KR20100058867A - 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 운전에 따른 전류적산값이 임계값에 도달하면 연료극의 응축수가 모이는 워터트랩의 드레인밸브를 소정의 시간 동안 개방시킴으로써, 워터트랩내의 응축수를 용이하게 배출시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택의 운전에 따른 발생전류를 적산하는 전류적산값 계산 단계와; 상기 전류적산값을 미리 설정된 전류적산 임계값과 비교하는 단계와; 상기 전류적산값이 전류적산 임계값보다 크면 드레인 밸브를 개방시켜, 워터트랩내의 응축수가 배출되는 단계와; 상기 드레인 밸브가 미리 설정된 개방시간 동안만 개방된 후, 닫힘으로 제어되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법을 제공한다.

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Description

연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법{Method for controlling water exhaust from the water trap of fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 운전에 따른 전류적산값이 임계값에 도달하면 연료극의 응축수가 모이는 워터트랩의 드레인밸브를 소정의 시간 동안 개방시킴으로써, 워터트랩내의 응축수를 용이하게 배출시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지 스택의 반응에 있어서, 스택의 연료극 출구에서 나오는 가스에는 공기극에서 건너온 응축수가 다량으로 포함되어 있는데, 이 응축수가 원활하게 배출되지 않을 경우 스택 내부에 그대로 쌓여 수소의 반응을 방해하게 되고, 결국 스택의 출력 및 운전 안정성을 저해하므로, 연료전지 시스템에 연료극 응축수를 제거하기 위한 워터트랩이 설치되고 있다.

첨부한 도 4는 기존의 워터트랩 장치를 설명하는 개략도이고, 도 5는 기존의 워터트랩 장치에 대한 동작을 설명하는 제어 순서도이다.

연료전지 스택의 연료극(ANODE)쪽으로 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응수소(도 4에 H₂+Water[Vapor+Liquid]로 표기됨)는 연료극의 출구단쪽으로 배출 되는데, 이때 미반응 수소내에 함유된 물(도 4에 Water(liquid)로 표시됨)은 워터트랩(WATER TRAP)내에 중력에 의하여 떨어져 모이게 되고, 액적이 제거된 수소(도 4에 H₂+Water[Vapor]로 표시됨)는 연료극의 입구단쪽으로 재순환된다.

상기 워터트랩(10)내에 일정량의 물 이상이 저장되면, 이를 최고수위 감지센서(12)에서 감지하여 워트트랩(10) 바닥쪽의 드레인 밸브(16)가 열리게 되어, 물이 외부로 배출된다.

반면에, 상기 워터트랩(10)내의 물이 일정량 방출된 후, 물의 최저수위를 최저수위 감지센서(14)에서 감지하여 워트트랩 바닥쪽의 드레인 밸브(16)가 닫히게 되어, 워터트랩(10)내에 최소한의 물이 잔류하게 된다.

이에, 항상 대기와 맞닿는 쪽이 잔류된 물이 되도록 함으로써, 잔류된 물이 수소의 외부 방출을 차단하는 역할을 하게 되는 것이다.

이러한 기능을 하는 기존의 워터트랩 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 습기 등으로 인한 최고수위 감지센서의 수위 오인식과 함께 드레인 밸브의 오작동으로 인해 불필요한 수소가 배출되어 연비 감소 및 수소 안전성 감소를 초래하는 문제점이 있다.

즉, 워터트랩내에 물이 없음에도 불구하고, 최고수위 감지센서가 습기 등을 물이 있는 것으로 인식하는 동시에 드레인 밸브가 개방되어, 결국 워터트랩내에 잔존하는 물이 모두 배출되어 재순환되어야 할 수소가 외부로 배출되는 문제점이 있었다.

둘째, 습기 등으로 인한 최저수위 감지센서의 수위 오인식과 함께 드레인 밸브의 오작동으로 인해 불필요한 수소의 배출이 이루어져, 마찬가지로 연비 감소 및 수소 안전성을 감소시키는 문제점이 있었다.

즉, 드레인 밸브의 개방 중 워터트랩내의 수위가 최저수위 감지센서에 도달하더라도, 이를 인식하지 못하여 드레인 밸브가 계속 개방된 상태로 유지되어 재순환되어야 할 수소가 외부로 배출되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 연료극 출구로부터 워터트랩내에 모이는 액적을 배출시키기 위한 드레인 밸브의 개방 시기를 연료전지의 운전에 따른 전류적산값을 이용하여 결정하고, 드레인 밸브의 개방 시간을 설정해 줌으로써, 최고수위 감지센서의 배제로 인한 원가 절감을 실현하면서, 최고 및 최저수위 감지센서의 오인식으로 인한 드레인 밸브의 오작동을 방지하여 원활한 물 배출이 이루어질 수 있도록 한 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택의 운전에 따른 발생전류를 적산하는 전류적산값 계산 단계와; 상기 전류적산값을 미리 설정된 전류적산 임계값과 비교하는 단계와; 상기 전류적산값이 전류적산 임계값보다 크면 드레인 밸브를 개방시켜, 워터트랩내의 응축수가 배출되는 단계와; 상기 드레인 밸브가 미리 설정된 개방시간 동안만 개방된 후, 닫힘으로 제어되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법을 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 전류적산 임계값은 미리 시험을 통해 설정하되, 연료전지 스택의 운전과 함께 발생하는 전류를 적산하는 단계와; 상기 전류적산값에 따른 워터트랩의 수위를 검출하는 단계와; 상기 워터트랩내의 수위가 최저수위 감지센서의 위쪽 수위일 때의 전류적산값들중 하나를 전류적산 임계값으로 설정하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 워터트랩내의 수위중 최고수위를 기준값(제로)으로 정하여, 최고수위 및 최저수위 감지센서 사이 영역인 네가티브값을 갖는 수위일 때의 전류적산값들중 하나를 전류적산 임계값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 워터트랩내의 수위를 최저수위 감지센서에서 센싱하면, 상기 드레인 밸브는 미리 설정된 개방시간이 지나지 않았더라도 닫힘으로 제어되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 기존의 최고수위 감지센서를 배제한 채로, 연료전지의 운전에 따른 전류적산값을 이용하여 워터트랩내의 응축수 배출이 이루어지도록 함으로써, 최고수위 감지센서의 비용 절감을 도모하면서도 정확한 응축수 배출이 이루어질 수 있다.

즉, 기존에 최고수위 감지센서의 오인식으로 인한 드레인 밸브의 오작동을 배제하여, 불필요한 수소 배출을 방지하여 연비 향상 및 수소 재순환 및 공급 안전성을 향상시킬 수 있다.

또한, 습기 등으로 최저수위 감지센서가 수위를 오인식하여 드레인 밸브를 개방시키더라도, 드레인 밸브는 기본적인 개방시간 동안만 개방되도록 제어되므로, 최저수위 감지센서의 오인식에 의한 수소 배출을 최소화시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 연료전지 스택의 연료극(ANODE)쪽으로 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응수소는 연료극의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 미반응 수소내에 함유된 물은 워터트랩(WATER TRAP)내에 중력에 의하여 떨어져 모이게 되고, 액적이 제거된 수소는 연료극의 입구단쪽으로 재순환된다.

본 발명은 기존에 최고수위 감지센서를 없애고, 연료전지 운전에 따른 전류적산값을 이용하되, 전류적산값이 전류적산 임계값보다 큰 경우에 액적이 제거된 수소가 외부로 배출되는 것을 방지하는 동시에 워터트랩내에 축적되는 응축수만을 외부로 용이하게 배출시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료극 응축수 배출 방법을 설명하는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료극 응축수 배출 방법을 설명하는 제어 순서도이다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여, 전류적산 임계값을 설정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

상기 전류적산 임계값은 실제 차량에 연료전지 스택을 탑재하기 전에, 다음과 같은 시험을 통해 미리 설정될 수 있다.

먼저, 연료전지 스택의 운전과 함께 발생하는 전류를 적산하는 동시에 전류적산값에 따른 워터트랩의 수위를 검출하고, 검출된 워터트랩내의 수위가 최저수위 감지센서의 위쪽 수위일 때의 전류적산값들중 하나를 전류적산 임계값으로 설정할 수 있다.

상기 전류적산 임계값을 설정함에 있어서, 첨부한 도 3의 그래프에서 보는 바와 같이, 워터트랩내에서 최고수위에서의 수위를 기준 수위(도 3의 그래프에서 Y축값중 0.0(제로))로 정하면, 최고수위 위쪽은 포지티브값을 갖는 수위이고, 그 아래쪽은 네가티브값을 갖는 수위가 된다.

이때, 전류적산 임계값이 최적의 임계값 이상(도 3에서 원으로 표시) 또는 더 이상의 임계값(도 3에서 다이아몬드로 표시)이 되면, 최고수위의 위치보다 보다 높은 포지티브 값을 갖는 수위가 되어 응축수의 생성량이 배출량에 비하여 큰 상태이므로, 응축수가 연료전지의 연료극쪽으로 역류되는 현상이 발생될 수 있다.

반면에, 전류적산 임계값이 최적의 임계값(도 3에서 사각으로 표시)일 때, 최고수위의 위치보다 낮은 네가티브값을 갖게 됨을 알 수 있었고, 이에 상기 기준수위를 기준으로 연료극으로부터 워터트랩에 축적되는 응축수의 생성량에 비하여 드레인 밸브를 통해 배출되는 배출량이 더 큰 네가티브 수위에서 전류적산 임계값을 설정하게 된다.

즉, 상기 연료전지의 운전에 따라 발생된 전류를 적산하되, 최고수위 및 최저수위 감지센서 사이 영역인 네가티브값을 갖는 수위일 때의 전류적산값중 어느 하나를 전류적산 임계값으로 설정되게 된다.

이러한 전류적산 임계값이 설정된 후, 워터트랩을 포함하는 연료전지 시스템을 실제 차량에 탑재하여, 본 발명에 따른 워터트랩의 응축수 배출 제어가 이루어진다.

먼저, 전류적산값을 0(제로)으로 초기화한 다음, 연료전지 운전에 따라 발생하는 전류를 적산시킨다.

즉, 연료전지 스택을 운전하게 되면 스택 자체에서 생성되는 전기 에너지 즉, 전류가 발생되는데, 이 발생 전류를 적산시킨다.

다음으로, 연료전지 스택의 전류적산값을 전류적산 임계값과 실시간으로 비교하여, 상기 전류적산값이 전류적산 임계값보다 크게 되면, 상기 워터트랩(10)의 바닥쪽에 장착된 드레인 밸브(16)를 개방시킨다.

따라서, 상기 워터트랩(10)내의 응축수가 개방된 상태의 드레인 밸브(16)를 통하여 외부로 배출된다.

이때, 상기 드레인 밸브(16)는 미리 설정된 몇 초간의 개방시간 동안만 개방된 후, 닫힘으로 제어된다.

바람직하게는, 상기 드레인 밸브(16)가 개방된 후, 응축수의 배출이 이루어지는 도중에 워터트랩(10)내의 수위를 최저수위 감지센서(14)에서 센싱하면, 상기 드레인 밸브(16)는 미리 설정된 개방시간이 지나지 않았더라도 닫힘으로 제어되어, 워터트랩(16)내에 응축수가 최저수위를 유지하게 된다.

따라서, 상기 워터트랩(10)내의 응축수가 일정량 방출된 후, 응축수의 최저수위를 최저수위 감지센서(14)에서 감지하여 워트트랩 바닥쪽의 드레인 밸브(16)가 닫히게 되어, 워터트랩(10)내에 최소한의 물이 잔류하게 되고, 이에 잔류된 물은 드레인 밸브(16)의 개방시 항상 대기와 맞닿는 상태이므로 재순환되어질 수소의 외부 방출을 차단하는 역할을 하게 된다.

또한, 습기 등으로 최저수위 감지센서가 수위를 오인식하더라도, 상기 드레인 밸브는 기본 개방시간 동안만 개방된 후 다시 닫힘 제어되므로, 최저수위 감지센서의 오인식에 의하여 워터트랩내에서 연료극쪽으로 재순환되어질 수소가 외부로 배출되는 것을 최소화할 수 있다.

이와 같이, 연료전지의 운전에 따른 전류적산값이 전류적산 임계값보다 큰 경우에 워터트랩내에 축적되는 응축수를 소정 시간 동안 외부로 용이하게 배출시킬 수 있고, 동시에 액적이 제거된 수소가 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료극 응축수 배출 방법을 설명하는 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료극 응축수 배출 방법을 설명하는 제어 순서도,

도 3은 본 발명에서, 전류적산 임계값을 설정하는 방법을 설명하는 그래프,

도 4는 종래의 연료전지 시스템의 연료극 응축수 배출 방법을 설명하는 구성도,

도 5는 종래의 연료전지 시스템의 연료극 응축수 배출 방법을 설명하는 제어 순서도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 워터트랩 12 : 최고수위 감지센서

14 : 최저수위 감지센서 16 : 드레인 밸브

Claims (5)

1. 연료전지 스택의 운전에 따른 발생전류를 적산하는 전류적산값 계산 단계와;

   상기 전류적산값을 미리 설정된 전류적산 임계값과 비교하는 단계와;

   상기 전류적산값이 전류적산 임계값보다 크면 드레인 밸브를 개방시켜, 워터트랩내의 응축수가 배출되는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 드레인 밸브가 미리 설정된 개방시간 동안만 개방된 후, 닫힘으로 제어되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 전류적산 임계값은 미리 시험을 통해 설정하되,

   연료전지 스택의 운전과 함께 발생하는 전류를 적산하는 단계와;

   상기 전류적산값에 따른 워터트랩의 수위를 검출하는 단계와;

   상기 워터트랩내의 수위가 최저수위 감지센서의 위쪽 수위일 때의 전류적산값들중 하나를 전류적산 임계값으로 설정하는 단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 워터트랩내의 수위중 최고수위를 기준값(제로)으로 정하여, 최고수위 및 최저수위 감지센서 사이 영역인 네가티브값을 갖는 수위일 때의 전류적산값들중 하나를 전류적산 임계값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 워터트랩내의 수위를 최저수위 감지센서에서 센싱하면, 상기 드레인 밸브는 미리 설정된 개방시간이 지나지 않았더라도 닫힘으로 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법.

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