KR20210061884A - 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 연료전지스택에 수소 공급 개시시 공기배기밸브(Air Exhaust Valve)를 개방하고 공기압축기를 구동시켜 공기배기라인에 공기를 공급하며, 상기 수소 공급 완료시 공기차단밸브(Air Cut-off Valve)를 개방함으로써, 상기 공기배기라인 내 공기를 이용하여 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도를 저감시킬 수 있는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치에 있어서, 연료전지스택 내 캐소드로부터의 수소를 공기배기라인을 통해 외부로 배출하는 공기배기밸브; 상기 공기배기라인에 외부의 공기를 공급하는 공기압축기; 상기 캐소드로 공급되는 공기를 차단하는 공기차단밸브; 및 상기 연료전지스택에 수소 공급 개시시 상기 공기배기밸브를 개방하고 상기 공기압축기를 구동시키며, 상기 수소 공급 완료시 상기 공기배기라인 내 공기에 의해 상기 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도가 저감되도록 상기 공기차단밸브를 개방하는 제어기를 포함한다.

Description

연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING CONCENTRATION OF EXHAUST HYDROGEN IN FUEL CELL SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지시스템의 공기배기라인을 통해 배출되는 수소(배기수소)의 농도를 저감시키는 기술에 관한 것이다.
연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고, 연료전지스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기공급장치, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 배출하고 연료전지스택의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리계(Thermal Management System, TMS), 및 연료전지시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
이러한 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
차량용으로 가장 주목 받는 연료전지 타입은 연료전지 중 가장 높은 전력 밀도를 갖는 이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell 혹은 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)이며, 이는 낮은 작동 온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력 변환 반응 시간을 갖는 특징이 있다.
이온 교환막 연료전지에 탑재되는 연료전지스택은 수소 이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기 화학 반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성되며, 수소와 산소가 공급될 때 연료전지 반응에 의해 전류를 생성한다.
이러한 연료전지시스템은 배기가스에 포함된 수소가스로 인한 폭발 또는 발화의 위험을 최소화하기 위해 배기가스 내 수소가스의 농도를 소정 기준치 이하로 유지시켜야 한다.
하지만, 연료전지시스템의 수소 퍼지 밸브를 통해 배출되는 수소가스와, 크로스오버(cross over) 현상으로 인해 발생한 캐소드 내 수소가스가 공기배기라인을 통해 배출될 수 있다. 이때, 크로스오버 현상은 연료전지스택 내 애노드(Anode)와 캐소드(Cathod) 사이의 기체 농도 차이로 인해 애노드의 수소가스가 캐소드로 확산되는 현상을 의미한다.
현재 전 세계적으로 적용 중인 GTR(Global Technical Regulation) 법규에 따라 연료전지시스템에서 배출되는 수소가스의 허용 농도는 최대 8% 미만이고, 3초 측정 평균이 4%를 초과하지 않아야 한다.
따라서, 수소를 연료로 사용하는 연료전지차량은 모든 운전 조건에서 항상 일정 수준 이하의 수소 농도를 가진 배기가스를 배출해야 한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
대한민국등록특허 제10-1748275호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 연료전지스택에 수소 공급 개시시 공기배기밸브(Air Exhaust Valve)를 개방하고 공기압축기를 구동시켜 공기배기라인에 공기를 공급하며, 상기 수소 공급 완료시 공기차단밸브(Air Cut-off Valve)를 개방함으로써, 상기 공기배기라인 내 공기를 이용하여 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도를 저감시킬 수 있는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치에 있어서, 연료전지스택 내 캐소드로부터의 수소를 공기배기라인을 통해 외부로 배출하는 공기배기밸브; 상기 공기배기라인에 외부의 공기를 공급하는 공기압축기; 상기 캐소드로 공급되는 공기를 차단하는 공기차단밸브; 및 상기 연료전지스택에 수소 공급 개시시 상기 공기배기밸브를 개방하고 상기 공기압축기를 구동시키며, 상기 수소 공급 완료시 상기 공기배기라인 내 공기에 의해 상기 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도가 저감되도록 상기 공기차단밸브를 개방하는 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에는, 상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도에 상응하는 상기 공기차단밸브의 개방 속도가 기록된 테이블을 저장하는 메모리를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 메모리는 수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 중 적어도 하나 이상이 더 고려된 상기 공기차단밸브의 개방 속도가 기록된 테이블을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도에 기초하여 상기 공기차단밸브의 개방 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도는 물론 수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 중 적어도 하나 이상을 더 고려하여 상기 공기차단밸브의 개방 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 연료전지시스템의 일반 시동 과정, 냉간 시동 과정, 주행중 연료전지 정지모드 해제 과정 중 어느 한 과정에서 상기 공기배기라인 내 공기를 이용하여 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 냉간 시동 과정에서 상기 공기배기라인 내 공기를 이용하여 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 경우, 상기 연료전지스택의 승온을 위해 상기 공기압축기를 최대로 동작시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 상기 연료전지스택의 성능이 정상으로 확인되면 상기 연료전지스택의 시동을 완료할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법에 있어서, 연료전지스택에 수소 공급 개시시 공기배기라인 내 공기를 외부로 배출하도록 공기배기밸브를 개방하는 단계; 상기 공기배기라인에 외부의 공기를 공급하도록 공기압축기를 구동시키는 단계; 및 상기 수소 공급 완료시, 상기 공기배기라인 내 공기에 의해 상기 연료전지스택의 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도가 저감되도록 상기 연료전지스택의 캐소드로 공급되는 공기를 차단하는 공기차단밸브를 개방하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 메모리가 상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도에 상응하는 상기 공기차단밸브의 개방 속도가 기록된 테이블을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 메모리는 수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 중 적어도 하나 이상이 더 고려된 상기 공기차단밸브의 개방 속도가 기록된 테이블을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 공기차단밸브를 개방하는 단계는, 상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도에 기초하여 상기 공기차단밸브의 개방 속도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 공기차단밸브를 개방하는 단계는, 상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도는 물론 수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 중 적어도 하나 이상을 더 고려하여 상기 공기차단밸브의 개방 속도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법은, 연료전지시스템의 일반 시동 과정, 냉간 시동 과정, 주행중 연료전지 정지모드 해제 과정 중 어느 한 과정에 있어서, 연료전지스택에 수소 공급 개시시 공기배기라인 내 공기를 외부로 배출하도록 공기배기밸브를 개방하는 단계; 상기 공기배기라인에 외부의 공기를 공급하도록 공기압축기를 구동시키는 단계; 및 상기 수소 공급 완료시, 상기 공기배기라인 내 공기에 의해 상기 연료전지스택의 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도가 저감되도록 상기 연료전지스택의 캐소드로 공급되는 공기를 차단하는 공기차단밸브를 개방하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 상기 연료전지시스템의 냉간 시동 과정인 경우, 상기 연료전지스택의 승온을 위해 상기 공기압축기를 최대로 동작시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 상기 연료전지스택의 성능이 정상으로 확인되면 상기 연료전지스택의 시동을 완료하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 배기수소 농도 제어 방법은, 연료전지스택에 수소 공급 개시시 공기배기밸브(Air Exhaust Valve)를 개방하고 공기압축기를 구동시켜 공기배기라인에 공기를 공급하며, 상기 수소 공급 완료시 공기차단밸브(Air Cut-off Valve)를 개방함으로써, 상기 공기배기라인 내 공기를 이용하여 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도를 저감시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치에 대한 구성도,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법에 대한 흐름도,
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법이 일반 시동에 적용되는 경우에 대한 시퀀스를 나타내는 도면,
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법이 냉간 시동에 적용되는 경우에 대한 시퀀스를 나타내는 도면,
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법이 주행중 연료전지 정지모드 해제시에 적용되는 경우에 대한 시퀀스를 나타내는 도면,
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치에 대한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치(10)는, 메모리(11), 공기배기밸브(Air Exhaust Valve, 12), 공기압축기(Air Compressor, 13), 공기차단밸브(Air Cut-off Valve, 14), 및 제어기(15)를 포함할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치(10)를 실시하는 방식에 따라 각 구성요소는 서로 결합되어 하나로 구현될 수도 있고, 일부의 구성요소가 생략될 수도 있다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 메모리(11)는 연료전지스택(140)에 수소 공급 개시시 공기배기밸브(12)를 개방하고 공기압축기(13)를 구동시켜 공기배기라인에 공기를 공급하며, 상기 수소 공급 완료시 공기차단밸브(14)를 개방하여 상기 공기배기라인 내 공기에 의해 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 과정에서 요구되는 각종 로직과 알고리즘 및 프로그램을 저장할 수 있다. 여기서, 공기배기라인은 캐소드의 출력단으로부터 가습기(250)와 AEV(12) 및 AES(260)를 연결하는 통로를 의미한다.
메모리(11)는 공기배기라인 내 수소의 농도를 조절하기 위한 공기차단밸브(14)의 개방 속도 모델(테이블)을 저장할 수 있다. 즉, 메모리(11)는 캐소드 내 수소의 농도에 상응하는 공기차단밸브(14)의 개방 속도(속도값)가 기록된 테이블을 저장할 수 있다. 이때, 상기 캐소드 내 수소의 농도에 상응하는 공기차단밸브(14)의 개방 속도값은 수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 등이 고려된 값이다.
메모리(11)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 마이크로 타입(micro type), 및 카드 타입(예컨대, SD 카드(Secure Digital Card) 또는 XD 카드(eXtream Digital Card)) 등의 메모리와, 램(RAM, Random Access Memory), SRAM(Static RAM), 롬(ROM, Read-Only Memory), PROM(Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable PROM), 자기 메모리(MRAM, Magnetic RAM), 자기 디스크(magnetic disk), 및 광디스크(optical disk) 타입의 메모리 중 적어도 하나의 타입의 기록 매체(storage medium)를 포함할 수 있다.
공기배기밸브(12)는 공기배기라인을 통해 캐소드로부터의 수소를 외부로 배출하는 역할을 수행한다.
공기압축기(13)는 가습기(260)에 외부의 공기(ambient air)를 공급하는 역할을 수행한다.
공기차단밸브(14)는 연료전지스택(140)의 캐소드로 공급되는 공기를 차단하는 역할을 수행한다.
제어부(15)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다. 이러한 제어부(15)는 하드웨어의 형태로 구현되거나, 또는 소프트웨어의 형태로 구현되거나, 또는 하드웨어 및 소프트웨어가 결합된 형태로 구현될 수 있다. 바람직하게는, 제어부(15)는 마이크로프로세서로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 제어기(15)는 연료전지스택(140)에 수소 공급 개시시 공기배기밸브(12)를 개방하고 공기압축기(13)를 구동시켜 공기배기라인에 공기를 공급하며, 상기 수소 공급 완료시 공기차단밸브(14)를 개방하여 상기 공기배기라인 내 공기에 의해 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 과정에서 각종 제어를 수행할 수 있다.
제어기(15)는 사용자로부터 연료전지시스템의 시동 명령을 입력받으면, 수소공급장치를 제어하여 연료전지스택(140)에 수소를 공급하고 공기배기밸브(12)를 개방(Open)하며 공기 압축기(240)를 구동시킬 수 있다. 이러한 과정을 통해 공기배기라인에 외부의 공기가 공급된다.
제어기(15)는 연료전지스택(140)에 수소의 공급이 완료되면 공기차단밸브(14)를 개방할 수 있다. 이 과정에서 연료전지스택(140)의 캐소드로부터 공기배기라인에 유입되는 수소가 공기배기라인 공기로 인해 그 농도가 저감된다.
제어기(15)는 공기배기라인 내 수소의 농도를 조절하기 위해 공기차단밸브(14)의 개방 속도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 내 수소의 농도가 높으면 공기차단밸브(14)의 개방 속도를 낮추고, 캐소드 내 수소의 농도가 낮으면 공기차단밸브(14)의 개방 속도를 높일 수 있다. 다른 예로, 메모리(11)에 저장되어 있는 캐소드 내 수소의 농도에 상응하는 공기차단밸브(14)의 개방 속도가 기록된 테이블에 기초하여 공기차단밸브(14)의 개방 속도를 조절할 수도 있다. 이때, 캐소드 내 수소의 농도를 추정하는 기술 자체는 본 발명의 요지가 아니며, 아울러 연료전지시스템에서 일반적으로 사용되고 있는 기술인 바 그 상세 설명은 생략한다.
제어기(15)는 수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 등을 더 고려하여 공기차단밸브(14)의 개방 속도를 조절할 수도 있다.
한편, 연료전지시스템의 수소공급장치는 FBV(100), FSV(110), FEJ(120), FP10(130), FPV(150), FWT(160), FL20(170), 및 FDV(180)를 포함할 수 있다.
FBV(100)는 수소차단밸브(Fuel Blok Valve)로서 연료전지스택(140)에 공급되는 수소를 차단하는 역할을 수행한다.
FSV(110)는 수소공급밸브(Fuel Supply Valve)로서 연료전지스택(140)에 공급되는 수소압력을 조절하는 역할을 수행한다.
FEJ(120)는 수소배출기(Fuel Ejector)로서 수소에 압력을 가하여 연료전지스택(140)에 공급하는 역할을 수행한다.
압력센서(130)는 연료전지스택(140)에 공급되는 수소압력을 측정하는 역할을 수행한다.
FPV(150)는 연료라인 퍼지밸브(Fuel-line Purge Valve)로서 연료전지스택(140) 내 수소극 응축수 및 불순물을 배출하는 역할을 수행한다.
FWT(160)는 워터 트랙(Fuel-line Water Trap)으로서 워터를 저장하는 역할을 수행한다.
FL20(170)은 수위 측정 센서(Fuel-line Level sensor)로서 FWT(160)에 저장된 워터의 레벨을 측정하는 역할을 수행한다.
FDV(180)는 워터 배출 밸브(Fuel-line Drain Valve)로서 FWT(160)에 저장된 워터를 배출하는 역할을 수행한다.
또한, 연료전지시스템의 공기공급장치는 AIF(210), AF10(220), AIS(230), 에어쿨러(240), 가습기(250), 및 AES(260)를 포함할 수 있다.
AIF(210)는 흡기 필터(Air Intake Filter)로서 외기(ambient air)에 포함된 이물질(먼지 등)을 걸러낸다.
AF10(220)은 공기의 유량을 측정하는 센서(Air Flow Sensor)이다.
AIS(230)는 흡기의 소음을 제거하는 일종의 소음기(Air Intake Silencer)이다.
에어쿨러(240)는 가습기(260)에 공급되는 공기를 냉각시키는 역할을 수행한다.
가습기(250)는 공기의 습도를 조절하는 역할을 수행한다.
AES(260)는 공기배기라인을 통해 배기가스가 배출될 때 발생하는 소음을 제거하기 위한 일종의 소음기(Air Exhaust Silencer)이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법에 대한 흐름도이다.
먼저, 제어기(15)는 사용자로부터 연료전지의 시동 명령을 입력받는다(201).
이후, 제어기(15)는 수소공급장치를 제어하여 연료전지스택(140)에 수소를 공급하고 아울러 공기배기밸브(12)를 개방(Open)하며 공기 압축기(240)를 구동시킨다(202). 이러한 과정을 통해 공기배기라인에 외부의 공기가 공급된다(ACV 바이패스 공기공급단계).
이후, 제어기(15)는 연료전지스택(140)에 수소의 공급이 완료되면(203), 공기차단밸브(14)를 개방한다(204). 이러한 과정에서 연료전지스택(140)의 캐소드로부터 공기배기라인에 유입되는 수소가 공기배기라인 내 공기로 인해 그 농도가 저감된 상태에서 외부로 배출된다(크로스 오버 수소 배기단계).
이때, 제어기(15)는 공기배기라인 내 수소의 농도를 조절하기 위해 공기차단밸브(14)의 개방속도를 조절할 수 있다. 즉, 제어기(15)는 캐소드 내 수소의 농도에 상응하는 공기차단밸브(14)의 개방 속도가 기록된 테이블에 기초하여 공기차단밸브(14)의 개방 속도를 조절할 수 있다.
일반적으로, 연료전지시스템에서는 공기차단밸브(14)가 개방되면 연료전지의 안정적 성능 확보를 위해 수소 퍼지 로직이 수행되므로, 공기배기라인에 수소 농도가 높아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 이러한 상황까지 고려하여 공기차단밸브(14)의 개방 속도가 기록된 테이블을 생성할 수 있다. 즉, 캐소드 내 수소의 농도에 상응하는 공기차단밸브(14)의 개방 속도가 기록된 테이블은, 수소 퍼지 로직의 수행에 따른 공기배기라인 내 수소 농도가 고려된 공기차단밸브(14)의 개방 속도를 더 저장할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법은, 연료전지차량의 일반 시동은 물론 냉간 시동에도 적용될 수 있으며, 연료전지차량의 주행중 연료전지 정지모드를 해제하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 일반 시동, 냉간 시동, 주행중 연료전지 정지모드 해제시 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 과정에 대한 시퀀스에 대해 살펴보기로 한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법이 일반 시동에 적용되는 경우에 대한 시퀀스를 나타내는 도면이다.
먼저, ACV 바이패스 공기공급단계로서, 연료전지스택(140)에 수소가 공급되고, 아울러 공기배기밸브(12)가 개방(Open)되며(미도시), 공기 압축기(240)가 구동된다.
이후, 크로스 오버 수소 배기단계로서, 공기차단밸브(14)가 개방된다(310). 이때, 공기차단밸브(14)의 개방 속도는 캐소드 내 수소 농도 뿐만 아니라 수소 퍼지 횟수가 반영된다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법이 냉간 시동에 적용되는 경우에 대한 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 냉간 시동은 전반적으로 일반 시동과 유사하다.
먼저, ACV 바이패스 공기공급단계로서, 연료전지스택(140)에 수소가 공급되고, 아울러 공기배기밸브(12)가 개방(Open)되며(미도시), 공기 압축기(240)가 구동된다.
이후, 크로스 오버 수소 배기단계로서, 공기차단밸브(14)가 개방된다(310). 이때, 공기차단밸브(14)의 개방 속도는 캐소드 내 수소 농도 뿐만 아니라 수소 퍼지 횟수가 반영된다.
이후, 공기차단밸브(14)가 개방되면 냉시동 모드로 진입한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법이 주행중 연료전지 정지모드 해제시에 적용되는 경우에 대한 시퀀스를 나타내는 도면이다.
일반적으로, 연료전지차량은 주행중에 연료전지로부터의 에너지가 불필요한 경우, 연료전지를 정지시키는 FC Stop 모드로 동작한다.
이후, 연료전지차량은 연료전지로부터 에너지가 필요하게 되면 FC Stop 해제 모드로 동작하게 되는데, 이때 일반 시동과 동일한 시퀀스를 갖을 수 있다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법은 컴퓨팅 시스템을 통해서도 구현될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1000)은 시스템 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, SSD(Solid State Drive), 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
11: 메모리
12: AEV
13: 공기압축기
14: ACV
15: 제어기

Claims (16)

  1. 연료전지스택 내 캐소드로부터의 수소를 공기배기라인을 통해 외부로 배출하는 공기배기밸브;
    상기 공기배기라인에 외부의 공기를 공급하는 공기압축기;
    상기 캐소드로 공급되는 공기를 차단하는 공기차단밸브; 및
    상기 연료전지스택에 수소 공급 개시시 상기 공기배기밸브를 개방하고 상기 공기압축기를 구동시키며, 상기 수소 공급 완료시 상기 공기배기라인 내 공기에 의해 상기 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도가 저감되도록 상기 공기차단밸브를 개방하는 제어기
    를 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도에 상응하는 상기 공기차단밸브의 개방 속도가 기록된 테이블을 저장하는 메모리
    를 더 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 메모리는,
    수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 중 적어도 하나 이상이 더 고려된 상기 공기차단밸브의 개방 속도가 기록된 테이블
    을 더 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도에 기초하여 상기 공기차단밸브의 개방 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도는 물론 수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 중 적어도 하나 이상을 더 고려하여 상기 공기차단밸브의 개방 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지시스템의 일반 시동 과정, 냉간 시동 과정, 주행중 연료전지 정지모드 해제 과정 중 어느 한 과정에서 상기 공기배기라인 내 공기를 이용하여 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 냉간 시동 과정에서 상기 공기배기라인 내 공기를 이용하여 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 경우, 상기 연료전지스택의 승온을 위해 상기 공기압축기를 최대로 동작시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지스택의 성능이 정상으로 확인되면 상기 연료전지스택의 시동을 완료하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 장치.
  9. 연료전지스택에 수소 공급 개시시 공기배기라인 내 공기를 외부로 배출하도록 공기배기밸브를 개방하는 단계;
    상기 공기배기라인에 외부의 공기를 공급하도록 공기압축기를 구동시키는 단계; 및
    상기 수소 공급 완료시, 상기 공기배기라인 내 공기에 의해 상기 연료전지스택의 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도가 저감되도록 상기 연료전지스택의 캐소드로 공급되는 공기를 차단하는 공기차단밸브를 개방하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    메모리가 상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도에 상응하는 상기 공기차단밸브의 개방 속도가 기록된 테이블을 저장하는 단계
    를 더 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 메모리는,
    수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 중 적어도 하나 이상이 더 고려된 상기 공기차단밸브의 개방 속도가 기록된 테이블
    을 더 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 공기차단밸브를 개방하는 단계는,
    상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도에 기초하여 상기 공기차단밸브의 개방 속도를 조절하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 공기차단밸브를 개방하는 단계는,
    상기 연료전지스택의 캐소드 내 수소의 농도는 물론 수소 퍼지량, 수소 퍼지 횟수 중 적어도 하나 이상을 더 고려하여 상기 공기차단밸브의 개방 속도를 조절하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법.
  14. 연료전지시스템의 일반 시동 과정, 냉간 시동 과정, 주행중 연료전지 정지모드 해제 과정 중 어느 한 과정에 있어서,
    연료전지스택에 수소 공급 개시시 공기배기라인 내 공기를 외부로 배출하도록 공기배기밸브를 개방하는 단계;
    상기 공기배기라인에 외부의 공기를 공급하도록 공기압축기를 구동시키는 단계; 및
    상기 수소 공급 완료시, 상기 공기배기라인 내 공기에 의해 상기 연료전지스택의 캐소드로부터 배출되는 수소의 농도가 저감되도록 상기 연료전지스택의 캐소드로 공급되는 공기를 차단하는 공기차단밸브를 개방하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연료전지시스템의 냉간 시동 과정인 경우, 상기 연료전지스택의 승온을 위해 상기 공기압축기를 최대로 동작시키는 단계
    를 더 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 연료전지스택의 성능이 정상으로 확인되면 상기 연료전지스택의 시동을 완료하는 단계
    를 더 포함하는 연료전지시스템의 배기수소 농도 제어 방법.
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