KR20090009282A - 연료 전지에 의해 개질제의 람다 값을 결정하는 방법 및 장치 - Google Patents

연료 전지에 의해 개질제의 람다 값을 결정하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연료 전지 스택(12)에 공급되는 개질제(10)의 람다 값(λactual)을 결정하도록, 적어도 하나의 연료 전지 요소(14)를 통해 무부하 전압(U0)을 검출 및 평가하여 람다 값(λactual)을 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 연료 전지 요소(14)는 연료 전지 스택(12) 중 감지 전용으로 제공되는 말단 연료 전지 요소이고, 적어도 하나의 소비체(34)를 위해 제공되는 전압은 연료 전지 스택(12) 중 나머지 연료 전지 요소(36)를 통해 인출할 수 있다. 또한, 본 발명은, 적어도 연료(20)와 공기(22)를 반응시켜 개질제(10)를 형성하는 개질기(16)와, 이 개질기(16)에 연결되어 이로부터 나온 개질제(10)를 수용하는 연료 전지 스택(12)을 포함하고, 개질기(16)의 람다 제어가 이루어지는 시스템에 관한 것뿐만 아니라, 그러한 개질기의 람다 제어 방법 및 람다 값을 결정하는 장치에 관한 것이다.
연료 전지, 람다 제어, 개질기, 개질제, 온도

Description

연료 전지에 의해 개질제의 람다 값을 결정하는 방법 및 장치{DETERMINATION OF THE LAMBDA VALUE OF REFORMATE WITH THE AID OF A FUEL CELL}
본 발명은, 연료 전지 스택에 공급되는 개질제(reformate)의 람다 값(lambda value)을 결정하도록, 적어도 하나의 연료 전지 요소를 통해 무부하 전압을 검출 및 평가하여 람다 값을 결정하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 적어도 연료와 공기를 반응시켜 연료 전지 스택에 공급되는 개질제를 생성하는 개질기의 람다 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 연료 전지 스택에 공급되는 개질제의 람다 값을 결정하도록, 적어도 하나의 연료 전지 요소를 통해 무부하 전압을 검출 및 평가하여 람다 값을 결정하기에 적합한 수단을 구비하고 있는 장치에 관한 것이다.
게다가, 본 발명은, 적어도 연료와 공기를 반응시켜 개질제를 생성하는 개질기와, 이 개질기에 의해 개질제가 공급되는 연료 전지 스택을 포함하며, 개질기는 람다 제어되고 있는 그러한 시스템에 관한 것이다.
화학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 것과 관련하여 광범위한 방법, 장치 및 시스템이 사용되고 있다. 이를 위해, 바람직하게는 연료/공기 혼합물 형태의 연료와 공기가 개질기에 공급된다. 연료와 공기 중의 산소의 반응이 개질기에 서 발생하는 데, 바람직하게는 부분 산화 프로세스가 수행된다.
이러한 식으로 생성된 개질제는 이어서 연료 전지 또는 연료 전지 스택에 공급되어, 개질제의 성분으로서의 수소와 산소의 제어된 반응에 의해 전기 에너지가 방출된다.
전술한 바와 같이, 개질기는 부분 산화 프로세스를 수행하여 개질제를 생성하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 연료로서 디젤을 이용한다면, 부분 산화 전에 예비 반응을 수행하는 것이 특히 유리하다. 이러한 방식에서, 장쇄 디젤 분자는 "콜드 화염(cold flame)"에 의해 반응하여 단쇄 디젤 분자로 됨으로써 개질기 작동에 궁극적으로 도움이 될 수 있다. 일반적으로, 개질기의 반응 영역에는 반응하여 H2 및 CO로 되는 가스 혼합물이 공급된다. 개질제의 다른 성분으로는 공기로부터의 N2와, 공기비 및 온도에 따라 선택적으로 CO2, H2O, 및 CH4가 있다. 정상 작동 시에, 연료 질량 유량이 요구되는 출력에 따라 조절되는 데, 연료 질량 유량은 소정 람다 값으로, 즉 λ=0.4 영역의 공기비로 조절된다. 개질 반응은 다양한 센서, 예를 들면 온도 센서 및 가스 센서에 의해 모니터링될 수 있다.
부분 산화 프로세스 외에도, 자열 개질 반응(autothermal reforming)을 수행하는 것도 가능할 수 있다. 자열 개질 반응과 달리, 부분 산화 프로세스는 화학양론 이하로 공급되는 산소에 의해 유발된다. 예를 들면, 혼합물은 λ=0.4의 공기비를 갖는다. 부분 산화는 발열 반응으로서, 개질기의 원치 않은 가열이 문제점을 야기할 수 있다. 또한, 부분 산화는 그을음 형성을 증가시키는 경향이 있다. 그 을음의 형성을 방지하기 위해, 공기비(λ)를 더 크게 선택할 수 있고, 및/또는 산화에 이용되는 산소를 수증기에서 입수할 수 있다. 산화가 수증기에 의해 흡열 반응 형태로 진행하기 때문에, 연료, 산소 및 수증기들 간의 비를 조절하여, 전체적으로 열이 방출되거나 소모되거나 하지 않게 할 수 있다. 따라서, 이러한 방식으로 이루어지는 자열 개질 반응은 그을음 형성 및 개질기의 바람직하지 않은 과열의 문제점을 해소하게 된다.
또한, 개질기 내에서의 산화 후에 다른 단계의 가스 처리가 발생할 수 있는 데, 특히 메탄화가 부분 산화의 하류에서 실시될 수 있다.
종래의 연료 전지 시스템 중 하나에는 예를 들면 상온과 약 100℃ 사이의 작동 온도에서 통상 작동될 수 있는 양자 교환막(proton exchange membrane : PEM) 시스템이 있다. 낮은 작동 온도로 인해, 그러한 연료 전지 형태는 흔히 이동형 용례, 예를 들면 자동차에 이용된다.
또한, 소위 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템으로 불리는 고온 연료 전기도 공지되어 있다. 이들 시스템은 예를 들면 약 800℃의 온도 영역에서 작동하며, 고상 전해질(고체 산화물)이 산소 이온의 전달에 이용될 수 있다. PEM 시스템에 비한 고온 연료 전지의 이점은 특히 과중한 기계적 및 화학적 부하에 대한 적합성(compatibility)에 있다.
일반적인 시스템과 관련한 연료 전지에 대한 하나의 용례로는 고정형 용례 외에, 예를 들면 보조 동력 장치(auxiliary power unit : APU)와 같은 자동차 분야에서의 용례를 들 수 있다.
종래 기술에서 개질제의 람다 값을 결정하기 위해, 개질기의 출구 영역에 마련된 센서(람다 프로브)가 산소 농도를 이용하는 데에 흔히 이용되고 있다. 이는 고비용을 수반하는 추가적인 재료 소비를 야기한다. 게다가, 기밀성 문제 및/또는 온도 문제가 발생할 수 있다.
독일 특허 DE 103 58 933 A1에는, 적어도 하나의 연료 전지 요소를 통해 무부하 전압을 감지하고 이에 따른 결과를 평가하여, 람다 설정값으로 제어하는 데에 이용될 실제 람다 값을 획득하는 일반적인 방법, 장치 및 시스템이 공지되어 있다. 연료 전지 요소를 통해 무부하 전압은 에너지 출력 동안의 전압보다 낮은 정도로의 순간적 작동 조건과 관계가 있다. 무부하 전압은 예를 들면 소비체(consumer)가 해당 연료 전지 요소로부터 어떠한 전류도 인출하고 있지 않은 작동 단계에서만 측정함으로써 검출할 수 있다. 또한, 무부하 전압은 또한 예를 들면 소비체를 해당 연료 전지 요소로부터 잠깐 분리시킴으로써 검출할 수 있지만, 이러한 방식은 소비체의 원활한 작동을 중단시킬 것이다. 이에 더하여, 단지 하나 또는 수개의 연료 전지 요소로부터 감지되는 전압을 샘플링하는 것은 제조 및 배선을 복잡하게 한다.
본 발명은 일반적인 방법, 장치 및 시스템을 개선하여, 람다 값을 조립 및 작동에 대해 친화적으로 결정할 수 있게 한다는 목적에 기초하고 있다.
이러한 목적은 독립 청구항들의 특징에 의해 달성된다.
본 발명의 유리한 양태 및 추가적인 실시예는 종속 청구항에 기재한다.
람다 값을 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 일반적인 종래 기술에 기초하지만, 적어도 하나의 연료 전지 요소는 연료 전지 스택 중에 감지 전용으로 제공되는 말단 연료 전지 요소이고 적어도 하나의 소비체에 제공되는 전압은 연료 전지 스택 중 나머지 연료 전지 요소들을 통해 인출할 수 있다는 점에 차이가 있다. 이제는, 말단 연료 전지 요소를 통해 무부하 전압을 검출함으로써, 배선의 설계는 말단 연료 전지 요소에 대한 접근이 연료 전지 스택의 중간에 있는 연료 전지 요소보다 훨씬 간단하기 때문에 단순해진다. 게다가, 감지 전용의 연료 전지 요소를 이용함으로써 원활히 지속되는 작동을 더 이상 중단시키지 않아도 된다. 이러한 구성에서, 연료 전지 스택 또는 소비체의 임의의 작동 조건에서 감지 전용으로 제공된 연료 전지 요소의 전압을 결정할 수 있고, 이러한 전압은 그 연료 전지 요소가 감지 전용으로만 이용되기 때문에 항시 그 연료 전지 요소의 무부하 전압에 해당한다.
게다가, 람다 값을 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법을 위해, 바람직하게는 람다 값은 네른스트식(Nernst equation)을 통해 추론할 수 있다. 이는 감지 전용으로 제공된 연료 전지 요소의 무부하 전압이 네른스트식에 따르기 때문에 가능하다.
게다가, 람다 값은 또한 적어도 하나의 연료 전지 요소의 온도의 함수로서 얻는 것이 본 발명에 따른 방법을 위해 유리하다. 람다 값을 결정할 때, 특히 네른스트식을 통해 람다 값을 결정할 때, 감지된 전압은 수반된 온도에 크게 좌우되어, 람다 값을 결정하는 데에 온도를 포함시킴으로써 보다 정확한 값을 얻을 수 있다.
개질기의 람다 제어를 위한 본 발명의 방법은, 람다 제어를 람다 값에 기초하여 수행한다는 점에서 일반적인 종래 기술에 기초하고 있지만, 그러한 람다 값을 본 발명의 방법에 의해 결정된다는 점에서 차이가 있다. 여기에서도 역시, 람다 값의 결정이 종래 기술에 비해 훨씬 더 효율적이다.
람다 값을 결정하기 위한 본 발명에 따른 장치는 일반적인 종래 기술에 기초하지만, 적어도 하나의 연료 전지 요소가 연료 전지 스택 중 감지 전용으로 제공되는 말단 연료 전지 요소이고, 적어도 하나의 소비체를 위해 제공되는 전압은 연료 전지 스택 중 나머지 연료 전지 요소를 통해 인출할 수 있다는 점에 차이가 있다. 이는 결과적으로는 전술한 방법과 관련하여 얻어지는 이점을 달성한다.
또한, 본 발명에 따른 장치의 경우에, 제공된 수단이 네른스트식을 통해 람다 값을 추론하기에 적합한 것이 바람직하다. 이는 적절한 진리치표(truth table) 또는 당업자에게 공지된 바와 같은 임의의 기타 방식에 의해 네른스트식의 값을 직접 구함으로써 람다 값을 구할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 또한 적어도 하나의 연료 전지 요소의 온도를 감지할 수 있는 온도 센서를 마련하고, 이 온도 센서의 결과를, 적어도 하나의 연료 전지 요소의 온도 함수로서 람다 값이 결정될 수 있게 하는 수단에 제공하도록 구성되는 것이 유리하다. 람다 값을 결정하는 경우, 특히 네른스트식을 통해 람다 값을 결정하는 경우, 감지되는 전압은 수반되는 온도에 크게 의존하기 때문에, 람다 값을 결정하는 데에 온도를 포함시킴으로써 보다 정확한 값을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 시스템은 일반적인 종래 기술에 기초하지만, 람다 제어를 수행하기 위해, 람다 값을 결정하는 본 발명에 따른 장치를 포함한다는 점에 차이가 있다.
아래에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 하나의 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치 및 시스템의 하나의 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 연료 전지 스택의 하나의 실시예를 나타내는 개략적 도면이다.
도 1을 참조하면, 단계 S1 및 S2는 람다 값을 결정하기 위한 본 발명의 방법의 하나의 실시예를 예시하고 있는 반면, 단계 S1 내지 S5는 개질기의 람다 제어를 위한 본 발명에 따른 방법의 하나의 실시예를 나타내고 있다.
도시한 방법에 따르면, 복수의 연료 전지 요소를 포함하는 연료 전지 스택의 하나의 연료 전지 요소가 감지 전용으로 제공되는 데, 다시 말해 그 연료 전지 요소는 전기를 소비체에게 공급하는 것이 아니라, 측정값을 결정하기 위한 수단에만 공급한다. 이를 위해, 그 연료 전지 요소는 다른 연료 전지 요소로부터 전기적으로 절연되어, 람다 센서로서 이용할 수 있도록 된다. 나머지 연료 전지 요소는 직렬로 연결되어, 하나 이상의 소비체에 용례를 위한 높은 전압을 공급한다. 보다 높은 측정 전압을 제공하도록 직렬로 연결된 2개 이상의 연료 전지 요소가 감지 전 용으로 마련되는 다른 실시예도 마찬가지로 가능하다는 점을 이해할 것이다.
단계 S1에서, 감지 전용으로 제공된 연료 전지 요소의 무부하 전압(U0)이 아날로그 및/또는 디지털 수단으로서 작동하는 당업자에게 공지된 수단에 의해 검출된다. 그 연료 전지 요소는 소비체에 전기를 공급하지 않기 때문에, 검출되는 전압은 소비체 또는 연료 전지 스택의 모든 및 임의의 작동 조건에서 그 연료 전지 요소의 무부하 전압에 해당한다.
단계 S2에서, 네른스트식을 통해 람다 값(λactual)이 감지 전용으로 제공된 연료 전지 요소의 무부하 전압(U0) 및 실제 온도(T)의 함수로서 결정되는 데, 이는 감지 전용으로 제공된 연료 전지 요소의 무부하 전압(U0)이 네른스트식에 따르기 때문에 가능하다.
대안으로서, 단계 S2에서, 람다 값(λactual)은 감지 전용으로 제공된 연료 전지 요소의 온도는 무시하고 무부하 전압(U0)의 함수로서 결정될 수 있다.
단계 S3에서, 제어 편차(Δλ)가 식 Δλ= (λset) - (λactual)을 통해 람다 값(λactual)과 람다 설정값(λset)의 함수로서 결정된다.
이어서, 단계 S4에서, 작동 신호(S)가 제어 편차(Δλ)의 함수로서 생성된다.
단계 S5에서, 적어도 하나의 액추에이터가 작동 신호(S)에 따라 작동된다. 하나 이상의 액추에이터가 개질기에 특별히 할당되어, 예를 들면 공기 및 연료의 공급을 변경시킬 수 있다. 다수의 액추에이터를 이용하는 경우, 작동 신호(S)는 바람직하게는 각각의 액추에이터의 트리거를 위해 적합한 복수의 데이터를 포함한다.
이하, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 장치의 하나의 실시예는 물론 본 발명에 따른 시스템의 하나의 실시예를 예시하는 블록도가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 장치(24)는 당업자에게 공지된 바와 같은 하드웨어 및/또는 소프트웨어에 의해 구현될 수 있는 것으로, 개질제(10)의 람다 값(λactual)을 결정하도록 구성되어 있다. 개질제(10)는 개질기(16)에 의해 생성되어 연료 전지 스택(12)에 공급된다. 연료 전지 스택(12)은 복수의 연료 전지 요소를 포함하는 데, 도시한 예의 경우 복수의 연료 전지 요소 중 하나의 연료 전지 요소(14)가 감지 전용으로 제공되어, 그 연료 전지 요소(14)는 항시, 심지어는 소비체(34)의 전력 수요가 큰 경우에도 무부하 전압(U0)을 제공한다. 본 발명에 따른 장치(24)는 람다 값(λactual)을 결정하도록 연료 전지 요소(14)의 무부하 전압(U0)을 평가하는 한편, 온도 센서(40)에 의해 감지된 연료 전지 요소(14)의 실제 온도를 평가하는 수단(26)을 포함한다. 이러한 구성에서, 온도 센서(40)는 선택적인 것으로, 다시 말해 람다 값(λactual)은 온도 센서(40)에 의해 감지되는 것과 같은 온도를 고려하지 않고 결정될 수도 있다. 수단(26)은 람다 값(λactual)을 바람직하게는 네른스트식을 통해 결정한다. 람다 값을 결정하도록 제공되는 그러한 수단은, 당업자에게 공지된 바와 같은 아날로그 또는 디지털 회로에 의해, 특히 적절한 소프트웨어와 조합된 하드웨어에 의해 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 장치(24)는 본 발명에 따른 시스템(32)의 구성 요소를 이루는 것으로, 본 발명에 따른 시스템(32)은 장치(24) 외에, 연료(20)와 공기(22)를 반응시켜 개질제(10)를 생성하는 개질기(16)와, 이 개질기(16)에 의해 개질제(10)가 공급되고 연료 전지 요소(14)의 무부하 전압(U0) 외에 소비체(34)를 위한 출력 전압을 공급하는 연료 전지 스택(12)을 더 포함한다. 도시한 시스템은 또한 람다 설정값(λset) 및 실제 람다 값(λactual)으로부터 제어 편차(Δλ)를 생성하는 가산기(adder)(28)를 더 포함한다. 제어 편차(Δλ)는 마찬가지로 시스템(32)에 할당된 제어기(30)에 제공되고, 이 제어기(30)에서 제어 편차(Δλ)에 따른 하나 이상의 적절한 작동 신호(S)를 출력한다. 도시한 예의 경우, 작동 신호(S)는 개질기(16)의 구성 요소인 액추에이터(18)에 제공된다. 이 액추에이터(18)는 예를 들면 연료(20) 및/또는 공기(22)의 공급을 관리하는 데에 이용될 수 있다.
이하, 도 3을 참조하면, 연료 전지 스택의 하나의 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 연료 전지 스택(12)은 클램핑 프레임(38)에 의해 제위치에 유지된 복수의 연료 전지 요소(14, 36)를 포함한다. 연료 전지 요소(14, 36)는 대체로 공지된 방법 및 수단에 의해 개질제와 산화제를 전기 에너지로 전환한다. 이를 위해, 연료 전지 요소(14, 36)는 연료 전지 요소들을 적층함으로써 2개의 통로를 형성하는 2개의 관통공이 있는 플레이트로서 형성되는 데, 그러한 통로를 통해 개질제가 공급되고 애노드 배기 가스가 방출될 수 있다. 연료 전지 요소들 중에는 다른 연료 전지 요소(36)로부터 전기적으로 절연된 감지 전용의 말단 연료 전지 요소(14)가 제공된다. 이 말단 연료 전지 요소(14)는 무부하 전압(U0)을 평가하고 선택적으로 그 연료 전지 요소의 온도(T)를 평가하는 수단(26)에 전기적으로 접속된다. 연료 전지 스택(12) 중 최외측 연료 전지 요소(14) 2개가 말단 연료 전지 요소(14)로서 역할을 할 수도 있다. 마찬가지로, 복수, 즉 일련의 최외측 말단 연료 전지 요소들을 감지 전용으로 제공하는 것도 가능하다. 나머지 연료 전지 요소(36)에는 소비체가 전기적으로 접속되는 데, 이를 위해 나머지 연료 전지 요소들은 고전압을 제공하도록 직렬로 연결된다. 이러한 구성에서, 소비체(34)를 위한 전압은 나머지 연료 전지 요소(36) 중 최외측 연료 전지 요소로부터 인출된다. 본 명세서에서 사용되는 "소비체"란 용어는 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 하나 이상의 소비체들의 모든 및 임의의 조합을 포함하는 것임을 유념해야 할 것이다. 연료 전지 요소(14)의 온도를 감지하는 온도 센서(40)는 연료 전지 요소(14)와 접촉한다. 연료 전지 요소(14)가 나머지 연료 전지 요소(36)와 동일하게 구성되는 경우, 온도 센서는 예를 들면 연료 전지 요소(14)의 외측에 접합될 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 온도 센서(40)는 연료 전지 요소(14)의 리세스나 클램핑 프레임(38)의 리세스 내에 배치될 수도 있다. 온도 센서(40)는 배선(도시 생략)에 의해 수단(26)에 연결될 수 있다.
작동시에, 연료 전지 스택(12)의 작동 조건은 소비체의 전력 수요에 따라 달 라진다. 말단 연료 전지 요소(14)에서, 수단(26)은 그 연료 전지 요소(14)의 무부하 전압(U0)을 소비체(34)의 전력 수요 및 연료 전지 스택(12)의 작동 모드에 관계없이 항시 감지할 수 있다.
전술한 상세한 설명, 도면 및 청구 범위에 개시한 본 발명의 특징들은 본 발명을 달성하는 데에 있어서 개별적으로든 조합하여서든 중요할 수 있다는 점을 이해할 것이다.
<도면 부호>
10 : 개질제
12 : 연료 전지 스택
14 : 감지 전용 연료 전지 요소
16 : 개질기
18 : 액추에이터
20 : 연료
22 : 공기
24 : 람다 값 결정 장치
26 : 무부하 전압 및 온도 평가 수단
28 : 가산기
30 : 제어기
32 : 시스템
34 : 소비체
36 : 소비체를 위해 제공된 연료 전지 요소
38 : 클램핑 프레임
40 : 온도 센서

Claims (8)

  1. 연료 전지 스택(12)에 공급되는 개질제(10)의 람다 값(λactual)을 결정하도록, 적어도 하나의 연료 전지 요소(14)를 통해 무부하 전압(U0)을 검출 및 평가하여 람다 값(λactual)을 결정하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 연료 전지 요소(14)는 연료 전지 스택(12) 중 감지 전용으로 제공되는 말단 연료 전지 요소이고, 적어도 하나의 소비체(34)를 위해 제공되는 전압은 연료 전지 스택(12) 중 나머지 연료 전지 요소(36)를 통해 인출할 수 있는 것을 특징으로 하는 개질제의 람다 값 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 람다 값(λactual)은 네른스트식(Nernst equation)을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 개질제의 람다 값 결정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 람다 값(λactual)은 또한 적어도 하나의 연료 전지 요소(14)의 온도(T)의 함수로서 감지되는 것을 특징으로 하는 개질제의 람다 값 결정 방법.
  4. 적어도 연료(20)와 공기(22)를 반응시켜 연료 전지 스택(12)에 공급되는 개 질제(10)를 생성하는 개질기(16)의 람다 제어 방법에 있어서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재한 개질제의 람다 값 결정 방법에 의해 결정된 람다 값(λactual)에 기초로 람다 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 개질기의 람다 제어 방법.
  5. 연료 전지 스택(12)에 공급되는 개질제(10)의 람다 값(λactual)을 결정하도록 적어도 하나의 연료 전지 요소(14)를 통해 무부하 전압(U0)을 검출 및 평가하는 수단(26)을 포함하는, 개질제의 람다 값 결정 장치(24)에 있어서,
    적어도 하나의 연료 전지 요소(14)는 연료 전지 스택(12) 중 감지 전용으로 제공되는 말단 연료 전지 요소이고, 적어도 하나의 소비체(34)를 위해 제공되는 전압은 연료 전지 스택(12) 중 나머지 연료 전지 요소(36)를 통해 인출할 수 있는 것을 특징으로 하는 개질제의 람다 값 결정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수단(26)은 네른스트식을 통해 람다 값(λactual)을 추론하도록 된 것을 특징으로 하는 개질제의 람다 값 결정 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 적어도 하나의 연료 전지 요소(14)의 온도를 감지할 수 있는 온도 센서(40)가 마련되고, 이 온도 센서에 의한 결과치를, 적어도 하나의 연료 전지 요소(14)의 온도(T)의 함수로서 람다 값(λactual)이 결정될 수 있게 하는 수단에 공급하는 것을 특징으로 하는 개질제의 람다 값 결정 장치.
  8. 적어도 연료(20)와 공기(22)를 반응시켜 개질제(10)를 형성하는 개질기(16)와, 이 개질기(16)에 연결되어 이로부터 나온 개질제(10)를 수용하는 연료 전지 스택(12)을 포함하고, 개질기(16)의 람다 제어가 이루어지는 시스템(32)에 있어서,
    람다 제어를 수행하기 위해, 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재한 개질제의 람다 값 결정 장치(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2336083A1 (en) * 2009-12-17 2011-06-22 Topsøe Fuel Cell A/S Gas generator and processes for the conversion of a fuel into an oxygen-depleted gas and/or hydrogen-enriched gas
DE102011088120A1 (de) 2011-12-09 2013-06-13 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb
DE102013221615A1 (de) * 2013-10-24 2015-04-30 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenvorrichtung
DE102020202874A1 (de) 2020-03-06 2021-09-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zur Erfassung eines Systemparameters mittels der Brennstoffzellenvorrichtung

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6893756B2 (en) * 2002-04-30 2005-05-17 General Motors Corporation Lambda sensing with a fuel cell stack
DE10313064A1 (de) * 2003-03-24 2004-10-28 Webasto Thermosysteme Gmbh Gassensor und Verfahren zur Herstellung eines Gassensors
DE10358933A1 (de) * 2003-12-12 2005-07-28 Webasto Ag Bestimmung des Lambdawertes von Reformat
US7521140B2 (en) * 2004-04-19 2009-04-21 Eksigent Technologies, Llc Fuel cell system with electrokinetic pump
DE102004059647B4 (de) * 2004-12-10 2008-01-31 Webasto Ag Verfahren zum Regenerieren eines Reformers

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