KR20210072223A - 연료전지의 파워넷 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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KR20210072223A
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이종현
함근봉
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현대자동차주식회사
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Abstract

연료가스와 산화가스의 반응을 통해 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지의 발전 전력에 의해 충전되거나, 전력을 공급하도록 방전되는 축전장치; 연료전지와 축전장치 사이를 전기적으로 연결하는 메인라인; 메인라인에 구비되고, 연료전지와 축전장치 사이의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 메인릴레이; 메인라인에서 분기되면서 메인릴레이를 바이패스하여 축전장치와 연결된 바이패스라인; 바이패스라인에 구비되고, 바이패스라인의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 바이패스릴레이; 및 연료전지의 전력 발전이 중단된 상태에서 축전장치에 충전된 전력을 연료전지로 공급하도록 메인릴레이 또는 바이패스릴레이를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 파워넷 시스템이 소개된다.

Description

연료전지의 파워넷 시스템 및 그 제어방법 {POWER NET SYSTEM OF THE FUEL CELL AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지의 파워넷 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 연료전지의 재시동 또는 FC Stop 모드 해제시 공기극의 수소를 제거하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 수소공급장치 및 공기공급장치에서 각각 공급된 수소와 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택 및 이를 냉각시키기 위한 냉각 시스템 등을 포함하고 있다.
즉, 연료전지의 애노드 측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 외부도선을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 전기에너지가 발생한다.
연료전지의 내부에서는 기체의 분압 차이에 따른 확산에 의해 기체가 전해질막을 통과하는 크로스오버(Cross-Over) 현상이 발생한다. 특히, 연료전지의 전력 발전을 중단하는 상태에서는 캐소드로 공기 공급이 차단되고, 애노드 측에서 캐소드 측으로 크로스오버된 수소가 연료전지의 발전을 다시 시작하여 캐소드로 공기가 공급되면 공기처리라인을 통하여 외부로 배출되는 문제가 있었다.
구체적으로, 높은 농도의 수소가 외부로 배출되는 경우에는 인접한 위치에 정전기 또는 불꽃이 발생하면 수소가 연소할 위험성이 존재하고, 배출되는 기체의 수소 농도를 규제하는 관련 법규 또한 문제가 되었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1836624 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지의 발전 중단 상태에 연료전지의 애노드 측에서 캐소드 측으로 크로스오버된 수소를 다시 애노드 측으로 이동시키는 연료전지의 파워넷 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 파워넷 시스템은 연료가스와 산화가스의 반응을 통해 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지의 발전 전력에 의해 충전되거나, 전력을 공급하도록 방전되는 축전장치; 연료전지와 축전장치 사이를 전기적으로 연결하는 메인라인; 메인라인에 구비되고, 연료전지와 축전장치 사이의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 메인릴레이; 메인라인에서 분기되면서 메인릴레이를 바이패스하여 축전장치와 연결된 바이패스라인; 바이패스라인에 구비되고, 바이패스라인의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 바이패스릴레이; 및 연료전지의 전력 발전이 중단된 상태에서 축전장치에 충전된 전력을 연료전지로 공급하도록 메인릴레이 또는 바이패스릴레이를 제어하는 제어기;를 포함한다.
메인라인에는, 연료전지의 양극과 축전장치의 양극 사이를 연결하는 메인양극라인 및 연료전지의 음극과 축전장치의 음극 사이를 연결하는 메인음극라인이 포함되고, 메인릴레이에는, 메인양극라인에 위치된 제1메인릴레이 및 메인음극라인에 위치된 제2메인릴레이가 포함될 수 있다.
메인양극라인 또는 메인음극라인 중 적어도 어느 하나에는 전류를 일방향으로만 허용하는 다이오드가 구비되고, 바이패스라인은 다이오드가 구비된 메인양극라인 또는 메인음극라인에서 분기되며, 제1메인릴레이 또는 제2메인릴레이와 다이오드를 동시에 바이패스할 수 있다.
메인양극라인에서 제1메인릴레이를 기준으로 연료전지 측에서 분기된 양극COD라인; 메인음극라인에서 제2메인릴레이를 기준으로 연료전지 측에서 분기된 음극COD라인; 및 양극COD라인 및 음극COD라인과 각각 연결되어 전력을 소모하는 COD저항;을 더 포함할 수 있다.
양극COD라인 또는 음극COD라인에 구비되어 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 제1COD릴레이;를 더 포함할 수 있다.
제1COD릴레이를 바이패스하도록 양극COD라인 또는 음극COD라인에 연결되고, 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 제2COD릴레이;를 더 포함하고, 제2COD릴레이는 제1COD릴레이보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작을 수 있다.
바이패스라인에 구비되고, 바이패스라인의 전기적 연결 허용시 전후단 사이에서 전위차를 형성하는 전류제한저항;을 더 포함할 수 있다.
바이패스라인에 구비되어 전력을 소모하는 COD저항;을 더 포함하고, 바이패스릴레이는 COD저항을 기준으로 바이패스라인에서 축전장치 측에 위치될 수 있다.
COD저항과 바이패스릴레이 사이에서 바이패스라인과 제1메인릴레이 또는 제2메인릴레이와 다이오드 사이에서 메인양극라인 또는 메인음극라인을 연결하는 연결라인; 및 바이패스라인에서 연결라인으로 분기되는 지점과 COD저항 사이에 위치되고, 서로 병렬로 연결되어 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 제1COD릴레이 및 제2COD릴레이;를 더 포함하고, 제2COD릴레이는 제1COD릴레이보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작을 수 있다.
메인라인에서 바이패스라인으로 분기되는 지점과 연료전지 사이에 위치되고, 연료전지에서 출력되거나 연료전지로 입력되는 전류를 센싱하는 전류센서;를 더 포함할 수 있다.
메인라인을 통하여 연료전지와 연결된 양방향 컨버터; 및 양방향 컨버터와 축전장치 사이에 위치되어 양방향 컨버터에 의해 컨버팅된 전력을 상대적인 저전위로 컨버팅하는 저전압 컨버터;를 더 포함하고, 축전장치는 저전압 컨버터와 연결되고, 상대적인 저전위로 전력을 충전하거나 방전하는 저전압배터리이며, 메인라인에는, 제1메인라인 및 제2메인라인이 포함되고, 바이패스라인은 제1메인라인에서 분기되어 저전압배터리의 제1배터리라인에 연결되며, 저전압배터리의 제2배터리라인은 제2메인라인에 연결되고, 제2배터리라인에는 제2배터리라인의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 배터리릴레이가 구비될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 파워넷 시스템을 제어하는 방법은 연료전지의 시동 오프 또는 FC Stop 모드의 진입에 의해 연료전지의 전력 발전을 중단하는 단계; 연료전지의 전력 발전이 중단된 상태로, 축전장치에 저장된 전력을 연료전지로 공급하여 캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계; 및 연료전지에서 연료가스와 산화가스의 반응을 통해 전력을 발전하는 단계;를 포함한다.
연료전지의 전력 발전을 중단하는 단계에서, 연료전지의 시동 오프에 의해 연료전지의 전력 발전을 중단하는 경우, 연료전지의 전압을 하강시키는 셧다운 제어를 수행하는 단계;를 더 포함하고, 셧다운 제어를 수행하는 단계에서는, 메인라인에서 분기된 COD라인에 구비된 제1COD릴레이를 연결함으로써 COD라인의 COD저항을 이용하여 연료전지의 전압을 기설정된 제1전압으로 하강시키고, 메인라인 중 메인양극라인에 구비된 제1메인릴레이 및 제1COD릴레이를 차단하면서 제1COD릴레이보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작고 제1COD릴레이를 바이패스하는 제2COD릴레이를 연결시킨 상태로 연료전지의 전압을 기설정된 제2전압으로 하강시키며, 메인라인 중 메인음극라인에 구비된 제2메인릴레이를 차단한 상태로 유지할 수 있다.
캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계에서는, 연료전지의 시동 온 또는 FC Stop 모드의 해제에 의해 연료전지의 전력을 발전하는 경우 또는 기설정된 주기 간격으로 축전장치에 저장된 전력을 연료전지로 공급할 수 있다.
캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계에서는, 바이패스릴레이를 연결하고, 연료전지와 축전장치 사이에 위치된 양방향 컨버터를 제어하여 축전장치를 방전시킬 수 있다.
캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계에서는, 메인라인의 전압이 기설정된 전압 범위 이내인 상태로 기설정된 시간을 유지하거나, 또는 메인라인에 흐르는 전류의 적분값이 기설정된 전류량이 될 때까지 축전장치를 방전할 수 있다.
전력을 발전하는 단계에서는, 산화가스를 연료전지로 공급하고, 바이패스릴레이를 차단하며, 메인라인 중 메인양극라인에 구비된 제1메인릴레이를 연결할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 파워넷 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지의 캐소드 측으로 크로스오버된 수소를 다시 애노드 측으로 이동시킴에 따라 공기 중으로 배출하는 수소를 감소시킴으로써 수소 배출에 따른 연소의 위험성을 저감시키고, 동시에 연비를 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 파워넷 시스템의 구성도이다.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전력 발전 및 수소 이동 반응을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 이동 반응에 따른 공기극 및 수소극의 상태를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 파워넷 시스템 제어방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 파워넷 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지의 파워넷 시스템의 구성도이다.
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 연료전지(10)의 파워넷 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 파워넷 시스템은 연료가스와 산화가스의 반응을 통해 전력을 발전하는 연료전지(10); 연료전지(10)의 발전 전력에 의해 충전되거나, 전력을 공급하도록 방전되는 축전장치(21,22); 연료전지(10)와 축전장치(21,22) 사이를 전기적으로 연결하는 메인라인(40); 메인라인(40)에 구비되고, 연료전지(10)와 축전장치(21,22) 사이의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 메인릴레이(43,44); 메인라인(40)에서 분기되면서 메인릴레이(43,44)를 바이패스하여 축전장치(21,22)와 연결된 바이패스라인(50); 바이패스라인(50)에 구비되고, 바이패스라인(50)의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 바이패스릴레이(51); 및 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서 축전장치(21,22)에 충전된 전력을 연료전지(10)로 공급하도록 메인릴레이(43,44) 또는 바이패스릴레이(51)를 제어하는 제어기(60);를 포함한다.
연료전지(10)는 수소와 산소의 화학 반응에 의해 전력을 발전한다. 구체적으로, 모터로 구동하는 연료전지(10) 차량(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)의 구동에너지는 고분자 전해질 연료전지(10)(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)가 이용된다.
고분자전해질 연료전지(10)는 수소 이온(Proton, H+)이 이동하는 고분자전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매층이 주된 구성품인 전극이 부착된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer) 및 반응기체들과 냉각수가 이동하는 통로를 포함하고 있는 분리판(BP: Bipolar Plate) 및 반응기체들 및 냉각수의 기밀성을 확보하기 위한 가스켓(Gasket)으로 구성된 단위셀(Unit Cell)이 수십에서 수백장 반복하여 적층된 구조물에 적정 체결압력을 유지하기 위한 체결기구(Clamping Device)를 이용하여 조립된 연료전지(10) 스택(Stack)의 형태로 사용되고 있다.
특히, 직접적인 전기화학반응이 일어나는 장소인 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)에는 고분자전해질막을 사이에 두고 한 쌍의 전극이 배치되는데, 연료가스인 수소는 연료전지(10) 스택 내부에 일정 부피를 차지하고 있는 수소극(Anode)로 공급되고, 산화가스인 산소가 포함된 공기는 공기극(Cathode)으로 공급된다.
수소극으로 공급된 수소는 고분자전해질막의 일면에 부착된 수소극 내의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 고분자전해질막을 통과하여 고분자전해질막의 다른 일면에 부착된 공기극으로 이동하고, 동시에 전자는 외부 도선을 통하여 공기극으로 전달된다. 연료전지(10) 내부의 화학반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[수소극에서의 반응] H2 → 2H+ + 2e-
[공기극에서의 반응] 1/2*O2(g) + 2H+ + 2e- → H2O(l)
[전체반응] H2(g) + 1/2*O2(g) → H2O(l) + 전기에너지 + 열에너지
연료전지(10)는 메인라인(40)을 통하여 모터와 같은 구동계(70), 고전압배터리(21) 및 고전압 운전장치들(BOPs)과 연결될 수 있다. 메인라인(40)은 연료전지(10)와 연결된 상태에서 연료전지(10)의 출력 전압과 동일한 전압으로 유지될 수 있다.
메인릴레이(43,44)는 메인라인(40)에 구비되어 연료전지(10)와 축전장치(21,22) 사이의 전기적 연결을 차단하거나 허용할 수 있다. 특히, 메인릴레이(43,44)는 메인라인(40)에 각각 연결된 구동계(70), 고전압배터리(21) 및 고전압 운전장치들과 연료전지(10) 사이에 위치되어 차단시 연료전지(10)를 메인라인(40)에서 분리시킬 수 있다.
또한, 연료전지(10)는 충방전 가능한 축전장치(21,22)와 연결되고, 축전장치(21,22)는 연료전지(10)의 발전 전력에 의해 충전되거나, 충전된 전력을 방전하면서 외부로 전력을 공급할 수 있다. 여기서, 축전장치(21,22)는 배터리 또는 슈퍼캐패시터일 수 있고, 특히 고전압배터리(21, HV Battery) 또는 저전압배터리(22, LV Battery)일 수 있다.
특히, 충방전이 가능한 고전압배터리(21, HV Battery)는 연료전지(10) 스택과의 사이에 양방향 컨버터(31)(BHDC, Bi-directional High-voltage DC-DC Converter)가 더 마련될 수 있다.
추가로, 연료전지(10) 스택에 연료인 수소를 공급하고 배출하는 연료처리라인(FPL: Fuel Processing Line), 연료전지(10) 스택에 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하고 배출하는 공기처리라인(APS: Air Processing Line), 연료전지(10) 스택의 연료전지(10) 반응 부산물인 열을 연료전지(10)시스템 외부로 제거하고 연료전지(10) 스택의 운전온도를 조절하여 고분자전해질연료전지(10) 내부의 물 관리 기능을 수행하는 열관리라인(TML: Thermal Management Line) 및 연료처리라인, 공기처리라인 및 열관리라인을 구성하는 운전장치들(BOP: Balance Of Plants)을 포함한다.
연료전지(10)시스템의 고전압 운전장치들(BOPs)에는 연료전지(10) 스택 또는 고전압배터리(21)에서 양방향 컨버터(31)를 경유하여 메인라인(40)에 연결되면서 고전압원에 의해 작동되는 냉각수펌프(CSP: Coolant Stack Pump), 공기압축기(ACP: Air ComPressor), 냉각수히터(63, CHT: Coolant HeaTer)가 있다.
또한, 저전압원에 의해 작동되는 저전압 전력기기들(LV Electronics)은 저전압 전력기기들의 정상 작동 및 제어기(60) 기동을 위한 저전압배터리(22)(LV Battery) 및 저전압배터리(22)와 양방향 컨버터(31) 사이에 마련되어 저전압배터리(22)와 연결되어 있는 저전압 컨버터(32)(LDC: Low-voltage DC-DC Converter) 사이를 연결하는 저전압라인(LV-line)에 연결될 수 있다.
수소저장장치로부터 공급되는 연료인 수소는 연료처리라인(Fuel Processing Line)에서 이젝터와 같은 연료재순환장치를 통하여 연료전지(10) 스택의 수소극에서 연료전지(10) 반응에 참여하여 소모된 수소를 제외한 미반응 수소, 연료전지(10) 반응에 의해 스택의 공기극에서 생성된 수분이 고분자전해질막을 통과하여 수소극으로 확산된 수분 및 공기압축기를 통하여 스택의 공기극으로 공급된 주로 산소와 질소로 구성된 공기 중에 연료전지(10) 반응에 참여하지 않아 공기극에 잔류하게 되는 질소가 고분자전해질막을 통과하여 공기극에서 수소극으로 확산된 질소로 구성된 반응 후 연료가스와 혼합되어 연료전지(10) 스택의 수소극으로 공급된다.
연료처리라인에 존재하는 수분은 연료가스가 이젝터와 같은 연료재순환장치에 의해 순환하는 과정에서 액적으로 응축되는 경우 워터트랩(FWT)에 의해 액상의 물로 모이게 되고, 이러한 액상의 물이 일정량 이상이 되면 워터트랩에 연결된 드레인밸브(FDV)가 닫힘 상태에서 일정시간 동안 열림 상태로 바뀌게 됨에 따라 공기처리라인(Air Processing Line)으로 배출되어 연료처리라인(Fuel Processing Line)에서 제거된다.
연료전지(10)가 정상 상태로 운전되는 동안 퍼지밸브(FPV)는 닫힘 상태로 존재하게 되며, 연료전지(10) 반응에 의해 소모되는 수소의 양이 증가함에 따라 수소극에 존재하는 수소의 농도는 점차 감소하게 된다. 수소극에 존재하는 수소의 농도가 일정 수준 이하로 저하되는 경우, 연료전지(10) 스택 출력단 전압은 동일한 부하조건에서 수소극에 존재하는 수소의 농도가 일정 수준 이상인 경우에 비해 낮아지게 되므로 수소극에 존재하는 수소의 농도를 일정 수준 이상으로 유지하기 위해 연료전지(10) 스택 수소극으로 신규 수소를 도입할 필요가 있다.
이를 위해, 퍼지밸브(FPV)가 닫힘 상태에서 일정시간 동안 열림 상태로 바뀌게 되고 연료전지(10) 스택 수소극의 반응후 연료가스의 일부는 공기처리라인으로 배출되어 연료처리라인에서 제거되고 배출된 반응 후 연료가스의 부피에 해당하는 신규 수소가 연료전지(10) 스택 수소극으로 도입된다.
공기처리라인으로 배출된 반응후 연료가스의 일부는 공기압축기에 의해 연료전지(10)반응을 위해 연료전지(10) 스택 공기극으로 공급된 공기 중 연료전지(10) 반응에 참여한 산소를 제외한 반응후 산소, 질소 및 연료전지(10) 반응 부산물인 수분 등으로 구성된 반응 후 공기와 함께 혼합되어 외부로 배출된다.
이와 같이, 외부로 배출되는 가스의 수소 농도가 안전에 위협이 되는 수준이 되지 않도록 공기압축기에 의해 공급되는 공기의 양을 과량으로 공급한다. 또한, 공기공급기에 의해 공급되는 공기의 양에 비례하여 퍼지밸브(FPV)가 열림 상태로 유지되는 시간을 축소하여 공기처리라인으로 배출되는 반응후 연료가스의 일부가 추가되더라도 외부로 배출되는 가스 중의 수소농도가 안전에 위협이 되는 수준이 되지 않도록 하는 방법을 사용한다.
특히, 안전에 위협이 되는 수준의 수소 농도는 법규로 제정되어 있고, 예를 들어 법규로 제정된 수소 농도는 최대 8%, 3초 평균 4% 이하로 정해질 수 있다.
연료전지(10)에서 전력을 발전하는 정상운전을 종료하는 정지상태가 되면 공기압축기의 가동이 중지되므로 공기 유입이 정지되고 공기차단밸브(ACV)와 드레인밸브(FDV) 및 퍼지밸브(FPV)가 닫힌 상태에서 스택의 전압은 접지전압 수준으로 감소하게 되어 공기극에는 소량의 미반응 산소와 질소 및 물이 잔존하게 된다. 추가로, 공기차단밸브(ACV)가 차단된 이후에, 수소처리라인에 수소를 공급하는 수소공급밸브(FSV)도 차단될 수 있다.
이러한 정지상태가 지속되는 보관상태에서 스택의 수소극과 공기극은 COD저항(63)을 통하여 전기적으로 연결된 상태로 보관되어 공기극에 존재하는 소량의 미반응 산소가 완전히 제거됨과 동시에 수소극에 존재하는 반응가스 중 수소는 고분자전해질막을 통한 크로스오버에 의해 공기극으로 확산되며 보관시간이 길어질수록 평형상태에 가까워진다.
연료전지(10)가 다시 전력 발전을 하도록 정상운전 상태로 만들기 위한 재시동 과정에서는 공기차단밸브(ACV)가 개방되고 공기압축기가 작동하여 연료전지(10) 스택의 공기극에 공기를 공급하기 시작하여 보관상태에서 고분자전해질막을 통해 크로스오버되어 공기극으로 확산해 온 수소를 외부로 배출하면서 스택 전압을 상승시키는 과정에서 스택 내 공기극에 잔존한 소량의 수소와 공기압축기를 통하여 공급된 공기 중의 산소가 공존하는 구간이 발생하게 된다. 이러한 구간의 지속시간은 공기압축기를 통한 스택 내 공기극으로의 공기 공급량이 클수록 짧아지게 된다.
FC Stop 모드는 시동 온 상태에서 일시적으로 연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 아이들(Idle) 상태로 정차중인 차량이 엑셀신호를 받아서 재출발하기 전까지 공기압축기의 작동이 정지되어 있으나, 주행을 다시 시작할 경우 연료전지(10)시스템의 빠른 응답을 위해 공기차단밸브(ACV)가 개방된 상태로 일정수준의 스택 전압을 확보한 상태에서 대기하게 된다.
특히, FC Stop 모드는 차량의 주행속도가 기설정된 속도 이하이거나 연료전지(10)의 요구 전력이 기설정된 전력 이하이면서, 고전압배터리(21)의 충전량(SOC: State Of Charge)가 기설정된 SOC 이상인 경우에 진입될 수 있다.
FC Stop 모드에서도 수소극의 수소가 고분자전해질막을 통하여 공기극으로 확산되는 수소크로스오버 현상에 의해 공기극 내의 수소농도가 증가하게 된다. 특히, 이러한 공기극의 수소를 안전에 문제가 되지 않도록 외부로 배출하기 위해 일정시간 주기로 공기압축기를 가동하여 공기극의 수소를 스택 외부로 제거하는 동작을 반복하게 된다.
차량용 연료전지(10) 스택 내부에 일정 부피를 차지하고 있는 공기극과 수소극에 대한 반응가스들의 배출은 각각 공기차단밸브(ACV)와 드레인밸브(FDV) 및 퍼지밸브(FPV)의 열림과 닫힘을 통하여 이루어진다.
연료전지(10)의 정상 상태에서는 연료전지(10)의 전력 발전 또는 정지 후 재기동시에 외부로 배출되는 가스의 수소 농도는 정상 범위를 만족할 수 있다. 그러나, 연료전지(10)의 장시간 사용에 따라 연료전지(10)에 포함된 고분자전해질막의 일부가 열화되거나 찢어지는 등의 문제가 발생하면 공기극으로 크로스오버되는 수소량이 크게 증가하여 재시동시 또는 FC Stop 모드 해제시 외부로 배출되는 가스의 수소 농도가 안전에 위협이 되는 수준까지 증가되는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 제어기(60)는 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서 축전장치(21,22)에 충전된 전력을 연료전지(10)로 공급하도록 메인릴레이(43,44) 또는 바이패스릴레이(51)를 제어할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어기(60)는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
특히, 바이패스라인(50)은 메인라인(40)에서 분기되어 축전장치(21,22)로 연결되되, 메인릴레이(43,44)를 바이패스함에 따라 메인릴레이(43,44)가 차단되더라도 연료전지(10)와 축전장치(21,22)를 전기적으로 연결할 수 있다.
바이패스릴레이(51)는 바이패스라인(50)에 구비되어, 바이패스라인(50)을 통한 연료전지(10)와 축전장치(21,22) 사이의 연결을 허용하거나 차단할 수 있다.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 전력 발전 및 수소 이동 반응을 도시한 것이다.
도 2 내지 3을 더 참조하면, 연료전지(10)에 외부로부터 공급되는 에너지에 의해 전압차가 발생하면, 연료전지(10)에 전위가 발생하여 수소가 산화되는 동안 생성된 수소이온(Proton, H+)이 고분자전해질막을 통과하여 이동한 후 새로운 분자 수소로 재조합된다. 이러한 반응을 EHP(Electrochemical Hydrogen Pumping) 반응이라고 한다.
구체적으로, 연료전지(10)는 산화환원반응의 자발적인 반응으로 전압차가 발생하여 전기를 흐르게 할 수 있는 갈바닉 전지(Galvanic Cell)의 일종이므로, 수소극과 공기극은 전기적으로 양극(+극) 혹은 음극(-)이 서로 교차하여 나타날 수 있다.
도 2에 도시한 전력을 발전하는 연료전지(10) 반응에서 뿐만 아니라, 도 3에 도시한 전원에 의해 전력을 소모하는 EHP 반응에 대해서도 고분자전해질연료전지(10)의 수소극과 공기극이 가진 전기적인 극성의 변화는 없다.
즉, 연료전지(10)와 연결된 전력부품들의 극성이 연료전지(10) 반응과 EHP 반응 모두에서 변화하지 않으므로, 연료전지(10)의 파워넷 시스템의 부품들을 그대로 사용할 수 있다.
다만, 연료전지(10) 스택과 양방향 컨버터(31) 및 인버터(71) 사이의 전류 흐름 방향에 대해서는 전력을 생산하는 전력 발전과 전력을 소모하는 EHP에서 고전압배터리(21)에 대한 충전과 방전에서의 전류 흐름 방향이 반대인 것처럼 연료전지(10) 스택에 대한 전류 흐름 방향이 반대가 된다는 차이가 있다. 즉, 전력 발전의 경우에는 연료전지(10) 스택이 전원의 역할을 하고, EHP의 경우에는 별도의 전원에 의해 연료전지(10) 스택이 저항의 역할을 하는 점에서 전류의 흐름 방향이 반대가 되더라도 극성은 변하지 않는다.
또한, 이러한 전류량은 수소이온(Proton, H+)의 이동이 전해질막 내 수분의 양과 분포에 영향을 받는다는 고분자전해질연료전지(10)의 특성에 기인하여 연료전지(10) 스택 외부로부터의 수분 공급이 없는 상황에서는 최대값에 도달한 후 감소된다는 특징을 가지고 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 수소 이동 반응에 따른 공기극 및 수소극의 상태를 도시한 것이다.
도 4에 도시한 것과 같이, 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서 EHP 제어를 수행한 결과 공기극의 수소 농도가 크게 감소한다. 특히, 실험 조건은 고전압배터리(21)로 연료전지(10)에 370[V]의 전압을 인가한 것으로, EHP 제어를 3초만 지속하더라도 공기극의 농도가 절반 이상 감소하는 효과를 확인할 수 있다.
또한, 수소극의 경우 EHP 제어 이후 EHP 제어 이전에 대비하여 압력이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 이에 따라 공기극의 수소가 수소극으로 이동되는 현상을 확인할 수 있다. 특히, 이에 따라 배출될 수소를 회수함으로써 연비가 향상되는 효과 또한 발생할 수 있다.
구체적으로 도 1을 참조하면, 메인라인(40)에는, 연료전지(10)의 양극과 축전장치(21,22)의 양극 사이를 연결하는 메인양극라인(41) 및 연료전지(10)의 음극과 축전장치(21,22)의 음극 사이를 연결하는 메인음극라인(42)이 포함되고, 메인릴레이(43,44)에는, 메인양극라인(41)에 위치된 제1메인릴레이(43) 및 메인음극라인(42)에 위치된 제2메인릴레이(44)를 포함될 수 있다.
메인양극라인(41)은 연료전지(10)의 양극과 축전장치(21,22)의 양극(특히, 양방향 컨버터(31)의 양극)을 연결하고, 메인음극라인(42)은 연료전지(10)의 음극과 축전장치(21,22)의 음극(특히, 양방향 컨버터(31)의 음극)을 연결할 수 있다.
제1메인릴레이(43)는 메인양극라인(41)에 위치되고, 제2메인릴레이(44)는 메인음극라인(42)에 위치되며, 제1메인릴레이(43)와 제2메인릴레이(44)는 각각 메인양극라인(41) 또는 메인음극라인(42)의 연결을 허용하거나 차단할 수 있다.
메인양극라인(41) 또는 메인음극라인(42) 중 적어도 어느 하나에는 전류를 일방향으로만 허용하는 다이오드(45)가 구비되고, 바이패스라인(50)은 다이오드(45)가 구비된 메인양극라인(41) 또는 메인음극라인(42)에서 분기되며, 제1메인릴레이(43) 또는 제2메인릴레이(44)와 다이오드(45)를 동시에 바이패스할 수 있다.
다이오드(45)는 메인양극라인(41)에 구비될 수 있고, 연료전지(10)에서 메인양극라인(41) 측으로 출력되는 방향의 전류만을 허용할 수 있다. 이에 따라, 연료전지(10)에 역전류가 입력되는 현상을 방지할 수 있다.
바이패스라인(50)은 메인양극라인(41)에서 다이오드(45)를 기준으로 연료전지(10) 측에서 분기될 수 있다. 이에 따라, 바이패스라인(50)은 제1메인릴레이(43) 뿐만 아니라 다이오드(45)도 동시에 바이패스할 수 있고, 바이패스라인(50)을 통하여 고전압배터리(21)로부터 연료전지(10)로 전류가 흐를 수 있다.
메인양극라인(41)에서 제1메인릴레이(43)를 기준으로 연료전지(10) 측에서 분기된 양극COD라인(61); 메인음극라인(42)에서 제2메인릴레이(44)를 기준으로 연료전지(10) 측에서 분기된 음극COD라인(62); 및 양극COD라인(61) 및 음극COD라인(62)과 각각 연결되어 전력을 소모하는 COD저항(63);을 더 포함할 수 있다.
COD저항(63)은 냉각수히터(63, CHT)와 연결될 수 있고, 연료전지(10)를 냉각하는 냉각수에 침지될 수 있다. COD저항(63)은 전력을 소모함에 따라 발열할 수 있고, 냉각수의 순환 또는 유동에 의해 냉각될 수 있다. COD저항(63)은 연료전지(10)의 전압을 신속하게 하강시키도록 연료전지(10)의 전력을 소모시키는 구성이다.
COD저항(63)은 양극COD라인(61)을 통하여 메인양극라인(41)과 연결될 수 있다. 특히, 다이오드(45)와 제1메인릴레이(43) 사이의 위치에서 메인양극라인(41)과 연결될 수 있다. 또한, COD저항(63)은 음극COD라인(62)을 통하여 메인음극라인(42)과 연결될 수 있다. 특히, 음극COD라인(62)은 제2메인릴레이(44)보다 연료전지(10) 측에서 메인음극라인(42)에 연결될 수 있다.
이에 따라, COD저항(63)은 제1메인릴레이(43) 및 제2메인릴레이(44)가 모두 차단된 상태이더라도 연료전지(10)의 전력을 소모시킴으로써 연료전지(10)의 전압을 신속하게 하강시킬 수 있다.
양극COD라인(61) 또는 음극COD라인(62)에 구비되어 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 제1COD릴레이(64);를 더 포함할 수 있다.
제1COD릴레이(64)는 양극COD라인(61)에 마련되어 COD저항(63)과 메인양극라인(41) 사이의 연결을 허용하거나 차단할 수 있다. 제1COD릴레이(64)는 일반적으로 open 상태를 유지하는 노멀오픈 타입이고, 제어에 의해 close되어 연결될 수 있다.
제1COD릴레이(64)를 바이패스하도록 양극COD라인(61) 또는 음극COD라인(62)에 연결되고, 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 제2COD릴레이(65);를 더 포함하고, 제2COD릴레이(65)는 제1COD릴레이(64)보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작을 수 있다.
제2COD릴레이(65)는 제1COD릴레이(64)와는 반대로, 일반적으로 close 상태를 유지하는 노멀클로즈 타입이고, 제어에 의해 open되어 차단될 수 있다. 즉, 연료전지(10)의 시동 오프 상태 등과 같이 제어가 없는 경우에는 close 되어 전기적 연결을 허용할 수 있다.
즉, 제2COD릴레이(65)와 제1COD릴레이(64)는 양극COD라인(61)에서 서로 병렬로 연결될 수 있다. 제1COD릴레이(64)와 제2COD릴레이(65) 중 어느 하나만 연결되더라도 COD저항(63)은 메인양극라인(41)에 연결되어 전류가 흐를 수 있다.
특히, 제2COD릴레이(65)는 제1COD릴레이(64)보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작다. 따라서, 제1COD릴레이(64)만이 연결된 상태는 제2COD릴레이(65)만이 연결된 상태보다 연료전지(10)의 전력 소모 또는 전압 하강 속도가 빠를 수 있다.
바이패스라인(50)에 구비되고, 바이패스라인(50)의 전기적 연결 허용시 전후단 사이에서 전위차를 형성하는 전류제한저항(52);을 더 포함할 수 있다.
전류제한저항(52)은 바이패스릴레이(51)가 연결됨에 따라 바이패스라인(50)을 통하여 전류가 급격하게 증가하는 돌입전류(inrush current)를 제한하기 위한 것이다. 전류제한저항(52)은 저항(Resistor) 또는 NTC서미스터 등일 수 있다.
전류제한저항(52)은 EHP 반응을 유지하는 시간과 비례할 수 있으므로, 전류제한저항(52)의 크기는 연료전지(10)의 시동에 요구되는 시간을 고려하여 적절한 크기로 설정될 수 있다. 예를 들어, 전류제한저항(52)은 18.5[Ω]일 수 있고, 저항열을 제거하기 위한 방열판을 부착한 메탈클레드저항일 수 있다.
전류제한저항(52)은 전단과 후단 사이에서 전위차를 형성함으로써 고전압배터리(21)에 의해 연료전지(10)에 인가되는 전압을 감소시켜 연료전지(10)에 돌입전류가 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
메인라인(40)에서 바이패스라인(50)으로 분기되는 지점과 연료전지(10) 사이에 위치되고, 연료전지(10)에서 출력되거나 연료전지(10)로 입력되는 전류를 센싱하는 전류센서(46);를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 전류센서(46)는 연료전지(10)의 전력 발전 상태에서 연료전지(10)의 출력 전류를 센싱할 수 있다. 또한, 전류센서(46)는 연료전지(10)의 EHP 반응 상태에서 연료전지(10)로 입력되는 전류를 센싱할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 파워넷 시스템 제어방법의 순서도이다.
도 5를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 파워넷 시스템 제어방법은 연료전지(10)의 시동 오프 또는 FC Stop 모드의 진입에 의해 연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 단계(S200); 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태로, 축전장치(21,22)에 저장된 전력을 연료전지(10)로 공급하여 캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계(S300); 및 연료전지(10)에서 연료가스와 산화가스의 반응을 통해 전력을 발전하는 단계(S300);를 포함한다.
연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 단계(S200) 이전에, 연료전지(10)에서 정상적으로 전력 발전을 수행하는 단계(S100);를 더 포함할 수 있다. 연료전지(10)에서 정상적으로 전력 발전을 수행하는 단계(S100)에서는 연료가스 및 산화가스를 각각 공급받아 내부에서 화학반응시킴으로써 전력을 발전할 수 있다.
연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 단계(S200)에서는, 연료전지(10)의 시동 오프 입력에 의해 전력 발전을 중단할 수 있고(S210), 시동 오프에 의한 전력 발전 중단의 경우에는 연료전지(10) 내부의 산소를 제거하면서 연료전지(10)의 전압을 하강시키는 셧다운(Shut Down) 제어를 수행할 수 있다(S230).
또한, 연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 단계(S200)에서는 연료전지(10)의 시동 온 상태에서 일시적으로 전력 발전을 중단하는 FC Stop 모드로 진입할 수 있고(S210), FC Stop 모드 진입의 경우에는 연료전지(10)로 공급하는 공기만을 차단할 수 있다.
연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 단계(S200)에서, 연료전지(10)의 시동 오프에 의해 연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 경우(S210), 연료전지(10)의 전압을 하강시키는 셧다운 제어를 수행하는 단계(S230);를 더 포함할 수 있다.
셧다운 제어를 수행하는 단계(S230)에서는, 메인라인(40)에서 분기된 COD라인에 구비된 제1COD릴레이(64)를 연결함으로써 COD라인의 COD저항(63)을 이용하여 연료전지(10)의 전압을 기설정된 제1전압으로 하강시키고, 메인라인(40) 중 메인양극라인(41)에 구비된 제1메인릴레이(43) 및 제1COD릴레이(64)를 차단하면서 제1COD릴레이(64)보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작고 제1COD릴레이(64)를 바이패스하는 제2COD릴레이(65)를 연결시킨 상태로 연료전지(10)의 전압을 기설정된 제2전압으로 하강시키며, 메인라인(40) 중 메인음극라인(42)에 구비된 제2메인릴레이(44)를 차단한 상태로 유지할 수 있다.
캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계(S300)에서는, 연료전지(10)의 시동 온(S240) 또는 FC Stop 모드의 해제(S250)에 의해 연료전지(10)의 전력을 발전하는 경우 또는 기설정된 주기 간격으로(S260) 축전장치(21,22)에 저장된 전력을 연료전지(10)로 공급할 수 있다.
연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서, 기설정된 주기 간격으로 캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키거나, 연료전지(10)의 시동 온 또는 FC Stop 모드의 해제에 의해 연료전지(10)의 전력 발전을 재개하는 경우에 캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 연료전지(10)의 시동 오프 상태에서 전력 발전이 중단된 경우에는 연료전지(10)의 시동 온 신호가 입력되어 연료전지(10)를 재기동하는 경우(S240)에 캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키도록 제어할 수 있다.
연료전지(10)의 FC Stop 모드에서 전력 발전이 중단된 경우에는 FC Stop 모드의 해제에 의해 연료전지(10)의 전력 발전을 재개하는 경우에 캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키도록 제어할 수 있다. 또는, 연료전지(10)의 FC Stop 모드에서 기설정된 주기 간격으로 캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키도록 제어할 수 있다. 이에 따라, FC Stop 모드의 해제를 대비하여 캐소드 측에 수소가 제거될 수 있고, 추후 FC Stop 모드 해제시 연료전지 반응에 참여하지 않고 연료전지의 외부로 배출되는 수소를 감소시킴으로써 전체 연료전지 시스템의 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.
캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계(S300)는 전술한 EHP 반응이 발생하도록 유도할 수 있다.
특히, 캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계(S300)에서는, 바이패스릴레이(51)를 연결하고, 연료전지(10)와 축전장치(21,22) 사이에 위치된 양방향 컨버터(31)를 제어하여 축전장치(21,22)를 방전시킬 수 있다.
캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계(S300)에서는, 메인라인(40)의 전압이 기설정된 전압 범위 이내인 상태로 기설정된 시간을 유지하거나, 또는 메인라인(40)에 흐르는 전류의 적분값이 기설정된 전류량이 될 때까지 축전장치(21,22)를 방전할 수 있다.
기설정된 전압 범위는 메인라인(40)의 모터와 연결된 인버터(71) 또는 고전압 운전장치들(BOPs)의 동작 하한 전압(G)에 기설정된 오프셋(α)을 합산한 제어 전압(G)을 기준으로 기설정될 수 있다. 특히, 기설정된 전압 범위는 제어 전압(G)에 기설정된 오차범위(β)를 가산 또는 감산한 범위(G-β<=>G+β)로 기설정될 수 있다. 즉, 축전장치(21,22)와 연결된 메인라인(40)의 전압은 제어 전압(G)으로 일정하게 유지되도록 양방향 컨버터(31)는 정전압으로 제어될 수 있다.
기설정된 시간은 기설정된 전압 범위 또는 제어 전압(G)에 따라 설정될 수 있다. 또한, 전류제한저항(52)의 저항 크기 또는 연료전지(10)의 재기동에 소요되는 시간 등을 고려하여 기설정된 시간을 적절하게 조절할 수 있다.
메인라인(40)에 흐르는 전류는 연료전지(10)로 입력되는 전류일 수 있고, 전류센서(46)에서 센싱한 값을 이용할 수 있다.
전력을 발전하는 단계(S400)에서는, 산화가스를 연료전지(10)로 공급하고, 바이패스릴레이(51)를 차단하며, 메인라인(40) 중 메인양극라인(41)에 구비된 제1메인릴레이(43)를 연결할 수 있다.
캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계(S300)가 완료되면, 연료전지(10)로 산화가스를 공급하면서 연료전지(10)의 전력 발전을 재개할 수 있다(S400).
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 시동 오프 및 재시동시 연료전지(10)의 파워넷 시스템 제어방법은 아래의 표와 같을 수 있다.
Figure pat00001
정상 운전시에는 제1메인릴레이(43) 및 제2메인릴레이(44)가 모두 연결되고, 바이패스릴레이(51), 제1COD릴레이(64) 및 제2COD릴레이(65)는 모두 차단될 수 있다.
제어기(60)에서는 연료전지(10)의 시동이 오프 되는 경우, 인버터(71)에 의해 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 공기압축기를 정지하여 스택으로 공기가 공급되지 않도록 하는 것을 시작으로 연료전지(10)의 정지 과정을 진행한다.
제어기(60)는 양방향 컨버터(31)의 전압을 조정해 연료전지(10) 스택의 출력 전압을 하강시키고, 스택의 출력 전압값이 기설정된 충전전압 미만이 되는 경우, 제1메인릴레이(43)를 차단시킬 수 있다.
여기서, 기설정된 충전전압은 고전압배터리(21)의 충전 가능 여부를 판단하는데 활용되는 값으로써 스택 또는 고전압배터리(21)의 사양에 따라 다양한 값을 가질 수 있다.
또한, 고전압배터리(21)를 충전하기 위해 연료전지(10) 스택의 출력 전압을 하강시키는 제어는 고전압배터리(21)의 충전허용전류값을 초과하지 않도록 기설정된 변화율로 제어할 수 있다.
또한, 제어기(60)는 연료전지(10) 스택의 출력 전압을 빠르게 하강시켜 고전압이 존재하는 시동 오프 초기에 연료전지(10)가 고전압에 의해 노출되는 것에 기인하는 스택의 열화를 최대한 방지하고자 제1COD릴레이(64)를 연결시켜 COD저항(63)이 내장된 냉각수히터(63, CHT)를 통해 연료전지(10)의 발전 전력이 소모되도록 하고 있다.
동시에, 냉각수펌프(CSP)는 냉각수히터(63, CHT)에서 발생하는 저항열을 냉각시키기 위하여 위해 최소 아이들 RPM으로 구동될 수 있다. 제어기(60)는 연료전지(10) 스택의 출력 전압이 감소하여 냉각수히터(63, CHT)에서 발생하는 저항열이 일정 수준 이하가 되면 냉각수펌프(CSP)의 구동을 정지시킬 수 있다.
제어기(60)는 연료전지(10) 스택의 출력단 전압값이 기설정된 충전전압 미만이 되면 제1메인릴레이(43)를 차단시키고, 제1COD릴레이(64)는 계속해서 연결을 유지하여 연료전지(10) 스택의 출력 전압을 하강시킨다. 제어기(60)는 연료전지(10) 스택의 열화가 방지되는 기설정된 열화방지전압으로 하강되면 제1COD릴레이(64)를 차단시킨다. 추가로, 제어기(60)는 제1COD릴레이(64)를 차단하면서 제2COD릴레이(65)를 연결함으로써 연료전지(10) 스택의 출력 전압을 접지 상태로 유지시킬 수 있다.
제어기(60)는 정지 단계의 마무리 과정에서 수소공급밸브(FSV)를 차단하고, 제2메인릴레이(44)를 차단하며, 제2COD릴레이(65)를 통해 연료전지(10) 스택과 냉각수히터(63, CHT)전 기적으로 연결되어 있는 보관상태로 진입하게 된다. 이러한 정지상태가 지속되는 보관상태에서 스택의 수소극과 공기극은 냉각수히터(63, CHT)의 저항부를 통하여 전기적으로 연결된 상태로 보관되어 공기극에 존재하는 소량의 미반응 산소가 완전히 제거됨과 동시에 수소극에 존재하는 반응가스 중의 수소는 고분자전해질막을 통한 크로스오버에 의해 공기극으로 확산하며 보관 시간에 따라 공기극의 수소농도가 증가하게 되다가 점차 평형 상태에 가까워 진다.
제어기(60)는 연료전지(10)의 시동 온을 입력 받으면, 저전압배터리(22)의 전원을 이용하여 제2COD릴레이(65)를 차단하여 연료전지(10) 스택과 냉각수히터(63, CHT)의 전기적 연결을 분리하고, 제2메인릴레이(44)를 연결하여 연료전지(10) 스택과 양방향 컨버터(31)(BHDC)의 메인음극라인(42)을 먼저 연결하여 두 개의 고전압원(연료전지(10) 스택 및 고전압배터리(21))에 대한 기저부를 동기화한다.
제어기(60)는 양방향 컨버터(31)의 연료전지(10) 측 전압이 제어 전압(G)에 기설정된 오차범위(β)를 가산 또는 감산한 기설정된 전압 범위(G-β<=>G+β)로 제어되면, 바이패스릴레이(51)를 연결함으로써 바이패스라인(50)을 통하여 다이오드(45)를 우회하여 연료전지(10) 스택으로 고전압배터리(21)가 연결되도록 한다.
이 때 양방향 컨버터(31)(BHDC)로부터 연료전지(10) 스택으로 공급된 전력은 EHP 반응을 발생시켜 공기극의 수소를 수소극으로 이동시킬 뿐만 아니라 수소극의 수소가 공기극으로 크로스오버되지 않도록 한다.
EHP 반응을 통한 공기극에서 수소극으로의 수소 이동속도는 스택에 인가된 전압의 크기에 비례하여 전류의 형태로 나타나는데, 이는 전류센서(46)로 측정된다. 바이패스라인(50)을 통하여 스택으로 공급되는 EHP 반응을 위한 전력의 전류는 보관 상태 동안 연료전지(10) 스택 내부의 고분자전해질막 수화(수분) 상태에 따라 영향을 받으며, 연료전지(10)가 정상 운전에서 정지된 경우 고분자전해질막은 완전히 수화된 상태로 보관될 수 있다.
제어기(60)는 기설정된 시간 동안 EHP 반응을 통하여 공기극의 수소를 수소극으로 이동시킨 후 바이패스릴레이(51)를 차단시켜 바이패스라인(50)의 전력을 차단한다. 특히, 제어부는 전류센서(46)에서 센싱한 전류값을 확인하여 EHP 반응의 종료를 재확인할 수 있다.
이후 제어기(60)는 연료전지(10) 스택으로 연료인 수소를 공급하기 위한 연료공급밸브(FSV)와 산화제인 공기를 공급하기 위한 공기차단밸브(ACV)를 개방함과 동시에 제1메인릴레이(43)를 연결하여 메인양극라인(41)을 연결한다. 또한, 공기압축기(ACP)와 냉각수펌프(CSP)를 기동하면서 연료전지(10) 스택에서 생산되는 전력이 인버터(71)와 양방향 컨버터(31)로 공급되도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 FC Stop 모드 진입 및 해제시 연료전지(10)의 파워넷 시스템 제어방법은 아래의 표와 같을 수 있다.
Figure pat00002
구체적으로, FC Stop 모드로 진입하는 경우에는 연료전지(10) 스택으로 공급하는 공기 공급만을 차단하고, 연료전지(10) 스택의 출력 전압을 별도로 하강시키지 않는다.
즉, FC Stop 모드로 진입 초기에 연료전지(10) 스택의 출력 전압은 스택 내부에 잔류하고 있는 수소와 공기중의 산소에 의해 개방회로 전압(OCV) 같은 고전압 상태에 있고, 양방향 컨버터(31)도 고전압 운전장치들을 기동할 수 있는 고전압 상태로 유지되는 상황에서 바이패스릴레이(51)가 차단되어 있다.
연료전지(10) 스택의 발전 전력은 메인양극라인(41)을 통하여 다이오드(45)를 지나서 양방향 컨버터(31)를 통해 고전압배터리(21)를 충전하거나 냉각수펌프(CSP)와 같은 고전압운전장치에 전력을 제공함으로써 연료전지(10) 스택의 출력 전압이 점차 감소하게 된다.
연료전지(10) 스택의 출력 전압이 점차 감소하여 양방향 컨버터(31)의 출력 전압과 유사한 수준(바람직하게는, 스택 출력 전압 ≤ 양방향 컨버터(31) 출력 전압 ± δ(전압편차)로 감소하게 되면 바이패스릴레이(51)를 연결하여 양방향 컨버터(31)에서 출력된 전력이 바이패스라인(50)을 통해 다이오드(45)를 우회하여 연료전지(10) 스택에 인가시킬 수 있다. 이에 따라, 연료전지(10) 스택에는 EHP 반응이 발생될 수 있다. 여기서, 전압편차(δ)는 너무 크면 두 고전압원 사이의 전압차에 의한 돌입전류가 커지므로 실험을 통하여 적절한 수준으로 기설정될 수 있다.
제어기(60)는 연료전지(10)의 FC Stop 모드 해제 신호(예를 들어, 가속페달 신호, 변속기 위치 신호 등)를 입력 받으면 바이패스릴레이(51)를 차단하여 메인양극라인(41)을 차단시키고, 공기압축기를 구동하여 연료전지(10) 스택에 공기를 공급함으로써 연료전지(10)의 발전이 재개되는 정상운전으로 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지(10)의 파워넷 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 6을 더 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지(10)의 파워넷 시스템에는 전류제한저항(52)을 포함하지 않을 수 있고, 전류제한저항(52) 대신 COD저항(63)을 이용하여 돌입 전류를 방지할 수 있다.
구체적으로, 바이패스라인(50)에 구비되어 전력을 소모하는 COD저항(63);을 더 포함하고, 바이패스릴레이(51)는 COD저항(63)을 기준으로 바이패스라인(50)의 축전장치(21,22) 측에 위치될 수 있다.
COD저항(63)의 음극은 메인음극라인(42)에서 메인양극라인(41)으로 이동되어 연결될 수 있다. 즉, COD저항(63)은 음극과 양극이 모두 메인양극라인(41)에서 다이오드(45) 및 제1메인릴레이(43)를 바이패스하여 양방향 컨버터(31)에 연결되는 바이패스라인(50)에 연결될 수 있다. 즉, COD저항(63)은 음극 및 양극이 모두 바이패스라인(50)에 연결되어 바이패스라인(50)에서 전류를 제한하는 저항으로 역할을 할 수 있다.
다만, 이 경우에는 연료전지(10) 스택의 전압을 신속하게 하강시키는 COD제어는 불가능한 점에서, COD저항(63)의 음극을 메인음극라인(42)으로 연결하는 별도의 라인 또는 릴레이가 포함된 회로가 더 포함될 수 있다.
COD저항(63)과 바이패스릴레이(51) 사이에서 바이패스라인(50)과 제1메인릴레이(43) 또는 제2메인릴레이(44)와 다이오드(45) 사이에서 메인양극라인(41) 또는 메인음극라인(42)을 연결하는 연결라인(53); 및 바이패스라인(50)에서 연결라인(53)으로 분기되는 지점과 COD저항(63) 사이에 위치되고, 서로 병렬로 연결되어 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 제1COD릴레이(64) 및 제2COD릴레이(65);를 더 포함하고, 제2COD릴레이(65)는 제1COD릴레이(64)보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작을 수 있다.
연결라인(53)은 바이패스라인(50)에서 메인릴레이(43,44)와 다이오드(45) 사이의 메인양극라인(41)으로 연결할 수 있다. 서로 병렬로 연결된 제1COD릴레이(64) 및 제2COD릴레이(65)는 바이패스라인(50)에 위치되고, 특히 COD저항(63)의 양극에 연결된 바이패스라인(50)에 위치되며, 바이패스릴레이(51)와의 사이에서 분기되어 다이오드(45)와 메인릴레이(43,44) 사이에 연결될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지(10)의 시동 오프 및 재시동시 연료전지(10)의 파워넷 시스템 제어방법은 아래의 표와 같을 수 있다.
Figure pat00003
대부분의 제어방법에 관한 설명은 표 1의 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 파워넷 시스템 제어방법과 동일하고, 아래에서 차이점에 관하여만 설명한다.
제어기(60)는 연료전지(10)의 시동이 시작되면 제2메인릴레이(44)를 연결시켜 연료전지(10) 스택 출력의 음극과 양방향 컨버터(31) 출력단의 음극을 전기적으로 연결시켜 두 개의 고전압원에 대한 기저부를 동기화한다.
제2COD릴레이(65)는 연결된 상태로 유지되어 연료전지(10) 스택, 양방향 컨버터(31) 및 냉각수히터(63, CHT)는 전기적으로 연결된다. 추가로, 제1COD릴레이(64)를 연결시킴으로써 연료전지(10) 스택과 냉각수히터(63, CHT) 사이의 전기적 연결을 강화할 수 있다. 이러한 제어는 제1COD릴레이(64) 및 제2COD릴레이(65)에 통과 가능한 전력 또는 전류의 크기에 따라 선택적으로 진행할 수 있다.
이후, 제어기(60)는 바이패스릴레이(51)를 연결시켜 바이패스라인(50)을 통해 연료전지(10)와 양방향 컨버터(31) 사이를 연결시킨다. 양방향 컨버터(31) 출력 전압이 스택 출력 전압보다 큰 경우에 EHP 반응을 위한 전력이 연료전지(10) 스택으로 즉시 공급될 수 있다.
제어기(60)는 양방향 컨버터(31)의 제어를 시작하여 양방향 컨버터(31) 출력 전압이 상승을 시작하게 되면 양방향 컨버터(31)의 전력은 바이패스라인(50)을 통하여 다이오드(45)를 우회하여 연료전지(10) 스택으로 공급되고, 이 전력을 공급받은 스택은 EHP 반응을 일으켜 공급된 전력을 소비하여 공기극의 수소 농도를 감소시킨다.
즉, 제어기(60)는 다이오드(45)를 우회하는 바이패스라인(50)의 전력 전달 경로를 형성시킨 후 양방향 컨버터(31)의 제어를 시작하여 고전류 또는 고전력에 의해 바이패스릴레이(51), 제1COD릴레이(64) 및 제2COD릴레이(65)가 손상되지 않도록 양방향 컨버터(31) 출력 전압을 서서히 상승시킬 수 있다.
제어기(60)는 모터에 전력을 공급하는 인버터(71)의 동작 하한전압(G)에 기설정된 오프셋(α)을 합산한 제어전압(D)으로 양방향 컨버터(31)의 제어를 시작한다. 제어기(60)는 양방향 컨버터(31)의 출력 전압이 인버터(71)의 동작 하한전압(G) 이상에서 EHP반응을 위한 양방향 컨버터(31)의 설정전압±β(오차) 범위 내로 일정하게 유지되도록 정전압 제어를 수행한다.
추가로, 제어기(60)는 양방향 컨버터(31) 제어전압(D)의 제어변화 속도는 스택과 양방향 컨버터(31) 각각의 출력 전압과 냉각수히터(63, CHT)에 포함된 COD저항(63)의 저항값 및 EHP 반응에 기인하는 스택의 저항값 변화에 따라 EHP반응을 위해 양방향 컨버터(31)에서 스택으로 공급되는 전력의 전류값이 변화한다. 따라서, 제어기(60)는 전류센서(46)를 통하여 측정되는 전류값을 활용한 피드백 제어를 통하여 양방향 컨버터(31) 제어전압의 제어변화 속도를 하나 이상의 여러 단계로 설정하여 조절할 수 있다. 이에 따라, 가장 적절한 전류량 범위를 선정하여 EHP 반응을 포함하는 연료전지(10) 시스템의 시동에 소모되는 추가 소요 시간을 최소화할 수 있다.
제어기(60)는 양방향 컨버터(31) 출력단의 전압이 냉각수펌프를 구동할 수 있는 전압까지 상승하면, 냉각수펌프의 구동을 시작하여 COD저항(63)이 포함된 냉각수히터(63)에서 발생한 저항열을 제거할 수 있다. 또한, 메인양극라인(41)에 위치한 제1메인릴레이(43)를 연결하여 EHP 반응을 포함한 시동 과정이 종료된 후 연료전지(10)의 정상 운전으로 전환될 때 고전압운전장치들의 작동 전원이 끊어지지 않고 유지되도록 준비할 수 있다.
제어기(60)는 양방향 컨버터(31)의 제어전압(D)이 설정전압±β(오차) 범위내로 일정하게 유지되는 정전압 제어를 수행하는 단계까지 상승하게 되면, 전류센서(46)의 전류값 또는 내장타이머에서 측정한 기설정된 시간의 도달 여부를 통하여 확인할 수 있는 EHP 반응의 추가 지속여부를 판단하여 바이패스릴레이(51)를 오픈함으로써 EHP 반응을 종료한다.
이후, 제어기(60)는 제1COD릴레이(64) 및 제2COD릴레이(65)를 차단하여 스택과 냉각수히터(63)의 전기적 연결을 차단하고, 스택에 수소와 공기를 공급하여 시동 과정을 종료하면서 연료전지(10) 시스템의 정상 운전을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 FC Stop 모드 진입 및 해제시 연료전지(10)의 파워넷 시스템 제어방법은 아래의 표와 같을 수 있다.
Figure pat00004
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지(10)의 파워넷 시스템의 구성도이다.
도 7을 더 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지(10)의 파워넷 시스템은 축전장치(21,22) 중 저전압배터리(22)를 방전시키면서 연료전지(10) 스택에 전력을 공급하는 것이다.
구체적으로, 메인라인(40)을 통하여 연료전지(10)와 연결된 양방향 컨버터(31); 및 양방향 컨버터(31)와 축전장치(21,22) 사이에 위치되어 양방향 컨버터(31)에 의해 컨버팅된 전력을 상대적인 저전위로 컨버팅하는 저전압 컨버터(32);를 더 포함하고, 축전장치(21,22)는 저전압 컨버터(32)와 연결되고, 상대적인 저전위로 전력을 충전하거나 방전하는 저전압배터리(22)이며, 메인라인(40)에는, 제1메인라인(40) 및 제2메인라인(40)이 포함되고, 바이패스라인(50)은 제1메인라인(40)에서 분기되어 저전압배터리(22)의 제1배터리라인(33)에 연결되며, 저전압배터리(22)의 제2배터리라인(34)은 제2메인라인(40)에 연결되고, 제2배터리라인(34)에는 제2배터리라인(34)의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 배터리릴레이(36)가 구비될 수 있다.
양방향 컨버터(31)는 고전압배터리(21)와 별도로 저전압 컨버터(32)와 연결되고, 저전압 컨버터(32)에서 저전위로 컨버팅된 전압이 저전압배터리(22)로 충전될 수 있다. 여기서, 저전압배터리(22)의 저전위는 예를 들어 12[V]로, 고전압배터리(21)의 300~400[V] 영역의 상대적인 고전위보다 상대적으로 낮은 전압일 수 있다.
저전압배터리(22)의 양극 및 음극에는 각각 제1배터리라인(33) 및 제2배터리라인(34)이 연결되어 저전압 컨버터(32)와 연결되고, 저전압 운전장치들(BOPs)은 제1배터리라인(33) 및 제2배터리라인(34)에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 바이패스라인(50)은 제1배터리라인(33)으로 연결되고, 제2배터리라인(34)과 제2메인라인(40) 사이에는 제3배터리라인(35)이 연결되며, 제3배터리라인(35)에는 배터리릴레이(36)가 구비될 수 있다.
제어기(60)는 배터리릴레이(36)를 연결 또는 차단함으로써 저전압배터리(22)의 전력을 연료전지(10) 스택으로 공급하거나 공급을 차단하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 연료전지 21 : 고전압배터리
22 : 저전압배터리 31 : 양방향 컨버터
32 : 저전압 컨버터 40 : 메인라인
50 : 바이패스라인

Claims (17)

  1. 연료가스와 산화가스의 반응을 통해 전력을 발전하는 연료전지;
    연료전지의 발전 전력에 의해 충전되거나, 전력을 공급하도록 방전되는 축전장치;
    연료전지와 축전장치 사이를 전기적으로 연결하는 메인라인;
    메인라인에 구비되고, 연료전지와 축전장치 사이의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 메인릴레이;
    메인라인에서 분기되면서 메인릴레이를 바이패스하여 축전장치와 연결된 바이패스라인;
    바이패스라인에 구비되고, 바이패스라인의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 바이패스릴레이; 및
    연료전지의 전력 발전이 중단된 상태에서 축전장치에 충전된 전력을 연료전지로 공급하도록 메인릴레이 또는 바이패스릴레이를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    메인라인에는, 연료전지의 양극과 축전장치의 양극 사이를 연결하는 메인양극라인 및 연료전지의 음극과 축전장치의 음극 사이를 연결하는 메인음극라인이 포함되고,
    메인릴레이에는, 메인양극라인에 위치된 제1메인릴레이 및 메인음극라인에 위치된 제2메인릴레이가 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    메인양극라인 또는 메인음극라인 중 적어도 어느 하나에는 전류를 일방향으로만 허용하는 다이오드가 구비되고,
    바이패스라인은 다이오드가 구비된 메인양극라인 또는 메인음극라인에서 분기되며, 제1메인릴레이 또는 제2메인릴레이와 다이오드를 동시에 바이패스하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    메인양극라인에서 제1메인릴레이를 기준으로 연료전지 측에서 분기된 양극COD라인;
    메인음극라인에서 제2메인릴레이를 기준으로 연료전지 측에서 분기된 음극COD라인; 및
    양극COD라인 및 음극COD라인과 각각 연결되어 전력을 소모하는 COD저항;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    양극COD라인 또는 음극COD라인에 구비되어 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 제1COD릴레이;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제1COD릴레이를 바이패스하도록 양극COD라인 또는 음극COD라인에 연결되고, 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 제2COD릴레이;를 더 포함하고,
    제2COD릴레이는 제1COD릴레이보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    바이패스라인에 구비되고, 바이패스라인의 전기적 연결 허용시 전후단 사이에서 전위차를 형성하는 전류제한저항;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    바이패스라인에 구비되어 전력을 소모하는 COD저항;을 더 포함하고,
    바이패스릴레이는 COD저항을 기준으로 바이패스라인에서 축전장치 측에 위치된 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    COD저항과 바이패스릴레이 사이에서 바이패스라인과 제1메인릴레이 또는 제2메인릴레이와 다이오드 사이에서 메인양극라인 또는 메인음극라인을 연결하는 연결라인; 및
    바이패스라인에서 연결라인으로 분기되는 지점과 COD저항 사이에 위치되고, 서로 병렬로 연결되어 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 제1COD릴레이 및 제2COD릴레이;를 더 포함하고,
    제2COD릴레이는 제1COD릴레이보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    메인라인에서 바이패스라인으로 분기되는 지점과 연료전지 사이에 위치되고, 연료전지에서 출력되거나 연료전지로 입력되는 전류를 센싱하는 전류센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    메인라인을 통하여 연료전지와 연결된 양방향 컨버터; 및
    양방향 컨버터와 축전장치 사이에 위치되어 양방향 컨버터에 의해 컨버팅된 전력을 상대적인 저전위로 컨버팅하는 저전압 컨버터;를 더 포함하고,
    축전장치는 저전압 컨버터와 연결되고, 상대적인 저전위로 전력을 충전하거나 방전하는 저전압배터리이며,
    메인라인에는, 제1메인라인 및 제2메인라인이 포함되고,
    바이패스라인은 제1메인라인에서 분기되어 저전압배터리의 제1배터리라인에 연결되며,
    저전압배터리의 제2배터리라인은 제2메인라인에 연결되고, 제2배터리라인에는 제2배터리라인의 전기적 연결을 차단하거나 허용하는 배터리릴레이가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템.
  12. 청구항 1의 연료전지의 파워넷 시스템을 제어하는 방법으로서,
    연료전지의 시동 오프 또는 FC Stop 모드의 진입에 의해 연료전지의 전력 발전을 중단하는 단계;
    연료전지의 전력 발전이 중단된 상태로, 축전장치에 저장된 전력을 연료전지로 공급하여 캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계; 및
    연료전지에서 연료가스와 산화가스의 반응을 통해 전력을 발전하는 단계;를 포함하는 연료전지의 파워넷 시스템 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    연료전지의 전력 발전을 중단하는 단계에서, 연료전지의 시동 오프에 의해 연료전지의 전력 발전을 중단하는 경우, 연료전지의 전압을 하강시키는 셧다운 제어를 수행하는 단계;를 더 포함하고,
    셧다운 제어를 수행하는 단계에서는, 메인라인에서 분기된 COD라인에 구비된 제1COD릴레이를 연결함으로써 COD라인의 COD저항을 이용하여 연료전지의 전압을 기설정된 제1전압으로 하강시키고, 메인라인 중 메인양극라인에 구비된 제1메인릴레이 및 제1COD릴레이를 차단하면서 제1COD릴레이보다 허용 전류 또는 허용 전력이 상대적으로 작고 제1COD릴레이를 바이패스하는 제2COD릴레이를 연결시킨 상태로 연료전지의 전압을 기설정된 제2전압으로 하강시키며, 메인라인 중 메인음극라인에 구비된 제2메인릴레이를 차단한 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템 제어방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계에서는, 연료전지의 시동 온 또는 FC Stop 모드의 해제에 의해 연료전지의 전력을 발전하는 경우 또는 기설정된 주기 간격으로 축전장치에 저장된 전력을 연료전지로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템 제어방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계에서는, 바이패스릴레이를 연결하고, 연료전지와 축전장치 사이에 위치된 양방향 컨버터를 제어하여 축전장치를 방전시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템 제어방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    캐소드 측의 수소를 애노드 측으로 이동시키는 단계에서는, 메인라인의 전압이 기설정된 전압 범위 이내인 상태로 기설정된 시간을 유지하거나, 또는 메인라인에 흐르는 전류의 적분값이 기설정된 전류량이 될 때까지 축전장치를 방전하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템 제어방법.
  17. 청구항 12에 있어서,
    전력을 발전하는 단계에서는, 산화가스를 연료전지로 공급하고, 바이패스릴레이를 차단하며, 메인라인 중 메인양극라인에 구비된 제1메인릴레이를 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 파워넷 시스템 제어방법.
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