KR20080048077A - 연료전지시스템, 애노드가스생성량의 추정장치 및 애노드가스생성량의 추정방법 - Google Patents

연료전지시스템, 애노드가스생성량의 추정장치 및 애노드가스생성량의 추정방법 Download PDF

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히로노리 노토
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Abstract

본 발명은 예컨대 연료전지가 저발전 효율에서 운전될 때에도 배기가스 내의 수소 농도를 충분히 줄일 수 있는 연료전지시스템을 제공한다. 산화가스공급로(11)와 캐소드오프가스유로(12) 사이에는 바이패스밸브(B1)가 제공된다. 산화가스의 캐소드로의 공급이 불충분하면, 펌핑 수소가 캐소드오프가스에 함유된다. 이에 따라, 이 경우에는 바이패스 공기의 유량을 조정하도록 바이패스밸브(B1)의 밸브 개방을 조정하여 배기가스 내의 수소 농도가 제어된다.

Description

연료전지시스템, 애노드가스생성량추정장치 및 애노드가스생성량의 추정방법{FUEL BATTERY SYSTEM, ANODE GAS PRODUCTION AMOUNT ESTIMATION APPARATUS, AND METHOD FOR ESTIMATING ANODE GAS PRODUCTION AMOUNT}
본 발명은 연료전지시스템 및 연료전지의 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하기 위한 기술에 관한 것이다.
연료전지자동차 등에 탑재된 연료전지는 애노드로 공급될 수소를 포함하는 연료가스 및 캐소드로 공급될 산소를 포함하는 산화가스를 사용하여 전력을 발생시킨다. 연료전지로부터 배출될 수소오프가스(hydrogen-off gas)는 산소오프가스(oxygen-off gas)와 혼합되어 희석되고, 수소 농도가 감소된 상태로 자동차로부터 배출된다. 이러한 수소오프가스를 배출하기 위하여, 상기 가스는 고농도의 수소가 배출되지 않도록 충분히 희석되어야 한다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
더욱이, 고농도의 수소가 배출되지 않도록 상기 가스를 충분히 희석시키기 위해서는, 수소오프가스의 농도가 양호한 정밀도로 검출되어야 한다. 이러한 수소오프가스의 농도를 검출하는 방법으로는, 산소오프가스가 순환되는 캐소드오프가스유로에 수소 센서를 설치하고, 상기 수소 센서를 이용하여 캐소드측으로부터 배출될 수소오프가스의 농도를 검출하는 방법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참 조).
[특허문헌 1] 국제특허출원공보 제2003-504807호
[특허문헌 2] 일본특허출원공개공보 제2003-294676호
하지만, 연료전지가 낮은 발전 효율의 상태로 운전되는 경우에는, 수소가 애노드로부터 배출될 뿐만 아니라, 수소(주로 펌핑(pumping) 수소)가 캐소드로부터 배출되며, 때때로 규제 범위를 초과하여 수소가 시스템으로부터 배출된다.
또한, 수소오프가스 농도의 상기 종래의 검출방법은 수소오프가스가 수소 센서에 도달할 때까지 농도가 검출될 수 없다는 것과 상기 검출에 많은 시간이 필요하다는 문제점을 가진다.
상술된 상황의 관점에서 본 발명이 개발되었으며, 본 발명의 목적은 연료전지가 낮은 발전 효율의 상태에서 운전되는 경우에도 배기수소농도를 충분히 감소시킬 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것이다. 나아가, 본 발명의 목적은 캐소드측으로부터 배출될 수소오프가스의 농도를 신속하면서도 정확하게 획득할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
상술된 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 제1효율의 운전 및 상기 제1효율보다 낮은 제2효율의 운전(이하, 저효율 운전이라고 함)을 선택적으로 실행하는 연료전지시스템으로서, 상기 연료전지의 캐소드로부터 배출될 가스에 포함된 애노드 가스의 가스량에 따라 상기 캐소드로부터 배출될 가스의 희석량을 조정하기 위한 조정수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 구성에서는, 캐소드로부터 배출될 가스에 포함된 애노드 가스가 저효율 운전 시 상기 연료전지의 캐소드에서 생성될 수소 가스이고, 상기 시스템은 상기 연료전지의 가스공급로를 통해 흐르는 캐소드 가스의 일부를 상기 연료전지에 의하여 통과시켜, 상기 일부를 배출통로로 유도하는 바이패스통로를 더 포함하여 이루어지며, 상기 조정수단은 상기 연료전지의 캐소드로부터 배출될 가스에 포함된 수소 가스의 가스량에 따라 바이패스될 캐소드 가스의 가스량을 제어하는 바이패스밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 조정수단은 상기 시스템으로부터 배출될 수소의 배출 농도가 기준값보다 높지 않도록 바이패스될 캐소드 가스의 가스량을 제어하는 것이 바람직한 구성예이다.
나아가, 상기 구성에서는, 연료전지의 캐소드로 공급될 캐소드 가스는 산소를 포함하는 산화 가스이고, 상기 시스템은 주어진 지시에 따라 상기 산화 가스를 배출시키는 산화가스공급원; 및 상기 연료전지의 발전에 필요한 산화가스량과 상기 연료전지에 의해 통과하도록 허용될 산화가스량을 토대로, 상기 산화가스공급원에 의해 배출될 산화가스량을 제어하기 위한 제어수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이 바람직한 구성예이다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 제어수단은 상기 산화가스공급원으로부터 상기 연료전지의 캐소드로 공급될 산화가스의 가스량을 제어하는 압력조정밸브를 포함하여 이루어지고, 상기 저효율 운전 시, 상기 연료전지의 캐소드에서 생성될 수소가스량이 기준값보다 많지 않은 경우, 상기 조정수단은 상기 바이패스밸브를 완전히 폐쇄시키는 반면, 상기 제어수단은 상기 연료전지의 발전에 필요한 산화가스량에 따라 상기 압력조정밸브의 개방도를 일정하게 유지하면서 배출될 산화가스량을 제어하는 것이 바람직한 구성예이다.
더욱이, 상기 구성에 있어서, 상기 산화가스공급원은 에어컴프레서이고, 상기 제어수단은 상기 연료전지의 발전에 필요한 산화가스량에 따라 상기 압력조정밸브를 완전히 개방된 상태를 유지하면서 배출될 산화가스량을 제어하는 것이 바람직한 구성예이다.
나아가, 상기 구성에서는, 바람직한 구성예가 상기 저효율 운전 시, 상기 연료전지의 캐소드에서 생성될 수소 가스의 가스량을 추정하기 위한 추정수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 추정수단은 상기 연료전지의 출력 전류, 상기 연료전지의 공기 화학양론비(air stoichiometric ratio) 및 상기 연료전지의 온도를 토대로 수소량을 추정하는 것이 바람직한 구성예이다.
더욱이, 저효율 운전 시, 연료전지의 캐소드에서 생성될 수소 가스의 가스량을 추정하는 생성수소량의 추정방법은, 상기 연료전지의 출력 전압 및 출력 전류를 토대로 상기 연료전지의 공기 화학양론비를 추정하는 제1추정공정; 및 상기 연료전지의 출력 전류, 공기 화학양론비 및 온도를 토대로 상기 연료전지의 캐소드에서 생성될 수소 가스의 가스량을 추정하는 제2추정공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
나아가, 연료전지의 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 애노드가스생성량의 추정장치는, 소정의 조건들이 충족되는 경우, 통상 운전 동작점보다 전력 손실이 큰 저효율 운전 동작점에서 연료전지를 운전시키기 위한 운전제어수단; 및 상기 연료전지가 저효율 운전 동작점에서 운전되는 경우 상기 연료전지의 발전 특성을 토대로, 상기 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하기 위한 추정수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 구성에서는, 상기 추정수단이 상기 연료전지의 발전 특성과 상기 연료전지로 공급될 캐소드가스량과 함께, 상기 연료전지의 캐소드측에 남아 있는 미반응 캐소드 가스의 잔존량과 상기 연료전지를 구성하는 셀들의 압력 손실의 변동 중 하나 이상을 고려하여 생성될 애노드가스량을 추정하는 것이 바람직한 구성예이다.
더욱이, 상기 구성에 있어서, 상기 추정수단은 상기 미반응 캐소드 가스의 잔존량과 상기 셀들의 압력 손실의 변동 양자 모두를 고려하여 생성될 애노드가스량을 추정하는 것이 바람직한 구성예이다.
나아가, 상기 구성에 있어서, 바람직한 구성예는 연료전지의 출력 전압을 검출하는 전압모니터를 더 포함하여 이루어지고, 상기 추정수단은 상기 전압모니터에 의해 검출된 출력 전압을 토대로 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구성에서는, 전압모니터가 각 셀의 셀 전압을 검출하고, 상기 추정수단은 기준셀의 셀 전압과 생성될 애노드가스량간의 관계를 나타내는 기준 함수를 포함하며, 상기 추정수단은 상기 전압모니터에 의해 검출된 각 셀의 셀 전압과 상기 기준 함수를 이용하여 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 것이 바람직한 구성예이다.
더욱이, 상기 구성에 있어서, 상기 운전제어수단은 상기 연료전지가 워밍업을 필요로 하는 경우 또는 상기 연료전지의 촉매 활성이 회복되어야 하는 경우, 저효율 운전 동작점에서 연료전지를 운전시키는 것이 바람직한 구성예이다.
나아가, 상기 구성에서는, 상기 캐소드에서 생성될 애노드 가스가 수소인 것이 바람직한 구성예이다.
또한, 연료전지의 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 애노드가스생성량의 추정방법은, 소정의 조건들이 충족되는 경우, 통상 운전 동작점보다 전력 손실이 큰 저효율 운전 동작점에서 연료전지를 운전시키는 운전제어공정; 및 상기 연료전지가 저효율 운전 동작점에서 운전되는 경우 상기 연료전지의 발전 특성을 토대로, 상기 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 추정공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 구성에 있어서, 상기 추정공정은 상기 연료전지의 발전 특성과 상기 연료전지로 공급될 캐소드가스량과 함께, 상기 연료전지의 캐소드측에 남아 있는 미반응 캐소드 가스의 잔존량과 상기 연료전지를 구성하는 셀들의 압력 손실의 변동 중 하나 이상을 고려하여 생성될 애노드가스량을 추정하는 것이 바람직한 구성예이다.
더욱이, 상기 구성에서는, 상기 추정공정이 전압모니터에 의해 검출된 연료전지의 출력 전압을 토대로 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 것이 바람직한 구성예이다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지가 낮은 발전 효율의 상태로 운전되는 경우에도, 배기수소농도가 충분히 감소될 수 있다. 본 발명에 따르면, 캐소드측으로부터 배출될 수소오프가스 등의 농도가 신속하면서도 정확하게 얻어질 수 있다.
도 1은 제1실시예에 따른 연료전지시스템의 구성을 도시한 도면;
도 2는 본 실시예에 따른 FC 전류와 FC 전압간의 관계를 도시한 도면;
도 3a는 본 실시예에 따른 통상 운전 시의 전지반응을 도시한 도면;
도 3b는 본 실시예에 따른 저효율 운전 시의 전지반응을 도시한 도면;
도 4는 본 실시예에 따른 저효율 운전 시의 동작을 도시한 흐름도;
도 5는 제2실시예에 따른 연료전지시스템의 구성을 도시한 도면;
도 6a는 본 실시예에 따른 통상 운전 시의 출력 전력과 전력 손실간의 관계를 도시한 도면;
도 6b는 본 실시예에 따른 저효율 운전 시의 출력 전력과 전력 손실간의 관계를 도시한 도면;
도 7a는 본 실시예에 따른 통상 운전 시의 전지반응을 도시한 도면;
도 7b는 본 실시예에 따른 저효율 운전 시의 전지반응을 도시한 도면;
도 8은 본 실시예에 따라 발생될 펌핑 수소량과 공기 화학양론비간의 관계를 도시한 도면;
도 9는 제3실시예에 따른 연료전지 주위의 구성을 도시한 도면;
도 10은 본 실시예에 따른 기준함수의 설명도;
도 11은 본 실시예에 따른 공기유량조정맵을 도시한 도면;
도 12는 제4실시예에 따른 연료전지 주위의 구성을 도시한 도면;
도 13은 본 실시예에 따른 운전을 도시한 흐름도;
도 14는 본 실시예에 따른 각각의 운전 동작점의 설명도; 및
도 15는 본 실시예에 따른 저효율 예비운전의 동작을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
A. 제1실시예
도 1은 본 실시예에 따른 연료전지시스템(100)의 주요부의 구성을 도시한 도면이다. 본 실시예에 있어서는, 연료전지자동차(FCHV), 전기자동차 및 하이브리드자동차와 같은 차량에 탑재될 연료전지시스템이 상정되지만, 상기 시스템은 차량 뿐만 아니라 각종 이동체(예컨대, 선박, 비행기, 로봇 등) 및 정지형 전원(stationary power source)에도 적용가능하다.
연료전지시스템(100)은 연료가스순환공급시스템 및 산화가스공급시스템을 포함한다.
상기 연료가스순환공급시스템은 연료가스공급원(30), 연료가스공급로(21), 연료전지(40), 연료가스순환로(22) 및 애노드오프가스유로(23)를 포함하고, 상기 산화가스공급시스템은 에어컴프레서(60), 산화가스공급로(11) 및 캐소드오프가스유 로(12)를 포함한다.
상기 연료전지(40)는 공급된 반응가스(연료가스 및 산화가스)로부터 발전하기 위한 수단으로서, MEA(막/전극접합체) 등을 포함하는 복수의 단일 셀들이 직렬로 적층된 스택 구조를 가진다. 구체적으로는, 고체고분자형, 인산형 및 용융탄산염형과 같은 여러 타입의 연료전지가 사용될 수도 있다.
상기 연료가스공급원(30)은 수소 가스와 같은 연료가스를 연료전지(40)에 공급하기 위한 수단으로서, 예컨대 고압수소탱크, 수소저장탱크 등을 포함한다. 상기 연료가스공급로(21)는 연료가스공급원(30)으로부터 배출될 연료가스를 연료전지(40)의 애노드극으로 유도하는 가스유로이고, 상기 가스유로에는 탱크밸브(H1), 수소공급밸브(H2) 및 FC 입구밸브(H3)와 같은 밸브들이 상류에서 하류로 제공된다. 상기 탱크밸브(H1), 수소공급밸브(H2) 및 FC 입구밸브(H3)는 연료가스를 가스유로(21 내지 23) 또는 연료전지(40)로 공급(또는 차단)하기 위한 셧 밸브(shut valve)이고, 상기 밸브는 예컨대 전자기 밸브를 포함한다.
상기 연료가스순환로(22)는 미반응 연료가스를 연료전지(40)로 되돌려보내기 위한 리턴가스유로이고, 상기 가스유로에는 FC 출구밸브(H4), 수소펌프(50) 및 체크밸브(51)가 상류에서 하류로 각각 제공된다. 상기 연료전지(40)로부터 배출되는 저압의 미반응 연료가스는 수소펌프(50)에 의해 적절하게 가압되며, 연료가스공급로(21) 안으로 도입된다. 연료가스공급로(21)로부터 연료가스순환로(22)로의 상기 연료가스의 역류는 체크밸브(51)에 의해 억제된다는 점에 유의한다.
상기 애노드오프가스유로(23)는 연료전지(40)로부터 시스템의 외부로 배출되 는 수소오프가스를 포함하는 애노드오프가스를 배기시키기 위한 가스유로이고, 상기 가스유로에는 퍼지밸브(H5)가 제공된다.
상기 에어컴프레서(60)는 외부 공기로부터 취한 산소(산화가스)를 에어필터(도시안됨)를 통해 연료전지(40)의 캐소드극으로 공급한다. 캐소드오프가스는 연료전지(40)의 캐소드로부터 배출된다. 캐소드오프가스는 연료전지(40)의 전지반응을 겪은 산소오프가스 이외에도 캐소드측 등에서 발생될 펌핑 수소를 포함한다(추후 상세히 후술함). 이러한 캐소드오프가스는 연료전지(40)의 연료반응에 의해 생성되는 수분을 포함하므로, 상기 가스가 고습윤상태로 된다.
가습모듈(70)은 산화가스공급로(11)를 통과하는 저습윤상태의 산화가스와 캐소드오프가스유로(12)를 통과하는 고습윤상태의 캐소드오프가스간에 수분을 교환하여, 연료전지(40)로 공급될 산화가스를 적절하게 가습시키게 된다. 연료전지(40)로 공급될 산화가스의 배압(back pressure)은 캐소드오프가스유로(12)의 캐소드 출구 부근에 배치된 공기압조정밸브(A1)에 의해 조정된다.
여기서, 에어컴프레서(60)로부터 가습모듈(70)까지 연장되는 산화가스공급로(11)는 상기 가습모듈(70)로부터 바이패스밸브(B1)를 통해 희석유닛(80)까지 연장되는 캐소드오프가스유로(12)에 연결된다. 상기 바이패스밸브(B1) 및 바이패스통로(31)는 산화가스공급로(11)를 통과하는 산화가스의 일부를 연료전지(40)에 의해 지나도록 하여, 그 일부를 캐소드오프가스유로(12)로 도입시키는 수단이고, 바이패스될 산화가스량은 제어장치(조정수단)(160)에 의해 조정된다. 후술하는 설명에서는, 바이패스될 산화가스를 바이패스 공기라고 한다는 점에 유의한다.
상기 희석유닛(80)은 수소가스의 배출 농도가 소정의 농도 범위(환경 기준 등에 기초하여 결정된 범위)에 있도록 가스를 희석시킨다. 이러한 희석유닛(80)은 캐소드오프가스유로(12)와 애노드오프가스유로(23)의 하류측과 연통되고, 수소오프가스, 펌핑 수소, 산소오프가스 및 바이패스 공기를 혼합 및 희석시켜 상기 가스를 시스템으로부터 배기시키게 된다.
연료전지(40)에서 발전되는 직류 전력의 일부 압력은 DC/DC 컨버터(130)에 의해 승강되어 배터리(140)를 충전시키게 된다.
상기 배터리(140)는 충방전가능한 2차전지로서, 각종 타입의 2차전지(예컨대, 니켈수소전지 등)를 포함한다. 상기 배터리(140) 대신에, 2차전지가 아닌 충방전가능한 전력저장유닛, 예컨대 캐패시터가 사용될 수도 있음은 자명하다.
트랙션인버터(traction inverter; 110) 및 보조기계인버터(120)는 펄스폭변조시스템의 PWM 인버터로서, 연료전지(40) 또는 배터리(140)로부터 출력되는 직류 전력을 주어진 제어 지령에 따라 3상 교류 전력으로 변환하여, 상기 전력을 트랙션모터(M3) 및 보조기계모터(M4)로 공급하게 된다.
상기 트랙션모터(M3)는 차륜(150L, 150R)을 구동시키는 모터이고, 보조기계모터(M4)는 각종 보조기계들을 구동시키는 모터이다. 상기 보조기계모터(M4)는 일반적으로 수소순환펌프(50)를 구동시키는 모터(M1), 에어컴프레서(60)를 구동시키는 모터(M2) 등을 말한다는 점에 유의한다.
상기 제어장치(조정수단)(160)는 CPU, ROM, RAM 등을 포함하고, 입력된 센서 신호들을 토대로 시스템의 각 부를 중앙에서 제어한다. 구체적으로, 상기 장치는 액셀러레이터 페달의 개방도를 검출하는 액셀러레이터페달센서(s1), 배터리(140)의 충전 상태(SOC)를 검출하는 SOC 센서(s2), 트랙션모터(M3)의 회전수를 검출하는 T/C모터회전수검출센서(s3) 및 출력 전압, 출력 전류 그리고 연료전지(40)의 내부 온도를 각각 검출하는 전압센서(s4), 전류센서(s5), 온도센서(s6) 등으로부터 입력되는 센서 신호들을 토대로 인버터(110, 120)의 출력펄스폭 등을 제어한다.
더욱이, 상기 제어장치(160)는, 연료전지(40)가 저온 등에서 개시되는 동안 워밍업되어야 하는 경우, 메모리(170)에 저장된 맵(mp1 내지 mp5)을 이용하여 낮은 발전 효율로 운전을 수행한다.
도 2는 연료전지의 출력 전류(FC 전류)와 출력 전압(FC 전압)간의 관계를 도시한 도면이다. 높은 발전 효율의 운전(통상 운전; 제1효율의 운전)이 수행되는 경우는 실선으로 도시되어 있고, 산화가스량이 감소되어 낮은 발전 효율의 운전(저효율의 운전; 제1효율보다 낮은 제2효율의 운전)을 수행하게 되는 경우는 점선으로 도시되어 있다. 가로축은 FC 전류를 가리키고, 세로축은 FC 전압을 가리킨다는 점에 유의한다.
통상적으로, 연료전지(40)가 운전되는 경우, 상기 연료전지(40)는 전력 손실을 막아 높은 발전 효율을 얻기 위하여 공기 화학양론비가 1.0 이상(이론치)으로 설정된 상태로 운전된다(도 2의 실선 부분 참조). 여기서, 공기 화학양론비는 FC 전류를 발생시키는 데 필요한 이론적인 공기 공급량에 대한 실제 공기 공급량의 과잉율이다.
다른 한편으로, 연료전지(40)가 워밍업될 때, 상기 연료전지(40)는 전력 손 실을 증가시켜 연료전지(40)의 온도를 상승시키기 위하여 공기 화학양론비가 1.0 정도(이론치)로 설정된 상태로 운전된다(도 2의 점선 부분 참조). 공기 화학양론비가 낮게 설정되어 연료전지를 운전시키는 경우에는, 수소와 산소간의 반응에 의해 얻게 될 에너지에 관하여, 전력 손실(즉, 열 손실)을 보상하는 에너지가 적극적으로 증가된다. 그러므로, 전지가 신속하게 워밍업될 수 있다. 다른 한편으로, 펌핑 수소는 캐소드에서 발생된다.
도 3은 펌핑 수소의 발생 메커니즘의 설명도로서, 도 3a는 통상 운전 시의 전지반응을 도시한 도면이고, 도 3b는 저효율 운전 시의 전지반응을 도시한 도면이다.
각각의 셀(4)은 전해질막(4a) 및 상기 전해질막(4a)을 니핑(nip)하는 애노드전극과 캐소드전극을 포함한다. 수소(H2)를 포함하는 연료가스는 애노드로 공급되고, 산소(O2)를 포함하는 산화가스는 캐소드로 공급된다. 연료가스가 애노드로 공급되면, 후술하는 화학식 (A)의 반응이 진행되고, 수소가 수소 이온과 전자로 해리된다. 애노드에서 생성된 수소 이온은 전해질막(4a)을 관통하여 캐소드로 이동하는 반면, 전자는 애노드로부터 외부 회로를 통과하여 캐소드로 이동하게 된다.
여기서, 산화가스가 캐소드에 충분히 공급되는 경우에는(공기 화학양론비 ≥ 1.0), 후술하는 화학식 (B)의 반응이 진행되어 산소, 수소 이온 및 전자로부터 물이 발생되게 된다(도 3a 참조). 다른 한편으로, 산화가스가 캐소드에 불충분하게 공급되는 경우에는(공기 화학양론비 < 1.0), 후술하는 화학식 (C)의 반응이 부족한 산화가스량에 따라 진행되고, 수소 이온이 전자에 재결합되어 수소를 생성하게 된다(도 3 참조). 생성된 수소는 산소오프가스와 함께 캐소드로부터 배출된다. 해리된 수소 이온과 전자를 서로 재결합하여 캐소드에서 생성될 수소, 즉 캐소드에서 생성될 애노드 가스를 펌핑 수소라고 한다는 점에 유의한다.
애노드 : H2 → 2H+ + 2e- ... (A);
캐소드 : 2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O ... (B); 및
캐소드 : 2H+ + 2e- → H2 ... (C).
이러한 방식으로 캐소드로의 산화가스의 공급이 부족한 상태에서는, 캐소드오프가스에 펌핑 수소가 포함된다. 그러므로, 본 실시예에서는, 바이패스 공기의 유량이 캐소드오프가스에 포함된 펌핑 수소량에 따라 조정되어 배기수소농도를 제어하게 된다. 이하, 저효율 운전 시의 연료전지시스템(100)의 운전을 설명하기로 한다.
도 4는 저효율 운전 시의 연료전지시스템의 동작을 도시한 흐름도이다.
워밍업 온도 등에 따른 목표로서 저효율 운전 동작점(It, Vt)을 결정한 후(도 2 참조), 상기 제어장치(160)는 메모리(170)에 저장된 저효율운전화학양론비맵(mp1)을 참조한다. 상기 저효율운전화학양론비맵(mp1)은 FC 전류 지령값(It) 및 FC 전압 지령값(Vt)으로부터 공기 화학양론비를 결정하고, 실험 등에 의해 얻어진 값을 기초로 하여 작성된다. 상기 제어장치(160)는 상기 결정된 FC 전류 지령 값(It), FC 전압 지령값(Vt) 및 저효율운전화학양론비맵(mp1)을 이용하여 운전 동작점에서 공기 화학양론비(Ra)를 결정한다(공정 S1).
공기 화학양론비(Ra)를 결정하는 경우, 상기 제어장치(160)는 메모리(170)에 저장된 펌핑수소량맵(mp2) 및 퍼지수소량맵(mp3)을 참조한다. 상기 펌핑수소량맵(mp2)을 참조하면, 펌핑 수소의 발생량(펌핑수소량)이 FC 전류 지령값(It), 상기 결정된 공기 화학양론비(Ra) 및 온도센서(s6)에 의해 검출된 연료전지(40)의 온도로부터 추정되고, 상기 맵은 실험 등에 의해 얻어진 값을 토대로 작성된다. 상기 퍼지수소량맵(mp3)은 FC 전류로부터 수소오프가스를 포함하는 애노드오프가스의 배출량(퍼지수소량)을 추정하기 위한 맵이다.
상기 제어장치(160)는 상기 결정된 FC 전류 지령값(It), 공기 화학양론비(Ra), 연료전지(40)의 온도 및 펌핑수소량맵(mp2)을 이용하여 펌핑수소량(Ap1)을 추정한다. 다른 한편으로, 퍼지수소량(Ap2)은 상기 결정된 FC 전류 지령값(It) 및 퍼지수소량맵(mp3)을 이용하여 추정되고, 총배기수소량(At)은 목표로서 저효율 운전 동작점(It, Vt)에서 얻어진다(공정 S2; 하기 수학식 1 참조).
At = Ap1 + Ap2
총배기수소량(At)의 획득 시, 상기 제어장치(160)는 배기수소농도를 기준값보다 크지 않도록 설정하는 데 필요한 FC 필요공기유량, 소기량(air sweep amount) 지령값 및 바이패스 공기 유량을 도출한다(공정 S3). 구체적으로는, 상기 연료전지(40)에 필요한 공기 유량(FC 필요공기유량)(An)이 하기 수학식 2를 이용하여 얻 어진다.
An = It*{400*22.4*60/(4*96485)}*100/21
다음으로, 상기 제어장치(160)는 하기 수학식 3을 이용하여 연료전지(40)에 의해 소비될 공기 유량(FC 소비공기유량)(Ac)을 얻고, 배기수소농도를 기준값보다 크지 않도록 설정하기 위하여, 하기 수학식 4를 이용하여 가스를 희석시키는 데 필요한 공기 유량(총공기유량)(Ad)을 얻는다.
Ac = It*400*22.4*60/(4*96485)
Ad = (At*100/Dt)+Ac
여기서, Dt는 배기 수소의 목표 농도(%)임.
나아가, 상기 제어장치(조정수단)(160)는 최소 바이패스 공기 유량(Abl)을 FC 필요공기유량(An)에 더하여 얻어진 값을 총공기유량(Ad)과 비교하고, 상기 장치는 에어컴프레서(60)의 공기 송풍량 지령값(Asp)으로서 보다 큰 값을 설정한다(하기 수학식 5 참조). 더욱이, 상기 설정된 공기 송풍량 지령값(Asp) 및 FC 필요공기유량(An)은 하기 수학식 6으로 치환되어, 바이패스 공기 유량(Abp)을 얻게 된다. 최소 바이패스 공기 유량(Abl)은 저효율 운전 시 바이패스 라인(31)을 통과할 공기의 유량의 최소값을 가리킨다는 점에 유의한다.
Asp = MAX{(An+Abl), (Ad)}
Abp = Asp - An
FC 필요공기유량(An) 및 바이패스 공기 유량(Abp)의 획득 시, 상기 제어장치(160)는 공기압력조정밸브개방도맵(mp4) 및 바이패스밸브개방도맵(mp5)을 참조한다. 상기 공기압력조정밸브개방도맵(mp4)은 FC 필요공기유량(An) 및 바이패스 공기 유량(Abp)으로부터 공기압력조정밸브(A1)의 밸브 개방도를 결정하기 위한 맵이고, 상기 바이패스밸브개방도맵(mp5)은 FC 필요공기유량(An) 및 바이패스 공기 유량(Abp)으로부터 바이패스 밸브(B1)의 밸브 개방도를 결정하기 위한 맵이다.
상기 제어장치(160)는 FC 필요공기유량(An), 바이패스 공기 유량(Abp), 공기압력조정밸브개방도맵(mp4) 및 바이패스밸브개방도맵(mp5)을 이용하여 공기압력조정밸브(A1) 및 바이패스 밸브(B1)의 밸브 개방도를 조정한다(공정 S4). 이 때, 상기 공기압력조정밸브(A1)의 밸브 개방도는 전류계(s5)에 의해 검출된 FC 전류의 목표값과 측정된 값간의 편차로부터 생성된 PID 보정항으로 보정된다.
나아가, 설정된 공기 송풍량 지령값(As)에 따른 에어컴프레서(60)의 구동 제어 시(공정 S5), 상기 제어장치(160)는 공정 S6으로 진행되어 저효율 운전을 종료하는 지의 여부(즉, 연료전지(40)의 워밍업 운전의 종료 여부)를 판정하게 된다. 여기서, 연료전지(40)의 온도가 소정의 기준 온도를 상회하면, 저효율 운전이 종료된다. 온도가 기준 온도보다 높지 않으면, 상기 제어장치는 공정 S1로 되돌아가 상기 처리를 계속하게 된다. 본 발명이 이러한 실시예로 제한되는 것이 아니라는 것 은 자명하다. 상기 제어장치는 생성될 열량, 저효율 운전의 운전 시간 등을 토대로 저효율 운전의 종료 여부를 판정할 수도 있다.
상술된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 바이패스 공기 유량 등은 애노드로부터 배출될 퍼지수소량 뿐만 아니라 캐소드로부터 배출될 펌핑수소량도 고려하여 결정된다. 그러므로, 저효율 운전이 행해지는 경우에도, 배기수소농도가 충분히 감소될 수 있고, 규제 범위를 넘어서는 수소가 시스템으로부터 배출되는 문제점을 사전에 미리 방지할 수 있게 된다.
<변형예>
(1) 본 실시예에서는, 캐소드로 공급될 산화가스가 부족한 상태로 연료전지로부터 발전되는 경우가 상술되어 있지만, 그 대신에(또는 부가적으로), 애노드로 공급될 연료가스가 부족한 상태로 연료전지로부터 발전될 수도 있다.
(2) 또한, 본 실시예에서는, 희석용 가스로 캐소드에 공급될 산화가스가 예시되어 있지만, 수소 가스 이외의 여하한의 가스가 사용될 수도 있다.
(3) 나아가, 본 실시예에서는, 가스공급로를 통과하는 희석용 가스(산화가스)의 일부가 연료전지에 의해 지나가게 하고 배출통로로 도입시켜 배기수소농도를 줄이게 된다. 하지만, 예컨대 희석용 가스의 공급수단이 별도로 배치될 수도 있으며, 상기 희석용 가스는 상기 가스공급수단으로부터 배출통로로 도입되어, 배기수소농도를 줄일 수도 있다.
(4) 또한, 본 실시예에서는, 시스템의 시동 시 저효율 운전이 수행되는 경우가 예시되어 있지만, 상기 저효율 운전은 예컨대 시스템에 필요한 전력이 소정값보 다 크지 않은 경우와 시스템을 정지시키는 지령이 주어지는 경우에 수행될 수도 있다.
B. 제2실시예
도 5는 제2실시예에 따른 연료전지시스템(1000)의 주요부의 구성을 도시한 도면이다. 상술된 제1실시예에서와 동일한 방식으로, 제2실시예에서도 연료전지시스템은 연료전지자동차(FCHV), 전기자동차 및 하이브리드자동차와 같은 차량에 탑재될 연료전지시스템이 상정되지만, 상기 시스템은 차량 뿐만 아니라 각종 이동체(예컨대, 선박, 비행기, 로봇 등) 및 정지형 전원에도 적용가능하다.
연료전지(400)는 공급된 반응가스(연료가스와 산화가스)로부터 발전하기 위한 수단으로서, MEA(막/전극접합체) 등을 포함하는 복수의 단일 셀들이 직렬로 적층된 스택 구조를 가진다. 구체적으로는, 고체고분자형, 인산형 및 용융탄산염형과 같은 각종 타입의 연료전지들이 사용될 수도 있다. 수소를 포함하는 연료가스는 가스탱크, 수소흡장탱크 또는 수소개질유닛과 같은 연료가스공급원(1100)으로부터 연료전지(400)의 연료극(애노드)으로 공급되는 반면, 공기를 포함하는 산화가스는 에어컴프레서(700)에 의해 산소극(캐소드)으로 공급된다.
배터리(200)는 충방전가능한 2차전지로서, 각종 타입의 2차전지(예컨대, 니켈수소전지 등)를 포함한다. 상기 배터리(200) 대신에, 2차전지가 아닌 충방전가능한 전력저장유닛, 예컨대 캐패시터가 사용될 수도 있음은 자명하다. 이러한 배터리(200)는 DC/DC 컨버터(300)를 통하여 연료전지(400)의 전기방전로에 개재되어 있다.
상기 연료전지(400) 및 배터리(200)는 인버터(500a, 500b)와 병렬로 연결된다. 연료전지(400)로부터 인버터(500a, 500b)로 연장되는 경로에는 배터리(200)로부터의 전류의 역류를 방지하는 다이오드(420)가 제공된다.
상기 인버터(500a, 500b)는 펄스폭변조시스템의 PWM 인버터이고, 연료전지(400) 또는 배터리(200)로부터 출력되는 직류 전력을 주어진 제어 지령에 따라 3상 교류 전력으로 변환하여, 상기 전력을 모터(600a, 600b)로 공급하게 된다.
에어컴프레서모터(600a)는 에어컴프레서(700)에 의해 공급될 산화가스량을 조정하는 모터이고, 트랙션모터(600b)는 차륜(800L, 800R)을 구동시키는 모터이다. 또한, 각종 타입의 보조기계(수소펌프 등)를 구동시키는 모터, 인버터 등이 배치되어 있다는 점에 유의한다.
제어장치(운전제어수단, 추정수단)(1500)은 CPU, ROM, RAM 등을 포함하고, 입력된 센서 신호들을 토대로 시스템의 각 부를 중앙에서 제어한다. 구체적으로, 상기 장치는 액셀러레이터 페달의 개방도를 검출하는 액셀러레이터페달센서(1550), 배터리(200)의 충전 상태(SOC)를 검출하는 SOC 센서(210), 트랙션모터(600b)의 회전수를 검출하는 T/C모터회전수검출센서(610b) 등으로부터 입력되는 센서 신호들을 토대로 인버터(500a, 500b)의 출력 펄스폭 등을 제어한다.
더욱이, 상기 제어장치(1500)는, 온도센서(410)에 의해 검출되는 연료전지(400)의 온도를 토대로 워밍업 운전이 필요한 지의 여부를 판정한다. 워밍업 운전이 필요한 것으로 판정 시, 상기 제어장치(1500)는 캐소드로 공급될 산화가스를 감소시켜 낮은 발전 효율로 운전을 수행하게 된다.
도 6a는 높은 발전 효율의 운전(통상 운전)이 수행될 때의 출력 전력과 전력 손실간의 관계를 도시한 도면이고, 도 6b는 낮은 발전 효율의 운전(저효율 운전)이 수행될 때의 출력 전력과 전력 손실간의 관계를 도시한 도면이다. 가로축은 FC 전류를 가리키고, 세로축은 FC 전압을 가리키며, 개방회로전압(OCV)은 여하한의 전류가 연료전지(400)를 통과하지 않은 상태의 전압을 가리킨다는 점에 유의한다.
일반적으로, 전류 및 전압 특성(이하, IV 특성이라고 함)이 도 6에 도시된 바와 같이 얻어지는 연료전지(400)에서는, 상기 제어유닛(1500)이 출력 전력에 대한 전력 손실이 작은 통상 운전 동작점(Ifc1, Vfc1)에서 운전을 수행한다.
다른 한편으로, 워밍업 운전이 수행될 때, 제어장치(운전제어수단)(1500)는 전력 손실이 큰 저효율 운전 동작점(Ifc2, Vfc2)에서 운전을 수행하고, 연료전지(400)의 내부 온도를 상승시킨다(도 6b 참조). 이러한 저효율 운전이 수행되는 과정에서, 수소와 산소간의 반응에 의해 취하게 될 에너지에 관해서는, 전력 손실(즉, 열 손실)을 보상하는 에너지가 적극적으로 증가된다. 그러므로, 전지가 신속하게 워밍업될 수 있다.
이하, 저효율 운전의 제어를 상세히 설명하기로 한다. 상기 제어장치(1500)는 DC/DC 컨버터(300)의 사용에 의해 FC 전압을 제어하고, 상기 연료전지(400)로 공급될 산화가스량을 감소시켜 FC 전류를 제어하게 된다. 공급될 산화가스량이 이러한 방식으로 감소되는 경우, 상기 연료전지(400)의 캐소드에서 펌핑 수소(후술함)가 발생한다. 이하, 펌핑 수소의 발생 메커니즘을 설명하기로 한다.
도 7은 연료전지(400)를 구성하는 셀(400a)을 개략적으로 도시한 도면이다.
각각의 셀(400a)은 전해질막(400b) 및 상기 전해질막(400b)을 니핑하는 애노드전극과 캐소드전극을 포함한다. 수소(H2)를 포함하는 연료가스는 애노드로 공급되고, 산소(O2)를 포함하는 산화가스는 캐소드로 공급된다. 연료가스가 애노드로 공급되면, 후술하는 화학식 (11)의 반응이 진행되고, 수소가 수소 이온과 전자로 해리된다. 애노드에서 발생된 수소 이온은 전해질막(400b)을 관통하여 캐소드로 이동하는 반면, 전자는 애노드로부터 외부 회로를 통과하여 캐소드로 이동하게 된다.
여기서, 산화가스가 캐소드에 충분히 공급되는 경우에는, 후술하는 화학식 (12)의 반응이 진행되어 산소, 수소 이온 및 전자로부터 물이 발생되게 된다(도 7a 참조). 다른 한편으로, 산화가스가 캐소드에 불충분하게 공급되는 경우에는, 후술하는 화학식 (13)의 반응이 부족한 산화가스량에 따라 진행되고, 수소 이온이 전자에 재결합되어 수소를 생성하게 된다(도 7b 참조). 생성된 수소는 산소오프가스와 함께 캐소드로부터 배출된다. 해리된 수소 이온과 전자를 서로 재결합하여 캐소드에서 생성된 수소, 즉 캐소드에서 생성된 애노드 가스를 펌핑 수소라고 한다.
애노드 : H2 → 2H+ + 2e- ... (11);
캐소드 : 2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O ... (12); 및
캐소드 : 2H+ + 2e- → H2 ... (13).
도 8은 연료전지에서 발생될 펌핑수소량과 공기 화학양론비간의 관계(1점쇄 선; 이론값, 실선; 실제 측정값)를 도시한 도면이다. 세로축은 발생될 펌핑수소량을 가리키고, 가로축은 공기 화학양론비를 가리킨다. 여기서, 공기 화학양론비는 산소과잉율이고, 여하한의 과잉이나 부족없이 반응에 필요한 산소에 대하여 공급될 산소의 과잉 정도를 가리킨다.
발생될 펌핑 수소의 이론적인 양은 하기 수학식 14로 표현될 수 있다. 공기 화학양론비가 1.0 미만이면, 펌핑 수소의 발생이 이론적으로 개시한다. 이러한 펌핑 수소의 이론적인 발생량은 하기 수학식 14 및 도 8의 1점쇄선으로 도시된 바와 같이 공기 화학양론비의 강하와 함께 증가한다.
Vt = (1-St)*Ifc*{n/(2*F)}*22.4*60
여기서, Vt; 펌핑 수소의 이론적인 발생량;
St; 공기 화학양론비;
Ifc; 출력 전류(발전 특성);
F; 패러데이 상수; 및
n; 셀의 개수.
상기 양은 이론적으로 얻어지지만, 실제로는 도 8에 실선으로 도시된 바와 같이, 공기 화학양론비가 1.0보다 큰 경우에, 펌핑 수소가 발생되기 시작한다. 본 발명자는 이론값과 실제 측정값간에 발생한 편차의 원인들 중 한 가지를 셀 내의 미반응 산소분(반응면에 도달하지 못하여 반응하지 못한 산소; 미반응 캐소드 가스)으로 추정하고, 상기 셀들을 평가하였다. 그 결과, 도 8에 도시된 오프셋량(△ s)이 미반응 산소분과 거의 일치하는 것으로 판명되었다. 오프셋량(△s)은 셀의 특성(재질, 형상 등)에 좌우되기 때문에, 실험 등에 의해 미리 얻어진 양이 사용될 수도 있다는 점에 유의한다.
나아가, 본 발명자는 (셀들간의 압력 손실 변동과 거의 동일한) 셀들간의 분배 변동으로 인하여 셀들로 공급될 수 없는 산소분이 있는 것으로 추정하고, 상기 셀들을 평가하였다. 구체적으로는, 선적될 각각의 제조된 셀의 검사 시의 압력 손실이 하기 수학식 15 내지 17로 치환되었으며, 펌핑수소발생량을 계산하기 위해 분배율 등이 얻어졌다. 그 결과, 상기 양은 실선의 곡선부의 것과 거의 일치하는 것으로 판명되었다.
D(i) = Plave/Pl(i)
B1 = 1/Dmin + △s
B2 = 1/Dmax + △s
여기서, D(i); i번째 셀의 분배율;
Plave; 셀들의 평균 압력 손실;
Pl(i); i번째 셀의 압력 손실;
Dmin; 최소 분배율;
Dmax; 최대 분배율;
B1; 펌핑 수소의 발생이 개시되는 공기 화학양론비; 및
B2; 직선이 곡선과 교차하는 공기 화학양론비.
이를 보다 구체적으로 기술하기로 한다. 예를 들어, 셀의 평균 압력 손실(Plave)이 1.0이면, 셀들간의 ±20%의 압력 손실의 변동(0.8 내지 1.2)이 있고, 오프셋량(△s)이 0.05이며, 최소 분배율(Dmin), 최대 분배율(Dmax), 펌핑 수소의 발생이 개시되는 공기 화학양론비(B1) 및 직선이 곡선과 교차하는 공기 화학양론비(B2)가 각각 하기와 같이 얻어진다. 본 발명에서는, 펌핑 수소가 발생되는 공기 화학양론비에서의 운전을 저효율 운전이라고 하며, 여하한의 펌핑 수소가 발생되지 않는 공기 화학양론비에서의 운전을 통상 운전이라고 한다는 점에 유의한다.
Dmin = 1/1.2;
Dmax = 1/0.8;
B1 = 1/Dmin+△s = 1.2/1+0.05 = 1.25; 및
B2 = 1/Dmax+△s = 0.8/1+0.05 = 0.85.
상기 설명으로부터 명백한 바와 같이, 펌핑 수소의 실제 발생량은 셀 내의 미반응 산소분과 분배 변동으로 인하여 공급될 수 없는 산소분을 고려하여 보다 정확하게 추정될 수 있다. 구체적으로, 화학양론비 X에서 발생될 펌핑 수소의 실제량은 하기 수학식 18에 의해 추정될 수 있다.
Figure 112008027573309-PCT00001
상술된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 캐소드에서 발생될 펌핑 수소의 실제량은 상기 셀 내의 미반응 산소분과 분배 변동으로 인해 공급될 수 없는 산소분을 고려하여 보다 정확하게 추정될 수 있다.
<변형예>
상기 실시예에서는, 펌핑 수소가 상기 수학식 18 등을 이용하여 검출된다. 하지만, 예컨대 펌핑 수소가 배출되어야 하는 캐소드오프가스유로에는 수소센서가 제공될 수도 있고, 수소센서에 의한 펌핑 수소의 검출과 상기 수학식 18 등을 이용한 펌핑 수소의 검출 양자 모두가 수행될 수도 있다.
더욱이, 상기 실시예에서는, 펌핑 수소의 발생량이 셀 내의 미반응 산소분과 분배 변동으로 인하여 공급될 수 없는 산소분을 고려하여 추정되었지만, 펌핑 수소의 발생량은 이들 가운데 한 가지 이상을 고려하여 추정될 수도 있다.
예를 들면, 셀 내의 미반응 산소분만을 고려하는 경우, 펌핑 수소의 발생량은 하기 수학식 18a에 따라 추정될 수 있다. 다른 한편으로, 분배 변동으로 인하여 공급될 수 없는 산소분만을 고려하는 경우에는, 펌핑 수소의 발생량이 하기 수학식 18b에 따라 추정될 수 있다.
Figure 112008027573309-PCT00002
Figure 112008027573309-PCT00003
더욱이, 상기 실시예에서는, 연료전지(400)가 워밍업되는 경우, 상기 셀이 저효율 운전 동작점에서 운전되지만, 상기 연료전지(400)의 촉매 활성이 회복되는 경우에는, 상기 셀이 저효율 운전 동작점에서 운전될 수도 있다.
예를 들어, 연료전지(400)의 전극 촉매가 피독 상태(poisoned state)에 있는 것으로 검출되는 경우, 상기 셀은 저효율 운전 동작점에서 운전될 수도 있다. 상기 셀이 일단 시스템의 시동 시에 저효율 운전 동작점에서 운전된 후에는, 상기 동작점이 통상 운전 동작점으로 이동될 수도 있다. 나아가, 시스템에 필요한 전력이 소정값보다 크지 않으면(예컨대, 공회전 출력 부근에서), 통상 운전 동작점이 저효율 운전 동작점으로 이동될 수도 있다. 나아가, 시스템의 정지 후에는, 운전이 저효율 운전 동작점에서 수행되어, 상기 운전 시에 열화된 촉매 활성을 회복시키고 차기 시동을 준비할 수도 있다.
C. 제3실시예
도 9는 제3실시예에 따른 연료전지 주위의 구성을 도시한 도면이다. 상기 실시예들에서와 동일한 방식으로, 제3실시예에서도, 연료전지시스템은 연료전지자동차(FCHV), 전기자동차 및 하이브리드자동차와 같은 차량에 탑재될 연료전지시스템이 상정되지만, 상기 시스템은 차량 뿐만 아니라 각종 이동체(예컨대, 선박, 비행 기, 로봇 등) 및 정지형 전원에도 적용가능하다.
도 9에 도시된 연료전지(2400)에는 각각의 셀 450-k(1≤k≤n)에 대하여 셀 모니터 460-k(1≤k≤n)가 제공된다. 본 실시예는 펌핑 수소의 발생량(또는 펌핑 수소의 농도)이 셀 모니터 460-k에 의해 검출된 셀 전압을 토대로 추정된다는 것을 특징으로 한다. 이것을 아래에 상세히 설명하기로 한다.
각각의 셀 모니터 460-k는 대응하는 셀 450-k의 전압값(셀 전압)을 검출하여 상기 값을 제어장치(2500)로 공급하게 된다. 각각의 셀 모니터 460-k로부터 셀 전압의 수신 시, 상기 제어장치(2500)는 메모리(2510) 내에 저장된 기준 함수를 참조하여 각 셀에서 발생될 펌핑 수소량을 추정한다.
도 10은 메모리(2510)에 저장된 기준 함수의 설명도이다. 좌측 세로축은 펌핑 수소의 발생량을 가리키고, 우측 세로축은 셀 전압을 가리키며, 가로축은 공기 화학양론비를 가리킨다.
펌핑 수소의 발생량, 셀 전압 및 공기 화학양론비간의 관계는 제조와 선적 시 소정의 셀(이하, 기준 셀이라고 함)을 평가하여 얻어진다. 더욱이, 이러한 평가 결과를 토대로, 상기 기준 셀의 셀 전압으로부터 펌핑 수소의 발생량을 얻기 위한 기준 함수가 도출되어(수학식 19 참조), 메모리(2510)에 저장된다.
Fs = f(Vs)
여기서, Fs: 기준 셀에서의 펌핑 수소의 발생량;
Vs: 기준 셀의 셀 전압; 및
f: 기준함수(임의의 근사함수).
각각의 셀 모니터 460-k로부터의 셀 전압 수신 시, 제어장치(추정수단)(2500)는 각각의 셀 전압을 상기 수학식 19에 도시된 기준함수 f로 치환하여, 각 셀에서 발생될 펌핑 수소량을 추정하게 된다(수학식 20 참조). 더욱이, 이렇게 획득한 상기 셀에서 발생될 펌핑 수소량들이 더해져, 전체 연료전지에서 발생될 펌핑 수소량을 추정하게 된다(수학식 21 참조).
Fk = f(Vk)
여기서, Fk; k번째 셀에서의 펌핑 수소의 발생량; 및
Vk; k번째 셀의 셀 전압.
Figure 112008027573309-PCT00004
제어장치(2500)는 전체 연료전지에서 발생될 펌핑 수소량을 연료전지(2400)의 캐소드 출구측에서의 공기 유량(산화오프가스)으로 나누어, 펌핑수소농도를 계산하게 된다(수학식 22 참조). 캐소드 출구측에서의 공기 유량은 캐소드 출구측에 배치된 유량계에 의해 검출될 수도 있지만, 또다른 방법에 의해 검출될 수도 있다는 점에 유의한다.
Dh = Fp/Fair
여기서, Fair; 캐소드 출구측에서의 공기 유량.
펌핑수소농도 계산 시, 제어장치(2500)는 메모리(2510)에 저장된 공기유량조정맵(mp)을 액세스하고(도 11 참조), 연료전지(2400)로 공급될 산화가스의 유량을 조정한다. 일 예시를 설명하기로 한다. 예를 들어, 펌핑수소농도(Dh)가 제1임계값(Dth1)보다 높은 경우, 제어장치(2500)는 펌핑수소농도를 낮추기 위하여 연료전지(2400)로 공급될 산화가스의 유량을 증가시킨다. 다른 한편으로, 펌핑수소농도(Dh)가 제2임계값(Dth2)보다 낮은 경우, 상기 장치는 펌핑수소농도를 높이기 위하여 연료전지(2400)로 공급될 산화가스의 유량을 감소시킨다. 또한, 펌핑수소농도(Dh)가 제2임계값(Dth2)보다 낮지 않고 제1임계값(Dth1)보다는 높지 않은 경우, 상기 장치는 펌핑수소농도가 적절한 범위 내에 있다고 판정하며, 상기 연료전지(2400)로 공급될 산화가스의 유량을 변경하지 않는다.
상술된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 셀 전압이 검출되어 펌핑 수소의 발생량과 펌핑수소농도를 얻을 수 있게 된다. 그러므로, 검출용 센서가 별도로 배치될 필요가 없어, 구성요소의 수와 제조 비용을 줄일 수 있게 된다.
D. 제4실시예
도 12는 제4실시예에 따른 연료전지 주위의 구성을 도시한 도면이다. 상기 실시예들에서와 동일한 방식으로, 제4실시예에서도, 연료전지자동차(FCHV), 전기자동차 및 하이브리드자동차와 같은 차량에 탑재될 연료전지시스템이 상정되지만, 상기 시스템은 차량 뿐만 아니라 각종 이동체(예컨대, 선박, 비행기, 로봇 등) 및 정 지형 전원에도 적용가능하다.
연료전지(3400)는 공급된 반응가스(연료가스와 산화가스)로부터 발전하기 위한 수단으로서, MEA(막/전극접합체) 등을 포함하는 복수의 단일 셀들이 직렬로 적층된 스택 구조를 가진다. 구체적으로는, 고체고분자형, 인산형 및 용융탄산염형과 같은 여러 타입의 연료전지가 사용될 수도 있다.
에어컴프레서(3700)는 외부 공기로부터 취한 산소(산화가스)를 에어필터(도시안됨)를 통해 연료전지(3400)의 캐소드극으로 공급한다. 에어컴프레서모터(3600)는 상기 에어컴프레서(3700)에 의해 공급될 산화가스량(배출량)을 조정하는 모터로서, 상기 모터의 회전수는 제어장치(3500)로부터 주어지는 지시된 회전수에 따라 제어된다.
또한, 캐소드오프가스는 연료전지(3400)의 캐소드로부터 배출된다. 캐소드오프가스는 연료전지(3400)의 셀 반응을 겪은 산소오프가스 뿐만 아니라 캐소드측 등에서 발생될 펌핑 수소도 포함한다. 이러한 캐소드오프가스는 연료전지(3400)의 셀 반응에 의해 발생되는 수분을 포함하므로 고습윤상태가 된다. 펌핑 수소의 발생 메커니즘 등의 상세는 상기 실시예들에서 명확하므로, 여기서는 생략하기로 한다는 점에 유의한다.
가습모듈(3700)은 산화가스공급로(3110)를 통과하는 저습윤상태의 산화가스와 캐소드오프가스유로(3120)를 통과하는 고습윤상태의 캐소드오프가스간에 수분을 교환하여, 연료전지(3400)로 공급될 산화가스를 적절하게 가습시키게 된다. 연료전지(3400)로 공급될 산화가스의 배압은 캐소드오프가스유로(3120)의 캐소드 출구 부 근에 배치된 공기압력조정밸브(A11)에 의해 조정된다.
여기서, 에어컴프레서(3600)로부터 가습모듈(3700)까지 연장되는 산화가스공급로(3110)는 상기 가습모듈(3700)로부터 바이패스밸브(B11)를 통해 희석유닛(3800)까지 연장되는 캐소드오프가스유로(3120)에 연결된다. 상기 바이패스밸브(B11) 및 바이패스통로(3130)는 산화가스공급로(3110)를 통과하는 산화가스의 일부를 연료전지(3400)에 의해 지나도록 하여, 그 일부를 캐소드오프가스유로(3120)로 도입시키는 수단이고, 바이패스될 산화가스량은 제어장치(제어수단, 조정수단)(3500)에 의해 조정된다. 후술하는 설명에서는, 바이패스될 산화가스를 바이패스 공기라고 한다는 점에 유의한다.
상기 희석유닛(3800)은 배출될 수소가스의 농도가 소정의 농도 범위(환경 기준 등에 기초하여 결정된 범위)에 있도록 가스를 희석시킨다. 이러한 희석유닛(3800)은 캐소드오프가스유로(3120)와 애노드오프가스유로(도시안됨)의 하류측과 연통되고, 수소오프가스, 펌핑 수소, 산소오프가스 및 바이패스 공기를 혼합 및 희석시켜 상기 가스를 시스템으로부터 배기시키게 된다.
상기 제어장치(3500)는 CPU, ROM, RAM 등을 포함하고, 입력된 센서 신호들을 토대로 시스템의 각 부를 중앙에서 제어한다. 구체적으로, 상기 장치는 액셀러레이터 페달의 개방도를 검출하는 액셀러레이터페달센서, 배터리의 충전 상태(SOC)를 검출하는 SOC 센서 등을 토대로 연료전지(3400)의 출력 필요 전력을 획득한다. 또한, 상기 장치는 공기압력조정밸브(A11)와 바이패스밸브(B11)의 밸브 개방도를 제어하고, 출력 전압, 출력 전류 그리고 연료전지(3400)의 내부 온도를 각각 검출하 는 전압센서(s14), 전류센서(s15), 온도센서(s16) 등으로부터 입력되는 센서 신호들을 토대로 에어컴프레서모터(3600) 등의 회전수(즉, 지시된 산화가스의 유량)를 제어한다. 본 실시예에 따른 연료전지시스템은 후술되는 바와 같이 펌핑 수소의 발생량에 따라 두 유형의 저효율 운전을 수행한다는 점에 유의한다.
도 13은 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 동작을 도시한 흐름도이다.
제어장치(3500)는 온도센서(s16)로부터 출력되는 센서 신호를 토대로 연료전지(3400)의 온도(FC 온도)를 검출한다(공정 S110). 상기 제어장치(3500)는 메모리(도시안됨)에 등록된 기준 온도와 상기 검출된 FC 온도를 비교하여, 워밍업이 필요한 지의 여부를 판정하게 된다(공정 S120). FC 온도가 기준 온도를 초과하여, 워밍업이 불필요하다고 판정 시, 상기 제어장치(3500)는 통상 운전 처리를 수행한다(공정 S130). 여기서, 통상 운전 처리는, 상기 시스템이 워밍업되지 않고도 고도로 효율적인 운전 동작점(즉, 저전력 손실의 운전 동작점)에서 동작하는 처리이다.
다른 한편으로, FC 온도가 기준 온도보다 높지 않아 워밍업이 필요하다고 판정 시, 상기 제어장치(3500)는 공정 S140으로 진행되어, 저효율 예비운전 또는 저효율 주요 운전을 행할 지의 여부를 판정하게 된다. 여기서, 저효율 주요 운전은 워밍업 시 지금까지 수행된 저효율 운전(제2실시예, 도 6 등의 설명 참조)이다. 상기 저효율 예비운전은 전력 손실이 저효율 주요 운전의 전력 손실보다는 작고 통상 운전의 전력 손실보다는 큰 운전 동작점(도 14에 도시된 (Ifc3, Vfc3) 참조)에서 수행되는 운전이다. 예를 들어, 연료전지(3400)의 OCV가 도 14에 도시된 바와 같이 400 V 정도이면, 저효율 예비운전 동작점에서의 FC 전압(Vfc3)은 200 V 정도(본 실 시예에서는 고정값)이고, 저효율 주요 운전 동작점에서의 FC 전압(Vfc4)은 50 V 정도이다. 이러한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 저효율 예비운전의 전력 손실이 저효율 주요 운전의 전력 손실보다 작기 때문에, 저효율 예비운전 시의 연료전지(3400)의 온도상승율이 저효율 주요 운전 시보다 낮다.
본 실시예에 있어서, 상기 제어장치(3500)는 차량이 주행 중에 있는 경우에 저효율 예비운전이 수행되어야 할 지를 판정하고, 차량이 정지되어 있는 경우(시동 시간 포함)에 저효율 주요 운전이 수행되어야 할 지를 판정한다. 또한, 이러한 판정 표준은 단지 일례에 불과하며, FC 온도와 기준 온도간의 온도차를 토대로 저효율 예비운전 또는 저효율 주요 운전을 수행할 지의 여부를 판정할 수도 있다. 구체적으로, FC 온도와 기준 온도간의 온도차가 설정된 임계값을 초과하는 경우, 저효율 주요 운전이 수행된다. 다른 한편으로, 상기 온도차가 설정된 임계값보다 크지 않으면, 저효율 예비운전이 수행된다. 이러한 방식으로 저효율 주요 운전 또는 저효율 예비운전을 수행할 지를 판정하는 표준이 시스템 설계 등에 따라 적절하게 설정될 수 있다.
차량이 정지하여 저효율 주요 운전이 수행되어야 한다고 판정 시, 상기 제어장치(3500)는 공정 S150으로 진행되어, 저효율 주요 운전을 수행하게 된다. 구체적으로는, FC 전류값 및 FC 전압값이 연료전지(3400)에 필요한 전력(FC 필요전력) 및 워밍업에 필요한 열량(전력 손실)으로부터 결정되고, 상기 운전은 결정된 FC 전류지령값 및 FC 전압지령값에 대응하는 운전 동작점에서 수행된다(상세한 내용은 제2실시예 참조).
다른 한편으로, 차량이 주행 중이기 때문에 저효율 예비운전이 수행되어야 한다고 판정 시에는, 제어장치(3500)가 공정 S160으로 진행되어, 저효율 예비운전을 행하게 된다.
도 15는 저효율 예비운전의 동작을 도시한 흐름도이다.
제어장치(3500)는 우선 바이패스밸브(B11)의 밸브 개방도를 "완전 폐쇄" 개방도로 설정하고, 공기압력조정밸브(A11)의 밸브 개방도를 "완전 개방" 개방도로 설정한다(공정 S210 → S220). 여기서, 바이패스밸브(B11)의 밸브 개방도를 "완전 폐쇄" 개방도로 설정하는 이유는 저효율 예비운전 시 발생될 펌핑 수소량이 적고, 상기 가스가 미반응 산화가스와 희석될 필요가 없기 때문이다. 다시 말해, 저효율 예비운전 시의 운전 동작점은 펌핑 수소의 발생량을 감소시키기 위하여 제어된다(이 발생량은 희석되지 않고도 규제 범위 내에 있음).
상술된 바와 같이 바이패스밸브(B11) 및 공기압력조정밸브(A11)의 밸브 개방도 조정 시, 상기 제어장치(3500)는 메모리(도시안됨)에 미리 등록된 저효율 예비운전에 대한 운전 동작점을 판독하여(도 14 참조), FC 전류지령값과 FC 전압지령값을 결정하게 된다(공정 S230).
더욱이, 상기 제어장치(3500)는 상기 결정된 FC 전류지령값을 토대로 공기 화학양론비를 결정한다. 이를 상세히 설명하기 위하여, 상기 제어장치(3500)는 메모리 등에 미리 저장된 FC 전류지령값과 공기 화학양론비간의 관계를 도시한 FC전류-공기화학양론비맵을 참조하여 상기 결정된 FC 전류지령값에 대응하는 화학양론비를 결정한다(공정 S240). 더욱이, 상기 제어장치(3500)는 결정된 공기 화학양론 비(Ap)를 하기 수학식 23으로 치환하여, FC 필요 공기 유량(Ar)을 얻게 된다(공정 S250).
Ar = Ac*Ap/(96500*4)
여기서, Ap; FC에 의해 소비될 산소량.
상기 FC에 의해 소비될 산소량(Ap)은 연료전지를 구성하는 셀들의 수와 FC 전류지령값에 따라 결정된다는 점에 유의한다.
더욱이, 상기 제어장치(3500)는 FC 전류지령값을 전류센서(s15)에 의해 검출된 FC 전류값(실제로 측정된 값)과 비교하여 차이를 얻게 된다(공정 S260). 상기 제어장치(3500)는 이러한 방식으로 얻어진 차이를 토대로 FC 필요 공기 유량을 보정한다(공정 S270). 더욱이, 상기 제어장치(3500)는 보정된 FC 필요 공기 유량(지시된 산화가스 유량)으로부터 에어컴프레서모터(3600)의 회전수를 획득하고, 상기 회전수를 지시된 회전수로서 상기 에어컴프레서모터(3600)에 공급하여, 상기 연료전지(3400)의 전류를 제어하게 된다(공정 S280).
이러한 제어가 행해지면, 상기 제어장치(3500)는 온도센서(s16)로부터 공급되는 센서 신호를 토대로, 검출된 FC 온도가 기준 온도를 초과하는 지의 여부, 즉 워밍업이 종료될 지의 여부를 판정한다(공정 S290). FC 온도가 기준 온도를 초과하지 않으면, 상기 제어장치(3500)는 공정 S230으로 되돌아가, 상기 시스템의 워밍업을 계속하게 되고, 상술된 일련의 처리들을 반복적으로 실행하게 된다. 다른 한편으로, FC 온도가 기준 온도를 초과하면, 상기 제어장치(3500)는 상기 시스템이 더 이상 워밍업될 필요가 없다고 판정하여, 상기 설명이 종료된다.
상술된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 펌핑 수소가 희석될 필요가 없는 저효율 예비운전 시, 바이패스밸브가 완전히 폐쇄되고, 공기압력조정밸브는 완전히 개방되며, 에어컴프레서에 의해 공급될 공기 유량이 제어되어 FC 전류를 제어하게 된다. 결과적으로, FC 전류가 공기압력조정밸브와 에어컴프레서를 이용하여 제어되는 저효율 주요 운전 및 통상 운전에 비해 간단한 제어가 수행될 수 있다.
<변형예>
(1) 상기 실시예에서는, 저효율 예비운전 시, 바이패스밸브가 완전히 폐쇄되고, 공기압력조정밸브는 완전히 개방되며, 에어컴프레서에 의해 공급될 공기 유량이 제어되어 FC 전류를 제어하게 된다. 하지만, 본 발명이 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니다. 바이패스밸브 및 공기압력조정밸브의 밸브 개방도는 일정하게 설정될 수도 있고, 에어컴프레서에 의해 공급될 공기 유량이 FC 전류를 제어하도록 제어될 수도 있다.
(2) 더욱이, 상기 실시예에서는, 시스템이 워밍업이 필요한 지의 여부를 판정하도록 FC 온도가 검출되었지만, FC 온도 대신에, 연료전지 주위의 구성요소의 온도 및 외부 공기 온도가 검출되어 시스템이 워밍업이 필요한 지의 여부를 판정할 수도 있다.
(3) 나아가, 상기 실시예에서는, 저효율 예비운전 동작점이 고정되어 있지만, 펌핑 수소의 발생량이 규제 범위 내에 있는 범위에서 저효율 예비운전 동작점이 변경될 수도 있다.

Claims (19)

  1. 제1효율의 운전 및 상기 제1효율보다 낮은 제2효율의 운전(이하, 저효율 운전이라고 함)을 선택적으로 실행하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 저효율 운전 시, 연료전지의 캐소드로부터 배출될 가스에 포함된 애노드 가스의 가스량에 따라 캐소드로부터 배출될 가스의 희석량을 조정하기 위한 조정수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드로부터 배출될 가스에 포함된 애노드 가스는 상기 저효율 운전 시 상기 연료전지의 캐소드에서 발생될 수소 가스이고,
    상기 시스템은,
    상기 연료전지의 가스공급로를 통해 흐르는 캐소드 가스의 일부를 상기 연료전지에 의하여 통과시켜, 상기 일부를 배출통로로 유도하는 바이패스통로를 더 포함하여 이루어지며,
    상기 조정수단은, 상기 연료전지의 캐소드로부터 배출될 가스에 포함된 수소 가스의 가스량에 따라 바이패스될 캐소드 가스의 가스량을 제어하는 바이패스밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조정수단은, 상기 시스템으로부터 배출될 수소의 배출 농도가 기준값보다 높지 않도록 바이패스될 캐소드 가스의 가스량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지의 캐소드로 공급될 캐소드 가스는 산소를 포함하는 산화 가스이고,
    상기 연료전지시스템은,
    주어진 지시에 따라 상기 산화 가스를 배출시키는 산화가스공급원; 및
    상기 연료전지의 발전에 필요한 산화가스량과 상기 연료전지에 의해 통과하도록 허용될 산화가스량을 토대로, 상기 산화가스공급원에 의해 배출될 산화가스량을 제어하기 위한 제어수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 산화가스공급원으로부터 상기 연료전지의 캐소드로 공급될 산화가스량을 제어하는 압력조정밸브를 포함하여 이루어지고,
    상기 저효율 운전 시, 상기 연료전지의 캐소드에서 발생될 수소가스량이 기준값보다 많지 않은 경우, 상기 조정수단은 상기 바이패스밸브를 완전히 폐쇄시키는 반면, 상기 제어수단은 상기 연료전지의 발전에 필요한 산화가스량에 따라 상기 압력조정밸브의 개방도를 일정하게 유지하면서 배출될 산화가스량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산화가스공급원은 에어컴프레서이고,
    상기 제어수단은, 상기 연료전지의 발전에 필요한 산화가스량에 따라 상기 압력조정밸브를 완전히 개방된 상태를 유지하면서 배출될 산화가스량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 저효율 운전 시, 상기 연료전지의 캐소드에서 발생될 수소 가스의 가스량을 추정하기 위한 추정수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 추정수단은, 상기 연료전지의 출력 전류, 상기 연료전지의 공기 화학양론비 및 상기 연료전지의 온도를 토대로 수소량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 저효율 운전 시, 연료전지의 캐소드에서 발생될 수소 가스의 가스량을 추정 하는 발생수소량의 추정방법에 있어서,
    상기 연료전지의 출력 전압 및 출력 전류를 토대로 상기 연료전지의 공기 화학양론비를 추정하는 제1추정공정; 및
    상기 연료전지의 출력 전류, 공기 화학양론비 및 온도를 토대로 상기 연료전지의 캐소드에서 발생될 수소 가스의 가스량을 추정하는 제2추정공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발생수소량의 추정방법.
  10. 연료전지의 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 애노드가스생성량의 추정장치에 있어서,
    소정의 조건들이 충족되는 경우, 통상 운전 동작점보다 전력 손실이 큰 저효율 운전 동작점에서 연료전지를 운전시키기 위한 운전제어수단; 및
    상기 연료전지가 저효율 운전 동작점에서 운전되는 경우 상기 연료전지의 발전 특성을 토대로, 상기 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하기 위한 추정수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 애노드가스생성량의 추정장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 추정수단은, 상기 연료전지의 발전 특성과 상기 연료전지로 공급될 캐소드가스량과 함께, 상기 연료전지의 캐소드측에 남아 있는 미반응 캐소드 가스의 잔존량과 상기 연료전지를 구성하는 셀들의 압력 손실의 변동 중 하나 이상을 고려하여 생성될 애노드가스량을 추정하는 것을 특징으로 하는 애노드가스생성량의 추 정장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 추정수단은, 상기 미반응 캐소드 가스의 잔존량과 상기 셀들의 압력 손실의 변동 양자 모두를 고려하여 생성될 애노드가스량을 추정하는 것을 특징으로 하는 애노드가스생성량의 추정장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 연료전지의 출력 전압을 검출하는 전압모니터를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 추정수단은 상기 전압모니터에 의해 검출된 출력 전압을 토대로 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 것을 특징으로 하는 애노드가스생성량의 추정장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전압모니터는 각 셀의 셀 전압을 검출하고,
    상기 추정수단은 기준셀의 셀 전압과 생성될 애노드가스량간의 관계를 나타내는 기준 함수를 포함하며,
    상기 추정수단은 상기 전압모니터에 의해 검출된 각 셀의 셀 전압과 상기 기준 함수를 이용하여 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 것을 특징으로 하 는 애노드가스생성량의 추정장치.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 운전제어장치는, 상기 연료전지가 워밍업을 필요로 하는 경우 또는 상기 연료전지의 촉매 활성이 회복되어야 하는 경우, 저효율 운전 동작점에서 연료전지를 운전시키는 것을 특징으로 하는 애노드가스생성량의 추정장치.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드에서 생성될 애노드 가스는 수소인 것을 특징으로 하는 애노드가스생성량의 추정장치.
  17. 연료전지의 캐소드에서 생성될 애노드 가스의 가스량을 추정하는 애노드가스생성량의 추정방법에 있어서,
    소정의 조건들이 충족되는 경우, 통상 운전 동작점보다 전력 손실이 큰 저효율 운전 동작점에서 연료전지를 운전시키는 운전제어공정; 및
    상기 연료전지가 저효율 운전 동작점에서 운전되는 경우 상기 연료전지의 발전 특성을 토대로, 상기 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 추정공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 애노드가스생성량의 추정방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 추정공정은, 상기 연료전지의 발전 특성과 상기 연료전지로 공급될 캐소드가스량과 함께, 상기 연료전지의 캐소드측에 남아 있는 미반응 캐소드 가스의 잔존량과 상기 연료전지를 구성하는 셀들의 압력 손실의 변동 중 하나 이상을 고려하여 생성될 애노드가스량을 추정하는 것을 특징으로 하는 애노드가스생성량의 추정방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 추정공정은, 전압모니터에 의해 검출된 연료전지의 출력 전압을 토대로 캐소드에서 생성될 애노드가스량을 추정하는 것을 특징으로 하는 애노드가스생성량의 추정방법.
KR1020087009263A 2005-10-21 2006-10-20 연료전지시스템, 애노드가스생성량의 추정장치 및 애노드가스생성량의 추정방법 KR100956674B1 (ko)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101272511B1 (ko) * 2010-12-01 2013-06-10 현대자동차주식회사 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법
KR101448773B1 (ko) * 2013-03-26 2014-10-08 현대자동차 주식회사 연료 전지 시스템 및 그의 운전 방법
US9755256B2 (en) 2013-12-17 2017-09-05 Hyundai Motor Company Fuel cell system and driving control method thereof
US10069158B2 (en) 2014-12-24 2018-09-04 Hyundai Motor Company Fuel cell system and method of controlling the same
US10069157B2 (en) 2015-05-18 2018-09-04 Hyundai Motor Company Fuel cell system having valve module between fuel cell stack and humidifier

Families Citing this family (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5266620B2 (ja) 2006-04-07 2013-08-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法
JP5007927B2 (ja) 2006-10-27 2012-08-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5126480B2 (ja) * 2007-04-19 2013-01-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5123568B2 (ja) * 2007-05-31 2013-01-23 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその空気流量制御方法
JP2009043596A (ja) * 2007-08-09 2009-02-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
US9496572B2 (en) * 2007-09-21 2016-11-15 GM Global Technology Operations LLC Closed-loop method for fuel cell system start-up with low voltage source
JP4656539B2 (ja) * 2007-11-21 2011-03-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4524804B2 (ja) 2007-12-25 2010-08-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4535157B2 (ja) * 2008-03-28 2010-09-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US8927167B2 (en) * 2008-12-03 2015-01-06 Samsung Sdi Co., Ltd. Fuel cell system and driving method thereof
KR101300897B1 (ko) * 2009-07-30 2013-08-27 도요타지도샤가부시키가이샤 연료 전지 시스템
US8771895B2 (en) * 2010-02-03 2014-07-08 GM Global Technology Operations LLC Online anode pressure bias to maximize bleed velocity while meeting emission constraint
JP5590120B2 (ja) * 2010-04-27 2014-09-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2012003957A (ja) * 2010-06-17 2012-01-05 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料電池に対するカソードガスの供給量を制御する方法、燃料電池に供給されるカソードガスの供給量を測定する方法
US9685669B2 (en) * 2011-08-23 2017-06-20 Nissan Motor Co., Ltd. Power generation characteristic estimation device for fuel cell
CN102456902A (zh) * 2011-12-01 2012-05-16 上海新源动力有限公司 一种降低燃料电池发电系统尾排氢浓度的装置及方法
DE102011088120A1 (de) 2011-12-09 2013-06-13 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb
WO2013137217A1 (ja) * 2012-03-14 2013-09-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP5476408B2 (ja) * 2012-03-14 2014-04-23 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
KR101417345B1 (ko) * 2012-09-19 2014-07-08 기아자동차주식회사 연료전지 시스템의 제어 방법
CA2896665C (en) * 2012-12-28 2017-03-07 Nissan Motor Co., Ltd. A fuel cell system employing cathode bypass control
JP6064623B2 (ja) * 2013-01-24 2017-01-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP6064622B2 (ja) * 2013-01-24 2017-01-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP6090451B2 (ja) * 2013-08-12 2017-03-15 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
DE102013014959A1 (de) * 2013-09-10 2015-03-12 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
JP6547730B2 (ja) * 2016-12-09 2019-07-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102017220632A1 (de) 2017-11-17 2019-05-23 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem
CN110911712B (zh) * 2018-09-18 2021-11-02 上海恒劲动力科技有限公司 一种燃料电池系统及其停机和启动时吹扫和排水的方法
CN112768735B (zh) * 2019-10-21 2022-01-28 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池系统尾排氢浓度的估算方法
US11721818B2 (en) * 2020-01-16 2023-08-08 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method of controlling fuel cell system
JP7276249B2 (ja) * 2020-01-16 2023-05-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法
JP7363674B2 (ja) * 2020-05-29 2023-10-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7327280B2 (ja) * 2020-05-29 2023-08-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7382427B2 (ja) 2022-01-20 2023-11-16 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
DE102022128711A1 (de) 2022-10-28 2024-05-08 MTU Aero Engines AG Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6459777A (en) * 1987-08-28 1989-03-07 Fuji Electric Co Ltd Power generating operation of phosphoric acid fuel cell
JP2924009B2 (ja) 1989-05-19 1999-07-26 富士電機株式会社 燃料電池の発電停止方法
US5366821A (en) * 1992-03-13 1994-11-22 Ballard Power Systems Inc. Constant voltage fuel cell with improved reactant supply and control system
US6329089B1 (en) 1997-12-23 2001-12-11 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for increasing the temperature of a fuel cell
JP2002289243A (ja) * 2001-03-27 2002-10-04 Toyo Eng Corp 透過水素ガス量測定方法およびその装置
JP3904191B2 (ja) * 2001-10-23 2007-04-11 本田技研工業株式会社 排出燃料希釈器および排出燃料希釈式燃料電池システム
JP3830846B2 (ja) 2002-03-29 2006-10-11 本田技研工業株式会社 ガスセンサ起動時のガス濃度予測方法およびガス検知方法
KR100471262B1 (ko) 2002-10-15 2005-03-10 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템
JP2004172027A (ja) 2002-11-22 2004-06-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US20050069740A1 (en) 2003-09-29 2005-03-31 Kurt Ulmer Fuel cell modulation and temperature control
JP4595297B2 (ja) 2003-08-22 2010-12-08 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2005108698A (ja) 2003-09-30 2005-04-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US7014933B2 (en) * 2003-11-26 2006-03-21 Utc Fuel Cells, Llc Cathode saturation arrangement for fuel cell power plant
JP3856393B2 (ja) * 2003-11-27 2006-12-13 本田技研工業株式会社 燃料電池の排出ガス処理装置
JP4354792B2 (ja) * 2003-12-12 2009-10-28 パナソニック株式会社 燃料電池発電装置
US7771883B2 (en) * 2004-01-27 2010-08-10 Gm Global Technology Operations, Inc. Virtual compressor operational parameter measurement and surge detection in a fuel cell system
JP2005294118A (ja) 2004-04-01 2005-10-20 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム及び燃料電池車両
US20050227126A1 (en) * 2004-04-08 2005-10-13 Ener1, Inc. Method and apparatus for cold-starting a PEM fuel cell (PEMFC), and PEM fuel cell system
JP4915049B2 (ja) 2004-08-05 2012-04-11 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP2007280771A (ja) * 2006-04-06 2007-10-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101272511B1 (ko) * 2010-12-01 2013-06-10 현대자동차주식회사 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법
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