KR20200042278A - 연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택; 수소 탱크에서 공급된 수소를 연료전지 스택에 공급하고, 연료전지 스택에서 배출된 수소를 재순환시켜 다시 연료전지 스택에 공급하는 수소공급라인; 수소공급라인에 마련되어 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터트랩; 워터트랩에 연결된 배출구에 마련되어 워터트랩에 저장된 응축수를 배출하는 드레인 밸브; 수소공급라인의 압력을 측정하는 압력센서; 및 압력센서에서 측정한 수소공급라인의 압력을 기반으로 드레인 밸브의 개폐를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템이 소개된다.

Description

연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법{CONDENSATE WATER DRAIN CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 워터트랩의 수위센서가 고장난 경우에도 워터트랩에 저장된 응축수를 배출하는 제어기술에 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.
연료전지 시스템은 화학 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 및 연료전지 스택의 수소극으로 수소를 공급하는 수소 공급장치가 포함된다.
연료전지 스택에서 발전을 하면 연료전지 스택 내부에서 생성수가 발생하고, 이들 중 일부는 농도차에 의해 전해질막을 통과하여 수소극으로 배출된다. 수소 공급장치는 재순환장치를 통하여 수소 가스가 재순환되고, 수소극에서 배출된 생성수는 응축되어 수소 공급장치에 포함된 워터트랩에 저장된다. 워터트랩에는 수위센서가 있어 응축수가 기설정된 수위 이상이 되면 드레인 밸브를 개방하여 저장된 응축수를 외부로 배출된다.
다만, 워터트랩의 레벨센서가 고장난 경우, 워터트랩에 저장된 응축수 수위를 측정할 수 없어 드레인 밸브를 적절하게 제어할 수 없는 문제가 있다. 수소 공급장치의 응축수가 외부로 원활하게 배출되지 못하면 연료전지 스택에서 생성수를 외부로 배출할 수 없어 분리판 유로를 막게되고, 필요 이상으로 드레인 밸브를 개방하게 되면 불필요하게 수소를 배출하게 되어 연비가 악화되는 문제가 있다.
종래에는 이러한 문제를 방지하기 위하여, 워터트랩의 레벨센서가 고장난 경우, 연료전지 스택에서 발전한 전류를 적산한 전류적산값을 기준으로 전류적산값이 기설정된 일정값이 되면 드레인 밸브를 개방하는 Fail-Safe 제어를 이용하였다. 그러나 이러한 제어에도 워터트랩에 저장된 응축수의 수위를 정확하게 측정할 수 없는 문제가 있었다.
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 10-0969063 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 워터트랩의 레벨센서 고장시에도 워터트랩에 저장된 응축수를 감지하여 드레인 밸브를 적절하게 제어하는 기술을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어시스템은 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택; 수소 탱크에서 공급된 수소를 연료전지 스택에 공급하고, 연료전지 스택에서 배출된 수소를 재순환시켜 다시 연료전지 스택에 공급하는 수소공급라인; 수소공급라인에 마련되어 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터트랩; 워터트랩에 연결된 배출구에 마련되어 워터트랩에 저장된 응축수를 배출하는 드레인 밸브; 수소공급라인의 압력을 측정하는 압력센서; 및 압력센서에서 측정한 수소공급라인의 압력을 기반으로 드레인 밸브의 개폐를 제어하는 제어기;를 포함한다.
워터트랩에 마련되어 워터트랩에 저장된 응축수를 감지하는 수위센서;를 더 포함하고, 제어기는 수위센서의 고장 여부를 판단하고, 수위센서가 고장난 것으로 판단한 경우에 압력센서에서 측정한 수소공급라인의 압력을 기반으로 드레인 밸브의 개폐를 제어할 수 있다.
제어기는 연료전지 스택의 발전 전류를 적분한 전류적산값이 기설정된 적산값 이상인 시점부터 기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입한 경우, 수소공급라인과 수소 탱크 사이에 위치된 압력 제어 밸브 및 수소공급라인의 수소를 외부로 배출하는 퍼지 밸브를 모두 폐쇄하고 드레인 밸브만을 개방한 후, 수소공급라인의 압력의 변화율이 기설정된 변화율 이상이면 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
제어기는 연료전지 스택의 발전 전류를 적분한 전류적산값이 기설정된 적산값 이상인 시점부터 기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입하지 않은 경우, 기설정된 시간동안 드레인 밸브를 개방하고 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어방법은 워터트랩에 저장된 응축수를 감지하는 수위센서의 고장 여부를 판단하는 단계; 수위센서가 고장난 것으로 판단되면, 수소공급라인에 마련된 압력센서에서 측정한 수소공급라인의 압력의 변화율을 산출하는 단계; 및 산출한 수소공급라인의 압력의 변화율을 기반으로 워터트랩에 저장된 응축수를 배출하는 드레인 밸브의 개폐를 제어하는 단계;를 포함한다.
수위센서의 고장 여부를 판단하는 단계에서는, 수위센서의 센싱값이 정상 범위를 벗어난 경우 수위센서가 고장난 것으로 판단할 수 있다.
수위센서의 고장 여부를 판단하는 단계에서는, 드레인 밸브의 개방 또는 폐쇄 제어에도 불구하고 수위센서의 센싱값이 고정된 경우 수위센서가 고장난 것으로 판단할 수 있다.
수소공급라인의 압력의 변화율을 산출하는 단계 이전에, 연료전지 스택의 발전 전류를 적분한 전류적산값이 기설정된 적산값 이상인지 판단하는 단계; 및 적류적산값이 기설정된 적산값 이상인 경우, 기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고, FC Stop 모드로 진입한 경우, 수소공급라인의 압력의 변화율을 산출할 수 있다.
FC Stop 모드로 진입하지 않은 경우, 기설정된 개방시간 동안 드레인 밸브를 개방하고 폐쇄하도록 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
수소공급라인의 압력의 변화율을 산출하는 단계 이전에, 수소공급라인과 수소 탱크 사이에 위치된 압력 제어 밸브 및 수소공급라인의 수소를 외부로 배출하는 퍼지 밸브를 모두 폐쇄하고 드레인 밸브만을 개방하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
드레인 밸브의 개폐를 제어하는 단계에서는, 산출한 수소공급라인의 압력의 변화율 크기가 기설정된 변화율 미만인 경우, 드레인 밸브의 개방을 유지하도록 제어할 수 있다.
드레인 밸브의 개폐를 제어하는 단계에서는, 산출한 수소공급라인의 압력의 변화율 크기가 기설정된 변화율 이상인 경우, 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 워터트랩의 수위센서가 고장나더라도 워터트랩의 응축수를 정확하게 감지하여 응축수 배출을 제어하는 효과를 갖는다.
또한, 응축수를 원활하게 배출할 수 있어 연료전지 스택의 수소극에서 플러딩이 방지되는 효과를 갖는다.
또한, 불필요하게 드레인 밸브를 통하여 수소가 배출되는 현상을 방지하여 연비가 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어방법의 순서도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어를 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 응축수 배출 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어시스템은 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택(10); 수소 탱크에서 공급된 수소를 연료전지 스택(10)에 공급하고, 연료전지 스택(10)에서 배출된 수소를 재순환시켜 다시 연료전지 스택(10)에 공급하는 수소공급라인(20); 수소공급라인(20)에 마련되어 연료전지 스택(10)에서 발생된 응축수를 저장하는 워터트랩(30); 워터트랩(30)에 연결된 배출구(미도시)에 마련되어 워터트랩(30)에 저장된 응축수를 배출하는 드레인 밸브(40); 수소공급라인(20)의 압력을 측정하는 압력센서(50); 및 압력센서(50)에서 측정한 수소공급라인(20)의 압력을 기반으로 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어하는 제어기(60);를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 수소와 산소를 각각 수소극 및 산소극으로 공급받아 화학 반응을 통하여 전력을 발전한다. 연료전지 스택(10)의 내부에서 수소와 산소가 반응하면서 응축수가 발생한다.
특히, 연료전지에 수소를 공급하는 수소공급라인(20)은 연료전지 스택(10)을 통과한 수소를 재순환하여 다시 연료전지 스택(10)으로 공급한다. 수소를 저장하는 수소 탱크는 연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소공급라인(20)과 연결되어 새로운 수소를 수소공급라인(20)으로 공급한다.
수소 탱크는 고압의 수소를 저장하고, 1차 감압을 거친 뒤 수소공급라인(20)으로 공급된다. 수소 탱크와 수소공급라인(20) 사이에는 수소 공급 밸브(90) 및 압력 제어 밸브(100)가 위치될 수 있다. 수소 공급 밸브(90) 및 압력 제어 밸브(100)는 일체형의 압력 제어 밸브(100)로 적용될 수도 있다.
압력 제어 밸브(100)는 제어기(60)에 의해 압력센서(50)에서 측정한 수소공급라인(20)의 압력을 기반으로 제어될 수 있다. 제어기(60)는 압력센서(50)에서 측정한 수소공급라인(20)의 압력이 목표 수소공급라인(20)의 압력을 추종하도록 압력 제어 밸브(100)를 제어할 수 있다.
수소 공급 밸브(90)는 연료전지 시스템의 시동 On/Off에 따라 개방/폐쇄되도록 제어되어 수소를 공급하거나 차단할 수 있다. 수소 공급 밸브(90)는 연료전지 시스템의 시동 On 상태에서 연료전지 스택(10)의 발전을 중단하는 FC Stop 모드에서는 개방을 유지하도록 제어될 수 있다.
FC Stop 모드는 차량이 회생제동 상태이거나 차량의 연료전지 요구 전력이 상대적으로 적어 연료전지의 발전 전력이 불필요한 경우, 연료전지 스택(10)으로의 공기 공급을 차단하여 연료전지 스택(10)의 고전압 노출을 회피하고 불필요한 보기류 전력 소모를 감소시키기 위한 운전 제어 모드이다.
연료전지 스택(10)을 통과하여 다시 재순환되는 수소공급라인(20)에는 퍼지 밸브(80)가 위치되어 농도가 낮아진 수소를 일부 외부로 배출시킨다.
워터트랩(30)은 수소공급라인(20)에 마련되어 연료전지 스택(10)의 수소극으로 확산된 응축수를 저장한다. 워터트랩(30)은 외부와 연결되거나 가습기로 연결된 배출구(미도시)와 연결되어 저장된 응축수를 배출한다. 드레인 밸브(40)는 배출구(미도시)에 마련되고, 배출구(미도시)를 통하여 수소 또는 응축수가 배출되지 않도록 폐쇄된 상태로 제어되다가, 간헐적으로 개방되면 응축수를 외부로 배출한다.
압력센서(50)는 수소공급라인(20)에 마련되어 수소공급라인(20)의 압력을 측정한다. 특히, 수소공급라인(20) 중 연료전지 스택(10)으로 유입되는 연료전지 스택(10)의 수소극 입구측에 위치되어 연료전지 스택(10)의 수소극으로 유입되는 수소공급라인(20)의 압력을 측정할 수 있다.
워터트랩(30)에 마련되어 워터트랩(30)에 저장된 응축수를 감지하는 수위센서(70);를 더 포함할 수 있다. 수위센서(70)는 워터트랩(30)에 마련되어 워터트랩(30)에 저장된 응축수를 감지할 수 있다. 특히, 수위센서(70)는 워터트랩(30)에 저장된 응축수의 수위를 감지하여 응축수가 저장된 양을 감지할 수 있다.
제어기(60)는 일반적으로 수위센서(70)의 센싱값을 기반으로 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어할 수 있다. 구체적으로, 수위센서(70)가 고장나지 않은 경우, 수위센서(70)의 센싱값으로 응축수가 제1설정량 이상으로 저장된 것으로 판단하면 드레인 밸브(40)를 개방시키고, 다시 수위센서(70)의 센싱값으로 응축수가 제2설정량 미만으로 판단하면 드레인 밸브(40)를 폐쇄시킬 수 있다. 다만, 수위센서(70)가 고장난 것으로 판단한 경우, 수위센서(70)의 센싱값을 기반으로 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어할 수 없다.
제어기(60)는 수위센서(70)의 고장 여부를 판단하고, 수위센서(70)가 고장난 것으로 판단한 경우에 압력센서(50)에서 측정한 수소공급라인(20)의 압력을 기반으로 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어할 수 있다.
제어기(60)의 구체적인 제어 방법에 관하여는 아래에서 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어방법의 순서도이다.
도 2를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어방법은 워터트랩(30)에 저장된 응축수를 감지하는 수위센서(70)의 고장 여부를 판단하는 단계(S100); 수위센서(70)가 고장난 것으로 판단되면, 수소공급라인(20)에 마련된 압력센서(50)에서 측정한 수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 산출하는 단계(S600); 및 산출한 수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 기반으로 워터트랩(30)에 저장된 응축수를 배출하는 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어하는 단계(S700);를 포함한다.
일반적으로 제어기(60)는 워터트랩(30)에 저장된 응축수를 배출하는 드레인 밸브(40)를 제어함에 있어서 워터트랩(30)에 저장된 응축수를 감지하는 수위센서(70)를 이용한다. 즉, 수위센서(70)가 고장나지 않은 것으로 판단되면, 수위센서(70)의 센싱값을 기반으로 드레인 밸브(40)를 제어한다.
다만, 수위센서(70)가 고장난 것으로 판단되면 압력센서(50)에서 측정한 수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 산출하고, 이를 기반으로 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어한다.
압력의 변화율을 산출하는 단계(S600)에서는, 압력센서(50)에서 측정한 수소공급라인(20)의 압력이 시간에 따라 변화하는 변화율(dP/dt)를 산출할 수 있다. 압력의 변화율은 짧은 단위 시간에 따른 순간 변화율일 수 있다.
다른 실시예로, 압력의 변화율 대신 압력의 크기를 이용하여 워터트랩(30)에 저장된 응축수를 배출하는 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어할 수 있다. 구체적으로, 수소공급라인(20)의 기존 압력 또는 목표 수소공급라인(20)의 압력 등을 고려하여 기설정된 한계압력의 크기보다 작아지면 드레인 밸브(40)의 폐쇄시키도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 수위센서(70)가 고장나더라도 수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 통하여 워터트랩(30)에 저장된 응축수를 감지할 수 있고, 이에 따라 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어함에 따라 응축수 배출 제어의 강건성을 향상시키고 응축수의 배출을 적절하게 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
특히, 수위센서(70)의 고장 여부를 판단하는 단계(S100)에서는, 수위센서(70)의 센싱값이 정상 범위를 벗어난 경우 수위센서(70)가 고장난 것으로 판단할 수 있다. 즉, 수위센서(70)에서 센싱한 수위가 정상 범위를 벗어난 경우, 수위센서(70)가 정상적으로 작동하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
다른 실시예로는, 수위센서(70)의 고장 여부를 판단하는 단계(S100)에서는, 드레인 밸브(40)의 개방 또는 폐쇄 제어에도 불구하고 수위센서(70)의 센싱값이 고정된 경우 수위센서(70)가 고장난 것으로 판단할 수 있다. 즉, 드레인 밸브(40)를 개방하였지만 수위센서(70)에서 센싱한 수위가 기준시간 이상으로 감소되지 않으면 수위센서(70)가 고장난 것으로 판단할 수 있다.
또한, 드레인 밸브(40)를 폐쇄한 상태에서 연료전지 스택(10)이 계속해서 발전하는데 수위센서(70)의 센싱값이 증가되지 않는 경우에는 고장난 것으로 판단할 수 있다. 구체적으로, 후술하는 연료전지 스택(10)의 발전 전류를 적분한 전류적산값이 기준적산값을 초과할 때까지 증가하더라도 수위센서(70)의 센싱값이 증가되지 않는다면 수위센서(70)가 정상적으로 작동하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
수위센서(70)의 고장 여부를 판단하는 단계(S100)에서, 수위센서(70)가 고장나지 않은 것으로 판단한 경우, 수위센서의 센싱값을 기반으로 드레인 밸브(40)를 제어할 수 있다(S800).
수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 산출하는 단계(S600) 이전에, 연료전지 스택(10)의 발전 전류를 적분한 전류적산값이 기설정된 적산값 이상인지 판단하는 단계(S200); 및 적류적산값이 기설정된 적산값 이상인 경우, 기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입 여부를 판단하는 단계(S300);를 더 포함하고, FC Stop 모드로 진입한 경우, 수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 산출할 수 있다.
수위센서(70)가 고장난 것으로 판단한 경우, 연료전지 스택(10)의 발전 전류를 시간에 따라 적분한 전류적산값을 산출하고, 전류적산값이 기설정된 적산값 이상인 경우에 드레인 밸브(40)를 개방하도록 제어할 수 있다.
특히, 적류적산값이 기설정된 적산값 이상으로 판단된 시점부터 기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입한 경우에 수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 산출하고, 수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 기반으로 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어할 수 있다.
FC Stop 모드는 연료전지 스택(10)과 연결된 고전압 배터리의 충전량(SOC: State of Charge) 및 연료전지 스택(10)과 연결된 부품(모터 등)의 부하 등에 의해 진입되도록 제어될 수 있다. 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 경우, 가감속이 반복됨에 따라 FC Stop 모드로 빈번하게 진입할 수 있다.
기설정된 적산값은 연료전지 스택(10)의 전력 발전에 따라 워터트랩(30)에 저장되는 응축수의 증가 속도를 고려하여 적절하게 설정될 수 있고, 기설정된 시간은 기설정된 적산값에 따라 워터트랩(30)에 응축수가 과도하게 저장되지 않도록 적절하게 설정될 수 있다.
이에 따라, 수위센서(70)가 고장난 경우에도 워터트랩(30)에 저장되는 응축수의 양을 간접적으로 예측함으로써 드레인 밸브(40)를 개방하여 응축수를 배출할 시기를 예측할 수 있는 효과를 갖는다.
수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 산출하는 단계(S600) 이전에, 수소공급라인(20)과 수소 탱크 사이에 위치된 압력 제어 밸브(100) 및 수소공급라인(20)의 수소를 외부로 배출하는 퍼지 밸브(80)를 모두 폐쇄하고 드레인 밸브(40)만을 개방하는 단계(S400);를 더 포함할 수 있다.
드레인 밸브(40)만을 개방하는 단계(S400)에서는, 압력 제어 밸브(100) 및 퍼지 밸브(80) 등을 폐쇄하여 드레인 밸브(40)을 제외한 수소공급라인(20)의 입구 내지 출구를 모두 폐쇄함으로써 수소공급라인(20)은 드레인 밸브(40)를 통해서만 외부로 응축수 또는 수소가 배출되도록 제어할 수 있다.
즉, 이에 따라 압력센서(50)에서 측정한 수소공급라인(20)의 압력이 드레인 밸브(40)를 통한 수소공급라인(20)의 응축수 또는 수소 배출에 의해서 변화되도록 하여 수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 통하여 응축수가 배출되는지 수소가 배출되는지 더 정확하게 구분할 수 있는 효과를 갖는다.
이때, 압력센서(50)에 의한 압력의 변화율을 더 정확하게 측정하기 위하여 압력 제어 밸브(100)에 의한 수소공급라인(20)의 압력 제어는 중단될 수 있다.
구체적으로, 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어하는 단계(S400)에서는, 산출한 수소공급라인(20)의 압력의 변화율 크기가 기설정된 변화율 미만인 경우, 드레인 밸브(40)의 개방을 유지하도록 제어할 수 있다.
압력 제어 밸브(100) 및 퍼지 밸브(80)를 폐쇄하고, 드레인 밸브(40)를 개방하도록 제어함에 따라 초반에는 워터 밸브에 저장된 응축수가 드레인 밸브(40)를 통하여 배출구(미도시)로 배출된다. 이에 따라, 수소공급라인(20)의 압력의 변화율이 일부 감소할 수 있으나 응축수의 배출 유량이 상대적으로 적어 수소공급라인(20)의 압력의 변화율 크기가 상대적으로 작다.
따라서, 수소공급라인(20)의 압력의 변화율 크기가 기설정된 변화율 미만인 경우에는 드레인 밸브(40)가 개방되더라도 수소공급라인(20)의 수소를 포함한 기체가 배출되는 것이 아닌 워터트랩(30)에 저장된 응축수가 배출되는 상태인 것으로 유추할 수 있다.
즉, 워터트랩(30)의 응축수를 배출하는 상태에는 드레인 밸브(40)의 개방을 유지하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 드레인 밸브(40)를 개방하여 워터트랩(30) 내부의 응축수를 완전히 배출함에 따라 연료전지 스택(10)의 플러딩을 방지할 수 있다.
반대로, 드레인 밸브(40)의 개폐를 제어하는 단계(S700)에서는, 산출한 수소공급라인(20)의 압력의 변화율 크기가 기설정된 변화율 이상인 경우, 드레인 밸브(40)를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
드레인 밸브(40)를 통하여 수소공급라인(20)의 수소를 포함한 기체가 배출되는 경우, 상대적으로 배출 유량이 큰 이유로 수소공급라인(20)의 압력의 변화율 크기가 상대적으로 크다.
따라서, 수소공급라인(20)의 압력의 변화율 크기가 기설정된 변화율 이상인 경우에는 드레인 밸브(40)를 통하여 수소공급라인(20)의 수소를 포함한 기체가 배출되는 것으로 유추할 수 있다.
즉, 워터트랩(30)의 응축수가 배출이 완료되고 수소공급라인(20)의 수소를 포함한 기체가 외부로 배출되는 상황에는 드레인 밸브(40)를 폐쇄하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 외부로 배출되는 수소를 최소화하여 연비가 향상되는 효과 및 수소를 배출함에 따른 위험성이 감소되는 효과를 갖는다.
드레인 밸브(40)를 폐쇄하도록 제어하는 경우, 상기 전류적산값을 0으로 리셋시키고 전류의 적산을 새롭게 시작할 수 있다. 또한, 압력센서(50)의 센싱값을 기반으로 압력 제어 밸브(100)를 통한 수소공급라인(20)의 압력 제어를 다시 수행할 수 있다.
기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입하지 않은 경우, 기설정된 개방시간 동안 드레인 밸브(40)를 개방하고 폐쇄하도록 제어하는 단계(S500);를 더 포함할 수 있다. 기설정된 개방시간은 실험에 의해 기설정된 적산값에 따른 워터트랩(30)에 저장되는 응축수의 저장속도에 따라 설정될 수 있다.
여기서도 드레인 밸브(40)를 폐쇄할 때, 전류적산값을 0으로 리셋하도록 제어할 수 있다. 전류 적산을 0부터 다시 시작하여 전류적산값이 기설정된 적산값 이상이 되면 다시 드레인 밸브(40)를 개방하도록 제어하기 위함이다.
기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입하지 않은 경우에는 압력센서(50)에서 측정한 수소공급라인(20)의 압력의 변화율을 신뢰하기 어렵기 때문에, 정확하게 응축수 배출을 제어할 수는 없지만 어느 정도 응축수가 저장된 것으로 판단하면 응축수를 배출하도록 제어하는 것이다.
이에 따라, FC Stop 모드로 진입하지 않더라도 워터트랩(30)에 계속해서 응축수가 저장되어 플러딩이 발생하는 현상이 발생하지 않도록 주기적인 응축수 배출을 제어하는 효과를 갖는다.
도 3은 종래 기술에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어를 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 종래 기술에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어에 따르면 전류적산값이 기설정된 값이 되면 드레인 밸브를 개방하여 응축수를 배출하도록 제어하였다.
그러나 이러한 제어에 따르면, 그래프의 좌측에서 도시한 것과 같이 응축수 배출이 완료된 상태에도 계속해서 드레인 밸브를 개방하도록 유지하여 수소공급라인의 수소가 계속해서 배출되는 문제가 있었다.
또한, 그래프의 우측에서 도시한 것과 같이 응축수의 배출이 완료되지 않은 경우에 드레인 밸브가 폐쇄되어 응축수 배출이 완전히 이루어지지 않는 문제가 있었다.
즉, 종래 기술에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어는 드레인 밸브의 개방시간이 일정하게 설정되어 응축수 배출이 완료되었는지를 전혀 감지할 수 없는 문제가 있었다.
다만, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어는 전류적산값이 기설정된 값이 되고, FC Stop 모드에 진입하면 드레인 밸브를 개방하도록 제어한다.
특히, 압력센서에서 측정한 수소공급라인의 압력(수소공급압력)의 변화율을 기반으로 드레인 밸브의 폐쇄하도록 제어한다. 즉, 수소공급라인의 압력이 급격하게 하강한 경우 응축수의 배출이 완료된 것으로 판단하여 드레인 밸브를 폐쇄한다.
이에 따라, 드레인 밸브가 워터트랩의 응축수 배출을 완료한 시점을 감지하여 응축수 배출의 완료 직후 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
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 : 수소공급라인
30 : 워터트랩 40 : 드레인 밸브
50 : 압력센서 60 : 제어기
70 : 수위센서 80 : 퍼지 밸브
90 : 수소 공급 밸브 100 : 압력 제어 밸브

Claims (12)

  1. 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택;
    수소 탱크에서 공급된 수소를 연료전지 스택에 공급하고, 연료전지 스택에서 배출된 수소를 재순환시켜 다시 연료전지 스택에 공급하는 수소공급라인;
    수소공급라인에 마련되어 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터트랩;
    워터트랩에 연결된 배출구에 마련되어 워터트랩에 저장된 응축수를 배출하는 드레인 밸브;
    수소공급라인의 압력을 측정하는 압력센서; 및
    압력센서에서 측정한 수소공급라인의 압력을 기반으로 드레인 밸브의 개폐를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    워터트랩에 마련되어 워터트랩에 저장된 응축수를 감지하는 수위센서;를 더 포함하고,
    제어기는 수위센서의 고장 여부를 판단하고, 수위센서가 고장난 것으로 판단한 경우에 압력센서에서 측정한 수소공급라인의 압력을 기반으로 드레인 밸브의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 연료전지 스택의 발전 전류를 적분한 전류적산값이 기설정된 적산값 이상인 시점부터 기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입한 경우, 수소공급라인과 수소 탱크 사이에 위치된 압력 제어 밸브 및 수소공급라인의 수소를 외부로 배출하는 퍼지 밸브를 모두 폐쇄하고 드레인 밸브만을 개방한 후, 수소공급라인의 압력의 변화율이 기설정된 변화율 이상이면 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 연료전지 스택의 발전 전류를 적분한 전류적산값이 기설정된 적산값 이상인 시점부터 기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입하지 않은 경우, 기설정된 시간동안 드레인 밸브를 개방하고 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템.
  5. 워터트랩에 저장된 응축수를 감지하는 수위센서의 고장 여부를 판단하는 단계;
    수위센서가 고장난 것으로 판단되면, 수소공급라인에 마련된 압력센서에서 측정한 수소공급라인의 압력의 변화율을 산출하는 단계; 및
    산출한 수소공급라인의 압력의 변화율을 기반으로 워터트랩에 저장된 응축수를 배출하는 드레인 밸브의 개폐를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    수위센서의 고장 여부를 판단하는 단계에서는, 수위센서의 센싱값이 정상 범위를 벗어난 경우 수위센서가 고장난 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    수위센서의 고장 여부를 판단하는 단계에서는, 드레인 밸브의 개방 또는 폐쇄 제어에도 불구하고 수위센서의 센싱값이 고정된 경우 수위센서가 고장난 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    수소공급라인의 압력의 변화율을 산출하는 단계 이전에, 연료전지 스택의 발전 전류를 적분한 전류적산값이 기설정된 적산값 이상인지 판단하는 단계; 및
    적류적산값이 기설정된 적산값 이상인 경우, 기설정된 시간 이내에 FC Stop 모드로 진입 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    FC Stop 모드로 진입한 경우, 수소공급라인의 압력의 변화율을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    FC Stop 모드로 진입하지 않은 경우, 기설정된 개방시간 동안 드레인 밸브를 개방하고 폐쇄하도록 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    수소공급라인의 압력의 변화율을 산출하는 단계 이전에, 수소공급라인과 수소 탱크 사이에 위치된 압력 제어 밸브 및 수소공급라인의 수소를 외부로 배출하는 퍼지 밸브를 모두 폐쇄하고 드레인 밸브만을 개방하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    드레인 밸브의 개폐를 제어하는 단계에서는, 산출한 수소공급라인의 압력의 변화율 크기가 기설정된 변화율 미만인 경우, 드레인 밸브의 개방을 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    드레인 밸브의 개폐를 제어하는 단계에서는, 산출한 수소공급라인의 압력의 변화율 크기가 기설정된 변화율 이상인 경우, 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
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