KR20100058652A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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피터 데이비드 후드
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Abstract

연료 전지 스택(110)을 포함하는 연료 전지 시스템(100)의 작동을 개시하는 방법은, ⅰ) 연료가 연료 전지 스택(110)의 애노드 용적부에 유입될 수 있도록 애노드 유입구 밸브(153)를 개방하는 단계와, ⅱ) 공기가 상기 연료 전지 스택(110)의 캐소드 용적부에 진입할 수 있도록 연료 전지 스택(110)의 캐소드 공기 유입구(126)와 유체 연통하여 공기 압축기(133)를 작동시키는 단계와, ⅲ) 캐소드 유입구(126) 및/또는 캐소드 유출구(121)의 온도를 모니터하는 단계와, ⅳ) 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구를 통과하는 유체의 온도가 사전 설정된 레벨을 초과하는 경우 캐소드 용적부에 물을 주입하기 위해 물 주입 시스템을 작동시키는 단계를 포함하며, 연료 전지 스택(110)의 하나 이상의 전지의 양단에서 측정된 전압이 제1 전압 임계치 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해 연료 전지 스택(110)으로부터 인입되는 전류가 제한된다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템의 작동 및 연료 전지 시스템에 관련된 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배타적이지는 않지만 연료 전지 시스템의 작동을 개시하기 위한 방안에 관한 것이다.
예컨대 프로톤 교환막(proton exchange membrane, PEM)을 기반으로 하는 연료 전지 스택을 포함하는 본 명세서에 설명된 시스템 형태의 연료 전지 시스템의 작동에는 물이 필수적이다. 애노드 플로우 경로(anode flow path)로부터 PEM을 통해 운반된 프로톤(수소 이온)과 캐소드 플로우 경로(cathod flow path)에 존재하는 산소와의 반응은 물을 발생시킨다. 과잉의 물은 범람 및 그에 따른 결과의 성능 저하를 방지하기 위해 연료 전지 스택으로부터 제거될 필요가 있다. 그러나, 연료 전지의 최적 성능을 달성하기 위해 PEM의 수소화(hydration)를 유지하도록 적어도 캐소드 플로우 경로에 일정량의 물이 존재할 필요가 있다. 세밀한 주입 및 제거에 의해 이 물을 관리하는 것은 또한 연료 전지 스택으로부터의 과잉의 열을 제거하기 위한 유용한 메카니즘을 제공할 수 있다.
성능을 최적화하기 위해, 물은 연료 전지 스택의 캐소드 플로우 경로 내에의 주입을 통해 이러한 연료 전지 시스템에서 세밀하게 채용될 수 있다. 이러한 물 주입 연료 전지 시스템은 별도의 냉각 채널을 채용하는 다른 유형의 연료 전지 시스템에 비해 크기 및 복잡도가 감소된다는 잠재적인 장점을 갖는다. 물은 예컨대 영국 특허 GB2409763에 기술된 바와 같이 물 분배 다기관을 통해 캐소드 플로우 경로 내에 직접 주입될 수도 있다.
물 주입 시스템의 경우에는, PEM의 오염 및 그 결과의 연료 전지 스택 성능의 저하를 방지하기 위해, 캐소드 플로우 경로 내로 귀환 공급되는 어떠한 물도 높은 순도를 갖는 것이 중요하다. 그러나, 이러한 높은 순도 조건은 물의 빙점을 낮추기 위한 첨가제가 사용될 수 없다는 것을 의미한다. 구체적으로, 자동차 응용장치의 경우, 빙점 아래 통상적으로는 -20℃의 낮은 온도에서부터 내지 연료 전지가 실제로 사용될 수 있는 반복적인 환경까지 시동하는 것을 포함한 여러 조건이 있다. 고순도의 물이 0℃(1 bar의 기압에서)의 빙점을 가지므로, 연료 전지 시스템에 잔류되는 어떠한 물도, 충분한 시간이 주어지면, 연료 전지의 작동 종료 후에 얼게 될 것이다.
연료 전지 시스템 내의 얼음, 구체적으로는 캐소드 플로우 경로 내의 얼음은 연료 전지 스택이 적합하게 작동하는 것을 방지하거나 또는 심지어는 연료 전지 시스템이 전혀 작동하지 않도록 할 수 있다. 캐소드 플로우 경로의 어떠한 부분이 얼음으로 차단되면, 공기가 캐소드를 통과할 수 없고, 연료 전지가 빙점보다 높게 자체 가열할 수 없게 될 수도 있다. 그러므로, 전체 스택을 가열시키는 다른 방법이 필요하게 될 것이고, 이것은 연료 전지가 전기 동력의 공급을 개시하여 스스로 가열할 수 있게 되기 전에 외부 동력의 소모를 필요로 할 것이다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점들 중의 일부 또는 전부를 해소하는 것이다.
제1 특징에서, 본 발명은 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법을 제공하며, 상기 방법은,
ⅰ) 연료가 상기 연료 전지 스택의 애노드 용적부에 유입될 수 있도록 애노드 유입구 밸브를 개방하는 단계;
ⅱ) 공기가 상기 연료 전지 스택의 캐소드 용적부에 진입할 수 있도록 상기 연료 전지 스택의 캐소드 공기 유입구와 유체 연통하여 공기 압축기를 작동시키는 단계;
ⅲ) 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구의 온도를 모니터하는 단계; 및
ⅳ) 상기 캐소드 유입구 및/또는 상기 캐소드 유출구를 통과하는 유체의 온도가 사전 설정된 레벨을 초과하는 경우 상기 캐소드 용적부에 물을 주입하기 위해 물 주입 시스템을 작동시키는 단계
를 포함하며, 상기 연료 전지 스택의 하나 이상의 전지의 양단에서 측정된 전압이 제1 전압 임계치 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해 상기 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류가 제한된다.
제2 특징에서, 본 발명은, 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지 스택의 각각의 단부가 전류 콜렉터 플레이트와 말단 플레이트 사이에 배치된 히터 플레이트를 가지며, 각각의 상기 히터 플레이트는 각각의 말단 플레이트로부터 열적으로 절연되어 있는 연료 전지 스택을 제공한다.
제3 특징에서, 본 발명은, 연료 전지 스택 및 전기 제어 유닛을 포함하고, 상기 전기 제어 유닛이,
ⅰ) 연료가 상기 연료 전지 스택의 애노드 용적부에 유입될 수 있도록 애노드 유입구 밸브를 개방하고;
ⅱ) 공기가 상기 연료 전지 스택의 캐소드 용적부에 진입할 수 있도록 상기 연료 전지 스택의 캐소드 공기 유입구와 유체 연통하여 공기 압축기를 작동시키며;
ⅲ) 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구의 온도를 모니터하며;
ⅳ) 상기 캐소드 유입구 및/또는 상기 캐소드 유출구를 통과하는 유체의 온도가 사전 설정된 레벨을 초과하는 경우 상기 캐소드 용적부에 물을 주입하기 위해 물 주입 시스템을 작동시키도록 구성되며,
상기 전기 제어 유닛은, 상기 연료 전지 스택의 하나 이상의 전지의 양단에서 측정된 전압이 제1 전압 임계치 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해 상기 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류를 제한하도록 구성된다.
제4 특징에서, 본 발명은, 연료 전지 스택 및 전기 제어 유닛을 포함하며, 상기 제어 유닛은 상기 연료 전지 스택의 복수의 전지로부터의 전압 출력의 표준 편차에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하기 위해 상기 연료 전지 스택의 작동 파라미터를 조정하도록 구성되는 연료 전지 시스템을 제공한다.
제5 특징에서, 본 발명은, 연료 전지 스택 및 전기 제어 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 상기 연료 전지 스택의 복수의 전지의 각각으로부터의 전압 출력의 표시를 상기 전기 제어 유닛에 제공하는 단계와, 상기 복수의 전지로부터의 전압 출력의 표준 편차에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는 단계를 포함하며, 상기 전기 제어 유닛은 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하기 위해 상기 연료 전지 스택의 작동 파라미터를 조정한다.
도 1은 전체적인 연료 전지 시스템 내의 각종 부품의 배치의 개략도이다.
도 2는 연료 전지 시스템용의 일례의 전기 제어 시스템의 개략도이다.
도 3은 일례의 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 연료 전지 스택용의 일례의 히터 플레이트의 사시도이다.
도 5는 일례의 연료 전지 스택의 부분 개략 단면도이다.
도 6은 일례의 시동 과정의 개략 흐름도이다.
도 7은 연료 전지 시스템에 대해 측정된 각종 파라미터를 나타내는 일련의 곡선을 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 예시를 통해 설명할 것이다.
도 1은 연료 전지 스택(110) 및 다른 관련 부품을 포함하는 일례의 연료 전지 시스템(100)의 개략도이다. 연료 전지 스택(110)은 이 연료 전지 스택을 통과하는 캐소드 플로우 경로를 가지며, 이 캐소드 플로우 경로는 공기 유입구 라인(123)에 도달하여 캐소드 공기 유입구(126)에서 연료 전지 스택 내로 진입하는 공기 유입구(124)를 포함한다. 연료 전지 스택(110) 내에서 내부 캐소드 용적부(도시하지 않음)를 통과한 후, 캐소드 플로우 경로는 연료 전지 스택(110)을 빠져나와 캐소드 출구 라인(121) 내로 진입하고 캐소드 배출 라인(122) 및 배출 차단 밸브(120)를 경유하게 된다. 정상적인 작동 동안에는, 배출 차단 밸브(120)는 부분적으로 또는 전체적으로 개방되어 있다. 냉각 팬(139)이 연관되어 있는 열교환기(130) 및 물 분리기(131)와 같은 각종 부품이, 캐소드 플로우 경로에서 캐소드 출구 라인(121) 및 캐소드 배출 라인(122)에 또는 그 일부분에 연결될 수도 있다. 온도 센서(TX1, TX2, TXx3, TX5) 및 압력 센서(PX1, PX2) 또한 제공될 수 있으며, 이들은 캐소드 플로우 경로의 유입구 라인(123) 및 출구 라인(121)을 모니터하도록 적합한 장소에 연결된다.
제공된 관점에서의 "캐소드 시스템"이라는 표현은, 연료 전지 스택 내의 캐소드 용적부와 연관되는 연료 전지 시스템(100)의 이들 캐소드 시스템을 포괄하는 것으로 이해될 수 있다. 이들은, 유입구, 유출구, 내부 플로우 경로, 및 물 분배 구조체 등의 연료 전지의 각종 내부 부품뿐만 아니라, 유체 및 가스 양자를 위한 각종 유입구, 유출구, 재순환 라인, 및 배출 라인 등의 캐소드 용적부와 유체 방식으로 연통하는 부품을 포함한다. "캐소드 플로우 경로"라는 용어는, 공기 유입구(124)로부터 공기 압축기(133), 유입구 라인(123), 연료 전지 스택(110)의 캐소드 용적부, 및 캐소드 출구 라인(121)을 경유하는 유체 플로우 경로를 포함하는 캐소드 시스템의 서브세트를 포괄하는 것으로 이해될 수 있다. "애노드 시스템" 및 "애노드 플로우 경로"라는 용어는 애노드 용적부와 관련된 연료 전지 시스템(100)의 각종 부품을 참조하여 마찬가지로 해석될 것이다.
캐소드 공기 유입구 라인(123)에 연결된 공기 압축기(133)는 캐소드 플로우 경로에 압축 공기를 제공한다. 공기 유입구 열교환기(134), 유량 계측기(135), 하나 이상의 공기 필터(136, 137), 및 공기 히터(138)와 같은 다른 부품이 공기 유입구(124)와 연료 전지 스택(110) 사이의 캐소드 유입구 라인(123)에 제공될 수도 있다. 공기 유입구 열교환기(134)는 연료 전지 시스템(100)의 작동 동안 냉각제 라인(141)으로부터의 냉각제로 공기 압축기(133)로부터의 공기를 예열하기 위해 냉각제 라인(141), 3-방향 밸브(142), 및 온도 센서(TX7)와 함께 사용될 수 있다. 공기 유입구 열교환기(134)를 통과하는 냉각제 라인(141)은 공기 압축기(133) 이후의 에어 스트림으로부터 열을 추출하도록 구성된 별도의 냉각 회로를 형성한다. 이 냉각제 라인(141)은, 연료 전지 시스템(100)의 시동 동안 캐소드 공기 유입구 라인(123)에서의 공기 유입 스트림으로부터 열을 추출하는 것을 방지하기 위해, 연료 전지 스택(110)이 정상 작동 온도에 도달한 후에 작동되는 것이 바람직하다. 냉각제 라인(141)에서의 냉각제의 우회는 3-방향 밸브(142)의 사용을 통해 달성될 수 있으며, 이에 의해 냉각제가 열교환기(134)로 전달되는지의 여부에 대한 제어가 가능하게 된다. 냉각제 라인(141)이 캐소드 시스템에 공급되는 물과는 분리되어 있으므로, 고순도 물에 대한 조건이 전술한 것과 상이하게 된다. 따라서, 냉각제 라인(141)에 사용되는 냉각제는 사용되는 냉각제의 빙점을 낮추기 위해 글리콜과 같은 첨가제를 포함할 수도 있다.
대표적으로 수소와 같은 기체 상태의 연료가 압력 감소 밸브(151) 및 바람직하게는 평상시 닫혀 있는 솔레노이드 작동식 밸브(normally closed solenoid-actuated valve) 형태의 작동식 밸브(152)를 경유하여 연료 전지 시스템에 주입된다. 연료 공급부(150)는, 수소 가스 형태일 경우에는, 예컨대 차량의 후방측을 향하여 가압 탱크의 형태로 통상적으로 연료 전지 시스템으로부터 원거리에 위치된다. 추가의 솔레노이드 작동식 밸브(153) 및 압력 감소 밸브(154)가 연료 공급부(150)와 연료 전지 스택(110)의 애노드 유입구(156) 사이의 애노드 플로우 경로의 연료 유입구 라인(155)에서 연료 전지 스택(110)에 더 인접하여 제공될 수 있다. 따라서, 연료 공급부 부근에 한 세트의 밸브(151, 152)와 연료 전지 스택(110)에 근접한 다른 세트의 밸브(153, 154)로 이루어진 2개의 별도 세트의 밸브가 애노드 유입구(156)에 도달하는 형태로 제공되며, 그 사이에는 중간 가압 연료 라인(119)을 갖는다. 압력 감소 밸브(154)는 물을 사용하지 않는 연료 가스(dry fuel gas)의 압력을 연료 전지 스택(110)에 주입하기에 적합한 레벨로 조절한다. 압력 감소 밸브(154)는 사전 설정된 압력 설정치가 적용되는 수동 장치인 것이 바람직하지만, 능동적으로 제어되는 장치가 사용될 수도 있다. 연료 히터(145)가 필요에 따라 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 가압 연료 라인(119)에서 작동식 밸브(153) 앞에 제공되거나, 또는 이와 달리 연료 유입구 라인(155)에서 압력 감소 밸브(154)의 앞과 뒤 중의 하나에 제공될 수도 있다.
추가의 작동식 밸브(161)가 애노드 출구 라인(165)에 제공된다. 솔레노이드를 통한 전류의 통과에 의한 밸브(152, 153, 161)의 작동이 특정한 정도의 가열을 제공할 것이지만, 각각의 작동식 밸브(152, 153, 161)는 밸브를 필요한 만큼 제상(defrost)하기 위해 국부적 히터 수단이 제공될 수 있다. 바람직하게는, 각각의 작동식 밸브(152, 153, 161)는 안전장치가 되어 있도록(fail-safe) 구성된다. 즉, 솔레노이드를 통과하는 전류에 의해 작동될 때에만 개방할 것이다.
애노드 플로우 경로 내의 연료의 압력을 모니터 및 경감하기 위해, 압력 센서(PX1) 및/또는 압력 경감 밸브(157)가 제공될 수 있다. 압력 경감 밸브(157)는 애노드 플로우 경로 내의 압력이 안전 작동 레벨을 초과할 때에 개방되어 압력 경감 배출 라인(158)을 통해 애노드 플로우 경로부터 유체를 배출하도록 설정되는 것이 바람직하다.
애노드 출구 라인(165)에 추가의 수동 작동 밸브(162)가 제공될 수 있으며, 이 밸브(162)는 예컨대 애노드 플로우 경로의 감압(depressurisation)을 보장하기 위해 서비스 동안 사용된다. 연료 전지 스택(110)의 애노드 플로우 경로에서의 물의 형성(water build-up)은 예컨대 캐소드측으로부터의 PEM을 통한 물의 확산의 결과로서 발생할 수 있다. 그 결과, 애노드 배출 물 분리기(163)가 애노드 배출 라인(164)에 제공되어 애노드 배출 라인(164)에 제공된 어떠한 물을 분리할 수 있다. 이 물은 배출되거나 또는 필요한 경우 재순환될 수 있다. 연료 전지 스택(110)의 작동 동안, 밸브(161)는 통상적으로 닫힌 상태로 유지되며, 애노드 유체 경로로부터의 어떠한 증가된 물을 배출하기 위해 단속적으로만 개방된다.
캐소드 물 주입 라인(125)에 연결된 애노드 물 주입 유입구(127)가 연료 전지 스택(110)에 제공된다. 캐소드 물 주입 라인(125)이 그 길이의 일부 또는 전체를 따라 가열될 수 있으며, 물 수용 용기(140) 및 캐소드 물 주입 유입구(127) 사이에 연장한다. 캐소드 물 주입 유입구(127)를 향해 주입 라인(125)을 통과하는 물을 가열하기 위해 주입 라인(125)의 특정 영역에 열을 가하도록 히터(129)가 제공될 수 있다. 동작 동안 주입 라인(125) 상의 배압(back-pressure)을 모니터하기 위해 캐소드 물 주입 라인(125)에 추가의 압력 센서(PX4)가 제공될 수 있다.
캐소드 출구 라인(121)으로부터의 물은 필요한 경우 히터(143)가 설치된 물 펌프(132)로 펌핑되어 물 귀환 라인(128)을 통해 물 수용 용기(140)를 향하게 된다. 과잉의 물은 연료 전지 시스템(100)으로부터 물 오버플로우 라인(144)을 통해 물 수용 용기(140)의 외부로 방출된다.
애노드 출구 솔레노이드 밸브(161)는 연료 전지 스택(110)으로부터 배출되는 포화 상태의 가스 및 액체 스트림을 조절하도록 구성된다. 애노드 유입구 솔레노이드 밸브(153)와 마찬가지로, 애노드 출구 솔레노이드 밸브(161)는 전자 방식으로 제어되고, 개방 또는 폐쇄될 수 있으며, 전원 차단 시에는 폐쇄되는 것이 바람직하다. 애노드 출구 솔레노이드 밸브(161)가 액체/포화 가스 스트림을 처리함에 따라, 연료 전지 시스템(100)이 작동 중지될 때에 그 밸브 주변에 물방울(water droplet)이 존재하게 될 수 있다. 그 후, 연료 전지 시스템이 영하의 주변 조건에 놓이게 되면, 밸브(161)가 얼어서 동결될 수도 있다. 단순히 밸브에 전원을 공급하는 것은 일반적으로 얼음을 깨뜨리기에 불충분하므로, 히터 수단(166)을 통해 외부 가열과 전원 공급된 코일에 의한 내부 가열의 사용을 조합하는 것이 요구될 수도 있다.
히터(166)는 애노드 출구 물 분리기(163)뿐만 아니라 애노드 출구 솔레노이드 밸브(161)에 열을 가하도록 구성되는 것이 바람직하다. 히터(166)는 적합한 온도 범위로 조절된 양의 온도 계수(positive temperature coefficient, PTC) 가열 수단을 포함할 수 있다. 애노드 출구 라인 물 분리기(163)는 연료 전지 스택(110)의 애노드 출구(159)로부터의 혼합된 가스 및 액체 배출 스트림으로부터 물을 분리하도록 구성된다. 바람직하게는, 애노드 출구 라인 물 분리기(163)는 애노드 물 출구 라인(167)을 통과하는 물이 배출되는 물 내에 기포 형태의 포화 가스를 포함하지 않도록 구성되어, 애노드 물 배출 시에 발생하는 잠재적인 폭발성 혼합물의 위험을 최소화한다. 잔여의 연료 가스는 다시 애노드 유입구(156) 내로 재순환될 수 있다.
도 1에 도시된 애노드 시스템의 구성은 또한 연료 전지 스택(110)에서의 누설을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 애노드 출구 솔레노이드 밸브(161) 및 바이패스 밸브(165)를 폐쇄 상태로 유지하면서 애노드 유입구 솔레노이드 밸브(153)를 개방 상태로 하면, 일정량의 가스가 연료 전지 스택(110)의 애노드 용적부 내로 통과되도록 허용된다. 그 후, 애노드 유입구 솔레노이드 밸브(153)가 폐쇄되고, 애노드 유입구(156)에서의 압력이 압력 센서(PX1)를 통해 종료 시까지 모니터된다. 압력을 시간을 함수로 하여 PEM을 통한 프로톤의 전도에 의한 연료의 손실을 설명하는 눈금 표시 곡선(pre-calibrated curve)과 비교함으로써, 연료 전지 스택에서의 또는 애노드 플로우 경로 내의 관련 부품에서의 누출의 결과로서 발생되는 어떠한 추가 손실에 대한 진단이 가능하게 된다.
밸브가 전원을 공급받는 동안 열이 생성되므로, 채용되는 제어 방안(control strategy)은 영하에서의 작동 동안에는 이 점을 고려하는 것이 바람직하다. 시스템이 영하의 조건에서 시동될 때에 밸브가 즉각적으로 개방될 수 있도록 하는 것이 비현실적일 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 밸브를 개방하기 위해 요구되는 시간은 최소화되어야 한다. 애노드 유입구 라인(155) 상의 압력 변환기(PX1)는 애노드 출구 밸브(161)의 개방 및 폐쇄를 모니터하기 위해 사용될 수 있으며, 그에 따라서 밸브(161)가 올바르게 작동하는 것으로 압력 변환기(PX1)가 나타낸 후에는 작동 방안이 내부 경고에서 정상 작동으로 변경될 수 있다. 애노드 출구 밸브(161)가 평상 시에는 닫혀있기 때문에, 압력 변환기는 애노드 출구 밸브(161)가 개방되는 경우에는 압력의 감소를 나타낼 것이다. 밸브의 개방이 얼음의 형성으로 인해 방해되면, 이것은 애노드 출구 밸브(161)의 전원 공급 시에 압력 강하가 존재하지 않는 것으로 나타나게 될 수 있다. 그 결과, 제어 방안은 애노드 출구 밸브(161)의 전원 공급 시에 압력 강하가 나타날 때까지 밸브(161)를 추가로 가열하도록 구성될 수 있다.
애노드 플로우 경로 내의 연료의 압력을 감소시키기 위해, 압력 감소 밸브(157)가 제공될 수 있다. 압력 감소 밸브(157)는 애노드 플로우 경로에서의 압력이 안정한 동작 레벨을 초과할 때에 압력 감소 배출 라인(158)을 통해 애노드 플로우 경로를 개방시켜 유체를 배출하도록 설정되는 것이 바람직하다. 이 안정한 동작 레벨은 교정 압력 변환기를 이용하여 또한 연료 전지 스택(110)의 정격 압력에 따라 오프라인으로 설정될 수 있다.
애노드 출구 라인(165)에 추가의 수동 작동 밸브(162)가 제공될 수 있으며, 이 수동 작동 밸브(162)는 예컨대 애노드 플로우 경로의 감압을 보장하기 위해 서비스 동안 사용된다. 연료 전지 스택(110)의 애노드 플로우 경로에서의 물의 증가는 예컨대 캐소드측으로부터의 PEM을 통한 물의 확산의 결과로 발생할 수 있다. 그 결과, 애노드 배출 물 분리기(163)가 배출 라인(164)에 존재하는 어떠한 물을 분리하기 위해 애노드 배출 라인(164)에 제공될 수 있다. 이 물은 배출될 수도 있고 또는 필요한 경우 재순환될 수도 있다. 연료 전지 스택(110)의 작동 동안, 밸브(161)는 통상적으로 닫힌 상태로 유지되고, 애노드 유체 경로로부터 어떠한 증가하는 물을 배출하기 위해 단속적으로만 개방된다.
캐소드 물 주입 라인(125)에 연결된 애노드 물 주입 유입구(127)가 연료 전지 스택(110)에 제공된다. 캐소드 물 주입 라인(125)은 그 길이의 일부 또는 전체를 따라 가열될 수 있으며, 물 수용 용기(140) 및 캐소드 물 주입 유입구(127) 사이에 연장한다. 캐소드 물 주입 유입구(127)를 향해 주입 라인(125)을 통과하는 물을 가열하기 위해 주입 라인(125)의 특정 영역에 열을 가하도록 히터(129)가 제공될 수 있다. 동작 동안 주입 라인(125) 상의 배압을 모니터하기 위해 캐소드 물 주입 라인(125)에 추가의 압력 센서(PX4)가 제공될 수 있다.
캐소드 출구 라인(121)으로부터의 물은 필요한 경우 히터(143)가 설치된 물 펌프(132)로 펌핑되어 물 귀환 라인(128)을 통해 물 수용 용기(140)를 향하게 된다. 과잉의 물은 연료 전지 시스템(100)으로부터 물 오버플로우 라인(144)을 통해 물 수용 용기(140)의 외부로 방출된다. 물 수용 용기의 추가의 상세구성은 본 출원의 우선권 주장일과 동일자로 영국 특허청에 제출되어 현재 계류 중인 "Fuel cell system"이라는 명칭의 GB 특허 출원에 개시되어 있다.
도 2는 도 1의 연료 전지 스택(110)과 관련된 일례의 전기 제어 시스템(200)의 개략도이다. 전력 출력단(201, 202)이 전기 부하(260)에 접속되어 있으며, 이 전기 부하는 모터를 포함한 자동차 시스템의 각종 부품 및 다른 전기 동력 부품을 나타낸다. 시동 동안 부하(260) 전반에 인가되는 전류가 증가하면, 부하(260)에 의해 요구되는 전류를 유지하기 위해, 외부 전원(예컨대, 배터리 또는 정지 상태의 응용장치에서는 주전력(mains-derived electric power))으로부터 얻어지는 전류가 그에 대응하여 감소될 수 있다. 연료 전지 스택(110) 내의 개별 전지의 전압은 연료 전지 스택(110)으로부터 전기 접속부를 통해 각각의 쌍극판(bipolar plate)에 출력되며, 이 전압은 복수의 전압 라인(220)을 통해 출력된다. 각각의 전지로부터의 전압의 표시가 멀티플렉서(205)를 통해 마이크로컨트롤러(210)에 입력된다.
연료 전지 스택(110)의 각각의 전지의 전압 출력은 개개의 연료 전지 쌍극판의 설계에 통합된 사이드 탭에 대한 접속부를 통해 측정될 수 있다. 사이드 탭은 수형 컨넥터(male connector) 형태로 제공될 수 있으며, 이로써 예컨대 자동차 응용장치에 흔히 사용되는 스페이드 타입(spade-type) 컨넥터의 암형 푸시 피트 컨넥터(female push fit connector)의 사용을 가능하게 한다. 이 접속 스타일은 높은 레벨의 진동에 적합하다. 각각의 전지의 전압은 멀티플렉서(205) 내의 일련의 차동 증폭기의 사용을 통해 규정 제로(defined zero)에 대해 결정될 수 있다. 다중화된 전압 표시는 마이크로컨트롤러(210)에 입력된다.
마이크로컨트롤러(210)는, 연료 전지 스택(110) 내의 각각의 전지의 전압을 평가하고, 2개의 출력 라인(211, 212)을 구동하도록 구성된 2개의 디지털 릴레이의 동작을 제어하도록 구성된다. 마이크로컨트롤러(210) 내에 통합될 수 있는 디지털 릴레이는, 전압 라인(220)을 통해 제공된 바와 같은 연료 전지 스택(110) 내의 하나 이상의 전지의 전압이 특정한 설정 임계 전압값 아래로 떨어지는지를 나타내도록 제어된다. 안전 장치용으로(예컨대, 잘못된 접속의 경우에서), 마이크로컨트롤러(210)는 각각의 전압 임계 레벨이 연료 전지 스택 내의 모든 전지에서 초과되는 경우에만 각각의 출력 라인을 하이(high)로 설정하도록 구성된다. 따라서 하이로 유지되고 있는 라인(211, 212) 양자는 연료 전지 스택의 "건강한" 상태의 동작을 나타낸다. 마이크로컨트롤러(210)는 디지털 릴레이가 상이한 전압 임계 레벨, 즉 장애 상태를 나타내는 제1 전압 임계치 및 경고 상태를 나타내는 제2 전압 임계치에서 트리거하도록 디지털 릴레이를 설정한다. 통상적으로, 제2 전압 임계치는 제1 전압 임계치보다 높다. 이들 전압 임계값은 마이크로컨트롤러(210)에 대한 소프트웨어 인터페이스를 통해 설정될 수 있다. 그러므로, 각각 제1 전압 임계값과 제2 전압 임계값에 대응하는, 출력 라인(211, 212) 상의 디지털 정보가 연료 전지 전기 제어 시스템(200)에 의해 사용되어, 출력 접속부(201, 202)를 통해 인입된 전기 전류를 조절하고 또한 공기 흐름과 같은 파라미터를 조정하여, 연료 전지 스택(110)의 건강성(health) 및 내구성을 능동적으로 향상시킬 수 있다. 제1 전압 레벨과 제2 전압 레벨에 대해 대표적인 값은 각각 0.4V 및 0.6V이지만, 이들 값은 연료 전지 스택에 대한 열적 균형 및 수용 가능한 부하를 포함한 여러 요인에 따라 변화될 수도 있다.
다수의 상이한 회복 가능한 장애가 통상적으로 낮은 전압 출력을 갖는 하나 이상의 전지에 의해 나타내어질 수 있기 때문에, 전지 전압 임계 정보를 이용하는 것은 연료 전지의 안정한 작동을 보장하는 유용한 방법이다. 바람직하게는, 출력 라인(211, 212)에 대해 설정되는 레벨을 결정하기 위해 최악으로 수행중인 전지의 전압 레벨이 이용된다.
로우(low)로 설정되어 있는 출력 라인(212)에 의해 나타내지는 경고 상태의 상황에서는, 연료 전지 스택(110)의 제어 파라미터가 점차적으로 조정될 수 있으며, 이와 달리 하이로 설정되어 있는 출력 라인(212)에 의해 나타내지는 경우에는, 경고가 중단될 때까지 연료 전지 전류 부하가 제한된다. 장애 상태의 경우에, 로우로 설정되어 있는 출력 라인(211)에 의해 나타내지는 경우에는, 부하(260)가, 예컨대 연료 전지 스택(110)과 전기 부하(260) 사이에 설치된 전기적 컨택터(도시하지 않음)를 해제함으로써 연료 전지 스택(110)으로부터 일시적으로 단절될 수 있다. 부하(260)는 장애 상태가 제거된 후에 후속하여 재접속될 수 있으며, 이것은 출력 라인(211)을 하이로 설정하는 마이크로컨트롤러에 의해 나타내진다.
마이크로컨트롤러(210)는 전지 전압이 사전 설정된 임계 레벨 아래인지를 판정하기 위해 하드웨어 비교기로 교체될 수도 있다. 따라서, 일정 수준의 소프트웨어가 제거되므로, 기술의 견고성이 증가된다. 이것은 전체적인 시스템(200)의 인증 및 응답 속도를 고려할 때에는 특히 이로울 것이다.
디지털 릴레이의 동작에 추가하여, 마이크로컨트롤러(210)는 또한 전지 전압 데이터 정보를 CAN(Controller Area Network)(240)에 공개(publish)하도록 구성될 수 있다. CAN은 전압 라인(220)으로부터의 연료 전지 스택 전압의 프로파일이 외부 컴퓨터(250) 및/또는 연료 전지 전기 제어 유닛(ECU)(230)과 같은 적합한 하드웨어를 통해 모니터 및/또는 로그(log)되도록 한다. 연료 전지 시스템 동작의 최적화에 관련한 다양한 기능이 ECU에 통합될 수도 있는 한편, CAN을 통해 이용 가능하게 된 정보에 의해 연료 전지 시스템의 상세 진단 및 검사를 위해 외부 컴퓨터가 이용될 수 있다.
전지 전압 프로파일 데이터는 이미 알고 있는 프로파일과의 비교를 통해 시간 경과에 따른 또한 상이한 조건 하에서의 연료 전지의 효율 및 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 연료 전지 스택(110)의 에지에서는 낮아지고 또한 연료 전지 스택(110)의 중앙에서는 상승하는 연료 전지 스택 양단의 전지 전압의 분포는, 통상적으로, 연료 전지 스택(110)이 차거운 상태이거나 또는 너무 많은 냉각을 받고 있는 중이라는 것을 나타낸다. 그 반대의 상황, 즉 전압 레벨이 연료 전지 스택(110)의 중앙으로 갈수록 떨어지는 경우는, 연료 전지 스택(110)이 뜨겁거나 또는 너무 적은 냉각을 받고 있다는 것을 나타낸다. 전자의 상황은 냉각 레벨을 감소시키거나 및/또는 연료 전지 스택(110)의 단부에 열을 가함으로써 해소될 수 있는 한편, 후자의 상황은 냉각 레벨을 증가시키거나 및/또는 연료 전지 스택(110)의 단부에 가해지는 열의 양을 감소시킴으로써 해소될 수 있다. ECU는 설정된 시간 간격, 통상적으로 매 100ms마다 연료 전지 스택(110)의 전압 레벨을 모니터하도록 구성될 수 있다. 연료 전지 동작의 진단 및 최적화를 위해, 전압 레벨을 모니터하는 것은, 통상적으로 수분 또는 수시간 정도의 더 오랜 시간 간격에 걸쳐 수행될 수 있으며, 연료 전지 스택의 즉각적인 작동 효율을 최적화하기보다는 연료 전지 스택의 수명을 최대화하는 것을 목적으로 할 수 있다.
캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구의 온도가 ECU(230)와 같은 연료 전지 시스템 컨트롤러에 의해 모니터되는 것이 바람직하다. 이러한 모니터링은 예컨대 온도 센서(TX2, TX3)를 통해 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구 스트림의 실제 온도 측정치를 취하는 것을 포함할 수 있다. 애노드 출구 온도 또한 예컨대 애노드 출구 라인(165) 상의 온도 센서를 통해 모니터될 수 있다. 이와 달리 또는 이에 추가하여, 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구의 온도는 연료 전지 스택(110)의 공지의 소정의 열적 동작 모델과 관련하여 다른 연료 전지 파라미터의 측정을 통해 간접적으로 모니터될 수 있다. 파라미터는 예컨대 시간에 대한 파라미터이며, 시간 경과에 따라 인입되는 전기 전류일 것이다. 연료 전지 스택의 공지의 열적 동작을 고려함으로써, 연료 전지 스택(110)을 통과하는 캐소드 플로우 경로가 어느 시점에 물 주입의 개시를 위한 최소 요구 온도에 도달하는지를 연료 전지 컨트롤러(230)가 간접적으로 결정할 수 있게 된다. 열적 동작 모델은 예컨대 일정 범위의 온도를 위해 열이 주변 환경에 손실되는 비율 및 일정 범위의 인입 전류를 위한 연료 전지 스택에서의 가열 효과와 같은 파라미터를 포함할 것이다. 시간 경과에 따라 인입된 전류의 측정량을, 이 시간의 경과에 따른 연료 전지 스택(110)으로부터 손실된 열을 고려하면서, 말단 플레이트 히터(330a, 330b)와 같은 부품에 의한 추가의 가열 효과와 함께 통합함으로써, 캐소드 유체 플로우 경로 내의 온도의 추정치가 산출될 수 있다.
따라서, 일반적인 측면에서, 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구의 온도를 모니터하는 것은, 캐소드 유입구 및/또는 출구 스트림의 온도 측정치를 취하는 것을 포함할 수 있다. 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구의 온도를 모니터하는 것은, 시간 경과에 따라 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류의 측정치를 이용하여 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구 스트림의 추정치를 산출하는 것을 포함할 수 있다. 후자의 접근은 연료 전지 스택(110)의 소정의 열적 모델을 고려하는 것이 바람직하다.
전지 전압 정보는 연료 전지 건강성 및 전체적인 시스템 효율을 최대화하고자 하는 최적화 알고리즘의 이용 시에 추가로 이용된다. 최적화 알고리즘은 시스템의 메카니즘에 대한 지식을 요구하지 않아야 하며, 관련 기준의 최종 값을 기초로 하는 해법을 제공하도록 이루어져야 한다. 간략화된 형태에서, 최적화는 이하의 비용 함수(cost function)를 감소시키고 바람직하게는 최소화시키고자 할 것이다:
Figure pct00001
여기서, συ는 복수의 전지의 전압 출력의 표준 편차이고, Pp는 기생 부하(parasitic load)이며, σ, β는 상수이다. 이와 달리, 최적화 알고리즘은 전지 전압 출력만의 표준 편차를 이용하여 연료 전지 스택(110)의 출력을 최적화하기 위해 이 표준 편차를 감소시키거나 최소화하고자 할 것이다.
상기한 비용은 통상적으로 전압 라인(220) 상의 전지 전압의 분포를 포함한 연료 전지 시스템 데이터의 스냅샷(snapshot)을 취함으로써 소정의 구간에서 계산된다. 어떤 범위 내에서, 연료 전지 스택의 개개의 전지 전압의 표준 편차는 시스템의 공기 화학양론(air stoichiometry)에 좌우된다. 이러한 관점에서, 시스템의 화학양론은 애노드 용적부 내로 공급되고 있는 연료의 양과 반응하기 위해 필요한 양과 비교되는 연료 전지 스택(110)의 캐소드 용적부 내에 이용 가능한 산소의 몰양(molar quantity)을 지칭한다. 산소와 수소의 화학양론적 균형은 아래의 전체 반응에 의해 나타내어진다:
Figure pct00002
상기의 식에 따른 화학양론적 균형을 위해, 산소 가스의 몰(mole)보다 2배 많은 수소 가스의 몰이 요구된다. 따라서, 2의 캐소드 화학양론은 애노드 시스템에 진입하는 수소 H2의 몰과 동일한 몰수의 산소 O2가 캐소드 시스템을 통과한다는 것을 나타낸다. 통상적으로, 평상시에 닫혀있는 캐소드 시스템에서의 반응 효율을 유지하기 위해 적어도 2의 화학양론이 요구된다. 개방 캐소드 시스템에서는, 화학양론이 50으로 높게 될 수도 있다. 즉, 존재하는 수소 가스의 몰보다 25배 더 많은 몰의 산소 가스가 이용 가능하다는 것을 나타낸다. 산소 풍부 균형(oxygen rich balance)쪽으로의 화학양론의 증가는 전체 연료 전지 스택 성능의 증가 및 연료 전지 전압 표준 편차의 감소의 결과로 나타난다. 그러나, 이를 달성하기 위해, 이용 가능한 산소 함량의 증가 및 사용되는 공기 전달 방법(대표적으로 공기 압축기(133))으로 인한 기생 부하의 증가가 요구된다. 그러므로, 상기한 비용 함수는 기생 부하와 연료 전지 스택 전압 출력 분포 간의 적합한 균형을 달성하기 위해 균형이 이루어지는 것이 바람직하다.
연료 전지 스택 상의 기생 부하는 작동 동안에 연료 전지 시스템(100)의 하나 이상의 부품에 의해 소비되는 전력의 양에 의해 나타내질 수 있다. 따라서, 기생 부하의 측정량은 공기 압축기(133), 히터 플레이트(330)(아래에 더욱 상세하게 설명됨), 및 캐소드와 애노드 유입구 스트림의 온도를 상승시키기 위한 히터(138, 145) 중의 하나 이상에 제공된 전류의 측정치로부터 결정될 수 있다. 기생 부하의 원칙적인 측정량은 공기 압축기(133)에 의해 인입된 보조 전력의 측정량에 의해 나타내어질 수 있으며, 그 이유는 이것이 연료 전지 스택(110) 내의 가스의 화학양론적 균형을 제어하기 때문이다. 이러한 측정치는 예컨대 공기 압축기(133) 및/또는 펌프, 밸브, 센서, 액추에이터 및 컨트롤러 등의 다른 전기 작동 장치에 의해 인입된 전류의 측정을 통해 획득될 수 있다. 공기 압축기(133)는 고전압 공급장치로부터 전원 공급될 수 있으며, 그 경우 이 고전압 공급장치로부터 인입된 전류의 측정치가 필수적인 표시를 제공할 수 있다.
초기 상태에서 출발하면, 최적화 루틴은 통상적으로 설정된 시간 간격으로, 예컨대 매분마다 캐소드 (공기) 화학양론적 설정점을 갱신한다. 이에 의해, 시스템이 주변 압력(예컨대, 고도) 또는 온도와 연료 전지 스택 건강성(예컨대, 에이징으로 인한 스택 열화) 등의 상이한 주변 조건에 따라 점차적으로 최적화할 수 있게 된다.
연료 전지 시스템(100)을 영하의 주변 온도에서 시동하는 것을 보조하기 위해, 이하의 특징의 일부 또는 전부가 요구될 것이다:
ⅰ) 가열된 수소 출구 밸브(161) 및 물 분리기/수집기(163)(도 1에 도시됨);
ⅱ) 캐소드와 애노드 유입구 스트림의 온도를 상승시키기 위한 히터(138, 145);
ⅲ) 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 아래에 추가로 설명된, 연료 전지 내의 전류 콜렉터의 온도를 상승시키는 히터(330);
ⅳ) 물 수용 용기(140)(도 1) 등의 연료 전지 스택에의 도입에 이용 가능한 액체 상태의 물의 소스;
ⅴ) 물 주입 라인(125) 및 물 방출 라인(128)(도 1)을 포함하는 액체 상태의 물을 운반하는 라인의 트레이스 가열(trace heating); 및
ⅵ) 연료 전지 물 주입 유입구(127) 주변 영역의 가열.
일례의 시동 과정이 다음과 같이 상세하게 설명될 것이다. 먼저, 공기 압축기(133)가 개시되고, 고정된 유량을 연료 전지 스택 캐소드 공기 유입구(126)에 제공하도록 설정된다. 200 ㎠의 활성 면적을 갖는 연료 전지 스택의 경우, 80A 또는 그 이상의 전류 설정점(current set point)에 따라 목표를 달성하기 위해, 요구되는 유량이 설정될 수 있다. 이에 후속하여, 물 라인(125, 128), 수소 출구 밸브(161), 연료 전지 스택 전류 콜렉터(320a, 320b)(도 3과 관련하여 설명될 것임), 및 물 분리기(131)와 물 수용 용기(140) 사이의 배유 펌프(scavenge pump)(132)가 가열된다. 캐소드 및 애노드 유입구 라인(123, 155) 상의 히터는, 캐소드 공기 유입구(126)와 애노드 연료 유입구(156)에서의 가스 스트림의 유입구 온도가 바람직하게는 5∼10℃가 되도록 작동된다. 영하의 주변 조건에서 출발할 때에는, 연료 전지 스택의 상단(통상적으로 가스가 유입되는)에서의 어떠한 물이 너무 빨리 제상하지 못하여 그 후에 연료 전지 스택의 하위 섹션에서 얼게 되어 여전히 빙점 아래에 있게 될 수 있도록 하기 위해, 각각의 스트림의 온도는 최대 10℃로 조절된다. 이에 의해, 연료 전지 스택이 물 주입 유입구(127)를 통해 연료 전지 스택 내로 주입되는 물을 얼게 하지 않도록 하는 정도로 캐소드 및 애노드 유체 경로를 적어도 부분적으로 가열하기 위해 가스가 이용된다.
그 후, 애노드 유입구 밸브(153) 및 퍼지 밸브(purge valve)(161)가 작동된다. 이 시동 상태에서, 퍼지 밸브에 대한 억압 동작(aggressive action)은 퍼지 밸브(161) 내의 자체 가열을 촉진하기 위해 퍼지 밸브(161)를 반복적으로 작동시킴으로써 착수되어, 이러한 반복된 작동에 의해 야기된 진동을 통해, 밸브의 즉각적인 개방을 방해할 수도 있는 어떠한 소형 얼음의 형성을 제상 및 축출한다.
캐소드 유입구 및 출구 온도가 적어도 5℃보다 높게 될 때까지, 연료 전지 스택은 캐소드 물 주입을 통해 냉각/습윤(humidification) 없이 작동된다. 이에 의하여, 캐소드 물 주입 유입구를 통한 물의 도입이 연료 전지 스택(110)의 캐소드 용적부 내의 얼음의 형성을 초래하지 않게 된다.
연료 전지 ECU는 연료 전지 스택(110)으로부터 인입되는 전류를 제어한다. 인입될 수 있는 전류에 대하여 상한치가 설정되며, 연료 전지 ECU가 연료 전지로부터 얼마만큼의 전류가 인입되어야 하는지를 나타내준다. 이 전류 한계치는 제로와 상위 전류 한계치 사이이며, ECU에 의해 설정된다. 이 전류 한계치는 연료 전지에 대한 정격 전류보다 적거나 동일하여야 한다. 더욱 신속한 시동을 위해, 연료 전지 ECU(230)는 연료 전지 스택(110)으로부터 인입되는 전류를 디지털 라인(211, 212) 상에 설정된 값에 의해 허용되는 만큼 높게 설정할 수 있다. 연료 전지 ECU(230)는 연료 전지 스택(110)의 건강성을 지속적으로 모니터하고, 그에 따라 부하(260)를 가하거나 제거한다. 부하(260)는 일반적으로, 전압 경고 임계치가 통과되고 있을 때에는, 경고 임계치가 통과되지 않을 때에 전류가 증가되는 비율보다 더 높은 비율로 전류가 감소되도록, 시간에 대하여 고정된 비율로 가해지고 제거된다. 연료 전지 전류는, 전류가 타겟 제어 라인에 따라 증가하도록 또한 연료 전지 스택(110)의 정격 전류가 도달될 때까지, 증가된다. 그러나, 연료 전지 ECU(230)는 라인 "212"의 경고 레벨, 즉 2개의 전압 임계치 표시기 중의 상위측 상의 경고 레벨을 1차적으로 이용하여, 하나 이상의 전지의 전압이 경고(또는 제2) 전압 임계치 아래로 떨어지는 경우에 연료 전지 스택(110)으로부터 인입되는 전류를 조정한다. 기본적인 전제는, 경고가 나타내어질 때까지 소정의 타겟 제어 라인에 순응하여 연료 전지로부터 인입되는 전류를 증가시키는 것을 유지하는 것이다. 전류가 증가되는 소정의 비율은 스택 크기와 같은 연료 전지 스택의 특정 특성에 따라 설정될 수 있으며, 이 비율은 예컨대 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류의 양 또는 온도의 측정량에 따라 변화하도록 사전 결정될 수 있다. 전류가 증가되는 최대 비율은 통상적으로 연료 전지 스택의 크기에 따라 1∼3 Amps/second의 사전 결정된 값이 바람직하다. 이 최대 비율은 연료 전지 시스템이 콜드 스타트(cold start)에서부터 완전 출력 파워에 도달할 수 있는 가장 빠른 시간을 결정한다. 예컨대 외부 시스템으로부터 수신된 전류 설정점 요청이 이 최대 비율보다 작으면, 연료 전지 시스템은 이 낮은 값을 따를 것이다. 경고가 표시된 후, 경고가 사라질 때까지 전류가 감소된다. 그러므로, 제어에 의하여, 필수적으로 연료 전지가 전지 경고를 트리거하지 않고 처리할 수 있는 최대 전류를 인가한다. 이 방식의 장점은 연료 전지에 의해 생성된 열이 전류 증가에 따라 증가하므로, 전류가 높을수록 제상을 위한 시간이 더욱 단축된다. 이러한 초기 가열의 과정은 냉각수/습윤수(humidification water)의 주입 전에 발생하는 것이 바람직하다.
일반적인 특징에서, 연료 전지 스택(110)으로부터 인입된 전류는 연료 전지 스택 양단의 전지 전압의 합계가 제3 전압 임계치 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해 제한되며, 여기서 제3 전압 임계치는 제2(경고) 전압 임계치를 연료 전지 스택(110) 내의 전지의 개수로 곱한 것보다 더 높다. 그러나, 어떠한 개개의 전지의 전압이 경고 전압 임계치 아래로 떨어지면, 전압이 다시 임계치 위로 상승할 때까지 전류가 제한된다.
냉각 상태에서 시동하면, 연료 전지 스택의 전체 전압이 사전 설정된 상수값으로 조정될 수 있으며, 여기서 이 값은 각각의 전지에 대한 사전 설정된 정규 전압에 전지의 개수를 곱한 것이다. 개개의 전지에 대한 대표적인 전압은 대략 0.65V일 것이므로, 20개의 전지로 이루어진 연료 전지 스택에 대한 정규 전압은 13V가 될 것이다. 전체 스택 전압이 조정된다 하더라도, 개개의 전지가 예컨대 0.4V 또는 정격 전압의 대략 62%인 경고 전압 임계치 아래로 떨어지면, 인입되는 전류는 전지 전압이 추가로 떨어지는 것을 방지하기 위해 추가로 조정된다.
전체 스택 전압을 이용한 조정이 아닌 전류에 대한 사전 설정된 증가율(ramp rate)이 적용될 수도 있다. 그러나, 사전 설정된 전압은 스택 기동 온도 및 다른 조건을 자동으로 정정하기 위해 이용될 수 있다.
실제로, 연료 전지 스택 전류에 대한 설정점으로서 수학적인 함수가 이용될 수 있으며, 이 수학적인 함수에는 연료 전지 스택 전압, 연료 전지 스택의 온도, 주변 온도, 시동에서부터의 시간, 및 모든 전지 전압의 표준 편차가 고려될 수 있다.
캐소드 유입구(156) 및 출구(159)의 온도가 5℃를 넘은 후, 외부 냉각수/습윤수가 캐소드 물 주입 유입구(127)를 통해 연료 전지 스택(110)에 추가될 수 있다. 또한, 이 시점에서, 연료 전지 전류의 제어는 정상 작동을 위해 활용되는 몇몇 다른 방법에 귀속될 수 있으며, 연료 전지 스택(110) 상의 임의의 히터가 오프로 전환될 수도 있다.
도 3은 일례의 연료 전지 스택(110)의 측면도를 개략적으로 도시하고 있다. 연료 전지 스택은 개별 연료 전지(310)의 스택을 포함하며, 전지(310)의 스택의 양단에 전류 콜렉터 플레이트(320a, 320b)를 갖는다. 연료 전지 스택(110)의 양단을 향하여 히터 플레이트(330a, 330b)가 제공되며, 각각의 히터 플레이트(330a, 330b)는 각각의 전류 콜렉터 플레이터(320a, 320b)와 각각의 말단 플레이트(350a, 350b) 사이에 배치되어 있다. 각각의 히터 플레이트(330a, 330b)는 바람직하게는 각각의 히터 플레이트(330a, 330b)와 말단 플레이트(350a, 350b) 사이에 배치된 추가의 절연 플레이트(340a, 340b)를 통해 각각의 말단 플레이트(350a ,350b)로부터 열적으로 또한 전기적으로 절연되어 있다.
히터 플레이트(330a, 330b)의 주요 목적은 말단 전지(311)를 전지(310)의 스택의 중앙에 있는 나머지 전지와 동일한 속도로 가열하기 위한 것이다. 히터 플레이트(330)는 또한 물이 전환될 때에 얼게 되지 않도록 다기관에 대한 물 공급 채널을 가열한다.
각각의 히터 플레이트(330) 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 2개의 전기 가열 회로로 구성된다. 예컨대 구리 트랙 형태의 회로가 히터 플레이트(330)에 매입되어 인접 전류 콜렉터로부터 분리되는 것이 바람직하다. 도 4a는 일례의 히터 플레이트(330)의 일면의 사시도인 한편, 도 4b는 동일 히터 플레이트(330)의 반대면의 사시도이다. 히터 플레이트(330)는 일반적으로 인쇄 회로 기판(430) 상에 형성된 전기 도전성 가열 수단(410, 420) 형태의 2개의 매립된 트랙을 포함하며, 이 가열 수단(410, 420)은 연료 전지 스택(110) 내의 하부 연료 전지의 활성 영역에 대응하는 영역 위의 히터 플레이트를 가로질러 연장하는 지그재그형 트랙(serpentine track)을 형성한다. 도시를 명확하게 하기 위해, 도 4a에는 매립된 트랙(410, 420)이 보여지도록 도시되어 있지만, 실제로는 트랙은 전기 절연성 커버층 및/또는 추가의 회로 기판에 의해 덮여져 눈에 보이지 않을 것이다. 히터 플레이트(330)는 히터 플레이트(330)의 에지 상의 스페이드 접속부(spade connection) 형태의 측면 탭(411, 412, 413, 414)을 통해 양극 및 음극 단자 접속부를 갖는 축전지와 같은 전기 소스를 통해 외부에서 전원 공급된다. 이들 탭(411, 412, 413, 414)은, 배선의 편의를 위해 서로 근접하여 위치되어 있지만, 에어 갭(415, 416)에 의해 분리되는 것이 바람직하다. 에어 갭(415, 416)은 해동 과정 동안 형성될 수도 있는 응축된 물이 전기적 단락 회로를 초래하는 것을 방지하도록 작용한다.
히터 플레이트(330)는, 전류 콜렉터를 가열하는 기능 외에, 단일 물 주입 유입구(450)로부터 연료 전지 스택(110) 내로 주입되는 물(냉각 및 습윤화를 위해)을, 연료 전지 스택(110)의 길이를 따라 연장하는 복수의 통로(gallery)에 대응하는 포트(460)에 이송하도록 기능하며, 이 통로는 물을 각각의 개별 전지에 전달하도록 구성된다. 유입구(450)와 포트(460) 사이의 물 분배 트랙(470)은 이들이 실질적으로 동일한 길이로 되도록 설계되며, 이로써 각각의 트랙을 따른 압력 강하 및 그 결과의 유량이 동일하게 된다. 물 분배 형상부는 물이 통상적으로 연료 전지 스택(110)의 한쪽 끝에서만 주입되기 때문에 히터 플레이트(330a, 330b) 중의 하나에만 요구된다. 각각의 히터 플레이트(330)는 또한 공기 및 수소가 개개의 전지를 통과하도록 하기 위해 추가의 포트(470)를 포함한다.
도 5에는 도 3의 연료 전지 스택(110)의 일부분에 대한 개략 횡단면도가 추가로 예시되어 있다. 물 공급 라인(510)은 말단 플레이트(350)를 통한 물의 진입을 가능하게 하며, 이 물은 화살표 "520"에 의해 나타낸 경로를 따라 지향되고 있다. 물 공급 라인(510)은 물 공급 라인(510)을 통과하는 물이 얼게 되는 것을 방지하기 위해 가열 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 물은 말단 플레이트 및 절연층(340)을 통과하고, 히터 플레이트(330) 내의 물 주입 유입구를 거치고, 물 분배 트랙(470)을 따르게 되고, 포트(460)(도 4b)를 통과하여, 개별 전지(310)에의 분배를 위한 분배 통로를 따르게 된다. 전류 콜렉터 플레이트(320)는 연료 전지 스택(110)으로부터의 전기 전류를 부착된 케이블(530)을 통해 부하(260)(도 2)에 전송한다. 말단 플레이트(350)에 물 분배 트랙(470)을 설치함에 따른 이점은, 별도의 물 분배 플레이트가 요구되지 않으므로 연료 전지 스택의 부품을 하나 감소시킨다는 점이다. 또한, 채널이 사전 가열되어 연료 전지 스택에 진입하는 물이 얼게 되는 것을 방지한다는 추가의 이점이 있다.
도 5에 도시된 연료 전지 스택(110)의 구성은, 전지(310)의 스택의 양단에 있는 전지(311)가 말단 플레이트(350)로부터 절연되어 있는 히터 플레이트(330)를 통해 신속하게 가열될 수 있도록 한다. 말단 플레이트(350)는 일반적으로 각각의 전지(310)의 활성 영역에 걸쳐 압박 압력이 인가되는 경우에도 강성의 지지 구조를 제공하기 위한 필요성 때문에 높은 열적 물질(high thermal mass)을 가질 것이다. 이러한 높은 열적 물질은, 전지(310)로부터 열적으로 절연되지 않는다면, 연료 전지 스택(110)의 말단에서의 가열 속도를 늦추는 경향이 있을 것이다. 그러나, 연료 전지 스택(110)의 개개의 쌍극판이 더 낮은 열적 물질을 갖도록 구성될 수 있고, 그 결과 시동 과정 동안 신속하게 가열될 수 있다. 말단 플레이트를 절연함으로써, 전지(310)는 그에 따라 더욱 신속하게 가열될 수 있으므로 냉각 상태로부터의 시동 시간을 더 단축시킬 수 있다. 연료 전지 스택(110)의 말단이 중앙부와 유사한 속도로 가열되도록 히터 플레이트(330)를 통해 충분한 열이 가해지는 것이 바람직하다. 통상적으로, 전류 콜렉터 히터는 이들이 시동 동안 연료 전지 스택의 말단 전지를 가열하도록 작동될 때에 충분한 파워를 인입하도록 하는 크기로 된다. 인입되는 파워가 너무 낮으면, 히터는 시동 동안 전지를 충분하게 가열하지 못하며, 파워가 너무 높으면, 말단 전지가 과열되어 연료 전지 스택의 성능을 제한하는 경향이 있다.
영하의 온도에서 연장된 기간으로부터의 대표적인 시동 동안, 도 4 및 도 5에 도시된 모든 부품은 0℃ 아래일 것이다. 시스템이 기동되었을 때, 연료 및 산화제가 연료 스택 전지(310)에 공급된다. 그 후, 전기 전류가 인입되기 시작하고, 전지(310)가 가열되지 시작한다. 전지 말단 플레이트(350)에 비해 낮은 열적 관성(thermal inertia)을 가질뿐만 아니라 더욱 열적으로 절연되는 경향이 있는 전지(310)와 유사한 속도로 전류 픽 오프 플레이트(current pick off plate)(320)가 가열되도록 시동 동안 히터 플레이트(330)가 작동된다. 전지(319)는 과열을 방지하기 위해 물 주입이 요구되는 곳에서의 온도에 결국 도달할 것이다. 대표적인 연료 전지에서, 이것은 -20℃의 온도에서 출발할 때에는 15 내지 60초 부근의 기간 내에서 이루어질 것이다. 이 시점에서, 가열된 물 공급 라인 파이프(510)(또한 도 1에 캐소드 물 주입 라인(125)으로서 도시된)를 통해 물이 주입된다. 파이프(510)로부터 개개의 전지(310)까지의 경로의 전부가 이 시점에서 얼음이 없다는 점이 중요하다. 물이 내부 이송 포트 및 물 분배 트랙(450, 460, 470)(도 4b)에서 얼게 되는 것을 방지하기 위해 물이 말단 플레이트(350)를 거쳐 히터 플레이트(340) 위에 통과된다.
전술한 바와 같은 히터 플레이트(330)의 장점은 다음 중의 하나 이상을 포함한다:
ⅰ) 플레이트(330a, 330b)가 연료 전지 스택(110)의 전류 콜렉터의 신속한 전기적 가열을 가능하게 한다;
ⅱ) 응축되는 물 방울을 통한 단락 회로가 방지되도록 전기 공급에 대한 연결이 이루어진다;
ⅲ) 단일 주입 지점으로부터 적절한 분배 통로까지의 냉각수의 균일한 분배가 균일한 길이의 분배 트랙(470)을 사용함으로써 가능하게 된다;
ⅳ) 애노드 및 캐소드 입력 및 출구 유체가 히터 플레이트(330a, 330b)를 통과할 수 있다;
ⅴ) 연료 전지 스택의 말단에서의 감소된 열적 랙(thermal lag)이 연료 전지 스택의 열적 프로파일의 균형을 향상시킨다;
ⅵ) 히터 플레이트(330)가 없는 경우에서보다 더 일찍 물을 주입할 수 있어, 연료 전지 스택(110)의 중앙에 있는 전지가 과열하는 것을 방지한다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 시동 작동 동안에 후속되는 일례의 과정의 개략 흐름도이다. 제1 단계(610)는 예컨대 전기 전력(예컨대, 배터리 저장 유닛으로부터의)을 전기 제어 유닛(230)(도 2)에 인가함으로써 작동을 개시하는 단계이다. 그 후, ECU가 단계 611에서 애노드 유입구 밸브(153)(도 1)를 작동시키고, 필요한 경우 전술한 바와 같이 밸브(153) 상의 통합 히터를 작동시키거나 및/또는 밸브 내의 솔레노이드를 작동시킨다. ECU는 예컨대 애노드 유입구(156) 부근에 있거나 또는 애노드 유입구에 있는 압력 센서 PX1(도 1)에서 판독되는 압력을 모니터함으로써 애노드 밸브가 개방되어 있는지의 여부를 판정할 수 있다(단계 612).
애노드 밸브(153)가 개방된 후, 공기 압축기(133)가 작동된다(단계 613). 이와 달리, 공기 압축기(133)는 애노드 밸브(153)를 작동시키기 전에 작동될 수 있다. 그리고나서, 단계 614에서 연료 전지 스택(110)에 대한 초기 전류 한계치가 설정된다. 이 초기 전류 한계치는 연료 전지 스택(110)이 냉각 상태로부터 안전한 동작을 개시할 수 있는 제로 레벨 또는 더 높은 레벨이 될 수 있다.
연료 전지 스택(110)이 워밍업(warming up)하고 있을 때의 기간 동안, ECU는 단계 615 및 618에서 연료 전지 스택 내의 전지로부터의 최소 전압 출력(Vmin)이 제1 및 제2 임계 전압 레벨(V1, V2)보다 높은지의 여부에 기초하여 결정을 행하도록 진행한다. 전술한 바와 같이, 이들 결정은 디지털 라인(211, 212)(도 2) 상에 제공된 값에 기초하여 이루어질 수 있다. 단계 615에서 최소 전지 전압 레벨이 제1 전압 임계 레벨(V1)보다 크지 않다면, 전류 출력이 차단된다(단계 616). 그리고나서, 이 과정은 전류를 재접속하기 전에 통상적으로 수초의 소정 기간 동안 대기한다(단계 617). 그 후, 전류 한계치는 전류 출력이 차단되기 전의 레벨로 설정되거나, 또는 초기 전류 한계치로 리셋될 수 있다. 최소 전압 출력이 제1 전압 임계 레벨(V1)보다 작지 않지만 경고 전압 임계 레벨 또는 제2 전압 임계 레벨(V2)보다 크지도 않다면, 전류 한계치는 Vmin이 V2보다 커질 때까지 감소된다(단계 619).
그 후, 전류 한계치를 소정의 양씩 증가시킨다(단계 620). 전류 한계치를 증가시키는 비율은 0.5 Amps/sec와 같은 설정된 양이 되거나, 또는 현재의 설정 레벨에 따라서는 몇몇 다른 비율이 될 수 있다.
단계 621에서, 캐소드 플로우 경로의 유입구(123) 및 유출구(121) 라인에서 각각 판독되는 온도 Tin, Tout은 최소의 요구 온도 Tmin보다 큰지가 판정된다. 이들 온도 판독치는 예컨대 온도 센서(TX2, TX3)(도 1)로부터 획득될 수 있다. 온도 판독치가 Tmin보다 크다면, 단계 622에서 물 주입 시스템이 가동된다. 이와 달리, 단계 621에서의 판정은 캐소드 유출구 라인의 온도 Tout에만 좌우될 수도 있다. 물 주입 시스템은, 공기 스트림의 온도가 최소 레벨(Tmin) 아래로 떨어질 때까지, 또는 공기 스트림의 온도가 최소 레벨(Tmin) 아래로 떨어지지 않는다면, 또는 연료 전지 시스템이 중지된다면, 캐소드 공기 스트림의 온도에 따라 변화되는 동작을 지속한다.
시동 동안, 단계 623에서는 전류 한계치(I)가 연료 전지 스택(110)의 정격 전류에 도달하는지에 대해 판정된다. 전류 한계치가 정격 전류(Irated) 미만이면, 시동 과정이 지속되어 이전 단계 615로 진행한다. 전류 한계치가 도달되면, 연료 전지 시스템은 단계 624에서 연속 작동 모드로 진행한다.
연속 작동 동안, 연료 전지 시스템(100)은 전압 레벨 Vmin 및 연료 전지 시스템(100)의 각종 부분의 온도를 모니터를 지속하는 것이 바람직하다. ECU 또한 전술한 바와 같이 작동을 모니터하고 연료 전지 시스템(100)의 작동 파라미터를 적합화하는 것을 지속한다.
도 7은 부하 전류(710)가 제로로부터 정격 전류, 이 경우에는 100A를 향해 상승하는 시동 동안의 연료 전지 시스템으로부터의 일례의 데이터를 예시하고 있다. 이러한 전류 상승 동안의 결과로 스택 전압(720)이 변화된다. 도 7에는 또한 시동 동안의 캐소드 배출 온도(730), 말단 플레이트 물 제어 온도(740), 말단 플레이트 공기 온도(750), 애노드 배출 온도(760), 물 펌프 배압(770), 및 캐소드 물 유량(780)에서의 변동에 대응하는 곡선이 도시되어 있다.
도 7에 예시된 검사는 20개의 전지 스택에 대해 수행된 것이다. 폐루프 제어 모드로 작동하는 ECU(230)에 대하여 13 볼트의 설정점이 이용되었다. 초기에, 냉각 상태(즉, -20℃에서)로부터 기동하는 연료 전지 스택을 이용하면, 13V의 설정점이 수 암페어의 전류 부하로 달성된다. 연료 전지 스택이 워밍업함에 따라, ECU는 스택 전압을 13V로 조정하려고 하며, 전류(710)를 램프업(ramp up)한다. 제1 시간 주기(711)의 끝에서, 스택 전압(720)은 이 경우에는 과열로 인하여 덜 원활하게 기능하는 하나 이상의 연료에 의해 강하된다. 그 후, ECU가 그 결과로서 전류를 감소시킨다. 제2 시간 주기(712)의 끝에서, 물 주입 시스템이 턴온된다. 물이 연료 전지 스택 내로 주입된 후, 전압이 상승한다. 그리고나서, ECU는 애노드 배출 온도가 0℃를 통과할 때까지 전류(710)를 램프업한다. 이 시점에서, 연료 전지 스택이 해동되는 것으로 간주되며, 그러므로 전류(710)가 100A의 풀 로드 포인트(full load point)까지 더욱 신속하게 램프된다.
전술한 방안에서, 전류 부하를 증가시키기 위한 증가율(ramp rate)은 소정의 최대 레벨로 제한된다. 도 7에 의해 예시된 특정의 검사에서, 물 주입 시스템은 물이 주입 시에 연료 전지 스택에서 얼게 되지 않도록 하기 위해 캐소드 배출부가 20℃에 도달할 때에만 작동된다.
도 7에 의해 예시된 검사에서, 최초의 제1 시간 주기(711) 동안, 전류 부하(710)는 제로에서 40A까지 점증적으로 증가하는 한편, 측정된 스택 전압(720)은 대략적으로 일정하게 유지된다(부하의 적용 시의 초기 강하 후에). 연료 전지 스택 내의 하나 이상의 전지의 전압이 경고 임계 레벨 아래로 떨어진 것을 ECU가 검출한 후, 전류 부하(710)는 경고 전압 임계치가 초과될 때까지 제2 시간 주기(712)에 걸쳐 점진적으로 감소된다. 제1 시간 주기(711) 및 제2 시간 주기(712)에 걸쳐, 캐소드 배출 온도(730)의 온도가 상승하고, 제2 시간 주기(712) 동안에는 물 주입 시스템이 작동되는 지점인 20℃를 초과하게 된다. 물 주입의 개시는 냉각수 유량(780)에서의 급작스런 증가에 의해 나타내어지게 되며, 이에 후속하여 캐소드 배출 온도(730)에서의 소량의 강하가 나타난다. 말단 플레이트 히터(330)가 작동되고, 연료 전지 스택이 지속적으로 따뜻하게 되기 때문에, 말단 플레이트 물 및 공기 온도(740, 750)는 시동 주기 전반에 걸쳐 점진적으로 상승하는 것을 지속한다.
제3 시간 주기(713) 동안, 전류 부하(710)는 연료 전지 스택의 전지의 전압 출력에 의해 제한된 감소된 비율로 상승을 지속한다. 이 기간(713)의 끝을 향하는 애노드 배출 온도(760)에서의 날카로운 상승은 연료 전지 스택 내의 전지가 최적으로 가열 및 습윤되었다는 것을 나타낸다. 이에 후속하여 제4 시간 주기(714) 동안 전류 부하가 더 신속하게 상승되며, 이 기간 동안 전류 부하는 낮은 전지 전압으로 인해 천천히 하강될 필요가 없다. 그 후, 100A의 정격 전류가 도달되며, 연료 전지 시스템은 제5 시간 주기(715)에 걸쳐 연속적인 작동을 개시한다. 최초 시동 후 17분과 18분 사이에서의 연료 전지 시스템의 작동 종료(716) 시에, 전류 부하(710)가 차단되고, 물 주입 시스템이 비활성화되며, 이러한 물 주입 시스템의 비활성화는 물 펌프 배압(770)에서의 날카로운 강하에 의해 나타나게 된다. 스택 전압(720)은 전류 부하(710)의 부재 시에 급격하게 상승하며, 그 후 연료 전지 스택(110) 내의 잔여 연료가 소비됨에 따라 점차적으로 하강된다.
첨부된 청구범위에 의해 정해지는 바와 같은 본 발명의 사상 내에서 기타 다른 실시예를 구성하는 것도 가능하다.

Claims (58)

  1. 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법에 있어서,
    ⅰ) 연료가 상기 연료 전지 스택의 애노드 용적부(anode volume)에 유입될 수 있도록 애노드 유입구 밸브를 개방하는 단계;
    ⅱ) 공기가 상기 연료 전지 스택의 캐소드 용적부에 진입할 수 있도록 상기 연료 전지 스택의 캐소드 공기 유입구와 유체 연통하여 공기 압축기를 작동시키는 단계;
    ⅲ) 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구의 온도를 모니터하는 단계; 및
    ⅳ) 상기 캐소드 유입구 및/또는 상기 캐소드 유출구를 통과하는 유체의 온도가 사전 설정된 레벨을 초과하는 경우 상기 캐소드 용적부에 물을 주입하기 위해 물 주입 시스템을 작동시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 연료 전지 스택의 하나 이상의 전지의 양단에서 측정된 전압이 제1 전압 임계치 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해 상기 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류가 제한되는,
    연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류는 상기 전압이 상기 제1 전압 임계치보다 높은 제2 전압 임계치 아래로 떨어질 때까지 증가되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류는 시간에 대한 소정의 비율로 증가되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전류는, 상기 전압이 상기 제2 전압 임계치 아래로 떨어진 후 및 상기 전압이 상기 제2 전압 임계치보다 높게 상승할 때까지 감소되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전류는 상기 전류가 증가되는 비율보다 높은 비율로 감소되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류는 상기 연료 전지 스택의 정격 전류가 도달될 때까지 증가되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류는 상기 연료 전지 스택 양단의 전지 전압의 합계가 제3 전압 임계치 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해 제한되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 전압 임계치는 상기 연료 전지 스택의 전지의 개수에 상기 제2 전압 임계치의 값을 승산한 것보다 큰, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드 유입구의 온도 범위를 약 5℃와 10℃ 사이에서 유지하기 위해 히터가 작동되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 양측 대향 단부에 있는 히터 플레이트에 전기 전류를 인가함으로써 상기 연료 전지 스택에 열이 제공되며, 각각의 상기 히터 플레이트는 상기 연료 전지 스택의 전류 콜렉터 플레이트와 말단 플레이트 사이에 위치되며, 인접하여 있는 각각의 상기 말단 플레이트로부터 열적으로 절연되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 히터 플레이트의 물 분배 통로를 통해 물 주입 라인으로부터 냉각제를 공급하여, 상기 히터 플레이트의 제2 면 상의 하나 이상의 냉각제 포트를 통해, 상기 히터 플레이트의 반대측의 제1 면과의 연통으로 상기 물 주입 라인으로부터의 상기 냉각제의 통과를 가능하게 하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 물 주입 라인은 상기 연료 전지 스택의 말단 플레이트를 통과하여 상기 히터 플레이트의 상기 제1 면에 도달하는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 히터 플레이트의 상기 제2 면 상에 물 분배 통로가 제공되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물 주입 시스템을 작동시키는 단계 이전에 상기 연료 전지 스택의 캐소드 용적부와 유체 연통하여 물 주입 라인을 가열하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브의 자체 가열을 유도하기 위해 연료 퍼지 밸브(fuel purge valve)를 반복적으로 작동시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 압축기와 상기 연료 전지 스택의 캐소드 용적부 사이의 공기 유입구 라인 내의 공기를 가열하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택은, 상기 캐소드 유입구와 상기 캐소드 배출구 양자를 통과하는 유체의 온도가 5℃를 초과할 때까지 물 주입 없이 작동되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 복수의 전지의 각각으로부터의 전압에 대한 표시가 컨트롤러에 제공되며, 상기 컨트롤러는 상기 연료 전지 시스템의 제어 파라미터를 조정하는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 복수의 전지 중의 하나 이상의 전지의 전압을 나타내기 위해 디지털 출력을 제공하는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 디지털 출력은,
    ⅰ) 하나 이상의 전지의 전압이 상기 제1 전압 임계치보다 낮은지; 및
    ⅱ) 상기 하나 이상의 전지의 전압이 상기 제1 전압 임계치보다 높은 제2 전압 임계치보다 낮은지
    를 나타내주는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전지의 전압이 상기 제1 전압 임계치보다 낮은 것으로 상기 디지털 출력이 나타내면, 상기 연료 전지 스택이 전기 부하로부터 연결 해제되며, 상기 전기 부하는 전압이 상기 제2 전압 임계치보다 높게 상승한 후에 재연결되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 복수의 전지의 각각의 전지의 전압에 대한 표시를 컨트롤러 에어리어 네트워크(Controller Area Network)에 제공하는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 전지의 각각의 전지의 전압에 대한 표시 및 상기 연료 전지 상의 기생 부하(parasitic load)의 표시가 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하기 위해 사용되는, 연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 다음 함수를 최소화하도록 상기 연료 전지 시스템의 제어 파라미터를 조정하며,
    Figure pct00003

    여기서, συ는 복수의 전지의 전압 출력의 표준 편차이고, Pp는 기생 부하이며, σ, β는 상수인,
    연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는 것은,
    ⅰ) 상기 캐소드 유입구에 공급되는 공기의 유량;
    ⅱ) 상기 연료 전지 스택의 양측의 대향 단부에 있는 히터 플레이트를 통해 상기 연료 전지 스택에 가해지는 열의 레벨; 및
    ⅲ) 상기 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류
    중의 하나 이상의 변경하는 단계를 포함하는,
    연료 전지 시스템의 작동을 개시하는 방법.
  26. 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지 스택의 각각의 단부가 전류 콜렉터 플레이트와 말단 플레이트 사이에 배치된 히터 플레이트를 가지며, 각각의 상기 히터 플레이트는 각각의 말단 플레이트로부터 열적으로 절연되어 있는, 연료 전지 스택.
  27. 제26항에 있어서,
    각각의 상기 히터 플레이트는 상기 히터 플레이트 상의 전기 도전성 트랙 형태의 가열 수단을 포함하는, 연료 전지 스택.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 전기 도전성 트랙은 상기 연료 전지 스택 내의 전지의 활성 영역에 대응하는 히터 플레이트의 부분을 가로질러 지그재그형 트랙(serpentine track)의 형태로 제공되는, 연료 전지 스택.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    상기 전기 도전성 트랙은 상기 히터 플레이트의 표면 아래에 매립되는, 연료 전지 스택.
  30. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    상기 히터 플레이트는 상기 히터 플레이트의 에지로부터 연장하는 한 쌍의 스페이드 단자(spade terminal)를 포함하며, 상기 스페이드 단자는 에어 갭에 의해 분리되어 있는, 연료 전지 스택.
  31. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터 플레이트는, 상기 히터 플레이트의 제1 면과 연통하여 물 주입 라인으로부터의 냉각제를 상기 히터 플레이트의 대응하는 제2 면 상의 하나 이상의 냉각제 포트로 통과시키도록 구성된 물 분배 통로를 포함하는, 연료 전지 스택.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 물 주입 라인은 말단 플레이트를 통과하여 상기 히터 플레이트의 제1 면에 도달하는, 연료 전지 스택.
  33. 제31항 또는 제32항에 있어서,
    상기 물 공급 통로는 상기 히터 플레이트의 제2 면에 제공되는, 연료 전지 스택.
  34. 연료 전지 스택 및 전기 제어 유닛을 포함하며,
    상기 전기 제어 유닛은,
    ⅰ) 연료가 상기 연료 전지 스택의 애노드 용적부에 유입될 수 있도록 애노드 유입구 밸브를 개방하고;
    ⅱ) 공기가 상기 연료 전지 스택의 캐소드 용적부에 진입할 수 있도록 상기 연료 전지 스택의 캐소드 공기 유입구와 유체 연통하여 공기 압축기를 작동시키며;
    ⅲ) 캐소드 유입구 및/또는 캐소드 유출구의 온도를 모니터하며;
    ⅳ) 상기 캐소드 유입구 및/또는 상기 캐소드 유출구를 통과하는 유체의 온도가 사전 설정된 레벨을 초과하는 경우 상기 캐소드 용적부에 물을 주입하기 위해 물 주입 시스템을 작동시키도록 구성되며,
    상기 전기 제어 유닛은, 상기 연료 전지 스택의 하나 이상의 전지의 양단에서 측정된 전압이 제1 전압 임계치 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해 상기 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류를 제한하도록 구성되는,
    연료 전지 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은, 전압이 제1 전압 임계치보다 높은 제2 전압 임계치 아래로 떨어질 때까지 전류를 증가시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은 시간에 대해 고정된 비율로 전류를 증가시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  37. 제35항 또는 제36항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은, 전압이 상기 제2 전압 임계치 아래로 떨어진 후 및 상기 전압이 상기 제2 전압 임계치보다 높게 상승할 때까지 전류를 감소시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은, 상기 전류가 증가되는 비율보다 높은 비율로 전류를 감소시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  39. 제34항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은, 상기 연료 전지 스택의 정격 전류가 도달될 때까지 전류를 증가시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  40. 제34항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은, 상기 연료 전지 스택 양단의 전지 전압의 합계가 제3 전압 임계치 아래로 떨어지는 것을 방지하기 위해 전류를 제한하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 제3 전압 임계치는 상기 연료 전지 스택의 전지의 개수에 상기 제2 전압 임계치의 값을 승산한 것보다 큰, 연료 전지 시스템.
  42. 제35항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은, 상기 캐소드 유입구의 온도를 약 5℃와 10℃ 사이의 온도 범위 내에서 유지하기 위해 히터를 작동시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  43. 제34항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은, 상기 연료 전지 스택의 복수의 전지의 각각으로부터의 전압의 표시를 수신하고, 이 전압 표시의 변화량에 응답하여 상기 연료 전지 시스템의 제어 파라미터를 조정하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  44. 제43항에 있어서,
    각각의 상기 복수의 전지로부터의 전압 신호를 수신하고, 상기 복수의 전지 중의 하나 이상의 전지의 전압을 나타내기 위해 상기 전기 제어 유닛에 2개 이상의 디지털 출력을 제공하도록 구성되는 멀티플렉서 유닛을 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 디지털 출력은,
    ⅰ) 하나 이상의 전지의 전압이 상기 제1 전압 임계치보다 낮은지; 및
    ⅱ) 상기 하나 이상의 전지의 전압이 상기 제1 전압 임계치보다 높은 제2 전압 임계치보다 낮은지
    를 나타내주도록 구성되는,
    연료 전지 시스템.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은, 하나 이상의 전지의 전압이 상기 제1 전압 임계치보다 낮은 것으로 상기 디지털 출력이 나타내는 경우에 상기 연료 전지 스택을 전기 부하로부터 연결 해제하고, 상기 전압이 상기 제2 전압 임계치보다 높게 상승한 후에는 상기 전기 부하를 재연결하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  47. 제44항 또는 제45항에 있어서,
    컨트롤러 에어리어 네트워크(Controller Area Network)를 더 포함하며, 컨트롤러 및/또는 상기 멀티플렉서는 복수의 전지의 각각의 전지의 전압에 대한 표시를 상기 컨트롤러 에어리어 네트워크에 제공하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  48. 제44항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은, 상기 복수의 전지의 각각의 전지의 전압의 표시 및 상기 연료 전지의 기생 부하의 표시에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은 다음 함수를 최소화하도록 상기 연료 전지 시스템의 제어 파라미터를 조정하도록 구성되며,
    Figure pct00004

    여기서, συ는 복수의 전지의 전압 출력의 표준 편차이고, Pp는 기생 부하이며, σ, β는 상수인,
    연료 전지 시스템.
  50. 제48항 또는 제49항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은,
    ⅰ) 상기 캐소드 유입구에 공급되는 공기의 유량;
    ⅱ) 상기 연료 전지 스택의 양측의 대향 단부에 있는 히터 플레이트를 통해 상기 연료 전지 스택에 가해지는 열의 레벨; 및
    ⅲ) 상기 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류
    중의 하나 이상을 변경함으로써 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하도록 구성되는,
    연료 전지 시스템.
  51. 연료 전지 스택 및 전기 제어 유닛을 포함하며, 상기 제어 유닛은 상기 연료 전지 스택의 복수의 전지로부터의 전압 출력의 표준 편차에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하기 위해 상기 연료 전지 스택의 작동 파라미터를 조정하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은 상기 연료 전지 시스템의 전기적 기생 부하의 표시에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  53. 제52항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은 다음 함수를 감소시키기 위해 상기 연료 전지 스택의 작동 파라미터를 조정하도록 구성되며,
    Figure pct00005

    여기서, συ는 복수의 전지의 전압 출력의 표준 편차이고, Pp는 기생 부하이며, σ, β는 상수인,
    연료 전지 시스템.
  54. 제51항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 파라미터는,
    ⅰ) 상기 연료 전지 스택의 캐소드 유입구에 공급되는 공기의 유량;
    ⅱ) 상기 연료 전지 스택의 양측의 대향 단부에 제공되는 히터 플레이트를 통해 상기 연료 전지 스택에 가해지는 열의 레벨; 및
    ⅲ) 상기 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류
    중의 하나 이상을 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  55. 연료 전지 스택 및 전기 제어 유닛을 포함하는 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는 방법에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 복수의 전지의 각각으로부터의 전압 출력의 표시를 상기 전기 제어 유닛에 제공하는 단계; 및
    상기 복수의 전지로부터의 전압 출력의 표준 편차에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는 단계
    를 포함하며,
    상기 전기 제어 유닛은 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하기 위해 상기 연료 전지 스택의 작동 파라미터를 조정하는,
    연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는 방법.
  56. 제55항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은 상기 연료 전지 시스템의 전기적 기생 부하에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는, 연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는 방법.
  57. 제56항에 있어서,
    상기 전기 제어 유닛은 다음 함수를 감소시키기 위해 상기 연료 전지 스택의 작동 파라미터를 조정하며,
    Figure pct00006

    여기서, συ는 복수의 전지의 전압 출력의 표준 편차이고, Pp는 전기적 기생 부하이며, σ, β는 상수인,
    연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는 방법.
  58. 제55항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 파라미터는,
    ⅰ) 상기 연료 전지 스택의 캐소드 유입구에 공급되는 공기의 유량;
    ⅱ) 상기 연료 전지 스택의 양측의 대향 단부에 제공되는 히터 플레이트를 통해 상기 연료 전지 스택에 가해지는 열의 레벨; 및
    ⅲ) 상기 연료 전지 스택으로부터 인입되는 전류
    중의 하나 이상을 포함하는,
    연료 전지 시스템의 작동을 최적화하는 방법.
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