KR20060121940A

KR20060121940A - 연료전지 시스템 및 그 구동방법

Info

Publication number: KR20060121940A
Application number: KR1020067014124A
Authority: KR
Inventors: 나오히로 요시다
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2006-11-29
Also published as: CA2554210A1; CN100413136C; CN1910780A; US8435697B2; DE112005000229B8; KR100792723B1; JP4656599B2; DE112005000229B4; WO2005071784A1; DE112005000229T5; JP2005209480A; US20080038593A1; CA2554210C

Abstract

발전효율이 높고 구동수단을 소형화 가능한 연료전지 시스템을 제공하기 위하여, 본 발명은 연료가스를 순환시켜 발전하는 연료전지(FC)를 구비하는 연료전지 시스템으로서, 연료가스를 순환시키는 순환경로(R), 순환경로(R)에 설치된 연료가스를 순환시키기 위한 구동수단(PM), 순환경로(R)에서의 연료가스의 압력을 조정하는 압력 조정수단(RG)을 구비한다. 그리고 연료전지(FC)에 요구되는 발전 전력에 의거하여 구동수단(PM)의 구동특성을 결정하고, 결정된 구동수단(PM)의 구동특성에 의거하는 구동량 부족을 보충하도록 압력 조정수단(RG)에 의한 압력 조정량을 결정하는 것이다.

Description

연료전지 시스템 및 그 구동방법{FUEL CELL SYSTEM AND ITS DRIVING METHOD}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 고부하시의 구동에 요하는 소비 전력을 절감하기 위한 제어방법의 개량에 관한 것이다.

종래, 연료가스인 수소가스를 연료전지에 순환시켜 발전하는 연료전지 시스템에서는 연료전지의 발전량, 즉 부하변동에 대하여 공기의 공급압을 제어하고, 수소가스에 대해서는 수소가스를 강제적으로 순환시키는 수소 펌프의 회전수를 변화시켜 수소가스 소비량을 증감하고 있었다.

예를 들면 일본국 특개2003-68334호 공보에는, 컴프레서로 가압된 공기를 연료가스 압력 조정 밸브에 도입하여, 연료전지의 극간 차압을 소정 이내로 하도록 조정하는 기술이 개시되어 있다. 연료가스는, 연료전지의 요구 출력에 따라 회전수가 커지도록 제어되는 수소 펌프로 공급되고 있었다. 마찬가지로 연료가스를 터빈으로 공급한다고 하는 기술이, 일본국 특개소60-10566호 공보에도 개시되어 있다.

그러나 상기 공지기술에는 수소 펌프나 터빈 등의 구동수단의 구동량과 순환경로의 압력 조정량과의 사이의 조정을 취하는 것은 고려되어 있지 않고, 특히 구동수단만으로 연료 공급량을 변화시킨 경우, 지장이 생길 가능성이 있었다.

즉, 펌프와 같은 구동수단에서는 연료전지의 부하가 상승하여 감에 따라 동력원의 소비 동력이 상승하여 가기 때문에, 특히 고부하시에 있어서 시스템의 종합적인 발전효율이 나빠져 간다는 경향에 있었다.

또, 연료전지의 고부하상태에서의 연료공급을 구동수단에 의한 순환량 제어에만 의존하는 것으로 하면, 구동수단이 고속회전에 견디어 다량의 연료가스를 순환하는 것이 요구되고, 그 때문에 구동수단이 대형화하지 않을 수 없었다.

따라서 본 발명은 발전효율이 높고 구동수단을 소형화 가능한 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 연료가스를 순환시켜 발전하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료가스를 공급하는 연료가스 공급원과, 연료전지에 공급되는 연료가스를 순환시키는 순환경로와, 순환경로에 설치된 연료가스를 순환시키기 위한 구동수단과, 연료가스 공급원과 순환경로와의 사이에 설치되어 순환경로에서의 연료가스의 압력을 소정압으로 조정하는 압력 조정수단을 구비하고, 압력 조정수단은 연료전지에서 요구되는 요구 가스량의 증가에 따라 순환경로의 연료가스의 압력을 상승시키는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명은 연료가스를 순환시켜 발전하는 연료전지와, 연료전지에 상기 연료가스를 공급하는 연료가스 공급원과, 연료전지에 공급되는 연료가스를 순환시키는 순환경로와, 순환경로에 설치되어 연료가스를 순환시키기 위한 구동장치와, 연료가스공급원과 순환경로와의 사이에 설치되어 순환경로에서의 연료가스의 압력을 소정압으로 조정하는 압력 조정장치를 구비하고, 압력 조정장치는, 연료전지에서 요구되는 요구 가스량의 증가에 따라 순환경로의 연료가스의 압력을 상승시키고, 또한 구동장치에서의 구동량을 억제하는 연료전지 시스템이다.

또한 본 발명은 연료가스를 순환시켜 발전하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템의 구동방법으로서, 연료전지에서 요구되는 요구 가스량을 추측하는 단계와, 추측된 요구 가스량의 증가에 따라 연료전지에 공급되는 연료가스를 순환시키는 순환경로의 연료가스의 압력을 상승시키는 단계를 구비하는 연료전지 시스템의 구동방법이기도 하다.

상기 발명에 의하면, 연료가스 공급원의 압력을 이용하여 연료전지의 요구 가스량에 따라 순환경로의 압력을 변화시켜 순환경로 내의 가스 밀도를 조정함으로써 구동수단의 구동부하를 적절하게 조정할 수 있다. 특히 요구 가스량의 증대시에 순환경로 내의 압력을 증가시킴으로써, 순환경로 내의 가스밀도를 증가시킬 수 있고, 구동수단의 구동부하가 과도하게 높아지는 것을 억제할 수 있으므로, 구동수단을 소형화 가능하다.

여기서「구동수단」이란, 강제적으로 연료가스를 순환시키는 구성물을 말하며, 펌프나 컴프레서, 터빈과 같은 것을 포함한다.

또 「압력 조정수단」이란 순환경로의 압력을 변경 유지 가능한 구성물을 말하며, 조정밸브(레귤레이터) 외에, 수소 발생량을 조정 가능한 개질기나 수소탱크와 같은 것도 포함된다. 적어도 고압으로 연료가스를 공급하는 경우에 소비 동력이 크게 증가하지 않는 구성물인 것이 바람직하다.

여기서 본 발명에서는 적어도 요구 가스량이 기준값보다 높은 영역에서는 요구 가스량의 변화에 대응시켜 압력 조정수단의 압력 조정량을 변화시키는 것은 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 요구 가스량이 높은 영역에서 연료가스의 압력 변화에 의하여 연료량을 조정하기 때문에, 상대적으로 구동수단에 의한 구동량을 줄일 수 있고, 고부하시에 특히 현저하게 증가하는 경향에 있는 구동수단의 소비 동력을 저감하는 것이 가능하다.

본 발명에서「기준값」은 구동수단의 구동 특성에 의하여 임의로 설정 가능하나, 적어도 그것 이상의 요구 가스량의 증가분을 구동수단의 구동으로 보충하려고 하면 소비 동력이 더욱 증가하는 값으로 설정한다.

또, 본 발명에서는 요구 가스량이 기준값보다 높은 영역에서는 구동수단의 구동량의 변화율을 기준값보다 낮은 영역에 비하여 저하시키는 것은 바람직하다. 그 구성에 의하면 요구 가스량이 높은 영역에서 구동수단의 구동량의 변화율이 저하하기때문에 구동수단에 의한 구동량이 감소하여 고부하시에 특히 현저하게 증가하는 경향에 있는 구동수단의 소비동력을 저감하는 것이 가능하다.

여기서 구동량의 변화율의 저하란, 양(+)의 변화율이 서서히 줄어 점근선과 같이 포화하는 것, 변화율이 제로가 되는 것(즉 고정값), 또한 변화율이 음(-)이 되어 감소하는 것도 포함한다.

여기서 본 발명에서는 요구 가스량이 기준값보다 낮은 영역에서는 압력 조정수단의 압력 조정량이 일정한 값 이하로 유지되는 것은 바람직하다. 요구 가스량이 낮은 영역에서는 연료가스의 소비량이 적으나, 이 영역에서 순환경로에서의 연료가스의 압력이 너무 높으면, 연료가스의 공기극에의 연료가스의 누출(크로스 리크)이 많아져 연료전지의 발전효율을 저하시킨다. 이점 상기 구성에 의하면 연료가스의 소비량이 적은 저발전 영역에서는 연료가스의 압력이 일정한 값 이하로 유지되기 때문에, 연료가스 누출이라는 부적합함을 일으키지 않는다.

여기서 「일정의 값」은 예를 들면 연료가스의 소비량이 적어도 연료가스의 가스누출을 일으키지 않을 정도의 값으로 선택된다.

또 본 발명에서는 구동수단은 요구 가스량과 순환경로 내의 압력의 측정값에 의거하여 제어된다. 상기 구성에 의하면 요구 가스량을 파악할 수 있어 순환경로 내의 현재의 압력을 측정할 수 있으면, 본 발명의 작용효과를 가지도록 적절하게 구동수단의 제어량이 정해진다.

이상 본 발명에 의하면, 요구 가스량의 증대시에 순환경로 내의 압력을 증가시킴으로써 순환경로 내의 가스밀도를 증가시킬 수 있어, 구동수단의 구동부하가 과도하게 높아지는 것을 억제할 수 있기 때문에, 구동수단을 소형화할 수 있다. 또 연료전지 시스템 전체의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 원리를 설명하는 블럭도,

도 2a는 본 발명에 관한 실시형태 1의 제어방법을 설명하는 요구부하에 대한 연료가스 소비량의 관계도,

도 2b는 요구부하에 대한 펌프 회전수 제어 특성도,

도 2c는 요구부하에 대한 조정밸브 목표 압력 제어 특성도,

도 3은 본 실시형태 1에 관한 연료전지 시스템의 블럭도,

도 4는 본 실시형태 1에 관한 연료전지 시스템의 제어방법을 설명하는 플로우차트,

도 5는 연료전지 발전 전력량에 대한 가스 순환량의 특성도,

도 6은 수소 펌프 입구 압력에 대한 펌프 회전수 관계도,

도 7은 순환량에 대한 수소 펌프 입구 압력의 특성도,

도 8은 수소 펌프 입구 압력에 대한 압손 추정도,

도 9는 본 실시형태 2에 관한 연료전지 시스템의 제어방법을 설명하는 플로우차트,

도 10a는 본 실시형태 3의 제어방법을 설명하는 도면으로, 요구부하에 대한 연료가스 소비량의 관계도,

도 10b는 요구부하에 대한 펌프 회전수 제어 특성도,

도 10c는 요구부하에 대한 조정밸브 목표 압력 제어 특성도,

도 11a는 본 실시형태 4의 제어방법을 설명하는 도면으로, 요구부하에 대한 연료가스 소비량의 관계도,

도 11b는 요구부하에 대한 펌프 회전수 제어 특성도,

도 11c는 요구부하에 대한 조정밸브 목표 압력 제어 특성도,

도 12는 수소 펌프 입구 압력과 펌프 회전수와 소비동력과의 관계도면이다.

다음에 본 발명을 실시하기 위한 적합한 실시형태를 도면을 참조하면서 설명 한다.

(원리설명)

먼저 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 동작원리를 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이 본 발명에서는 연료전지(FC)에 대하여 연료가스(L)을 공급하는 순환경로(R)가 형성되어 있다. 순환경로(R)에는 연료가스(L)를 강제 순환시키는 구동수단(수소 펌프)(PM)이 설치되어 있다. 순환경로(R)의 압력(p)은 압력 조정수단(조정밸브)(RG)에 의하여 조정되어 있다. 그리고 연료전지(FC)에 요구되는 발전 전력(부하)에 의거하여 구동수단(PM)의 구동특성이 결정되고, 결정된 구동수단(PM)의 구동 특성에 의거하는 구동량 부족을 보충하도록 압력 조정수단(RG)에 의한 압력 조정량이 결정된다.

도 2a에 연료전지의 요구부하에 대한 연료가스 소비량의 관계도를 나타낸다. 연료전지는 물의 전기분해의 역반응을 일으키는 것이기 때문에, 음극(캐소드)인 연료극측에는 연료가스인 수소가스가 공급되고, 양극(애노드)인 공기극측에는 산소를 함유한 가스(공기)가 공급되며, 연료극측에서는 수학식 (1)과 같은 반응을, 공기극측에서는 수학식 (2)와 같은 반응을 일으키게 하여 전자를 순환시켜 전류를 흘리는 것이다.

즉, 전자의 발생량과 수소가스의 공급량은 대응하고 있어, 도 2a와 같은 대응관계가 필요한 것이 예상되는 것이다.

도 2b에 구동수단(PM)의 구동특성의 예를, 도 2c에 상기 구동수단(PM)의 구동량 부족을 보충하도록 조정받는 압력 조정수단(RG)의 조정량의 예를 나타낸다. 종래의 연료전지 시스템에서의 연료량 제어방법은, 예를 들면 도 2b 및 도 2c의 기준값 (Pth) 이하의 영역에서의 제어이었다. 즉, 순환경로(R)의 압력(p)은 일정하게 유지되고(도 2c), 주로 구동수단(PM)의 구동량, 예를 들면 수소 펌프의 회전수의 증감에 의하여 연료전지(FC)의 부하변동에 대응하고 있었다.

이것에 대하여 본 발명의 구동방법에서는, 연료전지(FC)에서 요구되는 요구 가스량을 추측하여, 추측된 요구 가스량의 증가에 따라 연료전지(FC)에 공급되는 연료가스를 순환시키는 순환경로(R)의 연료가스의 압력을 상승시키는 것이다. 즉, 발전 전력이 어떠한 값인지에 따라, 여기서는 발전 전력이 기준값(Pth)으로부터 큰지의 여부에 의하여 먼저 구동수단(PM)의 구동특성이 결정되는 것이다.

도 12에 연료가스인 수소가스의 순환량이 일정하게 된 경우의 수소 펌프 입구 압력(즉 순환경로의 압력 대응값)과 펌프 회전수(즉 구동수단의 구동량) 및 그 소비동력의 관계를 나타낸다. 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이 순환경로의 압력이 높아질수록 구동수단인 수소 펌프의 회전수는 적어도 좋고, 수소 펌프의 회전수 가 적을 수록 소비동력도 낮아지는 경향이 있다.

따라서 본 발명에서는 도 2b에 나타내는 바와 같이 고부하영역에서는 구동수단(PM)의 구동량이 일정(예를 들면 수소 펌프의 회전수가 일정)해지도록 정해진다. 즉 구동수단이 높은 구동상태(예를 들면 수소 펌프의 회전수가 큰)에 있으면 소비동력이 커지는 경향에 있기 때문에, 발전 전력이 높은 영역에서 너무 높은 구동상태가 되지 않도록 하는 것이다. 한편, 구동수단의 구동량이 억제된 경우에는 공급해야 할 연료가스의 순환량이 억제되기 때문에 무엇인가로 보충하지 않으면 안된다. 따라서 본 발명에서는 구동수단(PM)에 의한 구동량의 부족을 보충하도록 압력 조정수단(RG)은 압력을 조정하는 것이다. 즉 도 2c에 나타내는 바와 같이 일정량으로 구동되는 구동수단의 구동량 부족을 보충하도록 발전 전력의 증가에 대응하여 압력 조정수단(RG)에 의한 압력이 상승하도록 조정되게 되어 있다.

구체적으로는 발전 전력이 기준값(Pth)보다 높은 영역(Pth의 우측 영역)에서는 구동수단(PM)의 구동량의 변화율을 기준값(Pth)보다 낮은 영역(Pth의 좌측 영역)에 비하여 저하시키고 있다(도 2b). 또 발전 전력이 기준값(Pth)보다 높은 영역(Pth의 우측 영역)에서는 발전 전력의 변화에 대응시켜 압력 조정수단(RG)의 압력 조정량을 변화시키고 있다(도 2c). 이상의 제어방법에 의하면 발전 전력의 값에 의하여 구동수단(PM)의 동작상태를 변경 가능하기 때문에, 구동수단(PM)의 구동량이나 구동 능력을 극단적으로 높게 하지 않아도 연료전지(FC)의 부하변동에 대응 가능하게 되어 구동수단(PM)의 소비동력을 억제하고, 또한 구동수단(PM)을 소형화 가능하게 된다.

여기서 제어상태를 변환하는 발전 전력의 기준값(Pth)은, 구동수단의 구동특성에 크게 의존하나, 기준값 이상의 발전 전력의 증가분을 구동수단(PM)의 구동으로 보충하려고 하면 소비동력이 급증하는 값으로 설정하면 좋다.

또한, 발전 전력이 기준값(Pth)보다 낮은 영역(Pth의 좌측 영역)에서는, 도 2c에 나타내는 바와 같이, 압력 조정수단(RG)의 압력 조정량이 일정한 값(PO) 이하로 유지되도록 제어한다. 이와 같은 제어에 의하여 연료가스의 공기극에의 연료가스의 누출(크로스 리크)을 방지할 수 있는 것이다. 이 값(PO)은 연료가스의 소비량이 적은 영역이어도 연료가스의 가스누출(크로스 리크)을 일으키지 않을 정도의 값으로 한다.

단, 기준값에 의거하여 압력 조정량을 조정하지 않으면 안되고, 단순하게는 연료전지의 부하량에 따라 압력 조정을 행하도록 구성하면 충분하다. 이하, 실시형태 1에서 기준값을 따르지 않는 경우의 실시형태를, 실시형태 2 이후에서 기준값을 이용한 경우의 실시형태를 설명한다.

(실시형태 1)

다음에 상기 원리에 의거하는 구체적인 실시형태에 대하여 설명한다. 본 발명의 실시형태는, 전기자동차 등의 이동체에 탑재하는 연료전지 시스템에 본 발명의 제어방법을 적용한 것이다. 도 3에 본 연료전지 시스템의 시스템 전체도를 나타낸다. 이하의 실시형태는 본 발명의 일 형태에 지나지 않으며, 본 발명은 이것에 한정되지 않고 적용 가능하다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 상기 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(10)에 연료인 수소가스를 공급하기 위한 계통과, 공기를 공급하기 위한 계통과, 연료전지 스택(10)을 냉각하기 위한 계통을 구비하여 구성되어 있다.

연료전지 스택(10)은, 수소가스, 공기, 냉각액의 유로를 가지는 세퍼레이터와, 한 쌍의 세퍼레이터로 끼워 넣어진 MEA(Membrane Electrode Assembly)로 구성되는 셀을 복수로 적층한 스택구조를 구비하고 있다. MEA는 고분자 전해질막을 연료극및 공기극의 2개의 전극을 끼워 넣은 구조을 하고 있다. 연료극은 연료극용 촉매층을 다공질 지지층 위에 설치하고 있고, 공기극은 공기극용 촉매층을 다공질 지지층 위에 설치하고 있다.

연료전지 스택(10)에 수소가스를 공급하기 위한 계통은, 수소가스의 공급원으로부터 순서대로 수소탱크(101), 차단밸브(셔트밸브)(SV1), 조정밸브(RG), 차단밸브 (SV2), 연료전지 스택(10)을 거쳐 차단밸브(SV3), 기액 분리기(102) 및 차단밸브 (SV4), 수소 펌프(103), 차단밸브(SV5) 및 체크밸브(RV)를 구비하고 있다. 조정밸브(레귤레이터)(RG)는 본 발명의 압력 조정수단에 상당하고, 수소 펌프(103)는 본 발명의 구동수단에 상당하고 있다. 본 발명에 관한 순환경로는, 차단밸브(SV2), 연료전지 스택(10), SV3, 기액 분리기(102), 수소 펌프(103) 및 체크밸브(RV)를 거치는 경로에 의하여 구성되어 있다. 조정밸브(RG)에 대한 압력 조정량 제어는, 제어부(20)에 의한 컴프레서(202)의 구동, 차단밸브(SV6 및 SV7)에 대한 조작에 의하여 달성된다. 즉, 차단밸브(SV6)를 개방함으로써 조정밸브(RG)에의 공급 공기압을 상승시켜 연료전지의 순환경로에의 공급 압력을 상승시키는 것이 가능하게 되어 있다. 또 차단밸브(SV7)를 개방함으로써 조정밸브(RG)에의 공급 공기압 을 하강시켜 연료전지의 순환경로에의 공급압력을 하강시키는 것이 가능하게 되어 있다. 이와 같이 차단밸브(SV6 및 SV7)를 제어함으로써, 순환경로의 공급압력을 임의로 제어할 수 있게 되어 있다. 수소 펌프(103)에 대한 구동량 제어는 제어부(20)에 의한 수소 펌프(103)의 구동량 제어에 의하여 달성된다.

수소탱크(101)는, 고압의 수소가스가 충전되어 있다. 또한 본 실시형태에서의 수소 공급원은, 단지 조정밸브(RG)의 하류측을 소정의 압력으로 유지할 수 있도록 연료가스인 수소가스를 공급할 수 있으면 좋기 때문에, 여러가지로 변경 가능하다. 즉, 고압 수소탱크 대신에, 수소 흡장합금을 사용한 수소탱크, 수소 흡장기능을 구비하지 않은 고압 수소탱크, 개질가스에 의한 수소 공급기구, 액체 수소탱크로부터 수소를 공급하도록 구성하여도 좋다.

수소탱크(101)로부터의 수소가스는, 먼저 차단밸브(SV1)에 의하여 수소가스 공급의 유무가 선택되고, 조정밸브(RG)에 의하여 정해지는 압력으로 수소가스가 하류에 방출된다. 조정밸브(RG)의 조정량, 즉 압력 조정은, 공기극측의 컴프레서(202)의 운전상태에 의하여 정해지도록 되어 있다. 조정밸브(RG)의 제어부에 인가되는 공기의 압력에 따라 조정밸브(RG) 하류의 가스압이 설정된다. 차단밸브(SV2 및 SV3)는, 연료전지 시스템의 발전 정지시나 간헐 동작시에 차단되고, 운전시는 개방되어 있다. 기액 분리기(102)는 통상 운전시에 있어서 연료전지 스택(10)의 전기화학반응에 의하여 발생하는 수분 그 밖의 불순물을 수소 오프 가스 중으로부터 제거하고, 차단밸브(SV4)을 통하여 외부로 방출한다. 수소 펌프(103)는, 제어부(20)의 제어에 의거하여 수소가스의 순환경로에서 수소가스를 강제 순환시킨다. 차단밸브(SV5)는, 퍼지시에 개방되나, 통상의 운전상태 및 본 발명의 가스 누출 판정시에는 차단되어 있다. 체크밸브(RV)는 수소가스의 역류를 방지한다. 차단밸브(SV5)로부터 퍼지된 수소 오프 가스는 도시 생략한 희석기를 포함하는 배기계에서 처리된다.

연료전지 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 계통으로서는, 공기 청정기(201), 컴프레서(202), 가습기(203) 등을 구비하고 있다. 공기 청정기(201)는, 외기를 정화하여 연료전지 시스템에 도입된다. 컴프레서(202)는 도입된 공기를 제어부(20)의 제어에 따라 압축하여 공급하는 공기량이나 공기압을 변경하도록 되어 있다. 가습기(203)는 압축된 공기에 대하여 공기 오프 가스와 수분의 교환을 행하여 적절한 습도를 가한다. 컴프레서(202)에 의하여 압축된 공기의 일부는 연료계에 공급되어 차단밸브(SV6과 SV7) 사이의 구간의 공기압이 조정밸브(RG)에 인가되도록 되어 있다. 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 공기 오프 가스는 도시 생략한 희석기를 포함하는 배기계에 배출된다.

연료전지 스택(10)의 냉각계는 라디에이터(11), 팬(12) 및 냉각 펌프(13)를 구비하고, 냉각액이 연료전지 스택(10) 내부로 순환 공급되도록 되어 있다.

제어부(20)는 ECU(Electric Control Unit) 등의 공지의 컴퓨터 시스템이고, 도시 생략한 ROM 등에 저장되어 있는 본 발명을 실시시키는 소프트웨어 프로그램을 도시 생략한 CPU(중앙처리장치)가 차례로 실행함으로서 상기 시스템을 본 발명의 제어장치로서 동작시키는 것이 가능하게 되어 있다. 즉, 뒤에서 설명하는 순서(도 4)에 의하여 제어부(20)는 연료전지 스택(10)의 요구 발전 전력을 결정하고, 그 요 구 발전 전력에 의거하여 조정밸브(RG)의 압력 조정량을 결정하여, 그 압력 조정량의 부족분을 보충하도록 수소 펌프(103)의 구동량을 제어하도록 되어 있다.

다음에 본 실시형태 1에서의 동작을 도 4의 플로우차트를 참조하면서 설명한다. 이 플로우차트에서는 본 발명의 연료전지 시스템의 구동방법이 실시되는 것이다. 즉, 상기 플로우차트에서는 연료전지 스택(10)에서 요구되는 요구 가스량을 추측하고, 추측된 요구 가스량의 증가에 따라 연료전지 스택(10)에 공급되는 연료가스를 순환시키는 순환경로의 연료가스의 압력을 상승시키는 것이다. 상기 플로우차트는 통상 운전시, 적당한 인터벌로 반복하여 실행되는 것이다.

상기 연료전지 시스템이 통상 운전을 행하는 경우, 제어부(20)는 수소탱크(101)로부터 소정의 수소가스의 유량에 대응시켜 차단밸브(SV1)를 개방하여 수소가스를 공급한다. 조정밸브(RG)는 하류측의 순환경로의 압력이 다이어프램에 인가되어 있는 공기의 압력에 의하여 조정 가능하게 되어 있다. 이 조정량은 차단밸브(SV6 및 SV7)에 의하여 제어되는 공기압에 의하여 결정된다.

연료전지 스택(10)에 공급되는 수소가스의 양은, 이 조정밸브(RG)의 조정에 의하여 정해지는 순환경로의 압력과 수소 펌프(103)의 회전수에 의하여 정해지는 순환량에 의하여 정해진다. 각각의 값이 이하에 설명하는 본 발명의 제어방법에 의하여 결정된다.

먼저, 제어부(20)는 연료전지 시스템에 요구되는 부하량에 의거하여 연료전지스택(10)에 요구되는 발전 전력(Pr)을 계산한다(S1). 연료전지의 부하를 구하기 위하여 제어부(20)는 액셀러레이터 위치, 시프트 위치, 브레이크 위치 등을 참조하 여 도시 생략한 동력 모터가 출력해야 할 토오크를 계산한다. 또 도시 생략한 인버터나 컨버터에서의 전력손실이나 보조기계에 의하여 소비되는 전력 등을 모터 토오크의 부하량에 가산하여 제어부(20)는 시스템 전체에 요구되는 요구 발전 전력(Pr)을 결정한다.

이어서 제어부(20)는 조정밸브(RG)가 조정해야 할 순환경로에서의 목표 압력(Prg)을 다음과 같이 하여 구한다. 먼저 도 5에 나타내는 바와 같이 연료전지의 발전 전력이 정해지면, 그 발전 전력으로 발전시키기 위하여 필요한 수소가스의 순환량이 정해진다. 따라서 제어부(20)는 연료전지의 요구 발전 전력(Pr)과 수소가스의 순환량과의 관계 테이블(예를 들면 도 5)을 참조하여 수소가스의 요구 순환량을 결정한다(S2). 또한 제어부(20)는 도 5와 같은 대응관계를 데이터 테이블로서 유지하고 있다. 도 5의 관계는 비례관계이기 때문에, 테이블 데이터가 아니라 관계식으로서 유지하고, 연산에 의하여 순환량을 구하도록 하여도 좋다.

또 도 6에 나타내는 바와 같이 목표 순환량이 정해지면 수소 펌프의 입구 압력에 대응하여 수소 펌프에 필요하게 되는 목표 회전수가 정해진다. 따라서 제어부(20)는 압력센서(P3)의 검출신호를 참조하여 수소 펌프(103)의 입구 압력을 측정하고 (S3), 측정된 수소 펌프(103)의 입구 압력 측정값과 목표 순환량에 의거하여 예를 들면 도 6의 특성을 나타내는 데이터 테이블을 참조하고, 제어부(20)는 수소 펌프(103)에 필요한 목표 회전수(Np)를 구한다(S4). 도 6에 나타내는 바와 같은 관계 테이블은, 순환량에 따라 준비되어 있다.

여기서 순환량이 정해지면 도 7에 나타내는 바와 같은 관계에 의하여 이론적 으로 수소 펌프의 입구 압력의 목표값이 정해진다. 그러나 실제의 조정밸브(RG)에 의하여 조정되는 수소 펌프(103)의 출구 부근에서 수소 펌프의 입구까지의 순환경로에는 유로 저항에 의하여 압손이 발생하기 때문에, 이 압손을 감안하여 목표 압력제어를 하지 않으면 안된다. 이 때문에 조정밸브(RG)에 의하여 조정하지 않으면 안되는 순환경로의 압력은, 수소 펌프의 입구 압력에 압손을 가한 값이 된다.

따라서 먼저 압손을 구하기 위하여 도 7에 나타내는 특성에 대응한 관계 테이블을 참조하여 제어부(20)는 단계 S2에서 얻어진 요구 순환량에 대응하는 수소 펌프(103)의 입구 압력의 목표값(이론값)을 구한다. 도 8에 나타내는 바와 같이 수소 펌프의 입구 압력과 순환량이 정해지면 수소 펌프(103)의 출구로부터 입구까지의 순환경로에서 생기는 압손이 정해진다. 따라서 수소 펌프(103)의 입구 압력 목표값과 요구 순환량에 의거하여 도 8의 특성에 대응하는 관계 테이블을 참조하여 제어부(20)는 수소 펌프(103)의 입구 압력 목표값에 대하여 상기 요구 순환량에서 발생하는 압손을 구한다(S5).

압손과 수소 펌프의 입구 압력을 더한 값이, 조정밸브(RG)에 의하여 조정되어야 할 목표 압력(Prg)이 된다. 따라서 제어부(20)는 수소 펌프(103)의 입구 압력 목표값에 이 압손 추정값을 가산한 값을 목표 압력(Prg)으로서 산출한다(S6).

제어부(20)는 단계 S4에서 구해진 목표 회전수(Np)로 구동되는 구동신호를 수소 펌프(103)에 출력하고, 아울러 조정밸브(RG)에 의하여 조정되는 순환경로의 압력이 목표 압력(Prg)이 되도록 차단밸브(SV6 및 SV7)를 제어한다.

여기서 부하가 변동하여 연료전지 스택(10)에서 발전해야 할 요구 발전 전력 에 변화가 생긴 경우에 순환경로의 압력이 변하지 않는다고 하면, 그 발전 전력의 변동분을 수소 펌프(103)의 순환량 증감으로 조정하지 않으면 안된다. 특히 수소 펌프의 회전수가 증대하는 경우에는 소비전력이 증가하여 바람직하지 않다. 이점 본 발명에 의하면 부하변동이 생긴 경우에는 수소 펌프의 회전수가 아니라 조정밸브(RG) 에 의하여 조정되는 목표 압력(Prg)을 변화시킴으로써 대응하기 때문에 수소 펌프의 소비동력이 증대하는 것을 방지 가능하다.

즉, 전회의 처리에 의하여 이미 조정되어 있는 목표 압력(Prg)과 비교하여 압력이 증가하고 있는 경우(S8 : YES), 제어부(20)는 조정밸브(RG)에 의하여 조정되는 목표 압력(Prg)을 증대시키고, 단계 S6에서 구해진 새로운 목표 압력이 되는 방향으로 차단밸브(SV6 및 SV7)를 조정한다(S9).

한편, 전회의 처리에 의하여 이미 조정되어 있는 목표 압력(Prg)과 비교하여 압력이 감소하고 있는 경우(S8 : NO, S10 : YES), 제어부(20)는 조정밸브(RG)에 의하여 조정되는 목표 압력(Prg)을 감소시키고, 단계 S6에서 구해진 새로운 목표 압력이 되는 방향으로 차단밸브(SV6 및 SV7)를 조정한다(S11).

또 전회의 처리에 의하여 조정되고 있던 목표 압력(Prg)에 변동이 없는 경우에는(S8 : NO, S10 : NO), 특히 새로운 제어신호의 갱신이 불필요하기 때문에, 제어부(20)는 아무것도 하지 않는다.

제어부(20)는 압력센서(p2)가 검출하는 실제의 순환경로의 압력을 참조하면서 설정한 목표 압력(Prg)으로 유지되도록 피드백제어를 행한다.

이상, 본 실시형태 1에 의하면, 요구 발전 전력(Pr)의 변동에 따르는 요구 가스량(순환량)의 변화에 따라 순환경로의 목표 압력을 제어하기 때문에, 부하변동을 수소 펌프(103)의 회전수 제어로 보충할 필요가 없어 소비동력의 변동을 억제할 수 있다.

특히 순환량이 증대하는 경우에는 수소 펌프의 회전수를 증가시키지 않고 부하변동에 대응할 수 있기 때문에, 소비동력을 억제하여 전체적인 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또 회전수를 적게 유지할 수 있기 때문에 수소 펌프를 소형화할 수 있어, 연료 시스템 전체를 조밀하게 제공할 수 있게 된다.

(실시형태 2)

본 발명의 실시형태 2는, 상기 실시형태 1과 동일한 연료전지 시스템에서, 요구 출력이 기준값보다 큰지의 여부에 따라 시스템 제어를 변경하는 실시형태에 관한 것이다. 도 9에 본 실시형태 2에서의 동작을 설명하는 플로우차트를 나타낸다.

먼저, 제어부(20)는 실시형태 1과 동일하게 하여 연료전지 시스템에 요구되는 부하량에 의거하여 연료전지 스택(10)에 요구되는 발전 전력(Pr)을 계산한다(S21).

이어서 제어부(20)는 상기 요구 발전 전력(Pr)을 도 2에 나타내는 바와 같은 기준값(Pth)과 비교한다(S22). 요구 발전 전력(Pr)이 기준값(Pth)보다 작은 경우, 수소 펌프(103)에 의하여 부하변동에 대응하여도 현저한 소비전력의 증대를 일으키지 않는다. 따라서 제어부(20)는 조정밸브(RG)의 목표 압력(Prg)을 요구 발전 전력(Pr)이 기준값(Pth)일 때의 적정 압력(Pf)에 고정하여 유지한다(S23).

수소 펌프(103)의 회전수는 실시형태 1과 동일한 순서로 계산된다. 먼저 순환경로의 목표 압력이 정해지면, 그 압력하에서의 연료전지의 요구 발전 전력(Pr)과 수소 펌프(103)에 필요한 순환량과의 관계(예를 들면 도 5)로부터 목표 순환량을 결정한다(S24).

이어서 정해진 순환량에 대하여 수소 펌프(103)의 입구 압력의 목표값이 도 7에 나타내는 바와 같이 일의적으로 결정되기 때문에, 이와 같은 관계를 나타내는 데이터 테이블 또는 관계식에 의거하여 제어부(20)는 수소 펌프(103)의 입구 압력 목표값을 결정한다(S25). 그리고 구해진 수소 펌프(103)의 입구 압력과 순환량에 의거하여 예를 들면 도 6에 나타내는 바와 같은 특성을 나타내는 데이터 테이블을 참조하여, 제어부(20)는 수소 펌프(103)에 필요한 목표 회전수(Np)를 구한다(S26).

이상과 같은 처리에 의하여 순환경로의 목표 압력(Prg)을 일정값(Pf)으로 정한 후, 그 때마다의 요구 발전 전력(Pr)에 대응하여 수소 펌프(103)에 요구되는 회전수(Np)가 구해지는 것이다. 이 목표 회전수(Np)와 순환경로의 목표 압력(Pf)으로 시스템이 구동되도록 제어부(20)는 제어신호를 갱신한다(S40). 이와 같은 처리에 의하여 상기 연료전지 시스템은, 도 2a ∼ 도 2c에서의 기준값(Pth)의 좌측의 영역에서 제어되게 된다.

그런데 단계 S22에서 연료전지에 대한 요구 발전 전력(Pr)을 기준값(Pth)과 비교한 결과, 요구 발전 전력(Pr)이 기준값(Pth) 이상인 경우(NO), 수소 펌프(103)의 회전수를 그 이상 올리면 현저하게 소비전력이 증대할 가능성이 있다. 따라서 제어부(20)는 조정밸브(RG)의 목표 압력 대신에, 펌프 회전수(Np)를 요구 발전 전 력(Pth) 에서의 적정 회전수(Nf)에 고정한다(S30). 이어서 조정밸브(RG)에 의한 목표 압력(Prg)을 요구 발전 전력(Pr)의 변화에 따라 추측한다.

먼저, 연료전지의 요구 발전 전력(Pr)과 수소 펌프(103)에 필요한 순환량과의 관계(도 5)로부터 필요한 순환량을 결정한다(S31). 이어서 정해진 펌프 회전수(Nf)와 구해진 필요 순환량으로부터 도 6에 나타내는 바와 같은 관계 테이블을 참조하여 수소 펌프(103)의 입구 압력을 추측한다(S32). 수소 펌프(103)의 입구 압력과 필요 순환량이 정해지면, 연료전지 스택(10) 입구에서 수소 펌프(103) 입구에 이르기까지의 압손이 예를 들면 도 8에 나타내는 바와 같은 관계에 의하여 정해지기 때문에(S33), 제어부(20)는 수소 펌프(103)의 입구 압력에 이 압손 추정값을 가산한 값을 목표 압력(Prg)으로서 산출한다(S34).

이상과 같은 처리에 의하여 구해진 목표 압력(Prg)에 순환경로의 압력이 유지되도록, 또 결정한 회전수로 수소 펌프(103)가 회전하도록 제어부(20)는 제어신호를 갱신한다(S40). 즉, 제어부(20)는 조정 압력을 추측된 목표 압력(Prg)이 되도록, 제어밸브(SV7와 SV6)를 제어함으로써 조정밸브(RG)의 조정량이 목표 압력(Prg)이 되도록 공기압을 변경시킨다. 압력 센서(p2)의 검출값 등을 참조하여 목표 압력에 도달하였으면 제어부(20)는 차단밸브(SV6)를 차단한다. 이 동작에 의하여 순환경로의 압력이 목표 압력(Prg)이 된다. 또 제어부(20)는 수소 펌프(103)의 회전수가 일정값 회전수(Nf)가 되는 구동신호를 수소 펌프(103)에 출력한다.

이상과 같은 처리에 의하여 상기 연료전지 시스템은, 도 2a ∼ 도 2c에서의 기준값(Pth)의 우측 영역에서 제어되게 된다.

이상, 본 실시형태 2에 의하면 요구 발전 전력(Pr)이 기준값(Pth) 이상의 영역에서는 수소 펌프(103)의 회전수를 올리지 않고 고정하여 순환경로의 압력을 부하변동에 대응시켜 변화시키도록 하기 때문에, 펌프 회전수 증대에 따르는 현저한 소비동력의 증대를 일으키는 일 없이 연료전지 시스템을 운전 가능하고, 전체적인 발전효율을 향상시킬 수 있다. 또 회전수를 적게 유지할 수 있기 때문에 수소 펌프를 소형화할 수 있어, 연료 시스템 전체를 조밀하게 제공할 수 있게 된다.

또, 요구 발전 전력(Pr)이 기준값(Pth)보다 작은 영역에서는 순환경로의 압력을 고정하여 수소 펌프(103)의 회전수만으로 부하변동에 대응하기 때문에, 제어를 용이하게 행할 수 있다. 즉, 요구 발전 전력이나 순환량이 저하된 경우에는 그것에 따라 회전수를 저하시키도록 제어되기 때문에, 시스템의 부하상태에 아울러 소비동력을 합리적으로 저하시켜 가는 것이 가능하고, 시스템 전체의 발전효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

(실시형태 3)

본 발명의 실시형태 3은, 상기 실시형태 2와 동일한 연료전지 시스템 제어방법에서의 제어부에 의한 조정밸브(RG)의 목표 압력(Prg)과 수소 펌프의 회전수(Np)의 제어방법의 변형예에 관한 것이다.

본 책실시형태 3에서는 연료전지에 요구되는 요구 발전 전력(Pr)과 연료가스의 소비량이, 도 10a와 같이 대응하고 있는 경우에, 수소 펌프(103)의 회전수를 도 10b와 같은 특성으로 조정밸브(RG)의 목표 압력을 도 10c와 같은 특성으로 변화시키는 것이다. 특히 요구 발전 전력(Pr)이 기준값(Pth) 이상인 경우, 상기 실시형 태 1에서는 수소 펌프의 회전수를 고정값(Nf)으로 하였으나, 상기 실시형태 2에서는 고정값 (Nf)으로 하지 않고, 대신에 단조 상승시키거나(fp1) 단조 감소시키거나(fp1)하고 있는 점에 특징이 있다.

즉 수소 펌프의 회전수가 커지면 소비동력이 격증하나, 기준값(Pth)에서의 수소 펌프의 회전수가 그와 같은 경향으로 될 때까지 아직 여유가 있는 경우, 즉시 회전수를 고정값으로 하지 않아도 좋다. 그 경우에는 완만하게 회전수를 상승시켜도 좋다(fp1). 이때 도 9에 나타내는 바와 같은 플로우차트에 의하여 조정밸브(RG)의 목표 압력(Prg)은 완만해진 수소 펌프의 회전수 상승율에 대응하는 순환량 부족분을 보충하도록 압력을 요구 발전 전력(Pr)에 따라 변화시킨다(도 10c, fv1). 이 변화곡선의 기울기는, 상기 실시형태 2보다 완만한 것이 된다.

한편, 기준값(Pth)에서의 수소 펌프의 회전수를 피크로 요구 발전 전력(Pr)의 증대에 따라 회전수를 감소시키도록 제어하여도 좋다(fp2). 이때 조정밸브(RG)의 목표 압력(Prg)은 감소 경향에 있는 수소 펌프의 회전수 감소에 대응하는 순환량 부족분을 보충하도록 압력을 요구 발전 전력(Pr)에 따라 변화시킨다(도 10c, fv2). 이 변화곡선의 기울기는, 당연하나 수소 펌프의 회전수를 상승시키고 있었을 때의 압력특성(fv1)이나 상기 실시형태 2보다도 급구배인 것이 된다.

본 실시형태 3에 나타내는 바와 같이 수소 펌프의 회전수와 조정밸브의 목표 압력의 한쪽을 고정으로 하지 않고 양쪽을 변화시킴에 의해서도 본 발명의 작용효과를 가질 수 있다.

(실시형태 4)

본 발명의 실시형태 4는 상기 실시형태 2와 동일한 연료전지 시스템 제어방법에서의 조정밸브(RG)의 목표 압력(Prg)과 수소 펌프의 회전수(Np)의 제어방법의 다른 변형예에 관한 것이다.

본 실시형태 4에서는 연료전지에 요구되는 요구 발전 전력(Pr)과 연료가스의 소비량이, 도 11a와 같이 대응하고 있는 경우에, 수소 펌프(103)의 회전수를 도 11b와 같은 특성으로 조정밸브(RG)의 목표 압력을 도 11c와 같은 특성으로 변화시키는 것이다. 특히 요구 발전 전력(Pr)이 기준값(Pth)을 기준으로 하여 펌프 회전수나 목표 압력의 변화를 불연속적으로 변화시키는 것은 아니고, 점근선과 같이 불연속점을 가지지 않게 하여 완만하게 변화시키는 점에 특징이 있다.

즉 요구 발전 전력(Pr)의 기준값(Pth)에 도달한 경우, 제어부(20)는 도 11b, fp3에 나타내는 바와 같이 수소 펌프의 회전수를 고정값까지 완만하게 수속시켜 간다. 이때 순환경로의 목표 압력(Prg)은, 도 9에 나타내는 바와 같은 플로우차트에 의하여 완만하게 수속하여 가는 수소 펌프의 회전수의 변화에 의한 순환량 부족분을 보충하도록 변화한다(도 11c, fv3).

이와 같이 본 실시형태 4에 의하면 수소 펌프의 회전수와 조정밸브의 목표 압력의 한쪽을 불연속적으로 고정값으로 하지 않고 완만하게 변화시켜 수속시켜 갈 수도 있고, 이와 같은 방법에 의해서도 본 발명의 작용효과를 가질 수 있다.

Claims

연료가스를 순환시켜 발전하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료가스를 공급하는 연료가스 공급원과,

상기 연료전지에 공급되는 연료가스를 순환시키는 순환경로와,

상기 순환경로에 설치되고, 상기 연료가스를 순환시키기 위한 구동수단과,

상기 연료가스 공급원과 상기 순환경로와의 사이에 설치되고, 상기 순환경로에서의 연료가스의 압력을 소정압으로 조정하는 압력 조정수단을 구비하고,

상기 압력 조정수단은, 상기 연료전지에서 요구되는 요구 가스량의 증가에 따라 상기 순환경로의 연료가스의 압력을 상승시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
연료가스를 순환시켜 발전하는 연료전지와,

상기 연료전지에 상기 연료가스를 공급하는 연료가스 공급원과,

상기 연료전지에 공급되는 연료가스를 순환시키는 순환경로와,

상기 순환경로에 설치되고, 상기 연료가스를 순환시키기 위한 구동장치와,

상기 연료가스 공급원과 상기 순환경로와의 사이에 설치되고, 상기 순환경로에서의 연료가스의 압력을 소정압으로 조정하는 압력 조정장치를 구비하고,

상기 압력 조정장치는, 상기 연료전지에서 요구되는 요구 가스량의 증가에 따라, 상기 순환경로의 연료가스의 압력을 상승시키고, 또 상기 구동장치에서의 구동량을 억제하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

적어도 요구 가스량이 기준값보다 높은 영역에서는 상기 요구 가스량의 변화에 대응시켜 상기 압력 조정수단의 압력 조정량을 변화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 요구 가스량이 기준값보다 높은 영역에서는 상기 구동수단의 구동량의 변화율을 상기 기준값보다 낮은 영역에 비하여 저하시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 요구 가스량이 기준값보다 낮은 영역에서는 상기 압력 조정수단의 압력 조정량이 일정한 값 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 구동수단은, 상기 요구 가스량과 상기 순환경로 내의 압력의 측정값에 의거하여 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
연료가스를 순환시켜 발전하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템의 구동방법에 있어서,

상기 연료전지에서 요구되는 요구 가스량을 추측하는 단계와,

추측된 상기 요구 가스량의 증가에 따라, 상기 연료전지에 공급되는 연료가스를 순환시키는 순환경로의 연료가스의 압력을 상승시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 구동방법.