KR100969063B1 - 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법 - Google Patents

연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법에 관한 것으로서, 연료전지의 운전 동안 워터트랩 배출밸브의 이전 마지막 개폐시점으로부터 현 시점까지의 경과시간인 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 현 시점까지의 연료전지 스택 전류 적산량이 미리 설정된 비교값 이상이면 워터트랩 배출밸브를 강제 개폐하여 워터트랩 내 물을 배출하고, 또한 비교값 이상인 횟수가 일정 횟수 이상이 되면 워터트랩 수위센서의 고장상태로 판단하여 운전자 인터페이스부의 경고표시수단을 작동시키는 동시에 워터트랩 배출밸브의 추가 강제 개폐를 실시하도록 구성한 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 제어방법에 의하면, 워터트랩 수위센서의 고장 발생시에 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 연료전지 스택의 소모 전류 총합인 전류 적산량이 일정 조건을 만족하면 워터트랩 배출밸브를 개폐 동작시키므로, 수위센서의 고장이 발생하더라도 워터트랩 내 물 배출을 원활히 수행할 수 있고, 애노드의 플러딩 발생 및 연료전지 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
연료전지, 스택, 워터트랩, 수위센서

Description

연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법{Method for controlling water trap system of fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 운전 동안에 수위센서의 고장상태를 진단하고 수위센서의 고장시에 워트트랩 배출밸브를 강제 개폐하여 워터트랩 내 물 배출이 원활히 이루어지도록 한 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템을 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
연료전지 차량에 적용되고 있는 연료전지 스택은 가장 안쪽에 전극막(MEA: Membrane-Electrode Assembly)이 위치하며, 이 전극막은 수소 양이온(Proton)을 이동시켜줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.
또한 상기 전극막(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치한다.
따라서, 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학반응으로 이온화가 이루어져서, 수소쪽은 수소이온과 전자가 발생하는 산화반응을 하고, 산소쪽은 산소이온이 수소이온과 반응하여 물이 생성되는 환원반응을 한다.
즉, 수소가 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급되는 바, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과 분리판(Separator)을 통하여 캐소드로 전달된다.
이에, 캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
한편, 연료전지 스택의 반응에 있어서, 공기의 습도가 매우 중요한데, 해당 습도의 유지를 위해 가습기를 이용하여 공기 입구에서 수분을 공급하고, 수분을 공급받은 공기는 스택 내의 유로를 따라 이동하여 수소와 반응한 다음, 물(생성수)을 생성시킨다.
반응에 의해 발생한 물은 산소와 수소의 흐름을 방해하므로, 연료전지 스택으로부터 제거가 필요하며, 따라서 연료전지 스택에서 생성된 물은 워터트랩(Water Trap) 장치에 모아지게 되어 있다.
연료전지시스템에서 수소이온과 산소가 만나 물을 생성하는 캐소드쪽에서 물이 발생하는 것으로 알려져 있으나, 전해질로 사용되는 멤브레인의 두께가 감소하면서 물의 농도 차이에 의해 발생하는 역확산(Back Diffusuion)으로 인해 상당량의 물이 애노드를 통해 배출된다.
이에 연료전지 차량에서는 애노드에서 발생한 물을 워터트랩에 저장한 뒤 워터트랩 내에 일정량 이상의 물이 채워지면 외부로 배출하고 있다.
첨부한 도 1은 통상의 워터트랩 장치를 설명하는 개략도로서, 연료전지 스택(20)의 애노드쪽으로 수소탱크(10)의 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응 수 소를 포함한 혼합가스는 애노드의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 혼합가스 내에 함유된 물은 워터트랩(30)으로 배출되어 모이게 되고, 액적이 제거된 혼합가스는 수소 재순환 블로워(34)에 의해 애노드의 입구단쪽으로 재순환된다.
애노드의 입구단으로 보내진 혼합가스는 수소탱크(10)로부터 공급되는 수소와 섞여서 연료전지 스택(20)에 재투입된다.
그리고, 상기 워터트랩(30) 내에 일정량의 물 이상이 저장되면, 이를 상부 수위센서(31)에서 감지하여 워트트랩 바닥쪽의 배출밸브(33)가 열리게 되어, 물의 방출이 이루어진다.
반면에, 워터트랩(30) 내의 물이 일정량 방출된 후, 물의 최저수위를 하부 수위센서(32)에서 감지하여 워트트랩 바닥쪽의 배출밸브(33)가 닫히게 되어, 워터트랩(30) 내에 물이 잔류하게 된다.
그러나, 상기와 같은 연료전지 차량의 워터드랩 장치에서는 수위센서(31,32)를 통해 워터트랩(30) 내에 일정량 이상의 물이 저장됨을 감지하여 배출밸브(33)를 열어주게 되는데, 만약 수위센서(31,32)의 고장이 발생하게 되면 물 배출이 원활하게 이루어지지 않게 된다.
이와 같이 물 배출이 원활하지 않을 경우에 애노드에서 플러딩(flooding)(연료전지 유로가 반응시 발생한 생성수의 응결현상으로 인해 차단되어 반응면으로 반응기체가 원활히 전달되지 못하는 현상)이 발생하여 연료전지 성능에 심각한 문제를 야기할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지의 운전 동안에 수위센서의 고장상태를 진단하고 수위센서의 고장시에 워트트랩 배출밸브를 강제 개폐하여 워터트랩 내 물 배출이 원활히 이루어지도록 한 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법에 있어서,
(a) 연료전지의 운전 동안에 연료전지 제어기가 연료전지 스택의 애노드 출구단에 설치된 온도센서의 검출신호를 수신받는 단계와;
(b) 이와 동시에 상기 연료전지 제어기가 워터트랩 배출밸브의 이전 마지막 개폐시점으로부터 현 시점까지의 경과시간인 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 현 시점까지의 스택 전류 소모량 총합인 전류 적산량을 산출하는 단계와;
(c) 저장된 비교값 데이터로부터 온도센서에 의해 검출된 현재 애노드 출구단 온도에 대응하는 설정시간 또는 전류 적산 기준값을 구한 뒤, 산출된 상기 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량을 비교값인 상기 설정시간 또는 전류 적산 기준값과 비교하는 단계와;
(d) 산출된 상기 워터트랩 배출밸브 대기시간이 설정시간 이상이거나 상기 전류 적산량이 전류 적산 기준값 이상인 상태가 발생하면, 발생 횟수를 기록한 뒤 워터트랩 배출밸브를 강제로 개폐 동작시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (e) 상기 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작 시점으로부터 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량을 새로이 산출하여 갱신하는 단계와;
(f) 새로이 산출된 상기 워터트랩 배출밸브 대기시간이 애노드 출구단 온도에 대응하는 설정시간 이상이거나 상기 전류 적산량이 전류 적산 기준값 이상인 상태가 추가로 발생하면, 발생 횟수를 누적하여 갱신한 뒤 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작을 실시하는 단계와;
(g) 이후 상기 (e) 단계 및 (f) 단계를 반복 실시하여 상기 발생 횟수가 설정 횟수 이상이 되면, 워터트랩 수위센서의 고장상태로 판단하여 운전자 인터페이스부의 경고표시수단을 작동시키고, 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량에 따라 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작을 제어하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (g) 단계의 워터트랩 수위센서 고장상태에서는 애노드 출구단 온도에 대응하는 설정시간 또는 전류 적산 기준값으로부터 설정 값을 감산한 비교값을 사용하여, 현 시점의 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량이 상기 감산한 비교값 이상일 경우, 워터트랩 배출밸브를 강제 개폐 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (g) 단계의 워터트랩 수위센서 고장상태에서 연료전지시스템의 오프시에 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량에 따라 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작을 추가 실시한 뒤 오프하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 연료전지시스템 오프시에 현 시점의 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류적산량이 애노드 출구단 온도에 대응하는 비교값 데이터의 설정시간 또는 전류 적산 기준값의 50% 이상이면 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작을 추가 실시하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 연료전지 제어기가 연료전지의 운전 동안에 연료전지 스택의 단위 전지 전압이 일정 수준 이하로 나타나는 현상이 일정 횟수 이상 반복적으로 발생하게 되면, 애노드 워터트랩 배출밸브를 강제 개폐하여 워터트랩 내 물을 배출하고, 애노드측 퍼징 밸브를 일정 시간 동안 반복적으로 개폐하여 애노드 채널의 물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 특징을 갖는 본 발명의 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법에 의하면, 워터트랩 수위센서의 고장 발생시에 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 연료전지 스택의 소모 전류 총합인 전류 적산량이 일정 조건을 만족하면 워터트랩 배출밸브를 강제 개폐 동작시키므로, 수위센서의 고장이 발생하더라도 워터트랩 내 물 배출을 원활히 수행할 수 있고, 애노드의 플러딩 발생 및 연료전지 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 수위센서의 고장시에 대처하기 위한 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 애노드측에 연결된 워터트랩의 수위센서 고장을 진단하여 수위센서의 고장시에도 연료전지 스택의 물을 원활히 배출할 수 있도록 한 워트터랩 장치의 제어방법에 관한 것이다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 제어과정을 수행하기 위한 시스템의 구성도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.
연료인 수소가 저장되는 수소탱크(10)에서 연료전지 스택(20)으로 연결되는 수소공급라인(11)에는 통상적으로 연료전지 스택(20)에 공급되는 수소의 공급압력을 조절하기 위한 고압 레귤레이터(12) 및 저압 레귤레이터(13)가 설치되고, 또한 수소 공급을 단속하기 위한 제1솔레노이드 밸브(14)가 설치되고 있다.
또한 연료전지 스택(20)에서 반응하지 않은 미반응 수소를 포함한 혼합가스가 애노드의 출구단쪽으로 배출되면, 이때 혼합가스 내에 함유된 물은 워터트랩(30)으로 배출되어 모이게 되고, 액적이 제거된 혼합가스는 수소 재순환 블로워(34)에 의해 애노드의 입구단쪽으로 재순환된다.
그리고, 애노드의 출구단쪽에서 애노드의 입구단쪽으로 혼합가스가 재순환되도록 하는 재순환가스라인(35)에는 수소 재순환 블로워(34) 출구측으로 제2솔레노 이드 밸브(35a)가 설치되며, 상기 워터트랩(30)에는 통상의 경우와 마찬가지로 워터트랩(30) 내의 수위를 감지하기 위한 상, 하부 수위센서(31,32)와, 워터트랩(30)의 물을 배출하기 위해 개폐 동작하는 배출밸브(33)가 설치된다.
아울러, 연료전지 스택(20)의 애노드 출구단에는 출구단 온도(즉, 애노드 출구단의 가스 온도)를 검출하기 위한 온도센서(36)가 설치되고, 애노드 출구단쪽에 연결된 배출라인(37)에는 솔레노이드 밸브 타입의 퍼징 밸브(38)가 설치된다.
통상의 연료전지시스템에서는 연료전지 스택(20)의 퍼징 및 불순물 제거를 위해 수소탱크(10)로부터 연료전지 스택(20)으로 수소가 공급되고 수소 재순환 블로워(34)가 구동되는 상태에서 일정 시간마다 주기적으로 퍼징 밸브(38)를 개폐하여 연료전지 스택(20)에 잔류하는 불순물이 배출라인(37)을 통해 배출되도록 하고 있다.
상기 제1 및 제2솔레노이드 밸브(14,35a)와 퍼징 밸브(38), 그리고 워터트랩(30)의 배출밸브(33)는 밸브 구동기(41)가 출력하는 밸브 구동신호에 의해 개폐 동작하도록 구비되고, 상기 밸브 구동기(41)는 연료전지 제어기(42)와의 협조 제어를 통해 연료전지 제어기(42)가 요청하는 밸브 개폐시점에 맞추어 밸브의 개폐 동작이 이루어지게 한다.
또한 연료전지 제어기(42)는 애노드 출구단의 온도를 검출하기 위한 온도센서(36)의 검출신호를 입력받도록 구비되는 동시에 수소 재순환 블로워(34)의 구동을 제어할 수 있도록 구비된다.
이와 함께 연료전지 제어기(42)는 운전자 인터페이스부(43)와 연결되어, 후 술하는 바와 같이 워터트랩(30)에 설치된 수위센서(31,32)의 고장을 판단하게 되면, 고장 경고 표시 및 시스템 점검 요청을 위한 운전자 인터페이스부(43)의 경고표시수단(44)을 작동시킬 수 있도록 구비된다.
상기 운전자 인터페이스부(43)에 구비되는 경고표시수단(44)은 연료전지 제어기(42)가 출력하는 제어신호에 따라 작동이 제어되는 것으로, 시스템 점검등과 같이 운전자에게 경고상태를 알리기 위한 다양한 수단이 될 수 있다.
한편, 첨부한 도 3은 본 발명에 따른 제어과정을 나타낸 순서도로서, 이를 참조하여 본 발명에 따른 워터트랩 장치의 제어과정을 상술하기로 한다.
우선, 차량 시동 및 연료전지시스템이 온(On)된 상태, 즉 연료전지의 운전이 개시된 상태에서, 연료전지 제어기(42)는 애노드 출구단에 설치된 온도센서(36)의 검출신호를 수신받게 된다.
이와 더불어 연료전지 제어기(42)는 연료전지의 운전 동안에 워터트랩(30)에 설치되어 있는 배출밸브(33)의 최후 개폐시점으로부터 현 시점까지의 경과시간(tS) 또는 배출밸브(33)의 최후 개폐시점으로부터 계산된 전류 적산량(IS)을 산출하고, 이때 산출된 상기 경과시간(tS) 또는 전류 적산량(IS)을 온도센서(36)의 검출값, 즉 현재의 애노드 출구단 온도에 대응하는 설정시간(tR) 또는 전류 적산 기준값(IR)과 비교하게 된다.
여기서, 상기 배출밸브(33)의 최후 개폐시점은 보다 엄밀히 말하면 배출밸브(33)가 마지막으로 폐작동된 시점을 의미하며, 워터트랩(30)의 배출밸브(33)가 물 배출을 위해 이전에 마지막으로 열리고 난 뒤 닫힌 시점을 말한다.
본 명세서에서는 배출밸브(33)의 최후 개폐시점부터 계산된 경과시간(tS)을 배출밸브(33)가 닫힌 대기상태에서의 경과시간이므로 배출밸브 대기시간이라 칭하기로 한다.
이러한 연료전지 제어기(42)가 배출밸브 대기시간(tS)을 계산함에 있어서 차량 및 연료전지가 정지된 상태에서의 시간은 제외하여 계산한다.
그리고, 상기 전류 적산량(IS)은 연료전지 운전 동안 연료전지 스택(20)에서 소모한 전류의 총합을 말하는 것으로, 이러한 전류 적산량은 연료전지 제어기(42)가 전류센서의 검출값을 통해 계산하게 되며, 전류센서의 검출값은 통상의 연료전지시스템에서 각종 제어를 위해 널리 사용되는 센싱값이다.
그리고, 제어값으로 사용하는 상기 설정시간(tR) 및 전류 적산 기준값(IR)은 실험을 통해 얻은 데이터로서, 연료전지 제어기(42)에 미리 입력 저장되는 데이터이며, 설정시간은 실험을 통하여 워터트랩에 물이 가득 찰 때까지 걸리는 시간을 애노드의 가스 온도, 즉 애노드 출구단 온도에 따라 구한 값이고, 전류 적산 기준값(IR)은 실험을 통하여 워터트랩에 물이 가득 찰 때까지 스택 전류 소모량의 전류 적산치를 애노드의 가스 온도에 따라 구한 값이다.
첨부한 도 4는 워터트랩에 물이 가득 찰 때까지 걸리는 시간을 실험을 통해 애노드 출구단 온도(애노드측 배출 가스 온도)에 따라 구한 값을 보여주고 있으며, 도 5는 워터트랩에 물이 가득 찰 때까지 걸리는 스택 전류 소모량의 전류 적산치를 실험을 통해 애노드 출구단 온도에 따라 구한 값을 보여주고 있다.
이와 같이 워터트랩에 물이 가득 찰 때까지 걸리는 시간 및 전류 적산치(전류 소모량 총합)는 애노드 출구단 온도(애노드측 배출 가스 온도)에 따른 값으로, 본 발명의 제어 과정에서는 실험을 통해 구한 애노드 출구단 온도에 따른 설정시간(tR) 또는 전류 적산 기준값(IR)을 비교값으로 사용하게 된다.
실험을 통해 워터트랩에 물이 가득 찰 때까지 걸리는 시간을 애노드 가스 온도에 따라 산출할 시에는 기체의 포화 수증기압이 온도 증가에 따라 급격히 증가하므로 이에 대한 고려가 필요하다.
결국, 실제 제어과정에서 연료전지 제어기(42)는 애노드 출구단 온도센서(36)의 검출신호를 입력받은 뒤, 그 검출값을 토대로 미리 저장된 비교값 데이터, 즉 애노드 출구단 온도에 따른 설정시간 데이터 또는 전류 적산 기준값 데이터로부터 설정시간(tR) 또는 전류 적산 기준값(IR)을 구하고, 구해진 설정시간(tR) 또는 전류 적산 기준값(IR)을 현 시점의 워터트랩 배출밸브 대기시간(tS) 또는 전류 적산량(IS)과 비교하게 된다.
만약, 현 시점의 워터트랩 배츨밸브 대기시간(tS)이 설정시간(tR) 이상이거나 전류 적산량(IS)이 전류 적산 기준값(IR) 이상인 상태가 발생하면, 연료전지 제어기(42)는 발생 횟수를 기록한 뒤 밸브 구동기(41)와 연동하여 워터트랩 배출밸 브(33)를 강제로 일정 시간 동안 열어준 뒤 닫아준다.
물론, 워터트랩 배츨밸브 대기시간(tS)이 설정시간(tR) 미만 또는 전류 적산 기준값(IR) 미만인 경우에는 상, 하부 수위센서(31,32)의 온(On) 시점에 맞추어 워터트랩 배출밸브(33)의 정상적인 개폐 제어를 실시하여 워터트랩(30) 내 물을 배출하게 된다.
이때, 상부 수위센서(31)의 온 시점에서 워터트랩 배출밸브(33)를 열어주고, 하부 수위센서(32)의 온 시점에서 워터트랩 배출밸브(33)를 닫아주게 된다.
그리고, 연료전지 제어기(42)는 연료전지의 운전 동안에 워터트랩 배출밸브(33)의 강제 개폐를 실시하게 되면 그 시점부터 워터트랩 배츨밸브 대기시간 또는 전류 적산량을 새로이 계산하여 갱신하고, 이때 갱신되는 값을 애노드 출구단 온도에 따라 구해진 비교값(설정시간 또는 전류 적산 기준값)과 비교한다.
이때, 워터트랩 배츨밸브 대기시간(tS)이 설정시간(tR) 이상이거나 전류 적산량(IS)이 전류 적산 기준값(IR) 이상인 상태가 발생하면, 연료전지 제어기(42)는 발생 횟수를 누적하여 갱신한 뒤 이전과 동일하게 워터트랩 배출밸브(33)의 강제 개폐를 실시한다.
이후 워터트랩 배츨밸브 대기시간 또는 전류 적산량에 따라 실시한 워터트랩 배출밸브(33)의 강제 개폐 횟수를 계속해서 적산하여, 그 강제 개폐 횟수가 설정 횟수를 초과할 경우, 워터트랩(30)의 수위센서(31,32)가 고장상태인 것으로 판단하게 된다.
이와 같이 연료전지 제어기(42)가 워터트랩 수위센서(31,32)의 고장상태를 판단하게 되면, 운전자 인터페이스부(43)의 경고표시수단(44)을 작동시켜 운전자에게 경고하고(예를 들어, 시스템 점검등을 점멸시킴), 관련 사항을 제어기의 메모리에 기록하게 된다.
또한 연료전지 제어기(42)가 워터트랩 수위센서(31,32)의 고장상태를 판단한 이후에는 워터트랩 배출밸브(33)의 개폐 동작을, 수위센서(31,32)가 아닌, 배출밸브 대기시간(tS) 또는 전류 적산량(IS)에 따라 제어하게 된다.
이때, 수위센서(31,32)의 고장으로 판단된 경우에는 스택 플러딩을 막기 위해 저장된 비교값 데이터의 설정시간과 전류 적산 기준값 보다 설정 값만큼 작은 비교값을 사용한다.
즉, 수위센서(31,32)의 고장상태에서는 저장 데이터인 애노드 출구단 온도에 따른 설정시간 데이터 또는 전류 적산 기준값 데이터로부터, 온도센서(36)의 검출값인 애노드 출구단 온도에 대응하는 설정시간(tR) 또는 전류 적산 기준값(IR)을 구한 뒤, 그로부터 설정 값(α,β)을 뺀 감산값을 비교값으로 사용하며, 워터트랩 배츨밸브 대기시간(tS) 또는 전류 적산량(IS)이 상기 감산값(tR-α,IR-β) 이상이 되면, 연료전지 제어기(42)는 밸브 구동기(41)에 강제 개폐를 요청하여 워터트랩 배출밸브(33)의 강제 개폐가 이루어지도록 한다.
한편, 연료전지 운전 중 수위센서(31,32)의 고장상태에서 연료전지 시스템 정지(시스템 오프) 요청이 입력되는 경우, 연료전지 제어기(42)는 워터트랩 배출밸 브(33)의 대기시간(tS) 또는 전류 적산량(IS)이 저장 데이터의 설정시간(tR) 또는 전류 적산 기준값(IR)의 50% 이상이 되면, 워터트랩 배출밸브(33)를 강제 개폐하는 과정을 추가로 실시한 뒤(차량 정지 상태에서 원활한 잔존 물의 제거를 위함) 연료전지시스템을 정지시키며, 설정시간(tR) 또는 전류 적산 기준값(IR)의 50% 미만인 경우라면 바로 연료전지시스템을 정지시킨다.
그리고, 연료전지 제어기(42)는 연료전지 운전 동안 본 발명의 제어과정을 수행하는 과정에서, 애노드 플러딩 발생시에 대처하기 위한 과정으로, 스택의 단위 전지 전압이 일정 수준 이하, 예를 들어 평균 전압의 10% 이하로 나타나는 현상이 일정 횟수 이상 반복적으로 발생하게 되면, 애노드 워터트랩 배출밸브(33)를 1회 강제 개폐하여 워터트랩(30) 내 물을 배출하고, 이와 더불어 애노드측 퍼징 밸브(38)를 일정 시간 동안 반복적으로 개폐하여 애노드 채널의 물을 제거한다.
이러한 퍼지 과정은 일정 시간마다 주기적으로 실시되는 통상의 퍼지 과정과는 별도로 진행되는 것으로, 스택의 단위 전지 전압이 설정 횟수 이상으로 평균 전압의 10% 이하가 될 때, 수소탱크(10)로부터 연료전지 스택(20)으로 수소가 공급되고 수소 재순환 블로워(34)가 구동되는 상태에서, 첨부한 도 6에 나타낸 바와 같은 펄스 퍼징 형태로 퍼징 밸브(38)를 반복 개폐하여, 애노드 채널의 물을 배출라인(37)을 통해 배출하여 제거한다.
도 1은 통상의 워터트랩 장치를 설명하는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 제어과정을 수행하기 위한 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 제어과정을 나타낸 순서도,
도 4는 워터트랩에 물이 가득 찰 때까지 걸리는 시간을 애노드 출구단 온도에 따라 구한 실험 결과 도면,
도 5는 워터트랩에 물이 가득 찰 때까지 걸리는 전류 적산량을 애노드 출구단 온도에 따라 구한 실험 결과 도면,
도 6은 본 발명에 따른 제어과정에서 펄스 퍼징 형태로 퍼징 밸브를 반복 개폐하는 상태를 설명하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수소탱크 20 : 연료전지 스택
30 : 워터트랩 31, 32 : 수위센서
33 : 배출밸브 34 : 수소 재순환 불로워
36 : 온도센서 37 : 배출라인
38 : 퍼징 밸브 41 : 밸브 구동기
42 : 연료전지 제어기 43 : 인터페이스부
44 : 경고표시수단

Claims (6)

  1. 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법에 있어서,
    (a) 연료전지의 운전 동안에 연료전지 제어기가 연료전지 스택의 애노드 출구단에 설치된 온도센서의 검출신호를 수신받는 단계와;
    (b) 이와 동시에 상기 연료전지 제어기가 워터트랩 배출밸브의 이전 마지막 개폐시점으로부터 현 시점까지의 경과시간인 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 현 시점까지의 스택 전류 소모량 총합인 전류 적산량을 산출하는 단계와;
    (c) 산출된 상기 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량을 실험을 통해 구한 애노드 출구단 온도에 따른 설정시간 또는 전류 적산 기준값과 비교하는 단계와;
    (d) 산출된 상기 워터트랩 배출밸브 대기시간이 설정시간 이상이거나 상기 전류 적산량이 전류 적산 기준값 이상인 상태가 발생하면, 발생 횟수를 기록한 뒤 워터트랩 배출밸브를 강제로 개폐 동작시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    (e) 상기 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작 시점으로부터 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량을 새로이 산출하여 갱신하는 단계와;
    (f) 새로이 산출된 상기 워터트랩 배출밸브 대기시간이 애노드 출구단 온도에 대응하는 설정시간 이상이거나 상기 전류 적산량이 전류 적산 기준값 이상인 상태가 추가로 발생하면, 발생 횟수를 누적하여 갱신한 뒤 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작을 실시하는 단계와;
    (g) 이후 상기 (e) 단계 및 (f) 단계를 반복 실시하여 상기 발생 횟수가 설정 횟수 이상이 되면, 워터트랩 수위센서의 고장상태로 판단하여 운전자 인터페이스부의 경고표시수단을 작동시키고, 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량에 따라 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작을 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 (g) 단계의 워터트랩 수위센서 고장상태에서는 애노드 출구단 온도에 대응하는 설정시간 또는 전류 적산 기준값으로부터 설정 값을 감산한 비교값을 사용하여, 현 시점의 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량이 상기 감산한 비교값 이상일 경우, 워터트랩 배출밸브를 강제 개폐 동작시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 (g) 단계의 워터트랩 수위센서 고장상태에서 연료전지시스템의 오프시에 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류 적산량에 따라 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작을 추가 실시한 뒤 오프하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지시스템 오프시에 현 시점의 워터트랩 배출밸브 대기시간 또는 전류적산량이 애노드 출구단 온도에 대응하는 비교값 데이터의 설정시간 또는 전류 적산 기준값의 50% 이상이면 워터트랩 배출밸브의 강제 개폐 동작을 추가 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 제어기가 연료전지의 운전 동안에 연료전지 스택의 단위 전지 전압이 일정 수준 이하로 나타나는 현상이 일정 횟수 이상 반복적으로 발생하게 되면, 애노드 워터트랩 배출밸브를 강제 개폐하여 워터트랩 내 물을 배출하고, 애노드측 퍼징 밸브를 일정 시간 동안 반복적으로 개폐하여 애노드 채널의 물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 워터트랩 장치의 제어방법.
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