KR102518714B1 - 연료전지 시스템의 수소 분압 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 분압 제어방법에 관한 것으로서, 수소극 및 공기극을 포함하는 스택과 상기 스택을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 수소극 출구의 수소농도 또는 상기 스택에서 발생된 전하량의 적산값에 의해 상기 수소극의 퍼지 시점을 정하는 단계; 및 상기 스택으로 공급되는 상기 수소의 공급목표압력이 설정되는 단계;를 포함하고, 상기 수소의 공급목표압력은 상기 스택에서 요구되는 수소의 압력 및 상기 스택 내에서 크로스오버되는 질소의 분압을 고려하여 설정되는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법에 관한 발명이다.

Description

연료전지 시스템의 수소 분압 제어방법 {The method for controlling partial pressure of hydrogen for the fuelcell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 탑재될 수 있는 스택의 수소극 수소 분압을 제어하는 방법으로서, 상세하게는 공기극으로부터 수소극으로 크로스오버되는 질소의 분압과 스택의 온도 및 운전 조건 등을 고려하여, 수소극에서의 수소 분압을 일정하게 유지할 수 있는 수소극 수소 분압 제어방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응기체(연료인 수소와 산화제인 산소)의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치와, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치와, 연료전지 스택의 열을 외부로 방출시켜 운전온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템과, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함한다.
도 1은 통상의 연료전지 시스템을 도시한 개략도로서, 수소공급장치는 수소저장을 위한 고압용기(수소탱크)(21), 고압/저압 레귤레이터(미도시), 수소공급밸브(23), 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워(31), 가습기(32) 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템(미도시)은 전동물펌프(냉각수 펌프), 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.
상기 수소공급장치의 수소탱크(21)로부터 공급되는 고압의 수소는 미도시된 고압/저압 레귤레이터를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 연료전지 스택(10)에 공급되며, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인(24)에 이젝터(25) 및/또는 재순환 블로워를 설치하여 연료전지 스택(10)의 수소극(연료극, 애노드)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 수소극으로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
한편, 연료전지 시스템에서 연료전지 스택(10)의 운전에 따라 스택의 공기극(캐소드)에 공급된 공기 중의 질소와 공기극에서 생성된 생성수(물 및 수증기)들이 스택 내부의 전해질막을 통해 크로스오버(crossover)되어 수소극측으로 이동해 온다.
이때, 질소는 수소의 분압을 낮춤으로써 스택의 성능을 저하시키고, 생성수는 유로를 막음으로써 수소의 이동을 저해하므로, 주기적인 수소극의 퍼지를 통해 스택의 안정적인 성능을 확보해야 한다.
연료전지에서는 스택 내부의 전해질막을 통해 수소극으로 넘어오는 질소, 물 및 수증기 등의 이물질이 많아질수록 수소극 내의 수소량이 줄어들게 되어 반응효율이 떨어지며, 따라서 상기와 같이 일정 주기에 맞추어 수소퍼지밸브(40)를 열어 공기극 후단으로 퍼지를 실시한다.
즉, 연료전지 스택(10)의 수소극 출구측 라인에 수소 퍼지를 위한 수소퍼지밸브(40)를 설치하여 수소극에 존재하는 가스를 주기적으로 배출시킴으로써 연료전지 스택 내 분리판의 수분 및 질소 등의 이물질을 함께 배출 및 제거하여, 수소극의 수소 농도를 높이게 된다. 따라서, 연료전지 스택 내 이물질의 배출시에는 수소 농도 증가, 기체 확산도 및 반응성 향상의 장점이 있게 된다.
한편, 수소퍼지밸브(40)는 수소 농도 관리를 위해 연료전지 시스템 제어기(미도시)의 명령에 따라 주기적으로 개폐하는 전자식 제어밸브로서, 이를 열어줄 경우 연료전지 스택(10) 내 수분 및 질소 등의 이물질을 차량 배기구(34)를 통해 대기로 배출시킬 수 있게 된다.
차량 운전시 수소퍼지밸브(40)를 열면 연료전지 스택(10)의 수소극(상대적으로 고압)과 공기극 간의 압력차에 의해 수소를 이물질과 함께 공기극 후단 및 공기배기라인(33), 배기구(34)를 통해 대기로 배출할 수 있고, 이를 통해 연료전지 스택의 출력을 유지할 수가 있는 것이다.
일본 공개특허 제2013-225514호 (2013. 10. 31) 일본 공개특허 제2009-187794호 (2009. 08. 20)
종래의 수소 퍼지의 경우, 수소극에서의 수소 농도를 유지하기 위해, 주기적으로 수소를 퍼지하여 수소극에 누적된 질소 기체를 연료전지 시스템 외부로 배기하고 있었지만, 퍼지 이후 다음 퍼지까지(퍼지주기) 동안 공기극으로부터 수소극으로 크로스오버되는 질소의 농도가 증가함에 따라 수소극에서 수소 분압이 감소하였다. 나아가, 감소된 수소 분압은 스택을 포함하는 연료전지 시스템 전체의 내구성에 영향을 끼칠 수 있었다. 따라서, 본 발명에서는 퍼지주기 동안 수소극에서 수소의 분압이 감소하는 것을 방지하기 위하여 수소극으로 공급되는 수소의 목표압력을 일정하게 유지하거나, 질소의 분압 및 스택의 온도, 전류 등의 다양한 제어 변수를에 의해 수소의 목표압력을 가변적으로 조절하여 제어함으로써, 수소극에서 수소의 분압이 일정하게 유지될 수 있도록 하는 연료전지 시스템의 수소 분압 제어방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예로서, 수소극 및 공기극을 포함하는 스택과 상기 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서, 요구되는 수소 공급목표압력으로 수소를 스택에 공급하는 단계; 상기 수소극 출구의 수소농도 또는 상기 스택에서 발생된 전하량의 적산값을 산출하는 단계; 및 상기 스택으로 공급되는 상기 수소의 공급목표압력이 갱신되는 단계;를 포함하고, 상기 갱신되는 수소의 공급목표압력은 상기 요구되는 수소 공급목표압력 및 상기 스택 내에서 크로스오버되는 질소의 분압을 고려하여 설정되는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법을 제공한다.
또한, 상기 수소 공급목표압력은 상기 스택에서 요구되는 수소의 압력에 상기 질소의 분압을 더하여 설정되는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법을 제공한다.
또한, 상기 수소 공급목표압력은 상기 질소의 분압의 증가속도를 고려하여, 상기 수소 공급목표압력이 시간에 따라 가변적으로 설정되는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법을 제공한다.
또한, 상기 수소극 출구 수소농도가 미리 설정된 수소농도를 초과하거나, 상기 스택에서 발생된 전하량의 적산값이 미리 설정된 목표 전하량을 초과하는 경우, 상기 수소극의 퍼지를 결정하는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법을 제공한다.
또한, 상기 수소공급목표압력은 상기 질소의 분압과 더불어 상기 스택의 온도, 상기 연료전지 시스템에서 요구하는 전류 조건 및 상기 수소극의 상기 수소 농도 중 적어도 하나 이상을 고려하여 설정되는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법을 제공한다.
또한, 상기 수소 농도는 상기 스택 내의 농도센서에 의해 직접 측정되거나 농도 추정기를 통해 추정된 값을 사용하는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 수소극의 수소의 분압이 일정하게 유지될 수 있으므로 퍼지주기를 늘리고, 퍼지밸브의 개방 횟수를 감소시켜, 수소 사용 효율과 스택의 연료 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수소극의 수소 분압이 일정하게 유지되므로, 스택의 내구성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 질소의 분압과 더불어 스택의 온도, 전류 등을 포함하는 운전 조건에 의한 맵 데이터에 의해 수소극 수소 공급목표압력이 결정되므로, 다양한 주행 환경에 불구하고 수소극 수소 분압을 능동적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분압 제어방법을 위한 연료전지 시스템의 구조 및 연결관계를 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 방법에 의한 수소 퍼지 시 각 압력 및 분압의 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분압 제어방법의 순서를 도시한 순서도이다.
도 4는 연료전지 시스템에 있어 복수회의 수소 퍼지 시 각 압력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5 내지 도 7은 수소 공급목표압력 산출 시 크로스오버된 질소의 분압을 고려한 정도에 따른 수소 분압의 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
차량에 탑재되는 연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기 공급 장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 냉각 시스템 등으로 구성된다.
연료 전지 시스템의 연료 공급계에는 연료가 탑재된 고압용기가 연료 저장 탱크로서 존재할 수 있다. 고압용기에서는 바람직하게는 수소를 연료로써 탑재 및 사용하며 700bar 정도의 고압 수소 가스가 용기 내부에 저장될 수 있다.
한편, 고압용기로부터 공급되는 수소는 스택으로 유입될 수 있다. 상세하게는 스택의 수소 유입구와 고압용기가 연결되어 수소가 스택의 수소 유입구로 유입될 수 있다. 스택의 수소 유입구는 수소극과 연결될 수 있으며, 결국 고압용기의 수소는 수소극으로 공급될 수 있다. 나아가, 공기극은 대기와 연결되며, 공기 블로워를 통해 대기로부터 스택의 공기극으로 산소를 포함하는 공기가 유입될 수 있다.
따라서, 스택의 수소극의 수소와 공기극의 산소가 서로 접촉할 수 있으며 수소극과 공기극 사이에 구비될 수 있는 막전극접합체(MEA)에서 전류가 발생될 수 있다.
다만, 전술한대로, 스택의 수소극과 공기극 사이에서 가스 또는 기체가 서로 크로스오버될 수 있으며, 압력 차이에 의해 공기극에서 수소극으로 공기가 크로스오버될 수 있다. 상세하게는, 공기를 구성하는 기체 중 질소가 수소극으로 크로스오버될 수 있다.
질소가 수소극에 누적될수록 수소극 수소의 농도 및 분압이 감소할 수 밖에 없으며, 따라서 질소를 외부로 배기하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 주기적으로 퍼지를 실시할 수 있다. 본 발명에서 실시하는 퍼지는 퍼지밸브를 개방함으로써 실시될 수 있으며, 수소퍼지밸브는 수소극에서 배출되는 가스 라인의 일 지점에서 분기하여 공기극에서 배출되는 가스 라인의 일 지점으로 연결될 수 있다. 즉, 수소퍼지밸브는 수소극 후단과 공기극 후단을 서로 연결할 수있다. 다만, 수소 퍼지는 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 방식으로 퍼지를 수행할 수 있는 바, 이하에서는 자세한 설명을 생략할 수 있다.
도 2는 수소 퍼지 분야의 일반적인 일시예를 도시한 도면이다. 도 2에 따르면 수소극으로 공급하려는 목표압력(타켓압)이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 나아가, 수소극으로 공급되는 목표압력이 일정하게 유지되는 경우에는, 수소 퍼지 시에 수소 분압이 감소한다는 것을 알 수 있다.
다만, 스택을 구동하는 관점에서, 수소극에 존재하는 수소의 농도(또는 분압)이 일정하게 유지되는 것이 중요하므로, 본 발명에서는 이하, 제어기에 의해, 수소극에 존재하는 수소 농도를 일정하게 유지할 수 있는 연료전지 시스템의 수소 분압 제어방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어방법의 흐름을 나타낸 순서도이다.
본 발명에 의하면, 우선 연료전지 시스템이 탑재된 친환경 차량의 시동이 'On' 상태로 전환될 수 있다. 차량의 시동이 'On'이 되는 경우, 연료전지의 운전이 시작될 수 있다. 즉, 연료전지의 스택에서 수소와 산소가 반응하여 전류를 발전할 수 있다.
이후, 연료전지 시스템이 탑재된 차량의 제어기에서는 차량의 구동 및 전장 시스템을 포함하여 스택에서 발전되어야 하는 전류량을 산출할 수 있다. 또한, 산출된 전류량 또는 전력에 대응되도록 스택으로 공급되어야 하는 수소의 양을 산출할 수 있으며, 수소의 양은 고압용기로부터 스택으로 공급되는 수소의 압력을 조절함으로써 그 공급량을 제어할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서는 스택에서 요구되는 수소의 압력이 스택의 온도, 전류 및 기타 조건에 따라 가변적으로 설정될 수 있다.
따라서, 본 단계에서는 스택에서 발전되어야 하는 전류량이 산출되면, 그 전류량에 따른 수소 공급목표압력으로 수소를 스택으로 공급한다 (S101).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소극 출구에서 수소의 농도는 농도 센서에 의해 직접 측정될 수 있으며, 다른 일 실시예에 따르면 수소의 농도는 연료전지 시스템에 구비된 농도 추정기에 의해 추정될 수 있다.
또한, 스택이 일정 시간 구동되어, 전술한대로 공기극으로부터 수소극으로 크로스오버된 질소가 많아지는 경우, 본 발명의 일 실시예에서는 퍼지를 수행할 수 있다. 퍼지의 경우, 수소극 출구의 수소 농도 또는 스택의 구동에 의해 발전된 전하량을 바로미터로 하여 수소퍼지밸브 개방 여부를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 수소 퍼지 여부 및 그 시점은 수소극 출구의 수소 농도 및/또는 스택에서 발전된 전하량의 적산값 중 적어도 하나 이상을 이용하여 결정할 수 있다. 상세하게는 수소극 출구의 수소 농도가 미리 설정된 수소 농도 이하로 떨어지거나, 스택의 구동에 의해 발전된 전하량의 적산값이 미리 설정된 적산 전하량을 초과하는 경우, 수소퍼지밸브가 개방되어 수소극으로부터 질소 및 불순물을 포함하는 기체가 시스템 외부로 퍼지될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 수소극의 수소 농도 또는 구동에 의해 스택에서 발전된 전하량의 적산값을 산출하고(S102), 산출된 수소극 출구 수소농도 또는 스택에서 발생된 전하량 적산값에 의해 수소극에서의 퍼지 시점을 결정하는 단계(S103)를 실시할 수 있다.
수소극의 퍼지 시점을 결정하는 단계(S103)는 선택적으로 포함될 수 있으며, 퍼지 주기를 미리 설정된 값으로 설정하고, 이 설정된 퍼지 주기에 따라 퍼지 시점 도달 여부를 판단할 수도 있다. 반면, 도 3에서와 같이, 퍼지 시점은 각 퍼지 결정 단계를 통해 결정될 수 있으며, 이 경우 수소극 출구 수소 농도 또는 스택에서 발생된 전하량 적산을 통해 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 수소극에서 수소의 농도를 산출하는 방법은 농도센서가 구비된 경우 수소의 농도를 직접 측정할 수 있으며, 농도 추정기가 구비된 경우, 수소극에서 수소의 농도를 추정할 수 있다. 바람직하게는 수소극 출구의 수소 농도를 측정하거나 추정할 수 있다. 나아가, 본 발명에서는 농도센서 또는 농도 추정기가 구비되어 있지 않은 경우, 스택의 온도 및 전류를 포함하는 요인에 의해 미리 설정된 맵 데이터에 의해 수소극의 수소 농도를 추정할 수 있다.
퍼지 시점이 결정되면, 이전 퍼지 시점부터 새로운 퍼지 시점 사이에서 공기극으로부터 수소극으로 크로스오버된 질소의 분압을 산출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 질소의 분압은 스택 내부에 구비되는 농도 센서 또는 농도 측정기에 의해 측정될 수 있다. 또한, 다른 일 실시예에 따르면 스택의 운전 조건(압력, 온도 및 발생 전류)에 따라, 수소극으로 크로스오버 되었다고 추정할 수 있는 미리 설정된 값을 이용하여 크로스오버된 질소의 분압을 산출할 수 있다.
나아가, 크로스오버된 질소의 분압을 고려하여, 수소의 공급목표압력이 갱신될 수 있다(S104). 즉, 퍼지 시점 또는 퍼지 시점에 도달하기 전, 스택으로 공급되어야하는 수소의 공급목표압력은 크로스오버된 질소의 분압을 고려하여 재설정되고, 재설정된 수소의 공급목표압력에 따라 수소 공급이 진행된다. 이를 통해, 수소극 내의 수소 분압을 일정하게 유지시켜줄 수 있다. 상세하게는, 본 발명의 일 실시에에 따르면, 수소의 공급목표압력은 스택에서 요구되는 수소의 압력에다가 이전 퍼지 시점과 새로운 퍼지 시점 사이에 스택 내부에서 크로스오버된 질소의 분압을 더하여 산출할 수 있다. 따라서, 수소의 공급목표압력은 크로스오버된 질소의 분압만큼 증압된 수소의 공급목표압력으로 갱신될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 퍼지 시점이 아니더라도, 스택 내부에서, 공기극으로부터 수소극으로 크로스오버되는 질소의 분압 증가 속도를 고려하여, 수소 공급목표압력이 시간에 따라 가변적으로 설정될 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 복수 회의 퍼지 시점 사이에 공기극으로부터 수소극으로 크로스오버된 질소의 분압 및 상기 질소의 분압의 증가 속도 둘 다를 고려하여, 수소 공급목표압력을 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명에서의 수소 공급목표압력은 복수 회의 퍼지 중 한 사이클 동안에 증가한 질소의 분압과 더불어 스택의 온도, 연료전지 시스템에서 요구하는 전류 조건 및 수소극의 수소 농도 중 적어도 하나 이상을 고려하여 결정될 수 있다. 나아가, 질소의 분압을 제외한 다른 요소들에 의한 수소 공급목표압력은 미리 설정된 데이터를 통해 맵핑 될 수 있다.
즉, 스택의 온도, 연료전지 시스템에서 요구되는 전류 조건 또는 수소극의 농도에 대응하여 수소 압력을 어느정도 승압시켜야하는지에 대하여 미리 맵핑된 데이터를 구축할 수 있으며, 상기 데이터 및 질소의 증가된 분압 정도를 고려하여, 수소 공급목표압력이 최종적으로 결정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 수소 공급목표압력이 스택에서 요구되는 수소의 압력과 크로스오버에 의해 수소극에서 증가되는 질소의 분압 및/또는 상기 질소의 분압의 증가속도를 고려한 보정압력을 합한 값이 될 수 있다.
또한, 다시 도 3을 참고하면 퍼지시점 도달여부를 판단하고(S105), 퍼지시점 도달에 따라 퍼지를 수행하게 되고, 이후 퍼지와 퍼지 사이의 한 사이클 동안 적산된 전하량 값 및 갱신된 수소 공급목표압력이 리셋될 수 있다(S106). 즉, 퍼지 이후에는 스택에서 요구되는 전하량을 다시 산출할 수 있으며, 적산 전하량도 '0' 또는 미리 설정된 기본값(default)으로 강하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 퍼지 수행 이후 다시, 스택에서 요구되는 전류값을 산출하여 스택으로 공급되어야 하는 수소의 양과 그에 대응하는 수소의 압력을 결정하는 단계로 회귀할 수 있다. 이후, 일정 주기에 걸쳐 반복적으로 수소극(연료극) 출구의 수소 농도와 스택에서 발생된 전류값의 적산값을 누적 측정하는 단계(S102)를 수행할 수 있으며, 퍼지 시점이 결정되는 경우, 전술한 방법을 통하여 수소의 공급목표압력을 갱신(S104)할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예에서 수소의 분압, 퍼지 주기 및 스택의 압력에 대하여 도시한 도면이다. 도 4의 상단부에 제시된 그래프는 복수회의 퍼지에 따른 연료전지 스택의 압력과 수소의 분압을 도시한 그림이다.
도 4의 하단부에 제시된 그래프를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서는 공급되는 수소의 목표압력을 상승시킴에 따라, 수소의 분압은 유지되면서 수소의 출구 수소 농도의 감소 속도가 상대적으로 줄어들게 되어, 수소 퍼지 주기가 실질적으로 증가되는 효과가 있음을 도시하고 있다.
한편, 도 5 내지 도 7은 스택으로 공급되는 수소의 공급목표압력을 승압시킨 정도에 따른 수소극 출구 수소 농도, 질소의 분압 및 수소의 분압을 도시한 그래프이다.
도 5는 크로스오버되는 질소의 분압에 불구, 상기 분압을 고려하지 않은 상태를 도시한 그래프이며, 도 6은 크로스오버되는 질소의 분압 및/또는 스택의 운전 조건(전류, 온도)등을 고려하여, 수소극에서 수소의 분압을 일정하게 유지하였을 때의 상태를 도시한 그래프이고, 도 7은 도 6의 경우보다 과도하게 수소의 공급목표압력을 상승시켰을 때의 그래프이다.
도 5 내지 도 7을 비교하면, 도 5에서와 같이, 크로스오버되는 질소의 분압을 고려하지 않는 경우, 퍼지에 의해 수소가 배기되어 수소의 분압이 감소하여 스택의 효율이 떨어지며, 반대로 도 7에서와 같이, 공급되는 수소의 압력을 지나치게 증가시켜 수소극의 수소 분압이 증가하는 경우에도, 퍼지 시 외부로 배기되어 잃어버리는(loss) 수소의 양이 증가할 수 있으므로, 스택의 구동에 비효율적이다. 따라서, 도 6과 같이, 크로스오버되는 질소의 분압을 포함한 다양한 변수(스택의 온도, 운전 조건, 수소의 공급압)를 고려하여, 수소극의 수소 분압을 일정하게 유지하는 것이 스택의 구동에 있어 가장 효율적이라는 것을 알 수 있다.
정리하자면, 본 발명의 핵심 사상은 복수 회의 퍼지에 있어서, 퍼지와 퍼지 사이의 한 사이클동안 스택의 공기극에서 수소극으로 크로스오버된 질소의 분압만큼을 스택으로 공급하는 수소의 압력에 더해주어 수소 공급목표압력을 갱신하게 되며, 그에 따라 스택 내에서 퍼지에 불구하고 수소의 분압이 일정 수치로 유지될 수 있다는 것을 특징으로 한다. 특히, 본 발명에서는 연료전지 시스템의 퍼지 조건, 환경에 따라 수소극에서 수소 농도의 변화나 배기되는 수소의 양이 상이할 수 있음을 고려하여, 온도 및 전류 등의 스택 조건에 따라 미리 설정된 맵 데이터로부터 산출된 값이 스택에서 요구되는 수소의 압력에 더해져 수소 공급목표압력을 설정할 수 있으며, 나아가, 수소 공급목표압력이 가변적으로 제어할 수 있다는 점에 본 발명의 특징이 있음을 유의하여야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명, 기술하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
나아가, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고 있다. 그리고 상기에서 사용된 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 스택
21 : 고압용기
22 : 스택의 수소 유입구
23 : 수소공급밸브
24 : 수소 재순환 라인
25 : 이젝터
31 : 공기블로워
32 : 가습기
33 : 공기극 배기라인
34 : 배기구
40 : 수소퍼지밸브

Claims (6)

  1. 수소극 및 공기극을 포함하는 스택과 상기 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
    요구되는 수소 공급목표압력으로 수소를 스택에 공급하는 단계;
    상기 수소극 출구의 수소농도 또는 상기 스택에서 발생된 전하량의 적산값을 산출하는 단계; 및
    상기 스택으로 공급되는 상기 수소의 공급목표압력이 갱신되는 단계;
    를 포함하고, 상기 갱신되는 수소의 공급목표압력은 상기 요구되는 수소 공급목표압력 및 상기 스택 내에서 크로스오버되는 질소의 분압을 고려하여 설정되며,
    상기 수소 공급목표압력은 상기 질소의 분압의 증가속도를 고려하여 시간에 따라 가변적으로 설정되는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수소 공급목표압력은 상기 스택에서 요구되는 수소의 압력에 상기 질소의 분압을 더하여 설정되는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 수소극 출구 수소농도가 미리 설정된 수소농도를 초과하거나, 상기 스택에서 발생된 전하량의 적산값이 미리 설정된 목표 전하량을 초과하는 경우, 상기 수소극의 퍼지를 결정하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수소공급목표압력은 상기 질소의 분압과 더불어 상기 스택의 온도, 상기 연료전지 시스템에서 요구하는 전류 조건 및 상기 수소극의 상기 수소 농도 중 적어도 하나 이상을 고려하여 설정되는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수소 농도는 상기 스택 내의 농도센서에 의해 직접 측정되거나 농도 추정기를 통해 추정된 값을 사용하는 연료전지 시스템의 수소극 수소 분압 제어방법.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7331825B2 (ja) * 2020-12-10 2023-08-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN114824382B (zh) * 2022-04-29 2023-11-24 三一电动车科技有限公司 燃料电池***的尾排氢气浓度控制方法及装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4682527B2 (ja) 2004-04-13 2011-05-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の制御装置
US7641993B2 (en) 2006-06-09 2010-01-05 Gm Global Technology Operations, Inc. Exhaust emissions control of hydrogen throughout fuel cell stack operation
JP5225702B2 (ja) 2008-02-06 2013-07-03 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
US8673515B2 (en) 2010-07-27 2014-03-18 GM Global Technology Operations LLC Diagnosis and remediation of low anode hydrogen partial pressure in a PEM fuel cell system
KR101592683B1 (ko) * 2014-04-14 2016-02-12 현대자동차주식회사 연료전지 퍼지 제어 방법
JP6164199B2 (ja) * 2014-11-15 2017-07-19 トヨタ自動車株式会社 電源システムおよび燃料電池の電圧制御方法
KR101646404B1 (ko) * 2014-12-09 2016-08-08 현대자동차주식회사 수소 퍼징 제어 장치 및 방법
JP2016122625A (ja) * 2014-12-25 2016-07-07 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車
JP6748953B2 (ja) * 2015-08-11 2020-09-02 国立大学法人山梨大学 燃料電池システム及びその運用方法
KR101816391B1 (ko) * 2016-04-26 2018-01-08 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 시동방법

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