KR100974050B1 - 연료전지시스템 및 연료전지시스템에서의 연료가스 누출판정방법 - Google Patents

연료전지시스템 및 연료전지시스템에서의 연료가스 누출판정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 재기동시에서도 통상의 운전시와 마찬가지로 정밀도가 높은 가스 누출 판정을 행하는 것이다. 연료가스계(3)에 형성되는 폐쇄 공간에서의 가스 누출을 판정하는 가스 누출 판정부[예를 들면 ECU(13)]는, 압력센서(P5)에 의하여 검출된 상기 폐쇄 공간에서의 압력의 변화에 의거하여 가스 누출 판정값을 참조하여 가스 누출을 판정하는 것이고, 또한 연료극에서의 질소의 농도에 따라 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하도록 한다. 이것은 연료전지 스택(20)의 재기동시에 있어서 연료극에서의 질소의 농도가 일시적으로 높아지는 것을 고려하여 상기 질소농도에 따라 가스 누출 판정 레벨을 다르게 한다는 것으로, 이 경우 질소의 농도에 따라 가스 누출 판정값의 변경을 행하는 것 등이 바람직하다.

Description

연료전지시스템 및 연료전지시스템에서의 연료가스 누출 판정방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR JUDGING FUEL GAS LEAKAGE IN FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지시스템 및 연료전지시스템에서의 연료가스 누출 판정방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게 설명하면, 본 발명은 연료전지시스템에서의 연료가스 누출을 검지하여 판정하는 기술의 개량에 관한 것이다.
연료전지시스템에서는, 연료가스의 누출을 정확하게 검지하여 그 내용을 판정하는(이하, 단지「판정」이라 표현한다) 것이 매우 중요하다. 이와 같은 요청에 따르도록 연료전지를 포함하는 연료가스 순환 공급계(이하, 「연료가스계」라고도 한다)에 배치한 차단밸브 등에 의하여 복수의 폐쇄 공간을 형성하고, 이들 폐쇄 공간마다의 압력 변화(예를 들면 압력 강하 속도)나 각 차단밸브 등의 전후 차압을 검출함으로써 연료가스 누출을 판정한다는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 특개평8-329965호 공보 참조).
그러나 상기한 바와 같은 연료가스 누출 판정기술은, 연료전지시스템의 재기동시에 있어서는 불충분한 경우가 있다. 즉, 연료전지시스템을 일단 정지시켜 방치한 후에 시동시킨 경우에 있어서는, 크로스 리크에 의하여 연료극측의 질소농도가 일시적으로 통상시보다 높아지고, 연료가스의 누출량이 적어진다는 현상이 생기는 결과, 가스 누출량을 과소 평가하는 경우가 있다.
따라서 본 발명은 연료전지의 재기동시에 있어서도 통상의 운전시와 마찬가지로 정밀도가 높은 가스 누출 판정을 행할 수 있는 연료전지시스템 및 연료전지시스템에서의 연료가스 누출 판정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 종래 기술의 내용에 대하여 검토하였다. 폐쇄 공간에서의 압력 변화에 의거하여 연료가스 누출을 판정하고자 하는 경우, 상기한 바와 같은 과소 평가가 생기면 연료가스 누출 판정의 정밀도가 충분하지 않게 된다. 이것에 대하여 다시 검토하면, 재기동시에는 연료전지의 가스압이 일시적으로 높아지기(일시적으로 높아져 있는 상태를 포함한다) 때문에, 기동시에 검출한 연료가스 누출량과, 기동후 퍼지가 충분히 행하여져 수소농도가 높아진 상태에서 검출하는 연료가스 누출량을 비교하면 후자의 쪽이 많고, 이것이 기동시의 과소 평가에 연결되어 있다고 생각되었다.
그래서 본 발명자가 더욱 상세하게 검토하면, 이하의 것을 생각할 수 있었다. 즉, 크로스 리크에 의하여 연료극측으로 흘러 드는 질소의 양이 많아지고, 그 연료극측에서의 폐쇄 공간 내의 압력이 높아진 상태가 되면 예를 들면 배관에 생긴 구멍에 기인하여 이상한 가스 누출이 생겼다 하여도 압력 변화가 적기 때문에 과소평가가 된다. 이상의 것으로 하면, 재기동시에 있어서의 특유의 현상을 전제로서 의거하면서, 연료가스 누출의 판정을 정밀도 좋게 행하기 위한 기술이 필요하다고 생각할 수 있었다. 여기서 본 발명자는 연료전지의 해당 폐쇄 공간에 포함되는 질소가스에 착안하여 더욱 검토를 거듭한 결과, 과제해결로 이어지는 식견을 얻기에 이르렀다.
본 발명은 이와 같은 식견에 의거하는 것으로, 본 발명은 연료전지의 연료극측에 형성되어 있는 폐쇄 공간에서의 압력 변화를 검출하고, 그 압력 변화의 검출결과에 의거하여 소정의 가스 누출 판정값을 참조하여 상기 폐쇄 공간에서의 연료가스 누출의 판정을 행하는 연료전지시스템에서의 연료가스 누출 판정방법으로서, 상기 연료극에서의 질소의 농도에 따라 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하여 상기 연료가스 누출의 판정을 행한다는 것이다.
즉, 본 발명에 관한 연료가스 누출 판정방법은, 연료극에서의 질소의 농도를 고려하고, 이것에 따라 소요의 보정을 행한다. 즉 연료극에서의 질소의 농도에 따라 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 함으로써 연료가스 누출 판정의 정밀도를 향상시키고자 하는 것이다. 이것은 연료전지의 재기동시에 있어서 연료극에서의 질소의 농도가 일시적으로 높아지는 것을 고려하고, 그 질소농도에 따라 가스 누출 판정값에 소요의 보정을 행하는 것이다. 즉 연료극에서의 질소의 농도에 따라 연료가스 누출의 판정레벨을 다르게 하는 것이다.
이 경우, 상기 질소의 농도에 따라 상기 가스 누출 판정값을 변경함으로써 상기 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하는 것이 바람직하다. 연료전지의 재기동시, 크로스 리크현상에 의하여 연료극측의 질소농도가 일시적으로 높다고 하여도 본 발명과 같이 변경한 가스 누출 판정값을 이용함으로써 가스 누출량이 과소 평가되는 것을 회피할 수 있다. 이것에 의하여 연료극에서의 질소농도가 일시적으로 높아진 상황에도 대응하는 것이 가능하다.
연료극에서의 질소의 농도는, 연료전지의 전해질막을 투과하여 공기극측으로 누출된 연료가스의 투과량과, 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기 까지의 방치시간 중 적어도 어느 한쪽에 의거하여 추정할 수 있다.
또는 연료극에서의 질소의 농도를, 운전 정지시에 있어서의 연료전지 스택의 온도와, 연료전지의 재기동시에서의 연료극의 압력과, 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기 까지의 방치시간에 의거하여 추정할 수도 있다.
또한 본 발명은 연료가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와, 그 연료전지에 연료가스를 급배하는 연료가스계와, 그 연료가스계에 설치되어 있는 조압밸브와, 상기 연료가스계에 형성되는 폐쇄 공간에서의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 연료가스계에 형성되는 폐쇄 공간에서의 가스 누출을 판정하는 가스 누출 판정부를 구비한 연료전지시스템에 있어서, 상기 가스 누출 판정부는, 상기 압력센서에 의하여 검출된 상기 폐쇄 공간에서의 압력의 변화에 의거하여 가스 누출 판정값을 참조하여 가스 누출을 판정하는 것으로서, 상기 연료극에서의 질소의 농도에 따라 상기 가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하여 상기 연료가스 누출의 판정을 행한다는 것이다.
상기한 연료가스 누출 판정방법과 마찬가지로 이 연료전지시스템에서도 연료극에서의 질소농도를 고려하고, 이것에 따라 가스 누출의 판정레벨을 다르게 하고, 연료가스 누출 판정의 정밀도의 향상을 도모하는 것으로 하고 있다. 이것도 연료전지의 재기동시에 있어서 연료극에서의 질소농도가 일시적으로 높아지는 것을 고려한 것으로, 그 질소농도에 따라 가스 누출 판정값에 소요의 보정을 행한다. 즉, 가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하는 것이다. 연료전지의 재기동시, 크로스 리크현상에 의하여 연료극측의 질소농도가 일시적으로 높다 하여도, 본 발명과 같이 판정 레벨을 다르게 한 가스 누출 판정값을 이용함으로써 가스 누출량이 과소 평가되는 것을 회피할 수 있다.
연료전지시스템에서의 이와 같은 가스 누출 판정은, 연료전지의 재기동시에 있어서 연료극에서의 질소의 농도가 일시적으로 높아지는 것을 고려하여 그 질소농도에 따라 가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하는 것이고, 가스 누출 판정부는 가스 누출 판정값의 변경을 행함으로써 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하는 것이 바람직하다.
또, 상기한 바와 같이 하여 가스 누출 판정을 행하는 연료전지시스템은, 연료전지 스택의 온도를 검출하는 스택 온도 검출수단과, 연료극의 압력을 검출하는 연료극 압력 검출수단과, 방치시간을 계측하는 방치시간 계측수단을 구비하고, 연료극에서의 질소의 농도를, 운전 정지시에 있어서의 연료전지 스택의 온도와, 연료전지의 재기동시에 있어서의 연료극의 압력과, 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기 까지의 방치시간에 의거하여 추정하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 연료전지시스템의 블럭도,
도 2는 운전 정지시의 스택 온도가 65℃인 경우에 있어서의 애노드 압력 및 애노드 질소농도의 방치시간에 대한 추이를 나타내는 맵,
도 3은 본 실시형태에서의 애노드 질소농도의 추정 플로우를 나타내는 차트,
도 4는 본 실시형태에서의 연료가스 누출 판정의 플로우를 나타내는 차트,
도 5는 질소농도에 따라 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하도록 한 맵의 일례,
도 6은 본 발명에 관한 가스 누출 판정을 위한 기능 블럭도이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 나타내는 실시형태의 일례에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 1 내지 도 6에 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다. 본 발명에 관한 연료전지시스템(10)은, 연료가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지(이하, 「연료전지 스택」이라 하고, 도면 중에서는 부호 20으로 나타냄)와, 그 연료전지 스택(20)에 연료가스를 급배하는 연료가스계(3)와, 그 연료가스계(3)에 설치되어 있는 조압밸브와, 연료가스계(3)에 형성되는 폐쇄 공간에서의 압력을 검출하는 압력센서와, 연료가스계(3)에 형성되는 폐쇄 공간에서의 가스 누출을 판정하는 가스 누출 판정부를 구비한 시스템으로서 구성되어 있는 것이다(도 1 참조). 또한 본 실시형태에서의 이 연료전지시스템(10)은, 연료전지의 연료극측에 형성되어 있는 폐쇄 공간에서의 압력 변화를 검출하고, 그 압력 변화의 검출결과에 의거하여 소정의 가스 누출 판정값을 참조하여 폐쇄 공간에서의 연료가스 누출의 판정을 행하는 것이다.
이하에서는 먼저 연료전지시스템(10)의 전체의 개요에 대하여 설명하고, 그 후, 연료극에서의 질소농도(본 명세서에서는 이것을「연료극 질소농도」라고도 한 다)를 추정하기 위한 구성, 폐쇄 공간에서의 연료가스 누출을 판정하기 위한 구성에 대하여 차례로 설명한다.
(전체구성)
먼저, 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(10)의 개요에 대하여 설명한다. 또한, 이하에서는 연료전지를 「FC」라고 표현하는 경우도 있다. 도 1에 본 실시형태에 관한 연료전지시스템(10)의 개략 구성을 나타낸다. 여기서는 연료전지시스템(10)을 연료전지차량(FCHV:Fuel Cell Hybrid Vehicle)의 차량 탑재 발전시스템으로서 이용하는 예를 나타내나, 각종 이동체(예를 들면 선박이나 비행기 등)나 로봇 등이라는 자주(自走) 가능한 것에 탑재되는 발전시스템 등으로서도 이용할 수 있는 것은 당연하다. 연료전지셀 스택(이하, 「연료전지 스택」또는 단지「스택」이라고도 한다)(20)은, 복수의 단셀을 직렬로 적층하여 이루어지는 스택구조를 가지는 것으로, 예를 들면 고체 고분자 전해질형 연료전지 등으로 구성되어 있다.
또, 본 실시형태에서의 연료전지시스템(10)은, 연료전지 스택(20)에 접속된 연료가스 순환 공급계(본 명세서에서는 이것을 「연료가스계」라고 한다)(3)와 산화가스공급계(4)를 구비하고 있다. 이들 중 연료가스계(3)는 연료전지 스택(20)에 대하여 연료가스를 급배하는 것이고, 예를 들면 본 실시형태의 경우에는, 연료가스공급원(30), 연료가스공급로(31), 연료전지 스택(20), 연료가스 순환로(32) 및 애노드 오프 가스 유로(33)를 포함한 구성으로 되어 있다(도 1 참조).
연료가스공급원(30)은, 예를 들면 고압수소탱크 또는 수소저장탱크 등의 수소저장원에 의하여 구성되어 있다. 연료가스공급로(31)는 연료가스공급원(30)으로 부터 방출되는 연료가스를 연료전지 스택(20)의 애노드(연료극)로 유도하기 위한 가스 유로 이고, 그 가스 유로에는 상류에서 하류에 걸쳐 탱크밸브(H201), 고압 레귤레이터(H9), 저압 레귤레이터(H10), 수소공급밸브(H200) 및 FC 입구 밸브(H21)가 각각 설치되어 있다. 고압으로 압축된 연료가스는 고압 레귤레이터(H9)로 중압으로 감압되고, 또한 저압 레귤레이터(H10)로 저압(통상 운전압력)으로 감압되도록 되어 있다.
연료가스 순환로(32)는 미반응 연료가스를 연료전지 스택(20)으로 환류시키기 위한 귀환 가스 유로이고, 그 가스 유로에는 상류에서 하류에 걸쳐 FC 출구 밸브(H22), 수소펌프(63) 및 체크밸브(H52)가 각각 설치되어 있다. 연료전지 스택(20)으로부터 배출된 저압의 미반응 연료가스는 수소펌프(63)에 의하여 적절하게 가압되어 연료가스공급로(31)에 유도된다. 체크밸브(H52)는 연료가스공급로(31)로부터 연료가스 순환로(32)에의 연료가스의 역류를 억제한다. 또 이 연료가스 순환로(32)의 도중에서 분기되는 애노드 오프 가스 유로(33)는 연료전지 스택(20)으로부터 배출된 수소 오프 가스를 시스템 밖으로 배기하기 위한 가스 유로이고, 그 가스 유로에는 퍼지 밸브(H51)가 설치되어 있다.
또한 상기한 탱크 밸브(H2O1), 수소공급밸브(H200), FC 입구밸브(H21), FC 출구밸브(H22) 및 퍼지밸브(H51)는 각 가스 유로(31∼33) 또는 연료전지 스택(20)에 연료가스를 공급하거나 또는 차단하기 위한 셔트밸브이다. 이들 셔트밸브는 예를 들면 전자밸브에 의하여 구성되어 있다. 이와 같은 전자밸브로서는 예를 들면 온/오프 밸브, 또는 PWM 제어로 밸브 개방도를 리니어하게 조정할 수 있는 리니어 밸브 등이 적합하다.
연료전지 스택(20)의 산화가스공급계(4)는, 에어컨디셔너 컴프레서(산화가스공급원) (40), 산화가스공급로(41) 및 캐소드 오프 가스 유로(42)를 포함한 구성으로 되어 있다(도 1 참조). 또한 에어컨디셔너 컴프레서(40)는 에어필터(61)를 거쳐 외기로부터 도입한 공기를 압축하고, 그 압축공기를 산화가스로서 연료전지 스택(20)의 캐소드(산소극)에 공급한다. 연료전지 스택(20)의 전지반응에 공급된 후의 산소 오프 가스는 캐소드 오프 가스 유로(42)를 흘러 시스템 밖으로 배기된다. 이 산소 오프 가스는 연료전지스택(20)에서의 전지반응에 의하여 생성된 수분을 함유하기 때문에 고습윤상태로 되어 있다. 가습 모듈(62)은 산화가스공급로(41)를 흐르는 저습윤상태의 산화가스와, 캐소드 오프 가스 유로(42)를 흐르는 고습윤상태의 산소 오프 가스와의 사이에서 수분 교환을 행하여, 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화가스를 적절하게 가습한다. 연료전지 스택(20)에 공급되는 산화가스의 배압은, 캐소드 오프 가스 유로(42)의 캐소드 출구 부근에 설치된 압력조정밸브(A4)에 의하여 조압된다. 또 캐소드 오프 가스 유로(42)는 그 하류에서 희석기(64)에 연통하고 있다. 또한 이 희석기(64)에는 애노드 오프 가스 유로(33)가 그 하류에서 연통하고 있고, 수소 오프 가스를 산소 오프 가스에 의하여 혼합 희석한 후에 시스템 밖으로 배기하도록 구성되어 있다.
연료전지 스택(20)에서 발전된 직류전력의 일부는 DC/DC 컨버터(53)에 의하여 강압되고, 배터리(2차 전지)(54)에 충전된다. 트랙션 인버터(51) 및 보조기계 인버터(52)는 연료전지 스택(20)과 배터리(54)의 양쪽 또는 어느 한쪽으로부터 공 급되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 트랙션 모터(M3)와 보조기계 모터(M4)의 각각에 교류전력을 공급한다. 이와 관련하여 보조기계 모터(M4)는 뒤에서 설명하는 수소순환 펌프(63)를 구동하는 모터(M2)나 에어컨디셔너 컴프레서(40)를 구동하는 모터(M1) 등을 총칭하여 표현하고 있는 것이고, 따라서 모터(M1)로서 기능하는 경우도 있으면 모터(M2)로서 기능하는 경우도 있다는 것이 된다.
제어부(50)는 엑셀러레이터 센서(55)가 검출한 엑셀러레이터 개방도, 차속센서(56)가 검출한 차속 등에 의거하여 시스템 요구전력(차량 주행 전력과 보조기계 전력과의 총합)을 구하여 연료전지 스택(20)이 목표 전력에 일치하도록 시스템을 제어한다. 구체적으로는 제어부(50)는 에어컨디셔너 컴프레서(40)를 구동하는 모터(M1)의 회전수를 조정하여 산화가스 공급량을 조정함과 동시에, 수소펌프(63)를 구동하는 모터(M2)의 회전수를 조정하여 연료가스 공급량을 조정한다. 또 제어부(50)는 DC/DC 컨버터(53)를 제어하여 연료전지 스택(20)의 운전 포인트(출력전압, 출력전류)를 조정하여 연료전지 스택(20)의 출력 전력이 목표 전력에 일치하도록 조정한다.
고압부[예를 들면 탱크 밸브(H201)∼수소 공급 밸브(H200)의 구간], 저압부[예를 들면, 수소 공급 밸브(H2O0)∼FC 입구 밸브(H21)], FC부[예를 들면 스택 입구 밸브(H21)∼FC 출구 밸브(H22)], 순환부[예를 들면 FC 출구 밸브(H22)∼체크밸브(H52)]의 각 부에는 연료가스의 압력을 검출하는 압력센서(P6, P7, P9, P61, P5, P10, P11)와, 연료가스의 온도를 검출하는 온도센서(T6, T7, T9, T61, T5, T10)가 설치되어 있다. 각 압력센서의 역할에 대하여 상세하게 설명하면, 압력센서(P6)는 연료가스공급원(30)의 연료가스공급압을 검출한다. 압력센서(P7)는 고압 레귤레이터(H9)의 2차압을 검출한다. 압력센서(P9)는 저압 레귤레이터(H10)의 2차압을 검출한다. 압력센서(P61)는 연료가스공급로(31)의 저압부의 압력을 검출한다. 압력센서(P10)는 수소 순환펌프(63)의 입력 포트측(상류측)의 압력을 검출한다. 압력센서(P11)는 수소 순환펌프(63)의 출력 포트측(하류측)의 압력을 검출한다.
또한 이 연료전지시스템(10)에는 애노드(연료극)에서의 압력을 검출하기 위한 연료극 압력 검출수단이 설치되어 있다. 예를 들면 본 실시형태의 경우에는 연료가스계(3)에 형성되는 폐쇄 공간에서의 압력을 검출하기 위한 센서로서 설치되어 있는 압력계(이하「압력센서」라 한다)(P5)가 이 연료극 압력 검출수단으로서 기능하고 있다. 본 실시형태의 이 압력센서(P5)는 상기한 FC부[스택 입구 밸브(H21)∼FC 출구 밸브(H22)]에서의 압력을 검출하기 위하여 예를 들면 스택 입구, 더욱 구체적으로는 연료전지 스택(20)과 FC 입구 밸브(H21)와의 사이에 설치되어 있다(도 1 참조). 이 압력센서(P5)에 의하면, 상기 폐쇄 공간(본 실시형태의 경우, 상기한 FC부)에서의 압력의 변화를 검지하여 포착할 수 있다. 또 압력센서(P5)는 ECU(13)에 접속되어 있고, 검출한 압력값에 관한 데이터를 상기 ECU(13)에 송신하도록 되어 있다(도 1 참조).
(질소농도 추정의 구성)
먼저, 본 발명의 본질적인 질소 농도 추정을 위하여 필요한 구성에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명에 관한 가스 누출 판정을 위한 기능 블럭도이다.
본 발명의 연료전지시스템은, 연료가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지(100), 상기 연료전지(100)에 연료가스를 급배하는 연료가스계(101), 상기 연료가스계(101)에 설치되어 있는 조압밸브(102)와, 상기 연료가스계(101)에 형성되는 폐쇄 공간(104)에서의 압력을 검출하는 압력센서(103) 및 상기 연료가스계(101)에 형성되는 폐쇄 공간(104)에서의 가스 누출을 판정하는 가스 누출 판정부(105)를 구비하고 있다. 특히 가스 누출 판정부(105)는, 압력센서(103)에 의하여 검출된 상기 폐쇄 공간(104)에서의 압력의 변화에 의거하여 가스 누출 판정값(106)을 참조하여 가스 누출을 판정하는 것이다.
즉, 연료극에서의 질소의 농도에 따라 상기 가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하여 상기 연료가스 누출의 판정을 행한다는 것이다. 이것은 연료전지의 재기동시에 있어서 연료극에서의 질소농도가 일시적으로 높아지는 것을 고려한 것으로, 상기 질소농도에 따라 가스 누출 판정값에 소요의 보정을 행한다. 보정이란, 가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하는 것이다.
여기서 가스 누출 판정부(105)는, 가스 누출 판정값(106)의 변경을 행함으로써, 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하는 것은 바람직하다. 즉 도 6에 나타내는 바와 같이 가스 누출 판정부(105)는 복수의 가스 누출 판정값(106)을 적절하게 선택함으로써 연료가스 누출의 판정 레벨을 변경 가능하게 구성되어 있다.
또한 본 발명의 연료전지시스템에 있어서, 연료전지 스택의 온도를 검출하는 스택 온도 검출수단(108), 연료극의 압력을 검출하는 연료극 압력 검출수단(109) 및 방치시간을 계측하는 방치시간 계측수단(110)을 구비하는 것은 바람직하다. 이 경우, 가스 누출 판정부(105)는 연료극에서의 질소의 농도를, 운전 정지시에 있어서의 연료전지 스택의 온도와, 연료전지의 재기동시에서의 연료극의 압력과, 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기 까지의 방치시간에 의거하여 추정한다.
계속해서 본 실시형태의 연료전지시스템에서 상기 본 발명의 기능블럭에 대응한 연료전지 스택(20)의 연료극에서의 질소농도를 추정하기 위한 구성에 대하여 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 연료전지시스템(10)에서는 연료전지 스택(20)에서의 애노드 질소농도[연료전지 스택(20)에서 전해질막을 투과하여 캐소드로부터 애노드까지 도달한 것을 비롯하는 질소의 그 애노드에서의 농도의 것]를 추정하는 것으로 하고, 이것을 실현하기 위한 일례로서, 연료전지의 스택 온도를 검출하는 스택 온도 검출수단(11)(도 6의 부호 108)과, 애노드(연료극)의 압력을 검출하는 연료극 압력 검출수단(P5)(도 6의 부호 109)과, 방치시간을 계측하는 방치시간 계측수단(12)(도 6의 부호 110)과, ECU(13)(도 6의 부호 105)를 구비한 구성으로 되어 있다. 이하, 애노드 질소농도를 추정하기 위한 구성의 상세 및 이것에 의한 애노드 질소농도 추정방법에 대하여 설명한다.
스택 온도 검출수단(11)은 연료전지의 스택 온도, 즉 연료전지 스택(20)(도 6의 부호 100)의 온도를 검출하기 위한 수단으로 온도를 측정하는 부분과 그 측정한 온도에 관한 정보를 송신하기 위한 부분으로 구성되어 있다. 예를 들면 본 실시형태에서의 스택 온도 검출수단(11)은, 연료전지 스택(20)의 온도를 검출하고, 검출한 온도에 관한 데이터를 ECU(13)에 송신하도록 설치되어 있다(도 1 참조).
방치시간 계측수단(12)은, 연료전지 스택(20)의 방치시간, 즉 연료전지의 운전이 정지하고 나서 재기동되기까지의 시간을 계측하기 위한 수단이고, 예를 들면 타이머(컴퓨터의 내부 클럭을 포함한다)에 의하여 구성되어 있다. 본 실시형태의 방치시간 계측수단(12)은 ECU(13)에 접속되어 있고(도 1 참조), 이 ECU(13)로부터의 지령신호를 받아 방치시간의 계측을 개시하고, 또한 ECU(13)로부터의 지령신호를 받아 계측을 종료하도록 설치되어 있다. 또한 본 실시형태에서의 방치시간 계측수단(12)은 정지상태의 연료전지 스택(20)에 대하여 이그니션 스위치가 넣어져 이그니션·온이 된 상태에서 그 연료전지 스택(20)이 기동되기까지의 시간(이그니션·온 계속시간)을 계측할 수도 있게 되어 있다.
ECU(13)는 전자제어장치(Electric Control Unit)에 의하여 구성된 제어수단이다. 본 실시형태의 ECU(13)는 상기한 스택 온도 검출수단(11), 방치시간 계측수단(12), 압력 연료극 압력 검출수단(P5)의 각각과 접속되어 있어 스택 온도, 방치시간, 그리고 연료극 압력(애노드압력)에 관한 데이터를 취득하고, 이들 데이터에 의거하여 애노드 질소농도(전해질막을 투과하여 캐소드에서 애노드까지 도달한 것 등을 포함하는 질소의 해당 애노드에서의 농도)를 추정한다. 또한 도 1에서는 특별히 상세하게 표시하고 있지 않으나, 이 ECU(13)는 제어부(50)와도 접속되어 있고, 추정한 애노드 질소농도에 따라 필요시에는 연료전지 스택(20)의 출력이 제한되도록 되어 있다.
또한 본 실시형태에서는 방치시간과 운전 정지 중에 있어서의 애노드 압력과의 관계를 나타내는 맵을 준비하여 두고, 이 맵에 의거하여 애노드 질소농도를 추 정하는 것으로 하고 있다. 구체적으로는 도 2에 나타내는 바와 같은 실기(實機) 데이터, 즉 운전 정지시의 스택 온도가 소정의 온도, 예를 들면 65℃인 경우에서의 애노드 압력 및 애노드 질소농도의 방치시간에 대한 추이를 나타낸 맵을 준비하여 두고, 이 맵에 의거하여 애노드 질소농도를 추정하는 것으로 하고 있다. 이와 관련하여 맵 중의 ◆표는 애노드 질소농도(cnc_N2, 단위는 %), ×표는 애노드 압력(prs_fci, 단위는 kPaA)을 각각 나타내고 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이 ×표로 나타내는 애노드 압력의 값(prs_fci)은, 연료전지의 운전을 정지하면 일단 급격하게 저하하고, 경과시간(T1)의 시점에서 최저값, 즉 부압의 피크(도 2의 실기 데이터의 경우이면 대략 80강 kPaA)에 도달한 후는 서서히 증가하여 간다는 변화를 보이고 있다(또한, 여기서 말하는 부압은 대기압을 기준으로 한 것). 한편, ◆표로 나타내는 애노드 질소농도(cnc_N2)는 도중까지 계속하여 증가하고, 그 후 완만한 모양이 되어 수속하여 간다는 변화를 보이고 있다.
여기서 예를 들면 소정의 압력(P)(도 2 참조)을 기준으로 하여 이 압력(P)에 상당하는 방치시간에는 도 2에서 분명한 바와 같이 To, T2라는 2개의 시간(즉 상이한 2개의 방치시간)이 있다. 이 경우, 애노드 압력이 부압의 피크에 도달하는 시간(T1)보다 앞의 시간(도 2이면 To)에서의 애노드 질소농도(cnc_N2)를 추정값이라 하면, 이 값은 증가 도중에 있어 아직 적은 단계의 값이기 때문에 오차를 초래하여 적절한 제어를 행할 수 없게 된다. 이 경우, 이와 같은 오차가 생기는 것을 억제하는 수단의 하나로서, 애노드 압력이 최저값(부압의 피크)에 도달하는 시간(T1)보다 뒤의 시점(본 실시형태의 경우이면 경과시간 T2)의 애노드 질소농도(cnc_N2)를 추정값으로 한다는 수단을 강구할 수 있다. 그러나 본 실시형태에서는 이것과는 다른 수단을 강구하는 것으로 하고 있다. 즉, 방치시간도 계측하는 것으로 한 본 실시형태의 경우에는 실기 데이터로 이루어지는 맵(도 2)에 대조하면, 방치시간 계측수단(12)에 의하여 계측된 방치시간이 시간 T1(부압의 피크가 되는 시간)의 이전인지, 또는 그것 이후인 지의 판별이 용이하기 때문에, 이와 같은 판별을 행하고 나서 애노드 질소농도의 추정값을 구하는 것으로 하고 있다. 이와 같은 경우에는 T1 이전의 상태, 즉 애노드 질소농도가 충분히 증가하기 전의 단계의, 말하자면 저질소 농도의 상태시에 추정값을 구하는 바와 같은 일이 없어지기 때문에, 오차를 초래하는 바와 같은 일도 없어진다.
(동작의 설명)
계속해서, 차트를 참조하면서 본 실시형태에서의 애노드 질소농도의 추정의 플로우를 이하에 설명한다(도 3 참조).
먼저, 본 실시형태에서의 애노드 질소농도의 추정 플로우는 이그니션의 오프에 의하여 연료전지의 운전이 정지함으로써(IG_OFF) 개시한다(단계 1). 연료전지가 정지하면, 정지시에 있어서의 연료전지 스택의 온도(thm_fc_igoff)를 스택 온도 검출수단(11)에 의하여 검출하고, 그 온도를 ECU(13)에 기억한다(단계 2). 또한 방치시간(t_leave)의 계측을 개시한다(단계 3). 또 이그니션 스위치가 온이 되면(단계 4로서 나타내는 IG ON의 상태), IG ON 계측시간(t_igon), 이그니션 스위치가 온이 되고 나서 연료전지 스택(20)이 기동하기까지의 시간의 계측을 개시한다(단계 5).
다음에 정지하고 있던 연료전지가 재기동되면(단계 6에 나타내는 ST_ON), 수소 가압전에 있어서의 애노드 압력(prsH2_fc_b)을 검출한다(단계 7). 그러면 합계 방치시간(TR), 즉 상기한 「방치시간(t_leave)」과 「IG_ON 계속시간(t_igon)」의 합계 시간(TR = t_leave + t_igon)을 산출한다(단계 8).
그러면 이와 같이 산출한 결과에 의거하여, 그 합계 방치시간(TR)이 방치시간(T1)보다 긴 것인지, 짧은 것인지, 다른 표현을 하면, 연료전지 스택(20)을 재기동한 타이밍이, 애노드 압력이 부압의 피크를 맞이하기 전인지, 아니면 피크를 맞이한 후인지를 판단한다. 요컨대, 여기서는 합계 방치시간(TR)과 방치시간(T1)의 대소를 판단하여(단계 9), 합계 방치시간(TR)보다 방치시간(T1)의 쪽이 크면(TR < T1), 재기동한 것은 애노드 압력이 부압의 피크가 되기 보다 전이라고 판단하여 단계 10으로 진행한다. 이 단계 10에서는 수소 가압전의 애노드 질소농도를 나타내는 맵을 참조하여 수소 가압전의 애노드 질소농도(cncN2_tmp)를 산출한다(단계 10).
또한 여기서 참조하는 맵은 예를 들면 상기한 바와 같은 실기 데이터 그것으로 이루어지는 맵(도 2 참조)으로 할 수도 있으나, 미리 제 1 질소상태(예를 들면 저질소 농도상태)의 경우에 적용하는 제 1 맵과, 이것보다 고농도인 제 2 질소상태의 경우에 적용하는 제 2 맵으로 나누어 두는 것도 바람직하다. 예를 들면 본 실시형태에서는 저질소 농도상태를 나타내는 제 1 맵으로서의 수소 가압전 애노드 질소농도 맵 A(도 2의 시간 t = 0 ∼t(= T1)의 사이에 변화되는 곡선)와, 이것보다 고농도인 고질소 농도상태를 나타내는 제 2 맵으로서의 수소 가압전 애노드 질소농 도 맵 B(도 2의 시간 t = T1 이후에 변화되는 곡선)으로 나누고 있다. 따라서 상기한 바와 같이 TR < T1인 경우는, 부압의 피크를 맞이하기 전에 연료전지 스택(20)을 재기동하였다는 것이기 때문에 저질소 농도상태를 나타내는 맵 A를 참조하여 애노드 질소농도를 산출하게 된다(단계 10). 이와 같이 하여 수소 가압전의 애노드 질소농도(cncN2_ tmp)를 산출하였으면 단계 12로 진행한다.
한편, 단계 9에서 합계 방치시간(TR)과 방치시간(T1)의 대소를 판단한 결과, 상기한 경우와는 반대, 즉 합계 방치시간(TR)보다 방치시간(T1)의 쪽이 작으면(TR > T1), 애노드 압력이 부압의 피크를 맞이한 후에 재기동하였다고 판단하여 단계 11로 진행한다. 단계 11에서는 수소 가압전의 애노드 질소농도(cncN2_tmp)를 산출한다는 점에서는 상기한 단계 10과 동일하였으나, 이 단계 11에서는 맵 A가 아니라 맵 B를 참조한다(도 2 참조). 수소 가압전의 애노드 질소농도(cncN2_tmp)를 산출하였으면, 단계 12로 진행한다.
다음에 단계 12에서는 수소 가압후의 애노드 압력(prsH2_fc_a)을 검출한다(단계 12). 그러면 수소 가압 후의 애노드 질소농도(cncN2)를 산출한다(단계 13). 도 3에 나타내고 있는 바와 같이 이 수소 가압후 애노드 질소농도(cncN2)는,
cncN2 = cncN2_tmp * prsH2_fc_b / prsH2_fc_a
라는 식, 즉, 수소 가압전의 애노드 질소농도(cncN2_tmp)와 수소 가압후의 애노드 압력(prsH2_fc_b)을 곱하고, 이것을 수소 가압후의 애노드 압력(prsH2_fc_a)으로 나눈 값으로서 구할 수 있다. 이것에 의하여 일련의 처리를 종료한다(단계 14).
또, 상기한 바와 같이 애노드 질소농도를 추정하는 경우에 있어서, 방치시간의 계측 중, 방치시간 계측수단에 의한 계측시간이 소거된 경우에는 애노드 질소농도를 최대값으로 한다는 방법을 채용하는 것도 바람직하다. 방치시간 계측수단(12)에 의한 시간계측 중, 무엇인가의 요인(일례로서 보조기계 배터리를 뺀 경우)에 의하여 그때까지의 계측시간이 리세트되어 0으로 소거되었다고 하면, 방치시간 계측수단(12)에 의하여 얻어진 방치시간이 원래의 값보다 짧아지고, 이 결과 원래 추정되어야 할 애노드 질소농도의 참값보다 낮은 값이 추정되어 수소 결핍에 의한 발전불량이 야기될 염려가 있다. 이것에 대하여 이와 같은 경우에 애노드 질소농도를 최대값이라고 의제하는 것으로 하면, 적어도 상기한 바와 같이 수소 결핍에 의한 발전불량이 야기되는 것을 회피하는 것이 가능하게 된다. 이 경우에 있어서의 의제값은 여러가지의 값일 수 있으나, 본 실시형태에서는 애노드 질소농도의 값이 대략 수속하여 최대값이 되는 값의, 대략 80% 미만의 값으로 한다. 또 연료전지 스택(20)이 방치상태임에도 불구하고 방치시간 계측수단(12)이 리세트된 것은 예를 들면 상기한 ECU(13)에 의하여 검출 내지는 판별할 수 있다.
또한, 연료전지의 운전 정지시에 있어서의 애노드 질소농도를 기억하는 수단을 구비하여 두고, 운전 정지시의 그 애노드 질소농도와 다음번 기동시(재기동시)의 애노드 질소농도(추정값) 중, 큰 쪽의 값을 채용하는 것도 바람직하다.
예를 들면 애노드 질소농도가 높은 상태에서 연료전지를 일단 정지하고, 그 직후에 재기동하면 애노드 질소농도가 아직 그만큼 저하하여 있지 않음에도 불구하고, 참값보다 낮게 추정하여 상기한 경우와 마찬가지로 수소 결핍에 의한 발전불량 이 야기될 염려가 있다.
이것에 대하여 운전 정지시에 있어서의 애노드 질소농도를 기억하여 두고, 그 기억값과 추정값을 비교하여 높은 쪽을 선택·채용하는 것으로 하면, 적어도 상기한 바와 같이 수소 결핍에 의한 발전불량이 야기되는 것을 회피하는 것이 가능하게 된다. 본 실시형태에서는 ECU(13)에 의하여 운전 정지시의 애노드 질소농도를 기억하여 두고, 또한 필요한 경우에는 이 기억값과 추정값을 비교하는 것으로 하고 있다.
(누출 판정동작)
계속해서 본 실시형태의 연료전지시스템(10)에서의 폐쇄 공간에서의 연료가스 누출을 판정하기 위한 구성에 대하여 설명한다.
본 발명에 관한 연료전지시스템(10)은, 상기한 폐쇄 공간[본 실시형태의 경우이면 스택 입구 밸브(H21)와 FC 출구 밸브(H22)라는 2개의 조압밸브로 연료극측에 형성되는 폐쇄 공간]에서의 연료가스 누출의 판정을 행함에 있어서, 그 폐쇄 공간의 압력 변화를 검출하고, 그 압력 변화에 의거하여 소정의 가스 누출 판정값을 참조하여 연료가스 누출을 판정하는 것으로 하고 있다. 여기서 본 실시형태에서는 연료극에서의 질소농도에 따라 필요가 있는 경우에는 소요의 보정을 행하는, 즉 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하고, 그 다음에 연료가스 누출을 판정하는 것으로 하고 있다. 즉, 연료전지시스템(10)의 재기동시에 있어서는 연료가스계(3)의 폐쇄 공간에서의 질소가스의 농도가 일시적으로 높아지기 때문에, 이와 같은 현상을 고려하여 해당 질소농도에 따라 가스 누출 판정 레벨을 다르게 하도록 하고 있 다.
예를 들면 본 실시형태의 연료전지시스템(10)에서는 가스 누출 판정 레벨을 다르게 하기 위한 가스 누출 판정부가 설치되어 있다. 이 가스 누출 판정부는, 압력센서(연료극 압력 검출수단)에 의하여 검출된 폐쇄 공간에서의 압력의 변화에 의거하여, 가스 누출 판정값을 참조하여 가스 누출을 판정한다는 것이다. 본 실시형태에서는 압력센서(P5)에 의하여 연료극측의 폐쇄 공간에서의 압력 변화를 검출하고, 그 검출결과에 의거하여 이 가스 누출 판정부에서 가스 누출을 판정하는 것으로 하고 있다. 또한 가스 누출 판정부는 압력 검출결과에 의거하여 가스 누출 판정 레벨을 다르게 한다. 이와 같이 레벨을 다르게 한 경우의 구체예로서는 압력 검출결과에 대응하여 설정되어 있는 가스 누출 판정값 전체를 그대로 채용하는 것, 레벨 변경 내용을 나타내는 수식에 압력 검출결과를 대입하여 산출하여 얻어지는 수치를 사용하는 것, 등을 들 수 있다.
이상과 같은 가스 누출 판정부가 구체적으로 어떠한 장치에 의하여 구성되지지에 대해서는 특별히 한정되는 것은 없으나, 예를 들면 본 실시형태의 연료전지시스템(10)이면 상기한 바와 같이 스택 온도 검출수단(11), 방치시간 계측수단(12), 그리고 압력센서(P5)가 접속되어 있는 ECU(13)가 이상과 같은 가스 누출 판정부로서도 기능하도록 되어 있다.
계속해서 상기한 구성에 의하여 폐쇄 공간에서의 연료가스 누출을 판정하는 경우의 흐름을 일례를 따라 설명한다(도 4, 도 5 참조). 예를 들면 본 실시형태의 경우, 가스 누출 판정시에 참조하는 가스 누출 판정값으로서, 도 5에 나타내는 바 와 같은 맵을 준비하고 있다. 가스 누출 판정값의 일례로서 나타내는 이 맵(MAP1)은, 예를 들면 질소농도(N)(%)가 0, 20, 40, 60, 80%일 때의 연료가스 누출량(판정값) C(L/min)이 각각 30, 25, 20, 15, 10이라는 바와 같이 말하자면 가스 누출의 기준값을 미리 설정하고 있는 것이다(도 5 참조). 즉, 종래이면 질소농도에 관계없이 일률의 가스 누출 판정값[예를 들면 30(L/min)]을 사용하였던 것에 대하여, 본 실시형태에서는 폐쇄 공간에서의 질소농도를 고려하고, 그 질소농도가 증가함에 따라 대응하는 가스 누출 판정값을 줄여 가는 바와 같은 맵을 이용하기로 한 것이다. 또한, 질소농도가 이들 이외의 값일 때는 적절히 보간하면 좋고, 예를 들면 이 맵(MAP1)이면 질소농도(N)(%)가 70인 경우에는 12.5(L/min), 90인 경우에는 7.5(L/min)로 하면 된다.
연료가스 누출 판정을 행하는 경우, 먼저 연료전지시스템(10)의 기동시 등에 있어서(도 4에서의 단계 21), 연료극측에 형성되어 있는 폐쇄 공간에서의 질소농도를 추정한다(단계 22). 질소농도를 추정함에 있어서 본 실시형태에서는 운전 정지시에 있어서의 연료전지 스택(20)의 온도와, 연료전지의 재기동시에 있어서의 애노드의 압력과, 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기까지의 방치시간에 의거하여, 상기한 플로우(도 3 참조) 및 수소 가압전 애노드 질소농도 맵 A, B(도 2 참조)를 활용하여 추정하는 것으로 하고 있다.
이상과 같이 하여 폐쇄 공간 내에 있어서의 질소농도를 추정하였으면 상기한 맵(도 5의 MAP 1)을 참조하고, 상기 질소농도의 추정값(N)(%)에 대응하는 누출 검지의 판정값(C)(L/min)을 산출한다(단계 23). 예를 들면 질소농도(추정값)(N)가 20(%)이면 연료가스 누출 판정값(C)은 25(L/min), 질소농도(추정값)(N)가 40(%)이면 연료가스 누출 판정값(C)은 20(L/min)이라는 것이 된다(도 5 참조). 이와 같이 산출하여 얻어지는 가스 누출 판정값(C)은, 폐쇄 공간에서의 질소농도(추정값)에 따라 판정 레벨이 변경되어 얻어진 판정값 내지는 기준값이다.
상기 레벨 변경 후의 가스 누출 판정값(C)이 얻어졌으면(단계 23), 압력 변화에 의거하는 연료가스 누출을 측정한다. 즉, 본 실시형태의 경우이면 2개의 조압밸브[FC 입구 밸브(H21), FC 출구 밸브(H22)]에 의하여 형성되어 있는 폐쇄 공간의 압력(배관 내에서 밀봉된 부분의 밀봉압력)의 변화를 압력센서(P5)에 의하여 검출하고, 그 검출결과에 따라 연료가스 누출량(Q)을 측정한다(단계 24). 그렇게 하면 그 연료가스 누출량(Q)과 상기한 연료가스 누출 판정값(C)을 비교한다. 비교의 결과, 연료가스 누출량(Q) < 연료가스 누출 판정값(C)이면 연료가스 누출에 대해서는 정상상태(문제가 되는 바와 같은 가스 누출이 생겨 있지 않은 상태)에 있다고 판정할 수 있다. 이 경우, 질소농도를 고려한 연료가스 누출 판정값(더욱 구체적으로는 질소농도가 증가하면 증가할 수록 줄이는 바와 같은 변경이 가해진 판정값)에 대조하여 판정을 행하고 있기 때문에, 질소농도가 일시적으로 높아진 상태에서 연료가스 누출을 과소 평가하는 일이 없다.
그 한편으로, 연료가스 누출량(Q)과 연료가스 누출 판정값(C)을 비교한 결과, 연료가스 누출량(Q) > 연료가스 누출 판정값(C)이 되었으면(단계 25), 기준으로서 이용한 판정값(C)보다 연료가스 누출량(Q)의 쪽이 많다는 것이기 때문에 문제가 될 수 있을 정도로 연료가스의 누출이 생겨 있다고 판정할 수 있다. 이 경우에 는 이상이라고 판정하고, 그 이상상태에 의거한 처리를 실시한다(단계 26). 이와 같은 처리를 실시한 후는, 그 밖에 연료가스 누출이 생겨 있지 않은 지의 여부를 점검·판정하고, 또한 연료전지를 기동·운전하기 위한 소정의 항목의 확인을 행하여(단계 27), 문제가 없으면 운전을 계속하여 가게 된다(단계 28). 이들 단계는 특히 본원에 특유의 것은 아니다(도 4 참조).
여기까지 설명한 본 실시형태의 연료전지시스템(10)에 의하면, 연료전지의 재기동시, 크로스 리크현상에 의하여 연료극측의 질소농도가 일시적으로 통상시보다 높아졌다고 하여도 이미 설명한 바와 같이 보정한 가스 누출 판정값(즉, 다른 레벨에 설정된 연료가스 누출 판정 레벨)을 이용함으로써 가스 누출량이 과소 평가되는 것을 회피할 수 있다. 이에 의하여 연료극에서의 질소농도가 일시적으로 높아진 상황이어도 정밀도가 높은 가스 누출 판정을 행하는 것이 가능해진다.
또한 상기한 실시형태는 본 발명의 적합한 실시의 일례이기는 하나, 이것에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변형 실시 가능하다.
예를 들면 본 실시형태에서는, 연료전지 스택(20)의 연료극에서의 질소농도에 착안하여 연료극측의 폐쇄 공간에 포함되는 질소 가스량에 따라 가스 누출 판정값(C)을 보정한다는(즉, 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하는) 형태에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 실시형태가 이와 같은 것에 한정된다는 것은 아니다. 다른 예를 들면, 예를 들면 연료극측에서의 수소농도나 수소분압이 검출 가능하면 이것들의 검출결과에 의거하여 질소농도 내지는 질소 가스량을 구하는 것으로 하여도 좋다. 중요한 것은 크로스 리크에 의하여 연료극측의 질소농도(또는 질소가스량)가 일시적으로 높아진다는 현상을 근거로 하여, 그 질소농도를 정밀도 좋게 검출 내지는 추정하고, 그 결과를 연료가스 누출 판정용 기준값(맵)에 반영시킬 수 있으면 가스 누출 판정을 더욱 정밀도 좋게 행할 수 있게 된다는 것이다.
또, 본 실시형태에서는 애노드 압력[연료전지 스택(20)의 연료극에서의 압력]에 따라 연료가스 누출의 판정을 행하는 것으로 하였으나, 이것 이외의 요소에 의거하여 가스 누출의 판정을 행하는 것도 가능하고, 예를 들면 애노드 압력의 변화율[일례로서 압력 증가에 따르는 구배(勾配) 또는 압력 감소에 따르는 구배]에 의거하여 판단하는 것도 가능하다. 즉, 도 2의 맵에 나타내는 정지시의 압력 변화 특성에 있어서, t = T1 이전은 압력 구배가 감소하는 경향을 나타내고, 그 한편으로 t = T1 이후는 압력 구배가 증가하는 경향이 나타나 있는 것으로 하면, 압력 구배가 감소에서 증가로 옮기는 시점에서 맵을 변환하여 가스 누출을 판정하는 것도 가능하다.
본 발명의 연료가스 누출 판정방법에서는 크로스 리크에 의하여 연료극측의 질소농도가 일시적으로 높아진다는 현상에 착안하여 그 질소농도를 정밀도 좋게 검출 내지는 추정한 다음에 그 결과를 연료가스 누출 판정에 이용하는 판정 레벨을 다르게 한다는 형으로 반영시키고 있다. 이것에 의하면 연료전지의 재기동시에 있어서, 통상의 운전시와 동일한 정도의 정밀도가 높은 가스 누출 판정을 행하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 연료가스 누출 판정방법에서는, 연료전지의 재기동시에 있어서 연료극에서의 질소의 농도가 일시적으로 높아지는 것을 고려하고, 그 질소의 농도에 따라 가스 누출 판정값을 변경함으로써 가스 누출 판정을 고정밀도로 행하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 연료가스 누출 판정방법에 의하면, 연료가스의 투과량 및 연료전지의 방치시간 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 의거하여 연료극에서의 질소의 농도를 추정하고, 이것에 의거하여 가스 누출 판정을 고정밀도로 행하는 것이 가능해진다. 실제로 수소의 투과속도와 질소와 투과속도는 다르기 때문에, 수소가스의 공기극에의 투과량으로부터는 질소농도를 추정하기 어려운 것이 실정이나, 본 발명에 의하면 상기한 바와 같이 하여 질소농도를 추정하고, 가스 누출 판정을 행할 수 있다.
또한 본 발명의 연료가스 누출 측정방법에 의하면, 운전 정지시에 있어서의 연료전지 스택의 온도와, 연료전지의 재기동시에 있어서의 연료극의 압력과, 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기까지의 방치시간에 의거하여 연료극에서의 질소농도를 정밀도 좋게 추정하고, 이것에 의거하여 가스 누출 판정을 정밀도 좋게 행하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명에 기재된 연료전지시스템에서도, 크로스 리크에 의하여 연료극측의 질소농도가 일시적으로 높아진다는 현상에 착안하여, 그 질소농도를 정밀도 좋게 검출 내지는 추정한 다음에, 그 결과를 연료가스 누출 판정에 이용하는 판정 레벨을 다르게 한다는 형으로 반영시키고 있다. 이것에 의하여 연료전지의 재기동시에 있어서, 통상의 운전시와 동일한 정도의 정밀도가 높은 가스 누출 판정을 행 하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 연료전지시스템에서는, 연료전지의 재기동시에 있어서 연료극에서의 질소의 농도가 일시적으로 높아지는 것을 고려하여, 그 질소 농도에 따라 가스 누출 판정값을 변경함으로써 가스 누출 판정을 고정밀도로 행할 수 있다.
또, 본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 운전 정지시에 있어서의 연료전지 스택의 온도와, 연료전지의 재기동시에 있어서의 연료극의 압력과, 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기까지의 방치시간에 의거하여 연료극에서의 질소농도를 정밀도 좋게 추정하고, 그 추정결과에 의거하여 가스 누출 판정을 정밀도 좋게 행할 수 있다.

Claims (7)

  1. 연료전지의 연료극측에 형성되어 있는 폐쇄 공간에서의 압력 변화를 검출하고, 상기 압력 변화의 검출결과에 의거하여 가스 누출 판정값을 참조하여 상기 폐쇄 공간에서의 연료가스 누출의 판정을 행하는 연료전지시스템에서의 연료가스 누출 판정방법에 있어서,
    상기 연료극에서의 질소의 농도에 따라 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하고, 상기 연료가스 누출의 판정을 행하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템에서의 연료가스 누출 판정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 질소의 농도에 따라 상기 가스 누출 판정값을 변경함으로써, 상기 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템에서의 연료가스 누출 판정방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료극에서의 질소의 농도를, 연료전지의 전해질막을 투과하여 공기극측으로 누출한 상기 연료가스의 투과량과, 상기 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기까지의 방치시간 중 적어도 어느 한쪽에 의거하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템에서의 연료가스 누출 판정방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료극에서의 질소의 농도를, 운전 정지시에서의 연료전지 스택의 온도와, 연료전지의 재기동시에 있어서의 상기 연료극의 압력과, 상기 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기까지의 방치시간에 의거하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템에서의 연료가스 누출 판정방법.
  5. 연료가스의 공급을 받아 발전하는 연료전지와, 상기 연료전지에 연료가스를 급배하는 연료가스계와, 상기 연료가스계에 설치되어 있는 조압밸브와, 상기 연료가스계에 형성되는 폐쇄 공간에서의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 연료가스계에 형성되는 폐쇄 공간에서의 가스 누출을 판정하는 가스 누출 판정부를 구비한 연료전지시스템에 있어서,
    상기 가스 누출 판정부는, 상기 압력센서에 의하여 검출된 상기 폐쇄 공간에서의 압력의 변화에 의거하여 가스 누출 판정값을 참조하여 가스 누출을 판정하는 것이고, 상기 연료극에서의 질소의 농도에 따라 상기 가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하여 상기 연료가스 누출의 판정을 행하는 것임을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 가스 누출 판정부는, 상기 질소의 농도에 따라 상기 가스 누출 판정값 의 변경을 행함으로써, 상기 연료가스 누출의 판정 레벨을 다르게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    연료전지 스택의 온도를 검출하는 스택 온도 검출수단과, 상기 연료극의 압력을 검출하는 연료극 압력 검출수단과, 상기 방치시간을 계측하는 방치시간 계측수단을 구비하고,
    상기 연료극에서의 질소의 농도를, 운전 정지시에 있어서의 연료전지 스택의 온도와, 연료전지의 재기동시에 있어서의 상기 연료극의 압력과, 상기 연료전지가 정지하고 나서 재기동되기까지의 방치시간에 의거하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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