KR20140145938A - 전력 이행 및 아이들링 중의 pem 연료 전지 전압 제어 - Google Patents

전력 이행 및 아이들링 중의 pem 연료 전지 전압 제어 Download PDF

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Abstract

차량(150)내 연료 전지 스택(151)의 제어기(185)는 낮은 수요에 반응하여, 전지 전압을 안전한 아이들 전압 임계치로 제한하기에 충분한 전력을 발생하는데 필요한 것을 제외하고 방향전환기(172)가 캐소드(19)로부터 모든 공기를 방향인도하도록 초래하고, SOC가 너무 높지 않으면 전지 전압을 아이들 전압 임계치로 제한하기에 충분한 에너지 저장 시스템(201) 내의 저장을 초래하며, 보조 BOP에 의해 소비되지 않는 모든 전력을 소비하기 위해 또는 보다 긴 아이들을 위해 치수형성된 스택에 전압 제한 부하(220)를 연결하며, 상기 스택을 공기 결핍시키고, 저장부로부터 BOP에 전력을 공급한다. 수요 신호의 증가에 응답하여, 제어기는 모든 공기가 캐소드로 유동하게 만든다. 오프 신호(223) 또는 스타트 신호(193)에 응답하여 제어기는 셧다운 루틴 또는 시동 루틴을 초래하며, 이들 루틴의 각각에서 모든 발생된 전력은 연료 전지 전압을 임계치 미만으로 연료 전지 전압을 유지하기 위해 저장되거나 또는 전압 제한 부하에서 소비된다.

Description

전력 이행 및 아이들링 중의 PEM 연료 전지 전압 제어{CONTROLLING PEM FUEL CELL VOLTAGE DURING POWER TRANSITIONS AND IDLING}
시동(startup), 셧다운(shutdown), 및 전력 감소 이행 및 아이들링 중에, PEM 연료 전지 발전기는 선택적으로 전기 에너지를 저장하거나, 전압 제한 장치에서 그 에너지를 소산시키거나, 캐소드 공기를 방향전환(divert)하거나, 그 조합을 사용한다.
높은 전지 전압 조건(예를 들면, 약 0.87 V 이상) 중에 발생하는, 양자 교환 고분자 전해질 막(PEM) 연료 전지의 금속 촉매 및 비정질 탄소 촉매 지지체의 부식은 연료 전지 성능의 영구 저하를 초래하는 것으로 알려져 있다. 셧다운 중에, 불활성 가스 퍼지(purge)가 사용되지 않으면, 공기가 연료 전지의 애노드 유동장(flow field)과 캐소드 유동장 모두를 서서히 균일하게 채울 것이다. 시동 중에는, 수소가 애노드 유동장에 공급되며, 이 결과 애노드 유동장 입구에는 주로 수소가 존재하는 반면에 애노드 유동장 출구에는 주로 공기가 존재하게 된다. 이는 애노드의 공기 농후 지역과 대향하는 캐소드의 전위를 표준 수소 전극과 대비해서 1.4 내지 1.8 V의 전위로 상승시킨다. 이 전위는 탄소계 촉매 지지체의 부식을 초래하고 결과적으로 전지 성능을 저하시킨다.
50,000 내지 100,000번의 시동/셧다운 사이클을 경험할 수 있는 자동차 용도에서, 이는 파국적인 성능 손실을 초래한다. 이제까지, 이 문제에 대한 해법은 질소와 같은 불활성 가스로 애노드 유동장을 퍼지시켜 연료 전지 스택(stack)을 안정화시키고, 셧다운 및 시동 프로세스 중에 연료 전지 스택을 가로질러 보조 부하를 유지하는 것을 포함한다. 보다 최근의 해법은 스택(연료와 공기) 및 관련 배관 전체에 걸쳐서 수소 농후 가스를 유지시킬 것을 요구한다.
자동차 용도에서, 불활성 가스의 이용 가능성 및 이를 퍼지용으로 사용하기 위한 장치는 매우 복잡하고 비쌀 것이다. 수소 농후 가스의 유지관리 또한 설계 복잡성을 요구할 것이다. 보조 부하의 사용은 그로 인해 발생되는 열의 소산을 요구한다.
자동차 용도에서, PEM 연료 전지 발전기는 통상적으로 매우 넓은 수요 범위를 가지며, 매우 낮은 수요로의 이전은 개방 회로 전압 조건을 초래한다. 개방 회로 전압 조건 하에서, 높은 상대 캐소드 전압은 캐소드 촉매 부식을 초래하고, 이어서 과도한 성능 저하를 초래한다. 이러한 연료 전지는 또한 전력 수요의 급격한 증가를 갖기 때문에, 캐소드를 향한 반응 공기 유동은 이러한 수요를 충족하도록 이용 가능해야 하며, 따라서 공기 펌프는 보다 높은 전력 수요의 신속한 재개를 수용하기 위해 낮은 수요 중에 계속 작동해야 한다.
특허 공보 US 2006/0068249 A1호에서, 연료 전지 스택의 시동 및 셧다운 또는 다른 전력 감소 이행 중에, 그 안의 반응제 소비에 의해 생성되는 가성 에너지(spurious energy)는 전기 에너지의 형태로 추출되고 연료 전지 발전기와 관련된 에너지 저장 장치에 저장된다. 상기 공보에 개시되어 있는 것은, 연료 전지 스택의 전압이 에너지 저장 장치에 에너지를 저장할 필요가 있는 전압보다 낮을 때 유용한 부스트(boost) 구성, 및 스택의 전압이 에너지 저장 시스템에 에너지를 저장해야 하는 전압보다 높을 때 유용한 버크(buck) 구성이다.
특허 공보 US 2009/0098427 A1호에서, 송풍기에 의해 제공되는 반응성 공기는 0.87 V/cell 이상과 같은 높은 캐소드 전압 조건에서 초래될 수 있는 낮은 전력 수요에 응답하여 신속하게 대기로 방향전환된다. 송풍기는 낮은 출력(output power) 수요 중에 요구되는 것보다 높은 레벨에서 가동되며, 따라서 출력 수요의 급속한 증가에 응답할 준비가 되어 있다.
출력 수요의 급속한 저하가 있을 때마다 정상 부하와 병행하여 선택적 보조 부하가 연결될 수 있으며, 그로 인해 촉매에 흡수되고 스택에 남아있는 산소, 즉 유동장 내의 잔류 산소를 소비하는 과정에서 발생되는 전력을 소산시킬 수 있다. 보조 부하는 낮은 수요 중에 대기로 방향전환되는 송풍기로부터의 공기에 의해 냉각될 수 있다.
예로서 택배 버스 및 도시 승객 버스와 같은 특정 자동차 용도에서, 아이들(idle) 조건으로의 전력 수요 감소는 빈번하다. 통상적인 버스 노선에 있어서, 버스는 하루에 한번 또는 두번만 출발하지만 1200회의 정차/출발 사이클을 겪을 것이며, 이 사이클에서는 버스가 감속하고, 수요가 아이들 조건으로 진행되며, 이후 버스가 풀파워 수요를 재개한다. 따라서, 연료 전지 스택의 상이한 조건에서 전지 전압을 적절하게 제어할 필요가 있다.
연료 채널이 공기로 부분 충전되는 경우, 스택에 대한 연료 공급이 시작 또는 중지될 때 시동 및 셧다운 손실이 발생하는 것이 확인되었다. 연료 전지 스택이 셧다운될 때는 공기가 채널 내에 돌입하며, 시동 중에 연료가 채널에 공급될 때는 공기가 연료로 부분 충전된다. 이로 인해 애노드와 캐소드 양측에서 채널 내에 공기를 갖는 전지 영역은 국소 전압의 반전이 있게 되며, 이는 높은 부식을 수반하는 높은 국소 전압을 초래한다. 이들 전압은 약 1.20 V에 도달할 수 있다.
그러나, 정차 및 출발 전력 사이클링으로 인한 전지 전압은 0.90 내지 0.95 V 체제에 있으며, 이는 시동 및 셧다운 도중에 비해 훨씬 낮은 손실을 초래한다. 그러나, 셧다운 및 시동이 특정한 날에 한번 또는 두번만 이루어지는 것에 비해서 정차 및 출발은 하루에 1200 사이클 발생하기 때문에, 정차 및 출발 사이클에 의해 이루어진 손상은 매우 수명 제한적일 수 있다.
본 명세서에서, 시동 및 셧다운은 정차 및 출발과 달리 취급된다. 정상 작동에서의 연료 전지 발전기의 전력 수요가 연료 전지 전압이 임계치 또는 그 이상으로 상승하는 지점까지 감소하면, 발생되는 출력을 전지 전압을 그렇지 않을 경우 도달하게 될 레벨로부터 임계치 레벨 이하로 감소시키는 작동 지점으로 제한하기 위해 연료 전지의 캐소드로부터 공기가 즉시 방향전환된다. 방향전환 밸브는 전지 전압을 임계치 이하로 유지하면서 캐소드 공기 유동의 양을 "블리드 공기(bleed air)"로 불리는 보조 주변장치(balance-of-plant: BOP) 설비 부하를 위한 전력을 생성하는데 필요한 양으로 제한한다.
BOP 부하에 추가적으로, 저장 장치가 충전 상태(state of charge: SOC) 임계치 미만이면, 에너지 저장 시스템에는, 전지 전압을 시스템이 아이들 조건으로 정착함에 따른 이행에 기인하는 변화 중에 안전하다고 간주되는 전압 레벨 이하로 유지하기 위해 충분한 추가 전력을 소비하도록 명령된다. 이는 약 0.87 V/cell 정도일 수 있다.
그렇지 않으면, 스택은 전지 전압을 임계치 이하로 제한하기에 충분한 전력을 소산시키면서 보조(기생) 주변장치 설비를 작동시킬 수 있도록 구성된 전압 제한 부하(voltage limiting load: VLD)와 같은 이차 디바이스에 연결된다.
첨부 도면에 도시하듯이, 예시적 실시예에 대한 하기의 상세한 설명을 감안하면 다른 변형예가 자명해질 것이다.
도 1은 본 양태(modality)가 실시될 수 있는 공냉식 전압 제한 부하 및 공기 방향전환기를 갖는 연료 전지 발전기의 개략 블록도이다.
도 2는 본 양태를 실시하는데 도움이 되는 단순화된 예시적 감시 제어 프로그램의 흐름도이다.
도 3은 정차 및 출발 작동 중에 전지 전압을 제어하기 위한 단순화된 예시적 프로그램의 흐름도이다.
도 4는 본 양태를 실시할 때 연료 전지 발전기를 셧다운하기 위해 사용될 수 있는 단순화된 예시적 프로그램의 흐름도이다.
도 5는 본 양태를 실시할 때 연료 전지 발전기를 시동하기 위해 사용될 수 있는 단순화된 예시적 프로그램의 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 차량(150)은 그 각각이 애노드(17)와 캐소드(19) 사이에 양자 교환 막(16)을 갖는 복수의 인접한 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택(151)을 구비하며, 도 1에는 하나의 연료 전지(12)만 도시되어 있다. 연료 전지 스택(151)의 플러스 단자 및 마이너스 단자에서의 전기 출력은 한 쌍의 라인(155, 156)에 의해 스위치(158)를 통해서 전기 또는 하이브리드 차량 추진 시스템(159)에 연결된다.
물 순환 시스템은 벤트(165)를 갖는 저수조(164), 압력 제어 트림 밸브(166), 수로(84, 86, 88, 89), 시스템 내에서 순환하는 물을 냉각시키도록 선택적으로 작동 가능한 라디에이터(168)와 팬(169), 및 워터 펌프(170)를 구비한다. 유입구(173)에서의 주위 공기는 송풍기(174), 압축기 등과 같은 펌프에 의해 2방향(two-way) 방향전환 밸브(172)를 통해서 캐소드(19)의 산화제 반응 가스 유동장에 제공되고, 이후 압력 조절 밸브(175)를 통해서 배기관(176)에 제공된다. 수소는 압력 조절 밸브일 수 있는 유동 조절 밸브(180)를 통해서 공급원(179)으로부터 애노드(17)의 연료 반응 가스 유동장에 공급되고, 이후 퍼지 밸브(181)를 통해서 배기관(182)에 공급된다. 연료 리사이클 루프는 펌프(183)를 구비한다.
제어기(185)는 검류기(current detector)(186)에 의해 측정되는 부하 전류뿐 아니라 라인(155, 156)을 가로지르는 전압에 응답하며; 이는 또한 라인(187) 상에 제공되는 스택의 온도를 가질 수 있다. 도 1에 도시하듯이, 제어기는 라인(190) 위의 밸브(180) 및 라인(191) 위의 밸브(172)를 제어할 뿐 아니라, 다른 밸브(166, 175, 181), 스위치(158) 및 펌프(170, 174)를 제어한다.
제어기(185)는, 연료 전지가 작동을 시작해야 할 때를 나타낼, 차량 추진 시스템(159)으로부터의 라인(193 내지 195, 223) 상의 스타트, 속도, 수요 및 오프 제어 신호, 및 차량 추진 시스템에 의해 요구되는 전력량에 응답한다. 스타트 신호가 라인(193) 위의 차량 추진 시스템(159)으로부터 제어기(185)로 보내질 때마다, 제어기로부터의 신호는 밸브(180, 181) 및 펌프(183)가 애노드(17)의 유동장에 연료 반응 가스를 공급하도록 적절하게 작동되게 할 뿐 아니라, 밸브(172, 175) 및 펌프(174)가 캐소드(19)의 유동장에 주위 공기를 공급하도록 적절하게 작동되게 할 것이다. 단순화된 예시적 시동 루틴(303)이 도 4를 참조하여 후술된다.
충분한 양의 연료 및 공기가 전지에 균일하게 공급되었을 때, 제어기(185)에 의해 라인(155, 156) 상에서 적절한 전압이 감지될 것이다. 그때, 제어기는 차량 추진 시스템(159)에 연료 전지 스택(151)이 연결되도록 스위치(158)를 폐쇄할 수 있다.
시동 또는 셧다운 중에, 저장 제어부(200)는 연료 전지 스택에 저장된 에너지를 본 실시예에서 차량 추진 시스템(159)의 배터리인 에너지 저장 시스템(201)에 인가함으로써 소산시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지 저장 시스템(201)은 일부 다른 배터리일 수 있거나, 축전기 또는 플라이휠일 수 있거나, 일부 다른 에너지 저장 장치일 수 있다. 현재의 SOC가 적절하다면, 에너지 저장 장치(200, 201)는 고수요 또는 저수요 중에 각각 전력을 제공하거나 흡수하는데 도움이 될 것이다.
2방향 방향전환 밸브(172)는 펌프(174)로부터의 공기를 캐소드(19)의 산화제 반응 가스 유동장으로 전혀 제공하지 않거나 일부 또는 전부를 제공하도록 조절된다. 차량이 서행, 정차 또는 내리막길을 주행할 때와 같이, 연료 전지가 개방 회로 전압에 접근하는 시점까지 부하 수요가 하락할 때, 라인(191) 상의 제어기로부터의 신호는 공기의 일부 또는 전부를 대기로 즉시 방향전환하도록 밸브(172)를 조절한다. 낮은 수요 중에, 공기 펌프는 스택이 증가된 수요에 신속히 응답할 수 있도록 연료 전지에서 요구되는 유동을 초과하는 공기 유량으로 작동될 수 있다. 계량 밸브(172)를 갖는 본 발명의 임의의 주어진 실시에서, 제어기는 방향전환 밸브(172)가 공기의 적절한 비례 양을 대기로 방향전환하도록 라인(191) 상의 신호를 부하의 역함수로서 제공할 수 있다.
방향전환 밸브(172)를 이용하여 공기를 내보냄으로써, 펌프(174)는 가동 상태로 유지될 수 있으며, 캐소드로 유동하는 공기의 양은 캐소드 유동장 및 전극 구조물에 소량의 잔류 공기만 남아있도록 즉시 감소된다. 일부 실시예에서, 펌프(174)의 속도는 낮은 부하 중에 감소될 수 있거나, 심지어 중지될 수 있다.
방금 설명한 장치는 라인(222) 상의 신호에 응답하여, 제어기에 의해 스위치(221)를 통해서 연료 전지 출력 라인(155, 156)에 연결되는 전력 소산 전압 제한 부하(220)와 같은 이차 디바이스와 함께 사용된다. 전압 제한 부하(220)는 본 실시예에서 펌프(174)로부터의 공기 유동에 의해, 이 공기 유동이 방향전환 밸브(172)로 이동하고 이를 통해서 배기구로 이동함에 따라 냉각된다. 이로 인해 캐소드 내의 잔류 산소로부터 더 많은 에너지 소산이 이루어질 수 있다. 전압 제한 부하(220)는, 정상 작동 중에 이를 가로지르는 압력 강하가 전혀 없도록 방향전환 밸브(172)의 하류에 배치된다. 본 실시예는 전압 제한 부하(220)를 가로지르는 압력 강하로 인해 공기가 밸브(172)에 의해 방향전환될 때 캐소드로의 공기 유동에 있어서 덜 급격한 변화를 수반할 것이다. 전압 제한 부하는 저항 부하 이외의 이차 디바이스를 포함할 수 있다.
전압 제한 부하(220)의 물리적 위치는 이것이 또한 주위 공기에 의해 냉각되도록 하는 것이 바람직하다. 대안적으로, 보조 부하는 펌프(174)와 밸브(172) 사이에서 연결될 수도 있다.
이 양태는 또한 고정 형태 및 기타 형태의 연료 전지 발전기에 사용될 수도 있다.
본 명세서에 기재된 양태를 사용하기 위해서는 제어 방식(scheme of control)이 유익하다. 본 명세서에 기재된 예시적 실시예의 개시는 상기 양태를 나타내는 전체적인 매크로 기능 단계 및 관계를 대표하지만, 상기 양태를 이용하는 연료 전지 발전기의 작동에 대한 상세를 반드시 완비하지는 않으며, 분명하듯이 다른 일상적인 사항은 당업계에서 통상적이고 공지되어 있다. 후술되는 예시적 루틴은 관련 파라미터에서의 전환기에 따라 반복적으로 처리되는 것으로 가정된다. 시내 버스의 경우에, 본 명세서의 루틴은 적절한 제어에 의해 초당 1회 내지 3회에 도달될 수 있다. 이들 개시된 루틴에서는, 프로그램을 하나의 상태에서 다른 상태로 진행시키기 위해 플래그가 사용된다. 이들 플래그는 이러한 상태에 놓이는 그 모드가 개시되기 전의 시점에서 기술된다. 그러나, 모든 플래그는 항상 충분히 설명된다.
도 2에서, 단순화된 예시적 감시 루틴(224)은 시작점(225)을 통해서 시작된다. 제1 테스트 227은 시동 플래그가 설정되었는지를 판정한다. 발전 장치가 셧다운되었거나, 가동 중이거나, 셧다운되는 과정에 있으면, 발전 장치는 시동 과정에 있지 않을 것이며, 테스트 227의 결과는 부정(negative)이 될 것이다. 마찬가지로, 테스트 230은 셧다운 과정이 수행되고 있음을 나타내는, 셧다운 플래그가 설정되었는지를 판정한다. 설정되지 않은 것으로 가정되면, 테스트 232는 가동 플래그가 설정되었는지를 판정한다.
본 명세서에 기재된 정차 및 출발 양태에 대한 설명을 쉽게 하기 위해, 연료 전지 발전기(150)는 완벽하게 작동되고 가동된다고 가정한다. 가동 플래그는, 테스트 232의 긍정적 결과가 라인(223)(도 1) 상의 오프 신호가 차량 추진 시스템(159)으로부터 수신되었는지를 판정하는 테스트 233에 도달하도록 설정되어 있다. 오프 신호는 차량이 예를 들어 시동키 형태의 턴오프 스위치의 등가물에 의해 턴오프되었음을 나타낸다. 차량이 여전히 작동하고 있다면, 테스트 233의 부정적 결과는 도 3에 도시된 전압 제한 루틴(236)에 도달할 것이다.
도 3에서, 시작점(238)을 통해서 전압 제한 루틴에 도달한다. 제1 테스트 240은 아이들 플래그가 설정되었는지 여부를 판정한다. 차량이 임의의 정상 속도로 주행하고 있다고 가정하면, 아이들 플래그는 설정되지 않았을 것이며, 따라서 테스트 240의 부정적 결과는 평균 또는 예시적 연료 전지 전압이 임계치 전지 전압보다 큰지를 판정하는 테스트 241에 도달할 것이다. 이는 과도 상태(transient) 등을 고려할 때 부식을 방지하기에 충분히 낮은, 약 0.87 V 또는 본 명세서에 기재된 양태를 채용하는 연료 전지 발전기에 적당하다고 판정되는 다른 전압과 같은, 안전한 전지 전압을 나타내는 전압이다. 차량이 정상적으로 주행하고 있다고 가정하면, 전지 전압은 과도하지 않을 것이며, 따라서, 테스트 241의 부정적 결과는 제어기의 프로그래밍이 다른 루틴으로 돌아가게 만들 복귀 지점(242)에 도달할 것이다.
시간이 경과하면, 차량은 정차 지점에 접근할 것이며, 수요를 저감시킬 것이다. 아이들 조건에서와 같이, 수요가 매우 낮아질 때, 테스트 241은 전지 전압이 과도해지고 있음을 나타내는 임계치에 도달할 때 긍정적으로 될 것이다. 이는 테스트 240에서 테스트되는 아이들 플래그를 설정하는 단계 243을 초래한다. 단계 244는 방향전환 밸브를, 연료 전지 전압이 임계치 전압 미만으로 유지되게 하기에 충분한 전력 생산을 유지하는데 요구되는 것("블리드 공기") 이외의 모든 공기를 방향전환시킬 위치로 설정할 것이다. 이후, 단계 245에서 아이들 타이머가 시작된다.
예로서, 정상 최대 전력이 75 kW인 연료 전지 발전기를 구비한 시내 버스를 고려한다. 약 0.87 V의 안전 전압을 유지하기 위해서, 연료 전지는 약 2.8 ㎾를 발생시켜야 할 것이다. 이러한 연료 전지 발전기에서, 예를 들어, 냉매 펌프(170), 공기 송풍기(174), 연료 리사이클 펌프(183), 제어기(185), BOP의 기타 전력 조정 및 제어 장치 등에 대한 보조 기생 전력 요건은 약 1.5 ㎾이다. 이는 전지 전압을 낮은 레벨로 유지하지 위해 발생되는 전력은 보조 설비에 의해 소비되는 전력에 비해서 약 1.3 ㎾ 초과될 것이라는 것을 의미한다. 이 초과 전력은 어떠한 방법으로든 저장 또는 소산되어야 한다.
방향전환 밸브가 적절한 위치로 개방된 후, 테스트 246은 배터리가 90% 미만의 SOC와 같이 더 많은 에너지를 저장할 수 있는지 알기 위해 배터리의 SOC를 체크할 것이다. 저장이 가능하다면, 단계 247은 에너지 저장 시스템에 전지 전압을 0.87 V로 유지하기에 충분한 발생 전력을 저장하도록 명령할 것이다. 루틴은 이후 복귀 지점(242)을 통해서 다른 프로그래밍으로 돌아갈 것이다.
도 2의 감시 루틴(224)이 도 3의 전압 제한 루틴(236)에 도달하는 후속 패스(pass)에서는, 단계 243에서 아이들 플래그가 설정되었으면, 테스트 240의 긍정적 결과는, 라인 195(도 1) 상의 신호에 의해 표시되는 수요가 가속 중인 차량을 나타내는 일부 수요 임계치보다 큰지를 판정하는 테스트 248에 도달할 것이다. 크지 않으면, 차량은 여전히 아이들링 상태이다. 테스트 248의 부정적 결과는 다시 테스트 246에 도달한다. SOC가 저장 임계치에 도달하지 않았으면, 예를 들어 여전히 90% 미만이면, 단계 247은 전과 같이 전지 전압을 0.87 V로 유지하기 위해 얼마의 에너지가 소요되건 간에 이를 저장하도록 ESS에 계속 명령할 것이다.
결국, 저장 장치는 90%의 충전에 도달할 수 있으며; 이후 테스트 246의 부정적 결과는 아이들 타이머가 타임 아웃되었는지를 판정하는 테스트 248에 도달할 것이다. 이 타이머는 아이들 조건이 시작되었기 때문에 단계 245에서 설정되었다. 아이들 타이머는 문제의 차량이 일반적으로 받게 되는 임무의 형태에 따라서 조절될 수 있는 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 도심의 시내 버스에서, 시간 임계치는 2분 정도로 낮을 수 있거나, 운전자가 도시락 가게에서 정차하거나 커피 한 잔을 살 수도 있는 상황을 수용하기 위해 6분 또는 7분 이상으로 높을 수 있다. 이 시간은 통제형 교통 교차점에서 또는 승객의 승차 및 하차를 위한 정거장에서 일반적으로 마주치는 시간보다 크다. 한편, 차량이 택배 차량인 경우, 임계치 시간은 시내 버스에 대한 임계치 시간보다 길 수 있다.
아이들 타이머에 의해 표시되는 시간이 타이머 임계치를 초과하지 않았으면, 테스트 249의 부정적 결과는 스위치(221)를 폐쇄함으로써 전압 제한 부하(220)(도 1)를 스택에 연결하는 단계 251에 도달할 것이다. 이는 초과 에너지가 저장되기 보다는 소산되게 할 것이다. 예시적 실시예에서, 0.87 V에서 1.3 ㎾의 소산을 위해, 이 부하는 약 0.54 mΩ(milliohm)이 될 것이다. 이는 BOP의 보조 기생 설비에 의해 사용되고 있지 않은 전력의 대략 정확한 양의 소산을 보장할 것이다. 한편, 시간 임계치에 도달되었으면, 테스트 249의 긍정적 결과는 방향전환 밸브가 최대 공기 양을 방향전환하도록 방향전환 밸브를 설정하는 단계 252에 도달할 것이다. 최대 공기 양은 공기 전체일 수 있거나, 또는 공기 전체보다 적을 수 있다. 그러나, 각종 작동 파라미터 전부에 따라서, 및 단계 253에서 송풍기 속도가 감소되는지에 따라서 연료 전지 스택을 공기 결핍시키는 것이 충분해야 한다. 전술했듯이, 송풍기 속도는, 차량이 아이들 조건으로부터 가속될 때 신속하게 공기를 공급하는데 도움이 되도록 정상 작동 속도로 유지될 수 있다. 한편, 송풍기 속도는 다소 감소될 수 있거나, 송풍기는 저장된 에너지의 보존 등을 위해서 어떤 이유에서든 필요하다고 확인되면 턴오프될 수 있다. 경우에 따라서, 상황이 어느 하나만의 사용을 허용할 때는, 단계 252에서와 같이 최대의 공기를 방향전환하고 단계 253에서와 같이 송풍기 속도를 감소시킬 필요가 없다. 이후, 단계 255는 저장 시스템에 저장된 에너지로부터 작동하도록 BOP를 연결할 것이며, 이는 전압이 안전 임계치 미만이 되도록 연료 전지를 충분히 결핍시키기 위해 필요하다.
단계 247이 실시된 후 SOC가 90%를 초과하는 경우에도, 테스트 246은 전압 제한 부하가 전력을 저장하는 대신에 전력을 흡수하도록 다음 패스에서 액션을 (1초 이내에) 바꿀 수 있다는 것에 유의해야 한다. 이 유연성은 저장의 최대 활용을 허용하며, 필요한 것에 불과한 최소한의 낭비적인 에너지 소산을 허용한다.
감시 및 전압 제한 루틴을 통한 후속 패스에서, 차량은 결국 움직이기 시작할 것이고, 라인 195(도 1) 상의 수요는 임계치를 초과할 것이며, 테스트 248은 긍정으로 되어서, 모든 공기를 스택으로 방향인도하도록 방향전환 밸브를 설정하는 단계 257에 도달할 것이다. 단계 259는 전지 전압의 제어를 위해 에너지 저장을 중지하도록 ESS에 명령하고; 이후, ESS의 제어는 저장 제어부(200)(도 1)에서 다른 루틴으로 돌아간다. 단계 261은 전압 제한 부하(220)(도 1)를 분리하기 위해 스위치(221)(도 1)를 개방할 것이다. (단계 259 또는 291은 무해하게 불필요할 것이다.) 이후, 단계 264는 아이들 플래그를 리셋할 것이며, 프로그래밍은 복귀 지점(242)을 통해서 다른 루틴으로 돌아갈 것이다.
도 2의 감시 루틴(224)을 통한 후속 패스에서, 가동 플래그는 여전히 설정되어 있고, 도 3의 전압 제한 루틴에 도달하지만, 전압 제한 루틴을 통한 이 패스에서는, 단계 264에서 아이들 플래그가 리셋되었기 때문에, 테스트 240은 부정적이고, 전지 전압이 임계치보다 큰지를 알기 위한 테스트 241에 도달한다. 일반적인 경우에, 증가하는 수요 또는 정상 수요 중에, 전지 전압은 과도해지지 않을 것이며, 따라서, 테스트 241의 부정적 결과는 단순하게 프로그래밍이 복귀 지점(242)을 통해서 다른 루틴으로 돌아가도록 만들 것이다.
이것은 도 3을 참조하여 전술한 교환이 아이들 조건을 확립하게 만들 다음 정차까지 계속될 것이다. 차량의 모든 정차 중에, 전력 시스템은 아이들 상태가 되고 이후 아이들로부터 가속되며, 감시 루틴(224)은 전압 제한 루틴(236)에 도달하는 가동 조건으로 유지될 것이고, 전압 및 아이들 시간은 계속 테스트될 것이며, 작동은 전술한 조건에 반응할 것이다.
따라서, 정지 및 시동의 경우에, 시스템은 항상 전지 내의 전압을 신속하게 감소시키기 위해 공기를 방향전환할 것이며, 이후 시스템은 가능하다면 초과 전력을 저장할 것이고 또는 저장할 수 없다면 전력을 소산시킬 것이며, 또는 긴 아이들 기간 중에 스택을 공기 결핍 상태로 만들 것이다. "초과 전력"은 전지 전압을 BOP의 보조 기생 전력을 작동시키기 위해 시스템이 사용할 수 있는 레벨을 초과하는 안전한 레벨로 유지하기 위해 스택에 의해 발생되는 전력량으로서 정의된다.
결국, 하루의 끝이 올 것이고, 추진 시스템 조작자는 (시동 키의 등가물을 턴오프시키는 등에 의해) 표시를 제공할 것이며, 따라서 라인 223(도 1) 상에 오프 신호가 제공될 것이다. 도 2의 감시 루틴(224)을 통한 후속 패스는 오프 테스트 233의 긍정적 결과에 도달할 것이다. 이것은 가동 플래그를 리셋하는 단계 266 및 셧다운 플래그를 설정하는 단계 267에 도달할 것이며, 이후 도 4의 셧다운 루틴(268)으로 진행될 것이다.
셧다운 루틴(268)은 시작점(271)을 통해서 도 4에 도달하며, 여기에서 선택적 제1 테스트 273은 본 명세서에 기재된 양태를 사용하는 구성이 선택적 공기 송풍기 리사이클 시스템(종래의 것이지만 여기에 도시되지 않음)을 구비하는지를 판정한다. 구비한다면, 테스트 273의 긍정적 결과는 선택적 공기 유입 밸브(도시하지 않음)를 폐쇄하는 단계 276 및 선택적 캐소드 리사이클 밸브(도시하지 않음)를 개방하는 단계 277에 도달한다. 즉, 이러한 선택에 의하면, 송풍기(174)(도 1)는 공기를 스택 중에 송풍하는 것으로부터 캐소드 배기를 캐소드 유입구로 복귀 리사이클하는 것으로 시프트한다. 이것은 각각의 연료 전지를 캐소드와 애노드 양자에 수소가 포함되는 조건에 정착시키는데 도움이 되며, 상기 조건은 당업계에 공지되어 있듯이 부식으로부터 보호하고 후속적인 질서정연한 시동을 제공한다.
공기 송풍기가 캐소드 리사이클용으로 사용되지 않으면, 테스트 273의 부정적 결과는 공기 송풍기(174)(도 1)를 턴오프시키는 선택적 단계 279 및 선택적 캐소드 리사이클 송풍기(도시하지 않음)를 턴온시키는 단계 280에 도달할 것이며, 단계 277은 선택적 캐소드 리사이클 밸브를 개방할 것이다. 효과는 동일하다.
어느 경우에나[또는 선택적 캐소드 리사이클을 위한 테스트 273이 존재하지 않으면 시작점(271)으로부터 바로], 테스트 282는 SOC가 90°미만인지를 판정한다. SOC가 90°미만이면, 단계 285는 에너지 저장 시스템(201)에 스택으로부터 나오는 전력 전부를 저장하도록 명령할 것이다. 이는 도 3을 참조하여 설명된 본 명세서의 양태에 따라서, 저장된 전력 양이 매우 선택적인 아이들 중에 발생하는 것과 다르다.
SOC가 90°미만이 아니면, 이후 단계 287은 스위치(221)를 폐쇄함으로써 전압 제한 부하(220)(도 1)를 연결할 것이다. 셧다운의 효과는 발생되고 있는 전력량의 급속한 붕괴이기 때문에, 전압 제한 부하의 크기는 다량의 전력을 소산시키기에 충분하다면 중요하지 않다. 따라서, 시동 및 셧다운의 경우에 아이들을 위한 동일한 전압 제한 부하를 사용할 수 있다. 한편, 본 명세서에 기재된 양태의 다른 실시예에서는, 다양한 전압 제한 부하가 있을 수 있으며, 이들 부하는 프로세스의 스테이지에 따라서, 즉 관련된 시동 또는 셧다운(전력 시동 또는 전력 감소 이행), 또는 아이들에 따라서 선택될 수 있다.
단계 285 및 287에 따라 전력이 저장되거나 소산되면, 테스트 290은 애노드 연료 퍼지가 완료되는지를 판정할 것이다. 이는 단순히 캐소드가 유입 공기로부터 리사이클 공기로 시프트된 후의 경과 시간에 의해 판정될 수 있거나, 애노드의 출구에서 수소 농도를 감지함으로써 판정될 수 있거나, 발생되는 전력의 전압을 감지하는 등과 같은 일부 다른 방식으로 판정될 수 있다. 이들 방법은 종래의 방법이며, 본 명세서에 기재된 양태의 임의의 특정 실시에 적합하게 선택될 수 있다.
연료 전지가 애노드 연료 내용물에 의해 정착되면, 단계 291은 연료 유입구를 닫을 것이며, 단계 292는 ESS에 전지 전압의 제어를 위해 (아마도 불필요하게) 저장을 중지하도록 명령할 것이다. 이후, ESS의 제어는 저장 제어부(200)(도 1) 내의 다른 루틴으로 돌아간다. 다수의 단계 293은 셧다운되는 기간 중에 사용되지 않는 공기 송풍기 또는 캐소드 리사이클 송풍기, 연료 리사이클 펌프, 냉매 펌프, 라디에이터 팬, 및 기타 BOP 설비를 포함하는 보조 전력 설비의 대부분을 셧오프시킬 것이다. 셧다운 플래그는 단계 294에서 리셋되고, 프로그래밍은 복귀 지점(296)을 통해서 다른 루틴으로 돌아간다.
도 2의 감시 루틴(224)을 통한 다음 후속 패스에서, 시동 플래그 테스트 227은 부정적일 것이며, 셧다운 플래그 테스트 230은 부정적일 것이고, 가동 플래그 테스트 232는 테스트 297이 시작 플래그가 설정되는지를 판정하도록 부정적일 것이며; 설정되지 않으면, 프로그래밍은 복귀 지점(299)을 통해서 다른 임무로 돌아갈 것이다. 연료 전지 발전기는 이후 시동 및 전력 제공 명령을 대기하는 휴면 상태에 놓인다.
차량 추진 시스템(150)으로부터 라인 193(도 1) 상에 제공되는 스타트 명령이 전혀 없는 한, 감시 시스템은 테스트 227, 230, 232, 297의 부정적 결과를 통해서 복귀 지점(299)까지 작업할 것이며, 연료 전지 발전기는 휴면 상태로 유지될 것이다.
결국, 후속 패스가 시동 플래그를 설정하는 단계 301에 도달될 시작 테스트 297의 긍정적 결과를 확인하도록 시작 명령이 라인 193(도 1) 상에 나타날 것이다. 이후, 시동 루틴(303)은 도 5에서 시작점(305)을 통해서 도달된다. 경우에 따라, 캐소드 리사이클은 연료 전지 발전기의 휴면 상태 중에, 연료 전지 내로의 어떠한 공기 누설도 부식을 초래하지 않도록 더 잘 보장하기 위해 유지될 수 있다. 결과가 긍정적이면, 단계 308은 캐소드 리사이클을 턴오프(리사이클 스위치를 개방하거나 및/또는 리사이클 송풍기를 셧오프)할 것이다.
일련의 단계 310은 공기 송풍기를 제외하고, 연료 리사이클 펌프, 냉매 펌프, 라디에이터 팬, 및 주변장치 내의 임의의 다른 기생 보조 부하를 턴온시킬 것이다. 이후, 단계 313에서 연료 유입구가 개방되고, 테스트 314는 개방 회로 전압의 감지에 의해, 연료 유입구의 개방 이후 경과 시간에 의해, 애노드 배기관에서의 수소 농도 측정에 의해, 또는 다른 방법에 의해 애노드에서 수소를 제외한 모든 가스가 퍼지되었을 때를 판정한다.
애노드가 수소로 적합하게 정착될 때, 단계 315는 공기 송풍기를 턴온시킬 것이며 규칙적인 발전이 시작될 것이다. 초기의 낮은 전력 발생이 연료 전지의 전압을 너무 높이 상승시키는 것을 방지하기 위해, 전력은 전과 같이 저장되거나 소산될 것이다. 필요한 경우, SOC 및 부하의 측정은 이 경우에 아이들 상태의 그것과 다를 수 있다. 테스트 316은 SOC가 85% 미만인지를 판정하고, 판정 결과가 긍정적이면, 단계 317은 전지 전압을 예를 들어 0.10 V와 같은, 시동 중에 부식에 대해 안전한 것으로 간주되는 전압 이하로 유지하기에 충분한 전력을 저장하고 따라서 요구하도록 에너지 저장 시스템(201)(도 1)에 명령할 것이다. SOC가 너무 높으면, 테스트 316의 부정적 결과는, 스위치(221)(도 1)를 폐쇄시켜 연료 전지 출력(155, 156)을 전압 제한 부하(220)에 연결하는 단계 320에 도달할 것이다.
어느 경우에나, 테스트 321은 발생된 전압이 차량 추진 시스템(159)(도 1)에 적용하기에 적합한 임계치 전압 이상인지를 판정한다. 루틴은 전압이 적당할 때까지 테스트 321 상에서 순환할 것이다. 이후, 테스트 321의 긍정적 결과는, 연료 전지를 차량 추진 시스템(159)에 연결하기 위해 스위치(158)(도 1)를 폐쇄하는 단계 322, 전압 제한 부하를 분리시키는 단계 323, 및 ESS에 전지 전압의 제어를 위해 저장을 중지하도록 명령하는 단계 324에 도달할 것이다. 이후, ESS의 제어는 저장 제어부(200)(도 1)에서의 다른 루틴으로 돌아간다.
단계 326은 시동 플래그를 리셋시킬 것이며, 단계 327은 가동 플래그를 설정할 것이다. 이후, 프로그램은 복귀 지점(330)을 통해서 다른 루틴으로 돌아간다.
도 2에서의 감시 루틴(224)을 통한 후속 패스에서, 시동 플래그 테스트 227 및 셧다운 플래그 테스트 230은 현재 부정적이지만, 가동 플래그 테스트 232는 현재 긍정적이며, 연료 전지 시스템이 라인(223)(도 1) 상의 신호에 의해 오프되도록 명령을 받았는지를 알아보는 테스트 233에 도달한다. 오프 명령이 수신될 때까지, 전압 제한 루틴(236)은 아이들 조건이 발생할 때 이를 취급하도록 반복적으로 도달될 것이며, 모든 것은 도 3을 참조하여 전술되었다.
어떤 이용에서도 필요하지 않은 경우, 본 명세서에 기재된 양태의 일부는 하나 이상의 다른 양태의 사용없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 저장부로부터 BOP에 전력을 공급하는 동안 스택을 공기 결핍시키는 긴 아이들 특징부는 경우에 따라 생략될 수 있다.
본 발명의 의도를 벗어나지 않는 한도 내에서 상기 실시예의 변경 및 변형이 이루어질 수 있으므로, 첨부된 청구범위에 의해 요구되는 것 이외의 개시 내용을 제한하려는 의도는 없다.

Claims (12)

  1. (a) 연료 전지 발전기를 작동시켜 차량 추진 시스템(159)에 전력을 제공하는 단계;
    (b) 상기 차량 추진 시스템의 정상 작동 중에 연료 전지 전압을 모니터링하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
    (c) 소정의 전지 전압 임계치에 도달하는 연료 전지 전압에 응답하여, 연료 전지 전압이 소정의 전지 전압 임계치를 초과하지 않게 만들기에 충분한 전력을 발생시키는데 필요한 양을 제외한 모든 반응 공기를 방향전환하는 단계; 및
    (d) 상기 단계(c) 이후에, 차량 추진 시스템의 수요가 수요 임계치를 초과할 때까지, 연료 전지 전압이 소정의 전지 전압 임계치를 초과하지 않게 만들기에 충분한 전력을 발생시키고, 연료 전지 발전기의 전력 출력을, 에너지 저장 시스템의 충전 상태가 소정의 저장 임계치에 도달할 때까지, 전지 전압을 소정의 전지 전압 임계치 미만으로 유지하는데 필요한 전력량과 보조 주변장치 설비(170, 174, 183, 185)에 의해 소비되는 전력량의 차이와 동일한 양으로 에너지 저장 시스템(201)에 저장하는 단계를 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계(d) 중에, 에너지 저장 시스템의 충전 상태가 소정의 저장 임계치에 도달하면, 전지 전압을 소정의 전지 전압 임계치 미만으로 유지하는데 필요한 전력량과 보조 주변장치 설비에 의해 소비되는 전력량의 차이와 대략 동일한 전력량을 전압 제한 부하(220)에서 소산시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단계(d)가 소정의 시간 임계치를 초과하는 기간 동안 계속되면, 연료 전지 발전기를 공기 결핍시키고, 에너지 저장 시스템에 의해 제공되는 전력을 사용하여 주변장치를 작동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 연료 전지 발전기를 포함하는 차량(150)이며,
    상기 연료 전지 발전기는,
    주변장치(170, 174, 183, 185);
    복수의 연료 전지(12)를 구비하고, 전력 출력부(155, 156)를 갖는 연료 전지 스택(151)으로서, 각각의 연료 전지는 반응 공기 유동장을 갖는 캐소드(19)에 인접하여 멤브레인 전극 조립체(16)를 갖는 연료 전지 스택(151);
    상기 캐소드에 반응 공기를 제공하기 위한 공기 펌프(174);
    상기 공기 펌프를 반응 공기 유동장에 연결하는 방향전환 밸브(172)로서, 상기 펌프로부터의 공기를 방향전환된 공기가 상기 반응 공기 유동장을 통과하지 않게 하면서 선택적으로 방향전환하도록 구성된 방향전환 밸브(172);
    상기 스택의 전력 출력부에 선택적으로 연결될 수 있는 전압 제한 부하(220); 및
    상기 방향전환 밸브, 저장 제어 수단 및 전압 제한 부하를 선택적으로 제어하기 위한 제어기(185)를 포함하고,
    상기 차량은 또한,
    수요 신호에 응답하여 상기 스택에 의해 선택적으로 급전되도록 구성된 차량 추진 시스템(159);
    에너지 저장 시스템(201); 및
    상기 에너지 저장 시스템에 대한 전기 에너지 저장 및 그로부터의 전기 에너지 회수를 선택적으로 제어하기 위한 저장 제어 수단(200)을 포함하는 차량(150)에 있어서,
    상기 제어기는, 가동 모드에서, 작동 중에 차량 추진 시스템에 의해 소비되는 전력의 감소에 응답하여 아이들 모드에 진입하며, 상기 아이들 모드에서 제어기는 (a) 연료 전지의 전압이 소정의 아이들 임계치 전지 전압을 초과하지 않게 만들기에 충분한 소정의 아이들 전력을 발생시키기 위해 연료 전지 스택에 의해 요구되는 공기를 제외한 모든 공기를 캐소드로부터 방향전환시키도록 방향전환 밸브를 작동시키고, (b) 연료 전지의 전압이 소정의 아이들 임계치 전지 전압을 초과하지 않게 만들기에 충분한 소정의 아이들 전력을 연료 전지 스택이 발생하도록 초래하며, (c) (i) 저장 제어 수단이 소정의 아이들 전력이 주변장치에 의해 소비되는 전력량을 초과하는 전력량을 에너지 저장 시스템에 저장하도록 초래하고, 에너지 저장 시스템의 충전 상태가 소정의 충전 상태 임계치를 초과하지 않으면 제어기는 (ⅱ) 연료 전지 스택이 소정의 아이들 전력을 발생시키도록 초래하며 전압 제한 부하가 스택의 전력 출력부를 가로질러 연결되도록 초래하고, 상기 전압 제한 부하는 소정의 아이들 전력이 주변장치에 의해 소비되는 전력량을 초과하는 대략의 전력량을 소정의 아이들 전력에서 소산시키는 것을 특징으로 하는 차량(150).
  5. 제4항에 있어서, 상기 아이들 모드는 차량 추진 시스템의 수요가 수요 임계치를 초과할 때까지 계속되는 것을 특징으로 하는 차량(150).
  6. 제4항에 있어서, 아이들 모드의 지속시간이 소정의 시간 임계치를 초과하면, 제어기는 상기 (i) 또는 (ⅱ)의 초래를 중단시키고, 대신에 연료 전지 발전기의 공기 결핍을 초래하며, 에너지 저장 시스템에 의해 제공되는 전력을 이용한 주변장치의 작동을 초래하는 것을 특징으로 하는 차량(150).
  7. 제4항에 있어서, 상기 제어기(185)는, 아이들 모드에서, 소정의 수요 임계치를 초과하는 차량 추진 시스템(159)의 수요에 응답하여, 방향전환 밸브(220)가 모든 공기를 캐소드(19)로 방향인도하도록 초래하는 것을 특징으로 하는 차량(150).
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어기(185)는, 아이들 모드에서, 소정의 수요 임계치를 초과하는 차량 추진 시스템(159)의 수요에 응답하여, 아이들 전압을 제어하기 위한 전력의 저장이 중지되고 전압 제한 부하(220)가 스택으로부터 분리되도록 보장하는 것을 특징으로 하는 차량(150).
  9. 제4항에 있어서, 상기 제어기(185)는 차량 추진 시스템(159)로부터의 오프 신호(223)에 응답하여 셧다운 루틴(268)을 시작하며, 상기 셧다운 루틴(268)에서 제어기는 (a) 연료 전지(12)의 전압이 소정의 셧다운 임계치 전압을 초과하지 않게 만들기 위해 저장 제어 수단(200)이 충분한 전력을 에너지 저장 시스템(201)에 저장하도록 초래하고, 에너지 저장 시스템(201)의 충전 상태가 소정의 충전 상태 임계치를 초과하지 않으면 제어기는 (b) 전압 제한 부하(220)가 연료 전지 스택(151)의 전력 출력부(155, 156)를 가로질러 연결되도록 초래하는 것을 특징으로 하는 차량(150).
  10. 제9항에 있어서, 상기 소정의 셧다운 임계치 전압은 소정의 아이들 임계 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 차량(150).
  11. 제4항에 있어서, 상기 제어기(185)는 차량 추진 시스템(159)로부터의 스타트 신호(193)에 응답하여 시동 루틴을 시작하며, 상기 시동 루틴에서 제어기는 (a) 연료 전지(12)의 전압이 소정의 시동 임계치 전압을 초과하지 않게 만들기 위해 저장 제어 수단(200)이 충분한 전력을 에너지 저장 시스템(201)에 저장하도록 초래하고, 에너지 저장 시스템의 충전 상태가 소정의 충전 상태 임계치를 초과하지 않으면 제어기는 (b) 전압 제한 부하(220)가 연료 전지 스택(151)의 전력((155, 156) 출력부를 가로질러 연결되도록 초래하는 것을 특징으로 하는 차량(150).
  12. 제11항에 있어서, 상기 소정의 시동 임계치 전압은 소정의 아이들 임계치 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 차량(150).
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