KR20080019257A

KR20080019257A - 연료전지시스템, 연료전지시스템의 가스누출검지방법 및이동체

Info

Publication number: KR20080019257A
Application number: KR1020077030847A
Authority: KR
Inventors: 나오히로 요시다
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-03-03
Also published as: JP5013037B2; WO2007004719A1; CN101213699B; CN101213699A; US20090239105A1; DE112006001772B4; KR100960971B1; DE112006001772T5; JP2007012535A; US8173315B2

Abstract

연료전지시스템의 가스 누출을 검지하는 정확성이 개선된다. 상기 연료전지시스템(10)에는 반응가스가 공급되어 전력을 발생시키는 연료전지(20) 및 상기 연료전지(20)에 연결된 가스로(연료가스공급로(31) 및 연료가스순환로(32))가 제공된다. 상기 가스로에는 복수의 인접하는 폐공간들이 형성된다. 상기 연료전지시스템에는, 적어도 일 폐공간의 하류에 인접하는 타 폐공간에서 압력이 감소되는 상태에서, 가스 누출 검지를 행한 일 폐공간 내의 가스 누출을 검지하는 검지수단(제어부(50))도 제공된다.

Description

연료전지시스템, 연료전지시스템의 가스누출검지방법 및 이동체{FUEL BATTERY SYSTEM, METHOD FOR DETECTING GAS LEAKAGE IN SUCH SYSTEM, AND MOBILE OBJECT}

본 발명은 연료전지시스템, 상기 시스템의 가스 누출을 검지하는 방법 및 이동체에 관한 것이다.

현재, 반응가스(연료가스 및 산화제가스)의 전기화학반응에 의해 전력을 발생시키는 연료전지시스템이 제안되어 실제로 사용되고 있다. 이러한 연료전지시스템에 있어서는, 반응가스용 가스통로에서의 가스 누출을 신속하면서도 정확하게 검지하는 것이 매우 중요하다.

예를 들어, 일본특허출원공개공보 제2003-308866호에는, 연료전지의 전기 부하가 작을 때, 상기 연료전지의 발전이 정지되고, 연료전지시스템의 가스순환공급시스템에 소정의 폐공간이 형성되어, 이러한 폐공간의 압력 상태를 토대로 연료가스의 누출이 검지되는 기술이 제안되어 있다.

또한, 일본특허출원공개공보 제2004-170321호에는, 연료전지시스템의 가스순환공급시스템에 형성된 폐공간의 상류측의 압력이 상기 폐공간보다 높게 설정되고, 상기 공간의 하류측의 압력이 폐공간보다 낮게 설정되어, 상기 폐공간의 압력 변화 에 기초한 이러한 상태에서 연료가스의 누출이 검지되는 기술이 제안되어 있다.

일본특허출원공개공보 제2003-308866호에서는, 폐공간의 압력 상태를 토대로 가스 누출이 검지되지만, 연료전지의 발전이 정지되는 경우에도, 잠시 동안 반응가스가 가스통로를 통과한다. 그러므로, 상기 가스통로 내의 여하한의 가스 누출이 없는 경우에도, 상기 폐공간의 압력 변화가 발생할 수도 있다.

또한, 일본특허출원공개공보 제2003-308866호에서는, 가스 누출이 검지되는 경우, 상기 가스통로 내에 폐공간이 형성되어야 하지만, 이 폐공간은 시스템에 따라 확실하게 형성될 수 없을 수도 하다. 이러한 경우, 가스가 검지대상으로서 폐공간 안으로 유동하기 때문에, 검지대상으로서 상기 폐공간 내의 압력 상태가 변하여, 가스 누출의 검지가 방해를 받는다.

나아가, 일본특허출원공개공보 제2004-170321호에서는, 폐공간의 압력이 기설정된 압력보다 낮게 되는 경우, 상기 폐공간의 하류측의 밸브에서 또는 상기 밸브가 아닌 폐공간의 파이프에서 가스 누출이 발생되었는 지의 여부를 특정할 수 없게 된다.

상술된 바와 같이, 폐공간 내의 압력 상태에만 기초한 가스누출검지시스템에서는, 부정확한 검지의 문제와 누출부가 특정될 수 없다는 문제점이 있어 왔다.

본 발명은 상술된 사정의 관점에서 개발되었으며, 연료전지시스템에서의 가스누출검지의 정확성을 개선하는 데 목적이 있다.

상술된 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은, 반응가스가 공급되어 전력을 발생시키는 연료전지; 상기 연료전지와 연통되는 가스통로; 상기 가스통로의 중간에 배치되어, 상기 가스통로에 복수의 인접하는 폐공간을 형성하는 복수의 밸브; 가스누출검지대상으로서 제1폐공간의 압력을 검출하는 제1압력센서; 상기 제1폐공간의 하류측에 인접하는 제2폐공간의 압력을 검출하는 제2압력센서; 및 상기 제2폐공간의 압력이 상기 제1폐공간의 압력 아래로 저하된 상태에서, 상기 제1압력센서의 압력검출결과 및 상기 제2압력센서의 압력검출결과를 토대로, 상기 제1폐공간에서의 가스 누출을 검지하기 위한 검지수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, 가스누출검지대상으로서 제1폐공간의 압력저하(압력변화)뿐만 아니라, 하류측에서의 제1폐공간에 인접하는 제2폐공간의 압력상승(압력변화)도 상기 제1폐공간의 가스누출모드로서 검출될 수 있기 때문에, 상기 제1폐공간의 일부분을 형성하는 가스통로관의 벽면의 크랙으로 인한 가스 누출(외부 누출)뿐만 아니라, 상기 가스통로의 제1폐공간을 형성하기 위한 밸브(실링수단)의 밸브폐쇄이상(예컨대, 시일불량)으로 인한 제2폐공간으로의 가스 누출(내부 누출)도 검지할 수 있다. 그러므로, 제1폐공간 내의 압력 상태만을 토대로 가스 누출을 검지하기 위한 종래의 가스 누출 검지 시스템만이 채택되는 경우에 비해, 가스 누출 검지의 정확성이 개선될 수 있다.

여기서, "반응가스"는 연료전지로 공급될 연료가스뿐만 아니라 연료전지로 공급될 산화제가스도 포함하는 것을 의미한다. 상기 "가스통로"는 연료전지로 공급될 반응가스의 가스공급통로, 가스순환통로 및 가스배출통로 중 하나 이상이다. 가스누출검지의 대상으로서 가스통로는 연료가스측의 가스통로 및 산화제가스측의 가스통로 중 하나 이상이거나, 또는 그들 양자 모두일 수도 있다. 그러므로, 상술된 구성에서, "제1폐공간에서의 가스 누출을 검지하는 것"은 연료가스측 및 산화제가스측의 가스통로들의 영역의 적어도 일부분에서 가스 누출이 검지된다는 것을 의미한다. 상기 "가스 누출"은 가스통로를 따라 배치된 밸브의 이상(예컨대, 고장), 파이프에 대한 손상 등으로 인해 제1폐공간에 대한 가스통로로부터 가스가 누출한다는 것을 의미한다는 점에 유의한다.

예를 들어, 상기 검지수단은 상기 제1폐공간의 압력감소값이 기설정된 임계값 이상이고 상기 제2폐공간의 압력상승값이 기설정된 임계값 이상인 경우, 상기 제1폐공간과 상기 제2폐공간 사이에 배치된 밸브로부터의 가스 누출을 검지하는 것을 특징으로 한다.

상기 시스템은 또한 상기 제2폐공간의 하류측에 인접하는 제3폐공간에 배치된 제3압력센서를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 검지수단은 상기 제1폐공간의 압력감소값이 기설정된 임계값 이상이고 상기 제2폐공간의 압력상승값이 기설정된 임계값 미만인 경우, 상기 제3폐공간의 압력이 상기 제2폐공간의 압력 아래로 저하된 상태에서, 상기 제1폐공간과 상기 제2폐공간을 포함하는 새로운 폐공간의 압력검출결과에 기초하여, 상기 밸브 이외의 상기 제1폐공간으로부터의 가스 누출을 검지하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, 가스누출검지대상으로서 제1폐공간의 하류측에 인접하는 제2폐공간의 압력이 상승하는 경우, 두 폐공간들이 서로 연통하도록 허용되어, 가스 누출(이상)이 하나의 폐공간으로부터 검지될 수 있으므로, 전체 시스템에 있어서 가스 누출이 쉽고도 신속하게 검지될 수 있다.

또한, 연료시스템에 있어서, 상기 검지수단은 1 이상의 압력감소값을 포함하는 폐공간의 가스 누출을 검지하도록 구성된다.

나아가, 본 발명에 따른 이동체는 상기 연료전지시스템을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성이 채택되는 경우, 가스 누출 검지의 정확성이 높은 연료전지시스템이 배치되기 때문에, 이동체의 안전성이 개선될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 가스 누출 검지 방법은, 반응가스가 공급되어 전력을 발생시키는 연료전지 및 상기 연료전지와 연통되는 가스통로를 포함하고, 상기 가스통로에 복수의 인접하는 폐공간이 형성되는 연료전지시스템에서의 가스 누출을 검지하는 방법으로서, 상기 방법은 가스누출검지대상으로서 1 이상의 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력을 일 폐공간의 압력 아래로 저하시키는 제1공정; 상기 일 폐공간 내의 기설정된 시간 동안의 압력감소값이 기설정된 임계값 이상인 지의 여부를 판정하는 제2공정; 및 상기 제2공정에서 긍정적인 판정이 내려지는 경우, 상기 타 폐공간의 압력이 상승되었는 지의 여부를 판정하는 제3공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이러한 방법에 따르면, 가스 누출 검지 대상으로서 1 이상의 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력이 일 폐공간의 압력 미만으로 낮아진 상태에서, 상기 일 폐공간의 압력 상태의 판정(기설정된 시간 동안 압력감소값이 기설정된 임계값 이상인 지의 여부를 판정) 및 타 폐공간의 압력 상태의 판정(상기 압력이 상승되었는 지의 여부를 판정)이 이루어져, 상기 일 폐공간의 가스 누출이 쉽고도 확실하게 검지될 수 있게 된다. 즉, 일 폐공간의 압력 상태가 이상일 때(기설정된 시간 동안의 압력감소값이 기설정된 임계값 이상인 경우), 그리고 상기 일 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력 상태가 정상일 때(압력 상승이 없는 경우), 상기 일 폐공간의 가스관의 벽면의 크랙 등으로 인해 가스 통로로부터의 가스 누출이 발생된 것으로 판정될 수 있다. 다른 한편으로, 타 폐공간의 압력 상태가 이상일 때에는(압력 상승시), 상기 폐공간을 형성하는 밸브(실링수단)의 밸브폐쇄이상으로 인해 일 폐공간으로부터 타 폐공간으로의 가스 누출, 즉 가스 통로에서의 가스 누출이 발생한 것으로 판정될 수 있다. 그러므로, 가스 누출 검지의 정확성이 개선될 수 있게 된다.

연료전지시스템의 가스 누출을 검지하는 방법에 있어서, 상기 제3공정에서 긍정적인 판정이 내려지면, 일 폐공간과 타 폐공간을 포함하는 새로운 폐공간이 설정되어, 상기 제1공정 내지 제3공정을 반복하게 되는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 일 폐공간 내의 압력 상태가 이상이고(기설정된 시간 동안의 압력감소값이 압력 임계값 이상이면), 일 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력 상태가 이상이면(압력 상승이 있으면), 두 폐공간이 서로 연통되도록 허용되어, 일 폐공간으로부터 가스 누출(이상)이 검지될 수 있게 된다. 그러므로, 전체 시스템에 있어서 가스 누출이 쉽고도 신속하게 검지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지시스템의 일 구성예를 도시한 블럭도;

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 시스템제어캐패시터의 메인 루틴을 도시한 도면;

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 시스템제어의 시스템 기동 시의 가스누출판정처리순서를 도시한 도면;

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 시스템제어의 통상발전제어순서를 도시한 도면;

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 시스템제어의 부하구동판정제어순서를 도시한 도면;

도 6 내지 도 25는 본 발명의 제1실시예에 따른 시스템제어의 가스누출판정처리순서를 도시한 도면;

도 26 및 도 27은 본 발명의 제1실시예에 따른 시스템제어의 보조기계제어순서를 도시한 도면;

도 28은 본 발명의 제1실시예에 따른 시스템제어의 시스템정지처리순서를 도시한 도면;

도 29는 본 발명의 제1실시예에 따른 시스템제어의 이상정지처리순서를 도시한 도면;

도 30 내지 도 34는 본 발명의 제2실시예에 따른 시스템제어의 가스누출판정처리순서를 도시한 도면이다.

(제1실시예)

다음으로, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예를 도면들을 참조하여 설명하기로 한다. 후술하는 실시예는 단지 본 발명의 일 구성예로서, 본 발명이 이 실시예로 국한되는 것은 아니라 적용가능하다.

우선, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템(10)의 구성을 도 1을 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시예에 있어서는, 연료전지시스템(10)이 연료전지차량(연료전지하이브리드자동차; FCHV) 상에 탑재될 발전시스템으로 사용되고 있지만, 상기 시스템은 차량이 아닌 이동체(예컨대, 선박, 비행기, 로봇 등) 상에 탑재될 발전시스템 또는 고정발전시스템으로서 사용될 수도 있는 일 예시를 설명하기로 한다.

상기 연료전지시스템(10)은 연료전지(20), 상기 연료전지(20)에 연결된 연료가스공급시스템과 산화제가스공급시스템 및 상기 연료전지(20)를 냉각시키는 냉각시스템을 포함한다. 상기 연료전지(20)는 복수의 전지가 적층되는 스택 구조를 포함하고, 예컨대 고체중합체전해연료전지 등으로 구성된다.

상기 연료전지(20)에 연결되는 연료가스공급시스템은 일반적으로 연료가스를 연료전지(20)로 공급하기 위해 경로를 따라 배치된 가스관, 밸브 등을 말한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 연료가스공급원(30), 연료가스공급로(31), 연료가스순환로(32) 및 애노드오프가스통로(33)를 포함한다. 상기 연료가스공급로(31), 연료가스순환로(32) 및 애노드오프가스통로(33) 중 적어도 일부는 본 발명 의 가스통로의 일 실시예에 대응한다.

상기 연료가스공급원(30)은 고압수소탱크 또는 수소저장탱크와 같은 수소저장원, 리포밍 재료를 수소리치가스로 리포밍하는 리포밍유닛(reforming unit) 등으로 구성된다. 상기 연료가스공급로(31)는 연료가스공급원(30)으로부터 배출되는 연료가스를 연료전지(20)의 애노드극으로 안내하기 위한 가스통로이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 가스통로에는 상류측에서 하류측으로 순서대로 탱크밸브(H201), 고압조정기(H9), 저압조정기(H10), 수소공급밸브(H200) 및 FC입구밸브(H21)가 제공된다. 고압으로 압출되는 연료가스의 압력은 고압조정기(H9) 내의 중간 압력으로 감소되고, 저압조정기(H10)의 저압(통상운전압력)으로 더욱 감소된다. 고압조정기(H9) 및 저압조정기(H10)는 본 발명의 압력감소값의 일 실시예에 대응한다는 점에 유의한다.

상기 연료가스순환로(32)는 애노드극의 반응하지 않은 연료가스를 연료전지(20)로 재유동시키기 위한 재유동가스통로이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 통로에는 상류측에서 하류측으로 순서대로 FC출구밸브(H22), 수소펌프(63) 및 체크밸브(H52)가 제공된다. 상기 연료전지(20)로부터 배출되는 반응하지 않은 저압의 연료가스는 수소펌프(63)에 의해 적절하게 가압되고, 상기 연료가스공급로(31)로 안내된다. 상기 체크밸브(H52)는 연료가스공급로(31)로부터 연료가스순환로(32)로의 연료가스의 역류를 막는다. 애노드오프가스통로(33)는 연료전지(20)로부터 시스템의 외부로 배출되는 수소오프가스를 배출하기 위한 가스통로이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 통로에는 퍼지밸브(H51)가 제공된다.

상술된 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21), FC출구밸브(H22) 및 퍼지밸브(H51)는 가스통로(31 내지 33) 및 연료전지(20)에 대하여 연료가스를 공급 또는 차단하기 위한 셧밸브로서, 예컨대 전자기밸브로 구성된다. 이러한 전자밸브로는, 예컨대 온/오프밸브, 밸브 개방도가 PWM 제어 하에 선형으로 조정될 수 있는 리니어밸브 등이 바람직하다.

상기 FC입구밸브(H21), FC출구밸브(H22) 및 체크밸브(H52)는 생략될 수도 있음에 유의한다. 상기 수소공급밸브(H200)가 생략될 수도 있다.

상기 연료가스공급시스템은 고압부(탱크밸브(H201) 내지 수소공급밸브(H200)의 부분), 저압부(수소공급밸브(H200) 내지 FC입구밸브(H21)), FC부(스택입구밸브(H21) 내지 FC출구밸브(H22)) 및 순환부(FC출구밸브(H22) 내지 체크밸브(H52))의 4부분으로 구성된다. 본 실시예에서는, 각각의 부분(고압부, 저압부, FC부 및 순환부)에 대해 폐공간이 형성되고, 이들 각각의 폐공간에 대해 가스 누출 검지가 수행된다. 본 실시예에서는, 가스 누출이 소정의 폐공간에서 검지되는 경우, 폐공간과 상기 폐공간에 인접한 폐공간으로 구성된 새로운 폐공간에서 가스 누출 검지가 수행된다고 가정한다.

더욱이, 또다른 실시예로서, 상기 폐공간은 고압부와 저압부의 두 부분을 포함할 수도 있다. 이 경우의 저압부는 본 실시예의 저압부(수소공급밸브(H200) 내지 FC입구밸브(H21)), FC부 및 순환부로 구성된다.

각각의 부분에는 연료가스의 압력을 검출하는 압력센서(P6, P7, P9, P61, P5, P10 및 P11)가 제공된다. 상기 압력센서(P6)는 연료가스공급원(30)의 연료가스 공급압력을 검출한다. 상기 압력센서(P7)는 고압조정기(H9)의 2차 압력을 검출한다. 상기 압력센서(P9)는 저압조정기(H10)의 2차압력을 검출한다. 상기 압력센서(P61)는 연료가스공급로(31)의 저압부의 압력을 검출한다. 상기 압력센서(P5)는 스택입구의 압력을 검출한다. 상기 압력센서(P10)는 입력구측(상류측)의 수소펌프(63)의 압력을 검출한다. 상기 압력센서(P11)는 출력구측(하류측)의 수소순환펌프(63)의 압력을 검출한다. 상기 압력센서들의 위치와 개수는 밸브의 수(폐공간의 수)에 따라 적절하게 변경될 수도 있음에 유의한다.

연료전지(20)에 연결되는 산화제가스공급시스템은 일반적으로 연료전지(20)로 산화제가스를 공급하기 위한 경로에 따라 배치된 가스관, 밸브 등을 말한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 에어컴프레서(산화제가스공급원)(40), 산화제가스공급로(41) 및 캐소드오프가스채널(42)을 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 에어컴프레서(40)는 에어필터(61)를 통해 외부 공기로부터 포획된 공기를 압축하고, 상기 압축된 공기를 산화제가스로서 연료전지(20)의 캐소드극으로 공급한다. 연료전지(20)의 전지 반응을 겪은 산소오프가스는 캐소드오프가스채널(42)을 통과하여, 상기 시스템으로부터 배출된다. 상기 산소오프가스는 연료전지(20)에서의 전지 반응에 의해 생성되는 물을 함유하므로, 고도로 습식 상태를 가진다. 가습모듈(62)은 산화제가스공급로(41)를 통과하는 낮게 습식된 산화제가스와 캐소드오프가스채널(42)을 통과하는 고도로 습식된 산소오프가스 간의 수분 변화를 행하여, 상기 연료전지(20)로 공급될 산화제가스를 적절하게 가습하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지(20)로 공급될 산화제가스의 배압(back pressure)은 캐소드오프가스채널(42)의 캐소드 출구 주위에 배치된 압력조정밸브(A4)에 의해 조정된다. 하류측의 캐소드오프가스채널(42)은 산소오프가스를 희석유닛(64)으로 공급하기 위해 상기 희석유닛(64)과 연통된다. 상기 희석유닛(64) 또한 하류측의 애노드오프가스채널(33)과 연통되어 있고, 산소오프가스와 수소오프가스를 혼합 및 희석시킨 다음 상기 가스를 시스템으로부터 배출시키도록 구성되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지(20)를 냉각시키는 냉각시스템은 냉각수로(71), 순환펌프(C1), 라디에이터(C2), 바이패스밸브(C3) 및 열교환기(70)를 포함한다. 상기 순환펌프(C1)는 냉각수로(71)를 통해 연료전지(20)를 통과하는 냉각제를 순환시킨다. 상기 냉각수로(71)에는 여하한의 냉각제도 라디에이터(C2)를 통과시키지 않으면서 상기 냉각제를 열교환기(70)로 안내하는 바이패스채널(72)이 제공된다. 상기 라디에이터(C2) 내의 냉각제의 온도를 낮추기 위해 팬(C13)이 회전된다.

상기 열교환기(70)는 히터(70a)를 포함하고, 연료전지(20)로부터 전력 공급을 받아 상기 히터(70a)를 가열시킴으로써, 냉각제의 온도를 상승시킨다. 상기 연료전지(20)로부터 열교환기(70)로의 전력 공급은 릴레이(R1, R2)를 턴 온/오프시킴으로써 제어될 수 있다. 상류측의 라디에이터(C2)에는 바이패스밸브(C3)가 제공되고, 상기 바이패스밸브(C3)의 밸브 개방도가 조정되어, 라디에이터(C2) 및 열교환기(70)를 향해 유동하는 냉각제의 유량을 제어함으로써, 냉각제의 온도가 조정될 수 있게 되도록 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지(20)에서 발생되는 직류 전력의 일부분의 압력은 DC/DC 컨버터(53)에 의해 저감되고, 배터리(축전장치)(54)가 충전된다. 트랙션인버터(51) 및 보조인버터(52)는 연료전지(20) 및 배터리(54) 중 하나 또는 양자 모두로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환시켜, 교류 전력을 트랙션모터(M3) 및 보조모터(M4)로 각각 공급하게 된다. 상기 보조모터(M4)는 일반적으로 수소펌프(63)를 구동하는 모터(M2), 에어컴프레서(40)를 구동하는 모터(M1) 등을 말한다. 배터리(54) 대신에, 다양한 2차 전지(리튬 이온, 니켈 수소) 및 캐패시터들이 축전장치로서 사용될 수도 있음에 유의한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제어부(50)는 차량에 대해 가속화 요구를 검지하는 액셀러레이터센서(55)에 의해 검지되는 액셀레레이터 개방도, 차속센서(56)에 의해 검지되는 차속 등을 토대로 시스템요구파워(차량주행파워 및 보조기계파워의 합)를 획득하고, 상기 연료전지(20)의 출력 파워가 목표 파워와 일치하도록 연료전지시스템(10)을 제어한다. 구체적으로, 상기 제어부(50)는 공급될 산화제가스량을 조정하기 위해 에어컴프레서(40)를 구동시키는 모터(M1)의 회전수를 조정한다. 더욱이, 상기 제어부는 연료가스공급시스템의 각종 밸브의 개폐를 제어하고, 수소펌프(63)를 구동하는 모터(M2)의 회전수를 조정하여, 공급될 연료가스량을 조정하게 된다. 상기 제어부(50)는 또한 연료전지(20)의 동작점(출력 전압, 출력 전류)을 조정하도록 DC/DC 컨버터(53)를 제어하고, 상기 연료전지(20)의 출력 파워가 목표 파워와 일치하도록 조정한다.

더욱이, 상기 제어부(50)는 상기 연료가스공급시스템의 부분(고압부, 저압부, FC부 및 순환부)에 형성된 각각의 폐공간에 대한 연료 가스 누출을 검지한다. 이 경우, 상기 제어부(50)는 가스누출검지대상으로서 적어도 일 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력이 낮아진 상태에서 일 폐공간의 가스 누출을 검지한다. 가스누출검지대상으로서 일 폐공간의 하류측에서의 압력이 상승하는 경우, 상기 제어부(50)는 상기 일 폐공간과 상기 일 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간으로 구성된 새로운 폐공간의 가스 누출을 검지한다. 즉, 상기 제어부(50)는 본 발명의 검지수단의 일 실시예로서의 기능을 한다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템(10)의 제어부(50)에 의해 실행될 시스템제어를 도 2 내지 도 29를 참조하여 설명하기로 한다.

우선, 연료전지시스템(10)의 제어부(50)에 의해 실행될 시스템제어(메인 루틴)의 아웃라인을 도 2의 흐름도를 참조하여 설명한 다음, 도 3 내지 도 29의 흐름도를 참조하여 서브-루틴을 설명하기로 한다.

우선, 연료전지시스템(10)이 기동되면(S101; YES), 상기 제어부(50)는 연료가스공급시스템의 가스 누출을 판정한다(S102). 여기서, 여하한의 가스 누출이 없어 파워가 정상적으로 발생될 수 있는 것으로 판정되는 경우에는(S102; YES), 통상발전제어가 수행되고(S104), 그 후에 부하구동판정제어가 수행된다(S104'). 통상운전이 이러한 방식으로 계속되어, 기설정된 간헐운전기동조건들이 만족되면(S105; YES), 발전이 정지되고, 상기 제어부(50)는 연료가스공급시스템의 가스 누출을 판정한다(S106). 여기서, 간헐운전은 연료전지(20)의 발전이 공회전 시간, 저속주행 시간, 회생제동시간 등에서와 같이 저부하운전시간에 일시적으로 중지되는 운전모드이고, 상기 배터리(54)로부터 공급되는 전력으로 실행된다.

후속해서, 연료전지(20)가 발생될 전력의 잉여량을 가지는 경우, 보조기계의 전력 소비를 증가시키기 위해 보조기계제어가 수행된다(S107). 그 후, 시스템 정지가 수행되면(S108; YES), 상기 제어부(50)는 연료가스공급시스템의 가스 누출을 판정하고(S109), 시스템정지처리를 수행한다(S110). 가스 누출이 검지되면(S111; YES), 이상정지처리가 수행된다(S112). S107의 보조기계제어는 S104'의 부하구동판정제어 이후에 수행될 수도 있음에 유의한다.

다음으로, 각각의 서브-루틴을 설명하기로 한다. 도 3은 시스템의 기동 시에 가스누출판정처리순서(S102)를 도시한 흐름도이다. 이러한 가스누출판정처리순서가 호출되면, 상기 제어부(50)는 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22)를 개방하고, 연료가스를 연료가스공급로(31)를 통해 연료전지(20)로 공급한다(S201).

후속해서, 상기 제어부(50)는 연료가스공급시스템에 배치된 모든 압력센서(P5 내지 P6)의 압력값들이 기설정된 압력값(Pj1 내지 Pj7) 이상인 지의 여부를 판정한다(S202). 모든 압력센서(P5 내지 P6)가 기설정된 압력값(Pj1 내지 Pj7) 이상에 도달하고, 연료가스공급로(31) 및 연료가스순환로(32)의 압력들이 가스 누출 판정이 수행될 정도까지 상승하는 경우(S202; YES), 상기 제어부(50)는 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22)를 폐쇄시킨다(S203). 이러한 밸브들이 폐쇄되어, 상기 연료가스공급로(31) 및 연료가스순환 로(32)의 부분(고압부, 저압부, FC부 및 순환부)에 폐공간들이 형성된다.

폐공간들이 이러한 방식으로 형성될 때로부터 기설정된 시간(t1)이 경과한 다음(S204), 상기 제어부(50)는 압력센서(P5 내지 P6)의 압력값을 P5P 내지 P6P로 기억한다(S205). 나아가, 상기 폐공간들이 형성된 이후 기설정된 시간(t2)이 경과한 경우에는(S206), 상기 제어부(50)가 기설정된 시간(t2) 경과 이후 압력센서(P5 내지 P6)에 의해 검출된 압력값들과 기억된 압력값(P5P 내지 P6P)들 간의 차압(△P5 내지 △P6)을 연산한다(S207). 여기서, 획득된 차압(△P5 내지 △P6)은 기설정된 시간(t2-t1)의 압력저하량에 대응한다.

상기 제어부(50)는 각각의 차압(△P5 내지 △P6)이 기설정된 압력값(Pj8 내지 Pj14) 이상인 지의 여부를 판정한다(S208). 모든 차압(△P5 내지 △P6)이 기설정된 압력값(Pj8 내지 Pj14) 이하이면(S208; NO), 어떠한 가스 누출도 없는 것으로 여겨, 통상발전을 기동하도록 시스템 기동이 완료된다(S209). 다른 한편으로, 상기 차압(△P5 내지 △P6) 중 하나가 기설정된 압력값(Pj8 내지 Pj14) 이상이면(S208; YES), 상기 제어부(50)는 가스 누출이 발생한 것으로 판정한다(S210).

도 4는 통상발전제어순서(S104)를 도시한 흐름도이다. 이러한 통상발전제어순서가 호출되면, 상기 제어부(50)는 연료가스공급시스템의 밸브(탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22))들을 개방시킨다(S301). 후속해서, 상기 제어부는 액셀러레이터 개방도, 차속 등을 토대로 차량요구파워(시스템요구파워)를 산출하고(S302), 연료전지(20)의 출력 파워와 배터리(54)의 출력 파워 간의 비를 결정한다(S303). 상기 제어부(50)는 연료전지발전량-공기화학양론 맵(fuel battery generated power-air stoichiometric map)을 참조하여 모터(M1)의 회전수를 제어함으로써, 산화제가스가 원하는 유량으로 연료전지(20)에 공급되도록 한다(S304). 나아가, 상기 제어부(50)는 연료전지발전량-수소화학양론맵을 참조하여 모터(M2)의 회전수 및 상기 연료가스공급시스템의 각종 밸브를 제어함으로써, 연료가스가 원하는 유량으로 연료전지(20)에 공급되도록 한다(S305). 후속해서, 상기 제어부(50)는 연료전지발전량-연료가스퍼지빈도맵을 참조하여 퍼지밸브(H51)의 개폐를 제어한다(S306).

도 5는 통상발전제어순서의 종료 후에 실행될 부하구동판정제어순서(S104')를 도시한 흐름도이다. 이러한 부하구동판정제어순서가 호출되면, 상기 제어부(50)는 SOC-배터리온도맵 및 배터리센서(57)로부터 공급되는 검지 신호를 참조하여 배터리(54)에 의해 부하(모터(M1, M2)와 같은 파워소비장치)로 공급될 수 있는 파워의 양(배터리방전가능파워)(W3)을 산출한다(S11a). 후속해서, 상기 제어부(50)는 액셀러레이터 개방도, 차속 등을 토대로 차량요구파워(시스템요구파워)(PPW)를 산출하고(S21), 배터리방전가능파워(W3)가 차량요구파워(PPW) 이상인 지의 여부(즉, 시스템요구파워보다 적지 않은 파워가 배터리(54)로부터 부하로 공급될 수 있는 지의 여부)를 판정한다(S31). 제어부(50)가 긍정적인 결과를 획득할 수 있으면(S31; YES), 상기 제어부는 통상운전을 간헐운전으로 이동시킬 수 있어(S41), 배터리(54)만으로 부하를 구동시키는 것에 관한 제어를 기동한다. 다른 한편으로, 제어부(50)가 부정적인 결과를 획득할 수 있으면(S31; NO), 상기 제어부는 통상운전에서 간헐운전으로 이동하는 것을 금지하여(S51), 연료전지(20) 및 배터리(54)를 함께 사용 하여 부하를 구동시킨다. 상술된 통상발전제어순서 및 부하구동판정제어순서는 기설정된 간격으로 반복해서 실행된다.

도 6 내지 도 25는 간헐운전 또는 시스템 정지 동안의 가스누출판정처리순서(S106, S109)를 도시한 흐름도들이다. 이러한 가스누출판정처리순서가 호출되면, 상기 제어부(50)는 고압부의 압력 판정을 수행한다(S401). 상기 압력 판정은 각 부의 압력이 가스누출판정에 필요한 압력에 도달했는 지의 여부를 판정하는 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 우선 제어부(50)가 탱크밸브(H201)를 개방시킨다(S402). 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이고, 이 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되면(S403; YES), 상기 제어부는 탱크밸브(H201)를 폐쇄시킨다(S404). 다른 한편으로, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B)보다 낮거나, 또는 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이지만 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되지 않는 경우에는(S403; NO), 탱크밸브(H201)가 개방된 상태로 남아 있다(S405).

후속해서, 상기 제어부는 고압부와 저압부로 구성된 부(고/저압부)의 압력 판정을 제어한다(S406). 도 6에 도시된 바와 같이, 우선 제어부(50)가 탱크밸브(H201) 및 수소공급밸브(H200)를 개방시킨다(S407). 상기 압력센서(P6)에 의해 검지된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이고, 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되면(S408; YES), 상기 제어부는 탱크밸브(H201)를 폐쇄시킨다(S409). 다른 한편으로, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B)보다 낮거나, 또는 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계 값(P6B) 이상이지만 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되지 않는 경우에는(S408; NO), 탱크밸브(H201)가 개방된 상태로 남아 있다(S410).

후속해서, 상기 제어부는 고압부, 저압부 및 FC부로 구성된 부(고/저압FC부)의 압력 판정을 수행한다(S411). 도 7에 도시된 바와 같이, 우선 제어부(50)가 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200) 및 FC입구밸브(H21)를 개방시킨다(S412). 상기 압력센서(P6)에 의해 검지된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이고, 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되면(S413; YES), 상기 제어부는 탱크밸브(H201)를 폐쇄시킨다(S414). 다른 한편으로, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B)보다 낮거나, 또는 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이지만 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되지 않는 경우에는(S413; NO), 탱크밸브(H201)가 개방된 상태로 남아 있다(S415).

후속해서, 상기 제어부는 고압부, 저압부, FC부 및 순환부로 구성된 부(고/저압FC순환부)의 압력 판정을 수행한다(S416). 도 7에 도시된 바와 같이, 우선 제어부(50)가 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22)를 개방시킨다(S417). 상기 압력센서(P6)에 의해 검지된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이고, 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되면(S418; YES), 상기 제어부는 탱크밸브(H201)를 폐쇄시킨다(S419). 다른 한편으로, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B)보다 낮거나, 또는 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이지만 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되지 않는 경우에는(S418; NO), 탱크밸 브(H201)가 개방된 상태로 남아 있다(S420).

후속해서, 상기 제어부는 저압부와 FC부로 구성된 부(저압FC부)의 압력 판정을 수행한다(S421). 도 8에 도시된 바와 같이, 우선 제어부(50)가 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200) 및 FC입구밸브(H21)를 개방시킨다(S422). 상기 압력센서(P6)에 의해 검지된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이고, 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되면(S423; YES), 상기 제어부는 탱크밸브(H201) 및 수소공급밸브(H200)를 폐쇄시킨다(S424). 다른 한편으로, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B)보다 낮거나, 또는 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이지만 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되지 않는 경우에는(S423; NO), 탱크밸브(H201) 및 수소공급밸브(H200)가 개방된 상태로 남아 있다(S425).

후속해서, 상기 제어부는 저압부, FC부 및 순환부로 구성된 부(저압FC순환부)의 압력 판정을 수행한다(S426). 도 8에 도시된 바와 같이, 우선 제어부(50)가 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22)를 개방시킨다(S427). 상기 압력센서(P6)에 의해 검지된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이고, 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되면(S428; YES), 상기 제어부는 탱크밸브(H201) 및 수소공급밸브(H200)를 폐쇄시킨다(S429). 다른 한편으로, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B)보다 낮거나, 또는 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이지만 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되지 않는 경우에는(S428; NO), 탱크밸 브(H201) 및 수소공급밸브(H200)가 개방된 상태로 남아 있다(S430).

후속해서, 상기 제어부는 FC부와 순환부로 구성된 부(FC순환부)의 압력 판정을 수행한다(S431). 도 9에 도시된 바와 같이, 우선 제어부(50)가 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22)를 개방시킨다(S432). 상기 압력센서(P6)에 의해 검지된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이고, 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되면(S433; YES), 상기 제어부는 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200) 및 FC입구밸브(H21)를 폐쇄시킨다(S434). 다른 한편으로, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B)보다 낮거나, 또는 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 기설정된 임계값(P6B) 이상이지만 상태가 기설정된 밸브개방시간(ta)을 초과하여 유지되지 않는 경우에는(S433; NO), 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200) 및 FC입구밸브(H21)가 개방된 상태로 남아 있다(S435).

후속해서, 상기 제어부(50)는 고압부의 퍼지 판정을 수행한다(S436). 상기 퍼지 판정은 연료가스를 퍼징하는 지의 여부를 판정하는 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 우선 상기 제어부가 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력과 고압부의 목표압력(P6A) 간의 차압을 토대로 목표압력(P6A)과 고압부의 압력을 매칭시키는 데 필요한 연료가스소비량을 산출한다(S437). 후속해서, 상기 제어부는 한 퍼지 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 고압부의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출한다(S438). 상기 고압부의 압력과 목표압력(P6A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S439; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 고압부의 압 력이 목표압력(P6A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S440). 다른 한편으로, 상기 고압부의 압력과 목표압력(P6A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S439; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 고압부의 압력이 목표압력(P6A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S441).

후속해서, 상기 제어부는 저압부의 퍼지 판정을 수행한다(S442). 도 10에 도시된 바와 같이, 우선 상기 제어부가 압력센서(P61)에 의해 검출된 압력과 저압부의 목표압력(P61A) 간의 차압을 토대로 목표압력(P61A)과 저압부의 압력을 매칭시키는 데 필요한 연료가스소비량을 산출한다(S443). 후속해서, 상기 제어부는 한 퍼지 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 저압부의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출한다(S444). 상기 저압부의 압력과 목표압력(P61A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S445; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 저압부의 압력이 목표압력(P61A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S446). 다른 한편으로, 상기 저압부의 압력과 목표압력(P61A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S445; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 저압부의 압력이 목표압력(P61A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S447).

후속해서, 상기 제어부는 FC부의 퍼지 판정을 수행한다(S448). 도 11에 도시된 바와 같이, 우선 상기 제어부가 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력과 FC부의 목표압력(P5A) 간의 차압을 토대로 목표압력(P5A)과 FC부의 압력을 매칭시키는 데 필요한 연료가스소비량을 산출한다(S449). 후속해서, 상기 제어부는 한 퍼지 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 FC부의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출한 다(S450). 상기 FC부의 압력과 목표압력(P5A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S451; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 FC부의 압력이 목표압력(P5A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S452). 다른 한편으로, 상기 FC부의 압력과 목표압력(P5A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S451; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 FC부의 압력이 목표압력(P5A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S453).

후속해서, 상기 제어부는 순환부의 퍼지 판정을 수행한다(S454). 도 11에 도시된 바와 같이, 우선 상기 제어부가 발전을 금지한다(S455). 그 후, 상기 제어부가 한 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 순환부의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출하고(S456), 상기 순환부의 압력과 목표압력(P10A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S457; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 순환부의 압력이 목표압력(P10A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S458). 다른 한편으로, 상기 순환부의 압력과 목표압력(P10A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S457; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 순환부의 압력이 목표압력(P10A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S459).

후속해서, 상기 제어부는 고압부와 저압부로 구성된 부(고/저압부)의 퍼지 판정을 수행한다(S460). 도 12에 도시된 바와 같이, 우선 제어부가 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력과 고/저압부의 목표압력(P6A) 간의 차압을 토대로 목표압력(P6A)과 고/저압부의 압력을 매칭시키는 데 필요한 연료가스소비량을 산출한다(S461). 후속해서, 상기 제어부는 한 퍼지 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 고/저압부 의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출한다(S462). 상기 고/저압부의 압력과 목표압력(P6A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S463; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 고/저압부의 압력이 목표압력(P6A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S464). 다른 한편으로, 상기 고/저압부의 압력과 목표압력(P6A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S463; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 고/저압부의 압력이 목표압력(P6A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S465).

그 후, 상기 제어부는 고압부, 저압부 및 FC부로 구성된 부(고/저압FC부)의 퍼지 판정을 수행한다(S466). 도 12에 도시된 바와 같이, 우선 제어부가 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력과 고/저압FC부의 목표압력(P6A) 간의 차압을 토대로 목표압력(P6A)과 고/저압FC부의 압력을 매칭시키는 데 필요한 연료가스소비량을 산출한다(S467). 후속해서, 상기 제어부는 한 퍼지 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 고/저압FC부의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출한다(S468). 상기 고/저압FC부의 압력과 목표압력(P6A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S469; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 고/저압FC부의 압력이 목표압력(P6A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S470). 다른 한편으로, 상기 고/저압FC부의 압력과 목표압력(P6A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S469; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 고/저압FC부의 압력이 목표압력(P6A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S471).

후속해서, 상기 제어부는 고압부, 저압부, FC부 및 순환부로 구성된 부(고/ 저압FC순환부)의 퍼지 판정을 수행한다(S472). 도 13에 도시된 바와 같이, 우선 제어부가 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력과 고/저압FC순환부의 목표압력(P6A) 간의 차압을 토대로 목표압력(P6A)과 고/저압FC순환부의 압력을 매칭시키는 데 필요한 연료가스소비량을 산출한다(S473). 후속해서, 상기 제어부는 한 퍼지 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 고/저압FC순환부의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출한다(S474). 상기 고/저압FC순환부의 압력과 목표압력(P6A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S475; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 고/저압FC순환부의 압력이 목표압력(P6A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S476). 다른 한편으로, 상기 고/저압FC순환부의 압력과 목표압력(P6A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S475; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 고/저압FC순환부의 압력이 목표압력(P6A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S477).

그 후, 상기 제어부는 저압부와 FC부로 구성된 부(저압FC부)의 퍼지 판정을 수행한다(S478). 도 13에 도시된 바와 같이, 우선 제어부가 압력센서(P61)에 의해 검출된 압력과 저압FC부의 목표압력(P61A) 간의 차압을 토대로 목표압력(P61A)과 저압FC부의 압력을 매칭시키는 데 필요한 연료가스소비량을 산출한다(S479). 후속해서, 상기 제어부는 한 퍼지 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 저압FC부의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출한다(S480). 상기 저압FC부의 압력과 목표압력(P61A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S481; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 저압FC부의 압력이 목표압력(P61A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S482). 다른 한편으로, 상기 저압FC부의 압력과 목표압력(P61A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S481; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 저압FC부의 압력이 목표압력(P61A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S483).

후속해서, 상기 제어부는 저압부, FC부 및 순환부로 구성된 부(저압FC순환부)의 퍼지 판정을 수행한다(S484). 도 14에 도시된 바와 같이, 우선 제어부가 압력센서(P61)에 의해 검출된 압력과 저압FC순환부의 목표압력(P61A) 간의 차압을 토대로 목표압력(P61A)과 저압FC순환부의 압력을 매칭시키는 데 필요한 연료가스소비량을 산출한다(S485). 후속해서, 상기 제어부는 한 퍼지 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 저압FC순환부의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출한다(S486). 상기 저압FC순환부의 압력과 목표압력(P61A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S487; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 저압FC순환부의 압력이 목표압력(P61A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S488). 다른 한편으로, 상기 저압FC순환부의 압력과 목표압력(P61A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S487; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 저압FC순환부의 압력이 목표압력(P61A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S489).

그 후, 상기 제어부는 FC부 및 순환부로 구성된 부(FC순환부)의 퍼지 판정을 수행한다(S490). 도 14에 도시된 바와 같이, 우선 제어부가 압력센서(P5)에 의해 검출된 압력과 FC순환부의 목표압력(P5A) 간의 차압을 토대로 목표압력(P5A)과 FC순환부의 압력을 매칭시키는 데 필요한 연료가스소비량을 산출한다(S491). 후속해 서, 상기 제어부는 한 퍼지 시간에서의 퍼지밸브(H51)의 퍼지량과 FC순환부의 용적 간의 비로부터 감압도(△PQ)를 산출한다(S492). 상기 FC순환부의 압력과 목표압력(P5A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치) 이하인 경우에는(S493; YES), 연료가스가 퍼징될 때, 상기 FC순환부의 압력이 목표압력(P5A) 아래로 저하되어, 퍼징이 금지된다(S494). 다른 한편으로, 상기 FC순환부의 압력과 목표압력(P5A) 간의 차압이 △PQ + 기설정된 값(허용치)을 초과하는 경우에는(S493; NO), 연료가스가 퍼징되더라도, 상기 FC순환부의 압력이 목표압력(P5A) 이하가 아니므로, 퍼징이 허가된다(S495).

각 부의 퍼지 판정이 종료되면, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(50)는 S437, S443, S449, S461, S467, S473, S479, S485 및 S491에서 획득한 연료가스를 소비하기 위한 연료전지(20)의 발생된 전력을 획득한다(S496). 나아가, 상기 제어부는 연료전지발전량-공기화학양론맵을 참조하여 모터(M1)의 회전수를 조정하여, 원하는 발전량을 획득하는 데 필요한 산화제가스가 연료전지(20)로 공급되도록 한다(S497). 그 후, 수소공급밸브(H200)가 개방되면(S498; YES), 상기 제어부(50)는 연료전지발전량-수소화학양론맵을 참조하여 모터(M2)의 회전수 및 연료가스공급시스템의 밸브들을 조정하여, 원하는 발전량을 획득하는 데 필요한 연료가스유량이 연료전지(20)로 공급되도록 한다(S499). 나아가, 상기 제어부(50)는 연료전지발전량-퍼지빈도맵을 참조하여 퍼지밸브(H51)의 개폐를 제어한다(S500).

다른 한편으로, 수소공급밸브(H200)가 폐쇄되면(S498; NO), 상기 제어부(50)는 수소펌프(63)를 정지시키고(S501), 연료전지발전량-퍼지빈도맵을 참조하여 퍼지 밸브(H51)의 개폐를 제어한다(S502). 퍼지밸브(H51)를 개폐하기 위하여, 일 시간에서의 퍼지량이 상기 퍼지밸브(H51)의 1차압력, 2차압력 및 밸브개방시간을 토대로 연산된다(S503). 여기서, 상기 퍼지밸브(H51)의 1차압력은 압력센서(P11)에 의해 검출된 압력값에 따라 획득될 수 있다. 상기 퍼지밸브(H51)의 2차압력은 캐소드오프가스채널(42)을 통과하는 산소오프가스의 유량에 따라 획득될 수 있다.

배터리(54)의 충전상태(SOC)가 기설정된 값(예컨대, 80% 내지 90%) 이상을 나타내면(S504; YES), 상기 제어부(50)는 배터리(54)에 연료전지의 소비에 의해 발생되는 전력을 축적할 수 없으므로, 상기 제어부(50)는 연료전지(20)의 발생된 전력을 감소시키고, 상기 연료가스의 퍼지량을 증가시키게 된다(S505). 연료가스의 퍼지 빈도가 기설정된 빈도보다 크면(S506; YES), 상기 시스템으로부터 배출되는 연료가스의 농도가 증가한다. 그러므로, 에어컴프레서(40)의 회전수가 배출된 연료가스의 농도를 감소시키기 위해 증가되고, 캐소드오프가스채널(42)을 통과하는 산소오프가스의 유량이 증가되며, 희석유닛(64)에 의해 희석될 상기 배출된 연료가스의 농도가 감소된다(S507).

상술된 바와 같이, 연료가스의 퍼지 운전과 발전에 의한 연료가스의 소비가 실행되고(S496 내지 S507), 상기 연료가스공급시스템의 각 부의 압력이 신속하게 저하될 수 있다. 보다 구체적으로는, 연료가스의 퍼지 운전 및 발전으로 인한 연료가스의 소비에 의해 고압부, 저압부 및 FC부의 압력들이 저하될 수 있고, 상기 순환부의 압력이 연료가스의 퍼지 운전에 의해 저하될 수 있다. 압력을 낮추기 위하여, 퍼지 운전이 수행되지 않고, 발전으로 인한 연료가스의 소비만이 수행될 수도 있음에 유의한다.

다음으로, 가스 누출 판정을 상세히 설명하기로 한다. 각 부의 가스 누출 판정에서는, 연료가스공급시스템에 배치된 밸브들이 폐쇄되고, 폐공간(실질적으로는 밀봉된 공간)이 형성되며, 상기 폐공간의 압력저하 허용치가 검출되어 판정을 수행하게 된다.

우선, 고압부의 가스 누출 판정(S508)을 설명하기로 한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P6A) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S509; YES)에는, 고압부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 수소공급밸브(H200)를 폐쇄시킨다(S510). 결과적으로, 고압부가 폐공간을 형성하도록 밀봉된 상태로 된다. 그 후, 제어부(50)는 수소공급밸브(H200)의 하류측에 배치된 압력센서(P61)에 의해 검출되는 압력이 기설정된 압력(PJA1) 미만으로 저하되는 지의 여부를 판정한다(S511). 상기 기설정된 압력(PJA1)은 수소공급밸브(H200)가 확실하게 폐쇄되었는 지의 여부를 판정하기 위한 압력이다. 압력센서(P61)의 검출된 압력이 기설정된 압력(PJA1) 이하이면(S511; YES), 고압부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, 수소공급밸브(H200)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t3)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S512). 기설정된 시간(t3)이 경과하는 경우(S512; YES), 상기 압력센서(P6)의 검출된 압력이 P6P로 기억된다(S513).

나아가, 수소공급밸브(H200)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t4)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S514). 기설정된 시간(t4)이 경과하는 경우(S514; YES), 상기 기억된 압력(P6P)과 상기 압력센서(P6)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P6)이 연산된다(S515). 여기서, 상기 차압(△P6)이 기설정된 값(Pj15)(기설정된 임계값) 이상이면(S516; YES), 고압부와 저압부로 구성된 부(고/저압부)의 누출 판정이 허가되고(S517), 상기 고압부의 누출 판정이 금지된다(S518). 다른 한편으로, 상기 차압(△P6)이 기설정된 압력(Pj15)보다 낮으면(S516; NO), 상기 제어부(50)는 저압부의 가스 누출 판정을 허가하고(S519), 고압부의 가스 누출 판정을 금지한다(S518). 상기 압력센서(P61)의 검출된 압력이 기설정된 압력(PJA1)을 초과하는 경우(S511; NO), 수소공급밸브(H200)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t3)이 경과하지 않은 경우(S512; NO) 또는 기설정된 시간(t4)이 경과하지 않은 경우(S514; NO)에는, 상기 제어부(50)는 저압부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, 저압부의 가스 누출 판정(S520)을 설명하기로 한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 압력센서(P61)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P61A) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S521; YES)에는, 저압부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 FC입구밸브(H21)를 폐쇄시킨다(S522). 결과적으로, 저압부가 폐공간을 형성하도록 밀봉된 상태로 된다. 그 후, 제어부는 FC입구밸브(H21)의 하류측에 배치된 압력센서(P5, P11)에 의해 검출되는 압력이 각각 기설정된 압력(PJA2, PJA3) 미만으로 저하되는 지의 여부를 판정한다(S523). 상기 기설정된 압력(PJA2, PJA3)은 FC입구밸브(H21)가 확실하게 폐쇄되었는 지의 여부를 판정하기 위한 압력들이다. 압력센서(P5, P11)의 검출된 압력 들이 각각 기설정된 압력(PJA2, PJA3) 이하이면(S523; YES), 저압부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, FC입구밸브(H21)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t5)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S524). 기설정된 시간(t5)이 경과하는 경우(S524; YES), 상기 압력센서(P61)의 검출된 압력이 P61P로 기억된다(S525).

나아가, FC입구밸브(H21)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t6)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S526). 기설정된 시간(t6)이 경과하는 경우(S526; YES), 상기 기억된 압력(P61P)과 상기 압력센서(P61)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P61)이 연산된다(S527). 여기서, 상기 차압(△P61)이 기설정된 값(Pj16) 이상이면(S528; YES), 저압부와 FC부로 구성된 부(저압FC부)의 누출 판정이 허가되고(S529), 상기 저압부의 누출 판정이 금지된다(S530). 다른 한편으로, 상기 차압(△P61)이 기설정된 압력(Pj16)보다 낮으면(S528; NO), 상기 제어부(50)는 FC부의 가스 누출 판정을 허가하고(S531), 저압부의 가스 누출 판정을 금지한다(S530). 상기 압력센서(P5, P11)의 검출된 압력이 기설정된 압력(PJA2, PJA3)을 초과하는 경우(S523; NO), FC입구밸브(H21)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t5)이 경과하지 않은 경우(S524; NO) 또는 기설정된 시간(t6)이 경과하지 않은 경우(S526; NO)에, 상기 제어부(50)는 상기 FC부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, FC부의 가스 누출 판정(S532)을 설명하기로 한다. 도 18에 도시된 바와 같이, 압력센서(P5)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P5A) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S533; YES)에는, FC부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압 력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 FC출구밸브(H22)를 폐쇄시킨다(S524). 결과적으로, FC부가 폐공간을 형성하도록 밀봉된 상태로 된다. 그 후, 제어부는 FC출구밸브(H22)의 하류측에 배치된 압력센서(P10)에 의해 검출되는 압력이 기설정된 압력(PJA4) 미만으로 저하되는 지의 여부를 판정한다(S535). 상기 기설정된 압력(PJA4)은 FC출구밸브(H22)가 확실하게 폐쇄되었는 지의 여부를 판정하기 위한 압력들이다. 압력센서(P10)의 검출된 압력들이 기설정된 압력(PJA4) 이하이면(S535; YES), FC부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, FC출구밸브(H22)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t7)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S536). 기설정된 시간(t7)이 경과하는 경우(S536; YES), 상기 압력센서(P5)의 검출된 압력이 P5P로 기억된다(S537).

나아가, FC출구밸브(H22)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t8)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S538). 기설정된 시간(t8)이 경과하는 경우(S538; YES), 상기 기억된 압력(P5P)과 상기 압력센서(P5)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P5)이 연산된다(S539). 여기서, 상기 차압(△P5)이 기설정된 값(Pj17) 이상이면(S540; YES), FC부와 순환부로 구성된 부(FC순환부)의 누출 판정이 허가되고(S541), 상기 FC부의 누출 판정이 금지된다(S542). 다른 한편으로, 상기 차압(△P5)이 기설정된 압력(Pj17)보다 낮으면(S540; NO), 상기 제어부(50)는 순환부의 가스 누출 판정을 허가하고(S543), FC부의 가스 누출 판정을 금지한다(S542). 상기 압력센서(P10)의 검출된 압력이 기설정된 압력(PJA4)을 초과하는 경우(S535; NO), FC출구밸브(H22)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t7)이 경 과하지 않은 경우(S536; NO) 또는 기설정된 시간(t8)이 경과하지 않은 경우(S538; NO)에, 상기 제어부(50)는 상기 순환부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, 순환부의 가스 누출 판정(S544)을 설명하기로 한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 압력센서(P10)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P10A) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S545; YES)에는, 순환부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 발전을 금지한다(S546). 이 때, 퍼지밸브의 개방이 금지되어, 순환부를 밀봉된 상태가 되게 함으로써, 폐공간을 형성하게 된다. 그 후, 순환부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t9)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S547). 기설정된 시간(t9)이 경과하는 경우(S547; YES), 상기 압력센서(P10)의 검출된 압력이 P10P로 기억된다(S548).

나아가, 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t10)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S549). 기설정된 시간(t10)이 경과하는 경우(S549; YES), 상기 기억된 압력(P10P)과 상기 압력센서(P10)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P10)이 연산된다(S550). 여기서, 상기 차압(△P10)이 기설정된 값(Pj18) 이상이면(S551; YES), 순환부로부터 가스가 누출된 것으로 판정하고(S552), 상기 제어부는 고/저압부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다. 가스 누출에 대한 원인으로는, FC출구밸브(H22) 및 체크밸브(H52)의 개방 곤란, 연료가스로(32)의 파손 등이 고려된다. 다른 한편으로, 상기 차압(△P10)이 기설정된 압력(Pj18)보다 낮으 면(S551; NO), 상기 제어부(50)는 순환부의 가스 누출 판정을 금지하고(S553), 고/저압부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다. 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t9)이 경과하지 않은 경우(S547; NO) 또는 기설정된 시간(t10)이 경과하지 않은 경우(S549; NO)에, 상기 제어부(50)는 상기 고/저압부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, 고압부와 저압부로 구성된 고/저압부의 가스 누출 판정(S554)을 설명하기로 한다. 도 20에 도시된 바와 같이, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P6AB) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S555; YES)에는, 고/저압부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 FC입구밸브(H21)를 폐쇄시킨다(S556). 결과적으로, 상기 고/저압부가 밀봉된 상태로 되어 폐공간을 형성하게 된다. 그 후, FC입구밸브(H21)의 하류측에 배치된 압력센서(P5, P11)에 의해 검출된 압력들이 각각 기설정된 압력(PJA2, PJA3) 미만으로 저하되는 지의 여부를 판정한다(S557). 압력센서(P5, P11)의 검출된 압력들이 각각 기설정된 압력(PJA2, PJA3) 이하인 경우(S557; YES), 고/저압부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, FC입구밸브(H21)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t11)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S558). 기설정된 시간(t11)이 경과하는 경우(S558; YES), 상기 압력센서(P6)의 검출된 압력이 P6P로 기억된다(S559).

나아가, FC입구밸브(H21)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t12)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S560). 기설정된 시간(t12)이 경과하는 경우(S560; YES), 상기 기억된 압력(P6P)과 상기 압력센서(P6)의 검출된 압력 간의 차압(압력 저하허용치)(△P6)이 연산된다(S561). 여기서, 상기 차압(△P6)이 기설정된 값(Pj19) 이상이면(S562; YES), 시일불량으로 인하여 수소공급밸브(H200)로부터 가스가 누출된 것으로 판정한다(S563). 그런 다음, 상기 제어부는 FC부의 누출 판정을 수행하고(S564), 고/저압부의 누출 판정을 금지한다(S565). 다른 한편으로, 상기 차압(△P6)이 기설정된 임계압력(Pj19)을 초과하면(S562; NO), 상기 제어부(50)는 후술하는 바와 같이 고/저압FC부의 가스 누출 판정을 수행하고(S566), 상기 고/저압부의 누출 판정을 금지한다(S565). 상기 압력센서(P5, P11)의 검출된 압력들이 기설정된 압력(PJA2, PJA3)을 초과하는 경우(S557; NO), 상기 FC입구밸브(H21)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t11)이 경과하지 않은 경우(S558; NO) 또는 기설정된 시간(t12)이 경과하지 않은 경우(S560; NO)에, 상기 제어부(50)는 상기 고/저압FC부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, 고압부, 저압부 및 FC부로 구성된 고/저압FC부의 가스 누출 판정(S567)을 설명하기로 한다. 도 21에 도시된 바와 같이, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P6AC) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S558; YES)에는, 고/저압FC부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 발전을 금지하고(S569), FC출구밸브(H22)를 폐쇄시킨다(S570). 결과적으로, 상기 고/저압FC부가 밀봉된 상태로 되어 폐공간을 형성하게 된다. 그 후, FC출구밸브(H22)의 하류측에 배치된 압력센서(P10, P11)에 의해 검출된 압력들이 각각 기설정된 압력(PJA2, PJA3) 미만으로 저하되는 지의 여부를 판정한다(S571). 압력센서(P10, P11)의 검출된 압력들이 각각 기설정된 압력(PJA2, PJA3) 이하인 경우(S571; YES), 고/저압FC부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, FC출구밸브(H22)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t13)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S572). 기설정된 시간(t13)이 경과하는 경우(S572; YES), 상기 압력센서(P6)의 검출된 압력이 P6P로 기억된다(S573).

나아가, FC출구밸브(H22)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t14)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S574). 기설정된 시간(t14)이 경과하는 경우(S574; YES), 상기 기억된 압력(P6P)과 상기 압력센서(P6)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P6)이 연산된다(S575). 여기서, 상기 차압(△P6)이 기설정된 임계압력(Pj20) 이하이면(S576; YES), 시일불량으로 인하여 FC입구밸브(H21)로부터 가스가 누출된 것으로 판정한다(S577). 그런 다음, 상기 제어부는 상술된 순환부의 누출 판정을 수행하고(S578), 고/저압FC부의 누출 판정을 금지한다(S573). 다른 한편으로, 상기 차압(△P6)이 기설정된 임계압력(Pj20)을 초과하면(S576; NO), 상기 제어부(50)는 후술하는 바와 같이 고/저압FC순환부의 가스 누출 판정을 수행하고(S580), 상기 고/저압FC부의 누출 판정을 금지한다(S579). 상기 압력센서(P10, P11)의 검출된 압력들이 기설정된 압력(PJA2, PJA3)을 초과하는 경우(S571; NO), 상기 FC출구밸브(H22)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t13)이 경과하지 않은 경우(S572; NO) 또는 기설정된 시간(t14)이 경과하지 않은 경우(S574; NO)에, 상기 제어부(50)는 상기 고/저압FC순환부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, 고압부, 저압부, FC부 및 순환부로 구성된 고/저압FC순환부의 가 스 누출 판정(S581)을 설명하기로 한다. 도 22에 도시된 바와 같이, 압력센서(P6)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P6AD) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S582; YES)에는, 고/저압FC순환부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 발전을 금지한다(S583). 이 때, 퍼지밸브의 개방이 금지되고, 고/저압FC순환부가 밀봉된 상태로 되어 폐공간을 형성하게 된다. 그 후, 고/저압FC순환부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t15)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S584). 기설정된 시간(t15)이 경과하는 경우(S584; YES), 상기 압력센서(P6)의 검출된 압력이 P6P로 기억된다(S585).

나아가, 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t16)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S586). 기설정된 시간(t16)이 경과하는 경우(S586; YES), 상기 기억된 압력(P6P)과 상기 압력센서(P6)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P6)이 연산된다(S587). 여기서, 상기 차압(△P6)이 기설정된 임계압력(Pj21) 이하이면(S588; YES), 시일불량으로 인하여 FC출구밸브(H22)로부터 가스가 누출된 것으로 판정한다(S589). 그런 다음, 상기 제어부는 고/저압FC순환부의 누출 판정을 금지한다(S590). 다른 한편으로, 상기 차압(△P6)이 기설정된 임계압력(Pj21)을 초과하면(S588; NO), 상기 제어부(50)는 가스가 누출된 것으로 판정하고(S591), 고/저압FC순환부의 누출 판정을 금지한다(S590). 가스 누출의 원인으로는, 연료가스공급로(31) 및 연료가스순환로(32)의 파손(수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22)의 시일불량 이외의 원인) 등이 고려된다. 발전이 금지된 시간으로부 터 기설정된 시간(t15)이 경과하지 않은 경우(S584; NO) 또는 기설정된 시간(t16)이 경과하지 않은 경우(S586; NO)에, 상기 제어부(50)는 상기 저압FC부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, 저압부와 FC부로 구성된 저압FC부의 가스 누출 판정(S592)을 설명하기로 한다. 도 23에 도시된 바와 같이, 압력센서(P61)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P61AB) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S593; YES)에는, 저압FC부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 발전을 금지하고(S594), FC출구밸브(H22)를 폐쇄시킨다(S595). 결과적으로, 상기 저압FC부가 밀봉된 상태로 되어 폐공간을 형성하게 된다. 그 후, 저압FC부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, FC출구밸브(H22)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t17)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S597). 기설정된 시간(t17)이 경과하는 경우(S597; YES), 상기 압력센서(P61)의 검출된 압력이 P61P로 기억된다(S598).

나아가, FC출구밸브(H22)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t18)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S599). 기설정된 시간(t18)이 경과하는 경우(S599; YES), 상기 기억된 압력(P61P)과 상기 압력센서(P61)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P61)이 연산된다(S600). 여기서, 상기 차압(△P61)이 기설정된 임계압력(Pj22) 이하이면(S601; YES), 시일불량으로 인하여 FC입구밸브(H21)로부터 가스가 누출된 것으로 판정한다(S602). 그런 다음, 상기 제어부는 상술된 순환부의 누출 판정을 수행하고(S603), 저압FC부의 누출 판정을 금지한다(S604). 다른 한편 으로, 상기 차압(△P61)이 기설정된 임계압력(Pj22)을 초과하면(S601; NO), 상기 제어부(50)는 후술하는 바와 같이 저압FC순환부의 가스 누출 판정을 수행하고(S605), 상기 저압FC부의 누출 판정을 금지한다(S604). 상기 압력센서(P10, P11)의 검출된 압력들이 기설정된 압력(PJA2, PJA3)을 초과하는 경우(S596; NO), 상기 FC출구밸브(H22)가 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t17)이 경과하지 않은 경우(S597; NO) 또는 기설정된 시간(t18)이 경과하지 않은 경우(S599; NO)에, 상기 제어부(50)는 상기 저압FC순환부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, 저압부, FC부 및 순환부로 구성된 저압FC순환부의 가스 누출 판정(S606)을 설명하기로 한다. 도 24에 도시된 바와 같이, 압력센서(P61)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P61AC) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S607; YES)에는, 저압FC순환부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 발전을 금지한다(S608). 이 때, 퍼지밸브의 개방이 금지되고, 고압FC순환부가 밀봉된 상태로 되어 폐공간을 형성하게 된다. 그 후, 저압FC순환부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t19)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S609). 기설정된 시간(t19)이 경과하는 경우(S609; YES), 상기 압력센서(P61)의 검출된 압력이 P61P로 기억된다(S610).

나아가, 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t20)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S611). 기설정된 시간(t20)이 경과하는 경우(S611; YES), 상기 기 억된 압력(P61P)과 상기 압력센서(P61)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P61)이 연산된다(S612). 여기서, 상기 차압(△P61)이 기설정된 임계압력(Pj23) 이하이면(S613; YES), 시일불량으로 인하여 FC출구밸브(H22)로부터 가스가 누출된 것으로 판정한다(S614). 그런 다음, 상기 제어부는 저압FC순환부의 누출 판정을 금지한다(S615). 다른 한편으로, 상기 차압(△P61)이 기설정된 임계압력(Pj23)을 초과하면(S613; NO), 상기 제어부(50)는 가스가 누출된 것으로 판정하고(S616), 저압FC순환부의 누출 판정을 금지한다(S615). 가스 누출의 원인으로는, 연료가스공급로(31) 및 연료가스순환로(32)의 파손(수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22)의 시일불량 이외의 원인) 등이 고려된다. 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t19)이 경과하지 않은 경우(S609; NO) 또는 기설정된 시간(t20)이 경과하지 않은 경우(S611; NO)에, 상기 제어부(50)는 상기 FC순환부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, FC부 및 순환부로 구성된 FC순환부의 가스 누출 판정(S617)을 설명하기로 한다. 도 25에 도시된 바와 같이, 압력센서(P5)에 의해 검출된 압력이 목표압력(P5AB) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S618; YES)에는, FC순환부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부(50)가 발전을 금지한다(S619). 이 때, 퍼지밸브의 개방이 금지되고, FC순환부가 밀봉된 상태로 되어 폐공간을 형성하게 된다. 그 후, FC순환부의 가스 누출 판정을 수행하기 위하여, 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t21)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S620). 기설정된 시간(t21)이 경과하는 경우(S620; YES), 상 기 압력센서(P5)의 검출된 압력이 P5P로 기억된다(S621).

나아가, 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t22)이 경과하였는 지의 여부를 판정한다(S622). 기설정된 시간(t22)이 경과하는 경우(S622; YES), 상기 기억된 압력(P5P)과 상기 압력센서(P5)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P5)이 연산된다(S623). 여기서, 상기 차압(△P5)이 기설정된 임계압력(Pj24) 이하이면(S624; YES), 시일불량으로 인하여 FC출구밸브(H22)로부터 가스가 누출된 것으로 판정한다(S625). 그런 다음, 상기 제어부는 FC순환부의 누출 판정을 금지한다(S626). 다른 한편으로, 상기 차압(△P5)이 기설정된 임계압력(Pj24)을 초과하면(S624; NO), 상기 제어부(50)는 가스가 누출된 것으로 판정하고(S627), FC순환부의 누출 판정을 금지한다(S626). 가스 누출의 원인으로는, 연료가스공급로(31) 및 연료가스순환로(32)의 파손(FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22)의 시일불량 이외의 원인) 등이 고려된다. 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t21)이 경과하지 않은 경우(S620; NO) 또는 기설정된 시간(t22)이 경과하지 않은 경우(S622; NO)에, 상기 제어부(50)는 다음 단계로 이동한다.

도 26 및 도 27은 보조기계제어순서를 도시한 흐름도들이다(S107). 이러한 보조기계제어순서가 호출되면, 도 26에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(50)는 SOC-배터리온도맵을 참조하여 배터리(54)에 대한 충전가능파워(W2)를 연산한다(S701). 배터리(54)의 SOC가 적을수록, 충전가능파워가 더 많게 된다. 배터리 온도가 낮거나 높으면, 충전가능파워가 감소된다. 그 후, 상기 제어부(50)는 연료전지(20)의 발생된 전력(PA)을 토대로 보조기계손실(W3)을 연산한다(S702). 후속해서, 발생된 전력(PA)이 충전가능파워(W2)와 보조기계손실(W3)의 합을 초과하는 지의 여부를 판정한다(S703). 상기 발생된 전력(PA)이 충전가능파워(W2)와 보조기계손실(W3)의 합을 초과하면(S703; YES), 상기 발생된 전력(PA)이 잉여되는 경향이 있다. 그러므로, 수소펌프(63)의 유량이 증가되어, 수소펌프(63)의 구동부하(파워소비)를 증가시키게 되거나, 또는 압력조정밸브(A4)의 밸브 개방 정도가 감소되어, 캐소드오프가스채널(42)의 유체 저항을 증가시키게 됨으로써, 에어컴프레서(40)의 구동부하(파워소비)가 증가되게 된다(S704).

그 후, 상기 제어부(50)는 연료전지(20)의 온도 상태를 검지하고, 온도센서(T2)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH1) 이상인 지의 여부나 또는 온도센서(T31)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH2) 이상인 지의 여부를 판정한다(S705). 기설정된 온도(TH1, TH2)를 상기 연료전지(20)가 드라이업되는 경향이 있는 온도로 설정하는 것이 바람직하다. 온도센서(T2)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH1) 이상이거나, 또는 온도센서(T31)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH2) 이상이면(S705; YES), 상기 제어부는 연료전지(20)가 드라이업되지 않도록 하는 산화제가스의 유량을 연료전지(20)로 공급하기 위하여 연료전지발전량-공기화학양론맵을 참조하여 에어컴프레서(40)의 회전수를 조정한다(S706). 다른 한편으로, 온도센서(T2)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH1)보다 낮고, 온도센서(T31)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH2)보다 낮은 경우에는(S705; NO), 연료전지(20)로 공급될 산화제가스의 유량이 증가되더라도, 연료전지(20)가 드라이업되지 않는 것으로 생각된다. 그러므로, 에어컴프레서(40)의 회전수가 상승되고, 상기 에어컴프레서(40)의 구동부하(파워소비)가 증가된다(S707).

그 후, 상기 제어부(50)는 순환펌프(C1)의 구동파워(파워소비)를 증가시켜 냉각제의 유량을 증가시키거나, 또는 라디에이터팬(C13)을 구동하여 냉각시스템의 보조기계손실을 증가시키게 된다(S708). 결과적으로, 더욱 많은 잉여 파워가 소비될 수 있지만, 때론 연료전지(20)의 온도가 통상운전온도 아래로 저하되기도 한다. 상기 제어부(50)는 FC냉각수출구온도(T2)-보조기계파워-외부공기온도(Tout)맵(3차원 맵)을 참조하여 연료전지(20)의 온도저하허용치(△TC)를 연산한다(S709). 이러한 3차원 맵은 연료전지(20)의 온도저하허용치가 사전에 미리 상기 연료전지(20)의 냉각제 온도, 냉각보조기계의 구동부하(순환펌프(C1), 라디에이터팬(C13)) 및 외부공기온도(Tout)를 토대로 획득되는 맵 데이터이다.

후속해서, 도 27에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(50)는 FC냉각수출구온도(T2)-△TC-응축수량추정맵을 참조하여 연료전지(20)에서 발생될 응축수량을 추정한다(S710). 애노드측에서의 연료전지(20)는 거의 포화된 수증기로 충전되고, 응축수량은 온도저하허용치(△TC)로부터의 소정 정도로 추정될 수 있다고 볼 수 있다. 그 후, 상기 제어부(50)는 응축수량-수소펌프증가유량맵, 응축수량-에어컴프레서증가유량맵 및 응축수량-퍼지빈도증가맵을 참조하여 응축수량을 토대로 에어컴프레서(40) 및 수소펌프(63)의 회전수를 증가시킨다. 응축수량이 증가하면, 플러딩으로 인한 전지전압저하가 나타나, 공급될 연료가스 및 산화제가스의 양이 증가되게 된다. 연료가스에 포함되는 물을 가능한 한 많이 배출하기 위하여, 퍼지밸브(H51)의 퍼지 빈도가 증가된다(S711).

그 후, 상기 제어부(50)는 연료전지(20)의 온도 상태를 검지하고, 온도센서(T2)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH3) 이하인 지의 여부 또는 온도센서(T31)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH4) 이하인 지의 여부를 판정한다(S712). 상기 기설정된 온도(TH3, TH4)는 연료전지(20)의 운전온도가 통상운전온도 아래가 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 상기 온도센서(T2)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH3) 이하이거나, 또는 상기 온도센서(T31)의 검출된 온도가 기설정된 온도(TH4) 이하이면(S712; YES), 냉각제의 온도를 높이기 위하여, 상기 제어부(50)는 바이패스밸브(C3)를 폐쇄시키고, 라디에이터팬(C13)을 턴 오프시키며 릴레이(R1, R2)를 턴 온시킨다(S713). 결과적으로, 냉각제가 라디에이터(C2)를 우회하여 열교환기(70) 안으로 유동하게 되어, 상기 냉각제의 온도가 열교환기(70)와 함께 상승된다. 히터(70a)가 작동되어, 잉여 파워가 효율적으로 소비될 수 있게 된다.

후속해서, 상기 제어부(50)는 보조인버터(52)의 온도를 검지하고, 수소펌프(63)의 인버터 온도 또는 에어컴프레서(40)의 인버터 온도가 기설정된 온도(TH5) 이하인 지의 여부를 판정한다(S714). 상기 기설정된 온도(TH5)는 보조인버터(52)의 열손실이 과도하게 큰 온도로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 수소펌프(63)의 인버터 온도 또는 에어컴프레서(40)의 인버터 온도가 기설정된 온도(TH5) 이하인 경우(S714; YES), 상기 보조인버터(52)의 열손실이 감소된다고 본다. 그러므로, 인버터주파수가 상승되어 열손실을 확대하게 된다(S715). 다른 한편으로, 수소펌프(63)의 인버터 온도 또는 에어컴프레서(40)의 인버터 온도가 기설정된 온도(TH5) 이상이면(S714; NO), 상기 보조인버터(52)의 열손실이 크게 되어, 인버터주파수가 통상 값으로 유지된다(S716).

도 28은 시스템정지처리순서를 도시한 흐름도이다(S110). 이러한 시스템정지처리순서가 호출되면, 상기 제어부(50)는 순환부의 가스 누출 판정이 완료되었는 지의 여부를 판정한다(S801). 상기 순환부의 가스 누출 판정이 완료되면(S801; YES), 상기 제어부(50)는 FC입구밸브(H21) 및 FC출구밸브(H22)를 개방하여, 연료가스공급로(31) 및 연료가스순환로(32)에 남아 있는 연료가스를 연료전지(20)로 안내하게 된다(S802). 이와 동시에, 상기 제어부(50)는 산화제가스를 연료전지(20)로 공급하도록 에어컴프레서(40)를 회전시킨다. 상기 연료전지(20)에 도입되는 연료가스는 발전에 의해 소비된다. 나아가, 상기 제어부(50)는 적절한 시간 간격으로 퍼지밸브(H51)를 개방시켜, 연료전지(20)를 통해 순환되는 연료가스의 불순물 농도를 감소시키도록 연료가스가 퍼징된다. 그 후, 압력센서(P5)의 검출된 압력이 목표압력(P5AE) 아래로 저하되는 지의 여부를 판정한다(S803). 상기 목표압력(P5AE)은 시스템 정지 시에 연료가스가 캐소드측으로 크로스-누출(cross-leak)되지 않도록 설정하는 것이 바람직하다. 압력센서(P5)의 검출된 압력이 목표압력(P5AE) 아래로 저하되면(S803; YES), 상기 제어부(50)는 FC입구밸브(H21), FC출구밸브(H22) 및 퍼지밸브(H51)를 폐쇄시키고, 에어컴프레서(40) 및 수소펌프(63)를 정지시켜, 발전을 정지한다(S804).

도 29는 이상정지처리순서를 도시한 흐름도이다(S112). 상술된 가스 누출 판정에서는(S102, S106 및 S109), 가스가 누출된 것으로 판정되면(S210, S552, S591, S616 및 S627), 이상정지처리순서가 호출된다. 상기 순서가 호출되면, 제어부(50) 는 연료가스공급시스템에 배치된 모든 밸브, 즉 탱크밸브(H201), 수소공급밸브(H200), FC입구밸브(H21), FC출구밸브(H22) 및 퍼지밸브(H51)를 폐쇄시키고, 발전을 정지시키기 위해 에어컴프레서(40) 및 수소펌프(63)를 추가로 정지시킨다(S901).

상기 실시예에 따른 연료전지시스템(10)에서는, 가스누출검지대상으로서 적어도 일 폐공간(예컨대, 고압부 내의 폐공간)의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력이 낮은 상태에서 상기 일 폐공간 내의 가스 누출이 검지된다. 즉, 가스누출검지대상으로서 적어도 일 폐공간의 압력저하뿐만 아니라, 상기 일 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력상승도 검지될 수 있다. 그러므로, 상기 일 폐공간의 일부분을 형성하는 가스통로관의 벽면의 크랙으로 인한 가스 누출(외부 누출)뿐만 아니라, 상기 가스통로의 일 폐공간을 형성하기 위한 밸브의 밸브폐쇄이상(예컨대, 시일불량)으로 인한 타 폐공간에 대한 가스 누출(내부 누출)도 검지할 수 있게 된다. 그러므로, 일 폐공간 내의 압력 상태만을 토대로 가스 누출을 검지하기 위해 종래의 가스 누출 검지 시스템만이 채택되는 경우에 비해, 가스 누출 검지의 정확성이 개선될 수 있다.

(제2실시예)

다음으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지시스템을 도 30 내지 도 34를 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시예에 따른 연료전지시스템에서는, 제1실시예에 따른 연료전지시스템(10)의 제어부의 구성이 변경되지만, 또다른 구성은 제1실시예와 실질적으로 동일하다. 그러므로, 변경된 구성을 주로 설명할 것이고, 제1실 시예와 공통인 부분들은 동일한 참조 부호들로 표시되며, 그 설명은 생략하기로 한다.

상기 제1실시예의 제어부(50)와 동일한 방식으로, 본 실시예의 제어부는 액셀러레이션센서(55) 등에 의해 검지된 액셀러레이터 개방도를 토대로 시스템요구파워를 획득하고, 상기 연료전지(20)의 출력 파워가 목표 파워와 일치하도록 연료전지시스템을 제어한다. 또한, 상기 제어부는 연료전지(20)의 출력 파워가 목표 파워와 일치하도록, 상기 연료전지(20)의 동작점을 조정하기 위해 DC/DC 컨버터(53)를 제어한다. 본 실시예의 제어부(50)는 연료가스공급시스템의 부(고압부, 저압부, FC부 및 순환부)에 형성되는 각각의 폐공간에 대한 연료 가스 누출을 검지한다. 이 경우, 상기 제어부(50)는 하류측에서의 가스누출검지대상으로서 1 이상의 폐공간의 압력이 저하된 상태에서 일 폐공간의 가스 누출을 검지하고, 상기 제어부는 상기 일 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력이 상승하는 경우에 가스 누출(특히, 밸브의 밸브폐쇄이상)이 상기 일 폐공간에서 발생된 것으로 판정한다. 다른 한편으로, 상기 일 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력이 상승하지 않는 경우, 일 폐공간을 형성하는 연료가스공급시스템의 가스관의 벽면 크랙으로 인해 가스관으로부터의 가스 누출이 발생한 것으로 판정된다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어부로 실행될 시스템제어를 도 30 내지 도 34를 참조하여 설명하기로 한다. 본 실시예의 제어시스템에서는, 간헐 운전 또는 시스템 정지 동안 가스 누출 판정과 관련된 단계들의 일부(도 2; S106, S109)가 상기 제1실시예에 기술된 메인 루틴에서 변경되나, 나머지 단계들은 제1실시예와 실질적으로 동일하다. 그러므로, 변경된 단계들을 주로 설명하기로 한다.

우선, 메인 루틴을 설명하기로 한다. 연료전지시스템이 기동되면, 제1실시예에서와 동일한 방식으로(도 2), 상기 제어부는 연료가스공급시스템의 가스 누출 판정을 수행한다(S102). 여기서, 어떠한 가스 누출도 없고, 파워가 정상적으로 발생될 수 있다고 판정하는 경우, 통상발전제어(S104)가 수행된 다음, 부하구동판정제어(S104')가 수행된다. 통상운전이 이러한 방식으로 계속되어, 기설정된 간헐운전기동조건들이 충족되면(S105; YES), 상기 제어부는 연료가스공급시스템의 가스 누출 판정을 수행하기 위해 발전을 정지시킨다(S106). 후속해서, 보조기계제어는 보조기계의 파워소비를 증가시키기 위하여 수행된다(S107). 시스템 정지가 수행되면, 상기 제어부는 연료가스공급시스템의 가스 누출 판정을 수행하고(S109), 시스템 정지 처리를 수행한다(S110). 가스 누출이 검지되면(S111; YES), 이상정지처리가 수행된다(S112).

본 실시예에서는, 시스템의 기동 시의 가스누출판정처리순서, 통상발전제어순서, 부하구동판정제어순서, 보조기계제어순서, 시스템정지처리순서 및 이상정지처리순서가 제1실시예와 실질적으로 동일하므로(도 3 내지 도 5 및 도 26 내지 도 29), 그 설명은 생략하기로 한다.

다음으로, 간헐 운전 또는 시스템 정지 시의 가스누출판정처리순서를 설명하기로 한다. 이러한 가스누출판정처리순서에서는, 우선 제1실시예에서와 동일한 방식으로, 가스누출판정처리 이전의 각종 처리(각 부에서의 압력 판정, 퍼지 판정 등)가 수행된다. 가스누출판정처리 이전의 이들 각종 처리는 제1실시예와 실질적으로 동일하기 때문에(도 6 내지 도 15), 그 설명은 생략하기로 한다.

후속해서, 도 6 내지 도 15에 도시된 바와 같이 압력 판정, 퍼지 판정 등을 수행한 후, 상기 제어부는 가스 누출 판정 이전의 도 30에 도시된 밸브폐쇄처리를 수행한다. 상기 밸브폐쇄처리는 가스통로 내의 폐공간을 형성하도록 폐쇄밸브들의 처리이다. 도 30에 도시된 바와 같이, 압력센서(P6)의 검출된 압력이 목표압력(P6A) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S1001; YES), 고압부의 압력이 가스누출판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부는 수소공급밸브(H200)를 폐쇄시킨다(S1002). 결과적으로, 고압부가 밀봉된 상태로 되어, 폐공간이 형성된다. 후속해서, 압력센서(P61)의 검출된 압력이 목표압력(P61A) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S1003; YES), 저압부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부는 FC입구밸브(H21)를 폐쇄시킨다(S1004). 결과적으로, 저압부가 밀봉된 상태로 되어, 폐공간이 형성된다. 후속해서, 압력센서(P5)의 검출된 압력이 목표압력(P5A) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S1005; YES), FC부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 제어부는 FC출구밸브(H22)를 폐쇄시킨다(S1006). 결과적으로, FC부가 밀봉된 상태로 되어, 폐공간이 형성된다. 그 후, 압력센서(P10)의 검출된 압력이 목표압력(P10A) 이하라고 제어부(50)가 판정한 경우(S1007; YES), 순환부의 압력이 가스 누출 판정에 적합한 압력에 도달한 것을 나타내기 때문에, 상기 제어부는 발전을 금지한다(S1008). 이 때, 퍼지밸브의 개방이 금지되어 순환부를 밀봉된 상태가 되게 하여, 폐공간이 형성된다.

후속해서, 상기 제어부(50)는 도 31에 도시된 바와 같이 가스누출판정기동처리를 수행한다. 상기 가스누출판정기동처리는 가스누출판정 기동 전에 수행될 소정의 처리이다. 도 31에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 수소공급밸브(H200)의 하류측에 배치된 압력센서(P61)의 검출된 압력이 기설정된 압력(PJA1) 아래로 저하되는 지의 여부, FC입구밸브(H21)의 하류측에 배치된 압력센서(P5, P11)의 검출된 압력들이 각각 기설정된 압력(PJA2, PJA3) 아래로 저하되는 지의 여부, 및 FC출구밸브(H22)의 하류측에 배치된 압력센서(P10)의 검출된 압력이 기설정된 압력(PJA4) 아래로 저하되는 지의 여부를 판정한다(S1009). 기설정된 압력(PJA1 내지 PJA4)들은 밸브들이 확실하게 폐쇄되었는 지의 여부를 판정하기 위한 압력들이고, S1009는 본 발명의 제1공정의 일 실시예이다.

그 후, 압력센서(P61 내지 10)의 검출된 압력들이 각각 기설정된 압력(PJA1 내지 PJA4) 이하인 경우에는(S1009; YES), 상기 밸브들이 완전히 폐쇄된 시간으로부터 기설정된 시간(t3)이 경과되었는 지의 여부를 판정하여, 발전이 금지되었다(S1010). 기설정된 시간(t3)이 경과하면(S1010; YES), 압력센서(P6, P61, P5 및 P10)의 검출된 압력들이 P6P, P61P, P5P 및 P10P로 기억된다(S1011). 그 후, 기억된 압력(P6P 내지 P10P)과 압력센서(P6 내지 P10)의 검출된 압력 간의 차압(압력저하허용치)(△P6, △P61, △P5 및 △P10)들이 연산된다(S1012). 상기 압력센서(P61 내지 10)의 검출된 압력들이 기설정된 압력(PJA1 내지 PJA4)들을 초과하는 경우(S1009; NO), 또는 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t3)이 경과하지 않은 경우에는(S1010; NO), 상기 제어부가 검출된 압력들을 기억하지 않거나 또는 차압을 연산하고, 상기 고압부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다는 점에 유의한다.

다음으로, 고압부의 가스 누출 판정(S1013)을 설명하기로 한다. 도 32에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 상술된 밸브폐쇄처리에서 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t4)이 경과되었는 지의 여부를 판정하고(S1008), 압력센서(P6)의 검출된 압력과 기억된 압력(P6P) 간의 차압(압력감소값)(△P6)이 상기 기설정된 시간(t4) 이내에서 기설정된 압력(Pj15)(기설정된 임계값) 이상인 지의 여부를 추가로 판정한다(S1014). 상기 공정 S1014는 본 발명의 제2공정의 일 실시예이다. 후속해서, 차압(△P6)이 기설정된 시간(t4) 이내에서 기설정된 압력(Pj15) 이상에 도달하는 경우(S1014; YES), 상기 제어부는 압력센서(P61)의 검출된 압력과 기억된 압력(P61P) 간의 차압(압력감소값)(△P61)이 기설정된 압력(PJB1) 이하인 지의 여부를 판정한다(S1015). 여기서, 기설정된 압력(PJB1)으로는, "음" 값이 채택된다. 압력센서(P61)의 검출된 압력이 기억된 압력(P61P)보다 높고, 차압(△P61)이 "음"이며(즉, 압력 상승이 있음), 기설정된 압력(PJB1) 이하인 경우(S1015; YES)에는, 고/저압부의 가스 누출 판정이 허가된 다음(S1016), 상기 고압부의 가스 누출 판정이 금지된다(S1017).

다른 한편으로, 차압(△P6)이 기설정된 시간(t4) 이내에서 기설정된 압력(Pj15) 이상에 도달하고(S1014; YES), 차압(△P61)이 기설정된 압력(PJB1)을 초과하는 경우(즉, 어떠한 압력 상승도 없음)(S1015; NO), 고압부에서 가스 누출이 발생된 것으로 판정되고(S1018), 상기 고압부의 가스 누출 판정이 금지된다(S1017). 상기 공정 S1015는 본 발명의 제3공정의 일 실시예이다. 고압부의 가스 누출 원인으로는, 탱크밸브(H201) 또는 수소공급밸브(H200)의 개방 실패, 조정기(H9, H10) 또는 연료가스공급로(31)의 파손 등이 고려된다. 차압(△P6)이 기설정된 압력(Pj15)보다 낮고, 기설정된 시간(t4)이 경과한 경우(S1014; NO, S1019; YES), 상기 고압부의 가스 누출 판정은 여하한의 특별한 처리를 수행하지 않고도 금지된다(S1017). 기설정된 시간(t4)이 경과되지 않은 경우에도(S1019; NO), 상기 제어부는 저압부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다.

다음으로, 저압부의 가스 누출 판정(S1020)을 설명하기로 한다. 도 33에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 상술된 밸브폐쇄처리에서 발전이 금지된 시간으로부터 기설정된 시간(t4)이 경과하였는 지의 여부를 판정하고(S1008), 압력센서(P61)의 검출된 압력과 기억된 압력(P61P) 간의 차압(압력감소값)(△P61)이 상기 기설정된 시간(t4) 이내에서 기설정된 압력(Pj16)에 도달하였는 지의 여부를 추가로 판정한다(S1021). 상기 공정 S1021은 본 발명의 제2공정의 일 실시예이다. 후속해서, 차압(△P61)이 기설정된 시간(t4) 이내에서 기설정된 압력(Pj16) 이상에 도달하는 경우(S1021; YES), 상기 제어부는 압력센서(P5)의 검출된 압력과 기억된 압력(P5P) 간의 차압(압력감소값)(△P5)이 기설정된 압력(PJB2)(음값) 이하인 지의 여부를 판정한다(S1022). 차압(△P5)이 기설정된 압력(PJB2) 이하이면(압력 상승이 있음)(S1022; YES), 저압FC부의 가스 누출 판정이 허가된다(S1023). 그런 다음, 상기 제어부는 압력센서(P11)의 검출된 압력과 기억된 압력(P11P) 간의 차압(압력감 소값)(△P11)이 기설정된 압력(PJB3)(음값) 이하인 지의 여부를 판정한다(S1024). 상기 차압(△P11)이 기설정된 압력(PJB3) 이하인 경우에는(압력 상승이 있음)(S1024; YES), 저압FC순환부의 가스 누출 판정이 허가되고(S1025), 상기 저압부의 가스 누출 판정이 금지된다(S1026).

다른 한편으로, 차압(△P61)이 기설정된 시간(t4) 이내에서 기설정된 압력(Pj16) 이상에 도달하고(S1021; YES), 차압(△P5)이 기설정된 압력(PJB2)을 초과하는 경우(어떠한 압력 상승도 없음)(S1022; NO), 저압FC부의 가스 누출 판정이 수행되지 않고, 차압(△P11)이 기설정된 압력(PJB3) 이하인 지의 여부가 판정된다(S1024). 그 후, 차압(△P11)이 기설정된 압력(PJB3)을 초과하는 경우에는(어떠한 압력 상승도 없음)(S1024; NO), 저압부에서 가스 누출이 발생된 것으로 판정되고(S1027), 저압부의 가스 누출 판정이 금지된다(S1026). 상기 공정 S1022 및 S1024는 본 발명의 제3공정의 일 실시예이다. 저압부의 가스 누출 원인으로는, 수소공급밸브(H200) 또는 FC입구밸브(H21)의 개방 실패, 연료가스공급로(31)의 파손 등이 고려된다. 차압(△P61)이 기설정된 압력(Pj16)보다 낮고, 기설정된 시간(t4)이 경과한 경우에는(S1021; NO, S1028; YES), 상기 저압부의 가스 누출 판정이 여하한의 특별한 처리를 수행하지 않고도 금지된다(S1026). 기설정된 시간(t4)이 경과되지 않은 경우에도(S1028; NO), 상기 제어부는 FC부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다.

다음으로, FC부의 가스 누출 판정(S1029)을 설명하기로 한다. 도 34에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 상술된 밸브폐쇄처리에서 발전이 금지된 시간으로부 터 기설정된 시간(t4)이 경과하였는 지의 여부를 판정하고(S1008), 압력센서(P5)의 검출된 압력과 기억된 압력(P5P) 간의 차압(압력감소값)(△P5)이 상기 기설정된 시간(t4) 이내에서 기설정된 압력(Pj17)에 도달하였는 지의 여부를 추가로 판정한다(S1030). 상기 공정 S1030은 본 발명의 제2공정의 일 실시예이다. 후속해서, 차압(△P5)이 기설정된 시간(t4) 이내에서 기설정된 압력(Pj17) 이상에 도달하는 경우(S1030; YES), 상기 제어부는 압력센서(P10)의 검출된 압력과 기억된 압력(P10P) 간의 차압(압력감소값)(△P10)이 기설정된 압력(PJB4)(음값) 이하인 지의 여부를 판정한다(S1031). 상기 차압(△P10)이 기설정된 압력(PJB4) 이하이면(압력 상승이 있음)(S1031; YES), FC순환부의 가스 누출 판정이 허가된다(S1032). 그런 다음, 상기 제어부는 FC부의 가스 누출 판정이 금지한다(S1033).

다른 한편으로, 차압(△P5)이 기설정된 시간(t4) 이내에서 기설정된 압력(Pj17) 이상에 도달하고(S1030; YES), 차압(△P10)이 기설정된 압력(PJB4)을 초과하는 경우(어떠한 압력 상승도 없음)(S1031; NO), FC부에서는 가스 누출이 발생된 것으로 판정되고(S1034), 상기 FC부의 가스 누출 판정이 금지된다(S1033). 상기 공정 S1031은 본 발명의 제3공정의 일 실시예이다. FC부의 가스 누출 원인으로는, FC입구밸브(H21) 또는 FC출구밸브(H22)의 개방 실패, 연료가스공급로(31) 또는 연료가스순환로(32)의 파손 등이 고려된다. 차압(△P5)이 기설정된 압력(Pj17)보다 낮고, 기설정된 시간(t4)이 경과한 경우에는(S1030; NO, S1035; YES), 상기 FC부의 가스 누출 판정이 여하한의 특별한 처리를 수행하지 않고도 금지된다(S1033)는 점에 유의한다. 기설정된 시간(t4)이 경과되지 않은 경우에도(S1035; NO), 상기 제어 부는 순환부의 다음 가스 누출 판정으로 이동한다.

후속해서, 순환부의 가스 누출 판정(S1036)을 설명하기로 한다. 도 34에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 압력센서(P10)의 검출된 압력과 기억된 압력(P10P) 간의 차압(압력감소값)(△P10)이 기설정된 임계압력(Pj18)에 도달하였는 지의 여부를 판정한다(S1037). 후속해서, 상기 차압(△P10)이 기설정된 압력(Pj18) 이상에 도달하는 경우(S1037; YES), 상기 제어부는 순환부에서 가스 누출이 발생된 것으로 판정하고(S1038), 다음 공정으로 이동한다. 가스 누출 원인으로는, FC출구밸브(H22) 또는 체크밸브(H52)의 개방 실패, 연료가스순환로(32)의 파손 등이 고려된다. 다른 한편으로, 상기 차압(△P10)이 기설정된 압력(Pj18)보다 낮은 경우에는(S1037; NO), 상기 제어부가 순환부의 가스 누출 판정을 금지하고(S1039), 다음 공정으로 이동한다.

후속해서, 제1실시예에서와 동일한 방식으로, 고/저압부의 가스 누출 판정, 고/저압FC부의 가스 누출 판정, 고/저압FC순환부의 가스 누출 판정, 저압FC부의 가스 누출 판정, 저압FC순환부의 가스 누출 판정 및 FC순환부의 가스 누출 판정이 수행된다. 이들 고/저압부 내지 FC순환부의 가스 누출 판정들은 실질적으로 제1실시예와 동일하므로(도 20 내지 도 25), 그 설명은 생략한다.

상술된 실시예에 따른 연료전지시스템에서는, 가스누출검지대상으로서 일 폐공간(고압부와 관련된 폐공간)의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력이 상승하는 경우, 일 폐공간과 상기 일 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간(저압부와 관련된 폐공간)으로 구성된 새로운 폐공간의 가스 누출이 검지된다. 즉, 두 폐공간이 서로 연통하도록 허용되어, 일 폐공간을 형성함으로써, 가스 누출(이상)이 검지되게 된다. 그러므로, 가스 누출 검지가 전체 시스템에 있어서 쉽고도 신속하게 수행될 수 있다.

상술된 실시예들에서는, 본 발명이 연료가스의 가스통로의 가스 누출을 검지하기 위한 시스템에 적용되는 일 예시가 예시되어 있지만(가스통로를 따라 배치된 밸브들의 개방 실패, 상기 가스통로로부터의 누출), 본 발명은 산화제가스의 가스통로의 가스 누출을 검지하는 시스템에도 적용가능하다는 점에 유의한다.

또한, 상기 실시예들에서는, 부하구동원으로서 배터리가 예시되어 있지만, 본 발명은 캐패시터와 같은 여하한의 축전장치에도 적용가능하다. 본 발명은 축전장치로 국한되는 것이 아니라, 연료전지와 별도로 배치된 모든 부하구동원에도 적용가능하다. 예를 들어, 연료전지 이외에 엔진 및 연료탱크를 포함하는 하이브리드전기자동차에서는, 부하구동원으로서 엔진과 같은 내연유닛이 사용될 수 있다. 연료전지 이외에 송전선 등을 통해 전력을 공급받는 수전기구(power receiving mechanism)를 포함하는 열차 등에서는, 상기 수전기구가 부하구동원으로서 사용될 수 있다. 나아가, 연료전지 이외에 가스터빈을 포함하는 비행기 등에서는, 가스터빈이 부하구동원으로서 사용될 수 있다. 연료전지 이외에 원자로를 포함하는 잠수함 등에서는, 원자로와 같은 원자력발전기구가 부하구동원으로서 사용될 수 있다. 나아가, 내연기관의 구동력으로 전력을 발생시키는 발전기(얼터네이터) 등이 부하구동원으로서 사용될 수도 있다. 이들 여하한의 부하구동원으로부터 부하로 공급될 수 있는 파워의 합이 획득되어, 상기 획득된 파워가 시스템요구파워 이상인 지의 여부를 판정하게 될 수도 있다(도 5; S11b 내지 S11e).

도 5의 구성요소 S11b 내지 S11e를 설명하기로 한다. 제어부가 배터리방전가능파워(W3)를 연산할 때, 상기 제어부는 내연기관상태검지센서(도시 안됨)의 검지 신호를 토대로 내연기관공급파워(W4)를 연산한다(S11a → S11b). 이와 유사하게, 상기 제어부는 수전상태검지센서, 가스터빈상태검지센서, 원자로상태검지센서 등(도시 안됨)을 토대로 수용가능파워(W5), 가스터빈공급파워(W6) 및 원자력공급파워(W7)를 각각 연산한다. 그 후, 상기 제어부는 액셀러레이터 개방도, 차속 등을 토대로 차량요구파워(PPW)를 연산한 다음, 이들 여타의 구동원들에 의해 공급될 수 있는 파워의 합이 차량요구파워(PPW) 이상인 지의 여부를 판정한다(S21 → S31). 후속 처리는 본 실시예와 유사하기 때문에, 그 설명은 생략한다. 상술된 바와 같이, 본 발명은 연료전지와 별도로 배치된 하나의 부하구동원이 존재하는 경우뿐만 아니라, 복수의 부하구동원이 존재하는 경우에도 적용가능하다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지시스템의 가스 누출 검지의 정확성이 개선될 수 있다.

Claims

연료전지시스템에 있어서,

반응가스가 공급되어 전력을 발생시키는 연료전지;

상기 연료전지와 연통되는 가스통로;

상기 가스통로의 중간에 배치되어, 상기 가스통로에 복수의 인접하는 폐공간을 형성하는 복수의 밸브;

가스누출검지대상으로서 제1폐공간의 압력을 검출하는 제1압력센서;

상기 제1폐공간의 하류측에 인접하는 제2폐공간의 압력을 검출하는 제2압력센서; 및

상기 제2폐공간의 상기 압력이 상기 제1폐공간의 상기 압력 아래로 저하된 상태에서, 상기 제1압력센서의 압력검출결과 및 상기 제2압력센서의 압력검출결과를 토대로, 상기 제1폐공간에서의 가스 누출을 검지하기 위한 검지수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항에 있어서,

상기 검지수단은, 상기 제1폐공간의 압력감소값이 기설정된 임계값 이상이고 상기 제2폐공간의 압력상승값이 기설정된 임계값 이상인 경우, 상기 제1폐공간과 상기 제2폐공간 사이에 배치된 상기 밸브로부터의 상기 가스 누출을 검지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제3항에 있어서,

상기 제2폐공간의 하류측에 인접하는 제3폐공간에 배치된 제3압력센서를 더 포함하여 이루어지고,

상기 검지수단은, 상기 제1폐공간의 압력감소값이 기설정된 임계값 이상이고 상기 제2폐공간의 압력상승값이 기설정된 임계값 미만인 경우, 상기 제3폐공간의 상기 압력이 상기 제2폐공간의 상기 압력 아래로 저하된 상태에서, 상기 제1폐공간과 상기 제2폐공간을 포함하는 새로운 폐공간의 압력검출결과에 기초하여, 상기 밸브 이외의 상기 제1폐공간으로부터의 상기 가스 누출을 검지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 검지수단은 1 이상의 압력감소값을 포함하는 상기 폐공간의 상기 가스 누출을 검지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 연료전지시스템을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동체.
반응가스가 공급되어 전력을 발생시키는 연료전지 및 상기 연료전지와 연통되는 가스통로를 포함하고, 상기 가스통로에 복수의 인접하는 폐공간이 형성되는 연료전지시스템에서의 가스 누출을 검지하는 방법에 있어서,

가스누출검지대상으로서 1 이상의 폐공간의 하류측에 인접하는 타 폐공간의 압력을 일 폐공간의 압력 아래로 저하시키는 제1공정;

상기 일 폐공간 내에서 기설정된 시간 동안의 압력감소값이 기설정된 임계값 이상인 지의 여부를 판정하는 제2공정; 및

상기 제2공정에서 긍정적인 판정이 내려지는 경우, 상기 타 폐공간의 상기 압력이 상승되었는 지의 여부를 판정하는 제3공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 가스누출검지방법.
제5항에 있어서,

상기 제3공정에서 긍정적인 판정이 내려지면, 상기 일 폐공간과 상기 타 폐공간을 포함하는 새로운 폐공간이 설정되어, 상기 제1공정 내지 상기 제3공정을 반복하게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 가스누출검지방법.