KR100505472B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR100505472B1
KR100505472B1 KR10-2003-7006806A KR20037006806A KR100505472B1 KR 100505472 B1 KR100505472 B1 KR 100505472B1 KR 20037006806 A KR20037006806 A KR 20037006806A KR 100505472 B1 KR100505472 B1 KR 100505472B1
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이토우야스유키
미야쿠보히로시
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

연료전지 시스템에 공급되는 산소포함 가스의 압력을 조절하는 컴프레서(5), 산소포함 가스 부분의 유로 표면적을 조절하는 스로틀밸브(4), 및 연료전지(1)와 개질기(12) 사이의 컴프레서(5) 하류에서 산소포함 가스를 분배하는 차단밸브(7, 8)가 제공된다. 캐니스터(11)에 의해 흡수된 연료증기가 정화될 때, 스로틀밸브(4)의 개방은 감소되고, 캐니스터(11)가 컴프레서(5)의 상류측과 통하게 된다. 컴프레서(5)의 상류에서의 음압(negative pressure)때문에 캐니스터에 의해 흡수된 연료증기는 개질기(12) 또는 버너(13)사이에서 분배되고, 처리된다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서 특히, 연료탱크에서 발생한 연료증기를 효과적으로 사용하는 기술에 대한 것이다.
2000년 일본특허청이 공개한 JP2000-192863A에 개시된 차량 연료증기 제어장치는 연료탱크에서 발생한 연료증기를 흡수하는 캐니스터(canister)를 구비한다. 캐니스터에 의해 흡수되는 연료증기는 정화(purge)되어서 개질기에 의해 수소 및 이산화탄소로 변환된다. 이 변환된 수소가 연료전지에 공급되고, 연료가스로서 효과적으로 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 연료전지 시스템의 컨트롤러에 의해 수행되는 연료증기 정화처리의 주 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 제1 정화 기동프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 제1 정화 종결결정프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 제1 정화 종결프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 도 1과 유사하지만, 본 발명의 제2 실시예를 나타낸다.
도 7은 제2 실시예에 따른 정화처리 주 절차의 흐름도이다.
도 8은 제2 정화 기동프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 9는 제2 정화 종결프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 10은 도 1과 유사하지만, 본 발명의 제3 실시예를 나타낸다.
도 11은 제3 실시예에 따른 정화처리 주 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 12는 제2 정화 종결결정프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 13은 도 1과 유사하지만, 본 발명의 제4 실시예를 나타낸다.
도 14는 제4 실시예에 따른 정화처리 주 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 15는 캐니스터에 흡수된 연료증기량과 스로틀밸브의 개방의 감소량과의 관계를 나타내는 표이다.
그러나, 종래기술에서는, 캐니스터와 개질기 사이에 펌프가 설치되고, 펌프를 구동함으로써 캐니스터로부터 분리된 연료를 개질기로 보낸다. 따라서, 펌프를 구동하기 위한 에너지가 필요하다. 연료의 개질을 수행하기 위해 열 에너지 또한 필요하고, 이것이 상응하는 연비의 악화를 초래할 가능성이 있다.
연료증기가 개질기에 보내지면, 이후에 연료전지에 이송될 수소를 생산하기 위해서 개질된다. 그 결과로서, 연료전지는 전력을 발생한다. 그러나, 연료전지에 의해 발생된 전력은 배터리를 충전하고, 배터리가 완전히 충전된 경우에는 발생된 전력이 낭비된다. 즉, 에너지(연료)가 단지 연료증기를 처리하기 위해서 소비된다.
따라서, 과도한 에너지를 소비하지 않고 연료탱크내의 연료증기를 처리할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 산소포함 가스를 흡기하고 압력하에서 이송하는 가압메커니즘, 연료탱크, 연료탱크가 공급하는 원연료로부터 수소포함 가스를 발생시키는 개질기, 가압메커니즘으로부터의 산소포함 가스 및 개질기로부터의 수소포함 가스를 반응시킴으로써 전력을 발생시키는 연료전지, 연료탱크에 연결되어 연료탱크로부터의 연료증기를 흡수하는 캐니스터, 캐니스터 및 가압메커니즘의 흡기측 사이를 연결하는 제1 통로, 제1 통로내에 제공되는 제1 밸브, 및 캐니스터에 흡수된 연료증기가 정화되어야 하는 경우에, 캐니스터를 가압메커니즘의 흡기측에 연결하기 위해 제1 밸브를 개방하는 기능을 하는 컨트롤러를 구비하는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 특징, 이점 및 세부사항을 명세서의 나머지 부분에서 설명하고, 첨부한 도면에서 나타내도록 한다.
도면의 도 1을 참조하면, 도 1은 제1 실시예에 있어서 연료전지 시스템을 나타낸다. 공기공급 시스템(22)으로부터 산소를 포함한 공기가 연료전지(1)의 캐소드(1a)로 공급되고, 연료공급 시스템(24)으로부터 수소가 풍부한 연료가스가 연료전지(1)의 애노드(1b)로 공급된다. 전극사이에서 수소이온을 수송함으로써 연료전지(1)는 전기에너지 및 물을 발생시킨다. 이 때, 열에너지 또한 생성되고, 전력이 효율적으로 발생하도록 연료전지(1)는 냉각시스템(21)을 통해 흐르는 냉각수에 의해서 적절한 온도에서 유지된다.
공기에서 먼지를 제거하는 필터(2), 공급되는 공기량을 측정하는 유량계(3), 공급되는 공기부피를 조절하는 스로틀밸브(4), 조절된 유동률로 가압된 공기를 이송하는 컴프레서(5), 연료전지(1)로의 공기 공급을 제어하는 차단밸브(7), 및 컴프레서(5)에서 상승한 공기온도를 적절한 온도로 조절하는 냉각기(9)가 공기공급 시스템(22)에서 이 순서로 설치된다. 조절된 유동률 및 온도의 공기가 캐소드(1a)에 공급된다. 이후에 설명하는 개질기(12)에서의 개질반응에 따라 산소가 사용되므로, 컴프레서(5)의 하류에서 개질기(12)로 분기시키는 지로(branch)통로(23)가 제공되고, 개질기(12)에 공급되는 공기량은 상기 지로통로(23)상에 차단밸브(8)를 제공함으로써 조절된다.
또한, 메탄올 같은 원연료를 저장하는 연료탱크(10), 연료탱크(10)로부터의 원연료를 수소가 풍부한 개질가스로 변환하는 개질기(12), 및 연료전지(1)의 전극을 채우고 있는 백금의 질저하를 초래하는 개질가스의 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 산화제(CO 산화제)(14)가 연료공급 시스템(24)에서 이 순서로 설치되고, 이것에 의해서 수소가스가 연료전지(1)의 애노드(1b)에 공급된다.
개질기(12)에서 수행되는 개질반응은 열에너지를 필요로 하므로, 개질기에 인접하는 버너(13)가 제공된다. 버너는 연료전지(1)로부터의 배기가스, 필요하다면, 연료탱크의 원연료를 사용하여 열에너지를 생성한다.
상기 연료전지 시스템에 있어서, 연료탱크(10)에서 발생한 연료증기를 효율적으로 사용하기 위해서, 아래에 설명하는 연료증기공급 시스템(25)이 제공된다. 연료탱크(10)내의 연료증기를 수집하기 위해서 캐니스터(11)가 연료탱크(10)와 연결되게 된다. 캐니스터의 하류끝은 캐니스터(11)에 의해서 수집된 연료증기의 방출 여부를 제어하는 차단밸브(6)를 통해서 공기공급 시스템(22)의 스로틀밸브(4)와 컴프레서(5)사이에 연결된다.
컨트롤러(20)는 하나, 둘 또는 그 이상의 마이크로프로세서, 메모리, 및 입/출력 인터페이스를 구비하고, 이후에 설명할 연료탱크(10)에서의 연료증기의 정화처리(이후로는, 정화)를 수행한다.
도 2는 컨트롤러(20)에 의해서 수행되는 주 정화처리 절차를 나타내는 흐름도이고, 이것은 컨트롤러(20)에 의해서 실행된다.
우선, 단계 S1에서, 캐니스터(11)의 연료증기 흡수량 EB를 추정한다. 이것은, 예를 들어, 1996년 일본특허청이 공개한 JP8-28370A에 개시된 것처럼 연료온도로부터 생성된 연료증기의 양을 계산하여 합산하거나, 센서로부터 측정결과를 추정하거나, 또는 1998년 일본특허청이 공개한 JP10-196467A에 개시된 것처럼 캐니스터(11)내에 온도센서를 설치하여 캐니스터의 온도변화로부터 추정함으로써 행해진다.
다음으로, 단계 S2에서, 캐니스터(11)에 의해 흡수된 연료증기의 정화 여부를 결정한다. 단계 S1에서 발견된 흡수량 EB가 소정의 값 α, 예를 들어, 전용량의 80% 이상이면, 연료증기의 정화가 필요하다고 결정되고, 절차는 단계 S3으로 진행한다. 반면에, 흡수량 EB가 소정의 값 α이하이면, 정화가 필요없다고 결정되고 절차는 종료된다. 따라서, 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기량 EB의 추정량에 기초하여 정화여부를 결정함으로써, 흡수량 EB가 과다하여 대기중으로 방출되어 오염을 야기하는 사태 및 흡수량 EB가 적은데도 불필요한 연료증기프로세싱이 수행되는 사태를 회피한다.
단계 S3에서, 개질기(12)로의 연료증기 정화를 기동하는 제1 정화 기동프로세싱이 수행된다.
도 3은 정화 기동프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이고, 컨트롤러(20)에 의해 실행된다.
단계 S31에서, 차단밸브(8)가 개방되고, 컴프레서(5)에 의해 압력하에서 이송된 공기가 개질기(12)로 공급된다. 다음으로, 단계 S32에서, 컴프레서(5)에서 보낸 공기가 연료전지(1)로 공급되지 않도록 차단밸브(7)가 닫힌다. 절차는 단계 S33으로 진행하고, 컴프레서(5)의 상류에서 음압을 사용해서 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기를 개질기(12)로 정화하기 위해서 차단밸브(6)가 열린다. 이렇게, 캐니스터(11)로부터 개질기(12)로의 유로가 형성된다.
단계 S34에서, 도 15에 나타난 맵으로부터 스로틀밸브(4)의 개방의 감소량을 결정한다. 도 15에서, 흡수량 EB가 커질수록, 감소량도 커지도록, 즉, 유로 표면적이 작아지도록 스로틀밸브(4)의 개방의 감소량은 설정된다. 이렇게, 흡수량 EB가 커질수록, 스로틀밸브(4)의 하류에서의 압력은 작아지고, 캐니스터(11)의 내부압과의 차이는 커져서, 스로틀밸브(4)의 하류에서의 연료증기의 방출은 촉진된다. 흡수량 EB에 따라 개방감소량이 결정된 경우에, 절차는 단계 S35로 진행하고, 스로틀밸브(4)의 개방은 감소하며, 필요한 공기량을 이송하기 위해서 컴프레서(5)의 회전은 증가한다.
따라서, 차단밸브(6, 8)를 개방하고, 차단밸브(7)를 닫고, 스로틀밸브(4)의 개방을 감소시키고, 컴프레서(5)의 회전속도를 증가시킴으로써, 캐니스터(11)내의 연료증기는 펌프 같은 것을 필요로 하지 않고 개질기(12)로 유출되며, 연료증기의 정화가 시작된다.
이 때, 개질기(12)에서, 연료전지(1)를 위한 연료가스를 생성하기 위해서 연료증기의 개질반응이 일어나므로, 불필요하게 연료증기를 버리거나 연비에 손상을 주지 않고 연료증기가 처리될 수 있다. 또한, 연료증기는 기체상태로 개질기(12)로 공급되므로, 개질반응을 수행하기 위해서 연료를 기화시키는 단계가 불필요하다. 이렇게, 개질하기 쉬운 상태로 개질기로 쉽게 공급될 수 있고, 기화에 필요한 연료가 절약될 수 있다.
다음으로, 절차는 도 2의 단계 S4로 진행하고, 제1 정화 종결결정프로세싱이 수행된다.
도 4는 제1 정화 종결결정프로세싱을 나타내는 흐름도이고, 컨트롤러(20)에 의해 실행된다.
단계 S41에서, 정화 종결시간 Tn이 설정된다. 정화 종결시간 Tn은 캐니스터(11)에 흡수된 증기량 EB에 따라 결정된다. 단계 S42에서, 컨트롤러(20)에 제공된 타이머에 의해서 정화 종결시간 Tn의 경과여부를 결정한다. 아직 경과하지 않았다면, 절차는 단계 S43으로 진행하고, 타이머 카운트 시간 T는 증가한다. 이것은 단계 S42에서 타이머 카운트 시간 T가 정화 종결시간 Tn을 초과할 때까지 반복된다. 그리고, 절차는 단계 S44로 진행하고, 타이머 카운트 시간 T는 클리어 되며, 정화가 종결되었다고 결정된다. 여기에서, 정화의 종결은 시간에 의해서 결정되지만, 농도 검출센서를 방출로에 설치해서, 이 센서값으로부터 정화 종결을 결정할 수도 있다. 이렇게, 정화종결을 결정함으로써 캐니스터(11)는 완전히 정화될 수 있다.
정화 종결이 결정된 경우에, 도 2에서, 절차는 단계 S4에서 S5로 진행하고, 개질기(12)로의 정화로부터 통상의 프로세싱으로 전환하는 제1 정화 종결프로세싱이 수행된다.
도 5는 제1 정화 종결프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이고, 컨트롤러(20)에 의해 실행된다.
단계 S51에서, 스로틀밸브(4)의 개방이 증가하고, 정상동작을 위한 개방으로 되돌아간다. 그리고, 컴프레서(5)의 회전속도는 연료전지 시스템이 필요로 하는 공기 유동률에 대응하여 감소한다. 단계 S52에서, 캐니스터(11)로부터 공기공급 시스템(22)으로의 연료증기의 방출을 멈추기 위해서 차단밸브(6)가 닫힌다. 단계 S53에서, 캐니스터(11)로부터의 연료증기가 차단밸브(8)를 통해 통과한 후에, 차단밸브(7)가 개방되고 컴프레서(5)로부터의 공기가 연료전지(1)로 보내진다. 여기에서, 소정의 시간의 경과 여부를 결정하는 것에 의하거나, 또는 차단밸브(8)의 상류에 농도 검출센서를 제공하고 측정결과를 얻는 것에 의해서, 차단밸브(8)를 통해서 모든 연료증기가 통과했는지 여부의 결정을 수행한다. 다음으로, 단계 S54에서, 개질기(12) 하류의 차단밸브(8)가 닫히거나, 또는 공기가 개질기(12)로 공급될 것이라면 공급량에 따라 그 개방이 감소한다.
제1 정화 종결프로세싱을 수행함으로써, 컴프레서(5)로부터의 공기가 연료전지(1)의 캐소드(1a), 필요하다면, 개질기(12)로 연료증기와 혼합되지 않은 채 공급되고, 통상의 동작이 시작될 수 있다.
연료증기가 정화될 때, 차단밸브(7)를 닫고, 차단밸브(8, 6)를 열고, 스로틀밸브(4)의 개방의 감소량을 증가시킴으로써, 공기공급 시스템(22)의 연료증기공급 시스템(25)에 연결된 부분의 압력이 캐니스터(11)의 내부압력보다 낮아지게 되어, 캐니스터(11)내의 연료증기가 공기공급 시스템(22)으로 방출되고, 스로틀밸브(4)를 통해 공급된 공기와 함께 개질기(12)로 이송된다. 따라서, 연료증기를 캐니스터(11)로부터 개질기(12)로 이송하기 위한 펌프 같은 것을 제공하지 않고도 연료증기를 정화할 수 있다. 또한, 연료증기를 원료로 사용하여 개질기(12)에서 개질가스가 생성되고, 이것은 연료전지(1)를 위한 연료가스로서 사용되어, 불필요한 연료증기의 소비 없이도 연비가 향상될 수 있다.
또한, 스로틀밸브(4)의 개방의 감소량은 흡수량 EB의 추정량에 따라 증가한다. 흡수량 EB가 큰 경우에, 스로틀밸브(4)와 컴프레서(5)사이의 압력강하가 증가하고, 캐니스터(11)의 내부압력과의 차이가 증가해서, 연료증기의 방출이 촉진되고 연료증기가 신속하게 정화될 수 있다. 연료증기가 정화될 때, 연료전지(1)에 의한 전력발생은 일시적으로 감소하거나 중단하지만, 이로 인한 불충분한 점은 제2 배터리에 의해 커버된다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 나타낸다. 제1 실시예에서의 지로통로(23) 대신에, 차단밸브(16)를 통해 버너(13)와 컴프레서(5)의 하류를 연결하는 지로통로(26)가 제공된다. 또한, 개질기 온도센서(30)가 개질기(12)내에 설치되고, 버너 온도센서(31)가 버너(13)내에 설치되며, CO 산화제 온도센서(32)가 CO 산화제(14)내에 설치되고, 연료전지 온도센서(33)가 연료전지(1)내에 설치된다. 이 센서들로부터의 측정결과는 컨트롤러(20)로 입력된다.
다음으로, 본 연료전지 시스템에 의해 수행되는 정화처리를 도 7을 참조하면서 설명한다. 도 7은 정화처리 주 절차를 나타내는 흐름도이고, 컨트롤러(20)에 의해 실행된다. 여기에서, 정화된 연료증기를 버너(13)에서 연소함으로써, 기동등을 할 때에 시스템을 웜업한다.
우선, 단계 S11에서, 개질기 온도센서(30), 버너 온도센서(31), CO 산화제 온도센서(32) 및 연료전지 온도센서(33)의 검출결과로부터 시스템이 충분히 웜업되었는지 여부를 결정한다. 시스템이 충분히 웜업되었다면, 절차는 종결되고, 그렇지 않다면 절차는 단계 S12로 진행한다.
단계 S12, S13에서, 제1 실시예의 단계 S1, S2와 동일한 방법으로 흡수량 EB가 추정하고, 연료증기를 정화해야 하는지 여부를 결정한다. 정화되어야 한다고 결정되면, 절차는 단계 S14로 진행하고, 연료증기를 버너(13)로 정화하기 위해서 제2 정화 기동프로세싱이 수행된다.
도 8은 제2 정화 기동프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이고, 컨트롤러(20)에 의해 실행된다.
제1 정화 기동프로세싱에 있어, 단계 S31에서, 연료증기를 개질기(12)로 공급하기 위해서 차단밸브(8)가 열렸지만, 여기에서는 연료증기를 버너(13)로 공급하기 위해서 단계 S141에서 차단밸브(16)가 열린다. 따라서, 연료증기가 버너(13)에 공급되고 연소가 시작해서, 인접한 개질기(12)를 웜업할 수 있다. 그 뒤의 단계 S142-S145는 제1 정화 기동프로세싱의 단계 S32-S35와 동일하다.
제2 정화 기동프로세싱에 의해서 정화가 시작된 경우에, 도 7의 단계 S15에서, 제1 정화 종결결정프로세싱이 제1 실시예에서의 단계 S4의 방법과 동일한 방법으로 수행된다.
단계 S15에서 정화 종결이 결정된 경우에, 절차는 단계 S16으로 진행하고, 버너(13)로의 정화로부터 통상의 동작으로 전환시키는 제2 정화 종결프로세싱에 의해서 정화가 종결된다.
도 9는 제2 정화 종결프로세싱 절차를 나타내는 흐름도이고, 컨트롤러(20)에 의해 실행된다.
단계 S161-163은 제1 정화 종결프로세싱의 단계 S51-S53과 일치한다.
그러나, 제1 정화 종결프로세싱의 단계 S54에서, 개질기(12)로의 산소포함 가스의 공급을 막기 위해서 차단밸브(8)가 닫히지만, 여기에서는, 버너(13)로의 산소포함 가스의 공급을 막기 위해서 단계 S164에서 차단밸브(16)가 닫힌다.
이렇게, 시스템이 충분이 웜업되지 않은 경우에 연료증기를 버너(13)로 공급함으로써, 연료전지 시스템을 웜업하기 위해 연료증기를 사용하고, 연비에 손상을 주지 않고 연료증기를 처리할 수 있다. 또한, 연료증기가 기체이기 때문에, 버너(13)에서 연료가 연소할 때 기화 단계가 필요하지 않고, 연료 소비가 억제될 수 있다.
도 10은 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 나타낸다. 제1 실시예에서 사용된 연료전지 시스템의 개질기(12)의 온도를 검출하는 온도센서(30)가 설치된다. 또한 컨트롤러(20)는 도 11의 흐름도에 나타난 정화처리를 수행한다.
우선, 단계 S21, S22에서, 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기량 EB를 계산하고, 흡수량 EB로부터 정화가 필요한지 여부를 결정한다. 흡수량 EB가 소정의 양 α 이상이고 정화가 필요하다고 결정된다면, 절차는 단계 S23으로 진행한다. 단계 S23에서, 개질기 온도센서(30)의 검출결과로부터 개질기(12)내의 촉매가 활성되었는지 여부를 결정한다. 여기에서, 연료증기가 개질기(12)로 공급되는 경우에, 개질기(12)가 차갑다면, 개질 반응이 효율적이지 않고 절차는 종결된다.
반면에, 개질기(12)가 충분히 웜업되었다면, 절차는 단계 S24로 진행하고 연료전지 시스템의 동작상태가 검출된다. 단계 S25에서, 검출된 동작상태에 기초하여 차량이 저부하로 동작하고 있는지 여부를 결정한다. 이것은 소정의 시간동안, 예를 들어, 지난 몇 분-지난 몇 십분동안 전류값을 측정함으로써 행해진다. 본 측정된 값이 정격의 30% 이하이거나 차량이 저속으로 동작하고 있다면, 차량이 저부하로 동작한다고 결정된다.
연료증기가 처리되는 경우에, 연료전지(1)에 의한 전력발생이 임시적으로 감소하거나 중단되어서, 제2 배터리 같은 것으로 전력공급이 커버되어야 한다. 여기에서, 연료전지 시스템이 요구하는 전력부하가 크지 않은 저부하 하에서, 연료증기가 처리된다. 차량이 저부하 하에서 동작하고 있는 경우에, 절차는 단계 S26으로 진행하고, 저부하 하에서 동작하고 있지 않다면, 절차는 종결된다.
단계 S26에서, 도 3에 나타난 제1 정화 기동프로세싱이 수행된다. 이 때문에, 캐니스터(11)내의 연료증기가 개질기(12)로 공급되고, 연료전지(1)용 연료가스가 개질반응에 의해 발생된다.
다음으로, 절차는 단계 S27로 진행하고, 도 12에 나타난 제2 정화 종결결정프로세싱이 수행된다.
여기에서, 결정은 도 4에 나타난 제1 정화 종결결정프로세싱과 동일하다. 단계 S273에서, 타이머 카운트 시간 T가 증가한 후에, 절차는 단계 S274로 진행하고, 연료전지 시스템 동작상태가 검출된다. 절차는 단계 S275로 진행하고, 차량이 저부하 하에서 동작하는지 여부를 다시 결정한다.
따라서, 이런 방법으로 반복적으로 동작상태를 검출함으로써, 고부하가 제2 배터리에 걸리는 것을 명백하게 방지한다. 차량이 저부하 하에서 동작하고 있다면, 절차는 단계 S272로 되돌아가고 정화 종결시간에 도달했는지 여부를 결정한다. 저부하 하에서 동작하고 있지 않다면, 제2 전력전지에 고부하가 걸려서, 정화가 종결되어야 한다고 결정되고, 절차는 단계 S276으로 진행되어 타이머 카운트 시간 T가 리셋된다.
본 제2 정화 종결결정프로세싱으로 인해 정화가 종결되어야 한다고 결정된다면, 도 11에서 절차는 단계 S28로 진행하고, 제1 정화 종결프로세싱에 의해서 통상의 동작으로의 전환이 있다.
따라서, 개질기(12)가 충분히 웜업되고 촉매가 활성화 된 경우에, 연료증기가 공급되어서, 개질반응에 의해서 연료증기가 명확하게 처리되고, 연료증기가 처리되지 않은 채 외부로 방출되지 않고, 환경에 대한 부작용을 피한다.
또한, 연료증기가 정화되는 조건에 연료전지 시스템 동작상태를 추가함으로써, 특히 시스템상의 동작부하가 낮을 때 연료증기를 처리함으로써, 연료증기의 처리로 인한 시스템 동작성능의 저하가 억제된다.
도 13은 제4 실시예에 따른 전지 시스템의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 있어서, 컴프레서(5)의 하류에서 분기하는 유로는, 차단밸브(8)를 통해 개질기(12)로 분기하는 지로통로(23) 및 차단밸브(16)를 통해 버너(13)로 분기하는 유로(26)로 분배된다. 여기에서, 공기공급 통로(22)로부터의 지로통로(26)의 분기점은 컴프레서(5)쪽으로 배치되고, 공기공급 통로(22)로부터의 지로통로(23)의 분기점은 지로통로(26)의 분기점으로부터 하류인 차단밸브(7)쪽으로 배치된다. 본 구성으로 인해서, 시스템의 상태에 따라 개질기(12) 및 버너(13) 중 하나로 연료증기가 공급될 수 있다.
또한, 개질기 온도센서(30), 버너 온도센서(31), CO 산화제 온도센서(32) 및 연료전지 온도센서(33)가 제2 실시예와 동일하게 설치된다.
컨트롤러(20)는 도 14에 나타난 정화처리를 수행한다.
단계 S31, S32에서, 캐니스터(11)에 의해 흡수된 연료증기 흡수량 EB로부터 연료증기를 정화해야 하는지 여부를 결정한다. 이것이 필요하지 않다면, 절차는 종결되고, 필요하다면, 절차는 시스템이 냉각(웜업 이전)되었는지 여부를 결정하는 단계 S33으로 진행한다. 시스템이 냉각되었다고 결정되면, 버너(13)에서 연료증기를 사용하는 제2 정화 기동프로세싱(단계 S42), 제1 정화 종결결정프로세싱(단계 S43) 및 제2 정화 종결프로세싱(단계 S44)이 수행되고, 차량은 통상의 동작으로 되돌아간다.
반면에, 단계 S33에서 시스템이 웜업되었다고 결정된다면, 단계 S37, S38에서 시스템이 저부하 하에서 동작하는지 여부를 결정한다. 저부하 하에서 동작하고 있지 않다면, 절차는 종결되고, 저부하 하에서 동작하고 있다면, 제1 정화 기동프로세싱(단계 S39), 제2 정화 종결결정프로세싱(단계 S40) 및 제1 정화 종결프로세싱(단계 S41)이 수행되고, 연료증기는 개질기(12)에서 사용된다.
본 제어를 수행함으로써, 시스템 기동시와 같이 시스템이 냉각된 경우에는 버너(13)에 의해 연료증기가 사용되고, 통상의 동작중에는, 개질기에 의해 사용되어 제2 전력전지상의 부하를 억제하고 연료사용 효율을 향상시킨다.
일본특허출원 P2001-382798(2001년 12월 17일 출원)의 모든 내용은 참조로서 여기에 통합된다.
본 발명의 몇몇 실시예를 참조하여 본 발명을 상술하였지만, 본 발명은 상술한 실시예로 제한되지 않는다. 당업자라면 상술한 바에 비추어, 상술한 실시예에 대해 변경을 할 수 있을 것이다. 발명의 범위는 다음의 청구항을 참조하여 정의된다.
본 발명은 차량용을 포함하여 다양한 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명에 따라서, 과다한 에너지를 소비하지 않고 연료탱크내의 연료증기를 처리할 수 있어서, 연료전지 시스템의 연비가 향상된다.

Claims (10)

  1. 산소포함 가스를 흡기하고 압력하에서 이송하는 가압메커니즘(5);
    연료탱크(10);
    상기 연료탱크(10)에서 공급되는 원연료로부터 수소포함 가스를 발생시키는 개질기(12);
    상기 가압메커니즘(5)으로부터의 산소포함 가스 및 상기 개질기(12)로부터의 수소포함 가스를 반응시킴으로써 전력을 발생시키는 연료전지(1);
    상기 연료탱크(10)에 연결되어 상기 연료탱크(10)로부터의 연료증기를 흡수하는 캐니스터(11);
    상기 캐니스터(11) 및 상기 가압메커니즘(5)의 흡기측 사이를 연결하는 제1 통로(25);
    상기 제1 통로(25)내에 제공되는 제1 밸브(6); 및
    상기 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기가 정화되어야 하는 경우에, 상기 캐니스터(11)를 상기 가압메커니즘(5)의 흡기측에 연결하기 위해 상기 제1 밸브(6)를 개방하는 기능을 하는 컨트롤러(20)를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 통로(25)가 상기 가압메커니즘(5)의 흡기측에 연결된 위치보다 더 상류에 삽입된 제2 밸브(4); 및
    상기 연료전지(1) 및 상기 개질기(12) 사이에서 상기 가압메커니즘(5)으로부터 압력하에서 이송된 가스를 분배하는 제3 밸브(8)를 더 구비하고,
    상기 컨트롤러(20)는, 연료증기가 정화될 때, 상기 제2 밸브(4)의 개방을 감소시키고, 상기 제3 밸브(8)를 사용함으로써 정화된 연료를 포함한 산소포함 가스를 상기 개질기(12)로 유도하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러(20)는, 상기 개질기(12)가 개질반응이 가능한 온도에 있는 경우에 상기 캐니스터(11)에 의해 흡수된 연료증기를 정화하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 통로(25)가 상기 가압메커니즘(5)의 흡기측에 연결된 위치보다 더 상류에 삽입된 제2 밸브(4);
    상기 개질기(12)에서의 개질반응에 필요한 열을 발생시키는 버너(13); 및
    상기 연료전지(1) 및 상기 버너(13) 사이에서 상기 가압메커니즘(5)으로부터 압력하에서 이송된 가스를 분배하는 제4 밸브(16)를 더 구비하고,
    상기 컨트롤러(20)는, 연료증기가 정화될 때, 상기 제2 밸브(4)의 개방을 감소시키고, 상기 제4 밸브(16)를 사용함으로써 정화된 연료를 포함한 산소포함 가스를 상기 버너(13)로 유도하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 컨트롤러(20)는, 상기 연료전지 시스템이 웜업되었는지 여부를 결정하고, 상기 연료전지 시스템이 웜업되지 않은 경우에는, 상기 연료전지 시스템을 웜업하기 위해서 상기 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기를 상기 버너(14)로 정화하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 통로(25)가 상기 가압메커니즘(5)의 흡기측에 연결된 위치보다 더 상류에 삽입된 제2 밸브(4);
    상기 개질기(12)에서의 개질반응에 필요한 열을 발생시키는 버너(13); 및
    상기 연료전지(1), 상기 개질기(12) 및 상기 버너(13) 사이에서 상기 가압메커니즘(5)으로부터 압력하에서 이송된 가스를 분배하는 제5 밸브(8, 16)를 더 구비하고,
    상기 컨트롤러(20)는, 상기 개질기(12)가 웜업되었는지 여부를 결정하고,
    연료증기가 정화될 때, 상기 제2 밸브(4)의 개방을 감소시키고, 상기 제5 밸브(8, 16)를 사용하여, 상기 개질기(12)가 웜업되지 않은 경우에는 정화된 연료를 포함한 산소포함 가스를 상기 버너(13)로 유도하고, 웜업된 경우에는 정화된 연료를 포함한 산소포함 가스를 상기 개질기(12)로 유도하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러(20)는, 연료증기가 정화될 때, 상기 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기량이 증가함에 따라 상기 제2 밸브(4)의 개방을 더 감소시키는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러(20)는, 상기 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기량이 소정의 양에 도달한 경우에 상기 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기의 정화를 수행하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러(20)는, 연료전지 시스템이 요구하는 부하가 소정의 낮은 부하보다 더 낮은 경우에만 상기 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기의 정화를 수행하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 산소포함 가스를 흡기하고 압력하에서 이송하는 가압메커니즘(5);
    연료탱크(10);
    상기 연료탱크(10)에서 공급되는 원연료로부터 수소포함 가스를 발생시키는 개질기(12);
    상기 가압메커니즘(5)으로부터의 산소포함 가스 및 상기 개질기(12)로부터의 수소포함 가스를 반응시킴으로써 전력을 발생시키는 연료전지(1);
    상기 연료탱크(10)에 연결되어 상기 연료탱크(10)로부터의 연료증기를 흡수하는 캐니스터(11); 및
    상기 캐니스터(11)에 흡수된 연료증기가 정화되어야 하는 경우에, 상기 캐니스터(11)를 상기 가압메커니즘(5)의 흡기측에 연결하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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