KR20080089631A - 촉매 연소 유닛과 연료 전지를 구비한 연소 상태 판정 장치 - Google Patents

촉매 연소 유닛과 연료 전지를 구비한 연소 상태 판정 장치 Download PDF

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KR20080089631A
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가루끼 하마다
노부오 사끼야마
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

연소 상태 판정 장치 및 방법은, 연소 공정을 수행하는 촉매 유닛을 가지며 연료 전지의 연료극으로부터 배출된 애노드 오프-가스와 산화제 가스를 혼합하는 촉매 연소 유닛을 포함한다. 상류 온도 검출 유닛은 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도를 검출하고, 가스상 연소 판정 유닛은 상류 온도 검출 유닛에 의해 검출된 가스 온도와 상류 온도 상승률 중 하나 이상을 판정 기준치와 비교하여 가스상 연소가 촉매 유닛의 상류측에서 일어나는 지의 여부를 판정한다.
촉매 유닛, 촉매 연소 유닛, 상류 온도 검출 유닛, 가스상 연소 판정 유닛

Description

촉매 연소 유닛과 연료 전지를 구비한 연소 상태 판정 장치{COMBUSTION STATE DETERMINING APPARATUS WITH CATALYTIC COMBUSTION UNIT AND FUEL CELL}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2006년 2월 7일자로 출원된 일본 특허출원 제2006-029538호를 기초로 하여 우선권을 주장하고, 이들의 개시 내용은 본 명세서에서 전체적으로 참조되어 수록된다.
본 발명은 일반적으로 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 애노드측에서의 질소 농도 및 수증기 농도 증가로 인한 연료 전지 시스템의 발전 효율의 저감 및 발전의 정지를 방지하기 위해, 애노드측의 가스 및 응측수가 시스템으로부터 밖으로 배출되는 퍼지 공정이 수행된다. (질소 또는 수증기와 함께) 수소 연료의 미사용분이 퍼지 공정에 의해 시스템으로부터 외향으로 배출되는 가스(이하, 애노드 오프-가스라고 함) 내에 함유되어 있기 때문에, 수소 농도가 희석되도록 상이한 가스가 애노드 오프-가스와 혼합되거나 산화제가 애노드 오프-가스와 혼합하여 수소를 연소시키는 추가 공정을 실시할 필요가 있다.
그러나, 촉매 연소 유닛이 수소를 연소하는데 이용되는 경우, 촉매 연소 유 닛이 정상 촉매 연소 상태로부터 가스상 연소 상태로 변화하도록, 연소 온도의 상승과 함께 역화가 발생한다. 여기에서, 가스상 연소는 촉매를 통하기보다는 가스 상태에서 역화를 수반하는 연소로 인해 발생하는 수소와 산화제 사이의 반응을 나타낸다. 연소 상태가 가스상 연소 상태로 변환한다면, 상승 연소 온도에 의해 촉매 연소 유닛, 촉매 및 주변 환경에 열손상이 발생할 수 있다. 또는, 고온 가스상 연소에 기인한 NOx와 같은 2차 가스의 생성에 의해 환경에 대한 영향이 커질 수 있다. 일본 특허공개공보 제11-118115호는 온도를 검출하는 유닛이 촉매 연소 유닛의 연료 공급 유닛의 상류측 부근에 구비되고, 촉매로부터의 역화로 인한 가스상 연소가 온도 검출 유닛에 의해 검출된 온도에 기초하여 정해지는 장치를 개시하고 있다. 또한, 일본 특허공개공보 제2004-37034호는 촉매 연소 유닛의 연료 공급 유닛 부근에 화염 센서가 배치되고, 촉매로부터의 역화가 화염 센서에 의해 검출되는 장치를 개시하고 있다.
본 명세서에서 촉매 연소 유닛의 연소 상태를 판정하는 장치의 실시예가 교시된다. 이러한 장치의 일 예는 연료 전지와, 촉매 유닛을 포함하는 촉매 연소 유닛을 구비한다. 촉매 연소 유닛은 연료 전지의 연료극으로부터 배출된 애노드 오프-가스와 연료 전지의 산화제극으로부터 배출된 캐소드 오프-가스와 상이한 산화제 가스를 혼합하도록 구성되고, 촉매 유닛 내에서 연소 처리를 수행하도록 구성된다. 이 일 예에서의 장치는 또한 촉매 유닛의 상류측 가스 온도를 검출하는 상류 온도 검출 유닛과, 가스상 연소가 촉매 유닛의 상류측에서 발생하는 지의 여부를 판정하기 위해 촉매 유닛의 상류측의 가스 온도와 상류 온도 상승률 중 적어도 하나를 기준치와 비교하도록 구성된 제어기를 포함한다.
본 명세서에서는 촉매 유닛을 포함하는 촉매 연소 유닛의 연소 상태를 판정하는 방법이 교시된다. 연료 전지가 촉매 연소 유닛으로부터 상류에 위치하는 일 예에서, 이 방법은 촉매 연소 유닛 내에서 연료 전지의 연료극으로부터 배출된 애노드 오프-가스와 연료 전지의 산화제극으로부터 배출된 캐소드 오프-가스와 상이한 산화제 가스를 혼합하는 단계, 촉매 유닛 내에서 연소 처리를 수행하는 단계, 촉매 유닛의 상류측 가스 온도를 검출하는 단계 및 가스상 연소가 촉매 유닛의 상류측에서 발생하는 지의 여부를 판정하기 위해 촉매 유닛의 상류측의 가스 온도와 상류 온도 상승률 중 하나 이상을 기준치와 비교하는 단계를 포함한다.
여러 도면에 걸쳐 유사한 도면 부호는 유사한 부분을 가리키는 첨부 도면을 참조하여, 본 명세서를 설명한다.
도1은 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 블록도이다.
도2는 도1의 연료 전지 시스템의 변형예의 블록도이다.
도3은 도1의 연료 전지 시스템의 또 다른 변형예의 블록도이다.
도4는 도1의 연료 전지 시스템의 또 다른 변형예의 블록도이다.
도5는 도1의 연소 유닛의 변형예의 개략도이다.
도6은 도1에 도시된 배기 배관 구성의 내부 구조의 개략도이다.
도7은 도6의 배기 배관 구성의 내부 구조의 변형예의 개략도이다.
도8a 및 도8b는 시간 변화에 따라 연속적인 퍼지 중에 촉매 유닛의 상류 및 하류측에서의 가스 온도 편차를 도시하는 그래프이다.
도9a 및 도9b는 시간 변화에 따라 연소 시동 중에 촉매 유닛의 상류 및 하류측에서의 가스 온도 편차를 도시하는 그래프이다.
도10a 및 도10b는 시간 변화에 따라 단속 연소 시동 중에 촉매 유닛의 상류 및 하류측에서의 가스 온도 편차를 도시하는 그래프이다.
도11은 통상적인 연소 및 촉매 유닛의 상류측에서의 가스상 연소 중 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도 및 온도 상승률과 촉매 유닛의 하류측에서의 가스 온도 및 온도 상승률과의 관계를 도시하는 챠트이다.
도12는 제1 실시예에 따른 연소 상태 판정 공정을 도시하는 흐름도이다.
도13a 내지 도13c는 일 실시예에 따른 판정 기준치를 도시하는 도면이다.
도14는 제2 실시예에 따른 연소 상태 판정 공정을 도시하는 흐름도이다.
도15는 제3 실시예에 따른 연소 상태 판정 공정을 도시하는 흐름도이다.
도16은 도15의 연소 상태 판정 공정의 변형예를 도시하는 흐름도이다.
도17은 도12의 연소 상태 판정 공정의 변형예를 도시하는 흐름도이다.
도18은 도14의 연소 상태 판정 공정의 변형예를 도시하는 흐름도이다.
도19는 도14의 연소 상태 판정 공정의 또 다른 변형예를 도시하는 흐름도이다.
도20은 도14의 연소 상태 판정 공정의 또 다른 변형예를 도시하는 흐름도이다.
도21은 도14의 연소 상태 판정 공정의 또 다른 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도22는 또 다른 실시예에 따른 연소 상태 판정 공정을 도시하는 흐름도이다.
도23은 또 다른 실시예에 따른 연소 상태 판정 공정을 도시하는 흐름도이다
알려진 촉매 연소 유닛에 있어서, 유닛에 공급된 산화제 가스가 다량의 수분을 함유하는 경우, 또는 산화제 가스 내의 산소 농도가 낮을 경우, 촉매의 점화 성능이 손상된다. 수분은 상당한 영향을 끼친다. 따라서, 수분이 촉매를 덮는 경우에는, 원래의 점화 성능을 달성하는 것이 불가능하게 되도록 반응 영역을 확보하는 것이 불가능하다. 또한, 촉매의 점화 성능에 저하가 있으면, 연료 전지 시스템의 배기 특성에 있어서 문제가 발생한다. 또한, 정밀한 점화를 달성하는 것이 불가능하면, 촉매 연소 유닛의 제어가 방해받아 연료 전지 시스템의 효율이 악영향을 받는다.
또한, 촉매 연소 유닛의 하류측에서의 온도가 검출되는 경우에도, 역화로 인해 촉매 유닛의 상류측에서의 가스상 연소 상태를 신속하게 판정할 수 없다. 또한, 온도 검출 유닛을 이용하여 촉매 유닛의 상류측에서의 가스상 연소 상태를 판정할 때, 촉매 유닛과 온도 검출 유닛이 약간의 거리를 두고 분리되어 있을 경우, 가스상 연소 상태는 역화가 상당한 거리에 걸쳐 발생된 경우에만 판정될 수 있다. 그 결과, 가스상 연소 상태가 판정될 때마다, 연소 온도는 얼마간씩 상승하고, 이에 따른 열은 촉매 성능을 저하시킨다. 특히, 촉매가 소정의 내열 온도를 초과하 는 온도에 노출되면, 버닝이 가속되어 촉매 연소 유닛의 사용 수명의 감소를 초래한다.
또한, 촉매 연소 유닛이 연료 전지 차량에 설치된 경우에는, NOx 등의 규제 물질이 가스상 연소에 의해 발생되기 때문에, 가스상 연소 상태를 신속하게 판정하는 것이 필요하다. 그러나, 차량에서 사용하는데 충분한 신뢰도 또는 사용 수명을 가진 온도 검출 유닛을 이용하더라도, 그 온도 반응이 느려서 비교적 상당한 시간이 온도 검출에 필요하다. 화염 센서가 가스상 연소 상태를 판정하는데 이용될 수 있더라도, 연료 전지에 이용되는 경우에는 수분의 영향으로 인해 화염 검출이 지연된다.
반면에, 본 명세서에 개시된 촉매 연소 유닛에 대한 연소 상태 판정 장치 및 방법의 실시예는 촉매 유닛의 상류측 가스상 연소 상태를 정확하고 신속하게 판정하는 것이 가능하다.
도1의 연료 전지 시스템이 본 명세서에 개시된 발명에 적용될 수 있다. 도1을 참조하면, 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)은, 애노드(연료극) 및 캐소드(산화제극)에서 각각 수소 및 공기를 공급받아 전기를 발생하는 복수의 연료 전지(2)를 적층하도록 구성된 연료 전지 스택(3)을 포함한다. 전체 연료 전지 스택(3) 뿐만 아니라 애노드 및 캐소드에 관한 전기화학 반응은 식 (1) 내지 (3)에 나타낸 바와 같이 일어난다. 본 예에서는, 수소가 애노드에 공급되지만, 충분한 수소를 함유한 개질 가스를 애노드에 공급하는 것도 가능하다.
[애노드] H2
Figure 112008056429457-PCT00001
2H+ + 2e- (1)
[캐소드] 1/2 O2 + 2H+ + 2e-
Figure 112008056429457-PCT00002
H2O (2)
[전체 스택] H2 + 1/2 O2
Figure 112008056429457-PCT00003
H2O (3)
연료 전지 시스템(1)은 수소 탱크 및 수소 공급 밸브(양자 모두 도시되지 않음)를 포함한다. 수소 공급 밸브는 수소 탱크 내의 수소의 압력을 연료 전지(2)의 운전 상태에 맞는 수준으로 감소시킨 다음, 수소 공급 배관(4)를 통해 애노드에 수소를 공급한다. 애노드에서 미사용된 수소는 수소 순환 배관(5) 및 수소 순환 펌프(6)를 통해 애노드의 상부측으로 순환된다. 수소 순환 배관(5) 및 수소 순환 펌프(6)를 구비함으로써, 애노드에서 미사용된 수소를 재사용하여 연료 전지 시스템(1)의 연료 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 연료 전지(2)의 운전 조건이 허용한다면, 수소 순환 펌프(6)는 유체 펌프 인젝터로서 이용될 수 있다. 수소 탱크에 저장된 수소가 아니라, 유체 수소, 금속 수소화물로부터 얻어진 수소 또는 연료 가스를 개질함으로써 얻어진 수소가 애노드에 공급될 수 있다.
캐소드로부터 누출된 공기 중의 수증기 또는 질소와 같은 불순물 가스, 또는 액화된 과잉수의 액상 물질이 수소 순환 배관(5) 및 수소 순환 펌프(6)를 통해 애노드로 복귀한 수소의 순환 통로 상에 축적될 수 있다. 이 불순물 가스는 수소의 분압을 떨어뜨려 발전 효율을 감소시키거나 순환 가스의 평균 분자량을 증가시켜 순환을 곤란하게 만든다(순환 효율을 저하시킨다). 또한, 액상 물질은 수소 순환 또는 스택 발전을 방해할 수 있다. 따라서, 애노드 오프-가스 배관(7) 및 애노드 오프-가스 배관(7)를 개폐하는 애노드 제거 밸브(8)가 애노드의 출력측 상에 배치된다. 또한, 불순물 가스 또는 액상 물질이 축적되는 경우, 애노드 퍼지 밸브(8)가 개방되고, 공기를 이용하여 연소 유닛(9) 내에서 연소 공정을 시행한 후 애노드 제거 밸브(8)로부터 배출된 가스(이후, 애노드 오프-가스로 지칭함)가 제거된다. 이 결과, 수소 순환 배관(5) 내에서의 수소 분압 또는 순환 성능이 정상 상태로 복귀한다. 또한, 애노드 제거 밸브(8)로부터 연소 유닛(8)으로 배출되는 애노드 오프-가스량 또는 타이밍은 운전 조건(연속 퍼지)에 따라 제어되는 양에 의해 연속적으로 제거되거나, 운전 조건(단속 퍼지)에 따라 제어되는 양에 의해 단속적으로 제거될 수 있다.
연료 전지 시스템(1)은 압축기(10) 및 가습기(도시되지 않음)를 더 포함한다. 압축기(10)로부터 배출된 공기는 캐소드로의 공급을 위해 가습기에서 가습을 거친 후 공기 공급 배관(11)를 통과한다. 캐소드 내에서 미사용된 공기는 배기 배관(13)으로의 전달을 위해 캐소드 오프-가스 배관(12)을 통과한다. 바이패스 배관(14)은 공기 공급 배관(11)에 연결된다. 가습기에 의해 가습되기 전의 공기가 연소 유닛(9)으로의 직접 공급을 위해 바이패스 배관(14)을 통과할 수 있다.
이러한 구성으로, 캐소드 오프-가스와 비교하여 낮은 습도 및 높은 산소 분압을 가진 공기가 연소 유닛(9)에 공급될 수 있어, 캐소드 오프-가스의 고가습 및 낮은 산소 농도에 의한 악영향을 방지할 수 있다. 또한, 연소 문제(예를 들어, 실화 및 점화 지연)가 방지될 수 있어, 더욱 신뢰성 있는 연소를 가능하게 한다. 즉, 신뢰성 있는 연소 공정이 연소 유닛(9)에 의해 수행되어, 연소 유닛(9)의 높은 연소 효율을 유지한다.
또한, 도2를 참조하면, 전지 스택(3)을 둘러싼 케이스로 도입된 공기가 연소 유닛(9)에 공급된 후, 바이패스 배관(14)에 의해 공급된 공기가 케이스에 유입될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 캐소드 오프-가스와 비교하여 낮은 습도 및 높은 산소 분압을 가진 공기가 연소 유닛(9)에 공급될 수 있으므로, 연소 유닛(9)의 높은 연소 효율이 유지될 수 있다. 또한, 애노드로부터 케이스로 공급되고 케이스 내에서 분산된 수소가 연소 유닛(9)으로 공급될 수 있기 때문에, 수소는 신뢰성 있고 효율적으로 연소될 수 있다. 게다가, 케이스 내의 공기는 환기 및 연소 유닛(9)으로의 공급을 위해 사용되기 때문에, 시스템이 단순화되어 크기, 중량 및 부품 개수의 감소를 가져온다.
도3을 참조하면, 압축기(10)에 추가하여, 애노드 오프-가스의 연소를 위해 공기를 연소 유닛(9)에 공급하는, 연소 유닛(9)을 위한 공기 공급 장치(15)(예를 들어, 송풍기)가 구비될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 캐소드 오프-가스와 비교하여 낮은 습도 및 높은 산소 분압을 가진 공기가 연소 유닛(9)에 공급될 수 있으므로, 연소 유닛(9)의 높은 연소 효율이 유지될 수 있다. 또한, 도1 또는 도2에 도시된 바와 같이 단일의 공기 공급 장치만이 구비된 시스템과 비교하여, 연료 전지(2) 및 연소 유닛(9)에 필요한 공기량을 공급할 수 있는 공기 공급 장치들을 구비함으로써, 중량, 비용, 동력 소비, 운전 효율, 제어 견고성 등의 면에서의 이점을 얻을 뿐 아니라, 공기 공급 장치의 크기를 최소화할 수 있다. 게다가, 낮은 공 기 유동측에서 두 개의 작은 공기 공급 장치를 사용함으로써, 단지 단일의 큰 공기 공급 장치를 이용하는 것보다 더욱 효율적인 운전을 가능하게 한다. 또한, 단일의 공기 공급 장치로부터 배출된 공기가 2개의 라인으로 분기되는 경우에는, 각 라인에서의 공기 유동을 제어하기 위해 제어 장치들이 제공되어야만 한다. 따라서, 상술한 구성에 의하면, 부품의 개수 증가를 방지하는 것이 가능할 수 있다.
이하 도4를 참조하면, 압축기(10)에 추가하여, 전지 스택(6)을 둘러싼 케이스를 통과한 공기를 연소 유닛(9)에 공급하는 공기 공급 장치(16)(예를 들어, 송풍기)가 구비될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 연료 전지 스택(3)의 애노드로부터 공급되고 케이스 내에서 분산된 수소가 연소 유닛(9)으로 공급될 수 있으므로, 수소가 신뢰성 있고 효율적으로 연소될 수 있다. 공기 공급 장치(16)가 연료 전지 스택(3)과 연소 유닛(9) 사이에 배치되지만, 공기 공급 장치(16)는 연료 전지 스택(3)의 상류측에 배치될 수 있다. 요컨대, 연료 전지의 산화제극으로부터 배출된 캐소드 오프-가스와 다른 산화제 가스를 연소 유닛(9)에 공급하는 것이 가능할 수 있다.
도1 내지 도4를 참조하면, 연소 유닛(9)은 스테인레스 합금강 등과 같이 연소 온도 및 압력을 견뎌낼 수 있는 재료로 제조된다. 연소 유닛(9)은 애노드 오프-가스 배관(7)으로부터 수소를 공급하는 캐소드 가스 유입구(18), 순환 배관(14)으로부터 공기를 공급하는 산화제 가스 유입구(19), 캐소드 가스 유입구(18)의 하류측에 배치된 혼합기(20), 혼합기(20)의 하류측에 배치된 촉매 유닛(21) 및 촉매 유닛(21)의 하류측에 배치된 배기 배관(13)을 포함한다. 이러한 구조로, 역화 화염 이 캐소드 가스 유입구(18)에 미치는 것을 방지한다. 또는, 애노드 유입구(18)에서의 분산 화염을 방지할 수 있다. 이 결과, 분산된 화염과 비교하여 더 깨끗한 배기를 가지는 과다 혼합 연소가 발생한다. 연소 유닛(9)의 구성 또는 재료는 가스 유동량 및 열 방출량에 관한 요건이 충족되는 한, 필요에 따라 달라질 수 있다.
캐소드 가스 유입구(18)의 전방단은 애노드 오프-가스 배관(7)에 결합된 연료 분사 배관로 구성되고 연소 유닛(9) 내로 돌출될 수 있다. 또한, 애노드 오프-가스는 그 전방단에 형성된 연료 분사 구멍을 통해 배출될 수 있다. 더 구체적으로는, 캐소드 가스 유입구(18)의 전방단은 주연 표면에 연료 분사 구멍이 형성된 1/4 인치의 스테인레스 강 배관으로 구성될 수 있다.
혼합기(20)는 와류기 및 복수의 천공판 등의 일반 가스 혼합 기술을 이용하여 구현될 수 있다. 혼합기는 캐소드 가스 유입구(18) 및 산화제 가스 유입구(19)를 통해 공급된 수소 및 공기를 혼합하는 기능을 한다. 도5를 참조하면, 화염 제동 기능을 가진 혼합기(22)가 이용될 수 있다. 화염 제동 기능은 혼합기의 열 수용량을 상승시키거나 천공판을 이용함으로써 구현될 수 있다. 화염 제동 기능을 통해, 열(연소) 에너지가 혼합기의 상류측에 전달되는 것이 방지될 수 있다.
도1 내지 도5에 도시된 촉매 유닛(21)은, 금속 허니콤 또는 세라믹 허니콤 담체에 백금 등의 귀금속이 통합되는 일반적인 촉매 기술을 이용하여 형성된다. 혼합기(20)로 수소와 공기를 혼합하여 형성된 혼합가스가 연소된다.
배기 배관(13)는 연소 유닛(9)으로부터 배출된 가스의 열을 견뎌낼 수 있는 재료로 형성된다. 배기 배관는 촉매 유닛(21)으로부터 배기된 가스를 배출하는 기 능을 한다. 배기 배관(13)의 형상은 필요에 따라 설계될 수 있고, 머플러와 같은 소음 장치가 배기 배관(13) 상에 배치될 수 있다. 또한, 시스템 효율을 촉진하기 위해 열 교환기 또는 터빈이 촉매 유닛(21)의 하류측에 배치될 수 있다.
도6을 참조하면, 배기 배관(13)는, 각각 캐소드 오프-가스 배관(12) 및 연소 유닛(9)의 하류측에 배치되어 캐소드 오프-가스 및 연소 배기 가스의 캐소드 오프-가스 배관(12) 및 연소 유닛(9)으로의 역류를 방지하는 역류 방지 밸브(25)(예를 들어, 체크 밸브)를 포함한다. 이러한 구조로 배기 압력 손실이 감소될 수 있어, 시스템을 더욱 효율적으로 할 뿐만 아니라, 공기 공급 장치를 소형화, 경량화, 저비용화할 수 있다. 또한, 배기의 역류로 인한 제어 성능의 감소를 방지함으로써 제어가 단순화될 수 있다. 또한, 캐소드 오프-가스와 연소 배기 가스가 결합된 후에 시스템의 외향으로 배기를 실시함으로써, 배기 수소 농도 관리 및 배기 시스템이 단순화될 수 있다. 또한, 처리되지 않은 수소가 어떤 오작동의 결과로 배출되더라도, 배기 수소 농도를 저농도로 억제할 수 있다. 게다가, 배기 농도 측정 영역이 하나의 위치에 집중되기 때문에, 배기 농도 시험이 간소화된다.
캐소드 오프-가스 배관(12)의 하류측에 배치된 역류 방지 밸브(25)와 연소 유닛(9)의 하류측에 배치된 역류 방지 밸브(25)가 비슷할 필요는 없다. 각 선 및 유체 특징에 따라 필요에 따라 달라질 수 있다. 또한, 역류 방지 밸브(25)는 캐소드 오프-가스 배관(12) 및 연소 유닛(9) 중 단지 하나에만 배치될 수 있다. 전형적으로는, 체크 밸브식 역류 방지 밸브에서는, 밸브를 폐쇄하는 스프링이 상류측으로부터의 가스 압력에 의해 압축되고, 밸브를 폐쇄하는 커버가 압축된 스프링에 의 해 변위되고, 가스가 통과할 수 있도록 커버의 변위가 라인을 개방한다. 반면에, 압력이 하류측으로부터 인가될 경우, 스프링은 동일한 폐쇄 상태로 유지하는 방향으로 커버에 편향력을 인가하여, 가스 통과를 방지하도록 라인을 폐쇄한다. 이에 따라, 캐소드 오프-가스 배관(12) 및 연소 유닛(9)과 인접한 역류 방지 밸브(25)의 측면 상의 압력이 배기 배관(13)과 인접한 측면 상의 압력보다 클 때에만, 역류 방지 밸브(25)가 개방되어 가스가 유동하도록 한다.
도7을 참조하면, 연소 유닛(9)으로부터 배출된 배기 가스를 배기 배관(13)로 유도하는 배기 가스 유입구(26)가 배기 배관(13) 상에 배치될 수 있다. 또한, 와류기(27)가 이어서 배기 가스 유입구(26) 상에 배치되고, 와류기(27)는 상류측으로부터 하류측으로 팽창되는 디크스 형상의 판으로 구성된다. 이러한 구조로, 가스 유동이 와류기(27)의 하류측으로부터 분리되고, 큰 거친 와류가 분리 시점으로부터 발생한다. 거친 와류에 의한 가스 유동의 결과로, 배기 가스 유입구(26) 부근의 캐소드 오프-가스 압력(배기 저항)은, 연소 유닛으로부터 배출된 연소 배기 가스가 배기 배관(13) 내로 효과적으로 도입될 수 있도록 감소한다. 또한, 공기 공급 장치의 크기, 중량 및 비용의 감소 외에도, 시스템은 더욱 효율적으로 구성된다. 배기 가스 유입구(26)는 연소 온도를 견뎌낼 수 있는 재료(예를 들어, 스텐레스 강)로 만들어진 배관로 구성될 수 있다. 이 경우, 배관의 전방 단부가 복수의 구멍으로 이루어질 수 있고, 연소 배기 가스는 구멍을 통해 배기 배관(13)의 내부로 공급될 수 있다. 또한, 와류기(27)는, 요구되는 와류가 발생할 수 있는 한, 차단 판 또는 가변 버터플라이 밸브 등의 고정 장애물로 형성될 수 있다. 게다가, 와류 기(27) 대신에, 가스 유동 속도를 증가시키도록 라인의 단면을 감소시켜 배기 가스 유입구(26) 부근의 압력을 감소시키는 것이 가능하다.
도1 내지 도4에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(1)은 촉매 유닛(21)의 상류측에서 가스 온도(T1)를 검출하는 상류 온도 센서(31)와, 촉매 유닛(21)의 하류측에서 가스 온도(T2)를 검출하는 하류 온도 센서(32)와, 연료 전지 시스템(21)의 전체적인 작동을 제어하는 제어기(22)를 더 구비한다.
상류 온도 센서(31)는 혼합기(20)와 촉매 유닛(21)의 사이에 배치되어 혼합기(21)의 열 수용량에 의해 쉽게 영향받지 않는 위치에서 온도를 검출한다. 상류 온도 센서(31)는, 역화가 발생하였을 때 온도 편차를 신속하게 판정하는 것을 보조한다. 온도 센서(31, 32)가 사용되는 조건 하에서 견딜 수 있는 한, 일반적인 온도 측정 장치(온도 소자, 등)가 온도 센서(31, 32)로 이용될 수 있다. 본 실시예에서, 제어기(33)는 CPU, 프로그램 ROM, 응용 RAM 및 입출력 인터페이스를 구비한 마이크로컴퓨터일 수 있다.
촉매 유닛(21)의 상류측에서의 전형적인 촉매 연소 및 가스상 연소에 관련하여, 연소 개시 직후와 연속 및 단속 퍼지 중의 촉매 유닛(21)의 상류 및 하류측에서의 가스 온도 편차가 도8a 내지 도10을 참조로 하여 설명된다.
연소 개시의 직후에 촉매 유닛(21)의 상류 및 하류측에서의 가스 온도 변화가 먼저 도8a 및 도8b를 참조로 하여 설명된다. 시스템 구조 및 제어 종류에 따라, 시스템이 개시될 때 연소 개시 공정이 수행된다. 다시 말해, 연료 전지(2)가 전기를 발생하기 전에, 수소와 공기가 연소 유닛(9)에 공급되고 촉매 유닛(21)에 대하여 연소 공정이 수행된다. 또한, 시스템 종류에 따라, 애노드 오프-가스가 애노드로부터 소정의 시간 간격 동안 배출되는 개시 퍼지 공정이 수행된다. 그러나, 촉매 유닛(21)의 상류 및 하류측에서의 가스 온도 편차가 이러한 상황에서 동일하기 때문에, 전형적인 기동시의 경우가 하기에 설명된다.
연소 개시의 직후에, 연소 유닛(9)의 연소 상태가 전형적인 촉매 연소 상태일 경우, 촉매 유닛(9)에서 반응이 일어나 열을 발생한다. 또한, 촉매 유닛(21) 내에서 발생한 열은, 하류 온도 센서(32)의 검출 온도(T2)가 도8a에 도시된 바와 같이 상승하여 연소 온도를 나타내도록, 가스 유동에 의해 촉매 유닛(21)의 하류측으로 전송된다. 또한, 상류 온도 센서(31)의 검출 온도(T1)가 촉매 유닛(21)으로부터의 방사열에 의해 상승함에도 불구하고, 도8a에 도시된 바와 같이 하류 온도 센서(32)의 검출 온도(T2)보다 낮다. 또한, 상승률(a1)도 더 느리다(a1
Figure 112008056429457-PCT00004
a2).
촉매 유닛(21)의 상류측이 역화로 인해 가스상으로 변하는 경우, 캐소드 가스 유입구(18)와 촉매 유닛(21)의 사이[더 자세하게는, 혼합기(20)와 촉매 유닛(21)의 사이]에서 연소가 발생한다. 도8b에 도시된 바와 같이, 하류 온도 센서(32)의 검출 온도(T2)는, 상승률이 낮도록, 즉, 상류측에서의 가스 온도(T1) 보다 낮도록, 가스상 연소로부터 발생하는 열에 의해 직접적으로 영향받지 않는다. 이러한 상태에서 연소가 계속된다면, 검출 온도(T2)가 상승하고, 검출 온도(T1) 및 (T2) 사이의 차이가 감소한다.
이하에서, 도9 및 도10을 참조로 하여, 연속 퍼지 및 단속 퍼지 중의 촉매 유닛(21)의 상류 및 하류에서의 가스 온도 편차에 대해 설명한다.
연속 또는 단속 퍼지 중, 연소 유닛(9)의 연소 상태가 전형적인 촉매 연소 상태인 경우에 촉매 유닛(21) 내부에서 반응이 일어나 열을 발생한다. 촉매 유닛(21) 내부에서 발생한 열이 가스 유동에 의해 촉매 유닛(21)의 하류로 전달되기 때문에, 도9a 내지 도10b에 도시된 바와 같이, 하류 온도 센서(32)에 의해 검출된 검출 온도(T2)가 상승한다. 퍼지 조건에 따라서, 검출 온도(T2)는 안정된 상태[계속 퍼지 중, 도9a 참조]가 되거나, (단속 퍼지 중에는) 연료 공급에 따라 다양하다. 상류 온도 센서(31)에 의해 검출된 검출 온도(T1)가 촉매 유닛(21)으로부터 전달된 방사열로 인해 상승함에도 불구하고, 검출 온도(T1)는 도9a 및 도10a에 도시된 바와 같이, 하류 온도 센서(32)에 의해 검출된 검출 온도(T2)보다 대체로 낮다. 또한, 검출 온도(T1)의 온도 상승률도 낮다(곡선의 기울기: a1
Figure 112008056429457-PCT00005
a2). 반면에, 촉매 유닛(21)의 상류측이 역화 등에 의해 가스상 연소 상태인 경우, 캐소드 가스 유입구(18)와 촉매 유닛(21)의 사이[즉, 혼합기(20)와 촉매 유닛(21)의 사이]에서 연소가 일어나고, 도9b 및 도10b에 도시된 바와 같이, 상류 온도 센서(31)에 의해 검출된 검출 온도(T1)가 연소 열에 의해 상승한다.
전술된 바와 같이, 전형적인 촉매 연소 및 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스상 연소의 발생 중, 촉매 유닛(21)의 상류 및 하류측에서의 가스 온도 편차가 저하되기 때문에, 연소 유닛(9)의 연소 상태는 이 온도 편차를 관찰함으로써 판정될 수 있다. 또한, 도11의 테이블은, 연소 유닛(21)이 통상적인 촉매 연소 상태이고 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 연소 상태일 경우의 촉매 유닛(21)의 상류 및 하류측에서의 온도(T1, T2)와 그 온도 상승률(a1, a2) 사이의 관계를 도시한다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 연소 상태 판정 공정 중의 제어기(33)의 작동에 대해 설명한다. 이러한 공정은 전형적인 촉매 연소 중의 촉매 유닛(21)의 상류 및 하류측에서의 가스 온도 변화 특성 및 촉매 유닛(21)의 상류측에서 일어나는 가스상 연소를 이용한다.
도12의 흐름도를 참조로 하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소 상태 판정 공정 중의 제어기(33)의 작동에 대해 설명한다.
도12의 흐름도는 연료 전지 시스템(1)이 작동을 개시한 경우 상위 제어 공정이 수행된 후에 수행되는 연소 상태 판정 공정을 도시한다. 스텝(S1)으로부터 연소 상태 판정 공정이 개시된다[스텝(S1)은 도22 및 23의 스텝(S91) 및 스텝(S110) 각각과 동등하다]. 또한, 연소 상태 판정 공정은 연료전지 시스템이 작동을 개시한 후 중지할 때까지 100 msec부터 1 sec까지의 각 소정의 샘플링 간격(t)에서 반복적으로 수행될 수 있다. 이때, 샘플링 간격(t)이 너무 짧을 경우, 노이즈에 의해 쉽게 영향받을 수 있다. 따라서, 이러한 노이즈를 상쇄하는 수단이 필요하다. 샘플링 간격이 너무 길 경우, 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스상 연소의 판정이 저지된다. 따라서, 샘플링 간격(t)이 시스템의 작동 특성에 따라 필요한 대로 적절하게 설정될 수 있다. 또한, 이 연소 상태 판정 공정은 상위 제어 공정과 독립적으로 소정의 샘플링 간격(t)에서 수행되고, 연소 상태를 대표하는 진단 플래그로의 입력이 반복될 수 있다. 이 경우, 제어기(33)는 진단 플래그를 참조하여 상위 제어 공정을 수행한다.
스텝(S1)에서, 제어기(33)는 온도 센서(31)를 이용하여 연소 유닛(21)의 상 류측 가스 온도(T1)를 검출한다. 이 결과, 스텝(S1)이 완료되고, 판정 공정은 스텝(S2)으로 진행된다.
스텝(S2)에서, 제어기(33)는 스텝(S1)에 의해 검출된 이전 가스 온도(T1)와 현재 가스 온도(T2) 사이의 차이를 계산한다. 제어기(33)는 계산된 차이를 샘플링 간격(t)으로 분할하여 온도 상승률(a1)을 계산한다(= dT1/dt). 이렇게 함으로써, 스텝(S2)가 완료되고, 판정공정은 스텝(S3)으로 진행된다[스텝(S2)은 도22 및 23의 스텝(S92) 및 스텝(S111) 각각과 동등하다].
스텝(S3)에서, 제어기(33)는 스텝(S3)에서 계산된 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00006
) 이상인지의 여부를 판정한다. 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00007
)는 고정값(예를 들어, 25
Figure 112008056429457-PCT00008
C/sec), 도13a 및 도13b에 도시된 바와 같이 시스템의 작동 부하(출력)에 의해 변하는 값 및 도12의 (c)에 도시된 바와 같이 가스 온도(T1)에 따라 변하는 값 중의 하나일 수 있고, 시스템의 작동 특성에 따라 설정되거나 설계자에 의해 판정된바와 같이 설정될 수 있다[스텝(S3)은 도22 및 23의 스텝(S95) 및 스텝(S113) 각각과 동등하다]. 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00009
)[판정 기준(A1)] 이상이라고 판정되면, 제어기(33)는 판정 공정을 스텝(S5)으로 진행되게 한다. 반면에, 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00010
) 미만이라고 판정되면, 제어기(33)는 판정 공정을 스텝(S4)으로 진행되게 한다.
스텝(S4)에서, 제어기(33)는 연소 유닛(9)이 전형적인 촉매 연소 상태에 있다고 판단하고 전형적인 촉매 연소 상태를 대표하는 신호를 상위 제어로 전달하여, 유동 제어를 상위 제어로 복귀시킨다. 또는, 제어기(33)는 상위 제어보다는 유동 제어 스텝(S1)으로 복귀시킨다.
스텝(S5)에서, 제어기(33)는 온도(T1)의 온도 상승률(a1)이 시스템의 작동 상태를 참조로 하여 계산되는 허용 온도 상승률보다 빠르다고 판단한다. 제어기(33)는 또한 가스상 연소가 촉매 유닛(21)의 상류측에서 발생하고 있다고 판단한다. 결과적으로, 제어기(33)는 가스상 연소 상태를 억제하는 가스상 공정 제어를 수행한다. 다르게는, 제어기(33)는 가스상 공정 제어를 직접적으로 수행하지 않는 대신, 가스상 연소 상태의 발생을 대표하는 신호를 상위 제어로 전달하거나 가스상 판정 플래그를 설정한다.
명확하게 전술된 바와 같이, 제1 실시예의 연소 판정 공정에 따르면, 제어기(33)가 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스 온도(T1)의 온도 상승률(a1)을 이용하여 연소 유닛(9)의 연소 상태를 판정하기 때문에, 촉매 유닛(21)의 상류측에서 일어나는 가스상 연소를 정확하고 빠르게 판정하는 것이 가능하다.
제1 실시예에 따른 연소 판정 공정에 따르면, 제어기(33)는 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00011
)[판정 기준(A1)] 이상인 경우 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 연소 상태라고 판정하기 때문에, 연소 유닛(9)의 연소 상태는, 온도가 가스상 연소에 의해 높은 수준까지 상승하기 전에 판정될 수 있다.
또한, 판정 기준(A1)이 충족되고 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스 온도(T1)가 작동 조건[판정 기준(B1)]에 따라 판정되는 허용 온도 이상인 경우, 제어기(33)는 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 연소 상태라고 판정할 수 있다. 따라 서, 측정 노이즈 등에 의한 진단상의 오류를 방지할 수 있다. 또한, 동시에, 단순히 온도를 이용하여 판정이 수행되는 경우와 비교하여 판정 임계치 값이 더욱 낮아질 수 있기 때문에, 연소 상태 판정 시간이 짧아질 수 있다. 게다가, 도17의 흐름도에 도시된 바와 같이, 스텝(S3)의 공정은 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00012
) 이상인지의 여부와, 가스 온도(T1)가 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00013
) 이상인지의 여부를 판정하는 스텝(S43)의 공정으로 변경될 수 있다. 또한, 예를 들어, 이 공정에 따라 800
Figure 112008056429457-PCT00014
C/sec의 가스 온도(T1)를 검출하는데 약 10초 정도가 소요된 경우라도, 온도 상승률의 판정 임계치 값과 가스 온도(T1)가 각각 25
Figure 112008056429457-PCT00015
C/sec와 200
Figure 112008056429457-PCT00016
C/sec인 경우의 가스상 연소 상태를 판정하는데 약 5초 정도가 소요된다. 게다가, 연소 유닛(9)의 온도가 충분하게 낮은 경우라도 연소 상태 제어 공정이 수행될 수 있다.
제2 실시예에 따른 연소 상태 판정 중의 제어기(33)의 작동은 도14의 흐름도를 참조로 하여 설명한다.
도14의 흐름도는 연료 전지 시스템(1)이 작동을 개시한 경우 상위 제어 공정이 수행된 후에 수행되는 연소 상태 판정 공정을 도시한다. 연소 상태 판정 공정은 스텝(S11)으로부터 시작된다.
스텝(S11)에서, 제어기(33)는 온도 센서(31, 32)를 이용하여 촉매 유닛(21)의 상류 및 하류측에서의 가스 온도(T1, T2)를 검출한다. 이 결과, 스텝(S11)은 종료되고, 판정 공정은 스텝(S12)으로 진행된다[스텝(S11)은 도15 내지 도21의 스텝(S21), 스텝(S31), 스텝(S41), 스텝(S51), 스텝(S61), 스텝(S71) 및 스텝(S81) 각각과 동등하다].
스텝(S12)에서, 제어기(33)는 스텝(S1)에 의해 검출되는 이전 가스 온도(T1, T2)와 현재 가스 온도(T1, T2)의 차이를 계산한다. 제어기(33)는 계산된 차이를 샘플링 간격(t)으로 분할하여 온도 상승률(a1, a2)을 계산한다(= dT2/dt). 이렇게 함으로써, 스텝(S2)이 완료되고, 판정 공정은 스텝(S13)으로 진행된다.
스텝(S13)에서, 제어기(33)는 스텝(S12)에서 계산된 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2) 이상인지의 여부를 판정한다[스텝(S12)은 도15 내지 21의 스텝(S22), 스텝(S32), 스텝(S42), 스텝(S52), 스텝(S62), 스텝(S72) 및 스텝(S82) 각각과 동등하다]. 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2)[판정 기준(A2)] 이상이라고 판정된 경우, 제어기(33)는 스텝(S15)에서 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 연소 상태라고 판단하고, 가스상 공정 제어를 수행한다[스텝(S15)은 도15 내지 23의 스텝(S27), 스텝(S36), 스텝(S45), 스텝(S55), 스텝(S65), 스텝(S75), 스텝(S85), 스텝(S98) 및 스텝(S117) 각각과 동등하다]. 반면에, 스텝(S14)에서 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2) 미만이라고 판정되면, 제어기(33)는 촉매 유닛(9)이 전형적인 촉매 연소 상태라고 판단하여 유동 제어를 상위 제어로 복귀시킨다[스텝(S14)은 도15 내지 도23의 스텝(S26), 스텝(S31), 스텝(S44), 스텝(S54), 스텝(S64), 스텝(S74), 스텝(S84), 스텝(S100) 및 스텝(S114) 각각과 동등하다].
또다르게는, 제어기(33)는 상위 제어보다는 스텝(S11)으로 판정 공정을 복귀시킬 수 있다. 또한, 스텝(S13)에서, 제어기(33)는 온도 상승률(a1)이 소정치(
Figure 112008056429457-PCT00017
)를 온도 상승률(a2)에 더하여 얻어진 값 이상인지의 여부를 판정할 수 있다. 이 경우, 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00018
)와 함께, 소정치(
Figure 112008056429457-PCT00019
)는 작동 조건에 따라 변화하는 값일 수 있다.
전술한 설명에 의해 명확한 바와 같이, 제2 실시예의 연소 판정 공정에 따르면, 제어기(33)가 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스 온도 및 온도 상승률 중 적어도 하나와 촉매 유닛(21)의 하류측에서의 가스 온도 및 온도 상승률 중 적어도 하나를 비교함으로써 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스상 연소 상태를 판정하기 때문에, 연소 상태 판정 시간이 감소할 수 있다. 또한, 동시에, 노이즈로 인한 판정 오류가 방지될 수 있다. 또한, 촉매 유닛(21)의 하류측의 부품이 온도의 과도한 상승에 의한 열손상으로부터 보호될 수 있다.
제2 실시예의 연소 판정 공정에 따르면, 제어기(33)는 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2)[판정 기준(A2)] 이상인 경우, 연소 유닛(21)의 상류측이 가스상 연소 상태라고 판정하기 때문에, 연소 유닛(21)의 상류측에서의 가스상 연소 상태는, 온도가 가스상 연소에 의해 높은 수준까지 상승하기 전에 판단될 수 있다.
또한, 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00020
)[판정 기준(A1)] 이상이고, 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2)[판정 기준(A2)] 이상인 경우, 제어기(33)는 연소 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 판단할 수 있다. 따라서, 측정 노이즈 등에 의한 진단상의 오류가 방지될 수 있다. 또한, 도18의 흐름도에 도시된 바와 같이, 이 공정은 도14의 스텝(13)을 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00021
) 이상인지 여부와 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2) 이상인지 여부를 판정하는 스텝(S53)으로 변경 함으로써 수행될 수 있다.
게다가, 연소 유닛(21)의 상류측에서의 가스 온도(T1)가 작동 조건[판정 기준(B1)]에 따라 판정된 허용 온도 이상이고 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2)[판정 기준(A2)] 이상인 경우, 제어기(33)는 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 판단할 수 있다. 따라서, 측정 노이즈 등에 의한 진단상의 오류를 방지할 수 있다. 또한, 동시에, 단지 온도만을 이용하여 판정이 수행되는 경우에 비교하여 판정 임계치 값이 더욱 낮아질 수 있기 때문에, 연소 상태 판정 시간이 짧아질 수 있다. 더욱이, 도19의 흐름도에 도시된 바와 같이, 이 공정은 도14의 스텝(S13)을 연소 유닛(21)의 상류측에서의 가스 온도(T1)가 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도(β) 이상인지의 여부와 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2)보다 큰지의 여부를 판정하는 스텝(S63)으로 변경함으로써 수행될 수 있다.
또한, 제어기(33)는 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00022
)[판정 기준(A1)] 이상이고, 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2)[판정 기준(A2)] 이상이고, 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스 온도(T1)가 작동 조건[판정 기준(B1)]에 따라 판정된 허용 온도(β) 이상인 경우, 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 판단할 수 있다. 이렇게 함으로써, 측정 노이즈 등에 의한 진단상의 오류가 방지될 수 있다. 게다가, 도20의 흐름도에 도시된 바와 같이, 이 공정은 도14의 스텝(S13)을 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00023
) 이상인지의 여부와, 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2) 이상인지의 여부와, 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스 온도(T1)가 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도(β) 이상인지 여부를 판정하는 스텝(S73)으로 변경 함으로써 수행될 수 있다.
또한, 제어기(33)는 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00024
)[판정 기준(A1)] 이상이고/이상이거나 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2)[판정 기준(A2)] 이상이고, 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스 온도(T1)가 촉매 유닛(21)의 하류측에서의 가스 온도(T2)[판정 기준(B2)] 이상인 경우, 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 결론지을 수 있다. 이렇게 함으로써, 측정 노이즈 등에 의한 진단상의 오류가 방지될 수 있다.
게다가, 도21의 스텝(S83)에 도시된 바와 같이, 이 공정은 도14의 스텝(13)을 온도 상승률(a1)이 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00025
) 이상인지의 여부 및/또는 온도 상승률(a1)이 온도 상승률(a2) 이상인지의 여부와, 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스 온도(T1)가 촉매 유닛(21)의 하류측에서의 가스 온도(T2) 이상인지의 여부를 판정하는 스텝으로 변경함으로써 수행될 수 있다. 또한, 스텝(S83)에서, 제어기(33)는 가스 온도(T1)가 가스 온도(T2)에 소정치(
Figure 112008056429457-PCT00026
)를 더하여 얻은 값 이상인지의 여부를 판정할 수 있다. 이 경우, 판정 기준치(
Figure 112008056429457-PCT00027
)와 유사하게, 소정치(
Figure 112008056429457-PCT00028
)는 스텝(S73)에 도시된 바와 같이 동작 조건에 따라 변화하는 값일 수 있다.
제3 실시예에 따른 연소 상태 판정 공정 중의 제어기(33)의 작동을 도15의 흐름도를 참조하여 설명한다.
도15의 흐름도는 연료 전지 시스템(1)이 작동을 개시한 경우 상위 제어 공정이 수행된 후에 수행되는 연소 상태 판정 공정을 도시한다. 연소 상태 판정 공정 은 스텝(S21)으로부터 시작된다.
스텝(S21)에서, 제어기(33)는 온도 센서(31,32)를 이용하여 촉매 유닛(21)의 상류 및 하류측에서의 가스 온도(T1, T2)를 검출한다. 이렇게 함으로써, 스텝(S21)은 종료되고, 판정 공정은 스텝(S22)으로 진행된다.
스텝(S22)에서, 제어기(33)는 이전 온도(T1, T2)와 스텝(S21)에서 측정된 현재 온도(T1, T2) 사이의 차이를 계산한다. 제어기(33)는 계산된 차이를 샘플링 간격(t)으로 분할하여 가스 온도(T1, T2)의 온도 상승률(a1, b1)을 계산한다. 이렇게 함으로써, 스텝(S22)이 완료되고, 판정 공정은 스텝(S23)으로 진행된다.
스텝(S23)에서, 제어기(33)는 제1 판정 기준에 따라 연소 유닛(9)이 통상적인 촉매 연소 상태인지 또는 촉매 유닛(21)의 상류측의 가스상 상태인지의 여부를 판정한다. 제1 판정 기준은 설계자의 필요에 따라, 판정 기준 A1, A2, B1 및 B2 중 2개 이상의 조합일 수 있다. 스텝(S23)에서 연소 유닛(9)이 통상적인 촉매 연소 상태라고 판정된 경우, 제어기(33)는 판정 공정을 스텝(S27)으로 진행하도록 한다. 반면에, 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 판정된 경우, 제어기(33)는 판정 공정을 스텝(S24)으로 진행하도록 한다.
스텝(S24)에서, 제어기(33)는 제2 판정 기준에 따라 연소 유닛(9)이 통상적인 촉매 연소 상태인지 또는 촉매 유닛(21)의 상류측의 가스상 상태인지의 여부를 판정한다. 제2 판정 기준은 제1 판정 기준의 조합을 제외한, 판정 기준 A1, A2, B1 및 B2 중 2개 이상의 조합일 수 있다. 스텝(S24)에서 연소 유닛(9)이 통상적인 촉매 연소 상태라고 판정된 경우, 제어기(33)는 판정 공정을 스텝(S27)으로 진행하 도록 한다. 반면에, 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 판정된 경우, 제어기(33)는 판정 공정을 스텝(S25)으로 진행하도록 한다.
스텝(S25)에서, 제어기(33)는 제3 판정 기준에 따라 연소 유닛(9)이 통상적인 촉매 연소 상태인지 또는 촉매 유닛(21)의 상류측의 가스상 상태인지의 여부를 판정한다. 제2 판정 기준은 제1 및 제2 판정 기준의 조합을 제외한, 판정 기준 A1, A2, B1 및 B2 중 2개 이상의 조합일 수 있다. 스텝(S25)에서 연소 유닛(9)이 통상적인 촉매 연소 상태라고 판정된 경우, 제어기(33)는 판정 공정을 스텝(S26)으로 진행하도록 한다. 스텝(S26)에서, 제어기(33)는 촉매 유닛(9)이 전형적인 촉매 연소 상태라고 판단하여 현 제어를 상위 제어로 복귀시킨다. 반면에, 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 판정된 경우, 제어기(33)는 판정 공정을 스텝(S27)으로 진행하도록 한다. 스텝(S27)에서, 제어기는 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 결론 짓고, 가스상 공정 제어를 수행한다.
명확하게 전술된 바와 같이, 제3 실시예의 연소 판정 공정에 따르면, 제어기(33)가 판정 기준 A1, A2, B1 및 B2 중 2개 이상의 조합을 이용하여 촉매 유닛(21)의 상류측에서의 가스상 연소 상태를 판정하기 때문에, 진단 오류가 작고 짧은 진단 시간을 갖는 판정 기준이 설정될 수 있다.
또한, 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 판단할 경우, 제어기(33)는 판정 공정을 다음 판정 공정으로 진행시킨다. 그러나, 도16에 도시된 바와 같이, 연소 유닛(9)이 전형적인 촉매 연소 상태라고 판정된 경우, 판정 공정은 [스텝(S33, S34 및S35)에 따라] 다음 판정 공정으로 진행된다. 또한, 제어기(33)가 도15의 3개의 판정 스텝(S23, S24 및 S25)[및 도16의 스텝(S33, S34 및 S35)]을 이용하여 연소 유닛(9)의 촉매 연소 상태를 판정하지만, 판정 스텝의 수는 2개, 4개 혹은 그 이상일 수도 있다. 또한, 판정 스텝의 수가 증가할수록, 촉매 유닛(21)의 상류측의 가스상 상태가 정확하게 판정될 수 있다. 그러나, 판정 스텝의 수가 과도할 경우, 가스상 연소 상태 판정 소요 시간이 상승한다. 따라서, 설계자는 시스템의 특징을 고려하면서 판정 스텝의 수를 알맞게 조정할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예가 도시되고 설명되었다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 한정되는 것으로 이해되지는 않는다. 예를 들어, 전술한 실시예에서는 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태인지의 여부가 단일의 판정 공정을 통해 판정되지만, 도12의 흐름도의 공정들은 도22 및 도23의 흐름도의 공정들로 대체될 수 있다. 또한, 연소 상태 판정 공정이 여러 번 수행된 후, 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 판정된다. 특히, 열손상 판정 공정이 0.1초의 간격으로 수행될 때, 가스상 연소가 1초당 5회 발생한다고 판정되는 경우(10 싸이클)[도22의 스텝(S93, S94, S96, S97 및 S99)의 공정], 촉매 유닛(21)의 상류측이 가스상 상태라고 판정될 수 있다. 다르게는, 가스상 연소가 연속적으로 0.1초 사이클에서 4 싸이클 동안(0.4초 동안) 발생한다고 판정될 수 있다[도23의 스텝(S112, S115 및 S116)의 공정)]. 이 공정에 따라, 노이즈의 영향에 의한 진단상의 오류가 방지될 수 있다.
또한, 전술한 실시예는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 기술된 것으로 본 발명을 제한하지는 않는다. 반면에, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범주 내 에 포함되는 다양한 변형예 및 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 법하에 인정되는 그러한 모든 변형예 및 균등물을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (21)

  1. 촉매 연소 유닛의 연소 상태를 판정하는 장치이며,
    연료 전지와,
    촉매 유닛을 구비하고, 상기 연료 전지의 연료극으로부터 배출된 애노드 오프-가스를 상기 연료 전지의 산화제극으로부터 배출된 캐소드 오프-가스와 상이한 산화제 가스와 혼합하고, 상기 촉매 유닛 내에서 연소 공정을 수행하도록 구성된 촉매 연소 유닛과,
    상기 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도를 검출하는 상류 온도 검출 유닛과,
    상기 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도와 상류 온도 상승률 중 하나 이상을 기준치와 비교하여 가스상 연소가 상기 촉매 유닛의 상류측에서 발생하는지 여부를 판정하도록 구성된 제어기를 포함하는 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 촉매 유닛의 하류측에서의 가스 온도를 검출하는 하류 온도 검출 유닛을 더 포함하고, 상기 제어기는 또한 상기 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도와 상기 상류 온도 상승률 중 하나 이상을 상기 촉매 유닛의 하류측에서의 가스 온도와 하류 온도 상승률 중 대응하는 것과 비교하여 상기 가스상 연소가 상기 촉매 유닛의 상류측에서 발생하는지 여부를 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지의 상류측에 배치되어 상기 연료 전지의 산화제 극으로 공급되는 산화제 가스를 상기 촉매 연소 유닛으로 분할하여 공급하는 분기 유닛을 더 포함하는 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 촉매 연소 유닛에 공급된 산화제 가스는 상기 연료 전지의 산화제 극에 산화제 가스를 공급하는 산화제 공급 유닛과 상이한 산화제 공급 유닛에 의해 공급되는 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 촉매 연소 유닛에 공급된 산화제 가스는 상기 연료 전지를 덮는 케이스를 통과한 후에 공급되는 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 연소 유닛은,
    상기 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 유입구와,
    상기 애노드 오프-가스를 공급하는 산화제 가스 유입구의 하류측에 배치되는 연료 공급 유닛과,
    상기 연료 공급 유닛의 하류측에 배치되고, 상기 산화제 가스와 애노드 오프-가스를 혼합하는 혼합기를 더 포함하고,
    상기 촉매 유닛은 상기 혼합기의 하류측에 배치되어 혼합된 가스를 연소시키고, 상기 상류 온도 검출 유닛은 상기 촉매 유닛의 상류측에 배치되는 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 오프-가스와 상기 촉매 연소 유닛으로부터 배출된 연소 배기 가스를 혼합하는 배기 유닛을 더 포함하고, 상기 배기 유닛은 생성된 혼합물을 상기 장치의 외부로 배출하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 가스의 역류를 방지하는 역류 방지 밸브를 더 포함하고, 상기 역류 방지 밸브는 상기 캐소드 오프-가스 및 연소 배기 가스를 각각 공급하는 캐소드 오프-가스 배관과 연소 배기 가스 배관 중 하나 이상에 배치된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  9. 제7항에 있어서, 연소 배기 가스 배관의 근처에서 상기 캐소드 오프-가스의 압력을 저감시키는 압력 저감 유닛을 더 포함하고, 상기 압력 저감 유닛은 상기 배기 유닛에 배치되는 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 또한 상기 상류 온도 상승률이 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도 상승률보다 크게 되어서 제1 판정 기준을 만족하는 경우, 상기 촉매 유닛의 상류측이 가스상 연소 상태인 것으로 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 또한 상기 상류 온도 상승률이 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도 상승률보다 크게 되어서 제1 판정 기준을 만족하는 경우, 및 상기 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도가 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도보다 크게 되어서 제2 판정 기준을 만족하는 경우, 상기 촉매 유닛의 상류측이 가스상 연소 상태인 것으로 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 또한 상기 상류 온도 상승률과 상기 촉매 유닛의 하류측에서의 하류 온도 상승률 사이의 차이가 작동 조건에 따라 판정된 온도 상승률 차이보다 크게 되어서 제3 판정 기준을 만족하는 경우, 상기 촉매 유닛의 상류측이 가스상 연소 상태인 것으로 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 또한 상기 상류 온도 상승률이 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도 상승률보다 크게 되어서 제1 판정 기준을 만족하는 경우, 및 상기 상류 온도 상승률과 상기 촉매 유닛의 하류측에서의 하류 온도 상승률 사이의 차이가 작동 조건에 따라 판정된 온도 상승률 차이보다 크게 되어서 제3 판정 기준을 만족하는 경우, 상기 촉매 유닛의 상류측이 가스상 연소 상태인 것으로 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 또한 상기 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도가 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도보다 크게 되어서 제2 판정 기준을 만족하는 경우, 및 상기 상류 온도 상승률과 상기 촉매 유닛의 하류측에서의 하류 온도 상승률 사이의 차이가 작동 조건에 따라 판정된 온도 상승률 차이보다 크게 되어서 제3 판정 기준을 만족하는 경우, 상기 촉매 유닛의 상류측이 가스상 연소 상태인 것으로 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 또한 상기 상류 온도 상승률이 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도 상승률보다 크게 되어서 제1 판정 기준을 만족하는 경우와, 상기 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도가 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도보다 크게 되어서 제2 판정 기준을 만족하는 경우와, 상기 상류 온도 상승률과 상기 촉매 유닛의 하류측에서의 하류 온도 상승률 사이의 차이가 작동 조건에 따라 판정된 온도 상승률 차이보다 크게 되어서 제3 판정 기준을 만족하는 경우, 상기 촉매 유닛의 상류측이 가스상 연소 상태인 것으로 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 또한 상기 판정 기준이 작동 조건에 따라 판정된 시간 내에 연속적으로 만족되는 경우, 상기 촉매 유닛의 상류측이 가스상 연소 상태인 것으로 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 또한 상기 판정 기준의 소정 비율이 작동 조건에 따라 판정된 시간 동안 만족되는 경우, 상기 촉매 유닛의 상류측이 가스상 연소 상태인 것으로 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 또한 (a) 상기 상류 온도 상승률이 작동 조건에 따라 판정된 허용 온도 상승률보다 크게 되어서 제1 판정 기준을 만족하는 경우와, (b) 상기 상류 온도 상승률과 상기 촉매 유닛의 하류측에서의 하류 온도 상승률 사이의 차이가 작동 조건에 따라 판정된 온도 상승률 차이보다 크게 되어서 제3 판정 기준을 만족하는 경우 중 하나 이상이고, 상기 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도가 작동 조건에 따라 판정된 온도차보다 큰 양만큼 상기 촉매 유닛의 하류측에서의 가스 온도보다 높아서 제4 판정 기준을 만족하는 경우, 상기 촉매 유닛의 상류측이 가스상 연소 상태인 것으로 판정하도록 구성된 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 장치.
  19. 촉매 유닛을 구비한 촉매 연소 유닛의 연소 상태를 판정하는 방법이며,
    상기 촉매 연소 유닛으로부터 상류에 연료 전지가 위치하고,
    상기 촉매 연소 유닛 내에서 상기 연료 전지의 연료극으로부터 배출된 애노 드 오프-가스와, 상기 연료 전지의 산화제 극으로부터 배출된 캐소드 오프-가스와 상이한 산화제 가스를 혼합하는 공정과,
    상기 촉매 유닛 내에서 연소 공정을 수행하는 공정과,
    상기 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도를 검출하는 공정과,
    상기 촉매 유닛의 상류측에서의 가스 온도와 상류 온도 상승률 중 하나 이상을 기준치와 비교하는 상기 촉매 유닛의 상류측에서 가스상 연소가 발생하는지의 여부를 판정하는 공정을 포함하는 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 촉매 연소 유닛 내에서 혼합하는 공정 전에, 상기 연료 전지를 형성하는 전지 스택을 둘러싸는 케이스를 통해 공기의 공급을 통과시킴으로써 공기 공급 장치로부터 산화제 가스를 공급하는 공정을 더 포함하는 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 연료 전지 및 촉매 연소 유닛에 요구되는 공기량을 하나 이상의 또 다른 공기 공급 장치로 공급하는 공정과,
    상기 연료 전지 스택과 상기 촉매 연소 유닛의 사이 내의 유로에 하나 이상의 또 다른 공기 공급 장치를 위치시키는 공정을 더 포함하는 촉매 연소 유닛의 연소 상태 판정 방법.
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