KR101335879B1 - 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템의 제어 방법, 및 연료 전지의 상태 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템은, 연료 전지, 연료 전지에 연료를 공급하는 연료 공급부, 연료 전지의 애노드로부터 배출된 애노드 배기 가스를 태우는 연소부, 및 소정 가스 중의 산소 농도를 검출하는 산소 농도 검출부를 포함한다. 연료 흐름 제어부는, 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 연소부로부터 배출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 제 1 값과 제 1 값보다 큰 제 2 값 사이가 되도록 연료 공급부로부터 연료 전지로 공급된 연로의 유량을 제어한다.

Description

연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템의 제어 방법, 및 연료 전지의 상태 검출 방법{FUEL CELL SYSTEM, CONTROL METHOD FOR THE FUEL CELL SYSTEM, AND STATE DETECTION METHOD FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지 시스템, 및 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이고, 또한 연료 전지의 상태 검출 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 수소 및 산소를 연료로서 사용하여 전기 에너지를 획득하는 디바이스이다. 연료 전지는 환경 보호에 탁월하고 높은 에너지 효율을 달성할 수 있기 때문에, 향후 에너지 공급시스템으로서 연료 전지의 연구 및 개발이 광범위하게 행해지고 있다.
수소와 산소 간의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 연료 전지에 연료로서 수소를 공급하기 위해서, 일반적으로 2 개의 방법들이 존재한다: 하나는 고압 탱크 등에 저장된 수소를 공급하는 것이고; 다른 하나는 수소 원자들을 포함하는 연료를 개질 (reforming) 함으로써 획득된 수소를 공급하는 것이다. 후자의 방법이 이용되는 경우, 예를 들어 개질 연료 (메탄올, 에탄올 등과 같은 알콜 등, 가솔린, 천연 가스, 프로판 가스 등과 같은 탄화수소, 알데히드, 암모니아 등) 를 물 및 산소 (공기) 와 함께 개질기에 공급하고, 개질 연료, 물 및 산소를 가열함으로써 수소가 생성된다. 생성된 전류에서의 변화 또는 생성된 전압에서의 변화에 기초하여 연료 전지에 공급된 연료의 유량이 산출되는 관련 기술이 일본 공개특허공보 제 2005-44708 (JP-A-2005-44708), 일본 공개특허공보 제 2005-93218 (JP-A-2005-93218) 및 일본 공개특허공보 평11-40178 (JP-A-11-40178) 에 개시된다.
연료 전지 및 연료 전지의 애노드로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 태우는 연소부를 포함하는 연료 전지 시스템이 제안되고 있다. 이 연료 전지 시스템에서 생성된 연소 열은, 예를 들어 물을 가열하기 위해, 또는 전술한 개질기 (reformer) 에 의해 수소를 생성하기 위해 이용된다.
생성된 전류에서의 변화 또는 생성된 전압에서의 변화에 기초하여 연료 전지에 공급된 연료의 유량이 산출되는 전술한 방법을 이용하면, 연소실이 구비된 연료 전지 시스템이 연료 유량을 적합하게 제어할 수도 없는 가능성이 있다.
게다가, 연료 전지가 구비된 일부 연료 전지 시스템들에는 탄화수소 등과 같은 연료로부터 수소를 생성하기 위한 개질기가 구비된다. 또한, 개질기에 의해 생성된 연료 가스에서 탄화수소 농도를 검출함으로써 개질기의 열화가 검출되는 국제공개 제 20005/018035 에 개시된 기술에서 전술한 문제가 나타난다.
본 발명은 연료 전지 및 연소부를 갖고, 연료의 유량을 적절하게 제어할 수 있는 연료 전지 시스템, 및 이 연료 전지 시스템의 제어 방법을 제공한다. 본 발명은 또한, 탄화수소 센서를 제공할 필요 없이 연료 전지의 상태를 검출할 수 있는 연료 전지 시스템, 및 연료 전지의 상태 검출 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 양태는 연료 전지 시스템에 관한 것이고, 이 시스템은, 연료 전지; 연료 전지에 연료를 공급하는 연료 공급부; 연료 전지의 애노드로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 태우는 연소부; 산소 농도를 검출하는 산소 농도 검출부; 및 연료 공급부로부터 연료 전지에 공급된 연료의 유량을, 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 연소부로부터 배출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 제 1 값과 제 1 값보다 큰 제 2 값 사이 이도록 제어하는 연료 흐름 제어부를 포함한다.
연소부에서의 연소가 양호하지 않은 경우 (예를 들어, 연소부의 일부에서 불발이 발생하는 경우), 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동이 우수하다고 생각된다. 이는, 연료 전지의 유닛 셋들 중 하나 이상 또는 연료 전지 전체의 발전 불량과 연관되어, 즉 하나 이상의 유닛 셀들에서의 연료 이용율의 감소와 연관되어 발생하는, 연소부 전체 또는 연소부의 일부에서의 공기 과잉율의 감소로 인해 발생한다. 유닛 셀이 발전 불량이 될지 안될지 여부는 유닛 셀로의 연료의 유량에 의해 또한 영향을 받는다. 전술한 구성에 따르면, 연료 전지에 공급된 연료의 유량은 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 적합한 범위에 있도록 조정될 수 있고, 따라서 발전 불량을 갖는 유닛 셀들은 발전의 양호한 상태로 될 수 있다. 즉, 연료 유량의 적절한 제어는, 연료 전지의 발전의 안정성이 향상되도록 수행될 수 있다. 배기 가스 중의 산소 농도의 변동을 증가시키는 다른 원인으로서, 연소부 자체의 열화 등으로 인해, 안정한 연소를 위해 설정된 공기 과잉율에서 발생하는 변화를 생각할 수 있다. 이 경우에서 또한, 연료 전지에 공급된 연료의 유량이 조정되면, 연소부에서의 연소를 안정화시키는 적합한 공기 과잉율이 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에서, 연료 흐름 제어부는 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 제 2 값보다 큰 경우 연료의 유량을 증가시킬 수도 있고, 연료 흐름 제어부는 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 제 1 값보다 작은 경우 연료의 유량을 감소시킬 수도 있다.
연소 배기 가스 중의 산소 농도의 진동 진폭이 제 2 값보다 큰 경우, 연료 전지에서 발전 불량이 발생하였다고 고려된다. 전술한 구성에 따르면, 이 경우에서 연료 전지의 발전의 상태는 연료의 유량을 증가시킴으로써 향상된다. 한편, 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 진동 진폭이 제 1 값보다 큰 경우, 연료 전지의 발전의 상태는 양호한 것으로 생각되지만, 연료의 과잉 공급의 가능성이 존재한다. 따라서, 이 경우, 연료의 유량을 감소시킴으로써 발전의 안정성이 향상될 수 있고, 발전 효율성이 또한 향상될 수 있다.
본 양태에 다른 연료 전지 시스템에서, 연료 공급부는 연소부에 의해 생성된 연소 열을 사용함으로써 연료 전지에 공급되는 연료를 생성하는 연료 생성부, 및 연료의 생성에서의 사용을 위해 원료를 연료 생성부에 공급하는 원료 공급부를 포함할 수도 있다. 연료 흐름 제어부는 연료 생성부로 공급되는 원료의 유량을 제어함으로써 연료 전지로 공급된 연료 유량을 제어할 수도 있다.
전술한 구성에 따르면, 연료 생산부가 구비되는 연료 전지 시스템에서 발전의 안정성이 향상된다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템에서, 제 1 값 및 제 2 값은 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 공기 중의 산소 농도의 변동량에 기초하여 결정될 수도 있다.
전술한 구성에 따르면, 제 1 값 및 제 2 값은 산소 농도 검출부의 시간 의존적 변화에 따라 설정될 수 있다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템에서, 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 절대값이 작을수록 제 1 값 및 제 2 값에 의해 정의된 범위가 보다 넓게 설정될 수도 있다.
산소 농도의 절대값이 작은 경우, 진폭의 측정 정확도가 저하된다. 그러나, 전술한 구성에 따르면, 이 경우에서도 연료 전지 시스템의 오작동이 억제될 수 있다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템에서, 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 제 1 값과 제 2 값 사이에 있을 때, 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 절대값이 작을수록, 연료 제어부는 연료의 유량의 증/감 비율을 더 감소시킬 수도 있다.
전술한 바와 같이, 산소 농도의 절대값이 작은 경우, 진폭의 측정 정확도가 저하된다. 그러나, 전술한 구성에 따르면 이 경우에서도 오작동이 억제될 수 있다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지의 출력 전류를 측정하는 전류계 및 연료 전지의 출력 전압을 측정하는 전압계 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있고, 연료 흐름 제어부는 전류계에 의해 측정된 출력 전류 및 전압계에 의해 측정된 출력 전압 중 하나의 진동 진폭이 제 3 값과 제 3 값보다 큰 제 4 값 사이가 되도록 연료의 유량을 제어할 수도 있다. 본 구성에 따르면, 발전의 안정성이 더욱 향상된다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템에서, 연료 흐름 제어부는, 전류계에 의해 측정된 출력 전류 및 전압계에 의해 측정된 출력 전압 중 하나의 진동 진폭이 제 4 값보다 큰 경우 연료의 유량을 증가시킬 수도 있고, 연료 흐름 제어부는 전류계에 의해 측정된 출력 전류 및 전압계에 의해 측정된 출력 전압 중 하나의 진동 진폭이 제 3 값보다 작은 경우 연료의 유량을 감소시킬 수도 있다.
연료 전지의 출력 전류의 진동 진폭이 제 4 값보다 큰 경우, 연료 전지는 발전 불량을 갖는 것으로 생각된다. 전술한 구성에 따르면, 이 경우에서, 연료 전지의 발전의 상태는 연료의 유량을 증가시킴으로써 향상된다. 한편, 연료 전지의 출력 전류의 진동 진폭이 제 3 값보다 작은 경우, 연료 전지의 발전의 상태는 양호한 것으로 생각되지만, 연료의 과잉 공급의 가능성이 존재한다. 따라서, 이 경우, 연료의 유량을 감소시킴으로써 발전의 안정성이 향상될 수 있고, 발전 효율성이 또한 향상될 수 있다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템에서, 출력 전류의 절대값이 작을수록 제 3 값 및 제 4 값에 의해 정의된 범위가 넓게 설정될 수도 있다.
절대값이 작은 전류가 측정되는 경우, 진폭의 측정 정확도가 저하된다. 전술한 구성에 따르면, 출력 전류의 절대값이 작을수록 제 3 값 및 제 4 값에 의해 정의된 범위를 넓게 설정함으로써 오작동이 억제될 수 있다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템에서, 출력 전류의 진동 진폭이 제 3 값과 제 4 값 사이가 되도록 연료의 유량을 제어할 때, 연료 흐름 제어부는, 출력 전류의 절대값이 작을수록 연료의 유량의 증/감 비율을 감소시킬 수도 있다.
전술한 바와 같이, 절대값이 작은 전류가 측정되는 경우, 진폭의 측정 정확도가 저하된다.
전술한 구성에 따르면, 출력 전류의 절대값이 작을수록 연료의 유량의 증/감 비율을 작게 함으로써 오작동이 억제될 수 있다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템에서, 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량은 산소 농도의 진동 진폭일 수도 있다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템은, 탄화수소로부터 수소를 생성하는 개질부; 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 소정 가스인 연소부로부터의 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량에 기초하여 연료 전지가 열화되었는지 여부를 판정하는 판정부를 더 포함할 수도 있고, 연료 전지는 개질부에 의해 생성된 수소를 연로로서 사용함으로써 전기를 생성한다.
전술한 구성에 따르면, 연료 전지의 상태는 탄화수소 센서를 제공할 필요 없이 검출될 수 있다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템은 연소부에서 공기 과잉율을 제어하기 위한 공기 과잉율 제어 수단을 더 포함할 수도 있고, 공기 과잉율 제어 수단은 판정부가 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량을 획득할 때 공기 과잉율을 증가시킬 수도 있다. 이 구성에 따르면, 공기 과잉율에서의 증가로 산소 농도의 변동이 더 커진다. 따라서, 산소 농도 변동의 검출 정확도가 향상된다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템에서, 판정부는, 연소부에서의 공기 과잉율의 증가에 대하여 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 클수록 연료 전지의 열화가 클 수도 있다고 판정한다. 이 구성에 따르면, 연료 전지의 열화는 정량적으로 판정될 수도 있다.
본 양태에 따른 연료 전지 시스템은, 판정부가 연료 전지가 열화되었다고 판정하는 경우 연료 전지의 열화를 사용자에게 알리는 통보 디바이스를 더 포함할 수도 있다. 또한, 본 양태에 따른 연료 전지 시스템에서, 산소 농도의 변동량은 소정 기간 동안 산소 센서에 의해 검출되는 복수의 검출 값들로부터 산출되는 표준 편차일 수도 있고, 연료 전지는 고체 산화물 타입 연료 전지일 수도 있으며, 연료 전지의 애노드는 니켈을 포함할 수도 있다.
본 발명의 제 2 양태는 연료 전지의 상태 검출 방법에 관한 것이고, 연료 전지는 애노드 오프 가스를 태우는 연소부 및 탄화수소로부터 수소를 생성하는 개질부를 포함하고, 개질부에 의해 생성된 수소를 연료로서 사용함으로써 전기를 생성한다. 이 상태 검출 방법은, 연소 챔버로부터 배기 가스 중의 산소 농도를 검출하는 단계, 및 검출된 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량에 기초하여 연료 전지의 열화의 존재/부존재를 판정하는 단계를 포함한다.
전술한 구성에 따르면, 연료 전지의 상태는 탄화수소 센서를 제공할 필요 없이 검출될 수 있다.
본 양태에 따른 상태 검출 방법에서, 연료 전지의 열화의 존재/부존재를 판정하는 단계는 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량을 획득하기 위해서 연소부 내의 공기 과잉율을 증가시키는 단계를 포함할 수도 있다. 이 구성에 따르면, 산소 농도의 변동은 공기 과잉율에서의 증가에 따라 커진다. 따라서, 산소 농도 변동의 검출 정확도가 향상된다.
본 양태에 따른 상태 검출 방법에서, 연료 전지의 열화의 존재/부존재를 판정하는 단계는 연료 전지의 열화의 레벨을 판정하는 단계를 포함할 수도 있고, 연소부 내의 공기 과잉율에서의 증가에 대하여 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 클수록 결정된 레벨이 커질 수도 있다. 이 구성에 따르면, 연료 전지의 열화가 정량적으로 판정될 수도 있다.
본 양태에 따른 상태 검출 방법은, 연료 전지가 열화되었다고 판정되는 경우 연료 전지의 열화를 사용자에게 알리는 단계를 더 포함한다. 또한, 본 양태에 따른 상태 검출 방법에서, 산소 농도의 변동량은 소정 기간 동안 검출되는 복수의 검출 값들로부터 산출되는 표준 편차일 수도 있고, 연료 전지는 고체 산화물 타입 연료 전지일 수도 있으며, 연료 전지의 애노드는 니켈을 포함할 수도 있다.
본 발명의 제 3 양태는 연료 전지, 및 연료 전지의 애노드로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 태우는 연소부를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다. 이 제어 방법은, 연소부로부터 배출되는 연소 배기 가스 중의 산소 농도를 획득하는 단계, 및 획득된 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 제 1 값과 제 1 값보다 큰 제 2 값 사이가 되도록 연료 전지에 공급된 연료의 유량을 제어하는 단계를 포함한다.
본 양태에 따른 제어 방법에서, 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량은 산소 농도의 진동 진폭일 수도 있다.
본 발명의 제 4 양태는 연료 전지 시스템에 관한 것이고, 연료 전지 시스템은, 탄화수소로부터 수소를 생성하는 개질부; 개질부에 의해 생성된 수소를 연료로서 사용함으로써 전기를 생성하는 연료 전지; 연료 전지의 애노드로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 태우는 연소부; 애노드 배기 가스 중의 산소 농도를 검출하는 산소 농도 검출부; 및 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 연소부로부터의 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량에 기초하여 연료 전지가 열화되었는지 여부를 판정하는 판정부를 포함한다.
본 발명의 이전 및 추가 목적들, 특성들 및 이점들은 동일한 번호가 동일한 엘리먼트를 나타내는데 이용되는 첨부 도면을 참조하여 다음의 예시적인 실시형태들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태로서 연료 전시 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 예시도이다.
도 2 는 제 1 실시형태에서의 센서 난기 (warm-up) 검출 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 3 은 제 1 실시형태에서의 연료 흐름 산출 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 4 는 제 1 실시형태에서 산소 농도 변동 값과 보정 계수 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5 는 제 1 실시형태에서 부하 요구 (load demand) 와 기본 연료 유량 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태로서 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 예시도이다.
도 7 은 제 2 실시형태에서의 연료 흐름 산출 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 8 은 제 2 실시형태에서의 연료 흐름 산출 루틴을 나타내는 흐름도이다.
도 9 는 제 2 실시형태에서 보정 산소 농도 변동 값과 보정 계수 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10 은 제 2 실시형태에서 부하 요구와 기본 연료 유량 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11 은 본 발명의 제 3 실시형태로서 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 예시도이다.
도 12 는 제 3 실시형태에서 연료 흐름 산출 루틴의 일부분을 나타내는 흐름도이다.
도 13 은 제 3 실시형태에서 출력 전류 변동 값과 보정 계수 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14 는 변형예에서 산소 농도 변동 값과 보정 계수 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15 는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 전체 구성을 나타내는 개략도이다.
도 16 은 산소 센서를 자세하게 설명하기 위한 개략적 단면도이다.
도 17 은 연료 전지의 상세를 설명하기 위한 개략도이다.
도 18a 는 산소 농도 변동을 획득하기 위해 실행되는 프로세스의 흐름예를 나타내는 흐름도이고, 도 18b 는 도 18a 의 흐름도에 의해 도시된 프로세스에 저장되는 산소 농도 변동을 이용하여 연료 전지의 열화의 존재/부존재가 판정될 때 실행되는 프로세스의 흐름예를 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 실시형태들이 이하에서 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태로서 연료 전지 시스템 (1000) 의 구성을 개략적으로 나타내는 예시도이다. 연료 전지 시스템 (1000) 은 주로 연료 전지 스택 (100), 연소부 (200), 열 교환기 (300) 및 제어부 (600) 를 포함한다.
연료 전지 스택 (100) 으로부터 배출되는 애노드 배기 가스 및 캐소드 배기 가스를 이용하는 본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000) 은, 연소부 (200) 의 애노드 배기 가스의 연소를 야기하고, 열 교환기 (300) 를 통해 수도물을 가열하도록 연소부 (200) 에서 생성된 열을 이용하며, 사용자들에게 온수를 공급한다.
연료 전지 스택 (100) 은 연료 가스로서의 수소 및 산화 가스로서의 공기 중의 산소가 전기화학 반응을 일으키기 때문에 기전력을 획득한다. 본 실시형태에서, 연료 전지 스택 (100) 은 반응 온도가 약 600 ℃ 내지 1000 ℃ 인 고체 산화물 연료 전지 (solid oxide fuel cell; SOFC) 이다.
연료 전지 스택 (100) 에 연료 가스로서 수소를 공급하는 수소 공급 시스템은 수소 탱크 (102), 수소 공급로 (104), 및 수소 공급로 (104) 내에 제공되는 흐름 조절 밸브 (106) 를 포함한다. 본 실시형태에서, 수소 탱크 (102) 는 고압의 수소를 저장하는 수소 실린더이다. 수소 탱크 (102) 대신에, 수소 저장 합금을 내부에 갖고, 이 저장에 의해 수소 저장 합금 안에 수소를 저장하는 탱크가 또한 사용될 수도 있다.
수소 탱크 (102) 에 저장된 수소 가스는 흐름 조절 밸브 (106) 에 의해 소정 유량으로 조정되고, 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 유닛 셀들 각각의 애노드에 연료 가스로서 공급된다. 후술되는 바와 같이, 흐름 조절 밸브 (106) 는 연소부 (200) 로부터 배출되는 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동에 기초하여 제어된다 (이하, 변동이란 용어는 산소 농도가 오실레이팅하는 경우에서 변동량을 지칭하고, 진동 진폭을 지칭한다).
연료 전지 스택 (100) 의 애노드 측으로부터 배출된 배기 가스 (이하, "애노드 배기 가스" 로서 지칭됨) 는 애노드 배기 가스로 (108) 를 통해 연소부 (200) 에 공급된다.
연료 전지 스택 (100) 에 산화 가스로서 공기를 공급하는 공기 공급 시스템은 공기 공급로 (114), 및 공기 공급로 (114) 상에 제공되는 에어 펌프 (116) 를 포함한다. 에어 펌프 (116) 는 에어 클리너 (미도시) 를 통해 밖으로부터 공기를 흡수하고, 이 공기를 공기 공급로 (114) 를 통해 연료 전지 스택 (100) 의 캐소드에 산화 가스로서 공급한다.
연료 전지 스택 (100) 의 캐소드 측으로부터 배출된 배기 가스 (이하, "캐소드 배기 가스" 로서 지칭됨) 는 캐소드 배기 가스로 (118) 를 통해 연소부 (200) 에 공급된다.
게다가, 연료 전지 스택 (100) 은 냉각수가 순환하는 냉각수 채널 (미도시) 을 내부에 갖는다. 연료 전지 스택 (100) 내에 형성되는 냉각수 채널과 라디에이터 (미도시) 간에 냉각수가 순환하기 때문에, 연료 전지 스택 (100) 의 내부 온도는 소정 온도 범위에서 유지된다.
연소부 (200) 에는 글로 착화 (glow ignition) 메커니즘이 구비된다. 글로 착화 메커니즘에 소정 전압을 인가함으로써, 애노드 배기 가스로 (108) 를 통해 공급된 애노드 배기 가스와 캐소드 배기 가스로 (118) 를 통해 공급된 캐소드 배기 가스 간에 연소가 야기된다.
연소부 (200) 에는 연소 배기 가스로 (202) 가 제공되고, 이 통로를 통해 연소부 (200) 에서 생성된 연소후 가스 (burnt gas) 및 미연소 가스 (unburnt gas) 를 포함하는 연소 배기 가스가 대기 안으로 방출된다.
연소 배기 가스로 (202) 에 산소 농도 센서 (204) 가 제공된다. 산소 농도 센서 (204) 는 연소 배기 가스 중의 산소 농도를 검출하고, 검출된 산소 농도를 제어부 (600) 로 출력한다.
열 교환기 (300) 에는 수도물 도입로 (302) 및 온수 방출로 (304) 가 제공된다. 열 교환기 (300) 에서, 수도물 도입로 (302) 를 통해 도입된 수도물은 연소부 (200) 에서 연소에 의해 생성된 연소 열에 의해 가열되고, 따라서 온수가 된다.
온수 방출로 (304) 는 물 저장 탱크 (미도시) 에 연결된다. 열 교환기 (300) 에 의해 가열되는 온수는 온수 방출로 (304) 를 통해 물 저장 탱크 안에 저장된다. 물 저장 탱크는 사용자 집의 욕조, 샤워 등에 연결되고, 온수는 사용자로부터의 요청에 따라 물 저장 탱크로부터 사용자에게 공급된다. 또한, 물 저장 탱크 내의 온수는 또한 재가열되도록 다시 열 교환기 (300) 안으로 도입될 수도 있다. 이는, 예를 들어 물 저장 탱크 내의 온수의 온도가 내려가는 경우, 또는 그 온도가 사용자에 의해 요청된 온도보다 낮은 경우 등에 적합하다.
제어부 (600) 는 중앙 컴포넌트로서 마이크로컴퓨터를 갖는 논리 회로로서 구성된다. 제어부 (600) 는 미리설정된 제어 프로그램들에 따라 소정 연산 등을 실행하는 CPU (610), 연료 흐름 제어 프로그램 (624), 맵 (622), 맵 (623) 등을 저장하는 메모리 (620), 각종 신호를 입력/출력하는 입/출력 포트 (630) 등을 포함한다. 연료 흐름 제어 프로그램 (624) 은 이하에서 설명될 센서 난기 검출 루틴 및 연료 흐름 산출 루틴을 포함한다.
제어부 (600) 는 전술한 산소 농도 센서 (204) 로부터의 검출 신호, 연료 전지 스택 (100) 에 대한 부하 요구에 관한 정보 등을 획득한다. 그 다음에, 획득된 정보에 기초하여, 제어부 (600) 는 연료 전지 스택 (100) 에 공급되는 수소의 적합한 유량을 산출하고, 수소 탱크 (102) 로부터 공급된 수소의 유량을 조절하는 흐름 조절 밸브 (106) 로 구동 신호를 출력한다. 게다가, 제어부 (600) 는 또한 에어 펌프 (116) 등과 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 발전 (electricity generation) 에 관계되는 각종 부분들에 구동 신호를 출력한다.
도 2 는 연료 전지 시스템 (100) 에 제공되는 제어부 (600) 의 CPU (610) 에 의해 실행되는 센서 난기 검출 루틴을 나타내는 흐름도이다. 이 루틴은, 연료 전지 시스템 (1000) 이 시작될 때 실행된다.
연료 전지 시스템 (1000) 이 시작됨에 따라 이 루틴이 시작될 때, CPU (610) 는 공기를 공급하도록 에어 펌프 (116) 를 제어하고, 이에 의해 연료 전지 시스템 (1000) 을 소기 (scavenging) 하는 프로세스를 시작한다. 다음으로, CPU (610) 는 산소 농도 센서 (204) 의 난기를 시작한다 (단계 S104). 그 다음에, CPU (610) 는 산소 농도 센서 (204) 의 난기가 완료되었는지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 S106). 난기가 완료되지 않았으면 (단계 S106 에서 아니오), CPU (610) 는 산소 농도 센서 (204) 의 난기를 계속한다 (단계 S104). 즉, 산소 농도 센서 (204) 의 난기는, CPU (610) 가 산소 농도 센서 (204) 의 난기가 완료되었다고 판정할 때까지 계속된다. CPU (610) 가 산소 농도 센서 (204) 의 난기가 완료되었다고 판정할 때 (단계 S106 에서 예), CPU (610) 는 메모리 (620) 에 기록되는 센서 난기 완료 플래그를 턴온하고 (단계 S108), 그 다음에 이 루틴을 종료한다.
도 3 은 연료 전지 시스템 (1000) 에 제공되는 제어부 (600) 의 CPU (610) 에 의해 실행되는 연료 흐름 산출 루틴을 나타내는 흐름도이다. 이 루틴은, 연료 전지 시스템 (1000) 이 시작될 때 실행된다. 이 루틴은, 예를 들어 100 ms 마다 반복적으로 실행된다. 이 루틴에서, CPU (610) 는 연소부 (200) 로부터 배출되는 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 변동을 나타내는 산소 농도 변동 값 (σo) 에 기초하여 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 수소 유량 (기본 연료 유량 (Qf_bse)) 을 보정함으로써 연료 전지 스택 (100) 에 공급되는 수소의 유량 (최종 연료 유량 (Qf_fin)) 을 산출한다.
도 4 는 본 실시형태에서 산소 농도 변동 값 (σo) 과 보정 계수 (Ko) 간의 관계를 나타내는 도면이다. 보정 계수 (Ko) 는, 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 변동이 적합한 범위 내에 있도록 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량을 보정하기 위한 계수이다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 산소 농도 변동 값 (σo) 이 제 1 값 (o1) 과 제 2 값 (o2) 사이의 임의의 값이면, 보정 계수는 Ko=1.0 이다. 즉, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량 (기본 연료 유량 (Qf_bse)) 은 보정되지 않는다. 본 실시형태에서, 제 1 값 (o1) 및 제 2 값 (o2) 은 실험에 의해 미리 결정된다.
본 실시형태에서, 도 4 에 도시된 산소 농도 변동 값 (σo) 과 보정 계수 (Ko) 간의 관계를 나타내는 맵 (622) 이 메모리 (620) 에 미리 저장된다. 보정 계수 (Ko) 는, 평균 산소 농도 (ov) 가 소정 값보다 큰 경우 도 4 의 실선의 그래프를 이용함으로써 도출되고, 평균 산소 농도 (ov) 가 소정 값보다 작은 경우 점선의 그래프를 이용함으로써 도출된다.
산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출된 산소 농도 (o) 가 작은 경우, 산소 농도 (o) 의 변동 (진폭) 의 측정 정확도가 저하된다. 따라서, 평균 산소 농도 (ov) 가 작은 경우, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량이 평균 산소 농도 (ov) 가 큰 경우에서와 동일한 방식으로 증가 또는 감소되면, 연료 전지 시스템 (1000) 의 오작동의 가능성이 존재한다. 본 실시형태에서, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량의 보정과 연관된 오작동을 제한하기 위해서, 맵 (622) 은, 보정 계수 (Ko) 의 값이 평균 산소 농도 (ov) 가 커지는 경우에서보다 평균 산소 농도 (ov) 가 작아지는 경우에서 더 작도록 생성된다. 또한, 본 실시형태에서, 평균 산소 농도 (ov) 가 10% 이상인 경우 "평균 산소 농도 (ov) 가 크다" 고 정의되고, 평균 산소 농도 (ov) 가 10% 미만인 경우 "평균 산소 농도 (ov) 가 작다" 고 정의된다.
도 4 에 도시된 맵 (622) 에서, 산소 농도 변동 값 (σo) 이 제 2 값 (o2) 보다 큰 경우 보정 계수 (Ko) 의 값은 크게 설정되고, 산소 농도 변동 값 (σo) 이 제 1 값 (o1) 보다 작은 경우 보정 계수 (Ko) 의 값은 작게 설정된다.
즉, 산소 농도 변동 값 (σo) 이 제 2 값 (o2) 보다 큰 경우, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량은 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 기본 연료 유량 (Qf_bse) 보다 크게 된다. 산소 농도 변동 값 (σo) 이 큰 경우, 발전 불량이 연료 전지 스택 (100) 에서 발생되는 것으로 고려되고 (예를 들어, 연료 부족 등으로 인해 전기를 생성할 수 없는 유닛 셀이 존재함), 따라서 연료 전지 스택 (100) 의 발전은 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량이 증가되는 경우 안정화될 것으로 생각된다.
한편, 산소 변동 값 (σo) 이 제 1 값 (o1) 보다 작은 경우, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량은 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 기본 연료 유량 (Qf_bse) 보다 적게된다. 산소 농도 변동 값 (σo) 이 작은 경우, 연료 전지 스택 (100) 의 발전 상태가 양호하고 (안정되고), 과잉량의 연료 (수소) 가 연료 전지 스택 (100) 에 공급되고 있다고 생각된다. 따라서, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량을 감소시킴으로써 연료 전지 스택 (100) 의 발전 효율이 향상될 것으로 생각된다.
도 5 는 입/출력 포트 (630) 를 통해 CPU (610) 에 입력되는 기본 연료 유량 (Qf_bse) 과 부하 요구 (i_req) 간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 5 에 도시된 기본 연료 유량 (Qf_bse) 은 연료 전지 스택 (100) 의 상태 (반응 온도, 열화 정도 등) 가 이상적 상태인 경우에서 부하 요구 (i_req) 를 충족시키는 출력을 획득하기 위해서 필요한 수소의 유량이다. 본 실시형태에서, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량은 (최종 연료 유량 (Qf_fin)) 은 연료 전지 스택 (100) 의 동작 상태에 따라 도 5 에 도시된 기본 연료 유량 (Qf_bse) 을 보정함으로써 결정된다. 본 실시형태에서, 도 5 에 도시된 부하 요구 (i_req) 와 기본 연료 유량 (Qf_bse) 간의 관계를 나타내는 맵 (623) 은 메모리 (620) 내에 미리 저장된다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템 (1000) 이 시작됨에 따라 루틴이 시작될 때, CPU (610) 는 메모리 (620) 내에 기록된 센서 난기 완료 플래그가 온 인지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 S130). 센서 난기 완료 플래그가 오프이면 (단계 S130 에서 아니오), CPU (610) 는 루틴을 종료한다.
센서 난기 완료 플래그가 온이면 (단계 S130 에서 예), CPU (610) 는 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출되는 연소부 (200) 로부터의 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 를 메모리 (620) 안에 저장하고, n=n+1 까지 카운트한다 (단계 S132). 그 다음에, CPU (610) 는, 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 산소 농도의 검출 샘플들의 최대 수 (n_trg) 이상인지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 S134). 본 실시형태에서, 산소 농도의 검출 샘플들의 최대 수 (n_trg) 는 250 이다 (n_trg=250). 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 n_trg 미만이면 (단계 S134 에서 아니오), 이 루틴은 종료된다.
즉, 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 값들은 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 샘플들의 수가 250 이 도달할 때까지 메모리 (620) 에 축적된다.
산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 n_trg 이상이면 (단계 S134 에서 예), CPU (610) 는 산소 농도 변동 값 (σo) 및 평균 산소 농도 (ov) 를 산출한다 (단계 S136).
산소 농도 변동 값 (σo) 은 다음 식 (1) 을 이용하여 산출된다.
Figure 112011069903801-pct00001
(1)
그 후에, CPU (610) 는 가장 가장 먼저 측정된 산소 농도 (o) 를 클리어하고, 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 를 n-1 로 변화시킨다 (단계 S138). 예를 들어, n=250 일 때까지, 단계 S132 의 프로세스는 100 ms 마다 수행되고, 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출된 산소 농도의 값들은 n=0 내지 249 에 대하여 축적된다. n=250 이 도달되고, 산소 농도 변동 값 (σo) 및 평균 산소 농도 (ov) 가 n=0 내지 249 에 대하여 산출될 때, n=0 에 대응하는 산소 농도의 값은 메모리 (620) 로부터 클리어되어 n=249 가 된다.
CPU (610) 는 맵 (622) 을 참조로 하여 단계 S136 에서 산출되는 산소 농도 변동 값 (σo) 및 평균 산소 농도 (ov) 를 이용함으로써 보정 계수 (Ko) 를 도출한다 (단계 S140).
CPU (610) 는 맵 (623) 을 참조하여 도출되는 입력 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 기본 연료 유량 (Qf_bse) 을 도출한다 (단계 S144). 최종적으로, CPU (610) 는 단계 S140 에서 도출된 보정 계수 (Ko) 및 단계 S144 에서 도출된 기본 연료 유량 (Qf) 에 기초하여 최종 연료 유량 (Qf_fin) 을 산출하고 (단계 S146), 그 다음에 이 루틴을 종료한다.
CPU (610) 는 전술된 바와 같이 산출되는 최종 연료 유량 (Qf_fin) 을 달성하도록 흐름 조절 밸브 (106) 를 제어한다.
예를 들어, 연소부 (200) 에서의 연소가 양호하지 않으면 (예를 들어, 연소부 (200) 의 일부분에서 불발 (misfire) 발생함), 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 변동이 증가할 것으로 생각된다. 반면, 연료 전지 스택 (100) 에서 발전 불량이 발생하면, 연료 전지 스택 (100) 의 온도가 감소한다. 결과적으로, 연료 전지 스택 (100) 으로부터 배출되는 배기 가스를 태우는 연소부 (200) 의 온도가 감소할 것이고, 따라서 연소부 (200) 의 연소 불량이 발생할 것으로 생각된다. 즉, 연료 전지 스택 (100) 에서 발전 불량이 발생한 경우, 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 변동이 증가되는 것으로 생각된다.
본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000) 에서, 최종 연료 유량 (Qf_fin) 은 연소부 (200) 로부터 배출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 변동 (즉, 산소 농도 변동 값 (σo)) 에 기초하여 보정 계수 (Ko) 의 이용을 통해 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 수소 유량 (즉, 기본 연료 유량 (Qf_bse)) 을 보정함으로써 산출된다. 보정 계수 (Ko) 는, 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 변동이 적합한 범위 내에서 발생하도록 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 양을 보정하기 위한 계수이다. 연료 전지 시스템 (1000) 에서, 보정후 (post-correction) 최종 연료 유량 (Qf_fin) 이 되도록 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량이 제어되기 때문에, 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 변동이 적합한 범위 내에 있다. 즉, 연료 전지 스택 (100) 의 발전의 안정성 및 발전 효율성이 향상된다. 본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000) 에 따르면, 연료 유량 (수소 유량) 은 연료 전지 스택 (100) 의 발전의 안정성 및 발전 효율성 양자 모두를 달성하도록 적절하게 제어될 수 있다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (1000A) 의 구성을 개략적으로 나타내는 예시도이다. 본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000A) 은, 연료 전지 시스템 (1000A) 에 개질기 (400) 가 구비되고, 연료 유량의 제어에 있어서 고정된 산소 농도 분위기에서 산소 농도 센서의 출력에서의 변화가 고려된다는 점에서 제 1 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000) 과 상이하다. 도 6 에서, 제 1 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000) 에서와 실질적으로 동일한 구성은 동일한 도면 부호로 표현되고, 그 설명은 이하에서 생략된다.
본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000A) 에서, 연료 전지 스택 (100) 으로부터 배출된 애노드 배기 가스는 연료 전지 스택 (100) 으로부터 또한 배출되는 캐소드 배기 가스의 이용을 통해 연소부 (200) 에서 태워진다. 연소부 (200) 에서 생성된 열을 이용하여, 수소를 포함하는 연료 가스가 개질기 (400) 내에 생성되고, 그 다음에 이 가스는 연료 전지 스택 (100) 에 공급된다. 게다가, 연소부 (200) 로부터 배출된 연소 배기 가스의 열을 이용하여, 수도물이 열 교환기 (300) 를 통해 가열되고, 사용자에게 온수가 공급된다.
개질기 (400) 는 혼합부 (미도시) 및 개질부 (미도시) 를 포함한다. 개질 연료 탱크 (402)(이하에서 설명됨) 로부터 공급된 개질 연료 및 개질 물 탱크 (500)(이하에서 설명됨) 로부터 공급된 물이 혼합부에서 혼합 및 기화된다. 이하, 혼합부에서의 혼합 및 기화에 의해 형성된 가스는 "혼합 가스" 로서 지칭될 것이다. 개질부에는 개질 반응을 가속화하는 개질 촉매 (미도시) 가 구비된다. 혼합부에서 생성된 혼합 가스가 개질부로 도입될 때, 개질 반응은 개질 촉매로 인해 진행되고, 수소를 포함하는 연료 가스를 생성한다. 이 개질 반응은 흡열 반응이고 따라서 열의 입력을 필요로 하기 때문에, 연소부 (200) 에서의 연소 반응에 의해 생성된 열은 본 실시형태에서 개질 반응에 이용된다. 개질 촉매는 개질 반응에 이용되는 개질 연료에 따라 적합하게 결정된다. 또한, 개질기 (400) 에서 생성되고 연료 전지 스택 (100) 에 공급되는 연료 가스는 일산화탄소 (CO), 이산화탄소 (CO2), 메탄 (CH4), 및 미반응 개질 연료, 게다가 수소를 포함한다.
개질 연료로서 메탄올을 개질기 (400) 에 공급하는 개질 연료 공급 시스템은 개질 연료 탱크 (402), 개질 연료 공급로 (404), 및 개질 연료 공급로 (404) 내에 제공된 흐름 조절 밸브 (406) 를 포함한다. 개질 연료 탱크 (402) 는 개질 연료로서 메탄올을 저장한다. 또한, 본 실시형태에서 이용된 개질 연료는 메탄올에 제한되지 않고, 탄화수소 (가솔린, 등유, 천연 가스 등), 알콜 등 (에탄올, 메탄올 등), 알데히드, 암모니아 등일 수도 있다.
개질 연료 탱크 (402) 에 저장된 메탄올은 그 유량이 흐름 조절 밸브 (406) 에 의해 소정 양으로 조정되면서, 개질 연료 공급로 (404) 를 통해 개질기 (400) 에 공급된다. 흐름 조절 밸브 (406) 는 후술되는 바와 같이 연소부 (200) 로부터 배출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동 (진동 진폭) 에 기초하여 제어된다.
수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 미반응 개질 연료 (메탄올) 를 포함하는 개질기 (400) 에서 생성된 연료 가스는 공급로 (408) 를 통해 연료 전지 스택 (100) 의 애노드에 공급된다.
연소 배기 가스로 (202), 배기 가스 방출로 (206), 수도물 도입로 (302) 및 온수 방출로 (304) 는 열 교환기 (300A) 에 연결된다. 본 실시형태에서, 열 교환기 (300A) 는 연소부 (200) 로부터 배출된 연소 배기 가스의 열을 이용하여 수도물을 가열한다. 즉, 연소 배기 가스로 (202) 를 통해 열 교환기 (300A) 안으로 도입된 연소 배기 가스는 열 교환기 (300A) 내의 수도물에 의해 열을 빼앗기고, 연소 가스 방출로 (206) 를 통해 대기 안으로 방출되는 저온의 연소 배기 가스로 변한다.
개질 반응에 이용될 물 (이하, "개질 물" 로도 지칭됨) 을 개질기 (400) 에 공급하기 위한 개질 물 공급 시스템은 응축기 (504), 응측수로 (506), 개질 물 탱크 (500), 개질 물 공급로 (508) 및 개질 물 펌프 (510) 를 포함한다. 응축기 (504) 는 배기 가스 방출로 (206) 상에 제공되고, 열 교환기 (300A) 에서 냉각되는 연소 배기 가스에 포함되는 수증기를 응축한다. 응측수로 (506) 는 응축기 (504) 에 연결된다. 응측수로 (506) 를 통해, 응축기 (504) 에 응축된 액체의 물 (이하, "응측수" 로도 지칭됨) 은 개질 물 탱크 (500) 안에 저장된다. 개질 물 탱크 (500) 에 저장된 응측수 (개질 물) 은 개질 물 펌프 (510) 에 의해 개질 물 공급로 (508) 를 통해 개질 연료 공급로 (404) 안으로 도입된다. 이 방식으로, 개질 연료로서의 메탄올 및 개질 물 양자 모두가 개질기 (400) 에 공급된다.
제 2 실시형태에서 제어부 (600A) 는 메모리 (620) 에 저장되는 연료 흐름 제어 프로그램 (624A), 맵 (622A) 및 맵 (623A) 에서 주로 제 1 실시형태의 제어부 (600) 와 상이하다. 연료 흐름 제어 프로그램 (624A) 은 제 1 실시형태와 관련하여 전술된 센서 난기 검출 루틴 (도 2) 를 포함하고, 또한 연료 흐름 산출 루틴 (도 7 및 도 8)(후술됨) 을 포함한다. 본 실시형태에서 센서 난기 검출 루틴이 제 1 실시형태에서와 동일하기 때문에, 그 설명은 이하에서 생략된다.
본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000A) 에서, 제 1 실시형태와 달리, 개질기 (400) 에서 생성되는 물을 포함하는 연료 가스가 연료 전지 스택 (100) 에 공급된다. 따라서, 제어부 (600) 는 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출된 산소 농도의 변동에 기초하여 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 가스의 적합한 유량(최종 연료 유량 (Qf_fin)) 을 산출하고, 연료 가스의 산출된 최종 연료 유량 (Qf_fin) 이 개질기 (400) 에서 생성되도록 흐름 조절 밸브 (406) 를 제어한다. 결과적으로, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 가스의 유량 (이하, "연료 유량" 으로도 지칭됨) 이 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출된 산소 농도의 변동에 기초하여 제어된다.
도 7 및 도 8 은 연료 전지 시스템 (1000A) 에 제공되는 제어부 (600A) 의 CPU (610) 에 의해 실행되는 연료 흐름 산출 루틴을 나타내는 흐름도를 도시한다. 이 루틴은 연료 전지 시스템 (1000A) 이 시작될 때 실행된다. 루틴은 예를 들어 100 ms 마다 반복적으로 실행된다. 이 루틴에서, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 유량 (최종 연료 유량 (Qf_fin)) 은 연소부 (200) 로부터 배출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 변동을 나타내는 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo_p) 에 기초하여 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 연료 유량 (기본 연료 유량 (Qf_bse)) 을 보정함으로써 산출된다.
본 실시형태에서 연료 흐름 산출 루틴은 보정 계수 (Ko) 를 도출하기 위해 공기 중의 산소 농도 (o_a) 고려되는 제 1 실시형태에서의 루틴과 상이하다. 이하, 공기 중의 산소 농도 (o_a) 의 변동을 나타내는 공기 중의 산소 농도 변동 값 (σo_a) 을 고려함으로써 보정된 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동 값은 "보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa)" 으로 지칭된다. 보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa) 은 연소 배기 가스에서 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo_p) 마이너스 공기에서 공기 중의 산소 농도 변동 값 (σo) 과 동일하다.
도 9 는 본 실시형태에서 보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa) 과 보정 계수 (Ko) 간의 관계를 나타내는 도면이다. 보정 계수 (Ko) 는, 보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa) 이 적합한 범위 내에 있도록 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량을 보정하기 위한 계수이다. 본 실시형태에서, 도 9 에 도시된 보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa) 과 보정 계수 (Ko) 간의 관계를 나타내는 맵 (622A) 이 메모리 (620) 에 미리 저장된다. 제 1 실시형태와 동일한 방식으로, 보정 계수 (Ko) 는 평균 산소 농도 (ov) 가 소정 값보다 큰 경우에서 도 9 의 실선의 그래프를 이용함으로써 도출되고, 평균 산소 농도 (ov) 가 소정 값보다 작은 경우에서 도 9 의 점선의 그래프를 이용함으로써 도출된다.
도 10 은 입/출력 포트 (630) 를 통해 CPU (610) 에 입력되는 기본 연료 유량 (Qf_bse) 과 부하 요구 (i_req) 간의 관계를 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서, 도 10 에 도시된 부하 요구 (i_req) 와 기본 연료 유량 (Qf_bse) 간의 관계를 나타내는 맵 (623A) 이 메모리 (620) 에 미리 저장된다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템 (1000A) 이 시작됨에 따라 이 루틴이 시작될 때, CPU (610) 는 메모리 (620) 에 기록된 센서 난기 완료 플래그가 온인지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 U112). 센서 난기 완료 플래그가 오프이면 (단계 U112 에서 아니오), CPU (610) 는 이 루틴을 종료한다.
센서 난기 완료 플래그가 온이면 (단계 U112 에서 예), CPU (610) 는 메모리 (620) 에 기록된 σo-a 산출 완료 플래그가 온인지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 U114). 연료 전지 시스템 (1000A) 이 시작될 때 σo-a 산출 완료 플래그는 오프된다. 단계 U114 에서, σo-a 산출 완료 플래그가 오프된다고 판정되면, CPU (610) 는 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출되는 연소 배기 가스로 (202) 에서 흐르는 가스 중의 산소 농도 (o) 를 메모리 (620) 안에 저장하고, n=n+1 과 같이 카운트한다 (단계 U116).
본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000A) 에서, 연료 전지 스택 (100) 에 수소가 공급되지 않고, σo-a 산출 완료 플래그가 온될 때까지 장치-소기 (apparatus-scavenging air) 가 공급된다. 그 결과, 공기는 연소 배기 가스로 (202) 를 통과하고, 따라서 산소 농도 센서 (204) 가 공기 중의 산소 농도를 검출한다. 그 다음에, CPU (610) 는 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 산소 농도의 검출 샘플들의 최대 수 (n_trg) 이상인지 여부를 판정한다 (단계 U118). 본 실시형태에서, 산소 농도의 검출 샘플들의 최대 수 (n_trg) 는 제 1 실시형태에서와 같이 250 이다. 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 n_trg 미만이면 (단계 U118 에서 아니오), CPU (610) 는 이 루틴을 종료한다.
즉, 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출된 공기 중의 산소 농도 (o) 의 값들은 산소 농도의 샘플들의 수가 250 에 도달할 때까지 메모리 (620) 내에 축적된다.
산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 n_trg 이상이면 (단계 U118 에서 예), CPU (610) 는 공기 중의 산소 농도 변동 값 (σo_a) 을 산출한다 (단계 U120).
공기 중의 산소 농도 변동 값 (σo_a) 은, 상기 식 (1) 의 이용을 통해 제 1 실시형태에서 연소 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo) 의 산출과 동일한 방식으로 실질적으로 산출된다.
그 후, CPU (610) 는 n=0 을 설정하고 (단계 U122), 메모리 (620) 에 저장된 σo-a 산출 완료 플래그를 턴온하며 (단계 U124), 그 다음에 이 루틴을 종료한다. 이 방식으로, 공기 중의 산소 농도 변동 값 (σo a) 이 산출된다.
본 실시형태에서, σo-a 산출 완료 플래그가 턴온될 때, 연료 전지 스택 (100) 에 수소가 공급되고, 연료 전지의 동작이 시작된다.
단계 U114 에서, 공기 중의 산소 농도 변동 값 (σo_a) 이 온으로 판정되면, CPU (610) 는 단계 U132 를 진행한다 (도 8). 단계 U132 에서, CPU (610) 는 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출되는 연소부 (200) 로부터 배출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 를 메모리 (620) 안에 저장하고, n=n+1 과 같이 카운트한다 (단계 U132). 그 다음에, CPU (610) 는 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 산소 농도의 검출 샘플들의 최대 수 (n_trg) 이상인지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 U134). 본 실시형태에서, 산소 농도의 검출 샘플들의 최대 수 (n_trg) 는 250 이다. 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 n_trg 미만이면 (단계 U134 에서 아니오), CPU (610) 는 이 루틴을 종료한다.
즉, 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 값들은 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 샘플들의 수가 250 에 도달할 때까지 메모리 (620) 안에 저장된다.
산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 n_trg 이상이면 (U134 에서 예), CPU (610) 는 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo-p) 을 산출하고, 연소 배기 가스 내의 평균 산소 농도 (ov) 가 산출된다 (단계 U138). 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo-p) 은 상기 식 (1) 의 이용을 통해 산출된다.
그 후, CPU (610) 는 가장 먼저 측정된 산소 농도 (o) 를 클리어하고, 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 를 n-1 로 변화시킨다 (단계 U140). CPU (610) 는 단계 U138 에서 산출된 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo-p) 및 단계 U120 에서 산출된 공기 중의 산소 농도 변동 값 (σo_a) 을 이용함으로써 보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa) 을 산출한다. 그 다음에, CPU (610) 는 맵 (622A) 을 참조하여 보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa) 및 평균 산소 농도 (ov) 를 이용함으로써 보정 계수 (Ko) 를 도출한다 (단계 U144).
CPU (610) 는 맵 (623A) 을 참조하여 입력 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 기본 연료 유량 (Qf_bse) 을 도출한다 (단계 U146). 최종적으로, CPU (610) 는 단계 U144 에서 도출된 보정 계수 (Ko) 및 단계 U146 에서 도출된 기본 연료 유량 (Qf_bse) 에 기초하여 최종 연료 유량 (Qf_fin) 을 산출하고 (단계 U148), 그 다음에 이 루틴을 종료한다.
CPU (610) 는, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 가스의 유량이 전술된 바와 같이 산출된 최종 연료 유량 (Qf_fin) 과 동일해지도록 흐름 조절 밸브 (406) 를 조정함으로써 개질 연료 탱크 (402) 로부터 개질기 (400) 에 공급되는 개질 연료의 유량을 제어한다.
전술된 바와 같이, 본 실시형태에서 연료 전지 시스템 (1000A) 은 보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa)(배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo-p) 에서 공기 중의 산소 농도 변동 값 (σo) 을 차감함으로써 획득된 값) 에 기초하여 보정 계수 (Ko) 를 도출한다. 즉, 산소 농도 센서 (204) 의 시간-의존적 변화가 고려되기 때문에, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 유량은 산소 농도 센서 (204) 의 시간-의존적 변화에도 불구하고 적절하게 제어될 수 있다.
게다가, 전술한 바와 같이, 본 실시형태에서 연료 전지 시스템 (1000A) 에는 개질기 (400) 가 구비되고, 개질기 (400) 에 의해 생성된 연료 가스가 연료 전지 스택 (100) 에 공급된다. 수소를 포함하는 연료 가스는, 추가로 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 미반응 개질 연료 (메탄올) 를 포함하고, 일산화탄소, 메탄 및 메탄올 뿐만 아니라 수소가 연료 전지 스택 (100) 에 의한 발전에서 이용 및 소비된다. 그 다음에, 연료 전지 스택 (100) 에서 소비되지 않는 수소, 일산화탄소, 메탄 및 메탄올은 연소부 (200) 에 공급되고, 그 안에서 태워진다.
일산화탄소, 메탄 및 메탄올의 연소 범위는 수소의 연소 범위보다 좁다. 따라서, 연소부 (200) 에서 연소 불량의 발생의 가능성이 제 1 실시형태에서보다 크다. 개질기 (400) 내의 개질 반응은 전술한 바와 같이 흡열 반응이기 때문에, 연소부 (200) 에서 연소 불량이 발생할 가능성이 존재하면, 개질 반응 불량이 발생할 수도 있고, 따라서 발전 성능 (안정한 발전, 및 발전 효율성) 을 떨어뜨릴 수도 있다. 즉, 제 1 실시형태에서와 같이 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 가스가 단지 수소인 경우와 비교하여, 연소부 (200) 에서의 연소의 상태 (연소 불량) 가 발전 성능 (발전의 안정성 및 발전 효율성) 에 큰 영향을 준다.
따라서, 개질기 (400) 에 공급된 개질 연료의 유량이 본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000A) 에서와 같이 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동 값에 기초하여 제어되고, 발전의 안정성 및 발전 효율성이 향상된다. 즉, 제 2 실시형태에서와 같이 개질기로부터 공급된 가스를 이용하는 연료 전지 시스템에 본 발명을 적용하는 것은 제 1 실시형태에서와 같이 순수 수소가 공급되는 연료 전지 시스템에 본 발명을 적용하는 것보다 더욱 주목할 만한 효과를 달성할 것이다.
도 11 은 본 발명의 제 3 실시형태와 같은 연료 전지 시스템 (1000B) 의 구성을 개략적으로 나타내는 예시도이다. 본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000B) 은, 연료 전지 스택 (100) 의 출력 전류를 측정하는 전류계 (110) 가 연료 전지 시스템 (1000B) 에 구비되고, 연료 전지 스택 (100) 의 출력 전류가 연료 유량의 제어에서 고려된다는 점에서 제 2 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000A) 과 상이하다. 도 11 에서, 제 2 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000A) 에서의 구성과 실질적으로 동일한 구성은 동일한 도면 부호로서 표현되고, 그 설명들은 이하에서 생략된다.
본 실시형태에서, 후술되는 바와 같이, 개질기 (400) 에 메탄올을 저장하는 개질 연료 탱크 (402) 로부터 공급된 메탄올의 양은 연소부 (200) 로부터 배출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동의 값 및 연료 전지 스택 (100) 의 출력 전류에 기초하여 제어된다. 결과로, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 유량은 제 2 실시형태에서와 같이 제어된다.
도 12 는 연료 전지 시스템 (1000B) 에 제공되는 제어부 (600B) 의 CPU (610) 에 의해 실행되는 연료 흐름 산출 루틴의 일부를 나타내는 흐름도이다. 이 루틴은 도 12 에 도시된 프로세스로 제 2 실시형태에서의 연료 흐름 산출 루틴 (도 7 및 도 8 에 도시됨) 에서 도 8 에 도시된 프로세스를 대체함으로써 제공된다. 따라서, 본 실시형태의 루틴의 초기 부분 (즉, 도 7 에 도시된 프로세스) 은 도면 및 이하의 설명에서 생략된다. 제 3 실시형태의 연료 흐름 산출 루틴은, 연료 전지 스택 (100) 의 출력 전류 (i) 의 변동이 수소 유량 (최종 연료 유량 (Qf_fin)) 을 산출하는데 있어서 고려된다는 점에서 제 2 실시형태의 루틴과 상이하다. 이하, 연료 전지 스택 (100) 의 출력 전류 (i) 의 변동은 "출력 전류 변동 값 (σi)" 으로도 지칭될 것이다.
도 13 은 본 실시형태에서 출력 전류 변동 값 (σi) 과 보정 계수 (Ki) 간의 관계를 나타내는 도면이다. 보정 계수 (Ki) 는, 출력 전류 변동 값 (σi) 이 적합한 범위 내에 있도록 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량을 보정하기 위한 계수이다.
도 13 에 도시된 바와 같이, 출력 전류 변동 값 (σi) 이 제 3 값 (i1) 과 제 4 값 (i2) 사이에 있을 때 보정 계수는 Ki=1.0 이다. 즉, 연료 전지 스택에 공급된 연료 가스의 양 (기본 연료 유량 (Qf_bse)) 은 보정되지 않는다. 본 실시형태에서, 제 3 값 (i1) 및 제 4 값 (i2) 은 실험들에 의해 미리 결정된다.
본 실시형태에서, 도 13 에 도시된 출력 전류 변동 값 (σi) 과 보정 계수 (Ki) 간의 관계를 나타내는 맵 (625) 이 메모리 (620) 에 미리 저장된다. 보정 계수 (Ki) 는 평균 출력 전류 (iv) 가 소정 값보다 크면 도 13 의 실선의 그래프를 이용함으로써 도출되고, 평균 출력 전류 (iv) 가 소정 값 미만이면 점선의 그래프를 이용함으로써 도출된다.
전류계 (110) 에 의해 검출된 출력 전류가 작으면, 출력 전류 (i) 의 변동 (진폭) 의 측정 정확도가 저하된다. 따라서, 평균 출력 전류 (iv) 가 작은 경우, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량이 평균 출력 전류 (iv) 가 큰 경우에서와 동일한 방식으로 증가 또는 감소되면, 연료 전지 스택 (100) 의 오작동의 가능성이 존재한다. 본 실시형태에서는, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소 유량의 보정과 연관된 오작동을 억제하기 위해서, 맵 (625) 은 평균 출력 전류 (iv) 가 작은 경우, 보정 계수 (Ki) 의 값이 평균 출력 전류 (iv) 가 큰 경우에서보다 작도록 생성된다. 또한, 본 실시형태에서, 예를 들어 평균 출력 전류 (iv) 가 10A 이상이면 "평균 출력 전류 (iv) 가 크다" 로, 그리고 평균 출력 전류 (iv) 가 10A 미만이면 "평균 출력 전류 (iv) 가 작다" 로 정의된다.
도 13 에 도시된 맵 (625) 에서, 보정 계수 (Ki) 의 값은 출력 전류 변동 값 (σi) 이 제 4 값 (i2) 보다 큰 경우에서 비교적 크게 되고, 출력 전류 변동 값 (σi) 이 제 3 값 (i1) 보다 작은 경우에서 비교적 작게 된다.
즉, 출력 전류 변동 값 (σi) 이 제 4 값 (i2) 보다 큰 경우, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 가스의 유량은 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 기본 연료 유량 (Qf_bse) 보다 크게 된다. 출력 전류 변동 값 (σi) 이 큰 경우, 연료 전지 스택 (100) 에서 발전 불량이 발생된 것으로 고려되고 (예를 들어, 연료 부족 등으로 인해 전기를 생성할 수 없는 유닛 셀이 존재함), 따라서 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 가스의 유량이 증가되면 연료 전지 스택 (100) 의 발전이 안정화될 것으로 생각된다.
반면에, 출력 전류 변동 값 (σi) 이 제 3 값 (i1) 보다 작은 경우, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 연료 가스의 유량은 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 기본 연료 유량 (Qf_bse) 보다 작게 된다. 출력 전류 변동 값 (σi) 이 작은 경우, 연료 전지 스택 (100) 의 발전의 상태가 양호하고 (안정되고), 과잉량의 연료 (수소) 가 연료 전지 스택 (100) 에 공급되고 있는 것으로 고려된다. 따라서, 연료 전지 스택 (100) 의 발전 효율성은 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량을 감소시킴으로써 향상될 것이다.
본 실시형태에서, 도 9 및 도 10 에 도시된 맵들 (622A 및 623A) 은 또한 제 2 실시형태에서와 같이 메모리 (620) 에 미리 저장된다.
이 루틴은, 연료 전지 시스템 (1000B) 이 시작될 때 실행되고, 예를 들어 100 ms 마다 반복적으로 실행된다. 연료 전지 시스템 (1000B) 이 시작됨에 따라 루틴이 시작될 때, CPU (610) 는 도 7 에서의 단계들 (U112 내지 U124) 을 실행한다.
단계 U114 에서 σo-a 산출 완료 플래그가 온이라고 판정하면, CPU (610) 는 단계 T132 으로 진행된다 (도 12). 단계 T132 에서, CPU (610) 는 전류계 (110) 에 의해 연료 전지 스택 (100) 의 출력 전류 (i) 를 검출하고, 산소 농도 센서 (204) 에 의해 연소부 (200) 로부터의 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 를 검출한다. 그 다음에, CPU (610) 는 이들 검출 결과들을 메모리 (620) 에 저장하고, n=n+1 과 같이 카운트한다 (단계 T132). 그 후, CPU (610) 는 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 산소 농도의 검출 샘플들의 최대 수 (n_trg) 이상인지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 T134).
본 실시형태에서, 산소 농도의 검출 샘플들의 최대 수 (n_trg) 는 250 이다. 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 n_trg 미만이면 (단계 T134 에서 아니오), CPU (610) 는 이 루틴을 종료한다. 본 실시형태에서, 출력 전류 (i) 의 검출은 산소 농도 (o) 의 검출과 동시에 수행되고, 따라서 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 는 전류의 검출 샘플들의 수와 동일하다.
즉, 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 샘플들의 수 (n) 가 250 에 도달할 때까지, 전류계 (110) 에 의해 검출된 출력 전류 (i) 의 값들 및 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도 (o) 의 값들이 메모리 (620) 안에 저장된다.
산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 가 n_trg 이상이면 (단계 T134 에서 예), CPU (610) 는 출력 전류 변동 값 (σi) 및 평균 출력 전류 (iv) 를 산출한다 (단계 T138). 그 다음에, CPU (610) 는 연소 배기 가스에서의 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo-p) 및 평균 산소 농도 (ov) 를 산출한다 (단계 T138).
배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo-p) 은 상기 식 (1) 을 이용하여 산출된다. 출력 전류 변동 값 (σi) 은 다음 식 (2) 를 이용하여 산출된다:
Figure 112011069903801-pct00002
(2)
그 후, CPU (610) 는 가장 먼저 측정된 출력 전류 (i) 및 가장 먼저 측정된 산소 농도 (o) 를 클리어하고, 산소 농도의 검출 샘플들의 수 (n) 를 n-1 로 변화시킨다 (단계 T140). CPU (610) 는 도 13 에 도시된 맵 (625) 을 참조하여 단계 T136 에서 산출되는 평균 출력 전류 (iv) 및 출력 전류 변동 값을 이용함으로써 보정 계수 (Ki) 를 도출한다 (단계 T142). 그 후, CPU (610) 는 제 2 실시형태에서와 같이, 단계 T138 에서 산출된 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo-p) 및 단계 T120 에서 산출된 공기 중의 산소 농도 변동 값 (σo a) 을 이용함으로써 보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa) 을 산출한다. 그 다음에, CPU (610) 는 도 9 에 도시된 맵 (622A) 을 참조하여 보정 산소 농도 변동 값 (σo_pa) 및 평균 산소 농도 (ov) 를 이용함으로써 보정 계수 (Ko) 를 도출한다 (단계 T144).
CPU (610) 는 도 10 에 도시된 맵 (623A) 을 참조하여 입력 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 기본 연료 유량 (Qf_bse) 을 도출한다 (단계 T146). 최종적으로, CPU (610) 는 단계 T142 에서 도출된 보정 계수 (Ki), 단계 T144 에서 도출된 보정 계수 (Ko), 및 단계 T146 에서 도출된 기본 연료 유량 (Qf_bse) 에 기초하여 최종 연료 유량 (Qf_fin) 을 산출한다 (단계 T148).
CPU (610) 는, 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 양이 전술된 바와 같이 산출되는 최종 연료 유량 (Qf_fin) 과 동일해지도록 흐름 조절 밸브 (406) 를 조절함으로써 개질 연료 탱크 (420) 로부터 개질기 (400) 로 공급된 개질 연료의 유량을 제어한다.
예를 들어, 연료 전지 스택 (100) 의 일부분에서 발전 불량이 발생하면, 출력 전류 (i) 의 변동이 커지는 것으로 고려된다. 본 실시형태에서 보정 계수 (Ki) 는, 출력 전류 (i) 의 변동이 적합한 범위 내에 있도록 연료 전지 스택 (100) 에 공급된 수소의 유량을 보정하기 위한 계수이다.
본 실시형태의 연료 전지 시스템 (1000B) 에서, 최종 연료 유량 (Qf_fin) 은, 연소 배기 가스 중의 산소 농도, 연료 전지 스택 (100) 의 출력 전류, 및 그 각각의 변동 값들이 소정 범위 내에 있도록 부하 요구 (i_req) 에 상응하는 연료 유량 (기본 연료 유량 (Qf_bse)) 을 보정함으로써 산출된다. 따라서, 개질기 (400) 가 구비된 연료 전지 시스템 (1000B) 에서, 발전의 안정성 및 발전 효율성이 또한 향상된다.
또한, 본 발명은 전술한 실시형태들 또는 예들에 한정되지 않고, 예를 들어 다음의 변형들을 이용하여 수행될 수도 있다.
전술한 제 1 실시형태의 맵 (622) 에서, Ko=1.0 인 산소 농도 변동 값 (σo) 의 범위 (즉, 제 1 값 (o1) 내지 제 2 값 (o2) 의 범위) 는 평균 산소 농도 (ov) 가 큰 경우와 평균 산소 농도 (ov) 작은 경우 사이에서 동일하다. 그러나, Ko=1.0 인 산소 농도 변동 값 (σo) 은 평균 산소 농도 (ov) 가 큰 경우와 평균 산소 농도 (ov) 가 작은 경우 사이에서 상이할 수도 있다. 예를 들어, 도 14 는 변형에 따른 산소 농도 변동 값 (σo) 과 보정 계수 (Ko) 간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 14 에서, 평균 산소 농도 (ov) 가 작은 경우, Ko=1.0 인 산소 농도 변동 값 (σo) 의 범위는 평균 산소 농도 (ov) 가 큰 경우에서보다 폭넓게 설정된다. 산소 농도 센서 (204) 에 의해 검출된 산소 농도 (o) 가 작은 경우, 산소 농도 (o) 의 변동 (진폭) 의 측정 정확도가 저하된다. 산소 농도 변동 값 (σo) 의 적절한 범위 (즉, Ko=1.0 인 산소 농도 변동 값 (σo) 의 범위) 를 비교적 넓은 범위로 설정함으로써, 연료 전지 시스템 (1000) 의 오작동의 발생 가능성이 감소될 수 있다.
유사하게, Ki=1.O 인 출력 전류 변동 값 (σi) 의 범위 (제 3 값 (i1) 내지 제 4 값 (i2) 의 범위) 는 또한 평균 출력 전류 (iv) 가 큰 경우와 평균 출력 전류 (iv) 가 작은 경우 사이에서 상이할 수도 있다. 출력 전압을 이용하여 제어가 수행되는 경우에도 동일하게 적용된다.
전술한 실시형태들에서, 연료 유량의 증/감 비율은 평균 산소 농도 (ov) 가 큰지 또는 작은지 여부, 그리고 평균 출력 전류 (iv) 가 큰지 또는 작은지 여부에 따라 변화되지만, 연료 유량의 증/감 비율은 평균 산소 농도 (ov) 가 큰지 또는 작은지 여부, 또는 평균 출력 전류 (iv) 가 큰지 또는 작은지 여부에 관계없이 고정될 수도 있다. 또한, 평균 산소 농도 (ov) 가 큰지 또는 작은지 여부, 그리고 평균 출력 전류 (iv) 가 큰지 또는 작은지 여부의 기준은 실시형태들과 관련되어 상기에서 도시되는 것에 한정되지 않는다.
연소부 (200) 에 의해 생성된 열을 이용함으로써 수도물을 온수로 바꾸는 시스템 및 연소부 (200) 에 의해 생성된 열을 이용함으로써 개질기 (400) 를 통해 수소를 생성하는 시스템이 전술한 실시형태들과 같이 도시되었으나, 본 발명은 전술한 실시형태들에 한정되지 않고 연료 전지 및 연소부가 구비되는 각종 연료 전지 시스템들에 적용 가능하다.
그러나 전술한 실시형태들에서, SOFC 가 연료 전지 스택 (100) 으로서 사용되고, 또한 각종 연료 전지들, 예를 들어 고체 폴리머 전해질 연료 전지, 수소 분리막 타입 연료 전지 등을 사용하는 것이 가능하다.
보정 계수 (Ko) 와 산소 농도 변동 값 (σo) 간의 관계, 보정 계수 (Ki) 와 출력 전류 변동 값 (σi) 간의 관계는 전술한 실시형태들과 관련되는 도면들에 도시된 관계들에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제 1 실시형태를 나타내는 도 4 에서, 산소 농도 변동 값 (σo) 이 제 2 값 (o2) 보다 큰 경우에서 보정 계수 (Ko) 는 선형적으로 증가하지만, 보정 계수 (Ko) 는 곡선을 따라 증가할 수도 있으며, 또한 증가 및 감소할 수도 있다. 보정 계수 (Ko) 와 산소 농도 변동 값 (σo) 의 관계는, 기본 연료 유량 (Qf_bse) 을 보정 계수 (Ko) 로 보정함으로써 보정될 때 산소 농도 변동 값 (σo) 이 제 1 값 (o1) 과 제 2 값 (o2) 사이에서 있는 그러한 관계이면 충분하다. 또한, 보정 계수 (Ki) 와 출력 전류 변동 값 (σi) 의 관계는, 보정 계수 (Ki) 로 기본 연료 유량 (Qf_bse) 을 보정함으로써 출력 전류 변동 값이 제 3 값 (i1) 과 제 4 값 (i2) 사이에 있는 그러한 관계이면 충분하다.
제 3 실시형태에서, 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo-p) 및 연료 전지 스택의 출력 전류 변동 값 (σi) 에 기초하여 연료 유량이 제어되는 예가 설명된다. 그러나, 전류계 (110) 대신에 전압계가 제공되는 구성을 채택하는 것이 또한 허용 가능하고, 배기 가스 중의 산소 농도 변동 값 (σo-p) 및 연료 전지 스택의 출력 전압의 변동 값에 기초하여 연료 유량이 제어된다. 또한, 전류계 (110) 및 전압계 양자 모두를 포함하는 구성을 채택하는 것도 허용 가능하다.
제 1 내지 제 3 실시형태들에 따른 연료 전지는 개질기의 개질 효율에서의 저하로 열화된다. 개질기의 개질 효율성에서의 저하를 검출하기 위해 탄화수소 센서가 제공되면, 비용이 증가한다. 본 발명의 제 4 실시형태는 탄화수소 센서의 비용을 생략하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 도 15 는 제 4 실시형태에 따른 연료 전지 시스템 (2000) 의 전체 구성을 나타내는 개략도이다. 도 15 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템 (2000) 은 제어부 (10), 애노드 원료 공급부 (20), 개질 물 공급부 (30), 캐소드 공기 공급부 (40), 개질기 (50), 연료 전지 (60), 산소 센서 (70), 열 교환기 (80), 및 통보 디바이스 (90) 를 포함한다.
애노드 원료 공급부 (20) 는 탄화수소 등과 같은 연료 가스를 개질부 (51) 등에 공급하기 위한 연료 펌프를 포함한다. 개질 물 공급부 (30) 는 개질부 (51) 에서 개질 반응에 필요한 개질 물을 저장하는 개질 물 탱크 (31), 개질 물 탱크 (31) 에 저장된 개질 물을 개질부 (51) 에 공급하기 위한 개질 물 펌프 (32) 등을 포함한다. 캐소드 공기 공급부 (40) 는 공기 등과 같은 산화 가스를 캐소드 (61) 에 공급하기 위한 에어 펌프를 포함한다.
개질기 (50) 는 개질부 (51) 및 연소부 (52) 를 포함한다. 연료 전지 (60) 는 캐소드 (61) 와 애노드 (62) 사이에 전해질이 샌드위치되는 구조를 갖는다. 본원에서 사용 가능한 연료 전지 (60) 의 예는 고체 산화물 타입 연료 전지 (SOFC) 이다. 통보 디바이스 (90) 는 경고, 경보 등을 사용자 등에게 제공하기 위한 디바이스이다. 제어부 (10) 는 CPU (central processing unit), ROM (read-only memory), RAM (random-access memory) 등으로 이루어진다.
다음으로, 연료 전지 시스템 (2000) 의 동작의 개요를 설명할 것이다. 애노드 원료 공급부 (20) 는 제어부 (10) 로부터의 명령에 따라 필요한 양의 연료 가스를 개질부 (51) 로 공급한다. 개질 물 펌프 (32) 는 제어부 (10) 로부터의 명령에 따라 필요한 양의 개질 물을 개질부 (51) 로 공급한다. 개질부 (51) 는 연소부 (52) 에서 생성되는 열을 이용하는 개질 반응을 통해 연료 가스 및 개질 물로부터 수소를 포함하는 개질 가스를 생성한다. 따라서 생성된 개질 가스가 애노드 (62) 로 공급된다.
캐소드 공기 공급부 (40) 는 제어부 (10) 로부터의 명령에 따라 필요한 양의 캐소드 공기를 캐소드 (61) 에 공급한다. 따라서, 연료 전지 (60) 에서 전기가 생성된다. 캐소드 (61) 로부터 배출된 캐소드 오프 가스 (off-gas) 및 애노드 (62) 로부터 배출된 애노드 오프 가스는 연소부 (52) 안으로 흐른다. 연소부 (52) 에서, 캐소드 오프 가스 내의 가연성 컴포넌트는 캐소드 오프 가스 중의 산소로 인해 태워진다. 연소를 통해 획득된 열은 개질부 (51) 및 연료 전지 (60) 에 제공된다.
따라서, 연료 전지 시스템 (2000) 에서, 애노드 오프 가스 내에 포함되는 수소, 일산화탄소 등과 같은 가연성 컴포넌트들은 연소부 (52) 에서 태워질 수 있다. 산소 센서 (70) 는 연소부 (52) 로부터 배출된 배출 가스 중의 산소 농도를 검출하고, 이 검출 결과를 제어부 (10) 에 제공한다. 열 교환기 (80) 는 연소부 (52) 로부터 배출된 배기 가스와 수도물 사이에서 열을 교환한다. 열 교환을 통해 배기 가스로부터 획득된 응측수는 개질 물 탱크 (31) 에 저장된다. 통보 디바이스 (90) 는 연료 전지 (60) 의 상태에 관한 정보를 사용자 등에게 제공한다.
도 16 은 산소 센서 (70) 의 상세를 설명하기 위한 개략적 단면도이다. 도 16 에 도시된 바와 같이, 산소 센서 (70) 는 한계 전류 산소 센서이고, 전해질 (71) 의 표면 상에 애노드 (72) 가 제공되고, 전해질 (71) 의 다른 표면 상에 캐소드 (73) 가 제공되며, 작은 구멍들을 갖는 다공성 기판 (74) 가 캐소드 (73) 의 커버로서 배치되는 구조를 갖는다. 전해질 (71) 내에 히터 (75) 가 배치된다.
전해질 (71) 은 산소-이온 전도성 전해질, 예를 들어 지르코니아로 이루어진다. 애노드 (72) 및 캐소드 (73) 는 예를 들어 백금으로 이루어진다. 애노드 (72) 및 캐소드 (73) 는 배선을 통해 외부 회로를 형성한다. 이 회로에는 전기 전원 (76) 및 전류계 (77) 가 제공된다. 다공성 기판 (74) 은 예를 들어, 다공성 알루미늄으로 이루어진다. 히터 (75) 는 예를 들어, 백금 박막 등으로 이루어진다.
다음으로, 제어부 (10) 에 의한 산소 센서 (70) 의 제어가 설명될 것이다. 제어부 (10) 는 히터 (75) 에 전력을 공급함으로써 전해질 (71) 을 가열한다. 전해질 (71) 의 온도가 소정 값에 도달한 후에, 제어부 (10) 는 애노드 (72) 에 플러스 전압이 인가되도록 전기 전원 (76) 을 제어한다. 전기 전원 (76) 에 의해 애도느 (72) 에 전압이 인가될 때, 다음 식 (3) 에 따라 캐소드 (73) 상에서 산소가 산소 이온으로 되고, 산소 이온들은 전해질 (71) 에서 전도된다. 애노드 (72) 상에서, 다음 식 (4) 에 따라 산소 이온이 산소 분자가 된다.
O2 + 4e- → 2O2 - (3)
2O2 - → O2 + 4e- (4)
캐소드 (73) 로의 산소 수송량은 다공성 기판 (74) 의 구멍의 크기에 의해 좌우된다. 따라서, 식 (3) 및 식 (4) 에 도시된 반응들에 의해 야기되는 전류 (한계 전류) 는 다공성 기판 (74) 의 구멍들에서의 산소 가스 확산량에 의해 결정된다. 산소 가스 확산량은 다공성 기판 (74) 외부의 산소 농도에 의해 결정된다.
제어부 (10) 는 전류계 (77) 의 검출 값에 따라 산소 센서 (70) 의 출력 전류를 획득한다. 산소 센서 (70) 의 출력 전류는 산소 농도에 비례한다. 이 비례 관계에 기초하여, 제어부 (10) 는 산소 센서 (70) 가 노출되는 분위기에서 산소 농도를 검출한다.
도 17 은 연료 전지 (60) 의 상세를 설명하기 위한 개략도이다. 도 17 에 도시된 바와 같이, 연료 전지 (60) 는 캐소드 (61) 와 애노드 (62) 사이에 전해질 (63) 이 샌드위치되는 구조를 갖는다. 캐소드 (61) 의 재료는, 예를 들어 란타늄 망가나이트 (lanthanum manganite) 등이다. 애노드 (62) 의 재료는, 예를 들어 니켈 등이다. 전해질 (63) 의 재료는, 예를 들어 지르코니아 등이다.
애노드 (62) 에 공급된 개질 가스 내의 수소 및 이산화탄소는 애노드 (62) 로 전자를 배출한다. 애노드 (62) 로 배출된 전자는, 외부 회로를 통해 이동하고 전기적 작업을 수행한 후에 캐소드 (61) 에 공급된다. 캐소드 (61) 에 공급된 캐소드 공기 중의 산소는 캐소드 (61) 에 공급된 전자를 수취함으로써 산소 이온이 된다. 산소 이온은 전해질 (63) 을 통해 이동하고 애노드 (62) 에 도달한다. 애노드 (62) 상에서, 전자를 배출한 수소 및 일산화탄소와 산소 이온이 반응하여, 물 및 이산화탄소 가스를 생성한다.
촉매 기능의 저하 등으로 인해 개질기 (50) 의 개질 효율이 저하된다면, 개질기 (50) 로부터 애노드 (62) 에 공급되는 개질 가스 내의 탄화수소 연료 농도가 높아진다. 이 경우, 탄화 수소 연료는 애노드 (62) 의 니켈을 촉매로서 기능하게 하여 다음 식 (5) 에 도시된 수증기 개질 반응에 따라 수증기와 반응한다. 그 결과, 수소 및 일산화탄소가 생성된다. 또한, 식 (3) 에서, 탄화수소 연료의 예로서 메탄을 이용한다. 식 (3) 에서와 같이 생성된 수소 및 일산화탄소는 상기 발전 반응에 이용된다.
CH4 + H2O → CO + 3H2 (5)
그러나, 애노드 (62) 에 탄화수소 연료가 공급되는 경우, 탄화수소 연료 내의 탄소는 종종 애노드 (62) 의 표면 상에 퇴적될 수도 있다. 애노드 (62) 의 촉매 기능은 탄소의 퇴적이 진행됨에 따라 저하된다. 따라서, 연료 전지 (60) 의 발전 성능이 저하되고, 애노드 오프 가스 내의 탄화수소 농도가 증가한다. 따라서, 애노드 오프 가스 내의 탄화수소 농도에서의 증가의 검출로 인해 연료 전지 (60) 가 열화되었다고 판정하는 것이 가능하다. 또한, 애노드 (62) 의 촉매 기능은 또한 애노드 (62) 의 산화로 인해서도 저하된다.
예를 들어, 애노드 (62) 의 촉매 기능이 저하되면, 애노드 오프 가스 내의 수소 농도와 탄화수소 농도 간의 비율이 변한다. 탄화수소 및 수소의 특정 연소성 (burnup) 이 서로 상이하기 때문에, 연소부 (52) 의 연소 상태는 수소 농도와 탄화수소 농도 간의 비율에서의 변화로 변한다. 따라서, 본 실시형태에서, 애노드 오프 가스 중의 탄화수소 농도에서의 증가는 연소부 (52) 의 연소 상태의 변화에 기초하여 검출된다.
구체적으로, 탄화수소의 특정 연소성은 수소의 특정 연소성보다 낮기 때문에, 애노드 오프 가스의 특정 연소성은 애노드 오프 가스 내의 수소에 대한 탄화수소 농도가 증가하는 경우 저하된다. 따라서, 연소부 (52) 에서의 연소가 불안정하게 되고, 배기 가스 중의 산소 농도가 변동한다. 한편, 애노드 오프 가스 내의 수소 농도에 대한 탄화수소 농도가 감소하면, 애노드 오프 가스의 특정 연소성이 향상된다. 따라서, 연소부 (52) 에서의 연소가 안정하게 되고, 배기 가스 중의 산소 농도의 변화가 억제된다. 따라서, 산소 센서 (70) 의 검출의 결과에 기초하여 애노드 오프 가스 중의 탄화수소 농도가 증가하는지 아닌지 여부가 판정될 수 있다.
또한, 탄화수소의 연소 한계 혼합비 (예를 들어, 메탄의 경우 약 2.5) 는 수소의 연소 한계 혼합비 (예를 들어, 10) 보다 크기 때문에, 연소부 (52) 의 공기 과잉율 (λ) 을 증가시킴으로써 연소 상태의 변동량이 확장될 수 있다. 따라서, 공기 과잉율 (λ) 을 증가시킴으로써, 연소 상태를 검출하는데 있어서 정확도가 향상된다. 또한, 공기 과잉율 (λ) 은 애노드 원료 공급부 (20) 로부터 공급된 애노드 원료량 및 캐소드 공기 공급부 (40) 로부터 공급된 캐소드 공기량을 제어함으로써 제어될 수 있다.
본 실시형태에서, 연료 전지 (60) 가 열화되었다고 판정되면, 통보 디바이스 (90) 는 연소부 (10) 로부터의 명령에 따라 사용자에게 경보 등을 제공한다. 따라서, 사용자 등은 연료 전지 (60) 의 체크 등을 수행할 수 있다. 연료 전지 (60) 의 상태를 검출하기 위한 구체적인 제어가 후술될 것이다.
도 18a 는 산소 농도 변동을 획득하기 위해서 실행되는 프로세스의 흐름예를 나타내는 흐름도이다. 도 18a 에 도시된 프로세스의 흐름은 주기적으로 (예를 들어, 100 ms 마다) 실행된다. 도 18a 에 도시된 바와 같이, 제어부 (10) 는 산소 센서 (70) 에 의해 수행된 검출의 결과에 기초하여 연소부 (52) 로부터 배기 가스 중의 산소 농도 (CNC_O2) 를 측정한다 (단계 S1). 다음으로, 제어부 (10) 는 카운터 값 N 에 "1" 을 더한다 (단계 S2).
다음으로, 제어부 (10) 는 카운터 값 N 이 산출된 데이터의 수 (N_ref) (예를 들어, "120") 보다 작은지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 S3). 단계 S3 에서 카운터 값 N 이 산출된 데이터의 수 (N_ref) 보다 작다고 판정되면, 제어부 (10) 는 프로세스의 흐름의 실행을 종료한다. 따라서, 산소 농도 (CNC_O2) 가 "N_ref" 회 측정된다. 단계 S3 에서 카운터 값 N 이 산출된 데이터의 수 (N_ref) 보다 작다고 판정되지 않으면, 제어부 (10) 는 "N_ref" 개의 산소 농도 (CNC_O2) 로부터 산소 농도 변동 σ_O2 을 산출한다 (단계 S4). 또한, 산소 농도 변동 σ_O2 은 (N_ref) 개의 산소 농도 (CNC_O2) 로부터 산출되는 표준 편차이다.
도 18b 는 도 18a 의 흐름도에 도시된 저장된 산소 농도 변동 (σ_O2) 의 이용을 통해 연료 전지 (60) 의 열화의 존재/부존재 판정할 때 제어부가 실행하는 프로세스의 흐름예를 나타내는 흐름도이다. 도 18b 에 도시된 바와 같이, 제어부 (10) 는 산소 농도 변동 (σ_O2) 이 허용 상한 (σ_O2_ref)(예를 들어, "0.2") 보다 큰지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 S11). 허용 상한 (σ_O2_ref) 은 연소부 (52) 내의 연소의 상태의 변동을 결정하기 위한 임계 값이다.
단계 S11 에서 산소 농도 변동 (σ_O2) 이 허용 상한 (σ_O2_ref) 보다 큰 것으로 판정되지 않으면, 제어부 (10) 는 공기 과잉율 (λ) 이 상한 과잉율 (λ_max (예를 들어, "8") 보다 큰지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 S12). 본원에서, 상한 과잉율 (λ_max) 는 연소부 (52) 에서 허용되는 공기 과잉율의 최대 값이다.
단계 S12 에서 공기 과잉율 (λ) 이 상한 과잉율 (λ_max) 보다 큰 것으로 판정되면, 제어부 (10) 는 도 18b 도시된 프로세스의 흐름의 실행을 종료한다. 단계 S12 에서 공기 과잉율 (λ) 이 상한 과잉율 (λ_max) 보다 큰 것으로 판정되지 않으면, 제어부 (10) 는 공기 과잉율 (λ) 을 "0.1" 만큼 증가시킨다 (단계 S13). 단계 S13 의 프로세스가 반복됨에 따라, 공기 과잉율 (λ) 은 점진적으로 증가된다. 따라서, 산소 농도 변동 (σ_O2) 을 검출하는데 있어서 정확도가 향상된다.
단계 S11 에서 산소 농도 변동 (σ_O2) 이 허용 상한 (σ_O2_ref) 보다 큰 것으로 판정되면, 제어부 (10) 는 공기 과잉율 (λ) 을 통상의 제어 값 (λ_bse)(예를 들어, "2.5") 으로 제어한다 (단계 S14). 통상의 제어 값 (λ_bse) 은 연료 전지 (60) 의 통상의 발전 동안 제어를 통해 유지되는 공기 과잉율이다.
다음으로, 제어부 (10) 는 산소 농도 변동 (σ_O2) 에 상응하는 제어 값을 선택한다 (단계 S15). 예를 들어, 제어부 (10) 는 연소부 (52) 내의 연소를 안정화시키기 위한 제어를 수행한다. 구체적으로, 제어부 (10) 는 애노드 원료 공급부 (20) 로부터 공급된 애노드 원료량을 증가시키는 제어를 수행한다.
다음으로, 제어부 (10) 는 산소 농도 변동 (σ_O2) 이 경보 기준 값 (σ_02_max)(예를 들어, "0.5") 보다 큰지 아닌지 여부를 판정한다 (단계 S16). 경보 기준 값 (σ_02_max) 은 연료 전지 (60) 가 열화되었는지 아닌지 여부를 판정하기 위한 임계 값이다. 단계 S16 에서 산소 농도 변동 (σ_O2) 이 경보 기준 값 (σ_02_max) 보다 큰 것으로 판정되면, 제어부 (10) 는 경보를 디스플레이하도록 통보 디바이스 (90) 를 제어한다 (단계 S16). 그 후, 제어부 (10) 는 도 18b 에 도시된 프로세스의 흐름의 실행을 종료한다. 또한, 단계 S16 에서 산소 농도 변동 (σ_O2) 이 경보 기준 값 (σ_02_max) 보다 큰 것으로 판정되지 않으면, 제어부 (10) 는 프로세스의 흐름의 실행을 종료한다.
도 18a 및 도 18b 에 따르면, 산소 센서 (70) 의 이용을 통해 연소부 (52) 내의 연소 변동을 검출하는 것이 가능하다. 따라서, 연료 전지 (60) 의 열화가 검출될 수 있다.
또한, 공기 과잉율 (λ) 이 점진적으로 증가되는 경우, 공기 과잉율 (λ) 에서의 증가에 대하여 산소 농도 변동 (σ_O2) 이 커질수록 연료 전지 (60) 의 열화가 진행된다고 판정될 수 있다. 이 경우, 연료 전지 (60) 의 열화는 정량적으로 판정될 수 있다.
본 실시형태에서, 제어부 (10) 는 판정부로서 기능하고, 캐소드 공기 공급부 (40) 는 공기 과잉율 제어 수단으로서 기능한다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 연료 전지 시스템 등에 대한 제어 방법, 연료 전지 시스템을 포함하는 열병합 시스템 (co-generation system) 의 형태로 실현될 수도 있다.
본 발명의 몇몇 실시형태들이 전술되었으나, 본 발명은 도시된 실시형태들의 상세에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어남 없이 당업자에게 발생할 수도 있는 각종 변화, 변형 또는 개선으로 구현될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (28)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    연료 전지;
    상기 연료 전지에 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 전지의 애노드로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 태우는 연소부;
    산소 농도를 검출하는 산소 농도 검출부;
    상기 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 상기 연소부로부터 배출된 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 제 1 값과 상기 제 1 값보다 큰 제 2 값 사이가 되도록 상기 연료 공급부로부터 상기 연료 전지로 공급되는 상기 연료의 유량을 제어하는 연료 흐름 제어부를 포함하고,
    상기 산소 농도의 변동량은 소정 기간 동안 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 복수의 검출 값들로부터 산출되는 표준 편차인, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 흐름 제어부는 상기 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 상기 제 2 값보다 큰 경우 상기 연료의 유량을 증가시키고, 상기 연료 흐름 제어부는 상기 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 상기 제 1 값보다 작은 경우 상기 연료의 유량을 감소시키는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 상기 연소부에 의해 생성된 연소 열을 이용함으로써 상기 연료 전지에 공급되는 연료를 생성하는 연료 생성부, 및 상기 연료의 생성에 이용하기 위한 원료를 상기 연료 생성부에 공급하는 원료 공급부를 포함하고,
    상기 연료 흐름 제어부는 상기 연료 생성부에 공급되는 상기 원료의 유량을제어함으로써 상기 연료 전지에 공급되는 상기 연료의 유량을 제어하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 값 및 상기 제 2 값은 상기 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 공기 중의 산소 농도의 변동량에 기초하여 결정되는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 절대값이 작을수록 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값에 의해 정의된 범위가 더 넓게 설정되는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 상기 제 1 값과 상기 제 2 값 사이가 되도록 상기 연료의 유량을 제어할 때, 상기 연료 흐름 제어부는 상기 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 절대값이 작을수록 상기 연료의 유량의 증/감 비율을 더 크게 감소시키는, 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 출력 전류를 측정하는 전류계 및 상기 연료 전지의 출력 전압을 측정하는 전압계 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 연료 흐름 제어부는 상기 전류계에 의해 측정된 출력 전류 및 상기 전압계에 의해 측정된 출력 전압 중 하나의 진동 진폭이 제 3 값과 상기 제 3 값보다 큰 제 4 값 사이가 되도록 상기 연료의 유량을 제어하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 흐름 제어부는 상기 전류계에 의해 측정된 상기 출력 전류 및 상기 전압계에 의해 측정된 상기 출력 전압 중 하나의 상기 진동 진폭이 상기 제 4 값보다 큰 경우 상기 연료의 유량을 증가시키고,
    상기 연료 흐름 제어부는 상기 전류계에 의해 측정된 상기 출력 전류 및 상기 전압계에 의해 측정된 상기 출력 전압 중 하나의 상기 진동 진폭이 상기 제 3 값보다 작은 경우 상기 연료의 유량을 감소시키는, 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 출력 전류의 절대값이 작을수록 상기 제 3 값 및 상기 제 4 값에 의해 정의된 범위가 더 넓게 설정되는, 연료 전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 출력 전류의 상기 진동 진폭이 상기 제 3 값과 상기 제 4 값 사이가 되도록 상기 연료의 유량을 제어할 때, 상기 연료 흐름 제어부는 상기 출력 전류의 절대값이 작을수록 상기 연료의 유량의 증/감 비율을 더 크게 감소시키는, 연료 전지 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량은 상기 산소 농도의 진동 진폭인, 연료 전지 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄화수소로부터 수소를 생성하는 개질부; 및
    상기 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 소정 가스인 상기 연소부로부터의 상기 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량에 기초하여 상기 연료 전지가 열화되었는지 여부를 판정하는 판정부를 더 포함하고,
    상기 연료 전지는 상기 개질부에 의해 생성된 수소를 연료로서 사용함으로써 전기를 생성하는, 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연소부에서의 공기 과잉율을 제어하기 위한 공기 과잉율 제어 수단을 더 포함하고,
    상기 공기 과잉율 제어 수단은, 상기 판정부가 상기 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량을 획득할 때 상기 공기 과잉율을 증가시키는, 연료 전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 판정부는, 상기 연소부에서의 상기 공기 과잉율의 증가에 대하여 상기 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 클수록 상기 연료 전지의 열화가 더 크다고 판정하는, 연료 전지 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 판정부가 상기 연료 전지가 열화되었다고 판정하는 경우 상기 연료 전지의 열화를 사용자에게 알리는 통보 디바이스를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  16. 삭제
  17. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 고체 산화물 타입 연료 전지인, 연료 전지 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 상기 애노드는 니켈을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  19. 연료 전지의 상태 검출 방법으로서,
    상기 연료 전지는, 탄화수소로부터 수소를 생성하는 개질부 및 애노드 오프 가스 (off-gas) 를 태우는 연소부를 포함하고, 상기 개질부에 의해 생성된 수소를 연료로서 사용함으로써 전기를 생성하며,
    상기 연료 전지의 상태 검출 방법은,
    상기 연소부로부터의 배기 가스 중의 산소 농도를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량에 기초하여 상기 연료 전지의 열화의 존재/부존재를 판정하는 단계를 포함하는, 연료 전지 상태 검출 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 열화의 존재/부존재를 판정하는 단계는 상기 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량을 획득하기 위해서 상기 연소부에서의 공기 과잉율을 증가시키는 단계를 포함하는, 연료 전지 상태 검출 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 열화의 존재/부존재를 판정하는 단계는 상기 연료 전지의 열화의 레벨을 판정하는 단계를 포함하고;
    상기 연소부에서의 상기 공기 과잉율의 증가에 대하여 상기 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 클수록 상기 결정된 레벨이 더 큰, 연료 전지 상태 검출 방법.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지가 열화되었다고 판정되는 경우 상기 연료 전지의 열화를 사용자에게 알리는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 상태 검출 방법.
  23. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 농도의 변동량은 소정 기간 동안 검출되는 복수의 검출 값들로부터 산출되는 표준 편차인, 연료 전지 상태 검출 방법.
  24. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 고체 산화물 타입 연료 전지인, 연료 전지 상태 검출 방법.
  25. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 애노드는 니켈을 포함하는, 연료 전지 상태 검출 방법.
  26. 연료 전지 및 상기 연료 전지의 애노드로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 태우는 연소부를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법으로서,
    상기 연소부로부터 배출되는 연소 배기 가스 중의 산소 농도를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 연소 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량이 제 1 값과 상기 제 1 값보다 큰 제 2 값 사이가 되도록 상기 연료 전지에 공급되는 연료의 유량을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 산소 농도의 변동량은 소정 기간 동안 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 복수의 검출 값들로부터 산출되는 표준 편차인, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량은 상기 산소 농도의 진동 진폭인, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  28. 연료 전지 시스템으로서,
    탄화수소로부터 수소를 생성하는 개질부;
    상기 개질부에 의해 생성된 수소를 연료로서 사용함으로써 전기를 생성하는 연료 전지;
    상기 연료 전지의 애노드로부터 배출되는 애노드 배기 가스를 태우는 연소부;
    상기 애노드 배기 가스 중의 산소 농도를 검출하는 산소 농도 검출부; 및
    상기 산소 농도 검출부에 의해 검출되는 상기 연소부로부터 상기 배기 가스 중의 산소 농도의 변동량에 기초하여 상기 연료 전지가 열화되었는지 여부를 판정하는 판정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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