KR100811805B1 - 연료 전지용 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 산화 가스 공급 라인(L1)을 통해 산화 가스를 캐소드로 공급하기 위한 산화 가스 공급 수단(7); 상기 산화 가스 공급 라인(L1) 또는 상기 캐소드 내의 가스 압력을 검출하기 위한 캐소드측 가스 압력 검출 수단(11); 수소 공급 라인(L3)을 통해 수소를 애노드로 공급하기 위한 수소 공급 수단(5); 상기 수소 공급 라인(L3) 또는 상기 애노드 내의 가스 압력 가운데 수소 압력을 결정하기 위한 목표 수소 부분 압력 결정 수단; 상기 캐소드측 가스 압력 검출 수단(11)에 의해 검출되는 가스 압력 및 상기 목표 수소 부분 압력을 토대로, 상기 연료 전지(1)로 공급될 수소의 수소 공급 압력을 연산하기 위한 수소 공급 압력 연산 수단; 및 상기 수소 공급 압력으로 상기 수소 공급 수단(5)으로부터 상기 연료 전지(1)로 공급되도록 수소를 제어하기 위한 수소 공급 제어 수단(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지(1)용 제어 장치, 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

연료 전지용 제어 장치 및 제어 방법{CONTROL APPARATUS AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지용 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

중합체 전해질 연료 전지는 전해질 멤브레인(electrolyte membrane), 상기 전해질 멤브레인을 그 사이에 끼워 형성되는 두 촉매층, 및 상기 두 촉매층의 외측면 상에 형성되는 한 쌍의 확산층들을 구비한다. 상기 연료 전지의 하나의 확산층에는 수소를 포함하는 연료 가스가 공급되고, 다른 확산층에는 산소를 포함하는 산화 가스가 공급된다. 상기 연료 가스가 공급되는 확산층은 수소 전극 또는 애노드라 하고; 상기 산화 가스가 공급되는 확산층은 공기 전극 또는 캐소드라 한다.

상기 수소 전극으로 공급되는 수소는 촉매층으로 확산되고, 상기 촉매층에서 양성자와 전자로 분리된다. 분리된 양성자들은 그 후에 물 분자와 함께 전해질 멤브레인을 통과하여 양전극측 상의 촉매층으로 이동한다.

이와는 대조적으로, 공기 전극으로 공급되는 산소는 상기 공기 전극측 상의 촉매층으로 확산되고, 양성자, 전자 및 산소 간의 반응을 통해 물이 생성된다. 상기 공기 전극 및 수소 전극을 외부 회로(즉, 도체)에 연결시킴으로써, 전자들이 수소 전극으로부터 양의 공기 전극으로 이동하고, 상기 양성자들과 반응 시에 소비된 다.

연료 전지에 발전량을 증가시키기 위해서는, 발생될 전기량에 대응하는 연료 가스 및 산화 가스량이 각각 공기 전극 및 수소 전극으로 공급되어야 한다. 일반적으로는, 공기가 산화 가스로 사용된다.

하지만, 공기는 산소와 질소를 포함한다. 질소는 공기 전극 측에서의 반응에 이용되지 않기 때문에, 상기 공기 전극측 상의 공간에 축적되는 것 이외에, 상기 질소는 또한 확산층과 전해질 멤브레인으로도 확산되고, 궁극적으로는 수소 전극 측으로 이동한다. 양성자, 전자 및 산소 간의 반응으로 인하여 공기 전극 측에 발생되는 물도 확산층과 전해질 멤브레인으로 확산되어, 궁극적으로는 수소 전극 측으로 이동한다. 그러므로, 연장된 시간 동안 연료 전지를 작동시키면, 상기 연료 전지의 수소 전극측 상의 공간의 수소와는 달리, 수증기 및 질소와 같은 불순물의 농도를 증가시킨다. 연료 전지용 제어 장치에 관한 특허문헌들은 일본특허공개공보 제2002-353837호, 일본특허공개공보 제7-169488호, 일본특허공개공보 제2003-331889호, 및 일본특허공개공보 제9-259913호를 포함한다.

수소 전극측 상의 수소 이외의 불순물들의 농도의 증가는 수소농도의 증가를 방해하는데, 이는 발전량의 증가를 방해하게 된다. 이러한 이유로 해서, 종래의 중합체 전해질 연료 전지에는, 상기 수소 전극측 상의 반응 후 연료 가스(이하, "연료 오프-가스(fuel off-gas)"라고 함)를 배출하기 위하여, 수소 전극의 연료 가스 통로의 하류 측에 배기 밸브가 제공되어 왔다.

이러한 배기 밸브(예컨대, 일본특허공개공보 제2002-353837호에 기술됨)는 연료 전지가 작동될 때 개방되고, 수소 전극측 상의 불순물 가스를 배출하는데 사용되어, 상기 수소 전극측 상의 수소농도의 증가를 유도하게 된다.

연료 전지의 작동 후, 배기 밸브는 수소 전극측 상의 불순물들을 배출하여 발전량을 유지하기 위한 소정의 시퀀스에 따라 개폐된다.

하지만, 연료 전지시스템(여기서는 수소농도를 증가시키기 위해 작동시에 배기 밸브를 개폐함으로써 불순물들이 배출됨)의 배기 밸브는 저온에서 동결(freeze)될 수도 있다. 동결된 배기 밸브를 해동하는 데 시간이 필요하므로, 연료 전지는 단시간 내에 작동될 수 없다. 나아가, 발전량을 유지하기 위해 작동시에 배기 밸브가 개폐되는 연료 전지시스템에서는 연료 효율을 항상 만족할 수는 없는데, 그 이유는 수소가 불순물들과 함께 배출될 수도 있기 때문이다.

상술한 요지의 관점에서, 본 발명의 목적은 수소 전극측 상의 배기 밸브의 개폐에 의존하지 않고도, 발전량을 증가시키고 소정의 발전량을 유지시키는 연료 전지용 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명의 일례로서의 역할을 하는 일 실시예로서 연료 전지용 제어 장치가 제공되는데, 이는 연료 전지의 산화 가스 공급 라인을 통해 산화 가스를 캐소드로 공급하기 위한 산화 가스 공급 수단, 및 상기 연료 전지의 수소 공급 라인을 통해 수소를 애노드로 공급하기 위한 수소 공급 수단을 포함한다. 이러한 제어 장치는 다음과 같은 수단, 즉:

상기 산화 가스 공급 라인 및 상기 캐소드 중 하나 이상 내에서 가스 압력을 검출하기 위한 캐소드측 가스 압력 검출 수단;

상기 수소 공급 라인 및 상기 애노드 중 하나 이상 내의 가스 압력 가운데 수소 압력에 관한 목표 수소 부분 압력을 결정하기 위한 목표 수소 부분 압력 결정 수단;

상기 캐소드측 가스 압력 검출 수단에 의해 검출되는 가스 압력 및 상기 목표 수소 부분 압력을 토대로, 상기 연료 전지로 공급될 수소의 수소 공급 압력을 연산하기 위한 수소 공급 압력 연산 수단; 및

상기 수소 공급 압력으로 상기 수소 공급 수단으로부터 상기 연료 전지로 공급되도록 수소를 제어하기 위한 수소 공급 제어 수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 연료 전지용 제어 방법이 제공되는데, 이는 연료 전지의 산화 가스 공급 라인을 통해 산화 가스를 캐소드로 공급하기 위한 산화 가스 공급 수단, 및 상기 연료 전지의 수소 공급 라인을 통해 수소를 애노드로 공급하기 위한 수소 공급 수단을 포함한다. 이러한 제어 방법은 다음과 같은 단계들, 즉:

상기 산화 가스 공급 라인 및 상기 캐소드 중 하나 이상 내에서 가스 압력을 검출하는 단계;

상기 수소 공급 라인 및 상기 애노드 중 하나 이상 내의 가스 압력 가운데 수소 압력에 관한 목표 수소 부분 압력을 결정하는 단계;

상기 캐소드측 가스 압력 검출 수단에 의해 검출되는 가스 압력 및 상기 목표 수소 부분 압력을 토대로, 상기 연료 전지로 공급될 수소의 수소 공급 압력을 연산하는 단계; 및

상기 수소 공급 압력으로 상기 수소 공급 수단으로부터 상기 연료 전지로 공급되도록 수소를 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술된 바와 같이 연료 전지용 제어 장치 및 제어 방법에 따르면, 적어도 캐소드 및 산화 가스를 연료 전지로 공급하는 산화 가스 공급 라인 내의 가스 압력이 검출되고, 상기 가스 압력 및 목표 수소 부분 압력을 토대로 수소 공급 압력이 연산된다. 그 후, 이러한 수소 공급 압력으로 수소가 애노드로 공급된다. 상기 캐소드 및 산화 가스 공급 라인 내의 가스가 애노드 측으로 유도된다고 가정하면, 상기 애노드 측에서의 수소 부분 압력은 그 후에 상기 수소 공급 압력으로 수소를 공급함으로써 목표 수소 부분 압력으로 제어될 수 있다. 이 경우, 배기 밸브가 애노드 측에서 가스를 배출하기 위해 사용되는 빈도가 감소될 수 있고, 또는 배기 밸브를 사용하지 않고도 연료 전지가 제어될 수 있으므로, 이러한 배기 밸브를 제공할 필요가 없어지게 된다.

여기서 목표 수소 부분 압력은 또한 상기 연료 전지의 필요한 발전량이 증가함에 따라 높아지는 것이 바람직하다.

상기 연료 전지의 필요한 발전량의 증가에 따라 상기 애노드 측의 목표 수소 부분 압력을 보다 높게 설정함으로써, 필요한 발전량에 따라 수소 공급 압력을 연산하여, 상기 필요한 발전량에 따라 전기를 발생시키는 것이 가능하다.

나아가, 상기 연료 전지의 온도를 검출하기 위한 연료 전지 온도 검출 수단; 및 상기 연료 전지의 온도를 토대로 목표 수소 부분 압력을 보정하기 위한 보정 수단을 포함하는 것이 바람직하되, 상기 수소 공급 압력 연산 수단은, 상기 캐소드측 가스 압력 검출 수단에 의해 검출되는 가스 압력 및 상기 보정된 목표 수소 부분 압력을 토대로, 상기 연료 전지로 공급될 수소의 수소 공급 압력을 연산하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어 방법은 다음과 같은 단계들, 즉:

연료 전지의 온도를 검출하는 단계;

상기 연료 전지의 온도를 토대로 상기 목표 수소 부분 압력을 보정하는 단계; 및

상기 보정된 목표 수소 부분 압력 및 상기 검출된 가스 압력을 토대로, 상기 연료 전지로 공급될 수소의 수소 공급 압력을 연산하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이렇게 구성된 제어 장치 및 제어 방법에 따르면, 상기 애노드 측이 상기 연료 전지의 온도를 토대로 보정되는 수소 부분 압력으로 제어될 수 있으므로, 적절한 양의 수소가 상기 온도 및 발전량에 따라 공급될 수 있다.

또한, 상기 목표 수소 부분 압력은 상기 연료 전지의 온도가 높아짐에 따라 감소하는 것도 바람직하다.

연료 전지의 셀 내의 촉매의 활성도(the degree of activation)는 상기 연료 전지의 온도에 따라 다르기 때문에, 연료 전지의 온도가 높아짐에 따라 목표 수소 부분 압력을 보다 낮게 설정함으로써 온도에 영향을 받지 않는 적절한 발전량이 얻어질 수 있다.

나아가, 상기 애노드 및 상기 수소 공급 라인 중 하나 이상 내에 남아 있는 잔류 가스를 배출하기 위한 배기 수단; 상기 수소 공급 압력이 상기 애노드 측에서의 가스 압력에 대한 허용오차 범위 이내에 있지 않을 때, 상기 배기 수단을 이용하여 상기 잔류 가스를 배출하기 위한 배기 제어 수단; 및 잔류 가스가 배출될 때, 상기 애노드 및 상기 수소 공급 라인 중 하나 이상 내에 남아 있는 잔류 가스의 부분 압력을 연산하기 위한 잔류 가스 부분 압력 연산 수단을 포함하는 것이 바람직하되, 상기 수소 공급 압력 연산 수단은, 상기 목표 수소 부분 압력 및 상기 잔류 가스 부분 압력을 토대로 상기 연료 전지로 공급될 수소의 수소 공급 압력을 연산하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어 방법은 다음과 같은 단계들, 즉:

상기 수소 공급 압력이 상기 애노드 측에서의 가스 압력에 대한 허용오차 범위 이내에 있지 않을 때, 잔류 가스를 배출하는 단계;

잔류 가스가 배출될 때, 상기 애노드 및 상기 수소 공급 라인 중 하나 이상 내에 남아 있는 잔류 가스의 부분 압력을 연산하는 단계; 및

상기 목표 수소 부분 압력 및 상기 잔류 가스 부분 압력을 토대로, 상기 연료 전지로 공급될 수소의 수소 공급 압력을 연산하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이렇게 구성된 제어 장치 및 제어 방법에 따르면, 상기 연산된 수소 공급 압력이 애노드 측에서의 가스 압력에 대한 허용오차범위 이내에 있다면, 상기 애노드 및/또는 상기 수소 공급 라인 내에 남아 있는 잔류 가스가 배출될 수 있어 상기 잔류 가스의 가스 압력을 감소시키게 된다. 따라서, 상기 수소 공급 압력은 상기 감소된 잔류 가스의 가스 압력 및 목표 수소 부분 압력을 토대로 연산될 수 있다. 이에 따라, 이렇게 감소된 가스 압력은 애노드 측에서의 가스 압력에 대한 허용오차범위 이내에서 수소 공급 압력을 연산하는데 사용될 수 있으므로, 상기 연료 전지가 상기 애노드 측에서의 가스 압력에 대한 허용오차범위 이내에서 제어될 수 있게 된다.

본 발명에 따르면, 연료 전지 내의 수소 전극 측에 배기 밸브를 제공하지 않거나, 및/또는 수소 전극 측에서의 배기 밸브의 개폐에 의존하지 않고도, 발전량을 증가시키거나 및/또는 소정의 발전량을 유지시키는 것이 가능하다.

본 발명의 상술된 특징과 기타 특징, 장점, 기술적 및 산업적 중요성은 첨부 도면들과 연계하여 생각할 때, 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명을 통해 보다 잘 이해될 것이다:

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 개략도;

도 2는 목표 수소 부분 압력이 연산되는 맵의 개념도;

도 3은 연료 전지의 작동시 ECU(3)의 제어를 예시한 플로우차트;

도 4는 정상작동시 ECU(3)의 제어를 예시한 플로우차트;

도 5는 연료 전지의 냉각제 온도를 이용하여, 정상작동시 수소 부분 압력을 보정하기 위한 제어를 예시한 플로우차트;

도 6은 수소 부분 압력이 연료 전지의 냉각제 온도를 이용하여 보정되는 맵의 개념도; 및

도 7은 정상작동시의 수소 공급 압력이 허용오차범위 안에 있는 지의 여부를 판정하기 위한 ECU(3)의 제어를 예시한 플로우차트이다.

이하, 상세한 설명 및 첨부 도면들에서는, 예시적인 실시예들의 관점에서 보다 상세히 본 발명을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 개략도이다. 상기 연료 전지는, 연료 전지 본체(1); 상기 연료 전지 본체(1)의 공기 전극(캐소드라고도 함)에 산화 가스로서 작용하는 공기를 공급하기 위한 공기 공급 유닛(7); 상기 공기 공급 유닛(7)의 상류의 공기유도통로에 배치된 기압센서(9); 상기 공기 전극 측에서의 가스 압력을 측정하기 위한 공기 전극압력센서(11); 상기 공기 전극 측에서의 가스 압력을 조절하기 위한 조절 밸브(15); 상기 연료 전지 본체(1)의 수소 전극(애노드라고도 함)에 연료 가스로서 작용하는 수소를 공급하기 위한 연료 탱크(5); 상기 연료 탱크(5)로부터 수소의 공급 압력을 제어하기 위한 수소 공급 밸브(13); 상기 수소 전극으로부터 연료 오프-가스의 배출을 제어하기 위한 배기 밸브(17); 및 상기 연료 전지 본체(1)를 냉각시키는 냉각제의 온도를 검출하기 위한 냉각제 온도 센서(19)를 포함한다.

연료 전지 본체(1)는 멤브레인-전극조립체(MEA) 및 세퍼레이터(separator)를 포함하는 다층의 셀들이 직렬로 연결되어 적층되어 있는 적층체(셀스택(cell stack)이라고 함)로 구성되어 있다. 상기 MEA는, 수소를 양성자와 전자들로 분리시키는 수소 전극; 상기 수소 전극에 의해 발생되는 양성자들을 공기 전극에 도통시키는 전해질 멤브레인; 및 산소, 상기 공기 전극으로 도통되는 양성자 및 외부 회로를 통해 상기 수소 전극으로부터 도통되는 전자들을 이용하여 물을 생성하는 공기 전극을 포함한다.

상기 세퍼레이터에는, 상기 셀 내에서 공기 전극에 산화 가스로서 작용하는 공기를 공급하기 위한 공기 통로가 제공된다. 상기 셀 내에서 공기 통로 내의 상류로부터 하류로 공기가 유동하고, 상기 공기 전극 내에서 멤브레인의 방향으로 확산하여 상기 공기 전극 내에서 양성자와 반응하게 된다. 이에 따라, 상기 셀 내의 상기 공기 통로의 산소 농도는 점진적으로 상류로부터 하류로 감소한다.

상기 세퍼레이터에는 또한 연료 가스로서 작용하는 수소를 상기 셀 내의 수소 전극으로 공급하기 위한 수소 통로가 제공된다. 상기 셀 내의 수소 통로에서는 상류로부터 하류로 수소가 유동하고, 상기 수소 전극 내의 멤브레인의 방향으로 확산하여, 상기 수소 전극 내에서 촉매의 작용으로 인하여 양성자들로 변환된다. 상기 양성자들은 그 후에 상기 멤브레인을 통과하여 상기 공기 전극을 향해 이동한다. 이에 따라, 상기 셀 내의 수소 통로의 수소 농도가 점진적으로 상류로부터 하류로 감소한다.

상기 공기 공급 유닛(7)(산화 가스 공급 수단에 대응됨)은, 예컨대 에어 컴프레서이다. 대기 내의 공기는 공기 공급 유닛(7)에 의해 가압된 후, 공기 공급 라인(L1)(셀 내의 상기 공기 통로)을 통해 연료 전지 본체(1)의 공기 전극으로 공급 된다. 상기 공기 공급 유닛(7)으로부터 공기 공급 라인(L1)으로 공급되는 공기의 유량은 ECU(3)로부터의 제어신호에 의해 제어된다. 대기압은 상기 공기 공급 유닛(7)의 상류의 공기유도통로에 제공되는 기압센서(9)에 의해 측정된다.

상기 연료 전지 본체(1)의 공기 전극의 하류 측에서는, 가스 배기 라인(L2)이 공기 통로의 유출구에 연결되고, 조절 밸브(15)가 상기 가스 배기 라인(L2)에 제공된다. 상기 공기 전극 측에서의 가스의 배출은 상기 조절 밸브(15)에 의해 제어된다. 더욱이, 상기 공기 전극 측에서의 가스 압력을 측정하기 위한 공기 전극압력센서(11)(캐소드측 가스 압력 검출 수단에 대응됨)는 상기 가스 배기 라인(L2)에 제공된다. 상기 공기 공급 유닛(7)으로부터 공기가 공급되는 것 이외에, 상기 연료 전지 본체(1)의 공기 전극은 상기 조절 밸브(15)에 의해 소정의 가스 압력으로 제어된다. 상기 공기 공급 유닛(7)의 유출구 측에 있는 공기 공급 라인(L1), 상기 연료 전지 본체(1)의 공기 전극(셀 내의 공기 통로), 및 가스 배기 라인(L2) 내의 조절 밸브(15)까지의 공간은 본 발명의 산화 가스 공급 통로에 대응한다는 점에 유의한다.

상기 연료 탱크(5)(수소 공급 수단에 대응됨)는 수소 공급 라인(L3)의 상류의 수소 공급 밸브(13)를 통해 상기 연료 전지 본체(1)의 수소 전극 측(셀 내의 상기 수소 통로)으로 수소를 공급한다. 상기 연료 탱크(5)는 수소를 고압의 상태(1기압을 초과하는 압력 상태)로 유지시킨다.

상기 수소 공급 밸브(13)(수소 공급 제어 수단에 대응됨)는 상기 밸브의 개폐 동작을 제어하여 그를 통과하는 가스의 유량을 조절한다. 여기서, 상기 밸브의 개폐 동작은, 예컨대 개방 밸브 사이클, 개방 밸브 주기, 및 폐쇄 밸브 주기를 포함한다. 하지만, 상기 수소 공급 밸브(13)는 또한 밸브 움직임을 통해 그 개구부의 개방 각도를 변경하여 연료 가스의 공급을 제어할 수도 있다.

상기 연료 전지 본체(1)의 수소 전극의 하류 측에서는, 가스 배기 라인(L4)이 상기 셀 내의 수소 공급 통로에 연결되고, 배기 밸브(17)(배기 수단에 대응됨)가 상기 가스 배기 라인(L4)에 제공된다. 상기 배기 밸브(17)는 또한 상기 밸브의 개폐 동작을 제어하여 그를 통과하는 가스의 유량을 조절한다. 하지만, 상기 배기 밸브(17)는 또한 밸브 움직임을 통해 그 개구부의 개방 각도를 변경하여 배기가스의 유량을 제어할 수도 있다.

수소를 공급하기 전(즉, 연료 전지가 작동되기 전), MEA를 침투하는 공기(주로 질소) 및 공기 전극에 의해 만들어지는 생성된 물(수증기 또는 물방울)이 상기 수소 전극 측에 우세하다. 이하, 이러한 질소, 수증기 등을 불순물 가스(impurity gas)라 하기로 한다. 상기 실시예에 따른 연료 전지는, 수소의 공급 전, 수소 전극 측에서의 불순물 가스의 가스 압력이 상기 공기 전극 측에서의 가스 압력과 거의 등가이므로, 상기 수소 공급 밸브(13)로부터 공급될 수소의 공급 압력을 결정하게 된다.

여기서, 상기 수소 공급 압력은 상기 수소 전극의 내부 및 상기 수소 전극에 연결되는 수소 공급 라인(L3)에 대해 상기 수소 공급 밸브(13)에 의해 공급되는 수소의 압력으로 정의된다. 상기 수소 전극의 내부는 수소 공급 압력과 평형압력으로 이루어진 가스(수소와 불순물 가스의 혼합 가스)로 충전된다. 예를 들어, 연료 탱 크(5)가 50기압의 수소로 충전되어 있는 경우를 생각해 볼 수 있는데, 이는 수소 공급 밸브(13)가 2기압으로 압력을 낮추어 상기 수소 공급 라인(L3)으로 공급된다. 여기서, 수소의 공급 이전의 불순물 가스의 가스 압력은 1기압이라고 가정한다. 이 경우, 수소에는 2기압의 수소 공급 압력이 공급되어, 상기 수소 전극의 내부는 2기압의 혼합 가스로 충전되게 된다. 더욱이, 불순물 가스 및 수소의 부분 압력들은 양자 모두 1기압이다.

나아가, 상기 실시예에 따른 연료 전지는, 연료 전지의 작동시 수소의 공급 압력을 제어하기 위하여, 수소 전극 측에서의 가스 압력(전체압력)이 상기 수소 전극 측에 존재하는 수소의 부분 압력 및 상기 공기 전극 측의 가스 압력으로 구성되어 있다고 가정한다. 또한, 상기 수소 공급 밸브(13)의 유출구 측에서의 수소 공급 라인(L3), 연료 전지 본체(1)의 수소 전극(셀 내의 수소 통로), 및 가스 배기 라인(L4) 내의 배기 밸브(17)까지의 공간은 본 발명의 수소 공급 통로에 대응한다는 점에 유의한다.

상기 냉각제 온도 센서(19)는 연료 전지 본체(1) 내의 셀 스택을 냉각시키는 냉각제의 온도를 측정한다.

상기 ECU(3)는 본 실시예에 따른 연료 전지의 반응을 제어하고, CPU, 메모리, 및 입출력 인터페이스를 포함한다. 상기 ECU(3)는 또한 수소 공급 밸브(13), 공기조절 밸브(15) 및 배기 밸브(17)의 개폐, 즉 개구부에 대한 개방 각도를 입출력 인터페이스(도시안됨)를 통해 제어한다. 또한, ECU(3)는 공기 공급 유닛(7)으로부터 공급되는 공기의 유량을 제어한다. 나아가, ECU(3)는 기압센서(9), 공기 전극 압력센서(11) 및 냉각제 온도 센서(19)(연료 전지 온도 검출 수단에 대응됨)에 연결되어, 기압, 공기 전극 내의 가스 압력, 및 냉각제의 온도를 모니터링한다.

상기 연료 전지의 작동시, ECU(3)는 메모리의 소정의 기억 영역에서의 안정한 발전(stable electricity generation)을 위한 목표 수소 부분 압력을 참조한다(이러한 처리를 실행하는 ECU(3)는 목표 수소 부분 압력을 결정하기 위한 수단에 대응됨). 상기 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력은 안정한 발전을 지속하기 위해 상기 연료 전지에 의해 필요한 수소의 부분 압력이다. 또한, 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력은 연료 전지의 명세들, 치수 등으로부터의 실제값 또는 설계값으로서 사전에 미리 결정되어, 상기 ECU(3)의 메모리 내에 저장되어 있음에 유의한다.

연료 전지에 있어서, ECU(3)는 작동시의 공기 전극압력을 대기압으로 설정한다. 나아가, ECU(3)는 공기 전극 측에서의 가스 압력으로부터의 목표 수소 압력 및 안정한 발전을 위한 상기 목표 수소 부분 압력을 연산한다. 상기 실시예의 ECU(3)는 상기 공기 전극 내의 가스 압력이 실질적으로 수소의 공급에 앞서 수소 전극 측에서의 불순물 가스의 압력이라고 가정한다. 그 후, 상기 목표 수소 압력은 공기 전극 내의 가스 압력과 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력의 합인 압력으로부터 연산된다(이러한 처리를 실행하는 ECU(3)는 수소 공급 압력 연산 수단에 대응됨).

상기 ECU(3)는 수소 공급 밸브(13)의 개폐를 제어하고, 상기 목표 수소 압력에 대한 상기 수소 전극 측으로 공급되는 수소의 공급 압력을 제어한다. 결과적으 로, 부분 압력이 목표 수소 압력으로부터 상기 수소 전극 측에서의 불순물 가스의 압력을 배제시키는 수소, 즉 그 압력이 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력인 수소가 수소 전극으로 공급된다. 따라서, 상기 실시예에 따른 연료 전지에서는, 연료 가스로서 작용하는 수소가 주로 수소의 공급 시에 수소 공급 압력의 제어를 통해 수소 전극으로 공급되고, 상기 배기 밸브(17)는 가능한 한 적게 개폐된다.

연료 전지의 작동 후, 상기 ECU(3)는 필요한 발전량과 상기 필요한 발전량에 대응하는 수소 부분 압력에 대한 목표 수소 부분 압력 간의 관계를 나타내는 맵을 참조한다(이러한 처리를 실행하는 ECU(3)는 목표 수소 부분 압력을 결정하기 위한 수단에 대응됨).

도 2는 목표 수소 부분 압력이 연산되는 맵의 개념도이다. 필요한 발전량이 지정된 경우, 상기 ECU(3)는 상기 발전량을 발생시키는데 필요한 수소 부분 압력의 연산을 위해 상기 맵을 이용한다. 도 2의 맵에서, x축은 필요한 발전량을 나타내고, y축은 필요한 발전량을 달성하는데 필요한 목표 수소 부분 압력(예컨대, kPa 단위임)을 나타낸다. 복수의 가스를 포함하는 혼합 가스에 대하여, 각각의 가스의 농도는 각 가스의 부분 압력에 실질적으로 대응하게 설정된다.

상술된 맵은 각각의 연료 전지 명세(예컨대, 촉매밀도, 셀 스택량, 전극물질 등)에 대해 실제 측정치들을 이용하여 설정될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 필요한 발전량과 목표 수소 부분 압력 간의 관계를 나타내는 맵은 일반적으로 상방으로 경사지는데, 즉, 상기 맵은 필요한 발전량의 증가와 연계되어 목표 수소 부분 압력이 증가하는 그래프이다. 이러한 맵은 필요한 발전값과 목표 수소 부분 압력값 의 다수의 조합들로 형성되는 표로서 상기 ECU(3)의 메모리 내에 저장되어 있다. 하지만, 상기 ECU(3)는 또한 필요한 발전값과 목표 수소 부분 압력값 간의 관계에 기초하여 경험적으로 유지될 수도 있다(예컨대, 1차선, 또는 2도 이상의 곡선). 공기 전극의 가스 압력을 연산하기 위한 맵과 공기 전극에 공급되는 공기량을 연산하기 위한 맵은 유사한 구조를 가진다는 점에 유의해야 한다.

또한, 상기 ECU(3)는 필요한 발전량과 상기 필요한 발전량에 대응하는 산소 공급량에 대한 산소 공급량 간의 관계를 나타내는 맵을 참조한다. 상기 산소 공급량에 대한 산소는 공기 공급 유닛(7)으로부터의 공기를 이용하여 상기 ECU(3)에 의해 공급된다(이러한 처리를 실행하는 ECU(3)는 산화 가스량제어 수단에 대응됨). 나아가, 상기 ECU(3)는 필요한 발전량과 상기 필요한 발전량에 대응하는 가스 압력에 대한 공기 전극의 가스 압력 간의 관계를 나타내는 맵을 참조한다. 상기 조절 밸브(15)를 개폐함으로써, 상기 ECU(3)는 공기 전극의 가스 압력을 제어한다.

상기 ECU(3)는 또한 공기 전극의 가스 압력이 실질적으로 수소 전극 측에서의 불순물 가스의 압력이라고 가정하고, 상기 공기 전극의 가스 압력으로부터의 목표 수소 압력 및 목표 수소 부분 압력을 결정한다(이러한 처리를 실행하는 ECU(3)는 수소 공급 압력 연산 수단에 대응됨). 상기 ECU(3)는 수소 공급 밸브(13)의 개폐를 제어하고, 상기 목표 수소 압력에 대해 내부의 수소 전극에 공급되는 수소의 공급 압력을 제어한다. 따라서, 상기 실시예에 따른 연료 전지에서는, 연료 가스로서 작용하는 수소가 주로 연료 전지의 작동 후에도 수소 공급 압력의 제어를 통해 수소 전극으로 공급되고, 배기 밸브(17)는 가능한 한 적게 개폐된다.

도 3은 연료 전지의 작동시 ECU(3)의 제어를 예시하는 플로우차트이다. 상기 ECU(3)의 CPU에 의해 실행되는 제어 프로그램으로서 처리가 성취될 수 있다. 상기 연료 전지의 작동시, 상기 ECU(3)는 우선 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력을 참조한다(S1). 다음으로, 상기 ECU(3)는 수소의 공급에 앞서 수소 전극의 압력 및 공기 전극의 압력이 대기압에 있다고 가정하고, 상기 대기압으로부터의 목표 수소 압력과 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력을 연산한다(S3). 여기서, 상기 목표 수소 압력은 대기압과 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력의 합으로 설정한다.

상기 ECU(3)는 후속해서 상기 수소 전극에 대한 목표 수소 압력의 수소를 공급하도록 상기 수소 공급 밸브(13)를 제어한다(S5). 다음으로, 상기 ECU(3)는 공기조절 밸브(15)를 제어하고, 상기 공기 전극을 대기압으로 설정한다. 이러한 제어는 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력으로 제어되는 수소 전극 측에서의 수소 부분 압력을 발생시킨다. 상기 연료 전지는 그 후에 ECU(3)에 의해 작동된다(S9).

상기 공기 전극은 작동시에 대기압을 얻도록 제어된다는 점에 유의해야 한다. 하지만, 본 발명의 실시예는 이러한 절차로 국한되는 것은 아니다. 즉, 작동시에 대기압으로 공기 전극을 설정하기 위한 절차 자체가 강제적인 것은 아니다.

도 4는 정상작동시 ECU(3)의 제어를 예시한 플로우차트이다. 이러한 처리는 또한 상기 ECU(3)의 CPU에 의해 실행되는 제어 프로그램으로서 달성될 수도 있다. 정상작동 상태 동안, 상기 ECU(3)는 우선 필요한 발전량을 연산한다(S10). 상기 필요한 발전량은, 차량의 액셀러레이터 조작에 대응하는 액셀러레이터 명령값과 같은 사용자 명령을 포함하는 정보, 또는 전기가 연료 전지로부터 공급되는 가구, 설비, 장치 등을 위한 전기 용도의 이력을 토대로 연산될 수 있다.

상기 ECU(3)는 후속해서 목표 공기 공급량을 결정하기 위해 상기 필요한 발전량에 기초한 맵을 참조한다(S11). 상기 목표 공기 공급량은 상기 발전량에 따라 필요한 산소량에 대응한다. 다음으로, ECU(3)는 목표 공기 공급량에 대한 공기 공급 유닛(7)의 공기 공급량을 제어한다(S12).

상기 ECU(3)는 후속해서 상기 공기 전극의 목표가스 압력을 결정하기 위해 필요한 발전량에 기초한 맵을 참조한다(S13). 다음으로, 상기 ECU(3)는 목표가스 압력에 대한 공기 전극의 가스 압력을 제어하도록 조절 밸브(15)를 제어한다(S14).

상기 ECU(3)는 후속해서 수소 전극의 목표 수소 부분 압력을 결정하기 위해 필요한 발전량에 기초한 맵을 참조한다(S15). 상기 목표 수소 부분 압력은 상기 발전량에 따라 필요한 수소 전극 측의 수소농도에 대응하는 양이다. 다음으로, ECU(3)는 공기 전극의 목표가스 압력으로부터의 목표 수소 압력 및 상기 수소 전극의 목표 수소 부분 압력을 연산한다(S17). 본 실시예에서는, 목표 수소 압력이 공기 전극의 목표가스 압력 및 목표 수소 부분 압력의 합으로 설정된다.

상기 ECU(3)는 수소 전극에 대한 목표 수소 압력의 수소를 공급하도록 수소 공급 밸브(13)를 제어한다(S19). 이러한 제어는 목표 수소 부분 압력으로 제어되는 수소 전극 측에서의 수소 부분 압력을 발생시킨다. 상기 ECU(3)는 그 후에 제어를 S11로 복귀시킨다.

상술된 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지에 따르면, 목표 수소 압력이 연료 전지의 작동시 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력 및 공기 전극의 가스 압력을 토대로 연산된다. 상기 수소 전극으로 공급되는 수소의 공급 압력은 그 후에 상기 목표 수소 압력으로 제어된다. 이는 수소 전극의 수소 부분 압력이 실질적으로 안정한 발전을 위한 목표 수소 부분 압력으로 제어되도록 하고, 또한 안정된 작동에 필요한 수소가 상기 수소 전극으로 공급되도록 한다.

따라서, 본 실시예에 따른 연료 전지에 있어서는, 수소 부분 압력을 제어하는 것이 가능하므로, 작동시 수소 공급 압력을 제어함으로써 수소 전극 측에서의 수소농도를 제어하는 것도 가능하다. 이에 따라, 종래의 연료 전지에서와 같이, 수소 전극 내의 불순물 가스를 배출하기 위하여 작동시에 배기 밸브(17)를 개방할 필요가 없다. 그러므로, 예컨대 배기 밸브(17)가 영하의 온도로 인하여 동결되는 경우에도, 상기 연료 전지는 단시간 내에 작동될 수 있다.

또한, 본 실시예의 연료 전지에 따르면, 공기 전극의 가스 압력이 작동시에 대기압으로 제어된다. 상기 공기 전극으로 공급되는 공기 중의 산소는 연료 전지의 반응에 사용되고, 질소와 같은 불순물들은 확산층 및 전해질 멤브레인을 통해 수소 전극 측으로 통과한다. 공기 압력을 대기압으로 설정함으로써, 수소 전극 측에서의 불순물 가스의 부분 압력을 감소시킬 수가 있게 되어, 대기압보다 높은 압력이 공기 전극에 부가되는 경우에 비해 상기 제어된 목표 수소 압력이 실제로 낮게 설정될 수 있게 된다.

나아가, 본 실시예의 연료 전지에 따르면, 정상작동시, 목표 수소 압력의 수소를 공급하기 위해 상기 발전량에 따라, 공기 전극의 가스 압력 및 목표 수소 부 분 압력을 토대로 목표 수소 압력이 연산된다. 이러한 제어로 인하여, 본 실시예에 따른 연료 전지는 필요한 발전량에 대응하는 목표 수소 부분 압력, 즉 수소 전극에 대한 목표 수소농도가 수소에 공급된다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 연료 전지에서는 정상작동시에 배기 밸브(17)를 개폐할 필요가 없다. 그러므로, 배기 밸브(17)의 개폐로 인한 낭비적인 수소의 배출을 줄일 수 있다. 만일 배기 밸브(17)가 손상된다면, 연료 전지의 작동 및 동작 또한 도 3 및 도 4에 도시된 제어들에 따라 지속될 수도 있다. 나아가, 이러한 제어들의 실현은 그 구조가 상기 배기 밸브(17)를 생략한 연료 전지를 달성할 수도 있다.

상기 실시예는 공기 공급량, 공기 전극의 목표가스 압력 및 목표 수소 부분 압력이 맵들과 필요한 발전량으로부터 연산되어, 상기 수소 전극의 수소 부분 압력이 공기 전극의 목표가스 압력으로부터의 목표 수소 압력 및 목표 수소 부분 압력을 추가로 연산하여 제어되는 일례를 예시하고 있다. 이러한 수소 부분 압력은 연료 전지의 셀 온도를 토대로 보정될 수도 있다. 상기 셀 내의 촉매의 활성도는 상기 셀 온도에 따라 다른데, 그 이유는 필요한 발전량에 대한 수소의 필요량의 변화들과 이에 따른 목표 수소 부분 압력의 변화들 때문이다. 여기서, 셀 온도는 연료 전지의 셀을 냉각시키는 냉각제의 온도로서 정의되며, 수소 부분 압력이 냉각제의 온도를 토대로 보정되는 일례가 아래에 예시될 것이다.

도 5는 냉각제의 온도를 측정하는 냉각제 온도 센서(19)로부터의 온도에 따라 목표 수소 부분 압력이 보정되는 처리의 일례를 예시한다. 도 4의 처리와 비교가능한 도 5의 처리 단계들은 비교가능한 도면 부호들로 표시되므로, 다시 설명하 지는 않기로 한다.

이러한 처리에 있어서, 공기 전극의 가스 압력 및 필요한 발전량으로부터의 수소 전극의 목표 수소 부분 압력을 결정한 후(S13 ~ S15), 상기 ECU(3)는 냉각제 온도 센서(19)에 의해 측정되는 냉각제의 온도를 검출한다(S16A). 다음으로, 상기 ECU(3)는 목표 수소 부분 압력을 보정하기 위해 냉각제의 온도를 이용하여 목표 수소 부분 압력을 보정하기 위한 맵을 참조한다(S16B).

도 6은 목표 수소 부분 압력이 연료 전지에서의 냉각제의 온도를 이용하여 보정되는 맵의 개념도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 맵의 x축은 냉각제의 온도를 나타내고, y축은 냉각제의 온도로 필요한 발전량을 충족시키기 위한 목표 수소 부분 압력을 나타낸다. 도 2의 맵과 유사하게, 상기 맵 또한 ECU(3)의 메모리에 표 형식 및 경험에 기초한 형식으로 저장될 수도 있다.

다음으로, 상기 ECU(3)는 공기 전극의 목표가스 압력 및 상기 보정된 목표 수소 부분 압력을 이용하여 목표 수소 압력을 연산한다(S17). 후속 처리는 도 4와 유사하다.

따라서, 연료 전지의 수정예에 따르면, 목표 수소 부분 압력은 셀 내의 냉각제의 온도 및 필요한 발전량을 이용하여 보정된다(이러한 처리를 실행하는 ECU(3)는 목표 수소 부분 압력을 보정하기 위한 수단에 대응됨). 이에 따라, 목표 수소 부분 압력 및 확장하면 목표 수소 압력이 도 4의 처리보다 더욱 정밀하게 연산될 수 있다. 결과적으로, 필요한 발전량에 대해 적절한 수소가 공급될 수 있어, 과도하거나 불충분한 전기량을 발생시킬 위험이 낮아지게 된다.

여기서 상기 셀 온도는 냉각제의 온도를 측정하는 냉각제 온도 센서(19)로부터 검출되지만, 상기 셀 온도 자체를 측정하는 센서가 제공될 수도 있고, 상기 셀 온도 자체는 목표 수소 부분 압력을 보정하는 데 사용될 수도 있음에 유의해야 한다.

다음으로, 수소 압력 허용오차값의 결정을 이용하는 수정예를 설명하기로 한다. 도 7은 일단 목표 수소 압력이 연산되면, 목표 수소 압력이 허용오차값을 초과하는 지의 여부에 따라, 제어 시퀀스가 변경되는 처리의 일례를 예시한다. 이러한 목표 수소 압력에 대한 허용오차값은, 예컨대 셀을 형성하는 전해질 멤브레인의 내구성의 열화를 방지하기 위한 설계값 또는 실제값으로서 결정될 수 있다. 상기 ECU(3)는 이러한 허용오차값을 메모리에 저장하도록 구성될 수도 있다.

도 4의 처리와 비교가능한 도 7의 처리 단계들은 비교가능한 도면 부호들로 표현되므로, 다시 설명하지 않기로 한다. 이러한 처리에 있어서, 목표 수소 압력을 연산한 후(S17), 상기 ECU(3)는 목표 수소 압력이 허용오차범위 이내에 있는 지의 여부를 판정한다(S18A).

만일 목표 수소 압력이 허용오차범위 이내에 있지 않다면, 상기 ECU(3)는 수소 전극측 상의 밸브를 개방하도록 배기 밸브(17)를 제어하고, 또한 수소를 수소 전극에 공급하여 상기 수소 전극 내의 잔류 가스를 배출하도록 수소 공급 밸브(13)를 제어한다(S18B). 이러한 처리를 실행하는 ECU(3)는 배기 제어 수단에 대응한다. 이에 따라, 수소 전극 내의 불순물 가스의 부분 압력이 낮아진다. 상기 ECU(3)는 그 후에 배기 밸브(17)의 앞선 개방 이후의 경과 시간, 연료 전지의 발전량, 현재 개방-밸브 주기, 및 공급된 수소의 압력으로부터 수소 전극에서의 불순물 가스의 부분 압력을 연산한다(S18C). 이러한 처리를 실행하는 ECU(3)는 잔류 가스 부분 압력을 연산하기 위한 수단에 대응한다. 그런 다음, 상기 ECU(3)는 제어를 S15로 복귀시키고, S18C에서 연산된 불순물 가스의 압력을 토대로 목표 수소 압력을 연산한다. 즉, 이 경우, 목표 수소 압력은 수소 전극 내의 불순물 가스의 압력과 목표 수소 부분 압력의 합으로 설정될 수도 있다.

대안적으로는, 목표 수소 압력이 허용오차범위 이내에 있다고 S16에서 결정된다면, 상기 ECU(3)는 수소 전극의 가스 압력이 목표 수소 압력이 되도록 수소 공급 밸브(13)를 제어한다(S19). 후속 처리는 도 4와 유사하다.

상술된 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지에 따르면, 목표 수소 압력이 연료 전지허용오차범위 이내에 있지 않은 경우에 배기 밸브(17)가 개방된다. 또한, 수소는 수소 공급 밸브(13)로부터 공급되고 불순물 가스는 상기 수소 전극으로부터 배출된다. 따라서, 수소 전극 내의 불순물 가스의 압력이 낮아지고, 이는 목표 수소 압력을 낮추게 된다.

그러므로, 연료 전지의 수정예에 따르면, 목표 수소 압력이 허용오차범위 바깥에 있을 때에만, 정상 상태에서 배기 밸브(17)를 이용하지 않고도, 배기 밸브(17)로부터 불순물들을 배출하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 배기 밸브(17)가 불필요하게 개폐되는 것이 덜하게 됨으로써, 수소의 과도한 배출을 감소시키게 된다. 나아가, 목표 수소 압력이 허용오차범위 바깥에 있을 때 수소 전극 내의 목표 수소 압력을 낮추고 불순물 가스를 배출함으로써, 허용오차범위 바깥에 있는 수소 전극 측에서의 가스 압력에 기초한 동작을 피할 수 있게 된다. 이는 예컨대 전해질 멤브레인의 내구성을 증가시켜, 그 내구성 주기(즉, 교체 사이클)를 연장시키게 된다.

여타의 수정예들을 후술하기로 한다. 상기 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같은 수소순환시스템이 없는 연료 전지가 기술되었는데, 여기서 수소 전극 측에서의 목표 수소 압력은 불순물 가스 압력과 목표 수소 부분 압력의 합으로 설정되어 있다. 하지만, 본 발명의 실시예들은 이러한 구성으로 국한되지는 아니한다. 예를 들어, 수소순환시스템을 구비한 연료 전지는 도 3과 유사한 제어에 의해 수소 전극 측에서의 배기 밸브(17)를 개폐하지 않고도 작동될 수 있다. 나아가, 수소순환 시스템을 구비한 연료 전지는 도 4와 유사한 제어에 의해 수소 전극 측에서의 배기 밸브(17)를 개폐하지 않고도 수소농도를 제어할 수 있다.

상기 실시예는 산화 가스 및 공기가 연료 가스로서 공급되는 수소와 함께 공급되는 일 예를 예시한다. 하지만, 본 발명의 실시예들은 이러한 타입의 가스(즉, 산화 가스 및 연료 가스)로 국한되는 것은 아니다. 예를 들면, 산화 가스로서 산소가 사용될 수도 있고, 연료 가스로서 천연가스가 사용될 수도 있다.

상기 실시예에 있어서, 목표 수소 압력은 공기 전극의 목표가스 압력 및 수소 전극의 목표 수소 부분 압력으로부터 연산된다(일례를 위해 도 4의 S17 참조). 하지만, 본 발명의 실시예들이 이러한 절차로 국한되는 것은 아니다. 공기 전극 측으로부터 수소 전극 측으로 지나는 가스의 침투량에 대한 상기 공기 전극 내의 가스의 부분 압력 및 상기 수소 전극 내의 가스의 부분 압력(전해질 멤브레인의 양측 에서의 가스의 부분 압력)의 효과 또한 생각해볼 수 있다. 그러므로, 상기 수소 공급 압력은 예컨대 산소전극 측에서의 불순물 가스의 부분 압력에 따라 보정될 수도 있어, 상기 수소 공급 압력은 산소전극 측에서의 (질소의 부분 압력과 같은) 불순물 가스의 부분 압력이 감소함에 따라 낮아질 수도 있게 된다.

Claims (10)

1. 연료 전지용 제어 장치에 있어서,

   상기 연료 전지(1)의 산화 가스 공급 라인(L1)을 통해 산화 가스를 캐소드로 공급하기 위한 산화 가스 공급 수단(7), 및 상기 연료 전지(1)의 수소 공급 라인(L3)을 통해 수소를 애노드로 공급하기 위한 수소 공급 수단(5)을 포함하고,

   상기 산화 가스 공급 라인(L1) 및 상기 캐소드 중 하나 이상 내에서 가스 압력을 검출하기 위한 캐소드측 가스 압력 검출 수단(11);

   상기 수소 공급 라인(L3) 및 상기 애노드 중 하나 이상 내의 가스 압력 가운데 수소 압력에 관한 목표 수소 부분 압력을 결정하기 위한 목표 수소 부분 압력 결정 수단(3);

   상기 캐소드측 가스 압력 검출 수단(11)에 의해 검출되는 가스 압력 및 상기 목표 수소 부분 압력을 토대로, 상기 연료 전지(1)로 공급될 수소의 수소 공급 압력을 연산하기 위한 수소 공급 압력 연산 수단(3); 및

   상기 수소 공급 압력으로 상기 수소 공급 수단(5)으로부터 상기 연료 전지(1)로 공급되도록 수소를 제어하기 위한 수소 공급 제어 수단(13)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 목표 수소 부분 압력은 상기 연료 전지(1)의 필요한 발전량이 증가함에 따라 높아지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 연료 전지(1)의 온도를 검출하기 위한 연료 전지 온도 검출 수단(19); 및

   상기 연료 전지(1)의 온도를 토대로 목표 수소 부분 압력을 보정하기 위한 보정 수단(3)을 더 포함하고,

   상기 수소 공급 압력 연산 수단(3)은, 상기 캐소드측 가스 압력 검출 수단(11)에 의해 검출되는 상기 가스 압력 및 보정된 상기 목표 수소 부분 압력을 토대로, 상기 연료 전지(1)로 공급될 수소의 상기 수소 공급 압력을 연산하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 목표 수소 부분 압력은 상기 연료 전지(1)의 온도가 높아짐에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 애노드 및 상기 수소 공급 라인(L3) 중 하나 이상 내에 남아 있는 잔류 가스를 배출하기 위한 배기 수단(17);

   상기 수소 공급 압력이 상기 애노드 측에서의 가스 압력에 대한 허용오차 범위 이내에 있지 않을 때, 상기 배기 수단(17)을 이용하여 상기 잔류 가스를 배출하기 위한 배기 제어 수단(3); 및

   잔류 가스가 배출될 때, 상기 애노드 및 상기 수소 공급 라인(L3) 중 하나 이상 내에 남아 있는 잔류 가스의 부분 압력을 연산하기 위한 잔류 가스 부분 압력 연산 수단(3)을 더 포함하고,

   상기 수소 공급 압력 연산 수단(3)은, 상기 목표 수소 부분 압력 및 상기 잔류 가스 부분 압력을 토대로 상기 연료 전지(1)로 공급될 수소의 상기 수소 공급 압력을 연산하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 장치.
6. 연료 전지(1)의 산화 가스 공급 라인(L1)을 통해 산화 가스를 캐소드로 공급하기 위한 산화 가스 공급 수단(7), 및 상기 연료 전지(1)의 수소 공급 라인(L3)을 통해 수소를 애노드로 공급하기 위한 수소 공급 수단(5)을 포함하여 이루어지는 연료 전지용 제어 방법에 있어서,

   상기 산화 가스 공급 라인(L1) 및 상기 캐소드 중 하나 이상 내에서 가스 압력을 검출하는 단계;

   상기 수소 공급 라인(L3) 및 상기 애노드 중 하나 이상 내의 가스 압력 가운데 수소 압력에 관한 목표 수소 부분 압력을 결정하는 단계;

   상기 캐소드측 가스 압력 검출 수단(11)에 의해 검출되는 가스 압력 및 상기 목표 수소 부분 압력을 토대로, 상기 연료 전지(1)로 공급될 수소의 수소 공급 압력을 연산하는 단계; 및

   상기 수소 공급 압력으로 상기 수소 공급 수단(5)으로부터 상기 연료 전지(1)로 공급되도록 수소를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 목표 수소 부분 압력은 상기 연료 전지(1)의 필요한 발전량이 증가함에 따라 높아지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 연료 전지(1)의 온도를 검출하는 단계;

   상기 연료 전지(1)의 온도를 토대로 상기 목표 수소 부분 압력을 보정하는 단계; 및

   보정된 상기 목표 수소 부분 압력 및 검출된 상기 가스 압력을 토대로, 상기 연료 전지(1)로 공급될 수소의 상기 수소 공급 압력을 연산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 목표 수소 부분 압력은 상기 연료 전지(1)의 온도가 높아짐에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 방법.
10. 제6항 또는 제7항에 있어서,

    상기 수소 공급 압력이 상기 애노드 측에서의 가스 압력에 대한 허용오차 범위 이내에 있지 않을 때, 잔류 가스를 배출하는 단계;

    잔류 가스가 배출될 때, 상기 애노드 및 상기 수소 공급 라인(L3) 중 하나 이상 내에 남아 있는 잔류 가스의 부분 압력을 연산하는 단계; 및

    상기 목표 수소 부분 압력 및 상기 잔류 가스 부분 압력을 토대로, 상기 연료 전지(1)로 공급될 수소의 상기 수소 공급 압력을 연산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 제어 방법.

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