KR20090005191A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템이 탑재된 차량 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템이 탑재된 차량이 시스템으로부터 공급되는 전력을 사용하여 주행하는 경우, 상기 시스템을 형성하는 연료 전지 등의 기결정된 부분이 주행풍에 의해 동결되는 것이 방지되는 연료 전지 시스템이다. 연료 전지 시스템은 차량에 탑재되고, 연료 가스 및 산화 가스를 연료로서 사용하여 전력을 발생시키는 연료 전지를 구비하고, 시스템을 제어하기 위한 제어부도 구비한다. 제어부는, 차량의 속도가 기결정된 임계값 이상이고 연료 전지의 발전 상태에 관한 물리량에 의해 결정되는 기결정된 조건이 만족되는 경우, 연료 전지가 전력을 발생시키고 있는 중이라도 동결 방지 처리가 필요하다고 결정하고 상기 처리를 실행한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템이 탑재된 차량{FUEL CELL SYSTEM AND VEHICLE MOUNTED WITH FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이고, 더욱 특히, 시동시에 있어서 연료 전지의 제어에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은, 추운 기후 영역의 옥외와 같은 저온 환경하에서 장기간 정지 상태가 계속해서 유지된다면, 시스템 내의 수분이 동결할 우려가 있다. 따라서, 종래부터 연료 전지 시스템의 동결을 방지하기 위해 다양한 방법이 제안되어 왔다.
JP 2005-267961A는 전기 자동차에 의해 요구되는 전력, 2차 배터리의 충전 상태 등에 따라 발전 상태와 정지 상태 사이에서 스위칭함으로써, 소위 간헐 운전을 실행하는 연료 전지 시스템에 관한 기술을 개시한다. 이 시스템에 있어서, 연료 전지가 동결할 가능성이 있는 경우, 간헐 운전은 금지되고, 그로 인해 연료 전지의 출력을 증가시켜 동결을 방지한다.
JP 2004-153947A는 연료 전지 시스템 및 엔진이 탑재되는 하이브리드 차량에 관한 기술을 개시한다. 이 기술에 따르면, 외부 온도가 기결정된 기준 온도보다 더 낮은 경우, 연료 전지에 의한 발전은 금지되고 엔진에 의해 원하는 전력이 얻어진 다.
JP 2005-251576A는, 연료 전지 시스템에 있어서, 시스템이 정지되는 동안 연료 전지가 동결할 가능성이 있는 경우 연료 전지 내의 수분을 제거하는 소기 처리를 실행하는 기술을 개시한다.
이 점에 있어서는, 저온 환경하에서, 연료 전지 시스템이 탑재된 차량이 연료 전지 시스템에 의해 발생되는 전력을 사용함으로써 주행하는 경우, 차량의 주행에 관련하여 발생되는 주행풍(relative wind)이 연료 전지 시스템을 형성하는 부품의 동결을 초래할 가능성도 있다.
상술된 바와 같이, 종래부터 연료 전지 시스템의 동결을 방지하기 위한 다양한 방법이 제안되어 왔다.
그러나, 종래 기술의 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 사용하여 차량이 주행하는 경우 주행풍때문에, 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템을 형성하는 부품이 동결할 가능성을 고려하지 않는다.
본 발명은, 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 사용하여 차량이 주행하는 경우, 차량에 탑재되는, 연료 전지와 같은 연료 전지 시스템을 형성하는 기결정된 부분이 주행풍에 의해 동결되는 것을 방지하는 이점이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 차량에 탑재되고 연료 가스 및 산화 가스를 연료로서 사용하여 전력을 발생시키는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템이 제공되고, 동결 방지 처리를 실행하는 동결 방지 처리 수단, 및 차량의 속도가 기결정된 임계 속도 이상이고 연료 전지의 발전 상태에 관한 물리량에 근거하여 결정되는 기결정된 조건이 만족되는 경우, 연료 전지가 전력을 발생시키고 있는 중이라도 동결 방지 처리가 필요하다고 결정하고, 동결 방지 처리를 실행하도록 동결 방지 처리 수단을 제어하는 제어 수단을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기결정된 조건은 외부 공기 온도 및 연료 전지의 출력에 근거하여 결정되는 조건이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기결정된 조건은 외부 공기 온도 및 연료 전지의 온도에 근거하여 결정되는 조건이다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기결정된 조건은 외부 공기 온도 및 연료 전지를 냉각하기 위한 냉각제의 온도에 근거하여 결정되는 조건이다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기결정된 조건은 연료 전지의 출력 및 연료 전지에 의한 전력의 발생시에 소비되는 연료 가스량 또는 산화 가스량에 근거하여 결정되는 조건이다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기결정된 조건은 연료 가스가 통과하는 배관 내의 질소의 농도에 근거하여 결정되는 조건이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 동결 방지 처리 수단은, 연료 가스 또는 산화 가스가 통과하는 배관 내의 유로 저항을 증가시켜 동결 방지 처리를 실행한다.
본 발명의 또 하나의 측면에 따르면, 동결 방지 처리 수단은 연료 가스 또는 산화 가스의 유로 제어를 실행하기 위해 배관에 제공되는 펌프의 회전 속도를 증가시켜, 배관 내의 유로 저항을 증가시킨다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 동결 방지 처리 수단은 연료 가스 또는 산화 가스의 유로 제어를 실행하는 펌프의 출구 부근의 배관에 제공되는 밸브의 개폐량을 조정하여, 펌프로부터 배출되는 연료 가스 또는 산화 가스의 양을 제어하고, 그로 인해 배관 내의 유로 저항을 증가시킨다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 동결 방지 처리 수단은, 연료 전지에 공급되는 연료 가스 또는 산화 가스의 양을 제한하여 동결 방지 처리를 실행한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 동결 방지 처리 수단은, 연료 전지에 의해 발생되는 전력을 증가시켜 동결 방지 처리를 실행한다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 제어 수단은, 동결 방지 처리 수단이 동결 방지 처리를 실행하고 있는 경우, 동결 방지 처리 수단이 동결 방지 처리를 실행하고 있음을 나타내는 정보를 출력한다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 제어 수단은, 동결 방지 처리 수단이 동결 방지 처리를 실행하고 있는 동안에 시스템 정지 요구를 수신하는 경우, 기결정된 경고를 출력한다.
본 발명의 또 하나의 측면에 따르면, 차량은 청구항 제1항에 따른 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 사용하여 구동을 실행하는 구동원을 포함한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지 시스템이 탑재되는 차량이 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 사용하여 주행하는 경우 발생되는 주행풍에 의해 야기되는, 연료 전지와 같은 연료 전지 시스템을 형성하는 기결정된 부분의 동결을 억제하는 것이 가능하다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들이, 첨부한 도면과 관련하여, 아래 설명에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 개략도이며;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 배관 배치를 주로 포함하는 구성을 도시하는 도면이며;
도 3은 주행풍에 의해 야기되는 연료 전지와 같은 기결정된 부분의 동결을 방지하기 위해 제어부에 의하여 실행되는 처리 절차를 도시하는 흐름도이며;
도 4는 제어부가 동결 방지 처리의 필요를 결정하는 경우 참조하는, 전지 출력 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하는 참조 맵의 일례를 도시하는 도면이며;
도 5는 제어부가 동결 방지 처리의 필요를 결정하는 경우 참조하는, 냉각제 온도 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하는 참조 맵의 일례를 도시하는 도면이며;
도 6은 제어부가 동결 방지 처리의 필요를 결정하는 경우 참조하는, 전지 출력, 차량 속도 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하는 참조 맵의 일례를 도시하는 도면이며;
도 7은 제어부가 동결 방지 처리의 필요를 결정하는 경우 참조하는, 냉각제 온도, 차량 속도 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하는 참조 맵의 일례를 도시하는 도면이며;
도 8은 제어부가 동결 방지 처리의 필요를 결정하는 경우 참조하는, 공기 압축기의 공기 출구 부근의 온도, 공기 압축기의 회전 속도 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하는 참조 맵의 일례를 도시하는 도면이며;
도 9는 제어부가 동결 방지 처리의 필요를 결정하는 경우 참조하는, 공기 압축기를 구동하기 위한 모터 출력, 공기 압축기의 회전 속도 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하는 참조 맵의 일례를 도시하는 도면이며;
도 10은 제어부가 동결 방지 처리의 필요를 결정하는 경우 참조하는, 공기 압축기를 구동하는 모터의 온도, 공기 압축기의 회전 속도 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하는 참조 맵의 일례를 도시하는 도면이며;
도 11은 밸브의 동결에 의해 야기되는 밸브 출구 포트 부근에 있어서 배관 내의 압력의 저하를 설명하기 위한 도면이며;
도 12는 제어부가 동결 방지 처리의 필요를 결정하는 경우 참조하는, 수소 소비량 및 전지 출력을 파라미터로서 사용하는 참조 맵의 일례를 도시하는 도면이며;
도 13은 제어부가 동결 방지 처리의 필요를 결정하는 경우 참조하는, 순환 유로의 배관 내의 온도 및 냉각제 온도를 파라미터로서 사용하는 참조 맵의 일례를 도시하는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 개략도이다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 모터(전기 모터)에 의해 구동되는 차량에 전원으로서 탑재된다. 연료 전지 시스템은, 사용자가 이그니션키를 턴온하는 경우 작동되고, 사용자에 의해 실행되는 액셀러레이터 조작량에 따라 전력을 발생시킨다. 그 다음에 차량은 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 사용하여 주행할 수 있다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(10)은 연료 가스 공급 장치(42), 산화 가스 공급 장치(73), 연료 전지(20) 및 제어부(80)를 주로 포함한다. 연료 가스는 예컨대, 수소 가스이다. 산화 가스는 예컨대, 공기이다. 제어부(80)는 사용자로부터의 시스템 작동 신호 및 시스템 정지 신호를 수신하고, 이들 신호에 따라 시스템의 작동 및 정지를 제어한다. 제어부(80)는 액셀러레이터 센서(84)에 의해 검출되는 액셀러레이터 개도로부터 연료 전지(20)의 요구 발전량도 획득하고, 원하는 발전량이 획득되도록 연료 가스 공급 장치(42) 및 산화 가스 공급 장치(73)를 제어하고, 그로 인해 연료 전지(20)에 공급되는 연료 가스 유량 및 산화 가스 유량을 조정한다. 또한, 제어부(80)는, 아래에 상세하게 설명될 바와 같이, 도 3에 도시된 흐름도의 처리를 실행하는 경우 외부 공기 온도 센서(86)에 의해 검출된 외부 공기 온도에 관한 정보를 이용한다.
도 2는 배관이 주로 도시된 연료 전지 시스템(10)의 시스템 구성을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지(20)에 연료 가스 를 공급하기 위한 연료 가스 공급 라인, 연료 전지(20)에 산화 가스를 공급하기 위한 산화 가스 공급 라인, 및 냉각제에 의하여 연료 전지(20)를 냉각 또는 워밍업하기 위한 냉각제 공급 라인을 포함한다.
연료 전지(20)는 연료 가스인 수소와 산화 가스인 산소 사이의 전기화학 반응을 통하여 전력을 발생시키는 적층된 셀(cell)로 형성된다. 각 셀은 그것들 사이에 개재된 전해질막과 함께 수소 전극(이하, 애노드로 지칭) 및 산소 전극(이하, 캐소드로 지칭)을 배치함으로써 형성된다. 본 실시예에서는 나피온(Nafion)(등록 상표)과 같은 고체 고분자막을 전해질막으로서 포함하는 고체 고분자 셀이 일례로서 설명될 것이지만, 본 발명은 이러한 구성에 제한되지 않고 다양한 종류의 셀에 적용 가능하다.
연료 전지 시스템(10)의 냉각제 공급 라인은 냉각제를 순환시키기 위한 냉각제 유로(31), 연료 전지(20)로부터 배출되는 냉각제의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(32), 냉각제로부터의 열을 외부에 방열하기 위한 라디에이터(33), 라디에이터(33)에 유입하는 냉각제의 양을 조정하기 위한 밸브(34), 및 냉각제를 가압하고 순환시키기 위한 펌프(35)를 포함한다. 밸브(34)는, 연료 전지(20)를 냉각하는 경우, 제어부(80)의 제어하에서 라디에이터(33)에 유입하는 냉각제의 양을 증가시키도록 사용되고, 그로 인해 라디에이터(33)에 의해 냉각된 냉각제를 연료 전지(20)에 공급한다. 한편, 연료 전지(20)를 워밍업하는 경우, 밸브(34)는 제어부(80)의 제어하에서 라디에이터(33)에 유입하는 냉각제의 양을 감소시키도록 사용되고, 그로 인해 라디에이터(33)에 의한 냉각이 억제된 냉각수를 연료 전지(20)에 공급한 다.
연료 전지 시스템(10)의 연료 가스 공급 라인에는, 애노드에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 유로(41), 및 애노드로부터 배출되는 연료 오프-가스를 연료 가스 유로(41)에 순환시키기 위한 순환 유로(51)가 배치된다.
연료 가스 유로(41)에는, 연료 가스 공급 장치(42)로부터 연료 가스의 공급/정지를 제어하는 차단 밸브(43), 연료 가스의 압력을 검출하는 압력 센서(44), 연료 가스의 압력 조정을 실행하는 레귤레이터(45), 연료 전지(20)의 연료 가스 입구 포트를 개폐하는 차단 밸브(46) 등이 제공된다. 연료 가스 공급 장치(42)는 고압 수소 탱크, 수고 흡장 합금, 개질기 등으로 형성된다.
순환 유로(51)에는, 연료 오프-가스를 배출하기 위한 차단 밸브(52), 모터에 의해 구동되는 순환 펌프(55), 및 순환 유로(51)를 향한 연료 가스 유로(41)의 연료 가스의 역류를 방지하는 역류 밸브(56)가 제공된다. 순환 펌프(55)는, 제어부(80)의 제어하에서, 애노드를 통과하는 경우 압력 손실을 겪은 연료 오프-가스를 압축하여 적절한 가스 압력까지 연료 오프-가스의 압력을 상승시키고, 그 후에, 연료 가스 유로(41)를 통하여 가스를 순환시킨다. 그 다음에, 연료 오프-가스는 연료 가스 공급 장치(42)로부터 공급되는 연료 가스와 합류하고, 장래의 재이용을 위해 연료 전지(20)에도 공급된다.
순환 유로(51)는 연료 가스 순환 라인으로부터 배기되는 연료 오프-가스를, 희석기(예를 들어, 수소 농도 감소 장치)(62)를 매개로 하여 차량의 외부로 배출하기 위한 배출 유로(61)로 분기한다. 배출 유로(61)에는 배출 밸브(63)가 제공된다. 배출 밸브(63)의 개폐에 의하여, 연료 전지(20) 내의 반복적인 순환에 기인하여 증가된 불순물 농도를 가지는 연료 오프-가스가 외부에 배출될 수 있고, 신규의 연료 가스가 도입될 수 있어 그로 인해 연료 전지의 전압의 저하를 방지한다. 또한, 배출 밸브(63)의 개폐에 의하여, 순환 유로(51)의 내부 압력에 맥동이 발생되어, 가스 유로에 축적된 수분이 제거될 수 있다. 즉, 배출 밸브(63)의 개폐에 의하여, 연료 가스 공급 라인에 있어서 소기 처리가 실현될 수 있다.
한편, 연료 전지 시스템(10)의 산화 가스 공급 라인에는, 캐소드에 산화 가스를 공급하기 위한 산화 가스 유로(71) 및 캐소드로부터 배기되는 캐소드 오프-가스를 배출하기 위한 캐소드 오프-가스 유로(72)가 배치된다. 산화 가스 유로(71)는 대기로부터 흡수된 공기에 포함되는 먼지 입자를 제거하는 에어 필터(74) 및 모터에 의해 구동되는 공기 압축기(75)로 형성되고, 압축 공기를 산화 가스로서 산화 가스 유로(71)에 공급하는 산화 가스 공급 장치(73)를 포함한다. 또한, 산화 가스 공급 장치(73)의 하류에 배치되는 가습기(76)는, 연료 전지(20)의 전지 반응에 의해 발생되는 수분 때문에 고습윤 상태가 되는 캐소드 오프-가스와 대기로부터 흡수된 비습윤 또는 건조한 상태의 산화 가스 사이에서 수분 교환을 행한다. 캐소드의 배압은 캐소드 오프-가스 유로(72)에 배치되는 압력 조절 밸브(77)에 의하여 거의 일정한 압력으로 조절된다. 캐소드 오프-가스 유로(72)를 통과하는 캐소드 오프-가스는 기체-액체 분리기, 머플러(muffler) 등을 통하여 차량의 외부로 배출되고, 또는 캐소드 오프-가스의 일부는, 캐소드 오프-가스가 그 내부에 축적된 연료 오프-가스와 혼합되는 희석기(62)에 유입하여 연료 오프-가스를 희석하고, 그 후에 차량 외부로 배출된다.
또한, 산화 가스 유로(71)에는, 가습기(76)를 우회하는 우회 유로(78)가 배치된다. 우회 유로(78)를 매개로 하여 연료 전지(20)에 공급되는 건조한 공기에 의하여, 연료 전지(20)의 내부 유로 등에 잔존하는 수분이 제거될 수 있다. 더욱 구체적으로, 우회 유로(78)를 매개로 하여 연료 전지(20)에 건조한 공기를 공급함으로써, 산화 가스 공급 라인에 있어서 소기 처리가 실현될 수 있다.
제어부(80)는, 내부에 CPU, RAM 및 ROM을 포함하는 마이크로컴퓨터로서 구성되고, ROM에 기억되는 프로그램에 따라 연료 전지 시스템(10)의 각 부분의 동작을 제어한다. 제어부(80)는, 각 유로에 배치되는 온도 센서(T) 및 압력 센서(P)로부터의 센서 신호를 수신하고, 전지 운전의 상태(예를 들어, 전력 부하)에 따라서 각 모터를 구동하여 순환 펌프(55) 및 공기 압축기(75)의 회전 속도를 조정하고, 또한 다양한 밸브의 개폐를 제어하거나 또는 밸브의 개도량을 조정한다.
본 실시예에 따르면, 상술된 바와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(10)이 탑재되는 차량이, 연료 전지 시스템(10)으로부터 공급되는 전력을 사용하여 주행하는 경우, 주행풍에 의한 연료 전지(20)와 같은 기결정된 부분의 동결이 억제될 수 있다.
도 3은, 본 실시예에 따르는, 주행풍에 의해 야기되는 연료 전지(20)와 같은 기결정된 부분의 동결을 방지하기 위해 제어부(80)에 의하여 실행되는 처리 절차를 도해하는 흐름도이다. 제어부(80)는, 연료 전지(20)가 전력을 발생시키고 차량이 기결정된 속도 Vt(예를 들어, Vt > 0) 이상으로 주행하고 있는 동안, 기결정된 간 격으로 도 3에 도시된 처리 절차를 실행한다.
도 3을 참조하면, 제어부(80)는, 외부 공기 온도가 저온인지 여부를 결정한다(S100). 더욱 구체적으로, 제어부(80)는, 외부 공기 온도를 검출하는 외부 온도 센서(86)로부터 취득된 외부 공기 온도 정보에 근거하여 외부 공기 온도가 기결정된 임계 온도(예를 들어, 2 ℃) 이하인지 여부를 결정하고, 외부 공기 온도가 기결정된 임계 온도 이하인 경우에, 외부 공기 온도를 저온이라고 결정한다. 만약 외부 공기 온도가 저온이라면(즉, 단계 S100에서의 결정 결과가 긍정 "Y"인 경우), 그때 제어부(80)는, 연료 전지 시스템(10)을 형성하는 기결정된 부분의 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정한다(S102). 이 단계에서의 결정 방법은 아래에서 상세히 설명될 것이다. 만약 단계 S104에서 결정의 결과로서 동결 방지 처리가 필요하다고 결정된다면(즉, 단계 S104에서의 결정 결과가 긍정 "Y"인 경우), 제어부(80)는, 연료 전지 시스템(10)을 형성하는 기결정된 부분이 동결되는 것을 방지하기 위해 동결 방지 처리를 실행한다(S106). 동결 방지 처리의 구체적인 일례에 대해서도 아래에서 상세히 설명될 것이다. 한편, 만약 외부 공기 온도가 기결정된 임계 온도보다 더 높다면(즉, 단계 S100에서의 결정 결과가 부정 "N"인 경우), 제어부(80)는 동결 방지 처리를 실행하지 않고 처리를 종료한다. 여기서, 제어부(80)가 동결 방지 처리를 실행하는 경우, 동결 방지 처리가 실행되고 있음을 나타내는 메세지가 계기판(dashboard)상에 표시될 수 있고, 또는 내비게이션 시스템에 사용되는 스크린상에 표시될 수도 있다.
여기서, 만약 동결 방지 처리가 실행되고 있는 동안에 사용자가 이그니션 스 위치를 턴오프하여 연료 전지 시스템(10)을 정지시킨다면, 기결정된 부분에 관한 동결 방지 처리가 불충분하기 때문에, 시스템의 정지 후에 해당 기결정된 부분이 동결할 가능성이 있다. 이러한 상황을 회피하기 위해, 동결 방지 처리가 실행되고 있는 동안 사용자로부터 이그니션 스위치를 매개로 하여 시스템 정지 요구 신호를 수신한 경우, 시스템이 정지된다면 연료 전지 시스템(10)이 동결할 가능성이 있음을 사용자에게 알려주도록 경고가 발생될 수도 있다. 또한, 만약 아래에 상세히 설명될 동결 방지 처리의 실행 후에도 기결정된 부분의 동결이 방지될 수 없다면, 차량이 계속해서 주행하는 경우 연료 전지 시스템(10)이 동결하여 결함이 야기될 가능성이 있음을 사용자에게 알려주도록 경고가 발생될 수도 있다.
상술된 바와 같이, 제어부(80)는, 연료 전지(20)가 전력을 발생시키고 차량이 기결정된 임계 속도 이상으로 주행하고 있는 동안, 필요에 따라 동결 방지 처리를 실행하여, 주행풍에 의해 야기되는 연료 전지(20)와 같은 기결정된 부분의 동결이 억제될 수 있다. 연료 전지(20)와 같이 발전에 관련하여 열을 발생시키는 열원으로부터 상대적으로 떨어져 위치하는 시스템의 일부는, 저온 환경하에서 주행풍에 의해 동결되기 쉽다. 그러나, 본 실시에에 따르면, 열원으로부터 떨어져 위치하는 기결정된 부분의 주행풍에 의해 야기되는 동결이 억제될 수 있다.
여기서, 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정하는 방법이 설명될 것이다.
제어부(80)는, 연료 전지의 발전 상태에 관한 기결정된 조건이 만족되는 경우, 연료 전지 시스템(10)을 형성하는 기결정된 부분이 동결되거나 또는 동결될 우려가 있기 때문에, 동결 방지 처리가 필요하다고 결정한다. 이하, 연료 전지의 발 전 상태에 관한 기결정된 조건의 구체적인 일례가 설명될 것이다.
예를 들어, 연료 전지(20)의 출력이 외부 공기 온도에 관계하여 예상되는 기준 출력보다 더 낮은 경우, 연료 전지(20) 내의 전해질막 등의 동결 때문에 연료 전지 시스템(10)의 정상 발전이 실행되지 않을 가능성이 있다. 따라서, 제어부(80)는, 예를 들어, 도 4에 도시된 참조 맵을 참조하여, 전지 출력 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하여 획득될 수 있는 참조 맵상의 위치가 동결 영역 또는 비동결 영역인지 여부를 결정한다. 그 다음에, 만약 해당 위치가 동결 영역에 포함된다면, 제어부(80)는 동결 방지 처리가 필요하다고 결정할 수 있다. 여기서, 전지 출력은, 연료 전지(20)로부터 출력되는 전압 및 연료 전지(20)의 전류를 각각 측정하기 위해 연료 전지 시스템(10)에 제공되는 전압 센서 및 전류 센서에 의해 측정되는 전압 및 전류를 사용하여 획득될 수 있다.
또한, 연료 전지(20)로부터 배출되는 냉각제의 온도가 외부 공기 온도에 관계하여 예상되는 기준 온도보다 더 낮은 경우, 연료 전지(20) 등이 동결되어 있을 가능성이 있다. 따라서, 제어부(80)는, 예를 들어, 도 5에 도시된 참조 맵을 참조하여, 상술된 것과 유사한 방식으로 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정한다.
또한, 차량의 주행 속도가 빨라질수록 주행풍의 풍량이 많아져, 동결의 가능성이 높아지게 된다. 게다가, 외부 공기 온도가 낮아질수록 주행풍에 의한 동결의 가능성이 높아지게 된다. 또한, 동결 상태의 연료 전지(20)의 출력은 비동결 상태의 그것과 비교했을 때 저하된다. 그러므로, 만약 연료 전지(20)의 출력이 차량 속도 및 외부 공기 온도에 관계하여 예상되는 기준 전지 출력보다 더 낮다면, 연료 전지(20) 등이 동결될 가능성이 있다. 따라서, 제어부(80)는 도 6에 도시된 참조 맵을 참조하여, 차량 속도, 외부 공기 온도 및 전지 출력을 파라미터로서 사용하여 획득될 수 있는 참조 맵상의 위치를 근거로, 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 냉각제의 온도가 외부 공기 온도에 관계하여 예상되는 기준 온도보다 더 낮은 경우, 연료 전지(20) 등이 동결할 가능성이 있고, 차량 속도가 증가할수록 동결의 가능성이 증가한다. 따라서, 제어부(80)는 도 7에 도시된 참조 맵을 참조하여, 차량 속도, 외부 공기 온도 및 냉각제 온도를 파라미터로서 사용하여 획득될 수 있는 참조 맵상의 위치를 근거로, 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 공기 압축기(75)의 출구 포트 부근의 공기 배관의 내부 압력이 예상되는 기준 압력보다 더 높은 경우, 공기 압축기(75)의 하류의 산화 가스 공급 라인에 배치되는 밸브 등이 동결되기 쉽다. 따라서, 제어부(80)는, 공기 배관 내부 압력이 기준 압력보다 더 높은 경우, 동결 방지 처리가 필요하다고 결정할 수 있다.
또한, 공기 압축기(75)에 의해 압축되고 상승된 온도를 가지는 공기가, 밸브 등의 동결에 의해 야기되는 배관 내의 유로 저항 때문에, 공기 압축기(75)로부터 배출하기 어려워지므로, 다시 한번 압축되어 압축된 공기의 새로운 온도 상승을 초래하는 경우가 있다. 즉, 공기 압축기(75)의 출구 포트 부근에 있어서 공기 배관 내의 온도(이하, "외부 출구 온도"로 지칭)가 공기 압축기(75)의 회전 속도 및 외부 공기 온도에 관계하여 예상되는 기준 온도보다 더 높은 경우, 상기 일례와 같이 밸브 등이 동결되어 있을 가능성이 있다. 따라서, 제어부(80)는 도 8에 도시된 참조 맵을 참조하여, 공기 압축기(75)의 공기 출구 온도, 공기 압축기(75)의 회전 속도 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하여 획득될 수 있는 참조 맵상의 위치를 근거로, 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 밸브 등의 동결 때문에 공기 압축기(75)로부터 공기를 배출하는 것이 어려워지고 배관 내의 유로 저항이 증가하는 경우, 공기 압축기(75)를 구동하는 구동 모터의 출력의 증가를 초래한다. 따라서, 구동 모터의 출력이 공기 압축기(75)의 회전 속도에 관계하여 예상되는 기준 출력보다 더 높은 경우, 밸브 등이 동결되 있을 가능성이 있다. 그러므로, 제어부(80)는 도 9에 도시된 참조 맵을 참조하여, 공기 압축기(75)를 구동하는 구동 모터의 출력, 공기 압축기(75)의 회전 속도 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하여 획득될 수 있는 참조 맵상의 위치를 근거로, 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정할 수 있다.
유사하게, 밸브 등의 동결에 의해 야기되는, 공기 압축기(75)를 구동하는 구동 모터의 출력의 증가에 의해서, 구동 모터의 온도도 통상 상태의 구동 모터의 온도와 비교했을 때 증가한다. 따라서, 제어부(80)는 도 10에 도시된 참조 맵을 참조하여, 공기 압축기(75)를 구동하는 모터의 온도, 공기 압축기(75)의 회전 속도 및 외부 공기 온도를 파라미터로서 사용하여 획득될 수 있는 참조 맵상의 위치를 근거로, 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(10)을 구성하는 각 유로에 배치되는 다양한 밸브가 동결되는 경우, 밸브의 정상적인 개폐 작동이 실행될 수 없어 밸브의 출구 포트 부근에 있어서 배관 내부 압력의 상승이 예상되는 기준 압력까지 도달하지 못하는 경우가 있다. 따라서, 제어부(80)는, 밸브의 개폐에 따라 상승하는 밸브 출구 포트 부근의 배관 내부 압력이 예상되는 기준 압력에 도달했는지 여부를 결정하고, 그 다음에 만약 배관 내부 압력이 기준 압력에 도달하지 않았다면 동결 방지 처리가 필요하다고 결정할 수도 있다.
더욱이, 연료 가스 공급 라인에 있어서 순환 유로(51)에 배치되는 밸브가 동결되는 경우, 순환 유로(51)의 배관 내부 압력(예를 들어, 압력 센서 P57)이 저하되는 경우가 있다. 따라서, 제어부(80)는, 순환 유로(51)의 배관 내부 압력이 기결정된 기준 압력보다 더 낮은 경우 동결 방지 처리가 필요하다고 결정할 수도 있다.
또한, 연료 가스 공급 라인에 있어서 순환 유로(51)에 배치되는 밸브의 동결 때문에 배관 내의 질소 농도가 증가하는 경우가 있다. 따라서, 제어부(80)는, 배관 내의 질소 농도가 기결정된 기준 농도보다 더 높은 경우 동결 방지 처리가 필요하다고 결정할 수도 있다. 여기서, 배관 내의 질소 농도는 예를 들어, 수소와 질소 사이의 압력 손실의 차이를 사용하여 추정될 수 있다. 구체적으로, 밀도 및 점도의 차이에 따라서, 질소의 압력 손실은 수소의 압력 손실보다 4배가 높기 때문에, 연료 전지(20) 내의 연료 가스 중의 질소 농도의 증가에 의해서, 연료 전지(20)로 연료 가스를 공급하기 위한 입구 포트 부근과 출구 포트 사이의 압력 차이는 증가한다. 따라서, 제어부(80)는, 입구 포트 부근에 제공되는 압력 센서에 의해 측정되는 압력과 출구 포트 부근에 제공되는 압력 센서에 의해 측정되는 압력 사이의 차이를 검출함으로서 질소 농도를 추정할 수 있다.
또한, 연료 가스 공급 라인에 있어서, 예를 들어, 순환 유로(51)에 배치되는 밸브가 동결되는 경우, 동결된 밸브로부터의 수소 누출 등에 의하여 수소의 소비량이 증가하는 경우가 있다. 따라서, 제어부(80)는 도 12에 도시된 참조 맵을 참조하여, 연료 전지(20)의 출력 및 수소 소비량을 파라미터로서 사용하여 획득될 수 있는 참조 맵상의 위치를 근거로, 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정할 수 있다. 여기서, 산화 가스 공급 라인에 배치되는 밸브가 동결되는 경우, 산소 소비량이 증가할 수도 있다. 따라서, 제어부(80)는, 산소 소비량이 전지 출력에 관계하여 예상되는 기준 산소 소비량보다 더 많은 경우 동결 방지 처리가 필요하다고 결정할 수도 있다.
또한, 연료 가스 공급 라인에 있어서 순환 유로에 배치되는 밸브가 동결되는 경우, 순환 유로(51)의 배관 내의 온도는 연료 전지(20)로부터 배출되는 냉각제의 온도에 관계하여 예상되는 기준 온도보다 더 낮아지게 된다. 따라서, 제어부(80)는 도 13에 도시된 참조 맵을 참조하여, 연료 전지(20)로부터 배출되는 냉각제의 온도 및 순환 유로(51)의 배관 내의 온도를 파라미터로서 사용하여 획득될 수 있는 참조 맵상의 위치를 근거로, 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정할 수 있다.
상술된 결정 방법 중 적어도 하나를 사용함으로써, 제어부(80)는 동결 방지 처리가 필요한지 여부를 결정할 수 있다.
이하, 동결 방지 처리가 설명될 것이다.
제어부(80)는, 예를 들어, 연료 전지(20)를 저효율로 운전함으로써 연료 전지(20)의 발열을 촉진하고, 이렇게 발생된 열을 이용하여 연료 전지(20) 등의 동결 을 억제한다. 여기서, 연료 전지(20)의 저효율 운전은, 연료 전지(20)에 의해 발생되는 요구 전력량에 대하여, 통상 운전시에 필요한 산소량보다 연료 전지(20)에 공급되는 산소량을 감소시킴으로써 실현될 수 있다.
또한, 냉각제를 순환시키기 위한 냉각제 유로(31)에 히터를 제공하고 연료 전지(20)에 의해 발생되는 전력에 의하여 히터를 작동하여 냉각제를 가열하고, 가열된 냉각제를 사용함으로써 연료 전지(20)를 가열하여, 그로 인해 냉각을 억제하는 것이 가능하다. 즉, 연료 전지(20)의 출력 증가에 관련하여 발생되는 열 및 가열된 냉각제를 사용하여, 연료 전지(20) 등의 동결이 억제될 수 있다.
또한, 공기 압축기(75)에 의해 압축되고 상승된 온도를 가지는 공기를 공기 압축기(75)로부터 배출하기 어려워지는 경우, 공기는 공기 압축기(75)에 의해 재차 압축되어, 그로 인해 상술된 바와 같이, 공기 온도의 새로운 상승을 초래한다. 이러한 점을 고려하여, 예를 들어, 모터에 의해 구동되는 버터플라이 밸브는 공기 압축기(75)의 공기 출구 포트 부근에 미리 배치되고, 동결 방지를 위해 사용된다. 구체적으로, 이 밸브의 폐쇄에 의하여, 배관 내의 유로 저항이 증가하고, 공기 압축기(75)에 의해 압축되고 그 온도가 상승된 공기를 공기 압축기(75)로부터 배출하는 것을 어렵게 만들고, 공기 압축기(75)로부터 출력되는 공기의 온도를 더욱 상승하게 한다. 이러한 공기 온도의 상승에 의하여, 산화 가스 공급 라입에 배치되는 밸브 등의 동결이 억제될 수 있다. 즉, 제어부(80)는, 공기 압축기(75)의 공기 출구 포트 부근에 제공되는 버터플라이 밸브를 폐쇄함으로써 동결 방지 처리를 실현할 수 있다. 또한, 순환 펌프(55)의 수소 출구 포트 부근에 상술된 바와 같은 버터플 라이 밸브를 제공하고 밸브의 폐쇄를 조정하여, 그로 인해 연료 가스 공급 라인에 배치되는 밸브 등의 동결을 억제하는 것도 가능하다. 냉각제용 펌프(35)에도 유사한 구성이 적용될 수 있다.
또한, 공기 압축기(75), 순환 펌프(55), 냉각제용 펌프(35) 등을 포함하는 펌프의 회전 속도를 통상 작동시의 회전 속도보다 증가시킴으로써, 상술된 바와 같이 버터플라이 밸브가 폐쇄되는 경우와 유사하게, 배관 내의 유로 저항의 증가가 실현될 수 있다. 그 결과, 제어부(80)는 펌프의 회전 속도를 증가시킴으로써 각 라인에 배치되는 밸브 등의 동결을 억제할 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 제어부(80)는, 만약 연료 전지(20)가 전력을 발생시키고 차량이 기결정된 임계 속도 이상으로 주행하고 있는 동안 상술된 바와 같은 연료 전지(20)의 발전 상태에 관한 기결정된 조건이 만족된다면, 동결 방지 처리가 필요하다고 결정하고, 상술된 바와 같이 동결 방지 처리를 행한다. 결과적으로, 주행풍에 의해 야기되는, 연료 전지(20)와 같은 기결정된 부분의 동결이 억제될 수 있다.

Claims (14)

  1. 차량에 탑재되고, 연료 가스 및 산화 가스를 연료로서 사용하여 전력을 발생시키는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    동결 방지 처리를 실행하는 동결 방지 처리 수단, 및
    상기 차량의 속도가 기결정된 임계 속도 이상이고, 상기 연료 전지의 발전 상태에 관한 물리량에 근거하여 결정되는 기결정된 조건이 만족되는 경우, 상기 연료 전지가 전력을 발생시키고 있는 중이라도 상기 동결 방지 처리가 필요하다고 결정하고, 상기 동결 방지 처리를 실행하도록 상기 동결 방지 처리 수단을 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기결정된 조건은 외부 공기 온도 및 상기 연료 전지의 출력에 근거하여 결정되는 조건인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기결정된 조건은 외부 공기 온도 및 상기 연료 전지의 온도에 근거하여 결정되는 조건인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기결정된 조건은 외부 공기 온도 및 상기 연료 전지를 냉각하기 위한 냉각제의 온도에 근거하여 결정되는 조건인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기결정된 조건은 상기 연료 전지의 출력 및 상기 연료 전지에 의한 전력의 발생시에 소비되는 연료 가스량 또는 산화 가스량에 근거하여 결정되는 조건인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기결정된 조건은 상기 연료 가스가 통과하는 배관 내의 질소의 농도에 근거하여 결정되는 조건인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 동결 방지 처리 수단은, 상기 연료 가스 또는 상기 산화 가스가 통과하는 배관 내의 유로 저항을 증가시켜 상기 동결 방지 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 동결 방지 처리 수단은, 상기 연료 가스 또는 상기 산화 가스의 유로 제어를 실행하기 위해 상기 배관에 제공되는 펌프의 회전 속도를 증가시켜 상기 배 관 내의 상기 유로 저항을 증가시키는 것을 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 동결 방지 처리 수단은, 상기 연료 가스 또는 상기 산화 가스의 유로 제어를 실행하는 펌프의 출구 부근의 배관에 제공되는 밸브의 개폐량을 조정하여, 상기 펌프로부터 배출되는 연료 가스 또는 산화 가스의 양을 제어하고, 그로 인해 상기 배관 내의 상기 유로 저항을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 동결 방지 처리 수단은, 상기 연료 전지에 공급되는 연료 가스 또는 산화 가스의 양을 제한하여 상기 동결 방지 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 동결 방지 처리 수단은, 상기 연료 전지에 의해 발생되는 전력을 증가시켜 상기 동결 방지 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 동결 방지 처리 수단이 상기 동결 방지 처리를 실행 하고 있는 경우, 상기 동결 방지 처리 수단이 상기 동결 방지 처리를 실행하고 있음을 나타내는 정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 동결 방지 처리 수단이 상기 동결 방지 처리를 실행하고 있는 동안에 시스템 정지 요구를 수신하는 경우, 기결정된 경고를 출력하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  14. 제1항에 따른 연료 전지 시스템 및 상기 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 사용하여 구동하는 구동원을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
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