KR20150073661A - 수소 농도 조절 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수소 농도에 따라 응축수 및/또는 불순물 상태를 추정하여 퍼지 밸브 및/또는 응축수 드레인 밸브를 개방(Open) 또는 폐색(Close)함으로써 수소 농도를 조절하는 수소 농도 조절 장치 및 방법에 대한 것이다.
Description
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수소 농도에 따라 응축수 및/또는 불순물 상태를 추정하여 퍼지 밸브 및/또는 응축수 드레인 밸브를 개방(Open) 또는 폐색(Close)함으로써 수소 농도를 조절하는 수소 농도 조절 장치 및 방법에 대한 것이다.
일반적으로 연료 전지 스택의 애노드(anode)로 공급되는 수소의 농도 측정을 통하여 애노드의 수소 농도를 적정 수준으로 유지하였다.
부연하면, 재순환 과정을 통해 공기극으로 넘어온 질소, 수증기 때문에 수송 농도가 희박해져 기체 분포가 일정하지 않게 된다. 따라서, 수소의 농도를 확인하여 기준 농도 이상의 수소가 공급되도록 제어하였다.
또 다른 수소 농도 제어 기술을 보여주는 예가 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 연료 전지 스택(110)으로부터 질소 등 기체 불순물을 제거하기 위해 주기적으로 퍼지밸브(140)를 작동한다.
연료 전지 스택(110)의 연료극에 축적된 응축수는 응축수 리저버(150)에 담았다가 물이 일정 수준에 도달하면 버리게 된다. 왜냐하면, 응축수 배출과 함께 가급적 수소가 같이 나가지 않도록 하는데 그 목적이 있기 때문이다.
이때, 일정 수준의 응축수 수위를 감지하기 위해 수위센서(151)가 사용된다.수위센서(151)는 물을 감지하는 비접촉식 정전용량 센서를 이용한다. 물을 감지할 경우 응축수 드레인 밸브(153)를 열어 물만 선택적으로 배출한다. 이와 달리, 퍼지밸브(140)는 감지 여부와 관계없이 일정 시간이나 전류량 등을 통해 주기적으로 개방된다.
그런데, 정전 용량형 수위센서는 전자파 장애 등 외란의 우려가 있어 응축수의 수위 감지시 오작동될 수 있다는 단점이 있었다.
또한, 퍼지밸브(140)의 경우, 정확한 감지에 의해 작동하는 것이 아니므로 더 많은 양의 수소를 배출할 수도 있었다. 또한, 수소농도가 낮은 상태에서 운전을 할 수 있는 상황이 많이 발생할 수 있다는 단점이 있었다.
즉, 수소 퍼지가 증가하면 연비가 저하되고, 수소 농도가 낮아지면 연료 전지 스택 열화의 원인이 될 수 있다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 응축수의 수위를 정확히 감지하여 수소의 배출량을 정밀하게 제어할 수 있는 수소 농도 조절 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수소 농도도 동시에 측정하여 연료 전지 스택의 연료극 퍼지를 수행함으로써 연료 전지 스택 열화, 연비 저하 등을 방지하는 수소 농도 조절 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 응축수의 수위를 정확히 감지하여 수소의 배출량을 정밀하게 제어하고, 수소 농도도 동시에 측정하여 연료 전지 스택의 연료극 퍼지를 수행하는 수소 농도 조절 장치를 제공한다.
상기 수소 농도 조절 장치는,
연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브와, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 장치에 있어서,
상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서; 및
측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개폐를 판단하는 제어기;를 포함한다.
이때, 상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준값을 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개방은 상기 수소 농도가 낮은 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수 및 불순물을 배출하는 수소 배기 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 장치에 있어서, 상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서; 및 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브의 배출 여부를 판단하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치를 제공한다.
이때, 상기 수소 배기 밸브의 개방은 상기 수소 농도가 낮을 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브와, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 방법에 있어서, 상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 단계; 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하는 단계; 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개폐를 판단하는 단계; 및 판단 결과에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나가 개방 또는 폐색되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법을 제공한다.
또한, 상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하는 단계; 및 모니터링된 셀 전압이 미리 설정된 기준값과 비교하여 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수 및 불순물을 배출하는 수소 배기 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 방법에 있어서, 상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 단계; 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하는 단계; 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브의 개폐를 판단하는 단계; 및 판단 결과에 따라 상기 수소 배기 밸브가 개방 또는 폐색되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 응축수 리저버에 수소농도센서를 설치함으로써 수소농도가 낮았을 때만 밸브를 개방해주므로 불필요한 개방을 막아 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 수소농도가 낮았을 때에도 운전을 지속 수행할 경우 연료 전지 스택의 열화가 발생할 수 있으나 수소농도로 인한 운전이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 수소 농도 관리 제어를 통해 통합형 배기 시스템이 가능하므로 퍼지 밸브의 삭제가 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 수소 농도 조절 장치(200)에서 측정된 수소 농도를 측정하여 밸브(253,240)를 개폐하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 퍼지 밸브가 삭제된 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 수소 농도 조절 장치(200)에서 측정된 수소 농도를 측정하여 밸브(253,240)를 개폐하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 퍼지 밸브가 삭제된 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 수소 농도 조절 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다. 도 2를 참조하면, 상기 수소 농도 조절 장치(200)는, 연료 전지 스택(201), 상기 연료 전지 스택(201)으로부터 방출되는 응축수 및/또는 수소를 저장하는 리저버(250), 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브(253), 상기 연료 전지 스택(201)으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브(240), 상기 응축수 리저버(250)내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서(251), 이들과 연결되어 데이터 및/또는 제어 신호를 송수신하는 제어기(210) 등을 포함하여 구성된다.
연료 전지 스택(201)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA, 전극막 어셈블리, 전극막 접합체라고도 함)와 분리판(Separator)으로 이루어진 단위 셀이 수십 내지 수백 개 이상 적층된 구조를 가지고, 양끝단에는 적층된 각 구성들을 일정한 면압으로 고정시키는 동시에 집전 역할을 하는 엔드 플레이트가 장착된다.
막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과, 이 고분자 전해질 막을 사이에 두고 배열되는 연료극(Anode)(미도시) 및 공기극(Cathode)(미도시)로 구성된다. 또한, 이들 연료극 및 공기극은 나노 크기의 촉매입자를 포함하는 촉매층이 전극 기재(backing layer)에 흡착된다.
연료극은 순수한 수소를 공급하지만, 반응 중 공기극에서 반응물(물)과 질소 등이 고분자 전해질 막을 투과해 넘어와 불순물의 역할을 하여 연료인 수소가 각 유로를 지나가지 못하게 된다. 이는 수소의 농도를 저하시켜 연료 전지 스택(201)의 열화 원인이 되기도 한다.
수소는 실제 반응에 필요한 양보다 더 많은 양을 넣어서 성능을 올려주고, 미반응한 수소는 재순환 기구(이젝터, 펌프 등)를 통해 다시 사용하는 수소 재순환 시스템을 갖추고 있다.
연료 전지 스택(201)은 그 원리 및/또는 구성이 널리 알려져 있으므로 본 발명의 명확한 이해를 위해 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하여 계속 설명하면, 응축수 리저버(250)는 연료 전지 스택(201)에서 생성되는 응축수를 저장한다. 연료극에 축적된 응축수는 응축수 리저버(250)에 저장되었다가 응축수가 일정 수준에 도달하면 버리게 된다. 이유는 가급적 수소가 같이 나가지 않도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 응축수 리저버(250)에는 응축수 리저버(250)내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서(251)와, 응축수를 배출하는 응축수 밸브(253)가 구성된다. 또한, 퍼지밸브(240)는 질소 등 기체 불순물을 제거하기 위해 주기적으로 작동한다.
제어기(210)는 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및/또는 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및/또는 불순물 상태에 따라 응축수 드레인 밸브(253) 및/또는 퍼지 밸브(240)의 개폐를 제어한다.
응축수 및 불순물 상태는 수소 농도의 기준 범위에 따라 미리 설정된다. 이를 표로 나타내면 다음과 같다.
| 수소농도의 기준범위(%) | 응축수 상태 | 불순물 상태 | 밸브 동작 |
| 0 - 1.0 | 만수위(Full) | 사용 불가(Not available) | 개방(Open) |
| 1.1 - 60 | 저수위(Not Full) | 비양호(Not good) | 개방(Open) |
| 60.1 - 100 | 저수위(Not Full) | 양호(Good) | 폐색(Close) |
즉, 측정된 수소 농도에 따라 응축수 및/또는 불순물 상태를 추정하여 퍼지 밸브(240) 및/또는 응축수 드레인 밸브(253)의 개폐를 결정한다.
물론, 연료 전지 스택(201)의 셀 전압을 진단하여 열화가 많이 진행되었다고 판단되면 수소 농도의 기준 범위를 변경할 수 있다. 이를 보여주는 예를 표로 나타내면 다음과 같다.
| 수소농도의 기준범위(%) | 응축수 상태 | 불순물 상태 | 밸브 동작 |
| 0 - 1.0 | 만수위(Full) | 사용 불가(Not available) | 개방(Open) |
| 1.1 - 70 | 저수위(Not Full) | 비양호(Not good) | 개방(Open) |
| 70.1 - 100 | 저수위(Not Full) | 양호(Good) | 폐색(Close) |
부연하면, 상기 제어기(210)는 상기 연료 전지 스택(201)의 셀 전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준값을 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경한다.
위 표에 도시된 바와 같이, 상기 응축수 드레인 밸브(253) 및/또는 퍼지 밸브(240)의 개방은 수소 농도가 낮은 경우에만 가능하다. 따라서, 불필요한 밸브(240,253)의 개방을 방지하여 연비를 향상시킨다.
또한, 수소 농도가 낮았을 때에도 운전을 지속 수행할 경우, 연료 전지 스택(201)의 열화가 발생할 수 있으나, 수소 농도로 인해 차량의 운전이 가능하다.
도 3은 도 2에 도시된 수소 농도 조절 장치(200)에서 측정된 수소 농도를 측정하여 밸브(도 2의 253,240)를 개폐하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 연료 전지 스택(도 2의 210)의 셀 전압을 모니터링하여 셀 전압 표준 편차를 산출한다(단계 S310).
표준 편차 산출 결과, 표준 편차가 과다한지를 판단한다(단계 S320). 부연하면, 셀 전압의 표준 편차가 미리 설정된 기준값과 비교하여 기준값을 초과하면 표준 편차를 과다로 판단한다.
판단 결과, 표준 편차가 과다하면 밸브(도 2의 253,240)를 개방한다(단계 S350).
이와 달리, 단계(S320)에서 표준 편차가 과다가 아니면, 수소 농도 센서(도 2의 251)를 이용하여 수소 농도를 측정한다(단계 S330).
측정된 수소 농도가 미리 설정된 기준값(예를 들면 60)과 비교한다(단계 S340).
비교 결과, 측정된 수소 농도가 기준값보다 작으면 밸브(도 2의 253,240)를 개방한다(단계 S350). 이와 달리, 단계(S340)에서 측정된 수소 농도가 기준값보다 작지 않으면, 밸브(253,240)를 폐색한다(단계 S341). 이후, 단계 S310 내지 단계 S340가 진행된다.
물론, 본 발명에서는 셀 전압의 표준 편차를 고려하여 밸브의 개폐를 결정하는 과정을 먼저 기술하였으나, 이러한 과정이 없이도, 수소 농도 측정을 이용하여 밸브의 개폐를 결정하는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 퍼지 밸브가 삭제된 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다. 도 4를 참조하면, 도 4에 구성되는 수소 농도 조절 장치(400)는 도 2에 도시되는 퍼지 밸브(240)를 삭제한 구성이다. 즉, 수소 배기 밸브(453)가 통합형 배기 밸브로 된다.
따라서, 수소 농도 센서(451)가 응축수 리저버(450)내의 수소 농도를 측정하며, 제어기(410)는 이러한 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및/또는 불순물 상태를 추정한다. 이후, 제어기(410)는 추정된 응축수 상태 및/또는 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브(453)의 배출 여부를 판단한다.
수소 공급 밸브(430)는 수소를 실제 반응에 필요한 양보다 더 많은 양을 연료 전지 스택(401)에 공급하여 성능을 올려준다. 이때, 미반응한 수소는 이젝터(420)를 통해 다시 연료 전지 스택(401)에 공급된다. 이는 수소 재순환 시스템이라 한다.
다른 구성들은 부호만 달리하여 표시하였을 뿐 그 기능 및/또는 역할은 유사하므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
200,400: 수소 농도 조절 장치
201,401: 연료 전지 스택
210,410: 제어기
250,450: 응축수 리저버
251,451: 수소 농도 센서
240: 퍼지 밸브 253: 응축수 밸브
420: 이젝터 430: 수소 공급 밸브
453: 수소 배기 밸브
201,401: 연료 전지 스택
210,410: 제어기
250,450: 응축수 리저버
251,451: 수소 농도 센서
240: 퍼지 밸브 253: 응축수 밸브
420: 이젝터 430: 수소 공급 밸브
453: 수소 배기 밸브
Claims (20)
- 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브와, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 장치에 있어서,
상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서; 및
측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개폐를 판단하는 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준값을 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개방은 상기 수소 농도가 낮은 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수 및 불순물을 배출하는 수소 배기 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 장치에 있어서,
상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서; 및
측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브의 배출 여부를 판단하는 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준값을 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 제 9 항에 있어서,
상기 수소 배기 밸브의 개방은 상기 수소 농도가 낮을 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
- 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브와, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 방법에 있어서,
상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 단계;
측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하는 단계;
추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개폐를 판단하는 단계; 및
판단 결과에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나가 개방 또는 폐색되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
- 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하는 단계; 및 모니터링된 셀 전압이 미리 설정된 기준값과 비교하여 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개방은 상기 수소 농도가 낮을 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
- 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수 및 불순물을 배출하는 수소 배기 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 방법에 있어서,
상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 단계;
측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하는 단계;
추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브의 개폐를 판단하는 단계; 및
판단 결과에 따라 상기 수소 배기 밸브가 개방 또는 폐색되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
- 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하는 단계; 및 모니터링된 셀 전압이 미리 설정된 기준값과 비교하여 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
- 제 19 항에 있어서,
상기 수소 배기 밸브의 개방은 상기 수소 농도가 낮을 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
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| KR101857909B1 (ko) * | 2017-02-20 | 2018-05-14 | 현대제철 주식회사 | 고로의 수소가스 취입량 제어 방법 |
| US20200136158A1 (en) * | 2018-10-24 | 2020-04-30 | Hyundai Motor Company | Condensate water drain control system and control method for fuel cell |
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