KR20100114940A - 연료전지시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료시스템은, 구동모터(16), 산소를 함유하는 산화가스와 수소를 함유하는 연료가스의 전기화학반응을 통해 발전을 행하고, 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지(11), 상기 연료전지가 웜업되지 않은 조건 하에 통상적인 발전을 행하기 위한 통상발전수단(20), 상기 통상적인 발전보다 낮은 발전 효율로 웜-업(warm-up) 발전을 행하여 상기 연료전지를 웜업하기 위한 시스템 손실을 야기하는 웜-업발전수단(20), 및 상기 연료전지를 웜업할 필요성에 관한 소정의 지표를 기초로 하여 상기 웜-업발전수단에 의해 웜-업 발전의 동작을 제어하기 위한 웜-업제어수단(20)을 구비한다. 상기 웜-업제어수단(20)은, 상기 웜-업발전수단에 의해 상기 연료전지의 웜-업에 필요한 시스템 손실과 상기 연료전지의 웜-업 시 상기 구동모터를 포함하는 부하의 구동에 필요한 웜-업 출력 간의 상관관계를 기초로 하여, 상기 웜-업발전수단(20)에 의한 웜-업 발전 시에 상기 연료전지의 동작 상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지시스템 및 그 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 전기화학반응으로 발전을 행하는 연료전지로부터 전력을 구동모터에 공급하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
최근, 운전 효율과 환경 친화성이 우수한 전원으로서 연료전지가 주목받고 있다. 연료전지는 연료가스의 공급량을 제어하고, 구동모터로부터의 요청에 대응하는 전력을 출력한다. 하지만, 일부 경우에는, 가스 공급량의 응답 지연의 결과로서, 출력 전력의 응답성이 저하되어, 2차전지가 보상으로서 탑재된다. 이러한 2차전지는 연료전지에 의해 생성되는 전력 및 구동모터의 속도 저감 시에 발생되는 회생에너지를 축적시키고, 상기 연료전지의 응답성의 저하를 보상하는 목적을 위해 축적된 에너지를 방전시켜, 전체 연료전지시스템의 출력 등을 증가시키게 된다.
연료전지는 극히 저온의 환경에서 사용될 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 폴리머 이온-교환막으로 제조된 전해질막이 사용되는 경우에는, 상기 전해질막의 내부가 발전을 행하기 위해 습한 상태로 유지될 필요가 있다. 일반적으로는, 전기화학반응을 통해 연료전지에 물이 생성된다. 이에 따라, 저온 환경 하에서는, 연료전지의 수분이 얼게 되어, 전기화학반응을 통한 후속 발전이 억제될 수도 있다는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 저온 환경 하에서도 연료전지의 신뢰성 있는 발전을 위한 종래 기술이 개시되어 있다(예컨대, 일본특허출원공보 제2006-156181호(JP-A-2006-156181) 참조). 상기 종래 기술에서는, 연료전지가 저온 환경 하에 기동되는 경우, 연료전지의 가스확산층으로 공급되는 가스의 확산을 향상시키기 위하여 통상적인 발전 시보다 높은 가스의 공급 압력을 만들어 상기 연료전지의 기동 시의 발전 특성이 개선된다.
연료전지가 저온 환경 하에 기동되는 경우, 상기 연료전지의 발전 효율이 전통적으로 저하되어 의도적으로 연료전지 자체의 발열량을 상승시키므로, 상기 연료전지 자체를 웜업(warm up)시킨다. 하지만, 전통적으로는, 웜-업 동안 연료전지의 운전 상태가 언급되지 않고, 상기 연료전지를 웜업할 때의 발열량이 가능한 한 많이 설정되어, 연료전지가 영하에서 기동되는 것이 실패하는 것을 방지하게 된다. 따라서, 과도한 양의 에너지가 연료전지에 투입되고, 낭비적인 에너지 소비의 가능성이 높게 된다.
또한, 연료전지가 기동되는 경우에도, 연료전지로부터 전력이 공급되는 구동모터를 신속하게 구동시키고자 할 수도 있다. 하지만, 영하에서의 시동 시 연료전지가 어는 것을 방지하는 관점에서 볼 때에는, 연료전지의 온도가 0℃ 이상으로 상승할 때까지 웜업에 우선순위가 주어지고, 상기 웜업의 완료 후에 전력이 구동모터에 공급된다. 즉, 구동모터가 구동될 때까지 어느 정도의 길이의 시간이 요구된다.
본 발명은 연료전지의 웜-업 시 전력이 공급되는 구동모터의 구동을 보장하고, 보다 효율적인 연료전지의 웜-업을 만드는 연료전지시스템, 및 상기 연료전지시스템의 제어방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 그 웜-업 시 연료전지의 운전 상태는 웜-업에 필요한 시스템 손실과 웜-업 시 구동모터 등과 같은 부하의 구동에 필요한 웜-업 출력 간의 상관관계를 기초로 하여 제어된다. 즉, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 구동모터 등과 같은 부하의 구동과 연료전지의 웜-업 간의 양립성(compatibility)을 고려하여 상기 연료전지의 운전을 제어하도록 되어 있다.
본 발명의 제1형태는 부하를 구동하기 위한 원동력원으로서의 역할을 하고 전력에 의해 구동되는 구동모터, 산소를 함유하는 산화가스와 수소를 함유하는 연료가스 간의 전기화학반응을 통해 발전을 행하고 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지, 상기 연료전지가 웜업되지 않은 조건 하에 통상적인 발전을 행하기 위한 통상발전수단, 상기 통상적인 발전보다 낮은 발전 효율로 웜-업(warm-up) 발전을 행하여 상기 연료전지를 웜업하기 위한 시스템 손실을 야기하는 웜-업발전수단 및 상기 연료전지를 웜업할 필요성에 관한 소정의 지표를 기초로 하여 상기 웜-업발전수단에 의해 웜-업 발전의 동작을 제어하기 위한 웜-업제어수단을 구비한 연료전지시스템에 관한 것이다. 상기 웜-업제어수단은, 상기 웜-업발전수단에 의해 상기 연료전지의 웜-업에 필요한 시스템 손실과 상기 연료전지의 웜-업 시 상기 구동모터를 포함하는 부하의 구동에 필요한 웜-업 출력 간의 상관관계를 기초로 하여, 상기 웜-업발전수단에 의한 웜-업 발전 시에 상기 연료전지의 동작 상태를 제어한다.
상술된 연료전지시스템에 있어서, 연료전지에 의해 발생되는 전력이 구동모터에 공급된다. 상기 연료전지에 있어서는, 상기 통상발전수단에 의한 통상적인 발전과 상기 웜-업발전수단에 의한 웜-업 발전이 수행된다. 전자의 통상적인 발전에서는, 연료전지를 웜업할 필요가 없는 환경 하에 발전이 행해지고, 바람직하게는, 발전의 효율이 상대적으로 높다. 한편, 후자의 웜-업 발전에서는, 연료전지가 웜업이 필요한 경우, 예컨대 연료전지 내의 수분이 저온 환경에 노출되어 얼게 되고, 상기 연료전지의 출력 성능이 나빠지는 경우에 발전이 행해지게 된다. 이러한 웜-업 발전에서는, 산화가스와 연료가스 간의 전기화학반응 시의 발전 효율이 조정되어 두 가스의 에너지로부터의 발열로서 시스템 손실을 발생시키고, 상기 연료전지가 상기 시스템 손실을 통해 웜업된다. 이에 따라, 웜-업 발전 시의 발전 효율이 통상적인 발전 시보다 낮게 된다. 발전 효율을 조정하기 위한 각종 기술들이 개시되어 있다. 예컨대, 이러한 기술 가운데 한 가지로는, 상기 연료전지로 공급되는 연료가스와 산화가스의 농도들 간의 밸런스를 통상적인 발전 시의 밸런스와 상이하게 만드는 기술을 언급할 수 있다. 또한, 상술된 통상적인 발전 또는 웜-업 발전 이외의 타입의 발전이 연료전지에 의해 행해질 수도 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 웜-업발전수단을 통한 웜-업 발전은 웜-업제어수단에 의해 소정의 지표(index)를 기초로 하여 행해진다. 이러한 소정의 지표는 연료전지가 웜업되어야 할 필요가 있는지의 여부를 판정하는 역할을 하고, 상기 지표로서 각종 파라미터들이 채택될 수 있다. 웜-업 발전 시, 상기 웜-업제어수단은 연료전지의 동작 상태에 대한 웜-업 출력과 시스템 손실 간의 상관관계를 기초로 하여 상기 연료전지의 동작 상태를 제어한다. 본 명세서에서는, 시스템 손실이 상술된 바와 같이 연료전지를 웜업할 필요가 있는 연료전지의 손실 출력(발열)이라는 점에 유의해야 한다. 이러한 웜-업에 필요한 시스템 손실은 연료전지를 웜업하는 목적에 따라, 예컨대 신속하게 연료전지를 웜업하는 목적, 연료전지가 다시 냉각되어 버리는 것을 방지하기 위하여 사전에 미리 연료전지를 잘 웜업하는 목적 등과 같은 각종 목적들 각각에 따라 결정될 수도 있다. 하지만, 상기 시스템 손실은 웜-업에 필요한 에너지 소비의 관점에서 상기 연료전지에서 수분이 얼게 되는 것을 방지하기 위한 최소 손실로서 설정되는 것이 바람직하다. 이러한 시스템 손실은 예컨대 외기 온도와 연료전지 자체의 온도 간의 차이를 기초로 하여 결정될 수도 있다. 또한, 상기 웜-업 출력은 웜-업 시 요구되는 구동모터의 구동(아이들 구동, 소정의 속도로의 구동 등), 및 연료전지시스템 내의 부하의 구동을 가능하게 하는 역할을 한다.
이러한 각각의 시스템 손실 및 상기 웜-업 출력은 연료전지의 동작 상태, 예컨대 출력전류와 출력전압에 의해 정의되는 동작 상태와 상관된다. 즉, 필요한 시스템 손실을 출력한다는 관점에 의하면, 연료전지의 동작 상태가 적절하게 조정될 수 있고, 필요한 웜-업 출력을 출력한다는 관점에 의하면, 상기 연료전지의 동작 상태가 적절하게 조정될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템에서는, 이러한 시스템 손실이 연료전지의 동작 상태에 대한 웜-업 출력과 연관되어 고려된다. 이에 따라, 상기 연료전지의 동작 상태는 적어도 2가지 관점, 즉 웜-업을 위한 시스템 손실의 관점과 부하를 구동하기 위한 웜-업 출력의 관점으로부터 결정되게 된다. 그 결과, 연료전지의 동작 제어가 상기 출력 양자 모두, 즉 시스템 손실 및 웜-업 출력을 효율적으로 성취하도록 수행될 수 있게 된다.
상술된 연료전지시스템에 있어서, 상기 웜-업제어수단은, 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태로서, 상기 웜-업 출력에 대응하는 출력이 공급될 수 있는 연료전지의 동작 상태와 상기 연료전지의 웜-업에 필요한 시스템 손실이 야기되는 연료전지의 동작 상태 간의 양립성을 보장하는 소정의 동작 상태를 설정한다. 이에 따라, 부하의 구동 및 웜-업에 기초한 연료전지에서의 효율적인 발전이 실현될 수 있게 된다.
본 명세서에 있어서, 상술된 연료전지시스템은 상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 승압시키고, 승압된 전압을 상기 구동모터에 공급할 수 있는 승압장치를 더 구비할 수도 있고, 상기 웜-업제어수단은, 상기 연료전지의 웜-업 시 상기 승압장치를 통해 상기 구동모터의 구동에 필요한 소정의 구동 전압으로 상기 연료전지의 출력 전압을 승압시키고, 상기 출력 전압을 상기 구동모터에 공급할 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 일반적으로, 연료전지의 전기 특성으로서, 상기 연료전지의 출력 전류는 증가하는 경향이 있지만, 다른 한편으로는 연료전지의 발전 효율이 낮아져 시스템 손실을 상승시키는 경우에 그 출력 전압이 저감되는 경향이 있다. 따라서, 연료전지시스템은 상술된 승압장치를 구비한다. 따라서, 연료전지의 출력 전압이 웜-업 발전으로 인하여 저감되는 경우에도, 상기 승압장치에 의해 전압이 승압되어, 구동모터의 구동에 필요한 소정의 구동 전압을 커버하게 된다.
또한, 상술된 여하한의 연료전지시스템들에 있어서, 상기 웜-업제어수단은, 상기 연료전지의 외기 온도와 상기 연료전지의 동작 상태에 대한 상기 연료전지 자체의 온도 간의 소정의 차이를 기초로 하여 상기 연료전지의 동작 상태에 대한 시스템 손실의 크기를 조정할 수도 있고, 조정된 시스템 손실 및 웜-업 출력을 기초로 하여 웜-업 발전 시에 상기 연료전지의 동작 상태를 제어할 수도 있다. 연료전지의 웜-업에 필요한 시스템 손실의 크기를 결정함으로써, 상기 연료전지를 웜업하는데 소비되는 에너지의 양이 불필요하게 커지는 것이 방지될 수 있다. 소정의 차이를 기초로 하여 시스템 손실을 결정할 때, 소정의 온도차에 유일하게 대응하는 손실이 시스템 손실로서 결정될 수도 있다. 대안적으로는, 사전에 미리 결정된 복수의 시스템 손실 중 하나가 소정의 온도차를 기초로 하여 선택될 수도 있다.
본 명세서에서는, 상술된 여하한의 연료전지시스템들에 있어서, 상기 웜-업제어수단은, 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태를, 웜-업 출력이 소정값보다 높을 때, 웜-업을 필요로 하는 상태에서의 상기 연료전지의 전류-전압 특성을 기초로 하여 결정된 동작 상태로 제어하여, 상기 연료전지의 출력을 소정의 고출력상태로 만들 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 연료전지가 웜업을 필요로 하는 경우, 그 출력은 종종 통상적인 발전 시보다 낮다. 따라서, 웜-업 출력이 소정값보다 높은 경우에는, 즉 구동모터를 포함하는 부하를 구동하기 위해 연료전지에 의해 출력될 출력이 상대적으로 높은 경우에는, 상기 연료전지의 출력 상태가 소정의 고출력 상태로 제어되어, 상기 부하를 구동하기 위한 가능성이 있는 최고 출력을 커버할 수 있도록 만들게 된다. 본 명세서에 언급된 소정의 고출력 상태는 연료전지의 출력이 그 최대값에 있는 출력 상태가 바람직하다. 하지만, 상기 소정의 고출력 상태는 부하의 구동에 기여할 수 있도록 만드는 출력이 형성될 수 있는 최대 출력 상태 부근의 출력 상태일 수도 있다.
본 명세서에서는, 연료전지가 상기 연료전지의 전류-전압 특성에 있어서 웜업되어야 할 필요가 있는 주변 환경에 관계없이, 그 최대 출력에 대응하는 연료전지의 출력 전압이 실질적으로 일정하게 되는 경향이 있다는 것을 출원인이 밝혀냈다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 상기 웜-업제어수단은, 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태를, 상기 연료전지의 출력 전압이 상기 연료전지의 출력을 상기 소정의 고출력상태로 만드는 소정의 출력 전압과 같게 되도록, 웜-업을 필요로 하는 상태에서의 상기 연료전지의 전류-전압 특성을 기초로 하여 제어할 수도 있다. 상술된 바와 같이 일정한 전압으로 제어되는 연료전지의 출력 전압을 가지고 연료전지에 공급되는 산화가스의 양을 제어함으로써, 비교적 용이하게 수행되는 제어 하에, 연료전지의 상태에 대응하여 저출력에서 고출력까지의 넓은 출력 범위에서, 상기 연료전지의 효율적인 웜-업 발전이 이루어질 수 있게 된다.
상술된 각각의 연료전지시스템에 있어서, 상기 연료전지시스템은 이동체에 탑재될 수도 있고, 상기 이동체가 상기 구동모터에 의해 구동되어 이동할 때, 상기 소정값은 상기 연료전지의 웜업 시 상기 이동체가 이동할 때 필요한 최소값일 수도 있다. 따라서, 이동체를 보다 확실하게 이동시키고자 하는 관점에 의하면, 연료전지로부터 출력을 상기 경우에 소정의 최대 출력으로 만들도록 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태가 제어된다.
또한, 상술된 여하한의 연료전지시스템들에 있어서, 상기 웜-업제어수단은, 웜-업 시 상기 연료전지의 시스템 열 수지(system heat budget)가 0 이상이 되도록 상기 연료전지의 웜-업 발전을 행할 수도 있다.
또한, 상술된 여하한의 연료전지시스템들에 있어서, 상기 웜-업제어수단은, 상기 연료전지의 시동 시 또는 통상적인 발전이 상기 연료전지에서 행해지고 상기 연료전지 자체의 온도가 웜-업을 필요로 하는 소정의 온도 이하가 될 때, 상기 웜-업발전수단에 의해 웜-업 발전을 행할 수도 있다. 즉, 상기 연료전지는 연료전지가 시동 직후에 웜업될 필요가 있는 경우 뿐만 아니라, 통상적인 발전이 연료전지의 시동 이후 한 번 행해지고, 상기 연료전지의 온도가 다시 웜-업을 필요로 하는 상태를 가정하는 경우, 즉 발전을 통해 생성되는 물이 얼 수도 있는 경우에도, 상술된 연료전지시스템의 웜-업제어수단에 의해 웜업된다. 따라서, 연료전지가 동작 중인 여하한의 상황에서도 연료전지를 웜업할 필요성이 효율적으로 이행될 수 있게 된다.
또한, 상술된 여하한의 연료전지시스템들에 있어서, 상기 웜-업제어수단은, 상기 연료전지 자체의 온도가 상기 웜-업발전수단의 웜-업 발전을 통해 웜-업 종료 온도와 같게 될 때, 상기 연료전지에서의 발전을 상기 통상발전수단에 의한 통상적인 발전으로 시프트시킬 수도 있다. 웜-업 발전은 통상적인 발전보다 효율성이 낮다. 그러므로, 웜-업 발전을 행할 필요가 없게 되는 경우, 에너지 소비의 관점에서도 웜-업 발전에서 통상적인 발전으로 이동시키는 것이 바람직하다.
또한, 상술된 여하한의 연료전지시스템들에 있어서, 상기 웜-업제어수단은, 상기 웜-업발전수단이 상기 연료전지로 공급되는 산소의 농도를, 통상 발전 시 상기 연료전지로 공급되는 산소의 농도보다 낮게 만들어 웜-업 발전을 행하게 할 때, 상기 웜-업발전수단에 의한 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태를 제어할 때 상기 연료전지의 최소 동작 전압을 웜-업 발전의 결과로 상기 연료전지의 캐소드 측에서 생성되는 수소의 농도가 소정의 기준 농도 이하인 수소펌핑억제전압으로 제한시킬 수도 있다.
상기 웜-업발전수단은 연료전지로 공급되는 산소의 농도를 저감시키고, 상기 연료전지에서 수행되는 발전의 효율성이 저하된다. 그 결과, 상술된 웜-업 발전이 수행될 수 있게 된다. 하지만, 이 경우에는, 연료전지의 캐소드 측으로 공급되는 산소의 농도가 저감된다. 그러므로, 애노드 측으로부터 이동된 프로톤을 통해 캐소드 측에 수소 분자들이 형성되는 소위 수소펌핑현상(hydrogen pumping phenomenon)이 발생할 수도 있게 된다. 다음으로, 웜-업 발전 시 연료전지의 동작 전압이 저감되는 경우, 상기 수소펌핑현상을 통해 생성되는 수소의 농도가 높게 된다. 그러므로, 상기 웜-업제어수단은, 웜-업 발전 시 연료전지의 동작 전압의 최소값을 수소펌핑억제전압(hydrogen pumping suppression voltage)으로 제한시켜, 캐소드 측에서 생성되는 수소의 농도가 과도하게 상승하는 것을 방지하게 된다. 상기 웜-업제어수단은 수소펌핑현상의 발생 자체를 실질적으로 방지하기 위하여 수소펌핑억제전압을 설정할 수도 있다.
본 발명의 제2형태는 구동모터 및 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지를 구비한 연료전지시스템의 제어방법에 관한 것이다. 상기 제어방법은 상기 연료전지가 웜-업이 필요한지의 여부를 판정하는 단계, 상기 연료전지의 웜-업에 필요한 시스템 손실을 계산하는 단계, 상기 연료전지의 웜-업 시 상기 구동모터를 포함하는 부하의 구동에 필요한 웜-업 출력을 계산하는 단계, 상기 연료전지가 웜-업이 필요한 것으로 판정되는 경우, 계산된 시스템 손실 및 계산된 웜-업 출력을 기초로 하여, 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지시스템에 따르면, 연료전지의 웜-업 시 전력이 공급되는 구동모터의 구동을 보장하고, 상기 연료전지의 웜-업을 보다 효율적으로 만들 수 있게 된다.
본 발명의 특징, 장점과 기술 및 산업적 우수성은 동일한 도면 부호가 동일한 요소들을 나타내는 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들의 하기 상세한 설명에 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면;
도 2는 종래의 연료전지시스템에서 설정되는, 모터를 구동하는데 필요한 모터 전압과 연료전지의 출력 전압 간의 상관관계를 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템에서 설정되는, 모터를 구동하는데 필요한 모터 전압과 연료전지의 출력 전압 간의 상관관계를 도시한 도면;
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템에서 설정되는, 배터리의 I-V 특성과 연료전지의 I-V 특성 간의 상관관계를 도시한 제1도;
도 4b는 본 발명에 따른 연료전지시스템에서 설정되는 배터리의 I-V 특성과 연료전지의 I-V 특성 간의 상관관계를 도시한 제2도;
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 승압 후 FC 승압컨버터의 출력 전압을 나타내는 세로축과 연료전지의 출력 전압을 나타내는 가로축으로 형성된 작동 범위에 대한 FC 승압컨버터의 승압 운전과 연관되어 연료전지의 발전을 나타내는 제1맵;
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 승압 후 FC 승압컨버터의 출력 전압을 나타내는 세로축과 연료전지의 출력 전압을 나타내는 가로축으로 형성된 작동 범위에 대한 FC 승압컨버터의 승압 운전과 연관되어 연료전지의 발전을 나타내는 제2맵;
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 연료전지에서의 발열로서 변환 손실과 발전을 통한 전력 출력 간의 상관관계를 도시한 도면;
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 연료전지의 전류-전압 특성 및 그로부터 야기되는 출력 특성을 도시한 도면;
도 8은 본 발명의 실시에에 따른 연료전지시스템에서의 아이들 웜-업 발전 시 연료전지의 운전 상태를 결정하는 역할을 하는, iso 시스템 손실 곡선과 iso 전력 곡선 간의 상관관계를 도시한 도면;
도 9는 연료전지가 웜업될 필요가 있을 때 그 출격 특성과 연료전지의 전류-전압 특성을 도시한 도면;
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템에서 주행 웜-업 발전 시 연료전지의 동작 곡선을 결정하는 역할을 하는, iso 시스템 손실 곡선과 iso 전력 곡선 간의 상관관계를 도시한 도면; 및
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 연료전지를 웜업하기 위한 웜-업 제어에 관한 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지시스템(10)의 일 실시예를 도면들을 기초로 하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 상기 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 이동체로서 차량(1)의 구동유닛으로 구동모터(16)에 전력을 공급하지만, 선박, 로봇 등과 같은 차량(1) 이외의 이동체 또는 이동하지는 않지만 전력이 공급되어야 하는 대상물에도 적용가능하다.
도 1은 구동원으로서 연료전지시스템(10)으로부터 공급되는 전력을 이용하는 이동체로서 차량(1) 및 연료전지시스템(10)의 전반적인 구성을 개략적으로 보여준다. 차량(1)은 구동모터(이하, 간단히 "모터"라고 함)에 의해 구동휠(2)의 구동을 통해 단독으로 달리고, 이동할 수 있다. 모터(16)는 소위 3상 모터이고, 인버터(15)로부터 교류 전력이 공급된다. 또한, 이 인버터(15)는 및 연료전지시스템(10)의 메인 전원으로서 연료전지(11)(이하, "FC"라고도 함) 및 2차전지(secondary battery)로서 배터리(13)로부터 직류 전력이 공급되고, 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환시킨다.
본 명세서에서는, 연료전지(11)가 컴프레서(18)에 의해 압송되는 공기 중의 산소와 수소탱크(17)에 저장된 수소가스의 전기화학반응을 통해 발전을 행하고, 승압형(step-up type) DC-DC 컨버터로서 FC 승압컨버터(12)가 연료전지(11)와 인버터(15) 사이에 전기적으로 연결된다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 연료전지(11)로부터의 출력 전압이 FC 승압컨버터(12)에 의해 제어가능한 범위 내에서 임의의 전압까지 승압되고, 인버터(15)에 인가된다. 또한, 연료전지(11)의 단자 전압은 FC 승압컨버터(12)의 승압 동작을 통해 제어될 수도 있다.
또한, 배터리(13)는 전력이 충전되고 그로부터 전력을 방전시킬 수 있는 축전장치이고, 승압형 배터리의 승압컨버터(14)는 인버터(15)에 대하여 FC 승압컨버터(12)와 병렬적으로 배터리(13)와 인버터(15) 사이에 전기적으로 연결된다. 따라서, 배터리(13)로부터의 출력 전압이 배터리의 승압컨버터(14)에 의해 제어가능한 범위 내에서 임의의 전압까지 승압되고, 인버터(15)에 인가된다. 그 후, 인버터(15)의 단자 전압은 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작을 통해 제어될 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지시스템(10)에서는, 승압 동작 및 강압 동작을 행할 수 있는 승압/강압형(step-up/step-down type) 컨버터가 승압형 배터리의 승압컨버터(14) 대신에 채택될 수도 있다. 본 발명의 하기 실시예에서는, 주로 배터리의 승압컨버터(14)가 승압형 컨버터로 채택된다는 전제 하에 설명이 이루어질 것이다. 하지만, 이러한 설명은 승압/강압형 컨버터의 채택을 제한하고자 하는 의도는 전혀 없다. 이러한 승압/강압형 컨버터가 채택될 때 적절한 조정이 이루어진다. 승압/강압형 컨버터의 채택으로 인해 유의하여야 하는 추가 사실이 적절한 방식으로 기술될 것이다.
또한, 차량(1)은 연료전지(11)로부터의 발전, 모터(16)의 구동 등을 제어하기 위해 상술된 바와 같이 각종 제어 대상들에 전기적으로 연결되는 전기제어유닛(이하, "ECU"라고 함)을 구비한다. 예를 들어, 차량(1)에는 사용자로부터의 가속 요청을 수신하는 액셀러레이터 페달이 제공되고, 상기 액셀러레이터 페달의 개방 정도는 액셀러레이터페달센서(21)에 의해 검출된다. 액셀러레이터페달센서(21)의 검출 신호는 전기적으로 ECU(20)로 전달된다. 또한, ECU(20)는 모터(16)의 회전 속도를 검출하기 위한 인코더에 전기적으로도 연결되므로, 모터(16)의 회전 속도가 ECU(20)에 의해 검출되게 된다. ECU(20)는 이렇게 검출된 값 등을 기초로 하여 각종 제어를 수행할 수 있다.
상술된 바와 같이 구성된 연료전지시스템(10)에서는, 차량(1)의 사용자가 밟은 액셀러레이터 페달의 개방 정도가 액셀러레이터페달센서(21)에 의해 검출되고, ECU(20)는 연료전지(11)에 의해 생성되는 전력량 및 배터리(13)가 충전되거나 배터리(13)로부터 방전되는 전력량을, 액셀러레이터의 개방 정도, 모터(16)의 회전 속도 등을 기초로 하여 적절하게 제어한다. FC 승압컨버터(12)는 연료전지(11)와 인버터(15) 사이에 제공되고, 배터리의 승압컨버터(14)는 배터리(13)와 인버터(15) 사이에도 제공된다. 이에 따라 인버터(15)로 공급되는 전압이 높게 이루어질 수 있다. 앞서도 언급되었지만, 이러한 배터리의 승압컨버터(14) 대신에 승압/강압형 컨버터가 채택될 수도 있다.
상술된 바와 같이 본 명세서에 포함된 FC 승압컨버터(12)를 구비한 연료전지시스템(10)을 구성함으로써, 모터(16)는 연료전지(11) 자체의 출력 전압(단자간 전압)이 낮은 경우에도 FC 승압컨버터(12)의 승압 동작을 통해 구동될 수 있다. 그러므로, 예컨대 연료전지(1)에 적층된 전지들의 수를 줄임으로써, 연료전지시스템(10)의 크기를 줄일 수도 있게 된다. 그 결과, 차량(1)의 중량이 저감될 수 있고, 그 연료 소비의 개선이 더욱 촉진될 수도 있다.
본 명세서에서는, 상기 시스템의 효율이 FC 승압컨버터(12)의 간헐적인 운전 제어를 행하여 증대될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 설명의 편의를 위하여 연료전지(11), 인버터(15) 및 모터(16) 간의 관계에 주목하면, 모터(16)용 메인 전원으로서 연료전지(11)로부터의 전력이 FC 승압컨버터(12)를 통해 인버터(15) 측으로 공급된다. 그 후, 모터(16)의 구동 시 메인 전원으로서 연료전지(11)에 의해 인버터(15)로 인가될 전압이 모터(16)의 역기전력에 충분히 저항할 수 있는 전압임에 틀림없다. 이에 따라, FC 승압컨버터(12)를 구비하지 않은 종래의 연료전지시스템에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 차량(1)에 의해 전제가능한 속도 범위(0 내지 VSmax)에서, LV1로 표시되는 연료전지에 의해 인가되는 전압은 항상 상기 모터의 구동에 필요한 인버터(15)로 인가될 전압(이하, "모터 필요 전압"이라고 함)보다 높아야만 한다. 따라서, 차속이 낮은 범위에서는, 인버터로 인가될 전압보다 훨씬 더 높은 연료전지로부터의 출력 전압이 인버터로 인가되고, 상기 인버터의 스위칭 손실이 크게 된다. 특히 차량(1)의 속도가 낮은 범위에서는, 인버터의 스위칭 손실이 현저한데, 이는 에너지 보전의 관점에서 바람직하지 않다.
본 명세서에서는, 연료전지시스템(10)에 FC 승압컨버터(12)가 제공되고, 이에 따라 연료전지(11)로부터의 전압이 승압되어 인버터(15)에 인가된다는 점에 유의해야 한다. 하지만, FC 승압컨버터(12)에 의해 수행되는 승압 동작에서는, 그 내부에 포함된 스위칭 소자에 의해 일부 스위칭 손실이 초래된다. 그러므로, 승압 동작이 시스템 효율의 저감 시의 요인을 구성하게 된다. 다른 한편으로, 상술된 바와 같이, 모터(16)는 고전압과 저전류로 설계된 모터이다. 그러므로, 모터(16)에 의해 발생되는 역기전압이 그 회전속도가 올라감에 따라 증가한다. 따라서, FC 승압컨버터(12)에 의한 승압 동작이 필수적이다.
따라서, 연료전지(11)로부터의 출력 전압과 인버터(15)에 인가될 모터 필요 전압 간의 상관관계들이 각각 도 3에서 LV1 및 LV2로 표시된다. 도 3에 LV2로 표시된 바와 같이, 모터(16)의 역기전압은 차량(1)의 속도가 증가함에 따라 증가한다. 그러므로, 모터 필요 전압 또한 차속이 증가함에 따라 증가하게 된다. 본 명세서에서는, 연료전지(11)의 출력 전압 LV1과 모터 필요 전압 LV2 간의 상관관계에 있어서, 연료전지(11)의 출력 전압 LV1과 모터 필요 전압 LV2가 서로 교차할 때의 차량(1)의 속도 VS0가 사용자에 의해 차량(1)의 통상적인 운전을 실질적으로 보장하는 속도와 같게 되도록, 연료전지(11)의 전압 특성과 모터(16)의 전압 특성을 결정하는 것이 적절하다는 점에 유의해야 한다. 본 발명의 상기 실시예에 있어서, 상기 속도 VS0는 사용자에 의한 통상적인 동작의 경향성 등으로부터 110 km/h로 설정된다. 그 후, 차량(1)이 상기 속도 VS0로 주행할 수 있도록 하는 구동 시 모터(16)의 최대 출력이 계산되고, 인버터(15)에 인가될 전압(모터 필요 전압)은 상기 최대 출력이 성취될 수 있도록 도출된다. 그 후, 연료전지(11)는 이러한 모터 필요 전압이 FC 승압컨버터(12)의 매개없이 연료전지(11)로부터 직접 출력될 수 있도록 설계된다(예컨대, 복수의 전지들을 서로 적층시켜 형성되는 연료전지에서는, 적층된 전지들의 수가 조정됨).
상술된 바와 같이 설계되는 연료전지(11)를 포함하는 연료전지시스템(10)에서는, 차량(1)의 속도가 VS0에 도달할 때까지, 연료전지(11)로부터의 출력 전압이 모터(16)를 구동하기 위한 모터 필요 전압보다 높다. 그러므로, 모터(16)가 고전압 및 저전류로 설계되는 경우에도, 모터(16)는 FC 승압컨버터(12)의 승압 동작없이도 연료전지(11)로부터의 직접적인 출력 전압을 통해 구동될 수 있다. 다시 말해, 상기 조건 하에, 모터(16)의 구동이 FC 승압컨버터(12)에 의한 스위칭 동작을 중단시키고, 상기 출력 전압을 연료전지(11)로부터 인버터(15)로 인가시켜 보장될 수 있게 된다. 따라서, FC 승압컨버터(12)에서의 스위칭 손실이 완전히 배제될 수 있게 된다. 나아가, 인버터(15)에 인가되는 전압은 FC 승압컨버터(12)의 정지로 인하여 과도하게 높게 되지 않는다. 즉, LV1과 LV2 간의 전압차가 도 2에 도시된 상태에서보다 작게 유지될 수 있다. 그러므로, 인버터(15)에서의 스위칭 손실이 낮게 유지될 수 있게 된다. 이러한 도 3에서는, 연료전지(11)의 출력 전압이 모터 필요 전압보다 높은 모터(16)의 구동 범위[차량(1)이 0 내지 VS0의 속도로 주행하는 모터(16)의 구동 범위]는 본 발명에 따른 소정의 구동 범위로 간주될 수 있다.
다른 한편으로, 차량(1)의 차속이 VS0 이상이 되는 경우에는, 이와는 반대로 모터(16)를 구동하기 위한 모터 필요 전압이 연료전지(11)로부터의 출력 전압보다 높게 된다. 그러므로, FC 승압컨버터(12)에 의한 승압 동작이 요구된다. 하지만, 이러한 경우에도, 소위 소프트 스위칭 처리에 의하여 FC 승압컨버터(12)를 통해 전압을 승압시킴으로써, 전압 승압의 동작 시 스위칭 손실이 가능한 한 작게 유지될 수 있다.
상기 설명에서는, 설명의 편의를 위하여 연료전지(11)와 모터(16) 간의 상관관계에만 초점이 맞춰져 있다. 하지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지시스템(1)에서는 배터리(13)로부터 모터(16)로 전력이 공급될 수도 있다. 전력이 배터리(13)로부터 공급되는 경우, 배터리(13)로부터의 출력 전압이 배터리의 승압컨버터(14)에 의해 승압된 다음, 인버터(15)에 인가된다. 본 명세서에서는, 배터리의 승압컨버터(14)가 소위 승압컨버터이므로, 배터리의 승압컨버터(14)의 출구에서의 전압(이는 인버터(15)측에서의 전압이고, FC 승압컨버터(12)의 출구에서의 전압과 등가임)이 전력을 배터리(13)로부터 인버터(15)로 공급하기 위하여 그 입구에서의 전압[배터리(13) 측에서의 전압] 이상임에 틀림없다는 점에 유의해야 한다.
따라서, 배터리(13)의 출력 전압과 연료전지(11)의 출력 전압 간의 상관관계가 도 4a 및 도 4b를 기초로 하여 기술될 것이다. 두 도면 모두에는, 배터리(13)의 I-V 특성(도면에 점선 LBT로 표시됨)과 연료전지(11)의 I-V 특성(도면에 실선 LFC로 표시됨)이 도시되어 있다. 본 명세서에서는, 연료전지(11)의 I-V 특성(LFC)이 도 4a에서 배터리(13)의 I-V 특성(LBT)보다 높은 범위에서, FC 승압컨버터(12)가 정지되는 경우에도, 배터리(13)의 출력 전압이 FC 승압컨버터(12)의 출구에서의 전압보다 낮다는 점에 유의해야 한다. 그러므로, 배터리의 승압컨버터(14)가 승압 동작을 수행할 수 있게 되어, 전력이 배터리(13)로부터 모터(16)로 공급될 수 있게 된다. 이에 따라, 이러한 상태에서는, FC 승압컨버터(12)가 동작을 정지하는 것이 허용된다. 다른 한편으로, 배터리(13)의 I-V 특성(LBT)이 연료전지(11)의 I-V 특성(LFC)보다 높은 범위에서는, FC 승압컨버터(12)가 정지되는 경우, 배터리(13)의 출력 전압이 FC 승압컨버터(12)의 출구에서의 전압보다 높게 된다. 그러므로, 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작을 통해 배터리(13) 및 연료전지(11)의 출력 분배 제어가 수행될 수 없게 된다. 이에 따라, 이러한 상태에서는 FC 승압컨버터(12)가 동작을 정지하는 것이 허용되지 않는다.
즉, 배터리(13)로부터의 출력 전압이 모터(16)에 전압을 인가하도록 배터리의 승압컨버터(14)에 의해 승압되는 경우, FC 승압컨버터(12)의 출구에서의 전압이 배터리(13)의 출구에서의 전압(배터리의 승압컨버터(14)의 입구에서의 전압)보다 높은 상태를 형성할 필요가 있게 된다. 그러므로, 일부 경우에는, FC 승압컨버터(12)가 운전을 정지하는 것이 허용되지 않는다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상대적으로 낮은 전류의 범위에서는, 연료전지(11)의 I-V 특성 곡선 LFC가 배터리(13)의 I-V 특성 곡선 LBT 보다 낮은 경우, FC 승압컨버터(12)는 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작을 보장하기 위하여 동작을 정지하는 것이 허용되지 않는다. 그 결과, 상술된 스위칭 손실의 저감 가능성이 저하되게 된다. 다른 한편으로, 예컨대 도 4b에 도시된 바와 같이, 연료전지(11)의 I-V 특성 곡선 LFC가 항상 배터리(13)의 I-V 특성 곡선 LBT 보다 높은 경우에는, 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작을 보장하는 관점에서 FC 승압컨버터(12)의 동작 정지가 제한되지 않는다.
상술된 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작의 보장과 관련된 FC 승압컨버터(12)의 동작에 관한 제한은, 도 1에 도시된 연료전지시스템에 포함된 배터리의 승압컨버터(14)가 승압형 컨버터(즉, 강압 동작을 수행할 수 없는 컨버터)라는 사실에 기인한다. 이에 따라, 연료전지시스템(10)에서는, 승압 동작과 강압 동작을 행할 수 있는 승압/강압형 컨버터가 배터리의 승압컨버터(14) 대신에 채택되는 경우, FC 승압컨버터(12)는 상술된 동작에 관한 제한에 의해 제약되지 않으면서, 연료전지(11)로부터의 출력 전압 또는 배터리(13)로부터 모터(16)로의 출력 전압을 선택적으로 인가할 수 있다.
이상으로부터, 본 발명의 상기 실시예에서는, 배터리(13)의 필요한 I-V 특성과 연료전지(11)의 필요한 I-V 특성이 차량(1)의 전제된 구동을 기초로 하여 결정되고, 도 5a 및 도 5b의 맵에 도시된 바와 같이 연료전지시스템(10)에서 실현되는 연료전지(11)의 발전 범위가 I-V 특성들 간의 상관관계 및 연료전지(11)의 출력 전압과 모터 필요 전압 간의 관계를 기초로 하여 정의된다. 이하, 연료전지(11)의 발전에 관한 제어를 상세히 설명하기로 한다.
도 5a 및 도 5b는 연료전지(11)의 출력 전압(연료전지(11)의 출력 전압)을 나타내는 가로축과 FC 승압컨버터(12)의 출구에서의 전압(승압된 전압)을 나타내는 세로축으로 형성된 동작 범위와 관련되어 연료전지(11)의 발전에 관한 처리를 각각 도시한 맵들이다. 도 5a는 연료전지시스템(10)에 포함된 배터리의 승압컨버터(14)가 승압형 컨버터인 경우의 맵이고, 도 5b는 승압형의 배터리의 승압컨버터(14) 대신에 승압/강압형 컨버터가 채택되는 경우의 맵이다.
우선, 도 5a에 도시된 맵을 설명하기로 한다. 본 명세서에서는, FC 승압컨버터(12)에 의한 승압비가 1인 것을, 즉 연료전지(11)의 출력 전압과 FC 승압컨버터(12)의 출력 전압 간의 비가 1:1이라는 것을 의미하는 라인 LR1, 승압비가 10이라는 것을 의미하는 라인 LR3, 및 FC 승압컨버터(12)의 최대 출력 전압을 의미하는 라인 LR4가 도시되어 있다는 점에 유의해야 한다. 라인 LR3은 FC 승압컨버터(12)에 의한 최대 승압비를 나타낸다. 이에 따라, FC 승압컨버터(12)의 동작 범위가 라인 LR1, LR3 및 LR4로 포위된 범위라는 것을 이해하게 된다.
본 명세서에서는, 차량(1)의 가정된 속도 범위에서, 모터(16)에 인가되는 부하가 최저인 경우, 즉 도로의 마찰 저항과 실질적으로 같은 부하가 모터(16)에 인가되는 경우[도면에서 부하율 = R/L(Road Load)], 연료전지(11)의 출력 전압과 FC 승압컨버터(12)의 출력 전압 간의 관계는 1점쇄선 LL1으로 표시된다는 점에 유의해야 한다. 다른 한편으로, 똑같이 차량(1)의 전제된 속도 범위에서, 모터(16)에 인가되는 부하가 높은 경우, 즉 차량(1)의 액셀러레이터 개방 정도가 100%인 경우(도면에서 부하율이 100%인 경우), 연료전지(11)의 출력 전압과 FC 승압컨버터(12)의 출구에서의 전압 간의 관계가 1점쇄선 LL2로 표시된다. 이에 따라, 차량(1) 상에 탑재된 연료전지시스템(10)에서는, FC 승압컨버터(12)가 "차량(1)을 주행시키기 위한 모터(16)의 구동"의 관점에서 1점쇄선 LL1과 LL2 사이에 끼인 범위로 표시된 승압 동작을 행하도록 되어 있다. 연료전지(11)의 관점에서 보면, 이들 1점쇄선 LL1과 LL2로 포위된 범위는 부하(이는 본 발명에서 "통상적인 발전"이라고 할 수 있음)로서 차량(1)을 구동하기 위한 통상적인 발전이 실시되는 범위이다. 이 범위를 "통상적인 발전 범위"라 지칭한다.
본 명세서에서는, 상술된 통상적인 발전 범위가 도 5a의 FC 승압컨버터(12)의 동작 상태에 따라 3가지 범위 RC1 내지 RC3으로 분류된다는 점에 유의해야 한다. 이들 각각의 범위에서, FC 승압컨버터(12)의 동작에 관해 특징적인 동작이 수행된다. 하기 설명은 각각의 범위에서의 FC 승압컨버터(12)의 동작에 초점을 맞출 것이다. 우선, 범위 RC1은 승압비 1을 나타내는 직선 LR1 이하인 범위로 정의된다. 이 범위 RC1에서는, 모터(16)의 구동에 필요한 승압비가 1 이하이다(FC 승압컨버터(12)가 실제로 승압컨버터이므로, 상기 승압비는 1 이하로 이루어질 수 없다는 것에, 즉 전압이 강압될 수 없다는 점에 유의해야 함). 그러므로, 결과적으로 FC 승압컨버터(12)가 정지될 수 있고, 연료전지(11)의 출력 전압이 인버터(15)에 직접 인가될 수 있다. 따라서, FC 승압컨버터(12)의 입구에서의 전압으로서 연료전지(11)의 출력 전압이 연료전지(11)의 최대 전압 Vfcmax와 배터리(13)의 개방회로전압(OCV)과 같은 전압 Vfcb 사이의 범위에 있고, 1점쇄선 LL1과 라인 LR1로 포위되어 정의되는 범위 RC1에서는, FC 승압컨버터(12)의 승압 동작이 완전히 정지될 수 있게 된다. 따라서, FC 승압컨버터(12)에서의 스위칭 손실이 낮게 유지될 수 있게 된다. 따라서, 상술된 승압형 컨버터인 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작을 보장하는 관점에서, FC 승압컨버터(12)의 동작의 정지가 전압 Vfcb를 경계로 제한된다.
다음으로, 범위 RC2를 설명하기로 한다. 이 범위는 FC 승압컨버터(12)의 입구에서의 전압이 상술된 Vfcb 이하이고, FC 승압컨버터(12)의 출구에서의 전압이 배터리(13)의 OCV 이하인, 즉 Vfcb와 동일한 전압 이하인 범위로 정의된다. 즉, 이 범위 RC2에서는, FC 승압컨버터(12)의 승압 동작이 수행되지 않는 경우, 배터리의 승압컨버터(14)의 출구에서의 전압이 그 입구에서의 전압보다 낮고, 배터리의 승압컨버터(14)가 수행될 수 없다. 또한, 이 범위에서는, FC 승압컨버터(12)가 승압 동작을 수행하더라도, 배터리의 승압컨버터(14)는 FC 승압컨버터(12)의 승압비가 낮기 때문에 취해진 동일한 것에 의해 승압 동작을 수행할 수 없다. 상술된 바와 같이 정의된 범위 RC2에서는, 범위 RC1의 경우에서와 같이, FC 승압컨버터(12)가 정지되어 그 스위칭 손실의 발생을 방지하게 된다. 그 후, 연료전지(11)의 단자 전압이 배터리의 승압컨버터(14)에 의해 제어가능한 최소 전압으로 제어된다. 도면에서, 상술된 값 Vfcb는 이상적인 승압컨버터가 사용되는 경우에 이상적인 승압컨버터의 전압이 배터리(13)의 OCV와 같다는 전제 하에 설정된다. 이러한 상태는 배터리(13)로부터 방전되는 전력이 허용되는 한 계속된다.
이러한 범위 RC2는 FC 승압컨버터(12)의 동작 범위가 상술된 범위 RC1로부터 후술하는 범위 RC3으로 이동할 때 개재되는 과도적인 범위이다. 이에 따라, 배터리의 승압컨버터(14)가 승압형 컨버터인 경우에는, 상기 과도적인 범위 RC2가 가능한 한 작게 되도록, 도 4a 및 도 4b를 기초로 하여 기술된 연료전지(11)의 I-V 특성과 배터리(13)의 I-V 특성 간의 상관관계를 적절하게 조정하는 것이 바람직하다.
이제, 라인 LR1 아래 범위에 관해서는, 도 5b에 도시된 맵, 즉 승압/강압형 컨버터가 연료전지시스템(10)에서 배터리의 승압컨버터(14) 대신에 채택되는 경우의 맵을 설명하기로 한다. 이 경우, 배터리(13)의 출력 전압은 승압/강압형 컨버터에 의해 강압될 수 있다. 그러므로, FC 승압컨버터(12)의 동작의 정지가 상술된 바와 같이 상술된 전압 Vfcb로 제한되지 않는다. 이에 따라, 도 5b에 도시된 바와 같이, 라인 LR1 아래의 범위에 관해서는, 상기 시스템의 효율을 제한 및 증대시키지 않으면서도 FC 승압컨버터(12)의 동작을 정지시키기 용이하다. 이에 따라, 결과적으로는, 도 5b의 범위 RC2에 등가인 범위가 없게 된다. 나아가, 연료전지시스템(11)의 발전에 관한 제어의 하기 설명은 도 5a 및 도 5b에 공통이므로, 복합적으로 주어질 것이다.
상술된 범위 RC1 및 RC2 이외의 동작 범위에서는, FC 승압컨버터(12)가 연료전지(11)의 출력 전압을 승압시키는 동작을 수행하도록 구동된다. 이러한 승압 동작에서는, 소위 소프트 스위칭 처리가 수행되고, FC 승압컨버터(12)에서의 스위칭 손실이 가능한 한 작게 유지된다. 이러한 방식으로, 1점쇄선 LL1과 LL2로 포위된 통상적인 발전 범위에서는, 연료전지(11)의 발전량이 부하로서의 차량(1)의 주행 상태에 따라 제어되고, FC 승압컨버터(12)의 승압 동작은 연료전지(11)의 출력 전압과 모터(16)에 관한 모터 필요 전압 간의 상관관계를 기초로 하여 적절하게 제어된다.
다른 한편으로, 연료전지(11)에서는, 컴프레서(18)에 의해 압송되는 공기 내의 산소 및 수소탱크(17)에 저장된 수소가스의 전기화학반응을 통해 발전이 이루어진다. 연료전지(11)의 온도(이는 특히 상술된 전기화학반응이 발생하는 전해질막 또는 각각의 가스들의 확산층의 온도를 의미하고, 이하 간단히 "연료전지(11) 자체의 온도"라고 함)가 생성된 물이 얼 수 있는 온도 부근에 있는 경우, 연료전지(11)에서의 발전이 효율적으로 실시되지 않고, 일부 경우에는 연료전지(11)의 출력이 저감된다. 따라서, 연료전지시스템(10)에서는, 이러한 경우에, 상술된 통상적인 발전과 상이한 웜-업 발전이 연료전지(11)에서 실시되어, 연료전지(11) 자체의 온도를 상승시키고, 효율적인 발전이 가능한 환경을 형성하게 된다. 이하, 연료전지시스템(10)에서 실시되는 웜-업 발전을 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 6은 수소가스와 공기가 연료전지(11)를 구성하는 셀들에 인가될 때 전기화학반응을 통해 수립되는 출력 전압과 출력 전류의 밀도 간의 상관관계를 도시한 도면이다. 도 6에서, 이론적인 기전압(1.23 V)은 공급되는 수소가 전체적으로 전기에너지로 변환될 때 이론적인 표현에 기초한 출력 전압이다. 사실상, 전기화학반응에서는, 수소에너지의 일부분이 발열로 방전되므로, 상기 출력 전압이 이론적인 기전압보다 낮게 된다. 이러한 본 발명의 실시예에서는, 전류 밀도가 0일 때 출력 전압이 1.0 V이고, 전류 밀도가 0.8 A/cm2 일 때, 출력 전압이 0.6 V이다. 따라서, 연료전지(11)에서는, 출력 전압이 출력되는 전류 밀도에 따라 변동된다. 다시 말해, 공급되는 수소에너지의 전력으로의 변환 효율이 연료전지(11)의 출력 전압과 출력 전류에 의해 결정되는 운전 상태에 따라 변동된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지(11)로부터의 전력의 출력과 발열로서 변환 손실 간의 비가 운전 상태와 연관되어 변동된다. 보다 구체적으로는, 출력 전류가 증가하는 경우, 상기 변환 손실의 비가 증가한다.
이제, 연료전지(11)의 전류-전압 특성(I-V 곡선)과 그로부터 계산된 출력 특성(전력 곡선)의 경향이 도 7에 도시되어 있다. 따라서, 연료전지(11)에서는, 출력 전압이 출력 전류가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있다. 다른 한편으로, 연료전지(11)의 출력(전력)이 증가하더라도, 그 증가율은 출력 전류가 증가함에 따라 점진적으로 감소한다.
본 명세서에서는, 연료전지(11)가 저온 환경 하에 놓여지고, 그 발전 효율이 저감되는 경우, 부하로서의 모터(16)를 포함하는 연료전지시스템(10)이 아이들 상태(idling state)로 구동되어, 종래의 경우들에서와 같이 연료전지(11)의 온도를 높이고 연료전지(11)를 웜업시키는 것에 유의해야 한다. 하지만, 연료전지시스템(10)의 아이들 운전(idle operation)에 필요한 출력은 낮다. 그러므로, 연료전지(11)가 상술된 바와 같이 웜업될 때 연료전지(11)의 동작 상태가 도 7에 도시된 저부하 범위의 상태와 등가가 된다. 그 후, 상술된 도 6으로부터도 명백한 바와 같이, 이러한 저부하 범위에서의 연료전지(11)의 동작 상태에서는, 변환 손실이 비교적 작은 발전이 효율적으로 실시될 수 있다. 다시 말해, 연료전지(11)에서의 "웜-업을 위한 발전"이 비효율적이다. 다른 한편으로, 에너지 소비의 저감의 관점에서 볼 때에는, 연료전지(11)의 온도를 높이기 위하여 모터(16)의 구동에 대한 요청이 없이 헛되이 모터(16)를 구동하는 것은 바람직하지 않다.
이러한 관점에서, 연료전지시스템(10)은 도 5a 및 도 5b에 도시된 웜-업 동작 라인 WL1을 따라 웜-업 발전을 실시한다. 이러한 웜-업 동작 라인 WL1을 따르는 웜-업 발전은, 모터(16)가 아이들 운전 상태에 있을 때 연료전지(11)의 운전 상태와 그로부터 야기되는 FC측 승압컨버터(12) 간의 상관관계를 나타낸다. 이러한 웜-업 발전을 이하 "아이들 웜-업 발전"이라고 할 것이다. 이러한 아이들 웜-업 발전에서는, 연료전지시스템(10)이 아이들 운전 상태에 있고, 즉 연료전지시스템(10)의 동작이 간신히 유지되는 극히 저부하 상태에 있다. 따라서, 아이들 웜-업 발전 시, FC 승압컨버터(12)의 승압비가 연료전지(11)로부터의 출력 전압에 따라 조정되어, FC 승압컨버터(12)에 의해 승압된 전압이 일정한 전압 Vw1과 같게 되는데, 이는 배터리의 개방 전압 OCV 보다 약간 높다. 따라서, 상기 전압은 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작이 보장되면서 모터(16)로 인가된다.
이제, 상술된 아이들 웜-업 발전 시 연료전지(11)의 출력 전압의 결정, 즉 연료전지(11)의 동작 상태의 결정을 도 8을 기초로 하여 설명하기로 한다. 도 8에서, 가로축과 세로축은 각각 연료전지(11)의 동작 상태를 결정하는 파라미터로서 출력 전류와 출력 전압을 나타낸다. 본 명세서에서는, 도 8에 도시된 iso 전력 곡선(본 발명의 상기 실시예에서는, 3 kW, 5 kW 및 7.5 kW의 3가지 iso 전력 곡선이 예시됨)들이 연료전지시스템(10)의 아이들 운전에 필요한 소정의 출력[상기 출력은 차량(1)의 아이들 운전 상태에 관한 모든 부하들의 구동에 필요한 출력을 포함함]을 달성하도록 연료전지(11)에 의해 전제가능한 운전 상태들을 연결시켜 형성되는 곡선들이라는 점에 유의해야 한다. 이에 따라, 예컨대 5 kW의 출력이 모터(16)의 아이들 운전에 필요한 경우에는, 연료전지(11)가 5 kW의 iso 전력 곡선 상의 운전 상태들 중 하나를 전제하는 것이 적절하다. 또한, 연료전지(11)와 모터(16) 간의 상관관계를 기초로 하여 실험 등을 통해 사전에 미리 이러한 iso 전력 곡선들을 측정하는 것이 적절하다.
또한, 도 8에 도시된 iso 시스템 손실 곡선(본 발명의 상기 실시예에서는, 20 kW, 40 kW 및 60 kW의 iso 전력 곡선들이 예시됨)들은, 도 6에 도시된 변환 손실의 결과로서 연료전지(11)의 온도를 높이기 위한 시스템 손실, 즉 발열을 위한 시스템 손실이 연료전지(11)에서의 전기화학반응을 통해 생성되도록, 연료전지(11)의 가능성 있는 동작 상태들을 나타내는 동작점들을 연결시켜 형성되는 곡선들이다. 이에 따라, 예컨대 40 kW의 열이 모터(16)를 소정의 상태로 만드는 관점에서 모터(16)를 웜업하도록 배출되어야 하는 경우에는, 연료전지(11)가 40 kW의 iso 시스템 손실 곡선 상의 동작 상태들 중 하나를 가정하는 것이 적절하다. 나아가, 연료전지(11)와 그 발열 간의 상관관계를 기초로 하여 실험 등을 통해 사전에 미리 이러한 iso 시스템 손실 곡선들을 측정하는 것이 적절하다.
각각의 iso 시스템 손실 곡선들에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 연료전지(11)의 출력 전류가 그 손실이 증가함에 따라 증가한다. 이는 도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지(11)의 출력 전류가 증가됨에 따라, 변환 손실이 증가하고 얻어질 수 있는 웜-업에 필요한 발열량이 증가하기 때문이다.
이상으로부터, iso 전력 곡선과 iso 시스템 손실 곡선의 교차점으로 표현된 연료전지(11)의 동작 상태는 상기 곡선들에 각각 대응하는 아이들 운전을 위한 출력과 웜-업을 위한 시스템 손실 간의 양립성을 달성하는 동작 상태를 의미한다. 예를 들어, 5 kW의 iso 전력 곡선과 40 kW의 iso 시스템 손실 곡선의 교차점 Pw으로 표현된 동작 상태는 아이들 웜-업 발전 시 연료전지(11)에 의해 가정될 동작 상태를 의미하고, 이는 연료전지(11)가 5 kW의 동작과 40 kW의 웜-업 동작 양자 모두를 수행하도록 할 수 있다. 이러한 가정될 동작 상태가 결정되면, 연료전지(11)로 공급되는 수소가스, 공기 등의 유량이 조정된다. 이에 따라, 연료전지(11)에서의 출력 전류와 출력 전압이 조정된다.
본 명세서에서는, 연료전지(11)를 웜업하기 위해 보다 많은 시스템 손실이 요구되는 경우, 연료전지(11)는 그 출력 전압이 도 8에 도시된 바와 같이 더 낮은 동작 상태를 가정한다는 점에 유의해야 한다. 하지만, 연료전지시스템(10)은 FC 승압컨버터(12)를 구비한다. 그러므로, FC 승압컨버터(12)의 승압 동작을 통해 모터(16)에 인가되는 전압이 Vw1로 상승될 수 있고, 이에 따라 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작을 보장하면서 모터(16)의 구동을 보장할 수 있게 된다. 또한, 차량(1)에서 모든 보조 모터들의 구동 등에 필요한 전압을 보장할 수 있게 하면서, 배터리 개방 전압 OCV 이상인 전압으로 전압 Vw1의 값을 설정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 연료전지(11)가 웜업될 필요가 있더라도, 차량(1)이 주행하는 것이 요구되는 경우가 있다. 전통적으로, 연료전지(11)의 웜업 시에는, 차량(1)이 정지되는 것이 요구된다. 즉, 웜-업에 우선순위를 제공하기 위하여 아이들 상태를 유지하는 것이 요구된다. 하지만, 연료전지(10)에서는, 연료전지(11)가 웜업되는 경우에도 차량(1)은 주행할 수 있다. 이러한 차량(1)이 주행할 수 있게 만들 때 연료전지(11)의 웜-업 발전을 "주행 웜-업 발전"이라고 한다. 이러한 주행 웜-업 발전은 도 5a 및 도 5b에 도시된 웜-업 동작 라인 WL2를 따라 실시되는 웜-업 발전이다. 이러한 웜-업 동작 곡선 WL2에서는, FC 승압컨버터(12)가 일정한 전압 Vw2와 같게 연료전지(11)의 출력 전압을 유지하도록 제어된다. 또한, 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작은, FC 승압컨버터(12)의 출력 전압이 상술된 전압 Vw1 이상이 되도록 제어된다. 이하, 전압 Vw2에 초점을 맞추어, 주행 웜-업 발전을 설명하기로 한다.
연료전지(11)가 웜업되어야 할 필요가 있는 경우에는, 그 전류-전압 특성이 저감되었다. 보다 구체적으로는, 도 9에 라인 LIV1 및 LIV2로 표시된 바와 같이, 연료전지(11)의 출력 전압은 그 출력 전류가 증가함에 따라 제로에 접근한다. 라인 LIV2로 표시된 전류-전압 특성을 갖는 연료전지(11) 자체의 온도는 라인 LIV1로 표시된 전류-전압 특성을 갖는 연료전지(11)의 온도보다 약간 높게 된다.
이제, 출력 전압을 나타내는 축선에 의하여, 웜-업이 필요한 이러한 상태에서의 연료전지(11)의 출력은 도 9의 곡선 LP1 및 LP2로 표시된다(곡선 LP1은 라인 LIV1로 표시된 전류-전압 특성에 대응하고, 곡선 LP2는 라인 LIV2로 표시된 전류-전압 특성에 대응함). 이들 곡선 LP1 및 LP2는 실질적으로 이차 곡선과 유사하고, 연료전지(11)의 출력의 피크값에 대응하는 출력 전압은 Vw2 주위의 비교적 협소한 전압 범위 △Vw 내에 한정되는 경향이 있다. 즉, 연료전지(11)가 웜업될 필요가 있는 경우, 연료전지(11)의 출력의 피크값에 대응하는 출력 전압이 전압 Vw2 주위에 모인다. 다시 말해, 연료전지(11)가 웜업되는 경우, 연료전지(11)의 출력 전압은 연료전지(11)를 웜업할 필요성의 정도가 다소 변동되는 경우에도 Vw2에 고정되거나 또는 Vw2 주위의 △Vw의 폭 내로 한정된다. 이에 따라, 웜-업 시의 연료전지(11)의 출력은 그 최대 상태 또는 최대 상태에 극히 근접한 상태로 유지될 수 있다(이를 본 발명에 따른 "소정의 고출력 상태"라고 할 수 있음).
상술된 바와 같이, 연료전지(11)의 출력을 웜-업 시에도 소정의 고출력 상태로 만들어, 차량(1)의 주행에 필요한 출력에 가능한 한 신속하게 응답할 수 있게 된다. 이 경우, 주행 웜-업 발전 시, 연료전지(11)의 출력 전압은 연료전지(11)의 온도에 관계없이 일정한 전압 Vw2와 같게 유지되고, 이에 따라 소정의 고출력 상태가 형성된다. 그 결과, 주행 웜-업 발전 시 연료전지(11)를 상대적으로 용이하게 제어하게 된다.
또한, 연료전지(11)로부터의 출력에 의해 차량(1)에 필요한 출력을 커버하기가 어려운 경우, 배터리(13)로부터의 출력을 이용하는 것이 적절하다. 본 명세서에서는, 배터리(13)로부터의 출력을 보장하는 관점에서, 배터리의 승압컨버터(14)의 승압 동작이 보장되어야 할 필요가 있다는 점에 유의해야 한다. 이에 따라, 주행 웜-업 발전 시, FC 승압컨버터(12)의 승압 동작이 제어되어, FC 승압컨버터(12)에 의해 승압된 전압이 예컨대 상술된 전압 Vw1과 같이 배터리 개방 전압 OCV 보다 높은 전압 이상이 되도록 한다. 이는 승압/강압형 컨버터가 배터리의 승압컨버터(14) 대신에 채택되는 경우에는 적용되지 않는다.
상기의 관점에서, 주행 웜-업 발전 시 연료전지(11)의 출력 전압의 결정, 즉 연료전지(11)의 운전 상태의 결정을 도 10을 기초로 하여 설명하기로 한다. 도 8 뿐만 아니라 도 10에서도, 가로축과 세로축이 각각 연료전지(11)의 동작 상태를 판정하기 위한 파라미터로서 출력 전류와 출력 전압을 나타낸다. 또한, 도 10의 iso 전력 곡선들은 차량(1)의 주행에 필요한 출력들로 도시되고, 설명의 편의를 위하여, 예컨대 시스템의 동결 방지에 필요한 단 하나의 iso 시스템 손실 곡선만이 도시된다.
본 명세서에서는, 연료전지(11)에 의해 가정될 동작 상태가 기본적으로 도 8과 동일한 방식으로 계산된다는 점에 유의해야 한다. 하지만, 도 10에 도시된 계산 방법에서는, 고출력 라인이 iso 전력 곡선과 비교될 iso 시스템 손실 곡선의 일부분으로 대체된다. 이러한 고출력 라인은, 웜-업을 요구하는 상태의 연료전지(11)의 출력을 소정의 고출력 상태로 만드는 출력 전압 Vw2를 기초로 하여 결정되고, 일정한 출력 전압 Vw2는 상기 출력 전류의 값에 관계없이 고출력 라인 상에서 얻어진다. 본 명세서에서는, 도 10에 도시된 게산 방법에 있어서, 기저점으로서의 역할을 하는 iso 시스템 손실 곡선과 고출력 라인의 교차점을 갖는 고출력 전류측 상의 고출력 라인의 일부분과 저출력 전류측 상의 iso 시스템 손실 곡선의 일부분으로 형성된 곡선이 iso 전력 곡선들과 비교된다는 점에 유의해야 한다. 이렇게 주행 웜-업 발전 시 연료전지(11)의 동작 상태를 결정함으로써, 최고의 가능성이 있는 출력이 연료전지(11)로부터 공급되어, 연료전지(11)를 웜업하면서 모터(16)를 구동시킬 수 있게 된다.
도 10에서, iso 시스템 손실 곡선의 일부분은 하기 이유 때문에 iso 전력 곡선들과 비교될 저출력 전류측에 있는 곡선으로 채택된다. 차량에 의한 연료전지시스템(10)의 요구 출력이 예컨대 차량 주행 중에 신호등에서의 정지 등으로 인하여 저감되는 상황에서는, 상기 시스템 손실이 과도하게 적어지게 되고, 그 결과 예컨대 연료전지시스템(10)의 동결을 방지하는데 필요한 시스템 손실을 커버하는 것이 불가능하게 될 수도 있다. 또한, iso 시스템 손실 곡선의 일부분이 iso 전력 곡선과 비교되는 한편, 연료전지(11)의 출력 전류의 최소값이 예컨대 컴프레서(18)의 최소 유량에 의해 제한되는 경우에는, 결과적으로 과도한 출력이 얻어지게 되고, 배터리(13)가 과도하게 충전될 수도 있다는 우려가 있다.
상술된 개념을 채택하면, 연료전지(11)의 동작 상태는 차량(1)의 주행 시 웜-업 발전과 아이들 웜-업 발전 간의 구별없이, 연료전지시스템(10)의 시스템 출력과 연료전지(11)의 웜-업에 필요한 시스템 손실을 기초로 하여 자유롭게 제어될 수 있다.
이제, 상술된 아이들 웜-업 발전과 상술된 주행 웜-업 발전을 포함하는 연료전지(11)를 웜-업하기 위한 발전 제어를 도 11을 기초로 하여 설명하기로 한다. 도 11에 도시된 웜-업 발전 제어는, 연료전지(11)가 웜업될 필요가 있는 것으로 판정되는 경우에 ECU(20)에 의해 수행된다.
우선, S101에서, 연료전지(11)의 시동이 검출된다. 보다 구체적으로는, 차량(1)의 사용자에 의해 점화스위치가 턴 온된 것을 검출하여 연료전지(11)의 시동을 ECU(20)가 검출한다. 그 후, S102에서, 연료전지(11) 자체의 온도가 소정의 기준 온도 Tw0 이하인지의 여부를 판정한다. 연료전지(11) 자체의 온도는 연료전지의 전기화학반응이 발생하는 장소(전해질막 등) 또는 전기화학반응이 영향을 받기 쉬운 장소(가스확산층 등)에서 온도센서(도시되지 않음)에 의해 측정된 다음, ECU(20)로 전달된다. 또한, 소정의 온도 Tw0은 물이 어는 것이 연료전지(11)의 전기화학반응에서의 발전에 영향을 주는 것으로 판정하는 기준 온도이고, 예컨대 0℃로 설정된다. 즉, 상술된 웜-업 발전이 연료전지(11)에서 실시될 필요가 있는지의 여부를 S102에서 판정한다.
S102에서의 판정 결과가 포티지브이면, 연료전지(11)는 웜업될 필요가 있고, 그 후에 S103으로 나아간다. S103에서, 연료전지(11)의 웜-업에 필요한 시스템 손실이 계산된다. 보다 구체적으로는, 시스템 손실이 하기 수학식에 따라 계산된다.
(연료전지손실) = (방열계수) x ((연료전지(11) 자체의 온도) - (외기 온도))
(시스템 손실) = (연료전지손실) + (시스템 보조 손실)
상기 외기 온도는 연료전지(11)가 노출되는 저온 환경에서의 외기의 온도이다. 연료전지(11) 자체의 온도와 외기의 온도 간의 차이를 계산함으로써, 웜-업에 필요한 에너지의 베이스로서의 파라미터가 외기 및 연료전지(11)의 온도 구배를 기초로 하여 형성된다. 이러한 온도차를 방열계수와 곱하여, 연료전지(11)의 웜-업에 필요한 연료전지손실이 계산된다. 이러한 방열계수는 상술된 온도차를 시스템 손실로 변환하기 위한 파라미터이고, 연료전지(11)의 열용량 등을 고려하여 결정된다. 나아가, 전체 연료전지시스템(10)의 손실로서 시스템 손실이 상기 연료전지손실 및 연료전지시스템(10)에 포함된 보조부들에 대한 시스템 보조 손실의 합계로 계산되어, 상기 계산된 필요한 연료전지손실이 연료전지(11)에서 발생되도록 한다. S103에서의 처리가 종료되면, S104로 나아간다.
S104에서, 웜-업 시 연료전지에 의해 생성된 전력으로서 출력될 웜-업 출력, 즉 웜-업 시 모터(16)를 포함하는 부하의 구동에 필요한 연료전지시스템(10)의 필요한 출력이 계산된다. 이러한 출력은 액셀러레이터페달센서(21)의 검출 신호 또는 차량(1) 주행 중 차량의 속도 등을 기초로 하여 계산된다. S104의 처리가 종료되면, S105로 나아간다.
S105에서, 연료전지(11)의 동작 상태는 상술된 동작 곡선 WL1 및 WL2를 따라 결정된다(상술된 도 8 및 도 10 참조). 그 후, S106에서, 웜-업 발전이 상기 결정된 동작 상태에서 실시된다.
S102에서의 판정 결과가 네거티브이면, 연료전지(11)는 웜-업이 필요가 없다. 이에 따라, 상기 경우에는, S107로 나아가고, 통상적인 발전이 연료전지(11)에서 실시된다.
또한, 상술된 웜-업 발전 제어는 연료전지(11)의 시동 시에 수행되는 제어의 예시화이다. 하지만, 이러한 제어는 연료전지가 통상적인 발전 동작에 있을 때 적용될 수도 있다. 즉, 연료전지(11)가 통상적인 발전 동작에 있는 경우에도, 상술된 통상적인 발전이 항상 실시되는 것은 아니다. 차량(1)이 정지하거나 또는 차량(1)의 구동이 배터리(13)로부터의 출력에 의해 커버될 수 있는 경우, 통상적인 발전이 연료전지(11)에서 중단될 수도 있다. 통상적인 발전이 정지되는 이러한 상태의 연속이 일정한 시간 동안 계속된 후, 연료전지(11)의 온도는 외기 온도와의 온도차가 소정값을 가정할 때 연료전지에서의 발열의 부존재로 인하여 상술된 소정의 기준 온도 Tw0 이하가 될 수도 있다. 따라서, 상기 경우에도, 상술된 웜-업 발전 제어, 특히 S102 내지 S107에서의 처리들이 적용된다. 이에 따라, 연료전지(11)가 효율적으로 웜-업될 수 있게 된다.
S106의 처리를 통해 웜-업 발전이 실시되었기 때문에, 웜-업 발전이 끝난 이후에도 재동결의 가능성이 전혀 없는 웜-업 종료 온도에 연료전지(11)의 온도가 도달하는 경우, 연료전지(11)에 의한 발전의 방식이 웜-업 발전으로부터 통상적인 발전으로 이동될 수도 있다. 이러한 방식으로, 발전 효율이 비교적 낮은 웜-업 발전이 장시간 계속되는 것에 기인하는 에너지의 불필요한 소비를 피할 수 있게 된다.
<기타 실시예> 본 명세서에서는, 연료전지(11)에서의 웜-업 발전에 있어서, 컴프레서(18) 및 수소탱크(17)로부터 공급되는 산화가스와 연료가스 간의 밸런스가 조정될 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 연료전지(11)로 공급되는 산화가스의 농도는 연료가스의 농도보다 낮게 이루어지고, 그 결과, 연료전지(11)로 공급되는 산소량이 다소 불충분하게 이루어진다. 따라서, 연료전지(11)의 발전 효율이 저감된다. 결과적으로, 발열이 촉진되고, 웜-업이 실시될 수 있게 된다.
하지만, 연료전지(11)로 공급되는 산소량이 상술된 바와 같이 다소 불충분하게 이루어지면, 프로톤으로서 그 전해질막을 통해 연료전지(11)의 캐소드 측으로 이동된 후에, 연료전지(11)의 애노드 측으로 공급되는 수소가스가 충분한 양의 산소로 결합되지 않고, 수소 분자가 다시 형성되는 수소펌핑현상이 초래될 수도 있다. 이러한 수소펌핑현상으로 인하여, 캐소드 측에 오프가스로서 외부로 수소가 배출될 수도 있다. 그러므로, 이러한 현상이 일어나는 것은 바람직하지 않게 된다.
그러므로, 본 발명의 상기 실시예에서는, 연료전지(11)의 동작 상태가 수소펌핑현상의 발생 가능성을 최소화하도록 결정된다. 보다 구체적으로는, 연료전지(11)의 동작 전압이 저감되어 연료전지(11)의 웜-업에 필요한 출력을 달성하게 됨에 따라, 수소펌핑현상으로 인한 연료전지(11)의 캐소드 측에서 생성되는 수소의 농도가 상승하는 경향이 있다는 것을 밝혀냈다. 따라서, 웜-업 발전 시 연료전지의 동작 전압의 최소값을, 수소펌핑현상으로 인해 생성되는 수소의 농도의 값이 상술된 발전 제어가 수행될 때의 허용치 이하인 전압값으로 제한하는 것이 바람직하게 된다. 상기 웜-업 발전 시 연료전지(11)의 동작 전압의 최소값은, 상기 수소펌핑현상이 연료전지(11)에서 발생되지 않는 전압값으로 제한될 수도 있는 것이 보다 바람직하다.

Claims (13)

  1. 구동모터, 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지, 상기 연료전지가 웜업(warm up)되지 않은 조건 하에 통상적인 발전을 행하기 위한 통상발전수단, 상기 통상적인 발전보다 낮은 발전 효율로 웜-업(warm-up) 발전을 행하여 상기 연료전지를 웜업하기 위한 시스템 손실을 야기하는 웜-업발전수단 및 상기 연료전지를 웜업할 필요성에 관한 소정의 지표를 기초로 하여 상기 웜-업발전수단에 의해 웜-업 발전의 동작을 제어하기 위한 웜-업제어수단을 포함하여 이루어지고,
    상기 웜-업제어수단은, 상기 웜-업발전수단에 의해 상기 연료전지의 웜-업에 필요한 시스템 손실과 상기 연료전지의 웜-업 시 상기 구동모터를 포함하는 부하의 구동에 필요한 웜-업 출력 간의 상관관계를 기초로 하여, 상기 웜-업발전수단에 의한 웜-업 발전 시에 상기 연료전지의 동작 상태를 제어하는 연료시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 웜-업제어수단은, 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태로서, 상기 웜-업 출력에 대응하는 출력이 공급될 수 있는 연료전지의 동작 상태와 상기 연료전지의 웜-업에 필요한 시스템 손실이 야기되는 연료전지의 동작 상태 간의 양립성을 보장하는 소정의 동작 상태를 설정하는 연료전지시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료전지로부터 출력되는 전압을 승압시키고, 승압된 전압을 상기 구동모터에 공급할 수 있는 승압장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 웜-업제어수단은, 상기 연료전지의 웜-업 시 상기 승압장치를 통해 상기 구동모터의 구동에 필요한 소정의 구동 전압으로 상기 연료전지의 출력 전압을 승압시키고, 상기 출력 전압을 상기 구동모터에 공급하는 연료전지시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웜-업제어수단은, 상기 연료전지의 외기 온도와 상기 연료전지의 동작 상태에 대한 상기 연료전지 자체의 온도 간의 소정의 차이를 기초로 하여 상기 연료전지의 동작 상태에 대한 시스템 손실의 크기를 조정하고, 조정된 시스템 손실 및 웜-업 출력을 기초로 하여 웜-업 발전 시에 상기 연료전지의 동작 상태를 제어하는 연료전지시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웜-업제어수단은, 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태를, 웜-업 출력이 소정값보다 높을 때, 웜-업을 필요로 하는 상태에서의 상기 연료전지의 전류-전압 특성을 기초로 하여 결정된 동작 상태로 제어하여, 상기 연료전지의 출력을 소정의 고출력상태로 만드는 연료전지시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 웜-업제어수단은, 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태를, 상기 연료전지의 출력 전압이 상기 연료전지의 출력을 상기 소정의 고출력상태로 만드는 소정의 출력 전압과 같게 되도록, 웜-업을 필요로 하는 상태에서의 상기 연료전지의 전류-전압 특성을 기초로 하여 제어하는 연료전지시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 연료전지시스템은 이동체에 탑재되고, 상기 이동체는 상기 구동모터에 의해 구동되어 이동하며,
    상기 소정값은 상기 연료전지의 웜업 시 상기 이동체가 이동할 때 필요한 최소값인 연료전지시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웜-업제어수단은, 웜-업 시 상기 연료전지의 시스템 열 수지(system heat budget)가 0 이상이 되도록 상기 연료전지의 웜-업 발전을 행하는 연료전지시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웜-업제어수단은, 상기 연료전지의 시동 시 또는 통상적인 발전이 상기 연료전지에서 행해지고 상기 연료전지 자체의 온도가 웜-업을 필요로 하는 소정의 온도 이하가 될 때, 상기 웜-업발전수단에 의해 웜-업 발전을 행하는 연료전지시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웜-업제어수단은, 상기 연료전지 자체의 온도가 상기 웜-업발전수단의 웜-업 발전을 통해 웜-업 종료 온도와 같게 될 때, 상기 연료전지에서의 발전을 상기 통상발전수단에 의한 통상적인 발전으로 시프트시키는 연료전지시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웜-업발전수단은, 상기 연료전지로 공급되는 산소의 농도를, 통상 발전 시 상기 연료전지로 공급되는 산소의 농도보다 낮게 만들어 웜-업 발전을 행하게 하고,
    상기 웜-업제어수단은, 상기 웜-업발전수단에 의한 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태를 제어할 때, 상기 연료전지의 최소 동작 전압을, 웜-업 발전의 결과로 상기 연료전지의 캐소드 측에서 생성되는 수소의 농도가 소정의 기준 농도 이하인 수소펌핑억제전압으로 제한시키는 연료전지시스템.
  12. 구동모터;
    상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지;
    상기 연료전지가 웜업되지 않은 조건 하에 통상적인 발전을 행하기 위한 통상발전장치;
    상기 통상적인 발전보다 낮은 발전 효율로 웜-업(warm-up) 발전을 행하여 상기 연료전지를 웜업하기 위한 시스템 손실을 야기하는 웜-업발전장치; 및
    상기 연료전지를 웜업할 필요성에 관한 소정의 지표를 기초로 하여 상기 웜-업발전장치에 의해 웜-업 발전의 동작을 제어하기 위한 웜-업제어장치를 포함하여 이루어지고,
    상기 웜-업제어장치는, 상기 웜-업발전장치에 의해 상기 연료전지의 웜-업에 필요한 시스템 손실과 상기 연료전지의 웜-업 시 상기 구동모터를 포함하는 부하의 구동에 필요한 웜-업 출력 간의 상관관계를 기초로 하여, 상기 웜-업발전장치에 의한 웜-업 발전 시에 상기 연료전지의 동작 상태를 제어하는 연료전지시스템.
  13. 구동모터 및 상기 구동모터에 전력을 공급하는 연료전지를 구비한 연료전지시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 연료전지가 웜-업이 필요한지의 여부를 판정하는 단계;
    상기 연료전지의 웜-업에 필요한 시스템 손실을 계산하는 단계;
    상기 연료전지의 웜-업 시 상기 구동모터를 포함하는 부하의 구동에 필요한 웜-업 출력을 계산하는 단계; 및
    상기 연료전지가 웜-업이 필요한 것으로 판정되는 경우, 계산된 시스템 손실 및 계산된 웜-업 출력을 기초로 하여, 웜-업 발전 시 상기 연료전지의 동작 상태를 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 연료전지시스템의 제어방법.
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