KR100966910B1 - 연료 전지 시스템 및 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지(10), 연료 전지(10)에 수소 가스를 공급하는 수소 가스 배관 시스템(3), 수소 가스 배관 시스템(3)의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 가스를 공급하는 인젝터(35), 및 기결정된 구동 주기로 인젝터(35)를 구동 및 제어하는 제어 장치(4)를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이되, 인젝터(35)의 구동 특성이 학습되고, 그 학습의 결과에 근거하여 인젝터(35)의 구동 파라미터가 설정될 수 있다. 본 발명에 있어서는, 연료 전지(10)의 작동 동안의 작동 상태에 따라서 수소 가스의 공급 압력이 적절하게 변경될 수 있다. 또한, 압력기 폭넓게 변경되는 경우에도, 인젝터(35)의 노화 및 개별 차이에 기인하는 변동에 관계없이 만족스러운 압력 응답성이 확보될 수 있다

Description

연료 전지 시스템 및 차량{FUEL CELL SYSTEM AND VEHICLE}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 차량에 관한 것이다.
현재, 반응 가스(연료 가스 및 산화 가스)의 공급을 받아 전력을 발생시키는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템이 제안 및 실용화되어 왔다. 이러한 연료 전지 시스템에는 수소 탱크와 같은 연료 공급원으로부터 공급되는 연료 가스를 연료 전지에 공급하기 위한 연료 공급 유로가 제공된다.
더욱이, 연료 공급 유로 상에 제공되고 연료 전지에 공급되는 연료 가스의 압력을 조정하는 압력 조정 밸브로서, 산화 가스의 압력원으로부터 인가된 압력을 가하여 연료 전지에 공급되는 연료 가스의 압력을 조정할 수 있는 가변 압력 조정 밸브를 포함하는 연료 전지 시스템이 공지되어 있다(예를 들면, 일본 특허 출원 공개 No. 2005-150090, 2004-342386 참조).
일본 특허 출원 공개 No. 2005-150090에 개시된 가변 압력 조정 밸브에 따르면, 작동 상황에 따라 연료 가스의 공급 압력이 변경될 수 있다. 그러나, 이러한 가변 압력 조정 밸브조차도 불가피하게 노화(aging) 및 개별 차이에 의해 영향을 받고, 압력 조정 정밀도 및 압력 응답성이 때때로 저하된다.
본 발명은 이러한 상황을 고려하여 개발되어 왔고, 그 목적은 연료 전지의 작동 상태에 따라 연료 가스의 공급 압력이 적절하게 변경될 수 있어, 노화 및 개별 차이의 영향을 최소화하고 만족스러운 압력 응답성을 확보하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지; 이 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 공급 시스템; 이 연료 공급 시스템의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 가스를 공급하는 가스 상태 가변 공급 장치; 및 연료 전지의 작동 상태(연료 전지의 발전량(전력, 전류, 전압), 연료 전지의 온도, 연료 전지 시스템의 이상 상태, 연료 전지 본체의 이상 상태 등)에 따라서 가스 상태 가변 공급 장치를 구동 및 제어하기 위한 제어 수단을 포함하는 연료 전지 시스템이되, 가스 상태 가변 공급 장치의 구동 특성을 학습하여, 그 학습 결과에 근거하여 가스 상태 가변 공급 장치의 구동 파라미터를 설정하기 위한 학습 수단이 제공되는 연료 전지 시스템이다.
이러한 구성에 따르면, 노화 및 개별 차이에 기인하는 가스 상태 가변 공급 장치의 구동 특성의 변동이 학습되고, 그 학습 결과가 가스 상태 가변 공급 장치를 구동 및 제어하는 데에 반영될 수 있다. "가스 상태"란 가스의 상태(유량, 압력, 온도, 몰농도 등)를 의미하고, 특히 가스 유량 및 가스 압력 중 적어도 하나를 포함함을 유의한다.
가스 상태 가변 공급 장치는 가스 상태 가변 공급 장치의 상류측을 그 하류측에 연결하는 내부 유로, 내부 유로 내에 이동가능하게 배치되고 그 이동 위치에 따라 내부 유로의 개구면적이 변경되는 밸브 몸체, 및 전자기 구동력에 의해 밸브 몸체를 구동하는 밸브 몸체 구동부를 포함하는 전자기 구동 시스템 인젝터(injector)일 수 있다. 선택적으로, 상기 장치는 밸브 몸체가 다이어프램(dia-phragm)을 매개로 하여 예를 들어, 공기 압력 또는 모터에 의해 구동되는 다이어프램식 조절기(regulator)와 같은 가변 압력 조정 조절기일 수도 있다.
가스 상태 가변 공급 장치의 구동 특성의 예는 연료 전지의 입구측 가스 상태(가스 상태 가변 공급 장치의 2차 가스 상태)와 입구측 목표 가스 상태(가스 상태 가변 공급 장치의 2차 목표 가스 상태) 사이의 관계, 연료 전지의 입구측 가스 상태(가스 상태 가변 공급 장치의 2차 가스 상태)와 발전 전류 사이의 관계, 가스 상태 가변 공급 장치의 1차 가스 상태와 2차 가스 상태 사이의 관계, 및 가스 상태 가변 공급 장치의 1차 가스 상태와 연료 전지의 발생 전류 사이의 관계를 포함한다.
가스 상태 가변 공급 장치의 구동 파라미터의 예는, 가스 상태 가변 공급 장치가 상기의 전자기 구동 시스템 인젝터인 경우에는 분사량, 분사 시간, 듀티(duty) 비, 구동 주파수 및 구동 펄스를 포함하고, 가스 상태 가변 공급 장치가 다이어프램식 조절기인 경우에는 다이어프램을 매개로 하여 개방 또는 폐쇄 방향으로 밸브 몸체를 가압하는 인가 압력(예를 들면, 유체 압력 또는 스프링 압력)을 포함한다.
본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 학습 수단은 연료 전지의 출력에 대응하는 복수의 학습 영역마다 가스 상태 가변 공급 장치의 구동 특성을 학습할 수도 있다. 선택적으로, 학습 수단은 연료 전지에 공급되는 연료 가스의 상태에 따라 가스 상태 가변 공급 장치의 구동 특성을 학습할 수도 있다.
이러한 구성에 따르면, 연료 전지의 출력 또는 연료 전지에 실제로 공급되는 연료 가스의 상태에 따라 가스 상태 가변 공급 장치의 구동 특성의 학습이 실행되어, 학습의 정밀도가 향상한다. 또한, 상기 학습은 연료 전지의 작동 중에 수행될 수 있다. 더욱이, 가스 상태가 폭넓게 변경(조정)되는 경우에도, 노화 및 개별 차이에 기인하는 압력 조정 정밀도의 악화가 억제될 수 있다.
연료 전지의 출력의 예는 발전 전류를 포함한다. 더욱이, 연료 전지에 공급되는 연료 가스의 상태의 예는 연료 전지에 공급되는 연료 가스의 압력 및 유량, 가스 상태 가변 공급 장치의 1차 압력, 및 상기 압력 및 상기 유량 중 적어도 하나와 다른 상태와의 결합을 포함한다.
본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료 전지의 발전 전류 및 연료 전지에 공급되는 연료 가스의 압력의 변동이 일정 이하인 때에 학습 수단이 학습을 실행할 수도 있다. 더욱이, 연료 전지로부터 배출되는 연료 가스의 오프 가스(off gas)가 연료 공급 시스템으로부터 퍼지(purge)되는 동안, 학습 수단이 학습을 금지할 수도 있다.
이러한 구성에 따르면, 학습에 적합하지 않은 조건에서의 잘못된 학습이 억제되어, 학습 결과에 근거하는 구동 제어의 정밀도가 향상한다.
본 발명의 연료 전지 시스템에서는, 시스템 제조시에, 가스 상태 가변 공급 장치의 개별 차이에 근거하여 구동 파라미터가 설정될 수도 있다.
이러한 구성에 따르면, 연료 전지 시스템이 사용자에게 넘겨지기 전에 가스 상태 가변 공급 장치의 구동 파라미터가 개별 차이에 관계없이 최적화될 수 있다.
본 발명에 따르는 차량은 상기 연료 전지 시스템을 포함한다.
이러한 구성은 노화 및 개별 차이에 기인하는 변동이 반영되는 가스 상태 가변 공급 장치를 구동 및 제어할 수 있는 연료 전지 시스템을 포함하여, 만족스러운 압력 응답성이 확보될 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스 상태 가변 공급 장치의 노화 및 개별 차이에 관계없이 만족스러운 압력 응답성을 갖는 연료 전지 시스템, 및 차량이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성 다이어그램이며;
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에 있어서 인젝터 분사 시간의 연산 처리를 도시하는 플로우차트이며;
도 3은 도 2에 도시된 플로우차트의 단계 S3의 처리에 사용하기 위한 맵의 일례를 도시하며;
도 4는 도 2에 도시된 플로우차트의 단계 S5의 처리에 사용하기 위한 맵의 일례를 도시하며;
도 5는 도 2에 도시된 플로우차트의 단계 S11의 처리에 사용하기 위한 맵의 일례를 도시하며;
도 6은 도 2에 도시된 플로우차트의 단계 S11의 처리에 사용하기 위한 맵의 학습값의 연산 처리를 도시하는 플로우차트이며;
도 7은 도 6에 도시된 플로우차트의 단계 S23의 처리에 사용하기 위한 맵의 일례를 도시하며;
도 8은 도 6에 도시된 플로우차트의 단계 S25, S27의 처리에 사용하기 위한 맵의 일례를 도시하며;
도 9는 도 6에 도시된 플로우차트의 단계 S29의 처리에 사용하기 위한 맵의 일례를 도시하며;
도 10은 도 6에 도시된 플로우차트의 단계 S31 내지 S35의 처리에 사용하기 위한 맵의 일례를 도시한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)이 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 실시예에서는, 본 발명이 연료 전지 차량(차량)의 적재용 발전 시스템에 적용되는 일례가 설명될 것이다. 우선, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)의 구성이 도 1을 참조하여 설명될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)은 반응 가스(산화 가스 및 연료 가스)의 공급을 받아 전력을 발생시키는 연료 전지(10)를 포함하고, 또한 상기 시스템은 연료 전지(10)에 산화 가스로서 공기를 공급하는 산화 가스 배관 시스템(연료 공급 시스템)(2), 연료 전지(10)에 연료 가스로서 수소 가스를 공급하는 수소 가스 배관 시스템(3), 시스템 전체를 통합적으로 제어하는 제어 장치(제어 수단, 학습 수단)(4) 등을 포함한다.
연료 전지(10)는 반응 가스의 공급을 받아 전력을 발생시키는 단일 전지의 필요한 수가 적층되는 적층 구조를 가지고, 연료 전지(10)에 의해 발생된 전력은 전력 제어 유닛(PCU)(11)에 공급된다. PCU(11)는 연료 전지(10)와 트랙션 모터(12) 사이에 배치되는 인버터, DC-DC 컨버터 등을 포함한다. 더욱이, 발전 중의 전류를 검출하는 전류 센서(13)가 연료 전지(10)에 부착된다.
산화 가스 배관 시스템(2)은 가습기(20)에 의해 가습되는 산화 가스(공기)를 연료 전지(10)에 공급하는 공기 공급 유로(21), 연료 전지(10)로부터 배출되는 산화 오프-가스를 가습기(20)로 이끄는 공기 배출 유로(22), 및 가습기(20)로부터의 산화 오프-가스를 외부로 이끌기 위한 배기 유로(23)를 포함한다. 공기 공급 유로(21)에는 대기 공기로부터 산화 가스를 흡수하여 가습기(20)에 가스를 압력하에서 공급하는 압축기(24)가 제공된다.
수소 가스 배관 시스템(3)은 높은 압력(예를 들면, 70 MPa)을 가지는 수소 가스를 저장하는 연료 공급원으로서의 수소 탱크(30), 수소 탱크(30)의 수소 가스를 연료 전지(10)에 공급하기 위한 연료 공급 유로로서의 수소 공급 유로(31), 및 연료 전지(10)로부터 배출되는 수소 오프-가스를 수소 공급 유로(31)에 되돌려 보내기 위한 순환 유로(32)를 포함한다. 수소 가스 배관 시스템(3)은 본 발명의 연료 공급 시스템의 일 실시예이다.
수소 탱크(30) 대신에, 탄화 수소계의 연료로부터 수소-리치(rich) 개질 가스를 형성하는 개질기(reformer), 및 이 개질기에 의해 형성된 개질 가스를 고압 상태로 만들어 압력을 축적하는 고압 가스 탱크가 연료 공급원으로서 채택될 수도 있음을 유의한다. 선택적으로, 수소-가스 흡장 합금을 가지는 탱크가 연료 공급원으로서 채택될 수도 있다.
수소 공급 유로(31)에는 수소 탱크(30)로부터의 수소 가스의 공급을 차단 또는 허용하는 차단 밸브(33), 수소 가스의 압력을 조정하는 조절기(34), 및 인젝터(가스 상태 가변 공급 장치)(35)가 제공된다. 인젝터(35)의 상류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소 가스의 압력 및 온도를 검출하는 1차 압력 센서(41) 및 온도 센서(42)가 각각 제공된다. 또한, 수소 공급 유로(31)와 순환 유로(32)의 합류부의 상류측인 인젝터(35)의 하류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소 가스의 압력을 검출하는 2차 압력 센서(43)가 제공된다.
조절기(34)는 조절기의 상류 압력(1차 압력)을 미리 설정된 2차 압력으로 조정하는 장치이다. 본 실시예에서는, 1차 압력을 감소시키는 기계식의 감압 밸브가 조절기(34)로서 채택된다. 기계식의 감압 밸브의 구성으로서, 다이어프램(diaphragm)을 매개로 하여 형성되는 배압(back pressure) 챔버 및 압력 조정 챔버가 제공되는 하우징(housing)을 구비하고, 1차 압력이 배압 챔버의 배압에 의해서 기결정된 압력으로 감소되어 압력 조정 챔버의 2차 압력을 형성하는 공지의 구성이 채택될 수 있다.
본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 조절기(34)가 인젝터(35)의 상류측에 배치되어, 그로 인해 인젝터(35)의 상류 압력이 효과적으로 감소될 수 있다. 그러므로, 인젝터(35)의 기계적 구조(밸브 몸체, 하우징, 유로, 구동 장치 등)의 설계 자유도가 높아질 수 있다.
더욱이, 인젝터(35)의 상류 압력이 감소될 수 있어, 인젝터(35)의 상류 압력과 하류 압력과의 차이 압력의 증가에 기인하여 인젝터(35)의 밸브 몸체가 쉽게 이 동하지 못하는 것이 방지될 수 있다. 그러므로, 인젝터(35)의 하류 압력의 가변 압력 조정 범위가 넓어질 수 있고, 인젝터(35)의 응답성의 저하가 억제될 수 있다.
인젝터(35)는, 밸브 몸체가 전자기 구동력에 의해 직접적으로 기결정된 구동 주기로 구동되고 밸브 시트로부터 떨어져 배치되어, 그로 인해 가스 유량 또는 가스 압력과 같은 가스 상태가 조정될 수 있는 전자기 구동식 개방/폐쇄 밸브이다. 인젝터(35)는 수소 가스와 같은 연료 가스를 분사하는 분사 구멍을 구비한 밸브 시트를 포함하고, 또한 분사 구멍에 연료 가스를 안내 및 공급하는 노즐 몸체, 및 이 노즐 몸체에 대해 축 방향(가스 흐름 방향)으로 이동가능하게 수용 및 유지되어 분사 구멍을 개방 및 폐쇄하는 밸브 몸체를 포함한다.
본 실시예에서는, 인젝터(35)의 밸브 몸체는 전자기 구동 장치인 솔레노이드(solenoid)에 의해 구동되고, 이 솔레노이드에 공급되는 펄스형의 여자(勵磁, excitation) 전류는 온 또는 오프될 수 있어, 각 분사 구멍의 개구면적을 2 단계, 다단계, 연속적(단계 없음) 방식 또는 선형 방식으로 전환한다. 인젝터(35)의 가스 분사 시간 및 가스 분사 시기는 제어 장치(4)로부터 출력되는 제어 신호에 근거하여 제어되어, 그로 인해 수소 가스의 유량 및 압력이 정밀하게 제어된다.
인젝터(35)에서, 밸브(밸브 몸체 및 밸브 시트)가 전자기 구동력에 의해 직접적으로 구동되어 개방 또는 폐쇄하고, 밸브의 구동 주기가 높은 응답 범위로 제어될 수 있어, 인젝터는 높은 응답성을 갖는다.
인젝터(35)에서, 인젝터의 하류측에 요구되는 유량의 가스를 공급하기 위해, 인젝터(35)의 가스 유로에 제공되는 밸브 몸체의 개구면적(개구도) 및 개방시간 중 적어도 하나가 변경되어, 그로 인해 하류측(연료 전지(10) 측)에 공급되는 가스의 유량(또는 수소 몰농도)이 조정된다.
인젝터(35)의 밸브 몸체가 개방 또는 폐쇄되어 가스 유량을 조정하고, 인젝터(35)의 상류측의 가스 압력과 비교했을 때 인젝터(35)의 하류측에 공급되는 가스의 압력은 감소되어, 인젝터(35)는 압력 조정 밸브(감압 밸브, 조절기)로 해석될 수 있음을 유의한다. 더욱이, 본 실시예에서는, 인젝터는, 압력이 가스 요구에 근거하여 기결정된 압력 범위에서 요구되는 압력과 일치하도록 인젝터(35)의 상류 가스 압력의 압력 조정량(감압량)을 변화시킬 수 있는 가변 압력 조정 밸브로 해석될 수 있다.
본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수소 공급 유로(31)와 순환 유로(32)의 합류부(A1)의 상류측 상에 인젝터(35)가 배치됨을 유의한다. 더욱이, 도 1의 파선으로 도시된 바와 같이, 복수의 수소 탱크(30)가 연료 공급원으로서 채택되는 경우에는, 수소 탱크(30)로부터 공급되는 수소 가스가 합류하는 부분(수소 가스 합류부(A2))의 하류측 상에 인젝터(35)가 배치된다.
순환 유로(32)는 기체-액체 분리기(36) 및 배기 배출 밸브(37)를 매개로 하여 배출 유로(38)에 연결된다. 기체-액체 분리기(36)는 수소 오프-가스로부터 수분을 회수한다. 배기 배출 밸브(37)는 제어 장치(4)로부터의 지시를 근거로 작동하여 기체-액체 분리기(36)에 의해 회수된 수분 및 순환 유로(32) 내의 불순물을 포함하는 수소 오프 가스를 상기 시스템으로부터 배출(퍼지)한다.
더욱이, 순환 유로(32)에는 순환 유로(32) 내의 수소 오프-가스를 가압하여 수소 공급 유로(31)를 향하여 가스를 공급하는 수소 펌프(39)가 제공된다. 배출 유로(38) 내의 가스는 희석기(40)에 의해 희석되어 배기 유로(23) 내의 가스와 합류함을 유의한다.
제어 장치(4)는 차량(S)에 제공되는 가속 작동 장치(가속 장치 등)의 작동량을 검출하고, 요구 가속값(예를 들어, 트랙션 모터(12)와 같은 부하(load) 장치로부터의 요구 발전량)과 같은 제어 정보를 수신하여 시스템의 다양한 유닛의 작동을 제어한다.
부하 장치는 트랙션 모터(12) 외에, 연료 전지(10)를 작동하기 위해 필요한 보조 장치(예를 들면, 압축기(24), 수소 펌프(39), 냉각 펌프의 모터 등), 차량(S)의 주행에 관여하는 각종 장치(변속기, 휠 제어 장치. 스티어링 장치, 서스펜션(suspension) 장치 등)에서 사용하기 위한 액츄에이터(actuator), 승객 공간의 공기 조절 장치(에어컨), 조명 또는 오디오를 포함하는 일반적인 전력 소비 장치임을 유의한다.
제어 장치(4)는 컴퓨터 시스템(도시 안됨)으로 구성된다. 이러한 컴퓨터 시스템은 CPU, ROM, RAM, HDD, 입력/출력 인터페이스, 디스플레이 등으로 구성되고, CPU는 ROM에 기록된 각종 제어 프로그램을 읽고 그 프로그램을 실행하여, 그로 인해 다양한 제어 작동이 실현된다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 장치(4)는 전류 센서(13)를 사용하여 연료 전지(10)의 발전 전류(이하, FC 전류로 지칭)를 검출하고(단계 S1), 예를 들어, 도 3에 도시된 맵, 즉 단계 S1에서 검출된 FC 전류와 연료 전지(10)에 대한 요구 출력에 대응하여 설정된 연료 전지(10)의 입구 목표 압력(이하, FC 입구 목표 압력으로 지칭) 사이의 관계를 도시하는 맵을 사용하여, 단계 S1에서 검출된 FC 전류로부터 FC 입구 목표 압력을 구한다(단계 S3).
다음에, 제어 장치(4)는 예를 들어, 도 4에 도시된 맵, 즉 FC 전류와 인젝터의 기본 분사 시간으로서의 피드포워드 항(feedforward term)(이하, F/F 값으로 지칭) 사이의 관계를 도시하는 맵을 사용하여, 단계 S1에서 검출된 FC 전류로부터 인젝터의 기본 분사 시간으로서의 F/F 값을 구한다(단계 S5).
다음에, 제어 장치(4)는 단계 S3에서 구해진 FC 입구 목표 압력과 2차 압력 센서(43)에 의해 검출된 연료 전지(10)의 현재 입구 압력(이하, FC 입구 압력으로 지칭) 사이의 편차(이하, FC 입구 압력 편차로 지칭)를 구하고(단계 S7), 그리고 제어 장치는 이 FC 입구 압력 편차를 보정(감소)하기 위한 보정값으로서 인젝터 분사 시간의 피드백(feedback) 항(이하, F/B 값으로 지칭)을 구한다(단계 S9).
다음에, 제어 장치(4)는 예를 들어, 도 5에 도시된 맵, 즉 FC 전류와 학습값 사이의 관계를 도시하는 맵을 사용하여, 단계 S1에서 검출된 FC 전류로부터, 인젝터(35)의 노화 및 개별 차이에 기인하는 유량의 변동을 보정하기 위한 학습 항으로서의 인젝터 분사 시간의 학습값을 구한다(단계 S11).
도 5에 도시된 이러한 맵에서는, 각각의 일정한 FC 전류 영역(도 5에 파선으로 구분된 1 ~ 6의 영역)마다 학습값이 바뀌고, 즉, 연료 전지(10)의 출력에 대응하는 각각의 복수의 학습 영역마다 학습값이 바뀐다. 이 학습값은, 상세히 후술되는 바와 같이 연료 전지(10)의 작동 상태에 근거하여 적절하게 갱신된다.
다음에, 제어 장치(4)는 단계 S3에서 구해진 인젝터(35)의 기본 분사 시간인 F/F 값에 단계 S9에서 구해진 F/B 값 및 단계 S11에서 구해진 학습값을 가산하여, 인젝터(35)의 분사 시간(분사량)을 구한다(단계 S13).
본 실시예에서는, 인젝터(35)의 분사 구멍이 전부 개방 및 폐쇄 상태의 2 상태에서 전환하고 이 전부 개방/폐쇄 주기가 일정한 값으로 설정되어, 분사량과 분사 시간 사이에는 일정한 상관 관계가 있음을 유의한다.
그리고 나서, 제어 장치(4)는 이러한 분사 시간을 실현하기 위한 제어 신호를 인젝터(35)로 출력하여, 인젝터(35)의 분사 시간 및 분사 시기를 제어하고 연료 전지(10)에 공급되는 수소 가스의 유량 및 압력을 조정한다.
다음에, 도 2의 단계 S11에서 사용되는 학습값의 연산 플로우가 도 6의 플로우차트를 참조하여 설명될 것이다.
구체적으로, 제어 장치(4)는 전류 센서(13)를 사용하여 연료 전지(10)의 발전 전류(FC 전류)를 검출하고(단계 S21), 예를 들어, 도 7에 도시된 맵, 즉 FC 전류에 대응하는 수소 가스 유량, 인젝터(35)의 1차 압력(상류 압력) 및 각각의 기결정된 수소 가스 유량 범위마다 설정되는 학습 영역(연료 전지의 출력에 대응하는 복수의 학습 영역) 사이의 관계를 도시하는 맵을 사용하여, 수소 가스 유량으로부터 학습되는 학습 영역을 구한다(단계 S23).
본 실시예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 수소 가스 유량마다, 다시 말하면, 각각의 FC 전류마다 파선에 의해 구분되는 6개의 학습 영역이 설정됨을 유의한다.
다음에, 전류 센서(13)에 의해 검출된 FC 전류의 변화값이 기결정된 값 이하(연료 전지의 발전 전류의 변동이 일정 이하)인지 여부가 판단된다(단계 S25, 도 8). 이러한 FC 전류의 변화값이 기결정된 값을 넘는 경우(단계 S25: NO), 플로우는 단계 S25로 돌아간다. 상기 값이 기결정된 값 이하인 경우(단계 S25: YES), 현재 전류 영역에 들어간 후 기결정된 시간이 경과되었는지 여부가 판단된다(단계 S27, 도 8). 이들 단계 S25, S27에서는, 현재 전류 영역에 들어간 후의 전류 변화값 및 경과된 시간에 근거하여, 상태가 정상(steady) 상태인지 여부가 판단된다.
현재 전류 영역에 들어간 후에 기결정된 시간이 경과되지 않은 경우(단계 S27: NO), 플로우는 단계 S21로 돌아간다. 기결정된 시간이 경과된 경우(단계 S27: YES), 도 2의 단계 S7에서와 동일한 방식으로 구해진 FC 입구 압력 편차가 기결정된 값 이하(연료 전지에 공급되는 연료 가스 압력의 변동이 일정 이하)인지 여부가 판단된다(단계 S29, 도 9). 이러한 단계 S29의 처리는, 후술되는 단계 S33에서의 FC 입구 압력 편차에 근거하여 설정되는 학습값이 적절한 범위, 즉 학습에 적당한 학습 가능한 상태에 있을 수 있는지 여부를 판단한다.
상기 값이 학습 가능한 상태를 가지지 않는 경우(단계 S29: NO), 플로우는 단계 S21로 돌아간다. 상기 값이 학습 가능한 상태를 갖는 경우(단계 S29: YES), 도 2의 단계 S9에서와 동일한 방식으로 구해진 인젝터 분사 시간의 피드백 항(F/B 값)의 이전값 및 현재값이 적산된다(단계 S31).
다음에, 적산 횟수가 기결정된 횟수 이상인지 여부가 판단된다(단계 S33). 상기 횟수가 기결정된 횟수 미만인 경우(단계 S33: NO), 플로우는 단계 S21로 돌아 간다. 상기 횟수가 기결정된 횟수 이상인 경우(단계 S33: YES), 단계 S31에서 적산된 인젝터 분사 시간의 F/B 값이 적산 횟수에 의해 나누어져 평균값을 구하고, 이 F/B 값의 평균값이 단계 S23에서 구해진 학습 영역에서의 현재 학습값으로서 구해진다(단계 S35, 도 10).
제어 장치(4)는 상기 처리를 통하여 인젝터(35)의 구동 특성을 학습한다. 이 구동 특성이 학습 영역 1 ~ 6의 전부에 관하여 학습되는 경우, 도 5에 도시된 맵이 얻어지고, 도 6의 단계 S25, S27, S29 및 S33의 모든 조건이 만족되는 때에 각각의 학습 영역마다 이 맵이 갱신된다. 이 학습 결과는 인젝터(35)의 구동 파라미터(본 실시예에서의 분사 시간)의 설정에 반영된다. 즉, 본 실시예의 제어 장치(4)는 학습 수단의 일례이다.
상술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)에서는, 제어 장치(4)는 연료 전지(10)의 FC 전류에 근거하여 설정되는 FC 입구 목표 압력과 2차 압력 센서(43)에 의해 검출된 실제의 FC 입구 압력 사이의 편차, 즉, FC 입구 압력 편차를 감소시키기 위한 F/B 값을 산출할 뿐만 아니라, 인젝터(35)의 노화 및 개별 차이에 기인하여 발생되는 FC 입구 압력 편차의 변동을 FC 전류에 근거하여 학습하여, 그 학습 결과를 근거로 인젝터 분사 시간을 설정한다.
그러므로, 연료 전지(10)의 작동 동안의 작동 상태에 따라 수소 가스의 공급 압력이 적절하게 변경될 수 있다. 또한, 압력이 폭넓게 변경되는 경우에도, 인젝터(35)의 노화 및 개별 차이에 기인하는 변동에 관계없이 만족스러운 압력 응답성이 확보될 수 있다. 더욱이, 인젝터(35)는 수소 가스 유량 조정 밸브 및 가변 압력 조정 밸브로서 기능하여, 압력 응답성의 향상에 더하여 정밀한 압력 조정이 실현될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)에 있어서는, FC 전류 및 FC 입구 압력이 안정된 경우, 즉, 학습에 적당한 상태인 경우에만, FC 입구 압력 편차의 변동이 학습된다. 그러므로, 인젝터(35)의 노화 및 개별 차이 이외의 요인에 기인하는 FC 입구 압력 편차의 변동이 잘못 학습되는 것이 방지되고, 만족스러운 전이(transition) 특성 및 안정성이 확보될 수 있다.
상기 실시예에서는, 연료 전지(10)의 발전 중의 발전 동안의 전류값(FC 전류)이 검출되고 이 전류값에 근거하여 학습값이 설정되는 예가 설명되어 왔고, 그러나 FC 전류의 미분값(변화율), 발전 동안의 연료 전지(10)의 전압값 및 전력값, 연료 전지(10)의 온도, 인젝터(35)의 1차 압력, 인젝터(35)의 2차 압력, 수소 유량과 같은 다른 물리량에 근거하여 학습값이 설정될 수도 있음을 유의한다.
더욱이, 상기 실시예에서는, FC 전류 및 FC 입구 압력이 안정된 경우에만, 학습이 허용되어 잘못된 학습을 방지한다. 그러나, 제어 장치는 연료 전지(10)의 작동 상태의 구성(시동 상태, 간헐적 작동 상태, 통상 작동 상태, 퍼지 작동 상태, 연료 전지 자체의 이상 상태, 연료 전지 시스템의 이상 상태 등)을 판단하여, 예를 들면, 퍼지 작동 상태에서의 학습을 금지할 수도 있다. 이러한 경우에도, 잘못된 학습이 방지될 수 있다.
더욱이, 상기 실시예에서는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템이 연료 전지 차량(S)에 탑재되는 예가 설명되어 왔고, 그러나 본 발명에 따른 연료 전지 시스템 은 연료 전지 차량(S) 이외의 각종 차량(로봇, 선박, 항공기 등)에 탑재될 수도 있다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 건물(주택, 빌딩 등)의 발전 설비로서 사용하기 위한 고정식 발전 시스템에 적용될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 가스 상태 가변 공급 장치의 노화 및 개별 차이에 관계없이 만족스러운 압력 응답성을 가지는 연료 전지 시스템, 및 차량이 제공될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 이러한 요구가 있는 연료 전지 시스템 및 차량에 폭넓게 사용 가능하다.

Claims (8)

  1. 연료 전지 시스템에 있어서,
    연료 전지; 상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 공급 시스템; 상기 연료 공급 시스템의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 상기 가스를 공급하는 가스 상태 가변 공급 장치; 및 상기 연료 전지의 작동 상태에 따라서 상기 가스 상태 가변 공급 장치를 구동 및 제어하기 위한 제어 수단을 포함하고,
    상기 가스 상태 가변 공급 장치의 구동 특성을 학습하여, 상기 학습의 결과에 근거하여 상기 가스 상태 가변 공급 장치의 구동 파라미터를 설정하기 위한 학습 수단이 제공되되,
    상기 학습 수단은 상기 연료 전지에 공급되는 상기 연료 가스의 상태에 따라서 상기 가스 상태 가변 공급 장치의 상기 구동 특성을 학습하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 학습 수단은 상기 연료 전지의 출력에 대응하는 각각의 복수의 학습 영역마다 상기 가스 상태 가변 공급 장치의 상기 구동 특성을 학습하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지의 발전 전류 및 상기 연료 전지에 공급되는 상기 연료 가스의 압력의 변동이 일정 이하인 때에 상기 학습 수단은 상기 학습을 실행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지로부터 배출되는 상기 연료 가스의 오프 가스(off gas)가 상기 연료 공급 시스템으로부터 퍼지(purge)되는 동안, 상기 학습 수단은 상기 학습을 금지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    시스템 제조시에, 상기 가스 상태 가변 공급 장치의 개별 차이에 근거하여 상기 구동 파라미터가 설정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 상태 가변 공급 장치는 상기 가스 상태 가변 공급 장치의 상류측을 그 하류측에 연결하는 내부 유로, 상기 내부 유로 내에 이동가능하게 배치되고 그 이동 위치에 따라 상기 내부 유로의 개구면적이 변경되는 밸브 몸체, 및 전자기 구동력에 의해 상기 밸브 몸체를 구동하는 밸브 몸체 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제1항에 따른 상기 연료 전지 시스템을 포함하는 차량.
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