KR20160057997A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

전기 히터가 전력 소비량을 저감시키는 제어의 개시 온도 이상으로 되는 것을 억제하여 전기 히터의 전력 소비량 급격한 저하를 억제함으로써 연료 전지의 전력의 소비처를 확보한다.
연료 전지 시스템(10)은, 반응 가스의 공급을 받아 발전하는 연료 전지(20)와, 연료 전지(20) 냉매를 순환시켜 냉각하는 연료 전지 냉각계(30)와, 연료 전지(20)의 전력을 소비하기 위하여 동작되는, 냉매의 열분해 온도보다도 낮은 온도에서 전력 소비량이 급격히 저하하도록 구동되는 전기 히터(40)와, 냉매를 전기 히터(40)의 주위에 유통시켜 전기 히터(40)를 냉각하는 히터 냉각계(50)를 구비하고, 그 제어 방법은, 히터 냉각계(50)의 냉매의 온도가 전기 히터(40)의 전력 소비량이 급격히 변화되는 온도 영역에 포함되는 경우에 연료 전지 냉각계(30)의 냉매를 히터 냉각계(50)에 유통시켜 전기 히터(40)를 냉각한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료 전지의 전력을 소비하기 위하여 전기 히터를 동작시키는 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료를 전기 화학 프로세스에 의하여 산화시킴으로써, 산화 반응에 수반하여 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전 시스템이다. 연료 전지 스택은, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 고분자 전해질막의 양 측면을, 다공질 재료로 이루어지는 한 쌍의 전극에 의하여 끼움 지지하여 이루어지는 막-전극 어셈블리를 갖는다. 한 쌍의 전극의 각각은 백금계의 금속 촉매를 담지하는 카본 분말을 주성분으로 하며, 고분자 전해질막에 접하는 촉매층과, 촉매층의 표면에 형성되고 통기성과 전자 도전성을 겸비하는 가스 확산층을 갖는다.
연료 전지 시스템을 전력원으로서 탑재하는 연료 전지 차량은, 연료 전지에서 발전한 전기에 의하여 트랙션 모터를 구동하여 주행한다. 연료 전지 차량은 전기 히터를 구비하고 있으며, 연료 전지의 잉여 전력을 소비하기 위하여 전기 히터를 동작시킨다. 전기 히터를 구비하는 연료 전지 차량에 관련하는 기술로서는, 예를 들어 연료 전지의 잉여 전력을 소비하기 위하여 전기 히터를 동작시키는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며, 냉각수의 열분해 온도 이하로 되도록 전기 히터에 순환하는 냉각수를 연료 전지의 냉각수로부터 바이패스시키는 제어 방법이 개시되어 있다(특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2013-099081호 공보
그런데 전기 히터는, 히터 온도가 고온으로 되면 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 커지고, 그에 따라 전력 소비량이 저하되어 간다. 그러나 냉각수의 온도가 지나치게 높아지면 관련 부품(예를 들어 전기 히터나 히터 코어 등)에 바람직하지 않은 영향을 미치게 된다. 이러한 영향에 대처하기 위하여 연료 전지 시스템에 따라서는, 관련 부품을 보호하기 위하여 소정의 설정 온도 이상에서 전기 히터에 공급하는 전력을 적극적으로 억제하여 전기 히터의 전력 소비량을 급격히 저하시키고 있다. 그러나 특허문헌 1에 개시된 연료 전지 시스템의 제어 방법에서는, 냉각수의 열분해 온도인 100℃ 이하로 되도록 냉매의 온도가 제어되기 때문에, 냉각수의 온도가 열분해 온도보다 낮은 온도 영역에서 전기 히터의 소비 전력량을 적극적으로 낮게 하도록 제어되고 있는 경우에는 당해 온도 영역에서 회생 동작에 의한 잉여 전력이나 연료 전지의 난기 운전 시에 발생하는 전력을 전기 히터에서 충분히 소비할 수 없어, 전력의 소비처를 확보하지 못한다는 우려가 있었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 창안된 것이며, 전력 소비량이 급격히 저하되는 온도 영역에서 전기 히터가 구동되는 것을 억제함으로써 연료 전지의 전력의 소비처를 확보할 수 있는 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 연료 전지 시스템은, 연료 전지의 잉여 전력을 소비하기 위하여 전기 히터를 동작시키는 연료 전지 시스템이며, 반응 가스의 공급을 받아 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 냉매를 순환시켜 냉각하는 연료 전지 냉각계와, 상기 연료 전지의 전력을 소비하기 위하여 동작되는, 상기 냉매의 열분해 온도보다도 낮은 온도에서 전력 소비량이 급격히 저하하도록 구동되는 전기 히터와, 상기 냉매를 상기 전기 히터의 주위에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 히터 냉각계와, 상기 연료 전지 시스템을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는,상기 히터 냉각계의 상기 냉매의 온도가 상기 전기 히터의 전력 소비량이 급격히 변화되는 온도 영역에 포함되는 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 연료 전지의 잉여 전력을 소비하기 위하여 전기 히터를 동작시키는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며, 연료 전지 시스템은, 반응 가스의 공급을 받아 발전하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 냉매를 순환시켜 냉각하는 연료 전지 냉각계와, 상기 연료 전지의 전력을 소비하기 위하여 동작되는, 주위의 냉매의 열분해 온도보다도 낮은 온도에서 전력 소비량이 급격히 저하하도록 구동되는 전기 히터와, 냉매를 상기 전기 히터의 주위에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 히터 냉각계를 구비하고, 상기 히터 냉각계의 냉매가 상기 전기 히터의 전력 소비량이 급격히 변화되는 온도 영역에 포함되는 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 것을 특징으로 한다.
여기서 「전력 소비량이 급격히 변화되는 온도 영역」이란, 온도 상승에 수반하는 전기 히터의 전력 소비량의 자연스런 저하의 정도를 초과하여 적극적으로 전력 소비량을 저감시키도록 제어하는 온도 영역을 말한다.
본 발명에 있어서, 상기 연료 전지 냉각계의 냉매의 온도에 대하여 상기 히터 냉각계의 냉매의 온도가 소정값(예를 들어 전기 히터의 소비 전력량 저감 제어를 개시하는 설정 온도 Ts) 이상 높은 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 히터 냉각계의 냉매의 온도가 소정값(예를 들어 하한 온도 TL1) 이하로 된 경우에 상기 연료 전지 냉각계로부터 상기 히터 냉각계에의 냉매의 유통을 차단하는 것이 바람직하다.
또한 상기 연료 전지 냉각계의 냉매의 온도에 대하여 상기 히터 냉매의 온도가 소정값의 범위(예를 들어 제1 온도 차 △T1) 외로 된 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 연료 전지 냉각계의 냉매의 온도에 대하여 상기 히터 냉각계의 냉매의 온도가 소정값의 범위(예를 들어 제2 온도 차 △T2) 내로 된 경우에 상기 연료 전지 냉각계로부터 상기 히터 냉각계에의 냉매의 유통을 차단하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 공조를 위하여 상기 전기 히터를 구동시키고 있고 또한 상기 히터 냉각계의 냉매의 온도가 소정값(예를 들어 설정 온도 Ts) 이상인 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 전기 히터의 주위의 냉매가 전기 히터의 전력 소비량이 급격히 변화되는 온도 영역으로 되는 경우에 연료 전지의 냉각계의 냉매를 히터 냉각계에 유통시켜 전기 히터를 냉각하므로, 전력 소비량이 급격히 저하되는 온도 영역에서 전기 히터가 구동되는 것을 억제하여 연료 전지의 전력의 소비처를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법의 설명에 제공하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법의 설명에 제공하는 도면이다.
도 5는 전기 히터의 소비 전력량과 온도의 관계의 설명에 제공하는 도면이다.
이하에 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호로 나타내고 있다. 단, 도면은 모식적인 것이다. 따라서 구체적인 치수 등은 이하의 설명과 대조하여 판단해야 하는 것이다. 또한 도면 상호 간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있음은 물론이다.
<시스템 구성>
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 관한 제어 방법을 적용하는 연료 전지 시스템에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시스템의 블록도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지 차량에 탑재되는 차량 탑재 전원 시스템으로서 기능하는 것이며, 주 요소로서 연료 전지(20), 연료 전지 냉각계(30), 전기 히터(40), 히터 냉각계(50), 온도 센서(61, 62) 및 제어 장치(70)를 구비한다.
연료 전지(20)는 연료 가스로서의 수소를 전기 화학 프로세스에 의하여 산화시킴으로써, 산화 반응에 수반하여 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환한다. 연료 전지 시스템(10)을 전력원으로서 탑재하는 연료 전지 차량(도시되지 않음)은 연료 전지(20)에서 발전한 전기에 의하여 트랙션 모터를 구동하여 주행한다.
연료 전지(20)는 연료 전지 셀이 복수 적층된 연료 전지 스택으로 구성된다(이하, 「연료 전지 스택」이라고도 함). 예를 들어 고체 고분자형 연료 전지의 연료 전지 셀은 적어도, 이온 투과성의 전해질막과, 상기 전해질막을 끼움 지지하는 애노드측 촉매층(전극층) 및 캐소드측 촉매층(전극층)으로 이루어지는 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와, 막전극 접합체에 연료 가스 또는 산화제 가스를 공급하기 위한 가스 확산층을 구비하고 있다. 연료 전지 셀은 한 쌍의 세퍼레이터로 끼움 지지된다.
연료 전지 냉각계(30)는 연료 전지 스택(20)에 냉매를 순환시켜 연료 전지 스택(20)을 냉각하는 순환계이다. 구체적으로 연료 전지 냉각계(30)는, 라디에이터(31), 순환 유로(32), 펌프(33), 단락 유로(34) 및 3방 밸브(35)를 구비한다. 연료 전지 스택(20)의 냉매의 출구 부근에는 온도 센서(61)가 설치되어 있으며, 연료 전지 스택(20)의 내부 온도(연료 전지 수온 Tf)를 측정하도록 되어 있다.
냉매는 연료 전지 스택(20)이나 전기 히터(40)를 냉각하기 위한 유통 매체이며, 예를 들어 에틸렌글리콜 수용액이다. 냉각수로서 에틸렌글리콜 수용액을 사용한 경우에는, 산소 존재 하에서 열분해 온도 이상으로 되면 분해되어 포름산 등의 유기산을 생성한다. 이들 유기산은 냉각수 중에서 이온화되어 냉각수의 도전율을 상승시킨다. 이 때문에, 적어도 냉매의 온도는 열분해 온도 이내에서 제어하는 것이 바람직하다.
라디에이터(31)는 대략 튜브, 방열 핀 및 팬(어느 것도 도시되지 않음)으로 구성되며, 튜브 내에서 냉매가 흘러 열교환을 행하는 방열 기기이고, 당해 라디에이터(31)를 통과하는 냉매의 온도를 열교환으로 낮추는 기능을 갖는다. 순환 유로(32)는 라디에이터(31)와 연료 전지 스택(20) 사이에서 냉매를 순환시키는 환상 유로이다. 펌프(33)는 순환 유로(32)의 연료 전지 스택(20)의 입구측에 개재 설치되며, 연료 전지 스택(20)으로 냉매를 이송하는 구동 수단으로서의 기능을 갖는다. 단락 유로(34)는 순환 유로(32)의 연료 전지 스택(20)의 입구측과 출구측을 연결하는 유로이며, 냉매를 라디에이터(31)에 의하여 냉각하지 않는 경우에 냉매를 흐르게 하는 유로이다. 3방 밸브(35)는 순환 유로(32)의 연료 전지 스택(20)의 출구측에 있어서 단락 유로(34)의 분기부에 개재 설치되며, 순환 유로(32)와 단락 유로(34)를 전환하는 기능을 갖는다.
전기 히터(40)는 연료 전지 스택(20)의 전력을 소비하기 위하여 동작된다. 전기 히터(40)는 그 성질상, 주위 온도의 상승에 수반하여 서서히 전기 저항이 커지며, 그에 따라 전력 소비량이 저하되어 간다. 그러나 냉매의 온도가 지나치게 높아지면 관련 부품(예를 들어 전기 히터(40)나 히터 코어(41) 등)에 바람직하지 않은 영향을 미치게 된다. 이러한 영향에 대처하기 위하여 본 실시 형태의 연료 전지 시스템에서는, 냉매의 열분해 온도(예를 들어 냉매가 물인 경우에는 100℃)보다도 낮은 소정의 설정 온도(예를 들어 냉매가 물인 경우에는 85℃) 이상으로 되는 온도 영역에서 전기 히터(40)에 공급하는 전력을 적극적으로 억제하여 전기 히터(40)의 전력 소비량을 급격히 저하시키도록 제어하고 있다. 전기 히터(40)는 작은 라디에이터로서 기능하는, 후술하는 히터 코어(41)를 구비한다. 히터 코어(41)와 증발기를 조합함으로써, 예를 들어 차량 탑재 에어컨을 구성한다. 또한 전기 히터(40)를 동작시켜 전력을 소비하는 경우로서, 예를 들어 회생 동작에 의하여 잉여 전력이 발생한 경우나 연료 전지 스택(20)을 난기할 때 전력이 발생한 경우 등을 들 수 있다.
히터 냉각계(50)는 냉매를 전기 히터(40)의 주위 및 히터 코어(41)에 유통시켜 전기 히터(40)를 냉각하는 냉각계이다. 히터 냉각계(50)는, 히터 코어(41), 바이패스 유로(51), 펌프(52), 단락 유로(53) 및 3방 밸브(54)를 구비한다.
히터 코어(41)는 대략 튜브, 방열 핀 및 팬(어느 것도 도시되지 않음)으로 구성되며, 튜브 내를 냉매가 흘러 열교환을 행하는 방열 기기이다. 바이패스 유로(51)는 연료 전지 스택(20)의 출구측에 있어서 전기 히터(40)의 주위 및 히터 코어(41)로 냉매를 우회시키는 유로이다. 3방 밸브(54)를 전환함으로써 연료 전지 냉각계(30)가 당해 히터 냉각계에 접속되면, 냉매는 전기 히터(40)의 주위를 통과하여 당해 전기 히터(40)를 간접적으로 냉각한다. 펌프(52)는 바이패스 유로(51)의 히터 코어(41)의 출구측에 개재 설치되며, 히터 냉각계(50)의 냉매를 순환시키는 기능을 갖는다. 단락 유로(53)는 바이패스 유로(51)의 히터 코어(41)의 입구측과 출구측을 연결하는 유로이다. 3방 밸브(54)는 바이패스 유로(51)의 히터 코어(41)의 입구측에 있어서 단락 유로(53)의 분기부에 개재 설치되며, 바이패스 유로(51)와 단락 유로(53)를 전환하는 기능을 갖는다.
온도 센서(61)는 순환 유로(32)의 연료 전지 스택(20)의 출구측에 설치되며, 연료 전지 스택(20)의 출구 온도(연료 전지 냉각계(30)의 냉매 온도이며, 연료 전지 스택(20)의 내부 온도와 거의 같아 「연료 전지 수온」이라고 칭함)를 검출한다. 한편, 온도 센서(62)는 전기 히터(40)의 근방의 바이패스 유로(51)에 설치되며, 전기 히터(40)의 주위를 유통하는 냉매의 온도(히터 냉각계(50)의 냉매 온도이며, 전기 히터(40)의 온도와 거의 같아 「히터 수온」이라고 칭함)를 검출한다. 온도 센서(61, 62)는 제어 장치(70)과 전기적으로 접속되며, 당해 온도 센서(61, 62)의 검출 온도는 전기 신호로서 제어 장치(70)에 입력된다.
제어 장치(70)는 온도 센서(61, 62)의 검출 신호에 기초하여, 바이패스 유로(51)에 있어서의 펌프(52) 및 3방 밸브(54)를 제어한다. 제어 장치(70)로서는, 예를 들어 전자 제어 유닛(ECU: Electronic control Unit)을 들 수 있다. ECU(70)는, 예를 들어 CPU, ROM, RAM 및 입출력 인터페이스를 구비하며, 소정의 소프트웨어 프로그램을 실행시킴으로써 당해 연료 전지 시스템에 있어서 본 발명에 관한 제어 방법을 실시한다.
<제어 방법>
다음으로, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템(10)이 탑재된 연료 전지 차량은, 연료 전지 스택(20)에서 발전한 전기에 의하여 트랙션 모터를 구동하여 주행한다. 연료 전지 차량은 전기 히터(40)를 구비하고 있으며, 연료 전지 스택(20)의 잉여 전력을 소비하기 위하여 전기 히터(40)를 동작시킨다.
도 5에 전기 히터(40)의 소비 전력량과 주위의 온도의 관계를 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 전기 히터(40)는 고온으로 됨에 따라 전기 히터(40)의 전기 저항이 서서히 커지기 때문에 전기 히터(40)의 전력 소비량이 서서히 저하된다. 전기 히터(40)가 더 고온으로 되면, 당해 전기 히터(40) 및 히터 코어(41)를 보호하기 위하여 전기 히터(40)의 소비 전력을 신속히 삭감할 필요가 있다. 구체적으로는, 전기 히터(40) 및 히터 코어(41)를 적극적으로 보호하기 위하여, 히터 온도가 소정의 설정 온도 Ts(예를 들어 85℃)에 도달하면 전기 히터(40)의 출력을 급격히 조일 필요가 있다. 전기 히터(40)의 출력을 삭감하는 변화율은, 설정 온도 Tc 이하의 온도 영역에서의 변화율에 비하여 상당 정도 큰 변화율이며, 예를 들어 수백 W/℃ 정도의 급격한 변화율로 된다. 그리고 히터 온도가 소정의 한계 온도 Tb(예를 들어 90℃)에 도달하면, 전기 히터(40) 및 히터 코어(41)를 확실하게 보호하기 위하여, 전기 히터(40)의 출력이 실질적으로 0으로 되도록 전기 히터(40)에의 전력 공급을 셧다운시킨다. 즉, 전기 히터(40)의 온도가 설정 온도 Ts 이상의 제한 온도 영역에 들어가면 전기 히터(40)의 출력이 제한되게 되기 때문에, 이 제한 온도 영역에서는 전기 히터(40)에 있어서의 연료 전지 시스템에서 발생한 잉여 전력을 소비하는 능력이 격감한다. 예를 들어 회생 시의 제동력의 저하나 급속 난기·보온 제어 시의 전력 소비처의 저하(=발전·발열량의 저하) 등의 전력 소비량의 저하로 이어지는 것이다.
따라서 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 반응 가스의 공급을 받아 발전하는 연료 전지 스택(20)과, 연료 전지 스택(20)에 냉매를 순환시켜 냉각하는 연료 전지 냉각계(30)와, 연료 전지 스택(20)의 전력을 소비하기 위하여 동작되는, 냉매의 열분해 온도보다도 낮은 온도에서 전력 소비량이 급격히 저하되도록 구동되는 전기 히터(40)와, 냉매를 전기 히터(40)의 주위에 유통시켜 전기 히터(40)를 냉각하는 히터 냉각계(50)를 구비하는 연료 전지 시스템(10)에 있어서, 히터 냉각계(50)의 냉매의 온도가 상기 전기 히터(40)의 전력 소비량이 급격히 변화되는 온도 영역(도 5에 있어서의 제한 온도 영역)에 포함되는 경우에 연료 전지 냉각계(30)의 냉매를 히터 냉각계(50)에 유통시켜 전기 히터(40)를 냉각하도록 제어한다.
<구체적 동작>
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법을 구체적으로 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법의 흐름도이다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법의 설명에 제공하는 도면이다.
먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템(10)의 운전이 개시되면(S110), ECU(70)는 연료 전지 스택(20)의 출구의 냉매 온도(연료 전지 수온 Tf) 및 전기 히터(40)의 주위 온도(히터 수온 Th)를 감시한다. 이어서, ECU(70)는 전기 히터(40)의 통전이 있는지의 여부를 판정한다(S120). 전기 히터(40)의 통전이 없다고 판정한 경우(S120: "아니오")에는, ECU(70)가 전기 히터(40)의 통전 감시를 속행한다. 한편, 전기 히터(40)의 통전이 있다고 판정한 경우(S120: "예")에는, ECU(70)가 전기 히터(40)의 주위의 수온(히터 수온 Th)이 설정 온도 이상의 온도 영역에 포함되는지의 여부를 감시한다(S130). 본 실시 형태에 있어서, 당해 설정 온도는 도 3에 나타내는 설정 온도 Ts(예를 들어 85℃)이고, 당해 온도 영역은 온도 상승에 수반하는 전기 히터(40)의 전력 소비량의 자연스런 저하의 정도를 초과하여 적극적으로 전력 소비량을 저감시키도록 제어하는 온도 영역이며, 예를 들어 도 5에 도시하는 제한 온도 영역이다.
다음으로, 전기 히터(40)의 주위의 수온(히터 수온 Th)이 설정 온도 Ts 이상의 온도 영역에 포함된다고 판정한 경우(S130: "예")에는, 연료 전지 냉각계(30)의 냉매를 히터 냉각계(50)에 유통시켜 당해 전기 히터(40)를 냉각한다. 구체적으로는, ECU(70)가 3방 밸브(54)를 제어하여 바이패스 유로(51)을 개방함과 함께, 펌프(52)를 온시킨다(S140). 또한 도 2에 도시하고 있지는 않지만, ECU(70)는 연료 전지 스택(20)의 출구의 냉매 온도를 감시하고 있기 때문에, 연료 전지 스택(20)의 수온이 전기 히터(40)의 주위의 수온보다도 높을 때는 3방 밸브(54)를 폐쇄함과 함께, 펌프(52)를 오프한다. 예를 들어 연료 전지 스택(20)의 냉매의 온도가 열분해 온도에 가까운 경우(예를 들어 97℃)에는 전기 히터(40)의 냉각이 불가능하며, 전기 히터(40) 및 히터 코어(41)의 보호를 위하여 3방 밸브(54)를 폐쇄하고 펌프(52)를 오프한다.
다음으로, ECU(70)는 전기 히터의 통전이 종료되는지의 여부, 또는/및 전기 히터(40)의 주위를 유통하는 냉매의 온도(히터 수온 Th)가 하한 온도 TL1(예를 들어 65℃) 이하로 되는지의 여부, 또는/및 전기 히터(40)의 주위를 유통하는 냉매의 온도(히터 수온 Th)와 연료 전지 스택(20)의 출구의 냉매 온도(연료 전지 수온 Tf)의 차분이 소정값의 범위(제2 온도 차 △T2: 예를 들어 3℃) 내인지의 여부를 감시한다(S150). 전기 히터의 통전이 종료되어 있지 않다고 판단한 경우, 또는/및 히터 수온 Th가 하한 온도 TL1보다 높다고 판정한 경우, 또는/및 히터 수온 Th와 연료 전지 수온 Tf의 차분이 제2 온도 차 △T2의 범위 외라고 판정한 경우(S150: "아니오")에는, ECU(70)가 스텝 150(S150)의 감시를 속행한다. 한편, 전기 히터의 통전이 종료라고 판정한 경우, 또는/및 히터 수온 Th가 하한 온도 TL1 이하라고 판정한 경우, 또는/및 히터 수온 Th와 연료 전지 수온 Tf의 차분이 제2 온도 차 △T2의 범위 내라고 판정한 경우(S150: "예")에는 3방 밸브(54)를 폐쇄함과 함께, 펌프(52)를 오프하고 제어를 종료한다(S160). 전기 히터(40)가 사용되지 않게 된 경우나 전기 히터(40)의 온도가 설정 온도 Ts에 비하여 충분히 낮아진 경우에는, 전기 히터(40)에 의한 전력 소비량의 급격한 저하의 우려는 없기 때문이다. 또한 전기 히터(40)의 온도와 연료 전지 스택(20)의 온도에 큰 온도 차가 없게 된 경우에는, 연료 전지 냉각계(30)의 냉매에 의한 냉각 능력이 낮아진다고 판단되어, 연료 전지 냉각계(30)의 냉매를 히터 냉각계(50)에 공급하는 실효성이 작아지기 때문이다. 또한 펌프(52)가 정지하면 히터 냉각계(50)에 있어서의 냉각은 종료되므로, 반드시 3방 밸브(54)를 폐쇄할 필요는 없으며 개방인 채 유지해도 된다. 불필요한 밸브 조작을 하지 않으면 내구성을 향상시킬 수 있기 때문이다.
또한 스텝 S130에 있어서, 전기 히터(40)의 주위의 수온이 소정값(설정 온도 Ts) 미만이라고 판정한 경우(S130: "아니오")에는, ECU(70)가 차내 난방 등의 공조에서 전기 히터(40)의 사용이 있는지의 여부를 감시한다(S170). 공조에서 전기 히터(40)의 사용이 있다고 판정한 경우(S170: "예")에는, ECU(70)가 스텝 130(S130)의 감시를 속행한다. 한편, 공조에서 전기 히터(40)의 사용이 없다고 판정한 경우(S170: "아니오")에는, ECU(70)는 추가로 공조 이외에서 전기 히터의 사용이 있는지의 여부를 감시한다(S172). 공조 이외에서 전기 히터(40)의 사용이 없다고 판정한 경우(S172: "아니오")에는, ECU(70)가 스텝 120(S120)의 감시를 속행한다. 한편, 공조 이외에서 전기 히터(40)의 사용 있음으로 판정한 경우(S172: "예")에는, ECU(70)는 히터 냉각계(50)의 냉매의 온도(히터 수온 Th) 및 연료 전지 스택(20)의 냉매의 온도(연료 전지 수온 Tf)를 감안하여, 연료 전지 냉각계(30)의 냉매를 히터 냉각계(50)에 유통시킬지의 여부를 판정한다(S180).
구체적으로는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 히터 수온 Th와 연료 전지 수온 Tf의 차분이 소정값의 범위(제1 온도 차 △T1: 예를 들어 10℃) 외인지의 여부, 또는/및 연료 전지 수온 Tf가 하한 온도 TL2(예를 들어 40℃) 이상인지의 여부를 감시한다(S180). 히터 수온 Th와 연료 전지 수온 Tf의 차분이 제1 온도 차 △T1보다 작다고 판정한 경우, 또는/및 연료 전지 수온 Tf가 하한 온도 TL2보다 작다고 판정한 경우(S180: "아니오"), ECU(70)는 스텝 130(S130)의 감시를 속행한다. 한편, 히터 수온 Th와 연료 전지 수온 Tf의 차분이 제1 온도 차 △T1 이상으로 된다고 판정한 경우, 또는/및 연료 전지 수온 Tf가 하한 온도 TL2 이상이라고 판정한 경우(S180: "예"), ECU(70)는 연료 전지 냉각계(30)의 냉매를 히터 냉각계(50)에 유통시킨다. 구체적으로는, ECU(70)가 3방 밸브(54)를 제어하여 바이패스 유로(51)을 개방함과 함께, 펌프(52)를 온시킨다(S140). 연료 전지 스택(20)의 수온이 하한 온도 TL2 이상인 경우에 3방 밸브(54)를 개방함과 함께 펌프(52)를 온하는 것은 난방 성능의 저하를 억제하기 위함이다.
그 후, ECU(70)는 상술한 스텝 150의 감시를 행하며, 전기 히터의 통전이 종료되어 있지 않다고 판단한 경우, 또는/및 히터 수온 Th가 하한 온도 TL1보다 크다고 판정한 경우, 또는/및 히터 수온 Th와 연료 전지 수온 Th의 차가 제2 온도 차 △T2를 초과한다고 판정한 경우(S150: "아니오")에는, ECU(70)는 스텝 150(S150)의 감시를 속행한다. 한편, 전기 히터의 통전이 종료라고 판정한 경우, 또는/및 히터 수온 Th가 하한 온도 TL1 이하라고 판정한 경우, 또는/및 히터 수온 Th 연료 전지 수온 Tf의 차분이 제2 온도 차 △T2의 범위 내, 즉, 연료 전지 수온 Tf에 대하여 히터 수온 Th가 거의 동등하다고 생각되는 것으로 판정한 경우(S150: "예")에는, 3방 밸브(54)를 폐쇄함과 함께, 펌프(52)를 오프하고 제어를 종료한다(S160). 전기 히터(40)가 사용되지 않게 된 경우에는 전기 히터(40)에 의한 전력 소비 기능은 없고, 또한 전기 히터(40)의 온도가 충분히 낮은 경우나 전기 히터(40)의 온도가 연료 전지 스택(20)의 온도와 동등하게 된 경우에는, 전기 히터(40)에 의한 전력 소비량이 급격히 저하될 우려가 없기 때문이다.
<실시예의 효과>
이상, 설명한 바와 같이 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법에 의하면, 전기 히터(40)의 주위의 냉매가 전기 히터(40)의 전력 소비량이 급격히 변화되도록 구동되는 온도 영역에 포함되는 경우에 연료 전지 스택 냉각계(30)의 냉매를 전기 히터(40)의 주위에 유통시킨다. 또한 차내 난방 등의 공조에서 전기 히터(40)의 사용이 없고 공조 이외에서 전기 히터(40)의 사용이 있는 경우에는, 연료 전지 스택(20)의 냉매의 온도에 대하여 전기 히터(40)의 주위의 냉매의 온도가 소정값의 범위(제1 온도 차 △T1) 외로 되는 경우에 연료 전지 냉각계(30)의 냉매를 히터 냉각계(50)에 유통시켜 전기 히터(40)를 냉각한다. 또한 연료 전지 스택(20)의 냉매의 온도가 소정값(하한 온도 TL2) 이상인 경우에 연료 전지 냉각계(30)의 냉매를 히터 냉각계(50)에 유통시킨다. 따라서 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 전기 히터(40)가 고온으로 되는 것을 억제함으로써 전기 히터(40)의 전력 소비량의 급격한 저하를 억제할 수 있어, 연료 전지 스택(20)의 전력의 소비처를 확보할 수 있다는 우수한 효과를 나타낸다.
〔그 외의 실시 형태〕
상기와 같이 본 발명을 실시 형태에 의하여 기재했지만, 이 개시의 일부를 이루는 기술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것으로 이해해서는 안 된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시 형태, 실시예 및 운용 기술이 밝혀질 것이다. 예를 들어 전기 히터(40)의 수온이 연료 전지 스택(20)의 수온과 동등하고(예를 들어 제2 온도 차 △T2 이내), 또한 전기 히터(40)의 수온이 설정 온도 Ts 이상인 경우에는, 3방 밸브(54)의 개방도를 중간으로 설정하도록 제어해도 된다. 난방 성능의 저하를 억제하기 위함이며, 연료 전지 냉각계(30)의 수온과 히터 냉각계(50)의 수온에 차가 없어 냉각 성능에 여유가 없기 때문이다. 이와 같이 본 발명은, 여기서는 기재하고 있지 않은 다양한 실시 형태 등을 포함한다는 것을 이해하여야 한다.
10: 연료 전지 시스템
20: 연료 전지
30: 연료 전지 냉각계
40: 전기 히터
50: 히터 냉각계

Claims (7)

  1. 연료 전지의 잉여 전력을 소비하기 위하여 전기 히터를 동작시키는 연료 전지 시스템이며,
    반응 가스의 공급을 받아 발전하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 냉매를 순환시켜 냉각하는 연료 전지 냉각계와,
    상기 연료 전지의 전력을 소비하기 위하여 동작되는, 상기 냉매의 열분해 온도보다도 낮은 온도에서 전력 소비량이 급격히 저하하도록 구동되는 전기 히터와,
    상기 냉매를 상기 전기 히터의 주위에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 히터 냉각계와,
    상기 연료 전지 시스템을 제어하는 제어 장치
    를 구비하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 히터 냉각계의 상기 냉매의 온도가 상기 전기 히터의 전력 소비량이 급격히 변화되는 온도 영역에 포함되는 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히터 냉각계의 냉매의 온도가 소정값 이상인 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 히터 냉각계의 냉매의 온도가 소정값 이하로 된 경우에 상기 연료 전지 냉각계로부터 상기 히터 냉각계에의 냉매의 유통을 차단하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 냉각계의 냉매의 온도에 대하여 상기 히터 냉각계의 냉매의 온도가 소정값의 범위 외로 된 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지 냉각계의 냉매의 온도에 대하여 상기 히터 냉각계의 냉매의 온도가 소정값의 범위 내로 된 경우에 상기 연료 전지 냉각계로부터 상기 히터 냉각계에의 냉매의 유통을 차단하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    공조를 위하여 상기 전기 히터를 구동시키고 있고 또한 상기 히터 냉각계의 냉매의 온도가 소정값 이상인 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는, 연료 전지 시스템.
  7. 연료 전지의 잉여 전력을 소비하기 위하여 전기 히터를 동작시키는 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    연료 전지 시스템은,
    반응 가스의 공급을 받아 발전하는 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 냉매를 순환시켜 냉각하는 연료 전지 냉각계와,
    상기 연료 전지의 전력을 소비하기 위하여 동작되는, 상기 냉매의 열분해 온도보다도 낮은 온도에서 전력 소비량이 급격히 저하하도록 구동되는 전기 히터와,
    상기 냉매를 상기 전기 히터의 주위에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 히터 냉각계
    를 구비하고,
    상기 히터 냉각계의 상기 냉매의 온도를 측정하는 스텝과,
    상기 히터 냉각계의 상기 냉매의 온도가 상기 전기 히터의 전력 소비량이 급격히 변화되는 온도 영역에 포함되는 경우에 상기 연료 전지 냉각계의 냉매를 상기 히터 냉각계에 유통시켜 상기 전기 히터를 냉각하는 스텝
    을 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.


KR1020150153641A 2014-11-14 2015-11-03 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제어 방법 KR101835186B1 (ko)

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