KR20050043909A

KR20050043909A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 운전 방법

Info

Publication number: KR20050043909A
Application number: KR1020057002511A
Authority: KR
Inventors: 다다시 마토바
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-05-11
Also published as: WO2004075327A2; KR100685217B1; US7550214B2; JP3882761B2; JP2004253212A; CN100337361C; US20050255352A1; WO2004075327A3; EP1525637A2; CN1698229A

Abstract

연료 가스 또는 애노드 오프-가스와 산화제 가스 또는 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스를 연소하는 촉매 연소기(7)와, 적어도, 촉매 연소기로의 혼합 가스의 공급 개시부터 촉매 연소기가 충분히 활성화되었다고 판단될 때까지의 점화 기간 동안, 혼합 가스의 연료 가스 농도는 소정 범위(촉매 활성 하한보다 크고, 가연 희박-한계보다 작은) 내에 유지되고, 점화 기간이 경과한 후에는, 연료 가스 농도가 소정 범위에서 벗어난 값에 있어도, 혼합 가스가 촉매 연소기에 공급되도록 제어를 수행하는 시스템 콘트롤러(35)를 가지는 연료 전지 시스템 및 관련 방법이 개시된다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 운전 방법{FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL OPERATING METHOD}

본 발명은, 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 애노드 오프-가스의 연소 특성을 개선한 연료 전지 시스템 및 관련 방법에 관한 것이다.

연료 전지 시스템은, 수소 가스 등의 연료 가스와 산소를 함유하는 산화제 가스를 서로 전기화학적으로 반응시켜, 전해질막 양 측 상에 배치된 전극들로부터 전기 에너지를 취할 수 있도록 한다. 특히, 고체 전해질을 사용하는 고체 고분자 연료 전지는 동작 온도가 낮고 취급이 용이하므로, 전기 차량용 전력 공급 장치로서 주목받고 있다. 즉, 연료 전지 동력 차량은, 고압 수소 탱크, 액체 수소 탱크, 및 수소 흡수 아몰퍼스 합금 탱크 등의 수소 흡수 장치가 설치된 초 청정(ultimate clean) 차량으로서, 이 수소 흡수 장치로부터 공급된 수소와, 산소를 포함하는 공기를 연료 전지에 전달하여, 연료 전지로부터 전기 에너지를 취하는 반응을 달성하여 구동륜에 연결된 모터를 구동시키는 것으로, 배출 물질로서 물만이 남는다.

고체 고분자 연료 전지에서, 산화제 가스로서 공기를 사용하는 경우, 캐소드로부터 전해질막을 통하여 애노드에 도달한 질소는 애노드 시스템에 남아, 수소 분압을 하강시켜, 연료 전지의 효율성을 저하시킨다. 이러한 이유로, 질소가 애노드 시스템에 어느 정도 남아 있으면, 질소를 함유하는 연료 가스는 애노드 출구에 위치된 퍼지 밸브로부터, 시스템의 외부로 퍼지(purge)될 필요가 있다. 이러한 동작을 때때로 "애노드-퍼징(anode-purging)"으로 칭한다. 이 때, 애노드로부터 배출된 가스를 애노드 오프-가스로 칭하며, 수소를 함유하는 가연 가스를 포함한다. 수소를 외부로 직접 배출하는 것은 바람직하지 않기 때문에, 퍼징된 애노드 오프-가스는 촉매 연소기에서 연소되어, 질소와 스팀(steam)을 함유하는 혼합 가스가 시스템 외부로 방출되도록 한다.

애노드 오프-가스를 연소하는 기술들 중에서, 일본 특개평 제7-78626호(3쪽 및 도 1 참조)에 통상적인 하나의 기술이 공지되어 있다. 이 기술은, 연료 전지에서 캐소드 오프-가스의 일부와 애노드 오프-가스를 혼합하는 혼합기와, 연료 라인에서의 공급 가스의 유량에 따라, 배기 가스 전달 라인에서의 연소 배기 가스의 유량을, 상기 혼합기에서 애노드 오프-가스와 캐소드 오프-가스와의 혼합비가 폭발 한계를 벗어난 값에 있도록 소정 관계에 기초하여 조절하는 조절 유닛을 구비한 구성의 형태를 취한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 연료 전지 시스템의 전체 구성도이다.

도 2A 내지 도 2C는 도 1에 도시된 제1 실시예의 연료 전지 시스템에서 시스템 제어가 수행되는 방법을 도시하는 타이밍 챠트이다.

도 3은 도 1에 도시된 제1 실시예의 연료 전지 시스템의 동작의 기본 시퀀스를 도시하는 제어 흐름도이다.

도 4A 내지 도 4C는 본 발명의 제2 실시예의 연료 전지 시스템에서 시스템 제어가 수행되는 방법을 도시하는 타이밍 챠트이다.

도 5는 제2 실시예의 연료 전지 시스템의 동작의 기본 시퀀스를 도시하는 제어 흐름도이다.

도 6A 내지 도 6C는 본 발명의 제3 실시예의 연료 전지 시스템에서 시스템 제어가 수행되는 방법을 도시하는 타이밍 챠트이다.

도 7은 제3 실시예의 연료 전지 시스템의 동작의 기본 시퀀스를 도시하는 흐름도이다.

그러나, 종래 기술은, 애노드 오프-가스와 캐소드 오프-가스를 폭발 한계에서 벗어난 값의 혼합비로 연소시키는 구성의 형태를 취하므로, 폭발 희박-한계(explosion lean-limit) 미만인 값의 혼합비를 가진 혼합 가스를 연소시키는 경우에서는, 연소에 필요한 산화제 가스의 유량이 증가하고, 따라서 연료 가스를 처리하기 위해서 필요한 촉매량이 증가된다. 이것은, 촉매 연소기를 상당히 큰 사이즈로 형성하는 것이 요구되고, 연소 온도가 비교적 더 낮은 레벨로 떨어지기 때문에, 열 에너지의 회수 효율성이 저하되는 결과를 초래한다.

또한, 종래 기술에서, 혼합비가 과잉 고농도 한계(excessively high concentration limit)보다 큰 값에 있으면, 가연 가스가 시스템 외부로 배출되어, 안전 신뢰성이 저하된다는 또 다른 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 태양은, 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 유닛, 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 유닛, 애노드 오프-가스가 배출되는 애노드와, 캐소드 오프-가스가 배출되는 캐소드를 가지며, 연료 가스와 산화제 가스 간의 전기화학적 반응에 의해 발전하는 연료 전지 스택, 연료 가스 또는 애노드 오프-가스와, 산화제 가스 또는 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스를 연소하는 촉매 연소기, 점화 기간 동안 연료 가스와 애노드 오프-가스 중 적어도 하나를 촉매 연소기에 선택적으로 공급하는 애노드 오프-가스 제어 밸브, 점화 기간 동안 산화제 가스와 캐소드 오프-가스 중 적어도 하나를 촉매 연소기에 선택적으로 공급하는 캐소드 오프-가스 제어 밸브, 및 적어도, 촉매 연소기가 촉매 연소기로의 혼합 가스 공급 개시부터 충분히 활성화되었다고 판단될 때까지의 점화 기간 동안, 혼합 가스의 연료 가스 농도는 소정 범위 내에 유지되고, 점화 기간이 경과한 후에는, 연료 가스 농도가 소정 범위에서 벗어난 값에 있어도, 혼합 가스가 촉매 연소기에 공급될 수 있도록, 애노드 오프-가스 제어 밸브와 캐소드 오프-가스 제어 밸브를 제어하는 콘트롤러를 구비하는 연료 전지 시스템을 제공한다.

본 발명의 다른 태양은, 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 유닛과, 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 유닛을 가지는 연료 전지 시스템을 운전하는 방법으로서, 상기 방법은, 애노드 오프-가스가 배출되는 애노드와, 캐소드 오프-가스가 배출되는 캐소드를 가지며, 연료 가스와 산화제 가스 간의 전기화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지 스택을 제공하는 단계와, 연료 전지 스택의 애노드로부터 배출된 애노드 오프-가스와, 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출된 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스를 연소하는 촉매 연소기를 제공하는 단계와, 점화 기간 동안 연료 가스와 애노드 오프-가스 중 적어도 하나를 촉매 연소기에 공급하는 단계와, 점화 기간 동안 산화제 가스와 캐소드 오프-가스 중 적어도 하나를 촉매 연소기에 공급하는 단계와, 적어도, 촉매 연소기가, 촉매 연소기로의 혼합 가스의 공급 개시부터 충분히 활성화되었다고 판단될 때까지의 점화 기간 동안, 혼합 가스의 연료 가스 농도는 소정 범위 내에 유지되고, 점화 기간이 경과한 후에는, 연료 가스 농도가 소정 범위에서 벗어난 값에 있어도, 혼합 가스가 촉매 연소기에 공급되도록, 촉매 연소기에 공급되는 혼합 가스의 연료 농도를 제어하는 단계를 구비한다.

(제1 실시예)

이제, 도 1, 도 2A 내지 도 2C, 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제1 실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 제1 실시예의 연료 전지 시스템의 구성도이다.

도 1에서, 애노드 가스 공급 배관(11)을 통하여 연료 전지 스택(3)의 애노드(4)에 연료 가스로서 수소를 공급하는 수소 공급 유닛(연료 가스 공급 유닛)(1)과, 캐소드 가스 공급 배관(14)을 통하여 캐소드(5)에 산화제 가스로서 공기를 공급하는 공기 공급 유닛(산화제 가스 공급 유닛)(2)을 포함하는 본 실시예의 연료 전지 시스템이 도시되어 있다. 연료 전지 스택(3)에는 수소 및 공기가 공급되어 전기화학 반응을 달성하여, 발전한다.

이 때, 애노드(4)에서 소비되지 않은 애노드 오프-가스가 애노드(4)로부터 배출되고, 캐소드(5)에서 소비된 산화제 가스의 일부로부터 기인하고, 발전에 의해 생성된 수분을 함유하는 캐소드 오프-가스가 캐소드(5)로부터 배출된다.

연료 전지 스택(3)의 통상 동작 동안, 애노드 오프-가스의 전체 양은 애노드 오프-가스 재순환 배관(12)을 통하여 애노드 가스 공급 배관(11)에 전달된 후, 애노드(4)로 다시 도입된다. 한편, 캐소드 오프-가스는, 캐소드 오프-가스 전달 배관(15)과, 연료 전지 스택(3)에 도입되는 수소 및 공기를 가습화하는 가습기(10)를 통하여 촉매 연소기(7)에 전달된 후, 이를 통하여 캐소드 오프-가스가 외부로 배출된다.

촉매 연소기(7)는, 수소 또는 애노드 오프-가스와 공기 또는 캐소드 오프-가스를 혼합하여, 균일한 혼합 가스를 형성하는 혼합기(23)와, 연소 촉매를 가져 혼합 가스를 연소시켜 연소 가스를 형성하는 연소 챔버(24)를 구비한다. 연소 가스는 냉매 열 교환기(8)에서 냉매로 열 교환된 뒤, 배기 파이프(9)를 통하여 시스템 외부로 배출된다.

연료 전지 스택(3)을 발전에 적합한 최적 동작 온도에 유지하기 위해서, 연료 전지 스택(3)에는 도시하지 않은 냉매 통로가 내부에 형성되어 있다. 통상 동작 모드 동안, 냉매는, 연료 전지 스택(3)의 냉매 출구 포트로부터, 냉매 통로 조정 밸브(22), 냉매 냉각 유닛(9), 냉매 펌프(21), 및 드레인 탱크(25) 내의 냉매 통로를 지나, 연료 전지 스택(3)의 냉매 유입 포트, 연료 전지 스택(3) 내부의 냉매 통로, 및 연료 전지 스택(3)의 냉매 출구 포트를 통하여 순환된다. 그리고, 연료 전지 스택(3)에서 발생된 반응열은 냉매 냉각 유닛(9)으로부터 외부로 방사되고, 따라서 연료 전지 스택(3)은 규정의 적절한 온도에 유지된다.

또한, 연료 전지 시스템의 기동 모드 동안, 냉매의 온도가 저 레벨에 있으므로, 수소와 공기를 촉매 연소기(7)에 도입하여 이들 요소들을 연소시키고, 연소열은, 연료 전지 스택(3)을 최적 동작 온도로 승온시키도록, 냉매 열 교환기(8)를 통과한 냉매를 가열하여 냉매 온도를 상승시키는 데 사용된다. 특히, 기동 모드 동안, 냉매 통로 조정 밸브(22)는 냉매 펌프(21)와 냉매 열 교환기(8)를 서로 연통시켜, 냉매 열 교환기(8), 냉매 펌프(21), 드레인 탱크(25), 연료 전지 스택(3)의 냉매 입구 포트, 연료 전지 스택(3)의 냉매 출구 포트, 및 냉매 통로 조정 밸브(22)로 구비된 폐 회로를 통하여 냉매가 순환하도록 한다. 이것은 냉매 온도가 냉매 열 교환기(8)에서 생성되도록 하여, 연료 전지 스택(3)의 동작 온도가 기동 동작을 개시하는 데 적절한 온도로 상승될 수 있도록 한다.

또한, 연료 전지 스택(3)의 캐소드(5)로부터 유발되는 물은 물 채널(17)을 통하여 드레인 탱크(25)로 배출되며, 이 드레인 탱크(25)에서 물이 탈-이온화되어, 탈-이온화수에 순수(pure water)가 첨가된다. 연료 전지 스택(3)의 전해질막을 가습화시키기 위하여, 물이 드레인 탱크(25)로부터 빼내어져, 물 공급 배관(16)을 통하여 연료 전지 스택(3)으로 순환된다. 또한, 드레인 탱크(25)에서의 과잉 물은 드레인 밸브(29)에 의하여 제어되어, 드레인 배관(28)을 통하여 외부로 배출된다. 순수의 스팀용의 이러한 순환 통로는, 상술된 드레인 탱크(25)를 통하여 흐르는 뜨거운 냉매가, 순수의 온도 저하 및 동결을 방지하고, 또는 동결된 순수가 해동하도록 하는 역할을 한다.

연료 전지 시스템을 제어하는 시스템 콘트롤러(제어 수단으로서 기능하는)(34)에는, 촉매 연소기(7)의 온도를 검출하는 온도 검출기(32), 연료 전지 스택(3)의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기(33), 애노드 출구에서의 애노드 오프-가스의 압력을 검출하는 압력 검출기(26), 및 애노드 출구에서의 애노드 오프-가스의 온도를 검출하는 온도 검출기(27)가 접속되어 있다.

시스템 콘트롤러(34)는 이들 검출기들로부터 검출 신호를 받아, 촉매 연소기(7)의 활성화된 상태를 판단하고, 수소 공급 유닛(1), 공기 공급 유닛(2), 제어 밸브로서 기능하는 애노드 오프-가스 배출 밸브(35), 캐소드 압력 제어 밸브로서 기능하는 캐소드 오프-가스 배출 밸브(36)를 제어하여, 촉매 연소기(7)에서 수소 또는 애노드 오프-가스 및 공기 또는 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스의 연료 농도를 제어한다.

도 2A 내지 도 2C는, 제1 실시예의 일부를 형성하는 시스템 콘트롤러(34)가, 촉매 연소기(7)에 공급되는 혼합 가스의 수소 농도를 제어하는 방법을 도시하는 타이밍 챠트로서, 도 2A는 촉매 연소기에 공급된 수소의 농도를 도시하고, 도 2B는 촉매 연소기(7)의 온도를 도시하고, 도 2C는 촉매 연소기(7)로부터 배출되는 배출 수소의 농도를 도시한다.

우선, 촉매 연소기(7)의 온도가 촉매 활성 온도보다 충분히 낮은 시간(t1)에서, 시스템 콘트롤러(34)는 온도 검출기(32)로부터 전달된 검출 신호에 응답하여, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)와 공기 공급 유닛과 캐소드 오프-가스 배출 밸브(36)를 동작시켜, 촉매 활성 하한보다 크고 가연 희박 한계보다 작은 소정의 수소 농도로 수소 또는 애노드 오프-가스와 공기 또는 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스를 촉매 연소기(7)로 공급하는 것을 개시한다.

촉매 활성 하한보다 크고 가연 희박 한계보다 작은 소정의 수소 농도로 혼합 가스가 공급될 때, 촉매 연소기(9)는 거의 활성을 가지고 있지 않으므로, 초기 단계에서, 촉매 연소기(7)에 공급된 수소의 농도에 가까운 수소 농도로 배기 가스가 배출된다. 그러나, t1과 t2 간의 점화 기간 동안 촉매 활성화가 진행되어, 변환 효율성이 향상되므로, 배출 수소의 농도가 저하하고, 촉매 연소기(7)의 온도가 상승한다.

촉매 연소기(7)의 온도가 촉매 활성 온도에 도달했을 때의 시간(t2)에서, 시스템 콘트롤러(34)는 수소 공급 유닛(1)에 의하여 공급되는 수소의 유량을 증가시켜, 수소 농도를 가연 희박-한계보다 큰 값으로 증가시킨다. 이것이 수소 농도를 상승시키도록 하지만, 촉매 연소기(7)의 온도가 이미 촉매 활성 온도에 도달했으므로, 촉매 연소기(7)에 도입된 혼합 가스 중의 수소는 충분히 변환되어, 배출 수소의 농도는 거의 영(0)이 되어, 가연 희박-한계의 농도보다 극히 낮은 수소 농도에 유지된다.

다음에, 도 3의 제어 흐름도를 참조하여, 본 실시예의 일부를 형성하는 시스템 콘트롤러(34)에 의하여 수행되는 제어를 설명한다.

우선, 단계 S10에서, 시스템 콘트롤러(34)는, 연료 전지 스택(3)이 소정의 상태에 있는지를 판정한다. 여기서, 연료 전지 스택(3)의 출력 전압이 검출되는 전압 검출기(33)로부터의 검출된 전압 레벨이 소정 전압 레벨보다 작은지를 판정한다. 검출된 전압 레벨이 소정 전압 레벨을 초과한 것으로 판정되면, 동작은 단계 S10으로 되돌아간다.

반대로, 검출된 전압 레벨이 소정 전압 레벨보다 낮은 것으로 판정되면, 동작은 단계 S12로 진행하여, 시스템 콘트롤러(34)는 퍼지 동작을 요구하는 배출 신호를 생성한다. 이 배출 신호의 수신에 따라, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)가 시스템 콘트롤러(34)에 의하여 개방되어, 애노드 오프-가스 재순환 유닛(6)으로부터 촉매 연소기(7)로 소정 유량의 애노드 오프-가스가 공급되면서, 애노드 오프-가스 재순환 유닛(16)으로부터 배출된 애노드 오프-가스의 유량과 실질적으로 동일한 값으로 증가된 유량의 수소가 연료 전지 스택(3)에 공급되도록 연료 공급 유닛(1)을 제어하고, 수소를 고정 압력 레벨하에 유지되도록 한다. 이 관점에서, 구성을 간소화하기 위하여, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)는 차단(shut-off) 밸브의 형태를 예시적으로 취한다.

다음 단계 S14에서, 압력 검출기(26) 및 온도 검출기(27)로 각각 검출되는 애노드 오프-가스의 압력 및 온도에 기초하여, 연료 전지 스택(3)으로부터 배출되는 애노드 오프-가스의 유량이 추정된다.

후속 단계 S16에서, 애노드 오프-가스의 추정된 유량에 따라서, 연소 온도가 촉매 연소기(7)의 활성 온도로 상승하도록 하는 값보다 크고, 수소의 가연 희박-한계보다 작은 수소 농도(4% 미만의 값: 여기서는 예컨대 3%)로 촉매 연소기(7)에 공급되는 혼합 가스를 유지하는 데 요구되는 공기 증가 유량(즉, 캐소드 오프-가스의 요구 유량)을 획득하기 위하여 산출한다.

이어지는 단계 S18에서, 산출로 획득된 공기의 증가 유량에 따라, 시스템 콘트롤러(34)는 공기 공급 유닛(2)을 제어하여, 연료 전지 스택(3)에 공급되는 공기의 유량을 증가시킨 후, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)를 통하여 애노드 오프-가스가 배출된다.

여기서, 애노드 오프-가스의 배출 개시후, 촉매 연소기(7)가 충분히 활성화된 것으로 판단되는 점화 기간(도 2의 t1과 t2까지) 동안, 촉매 연소기(7)의 온도는 비교적 낮으며, 변환 효율성이 적절하지 않아, 애노드 오프-가스 중 일부가 비연소된 상태로 시스템의 외부로 배출되는 가능성이 있다. 이 때, 비연소된 수소가 가연 희박-한계 미만의 농도에 있으므로, 시스템 내외에서 점화가 일어나지 않아, 시스템의 안전성 저하가 발생하지 않는다.

이어서, 단계 S20에서, 온도 검출기(32)로 검출된 촉매 연소기(7)의 온도가 활성 온도를 초과하는 지를 판단한다. 촉매 연소기(7)의 온도가 활성 온도보다 낮은 것으로 판단되면, 동작은 단계 S20에서 대기한다.

촉매 연소기(7)의 온도가 활성 온도를 초과한 것으로 판단된 시간(t2)에서, 촉매 연소기(7)는 충분히 촉진된 활성화를 가지며, 결과적으로 미연소된 수소가 배출될 가능성이 극히 거의 없으므로, 동작은 단계 S22로 진행하여, 애노드 오프-가스의 배출이 계속되면서, 공기 유량을 증가시키는 동작을 중지한다.

이어, 단계 S24에서, 연료 전지 스택(3)의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기(33)의 검출된 전압 레벨이 소정 전압값보다 큰 값에 도달할 때까지, 동작은 대기한다. 검출된 전압 레벨이 소정 전압값을 초과한 것으로 판정되면, 동작은 단계 S26으로 진행하여, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)가 폐쇄되어 애노드 오프-가스의 배출을 중지하여, 소정의 동작 조건으로 동작이 되돌아 간다.

상기에 나타난 제1 실시예에 따르면, 적어도, 혼합 가스의 공급 개시후 촉매 연소기(7)가 적절하게 활성화된 것으로 판단되는 점화 기간 동안, 혼합 가스에서의 연료 가스 농도는 소정 범위 내에 유지되며, 촉매 연소기(7)가 적절하게 활성화된 것으로 판단된 후, 상술된 연료 가스 농도의 범위를 벗어난 값의 혼합 가스라도 공급되도록 제어를 수행하는 시스템 콘트롤러의 능력으로 인하여, 촉매 연소기(7)의 상태에 따라 적절한 조건으로 연료 전지 시스템을 동작할 수 있다.

또한, 점화 기간 동안의 연료 가스 농도 범위를, 혼합 가스의 연소 온도가 촉매 연소기의 활성 온도에 도달하는 농도보다 크도록 선택함으로써, 촉매 연소기의 촉매가 급속히 활성화될 수 있어, 미연소된 가스의 배출을 감소시킨다.

또한, 점화 기간 동안의 연료 가스 농도 범위를, 연료 가스의 가연 한계에 있는 농도보다 작도록 선택함으로써, 촉매 연소기에서 부적절한 연소가 발생하고, 결과적으로 비연소된 연료 가스가 배출되는 경우에도, 배기 가스가 점화되지 않고, 시스템 외부로 안전하게 배출될 수 있다.

또한, 저온에서와 같이, 촉매 연소기(7)가 활성화되기 어려운 조건에서, 전기 히터와 같은 보조 히터 수단을 사용하여 점화가 행해지는 경우에 본 발명의 제어 개념을 적용할 수 있다.

(제2 실시예)

다음, 도 4A 내지 도 4C 및 도 5을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예의 연료 전지 시스템을 설명한다. 제2 실시예의 연료 전지 시스템은 도 1에 도시된 것과 구성면에서 유사하여, 설명의 단순성을 위하여, 동일한 구성 요소들은 동일한 도면 부호를 가진다.

본 실시예의 연료 전지 시스템은, 점화 기간 동안, 공기 유량의 증가 동작이 수행되지 않고, 시스템 콘트롤러(제어 수단)(34)가 점화 기간보다 짧은 소정 간격으로 애노드 오프-가스를 간혈적으로 공급하는 방식으로 제어한다는 점에서, 제1 실시예의 것과 상이하다.

도 4A 내지 도 4C는 제2 실시예의 일부를 형성하는 시스템 콘트롤러(34)가, 촉매 연소기(7)에 공급되는 혼합 가스의 수소 농도를 제어하는 방법을 도시하는 타이밍 챠트로서, 도 4A는 촉매 연소기(7)에 공급된 수소의 농도를 도시하고, 도 4B는 촉매 연소기(7)의 온도를 도시하고, 도 4C는 촉매 연소기(7)로부터 배출된 배출 수소의 농도를 도시한다.

우선, 촉매 연소기의 온도가 촉매 활성 온도보다 충분히 낮은 시간(t1)에서, 시스템 콘트롤러(34)는 온도 검출기(32)로 생성된 검출 신호에 응답하여, 수소 공급 유닛(1)과 공기 공급 유닛(2)을 제어하여, 촉매 연소기(7)에 수소 또는 애노드 오프-가스가 간혈적으로 공급되도록 하고, 공기 또는 캐소드 오프-가스가 각각 연속적으로 공급되도록 한다. 이 때, 간헐적으로 공급되는 수소 또는 애노드 오프-가스와, 연속적으로 공급되는 공기 또는 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스의 평균 수소 농도는, 촉매 활성 하한보다 높고, 가연 희박 한계보다 낮은 것으로 설정된다.

이러한 평균 농도의 혼합 가스의 공급이 개시되었을 때, 촉매 연소기(7)는 거의 활성화를 가지지 않으므로, 초기 단계에서, 공급된 수소의 농도에 가까운 수소 농도를 가진 배기 가스가 배출된다. 그러나, t1과 t2 간의 점화 기간 동안 촉매 활성화가 진행되어, 변환 효율성을 향상시키므로, 배출 수소 농도는 간헐적으로 떨어지고, 촉매 연소기의 온도는 둥근 형상인 상향 돌출된 단계를 경유하여 상승한다.

그리고, 촉매 연소기(7)의 온도가 촉매 활성 온도에 도달한 시간(t2)에서, 시스템 콘트롤러(34)는 수소 공급 유닛(1)을 제어하여, 애노드 오프-가스가 촉매 연소기(7)에 공급되어 혼합 가스가 가연 희박-한계보다 큰 수소 농도가 되도록 한다. 이것이 공급된 수소의 농도를 상승시켜도, 촉매 연소기(7)의 온도가 촉매 활성 온도에 도달했으므로, 배출 수소의 농도가 거의 영이 되고, 가연 희박-한계의 농도보다 극히 낮은 농도에 유지되도록 혼합 가스 중의 수소가 충분히 변환된다.

이것에 의해, 점화 기간 동안의 평균 수소 농도를, 촉매 연소기(7)의 활성 온도보다 연소 온도를 크게 하는 농도로, 그리고 수소의 가연 희박-한계보다 낮은 농도(4% 미만의 값: 여기서는 예컨대 3%)로 할 수 있다.

이러한 이유로, 차단 밸브와 같은 간소한 구성으로 구성된 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)를 사용하도록 하면서, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)와 촉매 연소기(7) 간의 거리가 짧으므로, 혼합 가스 중의 수소 농도를 고 응답성으로 조정할 수 있다. 또한, 공기의 유량의 증가가 없으므로, 공기 공급 유닛(2)을 형성하는 압축기의 부하가 증가하는 것을 방지할 수 있어, 전력 소비의 증가를 억제할 수 있다.

다음, 도 5의 제어 흐름도를 참조하여, 본 실시예의 일부를 형성하는 시스템 콘트롤러(34)에 의하여 수행되는 제어를 설명한다.

우선, 단계 S30에서, 시스템 콘트롤러(34)는, 연료 전지 스택(3)이 소정의 상태에 있는지를 판정한다. 여기서, 연료 전지 스택(3)의 출력 전압이 검출되는 전압 검출기(33)로부터의 검출된 전압 레벨이 소정 전압 레벨보다 작은지를 판정한다. 검출된 전압 레벨이 소정의 전압 레벨을 초과한 것으로 판단되면, 동작은 단계 S30으로 되돌아간다.

대조적으로, 검출된 전압 레벨이 소정 전압 레벨보다 낮은 것으로 판단되면, 동작은 단계 S32로 진행하여, 시스템 콘트롤러(34)가 퍼지 동작을 요구하는 배출 신호를 생성하도록 한다. 배출 신호를 받아, 시스템 콘트롤러(34)는 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)를 간헐적으로 개폐하여, 애노드 오프-가스 재순환 유닛(6)이 촉매 연소기(7)에 소정 유량으로 애노드 오프-가스를 배출하도록 하고, 동시에, 수소 공급 유닛(1)은, 수소의 압력을 고정된 레벨에 유지시키면서, 애노드 오프-가스 재순환 유닛(6)으로부터 배출되는 애노드 오프-가스의 유량과 실질적으로 동일한 양만큼 수소의 유량을 증가시키도록 제어된다. 이러한 관점에서, 구조의 간소화를 위하여, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)는 차단 밸브의 형태를 취한다.

다음 단계 S34에서, 압력 검출기(26) 및 온도 검출기(27)로 각각 검출된 애노드 오프-가스의 압력 및 온도에 기초하여, 애노드 오프-가스의 유량을 추정한다.

이어서, 단계 S36에서, 애노드 오프-가스의 추정된 유량에 따라, 촉매 연소기(7)에 공급된 혼합 가스 중의 수소 농도를, 촉매 연소기(7)의 활성 온도보다 높은 연소 온도로 되는 농도보다 크고, 또한 수소의 가연 희박-한계보다 작은 농도(4% 미만의 값: 여기서는, 예컨대 3%)로 유지하기 위하여 요구되는 애노드 오프-가스의 간헐적 배출 조건을 산출한다.

이어서 단계 S38에서, 산출된 애노드 오프-가스의 간헐적 배출 조건에 따라, 시스템 콘트롤러(34)는, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)를 간헐적으로 개폐시켜 애노드 오프-가스를 간헐적으로 배출하도록 동작한다. 이 때, 캐소드 오프-가스의 배출 유량은 배출 신호가 출력되기 전의 레벨에 유지되므로, 캐소드 오프-가스의 배출 유량의 변화는 없고, 공기 공급 유닛(2)의 전력 소비가 증가할 가능성도 없다.

여기서, 애노드 오프-가스의 배출 개시후, 촉매 연소기(7)가 충분히 활성화되었다고 판단되는 점화 기간(도 4의 t1에서 t2) 동안, 촉매 연소기(7)의 온도는 비교적 낮고, 변환 효율성이 부적절하여, 애노드 오프-가스 중의 일부가 미연소된 상태로 배출될 가능성이 있다. 이 때, 미연소된 수소는 상당히 짧은 기간 동안 가연 희박-한계을 초과하는 농도에 있으므로, 시스템 내외에서 점화가 발생하지 않아, 시스템의 안정성을 저하한다는 문제점이 발생하지 않는다.

이어서 단계 S40에서, 온도 검출기(32)로 검출된 촉매 연소기(7)의 온도가 활성 온도를 초과하는지를 판단한다. 촉매 연소기(7)의 온도가 활성 온도보다 작은 것으로 판단되면, 동작은 단계 S40에서 대기한다.

촉매 연소기(7)의 온도가 활성 온도를 초과한 것으로 판단되는 시점에서, 촉매 연소기(7)는 충분히 촉진되는 활성화를 가지고, 결과적으로 미연소된 수소가 배출되는 가능성이 지극히 작으므로, 동작은 단계 S42로 진행하여, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)는 애노드 오프-가스의 연속 배출을 시작한다.

다음 단계 S44에서, 연료 전지 스택(3)의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기(33)의 검출된 전압 레벨이 소정 전압값보다 큰 값에 도달할 때 까지, 동작은 대기한다. 검출된 전압 레벨이 소정 전압값을 초과한 것으로 판정되면, 동작은 단계 S46으로 진행하여, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)가 폐쇄되어 애노드 오프-가스의 배출을 중지하여, 동작은 소정의 동작 조건으로 되돌아간다.

상기 나타낸 제2 실시예에 따르면, 혼합 가스 중의 연료 가스의 평균 농도가 소정 범위에 있도록 하는 제어에 의해, 점화 기간 동안 배출되는 배기 가스의 총량과 미연소된 연료 가스의 총량과의 비가 소정 범위에 있도록 조절될 수 있어서, 정체 공간에 배기 가스가 배출된 경우라도 안정성을 강화할 수 있다.

또한, 연료 가스를 간헐적으로 공급하도록 제어함으로써, 혼합 가스가 소정 범위보다 큰 연료 가스 농도로 펄스 페이즈(phase)로 공급될 수 있어, 고 농도의 수소 공급으로 인하여 발열값을 증가시키므로, 촉매 연소기의 승온 특성이 향상되고, 배기 가스 중의 미연소된 수소 농도가 점화 기간 동안 가연 한계보다 낮은 평균 레벨에 있도록 하는 제어로 인하여, 촉매 연소기의 웜-업 및 배기 가스의 배출을 안전하게 수행할 수 있다.

또한, 반대로, 애노드 오프-가스를 소정 유량으로 하고, 또한 공기의 유량을 간헐적으로 증가시켜, 점화 기간 동안 평균 수소 농도가, 연소 온도가 촉매 연소기(7)의 활성 온도를 초과하는 농도에, 그리고 수소의 가연 희박-한계보다 작은 농도에 있도록 시도될 수도 있다.

이 경우, 발열값이 증가될 수 있고, 따라서 촉매 연소기(7)의 활성화가 비교적 신속하게 수행될 수 있다.

또한, 대안적으로, 점화 기간 동안 혼합 가스 중의 연료 가스의 최대 농도가 소정 범위에 있도록 제어된다. 이 경우, 미연소된 연료 가스가 배출될 가능성이 있는 점화 기간 동안, 항상 배기 가스를 점화시키지 않고, 시스템 외부로 배기 가스를 안전하게 배출할 수 있다.

(제3 실시예)

다음, 도 6A 내지 도 6C 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예의 연료 전지 시스템을 설명한다. 제3 실시예의 연료 전지 시스템은 도 1에 도시된 것과 구성이 유사하다.

본 실시예의 연료 전지 시스템은, 점화 기간 동안 미리 획득된 수소 농도 증가 패턴에 기초하여, 혼합 가스 중의 수소 농도를 가연 희박-한계보다 낮은 농도로부터 가연 희박-한계보다 높은 농도까지 과도적으로 변화하도록 애노드 오프-가스의 유량을 증가하고, 또한 점화 기간 동안 평균 수소 농도를, 연소 온도가 촉매 연소기(7)의 활성 온도보다 큰 값에 도달하는 농도보다 큰 값으로 하고, 또한 수소의 가연 희박-한계보다 작은 수소 농도(4%: 여기서, 예컨대 3%)로 한다는 점에서, 제1 실시예의 것과는 상이하다.

본 실시예는, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)는 유량 조정기 밸브로 구성되며, 촉매 연소기(7)의 온도 상승에 따라 애노드 오프-가스의 유량이 증가하고, 온도가 낮고 촉매의 활성화도 낮은 상태에서, 공급되는 애노드 오프-가스의 유량이 적고, 미연소된 수소의 유량이 감소하여, 온도가 상승함에 따라 애노드 오프-가스의 유량이 증가하므로, 시스템의 안전성 및 신뢰성이 저하하는 것을 억제할 수 있도록 제어가 수행되는 구성을 취한다.

그러나, 이 때, 촉매가 열화한 경우 등, 소정 패턴 설정 기간이 경과하여도, 촉매 연소기(7)의 온도가 상승하지 않는 경우에서, 시스템 콘트롤러(34)는 증가 패턴이 종료된 후, 제1 실시예의 제어와 동일한 제어를 달성하여, 촉매 연소기(7)가 활성화를 갖도록 한다.

도 6A 내지 도 6C는, 본 실시예의 일부를 형성하는 시스템 콘트롤러(34)가 혼합 가스 농도를 제어하는 방법을 도시하는 타이밍 챠트로서, 도 6A는 촉매 연소기에 공급된 수소의 농도를 나타내고, 도 6B는 촉매 연소기의 온도를 나타내고, 도 6C는 촉매 연소기로부터 배출된 배출 수소의 농도를 나타낸다.

우선, 촉매 연소기(7)의 온도가 촉매 활성 온도보다 충분히 낮은 시간(t1)에서, 시스템 콘트롤러(34)는 온도 검출기(32)로부터 전달된 검출 신호에 응답하여, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)를 개방하여 촉매 연소기(7)에 수소 또는 애노드 오프-가스와 공기 또는 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스의 공급을 시작한다. 그 후, 선택된 수소 농도 증가 패턴에 따라, 시스템 콘트롤러(34)는, 촉매 연소기(7)로 공급되는 애노드 오프-가스의 유량을 증가시키도록 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)의 개도를 증가시켜, 촉매 연소기(7)의 혼합 가스에서의 수소 농도를 증가시킨다.

촉매 활성 하한보다 크고, 가연 희박-한계보다 작은 수소 농도의 혼합 가스의 공급이 시작되었을 때, 촉매 연소기(7)는 거의 활성화를 가지고 있지 않으므로, 초기 단계에서, 공급된 수소 농도에 가까운 수소 농도의 배기 가스가 배출된다. 그러나, t1에서 t2까지의 점화 기간 동안 촉매 활성화가 진행하여, 변환 효율성이 향상되기 때문에, 배기되는 배출 수소의 농도가 떨어져, 촉매 연소기의 온도가 상승한다.

그리고, 촉매 연소기(7)의 온도가 t2에서 촉매 활성 온도에 도달한 시간(t2)에서, 시스템 콘트롤러(34)는, 촉매 연소기(7)에 공급되는 애노드 오프-가스의 유량을 증가시키도록 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)의 개도를 증가시켜, 촉매 연소기(7)에 공급되는 혼합 가스에서의 수소 농도를 가연 희박-한계보다 큰 값으로 증가시킨다. 이것이 수소 농도를 증가시켜도, 촉매 연소기(7)의 온도가 촉매 활성 온도에 도달했으므로, 배출 수소의 농도가 거의 영으로 되고, 가연 희박-한계의 농도보다 지극히 낮은 저 농도에 유지되도록 혼합 가스 중의 수소가 충분히 변환된다.

다음, 도 7의 제어 흐름도를 참조하여, 본 실시예의 일부를 형성하는 시스템 콘트롤러에 의하여 수행되는 제어를 설명한다.

우선, 단계 S50에서, 시스템 콘트롤러(34)는, 연료 전지 스택(3)이 소정 상태에 있는지를 판정한다. 여기서, 연료 전지 스택(3)의 출력 전압이 검출되는 전압 검출기(33)로부터 검출된 전압 레벨이 소정 전압 레벨보다 낮은지를 판정한다. 검출된 전압 레벨이 소정 전압 레벨을 초과한 것으로 판정되면, 동작은 단계 S50으로 되돌아 간다.

반대로, 검출된 전압 레벨이 소정 전압 레벨보다 낮은 것으로 판정되면, 동작은 단계 S52로 진행하여, 시스템 콘트롤러(34)가 퍼지 동작을 요구하는 배출 신호를 생성하도록 한다. 이 배출 신호에 따라서, 시스템 콘트롤러(34)는 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)를 개방하여, 애노드 오프-가스 재순환 유닛(6)이 소정 유량의 애노드 오프-가스가 촉매 연소기(7)에 배출되도록 하고, 동시에, 수소 공급 유닛(1)은, 수소의 압력을 고정 레벨로 유지하면서, 연료 전지 스택(3)으로부터 배출되는 애노드 오프-가스의 유량과 실질적으로 동일한 양만큼 수소의 유량을 증가시키도록 제어된다.

다음 단계 S54에서, 압력 검출기(26) 및 온도 검출기(27)에 의하여 각각 검출된 애노드 오프-가스의 압력 및 온도에 기초하여, 애노드 오프-가스의 유량을 추정한다.

다음 단계 S56에서, 애노드 오프-가스의 추정 유량에 따라, 시스템 콘트롤러(34)는 촉매 연소기(7)에 공급되는 애노드 오프-가스의 유량을 실질적으로 증가시키는 애노드 오프-가스 공급 패턴을 선택한다. 이 점에서, 애노드 오프-가스의 유량의 각 세그먼트에 대하여 최단 시간 내에 촉매가 활성화되도록 하는 복수의 애노드 오프-가스 공급 패턴을 실험적으로 구하여, 이들 패턴이 시스템 콘트롤러(34)에 미리 기억된다.

또한, 이들 애노드 오프-가스 공급 패턴은, 촉매 연소기(7)에 공급되는 혼합 가스의 수소 농도를, 연소 온도가 촉매 연소기(7)의 활성 온도를 초과하는 농도에, 그리고 수소의 가연 희박-한계보다 낮은 농도(4%: 여기서, 예컨대 3%)로 하는 패턴을 포함한다.

다음 단계 S58에서, 선택된 애노드 오프-가스 공급 패턴에 따라, 시스템 콘트롤러(34)는, 개시로부터 경과된 시간 간격을 계수하면서 애노드 오프-가스의 배출을 개시하도록 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)의 개방을 제어하여 동작한다.

여기서, 촉매 연소기(7)가 애노드 오프-가스의 배출의 개시후 충분히 활성화되었다고 판정되는 점화 기간(도 6의 t1에서 t2까지) 동안, 촉매 연소기(7)의 온도는 비교적 낮고, 변환 효율성이 부적절하여, 애노드 오프-가스의 일부가 미연소된 상태로 배출되는 가능성이 생긴다. 이 때, 미연소된 수소가 가연 희박-한계보다 낮은 농도에 있으므로, 시스템 내외에서 점화가 발생하지 않아, 시스템의 안전성을 저하시키지 않는다.

이어서, 단계 S62에서, 시스템 콘트롤러(34)는, 선택된 애노드 오프-가스 공급 패턴에 따라 애노드 오프-가스의 배출 개시로부터 경과된 시간 간격에 따라 애노드 오프-가스의 유량을 산출하고, 단계 S64에서, 산출된 유량이 되도록 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)의 개도를 조정하여 유량을 조정한다. 단계 S66에서, 경과된 시간 간격이 소정 시간 간격(도 6의 t2)을 초과하는 지를 판정하여, 경과된 시간 간격이 소정 시간 간격을 초과하면, 동작은 단계 S62로 되돌아가, 선택된 공급 패턴에 따라 애노드 오프-가스의 배출을 계속한다.

단계 S66의 판정에서, 경과된 시간 간격이 소정 시간 간격을 초과한 것으로 판정되면, 동작은 단계 S68로 진행하여, 온도 검출기(32)로 검출된 촉매 연소기(7)의 온도가 활성 온도를 초과하는지를 판단한다. 촉매 연소기(7)의 온도가 활성 온도보다 작은 것으로 판정되면, 동작은 단계 S66에서 대기한다.

촉매 연소기(7)의 온도가 활성 온도를 초과한다고 판단되는 시점에서, 촉매 연소기(7)는 충분히 촉진된 활성화를 가지고, 결과적으로 미연소된 수소가 배출되는 가능성이 극히 거의 없으므로, 동작은 단계 S70로 진행하여, 소정의 애노드 오프-가스의 유량으로 애노드 오프-가스의 배출을 계속한다.

이어서 단계 S72에서, 연료 전지 스택(3)의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기(33)의 검출된 전압 레벨이 소정의 전압 레벨보다 큰 값에 도달할 때까지, 동작은 대기한다. 검출된 전압 레벨이 소정 전압값을 초과한 것으로 판정되면, 동작은 단계 S74로 진행하여, 애노드 오프-가스 배출 밸브(35)가 폐쇄되어 애노드 오프-가스의 배출을 중지하여, 소정의 동작 조건으로 동작이 되돌아간다.

상술된 제3 실시예에 따르면, 점화 기간 동안 연료 가스가 과도 증가적으로 공급되도록 제어하므로, 촉매 연소기(7)의 웜-업의 진행에 따라 연료 가스가 활발하게 연소되어, 연료 가스가 가연 한계 부근의 연료 가스 농도에 있어도, 연료 가스 농도는 가연 희박-한계보다 저하될 수 있다. 이러한 경우에서, 연료 가스의 발열값이 증가하여, 점화 시간 간격을 단축시킬 수 있다.

또한, 반대로, 점화 기간 동안 미리 획득된 농도 증가 패턴에 따라, 공기의 증가 유량은 초기값으로부터 과도적으로 감소되며, 애노드 오프-가스를 고정된 유량으로 유지하면서, 점화 기간 동안 혼합 가스에서의 수소 평균 농도가 소정 범위 내에 유지된다. 이 경우, 발열값이 증가될 수 있으므로, 촉매 연소기(7)의 활성화가 비교적 신속하게 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 적어도 혼합 가스의 공급 개시로부터 촉매 연소기가 충분히 활성화된다고 판단되는 점화 기간 동안, 혼합 가스 중의 연료 가스 농도는 소정 범위 내에 있도록 제어되고, 촉매 연소기가 충분히 활성화되었다고 판단된 후, 상기 소정 범위외의 값의 연료 가스 농도인 혼합 가스의 공급을 허용하도록 제어가 이루어질 수 있으므로, 촉매 연소기의 상태에 따라 적절한 조건하에 운전이 달성될 수 있고, 따라서 촉매 연소기 구조의 대형화를 회피하면서, 열 에너지의 회수 효율성이 증가될 수 있다는 이점이 있다.

또한, 가연 가스가 시스템 외부로 배출되지 않아, 안전성과 신뢰성이 향상된다는 이점이 있다.

2003년 2월 19일 출원된 일본 출원 제 P2003-041147 호의 전체 내용이 참조되어 여기에 통합된다.

본 발명이 본 발명의 특정 실시예를 참조하여 상술되었으나, 본 발명이 상술된 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 상기 교시의 관점에서 당업자에게 변형이 가능할 것이다. 본 발명의 범위는 다음의 청구항을 참조하여 정의된다.

Claims

연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 유닛;

산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 유닛;

애노드 오프-가스가 배출되는 애노드와, 캐소드 오프-가스가 배출되는 캐소드를 가지며, 연료 가스 또는 애노드 오프-가스와 산화제 가스 간의 전기화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지 스택;

연료 가스 또는 애노드 오프-가스와, 산화제 가스 또는 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스를 연소하는 촉매 연소기;

점화 기간 동안 연료 가스와 애노드 오프-가스 중 적어도 하나를 상기 촉매 연소기에 공급하는 애노드 오프-가스 제어 밸브;

점화 기간 동안 산화제 가스와 캐소드 오프-가스 중 적어도 하나를 촉매 연소기에 공급하는 캐소드 오프-가스 제어 밸브; 및

적어도, 촉매 연소기로의 혼합 가스의 공급 개시부터 상기 촉매 연소기가 충분히 활성화되었다고 판단될 때까지의 점화 기간 동안, 혼합 가스의 연료 가스 농도는 소정 범위 내에 유지되고, 점화 기간이 경과한 후에는, 연료 가스 농도가 소정 범위에서 벗어난 값에 있어도, 혼합 가스가 촉매 연소기에 공급될 수 있도록, 애노드 오프-가스 제어 밸브와 캐소드 오프-가스 제어 밸브를 제어하는 콘트롤러를 구비하는 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 콘트롤러는, 상기 연료 가스와 상기 애노드 오프-가스 중 적어도 하나가 상기 촉매 연소기에 공급되도록 상기 애노드 오프-가스 제어 밸브를 제어하여, 점화 기간 동안 상기 촉매 연소기에서의 상기 혼합 가스가 소정 범위의 평균 농도를 가지도록 하는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 콘트롤러는, 상기 점화 기간 동안 상기 애노드 오프-가스가 상기 촉매 연소기에 간헐적으로 공급되도록 상기 애노드 오프-가스 제어 밸브를 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 콘트롤러는, 상기 산화제 가스와 상기 캐소드 가스 중 적어도 하나가 상기 점화 기간 동안 증가되는 유량으로 상기 촉매 연소기에 간헐적으로 공급되도록 상기 캐소드 오프-가스 제어 밸브를 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 콘트롤러는, 상기 산화제 가스와 상기 캐소드 오프-가스 중 적어도 하나가 상기 점화 기간 동안 과도적으로(transiently) 증가되는 유량으로 상기 촉매 연소기에 공급되도록 상기 산화제 공급 유닛을 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 콘트롤러는, 상기 산화제 가스와 상기 캐소드 오프-가스 중 적어도 하나가 상기 점화 기간 동안 과도적으로 감소되는 유량으로 상기 촉매 연소기에 공급되도록 상기 산화제 공급 유닛을 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 콘트롤러는, 상기 혼합 가스에서의 상기 연료 가스와 상기 애노드 오프-가스 중 적어도 하나가, 상기 촉매 연소기에 공급되어, 상기 점화 기간 동안 상기 소정 범위 내의 최대 농도에 유지되도록 상기 애노드 오프-가스 제어 밸브를 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 소정 범위는, 상기 혼합 가스에 의한 연소 온도가 상기 촉매 연소기의 활성 온도에 도달하도록 하는 값보다 큰 연료 농도를 초과하도록 결정되는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 소정 범위는, 상기 혼합 가스의 가연 한계를 형성하는 농도보다 작도록 결정되는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 소정 범위는, 상기 혼합 가스의 연소 온도가 상기 촉매 연소기의 활성 온도에 도달하는 농도보다 크고, 상기 혼합 가스의 가연 한계를 형성하는 농도보다 작은 것으로 결정되는, 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 촉매 연소기의 동작 온도를 검출하여, 촉매 온도가 소정의 저 레벨이라는 것을 나타내는 검출 신호를 생성하는 온도 검출기를 더 구비하고,

상기 콘트롤러는 상기 검출 신호에 응하여, 상기 애노드 오프-가스 제어 밸브를 개방하고 상기 캐소드 오프-가스 제어 밸브를 제어하여, 상기 애노드 오프-가스와 상기 캐소드 오프-가스가 상기 촉매 연소기에 도입됨으로써, 촉매 활성 하한보다 크고 가연 한계보다 작은 소정 연료 농도의 혼합 가스를 그 내부에서 형성하는, 연료 전지 시스템.
제 11 항에 있어서,

애노드로부터 배출된 애노드 오프-가스의 온도를 검출하여 애노드 오프-가스 온도 신호를 제공하는 온도 검출기; 및

애노드로부터 배출된 애노드 오프-가스의 압력을 검출하여 애노드 오프-가스 압력 신호를 제공하는 압력 검출기를 더 구비하고,

상기 콘트롤러는, 상기 애노드 오프-가스 온도 신호와 상기 애노드 오프-가스 압력 신호에 응하여 상기 애노드로부터 배출되는 상기 애노드 오프-가스의 유량을 추정하고, 상기 애노드 오프-가스의 유량을 나타내는 추정 결과에 기초하여 상기 캐소드 오프-가스 제어 밸브를 통하여 전달될 상기 캐소드 오프-가스의 요구 유량을 산출하며, 산출 결과에 응하여 상기 캐소드 오프-가스 제어 밸브의 개도를 제어하는, 연료 전지 시스템.
제 12 항에 있어서, 상기 콘트롤러는, 상기 소정 연료 농도를 나타내는 애노드 오프-가스 공급 패턴을 기억하고, 상기 애노드 오프-가스의 유량을 나타내는 상기 추정 결과에 응하여 상기 애노드 오프-가스 제어 밸브의 상기 유량을 제어하기 위한 상기 애노드 오프-가스 공급 패턴을 선택하는, 연료 전지 시스템.
연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 수단;

산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 수단;

애노드 오프-가스가 배출되는 애노드와, 캐소드 오프-가스가 배출되는 캐소드를 가지며, 연료 가스 또는 애노드 오프-가스와 산화제 가스 간의 전기화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지 스택;

연료 전지 스택의 애노드로부터 배출되는 애노드 오프-가스와 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스를 연소하는 촉매 연소기 수단;

점화 기간 동안 연료 가스와 애노드 오프-가스 중 적어도 하나를 촉매 연소기에 공급하는 애노드 오프-가스 밸브 수단;

점화 기간 동안 산화제 가스와 캐소드 오프-가스 중 적어도 하나를 촉매 연소기에 공급하는 캐소드 오프-가스 밸브 수단; 및

적어도, 촉매 연소기로의 혼합 가스의 공급 개시부터 촉매 연소기가 충분히 활성화되었다고 판단될 때까지의 점화 기간 동안, 혼합 가스의 연료 가스 농도는 소정 범위 내에 유지되고, 점화 기간이 경과한 후에는, 연료 가스 농도가 소정 범위에서 벗어난 값에 있어도, 혼합 가스가 촉매 연소기에 공급되도록 애노드 오프-가스 밸브 수단과 캐소드 오프-가스 밸브 수단을 제어하는, 제어 수단을 구비하는 연료 전지 시스템.
연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 유닛과, 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 유닛을 가지는 연료 전지 시스템을 운전하는 방법에 있어서, 상기 방법은,

애노드 오프-가스가 배출되는 애노드와, 캐소드 오프-가스가 배출되는 캐소드를 가지며, 연료 가스 또는 애노드 오프-가스와 산화제 가스 간의 전기화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지 스택을 제공하는 단계;

연료 전지 스택의 애노드로부터 배출되는 애노드 오프-가스와, 연료 전지 스택의 캐소드로부터 배출되는 캐소드 오프-가스와의 혼합 가스를 연소하는 촉매 연소기를 제공하는 단계;

점화 기간 동안 연료 가스와 애노드 오프-가스 중 적어도 하나를 촉매 연소기에 공급하는 단계;

점화 기간 동안 산화제 가스와 캐소드 오프-가스 중 적어도 하나를 촉매 연소기에 공급하는 단계; 및

적어도, 촉매 연소기로의 혼합 가스의 공급 개시부터 촉매 연소기가 충분히 활성화되었다고 판단될 때까지의 점화 기간 동안, 혼합 가스의 연료 가스 농도는 소정 범위 내에 유지되고, 점화 기간이 경과한 후에는, 연료 가스 농도가 소정 범위에서 벗어난 값에 있어도, 혼합 가스가 촉매 연소기에 공급되도록, 촉매 연소기에 공급되는 혼합 가스의 연료 농도를 제어하는 단계를 구비하는, 연료 전지 시스템의 운전 방법.