KR20050075383A

KR20050075383A - 연료 전지 시스템

Info

Publication number: KR20050075383A
Application number: KR1020057008268A
Authority: KR
Inventors: 도루 후세
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2005-07-20
Also published as: DE602004022499D1; US20060134478A1; WO2004105165A2; JP2004349068A; EP1535361A2; WO2004105165A3; CN1860634A; EP1535361B1

Abstract

수소 순환 장치(4)는, 연료 전지(1)의 수소 전극(1a)의 출구로부터 방출된, 미사용 수소 가스를 수소 가스 순환 통로(3)를 통해 수소 전극(1a)의 입구로 순환시킨다. 부하 검출기(7)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 부하가 소정값을 초과하면, 퍼지 밸브 제어기(8)는, 수소 순환 경로(1a, 3, 4)내에 축적된 질소량이 소정값을 초과하였다고 판단하여, 퍼지 밸브를 개방하는 반면에, 수소 순환 장치(4)의 부하가 소정값 아래로 저하되면, 질소의 퍼지가 종료되었다고 판정하여 퍼지 밸브(6)를 닫는다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이고, 특히 수소 전극으로부터 배출되는 미사용 수소 가스를 재순환시키는 수소 순환 시스템이 구비된 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

연료 전지는 수소 가스와 같은 연료 가스와 산화제 가스를 포함하는 산소가 공급되는 전해질을 구비하여 전기 화학 반응을 일으켜서 전해질의 양면에 형성된 전극들로부터 전기 에너지를 직접 꺼낸다. 특히, 고체 고분자 전해질을 이용한 고체 고분자 연료 전지는 동작 온도가 낮고, 취급이 쉬워서, 전기 자동차용 전력원으로서 주목받고 있다. 연료 전지 동력 차량은 배출 물질로서 단지 물만 생성하는 궁극의 크린(clean) 차량으로, 고압 수소 탱크, 액체 수소 탱크 및 수소 흡수 합금과 같은 수소 저장 장치가 탑재되어 수소를 연료 전지로 공급하고, 반응을 위해 산소를 포함한 공기를 연료 전지로 공급하여 연료 전지로부터 전기 에너지를 꺼내서 바퀴를 동작시키도록 연결된 모터를 구동시킨다.

수소 가스를 가습하기 위해서 또는 전력 생성 효율을 향상시키기 위해서, 고체 고분자 연료 전지를 가지는 종래 시스템에 따르면, 수소 가스가 연료로 사용되고, 전력 생성을 위해 소비되는 수소가 수소 전극의 입구를 통해 과도하게 공급되어 수소 전극의 출구로부터 방출되는 미사용 수소 가스가 다시 수소 전극의 입구로 순환되는 수소 순환 시스템을 포함한다.

이러한 수소 순환 시스템이 구비된 연료 전지에 의하면, 공급되는 수소 가스에 불순물이 포함되고, 전해질을 통해 산화제 전극으로부터 누출된 공기에 포함된 질소 가스가 수소 순환 시스템에 축적한다. 이 경우에, 수소 순환 시스템에 축적된 질소량이 과도하게 증가하면, 연료 전지가 열화하고, 따라서 수소 순환 시스템에 축적된 질소와 같은 불순물을 시스템의 외부로 배출하기 위해서 퍼지를 수행한다.

일본국 특허 공개 번호 2002-231293(5페이지 및 도 1)은 종래 퍼지 기술을 보여준다. 이러한 기술에 따르면, 퍼지 밸브가 미리 설정된 시간 간격으로 열리도록 제어된다.

그러나, 수소 순환 시스템내에 축적된 질소량에 의하지 않고 소정의 시간 간격으로 퍼지를 수행하므로, 상기의 기술은 수소 순환 시스템에서 수소 가스가 원하지 않게 방출되어, 연료 전지의 연료 유지 효율을 악화시킨다는 문제점에 직면한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 2는 제1실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 3a는 제1실시예에서 수소 순환 경로에 축적된 질소량과 수소순환장치의 부하 사이의 관계를 설명하는 그림이다.

도 3b는 제1실시예에서 수소 순환 경로에 축적된 질소량과 그 일정 전력 출력시의 연료 전지의 전압 사이의 관계를 설명하는 그림이다.

도 4는 제1실시예서 수소 순환 장치의 부하와 그 일정 전력 출력시의 연료 전지의 전압 사이의 관계를 설명하는 그림이다.

도 5는 제1실시예에서 퍼지밸브 연속 폐쇄시간에 대한 질소 축적량의 변화를 설명하는 그림이다.

도 6은 본 발명의 제2실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 7은 제2실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 메인 플로우차트이다.

도 8은 제2실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 상세 플로우차트이다.

도 9는 제2실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 상세 플로우차트이다.

도 10은 제2실시예에서 퍼지 시작 또는 퍼지 종료를 수행할지를 판정하는데 이용하는 소정값을 설명하는 그림이다.

도 11은 본 발명의 제3실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 12는 제3실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 상세 플로우차트이다.

도 13은 제3실시예에서 이용되는 질소량 추정 테이블을 설명하는 그림이다.

도 14는 제3실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 상세 플로우차트이다.

도 15는 제3실시예에서 질소량 판정값을 설명하는 그림이다.

도 16은 본 발명의 제4실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 17은 제4실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 18은 제4실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 타이밍도이다.

도 19는 본 발명의 제5실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 20은 제5실시예에서 목표 회전 속도와 연료 전지 전력 출력량 사이의 관계를 설명하는 도면이다.

도 21은 제5실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 22는 제5실시예에서 목표 회전 속도와 목표 부하 사이의 관계를 설명하는 도면이다.

도 23은 제5실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 24는 제5실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 25는 제5실시예에서 부하 판정에 이용하는 소정값을 설명하는 도면이다.

도 26은 본 발명의 제6실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 27은 제6실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 개략적 플로우차트이다.

도 28은 제6실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 29는 제6실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 타이밍도이다.

도 30은 제6실시예에서 이용되는 학습 영역 테이블을 설명하는 그림이다.

도 31은 제6실시예의 제어에 이용하는 스택 전압 테이블을 설명하는 그림이다.

도 32는 제6실시예의 제어에 이용하는 영역별 부하 증분 학습값 테이블을 설명하는 그림이다.

도 33은 제6실시예에서 수소 순환 장치의 부하 학습 상태를 설명하는 그림이다.

도 34는 제6실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 35는 제6실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 36은 제6실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 37은 제6실시예에서 학습값을 참조하는 방법을 설명하는 그림이다.

도 38은 제6실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 39는 본 발명의 제7실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 40은 제7실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 41은 본 발명의 제8실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 42는 제8실시예에서 제어가 어떻게 수행되는지를 설명하는 플로우차트이다.

도 43은 본 발명의 제9실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 44는 제9실시예에서 수소 공급 압력과 수소 순환 경로의 내부 압력 사이의 관계를 설명하는 그림이다.

도 45는 제9실시예에서 수소 순환 장치의 내부 압력과 수소 순환 장치의 부하 사이의 관계를 설명하는 그림이다.

도 46은 본 발명의 제10실시예의 연료 전지 시스템의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 47은 제10실시예에서 주위 온도와 수증기 부분 압력 사이의 관계를 설명하는 그림이다.

도 48은 제10실시예에서 수증기 부분 압력과 수소 수환 장치의 부하 사이의 관계를 설명하는 그림이다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 전력을 생성하기 위해, 수소 가스와 산화제 가스가 각각 공급되는 수소 전극과 산화제 전극을 구비한 연료 전지 본체, 수소 전극의 입구에 수소 가스를 공급하는 수소 공급 통로, 수소 전극의 출구로부터 방출된 배출 수소 가스를 수소 전극의 입구로 순환시키는 수소 순환 통로, 배출 수소를 순환시키는 수소 순환 장치, 수소 전극의 출구와 수소 순환 통로의 적어도 하나로부터 방출된 배출 수소 가스를 외부로 배출하는 퍼지 통로; 퍼지 통로를 개폐하는 퍼지 밸브; 및 수소 순환 장치의 부하와 회전 속도의 적어도 하나에 따라 퍼지 밸브를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.

도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

〔제1실시예〕

도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 제1실시예의 연료 전지 시스템(100)이 이하에 설명될 것이다. 도 1에 도시된 것처럼, 연료 전지 시스템(100)은, 수소 전극(1a)과 산화제 전극(1b)을 가지는 연료 전지(1), 수소 전극(1a)에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 통로(2), 수소 가스가 수소 전극(1a)의 출구로부터 그 입구로 순환되는 경로를 형성하는 수소 가스 순환 통로(3), 수소 가스를 수소 전극(1a)의 출구로부터 수소 순환 통로(3)를 통해 그 입구로 순환시키는 펌프를 포함하는 수소 순환 장치(4), 수소 가스 순환 통로(3)를 외부와 연통시키는 퍼지 통로(5), 퍼지 통로(5)를 개폐하는 퍼지밸브(6), 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하는 부하 검출기(7), 및 퍼지밸브(6)를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기(8)로 구성된다.

부하 검출기(7)는, 토크(torque) 센서에 의해 검출된 토크, 및 수소 순환 장치(4)의 소비 전력과 소비 전류를 근거로 하여 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하고, 검출값을 퍼지 밸브 제어기(8)로 출력한다.

비록, 제어기(8)의 다양한 형태가 있지만, 예를 들어, 본 실시예에서는, 퍼지 밸브 제어기(8)가 CPU, 프로그램들 및 제어 정수들(Control Constants)을 저장하는 ROM, 프로세스용 RAM, 및 I/O 인터페이스를 포함하는 마이크로 프로세서로 구성된다. 또한, 부하 검출기(7)(입력 장치)와 퍼지 밸브(6)(출력 장치)가 제어기(8)에 적절히 접속된다.

실제적으로, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 퍼지 밸브 제어기(8)의 동작을 설명한다.

도 2의 단계(이하, 단계를 S라고 약칭한다.)1에서, 부하 검출기(7)로부터의 수소 순환 장치(4)의 부하가 퍼지 밸브 제어기(8)로 입력한다. 다음 S2에서, 고정된 속도로 회전하도록 제어되고 있는 수소 순환 장치(4)의 검출 부하가 소정값을 초과하는지 판정한다. 특히, 수소 순환 장치(4)를 구성하는 (펌프와 같은) 도시 되지 않은 수소 순환 수단이 고정된 속도로 회전하도록 제어된다. 수소는 질소 보다 가벼우므로, 수소량이 수소 순환 통로(3)내의 질소량 보다 크면 수소 순환 장치(4)가 고정된 속도로 회전되는 상태에서 부하가 작고, 반대로, 질소량이 수소량 보다 크면 수소 순환 장치(4)가 고정된 속도로 회전하는 상태에서 부하가 크다. 따라서, 수소 순환 장치(4)의 부하 측정은 수소 순환 통로(3)내에 존재하는 수소량과 질소량이 추정될 수 있도록 한다.

수소 순환 장치(4)의 부하가 소정값을 초과하면, 수소 순환 시스템내에 축적된 질소량이 퍼지될 필요가 있는 레벨에 도달하였다고 판정하고 S3로 진행하여, 퍼지 밸브(6)를 개방한다. S2의 판정에서, 부하가 소정값 보다 작으면 S4로 진행하여 퍼지 밸브(6)를 닫은 상태로 유지한다.

여기서, S2의 판정에 이용하는 소정값을 하기의 방법으로 얻을 수 있다.

도 3a에 도시된 것처럼, 단위 체적당 질량이 큰 질소량이 수소 전극(1a), 수소 순환 통로(3) 및 수소 순환 장치(4)(이러한 구성 부품들의 결합을 수소 순환 시스템이라 한다.)내에서 증가함에 따라, 가스를 순환시키기 위해 임의 속도로 회전하는 수소 순환 장치(4)에 필요한 작업(부하)량이 증가한다.

반대로, 도 3b에 도시된 것처럼, 수소 전극(1a)과 수소 순환 통로(3)내에 축적된 질소량이 증가함에 따라, 일반적으로, 수소전극(1a)의 전해질막으로 공급되는 수소량이 부족하여, 연료 전지의 출력 전압이 저하된다.

상기한 관계는 도 4에 도시된 바와 같이 정리되었다. 이 그림으로부터 이해되는 바와 같이, 수소 순환 장치(4)상의 부하가 임의의 값(부하 판정값)을 초과하면, 연료 전지의 출력 전압이 빠르게 저하한다. 질소 축적량이 기준으로서 최소값에 위치된 상태의 수소 순환 장치(4)상의 부하를 사용하여, 본 실시예의 동작이 허용가능하게 될 수 있는 최소 연료 전지 전압이 결정된다. 이어서, 도 4에 도시된 관계로부터, 연료 전지의 전압 레벨에 연계하여 수소 순환 장치(4)의 부하를 얻고, 수소 순환 장치(4)의 부하가 S2에서의 소정값(부하 판정 소정값)으로 설정된다.

또한, 도 5에 도시된 것처럼, 일반적으로, 퍼지 밸브(6)가 닫힌 채로 전력을 생성하기 위해 연료 전지(11)의 운전이 계속되면, 수소 전극(1a)에는 질소가 계속해서 축적된다. 이 때문에, 퍼지 밸브(6)가 닫힌 채로 연료 전지 전압과 수소 순환 장치(4)의 부하를 기록하여 도 4에 도시된 관계를 얻을 수 있다.

본 실시예에 의하면, 수소 순환 통로(3)내에 축적된 질소량에 따라 퍼지가 수행되므로, 원하지 않게 퍼지를 수행하는 회수가 감소되고, 수소 가스로 구성된 연료의 쓸데 없는 방출을 방지할 수 있어, 연료 전지의 연료 저장 효율을 개선할 수 있다.

〔제2 실시예〕

도 6을 참조로, 본 발명의 제2실시예의 연료 전지 시스템(100A)을 설명한다. 도 6에 도시된 것처럼, 연료 전지 시스템(100A)은, 수소 전극(1a)과 산화제 전극(1b)을 가지는 연료 전지(1), 수소 전극(1a)에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 통로(2), 수소 가스가 수소 전극(1a)의 출구로부터 그 입구로 순환되는 경로를 형성하는 수소 가스 순환 통로(3), 수소 가스를 수소 전극(1a)의 출구로부터 수소 순환 통로(3)를 통해 그 입구로 순환시키는 펌프를 포함하는 수소 순환 장치(4), 수소 가스 순환 통로(3)를 외부와 연통시키는 퍼지 통로(5), 퍼지 통로(5)를 개폐하는 퍼지밸브(6), 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하는 부하 검출기(7), 및 퍼지 밸브(6)를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기(8A)로 구성된다.

부하 검출기(7)는 토크 센서에 의해 검출된 토크와 수소 순환 장치(4)의 소비 전력와 소비 전류에 의하여 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하고, 검출값은 퍼지 밸브 제어기(8A)로 출력된다.

퍼지 밸브 제어기(8A)는 퍼지 밸브(6)가 열리는 시기를 제어하는 퍼지 시작 제어부(9), 퍼지 밸브(6)가 닫히는 시기를 제어하는 퍼지 종료 제어부(10), 및 퍼지 시작 제어부(9) 또는 퍼지 종료 제어부(10)의 어느 쪽이 퍼지 밸브(6)를 제어하기 위해 작동되어야 하는지를 선택하는 지령 선택기부(11)로 구성된다.

비록, 제어기(8)의 다양한 형태가 존재하지만, 예를 들어, 본 실시예에서는, 퍼지 밸브 제어기(8A)가 CPU, 프로그램들 및 제어 정수들을 저장하는 ROM, 프로세스용 RAM, 및 I/O 인터페이스를 포함하는 마이크로 프로세서로 구성된다. 또한, 부하 검출기(7)(입력 장치)와 퍼지 밸브(6)(출력 장치)가 제어기(8A)에 적절히 접속된다.

다음에, 도 7 내지 도 10을 참조로, 본 실시예의 퍼지 밸브 제어기(8A)의 동작을 설명한다.

도 7을 참조하면, S7에서 지령 선택기부(11)는 퍼지 밸브(6)가 열렸는지 판정하고, 퍼지 밸브(6)가 닫혔으면, S8로 진행하여 퍼지 시작 제어부(9s)가 작동되는 반면에, S7의 판정에서 퍼지 밸브가 열렸으면 S9로 진행하여 퍼지 종료 제어부(10)가 작동된다.

도 8에 도시된 것처럼 퍼지가 시작되는 경우에, S11에서 퍼지 시작 제어부(9)가 S7에서의 부하 검출기(7)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 부하를 퍼지 밸브 제어기(8A)로 입력한다. 다음의 S12에서, 고정 속도로 회전하도록 제어되는 수소 순환 장치(4)의 검출 부하가 후술될 소정값1을 초과하는지 판정한다. 검출 부하가 소정값1을 초과하면, 수소 순환 시스템에 축적된 질소량이 퍼지해야 할 레벨에 도달했다고 판정하고 S13으로 진행하여 퍼지 밸브(6)가 열린다.

또한, S12의 판정에서, 검출 부하가 소정값 보다 작으면, S14로 진행하여, 퍼지 밸브(16)가 닫힌 상태로 유지된다.

또, 도 9에 도시된 것처럼, 퍼지가 종료되면, 퍼지 종료 제어부(10)가 S16에서 부하 검출기(7)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 부하를 퍼지 밸브 제어기(8A)로 입력한다. 다음의 S17에서, 고정 속도로 회전하도록 제어되는 수소 순환 장치(4)의 검출 부하가 후술될 소정값2 보다 작은지 판정한다. 검출 부하가 소정값2 보다 작으면, 퍼지 종료 제어부(10)가 수소 순환 시스템의 퍼지가 종료되었다고 판정하고, S18로 진행하여, 퍼지 밸브(6)각 닫힌다. S17에서 검출 부하가 소정값2을 초과한다고 판정되면, S19로 진행되어, 퍼지 종료 제어부(10)는 퍼지 밸브(6)가 연속적으로 열린 상태를 유지하도록 동작한다.

또한, 제2실시예에서, 수소 순환 장치(4)의 부하와 소정값1 및 소정값2의 관계는 도 3a, 3b 및 도 4에 도시된 원리와 유사하다.

소정값1, 2를 설정하기 위한 기술의 예가 도 10에서 설명되었다. 소정값1은 수소 순환 장치(4)의 부하가 증가할 때 발생되는 연료 전지 전압의 저하 마진(drop margin)이 문제가 되지 않는 수소 순환 장치(4)의 부하의 상한을 나타내고, 소정값2는 질소 축적량의 최소 레벨에서의 수소 순환 장치(4)의 부하를 나타낸다.

상기의 제1실시예에 의하면, 퍼지 밸브(6)를 개폐할지 판정하기 위해 단 하나의 소정값을 수소 순환 장치(4)의 부하를 판정하기 위해 이용하였다. 그러나 수소 순환 장치(4)의 부하를 판정하는 단 하나의 판정값이 이용되면, 수소 순환 장치(4)의 부하가 판정값의 부근에 있을 때 퍼지 밸브(6)의 개폐 제어시의 헌팅 현상(Hunting Phenomenon)이 발생될 가능성이 있고 그래서 퍼지 밸브(6)의 동작 소음이 발생하고, 퍼지 밸브(6)의 열화가 발생한다.

제2실시예의 퍼지 밸브 제어기(8A)는 퍼지 밸브(6)가 열렸다고 판정하는 수소 순환 장치(4)의 부하값(소정값1)과 퍼지 밸브(6)가 닫혔다고 판정하는 수소 순환 장치(4)의 부하값(소정값2: 소정값2 < 소정값1) 사이의 차이값에 의하여 퍼지 밸브(6)를 개폐할지의 판정에 히스테리시스를 가지도록 구성된다. 이 때문에, 제2실시예는 퍼지 밸브(6)를 개폐 제어시 헌팅 현상을 회피하고 퍼지 밸브(6)의 동작 소음을 저하시키는 것이 가능하며, 동시에 퍼지 밸브(6)의 열화를 방지하여 그 수명을 연장시킬 수 있다.

〔제3 실시 형태〕

도 11을 참조로, 본 발명의 제3실시예의 연료 전지 시스템(100B)이 설명된다. 도 11에 도시된 것처럼, 연료 전지 시스템(100B)은 수소 전극(1a)과 산화제 전극(1b)을 가지는 연료 전지(1), 수소 전극(1a)에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 통로(2), 수소 가스가 수소 전극(1a)의 출구로부터 그 입구로 순환되는 경로를 형성하는 수소 가스 순환 통로(3), 수소 가스를 수소 전극(1a)의 출구로부터 수소 순환 통로(3)를 통해 그 입구로 순환시키는 펌프를 포함하는 수소 순환 장치(4), 수소 가스 순환 통로(3)를 외부와 연통시키는 퍼지 통로(5), 퍼지 통로(5)를 개폐하는 퍼지 밸브(6), 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하는 부하 검출기(7), 및 퍼지 밸브(6)를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기(8B)로 구성된다.

부하 검출기(7)는 토크 센서에 의해 검출된 토크와 수소 순환 장치(4)의 소비 전력와 소비 전류에 의하여 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하고, 검출값이 퍼지 밸브 제어기(8B)로 출력된다.

퍼지 밸브 제어기(8B)는 부하 검출기(7)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 부하에 따라 수소 순환 시스템내에 존재하는 질소량을 추정하는 질소량 추정부(12), 질소량 추정부(12)의 추정 결과에 따라 퍼지 밸브(8)의 개폐를 제어하는 퍼지 동작 연산부(13)로 구성된다.

비록, 제어기(8B)의 다양한 형태가 존재하지만, 예를 들어, 본 실시예에서는, 퍼지 밸브 제어기(8B)가 CPU, 프로그램들 및 제어 정수들을 저장하는 ROM, 프로세스용 RAM, 및 I/O 인터페이스를 포함하는 마이크로 프로세서로 구성된다. 또한, 부하 검출기(7)(입력 장치)와 퍼지 밸브(6)(출력 장치)가 제어기(8A)에 적절히 접속된다.

도 12 내지 도 15를 참조로, 본 실시예의 퍼지 밸브 제어기(8B)의 동작이 설명된다.

도 12에서, 부하 검출기(7)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 부하가 S21에서 질소량 추정부(12)로 입력되고, S22에서 수소 순환 장치(4)의 검출 부하에 상응하는 질소 축적량이 추정된다. 특히, 질소량 추정부(12)는 사전 실험으로부터의 부하가 질소 축적량에 의하여 그려진 그래프(도 13 참조)로부터 질소 축적량의 추정값을 구할 수 있다. 질소량 추정부(12)는 추정된 질소량값을 소정의 메모리 영역에 저장하여 퍼지 동작 연산부(13)가 S23에서 질소 축적량의 추정값을 참조하도록 한다.

다음에, 퍼지 동작 연산부(13)는 도 14에 도시된 플로우차트에 따라 질소량 추정부(12)로부터 구해진 추정된 질소량에 따라 퍼지 동작을 수행한다. 먼저, S26에서, 퍼지 밸브(6)가 개방 또는 폐쇄되었는지 판정한다. 퍼지 밸브(6)가 닫혔으면, 퍼지 동작이 정지 상태라고 판정하고, S27로 진행한다. 퍼지 밸브(6)가 열렸으면, S31로 진행한다.

S27에서, 질소량 추정부(12)로부터 구해진 질소량 추정값이 소정값3을 초과하는지 판정한다. 질소량 추정값이 소정값3을 초과하면, S28로 진행하여 퍼지 밸브(6)가 열린다. S27의 판정에서, 질소량 추정값이 소정값3 보다 작으면, S29로 진행하여 퍼지 밸브(6)의 닫힌 상태가 유지된다.

한편, S31에서는, 질소량 추정부(12)로부터 구해진 추정된 질소량이 소정값4 (소정값4 < 소정값3) 보다 작은지 판정하고, 추정된 질소량이 소정값4 보다 작으면, S32로 진행하여 퍼지 밸브(6)를 닫아 퍼지 동작을 끝낸다. S31의 판정에서, 추정된 질소량이 소정값4을 초과하면, S33으로 진행하여 퍼지 밸브(6)를 열린 상태로 유지하여 퍼지 동작을 계속한다.

소정값3과 소정값4의 설정예를 도 15에서 설명하였다. 질소량과 연료 전지 전압 사이의 관계를 고려하여 연료 전지 전압이 문제되지 않는 마진(margin)까지 저하시의 질소량의 상한이 소정값3으로 설정되고, 통상 이용 가능한 범위내에 존재하는 질소량의 평균값을 소정값4로 설정한다.

본 실시예에 의하면, 질소량 추정값에 근거하여 퍼지 동작이 수행되므로, 퍼지가 수행되는 시기를 설정하기 용이하다는 효과가 있다.

〔제4 실시 형태〕

도 16을 참조로, 본 발명의 제4실시예의 연료 전지 시스템(100C)이 설명된다. 도 16에 도시된 것처럼, 연료 전지 시스템(100C)은 수소 전극(1a)과 산화제 전극(1b)을 가지는 연료 전지(1), 수소 전극(1a)에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 통로(2), 수소 가스가 수소 전극(1a)의 출구로부터 그 입구로 순환되는 경로를 형성하는 수소 가스 순환 통로(3), 수소 가스를 수소 전극(1a)의 출구로부터 수소 순환 통로(3)를 통해 그 입구로 순환시키는 펌프를 포함하는 수소 순환 장치(4), 수소 가스 순환 통로(3)를 외부와 연통시키는 퍼지 통로(5), 퍼지 통로(5)를 개폐하는 퍼지 밸브(6), 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하는 부하 검출기(7), 퍼지 밸브(6)를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기(8C), 및 퍼지 밸브(6)의 하류에서의 수소 농도를 검출하는 수소 농도 검출기(14)로 구성된다.

부하 검출기(7)는 토크 센서에 의해 검출된 토크와 수소 순환 장치(4)의 소비 전력과 소비 전류에 의하여 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하고, 검출값은 퍼지 밸브 제어기(8C)로 출력된다.

퍼지 밸브 제어기(8C)는 부하 검출기(7)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 부하에 근거하여 퍼지 시작을 제어하는 퍼지 시작 제어부(9), 수소 농도 검출기(14)의 검출 결과에 근거하여 퍼지 종료를 제어하는 퍼지 종료 제어부(15), 및 지령 선택기부(11)로 구성된다. 상기 퍼지 시작 제어부(9)와 지령 선택기부(11)는 도 6에 도시된 제2실시예와 동일한 구성요소이다.

비록, 제어기(8C)의 다양한 형태가 있지만, 예를 들어, 본 실시예에서는, 퍼지 밸브 제어기(8C)가 CPU, 프로그램들 및 제어 정수들을 저장하는 ROM, 프로세스용 RAM, 및 I/O 인터페이스를 포함하는 마이크로 프로세서로 구성된다. 그리고, 부하 검출기(7)(입력 장치)와 퍼지 밸브(6)(출력 장치)가 제어기(8A)에 적절히 접속된다.

도 17 및 18을 참조로, 본 실시예의 퍼지 밸브 제어기(8C)의 동작이 설명된다.

또한, 본 실시예에서는, 퍼지 시작 제어부(9)와 지령 선택기부(11)가 제2실시예와 동일한 방법으로 동작하고, 그래서, 여기서는 이러한 구성 요소의 설명이 생략된 반면에, 제2실시예와 다른 수소 농도 검출기(14)와 퍼지 종료 제어부(15)에 대해 설명된다.

도 17을 참조하면, 수소 농도 검출기(14)에 의해 검출된 수소 농도가 S30에서 퍼지 종료 제어부(15)로 입력된다. 다음의 S31에서, S31에서 입력된 수소 농도값이 소정값5을 초과하는지를 판정한다. S31의 판정에서 수소 농도값이 소정값5을 초과하면, 수소 순환 시스템으로부터의 불순물 배출이 종료되었다고 판정하고, S32로 진행되어 퍼지 밸브(6)를 닫아 퍼지를 종료한다. 또한, S31의 판정에서, 수소 농도값이 소정값5 보다 작으면, 퍼지 종료 제어부(15)가 수소 순환 시스템으로부터의 불순물 배출을 계속하고, S33로 진행하여, 퍼지 밸브(6)가 열린 상태를 유지하여 퍼지를 계속한다.

또한, 도 18에 도시된 것처럼, 퍼지를 시작한 후 수소 농도 검출기(14)의 위치에 수소가 도달하기 전에, 수십 밀리초(millisecond)[ms]에서 수 초(second)[s]의 지연이 발생하고, 수소 농도값이 소정값5에 도달하는 시기에서 퍼지가 종료한다. 또한, 도 18의 질소 농도를 나타내는 그래프는 측정된 수소 농도로부터 추정된 질소 농도의 과도 변화를 나타낸다. 이 그래프는, 퍼지 전에 계속해서 증가하는 질소 농도가 퍼지 시작 후 점진적으로 감소하기 시작하고, 질소 농도가 소정 농도에 도달했다고 추정될 때 퍼지가 종료된다는 것을 보여준다.

또한, 사전 실험에 의해, 퍼지에 의한 수소 유출 농도와 연관된 질소 농도의 변화가 기록되고, 허용 가능한 질소 농도가 사전에 파악된다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 상기한 허용 가능한 질소 농도와 연관된 수소 농도값이 소정값5로 설정된다.

본 실시예에 의하면, 퍼지 동작에 의한 실제 수소 유출량에 따라 퍼지 밸브(6)가 닫히므로, 환경 변화에 따라 수소 유출량이 변화할 때도 수소 유출량이 최소화되면서도 확실하게 퍼지를 수행할 수 있다는 효과가 있다.

〔제5 실시예〕

상기의 제1 내지 제4실시예는 연료 전지 스택에 의해 생성되는 전력 출력(이하, 스택 전력 출력이라 함)이 일정한 예를 참조로 설명되었다. 실제로는, 스택 전력 출력과 연관된 목표 부하가 상황 변화에 따라 다르다. 이하에, 이러한 상황을 고려한 예와 함께 제5실시예가 설명된다.

도 19를 참조로, 본 발명의 제5실시예의 연료 전지 시스템(100D)이 설명된다. 도 19에 도시된 것처럼, 연료 전지 시스템(100D)은 수소 전극(1a)과 산화제 전극(1b)을 가지는 연료 전지(1), 수소 전극(1a)에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 통로(2), 수소 가스가 수소 전극(1a)의 출구로부터 그 입구로 순환되는 경로를 형성하는 수소 가스 순환 통로(3), 수소 가스를 수소 전극(1a)의 출구로부터 수소 순환 통로(3)를 통해 그 입구로 순환시키는 펌프를 포함하는 수소 순환 장치(4), 수소 가스 순환 통로(3)를 외부와 연통시키는 퍼지 통로(5), 퍼지 통로(5)를 개폐하는 퍼지 밸브(6), 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하는 부하 검출기(7), 연료 전지(1)에 의해 생성된 전력 출력을 산출하는 스택 전력 출력 연산부(16), 산출된 전력 출력에 따라 수소 순환 장치(4)의 목표 회전 속도를 산출하는 수소순환장치 목표 회전 속도 연산부(17), 산출된 전력 출력에 따라 수소 순환 장치(4)의 목표 부하를 산출하는 수소순환장치 목표 부하 연산부(18), 및 수소 순환 장치(4)의 목표 부하와 부하 검출기(7)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 부하에 따라 퍼지 밸브(6)를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기(19)로 구성된다.

부하 검출기(7)는 토크 센서에 의해 검출된 토크와 수소 순환 장치(4)의 소비 전력과 소비 전류에 의하여 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하고, 검출값은 퍼지 밸브 제어기(19)로 출력된다.

비록, 본 실시예에서 특히 한정되지 않았지만, 스택 전력 출력 연산부(16), 수소순환장치 목표 회전 속도 연산부(17), 수소순환장치 목표 부하 연산부(18) 및 퍼지 밸브 제어기(19)는 CPU, 프로그램들 및 제어 정수들을 저장하는 ROM, 프로세스용 RAM, 및 I/O 인터페이스를 포함하는 마이크로 프로세서로 구성된다. 또한, 입력장치인 부하 검출기(7)와 출력장치인 퍼지 밸브(6)가 마이크로 프로세서에 각각 접속된다.

도 19에 도시된 스택 전력 출력 연산부(16)는 스택에 의해 현재 생성되는 전력 출력을 산출하는 연산부이다. 연료 전지(1)에 의해 생성된 전력 출력의 전류값 및 전압값이 스택 전력 출력 연산부(16)로 인가되고, 스택 전력 출력 연산부(16)에 의해 이 성분들의 곱셈이 수행되어 스택 전력 출력을 산출한다.

도 20에 도시된 것처럼, 연료 전지(1)에 의해 생성된 전력 출력량과 목표 회전 속도 사이의 관계가 실험으로부터 사전에 파악되고, 이러한 관계가 메모리에 사전에 저장된다.

도 21에 도시된 것처럼, 수소순환장치 목표 회전 속도 연산부(18)는 도 20의 그래프를 참조로, 상기 연산으로부터 산출된 스택 전력 출력 레벨에 연관된, 목표 회전 속도를 결정한다.

또한, 도 22에 도시된 것처럼, 목표 회전 속도와 목표 부하 사이의 관계가 각 스택 전력 출력에 대한 실험으로부터 사전에 파악된다.

다음에, 도 22에 도시된 것처럼, 수소순환장치 목표 부하 연산부(17)가, 도 22의 그래프를 참조로, S37에서 구해진 목표 회전 속도와 연관된, 목표 부하를 결정한다. 비록 이러한 동작이 이제까지 언급되었지만, 연료 전지(1)에 의해 생성된 전력 출력의 전류량과 연관된 목표 부하는 각 스택 전력 출력에 대해 얻어진다.

다음에, 퍼지 밸브(6)의 개폐 상태가 도 24에 도시된 퍼지 밸브 제어기(19)의 플로우차트에 따라 제어된다. S44에서, 퍼지 밸브(6)의 개폐 상태를 판정하고, 퍼지 밸브(6)가 열렸으면, 퍼지중이라고 판정하고 S48로 진행된다. 퍼지 밸브(6)가 닫혔으면, 퍼지가 차단되었다고 판정되고, S45로 진행된다.

S45에서는, 부하 검출기(7)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 부하가 목표 부하값 + 소정값6을 초과하는지 판정한다. 검출 부하가 목표 부하값 + 소정값6을 초과하면, S46으로 진행되어, 퍼지 밸브(6)가 열리고, 그렇지 않으면, S47로 진행되어 퍼지 밸브(6)가 닫힌다.

S48에서, 부하 검출기(7)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 부하가 목표 부하값 + 소정값7을 초과하는지 판정한다. 검출 부하가 목표 부하값 + 소정값7을 초과하면, S49로 진행되어 퍼지 밸브(6)가 닫히고, 그렇지 않으면, S50로 진행되어 퍼지 밸브(6)가 열린다.

도 25는 소정값6과 소정값7 사이의 관계를 보여준다. 소정값6은 S40에서 결정된 목표 부하에서 연료 전지 전압 기준에 대해 허용 가능한 저하 마진(margin)에 의해 낮아진 연료 전지 전압에 연관된 부하를 의미한다. 또한, 소정값7은 S40에서 결정된 목표 부하와 퍼지를 종료하는 시기가 실험적으로 결정된 수소순환장치 부하 사이의 제한된 차이로서 결정된다.

또한, S40에서 결정된 목표 부하에서 나타나는 질소량이 거의 영으로 되지만, 실제로는, 도 25에 도시된 것처럼 목표 부하에 도달하기 전에 퍼지가 종료된다. 목표 부하에 도달할때 까지 퍼지를 연속하면, 제1실시예와 연관되어 설명된 것처럼 수소 순환 시스템의 정수와 같은 다양한 상태 때문에 헌팅 현상이 발생할 우려가 있다. 따라서, S40에서 결정된 목표 부하에 도달하기 전에 퍼지를 종료하기 위한 파라메터로서 소정값7이 제공된다.

본 실시예에 의하면, 수소 순환 장치의 회전 속도가 스택 전력 출력에 따라 갱신되는 경우에도, 회전 속도에 따라 퍼지 시기를 갱신하는 것이 가능하므로, 전력 생성에 이용할 수 없는 배출 수소량이 저감되는 효과가 있다.

〔제6실시예〕

도 26을 참조로, 본 발명의 제6실시예의 연료 전지 시스템(100E)이 설명된다. 본 실시예의 구성은 도 19에 도시된 제5실시예의 구성에 추가로 수소순환장치 부하 학습 연산부(20)가 제공된 것을 특징으로 하여, 수소 순환 장치(4)에서 발생하는 열화의 결과로서 수소 순환 장치(4)의 정상 부하가 증가한 것을 학습한다.

다른 구성은 제5실시예와 동일하고, 그래서, 동일 구성요소는 동일 도면참조부호를 가지며 중복 설명을 생략한다.

도 27을 참조로, 본 실시예의 필수 구성 부분을 형성하는 수소순환장치 부하 학습 연산부(20)가 설명된다. 제6실시예에서 "학습"은, 전력이 생성되는 연료 전지(1)의 상태가 학습을 수행할 수 있는 정상 상태로 될 때, 수소 순환 장치(4)의 평균 부하값이 산출되고, 산출된 부하값이 이미 학습되어 저장된 부하의 학습값 보다 크면, 산출된 부하값을 이용하여 학습값을 갱신하는 것을 의미한다.

도 27에 도시된 메인 플로우차트를 참조하면, S53에서 학습 허가 판정기부(후에 상술함)가 학습을 수행할지 판정하고, 판정 결과에 따라, 학습 허가 판정 플래그 및 학습값 갱신 허가 플래그의 값들이 설정된다. 다음의 S54에서는, 학습 허가 판정 플래그의 값이 판정되고, 학습 허가 판정 플래그의 값이 1이면, S55의 학습 연산부로 진행된다. S54의 판정에서 학습 허가 판정 플래그가 0이면, 학습이 허가되지 않고 S58의 학습후 목표 부하 연산부로 진행된다.

S55의 학습 연산부에서, 수소 순환 장치(4)의 부하가 (이하에 상세히 설명되는 방법으로) 학습되고, 다음의 S56에서, 학습값 갱신 허가 플래그의 값이 판정된다. 학습값 갱신 허가 플래그의 값이 1이면, S57로 진행하여 학습값이 갱신되고, S58로 진행된다. S56의 판정에서, 학습값 갱신 허가 플래그의 값이 0이면, 학습값의 갱신이 허가되지 않고, S58로 진행된다. S58에서는, 학습 동작 후의 수소 순환 장치(4)의 목표 부하가 후술되는 바와 같이 산출된다.

도 28을 참조로, 학습 허가 판정기부의 내용이 설명된다. S60에서 스택 전력 생성 상태가 정상인지 판정하기 위해서, 전력 출력(P1)의 변동 마진이 T1의 소정 시간 간격에 대해 E1 [kW]의 값내로 연속하는지 판정한다. 변동 마진이 E1 [kW]내이면, 학습이 허가되었다고 판정하여, S61로 진행한다.

또한, T1이 길게 설정되면, 학습값은 향상된 정밀도를 가지는 반면에, 학습이 이루어지는 빈도가 감소하고, 따라서, T1은 파라메터(E1)에 대한 균형을 고려하여 적절한 값으로 설정될 필요가 있다. 한편, E1은 학습 연산에 영향을 미치는 변동 마진이 문제가 되지 않는 범위내에서 최대값을 가지도록 선택될 수 있다.

도 29는 (S60에서) 판정이 수행되는 동안 스택 전력 출력 전압(P1)의 시간에 따른 과도적인 변화를 보여준다. S60의 판정에서, 전력 출력의 변동 마진이 E1 [kW]을 초과하면, 전력 생성 상태가 정상 상태가 아니며 수소 순환 장치(4)의 부하 학습에 부적당한 상태라고 판정하고, S62로 진행하여 학습 허가 판정기 플래그가 0으로 설정되고, S66에서 학습값 갱신 허가 플래그가 0으로 설정되고 리턴한다. 부하 학습에 부적당한 상태에서는, 학습이 이미 완료된 결과를 이용하여 목표 부하를 최종적으로 산출한다.

S60에서, 학습이 허가되었다고 판정되면, S61로 진행하여, 학습 허가 플래그가 1로 설정되고, S63으로 진행된다. S63에서는, 학습 기간을 형성하는 T2의 소정 시간 간격 동안 스택 전력 출력의 변동 마진이 소정 범위 예를 들어 ±E2 [kW]의 값 이내인지 판정한다. 변동 마진이 ±E2 [kW]의 값 이내이면, S64로 진행하여 사전에 저장된 전력 출력량에 의하여 스택 전압 레벨에 대해 스택 전력 출력 전압이 ±E3 [V]의 값 이내인지를 판정한다. S64의 판정에서, 스택 전력 출력 전압이 소정 범위내이면, S65로 진행하여 학습값 갱신 허가 플래그가 1로 설정되고 리턴한다. S63과 S64의 판정에서, 어느쪽이든 소정 범위내에 변동 마진이 있지 않으면, S62로 진행되고, 수소 순환 장치(4)의 부하 학습이 수행되지 않는다.

S64의 판정에서 이용하는 전력 출력량에 대한 스택 전압을 저장하는 동작이 수행되는 예는 도 31에 도시된 학습 이용 스택 전압 그래프를 포함한다.

E2와 E3은 전력 출력량과 전력 출력 전압의 변동 마진이 학습 정밀도에 문제가 되지 않는 범위내에서 각각 최대값으로 설정될 수 있다.

다음에, S55의 학습 연산부의 상세 내용이 도 34의 플로우차트와 관련하여 설명된다. 먼저, S69에서 수소 순환 장치(4)의 부하(R[kW])가 검출되고, S70에서 S72의 기간 동안 학습 시작으로부터 부하를 검출하는 동작이 반복된 회수를 카운트하여, S73에서 균등화 동작을 수행한다. 다음의 S74에서, 학습값이 산출되고 리턴한다.

도 35는 S73의 균등화 동작의 상세를 설명하는 플로우차트이다. 먼저, S77로부터 S79에서 N번째의 부하 평균을 구할 때, 이전의 수소순환장치 부하 평균값(RAz)과 N-1:1의 값으로 가중 평균화한 현재의 수소순환장치 부하(R)에 기인한 산물이 수소순환장치 평균값(RA)으로 정해진다.

마찬가지로, S80에서 S82까지의 동작에서는, 목표 부하 평균값이 구해진다. 그리고, S83에서 수소순환장치 부하 평균값(RA)과 목표 부하 평균값(RT) 사이의 유한의 차분(DR)이 산출되고, 평균화 동작을 종료한다.

도 36은 S74에서의 학습값 연산부의 동작 내용을 설명하는 플로우차트이다. 본 실시예는 수소 순환 장치(4)가 열화되어 부하 증가가 수반되는 경우를 고려하고 있고, 학습 동작 후에 수소 순환 장치(4)의 부하가 감소할 때 학습값이 갱신되지 않는다.

S86에서 이미 끝난 학습 동작의 결과값, 예를 들어, 영역별 부하 증분 학습값 테이블에 저장된 학습값이 이번 학습 연산에서 산출된 값(DR) 보다 크면, 상기한 것처럼 영역별 부하 증분 학습값 테이블에 대한 갱신이 이루어지지 않는다. 이 경우가 발생되면, S88로 진행하고, 학습값을 갱신하지 않고 종료한다.

이에 반해, 학습값이 값(DR) 보다 크면, S87에서 영역별 부하 증분 학습값 테이블(도 32 참조)을 갱신하고 종료한다. 상기한 단계들은 도 27의 S57에서의 연산을 종료시키고, S58로 진행한다.

도 37은 도 30에 도시된 학습 테이블의 각 값들이 가로좌표상에 표시되고 An(Pn, Ln)이 표시되어 보간을 통해 각 점(A1, A2)을 구하는 좌표상에 도 32에 도시된 영역별 부하 증분 학습 테이블의 각 값이 표시되는 그래프이다.

다음에, 도 38을 참조로, S58의 학습 후 목표 부하 연산부에 의해 수행되는 연산 내용이 설명된다. S58에서는 상기 학습 연산에 의한 학습값이 반영된 영역별 부하 증분 학습값 테이블에 근거하여 수소 순환 장치(4)의 목표 부하값을 산출한다. S91에서는 도 37에 도시된 그래프에 근거하여 스택 전력 출력에 대한 영역별 부하 증분을 계산한다. 즉, 도 37에서는, 영역별 부하 증분 학습값(A1~A10)이 도 30에 도시된, 가로좌표상에 표시되는 학습 영역 테이블의 첫번째 값(P1~P10)과, 도 32에 도시된, 보간을 통해 값들(A1~A10)이 서로 연결되는 좌표상에 표시되는 영역별 부하 증분 학습값 테이블의 두번째 값들(L1~L10)을 사용하여 구해져서 도 37에 도시된 그래프를 형성한다. 도 37에 도시된 그래프로부터, 임의의 스택 전력 출력(Pn)에 대한 부하 증분 학습값(Ln)을 구할 수 있다.

다음에, S92로 진행하여, 부하 증분값을 도 26에서 산출된 목표 부하에 가산하여 학습 후 목표 부하를 구한다. 상기의 단계들은 도 26의 수소순환장치 부하 학습 연산부(20)의 연산을 종료시키고, 학습 후 목표 부하를 퍼지 밸브 제어기(19)로 전달한다. 또한, 퍼지 밸브 제어기(19)는 제5실시예와 같은 방법으로 연산한다.

본 실시예에 의하면, 수소 순환 장치의 열화에 의한 수소 순환 장치의 부하 변동의 결과로서 부하와 질소량 사이의 관계가 변하더라도, 이러한 관계는 보정될 수 있고, 그래서, 배출 수소량을 감소시키는 효과를 가질 수 있다.

〔제7 실시예〕

도 39를 참조로, 본 발명에 따른 제7실시예의 연료 전지 시스템(100F)이 설명된다. 도 39에 도시된 것처럼, 연료 전지 시스템(100F)은 수소 전극(1a)과 산화제 전극(1b)을 가지는 연료 전지(1), 수소 전극(1a)에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 통로(2), 수소 가스가 수소 전극(1a)의 출구로부터 그 입구로 순환되는 경로를 형성하는 수소 가스 순환 통로(3), 수소 가스를 수소 전극(1a)의 출구로부터 수소 순환 통로(3)를 통해 그 입구로 순환시키는 펌프를 포함하는 수소 순환 장치(4), 수소 가스 순환 통로(3)를 외부와 연통시키는 퍼지 통로(5), 퍼지 통로(5)를 개폐하는 퍼지 밸브(6), 수소 순환 장치(4)의 회전 속도를 검출하는 회전 속도 검출기(21), 및 퍼지 밸브(6)를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기(22)로 구성된다.

회전 속도 검출기(21)는 로터리 엔코더 또는 픽업 코일을 이용해 수소 순환 장치(4)의 회전수(회전속도)를 검출하고, 검출값은 퍼지 밸브 제어기(22)로 출력된다.

비록, 본 실시예에서 특히 한정되지 않았지만, 퍼지 밸브 제어기(22)는 CPU, 프로그램들 및 제어 정수들을 저장하는 ROM, 프로세스용 RAM, 및 I/O 인터페이스를 포함하는 마이크로 프로세서로 구성된다. 또한, 회전 속도 검출기(21)(입력장치)와 퍼지 밸브(6)(출력장치)가 퍼지 밸브 제어기(22)에 적절히 접속된다.

도 39에 도시된 회전 속도 검출기(21)는 일정 부하로 운전되는 수소 순환 장치(4)의 회전 속도를 검출하고, 퍼지 밸브 제어기(22)로 퍼지를 제어한다.

도 40은 퍼지 밸브 제어기(22)의 제어 동작을 설명하는 플로우차트이다.

먼저 S94에서는, 회전 속도 검출기(21)에 의해 검출된 수소 순환 장치(4)의 회전 속도를 읽어들이고, S95에서 수소 순환 장치(4)의 회전 속도가 소정값7을 초과하는지 판정한다.

회전속도가 소정값8을 초과하면, 수소 순환 경로로부터의 불순물 배출이 종료되고 가스 질량이 감소하였다고 판정하고, S96으로 진행하여 퍼지 밸브를 닫는다. S95의 판정에서, 회전 속도가 소정값8 보다 작으면, 수소 순환 경로 내측에서 질소가 증가하였다고 판정하고 S97로 진행하여 퍼지 밸브(6)가 열린다. 또한, 소정값8은 수소 순환 장치(4)내에서 질소량이 증가할 때 스택에 의해 생성된 전력 출력이 저하하기 시작하는 상태에서의 수소 순환 장치(4)의 회전 속도를 포함하도록 설정될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 일정 부하로 운전되는 수소 순환 장치(4)가 구비된 연료 전지 시스템(100F)에 있어서도, 퍼지가 원하지 않게 반복되는 회수를 줄일 수 있다.

〔제8 실시예〕

본 발명에 따른 제8실시예의 연료 전지 시스템(100G)이 도 41을 참조로 설명된다. 도 41을 참조하면, 연료 전지 시스템(100G)은 수소 전극(1a)과 산화제 전극(1b)을 가지는 연료 전지(1), 수소 전극(1a)에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 통로(2), 수소 가스가 수소 전극(1a)의 출구로부터 그 입구로 순환되는 경로를 형성하는 수소 가스 순환 통로(3), 수소 가스를 수소 전극(1a)의 출구로부터 수소 순환 통로(3)를 통해 그 입구로 순환시키는 펌프를 포함하는 수소 순환 장치(4), 수소 가스 순환 통로(3)를 외부와 연통시키는 퍼지 통로(5), 퍼지 통로(5)를 개폐하는 퍼지 밸브(6), 수소 순환 장치(4)의 전후 영역의 압력차를 검출하는 압력 검출기(23), 및 퍼지 밸브(6)를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기(24)로 구성된다.

압력 검출기(23)는, 예를 들어, 다이어프램의 일그러짐을 전기적으로 검출하여 압력으로 환산하는 반도체 압력 센서 또는 두꺼운 필름 압력 센서를 포함한다.

비록, 본 실시예에서 특히 한정되지 않았지만, 퍼지 밸브 제어기(24)는 CPU, 프로그램들 및 제어 정수들을 저장하는 ROM, 프로세스용 RAM, 및 I/O 인터페이스를 포함하는 마이크로 프로세서로 구성된다. 또한, 수소 순환 장치(4)의 전후 영역의 압력차를 검출하는 압력 검출기(23)(입력장치)와 퍼지 밸브(6)(출력장치)가 퍼지 밸브 제어기(24)에 각각 접속된다.

도 42는 퍼지 밸브 제어기(24)의 제어 동작을 설명하는 플로우차트이다. 먼저, S99에서 압력 검출기(23)가 검출한 수소 순환 장치(4)의 전후 압력차를 읽어들인다. 이어서, S100에서, 수소 순환 장치(4)의 전후 압력차가 소정값9을 초과하는지 판정한다.

전후 압력차가 소정값9을 초과하면, 수소 순환 경로내의 질소가 증가했다고 판정하고 S102로 진행되어 퍼지 밸브(6)가 열린다. 압력차가 소정값9 보다 작으면, S101로 진행되어 퍼지 밸브(6)가 닫힌다. 또한, 소정값9은 수소 순환 장치(4)내의 질소량이 증가되는 때 스택에 의해 생성된 전력 출력이 저하하기 시작하는 상태에서의 수소 순환 장치의 전후 압력차를 포함하도록 설정될 수 있다.

본 실시예에 의하면, 설치가 용이한 압력 검출기(23)의 추가만으로, 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하여 퍼지 제어를 수행할 수 있다는 효과가 있다.

〔제9 실시 형태〕

본 발명에 따른 제9실시예의 연료 전지 시스템(100H)이 도 43을 참조로 설명된다. 도 43을 참조하면, 연료 전지 시스템(100H)은 수소 전극(1a)과 산화제 전극(1b)을 가지는 연료 전지(1), 수소 전극(1a)에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 통로(2), 수소 가스가 수소 전극(1a)의 출구로부터 그 입구로 순환되는 경로를 형성하는 수소 가스 순환 통로(3), 수소 가스를 수소 전극(1a)의 출구로부터 수소 순환 통로(3)를 통해 그 입구로 순환시키는 펌프를 포함하는 수소 순환 장치(4), 수소 가스 순환 통로(3)를 외부와 연통시키는 퍼지 통로(5), 퍼지 통로(5)를 개폐하는 퍼지 밸브(6), 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하는 부하 검출기(7), 수소 가스 공급 통로(2)내의 압력을 검출하는 압력 검출기(25), 및 퍼지 밸브(6)를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기(8H)로 구성된다.

부하 검출기(7)는 토크 센서에 의해 검출된 토크, 수소 순환 장치(4)의 소비 전력과 소비 전류에 의하여 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하고, 검출값을 퍼지 밸브 제어기(8H)로 출력한다.

압력 검출기(25)는 다이어프램의 일그러짐을 전기적으로 검출하여 압력으로 환산하는 반도체 압력 센서 또는 두꺼운 필름 압력 센서와 같은 것을 포함할 수 있다.

비록, 본 실시예에서 특히 한정되지 않았지만, 퍼지 밸브 제어기(8H)는 CPU, 프로그램들 및 제어 정수들을 저장하는 ROM, 프로세스용 RAM, 및 I/O 인터페이스를 포함하는 마이크로 프로세서로 구성된다. 또한, 입력장치인 부하 검출기(7) 및 압력 검출기(25)와 퍼지 밸브(6)(출력장치)가 퍼지 밸브 제어기(8H)에 적절히 접속된다.

본 실시예는, 수소 순환 경로의 내부 압력에 영향을 주는 수소 가스 공급 통로(2)의 압력을 압력 검출기(25)가 검출하고, 검출된 압력을 이용하여 수소 순환 경로내의 압력을 보정함으로써, 압력 보정 후 수소 순환 경로내의 압력에 따라 퍼지를 시작 또는 종료할지 판정하기 위한 수소 순환 장치(4)의 소정 부하값을 보정한다.

도 44는, 수소 공급 통로(2)내의 압력을 나타내는 수소 공급 압력과, 수소 순환 통로(3)의 출력 압력을 나타내는 수소 순환 경로내의 내부 압력 사이의 관계를 설명하는 그림이다. 도 44에 도시된 것처럼, 수소 공급 압력이 증가함에 따라 수소 순환 통로(3)의 출구에서의 압력이 상승한다. 그 결과, 수소 순환 장치(4)의 출구 압력이 상승하고, 따라서, 수소 순환 장치(4)를 통해 순환하는 수소 가스의 밀도가 높아져, 수소 순환 장치(4)의 부하가 증가한다. 따라서, 수소 순환 장치(4)의 부하와 그 출구 압력 사이의 관계는 도 45에 도시된 바와 같이 변화한다.

따라서, 도 45에 도시된 바와 같은 보정 성분(옵셋)이 본 실시예에서 수소 순환 장치(4)의 부하를 판정하는데 이용하는 소정값에 여분으로 가산된다. 이 소정값은, 도 2에서의 S2에 도시된 것 같은 방법으로 퍼지 밸브(6)를 개폐할지 판정하기 위해 이용되는 소정값을 의미한다. 이는 수소 공급 압력의 변화에 의한 수소 순환 장치(4)의 부하의 변동에 의한 영향을 배제하여 퍼지 밸브(6)를 개폐 제어할 수 있게 한다.

본 실시예에 의하면, 수소 공급 압력이 운전 상태에 따라 갱신되는 연료 전지 시스템에서도 퍼지 동작이 반복되는 회수를 감소시킬 수 있다.

〔제10실시예〕

본 발명에 따른 제10실시예의 연료 전지 시스템(100I)이 도 46을 참조로 설명된다. 도 46에 도시된 것처럼, 연료 전지 시스템(100I)은 수소 전극(1a)과 산화제 전극(1b)을 가지는 연료 전지(1), 수소 전극(1a)에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 통로(2), 수소 가스가 수소 전극(1a)의 출구로부터 그 입구로 순환되는 경로를 형성하는 수소 가스 순환 통로(3), 수소 가스를 수소 전극(1a)의 출구로부터 수소 순환 통로(3)를 통해 그 입구로 순환시키는 펌프를 포함하는 수소 순환 장치(4), 수소 가스 순환 통로(3)를 외부와 연통시키는 퍼지 통로(5), 퍼지 통로(5)를 개폐하는 퍼지 밸브(6), 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하는 부하 검출기(7), 수소 가스 순환 통로(3)의 온도 또는 주위 온도를 검출하는 온도 검출기(26), 및 퍼지 밸브(6)를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기(8I)를 포함하여 구성된다.

부하 검출기(7)는 토크 센서에 의해 검출된 토오크, 수소 순환 장치(4)의 소비 전력과 소비 전류에 의하여 수소 순환 장치(4)의 부하를 검출하고, 검출값은 퍼지 밸브 제어기(8I)로 출력된다.

비록, 본 실시예에서 특히 한정되지 않았지만, 퍼지 밸브 제어기(8I)는 CPU, 프로그램들 및 제어 정수들을 저장하는 ROM, 프로세스용 RAM, 및 I/O 인터페이스를 포함하는 마이크로 프로세서로 구성된다. 입력장치인 부하 검출기(7) 및 온도 검출기(26)와 출력장치인 퍼지 밸브(6)가 밸브 제어기(8I)에 적절히 접속된다.

본 실시예는, 수소 가스 순환 통로의 온도에 따라 변동하는 수소 순환 경로내의 수증기 부분 압력이 고려되고, 수소 가스 순환 통로의 온도 또는 주위 온도가 검출되어 수소 순환 장치(4)의 부하 판정을 위해 사용되는 소정값을 보정하는데 사용되도록 한다.

도 47에 도시된 것처럼, 주위 온도가 증가함에 따라, 수소 전극(1a)내에서 가습된 배출 수소의 수증기 부분 압력이 증가한다. 이 결과, 수소 순환 경로의 가스 밀도 또는 압력이 상승함에 따라 수소 순환 장치(4)의 일량이 증가한다. 따라서, 수소 순환 장치(4)의 부하와 수증기 부분 압력 사이의 관계가 도 48에 도시된 것처럼 변화한다. 퍼지 밸브(6)의 제어시 온도 변화에 의한 수증기 부분 압력의 변동의 영향을 배제하기 위해서, 도 48에 도시된 바와 같은 여분의 보정 성분(옵셋)이 판정에 이용되는 소정값에 가산된다. 그리고, 보정된 소정값을 이용하여, 도 2의 S2에 의해 나타낸 것과 같은 방법으로 퍼지 제어를 수행할지 판정한다.

본 실시예에 의하면, 수소 공급 온도와 수소 순환 경로내의 수증기 부분 압력 사이의 관계를 고려함에 따라, 수소 순환 장치(4)의 부하 변동이 보정에 의해 배제될 수 있어, 퍼지 반복 회수를 최적화 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 수소 순환 경로내에 축적된 질소량에 따라 퍼지가 수행될 수 있으므로, 퍼지 반복 회수를 감소시킬 수 있어 수소 가스 연료가 쓸데 없이 배출되는 것을 방지하고 연료 전지의 연료 보존 성능을 개선할 수 있다.

Claims

전력을 생성하기 위해, 수소 가스와 산화제 가스가 각각 공급되는 수소 전극과 산화제 전극을 구비한 연료 전지 본체;

상기 수소 전극의 입구에 상기 수소 가스를 공급하는 수소 공급 통로;

상기 수소 전극의 출구로부터 방출된 배출 수소 가스를 상기 수소 전극의 입구로 순환시키는 수소 순환 통로;

상기 배출 수소를 순환시키는 수소 순환 장치;

상기 수소 전극의 출구와 상기 수소 순환 통로의 적어도 하나로부터 방출된 상기 배출 수소 가스를 외부로 배출시키는 퍼지 통로;

상기 퍼지 통로를 개폐하는 퍼지 밸브; 및

상기 수소 순환 장치의 부하와 회전 속도의 적어도 하나에 따라 상기 퍼지 밸브를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어기를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 수소 순환 장치의 부하를 검출하는 부하 검출기를 더 포함하고,

상기 퍼지 밸브 제어기는, 상기 부하 검출기에 의해 검출된, 상기 수소 순환 장치의 비과도적인 정상 운전시의 운전 부하에 근거하여 퍼지 밸브를 제어하는 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 제어기는, 상기 부하 검출기에 의해 검출된 운전 부하가 제 1 소정값을 초과할 때 수소 순환 통로내의 질소 농도가 증가한다고 판정하여, 퍼지 밸브를 열도록 제어하는 퍼지 시작 제어부; 및

상기 부하 검출기에 의해 검출된 운전 부하가 제 1 소정값 보다 작은 제 2 소정값 아래로 감소할 때 상기 퍼지 밸브가 닫히도록 제어하는 퍼지 종료 제어부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 제어기는, 상기 부하 검출기의 검출 결과에 따라 수소 순환 통로내에 보급되어 있는 질소량을 추정하고, 추정된 질소량에 응답하여 상기 퍼지 밸브를 개폐하도록 제어하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 퍼지 통로의 출구에 근접하여 수소 농도를 검출하는 수소 농도 검출기를 더 포함하고,

상기 퍼지 밸브 제어기는 상기 수소 농도 검출기에 의해 검출된 수소 농도에 따라, 퍼지 밸브가 닫히는 시기를 계산하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 제어기는,

상기 연료 전지 본체에서 생성된 전력 출력을 산출하는 전력 출력 연산부;

상기 전력 출력 연산부에 의해 산출된 전력 출력에 근거하여 상기 수소 순환 장치의 목표 회전 속도를 산출하는 수소순환장치 목표 회전 속도 연산부; 및

상기 전력 출력 연산부에 의해 산출된 전력 출력에 근거하여 수소 순환 장치의 목표 부하를 산출하는 수소순환장치 목표 부하 연산부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 제어기는, 상기 수소 순환 장치의 경년 변화에 의한 정상 부하의 증가를 학습하는 부하 학습 연산부;

학습된 정상 부하와 연료 전지 본체에 의해 생성된 전력 출력에 근거하여 수소 순환 장치의 목표 부하를 산출하는 수소순환장치 목표 부하 연산부를 포함하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 수소 순환 장치의 회전 속도를 검출하는 회전 검출기를 더 포함하고,

상기 퍼지 밸브 제어기는 상기 회전 검출기에 의해 검출된, 일정 부하로 운전하는 상기 수소 순환 장치의 회전 속도에 근거하여 상기 퍼지 밸브를 제어하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 제어기는 상기 수소 순환 장치의 전후 영역 사이의 압력차에 근거하여 상기 퍼지 밸브를 제어하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 제어기는 수소 공급 압력의 변화에 근거하여 퍼지 밸브의 개방시기와 폐쇄시기의 적어도 하나를 보정하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 제어기는 공급 수소의 온도와 주위 온도의 적어도 하나에 근거하여 상기 퍼지 밸브의 개방시기와 폐쇄시기의 적어도 하나를 보정하는 연료 전지 시스템.
전력을 생성하기 위해, 수소 가스와 산화제 가스가 각각 공급되는 수소 전극과 산화제 전극을 구비한 연료 전지 본체;

상기 수소 전극의 입구에 상기 수소 가스를 공급하는 수소 공급 수단;

상기 수소 전극의 출구로부터 방출된 배출 수소 가스를 상기 수소 전극의 입구로 순환시키는 수소 순환 수단;

상기 배출 수소를 순환시키는 수소 순환 통로;

상기 수소 전극의 출구와 상기 수소 순환 수단의 적어도 하나로부터 방출된 배출 수소 가스를 외부로 배출시키는 퍼지 통로;

상기 퍼지 통로를 개폐하는 퍼지 밸브; 및

상기 수소 순환 수단의 부하와 회전 속도의 적어도 하나에 따라 퍼지 밸브를 개폐하도록 제어하는 퍼지 밸브 제어 수단을 포함하는 연료 전지 시스템.
수소 순환 장치내에 배출 수소가 순환되고 수소 가스가 퍼지 밸브로부터 방출되는 연료 전지 시스템의 퍼지 밸브 제어 방법에 있어서,

상기 수소 순환 장치의 부하와 회전 속도의 적어도 하나를 검출하는 단계; 및

검출된 부하와 속도의 적어도 하나에 근거하여 상기 퍼지 밸브를 개폐하도록 제어하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 퍼지 밸브 제어 방법.