달의 평균 일일 온도 변화의 모델 표시를 제공하는 도면이다. 이 도면에서, 사각형의 점이 결합된 곡선은 따뜻한 지역을 나타내고, 삼각형의 점이 결합된 곡선은 추운 지역을 나타내고, 원형의 점이 결합된 곡선은 중간 지역을 나타낸다. 제어기(30)에 있어서, 중간 지역의 매달 대기 온도 변화는 메모리에 미리 저장되고, 연료 전지 파워 플랜트가 동작을 정지한 후의 온도 변화는, 외부 공기 온도 센서(31)에 의해 검출된 차량 외부의 온도에 근거하여 해당 달에 대해 저장되어 있는 데이터를 시프트시킴으로써 예측되고 있다.
예를 들면, 외부 공기 온도가 23℃일 때, 메인 스위치(40)가 오후 4시에 스위치 오프로 되는 경우를 생각한다. 제어기(30)는, ROM에 저장되어 있는 대기 온도 변화 데이터로부터 오후 4시, 즉, 도면에서 16시의 값을 참조하여, 7℃를 얻는다. 그 다음에 외부 공기 온도와 대기 온도 변화 데이터 간의 16℃의 편차가 연산에 의해 얻어진다. ROM에 저장되어 있는 공기 온도 변화 데이터의 최소 공기 온도가 1℃이면, 16℃의 편차에 1℃를 가산하여 얻어진 17℃의 값이 다음 24시간에 예측되는 최소 공기 온도로 간주된다.
이와 같이 최소 공기 온도를 예측한 후, 제어기(30)는 ROM에 미리 저장된 도 5에 도시된 특성을 갖는 맵을 참조함으로써 최소 공기 온도로부터 동결 가능성을 산출한다. 이 맵을 설명하면, 예측된 최소 온도가 0℃ 이하인 경우에, 동결 가능성은 100%로 추정된다. 한편, 예측된 최소 공기 온도가 10℃ 이상이면, 동결 가능성은 0%로 추정된다. 그러므로, 0℃와 10℃ 사이의 동결 가능성은 100%에서 0%의 직선으로 변화하는 것으로 간주된다. 전술한 바와 같이, 예측된 최소 공기 온도가 17℃이면, 물이 동결할 가능할 가능성은 따라서 0%이다.
단계 S13에서의 동결 가능성의 예측에 대해서, 각종 옵션들이 존재한다. 구체적으로, 추정 정밀도는, 차량의 현재 위치에 관한 정보를 얻는 카 내비게이션 시스템을 이용하고, 각종 위치에서의 대기 온도 변화에 관해 제어기(30)의 데이터를 저장 장치에 저장하고, 저장 장치로부터 현재 위치에 대응하는 대기 온도 변화에 관한 데이터를 독출하고, 그럼으로써 대기 온도 변화를 예측함으로써 향상될 수 있다. 추정된 대기 온도들은 기상 정보 서비스들로부터 직접 얻을 수도 있다.
단계 S13에서 동결 가능성을 예측한 후, 제어기(30)는, 다음 단계 S14에서, 동결 가능성이 0%인지의 여부를 판정한다. 동결 가능성이 0%이면, 단계 S21에서 모든 제어 장치들의 동작을 정지하는 명령을 발행한 후, 루틴은 종료된다.
한편, 동결 가능성이 0%가 아닐 때에, 제어기(30)는 단계 S15 내지 단계 S19의 처리를 수행한다.
먼저, 단계 S15에서, 제어기(30)는 3방향 밸브(18)를 동작시켜 공기 펌프(20)를 물 통로(9B)에 접속시킨다. 공기 펌프(20)에서 물 통로(9B)로 보내진 압축 공기는 물 통로(9B)에 잔류하는 물을 물 탱크(10)로 재순환시킨다. 예를 들면, 기어 펌프, 바람직하게 테플론 코팅된 기어들의 펌프가 물 펌프(17)에 사용되는 경우에, 기어들은 공기 펌프(20)로부터 공급되는 공기 압력에 기인하여 역 방향으로 회전되고, 물 통로(9B)에 잔류하는 물은 역 방향으로 회전하는 기어들에 의해 안내된 펌프(17)를 통해 물 탱크(10)로 재순환되고 있다.
압축 공기의 공급에 기인하여 물 통로(9B)에 잔류하는 모든 물을 물 탱크(10)로 회수하는데 필요한 시간은 실험에 의해 미리 발견될 수 있다. 이 소정의 시간 동안에 공기 펌프(20)로부터 물 통로(9B)로 압축 공기가 공급된 후에, 제어기(30)는 차단 밸브(14)를 폐쇄하고, 공기 펌프(20)의 동작을 정지한다.
물 통로(9B)에서의 물 회수가 종료된 후에, 단계 S16에서, 제어기(30)는 수온 센서(11)에 의해 검출된 수온과 동결 가능성에 근거하여 대기 시간을 결정한다. 여기서, 대기 시간은 후술하는 타이머 리셋부터 배출 처리 실행까지의 시간을 의미한다. 이 맵에서, 수온이 낮을수록, 그리고 동결 가능성이 높을수록, 대기 시간은 짧아진다.
다음 단계 S17에서, 제어기(30)는 타이머를 리셋한다. 다음 단계 S18에서, 제어기(30)는 타이머를 인크리먼트(increment)시킨다. 다음 단계 S19에서, 타이머 값이 대기 시간에 도달하였는지의 여부를 판정한다. 단계 S18과 단계 S19의 처리는 타이머 값이 대기 시간에 도달할 때까지 반복된다.
단계 S19에서 타이머 값이 대기 시간에 도달하면, 제어기(30)는 단계 S20에서 드레인 밸브(15)를 개방하고, 단계 S21에서 명령 신호를 출력하여 모든 제어 장치들의 동작을 정지시키고, 루틴을 종료한다.
이 루틴에 있어서, 단계 S15에서 수행된 물 통로(9B) 내의 물을 회수하는 프로세스는, 단계 S20에서 드레인 밸브(15)를 개방하기 직전에 수행되어도 된다.
이제, 도 7을 참조하여, 도 2a의 단계 S15에서 제어기(30)에 의해 수행된 콜드 개시 서브루틴을 설명한다.
단계 S31에서 제어기(30)는 먼저 물 탱크(10)의 히터(13)를 스위치 온 한다.
다음 단계 S32에서, 수온 센서(11)에 의해 검출된 물 탱크(10)의 수온이 10℃보다 큰지의 여부를 판정한다. 그 다음에 루틴은 수온이 10℃를 초과할 때까지 대기한다.
단계 S32에서 수온이 10℃를 초과하면, 단계 S33에서 제어기(30)는 드레인 밸브(15)를 폐쇄한다. 도 2a 및 도 2b의 부동 루틴에서는, 단계 S20의 처리가 수행되지 않았다면, 드레인 밸브(15)가 폐쇄된다. 이 경우, 단계 S33에서, 제어기(30)는 드레인 밸브(15)를 폐쇄된 상태로 유지한다.
다음 단계 S34에서, 제어기(30)는 차단 밸브(14)를 개방한다. 다음 단계 S35에서, 5초 대기 후, 단계 S36에서 명령이 발행되어 전력 발생을 개시한다. 이 처리는 도 2a의 단계 S7의 처리와 동일하고, 전술한 바와 같이 개별적으로 설정된 발전 제어 루틴에 명령이 적용된다. 단계 S36에서의 5초 대기는 물 탱크(10)에서 물 통로(9B)로 유출되는 물이 물 펌프(17)의 흡인 포트를 채울 때부터의 시간에 해당한다. 이 대기 시간은 물 통로(9B)의 구조에 따라 실험적으로 설정되는 것이 바람직하다. 물 펌프(17)의 후속 동작은 발전 제어 루틴에 의해 제어되는 것으로 생각되어야 한다.
다음 단계 S37에서, 물 탱크(10)의 수온이 20℃보다 높은지의 여부를 판정한다. 그 다음에 루틴은 수온이 20℃를 초과할 때까지 대기한다. 수온이 20℃를 초과하면, 단계 S38에서 제어기(30)는 히터(13)의 통전을 스위치 오프하고 루틴을 종료한다.
다음에, 도 2a의 단계 S6에서의 제어기(30)에 의해 수행되는 통상 시동 서브루틴을 도 8을 참조하여 설명한다.
단계 S71 내지 단계 S73의 처리는 도 7의 단계 S33 내지 단계 S35의 처리와 동일하고, 단계 S74의 처리는 도 7의 단계 S36의 처리와 동일하다.
구체적으로, 제어기(30)는 드레인 밸브(15)를 폐쇄하고 물 탱크(10)에서 물 펌프(17)로 물을 공급한다. 5초 대기 후, 제어기(30)는 발전 개시 명령을 발전 제어 루틴에 발행하고, 서브루틴을 종료한다. 통상 개시 루틴과 콜드 개시 루틴 간의 차이는 물 탱크(10)가 히터(13)에 의해 가열되지 않는다는 점이다.
전술한 바와 같이, 동작이 정지할 때에, 연료 전지 파워 플랜트는 먼저 공기 펌프(20)의 공기 압력 하에서 물 통로(9B)에 잔류하는 물을 물 탱크(10)로 회수시킨다. 공기 온도 데이터로부터 예측된 동결 가능성에 따른 대기 시간 후에, 드레인 밸브(15)는 개방되고 물 통로(9B)에 잔류하는 물은 외부로 배출된다.
따라서 드레인 밸브(15)에서 외부로 배출되는 물은 공기 펌프(20)의 공기 압력에 의해 회수될 수 없는 남은 물로 제한된다. 또한, 드레인 밸브(15)가 개방할 때까지의 대기 시간은 동결 가능성에 따라 설정된다. 물이 먼저 회수되지 않았고 동작이 정지한 때부터의 소정 시간 경과 후에 드레인 밸브(15)가 기계적으로 개방되었던 종래 기술과 비교하여, 동결이 보다 효과적으로 방지될 수 있고, 물 배수량과 배수 빈도가 크게 감소된다.
드레인 밸브(15)를 개방하여 물 통로(9B)의 남은 물을 배수하는 대신에, 히터(13)가 동작되어 동결을 방지할 수도 있다.
이 실시예에 의하면, 가습기(4)로 물을 공급하고 캐소드 유출물에서 물을 회수하는 물 공급/회수 메커니즘은, 연료 전지 스택(1)을 가온하거나 또는 냉각하는 웜-업/냉각 메커니즘과는 상이하다. 이 구성에서, 동결 방지는 물 공급/회수 메커니즘의 물 통로(9B)에 적용된다.
본 발명에 의한 동결 방지는 그러나 웜-업/냉각 메커니즘에 적용되어도 된다.
또한, 이들 메커니즘 모두가 물을 사용하므로, 이 메커니즘은 결합될 수 있다. 예를 들면, 응축기(8)에서 냉각 통로(23)로 응축수를 공급하기 위해서 밸브가 제공되어도 되고, 리저브 탱크(27)에 레벨 센서가 제공되어도 된다. 따라서, 리저브 탱크(27)의 레벨 강하에 의해 응축기(8)의 응축수를 냉각 통로(23)에 공급함으로써 보다 많은 물이 웜-업/냉각 메커니즘에 공급될 수 있다.
다음에, 본 발명의 제2 실시예가 도 9 및 도 10을 참조하여 설명된다.
이 실시예는 부동 루틴에 관한 것으로, 제어기(30)가, CPU를 활동하지 않게 하는 기능, 타이머 기능, 및 타이머가 소정의 시간을 계수할 때에 인터럽트 동작에 의해 활동 정지 중의 CPU를 재활성화시키는 기능을 갖는 개별 칩 셋을 갖는다. 연료 전지 파워 플랜트 구성의 나머지 특징들은 도 1에 도시된 제1 실시예와 동일하다.
이 실시예의 의하면, 제어기(30)의 CPU는 차량이 정지할 때에 간헐적으로 활성화되고, 부동 측정이 행해지는 동안 연료 전지 파워 플랜트의 동결이 관찰된다. 이 목적을 위하여, 제어기(30)는 도 9a, 도 9b에 도시된 동결 방지 루틴을 실행한다. 이 루틴은, 연료 전지 파워 플랜트가 개시할 때, 즉, 메인 스위치(40)가 스위치 온 될 때에 실행을 시작하고, 메인 스위치(40)가 스위치 오프 된 후라도 소정의 종료 조건들이 만족될 때까지 계속된다.
도 9a를 참조하면, 먼저 단계 S41에서, 제어기(30)는 메인 스위치(40)가 온 인지의 여부를 판정한다. 메인 스위치(40)가 온 이면, 단계 S1 내지 단계 S11의 처리가 수행되고, 메인 스위치(40)가 오프 이면, 도 9b에 도시되는 단계 S52 내지 단계 S64의 처리가 수행된다.
단계 S1 내지 단계 S11은 연료 전지 파워 플랜트의 동작 중의 물 공급/회수 메커니즘의 제어에 관한 것이고, 처리 내용은 도 2a에 도시된 단계 S1 내지 단계 S11와 동일하다. 그러나, 이 실시예에서는, 단계 S11의 처리 후에, 또는 단계 S8에서 물 탱크(10)의 물 레벨이 소정의 레벨(L1)보다 작지 않을 때에, 또는 단계 S10에서 물 탱크(10)의 물 레벨이 최소 레벨(L2)보다 작지 않을 때에, 제1 실시예의 경우와 같이 루틴을 종료하는 대신에 루틴은 단계 S41로 복귀하고 단계 S41과 후속 단계들의 처리를 반복한다.
단계 S41에서 메인 스위치(40)가 오프이면, 이것은 연료 전지 파워 플랜트의 동작을 정지시키는 명령이 내려진 것을 의미한다. 이 경우에, 먼저, 도 9b의 단계 S52에서, 제어기(30)는 파워 플랜트의 물이 동결할 것인지의 여부를 판정한다. 이 판정은 제1 실시예의 단계 S12에서 적용된 것과 다른 알고리즘을 이용한다. 구체적으로, 이 실시예의 의하면, 도 4에서, 외부 공기 온도 센서(31)에 의해 검출된 온도에 가장 가까운 온도를 나타내는 3 지역 중의 한 지역이 선택되고, 동결 가능성은 이 지역의 온도 변화 특성에 근거하여 정해진다.
제1 실시예에서, 중간 영역에 대응하는 공기 온도로부터 외부 공기 온도 센서(31)에 의해 검출된 온도의 시프트량을 산출함으로써 최소 공기 온도가 예측되었지만, 이 경우에, 지역에 따라 일일 공기 온도가 변화하는 방법의 차이에 의해 오차가 발생한다. 이 실시예에 의하면, 외부 공기 온도 센서(31)에 근거하여 선택된 지역의 온도 데이터가 이용되므로, 동결 가능성의 추정 정밀도가 향상된다.
동결 가능성은 제1 실시예와 동일한 방법으로 도 5에 도시된 특성을 갖는 맵을 참조(look up)함에 의해 추정되며, 동결 가능성의 추정을 보다 신뢰성있게 하기 위해서는, 과거의 동결 가능성 추정값에 근거하여 현재의 추정값을 보정하는 것이 바람직하다.
이제 도 10을 참조하여 보정 방법이 설명된다. 여기에서, 현재의 동결 가능성 추정값(P0n)은, 동결 가능성이 직선적으로 변화하는 것으로 가정할 때에, 직전의 동결 가능성 추정값(Pn-1)과 전전의 동결 가능성 추정값(Pn-2) 간의 차이로부터 산출된다. 외부 공기 온도 센서(31)에 의해 검출된 온도에 근거한 현재 동결 가능성 추정값이 P0n보다 작으면, 동결 가능성 추정값(Pn)은 증가 방향으로 보정된다.
도면에서, 전전의 동결 가능성 추정값(Pn-2)과 직전의 동결 가능성 추정값(Pn-1)을 연결하는 파선의 값(P0n)은 외부 공기 온도 센서(31)에 의해 검출된 온도에 근거한 동결 가능성 추정값(Pn)과 비교되고, Pn이 P0n보다 작으면, 보정값(Pf n)은 다음 식(1)에 의해 산출되고, 이 값은 동결 가능성 추정값(Pn)으로 간주된다.
(1)
이 보정에 기인하여, 심한 온도 변화가 있는 경우라도, 부정확한 동결 가능성의 판정에 기인한 연료 전지 파워 플랜트의 물의 동결이 방지될 수 있다.
단계 S52에서 설명된 바와 같이 이처럼 동결 가능성을 산출한 후에, 단계 S53에서 제어기(30)는 동결 가능성이 0%인지의 여부를 판정한다. 동결 가능성이 0%이면, 단계 S64에서, 제어기(30)는 모든 제어 장치들의 동작을 정지시키는 명령 신호를 출력하고, 루틴을 종료한다. 이 경우에, 드레인 밸브(15)는 그러므로 여전히 폐쇄된 채로 있다.
동결 가능성이 0%가 아니면, 단계 S55에서, 제어기(30)는 동결 가능성이 90% 이하인지의 여부를 판정한다.
동결 가능성이 90% 이하이면, 루틴은 단계 S56 내지 단계 S61의 처리를 수행한다. 동결 가능성이 90%를 초과하면, 루틴은 단계 S62 내지 단계 S64의 처리를 수행한다.
단계 S62에서, 도 2b의 단계 S15에서와 같이, 공기 펌프(20)와 3방향 밸브(18)가 동작되어 물 통로(9B)에 잔류하는 물을 물 탱크(10)로 재순환시킨다. 소정의 시간 동안 이 처리를 수행한 후에, 제어기(30)는 차단 밸브(14)를 폐쇄하고 공기 펌프(20)의 동작을 정지시킨다.
단계 S62의 처리 후에, 다음 단계 S63에서, 제어기(30)는 도 2b의 단계 S20에서와 같이 드레인 밸브(15)를 개방한다. 계속해서, 단계 S64에서 명령 신호가 출력되어 모든 제어 장치들의 동작을 정지시키고, 루틴을 종료한다.
한편, 단계 S55에서 동결 가능성이 90% 이하이면, 제어기(30)는 대기 시간을 설정한다. 여기서, 제1 실시예에서 이용된 도 6에 도시된 특성을 갖는 맵을 참조함으로써 수온 센서(11)에 의해 검출된 수온과 동결 가능성에 근거하여 대기 시간이 설정된다.
대기 시간을 설정한 후에, 제어기(30)는 전술한 칩 셋에서 타이머를 재설정하고, 타이머에 대기 시간을 입력시키고, 다음 단계 S58에서, CPU와 RAM이 기능하지 않는 슬리프 모드(sleep mode)에 들어간다. 그러므로 다음 단계 S59 내지 단계 S61에서는 칩 셋의 동작에 관계가 있다.
단계 S59에서, 칩 셋은 타이머의 값을 증가시킨다. 단계 S60에서, 타이머값이 대기 시간에 도달하였는지의 여부를 판정한다. 타이머값이 대기 시간에 도달할 때까지, 칩 셋은 단계 S59의 타이머값을 반복적으로 증가시키고 일정 시간 간격으로 단계 S60의 판정을 반복한다.
단계 S60에서 타이머값이 대기 시간에 도달하면, 단계 S61에서 칩 셋은 인터럽트 동작에 의해 CPU를 리셋한다. 이 동작에 기인하여, CPU와 RAM이 동작 상태로 다시 복귀하고, 루틴이 단계 S41로 리턴하고, 단계 S41과 후속 처리가 반복된다.
제1 실시예에 의하면, 동결 가능성이 0%가 아니면, 메인 스위치(40)가 오프되고 동결 가능성에 따른 대기 시간이 경과한 후에 드레인 밸브(15)는 개방된다. 이 실시예에 의하면, 제어기(30)는 동결 가능성을 다시 산출하고, 이 결과에 따라 드레인 밸브(15)를 즉시 개방하는지의 여부를 판정한다.
그러므로, 동결이 개시할 때까지의 시간은 높은 정밀도로 추정될 수 있고, 불필요한 물 배수를 수행하지 않고 제1 실시예의 경우 보다 동작의 가능성이 높다. 또한, 대기 시간 중에 CPU와 RAM은 슬리프 상태에 들어가므로, 감시에 필요한 전력 소비는 절대적인 최소로 억제될 수 있다.
상기 간헐적인 CPU의 활성화 및 연속적인 루틴의 실행은 차량에 장착된 이차전지(secondary battery)로부터 제공되는 전력을 소비한다. 일반적인 이차전지의 용량을 고려하면, 상기 슬리프와 활성화 처리는 파워 플랜트에 의한 발전이 정지한 후에 대략 1주일 동안 유지될 수 있다. 플로우 차트에는 기재되지 않았지만, 동결 가능성이 90%를 초과하는 경우에서와 같이 단계 S62 내지 단계 S64를 수행함으로써, 메인 스위치가 오프가 된 후 1주가 경과하였을 때에 루틴을 정지하는 것이 바람직하다.
일본에서 2002년 7월 5일 출원된 특원 2002-197117의 내용이 본 명세서에 참조되었다.
본 발명이 본 발명의 어느 실시예를 참조하여 상기에 설명되었지만, 본 발명은 전술한 실시예들로 제한되는 것은 아니다. 상기 교시에 비추어 당업자에게는 전술한 실시예들의 변형들 및 변화들이 가능하다.
예를 들면, 전술한 제1 실시예 및 제2 실시예에서, 외부 공기 온도 센서(31)에 의해 검출된 공기 온도가 동결 가능성을 추정하는 파라미터로서 이용되었지만, 동결 위험이 있는지를 간단히 판정하는 것도 가능하고, 동결 위험이 있으면, 대기 시간은 수온 센서만에 의해 검출된 온도에 근거하여 설정될 수도 있다.
또한, 제1 실시예 및 제2 실시예에 의하면, 외부 공기 온도 센서(31)에 의해 검출된 공기 온도가 동결 가능성을 추정하는 파라미터로서 이용되었지만, 외부 공기 온도 센서(31)를 사용하지 않고 외부 공기 온도는 추정될 수 있다. 구체적으로, 전술한 카 내비게이션 시스템에 의한 차량의 현재 위치, 현지 위치로부터 추정되는 현재 위치에서의 일일 최소 공기 온도, 제어기(30)에 내장된 지역에 따른 공기 온도 변화에 관한 데이터와 달력, 및 추정된 공기 온도에 근거한 동결 가능성으로부터 취득되어도 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연료 전지 파워 플랜트의 동결이 효율적으로 방지될 수 있고, 배수되는 물의 양은 절대적인 최소치로 억제될 수 있다. 따라서, 특히 외부로부터 물을 더 공급하는 것이 곤란한 각종 기후 조건 하에서 이용되는 차량에서의 연료 전지 파워 플랜트에서의 동결 방지에 본 발명을 적용함으로써 양호한 결과들이 얻어진다.
독점 권리 또는 특권이 청구되는 본 발명의 실시예들은 다음과 같이 정의된다.

Claims (15)

  1. 동작을 위해 물을 이용하는 연료 전지 파워 플랜트에 있어서,
    연료 전지 파워 플랜트의 물의 동결을 방지하기 위한 부동 메커니즘(15, 16); 및
    상기 연료 전지 파워 플랜트의 동작이 정지한 후의 연료 전지 파워 플랜트의 물 동결 가능성을 추정하기 위한 상기 파라미터에 기초하여 연료 전지 파워 플랜트의 동작이 정지한 후의 연료 전지 파워 플랜트의 물 동결 가능성을 추정하고(S13, S52),
    상기 동결 가능성에 기초하여 상기 파워 플랜트 동작 정지부터의 대기 시간을 추정하고(S16, S56),
    상기 연료 전지 파워 플랜트 동작 정지부터의 대기 시간이 경과할 때까지 부동 메카니즘(15, 16)의 동작을 중지하도록(S18-S20, S55, S58-S61, S62, S63),
    프로그램되는 프로그램가능 제어기(30)
    를 포함하는 연료 전지 파워 플랜트.
  2. 제1항에 있어서, 연료 전지 파워 플랜트의 동작이 정지한 후에 연료 전지 파워 플랜트의 물의 동결 가능성을 추정하기 위한 파라미터를 검출하는 센서(2, 31)를 더 포함하는 연료 전지 파워 플랜트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기(30)는 동결 가능성이 증가할수록 대기 시간을 짧아지게 설정하도록(S13) 프로그램되는 연료 전지 파워 플랜트.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 전지 파워 플랜트 내부의 수온을 검출하는 센서(12)를 더 포함하고, 상기 제어기(30)는 연료 전지 파워 플랜트가 동작을 정지할 때의 수온이 상승할수록 대기 시간을 길어지게 설정하도록(S13) 프로그램되는 연료 전지 파워 플랜트.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기(30)는 대기 시간이 경과한 후에 상기 부동 메커니즘(15, 16)을 동작시키도록(S20, S63) 프로그램되는 연료 전지 파워 플랜트.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어기(30)는 대기 시간이 경과한 후에 검출된 파라미터에 근거하여 동결 가능성을 갱신하고(S52), 갱신된 동결 가능성이 소정의 인자를 초과할 때에만 부동 메커니즘(15, 16)을 동작시키도록(S63) 프로그램되는 연료 전지 파워 플랜트.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어기(30)는 갱신된 동결 가능성이 소정의 인자를 초과하지 않을 때에, 갱신된 동결 가능성에 근거하여 대기 시간을 재산출하고(S56), 재산출한 대기 시간이 경과된 후에 동결 가능성을 재갱신하고(S52), 재갱신된 동결 가능성이 소정의 인자를 포과할 때에만 부동 메커니즘(15, 16)을 동작시키도록(S63) 프로그램되는 연료 전지 파워 플랜트.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어기(30)는 과거에 추정된 동결 가능성의 변화로부터 동결 가능성의 변화 특성을 예측하고, 이 변화 특성에 근거하여 재갱신된 동결 가능성을 보정하도록(S52) 프로그램되는 연료 전지 파워 플랜트.
  9. 제5항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 파워 플랜트가 동작을 정지할 때에 남아있는 물을 일부를 회수하여 저장하는 회수 메커니즘(10, 14, 18, 20)을 포함하고, 상기 제어기(30)는 부동 메커니즘(15, 16)이 동작하기 전에 물 회수 메커니즘(10, 14, 18, 20)을 동작시키도록(S15, S62) 프로그램되는 연료 전지 파워 플랜트.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부동 메커니즘(15, 16)은 연료 전지 파워 플랜트의 남아있는 물의 일부를 배수하는 드레인 밸브(15)를 포함하는 연료 전지 파워 플랜트.
  11. 제10항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 애노드(1A)와 캐소드(1B)를 포함하는 연료 전지 스택(1), 캐소드(1B)로부터 배출되는 캐소드 유출물의 수증기를 응축시키는 응축기(8), 상기 응축기(8)에서 응축된 물을 회수하는 물 탱크(10). 애노드(1A)로 공급되는 가스를 가습하는 가습기(4), 및 가습을 위하여 상기 물 탱크(10)로부터 응축기(8)로 물을 공급하는 물 통로(9B)를 더 포함하고, 상기 부동 메카니즘(15, 16)은 상기 물 통로(9B)로부터 물을 배출하는 드레인(16)을 포함하고, 드레인 밸브(15)는 드레인(16)을 개방, 폐쇄하는 밸브(15)를 포함하는 연료 전지 파워 플랜트.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부동 메카니즘(15, 16)은 상기 연료 전지 파워 플랜트내의 나머지 물의 일부를 가열하는 히터(13)를 포함하는 연료 전지 파워 플랜트.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파라미터는 파워 플랜트의 현재 위치에 대응하는 외부 공기 온도 및 기후 데이타 중 하나를 포함하는 연료 전지 파워 플랜트.
  14. 제2항에 있어서, 상기 센서(2, 31)는 파워 플랜트 외부의 온도를 파라미터로서 검출하는 센서(31)를 포함하되, 상기 제어기(30)는 외부 공기 온도에 근거하여 부동 가능성을 산출하로록(S13, S52) 프로그램되는 연료 전지 파워 플랜트.
  15. 동작을 위해 물을 이용하며, 내부의 물의 동결을 방지하기 위하여 부동 메카니즘(15, 16)을 포함하는 연료 전지 파워 플랜트의 동결 방지 방법에 있어서,
    상기 연료 전지 플랜트의 동작이 정지한 이후에 상기 연료 전지 파워 플랜트내의 물의 동결 가능성을 추정하기 위한 파라미터를 검출하는 단계(S1);
    상기 연료 전지 플랜트의 동작이 정지한 이후에 상기 연료 전지 파워 플랜트내의 물의 동결 가능성을 상기 파라미터에 근거하여 추정하는 단계(S13 S52);
    상기 동결 가능성에 근거하여 상기 파워 플랜트가 동작을 정지한 이후로부터의 대기 시간을 추정하는 단계(S16, S56); 및
    상기 연료 전지 파워 프랜트가 동작을 정지한 때로부터 대기 시간이 경과할 때까지 상기 부동 메카니즘의 동작을 중지하는 단계(S55, S58-S61, S62, S63)
    를 포함하는 동결 방지 방법.
KR1020047021527A 2002-07-05 2003-06-09 연료 전지 파워 플랜트 KR100644182B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002197117A JP4140294B2 (ja) 2002-07-05 2002-07-05 燃料電池システム
JPJP-P-2002-00197117 2002-07-05
PCT/JP2003/007258 WO2004006369A2 (en) 2002-07-05 2003-06-09 Fuel cell power plant

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050016666A true KR20050016666A (ko) 2005-02-21
KR100644182B1 KR100644182B1 (ko) 2006-11-10

Family

ID=30112388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020047021527A KR100644182B1 (ko) 2002-07-05 2003-06-09 연료 전지 파워 플랜트

Country Status (7)

Country Link
US (1) US7645533B2 (ko)
EP (1) EP1520312B1 (ko)
JP (1) JP4140294B2 (ko)
KR (1) KR100644182B1 (ko)
CN (1) CN1316663C (ko)
DE (1) DE60325969D1 (ko)
WO (1) WO2004006369A2 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101299797B1 (ko) * 2011-04-13 2013-08-23 지에스칼텍스 주식회사 고분자전해질 연료전지의 가습시스템

Families Citing this family (49)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4498707B2 (ja) * 2002-11-25 2010-07-07 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの運転方法と燃料電池運転装置
JP4626126B2 (ja) 2003-04-09 2011-02-02 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2005026199A (ja) * 2003-06-09 2005-01-27 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用水供給装置
US7270903B2 (en) * 2004-02-27 2007-09-18 Ford Motor Company Temperature-based vehicle wakeup strategy to initiate fuel cell freeze protection
WO2005096420A2 (en) * 2004-04-01 2005-10-13 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Fuel cell system and control method therefor
JP4722409B2 (ja) 2004-04-12 2011-07-13 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4626212B2 (ja) * 2004-08-06 2011-02-02 株式会社エクォス・リサーチ 車輌用燃料電池装置の状態出力装置
JP2006056373A (ja) * 2004-08-19 2006-03-02 Honda Motor Co Ltd 燃料電池車両における排水構造
EP1814855B1 (en) 2004-11-03 2011-01-19 F. Hoffmann-La Roche AG Dicarboxamide derivatives and their use as factor xa inhibitors
DE102004056952A1 (de) * 2004-11-25 2006-06-08 Nucellsys Gmbh Brennstoffzellensystem mit Flüssigkeitsabscheider
JP4675623B2 (ja) * 2004-12-28 2011-04-27 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP2006338984A (ja) * 2005-06-01 2006-12-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システム
JP2007023933A (ja) * 2005-07-19 2007-02-01 Mitsubishi Electric Corp 内燃機関の制御装置
JP5083587B2 (ja) * 2005-11-21 2012-11-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその温度調整方法
JP4905847B2 (ja) 2005-11-30 2012-03-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2007280927A (ja) 2005-12-12 2007-10-25 Toyota Motor Corp 燃料電池の冷却システム
KR100747265B1 (ko) * 2005-12-19 2007-08-07 현대자동차주식회사 연료전지차량의 냉시동 밸브구조
JP5070707B2 (ja) 2006-02-06 2012-11-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5168814B2 (ja) * 2006-04-19 2013-03-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、および燃料電池システムを搭載する車両
JP5063927B2 (ja) * 2006-04-24 2012-10-31 アイシン精機株式会社 燃料電池システムの凍結防止装置
JP2008027621A (ja) * 2006-07-18 2008-02-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5168530B2 (ja) * 2006-09-08 2013-03-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP5224082B2 (ja) * 2006-10-19 2013-07-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその排水制御方法
JP4530176B2 (ja) * 2006-10-26 2010-08-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
JP4831417B2 (ja) * 2006-12-12 2011-12-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US7862938B2 (en) 2007-02-05 2011-01-04 Fuelcell Energy, Inc. Integrated fuel cell and heat engine hybrid system for high efficiency power generation
EP2274784A1 (en) * 2008-04-08 2011-01-19 Utc Power Corp. Reservoir for hot weather operation of evaporatively cooled fuel cell
US8053127B2 (en) * 2008-04-23 2011-11-08 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell cooling tank assembly
DE102008029180A1 (de) 2008-06-19 2009-12-24 Daimler Ag Verfahren zum Ausblasen von Wasser aus einem Brennstoffzellensystem sowie Brennstoffzellensystem
US9252436B2 (en) * 2009-04-01 2016-02-02 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system
JP5093199B2 (ja) * 2009-07-31 2012-12-05 株式会社エクォス・リサーチ 電源装置の状態出力装置
JP5529618B2 (ja) * 2010-04-21 2014-06-25 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP5708070B2 (ja) 2011-03-11 2015-04-30 日産自動車株式会社 バッテリ温度制御装置
DE102011109602A1 (de) * 2011-08-05 2013-02-07 Daimler Ag Brennstoffzellensystem
DE102011109645A1 (de) * 2011-08-05 2013-02-07 Daimler Ag Brennstoffzellensystem
WO2013129476A1 (ja) * 2012-02-29 2013-09-06 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 コジェネレーションシステムの制御装置及び制御方法
ES2739980T3 (es) 2012-03-12 2020-02-05 Nuvera Fuel Cells Llc Sistema y método de enfriamiento para uso con una celda de combustible
KR101534920B1 (ko) 2013-09-05 2015-07-07 현대자동차주식회사 연료전지 시동 장치 및 방법
KR101620172B1 (ko) * 2014-07-03 2016-05-13 현대자동차주식회사 차량의 냉시동 방법
JP6533786B2 (ja) * 2014-07-24 2019-06-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
KR101905951B1 (ko) * 2016-04-18 2018-10-08 현대자동차주식회사 연료전지차량의 시동 제어 방법
US20180062185A1 (en) * 2016-08-30 2018-03-01 James Seefried System and Method for Generating Water and Electric Power
CN107039667B (zh) * 2017-06-02 2023-08-29 苏州中氢能源科技有限公司 燃料电池堆发电系统的信号控制系统及控制方法
AT520553B1 (de) * 2017-12-14 2019-05-15 Avl List Gmbh Abgasnachbehandlungssystem, Reaktorsystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung für ein Brennstoffzellensystem
DE102018204827A1 (de) * 2018-03-29 2019-10-02 Ford Global Technologies, Llc Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug
DE102018204828A1 (de) 2018-03-29 2019-10-02 Ford Global Technologies, Llc Verhinderung von Glatteis durch Abwasser von Kraftfahrzeugen
US11035628B2 (en) 2018-05-30 2021-06-15 Fuelcell Energy, Inc. System for fast draining of an airfan heat exchanger and methods of using the same
JP7341726B2 (ja) * 2019-05-27 2023-09-11 ダイニチ工業株式会社 燃料電池装置
CN113745591B (zh) * 2021-07-27 2022-11-04 中国汽车技术研究中心有限公司 具有过冷却水结冰机理的燃料电池低温冷启动建模方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3407914B2 (ja) 1993-01-28 2003-05-19 マツダ株式会社 燃料電池自動車
US6479177B1 (en) * 1996-06-07 2002-11-12 Ballard Power Systems Inc. Method for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell
JPH10223249A (ja) * 1997-02-03 1998-08-21 Toyota Motor Corp 燃料電池装置および燃料電池装置の流路凍結防止方法
JPH11214025A (ja) * 1998-01-21 1999-08-06 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池装置
JPH11273704A (ja) 1998-03-20 1999-10-08 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池装置
JP3553377B2 (ja) * 1998-07-02 2004-08-11 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその排水方法
AT408160B (de) * 1999-03-17 2001-09-25 Vaillant Gmbh Kühleinrichtung eines brennstoffzellenstapels und dessen wechselrichter
US6248462B1 (en) 1999-05-28 2001-06-19 International Fuel Cells, Llc Method and apparatus for thermal management of a fuel cell assembly
JP3722019B2 (ja) * 2001-06-27 2005-11-30 日産自動車株式会社 燃料電池システム
DE10137847B4 (de) * 2001-08-02 2019-06-06 General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem Temperaturen im Gefrierbereich von Wasser auftreten können sowie Brennstoffzellensystem
JP3835357B2 (ja) 2002-06-12 2006-10-18 株式会社デンソー 燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101299797B1 (ko) * 2011-04-13 2013-08-23 지에스칼텍스 주식회사 고분자전해질 연료전지의 가습시스템

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004006369A2 (en) 2004-01-15
US20050255351A1 (en) 2005-11-17
KR100644182B1 (ko) 2006-11-10
DE60325969D1 (de) 2009-03-12
US7645533B2 (en) 2010-01-12
JP2004039527A (ja) 2004-02-05
WO2004006369A3 (en) 2004-12-29
EP1520312A2 (en) 2005-04-06
EP1520312B1 (en) 2009-01-21
CN1666371A (zh) 2005-09-07
CN1316663C (zh) 2007-05-16
JP4140294B2 (ja) 2008-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100644182B1 (ko) 연료 전지 파워 플랜트
JP4221942B2 (ja) 燃料電池システム
US6955861B2 (en) Fuel cell system, and method of protecting a fuel cell from freezing
US7455920B2 (en) Fuel cell system
JP5309603B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
KR101099413B1 (ko) 연료 전지 시스템
JP5309602B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
JP3801111B2 (ja) 燃料電池システム
JP2006202543A (ja) 燃料電池システムの運転方法
US20030150655A1 (en) Fuel cell vehicle and method for predicting possible running distance
JP2003297404A (ja) 燃料電池システム
JP2001256989A (ja) 燃料電池の加湿装置
JP2006140044A (ja) 燃料電池システム
JP5086740B2 (ja) 燃料電池システム
JP4127063B2 (ja) 燃料電池システム
JP4824965B2 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120928

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131001

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140930

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151002

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee