KR20060097325A

KR20060097325A - Start driving method for fuel cell

Info

Publication number: KR20060097325A
Application number: KR1020050018842A
Authority: KR
Inventors: 안진홍; 주리아; 서준원; 최상현; 조은숙
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-09-14

Abstract

본 발명은 연료 전지를 신속하게 구동시킬 수 있는 연료 전지의 초기 구동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법은, 연료 전지 스택을 구동시키기 위한 구동 신호를 받는 단계와, 연료 전지 스택의 출력 단자에 시동용 부하를 접속시키는 단계와, 연료 전지 스택의 출력 전압을 주기적으로 측정하는 단계와, 측정된 출력 전압이 최저 구동 전압 이하일 때, 연료 전지 스택에서 시동용 부하를 분리시키는 단계, 그리고 측정된 출력 전압이 기준 전압 이상일 때, 연료 전지 스택에 시동용 부하를 재차 접속시키는 단계를 포함한다.The present invention relates to an initial driving method of a fuel cell capable of driving the fuel cell quickly. An initial driving method of a fuel cell according to the present invention includes receiving a driving signal for driving a fuel cell stack, connecting a starting load to an output terminal of the fuel cell stack, and periodically outputting an output voltage of the fuel cell stack. Measuring the starting voltage, disconnecting the starting load from the fuel cell stack when the measured output voltage is below the minimum driving voltage, and reconnecting the starting load to the fuel cell stack when the measured output voltage is above the reference voltage. It comprises the step of.

연료 전지, 초기화, 시동, 시동용 저항, 구동 방법 Fuel cell, reset, start, start resistance, driving method

Description

Start driving method for fuel cell

도 1은 고분자 전해질막을 포함하는 일반적인 연료 전지의 동작원리를 나타내는 도면이다.1 is a view showing the operating principle of a general fuel cell including a polymer electrolyte membrane.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법을 이용하는 연료 전지 시스템을 나타내는 도면이다.2 is a view showing a fuel cell system using an initial driving method of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법을 나타내는 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method for initially driving a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법이 적용된 연료 전지 스택의 출력 전압을 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing an output voltage of a fuel cell stack to which an initial driving method of a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법을 나타내는 순서도이다.5 is a flowchart illustrating an initial driving method of a fuel cell according to a first exemplary embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법을 나타내는 순서도이다.6 is a flowchart illustrating an initial driving method of a fuel cell according to a second exemplary embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법을 나타내는 순서도이다.7 is a flowchart illustrating a method for initially driving a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법 과 종래예를 비교하여 나타내는 그래프이다.8 is a graph illustrating a comparison between an initial driving method of a fuel cell and a conventional example according to the first to third embodiments of the present invention.

본 발명은 연료 전지를 신속하게 구동시킬 수 있는 연료 전지의 초기 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an initial driving method of a fuel cell capable of driving the fuel cell quickly.

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료 전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, alkali fuel cells, and the like, depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells basically operates on the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

이들 중 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료 전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성을 가지고, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진 다.Among them, Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cells (PEMFCs) have much higher output characteristics, lower operating temperatures, and faster startup and response characteristics than other fuel cells. A wide range of applications, including transportable power sources such as transportable power sources and automotive power sources, as well as distributed power sources such as stationary power plants in houses and public buildings.

상술한 고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 그리고 고분자 전해질형 연료전지는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.The polymer electrolyte fuel cell described above includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like. In addition, the polymer electrolyte fuel cell supplies fuel in a fuel tank to a reformer by operation of a fuel pump, and reforms the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacts the hydrogen gas with oxygen in a stack to produce electrical energy. Generates.

또한, 연료 전지에는 고분자 전해질형 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.In addition, there is a direct methanol fuel cell (DMFC), which is similar to a polymer electrolyte fuel cell but can supply liquid methanol fuel directly to a stack. Direct methanol fuel cells are more advantageous for miniaturization because they do not use a reformer, unlike polymer electrolyte fuel cells.

연료 전지 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 연료 전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.The fuel cell stack typically has a structure in which several to tens of unit fuel cells including a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator are stacked. Here, the membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are attached with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. Has

도 1은 고분자 전해질막을 포함하는 일반적인 연료전지의 동작원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료전지(10)의 막-전극 어셈블리(20)는 고분자 전해질막(12), 연료극 촉매층(14) 및 공기극 촉매층(16)을 포함한다. 연료전지(10)에서 수소 기체 또는 수소를 함유한 연료가 연료극 촉매층(14)에 공급되면 연료극 촉매층(14)에서 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소 이온 H⁺와 전자 e^-로 이온화되며 산화된다. 이온화된 수소 이온은 연료극 촉매층(14)에서 고분자 전해질막(12)을 통해 공기극 촉매층(16)으로 이동하고, 전자는 연료극 촉매층(14)에서 외부 전선(18)을 통해 공기극 촉매층(16)으로 이동하게 된다. 공기극 촉매층(16)으로 이동한 수소 이온은 공기극 촉매층(16)에 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다.1 is a view schematically showing the operating principle of a typical fuel cell including a polymer electrolyte membrane. Referring to FIG. 1, the membrane-electrode assembly 20 of the fuel cell 10 includes the polymer electrolyte membrane 12, the anode catalyst layer 14, and the cathode catalyst layer 16. When the hydrogen gas or the hydrogen-containing fuel is supplied to the anode catalyst layer 14 in the fuel cell 10, an electrochemical oxidation reaction occurs in the anode catalyst layer 14, and ionized into hydrogen ions H ⁺ and electrons e ⁻ and oxidized. Ionized hydrogen ions move from the anode catalyst layer 14 through the polymer electrolyte membrane 12 to the cathode catalyst layer 16, and electrons move from the anode catalyst layer 14 through the outer wire 18 to the cathode catalyst layer 16. Done. The hydrogen ions transferred to the cathode catalyst layer 16 cause an electrochemical reduction reaction with oxygen supplied to the cathode catalyst layer 16 to generate heat of reaction and water. And electric energy is generated by the movement of electrons.

상술한 고분자 전해질형 연료 전지와 직접 메탄올형 연료 전지의 전기화학적 반응을 반응식으로 각각 나타내면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같다.Representative electrochemical reactions of the above-described polymer electrolyte fuel cell and direct methanol fuel cell are shown in Schemes 1 and 2 below.

애노드 전극: H₂ → 2H⁺ + 2e^- The _{^{anode: H 2 → 2H + + 2e}} -

캐소드 전극: 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O _{^{Cathode: 1 / 2O 2 + 2H +}} + 2e - → H 2 O

애노드 전극: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^- _{_{Anode: CH 3 OH + H 2 O}} → CO 2 + 6H + + 6e -

캐소드 전극: 3/2O₂ + 6H⁺ + 6e^- → 3H₂O _{^{Cathode: 3 / 2O 2 + 6H +}} + 6e - → 3H 2 O

한편, 연료 전지는 적당한 온도에서 최적의 성능을 낸다. 따라서, 연료 전지를 적절하게 사용하기 위해서는 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택이 아직 예열되어 있지 않으므로 스택 온도가 일정 온도로 올라가기까지 기다려야 한다. 만일, 연료 전지 스택이 일정 온도에 도달하기 전에, 즉 스택이 안정화되기 전에 전력을 뽑아 쓰게 되면, 연료 전지 스택의 성능은 급격히 떨어지고, 심한 경우에 전력 생산이 되지 않게 된다.On the other hand, the fuel cell exhibits optimum performance at an appropriate temperature. Therefore, in order to use the fuel cell properly, the fuel cell stack has not yet been preheated during the initial operation of the fuel cell, and thus, it is necessary to wait until the stack temperature rises to a certain temperature. If power is drawn before the fuel cell stack reaches a certain temperature, i.e., before the stack is stabilized, the performance of the fuel cell stack drops sharply and, in severe cases, no power is produced.

게다가, 연료 전지는 그 사용 환경에 따라 신속한 구동이 요구된다. 다시 말해서, 연료 전지가 휴대용 전자기기의 전원이나 자동차용 동력원 등에 사용될 때, 연료 전지는 기기의 조속한 사용과 사용자 편의 등을 위해 저온 또는 냉온의 분위기에서도 신속하게 초기 구동되도록 요구되고 있다.In addition, the fuel cell is required to be driven quickly according to its use environment. In other words, when the fuel cell is used for a power source of a portable electronic device, a power source for an automobile, or the like, the fuel cell is required to be initially driven quickly in a low temperature or cold temperature atmosphere for prompt use of the device and user convenience.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 별도의 시동용 부하를 이용하여 연료 전지 스택을 신속하게 예열시키고 그것에 의해 연료 전지를 조기에 시동시킬 수 있는 연료 전지의 초기 구동 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been derived in view of the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of rapidly preheating the fuel cell stack by using a separate starting load and thereby starting the fuel cell early. It is to provide an initial driving method.

본 발명의 다른 목적은 시동용 부하에 의해 신속하게 예열되는 연료 전지 스택의 예열 특성에 따라 예측가능한 적절한 예열 시간을 타이머로 설정하여 연료 전지를 구동시킬 수 있는 연료 전지의 초기 구동 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell initial driving method capable of driving the fuel cell by setting a suitable predictable preheating time with a timer according to the preheating characteristics of the fuel cell stack rapidly preheated by the starting load. .

본 발명의 또 다른 목적은 시동용 부하에 의해 신속하게 예열되는 연료 전지 스택의 온도를 측정하여 연료 전지를 신속하면서 안정적으로 구동시킬 수 있는 연료 전지의 초기 구동 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for initially driving a fuel cell capable of driving the fuel cell quickly and stably by measuring the temperature of the fuel cell stack rapidly preheated by the starting load.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 연료 전지 스택을 구동시키기 위한 구동 신호를 받는 단계와, 연료 전지 스택의 출력 단자에 시동용 부하를 접속시키는 단계와, 연료 전지 스택의 출력 전압을 주기적으로 측정하는 단계와, 측정된 출력 전압이 최저 구동 전압 이하이면, 연료 전지 스택에서 시동용 부하를 분리시키는 단계, 그리고 측정된 출력 전압이 기준 전압 이상이면, 연료 전지 스택에 시동용 부하를 재차 접속시키는 단계를 포함하는 연료 전지의 초기 구동 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, an aspect of the present invention is the step of receiving a drive signal for driving the fuel cell stack, connecting the starting load to the output terminal of the fuel cell stack, and the output of the fuel cell stack Periodically measuring the voltage, disconnecting the starting load from the fuel cell stack if the measured output voltage is below the minimum drive voltage, and starting load into the fuel cell stack if the measured output voltage is above the reference voltage. It provides a method of initially driving a fuel cell comprising the step of connecting again.

바람직하게, 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시키는 단계는 타이머의 온 오프 동작에 의해 제어되는 스위칭부를 이용하여 연료 전지 스택의 출력 단자에 시동용 부하를 접속시키는 단계를 포함한다. 이때, 타이머는 시동용 부하에 의해 조기 예열되는 연료 전지 스택의 예열 특성에 따라 온 설정 시간이 설정된다. 따라서, 연료 전지 스택에 접속되어 있는 시동용 부하는 타이머의 오프 동작에 따라 자동적으로 분리된다.Preferably, connecting the starting load to the fuel cell stack comprises connecting the starting load to an output terminal of the fuel cell stack using a switching part controlled by an on-off operation of a timer. At this time, the timer is set on time according to the preheating characteristics of the fuel cell stack preheated early by the starting load. Therefore, the starting load connected to the fuel cell stack is automatically separated in accordance with the off operation of the timer.

또한, 상술한 연료 전지의 초기 구동 방법은 연료 전지 스택의 온도를 주기적으로 측정하고 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있는가를 판단하는 단계를 추가적으로 포함한다. 이 경우, 상기 방법은 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있는 경우 및 상기 타이머의 온 설정 시간이 경과되는 경우 중 어느 하나를 우선 순위로 하여 연료 전지 스택에 접속되어 있는 시동용 부하를 분리시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the above-described initial driving method of the fuel cell further includes the step of periodically measuring the temperature of the fuel cell stack and determining whether the measured temperature is within a set temperature range. In this case, the method includes separating the starting load connected to the fuel cell stack by giving priority to either the measured temperature within the set temperature range or the on set time of the timer. It may further include.

본 발명의 또 다른 측면은, 연료 전지 스택을 구동시키기 위한 구동 신호를 받는 단계와, 연료 전지 스택의 출력 단자에 시동용 부하를 접속시키는 단계와, 연료 전지 스택의 출력 전압을 주기적으로 측정하는 단계와, 연료 전지 스택의 온도를 주기적으로 측정하고 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있는가를 판단하는 단계와, 측정된 출력 전압이 최저 구동 전압 이하이면, 연료 전지 스택에서 시동용 부하를 분리시키는 단계, 그리고 측정된 출력 전압이 기준 전압 이상이면, 연료 전지 스택에 시동용 부하를 재차 접속시키는 단계를 포함하는 연료 전지의 초기 구동 방법을 제공한다.Still another aspect of the present invention provides a method for driving a fuel cell stack, the method comprising: receiving a driving signal for driving a fuel cell stack, connecting a starting load to an output terminal of the fuel cell stack, and periodically measuring an output voltage of the fuel cell stack Periodically measuring the temperature of the fuel cell stack and determining whether the measured temperature is within a set temperature range, if the measured output voltage is less than or equal to the minimum drive voltage, disconnecting the starting load from the fuel cell stack, and If the measured output voltage is greater than or equal to the reference voltage, the method provides an initial driving method of the fuel cell, comprising connecting the starting load to the fuel cell stack again.

바람직하게, 측정된 온도가 설정 온도 범위에 있으면, 연료 전지 스택에 접속되어 있는 시동용 부하를 분리시키는 단계를 추가적으로 포함한다.Preferably, the method further comprises the step of disconnecting the starting load connected to the fuel cell stack if the measured temperature is within a set temperature range.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, parts irrelevant to the present invention have been omitted for clarity, and like reference numerals denote like parts throughout the specification.

도 2를 참조하면, 본 발명의 연료 전지의 초기 구동 방법을 채용한 연료 전지 시스템은 별도의 시동용 부하를 이용하여 연료 전지 스택을 신속하게 예열시켜 종래의 연료 전지보다 빠르고 안정적으로 구동된다. 이를 위해, 연료 전지 시스템 은 연료 전지 스택(110), 센서(120), 연료 공급부(130), 스위칭부(140), 시동용 부하(150), 타이머(160), 제어부(170) 및 배터리부(180)를 포함한다. 연료 전지 시스템에는 전력 변환부(190), 예컨대, DC-DC 변환기 및/또는 DC-AC 변환기를 통해 외부 부하(200)가 결합된다.Referring to FIG. 2, the fuel cell system employing the initial driving method of the fuel cell of the present invention is preheated quickly by using a separate starting load to be driven faster and more stably than a conventional fuel cell. To this end, the fuel cell system includes a fuel cell stack 110, a sensor 120, a fuel supply unit 130, a switching unit 140, a starting load 150, a timer 160, a controller 170, and a battery unit. And 180. The external load 200 is coupled to the fuel cell system through a power converter 190, such as a DC-DC converter and / or a DC-AC converter.

구체적으로, 연료 전지 스택(110)은 수소와 산소의 산화환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 막-전극 어셈블리(미도시)와, 막-전극 어셈블리의 양면에 밀착되어 막-전극 어셈블리로 수소를 함유한 연료와 산화제, 예컨대, 산소 또는 공기를 공급하는 세퍼레이터(미도시)로 이루어지는 적어도 하나의 단위 연료 전지(미도시)를 구비한다. 연료 전지 스택(110)의 구조에 따라서 세퍼레이터는 생략될 수 있다.Specifically, the fuel cell stack 110 includes a membrane-electrode assembly (not shown) that generates electricity through a redox reaction of hydrogen and oxygen, and contains hydrogen as a membrane-electrode assembly in close contact with both surfaces of the membrane-electrode assembly. At least one unit fuel cell (not shown) consisting of a separator (not shown) for supplying a fuel and an oxidant, for example oxygen or air, is provided. The separator may be omitted depending on the structure of the fuel cell stack 110.

또한, 연료 전지 스택(110)은 양단 또는 최외곽에 위치하는 집전부(미도시)를 통해 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 외부 부하(200)에 공급한다. 일례로, 외부 부하(200)는 노트북 컴퓨터, PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Multimedia Player) 등과 같은 휴대용 전자기기를 포함한다. 그리고 연료 전지 스택(110)은 사용하고 남은 연료와 반응 생성물을 배출한다. 남은 연료는 재활용 수단에 의해 연료로 재활용될 수 있고, 이산화탄소 등의 반응 생성물은 대기중으로 배출된다.In addition, the fuel cell stack 110 supplies the external load 200 with electrical energy having a predetermined potential difference through current collectors (not shown) positioned at both ends or the outermost sides. In one example, the external load 200 includes a portable electronic device such as a notebook computer, a personal digital assistant (PDA), a portable multimedia player (PMP), or the like. The fuel cell stack 110 then discharges the remaining fuel and reaction products. The remaining fuel can be recycled to fuel by recycling means, and reaction products such as carbon dioxide are discharged into the atmosphere.

또한, 연료 전지 스택(110)은 선택적 구성요소로서 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택(110)의 신속한 예열을 위하여 구동 신호에 따라 연료 전지 스택(110)을 가열하는 제1 가열 수단(125)을 포함한다.In addition, the fuel cell stack 110 is an optional component, and the first heating means 125 for heating the fuel cell stack 110 according to a driving signal for rapid preheating of the fuel cell stack 110 during initial driving of the fuel cell. It includes.

센서(120)는 연료 전지 스택(110)의 온도를 측정하고, 측정된 온도값을 제어 부(170)에 전달한다. 측정된 온도는 센서(120)의 종류에 따라 아날로그 신호 또는 디지털 신호로 변환되어 제어부(170)에 전달된다. 또한, 센서(120)는 그 종류에 따라 연료 전지 스택(110)의 외부 또는 내부에 접촉식 또는 비접촉식으로 부착될 수 있다. 일례로, 센서(120)는 물체에 내장 또는 부착된 상태에서 물체의 온도에 따라 저항이 변하는 써미스터(thermistor)를 포함한다.The sensor 120 measures the temperature of the fuel cell stack 110 and transmits the measured temperature value to the control unit 170. The measured temperature is converted into an analog signal or a digital signal according to the type of sensor 120 and transmitted to the controller 170. In addition, the sensor 120 may be attached to the outside or inside of the fuel cell stack 110 in a contact or non-contact manner according to the type thereof. In one example, the sensor 120 includes a thermistor whose resistance changes depending on the temperature of the object in a state of being embedded or attached to the object.

연료 공급부(130)는 연료를 저장하는 연료 탱크(132)와, 연료 탱크(132) 내의 연료를 연료 전지 스택(110)으로 강제 배출시키는 연료 펌프(134), 및 제어부(170)의 제어 신호에 따라 연료 펌프(134)를 작동시키는 작동 장치(136)를 포함한다.The fuel supply unit 130 controls the fuel tank 132 for storing fuel, the fuel pump 134 for forcibly discharging the fuel in the fuel tank 132 to the fuel cell stack 110, and the control signals of the controller 170. Accordingly includes an actuating device 136 for operating the fuel pump 134.

여기서, 연료는 수소 또는 수소를 함유하는 연료, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등과 같은 액상(액체 상태) 또는 기상(기체 상태)의 연료를 포함한다. 또한, 본 실시예에서 연료는 산소 또는 산소를 함유하는 연료, 예컨대, 공기를 포함한다. 이하의 상세한 설명에서는 설명의 편의상 수소 또는 수소를 함유하는 연료를 제1 연료라고 하고, 산소 또는 산소를 함유하는 연료를 제2 연료라고 한다. 따라서, 본 실시예의 연료 펌프(134)는 제1 연료를 연료 전지 스택(110)에 공급하는 제1 연료 펌프와 제2 연료를 연료 전지 스택(110)에 공급하는 제2 연료 펌프, 예컨대, 공기 펌프를 구비할 수 있다. 이러한 연료 펌프(134)는 선택적인 구성요소로서 연료 펌프를 사용하지 않는 구성을 가진 연료 공급부(130)의 경우에 생략될 수 있다. 이때, 연료 펌프(134) 대신에 작동 장치(136)의 제어에 의해 작동되는 연료 밸브가 포함될 수 있다.Here, the fuel includes hydrogen or a fuel containing hydrogen, such as a liquid (liquid state) or gaseous (gas state) fuel such as methanol, ethanol, natural gas, and the like. In addition, the fuel in this embodiment includes oxygen or a fuel containing oxygen such as air. In the following detailed description, for convenience of explanation, hydrogen or a fuel containing hydrogen is referred to as a first fuel, and a fuel containing oxygen or oxygen is referred to as a second fuel. Accordingly, the fuel pump 134 of the present embodiment includes a first fuel pump for supplying the first fuel to the fuel cell stack 110 and a second fuel pump for supplying the second fuel to the fuel cell stack 110, for example, air. A pump may be provided. The fuel pump 134 may be omitted in the case of the fuel supply 130 having a configuration that does not use the fuel pump as an optional component. In this case, instead of the fuel pump 134, a fuel valve operated by the control of the operating device 136 may be included.

또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 연료 공급부(130)는 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 반응 생성물로 생성된 일산화탄소를 저감시키는 개질기를 포함할 수 있다. 물론, 본 실시예의 연료 전지 스택이 제1 연료로서 메탄올을 직접 이용하는 직접 메탄올형 연료 전지 스택인 경우, 개질기는 생략될 수 있다.In addition, although not shown in the drawings, the fuel supply unit 130 may include a reformer for generating hydrogen gas from the fuel and reducing carbon monoxide generated as a reaction product. Of course, if the fuel cell stack of this embodiment is a direct methanol type fuel cell stack using methanol directly as the first fuel, the reformer can be omitted.

또한, 연료 공급부(130)는 선택적 구성요소로서 연료 전지 스택(110)에 공급되는 연료, 예컨대, 메탄올 및/또는 공기를 가열하는 제2 가열 수단(138)을 포함한다.In addition, the fuel supply 130 includes, as an optional component, second heating means 138 for heating fuel, such as methanol and / or air, supplied to the fuel cell stack 110.

제어부(170)는 연료 전지의 구동 신호를 받고 소정의 프로그램 또는 정해진 순서에 따라 연료 전지 시스템을 제어한다. 먼저, 제어부(170)는 연료 전지 스택(110)의 신속하고도 안정적인 예열을 위하여 연료 전지 스택(110)에 시동용 부하(150)를 접속시킨다. 그리고, 제어부(170)는 연료 전지 스택(110)의 출력 전압을 주기적으로 측정하여 시동용 부하(150)가 결합된 연료 전지 스택(110)이 안정적으로 예열될 수 있도록 제어한다. 출력 전압(Vo)은 연료 전지 스택(110)의 출력 단자의 소정 위치(P)에서 측정된다.The controller 170 receives the driving signal of the fuel cell and controls the fuel cell system according to a predetermined program or a predetermined order. First, the controller 170 connects the starter load 150 to the fuel cell stack 110 for fast and stable preheating of the fuel cell stack 110. The controller 170 periodically measures the output voltage of the fuel cell stack 110 to control the fuel cell stack 110 to which the starting load 150 is coupled to be stably preheated. The output voltage Vo is measured at a predetermined position P of the output terminal of the fuel cell stack 110.

이때, 제어부(170)는 스위칭부(140)에 결합된 타이머(160)를 이용하여 소정의 설정 시간 동안 연료 전지 스택(110)에 시동용 부하(150)를 접속시킬 수 있다. 다른 한편으로, 제어부(170)는 온도 센서로부터 받은 스택 온도를 소정의 설정 온도와 비교하여 연료 전지의 정상 출력 시점을 판단할 수 있다. 여기서, 설정 온도는 예를 들어 고분자 전해질형 연료 전지나 직접 메탄올 연료 전지의 경우, 70℃ 내지 120 ℃와 70℃ 내지 80 ℃로 각각 설정된다. 물론, 제어부(170)는 타이머 (160)와 온도 센서(120)를 모두 이용하여 연료 전지의 정상 구동 시점을 판단할 수 있다. 이 경우, 제어부(170)는 타이머(160)에 의한 정상 구동 시점 및 온도 센서(120)에 의한 정상 구동 시점 중 어느 하나에 우선 순위를 두고 연료 전지 시스템을 제어할 수 있다.In this case, the controller 170 may connect the starting load 150 to the fuel cell stack 110 for a predetermined time period by using the timer 160 coupled to the switching unit 140. On the other hand, the controller 170 may determine the normal output time of the fuel cell by comparing the stack temperature received from the temperature sensor with a predetermined set temperature. Here, for example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell, the set temperature is set to 70 ° C to 120 ° C and 70 ° C to 80 ° C, respectively. Of course, the controller 170 may determine the normal driving time of the fuel cell using both the timer 160 and the temperature sensor 120. In this case, the controller 170 may control the fuel cell system by giving priority to any one of the normal driving time point by the timer 160 and the normal driving time point by the temperature sensor 120.

또한, 제어부(170)는 타이머(160)의 온 설정 시간이 경과되거나 연료 전지 스택(110)의 온도가 설정 온도 범위에 도달하면, 연료 전지 스택(110)으로부터 시동용 부하(150)를 분리시키고 연료 전지 스택(110)에 외부 부하(200)를 접속시킨다. 이로써, 연료 전지는 종래의 경우보다 신속하게 그리고 안정적으로 정상 구동된다.In addition, when the ON setting time of the timer 160 elapses or the temperature of the fuel cell stack 110 reaches the set temperature range, the controller 170 disconnects the starting load 150 from the fuel cell stack 110. The external load 200 is connected to the fuel cell stack 110. As a result, the fuel cell is normally driven faster and more stably than in the conventional case.

타이머(160)는 제어부(170)의 제어에 따라 소정의 온 설정 시간을 갖고 구동된다. 타이머(160)은 그것의 온 오프 동작에 따라 스위칭부(140)가 절체 동작되도록 구성된다. 이러한 타이머(160)은 예를 들어 공지된 장치인 555 타이머 등을 이용하여 구현될 수 있다.The timer 160 is driven with a predetermined ON setting time under the control of the controller 170. The timer 160 is configured to switch the switching unit 140 according to its on-off operation. The timer 160 may be implemented using, for example, a known device 555 timer.

타이머(160)의 온 설정 시간은 연료 전지 스택(110)의 구조나 종류에 따라 다르게 설정된다. 예를 들면, 온 설정 시간은 연료 전지의 초기 구동시 시동용 부하에 의해 신속하게 예열되는 연료 전지 스택(110)의 예열 시간을 측정하여 적절하게 설정된다. 이러한 경우, 실제 사용되는 연료 전지 시스템 내에는 연료 전지 스택(110)의 온도를 측정하는 센서를 생략할 수 있다.The ON setting time of the timer 160 is set differently according to the structure or type of the fuel cell stack 110. For example, the ON setting time is appropriately set by measuring the preheating time of the fuel cell stack 110 which is rapidly preheated by the starting load during the initial driving of the fuel cell. In this case, a sensor for measuring the temperature of the fuel cell stack 110 may be omitted in the fuel cell system actually used.

상술한 타이머(160)의 온 설정 시간은 예를 들어 다음의 표 1과 같이 나타낼 수 있다.The ON setting time of the timer 160 described above may be represented, for example, as shown in Table 1 below.

스택 온도(℃)Stack temperature (℃) 타이머 온 설정 시간Timer On Set Time -20 미만Less than -20 19분 이상More than 19 minutes -20 이상 ~ -10 미만-20 or more-less than -10 14분14 minutes -10 이상 ~ 0 미만-10 or more ~ less than 0 10분10 minutes 0 이상 ~ 10 미만0 or more and less than 10 7분7 minutes 10 이상 ~ 20 미만10 or more ~ less than 20 4분4 minutes 20 이상 ~ 30 미만More than 20 ~ less than 30 2분2 minutes 30 이상30 or more 1분 이하Less than 1 minute

시동용 부하(150)는 정해진 저항값을 갖고 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택(110)에 결합된다. 시동용 부하(150)는 예를 들어 연료 전지 스택(110)으로부터 인가되는 전력을 열로 발산하는 막대 저항을 포함한다. 본 실시예에서 시동용 부하(150)의 저항값은 연료 전지 스택(110)의 구조, 종류 또는 용량에 따라 적절하게 설정될 수 있다.The starting load 150 has a predetermined resistance value and is coupled to the fuel cell stack 110 during initial driving of the fuel cell. The starting load 150 includes, for example, a rod resistor that dissipates power applied from the fuel cell stack 110 as heat. In this embodiment, the resistance value of the starting load 150 may be appropriately set according to the structure, type, or capacity of the fuel cell stack 110.

스위칭부(140)는 연료 전지 스택(110)에 시동용 부하(150) 및 외부 부하(200) 중 어느 하나를 선택적으로 접속 또는 분리시키기 위하여 이들 사이에 결합된다. 그리고 스위칭부(140)는 타이머(160)를 통해 제어부(170)에 결합된다.The switching unit 140 is coupled between the fuel cell stack 110 to selectively connect or disconnect any one of the starting load 150 and the external load 200. The switching unit 140 is coupled to the control unit 170 through the timer 160.

또한, 스위칭부(140)는 제어부(170)의 제어에 의한 타이머(160) 동작에 따라 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택(110)의 신속한 예열을 위하여 적절한 부하 저항으로 작용하는 시동용 부하(150)을 연료 전지 스택(110)에 접속시키고 연료 전지 스택(110)으로부터 외부 부하(200)를 분리시킨다. 그리고, 스위칭부(140)는 연료 전지 스택(110)이 안정화되어 정상 구동되기 시작할 때, 즉 타이머(160)의 온 설정 시간이 완료되었을 때, 연료 전지 스택(110)으로부터 시동용 부하(150)를 분리시키고 연료 전지 스택(110)에 외부 부하(200)를 접속시킨다. 이것은 제어부의 제어와 관계없이 타이머(160)의 오프 동작에 따라서 수행될 수 있다.In addition, the switching unit 140 is a starting load that acts as an appropriate load resistance for rapid preheating of the fuel cell stack 110 when the fuel cell is initially driven according to the operation of the timer 160 under the control of the controller 170. 150 is connected to the fuel cell stack 110 and separates the external load 200 from the fuel cell stack 110. The switching unit 140 starts the load 150 from the fuel cell stack 110 when the fuel cell stack 110 is stabilized and starts to operate normally, that is, when the ON setting time of the timer 160 is completed. And the external load 200 is connected to the fuel cell stack 110. This may be performed according to the off operation of the timer 160 regardless of the control of the controller.

배터리부(180)는 연료 전지의 초기 구동시 제어부(170)와 연료 공급부(130)에 전력을 공급한다. 연료 전지 스택(110)과 배터리부(180) 사이에는 배터리부(180)로부터의 전력이 연료 전지 스택(110)으로 전달되는 것을 방지하는 수단, 예컨대, 다이오드(192)가 결합된다. The battery unit 180 supplies power to the controller 170 and the fuel supply unit 130 during the initial driving of the fuel cell. A means, for example, a diode 192, is coupled between the fuel cell stack 110 and the battery unit 180 to prevent power from the battery unit 180 from being transferred to the fuel cell stack 110.

또한, 배터리부(180)는 연료 전지 스택(110)의 출력 단자에 결합되며 연료 전지의 정상 구동시 연료 전지 스택(110)의 출력 전력에 의해 충전된다. 그리고, 도면에 도시하지는 않았지만, 배터리부(180)는 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 제어기(미도시)를 구비한다.In addition, the battery unit 180 is coupled to the output terminal of the fuel cell stack 110 and is charged by the output power of the fuel cell stack 110 when the fuel cell is normally driven. Although not shown in the drawings, the battery unit 180 includes a battery controller (not shown) that controls charging and discharging of the battery.

또한, 배터리부(180)는 배터리 제어기 또는 제어부(170)의 제어에 따라 연료 전지의 초기 구동시에 연료 전지 스택(110)과 전기적으로 분리된 상태에서 제어부(170) 및 연료 공급부(130)에 전력을 공급하도록 구성된다.In addition, the battery unit 180 powers the control unit 170 and the fuel supply unit 130 in a state in which the battery unit 180 is electrically separated from the fuel cell stack 110 when the fuel cell is initially driven under the control of the battery controller or the control unit 170. It is configured to supply.

한편, 본 실시예에서는 연료 전지 시스템의 초기 구동시 제어부(170) 및 연료 공급부(130)에 전력을 공급하는 수단으로서 배터리부(180)를 예를 들어 설명하였다. 하지만, 본 발명은 상기 수단으로서 배터리 이외에 캐패시터 등의 다른 전력 저장 소자를 이용하거나 외부 전원을 직접 연결하여 이용할 수 있다.In the present embodiment, the battery unit 180 is described as an example of supplying power to the control unit 170 and the fuel supply unit 130 during initial driving of the fuel cell system. However, the present invention can be used as the above means by using other power storage elements such as capacitors in addition to the battery or by directly connecting an external power source.

도 3을 참조하면, 먼저 연료 전지를 구동시키기 위한 구동 신호가 자동 또는 수동으로 연료 전지에 입력된다(302). 그러면, 연료 전지의 제어부는 배터리 등으로부터 전력을 공급받아 메모리(미도시)에 저장된 프로그램 등과 같이 정해진 순서에 따라 연료 전지의 구동을 제어하기 시작한다.Referring to FIG. 3, first, a driving signal for driving the fuel cell is automatically or manually input to the fuel cell (302). Then, the controller of the fuel cell receives power from the battery or the like and starts controlling the driving of the fuel cell in a predetermined order such as a program stored in a memory (not shown).

다음, 제어부는 스위칭부를 직접 제어하거나 타이머의 온 오프 동작에 의해 제어되는 스위칭부를 통해 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시킨다(310). 그러면, 연료 전지 스택은 소정의 부하 저항으로 작용하는 시동용 부하로 인해 출력 전압이 점차적으로 낮아진다. 그것은 연료 전지 스택이 아직 안정화되지 않은 상태에서 연료 전지 스택에 약간의 부담이 되는 시동용 저항이 결합되었기 때문이다. 하지만, 이러한 시동용 저항으로 인해 연료 전지 스택은 무부하 상태보다 빨리 안정적으로 또는 예측가능하게 예열될 수 있다.Next, the control unit 310 connects the starting load to the fuel cell stack through the switching unit controlled directly by the switching unit or controlled by the on / off operation of the timer. The fuel cell stack then gradually lowers its output voltage due to the starting load acting as a predetermined load resistance. This is due to the fact that a starter resistor, which is a slight burden on the fuel cell stack, is combined while the fuel cell stack is not yet stabilized. However, this starting resistance allows the fuel cell stack to warm up stably or predictably faster than no load.

한편, 연료 전지의 초기 구동시 연료 전지 스택에 일반적인 외부 부하를 접속시키는 것을 고려할 수 있다. 하지만, 그러한 방법은 외부 부하의 저항값을 미리 알 수 없고 그 저항값이 변화될 수 있으므로, 연료 전지 스택이 완전히 예열되는 시점, 즉 연료 전지의 정상 구동 시점을 예측할 수 없기 때문에 연료 전지의 정상 구동 시점을 제어하기 어렵다는 단점이 있다.On the other hand, it is possible to consider connecting a general external load to the fuel cell stack during initial driving of the fuel cell. However, since such a method cannot know the resistance value of the external load in advance and the resistance value can be changed, it is impossible to predict when the fuel cell stack is completely warmed up, that is, when the fuel cell is normally driven. The disadvantage is that it is difficult to control the viewpoint.

다음, 제어부는 연료 전지 스택의 출력 전압을 주기적으로 측정한다(312). 그리고 측정된 출력 전압이 최저 구동 전압 이하인가를 판단한다(314). 그 판단 결과, 출력 전압이 최저 구동 전압 이하이면, 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하를 분리시킨다(316). 그리고, 상기 판단 결과, 출력 전압이 최저 구동 전압이 아니면, 출력 전압이 기준 전압 이상인가를 판단한다(318). 그 판단 결과, 출력 전압이 기준 전압 이상이면, 시동용 부하를 재접속시켜 연료 전지 스택이 보다 빠르게 예열될 수 있도록 한다(320).Next, the controller periodically measures the output voltage of the fuel cell stack (312). In operation 314, it is determined whether the measured output voltage is less than or equal to the minimum driving voltage. As a result of the determination, if the output voltage is equal to or lower than the minimum driving voltage, the starting load is separated from the fuel cell stack (316). As a result of the determination, if the output voltage is not the minimum driving voltage, it is determined whether the output voltage is greater than or equal to the reference voltage (318). As a result of the determination, if the output voltage is greater than or equal to the reference voltage, the starter load is reconnected so that the fuel cell stack can be preheated faster (320).

이처럼, 본 발명은 연료 전지의 시동 중에 시동용 부하가 결합된 연료 전지 스택이 정상적으로 예열될 수 있도록 함으로써 연료 전지가 보다 빠르고 안정적으로 정상 구동할 수 있도록 한다As such, the present invention allows the fuel cell stack coupled with the starting load to be preheated normally during the start up of the fuel cell so that the fuel cell can be driven faster and more stably.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법이 적용된 연료 전지 스택의 출력 전압 변화를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing a change in output voltage of a fuel cell stack to which an initial driving method of a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.

도 4를 참조하면, 연료 전지의 초기 구동시 시동용 부하가 결합된 연료 전지 스택은 시동용 부하의 저항값에 따라 소정의 기울기로 출력 전압이 점차 감소된다. 그것은 연료 전지 스택이 아직 안정화되지 않았기 때문에 작은 부하 저항이라도 부담을 갖기 때문이다. 다시 말해서, 그것은 연료 전지 스택의 초기 구동시 스택 내의 전기 발생부, 예컨대, 막-전극 집합체에서 발생되는 전자가 외부 도선을 통해 이동하기 시작할 때, 외부 부하에 의해 전자가 소모되어 버리면 필요한 전자가 부족해진 전기 발생부에서는 계속적으로 전기를 생산할 수 없게 되기 때문이다.Referring to FIG. 4, in the fuel cell stack in which the starting load is coupled during the initial driving of the fuel cell, the output voltage is gradually decreased with a predetermined slope according to the resistance value of the starting load. This is because even a small load resistance is burdened because the fuel cell stack has not yet stabilized. In other words, when electrons generated in the electricity generating portion, for example, the membrane-electrode assembly in the stack, start to move through the external conductors during the initial driving of the fuel cell stack, the electrons consumed by the external loads lack the necessary electrons. This is because the generated electricity generation unit cannot continuously generate electricity.

따라서, 본 실시예에서는 시동용 부하가 결합된 연료 전지 스택의 초기 구동시 연료 전지 스택의 출력 전압을 주기적으로 측정하여 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시키고 분리시키는 것을 적절하게 제어한다. 다시 말해서, 본 실시예에서는 도 4에 도시한 바와 같이 연료 전지 스택이 정상적으로 전기를 발생시킬 수 있는 최저 구동 전압(Va)과 최저 구동 전압(Va)보다 높은 전압인 기준 전압(Vref)을 설정하고, 시동용 부하가 결합된 연료 전지 스택이 대략 최저 구동 전압(Va)과 기준 전압(Vref) 사이의 범위 내에서 초기 구동할 수 있도록 한다. 여기서, 기준 전압(Vref)는 최대 구동 전압(Vb)의 변동 오차를 고려한 최대 구동 전압이 된다. 그리고, 기준 전압(Vref)은 실질적으로 연료 전지 스택의 무부하 단자 전압이 된다. Therefore, in the present embodiment, the output voltage of the fuel cell stack is periodically measured during the initial driving of the fuel cell stack to which the starting load is coupled to appropriately control the connection and disconnection of the starting load to the fuel cell stack. In other words, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the fuel cell stack sets the minimum driving voltage Va and the reference voltage Vref which is higher than the minimum driving voltage Va to generate electricity normally. The fuel cell stack coupled with the starting load can be initially driven within a range between approximately the lowest driving voltage Va and the reference voltage Vref. Here, the reference voltage Vref becomes the maximum driving voltage in consideration of the variation error of the maximum driving voltage Vb. The reference voltage Vref is substantially the no-load terminal voltage of the fuel cell stack.

구체적으로, 본 발명에 의하면, 연료 전지 스택이 구동하기 시작한 후, 제1 시간(T1)에서 연료 전지 스택에 시동용 부하가 결합되면, 연료 전지 스택의 출력 전압은 점차 감소된다. 그리고, 제2 시간(T2)에서 연료 전지 스택의 출력 전압이 최저 구동 전압(Va)이 되면, 제어부는 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하를 분리시켜 연료 전지 스택의 출력 전압을 안정시킨다.Specifically, according to the present invention, after the fuel cell stack starts to operate, when the starting load is coupled to the fuel cell stack at the first time T1, the output voltage of the fuel cell stack is gradually decreased. When the output voltage of the fuel cell stack reaches the minimum driving voltage Va at the second time T2, the controller separates the starting load from the fuel cell stack to stabilize the output voltage of the fuel cell stack.

다음, 제3 시간(T3)에서 연료 전지 스택의 출력 전압이 기준 전압(Vref)이 되면, 제어부는 연료 전지 스택에 다시 시동용 부하를 접속시켜 연료 전지 스택의 예열을 가속시킨다. 이때, 연료 전지 스택의 출력 전압을 시동용 부하의 결합으로 인해 다시 소정의 기울기로 감소된다. 그리고, 제4 시간(T4)에서 다시 연료 전지 스택의 출력 전압이 최저 구동 전압(Va)이 되면, 제어부는 다시 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하를 분리시켜 연료 전지 스택의 출력 전압을 안정시킨다.Next, when the output voltage of the fuel cell stack reaches the reference voltage Vref at the third time T3, the controller connects the starting load to the fuel cell stack again to accelerate the preheating of the fuel cell stack. At this time, the output voltage of the fuel cell stack is again reduced to a predetermined slope due to the coupling of the starting load. When the output voltage of the fuel cell stack reaches the minimum driving voltage Va again at the fourth time T4, the controller disconnects the starting load from the fuel cell stack again to stabilize the output voltage of the fuel cell stack.

상술한 과정은 연료 전지 스택의 예열 기간 동안 반복 수행된다. 다음, 제5 시간(T5)에서 연료 전지 스택의 온도가 원하는 온도에 도달하거나 설정된 타이머 시간이 종료되면, 연료 전지는 정상 구동된다.The above process is repeated during the preheating period of the fuel cell stack. Next, when the temperature of the fuel cell stack reaches a desired temperature at the fifth time T5 or when the set timer time expires, the fuel cell is normally driven.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법은, 먼저 도 3에 도시한 바와 같이 연료 전지의 초기 구동 신호에 따라 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시키고 측정된 스택 출력 전압에 따라 시동용 부하의 접속 및 분리를 제어한다(302, 310, 312, 314, 316, 318, 320).Referring to FIG. 5, in the initial driving method of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, first, as shown in FIG. 3, the starting load is connected to the fuel cell stack and measured according to the initial driving signal of the fuel cell. The connection and disconnection of the starter load is controlled according to the stack output voltage (302, 310, 312, 314, 316, 318, 320).

다음, 타이머 설정 시간이 완료되었는가를 판단한다(323). 여기서, 타이머 설정 시간은 연료 전지 스택의 구조, 종류 또는 예열 특성에 따라 다르게 정해진다. 타이머 설정 시간이 완료되면, 타이머는 자동적으로 오프된다(325). 물론, 타이머는 타이머 설정 시간이 완료될 때 제어부의 제어에 의해 오프될 수 있다. 타이머의 오프 동작하면, 그것에 의해 스위칭부는 제어된다. 이 스위칭부의 동작에 의해 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하가 분리된다(328). 그리고, 상기 스위칭부의 동작에 의해 연료 전지 스택에 외부 부하가 접속된다(330). 이로써, 연료 전지가 종래의 경우보다 빠르고 안정적으로 정상 구동된다(332).Next, it is determined whether the timer setting time is completed (323). Here, the timer setting time is determined differently according to the structure, type, or preheating characteristic of the fuel cell stack. When the timer setting time is completed, the timer is automatically turned off (325). Of course, the timer may be turned off under the control of the controller when the timer setting time is completed. When the timer is turned off, the switching unit is thereby controlled. The operation load of this switching unit separates the starting load from the fuel cell stack (328). In operation 330, an external load is connected to the fuel cell stack by the operation of the switching unit. As a result, the fuel cell is normally driven faster and more stably than in the conventional case (332).

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법은, 먼저 도 3에 도시한 바와 같이 연료 전지의 초기 구동 신호에 따라 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시키고 측정된 스택 출력 전압에 따라 시동용 부하의 접속 및 분리를 제어한다(302, 310, 312, 314, 316, 318, 320).Referring to FIG. 6, an initial driving method of a fuel cell according to a second exemplary embodiment of the present invention may be performed by first connecting a starting load to a fuel cell stack according to an initial driving signal of a fuel cell as shown in FIG. 3. The connection and disconnection of the starter load is controlled according to the stack output voltage (302, 310, 312, 314, 316, 318, 320).

다음, 제어부는 센서를 통해 종래의 경우보다 빠르게 예열되는 연료 전지 스택의 온도를 주기적으로 측정한다(322). 그리고, 측정한 온도가 설정 온도 범위에 있는가를 판단한다(324). 그 판단 결과, 측정한 온도가 설정 온도 범위에 있으면, 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하를 분리시킨다(328). 그리고, 연료 전지 스택에 외부 부하를 접속시킨다(330). 이로써, 연료 전지가 종래의 경우보다 빠르고 안정적으로 정상 구동된다(332).Next, the control unit periodically measures the temperature of the fuel cell stack that is preheated faster than the conventional case through the sensor (322). Then, it is determined whether the measured temperature is within the set temperature range (324). As a result of the determination, if the measured temperature is within the set temperature range, the starting load is separated from the fuel cell stack (328). In operation 330, an external load is connected to the fuel cell stack. As a result, the fuel cell is normally driven faster and more stably than in the conventional case (332).

도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법은, 먼저 도 3에 도시한 바와 같이 연료 전지의 초기 구동 신호에 따라 연료 전지 스택에 시동용 부하를 접속시키고 측정된 스택 출력 전압에 따라 시동용 부하의 접속 및 분리를 제어한다(302, 310, 312, 314, 316, 318, 320).Referring to FIG. 7, in the initial driving method of the fuel cell according to the third exemplary embodiment of the present invention, first, as shown in FIG. 3, the starting load is connected to the fuel cell stack and measured according to the initial driving signal of the fuel cell. The connection and disconnection of the starter load is controlled according to the stack output voltage (302, 310, 312, 314, 316, 318, 320).

다음, 제어부는 센서를 통해 종래의 경우보다 빠르게 예열되는 연료 전지 스택의 온도를 주기적으로 측정한다(322). 그리고, 측정한 온도가 설정 온도 범위에 있는가를 판단한다(324). 그 판단 결과, 측정한 온도가 설정 온도 범위에 있으면, 타이머를 오프 제어한다(326). 그리고 상기 판단 결과, 측정한 온도가 설정 온도 범위에 있지 않으면, 타이머 설정 시간이 되었는가를 판단한다(323). 여기서, 타이머 설정 시간은 초기 구동시의 연료 전지 스택의 현재 온도나 연료 전지 스택의 구조 및 종류에 따라 다르게 설정될 수 있다. 타이머 설정 시간이 완료되면, 타이머는 자동적으로 또는 제어부의 제어에 의해 오프된다(325).Next, the control unit periodically measures the temperature of the fuel cell stack that is preheated faster than the conventional case through the sensor (322). Then, it is determined whether the measured temperature is within the set temperature range (324). As a result of the determination, if the measured temperature is within the set temperature range, the timer is turned off (326). As a result of the determination, if the measured temperature is not within the set temperature range, it is determined whether the timer set time is reached (323). Here, the timer setting time may be set differently according to the current temperature of the fuel cell stack or the structure and type of the fuel cell stack during initial driving. When the timer setting time is completed, the timer is turned off automatically or under the control of the controller (325).

다음, 제어부는 입력되는 정보가 연료 전지 스택의 설정 온도 및 타이머 설정 시간 중 어느 하나에 따라 미리 설정되어 있는 연료 전지의 정상 구동 우선 순위와 일치하는가를 판단한다(327). 그 판단 결과, 입력된 정보와 우선 순위가 일치하면, 입력된 정보에 따라 연료 전지 스택으로부터 시동용 부하를 분리시킨다(328). 그리고, 연료 전지 스택에 외부 부하를 접속시킨다(330). 그리고 상기 판단 결과, 입력된 정보와 우선 순위가 일치하지 않으면, 그 정보를 무시한다(327a). 이로써, 연료 전지가 종래의 경우보다 빠르고 안정적으로 정상 구동된다(332).In operation 327, the controller determines whether the inputted information corresponds to the normal driving priority of the fuel cell which is preset according to one of the set temperature and the timer set time of the fuel cell stack. As a result of the determination, if the input information and the priority match, the starting load is separated from the fuel cell stack according to the input information (328). In operation 330, an external load is connected to the fuel cell stack. As a result of the determination, if the input information does not match the priority, the information is ignored (327a). As a result, the fuel cell is normally driven faster and more stably than in the conventional case (332).

도 8은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법과 종래예를 비교하여 나타내는 그래프이다.8 is a graph illustrating a comparison between an initial driving method of a fuel cell and a conventional example according to the first to third embodiments of the present invention.

도 8에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법은 종래의 경우보다 빠르고 안정적으로 연료 전지를 정상 구동시킨다. 본 실시예에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법의 경우(A), 연료 전지의 초기 구동 후 소정 시간(T5) 동안에 연료 전지 스택이 안정적으로 구동하기 위한 온도(K1)에 도달하였다. 하지만, 종래예의 경우(B), 초기 구동 후 소정 시간(T5) 동안에 연료 전지 스택이 안정적으로 구동하기 위한 온도(K1)에 도달하지 못한 것을 알 수 있다.As can be seen in Figure 8, the initial driving method of the fuel cell according to the present invention is to drive the fuel cell normally and faster than the conventional case. In the case of the initial driving method of the fuel cell according to the present embodiment (A), the temperature K1 for stably driving the fuel cell stack has been reached for a predetermined time T5 after the initial driving of the fuel cell. However, in the case of the conventional example (B), it can be seen that the fuel cell stack has not reached the temperature K1 for stably driving for a predetermined time T5 after the initial driving.

이처럼, 본 발명에 따른 연료 전지의 초기 구동 방법은 연료 전지의 초기 구동시 보다 신속하게 연료 전지 스택을 예열시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.As such, it can be seen that the initial driving method of the fuel cell according to the present invention can preheat the fuel cell stack more quickly during the initial driving of the fuel cell.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.

상술한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지의 초기 구동 방법에 의하면, 연료 전지 스택의 출력 단자에 시동용 내부 저항을 결합시키고 연료 전지 스택이 안정적으로 예열될 수 있도록 시동용 부하의 접속 및 분리를 제어함으로써 연료 전지를 종래보다 빠르고 안정적으로 초기 구동시킬 수 있다. 또한, 시동용 부하에 의해 조기 예열되는 스택의 온도를 측정하여 정상 구동 시점을 제어함으로써 보다 안정적으로 연료 전지를 초기 구동시킬 수 있다. 게다가, 시동용 부하에 의해 예열되는 스택의 적절한 예열 시간을 타이머로 설정하여 제어함으로써 보다 간편하게 연료 전지를 초기 구동시킬 수 있다. 또한, 연료 전지 스택의 현재 온도에 따라 타이머 설정 시간을 적절하게 변경시켜 제어함으로써, 스택의 초기 온도가 변화하는 경우에도 빠르고 안정적으로 연료 전지를 초기 구동시킬 수 있다.As described above, according to the initial driving method of the fuel cell of the present invention, the starting resistance is coupled to the output terminal of the fuel cell stack and the connection and disconnection of the starting load is controlled so that the fuel cell stack can be preheated stably. Thus, the fuel cell can be initially driven faster and more stably than before. In addition, the fuel cell can be initially driven more stably by measuring the temperature of the stack preheated by the starting load and controlling the normal driving time. In addition, it is possible to initially drive the fuel cell more simply by controlling the appropriate preheating time of the stack preheated by the starting load with a timer. In addition, by controlling the timer setting time appropriately according to the current temperature of the fuel cell stack, the fuel cell can be initially driven quickly and stably even when the initial temperature of the stack changes.

Claims

Receiving a drive signal for driving the fuel cell stack;

Connecting a starting load to an output terminal of the fuel cell stack;

Periodically measuring the output voltage of the fuel cell stack;

If the measured output voltage is less than or equal to a minimum driving voltage, disconnecting the starting load from the fuel cell stack; And

If the measured output voltage is equal to or greater than a reference voltage, reconnecting the starting load to the fuel cell stack.

The method of claim 1,

The step of connecting the starting load to the fuel cell stack includes connecting the starting load to an output terminal of the fuel cell stack using a switching unit controlled by an on-off operation of a timer. Driving method.

The method of claim 2,

And the timer has an on set time set according to a preheating characteristic of the fuel cell stack preheated early by the starting load.

The method of claim 3, wherein

And starting the load connected to the fuel cell stack according to the off operation of the timer.

The method of claim 2,

And periodically measuring the temperature of the fuel cell stack and determining whether the measured temperature is within a set temperature range.

The method of claim 5, wherein

And separating the starting load connected to the fuel cell stack by giving priority to any one of the case where the measured temperature is within the set temperature range and when the on set time of the timer has elapsed. The initial driving method of the fuel cell.

The method of claim 1,

The method of claim 7, wherein

If the measured temperature is within the set temperature range, further comprising disconnecting the starting load connected to the fuel cell stack.

The method according to any one of claims 1 to 8,

And supplying a first fuel including hydrogen or a hydrogen-containing fuel and a second fuel including an oxidant to the fuel cell stack according to the driving signal.

The method of claim 9,

The supplying the first fuel and the second fuel may include heating and supplying at least one of the first fuel and the second fuel.

The method according to any one of claims 1 to 8,

And separating an external load connected to the fuel cell stack according to the driving signal.

The method according to any one of claims 1 to 8,

And preheating the fuel cell stack using a predetermined heating means in accordance with the drive signal.

The method according to any one of claims 1 to 8,

And the starting load is a rod resistor that discharges power applied from the fuel cell stack to heat.

The method of claim 1,

The reference voltage is an open terminal voltage of the fuel cell stack.