KR100911591B1 - Heat and air control method of fuel-cell system at high power load - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법에 관한 것으로, 공기 블로워로 유입되는 공기 유량을 측정하는 공기 유량 센서와, 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 입구 온도 센서와, 상기 연료전지 스택으로부터 유출되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 출구 온도 센서와, 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구 및 출구의 온도를 제어하기 위한 냉각수 펌프와, 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구로 유입되는 냉각수의 온도를 제어하기 위한 라디에이터 팬과, 연료전지 시스템의 전체의 출력을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(PCU)이 구비된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 파워 컨트롤 유닛은, 정상 시동 후 기준 전류 이하로 정상 운전 및 라디에이터 팬의 기본 RPM 운전 상태에서는 상기 연료전지 스택의 입구 온도를 60도 대역으로 제어하고, 상기 연료전지 스택의 전류가 기준 전류보다 높아지면 상기 연료전지 스택의 입구 온도는 50도 대역으로 제어하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for controlling heat and air at high output load of a fuel cell system. The present invention relates to an air flow rate sensor for measuring an air flow rate flowing into an air blower, and a coolant inlet temperature sensor for measuring a temperature of cooling water flowing into a fuel cell stack. And a cooling water outlet temperature sensor for measuring a temperature of the cooling water flowing out of the fuel cell stack, a cooling water pump for controlling the temperature of the cooling water inlet and the outlet of the fuel cell stack, and a cooling water inlet of the fuel cell stack. In a fuel cell system having a radiator fan for controlling the temperature of cooling water and a power control unit (PCU) for controlling the output of the entire fuel cell system, the power control unit is normally below the reference current after normal startup. Inlet of the fuel cell stack in operation and basic RPM operation of the radiator fan The temperature is controlled in a 60 degree band, and when the current of the fuel cell stack becomes higher than the reference current, the inlet temperature of the fuel cell stack is controlled in a 50 degree band.

연료전지 시스템, 연료전지 스택, 냉각수 펌프, 라디에이터 팬, 냉각수 온도, 공기 블로워, 공기 유량 Fuel Cell System, Fuel Cell Stack, Coolant Pump, Radiator Fan, Coolant Temperature, Air Blower, Air Flow

Description

연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법{Heat and air control method of fuel-cell system at high power load}Heat and air control method of fuel-cell system at high power load

본 발명은 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고출력 구간에서 상대적인 저온 운전을 통해 공기 유량을 확보하고 스택 열화 방지 및 공기 블로워의 소모 출력을 저감할 수 있는 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling heat and air at high power load of a fuel cell system. More particularly, the present invention relates to a method of controlling heat and air at high power in a high power section, thereby securing air flow rate, preventing stack degradation, and reducing power consumption of an air blower. A method of controlling heat and air at high power load of a fuel cell system.

일반적으로 연료전지는 수소와 산소의 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키는 장치로, 연료전지 반응부의 산소 결핍 현상을 막기 위해 공기 블로워에 의해 반응에 필요한 공기량의 2배에 해당하는 공기량을 불어 넣도록 제어하게 된다.In general, a fuel cell is a device that generates electricity by chemical reaction between hydrogen and oxygen. To prevent oxygen deficiency of the fuel cell reaction part, the fuel cell is controlled to blow twice the amount of air required for the reaction by an air blower. Done.

그러나 고출력 운전시 연료전지의 운전 온도가 상승함에 따라, 동일 질량의 공기 유량이라 하더라도 부피가 증가하여 압력 상승을 유발하게 된다. 이로 인해 블로워 후단의 배압 조건에 따라 블로워가 최대 RPM으로 회전하여도 원하는 공기 유량을 확보하기 어려운 상황이 발생하여 가용 출력이 제한을 받게 된다.However, as the operating temperature of the fuel cell increases during the high power operation, even if the air flow of the same mass, the volume increases to cause a pressure increase. As a result, even if the blower rotates at the maximum RPM depending on the back pressure condition at the rear of the blower, a situation arises that it is difficult to obtain a desired air flow rate, thereby limiting the available output power.

종래에는 연료전지 차량의 공기 공급에 대한 제어를 공기 유량에만 의존하였으며, 이는 필요한 전류에 대해 정해진 공기 유량과, 유량 센서를 통해 들어온 현 재 유량을 비교하여 차이를 보정해주는 유량 피드백 제어 방식을 적용하였다.Conventionally, the control of the air supply of a fuel cell vehicle is dependent only on the air flow rate, which is a flow feedback control method that compensates for the difference by comparing the air flow rate for the required current with the current flow rate through the flow sensor. .

이러한 방식으로 저출력 및 중출력 구간에서의 유량 제어는 문제가 없어 원하는 유량만큼의 공기를 공급할 수 있으나, 고출력 구간에서 연료전지의 운전 온도가 상승할 때에는 연료전지 스택 내부 공기의 부피 증가로 인해 스택 공기 출구의 압력 상승을 유발하게 된다.In this way, the flow rate control in the low and medium power sections is no problem and can supply air as desired. However, when the operating temperature of the fuel cell increases in the high power section, the stack air is increased due to the increase in the volume of the air inside the fuel cell stack. This will cause an increase in pressure at the outlet.

이러한 압력 상승은 동일 유량의 공기를 공급하기 위해 블로워가 더 많은 RPM으로 동작한다는 것을 의미하며, 고전류, 고온 영역에서는 최대 RPM으로 동작하여도 스택이 필요로하는 유량을 확보하지 못하게 되므로 연료전지 출력 저하의 한 원인이 된다.This increase in pressure means that the blower operates at more RPM to supply air at the same flow rate, and even at full RPM in high current and high temperature ranges, the stack does not have the required flow rate, thus reducing fuel cell output. Is one cause.

본 발명의 목적은 고출력 구간에서 상대적인 저온 운전을 통해 공기 유량을 확보하고 스택 열화 방지 및 공기 블로워의 소모 출력을 저감할 수 있는 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a heat and air control method under high power load of a fuel cell system capable of securing air flow rate through a relatively low temperature operation in a high power section, preventing stack degradation, and reducing power consumption of an air blower.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 공기 블로워로 유입되는 공기 유량을 측정하는 공기 유량 센서와, 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 입구 온도 센서와, 상기 연료전지 스택으로부터 유출되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 출구 온도 센서와, 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구 및 출구의 온도를 제어하기 위한 냉각수 펌프와, 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구로 유입되는 냉각수의 온도를 제어하기 위한 라디에이터 팬과, 연료전지 시스템의 전체의 출력을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(PCU)이 구비된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 파워 컨트롤 유닛은, 정상 시동 후 기준 전류 이하로 정상 운전 및 라디에이터 팬의 기본 RPM 운전 상태에서는 상기 연료전지 스택의 입구 온도를 60도 대역으로 제어하고, 상기 연료전지 스택의 전류가 기준 전류보다 높아지면 상기 연료전지 스택의 입구 온도는 50도 대역으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an air flow rate sensor for measuring the air flow rate flowing into the air blower, a coolant inlet temperature sensor for measuring the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack, and an outlet from the fuel cell stack. Cooling water outlet temperature sensor for measuring the temperature of the cooling water to be cooled, a cooling water pump for controlling the temperature of the cooling water inlet and outlet of the fuel cell stack, and a radiator for controlling the temperature of the cooling water flowing into the cooling water inlet of the fuel cell stack In a fuel cell system equipped with a fan and a power control unit (PCU) for controlling the output of the entire fuel cell system, the power control unit operates normally and below a reference current after normal start-up, and a basic RPM operation of the radiator fan. In the state, the inlet temperature of the fuel cell stack is controlled to a 60 degree band, and When the current of the fuel cell stack is higher than the reference current, the inlet temperature of the fuel cell stack provides a heat and air control method under high power load of the fuel cell system, characterized in that the control of 50 degrees band.

상기 파워 컨트롤 유닛은, 상기 연료전지 스택의 전류가 기준 전류보다 높은지 판단하는 단계; 상기 공기 블로워의 전류 제한값이 상기 파워 컨트롤 유닛에서 요구하는 전류 요구량보다 작은지 판단하는 단계; 상기 공기 블로워의 전류 제한값이 상기 파워 컨트롤 유닛에서 요구하는 전류 요구량보다 작으면 상기 라디에이터 팬의 회전수를 증가시키는 단계; 상기 연료전지 스택에 유입되는 냉각수의 온도가 50도 보다 큰지 판단하는 단계; 및 상기 연료전지 스택에 유입되는 냉각수의 온도가 50도 보다 크면 상기 공기 블로워의 전류 제한값이 상기 파워 컨트롤 유닛에서 요구하는 전류 요구량보다 작은지 판단하는 단계로 되돌아가고, 상기 연료전지 스택에 유입되는 냉각수의 온도가 50도 보다 작으면 상기 라디에이터 팬의 회전수를 감소시키는 단계에 따라 상기 연료전지 스택의 입구 온도를 50도 대로 제어하는 것을 특징으로 한다.Determining, by the power control unit, whether a current of the fuel cell stack is higher than a reference current; Determining whether a current limit value of the air blower is smaller than a current demand amount required by the power control unit; Increasing the number of revolutions of the radiator fan if the current limit value of the air blower is less than the current demand required by the power control unit; Determining whether a temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack is greater than 50 degrees; And when the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack is greater than 50 degrees, returns to the step of determining whether the current limit value of the air blower is smaller than the current required by the power control unit, and the coolant flowed into the fuel cell stack. When the temperature is less than 50 degrees, the inlet temperature of the fuel cell stack is controlled at 50 degrees according to the step of reducing the number of revolutions of the radiator fan.

상기 파워 컨트롤 유닛은, 상기 냉각수 펌프를 기본 RPM으로 운전하는 단계; 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도 차이가 10℃ 이상인지 판단하는 단계; 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도 차이가 10℃ 이상 벌어졌으면 상기 냉각수 펌프의 RPM을 증가시키는 단계; 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도 차이가 7℃ 이하인지 판단하는 단계; 및 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도 차이가 7℃ 이하이면 상기 냉각수 펌프의 RPM을 감소시키는 단계에 따라 냉각수의 온도를 제어함으로써 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.The power control unit may include driving the coolant pump at a basic RPM; Determining whether a temperature difference between a cooling water inlet and an outlet of the fuel cell stack is 10 ° C. or more; Increasing the RPM of the coolant pump when a temperature difference between the coolant inlet and the outlet of the fuel cell stack is greater than 10 ° C .; Determining whether a temperature difference between a cooling water inlet and an outlet of the fuel cell stack is 7 ° C. or less; And controlling the temperature of the coolant according to the step of reducing the RPM of the coolant pump when the temperature difference between the coolant inlet and the outlet of the fuel cell stack is 7 ° C. or less.

상기 연료전지 스택의 입구 온도를 50도 대역으로 제어하기 위한 기준 전류는 상기 연료전지 스택의 출력 70kW를 낼 수 있는 전류인 것을 특징으로 한다.The reference current for controlling the inlet temperature of the fuel cell stack to a 50 degree band is characterized in that the current capable of outputting 70 kW of the fuel cell stack.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법은 고출력 구간에서 상대적인 저온 운전을 통해 공기 유량을 확보하고 스택 열화 방지 및 공기 블로워의 소모 출력을 저감할 수 있다.As described above, the heat and air control method at high power load of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention to secure the air flow rate through the relatively low temperature operation in the high power section, preventing stack degradation and reducing the power consumption of the air blower can do.

이하에서는 연료전지 차량에 적용된 연료전지 시스템을 본 발명의 일 실시 예로 하고, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a fuel cell system applied to a fuel cell vehicle will be described as an embodiment of the present invention, and a method of controlling heat and air at high output load of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 냉각 시스템을 도시한 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 연료전지 스택 입구 온도 제어 흐름을 도시한 순서도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 연료전지 스택 입출구 온도 제어 흐름을 도시한 순서도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전 온도별 공기 블로워의 RPM과 유량과의 관계를 도시한 그래프이고, 도 5는 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전 온도별 공기 유량과 공기 블로워의 소모 전력과의 관계를 도시한 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 시스템의 공기 라인과 냉각수 라인을 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram illustrating a cooling system of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flow chart illustrating a temperature control flow of a fuel cell stack inlet of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention. 3 is a flowchart illustrating a fuel cell stack inlet / outlet temperature control flow of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention. 4 is a graph showing the relationship between the RPM and the flow rate of the air blower for each operating temperature of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a fuel cell system according to an embodiment of the present invention Is a graph showing the relationship between the air flow rate and the power consumption of the air blower for each operating temperature of, Figure 6 is a schematic diagram showing the air line and the coolant line of the fuel cell system of the fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention. .

도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택(100)과, 냉각수 라인을 형성하여 연료전지 스택(100)을 냉각시키기 위한 열교환기(200)와 냉각수 펌프(300) 및 라디에이터 팬(400)와, 공기 라인을 형성하여 연료전지 스택(100)에 공기를 공급하는 공기 블로워(600) 및 가습기(700) 등으로 구성되며, 공기 블로워(600)로 유입되는 공기의 유량을 측정하는 공기 유량 센서(610)와, 연료전지 스택(100)의 입출구 온도를 측정하기 위한 냉각수 입구 온도 센서(800) 및 냉각수 출구 온도 센서(900) 등이 구비된다. 또한, 연료전지 시스템의 전체적인 출력을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(Power Control Unit, PCU)이 구비되어 연료전지 스택(100)의 온도와 공기 블로워(600)를 통해 유입되는 공기량 및 냉각수의 온도를 제어한다.As shown in FIG. 1 and FIG. 6, the fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention forms a fuel cell stack 100 and a coolant line to cool the fuel cell stack 100. ), A coolant pump 300, a radiator fan 400, and an air blower 600, a humidifier 700, and the like, which form an air line and supply air to the fuel cell stack 100, and an air blower 600. Air flow sensor 610 for measuring the flow rate of the air flowing into the), the coolant inlet temperature sensor 800 and the coolant outlet temperature sensor 900 for measuring the inlet and outlet temperature of the fuel cell stack 100 is provided . In addition, a power control unit (PCU) for controlling the overall output of the fuel cell system is provided to control the temperature of the fuel cell stack 100 and the amount of air flowing through the air blower 600 and the temperature of the coolant. .

연료전지 스택(100)의 온도를 직접 측정하기 어렵기 때문에 연료전지 스택(100)으로 유입 및 유출되는 냉각수의 온도를 측정하고 이를 제어함으로써 연료전지 스택(100)의 온도를 간접적으로 제어하게 된다.Since it is difficult to directly measure the temperature of the fuel cell stack 100, the temperature of the fuel cell stack 100 is indirectly controlled by measuring and controlling the temperature of the coolant flowing into and out of the fuel cell stack 100.

본 발명의 연료전지 시스템에 따른 냉각수 라인은 크게 DI(Deionized) 워터 라인과 에틸렌글리콜 라인으로 구분된다. DI 워터는 물에서 이온을 제거해 물의 전기 전도도를 낮춘 것으로, 연료전지 스택(100)에서 발생된 열은 라디에이터 팬(400)을 통해 냉각된 상대적으로 차가운 에틸렌글리콜과 열교환기(200)에서 열교환 된다. 이렇게 해서 다시 온도가 낮아진 DI 워터(냉각수)는 냉각수 펌프(300)를 통해 연료전지 스택(100)으로 유입된다.Cooling water line according to the fuel cell system of the present invention is largely divided into DI (Deionized) water line and ethylene glycol line. DI water is to remove ions from the water to lower the electrical conductivity of the water, heat generated in the fuel cell stack 100 is heat-exchanged in the heat exchanger 200 and the relatively cold ethylene glycol cooled through the radiator fan 400. In this way, the DI water (cooling water) whose temperature is lowered again flows into the fuel cell stack 100 through the cooling water pump 300.

파워 컨트롤 유닛은 다음과 같은 방법에 의해 연료전지 스택의 온도를 제어한다.The power control unit controls the temperature of the fuel cell stack in the following manner.

도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 보통 연료전지 스택(100)의 입구 온도가 60도(℃) 대로 제어된다. 이는 연료전지 스택의 운전 온도가 60~70도 대 로 운전하는 것이 가장 적합하기 때문이다.As shown in FIG. 2, in the fuel cell system, the inlet temperature of the fuel cell stack 100 is normally controlled at 60 degrees Celsius. This is because the operating temperature of the fuel cell stack is best suited to 60 ~ 70 degrees.

그러나 연료전지 스택(100)의 입구 온도가 60도 대이고, 출력이 70kW 이상일 때에는 연료전지 스택(100)에서 발생하는 열 에너지의 과다로 인해 연료전지 스택(100)의 출구 온도가 75℃를 넘어갈 위험이 있다. 이 경우 다음과 같은 두 가지 문제가 발생한다.However, when the inlet temperature of the fuel cell stack 100 is 60 degrees and the output is 70 kW or more, the outlet temperature of the fuel cell stack 100 may exceed 75 ° C. due to the excessive heat energy generated by the fuel cell stack 100. There is a danger. In this case, two problems arise.

첫째로, 연료전지 스택(100)의 출구 온도가 높아져 연료전지 스택(100) 내부의 캐소드(Cathode, 음극) 후단에서 공기의 압력이 상승하게 되는데, 이는 연료전지 스택(100)의 입구에서 공기를 공급하는데 장애 요인으로 작용한다. 즉, 공기 후단의 압력 상승을 일으켜 압력 상승 전과 같은 양의 공기를 공급하기 위해 공기 블로워(600)는 더 높은 RPM으로 동작해야 하는 상황이 되며, 이는 보기류 파워를 상승시켜 연료전지 시스템의 효율 저하를 가져온다.First, the outlet temperature of the fuel cell stack 100 is increased to increase the pressure of air at the rear end of the cathode (cathode) inside the fuel cell stack 100, which causes air to flow from the inlet of the fuel cell stack 100. It acts as a barrier to supply. In other words, the air blower 600 has to operate at a higher RPM to supply the same amount of air as before the pressure rise by causing a pressure rise at the rear end of the air, which increases the auxiliary power and decreases the efficiency of the fuel cell system. Bring it.

게다가 임계 전류 이상의 고전류 상황이 되면 공기 블로워(600)가 최대 RPM으로 회전하여도 요구 전류에 해당하는 공기 유량을 공급할 수 없는 상황이 된다. 예를 들어, 공기 블로워(600)의 성능이 최대 RPM에서 6000LPM을 공급할 수 있다고 한다면, 75℃에서는 4500LPM 정도의 유량만 공급 가능하게 되므로 연료전지의 가용 출력에 막대한 제한이 가해진다.In addition, when a high current condition is higher than the threshold current, even when the air blower 600 rotates at the maximum RPM, the air flow rate corresponding to the required current cannot be supplied. For example, if the performance of the air blower 600 is capable of supplying 6000LPM at the maximum RPM, only a flow rate of about 4500LPM can be supplied at 75 ° C, which places enormous restrictions on the available output of the fuel cell.

둘째로, 냉각수의 온도가 75℃ 이상이 되었다는 것은 반응부, 즉 촉매층의 온도가 80℃ 이상의 고온이 되었다고 볼 수 있다. 이것은 연료전지의 수명 저하 및 성능 저하를 가져오는 원인이 되므로 고출력 구간에서는 별도의 제어 방법이 필요하게 된다.Second, the fact that the temperature of the cooling water is 75 ° C. or more can be seen that the temperature of the reaction portion, that is, the catalyst layer, is 80 ° C. or more. This causes a reduction in the life and performance of the fuel cell, so a separate control method is required in the high power section.

따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 파워 컨트롤 유닛은 정상 시동 후 연료전지 스택(100)이 기준 전류 이하로 정상 운전하고(S100), 라디에이터 팬(400)이 기본 RPM으로 운전하고 있을 때(S110), 연료전지 스택(100)의 전류가 특정 기준 전류보다 높은지 판단하여(S120) 연료전지 스택(100)의 전류가 특정 기준 전류보다 낮으면 연료전지 스택(100)의 입구 온도를 60도 대로 제어한다.Therefore, as shown in FIG. 3, the power control unit is normally operated after the fuel cell stack 100 is below the reference current after normal startup (S100), and the radiator fan 400 is operating at the basic RPM (S110). In operation S120, when the current of the fuel cell stack 100 is lower than the specific reference current, the inlet temperature of the fuel cell stack 100 is controlled at 60 degrees. .

특정 전류 이하의 중, 저 부하 영역에서는 공기 유량 확보가 충분히 가능하므로 연료전지 운전의 최적 온도인 60도 대를 벗어나서 제어할 필요가 없다. 그러나 특정 전류 이상의 영역에서는 공기의 유량 부족으로 인한 파워 제한(블로워 전류 제한값 보다 전류 요구량이 더 큰 경우 가속 페달을 밟은 만큼 차량이 나가지 않는 현상)과 공기 블로워(600) RPM 상승으로 인한 보기류 파워 증가가 나타난다. 따라서연료전지 스택(100)의 전류가 특정 기준 전류보다 높으면 고출력 구간이므로 운전 온도를 낮추어 공기량을 확보하도록 제어하는 것이 바람직하다.Since the air flow rate can be secured sufficiently in the medium and low load regions below a specific current, it is not necessary to control the temperature outside the 60 degree range, which is the optimum temperature of the fuel cell operation. However, in the region above a certain current, the power limit due to insufficient air flow (the vehicle does not exit as the pedal is pressed when the current demand is larger than the blow current limit) and the auxiliary power increase due to the increase of the air blower (600) RPM Appears. Therefore, when the current of the fuel cell stack 100 is higher than the specific reference current, it is preferable to control the air temperature by lowering the operating temperature because it is a high output period.

60도 대로 제어시 연료전지 스택(100)의 출력이 70kW 이상일 때 연료전지 스택(100)의 출구 온도가 75℃를 넘어갈 위험이 있으므로, 상기 특정 기준 전류는 연료전지 스택(100)의 출력 70kW을 낼 수 있는 전류값으로 설정하는 것이 바람직하다.Since the outlet temperature of the fuel cell stack 100 may exceed 75 ° C. when the output of the fuel cell stack 100 is 70 kW or more when controlled at 60 degrees, the specific reference current may increase the output 70 kW of the fuel cell stack 100. It is desirable to set the current value to be able to produce.

이를 위해 연료전지 스택(100)의 전류가 특정 기준 전류보다 높으면 공기 블로워(600)의 전류 제한값이 파워 컨트롤 유닛(PCU)의 전류 요구량보다 작은지 판단하여(S130) 공기 블로워(600)의 전류 제한값이 파워 컨트롤 유닛(PCU)의 전류 요구량보다 작으면 라디에이터 팬(400)의 회전수를 증가시킨다(S140). 연료전지 스 택(100)의 전류가 특정 기준 전류보다 낮으면 상기 S100의 단계로 되돌아간다.To this end, if the current of the fuel cell stack 100 is higher than the specific reference current, it is determined whether the current limit value of the air blower 600 is smaller than the current demand of the power control unit PCU (S130), and the current limit value of the air blower 600. If it is smaller than the current demand of the power control unit PCU, the rotation speed of the radiator fan 400 is increased (S140). If the current of the fuel cell stack 100 is lower than the specific reference current, the process returns to the step S100.

공기 블로워(600)의 전류 제한값과 전류 요구량을 비교함으로써 실제로 유입되는 공기 유량과 운전자가 요구하는 전류를 출력할 수 있을 만큼의 공기 유량을 비교할 수 있어 유량이 부족하다고 판단되면 공급 가능한 공기 유량 만큼 전력을 출력할 수 있다.By comparing the current limit value and the current demand of the air blower 600, it is possible to compare the air flow rate actually flowing with the air flow rate that can output the current required by the driver. You can output

라디에이터 팬(400)의 회전수가 증가되면 에틸렌글리콜 라인의 온도가 더 내려가 DI 워터 라인의 냉각수가 더 낮은 온도로 열교환되어 연료전지 스택(100)으로 유입되는 냉각수의 온도가 내려가므로 연료전지 스택(100)의 온도를 낮출 수 있다.When the rotation speed of the radiator fan 400 is increased, the temperature of the ethylene glycol line is further lowered and the coolant of the DI water line is heat-exchanged to a lower temperature, thereby lowering the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack 100. ) Can be lowered.

냉각수 입구 온도 센서(800) 및 냉각수 출구 온도 센서(900)를 통해 연료전지 스택(100)으로 유입되고 유출되는 냉각수의 온도를 지속적으로 측정하고, 연료전지 스택(100)에 유입되는 냉각수의 온도가 50도 보다 큰지를 판단하여(S150) 연료전지 스택(100)에 유입되는 냉각수의 온도가 50도 보다 크면 라디에이터 팬(400)의 회전수를 감소시켜(S160) 냉각수의 온도를 다시 높인다. 연료전지 스택(100)에 유입되는 냉각수의 온도가 50도 보다 작거나 같으면 상기 S130의 단계로 되돌아간다. 이러한 과정에 의해 연료전지 스택(100)의 온도를 50도 대로 제어한다.The coolant inlet temperature sensor 800 and the coolant outlet temperature sensor 900 continuously measure the temperature of the coolant flowing into and out of the fuel cell stack 100, and the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack 100 is measured. If the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack 100 is greater than 50 degrees (S150), the rotation speed of the radiator fan 400 is decreased (S160) to increase the temperature of the coolant again. If the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack 100 is less than or equal to 50 degrees, the process returns to step S130. By this process, the temperature of the fuel cell stack 100 is controlled at 50 degrees.

도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구 온도를 60℃로 제어할 경우 공기 블로워(600)의 최대 RPM에서 4500LPM 정도의 공기 유량을 확보할 수 있으나, 냉각수 입구 온도를 50℃로 제어할 경우에는 5500LPM까지 확보가 가능하다. 이는 전류로 약 60A, 출력으로는 약 10kW를 더 확보할 수 있게 되는 것으로, 연료전지 차량의 동력 성능 향상을 가져오며, 공기 블로워(600)의 RPM을 저감시킬 수 있어 시스템 효율이 향상되는 효과가 있다.As shown in FIG. 4, when the cooling water inlet temperature of the fuel cell stack 100 is controlled at 60 ° C., an air flow rate of about 4500 LPM may be secured at a maximum RPM of the air blower 600, but the cooling water inlet temperature may be 50 degrees. If controlled by ℃, it is possible to secure up to 5500LPM. This can secure about 60A as the current and about 10kW as the output, which can improve the power performance of the fuel cell vehicle and reduce the RPM of the air blower 600, thereby improving the system efficiency. have.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 동일한 유량을 확보하기 위한 공기 블로워(600)의 소모 전력을 비교해보면 60℃로 제어할 때보다 50℃로 제어할 때의 소모 전력이 더 적게 소요되며, 이러한 차이는 공기 유량이 많아질수록 커짐을 알 수 있다. 따라서 고출력 구간에서의 온도 저하로 공기 블로워(600)의 소모 전력을 줄일 수 있어 시스템 효율이 향상된다.In addition, as shown in Figure 5, comparing the power consumption of the air blower 600 to ensure the same flow rate is less power consumption when controlling at 50 ℃ than when controlling to 60 ℃, such It can be seen that the difference increases as the air flow rate increases. Therefore, the power consumption of the air blower 600 can be reduced due to the temperature drop in the high output section, thereby improving system efficiency.

그런데 이러한 제어 방법을 적용하는 경우, 연료전지 스택(100)의 입출구 온도 차이가 지나치게 벌어질 수가 있다. 그렇게 되면 연료전지 스택(100) 내의 위치별 가습 조건의 차이가 심해져 가습이 부족한 부분에서의 부분 열화의 원인이 되므로, 연료전지 스택(100)의 수명과 성능 저하를 유발할 수 있다.However, when the control method is applied, the difference between the inlet and outlet temperatures of the fuel cell stack 100 may be excessive. In this case, since the difference in the humidification conditions for each position in the fuel cell stack 100 is increased, which causes partial deterioration at a part where the humidification is insufficient, the life and performance of the fuel cell stack 100 may be deteriorated.

이러한 위험을 제거하기 위해 냉각수 펌프(300)의 RPM을 제어함으로써 연료전지 스택(100)의 입출구 압력을 10℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.In order to eliminate this risk, it is preferable to maintain the inlet and outlet pressure of the fuel cell stack 100 by controlling the RPM of the cooling water pump 300 to 10 ° C or less.

도 3에 도시된 바와 같이, 파워 컨트롤 유닛은 냉각수 펌프(300)의 기본 RPM 운전 상태에서(S200) 냉각수 입구 온도 센서(800) 및 냉각수 출구 온도 센서(900)를 통해 연료전지 스택(100) 입출구의 냉각수 온도 차이가 10℃ 이상 벌어졌는지를 판단한다(S210).As shown in FIG. 3, the power control unit may enter and exit the fuel cell stack 100 through the coolant inlet temperature sensor 800 and the coolant outlet temperature sensor 900 in a basic RPM operation state of the coolant pump 300 (S200). It is determined whether the difference between the cooling water temperature is more than 10 ℃ (S210).

연료전지 스택(100) 입출구의 냉각수 온도 차이가 10℃ 이상 벌어졌으면 냉각수 펌프(300)의 RPM을 증가시켜(S220) 연료전지 스택(100) 입출구의 냉각수 온도 차이를 줄이고, 다시 연료전지 스택(100) 입출구의 냉각수 온도 차이가 7℃ 이하인지 판단하여(S230) 온도 차이가 7℃ 이하이면 냉각수 펌프(300)의 RPM을 감소시킨 다(S240). 이러한 방법으로 연료전지 스택(100)의 입출구 압력을 10℃ 이하가 되도록 제어한다.If the difference between the coolant temperature at the inlet and outlet of the fuel cell stack 100 is 10 ° C. or more, the RPM of the coolant pump 300 is increased (S220) to reduce the difference in the coolant temperature at the inlet and outlet of the fuel cell stack 100, and again to the fuel cell stack 100. ) Determine whether the temperature difference of the cooling water at the inlet and outlet is 7 ° C. or less (S230). If the temperature difference is 7 ° C. or less, the RPM of the cooling water pump 300 is reduced (S240). In this way, the inlet / outlet pressure of the fuel cell stack 100 is controlled to be 10 ° C. or less.

한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.Meanwhile, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and any person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains may make various modifications without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims set forth.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 냉각 시스템을 도시한 모식도.1 is a schematic diagram showing a cooling system of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 연료전지 스택 입구 온도 제어 흐름을 도시한 순서도.2 is a flow chart showing a fuel cell stack inlet temperature control flow of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 연료전지 스택 입출구 온도 제어 흐름을 도시한 순서도.3 is a flowchart illustrating a fuel cell stack inlet / outlet temperature control flow of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전 온도별 공기 블로워의 RPM과 유량과의 관계를 도시한 그래프.4 is a graph showing the relationship between the RPM and the flow rate of the air blower for each operating temperature of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 5는 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전 온도별 공기 유량과 공기 블로워의 소모 전력과의 관계를 도시한 그래프.5 is a graph showing a relationship between the air flow rate and the power consumption of the air blower for each operating temperature of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 시스템의 공기 라인과 냉각수 라인을 도시한 모식도.6 is a schematic diagram illustrating an air line and a coolant line of a fuel cell system of a fuel cell vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

100 : 연료전지 스택 200 : 열 교환기100: fuel cell stack 200: heat exchanger

300 : 냉각수 펌프 400 : 라디에이터 팬300: coolant pump 400: radiator fan

600 : 공기 블로워 610 : 공기유량센서600: air blower 610: air flow sensor

700 : 가습기 800 : 냉각수 입구 온도 센서700: humidifier 800: coolant inlet temperature sensor

900 : 냉각수 출구 온도 센서900: coolant outlet temperature sensor

Claims (4)

공기 블로워(600)로 유입되는 공기 유량을 측정하는 공기유량센서(610)와, 연료전지 스택(100)으로 유입되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 입구 온도 센서(800)와, 상기 연료전지 스택(100)으로부터 유출되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 출구 온도 센서(900)와, 상기 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구 및 출구의 온도를 제어하기 위한 냉각수 펌프(300)와, 상기 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구로 유입되는 냉각수의 온도를 제어하기 위한 라디에이터 팬(400)과, 연료전지 시스템의 전체의 출력을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(PCU)이 구비된 연료전지 시스템에 있어서,An air flow sensor 610 for measuring the air flow rate flowing into the air blower 600, a coolant inlet temperature sensor 800 for measuring the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack 100, and the fuel cell stack ( Cooling water outlet temperature sensor 900 for measuring the temperature of the cooling water flowing out from the 100, a cooling water pump 300 for controlling the temperature of the cooling water inlet and outlet of the fuel cell stack 100, and the fuel cell stack ( In the fuel cell system provided with a radiator fan 400 for controlling the temperature of the cooling water flowing into the cooling water inlet of 100), and a power control unit (PCU) for controlling the output of the entire fuel cell system, 상기 파워 컨트롤 유닛은,The power control unit, 정상 시동 후 기준 전류 이하로 정상 운전(S100) 및 라디에이터 팬(400)의 기본 RPM 운전 상태(S110)에서는 상기 연료전지 스택(100)의 입구 온도를 60도 대역으로 제어하고, 상기 연료전지 스택(100)의 전류가 기준 전류보다 높아지면 상기 연료전지 스택(100)의 입구 온도는 50도 대역으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법.In the normal operation (S100) and the basic RPM operating state (S110) of the radiator fan 400 after the normal start-up or less than the reference current, the inlet temperature of the fuel cell stack 100 is controlled to a 60 degree band, and the fuel cell stack ( When the current of 100) is higher than the reference current, the inlet temperature of the fuel cell stack 100 is controlled to 50 degrees band heat and air control method of the high output load of the fuel cell system, characterized in that the control. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 파워 컨트롤 유닛은,The power control unit, 상기 연료전지 스택(100)의 전류가 기준 전류보다 높은지 판단하는 단 계(S120);Determining whether the current of the fuel cell stack 100 is higher than a reference current (S120); 상기 공기 블로워(600)의 전류 제한값이 상기 파워 컨트롤 유닛에서 요구하는 전류 요구량보다 작은지 판단하는 단계(S130);Determining whether the current limit value of the air blower 600 is smaller than a current demand amount required by the power control unit (S130); 상기 공기 블로워(600)의 전류 제한값이 상기 파워 컨트롤 유닛에서 요구하는 전류 요구량보다 작으면 상기 라디에이터 팬(400)의 회전수를 증가시키는 단계(S140);Increasing the number of revolutions of the radiator fan 400 when the current limit value of the air blower 600 is less than the current demand amount required by the power control unit (S140); 상기 연료전지 스택(100)에 유입되는 냉각수의 온도가 50도 보다 큰지 판단하는 단계(S150); 및Determining whether the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack 100 is greater than 50 degrees (S150); And 상기 연료전지 스택(100)에 유입되는 냉각수의 온도가 50도 보다 크면 상기 공기 블로워(600)의 전류 제한값이 상기 파워 컨트롤 유닛에서 요구하는 전류 요구량보다 작은지 판단하는 단계(S130)로 되돌아가고, 상기 연료전지 스택(100)에 유입되는 냉각수의 온도가 50도 보다 작으면 상기 라디에이터 팬(400)의 회전수를 감소시키는 단계(S160)에 따라 상기 연료전지 스택의 입구 온도를 50도 대로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법.When the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack 100 is greater than 50 degrees, the process returns to step S130 to determine whether the current limit value of the air blower 600 is smaller than the current demand amount required by the power control unit. When the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack 100 is less than 50 degrees, the inlet temperature of the fuel cell stack is controlled to 50 degrees according to the step of reducing the rotation speed of the radiator fan 400 (S160). A method of controlling heat and air at high power load of a fuel cell system, characterized in that. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 파워 컨트롤 유닛은,The power control unit, 상기 냉각수 펌프(300)를 기본 RPM으로 운전하는 단계(S200);Driving the coolant pump 300 at a basic RPM (S200); 상기 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구와 출구의 온도 차이가 10℃ 이상인지 판단하는 단계(S210);Determining whether a temperature difference between a cooling water inlet and an outlet of the fuel cell stack 100 is 10 ° C. or more (S210); 상기 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구와 출구의 온도 차이가 10℃ 이상 벌어졌으면 상기 냉각수 펌프(300)의 RPM을 증가시키는 단계(S220);Increasing the RPM of the coolant pump 300 when the temperature difference between the coolant inlet and the outlet of the fuel cell stack 100 is greater than 10 ° C. (S220); 상기 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구와 출구의 온도 차이가 7℃ 이하인지 판단하는 단계(S230); 및Determining whether a temperature difference between a cooling water inlet and an outlet of the fuel cell stack 100 is 7 ° C. or less (S230); And 상기 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구와 출구의 온도 차이가 7℃ 이하이면 상기 냉각수 펌프(300)의 RPM을 감소시키는 단계(S240)에 따라 냉각수의 온도를 제어함으로써 상기 연료전지 스택의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법.When the temperature difference between the coolant inlet and the outlet of the fuel cell stack 100 is 7 ° C. or less, the temperature of the fuel cell stack is controlled by controlling the temperature of the coolant according to step S240 of reducing the RPM of the coolant pump 300. A method of controlling heat and air at high power load of a fuel cell system, characterized in that for controlling. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료전지 스택(100)의 입구 온도를 50도 대역으로 제어하기 위한 기준 전류는 상기 연료전지 스택(100)의 출력 70kW를 낼 수 있는 전류인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 고출력 부하시 열 및 공기 제어 방법.The reference current for controlling the inlet temperature of the fuel cell stack 100 into a 50 degree band is a current capable of outputting 70 kW of the output of the fuel cell stack 100. Air control method.
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