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KR20080068747A - 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템이 탑재된 이동체, 및연료 전지 시스템의 이상 판단 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템이 탑재된 이동체, 및연료 전지 시스템의 이상 판단 방법 Download PDF

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KR20080068747A
KR20080068747A KR1020087014346A KR20087014346A KR20080068747A KR 20080068747 A KR20080068747 A KR 20080068747A KR 1020087014346 A KR1020087014346 A KR 1020087014346A KR 20087014346 A KR20087014346 A KR 20087014346A KR 20080068747 A KR20080068747 A KR 20080068747A
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gas
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gas supply
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요시노부 하스카
히로유키 시부이
노리마사 이시카와
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

연료 전지 시스템(1)은 연료 전지(10), 연료 전지(10)에 수소 가스를 공급하기 위한 수소 가스 배관 시스템(3), 그 상류측에서 수소 가스 배관 시스템(3)의 가스 상태를 조정하고 그것을 그 하류측에 공급하는 인젝터(35), 및 인젝터(35)의 구동을 기결정된 구동 주기로 제어하는 제어 장치(4)를 포함한다. 상기 제어 장치(4)는, 인젝터(35)의 목표 분사량 및 수소 가스 배관 시스템(3)에서의 검출된 압력에 근거하여, 수소 가스 배관 시스템(3)에서의 이상의 존재를 판단한다.

Description

연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템이 탑재된 이동체, 및 연료 전지 시스템의 이상 판단 방법{FUEL CELL SYSTEM, MOVING OBJECT EQUIPPED WITH FUEL CELL SYSTEM, AND ABNORMALITY JUDGMENT METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 그 가스 공급 시스템 내에 인젝터(ingector)를 구비하는 연료 전지 시스템, 이러한 연료 전지 시스템이 탑재되는 이동체, 및 이러한 연료 전지 시스템의 이상 판단 방법에 관한 것이다.
오늘날, 반응 가스(연료 가스 및 산화 가스)의 공급을 받아 발전을 실행하는 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템이 제안되고 실용화되어 있다. 이러한 연료 전지 시스템에는, 수소 탱크 등과 같은 연료 공급원으로부터의 연료 가스를 연료 전지에 공급하는 연료 공급 유로가 포함된다.
그리고, 일반적으로, 연료 공급원(예를 들면, 70 MPa의 고압 가스 탱크)으로부터 공급되는 연료 가스의 압력이 극히 높은 경우, 이 공급 압력을 일정한 값으로 감소시키는 압력 조절 밸브(조절기(regulator))가 연료 공급 유로에 제공된다(예를 들면, 일본 특허 출원 공보 No. JP-A-2004-342386 참조).
그러나, 일본 특허 출원 공보 No. JP-A-2004-342386에 개시된 압력 조절 밸브에 있어서는, 그 구조상, 연료 가스의 공급 압력이 일정하기 때문에, 구동 상황 에 따라 연료 가스의 공급 압력을 신속히 변화시키는 것이 어렵다(바꾸어 말하면, 응답성이 낮음). 더욱이, 목표 압력을 다단계에 걸쳐 변하게 하는 것과 같은 매우 정확한 압력 조절을 실행하는 것이 가능하지 않다.
더욱이, 그것의 공급 압력이 높은 연료 공급원에 제공되는 연료 공급 유로에 있어서는, 이 연료 공급 시스템에서의 어떤 이상을 검출하는 것이 매우 중요하고, 이러한 이상을 검출하는 방법으로서, 압력 강하에 의한 압력 조절 고장 검출 방법 등이 있다. 그러나, 이러한 검출 방법에 있어서는, 압력 조절 밸브를 닫고, 시스템을 폐쇄하고, 그리고 시스템의 압력을 안정시킬 필요가 있다. 이에 기인하여, 연료 전지가 발전 중인 동안에 이상 검출이 어려워지고, 또는 이러한 이상 검출이 바람직스럽지 못하게 오래 걸릴 수도 있다.
이런 이유 때문에, 연료 전지의 작동 상태에 따라 적절한 방식으로 연료 가스의 공급 압력을 변화시킬 수 있고, 또한, 연료 전지가 발전 중인 경우에도, 가스 공급 시스템의 이상 검출을 신속히 실행하는 것이 가능한 시스템에 대한 요구가 있다.
본 발명의 목적은 연료 전지의 작동 상태에 따라 적절한 방식으로 반응 가스의 작동 상태를 변경하는 것이 가능하고, 또한, 연료 전지가 발전 중인 경우에도, 간단한 방식으로 가스 공급 시스템의 이상 검출을 실행하는 것이 가능한 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 실시예는 연료 전지, 연료 전지에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템에 제공되고 이 가스 공급 시스템의 상류측의 반응 가스의 상태를 조정하고 조정된 반응 가스를 그 하류측에 공급하는 인젝터, 및 연료 전지의 작동 상태에 따라 인젝터를 제어하기 위한 제어 장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 이 연료 전지 시스템은, 인젝터의 목표 작동량, 및 가스 공급 시스템 내의 검출 물리량에 근거하여, 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 판단하기 위한 판단 수단을 포함한다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 연료 전지의 작동 상태(연료 전지의 발전량(전력, 전류, 및 전압), 연료 전지의 온도, 연료 전지 시스템의 이상 상태, 연료 전지 본체의 이상 상태 등)에 따라 인젝터의 작동 상태(인젝터의 밸브 개구량(그 가스 통과 면적), 인젝터의 밸브 개방 시간(가스의 분사 시간) 등)를 설정하는 것이 가능하다. 따라서, 연료 전지의 작동 상태에 따라 적절한 방식으로 연료 가스의 공급 압력을 변경하는 것이 가능하고, 그 응답성을 높이는 것이 가능해진다.
또한, 인젝터의 목표 작동량(예를 들어, 목표 개구량, 목표 밸브 개방 시간, 목표 압력, 목표 유량, 목표 분사량, 또는 목표 분사 시간) 및 가스 공급 시스템 내의 검출 물리량(예를 들어, 검출 압력, 검출 온도, 검출 유량, 또는 이들의 변화량)에 근거하여, 판단 수단은 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 판단한다. 이에 기인하여, 연료 전지가 발전 중인 경우에도, 가스 공급 시스템에서의 이상의 검출을 신속히 실행하는 것이 가능하다.
이 연료 전지 시스템에는, 가스 공급 시스템 내의 압력을 검출하기 위한 압력 검출 수단이 더 포함될 수도 있다. 또한, 인젝터의 목표 분사량, 및 가스 공급 시스템 내의 검출 압력에 근거하여, 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 판단하는 판단 수단을 배치하는 것도 허용 가능할 것이다.
반응 가스의 상태란 반응 가스의 유량, 압력, 온도, 몰농도 등이 의미되고, 특히, 그 유량 및 그 압력 중 적어도 하나를 포함함에 유의한다.
이러한 구조가 채택되는 경우, 압력 검출 수단으로부터의 검출 결과에 근거하여, 판단 수단은 인젝터의 하류측에서의 압력을 실제로 측정한다. 이렇게 함으로써, 이러한 압력 변화의 실제 측정값 및 인젝터의 분사량에 근거하여, 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 정확하게 판단하는 것이 가능하다.
더욱이, 이 연료 전지 시스템에서는, 인젝터의 목표 분사량으로부터 구해진 추정 압력, 및 가스 공급 시스템 내의 검출 압력 사이의 편차에 근거하여, 제어 수단에는 인젝터의 목표 분사량을 보정하는 보정 기능이 갖추어질 수도 있다.
이러한 구조가 채택되는 경우, 인젝터 또는 압력 검출 수단 등의 개별 차이, 또는 시간의 경과에 기인하는 그 변화에 관계없이, 가스 공급 시스템의 더욱 정확한 이상 검출을 실행하는 것이 가능하다.
더욱이, 이 연료 전지 시스템에서, 가스 공급 시스템은 연료 전지에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 시스템일 수도 있다.
이러한 구조가 채택되는 경우, 연료 전지에 의한 발전 동안의 배관으로부터의 가스 누출, 밸브 고장, 인젝터 고장 등에 기인하는 수소 가스 공급 시스템에서의 이상을 단기간에 검출하는 것이 가능하고, 이상을 신속히 처리하여 연료 전지에 의한 발전의 만족스러운 상태를 유지하는 것이 가능하다.
더욱이, 이 연료 전지 시스템에서는, 인젝터의 하류측에서 검출된 압력의 실제 측정값이 인젝터에 의해 공급되는 반응 가스의 정상의 압력 범위 이내에 있는지 여부에 근거하여, 판단 수단은 인젝터의 이상의 존재를 판단할 수도 있다.
이러한 구조가 채택되는 경우, 연료 전지의 발전 동안의 밸브 개방 이상(개방 고장), 밸브 폐쇄 이상(폐쇄 고장) 등과 같은 인젝터의 작동 고장을 단기간에 검출하는 것이 가능하고, 이러한 이상을 신속히 처리하여 연료 전지에 의한 발전의 만족스러운 상태를 유지하는 것이 가능하다.
더욱이, 가스 공급 시스템에서의 가스 소비량과 인젝터에 의한 실제 분사량 사이의 편차에 근거하여, 판단 수단은 가스 공급 시스템의 이상의 존재를 판단할 수도 있다.
더욱이, 가스 소비량은 인젝터에 대한 분사 지시량에서의 오류, 연료 전지에 의해 발생되는 전류의 검출에서의 오류, 및 연료 전지의 크로스(cross) 누출의 증가량 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 인젝터에 의한 가스의 실제 분사량 및 가스 소비량에 근거하여, 판단 수단은 가스 누출의 존재를 판단할 수도 있다.
이러한 구조에 따르면, 연료 전지의 작동 상태(연료 전지의 발전량(전력, 전류, 및 전압), 연료 전지의 온도, 연료 전지 시스템의 이상 상태, 연료 전지 본체의 이상 상태 등)에 따라 인젝터의 작동 상태(인젝터의 밸브 개구량(그 가스 통과 면적), 인젝터의 밸브 개방 시간(가스의 분사 시간) 등)를 설정하는 것이 가능하다. 따라서, 연료 전지의 작동 상태에 따라 적절한 방식으로 연료 가스의 공급 압력을 변경하는 것이 가능하여, 그 응답성을 높이는 것이 가능해진다.
더욱이, 판단 수단은, 가스 공급 시스템에 의한 가스 소비량(예를 들어, 연료 전지의 발전에 기인하는 가스 소비량) 및 인젝터로부터의 분사량 사이의 편차로부터 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 판단할 수도 있다. 이에 기인하여, 연료 전지의 발전 중에도, 가스 공급 시스템의 이상 검출을 신속히 실행하는 것이 가능하다. 가스 공급 시스템에 의한 가스 소비량은 예를 들어, 연료 전지의 발전에 기인하는 연료 가스 소비량이지만, 애노드(anode)로부터 캐소드(cathode)까지의 연료 전지 내의 연료 가스의 크로스 누출량, 및 연료 전지로부터 외부로 배출되는 연료 OFF 가스를 퍼징(purging)하는 동안 방출되는 연료 가스량 등을 포함할 수도 있다.
이 연료 전지 시스템에서, 판단 수단은 수소 가스 공급 시스템에서의 이상을 판단할 수도 있다.
이러한 구조가 채택되는 경우, 연료 전지에 의한 발전 동안에, 배관으로부터의 가스 누출, 밸브 고장, 인젝터 고장 등에 기인하는 수소 가스 공급 시스템에서의 이상을 단기간에 검출하는 것이 가능하고, 연료 전지에 의한 발전의 만족스러운 상태를 유지하면서, 이러한 이상을 신속한 방식으로 처리하는 것이 가능하다.
본 발명의 제2 실시예는 이동체에 관한 것이다. 이 이동체는 이러한 연료 전지 시스템을 포함한다.
이와 같은 구조에 따르면, 연료 전지의 작동 상태에 따라 연료 가스의 공급 압력의 변화에 대한 응답성이 놓은 연료 전지 시스템이 탑재되는 이동체에 있어서, 연료 전지의 발전 동안 가스 공급 시스템의 이상 검출을 신속히 실행하는 것이 가능하다.
본 발명의 제3 실시예는 인젝터를 구동하고, 연료 전지에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템에 제공되고, 연료 전지의 작동 상태에 따라 이 가스 공급 시스템의 상류측에서의 반응 가스의 상태를 조정하고 조정된 반응 가스를 그 하류측에 제공하는 이상 판단 수단에 관한 것이다. 이 방법은 인젝터의 목표 작동량을 산출하는 단계; 가스 공급 시스템 내부의 물리량을 검출하는 단계; 목표 작동량 및 물리량에 근거하여, 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지에 의한 발전 동안에도, 가스 공급 시스템의 이상 검출을 신속히 실행하는 것이 가능해진다.
본 발명의 상기 및 추가 목적, 특징 및 장점들은, 동일한 부분들을 동일한 도면 부호로 표시한 첨부 도면들을 참조하여 후술하는 예시적인 실시예들의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성 다이어그램이며;
도 2는 도 1에 도시된 제어 장치의 레이아웃(layout)의 설명을 위한 제어 블록 다이어그램이며;
도 3은 도 1에 도시된 제어 장치에 의한 이상 검출 처리의 설명을 위한 플로우차트이며;
도 4a는 목표 분사량(Q)을 도시하는 그래프이며; 도 4b는 인젝터량 적산값(V)을 도시하는 그래프이며; 도 4c는 압력 증가량(△P)을 도시하는 그래프이며; 및 도 4d는 추정 압력(P)의 범위(Ps)를 도시하는 그래프이며;
도 5a는 개방 고장 동안의 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)을 도시하는 그래프이며; 도 5b는 폐쇄 고장 동안의 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)을 도시하는 그래프이며; 및 도 5c는 정상시 동안의 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)을 도시하는 그래프이며;
도 6은 도 1에 도시된 제어 장치에 의해 가스 누출 검출 방법의 설명을 위한 그래프이며;
도 7은 이 가스 누출 검출에서 사용되는 임계값의 설정의 설명을 위한 그래프이며; 및
도 8은 가스 누출 검출 방법의 다른 예의 설명을 위한 그래프이다.
다음으로, 본 발명의 제1 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다. 이 실시예에서는, 본 발명이 연료 전지 차량(이동체)의 적재 발전 시스템에 적용되는 일례에 관한 설명이 상정될 것이다.
우선, 본 발명의 이러한 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)의 구성이 도 1을 참조하여 설명될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(1)은 반응 가스(산화 가스 및 연료 가스)의 공급을 받고 전력을 발생시키는 연료 전지(10)를 포함한다. 또한, 이 연료 전지 시스템(1)은 연료 전지(10)에 산화 가스로서 공기를 공급하는 산화 가스 배관 시스템(2); 연료 전지(10)에 연료 가스로서 수소 가스를 공급하는 수소 가스 배관 시스템(3); 및 시스템 전체를 통합적인 제어를 실행하는 제어 장치(제어 수단 또는 판단 수단)(4)를 포함한다.
연료 전지(10)는 반응 가스의 공급을 받고 전기를 발생시키는 개별 전지의 필요한 수가 적층되는 적층 구조를 가진다. 연료 전지(10)에 의해 발생된 전력은 PCU(전력 제어 유닛)(11)에 공급된다. 이 PCU(11)는 연료 전지(10)와 트랙션 모터(12) 사이에 배치되는 인버터, DC-DC 컨버터 등을 포함한다. 더욱이, 발생되는 중인 전류를 검출하기 위하여 전류 센서(13)가 연료 전지(10)에 장착된다.
산화 가스 배관 시스템(2)은 가습기(20)에 의해 가습된 후에 산화 가스(공기)를 연료 전지(10)에 공급하는 공기 공급 유로(21); 연료 전지(10)로부터 배출되는 산화 오프-가스를 가습기(20)로 이끄는 공기 배출 유로(22); 및 가습기(21)로부터의 산화 오프-가스를 외부로 이끌기 위한 배출 유로(23)를 포함한다. 공기 공급 유로(21)에는, 대기 내의 산화 가스를 흡수하고 압축하여 가습기(20)에 보내는 압축기(24)가 제공된다.
수소 가스 배관 시스템(3)은 연료 공급원을 구성하고, 고압의 수소 가스를 저장하는 수소 탱크(30); 수소 가스를 수소 탱크(30)로부터 연료 전지(10)에 공급하기 위한 연료 공급 유로로서 기능하는 수소 공급 유로(31); 및 연료 전지(10)로부터 배출되는 수소 오프-가스를 수소 공급 유로(31)에 되돌려 보내기 위한 순환 유로(32)를 포함한다. 이 수소 가스 배관 시스템(3)은 본 발명의 제1 실시예의 가 스 공급 시스템이다.
수소 탱크(30) 대신에, 연료 공급원으로서, 탄화 수소계의 연료로부터 수소-리치(rich) 개질 가스를 발생시키는 개질기(reformer), 및 이 개질기에 의해 발생된 이 개질 가스를 고압 상태에서 저장하는 고압 가스 탱크를 사용하는 것 또한 가능함에 유의한다. 더욱이, 수소 저장 합금을 포함하는 탱크를 연료 공급원으로서 사용하기로 정하는 것이 바람직할 수도 있다.
수소 공급 유로(31)에는, 수소 탱크(30)로부터의 수소 가스의 공급을 차단 또는 허용하는 차단 밸브(33), 수소 가스의 압력을 조정하는 조절기(34), 및 인젝터(35)가 제공된다. 더욱이, 인젝터(35)의 상류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소 가스의 압력 및 온도를 검출하는 1차측 압력 센서(41) 및 온도 센서(42)가 제공된다.
또한, 수소 공급 유로(31) 및 순환 유로(32)가 합류하는 지점의 상류측, 및 인젝터(35)의 하류측에는, 수소 공급 유로(31) 내의 수소 가스의 압력을 검출하는 2차측 압력 센서(43)가 제공된다.
조절기(34)는 이 상류측 압력(1차 압력)을 미리 설정된 2차 압력으로 조정하는 장치이다. 본 실시예에서는, 1차 압력을 감소시키는 기계식의 감압 밸브가 조절기(34)로서 채택된다. 이들 기계식의 감압 밸브의 구성으로서, 격판(diaphragm)에 의해 서로 분리되는 배압(back pressure) 챔버 및 압력 조정 챔버로 형성되는 몸체를 가지는 종래의 구성이 채택될 수도 있다. 더욱이, 2차 압력을 생성하기 위해, 압력 조정 챔버 내부의 1차 압력이 배압 챔버 내부의 배압에 의해서 기결정된 압력 으로 감소될 수도 있다.
본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 인젝터(35)의 상류측에 2개의 조절기(34)가 배치되어, 인젝터(35)의 상류측의 압력을 효과적으로 감소시키는 것이 가능해진다. 이에 기인하여, 인젝터(35)의 기계적 구조(즉, 밸브 몸체, 몸체, 유로, 구동 장치 등)의 설계 자유도가 높아질 수 있다.
더욱이, 인젝터(35)의 상류측 상의 압력을 감소시키는 것이 가능하다. 이에 기인하여, 인젝터(35)의 상류측의 압력과 그 하류측의 압력과 사이의 압력 차이의 증가에 의해 야기될지도 모르는 인젝터(35)의 밸브 몸체의 이동이 어려워지는 것을 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 인젝터(35)의 하류측 상의 압력에 대한 압력 조정 범위를 넓히는 것이 가능해질 뿐만 아니라, 인젝터(35)의 응답성의 저하를 억제하는 것도 가능해진다.
인젝터(35)는 전자기 구동식 개방/폐쇄 밸브이다. 인젝터(35)에서는, 밸브 몸체가 전자기 구동력에 의해 직접적으로 구동되고 기결정된 구동 주기로 밸브 시트로부터 분리된다. 이에 기인하여, 가스 유량 및 가스 압력 등과 같은 가스 상태를 조정하는 것이 가능하다. 인젝터(35)는 수소 가스 등과 같은 가스 연료를 분사하는 분사 구멍을 구비한 밸브 시트를 포함할 뿐만 아니라, 또한 이 분사 구멍에 이 가스 연료를 공급하기 위해 그것을 안내하는 노즐 몸체, 및 노즐 몸체에 대해 그 축 방향(가스 흐름 방향)으로 이동가능하게 수용 및 유지되고 분사 구멍을 개방 및 폐쇄하는 밸브 몸체를 포함한다.
본 실시예에서는, 인젝터(35)의 밸브 몸체는 전자기 구동 장치인 솔레노이 드(solenoid)에 의해 구동되고, 이 솔레노이드에 공급되는 펄스 형태의 여자(勵磁, excitation) 전류에 의해, 온 또는 오프될 수 있어, 분사 구멍의 개구면적을 2 단계, 또는 다단계, 또는 연속적으로(단계 없음) 또는 선형으로 변경할 수 있도록 배치된다. 제어 장치(4)로부터 출력되는 제어 신호에 근거하여 제어되는 인젝터(35)의 가스 분사 시간 및 가스 분사 시기에 의하여, 수소 가스의 유량 및 압력이 고도로 정확하게 제어되는 것이 가능하다.
인젝터(35)는 밸브(밸브 몸체 및 밸브 시트)가 전자기 구동력에 의해 직접적으로 개방 또는 폐쇄하도록 구동되는 장치이다. 그 구동 주기를 높은 응답 범위까지 제어하는 것이 가능하기 때문에, 이 밸브에는 높은 응답성이 부여된다.
인젝터(35)는, 그 하류에 요구되는 가스 유량을 공급하기 위해, 이 인젝터(35)의 가스 유로에 제공되는 밸브 몸체의 개구면적(개구량) 및 개방시간 중 적어도 하나를 변경한다. 이렇게 함으로써, 그 하류측(연료 전지(10) 측)에 공급되는 가스 유량(또는 수소 몰농도)이 조정된다.
인젝터(35)의 밸브 몸체의 개방 또는 폐쇄에 의해 조정되는 가스 유량과 함께, 인젝터(35)의 하류에 공급되는 가스 압력은 인젝터(35)의 상류 가스 압력 아래로 감소됨에 유의한다. 이에 기인하여, 또한, 인젝터(35)는 압력 조정 밸브(감압 밸브 또는 조절기)로서 고려될 수도 있다.
더욱이, 본 실시예에서, 인젝터는, 가스 요구에 따라서, 기결정된 압력 범위에서의 요구되는 압력과 일치하도록, 인젝터(35)의 상류 가스 압력의 압력 조절량(압력 감소량)을 변경시킬 수 있는 가변 압력 조정 밸브로서 고려될 수도 있다.
본 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수소 공급 유로(31)와 순환 유로(32)가 합류하는 지점(A1)보다 더욱 상류측에 인젝터(35)가 위치됨에 유의한다. 더욱이, 도 1의 파선으로 도시된 바와 같이, 만약 복수의 수소 탱크(30)가 연료 공급원으로서 채택되는 경우, 각각의 수소 탱크(30)로부터 공급되는 수소 가스 흐름이 합류하는 지점(수소가스 합류 지점(A2))보다 더욱 하류측에 인젝터(35)가 위치되어야 한다.
순환 유로(32)는 기체-액체 분리기(36) 및 배기 배수 밸브(37)를 통하여 배출 유로(38)에 연결된다. 기체-액체 분리기(36)는 수소 오프-가스로부터 수분을 회수하기 위한 장치이다. 그리고, 제어 장치(4)로부터의 지시에 따라 작동함으로써, 배기 배수 밸브(37)는 기체-액체 분리기(36)에 의해 회수된 수분, 및 순환 유로(32) 내의 불순물을 포함하는 수소 오프 가스를 외부로 퍼지(purge)한다.
더욱이, 순환 유로(32)에는, 순환 유로(32) 내의 수소 오프-가스를 가압하고 수소 공급 유로(31)의 쪽을 향하여 그것을 방출하는 수소 펌프(39)가 제공된다. 배기 배수 밸브(37) 및 배출 유로(38)를 매개로 하여 배출되는 수소 오프 가스는 희석기(40)에 의해 희석되고, 배출 유로(23) 내의 산화 오프 가스로 흘러들어 옴에 유의한다.
제어 장치(4)는 차량(S)에 제공되는 가속 작동 장치(가속 장치 등)의 작동량을 검출하고, 요구 가속값(예를 들어, 트랙션 모터(12) 등과 같은 부하(load) 장치로부터의 요구 전기 에너지) 등과 같은 제어 정보를 수신하고, 시스템의 다양한 종류의 장치의 작동을 제어한다.
부하 장치는 트랙션 모터(12)를 지칭할 뿐만 아니라; 연료 전지(10)를 작동하기 위해 필요한 보조 장치(예를 들어, 압축기(24), 수소 펌프(39), 냉각 펌프의 모터 등), 차량의 주행에 관여하는 각종 장치(예를 들어, 변속기, 휠 제어 장치. 스티어링 장치, 서스펜션(suspension) 장치 등)에서 사용되는 액츄에이터, 조명 장치, 및 오디오 장치를 포함하는 총괄적으로 전기 소비 장치로 불리는 몇몇 장치의 일반적인 용어임에 유의한다.
제어 장치(4)는 도면에 도시되지 않은 컴퓨터 시스템을 포함한다. 이러한 컴퓨터 시스템은 CPU, ROM, RAM, HDD, 입력 및 출력 인터페이스, 디스플레이 등을 포함한다. 더욱이, CPU에 의해 읽혀지고 실행되는 ROM에 기록된 각종 컴퓨터 프로그램에 의해, 다양한 종류의 컴퓨터 작동이 실현된다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지(10)의 작동 상태(즉, 전류 센서(13)에 의해 검출되는 연료 전지(10)에 의해 발생되는 전류값)에 근거하여, 제어 장치(4)는 연료 전지(10)에 의해 소비되는 수소 가스량(이하, "수소 소비량"으로 지칭)을 산출한다(연료 소비량 산출 기능: B1). 본 실시예에서는, 연료 전지(10)의 전류와 수소 소비량 사이의 관계를 표현하는 특수한 연산식을 사용하여 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 수소 소비량이 산출된다.
또한, 연료 전지(10)의 작동 상태(즉, 전류 센서(13)에 의해 검출되는 연료 전지(10)에 의해 발생되는 전류)에 근거하여, 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 하류 위치에 있어서 수소 가스의 목표 압력값(연료 전지(10)의 목표 가스 공급 압력)을 산출한다(목표 압력값 산출 기능: B2). 본 실시예에서는, 연료 전지(10)의 전류와 목표 압력값 사이의 관계를 표현하는 특수한 맵을 사용하여, 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 2차측 압력 센서(43)가 배치되는 위치(압력 조정이 요구되는 위치인 압력 조정 위치)에 있어서 이 목표 압력값이 산출 및 갱신된다.
더욱이, 상술된 바와 같이 산출된 목표 압력값, 및 2차측 압력 센서(43)에 의해 검출되는 인젝터(35)의 하류 위치(압력 조정 위치)에서의 검출 압력값 사이의 편차에 근거하여, 제어 장치(4)는 피드백 보정 유량을 산출한다(피드백 보정 유량 산출 기능: B3). 이 피드백 보정 유량은, 목표 압력값과 검출 압력값 사이의 편차를 감소시키기 위해 수소 소비량에 가산되는 수소 가스 유량(압력 편차 감소 보정 유량)이다. 본 실시예에서는, PI(비례 적분(proportional integral)) 제어 등의 목표 추종형 제어 규칙을 사용하여, 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 피드백 보정 유량이 산출 및 갱신된다.
또한, 제어 장치(4)는 전에 산출된 목표 압력값과 이번에 산출된 목표 압력값 사이의 편차에 대응하는 피드 포워드(feed forward) 보정 유량을 산출한다(피드 포워드 보정 유량 산출 기능: B4). 이 피드 포워드 보정 산출 유량은 목표 압력값의 변동에 기인하는 수소 가스 유량의 변동량(압력 편차에 대응하는 보정 유량)이다. 본 실시예에서는, 목표 압력값의 편차와 피드 포워드 보정 유량 사이의 관계를 표현하는 특수한 연산식을 사용하여, 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 이 피드 포워드 보정 유량이 산출 및 갱신된다.
또한, 인젝터(35)의 상류 가스 상태(즉, 1차측 압력 센서(41)에 의해 검출되는 수소 가스의 압력 및 온도 센서(42)에 의해 검출되는 수소 가스의 온도)에 근거 하여, 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 상류의 정적 유량을 산출한다(정적 유량 산출 기능: B5). 본 실시예에서는, 인젝터(35)의 상류측에서의 압력 및 온도, 및 정적 유량 사이의 관계를 표현하는 특수한 연산식을 사용하여, 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 이 정적 유량이 산출 및 갱신된다.
또한, 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 상류 가스 상태(즉, 수소 가스의 압력 및 온도), 및 인가 전압에 근거하여 인젝터(35)의 무효 분사 시간을 산출한다(무효 분사 시간 산출 기능: B6). 여기에서 무효 분사 시간이란, 인젝터(35)가 제어 장치(4)로부터 제어 신호를 수신한 때부터 실제 분사가 개시될 때까지에 필요한 시간을 의미한다. 본 실시예에서는, 인젝터(35)의 상류측 상의 수소 가스의 압력 및 온도 및 인가 전압, 및 무효 분사 시간 사이의 관계를 표현하는 특수한 맵을 사용하여, 제어 장치(4)의 각 연산 주기마다 이 무효 분사 시간이 산출 및 갱신된다.
또한, 제어 장치(4)는 수소 소비량, 피드백 보정 유량, 및 피드 포워드 보정 유량을 함께 가산하여 인젝터(35)의 분사 유량을 산출한다(분사 유량 산출 기능: B7). 그리고, 제어 장치(4)는, 인젝터(35)의 구동 주기에 인젝터(35)의 분사 유량을 정적 유량으로 나누어 얻은 값을 곱하여 인젝터(35)의 기본 분사 시간을 산출할 뿐만 아니라, 이 기본 분사 시간 및 무효 분사 시간을 함께 가산하여 인젝터(35)의 총 분사 시간을 산출한다(총 분사 시간 산출 기능: B8). 여기에서, 구동 주기란 인젝터(35)의 분사 구멍의 개방 및 폐쇄된 상태를 표현하는 단계형 파형(ON/OFF 파형)의 주기를 의미한다. 본 실시예에서, 제어 장치(4)에 의하여 구동 주기는 일정한 값으로 설정된다.
그리고 제어 장치(4)는 상술된 절차를 따라 산출된 인젝터(35)의 총 분사 시간을 실현하기 위한 제어 신호를 출력한다. 이렇게 함으로써, 연료 전지(10)에 공급되는 수소 가스의 유량 및 압력을 조정하도록, 인젝터(35)의 가스 분사 시간 및 가스 분사 시기가 제어된다.
상술된 연료 전지 시스템(1)의 정상 작동 동안에는, 수소 탱크(30)로부터의 수소 가스가 수소 공급 유로(31)를 매개로 하여 연료 전지(10)의 연료극에 공급된다. 또한, 가습 조절된 공기가 공기 공급 유로(21)를 매개로 하여 연료 전지(10)의 산화극에 공급된다. 이들 수소 가스 및 공기의 공급으로 인해 발전이 실행된다. 이때, 연료 전지(10)로부터 추출되는 전력(요구 전력)은 제어 장치(4)에 의해 산출되고, 그 발전량에 대응하는 양의 수소 가스 및 공기가 연료 전지(10)에 공급되도록 배치된다. 본 실시예에서는, 이와 같은 정상 작동 중에 있어서 연료 전지(10)에 공급되는 수소 가스의 압력이 높은 정확도로 제어된다.
여기에서, 상술된 연료 전지 시스템(1)에서는, 연료 전지(10)에 수소 가스의 공급 동안에, 제어 장치(4)는 수소 가스 배관 시스템(3)에서의 이상의 존재 또는 부존재를 검출(즉, 이상이 존재하는지 여부를 결정)하는 이상 검출 처리를 실행한다. 본 실시예에서의 인젝터(35)의 이러한 고장 검출 처리가 도 3을 참조하여 지금 설명될 것이다.
우선, 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 하류측인 2차측에서의 정상 압력 범위를 추정한다(단계 S01). 이러한 정상 압력 범위의 추정에서, 우선, 인젝터(35)에 의한 목표 인젝터 분사량(Q)[NL/min][sic]이 구해진다. 구체적으로, 기본 분사 시간 및 무효 분사 시간을 함께 가산하여 구해진 총 분사 시간이 전술된 각 연산 주기마다 적산된다. 그리고, 이 총 분사 시간에 근거하여, 단위 시간당(여기서는, 1 분당) 인젝터 분사량(목표 분사량)(Q)[NL/min]이 구해진다.
인젝터(35)의 상류측인 1차측 상의 압력 및 온도에 따라 인젝터 분사량(Q)이 변동함에 유의한다. 이에 기인하여, 인젝터 분사량(Q)를 구하는 경우, 제어 장치(4)는 인젝터 분사량(Q)에 1차측 압력 센서(41) 및 온도 센서(42)에 의해 검출되는 인젝터(35)의 상류측인 1차측 상의 압력 및 온도 요소를 가산한다.
그리고, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제어 장치(4)는 파선으로 도시되는 오차를 포함하는, 구해진 인젝터 분사량(Q)의 상한값 및 하한값을 설정한다. 더욱이, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상한값 및 하한값이 설정된 이러한 인젝터 분사량(Q)을 적산함으로써, 제어 장치(4)는 파선으로 도시되는 상한 및 하한을 포함하는 인젝터 분사량 적산값(V)[NL]을 산출한다.
다음으로, 상한 및 하한을 가지는 인젝터 분사량 적산값(V)과 함께, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제어 장치(4)는 파선으로 도시되는 상한 및 하한을 가지는 압력 증가량(△P)을 구한다. 이 압력 증가량(△P)은 수소 공급 유로(31), 연료 전지(10)의 내부, 및 순환 유로(32)를 포함하는 인젝터(35)의 하류측인 2차측 상의 배관 용적 및 온도 등을 사용하여, 미리 얻어진 환산식으로부터 추정된다.
그리고 제어 장치(4)는 상한 및 하한을 가지는 압력 증가량(△P)을 가압 전의 2차측 압력(P)에 일치시킨다. 이렇게 함으로써, 도 4d에 도시된 바와 같이, 파선으로 도시되는 상한 및 하한을 가지는 정상 압력(추정 압력)(P)의 범위(Ps)를 추 정한다.
상기의 방식으로 추정된 정상 압력(P)의 범위(Ps)를 가지고, 제어 장치(4)는 2차측 압력 센서(43)으로부터의 데이터에 근거하여, 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)이 정상 압력(P)의 범위(Ps)보다 더 큰지 여부를 판단한다(도 3의 단계 S02).
그리고, 도 5a에 도시된 바와 같이, 만약 이 판단의 결과로서, 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)이 정상 압력(P)의 범위(Ps)보다 더 크다고 판단된다면, 그때에 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 밸브가 개방된 채로 남아있는 OPEN 측 작동 고장(개방 고장)이 존재한다고 판단한다. 그리고 예를 들어, 오류 신호가 출력되어, 이 효과의 취지가 경보를 통해 알려진다(도 3의 단계 S03).
또한, 만약 상술된 판단의 결과가 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)이 정상 압력(P)의 범위(Ps)보다 더 크지 않다고 판단된다면, 그때에 제어 장치(4)는 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)이 정상 압력(P)의 범위(Ps)보다 더 작은지 여부를 판단한다(도 3의 단계 S04).
그리고, 만약 도 5b에 도시된 바와 같이, 상술된 판단의 결과가 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)이 정상 압력(P)의 범위(Ps)보다 더 작다고 판단된다면, 그때에 제어 장치(4)는 인젝터(35)의 밸브가 폐쇄된 채로 남아있는 CLOSED 측 작동 고장(폐쇄 고장)이 존재한다고 판단한다. 그리고 예를 들어, 오류 신호가 출력되어, 이 효과의 취지가 경보를 통해 알려진다(도 3의 단계 S05).
또한, 도 5c에 도시된 바와 같이, 만약 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)이 정상 압력(P)의 범위(Ps)보다 더 작지 않다고 판단된다면, 그때에 제어 장치(4)는, 상술된 판단(단계 S02 및 S04)의 결과로서, 2차측 압력의 실제 측정값(Pr)이 정상 압력(P)의 범위(Ps) 내에 있다는 사실에 기인하여 인젝터(35)가 그 정상 상태에 있다고 판단하고, 그리고 상술된 판단은 종결되고 이 인젝터 고장 판단 처리는 종료된다.
상술된 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)에 있어서, 연료 전지(10)의 작동 상태(즉, 발전 동안의 그 전류)에 따라서 연료 인젝터(35)의 작동 상태(즉, 분사 시간)를 설정하는 것이 가능하다. 따라서, 연료 전지(10)의 작동 상태에 따라 적절한 방식으로 수소 가스의 공급 압력을 변경하는 것이 가능하고, 응답성을 높이는 것이 가능해진다. 또한, 인젝터(35)가 수소 가스의 유량 조정 밸브 및 가변 압력 조정 밸브로서 채택되기 때문에, 따라서 높은 정확도로 압력 조절(즉, 연료 전지(10)에 대한 수소 가스의 공급 압력의 조정)을 실행하는 것이 가능해진다.
즉, 인젝터(35)가 제어 장치(4)로부터의 제어 신호를 수신하고 연료 전지(10)의 작동 상태에 따라 수소 가스의 분사 시간 및 분사 시기를 조정할 수 있기 때문에, 따라서 관련 기술의 기계식의 가변 압력 조정 밸브보다 더욱 신속하고 더욱 정확하게 압력 조정을 실행하는 것이 가능하다. 또한, 인젝터(35)가 관련 기술의 기계식의 가변 압력 조정 밸브와 비교했을 때, 컴팩트하고 가볍고, 그리고 저렴하기 때문에, 따라서 시스템 전체의 소형화 및 저렴화를 실현하는 것이 가능하다.
더욱이, 상술된 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)에 있어서, 인젝터(35)의 목표 분사량인 인젝터 목표 분사량(Q)으로부터 추론되는 추정 정상 압력(P)의 범위(Ps), 및 수소 가스 배관 시스템(3)에서의 실제 측정 압력(P)로부터, 제어 장 치(4)는 수소 가스 배관 시스템(3)의 이상으로서, 인젝터(35)에서의 이상의 존재(고장)를 판단한다. 이에 기인하여, 연료 전지(10)의 발전 동안에도, 수소 가스 배관 시스템(3)에 배치되는 인젝터(35)의 고장 검출을 신속히 실행하는 것이 가능하다.
다시 말하면, 만약 이러한 인젝터(35)가 채택된다면, 수소 배관 시스템(3)에 배치되는 감압(압력 조절) 유닛으로서 관련 기술에 따른 기계식 조절기를 채택하는 경우와 비교했을 때, 상술된 바와 같이 인젝터(35)의 분사량(또는 분사 시간)을 확인하는 것이 가능하다. 이에 기인하여, 이상의 존재 또는 부존재를 판단하는 경우, 관련 기술에 따르는 압력 강하 방법 등에 경우와 같이, 수소 가스 배관 시스템(3)의 가스 압력이 안정될 때까지 기다릴 필요가 없어, 수소 가스 배관 시스템(3)의 가스 압력이 안정되는데 걸리는 시간 동안에, 이상이 존재하는지 여부를 단기간에 진단하는 것이 가능하다.
특히, 제어 장치(4)는 개방 고장, 폐쇄 고장 등과 같은 수소 가스 배관 시스템(3)의 인젝터(35)에서의 작동 고장에 기인하는 이상을 연료 전지(10)가 발전하는 동안 단기간에 검출할 수 있다. 이에 기인하여, 이러한 이상을 신속한 방식으로 처리하고 연료 전지(10)에 의한 발전의 만족스러운 상태를 유지하는 것이 가능하다.
또한, 인젝터(35)의 하류측에서 수소 가스 배관 시스템(3) 내에 2차측 압력 센서(43)가 제공된다. 이에 기인하여, 이 2차측 압력 센서(43)로부터의 검출 결과에 근거하여 인젝터(35)의 하류측 상의 압력을 실제로 측정함으로써, 이 압력의 실제 측정값, 및 인젝터(35)의 목표 분사량으로부터 수소 가스 배관 시스템(3)에서의 이상(본 실시예에서는, 인젝터(35)의 이상)의 존재를 더욱 정확한 방식으로 판단하는 것이 가능하다.
상술된 연료 전지 시스템(1)의 제어 장치(4)에 의한 이상 검출 처리에서는, 인젝터(35)의 목표 분사량으로부터 구해진 추정 압력, 및 수소 가스 배관 시스템(3)에서의 검출 압력 사이의 편차에 근거하여, 인젝터(35)의 목표 분사량을 보정(설정)하는 보정 기능을 제공하는 것도 가능하다.
만약 이와 같은 보정 기능이 제공된다면, 인젝터(35) 또는 2차측 압력 센서(43) 등의 개별 차이, 및 시간 경과에 따른 그 변화에 관계없이, 보다 나은 정확도로 수소 가스 배관 시스템(3)의 이상 검출을 실행하는 것이 가능하다.
다음에, 상술된 연료 전지 시스템(1), 특히 수소 가스 배관 시스템(3)에 있어서 가스 누출을 검출(판단)하는 경우가 설명될 것이다.
인젝터(35)의 1차측으로부터 2차측까지의 수소 가스의 분사량(Q)은 연료 전지(10)에 의해 소비되는 수소 가스의 유량이고, 도 6에 도시된 바와 같이, 정상시에는, 이 가스 소비량은 연료 전지(10)의 전류 소비량(Qd), 및 전해질 막을 가지는 MEA(막 전극 접합체)를 통하여 산화극 측에서 누출하는 크로스 누출량(Qc)으로부터 결정될 수도 있다.
대조적으로, 인젝터(35)의 그 하류측인 수소 가스 배관 시스템(3)의 2차측에서 가스 누출 등과 같이 이상이 발생하는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 가스 누출량(Qm) 만으로도 인젝터 분사량(Q)이 증가한다. 따라서, 제어 장치(4)는 이 인젝터 분사량(Q)을 감시하고, 만약 인젝터 분사량(Q)이 기결정된 임계값(Qs) 이하라 면, 수소 가스 배관 시스템(3)에 가스 누출 이상이 없다고 판단한다.
반면에, 인젝터 분사량(Q)이 기결정된 임계값(Qs)보다 더 크다면, 그때는 수소 가스 배관 시스템(3)에 가스 누출 이상이 존재한다고 판단된다. 이러한 경우라면, 예를 들어, 오류 신호가 출력될 수 있고 효과에 대한 취지가 경보를 통해 주어질 수도 있다. 이렇게 함으로써, 임계값(Qs)의 최대 유량에서 정상시의 최소 분사량을 공제함으로써 구해지는 유량 이상에 가스 누출이 발생하는 경우의 이상을 전부 검출하는 것이 가능하다.
인젝터 분사량(Q)은 인젝터(35)의 분사 지시량(목표 분사량)의 오차, 전류 센서(13)에서의 오차, 및 MEA의 열화(deterioration)를 수반하는 크로스 누출의 증가와 함께 다소 변동한다. 따라서, 가스 누출이 존재한다고 판단하는 인젝터 분사량(Q)의 임계값(Qs)을 설정하는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 인젝터(35)의 분사 지시량의 오차(Qg), 전류 센서(13)에서의 검출 오차(Qdg) 및 MEA의 열화를 수반하는 크로스 누출의 증가량(Qcg)을 고려한다.
이러한 방식으로, 상술된 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)에 있어서, 인젝터(35)의 목표 분사량과 수소 가스 배관 시스템(3)에 의한 가스 소비량 사이의 차이로부터 수소 가스 배관 시스템(3)에서의 가스 누출 이상의 존재가 판단되기 때문에, 따라서 연료 전지(10)에 의한 발전 동안에도, 제어 장치(4)는 가압 처리와 동시에 수소 가스 배관 시스템의 이상 검출 처리를 신속히 실행할 수 있고, 따라서 가스 누출 검출에 필요한 시간을 단축하는 것이 가능하다.
이에 기인하여, 연료 전지(10)의 발전 동안에 수소 가스 배관 시스템(3)에서 의 가스 누출에 기인하는 이상을 단기간에 검출하는 것이 가능하고, 이러한 이상을 신속히 처리하고 연료 전지(10)에 의한 발전의 만족스러운 상태를 유지하는 것이 가능하다
다음으로, 연료 시스템(1)의 수소 가스 배관 시스템(3)에서의 가스 누출을 검출하는 또 다른 방법의 예가 설명될 것이다.
여기에서, 우선, 도 8에 도시된 바와 같이, 인젝터(35)에 의한 1차측으로부터 2차측까지의 수소 가스의 분사량(Q)으로부터 2차측 상의 예상 압력 증가값(Pm)이 구해진다. 다음에, 인젝터(35)에 의해 수소 가스가 수소 가스 배관 시스템(3)의 2차측에 실제로 분사되는 경우 2차측 압력 센서(43)로부터 구해지는, 2차측 상의 실제 측정 압력 증가값(Pr), 및 미리 구해진 예상 압력 증가값(Pm)이 함께 비교된다.
그리고, 만약 이 실제 측정 압력 증가값(Pr)이 기결정된 값 이하로 예상 압력 증가값(Pm)을 밑돈다면, 그때는 수소 가스 배관 시스템(3)에 가스 누출이 있다고 판단된다. 그리고, 이러한 판단과 함께, 예컨대 오류 신호가 출력될 수 있고 효과에 대한 통지가 경보를 통해 주어질 수도 있다. 또한, 연료 전지 시스템(1)의 정상 작동시에, 가스 누출이 존재하지 않는 경우의 인젝터의 분사량의 밸브가 항상 학습되고 보정될 수 있고, 이 분사량의 편차가 산출될 수도 있고, 편차의 범위가 판단 범위로서 사용될 수도 있고, 이 판단 범위의 근거하여 가스 누출의 존재가 검출될 수도 있다.
이러한 경우에, 만약 인젝터 분사량이 구해진 판단 범위를 밑돈다면, 제어 장치(4)는 수소 가스 배관 시스템에 가스 누출이 존재한다고 판단한다. 그리고, 예를 들어, 오류 신호가 출력될 수 있고 효과에 대한 통지가 경보를 통해 주어질 수도 있다. 이렇게 함으로써, 연료 전지(10)에 의한 발전 동안에도, 가압 처리를 실행함과 동시에 수소 가스 배관 시스템(3)의 이상 검출을 신속하고 보다 정확하게 실행하는 것이 가능하고, 그러므로 가스 누출 검출에 필요한 시간을 단축하는 것이 가능하다.
더욱이, 기결정된 간격에서 연료 전지 시스템(1)의 간헐적 작동시에, MEA의 크로스 누출량을 항상 산출하고 보정하고, 이 크로스 누출량에 따라 압력 강하량을 산출하고, 그리고 이 압력 강하량에 근거하여 가스 누출의 존재를 검출하는 것도 허용 가능할 것이다. 이러한 경우에, 만약 압력 강하가 크로스 누출에 기인하는 압력 강하량을 초과한다면, 제어 장치(4)는 수소 가스 배관 시스템(3)에 가스 누출의 존재를 판단한다. 그리고, 예를 들어, 오류 신호가 출력될 수 있고 그 효과의 통지가 경고를 통해 알려질 수도 있다.
더욱이 상술된 경우에 있어서는, 연료 전지(10)에 의한 발전 동안에도, 가압 처리를 실행함과 동시에 수소 가스 배관 시스템(3)의 이상 검출을 신속하고 보다 정확하게 실행하는 것이 가능하고, 그러므로 가스 누출 검출에 필요한 시간을 단축하는 것이 가능하다.
상기 가스 누출 검출 처리에 있어서, 가스 누출 검출의 감도를 높이기 위해 인젝터(35)의 2차측에서의 압력을 증가시킴으로써 더욱 정확한 가스 누출 검출을 실행하는 배치가 허용 가능할 것이다.
초기 개시 작동 동안의 수소 가스 배관 시스템(3)의 가압시뿐만 아니라, 정상 작동 동안 실행되는 간헐적 작동 동안의 수소 가스 배관 시스템(3)의 가압시도 상술된 실시예에서의 이상 검출이 당연히 실행됨에 유의한다. 또한, 수소 가스 배관 시스템(3)에 제한되지 않고, 예를 들어, 산화 가스 배관 시스템(2)에도 적용될 수 있다.
여기에서 간헐적 작동이란, 예를 들면, 아이들링(idling) 동안, 또는 저속 주행 동안, 또는 회생 제동 동안 등과 같은 저 부하(load) 작동 동안에, 연료 전지(10)에 의한 발전이 일시적으로 정지되고 그리고 배터리 또는 캐패시터 등과 같은 전기 축전 수단으로부터 부하(차량 모터 및 각종 보조 기계류 등)에 전력 공급이 실행되는 작동 모드를 의미한다.
비록, 상술된 실시예에서는, 수소 가스 배관 시스템(3)의 수소 공급 유로(31) 내의 인젝터(35)의 하류측인 위치(압력 조정 위치: 압력의 조정이 필요한 위치)에 2차측 압력 센서(43)가 배치되는 예가 도시되었지만, 예를 들어, 연료 전지(10)의 수소 가스 입구 부근(수소 공급 유로(31) 상), 또는 연료 전지(10)의 수소 가스 출구 부근(순환 유로(32) 상), 또는 수소 펌프(39)의 수소 가스 출구 부근(순환 유로(32) 상)에 2차측 압력 센서를 배치하는 것이 허용 가능할 것이다. 또한, 인젝터(35)의 상류측 상에 그것을 배치하는 것도 허용 가능할 것이다.
상술된 실시예에서는, 인젝터(35)의 목표 분사량 및 수소 가스 배관 시스템(3) 내의 검출 압력에 근거하여 이상 검출이 실행되는 예가 도시되었고, 그러나 인젝터(35)의 목표 작동량으로서 목표 분사량 대신에, 목표 밸브 개구량, 목표 밸 르 개방 시간, 목표 압력, 목표 유량, 또는 목표 분사 시간을 사용하는 것이 허용 가능하고, 더욱이, 수소 가스 배관 시스템(3)의 검출 물리량으로서 검출 압력 대신에, 검출 온도, 검출 유량 또는 이들의 변화량을 사용하는 것이 허용 가능할 것이다.
비록, 상술된 실시예에서는, 연료 전지 시스템이 연료 전지 차량에 탑재되는 예가 도시되었지만, 연료 전지 차량 이외의 다양한 종류의 이동체(로봇, 선박, 항공기 등)에 이 연료 전지 시스템을 탑재하는 것이 가능할 수 있다. 또한, 이 연료 전지 시스템을 빌딩(주택, 사무용 건물 등)에서 발전을 위한 설비로서 사용되는, 고정용 발전 시스템에 적용하는 배치도 허용 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 연료 전지, 상기 연료 전지에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템에 제공되고 상기 가스 공급 시스템의 상류측의 상기 반응 가스의 상태를 조정하고 조정된 상기 반응 가스를 상기 가스 공급 시스템의 하류측에 공급하는 인젝터, 및 상기 연료 전지의 작동 상태에 따라 상기 인젝터를 제어하기 위한 제어 수단을 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 인젝터의 목표 작동량, 및 상기 가스 공급 시스템 내의 검출 물리량에 근거하여, 상기 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 판단하기 위한 판단 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급 시스템 내의 압력을 검출하기 위한 압력 검출 수단이 더 포함되되,
    상기 판단 수단은, 상기 인젝터의 목표 분사량, 및 상기 가스 공급 시스템 내의 검출 압력에 근거하여, 상기 가스 공급 시스템에서의 상기 이상의 존재를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 목표 분사량으로부터 구해진 추정 압력, 및 상기 가 스 공급 시스템 내의 검출 압력 사이의 편차에 근거하여, 상기 목표 분사량을 보정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급 시스템은 상기 연료 전지에 수소를 공급하는 수소 가스 공급 시스템인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판단 수단은, 상기 인젝터의 하류측에서 검출된 압력의 실제 측정값이 상기 인젝터에 의한 상기 반응 가스의 정상의 압력 범위 이내에 있는지 여부에 의하여, 상기 인젝터의 상기 이상의 존재를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판단 수단은, 상기 가스 공급 시스템에서의 가스 소비량과 상기 인젝터에 의한 실제 분사량 사이의 편차에 근거하여, 상기 가스 공급 시스템의 상기 이상의 존재를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스 소비량은 상기 인젝터에 대한 분사 지시량에서의 오류, 상기 연료 전지에 의해 발생되는 전류의 검출에서의 오류, 및 상기 연료 전지의 크로스(cross) 누출의 증가량 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 판단 수단은 상기 인젝터에 의한 상기 반응 가스의 상기 실제 분사량 및 상기 가스 소비량에 근거하여, 가스 누출의 존재를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 판단 수단은 상기 수소 가스 공급 시스템에서의 상기 이상의 존재를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 이동체에 있어서,
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 연료 전지 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체.
  10. 인젝터를 구동하고, 연료 전지에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템에 제공되고, 상기 연료 전지의 작동 상태에 따라 상기 가스 공급 시스템의 상류측에서의 상기 반응 가스의 상태를 조정하고 조정된 상기 반응 가스를 상기 가스 공급 시스템의 하류측에 제공하는 상기 연료 전지의 이상 판단 방법에 있어서,
    상기 인젝터의 목표 작동량을 산출하는 단계;
    상기 가스 공급 시스템 내의 물리량을 검출하는 단계; 및
    상기 목표 작동량 및 상기 물리량에 근거하여, 상기 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 이상 판단 방법.
  11. 연료 전지 시스템에 있어서,
    연료 전지;
    상기 연료 전지에 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템에 제공되고, 상기 가스 공급 시스템의 상류측의 상기 반응 가스의 상태를 조정하고 조정된 상기 반응 가스를 상기 가스 공급 시스템의 하류측에 공급하는 인젝터;
    상기 가스 공급 시스템 내의 물리량을 검출하는 물리량 검출 장치;
    상기 연료 전지의 작동 상태에 따라 상기 인젝터를 제어하기 위한 제어 장치; 및
    상기 인젝터의 목표 작동량, 및 검출된 상기 물리량에 근거하여, 상기 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 판단하는 판단 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 연료 전지의 이상 판단 방법에 있어서,
    반응 가스의 상태를 조정하고 조정된 상기 반응 가스를 상기 연료 전지에 공급하는 인젝터의 목표 작동량을 산출하는 단계;
    상기 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급 시스템 내의 물리량을 검출하는 단계; 및
    산출된 상기 목표 작동량 및 검출된 상기 물리량에 근거하여, 상기 가스 공급 시스템에서의 이상의 존재를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 이상 판단 방법.
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