KR101013857B1 - 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법에 관한 것으로서, 워터트랩에 저장된 응축수의 적절한 배출을 위해 워터트랩 내 수위센서의 신호에만 의존해서 제어하거나, 이를 좀더 보완하여 워터트랩 내의 응축수 양에 관계되는 스택 사용 전류의 적산값을 계산하고 계산된 적산값을 통해 응축수 배출을 제어하는 단순 전류적산 제어 방식의 문제점을 개선하여, 센서 오동작, 전류적산 예측 오류 등으로부터 기인하는 기존의 문제점을 해소할 수 있는 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법에 관한 것이다.

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Description

워터트랩의 응축수 배출 제어 방법{Drain control method for water trap}

본 발명은 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에서 스택으로부터 나온 응축수를 모아 배출하는 워터트랩의 응축수 배출을 최적화하기 위한 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.

이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전 기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H⁺)과 전자(electron, e^-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

한편, 연료전지 스택의 반응에 있어서 공기의 습도는 매우 중요하다. 따라서, 습도의 유지를 위해 가습기를 이용하여 공기 입구측에서 수분을 공급하게 되는데, 수분을 공급받은 공기는 스택 내의 유로를 따라 이동하여 수소와 반응한 다음 물을 생성시킨다.

반응에 의해 생성된 물은 산소와 수소의 흐름을 방해하므로 스택으로부터 제거가 필요하며, 이에 스택에서 생성된 물을 워터트랩(Water Trap)에 모아 배출하도록 되어 있다.

첨부한 도 1 및 도 2는 종래의 워터트랩을 도시한 개략도로서, 도 1은 수위센서 의존형 제어 방식의 배출 시스템을 도시한 것이고, 도 2는 종래의 전류적산 제어 방식의 배출 시스템을 도시한 것이다.

연료전지 시스템에서 수소이온과 산소가 만나 물을 생성하는 캐소드 쪽에서 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.

이와 같이 연료전지 스택이 운전되면 캐소드 쪽에 많은 물이 생성되어 대부분의 물이 공기블로워의 영향으로 캐소드 출구 쪽으로 배출되지만 애노드 쪽으로도 일부가 넘어온다. 애노드 쪽은 순수 수소가 공급되고 또한 불순물 제거를 위한 주기적인 퍼징과 수소 순환을 위한 수소 재순환 블로워가 동작하지만 캐소드에서 넘어온 물이 상당부분 제거되지 않고 계속 쌓이게 된다.

이러한 애노드의 응축수를 배출하기 위해 스택(10) 하부에 워터트랩(30)을 설치하여 주기적으로 물을 배출해주는데, 애노드에서 발생한 물을 워터트랩(30)에 저장한 뒤 일정량 이상의 물이 채워지면 외부로 배출하고 있다.

이때, 워터트랩(30)에는 스택(10)에서 나온 혼합가 스(H₂+Water[Vapor+Liquid])의 물이 분리되어 모이게 되며, 액적이 제거된 혼합가스(H2+Water[Vapor])가 수소 재순환 블로워(20)에 의해 재순환되어 수소탱크에서 공급된 수소와 섞인 뒤 스택(10)에 재투입된다. 또한 워터트랩(30)에 일정량 이상의 물이 저장되면 워터트랩 바닥 쪽의 배출밸브(32)가 열리면서 물의 배출이 이루어진다. 이러한 워터트랩 장치를 구성함에 있어서 중요한 전제 조건은 응축수만 배출하고 최대한 수소 배출을 하지 않는 것이다.

애노드 응축수 배출을 위해 사용하는 종래의 배출 방식은 크게 두 가지 방식으로 구분된다. 도 1은 종래의 전형적인 애노드 응축수 배출 시스템을 나타낸 것으로, 첫 번째 방식은 워터트랩(30) 상, 하 위치에 수위센서(31a,31b)를 장착한 뒤, 상위 수위센서(31a)가 동작하면 배출밸브(32)를 열어 응축수 배출을 시작하고, 하위 수위센서(31b)가 동작하면 응축수 배출을 위한 배출밸브(32)를 닫는 제어 방식이다.

스택(10)의 애노드 출구에서 잉여 수소 및 수증기와 함께 배출된 응축수는 중력으로 인해 애노드 워터트랩(30)에 모이게 되고, 수증기 부분은 수소와 함께 수소 재순환 블로워(20)에 의해 순환을 하게 된다.

제어 순서도는 첨부한 도 3에 나타낸 바와 같다. 제어 알고리즘은 수위센서 감지 의존형으로서, 배출밸브 제어시에 상위 수위센서(31a)가 동작(물 감지)하면 워터트랩(30)에 거의 물이 찬 것으로 판단하여 배출밸브(32)를 개방한다. 이후 수위가 내려가서 하위 수위센서(32b)가 동작(드라이 상태 감지)하면 수위가 안 전한 레벨까지 내려간 것으로 판단하여 배출밸브(32)를 닫는다.

그러나, 상기와 같은 수위센서 의존형 방식에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

1) 초기 냉간 시동시 스택과 워터트랩 간의 온도차로 인해 수위센서에 습기가 형성되면 수위센서가 물이 찬 것으로 오동작하는 경우가 발생한다. 즉, 수위센서가 감지부에 형성된 습기만으로 물이 찬 것으로 오동작(습기를 물로 오감지)하는 것이다. 결국, 물이 워터트랩에 일정 레벨까지 채워지지 않은 상태(상위 수위센서의 습기 감지 상태임)에서도 배출밸브가 오동작하게 된다. 이와 같이 물이 채워지지 않은 상태에서 배출밸브가 오동작하면 응축수보다 수소를 배출하는 경우가 많아지게 된다.

2) 센서의 와이어 단선이나 센서 고장으로 인해 배출밸브가 오동작하여 수소가 배출될 수 있다. 워터트랩에서 수소 배출에 따른 문제점은 수소 이용률의 저하를 들 수 있으며, 연료인 수소를 불필요하게 배출하면 주행거리 및 연비에 악영향을 주게 된다. 또한 수소 배출시에 수소 센서의 작동에 따라 시스템이 강제로 셧다운될 수 있다. 즉, 차량이 정차하였을 경우 연료전지 시스템 내 수소 누출을 감지하는 센서에 의해 차량 내 수소 누출로 감지되어 시스템이 강제 종료되는 것이다. 그리고, 단선 또는 고장으로 인해 일정 레벨까지 응축수가 채워짐을 센서가 알려주지 못할 경우에는 배출밸브가 계속해서 닫혀 있을 수 있으며, 결국 물이 스택까지 쌓이면서 스택 성능이 저하되는 경우가 발생한다. 상위 수위센서에서 신호가 출력되지 못할 경우 물이 워터트랩에서 스택까지 넘쳐 흐를 수가 있는 것이 다.

두 번째 방식은 전류적산 제어 방식으로 상기한 첫 번째 방식을 개선한 것이다. 도 2는 도 1의 시스템을 보완한 전류적산 제어 방식의 응축수 배출 시스템을 나타낸 것으로, 이 방식은 스택 사용 전류의 적산량에 따라 애노드로 넘어오는 물의 양이 어느 정도 예측 가능하다는 것을 이용해 상기 수위센서에만 의존하지 않고 수위센서(31)의 감지와 함께 스택 사용 전류의 적산값이 설정값에 도달할 때 물이 찬 것으로 판단하여 제어하는 방식이다.

좀더 상세히 설명하면, 첨부한 도 4는 종래의 전류적산 제어 방식을 나타낸 순서도로서, 종래의 전류적산 제어 알고리즘은, 캐소드에서 애노드로 넘어오는 물량을 전류적산으로 계산하여 항상 워터트랩(30)에 들어오는 물량이 배출되는 물량보다 적게되는, 즉 워터 밸런스(water balance)가 네거티브(negative)가 되는 Q 값을 설정한 뒤 이를 배출밸브의 오픈(open) 주기로 활용하는 제어 알고리즘이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 매 설정된 전류적산 Q 값마다 밸브(32)를 개방한다. 밸브(32)의 닫는 시점은 수위센서(31)에 물이 없다고 감지(드라이 상태 감지)되면 바로 닫거나, 수위센서가 물이 찼다고 인식하게 되면, 최대 설정시간 a 만큼 밸브를 개방하는 제어 알고리즘이다. 그러나, 이러한 제어 알고리즘에서도 다음과 같은 문제점이 있다.

1) 첫 번째 방식과 마찬가지로 초기 냉간 시동시 스택과 워터트랩 간의 온도차에 의해 수위센서에 습기가 형성되면 수위센서가 물이 찬 것으로 오동작하는 경우가 발생한다. 즉, 수위센서가 감지부에 형성된 습기만으로 물이 찬 것으로 오 동작(습기를 물로 오감지)하는 것이다. 결국, 수위센서가 워터트랩에 물이 찬 것으로 오동작할 때 최대시간 a 만큼 배출밸브를 개방하게 되고, 이때 수소가 배출되기도 한다. 한번 개방한 시점에 이미 워터트랩에 물이 모두 빠졌기 때문에 다음 Q 값 주기에 또다시 a 만큼 배출밸브를 개방하여, 센서의 오동작에 대한 수소 배출의 문제점을 완전히 보완하지 못한다. 이때 여전히 센서는 습기때문에 물이 찬 것으로 오동작하고 있게 된다.

2) 또한 워터 밸런스(water balance)가 네거티브(negative)하게 임계값을 설정하였더라도, 전류적산값과 물이 차는 속도는 가변전류, 정전류, 고전류, 저전류 부하 특성에 따라 항상 달라지는 문제점이 있기 때문에, 정상 회복이 되더라도 물 배출이 원할하지 않아, 스택에 물이 차거나 다량의 물방울이 수소 재순환 블로워로 들어가서 회전수(RPM) 감소를 빈번하게 발생시킨다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 워터트랩에 저장된 응축수의 적절한 배출을 위해 워터트랩 내 수위센서의 신호에만 의존해서 제어하거나, 이를 좀더 보완하여 워터트랩 내의 응축수 양에 관계되는 스택 사용 전류의 적산값을 계산하고 계산된 적산값을 통해 응축수 배출을 제어하는 단순 전류적산 제어 방식의 문제점을 개선하여, 센서 오동작, 전류적산 예측 오류 등으로부터 기인하는 기존의 문제점을 해소할 수 있는 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, (a) 초기 강제 수위 상승에 필요한 전류적산 임계값 Q_init, 워터 밸런스를 네거티브하게 유지하기 위한 전류적산값 Q_neg, 최대 배출밸브 오픈 시간 a, 및 Q_init 값의 감소분 ΔQ를 설정하는 단계; (b) 연료전지 운전 중 전류적산을 수행하고 현재의 전류적산값이 Q_init 값에 도달하는지를 확인하여 Q_init 값에 도달하면 워터트랩의 배출밸브를 개방하는 단계; (c) 상기 배출밸브 개방 후 a 시간이 경과한 상태에서 배출밸브를 닫아주거나, a 시간 이내에서 워터트랩의 수위센서가 드라이 상태를 감지하면 배출밸브를 닫아주는 단계; (d) 이어 Q_init 값을 설정값인 ΔQ 만큼 감소시키는 단계; (e) 이어 상기 (b), (c), (d)의 단계를 반복하여 워터트랩의 응축수를 배출하되, 상기 Q_init 값은 상기 Q_neg 값보다 클 경우에만 ΔQ 만큼 감소시키는 단계;를 포함하는 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서 상기 (b) 단계에서는 현재의 전류적산값이 Q_init 값에 도달하기 이전에라도 수소 재순환 블로워의 회전수가 설정치 아래로 저하되고 이때의 전류적산값이 'Q_init×팩터' 값에 도달한 상태이면 배출밸브를 개방하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직한 실시예에서 상기 ΔQ은 고정값 또는 스택 출력 전류에 따른 가변값으로 설정할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법에 의하면, 워터트랩에 저장된 응축수의 적절한 배출을 위해 워터트랩 내 수위센서의 신호에만 의존해서 제어하거나, 이를 좀더 보완하여 워터트랩 내의 응축수 양에 관계되는 스택 사용 전류의 적산값을 계산하고 계산된 적산값을 통해 응축수 배출을 제어하는 단순 전류적산 제어 방식의 문제점을 개선하여, 새로운 방식의 전류적산 가변 제어 알고리즘을 적용함으로써, 다음과 같은 효과가 있게 된다.

1) 워터트랩 내에 존재하는 수위센서의 오동작으로 인한 응축수 외 수소 배출을 최소화할 수 있고, 결국 주행거리 및 연비, 수소 이용률 향상의 장점이 있게 된다.

2) 워터트랩의 강제 수위 상승 제어 알고리즘을 위한 전류적산 초기값 적용으로 수위 센서 동작을 정상화할 수 있는 효과가 있다.

3) 전류적산 가변 제어 방식을 적용함에 의해 고정 전류적산값의 계산 오류로 인한 응축수 배출밸브의 과도 오픈 동작을 방지할 수 있는 효과가 있다.

4) 전류적산 가변 제어 방식을 적용함에 의해 워터트랩 내의 응축수를 적정 수위로 유지할 수 있는 장점이 있다.

5) 워터트랩의 형상, 수위센서의 위치, 개수 등에 독립적이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 워터트랩에 저장된 응축수의 적절한 배출을 위해 워터트랩 내 수위센서의 신호에만 의존해서 제어하거나, 이를 좀더 보완하여 워터트랩 내의 응축수 양에 관계되는 스택 사용 전류의 적산값을 계산하고 계산된 적산값을 통해 응축수 배출을 제어하는 단순 전류적산 제어 방식의 문제점을 개선하여, 센서 오동작, 전류적산 예측 오류 등으로부터 기인하는 기존의 문제점을 해소할 수 있는 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법에 관한 것이다.

첨부한 도 5는 본 발명에 따른 애노드 응축수 배출 시스템을 도시한 개략도이고, 도 6은 본 발명에 따른 응축수 배출 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

워터트랩(30)에서 사용되고 있는 수위센서(31)로는 광학식 수위센서가 사용되고 있고, 이러한 광학식 수위센서의 경우 감지부에 형성된 습기만으로 물을 감지하는 오동작이 문제가 되고 있다. 즉, 물에 잠기지는 않았지만 감지부에 습기가 존재하면 물에 잠긴 것으로 오동작하는 것이다.

반면, 이러한 광학식 수위센서는, 물을 감지한 상태(Wet 상태)가 실제 물속에 잠겨 있는 것인지 아니면 단순히 수분이 묻어 있는 것인지 부정확하지만, 드라이(Dry) 상태(물이 없는 상태)에 대해서는 정확히 감지하는 특성이 있다. 본 발명에서는 이러한 센서 특성을 이용한다.

도 5를 참조하면, 하측 (b)에는 같은 높이의 센서 2개(31a,31b))를 사용한 예를 도시하였는데, 실제 워터트랩에는 첫 번째 방식과 같이 상위 수위센서와 하위 수위센서를 모두 설치하는 방식, 두 번째 방식과 같이 형상에 따라 하나의 수위센서를 설치하는 방식, 그리고 같은 높이로 좌우 양측에 각각 수위센서를 설치하는 방식이 적용되고 있다. 특히, 스택(10)이 차량의 언더플로어에 장착되는 경우에는 장착 위치의 제약으로 워터트랩(30)의 상하 높이가 낮기 때문에 같은 높이에 2개의 수위센서(31a,31b)를 설치하는 방식이 적용되고 있다. 같은 높이에 2개의 수위센서를 설치하는 방식에서 워터트랩(30)의 형상은 적용 차종 및 스택(10)의 위치에 따라 좌우 길이(L), 전후 폭(W), 높이(H)가 달라지고, 결국 응축수가 채워지는 부피가 달라진다.

본 발명에서는 종래의 첫 번째 방식과 두 번째 방식에서 문제가 되는 센서 오작동 구간을 완전히 회피하고 차량의 환경에 따라 워터 밸런스를 네거티브(negative)하게 만드는 종래 Q 값(전류적산 임계값) 설정의 문제점을 개선한 제어 알고리즘이 제시되며, 응축수가 워터트랩(30)의 부피만큼 완전히 채워지도록 하여(초기 강제 수위 상승 시행) 습기에 의해 발생하는 수위센서의 수위 측정 오류를 막고자 하였다.

이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 응축수 배출 제어 과정에 대해 상술하기로 한다. 다음의 응축수 배출 제어 과정에서 전류적산을 수행하고 수소 재순환 블로워(20)의 회전수 신호와 수위센서(31)의 신호를 입력받아 수위센서의 오동작 여부를 판별하며 배출밸브(32)의 구동을 제어하는 제어 주체는 연료전지 제어기(1)가 될 수 있다.

우선, 시동과 함께 운전 시작을 한다. 워터트랩(30)의 수위센서(31)는 스택(10)과의 온도차로 인해 발생하는 습기로 인해 물이 없어도 물이 감지된 것으로 동작할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 초기 강제 수위 상승을 실시한다.

이를 위해, 초기 강제 수위 상승에 필요한 Q 초기값(전류적산 초기값)이 설정(이하, Q_init라 함)되어 있어야 하고, 이와 함께 수위센서(31)의 정상 동작 후 적용되는 것으로서 워터 밸런스(water balance)를 네거티브(negative)하게 유지하기 위한 Q 값(네거티브 전류적산값)(이하, Q_neg라 함) 설정, 최대 부피만큼의 응축수를 완전히 배출하는데 걸리는 시간인 최대 배출밸브 오픈 시간 a 값 설정, Q_init 값의 감소분(ΔQ) 설정 등이 이루어져 있어야 한다(S11). 여기서, 상기 ΔQ은 고정값 또는 스택 출력 전류에 따른 가변값으로 설정할 수 있다.

이후, 연료전지 운전 중에 전류적산을 수행하여(S13) Q_init 값에 도달하는지를 확인한다(최초시에는 ΔQ을 0으로 설정함, 즉 Q_init 값 감소 적용하지 않음)(S15). 이와 같이 상기 초기 강제 수위 상승이란 연료전지 운전 중 전류적산값이 Q_init 값에 도달할 때까지 배출밸브(32)를 개방하지 않고 워터트랩(30)에 응축수를 채우는 것을 의미한다. 여기서, 전류적산값이 동일한 Q_init 값에 도달하였다 하더라도 스택(10)의 온도, 부하 전류의 특성(정전류, 가변전류, 대전류, 소전류 등)에 따라 워터트랩(30) 내 응축수의 축적속도와 축적량은 달라지게 된다.

이어 현재의 전류적산값이 Q_init 값에 도달하게 되면 배출밸브(32)를 개방한다(S15,S16). 단, 현재의 전류적산값이 Q_init 값에 도달하지 않은 상태라 하더라도 수소 재순환 블로워(20)의 회전수(RPM) 저하가 발생하는 경우에는 배출밸브(32)를 개방한다. 수소 재순환 블로워(20)의 회전수 저하가 발생하는 것은 연료전지 운전 중 현재의 전류적산값이 Q_init 값에 도달하는 동안 워터트랩(30) 내의 물이 스택(10)까지 도달하는 경우가 되며, 이때는 전류적산값이 Q_init 값에 도달하기 전이라도 배출밸브(32)를 열어 물을 배출하게 된다. 연료전지 운전 중 초기 스택(10) 및 워터트랩(30)의 응축수 잔량 때문에 전류적산값이 Q_init 값에 도달하기 전이라도 스택(10)까지 응축수가 도달할 수 있는 바, 이때 수소 재순환 블로워(20)의 회전수 저하가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 초기 강제 수위 상승시 수소 재순환 블로워(20)의 회전수 저하를 응축수 배출의 센서 신호로 적용한다.

이때 회전수 저하가 스택(10)까지의 응축수 도달을 원인으로 하는 것이 아닌 단순 수소 재순환 블로워(20)의 오동작에 기인하는 것일 수 있으므로 전류적산값이 'Q_init×팩터(Factor)(예, 팩터 = 0.7 또는 0.8로 설정)' 값만큼 도달되었을 경우에만 배출밸브(32)를 개방한다. 즉, 수소 재순환 블로워(20)의 회전수가 설정치 아래로 저하되고 이때 현재의 전류적산값이 'Q_init×팩터' 값에 도달한 상태라면 배출밸브(32)를 개방하는 것이다(S14,S15,S16). 이와 같이 'Q_init×팩터' 값만큼 누적되었을 때만 회전수 신호를 적용하여 단순 수소 재순환 블로워의 오동작에 의한 제어 천이를 피한다.

그리고, 상기와 같이 배출밸브(32)가 개방되고 난 뒤, 수위센서(31)가 물을 감지하지 않은 상태로 설정시간 a가 경과하면, 배출밸브(32)를 닫아주고(S17, S18), 이후 ΔQ = 0을 적용하여 다음 과정에서 Q_init 값을 변동 없이 그대로 적용한다. 즉, a 시간 이내에 수위센서(31)가 드라이 상태를 감지하지 못하면 Q_init 값을 감소시키지 않는 것이다.

반면 배출밸브(32)가 개방된 뒤, 설정시간 a에 도달하기 전이라도 수위센서(31)로부터 물이 없다는 신호가 감지되면(센서가 드라이(Dry) 상태를 감지함), 배출밸브(32)를 닫아주고(S17,S19,S20), 이어 이전에 적용되었던 Q_init 값을 설정값인 ΔQ 만큼 감소시킨다. 이때 적용된 Q_init 값이 워터 밸런스(water balance)를 네거티브(negative)하게 유지하기 위해 설정된 Q 값, 즉 Q_neg 값보다 클 경우에만 ΔQ 만큼 감소시키며(S21,S12), 이후 상기한 전류적산 수행 과정 및 밸브 개방 과정을 반복할 때마다 Q_init 값을 Q_neg 값까지 감소시켜 나간다. 도 6에서 우측의 그래프는 Q_init 값을 과정 반복시마다 ΔQ 만큼 단계적으로 Q_neg 값까지 감소시키는 것을 보여주고 있으며, 강제 수위 상승에 적용하게 되는 Q_init 값을 Q_neg까지 단계적으로 감소시킨 뒤 이후 배출 제어 과정에서는 워터트랩(30)의 수위를 워터 밸런스 네거티브(water balance negative) 상태가 되도록 제어한다.

상기한 과정에서 수위센서(31)가 물 감지 상태(wet 상태)에서 드라이 감지 상태(dry 상태)로 바뀌었다는 것은 워터트랩(30) 내 응축수가 Q_init 값의 적산시간 만큼 누적되어 수위센서 위로 상승하였다가 밸브 개방으로 수위센서 아래까지 물이 빠져나갔음을 의미하며, 물 감지 상태에서 드라이 감지 상태로의 전환은 수위센서(31)가 실제 물을 감지하였다가 물이 빠졌음을 정상적으로 감지한 것으로 볼 수 있다. 수위센서(31)에 습기가 형성된 상태라 하더라도 전류적산 과정 동안 수위센서 위까지 응축수가 채워지고 나면 수위센서의 습기가 제거될 수 있고 이후 물이 빠지게 되면서 정상적으로 드라이 상태를 감지하게 되는 것이다.

그리고, 배출밸브(32)가 개방된 후 수위센서(31)가 물 감지 상태(wet 상태) 를 유지, 즉 드라이 상태를 감지하지 못한다는 것은, 응축수가 전류적산 수행 후라 하더라도 수위센서 위치까지는 응축수가 채워지지 않은 상태(실제 물이 채워지지 않았으나 습기를 물로 오감지한 상태)였고 이 상태에서 배출밸브(32)가 개방되어 물이 배출되었기 때문에 센서에 습기가 그대로 남아 있는 상태임을 의미하며, 결국 이때의 물 감지 상태는 습기 때문일 가능성이 높다(센서 오감지).

워터트랩 부피에 합당한 Q_init 값을 설정하였더라도 차량의 외부 환경조건에 따라 응축수의 축적속도가 달라지기 때문에 전류적산 동안 응축수가 수위센서의 위치까지 도달하지 않을 수 있는 것이고, 이로 인해 습기에 의한 센서의 오감지가 발생할 수 있는 것이다. 응축수의 축적속도는 스택의 온도, 부하 전류의 특성(정전류, 가변전류, 대전류, 소전류 등)에 따라 달라질 수 있다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 드라이 상태를 오감지하는 경우가 없는 수위센서(31)의 특성을 이용하여 전류적산 과정 동안 응축수를 워터트랩(30)에 채운 뒤 수소 재순환 블로워(20)의 회전수가 설정치 아래로 저하되고 전류적산값이 'Q_init×팩터'를 초과한 조건이거나 전류적산값이 Q_init 값에 도달한 조건에서 배출밸브(32)를 개방하되, 수위센서(31)가 드라이 상태를 감지하면 배출밸브(32)를 닫아주는 제어 방식을 적용함으로써, 수위센서의 오동작으로 인한 응축수 외 수소 배출 문제를 최소화할 수 있게 된다.

도 1 및 도 2는 종래의 워터트랩을 도시한 개략도로서, 도 1은 종래의 수위센서 의존형 제어 방식의 배출 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 종래의 전류적산 제어 방식의 배출 시스템을 도시한 도면,

도 3은 종래의 수위센서 감지 의존형의 제어 순서도,

도 4는 종래의 전류적산 제어 방식을 나타낸 순서도,

도 5는 본 발명에 따른 애노드 응축수 배출 시스템을 도시한 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 응축수 배출 제어 방법을 나타낸 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연료전지 제어기 10 : 스택

20 : 수소 재순환 블로워 30 : 워터트랩

31 : 수위센서 32 : 배출밸브

Claims (5)

1. (a) 초기 강제 수위 상승에 필요한 전류적산 임계값 Q_init, 워터 밸런스를 네거티브하게 유지하기 위한 전류적산값 Q_neg, 최대 배출밸브 오픈 시간 a, 및 Q_init 값의 감소분 ΔQ를 설정하는 단계;

   (b) 연료전지 운전 중 전류적산을 수행하고 현재의 전류적산값이 Q_init 값에 도달하는지를 확인하여 Q_init 값에 도달하면 워터트랩의 배출밸브를 개방하는 단계;

   (c) 상기 배출밸브 개방 후 a 시간이 경과한 상태에서 배출밸브를 닫아주거나, a 시간 이내에서 워터트랩의 수위센서가 드라이 상태를 감지하면 배출밸브를 닫아주는 단계;

   (d) 이어 a 시간 이내에 수위센서가 드라이 상태를 감지한 경우 Q_init 값을 설정값인 ΔQ 만큼 감소시키는 단계;

   (e) 이어 상기 (b), (c), (d)의 단계를 반복하여 워터트랩의 응축수를 배출하되, 상기 Q_init 값은 상기 Q_neg 값보다 클 경우에만 ΔQ 만큼 감소시키는 단계;

   를 포함하는 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 (b) 단계에서, 현재의 전류적산값이 Q_init 값에 도달하기 이전에라도 수소 재순환 블로워의 회전수가 설정치 아래로 저하되고 이때의 전류적산값이 'Q_init×팩터' 값에 도달한 상태이면 배출밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 ΔQ은 고정값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 ΔQ은 스택 출력 전류에 따른 가변값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 워터트랩의 응축수 배출 제어 방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 (d) 단계에서, a 시간 이내에 수위센서가 드라이 상태를 감지가 못한 경우 ΔQ = 0을 적용하여 Q_init 값을 변동시키지 않는 것을 특징으로 하는 워터트랩 의 응축수 배출 제어 방법.

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