KR101583914B1

KR101583914B1 - 연료전지 시스템의 제어방법

Info

Publication number: KR101583914B1
Application number: KR1020140034673A
Authority: KR
Inventors: 이현재; 손익제; 전의식; 안득균; 최성범
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2016-01-21
Also published as: KR20150111502A; CN104953142A; US20150280260A1; DE102014220876A1; US9660280B2; CN104953142B

Abstract

연료전지 시스템의 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 응축수 생성량이 워터 트랩의 용량을 초과하는 시점에 드레인-퍼지 밸브를 개방하여 응축수를 배출하는 단계, 응축수 배출 이후, 애노드 측 수소 농도와 목표 수소 농도에 따라 드레인-퍼지 밸브의 개방 시간을 결정하는 단계 및 결정된 개방 시간 동안 드레인-퍼지 밸브의 개방을 유지하여 수소를 퍼지하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 제어방법{Controlling method of fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 밸브를 이용하여 수소 퍼지 및 응축수 드레인 기능을 동시에 구현할 수 있는 연료전지 시스템의 제어방법에 관한 것이다.

연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.

연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 스택의 연료극(애노드)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기블로워를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(캐소드)으로 공급한다.

스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.

연료 전지 스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.

한편, 연료 전지 스택 내부의 물의 양은 적절하게 조절되어야 한다. 막전극접합체를 구성하는 이온교환막은 가습이 많이 될수록 이온 전도도가 높아져 연료 전지 스택의 반응 효율을 증가시킬 수 있다. 반면에 물의 양이 너무 많을 경우 수증기의 액화과정이 쉽게 일어나 촉매와 반응가스들의 접촉을 방해하여 연료 전지 스택의 반응 효율을 감소시킬 수 있다.

연료인 수소의 배출을 조정하여 연료 효율을 높이고, 연료 전지 스택 내부의 물의 양을 조절하기 위한 수소 벤트 밸브가 공개특허 10-2007-0028963에 개시되어 있다. 이러한 수소 벤트 밸브는 제어 신호에 의해 주기적으로 개방과 폐쇄를 반복하며 이를 통해 연료 전지 스택 내부의 연료와 응축수를 일정시간 체류시키고 외부로 배출시키게 된다.

그러나, 응축수 배출과 연료 배출이 필요한 시점이 상이할 수 있으며, 연료 전지 스택 내부의 플러딩 현상이 일어날 가능성이 존재하며, 연료인 수소를 과다 배출함에 따라 연비가 감소되고, 내부 반응 가스 농도 저하에 의해 내구 성능이 저하될 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해, 하나의 밸브를 통해 응축수와 연료를 배출하되 연비와 연료 전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 제어 방법을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 응축수 생성량이 워터 트랩의 용량을 초과하는 시점에 드레인-퍼지 밸브를 개방하여 응축수를 배출하는 단계, 상기 배출 이후, 애노드 측 수소 농도와 목표 수소 농도에 따라 상기 드레인-퍼지 밸브의 개방 시간을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 개방 시간 동안 상기 드레인-퍼지 밸브의 개방을 유지하여 수소를 퍼지하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 응축수를 배출하는 단계는, 연료 전지 스택의 평균 출력 전류에 기반하여 산출된 응축수의 생성 속도에 따라 상기 응축수 생성량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 평균 출력 전류는 기설정된 시간 동안 측정된 복수의 출력 전류 데이터의 평균값인 것을 특징으로 한다.

상기 평균 출력 전류는 기설정된 주기로 업데이트되는 것을 특징으로 한다.

상기 응축수 생성량을 계산하는 단계에서, 상기 연료 전지 스택의 온도와 목표 온도가 상이한 경우, 상기 응축수 생성 속도는 목표 온도 시의 응축수 생성 속도에 스케일 팩터를 곱하여 산출되는 것을 특징으로 한다.

상기 드레인-퍼지 밸브의 개방 시간을 결정하는 단계는, 연료 전지 스택의 출력 전류와 상기 출력 전류에 따라 상이한 보정 팩터에 기반하여 보정 누적 전하량을 연산하는 단계; 및 상기 연산된 전하량에 따른 수소 농도와 기설정된 목표 수소 농도에 따라 개방시간을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 보정 팩터는 평균 전류 변화율에 따라 변동되는 것을 특징으로 한다.

상기 평균 전류 변화율은 전체 전류 데이터의 평균값 및 상기 전체 전류 데이터 중 가장 나중에 측정된 기설정된 개수의 전류 데이터의 평균값 간의 비교 결과에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기 보정 팩터는 상기 평균 전류 변화율이 증가하는 경우 상기 출력 전류에 대응하는 보정 팩터보다 작도록 변동되며, 상기 평균 전류 변화율이 감소하는 경우 상기 출력 전류에 대응하는 보정 팩터보다 크도록 변동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서의 시간에 따른 드레인-퍼지 밸브의 동작과 이에 대응하는 응축수 및 수소 농도의 변화를 도시한 그래프이다.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 스택(10), 이젝터(20), 공기 블로워(30), 가습기(40), 수소 공급부(50), 드레인-퍼지 밸브(60), 및 워터 트랩(70) 및 제어부(80)를 포함할 수 있다.

이와 같은 연료 전지 시스템(100)의 구성들 중 일부는 당업계에 일반적으로 알려진 구성들인바, 구성들 각각에 관한 설명은 생략하기로 한다.

수소 공급부(50)는 통상의 수소 탱크로서, 고압 수소를 저장하고 연료 전지 스택(10)에 이를 공급한다. 수소 공급부(50)에서 나온 고압 수소는 압력 레귤레이터, 압력 조절 밸브, 인젝터, 압력 조절 액추에이터(미도시) 등에서 다시 감압되고, 이젝터(20)에 의해 흡입된 재순환 가스와 함께 연료 전지 스택(10)으로 공급되게 된다.

이젝터(20)는 수소 공급부(50)를 통해 공급된 고압 수소가 감압된 저압 수소를 연료 전지 스택(10)으로 공급하며, 더불어 고압 수소가 노즐(축소 노즐 또는 축소-확대 노즐)을 통과함에 따른 고속의 수소 제트(Jet)가 만드는 저압을 이용하여 연료 전지 스택(10)의 애노드에서 반응되지 않은 수소를 흡입하여 재순환시킬 수 있다.

드레인-퍼지 밸브(60)는 연료 전지 스택(10)의 애노드 내의 불순물을 제거하기 위한 밸브이다. 연료 전지에서 전기 화학적 반응에 따라 생성되는 물은 연료 전지 스택(10) 내부에 생성되고, 이는 연료 전지 스택(10) 외부로 원활하게 배출되어야 한다. 연료 전지 스택(10) 내부에서 물이 잘 배출되지 않는 경우, 즉 플러딩(flooding) 상태인 경우, 연료인 수소의 공급을 방해하여 연료 전지 스택(10)의 발전 성능이 저하되며, 심각한 경우 연료 전지 스택(10)의 구성품의 소손을 일으킬 수 있다.

애노드의 물을 배출하기 위해서는 연료 전지 스택(10) 내부의 수소 흐름량을 증가시켜 연료 전지 스택(10) 내부에서의 유체(수분을 포함한 혼합 가스)의 흐름 속도를 증대시켜야 한다. 이때 가장 많이 이용되는 것이 주기적인 수소의 퍼지이다. 즉, 연료 전지 스택(10) 내의 수분을 제거하고자할 때 드레인-퍼지 밸브(60)를 통해 퍼징함으로써 일시적으로 연료 전지 스택(10) 내의 수소 흐름량을 증가시킬 수 있다. 이러한 드레인-퍼지 밸브(60)를 통한 퍼징은 애노드로 유입되는 질소의 농도를 낮추어 주는 기능을 하지만, 수소를 외부로 배출하게 되어 연비를 감소시키고, 환경 오염을 초래할 수 있는 단점을 가진다.

제어부(80)는 드레인-퍼지 밸브(60)의 개폐를 제어하여 응축수의 배출과, 수소의 퍼징을 조정할 수 있다. 구체적으로, 제어부(80)는 응축수 생성량이 워터 트랩(70)의 용량을 초과하는 시점에 드레인-퍼지 밸브(60)를 개방하여 응축수를 배출할 수 있다. 제어부(80)는 응축수의 배출이 완료되면, 연료 전지 스택(10)의 애노드 측 수소 농도와 목표 수소 농도에 따라서 드레인-퍼지 밸브(60)의 개방 시간을 결정할 수 있다. 즉, 제어부(80)는 드레인-퍼지 밸브(60)의 개방을 통해 응축수를 배출하고, 배출이 완료된 이후에 동일한 드레인-퍼지 밸브(60)의 개방을 통해 수소를 퍼징할 수 있다.

먼저 응축수의 배출과 관련하여, 제어부(80)는 연료 전지 스택의 평균 출력 전류를 연산하고, 이에 따라 응축수의 생성 속도를 산출할 수 있다. 평균 출력 전류와 응축수의 생성 속도는 일반적으로 비례관계에 있다. 제어부(80)는 산출된 응축수의 생성 속도에 따라 응축수의 생성량을 계산할 수 있다. 제어부(80)는 응축수의 생성량과 워터 트랩(70)의 용량을 비교한다. 워터 트랩(70)의 용량은 워터 트랩(70)의 종류에 따라 상이할 수 있다. 즉, 제어부(80)는 응축수의 생성량과 워터 트랩(70)의 용량을 비교하여 응축수의 생성량이 워터 트랩(70)의 용량 이상인 경우에 드레인-퍼지 밸브(60)를 개방하여 응축수를 배출할 수 있다.

여기서, 연료 전지 스택(10)의 평균 출력 전류는 기설정된 시간 동안 측정된 복수의 출력 전류 데이터의 평균값이다. 이러한 평균 출력 전류는 시간의 경과에 따라 소정 주기로 업데이트될 수 있다. 즉, 제어부(80)는 연료 전지 스택(10)의 출력 전류가 변화함에 따라 기설정된 시간 동안에 측정된 연료 전지 스택(10)의 출력 전류들의 평균값을 통해 응축수 생성 속도를 구할 수 있으며, 이 후 계속적으로 변화하는 연료 전지 스택(10)의 출력 전류에 기반하여 다음 주기에서의 기설정된 시간 동안의 연료 전지 스택(10) 출력 전류들의 평균값을 통해 다음 주기에서의 응축수 생성 속도를 구할 수 있다.

또는 제어부(80)는 워터 트랩(70)의 레벨 센서(미도시)가 센싱하는 값에 따라 응축수 배출시점을 결정할 수도 있다.

또한, 제어부(80)는 응축수 생성 속도를 구할 때, 운전 온도를 고려할 수 있다. 구체적으로, 목표 운전 온도에 도달된 상태에서 생성 속도를 산출할 때에 비하여, 목표 운전 온도에 도달되지 않은 상태라면 목표 운전 온도에 도달된 상태에서 산출된 생성 속도에 스케일 팩터를 곱하여 생성 속도가 산출될 수 있다.

이러한 경우는 현재 연료 전지 스택(10)의 온도가 목표 온도에 비하여 높은 경우와 낮은 경우가 있을 수 있다. 온도가 낮은 경우, 응축수 생성 속도는 증가하며, 온도가 높은 경우 응축수 생성 속도는 감소한다. 따라서, 목표 온도에 비하여 온도가 낮은 경우 스케일 팩터는 1보다 큰 값일 수 있고, 목표 온도에 비하여 온도가 높은 경우, 스케일 팩터는 1보다 작은 값일 수 있다.

제어부(80)는 응축수 배출이 완료된 이후에 수소를 퍼징할 시간을 결정할 수 있다. 제어부(80)는 연료 전지 스택(10)의 출력 전류와 출력 전류에 따라 다른 보정 팩터의 곱을 적분하여 보정 누적 전하량을 구할 수 있다. 또한, 제어부(80)는 구해진 보정 누적 전하량에 따라 수소 농도를 연산할 수 있다. 제어부(80)는 연산된 수소 농도와 목표 수소 농도에 따라 드레인-퍼지 밸브(60)의 개방시간을 결정할 수 있다.

이러한 보정 팩터는 전류에 따라 가변하는 수소 농도 변화 및 전류 변화 방향 즉 전류의 변화가 고전류에서 저전류로 변화하는지 또는 저전류에서 고전류로 변화하는지 여부를 반영하기 위해 가변될 수 있다.

일 예로 보정 팩터는 평균 전류 변화율에 따라 변동될 수 있다. 평균 전류 변화율은 전체 전류 데이터의 평균값을 전체 전류 데이터 중 시간적으로 가장 나중에 측정된 기설정된 개수의 전류 데이터의 평균값으로 나눈값일 수 있다. 예컨대, 전체 전류 데이터와 최근 데이터를 비교하여 최근 데이터들의 평균값이 더 큰 경우, 평균 전류가 양의 방향으로 변화하고 있는 것이며, 전체 전류 데이터와 최근 데이터를 비교하여 최근 데이터들의 평균값이 전체 전류 데이터의 평균값보다 작다면, 평균 전류가 음의 방향으로 변화하고 있는 것이다.

이러한 평균 전류 변화율이 1을 초과하는 경우, 출력 전류의 크기에 대응하여 결정된 보정 팩터는 더 작게 변동될 수 있다. 또한, 평균 전류 변화율이 1 미만인 경우, 출력 전류의 크기에 대응하여 결정된 보정 팩터는 더 크게 변동될 수 있다.

제어부(80)는 변동된 보정 팩터와 출력 전류의 곱을 시간 적분하여 전하량을 연산할 수 있고, 연산된 전하량에 기반하여 수소 농도를 구할 수 있다. 구해진 수소 농도와 목표 수소 농도를 비교하여 수소 퍼징 시간을 결정할 수 있다.

즉, 드레인-퍼지 밸브(60)의 총 개방시간은 응축수의 배출을 위한 시간과, 목표 수소 농도와 현재 애노드 측 수소 농도에 따라 결정된 수소 퍼징 시간을 더한 값일 수 있다

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 제어부(80)는 연료 전지 스택(10)의 평균 출력 전류를 연산할 수 있다(S201). 제어부(80)는 연산된 평균 출력 전류에 따라 응축수 생성 속도를 산출할 수 있다(S203). 구체적으로 연산된 평균 출력 전류와 응축수 생성 속도간의 관계는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

응축수 생성 속도 = A * 평균 출력 전류 + B (A, B는 상수)

이러한 관계는, 연료 전지 스택(10)의 온도가 기설정된 목표 온도에 도달된 경우에 해당되며, 연료 전지 스택(10)의 온도가 기설정된 목표 온도와 상이한 경우, 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.

[수학식 2]

응축수 생성 속도 = (A * 평균 출력 전류 + B) * C (A, B 및 C는 상수)

즉, 현재 연료 전지 스택(10)의 온도가 목표 온도로 수렴해가는 과도 상태(Transient) 인 경우, 응축수 생성 속도는 목표 온도에서의 응축수 생성 속도에 스케일 팩터(C)를 곱하여 구할 수 있다. 예컨대, 운전자가 급가속을 하는 경우, 연료 전지 스택(10)의 온도는 목표 온도보다 높을 수 있고, 이러한 경우 응축수 생성 속도는 목표 온도에서의 응축수 생성 속도보다 낮을 수 있다. 스케일 팩터(C)는 이를 반영하기 위한 것이다.

제어부(80)는 생성 속도가 구해지면, 시간을 곱하여 누적된 응축수 생성량을 계산할 수 있다(S205). 계산된 응축수 생성량과 워터 트랩(70)의 용량을 비교하여(S207), 계산된 응축수 생성량이 워터 트랩(70)의 용량 이상인 경우라면, 제어부(80)는 드레인-퍼지 밸브(60)를 개방하여 응축수를 배출할 수 있다(S209).

응축수 배출이 완료된 이후, 드레인-퍼지 밸브(60)를 통해 수소를 퍼지하기 위해 제어부(80)는 현재 애노드 측 수소 농도를 구할 수 있다. 수소 농도를 계산하기 위해서는 전하량을 연산해야 하며, 출력 전류가 동적으로 변화하는 상황이므로 이를 반영하기 위해 보정 누적 전하량을 연산하여야 한다(S211).

보정 누적 전하량은 출력 전류에 보정 팩터를 곱하여 시간 적분한 값이다. 보정 팩터(correction factor)는 출력 전류의 범위에 따라 상이한 값이며, 1 이상의 값을 갖는다.

이러한 보정 팩터는 평균 출력 전류 변화율에 따라 변동될 수 있다. 예컨대, 보정 팩터는 평균 출력 전류 변화율이 증가하는 경우, 출력 전류 범위에 따라서 결정되는 보정 팩터보다 더 작게 변동될 수 있다. 또한 보정 팩터는 평균 출력 전류 변화율이 감소하는 경우, 출력 전류 범위에 따라서 결정되는 보정 팩터보다 더 작게 변동될 수 있다. 이는, 기설정된 시간 범위 내에서의 전체 출력 전류 데이터들 중에서 상대적으로 나중에 측정된 기설정된 개수의 출력 전류 데이터들의 평균값과 전체 출력 전류 데이터들의 평균값을 비교하여 출력 전류의 변화를 알 수 있고, 이를 보정 팩터에 반영하기 위함이다.

구체적으로, 평균 출력 전류 변화율은 전체 전류 데이터의 평균값을 전체 전류 데이터 중 가장 나중에 측정된 기설정된 개수의 전류 데이터의 평균값으로 나눈값일 수 있다. 이를 통해 저출력 전류에서 고출력 전류로의 변화 또는 고출력 전류에서 저출력 전류로의 변화 방향성을 알 수 있다. 평균 출력 전류 변화율이 1보다 큰 경우, 즉 전체 전류 데이터의 평균값을 전체 전류 데이터 중 가장 나중에 측정된 기설정된 개수의 전류 데이터의 평균값으로 나눈값이 1보다 큰 경우, 전체 전류 데이터의 평균값이 나중에 측정된 기설정된 개수의 전류 데이터 평균값보다 크다면 보정 팩터는 출력 전류 범위에 따라 결정된 보정 팩터보다 더 작게 변동될 수 있다. 즉, 보정 팩터 = 보정 팩터 * A (0 < A <1)와 같은 관계를 가질 수 있다.

또는 평균 출력 전류 변화율이 1보다 작은 경우, 보정 팩터 = 보정 팩터 * B (1 < B)와 같은 관계를 가질 수 있다.

애노드 측 출구의 수소 농도는 보정 누적 전하량을 이용하여 구할 수 있다. 보정 누적 전하량은 출력 전류에 보정 팩터를 곱하여 시간 적분하여 구할 수 있다. 즉, 수식으로 표현하면 다음과 같다.

[수학식 3]

수소 농도 (%) = A * log (보정 누적 전하량) + B * 시간 + C (A, B, C는 상수)

즉, 연료 전지 스택의 출력 전류와 출력 전류에 따라 상이하며, 평균 전류 변화율에 따라 변동된 보정 팩터를 곱하여 시간 적분함으로써 보정 누적 전하량이 결정되고, 보정 누적 전하량이 결정되면 수소 농도를 연산할 수 있다.

제어부(80)는 연산된 수소 농도와 목표 수소 농도에 따라 드레인-퍼지 밸브(60)의 개방 시간을 결정할 수 있다(S213). 즉, 제어부(80)는 드레인-퍼지 밸브(60)를 개방하여 먼저 응축수를 배출하고, 응축수 배출이 완료된 이후에 연산된 수소 농도와 목표 수소 농도를 비교하여 드레인-퍼지 밸브(60)를 닫을 시간을 결정할 수 있다. 드레인-퍼지 밸브(60)가 개방되어 있는 동안 수소 등이 퍼징될 수 있다(S215). 하나의 드레인-퍼지 밸브(60)를 이용하여 응축수의 배출과, 수소 등의 퍼징이 수행되게 된다. 하나의 드레인-퍼지 밸브(60)를 통해 응축수 배출과 퍼지가 연속적으로 수행되게 된다. 제어부(80)는 이를 위해 응축수 배출 시점과 드레인-퍼지 밸브(60)의 개방 시간을 결정한다. 따라서, 수소의 필요없는 낭비를 줄임으로써 연비를 향상시킬 수 있고, 응축수 배출을 완료하여 연료 전지 스택이 플러딩(flooding) 상태가 되는 것을 막을 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서의 시간에 따른 드레인-퍼지 밸브의 동작과 이에 대응하는 응축수 및 수소 농도의 변화를 도시한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 드레인-퍼지 밸브는 응축수 축적량이 워터 트랩의 용량에 도달하면 개방되게 되며, 응축수 축적량이 0으로 되면 퍼지가 시작됨을 알 수 있다. 퍼지가 시작되면 애노드 측 수소 농도와 목표 수소 농도에 따라 드레인-퍼지 밸브의 개방시간이 결정되며, 결정된 개방 시간만큼 퍼지되고 이에 따라 연료극 측 수소 농도는 증가하게 된다.

발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 연료 전지 스택 20 : 이젝터
30 : 공기 블로워 40 : 가습기
50 : 수소 공급부 60 : 드레인-퍼지 밸브
70 : 워터 트랩 80 : 제어부 100 : 연료 전지 시스템

Claims

응축수 생성량이 워터 트랩의 용량을 초과하는 시점에 드레인-퍼지 밸브를 개방하여 응축수를 배출하는 단계;
상기 배출 이후, 애노드 측 수소 농도와 목표 수소 농도에 따라 상기 드레인-퍼지 밸브의 개방 시간을 결정하는 단계; 및
상기 결정된 개방 시간 동안 상기 드레인-퍼지 밸브의 개방을 유지하여 수소를 퍼지하는 단계를 포함하고
상기 드레인-퍼지 밸브의 개방 시간을 결정하는 단계는,
연료 전지 스택의 출력 전류와 상기 출력 전류에 따라 상이한 보정 팩터에 기반하여 보정 누적 전하량을 연산하는 단계; 및
상기 연산된 전하량에 따른 수소 농도와 기설정된 목표 수소 농도에 따라 개방시간을 결정하는 단계를 포함하는
연료전지 시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 응축수를 배출하는 단계는,
연료 전지 스택의 평균 출력 전류에 기반하여 산출된 응축수의 생성 속도에 따라 상기 응축수 생성량을 계산하는 단계를 포함하는,
연료전지 시스템의 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 평균 출력 전류는 기설정된 시간 동안 측정된 복수의 출력 전류 데이터의 평균값인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 제어 방법.
제3항에 있어서,
상기 평균 출력 전류는 기설정된 주기로 업데이트되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 응축수 생성량을 계산하는 단계에서,
상기 연료 전지 스택의 온도와 목표 온도가 상이한 경우, 상기 응축수 생성 속도는 목표 온도 시의 응축수 생성 속도에 스케일 팩터를 곱하여 산출되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 제어 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 보정 팩터는 평균 전류 변화율에 따라 변동되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 평균 전류 변화율은 전체 전류 데이터의 평균값 및 상기 전체 전류 데이터 중 가장 나중에 측정된 기설정된 개수의 전류 데이터의 평균값 간의 비교 결과에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 보정 팩터는 상기 평균 전류 변화율이 증가하는 경우 상기 출력 전류에 대응하는 보정 팩터보다 작도록 변동되며, 상기 평균 전류 변화율이 감소하는 경우 상기 출력 전류에 대응하는 보정 팩터보다 크도록 변동되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 제어 방법.