KR20200039393A - 연료전지의 함수량 추정방법 및 제어방법과 그 시스템 - Google Patents

연료전지의 함수량 추정방법 및 제어방법과 그 시스템 Download PDF

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Abstract

연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하는 단계; 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하는 단계; 및 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계;를 포함하는 연료전지의 함수량 추정방법이 소개된다.

Description

연료전지의 함수량 추정방법 및 제어방법과 그 시스템{ESTIMATING METHOD AND CONTROLLING METHOD FOR WATER CONTENT OF FUEL CELL AND SYSTEM OF THE SAME}
본 발명은 연료전지의 함수량 추정방법 및 제어방법과 그 시스템에 관한 것으로, 연료전지 스택의 내부에 포함된 수분량을 추정하고, 이에 따라 연료전지를 제어하는 기술에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치이다. 기본적으로 산화, 환원 반응을 이용한다는 점에서 화학 전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지 반응을 하는 화학 전지와는 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 시스템 외부로 제거되는 점에서 차이가 있다.
최근에는 연료전지 발전시스템이 실용화되고 있으며, 연료전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지의 화학 반응이 발생하는 연료전지 스택의 내부에는 수분을 포함된다. 화학 반응이 활성화되기 위하여 연료전지 스택의 내부에는 적절한 수분량이 유지되어야 하고, 특히 수분이 부족한 경우 드라이 아웃(Dry-out)이 발생하여 스택에 포함된 막-전극이 열화되고, 수분이 과다한 경우 플러딩(Flooding)이 발생하여 화학 반응이 활성화되지 못하는 문제가 발생한다.
따라서, 연료전지 제어에 있어서 연료전지 스택의 발전 성능 및 내구성을 유지하기 위하여 연료전지 스택의 함수량을 적절하게 유지하는 것이 필수적이다. 이를 위하여, 연료전지 스택의 함수량을 정확하게 추정하는 기술이 요구된다.
종래에는 연료전지의 출력전류, 내부의 압력, 온도 및 습도 등을 각각 센서들을 통하여 측정하여 추정하였으나, 이러한 추정방법은 함수량의 초기값과 변화량을 모두 산출하여야 현재 함수량을 추정할 수 있는 것이고, 함수량의 초기값을 도출하는 과정은 복잡한 사전 실험이 요구된다. 따라서, 연료전지 스택의 함수량을 직접적이고 간단하게 추정하는 기술이 요구되었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-0966226 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수의 입구온도와 출구온도 사이의 온도차를 이용하여 연료전지 스택의 비열을 추정함으로써 연료전지 스택의 함수량을 예측하는 기술을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 함수량 추정방법은 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하는 단계; 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하는 단계; 및 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계;를 포함한다.
냉각수의 온도를 측정하는 단계에서는, 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도 및 연료전지 스택에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도를 각각 측정할 수 있다.
연료전지 스택의 현재 열용량을 산출하는 단계에서는, 연료전지 스택과 냉각수 사이의 열교환량, 연료전지 스택의 발열량 및 연료전지 스택의 온도 변화량을 이용하여 연료전지 스택의 현재 열용량을 산출할 수 있다.
연료전지 스택의 온도 변화량은 냉각수의 온도를 측정하는 단계에서 측정한 연료전지 스택에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도의 변화량을 이용하여 추정할 수 있다.
연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택에 포함된 물의 질량을 추정할 수 있다.
연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계 이후에, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택의 온도를 제어함으로써 연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도의 타겟값을 가변할 수 있다.
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값보다 큰 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값을 증가시키고, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 하한값보다 작은 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값을 감소시키도록 가변할 수 있다.
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값 이하이고 기설정된 하한값 이상인 정상범위인 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 0으로 조절할 수 있다.
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값과 차이가 클수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 증가하거나 감소하도록 조절할 수 있다.
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 기설정된 고정값으로 고정할 수 있다.
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 가변한 냉각수 입구온도의 타겟값을 기설정된 정상 타겟 범위 이내로 제한할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 함수량 추정시스템은 연료전지 스택; 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수를 유동시키는 냉각계; 냉각계에 포함된 냉각수의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 온도 측정부에서 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하고, 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택의 함수량을 추정하는 함수량 추정부;를 포함한다.
함수량 추정부에서는, 냉각계에서 연료전지 스택으로 유동시키는 냉각수의 유량을 이용하여 산출한 연료전지 스택과 냉각수 사이의 열교환량과 연료전지 스택의 발열량을 이용하여 연료전지 스택의 현재 열용량을 산출할 수 있다.
함수량 추정부에서는, 연료전지 스택에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택에 포함된 물의 질량을 추정할 수 있다.
함수량 추정부에서 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 냉각계를 제어함으로써 연료전지 스택의 함수량을 조절하는 냉각 제어부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 함수량 추정방법 및 시스템에 따르면, 복잡한 연산 또는 실험 없이 직접적이고 간단한 방법으로 연료전지 스택의 함수량을 실시간으로 추정할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택의 온도를 가변함으로써 연료전지 스택의 함수량을 적절하게 유지시킬 수 있고, 이에 따라 연료전지의 발전 성능 및 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정방법의 순서도이다.
도 3은 연료전지 스택의 발열량 변화에 따른 냉각수의 입구온도 및 출구온도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 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 설시된 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 연료전지의 함수량 추정시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정시스템은 연료전지 스택(10); 연료전지 스택(10)을 냉각시키는 냉각수를 유동시키는 냉각계(30); 냉각계(30)에 포함된 냉각수의 온도를 측정하는 온도 측정부(20); 및 온도 측정부(20)에서 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택(10)의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하고, 산출한 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택(10)의 함수량을 추정하는 함수량 추정부(40);를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 수소극과 공기극에 각각 수소와 산소를 공급받아 화학 반응시킴으로써 전력을 발전한다. 화학 반응에 의해 전력 발전뿐만 아니라 연료전지 스택(10)에 발열이 발생한다.
냉각계(30)는 연료전지 스택(10)의 발열을 냉각시키기 위하여 냉각수를 유동시킨다. 냉각계(30)는 연료전지 스택(10)과 연결된 냉각회로로 냉각수를 순환시키는 냉각 펌프(32), 냉각회로의 냉각수를 방열시키는 방열장치(33), 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 냉각수가 방열장치(33)를 통과하거나 바이패스하는 유량을 각각 제어하는 전자식 써모스탯(31, Thermostat) 등이 포함된다.
온도 측정부(20)는 냉각수의 온도를 측정한다. 냉각수의 온도를 측정하는 온도센서(21,22)는 냉각수가 연료전지 스택(10)의 입구로 유입되는 위치(21) 및 연료전지 스택(10)의 출구로 배출되는 위치(22)에 각각 설치될 수 있다. 즉, 온도 측정부(20)는 온도센서(21,22)를 통하여 연료전지 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도 및 연료전지 스택(10)에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도를 각각 측정할 수 있다.
함수량 추정부(40)는 온도 측정부(20)에서 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 산출하고, 산출한 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택(10)의 함수량을 추정할 수 있다. 구체적인 추정방법은 후술한다.
함수량 추정부(40)에서 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량을 기반으로 냉각계(30)를 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 냉각 제어부(50);를 더 포함할 수 있다.
냉각 제어부(50)는 냉각계(30)에 포함된 냉각 펌프(32), 방열장치(33) 및 전자식 써모스탯(31)을 제어하여 연료전지 스택(10)의 온도를 제어할 수 있다. 특히, 함수량 추정부(40)에서 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량을 기반으로 냉각계(30)를 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정방법의 순서도이다.
도 2를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정방법은 연료전지 스택(10)을 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하는 단계(S100); 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택(10)의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하는 단계(S200); 및 산출한 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택(10)의 함수량을 추정하는 단계(S300);를 포함한다.
도 3은 연료전지 스택(10)의 발열량 변화에 따른 냉각수의 입구온도 및 출구온도를 도시한 것이다.
도 3을 더 참조하면, 연료전지 스택(10)을 냉각하는 냉각수의 출구온도는 연료전지 스택(10)의 발열량, 냉각수 유량, 열용량 등을 이용한 에너지 방정식(열역학 제1법칙)을 통하여 추정될 수 있다.
그러나 냉각수 출구 추정온도(To,e)는 실제 온도센서(21,22)로 측정한 냉각수 출구온도(To)와 큰 차이를 보인다. 이는 연료전지 스택(10) 내부에 포함된 연료전지 스택(10)의 함수량이 가변됨에 따라 연료전지 스택(10)의 열용량이 가변되기 때문이다. 따라서, 가변되는 연료전지 스택(10)의 열용량을 산출함에 따라 연료전지 스택(10)의 함수량을 역으로 추정할 수 있어 직접적이고 간단한 방법으로 연료전지 스택(10)의 함수량을 정확하게 추정할 수 있는 효과를 갖는다.
구체적으로, 냉각수의 온도를 측정하는 단계(S100)에서는, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도 및 연료전지 스택(10)에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도를 각각 측정할 수 있다.
즉, 각각의 온도센서(21,22)를 이용하여 냉각수 입구온도와 냉각수 출구온도를 측정하고, 그 차이를 이용하여 연료전지 스택(10)과 냉각수 사이의 열교환량을 산출할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 산출하는 단계(S200)에서는, 연료전지 스택(10)과 냉각수 사이의 열교환량, 연료전지 스택(10)의 발열량 및 연료전지 스택(10)의 온도 변화량을 이용하여 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 산출할 수 있다.
연료전지 스택(10)과 냉각수 사이의 열교환량은 냉각수 입구온도(
Figure pat00001
)와 냉각수 출구온도(
Figure pat00002
) 사이의 차이 및 연료전지 스택(10)으로 공급되는 냉각수의 유량에 비례한다. 구체적으로, 연료전지 스택(10)과 냉각수 사이의 열교환량 (연료전지 스택(10)을 기준으로)은 아래의 수식으로 산출할 수 있다.
열교환량 =
Figure pat00003
[kcal/s]
여기서,
Figure pat00004
는 냉각수 유량[kg/s],
Figure pat00005
는 냉각수 비열[kcal/k·℃]이다. 냉각수 유량은 냉각 펌프(32) 또는 연료전지 스택(10)의 입구에 유량센서가 위치되어 유량을 측정할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 발열량(
Figure pat00006
[kcal/s])은 시간에 따른 연료전지 스택(10)의 발열량으로, 연료전지 스택(10)에서 출력하는 전류 및 전압을 이용해 계산할 수 있다. 또는, 연료전지 스택(10)의 내부저항 등을 측정하여 이용함으로써 계산할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 온도 변화량(
Figure pat00007
)은 연료전지 스택(10)의 온도를 직접 측정하여 시간에 따른 변화량을 측정할 수 있다.
다른 실시예로, 냉각수의 온도를 측정하는 단계(S100)에서 측정한 연료전지 스택(10)에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도의 변화량을 이용하여 추정할 수 있다. 구체적으로, 연료전지 스택(10)의 온도 변화량은 냉각수 출구온도의 변화량과 동일한 것으로 추정할 수 있다. 이에 따라, 직접 측정하기 어려운 연료전지 스택(10)의 온도에 대한 변화량을 간단하게 추정할 수 있는 효과를 갖는다.
연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 산출하는 단계(S200)에서는, 열역학 제1법칙의 에너지 방정식을 아래와 같이 이용할 수 있다.
Figure pat00008
여기서,
Figure pat00009
은 연료전지 스택(10)의 현재 열용량 [kcal/℃]이다. 이 식을 정리하면 아래와 같다.
Figure pat00010
여기서, t는 현재 시점을 의미하고,
Figure pat00011
은 온도센서의 샘플링 타임을 의미한다.
상기 수식을 이용하여, 연료전지 스택(10)의 현재 열용량(
Figure pat00012
)을 산출할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 함수량을 추정하는 단계(S300)에서는, 연료전지 스택(10)에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택(10)에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택(10)의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택(10)에 포함된 물의 질량을 추정할 수 있다.
즉, 연료전지 스택(10)에 다른 불순물 등은 포함되지 않고 스택 자체와 물만 존재하는 것으로 가정하는 것으로, 연료전지 스택(10)의 현재 열용량(
Figure pat00013
)은 수분을 포함하지 않은 상태의 초기 연료전지 스택(10)의 열용량인 초기 열용량(
Figure pat00014
)과 현재 연료전지 스택(10)에 포함된 물의 열용량(
Figure pat00015
)의 합으로 가정하는 것이다. 따라서 아래의 수식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00016
상기 수식은 열용량이 질량과 비열의 곱인 점을 고려하여 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00017
여기서,
Figure pat00018
은 연료전지 스택(10)의 초기 비열 [kcal/kg·℃]이고,
Figure pat00019
은 물의 비열 [kcal/kg·℃]이다.
연료전지 스택(10)의 초기 질량(
Figure pat00020
), 연료전지 스택(10)의 초기 비열(
Figure pat00021
) 및 물의 비열(
Figure pat00022
)은 불변값으로, 초기에 실험에 의해 기설정된다. 따라서, 아래의 수식을 이용하여 현재 연료전지 스택(10)에 포함된 물의 질량(
Figure pat00023
)을 산출할 수 있다.
Figure pat00024
연료전지 스택(10)의 함수량을 추정하는 단계(S300) 이후에, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량을 기반으로 연료전지 스택(10)의 온도를 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400);를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 정상 범위인 경우에는 이를 유지하도록 제어할 수 있고(S430), 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 정상 범위를 벗어난 경우(S410, S420)에는 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절할 수 있다(S411, S421). 이를 위하여 냉각계(30)를 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 온도를 제어할 수 있다.
따라서, 연료전지 스택(10)의 함수량이 적정한 수준으로 유지되도록 제어하여 연료전지 스택(10)의 내구성 및 발전 성능 향상의 효과를 가질 수 있다.
연료전지 스택(10)의 온도를 제어하기 위한 방법으로는 냉각 펌프(32)의 회전속도[rpm]을 가변하여 냉각수 유량을 제어하거나, 방열장치(33)에 포함된 냉각팬의 회전속도[rpm]을 가변시키거나 전자식 써모스탯(31)을 제어하여 바이패스 유량을 가변함으로써 방열량을 제어할 수 있다.
다른 실시예로는, 연료전지 스택(10)의 발전량을 제어하는 발전량 제어부(미도시)에서 연료전지 스택(10)의 전력 발전량을 증가시키도록 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 발열량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량을 기반으로 연료전지 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00025
)을 가변할 수 있다.
특히, 냉각 제어부(50)는 냉각수 입구온도가 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00026
)을 추종하도록 전자식 써모스탯(31)을 제어할 수 있다. 즉, 방열장치(33)를 통과한 냉각수와 방열장치(33)를 바이패스한 냉각수를 혼합하는 비율을 가변함으로써 냉각수 입구온도가 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00027
)이 되도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값보다 큰 경우(S410)에는 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00028
)을 증가시키고(S411), 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 하한값보다 작은 경우(S420)에는 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00029
)을 감소시키도록 가변할 수 있다(S421).
즉, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값보다 큰 경우(S410)에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00030
)을 양수로 설정하고(S411), 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 하한값보다 작은 경우(S420)에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00031
)을 음수로 설정할 수 있다(S421).
반대로, 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값 이하이고 기설정된 하한값 이상인 정상범위인 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00032
)을 0으로 조절할 수 있다(S430).
즉, 연료전지 스택(10)의 함수량에 대한 정상범위는 기설정된 상한값과 기설정된 하한값 사이의 범위로, 정상범위에 해당하면 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00033
)을 가변하지 않을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 도시한 그래프이다.
도 4를 더 참조하면, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00034
)을 설정하는 일 실시예로, 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값과 차이가 클수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00035
)을 증가하거나 감소할 수 있다. 즉, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00036
)은 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량(
Figure pat00037
)과 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값 사이의 차이에 비례하여 증가하는 함수값(
Figure pat00038
)으로 정해질 수 있다.
구체적으로, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값보다 클수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00039
)이 증가하고(
Figure pat00040
), 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 하한값보다 작을수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00041
)이 감소될 수 있다(
Figure pat00042
).
도 4에 도시한 것과 같이, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값보다 크거나 기설정된 하한값보다 작은 범위에서 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00043
)은 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량에 선형적으로 비례할 수 있다(
Figure pat00044
).
냉각수 입구온도의 타겟값을 상승시킴으로써 연료전지 스택(10) 내부의 온도가 상승됨에 따라 연료전지 스택(10) 내부의 포화수증기압이 증가하여 연료전지 스택(10) 내부의 수분이 증기 상태로 배출된다. 따라서, 연료전지 스택(10)의 함수량이 감소되도록 제어될 수 있다.
반대로, 냉각수 입구온도의 타겟값을 하강시킴으로써 연료전지 스택(10) 내부의 온도가 감소됨에 따라 연료전지 스택(10) 내부의 포화수증기압이 감소하여 연료전지 스택(10) 내부의 증기가 액적 상태의 수분으로 축적된다. 따라서, 연료전지 스택(10)의 함수량이 증가되도록 제어될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 도시한 그래프이다.
도 5를 더 참조하면, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00045
)을 설정하는 다른 실시예로, 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계에서는, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 기설정된 고정값(α)으로 고정할 수 있다.
즉, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량과 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값 사이의 차이에 무관하게 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00046
)을 고정값(α)으로 고정하는 것이다.
여기에서도 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값과 하한값 사이의 정상범위인 구간에서는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00047
)을 0으로 고정할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값을 초과하는 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00048
)이 증가하도록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00049
)이 양수의 고정값(α)으로 고정할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 하한값 미만인 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00050
)이 감소하도록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00051
)이 음수의 고정값(-α)으로 고정할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 가변한 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00052
)을 기설정된 정상 타겟 범위 이내로 제한할 수 있다(S440).
즉, 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00053
)에 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00054
)을 합산한 가변한 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00055
)을 최종적으로 정상 타겟 범위 이내로 제한할 수 있다.
기설정된 정상 타겟 범위는 연료전지 스택(10)을 냉각하는 냉각수의 냉각효율 등을 고려하여 실험적으로 사전에 기설정될 수 있다. 이에 따라, 냉각수 입구온도의 타겟값을 최종적으로 정상 타겟 범위 이내로 제한함에 따라 연료전지 스택(10)을 냉각하는 제어의 강건성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 연료전지 스택 20 : 온도 측정부
30 : 냉각계 40 : 함수량 추정부
50 : 냉각 제어부

Claims (16)

  1. 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하는 단계;
    측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하는 단계; 및
    산출한 연료전지 스택의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계;를 포함하는 연료전지의 함수량 추정방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    냉각수의 온도를 측정하는 단계에서는, 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도 및 연료전지 스택에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도를 각각 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택의 현재 열용량을 산출하는 단계에서는, 연료전지 스택과 냉각수 사이의 열교환량, 연료전지 스택의 발열량 및 연료전지 스택의 온도 변화량을 이용하여 연료전지 스택의 현재 열용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    연료전지 스택의 온도 변화량은 냉각수의 온도를 측정하는 단계에서 측정한 연료전지 스택에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도의 변화량을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택에 포함된 물의 질량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정방법.
  6. 청구항 1의 연료전지의 함수량을 추정하는 방법을 이용하여 연료전지의 함수량을 제어하는 방법에 있어서,
    연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계 이후에, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택의 온도를 제어함으로써 연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도의 타겟값을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값보다 큰 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값을 증가시키고, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 하한값보다 작은 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값을 감소시키도록 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값 이하이고 기설정된 하한값 이상인 정상범위인 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 0으로 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값과 차이가 클수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 증가하거나 감소하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 기설정된 고정값으로 고정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 가변한 냉각수 입구온도의 타겟값을 기설정된 정상 타겟 범위 이내로 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.
  13. 연료전지 스택;
    연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수를 유동시키는 냉각계;
    냉각계에 포함된 냉각수의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및
    온도 측정부에서 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하고, 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택의 함수량을 추정하는 함수량 추정부;를 포함하는 연료전지의 함수량 추정시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    함수량 추정부에서는, 냉각계에서 연료전지 스택으로 유동시키는 냉각수의 유량을 이용하여 산출한 연료전지 스택과 냉각수 사이의 열교환량과 연료전지 스택의 발열량을 이용하여 연료전지 스택의 현재 열용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    함수량 추정부에서는, 연료전지 스택에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택에 포함된 물의 질량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정시스템.
  16. 청구항 1의 연료전지의 함수량을 추정하는 시스템을 이용하여 연료전지의 함수량을 제어하는 시스템에 있어서,
    함수량 추정부에서 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 냉각계를 제어함으로써 연료전지 스택의 함수량을 조절하는 냉각 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어시스템.
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