KR100794023B1

KR100794023B1 - 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기제어 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR100794023B1
Application number: KR1020060101014A
Authority: KR
Inventors: 최영민; 박선순
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-01-10

Abstract

본 발명은 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 시스템은 연료전지의 발전모듈로 공기와 수소의 전기 화학적 반응으로 전기를 생성하고, 공기에 포함된 질소 및 미반응된 수소를 포함하는 혼합가스를 배출하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 출구로 배출된 상기 혼합가스에 압력을 상승시켜 상기 연료전지 스택 입구로 다시 재순환시키는 수소블로워; 운전속도에 따른 상기 수소블로워의 운전상태를 모니터링함과 아울러 제어하는 블로워제어기; 상기 혼합가스의 배출을 위한 개폐동작을 수행하는 배기밸브; 상기 혼합가스의 각 가스 농도비율에 따른 센싱 전류를 검출하는 광센서부; 및 상기 블로워제어기로 상기 수소블로워의 운전을 제어하며, 상기 광센서부에서 검출한 상기 센싱 전류에 따라 상기 배기밸브의 개폐동작 및 시간을 제어하는 연료전지시스템제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

수소블로워, 연료전지시스템, 수소 재순환 시스템, 연료전지스택

Description

수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법 및 시스템{EMISSION CONTROL METHOD OF AND SYSTEM TEREOF IN A FUEL CELL SYSTEM USING GAS RECIRCULATION DEVICE}

도 1은 종래기술에 따른 수소 재순환 시스템구성의 개요도.

도 2는 도 1의 수소 재순환 시스템의 배기가스 배출밸브 개폐 타이밍도.

도 3은 본 발명을 설명하기 위해 수소 재순환 시스템의 주요장치를 확대한 요부구성도.

도 4는 본 발명의 광센서부 구성을 보다 상세히 나타낸 도면.

도 5는 광센서의 센싱 전류와 질소농도에 따른 상관관계를 나타낸 그래프.

도 6은 광센서의 센싱 전류에 따른 배기밸브의 개폐동작을 도시한 타이밍도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법을 나타낸 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지스택 10a : 공기극

10b : 연료극 20 : 광센서부

30 : 수소블로워 50 : 블로워제어기

70 : 연료전지시스템 제어기 90 : 솔레노이드 벤트밸브

본 발명은 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 혼합가스의 배출을 보다 효과적으로 조절하여 최적조건의 질소/수소 농도로 유지하여 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.

최근들어 화석연료의 고갈로 인한 에너지 수급문제와 친환경 에너지 개발에 대한 관심이 고조되고 있다. 기존의 석유,천연가스 등의 화석연료를 원료로 가는 차의 동력시스템을 대체할만한 것으로 연료전지시스템이 등장했다. 연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지로 정의되며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연료(수소)와 산소의 화학반응에 의하여 생성되는 전기를 이용함으로써 동력장치의 모터를 구동시킨다. 상기한 연료전지를 이용하는 종래의 연료전지시스템은 수소와 산소의 화학반응 시 발생하는 배기가스를 방출하기 위한 수소 재순환 시스템을 구비한다.

도 1은 종래기술에 따른 수소 재순환 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 연료전지시스템의 수소 재순환 시스템의 초기구동시에는 질소가스가 포함되어 있지 않으나 연료전지시스템의 운전에 따라 공기극(10a)으로부터 질소가스가 연료극(10b)쪽으로 확산되어 연료(10b)의 질소농도가 서서히 증가하게 된다. 과도한 질소의 농도는 연료전지 스택(10)의 효율을 떨어뜨리기 때문에 적절한 혼합 가스의 배기가 필요하다. 이를 위해서 솔레노이드 벤트 벨브(90)를 일정시간동안 개방하는 방식으로 수소 재순환 시스템의 질소농도를 조절한다. 즉 도 2에 도시된 바와 같이 운전조건 또는 시스템 상황에 관계없이 일정시간(T2)동안 배기한다.

하지만 이러한 방법은 연료전지 스택의 종류, 연료전지시스템의 운전모드, 주위 환경에 따른 수소 재순환 시스템 내의 혼합가스의 상태를 고려하지 않은 오픈 루프 컨트롤(Open Loop Control)이기 때문에 전체 시스템 효율을 떨어뜨리며, 배기시 상기 솔레노이드 벤트벨브(90)의 개패시점 및 시간을 결정하기 위한 많은 시험과 경험이 필요하여 실제 환경에서 적용하기에는 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연료전지시스템의 수소 재순환 시스템의 최적화를 위해 재순환 재순환되는 수소 및 질소의 양을 모니터링하여 혼합가스의 조성을 추정하고, 그에 따른 벤트 밸브의 개폐를 최적 제어할 수 있는 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법은, 연료전지스택으로부터 발생되는 혼합가스를 광센싱하여 센싱전류를 검출하는 단계; 상기 센싱전류가 기설정된 상한값 이상 및 하한값 이하인지 확인하는 단계; 및 상기 확인 결과에 따라 배기 밸브를 개폐하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 배기 밸브를 개폐하는 단계는 상기 센싱전류가 상기 상한값 이상인 경우, 상기 배기 밸브를 개방하는 단계 또는, 상기 센싱전류가 상기 하한값 이하인 경우, 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 센싱전류는 상기 혼합가스내에 질소의 비율이 증가할수록 증가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 시스템은 연료전지의 발전모듈로 공기와 수소의 전기 화학적 반응으로 전기를 생성하고, 공기에 포함된 질소 및 미반응된 수소를 포함하는 혼합가스를 배출하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 출구로 배출된 상기 혼합가스에 압력을 상승시켜 상기 연료전지 스택 입구로 다시 재순환시키는 수소블로워; 운전속도에 따른 상기 수소블로워의 운전상태를 모니터링함과 아울러 제어하는 블로워제어기; 상기 혼합가스의 배출을 위한 개폐동작을 수행하는 배기밸브; 상기 혼합가스의 각 가스 농도비율에 따른 센싱 전류를 검출하는 광센서부; 및 상기 블로워제어기로 상기 수 소블로워의 운전을 제어하며, 상기 광센서부에서 검출한 상기 센싱 전류에 따라 상기 배기밸브의 개폐동작 및 시간을 제어하는 연료전지시스템제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 광센서부는 상기 혼합가스 일정량을 센싱 시간 동안 저장하는 챔버; 상기 챔버 일측에 형성되어 광을 발생하는 광원; 및 상기 광원으로부터 발생되는 광을 수광하고, 수광된 광량에 따른 상기 센싱 전류를 측정하여 상기 연료전지시스템제어기에 전송하는 광센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 갖기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명을 설명하기 위한 수소 재순환 시스템의 주요장치를 확대한 요부구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수소 재순환 시스템은 연료전지 스택(10)의 발전효율을 높이기 위해 미반응한 수소를 재순환시키고 시스템의 안정 을 향상시키는 시스템으로서, 크게 수소블로워(30)와 블로워제어기(50), 연료전지시스템제어기(70), 연료전지 스택(10), 배기밸브(90), 광센서부(20) 등을 포함하여 구성된다.

수소블로워(Hydrogen Blower:30)는 스택출구(200)로 배출된 혼합가스에 압력을 상승시켜 혼합가스가 배기밸브(90)로 나가지 않고 연료전지 스택 입구(100)로 다시 재순환시키는 역할을 수행한다. 스택입구(100)로 보내진 혼합가스는 수소가스와 섞여 다시 스택입구(100)로 들어가게 된다. 이를 위해 수소블로워(30)는 임펠러, 모터, 블로워하우징, 모터제어기 등을 포함할 수 있다.

블로워제어기(50)는 모터제어기로 상위제어기 인 연료전지시스템제어기(70)와 통신하여 전체시스템의 명령 예를 들면, 운전속도 등을 받고 모터의 운전상태 예를 들면, 운전속도, 소모전력, 전류, 토크 등을 모니터링함과 아울러 제어한다.

연료전지시스템제어기(70)는 블로워제어기(50)로 수소블로워(30)의 운전을 제어하며, 상기 광센서부(20)에서 검출한 혼합가스의 농도에 따른 특성 예를 들면, 전류량 등의 변동을 모니터링한 값을 전달받아 혼합가스 배출을 위한 배기밸브(90)의 개폐동작 및 시간을 제어함과 아울러 수소 재순환 시스템 각 장치의 전반적인 동작제어를 수행한다.

연료전지 스택(10)은 연료전지의 발전모듈로 공기와 수소의 전기 화학적 반응으로 전기를 생성하고, 공기에 포함된 질소 및 미반응된 수소 등을 배출한다. 이를 위해 공기극(Cathod Electrode)(10a), 연료극(Anode Electrode)(10b), 막전극 복합체(Membrane Electrode Assembly:MEA), 냉각유로 등의 구성요소를 갖는다. 여 기서, 재 순환 시스템의 혼합가스(Mixed Gas)는 미반응 수소, 공기극(10a)에서 확산된 질소, 증기상태의 수분, 시스템 내의 침식에 의해 발생한 불순물 등이 여러가지가 있으나 이중 비중 및 분자량이 가장 높은 질소의 농도에 따라 연료전지 스택의 발전효율이 민감하게 반응하기 때문에 질소를 위주로 혼합가스 배기를 설명하기로 한다.

배기밸브(90)는 연료전지시스템제어기(70)의 제어를 받아 혼합가스의 배출을 위한 개폐동작을 수행한다. 이러한 밸브의 사용으로는 전기적으로 원격제어가 가능한 솔레노이드 벤트 밸브가 가장 바람직하나 전기적으로 개폐동작을 제어할 수 있는 밸브라면 어떠한 것을 사용하더라도 무방하다.

광센서부(20)는 스택 출구(200)와 배기 밸브(90) 사이에 위치하여 연료전지 스택(10)으로부터 배출되는 혼합가스의 농도를 모니터링 한다. 이를 위한 광센서부(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 혼합가스 일정량을 센싱 시간 동안 저장하는 챔버(22), 챔버(22) 일측에 형성되어 광을 발생하는 광원(24), 상기 광원(24)으로부터 발생되는 광을 수광하고, 수광된 광량에 따른 전류를 측정하여 연료전지시스템제어기(70)에 전송하는 광센서(26)를 포함하여 구성된다. 여기서, 광센서(26)는 상기 혼합가스의 농도 변화에 따라 서로 다른 전류량을 측정하게 되는데, 이는 챔버(22)에 저장되는 혼합가스의 즉, 수소 및 질소의 비가 변화하게 됨에 따라 광원(24)으로부터 발생되는 광을 수납하는 부하가 변하기 때문이다. 다시 말하여, 수소의 분자량에 비하여 질소의 분자량이 14배가 더 큼으로 인하여, 질소의 양이 증가하면, 광원(24)과 광센서(26) 간의 농도가 변하게 되며, 그에 따라 전류 형 성을 위한 부하가 변하여 질소의 양이 증가할수록 더 큰 전류량을 측정하게 된다.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 시스템의 각 구성에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 상기와 같은 구성을 가지는 수소 재순환 시스템의 혼합가스 배기 동작을 설명하기로 한다.

도 5는 광센서의 센싱 전류와 질소농도에 따른 상관관계를 하한선과 상한선으로 구분하여 도시한 도면, 도 6은 상기 광센서의 센싱 전류에 따른 배기밸브의 개폐동작을 도시한 타이밍도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 배기 밸브(90)를 개방하지 않은 경우에 수소 재순환 시스템에서 혼합가스의 질소 농도는 운전시간에 따라 높아지고 수소와 질소의 분자량 차이 때문에 광센서부(20)가 검출하는 전류량도 증가한다. 따라서 이를 이용하여 수소 재순환 시스템 내의 혼합가스 중 질소농도를 추정할 수 있는 것이다. 이를 자세히 하면, 상기 광센서부(20)가 검출하는 전류량은 같은 온도 조건에서 혼합가스의 밀도에 의해 영향을 받는다. 예컨데, 수소와 질소의 분압이 각각 4 : 1에서 3 : 2로 바뀐다면 질소의 분자량이 수소의 14배이기 때문에 광센서부(20)가 검출하는 전류량은 대략 2 배정도 증가한다. 따라서, 연료전지시스템제어기(70)는 광센서부(20)가 검출하는 전류량이 질소농도의 증가와 비례하여 증가하게 되는 특성을 이용하여, 상기 광센서부(20)가 검출한 전류량이 기 설정된 상한선 값을 넘는 경우, 혼합가스내에 질소의 농도가 배기를 필요로 할만큼 높은 것으로 판단하여 배기밸브(90) 개폐동작 및 개폐시간을 조절하게 된다. 이러한 배기밸브 개폐동작 및 개폐시간 조절은 도 5에 도시된 차량의 운전이 안전운전영역(300)내에서 운전되도록 연료전지스택(10)의 전기발생효율을 조절하게 된다. 이에 따라 차량의 시스템 안정성은 최적이 될 수 있다. 즉, 배기 밸브(90)의 개폐동작 및 개폐시간은 차량의 안전운전영역(300) 내에서 조절하는 것이 바람직하다. 이를 상세히 하면, 광센서부(20)는 검출되는 전류량의 크기를 모니터링하고 있다가 전류량이 상한선을 넘어가는 시점에 연료전지시스템제어기(70)로 밸브(90)의 개방을 요구하고 연료전지시템제어기(70)는 혼합가스를 배출시키기 위해 밸브(90)를 개방한다. 이후 전류량이 하한선 밑으로 내려가는 시점에 광센서부(20)는 이를 모니터링하다가 다시 연료전지시스템제어기(70)로 밸브(90)의 폐쇄를 요구하며 이에 따라 연료전지시스템제어기(70)는 밸브(90)의 개방을 차단하여 혼합가스의 배출을 막는다. 여기서, 배기 밸브(90)이 개폐시간은 도 6에 나타낸 바와 같이, 개방 시간이 T2 시간이며, 폐쇄 시간이 T1이 되는데, 이러한 개방 시간 및 폐쇄 시간은 차량의 운전속도 등에 따라 변화하는 혼합가스의 농도 변화에 따라 다르게 설정될 수 있다. 상세히 설명하면, 차량의 운전속도 등이 증가하게 되며, 연료전지 스택(10)의 수소와 공기 반응이 높아지게 되며, 그에 따라 혼합가스의 질소 농도비가 증가하게 된다. 결과적으로, 차량의 운전속도 등의 증가는 광센서부(20)가 검출하는 전류량을 증가시키게 되며, 이에 따라, 배기 밸브(90)의 개방 시점 및 개방 시간이 길어지게 된다. 한편, 상기 상한선과 하한선은 차량의 운전에 따른 광센서부(20)의 센싱 전류와 질소의 농도 변화 등을 실험적으로 수집하고, 그에 따른 안전운전영역(300)을 정의할 수 있다. 이러한 안전운전영역(300)의 상한선과 하한선은 차량의 배기량, 차량의 기종, 차량의 성능 등에 따르게 설정될 수 있을 것이다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 센싱 전류에 따른 재순환 혼합가스 배기 제어 방법의 순서도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 혼합가스 배기 제어 방법은 연료전지시스템의 운전여부에 따라(S101), 광센서부(20)를 활성화 한다(S102).

상기 S102 단계에서 광센서부(20)는 혼합가스에 따른 전류량 변화를 검출하기 위해 챔버(22) 내에 혼합가스를 임시 저장한다. 그리고, 광센서부(20)는 광원(24)을 활성화하여 광을 발생시키고, 이를 광센서(26)에 전송하고, 광센서는 상기 광의 수광에 따른 전류량을 센싱하여 연료전지시스템제어기(70)에 전송한다.

다음으로, 연료전지시스템제어기(70)는 상기 광센서부(20)가 센싱한 전류값이 하한값 이상 및 상한값 이하인지 여부를 확인한다(S103).

상기 S103 단계에서, 연료전지시스템제어기(70)는 상기 전류값이 하한값 보다 작은 경우에는 배기 밸브(90)를 폐쇄시키며(S104), 상기 전류값이 상한값 보다 큰 경우에는 배기 밸브(90)를 개방한다(S105).

상기 S104 및 상기 S105 단계에서, 상기 하한값 및 상기 상한값은 차량의 배기량, 차량의 기종, 차량의 성능 등에 따르게 설정될 수 있으므로, 실험에 따른 데이터를 구축하여 적용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 수소 재 순환장치를 이 용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법 및 시스템은, 연료전지시스템의 수소 재순환 시스템의 최적화를 위해 광센서를 이용하여 혼합가스의 조성을 추정하여 배기 밸브의 개폐를 최적 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법 및 시스템은 시스템 튜닝 간소화를 통한 시스템 개발기간을 단축할 수 있으며, 밸브 작동시간을 최적화 함으로써 밸브 작동시 발생되는 소음을 감소시키며, 배기밸브의 내구수명을 개선할 수 있다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

연료전지스택으로부터 발생되는 혼합가스를 광센싱하여 센싱전류를 검출하는 단계;

상기 센싱전류가 기설정된 상한값 이상 및 하한값 이하인지 확인하는 단계; 및

상기 확인 결과에 따라 배기 밸브를 개폐하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법.
제 1 항에 있어서

상기 배기 밸브를 개폐하는 단계는

상기 센싱전류가 상기 상한값 이상인 경우, 상기 배기 밸브를 개방하는 단계 또는,

상기 센싱전류가 상기 하한값 이하인 경우, 상기 배기 밸브를 폐쇄하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법.
제 1 항에 있어서

상기 센싱전류는

상기 혼합가스내에 질소의 비율이 증가할수록 증가하는 것을 특징으로 하는 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 방법.
연료전지의 발전모듈로 공기와 수소의 전기 화학적 반응으로 전기를 생성하고, 공기에 포함된 질소 및 미반응된 수소를 포함하는 혼합가스를 배출하는 연료전지 스택;

상기 연료전지 스택의 출구로 배출된 상기 혼합가스에 압력을 상승시켜 상기 연료전지 스택 입구로 다시 재순환시키는 수소블로워;

운전속도에 따른 상기 수소블로워의 운전상태를 모니터링함과 아울러 제어하는 블로워제어기;

상기 혼합가스의 배출을 위한 개폐동작을 수행하는 배기밸브;

상기 혼합가스의 각 가스 농도비율에 따른 센싱 전류를 검출하는 광센서부; 및

상기 블로워제어기로 상기 수소블로워의 운전을 제어하며, 상기 광센서부에서 검출한 상기 센싱 전류에 따라 상기 배기밸브의 개폐동작 및 시간을 제어하는 연료전지시스템제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 광센서부는

상기 혼합가스 일정량을 센싱 시간 동안 저장하는 챔버;

상기 챔버 일측에 형성되어 광을 발생하는 광원; 및

상기 광원으로부터 발생되는 광을 수광하고, 수광된 광량에 따른 상기 센싱 전류를 측정하여 상기 연료전지시스템제어기에 전송하는 광센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 시스템.
제 4 항에 있어서

상기 센싱전류는

상기 혼합가스내에 질소의 비율이 증가할수록 증가하는 것을 특징으로 하는 수소 재 순환장치를 이용하는 연료 전지 시스템에서의 배기 제어 시스템.