KR20090042290A - 연료전지시스템, 연료전지시스템의 제어방법 및 이동체 - Google Patents

연료전지시스템, 연료전지시스템의 제어방법 및 이동체 Download PDF

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Abstract

촉매활성화처리시에 산화가스공급이 정지되고, 연료전지(100)의 출력전압이 환원목표전압을 향해 선형으로 감소된다. 일단 활성화처리의 중지 조건이 만족되었다면, 컨버터(41)의 전압지령값이 대기전압으로 되돌아간다. 상기 연료전지(100)의 출력전압이 대기전압 근처까지 회복될 때, 컴프레서(20)는 동작되어 산화가스의 공급을 개시하고, 촉매활성화처리가 종료된다. 그 결과, 연료전지(100)의 출력전력의 급상승에 기인하는 배터리(40)의 과충전을 회피하게 된다.

Description

연료전지시스템, 연료전지시스템의 제어방법 및 이동체{FUEL CELL SYSTEM, METHOD FOR CONTROLLING THE FUEL CELL SYSTEM, AND MOBILE OBJECT}
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축전장치의 과충전을 회피하면서, 연료전지의 촉매층을 활성화하는 처리를 확실하게 중단시킬 수 있는 연료전지시스템을 제어하기 위한 기술에 관한 것이다.
연료전지시스템에서는, 상기 시스템의 운전시, 연료전지의 촉매층에 의해 산소가 흡착됨에 따라 연료전지의 출력전압이 저하된다. 이 경우, 종래에는 연료전지로의 산소의 공급이 일시적으로 정지되어, 상기 연료전지의 출력전압이 촉매층의 환원영역으로 저하됨으로써, 연료전지스택의 촉매층을 활성화시키는 처리가 행해졌다(즉, 환원처리가 행해짐).
이러한 활성화처리의 초기 단계로서, 산화가스(예컨대, 공기)의 공급이 정지된 다음, 상기 연료전지의 출력전압을 목표환원전압값으로 낮추기 위한 제어가 행해진다.
또한, 상기 제어는 연료전지의 출력전압을 목표환원전압값으로 저감시키는 과정시에 활성화처리를 종료하여야 할 때, 산화가스(예컨대, 공기)의 공급이 즉시 재개되도록 수행된다. 이러한 활성화처리의 종료 필요성은 예컨대 연료전지의 전해 질막에 크로스리크(cross leak)가 발생하여, 연료가스(예컨대, 수소)가 애노드극(연료가스가 공급되는 전극)으로부터 캐소드극(산화가스가 공급되는 전극)으로 누설할 때 발생할 수 있다. 따라서, 연료전지의 전해질은 산화가스 또는 연료가스와의 양 극들의 접촉 면적을 확대하기 위한 다공질 재료로 구성되기 때문에, 크로스리크가 발생할 가능성이 있다.
연료전지의 출력전압의 상한은 상기 연료전지의 출력전압의 상한을 설정할 수 있는 전압변환유닛(예컨대, 컨버터)에 의해 제한된다.
일본특허출원공개공보 제2005-346979호에 개시된 연료전지들의 촉매활성화처리에 관련된 기술에 따르면, 하이브리드연료전지를 구성하는 리저브장치로서 저전압배터리가 사용되고, 연료전지의 촉매활성화처리시에 전압의 저하를 추종하여 증가하는 잉여 전력이 배터리로 충전됨으로써, 상기 잉여 전력을 효과적으로 이용하게 된다.
이러한 촉매활성화처리에 관련된 또 다른 기술로서, 일본특허출원공개공보 제2003-115318호는 전지전압을 0.6 V 이하로 낮추어 큰 전류를 흐르게 함으로써 산소의 환원 반응을 유도하여, 백금촉매층을 활성화시키는 기술을 개시하고 있다.
하지만, 상술된 종래의 기술에 의하면, 연료전지의 촉매층을 활성화하기 위하여 연료전지의 출력전압을 목표환원전압으로 낮추는 과정시에 활성화처리가 중지될 때, 상술된 바와 같이, 상기 제어가 산화가스의 공급을 즉시 재개하기 위하여 수행된다. 그러므로, 산화가스의 공급이 재개될 때, 연료전지의 출력전압이 대기전압 미만으로 강하된다. 연료전지의 출력전압이 대기전압보다 낮은 상태에서 산화가 스의 공급이 재개되는 경우, 상기 연료전지의 출력전력이 급상승하여, 때때로 2차전지와 같은 축전장치의 과충전을 초래하기도 한다.
여기서, 활성화처리가 중지되는 경우로는, 연료전지의 전해질막에서 크로스리크가 발생하여 연료가스(예컨대, 수소)가 애노드(연료가스)극측으로부터 캐소드(산화가스)극측으로 누설되는 경우를 생각해 볼 수 있다. 이 경우, 배기가스 내의 연료가스(예컨대, 수소)의 농도를 저감시키기 위하여 대량의 산화가스(예컨대, 공기)가 캐소드극으로 공급되어야 한다. 하지만, 촉매활성화처리 중에 대량의 산화가스(예컨대, 공기)가 캐소드극으로 공급되는 경우(이하, "리프레시"라고 함)에는, 연료전지에 의해 발생되는 전력이 급상승하여, 축전장치로 충전가능한 잉여 전력이 발생하게 된다. 특히, 리프레시시, 부하장치가 중지되므로, 전력소모량이 적어지기 때문에, 축전장치가 과충전되게 된다.
이에 따라, 본 발명의 목적은 상술된 문제점들을 해결하기 위하여 축전장치의 과충전을 회피하면서, 연료전지의 촉매층을 활성화하는 처리를 확실하게 중단시킬 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것이다.
상술된 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지의 출력전압을 낮추어 촉매활성화처리가 실시되는 연료전지시스템으로서, 촉매활성화처리의 실시 중에 상기 촉매활성화처리가 중지되는 경우, 연료전지의 출력전압을 대기전압으로 되돌리기 위한 처리가 실시되고, 산화가스공급조건이 만족될 때까지 대기한 후, 산화가스가 연료전지에 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지시스템을 제어하기 위한 방법은 연료전지의 출력전압을 낮추어 촉매활성화처리가 실시되는 연료전지시스템의 제어방법으로서, 촉매활성화처리의 실시 중에 상기 촉매활성화처리가 중지되는지의 여부를 판정하는 단계; 상기 촉매활성화처리가 중지된 것으로 판정될 때, 상기 연료전지의 출력전압을 대기전압으로 되돌리는 단계; 산화가스공급조건이 만족될 때까지 대기하는 단계; 및 상기 산화가스공급조건이 만족될 때, 상기 연료전지에 산화가스를 공급하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 촉매활성화처리가 중지되면, 연료전지의 출력전압을 대기전압으로 되돌리기 위한 처리가 수행된다. 그러므로, 상대적으로 적은 양의 산화가스에 의한 상태에서 연료전지의 실제 출력전압이 상승하기 시작한다. 산화가스가 이러한 상태에서 연료전지로 직접 공급된다면, 매우 큰 전력이 발생될 것이다. 이와는 대조적으로, 본 발명에 따르면, 산화가스조건이 만족될 때까지 대기한 후에 산화가스공급이 개시된다. 그러므로, 소비될 수 없는 잉여 전력의 발생이 억제되게 된다.
예를 들어, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 전압지령값에 따라 연료전지의 출력전압을 변화시키기 위한 전압변환수단; 상기 연료전지의 출력전압을 검출하기 위한 전압검출수단; 상기 전압변환수단에 상기 전압지령값을 지령하기 위한 제어수단; 상기 촉매활성화처리의 중지 조건이 성립되었는지의 여부를 판정하기 위한 중지조건판정수단; 및 상기 연료전지의 캐소드극에 산화가스를 공급하기 위한 산화가스공급수단을 포함하여 이루어지고, 상기 중지조건판정수단이 상기 촉매활성화처리의 실시 중에 상기 촉매활성화처리의 중지 조건이 성립된 것으로 판정하는 경우, 상기 제어수단은 상기 전압변환수단에 상기 대기전압을 지령값으로 지령하고, 상기 산화가스공급조건이 만족될 때까지 대기한 다음, 상기 연료전지의 캐소드극측에 상기 산화가스를 공급하기 위한 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
산화가스공급이 중지된 후 그리고 환원목표전압에 도달하기 전의 전압강하기 또는 환원목표전압에 도달한 후의 전압유지기간은 촉매활성화처리를 중지시키기 위한 타이밍으로서의 역할을 할 수도 있다.
상기 연료전지시스템에 있어서, 산화가스공급조건은 상기 연료전지의 출력전압을 대기전압으로 되돌리기 위한 처리가 실시되는 시점으로부터 사전설정된 시간이 경과되는 것임을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 사전에 미리 결정된 연료전지의 출력전압상승특성에 대응하는 사전설정된 기간 동안 대기함으로써, 상기 연료전지의 출력전압이 현저하게 상승하고, 산화가스가 공급되는 경우에도 잉여 전력이 발생되지 않도록 제어를 수행하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 산화가스공급조건은 연료전지의 출력전압이 사전설정된 전압값에 도달하는 것이다.
이러한 구성에 의하면, 사전설정된 전압값이 예컨대 실험에 의해 결정될 수 있으면서 산화가스가 공급되는 경우에도 연료전지의 출력전압을 급상승시키지 않는 전압으로 설정되는 경우, 산화가스가 연료전지의 캐소드극측으로 공급되는 경우에도 상기 연료전지의 출력전압이 급상승하지 않도록 하는 타이밍을 확실하게 결정할 수 있게 된다.
예를 들어, 상기 촉매활성화처리의 중지 조건은 상기 연료전지에서 크로스리크의 발생이 검출되는 것이다.
이러한 조건은 연료전지(예컨대, 애노드극측에서)에서 크로스리크가 검출되어, 필요한 대량의 산화가스(예컨대, 공기)가 배기가스 내의 연료가스(예컨대, 수소)의 농도를 낮추도록 공급되어야 한다는 것, 즉 촉매활성화처리가 중단되어야 한다는 것을 나타낸다.
여기서, 크로스리크의 발생은 전해질막의 애노드극측으로부터 캐소드극측으로의 연료가스(예컨대, 수소가스)의 누설 또는 캐소드극측으로부터 애노드극측으로의 산화가스(예컨대, 공기)의 누설 또는 연료가스의 연료전지 주변으로의 누설일 수도 있다.
예를 들어, 상기 크로스리크의 발생은 상기 연료전지의 애노드극측에서 연료가스의 압력이 사전설정된 양만큼 저하됨으로써 검출된다.
연료가스가 애노드극측으로부터 캐소드극측으로 누설될 때 크로스리크가 발생하고, 상술된 구성에 의하면, 연료전지에서의 크로스리크의 발생이 높은 신뢰성으로 검출될 수 있다.
예를 들어, 상기 연료전지에 공급되는 산화가스량은 상기 연료전지의 모든 캐소드극에 공급될 충분한 산화가스량이다.
이러한 구성에 의하면, 크로스리크가 연료전지에 발생되는 경우, 배기가스 내의 연료가스(예컨대, 수소)의 농도를 낮추는 데 필요한 대량의 산화가스(예컨대, 공기)가 모든 캐소드극들에 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지는 축전장치를 더 포함하여 이루어지고, 상기 축전장치가 사전설정된 전력량 이상의 전력량으로 충전가능한 상태에 있다는 조건 하에 상기 촉매활성화처리가 개시될 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 연료전지의 발전처리에 의해 발생되는 잉여 전력이 축전장치(예컨대, 배터리, 2차전지, 캐패시터 등)로의 재사용을 위해 충전될 수 있다. 사전설정된 전력이 축전장치에서 충전가능한 조건에서 촉매활성화처리가 개시되는 경우, 촉매활성화처리의 중지로 인해 발생되는 일부 잉여 전력이 완전히 충전될 수 있다.
본 발명은 또한 상술된 연료전지시스템을 포함하여 이루어지는 이동체를 제공한다. 본 발명에 따른 연료전지시스템은, 본 발명에 따른 작용이 이동체 상에 탑재된 축전장치들의 과충전을 억제하기에 적합하기 때문에, 전기자동차 및 기타 이동체(육상, 수상, 수중 및 공중)에도 적용가능하다.
도 1은 본 발명의 원리를 설명하는 기능블록도;
도 2는 본 발명의 일 실시예의 연료전지시스템의 전체 구성을 예시하는 구조도;
도 3은 본 발명의 제1실시예의 촉매연료전지시스템에서의 연료전지의 출력전압과 촉매층재생처리의 제어동작 간의 관계의 시간에 따른 변동을 예시한 차트;
도 4는 본 발명의 제1실시예의 촉매연료전지시스템에서의 연료전지의 출력전압과 촉매층재생처리의 제어동작 간의 관계의 시간에 따른 변동을 예시한 차트;
도 5는 본 발명의 제1실시예의 촉매연료전지시스템에서의 제어유닛(5)의 동작을 예시한 흐름도로서, 상기 동작은 촉매층재생처리에 초점을 맞춘 도면; 및
도 6은 본 발명의 제2실시예의 촉매연료전지시스템에서의 제어유닛(5)의 동작을 예시한 흐름도로서, 상기 동작은 촉매층재생처리에 초점을 맞춘 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하는 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들에서, 본 발명은 전기자동차에 탑재된 하이브리드연료전지시스템에 적용된다. 후술하는 실시예들은 단지 본 발명의 적용 형태의 단순한 예시들로서, 본 발명이 이것들로 국한되는 것은 아니다.
(원리 설명)
도 1은 본 발명의 원리를 설명하는 기능블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 연료전지(100)의 출력전압(Vfc)을 낮추어 촉매활성화처리가 실시되는 연료전지시스템을 제공하되, 상기 연료전지시스템은 전압변환수단(101), 전압검출수단(102), 제어수단(103), 중지조건판정수단(104) 및 산화가스공급수단(105)을 포함하여 이루어진다.
상기 전압변환수단(101)은 상기 제어수단으로부터 공급되는 전압지령값(Cvfc)에 따라 연료전지(100)의 출력전압(Vfc)을 변화시키는 기능블록이다. 상기 전압변환수단(101)은 예컨대 DC-DC 컨버터에 의해 연료전지의 일정한 출력단자전압을 강제적으로 유지시킬 수 있는 장치에 의해 실현될 수 있다.
상기 전압검출수단(102)은 연료전지의 출력전압(Vfc)을 검출하는 기능블록이다. 전압검출수단(102)으로 적합한 장치들의 예로는 전압센서와 같은 연료전지의 출력전압을 직접 검출할 수 있는 장치들과 상기 연료전지의 출력전압과 상관된 다른 파라미터들을 토대로 연료전지의 출력전압을 추정하는 장치들(컴퓨터 등)을 들 수 있다.
상기 제어수단(103)은 전압변환수단(101)에 전압지령값(Cvfc)을 지령하는 기능블록이다. 상기 제어수단(103)은 본 발명에 따른 제어방법을 실행하기 위한 소프트웨어프로그램을 실행하는 컴퓨터로 실현된다.
상기 중지조건판정수단(104)은 촉매활성화처리의 중지 조건이 만족되었는지의 여부를 판정하는 기능블록이다. 연료전지(100)의 전해질막에 크로스리크가 발생하여, 연료가스(예컨대, 수소)가 애노드(연료가스)극측으로부터 캐소드(산화가스)극측으로 누설되는 경우가 촉매활성화처리의 중지 조건의 일례이다. 상기 중지조건판정수단(104)은, 애노드극측에서의 연료가스의 압력 강하가 사전설정된 양 이상일 때, 또는 연료가스의 사전설정된 농도가 캐소드극측에서 직접 검출될 수 있을 때, 중지 조건이 만족된 것으로 판정할 수 있다. 상기 중지조건판정수단(104)의 구성은 크로스리크검출방법에 따라 상이하다. 예를 들어, 연료가스의 압력 강하는 연료가스공급시스템에 제공된 압력센서에 의해 검출될 수 있고, 또는 연료가스의 압력 변동에 대응하는 파라미터를 토대로 압력 강하를 컴퓨터가 검증할 수 있다.
상기 산화가스공급수단(105)은 연료전지(100)의 캐소드극에 산화가스(공기) (Air)를 공급하는 기능블록이다. 상기 산화가스(Air)의 공급량을 제어할 수 있는 전체 장치 또는 이러한 장치의 일부분, 예컨대 에어컴프레서가 산화가스공급수단(105)으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 촉매활성화처리의 중지 조건이 중지조건판정수단(104)에 의해 촉매활성화처리 중에 만족된 것으로 판정되면, 상기 제어수단(103)은 전압변환수단(101)에 대기전압, 즉 촉매활성화처리용 저전압이 아닌 연료전지동작에 유지되어야 하는 전압을 지령값(Cvfc)으로 지령한다. 지령을 내린 후, 상기 제어수단(103)은 산화가스조건공급조건들이 만족될 때까지 대기한 다음, 산화가스(Air)가 연료전지(100)의 캐소드극측에 공급되도록 산화가스공급수단(105)을 제어한다.
이러한 구성에 의하면, 촉매활성화처리가 중지되면, 연료전지(100)의 출력전압(Vfc)이 우선 대기전압으로 되돌아가는 한편, 촉매활성화처리의 산화가스량이 상대적으로 적게 된다. 그러므로, 출력전력 자체가 급상승하지 않게 된다. 그 후, 산화가스공급조건이 만족될 때까지 상기 시스템이 대기한 후에, 산화가스(Air)의 공급이 우선 개시된다. 상기 산화가스공급조건은 연료전지(100)의 출력전압(Vfc)이 충분히 상승하기 전에 사전설정된 시간이 경과하는 것(제1실시예) 또는 산화가스(Air)가 공급되는 경우에도 연료전지(100)의 출력전력(Vfc)이 급상승하지 않는 사전설정된 전압값에 도달하는 것이다(제2실시예). 그러므로, 본 발명에 따르면, 연료전지(100)에서 소비될 수 없는 잉여 전력의 발생이 억제될 수 있게 된다.
(제1실시예)
제1실시예는 사전설정된 시간의 경과가 산화가스공급조건으로서 취해지는 경우에 연료전지시스템을 제어하기 위한 방법의 일례에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 연료전지시스템의 전체 구성을 예시하는 구조도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1실시예의 연료전지시스템은 연료전지(100)에 애노드가스인 수소가스를 공급하는 후술하는 애노드가스공급시스템(1), 연료전지(100)에 캐소드가스인 공기를 공급하는 캐소드가스공급시스템(2), 전력시스템(4) 및 본 발명에 따라 촉매층활성화의 필요한 제어를 수행하는 제어유닛(5)(제어수단)으로 이루어진다.
상기 연료전지(100)는 복수의 셀(단위셀)들이 적층되는 스택 구조를 갖는다. 각각의 셀은 MEA(Membrane Electrode Assembly)라 불리는 발전체가 수소가스, 공기 및 냉각수용 유로들을 구비한 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 끼워지는 구조를 갖는다. 상기 MEA는 고분자전해질막이 두 전극(애노드극과 캐소드극) 사이에 끼워지는 구조를 갖는다. 상기 애노드극은 다공질지지층 상에 연료극용 촉매층을 제공하여 구성되고, 상기 캐소드극은 다공질지지층 상에 공기극용 촉매층을 제공하여 구성된다. 연료전지의 기타 적절한 형태들은 인산형 및 용융탄산염형의 연료전지들을 포함한다. 이들 전극의 촉매층들은 예컨대 백금 입자들을 부착시켜 구성되고, 본 발명은 연료전지의 발전 동작으로 인해 백금 입자들에 부착된 산화물을 제거하도록 수행되는 촉매활성화처리에 관한 것이다.
연료전지(100)에서, 물의 전기분해의 역반응이 유도되고, 애노드가스인 수소가스가 연료가스공급시스템(1)으로부터 애노드(음극)극측으로 공급된다. 산소를 함유하는 캐소드가스로서의 역할을 하는 공기는 캐소드가스공급시스템(2)으로부터 캐 소드(양극)극측으로 공급된다. 화학식 1로 표현되는 반응이 애노드극측에 유도되고, 화학식 2로 표현되는 반응이 캐소드극측에 유도되며, 전자를 순환시켜 전류가 흐르게 된다.
H2 → 2H+ + 2e-
2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O
상기 애노드가스공급시스템(1)은 수소가스공급원으로서 수소탱크(10), 애노드가스공급로(11), 애노드오프가스배출로(12) 및 수소가스압력을 측정하여 수소가스의 크로스리크를 검출하는 연료가스압력센서(13)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 애노드가스공급시스템에는 수소가스를 펌핑하기 위한 수소펌프, 수소가스를 관리 및 제어하기 위한 베이스밸브, 조정밸브, 차단밸브 및 체크밸브와, 기액분리기(도면에는 도시되지 않음)가 제공될 수도 있다.
상기 수소탱크(10)는 고압수소가스로 채워진다. 고압수소탱크 이외에, 수소흡장합금을 이용하는 수소탱크, 개질가스를 이용하는 수소공급기구, 액체수소탱크 또는 액체연료탱크가 수소공급원으로서 채택될 수도 있다. 상기 애노드가스공급로(11)는 고압수소가스를 공급하기 위한 배관이다. 도면에 도시되지 않은 조정밸브(레귤레이터)가 상기 배관의 중간부에 제공될 수도 있다. 상기 애노드가스공급 로(11)로부터 공급되는 수소가스는 각각의 단위셀의 애노드극들에 대한 매니폴드를 통해 연료전지(100)로 공급되고, MEA 애노드에서의 전기화학반응을 발생시킨 다음, 상기 가스가 애노드오프가스(수소오프가스)로서 배출된다. 상기 애노드오프가스배출로(12)는 연료전지(100)로부터 배출되는 애노드오프가스를 배출하기 위한 경로이고, 순환로를 형성할 수도 있다. 순환로를 형성하기 위해서는, 애노드오프가스가 체크밸브 또는 이젝터(도면에는 도시되지 않음)를 통해 애노드가스공급로(11)로 다시 되돌아가게 된다.
상기 캐소드가스공급시스템(2)은 컴프레서(20), 캐소드가스공급로(21) 및 캐소드오프가스배출로(22)를 포함하여 이루어진다. 또한, 캐소드가스공급시스템은 캐소드가스로서의 역할을 하는 공기의 가습을 제어하기 위한 가습기, 캐소드오프가스(공기오프가스)를 제거하는 기액분리기, 상기 캐소드오프가스와 애노드오프가스를 혼합하기 위한 희석유닛 및 머플러를 포함하여 이루어질 수도 있다(도 2에 도시되지 않음).
상기 컴프레서(20)는 본 발명에 따른 산화가스공급수단에 관한 것이고, 에어클리너 등으로부터 도입되는 공기를 압축하고, 공기량이나 공기압을 변경하며, 상기 공기를 연료전지(100)의 캐소드극측에 공급하는 역할을 한다. 수소가스와 유사하게, 캐소드가스공급로(21)로부터 공급되는 공기는 각각의 단위셀의 캐소드극측에 대한 매니폴드를 통해 연료전지(100)로 공급되고, MEA 캐소드에서의 전기화학반응을 유도한 다음, 캐소드오프가스로서 배출된다. 상기 연료전지(100)로부터 배출되는 캐소드오프가스는 애노드오프가스로 희석되어 배출된다.
상기 전력시스템(4)은 배터리(40), DC-DC 컨버터(41), 트랙션인버터(42), 트랙션모터(43), 보조인버터(44), 고전압보조장치(45), 배터리컴퓨터(46), 전류센서(47), 연료전지의 출력전압을 측정하는 본 발명에 따른 전압검출수단에 관련된 전압센서(48) 및 역류를 방지하는 다이오드(49)를 포함하여 이루어진다.
상기 배터리(40)는 충방전가능한 축전장치(2차전지)이다. 니켈수소전지와 같은 각종의 2차전지들이 배터리로서 사용될 수 있다. 충방전가능한 축전장치, 예컨대 캐패시터가 2차전지 대신에 사용될 수도 있다. 일정한 전압을 발생시키는 복수의 배터리유닛들이 적층되어 직렬 연결되는 경우, 배터리(40)가 고전압 출력을 발생시킬 수 있다.
상기 배터리컴퓨터(46)는 배터리(40)의 출력단자에 제공되어, 제어유닛(3)과 통신할 수 있다. 상기 배터리컴퓨터(46)는 배터리(40)의 충전상태를 모니터링하고, 배터리가 과충전되지 않거나 과방전되지 않은 적절하게 충전된 상태로 배터리를 유지하며, 배터리가 충전되거나 과방전된 상태를 가정하면, 상기 배터리컴퓨터는 제어유닛(3)에 이러한 효과를 통지한다.
상기 DC-DC 컨버터(41)는 본 발명에 따른 전압변환수단에 관한 것으로, 1차측과 2차측 간의 전압을 높이거나 낮추어 전력을 전달시키는 본 발명에 따른 출력변환수단에 등가인 구성을 갖는다. 예를 들어, 1차측의 배터리(40)의 출력전압은 2차측의 연료전지(100)의 출력전압으로 증가되고, 트랙션모터(43) 또는 고전압보정장치(45)와 같은 부하장치에 전력이 공급된다. 반대로, 2차측에서의 연료전지(100)의 잉여 전력 또는 부하장치로부터의 회수된 전력은 1차측의 배터리(40)에 대한 전 압 저감 시에 충전되도록 통과된다.
상기 트랙션인버터(42)는 직류를 3상교류로 변환하여 그것을 트랙션모터(43)에 공급한다. 상기 트랙션모터(43)는 예컨대 연료전지시스템이 탑재된 자동차의 주동력원인 3상모터이다.
상기 보조인버터(44)는 고전압보조장치(45)를 구동하기 위한 직류-교류변환수단이다. 상기 고전압보조장치(45)는 컴프레서(20), 수소펌프 및 냉각시스템용 모터와 같은 연료전지시스템의 운전에 필요한 각종 모터일 수 있다.
상기 제어유닛(5)은 본 발명에 따른 제어수단으로서 두 제어유닛을 포함하여 이루어진다. 일 제어유닛은 하이브리드주행모드의 제어를 수행하는 HV제어유닛(51)이고, 타 제어유닛은 연료전지의 동작을 제어하는 FC제어유닛(52)이다. 상기 제어유닛들은 CPU(중앙처리유닛), RAM, ROM, 인터페이스회로 등을 포함하여 이루어지는 통상적인 컴퓨터의 구성을 갖고, 전체 시스템의 제어는 그들 간의 통신에 의해 가능하다. 상기 HV제어유닛(51)은 내부 ROM 등에 저장된 소프트웨어프로그램을 연속 실행하여 전기시스템(4)을 제어하고, 보다 상세하게는 연료전지(100)에 의해 발생되는 전력, 배터리(40)의 충전전력 및 모터들의 소비전력을 고려하여, 이들 구성요소들 간의 전력 흐름을 제어한다. 또한, 상기 제어유닛은 본 발명에 따른 촉매층활성화방법의 일부를 실행할 수 있다. 또한, 연료전지제어유닛(52)은 내부 ROM 등에 저장된 소프트웨어프로그램을 연속 실행하여 애노드가스공급시스템(1)과 캐소드가스공급시스템(2)을 주로 포함하는 전체 연료전지시스템을 제어하고, 본 발명에 따른 촉매층활성화방법의 일부를 실행할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시예의 촉매연료전지시스템에서의 촉매층재생처리의 제어 동작과 상기 연료전지의 출력전압 간의 관계의 시간에 따른 변동을 예시한 차트이다.
도 3은 촉매층의 활성화처리가 중지되어야 하는 조건들을 만족시키지 않으면서도, 촉매연료전지시스템에서의 촉매층재생처리의 제어 동작이 실행되는 경우를 예시한다.
도 3에 도시된 촉매층의 재생처리(촉매층의 활성화처리)는 보통 축전장치인 배터리(40)가 사전설정된 전력 이상의 전력으로 충전될 수 있는 상태로 가정되는 조건 하에 수행되고, 상기 제어유닛(5)은 상기 조건이 충족되는지의 여부를 판정하여 후속 활성화처리를 제어한다.
통상적인 운전모드 시의 연료전지의 MEA에서, 상기 화학식 1에 따른 애노드극측에 발생되는 수소 이온은 전해질막을 통해 침투하고, 캐소드극측으로 이동하여, 캐소드극측에 공급되는 산화가스(예컨대, 공기)에 함유된 산소와 함께 화학식 2로 표현된 전기화학반응에 참여하여, 산소의 환원 반응을 발생시킨다. 그 결과, 촉매층의 조성성분(예컨대, 백금)이 산소로 커버되고, 반응저항이 증가되며, 발전효율이 저하된다. 촉매활성화(재생)처리는 환원 반응에 의해 촉매에 함유된 산소를 제거하도록 수행된다. 보다 구체적으로는, 각각의 단위셀의 단자전압, 즉 연료전지의 출력전압이 감소됨에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 촉매층의 전기화학반응은 통상적인 동작시 산화반응영역으로부터 환원반응영역으로 전이되어, 상기 촉매가 활성화된다.
상기 컨버터의 2차측 전압은 컨버터에 지령된 전압지령값에 따라 변할 수 있지만, 상기 컨버터는 연료전지의 출력단자들에 병렬로 연결되기 때문에, 상기 연료전지의 출력전압이 컨버터에 설정된 목표2차측전압에 도달하지 못할 때에는, 상기 컨버터의 2차측 전압이 목표2차측전압에 도달하지 못한다. 다른 한편으로, 연료전지의 출력전압이 컨버터의 목표2차측전압보다 높으면, 상기 연료전지의 출력전압은 목표2차측전압으로 강제적으로 제어되어, 전류값이 연료전지의 I-V 특성에 따라 상승한다. 따라서, 상기 컨버터의 2차측전압이 연료전지의 출력전압의 상한값을 결정한다.
(동작 설명)
이하, 촉매활성화처리가 제1실시예의 연료전지시스템에서 중지될 때 수행되는 동작들을 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 컨버터에 설정된 목표2차측전압이 대기전압보다 낮고 환원목표전압인 경우에도, 연료전지(100)의 출력전압이 대기전압(Vh)보다 낮으면, 정지된 산화가스의 공급이 재개되는 경우, 산화가스가 급속하게 공급되어 발전이 통상적인 I-V 특성에 기초한 상태로 되돌아간다. 그러므로, 연료전지(100)의 출력전력이 때때로 급상승하여, 이러한 효과의 발생이 방지되지 않는다면, 배터리(40)가 과충전된다.
이에 따라, 제1실시예에서, 촉매활성화처리가 중지되면, 연료전지(100)의 출력전압이 대기전압(Vh)으로 되돌아간 다음, 정지된 산화가스의 공급이 지연되어 재개됨으로써, 상기 연료전지(100)의 출력전압을 급상승시키는 효과를 막게 된다. 이 하, 본 실시예의 촉매활성화처리시의 제어유닛(5)의 동작을 주로 촉매활성화처리가 중지될 때 수행되는 동작들에 대하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제1실시예의 촉매연료전지시스템에서의 촉매층재생처리의 제어 동작과 연료전지의 출력전압 간의 관계의 시간에 따른 변동을 예시한 차트이다. 도 5는 본 발명의 제1실시예의 촉매연료전지시스템에서의 제어유닛(5)의 동작을 예시한 흐름도로서, 상기 동작은 촉매층재생처리에 초점을 맞추고 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 촉매층재생처리의 제어 동작은, 촉매층활성화처리가 중지되어야 하는 조건이 상기 동작들의 실시 중에 만족되어, 상기 처리가 중지되는 경우에 관한 것이다.
여기서, 촉매활성화처리는 주기적으로 수행되는 것으로 가정되며, 제1실시예에서는, 촉매활성화처리개시타이밍과 중지타이밍이 제어유닛(5)의 내부 타이머에 의해 결정된다. 예를 들어, 시각 t0에서 동작을 개시하여 연료전지(100)의 출력전압이 타이머 tr 내에서 환원목표전압에 도달할 때까지의 주기 T0를 카운트하는 타이머를 이하 "타이머 T0"라고 할 것이다. 촉매활성화처리가 중지되어야 하는 조건들이 공기공급의 개시에 도달하는 시점으로부터 대기 기간을 카운트하는 타이머가 타이머 T1이고, 촉매활성화처리의 기간 T2를 카운트하는 타이머가 타이머 T2이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 촉매활성화처리의 기간 중, 즉 타이머 T2로 표시된 기간 T2가 경과하기 전(단계 S2: NO)에는, 상기 촉매활성화처리가 수행되지 않고, 상기 제어유닛(5)은 통상적인 운전모드의 목표전압인 대기전압(Vh)에서 컨버터(41)에 대한 전압지령값을 나타내는 지령신호(CCONV)를 계속 유지시켜, 통상적인 운전들이 수행되도록 한다(단계 S1). 그 결과, 연료전지(100)의 출력전압이 대기전압(Vh)으로 유지되고, 상기 시스템으로의 적절한 급전이 수행된다. 여기서, 대기전압(Vh)은, 내구성 향상 등을 위하여 연료전지(100)의 출력전압에 도달하거나 초과되지 않아야 하는 상한값이라는 의미에서, 고전압을 회피할 수 있게 하는 전압이라고도 할 수 있다.
그 후, 타이머 T2에 의해 카운트되는 기간 T2가 단계 S2에서 시각 t0에 도달하는 경우(YES), 상기 제어유닛(5)은 단계 S3에서 타이머 T2를 정지시키는 동시에, 상기 제어유닛(5)은 단계 S4에서 컴프레서(20)로 출력되는 산화가스(예컨대, 공기)를 공급하는 컴프레서(20)의 동작을 정지시키는 지령신호(CCOMP)를 컴프레서(20)로 출력한다. 그 결과, 상기 컴프레서(20)의 동작이 정지되고, 산화가스공급시스템(2)을 통한 산화가스의 적극적인 공급이 정지된다. 이와 동시에, 단계 S5에서, 상기 제어유닛(5)은 연료전지(100)의 출력전압에 필요한 기간 T0을 타이머 T0에서 설정하여, 환원목표전압에 도달하게 되고, 타이머 T0에 의한 카운트를 개시하게 된다. 단계 S6에서, 상기 제어유닛은 사전설정된 응답성을 정합시키기 위하여, 컨버터(41)에 지령된 전압지령값인 지령신호(CCONV)를 선형이면서도 점진적으로 감소시킨다.
정상 운전의 경우, 상술된 처리의 결과로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 컨버터(41)의 2차측 전압의 점진적인 감소가 산화가스의 소모와 조합되어, 상기 연료전 지(100)의 출력전압이 선형으로 감소하게 된다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지(100)의 출력전압(컨버터(41)의 2차측전압)은 점진적으로 감소하여, 시각 t0 이후 기간 T0이 경과한 시각 tr에서 환원목표전압(Vr)에 도달하게 된다. 이러한 전압은 촉매층이 산화반응영역으로부터 환원반응영역으로의 완전한 전이를 만드는 전압으로서 실험적으로 결정된다. 정상 운전의 경우, 촉매층의 리프레시는 이러한 환원목표전압(Vr)의 레벨로 전압을 유지시킴으로써 촉진된다.
이러한 연료전지(100)의 출력전압의 감소시, 상기 제어유닛(5)은 리프레시가 중지될 것을 요구하는 조건이 만족되었는지의 여부를 검증한다(단계 S7). 리프레시가 중지되어야 하는 조건이 만족된 경우(YES), 상기 제어유닛은 단계 S10으로 이동하고, 리프레시가 중지될 것을 요구하는 조건이 만족되지 않은 경우(NO), 상기 제어유닛은 단계 S8로 진행된다.
여기서는, 리프레시가 중지될 것을 요구하는 일 조건으로서, 연료가스(수소)의 크로스리크를 검출하는 연료가스압력센서(13)로부터의 크로스리크검출신호(Sp)의 수신이 취해진다.
리프레시가 중지될 것을 요구하는 또 다른 조건은 액셀러레이터 등의 조작을 모니터링하여 성립될 수 있다.
또한, 예컨대 수소농도센서에 의해 연료가스누출이 검출될 수 있도록 하는 구성이 제공되는 경우, 상기 농도센서에 의한 연료가스누출의 검출은 리프레시가 중지될 것을 요구하는 조건으로서 설정될 수 있다.
단계 S8에서, 제어유닛(5)은 환원목표전압(Vr)에 도달하기 전에 경과하는 시 간(기간 T0)에 타이머 T0의 카운트가 도달하였는지의 여부를 검증하고, 타이머 T0의 카운트가 아직 환원목표전압(Vr)에 도달하기 전에 경과하는 시간(기간 T0)에 도달하지 못한 경우(NO), 상기 제어유닛은 단계 S6으로 되돌아간다. 타이머 T0의 카운트가 환원목표전압(Vr)에 도달하기 전에 경과하는 시간(기간 T0)에 도달한 경우(YES), 상기 제어유닛은 단계 S9로 진행한다.
단계 S9에서, 상기 제어유닛(5)은 타이머 T0을 정지시키고, 연료전지(100)의 촉매층의 환원영역에서의 활성화처리에 필요한 제어를 행하며, 상기 처리를 종료한다(그 결과, 제어유닛이 기간 T2로 들어감).
상기 연료전지(100)의 촉매층의 환원영역에서의 활성화처리에 필요한 제어는, 예컨대 컨버터(41)에 지령되는 지령신호(CCONV)를 토대로 전압지령값을 환원목표전압(Vr)으로 유지시켜 상기 연료전지(100)의 출력전압을 환원목표전압(Vr)으로 고정시키는 단계, 상기 촉매층에서의 환원반응을 촉진시키는 단계, 및 상기 촉매층을 활성화시키는 단계를 포함하지만, 이것이 본 발명에 따른 특정 처리는 아니므로, 여타의 공지된 방법에 의해 실시될 수도 있다. 촉매층활성화처리의 실시 중에는, 발생되는 전류가 상승하여 발생되는 전력 또한 상승한다. 그러므로, 연료전지(100)에서의 발전에 의해 생성되는 과도한 전력이 컨버터(41)를 통해 컨버터(41)의 1차측으로 출력되어, 하이브리드 동작에 의해 상기 배터리(40)로 충전된다.
상술된 여하한의 리프레시중지조건들이 만족되면, 단계 S10에서, 상기 제어유닛(5)은 통상운전모드의 목표전압인 대기전압(Vh)으로서 컨버터(41)에 대한 전압 지령값을 나타내는 지령신호(CCONV)를 취한다.
그 후, 상기 제어유닛(5)은 촉매활성화처리가 중지될 것을 요구하는 조건이 만족되는 시점(즉, 시각 t1)으로부터 공기의 공급까지 대기기간 T1을 설정하여, 타이머 T1로 카운트를 개시한다(단계 S11).
여기서, 타이머(T1)에 설정된 대기기간 T1은, 촉매활성화처리가 정지될 것을 요구하는 조건이 만족되는 시점에서(즉, 시각 t1) 상기 연료전지(100)의 출력전압과 대기전압(Vh) 간의 차이(즉, 대기전압으로부터의 전압 강하)에 따른 실험값으로 구할 수 있다. 대기기간 T1 내에, 연료전지(100)로의 산화가스의 공급이 종료되지만, 상기 연료전지(100)의 출력전압은 남아 있는 공기에 의해 상승될 수 있다. 또한, 도 4는 연료전지(100)의 출력전압이 시각 t2에서 대기전압(Vh)에 도달하는 경우를 예시하고 있지만, 본 발명에 따르면, 연료전지(100)의 출력전압이 시각 t2에서 대기전압(Vh)에 도달하는 것이 일반적으로는 필요치 않고, 상기 대기전압(Vh) 미만일 수도 있다.
그 후, 상기 제어유닛(5)은 촉매활성화처리가 중지될 것을 요구하는 조건이 만족되는 시점(즉, 시각 t1)으로부터 공기공급까지의 대기기간 T1에 타이머 T1의 카운트가 도달하였는지의 여부를 검증하고, 촉매활성화처리가 중지될 것을 요구하는 조건이 만족되는 시점(즉, 시각 t1)으로부터 상기 공기공급까지의 대기기간 T1에 상기 타이머 T1의 카운트가 도달할 때까지 대기하여, 촉매활성화처리가 중지될 것을 요구하는 조건이 만족되는 시점(즉, 시각 t1)으로부터 공기공급까지의 대기기 간 T1에 상기 타이머 T1의 카운트가 도달하면(YES), 단계 S13으로 진행된다(단계 S12).
단계 S13에서, 상기 제어유닛(5)은 타이머 T1을 정지시킨다. 그 후, 단계 S14로 진행되어, 공기송풍을 실행하기 위한 지령을 내린다. 따라서, 상기 제어유닛(5)은 컴프레서(20)의 동작을 재개하는 지령신호(CCOMP)를 컴프레서(20)에 전송한다. 그 결과, 대량의 산화가스(예컨대, 공기)가 산화가스시스템(2)으로부터 연료전지(100)의 캐소드극으로 공급된 다음, 상기 연료전지(100)의 출력전압이 대기전압(Vh) 미만의 영역 안에서 유지될 수 있게 된다.
여기서, 연료전지(100)의 캐소드극으로 공급되는 산화가스량은, 산화가스가 연료전지(100)의 모든 캐소드극으로 공급될 수 있도록 하는 양으로 설정된다.
단계 S15에서, 상술된 공기송풍실행지령과 동시에, 차기 촉매활성화처리까지의 기간 T2를 카운트하는 타이머 T2가 개시되고, 상기 처리가 종료된다(그 결과, 제어유닛이 기간 T2로 들어감).
(제1실시예의 이점)
제1실시예는 다음과 같은 이점을 갖는다.
제1실시예에서는, 연료전지(100)의 출력전압이 환원목표전압에 도달함에 따라 활성화처리의 중지를 요구하는 조건이 만족되는 경우에도, 출력전압의 상한을 정하는 대기전압(Vh)만이 컨버터(41)에 즉시 지령되어, 산화가스를 공급하는 스테이지에 도달하지 않게 된다. 공기송풍실행지령이 내려지는 시점, 즉 컴프레서(20) 의 동작을 재개하는 지령신호(CCOMP)가 컴프레서(20)로 전송되는 시점은 연료전지(100)의 출력전압이 대기전압(Vh)에 근접하여 상승한 후에 오게 된다. 그러므로, 배터리(40)의 과충전과 공기송풍에 기인하는 연료전지(100)의 출력전압의 급상승과 같은 문제들이 발생하는 것을 회피할 수 있게 된다.
제1실시예로 달성되는 또 다른 효과는 출력전압을 센서를 이용하여 검출하는 것이 불필요하다는 점이다.
(제2실시예)
제1실시예에서, 상기 제어유닛(5)은 타이머를 시작하여 처리 타이밍을 검출하지만, 제2실시예에서는, 상기 연료전지의 실제 출력전압을 검출하여 처리 타이밍이 검출된다.
제2실시예의 시스템 구성은 도 2에 도시된 제1실시예와 동일하다.
도 6은 본 발명의 제2실시예의 촉매연료전지시스템에서의 제어유닛(5)의 동작을 예시하는 흐름도로서, 상기 동작은 촉매층재생처리에 초점을 맞추고 있다. 제2실시예의 동작들의 전제로서, 제어유닛(5)은 전압센서(48)에 의해 검출되는 연료전지(100)의 출력전압(컨버터(41)의 2차측전압)을 주기적으로 모니터링하는 것으로 가정된다. 이하, 제1실시예와 동일한 처리는 동일한 단계 수들로 할당될 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 단계 S1에서, 제어유닛(5)은 통상운전모드의 목표전압인 대기전압(Vh)으로 컨버터(41)에 대한 전압지령값을 나타내는 지령신호(CCONV)를 계속 유지시켜, 통상적인 동작들이 수행되도록 한다.
단계 S21에서, 제어유닛(5)은 촉매활성화처리를 행하기 위한 상태가 가정되었는지의 여부를 판정한다. 촉매활성화처리가 수행되어야 하는지의 여부를 판정하도록 몇 가지 접근법이 채택될 수 있다. 예를 들어, 제1실시예에서는, 촉매활성화처리가 사전설정된 기간 T4로 주기적으로 수행될 것으로 가정된다. 그러므로, 내부 타이머 T2의 경과된 시간은 촉매활성화처리를 행하기 위한 가능성들을 제공한다.
하지만, 촉매활성화처리를 주기적으로 행하는 것이 항상 필요한 것은 아니다. 이는 촉매로 형성되는 산화물의 양이 사용 조건들에 따라 변하기 때문이다. 예를 들어, 대량의 산화물이 촉매 상에 형성되는 경우에는 셀출력이 강하된다. 따라서, 연료전지에 고유한 I-V 특성에 따른 출력을 얻을 수 없게 된다. 이에 따라, 연료전지(100)의 출력전압이 사전설정된 전압으로 설정되었더라도, 실제로 취해지는 전류량이 I-V 특성으로부터 추정되는 전류량에 도달하지 못하는 경우에 촉매활성화가 필요한 것으로 판정될 수 있다.
상기로부터, 제어유닛(5)은 여하한의 조건을 토대로 연료전지의 발전모드 또는 연료전지(100)의 동작 상태를 모니터링하여, 사전설정된 조건이 충족될 때 촉매활성화처리가 필요한지를 판정할 수 있다.
단계 S21에서 촉매활성화처리가 필요한 것으로 판정되면(YES), 제어유닛(5)은 단계 S4로 이동한다. 단계 S4에서는, 컴프레서(20)로 출력된 산화가스(예컨대, 공기)를 공급하는 컴프레서(20)의 구동을 정지시키는 지령신호(CCOMP)가 상기 컴프레서(20)로 전송된다. 그 결과, 컴프레서(20)의 구동이 정지되고, 산화가스공급시스 템(2)을 통한 산화가스의 적극적인 공급이 정지된다. 그 후, 상기 제어유닛은 단계 S6으로 이동한다. 단계 S6에서, 제어유닛(5)은 사전설정된 응답특성에 따라, 컨버터(41)에 대한 전압지령값인 지령신호(CCONV)를 선형이면서도 점진적으로 감소시킨다. 상술된 처리의 결과로서, 컨버터(41)의 2차측전압의 점진적인 감소는 산화가스의 소모와 조합되어, 상기 연료전지(100)의 출력전압이 도 4에 도시된 바와 같이 선형으로 감소하게 된다.
여기서, 제1실시예에서는, 전압 감소의 시점에서 종점까지의 대기시간이 타이머 T0으로 측정되지만, 제2실시예에서는, 연료전지(100)의 출력전압이 단계 S22에서 직접 결정된다. 시스템이 대기운전모드에 있는 경우, 상기 연료전지(100)의 출력전압은 도 4의 시각 tr에 도달할 때 환원목표전압(Vr)에 도달하여야 한다.
이러한 연료전지(100)의 출력전압의 감소시, 상기 제어유닛(5)은 리프레시가 중지될 것을 요구하는 조건이 만족되었는지의 여부를 검증한다(단계 S7). 리프레시가 중지될 것을 요구하는 조건이 만족된 경우(YES), 제어유닛은 단계 S10으로 이동하고, 리프레시가 중지될 것을 요구하는 조건이 만족되지 못한 경우(NO), 상기 제어유닛은 단계 S22로 진행한다.
여기서는, 리프레시가 중지될 것을 요구하는 일 조건으로서, 연료가스(수소)의 크로스리크를 검출하는 연료가스압력센서(13)로부터의 크로스리크검출신호(Sp)의 수신이 취해진다.
리프레시가 중지될 것을 요구하는 또 다른 조건은 액셀러레이터 등의 조작을 모니터링하여 성립될 수 있다.
또한, 예컨대 수소농도센서에 의해 연료가스누출이 검출될 수 있도록 하는 구성이 제공되는 경우, 상기 농도센서에 의한 연료가스누출의 검출은 리프레시가 중지될 것을 요구하는 조건으로서 설정될 수 있다.
단계 S22에서, 제어유닛(5)은 전압센서(48)의 출력전압검출신호(Se)에 의해 연료전지(100)의 출력전압을 모니터링한다. 그 후, 단계 S23에서, 상기 제어유닛은 연료전지(100)의 출력전압이 환원목표전압에 도달하였는지의 여부를 검증한다. 상기 연료전지(100)의 출력전압이 환원목표전압에 도달하지 못한 경우(NO), 상기 제어유닛은 단계 S6으로 되돌아가고, 상기 연료전지(100)의 출력전압이 환원목표전압에 도달한 경우(YES)에는, 상기 제어유닛이 단계 S9로 진행된다.
단계 S9에서, 상기 제어유닛(5)은 타이머 T0을 정지시키고, 연료전지(100)의 촉매층의 환원영역에서의 활성화처리에 필요한 제어를 행하며, 상기 처리를 종료한다(그 결과, 제어유닛이 기간 T2로 들어감).
상술된 여하한의 리프레시중지조건들이 만족되면, 단계 S10에서, 상기 제어유닛(5)은 통상운전모드의 목표전압인 대기전압(Vh)으로서 컨버터(41)에 대한 전압지령값을 나타내는 지령신호(CCONV)를 취한다.
그 후, 단계 S24에서, 제어유닛(5)은 전압센서(48)의 출력전압검출신호(Se)에 의해 연료전지(100)의 출력전압을 모니터링한다. 후속 단계 S25에서, 제어유닛은 연료전지(100)의 출력전압이 대기전압 부근에 도달하였는지의 여부를 검증한다. 연료전지(100)의 출력전압이 대기전압 부근에 도달하지 못한 경우(NO), 상기 제어유닛은 단계 S24로 되돌아가고, 상기 연료전지(100)의 출력전압이 대기전압 부근에 도달한 경우(YES)에는, 상기 제어유닛은 단계 S14로 진행되어, 공기송풍을 실행하기 위한 지령을 내린다. 따라서, 제어유닛(5)은 컴프레서(20)의 동작을 재개하는 지령신호(CCOMP)를 상기 컴프레서(20)에 전송하고, 상기 처리를 종료한다(이에 따라, 제어유닛이 기간 T2로 들어감). 그 결과, 대량의 산화가스(예컨대, 공기)가 산화가스시스템(2)으로부터 연료전지(100)의 캐소드극으로 공급된 다음, 상기 연료전지(100)의 출력 전압이 대기전압(Vh) 미만의 범위 내에서 유지될 수 있게 된다.
여기서는, 활성화처리중지가 대기전압 부근에서 개시된 시점에서의 출력전압으로부터 연료전지의 출력전압이 되돌아가는 기간의 길이가 잔류 공기량에 따라 변하기 때문에, 제1실시예에서와 같이 타이머(1)를 설정하여 측정들을 수행하는 것이 바람직하지 못할 것이다. 그러므로, 본 실시예에서는, 시간 기간을 측정하는 대신에 잔류 공기량의 변동을 판정함으로써 출력전압이 직접 검출된다.
또한, 연료전지(100)의 캐소드극으로 공급되는 산화가스량은, 상기 산화가스가 연료전지(100)의 모든 캐소드극으로 공급될 수 있도록 하는 양으로 설정된다.
또한, 도 4는 연료전지(100)의 출력전압이 시각 t2에서 대기전압(Vh)에 도달하는 경우를 예시하고 있지만, 본 발명에 따르면, 연료전지(100)의 출력전압이 시각 t2에서 대기전압(Vh)에 도달하는 것이 일반적으로는 필요치 않고, 상기 대기전압(Vh) 미만일 수도 있다.
상술된 제2실시예에서는, 촉매활성화처리의 과정시, 상기 제어유닛(5)은 타이머를 동작시키는 것보다는 오히려 연료전지(100)의 실제 출력전압을 검출함으로써 차기 처리로 전이시키기 위한 타이밍을 결정한다. 상기 연료전지의 출력전압의 변동은 연료전지(100) 내부에 남아 있는 실제 산화가스량에 의해 영향을 받는다. 상기 연료전지의 출력전압에 기초하여 처리를 행하는 것은 연료전지 내부의 실제 산화가스잔류량에 따라 처리 타이밍이 결정된다는 것을 의미한다. 다시 말해, 제2실시예에 의하면, 촉매활성화처리(그 중지 포함)가 잔류가스량에 대응하는 적절한 타이밍으로 진행될 수 있다.
또한, 연료전지(100)의 출력전압이 제2실시예에서와 같이 검출되는 경우를 제1실시예에서와 같이 타이머에 의해 처리 타이밍이 검출되는 경우와 조합하는 것도 가능하다. 다시 말해, 연료전지(100)의 출력전압을 검출하는 것 이외에 타이머 T0 내지 T2 가운데 하나 이상이 사용될 수도 있다.
(다른 실시예들)
본 발명은 상술된 실시예들로 국한되는 것은 아니며, 다양한 방식으로 변경될 수 있다.
예를 들어, 상술된 실시예들에서는, 촉매층재생처리(그 중지 처리 포함)시에 컴프레서(20)의 구동을 제어함으로써 산화가스의 공급량이 제어되지만, 수소탱크(10)로부터의 수소 공급이 상기 제어와 조합되어 제어되는 구성이 사용될 수도 있다. 또한, 산화가스공급시스템 및 연료가스공급시스템의 밸브들의 개폐를 제어함으로써, 산화가스 및 연료가스의 공급량들이 제어될 수도 있다.
상술된 실시예들의 처리 단계들의 순서는 적절하게 변경될 수 있다.
또한, 상술된 실시예들의 연료전지시스템은 전기자동차 및 기타 이동체(육상, 수상, 수중 및 공중)에 적용가능하며, 정치형 시스템들에도 적용가능하다.
본 발명에 따르면, 산화가스의 공급이 촉매활성화처리 과정에서의 여하한의 조건에 따라 재개되는 경우, 상기 연료전지의 출력전압이 사전설정된 전압값 이상으로 상승할 때까지 대기한 후에 산화가스의 공급이 재개된다. 그러므로, 연료전지의 출력전류가 상대적으로 크게 되는 출력전압억제상태에서 산화가스의 갑작스런 공급에 기인하는 상기 연료전지의 출력전압의 급상승 및 2차전지의 과충전의 발생을 회피할 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 연료전지의 출력전압을 낮추어 촉매활성화처리가 실시되는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 촉매활성화처리의 실시 중에 상기 촉매활성화처리가 중지되는 경우,
    상기 연료전지의 출력전압을 대기전압으로 되돌리기 위한 처리가 실시되고,
    산화가스공급조건이 만족될 때까지 대기한 후, 산화가스가 상기 연료전지에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    전압지령값에 따라 상기 연료전지의 출력전압을 변화시키기 위한 전압변환수단;
    상기 연료전지의 출력전압을 검출하기 위한 전압검출수단;
    상기 전압변환수단에 상기 전압지령값을 지령하기 위한 제어수단;
    상기 촉매활성화처리의 중지 조건이 성립되었는지의 여부를 판정하기 위한 중지조건판정수단; 및
    상기 연료전지의 캐소드극에 산화가스를 공급하기 위한 산화가스공급수단을 포함하여 이루어지고,
    상기 중지조건판정수단이 상기 촉매활성화처리의 실시 중에 상기 촉매활성화처리의 중지 조건이 성립된 것으로 판정하는 경우, 상기 제어수단은 상기 전압변환 수단에 상기 대기전압을 지령값으로 지령하고, 상기 산화가스공급조건이 만족될 때까지 대기한 다음, 상기 연료전지의 캐소드극측에 상기 산화가스를 공급하기 위한 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화가스공급조건은 상기 연료전지의 출력전압을 상기 대기전압으로 되돌리기 위한 처리가 실시되는 시점으로부터 사전설정된 시간이 경과되는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화가스공급조건은 상기 연료전지의 출력전압이 사전설정된 전압값에 도달하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 촉매활성화처리의 중지 조건은 상기 연료전지에서 크로스리크(cross leak)의 발생이 검출되는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 크로스리크의 발생은 상기 연료전지의 애노드극측에서 연료가스의 압력이 사전설정된 양만큼 저하되는 것에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지에 공급되는 산화가스량은, 상기 연료전지의 모든 캐소드극에 공급될 충분한 산화가스량인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    축전장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 축전장치가 사전설정된 전력량 이상의 전력량으로 충전가능한 상태에 있다는 조건 하에 상기 촉매활성화처리가 개시되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 연료전지시스템을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동체.
  10. 연료전지의 출력전압을 낮추어 촉매활성화처리가 실시되는 연료전지시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 촉매활성화처리의 실시 중에 상기 촉매활성화처리가 중지되는지의 여부를 판정하는 단계;
    상기 촉매활성화처리가 중지된 것으로 판정될 때, 상기 연료전지의 출력전압 을 대기전압으로 되돌리는 단계;
    산화가스공급조건이 만족될 때까지 대기하는 단계; 및
    상기 산화가스공급조건이 만족될 때, 상기 연료전지에 산화가스를 공급하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 제어방법.
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