KR20060048908A

KR20060048908A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지의 제어 방법

Info

Publication number: KR20060048908A
Application number: KR1020050069267A
Authority: KR
Inventors: 고로 후지따; 히로끼 가부모또
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2006-05-18
Also published as: CN100424919C; JP2006048945A; CN1728428A; US20060024537A1; KR20070073716A

Abstract

본 발명의 과제는 연료 전지에 공급되는 연료의 농도를 적절하게 평가한다.

연료 전지 스택(20)을 구성하는 셀(23)의 전압을 공통의 접지를 기준으로 하여, 직렬하는 셀(23)이 2개의 셀마다 늘려진 전압(V1 내지 Vn)을 전압계(91 내지 98)에 의해 각각 계측한다. 이렇게 계측된 전압(V1 내지 Vn)으로부터, 2개의 셀마다 셀 전압(Vc1 내지 Vcn)이 산출된 후, 셀 전압(Vc1 내지 Vcn)으로부터 표준 편차가 산출된다. 이와 같이 하여 산출된 표준 편차는 연료의 농도가 허용 범위로부터 어긋나면, 대폭 증가되기 때문에 연료 농도의 지표로서 이용할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지의 제어 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은, 연료 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 연료 전지에 공급되는 연료의 상태에 따른 연료 전지의 제어에 관한 것이다.

연료 전지는 연료 및 산화제로부터 전기 에너지를 발생시키는 장치이고, 높은 발전 효율을 얻을 수 있다. 연료 전지의 주된 특징으로서는 종래의 발전 방식과 같이 열 에너지나 운동 에너지의 과정을 거치지 않는 직접 발전을 들 수 있다. 이로 인해, 연료 전지는 소규모로도 높은 발전 효율을 기대할 수 있다. 또한, 질화 화합물 등의 배출이 적고, 소음이나 진동도 작기 때문에 환경성이 향상된다. 이와 같이, 연료 전지는 연료가 갖는 화학 에너지를 유효하게 이용할 수 있어 환경에 온화한 특성을 갖고 있으므로, 21세기를 짊어지는 에너지 공급 시스템으로서 기대되고, 우주용으로부터 자동차용, 휴대 기기용까지 대규모 발전으로부터 소규모 발전까지, 여러 가지의 용도로 사용할 수 있는 장래 유망한 새로운 발전 시스템으로서 주목되어 실용화를 향해 기술 개발이 본격화되어 있다.

특히 최근, 연료 전지의 일형태로서, 다이렉트 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC)가 주목되고 있다. DMFC는 연료인 메탄올을 개질하지 않고, 애노드로 직접 공급하여 메탄올과 산소와의 전기 화학 반응에 의해 전력을 얻는다. 메탄올은 수소에 비해, 단위 체적당의 에너지가 높고, 또한 저장에 적합하고, 폭발 등의 위험성도 낮기 때문에, 자동차나 휴대 기기 등의 전원으로의 이용이 기대되고 있다.

DMFC의 애노드로 공급되는 메탄올 수용액의 농도가 지나치게 높으면, DMFC 내부의 고체 고분자막의 열화가 촉진되어 신뢰성이 저하되거나 애노드에 공급된 메탄올 수용액의 일부가 발전에 소비되지 않고 전해질막을 통해 캐소드에 투과하는, 소위 크로스 누설이 발생한다. 한편, 메탄올 수용액의 농도가 지나치게 낮으면, DMFC로부터 충분한 출력을 취출할 수 없다. 이로 인해, DMFC의 애노드로 공급되는 메탄올 수용액의 농도는 0.5 내지 4 ㏖/L 바람직하게는 0.8 내지 1.5 ㏖/L로 조정한 쪽이 좋고, 이 농도 영역의 폭을 작게 하는 것이 DMFC를 안정적으로 운전시키는 것에 연결되는 것을 알 수 있다.

그러나, DMFC를 갖는 시스템인 경우 DMFC를 장시간에 걸쳐 운전시키고, 또한 시스템의 소형ㆍ경량화를 도모하기 위해, 일반적으로는 20 ㏖/L 이상의 고농도 메탄올 탱크를 구비하고, DMFC의 애노드로 공급하기 전에 농도를 얇게 조정하여 공급하는 방식이 취해지고 있다. 그래서, 메탄올 수용액의 농도를 시스템 내부에서 0.5 내지 1.5 ㏖/L로 조정하기 위해, 광학식, 초음파식, 혹은 비중에 의한 방식 등 여러 가지의 메탄올 수용액 농도 센서를 이용하여, 메탄올 수용액의 농도를 측정하는 것이 행해지고 있다.

예를 들면, 특허 문헌 1은 메탄올 수용액의 순환 경로 상에서 이산화탄소 가스의 존재량이 비교적 적은 장소에 메탄올 센서를 설치하는 기술을 개시한다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2004-095376호 공보

[문헌 1] 일본 특허 공개 제2004-095376호 공보

그러나, 종래와 같이 메탄올 수용액 농도 센서를 이용하여 애노드에 공급되는 메탄올 수용액의 농도를 검출하는 경우에는, 이하에 서술하는 과제가 발생한다.

즉, 연료 전지 시스템 내에 메탄올 수용액 농도 센서를 설치하면, 시스템의 소형화가 곤란해진다. 또한, 메탄올 수용액 농도 센서의 가동에 의해 전력이 소비되기 때문에, 여분의 전력이 필요해진다. 또한, 메탄올 수용액 농도 센서의 비용이 들게 되므로, 비용 증가에 연결된다.

그 밖에, 종래 메탄올 수용액 농도 센서는 메탄올 연료 전지 동작시 온도 변화, 부하 변동, 부생성물의 발생 등의 외적 요인에 의한 영향을 받기 쉬우므로, 이렇게 얻어지는 농도가 반드시 정확하지 않은 경우가 있다.

본 발명은 이러한 과제에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 연료 전지에 공급되는 연료의 농도를 적절하게 평가하는 기술 제공에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 기술을 이용한 연료 전지 시스템의 제어 제공에 있다.

본 발명의 연료 전지 시스템은 복수의 셀로 구성된 연료 전지를 포함하는 시스템이며, 복수의 셀 전압을 검출하는 셀 전압 검출 수단과, 검출된 복수의 셀 전압의 변동을 평가하는 셀 전압 평가 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

각 셀의 발전 효율은 연료의 농도가 적절한 범위이면 거의 일정하지만, 연료의 농도가 적절한 범위로부터 어긋남에 따라서 대폭 감소한다. 일반적으로, 각 셀의 발전 성능에는 각 셀 전극의 특성에 의해 개체 차이가 생기고 있다. 이로 인해, 연료의 농도가 적절한 범위에서는 각 셀의 전압은 일정한 변동을 보이지만, 연료의 농도가 적절한 범위로부터 어긋남에 따라서 변동이 커진다. 상기 발명에 따르면, 복수의 셀 전압을 검출하여 변동을 평가할 수 있으므로, 연료 농도의 변화를 확실하게 검지하는 것에 이용할 수 있다. 또, 상기 발명에 따르면, 연료 센서를 별도 설치할 필요가 없기 때문에, 공간 절약화, 전력 절약화, 또는 저비용화를 도모할 수 있다. 또한, 연료 전지의 각 셀 전압의 변동을 직접 평가하고 있기 때문에, 온도 변화, 부하 변동, 부생성물의 증감 등의 외적 요인의 영향을 받지 않고, 연료 농도의 평가를 할 수 있다.

상기 구성에 있어서, 셀 전압 평가 수단으로 평가된 변동이 기준치를 넘은 경우에, 연료가 허용 범위로부터 어긋난 것을 알리는 알림 수단을 구비해도 좋다. 이에 따르면, 사용자 또는 시스템의 관리자는 연료 전지에 공급되는 연료의 농도가 허용 범위로부터 어긋난 것을 정확하게 파악할 수 있다.

상기 구성에 있어서, 연료 전지에 공급되는 연료를 저류하는 연료 저류 수단과, 연료 저류 수단에 연료를 보급하는 연료 보급 수단과, 연료 저류 수단으로부터 연료 전지의 애노드에 연료를 공급하는 연료 공급 수단과, 연료 전지의 캐소드에 산화제를 공급하는 산화제 공급 수단과, 연료 보급 수단에 의한 연료의 보급을 조절하는 제어부를 구비하고, 제어부는 셀 전압 평가 수단으로 평가된 변동이 기준치를 넘은 경우에, 연료를 연료 저류 수단에 보급해도 좋다. 이에 따르면, 연료 전지에 공급되는 연료의 농도가 저하된 경우에 적절하게 연료를 보급함으로써, 연료 전지의 발전 상태를 적절하게 유지할 수 있다. 상술의 연료 전지 시스템에 있어서, 연료가 메탄올 수용액이라도 좋다.

본 발명의 연료 전지의 제어 방법은, 복수의 셀로 구성된 연료 전지를 제어하는 방법에 있어서, 복수의 셀 전압을 검출하는 스텝과, 검출된 복수의 셀 전압의 변동을 평가하는 스텝과, 평가된 변동이 기준치를 넘은 경우에, 연료 전지에 공급되는 연료를 보급하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이에 따르면, 각 셀 전압의 변동을 기초로 하여, 연료 농도의 저하시에 적절하게 연료를 보급할 수 있다. 이 연료 전지의 제어 방법에 있어서, 연료가 메탄올 수용액이라도 좋다.

또, 상술한 각 요소를 적절하게 조합한 것도, 본건 특허 출원에 의해 특허에 의한 보호를 구하는 발명의 범위에 포함될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 설명한다. 도1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템(10)의 전체 구성을 도시한다. 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지 스택(20), 탱크(30), 연료용 펌프(40), 산화제용 펌프(50), 연료 저장부(60), 고농도 연료 보급 펌프(70) 및 제어부(80)를 구비한다.

연료 전지 스택(20)은 메탄올 용액 및 공기를 이용하여 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생한다. 도2는, 본 실시 형태에 이용되는 연료 전지 스택(20)의 구성을 도시한다. 연료 전지 스택(20)은 복수의 막 전극 접합체(21)와 바이폴라 플레이트(22)를 적층하여 구성된 적층체(90), 이 적층체(90)의 양측에 설치된 부극용의 집전체(23a) 및 정극용의 집전체(23b), 절연체(24)를 통해 집전체(23a), 집전체(23b)에 각각 부착되는 단부판(25a) 및 단부판(25b)을 구비하고, 단부판(25a)과 단부판(25b)에 의해 적층체(90)가 체결 부착된다.

본 실시 형태의 연료 전지 스택(20)에는, m 세트의 막 전극 접합체(21)가 적층되어 있다. 도2에 있어서, 각 막 전극 접합체를 구별하기 위해, 막 전극 접합체(21a 내지 21p)와 같이 부호 21에 알파벳을 부여하였다. 각 막 전극 접합체(21)는 고분자 전해질막(26), 고분자 전해질막(26)의 한 쪽 면에 접촉하는 애노드(27) 및 고분자 전해질막(26)의 다른 쪽 면에 접촉하는 캐소드(28)를 포함한다. 애노드(27) 및 캐소드(28)는 촉매층을 포함하고, 애노드(27)에는 백금 촉매 또는 백금 루테늄 합금 촉매가 사용되고, 캐소드(28)에는 백금 촉매가 이용된다.

각 셀(23a 내지 23p)은, 각각에 대응하는 막 전극 접합체(21a 내지 21p)에 연료 유로 및 산화제 유로를 포함하고, 연료 전지의 1 단위로서 기능한다.

각 바이폴라 플레이트(22)의 애노드(27)측에는 연료가 유통하는 연료 유로가 설치되고, 각 바이폴라 플레이트(22)의 캐소드(28)측에는 산화제가 유통하는 산화제 유로가 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 연료로서 메탄올 수용액이 이용되고, 산화제로서 공기가 이용된다. 또, 바이폴라 플레이트 대신에, 연료 유로가 설치된 연료 플레이트와, 산화제 유로가 설치된 산화제 플레이트와, 연료 플레이트와 산화제 플레이트 사이에 개재하는 세퍼레이터를 이용해도 좋다.

본 실시 형태의 연료 전지 스택(20)은 전압계(91 내지 98)를 더 구비한다. 전압계(91 내지 98)에 의해, 셀(23a) 및 셀(23b)의 직렬 전압(V1), 셀(23a)에서 셀(23d)까지의 직렬 전압(V2), 셀(23a)에서 셀(23f)까지의 직렬 전압(V3), 셀(23a)에서 셀(23h)까지의 직렬 전압(V4), 셀(23a)에서 셀(23j)까지의 직렬 전압(V5), 셀(23a)에서 셀(23l)까지의 직렬 전압(V6), 셀(23a)에서 셀(23n)까지의 직렬 전압(V7), 셀(23a)에서 셀(23p)까지의 직렬 전압(Vn)이 공통 접지를 기준으로 하여, 각각 측정된다. 각 전압계(91 내지 98)로 측정된 전압치는, 후술하는 제어부(80)에 송신된다. 이와 같이, 각 셀(23)의 전압 계측에 이용하는 접지를 공통으로 함으로써, 제어부(80)의 연산 처리에 필요한 AD 컨버터의 필요 채널 수를 줄일 수 있다.

도1로 복귀하여, 탱크(30)는 연료 전지 스택(20)에 공급되는 메탄올 수용액을 저류한다. 탱크(30)에 저류된 메탄올 수용액은 0.5 내지 1.5 ㏖/L로 희석된 후, 연료용 펌프(40)에 의해 연료 전지 스택(20)의 각 애노드(27)에 공급된다. 연료 전지 스택(20)에서의 반응 후에 남은 미반응의 연료는 탱크(30)에 회수된다. 이와 같이, 연료 전지 스택(20)에 공급되는 메탄올 수용액은 연료 전지 스택(20)과 탱크(30)를 포함하는 순환계를 유통한다. 한편, 산화제용 펌프(50)는 외부로부터 공기를 취입하고, 연료 전지 스택(20)의 각 캐소드(28)에 공급한다. 메탄올과 공기의 반응에 의해 생긴 물 등의 생성물은 탱크(30)에 회수된다.

연료 저장부(60)는 탱크에 저류된 메탄올 수용액보다도 농도가 높은 고농도의 메탄올 수용액을 저장한다. 예를 들면, 탱크(30) 내의 메탄올 수용액의 농도가, 8 ㏖/L일 때 연료 저장부(60) 내의 고농도의 메탄올 수용액의 농도를 22 ㏖/L로 할 수 있다. 고농도 연료 보급 펌프(70)는, 후술하는 제어부(80)의 지시를 기초로 하여, 소정량의 고농도의 메탄올 수용액을 연료 저장부(60)로부터 탱크(30)에 공급한다.

제어부(80)는 전압계(91 내지 98)로부터 이송되는 전압치(V1 내지 n)를 기초로 하여, 각 셀(23)의 전압을 산출하고, 각 셀(22)의 전압의 변동을 평가한다. 제어부(80)에 의한 각 셀 전압의 변동은, 각 셀의 전압으로부터 구해지는 표준 편차를 지표로 하는 것이 적합하다. 또한, 제어부(80)는 각 셀(23)의 전압의 변동에 대한 평가 결과를 기초로 하여, 고농도 연료 보급 펌프(70)의 동작을 제어하고, 탱크(30)에 공급되는 고농도의 메탄올 수용액의 양을 조절한다.

본 실시 형태에서는, 각 셀(23)의 전압은 하기의 식에 따라서 산출된다.

셀(23a) 및 셀(23b)의 직렬 전압(Vc1) : V1

셀(23c) 및 셀(23d)의 직렬 전압(Vc2) : V2 - V1

셀(23e) 및 셀(23f)의 직렬 전압(Vc3) : V3 - V2

셀(23g) 및 셀(23h)의 직렬 전압(Vc4) : V4 - V3

셀(23i) 및 셀(23j)의 직렬 전압(Vc5) : V5 - V4

셀(23k) 및 셀(23l)의 직렬 전압(Vc6) : V6 - V5

셀(23m) 및 셀(23n)의 직렬 전압(Vc7) : V7 - V6

셀(23o) 및 셀(23p)의 직렬 전압(Vcn) : Vn - V(n - 1)

본 실시 형태에서는, m 세트의 셀(23)에 대해, n개의 전압계에 의해 모든 셀(23)의 전압을 감시하고 있다. 또, 본 실시 형태에서는 n은 m/2이다. 각 셀(23)에 각각 전압계를 설치하고, 각 셀(23)의 전압을 검출하는 것도 가능하고, 본 발명에 적용할 수 있지만, 본 실시 형태와 같이 복수의 셀(23)의 전압을 하나의 전압계로 통합하여 검출함으로써, 제어부(80)로의 인풋/아웃풋 단자의 수를 줄일 수 있어 부품 개수의 삭감에 의한 비용 저하를 도모할 수 있다. 또한, 데이터량을 줄임으로써, 제어부(80)에 있어서의 연산 처리의 부담을 경감할 수 있다.

도3은, 연료 전지 시스템(10)에 의한 메탄올 수용액의 관리 동작을 도시하는 흐름도이다. 우선, 전압계(91 내지 98)에 의해, 전압(V1 내지 Vn)이 각각 계측된다(S10). 계측된 전압(V1 내지 Vn)은 제어부(80)에 각각 송신된다(S20). 제어부(80)는 전압(V1 내지 Vn)으로부터 셀 전압(Vc1 내지 Vcn)을 산출한다(S30). 또한, 제어부(80)는 산출된 셀 전압(Vc1 내지 Vcn)의 표준 편차를 산출한다(S40). 제어부(80)는 산출된 표준 편차가 소정의 기준치를 넘는지 여부를 판정한다(S50). 산출된 표준 편차가 소정의 기준치를 넘지 않으면, 여기서의 처리를 종료한다. 한편, 산출된 표준 편차가 소정의 기준치를 넘는 경우에는, 제어부(80)는 고농도 연료 보급 펌프(70)를 이용하여 탱크(30)에 고농도의 메탄올 수용액을 보급한다(S60). 이와 같이, 복수의 셀 전압의 변동을 검지하여 복수의 셀 전압의 변동에 따라서 연료의 보급을 행함으로써, 연료 전지의 발전 상태를 적절하게 유지할 수 있다.

(셀 전압의 변동예)

도4는, 부하가 일정시 셀 전압의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 도4로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 셀 전압은 시간 t2로부터 시각 t3 사이에서, 거의 일정한 값으로 추이한 후, 메탄올 수용액의 농도 저하에 수반하여 서서히 저하하기 시작한다. 시간 t3의 직후에서는, 각 셀 전압은 한결같이 감소하지만, 어느 시점으로부터 각 셀 전압의 변동이 커지기 시작한다.

도5는, 부하가 일정시 각 시각에 있어서의 각 셀 전압과, 전체 셀 전압의 평균치와의 차이의 전체 셀 전압의 평균치에 대한 비율(％)의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 도5로부터, 각 셀 전압의 변동이 시간 경과, 즉 메탄올 수용액의 농도 저하에 수반하여 증대한 것을 알 수 있다.

도6은, 부하가 일정시 각 셀 전압으로부터 구한 표준 편차의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 표준 편차의 값이 기준치보다 커진 시점 t1, t4에서 연료가 추가된다. 연료 추가의 효과가 나타날 때까지 표준 편차는 증가되지만, 연료 추가에 의해 연료 전지 스택(20) 내의 메탄올 수용액의 농도가 상승됨에 따라서, 표준 편차가 감소된다.

도7은, 부하 변동시 셀 전압의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 부하 변동을 생기게 하기 위해, 연료 전지 스택(20)의 집전체(23a)와 집전체(23b) 사이에, 노트 퍼스널 컴퓨터를 접속한 상태에서 이 노트 퍼스널 컴퓨터를 동작시켰다. 도7과 도4를 비교하면, 부하 변동시에는 셀 전압의 진폭이 심해지는 것을 알 수 있다. 도8은, 부하 변동시 각 셀 전압의 변동을 알기 쉽도록, 도7의 타원으로 둘러싸인 영역을 확대한 그래프이다. 부하 변동이 생기고 있는 경우에도, 시간 0으로부터 시간 t5에 보이는 바와 같이, 각 셀의 전압은 정렬하여 변동하고, 시간 t5 이후에 메탄올 수용액의 농도 저하에 의한 전압의 변동이 생기고 있는 것을 알 수 있다. 도9는, 부하 변동시 각 셀 전압으로부터 구한 표준 편차의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 또한, 도10은 부하 변동시 각 셀 전압으로부터 구한 표준 편차의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 도9 및 도10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 부하 변동시 각 셀 전압의 변동 및 각 셀 전압으로부터 구한 표준 편차는 부하가 일정시와 마찬가지인 거동을 나타내고, 부하 변동시에 있어서도 각 셀 전압으로부터 구한 표준 편차에 의해 메탄올 수용액의 농도의 평가를 적절하게 행할 수 있는 것을 알 수 있다.

(기준치의 설정)

연료 추가의 기준이 되는 기준치는, 미리 설정한 값으로 고정치라도 좋고, 시간 경과에 의해 변화하는 가변치라도 좋다.

기준치를 고정치로 하는 경우에는, 예를 들어 연료 전지 시스템 출하 전의 검사 공정에 있어서, 기준치가 고정치로서 제어부(80)에 설정된다. 기준치는 연료 전지 시스템 출하 전에, 메탄올 수용액의 농도가 적절한 상태에서 각 셀 전압으로부터 구한 표준 편차 σ0의 a배(a는 1 보다 큰 수, 바람직하게는 a는 1.5 내지 3)로 할 수 있다. 이에 따르면, 각 연료 전지 시스템의 고체 차이에 따른 적절한 기준치를 설정할 수 있어, 연료 추가를 적절한 타이밍에서 행할 수 있다.

또한, 기준치를 가변치로 하는 경우에는, 예를 들어 연료 전지 시스템 출하 전의 검사 공정에 있어서, 상술한 변수(a)가 고정치로서 제어부(80)에 설정된다. 이 경우에는, 제어부(80)는 도4의 t2에서 t3까지의 정상 상태에 있어서, 전압치(V1 내지 Vn)로부터 각 셀 전압을 구하고, 또한 각 셀 전압으로부터 표준 편차 σ1을 산출한다. 제어부(80)는, a × σ1을 다음에 연료 추가할 때의 기준치로서 설정한다. 이와 같이, 기준치를 가변으로 하고, 정상 상태에 있어서의 셀 전압의 표준 편차를 기초로 하여 기준치를 변경함으로써, 기준치가 셀 특성의 경시 변화에 따라서 재설정되므로, 셀 특성의 변화에 따라서 연료를 적절하게 추가할 수 있다.

(셀 전압의 변동 평가)

상술의 실시 형태에서는, 셀 전압의 변동을 표준 편차를 기초로 하여 평가하고 있지만, 다른 평가 방법도 본 발명에 적용 가능하다.

예를 들어, 도5의 그래프를 이용하여 셀 전압의 변동(％)이 소정의 값, 예를 들어 5 ％를 넘은 셀이 소정의 셀 수, 예를 들어 전체 셀 수의 반을 넘은 단계를 연료 추가의 기준으로 해도 좋다.

(셀 전압의 측정 방법)

셀 전압의 측정 방법은, 상술의 실시 형태와 같이 2개의 셀마다 전압을 검출하는 형태로 한정되지 않는다. 예를 들어, 각 셀에 대응하는 전압계를 설치함으로써, 각 셀의 전압을 보다 정확하게 파악할 수 있다.

또한, 2개 이상의 셀마다 전압을 검출하는 경우에 셀에 여분이 생기는 케이스, 예를 들어 전체 셀 수가 홀수인 경우에 2개의 셀마다 전압을 측정하면 셀에 1개의 여분이 생기지만, 이러한 경우에는 다음과 같이 처리하는 것이 적합하다.

[전체 셀 수가 홀수의 연료 전지 스택을 2개의 셀마다 전압을 계측하는 경우]

2계의 셀마다 각 전압치[Vi(i = 1 내지 j)]로부터 Vi/2를 각각 산출하고, 1개의 셀당의 전압[Vi(i = 1 내지 j)]을 구한다. 전압[Vi(i = 1 내지 j)]과 나머지의 셀 전압(Vh)을 사용하여 전압의 변동을 평가한다. 이에 따르면, 전체 셀 전압의 상태에 따른 연료 상태의 평가가 가능해지면서, 검출 개수를 줄임에 따라 제어부(80)의 연산 처리에 필요한 입력 채널 수를 줄임으로써, 시스템 구조의 간편화와 비용 저감을 도모할 수 있다.

(연료 저하시 알림)

제어부(80)는, 상술한 바와 같이 셀 전압의 변동이 기준치를 넘은 경우에 연료 추가하는 것 외에, 혹은 연료 추가 대신에 음성을 발하거나, 표시 장치에 문자나 화상을 표시시킴으로써, 연료 저하가 생기고 있는 것을 알려도 좋다. 이에 의해, 연료 전지 시스템의 사용자나 관리자는 연료 저하가 생기고 있는 것을 용이하게 파악할 수 있다.

본 발명은, 상술의 각 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 당업자의 지식을 기초로 하여 각종의 설계 변경 등의 변형을 가하는 것도 가능하고, 그와 같은 변형이 가해진 실시 형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있는 것이다.

예를 들어, 고농도 연료 보급 펌프(70)는 일정량의 고농도의 메탄올 수용액을 연료 저장부(60)로부터 탱크(30)에 단속적으로 공급하고, 제어부(80)는 셀 전압의 변동을 감시하고, 연료 전지 스택(20)에 공급되는 메탄올 수용액의 농도가 어떠한 이유로 돌발적으로 저하하였을 때에 연료를 추가해도 좋다.

또, 상술의 실시 형태에 있어서는 연료로서 메탄올 수용액을 이용하고 있지만, 상술의 연료 전지 시스템의 개념에 있어서 연료는 메탄올 수용액으로 한정되지 않으며, 수소라도 좋다.

또한, 상술의 실시 형태에 있어서는 공통 접지를 기준으로 하여, V1 내지 Vn을 계측한 후에, 연산에 의해 셀 전압(Vc1 내지 Vcn)을 산출하고 있지만, 셀 전압(Vc1 내지 Vcn)을 직접 계측 가능한 전압계를 각각 설치해도 좋다.

본 발명에 따르면, 연료 전지에 공급되는 연료의 농도를 적절하게 평가할 수 있다.

도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템의 전체 구성을 도시하는 도면.

도2는 본 실시 형태에 이용되는 연료 전지 스택의 구성을 도시하는 도면.

도3은 본 실시 형태의 연료 전지 시스템의 동작을 도시하는 흐름도.

도4는 부하가 일정시 셀 전압의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도5는 부하가 일정시 각 시각에 있어서의 각 셀 전압과, 전체 셀 전압의 평균치와의 차이의 전체 셀 전압의 평균치에 대한 비율(％)의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도6은 부하가 일정시 각 셀 전압으로부터 구한 표준 편차의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도7은 부하 변동시 셀 전압의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도8은 도7의 타원으로 둘러싸인 영역을 확대한 그래프.

도9는 부하 변동시 각 셀 전압으로부터 구한 표준 편차의 시간 변화를 나타내는 그래프.

도10은 부하 변동시 각 셀 전압으로부터 구한 표준 편차의 시간 변화를 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료 전지 시스템

20 : 연료 전지 스택

30 : 탱크

40 : 연료용 펌프

50 : 산화제용 펌프

60 : 연료 저장부

70 : 고농도 연료 보급 펌프

80 : 제어부

Claims

복수의 셀로 구성된 연료 전지를 포함하는 시스템이며,

상기 복수의 셀 전압을 검출하는 셀 전압 검출 수단과,

검출된 복수의 셀 전압의 변동을 평가하는 셀 전압 평가 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 셀 전압 평가 수단으로 평가된 변동이 기준치를 넘은 경우에, 연료가 허용 범위로부터 어긋난 것을 알리는 알림 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 전지에 공급되는 연료를 저류하는 연료 저류 수단과,

상기 연료 저류 수단에 연료를 보급하는 연료 보급 수단과,

상기 연료 저류 수단으로부터 상기 연료 전지의 애노드에 상기 연료를 공급하는 연료 공급 수단과,

상기 연료 전지의 캐소드에 산화제를 공급하는 산화제 공급 수단과,

상기 연료 보급 수단에 의한 상기 연료의 보급을 조절하는 제어부를 구비하고,

상기 제어부는, 상기 셀 전압 평가 수단으로 평가된 변동이 기준치를 넘은 경우에, 상기 연료를 상기 연료 저류 수단에 보급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료가 메탄올 수용액인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
복수의 셀로 구성된 연료 전지를 제어하는 방법에 있어서,

상기 복수의 셀 전압을 검출하는 스텝과,

검출된 복수의 셀 전압의 변동을 평가하는 스텝과,

평가된 변동이 기준치를 넘은 경우에, 상기 연료 전지에 공급되는 연료를 보급하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
제5항에 있어서, 상기 연료가 메탄올 수용액인 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
제3항에 있어서, 상기 연료가 메탄올 수용액인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.