KR100673875B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템은, 연료 전지(1); 연료 전지(1)에 연료 가스를 공급하기 위한 공급 시스템(Sc); 연료 전지(1)로부터의 미사용 연료 가스를 재순환시키기 위한 재순환 시스템(Rc)으로서, 연료 가스가 질소를 포함하는, 재순환 시스템; 재순환 시스템(Rc) 내의 연료 가스에 포함된 질소를 퍼지하기 위한 퍼지 밸브(8); 및 재순환 시스템(Rc) 내의 연료 가스의 질소 농도가 일정하게 유지되도록 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도를 조절하기 위한 컨트롤러(100)를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 연료 전지로부터의 미사용 수소를 재순환시키기 위한 폐쇄 루프 연료 재순환 시스템을 가지며, 확산에 의해 연료 재순환 시스템으로 이송되는 질소가 효율적으로 배출되는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지 스택의 연료로서 수소 가스를 사용하는 폴리머 전해질 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지 스택에서 미사용된 수소 가스가 공급 배관으로 복귀되어 폐쇄 루프 연료 재순환 시스템에서 재순환된다. 수소 가스의 재순환은 소비량을 초과하는 양의 수소를 연료 전지 스택에 공급하여, 연료 전지 스택에 의한 발전(power generation)을 안정화시키고 있다.
일본국 특원 2001-266922호 공보에는 연료 전지로의 공급 배관에 제공된 이젝터를 사용하여 미사용 수소가 재순환되는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.
전술한 연료 전지 시스템에서, 산화제로서 공기가 사용되는 경우에는, 공기에 포함된 질소가 확산에 의해 연료 전지 스택의 캐소드 유로들에서 폴리머 전해질막을 통해 애노드 유로들로 이송되어, 연료 재순환 시스템의 수소 가스 중의 질소 농도가 증가한다.
수소 가스 중의 질소 농도가 증가하면, 수소 부분 압력이 감소되어, 연료 전지 시스템의 발전 효율이 저하한다. 이젝터를 통해 재순환되는 수소량도 저하되어, 시스템의 안정한 발전 유지에 악영향을 준다.
이러한 문제의 대책으로서, 연료 재순환 시스템에 질소를 퍼지(purge)하기 위한 퍼지 밸브를 제공하여, 이것이 주기적으로 개방되어 질소 포함 수소 가스를 대기로 배출하게 할 수 있다. 그러나, 퍼지 밸브가 개방되면, 수소와 수소 가스 중의 질소가 함께 배출된다. 퍼지 밸브가 계속 개방되면, 연료 전지 시스템의 성능이 저하한다.
본 발명은 전술한 문제들을 고려하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은, 확산에 의해 연료 재순환 시스템으로 이송된 질소를 퍼지하면서, 연료 재순환 시스템 밖으로 배출되는 수소량을 제어하여, 연료 전지 시스템의 성능을 향상시키는 것이다.
본 발명의 특징은, 공급되는 연료 가스로부터 전력을 발생시키기 위한 연료 전지; 연료 전지에 연료 가스를 공급하기 위한 공급 시스템; 연료 전지로부터의 미사용 연료 가스를 재순환시키기 위한 재순환 시스템으로서, 재순환 시스템 내의 연료 가스는 질소를 포함하는, 재순환 시스템; 재순환 시스템 내의 연료 가스에 포함된 질소를 퍼지하기 위한 퍼지 밸브; 및 재순환 시스템 내의 연료 가스의 질소 농도가 일정하게 유지되도록 퍼지 밸브의 밸브 개도를 조절하기 위한 컨트롤러를 포함하는 연료 전지 시스템에 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 시스템도,
도 2는 도 1의 연료 전지 시스템의 제어를 도시하는 플로우 차트,
도 3은 연료 가스의 온도와 압력이 일정하게 유지되는 조건하의 연료 재순환 시스템 내의 질소 농도(Cn)와 이젝터-순환 수소 유량(Qc) 간의 관계를 도시하는 그래프,
도 4는 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도와 연료 가스의 온도와 압력이 일정하게 유지되는 조건하의 연료 재순환 시스템 내의 질소 농도(Cn)와 퍼지된 수소 유량(Qph) 간의 관계를 도시하는 그래프,
도 5는 연료 재순환 시스템 내의 질소 농도와 연료 가스의 온도와 압력이 일정하게 유지되는 조건하의 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)와 퍼지된 수소 유량(Qph) 간의 관계를 도시하는 그래프,
도 6은 연료 재순환 시스템 내의 질소 농도, 연료 가스의 압력, 및 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도가 일정하게 유지되는 조건하의 연료 가스 온도(Th2)와 퍼지된 수소 유량(Qph) 간의 관계를 도시하는 그래프,
도 7은 연료 재순환 시스템 내의 질소 농도, 연료 가스의 온도, 및 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도가 일정하게 유지되는 조건하의 입구 수소 압력(Ph2)과 퍼지된 수소 유량(Qph) 간의 관계를 도시하는 그래프,
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료 전지 시스템의 구성을 도시하는 시스템도이다.
이하 본 발명의 실시예들이 도면들을 참조하여 설명되는데, 여기에서 동일한 부재에는 동일한 참조번호가 지정된다.
도 1에 도시된 제1 실시예의 연료 전지 시스템(S)은, 수소 연료 가스로부터 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(1), 연료 가스를 저장하기 위한 연료 탱크(2), 시스템에서 재순환시키기 위해 연료 가스를 펌프(pump)하는 이젝터(6), 및 질소와 함께 대기로 연료 가스를 배출함으로써 연료 가스에 포함된 질소를 퍼지하는 퍼지 밸브(8)를 포함한다.
연료 전지 스택(1)에서는, 캐소드(산화 전극, 또는 공기 전극으로서)(1b)와 애노드(연료 전극으로서)(1c)가 이들 사이에 개재된 폴리머 전해질막(1a)에 의해 서로 병렬이 되도록 제공되어 있다. 이와 같이 배치된 이들 요소는 총괄하여 연료 전지 요소(FCE : fuel cell element)를 구성한다. 각 연료 전지 요소(FCE)는 또한 한 쌍의 세퍼레이터(1d) 사이에 끼워진다. 연료 전지 스택(1)은 서로에 대해 스택된 다수의 이들 사이에 끼워진 FCE로 구성된다. 연료 가스는 애노드(1c)와 세퍼레이터(1d) 사이에 제공된 애노드 유로들(1f)에 도입되고, 산화제로서의 공기는 캐소드(1b)와 세퍼레이터(1d) 사이에 제공된 캐소드 유로들(1e)에 도입된다.
연료 가스는 가변 스로틀 수소 압력 레귤레이터(3)를 통해 연료 탱크(2)에서 연료 전지 스택(1)으로 공급되는데, 여기서 스로틀 개도는 센서(3a)에 의해 검출된다. 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 연료 가스의 압력(Ph2)은 압력 센서(4)에 의 해 검출되고 적절한 범위 내로 유지되도록 컨트롤러(100)에 의해 제어되고 있다.
이젝터(6)는 레귤레이터(3)와 연료 전지 스택(1) 사이의 공급 배관(5)에 제공된다. 이젝터(6)의 사이드-스트림(side-stream) 포트(6a)에, 연료 전지 스택(1)으로부터 복귀 배관(7)이 접속된다. 이젝터(6)는, 복귀 배관(7)으로부터 연료 전지 스택(1)의 미사용된 연료 가스를 끌어내어, 연료 전지 스택(1)의 입구에 펌프한다. 공급 배관(5), 이젝터(6), 연료 전지 스택(1)의 애노드 유로(1f) 및 복귀 배관(7)은 총괄하여 연료 가스가 순환됨으로써 연료 전지 스택(1)의 전기화학 반응 효율을 향상시키고 그 발전을 안정화하는 연료 재순환 시스템(Rc)을 구성하고 있다.
공기에 포함된 질소의 일부는, 확산에 기인하여 전해질막(1a)을 통해 캐소드 유로(1e)에서 애노드 유로(1f)로 이송되고, 그럼으로써 연료 재순환 시스템(Rc)에 도입된다. 퍼지 밸브(8)는 그 밸브 개도(Vo)를 검출하기 위한 센서(8a)를 내장하고, 검출된 밸브 개도(Vo)에 기초하여, 컨트롤러(100)는 적절한 범위 내로 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도를 유지하도록 밸브 개도를 제어한다. 퍼지 밸브(8)의 제어 방법은 후술한다.
이젝터(6) 상류에는, 압력 센서(20)가 제공되어 연료 가스의 이젝터 입구 압력(Ph1)을 검출하고 온도 센서(22)가 제공되어 이젝터 입구 온도(Th1)를 검출한다. 또한, 퍼지 밸브(8) 부근의 연료 재순환 시스템(Rc)에는 온도 센서(21)가 제공되어 연료 가스의 퍼지 밸브 입구 온도(Th2)를 검출한다. 검출된 퍼지 밸브 입구 온도(Th2)는 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)가 증가되어야 하는지 감소되어야 하는지를 판단하기 위한 후술되는 유량 임계값을 산출하는데 이용되고 있다.
산화제 공기를 연료 전지 스택(1)에 공급하기 위한 공기 시스템은, 컴프레서(9), 공기 공급 배관(10), 연료 전지 스택(1)의 캐소드 유로(1e), 및 공기 시스템 압력 레귤레이터로서 기능하는 가변 스로틀 밸브(11)로 구성된다. 컴프레서(9)에 의해 시스템에 도입된 공기는 공기 공급 배관(10)을 통해 연료 전지 스택(1)의 캐소드 유로(1e)에 공급되고, 여기서 공기에 포함된 산소가 캐소드(1b)에 확산하고, 전리(ionize)하고, 전해질막(1a)을 통해 이송된 수소 이온들(프로톤들)과 함께 전기화학적으로 반응하여 물을 형성한다. 공기는, 연료 전지 스택(1)의 캐소드 유로(1e)의 유출 후에, 가변 스로틀 밸브(11)를 통해 형성된 물과 함께 공기 시스템의 외부로 배출된다.
또한 연료 전지 스택(1)으로부터의 전기화학 반응과 전기 저항에 의해 발생된 열을 제거하기 위해 냉각 시스템이 제공되고, 이것은, 냉각액(coolant) 펌프(14), 라디에이터(13), 연료 전지 스택(1)에 제공된 냉각액 통로(1g), 및 연료 전지 스택(1), 냉각액 펌프(14) 및 라디에이터(13)를 직렬로 접속하는 냉각액 배관(12)으로 구성된다. 냉각액은 냉각액 펌프(14)에 의해 펌프되어 냉각 시스템을 통해 순환된다. 냉각액은, 연료 전지 스택(1)의 냉각액 통로(1g)의 유출 후에, 냉각액 통로(12)를 통해 냉각액이 대기와 열을 교환하는 라디에이터(13)에 흐른다.
다음에, 제1 실시예의 컨트롤러(100)에 의한 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)를 조절하는 밸브 개도 제어가 도 2의 플로우 차트를 참조하여 설명된다.
단계 S1에서, 퍼지된 수소 유량(Qph), 즉, 퍼지 밸브(8)로부터 시스템의 외 부로 배출되는 질소 함유 연료 가스 중의 수소 유량이, 소정 임계값(Qph0) 이상인지, 또는 일정 범위를 갖는 임계값 밴드(band) 이상인지를 소정 시점에서 판정한다. 수소 유량(Qph)의 산출 방법은 후술한다. 퍼지된 수소 유량(Qph)이 임계값(Qph0) 이상이거나, 또는 임계값 밴드 이상이면, 제어 프로세스는 단계 S2로 진행한다. 퍼지된 수소 유량(Qph)이 임계값(Qph0) 또는 임계값 밴드보다 작으면, 프로세스는 단계 S3으로 진행한다. 단계 S2에서, 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)는 연료 가스의 배출량(Qpt)을 감소시키도록 감소된다. 한편, 단계 S3에서, 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)는 연료 가스의 배출량(Qpt)을 증가시키도록 증가된다.
도 3은, 제1 실시예의 연료 가스 온도(Th2)와 연료 가스 압력(Ph2)이 일정하게 유지되는 조건하의 이젝터-순환 수소 유량(Qc), 즉 이젝터(6)를 통해 순환하는 연료 가스의 수소 유량과 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn) 간의 관계를 도시한다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)가 증가하고 시스템(Rc) 중의 연료 가스의 수소 부분 압력이 감소하면, 이젝터-순환 수소 유량(Qc)은 감소된다. 이것은 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)를 저하시키도록 퍼지 밸브(8)를 개방하여 시스템의 질소를 퍼지하는 것을 필요로 한다.
Qcr을 연료 전지 스택(1)의 안정한 운전에 필요한 최소의 이젝터-순환 수소 유량이라고 가정하면, 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)는 Cnr 또는 그 이하로 제어될 필요가 있어, 이젝터-순환 수소 유량(Qc)은 Qcr 이하로 떨어지지 않는다. 그러나, 연료 가스의 질소 농도(Cn)를 저하시키도록 퍼지 밸브(8)가 개방되 어 연료 재순환 시스템(Rc)의 질소를 퍼지하면, 연료 가스 중의 수소도 배출되어, 연료 전지 시스템(S)의 성능에 악영향을 준다.
이 문제를 회피하기 위해서는, 어느 정도, 연료 재순환 시스템(Rc)의 연료 가스 중의 수소 농도를 감소시키고 그 안의 질소 농도(Cn)를 증가시킬 필요가 있다. 밸브 개도(Vo)의 적절한 조절을 위한 퍼지 밸브(8)의 제어에 의해 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)가 Cnr로 안정하게 유지되고 퍼지된 수소 유량(Qph)이 필요최소한으로 유지된다.
도 4는 제1 실시예의 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)와 연료 가스 온도(Th2)와 연료 가스 압력(Ph2)이 일정하게 유지되는 조건하의 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)와 퍼지 밸브(8)를 통한 퍼지된 수소 유량(Qph) 간의 관계를 도시한다. 이 조건하에서는, 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)가 감소할수록, 퍼지된 수소 유량(Qph)은 연료 가스의 증가된 수소 부분 압력에 기인하여 증가하는 것으로 생각된다. 이 경우, 도 2의 플로우 차트에 도시된 바와 같이 퍼지 밸브(8)를 제어하여 그 밸브 개도(Vo)를 조절함으로써, 퍼지된 수소 유량(Qph)은 임계값(Qph0)으로 유지될 수 있고 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)는 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 시스템 밖으로 배출되는 수소량은 최소로 제한될 수 있다.
도 5는 제1 실시예의 연료 가스 온도(Th2)와 연료 가스 압력(Ph2)과 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)가 일정하게 유지되는 조건하의 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)와 퍼지된 수소 유량(Qph) 간의 관계를 도시한다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 이 조건하에서는, 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)가 증가할수록 퍼지 된 수소 유량(Qph)이 증가하는 경향이 있다. 구체적으로, 일정한 질소 농도 조건하에서 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)가 증가할수록 퍼지된 수소 유량(Qph)이 증가하는 경향이 있다. 따라서, 퍼지 밸브(8)가 비교적 높은 상한을 가진 넓은 범위에서 가변하는 밸브 개도(Vo)를 가지면, 도 2 플로우 차트의 단계 S1의 임계값(Qph0)을 비교적 높은 값으로 설정하도록 보정이 이루어짐으로써, 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)를 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 6은 제1 실시예의 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn), 연료 가스 압력(Ph2), 및 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)가 일정하게 유지되는 조건하의 연료 전지 스택(1) 하류의 연료 가스 온도(Th2)(또는 온도 센서(21)에 의해 검출된 퍼지 밸브 입구 온도)와 퍼지된 수소 유량(Qph) 간의 관계를 도시한다. 연료 전지 스택(1)이 폴리머 전해질 연료 전지들의 스택이므로, 연료 재순환 시스템(Rc)의 연료 가스는 퍼지 밸브(8) 부근의 연료 전지 스택(1) 하류의 수증기에 의해 포화되거나 또는 포화에 가까운 상태가 된다. 연료 가스 온도(Th2)가 상승할수록 연료 가스의 포화 수증기 압력이 상승하므로, 연료 가스는 보다 많은 수증기 분자들을 포함할 수 있고, 이것에 의해 그 평균 분자량이 증가된다. 따라서, 연료 가스의 수소 부분 압력이 저하되고, 도 6에 도시되는 바와 같이 퍼지된 수소 유량(Qph)이 감소된다.
즉, 일정한 질소 농도 조건하에서, 퍼지된 수소 유량(Qph)은 연료 가스 온도(Th2)의 상승에 기인하여 감소되는 경향이 있다. 따라서, 연료 가스 온도(Th2)가 비교적 높으면, 도 2의 단계 S1의 임계값(Qph0)을 비교적 낮은 값으로 설정하도록 보정이 이루어짐으로써, 비록 연료 가스 온도(Th2)가 크게 변화하더라도 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)를 일정한 레벨로 유지시킬 수 있다.
도 7은 제1 실시예의 질소 농도(Cn), 연료 가스 온도(Th2) 및 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)가 일정하게 유지되는 조건하의 연료 전지 스택(1)에의 연료 가스 공급 압력(Ph2)과 퍼지된 수소 유량(Qph) 간의 관계를 도시한다. 도 7에 도시되는 바와 같이, 이 조건하에서, 퍼지된 수소 유량(Qph)은 연료 가스 공급 압력(Ph2)이 낮아질수록 감소하는 경향이 있다. 구체적으로, 일정한 질소 농도 조건하에서, 퍼지된 수소 유량(Qph)은 연료 가스 공급 압력(Ph2)이 낮아질수록 감소하는 경향이 있다. 따라서, 연료 가스 공급 압력(Ph2)이 비교적 낮으면, 도 2의 단계 S1의 임계값(Qph0)을 비교적 낮은 값으로 설정하도록 보정이 이루어짐으로써, 비록 연료 가스 공급 압력(Ph2)이 크게 변화하더라도 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)를 일정한 레벨로 유지시킬 수 있다.
다음에, 퍼지된 수소 유량(Qph)의 산출 방법이 설명된다. 퍼지된 수소 유량(Qph)은 식 Qph = Qih - Qeh로부터 얻어지는 나머지인데, 여기서 Qih는 연료 전지 시스템(S)에 공급되는 수소 유량이고 Qeh는 퍼지되지 않고 소비되는 수소 유량이라는 것에 유의한다.
먼저, 연료 전지 시스템(S)에 공급되는 수소 유량(Qih)을 얻는 방법이 설명된다.
일반적으로, 레귤레이터(3)를 통과하는 수소 유량은, 레귤레이터(3)가 밸브 개도가 작은 초크 상태(choked state)에 있는 경우에, 레귤레이터(3) 상류의 연료 가스의 온도와 압력으로부터 산출될 수 있다. 그리고 레귤레이터(3)가 비초크 상태에 있는 경우에, 이 유량은 레귤레이터(3) 상류와 하류의 연료 가스의 압력과 상류의 연료 가스 온도로부터 산출될 수 있다. 이 제1 실시예에서는, 연료 탱크(2)에서 레귤레이터(3)를 통해 이젝터(6)까지의 연료 가스 공급 시스템(Sc)에 대해 이젝터(6)가 내부에 초킹 노즐을 갖는다. 따라서, 공급 수소 유량(Qih)은 이젝터(6) 상류와 하류에 각각 제공된 압력 센서(20 및 4)에 의해 검출된 이젝터 입구 압력(Ph1)과 이젝터 출구 압력(또는 스택에의 연료 가스 공급 압력)(Ph2)을 이용하여 산출될 수 있다.
공급되는 연료 가스의 온도가 넓은 범위에서 변화하는 경우에, 공급 수소 유량(Qih)은 연료 가스 공급 시스템(Sc)에 제공된 온도 센서(22)에 의해 검출된 연료 가스 온도(Th1)에 대해 보정을 행함으로써 보다 정밀하게 산출될 수 있다.
다음에, 퍼지되지 않고 소비되는 수소 유량(Qeh)을 얻는 방법이 설명된다.
연료 전지 스택(1)에서의 소비 수소량은 연료 전지 스택(1)의 출력 전류(I)에 비례하고, 이 전류는 전기 회로(25)에 제공된 전류계(26)에 의해 검출될 수 있다. 따라서, 퍼지되지 않고 소비되는 수소 유량(Qeh)은 검출된 출력 전류(I)로부터 산출될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 실시예에서는, 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo), 연료 가스 압력(Ph1 및 Ph2), 및 연료 가스 온도(Th1 및 Th2)가 각각의 센서(8a, 20, 4, 22, 및 21)에 의해 검출된다. 이들 검출값은, 일정 시간 간격으로 검출되는 퍼지된 수소 유량(Qph)과 비교되도록 임계값(Qph0)으로서 설정된 연료 재순환 시스템 (Rc) 내의 질소 농도(Cn)의 목표값(Cnt)을 퍼지된 수소 유량(Qph)에 제공한다. 여기서, 퍼지된 수소 유량(Qph)은 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)와 연료 가스 압력(Ph2)과 연료 가스 온도(Th2)에 대해 도 5 내지 도 7에 도시되는 바와 같은 경향을 갖는다. 따라서, 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)가 클수록, 임계값(Qph0)은 높게 설정되고, 연료 가스 온도(Th2)가 높을수록 그리고 연료 가스 압력(Ph2)이 낮을수록 임계값(Qph0)은 낮게 설정된다.
제1 실시예에 의하면, 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)가 일정하게 제어된다. 따라서, 퍼지된 질소와 함께 쓸모없이 수소가 배출되는 질소의 과도한 퍼지가 방지됨으로써, 연료 전지 시스템(S)의 발전의 안정화에 기여하고 있다.
또한, 퍼지 밸브(8)를 통해 배출된 수소 유량(Qph)은 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)와 운전 조건들에 따라 정해진 임계값(Qph0)이 되도록 제어된다. 따라서, 질소 농도 센서를 사용하지 않고, 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)가 일정한 레벨로 제어될 수 있다. 수소 배출이 억제됨으로써, 연료 전지 시스템(S)의 운전 효율을 향상시킨다.
또한, 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)가 클수록, 그 밸브 개도(Vo)의 조절을 위한 임계값(Qph0)이 높게 설정되고, 이것에 의해 퍼지 밸브(8)의 밸브 개도(Vo)가 넓은 범위에서 변화되더라도 배출되는 수소량이 억제됨으로써, 연료 전지 시스템(S)의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 온도 센서(21)가 제공되어 퍼지 밸브(8)를 통과하는 연료 가스 온도(Th2)를 검출한다. 그리고 연료 가스 온도(Th2)가 높을수록, 그 밸브 개도(Vo)의 조절을 위한 임계값(Qph0)은 낮게 설정된다. 따라서 연료 가스 온도(Th2)가 변화하더라도 배출되는 수소량이 억제됨으로써, 연료 전지 시스템(S)의 운전 효율을 향상시킨다.
또한, 압력 센서(4)가 제공되어 연료 가스 공급 압력(Ph2)을 검출한다. 그리고 연료 가스 공급 압력(Ph2)이 낮을수록, 임계값(Qph0)은 낮게 설정된다. 따라서 비록 연료 가스 압력이 많이 변화하더라도 배출되는 수소량이 억제됨으로써, 연료 전지 시스템(S)의 운전 효율을 향상시킨다.
또한, 퍼지 밸브(8)를 통과하는 수소 유량, 즉 퍼지된 수소 유량(Qph)이, Qih, 즉 연료 전지 시스템(S)에 공급되는 수소 유량과, Qeh, 즉 퍼지되지 않고 소비되는 수소 유량 간의 차이로서 산출된다. 이것은, 퍼지된 연료 가스의 유량을 위한 유량계를 제공할 필요성을 해소하고, 대신에 통상의 압력 센서(4 및 20)와 온도 센서(22)에 의해 정확한 퍼지된 수소 유량(Qph)이 얻어지고, 이것에 의해 비용이 절약된다.
또한, 연료 전지 시스템(S)에의 공급 수소 유량(Qih)은 이젝터 입구 압력(Ph1)과 이젝터 출구 압력(Ph2)으로부터 산출된다. 이것은 공급되는 수소의 유량을 위한 유량계를 제공할 필요성을 해소하고, 이것에 의해 비용이 절약된다.
공급 수소 유량(Qih)이 이젝터(6) 상류의 연료 가스 온도(Th1)에 근거하여 보정되므로, 산출된 공급 수소 유량(Qih)은 정밀도가 향상된다.
또한, 퍼지를 제외한 정확한 소비 수소 유량(Qeh)이 통상의 전류계(26)에 의해 검출된 연료 전지 스택(1)의 출력 전류(I)에 기초한 연산에 의해 얻어지고, 이 것에 의해 비용이 절약된다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료 전지 시스템(S)의 구성을 도시하는 도면이다. 제2 실시예의 연료 전지 시스템(S)은, 압력 센서(23)가 제공되어 레귤레이터(3) 상류의 연료 가스 압력을 검출하는 점에서, 도 1에 도시된 제1 실시예와 다르다. 공급 수소 유량(Qih)은, 레귤레이터(3) 상류와 하류에 각각 제공된 압력 센서(23 및 20)에 의해 검출된 레귤레이터 입구 압력(Ph3)과 레귤레이터 출구 압력(또는 이젝터 입구 압력)(Ph2)을 이용하여 산출된다. 도 8에서, 도 1에 도시된 것과 동일한 참조부호에 의해 지정된 요소는 동일한 기능을 갖는다.
이 실시예에서는, 레귤레이터(3)의 개폐를 제어하는 컨트롤러(10)에 의해 검출된 레귤레이터(3)의 밸브 개도(Vr)가 주어지면, 이젝터 입구 압력(Ph1)과 출구 압력(Ph2)으로부터 동일한 유량(Qih)을 얻는 경우와 마찬가지로 그 밸브 개도(Vr)와 레귤레이터 입구 압력(Ph3)과 레귤레이터 출구 압력(Ph2)에 기초하여 공급 수소 유량(Qih)이 산출될 수 있다.
공급 수소 유량(Qih)은 레귤레이터(3)의 밸브 개도(Vr)가 레귤레이터(3)가 초크 상태가 될 정도로 충분히 작을 때에 단지 레귤레이터 입구 압력(Ph3)으로부터 산출된다. 레귤레이터 입구 압력(Ph3)이 비초크 상태에 있을 때에, 공급 수소 유량(Qih)은 레귤레이터 입구 압력(Ph3)과 레귤레이터 출구 압력(Ph2)으로부터 산출된다. 제2 실시예에서는, 연료 전지 스택(1)의 냉각액 통로(12)에 온도 센서(24)가 제공되어 냉각액 온도(Tw)를 검출한다. 연료 전지 스택(1)에서 연료 가스와 냉각액이 열을 교환하므로, 냉각액 온도(Tw)와 연료 가스 온도(Th2)는 대략 서로 동 일하게 되어, 연료 가스 온도를 추정하는데 냉각액 온도(Tw)를 이용할 수 있다. 또한, 냉각액은, 액체 형태이므로, 가스보다 온도 측정에 양호한 응답성을 제공한다. 냉각액 온도(Tw)가 연료 전지 시스템(S)에 대해 빠르게 변화하는 부하에 기인하여 변화하더라도, 냉각액은 여전히 연료 가스보다 정확한 온도 측정을 제공한다.
제1 실시예와 마찬가지로, 레귤레이터(3) 상류의 연료 가스 공급 시스템(Sc)에는 온도 센서(28)가 제공되어 그 곳에서 연료 가스 온도(Th3)를 검출한다. 공급 연료 가스의 온도(Th3) 변화에 대해서는, 검출된 연료 가스 온도(Th3)에 기초하여 보정이 이루어져 보다 정확한 공급 수소 유량(Qih)이 산출될 수 있다.
제2 실시예에 의하면, 연료 전지 시스템(S)에 공급되는 수소 유량(Qih)이 그 연료 가스 공급 시스템(Sc)에 제공된 레귤레이터(3)의 밸브 개도(Vr), 레귤레이터 입구 압력(Ph3) 및 레귤레이터 출구 압력(Ph2)에 기초하여 산출된다. 따라서, 연료 가스의 유량을 검출하는 유량 센서를 사용하지 않고, 배출되는 수소량이 억제됨으로써, 연료 전지 시스템(S)의 운전 효율을 향상시킨다. 또한, 연료 가스 온도(Th3)에 기초한 보정은 보다 정확한 공급 수소 유량(Qih)을 제공한다.
다음에, 본 발명의 제3 실시예가 설명된다.
제3 실시예는, 연료 전지 스택(1)의 전력 발생에 의한 수소 소비 비율인 Qe의 산출에 개량이 이루어지는 점에서, 제1 실시예나 제2 실시예와 다르다. 전술한 바와 같이, Qeh, 즉 퍼지되지 않고 소비되는 수소 유량은 Qe에 근거하여 산출된다. 다른 요소는 제1 실시예나 제2 실시예와 동일하다.
차량용 연료 전지 시스템(S)에는 시스템(S)에 대한 급속히 변화하는 부하에 대처하고 이 변화하는 부하에 따라 연료 전지 스택(1)의 출력을 조절가능한 것이 필요하다. 그 가변 출력에 대해, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 연료 가스 압력(Ph2)이 제어된다. 연료 가스의 공급 압력을 증가시키기 위해서는, 연료 전지 스택(1)의 전력 발생에 의한 수소 소비 비율(Qe)로부터 산출된 Qeh 이상의 비율로 연료 재순환 시스템(Rc)에 수소를 공급하는 것이 필요하다. 한편, 연료 가스의 공급 압력을 감소시키기 위해서, 시스템(Rc)에 공급되는 수소 비율은 Qeh보다 작게 감소된다. 연료 전지 스택(1)의 전력 발생에 의한 수소 소비 비율(Qe)만을 고려하는 경우에는, 연료 가스 압력(Ph2)이 증가되거나 감소되는 과도 기간의 퍼지된 수소 유량(Qph)을 정확히 산출할 수 없다.
여기서, Qih, 즉 연료 재순환 시스템(Rc)에 공급되는 수소 유량이 시스템(Rc)의 연료 가스 압력(Ph2)을 증가시키거나 감소시키기 위해서 변화될 때, 연료 전지 스택(1)의 전력 발생에 의한 수소 소비 비율(Qe)과 공급 수소 유량(Qih) 간의 차이는, 변화하는 연료 가스 압력(Ph2)의 압력 변화율 또는 압력 차이(DP), 즉 연료 전지 스택(1)의 요구 출력에 기초하여 정해진 목표 연료 가스 압력과 현재의 연료 가스 압력 간의 차이에 비례한다. 구체적으로, 공급 수소 유량(Qih)은 하기와 같이 나타내어진다.
Qih = Qe + C ×DP
여기서 C는 연료 전지 시스템(S)의 연료 재순환 시스템(Rc)의 용적에 따라 정해지는 상수이다. 연료 가스 압력(Ph2)은 도 1 및 도 7의 압력 센서(4)에 의해 검출된다. 따라서, 컨트롤러(100)에서 연료 가스 압력(Ph2)의 압력 차이(DP)를 얻 기 위한 유닛(unit)의 제공에 의해, 연료 가스 압력(Ph2)이 변화되는 과도 기간의 공급 수소 유량(Qih)은 압력 차이(DP)에 기초하여 산출될 수 있다.
제3 실시예에 의하면, 공급 수소 유량(Qih)은 연료 가스 압력(Ph2)이 변화되더라도 정확히 산출될 수 있다. 따라서, 퍼지된 수소 유량(Qph)이 보다 정확히 산출될 수 있어, 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)의 정밀한 제어에 기여한다.
제1 실시예 내지 제3 실시예에서는 연료 가스를 순화시키는데 이젝터(6)를 사용하였지만, 본 발명은, 예를 들면, 펌프나 송풍기(blower)를 사용하여 연료 가스가 순환되더라도 적용가능하다.
펌프나 송풍기를 사용하는 경우라도, 이젝터(6)를 사용하는 경우와 마찬가지로, 연료 재순환 시스템(Rc) 내의 질소 농도(Cn)의 증가에 의해 그 안의 수소 부분 압력이 저하하여, 공급 수소 유량(Qih)의 증가를 필요로 한다. 이러한 경우라도, 제2 실시예와 마찬가지로, 레귤레이터(3)의 밸브 개도(Vr), 레귤레이터 입구 압력(Ph3) 및 레귤레이터 출구 압력(Ph2)에 기초한 산출에 의해 공급 수소 유량(Qih)의 조절이 이루어져, 퍼지 밸브(8)를 폐쇄시키는 최적 타이밍을 제공한다.
또한, 연료 가스 압력을 검출하기 위한 센서들은 연료 전지 스택(1) 상류가 아니라 그 하류에 제공되어도 된다. 특히 연료 전지 스택(1)의 연료 가스의 압력 손실이 큰 경우에는, 연료 전지 스택(1) 상류의 연료 가스 압력의 검출이 보다 정밀한 제어를 제공한다.
또한, 시스템에 사용되는 연료 가스는 연료 탱크(2)로부터 공급되는 수소 가 스로 한정되지 않고, 개질기(reformer)에 의해 생성된 것이어도 된다.
본 명세서는 2002년 12월 3일 출원된 일본국 특원 2002-351274호에 포함된 특허 대상에 관한 것으로, 그 명세서가 전부 여기에 참조를 위해 명확히 포함되어 있다.
여기에서 설명된 바람직한 실시예들은 예시적이나 제한적이지 않고, 본 발명은 본질적인 특징 또는 사상을 벗어나지 않고 다른 방법으로 실현 또는 구현될 수 있다. 본 발명의 범주는 특허청구의 범위에 의해 나타내어지고, 특허청구의 범위 내에 있는 모든 변화가 여기에 포함되도록 의도된다.
본 발명에 의하면, 연료 전지 시스템(S)은, 연료 가스를 재순환시키기 위한 시스템(Rc)을 가지며, 확산에 의해 시스템(Rc)에 이송된 질소를 퍼지하기 위한 퍼지 밸브(8)가 제공되어 질소와 함께 연료 가스를 배출한다. 퍼지 밸브(8)는 시스템(Rc) 내의 질소 농도가 일정하게 유지되도록 밸브 개도가 조절되도록 제어되어, 연료 가스와 함께 시스템 밖으로 배출되는 수소량을 억제함으로써 연료 전지 시스템(S)의 성능을 향상시킨다.

Claims (13)

  1. 연료 전지 시스템에 있어서,
    공급되는 연료 가스로부터 전력을 발생시키기 위한 연료 전지;
    상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하기 위한 공급 시스템;
    상기 연료 전지로부터의 미사용 연료 가스를 재순환시키기 위한 재순환 시스템으로서, 상기 재순환 시스템 내의 연료 가스는 질소를 포함하는, 재순환 시스템;
    상기 재순환 시스템 내의 연료 가스에 포함된 질소를 퍼지하기 위한 퍼지 밸브; 및
    상기 재순환 시스템 내의 연료 가스 중의 질소 농도가 일정하게 유지되도록 상기 퍼지 밸브의 밸브 개도를 조절하기 위한 컨트롤러를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 퍼지 밸브를 통과하는 연료 가스의 유량이, 상기 연료 전지 시스템의 운전 조건들과 상기 퍼지 밸브의 밸브 개도에 따라 설정되는 임계값보다 크면, 상기 퍼지 밸브의 밸브 개도를 감소시키고, 상기 퍼지 밸브를 통과하는 연료 가스의 유량이 상기 임계값보다 작으면 상기 퍼지 밸브의 밸브 개도를 증가시키는, 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 임계값은 상기 퍼지 밸브의 밸브 개도가 커질수록 크 게 설정되는, 연료 전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 퍼지 밸브를 통과하는 연료 가스의 온도를 검출하기 위한 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 임계값은 상기 온도 센서에 의해 검출되는 연료 가스의 온도가 증가할수록 낮게 설정되는, 연료 전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 공급 시스템에서의 연료 가스의 압력을 검출하기 위한 압력 센서를 더 포함하고,
    상기 임계값은 상기 압력 센서에 의해 검출되는 연료 가스의 압력이 감소할수록 낮게 설정되는, 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 퍼지 밸브를 통과하는 연료 가스의 유량은 상기 공급 시스템으로부터 공급되는 연료 가스의 공급량과 상기 연료 전지에 의해 소비되는 연료가스의 소비량 간의 차이로부터 얻어지는, 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 재순환 시스템에 제공되며, 상기 공급 시스템이 접속되는 이젝터; 및
    상기 이젝터에 공급되는 연료 가스의 공급 압력을 검출하기 위한 압력 센서를 더 포함하고,
    상기 연료 가스의 공급량은 상기 압력 센서에 의해 검출되는 공급 압력에 기초하여 산출되는, 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이젝터 상류의 연료 가스의 온도를 검출하기 위한 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 연료 가스의 공급량은 상기 온도 센서에 의해 검출되는 연료 가스의 온도와 상기 압력 센서에 의해 검출되는 연료가스의 공급 압력에 기초하여 산출되는, 연료 전지 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 연료 전지에 공급되는 연료 가스의 연료 압력 레귤레이터;
    상기 연료 압력 레귤레이터의 밸브 개도를 검출하기 위한 밸브 개도 센서; 및
    상기 연료 압력 레귤레이터 상류의 연료 가스의 압력을 검출하기 위한 압력 센서를 더 포함하고,
    상기 연료 가스의 공급량은, 상기 밸브 개도 센서에 의해 검출되는 연료 압력 레귤레이터의 밸브 개도, 및 상기 압력 센서에 의해 검출되는 연료 압력 레귤레 이터 상류의 연료 가스의 압력에 기초하여 산출되는, 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연료 압력 레귤레이터 상류의 연료 가스의 온도를 검출하기 위한 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 연료 가스의 공급량은, 상기 밸브 개도 센서에 의해 검출되는 연료 압력 레귤레이터의 밸브 개도, 상기 압력 센서에 의해 검출되는 연료 압력 레귤레이터 상류의 연료 가스의 압력, 및 상기 온도 센서에 의해 검출되는 연료 가스의 온도에 기초하여 산출되는, 연료 전지 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 연료 전지의 출력 전류를 검출하기 위한 전류계를 더 포함하고,
    상기 연료 가스의 소비량은 상기 전류계에 의해 검출되는 출력 전류에 기초하여 산출되는, 연료 전지 시스템.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 연료 전지의 출력 전류를 검출하기 위한 전류계; 및
    상기 연료 전지의 상류 또는 하류의 연료 가스의 압력을 검출하기 위한 압력 센서를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 압력 센서에 의해 검출되는 연료 가스의 압력 변화율 을 얻기 위한 유닛을 구비하고,
    상기 연료 가스의 소비량은 상기 전류계에 의해 검출되는 출력 전류와 상기 컨트롤러의 유닛에 의해 주어지는 연료 가스의 압력 변화율에 기초하여 산출되는, 연료 전지 시스템.
  13. 공급 시스템으로부터 연료전지로 공급되는 연료가스로부터 전력을 발생시키는 연료전지를 제어하는 방법으로써, 상기 연료전지로부터 질소를 포함하는 미사용 연료전지를 재순환 시스템에서 재순환시키고, 퍼지밸브를 통하여 상기 연료가스 내에 포함된 질소를 상기 재순환 시스템으로 퍼지하는 방법에 있어서,
    상기 방법은 상기 재순환 시스템 내에서 상기 연료 가스 중의 질소 농도가 일정하게 유지되도록 상기 퍼지 밸브의 밸브 개도를 조절하는 것을 포함하는 방법.
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