KR100996695B1 - 연료 전지 시스템 및 그 작동 정지 방법 - Google Patents

Abstract

연료 전지 시스템(1)은 연료 전지(10), 연료 전지(10)에 연료 가스를 공급하기 위한 수소 가스 배관 시스템(3), 및 그 하류측에 수소 가스를 공급하기 위해 수소 가스 배관 시스템(3)의 상류측의 압력을 조정하기 위한 인젝터(35)를 포함한다. 연료 전지 시스템(1)은 인젝터(35)의 상류측과 하류측을 연통하는 내부 유로 및 이동 위치에 따라 복수의 단계에서 유로 개구면적을 변경하기 위해 내부 유로에 이동가능하게 배치되는 밸브 몸체(65)를 더 포함한다. 시스템 정지시에, 적어도 인젝터(35)의 밸브 몸체(65) 주위의 수분은 감소된다. 이러한 구성에 따르면, 시스템 정지시에 인젝터 내의 가동부인 밸브 몸체 주위의 수분이 감소되기 때문에, 연료 전지 시스템이 저온 환경에 노출되는 경우에도 인젝터 내의 수분의 동결에 기인하는 밸브 몸체의 고정을 억제하는 것이 가능하다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 작동 정지 방법{FUEL CELL SYSTEM AND ITS OPERATION STOP METHOD}

본 발명은 연료 전지의 가스 공급 시스템에 인젝터가 제공되는 연료 전지 시스템, 및 상기 시스템의 작동 정지 방법에 관한 것이다.

현재, 반응 가스(연료 가스 및 산화 가스)의 공급을 받아 전력을 발생시키는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템이 제안되고, 실용화되어 왔다. 이러한 연료 전지 시스템에는 수소 탱크와 같은 연료 공급원으로부터 공급되는 연료 가스를 연료 전지로 이끌기 위한 연료 공급 유로가 제공된다.

한편, 연료 공급원으로부터의 연료 가스의 공급 압력이 현저하게 높은 경우, 공급 압력을 일정한 값으로 감소시키는 압력 조정 밸브(조절기)가 연료 공급 유로를 따라서 배치되는 것이 일반적이다. 근래에 있어서는, 연료 가스의 공급 압력을 예컨대, 2 단계로 변화시키기 위한 기계식 가변 압력 조정 밸브(가변 조절기)가 연료 공급 유로를 따라서 배치되고, 그로 인해 상기 시스템의 작동 상태에 근거하여 연료 가스의 공급 압력이 변경되는 기술이 제안된다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 JP2004-139984A 참조).

그러나, 상술된 JP2004-139984A에 개시되는 종래의 기계식 가변 압력 조정 밸브의 구조로 인하여 연료 가스의 공급 압력을 신속히 변화시키는 것은 곤란하였고(즉, 응답성이 낮음), 더 나아가, 목표 압력이 다단계로 변경되는 고-정밀 압력 조정은 실행될 수 없었다.

더욱이, 종래의 기계식 가변 압력 조정 밸브는 비교적 복잡한 구성을 가지기 때문에, 상기 밸브는 큰 크기를 가지며, 제조 비용이 증가한다. 또한, 종래의 기계식 가변 압력 조정 밸브는 단지 연료 가스의 공급 압력을 변화시키기 때문에, 연료 가스의 공급을 차단하기 위한 차단 밸브가 개별적으로 배치될 필요가 있다. 그러므로, 상기 시스템의 대형화(설치 공간의 증대) 및 설비 비용의 증가의 문제가 초래된다.

상기 문제를 해결하기 위해서, 연료 전지의 작동 상태에 근거하여 연료 가스의 공급 압력을 적절하게 변화시킬 수 있는 높은 응답성의 연료 전지 시스템이 요구되어 왔다. 그러나, 연료 전지의 발전에 따라서 산화 가스 공급 시스템 측에서 생성되는 수분이 연료 전지를 통과하고 연료 전지 시스템의 연료 공급 시스템에 들어간다. 그러므로, 만약 압력 조정 밸브에 잔류하는 수분이 언다면, 저온 시동시에 있어서 압력 조정 밸브의 안정된 작동이 저해된다.

본 발명은 이러한 사정을 고려하여 이루어져 왔고, 목적은 저온 시동시에 있어서도 안정적으로 작동하고 연료 전지의 작동 상태에 근거하여 연료 가스의 공급 압력이 적절하게 변경될 수 있는 높은-응답성의 연료 전지 시스템, 및 상기 시스템의 작동 정지 방법을 제공하는 것이다.

상술된 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 연료 전지 시스템은 연료 전지; 연료 전지에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템; 및 가스 공급 시스템의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 가스를 공급하는 인젝터를 포함하되, 인젝터는 인젝터의 상류측과 인젝터의 하류측을 연통하기 위한 내부 유로, 및 유로의 개방/폐쇄 상태를 변경하기 위해 내부 유로에 이동가능하게 배치되는 밸브 몸체를 포함하고, 상기 시스템은, 시스템이 정지하는 경우 또는 그 후에 적어도 인젝터의 밸브 몸체 주위의 수분을 감소시키기 위한 수분 감소 수단을 더 포함한다.

이러한 구성에 따르면, 연료 전지의 작동 상태(연료 전지의 발전량(전력, 전류, 및 전압), 연료 전지의 온도, 연료 전지 시스템의 이상 상태, 연료 전지 본체의 이상 상태 등)에 근거하여, 인젝터의 작동 상태(인젝터의 밸브 몸체의 개구도(가스의 통과 면적), 인젝터의 밸브 몸체의 개방 시간(가스의 분사 시간) 등)가 설정될 수 있다. 그러므로, 연료 전지의 작동 상태에 근거하여 연료 가스의 공급 압력이 적절하게 변경될 수 있고, 응답성이 개선될 수 있다. "가스 상태"란 가스의 상태(유량, 압력, 온도, 몰농도 등)를 의미하고, 특히 가스 유량 및 가스 압력 중 적어도 하나를 포함함을 유의한다.

더욱이, 수분 감소 수단은 시스템이 정지하는 경우 인젝터 내의 가동부인 밸브 몸체 주위의 수분을 감소시킨다. 그러므로, 연료 전지 시스템이 저온 환경에 노출되는 경우에도, 인젝터 내의 수분의 동결에 기인하는 밸브 몸체의 고정이 억제될 수 있다.

인젝터는 통전(application of current)에 의하여 밸브 몸체를 구동하기 위한 밸브 몸체 구동부(예를 들어, 솔레노이드(solenoid))를 포함할 수 있고, 수분 감소 수단은 밸브 몸체 구동부에의 통전을 제어하여 밸브 몸체 주위의 수분을 감소시킬 수도 있다.

이러한 구성에 따르면, 통전에 기인하는 밸브 몸체 구동부의 발열에 의해 반응 가스의 온도가 상승되기 때문에, 온도 상승으로 인하여 기화된 밸브 몸체 주위의 수분의 적어도 일부는 인젝터로부터 용이하게 배출된다. 반응 가스가 온도 상승 가스로서 사용되기 때문에, 온도 상승 가스를 공급하기 위해 다른 배관 시스템 등이 추가될 필요는 없다.

수분 감소 수단은 인젝터의 밸브 몸체 구동부에 폐쇄 밸브 상태를 유지하기 위한 전류를 통전하여 반응 가스의 온도를 상승시키고, 그 후에 인젝터의 밸브를 개방한다.

이러한 구성에 따르면, 인젝터가 폐쇄 밸브 상태로 남아 있는 동안 밸브 몸체 구동부에 의해 반응 가스의 온도가 상승되기 때문에, 보다 적은 가스량에 의해 수분 감소 처리가 실행될 수 있다.

본 발명의 연료 전지 시스템에 있어서, 인젝터는 연료 전지의 연료 전극 측에 연통하는 연료 가스 공급 시스템에 배치되고, 그리고 수분 감소 수단은 인젝터의 밸브가 개방되기 전에, 연료 전지의 연료 전극 측의 압력을 시스템이 정지한 후의 목표 압력보다 더 낮아지도록 감소시킬 수도 있다.

이러한 구성에 따르면, 예컨대 연료 공급이 차단된 상태에서 연료 전지의 발전을 실행함으로써 연료 전극 측의 압력이 기결정된 목표 압력보다 더 낮아지도록 감소되기 때문에, 연료 가스 공급 시스템에 배치되는 인젝터 내의 수분의 기화가 촉진될 수 있다.

상기 시스템은 인젝터의 상류측 상의 반응 가스 공급원으로부터의 가스 공급을 차단하기 위한 차단 밸브를 더 포함하되, 수분 감소 수단은 차단 밸브를 폐쇄하고, 그 후에 인젝터의 밸브를 개방하기 위해 필요한 전류(소위 돌입 전류)를 밸브 몸체 구동부에 계속적으로 통전하고, 차단 밸브를 개방하여 반응 가스 공급원으로부터의 반응 가스를 인젝터에 공급하고, 그 후에 인젝터의 밸브를 폐쇄하고 차단 밸브를 폐쇄할 수도 있다.

이러한 구성에 따르면, 차단 밸브가 폐쇄되기 때문에, 인젝터의 밸브가 개방되는 경우에도 반응 가스는 인젝터에 공급되지 않는다. 또한, 인젝터의 밸브를 개방하기 위해 필요한 전류, 즉, 소위 개방 밸브 상태 유지 전류보다 더 큰 전류가 계속해서 솔레노이드에 통전된다. 그러므로, 인젝터 내의 가스의 온도는 단시간에 상승될 수 있고, 인젝터 내의 수분은 효율적으로 기화할 수 있다.

이러한 상태로부터 차단 밸브가 개방되는 경우, 인젝터 내의 온도 상승 가스는, 차단 밸브의 상류측(반응 가스 공급원)으로부터 공급되는 반응 가스로 인하여 수분의 적어도 일부가 기화되는 수분과 함께 인젝터의 밖으로 압출된다. 그 후에, 인젝터의 밸브가 폐쇄되고 차단 밸브가 폐쇄되고, 그로 인해 수분 감소 처리는 완료된다.

본 발명의 연료 전지 시스템은 연료 전지로부터 배출되는 반응 가스의 오프-가스를 연료 전지에 되돌려 보내기 위한 순환 유로, 및 순환 유로에 배치되는 펌프를 더 포함할 수 있되, 수분 감소 수단은, 펌프의 회전수가 기결정된 회전수 이하인 경우에 밸브 몸체 주위의 수분을 감소시키는 처리를 실행할 수도 있다.

이러한 구성에 따르면, 펌프의 회전수가 충분히 낮고 인젝터로부터의 가스 흐름의 하류측의 순환 유로로부터 물튐(water splash)이 없는 상태에서 수분 감소 처리가 실행될 수 있다.

수분 감소 수단은 연료 전지에 의한 발전(예를 들면, 시스템 정지 명령을 수신한 후에 실행되는 반응 가스의 소비를 위한 발전 및 가스 공급 시스템의 압력 감소를 위한 발전을 포함함)을 전부 종료한 후에, 밸브 몸체 주위의 수분을 감소시키는 처리를 실행할 수도 있다.

이러한 구성에 따르면, 발전에 수반하는 수분의 생성 및 발전을 위해 필요한 가스의 공급이 실행되지 않는 상태로 수분 감소 처리가 실행되어, 인젝터 내의 밸브 몸체에 수분의 부착이 억제된다.

수분 감소 수단은, 수분 감소 처리의 한 실시형태인 결로(dew condensation) 억제 처리로서, 예를 들어, 인젝터의 밸브 몸체 구동부에 폐쇄 밸브 상태를 유지하기 위한 전류를 기결정된 시간 동안 통전하고, 그 후 통전을 정지시킬 수도 있다.

이러한 구성에 따르면, 개방 밸브 상태 유지 전류보다 더 작은 미약 전류가 기결정된 시간 동안 인젝터의 밸브 몸체 구동부를 통과하고, 그로 인해 밸브 몸체 구동부는 인젝터의 온도를 상승시키는 열을 발생시킨다. 그러므로, 인젝터보다 더 먼저 가스 공급 시스템의 배관에서 결로가 발생되어, 인젝터 내의 결로의 발생이 억제된다.

기결정된 시간은 외부 공기 또는 연료 전지의 온도에 근거하여 설정될 수도 있다.

이러한 구성에 따르면, 패쇄 밸브 유지 전류를 통전하는 시간을 최적화하는 것 및 결로 억제 처리를 포함하는 시스템 정지 처리를 위해 필요한 시간을 감소시키는 것이 가능하다.

수분 감소 수단은 시스템이 정지한 후에 인젝터의 밸브 몸체 구동부에 전류를 간헐적으로 통전할 수도 있다. 간헐적 통전시에 전류의 온(on)/오프(off)는 예를 들어, 타이머에 의해 제어된다.

수분 감소 수단은 인젝터의 밸브 몸체 주위의 결로의 발생이 예측되는 경우 인젝터의 밸브 몸체 구동부에 전류를 통전할 수도 있다.

이러한 구성에 따르면, 결로가 발생될 가능성이 없는 경우에는 불필요한 결로 억제 처리의 실행은 생략될 수 있다. 반면에, 시스템 정지시에 결로 억제 처리의 실행에도 불구하고, 환경 변화 등으로 인하여 결로가 발생될 수도 있는 경우에도, 결로의 발생이 억제될 수 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 작동 정지 방법은 연료 전지, 연료 전지에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템 및 가스 공급 시스템의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 가스를 공급하는 인젝터를 포함하는 연료 전지 시스템의 작동 정지 방법이되, 상기 방법은 시스템이 정지하는 경우 적어도 인젝터의 내부 유로에 배치되는 밸브 몸체 주위의 수분을 감소시키는 단계를 포함한다.

이러한 구성에 따르면, 시스템이 정지하는 경우 인젝터 내의 가동부인 밸브 몸체 주위의 수분이 감소되기 때문에, 비록 연료 전지 시스템이 저온 환경에 노출될지라도, 인젝터 내의 수분의 동결에 기인하는 밸브 몸체의 고정이 억제된다.

본 발명에 따르면, 시스템이 정지하는 경우 인젝터의 밸브 몸체 주위에 존재하는 수분이 감소될 수 있기 때문에, 인젝터 내의 동결에 기인하는 작동 결함이 억제될 수 있고, 저온 환경에서 시동 신뢰성이 개선될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성 다이어그램이며;

도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 제어 장치의 제어 형태를 도시하는 제어 블록 다이어그램이며;

도 3은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템에서 사용하기 위한 인젝터의 종단면도이며;

도 4는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 다른 실시예에 따른 인젝터에 가해지는 전류와 연료 전극 측의 압력 사이의 관계를 도시하는 다이어그램이며;

도 5는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 다른 실시예에 따른 인젝터에 가해지는 전류와 시스템-시동/정지 신호 사이의 관계를 도시하는 다이어그램이며;

도 6은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 다른 실시예에 따른 인젝터에 가해지는 전류와 시스템 정지 후의 경과 시간 사이의 관계를 도시하는 다이어그램이며;

도 7은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 또 다른 실시예를 도시하는 구성 다이어그램이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)이 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 실시예에서는, 본 발명이 연료 전지 차량(이동체)의 차량 탑재용 발전 시스템에 적용되는 일례가 설명될 것이다.

우선, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)의 구성이 도 1을 참조하여 설명될 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)은 반응 가스(산화 가스 및 연료 가스)의 공급을 받아 전력을 발생시키는 연료 전지(10), 연료 전지(10)에 산화 가스로서 공기를 공급하는 산화 가스 배관 시스템(2), 연료 전지(10)에 연료 가스로서 수소 가스를 공급하는 수소 가스 배관 시스템(3), 시스템 전체를 통합적으로 제어하는 제어 장치(4) 등을 포함한다.

연료 전지(10)는 반응 가스의 공급을 받아 전력을 발생시키는 단일 전지의 필요한 수가 라미네이팅(laminating)함으로써 구성되는 적층 구조를 갖는다. 연료 전지(10)에 의해 발생된 전력은 전력 제어 유닛(PCU)(11)에 공급된다. PCU(11)는 연료 전지(10)와 트랙션 모터(12) 사이에 배치되는 인버터, DC-DC 컨버터 등을 포함한다. 발전 중의 전류를 검출하기 위한 전류 센서(13)가 연료 전지(10)에 부착된다.

산화 가스 배관 시스템(2)은 가습기(20)에 의해 가습되는 산화 가스(공기)를 연료 전지(10)에 공급하는 공기 공급 유로(21), 연료 전지(10)로부터 배출되는 산화 오프-가스를 가습기(20)로 이끄는 공기 배출 유로(22), 및 가습기(20)로부터의 산화 오프-가스를 외부로 이끌기 위한 배기 유로(23)를 포함한다. 공기 공급 유로(21)에는 대기 내의 산화 가스를 흡수하여 압력하에서 가습기(20)에 가스를 공급하는 압축기(24)가 제공된다.

수소 가스 배관 시스템(3)은 높은 압력(예를 들면, 70 MPa)에서 수소 가스가 저장되는 연료 공급원(반응 가스 공급원)으로서의 수소 탱크(30), 수소 탱크(30) 내의 수소 가스를 연료 전지(10)에 공급하기 위한 연료 공급 유로로서의 수소 공급 유로(31), 및 연료 전지(10)로부터 배출되는 수소 오프-가스(반응 가스의 오프 가스)를 수소 공급 유로(31)에 되돌려 보내기 위한 순환 유로(32)를 포함한다. 수소 가스 배관 시스템(3)은 본 발명에 따른 가스 공급 시스템의 일 실시예이다.

수소 탱크(30) 대신에, 탄화 수소계의 연료로부터 수소-리치(rich) 개질 가스를 생성하는 개질기(reformer), 및 개질기에 의해 생성된 개질 가스를 고압 상태에서 축적하고 저장하는 고압 가스 탱크가 연료 공급원으로서 채택될 수도 있음을 유의한다. 더욱이, 수소 흡수 합금을 가지는 탱크가 연료 공급원으로서 채택될 수도 있다.

수소 공급 유로(31)에는 수소 탱크(30)로부터의 수소 가스의 공급을 차단 또는 허용하는 차단 밸브(33), 수소 가스의 압력을 조정하는 조절기(34), 및 인젝터(35)가 제공된다. 인젝터(35)의 상류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소 가스의 압력 및 온도를 검출하는 1차측 압력 센서(41) 및 온도 센서(42)가 각각 배치된다. 인젝터(35)의 하류측 및 수소 공급 유로(31) 및 순환 유로(32)의 합류부의 상류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소 가스의 압력을 검출하는 2차측 압력 센 서(43)가 배치된다.

조절기(34)는 그 상류측 압력(1차 압력)을 기설정된 2차 압력으로 조정하는 장치이다. 본 실시예에서는, 1차 압력을 감소시키는 기계식의 감압 밸브가 조절기(34)로서 채택된다. 기계식의 감압 밸브의 구성으로서, 밸브가 격판(diaphragm)을 매개로 하여 개별적으로 형성되는 배압 챔버(back pressure) 및 압력 조정 챔버를 포함하는 하우징(housing)을 구비하고, 1차 압력이 배압 챔버 내의 배압에 근거하여 기결정된 압력으로 감소되어 압력 조정 챔버 내의 2차 압력으로 되는 공지의 구성이 채택될 수 있다.

본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 조절기(34)가 인젝터(35)의 상류측에 배치되어, 인젝터(35)의 상류측 압력이 효과적으로 감소될 수 있다. 그러므로, 인젝터(35)의 기계적 구조(밸브 몸체, 하우징, 유로, 구동 장치 등)의 설계 자유도가 개선될 수 있다.

더욱이, 인젝터(35)의 상류측 압력이 감소될 수 있기 때문에, 인젝터(35)의 상류측 압력과 하류측 압력과의 차이 압력의 증가로 인하여 인젝터(35)의 밸브 몸체(65)가 용이하게 이동하지 못하는 것이 방지될 수 있다. 그러므로, 인젝터(35)의 하류측 압력의 가변 압력 조정 범위가 넓어질 수 있고, 인젝터(35)의 응답성의 저하가 억제될 수 있다.

인젝터(35)는, 밸브 몸체(65)가 전자기 구동력에 의해 직접적으로 기결정된 구동 주기로 구동되고, 밸브 시트로부터 분리되어 가스 유량 또는 가스 압력과 같은 가스 상태를 조정할 수 있는 전자기 구동식 개방/폐쇄 밸브이다. 즉, 인젝 터(35)에서, 밸브(밸브 몸체 및 밸브 시트)가 전자기 구동력에 의해 직접적으로 구동되어 개방 또는 폐쇄하고, 밸브의 구동 주기가 높은 응답 범위로 제어가능하고, 그러므로 인젝터는 높은 응답성을 갖는다.

도 3은 인젝터(35)의 일 실시예를 도시하는 단면도이다. 인젝터(35)는 수소 공급 유로(연료 공급 시스템)(31)의 일부를 구성하고, 내부 유로(53)의 한 입구부(51)는 수소 공급 유로(31)의 수소 탱크(30) 측에 배치되고 내부 유로(53)의 다른 입구부(52)는 수소 공급 유로(31)의 연료 전지(10) 측에 배치되는 방식으로 형성되는 내부 유로(53)가 제공되는 금속제 실린더(54)를 갖는다. 실린더(54)에는 입구부(51)에 연결되는 제1 통로부(56), 입구부(51)의 반대 측의 제1 통로부(56)에 연결되고 제1 통로부(56)보다 더 큰 지름을 가지는 제2 통로부(57), 제1 통로부(56)의 반대 측의 제2 통로부(57)에 연결되고 제2 통로부(57)보다 더 큰 지름을 가지는 제3 통로부(58), 및 제2 통로부(57)의 반대 측의 제3 통로부(58)에 연결되고 제2 통로부(57) 또는 제3 통로부(58)보다 더 큰 지름을 가지는 제4 통로부(59)가 제공된다. 이들 부분은 내부 유로(53)를 구성한다.

더욱이, 인젝터(35)는 제3 통로부(58) 측의 제4 통로부(59)의 개구를 감싸도록 배치되는 실링 부재로 구성되는 밸브 시트(61); 제2 통로부(57)에 이동 가능하게 삽입되는 원통부(62) 및 제3 통로부(58)에 배치되고 제2 통로부(57)보다 더 큰 지름을 가지는 우산부(63)를 가지고, 우산부(63)에 비스듬하게 형성되는 연통 구멍(64)이 제공되는 금속제의 밸브 몸체(65); 밸브 몸체(65)의 원통부(62)에 삽입되는 한 말단 및 제1 통로부(56)에 형성되는 스토퍼(stopper)(66)에 연동되 는(engaged) 다른 말단을 가지고, 그로 인해 밸브 몸체(65)가 밸브 시트(61)와 접촉하도록 허용되고 내부 유로(53)가 차단되는 스프링(67); 및 스프링(67)의 가세력(urging power)에 대항하여 밸브 몸체가 제2 통로부(57) 측의 제3 통로부(58)의 단계부(68)와 접촉하기 전까지 밸브 몸체(65)를 이동시키고, 그로 인해 밸브 몸체(65)가 밸브 시트(61)로부터 멀어지도록 허용되어, 연통 구멍(64)을 통하여 내부 유로(53)가 개방되는 솔레노이드(밸브 몸체 구동부)(69)를 구비한다.

본 실시예에서는, 인젝터(35)의 밸브 몸체(65)는 전자기 구동 장치인 솔레노이드(69)에의 통전을 제어함으로써 구동되고, 솔레노이드(69)에 공급되는 펄스형의 여자(勵磁, excitation) 전류는 온 또는 오프되어, 내부 유로(53)의 개방 시간(개방 밸브 상태의 시간) 또는 개구면적이 2 단계, 다단계, 연속적(단계 없음) 방식, 또는 선형 방식으로 전환될 수 있다. 즉, 인젝터(35)의 개방/폐쇄 상태의 제어 방법으로서, 적어도 밸브 개방 시간을 변경하는 방법 및 개구면적을 변경하는 방법이 있다.

그리고, 제어 장치(4)로부터 출력되는 제어 신호에 따라서, 인젝터(35)의 가스 분사 시간 및 가스 분사 시기가 제어되어, 그로 인해 그로 인해 수소 가스의 유량 및 압력이 고도로 정밀하게 제어된다.

상술된 바와 같이, 인젝터(35)의 하류측에 필요한 유량의 가스를 공급하기 위해, 인젝터(35)의 내부 유로(53)에 배치되는 밸브 몸체(65)의 개구면적(개구도) 및 개방 시간 중 적어도 하나가 변경되어, 그로 인해 하류측(연료 전지(10) 측)에 공급되는 가스의 유량(또는 수소 몰농도)이 조정된다.

인젝터(35)의 밸브 몸체(65)가 개방 또는 폐쇄되어 가스 유량을 조정하고, 더 나아가, 인젝터(35)의 하류측에 공급되는 가스의 압력이 인젝터(35)의 상류 가스 압력 아래로 감소되어, 인젝터(35)는 압력 조정 밸브(감압 밸브, 조절기)로 해석될 수 있음을 유의한다. 본 실시예에서는, 인젝터는, 가스 요구에 근거하여 압력이 기결정된 압력 범위에서 요구되는 압력과 일치하도록 인젝터(35)의 상류 가스 압력의 압력 조정량(감압량)을 변화시킬 수 있는 가변 압력 조정 밸브로 해석될 수 있다.

본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수소 공급 유로(31)와 순환 유로(32)의 합류부(A1)로부터 상류측 상에 인젝터(35)가 배치됨을 유의한다. 더욱이, 도 1의 파선으로 도시된 바와 같이, 복수의 수소 탱크(30)가 연료 공급원으로서 채택되는 경우에는, 각각의 수소 탱크(30)로부터 공급되는 수소 가스가 서로 합류하는 부분(수소 가스 합류부(A2))으로부터 하류측 상에 인젝터(35)가 배치된다.

순환 유로(32)는 기체-액체 분리기(36) 및 가스 및 수분 배출 밸브(37)를 매개로 하여 배출 유로(38)에 연결된다. 기체-액체 분리기(36)는 수소 오프-가스로부터 수분을 회수한다. 가스 및 수분 배출 밸브(37)는 제어 장치(4)로부터의 지시에 따라서 작동하여 기체-액체 분리기(36)에 의해 회수된 수분 및 순환 유로(32) 내의 불순물을 포함하는 수소 오프 가스를 외부로 배출(퍼지(purge))한다.

더욱이, 순환 유로(32)에는 순환 유로(32) 내의 수소 오프-가스를 가압하여 수소 공급 유로(31)를 향하여 가스를 공급하는 수소 펌프(39)가 제공된다.

수소 오프 가스는 가스 및 수분 배출 밸브(37) 및 배출 유로(38)를 매개로 하여 배출되고, 그 후 희석 유닛(40)에 의해 희석되어 배기 유로(23) 내의 산화 오프 가스와 합류함을 유의한다.

제어 장치(4)는 차량에 배치되는 가속 작동 장치(가속 장치(accelerator) 등)의 작동량을 검출하고, 요구 가속값(예를 들어, 트랙션 모터(12)와 같은 부하(load) 장치로부터의 요구 발전량)과 같은 제어 정보를 수신하여 시스템의 다양한 장치의 작동을 제어한다.

부하 장치는 트랙션 모터(12)뿐만 아니라, 연료 전지(10)를 작동하기 위해 필요한 보조 기계(예를 들어, 압축기(24), 수소 펌프(39), 냉각 펌프의 모터 등), 차량의 주행에 관여하는 다양한 장치(예를 들어, 변속기, 휠 제어 장치, 스티어링 장치, 서스펜션(suspension) 장치 등)에서 사용하기 위한 액츄에이터, 및 승객 공간의 공기 조절 장치(에어컨), 조명 램프, 오디오 유닛 등을 포함하는 전기 소비 장치를 일반적으로 지칭한다.

제어 장치(4)는 컴퓨터 시스템(도시 안됨)으로 구성된다. 이러한 컴퓨터 시스템은 CPU, ROM, RAM, HDD, 입력/출력 인터페이스, 디스플레이 등을 포함하고, CPU는 ROM에 기록된 다양한 제어 프로그램을 읽고 실행하여 다양한 제어 작동을 실현한다.

구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 장치(4)는 연료 전지(10)의 작동 상태(발전 동안 전류 센서(13)에 의해 검출된 연료 전지(10)의 전류값)에 근거하여 연료 전지(10)에 의해 소비되는 수소 가스의 양(이하, "수소 소비량"으로 지칭)을 산출한다(연료 소비량 산출 기능: B1). 본 실시예에서는, 연료 전지(10)의 전류값과 수소 소비량 사이의 관계를 나타내는 특정의 연산식을 사용하여 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 수소 소비량이 산출 및 갱신된다.

더욱이, 제어 장치(4)는 연료 전지(10)의 작동 상태(발전 동안 전류 센서(13)에 의해 검출된 연료 전지(10)의 전류값)에 근거하여 인젝터(35)의 하류 위치에 있어서 수소 가스의 목표 압력값(연료 전지(10)에의 목표 가스 공급 압력)을 산출한다(목표 압력값 산출 기능: B2). 본 실시예에서는, 연료 전지(10)의 전류값과 목표 압력값 사이의 관계를 나타내는 특정의 맵을 사용하여 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 2차측 압력 센서(43)가 배치되는 위치(압력 조정이 요구되는 위치인 압력 조정 위치)에 있어서 목표 압력값이 산출 및 갱신된다.

더욱이, 산출된 목표 압력값과 2차측 압력 센서(43)에 의해 검출되는 인젝터(35)의 하류 위치(압력 조정 위치)에서의 검출 압력값 사이의 편차에 근거하여, 제어 장치(4)는 피드백 보정 유량을 산출한다(피드백 보정 유량 산출 기능: B3). 피드백 보정 유량은, 목표 압력값과 검출 압력값 사이의 편차를 감소시키기 위해 수소 소비량에 가산되는 수소 가스 유량(압력 편차 감소 보정 유량)이다. 본 실시예에서는, PI 제어 등의 목표 추종형 제어 규칙을 사용하여 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 피드백 보정 유량이 산출 및 갱신된다.

또한, 제어 장치(4)는 이전에 산출된 목표 압력값과 이번에 산출된 목표 압력값 사이의 편차에 대응하는 피드포워드(feedforward) 보정 유량을 산출한다(피드포워드 보정 유량 산출 기능: B4). 피드포워드 보정 유량은 목표 압력값의 변동에 기인하는 수소 가스 유량의 변동량(압력 편차에 대응하는 보정 유량)이다. 본 실시 예에서는, 목표 압력값의 편차와 피드포워드 보정 유량 사이의 관계를 나타내는 특정의 연산식을 사용하여 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 피드포워드 보정 유량이 산출 및 갱신된다.

더욱이, 제어 장치(4)는, 인젝터(35)의 상류측에서의 가스 상태(1차측 압력 센서(41)에 의해 검출되는 수소 가스의 압력 및 온도 센서(42)에 의해 검출되는 수소 가스의 온도)에 근거하여 인젝터(35)의 상류의 정적 유량을 산출한다(정적 유량 산출 기능: B5). 본 실시예에서는, 인젝터(35)의 상류측에서의 수소 가스의 압력 및 온도와 정적 유량 사이의 관계를 나타내는 특정의 연산식을 사용하여 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 정적 유량이 산출 및 갱신된다.

또한, 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 상류측에서의 가스 상태(즉, 수소 가스의 압력 및 온도) 및 인가 전압에 근거하여 인젝터(35)의 무효 분사 시간을 산출한다(무효 분사 시간 산출 기능: B6). 여기에서, 무효 분사 시간이란, 인젝터(35)가 제어 장치(4)로부터 제어 신호를 수신한 때부터 분사가 실제로 개시될 때까지의 시간을 의미한다. 본 실시예에서는, 인젝터(35)의 상류측에서의 수소 가스의 압력 및 온도 및 인가 전압 및 무효 분사 시간 사이의 관계를 나타내는 특정한 맵을 사용하여 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 무효 분사 시간이 산출 및 갱신된다.

또한, 제어 장치(4)는 수소 소비량, 피드백 보정 유량, 및 피드포워드 보정 유량을 가산하여 인젝터(35)의 분사 유량을 산출한다(분사 유량 산출 기능: B7). 그리고, 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 구동 주기에 인젝터(35)의 분사 유량을 정적 유량으로 나누어 얻은 값을 곱하여 인젝터(35)의 기본 분사 시간을 산출하고, 상기 장치는 이 기본 분사 시간 및 무효 분사 시간을 또한 가산하여 인젝터(35)의 총 분사 시간을 산출한다(총 분사 시간 산출 기능: B8).

여기에서, 구동 주기란 인젝터(35)의 분사 구멍의 개방/폐쇄 상태를 나타내는 단계형(on/off) 파형의 주기를 의미한다. 본 실시예에서, 제어 장치(4)에 의하여 구동 주기는 일정한 값으로 설정된다.

그리고 제어 장치(4)는 상술된 절차에 의해 산출된 인젝터(35)의 총 분사 시간을 실현하기 위한 제어 신호를 출력하여 인젝터(35)의 가스 분사 시간 및 가스 분사 시기를 제어하고, 그로 인해 연료 전지(10)에 공급되는 수소 가스의 유량 및 압력이 조정된다.

연료 전지 시스템(1)의 통상 작동 동안에는, 수소 가스가 수소 공급 유로(31)를 매개로 하여 수소 탱크(30)로부터 연료 전지(10)의 연료 전극에 공급되고, 또한 가습 및 조정된 공기가 공기 공급 유로(21)를 매개로 하여 연료 전지(10)의 산화 전극에 공급되어, 그로 인해 발전이 실행된다. 이때, 연료 전지(10)로부터 추출되는 전력(요구 전력)은 제어 장치(4)에 의해 산출되고, 발전량에 대응하는 양만큼의 수소 가스 및 공기가 연료 전지(10)에 공급된다. 본 실시예에서는, 이러한 통상 작동 동안에 있어서 연료 전지(10)에 공급되는 수소 가스의 압력이 고도로 정밀하게 제어된다.

한편, 인젝터(35)는 또한 가습측(연료 전지(10) 측) 및 건조측(수소 탱크(30) 측)을 구획하는 밸브이고, 그러므로 인젝터의 동결에 대한 대책의 실행은 저온(예를 들어, 빙점 이하) 시동을 실현하는데 중요하다. 인젝터(35) 내의 수분이 감소되지 않은 상태로 연료 전지 시스템(1)이 정지하고 시스템의 다음 시동시에 온도가 빙점으로 떨어지는 경우, 수분의 동결에 기인하여 밸브 몸체(65)는 고정될 수 있고 작동 결함이 초래될 수도 있다.

인젝터(35) 내의 수분을 감소시키는 방법으로서, 인젝터(35)의 밸브 몸체(65)가 개방 밸브 상태로 유지되는 동안, 수소 가스가 내부 유로를 통하여 순환되어 이 수소 가스에 의해 내부 유로를 소기(sweep)하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이러한 경우에, 많은 양의 수소 가스가 연료 전지(10)에 공급되어, 연료 효율이 악화하는 문제가 초래된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 실시예의 연료 전지 시스템(1)에서는, 연료 효율의 저하를 억제하면서 인젝터(35) 내의 수분을 감소시키도록, 시스템이 정지하는 경우 인젝터(35) 내의 수분을 감소시키는 수분 감소 처리(소기 처리)가 실행된다. 수분 감소 처리는 제어 장치(4)에 의해 제어된다. 즉, 본 실시예의 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 통전의 제어 및 차단 밸브(33)의 개방 및 폐쇄의 제어 등을 실행하기 위한 수분 감소 수단의 일 실시예이다.

통상 작동 동안에, 인젝터(35)는 수소 탱크(30)로부터 공급되는 수소 가스에 의해 냉각된다. 그러나, 수소 가스의 흐름이 정지하는 상태에서는, 솔레노이드(69)에 의해 발생되는 열에 의해 인젝터(35) 내의 수소 가스는 가열된다. 그러므로, 이그니션(ignition) OFF와 같은 시스템 정지 명령을 수신하는 경우(시스템 정지시), 제어 장치(4)는 폐쇄 밸브 상태를 유지하기 위한 폐쇄 밸브 상태 유지 전류를 인젝터(35)의 솔레노이드(69)에 통전한다.

통전에 의해 솔레노이드(69)가 열을 발생시키는 경우, 열을 발생시키는 솔레노이드(69)에 의해 인젝터(35) 내에 잔존하는 수소 가스의 온도는 상승된다. 그 결과, 적어도 밸브 몸체(65) 주위에 존재하는 수분의 일부는 기화한다. 이어서, 제어 장치(4)는 폐쇄 밸브 상태를 해제하여 인젝터(35)의 밸브를 개방하고, 또한 이러한 개방 밸브 상태를 유지하기 위한 전류를 솔레노이드(69)에 계속적으로 통전하여, 그로 인해 인젝터(35)의 밸브를 개방한다.

그 다음에, 수소 탱크(30)로부터 공급되는 수소 가스와 함께, 밸브 몸체(65) 주위에 존재하고 온도가 상승된 수소 가스에 의해 부분적으로 기화된 수분은 인젝터(35)로부터 배출된다. 또한, 상승된 온도를 가지는 수소 가스가 밸브 몸체(65)를 포함하는 인젝터(35) 및 인젝터의 하류측의 배관의 온도를 상승시키기 때문에, 이후의 수분 결로도 억제된다.

상술된 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 시스템(1)에 따르면, 밸브 몸체(65) 주위에 존재하는 수분은 보다 적은 수소 가스를 사용하여 효율적으로 기화, 배출 및 감소될 수 있다. 즉, 연료 효율의 저하를 억제하면서 인젝터(35) 내의 수분이 감소될 수 있다. 그러므로, 저온에서 다음 시동시의 동결에 기인하는 인젝터(35)의 작동 결함이 억제될 수 있고, 저온 환경에서 시동 신뢰성이 개선될 수 있다.

더욱이, 본 실시예의 연료 전지 시스템(1)에 따르면, 연료 전지(10)의 작동 상태(발전 동안의 전류값)에 근거하여 인젝터(35)의 작동 상태(분사 시간)가 설정될 수 있다. 그러므로, 연료 전지(10)의 작동 상태에 근거하여 수소 가스의 공급 압력이 적절하게 변경될 수 있고, 응답성이 개선될 수 있다. 인젝터(35)는 수소 가스의 유량 조정 밸브 및 가변 압력 조정 밸브로서 채택되기 때문에, 높은 정밀도의 압력 조정(연료 전지(10)에 공급되는 수소 가스의 공급 압력의 조정)이 실행될 수 있다.

즉, 인젝터(35)는 연료 전지(10)의 작동 상태에 근거하여, 제어 장치(4)로부터의 제어 신호를 수신하여 수소 가스의 분사 시간 및 분사 시기를 조정할 수 있기 때문에, 종래의 기계식 가변 압력 조정 밸브와 비교했을 때 더욱 신속하고 정확하게 압력 조정이 실행될 수 있다. 인젝터(35)는, 종래의 기계식 가변 압력 조정 밸브와 비교했을 때, 소형이고 가볍고 그리고 저렴하기 때문에, 시스템 전체의 소형화 및 비용 절감을 실현하는 것이 가능하다.

상술된 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일례이고, 본 발명은 이러한 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 구성 부품이 적절하게 설계될 수 있다. 더욱이, 후술되는 다른 실시예가 상술된 실시예에 적절하게 조합 및 적용될 수도 있다.

예를 들어, 상기의 수분 감소 처리에 있어서, 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 밸브가 개방되기 전에 연료 전극 측의 압력을 감소시키는 제어를 실행할 수도 있다. 구체적으로, 인젝터(35)의 밸브가 폐쇄된 후에, 제어 장치(4)는 예컨대, 수소 가스 공급이 차단된 상태에서 연료 전지(10)가 발전을 하도록 만들어, 연료 전극 측의 압력을 기결정된 목표 압력보다 더 낮은 압력으로 감소시킨다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 수소 공급 유로(31)의 압력이 시스템이 최종 적으로 정지한 후의 최후 목표 압력(부호 (a))보다 더 낮은 압력(부호 (b))으로 미리 감소되도록, 수소 가스 공급이 차단된 상태에서 연료 전지(10)는 전력을 발생시키도록 허용된다. 이러한 압력 감소 처리 동안에, 상술된 바와 같이 인젝터(35)의 폐쇄 밸브 상태가 유지되는 방식(해제 안됨)으로 전류가 솔레노이드(69)에 통전되어 인젝터(35) 내의 수소 가스의 온도를 상승시킨다(부호 (c)).

그 후에, 부호 (d)에 의해 도시된 바와 같이 인젝터(35)의 밸브를 개방하기 위해 필요한 돌입 전류가 솔레노이드(69)에 통전되는 경우, 수소 탱크(30)로부터의 수소 가스는 인젝터(35)로 흘러들어가 밸브 몸체(65) 주위에 존재하는 수분을 날려버린다. 더욱이, 부호 (e)에 의해 도시된 바와 같이, 연료 전극 측의 압력은 상승하여 목표 압력(부호 (a))에 도달한다.

상술된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 연료 전지(10)의 연료 전극 측의 압력은 감소되고, 그로 인해 수소 공급 유로(31)에 배치되는 인젝터(35) 내의 수분의 기화가 촉진된다. 가스 및 수분 배출 밸브(37)에 의해 제어가 실행되는 경우와 비교했을 때, 시스템이 종료한 후의 목표 압력의 제어는 고도로 정밀하게 실행될 수 있다.

즉, 가스 및 수분 배출 밸브(37)에 의한 압력 제어에서는 제어되는 유체가 기체 및 액체의 혼합물이기 때문에, 정밀도의 개선에 제한이 있다. 제어되는 압력이 낮기 때문에, 밸브의 지름이 증가되어야 하고, 이러한 것은 응답성의 개선에 불리하다. 반면에, 본 실시예에서와 같이 인젝터(35)를 사용하는 압력 제어에 따르면, 시스템 정지 후의 목표 압력으로 압력이 고도로 정밀하게 제어될 수 있다. 그 러므로, 시스템이 정지하는 경우 산화 전극 측에의 수소 가스의 크로스 리크(cross leak) 양이 감소하고, 연료 효율이 개선될 수 있다.

더욱이, 수분 감소 처리로서, 제어 장치(4)는 차단 밸브(33)를 폐쇄하고, 그 뒤에 인젝터(35)의 밸브를 개방하기 위해 필요한 돌입 전류(돌입 전류 > 개방 밸브 상태 유지 전류)를 솔레노이드(69)에 계속적으로 통전하고, 차단 밸브(33)를 개방하여 계속적인 통전에 의해 수소 탱크(30)로부터의 수소 가스를 인젝터(35)에 공급하고, 그 후 인젝터(35)의 밸브를 폐쇄하고, 그리고 차단 밸브(33)를 폐쇄할 수도 있다.

일반적으로, 솔레노이드(69)의 제어에서는, 인젝터(35)의 밸브가 개방된 후에, 솔레노이드(69)에 공급되는 전류가 밸브를 개방하기 위해 필요한 돌입 전류보다 더 작은 개방 밸브 상태 유지 전류로 변경된다. 그러나, 본 실시예에서는, 인젝터(35)의 밸브가 개방된 후에도 개방 밸브 상태 유지 전류보다 더 큰 돌입 전류가 계속적으로 통전되기 때문에, 인젝터(35) 내의 수소 가스의 온도가 단기간에 상승될 수 있고, 또는 온도는 동일한 온도 상승 시간에서 더 높은 온도로 상승될 수 있고, 그리고 더욱 효율적인 수분 감소 처리가 실현될 수 있다.

더욱이, 제어 장치(4)는 수소 펌프(39)의 회전수가 기결정된 회전수 이하인 경우에만, 상기의 수분 감소 처리를 실행할 수도 있다. 예를 들어, 수소 펌프(39)와 인젝터(35) 사이의 배관 길이가 짧은 경우, 순환 유로(32)로부터 튀는 수분은 상류측에 위치되는 인젝터(35)의 밸브 몸체(65)에 때때로 부착된다. 그러나, 수소 펌프(39)의 회전수가 감소되는 경우, 하류측으로부터의 물튐은 없고, 인젝터(35)의 밸브 몸체(65)에 대한 수분 부착이 억제될 수 있다.

또한, 제어 장치(4)는, 연료 전지(10)에 의한 발전(예를 들어, 시스템 정지 명령을 수신한 뒤에 실행되는 수소 가스의 소비를 위한 발전 및 수소 가스 배관 시스템(3)의 압력 감소를 위한 발전을 포함함)을 전부 종료한 뒤에, 상기 수분 감소 처리를 실행할 수도 있다. 이러한 구성에 따르면, 발전에 수반하는 수분의 생성 및 발전을 위해 필요한 가스의 공급이 실행되지 않는 상태로 수분 감소 처리가 실행되어, 인젝터(35)의 밸브 몸체(65)에 대한 수분의 부착이 더욱 효과적으로 억제될 수 있다.

한편, 수소 공급 유로(31) 및 차단 밸브(33)의 배관(이하, 수소 시스템 배관으로 지칭)과 비교했을 때 인젝터(35)는 현저하게 작은 열용량를 가지기 때문에, 시스템 정지 후에 있어서 인젝터(35)의 온도 저하 기울기는 수소 시스템 배관의 온도 저하 기울기보다 더 크다. 즉, 인젝터(35)는 수소 시스템 배관보다 더 용이하게 냉각되고, 시스템이 정지한 후에 수소 시스템 배관보다 인젝터에서 결로가 먼저 발생된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 수분 감소 처리의 한 형태인 결로 억제 처리로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 이그니션 OFF와 같은 시스템 정지 명령을 수신하는 경우, 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 솔레노이드(69)에 폐쇄 밸브 상태를 유지하기 위한 폐쇄 밸브 상태 유지 전류, 바꾸어 말하면, 통상 작동 중의 개방 밸브 상태 유지 전류보다 더 작은 전류를 기결정된 시간 동안 통전할 수 있고, 그 후에 상기 장치는 통전을 정지시킬 수도 있다.

이러한 경우에 있어서, 인젝터(35)의 솔레노이드(69)에 개방 밸브 상태 유지 전류보다 더 작은 미약 전류를 기결정된 시간 동안 통전하여, 그로 인해 솔레노이드(69)가 열을 발생시켜 인젝터(35)의 온도를 상승시킨다. 그러므로, 인젝터(35)보다 수소 시스템 배관 측에서 결로가 더 먼저 발생되고, 인젝터(35) 내에서의 결로의 발생이 억제된다. 결과적으로, 빙점 아래에서도, 동결에 기인하는 인젝터(35)의 작동 결함은 억제된다.

폐쇄 밸브 상태 유지 전류의 통전 시간(기결정된 시간)은 기설정된 고정 시간, 또는 외부 공기 온도 또는 연료 전지(10)의 온도(또는 연료 전지(10)의 온도를 조정하기 위한 냉매의 온도)에 근거하여 임의로 설정된 가변 시간일 수도 있음을 유의한다. 후자의 경우에는, 폐쇄 밸브 상태 유지 전류의 통전 시간은 최적화될 수 있고, 더 나아가, 상기 결로 억제 처리를 포함하는 시스템 정지 처리를 위해 필요한 시간이 단축될 수 있다.

더욱이, 시스템 정지시의 실행에 대신에 또는 더하여, 상기 결로 억제 처리는 시스템 정지 후에 실행될 수도 있다. 결로 억제 처리가 시스템 정지 후에 실행되는 경우, 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 제어 장치(4)는 시스템 정지 후에 폐쇄 밸브 상태 유지 전류를 인젝터(35)의 솔레노이드(69)에 간헐적으로 통전한다. 이러한 간헐적 통전시에 있어서 전류의 온/오프는 예를 들어, 타이머에 의해 제어된다.

또한, 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 밸브 몸체 주위에 결로가 발생된다고 예측되는 경우에, 상기 결로 억제 처리, 즉, 시스템 정지시에 또는 그 후에 인젝 터(35)의 솔레노이드(69)에의 통전을 실행할 수도 있다.

이러한 경우에, 결로가 발생되지 않는 경우 쓸모없게 되는 결로 억제 처리의 실행은 생략될 수 있다. 반면에, 시스템 정지시에 결로 억제 처리가 실행되지만, 그 후의 환경 변화 등으로 인하여 결로가 발생될 수도 있는 경우, 결로의 발생은 억제될 수 있다.

여기에서, 인젝터(35) 내에서 결로가 발생되는지 여부는, 외부 공기 온도, 인젝터(35)의 온도, 연료 전지(10)의 온도, 수소 시스템 배관의 온도, 및 인젝터(35)의 구동 드라이버에 배치되는 전류 센서의 값으로부터 구해진 인젝터(35)의 저항값에 의해 대표되는 파라미터 중 적어도 하나를 사용하여 판단될 수 있다.

상기 실시예에서는, 연료 전지 시스템(1)의 수소 가스 배관 시스템(3)에 순환 유로(32)가 제공되는 일례가 설명되어 왔지만, 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 연료 전지(10)가 배출 유로(38)에 직접 연결되어 순환 유로(32)를 생략할 수도 있음을 유의한다. 순환 유로(32)에 수소 펌프(39)를 설치하는 것 대신에 이젝터(ejecter)가 설치될 수도 있다.

더욱이, 상기 실시예에서는, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템이 연료 전지 차량에 탑재되는 일례가 설명되어 왔지만, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 차량 이외의 다양한 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)에 탑재될 수도 있다. 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 건물(주택, 빌딩 등)의 발전 설비로서 사용하기 위한 고정식 발전 시스템에 적용될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 시스템이 정지하는 경우 인젝터의 밸브 몸체 주위에 존재하는 수분은 감소될 수 있기 때문에, 인젝터 내의 동결에 기인하는 작동 결함은 억제될 수 있고, 저온 환경에서 시동 신뢰성이 개선될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 이러한 요구를 가지는 연료 전지 시스템 및 상기 시스템의 작동 정지 방법에 폭넓게 사용될 수 있다.

Claims (12)

1. 연료 전지; 상기 연료 전지에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템; 및 상기 가스 공급 시스템의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 상기 가스를 공급하는 인젝터를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,

   상기 인젝터는 상기 인젝터의 상류측과 상기 인젝터의 하류측을 연통하기 위한 내부 유로, 및 유로의 개방/폐쇄 상태를 변경하기 위해 상기 내부 유로에 이동가능하게 배치되는 밸브 몸체를 포함하고,

   상기 시스템은, 상기 시스템이 정지하는 경우 또는 그 후에 적어도 상기 인젝터의 상기 밸브 몸체 주위의 수분을 감소시키기 위한 수분 감소 수단을 더 포함하며,

   상기 인젝터는 통전(application of current)에 의하여 상기 밸브 몸체를 구동하기 위한 밸브 몸체 구동부를 포함하고,

   상기 수분 감소 수단은 상기 밸브 몸체 구동부에의 상기 통전을 제어하여 상기 밸브 몸체 주위의 상기 수분을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 수분 감소 수단은 상기 인젝터의 상기 밸브 몸체 구동부에 폐쇄 밸브 상태를 유지하기 위한 전류를 통전하여 상기 반응 가스의 온도를 상승시키고, 그 후에 상기 인젝터의 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 인젝터는 상기 연료 전지의 연료 전극 측에 연통하는 연료 가스 공급 시스템에 배치되고,

   상기 수분 감소 수단은, 상기 인젝터의 상기 밸브가 개방되기 전에, 상기 연료 전지의 상기 연료 전극 측의 압력을 상기 시스템이 정지한 후의 목표 압력보다 더 낮아지도록 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
5. 제1항에 있어서,

   상기 인젝터의 상기 상류측 상의 반응 가스 공급원으로부터의 가스 공급을 차단하기 위한 차단 밸브를 더 포함하되,

   상기 수분 감소 수단은 상기 차단 밸브를 폐쇄하고, 그 후에 상기 인젝터의 상기 밸브를 개방하기 위해 필요한 전류를 상기 밸브 몸체 구동부에 계속적으로 통전하고, 상기 차단 밸브를 개방하여 상기 반응 가스 공급원으로부터의 상기 반응 가스를 상기 인젝터에 공급하고, 그 후에 상기 인젝터의 상기 밸브를 폐쇄하고 상기 차단 밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
6. 제1항에 있어서,

   상기 연료 전지로부터 배출되는 상기 반응 가스의 오프-가스를 상기 연료 전지에 되돌려 보내기 위한 순환 유로, 및 상기 순환 유로에 배치되는 펌프를 더 포함하되,

   상기 수분 감소 수단은, 상기 펌프의 회전수가 기결정된 회전수 이하인 경우에 상기 밸브 몸체 주위의 상기 수분을 감소시키는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
7. 제1항에 있어서,

   상기 수분 감소 수단은 상기 연료 전지에 의한 발전을 전부 종료한 후에, 상기 밸브 몸체 주위의 상기 수분을 감소시키는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
8. 제1항에 있어서,

   상기 수분 감소 수단은, 상기 인젝터의 상기 밸브 몸체 구동부에 상기 폐쇄 밸브 상태를 유지하기 위한 전류를 기결정된 시간 동안 통전하고, 그 후에 상기 통전을 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 기결정된 시간은 외부 공기 또는 상기 연료 전지의 온도에 근거하여 설 정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
10. 제1항에 있어서,

    상기 수분 감소 수단은 상기 시스템이 정지한 후에 상기 인젝터의 상기 밸브 몸체 구동부에 전류를 간헐적으로 통전하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
11. 제1항에 있어서,

    상기 수분 감소 수단은, 상기 인젝터의 상기 밸브 몸체 주위에 결로가 발생된다고 예측되는 경우 상기 인젝터의 상기 밸브 몸체 구동부에 전류를 통전하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
12. 연료 전지, 상기 연료 전지에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템 및 상기 가스 공급 시스템의 상류측의 가스 상태를 조정하여 하류측에 상기 가스를 공급하는 인젝터를 포함하는 연료 전지 시스템의 작동 정지 방법에 있어서,

    상기 시스템이 정지하는 경우 적어도 상기 인젝터의 내부 유로에 배치되는 밸브 몸체 주위의 수분을 감소시키는 단계를 포함하되,

    상기 인젝터는 통전(application of current)에 의하여 상기 밸브 몸체를 구동하기 위한 밸브 몸체 구동부를 포함하고,

    상기 수분을 감소시키는 단계는 상기 밸브 몸체 구동부에의 상기 통전을 제어하여 상기 밸브 몸체 주위의 상기 수분을 감소시키는 단계인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 작동 정지 방법.

Images