KR101049920B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

Abstract

연료전지시스템은 서로 적층된 복수의 단위셀(Ia)을 구비한 연료전지(1), 복수의 단위셀이 개재되는 제1 및 제2단판(Ib, Ic) 및 상기 단위셀들의 적층방향으로 모두 연장되는 가스공급로(Id)와 가스배출로(Ie)를 포함한다. 상기 가스공급로(Id)의 입구(If)와 상기 가스배출로(Ie)의 출구(Ig)는 제1단판측에 위치한다. 수소농도센서(4)는 가스배출로에 배치되고, 복수의 단위셀로부터 배출되는 가스 내의 수소농도를 검출한다. 상기 연료전지에서의 발전처리는 수소농도센서(4)에 의해 검출되는 수소농도를 토대로 제어된다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 전기화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 연료전지시스템에 관한 것이다.

상기 연료전지시스템은 수소와 같은 연료가스 및 산소를 포함하는 산화가스를 공급하고, 전해질막에서의 상기 연료가스와 산화가스간의 전기화학반응을 통해 전기에너지를 발생시킨다. 이러한 연료전지 중 하나는 서로 적층된 다수의 단위셀을 포함한다. 각각의 단위셀은 전해질막 및 상기 전해질막이 개재되는 애노드와 캐소드로 형성된다.

연료전지시스템에 있어서, 질소가스 등은 연료전지가 정지할 때 캐소드로부터 애노드로 전달된다. 그러므로, 수소가스가 애노드로 공급되어, 연료전지가 개시되기 전에 상기 애노드 내의 가스를 수소가스로 대체하게 된다("수소교체처리")(예컨대, 일본특허출원공보 제2004-139984호 참조). 상기 연료전지시스템은 연료전지로부터 배출되는 오프-가스 내의 수소농도를 검출하고, 상기 검출된 연료전지의 시동(start-up)에서의 수소 농도를 토대로 수소교체처리가 완료되었는 지의 여부를 판정한다.

상술된 연료전지시스템에 따르면, 수소교체처리가 연료전지로부터 배출되는 오프-가스를 토대로 완료되었는 지의 여부를 판정함으로써, 상기 연료전지는 애노드 내의 가스가 대부분 수소로 대체될 때 발전을 개시할 수 있다. 하지만, 다수의 단위셀들이 서로 스택되어, 수소공급로가 단위셀의 적층방향으로 연장되는 연료전지에서는, 수소가 수소공급로의 입구 부근의 단위셀로 공급되는 시간이 수소가 입구로부터 가장 멀리 위치한 단위셀에 공급되는 시간과 상이하다. 수소교체처리가 입구로부터 가장 멀리 위치한 단위셀에서 완료되지 못한 동안, 수소교체처리가 입구 부근의 단위셀에서 완료될 수도 있다. 따라서, 수소교체처리가 모든 단위셀에서 완료될 때에는, 상기 연료전지로부터의 오프-가스를 토대로 검출하기가 어렵게 된다. 이에 따라, 수소교체처리가 완료된 이후에도 과도한 수소가스가 공급될 수도 있고, 또는 충분한 수소가스가 공급되기 전에 발전처리가 개시될 수도 있다.

또다른 연료전지시스템에서는, 연료전지로부터 배출되는 애노드 오프-가스가 연료전지로 재순환되어, 상기 연료전지의 발전처리에서 애노드 오프-가스에 포함된 수소를 재활용하게 된다(예컨대, 일본특허출원공보 제2004-185974호 참조). 연료전지시스템에서는, 상기 시스템의 외부로 배출되는 수소가스가 감소된다. 또한, 다른 연료전지시스템에서는, 상기 발전처리에서의 연료전지에 공급되는 더많은 수소가스를 사용하기 위하여, 애노드 오프-가스의 배출이 연료전지에서의 발전처리 시에 정지되어, 그로 인해 상기 시스템으로부터 배출되는 수소가스를 감소시키게 된다.

이러한 연료전지시스템에서는, 질소가스가 전해질막을 통해 캐소드측으로부터 애노드측으로 전달되기 때문에, 애노드측에서 질소농도가 증가하고, 수소농도가 감소하므로, 발전효율도 감소하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 시스템 의 외부로의 재순환을 위하여 애노드 오프-가스 또는 수소가스를 배출하도록 출구밸브가 제공될 수도 있고, 상기 출구밸브는 수소가스 내에 포함된 질소가스를 배출하도록 주기적으로 개방될 수도 있다.

하지만, 출구밸브가 개방된다면, 질소가스와 함께 수소가 배출된다. 따라서, 출구밸브가 필요 이상으로 개방된다면, 연료전지시스템의 발전효율이 감소한다. 이에 따라, 수소가스의 배출을 감소시키면서, 질소가스를 배출하는 것이 바람직하다. 그럼에도불구하고, 애노드 오프-가스의 출구에 이웃하여 오프-가스의 흐름이 느려지기 때문에, 특히 연료전지로부터의 애노드 오프-가스의 배출이 정지될 때, 각각의 단위셀에서 수소농도를 검출하기가 어렵게 된다. 이에 따라, 수소가스가 때때로 필요 이상으로 배출되기도 한다.

본 발명은 다수의 단위셀들이 서로 적층된 연료전지를 포함하는 연료전지시스템을 제공한다. 상기 연료전지시스템은 수소교체처리가 완료될 때, 또는 질소가스의 배출이 완료될 때 등을 보다 정확하게 검출하므로, 수소의 불필요한 배출을 줄이게 된다.

본 발명은 수소가스의 농도가 검출되는 위치에 초점을 맞추고 있다. 본 발명의 제1실시형태는 서로 적층된 복수의 단위셀; 상기 복수의 단위셀이 개재되는 제1 및 제2단판; 상기 복수의 단위셀의 적층방향으로 연장되어, 상기 복수의 단위셀에 가스를 공급하고, 상기 제1단판측 상에 입구를 구비한 가스공급로; 및 상기 복수의 단위셀로부터 배출되는 가스가 통과하고, 상기 제1단판측 상에 출구를 구비한 가스배출로를 구비한 연료전지를 포함하는 연료전지시스템을 제공한다. 상기 연료전지시스템은 상기 가스공급로를 통해 상기 연료전지 내의 복수의 단위셀에 수소가스를 공급하기 위한 수소공급수단; 상기 가스배출로에 배치되어, 상기 복수의 단위셀로부터 배출되는 가스 내의 수소농도를 검출하는 수소농도센서; 및 상기 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도를 토대로 상기 연료전지에서의 발전처리를 제어하기 위한 발전제어수단을 더 포함한다.

본 발명의 제1실시형태에 따른 연료전지시스템에 있어서, 단위셀에 공급되는 수소가스가 유입되는 가스공급로의 입구 및 상기 단위셀로부터 배출되는 가스가 유출되는 가스배출로의 출구는 양자 모두가 제1단판측에 위치한다. 연료전지스택은 상기 제1단판과 제2단판 사이에 개재된 다수의 적층된 셀들로 형성된다. 또한, 연료전지스택을 형성하는 각각의 단위셀로의 수소의 공급은 상기 스택에 형성된 가스배출로에 수소농도센서를 배치시켜 정확하게 검출된다. 나아가, 연료전지의 타이밍 제어가 더욱 적절할 수 있고, 수소가스의 불필요한 배출이 감소된다. 또한, 수소농도센서가 연료전지스택에 배치되기 때문에, 상기 시스템은 연료전지에서 행해지는 각종 처리들로 인하여 수소농도센서 주위에 수소가스가 더이상 존재하지 않는 상황을 회피한다. 그러므로, 발전제어수단에 의한 발전처리의 제어가 차단되기 쉽지 않게 된다.

상기 수소농도센서는 상기 제2단판 부근에 위치할 수도 있다. 상기 위치에 수소농도센서를 위치시킴으로써, 적층된 단위셀의 저부에서의 수소가스의 존재가 더욱 정확하게 검출될 수 있다.

상기 발전제어수단은, 상기 수소공급수단이 수소가스를 연료전지에 공급하기 시작한 후, 상기 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도가 임계농도 이상일 때, 발전처리를 개시한다. 상기 연료전지시스템은 상기 가스배출로를 통해 상기 연료전지로부터 배출되는 오프-가스가 통과하는 오프가스로; 및 상기 오프-가스의 유량을 조정하기 위하여, 상기 오프가스로에 배치된 오프가스유량조정수단을 더 포함할 수도 있다. 이 경우에 상기 발전제어수단은, 상기 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도에 따라 상기 유량을 조정하도록 상기 오프가스유량조정수단을 제어할 수도 있다. 상기 오프가스로는 연료전지스택의 외부에 위치되고, 상기 연료전지에 제공된 가스배출로와 분명히 다르다는 점에 유의한다.

상기 연료전지는, 상기 오프가스유량조정수단이 상기 오프가스로를 통해 상기 연료전지로부터의 오프-가스의 배출을 금지하는 경우 및 상기 가스배출로의 출구로부터 배출되는 오프-가스가 상기 가스공급로의 입구를 통해 상기 연료전지로 재순환되지 않는 경우에 발전을 행한다. 이 경우, 상기 발전제어수단은, 상기 오프가스유량조정수단이 상기 연료전지로부터의 상기 오프-가스의 배출을 금지하는 것을 계속하거나 또는 상기 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도에 따라 상기 오프-가스를 배출하기 시작하는 지의 여부를 판정할 수도 있다. 수소농도센서는 가스배출로에 위치하기 때문에, 상기 수소농도센서는 오프가스로에서의 흐름에 관계없이, 상기 연료전지 내의 적층된 단위셀로부터 배출되는 수소가스를 검출한다. 이에 따라, 오프-가스가 상술된 바와 같이 연료전지로부터 배출되지 않을 때 연료전지가 발전을 행하더라도, 상기 수소연료센서는 적층된 단위셀로부터 배출되는 수소가스를 검출한다. 따라서, 검출된 결과를 토대로 오프-가스의 배출을 제어함으로써, 상기 오프-가스에 포함된 수소가스의 외부로의 불필요한 배출이 줄어들게 된다.

상기 발전제어수단은, 상기 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도가 최소임계제한 이하일 때, 상기 오프-가스의 배출유량을 기준배출유량을 넘게 증가시키도록 상기 오프가스유량조정수단을 제어할 수도 있다. 상기 수소농도의 최소임계제한은 연료전지가 효율적으로 발전을 행하는 것 이상의 수소의 농도이다. 상기 기준배출유량은 연료전지가 효율적으로 발전을 행하는 오프-가스의 배출유량이다. 상기 기준배출유량은 일정한 값이 아니며, 연료전지의 운전조건 또는 주변환경조건과 같은 각종 요인에 따라 변한다. 이에 따라, 수소농도가 최소임계제한 이하로 감소하면, 발전제어수단은 오프-가스의 배출유량을 증가시켜, 상기 연료전지에 축적될 수도 있는 수소 이외의 가스를 배출시켜, 다시 상기 연료전지의 발전효율을 증가시키게 된다.

또한, 상기 발전제어수단은 상기 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도가 최대임계제한 이상일 때, 상기 오프-가스의 배출유량을 기준배출유량을 기준배출유량을 넘지 않게 감소시키거나 상기 오프-가스의 배출을 금지하도록 상기 오프가스유량조정수단을 제어할 수도 있다. 상기 수소농도의 최대임계제한은 발전을 위해 충분한 수소가스가 연료전지에 공급되고, 수소가스를 포함하는 오프-가스가 계속해서 배출되는 경우에 필요 이상으로 배출되는 것 이상의 수소 농도이다. 상기 기준배출유량은 상술된 바와 같다. 이에 따라, 수소농도가 최대임계제한 이상으로 증가하는 경우에는, 발전제어수단이 오프-가스의 유량을 줄여 수소가스의 불필요한 배출을 방지한다.

본 발명의 제2실시형태는 서로 적층된 복수의 단위셀, 상기 복수의 단위셀이 개재되는 제1 및 제2단판, 가스공급로, 및 가스배출로를 구비한 연료전지를 포함하는 연료전지시스템을 제공한다. 상기 가스공급로는 상기 복수의 단위셀의 적층방향으로 연장되어, 상기 복수의 단위셀에 가스를 공급한다. 상기 가스공급로의 입구는 상기 제1단판측 상에 제공된다. 상기 복수의 단위셀로부터 배출되는 가스는 가스배출로를 통과하고, 상기 가스배출로의 출구는 상기 제1단판측 상에 있다. 상기 연료전지시스템은 상기 가스공급로를 통해 상기 연료전지 내의 복수의 단위셀에 수소가스를 공급하기 위한 수소공급수단, 상기 복수의 단위셀의 제1단위셀로부터 배출되는 가스배출로에서 유동하는 가스 내의 수소농도를 검출하기 위한 제1수소농도검출수단, 및 상기 복수의 단위셀의 제2단위셀에 공급되는 상기 가스공급로에서 유동하는 가스 내의 수소농도를 검출하기 위한 제2수소농도검출수단을 더 포함한다. 상기 연료전지시스템은 제1시점과 제2시점 사이의 시간 간격에 따라 상기 연료전지의 발전처리를 제어하기 위한 발전제어수단을 더 포함한다. 상기 제1시점은 상기 제1수소농도검출수단이 수소를 검출하는 때이고, 상기 제2시점은 상기 제2수소농도검출수단이 수소를 검출하는 때이다.

본 발명의 제2실시형태에 따르면, 두 수소농도검출수단이 각각 연료전지스택의 가스배출로측과 가스공급로측 상에 제공된다. 상기 두 수소농도검출수단은 상이한 단위셀 부근에 위치한다. 상기 발전제어수단은 두 수소농도검출수단이 수소를 검출하는 시간 간격을 토대로 상기 연료전지의 발전처리를 행한다. 두 수소농도검출수단은 연료전지스택에 제공되기 때문에, 상기 연료전지로부터의 오프-가스의 배출 상황에 관계없이, 상기 연료전지로의 수소가스의 공급이 보다 정확하게 모니터링된다. 다시 말해, 제1시점은 수소가스가 대응하는 제1단위셀에 공급될 때에 관한 것이고, 제2시점은 대응하는 제2단위셀에 충분한 수소가스가 공급되기 시작할 때에 관한 것이다. 이에 따라, 제1시점과 제2시점간의 시간 간격은 연료전지에 적층된 단위셀에 대한 수소의 공급을 정확하게 반영하는 파라미터이다.

이에 따라, 시간 간격을 토대로 발전제어수단에 의해 연료전지의 발전처리를 제어함으로써, 수소의 불필요한 배출을 피하고, 발전처리의 효율을 촉진시킨다. 여기서, 발전제어수단에 의해 행해지는 발전처리는 발전을 개시하기 위한 시간의 상술된 제어, 오프-가스의 배출유량의 제어 등을 포함할 수도 있다.

상기 제2수소농도검출수단은 상기 가스공급로 내의 상기 제1단판 부근에 배치될 수도 있다. 상기 제1수소농도검출수단은 상기 가스배출로 내의 상기 제2단판 부근에 배치될 수도 있다. 상술된 바와 같이 수소농도검출수단을 배치함으로써, 연료전지스택에서의 수소가스의 공급이 보다 정확하게 모니터링될 수 있다. 또한, 상기 제2단위셀은 상기 가스공급로에서 유동하는 수소의 흐름에 대하여 상기 제1단위셀의 상류에 위치할 수도 있다. 이러한 형태에 의해서도, 수소가스의 공급이 보다 정확하게 모니터링될 수 있다.

상기 제1수소농도검출수단 및 제2수소농도검출수단은 각각 제1 및 제2단위셀에 수소를 공급하여 생성되는 전압들의 변화에 따라 제1 및 제2단위셀에 대한 수소농도들을 검출할 수도 있다. 이 경우, 상기 제1시점은 제1단위셀에서 생성되는 전압이 기결정된 기준전압에 도달할 때일 수도 있고, 상기 제2시점은 제2단위셀에서 생성되는 전압이 기결정된 기준전압에 도달할 때일 수도 있다. 상기 발전제어수단은 제1시점과 제2시점간의 시간 간격에 따라 연료전지의 발전처리를 제어한다. 이에 따라, 각각의 단위셀에 의해 생성되는 전압의 변화를 이용함으로써, 연료전지시스템을 구성하는 구성요소들의 수가 최소화된다.

본 발명의 제3실시형태는 서로 적층된 복수의 단위셀; 상기 복수의 단위셀이 개재되는 제1 및 제2단판; 상기 복수의 단위셀의 적층방향으로 연장되어, 상기 복수의 단위셀에 가스를 공급하는 가스공급로를 구비한 연료전지를 포함하는 연료전지시스템을 제공한다. 상기 가스공급로의 입구는 복수의 단위셀의 제1단판측 상에 제공된다. 복수의 단위셀로부터 배출되는 가스가 통과하는 가스배출로도 연료전지에 제공되고, 제1단판측 상에 출구를 구비한다. 상기 연료전지시스템은 상기 가스공급로를 통해 상기 연료전지 내의 복수의 단위셀에 수소가스를 공급하기 위한 수소공급장치, 상기 제2단판 부근 상기 가스배출로에 배치되어, 상기 복수의 단위셀로부터 배출되는 가스 내의 수소농도를 검출하는 수소농도센서, 및 상기 수소공급장치가 수소를 공급하기 시작한 후에 상기 수소농도센서로부터 수소농도를 획득하고, 상기 획득한 수소농도가 임계농도 이상인 경우에 상기 연료전지에서의 발전처리를 개시하는 제어장치를 더 포함한다.

상기 연료전지시스템에 있어서, 수소가스가 단위셀에 공급되는 가스공급로의 입구와 상기 단위셀로부터 배출되는 가스가 통과하는 가스배출로의 출구는 제1단판측 상에 제공된다. 따라서, 상기 입구로부터 공급되는 수소가스가 상기 제1단판 부근에 있는 단위셀로 우선 공급된다. 다른 한편으로, 상기 제2단판 부근에 있는 단위셀로의 수소가스의 공급은 상기 제1단판 부근의 단위셀에 대하여 지체된다. 하지만, 연료전지의 시동 시에는, 수소가스가 모든 단위셀로 공급된 후에 연료전지가 발전을 개시하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3실시형태에 따르면, 수소농도센서가 상기 제2단판 부근에 있는 단위셀의 가스배출로에 위치하는데, 여기서는 수소가스의 공급이 대부분 지체되고, 상기 연료전지는 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도를 토대로 발전을 개시한다. 이에 따라, 모든 단위셀 내의 가스가 수소로 대체될 때 발전처리가 개시되어, 수소가스의 불필요한 배출을 줄이게 된다.

상기 임계농도는 질소가스가 발전처리를 가능하게 하는 정도로 배출된 것으로 예상되는 수소농도이고(수소교체처리가 완료됨), 연료전지농도 등에 따라 적절하게 설정될 수도 있다.

본 발명의 제4실시형태는 서로 적층된 복수의 단위셀; 상기 복수의 단위셀이 개재되는 제1 및 제2단판; 상기 복수의 단위셀의 적층방향으로 연장되어, 상기 복수의 단위셀에 가스를 공급하고, 상기 제1단판측 상에 입구를 구비한 가스공급로; 및 상기 복수의 단위셀로부터 배출되는 가스가 통과하고, 상기 제1단판측 상에 출구를 구비한 가스배출로를 구비한 연료전지를 포함하는 연료전지시스템을 제공한다. 상기 연료전지시스템은 상기 제2단판 부근 상기 가스배출로에 배치되어, 상기 복수의 단위셀로부터 배출되는 가스 내의 수소농도를 검출하는 수소농도센서; 상기 가스배출로를 통해 상기 연료전지로부터 배출되는 오프-가스가 통과하는 오프가스로, 상기 오프가스로에 배치되어, 상기 오프-가스의 유량을 조정하는 오프가스유량조정장치, 및 상기 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도를 토대로, 상기 오프가스유량조정장치를 이용하여 상기 오프-가스의 배출유량을 제어하는 제어장치를 더 포함한다.

상기 오프가스유량조정장치는 연료전지로부터 배출되는 오프-가스의 유량을 조정하고, 상기 연료전지의 외부로 연료전지에 축적된 질소가스를 배출하도록 상기 오프-가스의 유량을 조정하는 장치이다. 보다 구체적으로는, 연료전지의 발전처리 시 오프-가스를 배출하는 것을 정지시키는 시스템 또는 발전처리에 사용하도록 연료전지에 오프-가스를 재순환시키는 시스템에 적용된다. 상기 오프-가스의 배출유량은 수소가스의 배출을 억제하도록 조정되는 한편, 상기 연료전지에 축적된 질소는 배출된다.

이러한 연료전지시스템에 있어서는, 수소가스의 배출을 억제하면서 상기 연료전지에 축적된 질소가스를 배출하기 위하여, 각각의 단위셀에서의 수소농도가 공지되는 것이 바람직하다. 하지만, 오프-가스의 배출이 정지되는 경우, 오프-가스의 흐름이 오프-가스의 출구 부근에서, 즉 제1단판 부근에서 느려지기 때문에 상기 단위셀에서의 수소농도를 검출하기가 어렵게 된다.

하지만, 본 발명의 제4실시형태에 따르면, 제2단판 부근에 있는 단위셀에 대한 가스배출로에 수소농도센서가 제공되어, 질소가스가 축적되고, 상기 단위셀 내의 검출된 수소농도 또한 질소의 영향을 반영한다. 상기 오프가스유량조정장치는 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도에 따라 오프-가스의 배출유량을 조정한다. 이렇게 함으로써, 연료전지에 축적된 적절량의 질소가스가 배출되고, 수소가스의 불필요한 배출이 줄어들게 된다.

본 발명의 상기 목적과 추가 목적, 특징 및 장점들은 동일한 부호들이 동일한 요소들을 나타내는데 사용된 첨부도면들을 참조하여 후술하는 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지시스템을 예시한 블럭도;

도 2는 본 실시예에 따른 연료전지의 일례를 예시한 개략도;

도 3은 연료전지의 발전처리 시 수소가스의 공급제어를 예시한 흐름도;

도 4는 제1실시예에 따른 발전처리 시 애노드 오프-가스의 배출유량의 제어처리를 예시한 흐름도;

도 5는 제2실시예에 따른 발전처리 시 애노드 오프-가스의 배출유량의 제어 처리를 예시한 흐름도;

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지의 일례를 예시한 도면;

도 7은 제3실시예에 따른 연료전지에서 발전이 개시될 때의 발전제어처리를예시한 흐름도; 및

도 8은 제3실시예에 따른 연료전지에서 발전이 개시될 때의 발전제어처리를예시한 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지시스템을 예시한 블럭도이다. 상기 연료전지시스템(10)은 연료전지(1), 고압수소탱크(2), 상기 고압수소탱크(2)의 개방밸브(6), 압력조절밸브(7), 공기가 연료전지(1)에 공급되는 산화가스공급로(24), 공기압축기(8) 및 수소공급로(21)를 포함한다. 상기 연료전지(1)는 수소가스와 산화가스간의 전기화학반응에 의해 발전을 행한다. 상기 고압수소탱크(2)는 연료가스로서의 역할을 하는 수소가스를 저장하고, 수소가스를 연료전지(1)에 공급한다. 상기 고압수소탱크(2)는 수소공급수단으로서의 기능을 한다. 상기 압력조절밸브(7)는 고압수소탱크(2)로부터 배출되는 수소가스의 압력을 조정한다. 상기 공기압축기(8)는 산화가스공급로(24)에 제공되고, 산화가스를 연료전지(1)에 공급한다. 고압수소탱크(2)로부터 연료전지(1)로 공급되는 수소가스는 수소공급로(21)를 통과한다. 상기 연료전지시스템(10)은 애노드오프가스로(22), 상기 연료전지(1)에 제공된 수소농도센서(4)(도 2 참조), 출구밸브(9), 상기 연료전지(1)의 캐소드측으로부터 배출되는 캐소드오프가스용 압력조절밸브(3) 및 ECU(5)를 더 포함한다. 연료전지(1)의 애노드측으로부터 배출되는 애노드오프가스는 애노드오프가스로(22)를 통과한다. 상기 출구밸브(9)는 애노드오프가스로(22)에 제공되고, 상기 애노드오프가스의 배출유량을 조정한다. 상기 출구밸브(9)는 오프가스유량조정수단으로서의 기능을 한다. 상기 ECU(5)는 고압수소탱크(2)로부터의 수소가스의 공급의 제어를 포함하는 연료전지의 각종 제어처리들을 행한다.

도 2는 본 실시예에 따른 연료전지의 일례를 예시한 개략도이다. 상기 연료전지(1)는 서로 적층된 다수의 단위셀(1a), 상기 다수의 단위셀(1a)의 양측에 배치 된 제1 및 제2단판(1b, 1c), 단위셀의 적층방향으로 연장되어, 가스가 각각의 단위셀(1a)로 공급되는 가스공급로(1d) 및 상기 가스공급로(1d)와 대체로 병렬로 연장되어, 각각의 단위셀(1a)로부터 배출되는 가스가 통과하는 가스배출로(1e)를 포함한다. 상기 제1단판(1b)은 가스공급로(1d)의 입구(1f) 및 가스배출로(1e)의 출구(1g)를 포함한다.

상기 연료전지(1)는 고압수소탱크(2)로부터 공급되는 수소가스와 산화가스공급로(24)를 통해 공급되는 산화가스간의 전기화학반응에 의해 전기에너지를 생성한다. 발전처리에 사용되지 않는 잔존 수소가스를 포함하는 애노드 오프-가스와 상기 연료전지의 전해질막을 통해 전달되는 질소가스는 상기 연료전지(1)의 애노드(연료극)측으로부터 애노드오프가스로(22)를 통해 배출된다.

상기 애노드오프가스로(22)는 연료전지(1) 내의 가스배출로(1e)와 연통가능하게 연결되고, 각각의 단위셀(1a)로부터 배출되는 오프-가스는 상기 애노드오프가스로(22)를 통과한다. 상기 애노드 오프-가스의 배출유량은 애노드오프가스로(22)에 제공되는 출구밸브(9)를 개폐시켜 제어된다. 본 실시예의 연료전지시스템(10)은 애노드 오프-가스의 배출이 정지되는 동안(즉, 출구밸브(9)가 폐쇄됨)에 상기 연료전지(1)의 발전처리를 행함으로써, 상기 연료전지(1)로부터 배출되는 수소가스의 양을 줄이게 된다.

상기 수소농도센서(4)는 제2단판(1c) 부근에 있는 연료전지(1)의 가스배출로(1e)에 배치되고, 상기 단위셀(1a)로부터 배출되는 가스 내의 수소농도를 검출한다. 상기 수소농도센서(4)에 의해 검출되는 수소농도는 ECU(5)로 입력된다. 검출된 수소농도를 토대로, 상기 ECU(5)는 연료전지(1)의 시동 시의 수소가스의 공급을 제어하고, 상기 연료전지(1)의 발전처리 시 애노드 오프-가스의 배출유량을 제어한다.

이하, 각각의 제어처리를 흐름도를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 상기 제어처리는 ECU(5)에 의해 실행되는 루틴이다. 우선, 도 3에 도시된 흐름도를 참조하여, 연료전지(1)의 시동 시의 수소가스의 공급 제어를 설명하기로 한다.

연료전지가 개시되면, 수소가스가 연료전지(1)로 공급되어, 발전처리를 개시하게 된다(S101). 상기 연료전지(1)에 공급되는 수소가스는 가스공급로(1d)를 통해 각각의 단위셀(1a)에 공급된다. 다음으로, ECU(5)는 애노드오프가스로(22)의 배출밸브(9)를 개방한다(S102). 각각의 단위셀(1a)에서는, 수소가스가 공급됨에 따라, 발전이 정지되면서 크로스리크(즉, 전해질막을 통해 캐소드에서 애노드로 전달됨)되어 축적되는 질소가스가 가스배출로(1e)를 통해 연료전지(1)로부터 배출된다.

그 후, ECU(5)는 수소농도센서(4)를 이용하여 수소농도를 검출한다(S103). 상기 수소농도센서(4)는 입구(1f)로부터 가장 멀리 있는 단위셀 부근의 가스배출로(1e)에, 즉 제2단판(1c) 부근에 위치한다. 제2단판(1c) 부근에 있는 단위셀(1a)은 상기 입구(1f)로부터 가장 멀리 있기 때문에, 특정 단위셀이 가장 느려져 수소로 충전될 것이 예상된다. 이하, 단위셀 내의 가스가 수소로 대체되는 처리(즉, 단위셀을 수소로 충전하는 처리)를 수소교체처리라고 한다. 이에 따라, 상기 위치에서의 수소농도를 검출함으로써, 수소교체처리가 모든 단위셀에서 완료되었는 지의 여부를 판정할 수 있게 된다.

상기 ECU(5)는 검출된 수소농도가 임계농도 이상인 지의 여부를 판정한다(S104). 상기 임계농도는 수소교체처리의 완료를 나타내는 수소의 농도이다. 단계 S104에서, 검출된 수소농도가 임계농도보다 낮은 것으로 판정되면, 즉 수소교체처리가 완료되지 않으면, 애노드 오프-가스가 계속해서 배출되어, 기결정된 시간이 경과한 후에 다시 수소농도가 검출된다(S103). 다른 한편으로, 단계 S104에서 상기 검출된 수소농도가 임계농도 이상인 것으로 판정되면, 즉 수소교체처리가 완료되면, 상기 출구밸브(9)가 폐쇄된다(S105). 그 후, 발전처리가 수행된다.

상술된 처리에 따르면, 수소교체처리가 최종 완료되는 단위셀(1a)에서 수소교체처리가 완료되었는 지의 여부를 보다 정확하게 판정한다. 그러므로, 수소교체처리가 모든 단위셀에서 완료될 때 오프-가스의 배출이 정지되어, 수소가스의 불필요한 배출을 줄이게 된다.

다음으로, 도 4에 도시된 흐름도를 참조하여, 발전처리 시의 애노드 오프-가스의 배출유량의 제어처리를 설명하기로 한다. 상기 ECU(5)는 미리 규정된 간격들로 반복해서 제어처리를 실행한다.

본 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 출구밸브(9)가 폐쇄되어(즉, 애노드 오프-가스의 배출없이) 연료전지(1)의 발전처리를 행한다. 또한, 수소농도가 캐소드측으로부터 애노드측으로 전달되는 질소가스로 인해 임계농도 이하로 감소되는 경우에는, 본 실시예의 연료전지시스템(10)이 출구밸브(9)를 개방하여, 상기 시스템의 외부로 질소가스를 배출하게 된다.

우선, 상기 ECU(5)는 출구밸브(9)를 폐쇄하여 발전처리를 행하고, 상기 출구 밸브(9)가 기결정된 시간 이상으로 폐쇄되었는 지의 여부를 판정한다(S201). 상기 기결정된 시간은 연료전지의 온도 등을 토대로 사전에 미리 설정된다. 상기 출구밸브(9)가 기결정된 시간 이상의 시간 동안 폐쇄된 것으로 판정되면, 상기 출구밸브(9)가 개방되어 애노드 오프-가스를 배출하게 된다(S202). 따라서, 크로스리크된 질소가스가 연료전지(1)의 외부로 배출된다. 단계 S201에 대안으로는, 출력밸브(9)가 폐쇄되는 동안 수소농도센서(4)가 수소농도를 검출할 수도 있고, 수소농도센서(4)에 의해 검출되는 수소농도가 임계농도와 비교되어, 상기 출력밸브(9)가 개방되었는 지의 여부를 판정하게 될 수도 있다. 예를 들어, 상기 출구밸브(9)는, 수소농도센서에 의해 검출되는 수소농도가 임계농도보다 낮은 경우에 개방될 수도 있다.

다음으로, 상기 ECU(5)는 수소농도센서(4)를 이용하여 수소농도를 검출한다(S203). 수소농도센서(4)를 이용하여 수소농도를 검출함으로써, 크로스리크된 질소가스의 배출이 종료되었는 지의 여부를 판정하여, 애노드 오프-가스를 배출하는 것을 정지시키기 위한 시간(즉, 출구밸브를 폐쇄하는 시간)의 검출을 가능하게 한다. 상기 ECU(5)는 그 후에 검출된 수소농도가 임계농도 이상인 지의 여부를 판정한다(단계 S204). 상기 임계농도는 질소가스의 배출이 종료되었는 지의 여부를 판정하기 위한 농도이다. 상기 임계농도는 최대임계제한으로 간주될 수도 있다.

단계 S204에서 상기 검출된 수소농도가 임계농도보다 낮은 것으로 판정되면, 즉 질소가스의 배출이 종료되지 않으면, 애노드 오프-가스가 계속해서 배출되어, 기결정된 시간이 경과한 이후에 다시 수소농도가 검출된다(S203). 단계 S204에서, 상기 검출된 수소농도가 임계농도 이상인 것으로 판정되면, 즉 질소가스의 배출이 종료되면, 출구밸브가 폐쇄된다(S205). 그런 다음, 상기 처리가 반복된다.

상술된 처리에 따르면, 입구(1f)로부터 가장 먼 단위셀(1a)로부터 배출되는 질소가스량이 결정된다. 그러므로, 상기 출구밸브(9)는 질소가스의 배출이 종료되었는 지의 여부를 판정하여 가장 적절한 시간에 폐쇄될 수 있어, 수소가스의 불필요한 배출을 줄이게 된다.

상술된 애노드 오프-가스를 배출하기 위한 제어처리에서는, 애노드 오프-가스의 배출유량이 출구밸브(9)를 개폐하여, 즉 애노드 오프-가스의 배출을 개시 및 정지시킴으로써 제어된다. 하지만, 애노드 오프-가스의 배출유량은 대안적으로는 연료전지(1) 내의 수소농도를 토대로 배출유량을 증가 또는 감소시켜, 상기 애노드 오프-가스를 계속해서 배출함으로써 제어될 수도 있다.

제2실시예에 따른 애노드 오프-가스를 배출하기 위한 제어처리의 일례를 도 5에 도시된 흐름도를 참조하여 설명하기로 한다. 상기 ECU(5)는 소정의 간격으로 상기 제어처리를 반복해서 실행하기도 한다.

상기 연료전지(1)에서의 발전처리 시, 상기 ECU(5)는 수소농도센서(4)를 이용하여 수소농도를 검출한다(S301). 이렇게 함으로써, 애노드-오프 가스가 발전처리 시에 일정량으로 배출되기 때문에, 배출되는 애노드-오프 가스 내의 질소가스의 상태(양)를 얻을 수 있게 된다.

다음으로, 상기 ECU(5)는 검출된 수소농도가 최대임계농도 이상인 지의 여부를 판정한다(S302). 상기 최대임계농도는 발전처리에 대해 충분히 고려된 수소의 농도이고, 검출된 수소농도가 최대임계농도 이상일 때 애노드 오프-가스의 배출이 계속되는 경우 상기 애노드 오프-가스와 함께 수소가스가 반드시 배출될 필요는 없는 수소농도이기도 하다.

단계 S302에서, 상기 검출된 수소농도가 최대임계농도 이상인 것으로 판정되면, 상기 출구밸브(9)는 애노드 오프-가스의 배출유량을 줄이도록, 즉 수소가스의 불필요한 배출을 줄이도록 조정된다(S303). 이렇게 함으로써, 애노드-오프 가스 내에 포함된 수소가스의 배출유량이 감소되어, 수소가스의 불필요한 배출을 줄이게 된다.

다른 한편으로, 단계 S302에서 상기 검출된 수소농도가 최대임계농도보다 낮은 것으로 판정되면, 상기 검출된 수소농도가 최소임계농도 이하인 지의 여부를 판정한다(S304). 상기 최소임계농도는 발전처리에 있어서 너무 낮게 고려되는 수소농도이다. 검출된 수소농도가 최소임계농도 이하이면, 출구밸브(9)는 애노드 오프-가스의 배출유량을 증가시키도록 조정된다(S305). 또한, 단계 S304에서의 판정 결과로서, 검출된 수소농도가 최소임계농도보다 높다면, 상기 애노드 오프-가스의 배출유량이 변하지 않고 상기 제어처리가 종료된다.

상술된 바와 같이, 수소농도에 따라 애노드 오프-가스의 배출유량을 제어함으로써, 수소가스의 불필요한 배출을 줄이고 계속해서 애노드 오프-가스를 배출하면서, 발전처리가 행해질 수 있다.

상술된 실시예에 따르면, 수소가스의 불필요한 배출이 발전처리 시 또는 시동 시에 감소된다. 제1실시예에서는, 애노드 오프-가스의 배출이 정지되면서, 연료 전지시스템이 발전처리를 행한다. 하지만, 본 발명이 이것으로 제한되는 것은 아니다. 상기 연료전지시스템은 애노드 오프-가스를 연료전지로 재순환시킬 수도 있고, 또는 애노드 오프-가스를 재순환하는 대신에 상기 애노드 오프-가스를 일정한 유량으로 계속해서 배출시키면서 발전을 행할 수도 있다.

본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지시스템을 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 도 6은 제3실시예에 따른 연료전지 등의 일례를 예시한 도면이다. 제1실시예의 것과 동일한 구성요소는 동일한 참조부호들로 표시된다. 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

제1실시예의 연료전지(1)와 유사하게, 도 6에 도시된 연료전지(1')는 서로 적층된 다수의 단위셀(1a)을 포함한다. 수소공급로(21)를 가스공급로(1d)에 연결시키는 입구(1f) 및 애노드오프가스로(22)를 가스배출로(1e)에 연결시키는 출구(1g)는 제1단판(1b)측에 제공된다. 여기서, 연료전지(1')의 스택은 서로 적층된 2백(200)개의 단위셀(1a)을 포함하고, 상기 단위셀은 제1단판(1b)측에서 제2단판(1c)측으로 1a_001, 1a_002, ..., 1a_200으로 표시된다. 상기 단위셀들은 각각 제1셀, 제2셀, ..., 제200셀로 명명될 수도 있다. 도 6에는, 단위셀 1a_001, 1a_010, 1a_100, 1a_150 및 1a_200 만이 예시되어 있다.

또한, 상기 연료전지(1')는 가스배출로(1e)에 수소농도센서(4a)를 포함하고, 가스공급로(1d)에 수소농도센서(4b)를 포함한다. 상기 수소농도센서(4a)는 단위셀(1a_200)로부터 배출되는 수소가스의 농도가 검출될 수도 있는 장소에 위치한다. 상기 수소농도센서(4b)는 단위셀(1a_001)에 공급되는 수소가스의 농도가 검출될 수 도 있는 장소에 위치한다. 특히, 수소농도센서(4a)는 가스배출로(1e)의 저부에 위치하고, 수소농도센서(4b)는 가스공급로(1d)의 입구(1f) 부근에 위치한다.

상술된 바와 같이 구성된 연료전지(1')를 포함하는 연료전지시스템에서는, 도 7 및 도 8에 도시된 발전제어처리들이 행해진다. 상기 ECU(5)는 발전제어처리들을 행한다. 우선, 도 7에 도시된 발전제어처리를 설명한다. 상기 발전제어처리는 연료전지(1')가 발전을 개시할 때 행해진다. 그러므로, 상기 연료전지(1')는 본질적으로 발전제어처리의 시동 시에 전기를 발생시키지 않는다. 다시 말해, 수소농도센서(4a, 4b)가 수소가스를 검출하면, 상기 발전제어처리가 행해지지 않는다.

단계 S401에서는, 상기 개방밸브(6)가 개방되어 고압수소탱크(2)로부터 연료전지(1')로 수소가스를 공급하기 시작한다. 이와 동시에, 출구밸브(9)가 개방되고, 발전이 행해지지 않을 때 크로스리크되는 질소가스가 가스배출로(1e)를 통해 연료전지(1')로부터 배출된다. 상기 단계는 제1실시예에서와 동일하다. 단계 S401의 처리가 종료된 후, 상기 제어는 S402로 진행된다.

단계 S402에서, 연료전지(1')의 연료전지스택의 온도인 스택 온도(TS) 및 연료전지시스템 외부의 온도인 주변온도(TA)가 결정된다. 보다 구체적으로는, 도 6에 도시되지 않은 온도센서들이 각각 온도(TS, TA)를 검출한다. 상기 ECU(5)는 검출된 온도를 획득한다. 단계 S402에서의 처리 후, 상기 제어는 단계 S403으로 진행된다.

단계 S403에서, 연료전지(1')의 시동 시의 출력밸브(9)의 밸브폐쇄시간(T0)은 스택온도(TS) 및 주변온도(TA)에 따라 산출된다. 보다 구체적으로는, 상기 ECU(5)는 파라미터로서 스택온도(TS)와 주변온도(TA)를 이용하여 ECU(5)에 저장된 맵에 액세스하고, 두 온도를 토대로 결정된 최적의 밸브폐쇄시간(T0)을 산출한다. 상기 밸브폐쇄시간(T0)은 연료전지(1')로부터 질소가스를 배출하도록 충분한 수소가스를 공급하고, 상기 연료전지(1')의 양호한 발전효율을 회복하기 위해 필요한 시간이다. 상기 밸브폐쇄시간(T0)은 또한 연료전지(1')의 외부로 수소가스의 불필요한 배출을 회피하도록 출력밸브(9)가 폐쇄되는 시간이기도 하다. 또한, 수소가스와 질소가스와 같은 가스는 온도에 따라 팽창 및 수축한다. 다시 말해, 연료전지(1') 내의 가스의 거동이 온도에 영향을 받는다. 그러므로, 이러한 영향들을 고려하여, 밸브폐쇄시간(T0)이 스택온도(TS)와 주변온도(TA)와 연관되어 ECU(5)의 맵에 저장된다. 상기 맵에 저장된 밸브폐쇄시간은 후술하는 단계 S410에서 보정 및 갱신될 것이다. 단계 S403의 처리가 종료된 후, 상기 제어는 단계 S404로 진행된다.

단계 S404에서, 가스공급로의 수소농도센서(4b)는 수소를 검출하고, 트리거링되어, 단계 S405에서, 밸브폐쇄타이머가 계수를 시작함으로써, 출력밸브(9)를 폐쇄하기 위한 시간을 결정하게 된다. 그 후, 상기 제어는 단계 S406으로 진행된다.

단계 S406에서, 밸브폐쇄타이머에 의해 계수된 시간이 단계 S403에서 산출된 밸브폐쇄시간(T0)에 도달하였는 지의 여부를 판정한다. 계수된 시간이 밸브폐쇄시간(T0)에 도달한 것으로 판정되면, 상기 제어는 단계 S407로 진행된다. 상기 계수된 시간이 밸브폐쇄시간(T0)에 도달하지 못한 것으로 판정되면, 상기 단계 S406의 처리가 반복된다.

단계 S407에서는, 밸브폐쇄시간(T0)이 경과한 때에 출력밸브(9)가 폐쇄된다. 그 후, 연료전지(1')는 단계 S408에서 발전을 개시한다. 이러한 발전의 시동 시의 상태에서는, 연료전지(1')의 각각의 단위셀(1a)이 일단 밸브폐쇄시간(T0)이 경과하면 크로스리크된 질소가스를 배출하였다. 이에 따라, 효율적인 발전이 예상된다. 하지만, 밸브폐쇄시간(T0)이 너무 짧게 되는 것은 바람직하지 않은데, 이는 연료전지(1')의 발전효율이 회복되기 전에 발전이 개시되기 때문에 각종 요인들로 인해 발생할 수도 있다. 다른 한편으로, 너무 긴 밸브폐쇄시간(T0) 또한 바람직하지 않은데, 그 이유는 발전효율이 충분히 회복되는 동안, 필요한 것보다 더많은 수소가스가 배출되기 때문이다. 그렇지 않으면, 수소가스가 발전에 사용되었을 수도 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 발전제어처리에서는, 밸브폐쇄시간(T0)이 단계 S409 및 S410에서 보정되어, 상기 밸브폐쇄시간(T0)에 대한 보다 적절한 길이의 시간을 설정하게 된다.

단계 S409에서, 상기 ECU(5)는 가스배출로의 수소농도센서(4a)가 상술된 단계 S405 내지 S408로부터의 시간 내에 수소가스를 검출하는 시간인 수소검출시간(T1)을 획득한다. 상기 검출시간(T1)은 밸브폐쇄타이머가 계수를 개시할 때부터 경과된 시간이므로, 따라서 두 수소농도센서(4a, 4b)가 수소가스를 검출하는 경우 사이의 시간 간격에 대응한다. 수소농도센서(4a)가 상기 시간 동안 수소가스를 검출하지 않는다면, 상기 ECU(5)는 일시적으로 "무검출"을 나타내는 신호를 획득한다. 단계 S409의 처리가 종료된 후, 상기 제어는 단계 S410으로 진행된다.

단계 S410에서, 밸브폐쇄시간(T0)은 단계 S409에서 검출된 검출시간(T1)에 따라 보정된다. 우선, 검출시간(T1)이 검출되면, 즉 밸브폐쇄시간(T0)이 최적값보 다 길면, 불필요한 수소가스가 배출될 수도 있다. 그러므로, 출력밸브(9)가 폐쇄될 것으로 예상되는 경우와 실제로 폐쇄되는 경우간의 차이 △S가 하기 수학식 1에 따라 산출된다.

△S = (T0 + △T) - T1

여기서, △T는 ECU(5)가 단계 S407에서 밸브폐쇄신호를 출력밸브(9)에 출력할 때와 상기 출력밸브(9)가 실제로 폐쇄되는 때 간의 차이이다. 이러한 차이는 예를 들면 출구밸브(9)의 밸브폐쇄기구를 작동시키는데 필요한 시간으로 인해 발생한다.

그 후, 새롭게 보정된 밸브폐쇄시간(T0)이 하기 수학식 2에 따라 △S를 토대로 산출된다.

(신규 T0) = T0 - B × △S (B < 1.0)

여기서, B는 1 보다 작은 보정계수이다. 본 실시예에서, B는 0.9 정도로 설정된다. 수학식 2를 이용하면, 신규 밸브폐쇄시간(T0)은 출력밸브(9)의 밸브폐쇄시간의 차이 △S를 고려하여 산출된다. 상기 산출된 신규 밸브폐쇄시간(T0)은 스택온도(TS)와 주변온도(TA)와 연관되어 상술된 맵에 저장된다. 따라서, 상기 맵의 밸브폐쇄시간(T0)이 갱신된다. 상기 맵이 갱신되면, 현재 제어처리에 사용되는 스택온도(TS)와 주변온도(TA)에 대응하는 맵의 밸브폐쇄시간만이 갱신된다. 대안적으로는, 기타 다른 스택온도(TS)와 주변온도(TA)에 대응하는 밸브폐쇄시간들이 현재 제 어처리에 사용되는 온도들과 대응하는 온도들간의 차이를 고려하여 갱신될 수도 있다.

다음으로, 검출시간(T1)이 검출되지 않는다면, 즉 밸브폐쇄시간(T0)이 최적값보다 짧다면, 불충분한 질소가스가 연료전지(1')로부터 배출된다. 그러므로, 추정된 검출시간(T10)이 하기 수학식 3에 따라 산출된다.

T10 = A1 × T0 + △T (A1 > 1.0)

△T는 상술된 바와 같이 출구밸브의 밸브폐쇄시간의 차이이다. A1은 추정된 검출시간을 산출하기 위한 검출계수로서 1보다 크다. 본 실시예에서는, 상기 검출계수 A1가 1.1 내지 1.2 주위로 설정될 수도 있다. 신규 밸브폐쇄시간(T0)은 수학식 3에 따라 산출되는 추정된 검출시간(T10)을 상술된 수학식 1에 대입하고, 수학식 2를 이용하여 산출된다. 이 경우, 상기와 유사하게, ECU(5)의 맵이 갱신된다.

이러한 제어처리에 따르면, 보다 적절한 밸브폐쇄시간이 산출되기 때문에, 연료전지(1')의 시동 시의 수소가스의 불필요한 배출의 저감과 상기 연료전지(1')의 발전효율의 회복을 달성할 수 있다.

다음으로, 도 8에 도시된 발전제어처리를 설명한다. 도 7에 도시된 발전제어처리와 유사하게, 상기 발전제어처리는 연료전지(1')의 시동 시에 실행된다. 그러므로, 연료전지(1')는 본질적으로 발전제어처리가 개시될 때 전기를 발생시키지 않는다. 이에 따라, 수소농도센서(4a, 4b)가 수소가스의 존재를 검출하면, 상기 제어처리가 실행되지 않는다. 또한, 도 6에 도시된 연료전지(1')에서는, 현재 제어처리 가 실행되면서, 단위셀(1a_001) 및 단위셀(1a_200)이 전압계에 연결되어, ECU(5)로 하여금 단위셀들(의 전압)에 의해 발생되는 기전력을 각각 검출할 수 있게 한다. 도 8에 도시된 발전제어처리를 이용하면, 수소농도센서(4a, 4b)가 선택적이다.

단계 S501에서는, 상술된 단계 S401과 유사하게, 수소가스가 공급됨에 따라 출구밸브(9)가 개방된다. 그 후, 상기 제어는 OCV(개방회로전압(OCV))가 제1셀에서 검출되는 단계 S502로 진행된다. 이는 국부적인 발전반응이 입구(1f)에 인접한 제1셀에서 발생하기 때문이며, 그 결과 단계 S501에서 수소가스가 연료전지(1')로 공급된다. 단계 S502에서의 처리가 종료된 후, 상기 제어는 단계 S503으로 진행된다.

단계 S503에서, OCV는 제200셀에 대해 검출된다. 이는 국부적인 발전반응이 수소가스(그 공급은 단계 S501에서 개시됨)가 상기 연료전지(1')의 저부에 위치한 제200셀에 도달할 때 상기 제200셀에서 발생하기 때문이다. 단계 S503의 처리가 종료된 후, 상기 제어는 단계 S504로 진행된다.

단계 S504에서, 출구밸브(9)에 근접하는 시간을 결정하는 밸브폐쇄시간(T2)은, OCV가 단계 S502의 제1셀에서 검출될 때와 OCV가 단계 S503의 제200셀에서 검출될 때 사이의 시간 간격(TD)을 이용하여 하기 수학식 4에 따라 산출된다.

T2 = C × TD

상술된 C는 밸브폐쇄시간(T2)을 산출하는 데 사용되는 계수이다. 상기 밸브폐쇄시간(T2)은 수소가스가 제200셀로부터 배출되는 가스에서 검출될 때로부터 상기 연료전지(1')를 개시하도록 수소가스의 공급을 계속하는 데 필요한 시간이다. 그러므로, 상기 밸브폐쇄시간(T2)은 연료전지(1')의 크기, 제200셀의 위치 등을 고려하여 적절하게 결정된다. 본 실시예에서는, 제200셀이 연료전지(1')의 저부에 위치한 단위셀이기 때문에, 충분한 수소가스가 공급되어 상기 수소가스가 제200셀에서 검출될 때 상기 연료전지(1')에서 발전을 개시하게 된다. 이에 따라, 상기 계수 C는 상대적으로 작은 값으로 설정될 수 있다. 단계 S504의 처리가 종료된 후, 상기 제어는 단계 S505로 진행된다.

단계 S505에서, 상기 밸브폐쇄시간(T2)이 단계 S503의 제200셀에서의 검출로부터 경과되었는 지의 여부를 판정한다. 시간(T2)이 경과된 것으로 판정되면, 상기 제어는 단계 S506으로 진행된다. 시간(T2)이 경과되지 않은 것으로 판정되면, 단계 S505의 처리가 반복된다. 단계 S506에서, 출구밸브(9)는 일단 밸브폐쇄시간(T2)이 경과되면 폐쇄된다. 그 후, 단계 S507에서, 상기 연료전지(1')는 발전을 개시한다. 연료전지의 시동 시의 이러한 상태에서는, 밸브폐쇄시간(T2)이 경과되었기 때문에, 연료전지(1')의 각 단위셀(1a)에서 크로스리크된 질소가스가 배출된다. 그러므로, 전기가 효율적으로 발생될 수 있게 된다. 또한, 상기 제어처리에서는, 도 7에 도시된 제어처리와 달리, 수소농도센서가 사용되지 않으므로, 연료전지시스템을 구성하기 위한 비용의 절감을 가능하게 한다.

또한, 본 실시예에 따르면, OCV가 제1셀과 제200셀에서 검출되지만, 연료전지(1')의 저부와 입구에 각각 위치한 두 셀에서 OCV를 사용하는 것이 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 제150셀과 제200셀, 제10셀과 제100셀 또는 제10셀과 제150셀과 같은 여하한의 2가지 별도의 단위셀이 본 발명의 기술적 사상과 범위에 서 벗어나지 않으면서도 사용될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 계수 C는 OCV가 이들 두 단위셀에서 검출될 때 사이의 시간 간격(TD)을 토대로 적절한 밸브폐쇄시간(T2)을 산출하도록 적절하게 설정되어야만 한다. 예를 들어, 제10셀과 제100셀에서의 OCV의 검출 시점들간의 시간 간격이 사용된다면, 제100셀로부터 연료전지의 저부에 위치하는 제200셀에 도달하도록 수소가스에 대해 소정의 시간량이 예상되기 때문에, 상기 계수 C가 상술된 값보다 크게 설정된다.

또한, 두 단위셀은 OCV가 이들 두 단위셀에서 검출될 때 사이의 시간 간격(TD)이 비교적 크도록 선택될 수도 있다. 이는 각각의 단위셀의 OCV를 검출하는 시간이 수소가스의 흐름에 고도로 영향을 받고, 주변온도 또는 스택온도에 대한 일부 상태에서도 어느 정도 시간 간격(TD)이 변하기 때문이다. 이에 따라, 이러한 영향을 가능한 한 줄이기 위해서는, 두 단위셀들간의 시간 간격(TD)이 0.1초 이상이 되도록 두 단위셀을 선택하는 것이 바람직하다.

지금까지 본 발명의 일부 실시예들을 상술하였지만, 본 발명이 예시된 실시예들의 상세로 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않으면서도 당업계의 당업자에게는 각종 변경예, 변형예 또는 개선예들이 구현될 수 있다는 점은 자명하다.

Claims (22)

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9. 연료전지시스템(1')에 있어서,

   서로 적층된 복수의 단위셀(10);

   상기 복수의 단위셀이 개재되는 제1 및 제2단판(1b, 1c);

   상기 복수의 단위셀의 적층방향으로 연장되어, 상기 복수의 단위셀에 가스를 공급하고, 상기 제1단판측 상에 입구(1f)를 구비한 가스공급로(1d); 및

   상기 복수의 단위셀로부터 배출되는 가스가 통과하고, 상기 제1단판측 상에 출구를 구비한 가스배출로(1e)를 포함하여 이루어지는 연료전지;

   상기 가스공급로를 통해 상기 연료전지 내의 상기 복수의 단위셀에 수소가스를 공급하기 위한 수소공급수단(2);

   상기 복수의 단위셀의 제1단위셀로부터 배출되는 가스배출로에서 유동하는 가스 내의 수소농도를 검출하기 위한 제1수소농도검출수단(4a);

   상기 복수의 단위셀의 제2단위셀에 공급되는 상기 가스공급로에서 유동하는 가스 내의 수소농도를 검출하기 위한 제2수소농도검출수단(4b); 및

   제1시점과 제2시점 사이의 시간 간격에 따라 상기 연료전지의 발전처리를 제어하기 위한 발전제어수단(5)을 포함하여 이루어지되, 상기 제1시점은 상기 제1수소농도검출수단이 수소를 검출하는 때이고, 상기 제2시점은 상기 제2수소농도검출수단이 수소를 검출하는 때인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 제2수소농도검출수단은 상기 가스공급로 내의 상기 제1단판 부근에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,

    상기 제1수소농도검출수단은 상기 가스배출로 내의 상기 제2단판 부근에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
12. 제9항에 있어서,

    상기 제2단위셀은 상기 가스공급로에서 유동하는 수소의 흐름에 대하여 상기 제1단위셀의 상류에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
13. 제9항에 있어서,

    상기 연료전지로부터 배출되는 오프-가스의 유량을 조정하는 오프가스유량조정장치(9)를 더 포함하여 이루어지되,

    상기 발전제어수단은, 상기 제2시점 이후 기결정된 시간이 경과한 경우에 상기 연료전지로부터 상기 오프-가스를 배출하는 것을 정지시키도록 상기 오프가스유량조정장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
14. 제13항에 있어서,

    상기 발전제어수단은 온도와 관련하여 폐쇄시간을 저장하는 맵을 포함하여 이루어지되,

    상기 발전제어수단은 상기 연료전지시스템에 대한 온도를 검출하며, 상기 검출된 온도 및 상기 맵에 저장된 상기 폐쇄시간에 따라 상기 기결정된 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
15. 제14항에 있어서,

    상기 발전제어수단은, 상기 제1시점과 상기 제2시점 사이의 시간 간격에 따라 상기 맵에 저장된 상기 폐쇄시간을 갱신하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
16. 제14항에 있어서,

    상기 발전제어수단에 의해 검출되는 온도는 상기 연료전지의 스택 온도 및 상기 연료전지시스템의 주변온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
17. 제9항, 제10항 및 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제1수소농도검출수단 및 상기 제2수소농도검출수단은 각각 상기 제1 및 제2단위셀에 수소를 공급하여 생성되는 전압들의 변화에 따라 상기 제1 및 제2단위셀에 대한 수소농도를 검출하고,

    상기 제1시점은 상기 제1단위셀에서 생성되는 전압이 기결정된 기준전압에 도달하는 때이고, 상기 제2시점은 상기 제2단위셀에서 생성되는 전압이 기결정된 기준전압에 도달하는 때이며,

    상기 발전제어수단은, 상기 제1시점과 상기 제2시점 사이의 시간 간격에 따라 상기 연료전지의 발전처리를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
18. 제17항에 있어서,

    상기 연료전지로부터 배출되는 오프-가스의 유량을 조정하는 오프가스유량조정장치(9)를 더 포함하여 이루어지되,

    상기 발전제어수단은, 상기 제1시점과 상기 제2시점에 따라 폐쇄시간을 산출하고, 상기 제1시점으로부터 상기 폐쇄시간이 경과한 경우, 상기 연료전지로부터 상기 오프-가스를 배출하는 것을 정지시키도록 상기 오프가스유량조정장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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