KR101190729B1 - Monitoring method for cooling water of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법에 관한 것으로서, 냉각수 라인에 설치되었던 고가의 유량계나 압력센서 없이도 연료전지 스택의 입, 출구측 냉각수 온도를 검출하도록 기 설치된 온도센서만을 이용하여 연료전지 시스템 내에 순환되는 냉각수의 유량을 실시간으로 확인할 수 있고, 이를 토대로 냉각수의 정상 순환 여부를 정확히 판단할 수 있도록 한 냉각수 정상 순환 판정 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명에서는 유량계나 압력센서 없이도 차량의 냉각수 라인에서 발생한 문제를 즉각적으로 확인하여 냉각 시스템의 이상으로 인한 연료전지 스택의 과열 및 손상 등을 사전에 효과적으로 방지할 수 있게 되고, 연료전지 시스템의 구성 비용 및 시스템의 원가 절감을 달성할 수 있게 된다. The present invention relates to a method for determining the normal circulation of coolant in a fuel cell system. The present invention relates to a fuel cell using only a temperature sensor that is pre-installed to detect the temperature of coolant on the inlet and outlet of a fuel cell stack without an expensive flow meter or pressure sensor installed in a coolant line. The present invention relates to a cooling water normal circulation determination method capable of confirming in real time the flow rate of the cooling water circulated in the system and accurately determining whether the cooling water is circulated normally. In the present invention, it is possible to immediately check the problem occurring in the cooling water line of the vehicle without a flow meter or pressure sensor to effectively prevent the overheating and damage of the fuel cell stack due to the abnormality of the cooling system, the configuration of the fuel cell system Cost and system cost savings can be achieved.

Description

연료전지 시스템의 냉각수 유량 예측 방법 및 냉각수 정상 순환 판정 방법{Monitoring method for cooling water of fuel cell system}Monitoring method for cooling water of fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에서 연료전지의 운전 중 냉각수 라인 및 연료전지 스택을 통과하는 스택 냉각수의 유량을 추정하고 냉각수의 정상적인 순환상태를 판단 및 모니터링할 수 있는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to estimate a flow rate of stack cooling water passing through a cooling water line and a fuel cell stack during operation of a fuel cell, and to determine and monitor a normal circulation state of the cooling water. It is about how.

환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.A fuel cell system applied to a hydrogen fuel cell vehicle, which is one of environmentally friendly future vehicles, includes a fuel cell stack for generating electric energy from an electrochemical reaction of a reaction gas, a hydrogen supply device for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell stack, An air supply device that supplies air containing oxygen, which is an oxidant for electrochemical reaction, to the fuel cell stack, and releases heat, a byproduct of the electrochemical reaction of the fuel cell stack, to the outside to optimally control the operating temperature of the fuel cell stack and And a fuel cell system controller for controlling overall operation of the fuel cell system.

이러한 구성에서 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 산소의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키고, 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이에 연료전지 시스템에는 연료전지 스택의 온도 상승을 방지하기 위하여 연료전지 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다.In such a configuration, the fuel cell stack generates electrical energy from an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, which are reaction gases, and emits heat and water as the reaction byproducts. Accordingly, in the fuel cell system, an apparatus for cooling the fuel cell stack is essential in order to prevent a temperature rise of the fuel cell stack.

특히, 가정용 및 자동차용으로 주목받고 있는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 높은 전력밀도를 가지면서 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간을 가지는 장점이 있으나, 물을 필요로 하기 때문에 100℃ 이하의 온도에서 작동되어야 한다.In particular, polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), which are attracting attention for homes and automobiles, have high power density and fast start-up time due to low operating temperature and fast power conversion reaction time. Because it requires water, it must be operated at temperatures below 100 ° C.

통상 자동차용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택을 최적 온도로 유지하기 위한 냉각 시스템에는 스택 내 냉각수 채널을 통해 물을 순환시켜 냉각시키는 수냉식이 널리 적용되고 있다.In general, in a fuel cell system for automobiles, a water cooling method for circulating and cooling water through cooling water channels in a stack is widely applied to a cooling system for maintaining a fuel cell stack at an optimum temperature.

상기한 수냉식 냉각 시스템을 도 1에 도시하였다. 도 1은 종래기술에 따른 냉각수 시스템의 구성을 나타내는 개략도로서, 연료전지 스택(10)에는 반응가스가 공급되는 캐소드 채널과 애노드 채널, 그리고 스택 냉각수가 통과하면서 스택과 냉각수 간의 열교환이 이루어지는 냉각수 채널이 구비된다.The above water-cooled cooling system is shown in FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a cooling water system according to the prior art, wherein the fuel cell stack 10 includes a cathode channel and an anode channel to which a reaction gas is supplied, and a cooling water channel through which the stack cooling water passes and heat exchange between the stack and the cooling water. It is provided.

또한 냉각수가 순환될 수 있도록 연료전지 스택(10)과 라디에이터(21) 사이에 구성되는 냉각수 라인(11), 순환을 위해 냉각수를 펌핑하여 압송하는 냉각수 펌프(14), 냉각수가 저장되는 냉각수 리저버(12), 라디에이터(21)의 효과적인 방열을 위해 구비되는 라디에이터 팬(22)이 구비된다. 그 밖에 냉각수 라인(11)의 유량계(15), 온도센서(16,18) 및 압력센서(17,19), 냉각수 리저버(12)의 수위센서(13) 등이 설치된다.In addition, the coolant line 11 configured between the fuel cell stack 10 and the radiator 21 so that the coolant can be circulated, a coolant pump 14 for pumping and cooling the coolant for circulation, and a coolant reservoir in which the coolant is stored ( 12), a radiator fan 22 is provided for effective heat dissipation of the radiator 21. In addition, the flowmeter 15 of the cooling water line 11, the temperature sensors 16 and 18, the pressure sensors 17 and 19, the water level sensor 13 of the cooling water reservoir 12, etc. are provided.

이러한 수냉식 냉각 시스템을 적용함에 있어서 스택 냉각수 배관이 뜻하지 않게 막히거나 배관에 기포가 차는 경우 또는 냉각수가 부족한 경우에 냉각수가 정상적으로 순환하지 못하는 문제가 발생하는데, 스택 냉각수가 정상적으로 순환하지 않을 경우 스택 냉각이 정상적으로 이루어지지 않게 되고, 또한 스택 냉각이 정상적으로 이루어지지 않을 경우 스택이 과열되면서 연료전지 열화(MEA(Membrane-Electrode Assembly) 등 손상)에 의한 성능 저하가 초래될 수 있다.In applying such a water cooling system, the stack cooling water pipe is unexpectedly clogged, bubbles are filled in the pipe, or the cooling water does not circulate normally when the cooling water is insufficient. If the stack is not cooled normally, the stack may be overheated, resulting in deterioration in performance due to fuel cell deterioration (damage of the membrane-electrode assembly (MEA)).

따라서, 냉각수 라인(11)에서 냉각수가 정상적으로 순환하는지를 모니터링해야 하는데, 냉각수의 정상 순환 여부를 판단하기 위해서 종래에는 냉각수 라인(11)에 유량계(15)를 장착한 뒤 이 유량계(15)를 통해 냉각수 유량을 직접적으로 측정하여 판단하거나, 압력센서(17,19)를 통해 냉각수 압력을 측정하여 간접적으로 유량을 확인한 뒤 정상 순환 여부를 판단하는 방식을 이용하였다. 또한 냉각수 리저버(12)에 설치된 수위센서(13)를 통해 냉각수 부족을 확인하고 있다.Therefore, it is necessary to monitor whether the coolant circulates normally in the coolant line 11, and in order to determine whether the coolant circulates normally, a flow meter 15 is mounted in the coolant line 11 and then the coolant is flowed through the flow meter 15. The flow rate was directly measured or determined by indirectly checking the flow rate by measuring the coolant pressure through the pressure sensors 17 and 19, and then determining the normal circulation. In addition, the water level sensor 13 installed in the coolant reservoir 12 confirms the lack of coolant.

그러나, 유량계를 사용하는 방식의 경우 정확한 유량을 측정할 수는 있으나 유량계가 고가여서 가격적인 문제로 인해 양산용 시스템에 적용하기에 어려움이 있고, 냉각수 압력을 측정하는 방식의 경우 배관의 상태에 따라 압력이 변화하는 문제가 있어서 정확한 유량을 확인하기 어려울 뿐만 아니라 압력센서 추가에 따른 비용 증가의 문제가 발생한다.However, in the case of using the flow meter, it is possible to measure the exact flow rate, but it is difficult to apply to the mass production system due to the price problem because the flow meter is expensive, and in the case of the method of measuring the coolant pressure depending on the condition of the piping The problem of pressure changes is not only difficult to identify the correct flow rate, but also increases the cost of adding pressure sensors.

또한 냉각수 리저버에 수위센서를 설치하는 방식은 냉각수 부족 현상을 확인할 수는 있으나 냉각수 유량을 확인할 수 없고, 이 또한 센서 추가에 따른 비용 증가의 문제를 가지고 있다.In addition, the method of installing the water level sensor in the coolant reservoir can confirm the lack of coolant, but cannot confirm the coolant flow rate, which also has a problem of an increase in cost due to the addition of the sensor.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 종래에 냉각수 라인에 설치되었던 고가의 유량계나 압력센서 없이도 연료전지 시스템 내에 순환되는 냉각수의 유량을 실시간으로 확인할 수 있고, 이를 토대로 냉각수의 정상 순환 여부를 정확히 판단할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, it is possible to check the flow rate of the cooling water circulated in the fuel cell system in real time without the expensive flow meter or pressure sensor that was conventionally installed in the cooling water line, based on the cooling water The purpose is to provide a method to accurately determine whether the normal circulation of.

또한 본 발명은 유량계나 압력센서 없이도 차량의 냉각수 라인에서 발생한 문제를 즉각적으로 확인할 수 있도록 하여 냉각 시스템의 이상으로 인한 연료전지 스택의 과열 및 손상(MEA의 촉매 열화 및 손상 등) 등을 사전에 효과적으로 방지할 수 있고, 냉각수 라인의 유량계나 압력센서의 삭제를 통해 연료전지 시스템의 구성 비용 및 시스템의 원가 절감, 가격 경쟁력 확보를 달성할 수 있도록 하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, the present invention can immediately identify problems in the cooling water line of the vehicle without a flow meter or pressure sensor to effectively prevent overheating and damage of the fuel cell stack due to abnormality of the cooling system (catalytic degradation and damage of the MEA, etc.) in advance. The purpose of the present invention is to provide a method of preventing the cost of the fuel cell system, reducing the cost of the system, and securing the price competitiveness by eliminating the flowmeter or the pressure sensor of the cooling water line.

또한 본 발명은 압력센서 등을 이용한 기존 간접식 측정 방식에 비하여 냉각수의 유량을 계산을 통해 더욱 정확히 추정할 수 있고, 이로써 보다 정밀한 스택 온도 제어가 가능해지도록 하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for more accurately estimating the flow rate of the cooling water by calculating the flow rate of the cooling water compared to the conventional indirect measuring method using a pressure sensor, etc., thereby enabling more precise stack temperature control.

또한 제어기에서 간단한 수식 계산 및 알고리즘 수행으로 냉각수 유량의 추정 및 냉각수 정상 순환 여부의 확인이 가능하도록 하여 제어기의 연산 부담을 최소화할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
In addition, it is an object of the present invention to provide a method of minimizing the computational burden of the controller by enabling the estimation of the coolant flow rate and the confirmation of the normal circulation of the coolant by performing simple mathematical calculations and algorithms.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 연료전지의 운전 중 온도센서에 의해 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도가 검출되는 단계와; 연료전지의 운전 중 회전수 검출부에 의해 냉각수 펌프의 회전수가 검출되는 단계와; 상기 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 연료전지 스택의 운전상태에 따른 스택 발열량에 기초하여 냉각수 유량 추정식으로부터 냉각수 유량을 산출하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 냉각수 유량 예측 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes the steps of detecting the inlet coolant temperature and the outlet coolant temperature of the fuel cell stack by the temperature sensor during operation of the fuel cell; Detecting the rotation speed of the coolant pump by the rotation speed detection unit during operation of the fuel cell; Calculating a coolant flow rate from a coolant flow rate estimation formula based on an inlet coolant temperature and an outlet coolant temperature of the fuel cell stack and a stack calorific value according to an operation state of a fuel cell stack; Provide a method.

바람직한 실시예에서, 상기 냉각수 유량 추정식은 상기 연료전지 스택을 검사체적으로 하는 열역학 제1법칙에 의해 도출된 계산식으로서, 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 스택 발열량, 스택 열용량, 냉각수 비열로부터 상기 냉각수 유량이 계산되도록 된 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the coolant flow rate estimating formula is a formula derived by the first law of thermodynamics that checks the fuel cell stack, and the cooling water flow rate is calculated from the inlet coolant temperature and outlet coolant temperature, stack calorific value, stack heat capacity, and coolant specific heat. It is characterized in that the coolant flow rate is calculated.

또한 상기 냉각수 유량 추정식은 하기 식(1)과 같이 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, the coolant flow rate estimation formula is characterized in that it is defined as in the following equation (1).

Figure 112010039919411-pat00001
(1)
Figure 112010039919411-pat00001
(One)

여기서,

Figure 112010039919411-pat00002
는 냉각수 유량, Q는 스택 발열량, MW는 스택 열용량, Tout는 출구측 냉각수 온도, Tout,old는 이전 계산 단계의 출구측 냉각수 온도, C는 냉각수 비열, Tin는 입구측 냉각수 온도임.here,
Figure 112010039919411-pat00002
Is the coolant flow rate, Q is the stack calorific value, M W is the stack heat capacity, T out is the outlet coolant temperature, T out, old is the outlet coolant temperature from the previous calculation step, C is the coolant specific heat, and T in is the inlet coolant temperature .

또한 본 발명은, 연료전지의 운전 중 온도센서에 의해 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도가 검출되는 단계와; 연료전지의 운전 중 회전수 검출부에 의해 냉각수 펌프의 회전수가 검출되는 단계와; 상기 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 연료전지 스택의 운전상태에 따른 스택 발열량에 기초하여 냉각수 유량 추정식으로부터 냉각수 유량을 산출하는 단계와; 미리 설정된 회전수-유량 데이터로부터 냉각수 펌프의 회전수 검출값에 상응하는 냉각수 유량을 산출하는 단계와; 상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산되는 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출되는 냉각수 유량에 기초하여 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법을 제공한다.In addition, the present invention includes the steps of detecting the inlet coolant temperature and the outlet coolant temperature of the fuel cell stack by the temperature sensor during operation of the fuel cell; Detecting the rotation speed of the coolant pump by the rotation speed detection unit during operation of the fuel cell; Calculating a coolant flow rate from a coolant flow rate estimation formula based on an inlet coolant temperature and an outlet coolant temperature of the fuel cell stack and a stack calorific value according to an operating state of the fuel cell stack; Calculating a coolant flow rate corresponding to the rotation speed detection value of the coolant pump from the preset rotation speed-flow rate data; And determining whether or not the coolant is circulated normally based on the coolant flow rate calculated by the coolant flow rate estimation formula and the coolant flow rate calculated from the rotation speed-flow rate data. .

바람직한 실시예에서, 상기 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계는, 상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산된 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출된 냉각수 유량 간의 오차를 산출하는 단계와; 상기 두 냉각수 유량 간의 오차를 설정 시간 동안 누적하여 오차의 누적량을 산출하는 단계와; 상기 오차의 누적량을 정상 순환 여부 판단을 위한 누적 오차 기준치(α1)와 비교하여, 상기 누적 기준치(α1)를 초과하면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로, 누적 기준치(α1) 이하이면 정상 순환되는 상태로 판정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the step of determining whether the coolant is circulating normally includes calculating an error between the coolant flow rate calculated by the coolant flow rate estimation equation and the coolant flow rate calculated from the rotation speed-flow data; Calculating an accumulated amount of the error by accumulating the error between the two cooling water flow rates for a set time; The cumulative amount of the error is compared with the cumulative error reference value α1 for determining whether the normal circulation is normal. When the cumulative reference value α1 is exceeded, the cooling water is abnormally circulated. Determining; characterized in that it comprises a.

또한 바람직한 실시예에서, 상기 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계는, 상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산된 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출된 냉각수 유량 간의 오차를 정상 순환 여부 판단을 위한 오차 기준치(β1)와 비교하는 단계와; 상기 두 냉각수 유량 간의 오차가 설정 시간(γ1)을 초과하여 상기 오차 기준치(β1)을 초과하면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로, 상기 두 냉각수 유량 간의 오차가 오차 기준치(β1) 이하이거나 오차 기준치(β1)를 초과하는 시간이 상기 설정 시간(γ1) 이내이면 냉각수가 정상 순환되는 상태로 판정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
In a preferred embodiment, the step of determining whether the coolant is normal circulation, the error for determining whether the normal circulation is the error between the coolant flow rate calculated by the coolant flow rate estimation formula and the coolant flow rate calculated from the rotation speed-flow rate data Comparing the reference value β1; When the error between the two coolant flow rates exceeds the set time γ1 and exceeds the error reference value β1, the coolant is circulated abnormally. The error between the two coolant flow rates is equal to or less than the error reference value β1 or And determining that the coolant is circulated normally when the time exceeding the time is within the set time (γ1).

이에 따라, 본 발명에 따른 냉각수 유량 예측 방법 및 정상 순환 판정 방법에 의하면, 종래에 냉각수 라인에 설치되었던 고가의 유량계나 압력센서 없이도 연료전지 스택의 입, 출구측 냉각수 온도를 검출하도록 기 설치된 온도센서만을 이용하여 연료전지 시스템 내에 순환되는 냉각수의 유량을 실시간으로 확인할 수 있고, 이를 토대로 냉각수의 정상 순환 여부를 정확히 판단할 수 있게 된다.Accordingly, according to the cooling water flow rate prediction method and the normal circulation determination method according to the present invention, a temperature sensor that is pre-installed to detect the temperature of the coolant on the inlet and outlet sides of the fuel cell stack without an expensive flow meter or pressure sensor that is conventionally installed in the cooling water line Only the flow rate of the coolant circulated in the fuel cell system can be checked in real time, and based on this, it is possible to accurately determine whether the coolant is circulated normally.

또한 냉각수 라인의 유량계나 압력센서 없이도 차량의 냉각수 라인에서 발생한 문제를 즉각적으로 확인하여 냉각 시스템의 이상으로 인한 연료전지 스택의 과열 및 손상(MEA의 촉매 열화 및 손상 등) 등을 사전에 효과적으로 방지할 수 있게 되고(스택의 내구성 확보에 기여하게 됨), 냉각수 라인의 유량계나 압력센서의 삭제를 통해 연료전지 시스템의 구성 비용 및 시스템의 원가 절감, 가격 경쟁력 확보를 달성할 수 있게 된다. In addition, it is possible to immediately identify the problems in the vehicle's cooling water line without the flow meter or pressure sensor of the cooling water line, and effectively prevent the overheating and damage of the fuel cell stack due to the abnormality of the cooling system. (Contributing to ensuring the durability of the stack), eliminating the flow meter or pressure sensor in the coolant line can achieve the cost of constructing the fuel cell system, reducing the cost of the system, and securing cost competitiveness.

또한 압력센서 등을 이용한 기존 간접식 측정 방식에 비하여 냉각수의 유량을 계산을 통해 더욱 정확히 추정할 수 있고, 이로써 보다 정밀한 스택 온도 제어가 가능해지는 이점이 있다.In addition, compared to the conventional indirect measurement method using a pressure sensor, it is possible to estimate the flow rate of the cooling water more accurately through calculation, which has the advantage of enabling more precise stack temperature control.

또한 스택 냉각수의 부족을 판단하기 위한 냉각수 리저버의 수위센서를 삭제할 수 있어 추가적인 원가 절감이 가능해지고, 간단한 수식 계산 및 알고리즘 수행으로 냉각수 유량의 추정 및 냉각수 정상 순환 여부의 확인이 가능하여 제어기의 연산 부담이 최소화되는 이점이 있다.
In addition, it is possible to delete the water level sensor of the coolant reservoir to determine the lack of stack coolant, which can further reduce cost, and the calculation burden of the controller can be confirmed by estimating the coolant flow rate and checking the normal circulation of the coolant by simple calculation and algorithm. This has the advantage of being minimized.

도 1은 종래기술에 따른 냉각수 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각수 정상 순환 판정 과정이 수행되는 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각수 유량 추정에 대해서 설명하기 위한 참고도면이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각수 정상 순환 판단 과정을 나타내는 순서도이다.1 is a schematic view showing the configuration of a cooling water system according to the prior art.
2 is a configuration diagram of a fuel cell system in which a cooling water normal circulation determination process according to the present invention is performed.
3 is a reference view for explaining the cooling water flow rate estimation according to the present invention.
4 and 5 are flowcharts illustrating a process of determining a normal circulation of coolant according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains.

본 발명은 연료전지 시스템에서 연료전지의 운전 중 냉각수 라인(냉각수 배관) 및 연료전지 스택을 통과하는 스택 냉각수의 유량을 추정하고 냉각수의 정상적인 순환상태를 판단 및 모니터링할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for estimating the flow rate of stack cooling water passing through a cooling water line (cooling water pipe) and a fuel cell stack in a fuel cell system, and determining and monitoring a normal circulation state of the cooling water.

특히, 본 발명은 연료전지 시스템의 냉각수 라인에 기 설치된 온도센서의 검출값을 이용하여 종래의 유량계나 압력센서의 이용 없이 이론적인 해석 모델을 통해 냉각수 배관에 흐르는 유량을 계산할 수 있는 기술에 주안점이 있는 것이다.In particular, the present invention focuses on a technique that can calculate the flow rate of the cooling water pipe through the theoretical analysis model without using a conventional flow meter or pressure sensor by using the detection value of the temperature sensor pre-installed in the cooling water line of the fuel cell system. It is.

또한 이론적인 해석 모델을 통한 냉각수 유량 계산에 있어서, 본 발명에서는 개방 시스템에서의 에너지 보존법칙을 이용하여 스택 냉각수의 유량을 정확히 추정할 수 있는 기술을 제시한다. 이와 같이 본 발명에서 추정된 스택 냉각수의 유량은 연료전지 스택의 온도 제어 등 다양한 측면에서 유용하게 활용될 수 있다. In addition, in calculating the coolant flow rate through the theoretical analysis model, the present invention proposes a technique for accurately estimating the flow rate of the stack coolant using the energy conservation law in the open system. As such, the flow rate of the stack cooling water estimated in the present invention may be usefully used in various aspects such as temperature control of the fuel cell stack.

도 2는 본 발명에 따른 냉각수 정상 순환 판정 과정이 수행되는 연료전지 시스템의 구성도로서, 연료전지 스택(10)과 더불어 연료전지 시스템의 기본 구성이라 할 수 있는 수소공급장치, 공기공급장치, 냉각 시스템, 제어기(1)를 도시하고 있다.2 is a configuration diagram of a fuel cell system in which a coolant normal circulation determination process according to the present invention is performed, and a hydrogen supply device, an air supply device, and a cooling device, which may be referred to as a basic configuration of a fuel cell system, together with a fuel cell stack 10 The system, controller 1, is shown.

주지된 바와 같이, 수소공급장치는 수소탱크(31), 고압/저압 레귤레이터(32,34), 시동/정지용 솔레노이드 밸브(33), 유량계(35), 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인(36)의 블로워(37)가 연료전지 스택(10)의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드로 재순환시켜 수소의 재사용을 도모하게 된다. 도면부호 38은 수소 재순환 라인(36)의 솔레노이드 밸브를, 도면부호 39는 애노드의 수소를 배출시켜 퍼지함으로써 스택 내 분리판의 액적이나 질소 등 이물질을 제거하고 수소 이용률을 증대시키는 수소퍼지밸브를 나타낸다.As is well known, the hydrogen supply device includes a hydrogen tank 31, a high pressure / low pressure regulator 32, 34, a start / stop solenoid valve 33, a flow meter 35, a hydrogen recycle device, and the like. In the blower 37 of the recirculation line 36 is used in the anode of the fuel cell stack 10 to recycle the remaining unreacted hydrogen back to the anode to promote the reuse of hydrogen. Reference numeral 38 denotes a solenoid valve of the hydrogen recirculation line 36, and reference numeral 39 denotes a hydrogen purge valve which removes foreign substances such as droplets and nitrogen of the separator in the stack and increases hydrogen utilization by discharging and purging the hydrogen of the anode. .

공기공급장치는 공기블로워(41), 유량계(42), 공기밸브(미도시), 가습기(미도시) 등을 포함하며, 냉각 시스템은 냉각수 펌프(14), 라디에이터(21), 라디에이터 팬(22), 냉각수 리저버(미도시), 냉각수 라인(11)의 온도센서(16,18) 등을 포함한다. 여기서, 온도센서(16,18)는 연료전지 스택(10)의 냉각수 출구측과 입구측에 각각 설치되어 스택의 출구측 냉각수 온도와 입구측 냉각수 온도를 검출하게 된다. The air supply includes an air blower 41, a flow meter 42, an air valve (not shown), a humidifier (not shown), etc., and the cooling system includes a coolant pump 14, a radiator 21, and a radiator fan 22. ), A coolant reservoir (not shown), temperature sensors 16 and 18 of the coolant line 11, and the like. Here, the temperature sensors 16 and 18 are respectively installed at the coolant outlet side and the inlet side of the fuel cell stack 10 to detect the outlet coolant temperature and the inlet coolant temperature of the stack.

또한 연료전지 스택(10)에서 출력되는 전류 및 전압을 검출하기 위한 전류센서(23) 및 전압센서(24)가 설치되며, 제어기(1)는 유량계(35,42), 온도센서(16,18), 전류센서(23), 전압센서(24) 등의 검출값을 입력받아 연료전지 시스템의 각 구성부에 대하여 작동 전반을 제어하게 된다. In addition, a current sensor 23 and a voltage sensor 24 for detecting current and voltage output from the fuel cell stack 10 are installed, and the controller 1 includes flow meters 35 and 42 and temperature sensors 16 and 18. ), The current sensor 23, the voltage sensor 24, and the like, are input to control the overall operation of each component of the fuel cell system.

또한 도 2의 연료전지 시스템은 도면상 나타내지는 않았으나 냉각수 펌프(14)의 회전수를 검출하기 위한 회전수 검출부(미도시)를 포함하며, 상기 제어기(1)는 회전수 검출부로부터 냉각수 펌프의 회전수를 실시간으로 입력받게 된다.In addition, although not shown in the drawings, the fuel cell system of FIG. 2 includes a rotation speed detection unit (not shown) for detecting the rotation speed of the cooling water pump 14, and the controller 1 rotates the cooling water pump from the rotation speed detection unit. The number is input in real time.

상기 회전수 검출부로는 냉각수 펌프의 회전수를 실측하기 위한 회전수 센서가 될 수 있으나, 펌프 회전수에 상응하는 값(제어값 또는 실측값), 예컨대 펌프 회전수 제어를 위해 인가되는 펌프 전류치(제어값 또는 전류센서에 의한 실측값), 펌프 출력, 펌프 회전수 제어를 위한 지령치 등으로부터도 회전수의 추정이 가능하므로, 본 발명의 회전수 검출부는 회전수를 실측하기 위한 센서 등의 요소를 포함하는 것이거나, 펌프 회전수에 상응하는 값을 획득하기 위한 다양한 형태의 요소를 모두 포함하는 것으로 이해해야 함이 타당하다. The rotation speed detection unit may be a rotation speed sensor for measuring the rotation speed of the cooling water pump, but a value (control value or measured value) corresponding to the pump rotation speed, for example, a pump current value applied for the pump rotation speed control ( Since the rotation speed can be estimated from a control value or an actual value measured by a current sensor), a pump output, a command value for controlling the pump rotation speed, and the like, the rotation speed detection unit of the present invention provides a component such as a sensor for measuring the rotation speed. It is reasonable to understand that it is to include all or various types of elements for obtaining a value corresponding to the pump rotation speed.

한편, 본 발명에서는 상기와 같이 이루어진 연료전지 시스템 내에서 개방 시스템에서의 열역학 법칙을 이용하여 온도센서(16,18)에 의해 검출되는 연료전지 스택(10)의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도로부터 냉각수 유량을 이론적으로 계산하고, 계산된 냉각수 유량으로부터 냉각수 라인(11) 및 연료전지 스택(10)의 냉각수 채널을 따라 냉각수가 정상적으로 순환되고 있는지를 판단하게 된다.Meanwhile, in the present invention, the inlet coolant temperature and the outlet coolant temperature of the fuel cell stack 10 detected by the temperature sensors 16 and 18 using the thermodynamic law in the open system in the fuel cell system made as described above. The cooling water flow rate is theoretically calculated from the cooling water flow rate, and it is determined whether the cooling water is normally circulated along the cooling water channel of the cooling water line 11 and the fuel cell stack 10 from the calculated cooling water flow rate.

도면을 참조하여 설명하면, 도 3은 본 발명에 따른 냉각수 유량 추정에 대해서 설명하기 위한 참고도면이고, 도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 정상 순환 판단 과정을 나타내는 순서도이다.Referring to the drawings, FIG. 3 is a reference diagram for explaining a coolant flow rate estimation according to the present invention, and FIGS. 4 and 5 are flowcharts illustrating a process of determining a coolant normal circulation according to an embodiment of the present invention.

우선, 본 발명에서는 연료전지 스택을 하나의 검사체적(control volume)으로 하여 검사체적이 흡수한 에너지(Q)(= 연료전지 스택의 발열량 = 냉각수의 흡열량)와 연료전지 스택으로 유입된 냉각수 에너지량(Ein)의 합이 연료전지 스택에서 빠져나온 냉각수 에너지량(Eout)과 검사체적의 에너지 변화량(ΔEsystem)의 합과 같다는 개방 시스템에서 열역학 제1법칙을 이용하여 스택 냉각수의 유량을 계산하는 모델을 제시한다.First, in the present invention, the fuel cell stack is a control volume, and the energy Q absorbed by the inspection volume (= calorific value of the fuel cell stack = endothermic amount of cooling water) and the coolant energy introduced into the fuel cell stack are shown. In an open system in which the sum of the amounts E in is equal to the sum of the amount of coolant energy E out of the fuel cell stack and the amount of change in energy of the inspection volume ΔE system , the flow rate of the stack coolant is determined using the first law of thermodynamics. Present a model to calculate.

이러한 본 발명의 냉각수 유량 추정 모델에 대해 보다 상세히 설명하면, 본 발명자는 개방 시스템의 열역학 제1법칙을 활용하여 연료전지 스택(10)의 입구측 냉각수 온도센서(16)와 출구측 냉각수 온도센서(18)의 검출값으로부터 냉각수 유량을 계산할 수 있는 냉각수 유량 추정식을 도출하였는 바, 우선 시스템에 사용된 연료전지 스택(10)을 검사체적으로 하는 열역학 제1법칙은 아래의 식(E1)과 같이 정리될 수 있다(도 3 참조).Referring to the coolant flow rate estimation model of the present invention in more detail, the present inventors utilize the first law of thermodynamics of the open system, the inlet coolant temperature sensor 16 and the outlet coolant temperature sensor of the fuel cell stack 10 ( The coolant flow rate estimating equation for calculating the coolant flow rate was derived from the detected value of 18). First, the first law of thermodynamics for the inspection volume of the fuel cell stack 10 used in the system is as shown in Equation (E1) below. Can be arranged (see FIG. 3).

(E1) 연료전지 스택의 발열량(Q) + 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 에너지량(Ein) = 연료전지 스택의 에너지 변화량(ΔEsystem) + 연료전지 스택에서 나오는 냉각수 에너지량(Eout)(E1) Heat generation amount (Q) of the fuel cell stack + amount of coolant energy flowing into the fuel cell stack (E in ) = amount of energy change of the fuel cell stack (ΔE system ) + amount of coolant energy from the fuel cell stack (E out )

또한 위의 식(E1)은 아래의 식(E2)로 다시 표현될 수 있다.In addition, the above equation (E1) can be represented again by the following equation (E2).

(E2)

Figure 112010039919411-pat00003
(E2)
Figure 112010039919411-pat00003

여기서, Q는 연료전지 스택(10)의 발열량,

Figure 112010039919411-pat00004
는 냉각수 유량, C는 냉각수 비열, Tin는 온도센서(16)에 의해 검출되는 입구측 냉각수 온도, MW는 연료전지 스택(검사체적) 열용량, Tout는 온도센서(18)에 의해 검출되는 출구측 냉각수 온도, Tout,old는 이전 계산 단계의 출구측 냉각수 온도(계측값)이다. Tout - Tout,old는 출구측 냉각수 온도의 변화량이 된다.Where Q is the calorific value of the fuel cell stack 10,
Figure 112010039919411-pat00004
Is the coolant flow rate, C is the coolant specific heat, T in is the inlet coolant temperature detected by the temperature sensor 16, M W is the fuel cell stack (test volume) heat capacity, and T out is detected by the temperature sensor 18. The outlet coolant temperature, T out, old, is the outlet coolant temperature (measured value) from the previous calculation step. T out -T out, old is the amount of change in outlet coolant temperature.

상기 식(E2)를 정리하여 냉각수 유량 추정식을 도출하면 아래 식(E3)와 같다. 하기 식(E3)의 냉각수 유량 추정식은 1) 연료전지 스택의 온도 변화와 냉각수 출구 온도 변화가 같고, 2) 연료전지 스택의 애노드와 캐소드 채널에서 각각의 기체가 출입할 때 에너지의 출입량은 무시하는 것으로 가정하여 도출된 것이다. 상기 에너지의 출입량은 전체 에너지량의 최대 5% 이하로서 전체 에너지량에 비해 매우 작은 값이므로 무시하는 것이 가능하다. Summarizing the above formula (E2) to derive the coolant flow rate estimation formula is as follows equation (E3). Equation (E3) estimates the flow rate of coolant: 1) the temperature change of the fuel cell stack and the coolant outlet temperature change are the same, and 2) the amount of energy entering and exiting when each gas enters and exits the anode and cathode channels of the fuel cell stack. It is derived on the assumption. The amount of energy entering and exiting is up to 5% of the total amount of energy, which is very small compared to the total amount of energy, and thus can be ignored.

(E3)

Figure 112010039919411-pat00005
(E3)
Figure 112010039919411-pat00005

상기의 냉각수 유량 추정식에서, 검사체적의 열용량, 즉 연료전지 스택(10)의 열용량 MW와 냉각수의 비열 C는 해당 연료전지 스택에 대하여 알고 있는 값이고, 이 알고 있는 값 MW와 C는 제어기에 미리 입력된 상태에서 연료전지의 운전 중에 냉각수의 유량을 추정하는데 사용되게 된다.In the above coolant flow rate estimation equation, the heat capacity of the inspection volume, that is, the heat capacity M W of the fuel cell stack 10 and the specific heat C of the coolant, are known values for the fuel cell stack, and the known values M W and C are controllers. It is used to estimate the flow rate of the cooling water during the operation of the fuel cell in the state previously input to the.

또한 입구측 냉각수 온도 Tin과 출구측 냉각수 온도 Tout, Tout,old는 입구측 냉각수 온도센서(16)와 출구측 냉각수 온도센서(18)에 의해 각각 실시간 검출되는 온도이고, 연료전지 스택(10)의 발열량(냉각수의 흡열량) Q는 제어기(1)가 연료전지의 운전상태에 따라 실시간으로 계산하는 값으로서, 운전 중 연료전지 스택의 발열량 산출은 연료전지 시스템에서 다양한 방식으로 계산되고 있으나, 일례를 들면 다음과 같다.Further, the inlet coolant temperature T in and the outlet coolant temperature T out , T out, old are temperatures detected in real time by the inlet coolant temperature sensor 16 and the outlet coolant temperature sensor 18, respectively, 10 is a value calculated by the controller 1 in real time according to the operating state of the fuel cell, and the calorific value of the fuel cell stack is calculated in various ways in the fuel cell system. For example, as follows.

가장 간단한 방법으로서, 연료전지 시스템 내에서 전류센서(23)와 전압센서(24)에 의해 측정되는 스택 전류와 전압을 이용하는 방식인데, 연료전지 시스템에서 전기적인 에너지로 사용된 부분을 제외한 나머지 에너지는 모두 열로 발생하여 냉각수가 흡수했다고 가정할 경우, 아래와 같은 식(E4)로부터 연료전지 스택의 발열량 Q가 계산될 수 있다.The simplest method is to use the stack current and voltage measured by the current sensor 23 and the voltage sensor 24 in the fuel cell system. The remaining energy except for the portion used as the electrical energy in the fuel cell system is Assuming that all of the heat generated by the cooling water is absorbed, the calorific value Q of the fuel cell stack can be calculated from the following equation (E4).

(E4)

Figure 112010039919411-pat00006
(E4)
Figure 112010039919411-pat00006

여기서, E는 스택의 가역 개회로 전압(reversible open circuit voltage of stack), Vstack는 스택 전압, Istack는 스택 전류이다.Where E is the reversible open circuit voltage of the stack, V stack is the stack voltage, and I stack is the stack current.

상기의 발열량 산출 방법은 일례를 든 것으로, 본 발명에서 발열량 산출 방법은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.The calorific value calculation method is an example, and the calorific value calculation method in the present invention may be adopted without particular limitation as long as it is commonly known in the art.

결국, 제어기(1)는 연료전지의 운전 중 실시간 검출되는 연료전지 스택(10)의 입구측 냉각수 온도(Tin)와 출구측 냉각수 온도(Tout)에 기초하여 상기 식(E3)으로부터 연료전지 스택의 출구측 냉각수 유량(

Figure 112010039919411-pat00007
, 도 4 및 도 5에서는 mout _est로 나타냄)을 미리 설정된 시간 간격으로 계산할 수 있고(S11/S11'), 또한 식(E3)에 의해 산출된 냉각수 유량을, 냉각수 라인(11)에 설치된 냉각수 펌프(14)의 현재 회전수로부터 얻어진 스택 출구측의 냉각수 유량(mout)과 비교하여, 냉각수의 정상 순환 여부를 판단할 수 있게 된다(도 4 및 도 5 참조).As a result, the controller 1 generates a fuel cell from Equation (E3) based on the inlet coolant temperature T in and the outlet coolant temperature T out of the fuel cell stack 10 which are detected in real time during operation of the fuel cell. Coolant flow rate on the outlet side of the stack (
Figure 112010039919411-pat00007
In Figs. 4 and 5 expressed in m out _est) to be pre-calculated at pre-set intervals and the (S11 / S11 '), also the cooling water is installed in the cooling water flow rate, cooling water line 11 is calculated by the formula (E3) Compared with the cooling water flow rate m out at the stack outlet side obtained from the current rotation speed of the pump 14, it is possible to determine whether the cooling water is circulated normally (see FIGS. 4 and 5).

즉, 펌프 회전수에 따른 냉각수 유량값이 설정된 회전수-유량 맵(map)으로부터 회전수 검출부에 의해 검출된 현재 펌프 회전수에 해당하는 냉각수 유량(mout)을 추출한 뒤(S12/S12'), 상기 식(E3)의 유량 추정식으로부터 산출된 냉각수 유량(mout _est)을 회전수-유량 맵(map)으로부터 추출한 냉각수 유량(mout)과 비교하여 냉각수의 정상 순환 여부를 판단하는 것이다.That is, after extracting the cooling water flow rate m out corresponding to the current pump rotation speed detected by the rotation speed detection unit from the rotation speed-flow rate map in which the cooling water flow rate value according to the pump rotation speed is set (S12 / S12 ') The cooling water flow rate m out est calculated from the flow rate estimation formula of Equation (E3) is compared with the cooling water flow rate m out extracted from the rotational speed-flow rate map to determine whether the cooling water is normally circulated.

여기서, 회전수-유량 맵은 동일 사양의 연료전지 스택 및 동일 사양의 냉각수 펌프를 포함한 냉각 시스템, 그리고 이들을 포함하고 있는 동일 사양의 연료전지 시스템에 대하여 선행 실시한 실험을 통해 얻어지는 펌프 회전수-냉각수 유량 데이터로서, 냉각수 펌프의 각 회전수에 대하여 유량계를 이용해 계측한 스택 출구측의 냉각수 유량값을 맵 데이터화한 것이다. Here, the rotation speed-flow rate map is a pump rotation speed-coolant flow rate obtained through a previous experiment on a cooling system including a fuel cell stack of the same specification and a cooling water pump of the same specification, and a fuel cell system of the same specification including the same. As data, the cooling water flow rate value of the stack outlet side measured using the flowmeter with respect to each rotation speed of a cooling water pump is map data.

냉각수의 정상 순환 여부를 판단하는 과정에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제어기(1)는 두 냉각수 유량 간의 오차를 정해진 시간 간격으로 산출한 뒤 기 설정된 시간 동안의 오차를 누적하여 오차의 누적량을 정상 순환 여부 판단을 위한 누적 오차 기준치 α1와 비교하게 되는데(S13,S14), 이때 누적 기준치 α1를 초과하는 경우라면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로 판정하여, 연료전지 스택의 출력을 설정치 이내로 제한하거나, 연료전지 시스템을 셧다운 시키게 된다(S15). 물론, 오차 누적량이 누적 오차 기준치 α1 이하이면 냉각수가 정상 순환되는 상태로 판정한다. In the process of determining whether the coolant is circulating normally, as shown in FIG. 4, the controller 1 calculates an error between two coolant flow rates at a predetermined time interval and accumulates the error for a preset time to normalize the accumulated amount of the error. The cumulative error reference value α1 for determining whether to cycle is compared with (S13, S14). At this time, if the cumulative reference value α1 is exceeded, it is determined that the coolant is abnormally circulated to limit the output of the fuel cell stack within the set value, or the fuel. The battery system is shut down (S15). Of course, when the cumulative error amount is not more than the cumulative error reference value α1, it is determined that the coolant is circulated normally.

또는 냉각수의 정상 순환 여부를 판단하는 과정에서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어기(1)는 두 냉각수 유량 간의 오차를 정상 순환 여부 판단을 위한 오차 기준치 β1와 비교하게 되는데(S13'), 이때 미리 설정된 시간 γ1을 초과하여 오차 기준치 β1을 초과하는 경우라면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로 판정하여, 연료전지 스택의 출력을 설정치 이내로 제한하거나, 연료전지 시스템을 셧다운 시키게 된다(S14',S15'). 물론, 두 냉각수 유량 간의 오차가 오차 기준치 β1 이하이거나, 오차 기준치 β1을 초과하는 시간이 γ1 이내의 시간인 경우, 냉각수가 정상 순환되는 상태로 판정한다. Alternatively, in the process of determining whether the coolant is circulated normally, as shown in FIG. 5, the controller 1 compares an error between two coolant flow rates with an error reference value β1 for determining whether it is normally circulated (S13 ′). In the case where the error reference value β1 exceeds the set time γ1, the coolant is determined to be abnormally circulated, thereby limiting the output of the fuel cell stack within the set value or shutting down the fuel cell system (S14 ′, S15 ′). Of course, when the error between the two cooling water flow rates is equal to or less than the error reference value β1 or when the time exceeding the error reference value β1 is within the gamma 1 time, it is determined that the cooling water is normally circulated.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 종래에 냉각수 라인에 설치되었던 고가의 유량계나 압력센서 없이도 연료전지 스택의 입, 출구측 냉각수 온도를 검출하도록 기 설치된 온도센서만을 이용하여 연료전지 시스템 내에 순환되는 냉각수의 유량을 실시간으로 확인할 수 있고, 이를 토대로 냉각수의 정상 순환 여부를 정확히 판단할 수 있게 된다.In this way, in the present invention, the flow rate of the coolant circulated in the fuel cell system using only the temperature sensor installed to detect the coolant temperature of the inlet and outlet sides of the fuel cell stack without an expensive flow meter or pressure sensor that is conventionally installed in the coolant line. It can be confirmed in real time, and based on this it is possible to accurately determine whether the normal circulation of the coolant.

또한 냉각수 라인의 유량계나 압력센서 없이도 차량의 냉각수 라인에서 발생한 문제를 즉각적으로 확인하여 냉각 시스템의 이상으로 인한 연료전지 스택의 과열 및 손상(MEA의 촉매 열화 및 손상 등) 등을 사전에 효과적으로 방지할 수 있게 되고(스택의 내구성 확보에 기여하게 됨), 냉각수 라인의 유량계나 압력센서의 삭제를 통해 연료전지 시스템의 구성 비용 및 시스템의 원가 절감, 가격 경쟁력 확보를 달성할 수 있게 된다. In addition, it is possible to immediately identify the problems in the vehicle's cooling water line without the flow meter or pressure sensor of the cooling water line, and effectively prevent the overheating and damage of the fuel cell stack due to the abnormality of the cooling system. (Contributing to ensuring the durability of the stack), eliminating the flow meter or pressure sensor in the coolant line can achieve the cost of constructing the fuel cell system, reducing the cost of the system, and securing cost competitiveness.

또한 압력센서 등을 이용한 기존 간접식 측정 방식에 비하여 냉각수의 유량을 계산을 통해 더욱 정확히 추정할 수 있고, 이로써 보다 정밀한 스택 온도 제어가 가능해지는 이점이 있다.In addition, compared to the conventional indirect measurement method using a pressure sensor, it is possible to estimate the flow rate of the cooling water more accurately through calculation, which has the advantage of enabling more precise stack temperature control.

또한 스택 냉각수의 부족을 판단하기 위한 냉각수 리저버의 수위센서를 삭제할 수 있어 추가적인 원가 절감이 가능해지고, 간단한 수식 계산 및 알고리즘 수행으로 냉각수 유량의 추정 및 냉각수 정상 순환 여부의 확인이 가능하여 제어기의 연산 부담이 최소화되는 이점이 있다.In addition, it is possible to delete the water level sensor of the coolant reservoir to determine the lack of stack coolant, which can further reduce cost, and the calculation burden of the controller can be confirmed by estimating the coolant flow rate and checking the normal circulation of the coolant by simple calculation and algorithm. This has the advantage of being minimized.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Modified forms are also included within the scope of the present invention.

1 : 제어기 10 : 연료전지 스택
11 : 냉각수 라인 14 : 냉각수 펌프
16 : 입구측 냉각수 온도센서 18 : 출구측 냉각수 온도센서
21 : 라디에이터 22 : 라이데이터 팬
23 : 전류센서 24 : 전압센서1 controller 10 fuel cell stack
11: coolant line 14: coolant pump
16: Inlet coolant temperature sensor 18: Outlet coolant temperature sensor
21: Radiator 22: Lidata fan
23: current sensor 24: voltage sensor

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 연료전지의 운전 중 온도센서에 의해 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도가 검출되는 단계;
연료전지의 운전 중 회전수 검출부에 의해 냉각수 펌프의 회전수가 검출되는 단계;
상기 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 연료전지 스택의 운전상태에 따른 스택 발열량에 기초하여 냉각수 유량 추정식으로부터 냉각수 유량을 산출하는 단계;
미리 설정된 회전수-유량 데이터로부터 냉각수 펌프의 회전수 검출값에 상응하는 냉각수 유량을 산출하는 단계;
상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산되는 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출되는 냉각수 유량에 기초하여 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계;
를 포함하며,
상기 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계는,
상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산된 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출된 냉각수 유량 간의 오차를 산출하는 단계와;
상기 두 냉각수 유량 간의 오차를 설정 시간 동안 누적하여 오차의 누적량을 산출하는 단계와;
상기 오차의 누적량을 정상 순환 여부 판단을 위한 누적 오차 기준치(α1)와 비교하여, 상기 누적 기준치(α1)를 초과하면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로, 누적 기준치(α1) 이하이면 정상 순환되는 상태로 판정하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법.
Detecting an inlet coolant temperature and an outlet coolant temperature of the fuel cell stack by a temperature sensor during operation of the fuel cell;
Detecting the rotation speed of the coolant pump by the rotation speed detection unit during operation of the fuel cell;
Calculating a coolant flow rate from a coolant flow rate estimation equation based on an inlet coolant temperature and an outlet coolant temperature of the fuel cell stack and a stack calorific value according to an operating state of a fuel cell stack;
Calculating a coolant flow rate corresponding to the rotation speed detection value of the coolant pump from the preset rotation speed-flow rate data;
Determining whether the coolant is normally circulated based on the coolant flow rate calculated by the coolant flow rate estimation formula and the coolant flow rate calculated from the rotation speed-flow rate data;
Including;
The determining of the normal circulation of the coolant,
Calculating an error between the coolant flow rate calculated by the coolant flow rate estimation formula and the coolant flow rate calculated from the rotation speed-flow rate data;
Calculating an accumulated amount of the error by accumulating the error between the two cooling water flow rates for a set time;
The cumulative amount of the error is compared with the cumulative error reference value α1 for determining whether the normal circulation is normal. When the cumulative reference value α1 is exceeded, the cooling water is abnormally circulated. Determining;
Cooling water normal circulation determination method of the fuel cell system comprising a.
청구항 4에 있어서,
상기 냉각수 유량 추정식은 상기 연료전지 스택을 검사체적으로 하는 열역학 제1법칙에 의해 도출된 계산식으로서, 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 스택 발열량, 스택 열용량, 냉각수 비열로부터 상기 냉각수 유량이 계산되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법.
The method of claim 4,
The coolant flow rate estimating equation is a calculation equation derived from the first law of thermodynamics in which the fuel cell stack is an inspection volume. Cooling water normal circulation determination method of the fuel cell system, characterized in that.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 냉각수 유량 추정식은 하기 식(1)과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법.
Figure 112010039919411-pat00010
(1)
여기서,
Figure 112010039919411-pat00011
는 냉각수 유량, Q는 스택 발열량, MW는 스택 열용량, Tout는 출구측 냉각수 온도, Tout,old는 이전 계산 단계의 출구측 냉각수 온도, C는 냉각수 비열, Tin는 입구측 냉각수 온도임.
The method according to claim 4 or 5,
The coolant flow rate estimation equation is defined as the following equation (1), the coolant normal circulation determination method of the fuel cell system.
Figure 112010039919411-pat00010
(One)
here,
Figure 112010039919411-pat00011
Is the coolant flow rate, Q is the stack calorific value, M W is the stack heat capacity, T out is the outlet coolant temperature, T out, old is the outlet coolant temperature from the previous calculation step, C is the coolant specific heat, and T in is the inlet coolant temperature .
삭제delete 청구항 4에 있어서,
상기 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계는,
상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산된 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출된 냉각수 유량 간의 오차를 정상 순환 여부 판단을 위한 오차 기준치(β1)와 비교하는 단계와;
상기 두 냉각수 유량 간의 오차가 설정 시간(γ1)을 초과하여 상기 오차 기준치(β1)을 초과하면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로, 상기 두 냉각수 유량 간의 오차가 오차 기준치(β1) 이하이거나 오차 기준치(β1)를 초과하는 시간이 상기 설정 시간(γ1) 이내이면 냉각수가 정상 순환되는 상태로 판정하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법.

The method of claim 4,
The determining of the normal circulation of the coolant,
Comparing an error between the coolant flow rate calculated by the coolant flow rate estimation formula and the coolant flow rate calculated from the rotation speed-flow rate data with an error reference value β1 for determining whether the normal circulation is present;
When the error between the two coolant flow rates exceeds the set time γ1 and exceeds the error reference value β1, the coolant is circulated abnormally. The error between the two coolant flow rates is equal to or less than the error reference value β1 or the error reference value β1. Determining that the cooling water is circulated normally if the time exceeding the time is within the predetermined time (γ1);
Cooling water normal circulation determination method of the fuel cell system comprising a.

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