KR20080072045A - 저 수요에 응답하여 공기를 전향시키는 연료 전지 파워플랜트 - Google Patents
저 수요에 응답하여 공기를 전향시키는 연료 전지 파워플랜트 Download PDFInfo
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Abstract
차량 추진 시스템(159)에 파워를 공급할 수 있는 연료 전지 파워 시스템은 멤브레인(16)에 의해 분리된 아노드(17)와 캐소드(19)를 각각 구비하는 복수의 연료 전지(12)를 포함하는 스택(151)과, 전향 밸브(172)를 통해 반응 공기 유동장에 연결된 공기 펌프(174)를 구비하는 연료 전지 파워 플랜트를 포함한다. 제어기(185)는 정상 및 고 수요에 응답하여 전향 밸브가 펌프로부터 반응 공기 유동장으로 공기가 흐를 수 있게 하며, 저 수요에 응답하여 상기 전향 밸브가 공기를 대기로 직접적으로 전향시키게 하며, 그래서, 공기는 캐소드에 도달하지 않고, 그에 의해, 캐소드의 열화를 촉진하는 개회로 전압 상태를 감소시키며, 과도한 성능 쇠퇴를 방지한다. 보조 부하(220)가 전향된 공기 흐름 내에서, 전향 밸브의 전 또는 후에 존재할 수 있다. 에너지 저장부(200, 201)는 차량 추진 시스템과 함께 동작한다.
연료 전지, 전향 밸브, 보조 부하, 수요, 차량 추진 시스템
Description
본 발명은 전기 차량의 동력공급에 사용될 수 있는 연료 전지 파워 플랜트 같은 연료 전지 파워 플랜트에 관한 것으로, 캐소드 분해 및 결과적인 가혹한 성능 쇠퇴를 피하도록 수요의 급속한 감소시 캐소드 공기가 대기로 전향되는 연료 전지 파워 플랜트에 관한 것이다.
배터리 또는 용량성 파워 증가물을 구비한 고분자 전해질(polymer electrolyte), 양자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지 파워 플랜트는 매우 넓은 수요의 범위를 가지며, 매우 낮은 수요로의 변동(swing)은 개회로 전압 상태를 유발한다. 개회로 전압 상태하에서, 높은 상대적 캐소드 전압은 캐소드 촉매 분해를 유발하며, 이 캐소드 촉매 분해는 순차적으로, 과도한 성능 쇠퇴를 초래한다. 또한, 이런 연료 전지는 파워 수요의 갑작스러운 증가를 갖기 때문에, 이런 수요를 충족시키도록 캐소드로의 반응 공기 흐름이 가용한 상태이어야만하며, 따라서, 공기 펌프는 보다 높은 파워 수요의 급속한 재개를 수용하기 위해 저 수요 동안 동작을 지속하여야만 한다. 이들 상태하에서, 개회로 전압 및 캐소드 부식을 감소시키도록 잉여 연료 전지 출력 파워 중 일부를 흡수하기 위해 더미 부하를 사용하는 것이 공 지되어있다.
본 발명의 목적은 전기 또는 하이브리드 차량에 파워를 공급하는 연료 전지 스택의 부식 및 성능 쇠퇴를 제어하는 것과, 반복적으로 저 수요 상태가 되는 연료 전지 파워 플랜트에서 에너지를 보존하는 것과, 추후 발생하는 상태에 밀접하게 연계된 방식으로 감소된 부하 동안 연료 전지 반응을 제어하는 것과, 다른 방식에서는 낭비되게 되는 연료 전지 파워 플랜트 내의 연료 및/또는 에너지를 보존하는 것과, 수요의 폭넓은 변동을 갖는 연료 전지 파워 플랜트 내의 개회로 전압 상태의 감소와, 수요의 폭넓은 변동을 갖는 연료 전지 파워 플랜트 내의 캐소드 촉매 분해의 감소와, 수요의 폭넓은 변동을 겪는 연료 전지 파워 플랜트의 성능 쇠퇴를 감소시키는 것과, 개선된 연료 전지 파워 플랜트를 포함한다.
본 발명은 연료 전지 파워 플랜트가 저 파워 수요로의 급속한 변동을 가질 때, 연료 전지 파워 플랜트의 캐소드로의 반응 공기의 신속하고 상당한 감소는 수요의 감소에 바로 이어지는 캐소드 열화를 피하기 위해 연료 전지 스택을 안전한 전압에서 유지하기 위해 필요한 파워 소산을 크게 감소시킨다는 사실의 인지에 입각한다. 또한, 본 발명은 캐소드 반응제 펌프, 통상적으로, 송풍기가 거의 전체 동작 속도로 계속 구동되는 경우, 파워 플랜트는 출력 파워 수요의 갑작스러운 증가에 신속히 응답할 수 있다는 인식에 입각한다.
본 발명에 따라서, 송풍기에 의해 제공되는 반응 공기는 셀당 0.85 V 초과 같은 고 캐소드 전압 상태를 초래할 수 있는 저 파워 수요에 응답하여 신속히 대기로 전향되며, 송풍기는 저 출력 파워 수요 동안 필요한 것 보다 높은 레벨로 구동되고, 따라서, 출력 파워 수요의 급속한 증가에 응답할 준비가되어 있는 상태이다.
또한, 본 발명에 따라서, 출력 파워 수요의 급속한 강하시마다 선택적 보조 부하가 정상 부하에 병렬로 연결될 수 있으며, 그에 의해, 스택 내에 잔류하는 산소, 즉, 촉매 상에 흡수된, 유동장 내의 잔류 산소를 소모하는 과정에서 발생되는 파워를 소산시키며, 보조 부하는 저 수요 동안 송풍기로부터의 공기에 의해 냉각될 수 있다.
비록, 배터리 또는 커패시터 뱅크가 파워를 흡수하기 위해 충분히 방전된 상태로 있는 경우 잔류 산소의 소비로부터 초래되는 파워 중 일부가 배터리 또는 커패시터 뱅크 내의 저장에 의해 회수될 수 있지만, 본 발명의 활용은 에너지 저장 시스템(배터리 또는 커패시터)이 완충상태에 있어서 출력 파워 수요의 급속한 감소 동안 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 상황을 피한다. 부가적으로, 본 발명으로 인한 산소의 보다 신속한 감소가 연료 전지 파워 프랜트가 발생하는 파워의 양을 급속히 감소시키기 때문에 저 수요로의 전이 동안 연료 소비가 감소된다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면에 예시된 바와 같은 본 발명의 예시적 실시예의 하기의 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이다.
도1은 본 발명에 따른 저 수요 동안 캐소드로부터 공기를 전향시키는 연료 전지 파워 플랜트의 개략적 블록도이다.
도2는 본 발명에 따른 저 수요 동안 보조 부하에서 연료 전지 스택의 에너지 를 소산시키는 연료 전지 파워 플랜트의 개략 블록도이다.
도3은 본 발명에 따른 도2의 실시예에 대한 대안의 개략 블록도이다.
이제 도1을 참조하면, 차량(150)은 아노드(17)와 캐소드(19) 사이에 양자 교환 멤브레인(16)을 각각 구비하는 복수의 연속적 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택(151)을 포함하며, 도1에는 단 하나의 연료 전지(12)만이 도시되어 있다. 연료 전지 스택(151)의 양 단자 및 음 단자에서의 전기 출력은 한 쌍의 라인(155, 156)에 의해 스위치(158)를 통해 전기 또는 하이브리드 차량 추진 시스템(159)에 연결되어 있다.
물 순환 시스템은 통기구(165)를 구비한 저수조(164)와, 압력 제어 트림 밸브(166)와, 송수판(84, 86, 88, 89) 내의 것들 같은 수로와, 시스템 내에서 순환하는 물을 냉각시키도록 선택적으로 동작할 수 있는 방열기 및 팬(168, 169)과 워터 펌프(170)를 구비한다. 입구(173)의 대기는 송풍기(174), 압축기 등 같은 펌프에 의해, 2방 전향 밸브(172)를 통해 캐소드(19)의 산화제 반응 가스 유동장으로, 그리고, 그후, 압력 규제 밸브(175)를 통해 배기부(176)로 제공된다. 수소는 소스(179)로부터 유동 규제 밸브(180)를 통해 아노드(17)의 연료 반응 가스 유동장으로, 그리고, 그후, 퍼지 밸브(181)를 통해 배기부(182)로 공급된다. 연료 재생 루프는 펌프(183)를 포함한다.
제어기(185)는 전류 검출기(186)에 의해 결정된 부하 전류 및 라인(155)을 가로지른 전압에 응답하며, 또한, 이는 라인(187) 상에 제공된 스택 온도를 가질 수도 있다. 제어기는 순차적으로, 라인(190)을 거쳐 밸브(180)를 제어하고, 라인(191)을 거쳐 밸브(172)를 제어할 수 있으며, 도1에 도시된 바와 같이, 다른 밸브, 스위치(158) 및 펌프(170, 174)를 제어한다.
제어기(185)는 연료 전지가 동작에 착수하여야하는 시기 및 차량 추진 시스템에 의해 요구되는 파워의 양을 나타내는 라인(193-195) 상의 차량 추진 시스템(159)으로부터의 시동, 속도 및 수요 제어 신호에 응답한다. 시동 신호가 차량 추진 시스템(159)으로부터 라인(193)을 거쳐 제어기(185)로 전송될 때마다, 제어기로부터의 신호는 연료 반응 가스를 아노드(17)의 유동장에 제공하도록 밸브(180, 181) 및 펌프(183)가 적절히 동작되게 하며, 밸브(172, 175) 및 펌프(174)는 대기를 캐소드(19)의 유동장에 제공하도록 적절히 동작될 것이다.
충분한 양의 연료 및 공기가 전지에 균일하게 제공되었을 때, 제어기(185)에 의해 라인(155, 156) 상에서 개회로 전압이 검출된다. 이때, 제어기는 차량 추진 시스템(159)에 연료 전지 스택(151)을 연결하도록 스위치(158)를 닫을 수 있다.
시동 또는 정지(shutdown) 동안, 저장 제어부(200)는, 본 실시예에서는 차량 추진 시스템(159)의 배터리인 에너지 저장 시스템(201)에 연료 전지 스택 내에 저장된 에너지를 인가함으로써 연료 전지 스택 내에 저장된 에너지를 소산시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지 저장 시스템(201)은 소정의 다른 배터리일 수 있으며, 이는 커페시터 또는 플라이휠일 수 있거나, 이는 소정의 다른 에너지 저장 장치일 수 있다. 에너지 저장부(200, 201)는 현재의 충전 상태가 적절한 경우, 고 또는 저 수요 상태 동안 각각 파워 제공 또는 흡수하는 것을 보조할 수 있다.
본 발명에 따라서, 2방 전향 밸브(172)는 펌프(174)로부터 캐소드(19)의 산화제 반응 가스 유동장으로의 공기 중 일부 또는 모두를 제공하거나, 전혀 제공하지 않도록 조절된다. 차량이 느려지거나, 정지하거나, 내리막을 주행할 때 같이 연료 전지가 개회로 전압에 접근하는 지점으로 부하 수요가 강하할 때, 라인(191) 상의 제어기로부터의 신호는 공기 중 일부 또는 전부를 대기로 즉시 전향하도록 밸브(172)를 조절한다. 저 수요 동안, 공기 펌프는 스택이 증가된 수요에 신속히 응답할 수 있도록 연료 전지에 필요한 흐름을 초과하는 공기 유량으로 동작될 수 있다. 본 발명의 임의의 주어진 구현예에서, 필요시, 제어기는 전향 밸브(172)가 적절히 비례하는 양의 공기를 대기로 전향하도록 부하의 역함수로서 라인(191) 상에 신호를 제공할 수 있다.
공기를 덤핑하기 위해 전향 밸브(172)를 사용함으로써, 펌프(174)는 구동 상태로 남아있을 수 있고, 단지 소량의 잔류 공기만이 캐소드 유동장 및 전극 구조체 내에 잔류하도록 캐소드로 흐르는 공기의 양이 즉시 감소된다. 몇몇 실시예에서, 펌프(174)의 속도는 저 부하 동안 감소되거나 심지어 정지될 수 있다.
선택적으로, 설명된 본 발명은 공기의 흐름을 대기로 전향시키기 위해 밸브(172)를 개방시키는 라인(191) 상의 신호에 응답하여 제어기에 의해 스위치(221)를 통해 연료 전지 출력 라인(155, 156)에 연결되어 있는 파워 소산 보조 부하(220)(도2)와 연계하여 사용될 수 있다. 보조 부하(220)는 펌프(174)로부터의 공기 흐름이 전향 밸브(172)로, 그리고, 전향 밸브(172)를 통해 배기부로 통과할 때 펌프(174)로부터의 공기 흐름에 의해 냉각될 수 있다. 이는 캐소드 내의 잔류 산소로부터의 에너지의 더 큰 소산을 가능하게 한다.
본 발명의 대안적 선택적 실시예(도3)는 정상 동작 동안, 어떠한 압력 강하도 발생하지 않도록 전향 밸브(172)의 하류에 보조 부하(220)를 배치하지만, 다른 한편, 이 실시예는 보조 부하(220)를 가로지른 압력 강하로 인한 캐소드로의 공기 흐름의 덜 급속한 변화를 수반할 것이다. 보조 부하(220)의 물리적 위치는 보조 부하가 주변 공기에 의해서도 냉각되도록 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 고정식 파워 플랜트 및 다른 유형의 파워 플랜트에 사용될 수도 있다.
Claims (10)
- 에노드(17)와 반응 공기 유동장을 구비하는 캐소드(19)를 양자 교환 멤브레인(16)의 대향 측부들 상에 각각 구비하는 복수의 연료 전지(12)를 포함하는 연료 전지 스택(151)과, 상기 캐소드에 반응 공기를 제공하기 위해 상기 공기 유동장에 연결된 공기 펌프(174)와, 상기 스택에 의해 파워를 공급받는 부하(159)를 포함하는 연료 전지 파워 플랜트이며,전향된 공기가 상기 공기 유동장을 통과하지 않는 상태로 상기 펌프로부터 대기로 공기를 선택적으로 전향시키기 위해 상기 공기 펌프와 상기 공기 유동장(159, 200, 201) 사이에 배치된 전향 밸브(172)와,파워 수요의 감소에 응답하여 상기 펌프로부터 대기로 적어도 공기 중 일부를 전향시키는 방식으로 상기 전향 밸브를 제어하도록 상기 부하의 파워 수요(195)에 응답하는 제어기(185)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 파워 플랜트.
- 제1항에 있어서, 상기 전향 밸브(172)는 상기 부하(159)에 의한 저 수요에 응답하여 모든 공기를 상기 펌프(174)로부터 대기로 전향시키는 연료 전지 파워 플랜트.
- 제1항에 있어서, 상기 전향 밸브(172)는 상기 부하(159)에 의한 상기 수요에 관련하여 공기의 일부를 상기 펌프(174)로부터 대기로 전향시키게 되는 연료 전지 파워 플랜트.
- 제1항에 있어서, 상기 부하에 의한 저 수요를 감지하는 상기 제어기(185)에 응답하여 상기 스택(151)의 파워 출력(155, 156)을 가로질러 연결될 수 있는 보조 부하(220)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 파워 플랜트.
- 제4항에 있어서, 상기 보조 부하(220)는 상기 펌프와 상기 전향 밸브(172) 사이에서 상기 펌프(174)로부터의 공기 흐름 내에 배치되는 연료 전지 파워 플랜트.
- 제4항에 있어서, 상기 보조 부하(220)는 상기 전향 밸브(172)와 대기 사이에서 상기 펌프(174)로부터의 공기 흐름 내에 배치되는 연료 전지 파워 플랜트.
- 제1항에 따른 연료 전지 파워 플랜트를 포함하는 전기 또는 하이브리드 차량이며,상기 부하는 차량 추진 시스템(159)이며,상기 제어기(185)는 상기 차량 추진 시스템(159)으로부터의 시동(193), 속도(194) 및 수요(195) 신호와, 상기 연료 전지 스택(151)의 전압 출력(155, 156) 및 전류 출력(186)에 응답하며,상기 차량 추진 시스템은 상기 신호에 응답하여 상기 제어기(185)에 의해 상 기 연료 전지 스택의 상기 파워 출력에 연결될 수 있는(158) 것을 특징으로 하는 전기 또는 하이브리드 차량.
- 제7항에 있어서, 저 수요를 나타내는 상기 신호(155, 156; 186; 193-195)에 응답하여 상기 제어기(185)에 의해 상기 스택(151)의 파워 출력(155, 156)을 가로질러 연결될 수 있는 보조 부하(220)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
- 제1항에 있어서, 상기 펌프(174)의 속도는 상기 부하로부터의 저 수요에 응답하여 감소되는 연료 전지 파워 플랜트.
- 제9항에 있어서, 상기 펌프는 상기 부하로부터의 저 수요에 응답하여 정지되는 연료 전지 파워 플랜트.
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2005
- 2005-11-29 KR KR1020087013922A patent/KR20080072045A/ko not_active Application Discontinuation
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| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| E601 | Decision to refuse application |