KR101282685B1 - 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법 - Google Patents

차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101282685B1
KR101282685B1 KR20100122387A KR20100122387A KR101282685B1 KR 101282685 B1 KR101282685 B1 KR 101282685B1 KR 20100122387 A KR20100122387 A KR 20100122387A KR 20100122387 A KR20100122387 A KR 20100122387A KR 101282685 B1 KR101282685 B1 KR 101282685B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
pressure
ejector
injector
fuel cell
Prior art date
Application number
KR20100122387A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120061196A (ko
Inventor
권부길
이현준
배호준
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR20100122387A priority Critical patent/KR101282685B1/ko
Priority to JP2011135232A priority patent/JP5957186B2/ja
Priority to US13/164,042 priority patent/US9214684B2/en
Publication of KR20120061196A publication Critical patent/KR20120061196A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101282685B1 publication Critical patent/KR101282685B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Arrangement Or Mounting Of Propulsion Units For Vehicles (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

본 발명은 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 수소 유량 공급과 이젝터의 효율 증대가 가능해지는 연료 제어 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 수소공급부로부터 연료전지 스택으로 수소가 공급되는 수소공급경로 상에서 공급 수소의 압력을 조절하는 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터와 수소 재순환용 이젝터 사이에 추가적인 인젝터를 직렬로 배치하여, 공급 수소의 압력이 단계적으로 조절되는 직렬형 다단 압력 조절 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치가 개시된다.

Description

차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법{Fuel control system and method of fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 효율적인 수소 유량 공급과 이젝터의 효율 증대가 가능해지는 연료 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급시스템, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
이 중 수소공급장치는 연료인 수소가 공급되는 수소공급부(수소탱크), 상기 수소공급부로부터의 수소를 공급/차단하기 위한 수소공급밸브(시동/정지용 솔레노이드 밸브), 수소의 공급 압력을 조절하기 위한 압력레귤레이터, 연료전지 스택의 애노드 출구에서 배출되는 미반응 수소를 애노드 입구로 재순환시키기 위한 수소 재순환 장치 등을 포함한다.
상기 수소 재순환 장치는 이젝터(Ejector)를 단독으로 설치하거나 이젝터와 수소 재순환 블로워를 함께 설치하여 구성할 수 있으며, 수소를 재순환시켜 재사용하는 경우 스택 내 수소 유량의 증가로 스택 내 반응물의 분포가 균일해져 균일한 셀 전압 분포를 얻을 수 있고, 더욱 안정적으로 스택을 운전할 수 있는 장점이 있게 된다.
최근 블로워 방식은 구조가 복잡하고 윤활을 필요로 하며 소음 및 진동에 불리한 점이 있는 등 여러 문제점을 노출하고 있는 바, 이젝터 방식으로 수소를 재순환시키는 기술이 많이 제시되고 있다.
도 4는 차량용 연료전지 시스템에서 수소공급장치의 일례를 도시한 구성도로서, 수소 재순환을 위해 이젝터를 사용하는 구성을 나타낸 것이다.
일례의 구성을 설명하면, 수소공급부로서 통상의 수소탱크(11)가 고압 수소를 저장하여 스택(20)에 공급하고 있으며, 수소탱크(11)의 고압 수소가 압력레귤레이터(12) 및 수소공급밸브(시동밸브)(13)를 거쳐 인젝터(Injector), 압력조절밸브(솔레노이드 밸브) 또는 압력조절 액츄에이터(14)를 거치도록 되어 있다.
이때, 수소탱크(11)에서 나온 고압 수소는 압력레귤레이터(12)에서 감압되어 P1의 압력이 되며, 이어 압력조절밸브/인젝터/압력조절 액츄에이터(14)에서 다시 P2의 압력으로 조절된 뒤, 이젝터(16)에 의해 흡입된 재순환 가스와 함께 스택으로 공급되게 된다.
도 4에서 이젝터(16)를 통해 공급되는 수소(신 수소와 재순환 가스의 혼합)의 압력은 P3로 표시하였다.
또한 스택(20)의 애노드 배기라인(21)에는 스택의 애노드 내 불순물을 제거하기 위한 퍼지밸브(22)가 설치된다.
상기 압력레귤레이터(12)에 의해 조절된 압력 P1은 항상 일정하게 유지되는데, 이 압력 P1은 연료전지 차량의 전체 출력범위에서 사용될 수 있을 만큼의 수소를 공급할 수 있어야 하기 때문에 상대적으로 높은 압력이 요구된다.
상기 이젝터(16)는 저압(P3)의 수소를 스택(20)으로 공급하는 기능과 더불어 고압 수소가 노즐(축소 노즐 또는 축소-확대 노즐)을 통과함에 따른 고속의 수소 제트(Jet)가 만드는 저압을 이용해 스택(20)의 애노드에서 미반응된 수소를 흡입하여 재순환시키는 기능을 수행한다.
이하, 이젝터의 전단에 배치되는 인젝터, 압력조절밸브, 압력조절 액츄에이터의 특징 및 단점에 대해 설명하면 다음과 같다.
1) 인젝터 : 연료전지의 전체 출력범위를 모두 감당해야 하기 때문에 P2의 압력은 P1 압력 이하로 조절되어야 한다. 인젝터는 매우 빠른 응답성을 가지면서 조절밸브에 비해서는 수명이 긴 장점이 있지만, 인젝터 전, 후단의 압력 변동폭이 크기 때문에 개발이 어려운 것이 사실이다. 또한 높은 압력의 P1으로 수소 공급량을 조절하기 때문에 인젝터의 동작빈도가 매우 많아지며, 이는 인젝터 수명을 단축시키는 요인이 된다. 인젝터 관련 선행특허로는 미국 특허 7320840, 미국 공개특허 2009/0155641 등이 있다.
2) 압력조절밸브 : 비례 제어 방식을 이용한 솔레노이드 밸브가 사용되며, 차량의 출력에 따라 P2의 압력을 조절하여 수소 공급량을 결정한다. 수소 공급량은 제어기의 요구에 따라 P3의 압력을 제어하는 방식으로 행해진다. 인젝터는 오픈(open)/클로우즈(close) 방식으로 수소 공급을 조절하기 때문에 이젝터로의 수소 공급량이 불연속적이어서 이젝터를 통한 수소 재순환에 비효율적인 반면, 조절밸브는 연속적으로 수소 공급을 조절할 수 있기 때문에 이젝터를 통한 수소 재순환에 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 급변하는 차량 출력에 따라 매우 빠르게 수소 공급 유량을 조절해야 하지만 조절밸브의 특성상 응답 속도가 늦다. 또한 차량 운전 조건에 따라 계속적으로 조절밸브를 움직여야 하기 때문에 조절밸브의 내구수명은 짧아지게 된다. 더군다나 제어기에서 요구하는 P3의 압력으로 추종하기 위해서는 조절밸브를 PID 방식으로 제어해야 하는데, 이는 밸브를 더욱 빈번하게 동작시켜 내구수명을 더욱 단축시키게 된다. 또한 저출력 운전시 작은 양의 수소를 공급하여야 하기 때문에 수소 유량(또는 P2 압력)의 미세 조절이 가능해야 하지만, 높은 압력의 P1으로 인해 조절밸브를 최소로 개방하더라도 수소의 양이 많이 흘러가게 되어 조절이 용이하지 못하다. 특히, 조절밸브가 기밀성을 유지하기 위해서는 조절밸브가 닫힐 때 상대적으로 강한 힘으로 눌러야 하는데, 이 경우에는 수소 공급 유량의 미세 조절이 더욱 어렵게 된다. 또한 솔레노이드의 특성상 히스테리시스를 갖기 때문에 제어가 까다롭다.
3) 액츄에이터/모터 : 이젝터를 통한 수소 재순환에 효율적이며, 히스테리시스가 없고 위치 정보를 정확히 알 수 있기 때문에 제어가 쉽다. 그러나, 액츄에이터는 무게, 가격 면에서 불리하고, 복잡한 기어 구조가 포함되므로 내구수명에서도 불리하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 효율적인 수소 유량 공급과 이젝터의 효율 증대가 가능해지는 연료 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 수소공급부로부터 연료전지 스택으로 수소가 공급되는 수소공급경로 상에서 공급 수소의 압력을 조절하는 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터와 수소 재순환용 이젝터 사이에 추가적인 인젝터를 직렬로 배치하여, 공급 수소의 압력이 단계적으로 조절되는 직렬형 다단 압력 조절 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치를 제공한다.
그리고, 본 발명은, 수소공급부로부터 연료전지 스택으로 수소가 공급되는 수소공급경로 상에서 공급 수소의 압력을 조절하는 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터와 수소 재순환용 이젝터 사이에 추가적인 인젝터를 직렬로 배치하여 공급 수소의 압력이 단계적으로 조절되는 직렬형 다단 압력 조절 구조를 형성하고, 상기 추가 배치되는 인젝터를 이젝터로의 수소의 공급량이 일정하게 유지되도록 제어하여 이젝터에서 연료전지 스택에 공급되는 수소의 압력을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법에서는 기존의 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터의 후단 및 이젝터의 전단으로 인젝터를 추가 배치하여, 효율적인 수소 유량 공급과 이젝터의 효율 증대가 가능해진다.
또한 이젝터 전단에 추가 배치되는 인젝터를 펄스 형태로 개폐 제어하는 경우 이젝터에 의한 스택 애노드의 퍼지가 가능하고, 이에 배기라인의 퍼지 횟수를 최소화하여 외부로 버려지는 수소를 줄일 수 있는 바, 연료전지 차량의 연비를 높일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 제어 장치에서 인젝터를 반복적으로 개폐 제어함에 따른 P4 압력과 수소 재순환량 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치를 도시한 구성도이다.
도 4는 차량용 연료전지 시스템에서 수소공급장치의 일례를 도시한 구성도이다.
도 5는 차량용 연료전지 시스템에서 압력조절밸브와 인젝터를 이용하여 수소를 공급하는 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 차량용 연료전지 시스템의 수소공급장치에 관한 것으로서, 특히 연료(수소)공급경로 상에서 공급 수소의 압력을 조절하는 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터의 후단에 수소 재순환용 이젝터의 전단으로 배치되는 별도의 인젝터를 추가하여, 공급 수소의 압력이 단계적으로 조절되는 직렬형 다단 압력 조절 구조를 형성한 연료 제어 장치에 관한 것이다.
이러한 직렬형 다단 압력 조절 구조의 연료 제어 장치에서는 효율적인 수소 유량 공급이 가능하여 이젝터의 효율을 최대로 증대시킬 수 있다. 또한 후술하는 바와 같이 인젝터를 주기적으로 개폐 제어할 경우 이젝터를 통한 수소 재순환량의 증감을 통해 스택 애노드의 퍼지가 가능하고, 이에 애노드 배기라인의 퍼지 횟수를 최소화할 수 있다. 이 경우 애노드 배기라인에서 외부로 버려지는 수소의 양을 최소화할 수 있고, 차량 연비를 높일 수 있는 이점이 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치를 도시한 구성도로서, 인젝터-인젝터 직렬형 압력 조절 구조의 연료 제어 장치를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 연료 제어 장치는 기존의 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터와 수소 재순환용 이젝터 사이에 추가적인 인젝터가 직렬 배치되어 구성되는 직렬형 다단 압력 조절 구조를 포함하며, 상기 직렬형 다단 압력 조절 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 두 인젝터(14,15)가 전후로 직렬 연결된 구성이 될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예로서, 도 1의 연료 제어 장치는 전후로 직렬 연결된 두 인젝터(14,15)를 포함하는 구성인 것이다.
이러한 구성에서, 수소공급부(수소탱크)(11)로부터 공급되는 고압의 수소는 압력레귤레이터(12)에서 1차로 압력 조절(감압)되며, 차량 시동시 수소공급밸브(시동밸브)(13)가 개방되면 1차 조절된 압력은 P1이 된다.
이 압력 P1은 전단의 인젝터(14)를 거치면서 2차로 압력 조절되어 P2의 압력이 되고, 이어 후단의 인젝터(15)를 거치면서 수소는 이젝터 효율을 최대화할 수 있는 압력(P3), 유량, 듀티로 조절되어 이젝터(16)에 공급되게 된다.
또한 이젝터(16)로 공급된 수소는 스택(20)의 애노드로부터 흡입된 재순환 가스와 혼합되어 P4의 압력으로 스택의 애노드에 최종 공급된다.
이와 같은 직렬형 다단 압력 조절 구조에서는 수소의 공급량을 균일하게 유지하여 수소를 공급할 경우 이젝터(16)의 성능(효율)을 극대화시킬 수 있다.
더불어 차량은 빠른 응답 속도를 요구하는데, 인젝터를 사용한 수소 공급은 이러한 요구를 충족시킬 수 있다. 즉, 후단의 인젝터(15)를 이용하여 차량이 요구하는 매우 빠른 응답 속도를 갖게 할 수 있으며, 전단의 인젝터(14)를 이용해 P2의 압력을 적절한 수준으로 조절하여 이젝터(16)로 공급되는 수소 공급량을 최대한 균일화시킬 경우 이젝터의 효율을 최대로 활용할 수 있게 된다.
또한 스택(20)의 애노드 내 질소 농도가 높지 않을 경우 직렬 연결된 두 인젝터(14,15)를 이용하여 P3 압력을 펄스 형태로 제어하는 것이 가능하며, 이러한 펄스 형태의 제어는 스택(20) 내부에 적체되어 있는 수분을 효과적으로 스택 외부로 배출할 수 있게 해준다.
이를 통해 스택 출력의 향상이 가능하며, 애노드 배기라인(21)의 퍼지 횟수를 최소화할 수 있기 때문에 퍼지밸브(22)를 통해 버려지는 수소를 줄일 수 있게 되면서 연비 증대의 효과를 얻을 수 있게 된다.
참고로, 연료전지 차량이 출력을 내기 위해서는 연료전지 스택에서 수소와 산소의 전기화학 반응이 빠르게 일어나야 한다. 이때, 전기화학 반응의 속도는 수소 연료가 스택 내 반응이 일어나는 반응 사이트로 얼마나 잘 공급되는가에 달려 있는데, 빠른 수소의 공급을 위해서는 수소 연료의 재순환량을 증대시킴으로써 달성될 수 있다.
이젝터가 흡입하는 힘이 수소 연료의 재순환을 일으키기 때문에 이러한 흡입력의 증대를 통하여 재순환량을 증가시킬 수 있으며, 이젝터의 흡입력은 공급 수소의 양[압력]에 의해 결정된다.
동일한 양의 수소를 이젝터로 공급할 때 일정한 양을 연속적으로 공급하는 것이 불연속적으로 공급하는 것보다 재순환량 더 크게 할 수 있다.
예를 들면, 통상적인 차량용 연료전지 시스템에서 500LPM의 수소를 공급하는 방법은 간단히 2가지로 구분할 수 있는데, 도 5에 나타낸 바와 같이, ① 도 4의 구성에서 압력조절밸브를 이용해 500LPM의 수소를 연속적으로 공급하거나, ② 도 4의 구성에서 인젝터를 이용해 1000LPM의 수소를 빠르게 공급했다가 중단하는 것을 반복하는 방법이 있다.
인젝터의 빠른 응답성을 활용하고 더불어 이젝터 효율을 최대화하기 위해서는 도 1에 나타낸 바와 같이 인젝터(14,15)를 직렬로 연결하여 사용함으로써 달성할 수 있다.
즉, 이젝터(16) 전단에 배치된 인젝터(15)의 노즐 개폐 속도를 매우 빠르게 하여 이젝터(16)로 공급되는 수소가 거의 연속적으로 공급되도록 하거나, 후단에 배치된 인젝터(15)의 개방시간을 길게 하고 닫힘시간을 짧게 하여 조절밸브와 비슷한 형태로 연속적인 수소 공급이 이루어지도록 하는 경우, 이젝터(16)의 효율을 최대화할 수 있다.
후단에 배치된 인젝터(15)의 동작을 상기와 같이 제어하기 위해서는 후단 인젝터(15)의 전단 압력 P2가 차량이 요구하는 수소의 양에 따라 적절한 압력 범위 내에 있어야 한다.
P1 압력은 일정하게 고정되어 있기 때문에 이를 빠르고 적절하게 감압하여 원하는 P2 압력으로 제어하는 데에는 전단의 인젝터(14)가 활용될 수 있다.
그리고, 스낵 내 수분 제거의 필요성 및 기존 애노드 배기라인의 퍼지로 인한 단점 측면을 설명하면, 연료전지 반응의 생성물인 물은 스택 내에서 발생하고, 이는 스택 외부로 원활하게 배출되어야 한다.
스택 내부에서 물이 잘 배출되지 않을 경우에는 연료의 공급을 방해하여 스택 성능을 감소시키고, 심각할 경우 스택 구성품의 소손을 일으키게 된다.
애노드의 물을 배출하기 위해서는 스택 내부 수소의 흐름량을 증가시켜 연료전지 스택 내부에서의 유체(수분을 포함한 혼합가스)의 흐름 속도를 증대시키는 방법이 일반적이다.
이를 위해 가장 많이 사용되는 것이 주기적인 연료의 퍼지이다. 즉, 재순환 경로 혹은 스택의 애노드측에 퍼지밸브(22)를 장착하고, 스택(20)의 수분을 제거하고자 할 때 퍼지밸브(22)를 개방하여 줌으로써, 일시적으로 스택 내 수소의 흐름량을 증가시키는 방법이 이용되고 있다.
이러한 퍼지 방법은 애노드로 유입되는 질소의 농도를 낮추어 주는 기능도 갖지만 스택 내부의 물 배출이 가장 큰 목적이다. 물론, 차량 시동시에는 애노드 내부에 질소 농도가 매우 높기 때문에 이 경우 퍼지는 질소 농도 감소가 가장 큰 목적이 된다.
하지만, 이러한 퍼지는 수소를 외부로 배출하게 되어 연비를 감소시키고, 수소의 외부 배출에 따른 위험 인자를 발생시킨다(희석 필요).
그러나, 도 1에 나타낸 본 발명의 구성에서는 인젝터(15)를 이용하여 스택 애노드의 수분 제거가 가능하다. 일시적으로 수소의 흐름량(재순환량)을 증대시킴으로써 스택 애노드의 수분 제거가 가능해지는 것이다.
수분 제거 이후에는 차량의 출력에 따라 P4의 압력을 일정하게 제어하게 된다. 즉, 출력에 따라 공급되는 수소의 양이 일정해지도록 하는 것이다.
스택 내 수분 제거를 위해서는 후단의 인젝터(15)를 주기적으로 개폐 제어하여 이젝터(16)로 공급되는 수소의 양을 펄스 형태로 증감시키는데, 이젝터 흡입력 증대에 의해 재순환량이 순간적으로 증가하게 되면 애노드 내 수분이 제거될 수 있다(공급 수소의 압력 펄스 퍼징/재순환 퍼징이 구현됨).
이때, 인젝터(15)의 개방시간은 압력이나 차량 출력에 따라 제어하거나 P4의 압력값에 따라 제어할 수 있다. 이는 후단의 인젝터(15)만으로 제어하는 것이 가능하지만 전단의 인젝터(14)와 후단의 인젝터(15)를 동시에 제어하는 것으로도 가능하다.
이 경우, 기존의 퍼지밸브(22)는 차량 시동/정지 혹은 애노드에 질소의 농도가 높아졌을 경우에만 사용하는 것이 가능해지고, 이에 퍼지에 의한 수소 배출이 최소화될 수 있는 바, 연료전지 차량의 연비가 크게 증대될 수 있다. 더불어 수소 배출에 따른 위험 인자도 미연에 제거될 수 있게 된다.
도 2는 도 1에 도시된 직렬형 다단 압력 조절 구조의 연료 제어 장치에서 인젝터를 반복적으로 개폐 제어함에 따른 P4 압력과 수소 재순환량을 나타내는 도면으로서, 인젝터(15)를 일정시간 동안 일시적으로 열었다 닫아주는 것을 주기적으로 반복하게 되면, 이젝터(16)의 흡입력 증대에 의해 재순환량이 주기적으로 순간 증가하면서(펄스 형태로 증감됨) 스택(20)의 애노드 내 수분이 효과적으로 제거될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치를 도시한 구성도로서, 상호 간 병렬로 배치되는 복수개의 인젝터(15a,15b)-이젝터(16a,16b) 조합을 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터(14)의 후단에 직렬로 연결하여 구성한 직렬형 다단 압력 조절 구조의 연료 제어 장치를 도시한 것이다.
도 3의 실시예에서, 인젝터-이젝터의 조합은 인젝터(15a,15b)가 전단에, 스택(20) 전단으로 배치되는 이젝터(16a,16b)가 후단에 직렬 연결되는 구성이며, 이러한 인젝터-이젝터 조합의 복수개가 상호 간에는 병렬로 배치되는 구성으로 되어 있다.
특히, 병렬로 배치되는 복수개의 인젝터(15a,15b)-이젝터(15a,15b) 조합은 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터(14)에 대해서는 후단에 직렬로 연결되어 배치된다.
즉, 전단에 배치된 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터(14)에 의해 압력이 조절된 수소가 후단에 직렬 배치된 복수개의 인젝터(15a,15b)-이젝터(16a,16b) 조합(상호 간 병렬 배치됨)으로 각각 분기된 뒤 다시 합류되어 스택(20)의 애노드 입구로 공급되도록 한 것이다.
여기서, 각 이젝터(16a,16b)는 통상의 연료전지 시스템에 구비되는 수소 재순환용 이젝터이며, 스택(20)의 애노드 출구에서 재순환 라인(23a,23b)을 통해 재순환 가스를 흡입하여 애노드 입구로 재순환시키는 기능을 수행하게 된다.
도 3의 실시예에서도 도 1의 실시예에서 설명한 발명의 효과를 동일하게 얻을 수 있으며, 인젝터 제어 방법에 있어서도 도 1의 실시예와 동일한 방식을 적용할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
11 : 수소탱크 12 : 압력레귤레이터
13 : 수소공급밸브(시동밸브)
14 : 인젝터/압력조절밸브/압력조절 액츄에이터
15 : 인젝터 16 : 이젝터
20 : 연료전지 스택 22 : 퍼지밸브

Claims (6)

  1. 수소공급부(11)로부터 연료전지 스택(20)으로 수소가 공급되는 수소공급경로 상에서 공급 수소의 압력을 조절하는 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터(14)와 수소 재순환용 이젝터(16) 사이에 추가적인 인젝터(15,15a,15b)를 직렬로 배치하여 공급 수소의 압력이 단계적으로 조절되는 직렬형 다단 압력 조절 구조를 형성하고,
    상기 추가 배치되는 인젝터(15,15a,15b)는 이젝터(16)로의 수소의 공급량을 일정하게 유지하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 직렬형 다단 압력 조절 구조에서 상기 추가 배치되는 인젝터(15a,15b)와 수소 재순환용 이젝터(16a,16b)를 하나의 조합으로 하여 상기 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터(14)와 연료전지 스택(20) 사이에 복수개의 인젝터(15a,15b)-이젝터(16a,16b) 조합이 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 추가 배치되는 인젝터(15,15a,15b)는 주기적으로 개폐 제어되어 이젝터(16)를 통해 스택(20)으로 재순환되는 수소의 양을 일시적으로 증가시킴으로써 스택의 애노드 퍼지가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치.
  5. 수소공급부(11)로부터 연료전지 스택(20)으로 수소가 공급되는 수소공급경로 상에서 공급 수소의 압력을 조절하는 인젝터, 압력조절밸브 또는 압력조절 액츄에이터(14)와 수소 재순환용 이젝터(16) 사이에 추가적인 인젝터(15,15a,15b)를 직렬로 배치하여 공급 수소의 압력이 단계적으로 조절되는 직렬형 다단 압력 조절 구조를 형성하고,
    상기 추가 배치되는 인젝터(15,15a,15b)를 이젝터(16)로의 수소의 공급량이 일정하게 유지되도록 제어하여 이젝터(16)에서 연료전지 스택(20)에 공급되는 수소의 압력을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 추가 배치되는 인젝터(15,15a,15b)를 연료전지 스택(20)의 애노드 퍼지시에는 주기적으로 개폐 제어하여 이젝터(16)를 통해 스택(20)으로 재순환되는 수소의 양을 펄스 형태로 증감시킴으로써 스택(20)의 애노드 퍼지가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 방법.

KR20100122387A 2010-12-03 2010-12-03 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법 KR101282685B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20100122387A KR101282685B1 (ko) 2010-12-03 2010-12-03 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법
JP2011135232A JP5957186B2 (ja) 2010-12-03 2011-06-17 車両用燃料電池システムの燃料制御装置及び方法
US13/164,042 US9214684B2 (en) 2010-12-03 2011-06-20 Fuel control system and method for fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20100122387A KR101282685B1 (ko) 2010-12-03 2010-12-03 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120061196A KR20120061196A (ko) 2012-06-13
KR101282685B1 true KR101282685B1 (ko) 2013-07-05

Family

ID=46162555

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20100122387A KR101282685B1 (ko) 2010-12-03 2010-12-03 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9214684B2 (ko)
JP (1) JP5957186B2 (ko)
KR (1) KR101282685B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110299546A (zh) * 2018-03-22 2019-10-01 本田技研工业株式会社 燃料电池***及其控制方法

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101336671B1 (ko) * 2012-04-13 2013-12-04 한국기계연구원 이젝터를 이용한 애노드 오프 가스 재순환 연료전지 시스템
JP5596758B2 (ja) * 2012-09-14 2014-09-24 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
US9543600B2 (en) 2012-11-21 2017-01-10 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system
JP6126967B2 (ja) 2012-11-21 2017-05-10 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP5688067B2 (ja) * 2012-11-27 2015-03-25 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
KR101459849B1 (ko) * 2012-12-14 2014-11-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법
KR101637642B1 (ko) * 2014-04-03 2016-07-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 연료극 운전제어 장치 및 방법
WO2015170413A1 (ja) * 2014-05-09 2015-11-12 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
WO2017158939A1 (ja) * 2016-03-15 2017-09-21 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御装置、並びに燃料電池システムの制御方法
KR102496179B1 (ko) * 2016-12-20 2023-02-03 현대자동차주식회사 수소공급밸브와 수소차단밸브 사이의 파단부를 포함하는 연료전지 시스템
JP6761955B2 (ja) * 2017-02-22 2020-09-30 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
US11667202B2 (en) 2017-03-08 2023-06-06 A3 Labs LLC Energy source supply systems, energy source supply devices, and related methods
JP6927071B2 (ja) * 2018-02-08 2021-08-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7144977B2 (ja) * 2018-06-12 2022-09-30 株式会社デンソー エジェクタシステム
KR20200071255A (ko) * 2018-12-11 2020-06-19 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소 공급 제어 방법
KR20210077049A (ko) * 2019-12-16 2021-06-25 현대자동차주식회사 이젝터 노즐과 이를 포함한 이젝터
AT523373B1 (de) * 2019-12-18 2021-10-15 Avl List Gmbh Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
JP7163904B2 (ja) 2019-12-23 2022-11-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7402077B2 (ja) * 2020-02-19 2023-12-20 本田技研工業株式会社 燃料電池システムにおける電解質膜・電極構造体の劣化検出方法
JP2023157436A (ja) * 2022-04-15 2023-10-26 愛三工業株式会社 燃料電池システム

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008190336A (ja) * 2007-02-01 2008-08-21 Toyota Motor Corp エジェクタ及びこれを備えた燃料電池システム
JP2009146675A (ja) 2007-12-13 2009-07-02 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよびインジェクタの作動方法
KR20090105563A (ko) * 2008-04-03 2009-10-07 현대로템 주식회사 수소재순환 시스템이 적용된 하이브리드방식의수소공급시스템
KR100993678B1 (ko) * 2007-12-13 2010-11-10 현대자동차주식회사 연료전지시스템의 다단 직렬 카트리지 이젝터 장치

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6508416B1 (en) * 2000-04-28 2003-01-21 Delphi Technologies, Inc. Coated fuel injector valve
JP3659237B2 (ja) * 2002-04-24 2005-06-15 日産自動車株式会社 燃料電池システムの燃料循環制御装置
JP3951885B2 (ja) * 2002-10-22 2007-08-01 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US7087333B2 (en) 2003-02-26 2006-08-08 General Motors Corporation Hydrogen recirculation without a pump
US7320840B2 (en) * 2003-07-17 2008-01-22 General Motors Corporation Combination of injector-ejector for fuel cell systems
JP2006164731A (ja) * 2004-12-07 2006-06-22 Denso Corp 燃料電池システム
US7718287B2 (en) 2005-10-12 2010-05-18 Gm Global Technology Operations, Inc. Compact anode flow shift design for small fuel cell vehicles
JP5041272B2 (ja) * 2005-12-12 2012-10-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び移動体
US8092943B2 (en) * 2006-04-19 2012-01-10 Daimler Ag Fuel cell system with improved fuel recirculation
JP5158558B2 (ja) * 2006-08-14 2013-03-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2008053151A (ja) * 2006-08-28 2008-03-06 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008112585A (ja) 2006-10-27 2008-05-15 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びそのパージ方法
US9231260B2 (en) 2006-12-07 2016-01-05 GM Global Technology Operations LLC System and method for redistribution of the flow of fuel under faulted conditions in a fuel cell system
JP5012065B2 (ja) * 2007-02-09 2012-08-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2008196401A (ja) 2007-02-14 2008-08-28 Toyota Motor Corp エジェクタを備えたシステム
JP4984322B2 (ja) * 2007-03-20 2012-07-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US8920999B2 (en) * 2007-12-14 2014-12-30 GM Global Technology Operations LLC Multiple injector and ejector array
JP2009252634A (ja) * 2008-04-09 2009-10-29 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008190336A (ja) * 2007-02-01 2008-08-21 Toyota Motor Corp エジェクタ及びこれを備えた燃料電池システム
JP2009146675A (ja) 2007-12-13 2009-07-02 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよびインジェクタの作動方法
KR100993678B1 (ko) * 2007-12-13 2010-11-10 현대자동차주식회사 연료전지시스템의 다단 직렬 카트리지 이젝터 장치
KR20090105563A (ko) * 2008-04-03 2009-10-07 현대로템 주식회사 수소재순환 시스템이 적용된 하이브리드방식의수소공급시스템

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110299546A (zh) * 2018-03-22 2019-10-01 本田技研工业株式会社 燃料电池***及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9214684B2 (en) 2015-12-15
KR20120061196A (ko) 2012-06-13
JP5957186B2 (ja) 2016-07-27
JP2012119300A (ja) 2012-06-21
US20120141891A1 (en) 2012-06-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101282685B1 (ko) 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법
KR100993678B1 (ko) 연료전지시스템의 다단 직렬 카트리지 이젝터 장치
KR101293979B1 (ko) 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법
US10629927B2 (en) Fuel cell system and method for discharging fluid in the system
US20060263658A1 (en) Fuel cell system
US9793562B2 (en) Fuel cell system, fuel cell-mounted vehicle and method of controlling fuel system
US8389168B2 (en) Injector control for fuel cell system
CN110176609B (zh) 一种燃料电池发动机的供气***与一种燃料电池车辆
KR101610407B1 (ko) 다단 이젝터를 사용한 연료전지 수소 재순환 구조
JP7223282B2 (ja) 燃料電池システム
KR101459849B1 (ko) 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법
CN113056836A (zh) 燃料供给装置
CN109417178A (zh) 燃料电池***的冲洗方法
US20200243879A1 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
CN103797629A (zh) 用于运行燃料电池***的方法
JP3666446B2 (ja) 燃料電池システム
KR101822281B1 (ko) 연료전지 시스템 및 그 제어 방법
CN1849723A (zh) 燃料电池***
KR101543121B1 (ko) 수소 퍼징 제어 장치 및 방법
US9455462B2 (en) Fuel cell system and method for deactivating fuel cell system
KR101113644B1 (ko) 연료전지 시스템의 퍼징 방법
KR101470205B1 (ko) 연료전지 시스템의 연료 공급 장치
CN217334158U (zh) 一种燃料电池阳极循环***
KR20130065030A (ko) 연료전지의 연료압 제어 장치와 제어 방법
JP2024002011A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160630

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180628

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190627

Year of fee payment: 7