KR101006219B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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도요타 지도샤（주）
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Abstract

본 발명은, 연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지에 흘리기 위한 공급유로와, 공급유로의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가변 가스공급장치와, 연료장치로부터 배출되는 연료 오프 가스를 흘리기 위한 배출유로와, 배출유로 내의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기밸브와, 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 기설정된 목표 배기량을 넘는 경우에 배기밸브를 폐쇄하는 제어수단을 구비하는 연료전지시스템이다. 제어부는, 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 목표 배기량을 넘는 경우에, 가변 가스공급장치로부터의 가스 공급분의 공급정지와 동시에 배기밸브를 폐쇄한다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지시스템에 관한 것이다.
종래부터, 반응가스(연료가스 및 산화가스)의 공급을 받아 발전을 행하는 연료전지를 구비한 연료전지시스템이 제안되고, 실용화되어 있다. 이와 같은 연료전지시스템의 연료전지의 내부나 연료 오프 가스의 순환유로에는, 발전에 따라 질소나 일산화탄소 등의 불순물이 경시(經時)적으로 축적된다. 이와 같은 불순물을 외부로 배출하기 위하여, 순환유로에 접속한 배출유로에 배기밸브를 설치하고, 이 배기밸브의 개폐 제어를 행함으로써, 순환유로 내의 가스를 일정시간마다 배출하는 기술(퍼지기술)이 제안되어 있다.
또, 현재에는, 배기밸브를 통과하는 가스의 유량이 기설정(所定)된 값을 넘은 경우에 배기밸브를 폐쇄하도록 제어하는 기술(일본국 특개2004-179000호 공보)이나, 연료전지의 발전상태에 따라 배출시간을 설정함으로써, 발전상태에 대응하는 요구 배출량과 동량의 배기를 실현시키는 기술(일본국 특개2005-141977호 공보)이 제안되어 있다.
그런데, 연료전지시스템에는, 수소탱크 등의 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지에 흘리기 위한 연료공급유로가 설치되어 있다. 그리고, 현재에는, 이 연료공급유로에 기계식 가변 레귤레이터 등의 가변 가스공급장치를 설치함으로써, 연료공급원으로부터의 연료가스의 공급압력을 시스템의 운전상태에 따라 변화시키는 기술이 제안되어 있다.
또, 최근에는, 가변 가스공급장치로서 인젝터를 채용함과 동시에, 인젝터로부터의 가스공급에 의거하여 배기밸브로부터의 퍼지량(배기량)을 산출하고, 이 산출한 퍼지량이 기설정된 문턱값(목표 퍼지량)을 넘은 경우에 배기밸브를 폐쇄하는 기술(이하, 「인젝터 배기제어」라 한다)이 제안되어 있다. 종래의 인젝터 배기제어에서는, 도 9a 및 도 9b에 나타내는 바와 같이, 어느 시점에서의 인젝터로부터의 가스공급분에 대응하는 배기량 증가분을 산출하여, 이 배기량 증가분을 그때까지의 퍼지량에 가산함으로써 총 퍼지량을 산출하고, 이 총 퍼지량이 목표 퍼지량을 넘는 경우에, 배기밸브를 폐쇄하고 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 인젝터 배기제어를 채용하면, 도 9a 및 도 9c에 나타내는 바와 같이, 산출한 퍼지량이 목표 퍼지량을 넘을 때의 인젝터로부터의 가스공급분(임계가스공급분)의 공급개시시에, 배기밸브가 폐쇄된다. 이 결과, 산출한 퍼지량이 목표 퍼지량을 넘을 때의 배기량 증가분(ΔQ)이 배기되지 않고, 도 9b에 나타내는 바와 같이 실제의 배기량이 목표 배기량을 하회한다(배기오차가 생긴다)는 문제가 발생하고 있었다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 가변 가스공급장치및 배기밸브를 구비하고, 산출한 배기량이 기설정된 목표 배기량을 넘은 경우에 배기밸브를 폐쇄하는 연료전지시스템에 있어서, 배기 오차를 억제하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 제 1 연료전지시스템은, 연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지에 흘리기 위한 공급유로와, 이 공급유로의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가변 가스공급장치와, 연료전지로부터 배출되는 연료 오프 가스를 흘리기 위한 배출유로와, 이 배출유로 내의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기밸브와, 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 기설정된 목표 배기량을 넘는 경우에 배기밸브를 폐쇄하는 제어수단을 구비하는 연료전지시스템에 있어서, 제어수단은, 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 상기 목표 배기량을 넘는 경우에, 가변 가스공급장치로부터의 가스공급분의 공급정지와 동시에 배기밸브를 폐쇄하는 것이다.
이와 같은 구성을 채용하면, 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 기설정된 목표 배기량을 넘는 경우에, 상기 가스공급분의 공급정지와 동시에 배기밸브를 폐쇄할 수 있다. 바꾸어 말하면, 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 기설정된 목표 배기량을 넘는 경우에 있어서, 상기 가스공급분을 고려하여 배기밸브의 개방을 계속할 수 있다. 따라서, 가변 가스공급장치로부터의 가스공급에 기인하여 실제의 배기량이 목표 배기량을 하회하는 것(배기오차)을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 「가스상태」란, 유량, 압력, 온도, 몰 농도 등으로 나타내는 가스의 상태를 의미하며, 특히 가스유량 및 가스압력의 적어도 한쪽을 포함하는 것으로 한다.
또, 본 발명에 관한 제 2 연료전지시스템은, 연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 연료전지에 흘리기 위한 공급유로와, 이 공급유로의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가변 가스공급장치와, 연료전지로부터 배출되는 연료 오프 가스를 흘리기 위한 배출유로와, 이 배출유로 내의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기밸브와, 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 기설정된 목표배기량을 넘는 경우에 배기밸브를 폐쇄하는 제어수단을 구비하는 연료전지시스템에 있어서, 제어수단은, 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 상기 목표 배기량을 넘는 경우에, 가변 가스공급장치로부터의 가스공급분의 가스공급개시시부터, 상기 가스공급분에 대응하는 배기량 증가분의 적어도 일부를 그때까지의 배기량에 가산하여 산출한 배기량이 상기 목표 배기량에 도달하기까지의 소요시간을 산출하여, 상기 가스공급분의 가스공급개시시부터 상기 소요시간 경과 후에 배기밸브를 폐쇄하는 것이다.
이와 같은 구성을 채용하면, 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 기설정된 목표 배기량을 넘는 경우에, 가변 가스공급장치로부터의 가스공급분의 가스공급개시시부터, 상기 가스공급분에 대응하는 배기량 증가분의 적어도 일부를 그때까지의 배기량에 가산하여 산출한 배기량이 목표 배기량에 도달하기까지의 소요시간을 산출할 수 있다. 그리고, 가변 가스공급장치로부터의 가스공급개시시부터 상기 소요시간 경과 후에 배기밸브를 폐쇄할 수 있다. 따라서, 가변 가스공급장치로부터의 가스공급분의 공급정지와 동시에 배기밸브를 폐쇄하면 실제의 배기량이 목표배기량을 상회하는 경우에, 상기 가스공급분의 공급정지시보다도 선행하여 배기밸브를 폐쇄할 수 있다. 이 결과, 실제의 배기량이 목표 배기량을 상회하는 것(배기오차)을 억제하는 것이 가능해진다.
상기 각 연료전지시스템에 있어서, 가변 가스공급장치로부터의 가스공급상태의 변화분의 시간 적산에 의거하여 배기밸브로부터의 배기량을 산출하는 배기량 산출수단을 가지는 제어수단을 채용할 수 있다. 이와 같은 경우에 있어서, 가변 가스공급장치의 하류측 압력의 변화분으로부터 환산되는 압력 변화 대응 유량과, 가변 가스공급장치의 하류측 압력의 저하를 보충하기 위한 가스 보정 공급 유량의 시간 적산값을 가산함으로써, 배기밸브로부터의 배기량을 산출하는 배기량 산출수단을 채용할 수 있다.
또, 상기 연료전지시스템에 있어서, 인젝터를 가변 가스공급장치로서 채용할 수 있다.
인젝터란, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 기설정된 구동 주기로 구동하여 밸브자리로부터 격리시킴으로써 가스상태(가스유량이나 가스압력)를 조정하는 것이 가능한 전자구동식의 개폐 밸브이다. 기설정된 제어부가 인젝터의 밸브체를 구동하여 연료가스의 분사시기나 분사시간을 제어함으로써, 연료가스의 유량이나 압력을 제어하는 것이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 가변 가스공급장치 및 배기밸브를 구비하고, 산출한 배기량이 기설정된 목표 배기량을 넘는 경우에 배기밸브를 폐쇄하는 연료전지시스템에 있어서, 배기오차를 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지시스템의 구성도,
도 2는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 제어부의 제어상태를 설명하기 위한 제어블럭도,
도 3은 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 운전방법을 설명하기 위한 플로우차트,
도 4는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 운전방법에서의 퍼지량 추정공정을 설명하기 위한 플로우차트,
도 5a는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 운전방법을 설명하기 위한 타임 챠트(배기 배수밸브의 개폐 동작을 나타내는 것),
도 5b는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 운전방법을 설명하기 위한 타임 챠트(배기 배수밸브로부터의 배수량을 나타내는 것),
도 5c는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 운전방법을 설명하기 위한 타임 챠트[배기 배수밸브로부터의 배기량(퍼지량)을 나타내는 것],
도 5d는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 운전방법을 설명하기 위한 타임 챠트(퍼지에 기인한 인젝터 하류측 압력의 저하를 나타내는 것),
도 5e는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 운전방법을 설명하기 위한 타임 챠트(인젝터 하류측 압력의 저하분을 보충하기 위한 피드백 보정 유량을 나타내는 것),
도 6a는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 퍼지제어를 설명하기 위한 타임 챠트(인젝터의 개폐 동작을 나타내는 것),
도 6b는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 퍼지제어를 설명하기 위한 타임 챠 트(산출한 퍼지량 및 실제의 퍼지량을 나타내는 것),
도 6c는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 퍼지제어를 설명하기 위한 타임 챠트(배기 배수밸브의 개폐동작을 나타내는 것),
도 7은 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 변형예를 나타내는 구성도,
도 8a는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 퍼지제어의 다른 예를 설명하기 위한 타임 챠트(인젝터의 개폐 동작을 나타내는 것),
도 8b는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 퍼지제어의 다른 예를 설명하기 위한 타임 챠트(산출한 퍼지량 및 실제의 퍼지량을 나타내는 것),
도 8c는 도 1에 나타낸 연료전지시스템의 퍼지제어의 다른 예를 설명하기 위한 타임 챠트(배기 배수밸브의 개폐 동작을 나타내는 것),
도 9a는 종래의 연료전지시스템의 퍼지제어를 설명하기 위한 타임 챠트(인젝터의 개폐 동작을 나타내는 것),
도 9b는 종래의 연료전지시스템의 퍼지제어를 설명하기 위한 타임 챠트(산출한 퍼지량 및 실제의 퍼지량을 나타내는 것),
도 9c는 종래의 연료전지시스템의 퍼지제어를 설명하기 위한 타임 챠트(배기배수밸브의 개폐 동작을 나타내는 것)이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에 대하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 본 발명을 연료전지 차량의 차량 탑재 발전시스템에 적용한 예에 대하여 설명하는 것으로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 이용하여, 본 발명의 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)의 구성에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 반응가스(산화가스 및 연료가스)의 공급을 받아 전력을 발생하는 연료전지(2)와, 산화가스로서의 공기를 연료전지(2)에 공급하는 산화가스 배관계(3)와, 연료가스로서의 수소가스를 연료전지(2)에 공급하는 산화가스 배관계(4)와, 연료전지(2)에 냉매를 공급하여 연료전지(2)를 냉각하는 냉매 배관계(5)와, 시스템의 전력을 충방전하는 전력계(6)와, 시스템 전체를 통괄 제어하는 제어부(7)를 구비하고 있다.
연료전지(2)는, 예를 들면 고체 고분자 전해질형으로 구성되고, 다수의 단전지를 적층한 스택구조를 구비하고 있다. 연료전지(2)의 단전지는, 이온 교환막으로 이루어지는 전해질의 한쪽 면에 공기극을 가지고, 다른쪽 면에 연료극을 가지며, 또한 공기극 및 연료극을 양쪽에서 끼워 넣도록 한 쌍의 세퍼레이터를 가지고 있다. 한쪽의 세퍼레이터의 연료가스유로에 연료가스가 공급되고, 다른쪽 세퍼레이터의 산화가스유로에 산화가스가 공급되며, 이 가스공급에 의해 연료전지(2)는 전력을 발생한다. 연료전지(2)에는, 발전 중의 전류를 검출하는 전류센서(2a)가 설치되어 있다.
산화가스 배관계(3)는, 연료전지(2)에 공급되는 산화가스가 흐르는 공기공급유로(11)와, 연료전지(2)로부터 배출된 산화 오프 가스가 흐르는 배기유로(12)를 가지고 있다. 공기공급유로(11)에는, 필터(13)를 거쳐 산화가스를 도입하는 컴프레서(14)와, 컴프레서(14)에 의해 압송되는 산화가스를 가습하는 가습기(15)가 설 치되어 있다. 배기유로(12)를 흐르는 산화 오프 가스는, 배압 조정밸브(16)를 통하여 가습기(15)에서 수분 교환에 제공된 후, 최종적으로 배기가스로서 시스템 밖의 대기 중으로 배기된다. 컴프레서(14)는, 도시 생략한 모터의 구동에 의하여 대기 중의 산화가스를 도입한다.
산화가스 배관계(4)는, 수소공급원(21)과, 수소공급원(21)으로부터 연료전지(2)에 공급되는 수소가스가 흐르는 수소공급유로(22)와, 연료전지(2)로부터 배출된 수소 오프 가스(연료 오프 가스)를 수소공급유로(22)의 합류점(A1)으로 되돌리기 위한 순환유로(23)와, 순환유로(23) 내의 수소 오프 가스를 수소공급유로(22)에 압송하는 수소펌프(24)와, 순환유로(23)에 분기 접속된 배기 배수유로(25)를 가지고 있다.
수소공급원(21)은, 본 발명에서의 연료공급원에 상당하는 것으로, 예를 들면 고압탱크나 수소흡장합금 등으로 구성되며, 예를 들면 35 MPa 또는 70 MPa의 수소가스를 저류 가능하게 구성되어 있다. 뒤에서 설명하는 차단밸브(26)를 개방하면, 수소공급원(21)으로부터 수소공급유로(22)에 수소가스가 유출된다. 수소가스는, 뒤에서 설명하는 레귤레이터(27)나 인젝터(28)에 의해 최종적으로 예를 들면 200 kPa 정도까지 감압되어, 연료전지(2)에 공급된다. 또한, 탄화수소계의 연료로부터 수소 리치인 개질가스를 생성하는 개질기와, 이 개질기로 생성한 개질가스를 고압상태로 하여 축압하는 고압가스탱크로 수소공급원(21)을 구성하여도 된다. 또, 수소흡장합금을 가지는 탱크를 수소공급원(21)으로서 채용할 수 있다.
수소공급유로(22)에는, 수소공급원(21)으로부터의 수소가스의 공급을 차단 또는 허용하는 차단밸브(26)와, 수소가스의 압력을 조정하는 레귤레이터(27)와, 인젝터(28)가 설치되어 있다. 또, 인젝터(28)의 하류측으로서 수소공급유로(22)와 순환유로(23)와의 합류부(A1)의 상류측에는, 수소공급유로(22) 내의 수소가스의 압력을 검출하는 압력센서(29)가 설치되어 있다. 또, 인젝터(28)의 상류측에는, 수소공급유로(22) 내의 수소가스의 압력 및 온도를 검출하는 도시 생략한 압력센서 및 온도센서가 설치되어 있다. 압력센서(29) 등으로 검출된 수소가스의 가스상태(압력, 온도)에 관한 정보는, 뒤에서 설명하는 인젝터(28)의 피드백제어나 퍼지제어에 사용된다.
레귤레이터(27)는, 그 상류측 압력(1차압)을, 미리 설정한 2차압으로 조압하는 장치이다. 본 실시형태에서는, 1차압을 감압하는 기계식 감압밸브를 레귤레이터(27)로서 채용하고 있다. 기계식 감압밸브의 구성으로서는, 배압실과 조압실이 다이어프램을 사이에 두고 형성된 박스체를 가지고, 배압실 내의 배압에 의해 조압실 내에서 1차압을 기설정된 압력으로 감압하여 2차압으로 하는 공지의 구성을 채용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 인젝터(28)의 상류측에 레귤레이터(27)를 2개 배치함으로써, 인젝터(28)의 상류측 압력을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 인젝터(28)의 기계적구조(밸브체, 박스체, 유로, 구동장치 등)의 설계 자유도를 높일 수 있다. 또, 인젝터(28)의 상류측 압력을 저감시킬 수 있기 때문에, 인젝터(28)의 상류측 압력과 하류측 압력의 차압의 증대에 기인하여 인젝터(28)의 밸브체가 이동하기 어렵게 되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 인젝터(28)의 하류측 압력의 가변 조압폭을 넓힐 수 있음과 동시에, 인젝터(28)의 응답성의 저하를 억제할 수 있다. 레귤레이터(27)는, 수소공급유로(22)의 상류측의 가스상태(가스압력)를 조정하여 하류측에 공급하는 것으로, 본 발명에서의 가변 가스공급장치에 상당한다.
인젝터(28)는, 밸브체를 전자구동력으로 직접적으로 기설정된 구동주기로 구동하여 밸브자리로부터 격리시킴으로써 가스유량이나 가스압을 조정하는 것이 가능한 전자구동식의 개폐 밸브이다. 인젝터(28)는, 수소가스 등의 기체연료를 분사하는 분사구멍을 가지는 밸브자리를 구비함과 동시에, 그 기체연료를 분사구멍까지 공급안내하는 노즐 바디와, 이 노즐 바디에 대하여 축선방향(기체 흐름방향)으로 이동 가능하게 수용 유지되어 분사구멍을 개폐하는 밸브체를 구비하고 있다. 본 실시형태에서는, 인젝터(28)의 밸브체는 전자구동장치인 솔레노이드에 의해 구동되고, 이 솔레노이드에 급전되는 펄스형상 여자전류의 온/오프에 의하여, 분사구멍의 개구면적을 2단층 또는 다단층으로 변환할 수 있게 되어 있다. 제어부(7)로부터 출력되는 제어신호에 의하여 인젝터(28)의 가스 분사시간 및 가스 분사시기가 제어됨으로써, 수소가스의 유량 및 압력이 고정밀도로 제어된다. 인젝터(28)는, 밸브(밸브체 및 밸브자리)를 전자구동력으로 직접 개폐 구동하는 것으로, 그 구동주기가 고응답의 영역까지 제어 가능하기 때문에, 높은 응답성을 가진다.
인젝터(28)는, 그 하류에 요구되는 가스유량을 공급하기 위하여, 인젝터(28)의 가스유로에 설치된 밸브체의 개구면적(개방도) 및 개방시간의 적어도 한쪽을 변경함으로써, 하류측[연료전지(2)측]에 공급되는 가스유량(또는 수소 몰 농도)을 조정한다. 또한, 인젝터(28)의 밸브체의 개폐에 의하여 가스유량이 조정됨과 동시 에, 인젝터(28) 하류에 공급되는 가스압력이 인젝터(28) 상류의 가스압력보다 감압되기 때문에, 인젝터(28)를 압력조절밸브(감압밸브, 레귤레이터)로 해석할 수도 있다. 또, 본 실시형태에서는, 가스요구에 따라 기설정된 압력범위 내에서 요구압력에 일치하도록 인젝터(28)의 상류 가스압의 압력조절량(감압량)을 변화시키는 것이 가능한 가변 압력조절밸브라 해석할 수도 있다. 인젝터(28)는, 수소공급유로(22)의 상류측의 가스상태(가스유량, 수소 몰 농도, 가스압력)를 조정하여 하류측에 공급하는 것으로, 본 발명에서의 가변 가스공급장치에 상당한다.
또한, 본 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 수소공급유로(22)와 순환유로(23)의 합류부(A1)보다 상류측에 인젝터(28)를 배치하고 있다. 또, 도 1에 파선으로 나타내는 바와 같이, 연료공급원으로서 복수의 수소공급원(21)을 채용하는 경우에는, 각 수소공급원(21)으로부터 공급되는 수소가스가 합류하는 부분[수소가스 합류부(A2)]보다 하류측에 인젝터(28)를 배치하도록 한다.
순환유로(23)에는, 기액 분리기(30) 및 배기 배수밸브(31)를 거쳐, 배기 배수유로(25)가 접속되어 있다. 기액 분리기(30)는, 수소 오프 가스로부터 수분을 회수하는 것이다. 배기 배수밸브(31)는, 제어부(7)로부터의 지령에 의하여 작동함으로써, 기액 분리기(30)에서 회수한 수분과, 순환유로(23) 내의 불순물을 함유하는 수소 오프 가스(연료 오프 가스)를 외부로 배출(퍼지)하는 것이다. 배기 배수밸브(31)의 개방에 의하여, 순환유로(23) 내의 수소 오프 가스 중의 불순물의 농도가 내려가고, 순환 공급되는 수소 오프 가스 중의 수소농도가 올라간다. 배기 배수밸브(31)의 상류위치[순환유로(23) 상] 및 하류위치[배기 배수유로(25) 상]에는, 각각, 수소 오프 가스의 압력을 검출하는 상류측 압력센서(32) 및 하류측 압력센서(33)가 설치되어 있다. 이들 압력센서로 검출된 수소 오프 가스의 압력에 관한 정보는, 뒤에서 설명하는 퍼지제어에 사용된다. 순환유로(23)는 본 발명에서의 배출유로의 일 실시형태이고, 배기 배수밸브(31)는 본 발명에서의 배기밸브의 일 실시형태이다.
배기 배수밸브(31) 및 배기 배수유로(25)를 거쳐 배출되는 수소 오프 가스는, 도시 생략한 희석기에 의하여 희석되어 배기유로(12) 내의 산화 오프 가스와 합류하도록 되어 있다. 수소펌프(24)는, 도시 생략한 모터의 구동에 의하여, 순환계 내의 수소가스를 연료전지(2)에 순환 공급한다. 수소가스의 순환계는, 수소공급유로(22)의 합류점(A1)의 하류측 유로와, 연료전지(2)의 세퍼레이터에 형성되는 연료가스유로와, 순환유로(23)에 의하여 구성되게 된다.
냉매 배관계(5)는, 연료전지(2) 내의 냉각유로에 연통하는 냉매유로(41)와, 냉매유로(41)에 설치된 냉각펌프(42)와, 연료전지(2)로부터 배출되는 냉매를 냉각하는 라디에이터(43)를 가지고 있다. 냉각펌프(42)는, 도시 생략한 모터의 구동에 의하여, 냉매유로(41) 내의 냉매를 연료전지(2)에 순환 공급한다.
전력계(6)는, 고압 DC/DC 컨버터(61), 배터리(62), 트랙션 인버터(63), 트랙션 모터(64), 도시 생략한 각종 보조기계 인버터 등을 구비하고 있다. 고압 DC/DC 컨버터(61)는, 직류의 전압변환기이고, 배터리(62)로부터 입력된 직류전압을 조정하여 트랙션 인버터(63)측에 출력하는 기능과, 연료전지(2) 또는 트랙션 모터(64)로부터 입력된 직류전압을 조정하여 배터리(62)에 출력하는 기능을 가진다. 고압 DC/DC 컨버터(61)의 이들 기능에 의하여, 배터리(62)의 충방전이 실현된다. 또, 고압 DC/DC 컨버터(61)에 의하여, 연료전지(2)의 출력전압이 제어된다.
배터리(62)는, 배터리셀이 적층되어 일정한 고전압을 단자전압으로 하고, 도시 생략한 배터리 컴퓨터의 제어에 의하여 잉여전력을 충전하거나 보조적으로 전력을 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 트랙션 인버터(63)는, 직류전류를 3상 교류로 변환하여, 트랙션 모터(64)에 공급한다. 트랙션 모터(64)는, 예를 들면 3상 교류모터이고, 연료전지시스템(1)이 탑재되는 차량의 주동력원을 구성한다. 보조기계 인버터는, 각 모터의 구동을 제어하는 전동기 제어부이고, 직류전류를 3상 교류에 변환하여 각 모터에 공급한다. 보조 기계 인버터는, 예를 들면 펄스폭 변조방식의 PWM 인버터이고, 제어부(7)로부터의 제어지령에 따라 연료전지(2) 또는 배터리(62)로부터 출력되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여, 각 모터에서 발생하는 회전 토오크를 제어한다.
제어부(7)는, 차량에 설치된 가속용 조작부재(액셀레이터 등)의 조작량을 검출하고, 가속 요구값[예를 들면 트랙션 모터(64) 등의 부하장치로부터의 요구 발전량] 등의 제어정보를 받아, 시스템 내의 각종 기기의 동작을 제어한다. 또한, 부하장치란, 트랙션 모터(64) 외에, 연료전지(2)를 작동시키기 위하여 필요한 보조기계장치[예를 들면 컴프레서(14), 수소펌프(24), 냉각펌프(42)의 각 모터 등], 차량의 주행에 관여하는 각종 장치(변속기, 차륜제어부, 조타장치, 현가장치 등)에서 사용되는 엑츄에이터, 탑승자 공간의 공기조절장치(에어컨디셔너), 조명, 오디오 등을 포함하는 전력소비장치를 총칭한 것이다.
제어부(7)는, 도시 생략한 컴퓨터시스템에 의해 구성되어 있다. 이와 같은 컴퓨터시스템은, CPU, ROM, RAM, HDD, 입출력 인터페이스 및 디스플레이 등을 구비하는 것으로, ROM에 기록된 각종 제어 프로그램을 CPU가 판독하여 원하는 연산을 실행함으로써, 뒤에서 설명하는 퍼지제어 등 여러가지 처리나 제어를 행한다.
구체적으로는, 제어부(7)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 전류센서(2a)로 검출한 연료전지(2)의 발전 전류값에 의거하여, 연료전지(2)에서 소비되는 수소가스의 유량(이하「수소 소비량」이라 한다)을 산출한다(연료소비량 산출기능 : B1). 본 실시형태에서는, 발전 전류값과 수소 소비량과의 관계를 나타내는 특정한 연산식을 사용하여, 제어부(7)의 연산주기마다 수소 소비량을 산출하여 갱신하는 것으로 하고 있다.
또, 제어부(7)는, 연료전지(2)의 발전 전류값에 의거하여, 연료전지(2)에 공급되는 수소가스의 인젝터(28)의 하류위치에서의 목표 압력값을 산출함(목표압력값 산출기능 : B2)과 동시에, 목표 퍼지량[배기 배수밸브(31)로부터의 수소 오프 가스의 목표 배출량]을 산출한다(목표 퍼지량 산출기능 : B3). 본 실시형태에서는, 발전 전류값과 목표 압력값 및 목표 퍼지량과의 관계를 나타내는 특정한 맵을 이용하여, 제어부(7)의 연산주기마다 목표 압력값 및 목표 퍼지량을 산출하고 있다.
또, 제어부(7)는, 산출한 목표 압력값과, 압력센서(29)로 검출한 인젝터(28)의 하류위치의 압력값(검출 압력값)의 편차를 산출한다(압력차 산출기능 : B4). 그리고, 제어부(7)는, 산출한 편차를 저감시키기 위하여 수소 소비량에 가산되는 수소가스유량(피드백 보정유량)을 산출한다(보정유량 산출기능 : B5). 또, 제어 부(7)는, 수소 소비량과 피드백 보정유량을 가산하여 인젝터(28)의 분사유량을 산출한다(분사유량 산출기능: B6). 그리고, 제어부(7)는, 산출한 분사유량이나 구동주기에 의거하여 인젝터(28)의 분사시간을 산출하고, 이 분사시간을 실현시키기 위한 제어신호를 출력함으로써, 인젝터(28)의 가스 분사시간 및 가스 분사시기를 제어하여, 연료전지(2)에 공급되는 수소가스의 유량 및 압력을 조정한다. 또한, 산출한 인젝터(28)의 분사유량에 관한 정보는, 뒤에서 설명하는 퍼지제어에 사용된다.
또, 제어부(7)는, 상기한 인젝터(28)의 피드백제어[인젝터(28)의 하류위치의 검출 압력값을 기설정된 목표 압력값에 따르게 하는 인젝터(28)의 가스 분사시간 및 가스 분사시기의 제어]를 행함과 동시에, 배기 배수밸브(31)의 개폐 제어를 행함으로써, 순환유로(23) 내의 수분 및 수소 오프 가스를 배기 배수밸브(31)로부터 외부로 배출한다.
이때, 제어부(7)는, 인젝터(28)로부터의 가스공급상태의 변화에 의거하여 배기 배수밸브(31)로부터의 수소 오프 가스의 총 배출량(퍼지량)을 산출하고(퍼지량 산출기능 : B7), 산출한 퍼지량이 기설정된 목표 퍼지량 이상인지의 여부를 판정한다(퍼지량 편차 판정기능 : B8). 그리고, 제어부(7)는, 산출한 퍼지량(Q)이 목표 퍼지량(Q0) 미만인 경우에는 배기 배수밸브(31)를 개방하고, 산출한 퍼지량(Q)이 목표 퍼지량(Q0) 이상인 경우에는 배기 배수밸브(31)를 폐쇄한다(퍼지제어기능 : B9). 퍼지제어 시에, 제어부(7)는, 어느 시점에서의 인젝터(28)로부터의 가스공급분의 공급개시시에 산출한 퍼지량(Q)이 목표 퍼지량(Q0) 이상인 경우에, 상기 가스공급분의 공급이 정지될 때까지 배기 배수밸브(31)의 개방을 계속하고, 상기 가스공급분의 공급정지와 동시에, 배기 배수밸브(31)를 폐쇄한다. 즉, 제어부(7)는, 본 발명에서의 제어수단으로서 기능한다.
여기서, 제어부(7)의 퍼지량 산출기능(B7)의 상세에 대하여 설명한다. 인젝터(28)의 피드백제어에 의하여, 인젝터(28)의 하류위치에서의 압력센서(29)의 검출압력값이 목표 압력값에 따르고 있는 상태에서, 배기 배수밸브(31)의 개방에 의해 순환유로(23)로부터 수소 오프 가스가 배출되면, 검출 압력값이 일시적으로 저하한다. 제어부(7)는, 이와 같은 수소 오프 가스의 배출(퍼지)에 기인하는 압력 저하분을 산출하고, 이 산출한 압력 저하분에 의거하여, 압력 저하분에 대응하는 수소 오프 가스의 배출량(압력변화 대응 유량)을 산출한다(압력변화 대응 유량 산출기능 : B7a). 본 실시형태에서는, 퍼지에 기인하는 압력 저하분과, 이 압력 저하분에 대응하는 수소가스의 배출량과의 관계를 나타내는 특정한 연산식을 이용하여, 압력 변화 대응 유량(Q1)을 산출하고 있다. 또, 제어부(7)는, 수소 오프 가스의 배출(퍼지)에 기인하는 압력 저하분을 보충하기 위한 피드백 보정유량(가스보정 공급유량)을 산출하고(보정유량 산출기능 : B5), 이 피드백 보정유량의 퍼지개시시점부터의 시간 적산값(Q2)을 산출한다(보정유량 적산기능 : B7b). 그리고, 제어부(7)는, 압력변화 대응 유량(Q1)과, 피드백 보정유량의 퍼지개시시점부터의 시간 적산값(Q2)을 가산함으로써, 배기 배수밸브(31)로부터의 수소 오프 가스의 총 배출량[퍼지량(Q)] 을 산출한다(퍼지량 산출기능 : B7). 즉, 제어부(7)는, 본 발명에서의 배기량 산출수단으로서 기능한다.
계속해서, 도 3 및 도 4의 플로우차트와, 도 5a 내지 도 6c의 타임챠트를 이용하여, 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)의 운전방법에 대하여 설명한다.
연료전지시스템(1)의 통상운전시에서는, 수소공급원(21)으로부터 수소가스가 수소공급유로(22)를 거쳐 연료전지(2)의 연료극에 공급됨과 동시에, 가습 조정된 공기가 공기공급유로(11)를 거쳐 연료전지(2)의 산화극에 공급됨으로써, 발전이 행하여진다. 이때, 연료전지(2)로부터 인출되어야 하는 전력(요구전력)이 제어부(7)에서 연산되고, 그 발전량에 따른 양의 수소가스 및 공기가 연료전지(2) 내에 공급되도록 되어 있다. 본 실시형태에서는, 이와 같은 통상운전시에, 인젝터(28)의 피드백제어를 실시함과 동시에, 배기 배수밸브(31)의 퍼지제어[순환유로(23)의 내부에 체류하는 수분이나 수소 오프 가스를 외부로 배출하기 위한 배기 배수밸브(31)의 개폐 제어]를 실시한다.
먼저, 도 3의 플로우차트에 나타내는 바와 같이, 연료전지시스템(1)의 제어부(7)는, 전류센서(2a)를 사용하여 연료전지(2)의 발전시에 있어서의 전류값을 산출한다(전류검출공정 : S1). 이어서, 제어부(7)는, 검출한 전류값에 의거하여, 연료전지(2)에서의 수소 소비량을 산출함(수소 소비량 산출공정 : S2)과 동시에, 연료전지(2)에 공급되는 수소가스의 인젝터(28)의 하류위치에서의 목표압력값 및 목표 퍼지량을 산출한다(목표값 산출공정 : S3).
이어서, 제어부(7)는, 압력센서(29)를 사용하여, 인젝터(28)의 하류측의 압 력값을 검출한다(압력값 검출공정 : S4). 이어서, 제어부(7)는, 목표값 산출공정 (S3)에서 산출한 목표 압력값과, 압력값 검출공정(S4)에서 검출한 압력값(검출 압력값)과의 편차를 저감시키기 위하여 수소 소비량에 가산되는 수소가스유량(피드백 보정유량)을 산출한다(보정유량 산출공정 : S5). 이어서, 제어부(7)는, 수소 소비량과 피드백 보정유량을 가산하여 인젝터(28)의 분사유량을 산출하고, 이 분사유량이나 구동주기에 의거하여 인젝터(28)의 분사시간을 산출한다. 그리고, 제어부(7)는, 이 분사시간을 실현시키기 위한 제어신호를 출력함으로써, 인젝터(28)의 가스분사시간 및 가스 분사시기를 제어하여, 연료전지(2)에 공급되는 수소가스의 유량 및 압력을 조정한다(피드백제어공정 : S6).
제어부(7)는, 상기한 피드백제어공정(S6)를 실현시키면서, 퍼지 개시 요구의 유무를 판정한다(퍼지 요구 판정공정 : S7). 본 실시형태에서는, 기액 분리기(30)의 액 저류부에 고인 수분량이 기설정된 문턱값을 넘는 경우에, 도시 생략한 액량센서가 제어부(7)에 대하여 퍼지 개시 요구신호를 출력하도록 되어 있다. 제어부(7)는, 퍼지요구 판정공정(S7)에서 퍼지 개시요구 "무"라고 판정한 경우에는, 배기 배수밸브(31)의 폐쇄상태를 유지한다(퍼지밸브 폐쇄공정 : S11). 한편, 제어부(7)는, 퍼지요구 판정공정(S7)에서 퍼지 개시요구 신호를 받아 퍼지 개시요구 "유"라고 판정하고, 또한 인젝터(28)로부터의 가스분사가 이미 개시되어 있는 경우에는, 배기 배수밸브(31)를 개방한다(퍼지밸브 개방공정 : S8). 도 5a 내지 도 5c에 나타내는 바와 같이, 퍼지밸브 개방공정(S8)에서 배기 배수밸브(31)가 개방됨으로써, 기액 분리기(30)에 고인 수분이 배기 배수유로(25)에 배출되고, 수분의 배출 이 종료함과 거의 동시에 순환유로(23) 내의 수소 오프 가스가 배기 배수유로(25)에 배출되게 된다.
또, 제어부(7)는, 배기 배수밸브(31)의 개방과 동시에, 배기 배수밸브(31)로부터의 수소 오프 가스의 총 배출량[퍼지량(Q)]을 추정한다(퍼지량 추정공정 : S9). 여기서, 도 4의 플로우차트 및 도 5d 등의 타임 챠트를 이용하여, 퍼지량 추정공정(S9)에 대하여 설명한다.
먼저, 제어부(7)는, 배기 배수밸브(31)의 개방에 의하여 수소 오프 가스가 배출되는 것에 기인하는 인젝터(28)의 하류측의 압력 저하분(ΔP)(수소 기준압으로부터 수소 현재압을 감하여 얻은 값 : 도 5d 참조)에 의거하여, 압력 저하분(ΔP)에 대응하는 유량으로서의 압력변화 대응 유량(Q1)을 산출한다(압력변화 대응 유량산출공정 : S20). 이어서, 제어부(7)는 배기 배수밸브(31)의 개방에 의해 수소 오프 가스가 배출된 것에 기인하는 인젝터(28)의 하류측의 압력 저하분을 보충하기 위한 피드백 보정유량을 산출하고, 이 피드백 보정유량의 퍼지 개시시점부터의 시간 적산값(Q2)(도 5e 참조)을 산출한다(보정유량 적산공정 : S21). 계속해서, 제어부(7)는, 압력변화 대응 유량(Q1)과, 퍼지 개시시점부터의 피드백 보정유량의 시간적산값(Q2)을 가산함으로써, 배기 배수밸브(31)로부터의 수소 오프 가스의 총 배출량[퍼지량(Q)]을 산출한다(퍼지량 산출공정 : S22).
퍼지량 추정공정(S9)을 거친 후, 제어부(7)는, 추정한 수소 오프 가스의 총 배출량[퍼지량(Q)]이, 목표값 산출공정(S3)에서 산출된 목표 퍼지량(Q0) 이상인지를 판정한다(퍼지량 판정공정 : S10). 그리고, 제어부(7)는, 추정한 퍼지량(Q)이 목표 퍼지량(Q0) 미만인 경우에는, 계속해서 퍼지량 추정공정(S9) 및 퍼지량 판정공정 (S10)을 속행하는 한편, 추정한 퍼지량(Q)이 목표 퍼지량(Q0) 이상인 경우에는, 배기 배수밸브(31)를 폐쇄한다(퍼지밸브 폐쇄공정 : S10). 퍼지밸브 폐쇄공정(S11)에서, 제어부(7)는, 도 6a 및 도 6c에 나타내는 바와 같이, 어느 시점에서의 인젝터(28)로부터의 가스공급분의 공급개시시에 산출한 퍼지량(Q)이 목표 퍼지량(Q0) 이상인 경우에, 상기 가스공급분의 공급이 정지되기까지 배기 배수밸브(31)의 개방을 계속하고, 상기 가스공급분의 공급정지와 동시에 배기 배수밸브(31)을 폐쇄한다. 제어부(7)가 이와 같이 배기 배수밸브(31)를 제어함으로써, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 실제의 퍼지량이 목표 퍼지량(Q0)을 넘을 때의 인젝터(28)로부터의 가스공급분(임계가스공급분)에 대응하는 배기량 증가분(ΔQ)을 배기할 수 있다.
이상 설명한 실시형태에 관한 연료전지시스템(1)에서는, 배기 배수밸브(31)의 개방 중에 산출한 퍼지량이 기설정된 목표 퍼지량을 넘는 경우에, 인젝터(28)로부터의 임계가스 공급분의 공급정지와 동시에 배기 배수밸브(31)를 폐쇄할 수 있다. 바꾸어 말하면, 배기 배수밸브(31)의 개방 중에 산출한 퍼지량이 기설정된 목표 퍼지량을 넘는 경우에 있어서, 인젝터(28)로부터의 임계가스 공급분을 고려하여 배기 배수밸브(31)의 개방을 계속할 수 있다. 따라서, 인젝터(28)로부터의 가스공 급에 기인하여 실제의 퍼지량이 목표 퍼지량을 하회하는 것(배기오차)을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 이상의 실시형태에서는, 연료전지시스템(1)의 수소가스 배관계(4)에 순환유로(23)를 설치한 예를 나타내었으나, 예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같이, 연료전지(2)에 배출유로(32)를 접속하여 순환유로(23)를 폐지할 수도 있다. 이와 같은 구성(데드 엔드방식)을 채용한 경우에 있어서도, 상기 실시형태와 마찬가지로, 인젝터(28)로부터의 임계가스 공급분의 공급정지와 동시에 배기 배수밸브(31)를 폐쇄함으로써, 상기 실시형태와 동일한 작용효과를 얻을 수 있다.
또, 이상의 실시형태에서는, 배기 배수밸브(31)의 개방 중에 산출한 퍼지량이 기설정된 목표 퍼지량을 넘는 경우에, 인젝터(28)로부터의 임계가스 공급분의 공급정지와 동시에 배기 배수밸브(31)를 폐쇄한 예를 나타내었으나, 더욱 정밀도 좋게 배기 배수밸브(31)의 개폐 동작을 제어할 수도 있다.
예를 들면, 도 8a 내지 도 8c에 나타내는 바와 같이, 제어부(7)가, 산출한 퍼지량(Q)이 목표 퍼지량(Q0) 이상인 경우에, 인젝터(28)로부터의 임계가스 공급분의 공급개시시부터, 임계가스 공급분에 대응하는 배기량 증가분(ΔQ)의 일부를 그때까지의 퍼지량에 가산하여 산출한 퍼지량이 목표 퍼지량(Q0)에 도달하기까지의 소요 시간(Δt)을 산출하고, 임계가스 공급분의 가스공급개시시부터 이 소요 시간(Δt) 경과 후에 배기 배수밸브(31)를 폐쇄할 수 있다. Δt는, 인젝터(28)로부터의 임계가스 공급분에 대응하는 배기량 증가분(ΔQ)과 배기량 증가분(ΔQ)이 모두 퍼 지되기까지 필요한 시간으로부터 산출되는 국소적인 배기속도(단위시간당 배기량 증가분)와, 배기량 증가분(ΔQ)이 가산되기 전에 산출된 퍼지량과 목표 퍼지량(Q0)과의 차를 이용하여 산출할 수 있다.
제어부(7)가 이와 같이 배기 배수밸브(31)를 제어하면, 인젝터(28)로부터의 임계가스 공급분의 공급정지와 동시에 배기 배수밸브(31)를 폐쇄하면 실제의 퍼지량이 목표 퍼지량을 상회하는 경우에, 도 8c에 나타내는 바와 같이 임계가스 공급분의 공급정지시보다도 선행하여 배기 배수밸브(31)를 폐쇄할 수 있다. 이 결과, 실제의 퍼지량이 목표 퍼지량을 상회하는 것(배기오차)을 억제하는 것이 가능해진다.
또, 이상의 실시형태에서는, 순환유로(23)에 수소펌프(24)를 설치한 예를 나타내었으나, 수소펌프(24) 대신 이젝터를 채용하여도 된다. 또, 이상의 실시형태에서는, 배기와 배수의 양쪽을 실현시키는 배기 배수밸브(31)를 순환유로(23)에 설치한 예를 나타내었으나, 기액 분리기(30)에서 회수한 수분을 외부로 배출하는 배수밸브와, 순환유로(23) 내의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기밸브를 각각 설치하여, 제어부(7)에서 배수밸브 및 배기밸브를 각각 제어할 수도 있다.
또, 이상의 실시형태에서는, 수소공급유로(22)에 차단밸브(26) 및 레귤레이터(27)를 설치한 예를 나타내었으나, 인젝터(28)는, 가변 압력조절밸브로서의 기능을 함과 동시에, 수소가스의 공급을 차단하는 차단밸브로서의 기능도 하기 때문에, 반드시 차단밸브(26)나 레귤레이터(27)를 설치하지 않아도 된다. 따라서, 인젝 터(28)를 채용하면 차단밸브(26)나 레귤레이터(27)를 생략할 수 있기 때문에, 시스템의 소형화 및 저렴화가 가능해진다.
또, 이상의 실시형태에서는, 연료전지(2)의 발전 전류값에 의거하여 수소 소비량, 목표 압력값 및 목표 퍼지량을 설정한 예를 나타내었으나, 연료전지(2)의 운전상태를 나타내는 다른 물리량[연료전지(2)의 발전 전압값이나 발전 전력값, 연료전지(2)의 온도 등]을 검출하고, 이 검출한 물리량에 따라 수소 소비량, 목표 압력값 및 목표 퍼지량을 설정하여도 된다. 또, 연료전지(2)가 정지상태에 있는지, 기동시의 운전상태에 있는지, 간헐운전에 들어 가기 직전의 운전상태에 있는지, 간헐운전으로부터 회복한 직후의 운전상태에 있는지, 통상운전상태에 있는지 등의 운전상태를 제어부가 판정하여, 이들 운전상태에 따라 수소 소비량 등을 설정할 수 있다.
본 발명에 관한 연료전지시스템은, 이상의 실시형태에 나타내는 바와 같이, 연료전지 차량에 탑재 가능하고, 또 연료전지 차량 이외의 각종 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)에도 탑재 가능하다. 또, 본 발명에 관한 연료전지시스템을, 건물(주택, 빌딩 등)용 발전설비로서 사용되는 정치(定置)용 발전시스템에 적용하여도 된다.

Claims (8)

  1. 연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지에 흘리기 위한 공급유로와,
    상기 공급유로의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가변 가스공급장치와,
    상기 연료전지로부터 배출되는 연료 오프 가스를 흘리기 위한 배출유로와,
    상기 배출유로 내의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기밸브와,
    상기 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 기설정(所定)된 목표 배기량을 넘는 경우에 상기 배기밸브를 폐쇄하는 제어수단을 구비하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 상기 목표 배기량을 넘는 경우에, 상기 가변 가스공급장치로부터의 가스공급분의 공급정지와 동시에 상기 배기밸브를 폐쇄하는 것이고,
    상기 가스공급분은, 상기 배기밸브로부터의 가스 배출에 기인한 상기 가변 가스공급장치 하류측의 압력 저하분에 대응하는 연료가스의 공급분인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 가변 가스공급장치로부터의 가스공급상태의 변화분의 시간 적산에 의거하여 상기 배기밸브로부터의 배기량을 산출하는 배기량 산출수단을 가지는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 배기량 산출수단은, 상기 가변 가스공급장치의 하류측 압력의 변화분으로부터 환산되는 압력변화 대응 유량과, 상기 가변 가스공급장치의 하류측 압력의 저하를 보충하기 위한 가스 보정 공급 유량의 시간 적산값을 가산함으로써, 상기 배기밸브로부터의 배기량을 산출하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 가변 가스공급장치는, 인젝터인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 연료전지와, 연료공급원으로부터 공급되는 연료가스를 상기 연료전지에 흘리기 위한 공급유로와,
    상기 공급유로의 상류측의 가스상태를 조정하여 하류측에 공급하는 가변 가스공급장치와,
    상기 연료전지로부터 배출되는 연료 오프 가스를 흘리기 위한 배출유로와,
    상기 배출유로 내의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기밸브와,
    상기 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 기설정된 목표 배기량을 넘는 경우에 상기 배기밸브를 폐쇄하는 제어수단을 구비하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 배기밸브의 개방 중에 산출한 배기량이 상기 목표 배기량을 넘는 경우에, 상기 가변 가스공급장치로부터의 가스공급분의 공급개시시부터, 상기 가스공급분에 대응하는 배기량 증가분의 적어도 일부를 그때까지의 배기량에 가산하여 산출한 배기량이 목표 배기량에 도달하기까지의 소요시간을 산출하고, 상기 가스공급분의 공급개시시부터 상기 소요시간 경과 후에 상기 배기밸브를 폐쇄하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 가변 가스공급장치로부터의 가스공급상태의 변화분의 시간 적산에 의거하여 상기 배기밸브로부터의 배기량을 산출하는 배기량 산출수단을 가지는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 배기량 산출수단은, 상기 가변 가스공급장치의 하류측 압력의 변화분으로부터 환산되는 압력변화 대응 유량과, 상기 가변 가스공급장치의 하류측 압력의 저하를 보충하기 위한 가스 보정 공급 유량의 시간 적산값을 가산함으로써, 상기 배기밸브로부터의 배기량을 산출하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 가변 가스공급장치는, 인젝터인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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