KR101283178B1 - Fuel cell system for vehicle, and control method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 연료전지시스템에 관한 것으로, 상기 발명은 냉각을 위한 냉각채널을 구비한 연료전지 스택; 상기 냉각채널과 선택적으로 연결되는 차량냉각장치; 및 상기 연료전지 스택의 발전이 정지되고 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기블로어의 작동이 정지된 경우 외부로부터 입력된 차량정보에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 지 판단하는 강판구간판단모듈과, 상기 현재 주행구간이 강판구간 인 것으로 판단된 경우 모니터링된 상기 연료전지 스택의 공기극의 상대습도값이 사전에 설정된 최적성능 운전조건 범위 내의 목표상대습도값을 유지하도록 상기 차량냉각장치의 냉각수가 상기 연료전지 스택의 냉각채널을 통해 순환 또는 차단되도록 제어함과 동시에 상기 냉각채널을 통해 흐르는 유량을 제어하는 유량제어모듈을 구비하는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 본 발명은 차량의 무부하 운전시 연료전지 스택으로 공기 유입이 계속되는 경우 주행풍과 같은 외기에 의해 냉각수가 냉각되는 차량냉각장치를 이용하여 공기극의 상대습도를 최적성능 운전조건 범위 내에서 유지함으로써 연료전지 스택 성능의 하강을 최소화할 수 있다.The present invention relates to a fuel cell system for a vehicle, the invention comprising: a fuel cell stack having a cooling channel for cooling; A vehicle cooling device selectively connected to the cooling channel; And a steel sheet section determination module for determining whether the current driving section is a steel sheet section based on vehicle information input from the outside when power generation of the fuel cell stack is stopped and an operation of an air blower for supplying air to the fuel cell stack is stopped. And when the current driving section is determined to be a steel plate section, the coolant of the cooling apparatus of the vehicle cooling apparatus such that the monitored relative humidity value of the cathode of the fuel cell stack maintains a target relative humidity value within a preset optimal performance operating condition range. And a control device including a flow control module for controlling the flow rate through the cooling channel and controlling the circulation or blocking through the cooling channel of the fuel cell stack. Accordingly, the present invention is to maintain the relative humidity of the cathode within the optimum performance operating range by using a vehicle cooling device in which the coolant is cooled by the outside air, such as running wind when the inflow of fuel into the fuel cell stack during the no-load operation of the vehicle The decline in fuel cell stack performance can be minimized.

Description

차량용 연료전지시스템 및 이의 제어방법{Fuel cell system for vehicle, and control method thereof}Fuel cell system for vehicle and control method thereof

본 발명은 차량용 연료전지시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 차량의 주행상태 및 환경조건에 따라 다양한 제어가 가능한 차량용 연료전지시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system for a vehicle, and more particularly, to a fuel cell system for a vehicle and a control method thereof capable of various controls according to driving conditions and environmental conditions of a vehicle.

차량용 연료전지시스템은 차량의 등판 운전시 고출력에 의해 운전온도가 최적 운전온도 범위 또는 그 이상 상태로 되고, 고지에서 내리막 무부하 연속 주행시 연료전지 스택 발전을 정지시킨다고 하여도 주행풍에 의해 연료전지 스택 내부에 램에어(Ram Air)의 유입이 지속적으로 발생하게 되어 저온 건조한 공기가 유입되면 고온의 스택 내부의 상대습도(RH)는 더욱 낮아지게 된다.In the fuel cell system for vehicles, the driving temperature is at or above the optimum operating temperature range due to the high output during back-up operation of the vehicle. The inflow of ram air is continuously generated, so when the low-temperature dry air is introduced, the relative humidity (RH) in the hot stack is further lowered.

즉 유입된 건조한 공기는 램에어 유속에 비례하여 연료전지 스택 내부와 가습기에 존재하는 수분을 모두 흡수, 대기로 방출하면서 도 1에 나타난 포화수증기 그래프와 같이 ①에서 ②로 공기극의 상대습도(RH)가 급격하게 떨어지게 된다. 이에 의해 도 2에 나타난 바와 같이 스택출력 성능이 ① 에서 ②로 이동함으로써 연료전지 스택의 최적성능 운전조건 범위를 벗어나게 된다. 여기서 RH1~RH2는 최적 상대습도 범위이고, RH_amb 대기의 상대습도를 의미한다.That is, the introduced dry air absorbs all the moisture present in the fuel cell stack and the humidifier in proportion to the ram air flow rate and releases it into the atmosphere, and the relative humidity (RH) of the cathode from ① to ② is shown in the saturated water vapor graph shown in FIG. Will fall dramatically. As a result, as shown in FIG. 2, the stack output performance is shifted from ① to ②, thereby deviating from the optimum performance operating condition range of the fuel cell stack. Here RH1 ~ RH2 is the optimum relative humidity range, and means the relative humidity of the RH_amb atmosphere.

이와 같이 종래 차량용 연료전지시스템은 무부하 운전시 공기 공급의 중단은 수행하지만 상대습도(RH)를 유지하기 위한 별도의 기능은 구비하고 있지 않아 연료전지 스택 내부 공기극이 건조되는 현상이 나타난다. As such, the conventional fuel cell system for a vehicle performs interruption of air supply during no-load operation, but does not have a separate function for maintaining relative humidity (RH), resulting in drying of the cathode inside the fuel cell stack.

이 때, 모터 구동력에 의한 재가속 상황이 발생하여 연료전지 스택에 대한 급격한 출력 요구가 존재하는 경우, 종래 차량용 연료전지시스템은 연료전지 스택의 성능이 현격히 떨어져 일정 시간 차량에서 요구하는 출력을 공급하지 못하는 문제를 가지며, 연료전지시스템 자체가 불안정해 지는 문제를 가진다.At this time, when there is a sudden output demand for the fuel cell stack due to a re-acceleration situation caused by the motor driving force, the conventional fuel cell system for a vehicle has significantly reduced the performance of the fuel cell stack, and thus does not supply the power required by the vehicle for a certain time. It does not have a problem, and the fuel cell system itself becomes unstable.

KR 10-2007-0098071 A, 2007. 10. 05 도면 1KR 10-2007-0098071 A, October 5, 2007 Drawing 1

본 발명의 목적은 차량의 무부하 운전시 연료전지 스택으로 공기 유입이 계속되는 경우 공기극의 상대습도(RH)를 최적성능 운전조건 범위 내에서 유지함으로써 연료전지 스택 성능의 하강을 최소화할 수 있는 차량용 연료전지시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to maintain the relative humidity (RH) of the cathode within the operating range of the optimum performance conditions when the inflow of fuel into the fuel cell stack during the no-load operation of the vehicle vehicle fuel cell that can minimize the fall of the fuel cell stack performance To provide a system.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 특징은 차량용 연료전지시스템에 관한 것으로, 본 차량용 연료전지시스템은 냉각을 위한 냉각채널을 구비한 연료전지 스택; 외기에 의해 냉각된 냉각수를 순환하여 차량의 기관들을 냉각하고 상기 냉각채널과 선택적으로 연결되는 차량냉각장치; 및 상기 연료전지 스택의 발전이 정지되고 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기블로어의 작동이 정지된 경우 외부로부터 입력된 차량정보에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 지 판단하는 강판구간판단모듈과, 상기 현재 주행구간이 강판구간 인 것으로 판단된 경우 모니터링된 상기 연료전지 스택의 공기극의 상대습도값이 사전에 설정된 최적성능 운전조건 범위 내의 목표상대습도값을 유지하도록 상기 차량냉각장치의 냉각수가 상기 연료전지 스택의 냉각채널을 통해 순환 또는 차단되도록 제어함과 동시에 상기 냉각채널을 통해 흐르는 유량을 제어하는 유량제어모듈을 구비하는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is directed to a fuel cell system for a vehicle, the vehicle fuel cell system includes a fuel cell stack having a cooling channel for cooling; A vehicle cooling device configured to circulate the coolant cooled by the outside air to cool engines of the vehicle and to be selectively connected to the cooling channel; And a steel sheet section determination module for determining whether the current driving section is a steel sheet section based on vehicle information input from the outside when power generation of the fuel cell stack is stopped and an operation of an air blower for supplying air to the fuel cell stack is stopped. And when the current driving section is determined to be a steel plate section, the coolant of the cooling apparatus of the vehicle cooling apparatus such that the monitored relative humidity value of the cathode of the fuel cell stack maintains a target relative humidity value within a preset optimal performance operating condition range. And a control device including a flow control module for controlling the flow rate through the cooling channel and controlling the circulation or blocking through the cooling channel of the fuel cell stack.

상기 강판구간판단모듈은 상기 공기블로어 작동이 정지된 상태에서 상기 공기블로어의 일측에 배치된 공기센서에 의해 감지된 공기유량값이 사전에 정해진 범위내에 있는 제1 조건 및 상기 차량정보 중 지센서(G-Sensor) 측정값 및 차속에 의해 산출된 경사도가 사전에 정해진 각도 내에 있는 제2 조건 및 상기 차속이 감속되지 않는 상태에서 상기 차량정보 중 회생제동전력이 사전에 정해진 시간 동안 지속되는 제3 조건 중 적어도 하나 이상을 만족하는 경우 현재 주행구간을 상기 강판구간으로 판단할 수 있다.The steel sheet section determination module has a first condition and the vehicle information stop sensor (1) in which the air flow rate value detected by the air sensor disposed on one side of the air blower is in a predetermined range while the air blower operation is stopped. G-Sensor) a second condition in which the slope calculated by the measured value and the vehicle speed is within a predetermined angle and a third condition in which the regenerative braking power of the vehicle information lasts for a predetermined time while the vehicle speed is not decelerated. If at least one is satisfied, the current driving section may be determined as the steel sheet section.

상기 유량제어모듈은 상기 연료전지 스택 공급되는 공기의 상대습도를 감지하는 상대습도센서 또는 사전에 내장된 상대습도예측모델을 이용하여 상기 공기극의 상대습도값을 모니터링할 수 있다. The flow control module may monitor the relative humidity value of the cathode by using a relative humidity sensor that detects a relative humidity of air supplied to the fuel cell stack or a built-in relative humidity prediction model.

상기 유량제어모듈은 상기 모니터링된 상대습도값이 목표상대습도값을 유지하도록, 상기 모니터링된 상대습도값이 상기 목표상대습도값보다 낮은 경우, 상기 냉각장치의 냉각펌프를 가동하고 동시에 상기 냉각장치의 냉각수 라인의 써모스탯을 개방하여 상기 냉각장치의 냉각수를 상기 연료전지 스택의 냉각채널의 스택 냉각수와 혼합하여 상기 냉각채널을 통해 순환하고, 상기 모니터링된 상대습도값이 상기 목표상대습도값보다 높은 경우, 상기 냉각펌프를 중지하고 동시에 상기 써모스탯을 폐쇄하여 상기 냉각수 순환을 차단할 수 있다.The flow control module is configured to operate a cooling pump of the cooling device and simultaneously operate the cooling pump of the cooling device when the monitored relative humidity value is lower than the target relative humidity value so that the monitored relative humidity value is maintained at a target relative humidity value. Open the thermostat of the cooling water line and circulate through the cooling channel by mixing the cooling water of the cooling device with the stack cooling water of the cooling channel of the fuel cell stack, and the monitored relative humidity value is higher than the target relative humidity value. Stopping the cooling water circulation by stopping the cooling pump and closing the thermostat at the same time.

상기 연료전지 스택으로 유입되는 차량의 강판구간 주행시 발생하는 램에어를 선택적으로 차단하기 위한 램에어차단장치를 더 포함하고, 상기 제어장치는 상기 강판구간판단모듈에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 것으로 판단된 경우 상기 램에어의 유입이 차단되도록 상기 램에어차단장치를 제어하는 램에어차단모듈을 더 구비할 수 있다.And a ram air blocking device for selectively blocking the ram air generated when the steel plate section of the vehicle flowing into the fuel cell stack flows, wherein the control device is a steel sheet section by the steel sheet section determining module. If determined, the RAM air blocking module for controlling the ram air blocking device so that the inflow of the ram air may be further provided.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 또 다른 일 특징은 차량용 연료전지시스템의 제어방법에 관한 것으로, 본 차량용 연료전지시스템의 제어방법은 (a) 상기 연료전지 스택의 발전이 정지되는 지 여부 및 상기 연료전지 스택 공기를 공급하기 위한 공기블로어의 작동이 정지되는 지 여부를 판단하는 단계; (b) 상기 연료전지 스택의 발전 및 공기블로어의 작동이 정지된 경우 외부로부터 입력된 차량정보에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 지 판단하는 단계; (c) 상기 현재 주행구간이 강판구간 인 것으로 판단된 경우 상기 연료전지 스택의 공기극의 상대습도를 모니터링하는 단계; 및 (d) 상기 모니터링된 상대습도값이 사전에 설정된 최적성능 운전조건 범위 내의 목표상대습도값을 유지하도록, 외기에 의해 냉각되는 차량냉각장치의 냉각수가 상기 연료전지 스택의 냉각채널을 통해 순환 또는 차단되도록 제어함과 동시에 상기 냉각채널을 통해 흐르는 유량을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Another aspect of the present invention for achieving the above object relates to a control method of a fuel cell system for a vehicle, the control method of the fuel cell system for vehicles is (a) whether the power generation of the fuel cell stack is stopped and the Determining whether the operation of the air blower for supplying fuel cell stack air is stopped; determining whether the current driving section is a steel sheet section based on vehicle information input from the outside when the power generation of the fuel cell stack and the operation of the air blower are stopped; (c) monitoring the relative humidity of the cathode of the fuel cell stack when it is determined that the current driving section is a steel sheet section; And (d) cooling water of the vehicle cooling apparatus cooled by the outside air is circulated through the cooling channel of the fuel cell stack such that the monitored relative humidity value maintains a target relative humidity value within a preset optimal performance operating condition range. Controlling the flow rate through the cooling channel at the same time as controlling to be blocked.

상기 (b)단계는, 상기 공기블로어 작동이 정지된 상태에서 상기 공기블로어의 일측에 배치된 공기센서에 의해 감지된 공기유량값이 사전에 정해진 범위내에 있는 제1 조건 및 상기 차량정보 중 지센서(G-Sensor) 측정값 및 차속에 의해 산출된 경사도가 사전에 정해진 각도 내에 있는 제2 조건 및 상기 차속이 감속되지 않는 상태에서 상기 차량정보 중 회생제동전력이 사전에 정해진 시간 동안 지속되는 제3 조건 중 적어도 하나 이상을 만족하는 경우 현재 주행구간을 상기 강판구간으로 판단할 수 있다.In the step (b), the first condition and the vehicle information stop sensor, wherein the air flow rate value detected by the air sensor disposed on one side of the air blower is in a predetermined range while the air blower operation is stopped. (G-Sensor) a second condition in which the inclination calculated by the measured value and the vehicle speed is within a predetermined angle and a third in which the regenerative braking power of the vehicle information lasts for a predetermined time while the vehicle speed is not decelerated. When at least one of the conditions is satisfied, the current driving section may be determined as the steel sheet section.

상기 (c)단계는, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 상대습도를 감지하는 상대습도센서 또는 사전에 내장된 상대습도예측모델을 이용하여 수행될 수 있다.The step (c) may be performed using a relative humidity sensor for detecting the relative humidity of the air supplied to the fuel cell stack or a built-in relative humidity prediction model.

상기 (d)단계는 상기 모니터링된 상대습도값이 목표상대습도값을 유지하도록, 상기 모니터링된 상대습도값이 상기 목표상대습도값보다 낮은 경우, 상기 냉각장치의 냉각펌프를 가동하고 동시에 상기 냉각장치의 냉각수 라인의 써모스탯을 개방하여 상기 냉각장치의 냉각수를 상기 연료전지 스택의 냉각채널의 스택 냉각수와 혼합하여 상기 냉각채널을 통해 순환하고, 상기 모니터링된 상대습도값이 상기 목표상대습도값보다 높은 경우, 상기 냉각펌프를 중지하고 동시에 상기 써모스탯을 폐쇄하여 상기 냉각수 순환을 차단하는 것에 의해 수행될 수 있다.In step (d), when the monitored relative humidity value is lower than the target relative humidity value, the cooling pump of the cooling device is operated while the monitored relative humidity value is maintained at the target relative humidity value. Opening the thermostat of the cooling water line of the cooling device to circulate through the cooling channel by mixing the cooling water of the cooling device with the stack cooling water of the cooling channel of the fuel cell stack, wherein the monitored relative humidity value is higher than the target relative humidity value. In this case, the cooling pump may be stopped and at the same time by closing the thermostat to block the cooling water circulation.

이와 같이, 본 발명에 따른 차량용 연료전지시스템은 차량의 무부하 운전시 연료전지 스택으로 공기 유입이 계속되는 경우 주행풍과 같은 외기에 의해 냉각수가 냉각되는 차량냉각장치를 이용하여 공기극의 상대습도를 최적성능 운전조건 범위 내에서 유지함으로써 연료전지 스택 성능의 하강을 최소화할 수 있다.As such, the fuel cell system for a vehicle according to the present invention optimizes the relative humidity of the cathode by using a vehicle cooling device in which the coolant is cooled by outside air such as a running wind when air continues to flow into the fuel cell stack during the no-load operation of the vehicle. By keeping within the operating conditions, it is possible to minimize the decrease in fuel cell stack performance.

도 1은 차량의 강판운전시 종래 차량용 연료전지시스템의 상대습도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 도 1의 변화에 따른 스택출력 성능변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템의 블록도이다.
도 4는 차량의 강판운전시 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템의 상대습도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 5의 변화에 따른 스택출력 성능변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템의 제어절차도이다.1 is a graph showing a change in relative humidity of a conventional fuel cell system for a vehicle during steel plate driving.
FIG. 2 is a graph illustrating a change in stack output performance according to the change of FIG. 1.
3 is a block diagram of a vehicle fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph illustrating a change in relative humidity of a fuel cell system for a vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention when driving a steel plate of a vehicle.
5 is a graph illustrating a change in stack output performance according to the change of FIG. 5.
6 is a control flowchart of a vehicle fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템에 대하여 설명한다.Hereinafter, a fuel cell system for a vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템의 블록도이다.A vehicle fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3. 3 is a block diagram of a vehicle fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)은 연료전지 스택(10), 차량냉각장치(20) 및 제어장치(30)를 포함할 수 있다.The fuel cell system 1 for a vehicle according to the present exemplary embodiment may include a fuel cell stack 10, a vehicle cooling device 20, and a control device 30.

연료전지 스택(10)은 공기블로어에 의해 공기가 공급되는 공기채널(12)과, 연료가 공급되는 연료채널(14)과, 차량냉각장치(20)의 냉각라인과 연결되어 연료전지 스택(10)의 냉각을 수행하기 위한 냉각채널(16)을 구비한다.The fuel cell stack 10 is connected to an air channel 12 through which air is supplied by an air blower, a fuel channel 14 through which fuel is supplied, and a cooling line of the vehicle cooling apparatus 20. Cooling channel 16 for cooling).

차량냉각장치(20)는 냉각수를 순환하기 위한 냉각펌프(22), 외기에 의해 냉각수를 냉각하기 위한 라디에이터(24), 냉각수의 흐름을 조절하기 위하 써모스탯(26)으로 이루어져 차량의 기관들을 냉각하고 연료전지 스택(10)의 냉각채널(16)과 선택적으로 연결된다. 차량의 주행구간이 강판주행구간인 경우 주행에 의한 주행풍에 의해 냉각수가 냉각될 수 있다.The vehicle cooling device 20 includes a cooling pump 22 for circulating coolant, a radiator 24 for cooling the coolant by outside air, and a thermostat 26 for adjusting the flow of the coolant to cool the engines of the vehicle. And is selectively connected to the cooling channel 16 of the fuel cell stack 10. When the driving section of the vehicle is a steel plate driving section, the coolant may be cooled by the driving wind caused by the driving.

제어장치(30)는 본 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)의 전반적인 동작을 제어하며, 본 실시예의 요지와 관련하여 강판구간판단모듈(32)과 유량제어모듈(34)로 구분할 수 있다. 이것은 설명의 편의를 위한 구분일 뿐, 제어장치(30)가 반드시 이와 같은 기능모듈로 구분되어 이해되는 것은 아니다.The control device 30 controls the overall operation of the vehicle fuel cell system 1 according to the present embodiment, and can be divided into the steel plate section determination module 32 and the flow rate control module 34 in relation to the gist of the present embodiment. . This is only a division for convenience of description, and the control device 30 is not necessarily divided into such functional modules.

강판구간판단모듈(32)은 연료전지 스택(10)의 발전이 정지되고 연료전지 스택(10)으로 공기를 공급하기 위한 공기블로어의 작동이 정지된 경우 외부로부터 입력된 차량정보에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 지 판단한다.The steel plate section determination module 32 stops the power generation of the fuel cell stack 10 and stops the operation of the air blower for supplying air to the fuel cell stack 10. It is judged whether it is steel plate section.

구체적으로, 강판구간판단모듈(32)은 공기블로어 작동이 정지된 상태에서 공기블로어의 일측에 배치된 공기센서에 의해 감지된 공기유량값이 사전에 정해진 범위내에 있는 제1 조건 및 차량의 CAN통신 등을 통해 입력된 차량정보 중 지센서(G-Sensor) 측정값 및 차속에 의해 산출된 경사도가 사전에 정해진 각도 내에 있는 제2 조건 및 상기 차속이 감속되지 않는 상태에서 상기 차량정보 중 회생제동전력이 사전에 정해진 시간 동안 지속되는 제3 조건 중 적어도 하나 이상을 만족하는 경우 현재 주행구간을 상기 강판구간으로 판단한다.Specifically, the steel sheet section determination module 32 is the CAN communication of the vehicle and the first condition that the air flow rate value detected by the air sensor disposed on one side of the air blower in the state in which the air blower operation is stopped is within a predetermined range. Among the vehicle information input through the G-Sensor measured value and the second condition in which the inclination calculated by the vehicle speed is within a predetermined angle and the vehicle speed is not decelerated, the regenerative braking power of the vehicle information. When at least one of the third conditions lasting for the predetermined time is satisfied, the current driving section is determined as the steel sheet section.

유량제어모듈(34)은 모니터링된 연료전지 스택(10)의 공기극의 상대습도값이 도 5에 나타난 최적성능 운전조건 범위 내의 목표상대습도값을 유지하도록 차량냉각장치(20)의 냉각수가 연료전지 스택(10)의 냉각채널(16)을 통해 순환 또는 차단되도록 제어함과 동시에 냉각채널(16)을 통해 흐르는 유량을 제어한다.The flow rate control module 34 stores the coolant in the vehicle cooling apparatus 20 such that the monitored humidity of the cathode of the fuel cell stack 10 maintains the target relative humidity value within the optimum performance operating condition range shown in FIG. 5. The flow rate through the cooling channel 16 is controlled while controlling to be circulated or blocked through the cooling channel 16 of the stack 10.

예를 들면, 유량제어모듈(34)은 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기의 상대습도를 감지하는 상대습도센서 또는 사전에 내장된 상대습도예측모델을 이용하여 공기극의 상대습도값을 모니터링할 수 있다.For example, the flow control module 34 may monitor the relative humidity value of the air electrode using a relative humidity sensor that detects a relative humidity of air supplied to the fuel cell stack 10 or a built-in relative humidity prediction model. Can be.

유량제어모듈(34)은 모니터링된 상대습도값이 목표상대습도값을 유지하도록, 모니터링된 상대습도값이 목표상대습도값보다 낮은 경우, 차량냉각장치(20)의 냉각펌프(22)를 가동하고 동시에 차량냉각장치(20)의 냉각수 라인의 써모스탯(26)을 개방하여 차량냉각장치(20)의 냉각수를 연료전지 스택(10)의 냉각채널(16)의 스택 냉각수와 혼합하여 냉각채널(16)을 통해 순환시키고, 모니터링된 공기극의 상대습도값이 목표상대습도값보다 높은 경우, 냉각펌프(22)를 중지하고 동시에 써모스탯(26)을 폐쇄하여 냉각수 순환을 차단하는 것에 의해 수행될 수 있다. 즉, 내부 응축수의 축적을 방지하도록 연료전지 스택(10)의 온도를 유지할 수 있다.The flow control module 34 operates the cooling pump 22 of the vehicle cooling device 20 when the monitored relative humidity value is lower than the target relative humidity value so that the monitored relative humidity value is maintained at the target relative humidity value. At the same time, the thermostat 26 of the cooling water line of the vehicle cooling device 20 is opened, and the cooling water of the vehicle cooling device 20 is mixed with the stack cooling water of the cooling channel 16 of the fuel cell stack 10 to cool the cooling channel 16. ), And when the relative humidity value of the monitored cathode is higher than the target relative humidity value, the cooling pump 22 may be stopped and the thermostat 26 may be closed at the same time to block the cooling water circulation. . That is, the temperature of the fuel cell stack 10 may be maintained to prevent accumulation of internal condensate.

이에 의해 도 4에 나타난 바와 같이 유량제어모듈(34)은 공기극의 상대습도값이 ①에서 ③으로 이동함으로써 도 5에 나타난 바와 같이 최적성능 운전조건 범위 내의 목표상태습도값을 유지할 수 있다.As a result, as shown in FIG. 4, the flow control module 34 may maintain the target state humidity value within the optimum performance operating condition range as shown in FIG. 5 by moving the relative humidity value of the cathode from ① to ③.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)은 차량의 무부하 운전시 연료전지 스택으로 공기 유입이 계속되는 경우 주행풍과 같은 외기에 의해 냉각수가 냉각되는 차량냉각장치(20)를 이용하여 공기극의 상대습도를 최적성능 운전조건 범위 내에서 유지함으로써 연료전지 스택 성능의 하강을 최소화할 수 있는 차량용 연료전지시스템을 제공하는 것이다.As such, the vehicle fuel cell system 1 according to an exemplary embodiment of the present invention may provide a vehicle cooling apparatus 20 in which coolant is cooled by outside air such as a running wind when air continues to flow into the fuel cell stack during no load operation of the vehicle. It is to provide a fuel cell system for a vehicle that can minimize the fall of fuel cell stack performance by maintaining the relative humidity of the cathode within the range of the optimum performance operating conditions.

이하에서는 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)의 동작을 설명한다. Hereinafter, an operation of the vehicle fuel cell system 1 according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6.

제어장치(30)는 상기 연료전지 스택(10)의 발전이 정지되는 지 여부 및 상기 연료전지 스택 공기를 공급하기 위한 공기블로어의 작동이 정지되는 지 여부를 판단하여(S610) 본 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)의 동작 모드가 연료전지 정지모드인지 판단할 수 있다.The control device 30 determines whether power generation of the fuel cell stack 10 is stopped and whether an operation of an air blower for supplying the fuel cell stack air is stopped (S610) according to the present embodiment. It is possible to determine whether the operation mode of the vehicle fuel cell system 1 is the fuel cell stop mode.

S610단계의 판단결과 연료전지 스택(10)의 발전 또는 공기블로어의 작동이 정지되지 않은 경우, 제어장치(30)는 정상적인 운전모드로 본 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)을 운용할 수 있다(S615).If the power generation of the fuel cell stack 10 or the operation of the air blower is not stopped as a result of the determination in step S610, the control device 30 can operate the vehicle fuel cell system 1 according to the present embodiment in a normal driving mode. There is (S615).

반면, S610단계의 판단결과 연료전지 스택(10)의 발전 또는 공기블로어의 작동이 정지되어 동작모드가 연료전지 정지모드인 경우, 제어장치(30)는 연료전지 스택(10)의 발전 및 공기블로어의 작동이 정지된 경우 외부로부터 입력된 차량정보에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 지 판단한다(S620).On the other hand, when the power generation of the fuel cell stack 10 or the operation of the air blower is stopped as a result of the determination in step S610, the control device 30 generates power and the air blower of the fuel cell stack 10. When the operation is stopped, it is determined whether the current driving section is a steel sheet section based on vehicle information input from the outside (S620).

S620단계의 판단결과 현재 주행구간이 강판주행구간이 아닌 경우, 제어장치(30)는 후술하는 S650단계를 수행한다.  If it is determined in step S620 that the current driving section is not the steel plate driving section, the control device 30 performs step S650 described later.

구체적으로, S620단계는 공기블로어 작동이 정지된 상태에서 상기 공기블로어의 일측에 배치된 공기센서에 의해 감지된 공기유량값이 사전에 정해진 범위내에 있는 제1 조건 및 차량정보 중 지센서(G-Sensor) 측정값 및 차속에 의해 산출된 경사도가 사전에 정해진 각도 내에 있는 제2 조건 및 차속이 감속되지 않는 상태에서 차량정보 중 회생제동전력이 사전에 정해진 시간 동안 지속되는 제3 조건 중 적어도 하나 이상을 만족하는 경우 현재 주행구간을 강판구간으로 판단한다.Specifically, step S620 is the first condition and vehicle information stop sensor (G-) in which the air flow rate value detected by the air sensor disposed on one side of the air blower in the state in which the air blower operation is stopped is within a predetermined range. At least one or more of a second condition in which the measured value and the inclination calculated by the vehicle speed are within a predetermined angle and a third condition in which the regenerative braking power of the vehicle information is maintained for a predetermined time while the vehicle speed is not decelerated. If it satisfies the current driving section is determined as the steel sheet section.

S620단계의 판단결과 현재 주행구간이 강판주행구간인 경우, 제어장치(30)는 모니터링된 상대습도값이 목표상대습도값 보다 작은 지 판단한다(S630).As a result of the determination in step S620, when the current driving section is the steel plate driving section, the control device 30 determines whether the monitored relative humidity value is smaller than the target relative humidity value (S630).

S630단계의 판단결과 모니터링된 상대습도값이 상기 목표상대습도값보다 작은 경우, 차량냉각장치(20)의 냉각펌프(22)를 가동하고 동시에 차량냉각장치(20)의 냉각수 라인의 써모스탯(26)을 개방하여 차량냉각장치(20)의 냉각수를 연료전지 스택(10)의 냉각채널(16)의 스택 냉각수와 혼합하여 냉각채널을 통해 순환한다(S640). As a result of the determination in step S630, when the monitored relative humidity value is smaller than the target relative humidity value, the cooling pump 22 of the vehicle cooling device 20 is operated and at the same time, the thermostat 26 of the cooling water line of the vehicle cooling device 20 is operated. ) And the cooling water of the vehicle cooling apparatus 20 is mixed with the stack cooling water of the cooling channel 16 of the fuel cell stack 10 and circulated through the cooling channel (S640).

이에 의해 본 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)은 도 4에 나타난 바와 같이 연료전지 스택(10)의 온도를 낮춤으로써 최적성능 운전조건 범위의 목표상태습도값을 유지할 수 있다.As a result, the vehicle fuel cell system 1 according to the present embodiment can maintain the target state humidity value of the optimum performance operating condition range by lowering the temperature of the fuel cell stack 10 as shown in FIG. 4.

반면, S630단계의 판단결과 모니터링된 상대습도값이 목표상대습도값보다 작지 않은 경우, 냉각펌프(22)를 중지하고 동시에 써모스탯(26)을 폐쇄하여 냉각수 순환을 차단할 수 있다(S650).On the other hand, if the relative humidity value monitored as a result of the determination in step S630 is not less than the target relative humidity value, it is possible to stop the cooling pump 22 and at the same time close the thermostat 26 to block the cooling water circulation (S650).

이에 의해 본 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)은 내부 응축수의 축적을 방지하도록 연료전지 스택(10)의 온도를 유지할 수 있다.As a result, the vehicle fuel cell system 1 according to the present exemplary embodiment may maintain the temperature of the fuel cell stack 10 to prevent accumulation of internal condensate.

본 실시예의 변형된 형태로서, 본 실시예에 따른 차량용 연료전지시스템(1)이 연료전지 스택으로 유입되는 차량의 강판구간 주행시 발생하는 램에어(Ram Air)를 선택적으로 차단하기 위한 램에어차단장치(미 도시)와 같은 하드웨어를 더 포함할 수 있다. As a modified form of the present embodiment, a ram air blocking device for selectively blocking ram air generated when the vehicle fuel cell system 1 according to the present embodiment travels through a steel plate section of a vehicle flowing into a fuel cell stack It may further include hardware such as (not shown).

이 경우 제어장치(30)는 강판구간판단모듈(32)에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 것으로 판단된 경우 램에어의 유입이 차단되도록 램에어차단장치(미도시)를 제어하는 램에어차단모듈(미 도시)을 더 구비할 수 있다. In this case, the control device 30 is a ram air blocking module for controlling a ram air blocking device (not shown) to block the inflow of ram air when it is determined by the steel plate section determination module 32 that the current driving section is the steel sheet section. (Not shown) may be further provided.

1: 차량용 연료전지시스템
10: 연료전지 스택
12: 공기채널
14: 연료채널
16: 냉각채널
20: 차량냉각장치
22: 냉각펌프
24: 라디에이터
26: 써모스탯
30: 제어장치
32: 강판구간판단모듈
34: 유량제어모듈1: Vehicle fuel cell system
10: fuel cell stack
12: air channel
14: fuel channel
16: cooling channel
20: vehicle cooling system
22: cooling pump
24: radiator
26: thermostat
30: controller
32: steel plate section determination module
34: flow control module

Claims (9)

냉각을 위한 냉각채널을 구비한 연료전지 스택;
외기에 의해 냉각된 냉각수를 순환하여 차량의 기관들을 냉각하고 상기 냉각채널과 선택적으로 연결되는 차량냉각장치; 및
상기 연료전지 스택의 발전이 정지되고 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기블로어의 작동이 정지된 경우 차량내에 설치된 다른 제어기 또는 센서로부터 입력된 차량정보에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 지 판단하는 강판구간판단모듈과, 상기 현재 주행구간이 강판구간 인 것으로 판단된 경우 모니터링된 상기 연료전지 스택의 공기극의 상대습도값이 사전에 설정된 최적성능 운전조건 범위 내의 목표상대습도값을 유지하도록 상기 차량냉각장치의 냉각수가 상기 연료전지 스택의 냉각채널을 통해 순환 또는 차단되도록 제어함과 동시에 상기 냉각채널을 통해 흐르는 유량을 제어하는 유량제어모듈을 구비하는 제어장치;를
포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.A fuel cell stack having a cooling channel for cooling;
A vehicle cooling device configured to circulate the coolant cooled by the outside air to cool engines of the vehicle and to selectively connect with the cooling channel; And
When the generation of the fuel cell stack is stopped and the operation of the air blower for supplying air to the fuel cell stack is stopped, it is determined whether the current driving section is a steel sheet section based on vehicle information input from another controller or sensor installed in the vehicle. The vehicle to determine a target relative humidity value within a predetermined optimum performance operating condition range of the steel sheet section determination module and the cathode of the fuel cell stack monitored when the current driving section is determined to be a steel sheet section. A control device having a flow control module for controlling the flow rate of the cooling device while controlling the cooling water of the cooling device to be circulated or blocked through the cooling channel of the fuel cell stack;
Vehicle fuel cell system comprising a. 제1항에 있어서,
상기 강판구간판단모듈은 상기 공기블로어 작동이 정지된 상태에서 상기 공기블로어의 일측에 배치된 공기센서에 의해 감지된 공기유량값이 사전에 정해진 범위내에 있는 제1 조건 및 상기 차량정보 중 지센서(G-Sensor) 측정값 및 차속에 의해 산출된 경사도가 사전에 정해진 각도 내에 있는 제2 조건 및 상기 차속이 감속되지 않는 상태에서 상기 차량정보 중 회생제동전력이 사전에 정해진 시간 동안 지속되는 제3 조건 중 적어도 하나 이상을 만족하는 경우 현재 주행구간을 상기 강판구간으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.The method of claim 1,
The steel sheet section determination module has a first condition and the vehicle information stop sensor (1) in which the air flow rate value detected by the air sensor disposed on one side of the air blower is in a predetermined range while the air blower operation is stopped. G-Sensor) a second condition in which the slope calculated by the measured value and the vehicle speed is within a predetermined angle and a third condition in which the regenerative braking power of the vehicle information lasts for a predetermined time while the vehicle speed is not decelerated. The fuel cell system for a vehicle, characterized in that the current driving section is determined as the steel plate section when at least one or more are satisfied. 제1항에 있어서,
상기 유량제어모듈은 상기 연료전지 스택 공급되는 공기의 상대습도를 감지하는 상대습도센서 또는 사전에 내장된 상대습도예측모델을 이용하여 상기 공기극의 상대습도값을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.The method of claim 1,
The flow control module is a vehicle fuel cell system, characterized in that for monitoring the relative humidity value of the air electrode using a relative humidity sensor for detecting the relative humidity of the air supplied to the fuel cell stack or a built-in relative humidity prediction model. . 제1항에 있어서,
상기 유량제어모듈은 상기 모니터링된 상대습도값이 목표상대습도값을 유지하도록, 상기 모니터링된 상대습도값이 상기 목표상대습도값보다 낮은 경우, 상기 냉각장치의 냉각펌프를 가동하고 동시에 상기 냉각장치의 냉각수 라인의 써모스탯을 개방하여 상기 냉각장치의 냉각수를 상기 연료전지 스택의 냉각채널의 스택 냉각수와 혼합하여 상기 냉각채널을 통해 순환시키고, 상기 모니터링된 상대습도값이 상기 목표상대습도값보다 높은 경우, 상기 냉각펌프를 중지하고 동시에 상기 써모스탯을 폐쇄하여 상기 냉각수 순환을 차단하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.The method of claim 1,
The flow control module is configured to operate a cooling pump of the cooling device and simultaneously operate the cooling pump of the cooling device when the monitored relative humidity value is lower than the target relative humidity value so that the monitored relative humidity value is maintained at a target relative humidity value. The thermostat of the cooling water line is opened to mix the cooling water of the cooling device with the stack cooling water of the cooling channel of the fuel cell stack to circulate through the cooling channel, and the monitored relative humidity value is higher than the target relative humidity value. And stopping the cooling pump and simultaneously closing the thermostat to block the cooling water circulation. 제1항에 있어서,
상기 연료전지 스택으로 유입되는 차량의 강판구간 주행시 발생하는 램에어를 선택적으로 차단하기 위한 램에어차단장치를 더 포함하고,
상기 제어장치는 상기 강판구간판단모듈에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 것으로 판단된 경우 상기 램에어의 유입이 차단되도록 상기 램에어차단장치를 제어하는 램에어차단모듈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템.The method of claim 1,
Further comprising a ram air blocking device for selectively blocking the ram air generated when driving the steel plate section of the vehicle flowing into the fuel cell stack,
The control device may further include a ram air blocking module for controlling the ram air blocking device to block the inflow of the ram air when it is determined that the current driving section is the steel plate section by the steel sheet section determination module. Automotive fuel cell system. (a) 연료전지 스택의 발전이 정지되는 지 여부 및 연료전지 스택 공기를 공급하기 위한 공기블로어의 작동이 정지되는 지 여부를 판단하는 단계;
(b) 상기 연료전지 스택의 발전 및 공기블로어의 작동이 정지된 경우 차량내에 설치된 다른 제어기 또는 센서로부터 입력된 차량정보에 의해 현재 주행구간이 강판구간인 지 판단하는 단계;
(c) 상기 현재 주행구간이 강판구간 인 것으로 판단된 경우 상기 연료전지 스택의 공기극의 상대습도를 모니터링하는 단계; 및
(d) 상기 모니터링된 상대습도값이 사전에 설정된 최적성능 운전조건 범위 내의 목표상대습도값을 유지하도록, 외기에 의해 냉각되는 차량냉각장치의 냉각수가 상기 연료전지 스택의 냉각채널을 통해 순환 또는 차단되도록 제어함과 동시에 상기 냉각채널을 통해 흐르는 유량을 제어하는 단계;를
포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템의 제어방법.(a) determining whether power generation of the fuel cell stack is stopped and whether an operation of an air blower for supplying fuel cell stack air is stopped;
(b) determining whether the current driving section is a steel sheet section based on vehicle information input from another controller or sensor installed in the vehicle when generation of the fuel cell stack and operation of the air blower are stopped;
(c) monitoring the relative humidity of the cathode of the fuel cell stack when it is determined that the current driving section is a steel sheet section; And
(d) The cooling water of the vehicle cooling apparatus cooled by the outside air is circulated or blocked through the cooling channel of the fuel cell stack such that the monitored relative humidity value maintains a target relative humidity value within a preset optimal performance operating condition range. Controlling the flow rate through the cooling channel at the same time as the control;
A control method for a fuel cell system for a vehicle, comprising: 제6항에 있어서,
상기 (b)단계는, 상기 공기블로어 작동이 정지된 상태에서 상기 공기블로어의 일측에 배치된 공기센서에 의해 감지된 공기유량값이 사전에 정해진 범위내에 있는 제1 조건 및 상기 차량정보 중 지센서(G-Sensor) 측정값 및 차속에 의해 산출된 경사도가 사전에 정해진 각도 내에 있는 제2 조건 및 상기 차속이 감속되지 않는 상태에서 상기 차량정보 중 회생제동전력이 사전에 정해진 시간 동안 지속되는 제3 조건 중 적어도 하나 이상을 만족하는 경우 현재 주행구간을 상기 강판구간으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템의 제어방법.The method according to claim 6,
In the step (b), the first condition and the vehicle information stop sensor, wherein the air flow rate value detected by the air sensor disposed on one side of the air blower is in a predetermined range while the air blower operation is stopped. (G-Sensor) a second condition in which the inclination calculated by the measured value and the vehicle speed is within a predetermined angle and a third in which the regenerative braking power of the vehicle information lasts for a predetermined time while the vehicle speed is not decelerated. The control method of a fuel cell system for a vehicle, characterized in that the current driving section is determined as the steel sheet section when at least one or more of the conditions are satisfied. 제6항에 있어서,
상기 (c)단계는, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 상대습도를 감지하는 상대습도센서 또는 사전에 내장된 상대습도예측모델을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템의 제어방법.The method according to claim 6,
Wherein (c), the control method of the fuel cell system for a vehicle, characterized in that performed using a relative humidity sensor for detecting the relative humidity of the air supplied to the fuel cell stack or a built-in relative humidity prediction model. 제6항에 있어서,
상기 (d)단계는 상기 모니터링된 상대습도값이 목표상대습도값을 유지하도록, 상기 모니터링된 상대습도값이 상기 목표상대습도값보다 낮은 경우, 상기 냉각장치의 냉각펌프를 가동하고 동시에 상기 냉각장치의 냉각수 라인의 써모스탯을 개방하여 상기 냉각장치의 냉각수를 상기 연료전지 스택의 냉각채널의 스택 냉각수와 혼합하여 상기 냉각채널을 통해 순환하고, 상기 모니터링된 상대습도값이 상기 목표상대습도값보다 높은 경우, 상기 냉각펌프를 중지하고 동시에 상기 써모스탯을 폐쇄하여 상기 냉각수 순환을 차단하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지시스템의 제어방법.The method according to claim 6,
In step (d), when the monitored relative humidity value is lower than the target relative humidity value, the cooling pump of the cooling device is operated while the monitored relative humidity value is maintained at the target relative humidity value. Opening the thermostat of the cooling water line of the cooling device to circulate through the cooling channel by mixing the cooling water of the cooling device with the stack cooling water of the cooling channel of the fuel cell stack, wherein the monitored relative humidity value is higher than the target relative humidity value. In the case, the control method of the fuel cell system for a vehicle, characterized in that by stopping the cooling pump and at the same time closing the thermostat to block the cooling water circulation.
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