KR100591365B1

KR100591365B1 - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템 제어 방법

Info

Publication number: KR100591365B1
Application number: KR1020047014001A
Authority: KR
Inventors: 마토바다다시; 오바타다케아키
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2006-06-19
Also published as: EP1556917A2; EP1556917B1; DE60325501D1; JP2004179149A; US7425380B2; KR20040089712A; WO2004045004A2; US20050123813A1; WO2004045004A3

Abstract

연료 전지 시스템과 관련된 방법은 온도 검출기(29), 압력 검출기(30), 습도 검출기(31)로부터 검출되는 애노드 오프 가스 및 캐소드 오프 가스의 상태신호에 따라서, 엔탈피 계산을 하여, 퍼지 중 연소기(7)의 연소 온도를 예측하는 시스템 제어 장치(37)를 갖는 것으로 개시된다. 예측 연소 온도가 상한치를 초과하는 경우, 캐소드 오프 가스가 증가되어 연소기(7)의 연소 온도를 상한치 이하로 억제한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND RELATED METHOD}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 애노드 오프 가스(anode off-gas)를 연소하는 연소기의 온도 제어의 개선을 제공하는 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템 제어 방법에 관한 것이다.

연료 전지 시스템에서, 수소와 같은 연료 가스 및 산소를 포함하는 옥시던트(oxydant) 가스는 전해질을 통해 서로 전기화학적으로 반응하여, 전해질의 양측에 배치된 전극으로부터 전기 에너지를 취출한다. 특히, 고체 전해질을 채용하는 고체 고분자 연료 전지는 낮은 작동 온도와 취급의 용이함 때문에, 전동 차량용 전원으로서 대중적으로 관심을 끌고 있다. 연료 전지 동력 차량은 배출 물질(emission matter)로서 단지 물만이 남아있는 매우 깨끗한 차량이다. 이 차량은 고압 수소 탱크, 액체 수소 탱크, 및 수소 흡장 합금(hydrogen absorbing amorphous alloy) 탱크와 같은 수소 흡수 장치를 장착한다. 수소 흡수 장치로부터 공급되는 수소와 산소를 포함하는 공기는 연료 전지에 배급되어 반응하여 연료 전지로부터 취출한 전기 에너지로 구동륜에 연결된 모터를 구동한다.

고체 고분자형 연료 전지는 애노드 출구로부터 배출되는 미반응의 수소 가스 를 포함하는 애노드 오프 가스를 애노드 입구에 재순환시키는 애노드 오프 가스 재순환형식을 포함한다. 이러한 형식의 연료 전지는 애노드 오프 가스와 전기화학반응하여 소비되는 수소 유량보다 다량의 수소가 공급되는 애노드(연료 전극) 입구를 포함한다.

이러한 애노드 오프 가스 재순환형 연료 전지가 연속 작동될 때, 캐소드(cathode)(공기 전극)로부터 공기와 증기가 누출되기 때문에, 애노드 가스 중의 질소 산화물 농도 및 증기 농도가 증가한다. 또한, 연료 가스를 형성하는 수소가 불순물을 함유한다면, 불순물은 수소와 다른 전기화학반응에 의해 소비되지 않고 애노드 가스 중에 축적된다.

이들 현상은 발전 성능을 바람직하지 않게 저하한다. 그러므로, 어느 정도의 시간 간격 동안 운전이 계속된 후, 불순물을 많이 포함하는 애노드 가스가 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스 사이에서 연소를 발생시키는 외부의 연소기로 배출된다.

일본국 특개평 8-7803호 공보에 의해 제안된 이러한 연소기에 의해, 공기 유량이 제어되어 연소기의 온도가 내열온도를 초과하지 않도록 제어된다.

이 기술에 의하면, 애노드 오프 가스와 캐소드 오프 가스의 일부가 도입되어 연소되는 연소실(combustion chamber)이 형성된 연료 개질기; 캐소드 배기 가스 터빈(turbine)으로 구동되는 공기압축기; 공기압축기로부터 배급된 공기와 함께 공기를 연소실로 보내주는 저온 송풍기(blower)를 구비하고 있다.

또한, 이 연료 전지 시스템은 연료 전지에 대한 출력 지령(output command), 연소 배기 가스의 산소농도, 및 연소기의 출구 온도에 기초하여, 저온 송풍기로의 회전수의 지령을 출력하면서, 개질기 연소 공기 유량 조절 밸브 개질기로의 개도(opening-degree) 보정 지령을 출력하는 제어기를 포함한다. 연소실의 출구온도가 상한치를 초과한다면, 제어기는 개질 연소 공기 유량 조절 밸브의 개도를 증가시키고, 또한 그 개도에 따라 저온 송풍기의 회전수를 증가시켜, 개질기의 연소실에 공급되는 공기 유량을 증가시켜 연소실의 온도를 저하시키도록 제어한다.

그러나, 상기 언급한 기술은 연소실 출구의 검출치가 온도 상한치를 초과하는 다면, 공기 유량이 증가되어 연소실의 온도를 저하시키는 구조를 갖는다. 그러므로, 간헐적 또한 단시간의 연소가 연소실에서 실행될 때, 연소실 내 현재 열용량에 기인하여 출구 가스 온도가 상승한다. 따라서, 온도 상한치를 초과하는 연소가 검출될 수 없기 때문에, 그 결과 연소실의 성능이 저하된다.

상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 일관점은 연료 가스를 공급되는 연료 가스 공급 장치, 옥시던트 가스를 공급되는 옥시던트 가스 공급 장치, 연료 가스 및 상기 옥시던트 가스를 사용하여 발전하는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택의 애노드로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 애노드에 재순환시키는 애노드 오프 가스 재순환 장치, 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 외부로 배출하는 퍼징 유닛, 및 적어도 퍼징 유닛으로부터 배출되는 애노드 오프 가스와 옥시던트 가스 또는 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 연소시키는 연소기를 구비한 연료 전지 시스템에 있어서, 퍼징 유닛에 의해 애노드 오프 가스를 연소기에 배출할 때에, 연소기의 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 시스템 제어를 실행하게 작동하는 시스템 제어 장치를 구비한 연료 전지 시스템을 제공한다.

본 발명의 또다른 관점에 따르면, 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 장치, 옥시던트 가스를 공급하는 옥시던트 가스 공급 장치, 상기 연료 가스 및 상기 옥시던트 가스를 사용하여 발전하는 연료 전지 스택, 적어도 애노드 오프 가스로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 상기 옥시던트 가스 또는 상기 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 연소시키는 연소기를 준비하는 단계, 상기 연료 전지 스택의 애노드로부터 애노드 오프 가스를 배출하는 단계, 상기 연료 전지 스택의 애노드로부터 배출된 애노드 오프 가스를 애노드에 재순환시키는 단계, 적어도 상기 연료 전지 스택의 애노드로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 상기 옥시던트 가스 또는 상기 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 연소시키는 단계, 및 애노드 오프 가스를 상기 연소기로 배출하게 할 때, 상기 연소기의 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 시스템 제어를 실행하는 단계를 구비하는 연료 전지 시스템 제어 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제1 실시 형태의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 2a 내지 도 2e는 제1 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 타임 차트이며, 도 2a는 연소기(7)의 연소 온도(Te)를 도시하며, 도 2b는 공기 공급 장치(2) 로부터 공급되는 공기 유량을 도시하며, 도 2c는 캐소드 오프 가스 배출량을 도시하며, 도 2d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량을 도시하며, 도 2e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 3은 제1 실시 형태의 시스템 제어 장치를 형성하는 부분의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.

도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제2 실시 형태의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 5a 내지 도 5e는 제2 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 타임 차트이며, 도 5a는 연소기(7)의 연소 온도(Te)를 도시하며, 도 5b는 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량을 도시하며, 도 5c는 캐소드 오프 가스 배출량, 도 5d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량, 도 5e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 6은 제2 실시 형태의 시스템 제어 장치를 형성하는 부분의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.

도 7은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제3 실시 형태의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 8a 내지 도 8e는 제3 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 타임 차트이며, 도 8a는 연소기(7)의 연소 온도(Te)를 도시하며, 도 8b는 보조 공기 공급 장치(28)로부터 공급되는 공기 유량을 도시하며, 도 8c는 캐소드 오프 가스 배출량을 도시하며, 도 8d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량, 도 8e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 9는 제3 실시 형태의 시스템 제어 장치를 형성하는 부분의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.

도 10a 내지 도 10d는 제4 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 타임 차트이며, 도 10a는 연소기(7)의 연소 온도(Te)를 도시하며, 도 10b는 캐소드 오프 가스 배출량을 도시하며, 도 10c는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량을 도시하며, 도 10d는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 11은 제4 실시 형태의 시스템 제어 장치를 형성하는 부분의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.

도 12a 내지 도 12e는 제5 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 타임 차트이며, 도 12a는 연소기(7)의 연소 온도(Te)를 도시하며, 도 12b는 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량을 도시하며, 도 12c는 캐소드 오프 가스 배출량을 도시하며, 도 12d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량을 도시하며, 도 12e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 13은 제5 실시 형태의 시스템 제어 장치를 형성하는 부분의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.

도 14는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제6 실시 형태의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다.

도 15a 내지 도 15e는 제6 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 타임 차트이며, 도 15a는 연소기(7)의 연소 온도(Te)를 도시하며, 도 15b는 물 공급량을 도시하며, 도 15c는 캐소드 오프 가스 배출량을 도시하며, 도 15d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량을 도시하며, 도 15e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 16은 제6 실시 형태의 시스템 제어 장치를 형성하는 부분의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.

도 17은 연료 전지의 운전조건의 관점에서 연소 온도 예측 맵의 예를 설명하는 도면이다.

도 18a 내지 도 18e는 제7 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 타임 차트이며, 도 18a는 연소기(7)의 연소 온도(Te)를 도시하며, 도 18b는 공기 공급 장치(2)로부터 공급된 공기 공급량을 도시하며, 도 18c는 캐소드 오프 가스 배출량을 도시하며, 도 18d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량을 도시하며, 도 18e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 19는 제7 실시 형태의 시스템 제어 장치를 형성하는 부분의 제어 내용을 설명하는 플로우 차트이다.

도 20은 제7 실시 형태에 있어서, 애노드 오프 가스의 퍼지 실시 여부를 판정하기 위한 전압 임계치(voltage threshold value)를 계산하기 위한 테이블 테이터를 설명하는 도면이다.

도 21은 제7 실시 형태에 있어서, 애노드 오프 가스의 퍼지 실시 여부를 판정하기 위한 전압 임계치를 계산하기 위한 테이블 테이터를 설명하는 도면이다.

도 22는 제7 실시 형태에 있어서, 공기 유량의 변화율을 계산하기 위한 테이 블 테이터를 설명하는 도면이다.

도 23은 제7 실시 형태에 있어서, 공기 유량의 변화율을 계산하기 위한 테이블 테이터를 설명하는 도면이다.

도 24는 제7 실시 형태에 있어서, 공기 유량의 변화율을 계산하기 위한 테이블 테이터를 설명하는 도면이다.

(제1 실시 형태)

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제1 실시 형태를 하기에 상세히 설명한다.

도 1은 제1 실시 형태의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다. 도면에서, 연료 전지 시스템은, 연료 가스로서 수소를 공급되는 수소 공급 장치(연료 가스 공급 장치)(1); 옥시던트 가스로서 공기를 공급되는 공기 공급 장치(옥시던트 가스 공급 장치)(2); 각각 수소와 공기가 공급되는 애노드(4)와 캐소드(5)와 같은 전극을 구비하여 발전하는 연료 전지 스택(3); 애노드 오프 가스를 애노드 오프 가스 재순환 배관(12)을 통해 애노드(4)의 상류측에 재순환시키는 애노드 오프 가스 재순환 장치(6); 기동(start-up) 중 연소기(7)의 연소 배기 가스로 냉매를 가열하는 냉매용 열교환기(8); 냉매 냉각 장치(9); 수소 및 공기를 가습하는 가습 장치(10); 공기 유량 제어 밸브(16); 냉매를 열교환기(8) 또는 냉매 냉각 장치와 연료 전지 스택(3)과의 사이에서 재순환하도록 작동시키는 냉매 펌프(21); 냉매 유로(coolant flow passage)를 열교환기(8) 또는 냉매 냉각 장치(9)에 전환(change-over)되게 하 는 세방향(three-way) 밸브(22); 애노드 오프 가스를 애노드 오프 가스 재순환 장치(6)로부터 외부로 배출하는 애노드 오프 가스 배출 밸브(퍼지 수단)(27); 온도 검출기(29a 내지 29g); 압력 검출기(30a 내지 30d); 습도 검출기(31a, 31b); 공기 유량계(air flow meter)(32); 수소 유량계(33); 연료 전지 스택(3)의 셀 전압을 검출하는 전압 검출기 수단(36); 및 연료 전지 시스템 전체를 제어하는 시스템 제어 장치(시스템 제어 수단)(37)를 구비하고 있다.

이하의 설명에서, 애노드 오프 가스를 애노드 오프 가스 재순환 장치(6)로부터 연소기(7)에 일시적으로 배출하는 것을 "퍼징(purging)"으로 부른다.

연소기(7)는 수소 또는 공기가 공급되는 애노드 오프 가스, 또는 캐소드 오프 가스를 혼합하여 균일한 혼합 가스를 형성하는 믹서(23)와, 연소 촉매(combustion catalyst)를 캐리하여(carrying) 혼합 가스를 연소시키는 연소기(24)로 구성되고 있다.

연소실(24)에는 온도 검출기(29e)가 위치되며, 검출된 온도의 정보는 도시하지 않은 신호선(signal line)을 통해 시스템 제어 장치(37)로 보내진다.

연소기(7)에는 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)를 통해 수소, 공기 공급 장치(2)로부터 공기 유량 조정 밸브(17)를 통해 공기, 캐소드 오프 가스 배출 배관(15)를 통해 캐소드 오프 가스가 공급된다. 이들 가스가 믹서(23)에서 혼합되며, 혼합된 가스가 연소 촉매(24)에 의해 연소된다. 연료 전지 시스템의 기동 중 연소기(7)로부터 생성된 연소 가스는 냉매용 열교환기(8)에서 냉매와 열교환하여 냉매 온도를 운전 온도까지 상승시키는 데 사용된다. 그 후, 배기 배관(19)을 통해 시 스템 외부로 배출된다. 또한, 배기 배관(19)으로부터 응축수(condensed water)가 회수되어, 순수 탱크(pure water tank)(25)에 저장된다.

순수 탱크(25)에 저장된 순수는 순수 펌프(35)에 의해, 순수 배관(26)을 통해 가습 장치(10)로 공급된다. 가습 장치(10)는 이 순수를 사용하여 연료 전지 스택(3)에 공급되는 수소 및 공기를 가습한다.

연료 전지 스택(3)의 온도는 부동액(antifreeze mixture) 등과 같은 냉매에 의해, 운전 온도가 적절한 온도로 유지되도록 관리된다. 이 때문에, 통상 운전 모드(normal operation mode) 중, 세방향 밸브(22)는 냉매 펌프(21)와 냉매 냉각 장치(9)를 서로 연통시켜, 이에 의해 냉매 펌프(21), 세방향 밸브(22), 냉매 냉각 장치(9), 연료 전지 스택(3), 냉매 펌프(21)로 구성된 폐로(closed circuit)를 통해 냉매가 순환한다. 이는 연료 전지 스택(3)의 발열(heat buildup)을 냉매 냉각 장치(9)로부터 시스템 외부로 배출되게 하여, 이에 의해 연료 전지 스택(3)의 온도를 적절한 온도로 유지한다.

한편, 연료 전지 시스템의 기동 중, 세방향 밸브(22)는 냉매 펌프(21)와 냉매용 열교환기(8)를 서로 연통시켜, 이에 의해 냉매 펌프(21), 세방향 밸브(22), 냉매용 열교환기(8), 연료 전지 스택(3), 냉매 펌프(21)로 구성된 폐로를 통해 냉매가 순환한다. 이는 냉매 온도를 냉매용 열교환기(8)에서 상승시키고, 이에 의해 연료 전지 스택(3)의 온도를 운전 개시에 적절한 온도까지 올리는 것을 가능하게 한다.

시스템 제어 장치(37)는, 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)를 통해 애노드 오 프 가스가 연소기(7)로 배출될 때, 연소기(7)의 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 시스템을 제어하는 시스템 제어 수단으로서 작용한다.

또한, 시스템 제어 장치(37)에는, 공기 유량계(32),수소 유량계(33),온도 검출기(29a 내지 29g), 압력 검출기(30a 내지 30d), 습도 검출기(31a, 31b) 및 전압 검출기 수단(36)이 접속되어 있다. 이에 의해, 이들 장치로부터, 시스템 제어 장치(37)에는, 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기의 유량, 온도 및 압력, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소의 유량, 온도 및 압력, 캐소드(5)로부터 배출되는 캐소드 오프 가스의 온도, 압력 및 습도, 애노드(4)로부터 배출되는 애노드 오프 가스의 온도, 압력 및 습도가 각각 적용되게 할 수 있다.

또한, 전압 검출기 수단(36)은 연료 전지 스택(3)을 형성하는 유닛 셀 각각의 전압 또는 복수 개의 유닛 셀로 각각 형성되는 각각의 군(group)의 전압을 검출하여, 전압치를 시스템 제어 장치(37)로 출력한다.

시스템 제어 장치(37)에는, 상기 장치들로부터 전달된 검출 신호 및 발전 부하 지령 신호(electric-power-generation load command signal)가 적용된다. 이들 신호를 사용함으로써, 시스템 제어 장치(37)는 수소 공급 장치(1), 공기 공급 장치(2), 애노드 오프 가스 재순환 장치(6), 냉매 펌프(21), 순수 펌프(35), 공기 유량 제어 밸브(16), 세방향 밸브(22), 및 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)를 제어하고, 이에 의해 연료 전지 스택(3)에 공급되는 수소 및 공기의 유량, 연료 전지 스택(3)의 온도를 제어한다. 또한, 시스템 제어 장치(37)는, 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)를 통해 애노드 오프 가스가 연소기(7)에 배출되게 할 때, 연소기(7)의 연소 온도가 소정 온도를 초과하지 않도록 제어를 실행한다. 또한, 특히 한정되지 않지만, 본 실시 형태에 있어서는, 시스템 제어 장치(37)는 CPU, 메모리(memory)와 I/O 인터페이스(interface)를 포함하는 마이크로컴퓨터로 구성된다.

연료 전지 시스템의 작동의 기본 시퀀스를 하기와 같이 설명한다. 수소 공급 장치(1) 및 공기 공급 장치(2)로부터 수소와 공기가 각각 애노드(4)와 캐소드(5)에 공급된다. 이후, 연료 전지 스택(3) 내에서 수소와 공기가 반응함으로써 발전된다. 이러한 동작중, 애노드(4)로부터 소비되지 않고 남은 애노드 오프 가스와, 캐소드(5)로부터 일부의 산소가 소비되어 또한 발전에 의해 생성된 수분을 포함한 캐소드 오프 가스가 각각 배출된다.

통상 운전 중, 애노드 오프 가스의 전체가 애노드 오프 가스 재순환 장치(6)에 의해 애노드 오프 가스 재순환 배관(12)을 통해 수소 공급 배관(11)에 재순환된다. 이후, 애노드 오프 가스의 전체가 애노드(4)에 다시 공급된다.

캐소드 오프 가스는 연소기(7)에 공급되고, 이후, 냉매용 열교환기(8)와, 배기 배관(19)을 통해 시스템 외부로 배출된다.

여기서, 연료 전지 스택(3)의 셀 전압을 검출하는 전압 검출기 수단(36)이 소정의 전압치보다도 낮은 전압을 검출한다면, 시스템 제어 장치(37)로부터 보내진 퍼지 신호에 따라서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)로부터 연소기(7)에 애노드 오프 가스가 소정 유량 배출된다. 동시에, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량은, 공급되는 수소 압력을 일정하게 유지하면서 애노드 오프 가스 유량과 대략 동일 유량만 증가된다.

이러한 작동 중, 캐소드 오프 가스의 수증기도 포함시킨 가스 조성 및 캐소드 오프 가스의 엔탈피가 공기 유량계(32)에 의해 검출되는 공기 유량과, 수소 유량계(33)에 의해 검출되는 수소 유량과, 온도 검출기(29c)에 의해 검출되는 캐소드 오프 가스 온도와, 압력 검출기(30a)에 의해 검출되는 캐소드 오프 가스 압력과, 습도 검출기(31a)에 의해 검출되는 캐소드 오프 가스 습도에 따라 계산된다.

한편, 애노드 오프 가스 재순환 장치(6)로부터 배출되는 애노드 오프 가스의 조성이 단지 수소로만 형성된다고 가정한다. 이러한 가정하에, 애노드 오프 가스의 엔탈피가 미리 설정된 애노드 오프 가스 배출 유량과, 온도 검출기(29d)에 의해 검출되는 애노드 오프 가스의 온도에 따라 계산된다.

계산된 캐소드 오프 가스 및 애노드 오프 가스의 엔탈피에 따라, 연소기(7)에서의 연소 온도의 예측치가 계산된다. 그 계산 방법의 일례가 하기에 지시된다.

각 가스 성분의 1 mol당 엔탈피(단위: KJ/mol)는 절대온도(T)(단위: K)의 함수로서 이하의 식으로써 표시된다:

수소: Hh2(T) = -8.64597E+00 + 2.90620E-02 ×T - 4.10000E-07 ×T^2 + 6.63433E-10 ×T^3, …(1)

산소: Ho2(T) = -8.18267E + 2.55940E-02 ×T + 6.62550E-06 ×T^2- 1.40167E-09 ×T^3, …(2)

질소: Hn2(T) = -8.31059E + 2.70160E-02 ×T + 2.9060OE-06 ×T^2- 9.63333E-11 ×T^3, …(3)

물: Hh2o(T) = -2.51277E + 3.02040E-02 ×T + 4.96650E-06 ×T^2- 3.72333E-09 ×T^3, …(4)

여기서, 우리는 연료 전지 스택(3)에 공급되는 공기 유량(Qsa)(mol/sec) 및 수소 유량(Qsh)(mol/sec)으로부터 추출(extract)되는 캐소드 오프 가스에 포함되는 산소 유량 및 질소 유량을 각각 QCo2(mol/sec) 및 QCn2(mol/sec)으로 정의하고, 온도 검출기(29c), 압력 검출기(30c), 습도 검출기(31a)에 의해 검출되는 캐소드 오프 가스의 온도(Tc)(K), 압력(Pc)(KPa), 상대습도(Huc)(%)를 기초로 얻어지는 수증기 유량을 QCh2o(mol/sec)로 정의하고, 또한 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)의 개도에 의해 판정되는 애노드 오프 가스 유량을 QAh2(mol/sec), 애노드 오프 가스의 온도를 Ta(K)로 정의한다.

이러한 정의 하에, 공기의 조성을 산소 : 질소= 0.21 : 0.79로 가정하면, 산소의 유량(QCo2) 및 수소의 유량(QCn2), 증기 유량(QCh2o)은 다음과 같이 표현된다:

QCo2 = 0.21 ×Qsa-Qsh/2, …(5)

QCn2 = 0.79 ×Qsa, …(6)

QCh2o = (QCo2 + QCn2) ×(Huh2o(Tc) ×Huc/100)/(Pc - Huh2o(Tc) ×

Huc/100), …(7)

여기서, Huh2o(Tc)는 온도(Tc)에서의 포화 증기압(saturated steam pressure)이다.

이후, 캐소드 오프 가스의 단위 시간당 엔탈피(HC) 및 애노드 오프 가스의 단위 시간당 엔탈피(HA)는 식(1), (2), (3), 및 (4)에 기초하여 이하의 식으로 표 된다:

HC(Tc) = Ho2(Tc) ×QCo2 + Hn2(Tc) ×QCn2 + Hh2o(Tc) ×QCh2o

(KJ/sec), …(8)

HA(Ta) = Hh2(Ta) ×Qah2(KJ/sec), …(9)

다음에, 연소기(7)에서 연소될 때의 연소 온도를 계산한다.

애노드 오프 가스 중의 수소가 완전 연소되는 것으로 가정하면, 캐소드 오프 가스 및 애노드 오프 가스의 조성 및 유량에 기초하여 연소 가스의 각 성분의 유량을 하기에 기술된 식으로 추정할 수 있다:

산소 유량 : QEo2 = QCo2 - QAh2/2(mol/sec), …(10)

질소 유량 : QEn2 = QCn2(mol/sec), …(11)

증기 유량 : QEh2o = QCh2o + QAh2(mol/sec), …(12)

여기서, 연소 온도를 Te(K)로 정의하면, 식(2), (3), (4)로부터, 연소 가스의 단위 시간당 엔탈피(HE)는 다음 식으로 표현된다:

HE(Te) = Ho2(Te) ×QEo2 + Hn2(Te) ×QEn2 + Hh2o(Te) ×QEh2o

(KJ/sec), …(13)

또한, 수소의 저발열량을 241.8(KJ/mol)로 가정하면, 수소의 단위 시간당 반응열(Hb)은 다음과 같이 표현된다:

Hb = 241.8 ×QAh2(KJ/sec), …(14)

식(8), (9), (13), (14)에 기초하여 이하의 식이 성립하도록 연소 온도(Te) 에 관해서 수렴(convergent) 계산을 하여, 연소 온도(Te)를 구한다.

HC(Tc)+ HA(Ta) = HE(Te) + Hb, …(15)

원래 애노드 오프 가스는 전해질막을 통해 캐소드(5) 및 애노드(4)를 덮는 영역에서 확산되는 질소나 물을 포함하는 것으로 가정하였지만, 애노드 오프 가스의 퍼징을 진행함에 따라, 수소 농도가 증가하고 반대로 불순물 농도가 저하한다.

이 때문에, 애노드 오프 가스의 조성이 수소만을 포함한다는 가정하에 연소 온도를 계산하는 것에 의해, 연료 전지 스택(3) 내의 수소 통로와 애노드 오프 가스 재순환 장치(6)와 애노드 오프 가스 재순환 배관(12)으로 구성된 애노드 오프 가스 재순환계가 애노드 오프 가스의 배출 말기(final stage)에서 수소로 모두 치환된 결과 대략 100%의 수소 농도를 갖는 애노드 오프 가스가 연소기(7)에 공급되는 경우를 고려하여 연소 온도를 측정할 수 있다. 그러므로, 연소기(7)의 과도한 온도 상승이 방지될 수 있다.

또한, 충분히 높은 응답성(high response)을 갖는 온도 검출기(29c, 29d), 습도 검출기(31a, 31b)와 같은 측정 수단(measuring means)에 의해 과도적인 가스조성(transient gas composition)이 파악될 수 있고, 또한 공급된 가스의 유량이 바람직한 응답성을 얻을 수 있는 상황하에, 애노드 오프 가스에 관해서도 각 가스 조성마다 엔탈피를 구하여 연소 온도를 계산함으로써 제어가 실행될 수도 있다.

여기서, 계산된 연소 온도의 예측치가 미리 설정된 상한치보다도 낮다면, 유량 조건이 변경되지 않는다.

그러나, 연소 온도의 예측치가 상한치를 초과한다면, 연소 온도를 상한치 이하로 하기 위해서, 연료 전지 스택(3)을 통해 연소기(7)에 공급되는 공기량이 증가 되며, 이에 의해 연소 온도가 상한치 이하로 억제되도록 제어를 실행한다.

이 때, 공기의 증가량의 계산은 이하의 순서로 한다.

우선, 증가되는 공기 유량은 Qair(mol/sec)로 가정하고, 증가 공기와, 연료 전지 스택(3)로부터 증가에 의해 갖고 나가는 수증기 사이의 가스 혼합기(gaseous mixture)의 엔탈피(Hair)를 온도(Tc)(K)에 기초하여 식(2), (3), (4)로 가정한다. 이러한 가정에 의해, 연료 전지 스택(3)에 공급되는 공기 유량을 증가시킬 때조차 연료 전지 스택(3)의 열용량이 충분히 크면서 동시에, 연료 전지 스택(3) 내부의 습기도 충분하기 때문에, 캐소드 오프 가스의 온도(Tc) 및 상대습도(Huc)도 단기적으로 보면 변하지 않은 것으로 간주할 수 있다. 이에 의해,

Hair(Tc) = Qair ×0.21 ×Ho2(Tc) + Qair ×0.79 ×Hn2(Tc)

+ Qair ×(Huh2o(Tc) ×Huc/100/(Pc - Huh2o(Tc) ×Huc/100))

(KJ/sec), …(16)

다음에, 연소 가스 중의 산소, 질소, 증기 유량에 공기의 증가 유량과 동일한 값이 추가되며, 온도(Te)에서의 연소 가스의 엔탈피(HE)(Te)'가 이하의 식으로 표현된다:

QEo2' = Qco2 - Qao2 + 0.21 ×Qair(mol/sec), …(10)'

QEn2' = QCn2 + 0.71 ×Qair(mol/sec), …(11)'

QEh2o' = QEh2o + Qair ×(Huh2o(Tc) ×Huc/100/(Pc - Huh2o(Tc)×

Huc/100))(mol/sec), …(12)'

HE(Te)' = Ho2(Te) ×QEo2' + Hn2(Te) ×QEn2' + Hh2o(Te) ×

QEh2o'(KJ/sec), …(13)'

식(15)의 좌변에 Hair 값을 가하고, 또한 우변의 연소 온도(Te)에 미리 설정되는 연소 온도 상한치(Tmax)를 대입하여, 공기 유량(Qair)에 관한 수렴(convergent) 계산이 실행되며, Qair가 다음과 같이 계산된다:

HC(Tc) + HA(Ta) + Hair(Tc) = HE(Tmax)' + Hb, …(17)

소정의 애노드 오프 가스 배출 시간이 경과한 시점에서, 연소기(7)로의 애노드 오프 가스의 배출이 중단되면서 동시에, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량의 증가 및 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량의 증가가 중단되며, 운전이 통상 운전으로 이행된다.

도 2a 내지 도 2e는 제1 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 플로우 차트이고, 도 2a는 연소기(7)의 연소 온도(Te), 도 2b는 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량, 도 2c는 캐소드 오프 가스 배출량, 도 2d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량, 및 도 2e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 2a 내지 도 2e에 있어서, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량이 애노드 오프 가스의 배출과 동시에 배출되는 애노드 오프 가스 유량과 같은 유량만큼 증가되기 때문에, 연료 전지 스택(3)의 출력은 애노드 오프 가스 배출 개시 전후의 시간 간격 동안 일정하게 유지된다. 또한, 예측 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 작동시에는, 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량이 증가되고, 캐소드 오프 가스 배출량이 도 2c에 도시된 바와 같이 증가되기 대문에, 실제의 연소기의 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 것을 회피 하도록 제어된다.

이렇게 함으로써, 도 2a에서 얇은 실선으로 도시된 바와 같은 과도한 온도 상승을 겪게 되는 종래 기술의 연료 전지 시스템과 달리, 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 상황을 회피하여, 연소기의 연소 촉매가 열화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 3은 제1 실시 형태의 시스템 제어 장치의 제어 기능을 설명하는 플로우 차트이다.

우선, 스텝(step)(이하, "S"로 간략화함)10에서, 전압 검출기 수단(36)에 의해 연료 전지 스택(3)의 셀 전압이 검출되며, 셀 전압이 소정치 이하인지의 여부가 판정된다. 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출된 각 유닛 셀의 전압, 또는 유닛 셀 군의 전압이 소정치 이하로 떨어졌다면, 작동은 S12로 진행된다. 이들 전압이 소정치를 초과했다면, 이후 작동은 S10으로 되돌아가, 이에 의해 셀 전압의 검출과 판정을 되풀이한다. S12에서, 셀 전압을 회복하기 위한 퍼지 작동에 의해, 애노드 오프 가스를 연소기(7)로 배출할 때, 연소 온도를 예측하기 위해서, 연소 온도(Te)가 계산된다. 이 연소 온도(Te)의 예측치는 상기의 식(1) 내지 식(15)을 사용하여 연소기(7)에 유입 및 유출하는 가스의 엔탈피에 기초하여 계산된다.

S14에서, 연소 온도(Te)가 미리 설정되어 있는 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는지의 여부가 판정된다. S14의 판정에서, 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않는다면, 작동은 통상의 퍼지를 실행하도록 S40으로 진행한다.

S14의 판정에서, 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과한 것으로 판정된다면, S16 이하의 작동은, 연소기(7)에 공급되는 공기 유량이 증가되어 연소기(7)의 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않도록 퍼지하면서 제어를 실행한다.

S16에서, 증가되는 공기 유량(Qair)이 계산된다. 이러한 계산중, 상기의 식(1) 내지 식(17)의 관점에서 설명하는 바와 같이, 증가되는 공기 유량(Qair)이, 캐소드 오프 가스의 온도(Tc) 및 상대습도(Huc)가 단기적으로 보면 변하지 않은 것으로 간주되는 엔탈피 계산에 기초하여 얻어질 수 있다.

다음으로 S18에서, 시스템 제어 장치(37)로부터 공기 공급 장치(2), 애노드 오프 가스 배출 밸브(27) 및 수소 공급 장치(1)로 퍼지 지령이 발신된다. 이 퍼지 지령에 의해, S20에서, 공기 공급 장치(2)가 캐소드(5)에 공급되는 공기 유량을 증가시키며 한편, S24에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 개방되고, S26에서 수소 공급 장치(1)가 애노드(4)에 공급되는 수소 유량을 증가한다.

다음으로 S28에서, 퍼지를 시작하고 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였는지의 여부가 판정되며, 경과하지 않았다면, 작동은 S28로 되돌아간다. 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였다면, S30으로 진행한다. S30에서 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량 증가가 중단되고, S32에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 폐쇄되며, 한편 S34에서 공기 공급 장치(2)로부터 공급된 공기 유량의 증가가 중단된다. 이것에 의해 연료 전지 시스템은 통상의 운전 상태로 복귀된다.

한편, S40에서, 소정 조건하에 애노드 오프 가스를 배출하는 과정이 시작된 다. S42에서, 시스템 제어 장치(37)로부터 애노드 오프 가스 배출 밸브(27) 및 수소 공급 장치(1)에 퍼지 지령이 발신된다. 이 퍼지 지령의 수신(receipt)에 의해, S44에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 개방되고, S46에서 수소 공급 장치(1)가 애노드(4)에 공급되는 수소 유량을 증가한다.

이어서 S48에서, 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였는지의 여부가 판정되고, 경과하지 않았다면, S48로 되돌아간다. 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였다면, S50으로 진행하여, S50에서 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량의 증가가 차단되고, S52에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 폐쇄된다. 이것에 의해 연료 전지 시스템은, 통상의 운전 상태로 복귀된다.

이상 설명한 제1 실시 형태에 의하면, 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 배출할 때에 연소기에서 생성하는 연소 가스의 온도가 소정 온도를 초과하지 않도록 제어함으로써, 과도한 열부하에 기인한 연소기의 성능 저하가 억제될 수 있는 효과가 존재한다.

또한, 연료 전지 스택의 운전 부하에 따라서 연소기에 유입하는 혼합 가스의 유량 및 조성 중 적어도 하나를 예측하여 이에 의해 연소 온도를 미리 예측하는 능력에 기인하여, 연소 온도가 소정의 온도를 초과할 가능성이 존재하여 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 시스템이 제어되며, 이에 의해 단시간 주기 동안만 연소가 이루어진 결과 연소기 입구부 온도와 연소기 출구부 온도 사이에 불일치(discrepancy)가 발생할지라도, 연소기 전체에서 과도한 온도 상승이 제한되어 과 도한 열부하에 기인한 연소기의 성능 저하를 억제한다.

(제2 실시 형태)

다음에, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제2 실시 형태를 상세히 설명한다.

도 4는 제2 실시 형태의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다. 제2 실시 형태에서, 공기 유량 제어 밸브(17) 및 공기 공급 배관(18)이 공기 공급 장치(2)와 연소기(7)와의 사이에 추가로 배치되어 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기의 일부가 분기되어 연소기(7)에 직접 공급되도록 연료 전지 시스템이 구성된다. 제2 실시예는 도 1에 도시된 제1 실시 형태의 구성과 그 밖의 구성이 유사하므로, 동일의 구성요소에는 동일 부호를 부여하여 중복하는 설명을 생략한다.

상기 언급된 이러한 구성에 의해, 본 실시 형태는 연료 전지 스택(3)을 개재하지 않고 공기 공급 장치(2)로부터 공기 유량 제어 밸브(17)를 통해 공기를 직접적으로 연소기(7)에 공급할 수 있으며, 연소기(7)에 공급되는 공기 유량 증가에 대해 신속한 응답성이 향상되며, 이에 의해 연소 온도의 상승을 보다 정확하게 제한한다.

이러한 경우, 요구되는 증가된 공기 유량은, 증가되는 공기의 온도로서 Tc(K)로 바꿔, 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기의 온도를 검출하는 온도 검출기(29a)에 의해 검출되는 온도(Tair)(K)가 사용되는 것, 및 증가되는 공기가 연료 전지 스택(3)을 개재하지 않고 연소기(7)에 직접 공급되기 때문에, 공기 증가에 의해 이루어진 증기 유량의 증가를 고려하지 않은 것 이외는, 제1 실시 형태와 같 은 방법으로 처리된다.

이러한 작동에서, 식(16) 및 식(13)' 대신에 다음 식으로서 식(17)에 대입하여, 공기 유량 증가량이 계산될 수 있다.

Hair(Tair) = Qair ×0.21 ×Ho2(Tair) + Qair ×0.79 ×Hn2(Tair)

(KJ/sec), …(16)'

HE(Te)' = Ho2(Te) ×QEo2' + Hn2(Te) ×QEn2' + Hh2o(Te) ×QEh2o

(KJ/sec), …(13)'''.

도 5a 내지 도 5e도 제2 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 플로우 차트이고, 도 5a는 연소기(7)의 연소 온도(Te), 도 5b는 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량, 도 5c는 캐소드 오프 가스 배출량, 도 5d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량, 도 5e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 5a 내지 도 5e에서, 애노드 오프 가스가 배출됨과 동시에, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량이 애노드 오프 가스 배출량과 같은 유량만 증가되기 때문에, 연료 전지 스택(3)의 출력은 애노드 오프 가스 배출 개시 전후의 시간 주기 동안 일정하게 유지된다. 또한, 예측 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과할 때에는, 공기 공급 장치(2)로부터 공기 유량 제어 밸브(17)를 통해 공급되는 공기 유량이 증가되기 때문에, 연소기의 실제의 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않도록 제어된다. 이 때, 증가되는 공기의 유로는 캐소드 오프 가스의 유로와는 독립하고 있기 때문에, 캐소드 오프 가스 배출량은, 도 5c에 도시된 바와 같이 변화되지 않고 고정 값으로 유지된다.

이렇게 함으로써, 도 5a에 얇은 실선으로 도시된 바와 같은 과도한 온도 상승을 겪는 종래 기술의 연료 전지 시스템과 달리, 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 상황을 회피하여, 연소기의 연소 촉매가 열화되는 것이 방지될 수 있는 효과가 있다.

도 6은 제2 실시 형태의 시스템 제어 장치의 제어 기능을 설명하는 플로우 차트이다.

우선, S10에서, 연료 전지 스택(3)의 셀 전압이 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출되며, 셀 전압이 소정치보다 저하하는지의 여부가 판정된다. 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출된 각 유닛 셀의 전압, 또는 유닛 셀 군의 전압이 소정치 아래로 떨어진다면, 작동이 S12로 진행한다. 이들 전압이 소정치 이상이면, 작동이 S10으로 되돌아가, 이에 의해 셀 전압의 검출과 판정을 되풀이한다. S12에서, 셀 전압을 회복하기 위한 퍼지 작동에 의해, 애노드 오프 가스를 연소기(7)로 배출할 때 연소 온도를 예측하기 위해서 연소 온도(Te)가 계산된다. 이 연소 온도(Te)의 예측치는 상기 식(1) 내지 식(15)을 사용하여 연소기(7)에 유입 및 유출하는 가스의 엔탈피 계산에 기초하여 계산된다.

S14에서, 연소 온도(Te)가 미리 설정되어 있는 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는지의 여부가 판정된다. S14의 판정에서, 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않는다면, 작동은 통상의 퍼지를 실행하도록 S40으로 진행된다.

S14의 판정에서, 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 것으로 판정된다면, S16 이하의 처리에 의해, 연소기(7)에 공급되는 공기 유량이 증가 되어 연소기(7)의 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않도록 퍼지하면서 제어를 실행한다.

S16에서, 증가되는 공기 유량(Qair)이 계산된다. 이러한 계산 중, 상기 식(1) 내지 식(17)의 관점에서 설명된 바와 같이, 캐소드 오프 가스의 온도(Tc) 및 캐소드 오프 가스의 습도(Huc)가 단기적으로 보면 변하지 않은 것으로 간주할 때의 엔탈피 계산에 기초하여, 증가되는 공기 유량(Qair)이 얻어질 수 있다.

다음으로 S18에서, 시스템 제어 장치(37)로부터 공기 공급 장치(2), 유량 제어 밸브(16, 17), 애노드 오프 가스 배출 밸브(27) 및 수소 공급 장치(1)로 퍼지 지령이 발신된다. 이 퍼지 지령에 의해, S20에서 공기 공급 장치(2)가 캐소드(5)로 공급되는 공기 유량을 증가하여, S21에서 캐소드(5)로 공기를 공급되는 공기 유량 제어 밸브(16)의 개도(opening degree)를 조정함과 동시에, 공기 공급 장치(2)로부터 연소기(7)에 공기를 직접 공급되는 공기 유량 조정 밸브(17)를 개방한다. S24에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 개방되며 한편, S26에서 수소 공급 장치(1)가 애노드(4)에 공급되는 수소 유량을 증가한다.

이어서 S28에서, 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였는지의 여부가 판정되며, 경과하지 않았다면 작동이 S28로 되돌아간다. 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였다면, 작동이 S30으로 진행된다. S30에서, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량의 증가가 중단되며, S32에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 폐쇄된다. S33에서, 공기 유량 제어 밸브(16)의 개도를 되돌림과 동시에, 공기 유량 제어 밸브(17)가 폐쇄된다. S34에서, 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량의 증가를 중단하도록 작동이 실행된다. 이것에 의해, 연료 전지 시스템은 통상 운전 상태로 복귀된다.

한편, S40 내지 S52에서 실행되는 통상의 퍼지는, 제1 실시 형태에서 언급한 내용과 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.

상기 설명한 제2 실시 형태에 의하면, 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 배출할 때에 연소기에서 생성하는 연소 가스의 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 제어함으로써, 과도한 열부하에 기인한 연소기의 성능 저하가 억제될 수 있는 효과가 존재한다.

또한, 연료 전지 스택의 운전 부하에 따라서 연소기에 유입하는 혼합 가스의 유량 및 조성 중 적어도 하나를 예측하여 이에 의해 연소 온도를 미리 예측하는 능력에 기인하여, 연소 온도가 소정의 온도를 초과할 가능성이 존재하여 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 시스템이 제어되며, 이에 의해 단시간 주기 동안만 연소가 이루어진 결과 연소기 입구부 온도와 연소기 출구부 온도 사이에 불일치가 발생할지라도, 연소기 전체에서 과도한 온도 상승이 제한되어 과도한 열부하에 기인한 연소기의 성능 저하를 억제한다.

또한, 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 배출할 때에, 연료 전지 스택에 옥시던트 가스를 공급하는 옥시던트 가스 공급 장치의 배출량이 증가되어 옥시던트 가스의 일부를 강제로 연소기에 직접 공급되도록 제어가 실행되며, 이에 의해, 연소 온도의 과도한 상승을 억제하여, 시스템 제어가 단순해질 수 있으며, 과도한 열부하에 기인한 연소기의 성능 저하가 억제될 수 있 다는 다른 효과가 있다.

(제3 실시 형태)

다음에, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 제3 실시 형태를 상세히 설명한다.

도 7은 제3 실시 형태의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다. 제3 실시 형태는 도 1에 도시된 제1 실시 형태의 구성 요소에 부가하여, 연소기(7)에 대해 특정 보조 공기를 공급되는 보조 공기 공급 장치(28)와, 보조 공기 유량을 측정하는 보조 공기 유량계(38), 및 보조 공기 공급 장치(28)로부터 공급되는 보조 공기의 온도를 검출하는 온도 검출기(29h)의 추가 포함을 꾀한다. 제3 실시예의 그 밖의 구성 요소는, 도 1에 도시된 제1 실시 형태의 구성 요소와 같기 때문에, 제1 실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 같은 부호를 부여하여 중복 설명을 생략한다.

제1 및 제2 실시 형태와 비교하여, 제3 실시 형태는 퍼지 중, 증가되는 공기가 연소기(7) 및 냉매용 열교환기(8)만을 통과하여 외부로 배출되도록 구성되기 때문에, 유체 저항이 최소화될 수 있다. 이것은 보조 공기 공급 장치(28)로부터 공급되는 보조 공기 압력을 작게 할 수 있고, 보조 공기 공급 장치(28)의 압력비를 감소시켜, 전력 소비의 증가를 억제할 수 있으면서 동시에, 연료 전지 스택(3)에 공급되는 공기 조건을 바꾸지 않고 제어할 수 있게 한다.

이러한 경우, 제3 실시 형태의 Qair가 보조 공기 공급 장치(28)로부터 연소기(7)에 보조 공기 유량이 공급되게 하고, 또한 온도(Tair)가 온도 검출기(29h)에 의해 검출되는 온도를 나타낸다고 가정하여, 요구되는 보조 공기 유량이 제2 실시 형태의 방법과 동일한 방법으로 계산된다.

도 8a 내지 도 8e는 제3 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 플로우 차트이고, 도 8a는 연소기(7)의 연소 온도(Te), 도 8b는 보조 공기 공급 장치(28)로부터 공급되는 보조 공기의 공기 유량, 도 8c는 캐소드 오프 가스 배출량, 도 8d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량, 및 도 8e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 8a 내지 도 8e에서, 애노드 오프 가스의 배출과 동시에, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량이 애노드 오프 가스의 배출량과 같은 배출량만큼 증가되기 때문에, 연료 전지 스택(3)의 출력은 애노드 오프 가스의 배출 개시 전후의 시간 간격동안 일정하게 유지된다. 또한, 예측 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과할 때, 도 8b에 도시된 바와 같이, 보조 공기 공급 장치(28)로부터도 연소기(7)에 공기가 공급되기 때문에, 실제의 연소기의 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않도록 제어된다.

이렇게 함으로써, 도 8a에서 얇은 실선으로 도시된 바와 같은 과도한 온도 상승을 겪는 종래 기술의 연료 전지 시스템과 달리, 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 상황이 회피되어, 연소기의 연소 촉매가 열화하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 9는 제3 실시 형태의 시스템 제어 장치의 제어 기능을 설명하는 플로우 차트이다.

우선, S10에서, 연료 전지 스택(3)의 셀 전압이 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출되며, 셀 전압이 소정치보다 낮은지의 여부가 판정된다. 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출된 각 유닛 셀의 전압, 또는 유닛 셀 군의 전압이 소정치 아래로 떨어진다면, 작동이 S12로 진행된다. 이들 전압이 소정치 이상이면, 작동이 S10으로 되돌아가, 이에 의해 셀 전압의 검출과 판정을 되풀이한다. S12에서, 셀 전압을 회복하기 위한 퍼지 작동에 의해, 애노드 오프 가스를 연소기(7)로 배출할 때 연소 온도를 예측하기 위해서, 연소 온도(Te)가 계산된다. 이 연소 온도(Te)의 예측치는 상기의 식(1) 내지 식(15)를 사용하여 연소기(7)에 유입 및 유출하는 가스의 엔탈피 계산에 기초하여 계산된다.

S14의 판정에서, 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과한 것으로 판정된다면, S16 이하의 처리에 의해, 연소기(7)에 공급되는 공기 유량이 증가되어 연소기(7)의 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않도록 퍼지하면서 제어를 실행한다.

S16에서, 증가되는 공기 유량(Qair)이 계산된다. 이러한 계산 중, 상기의 식(1) 내지 식(17)의 관점에서 설명한 바와 같이, 증가되는 공기 유량(Qair)은 캐소드 오프 가스의 온도(Tc) 및 캐소드 오프 가스의 습도(Huc)가 단기적으로 보면 변하지 않은 것으로 간주한 엔탈피 계산에 기초하여, 얻어질 수 있다.

다음으로 S18에서, 시스템 제어 장치(37)로부터 보조 공기 공급 장치(28), 애노드 오프 가스 배출 밸브(27) 및 수소 공급 장치(1)로 퍼지 지령이 발신된다. 이 퍼지 지령의 수신에 의해, S23에서, 보조 공기 공급 장치(28)는 연소기(7)에 보조 공기를 공급되는 한편, S24에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 개방되고, S26에서, 수소 공급 장치(1)가 애노드(4)에 공급되는 수소 유량을 증가한다.

이어서 S28에서, 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였는지의 여부가 판정되고, 그렇지 않다면 작동은 S28로 되돌아간다. 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였다면, 작동은 S30으로 진행된다, S30에서, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소의 유량 증가가 중단되며, S32에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 폐쇄되는 한편, 보조 공기 공급 장치(28)의 운전을 중단한다. 이것은 연료 전지 시스템이 통상의 운전 상태로 복귀되게 한다.

한편, S40 내지 S52에서 실행되는 통상의 퍼지는 제1 실시 형태에서 설명한 내용과 동일하기 때문에, 중복하는 설명을 생략한다.

상기 설명한 제3 실시 형태에 의하면, 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 배출할 때에, 소정의 온도를 초과하지 않도록 연소기로부터 연소 가스의 온도 제어가 과도한 열부하를 겪는 연소기의 성능 저하를 억제할 수 있는 능력을 제공하는 효과를 제공한다.

(제4 실시 형태)

다음에, 도 10a 내지 도 10e, 및 도 11을 참조하여 본 발명의 제4 실시 형태가 상세히 설명된다. 제4 실시 형태는 도 1에 도시된 제1 실시 형태의 구성과 같 은 구성을 갖는다. 제4 실시 형태는, 예측된 연소 온도가 연소 온도 상한치를 초과하는 것으로 판정된다면, 애노드 오프 가스 유량을 미리 설정된 애노드 오프 가스 배출량보다도 작게 하고, 또한 애노드 오프 가스가 배출되는 시간 주기를 연장하여, 연소기의 연소 온도를 저하시킨다는 특징을 갖는다.

이 때문에, 제4 실시 형태는 연소 온도(Te)가 계산되기 이전에 제1 실시 형태의 계산과 동일한 계산이 처리되어, 이에 의해 계산된 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 것으로 판정된다면, 캐소드 오프 가스 량이 변경되지 않는 반면, 애노드 오프 가스 배출량이 미리 설정되는 유량보다도 작게되고, 또한 미리 설정되는 배출 시간 간격(Tp)보다도 장시간 간격(Tp'') 동안 배출되도록 제어를 실행한다.

도 10a 내지 도 10e는, 제4 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 플로우 차트이고, 도 10a는 연소기(7)의 연소 온도(Te), 도 10b는 캐소드 오프 가스 배출량, 도 10c는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량, 도 10d는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

예측 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과할 때, 도 10d에 도시된 바와 같이, 애노드 오프 가스의 배출량은 통상의 퍼지 중 애노드 오프 가스의 배출량보다 적은 배출량이 되며, 또한 애노드 오프 가스는 장시간 간격(Tp'') 동안 배출된다. 이것은 단위 시간당 발생하는 연소 열량이 저하하여, 그 결과 연소 온도도 저하한다.

도 10a에서 얇은 실선으로 도시된 바와 같은 과도한 온도 상승을 겪는 종래 기술의 연료 전지 시스템과 달리, 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 상황을 회피하여, 연소기의 연소 촉매가 열화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 수소 공급 장치(1)로서, 고압 수소 탱크와 같은 고압 용기를 사용할 때, 이러한 유틸리티는 애노드 오프 가스 배출 밸브의 개도를 조정함으로써 공급되는 수소 유량의 조정만을 통해 대응할 수 있기 때문에, 제1 실시 형태 내지 제3 실시 형태의 구조에서 공기 유량의 증가시 요구될 수 있는 공기 공급 장치(2) 및 보조 공기 공급 장치(28)에 의해 야기되는 전력 소비의 증가를 회피할 수가 있다.

미리 설정되는 애노드 오프 가스 배출 시간 간격을 Tp(sec), 변경 후의 애노드 오프 가스 배출 시간 간격을 Tp''로 정의하면, 애노드 오프 가스 유량 저감율(Rd)이 하기와 같이 정의된다:

Rd = Tp''/Tp, …(18)

이후, 배출 유량의 저감시 발생하는 애노드 오프 가스 유량(QAh2o'')은 다음과 같이 표현될 수 있다:

QAh2'' = QAh2 ×Rd, …(19)

이들 식으로부터, 식(9), (10), (12), (13), (15)가 다음과 같이 다시 작성될 수 있다:

HA(Ta)'' = Hh2(Ta) ×QAh2'' (KJ/sec), …(9)''

QEo2'' = QCo2 - QAh2''/2 (mol/sec), …(10)''

QEh2o'' = QCh2o + QAh2'' (mol/sec), …(12)''

HE(Te)'' = Ho2(Te) ×QEo2'' + Hn2(Te) ×QEn2 + Hh2o(Te)

×QEh2o'' (KJ/sec), …(13)''

HC(Tc) + HA(Ta)'' = HE(Te)'' + ΔHb, …(15)''

다음으로, 상기 식(15)''에서, 연소 온도(Te)에 상한치(Tmax)를 대입하여, 애노드 오프 가스 배출량의 저감율(Rd)에 관해서 수렴 계산을 하여, 이에 의해 Rd를 계산된다.

상기로부터 주어진 Rd를 식(18)에 대입하여, 애노드 오프 가스 배출 시간 간격(Tp'')을 산출한다.

또한, 수소 유량 저감 기술로서, 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 오리피스(orifice)와 같은 고정된 리스트릭션의 형태를 취하는 경우에, 수소 공급 장치(1)에 의해 수소 공급 압력이 저감되는 것도 가능할 수 있다. ·

도 11은 제4 실시 형태의 시스템 제어 장치의 제어 기능을 설명하는 플로우 차트이다.

우선, S10에서, 연료 전지 스택(3)의 셀 전압은 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출되고, 셀 전압이 소정치보다 저하하였는지의 여부가 판정된다. 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출된 각 유닛 셀의 전압, 또는 유닛 셀 군의 전압이 소정치 아래로 강하한다면, 작동은 S12로 진행된다. 이들 전압이 소정치 이상이면, 작동은 S10으로 되돌아가, 이에 의해 셀 전압의 검출과 판정을 되풀이한다. S12에서, 셀 전압을 회복하기 위한 퍼지 작동에 의해, 애노드 오프 가스를 연소기(7)로 배출할 때, 연소 온도를 예측하기 위해서, 연소 온도(Te)가 계산된다. 이 연소 온도 (Te)의 예측치는 상기의 식(1) 내지 식(15)를 사용하여 연소기(7)로 유입 및 유출하는 가스의 엔탈피 계산에 기초하여 계산된다.

S14의 판정에서, 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 것으로 판정된다면, S15이하의 처리에 의해, 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)로부터 연소기(7)에 공급되는 애노드 오프 가스의 유량이 저감되면서, 애노드 오프 가스가 배출되는 시간이 연장되어, 이에 의해 연소기(7)의 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않는 제어 하에 퍼지를 이루도록 실행된다.

S15에서, 애노드 오프 가스 유량 저감율(Rd)이 계산된다. 이어서 S17에서, 애노드 오프 가스 배출 시간 간격(Tp''), 배출량(QAh2'')이 계산된다. 이들 인자(factor)를 계산할 때, 상기의 식(18), (19), 및 식(9)'' 내지 (15)''의 관점에서 상기 언급한 바와 같은 엔탈피 계산에 기초하여 계산이 이루어질 수 있다.

이어서 S18에서, 시스템 제어 장치(37)로부터 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)및 수소 공급 장치(1)로 퍼지 지령이 발신된다. 이 퍼지 지령에 의해, S24에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 개방되는 한편, S26에서 수소 공급 장치(1)가 애노드(4)에 공급되는 수소 유량을 증가한다.

이어서 S28에서, 퍼지를 시작하고 나서 소정시간(Tp'')이 경과하였는지의 여부가 판정되고, 그렇지 않다면, 작동은 S28로 되돌아간다. 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp'')이 경과하였다면, 작동은 S30으로 진행된다. S30에서, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량의 증가가 중단되며, S32에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 폐쇄된다. 이것은 연료 전지 시스템이 통상의 운전상태로 복귀되게 한다.

한편, S40 내지 S52에서 실행되는 통상의 퍼지는, 제1 실시 형태에서 참조로 설명된 내용과 동일하므로, 중복하는 설명은 생략한다.

상기 설명한 제4 실시 형태에 의하면, 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 강제로 애노드 오프 가스가 일시적으로 배출될 때, 연소기에 공급되는 애노드 오프 가스 유량이 미리 설정되는 배출량보다도 작게 되고, 또한 장시간 간격동안 배출되도록 제어되어, 이에 의해 연소 온도의 과도한 상승을 억제함으로써, 시스템 구성이 단순한 구성으로 될 수 있으면서 연소기의 성능 저하를 억제할 수 있는 효과가 있다.

(제5 실시 형태)

다음에, 도 12 및 도 13을 참조하여 본 발명의 제5 실시 형태를 상세히 설명한다. 제5 실시 형태의 구성은 도 1에 도시된 제1 실시 형태의 구성과 동일한 구성을 갖는다. 제5 실시 형태는 예측된 연소 온도가 연소 온도 상한치를 초과하는 것을 판정된다면, 애노드 오프 가스의 배출 모드를 불연속적인 배출 모드로 변경한다는 특징을 갖는다. 즉, 애노드 오프 가스의 1회의 배출 시간 간격이 소정의 배출 시간 간격보다 짧은 시간으로 되게 하며, 또한 애노드 오프 가스가 복수회 반복적으로 배출되어, 이에 의해 연소기의 연소 온도를 저하시킨다.

이 때문에, 제5 실시 형태는, 연소 온도(Te)가 계산될 때까지는 제1 실시 형태의 계산과 동일한 계산이 이루어져, 이에 의해, 계산되는 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 것으로 판정된다면, 캐소드 오프 가스 유량 및 애노드 오프 가스의 배출량은 변경되지 않는 반면, 1회의 애노드 오프 가스 배출 시간 간격이 미리 설정된 소정의 배출 시간 간격보다도 짧게 되게 하고, 또한 소정 시간 간격보다 긴 시간 주기 동안 애노드 오프 가스의 배출이 복수회 처리되도록 제어를 실행한다. 이것은 애노드 오프 가스의 배출 모드를 분산된 회수에서 애노드 오프 가스가 배출되게 미리 설정된 선택 애노드 오프 가스 배출 시간 간격을 다시 설정하게 하며, 이에 의해 애노드 오프 가스의 배출 주기 중 연소기의 연소 온도가 상한치 이하의 값으로 억제될 수 있게 한다.

배출 시간 간격의 설정방법은 예측된 운전조건마다 사전에 실험적으로 배출 시간(Tp''')(sec), 배출 시간 간격(Tr''')(sec), 및 배출 회수(X)(회)를 판정함으로써 제어된다.

도 12a 내지 도 12e는 제5 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 플로우 차트이며, 도 12a는 연소기(7)의 연소 온도(Te), 도 12b는 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량, 도 12c는 캐소드 오프 가스 배출량, 도 12d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량, 및 도 12e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 12a 내지 도 12e에서, 반복 작동이 애노드 오프 가스가 시간 간격(Tp''') 동안 배출되는 반면, 배출이 시간 간격(Tr''') 동안 중단되는 것을 복수회 실행한 다. 시간 간격(Tp''') 동안 애노드 오프 가스의 배출과 동시에, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량은 애노드 오프 가스 배출량과 동일한 양만큼 증가된다. 이러한 불연속적인 애노드 오프 가스의 배출 작동에 의해, 연소기 온도(Te)는 도 12a에 도시된 바와 같은 톱니 파형(sawtooth waveform)의 선단부가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않도록 제어가 실행된다.

이렇게 함으로써, 도 12a에서 얇은 실선으로 도시된 바와 같은 과도한 온도 상승을 겪게 되는 종래 기술의 연료 전지 시스템과 달리, 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 상황을 회피하여, 연소기의 연소 촉매가 열화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 13은 제5 실시 형태의 시스템 제어 장치의 제어 기능을 설명하는 플로우 차트이다.

우선, S10에서, 전압 검출기 수단(36)에 의해 연료 전지 스택(3)의 셀 전압이 검출되며, 셀 전압이 소정치 이하인지의 여부가 판정된다. 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출된 각 유닛 셀의 전압, 또는 유닛 셀 군의 전압이 소정치 이하로 떨어졌다면, 작동은 S12로 진행된다. 이들 전압이 소정치를 초과했다면, 이후 작동은 S10으로 되돌아가, 이에 의해 셀 전압의 검출과 판정을 되풀이한다. S12에서, 셀 전압을 회복하기 위한 퍼지 작동에 의해, 애노드 오프 가스를 연소기(7)로 배출할 때, 연소 온도를 예측하기 위해서, 연소 온도(Te)가 계산된다. 이 연소 온도(Te)의 예측치는 상기의 식(1) 내지 식(15)을 사용하여 연소기(7)에 유입 및 유출하는 가스의 엔탈피에 기초하여 계산된다.

S14의 판정에서, 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과한 것으로 판정된다면, S60이하의 처리에 의해, 애노드 오프 가스가 불연속적으로 배출되며, 이에 의해, 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않도록 연소기(7)의 연소 온도(Te)의 제어를 통해 퍼지를 실행한다. S60에서, 캐소드 오프 가스 유량 증가율(Rg)이 계산된다. S62에서, 애노드 오프 가스 배출조건으로서, 1회당의 배출 시간(Tp'''), 배출 시간 간격(Tr'''), 및 배출 회수(X)를 설정한다.

다음으로 S64에서, 시스템 제어 장치(37)로부터 애노드 오프 가스 배출 밸브(27) 및 수소 공급 장치(1)에 퍼지 지령이 발신된다. 이 퍼지 지령에 의해, S66에서, 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 개방되고, S68에서 수소 공급 장치(1)는 애노드(4)에 공급되는 수소 유량을 증가한다.

이어서 S70에서, 퍼지를 시작하고 나서 소정시간(Tp''')이 경과하였는지의 여부가 판정되며, 그렇지 않다면, 작동은 S70으로 되돌아간다. 퍼지를 시작하고 나서 소정시간(Tp''')이 경과하였다면, 작동은 S72로 진행된다. S72에서 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량의 증가가 중단되며, S74에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 폐쇄된다. S76에서 소정시간(Tr''')이 경과하였는지의 여부가 판정되며, 그렇지 않다면, 작동은 S76으로 되돌아간다. 소정시간(Tr''')이 경과하였다면, 작동은 S78로 진행하여, 배출이 발생하는 회수가 X값에 도달하였는지의 여 부가 판정된다. 배출이 발생하는 회수가 X값에 도달하지 않았다면, 작동은 S66으로 되돌아간다. 배출이 발생하는 회수가 X값에 도달하였다면, 간헐적인 퍼지가 중단되며, 작동이 복귀된다. 이것은 연료 전지 시스템이 통상의 운전 상태에 복귀하게 한다.

한편, S40 내지 S52에서 실행되는 통상의 퍼지는, 제1 실시 형태에서 설명한 내용과 동일하므로, 중복하는 설명을 생략한다.

이상 설명한 제5 실시 형태에 의하면, 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 강제로 일시적으로 배출할 때, 캐소드 오프 가스 유량 및 애노드 오프 가스의 유량은 변경되지 않고, 애노드 오프 가스가 소정의 배출량보다도 짧게 일회 동안 배출되는 시간 간격을 허용하고, 또한 애노드 오프 가스가 복수 회 불연속으로 강제로 배출되도록 제어가 실행되며, 애노드 오프 가스 배출을 분산함으로써, 배출 기간 중 평균연소 온도가 저감될 수 있는 효과가 있다.

(제6 실시 형태)

다음에, 도 14, 도 15a 내지 도 15e, 및 도 16을 참조하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제6 실시 형태가 상세히 설명된다. 도 14는 제6 실시 형태의 구성을 설명하는 시스템 구성도이다. 제6 실시 형태는 도 1에 도시된 제1 실시 형태의 구성에 추가하여, 연소기(7)의 믹서(23)의 내부로 물을 분사하는 물 공급 밸브(34), 순수 펌프(pure water pump)(35)로부터 물 공급 밸브(34)에 공급되는 물의 온도를 검출하는 온도 검출기(29j)를 더 구비한다. 제6 실시예는 도 1에 도시된 제1 실시 형태의 구성 요소에 그 밖의 구성요소가 동일하므로, 동일의 구성요소에 는 같은 부호를 부여하여 중복하는 설명을 생략한다.

제6 실시 형태에서, 계산되는 연소 온도가 상한치를 초과하는 것으로 판정된다면, 순수가 물 공급 밸브(34)로부터 연소기(7)에 적정 유량 공급되며, 이에 의해, 양호한 응답성의 연소 온도의 과도한 상승을 억제할 수 있다.

이러한 작동에서, 연소기에 공급되는 물 유량은 이하의 순서로 계산된다.

온도 검출기(29j)에 의해 검출되는 물의 온도를 Tw(K)로 정의하면, 액체의 물 1mol당 엔탈피(Hw)(kJ/mol)가 이하의 식에서 계산된다:

물(액체) : Hw(Tw) = -3.07835e+02 + 7.25025e-02 ×Tw +

4.38217e-06 ×Tw^2, …(20)

공급되는 물의 유량을 Qw(mol/sec)로 정의하면, 공급되는 물의 엔탈피(H sw)(Tw)는

Hsw(Tw) = Hw(Tw) ×Qw(KJ/sec), …(21)

에 의해 부여된다.

따라서, 식(12), (13)은

QEh2o'''' = QCh2o + QAh2 + Qw(mol/sec), …(12)''''

HE(Te)'''' = Ho2(Te) ×QEo2 + Hn2(Te) ×QEn2 + Hh2o(Te) ×

QEh2o''''(KJ/sec), …(13)''''

로 재작성된다.

식(15)로부터, 보완적으로 공급되는 물의 량(Qw)에 관해서 수렴 계산이 실행되어, 연소 온도(Te) = 상한치(Tmax)인 경우에 이하의 식을 성립하며, 이에 의해, Qw를 계산한다:

HC(Tc) + HA(Ta) + Hw(Tw) = HE(Tmax) + Hb, …(22)

도 15a 내지 도 15e는 제6 실시 형태의 연소기의 온도 제어를 설명하는 플로우 차트이며, 도 15a는 연소기(7)의 연소 온도(Te), 도 15b는 물 공급 밸브(34)로부터 연소기(7)에 공급되는 물 공급량, 도 15c는 캐소드 오프 가스 배출량, 도 15d는 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량, 및 도 15e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

예측 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과할 때에는, 애노드 오프 가스가 배출되는 배출 시간 주기(Tp)에 합쳐서 물 공급 밸브(34)로부터 순수가 연소기(7)에 공급된다. 연소기(7)에 공급된 물은 빠르게 증발하는 것으로 주위로부터 증발열을 빼앗아, 연소기(7)의 연소 온도가 저하한다.

본 실시 형태에 의하면, 도 15a에 얇은 실선으로 도시된 바와 같은 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 연소 온도로 되는 상황을 회피하여, 연소기의 연소 촉매가 열화하는 것을 방지할 수 있다고 하는 효과가 있다.

도 16은 제6 실시 형태의 시스템 제어 장치의 제어 기능을 설명하는 플로우 차트이다.

우선, S10에서, 전압 검출기 수단(36)에 의해 연료 전지 스택(3)의 셀 전압이 검출되며, 셀 전압이 소정치 이하인지의 여부가 판정된다. 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출된 각 유닛 셀의 전압, 또는 유닛 셀 군의 전압이 소정치 이하로 떨어졌다면, 작동은 S12로 진행된다. 이들 전압이 소정치를 초과했다면, 이후 작 동은 S10으로 되돌아가, 이에 의해 셀 전압의 검출과 판정을 되풀이한다. S12에서, 셀 전압을 회복하기 위한 퍼지 작동에 의해, 애노드 오프 가스를 연소기(7)로 배출할 때, 연소 온도를 예측하기 위해서, 연소 온도(Te)가 계산된다. 이 연소 온도(Te)의 예측치는 상기의 식(1) 내지 식(15)을 사용하여 연소기(7)에 유입 및 유출하는 가스의 엔탈피에 기초하여 계산된다.

S14의 판정에서, 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과한 것으로 판정된다면, S80이하의 처리에 의해, 연소기(7)에 물이 공급되어 연소기(7)의 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하지 않도록 온도 제어를 실행하면서 퍼지를 실행한다.

S80에서, 작동은 물 공급 밸브(34)로부터 연소기(7)에 공급되는 물 공급량(Qw)을 계산하도록 실행된다. 이러한 계산 중, 상기의 식(20) 내지 식(22)의 관점에서 설명한 바와 같이, 온도 검출기(29j)에 의해 검출된 물 온도(Tw)에 기초한 엔탈피 계산에 따라서, 공급되는 물 유량(Qw)이 얻어질 수 있다.

다음으로 S82에서, 시스템 제어 장치(37)로부터 물 공급 밸브(34), 애노드 오프 가스 배출 밸브(27) 및 수소 공급 장치(1)에 퍼지 지령이 발신된다. 이 퍼지 지령에 의해, S23에서, 공기 공급 장치(2)는 연소기(7)에 공기를 공급하며, S84에서, 물 공급 밸브(34)로부터 연소기(7)로의 물 공급이 시작되며, S86에서, 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 개방되고, S88에서, 수소 공급 장치(1)가 애노드(4)에 공급되는 수소 유량을 증가한다.

이어서 S90에서, 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였는지의 여부가 판정되고, 그렇지 않다면, 작동이 S90으로 되돌아간다. 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였다면, 작동이 S92로 진행하여 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량의 증가를 중단하고, S94에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 폐쇄되는 한편, S96에서 물 공급 밸브(34)로부터의 물 공급을 중단한다. 이것은 연료 전지 시스템이 통상의 운전상태로 복귀되게 한다.

한편, S40 내지 S52에서 실행되는 통상의 퍼지는, 제1 실시 형태로 설명한 내용과 동일하기 때문에, 중복하는 설명을 생략한다.

이상 설명한 제6 실시 형태에 의하면, 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 배출할 때에, 연소기에 적정량의 물을 공급하여 연소 온도가 과도한 상승을 억제하는 것에 의해, 과도한 열부하를 겪게 되는 연소기의 성능 저하를 적어도 연료 전지 스택의 운전 상태를 변화시킬 필요에 응답성잘 억제할 수가 있다고 하는 효과가 있다.

(제7 실시 형태)

다음에, 도 18a 내지 도 18e 및 도 24를 참조하여 본 발명의 제7 실시 형태를 상세히 설명한다.

제7 실시 형태의 시스템 구성은 도 1에 도시된 제1 실시 형태의 구성과 같다.

제1 실시 형태에서, 연소 온도의 상승을 억제하기 위해서, 애노드 오프 가스의 배출과 동시에, 공기 유량(또는 캐소드 오프 가스유량)이 빠르게 증가된다. 그러나, 이와 같이 빠르게 공기 유량이 증가할 때, 공기 유량을 제어하는 압력 조절장치 밸브와 같은 액츄에이터의 응답 지연에 기인하여, 압력 변동(pressure fluctuation)이 생길 가능성도 존재한다. 그리고, 압력 변동의 크기에 따라, 연료 전지의 막 전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly)는 증가된 내압 강도(compressive strength)를 가져야 하므로, 비용 상승의 가능성도 있다.

상기 문제점을 고려하여, 본 실시 형태의 목적은 공기 압력의 변동을 억제하여, 특정 내압 강도를 필요로 하지 않은 연료 전지에 있어서도, 연소기의 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 제어되는 연료 전지 시스템을 제공하는 것에 있다.

도 18a 내지 도 18e는 제7 실시 형태의 연소 온도 제어를 설명하는 플로우 차트이며, 도 18a는 연소기(7)의 연소 온도(Te), 도 18b는 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량, 도 18c는 캐소드 오프 가스 배출량, 도 18d는 공급되는 수소 유량, 도 18e는 애노드 오프 가스 배출량을 도시한다.

도 18a 내지 도 18e에서, 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량이 애노드 오프 가스의 배출 개시와 동시에 애노드 오프 가스 배출량과 동일한 증가치에 의해 증가되기 때문에, 연료 전지 스택(3)의 출력은 애노드 오프 가스 배출 개시 전후 주기 중 일정하게 유지된다.

또한, 예측 연소 온도(Te)가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과할 때, 공기 공 급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량이 증가되어 캐소드 오프 가스 배출량을 도 18c에 도시된 바와 같이 증가하도록 제어가 실행되므로, 실제의 연소기의 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과할 가능성이 발생하지 않는다.

이렇게 함으로써, 도 18a에서 얇은 실선으로 도시된 바와 같은 과도한 온도 상승을 겪는 종래 기술의 연료 전지 시스템과 달리, 연소 온도가 연소 온도 상한치(Tmax)를 초과하는 상황을 회피하여, 연소기의 연소 촉매가 열화하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량이 증가할 때, 또는 일단 증가한 공기를 감량하는 경우에는, 도 18b에 도시된 바와 같이, 공기 유량의 변화율(variation ratio)을 제한함으로써 공기 유량이 점차로 변형되게 한다.

이에 의해, 공기 공급 장치(2)로부터 공급되는 공기 유량이 증가할 때의 공기 압력의 변동을 억제할 수 있는 효과가 있다.

도 19는 제7 실시 형태의 시스템 제어 장치의 제어 기능을 설명하는 플로우 차트이다.

우선, S100에서, 전압 검출기 수단(36)에 의해 연료 전지 스택(3)의 셀 전압이 검출되며, 셀 전압이 소정치(전압 임계치)보다 저하하였는지의 여부가 판정된다. 전압 검출기 수단(36)에 의해 검출된 각 유닛 셀의 전압, 또는 유닛 셀 군의 전압이 전압 임계치보다 저하하였다면, 작동은 S12로 진행한다. 이들 전압이 전압 임계치를 초과하였다면, 작동이 S100으로 되돌아가, 이에 의해 셀 전압의 검출과 판정을 되풀이한다.

또한, S100에서 셀 전압의 판정에 사용하는 전압 임계치는 다음과 같이 계산된다.

공기 온도 검출기(29a 또는 29c)의 검출치에 따라서, 도 20에 도시된 바와 같은 테이블 테이터를 사용하여 전압 임계치가 계산된다. 이 테이블 테이터는 공기 온도가 높으면 높을수록, 전압 임계치가 커지도록 설정되어 있고, 이에 의해 공기 온도가 증가함에 따라, 작동은 이른 시기에 후술하는 공기 유량의 증가를 시작한다. 또한, 상세한 것은 후술하지만, 공기 온도가 증가할 때 공기 압력에서 변동이 발생하기 쉽기 때문에, 압력 변동을 억제하기 위해서, 증가되는 공기 유량의 변화율(절대치)을 최소화시키기 위해 작동이 실행된다. 이렇게 함으로써, 공기 유량을 증가시키는데 요구되는 시간 간격이 길게되기 때문에, 공기 온도가 증가하는 상술된 전압 임계치 증가에 따라, 이른 시기에 공기 유량의 증가를 시작하게 하며, 이에 의해 애노드 오프 가스의 배출을 시작하기 전에 공기 증가를 완료시킬 수 있다.

또한, 공기 유량계(32)의 검출치에 따라서, 도 21에 도시된 바와 같은 테이블 테이터를 사용하여 S100에서 셀 전압의 판정에 사용하기 위한 전압 임계치가 계산된다. 이 테이블 테이터는 공기 유량이 크면 클수록, 전압 임계치가 커지도록 설정되어 있고, 따라서 작동이 이른 시기에 후술하는 공기 유량의 증가를 시작한다. 또한, 상세한 것은 후술하지만, 공기 온도가 증가할 때 공기 압력에서 변동이 발생하기 쉽기 때문에, 압력 변동을 억제하기 위해서, 증가되는 공기 유량의 변화율(절대치)을 최소화시키기 위해 작동이 실행된다. 이렇게 함으로써, 공기 유량을 증가시키는데 요구되는 시간 간격이 길게되기 때문에, 공기 온도가 증가하는 상술된 전압 임계치 증가에 따라, 이른 시기에 공기 유량의 증가를 시작하게 하며, 이에 의해 애노드 오프 가스의 배출을 시작하기 전에 공기 증가를 완료시킬 수 있다.

S12 내지 S16의 처리 내용은 제1 실시 형태의 도 3에 도시된 S12 내지 S16의 처리 내용과 동일하다.

S102에서, 작동은 증가되는 공기 유량의 변화율을 계산하기 위해 실행된다.

여기서, 증가되는 공기 유량의 변화율이 하기 방법으로 계산된다.

공기 온도 검출기(29a 또는 29c)의 검출치에 따라서, 미리 시스템 제어 장치(37)에 저장된 도 23에 도시된 바와 같은 테이블 테이터를 사용하여 증가된 공기 유량의 변화율(절대치)이 계산된다. 도 23에 도시된 테이블 테이터는 공기 유량으로부터 공기 유량 변화율을 구하는 테이블 테이터이며, 공기의 유량의 변화율(절대치)가 더 낮아질 것이다. 공기의 온도가 증가함에 따라, 포화 증기량의 증가율이 증가하기 때문에, 공기 밀도가 온도의 변화에 대하여 크게 변화한다. 이 때문에, 공기의 압력을 일정치로 유지되게 제어하려고 한 경우, 공기 밀도의 변화에 의해, 제어량(압력 제어 밸브의 개도 등)이 크게 변화하기 때문에, 공기의 온도가 높을 수록 공기 압력이 변동하기 쉽게 된다. 따라서, 도 22에 도시된 바와 같은 테이블 테이터의 사용은 공기의 온도가 높을수록 점차로 공기 유량을 증가시키는 것이 가능해져, 공기 유량의 증가 상태 중 공기 압력의 변동을 억제할 수 있는 효과가 있다.

또한, 증가되는 공기 유량의 변화율의 변화율(절대값)이 하기와 같이 계산된 다.

공기 유량계(32)의 검출치에 따라서, 작동은 미리 시스템 제어 장치(37)에 기억된 도 23에 도시된 바와 같은 테이블 테이터를 사용하여 증가되는 공기 유량의 변화율(절대치)을 계산하도록 실행된다. 도 24에 도시된 테이블 테이터는 증가되는 공기 유량의 변화율(절대치)을 구할 수 있는 테이블 테이터의 예이며, 현재의 공기의 유량이 클수록 공기 유량의 변화율(절대치)이 작게 되도록 설정된다. 공기를 일정한 압력에 제어하도록, 버터플라이(butterfly) 밸브를 사용하는 공기 압력을 제어하는 시도가 행해진다면, 밸브 개도는 공기 유량의 증가에 의해 증가하며, 그 결과 개도에 대한 공기 유량의 감도가 낮게 된다. 이 때문에, 공기 유량이 클 수록, 공기 유량의 변화에 대한 밸브 개도의 변화가 커지며, 그러므로 공기 압력이 변동하기 쉽게 된다. 따라서, 도 23에 도시된 바와 같은 테이블 테이터 사용을 통해, 공기 유량이 증가할수록 점차로 공기 유량이 증가하는 것이 가능해져, 공기 유량의 증가 상태 중 공기 압력의 변동이 억제될 수 있다.

또한, 증가된 공기 유량의 변화율(절대치)이 증가를 종료한 후의 공기 유령의 감소 상태 중 나타나는 것보다 큰 값을 갖도록 계산된다. 도 24는 미리 시스템 제어 장치(37)에 기억된 테이블 테이터의 예이며 공기 온도로부터 공기 유량 변화율을 구하는 경우, 실선으로 도시된 공기량의 증가 상태 중 공기 유량 변화율(절대치)를 파선으로 도시된 공기량의 감소 상태 중 공기 유량 변화율(절대치)보다 크게 한 예를 도시한다.

전술한 공기 온도 검출기(29a 또는 29c)에 의해 검출된 공기 온도에 따라서 공기 유량의 변화율(절대치)을 계산할 때, 도 24에서 실선으로 도시된 바와 같은 테이블 테이터를 사용하여 증가된 공기 유량의 변화율(절대치)이 계산된다. 전술한 바와 같이, 버터플라이 밸브를 사용하여 공기의 압력 제어를 실행할 때, 밸브 개도가 공기 유량 증가에 의해 증가하며, 그 결과 밸브 개도에 대한 공기 유량의 감도가 감소한다. 이 때문에, F/B 제어를 사용하여 공기 압력 제어 실행을 시도할 때, 공기 유량이 증가하고 있는 주기 중 큰 F/B 보정량이 계산되는 경우가 있다. 예컨대, 대단히 일반적인 PI 제어를 쓴 경우, I 제어량(적분 제어량)이 큰 값을 취한다.

이러한 상태 하에, 공기 유량을 빠르게 감량시키고자 하면, 이 F/B 보정량에 기인하여 일시적으로 제어량이 부적절한 값이 되는 경우가 발생하여 공기 압력의 변동을 야기할 수 있다. 따라서, 도 24의 파선에 의해 도시된 테이블 테이터를 사용함에 따라, 공기 유량의 감소 상태 중 공기 유량의 변화율(절대치)을 공기 유량의 증가 상태 중 공기 유량의 변화율(절대치)보다 작은 값을 갖도록 계산될 수 있어, 이에 의해 공기 유량이 증가할 때뿐만 아니라, 증가 상태에 이이서 공기 유량이 감소할 때도 공기 압력의 변동이 억제될 수 있는 효과가 있다.

다음으로 S104에서, 공기 공급 장치(2)는 캐소드(5)로 공급되는 공기 유량의 증가를 시작한다. 여기서, S102에서 계산된 변화율에 따라서, 작동은 공기 유량의 증가를 실시한다.

S106에서, 공기 유량의 증가가 완료하였는지의 여부가 판정된다. 이것은 공기 유량의 검출치에 따라 판정되며, 증가 작동이 완료된 것으로 판정되는 경우에, 작동이 S18로 진행한다.

S18에서, 시스템 제어 장치(37)로부터 애노드 오프 가스 배출 밸브(27) 및 수소 공급 장치(1)로 퍼지 지령이 발신된다. 이 퍼지 지령에 의해, S24에서 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 개방되고, S26에서 수소 공급 장치(1)가 애노드(4)에 공급되는 수소 유량을 증가한다.

이어서 S28에서, 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였는지의 여부가 판정되며, 그렇지 않다면, 작동이 S28로 되돌아간다. 퍼지를 시작하고 나서 소정 시간 간격(Tp)이 경과하였다면, 작동이 S30으로 진행한다. S30에서 작동이 수소 공급 장치(1)로부터 공급되는 수소 유량의 증가를 중단하도록 실행되며, S32에서, 애노드 오프 가스 배출 밸브(27)가 폐쇄된다.

이어서 S108에서, 작동은 감소되는 공기 유량의 변화율을 계산하도록 실행된다.

여기서, 공기 온도 검출기(29a 또는 29c)의 검출치에 따라, 도 22에 도시된 바와 같은 테이블 테이터를 사용하여 감소되는 공기 유량의 변화율(절대치)이 계산된다. 이 테이블 테이터는 전술한 바와 같이, 공기의 온도가 높으면 높을수록, 공기 유량의 변화율(절대치)이 작게 되도록 판정되며, 공기의 온도가 높을수록 점차로 공기 유량이 감소될 수 있어 감소 상태 중 공기 압력의 변동이 억제될 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 공기 유량 검출기(32)의 검출치에 따라서, 도 23에 도시된 바와 같은 테이블 테이터를 사용하여 감소되는 공기 유량의 변화율(절대치)이 계산된다. 이 테이블 테이터는 전술한 바와 같이, 현재의 공기의 유량이 크면 클수록, 공기 유량의 변화율(절대치)이 작게 되도록 설정되며, 공기 유량이 클수록 점차로 공기 유량을 감소할 수 있어, 감소 상태 중 공기 압력의 변동이 억제될 수 있는 효과가 있다.

또한, 감소 상태 중 공기 유량의 변화율(절대치)이 증가 상태 중 공기 유량의 변화율(절대치)보다 작은 값을 갖도록 계산된다. 도 24에서 파선으로 도시된 바와 같은 테이블 테이터에 따라 감소 상태 중 공기 유량의 변화율(절대치)의 계산은 전술한 바와 같은 방법으로 공기 유량을 증가할 때 뿐만 아니라, 증가 상태에 이어서 공기 유량을 감소할 때도 공기 압력의 변동을 억제할 수 있는 효과가 있다.

이어서 S110에서, 공기 공급 장치(2)가 캐소드(5)로 공급되는 공기 유량의 감소를 시작한다. 여기서, S108에서 계산된 변화율에 따라서, 공기 유량이 감소되며, 공기 유량이 원래의 상태로 회복된다. 이것은 연료 전지 시스템이 통상의 운전 상태에 복귀하게 한다.

S40 내지 S52는 도 3에 도시된 제1 실시 형태의 S40 내지 S52와 동일하다.

또한, 제1 내지 제7 실시 형태에 관해서는, 연소 온도(Te)를 예측할 때, 연소기에 유입 및 유출하는 가스의 엔탈피 계산에 의해서 연소 온도가 예측되지만, 도 17에 도시된 연료 전지의 운전 조건(여기서, 캐소드 오프 가스의 유량 및 상대 습도)에 대해 기입된 연소 온도 맵이 채용될 수도 있다.

즉, 프로토타입 연료 전지에서 운전 조건마다 연소 온도의 측정 데이터가 수집되며, 이 데이터의 사용을 통해, 운전 조건에 관련된 연소 온도의 맵이 준비된 다. 그리고, 연소 온도의 예측에 사용하기 위해 시스템 제어 장치(37) 내에 맵이 저장된다. 이 경우, 시스템 제어 장치 프로그램의 정적 스텝(static step) 및 동적 스텝(dynamic step)의 수가 현저하게 감소될 수 있으며, 이에 의해 시스템 제어가 비교적 단순한 방법으로 이루어 질 수 있다.

그러나, 맵을 사용하여 연소 온도를 예측할 때, 연소 온도의 예측 정확도가 시스템의 유량 제어의 오차, 외기 온도와 같은 악영향에 기인하여 악화될 가능성이 발생하기 때문에, 연소 온도가 엔탈피에 기초하여 얻어질 때보다 상한치(Tmax)를 낮은 레벨로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 퍼징 유닛에 의해 애노드 오프 가스를 배출할 때 연소기의 연소 가스의 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 제어함으로써, 과도한 열부하에 기인한 연소기의 성능 저하를 억제할 수 있는 효과가 있다.

2002년 11월 13일자로 출원된 일본국 특허 출원 제2002-329978호와 2003년 8월 20일자로 출원된 일본국 특허 출원 제2003-296773호의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 내재되어 있다.

본 발명이 본 발명의 특정 실시예를 참조로 하여 상기에 기술되어 있지만, 본 발명은 상기 기술된 실시예로 제한되는 것이 아니며, 당업자에 의해 변경예가 발생할 수 있다. 본 발명의 범위는 하기 클레임을 참조하여 정의된다.

Claims

연료 전지 시스템에 있어서,

연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 장치;

옥시던트(oxydant) 가스를 공급하는 옥시던트 가스 공급 장치;

상기 연료 가스 및 상기 옥시던트 가스를 사용하여 발전하는 연료 전지 스택;

상기 연료 전지 스택의 애노드(anode)로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 상기 애노드에 재순환시키는 애노드 오프 가스 재순환 장치;

상기 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 외부로 배출하는 퍼징 유닛(purging unit);

적어도 상기 퍼징 유닛으로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 상기 옥시던트 가스 또는 상기 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 연소시키는 연소기; 및

상기 퍼징 유닛에 의해 애노드 오프 가스를 상기 연소기로 배출할 때, 상기 연소기의 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 시스템 제어를 실행하도록 작동하는 시스템 제어 장치를 구비하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 연료 전지 스택의 운전 부하에 기초하여 상기 연소기에 유입하는 혼합 가스의 유량과 조성 중 적어도 하나를 예측하여, 예측 결과를 제공하고, 예측 결과에 기초하여 상기 연소기의 연소 온도를 예측하여, 예측 연소 온도가 소정 온도를 초과하는 것으로 판정될 때, 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 시스템 제어가 실행되는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 배출할 때, 상기 예측 연소 온도가 소정의 온도를 초과하는 것으로 판정된다면, 상기 옥시던트 가스 공급 장치로부터의 공급되는 옥시던트 가스의 유량이 증가되어, 이에 의해 연소기에 공급되는 옥시던트 가스 또는 캐소드 오프 가스의 유량을 증가시키도록 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 연소기에 보조 옥시던트 가스를 공급하는 보조 옥시던트 가스 공급 장치를 더 구비하며,

상기 시스템 제어 장치는 상기 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 배출할 때, 상기 예측 연소 온도가 소정의 온도를 초과하는 것으로 판정된다면, 보조 옥시던트 가스가 상기 보조 옥시던트 가스 공급 장치로부터 상기 연소기에 추가로 공급되도록 제어를 실행하게 작동되는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 배출할 때, 상기 예측 연소 온도가 소정의 온도를 초과하는 것으로 판정된다면, 애노드 오프 가스유량이 미리 설정되는 배출량보다도 작게 설정되고, 애노드 오프 가스 배출 시간 간격이 증가되도록 제어를 실행하게 작동되는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 배출할 때, 상기 예측 연소 온도가 소정의 온도를 초과하는 것으로 판정된다면, 캐소드 오프 가스 유량 및 애노드 오프 가스의 배출량은 변경되지 않는 반면, 일회의(one cycle) 애노드 오프 가스 배출 시간 간격이 미리 설정되는 배출 시간 간격보다도 짧게 설정되고, 애노드 오프 가스가 불연속적으로 복수회 배출되도록 제어를 실행하게 작동되는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 애노드 오프 가스 재순환 장치로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 배출할 때, 상기 예측 연소 온도가 소정의 온도를 초과하는 것으로 판정된다면, 물이 상기 연소기에 소정 유량 공급되도록 제어를 실행하게 작동되는, 연료 전지 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 연소기로 유입 및 유출하는 가스의 엔탈피 계산에 의해 상기 연소 온도를 예측하도록 작동하는, 연료 전지 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 미리 실험적으로 얻어지는 캐소드 오프 가스 배출량 조건에 대한 연소 온도의 맵을 미리 저장하고, 상기 연소 온도의 맵을 참조하여 상기 연소 온도를 예측하게 작동하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 퍼징 유닛에 의해 애노드 오프 가스의 배출을 시작하기 이전에, 상기 옥시던트 가스 공급 장치로부터 상기 연소기로 공급되는 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량 증가를 시작하여, 상기 유량의 변화율을 제한하게 작동하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 퍼징 유닛에 의해 애노드 오프 가스의 배출을 종료한 후에, 상기 옥시던트 가스 공급 장치로부터 상기 연소기로 공급되는 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량 감소를 시작하여, 상기 유량의 변화율을 제한하게 작동하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 옥시던트 가스 공급 장치로부터 상기 연소기에 공급되는 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 변화율의 절대치가 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 온도 증가에 따라 감소하도록, 상기 산화제 공급 장치로부터 상기 연소기에 공급되는 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량의 변화율을 제한하게 작동하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 옥시던트 가스 공급 장치로부터 상기 연소기로 공급되는 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량이 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 온도 증가에 따라 증가되게 시작되는 시간을 앞당기게(advance) 작동하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 옥시던트 가스 공급 장치로부터 상기 연소기로 공급되는 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량이 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량 증가에 따라 감소되도록 변화율을 제한하게 작동하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 제어 장치는 상기 옥시던트 가스 공급 장치로부터 상기 연소기로 공급되는 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량이 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량 증가에 따라 증가되기 시작하는 타이밍을 앞당기게 작동하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 압력을 제어하는 옥시던트 가스 압력 제어 유닛을 더 구비하며,

상기 시스템 제어 장치는 상기 연소기에 공급되는 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량의 증가 상태에 다음의 유량의 감소 상태 중, 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 상기 연소기로 공급되는 유량의 변화율의 절대치가, 증가 상태 중 공급되는 상기 옥시던트 가스 또는 상기 캐소드 오프 가스의 유량의 변화율의 절대치보다 작게 되도록, 옥시던트 가스 압력 제어 유닛을 제어하게 작동하는, 연료 전지 시스템.
연료 전지 시스템에 있어서,

연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 수단;

옥시던트 가스를 공급하는 옥시던트 가스 공급 수단;

상기 연료 가스 및 상기 옥시던트 가스를 사용하여 발전하는 연료 전지 스택;

상기 연료 전지 스택의 애노드로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 상기 애노드에 재순환시키는 애노드 오프 가스 재순환 수단;

상기 애노드 오프 가스 재순환 수단으로부터 애노드 오프 가스를 일시적으로 외부로 배출하는 퍼징 수단;

적어도 상기 퍼징 수단으로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 상기 옥시던트 가스 또는 상기 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 연소시키는 연소기; 및

상기 퍼징 수단에 의해 애노드 오프 가스를 상기 연소기로 배출할 때, 상기 연소기의 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 시스템 제어를 실행하도록 작동하는 시스템 제어 수단을 구비하는, 연료 전지 시스템.
연료 전지 시스템 제어 방법에 있어서,

연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 장치, 옥시던트 가스를 공급하는 옥시던트 가스 공급 장치, 상기 연료 가스 및 상기 옥시던트 가스를 사용하여 발전하는 연료 전지 스택, 적어도 애노드 오프 가스로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 상기 옥시던트 가스 또는 상기 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 연소시키는 연소기를 준비하는 단계;

상기 연료 전지 스택의 애노드로부터 애노드 오프 가스를 배출하는 단계;

상기 연료 전지 스택의 애노드로부터 배출된 애노드 오프 가스를 애노드에 재순환시키는 단계;

적어도 상기 연료 전지 스택의 애노드로부터 배출되는 애노드 오프 가스와, 상기 옥시던트 가스 또는 상기 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 연소시키는 단계; 및

애노드 오프 가스를 상기 연소기로 배출하게 할 때, 상기 연소기의 연소 온도가 소정의 온도를 초과하지 않도록 시스템 제어를 실행하는 단계를 구비하는, 연료 전지 시스템 제어 방법.