KR20070045355A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

연료전지 시스템은 연료 전지, 리포머, 연료 공급부, 산소 공급부, 동력 출력부, 개질 가스 공급부, 결정부 및 제어기를 포함한다. 연료 전지는 수소와 산소의 반응을 통하여 전력을 발생시킨다. 리포머는 스팀 리포밍 반응 및 부분 산화 반응을 통하여 연료 전지의 배출가스 및 탄화수소 연료로부터 수소를 함유하는 개질 가스를 생성시킨다. 연료 전지의 배출가스는 스팀을 포함하고 리포머는 연료 전지에 개질 가스를 공급한다. 연료 공급부는 리포머에 탄화수소 연료를 공급한다. 산소 공급부는 리포머에 산소 함유 가스를 공급한다. 동력 출력부는 개질 가스 및 탄화수소 연료 중 적어도 하나의 적어도 일부에 의해 구동된다. 개질 가스 공급부는 동력 출력부에 개질 가스를 공급한다. 결정부는 스팀 리포밍 반응에 필요한 스팀의 양이 배출가스에 포함되어 있는지 여부를 결정한다. 만일 결정부가 스팀 리포밍 반응에 필요한 스팀의 양이 배출가스에 포함되어 있지 않다고 결정하면, 제어기는 리포머에 공급된 산소의 비율이 개질 가스가 동력 출력부에 공급되지 않는 경우에 비하여 증가하도록 산소 공급부 및 연료 공급부를 제어한다.
연료전지 시스템, 연료 전지, 리포머, 연료 공급부, 산소 공급부

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
기술분야
본 발명은 일반적으로 탄화수소 연료로부터 연료전지용 연료로서 사용되는 개질 가스 (reformed gas) 를 생성하는 리포머 (reformer) 를 갖는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
배경기술
본 발명의 하나 이상의 형태는 일반적으로 연료전지용 연료로서 사용될 수 있는 개질 가스를 탄화수소 연료로부터 생성하는 리포머를 갖는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료, 즉 수소 및 산소로부터 전력을 얻는 장치이다. 연료전지는 환경면에서 우수하고 높은 에너지 효율을 얻을 수 있기 때문에 연료전지 시스템이 에너지 공급 시스템으로서 널리 개발되어오고 있다.
일반적인 연료전지에서는 수소 함유 개질 가스는 종래에 개질 가스 생성기에 의해 가소린, 천연가스 또는 메탄올 등의 탄화수소 연료로부터 생성되고, 개질 가스는 연료전지의 애노드에 제공된다. 이러한 개질 가스 생성기에 있어서, 리포밍은 스팀 등을 사용하는 스팀 리포밍 반응에 의해 달성된다.
일본 공개특허공보 제 11-311136 호 (JP'136) 는 예를 들어 점프 스파크 점화 엔진에 개질 가스 생성기에 의해 생성되는 개질 가스를 제공하는 것을 제안한 다. JP'136 에 개시된 연료전지 시스템에 있어서, 생성된 개질 가스 내의 가솔린 및/또는 수소는 점프 스파크 점화 엔진용 연료로서 사용될 수 있다. 이러한 연료전지 시스템으로 높은 열효율을 달성하는 것이 가능하다.
그러나 이러한 연료전지 시스템에 있어서는 상술된 스팀 리포밍 반응에 의해 개질 가스를 생성하기 위하여 개질 가스 생성기에 스팀을 제공하는 별도의 또는 부가적인 장치를 제공하는 것이 필요하다. 따라서 연료전지의 크기가 스팀제공장치를 수용하도록 증가되어야만 한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 일본 공개특허공보 제 2000-195534 호 (JP'534) 는 개질 가스 생성기에 캐소드 오프 가스를 도입하는 것을 제안한다. 캐소드 오프 가스는 양성자 전도성을 갖는 전해질을 포함하는 연료전지의 캐소드로부터 배출된다. 따라서 JP'534 는 개질 가스 생성기에 캐소드 오프 가스 내에 포함된 수증기를 제공하는 것이 개시되어 있고, 수증기 발생기의 부가를 요구하지 않는다. 따라서 연료전지를 소형화하는 것이 가능하다.
그러나 점프 스파크 점화 엔진에 수소를 공급하는 것에 의해, 연료전지에 공급되는 수소의 양이 감소된다. 이것은 연료전지로부터 배출되는 가스 내에 포함된 수증기의 양을 감소시킨다. 따라서 개질 가스 생성기에는 스팀 리포밍 반응에 필요한 소정의 양의 수소가 공급되지 않을 수 있다. 그래서 스팀 리포밍 반응을 완료하지 않고 탄소가 개질 가스 생성기 내에 퇴적될 수 있는 가능성이 있다.
본 발명의 여러 형태는 상술된 상황을 고려하여 이루어졌다. 본 발명의 하나 이상의 형태는 개질 가스 생성기 내의 탄소의 퇴적을 감소, 바람직하게는 제거시키는 연료전지 시스템을 제공한다.
발명의 개시
예시적인 실시형태에 있어서, 연료전지 시스템은 연료전지, 리포머, 연료공급부, 산소공급부, 동력출력부, 개질 가스 공급부, 결정부 및 제어기를 포함한다. 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통하여 전력을 발생시킨다. 리포머는 스팀 리포밍 반응과 부분 산화반응을 통하여 연료전지의 배출가스와 탄화수소 연료로부터 수소를 포함하는 개질 가스를 생성한다. 연료전지의 배출가스는 스팀을 포함하고 리포머는 연료전지에 개질 가스를 제공한다. 연료 공급부는 리포머에 탄화수소 연료를 공급한다. 산소 공급부는 리포머에 산소 함유 가스를 공급한다. 동력 출력부는 개질 가스 및 탄화수소 연료 중 적어도 하나의 적어도 일부에 의하여 구동된다. 개질 가스 공급부는 동력 출력부에 개질 가스를 공급한다. 결정부는 스팀 리포밍 반응에 필요한 스팀의 양이 배출가스 내에 포함되어 있는지 여부를 결정한다. 만일 결정부가 스팀 리포밍 반응에 필요한 스팀의 양이 배출가스에 포함되어 있지 않다고 결정하면, 제어기는 산소 공급부 및 연료 공급부를 제어하여 리포머에 공급된 산소의 비율이 개질 가스가 동력 출력부에 제공되지 않는 경우에 비하여 증가하도록 한다.
예시적인 실시형태에 있어서, 연료전지 및 연소 기관을 포함하는 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법은 수소가 연료전지 시스템의 연소 기관에 공급되어야 하는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다. 만일 수소가 연소 기관 에 공급되어야 한다고 결정되면, 상기 방법은 연소 기관에 제공되어야 하는 수소의 양을 계산하는 단계, 공급되어야 하는 수소의 계산된 양에 기초하여 연료전지 시스템의 리포밍 유닛에 공급될 탄화수소 연료의 양을 계산하는 단계, 연료전지에 의해 소비된 수소의 양에 기초하여 연료전지 시스템의 리포밍 유닛에 공급될 수증기의 양을 계산하는 단계, 연료전지에 의해 사용된 산소의 양에 기초하여 리포밍 유닛에 공급될 공기의 양을 계산하는 단계, 및 계산 단계들의 결과에 기초하여 연료전지 시스템의 인젝터 및 연료전지 시스템의 에어 펌프 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 더욱 포함한다. 만일 수소가 연소 기관에 공급되지 않아야 한다고 결정되면, 상기 방법은 연료전지에 수소와 산소를 공급하도록 인젝터 및 에어 펌프를 제어하는 단계를 더욱 포함한다. 예시적인 실시형태에 있어서, 제어하는 단계는 수소가 연소 기관에 공급되지 않아야한다고 결정되는 경우보다 수소가 연소 기관에 공급되어야한다고 결정되는 경우에 더 많은 양의 공기가 연료전지로 펌핑되게 한다.
예시적인 실시형태에 있어서, 연료전지 및 연소 기관을 포함하는 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법은 수소가 연료전지 시스템의 연소 기관에 공급되어야 하는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다. 만일 수소가 연소 기관에 공급되어야 한다고 결정되면, 상기 방법은 연소 기관에 제공되어야 하는 수소의 양을 계산하는 단계, 공급되어야 하는 수소의 계산된 양에 기초하여 연료전지 시스템의 리포밍 유닛에 공급될 탄화수소 연료의 양을 계산하는 단계, 연료전지에 의해 소비된 수소의 양에 기초하여 연료전지 시스템의 리포밍 유닛에 공급될 수증기의 양을 계산하는 단계, 연료전지에 의해 사용된 산소의 양에 기초하여 리포밍 유닛에 공급될 공기의 양을 계산하는 단계, 계산 단계들의 결과에 기초하여 연료전지 시스템의 인젝터 및 연료전지 시스템의 에어 펌프 중 적어도 하나를 제어하는 단계, 및 엔진에 공급되는 수소의 비율이 소정의 값과 동일하도록 하는 방식으로 연료전지 시스템의 유량 제어 밸브를 제어하는 단계를 더욱 포함한다. 만일 수소가 연소 기관에 공급되지 않아야 한다고 결정되면, 상기 방법은 연료전지에 수소와 산소를 공급하도록 인젝터 및 에어 펌프를 제어하는 단계를 더욱 포함한다. 예시적인 실시형태에 있어서, 제어하는 단계는 수소가 연소 기관에 공급되지 않아야한다고 결정되는 경우보다 수소가 연소 기관에 공급되어야한다고 결정되는 경우에 더 많은 양의 공기가 연료전지로 펌핑되도록 한다.
본 발명의 여러가지 양태에 대한 이들 및 다른 선택적 특징과 가능한 이점이 본 발명을 구현하는 시스템 및 방법의 예시적인 실시형태에 대한 다음의 상세한 설명에 기술되거나 그것으로부터 명백하다.
본 발명의 효과
본 발명에 따르면, 탄소가 리포머 내에 퇴적하는 것을 완전히 억제하는 것이 가능하다. 또한, 개별적이거나 부가적인 산소 공급 유닛 및 개별적이거나 부가적인 수증기 공급 유닛을 제공하는 것이 불필요하다. 따라서 연료전지 시스템을 소형화하는 것이 가능하다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 하나 이상의 형태에 대한 예시적인 실시형태가 다음의 도면을 참 조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 형태에 따른 예시적인 연료전지 시스템의 전체 구성의 블록도이다.
도 2A 및 2B는 도 1에 도시된 예시적인 연료전지 시스템의 제어 유닛에 의해 사용될 수 있는 데이타를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템이 구현된 하이브리드 자동차의 블록도이다.
도 4는 수증기의 몰비와 공기 초과 계수 사이의 예시적인 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 내연기관에 개질 가스를 공급하는 예시적인 제어 시퀀스의 흐름도이다.
도 6은 내연기관에 개질 가스를 공급하는 또 다른 예시적인 제어 시퀀스의 흐름도이다.
발명을 실시하는 최선의 형태
도 1은 본 발명의 하나 이상의 형태를 구현하는 연료전지 시스템 (100) 의 전체 구성의 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템 (100) 은 연료 탱크 (1), 인젝터 (2, 11), 개질 가스 생성기 (3), 열 교환기 (4, 7), 연료 전지 (5), 에어 펌프 (6, 8), 유량 제어 밸브 (9), 내연기관 (10) 및 제어 유닛 (12) 을 포함할 수 있다. 개질 가스 생성기 (3) 는 리포밍 유닛 (3a) 및 연소 유닛 (3b) 을 포함할 수 있다. 연료 전지 (5) 는 수소 투과막 연료전지 (HMFC) 일 수 있고, 애노드 (5a) 및 캐소드 (5b) 를 포함할 수 있다.
다양한 예시적인 실시형태의 설명에 있어서, "수소 투과막 연료전지" 라는 용어는 수소 투과막 층을 갖는 연료 전지를 지칭한다. 수소 투과막 층은 예를 들어 팔라듐, 팔라듐 합금 등의 수소 투과성을 갖는 금속으로 형성된 층이다. 수소 투과막 연료전지는 수소 투과막 층과 양성자 전도성을 갖는 전해질을 함께 적층함으로써 구성될 수 있다.
수소 투과막 연료전지 (5) 의 애노드 (5a) 에 공급된 수소는 촉매제에 의해 양성자로 변환되고, 수소 양성자는 양성자 전도성을 갖는 전해질 내로 이동한다. 수소 양성자와 산소는 수소 투과막 연료전지 (5) 의 캐소드 (5b) 에서 결합하여 물을 형성한다. 따라서 연료 전지 (5) 에 의해 생성된 대부분의 물 또는 수증기는 캐소드 오프 가스 내에 포함된다.
연료 탱크 (1) 는 파이프 (101) 를 통하여 인젝터 (2) 에 연결될 수도 있다. 인젝터 (2) 는 리포밍 유닛 (3a) 에 연결될 수 있다. 리포밍 유닛 (3a) 은 파이프 (102) 를 통하여 애노드 (5a) 에 연결될 수 있다. 파이프 (102) 는 열 교환기 (4) 를 관통할 수 있다. 애노드 (5a) 는 파이프 (103) 를 통하여 연소 유닛 (3b) 에 연결될 수 있다.
에어 펌프 (8) 는 파이프 (104) 를 통하여 캐소드 (5b) 에 연결될 수 있다. 파이프 (104) 는 열 교환기 (7) 및 열 교환기 (4) 를 관통할 수 있다. 캐소드 (5b) 는 파이프 (105) 를 통하여 리포밍 유닛 (3a) 에 연결될 수 있다. 에어 펌프 (6) 는 파이프 (106) 를 통하여 연소 유닛 (3b) 에 연결될 수 있다. 파이프 (106) 는 연료 전지 (5) 를 관통할 수 있다.
파이프 (107) 의 일단은 열 교환기 (4) 의 상류측의 파이프 (102) 에 연결될 수 있다. 파이프 (107) 의 타단은 유량 제어 밸브 (9) 에 연결될 수 있다. 파이프 (107) 는 또한 열 교환기 (7) 를 관통할 수 있다. 유량 제어 밸브 (9) 는 파이프 (108) 를 통하여 내연 기관 (10) 에 연결될 수 있다. 연료 탱크 (1) 는 파이프 (109) 를 통하여 인젝터 (11) 에 연결될 수 있다. 인젝터 (11) 는 내연 기관 (10) 에 연결될 수 있다.
예시적인 연료전지 시스템 (100) 의 작동이 이하에 설명된다. 탄화수소 연료로서 가솔린이 연료 탱크 (1) 에 저장될 수 있다. 연료 탱크 (1) 는 제어 유닛 (12) 으로부터 명령을 받을 수 있고, 파이프 (101) 를 통하여 인젝터 (2) 에 요구된 양의 가솔린을 공급할 수 있다. 인젝터 (2) 는 제어 유닛 (12) 으로부터 명령을 받을 수 있고, 요구된 양의 가솔린을 리포밍 유닛 (3a) 에 공급할 수 있다.
리포밍 유닛 (3a) 은 인젝터 (2) 에 의해 공급된 가솔린과 이하에 설명되는 캐소드 오프 가스를 개질 가스로 리포밍할 수 있다. 가솔린을 리포밍하기 위하여 스팀 리포밍 반응이 가솔린과 수증기 사이에 먼저 발생할 수 있다. 예를 들어, 인젝터 (2) 에 의해 공급된 가솔린과 캐소드 오프 가스에 포함된 수증기는 함께 반응하여 수소 및 일산화 탄소를 생성할 수 있다.
다음에, 생성된 일산화 탄소의 적어도 일부와 캐소드 오프 가스에 포함된 수증기가 함께 반응하여 수소와 이산화 탄소를 생성할 수 있다. 만일 스팀 리포 밍 반응을 위한 충분한 수증기가 없다면, 캐소드 오프 가스 내에 있는 산소와 가솔린이 함께 반응하여 수소와 일산화 탄소를 생성하는 부분 산화 반응을 일으킬 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 수소가 내연 기관 (10) 에 공급되지 않고 및/또는 리포밍 유닛에 이용가능한 수증기의 양이 스팀 리포밍 반응을 위해 충분할 때 스팀 리포밍 반응이 리포밍 유닛 (3a) 에서 일어나도록 설정될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 수소가 내연 기관 (10) 에 공급되고 및/또는 리포밍 유닛 (3a) 에 이용가능한 수증기의 양이 스팀 리포밍 반응을 위하여 충분하지 않을 때 부분 산화 반응이 리포밍 유닛 (3a) 에서 일어나도록 설정될 수 있다.
리포밍 유닛 (3a) 에 의해 생성된 개질 가스는 애노드 (5a) 에 공급되기 전에 파이프 (104) 및 열 교환기 (4) 에 흐르는 공기에 의해 냉각될 수 있다. 애노드 (5a) 에서, 개질 가스에 포함된 수소의 적어도 일부가 양성자로 변환된다. 양성자로 변환되지 않은 수소 및 일산화 탄소 (예를 들어, 리포밍 유닛 (3a) 에서 반응하지 않은 수소) 는 애노드 오프 가스로서 파이프 (103) 를 통하여 연소 유닛 (3b) 에 공급될 수 있다. 애노드 오프 가스는 파이프 (106) 로부터 공급된 산소와 연소하고, 연료전지 시스템 (100) 밖으로 배출될 수 있다. 결과적으로 생기는 연소 열은 리포밍 유닛 (3a) 에서 일어나는 스팀 리포밍 반응에 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 애노드 오프 가스에 의해 발생된 연소 열은 스팀 리포밍 반응을 위한 연료로서 작용할 수 있다. 이리하여, 개별적이거나 부가적인 연소 용 연료 탱크를 제공할 필요가 없다. 따라서, 연료전지 시스템 (100) 을 소형화하는 것이 가능하다. 게다가, 연소 유닛 (3b) 에서 애노드 오프 가스 (예를 들어, 일산화 탄소) 내에 포함된 불완전 연소 성분을 완전히 연소시키는 것이 가능하다. 따라서, 환경의 열화를 억제하는 것이 가능하다.
에어 펌프 (8) 는 제어 유닛 (12) 으로부터 명령을 받고, 연료전지 시스템 (100) 의 외부로부터 파이프 (104) 로 공기를 제공할 수 있다. 이 공기는 파이프 (107) 및 열 교환기 (7) 내에 흐르는 개질 가스를 냉각시키고, 계속해서 파이프 (102) 내로 그리고 열 교환기 (4) 를 통하여 흐르는 개질 가스를 냉각시킨다. 그 후 공기는 캐소드 (5b) 에 공급된다.
캐소드 (5b) 에서, 물과 전력이 애노드 (5a) 에서 변환된 양성자 및 캐소드 (5b) 에 공급되었던 공기 내에 포함된 산소로부터 생성될 수 있다. 이렇게 생성된 물은 연료 전지 (5) 에서 발생된 열을 갖는 수증기로 증기화한다. 캐소드 (5b) 에서 생성된 수증기 및 양성자와 반응하지 않는 공기는 캐소드 오프 가스로서 파이프 (105) 를 통하여 리포밍 유닛 (3a) 에 공급될 수 있다. 상술된 바와 같이, 수증기와 양성자와 반응하지 않는 공기는 각각 스팀 리포밍 반응과 부분 산화 반응을 위하여 사용될 수 있다.
캐소드 (5b) 에서 양성자와 반응하지 않는 공기와 캐소드 (5b) 에서 생성된 수증기는 스팀 리포밍 반응과 부분 산화 반응을 위해 사용될 수 있기 때문에 개별적이거나 부가적인 산소 공급 유닛 및 개별적이거나 부가적인 수증기 공급 유닛을 제공하는 것이 불필요하다. 따라서 연료전지 시스템 (100) 을 소형화하는 것이 가능하다.
에어 펌프 (6) 는 제어 유닛 (12) 으로부터 명령을 받을 수 있고 이에 따라 공기를 연료전지 시스템 (100) 의 외부로부터 파이프 (106) 로 공급할 수 있다. 파이프 (106) 에 흐르는 공기는 연료 전지 (5) 를 냉각하고, 애노드 오프 가스에 포함된 수소와 일산화 탄소의 연소에의 사용을 위하여 연소 유닛 (3b) 에 공급될 수 있다. 상술한 바와 같이, 연료 전지 (5) 냉각용 공기는 연소 유닛 (3b) 에서의 연소를 위해 사용될 수 있다. 이리하여, 애노드 오프 가스를 연소시키기 위한 개별적이거나 부가적인 산소 공급 유닛을 제공하는 것이 불필요하다. 따라서, 연료전지 시스템 (100) 을 소형화하는 것이 가능하다.
파이프 (102) 에 공급된 개질 가스의 일부는 파이프 (107) 에 공급될 수 있고, 유량 제어 밸브 (9) 로 공급되기 전에 파이프 (104) 와 열 교환기 (7) 내에 흐르는 공기에 의해 냉각될 수 있다. 유량 제어 밸브 (9) 는 제어 유닛 (12) 으로부터의 명령에 따라 파이프 (108) 를 통하여 내연 기관 (10) 에 요구된 양의 개질 가스를 공급할 수 있다. 게다가, 연료 탱크 (1) 는 제어 유닛 (12) 으로부터의 명령에 따라 파이프 (109) 를 통하여 인젝터 (11) 로 요구된 양의 가솔린을 공급할 수 있다. 인젝터 (11) 는 제어 유닛 (12) 으로부터의 명령에 따라 내연 기관 (10) 으로 요구된 양의 가솔린을 공급할 수 있다.
상술된 바와 같이, 열 교환기 (7) 에서 냉각된 개질 가스는 내연 기관 (10) 에 공급될 수 있다. 이리하여 내연 기관 (10) 의 열 손상 및 열 열화를 억제, 및 바람직하게는 방지하는 것이 가능하다. 개질 가스를, 예를 들어 약 섭씨 100도 내지 약 200도 까지 냉각시킴으로써 내연 기관 (10) 에 내장된 유도 시스템 내의, 예를 들어 개스킷, 전기 부품, 전기 배선 등의 열 손상 및 열 열화를 억제하는 것이 가능하다.
내연 기관 (10) 은 개질 가스의 적어도 일부 및/또는 가솔린 및 공기로부터의 특정의 공연비를 갖는 공기-연료 혼합물을 생성하고, 공기-연료 혼합물의 연소로 동작한다. 이 경우, 내연 기관 (10) 은 수소와 가솔린의 조합으로 인해 높은 열 효율로 동작할 수 있다.
게다가, 제어 유닛 (12) 은, 예를들어 수소가 내연 기관 (10) 에 공급되지 않은 때에, 미리 작성된 예시적인 베이스 맵 또는 그래프 (예를 들어, 참조 표) 에 기초하여 내연 기관 (10) 내의 공연비를 제어할 수 있다. 제어 유닛 (12) 은 내연 기관 (10) 내의 공연비를 제어하여 수소가 내연 기관 (10) 에 공급된 때에도 내연 기관 (10) 에 공급된 수소의 양에 대응하는 희박 연소 (lean combustion) 가 달성되도록 한다. 이 경우, 내연 기관 (10) 에 공급된 수소의 비율에 기초하여 희박 연소 한계를 확대하는 것이 가능하다. 내연 기관 (10) 에 공급된 가솔린의 연소열이, 예를 들어 내연 기관 (10) 에 공급된 수소의 연소열의 5배 가 되도록 내연 기관 (10) 에 가솔린과 수소를 공급함으로써 공기 초과 계수 (이론적 공연비에 반대되는 비율) 를 약 2로 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 가솔린 소비는 감소되고, 산화질소의 배출량이 감소된다.
본 발명의 하나 이상의 형태를 구현하는 예시적인 연료전지 시스템 (100) 은 연료 전지 (5) 및 내연 기관 (10) 을 포함할 수 있기 때문에 연료 전지 (5) 에 의 해 발생된 전력 또는 내연 기관 (10) 에 의해 발생된 동력 중 어느 하나 또는 양자를 선택하는 것이 가능하다. 이에 따라 연료전지 시스템 (100) 의 동작 조건에 기초하여 적절한 출력을 발생시키는 것이 가능하다.
도 2A 및 도 2B는 에어 펌프 (8), 유량 제어 밸브 (9), 내연 기관 (10) 및 인젝터 (11) 를 제어하는 제어 유닛 (12) 에 의해 사용될 수 있는 예시적인 그래프 또는 맵 (예를 들어, 참조 표 또는 그래프) 에 그래프로 도시된 데이터를 나타낸다. 보다 상세하게는, 도 2A는 에어 펌프 (8) 에 의한 에어 공급량과 에어 펌프 (8) 의 펌프 회전수 사이의 관계를 보여주는 그래프 또는 맵을 나타낸다. 도 2A의 수직축은 에어 펌프 (8) 의 펌프 회전수를 가리키고, 도 2A의 수평축은 에어 펌프 (8) 에 의한 에어 공급량을 가리킨다. 도 2A에 도시된 바와 같이, 에어 펌프 (8) 의 펌프 회전수는 에어 펌프 (8) 에 의한 에어 공급량의 제곱에 비례하여 증가한다. 제어 유닛 (12) 은 예를 들어 도 2A에 도시된 예시적인 그래프 또는 맵에 기초하여 에어 펌프 (6, 8) 를 제어할 수 있다.
도 2B는 내연 기관 (10) 의 회전수, 내연 기관 (10) 의 토크 및 공기 초과 계수 (λ) 사이의 예시적인 관계를 보여주는 예시적인 그래포 또는 맵을 나타낸다. 도 2B의 수직축은 내연 기관 (10) 의 토크를 가리키고, 도 2B의 수평축은 내연 기관 (10) 의 회전수를 가리킨다. 도 2B의 파선 또는 점선은 공기 초과 계수 (λ) 가 1일 때의 내연 기관의 토크 및 회전수 사이의 관계를 나타낸다. 도 2B의 실선은 공기 초과 계수 (λ) 가 2일 때의 내연 기관의 토크 및 회전수 사이의 관계를 나타낸다. 도 2B에 도시된 바와 같이, 비록 내연 기관 (10) 의 토크는 내연 기관 (10) 의 회전수의 증가에 따라 증가하지만, 내연 기관 (10) 의 회전수가 특정의 회전수를 초과하면 내연 기관 (10) 의 토크는 내연 기관 (10) 의 회전수의 증가에 따라 감소한다. 제어 유닛 (12) 은 도 2B에 도시된 예시적인 그래프 또는 맵에 나타낸 데이타에 기초하여 유량 제어 밸브 (9), 내연 기관 (10), 및 인젝터 (11) 를 제어할 수 있다.
도 3은 하이브리드 자동차에 적용된 예시적인 연료전지 시스템 (100) 을 개략적으로 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, 예시적인 하이브리드 자동차 (200) 는 연료전지 시스템 (100), 축전지 (21), 동력 발생장치 (22), 동력 전달장치 (23), 차륜 (24) 및 회생 유닛 (25) 을 채용할 수 있다.
연료전지 시스템 (100) 의 연료 전지 (5) 에서 발생된 전력은 동력 발생장치 (22) 로 공급될 수 있고, 대안적으로 축전지 (21) 에 저장된 후에 동력 발생장치 (22) 로 공급될 수도 있다. 동력 발생장치 (22) 는 컨버터, 인버터, 전동기 등을 포함할 수 있다. 동력 발생장치 (22) 는 연료전지 시스템 (100) 또는 축전지 (21) 로부터 공급된 전력을 축 출력 (axial power) 으로 변환할 수 있고, 축 출력을 동력 전달장치 (23) 로 전달할 수 있다. 동력 전달장치 (23) 는 축 출력을 차륜으로 전달하여 하이브리드 자동차 (200) 를 작동시킨다.
다음에, 하이브리드 자동차 (200) 는 총효율 (duty) 의 증가에 따라 동력원을 사용하는 것으로부터 내연기관을 사용하는 것으로 전환할 수 있다. 먼저, 동력 전달장치 (23) 는 동력 발생장치 (22) 로부터의 축 출력을 공급하는 것을 중단할 수 있다. 다음에, 연료전지 시스템 (100) 의 내연 기관 (10) 에 의해 발 생된 동력은 축방향 에너지로서 동력 전달장치 (23) 에 공급될 수 있다. 동력 전달장치 (23) 는 축 출력을 차륜 (24) 에 공급할 수 있다. 총효율이 더욱 증가하면, 동력 전달장치 (23) 는 연료전지 시스템 (100) 의 내연 기관 (10) 및 동력 발생장치 (22) 의 양자로부터 공급된 축 출력을 차륜 (24) 으로 전달할 수 있다.
회생 유닛 (25) 은 발전기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 하이브리드 자동차 (200) 을 감속시킬 때, 회생 유닛 (25) 의 발전기는 차륜 (24) 의 동력을 전력으로 변환할 수 있고, 변환된 전력을 축전지 (21) 에 공급할 수 있다.
상술된 바와 같이, 하이브리드 자동차에 예시적인 연료전지 시스템 (100) 을 채용함으로써 동작 조건에 기초하여 전동기 또는 내연기관 중 하나 또는 양자를 선택하는 것이 가능하다. 따라서, 열 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
다음에, 도 1에 도시된 리포밍 유닛 (3a) 내의 탄소 퇴적에 대한 설명이 주어질 것이다. 도 4는 탄소 퇴적을 설명하기 위하여 사용될 그래프이다. 도 4의 수직축은 리포밍 유닛 (3a) 내의 비율 S/C 을 가리키고, 도 4의 수평축은 공기 초과 계수 (λ) 를 가리킨다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "비율 S/C" 는 리포밍 유닛 (3a) 에 공급된 가솔린 내의 탄소에 대한 리포밍 유닛 (3a) 에 공급된 수증기의 몰비를 의미한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 비율 S/C 가 1.5 이상이면, 리포밍 유닛 (3a) 에 공급된 수증기의 양이 리포밍 유닛 (3a) 에 공급된 가솔린의 양보다 더 크고, 따라서 탄소가 퇴적되지 않는다. 그러나, 캐소드 (5b) 에서 생성된 수증기의 양은 내연 기관 (10) 에 공급된 개질 가스의 양이 증가함에 따라 감소한다. 따라서 내연 기관 (10) 에 공급된 개질 가스의 양이 증가함에 따라 리포밍 유닛 (3a) 에 공급된 수증기의 양은 감소하고, 비율 S/C 는 감소한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 비율 S/C 가 1.5 이하이면, 리포밍 유닛 (3a) 은 스팀 리포밍 반응을 위한 수증기가 모자라고, 따라서 탄소가 리포밍 유닛 (3a) 내에 퇴적할 수 있다.
이 경우, 에어 펌프 (8) 로부터의 에어 공급량을 증가시킴으로써 리포밍 유닛 (3a) 내의 공기 초과 계수 (λ) 를 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 탄소가 리포밍 유닛 (3a) 내에 퇴적하는 것을 완전히 억제하는 것이 가능하다. 비록 비율 S/C 가 0 으로 감소되더라도 공기 초과 계수 (λ) 를 0.4 이상이 되도록 제어함으로써 리포밍 유닛 (3a) 내의 탄소 퇴적을 완전히 억제하는 것이 가능하다.
다음에, 내연 기관 (10) 이 동작 중일 때 리포밍 유닛 (3a) 내의 탄소 퇴적을 억제하는, 바람직하게는 제거하는 예시적인 방법에 대한 설명이 주어질 것이다.
도 5는 제어 유닛 (12) 의 예시적인 제어 시퀀스의 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 내연 기관 (10) 을 시동한 후에 제어 유닛 (12) 은 수소가 내연 기관 (10) 에 공급되어야 하는지 여부를 결정할 수 있다(단계 S1). 특히, 제어 유닛 (12) 은 예를 들어 내연 기관 (10) 이 고강도 또는 고속으로 회전하는지 여부에 기초하여 단계 S1 을 수행할 수 있다. 만일 단계 S1에서 수소를 내연 기관 (10) 에 공급하는 것이 필요하다고 결정되면, 제어 유닛 (12) 은 내연 기관 (10) 에 공급될 수소의 양을 계산할 수 있다(단계 S2). 이 경우, 내연 기관 (10) 에 공급된 가솔린의 연소열이 내연 기관 (10) 에 공급된 수소의 연소열의 5배이도록 수소의 양이 계산될 수 있다.
다음에, 제어 유닛 (12) 은, 예를 들어 상술된 수소의 양과 연료 전지 (5) 의 동작을 위해 요구되는 수소의 양에 기초하여 리포밍 유닛 (3a) 에 공급될 가솔린의 양을 계산할 수 있다(단계 S3). 그 후, 제어 유닛 (12) 은 예를 들어 애노드 (5a) 에서 소비된 수소의 양에 기초하여 캐소드 (5b) 로부터 리포밍 유닛 (3a) 으로 공급될 수증기의 양을 계산할 수 있다(단계 S4).
다음에, 제어 유닛 (12) 은, 예를 들어 캐소드 (5b) 에서 소비된 산소의 양과 탄소가 리포밍 유닛 (3a) 내에 퇴적되지 않도록 하는데 필요한 산소의 양에 기초하여 에어 펌프 (8) 에 의해 캐소드 (5b) 로 공급될 공기의 양을 계산할 수 있다(단계 S5). 이 경우, 탄소가 퇴적되지 않도록 하는데 필요한 산소의 양은, 예를 들어 도 4에 도시된 그래프의 데이타에 기초하여 계산될 수 있다.
그 후, 제어 유닛 (12) 은 단계 S3 에서의 계산 결과에 기초하여 인젝터 (2) 를 제어할 수 있고, 단계 S5 에서의 계산 결과에 기초하여 에어 펌프 (8) 를 제어할 수 있다(단계 S6). 이 경우, 제어 유닛 (12) 은 도 2A의 그래프를 참고하고, 그래프에 포함된 데이타를 사용하여 에어 펌프 (8) 를 제어할 수 있다. 그 후, 제어 유닛 (12) 은 단계 S1 으로부터 다시 시퀀스를 시작할 수 있다.
만일 단계 S1 에서 내연 기관 (10) 에 수소를 공급하는 것이 필요하지 않다고 결정되면, 제어 유닛 (12) 은 인젝터 (2) 및 에어 펌프 (8) 를 제어하여 연료 전지 (5) 의 전력 발생을 위해 필요한 수소와 산소의 양이 애노드 (5a) 및 캐소드 (5b) 에 각각 공급되도록 할 수 있다(단계 S7). 이 경우, 제어 유닛 (12) 은 도 2A에 도시된 그래프를 참고하고, 도 2A에 도시된 그래프에 포함된 데이타를 사 용하여 에어 펌프 (8) 를 제어할 수 있다. 그 후, 제어 유닛 (12) 은 단계 S1 으로부터 다시 시퀀스를 시작할 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 비록 리포밍 유닛이 스팀 리포밍 반응에 필요한 수증기가 부족할지라도, 산소 공급의 비율은 리포밍 유닛 (3a) 내의 탄소 퇴적을 완전히 또는 적어도 실질적으로 억제하도록 증가된다.
도 6은 내연 기관 (10) 이 동작 중인 때 리포밍 유닛 (3a) 내의 탄소 퇴적을 억제, 바람직하게는 제거하기 위하여 사용될 수 있는 제어 유닛 (12) 의 또 다른 예시적인 제어 시퀀스의 흐름도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제어 유닛 (12) 은 내연 기관 (10) 에 수소를 공급하는 것이 필요한지 여부를 결정할 수 있다(단계 S11). 보다 상세하게는, 제어 유닛 (12) 은 내연 기관 (10) 이 고강도 또는 고속으로 회전하는지 여부에 기초하여 상기 단계 (단계 S1) 를 수행할 수 있다. 만일 단계 S11 에서 내연 기관 (10) 에 수소를 공급하는 것이 필요하다고 결정되면, 제어 유닛 (12) 은 내연 기관 (10) 에 공급될 수소의 양을 계산할 수 있다(단계 S12). 이 경우, 내연 기관 (10) 에 공급된 가솔린의 연소열이 내연 기관 (10) 에 공급된 수소의 연소열의 5배이도록 수소의 양이 계산될 수 있다.
다음에, 제어 유닛 (12) 은, 예를 들어 상술된 수소의 양 및 연료 전지 (5) 의 동작에 필요한 수소의 양에 기초하여 리포밍 유닛 (3a) 에 공급될 가솔린의 야을 계산할 수 있다(단계 S13). 그 후, 제어 유닛 (12) 은 애노드 (5a) 에서 소비된 수소의 양에 기초하여 캐소드 (5b) 로부터 리포밍 유닛 (3a) 으로 공급될 수증기의 양을 계산할 수 있다(단계 S14).
다음에, 제어 유닛 (12) 은, 예를 들어 캐소드 (5b) 에서 소비된 산소의 양 및 탄소가 리포밍 유닛 (3a) 내에 퇴적되지 않도록 하는데 필요한 산소의 양에 기초하여 에어 펌프 (8) 에 의해 캐소드 (5b) 에 공급될 공기의 양을 계산할 수 있다(단계 S15). 이 경우, 탄소가 퇴적되지 않도록 하는데 필요한 산소의 양은 도 4에 도시된 그래프에 포함된 데이타에 기초하여 계산될 수 있다.
그 후, 제어 유닛 (12) 은 단계 S13 에서의 계산 결과에 기초하여 인젝터 (2) 를 제어할 수 있고, 단계 S15 에서의 계산 결과에 기초하여 에어 펌프 (8) 를 제어할 수 있다(단계 S16). 이 경우, 제어 유닛 (12) 은 도 2A에 도시된 그래프를 참고하고 도 2A에 도시된 그래프에 포함된 데이타를 사용하여 에어 펌프 (8) 를 제어할 수 있다. 그 후, 제어 유닛 (12) 은 단계 S11 로부터 다시 시퀀스를 시작할 수 있다.
다음에, 제어 유닛 (12) 은 유량 제어 밸브 (9) 및 인젝터 (11) 를 제어하여 내연 기관 (10) 에 공급된 수소와 가솔린 사이의 비율이 소정 값에 도달할 수 있도록 한다(단계 S17). 이 경우, 유량 제어 밸브 (9) 및 인젝터 (11) 는 내연 기관 (10) 에 공급될 가솔린의 연소열이 내연 기관 (10) 에 공급될 수소의 연소열의 5배가 되도록 제어될 수 있다. 그 후, 제어 유닛 (12) 은 내연 기관 (10) 의 공연비를 제어하여 공기 초과 계수 (λ) 가 약 2에 도달하도록 할 수 있다. 그 후, 제어 유닛 (12) 은 단계 S11 로부터 다시 시퀀스를 시작할 수 있다.
만일 단계 S11 에서 내연 기관 (10) 에 수소를 공급할 필요가 없다고 결정되면, 제어 유닛 (12) 은 인젝터 (2) 및 에어 펌프 (8) 를 제어하여 연료 전지 (5) 의 전력 발생을 위해 필요한 수소와 산소의 양이 애노드 (5a) 및 캐소드 (5b) 에 각각 공급되도록 한다(단계 S19). 이 경우, 제어 유닛 (12) 은 도 2A에 도시된 그래프를 참고하고, 도 2A에 도시된 그래프에 포함된 데이타를 사용하여 에어 펌프 (8) 를 제어할 수 있다.
다음에, 제어 유닛 (12) 은 유량 제어 밸브 (9) 를 제어하여 수소의 공급이 중단되도록 한다(단계 S20). 그 후, 제어 유닛 (12) 은 수소가 내연 기관 (10) 에 공급되지 않은 때에 미리 작성된 베이스 맵을 참고하여 내연 기관 (10) 내의 공연비를 제어할 수 있다(단계 S21). 그 후, 제어 유닛 (12) 은 단계 S11 로부터 다시 시퀀스를 시작할 수 있다.
상술된 바와 같이, 공연비는 높은 열 효율의 연소가 달성될 수 있도록, 내연 기관 (10) 에 공급된 수소의 양에 기초하여 제어될 수 있다. 게다가, 비록 리포밍 유닛 (3a) 이 스팀 리포밍 반응을 위한 수증기가 부족하다 할지라도 산소 공급의 비율은 리포밍 유닛 (3a) 내의 탄소 퇴적이 억제, 바람직하게는 제거될 수 있도록 증가된다.
상술된 예시적인 실시형태에 있어서, 개질 가스 생성기 (3) 는 리포머에 대응할 수 있고, 애노드 오프 가스 및 캐소드 오프 가스는 배출가스에 대응할 수 있고, 인젝터 (2) 는 연료 공급부에 대응할 수 있고, 에어 펌프 (8) 는 산소 공급부에 대응할 수 있고, 내연 기관 (10) 은 동력 출력부에 대응할 수 있고, 유량 제어 밸브 (9) 는 개질 가스 공급부에 대응할 수 있고, 제어 유닛 (12) 은 결정부 및 제어기에 대응할 수 있다.
상술된 예시적인 실시형태는 동력 출력 유닛으로서 가솔린 엔진에 사용되는 내연 기관 (10) 을 채용한다. 대신, 예를 들어 수소 연소 터빈 등의 또 다른 내연 또는 연료로서 수소를 사용하는 외연기관을 사용하는 것이 가능하다. 예시적인 실시형태에 있어서, 연료 전지 (5) 로서 사용된 수소 투과막 연료전지는 고체 산화물 연료전지 등의 또 다른 타입의 연료전지로 대체될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 리포밍 유닛 (3a) 에서의 스팀 리포밍 반응을 위하여 애노드 오프 가스에 포함된 수증기를 사용하는 것이 가능하다. 또한, 예시적인 실시형태에서 탄화수소 연료로서 사용된 가솔린은 천연 가스 또는 메탄올 등의 또 다른 탄화수소 연료로 대체될 수 있다.
다음의 설명을 통하여 다수의 특정 개념 및 구조가 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위하여 설명된다. 본 발명은 이들 모든 특정의 개념 및 구조를 사용하지 않고 실시될 수 있다. 다른 예들에서, 본 발명을 강조하기 위하여, 공지의 요소들은 도시되지 않거나 상세히 설명되지 않았다.
본 발명의 하나 이상의 형태에 따른 연료전지 시스템은 연료 전지, 리포머, 연료 공급부, 산소 공급부, 동력 출력부, 개질 가스 공급부, 결정부 및 제어기를 포함할 수 있다. 연료 전지는 수소와 산소의 반응에 의해 전력을 발생시킬 수 있다. 리포머는 스팀 리포밍 반응 및 부분 산화 반응을 통하여 연료전지의 배출가스 및 탄화수소 연료로부터 수소를 함유하는 개질 가스를 생성시킬 수 있다. 연료 전지의 배출가스는 스팀을 포함한다. 리포머는 개질 가스를 연료전지에 공급할 수 있다. 연료 공급부는 리포머에 탄화수소 연료를 공급하고, 산소공급 부는 리포머에 산소 함유 가스를 공급할 수 있다. 동력 출력부는 개질 가스 및/또는 탄화수소 연료의 적어도 일부에 의해 구동될 수 있다. 개질 가스 공급부는 동력 출력부에 개질 가스를 공급할 수 있다. 결정부는 스팀 리포밍 반응에 필요한 스팀이 배출가스에 포함되어 있는지 여부를 결정할 수 있다. 만일 결정부가 스팀 리포밍 반응에 필요한 스팀이 배출가스에 포함되어 있지 않다고 결정하면, 제어기는 산소 공급부 및 연료 공급부를 제어할 수 있고 리포머에 공급되는 산소의 비율을 증가시킨다. 즉, 개질 가스가 동력 출력부에 공급되면 더욱 많은 산소가 리포머에 공급된다.
예시적인 실시형태에 있어서, 산소는 산소 공급부에 의해 리포머로 공급될 수 있고, 배출가스는 연료전지로부터 리포머에 공급될 수 있다. 탄화수소 연료는 예시적인 실시형태에서 연료 공급부에 의해 리포머로 공급될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 수소를 함유하는 개질 가스는 스팀 리포밍 반응과 부분 산화 반응을 통하여 리포머에 의해 생성된다. 예시적인 실시형태에서, 스팀 리포밍 반응과 부분 산화 반응은 각각 산소 공급부, 연료 전지 및 연료 공급부에 의해 공급된 산소, 배출가스 및 탄화수소 연료를 사용할 수 있다. 예시적인 실시형태에 있어서, 필요한 양의 개질 가스가 개질 가스 공급부에 의해 동력 출력부로 공급될 수 있다.
예시적인 실시형태에 있어서, 스팀 리포밍 반응에 필요한 충분한 양의 스팀이 배출가스에 포함되어 있는지 여부가 결정될 수 있다. 만일 스팀 리포밍 반응에 필요한 스팀의 양이 배출가스에 포함되어 있지 않다고 결정되면, 산소 공급부 및 연료 공급부는 제어기에 의해 제어되어 리포머에 공급되는 산소의 비율이 개질 가스가 동력 출력부에 공급되지 않을 때 공급되는 산소의 양보다 더 높도록 할 수 있다.
예시적인 실시형태에 있어서, 비록 리포밍 유닛이 스팀 리포밍 반응에 필요한 수증기가 부족하더라도, 산소 공급의 비율은 부분 산화 반응을 통하여 리포머 내의 탄소 퇴적을 억제, 바람직하게는 방지하도록 증가된다. 실시형태에 있어서, 연료 전지에서 배출된 배출 가스에 포함된 스팀은 스팀 리포밍 반응 및 부분 산화 반응에 사용될 수 있다. 따라서, 또 다른 산소 공급부 및 또 다른 수증기 공급부를 제공하는 것이 필요하지 않다. 따라서, 연료전지 시스템을 소형화하는 것이 가능하다.
실시형태에 있어서, 산소 공급부는 리포머에 연료 전지의 캐소드에서 배출된 캐소드 오프 가스를 공급할 수 있다. 이 경우, 캐소드 반응에 사용되지 않은 공기는 부분 산화 반응에 사용될 수 있다. 따라서, 또 다른 산소 공급부를 제공하는 것이 필요하지 않다. 따라서, 연료 전지 시스템을 소형화하는 것이 가능하다.
예시적인 실시형태에 있어서, 연료 전지의 전해질은 양성자 전도성을 가질 수 있고 스팀을 포함하는 연료전지의 배출가스는 연료전지로부터의 캐소드 오프 가스일 수 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 물이 연료전지의 캐소드에서 발생되고, 많은 양의 물 또는 스팀이 캐소드 오프 가스에 포함된다. 따라서, 산소 공급부에 의해 리포머에 산소와 스팀의 양자를 공급하는 것이 가능하다. 따라서, 또 다른 수증기 공급부를 제공하는 것이 필요하지 않다. 따라서, 연료 전지 시스템을 소형화하는 것이 가능하다.
예시적인 실시형태에 있어서, 동력 출력부는 개질 가스 및/또는 탄화수소 연료 의 적어도 일부 및 공기로부터 연료-공기 혼합물을 생성할 수 있고, 연료-공기 혼합물을 연소시키는 내연기관일 수 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 본 발명의 하나 이상의 형태에 따른 연료 전지 시스템을 하이브리드 자동차 등에 적용하는 것이 가능하다. 따라서, 하이브리드 자동차의 동작 조건에 기초하여 동력을 선택하는 것에 의해 열 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
예시적인 실시형태에 있어서, 제어기는 동력 출력부에 공급되는 개질 가스의 양에 기초하여 희박 연소를 가지도록 동력 출력부를 제어할 수 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 희박 연소 한계가 수소 가스 공급에 기초하여 확대될 수 있다. 따라서, 탄화수소 연료 소비가 감소되고, 산화 질소의 배출량이 감소된다.
본 발명은 상기 대략적으로 설명된 예시적인 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 공지된 또는 현재 알려지지 않은 또는 알려질 수 없는 다양한 대안적인 예, 수정예, 변형예, 개선예 및/또는 실질적인 동등예가 적어도 이 기술분야에 통상의 지식을 가진 자들에게는 명확하게 될 수 있다. 따라서, 상술된 본 발명의 예시적인 실시형태는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시하는 것으로 의도된다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 여러가지 변경이 행해질 수 있다. 따라서, 제출된 그리고 보정될 수도 있는 청구항들은 모든 공지된 또는 이후에 개발되는 대안예, 수정예, 변형예, 개선예 및/또는 실질적인 동등예를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 연료전지 시스템으로서,
    수소와 산소의 반응을 통하여 전력을 생성하는 연료 전지,
    스팀 리포밍 반응 및 부분 산화 반응 통하여 스팀을 포함하는 연료전지의 배출가스 및 탄화수소 연료로부터 수소를 포함하는 개질 가스를 생성하고, 개질 가스를 연료 전지에 공급하는 리포머,
    상기 리포머에 탄화수소 연료를 공급하는 연료 공급부,
    상기 리포머에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 공급부,
    상기 개질 가스 및 탄화수소 연료 중 적어도 하나의 적어도 일부에 의해 구동되는 동력 출력부,
    상기 동력 출력부로 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급부,
    스팀 리포밍 반응에 필요한 스팀의 양이 배출가스에 포함되어 있는지 여부를 결정하는 결정부, 및
    만일 상기 결정부가 스팀 리포밍 반응에 필요한 스팀의 양이 배출가스에 포함되어 있지 않다고 결정하면, 상기 리포머에 공급된 산소의 비율이 상기 개질 가스가 상기 동력 출력부에 공급되지 않는 경우에 비하여 증가하도록 상기 산소 공급부 및 상기 연료 공급부를 제어하는 제어기를 포함하는, 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산소 공급부는 상기 리포머에 연료 전지의 캐소드로부터 배출된 캐소드 오프 가스를 공급하는, 연료전지 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료 전지의 전해질은 양성자 전도성을 갖고, 스팀을 포함하는 상기 연료 전지의 배출가스는 상기 연료 전지로부터의 캐소드 오프 가스인, 연료전지 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동력 출력부는 상기 개질 가스 및 상기 탄화수소 연료 중 적어도 하나의 적어도 일부와 공기로부터 연료-공기 혼합물을 생성하고, 상기 연료-공기 혼합물을 연소시키는 내연기관인, 연료전지 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 동력 출력부에 공급된 상기 개질 가스의 양에 기초하여 희박 연소를 갖도록 상기 동력 출력부를 제어하는, 연료전지 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 수소 투과막 연료 전지인, 연료전지 시스템.
  7. 연료 전지 및 연소 기관을 포함하는 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법으로서,
    수소가 상기 연료전지 시스템의 연소 기관에 공급되어야 하는지 여부를 결정하는 단계를 포함하고,
    만일 수소가 상기 연소 기관에 공급되어야 한다고 결정되면,
    상기 연소 기관에 공급되어야 하는 수소의 양을 계산하는 단계,
    공급되어야 하는 수소의 계산된 양에 기초하여 상기 연료전지 시스템의 리포밍 유닛에 공급될 탄화수소 연료의 양을 계산하는 단계,
    상기 연료 전지에 의해 소비된 수소의 양에 기초하여 상기 연료전지 시스템의 상기 리포밍 유닛에 공급될 수증기의 양을 계산하는 단계,
    상기 연료 전지에 의해 사용된 산소의 양에 기초하여 상기 리포밍 유닛에 공급될 공기의 양을 계산하는 단계, 및
    상기 계산 단계들의 결과에 기초하여 상기 연료전지 시스템의 인젝터 및 상기 연료전지 시스템의 에어 펌프 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하고,
    만일 수소가 연소 기관에 공급되지 않아야 한다고 결정되면,
    연료 전지에 수소와 산소를 공급하도록 상기 인젝터와 상기 에어 펌프를 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 제어하는 단계는 수소가 상기 연소 기관에 공급되지 않아야 한다고 결정된 때보다 수소가 상기 연소 기관에 공급되어야 한다고 결정된 때에 상기 연료 전지로 더 많은 양의 공기가 펌핑되도록 하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    수소가 상기 연료전지 시스템의 연소 기관에 공급되어야 하는지 여부를 결정하는 단계는 상기 연소 기관의 동작 상태를 결정하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 연소 기관에 공급되어야 하는 수소의 양을 계산하는 단계는 상기 연소 기관에 공급된 수소의 양의 값의 약 5배인 값을 갖는 연소열의 양을 발생시킬 수소의 양을 결정하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기의 양을 계산하는 단계는 상기 연료 전지의 캐소드에서 사용된 산소의 양을 결정하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  11. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템의 인젝터 및 상기 연료전지 시스템의 에어 펌프 중 적 어도 하나를 제어하는 단계는 공기 초과 계수가 약 2에 도달하도록 상기 연소 기관 내의 공연비를 제어하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  12. 제 7항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리포밍 유닛에 공급된 탄화수소 연료 내의 탄소에 대한 상기 리포밍 유닛에 공급될 수증기의 몰비는 1.5 이상인, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  13. 제 7항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템의 인젝터 및 상기 연료전지 시스템의 에어 펌프 중 적어도 하나를 제어하는 단계는 상기 리포밍 유닛에 공급된 수증기의 양이 상기 리포밍 유닛에 공급되는 탄화수소 연료의 양보다 더 크도록 하는 방식으로 상기 인젝터와 상기 에어 펌프를 제어하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  14. 연료 전지 및 연소 기관을 포함하는 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법으로서,
    수소가 상기 연료전지 시스템의 연소 기관에 공급되어야 하는지 여부를 결정하는 단계를 포함하고,
    만일 수소가 상기 연소 기관에 공급되어야 한다고 결정되면,
    상기 연소 기관에 공급되어야 하는 수소의 양을 계산하는 단계,
    공급되어야 하는 수소의 계산된 양에 기초하여 상기 연료전지 시스템의 리포밍 유닛에 공급될 탄화수소 연료의 양을 계산하는 단계,
    상기 연료 전지에 의해 소비된 수소의 양에 기초하여 상기 연료전지 시스템의 상기 리포밍 유닛에 공급될 수증기의 양을 계산하는 단계,
    상기 연료 전지에 의해 사용된 산소의 양에 기초하여 상기 리포밍 유닛에 공급될 공기의 양을 계산하는 단계,
    상기 계산 단계들의 결과에 기초하여 상기 연료전지 시스템의 인젝터 및 상기 연료전지 시스템의 에어 펌프 중 적어도 하나를 제어하는 단계, 및
    상기 엔진에 공급되는 수소의 비율이 소정의 값과 동일하도록 하는 방식으로 상기 연료전지 시스템의 유량 제어 밸브를 제어하는 단계를 포함하고,
    만일 수소가 연소 기관에 공급되지 않아야 한다고 결정되면,
    연료 전지에 수소와 산소를 공급하도록 상기 인젝터와 상기 에어 펌프를 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 제어하는 단계는 수소가 상기 연소 기관에 공급되지 않아야 한다고 결정된 때보다 수소가 상기 연소 기관에 공급되어야 한다고 결정된 때에 상기 연료 전지로 더 많은 양의 공기가 펌핑되도록 하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    수소가 상기 연료전지 시스템의 연소 기관에 공급되어야 하는지 여부를 결정하는 단계는 상기 연소 기관의 동작 상태를 결정하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 연소 기관에 공급되어야 하는 수소의 양을 계산하는 단계는 상기 연소 기관에 공급된 수소의 양의 값의 약 5배인 값을 갖는 연소열의 양을 발생시킬 수소의 양을 결정하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  17. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기의 양을 계산하는 단계는 상기 연료 전지의 캐소드에서 사용된 산소의 양을 결정하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  18. 제 14항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템의 인젝터 및 상기 연료전지 시스템의 에어 펌프 중 적어도 하나를 제어하는 단계는 공기 초과 계수가 약 2에 도달하도록 상기 연소 기관연소 기관비를 제어하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제 하는 방법.
  19. 제 14항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리포밍 유닛에 공급된 탄화수소 연료 내의 탄소에 대한 상기 리포밍 유닛에 공급될 수증기의 몰비는 1.5 이상인, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
  20. 제 14항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계산 단계들의 결과에 기초하여 상기 연료전지 시스템의 인젝터 및 상기 연료전지 시스템의 에어 펌프 중 적어도 하나를 제어하는 단계는 소정의 참조 표를 사용하여 상기 인젝터와 상기 에어 펌프의 양자를 제어하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템 내의 탄소 퇴적을 억제하는 방법.
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