KR101219346B1 - 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 대한 수소연료 공급량 조절을 위하여 비례제어 솔레노이드밸브의 우수한 유량 제어 특성을 활용하되, 펄스 유량 제어 방식과 비례제어 방식을 혼용하여 비례제어 솔레노이드밸브의 작동을 제어함으로써, 수소 공급 유량을 제어하는 기능과 함께 제트펌프와 연계하여 연료전지에 필요한 연료극 재순환 성능을 달성할 수 있는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에 있어서, 연료전지 스택 입구 측에 설치되며, 연료전지 스택으로 수소를 공급하고 재순환 유동을 형성하는 제트펌프와; 수소 공급 라인에 연결되며 제트펌프의 노즐 입구에 연통되어 상기 제트펌프로의 수소 공급을 제어하는 비례제어 솔레노이드 밸브와; 연료전지 시스템의 출력에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 제어기;를 포함하고, 상기 제어기는 미리 설정된 기준 출력 보다 현재 상태의 출력이 작은 저출력 구간에서는 펄스 유량 제어 방식에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 한편, 미리 설정된 기준 출력 보다 현재 상태의 출력이 더 큰 고출력 구간에서는 비례 제어 방식에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 제공한다.

Description

연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치 및 그 제어 방법{Device and method for controlling hydrogen supply of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 대한 수소연료 공급량 조절을 위하여 비례제어 솔레노이드밸브의 우수한 유량 제어 특성을 활용하되, 펄스 유량 제어 방식과 비례제어 방식을 혼용하여 비례제어 솔레노이드밸브의 작동을 제어함으로써, 수소 공급 유량을 제어하는 기능과 함께 제트펌프와 연계하여 연료전지에 필요한 연료극 재순환 성능을 달성할 수 있는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템으로서, 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 냉각 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
상기 연료전지 스택에 연결되는 연료공급시스템의 구성을 첨부한 도 7을 참조로 살펴보면, 수소저장탱크(10)에 연결되는 수소공급라인(12)과, 연료전지 스택에서 미반응된 수소가 재순환되는 수소 재순환라인(14)과, 새로운 수소 및 재순환 수소를 연료전지 스택의 연료극쪽으로 펌핑 공급하도록 스택 입구(13)와 수소 재순환라인(14)이 만나는 지점에 장착되는 제트펌프(16, 이젝터)와, 스택 입구에 장착되어 수소 및 공기압력을 측정하는 스택 입구 측 압력센서(18)와, 상기 스택 입구 측 압력센서(18)의 검출신호를 기반으로 수소공급라인(12)에 장착된 레귤레이터(20)의 유량 제어 동작을 제어하는 ECU(22) 등을 포함하여 구성되고, 제트펌프는 고압탱크에서 공급된 압축수소를 노즐을 통해 분사하여 진공을 발생시키고, 이를 이용하여 연료전지 스택내의 배출 가스를 흡입하여 수소 가스를 재순환시키는 기능을 한다.
이때, 첨부한 도 8에 도시된 바와 같이 수소 재순환을 위한 수단으로서 제트펌프를 사용하지 않고 수소 재순환라인(14)에 블로워(24)를 설치하여 사용하기도 한다.
이와 같이, 종래 연료전지 자동차에서는 원활한 수소연료 공급 및 재순환을 위하여 블로워를 사용하는 방식과 제트펌프를 이용하는 방식을 사용하고 있으며, 이러한 구성을 통한 수소 재순환의 목적은 스택의 연료극 채널에 연료 과급을 통한 시스템 효율 향상, 스택 출구의 가습된 가스를 스택 입구에 다시 넣어줌에 따른 가습 효율 향상, 스택 연료극의 유량을 증가시킴에 따른 스택내의 유동 균일성 향상, 스택 연료극의 응축수 배출을 통한 수소가스 연료의 전극막 어셈블리(MEA)에 대한 원활한 공급 등에 있다.
한편, 수소 재순환을 위하여 블로워를 사용하는 시스템의 경우, 블로워에 포함되는 모터가 고가이고, 수소 재순환 가스의 응축수에 의해 블로워의 베어링 및 기타 부품이 부식될 가능성이 매우 높으며, 특히 응축수가 결빙되어 블로워의 회전자 부분이 고착되는 경우 히터로 녹여 주어야 하는 등의 문제가 있다.
그러나 제트펌프는 시스템 부하가 작을 경우(저부하)에 사용할 수 있는 에너지원인 재순환 수소 연료의 제한으로 인하여 필요한 재순환 유량을 만들어 내지 못하는 단점이 있다.
한편, 첨부한 도 9의 위쪽 그래프에서 보듯이, 제트펌프 노즐로 공급되는 수소연료 유량(화살표로 지시됨)이 증가할수록 제트펌프에서 펌핑하는 유량과 압력은 증가하게 되고, 재순환되는 수소 유량에 대한 시스템 압력강하 곡선과 교차점은 실제 수소의 재순환 운전점에 해당된다.
일정 압력 조건에서 수소연료를 증가시킴에 따른 제트펌프의 수소 흡입성능을 보면, 첨부한 도 9의 아래쪽 그래프에서 보듯이 제트펌프의 노즐을 통한 유량 공급이 작을 경우에 노즐에서의 수소 분사 압력이 작고 유속이 낮아서 발생되는 흡입압력이 크지 않으며, 따라서 제트펌프로 흡입되는 수소 재순환 유량 또한 줄어든다.
이에, 연료전지 시스템의 저부하시, 사용되는 연료가 작으면 위의 운전조건에서는 재순환 유량이 충분치 않으며, 이로 인해 스택 채널의 운전 상태가 나빠지고 스택 효율과 내구성이 나빠지는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명에서는 일반 이젝터를 사용하는 재순환 시스템의 경우, 저출력시 필요한 수소 재순환 유량을 충분하게 확보하지 못하는 문제점을 해결하여 저출력 구간에서도 충분한 수소 재순환 유량을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 종래 이젝터를 이용하는 재순환 시스템에서, 저출력시 수소 재순환 유량 부족 문제를 해결하기 위하여 부가하였던 블로워 또는 기타 재순환 파트들을 추가로 설치하지 않고도 간단한 구성으로 재순환 유량을 확보하고자 함을 또 다른 목적으로 한다.
이를 위하여 본 발명에서는 제트펌프의 수소공급라인 연결부에 비례제어 솔레노이드를 장착하여, 특히 저출력 구간에서 제트펌프의 효율을 상승시킬 수 있는 수소공급 조절장치의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명에서는 저출력 구간에서의 밸브의 온/오프 제어에 따라 발생가능한 소음을 제거하여 정숙한 주행 모드를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에 있어서, 연료전지 스택 입구 측에 설치되며, 연료전지 스택으로 수소를 공급하고 재순환 유동을 형성하는 제트펌프와; 수소 공급 라인에 연결되며 제트펌프의 노즐 입구에 연통되어 상기 제트펌프로의 수소 공급을 제어하는 비례제어 솔레노이드 밸브와; 연료전지 시스템의 출력에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 제어기;를 포함하고, 상기 제어기는 미리 설정된 기준 출력 보다 현재 상태의 출력이 작은 저출력 구간에서는 펄스 유량 제어 방식에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서의 상기 제어기는 미리 설정된 기준 출력 보다 현재 상태의 출력이 더 큰 고출력 구간에서는 비례 제어 방식에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 제공한다.
또한, 상기 고출력 구간에서의 제어는 수소 공급을 위한 목표 압력과 스택 입구압의 차이를 계산하여 제어하는 PID 압력제어로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 제공한다.
또한, 상기 저출력 구간에서의 제어는 피크 앤 홀드 제어 방식에 따라 피크 전류 및 홀드 전류를 상기 비례제어 솔레노이드 밸브에 인가하여 연료 공급량을 조절하도록 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 제공한다.
또한, 상기 저출력 구간에서 상기 피크 앤 홀드 제어를 수행함에 있어서, 피크 전류값, 피크 전류 인가 시간, 홀드 전류값 및 홀드 전류 인가 시간으로 이루어진 일군 중 하나 이상을 변경하여 연료 공급량을 조절하도록 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 제공한다.
또한, 상기 비례제어 솔레노이드 밸브는 중력 방향으로 상하 구동하는 밸브 플런저를 포함하며, 상기 밸브 플런저의 하단에는 흡음 부재가 덧대어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 제공한다.
한편, 본 발명에서는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법에 있어서, 연료전지 스택으로 수소 공급을 개시하는 단계와; 현재 연료전지 시스템의 출력을 검출하여, 미리 설정된 기준 출력과 비교하는 단계와; 비교 결과에 따라 비례제어 솔레노이드 밸브의 제어 방식을 결정하고 제어기로 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 단계;로 이루어지며, 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 단계에서는 현재의 출력이 상기 기준 출력 보다 더 작은 저출력 구간에서는 펄스 유량 제어 방식으로 밸브 구동을 제어하고, 현재의 출력이 상기 기준 출력 보다 더 큰 고출력 구간에서는 비례 제어 방식으로 밸브 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 단계 중 저출력 구간에서의 제어는 피크 앤 홀드 제어 방식에 따라 피크 전류 및 홀드 전류를 상기 비례제어 솔레노이드 밸브에 인가하여 연료 공급량을 조절하도록 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 피크 앤 홀드 제어를 수행함에 있어서, 홀드 전류값의 크기와 인가 시간을 조절하여 밸브 플러저의 하강을 복수의 단계로 나누어 최종 하강시 하사점에서 충돌시 발생하는 충격량을 감소시켜 소음을 저감하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 피크 앤 홀드 제어를 수행함에 있어서, 피크 전류값의 크기와 인가 시간을 조절하여 밸브 플런저의 상사점 위치를 조절하여, 상사점에서의 충돌을 방지하여 소음을 저감하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 단계에서 저출력 구간에 해당하는 경우에는 수소 공급 압력에 관한 측정 압력과 기설정된 목표 압력을 비교하는 단계를 더 포함하며, 상기 측정압력 보다 상기 목표압력이 더 큰 경우에는 펄스 유량 제어 방식으로 밸브 구동을 제어하고, 상기 측정압력이 상기 목표압력 보다 더 큰 경우에는 상기 비례제어 솔레노이드 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 저출력 운전시 펄스 유량 제어 방식에 의하여 연료공급이 실현되도록 함으로써, 제트펌프(이젝터)의 재순환 가스 흡입 성능을 극대화하여 저출력 운전시에도 충분한 재순환 유량을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치는 비례제어밸브의 특성 상 플런저가 강한 충격을 발생시키거나 기체를 압축하지 않기 때문에 소음이 크지 않은 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에서는 밸브 제어기를 통하여 피크 전류 및 홀드 전류값 등을 조정하여 밸브 플런저의 승강 구동을 단계적으로 조절할 수 있어, 발생가능한 소음을 크게 억제하여 정숙한 주행 성능을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에서는 고출력 구간의 수소공급 제어시에는 수소공급을 위한 목표압력과 스택 입구압의 차이를 계산하여 밸브 비례 제어(PID 압력제어)를 하는 방식으로, 스택에서 필요하는 수소량을 공급할 수 있고 제트펌프가 최적 성능을 발휘하는 작동 범위 내에서 운전함으로써 충분한 재순환 수소의 흡입량을 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치 및 그 제어 방법에서는 블로워나 다수의 제트펌프와 같은 부가적인 구성을 추가하지 않더라도, 간단하게 비례제어 솔레노이드 밸브를 제트 펌프에 연결시키고 기준출력에 따라 이를 제어함으로써 효율적인 수소 재순환 시스템을 간단하게 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제트펌프 및 비례제어 솔레노이드 밸브를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 개략적으로 도시하고 있는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법을 설명하는 제어 파형도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 비례제어 솔레노이드 밸브의 연료량 제어 특성 곡선를 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 비례제어 솔레노이드 밸브에 대한 전류 제어 방식을 설명하는 제어 파형도,
도 7 및 도 8은 종래의 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 나타내는 개략도,
도 9는 종래의 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에서의 수소연료 공급유량을 설명하는 그래프.
본 발명은 연료전지 스택의 연료극에 수소가스를 공급하는 동시에 수소 재순환 가스를 공급하기 위한 수단으로, 제트 펌프와 비례제어 솔레노이드 밸브가 조합된 구성을 제공하는 한편, 출력 구간에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 제어 방식을 수소 공급 유량에 대한 펄스 유량 제어 방식과 비례 제어 방식을 구분하여 적용함으로써 효율적인 수소 재순환 시스템을 구현가능한 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템 중 연료공급시스템은 수소저장탱크(10)에 연결되는 수소공급라인(12)과, 연료전지 스택에서 미반응된 수소가 재순환되는 수소 재순환라인(14)을 포함하며, 새로운 수소 및 재순환 수소를 연료전지 스택의 연료극 쪽으로 펌핑 공급하도록 수소공급라인(12)과 수소 재순환라인(14) 사이에 장착되는 제트펌프(16, 이젝터) 등을 포함하여 구성된다. 상기 제트펌프(16)는 고압의 수소탱크에서 공급된 압축수소, 즉 새로운 수소를 노즐(28)을 통해 스택을 향하는 스택 입구(13)로 분사하는 동시에 진공을 발생시키는 기능을 하고, 이때 발생된 진공에 의하여 연료전지 스택에서 배출된 미반응 수소가 재순환 수소 유입구(28)를 통하여 흡입되어 새로운 수소와 함께 스택으로 재순환 공급된다.
본 발명에 따른 바람직한 구현예에서는 이러한 제트펌프(16)와 수소탱크 간을 연결하는 유로 상에, 제트펌프의 노즐(26) 입구압력을 변화시키는 동시에 수소 공급 유량을 조절하는 비례제어 솔레노이드 밸브(40)가 상기 제트펌프(16)의 입구 측에 장착된다.
상기 비례제어 솔레노이드 밸브(40)는 그 내부의 플런저의 상하 이동을 통해 새로운 수소가 통과하는 유효 오리피스의 넓이를 가변시키는 동시에 제트펌프(16)의 노즐(28) 입구압를 변화시켜 수소공급유량을 제어하도록 구성된다. 또한, 상기 제트펌프(16)는 노즐(28)을 통해 비례제어 솔레노이드 밸브를 통과한 고농도의 수소 가스를 고속으로 분출하도록 구성된다. 따라서, 제트펌프를 통해 수소가 배출되면서 노즐(28) 주변의 압력을 낮게 하여 진공을 생성하는 동시에 스택 출구에서 배출된 미반응 수소가스를 진공 흡입하게 된다.
비례제어 솔레노이드 밸브의 개략적인 구성을 살피면, 본 발명의 일구현예에서의 비례제어 솔레노이드 밸브(40)는 첨부한 도 1에서 보듯이, 수평 배열되는 밸브바디(44)와, 밸브바디(44)의 위쪽에 수직 배열되며 장착되는 솔레노이드(45)로 구분될 수 있다.
상기 밸브바디(44)의 구조의 경우, 수소연료가 유입되는 유입구(41)가 일측에 형성되고, 타측에는 제트펌프(16)의 노즐(26) 입구와 일치하는 유출구(42)가 형성되며, 상단 중앙부에는 유입구(41)와 유출구(42) 간을 연통시키는 동시에 수소탱크(10)로부터의 수소가 지나가는 오리피스(43)가 형성된 구조로 이루어진다.
또한, 상기 밸브바디(44)의 상면에 수직방향으로 장착되는 솔레노이드(45)는 케이싱(46)의 내경부에 배치되는 코일(47)과, 코일의 안쪽에 배치되어 코일(47)에 대한 전류 인가에 따라 승하강하며 오리피스(43)의 단면적을 가감시키는 플런저(48)와, 케이싱(46)의 상부에 배치되어 플런저(48)를 탄성으로 지지하는 스프링(49)으로 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 솔레노이드 내 플런저는 중력 방향으로 승강할 수 있도록 구성됨이 바람직하다. 즉, 도 1에서와 같이 중력 방향에 수직하게 연료를 공급하는 제트펌프의 경우, 솔레노이드는 그 연료 공급 방향에 수직하게 배치되며, 이를 통해 중력 방향과 플런저 구동방향 간의 차이로 인해 발생할 수 있는 마모나 소음 발생을 방지할 수 있다.
한편, 도 1에 도시되지는 않았으나, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에서는 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 개폐에 관한 구동을 제어하는 밸브 제어기가 더 포함된다. 바람직하게는, 도 2에 도시된 ECU(22, 제어기)가 밸브 제어기로 작동하여 밸브 구동을 제어할 수 있다.
본 발명에서의 밸브 제어기는 도 9에서와 같은 저출력 구간에서의 흡입성능 저하로 인하여 수소 재순환량의 확보가 어려워지는 점을 해결하기 위한 것으로, 이를 위해 상기 밸브 제어기에서는 연료전지 시스템 출력의 고저에 따라 운전 상태를 구분하고, 각각의 운전 상태에 대하여 미리 결정된 전기적 신호를 제어 입력으로 비례제어 솔레노이드 밸브에 인가하여 밸브 개폐를 제어한다.
구체적으로, 본 발명에서의 밸브 제어기는 흡입성능이 저하되는 저출력 구간에서 스택에서 필요로 하는 수소 량을 짧은 시간 동안 공급하기 위하여 밸브에 전류를 인가한 다음, 나머지 시간동안은 수소의 공급 중단을 위하여 밸브로의 인가 전류가 차단되도록 하는 펄스 유량 제어 방식을 이용한다.
즉, 본 발명에서 설명되어지는 펄스 유량 제어 방식이란 저부하 운전 조건에서 필요 수소연료 유량만을 공급하기 위하여 비례제어 밸브를 통해 매우 짧은 시간 동안 큰 유량을 공급하도록 제어하는 것을 의미하며, 이러한 펄스 유량 제어는 비례제어 밸브에 인가되는 전류와 시간을 제어함으로써 달성할 수 있다.
즉, 상기 밸브 제어기는 미리 설정된 소정의 기준 출력과 현재 연료전지 시스템의 출력을 비교하여, 현재의 출력이 기준 출력 이상인 경우에는 전형적인 밸브 비례 제어를 실시하고, 기준 출력 이하인 경우에는 펄스 유량 제어 방식에 따른 밸브의 제어를 수행하도록 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에서는저출력 구간이라도 펄스 유량 제어 방식을 통하여, 제트펌프가 상대적으로 높은 효율을 발휘하는 구간에서 반복적으로 동작할 수 있게 된다.
이러한 밸브 제어기의 구체적인 제어 방식과 관련, 제트펌프, 비례제어 솔레노이드 밸브 및 밸브 제어기를 포함하여 이루어지는 본 발명의 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 구체적인 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서의 비례제어 솔레노이드 밸브(40)는 첨부한 도 5의 연료량 제어 특성 곡선에서 보는 바와 같이, 코일(47)에 인가되는 전류 크기에 따라 플런저(48)가 위쪽 또는 아래쪽으로 이동하면서 오리피스(43)의 단면적을 가감시킴으로써, 수소탱크(10)로부터의 수소연료 공급량을 정밀하게 제어할 수 있고, 수소연료 공급량에 따른 제트펌프(16)의 노즐(26) 입구 압력을 제어할 수 있다.
이때, 상기 비례제어 솔레노이드 밸브(40)의 코일(47)에 인가되는 전류가 수소연료 공급 시작 전류보다 작을 때는 밸브가 닫혀 있어, 즉 플런저(48)가 오리피스(43)를 막아서 수소연료가 제트펌프(16)쪽으로 공급되지 않는다.
반면, 보다 큰 전류가 점차 인가되면, 플런저(48)가 점차 상승하는 동시에 오리피스(43)의 단면적이 증가하여, 수소연료 공급유량도 서서히 증가하고, 최대 유량에서 인가되는 전류를 줄이면 플런저(48)가 점차 하강하는 동시에 오리피스(43)의 단면적이 감소하여 수소공급 유량도 줄어드는 히스테리시스 특성을 나타내게 된다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법을 구체적으로 도시한 것으로서, 첨부한 도 3의 순서도 및 도 4의 제어 파형도에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 수소공급 연료량 및 수소공급 압력 제어가 기준 출력에 대하여 출력의 고저에 따라 2가지의 경우로 구분되어 이루어진다.
각각의 경우는 도 3의 순서도 상에 도시되어 있는 것처럼, 제어 방식의 선택 기준으로 삼기 위하여 미리 설정된 기준출력을 현재의 출력과 비교하는 단계를 통하여 저출력 구간인지 여부를 우선적으로 판단하는 단계를 수행한 다음, 저출력 구간 또는 고출력 구간인지 여부에 따른 선택적인 제어가 이루어진다.
그러므로, 도 3에서와 같이, 기준출력과 현재의 출력 값을 비교해 본다음, 기준 출력 초과인 경우에는 고출력 구간으로 보아 밸브에 대한 비례 제어를 수행하고, 기준 출력 이하인 경우에는 저출력 구간으로 보아 밸브를 펄스 유량 제어 방식에 따라 작동시킨다. 이 경우, 저출력 구간에서는 측정 압력을 목표 압력과 비교하고, 측정 압력이 목표 압력보다 작은 경우에는 밸브를 닫고, 측정 압력이 목표 압력 보다 더 큰 경우에만 펄스 유량 제어를 수행하도록 함이 바람직하다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치는 하기에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 제트펌프(16)의 입구쪽에 비례제어 솔레노이드 밸브(40)를 장착한 상태에서, 비례제어 솔레노이드 밸브(40)를 빠르게 온/오프 작동시켜 연료전지 시스템의 저출력 시의 수소 공급을 제어하는 경우와, 비례제어 솔레노이드 밸브(40)의 플런저(48) 상하 이동량을 조절함에 따라 수소가 지나가는 오리피스(43)의 면적을 가변시키면서 연료전지 시스템의 고출력 시 수소공급을 제어하는 경우로 구분된다.
저출력시 수소 공급 제어
연료전지 시스템이 운전을 시작하여, 기준출력(예를 들어, 저출력과 고출력의 경계출력으로 미리 설정된 값)보다 작은 저출력시 수소 공급 제어는 비례제어 솔레노이드 밸브(40)를 빠르게 온/오프를 반복하는 펄스 유량 제어 방식으로 이루어진다.
즉, 비례제어 솔레노이드 밸브(40)에 연료공급 시작 전류 이상의 전류를 인가하되, 이를 도 4에서와 같이 최적 주파수에 따라 고속으로 온/오프로 반복 인가하여 비례제어 솔레노이드 밸브(40)를 빠르게 온/오프 반복 구동시킨다.
다시 말해서, 비례제어 솔레노이드 밸브(40)의 코일(47)에 대한 전류 인가를 온/오프 반복함에 따라, 플런저(48)의 승하강이 반복되는 동시에 오리피스(43)의 상대적인 개방 및 폐쇄가 반복되도록 한다.
이와 같이 비례제어 솔레노이드 밸브(40)의 인가 전류를 최적 주파수로 온/오프시키도록 제어함에 따라, 도 4의 파형도에서 보듯이 펄스 유량제어 형태의 수소연료 공급이 실현되고, 제트펌프(16)의 노즐(28)을 통하여 수소연료가 시간 간격을 두고 분사되어 스택 입구(13)를 경유하여 스택(30)으로 공급된다.
이와 동시에, 제트펌프(16)의 노즐(28)을 통하여 수소연료가 분사될 때, 제트펌프(16)의 재순환 수소 유입구(28)쪽에 진공이 용이하게 생성되어, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 수소가 재순환 수소 유입구(28)를 통하여 흡입되어 새로운 수소와 함께 스택으로 재순환 공급된다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에서는 상기 비례제어 솔레노이드 밸브(40)를 수소 공급압력이 목표압력에 도달될 때까지 온/오프 제어를 반복 수행할 수 있다. 수소 공급압력이 소정의 목표압력에 도달하면, 비례제어 솔레노이드 밸브(40)를 닫아주고, 수소공급압력이 목표압력에 미도달한 경우에는 비례제어 솔레노이드 밸브(40)를 일정 시간 동안 개방시켜서 수소공급량의 증가에 따른 노즐 입구압력을 증가시키도록 구성할 수 있다. 그러므로, 도 3에서와 같이, 밸브의 펄스 유량 제어가 수행되기 이전에 목표압력에 도달하였는지 여부를 먼저 판단한 다음, 목표 압력에 도달하지 못한 경우에만 밸브의 펄스 유량 제어를 진행한다.
이러한 저출력 구간에서의 제어 방식은 빠른 속도로 밸브의 온/오프가 이루어짐에도 불구하고 저소음 방식으로 구현이 가능하다.
구체적으로, 본 발명에서는 저출력 구간에서 밸브가 짧은 주기로 온/오프가 반복될 경우, 플런저가 밸브 상부 또는 하부에 부딪히면서 큰 소음을 반복적으로 발생하여 차량 소음의 원인으로 작용할 수 있는 바, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하고자, 온/오프 밸브가 아닌 비례 제어 솔레노이드 밸브를 사용하는 한편, 밸브를 펄스 유량 제어 방식에 의하여 구동하게 된다.
보다 상세하게는, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에서는 상기한 바와 같은 저출력 구간에서의 펄스 유량 제어시 도 6에서와 같은 피크 앤 홀드 방식으로 전류를 인가하되 피크 전류값 및 인가 시간을 조절하여 밸브 플런저가 상사점까지 도달 하지 않고, 상사점 아래 지점까지만 도달하도록 한다. 따라서, 밸브 플런저가 밸브 상부에 충돌하지 않게 되는 바, 저출력 구간에서 밸브 상부에서 발생될 수 있는 소음 발생을 방지할 수 있다.
또한, 이를 통해 플런저가 이동하는 거리를 줄임으로써 플런저가 낙하하는 높이를 감소시켜, 밸브 시트면과 플런저의 충돌에 의해 발생하는 충격량을 최소화 하여 밸브 하부에서의 소음을 감소시킬 수 있다. 그리고, 피크 전류와 함께 홀드 전류를 인가함으로써, 플런저가 낙하하는 동안 낙하 방향과 반대방향의 힘을 인가함에 따라 플런저의 낙하 속도를 상대적으로 저감시킴으로써 충돌에 의한 소음을 추가적으로 감소시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에서는 플런저 상승 구간에서는 밸브 상부와의 접촉을 차단하고, 플런저 하강 구간에서는 하강 속도 및 하강 높이를 조절함으로써 밸브 하부와의 접촉 소음을 크게 저감시킬 수 있다.
그러므로, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법에서는 저출력 구간에서 피크 앤 홀드 제어 방식으로 인가 전류를 제어함으로써 소음을 크게 저감할 수 있다. 이 경우, 이러한 소음 저감의 정도는 인가전류에 대한 피크 전류값, 피크 전류 인가 시간, 홀드 전류값 및 홀드 전류 인가 시간에 관한 4개의 파라미터들을 적절하게 조절함으로써 요구하는 수준으로 펄스 유량 제어가 가능하다.
더욱 바람직하게는 밸브 플런저의 이동 방향과 중력방향을 일치시켜 마모 등으로 인한 내구성 저하 및 소음 발생을 방지하는 한편, 상기 밸브 플런저의 하단에는 소음을 흡수할 수 있는 소재로 이루어지는 흡음 부재를 덧댐으로써 소음 발생을 완전하게 방지할 수 있다.
도 6은 이러한 피크 앤 홀드 제어를 수행하고 있는 구체적인 예를 도시한 것이다. 첨부된 도 6에서와 같이, 본 발명의 피크 앤 홀드 제어에서는 소정의 피크 전류 인가 시간(t1) 동안 소정의 피크 전류값(p1)을 인가한 다음, 다시 소정의 홀드 전류 인가 시간(t2) 동안 소정의 홀드 전류값(h1)을 인가하게 된다. 다음으로, 미리 설정된 온/오프 주기에 따라 소정의 시간(t3)이 지난 다음, 상술한 바와 같은 피크 전류 및 홀드 전류의 인가를 반복한다. 도 6에서는 이러한 피크 앤 홀드 방식의 전류 제어에 따라 제어된 비례제어 솔레노이드 밸브의 플런저 위치 그래프 및 연료공급량/흡입량 그래프를 개시하고 있다.
도 6의 플런저 위치 그래프를 참조하면, 플런저의 위치는 100% 개방에 해당되는 상사점에는 도달되지 않도록 피크 전류가 제어되었음을 확인할 수 있으며, 밸브의 하강도 단계적으로 이루어지고 있어 소음이 저감되고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 연료공급량/흡입량 그래프에서 확인할 수 있듯이, 저출력 구간에서도 일정 수준 이상의 연료공급량/흡입량을 주기적으로 제공함으로써 수소 재순환 성능이 개선됨을 예측할 수 있다.
고출력시 수소 공급 제어
한편, 기준출력 보다 큰 고출력시 수소 공급 제어는 수소 공급 압력 및 공급량을 동시에 조절하며 이루어진다.
즉, 수소 공급 압력은 수소공급을 위한 목표압력과 스택 입구압의 차이를 계산하여 제어하는 PID(proportional integral derivative control) 압력제어에 의하여 설정되고, 설정된 수소 공급 압력에 따라 플런저의 승하강 높이을 조절하여 오리피스의 면적을 가변시킴으로써, 수소 공급 유량이 조절된다.
따라서, PID 압력제어에 의하여 설정된 수소 공급 압력에 따라, 비례제어 솔레노이드 밸브(40)의 플런저(48)를 선형적으로 승강시킴으로써, 수소가 지나가는 오리피스(43)의 면적이 점차 증대되는 동시에 증대된 면적의 오리피스(43)를 통과하는 수소탱크로부터의 수소 공급량이 선형적으로 증가하게 되고, 연이어 제트펌프(16)의 노즐(28)을 통하여 수소연료가 지속적으로 분사되어 스택 입구(13)를 통해 스택(30)으로 공급된다.
이와 동시에, 제트펌프(16)의 노즐(28)을 통하여 수소연료가 지속적으로 분사될 때, 제트펌프(16)의 재순환 수소 유입구(28)쪽에 진공이 상시 생성되므로, 연료전지 스택에서 배출된 미반응 수소가 재순환 수소 유입구(28)를 통하여 용이하게 흡입되어 새로운 수소와 함께 스택으로 재순환 공급된다.
이렇게, 비례제어 솔레노이드 밸브의 플런저의 선형적인 이동으로 유량을 제어하여 소음이 발생하지 않으면서도, 오리피스를 통과하여 제트펌프를 통해 분사되는 수소연료 공급량이 크기 때문에 수소 재순환량을 용이하게 확보할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
10 : 수소저장탱크 12 : 수소공급라인
14 : 수소 재순환라인 16 : 제트펌프
18 : 스택 입구 측 압력센서 20 : 레귤레이터
22 : ECU 24 : 블로워
26 : 노즐 28 : 재순환 수소 유입구
30 : 스택 40 : 비례제어 솔레노이드 밸브
41 : 유입구 42 : 유출구
43 : 오리피스 44 : 밸브바디
45 : 솔레노이드 46 : 케이싱
47 : 코일 48 : 플런저
49 : 스프링

Claims (11)

  1. 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치에 있어서,
    연료전지 스택 입구 측에 설치되며, 연료전지 스택으로 수소를 공급하고 재순환 유동을 형성하는 제트펌프와;
    수소 공급 라인에 연결되며 제트펌프의 노즐 입구에 연통되어 상기 제트펌프로의 수소 공급을 제어하는 비례제어 솔레노이드 밸브와;
    연료전지 시스템의 출력에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 제어기;를 포함하고,
    상기 제어기는 미리 설정된 기준 출력 보다 현재 상태의 출력이 작은 저출력 구간에서는 펄스 유량 제어 방식에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 미리 설정된 기준 출력 보다 현재 상태의 출력이 더 큰 고출력 구간에서는 비례 제어 방식에 따라 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고출력 구간에서의 제어는 수소 공급을 위한 목표 압력과 스택 입구압의 차이를 계산하여 제어하는 PID 압력제어로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 저출력 구간에서의 제어는 피크 앤 홀드 제어 방식에 따라 피크 전류 및 홀드 전류를 상기 비례제어 솔레노이드 밸브에 인가하여 연료 공급량을 조절하도록 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 저출력 구간에서 상기 피크 앤 홀드 제어를 수행함에 있어서, 피크 전류값, 피크 전류 인가 시간, 홀드 전류값 및 홀드 전류 인가 시간으로 이루어진 일군 중 하나 이상을 변경하여 연료 공급량을 조절하도록 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 비례제어 솔레노이드 밸브는 중력 방향으로 상하 구동하는 밸브 플런저를 포함하며, 상기 밸브 플런저의 하단에는 흡음 부재가 덧대어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치.
  7. 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법에 있어서,
    연료전지 스택으로 수소 공급을 개시하는 단계와;
    현재 연료전지 시스템의 출력을 검출하여, 미리 설정된 기준 출력과 비교하는 단계와;
    비교 결과에 따라 비례제어 솔레노이드 밸브의 제어 방식을 결정하고 제어기로 상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 단계;로 이루어지며,
    상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 단계에서는 현재의 출력이 상기 기준 출력 보다 더 작은 저출력 구간에서는 펄스 유량 제어 방식으로 밸브 구동을 제어하고, 현재의 출력이 상기 기준 출력 보다 더 큰 고출력 구간에서는 비례 제어 방식으로 밸브 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 단계 중 저출력 구간에서의 제어는 피크 앤 홀드 제어 방식에 따라 피크 전류 및 홀드 전류를 상기 비례제어 솔레노이드 밸브에 인가하여 연료 공급량을 조절하도록 밸브의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 피크 앤 홀드 제어를 수행함에 있어서, 홀드 전류값의 크기와 인가 시간을 조절하여 밸브 플러저의 하강을 복수의 단계로 나누어 최종 하강시 하사점에서 충돌시 발생하는 충격량을 감소시켜 소음을 저감하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 피크 앤 홀드 제어를 수행함에 있어서, 피크 전류값의 크기와 인가 시간을 조절하여 밸브 플런저의 상사점 위치를 조절하여, 상사점에서의 충돌을 방지하여 소음을 저감하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 비례제어 솔레노이드 밸브의 구동을 제어하는 단계에서 저출력 구간에 해당하는 경우에는 수소 공급 압력에 관한 측정 압력과 기설정된 목표 압력을 비교하는 단계를 더 포함하며,
    상기 측정압력 보다 상기 목표압력이 더 큰 경우에는 펄스 유량 제어 방식으로 밸브 구동을 제어하고, 상기 측정압력이 상기 목표압력 보다 더 큰 경우에는 상기 비례제어 솔레노이드 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치의 제어 방법.
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