KR20150074310A - 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템의 시동 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법은 기설정된 시간 동안 연료 전지 스택의 연료극 측에 수소를 공급하여 상기 연료 전지 스택에 형성된 전압과 기설정된 기준 전압의 크기를 비교하는 단계; 상기 연료 전지 스택에 형성된 전압이 상기 기설정된 기준 전압보다 큰 경우, 상기 연료 전지 스택을 구성하는 연료 전지 셀에 형성된 전압의 크기와 기설정된 부하 연결 기준 셀 전압의 크기를 비교하는 단계; 및 연료 전지 셀에 형성된 전압이 상기 부하 연결 기준 셀 전압보다 큰 경우, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하는 단계를 포함한다. 이에 의해 연료극 및 공기극에서 발생할 수 있는 카본 부식을 방지할 수 있고, 이에 따라 연료 전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

연료 전지 시스템의 시동 제어 방법{START CONTROL METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료극 측에 잔존하는 산소를 제거하여 연료 전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 스택의 연료극(애노드)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기블로워를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(캐소드)으로 공급한다.
스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
연료 전지 스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.
그러나, 연료극에 산소가 존재하고 있는 상태에서 전압이 형성되면 막전극접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)의 촉매층에서 카본 부식(Carbon Corrosion)이 발생하여 열화가 생기고 연료 전지 스택의 내구성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 연료 전지 시스템 내에 잔존하는 수소 또는 산소를 판별하고 이에 따라 시동 시퀀스를 가변적으로 제어할 수 있는 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법은 기설정된 시간 동안 연료 전지 스택의 연료극 측에 수소를 공급하여 상기 연료 전지 스택에 형성된 전압과 기설정된 기준 전압의 크기를 비교하는 단계; 상기 연료 전지 스택에 형성된 전압이 상기 기설정된 기준 전압보다 큰 경우, 상기 연료 전지 스택을 구성하는 연료 전지 셀에 형성된 전압의 크기와 기설정된 부하 연결 기준 셀 전압의 크기를 비교하는 단계; 및 상기 연료 전지 셀에 형성된 전압이 상기 부하 연결 기준 셀 전압보다 큰 경우, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하는 단계를 포함한다.
상기 방법은, 상기 연료 전지 스택에 형성된 전압이 상기 기설정된 기준 전압보다 큰 경우, 상기 연료극 측의 산소 제거 필요량 또는 필요시간을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 산소 제거 필요량 또는 필요시간에 기반하여 상기 연료극 측에 수소를 과급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 부하를 연결하는 단계는, 상기 과급된 수소에 따라 상기 연료 전지 스택을 구성하는 연료 전지 셀에 형성된 전압의 크기와 기설정된 부하 연결 기준 셀 전압의 크기를 비교하여, 상기 연료 전지 셀에 형성된 전압이 더 큰 경우 수행된다.
상기 산소 제거 필요량 또는 필요시간은 상기 연료 전지 스택에 형성된 전압의 크기에 비례한다.
상기 연료극 측에 수소를 과급하는 단계 이전에 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 연결된 공기 차단 밸브를 개방하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은, 상기 수소의 과급에 따라 상기 연료극 측에 유입된 산소의 제거가 완료되었는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 산소의 제거가 완료된 경우, 상기 수소의 과급을 중단하고, 상기 부하의 연결을 해제하며, 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 공기를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 판단하는 단계는, 상기 연료극 측 배출 유량이 상기 결정된 산소 제거 필요량을 초과하였는지, 또는 상기 수소 과급의 진행 시간이 상기 결정된 산소 제거 필요시간을 초과하였는지 여부에 따라 판단하는 단계이다.
상기 방법은 상기 연료 전지 스택에 마지막으로 수소가 공급된 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간과 기설정된 기준 시간의 길이를 비교하는 단계를 더 포함하고, 상기 연료 전지 스택에 형성된 전압과 기설정된 기준 전압의 크기를 비교하는 단계는, 상기 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간이 상기 기설정된 기준 시간보다 긴 경우 수행된다.
상기 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간이 상기 기설정된 기준 시간 보다 짧은 경우, 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 연결된 공기 차단 밸브를 개방하고, 상기 연료 전지 스택에 수소와 공기를 공급하는 단계를 더 포함한다.
상기 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간은 연료 전지 차량의 시동이 오프(off)된 이후에 경과된 시간이다.
상기 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간은 연료 전지 차량의 시동이 오프된 이후에, 일정한 주기로 수소가 최종 공급된 이후 경과한 시간이다.
상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하여 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 냉시동 조건이 만족되면, 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 연결된 공기 차단 밸브를 개방하고, 상기 연료 전지 스택에 수소와 공기를 공급한다.
상기 연료 전지 스택에 형성된 전압이 상기 기설정된 기준 전압보다 작은 경우, 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 연결된 공기 차단 밸브를 개방하고, 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 단계를 더 포함한다.
상기 비교하는 단계는 상기 연료 전지 스택을 구성하는 모든 연료 전지 셀에 형성된 전압 중 최소 전압 값이 상기 부하 연결 기준 셀 전압보다 큰 지 여부를 판단하는 단계이다.
상기 연료 전지 셀에 형성된 전압이 상기 부하 연결 기준 셀 전압보다 작은 경우, 상기 연료 전지 스택에 상기 부하를 연결하지 않는다.
상기 수소의 과급 이후, 상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하여 냉시동 조건을 만족되면, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하지 않는다.
상기 부하를 상기 연료 전지 스택에 연결하는 것이 불가능한 경우, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하지 않는다.
상기 연료극 측에 수소를 공급하는 압력이 기준 압력 값보다 낮은 경우, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하지 않는다.
상기 부하를 연결하지 않고, 상기 과급된 수소보다 더 많은 수소를 상기 연료 전지 스택의 연료극 측에 과급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법에 따르면, 연료 전지의 연료극 및 공기극에서 발생할 수 있는 카본 부식을 방지할 수 있고, 이에 따라 연료 전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 공기 차단 밸브의 개폐를 조절하여 수소 배기 가스를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 시동 시간을 줄일 수 있으며, 연비를 향상시킬 수 있고, 소음을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법을 도시한 순서도이다. 연료 전지 제어기(미도시)는 시동 키가 온 되면(S101) 연료 전지 스택에 마지막으로 수소가 공급되고 나서 얼마나 시간이 경과하였는지를 체크하여 기설정된 기준 시간과 비교할 수 있다.(S103)
연료 전지 스택에 수소가 공급된 이후 경과한 시간, 즉 연료 전지 스택에 마지막으로 수소가 공급된 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간은 연료 전지 차량의 시동이 오프(off)된 이후에 경과된 시간 또는 연료 전지 차량의 시동이 오프된 이후에, 일정한 주기로 수소가 최종 공급된 이후 경과한 시간일 수 있다.
연료 전지 차량의 경우 시동이 걸려 있는 상태에서는 연료 전지 스택의 연료극 측에 계속적으로 수소가 공급되기 때문에, 시동 정지 이후 일정 시간이 지나야 연료극 측의 수소가 모두 소모된다.
또한, 시동 오프(off)상태에서 연료 전지 스택 내의 잔존 산소를 제거하기 위해 주기적으로 연료극 측에 수소를 공급하는 경우, 연료 전지 제어기는 연료극 측에 수소가 공급된 이후 얼마나 시간이 경과하였는지를 체크하여 기설정된 기준 시간과 비교할 수 있다.
연료 전지 스택에 마지막으로 수소가 공급된 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간이 기설정된 기준 시간보다 짧은 경우, 아직 연료극에는 잔존 수소가 존재한다. 연료극 측에 잔존 수소가 존재할 때, 연료극 측에 잔존하는 산소는 없다. 따라서, 특별한 연료 전지 시스템 제어가 필요치 않고, 연료 전지 제어기는 연료 전지 스택에 수소와 산소를 공급하여 전기를 생성하도록 할 수 있다.(S109)
다만, 연료 전지 제어기는 수소와 산소를 연료 전지 스택에 공급하기 이전에 공기 차단 밸브를 개방시킬 수 있다.(S105) 연료극 측 퍼지나 드레인을 통해 나오는 배출 수소가 공기와 희석되지 않고 대기 중에 배출되는 것을 막기 위함이다. 즉, 수소 배출에 대한 환경 규제를 만족시키기 위해 수소만 단독으로 배출되지 않고, 공기를 공급하여 산소와 희석되어 공기중으로 배출될 수 있도록 하기 위함이다. 공기 차단 밸브는 공기극 측에 공기의 공급을 조절할 수 있는 밸브이다.
다만, 연료 전지 제어기는 S103 단계에서 차량 외부 또는 차량 주변의 온도를 온도 센서로부터 센싱하여 냉시동 조건인지 여부를 판단할 수 있다. 저온에서는 카본 부식 반응이 잘 일어나지 않으므로, 특별한 연료 전지 시스템 제어가 필요치 않기 때문이다. 따라서, 연료 전지 제어기는 연료 전지 스택에 수소와 산소를 공급하여 전기를 생성하도록 할 수 있다(S109). 다만, 연료 전지 제어기는 수소와 산소를 연료 전지 스택에 공급하기 이전에 공기 차단 밸브를 개방시킬 수 있다(S105). 즉, 냉시동 조건 만족시 연료 전지 제어기는 연료 전지 스택의 공기극 측에 연결된 공기 차단 밸브를 개방하고, 연료 전지 스택에 수소와 공기를 공급할 수 있다.
연료 전지 스택에 마지막으로 수소가 공급된 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간이 기설정된 기준 시간보다 긴 경우 연료극 측에는 더 이상 수소가 존재하지 않는다. 기설정된 기준 시간은 더 이상 연료극 측에 수소가 존재하지 않을 경과 시간으로 기설정될 수 있다. 즉, 시동 오프(off)시 또는 수소 공급시로부터 소정 시간이 경과하면 연료극 측에 더 이상 수소가 존재하지 않게 되는데, 이때의 시점을 기준 시간으로 미리 설정하는 것이다.
또한, 냉시동 조건이 아니라면, 연료 전지 스택에 마지막으로 수소가 공급된 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간이 기설정된 기준 시간보다 긴 경우와 동일하게 제어할 수 있다.
연료 전지 스택에 마지막으로 수소가 공급된 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간이 기설정된 기준 시간 보다 길다는 것은 더이상 연료극 측에 수소가 존재하지 않음을 의미하고, 연료 전지 제어기는 연료 전지 스택의 연료극 측에 수소를 공급하여 연료극 측에 잔존하는 산소가 있는지 여부를 판단한다.(S107)
이러한 판단은 연료 전지 스택에 형성된 전압이 기설정된 기준 전압의 크기보다 큰 지 여부에 기초하여 이루어진다. 즉, 연료 전지 제어기는 연료 전지 스택에 수소를 공급하여 설정 시간 내에 측정된 전압과 기설정된 기준 전압을 비교하여(S111) 연료극 측에 산소가 잔존하는지 여부를 판단할 수 있다.
기준 전압의 크기는 연료극 측에 산소가 존재한다면 검출될 수 있는 최소 전압의 크기로 설정될 수 있다. 즉, 기설정된 기준 전압은 연료극 측에 산소가 잔존하여 공급된 수소와의 결합을 통해 전기가 생성되어 검출될 수 있는 최소 전압일 수 있다. 따라서, 연료 전지 제어기는 수소 공급 후 설정 시간 내에 측정된 전압이 기설정된 기준 전압보다 높다면, 연료극 측에 산소가 잔존하고 있다고 판단할 수 있다.
연료 전지 스택에 형성된 전압이 기설정된 기준 전압의 크기보다 작다면 연료 전지 제어기는 공기극 측에 산소를 공급할 수 있다.(S115) 이때에도 연료 전지 제어기는 산소를 연료 전지 스택의 공기극 측에 공급하기 이전에 공기 차단 밸브를 개방시킬 수 있다.(S113) 연료극 측 퍼지나 드레인을 통해 나오는 배출 수소가 공기와 희석되지 않고 대기 중에 배출되는 것을 막기 위함이다. 즉, 수소 배출에 대한 환경 규제를 만족시키기 위해 수소만 단독으로 배출되지 않고, 공기를 공급하여 산소와 희석되어 공기중으로 배출될 수 있도록 하기 위함이다.
기설정된 시간 동안 형성된 전압이 기설정된 기준 전압보다 큰 경우, 연료 전지 제어기는 연료극 측의 산소 제거 필요량 또는 필요시간을 결정할 수 있다.(S117) 산소 제거 필요량 또는 필요시간의 결정은 기설정된 시간 동안 연료 전지 스택에 형성된 전압의 크기에 비례하여 이루어질 수 있다. 즉, 수소를 연료극 측에 공급한 후, 형성된 전압의 크기가 크면 연료극 측에 산소가 다량 잔존하고 있다는 것이므로, 연료 전지 제어기는 산소 제거 필요량 또는 필요시간을 크게 설정할 수 있다.
연료 전지 제어기는 결정된 산소 제거 필요량 또는 필요시간에 기반하여 연료극 측에 수소를 과급할 수 있다.(S121) 다만, 수소의 과급 이전에 연료 전지 제어기는 공기 차단 밸브를 개방시킬 수 있다. 기설정된 시간 동안 형성된 전압이 기설정된 기준 전압보다 큰 상태이므로, 연료극 측에 산소가 존재하는 상태이나, 공기 차단 밸브를 개방하지 않으면, 연료극 측에 존재하는 산소와 수소는 공기극 측으로 역류하게 되기 때문에, 먼저 공기 차단 밸브를 개방시킬 수 있다.(S119)
연료 전지 제어기는 과급된 수소에 따라 연료 전지 스택에 형성된 전압과 기설정된 부하 연결 기준 셀 전압을 비교하여(S125) 연료 전지 스택에 형성된 전압이 더 큰 경우 부하를 연료 전지 스택에 연결시킬 수 있다.(S129)
여기서 부하 연결 기준 셀 전압은 연료 전지 스택을 구성하는 모든 단위 셀들에 형성된 최소 셀 전압 값이 소정 전압 값보다 높다면 부하를 연료 전지 스택에 연결하기 위한 기준 값이다. 즉, 연료 전지 스택을 구성하는 모든 단위 셀들에 수소 공급이 충분하면 각 셀에서 수소와 산소가 반응하여 전압이 형성될 것이므로, 단위 셀들에 최소 셀 전압이 형성되었는지를 판단하여 현재 연료 전지 스택에 수소 공급이 충분한지 여부를 판단할 수 있는 것이다.
즉, 이러한 설정 전압(부하 연결 기준 셀 전압)보다 설정 시간 내에 형성된 셀 전압이 높은 경우라면 연료극 측으로의 수소 공급은 충분한 것이므로, 부하를 연료 전지 스택에 연결하여 전압의 상승을 방지할 수 있다.(S129) 다만, 연료 전지 제어기는 부하가 고장이 나거나, 부하 연결이 불가하거나, 수소의 압력이 저하되면(S131) 다시 부하와 연료 전지 스택의 연결을 해제하고(S133), 연료극으로 수소를 추가 과급할 수 있다.(S127)
한편, 부하 연결 기준 셀 전압은 수소 부족과 카본 부식을 모두 고려해서 결정될 수 있다. 부하 연결을 빨리 진행하게 되면 수소가 부족해지지만, 카본 부식에는 유리하다. 반면에 부하 연결을 느리게 진행하게 되면, 수소는 다량 공급되나 카본 부식에 불리하게 된다.
수소를 공급한 이후, 일정 시간 내에 연료 전지 스택을 구성하는 셀들에 형성되는 전압이 상승되지 않는다면, 연료 전지 제어기는 부하와 연료 전지 스택을 연결하지 않을 수 있다. 또한 이러한 설정 전압(부하 연결 기준 셀 전압)보다 설정 시간 내에 형성된 셀 전압이 낮은 경우라면 연료극 측으로의 수소 공급이 불충분한 것이므로, 연료 전지 제어기는 연료극 측에 수소를 추가로 과급할 수 있다.(S127)
다만, 수소를 과급한 이후, 연료 전지 제어기는 연료 전지 스택의 온도를 검출하여 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하고(S123), 냉시동 조건이 만족되면, 부하를 연료 전지 스택에 연결하지 않고, 과급된 수소보다 더 많은 수소를 연료 전지 스택의 연료극 측에 추가로 과급할 수 있다.(S127) 또한, 냉시동의 경우 부하를 연료 전지 스택에 연결 시 물이 생성되거나, 연료극이 결빙됨에 따라 수소를 각 셀에 고르게 공급하기 어려워 부하 연결을 하지 않을 수 있다. 부하를 연료 전지 스택에 연결하더라도 부하 연결 기준 셀 전압을 높게 설정할 수 있다.
또한 연료 전지 제어기는 부하를 연료 전지 스택에 연결하는 것이 불가능한 경우(S123), 과급된 수소보다 더 많은 수소를 연료 전지 스택의 연료극 측에 추가로 과급할 수 있다.(S127)
또한 연료 전지 제어기는 연료극 측에 수소를 공급하는 압력이 기준 압력값보다 낮아(S143) 연료 전지 스택의 모든 셀에 상기 수소가 공급될 수 없는 경우, 과급된 수소보다 더 많은 수소를 연료 전지 스택의 연료극 측에 과급할 수 있다.(S127)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법을 간략히 도시한 순서도이다. 먼저 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택의 연료극에 수소를 과급하고(S201), 연료극에 잔존하는 산소가 제거되었는지 여부를 판단하고(S203), 연료극에 잔존하는 산소가 모두 제거되면, 부하와 연료 전지 스택의 연결을 해제하고, 연료극 측으로의 수소의 과급 제어를 해제할 수 있다.(S205) 연료극 측에 잔존하는 산소가 모두 제거되었으므로, 연료 전지 제어기는 공기극 측에 공기를 공급할 수 있다.(S207)
여기서, 연료극에 수소를 과급하는 단계(S201)는, 도 1의 순서도에 도시된 S121 및 S127의 단계일 수 있다. 즉, 도 2는 도 1의 순서도에 도시된 단계 중 수소를 과급(S121) 및 추가 과급(S127)한 이후의 과정을 간략히 도시한 순서도인 것이다.
연료극 측에 유입된 산소의 제거 시간은 연료 전지 스택에 형성된 전압에 따라 가변하며, 연료극에 잔존하는 산소가 제거되었는지 여부의 판단은 수소의 총 공급 시간 또는 연료극 측에서의 배출 유량에 기초한다. 일 예로 배출 유량의 경우 밸브의 차압 및 밸브 개방 시간에 기반하여 측정할 수 있다.
연료 전지 제어기는 더 많은 수소를 과급함에 따라(S127) 연료극 측에 유입된 산소의 제거가 완료되었는지 여부를 판단하고(S203), 산소의 제거가 완료된 경우, 모든 수소의 과급을 중단하고 연료 전지 스택의 공기극 측에 공기를 공급한다.(S207)
참고로, 연료극 측에 유입된 산소의 제거 시간은 연료 전지 스택에 형성된 전압에 따라 가변할 수 있고, 산소의 제거가 완료되었는지 여부에 대한 판단은 산소의 제거량, 수소의 총 공급 시간 또는 연료극 측에서의 배출 유량에 기초하여 수행될 수 있다.
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 연료 전지 20 : 고전압 배터리
30 : 공기 블로워 40 : 구동 모터

Claims (19)

  1. 기설정된 시간 동안 연료 전지 스택의 연료극 측에 수소를 공급하여 상기 연료 전지 스택에 형성된 전압과 기설정된 기준 전압의 크기를 비교하는 단계;
    상기 연료 전지 스택에 형성된 전압이 상기 기설정된 기준 전압보다 큰 경우, 상기 연료 전지 스택을 구성하는 연료 전지 셀에 형성된 전압의 크기와 기설정된 부하 연결 기준 셀 전압의 크기를 비교하는 단계; 및
    상기 연료 전지 셀에 형성된 전압이 상기 부하 연결 기준 셀 전압보다 큰 경우, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하는 단계를 포함하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 형성된 전압이 상기 기설정된 기준 전압보다 큰 경우, 상기 연료극 측의 산소 제거 필요량 또는 필요시간을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 산소 제거 필요량 또는 필요시간에 기반하여 상기 연료극 측에 수소를 과급하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부하를 연결하는 단계는,
    상기 과급된 수소에 따라 상기 연료 전지 스택을 구성하는 연료 전지 셀에 형성된 전압의 크기와 기설정된 부하 연결 기준 셀 전압의 크기를 비교하여, 상기 연료 전지 셀에 형성된 전압이 더 큰 경우 수행되는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 산소 제거 필요량 또는 필요시간은 상기 연료 전지 스택에 형성된 전압의 크기에 비례하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 연료극 측에 수소를 과급하는 단계 이전에 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 연결된 공기 차단 밸브를 개방하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 수소의 과급에 따라 상기 연료극 측에 유입된 산소의 제거가 완료되었는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 산소의 제거가 완료된 경우, 상기 수소의 과급을 중단하고, 상기 부하의 연결을 해제하며, 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 공기를 공급하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 연료극 측 배출 유량이 상기 결정된 산소 제거 필요량을 초과하였는지, 또는 상기 수소 과급의 진행 시간이 상기 결정된 산소 제거 필요시간을 초과하였는지 여부에 따라 판단하는 단계인,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 마지막으로 수소가 공급된 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간과 기설정된 기준 시간의 길이를 비교하는 단계를 더 포함하고,
    상기 연료 전지 스택에 형성된 전압과 기설정된 기준 전압의 크기를 비교하는 단계는, 상기 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간이 상기 기설정된 기준 시간보다 긴 경우 수행되는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간이 상기 기설정된 기준 시간 보다 짧은 경우, 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 연결된 공기 차단 밸브를 개방하고, 상기 연료 전지 스택에 수소와 공기를 공급하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간은 연료 전지 차량의 시동이 오프(off)된 이후에 경과된 시간인,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 이벤트가 종료한 이후 경과한 시간은 연료 전지 차량의 시동이 오프된 이후에, 일정한 주기로 수소가 최종 공급된 이후 경과한 시간인,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하여 냉시동 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고,
    상기 냉시동 조건이 만족되면, 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 연결된 공기 차단 밸브를 개방하고, 상기 연료 전지 스택에 수소와 공기를 공급하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 형성된 전압이 상기 기설정된 기준 전압보다 작은 경우, 상기 연료 전지 스택의 공기극 측에 연결된 공기 차단 밸브를 개방하고, 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 비교하는 단계는
    상기 연료 전지 스택을 구성하는 모든 연료 전지 셀에 형성된 전압 중 최소 전압 값이 상기 부하 연결 기준 셀 전압보다 큰 지 여부를 판단하는 단계인,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지 셀에 형성된 전압이 상기 부하 연결 기준 셀 전압보다 작은 경우, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하지 않는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 수소의 과급 이후, 상기 연료 전지 스택의 온도를 검출하여 냉시동 조건을 만족되면, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하지 않는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  17. 제2항에 있어서,
    부하 연결 장치의 고장이 감지되어 상기 부하를 상기 연료 전지 스택에 연결하는 것이 불가능한 경우, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하지 않는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  18. 제2항에 있어서,
    상기 연료극 측에 수소를 공급하는 압력이 기준 압력 값보다 낮은 경우, 상기 연료 전지 스택에 부하를 연결하지 않는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부하를 연결하지 않고, 상기 과급된 수소보다 더 많은 수소를 상기 연료 전지 스택의 연료극 측에 과급하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템의 시동 제어 방법.
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