향상된 내구성을 위한 연료 전지 동력 장치의 파워-온 셧다운(POWER-ON SHUTDOWN OF FUEL CELL POWER PLANT FOR ENHANCED DURABILITY)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2015-0106899
(43) 공개일자 2015년09월22일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
B60L 11/18 (2006.01) H01M 8/04 (2006.01)
(52) CPC특허분류
B60L 11/18 (2013.01)
B60L 11/1881 (2013.01)
(21) 출원번호 10-2015-7021270
(22) 출원일자(국제) 2013년01월11일
심사청구일자 없음
(85) 번역문제출일자 2015년08월06일
(86) 국제출원번호 PCT/US2013/021240
(87) 국제공개번호 WO 2014/109761
국제공개일자 2014년07월17일
(71) 출원인
아우디 아게
독일 데-85045 잉골슈타트
(72) 발명자
라마스와미 시타람
미국 06107 코네티컷주 웨스트 하트포드 크로스힐
로드 2
페리 마이클 엘.
미국 06033 코네티컷주 글라스톤버리 메인 스트리
트 1995
(74) 대리인
양영준, 안국찬
전체 청구항 수 : 총 11 항
(54) 발명의 명칭 향상된 내구성을 위한 연료 전지 동력 장치의 파워-온 셧다운
(57) 요 약
연료 전지 스택 조립체(26)가 수용되는 그리고 이동 차량(12)에 전력을 공급하는 연료 전지 동력 장치(14)의 변
경된 셧다운의 기술이 개시된다. 차량은 특징적으로 연료 전지 동력 장치에 의해 사용되는 하나 이상의 리소스
(20, 20A, 20B, 20C 등)를 포함하는 스테이션(10)으로 그의 재공급을 위해 간격을 두고 이동한다. 스테이션에서
/스테이션에 의해 제공되는 하나의 그러한 리소스는 전기 에너지(20A)이며, 연료 전지 동력 장치(14)의 보조 작
동은 활성 보호 수소 온 상태를 파워 온 작동 모드를 통해 크게 연장된 기간 동안, 예를 들어 많은 시간 내지 수
일 이상 동안 유지시키기 위해 그러한 전기 에너지(20A)의 가용성을 활용하도록 제어된다. 파워 온 모드는 적어
도 연료 전지 스택 조립체(26)에서 수소의 미리 결정된 존재, 예컨대 압력을 유지시키기에 충분한 낮은 수준의
수소 도입과 순환을 유지시킨다.
대 표 도
공개특허 10-2015-0106899
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(52) CPC특허분류
H01M 8/04097 (2013.01)
H01M 8/04223 (2013.01)
H01M 8/04447 (2013.01)
H01M 8/04753 (2013.01)
H01M 8/04768 (2013.01)
H01M 8/0491 (2013.01)
H01M 8/04955 (2013.01)
H01M 2250/20 (2013.01)
Y02E 60/50 (2013.01)
공개특허 10-2015-0106899
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명 세 서
청구범위
청구항 1
이동 차량(12)에 수용되고 그에 전력을 공급하는 연료 전지 동력 장치(24)를 위한 변경된 셧다운 작동의 방법이
며,
차량(12)은 적어도 전기 에너지(20A)를 포함하는, 스테이션에 있는 하나 이상의 리소스(20)의 재공급을 받기 위
해 스테이션(10)으로 간격을 두고 이동하고, 연료 전지 동력 장치(24)는 연료 전지 동력 장치의 H2 온 패시베이
션을 포함하는 셧다운 절차의 실시를 포함하는 연료 전지 동력 장치의 작동을 조절하기 위한 컨트롤러(36)를 포
함하며,
상기 방법은,
a) 차량(12)을 스테이션(10)에 있는 적어도 전기 에너지 리소스(20A)에 작동가능하게 연결하는 단계; 및
b) 상기 전기 에너지 리소스(20A)에 연결되는 차량(12)에 응답하여, 연료 전지 동력 장치의 H2 온 패시베이션을
장기간 동안 유지시키기에 충분한 연료 전지 동력 장치에서의 수소의 유동을 유지시키는 것을 포함하는 파워 온
모드(120, 122)를 포함하도록 셧다운 절차의 제어를 변경하는 단계
를 포함하는 방법.
청구항 2
제1항에 있어서,
차량 연료 전지 동력 장치는 동력 장치의 작동을 실시하고 조절하기 위한 전동 장비(36, 64, 58, 62, 48, 56,
71 등)를 포함하고, 파워 온 모드에서 연료 전지 동력 장치에서의 수소의 유동을 유지시키는 단계는 상기 전동
장비 중 적어도 일부(36, 58, 48 등)를 작동시키는 단계를 포함하는 방법.
청구항 3
제2항에 있어서,
파워 온 모드 중에 연료 전지 동력 장치의 H2 온 패시베이션이 유지될 수 있는 장기간은 16시간보다 긴 방법.
청구항 4
제3항에 있어서,
파워 온 모드 중에 연료 전지 동력 장치의 H2 온 패시베이션이 유지될 수 있는 장기간은 30시간보다 긴 방법.
청구항 5
제2항에 있어서,
차량은 수소 반응물질의 온보드 소스(16)를 추가로 포함하고, 스테이션(10)에 있는 리소스(20) 중 하나는 수소
(20B)이며, 상기 방법은 차량(12)을 스테이션에 있는 수소 리소스에 작동가능하게 연결하고 수소 리소스를 파워
온 모드 중에 수소 반응물질의 온보드 소스(16)를 재공급하도록 제어하는 단계를 포함하는 방법.
청구항 6
제2항에 있어서,
연료 전지 동력 장치(24)는 냉각제 순환 시스템(32)을 포함하고, 스테이션(10)에 있는 리소스(20)는 냉각제
(20C)를 또한 포함하며, 상기 방법은 차량(12)을 스테이션에 있는 냉각제 리소스(20C)에 작동가능하게 연결하고
냉각제 순환 시스템(32)을 파워 온 모드 중에 스테이션 리소스 냉각제로부터 냉각제를 순환시키도록 제어하는
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단계를 포함하는 방법.
청구항 7
제1항에 있어서,
연료 전지 동력 장치의 H2 온 패시베이션을 장기간 동안 유지시키기에 충분한 연료 전지 동력 장치에서의 수소의
유동을 유지시키는 단계는 연료 전지 동력 장치 내의 위치에서 수소의 압력을 감지하고 그 위치에서 한계치 아
래의 감지된 압력에 응답하여 수소의 압력을 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
청구항 8
제7항에 있어서,
연료 전지 동력 장치(24)는 애노드 입구(50)를 갖는 전지 스택 조립체(26)를 포함하고, 애노드 입구(50) 부근의
압력을 감지하며, 상기 한계치는 약 2kPa인 방법.
청구항 9
제8항에 있어서,
연료 전지 동력 장치(24)는 수소 반응물질의 소스(16)를 포함하고, 밸브(48)가 수소 반응물질의 소스(16)와 애
노드 입구(50) 사이에서 수소의 유동을 제어하며, 수소 압력을 증가시키는 단계는 밸브(48)를 조절함으로써 이
루어지는 방법.
청구항 10
제1항에 있어서,
차량은 제한된 전기 에너지를 차량에 공급하기 위한 제한된 용량의 온보드 전기 에너지 저장 시스템(25)을 추가
로 포함하는 방법.
청구항 11
제1항에 있어서,
연료 전지 동력 장치(24)는 전위를 제공하기 위한 전지 스택 조립체(26)와, 상기 전지 스택 조립체의 상기 전위
를 제어하는 전압 제한 장치(34)를 포함하는 방법.
발명의 설명
기 술 분 야
본 개시는 일반적으로 연료 전지 동력 시스템(fuel cell power system)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수송[0001]
차량에서와 같이, 이동 사용에 적합한 연료 전지 동력 장치(fuel cell power plant)에 관한 것이다. 더욱 보다
상세하게는, 본 개시는 내구성, 경제성 등을 향상시키기 위해 그러한 연료 전지 동력 시스템과 그의 연료 전지
동력 장치(들)의, 정상 작동 모드와는 다른 모드(들)로의 그리고/또는 그 모드에서의 작동에 관한 것이다.
배 경 기 술
이동/수송 사용을 위한 연료 전지 동력 장치가 자동차에 그리고 보다 큰 수송 차량, 예를 들어 버스에 점점 더[0002]
채용되고 있다. 이들 동력 장치는 전형적으로 전기 모터에 동력을 공급하여 차량을 직접 추진시키기 위해 그리
고 배터리, 또는 배터리의 열과 같은 에너지 저장 시스템 내에 저장하기 위한 에너지를 제공하기 위해 전력을
발생시키기 위해서, 하나 이상의 스택(들), 또는 스택 조립체(들)(CSA)로 배치되는 다수의 PEM-유형 연료 전지
를 채용한다.
PEM 연료 전지는 막(membrane)이 양성자 교환 막(proton exchange membrane) 또는 고분자 전해질 막(polymer[0003]
electrolyte membrane)(PEM)인 막-유형 전해질을 채용한다. 막은 각각 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 전
극들 사이에 배치된다. 촉매화된 캐소드와 애노드는 원하는 전기화학 반응을 유도하는 역할을 한다.
반응물질, 전형적으로 산소 또는 공기와 같은 산화제와 수소와 같은 연료가 각각 막의 대향측들 위로 각각의 캐
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소드 및 애노드 유동 장을 통해 유동하여 필요한 전기화학 반응을 얻는다.
연료 전지 스택의 작동과 관련된 시동 및 셧다운(shutdown) 메커니즘이 스택의 내구성과 수명에 중요한, 전형적[0004]
으로 불리한 영향을 미치는 것이 알려져 있다. 연료 전지 스택의 열화는 촉매 지지 재료의 산화와 높은 온도
및 높은 전위에 기인한다. 이러한 영향은 정지 응용에서의 전형적으로 장기간의 작동에 비해 시동과 셧다운의
증가된 횟수/빈도로 인해 수송 목적을 위한 연료 전지 동력 장치의 응용에서 더욱 두드러지고, 특히 버스와 같
은 대형 수송 차량 내의 그러한 동력 장치에 관하여 영향을 미친다.
시동/셧다운 사이클과 관련된 열화 메커니즘을 완화시키는 데 도움을 주기 위해 다수의 상이한 기술이 제시되거[0005]
나 채용되었으며, 이때 바람직한 접근법은 때때로 "수소 온(Hydrogen On)"(또는 "H2 온(H2 On)") 접근법으로 지
칭되는 수소 안정화의 기술이다. "수소 온" 접근법에서, 산소가 연료 전지 스택(전지 내의 산화제 유동 장, 입
구 및 출구 매니폴드, 배관(plumbing) 등을 포함함)의 공기측 용적부로부터 제거되고, 캐소드 및 애노드 유동
장 둘 모두에서 수소 수준이 안정되어, 전지에서 적어도 높은 전압을 방지하거나 최소화시킨다. 전형적인 수소
안정화는 (a) 스택 내로의 새로운 공기의 투입을 차단하는 것, (b) 서비스 부하(service load)를 제거하고 스택
을 저항성 보조 부하에 연결하는 것, (c) 연료 재순환을 계속하는 상태에서, 그리고 연료 퍼지(purge)(배기)가
차단된 상태에서, 새로운 수소를 전지에 계속 제공하면서, 캐소드 배기가스를 켜진 채로 있는 캐소드 블로워의
입구로 전도하고, 이를 충분한 수소가 제공되어 공기측 용적부 내의 모든 잔류 산소와 반응할 때까지 계속함으
로써 캐소드 재순환을 수행하는 것, 및 (d) 셧다운이 완료될 때까지 캐소드 및 연료 재순환을 계속 제공하면서
연료 전지로의 새로운 수소의 입구를 차단시키는 것을 포함하는 셧다운 절차로 달성된다. 그러한 시스템의 하
나의 대표적인 예가 2012년 3월 27일자로 라이저(Reiser) 등에게 허여되고 본 출원의 소유자에게 양도된 미국
특허 제8,142,950호에 개시된다. 다른 유사한 대표적인 예가 엠. 아이. 페리(M. I. Perry)에 의해 2011년 9월
15일자로 공개되고 본 발명의 소유자에게 양도된 미국 특허 출원 공개 제US2011/0223495 A1호에 개시된다.
수소 온 안정화 접근법이 셧다운 과정 중에 채용되고, 스택으로의 공기의 공급을 비교적 신속하게 종료시킬 수[0006]
있지만, 제한된 기간 동안 스택으로의 수소의 전달 및/또는 재순환에 계속 의존할 수 있다는 것에 유의하여야
할 것이다. 수소 온 상태의 패시베이션(passivation) 이득이 실제 셧다운 상태 중에 얼마간의 기간 동안 계속
될 수 있지만, 그러한 기간은 전형적으로 수시간, 예컨대 16시간 미만으로 제한된다. H2 온 패시베이션 이득의
지속기간을 연장시키기 위해 연료 전지 동력 장치를 반복하여 재시동시키고 잠시 동안 작동시키며 다시 셧다운
하고 H2-부동태화시키는 것이 물류(logistical) 및 내구성 둘 모두의 관점에서 비실용적인 것으로 간주되었다.
수소 온 상태의 지속기간의 그러한 제한은 특히 그 동안에 동력 장치가 정상적으로 셧다운되는 장기간 동안 그
러한 작동 모드로부터 도출되는 이득을 상응하게 제한한다.
발명의 내용
해결하려는 과제
다양한 수송 차량이 때때로 다양한 유형의 보관 및/또는 유지보수를 위해 스테이션, 차고, "셰드(shed)", 또는[0007]
터미널로 이동하거나 이동하도록 요구된다. 그러한 스테이션에서, 차량은 수소 연료와 같은 다양한 리소스
(resource)의 재충전을 받을 수 있고, 그의 연료 전지 동력 장치는 지금까지는 전형적으로 수시간 내지 수일에
이를 수 있는 기간 동안 셧다운 상태로 있었다. 그러나, 본 명세서에서, 적어도 전력을 비롯한 스테이션의 비
교적 무제한의 리소스 중 하나 이상을 사용함으로써, 그리고 정상 셧다운 과정을 이른바 파워 온(Power On) 모
드를 포함하도록 변경함으로써, 보호 수소 온 상태가 크게 연장된 기간 동안 활성 상태로 유지될 수 있는 것이
인식되었다.
과제의 해결 수단
이동 차량에 수용되는 그리고 그에 전력을 공급하는 연료 전지 동력 장치의 또는 그를 위한 변경된 셧다운의 방[0008]
법 또는 기술이 개시된다. 차량은 특징적으로 연료 전지 동력 장치에 의해 사용되는 하나 이상의 리소스를 포
함하는 스테이션으로 그의 재공급을 위해 간격을 두고 이동한다. 스테이션에서/스테이션에 의해 제공되는 하나
의 그러한 리소스는 전기 에너지이며, 연료 전지 동력 장치의 작동은 활성 보호 수소 온 상태를 이른바 파워 온
작동 모드를 통해 크게 연장된 기간 동안, 예를 들어 수일 이상의 기간 동안 유지시키기 위해 그러한 전기 에너
지의 가용성을 활용하도록 변경된다.
파워 온 모드는 연료 전지 동력 장치로의 또는 그 내로의, 직접적인 그리고/또는 재순환에 의한 수소의 부동태[0009]
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화(passivating) 유동을 유지시키고, 전형적으로 기타 전통적인 셧다운 절차의 변경을 통해 진입된다. 종래의
셧다운 절차의 초기 양상이 H2 패시베이션(passivation)의 대부분이 달성된 그러한 절차의 어떤 미리 선택된 단
계 또는 상태에서 유지되거나 유지될 수 있지만, 그러한 절차는 적어도 외부 전력의 존재에 응답하여 변경될 수
있다. 그러한 절차는 수소 유동을 직접 그리고/또는 재순환에 의해 유지시켜 수소 패시베이션의 지속기간을 유
지시키고 이를 16시간, 또는 30시간보다 긴 기간으로, 또는 실제로 여러 날로 연장시키도록 변경된다. 수소 유
동의 조절은 예를 들어 연료 전지 동력 장치의 연료 전지로의 수소에 대한 입구에서 또는 그 부근에서 수소의
감지된 압력에 응답하여 이루어질 수 있고, 수소의 감지된 압력이 어떤 한계치, 예를 들어 2 kPa로 감소할 때
수소를 제공하는 것을 수반할 수 있다.
파워 온 작동 모드의 제공이 초기에 다른 경우에는 제한되었을 H2 온 패시베이션의 지속기간을 연장시키기 위해[0010]
스테이션에서의 전력의 가용성에 의존하지만, 보충 H2 및/또는 보충 냉각제 및/또는 냉각 용량과 같은 스테이션
으로부터의 다른 리소스를 차량 및/또는 연료 전지 동력 장치에 공급함으로써 파워 온 모드 중에 추가의 이득이
또한 도출될 수 있다.
본 개시의 전술한 특징과 이점은 첨부 도면에 예시된 바와 같은 그의 예시적인 실시예의 하기의 상세한 설명을[0011]
고려하여 더욱 명백해질 것이다.
도면의 간단한 설명
본 개시의 많은 태양이 다음의 도면을 참조하여 더욱 명확하게 이해될 수 있다. 도면의 구성요소는 반드시 축[0012]
척에 맞게 도시되지는 않는다. 또한, 도면에서, 동일한 도면 부호는 수개의 도면 전반에 걸쳐 상응하는 부분을
가리킨다.
도 1은 본 개시에 따른, 연료 전지 동력 장치를 갖춘 하나 이상의 차량이 외부 리소스에 연결되거나 연결될 수
있는 스테이션 또는 터미널의 일부를 예시한 간략화된 다이어그램이다.
도 2는 연료 전지 동력 장치의 다양한 일반화된 구성요소를 블록 형태로 도시한, 도 1의 차량의 일반화된 다이
어그램이다.
도 3은 구성요소 중 일부와 그들의 상호연결을 더욱 상세히 예시한, 도 2의 연료 전지 동력 장치의 관련 부분의
개략적인 다이어그램이다.
도 4a는 파워 온 가능 상태의 결정 전에 수소 온 셧다운 과정의 초기 부분의 일반화된 기능 순서도를 예시한다.
도 4b는 대안적으로 셧다운 과정의 완료 또는 파워 온 과정으로의 진입과 그의 유지를 예시한, 도 4a에서 시작
된 일반화된 기능 순서도의 연속이다.
도 5는 파워 온 가능 상태의 결정의 간단한 기능적인 그림을 이용한 표현이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
본 개시의 많은 태양이 다음의 도면을 참조하여 더욱 명확하게 이해될 수 있다. 도면의 구성요소는 반드시 축[0013]
척에 맞게 도시되지는 않는다. 또한, 도면에서, 동일한 도면 부호는 수개의 도면 전반에 걸쳐 상응하는 부분을
가리킨다.
도 1을 참조하면, 1대 이상의 연료 전지-구동식 차량(12)이 정기적인 보관, 유지보수, 및/또는 필요한 리소스[0014]
(resource)의 보충을 위해 일시적으로 위치될 수 있는, 다양하게 터미널, 셰드(shed), 차고 등으로도 지칭되는
스테이션(station)(10)의 일부분이 도시된다. 차량(12)은 특징적으로 연료 전지 동력 시스템(fuel cell power
system, FCPS)(14), 수소의 제한된 온-보드 공급 장치(on-board supply)(16), 전기 모터 구동 장치(18), 및 다
양한 차량 보조 부하(load)(19)를 포함한다. 차량(12)이 자동차, 트럭 및 버스를 이에 제한됨이 없이 포함하는
다양한 유형의 연료 전지-구동식 차량 중 임의의 것일 수 있지만, 본 개시는 특히 야간, 주말 또는 그보다 오래
보관 또는 수용을 위해 정기적으로 스테이션(10)으로 이동하는 그리고 터미널(10)에서 하나 이상의 "외부
(external)" 리소스(20)의 보충을 얻을 수 있는 버스와 같은 차량에 관한 것이다. 그들 리소스(20)는 적어도
전력(20A)을 포함하고, 선택적으로 또한 수소(20B), 냉각제 및 냉각제 처리(20C), 및/또는 다른 리소스를 포함
할 수 있다. 그러한 리소스(20)는 각각의 차량(12)에 수용되는 바와 같은 그것들의 제한된 양에 비해 공칭적으
로 무제한인 양으로 스테이션(10)에서 편리하게 입수가능하거나 입수가능할 수 있다. 도 1의 예시적인 목적을
위해, 리소스(20) 각각 모두가 실제로 전달되는 재료, 실체, 특성, 및 기능에 대해 다양한 독립적인 도관일 전
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체 도관(gross conduit)(22)을 통해 각각의 차량(12)에 연결되는 것으로 도시된다. 별도로 도시되지 않지만,
전력의 전달을 위해, 적절한 전기 케이블/커넥터/접촉기 등이 있을 것이 이해될 것이다. 동일한 사항이 수소
및/또는 냉각제 및 냉각제 처리의 선택적인 제공에도 해당될 것이다. 또한 중요하게는, 전체 도관(22)은 리소
스(20)에 관한 차량(12)과 스테이션(10) 사이에서의 신호 정보의 전달을 포괄하는 것으로 가정된다.
도 2를 참조하면, 차량(12), 특히 연료 전지 동력 시스템(14)이 다소 더 상세히 도시된다. FCPS(14)는 중요하[0015]
게는 연료 전지 동력 장치(fuel cell power plant, FCPP)(24)를 포함한다. 그것은 또한 전기 에너지 저장 시
스템(ESS)(25)을 포함할 수 있다. FCPP(24)는 전기 에너지를 알려진 방식으로 전기화학적으로 제공할 수 있다.
ESS(25)는 재충전가능 배터리, 또는 배터리 시스템일 수 있다. FCPP(24) 및 ESS(25) 중 어느 하나 또는 둘 모
두는 차량(12)을 추진시키기 위해 차량 모터 구동 장치에 전기 에너지를 제공할 수 있다. ESS(25)는 편리하게
는 차량의 동적 제동(dynamic braking)에 의해 그리고/또는 FCPP(24)의 작동에 의해 변화하는 정도로 재충전될
수 있다. 또한, ESS(25)는 도 2에 또한 FCPP(24)에 전기 에너지를 공급하도록 연결되는 것으로 도시된다. 이
러한 능력은 FCPP(24)가 정상적으로 전기 에너지를 공급하고 있지 않을 때 그리고 재시동의 목적을 위해 셧다운
(shutdown)과 같은 시간 중에도, FCPP(24)의 부품을 포함하는 다양한 전동 장비의 제한된 지속 기간의 어느 정
도의 제한된 작동을 허용한다.
FCPP(24)를 더욱 상세히 고려하면, 그것은 일반적으로 연료 전지 스택 조립체(CSA)(26); 온-보드 소스(16)로부[0016]
터 전달되고 CSA(26)로 전달되고/전달되거나 CSA(26)로부터/CSA(26)로 재순환되는 수소 연료를 처리하기 위한
연료 처리 시스템(FPS)(28); 도면 부호 30으로 표시된 소스로부터 전달되고 CSA(26)로 전달되고/전달되거나
CSA(26)로부터/CSA(26)로 재순환되는 공기와 같은 산화제를 수용하기 위한 공기 처리 시스템(APS)(29); CSA(2
6)의 열 요건을 관리하기 위한 열 관리 시스템(TMS)(32); CSA(26)의 출력 전압을 조절 및/또는 제한하기 위한
전압 제한 장치(VLD)(34); 및 적어도 FCPP(24)의 다수의 프로세스와 기능 및 전형적으로 또한 ESS(25), 차량 보
조 부하(19), 및 스테이션 리소스와 차량(12), 특히 FCPP(24) 사이의 인터페이스의 그것들을 조절하기 위한 컨
트롤러(36)로 구성된다.
이제 FCPP(24)의 관련 구성요소를 더욱 상세히 도시하는 도 3을 참조한다. 연료 전지 스택 조립체(26)는 각각[0017]
이 그 사이에 전해질(42)을 가진 캐소드(cathode)(38)와 애노드(anode)(40)를 구비하는, 여기서 집합적으로 단
일 전지로 도시되는 다수의 연료 전지로 구성된다. 예시된 실시예에서, 전해질은 양성자 교환 막(proton
exchange membrane, PEM)이다. 예시적인 실시예에서, 반응 가스 유동 장(잘 알려져 있으며 도시되지 않음)이
양극 판(bipolar plate) 내에 배치되며, 이러한 양극 판 중 적어도 하나가 반응 가스 유동 장 채널을 갖춘 측에
대향하는 판의 측에 냉각제 통로(44)를 구비한다. 이들 양극 판은 중실형(solid) 또는 미소공성(micro-porous)
친수성 물 수송 판일 수 있으며, 이들 둘 모두는 잘 알려져 있다. 보다 차가운 판이 양극 판들 사이에 배치되
거나 간격을 두고 있을 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
연료가 수소의 온-보드 소스(16)로부터 압력 제어 밸브(46)와 연료 유동 제어 밸브(48)를 통해 애노드의 입구[0018]
(50)에 제공된다. 유동 장의 출구(52)는 수소-공핍 배기가스(hydrogen-depleted exhaust)를 혼합 박스(73)에
작동가능하게 연결되는 원격 제어가능 애노드 배기 밸브(56)로 이어지는 도관(54)을 통해 전달한다. 애노드 배
기 밸브(56)는 오염물질 및 질소와 같은 불활성 성분을 제거하기 위해 그리고/또는 가능한 재순환을 위한 배기
공기와의 혼합을 위해 필요한 바와 같이, 지속적으로 약간 개방되거나 펄스-폭 변조에 기초하여 주기적으로 작
동될 수 있다. 또한 도관(54)에 연결되는 도관(57)이 애노드 배기가스를, 방출기일 수 있는 애노드 재순환 펌
프(58)에 연결하며, 도관(59) 내의 이러한 애노드 재순환 펌프(58)의 출력부는 애노드 연료 재순환을 위해 애노
드의 입구(50)와 연결된다. 애노드 재순환 펌프는 또한 알려진 방식으로 연료 전지를 통해 직류를 흐르게 하는
것에 의존하는 그리고 출구 수소의 재순환 및 정화 둘 모두를 제공하는 전기화학적 수소 펌프일 수 있다.
공기가 도관(60) 내에서 공기 입구 밸브(62)를 통해 공기 블로워(64)에 제공되며, 이러한 공기 블로워(64)는 공[0019]
기를 공기 제어 밸브(65)를 통해 캐소드(38)의 입구(66)에 제공한다. 캐소드 출구(67)는 도관(68)과 배기 밸브
(69)를 통해 배기관에 연결되고, 대기로 방출하기 전에 가연성을 감소시키기 위해 그리고 캐소드(38)로의 가능
한 재순환을 위해 배기된 처리 공기가 배기된 연료와 혼합되는 혼합 박스(73)를 포함한다. 배기 밸브(69)는 캐
소드 재순환 유동을 용이하게 하기 위한 부분 폐쇄 및 완전 폐쇄 상태를 비롯하여 캐소드(38)뿐만 아니라 또한
애노드(40)의 배기 유동을 가변적으로 제어하기 위해 원격으로 작동가능하다.
셧다운시 애노드와 캐소드의 수소 안정화를 수행하기 위해, 이 실시예에서 원격 작동가능 피드백 밸브(71)와 도[0020]
관(72)을 통해 공기 블로워(64)의 입구에 연결되는 도관(70)에 의해 캐소드 재순환이 제공된다. 또한, 애노드
(40)의 유동 경로와 캐소드(38)의 유동 경로 사이에서 연통하는 수소 전달 수단이 셧다운 중에 그들 유동 장 사
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이에서의 수소 연료의 전달을 선택적으로 허용한다. 이 실시예에서, 수소 전달 수단은 캐소드(38)로부터 배기
된 다음에 도관(70, 72)을 통해 재순환되는 공기와 혼합하기 위해 도관(54)과 애노드 배기 밸브(56)를 통해 혼
합 박스(73)에 연결되는 애노드(40)로부터의 수소-함유 배기가스를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 다
른 수소 전달 수단이 애노드 입구(50)와 예를 들어 캐소드 입구(66)로 이어지는 공기 블로워(64)의 입구에 있는
것과 같은 캐소드 재순환 경로 내의 보다 낮은 압력 지점 사이에 유체 연통하여 고정되는, 여기서 파선 형태로
도시되는 수소 전달 밸브(74)를 포함할 수 있다. 그러한 수소 전달을 위한 다른 대안적인 수단이 알려진 방식
으로, 또는 간단히 PEM 전해질(42)을 가로지르는 수소의 비교적 느린 확산에 의존함으로써 연료 전지를 통해 직
류를 흐르게 하는 것에 의존하는 전기화학적 수소 펌프의 형태를 취할 수 있다.
열 관리 시스템(32)은 단지 일반화된 형태로 도시되지만, 그것이 전지 스택 조립체(26)로부터 빠져나가는 수분[0021]
또는 액체 냉각제를 응축시키거나 달리 냉각시키고 일부 부분을 냉각제 통로(44)로 선택적으로 복귀시키기 위한
여러 가지 잘 알려진 형태 중 임의의 것을 취할 수 있는 것이 이해될 것이다. 전지 스택 조립체(26)가 순환하
는 냉각제로의 현열의 전도와 대류에 의해 냉각되면, 열 관리 시스템은 전형적으로 팬-냉각식 열 교환기 및 액
체 순환 펌프와 어큐뮬레이터(accumulator)를 포함할 것이다. 전지 스택 조립체(26)가 증발 냉각을 채용하면,
캐소드 배기가스는 응축기에 의해 응축될 수 있고, 생성된 액체는 스택에서의 선택적인 사용을 위해 어큐뮬레이
터 내에 저장될 수 있다.
압력 트랜스듀서(76)가 수소 유동 경로 내의 수소의 압력을 이하에 더욱 상세히 기술될 파워-온(Power On) 루틴[0022]
또는 절차의 양상으로서 감지하고 표시하기 위해 수소 유동 경로와 작동가능하게 연결된다. 수소 압력 트랜스
듀서(76)는 편리하게는 실질적으로 애노드 입구(50)에 있거나 그 부근에 있는 수소 입구 스트림에 연결되고, 이
하에 기술되는 압력을 포괄하기에 충분한 압력 측정 범위를 갖는다.
VLD(34)로 표시된 도 2와 도 3의 부분을 간단히 참조하면, 1차 스위치(82)가 닫히고(여기서는 열린 상태로 도시[0023]
됨) CSA가 정상 작동 중일 때 도면 부호 80으로 표시된 1차 부하에의 공급을 위해 CSA(26)에 의해 생성된 전류
를 받는 외부 회로(78)가 도 3에 도시된다. 도면 부호 80으로 표시된 그러한 1차 부하는 전형적으로 적어도 차
량 모터 구동 장치(18)를 포함할 것이고, 추가로 차량 보조 부하(19)의 전부 또는 일부를 포함할 수 있지만,
FCPP 그 자체를 작동시키는 데 필요한 다양한 부하를 포함할 수 있긴 하나 보통 포함하지 않을 것이다.
VLD(34)는 또한 CSA(26)의 정상 작동 중에 그리고 보조 부하 스위치(85)가 열려 있는 동안에 전류를 받지 않는,
여기서는 가변 또는 원격 조절가능 저항으로 도시되는 보조 부하(84)를 포함한다. 보조 부하(84)는 알려진 바
와 같이 그리고 후술되는 바와 같이, 셧다운 절차 중에 CSA(26) 출력 전압을 감소시키고/감소시키거나 제한하도
록 의도된다. 전지 출력 전압이 미리 선택된 값 아래로 떨어질 때 보조 부하(84)를 통한 전류 흐름을 중단시키
기 위해 다이오드(86)가 보조 부하(84)와 직렬로 연결될 수 있다. 제어와 조절의 목적으로 전압의 표시를 제공
하기 위해 전압계(87) 또는 유사한 전압 감지 장치가 CSA(26)의 전기 출력 단자를 가로질러 연결된다. 전압 제
한 기능이 대안적으로 또는 추가적으로 예를 들어 본 발명의 소유자에게 양도된 에스. 제이. 프레딧(S. J.
Fredette)에 의한 미국 특허 제7,790,303호에 개시된 바와 같이 ESS(25)에 의해 제공될 수 있다.
별개의 연결이 도시되지 않지만, FCPP(24)의 컨트롤러(36)는 그의 제어 하에 있는 그리고 하기의 작동 설명의[0024]
일부를 형성하는 다양한 요소와 작동가능하게 연결되는 것으로 이해된다. 컨트롤러(36)는 이하에 기술되는 기
능을 수행할 수 있는 다양한 잘 알려진 형태 중 임의의 것을 취할 수 있으며, 이때 예는 범위가 일부 또는 모든
밸브와 연결부 등의 간단한 수동 작동으로부터 고정배선(hardwired) 및/또는 원격 무선 연결을 통한 프로그래밍
된 전자 디지털 프로세서 제어에 이른다. 리소스(20) 중 하나 이상과의 실제 연결을 감지하는 능력은 도시되진
않지만 알려지고 이해된 것으로 가정되며, 물리적 접촉, 전류, 수소, 및/또는 냉각제 유동의 검출 등과 관련된
센서를 포함할 수 있다.
이제 초기 셧다운 과정과 그러한 과정으로부터, 완전 셧다운 상태에 도달하기 전에, 장기간 동안 활성 수소 온[0025]
(Hydrogen On) 상태를 유지시키는 파워 온(Power On)의 분기 과정으로의 전환을 비롯하여 파워 온 모드에서의
작동 과정의 이해를 위해 추가로 도 4a, 도 4b 및 도 5에 주의를 기울이기로 한다. 이들 도면은 그러한 과정의
보다 높은 수준의 작동을 기능적으로 도시하고, 수반하는 설명은 도 1 내지 도 3의 하드웨어를 도 4a, 도 4b 및
도 5의 순서도(들)와 상관시킨다.
FCPP(24)의 정상 작동 중에, 1차 스위치(82)가 닫히고, 전기가 적어도 차량 구동 모터(18)를 포함할 수 있는 1[0026]
차 부하(80)에 제공되고 있다. 산화제 블로워(30)와 애노드 재순환 펌프(58)가 작동하고 있다. 공기 입구 밸
브(62)와 캐소드 배기 밸브(69)가 개방되며, 수소 입구 밸브(48)와 애노드 배기 밸브(56)도 마찬가지이다. 일
반적으로, 공기는 캐소드 필드를 통해 유동하고 있고 배기되고 있으며, 수소는 애노드 필드를 통해 유동하고 있
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으며, 이때 일부가 애노드 배기 밸브(56), 혼합 박스(73) 및 캐소드 배기 밸브(69)를 통해 배기되고, 일부가 애
노드 필드로 재순환된다.
FCPP(24)를 셧다운시키는 것은 전형적으로 차량(12)이 움직이지 않을 때, 그리고 본 경우에는 스테이션(10)에[0027]
위치될 수 있을 때 일어날 것이다. FCPP(24)가 완전히 셧다운하는지 대안적으로 파워 온 모드에 진입하는지는
차량(12)이 스테이션(10)에 있는 리소스(20) 중 하나 이상에 작동가능하게 연결되는지의 여부에 의해 결정된다.
도 4a의 단계(100)는 셧다운 과정의 개시를 나타내고, 스위치 또는 점화 신호 "오프(off)" 또는 다른 방법(도시[0028]
되지 않음)에 의해 달성된다. 이에 후속하여 단계(102)에서 1차 부하(80)의 제거와 전압 제한 장치(34)의 가능
화(enabling)가 이어진다. 보다 구체적으로, 단계(102)는 스위치(82)를 열고 가변 부하 장치일 수 있는 보조
부하(84)를 연결하는 스위치(85)를 닫는 것을 수반한다.
이어서, 공기 입구 밸브(62)와 캐소드 배기 밸브(69)를 폐쇄하고; 공기 블로워(64)를 어느 정도의 미리 선택된[0029]
기간, 예를 들어 3 내지 300초의 범위 내의 기간 동안 최대 속도로 작동시키며; CSA(26)의 전압 출력을 전압계
(87)를 통해 모니터링하고; 전압이 충분히, 예를 들어 약 0.1 내지 0.7 볼트의 미리 선택된 수준으로 떨어질 때
단계(106)로 진행함으로써, 단계(104)에서 캐소드 산소가 소모된다.
단계(106)에서, 공기 블로워(64)의 속도를 그의 최대 속도의 20% 내지 70%의 범위 내의 어딘가로 감소시키고;[0030]
공기 입구 밸브(62)와 캐소드 배기 밸브(69)를 폐쇄 상태로 유지시킴으로써 수소가 CSA(26) 내에 축적된다. 이
러한 단계 중에, 수소는 애노드(40)로부터 캐소드(38)로 이동하고/이동하거나 수송되어 거기에서 이는 산소와
반응하여 산소를 더욱 소모시키는 역할을 할 것이다. 수소의 직접적인 수송은 예시된 실시예에서 애노드 배기
밸브(56)가 적어도 부분적으로 개방되어 유지되는 것으로 가정하는, 혼합 박스(73)에서 캐소드 배기 공기와 혼
합되는 애노드 배기 수소의 캐소드(38)로의 재순환에 적어도 부분적으로 기인한다.
단계(106)에 대해 기술된 과정의 부속 또는 연장으로서, 다음 단계(108)는 아마도 공기 블로워의 속도를 단계[0031]
(106)에 관하여 제시된 범위 내에서 훨씬 더 낮게 감소시키고; 공기 입구 밸브(62)와 캐소드 배기 밸브(69)를
폐쇄 상태로 유지시키며; VLD(34)의 보조 부하(84)의 저항을 보다 낮은 값으로 변화/변경시켜 전류 인출을 증가
시킴으로써 캐소드 산소 농도를 훨씬 더 감소시키는 역할을 한다. 단계(106)에서와 같이, 수소는 계속 애노드
(40)로부터 캐소드(38)로 이동하고/이동하거나 수송되어 거기에서 이는 산소와 반응하여 산소를 더욱 소모시키
는 역할을 할 것이다. 이어서, 셧다운 절차의 진입 단계(108) 직후에(예컨대, 0.1초 내지 10초), 프로그램 시
퀀스가 그것이 파워 온 모드에 진입하도록 의도되는지의 여부를 질문한다. 이는 파워 온 신호 검사를 수행함으
로써 결정 단계(110)에서 행해진다.
간단히 도 5를 참조하면, 단계(112)에서 파워 온 플래그를 "1"(참) 상태 또는 "0"(거짓) 상태로 설정하기 위한,[0032]
여기서는 닫힌 상태로 도시된 상징적인 파워 온 스위치(111)의 기능적 묘사가 도시된다. 참 상태는 파워 온 모
드가 가능해지거나 가능해지도록 의도되는 것을 반영하며, 조작자에 의해 수동으로 그리고/또는 적어도 스테이
션(10)에 있는 전력(20A)에 대한 FCPP(24)의 실제 작동 연결시 자동으로 스위치(111)의 닫힘에 의해 상징적으로
획득될 수 있다. 수소(20B) 및/또는 냉각제 리소스(20C)와 같은, 외부 리소스(20) 중 다른 것들이 전력에 더하
여 사용되도록 의도되면, 그들 각각의 연결을 표시하는 적절한 신호가 또한 파워 온 가능 또는 참 상태를 확립
하기 위해 사용되거나 요구될 수 있다.
다시 순서도를 참조하면, 이제 도 4b에서, 도 5의 단계(112)에서 어떤 플래그가 설정되었는지에 따라 결정 단계[0033]
(110)의 파워 온 신호 검사가 참 또는 거짓 응답 대안을 보여주는 것에 유의하여야 할 것이다. 전형적으로 차
량(12)과 그의 FCPP(24)가 실제로 전력 리소스(20A)에 연결되지 않기 때문에, 블록(114)에서, 파워 온 모드 플
래그가 거짓을 가리키는 "0"으로 설정되었으면, 연료와 공기 공급을 중단시킴으로써 셧다운 루틴이 단계(116)에
서 계속된다. 이는 공기 블로워(64)의 셧다운과; 수소 입구 밸브(48), 공기 입구 밸브(62), 공기 재순환 밸브
(71), 및 캐소드 배기 밸브(69)를 폐쇄하거나 폐쇄 상태로 유지시킴으로써 행해진다.
이들 단계의 종료 후에, 기능 블록(118)에서 반영되는 바와 같이, 연료 전지 동력 장치(24), 특히 CSA(24)가 셧[0034]
다운되는 것으로 간주될 것이다.
그러나, 전형적으로 차량(12)과 그의 FCPP(24)가 실제로 전력 리소스(20A)에 연결되기 때문에, 블록(120)에서,[0035]
파워 온 모드 플래그가 참을 가리키는 "1"로 설정되었으면, 공기와 수소 연료의 재순환이 계속되는 기능 단계
(122)에서 반영되는 바와 같이 파워 온 모드에 진입한다. 파워 온 모드를 더욱 상세히 살펴보면, 단지 수소와
같은 다른 리소스의 가용성의 제한에 의해서만 제한되는, 많은 시간, 예컨대 16 또는 30, 또는 수일, 또는 심지
어 수주를 포함할 수 있는 장기간의, 가능하게는 무기한의 기간 동안 다양한 펌프, 블로워, 밸브 액추에이터 등
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에 대한 적절한 동력을 보장하기 위해 이제 전력이 스테이션(10)의 주 동력 버스 리소스(20A)로부터 FCPP(24)에
공급된다. 이러한 파워 온 모드에서, 공기 블로워 속도는 이전의 최대치로부터 전형적으로 그러한 최대 속도의
30% 미만으로 감소됨과 동시에, 애노드 배기 밸브(56)가 계속 부분적으로 개방되어 유지될 때 애노드 배기가스
와 혼합되는 캐소드 배기가스를 계속 재순환시킨다. 압력 센서(46)는 애노드 입구(50) 압력을 모니터링하고,
컨트롤러(36)의 작동을 통해, 압력을 어떤 최소 한계치, 예를 들어 2 kPa 위로, 그러나 크로스오버 감도
(crossover sensitivity)와 밀봉 특성을 비롯한 스택 및 전지 재료의 특성에 의해 결정되는 바와 같이 약 10
kPa 아래로 유지시키는 방식으로 수소 입구 밸브(48)를 작동시키는 역할을 한다. 유사하게, 애노드(40)로부터
다시 애노드 입구(50)로의 수소 배기가스의 재순환이 재순환 펌프 또는 방출기(58)를 통해 계속된다.
언급된 바와 같이, 파워 온 모드는 오랜 기간 동안 계속될 수 있지만, 다양한 이유로, 그것을 종료시키는 것이[0036]
바람직하거나 필요해질 수 있다. 하나의 전형적인 예는 정상 작동을 위해 FCPP(24)를 재시동시킬 필요이고, 다
른 예는 공급된 외부 리소스와의 연결 또는 가용성의 중단이다. 따라서, 파워 온 모드를 한정하고 제어하는 프
로그램 루틴은 파워 온 상태가 가능하게 유지되어야 하거나 유지되는 것을 검사하기 위해 주기적으로 파워 온
결정 블록(110)으로 복귀하기 위한 준비를 포함한다. 언제라도 파워 온 상태의 검사가 거짓, 또는 "0" 상태를
보이면, 기능 블록(122)의 프로그램 루틴은 단계(116)에 관하여 도시되고 기술된 셧다운 루틴으로 파선(125)에
의해 도시된 바와 같이 즉시 점프하여 셧다운 작동을 완료한다.
본 개시가 그의 예시적인 실시예에 관하여 기술되고 예시되었지만, 전술한 그리고 다양한 다른 변경, 생략 및[0037]
추가가 본 개시의 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있는 것이 통상의 기술자에 의해 이해되어야
한다.
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도면1
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도면2
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도면3
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도면4a
도면4b
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