KR101272511B1 - Method for controlling air feed rate to improve the performance of fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지의 내구성 및 발전 효율과 직접적으로 관련되는 공기극으로의 공기 공급량을 최적 제어함으로써 연료전지 성능 향상을 도모하는 연료전지 시스템의 공기 공급량 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 적절하게 제어하여 스택 내의 물 균형을 유지하는 한편, 고전류 구간이나 저전류 구간에서 안정적인 출력을 유지하기 위한 공기 공급량 수준을 유지함에 따라 연료전지 스택의 내구성을 향상시키고 연료전지 시스템의 출력을 안정적으로 확보할 수 있는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에서는 공기 출구단의 상대 습도를 검출하여, 미리 설정된 목표 상대 습도와 비교하여 상기 목표 상대 습도를 유지하기 위한 제1화학양론비(SR1)를 산출하고, 스택 전류, 수소극 압력 및 공기극 압력을 이용하여 고전류 구간에서 미리 설정된 공기압을 유지하기 위한 제2화학양론비(SR2)를 산출하고, 스택 전류, 수소극 압력 및 공기극 압력을 이용하여 저전류 구간에서 수소 크로스오버를 방지하기 위한 제3화학양론비(SR3)를 산출하는 단계와, 상기 제1화학양론비(SR1), 제2화학양론비(SR2) 및 제3화학양론비(SR3) 중 최대값을 입력 화학양론비(SRi)로 선정하는 단계와, 상기 입력 화학양론비(SRi)로부터 최종 목표 공기 유량을 산출하는 단계를 포함하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.The present invention relates to an air supply amount control method of a fuel cell system which improves fuel cell performance by optimally controlling the air supply amount to the cathode directly related to the durability and power generation efficiency of the fuel cell.
In the present invention, while maintaining the balance of water in the stack by appropriately controlling the amount of air supplied to the fuel cell stack, while maintaining the air supply level for maintaining a stable output in the high current section or low current section, the durability of the fuel cell stack To provide an air supply control method for improving the fuel cell performance to improve the performance and to secure the output of the fuel cell system.
To this end, the present invention detects the relative humidity at the air outlet, calculates the first stoichiometric ratio (SR 1 ) for maintaining the target relative humidity compared to a predetermined target relative humidity, the stack current, the hydrogen electrode The second stoichiometric ratio SR 2 for maintaining the preset air pressure in the high current section is calculated using the pressure and the cathode pressure, and the hydrogen crossover is performed in the low current section using the stack current, the cathode pressure, and the cathode pressure. Computing a third stoichiometric ratio (SR 3 ) to prevent, and the maximum of the first stoichiometric ratio (SR 1 ), the second stoichiometric ratio (SR 2 ) and the third stoichiometric ratio (SR 3 ) It provides a method of controlling the air supply amount for improving the fuel cell performance comprising the step of selecting a value as the input stoichiometric ratio (SR i ), and calculating the final target air flow rate from the input stoichiometric ratio (SR i ). .
Description
본 발명은 연료전지의 스택으로 공급되는 공기 공급량의 효과적인 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 내구성 및 발전 효율과 직접적으로 관련되는 공기극으로의 공기 공급량을 최적 제어하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an effective control method of the air supply amount supplied to the stack of the fuel cell, and more particularly, to improve the fuel cell performance to optimally control the air supply amount to the cathode directly related to the durability and power generation efficiency of the fuel cell It relates to an air supply amount control method.
연료전지는 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있으며, 전기에너지의 생성을 위하여 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 에어블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.The fuel cell includes a fuel cell stack for generating electrical energy, a fuel supply system for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and an air supply system for supplying oxygen in the air, which is an oxidant for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack. And a heat and water management system that controls the operating temperature of the fuel cell stack, and high purity hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell during operation to generate electrical energy, such as an air blower. The air in the atmosphere is directly supplied to the cathode of the fuel cell using the air supply device.
이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.Therefore, hydrogen supplied to the fuel cell stack is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the anode, and the separated hydrogen ions are transferred to the cathode through the electrolyte membrane, and the oxygen supplied to the cathode is subsequently It combines with the electrons that enter the cathode through the wires to generate water while generating electrical energy.
현재, 연료전지 스택(이하, 스택으로 약칭함)의 공기극에 공급되는 공기량은 화학양론비(SR, Stoichiometry Ratio)의 약 2배 내외로 공급되고 있으며, 공급되는 공기량은 연료전지스택의 출력, 시스템 효율, 공기의 상대습도, 물균형(water balance) 등에 영향을 미치게 되며, 특히 연료전지 시스템의 기동시나 웜-업(warm-up)시와 같이 운전온도가 낮을 경우 플러딩(Flooding: 과잉응축)을 그리고, 고출력 운전시와 같이 운전온도가 상승할 때는 스택 내 멤브레인 건조 상태(Dry-out) 등을 발생시킬 수 있다. 그러므로, 공기극으로 공급되는 공기 공급량을 최적 제어하는 것은 연료전지 성능 향상을 위한 매우 중요한 요소이다.Currently, the amount of air supplied to the cathode of the fuel cell stack (hereinafter, abbreviated as stack) is about 2 times the stoichiometry ratio (SR), and the amount of air supplied is the output of the fuel cell stack and the system. This affects efficiency, relative humidity of the air and water balance, especially flooding when the operating temperature is low, such as when the fuel cell system is starting up or warming up. In addition, when the operating temperature rises, such as during high power operation, a membrane dry state (Dry-out) in the stack may be generated. Therefore, optimal control of the air supply amount supplied to the cathode is a very important factor for improving fuel cell performance.
이러한 공기 공급량의 제어 방법으로, 종래에는 스택 전류에 관한 정보로부터 일정한 비율의 화학양론비(SR; Stoichiometric Ratio)를 이용하여 목표 유량을 산정하는 방식이 사용되었다.As a method of controlling the air supply amount, a method of calculating a target flow rate using a stoichiometric ratio (SR) of a constant ratio has been conventionally used from the information on the stack current.
그러나 이러한 공기 공급량의 제어 방법의 경우, 목표 유량을 산정함에 있어서, 특히 저온 운전시 배출되지 못한 생성수가 유로 내에 응축이 되면 화학 반응에 의한 전기 생성을 방해하여 셀 전압이 빠지게 되거나 수소극으로의 물이동량이 증대되어 수소극에서의 플러딩(Flooding) 현상을 유발할 가능성이 높았다.However, in the case of the control method of the air supply amount, in calculating the target flow rate, especially when the generated water which is not discharged during low temperature operation is condensed in the flow path, it prevents the generation of electricity by the chemical reaction and the cell voltage is lost or the water to the hydrogen electrode The increased amount of migration was likely to cause flooding in the hydrogen electrode.
그러므로, 이를 해결하기 위하여 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 과급 계산부를 두어 일정 공기량을 추가로 공급하여 물 제거기능을 향상시켜 연료전지 스택의 성능을 향상시키는 방안이 이용되었다.Therefore, in order to solve this problem, conventionally, as shown in FIG. 1, a method of improving the performance of the fuel cell stack by improving the water removal function by additionally supplying a predetermined amount of air by using an air charging calculation unit has been used.
도 1을 참조하여 종래의 공기 공급량 제어 방법을 살펴보면, 먼저 목표 유량 계산부에서는 현재의 스택 전류와 계산된 요구 전류를 비교하여 선택된 전류값을 셀 수와 미리 설정된 화학양론비(SR) 값을 이용하여 최소 유량의 한도 내에서 목표 유량(목표유량_1)을 산출한다.Referring to FIG. 1, a conventional air supply control method is described. First, a target flow rate calculation unit compares a current stack current with a calculated demand current, and selects a selected current value using a cell number and a preset stoichiometric ratio (SR) value. To calculate the target flow rate (target flow rate_1) within the limit of the minimum flow rate.
이 때, 특정 셀전압 저하로 인한 전압 편차가 발생한 경우, 이를 셀전압 편차의 임계치와 비교하여, 추가적인 공기의 공급이 필요한 것으로 판단될 경우, 공기 과급 계산부를 통하여 셀편차값에 따라 추가로 공급하여야 할 공기량(목표유량_2)을 산출하여, 일정 공기량을 추가로 공급함으로써 플러딩 현상을 해소하고 있다.At this time, when a voltage deviation occurs due to a specific cell voltage drop, it is compared with a threshold value of the cell voltage deviation, and when it is determined that additional air is required, it must be additionally supplied according to the cell deviation value through the air charging calculation unit. The flooding phenomenon is eliminated by calculating the amount of air to be performed (target flow rate _2) and supplying a constant amount of air.
그러나, 이와 같은 종래의 공기 공급량 제어 방법에서는 다른 원인(촉매열화, 크로스오버(Crossover), 전압측정오류)에 의한 셀전압 강하가 나타나는 경우에도 공기 과급 기능이 실행됨으로써 불필요한 공기 과급이 오히려 스택의 건조 상태를 유발시켜 결국 연료전지 성능을 저하시키는 문제를 야기한다.
However, in such a conventional air supply control method, even when a cell voltage drop due to other causes (catalyst degradation, crossover, voltage measurement error) appears, the air charging function is executed, so that unnecessary air charging is rather dried on the stack. It causes a condition, which in turn causes a problem of degrading fuel cell performance.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 적절하게 제어하여 스택 내의 물 균형을 유지하는 한편, 고출력 구간이나 저출력 구간에서 안정적인 출력을 유지하기 위한 공기 공급량 수준을 유지함에 따라 연료전지 스택의 내구성을 향상시키고 연료전지 시스템의 출력을 안정적으로 확보할 수 있는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공함을 목적으로 한다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, in the present invention to properly control the amount of air supplied to the fuel cell stack to maintain the water balance in the stack, while maintaining a stable output in the high output section or low output section The purpose of the present invention is to provide an air supply control method for improving fuel cell performance, which is capable of improving the durability of a fuel cell stack and stably securing the output of a fuel cell system by maintaining an air supply level to maintain the air supply level.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 공기 출구단의 상대 습도를 검출하여, 미리 설정된 목표 상대 습도와 비교하여 상기 목표 상대 습도를 유지하기 위한 제1화학양론비(SR1)를 산출하고, 스택 전류, 수소극 압력 및 공기극 압력을 이용하여 고전류 구간에서 미리 설정된 공기압을 유지하기 위한 제2화학양론비(SR2)를 산출하고, 스택 전류, 수소극 압력 및 공기극 압력을 이용하여 저전류 구간에서 수소 크로스오버를 방지하기 위한 제3화학양론비(SR3)를 산출하는 단계와; 상기 제1화학양론비(SR1), 제2화학양론비(SR2) 및 제3화학양론비(SR3) 중 최대값을 입력 화학양론비(SRi)로 선정하는 단계와; 상기 입력 화학양론비(SRi)로부터 최종 목표 공기 유량을 산출하는 단계;를 포함하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, by detecting the relative humidity of the air outlet stage, the first stoichiometric ratio (SR 1 ) for maintaining the target relative humidity compared with the predetermined target relative humidity is calculated, The second stoichiometric ratio SR 2 is calculated to maintain the preset air pressure in the high current section using the stack current, the cathode pressure, and the cathode pressure, and the low current section using the stack current, the cathode pressure, and the cathode pressure. Calculating a third stoichiometric ratio SR 3 to prevent hydrogen crossover at; Selecting a maximum value among the first stoichiometric ratio SR 1 , the second stoichiometric ratio SR 2 , and the third stoichiometric ratio SR 3 as an input stoichiometric ratio SR i ; And calculating a final target air flow rate from the input stoichiometric ratio SR i .
또한, 상기 공기 출구단의 상대 습도로부터 공기 블로워의 최소 회전수에서 상기 목표 상대 습도를 유지할 수 있는지 여부를 판단하여, 상기 목표 상대 습도 이하의 건조 상태로 판단된 경우 상기 공기 블로워를 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.In addition, it is determined whether the target relative humidity can be maintained at the minimum rotational speed of the air blower from the relative humidity of the air outlet end, and when it is determined that the dry state is below the target relative humidity, the air blower is stopped. An air supply control method for improving fuel cell performance is provided.
또한, 상기 공기 블로워가 정지되지 않은 경우에만 최종 목표 공기 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.In addition, the final target air flow rate is calculated only when the air blower is not stopped, there is provided an air supply amount control method for improving fuel cell performance.
또한, 상기 제2화학양론비(SR2)는 스택 전류에 따른 최소 화학양론비에 대하여 미리 설정된 맵 데이터에 의하여, 상기 스택 전류에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.The second stoichiometric ratio SR 2 is calculated according to the stack current based on map data preset for the minimum stoichiometric ratio according to the stack current. Provide a method.
또한, 상기 제2화학양론비(SR2)는 공기극 압력이 수소극 압력을 초과하지 않는 범위 내에서 산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.In addition, the second stoichiometric ratio SR 2 provides an air supply amount control method for improving the performance of a fuel cell, characterized in that the cathode pressure is calculated within a range not exceeding the hydrogen anode pressure.
또한, 상기 제3화학양론비(SR3)는 기어 레버가 D단 또는 R단인 경우, 공기극 압력이 수소극 압력을 넘지 않는 범위에서 수소 크로스오버를 방지하기 위하여 공기 공급량을 상향시키도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.In addition, the third stoichiometric ratio SR 3 is to increase the air supply in order to prevent hydrogen crossover in a range in which the cathode pressure does not exceed the cathode pressure when the gear lever is the D stage or the R stage. An air supply control method for improving fuel cell performance is provided.
또한, 기어 레버가 P단 또는 N단인 경우에는 상기 제3화학양론비(SR3)가 산출되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.In addition, when the gear lever is the P stage or the N stage, the third stoichiometric ratio SR 3 is not provided to provide an air supply amount control method for improving the fuel cell performance.
또한, 상기 최종 목표 공기 유량을 산정하는 단계에서는 상기 입력 화학양론비(SRi)로부터 목표유량을 산정하고, 이를 최소유량과 비교하여 더 큰 값을 최종 목표 공기 유량으로 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.In the calculating of the final target air flow rate, the target flow rate may be calculated from the input stoichiometric ratio SR i , and compared with the minimum flow rate to calculate a larger value as the final target air flow rate. Provided is a method for controlling air supply for improving battery performance.
또한, 산출된 상기 최종 목표 공기 유량을 입력으로 상기 공기 블로워를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 제공한다.
The method further includes controlling the air blower by inputting the calculated final target air flow rate to provide an air supply control method for improving fuel cell performance.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법을 연료전지 시스템의 운전에 적용할 경우, 공기 출구단 측 상대 습도를 적절히 유지시켜 유로 내의 플러딩(Flooding) 현상과 멤브레인 건조 상태(Dryout)를 방지할 수 있는 효과가 있다.As described above, when the air supply control method for improving the fuel cell performance according to the present invention is applied to the operation of the fuel cell system, flooding and membrane drying in the flow path are maintained by appropriately maintaining the relative humidity at the air outlet side. There is an effect that can prevent the (Dryout).
또한, 본 발명에 따른 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법에서는 고전류 구간의 안정적인 출력을 위한 전류, 압력에 따른 최소 화학양론비(SR) 계산부와 멤브레인 손상 단계의 스택에서 수소 크로스오버(Crossover)에 의한 셀전압 강하 현상을 막기 위한 최소 화학양론비(SR) 계산부를 통해 얻어진 최적 공기 유량값을 최종 목표 유량 산정에 이용함으로써, 스택의 내구성 향상 및 안정적인 출력을 확보할 수 있는 장점이 있으며, 이로 인하여 차량 주행 성능이 향상되는 효과를 갖는다.
In addition, the air supply control method for improving the fuel cell performance according to the present invention, hydrogen crossover in the stack of the minimum stoichiometric ratio (SR) calculation unit and membrane damage step according to the current, pressure for stable output of the high current section By using the optimum air flow rate value obtained through the minimum stoichiometric ratio (SR) calculation unit to prevent the cell voltage drop caused by) for the final target flow rate calculation, the durability of the stack and the stable output can be obtained. This has the effect of improving the vehicle running performance.
도 1은 종래 기술에 따른 공기 공급량의 계산 방법을 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법에서 최종 필요 공기 유량값을 산정하는 과정을 도시한 것이다.1 schematically illustrates a method for calculating an air supply amount according to the prior art,
2 illustrates a process of calculating a final required air flow rate value in the air supply amount control method for improving fuel cell performance according to the present invention.
본 발명은 연료전지 시스템의 성능 향상을 목적으로 공기 공급량을 최적 제어하는 방법에 관한 것으로, 상대 습도의 유지와 출력의 안정화라는 두 가지 관점에서 연료전지 시스템의 공기 공급량을 효과적으로 제어할 수 있는 공기 공급량 제어 방법을 제공하고자 한다.The present invention relates to a method for optimally controlling the air supply amount for the purpose of improving the performance of the fuel cell system, the air supply amount that can effectively control the air supply amount of the fuel cell system from the viewpoint of maintaining the relative humidity and stabilizing the output It is intended to provide a control method.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법에 관하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an air supply amount control method for improving a fuel cell performance according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법에서, 공기 공급량을 산출하는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.2 schematically illustrates a process of calculating an air supply amount in an air supply amount control method for improving fuel cell performance according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법은 공기 출구단 상대 습도를 검출하고(단계 100), 이를 이용하여 공기 블로워의 온/오프 판단 및 입력 화학양론비(SRi)를 산출(단계 200)한 후, 산출된 입력 화학양론비(SRi)를 이용하여 최종 목표 공기 유량을 산정하는 단계(단계 300)로 구성된다.As shown in Figure 2, the air supply amount control method for improving the performance of the fuel cell according to the present invention detects the relative humidity of the air outlet stage (step 100), by using the on / off determination of the air blower and input stoichiometry After calculating the ratio SR i (step 200), the final target air flow rate is calculated using the calculated input stoichiometric ratio SR i (step 300).
각각의 단계들을 구체적으로 검토하면, 공기 출구단 상대습도를 검출하는 단계에서는 스택전류, 공기 유량, 셀수, 공기극 입구 온도 및 공기극 출구 온도를 입력값으로 하여, 이에 따른 공기 출구단 습도 추정 모델을 적용하여 공기 출구단 상대습도를 추정하게 된다(단계 110). 또한 이러한 공기 출구단 습도 추정 모델 대신, 공기 출구단에 습도 측정이 가능한 센서를 설치하여 공기 출구단의 상대 습도를 직접 측정하도록 구성할 수도 있다(단계 120).In detail, the steps of detecting the air outlet stage relative humidity are based on the stack current, the air flow rate, the number of cells, the cathode inlet temperature, and the cathode outlet temperature. The relative humidity of the air outlet stage is estimated (step 110). In addition, instead of the air outlet humidity estimation model, a sensor capable of measuring humidity at the air outlet may be installed to directly measure the relative humidity of the air outlet (step 120).
본 단계(단계110, 120)을 통하여 검출된 습도 센서는 아래 단계들을 통하여 최종 목표 유량을 계산하는 입력으로 제공된다.The humidity sensor detected through this step (110, 120) is provided as an input for calculating the final target flow rate through the following steps.
한편, 본 발명에서는 상기 단계를 거쳐 검출된 공기 출구단 습도값을 이용하여, 화학양론비(SR) 제어와 공기 블로워의 온/오프 제어를 수행한다.Meanwhile, in the present invention, the stoichiometric ratio (SR) control and the on / off control of the air blower are performed using the air outlet stage humidity value detected through the above steps.
먼저, 단계 210은 공기 출구단 상대습도값으로부터 공기 블로워의 온/오프를 판단하는 단계이다. 본 단계에서는 검출된 공기 출구단의 상대습도값으로부터 공기 블로워의 최소 회전수에서 원하는 목표 상대 습도를 유지할 수 있는지 여부를 판단하게 된다.First,
그러므로, 블로워의 아이들 회전 구간, 즉, 블로워가 최소 회전수로 회전하더라도 공기극이 원하는 목표 상대 습도 이하의 건조한 상태에 있을 것으로 판단되는 경우에는 공기 블로워를 정지시키게 된다.Therefore, the air blower is stopped when the idle rotation section of the blower, that is, the air electrode is determined to be in a dry state below the desired target relative humidity even when the blower rotates at the minimum rotational speed.
이러한 단계를 통하여 아이들 저출력 구간 또는 회생제동 구간에서의 멤브레인 건조상태(Dry-out)를 막기 위해 연료전지 발전을 정지시키고, 슈퍼캐패시터 또는 고전압 배터리와 같은 보조 전원에 의한 차량 고전압단 전압 유지 및 전력 공급이 수행되도록 구성할 수 있다.Through this step, fuel cell power generation is stopped to prevent membrane dry-out in the idle low power section or regenerative braking section, and the vehicle high voltage stage voltage is maintained and supplied by an auxiliary power supply such as a supercapacitor or a high voltage battery. This can be configured to be performed.
이와 같은 공기 블로워의 온/오프 결정은 도 2에 도시된 바와 같이, 스택 전압과 스택 전류, 그리고 단계 110 또는 120을 통하여 검출된 공기 출구단 상대습도값을 이용하여 결정될 수 있다. 바람직하게는 상술한 세가지 데이터, 즉, 스택 전류, 스택 전압 및 공기 출구단 상대습도값을 미리 설정된 소정의 기준값들과 각각 비교하여 각각의 기준값에 대한 조건이 모두 충족된 경우에는 공기 블로워를 정지시킨다.As shown in FIG. 2, the on / off determination of the air blower may be determined using the stack voltage and the stack current, and the relative humidity value of the air outlet stage detected through
이러한 공기 블로워의 정지 조건으로, 스택 전류가 미리 설정된 기준값 이하이고, 스택 전압이 미리 설정된 기준값 이상이며, 공기 출구단 상대습도값이 기준값 이하인 경우로 설정하고, 이러한 세가지 조건이 동시에 충족되는 경우로 공기 블로어를 중단시키고, 블로어가 정지된 상태에서 스택 전류 또는 요구 전류량이 기준값 이상인 경우는 공기 블로어를 구동시킨다.As the air blower stop condition, the stack current is set to a preset reference value, the stack voltage is set to a preset reference value, and the air outlet end relative humidity value is set to a reference value or less, and these three conditions are simultaneously satisfied. The blower is stopped and the air blower is driven when the stack current or the required current amount is higher than the reference value while the blower is stopped.
그러므로, 상술한 바와 같이 스택 전류 및 스택 전압을 참고하여 공기극의 건조 상태를 판단한 결과에 따라 공기 블로워의 온/오프를 결정하고, 상기 판단 결과에 따라 공기 블로워의 구동 여부(Blower Enable)를 최종 목표 유량 계산부의 입력으로 제공하게 된다.Therefore, as described above, the on / off of the air blower is determined according to the result of determining the dry state of the cathode by referring to the stack current and the stack voltage, and the final target is determined whether the blower is driven or not according to the determination result. It is provided as an input to the flow rate calculator.
한편, 본 발명에서는 최종 목표 공기 유량을 산정함에 있어서, 상술한 공기 블로워의 작동 여부에 관한 입력 정보와 함께 최적의 화학양론비(SR)를 산출하여 최종 목표 유량 계산부에 입력으로 제공한다.Meanwhile, in the present invention, in calculating the final target air flow rate, the optimum stoichiometric ratio SR is calculated along with the input information on whether the air blower is operated and provided as an input to the final target flow rate calculation unit.
이러한 최적의 화학양론비(SR)를 산출함에 있어서, 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 세 개의 단계(단계 220, 230, 240)를 통해 화학양론비를 각각 산정하고, 이를 비교하여 최대값을 추출함으로써 현재의 상태에 적합한 화학양론비를 산출하게 된다.In calculating the optimal stoichiometric ratio (SR), in the present invention, as shown in FIG. 2, the stoichiometric ratios are respectively calculated through three steps (
이러한 최적의 화학양론비 산출을 위하여 수행되는 각 단계를 구체적으로 살펴보면 아래와 같다.Looking at each step performed to calculate the optimal stoichiometric ratio in detail as follows.
먼저, 단계 220에서는 공기 출구단의 상대습도값을 입력으로, 운전에 적합한 목표 상대 습도값에 도달할 수 있도록 화학양론비(SR)를 피드백 제어함으로써, 첫번째 화학양론비 값을 계산한다. 이 때의 화학양론비 출력값은 미리 설정된 범위 사이에서 결정된다.First, in
이와 같은 단계 220에서 피드백 제어된 화학양론비(SR)는 목표 상대 습도값에 도달하기 위한 화학양론비(SR) 값이며, 이하, 제1화학양론비(SR1)라 한다.The stoichiometric ratio SR controlled in this
한편, 본 발명에 따른 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법에서는 상기 제1화학양론비(SR1) 이외에 고전류 구간에서 일정 수준의 공기압을 유지하거나 저전류 구간에서 수소 크로스오버로 인한 셀 빠짐 현상을 방지하기 위한 최소 화학양론비(SR)값을 산정한다.(단계 230, 240)On the other hand, in the air supply amount control method for improving the performance of the fuel cell according to the present invention in addition to the first stoichiometric ratio (SR 1 ) to maintain a certain level of air pressure in the high current section or cell outage due to hydrogen crossover in the low current section Calculate the minimum stoichiometric ratio (SR) value to avoid this problem (
이 중, 단계 230에서 산출되는 고전류 구간에서의 최소 화학양론비(SR)값은 일정 공기압을 유지하기 위하여 공기압이 수소극 압력을 넘지 않는 범위 내에서 피드백 제어된 값으로, 이하 제2화학양론비(SR2)라 한다. 본 단계에서 고전류 구간이란, 미리 설정된 전류값을 초과하는 구간을 의미하는 것으로, 도 3의 예에서는 200A 이상의 고전류 구간에서의 제2화학양론비(SR2)를 미리 저장된 맵 데이터에 의하여 산출하는 것을 도시하고 있다.Among these, the minimum stoichiometric ratio (SR) value calculated in the high current section in
연료전지 시스템에서는 고전류 구간에서 이젝터를 사용한 수소극 압력 제어를 통해 수소극 압력을 높이게 되며, 이에 따라 공기극 압력도 수소극의 압력을 넘지 않는 범위 내에서 일정한 수준의 화학양론비(SR)값을 유지시킴으로써 안정된 출력을 얻는 방식이 일반적으로 사용되고 있다. 이 경우, 고전류 구간에서 공기극 압력 또는 유량이 낮아질 경우, 일부 셀전압 강하 현상이 발생하여 급격히 연료전지 성능이 저하되게 된다.In the fuel cell system, the cathode pressure is increased by controlling the anode pressure using an ejector in the high current section, and thus the cathode pressure is maintained at a constant level of stoichiometric ratio (SR) within a range not exceeding the pressure of the cathode. In general, a method of obtaining a stable output is used. In this case, when the cathode pressure or the flow rate decreases in the high current section, some cell voltage drop occurs and the fuel cell performance rapidly decreases.
이를 방지하기 위하여, 본 발명에서는 미리 설정된 맵 데이터를 통해 전류 대비 공기 공급 유량의 최소 화학양론비(SR)를 산출하게 되며, 이 경우 공기극과 수소극 압력값의 비(Panode/Pcathode)를 통해 공기극 압력이 수소극 압력을 초과하지 않는 범위에서 일정 수준의 압력이 유지되도록 상기 화학양론비(SR)의 피드백 제어를 수행하게 된다.In order to prevent this, in the present invention, the minimum stoichiometric ratio SR of the air supply flow rate to the current is calculated through preset map data, and in this case, the ratio of the air cathode and hydrogen electrode pressure values (P anode / P cathode ) is calculated. Through the control of the stoichiometric ratio (SR) is performed so that a certain level of pressure is maintained within a range in which the cathode pressure does not exceed the hydrogen pressure.
이러한 피드백 제어를 통해 고전류 구간에서의 최소 화학양론비(SR)값인 제2화학양론비(SR2)를 산출하게 되고, 비록 상대 습도가 떨어져 멤브레인의 건조 상태가 우려되더라도, 고전류 구간에서의 최소 화학양론비를 유지함으로써 일정 수준 이상의 공기 유량 및 압력을 유지시켜 충분한 출력 성능을 확보할 수 있다.Through this feedback control, the second stoichiometric ratio (SR 2 ), which is the minimum stoichiometric ratio (SR) value in the high current section, is calculated. Maintaining the stoichiometric ratio maintains a certain level of air flow and pressure to ensure sufficient output performance.
이와 관련하여, 본 발명에서 구체적으로 설명하고 있지는 않으나, 상기 제2화학양론비(SR2) 적용에 따른 고전류 구간에서의 멤브레인 건조 상태는 차량 냉각성능을 개선하거나 가습기 효율을 개선하는 방법을 통하여 해결될 수 있다.In this regard, although not specifically described in the present invention, the membrane drying state in the high current section according to the application of the second stoichiometric ratio (SR 2 ) is solved through a method of improving vehicle cooling performance or improving humidifier efficiency. Can be.
한편, 스택의 내구 성능 하락으로 멤브레인 상태가 나빠지면 아이들 상태와 같은 저출력 상태에서 공기극 보다 수소극 압력이 항상 높기 때문에 수소가 공기극으로 넘어오는 크로스 오버 상태가 발생한다.On the other hand, when the membrane is deteriorated due to the deterioration of the stack's durability, a crossover state in which hydrogen flows to the cathode occurs because the hydrogen pole pressure is always higher than the cathode in a low output state such as an idle state.
이러한 크로스 오버 상태 하에서, 공기극으로 수소가 유입됨에 따라 연료전지 반응이 일부 채널에서는 일어나지 못하게 된다. 이로 인해 일부 셀에서 셀 전압이 하강하는 현상이 나타나게 되어, 출력 제한이 발생하게 되는 문제점이 나타나게 된다.Under this crossover state, as hydrogen enters the cathode, fuel cell reactions do not occur in some channels. This causes the cell voltage to drop in some cells, resulting in a problem of output limitation.
일정 수준 이하의 수소 크로스오버 상태는 연료전지 스택에 악영향을 미치지 아니하나, 차량 급가속이 필요한 상황인 경우는 셀전압 편차에 의한 출력 제한으로 차량 동력 성능의 저하로 나타나게 된다.The hydrogen crossover condition below a certain level does not adversely affect the fuel cell stack, but in a situation where rapid acceleration of the vehicle is required, the vehicle power performance is reduced due to the output limitation due to the cell voltage deviation.
그러므로, 이러한 점을 고려하여, 본 발명에서는 아이들 상태와 같이 스택 전류가 미리 설정된 기준값 이하인 저전류 구간에서 멤브레인 손상 상태인 일부 스택의 수소 크로스오버(Crossover)에 의한 셀전압 강하 현상을 방지하기 위하여, 수소가 공기극 측으로 넘어오지 못하도록 하는 최소의 화학양론비(SR)인 제3화학양론비(SR3)를 산출하고, 이를 최종 목표 유량 계산의 입력인 화학양론비값를 산정하는 데 적용한다.Therefore, in view of the above, in the present invention, in order to prevent a cell voltage drop due to hydrogen crossover of some stacks in a membrane damaged state in a low current section in which a stack current is equal to or less than a predetermined reference value, such as an idle state, The third stoichiometric ratio (SR 3 ), which is the minimum stoichiometric ratio (SR) that prevents hydrogen from flowing to the cathode side, is calculated and applied to calculate the stoichiometric ratio value which is the input of the final target flow rate calculation.
이러한 제3화학양론비(SR3)는 스택 전류, 수소극 압력 및 공기극 압력을 참조하여 산출되며, 셀 전압 편차가 발생하는 것을 모니터링하도록 구성할 수 있다.The third stoichiometric ratio SR 3 is calculated with reference to the stack current, the cathode pressure, and the cathode pressure, and may be configured to monitor the occurrence of the cell voltage deviation.
구체적으로, 상기 제3화학양론비(SR3)의 산출에 있어서, 차량이 가속할 경우를 대비하여 차량이 급가속이 가능한 상태(예를 들어, 기어레버가 D 또는 R단인 경우)에서는 스택 전류가 미리 설정된 기준값 이하이고, 공기극 압력이 수소극 압력을 넘지 않는 범위 내에서 화학양론비(SR)값을 피드백 제어함으로써 수소 크로스오버를 방지할 수 있는 화학양론비(SR)값인 제3화학양론비(SR3)을 산출한다.Specifically, in the calculation of the third stoichiometric ratio SR 3 , the stack current in the state where the vehicle is capable of rapid acceleration (for example, when the gear lever is the D or R stage) in preparation for the acceleration of the vehicle. Is a stoichiometric ratio (SR) that is equal to or less than a preset reference value and is capable of preventing hydrogen crossover by feedback control of the stoichiometric ratio (SR) within a range in which the cathode pressure does not exceed the cathode pressure. (SR 3 ) is calculated.
따라서, 상기 제3화학양론비(SR3)에 의하여, 크로스오버 상태가 발생하는 채널에 공기 공급량을 증가시킴에 따라, 수소 크로스오버량 및 셀 전압 편차를 줄여서 급가속시 셀편차에 의한 출력 제한을 회피할 수 있게 된다.Therefore, according to the third stoichiometric ratio SR 3 , as the air supply amount is increased in the channel in which the crossover state occurs, the output power is limited by the cell deviation during rapid acceleration by reducing the hydrogen crossover amount and the cell voltage deviation. Can be avoided.
한편, 저전류 구간이더라도, 차량이 정차중일 경우(예를 들어, 기어레버가 P 또는 N단인 경우)에는 앞서 설명된 단계 210에 따라 공기 블로어의 오프 상태가 유지되고, 자연스러운 수소 크로스오버로 스택 전압이 떨어지게 되고, 제3화학양론비(SR3)에 대한 산출은 이루어지지 않는다.On the other hand, even in the low current section, when the vehicle is stopped (for example, when the gear lever is P or N-stage), the air blower is kept off according to step 210 described above, and the stack voltage is caused by natural hydrogen crossover. Is lowered, and the third stoichiometric ratio SR 3 is not calculated.
본 발명에서는 상술한 바와 같은 과정을 통하여 앞서 설명한 세가지 화학양론비(SR)값을 각각 산출하게 되며, 산출된 세 개의 화학양론비(SR)값 중 가장 큰 값을 입력 화학양론비(SRi)로 선택한다.(단계 250)In the present invention, the above-described three stoichiometric ratios (SR) values are respectively calculated through the above-described process, and the largest value among the calculated three stoichiometric ratios (SR) values is input to the stoichiometric ratio SR i . (Step 250).
입력 화학양론비(SRi)가 결정되었다면, 상기 입력 화학양론비(SRi)를 입력값으로 하여 연료전지 시스템의 최종 목표 공기 유량을 산출하는 단계가 수행된다(단계 300).If the input stoichiometric ratio SR i is determined, calculating the final target air flow rate of the fuel cell system using the input stoichiometric ratio SR i is performed (step 300).
다만, 도 2에 도시된 바와 같이, 최종 목표 공기 유량을 산출함에 있어서, 단계 210에서의 공기 블로워 온/오프 판단 정보가 제공되고, 공기 블로워의 온 상태로 판단된 경우에 한하여 최종 목표 공기 유량을 구체적으로 산출하고, 상기 단계 210에서 공기블로워의 오프로 판단된 경우에는 최종 목표 공기 유량을 '0'으로 산출한다.However, as shown in FIG. 2, in calculating the final target air flow rate, the air blower on / off determination information in
도 3은 본 단계(단계 300)에서 상기 입력 화학양론비(SRi)를 적용하여 최종 목표 공기 유량을 산출하는 구체적인 과정을 도시하고 있다.3 shows a specific process of calculating the final target air flow rate by applying the input stoichiometric ratio SR i in this step (step 300).
도 2 및 도3에 도시된 바와 같이, 최종 목표 공기 유량의 산정 단계에서는 공기 블로워의 작동 여부(Blower Enable), 스택 전류, 전류요구량, 셀수 및 입력 화학양론비(SRi)를 입력으로 적용하여 최종 목표 공기 유량을 산정한다.As shown in FIGS. 2 and 3, the final target air flow rate is calculated by applying blower enable, stack current, current demand, number of cells, and input stoichiometric ratio SR i as an input. Calculate the final target air flow rate.
구체적으로, 먼저 입력 정보로 부터 공기 블로워의 온/오프를 확인하고(단계 310), 이를 통해 공기 블로워 오프로 확인된 경우, 최종 목표 공기 유량을 '0'으로 설정하고, 본 단계를 종료한다(단계 380).Specifically, first, check the on / off of the air blower from the input information (step 310), and if it is confirmed through the air blower through this, the final target air flow rate is set to '0', and the present step is terminated ( Step 380).
반면, 입력 정보로부터 공기 블로워 온 상태로 확인된 경우, 스택 전류와 요구 전류량을 비교하여(단계 320), 선택된 전류값(스택전류 또는 요구전류)을 셀수, 입력 화학양론비(SRi)의 곱으로 계산하여 목표 유량을 산정한다(단계 330, 340).On the other hand, when it is determined that the air blower is turned on from the input information, the stack current is compared with the required current amount (step 320), and the selected current value (stack current or required current) is multiplied by the number of cells and the input stoichiometric ratio SR i . The target flow rate is calculated by calculating (
위 단계로부터 산정된 목표유량은 미리 설정된 최소유량과 비교하고(단계 350), 목표 유량이 더 큰 경우에는 목표유량을 최종 목표 공기 유량으로 산출하며(단계 360), 목표유량이 최소유량 보다 더 작은 경우에는 최소유량을 최종 목표 공기 유량으로 산출(단계 370)함으로써 본 단계를 종료한다.The target flow rate calculated from the above step is compared with the preset minimum flow rate (step 350), and if the target flow rate is larger, the target flow rate is calculated as the final target air flow rate (step 360), and the target flow rate is smaller than the minimum flow rate. In this case, this step is terminated by calculating the minimum flow rate as the final target air flow rate (step 370).
이러한 도 3의 단계로부터 산출된 최종 목표 공기 유량은 연료전지 시스템에서 실제 적용되는 공기 공급량인 최종 필요 공기 유량값이 되고(단계 400), 이러한 최종 필요 공기 유량값은 공기 블로워를 구동하는 입력이 되어 제어부(미도시)로 전달되어, 제어부에서는 상기 최종 목표 공기 유량에 따라 공기 블로워를 제어함으로써 공기 공급량 제어를 종료한다.The final target air flow rate calculated from the step of FIG. 3 becomes the final required air flow rate value, which is the air supply amount actually applied in the fuel cell system (step 400), and this final required air flow rate value is an input for driving the air blower. The control unit (not shown) transmits the air supply amount control by controlling the air blower according to the final target air flow rate.
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.While the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, those skilled in the art will appreciate that modifications and variations are possible in the elements of the invention without departing from the scope of the invention. In addition, many modifications may be made to the particular situation or material within the scope of the invention, without departing from the essential scope thereof. Therefore, the invention is not limited to the details of the preferred embodiments of the invention, but will include all embodiments within the scope of the appended claims.
Claims (9)
스택 전류, 수소극 압력 및 공기극 압력을 이용하여 고전류 구간에서 미리 설정된 공기압을 유지하기 위한 공기의 제2화학양론비(SR2)를 산출하고,
스택 전류, 수소극 압력 및 공기극 압력을 이용하여 저전류 구간에서 수소 크로스오버를 방지하기 위한 공기의 제3화학양론비(SR3)를 산출하는 단계와;
상기 제1화학양론비(SR1), 제2화학양론비(SR2) 및 제3화학양론비(SR3) 중 최대값을 공기의 입력 화학양론비(SRi)로 선정하는 단계와;
상기 입력 화학양론비(SRi)로부터 최종 목표 공기 유량을 산출하는 단계;를 포함하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법.
Detecting the relative humidity of the air outlet end, to calculate a first stoichiometric ratio (SR 1 ) of the air for maintaining the target relative humidity compared to the target relative humidity set in advance,
A second stoichiometric ratio SR 2 of air for maintaining a preset air pressure in a high current section is calculated using the stack current, the hydrogen pressure, and the cathode pressure.
Calculating a third stoichiometric ratio SR 3 of air for preventing hydrogen crossover in a low current section using the stack current, the hydrogen pressure, and the cathode pressure;
Selecting a maximum value of the first stoichiometric ratio SR 1 , the second stoichiometric ratio SR 2 , and the third stoichiometric ratio SR 3 as an input stoichiometric ratio SR i of air;
Calculating a final target air flow rate from the input stoichiometric ratio SR i ;
상기 공기 출구단의 상대 습도로부터 공기 블로워의 최소 회전수에서 상기 목표 상대 습도를 유지할 수 있는지 여부를 판단하여, 상기 목표 상대 습도 이하의 건조 상태로 판단된 경우 상기 공기 블로워를 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법.
The method according to claim 1,
Determining whether the target relative humidity can be maintained at the minimum rotational speed of the air blower from the relative humidity of the air outlet end, and stopping the air blower when it is determined that the target relative humidity is dry below the target relative humidity. Air supply control method for improving fuel cell performance.
상기 공기 블로워가 정지되지 않은 경우에만 최종 목표 공기 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법.
The method according to claim 2,
The final target air flow rate is calculated only when the air blower is not stopped.
상기 제2화학양론비(SR2)는 스택 전류에 따른 최소 화학양론비에 대하여 미리 설정된 맵 데이터에 의하여, 상기 스택 전류에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법.
The method according to claim 1,
The second stoichiometric ratio SR 2 is calculated according to the stack current based on preset map data with respect to the minimum stoichiometric ratio according to the stack current.
상기 제2화학양론비(SR2)는 공기극 압력이 수소극 압력을 초과하지 않는 범위 내에서 산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법.
The method of claim 4,
The second stoichiometric ratio (SR 2 ) is the air supply amount control method for improving the performance of the fuel cell, characterized in that calculated in the range that the cathode pressure does not exceed the hydrogen cathode pressure.
상기 제3화학양론비(SR3)는 기어 레버가 D단 또는 R단인 경우, 공기극 압력이 수소극 압력을 넘지 않는 범위에서 수소 크로스오버를 방지하기 위하여 공기 공급량을 상향시키도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법.
The method according to claim 1,
The third stoichiometric ratio SR 3 is to increase the air supply in order to prevent hydrogen crossover in a range in which the cathode pressure does not exceed the cathode pressure when the gear lever is the D stage or the R stage. Air supply control method for improving fuel cell performance.
기어 레버가 P단 또는 N단인 경우에는 상기 제3화학양론비(SR3)가 산출되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법.
The method according to claim 1,
The third stoichiometric ratio SR 3 is not calculated when the gear lever is P stage or N stage.
상기 최종 목표 공기 유량을 산정하는 단계에서는 상기 입력 화학양론비(SRi)로부터 목표유량을 산정하고, 이를 최소유량과 비교하여 더 큰 값을 최종 목표 공기 유량으로 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법.
The method according to claim 1,
In the calculating of the final target air flow rate, a target flow rate is calculated from the input stoichiometric ratio SR i , and a larger value is calculated as the final target air flow rate by comparing with the minimum flow rate. Air supply control method for improvement.
산출된 상기 최종 목표 공기 유량을 입력으로 상기 공기 블로워를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 향상을 위한 공기 공급량 제어 방법.
The method according to claim 1,
And controlling the air blower by inputting the calculated final target air flow rate.
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