KR20040018246A - 연료전지 시스템용 제어장치 및 제어방법 - Google Patents
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Abstract
연료전지 시스템(S)용 제어장치(6)에는, 연료전지 본체(1), 연료전지 본체의 요구출력에 따라 연료가스를 연료전지 본체로 공급하는 연료가스공급 시스템(2), 요구출력에 따라 공기를 연료전지 본체로 공급하는 공기공급 시스템(3), 연료전지 본체로부터 배출된 배기가스를 연소하는 연소기(4), 연소기의 온도를 검출하는 온도센서(5), 요구출력의 증가가 있는 경우에 온도센서가 검출한 온도의 증가가 소정의 경계값 이상인지를 판단하는 온도변화 판단부(7), 및 온도변화 판단부에 의해 온도의 증가가 소정의 경계값 이상이라고 판단된 경우에, 연료전지 본체로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하도록 허가하는 출력증가 허가부(9)가 제공된다.
Description
최근, 연료전지의 전해질로서 고체고분자막을 사용하여 동작온도를 낮추면서 소형, 경량의 구조를 제공하는 고체고분자막 연료전지가 가정용 전원 및 차량용 전원으로서 주목받고 있다.
일반적으로 연료전지 본체는, 연료가스가 공급되는 연료극, 공기가 공급되는 공기극을 구비하고, 연료가스에 포함된 수소와 공기에 포함된 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기출력을 발전한다. 연료전지 본체에서 발전에 사용되지 않은 미사용 배기연료가스와 미사용 배기공기는 연소기에 유입되고, 그 곳에서 연소되어 반응 생성물로서 수증기와 불활성 질소를 생성하여, 무해한 배기로서 배출된다.
연료전지 본체의 발전능력은, 연료극에 공급되는 수소의 부분압력 및 수소의 부분압력에 따른 유량으로 공기극에 공급되는 공기내 산소의 부분압력에 의존한다. 이러한 발전능력 이상의 비율로 연료전지로부터 출력을 취출(take out)한다면, 연료전지 본체의 발전성능이 떨어질 뿐 아니라, 연료극 및 공기극의 촉매가 고온이 되어 역효과를 받거나 전해질막(프로톤(proton) 투과막)이 역효과를 받는다.
이러한 이유로, 연료전지 본체로부터 출력을 취출하는 경우에, 연료전지 본체의 연료극이 연료가스로 가득 찼는지 여부를 확인하고, 발전능력을 넘는 과부하를 방지하기 위해서 조절된 출력을 생성하는 방식으로 연료전지 본체를 제어할 필요가 있다.
일본특허출원공개 제2000-315516호는 연료전지 시스템용 제어장치를 개시한다. 이 제어장치를 이용하여, 개질기에서 원료를 개질하여 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 경우에, 개질기에 공급된 원료의 유량 및 개질기의 온도로부터 수소발생량을 추정하고, 연료전지 본체는 이 추정된 값에 따라 출력을 생성한다.
본 발명은 연료전지 시스템용 제어장치 및 제어방법에 관련되고, 특히 연료전지 본체로부터 배출되는 배기가스를 연소시키는 연소기의 온도에 따라 연료전지 본체의 출력을 제어하는 연료전지 시스템용 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시예의 연료전지 시스템용 제어장치의 주요 구조를 나타내는 블록도이다.
도 2는 제1 실시예의 도 1에 나타난 제어장치를 포함하는 연료전지 시스템의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 3은 제1 실시예의 도 1에 나타난 제어장치의 기본적인 동작순서를 나타내는 일반적인 흐름도이다.
도 4A 내지 4D는 제1 실시예의 도 3에 나타난 흐름도의 기본적인 동작순서와 관련된 다양한 신호의 타이밍도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 실시예의 연료전지 시스템용 제어장치의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 6 및 7은 제2 실시예의 도 5에 나타난 제어장치의 기본적인 운전순서를나타내는 일반적인 연속 흐름도이다.
그러나, 이러한 구조에 있어서, 요구출력이 증가함에 따라 증발기로 유입되는 원료의 유량이 증가하고, 이 원료를 개질하여 수소가스를 생성하여, 연료극에 도달하는 수소가스의 유량이 요구출력의 증가를 만족시키는 의도한 값으로 증가시키는 동안에 시간지연이 있을 것이다.
상세하게는, 수소가스가 스택된 수소극에 도달하는 시간지연은, 증발기의 용량, 증발 시간, 개질기의 용량, 개질반응 시간, 개질기와 연료극 사이의 공급경로에 공급되는 가스압력, 및 공급경로를 통과하는 가스의 유량에 따라 변한다. 이 시간지연은 시스템의 상태와 동작조건에 따라 변하기 때문에, 정확한 추정결과를 얻기 어렵고, 연료극에 도달하는 수소가스의 압력 및 유량을 정확하게 추정하기가어렵다.
한편, 수소 유량의 추정값이 적정값으로부터 이탈했다면, 이러한 편차를 검출할 방법이 없고, 수소가스 유량의 그릇된 추정결과에 따라 연료전지 본체로부터 출력을 취출하게 되는 신뢰할 수 없는 동작을 야기한다. 특히, 과도상태에서, 연료전지 본체로의 연료극 공급경로에서의 연료가스 유량의 변화는 연료극 공급경로에서의 연료가스 압력의 변화에 역효과를 미치고, 추정값과 실제값 사이의 편차량을 늘리는 경향이 있다.
그리고, 추정값이 실제값보다 큰 상황이 발생한다면, 연료전지 본체의 발전능력 이상의 출력을 연료전지 본체로부터 취출할 가능성이 있고, 이로 인해 연료전지 본체가 열화(deterioration)될 가능성이 있다.
또한, 연료전지 본체의 출력전압 감소를 검출함으로써, 결핍상태에서 개질가스가 연료전지 본체의 연료극으로 불충분하게 공급되는가를 판단하게 할 수 있는 구조가 추가된다고 할지라도, 연료전지 본체의 출력전압이 하강하는 동작 전에, 연료전지 본체의 연료극 공급경로가 연료가스로 완전히 채워졌는지를 판단하는 것은 어렵다. 결과적으로, 출력이 일시적으로 연료전지 본체로부터 발전능력 이상 취출될 가능성이 존재한다.
본 발명은 앞서 언급된 광범위한 연구를 하였고, 본 발명의 목적은, 출력이 연료전지 본체로부터 그 발전능력 이상 취출되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 시스템용 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것으로서, 이에 의해 연료전지의 동작성능에 있어서 열화를 방지할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 태양에 따르면, 연료전지 본체, 연료전지 본체의 요구출력에 따라 연료가스를 연료전지 본체로 공급하는 연료가스공급 시스템, 요구출력에 따라 공기를 연료전지 본체로 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 본체로부터 배출된 배기가스를 연소하는 연소기, 연소기의 온도를 검출하는 온도센서, 요구출력의 증가가 있는 경우에 온도센서가 검출한 온도의 증가가 소정의 경계값 이상인지를 판단하는 온도변화 판단부, 및 온도변화 판단부에 의해 온도의 증가가 소정의 경계값 이상이라고 판단된 경우에 연료전지 본체로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하도록 허가하는 출력증가 허가부를 구비하는 연료전지 시스템용 제어장치가 제공된다.
다른 방식으로는, 본 발명은, 연료전지 본체, 연료전지 본체의 요구출력에 따라 연료가스를 연료전지 본체로 공급하는 연료가스공급수단, 요구출력에 따라 공기를 연료전지 본체로 공급하는 공기공급수단, 연료전지 본체로부터 배출된 배기가스를 연소하는 연소수단, 연소수단의 온도를 검출하는 온도검출수단, 요구출력의 증가가 있는 경우에 온도검출수단이 검출한 온도의 증가가 소정의 경계값 이상인지를 판단하는 온도변화 판단수단, 및 온도변화 판단수단에 의해 온도의 증가가 소정의 경계값 이상이라고 판단된 경우에 연료전지 본체로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하도록 허가하는 출력증가 허가수단을 구비하는 연료전지 시스템용 제어장치를 제공한다.
한편, 본 발명은, 연료전지 본체, 연료전지 본체의 요구출력에 따라 연료가스를 연료전지 본체로 공급하는 연료가스공급 시스템, 요구출력에 따라 공기를 연료전지 본체로 공급하는 공기공급 시스템, 및 연료전지 본체로부터 배출된 배기가스를 연소하는 연소기를 갖는 연료전지 시스템의 제어방법으로서, 제어방법은, 연소기의 온도를 검출하는 단계, 요구출력이 증가하는 경우에 검출한 온도의 증가가 소정의 경계값 이상인지를 판단하는 단계, 및 온도의 증가가 소정의 경계값 이상이라고 판단된 경우에 연료전지 본체로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하도록 허가하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법을 제공한다.
본 발명의 다른 추가적인 특징, 이점, 및 이익은 첨부된 도면과 결합하여 이하의 설명으로부터 좀 더 명확해질 것이다.
이하에서 좀 더 상세하게 본 발명을 설명하기 위해서, 본 발명에 따른 각 실시예의 연료전지 시스템용 제어장치 및 제어방법을 첨부한 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.
(제1 실시예)
도 1 내지 4를 참조하여, 본 발명에 따른 제1 실시예의 연료전지 시스템용 제어장치 및 제어방법을 이하에서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 본 실시예의 제어장치를 나타내는 블록도이다.
도 1에서, 연료전지 시스템(S)은, 연료극(1a)과 공기극(1b)을 갖고 전력을 발전하는 연료전지 본체(1), 연료전지 본체(1)의 요구출력에 따라 응답하여 연료극(1a)으로 연료가스를 공급하는 연료가스 공급부(2), 요구출력에 따라 응답하여 공기극(1b)으로 공기를 공급하는 공기 공급부(3), 배기 연료가스 및 배기 공기(이하, 양자는 미사용 배기가스로 지칭함)를 연소하는 연소기(4), 연소기(4)의 온도를 검출하는 온도센서(5), 연료전지 시스템(S)을 제어하는 제어장치(6), 및 연료전지 본체(1)로부터 전력을 공급받도록 조절된 부하(10)를 구비한다.
제어장치(6)는, 온도센서(5)가 검출한 온도상승량이 소정의 경계값 이상인지 미만인지를 연산하고 판단하는 연소기 온도변화 판단부(7), 연소기 온도변화 판단부(7)가 온도상승량이 소정의 경계값 이상이라고 판단한 경우에 연료전지 본체(1)로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하도록 허가하는 출력증가 허가부(9), 및 출력증가 허가부(9)가 출력이 증가하도록 허가한 경우에 연소기(4)가 소정의 수준으로 동작온도를 유지하도록 하기 위해 연료전지 본체(1)의 목표출력값을 연산하는 목표출력값 연산부(8)를 포함한다.
이러한 구조를 갖는 제어장치(6)의 동작을 이하에서 간단하게 설명한다.
우선, 일반적으로, 도시되지 않은 요구출력 지시장치(연료전지 시스템(S)이 연료전지로 구동되는 모터차량에 결합된 경우에 가속기 페달을 밟은 정도와 차량속도에 응답하여 요구출력을 연산하는 장치)로부터 연료전지 본체(1)에 요구되는 출력을 지시하는 요구출력을 제어장치(6)에 전달한다. 제어장치(6)는 이러한 요구출력 및 온도센서(5)가 검출한 연소기온도를 일정 시간간격의 제어주기마다 감시한다.
그리고, 제어장치(6)는, 요구출력이 증가하는 경우에, 요구출력의 증가량에 따른 각각의 유량으로 연료가스 및 공기가 연료전지 본체(1)의 연료극(1a) 및 공기극(1b)으로 공급되도록, 연료가스 공급부(2) 및 공기 공급부(3)를 제어한다.
그러나, 제어장치(6)가 연료가스 공급부(2) 및 공기 공급부(3)에 각각의 연료가스 유량 및 공기 유량을 증가시키도록 지시하더라도, 이러한 가스의 용량, 반응시간, 및 가스공급경로의 용량으로 인하여, 이러한 가스의 유량이 각각의 소정값에 도달하기까지는 시간지연이 존재한다. 그리고, 이러한 시간지연이 경과한 후에서야, 연료극(1a)에서의 연료 유량 및 공기극(1b)에서의 공기 유량이 증가하기 시작하여, 연료전지 본체(1)로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하게 된다.
그러나 반면에, 이러한 경우, 제어장치(6)가 아직 출력의 증가를 허가하지않았기 때문에, 연료전지 본체(1)로부터 이용할 수 있는 출력은 실제로 증가할 수 없고, 따라서 연료전지 본체(1)에서의 미사용 연료가스 및 공기의 용량이 증가하여, 연소기(4)에서 연소되는 연료가스 및 공기의 용량이 증가하게 된다. 결과적으로, 연소기(4)의 온도가 상승하고, 온도센서(5)가 온도상승을 검출하여 온도검출 신호를 생성하여 제어장치(6)로 전달한다.
특히, 제어장치(6)의 연소기 온도변화 판단부(7)는 온도센서(5)가 검출한 연소기(4)의 온도에 따라 연소기의 온도상승이 소정의 경계 수준 이상인지를 판단하고, 만약 그렇다면, 온도상승이 소정의 경계 수준 이상이라는 것을 지시하는 판단신호를 출력증가 허가부(9)로 전달한다. 따라서, 연소기(4)의 온도상승이 소정의 경계 수준 이상인 경우에는, 출력증가 허가부(9)는 연료전지 본체(1)로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하도록 허가한다. 후속 단계에서, 출력증가 허가부(9)가 출력이 증가하도록 허가하면, 목표출력값 연산부(8)는 연료전지 본체(1)의 목표출력값을 연산하여, 연소기(4)의 온도를 소정수준으로 유지하고, 목표출력값을 지시하는 명령을 생성하여 부하(10)로 보낸다.
상술한 구조와 같이, 본 제어장치는 전형적으로, 연료전지 본체의 연료공급경로에서 연료가스의 유량이 증가하기 이전에, 연료전지 본체(1)로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하는 것을 방지하는 구조이므로, 과부하로 인한 연료전지의 열화를 방지할 수 있는 기능을 갖는다.
다음으로 도 2를 참조하여, 본 실시예의 연료전지 시스템(S)의 더욱 상세한 구조를 이하에서 설명한다. 본 실시예에서, 특별하게 원료를 제한하는 것은 아니지만, 물과 메탄올이 수소포함 연료가스를 얻기 위한 원료로서 사용된다. 즉, 특별한 구성으로 제한하려는 것은 아니지만, 이하에서 설명하는 연료전지 시스템(S)은, 연료전지 본체(1)로부터 배출된 미사용 배기가스(배기수소 및 배기공기)를 연소기(4)의 연료로서 사용하여 열을 생성함으로써, 가열된 증발기(15)가 원료를 증발하여 원료증기를 생성하고, 원료증기와 공기중의 산소를 개질기(17)에서 반응시켜 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 기본구조를 갖는다. 개질가스와 공기는 연료극과 공기극으로 각각 공급되어, 연료전지 본체(1)에서 개질가스의 수소와 공기의 산소가 전기화학적으로 반응함으로써 발전한다.
도 2에서, 연료전지 시스템(S)은, 원료로서 물을 저장하는 물탱크(11), 원료로서 메탄올을 저장하는 메탄올 탱크(12), 물탱크(11)로부터 증발기(15)로 물을 공급하는 물공급장치(13), 메탄올 탱크(12)로부터 증발기(15)로 메탄올을 공급하는 메탄올 공급장치(14), 연소기(4)의 폐열을 이용하여 물과 메탄올을 증발시키는 증발기(15), 증발기(15)에 의해 생성된 수증기 및 메탄올 증기를 이용하여 개질반응함으로써 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질기(17), 외부 공기를 취입(draw)하여 압축공기를 연료전지 시스템의 다양한 부분으로 공급하는 공기 공급장치로서 기능하는 컴프레서(16), 컴프레서(16)에서의 공기의 유량을 검출하는 유량센서(23), 컴프레서(16)에 의해 공급되는 공기의 유량을 제어하는 유량제어기(22), 개질기(17)의 온도를 검출하는 온도센서(18), 개질기(17)로 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기유량 제어밸브(20), 개질기(17)의 온도를 제어하는 온도제어기(19), 연료전지 본체(1)의 공기극으로 공급되는 공기의 유량을 제어하는 공기유량 제어밸브(21), 공기유량 제어밸브(21)로부터 공기가 공급되는 공기극과 개질기(17)로부터 연료가 공급되는 연료극을 갖는 연료전지 본체(1), 연료전지 본체(1)로부터 배출된 배기공기와 배기수소를 연소하는 연소기(4), 연소기(4)의 온도를 검출하는 온도센서(5), 연료전지 본체(1)로부터 부하전류가 공급되는 부하(10), 부하전류를 검출하는 전류센서(24), 연료전지 본체(1)의 출력전압을 검출하는 전압센서(25), 및 연료전지 시스템을 제어하는 제어장치(6)를 구비한다. 또한, 도 2에서, 도 1의 연료가스 공급부(2)에 대응하는 구성요소는 물탱크(11), 메탄올 탱크(12), 물공급장치(13), 메탄올 공급장치(14), 증발기(15), 개질기(17), 공기유량 제어밸브(20), 온도제어기(19), 및 온도센서(18)이다. 또한, 도 2에서, 도 1의 공기 공급부(3)에 대응하는 구성요소는 컴프레서(16), 유량제어기(22), 유량센서(23), 및 공기유량 제어밸브(21)이다.
상세하게는, 개질기(17)는, 컴프레서(16)로부터 공급된 공기에 포함된 산소와, 증발기(15)에서 원료인 물과 메탄올을 증발시켜서 생성한 수증기 사이에서 수증기개질함으로써 수소가 풍부한 개질가스를 생성한다.
이 때, 공기유량 제어밸브(20)는 공기를 개질기(17)로 공급하는 공기공급경로의 중간에 배치되고, 공기유량 제어밸브(20)의 개방정도를 온도제어기(19)로 조정하여 개질기(17)가 목표온도로 유지되도록 한다. 즉, 개질기(17)로 공급되는 공기의 유량은 제어장치(6)가 제어하는 온도제어기(19)에 의해 변한다.
이러한 개질기(17)는, 제한하려는 것은 아니지만, 수증기, 메탄올증기, 및 공기를 이용하여 개질반응 및 부분산화반응을 수행하는 동시에, 이러한 반응에서생성된 일산화탄소를 제거하는 시프트반응일체형이다. 그리고, 개질기(17)에서 생성된 수소가 풍부한 개질가스는 연료전지 본체(1)의 연료극으로 공급된다.
연료전지 본체(1)는, 컴프레서(16)로부터 공급된 공기 내의 산소 및 수소가 풍부한 개질가스를 이용한 개질반응을 수행하여 발전한다.
컴프레서(16)의 배출량은 유량센서(23)에 의해 측정된다. 이 때, 연료전지 시스템 전체에서 필요한 공기의 총용량은 단일 컴프레서(16)로부터 공급된다. 개질기(17) 및 연료전지 본체(1)에서 필요한 공기의 유량과, 유량센서(23)가 검출하는 컴프레서(16)의 배출량을 동등하게 하기 위해서, 컴프레서(16)의 회전속도는 제어장치(6)가 제어하는 유량제어기(22)에 의해 제어된다.
연료전지 본체(1)가 발전하는 데 사용하지 않은 미사용 배기가스는, 공기극으로부터 배출된 배기공기와 연료극으로부터 배출된 배기수소로 구성되고, 이 가스는 연소기(4)로 유입되어 연소되고, 배기가스를 배출한다. 연소기(4)에는 온도센서(5)가 설치되어 그 온도를 검출하고, 연소기(4)에 의해 생성된 연소열은 증발기(15)로 공급되어 원료의 증발에 필요한 열량을 제공한다.
증발기(15)에는 물공급장치(13) 및 메탄올 공급장치(14)로부터 개질원료가 공급된다. 이 때, 물은 물탱크(11)로부터 공급되고, 메탄올은 메탄올 탱크(12)로부터 공급된다.
물 및 메탄올 유량의 각 목표값은 연료전지 본체(1)의 요구출력에 따라 연산되고, 물공급장치(13) 및 메탄올 공급장치(14)의 각각의 유량제어기(미도시)는 물 및 메탄올의 유량을 각각의 목표값으로 제어한다. 연료전지 시스템을 연료전지로구동되는 모터차량과 같은 차량에 적용한 경우에, 요구출력은 운전자가 밟는 가속기 페달의 증가변위량에 따라 연산된다.
물공급장치(13) 및 메탄올 공급장치(14)는, 특별히 제한하려는 것은 아니지만, 증발기(15)의 내부로 관련된 원료를 분사하는 인젝터를 구비한다.
부하(10)는, 연료전지 본체(1)로 접속되고, 연료전지 본체(1)에 의해 생성된 출력이 공급되는 대상이다. 특별히 제한하려는 것은 아니지만, 부하는 연료전지 본체(1)에 접속된 인버터 및 배터리를 포함한다.
부하(10)에 대한 목표출력값을 결정하고, 연료전지 본체(1)가 부하(10)로 목표출력값을 전달하는 구조이다. 출력은 부하전류의 형태로 취출되어, 차량을 추진하는 구동력을 생성하는 인버터를 통해 전기모터로 공급된다.
전압센서(25)는 연료전지 본체(1)의 출력전압을 측정하는 센서를 포함하고, 제한하려는 것은 아니지만, 연료전지 본체(1)의 셀전압의 평균값을 측정한다. 또한, 전류센서(24)는 연료전지 본체(1)로부터 부하(10)를 향해 흐르는 부하전류를 측정하는 전류센서를 포함한다. 즉, 실제로, 연료전지 본체(1)의 출력의 크기는 전압센서(25)가 검출한 전압값과 전류센서(24)가 검출한 부하전류값의 곱으로 얻는다.
또한, 본 실시예의 제어 구성요소를 형성하는 유량제어기(22), 온도제어기(19), 및 제어장치(6)는, CPU와 주변인터페이스를 각각 갖는 마이크로컴퓨터 및 관련 소프트웨어를 이용하여 실현할 수 있다.
다음으로, 본 실시예의 제어장치(6)를 도 3의 일반적인 흐름도를 참조하여좀 더 상세하게 설명한다.
도 3의 단계 S10에서, 연료전지 본체(1)의 요구출력이 증가하는지를 판단한다. 연료전지 본체(1)의 요구출력값은, 전형적으로, 운전자가 가속기 페달을 가압한 경우에 가속기 페달의 증가변위값을 검출하는 가압변위(depression displacement) 센서(미도시)를 가속기 페달에 탑재하여, 검출된 가속기 페달의 증가변위값과 차량속도를 관련시키는 함수를 참조하여 요구출력을 연산하여 얻고, 최근 요구출력값과 현재 요구출력값 사이에 증가가 있는 경우에, 요구출력의 증가가 있다고 판단한다. 이러한 함수는 맵의 형태로 제어장치(6)의 메모리(미도시)에 미리 기억되고, 후속 동작을 위해 검색한다.
단계 S10에서 요구출력의 증가가 있다고 판단되면, 절차는 단계 S20으로 진행하고, 반대로, 요구출력의 증가가 없다고 판단되면, 절차는 단계 S150으로 진행한다. 또한, 본 실시예에 있어서, 일단 요구출력의 증가가 있으면, 요구출력값과 연료전지 본체로부터 발전된 실제출력값이 서로 일치할 때까지, 요구출력의 증가가 있는지를 판단하는 동작을 계속하여 수행하고, 단계 S20을 수행한다. 또한, 일단 새로운 요구출력의 증가가 있으면, 연료전지의 실제출력값이 요구출력값에 도달할 때까지 요구출력값은 계속하여 유지된다. "요구출력 계속"이라는 용어는 이 요구출력값이 계속해서 출력되고 있는 상태를 지시한다.
절차가 단계 S20으로 진행한 경우에, 이 상태는, 연료전지 본체(1)의 요구출력의 증가가 있어서, 이 증가에 따라 원료의 유량의 목표값을 증가시키는 명령이 내려짐으로써, 원료의 용량이 증가하는 경우이다. 특히, 본 발명은, 증발기(15)가원료를 증발시켜서 생성한 수증기를 개질기로써 수증기개질하는 구조이기 때문에, 각 원료의 유량의 목표값은, 원료를 증발기(15)로 공급하는 물공급장치(13) 및 메탄올 공급장치(14)로 전달되어, 물공급장치(13) 및 메탄올 공급장치(14)에 포함된 인젝터 제어장치의 각 유량을 제어하도록 하고, 증발기(15)로 공급되는 각 원료(물 및 메탄올)의 용량이 관련 목표값에 도달한다.
이어지는 단계 S30에서, 온도센서(5)가 검출한 연소기(4)의 현재 연소온도를 제어장치(6)의 메모리(미도시)에 기억한다.
후속 단계 S40에서, 현재 시점에 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 출력값은 전압센서(25)가 검출한 전압값 및 전류센서(24)가 검출한 부하전류값에 기초하여 연산되고, 제어장치(6)의 메모리(미도시)에 기억된다. 이러한 데이터의 기억은, 요구출력의 증가가 새롭게 인식된 경우에만 실시되고, 앞서 언급한 요구출력 계속 동안에는 실행되지 않고, 앞서 기억한 출력값이 전과 동일하게 유지되어 사용된다.
다음 단계 S50에서, 현재 시점에서 연료전지 본체(1)로부터 취출된 출력의 증가변화량이 소정의 경계값(L1)보다 큰지 작은지를 판단한다. 이 때, 출력의 증가변화량은, 증가한 요구출력값으로부터 연료전지 본체(1)로부터 취출한 현재 출력을 감산하여 얻은 값을 지시한다고 해석할 수 있다.
다음으로 단계 S50에서, 출력의 증가변화량이 소정의 상한 경계값(L1)을 초과한다고 판단된 경우에, 절차는 단계 S60으로 진행한다. 단계 S60에서, 연소기의 온도상승 변화를 검출하는 데 사용되는 경계값(TH)은, 소정의 크기 ΔTH(소정의 값이 TH_INIT 라면, TH = TH_INIT+ΔTH)만큼만 증가하고, 절차는 단계 S80으로 진행한다. 또한, 이러한 동작은 요구출력의 증가가 새롭게 존재하는 경우에만 실행되고, 반면에 요구출력 계속 동안에는 아무런 동작도 실행되지 않고, 절차가 단계 S80으로 진행한다. 이러한 상황은 단계 S70, S72, 및 S74에서도 유사하게 나타나서, 요구출력 계속 동안에는 이러한 동작이 수행되지 않는다.
반면에 단계 S50에서, 출력의 증가변화량이 소정의 상한 경계값(L1) 이하라고 판단되는 경우에는, 절차는 단계 S70으로 진행되어, 현재 출력이 상한 경계값(L1)과 하한 경계값(L2)(L2<L1) 사이에서 유지되는지를, 즉 현재 출력이 L1 이하이고 L2를 초과하는지를 판단한다.
단계 S70에서, 출력의 증가변화량이 상한 경계값(L1)과 하한 경계값(L2) 사이에서 유지된다고 판단되면, 절차는 단계 S72로 진행되어, 단계 S72에서 연소기(4)의 온도변화를 검출하는 데 사용되는 온도변화 경계값(TH)을 경계값(TH_INIT)으로 설정하고(TH = TH_INIT), 절차는 단계 S80으로 진행한다. 이 때, 소정의 경계값(TH_INIT)은 실험으로 미리 얻은 값이다.
반대로, 단계 S70에서, 출력의 증가변화량이 상한 경계값(L1)과 하한 경계값(L2) 사이의 범위를 벗어난다고 판단되면, 즉 출력의 증가변화량이 값(L2) 이하라고 판단된다면, 절차는 S74로 진행되고, 연소기(4)의 온도변화를 검출하는 데 사용되는 온도변화 경계값(TH)을 소정의 크기 ΔTH 만큼 감소시키고(TH = TH_INIT - ΔTH), 절차는 단계 S80으로 진행한다.
즉, 이렇게 분기된 단계들에서, 출력의 증가변화량이 커짐에 따라, 연소기(4)의 온도변화를 검출하는 데 사용되는 온도변화 경계값이 더 높은 수준으로 결정되도록 조정하면, 연소기(4)의 온도변화의 존재를 확실한 방식으로 검출할 수 있게 된다. 따라서, 노이즈 등의 역효과가 나타난다고 할지라도, 이러한 검출 단계 동안에 인식오류의 발생을 방지하도록 측정하여, 연료전지 본체(1)의 연료극에 연결된 가스공급경로에 충분한 유량의 연료가스가 있다는 것을 확실하게 인식하는 기능을 제공한다.
한편, 연소기(4)의 온도변화를 검출하는 경계값이 더 낮은 값으로 결정되었다고 가정하는 경우에는, 만일 연소기(4)의 불충분한 온도변화에도 불구하고 온도변화가 충분하다고 잘못 인식될 경우, 연료전지는 발전능력 이상의 출력을 생성하도록 강제된다는 것을 생각할 수 있다. 특히, 이러한 상황은, 출력의 증가변화량이 커질수록, 즉 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 출력의 증가에서의 변화값이 커질수록, 일기(one breath)에 큰 출력을 취출하는 것이 명백해지는 방식으로 나타난다.
바꾸어 말하면, 이러한 경우에 이러한 분기된 단계들에서, 출력의 증가변화량이 소정값보다 큰 경우에, 연소기(4)의 온도변화를 검출하는 데 사용되는 경계값이 더 높은 수준에서 결정되는 이유는, 연료전지 본체(1)가 노이즈에 의한 인식오류로 인해 역효과를 받는 것을 방지하기 위함이다.
다음 단계 S80에서, S30에서 기억된 현재온도로부터 시작한 연소기(4)의 온도변화가, 온도상승을 검출하는 데 사용하고 단계 S60, S72, 또는 S74에서 연산된 경계값(TH) 이상인지를 판단한다. 단계 S80에서, 연소기(4)의 온도가 경계값(TH) 이상의 값으로 변한다면, 절차는 단계 S90으로 진행한다. 반대로, 경계값(TH) 이상의 값의 변화가 발생하지 않는다면, 절차는 단계 S100으로 진행한다.
후속 단계 S90에서, 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 출력의 증가를 허가하는 동작이 수행되고, 절차는 단계 S120으로 진행한다. 반면에, 단계 S100에서는, 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 출력의 증가를 허가하지 않는 동작이 수행되고, 절차는 단계 S130으로 진행한다.
후속 단계 S120에서, 연소기(4)의 온도가 소정의 목표값에 도달하도록, 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 목표출력값(P(t))을 연산하고, 절차는 단계 S140으로 진행한다. 목표출력값(P(t))은 다음의 식 (1) 내지 (3)을 이용하는 PID 제어 계산을 이용하여 연산될 수 있다.
P(t) = P(t-1)+ΔP(t) … (1)
여기에서 t는 시간을 나타내고, ΔP(t)는 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 출력의 증가값을 나타내며, ΔP(t)는 다음의 식 (2)로부터 계산된다.
ΔP(t)=K*{(e(t)-e(t-1))+(T/Ti)*e(t)+(TD/T)*(e(t)-2*e(t-1)+e(t-2))} … (2)
여기에서 곱셈 연산자는 "*"로 나타나고, 연소기(4)의 온도와 관련된 편차는 e(t)로 나타나며, K, Ti, 및 TD는 각각 조정 파라미터의 일종을 의미하는 제어이득을 나타낸다. 또한, e(t)는 다음의 식 (3)으로부터 계산될 수 있다.
e(t)={(연소기 목표온도(t))-(연소기 온도센서의 검출값(t))} … (3)
또한, 연소기 온도의 소정의 목표값은, 출력을 증가시키기 이전의 연소기 온도이거나, 또는 출력의 증가변화량에 따라 변경될 수도 있다.
반대로, 단계 S130에서는, 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 출력량의 증가를 허가하지 않는 경우이므로, 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 목표출력값이 이전값으로 유지되며(현상태를 유지), 절차는 단계 S140으로 진행한다.
마지막으로, 단계 S140에서, 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 목표출력값은 부하(10)와 같은 출력취출장치로 출력되고, 절차는 "시작"으로 복귀한다.
또한, 상기 단계들에서, 단계 S10 내지 S80은 연소기 온도변화 판단부(7)에 의해 수행되고, 단계 S90, S100, 및 S150은 출력증가 허가부(9)에 의해 수행되며, 단계 S120 내지 S140은 목표출력값 연산부(8)에 의해 수행된다.
다음으로, 제어장치(6)의 동작을 도 4A 내지 4D의 타이밍도를 참조하여 이하에서 설명한다.
도 4A는 시간에 대해 도시한 연료전지 본체(스택)(1)의 출력의 변화를 나타내고, 도 4B는 시간에 대해 도시한 스택(1)의 입구의 수소유량의 변화를 나타내며, 도 4C는 시간에 대해 도시한 스택(1)의 셀(cell)전압을 나타내고, 도 4D는 시간에 대해 도시한 연소기(4)의 온도를 나타낸다.
도 4A에서는, 단일점선(A)으로 나타나듯이 시간(t0)에 요구출력이 증가하기 시작하는 경우에, 실선(B)으로 나타낸, 본 실시예의 경우의 연료전지 본체로부터 이용할 수 있는 출력의 변화와, 점선(C)으로 나타낸, 개질기로 공급되는 원료의 유량 및 개질기의 온도로부터 수소유량값을 추정한 경우의 출력의 변화를 비교한다. 또한, 관련된 추정값은 도 4B에서 점선(D)으로 나타나고, 실선(E)으로 나타낸 실제 유량값으로부터 이탈한다.
특히, 도 4C에 나타나듯이, 수소유량이 추정되고 추정값에 기초하여 출력이 스택으로부터 취출된다면, 스택으로부터 그 발전용량을 초과하는 많은 양의 출력이 취출되기 쉽고, 따라서 셀전압은 점선(H)으로 나타나듯이 비정상 전압선(I) 아래로 순식간에 하강한다. 또한, 시간(t1)까지 추정값과 수소가스의 실제유량 사이에는 편차가 존재하고, 따라서 도 4A의 점선(C)으로 나타나듯이 시간(t1)까지는 출력을 스택으로부터 취출하기가 어렵다. 또한, 도 4D의 점선(L)으로 나타나듯이 연소기(4)의 온도는 급격하게 하강하게 된다. 반대로, 본 실시예에 따르면, 도 4D에 나타나듯이 연소기(4)의 온도가 소정의 온도(TP)(요구출력의 증가 이전의 온도)로부터 TH 이상의 수준으로 상승한 후에, 도 4A의 실선(B)으로 나타나듯이 스택(1)으로부터 취출되는 출력은 증가하기 시작하는 한편, 동시에 연소기(4)의 온도를 소정의 온도(TP)보다 낮지 않은 수준으로 제어한다. 이로써 도 4C의 실선(G)에 나타나듯이 셀전압이 일정한 수준으로 유지되게 된다. 따라서, 연료전지 스택의 열화를 방지할 수 있고, 될 수 있는 한 높은 출력을 스택으로부터 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 도 4D의 단일점선(J)은 스택(1)에서 수소가 소비되지 않는 경우에연소기(4)의 온도변화를 나타낸다.
(제2 실시예)
다음으로, 주로 도 5 내지 7을 참조하여, 본 발명에 따른 제2 실시예의 연료전지 시스템용 제어장치 및 제어방법을 이하에서 상세하게 설명한다.
본 실시예는, 연료전지 시스템(S)이 시정수 기억갱신부(21) 및 요구출력 변화속도 판단부(22)를 추가적으로 포함한다는 것을 제외하면, 제1 실시예와 기본적으로 동일한 구조이다. 시정수 기억갱신부(21) 및 요구출력 변화속도 판단부(22)는 제어장치(6)의 메모리(미도시)에 소프트웨어 프로그램으로서 포함된다. 제1 실시예와 동일한 요소는 제1 실시예에서 사용한 동일한 참조번호를 유지하여 중복된 설명을 생략하고, 이하에서는 상이한 점에 집중하여 설명한다.
도 5에서, 시정수 기억갱신부(21)는 연소기(4)의 온도변화의 시정수를 기억하고, 기억된 시정수를 갱신한다. 요구출력 변화속도 판단부(22)는, 연료전지 본체(1)의 요구출력을 감소시키고 증가시키는 반복동작이 수행되는 경우에, 변화속도(빈도)와 연소기(4)의 온도변화의 시정수를 비교한다. 이러한 구조에 있어서, 연료전지 본체(1)의 요구출력의 속도변화가 연소기(4)의 온도변화의 시정수를 초과하는 경우에, 연료전지 본체(1)의 목표출력값이 소정값만큼 감소되는 것이 가능하다. 즉, 연소기(4)의 온도변화의 시정수를 초과하는 범위의 변화속도로 요구출력을 증가시키고 감소시키는 반복동작이 수행되는 경우이더라도, 연료전지 본체(1)는, 감소된 전력량으로 동작해서 요구출력의 변화에 응답할 수 없음으로 인해 연소기 온도에 기초한 판단오류를 회피하여, 연료전지 시스템(S)이 정지하는 것을방지하는 기능을 제공하여, 원하는 출력을 생성하는 연속된 동작이 가능해진다.
다음으로, 본 실시예의 동작을, 제1 실시예와 다른 특별한 점에 집중하면서 도 6 및 7을 참조하여 설명한다.
우선, 단계 S2에서, 연소기(4)의 온도변화의 시정수가 기억되거나, 기억된 시정수가 학습에 의해 얻은 새로운 값으로 갱신된다. 시정수를 측정하는 테스트를 수행하는 때에, 연료전지 시스템이 정상동작하는 동안 증발기(15)로 공급되는 원료의 유량을 약간 감소시킴으로써 연소기(4)에서 연소되는 배기수소가스 및 배기공기의 유량이 감소되는 경우에, 이 후 연소기(4)의 온도변화의 시계열 데이터를 수집하고 해석하는 동작이 수행되어, 연소기(4)의 온도변화의 시정수를 얻는다. 그리고, 얻은 시정수는 메모리에 기억되고, 이전 시정수는 기억된 새로운 데이터로 갱신된다. 다양한 상황에서 연소기(4)의 온도변화의 시정수를 기억하는 것 또는 시정수를 갱신하고 기억하는 것은, 연소기(4)를 포함하는 연료전지 시스템의 시간당 변화를 조절하는 기능을 제공함으로써, 시간당 변화로 인한 판단오류를 방지한다.
후속 단계 S4에서, 현재부터 소정의 경과시간동안 역으로의 요구출력의 시계열 데이터를 해석함으로써, 요구출력의 일련의 감소→증가(감소한 다음 증가, 등등)로 변화하는 특별한 패턴이 연속적으로 반복되는 경우 또는 요구출력이 증가→감소→증가(증가한 다음 감소 그 다음 증가, 등등)의 순서로 변화하는 다른 특별한 패턴이 연속적으로 수행되는 경우에 나타나는, 일련의 요구출력에서 변화의 변화속도(빈도로 또한 지칭된다)를 얻는다.
후속 단계 S6에서, 단계 S4에서 얻은 요구출력의 변화의 변화속도를 참조하여 동작이 수행되고, 이러한 변화속도가 단계 S2에서 기억된 연소기의 시정수에 의한 온도변화보다 느린지를 판단한다. 그리고, 변화속도가 빠르다고 판단(아니오)된다면, 연료전지 시스템이 요구출력의 변화를 추종하는 성능한계에 다다르는 상황에 근접하다고 판단되고, 절차는 단계 S8로 진행한다.
한편, 요구출력의 증가와 감소가 반복되는 동작을 수행하는 경우에, 요구출력의 증가에 의해 공급되는 개질가스의 유량이 증가하는 것에 따라, 연소기(4)의 온도가 상승하여 공급되는 개질가스의 유량이 증가하는 상태로부터, 요구출력이 감소하여 연소기(4)의 온도에서 하강변화의 시정수로 인해 연소기(4)의 온도가 점진적으로 하강하기 시작하는 상황 하에서, 요구출력이 다시 증가하는 특별한 상황에 대한 연구가 수행되어야 한다. 이러한 특별한 상황에서, 수소가스의 유량이 아직 완전히 증가하지 않은 경우임에도 연소기(4)의 온도가 적당하게 하강하지 않고 여전히 고온으로 유지된다는 사실로 인해, 연소기(4)의 온도로 판단함으로써 수소유량이 충분한 수준이라는 판단오류가 발생하고, 연료전지 본체(1)로부터 그 발전능력 이상의 전력이 강제적으로 취출된다는 것을 생각할 수 있다.
즉, 이것은, 요구출력이 연료전지 시스템의 가스공급부(2, 3)의 시정수 및 연소기(4)의 온도변화 특성의 시정수보다 높은 속도(빈도)로 증가→감소→증가의 순서로 변화를 겪더라도, 연료전지 시스템이 추종하는 것이 더 이상 어렵지 않다는 것을 의미한다. 따라서, 연료전지 본체(1)의 연료극으로 연장된 공급경로를 통해 흐르는 개질가스의 유량이 추종하기가 어렵거나, 또는 연소기(4)의 온도변화가 추종하기 어렵다. 따라서, 소위 연료전지 시스템의 응답속도의 제한을 판단하여, 가스공급조건이 연소기(4)의 온도에 기초하여 잘못 판단될 가능성을 방지하고, 연소기(4)의 온도가 연료극에 공급되는 가스의 유량을 반영하지 않는 상황하에서, 연료전지 본체(1)가 발전능력 이상의 출력을 발전하도록 강제되는 것을 방지한다.
후속 단계 S8에서, 연료전지 본체(1)로부터 취출되는 출력의 증가에 대한 허가가 불허되고, 또한 소정의 양만큼 연료전지 본체(1)로부터 이용할 수 있는 출력을 감소시키는 동작이 수행된다. 이러한 동작을 수행함으로써, 연료전지 본체(1)가 발전능력 이상의 출력을 발전하도록 강제되는 것을 효과적으로 방지하는 것이 가능하고, 연료전지 시스템이 비정상적인 정지상황에 이르지 않으면서 동작을 계속하도록 하는 기능을 제공한다.
반면에, 단계 S4에서 얻은 요구출력 변화속도가 단계 S2에서 기억된 시정수보다 느리다고 판단되면, 절차는 단계 S10으로 진행하고, 단계 S20 이후의 단계는 제1 실시예의 단계와 동일한 방식으로 수행된다.
또한, 단계 S2의 동작은 시정수 기억갱신부(21)에서 수행되고, 단계 S4 내지 S8의 동작은 요구출력 변화속도 판단부(22)에서 수행된다.
또한 물론, 단계 S8에서 출력의 증가가 허가되지 않는 경우에 대응하기 위해서, 2차전지등의 별도의 전원이 제공되어 연료전지 본체(1)로부터 이용할 수 없는 출력을 보상하여, 요구출력에 대처하는 구조일 수도 있다
2001년 10월 16일자 일본특허출원 제2001-317968호의 모든 내용은 참조되어 여기에 통합된다.
본 발명은, 본 발명의 몇몇 실시예를 참조하여 상술되었지만, 본 발명이 상술한 실시예로 제한되는 것은 아니다. 당업자라면 상술한 바에 비추어, 상술한 실시예에 대해 변경을 가할 수 있을 것이다. 발명의 범위는 다음의 청구항을 참조하여 정의된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 연료전지 시스템의 연소기의 온도상승이 소정의 경계값 이상이라고 판단된다면, 연료전지 본체로부터 취출되는 출력의 증가를 허가하는 동작이 수행되는 구조를 갖기 때문에, 연료전지의 열화를 효과적으로 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명은 이러한 연료전지 시스템을 채택하는 연료전지로 구동되는 모터자동차를 포함하여 넓은 응용범위를 갖는다.
Claims (10)
- 연료전지 본체;상기 연료전지 본체의 요구출력에 따라 연료가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 연료가스공급 시스템;상기 요구출력에 따라 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기공급 시스템;상기 연료전지 본체로부터 배출된 배기가스를 연소하는 연소기;상기 연소기의 온도를 검출하는 온도센서;상기 요구출력의 증가가 있는 경우에, 상기 온도센서가 검출한 온도의 증가가 소정의 경계값 이상인지를 판단하는 온도변화 판단부; 및상기 온도변화 판단부에 의해 온도의 증가가 소정의 경계값 이상이라고 판단된 경우에, 상기 연료전지 본체로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하도록 허가하는 출력증가 허가부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 연료전지 본체의 목표출력값을 연산하는 목표출력값 연산부를 더 구비하는 연료전지 시스템용 제어장치로서,상기 연료전지 본체의 상기 목표출력값은, 상기 출력증가 허가부가 출력이 증가하도록 허가한 경우에, 상기 연소기의 온도가 소정의 온도로 유지되도록 하는값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 제어장치.
- 제2항에 있어서,상기 소정의 온도는 상기 요구출력의 증가 이전의 연소기의 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 온도변화 판단부에서 이용하는 상기 경계값은, 상기 요구출력의 증가가 있는 경우에, 상기 요구출력의 증가량이 커질수록 상기 경계값이 커지도록 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 제어장치.
- 제4항에 있어서,상기 요구출력의 증가량이 소정의 범위를 초과한 경우에 상기 경계값의 증가분은, 상기 요구출력의 증가량이 소정의 범위 미만인 경우에 상기 경계값의 감소분과 동일하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 연소기의 온도변화의 시정수를 기억하는 시정수 기억부; 및상기 요구출력의 감소와 상기 요구출력의 증가가 연속적으로 수행되는 경우에, 상기 연료전지 본체의 상기 요구출력의 변화속도와 상기 시정수를 비교하여,상기 변화속도와 상기 시정수 사이의 관계를 판단하는 변화속도 판단부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 제어장치.
- 제6항에 있어서,상기 변화속도가 상기 시정수를 초과하는 경우에, 상기 연료전지 본체의 목표출력값은 소정의 값만큼 감소되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 제어장치.
- 제1항에 있어서시정수 기억부는, 상기 연소기의 온도변화의 시정수를 학습하고, 상기 시정수 기억부에 기억된 상기 시정수를 갱신하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 제어장치.
- 연료전지 본체;상기 연료전지 본체의 요구출력에 따라 연료가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 연료가스공급수단;상기 요구출력에 따라 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기공급수단;상기 연료전지 본체로부터 배출된 배기가스를 연소하는 연소수단;상기 연소수단의 온도를 검출하는 온도검출수단;상기 요구출력의 증가가 있는 경우에, 상기 온도검출수단이 검출한 온도의증가가 소정의 경계값 이상인지를 판단하는 온도변화 판단수단; 및상기 온도변화 판단수단에 의해 온도의 증가가 소정의 경계값 이상이라고 판단된 경우에, 상기 연료전지 본체로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하도록 허가하는 출력증가 허가수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 제어장치.
- 연료전지 본체; 상기 연료전지 본체의 요구출력에 따라 연료가스를 상기 연료전지 본체로 공급하는 연료가스공급 시스템; 상기 요구출력에 따라 공기를 상기 연료전지 본체로 공급하는 공기공급 시스템; 및 상기 연료전지 본체로부터 배출된 배기가스를 연소하는 연소기를 갖는 연료전지 시스템의 제어방법으로서, 상기 제어방법은,상기 연소기의 온도를 검출하는 단계;상기 요구출력이 증가하는 경우에, 상기 검출한 온도의 증가가 소정의 경계값 이상인지를 판단하는 단계; 및상기 온도의 증가가 소정의 경계값 이상이라고 판단된 경우에, 상기 연료전지 본체로부터 이용할 수 있는 출력이 증가하도록 허가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100761267B1 (ko) * | 2005-12-13 | 2007-10-04 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지 시스템 |
| KR100987175B1 (ko) * | 2007-12-27 | 2010-10-11 | (주)퓨얼셀 파워 | 연료전지 시스템 및 그 연료 공급 방법 |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2005251140B2 (en) * | 2004-05-28 | 2009-12-17 | Dcns Sa | Utilization-based fuel cell monitoring and control |
| CA2580424C (en) * | 2004-09-24 | 2011-01-04 | Nissan Motor Co., Ltd. | Power generation control system for fuel cell |
| JP2006310217A (ja) * | 2005-05-02 | 2006-11-09 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
| JP4839821B2 (ja) * | 2005-12-19 | 2011-12-21 | カシオ計算機株式会社 | 電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法 |
| FR2897985A1 (fr) * | 2006-02-27 | 2007-08-31 | Renault Sas | Systeme et procede de commande d'un module de puissance a pile a combustible. |
| US8980489B2 (en) * | 2006-03-27 | 2015-03-17 | Casio Computer Co., Ltd. | Fuel cell type power generation device, electronic apparatus and treatment method of fuel |
| US7939215B2 (en) * | 2006-04-14 | 2011-05-10 | Fuel Energy, Inc. | Fuel cell system with fuel flow control assembly including a low flow bypass |
| DE102006048716B3 (de) * | 2006-10-14 | 2008-02-21 | Howaldswerke Deutsche Werft Ag | Unterseeboot mit einer CO2-Bindeeinrichtung |
| WO2009026471A1 (en) * | 2007-08-21 | 2009-02-26 | Zeltiq Aesthetics, Inc. | Monitoring the cooling of subcutaneous lipid-rich cells, such as the cooling of adipose tissue |
| US9142847B2 (en) * | 2008-07-08 | 2015-09-22 | Bloom Energy Corporation | Fuel cell load controller |
| JP5471416B2 (ja) * | 2009-12-21 | 2014-04-16 | 富士通株式会社 | 発電システム及びその制御方法 |
| DE102011005693B4 (de) * | 2011-03-17 | 2014-02-20 | Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG | Brennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren |
| US20140106247A1 (en) | 2012-10-16 | 2014-04-17 | Bloom Energy Corporation | Energy Load Management System |
| KR101439671B1 (ko) * | 2012-12-21 | 2014-09-12 | 주식회사 포스코 | 가열통합형 연료전지 모듈 |
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| CN108598527B (zh) * | 2018-05-17 | 2020-08-14 | 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 | 燃料电池的供气控制方法、装置和系统以及轨道车辆 |
| CN112652794B (zh) * | 2020-12-18 | 2022-11-11 | 福州大学 | 一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理系统及方法 |
| CN117420471B (zh) * | 2023-12-18 | 2024-04-02 | 深圳鑫资物联科技有限公司 | 一种移动电源的性能测试方法、系统、设备及其存储介质 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2671523B2 (ja) | 1989-10-06 | 1997-10-29 | 富士電機株式会社 | 燃料電池発電装置の運転制御方法 |
| DE4322765C1 (de) | 1993-07-08 | 1994-06-16 | Daimler Benz Ag | Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle |
| JP4100533B2 (ja) | 1999-05-06 | 2008-06-11 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池車における排水素燃焼器の温度制御装置 |
| JP2001229941A (ja) * | 2000-02-16 | 2001-08-24 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2001266918A (ja) | 2000-03-24 | 2001-09-28 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池の制御装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100761267B1 (ko) * | 2005-12-13 | 2007-10-04 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지 시스템 |
| KR100987175B1 (ko) * | 2007-12-27 | 2010-10-11 | (주)퓨얼셀 파워 | 연료전지 시스템 및 그 연료 공급 방법 |
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