KR101350183B1 - 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법 - Google Patents

연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 상대습도 및 응축수를 다이나믹(Dynamic)하게 추정하는 추정기를 활용한 연료전지 스택의 애노드내 응축수 드레인 제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지의 작동온도 및 압력 등 운전조건의 변화에 따라 전달되는 물의 양 및 상태가 변함으로 인하여 물이 넘치는 "플러딩(Flooding)" 현상과 물이 부족한 "드라이아웃(Dry-out)" 현상이 양립하는 점을 개선하고자, 연료전지시스템 내의 상대습도(RH : Relative Humidity) 및 응축수를 다이나믹하게 추정할 수 있는 추정기를 활용한 애노드 응축수 드레인 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법{Method for cotrolling condensed water drain using Cotroller for estimating relative humidity and condensed water}
본 발명은 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 상대습도 및 응축수를 다이나믹(Dynamic)하게 추정하는 추정기를 활용한 연료전지 스택의 애노드내 응축수 드레인 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 이론적으로는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 스택 내부에서 전기와 물을 발생시키는 단순한 시스템이지만, 실제적으로는 전기화학 반응의 부산물인 물이 온도와 압력 등의 실시간 운전 조건에 따라 수증기, 포화액, 얼음의 형태로 변동되어 물의 전달특성이 변하고, 또한 스택의 분리판 채널, 가스확산층, 촉매층, 멤브레인 등을 통과하는 가스와 전자의 전달특성에도 영향을 미치게 되므로, 연료전지 시스템 내부 현상을 추정하기 난해하다.
특히, 연료전지 시스템은 소위 물이 넘치는 "플러딩(Flooding)" 현상과 물이 부족한 "드라이아웃(Dry-out)" 현상이 공존하여 스택 성능이 변화는 비선형성이 매우 높은 시스템이기 때문에 연료전지 시스템 내부 현상을 추정하기 더욱 난해하다.
이러한 점을 감안하여, 연료전지시스템 내의 상대습도를 측정하는 센서와 응축수 수위를 감지하는 응축수 수위센서 등을 설치하여, 스택내의 물을 관리하고 있지만, 상대습도 센서 사용 시 재료비가 증가하고, 또한 물과의 접촉이 빈번한 상대습도 및 응축수 수위센서의 잦은 고장으로 인하여 유지보수 비용 증가 및 제어의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 위와 같은 문제점을 해결하고자, 연료전지시스템 내의 물 관리를 위하여 상대습도 및 응축수 상태를 판단하는 로직이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 연료전지의 작동온도 및 압력 등 운전조건의 변화에 따라 전달되는 물의 양 및 상태가 변함으로 인하여 물이 넘치는 "플러딩(Flooding)" 현상과 물이 부족한 "드라이아웃(Dry-out)" 현상이 양립하는 점을 개선하고자, 연료전지시스템 내의 상대습도(RH : Relative Humidity) 및 응축수를 다이나믹하게 추정할 수 있는 추정기를 활용한 애노드 응축수 드레인 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1구현예에 따른 응축수 드레인 제어 방법은: 애노드 응축수 포집기 내의 워터 밸런스(Water Balance)기반 잔류 응축수량을 계산하는 단계와; 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 전체 부피(V1[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t1)보다 크면, 응축수 수위센서 경고단계로 판정하는 단계와; [(V_cell ＜ V_cell_TH), 또는 (ΔV_cell ＞ ΔV_cell_TH), 또는 (수소재순환블로워 RPM ＜ RPM_cmd _ RPM_TH), 또는 (애노드 스택 입구압력 ＞ 입구 정상압력 맵(map) + P_TH), 또는 (애노드 스택 출구압력 ＞ 출구 정상압력 맵(map) + P_TH) ] 이고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t2)보다 크면, 응축수 수위센서 고장으로 판정하는 단계와; 애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어(초기값 Close)가 이루어지는 단계; 를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2구현예에 따른 응축수 드레인 제어 방법은: 애노드 응축수 포집기 내의 워터 밸런스(Water Balance)기반 잔류 응축수량을 계산하는 단계와; 잔류 응축수량이 0(제로) 이하이고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t5)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 수위센서 경고단계로 판정하는 단계와; [(수소이용률 계산치 ＜ 정상 수소이용률맵 - H2_Util_TH) 또는 (H2 누출 센서 On)] 이면서(and) [(지속시간 ＞ t6)]으로 판정되면, 응축수 수위센서 고장으로 판정하는 단계와; 애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어가 이루어지는 단계; 를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3구현예에 따른 응축수 드레인 제어 방법은: 애노드 응축수 포집기 내의 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수량과, 누적 생성수량과, 누적 응축수 추정치를 계산하는 단계와; 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)이 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)에서 누적 응축수 비율 차이 허용 기준치(AWT_TH)를 차감한 값보다 작고, 이 지속시간이 기준치(t1)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 수위센서 경고단계로 판정하는 단계와; [(V_cell ＜ V_cell_TH) , 또는 (ΔV_cell ＞ ΔV_cell_TH), 또는 (수소재순환블로워 RPM ＜ RPM_cmd _ RPM_TH), 또는 (애노드 스택 입구압력 ＞ 입구 정상압력 맵(map) + P_TH), 또는 (애노드 스택 출구압력 ＞ 출구 정상압력 맵(map) + P_TH) ] 이고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t2)보다 크면, 응축수 수위센서 고장으로 판정하는 단계와; 애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어가 이루어지는 단계; 를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제4구현예에 따른 응축수 드레인 제어 방법은: 애노드 응축수 포집기 내의 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수량과, 누적 생성수량과, 누적 응축수 추정치를 계산하는 단계와; 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)이 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)과 누적 응축수 비율 차이 허용 기준치(AWT_TH)를 더한 값보다 크고, 이 지속시간이 기준치(t5)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 수위센서 경고단계로 판정하는 단계와; [(수소이용률 계산치 ＜ 정상 수소이용률맵 - H2_Util_TH) 또는 (H2 누출 센서 On)] 이면서(and) [(지속시간 ＞ t6)]으로 판정되면, 응축수 수위센서 고장으로 판정하는 단계와; 애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어가 이루어지는 단계; 를 포함한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따른 추정기에 의하면, 별도의 센서 추가 없이 기존의 센서 신호를 기반으로 연료전지시스템 내의 상대습도 및 응축수를 다이나믹(Dynamic)하게 추정할 수 있다.
또한, 기존의 애노드 응축수 수위 센서의 고장(Fail) 판단 및 추정기를 기반으로 하여, 페일-세이프티((Fail-Safety) 측면에서 응축수 드레인밸브 제어의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 응축수 드레인밸브의 수위센서 고장(Fail)시, 스택내의 플러딩(Flooding) 현상을 방지할 수 있고, 수소 재순환 블로워 수단의 고장 방지를 도모할 수 있으며, 과도한 수소 누출 방지로 연비 향상 및 안전성 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 대표적인 입력 및 출력신호를 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 내부 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 공기블로워 제어기를 설명하는 블록도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 가습기 제어기를 설명하는 블록도,
도 5a 및 도 5g는 본 발명에 따른 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 스택 제어기를 설명하는 블록도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 연료처리시스템(FPS) 제어기를 설명하는 블록도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법을 설명하는 순서도,
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법을 설명하는 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 시스템의 상대습도 및 응축수를 다이나믹하게 추정하는 추정기와, 이 추정기를 이용하여 애노드측에 존재하는 응축수의 드레인을 제어하는 방법을 제공하고자 한 것이다.
연료전지 시스템의 상대습도 및 응축수 추정기는 연료전지 시스템의 전반적인 제어 목적으로 기 장착되어 있는 공기/수소/냉각수 측 온도/유량/압력 센서신호를 기반으로, 연료전지시스템 내의 상대습도 및 응축수를 다이나믹(Dynamic)하게 추정하는 일종의 제어기로서, 그 출력신호는 공기측/수소측 상대습도, 공기측/수소측/가습기 순간 및 누적 응축수 비율, 맴브레인 함수율, 촉매층 산소/수소 분압, 스택 전압, 공기측/수소측 촉매층 상대습도, 산소/수소 과급비, 스택내 잔류 물량, 가습기내 잔류 물량 등을 포함한다.
본 발명에 따른 상대습도 및 응축수 추정기는 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 대기온도, 대기압력, 대기 상대습도(RH), 스택 전류, 스택의 캐소드에 공급되는 공기유량, 가습기 입/출구 및 스택 입/출구에서의 공기온도, 가습기 입/출구 및 스택 입/출구에서의 공기압력, 스택 입/출구에서의 냉각수 온도, 스택의 애노드에 공급되는 수소유량, 수소공급라인 및 스택의 입/출구에서의 수소온도, 스택 입/출구에서의 수소압력, 수소 블로워 속도 및 수소 퍼지/드레인 밸브 온/오프 상태를 포함하는 액츄에이터 신호 등을 입력신호로 받게 된다.
이러한 입력신호를 받은 상대습도 및 응축수 추정기는 후술하는 로직에 의하여 스택 입/출구 및 가습기 입/출구에서의 캐소드 상대습도(Cathode RH), 스택 입/출구에서의 애노드 상대습도(Anode RH), 캐소드/애노드/가습기의 순간 및 누적 응축수 비율(CWT, AWT, SWT 기반), 멤브레인(Membrane, 전해질막) 함수율, 캐소드 및 애노드 촉매층의 산소/수소 부분압력, 스택 전압, 캐소드/애노드 촉매층의 상대습도, 산소/수소 과급기, 스택 잔류 물량(층(layer)별), 가습기 잔류 물량(튜브/셸(Tube/Shell)별) 등을 출력하게 된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 상대습도 및 응축수 추정기는 산소, 질소, 수소, 물의 유량 다이나믹스(Dynamics) 및 질량 밸런스(Balance) 식을 기반으로 연료전지 시스템 내의 상대습도 및 응축수를 다이나믹하게 추정하기 위하여, (1) 공기측 상대습도, (2) 수소측 상대습도, (3) 공기측 순간 또는 누적 응축수, (4) 수소측 순간 또는 누적 응축수, (5) 가습기의 순간 또는 누적 응축수, (6) 맴브레인 함수율, (7) 촉매층 산소 분압, (8) 촉매층 수소 분압, (9) 스택 또는 셀 전압, (10) 공기측의 촉매층 상대습도, (11) 수소측의 촉매층 상대습도, (12) 산소 과급비, (13) 수소 과급비, (14) 스택內 잔류 물량, (15) 가습기 잔류 물량, 을 포함하는 신호들중 두 가지 이상의 출력신호를 내보낸다.
참고로, 각 도면에서 타원으로 표시된 부분은 상대습도 및 응축수 추정기의 출력신호를 나타낸다.
상기와 같은 입력신호를 받아 출력신호를 내는 추정기(10)의 구성은 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 추정기 내부 공기블로워 제어기(20)와, 튜브 제어부(32)와 셸 제어부(34)를 포함하는 추정기 내부 가습기 제어기(30)와, 추정기 내부 연료처리시스템(FPS: Fuel Processing System) 제어기(40)와, 추정기 내부 스택 제어기(50)를 포함하여 구성된다.
상기 공기블로워 제어기(20)는 공급유량 및 상대습도를 계산하는 것으로서, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 공기블로워를 통해 공급된 증기 유량(Vapor flow)이 보존된다는 가정하에 가습기 입구의 캐소드 상대습도(Cathode RH)를 계산한다.
즉, 대기온도, 대기압력, 대기 상대습도(센서신호 또는 실험맵 사용)를 입력받아 가습기 입구에서의 캐소드 상대습도를 산출하고, 산출된 상대습도 신호를 가습기 제어기(30)로 보낸다.
상기 가습기는 스택의 캐소드로부터 배출되는 습윤공기를 받아들이는 셸과, 공기블로워로부터 스택의 캐소드로 공급되는 건조공기가 흐르는 경로이면서 동시에 셸로부터 습윤공기를 받아들여 공기를 가습시키는 튜브(중공사막)로 구성되고, 이러한 가습기를 흐르는 유체의 전반적인 제어를 위한 가습기 제어기(30)는 목표(Target)압력(P1)을 추종하는 PI 제어를 통하여 가습기의 튜브 출구 유량을 계산한 후, 공기(air) 및 물 밸런스(water Balance)를 계산하는 튜브 제어부(32)와, 목표압력(P2)을 추종하는 PI 제어를 통하여 가습기의 셸 출구 유량을 계산한 후, 공기 및 물 밸런스를 계산하는 셸 제어부(34)로 구성된다.
상기 가습기 제어기(30)의 튜브 제어부(32)는, 첨부한 도 4a에 도시된 바와 같이 가습기 입구의 건조공기 공급유량과, 스택의 캐소드 입구의 공기온도와, 가습되지 않고 가습기 튜브를 통과한 건조공기 배출유량을 입력받아, 가습기 튜브의 건조공기 부분압력을 산출하도록 적분기를 포함하는 건조공기 밸런스(Dry Air Balance) 산출부(32-1)와; 가습기 입구의 증기 공급유량과, 가습기 셸로부터 전달된 스택 입구에서의 증기 배출유량과, 스택 입구의 공기온도를 입력받아, 가습기 튜브에서의 증기 부분압력과, 스택 입구에서의 캐소드 상대습도와, 가습기 튜브의 잔류 물량을 산출하도록 적분기를 포함하는 물 밸런스(Water Balance) 산출부(32-2)와; 스택 입구의 공기압력과 목표압력(P1)을 기반으로 스택 입구에서의 건조공기 배출유량 및 스택 입구에서의 증기 배출유량을 산출하는 출구 유량(Out Flow) 산출부(32-3)로 구성된다.
이때, 상기 가습기 튜브와 셸의 물 활동성(Water Activity) 차이에 의한 확산식으로 가습기 셸로부터의 전달된 증기 배출유량을 계산하고, 출구 유량(Out Flow) 즉, 스택 입구에서의 건조공기 배출유량 및 스택 입구에서의 증기 배출유량은 공기압력(스택 입구)을 목표압력(P1)으로 추종시키기 위한 PI(Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산되며, 또한 목표압력(P1)은 공기압력(스택 입구) 센서 데이터 또는 공기유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용한다.
상기 가습기 제어기(30)의 셸 제어부(34)는, 첨부한 도 4b에 도시된 바와 같이 스택 출구의 건조공기 유입유량과, 가습기 출구의 건조공기 배출유량과, 가습기 출구의 공기온도를 입력받아, 가습기 셸의 건조공기 부분압력을 산출하도록 적분기를 포함하는 건조공기 밸런스(Dry Air Balance) 산출부(34-1)와; 스택 출구에서의 증기 유입유량과, 가습기 출구에서의 증기 배출유량과, 가습기 튜브에 전달되는 증기 전달유량과, 스택 출구의 액체 유입유량과, 가습기 출구의 액체 배출유량과, 가습기 출구의 공기온도를 입력받아, 가습기 셸의 증기 부분압력과, 가습기 출구의 캐소드 상대습도와, 가습기 셸의 잔류 물량을 산출하도록 적분기를 포함하는 물 밸런스(Water Balance) 산출부(34-2)와; 가습기 출구의 공기압력과 목표압력(P2)을 기반으로 가습기 출구의 건조공기 배출유량 및 가습기 출구의 증기 배출유량을 산출하는 출구 유량(Out Flow) 산출부(34-3)로 구성된다.
이때, 가습기 튜브에 전달되는 증기 전달유량은 가습기 셸로부터의 증기 전달유량과 동일하고, 출구 유량(Out Flow) 즉, 가습기 출구의 건조공기 배출유량 및 가습기 출구의 증기 배출유량은 공기압력(가습기 출구)을 목표압력(P2)으로 추종시키기 위한 PI(Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산되며, 또한 목표압력(P2)은 공기압력(가습기 출구) 센서 데이터 또는 공기유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용하고, 공기온도(가습기 출구)는 센서 데이터 또는 가습기 입구, 스택 입구/출구 공기온도 센서값으로 에너지 밸런스(Energy Balance)식을 기반으로 계산된 값을 활용한다.
한편, 스택 출구의 액체 유입유량은 캐소드 워터트랩(CWT: Cathode Water Trap)에 트랩되는 양이고, 가습기 출구의 액체 배출유량은 가습기 셸 워터트랩(SWT: Shell Water Trap)에 트랩되는 양으로서, 가습기 출구의 캐소드 상대습도가 100% 미만이면, ' 셸 워터트랩(SWT) = 캐소드 워터트랩(CWT) × α '가 성립하며, α = 0 ~ 1 범위이다. 여기서, 이 관계식과 더불어 이후의 식에 포함된 'SWT', 'CWT'는 워터트랩을 의미하는 것이 아니라, 해당 워터트랩에 트랩되는 액체의 양을 의미한다.
반면, 가습기 출구의 캐소드 상대습도가 100% 이상이면, ' 셸 워터트랩(SWT) = 캐소드 워터트랩(CWT) × α + 가습기 셸 순 물 흐름량(Shell Net Water Flow) × β '가 성립하고, 이때 α = 0 ~ 1, β = 0 ~ 1 범위이다.
여기서, 상기 스택 제어기(50)는, 도 2에서 보듯이 목표압력(P3)을 추정하는 PI 제어를 통해 스택의 캐소드 가스 채널의 출구 유량을 계산한 후, 공기 및 물 밸런스를 계산하는 캐소드 가스 채널(Cathode Gas Channel: CGC) 제어부(51)와, 공기 및 물의 농도를 계산하여, 기체확산층(Gas Diffusion Layer)의 확산 및 모세관 현상에 의한 공기 및 물 이동량을 계산하는 캐소드 가스확산층(Cathode Gas Diffusion Layer: CGDL) 제어부(52)와, 생성수 계산, 전기화학 반응을 통한 전압(변수 : 전류, 온도, 산소 분압, 수소 분압) 및 잔류 물량 등을 계산하는 캐소드 촉매층(Cathode Catalyst Layer: CCL) 제어부(53)와, 삼투성 저항(Osmotic Drag), 백 디퓨젼(Back diffusion), 히트 파이프(Heat Pipe)에 의한 멤브레인의 물 농도를 계산하고, 캐소드 및 애노드 촉매층으로 이동되는 물의 량을 계산하는 전해질막(Membrane Layer : MEM) 제어부(54)와, 애노드 촉매층의 잔류 물량을 계산하는 애노드 촉매층(Anode Catalyst Layer: ACL) 제어부(55)와, 수소 및 물 농도를 계산하여, 기체확산층(Gas Diffusion Layer)의 확산 및 모세관 현상에 의한 공기 및 물 이동량을 계산하는 애노드 가스확산층(Anode Gas Diffusion Layer: AGDL) 제어부(56)와, 목표압력(P5)을 추정하는 PI 제어를 통해 스택의 애노드 가스 채널의 출구 유량을 계산한 후, 공기 및 물 밸런스를 계산하는 애노드 가스 채널(Anode Gas Channel: AGC) 제어부(57)를 포함하여 구성된다.
상기 스택 제어기(50)의 캐소드 가스 채널(Cathode Gas Channel: CGC) 제어부(51)는, 첨부한 도 5a에 도시된 바와 같이 스택 입구의 건조공기 공급유량과, 스택 출구의 건조공기 배출유량과, 캐소드 가스확산층(CGDL)에 대한 산소 배출유량과, 스택 출구의 공기온도와, 스택 출구의 건조공기 배출유량을 입력받아 산소 과급비와, 캐소드 가스 채널의 산소 농도와, 캐소드 가스 채널에서의 건조공기 부분압력을 산출하도록 적분기를 포함하는 건조공기 밸런스(Dry Air Balance) 산출부(51-1)와; 스택 입구의 증기 공급유량과, 스택 출구의 증기 배출유량과, 캐소드 가스확산층(CGDL)으로부터의 증기유량과, 스택 출구의 액체 배출유량과, 캐소드 가스확산층으로부터의 액체유량과, 스택 출구의 공기온도를 입력받아, 캐소드 가스채널의 증기 부분압력과, 스택 출구의 캐소드 상대습도와, 캐소드 가스채널의 잔류 물량과, 캐소드 가스채널의 증기 농도 및 액체 S(CGC Liquid S = (s - s_im)/(1 - s_im))를 산출하도록 적분기를 포함하는 물 밸런스(Water Balance) 산출부(51-2)와; 캐소드 가스 채널(CGC)의 공기압력과 목표압력(P3)을 기반으로 스택 출구의 건조공기 배출유량 및 스택 출구의 증기 배출유량을 산출하는 출구 유량(Out Flow) 산출부(51-3)로 구성된다.
이때, 출구 유량(Out Flow) 즉, 스택 출구의 건조공기 배출유량 및 스택 출구의 증기 배출유량은 공기압력(스택 출구)을 목표압력(P3)으로 추종시키기 위한 PI(Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산되며, 또한 목표압력(P3)은 공기압력(스택 출구) 센서 데이터 또는 공기유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용하고, 공기온도(스택 출구)는 센서 데이터 또는 스택 냉각수 입/출구 온도 기반의 맵 데이터를 활용한다.
한편, 스택 출구의 액체 배출유량은 캐소드 워터트랩(CWT: Cathode Water Trap)에 트랩되는 양으로서, 스택 출구의 캐소드 상대습도가 100% 미만이면, ' 캐소드 워터트랩(CWT) = 캐소드 가스확산층으로부터의 액체유량 × α '가 성립하며, α = 0 ~ 1 범위이다.
반면, 스택 출구의 캐소드 상대습도가 100% 이상이면, ' 캐소드 워터트랩(CWT) = 캐소드 가스확산층으로부터의 액체유량 × α + 캐소드 가스 채널(CGC) 순 물 흐름량(Shell Net Water Flow) × β '가 성립하고, 이때 α = 0 ~ 1, β = 0 ~ 1 범위이다.
만일, s > s_im 이면, 캐소드 가스채널 액체 S(CGC Liquid S) = (s - s_im)/(1 - s_im)이 성립하고, s ≤ s_im 이면, S(CGC Liquid S) = 0이 되며, 이때 s = 캐소드 가스 채널의 잔류 액체 부피÷캐소드 가스 채널 부피이고, s_im는 모세관 현상에서 액체 유량이 발생하는 기준 조건인 고정된 포화 상태(immobile saturation)을 의미한다.
상기 스택 제어기(50)의 캐소드 가스확산층(Cathode Gas Diffusion Layer: CGDL) 제어부(52)는, 첨부한 도 5b에 도시된 바와 같이 캐소드 가스 채널로부터의 산소 유입유량과, 캐소드 촉매층(Cathode Catalyst Layer: CCL)에 대한 산소 배출유량을 기반으로, 캐소드 가스확산층(CGDL)의 산소 농도를 산출하도록 적분기를 포함하는 산소 밸런스 제어부(52-1)와; 캐소드 촉매층(CCL)으로부터의 증기 유입유량과, 캐소드 가스 채널(CGC)에 대한 증기 배출유량을 기반으로 캐소드 가스확산층(CGDL)의 잔류 증기량을 산출하도록 적분기를 포함하는 증기 밸런스 제어부(52-2)와; 캐소드 가스확산층 응축률 및 캐소드 가스 채널에 대한 액체 유량을 기반으로 캐소드 가스확산층(CGDL)의 잔류 액체량을 산출하도록 적분기를 포함하는 액체 밸런스 제어부(52-3)와; 캐소드 가스확산층(CGDL)의 온도 및 증기 농도를 기반으로 캐소드 가스확산층(CGDL)의 응축률을 산출하는 응축률 산출부(52-4)와; 캐소드 가스확산층의 온도 및 액체 S(CGDL Liquid S = (s - s_im)/(1 - s_im)), 그리고 캐소드 가스 채널 액체 S(CGC Liquid S)를 기반으로 캐소드 가스 채널의 액체 유량을 산출하는 액체 유량 산출부(52-5)와; 캐소드 가스확산층의 산소 농도 및 캐소드 가스 채널의 산소 농도, 그리고 캐소드 가스확산층의 산소 확산 계수를 기반으로 캐소드 가스 채널로부터의 산소 유입유량을 산출하는 산소 디퓨젼(Diffusion) 산출부(52-6)와; 캐소드 가스확산층의 증기 농도 및 캐소드 가스 채널의 증기 농도, 그리고 캐소드 가스확산층의 증기 확산 계수를 기반으로 캐소드 가스 채널에 대한 증기 배출유량을 산출하는 증기 디퓨젼(Diffusion) 산출부(52-7); 를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 캐소드 가스확산층(CGDL) 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반 맵 데이터 활용한다.
만일, s > s_im 이면, 캐소드 가스확산층 액체 S(CGDL Liquid S) = (s - s_im)/(1 - s_im)이 성립하고, s ≤ s_im 이면, S(CGDL Liquid S) = 0이 되며, 이때 s = 캐소드 가스확산층(CGDL) 잔류 액체(Liquid) 부피 ÷ 캐소드 가스확산층(CGDL) 공극 부피이고, s_im는 모세관 현상에서 액체 유량이 발생하는 기준 조건인 고정된 포화 상태(immobile saturation)를 의미하고, 모세관 현상은 s > s_im 조건에서, 인접한 층의 액체 S(Liquid S)의 차이에 의해서 액체 유량이 발생한다.
한편, 캐소드 가스확산층(CGDL) 응축률은 캐소드 가스확산층 온도에 따른 포화(saturation) 압력과 캐소드 가스확산층 증기(CGDL Vapor) 농도에 따른 증기압력의 차이에 비례해서 발생하고, 또한 캐소드 가스확산층(CGDL)에 액적(Liquid)량이 증가할수록(즉, CGDL Liguid s가 커질 수록) 산소와 증기의 확산(Diffusion) 계수가 작아지도록 계산식을 구성하는 것이 바람직하다.
상기 스택 제어기(50)의 캐소드 촉매층(Cathode Catalyst Layer: CCL) 제어부(53)는, 첨부한 도 5c에 도시된 바와 같이 캐소드 가스확산층(CGDL)의 산소 농도 및 캐소드 촉매층(CCL)의 온도를 기반으로 캐소드 촉매층(CCL)의 산소 부분압력을 산출하는 산소 부분압력 산출부(53-1)와; 캐소드 가스확산층(CGDL)의 증기 농도 및 캐소드 촉매층(CCL)의 온도를 기반으로 캐소드 촉매층(CCL)의 상대습도를 산출하는 상대습도 산출부(53-2)와; 캐소드 가스확산층(CGDL)의 증기 농도를 기반으로 캐소드 촉매층(CCL)의 잔류 증기량를 산출하는 잔류 증기량 산출부(53-3)와; 스택의 전기화학적 반응에 의한 생성수 유량과, 멤브레인에 대한 증기유량을 기반으로 캐소드 가스확산층으로 흐르는 증기유량을 산출하는 증기 유량 산출부(53-4)와; 스택 전류, 캐소드 촉매층 온도, 멤브레인 전기저항, 캐소드 촉매층의 산소 부분압력, 애노드 촉매층의 수소 부분압력을 기반으로 스택의 전기화학적 반응에 의한 전압을 산출하는 전압 산출부(53-5); 를 포함하여 구성된다.
상기 스택 제어기(50)의 전해질막(Membrane Layer : MEM) 제어부(54)는, 첨부한 도 5d에 도시된 바와 같이 멤브레인의 사용전류 및 함수율을 기반으로 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층의 전기삼투항력(Electro-osmotic drag)을 출력하는 전기삼투항력 검출부(54-1)와; 캐소드 촉매층 상대습도와, 애노드 촉매층 상대습도와, 멤브레인 온도 및 함수율을 기반으로 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층의 역확산을 검출하는 역확산 검출부(54-2)와; 멤브레인 온도와, 캐소드 촉매층과 캐소드 가스확산층 간의 온도차와, 캐소드 촉매층과 애노드 가스확산층 간의 온도차를 기반으로 히트 파이프 메커니즘에 의한 물 이동 상태를 검출하는 히트 파이프 검출부(54-3)와; 전기삼투항력 검출부(54-1)의 전기삼투항력 출력신호와, 역확산 검출부(54-2)의 역확산 출력신호와, 히트 파이프 검출부(54-3)의 출력신호와, 그리고 멤브레인 온도 등을 입력받아, 멤브레인의 함수율, 잔류물량, 전기저항을 산출하도록 적분기를 포함하는 워터 밸런스 산출부(54-4); 를 포함하여 구성된다.
이러한 전해질막(Membrane Layer : MEM) 제어부(54)에 있어서, 멤브레인(MEM) 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반 맵 데이터를 활용하고, 캐소드 촉매층(CCL)과 캐소드 가스확산층(CGDL)간의 온도차, 캐소드 촉매층(CCL)과 애노드 가스확산층(AGDL)간의 온도차는 사용전류 및 스택 냉각수 입/출구온도에 기반한 맵 데이터를 활용하며, 캐소드 촉매층으로부터의 증기 유량 및 애노드 촉매층에 대한 증기유량은 각각 캐소드 촉매층 측 및 애노드 촉매층 측의 전기삼투항력, 역확산율, 히트 파이프 출력값 등을 합하여 계산된다.
한편, 전기삼투항력(Electro-Osmotic Drag) 물이동 메커니즘은 사용전류에 따라 수소 이온(H+)이 멤브레인을 통과하게 되고, 이때 수반되는 물이동을 말하고, 역확산(Back Diffusion) 물이동 메커니즘은 멤브레인(MEM) 양단의 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층의 물 활동성(Water Activity)에 따른 물이동을 말하며, 히트 파이프(Heat-Pipe) 물이동 메커니즘은 멤브레인의 포화(Saturated) 상태에서 층간의 온도 변화(Gradient)에 의한 물이동(고온층(Hot Layer)→ 저온층(Cold Layer))을 말한다.
또한, 상기 멤브레인 함수율은 멤브레인 드라이-아웃(MEM Dry-out), 물 범람(Flooding)을 판단할 수 있는 대표 인자로서, 0~16.8 사이의 무차원 인자로, 값이 작을수록 드라이-아웃(dry-out)됨을 의미한다.
상기 스택 제어기(50)의 애노드 촉매층의 잔류 물량을 계산하는 애노드 촉매층(Anode Catalyst Layer: ACL) 제어부(55)는, 첨부한 도 5e에 도시된 바와 같이 애노드 가스확산층(AGDL)의 수소 농도 및 애노드 촉매층(ACL)의 온도를 기반으로 애노드 촉매층(ACL)의 수소 부분압력을 산출하는 수소 부분압력 산출부(55-1)와; 애노드 가스확산층(AGDL)의 증기 농도 및 애노드 촉매층(ACL)의 온도를 기반으로 애노드 촉매층(ACL)의 상대습도를 산출하는 상대습도 산출부(55-2)와; 애노드 가스확산층(AGDL)의 증기 농도를 기반으로 애노드 촉매층(ACL)의 잔류 증기량를 산출하는 잔류 증기량 산출부(55-3)와; 멤브레인으로부터의 증기유량을 기반으로 애노드 가스확산층으로 흐르는 증기유량을 산출하는 증기 유량 산출부(55-4); 를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 애노드 촉매층의 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반의 맵 데이터를 활용한다.
상기 스택 제어기(50)의 애노드 가스확산층(Anode Gas Diffusion Layer: AGDL) 제어부(56)는, 첨부한 도 5f에 도시된 바와 같이 애노드 가스 채널(AGC)로부터의 수소 유입유량과, 애노드 촉매층(Anode Catalyst Layer: ACL)에 대한 수소 배출유량을 기반으로, 애노드 가스확산층(AGDL)의 수소 농도를 산출하도록 적분기를 포함하는 수소 밸런스 제어부(56-1)와; 애노드 촉매층(ACL)으로부터의 증기 유입유량과, 애노드 가스 채널(AGC)에 대한 증기 배출유량을 기반으로 애노드 가스확산층(AGDL)의 잔류 증기량 및 증기 농도를 산출하도록 적분기를 포함하는 증기 밸런스 제어부(56-2)와; 애노드 가스확산층(AGDL) 응축률 및 애노드 가스 채널(AGC)에 대한 액체 유량을 기반으로 애노드 가스확산층(AGDL)의 잔류 액체량을 산출하도록 적분기를 포함하는 액체 밸런스 제어부(56-3)와; 애노드 가스확산층(AGDL)의 온도 및 증기 농도를 기반으로 애노드 가스확산층(AGDL)의 응축률을 산출하는 응축률 산출부(56-4)와; 애노드 가스확산층의 온도 및 액체 S(AGDL Liquid S = (s - s_im)/(1 - s_im)), 그리고 애노드 가스 채널 액체 S(AGC Liquid S)를 기반으로 애노드 가스 채널로 가는 액체 유량을 산출하는 액체 유량 산출부(56-5)와; 애노드 가스확산층의 수소 농도 및 애노드 가스 채널의 수소 농도, 그리고 애노드 가스확산층의 수소 확산 계수를 기반으로 애노드 가스 채널로부터의 수소 유입유량을 산출하는 수소 디퓨젼(Diffusion) 산출부(56-6)와; 애노드 가스확산층의 증기 농도 및 애노드 가스 채널의 증기 농도, 그리고 애노드 가스확산층의 증기 확산 계수를 기반으로 애노드 가스 채널에 대한 증기 배출유량을 산출하는 증기 디퓨젼(Diffusion) 산출부(56-7); 를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 애노드 가스확산층(AGDL) 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반 맵 데이터 활용한다.
여기서, s > s_im 이면, 애노드 가스확산층 액체 S(AGDL Liquid S) = (s - s_im)/(1 - s_im)이 성립하고, s ≤ s_im 이면, AGDL Liquid S = 0이 되며, 이때 s (AGDL Liquid s) = 애노드 가스확산층(AGDL) 잔류 액체(Liquid) 부피 ÷ 애노드 가스확산층(AGDL) 공극 부피이고, s_im는 모세관 현상에서 액체 유량이 발생하는 기준 조건인 고정된 포화 상태(immobile saturation)을 의미하며, 모세관 현상은 s > s_im 조건에서 인접한 층의 액체 S(Liquid S)의 차이에 의해서 액체 유량이 발생한다.
한편, 애노드 가스확산층(AGDL) 응축률은 애노드 가스확산층 온도에 따른 포화(saturation) 압력과 애노드 가스확산층 증기(AGDL Vapor) 농도에 따른 증기압력의 차이에 비례해서 발생하고, 또한 애노드 가스확산층(AGDL)에 액적(Liquid)량이 증가할수록(즉, AGDL Liquid s가 커질 수록) 수소와 증기의 확산(Diffusion) 계수가 작아지도록 계산식을 구성하는 것이 바람직하다.
상기 스택 제어기(50)의 애노드 가스 채널(Anode Gas Channel: AGC) 제어부(57)는, 첨부한 도 5g에 도시된 바와 같이 스택 입구의 수소 공급유량과, 스택 출구의 수소 배출유량과, 애노드 가스확산층(AGDL)에 대한 수소 배출유량과, 스택 출구의 애노드 가스채널(AGC)온도와, 스택 출구의 수소 배출유량을 입력받아서, 수소 과급비와, 애노드 가스 채널의 수소 농도와, 애노드 가스 채널에서의 수소 부분압력을 산출하도록 적분기를 포함하는 수소 밸런스(H2 Balance) 산출부(57-1)와; 스택 입구의 증기 공급유량과, 스택 출구의 증기 배출유량과, 애노드 가스확산층(AGDL)으로부터의 증기유량과, 스택 출구의 액체 배출유량과, 애노드 가스확산층으로부터의 액체유량과, 스택 출구의 애노드 가스채널(AGC)온도를 입력받아서, 애노드 가스채널의 증기 부분압력과, 스택 출구의 애노드 상대습도와, 애노드 가스채널의 잔류 물량과, 애노드 가스채널의 증기 농도 및 액체 S(AGC Liquid S = (s - s_im)/(1 - s_im)) 등을 산출하도록 적분기를 포함하는 물 밸런스(Water Balance) 산출부(57-2)와; 스택 출구의 애노드 가스채널(AGC)압력과 목표압력(P5)을 기반으로 스택 출구의 수소 배출유량 및 스택 출구의 증기 배출유량을 산출하는 출구 유량(Out Flow) 산출부(57-3)로 구성된다.
이때, 출구 유량(Out Flow) 즉, 스택 출구의 수소 배출유량 및 스택 출구의 증기 배출유량은 애노드 가스채널 압력(스택 출구)을 목표압력(P5)으로 추종시키기 위한 PI(Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산되며, 또한 목표압력(P5)은 애노드 가스채널 압력(스택 출구) 센서 데이터 또는 애노드 가스채널 유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용하고, 애노드 가스채널 온도(스택 출구)는 센서 데이터 또는 스택 냉각수 입/출구 온도 기반의 맵 데이터를 활용한다.
한편, 스택 출구의 액체 배출유량은 애노드 워터트랩(AWT: Anode Water Trap)에 트랩되는 양으로서, 스택 출구의 애노드 상대습도가 100% 미만이면, ' 애노드 워터트랩(AWT) = 애노드 가스확산층으로부터의 액체유량 × α '이 성립하며, α = 0 ~ 1 범위이다. 여기서, 이 관계식과 더불어 이후의 식에 포함된 'AWT'는 애노드 워터트랩을 의미하는 것이 아니라, 애노드 워터트랩에 트랩되는 액체 유량을 의미한다.
반면, 스택 출구의 애노드 상대습도가 100% 이상이면, ' 애노드 워터트랩(AWT) = 애노드 가스확산층으로부터의 액체유량 × α + 애노드 가스 채널(AGC) 순 물 흐름량(Net Water Flow) × β '가 성립하고, 이때 α = 0 ~ 1, β = 0 ~ 1 범위이다.
여기서, s > s_im 이면, 애노드 가스채널 액체 S(AGC Liquid S) = (s - s_im)/(1 - s_im)이 성립하고, s ≤ s_im 이면, AGC Liquid S = 0이 되며, 이때 s = 애노드 가스 채널의 잔류 액체 부피÷애노드 가스 채널 부피 이고, s_im는 모세관 현상에서 액체 유량이 발생하는 기준 조건인 고정된 포화 상태(immobile saturation)을 의미한다.
상기 연료처리시스템(FPS: Fuel Processing System) 제어기(40)는, 도 6a 및 도 6b에서 보듯이 목표압력(P4)을 추종하는 PI 제어를 통하여 수소 공급 유량을 계산하는 수소공급제어부(42)와, 공급되는 수소 및 재순환 수소 간의 혼합비를 제어하는 수소 입구 매니폴드 제어부(44)와, 수소 출구 매니폴드의 수소 퍼징 및 응축수 드레인 제어를 하는 수소 출구 매니폴드 제어부(46)와, 이젝터 및 재순환 블로워 제어를 위한 수소 재순환 루프 제어부(48)를 포함하여 구성된다.
보다 상세하게는, 상기 연료처리시스템 제어기(40)는, 목표압력(P4)과, 스택 출구의 애노드 가스채널 압력과, 수소공급온도와, 공급수소의 상대습도를 입력받아서, 수소공급유량과, 수소공급압력과, 수소공급온도와, 공급수소의 상대습도를 수소 입구 매니폴드 제어부(44)로 출력하는 수소공급제어부(42)와; 수소공급제어부(42)로부터 수소공급유량과, 수소공급압력과, 수소공급온도와, 공급수소의 상대습도를 입력받는 동시에 수소 재순환 루프 제어부(48)로부터 수소 재순환 유량과, 증기 재순환 유량과, 수소 제2재순환 루프 온도와, 수소 제2재순환 루프 압력과, 수소 제2재순환 루프의 상대습도를 입력받아서, 스택 입구의 수소유량과, 스택 입구의 증기 유량과, 스택 입구의 애노드 가스채널 온도 및 압력과, 스택 입구의 애노드 상대습도를 애노드 가스 채널(AGC) 제어부(57)로 출력하는 수소 입구 매니폴드 제어부(44)와; 애노드 가스 채널(AGC) 제어부(57)로부터 스택 출구의 수소유량과, 스택 출구의 증기 유량과, 스택 출구의 액체 유량, 스택 출구의 애노드 가스채널 온도 및 압력과, 스택 출구의 애노드 상대습도를 입력받아서, 수소 재순환 유량과, 증기 재순환 유량과, 수소 제1재순환 루프 온도와, 수소 제1재순환 루프 압력과, 수소 제1재순환 루프의 상대습도를 수소 재순환 루프 제어부(48)로 출력하는 수소 출구 매니폴드 제어부(46)와; 수소 출구 매니폴드 제어부(46)로부터 수소 재순환 유량과, 증기 재순환 유량과, 수소 제1재순환 루프 온도와, 수소 제1재순환 루프 압력과, 수소 제1재순환 루프의 상대습도를 입력받아서, 수소 재순환 유량과, 증기 재순환 유량과, 수소 제2재순환 루프 온도와, 수소 제2재순환 루프 압력과, 수소 제2재순환 루프의 상대습도를 출력하는 수소 재순환 루프 제어부(48); 를 포함하여 구성된다.
이때, 수소 재순환루프에서, 수소재순환블로워 RPM에 따른 히트 맵(Heat map)을 기반으로 제2재순환루프 온도/압력/상대습도를 계산하고, 수소+증기 퍼지유량은 수소퍼지밸브 온(On)시 압력차이에 의한 노즐 계산식으로부터 계산하며 또한 응축수 드레인 유량은 응축수 드레인 밸브 온(On)시, 단위 시간에 대한 응축수 배출 실험맵을 기반으로 계산하고, 응축수 드레인 포트에 잔류하는 응축수량은 배출되는 응축수 드레인 유량에 입력되는 애노드 워터 트랩(AWT)을 고려한 액적 밸런스(Liquid Balance)식으로 계산한다.
또한, 상기 수소공급유량은 스택 입구의 애노드 가스채널 압력(스택 출구의 애노드 가스채널 압력 기반 맵(map) 활용)을 목표압력(P4)으로 추종시키기 위한 PI (Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산하고, 상기 목표압력(P4)는 애노드 가스채널 압력(스택 입구) 센서 데이터 또는 애노드 가스채널 유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용하며, 수소공급온도는 센서 데이터 또는 대기온도와 수소탱크 온도 및 스택 냉각수 입/출구 온도 기반 맵 데이터를 활용한다.
이때, 공급수소의 상대습도는 순수 수소 조건을 고려하여 0%로 설정하고, 애노드 가스채널 온도(스택 입구)는 공급 수소 + 증기(Vapor) 열량과, 재순환 수소 + 증기 열량의 에너지 밸런스(Energy balance)식으로부터 계산되고, 애노드 상대습도(스택 입구)는 수소 유량에 대한 증기 유량의 비로 정의되는 습도율(Humidity Ratio)를 기반으로 계산된다.
이하, 상기한 구성을 기반으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 응축수 드레인 제어 방법은 연료전지 시스템의 상대습도 및 응축수 추정기의 출력신호중, 각 도면에서 타원으로 지시된 부분과 같이 공기측/수소측 상대습도, 공기측/수소측/가습기 순간 및 누적 응축수 비율, 맴브레인 함수율, 촉매층 산소/수소 분압, 스택 전압, 공기측/수소측 촉매층 상대습도, 산소/수소 과급비, 스택내 잔류 물량, 가습기내 잔류 물량 등을 이용하여 이루어진다.
본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 상대습도 및 응축수 추정기를 기반으로 이루어지는 애노드 응축수 드레인 제어 방법은 추정기에서 계산된 애노드 응축수 량과 드레인 밸브의 온/오프 신호를 활용하여, 애노드 응축수 포집기(= 애노드 워터트랩) 내의 잔류 응축수 량을 계산한 후, 첨부한 도 6b에 도시된 응축수 포집기(43) 내의 수위센서(45)의 정상유무를 판단하여, 비정상 시 응축수 추정치를 기반으로 드레인 밸브 온/오프 제어를 수행하는 점에 특징이 있다.
보다 상세하게는, 상기한 추정기에서 계산된 애노드 응축수(입력유량, AWT)와 드레인 밸브 On/Off 신호를 활용해서 계산된 출력유량(애노드 응축수 드레인밸브 On×초당 응축수 배출량)을 기반으로, 애노드 응축수 포집기 내의 잔류 응축수량을 계산하여 응축수 포집기 내의 수위센서에 대한 정상유무를 판단하는 단계와, 비정상 시, 잔류 응축수 추정치를 기반으로 드레인 밸브 온/오프 제어를 수행하는 단계로 이루어진다.
이때, 상기 잔류 응축수량(계산치=추정치)이 애노드 응축수의 포집기 전체 부피(V1)에 해당하는 질량보다 클 경우, 수위센서 고장으로 드레인밸브가 과도하게 클로즈(Close) 되어 있을 가능성이 있고, 이에 스택내 플러딩(Flooding) 심화로 셀 전압 저하, 수소재순환블로워 이상동작, 애노드측 스택 입/출구 압력 이상 발생하면 수위센서 고장(Fail)으로 판단하여, 애노드 워터 트랩(AWT) 추정치 기반의 응축수 드레인 밸브 제어를 수행하되 잔류 응축수가 수위센서 근처에서 유지되도록 드레인 밸브에 대한 온/오프 제어를 수행한다.
또한, 상기 잔류 응축수량(계산치=추정치)이 0 이하일 경우, 수위센서 고장으로 드레인밸브가 과도하게 오픈(open)되어 있을 가능성이 있고, 이에 응축수 대신에 수소가 누출되어 수소이용률 저하, 수소 누출센서 알람 등이 발생하면, 수위센서 고장(Fail)으로 판단하여, 애노드 워터 트랩(AWT) 추정치 기반의 응축수 드레인밸브 제어를 수행하되 잔류 응축수가 수위센서 근처에서 유지되도록 드레인 밸브에 대한 온/오프 제어를 수행한다.
이러한 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 애노드 응축수 드레인 제어 방법을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제1실시예
도 7a의 순서도에서 보듯이, 먼저 애노드 응축수 포집기 내의 워터 밸런스(Water Balance)기반 잔류 응축수량을 아래와 같은 수학식 1로 계산한다(S101). [수학식 1]
Figure 112013016033012-pat00001
상기 수학식 1에서 'AWT'는 스택 출구에서 배출되어 애노드 워터트랩(= 애노드 응축수 포집기)에 트랩되는 액체 유량을 의미하는 것이고, 'Anode 응축수 Drain밸브 On'은 애노드 응축수 드레인 밸브가 온(On)되어 오픈되도록 명령되는 것을 의미하는 것으로, 밸브가 오픈되는 이벤트를 카운트한 수(즉, 밸브 오픈 횟수에 해당하며, 무차원 값임)가 된다(시간에 대한 summation을 할 경우 밸브가 오픈되는 총 시간이 계산될 수 있음. 즉, 무차원 값인 'Anode 응축수 Drain 밸브 On'에 시간값인 'Δt'를 곱하여 나오는 값으로서 밸브가 오픈되는 총 시간을 나타낼 수 있음.) 또한, 여기에서 't=0'이란 연료전지 시스템이 온(On)되는 시점의 시간을 의미할 수 있으며, 't=∞'란 연료전지가 오프(Off)되는 시점에서의 시간을 의미할 수 있다. 그리고, '잔류 응축수 초기값'이란 연료전지가 온(On)되었을 때의 연료전지내부에 있는 응축수의 양을 나타내는 값일 수 있다.
또한 'Δt'는 애노드 응축수 드레인 밸브 제어를 위한 샘플링 시간을 의미한다.
또한 '잔류 응축수 초기값'은 차량 시동시 애노드 워터트랩 내부에 존재하는 물의 양이다. 예를 들어, 통상의 경우에서와 같이 차량 및 연료전지 시스템 셧다운 시에 드레인 밸브 오픈 명령을 통해 잔류하는 물을 모두 외부로 방출하는 경우라면, 이후 차량 시동시 물의 양, 즉 상기 '잔류 응축수 초기값'은 0 kg에 가까운 매운 작은 값이 될 수 있다.
다음으로, 잔류 응축수량과, 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 전체 부피(V1[m^3])를 곱한 값을 대비하고, 동시에 지속시간(Δt-c)과 기준치(t1)를 비교한다(S102). 그리고, 여기에서 말하는 기준치란 잔류 응축수의 수위가 비정상적으로 높은 단계가 지속되어 경고로 판정되어야 하는 일정한 시간 값이 될 수 있으며, 어느 하나의 값으로 한정되는 것이 아니라 연료전지 시스템의 설계 사항에 따라 다양하게 조절될 수 있다.
이때, 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 전체 부피(V1[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t1)보다 크면, 응축수 수위센서 경고단계로 판정한다(S103).
즉, 수위센서 고장으로 드레인 밸브가 과도하게 클로즈(Close)됨에 따라, 스택내 플러딩(Flooding) 심화로 셀 전압 저하, 수소재순환블로워 이상동작, 애노드측 스택 입/출구 압력 이상이 발생할 수 있다.
따라서, [ (V_cell ＜ V_cell_TH) or (ΔV_cell ＞ ΔV_cell_TH), 또는 (수소재순환블로워 RPM ＜ RPM_cmd - RPM_TH), 또는 (애노드 스택 입구압력 ＞ 입구 정상압력 맵(map) + P_TH), 또는 (애노드 스택 출구압력 ＞ 출구 정상압력 맵(map) + P_TH) ] 이고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t2)보다 크면(S104), 응축수 수위센서 고장으로 판정한다(S105).
참고로, V_TH: 응축수 차이 허용 기준치[m^3], V_cell: 스택 셀 전압, V_cell_TH: 스택 셀전압 하한 기준치, ΔV_cell: 스택 셀전압 편차, ΔV_cell_TH: 스택 셀전압 편차 상한 기준치, RPM_cmd: 수소재순환블로워 RPM 명령치, RPM_TH: 수소재순환블로워 RPM 차이 허용 기준치, P_TH: 압력 차이 허용 기준치를 각각 의미한다.
또한, 상기 식에 포함된 '입구 정상압력 맵'과 '출구 정상압력 맵'은 각각의 맵으로부터 구해지는 입구와 출구의 정상압력 값을 의미하는 것으로서, 각 정상압력 값이 구해지는 상기 각각의 맵은 실험 데이터를 기반으로 스택 상태 변수인 스택 사용 전류에 따라 정상압력 값을 미리 정해놓은 맵이다.
이에 따라, 애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어(초기값 Close)가 개시된다(S106).
드레인 밸브 제어시, 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 지속시간이 기준치(t3)보다 큰 것으로 판정되면(S107), 응축수 드레인밸브를 오픈시키는 제어가 이루어진다(S108).
반면, 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])에서 미리 설정된 응축수 차이 허용 기준치(V_TH[m^3])를 차감한 값을 곱한 값(ρ×(V2-VTH))보다 작거나, 드레인밸브 오픈시간이 기준치(t4)보다 큰 것으로 판정되면(S109), 응축수 드레인밸브를 클로즈(close)시키는 제어가 이루어진다(S110).
제2실시예
도 7b의 순서도에서 보듯이, 먼저 애노드 응축수 포집기 내의 워터 밸런스(Water Balance)기반 잔류 응축수량을 상기의 수학식 1로 계산한다(S201).
다음으로, 잔류 응축수량이 0(제로) 이하이고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t5)보다 큰 것으로 판정되면(S202), 응축수 수위센서 경고단계로 판정한다(S203).
즉, 수위센서 고장으로 드레인 밸브가 과도하게 오픈(Open)됨에 따라, 응축수 대신에 수소가 누출되어 차량 연비 저하(∵수소이용률 저하), 수소 누출센서 알람 가능성이 있는 것으로 판정한다.
따라서, [(수소이용률 계산치 ＜ 정상 수소이용률맵 - H2_Util_TH) 또는 (H2 누출 센서 On)] 이면서(and) [(지속시간 ＞ t6)]으로 판정되면(S204), 응축수 수위센서 고장으로 판정한다(S205).
여기서, 식에 포함된 '정상 수소이용률맵'은 정상 수소이용률 맵으로부터 구해지는 정상 수소이용률 값을 의미하는 것으로서, 이 정상 수소이용률 값이 구해지는 정상 수소이용률 맵으로는 스택전류 기반의 수소 이용률 실험맵, 즉 실험 데이터를 기반으로 스택 사용 전류에 따라 정상 수소이용률을 미리 정해놓은 맵을 이용한다.
또한 'H2_Util_TH'는 수소 이용률 차이 허용 기준치를 의미하며, 상기 '수소이용률 계산치'는 스택전류, 스택셀수 및 사용 수소량을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 계산되는 수소이용률 값으로, 아래의 수학식 2에 의하여 계산된다.
[수학식 2]
Figure 112013016033012-pat00002
이에 따라, 애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어(초기값 Close)가 개시된다(S206). 여기서, 반데르발스(Van der Waals) 식에 의한 사용 수소량을 계산하는 방법은 다음의 식을 이용한다.
Figure 112013099138952-pat00038
(반데르발스 식)
위의 식에서 p는 유체의 압력이고, V는 유체의 부피이며, T는 유체의 절대 온도, R은 기체의 상수, a와 b는 물체의 특성에 따른 매개변수를 나타내며, 수소 탱크의 온도와 압력을 측정할 수 있으므로 이를 통하여 사용되는 수소의 부피(즉, 사용 수소량)을 계산할 수 있다. 그리고, 이러한 사용 수소량은 부피 단위의 값으로도 계산될 수 있으며, 또한 수소 탱크의 온도, 압력을 알고 있으므로 질량 값(kg)으로도 환산될 수 있다.
드레인 밸브 제어시, 제1실시예와 같이 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 지속시간이 기준치(t3)보다 큰 것으로 판정되면(S107), 응축수 드레인밸브를 오픈시키는 제어가 이루어진다(S208).
반면, 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])에서 미리 설정된 응축수 차이 허용 기준치(V_TH[m^3])를 차감한 값을 곱한 값(ρ×(V2-VTH))보다 작거나, 드레인밸브 오픈시간이 기준치(t4)보다 큰 것으로 판정되면(S209), 응축수 드레인밸브를 클로즈(close)시키는 제어가 이루어진다(S210).
한편, 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 상대습도 및 응축수 추정기를 기반으로 이루어지는 애노드 응축수 드레인 제어 방법은 제1 및 제2실시예와 달리 애노드 응축수 포집기 내의 누적생성수량 즉, 누적 생성수 대비 누적 응축수량의 비율 차이를 기반으로 드레인 밸브 온/오프 제어를 수행하는 점에 특징이 있다.
즉, 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 애노드 응축수 드레인 제어 방법은 누적 생성수량을 기반으로 하는 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)과 추정기 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)를 계산해서 이 비율의 차이를 기반으로, 응축수 포집기 내의수위센서의 정상유무를 판단하는 단계와, 비정상 시, 잔류 응축수 추정치를 기반으로 드레인밸브 온/오프 제어를 수행하는 단계로 이루어진다.
이때, 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)이 추정기 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)보다 허용 기준치를 초과해서 작을 경우, 수위센서 고장으로 드레인밸브가 과도하게 클로즈되어 있을 가능성이 있고, 이에 스택내에 플러딩(Flooding) 심화로 셀 전압 저하, 수소재순환블로워 이상동작, 애노드측 스택 입/출구 압력 이상이 발생되면, 수위센서 고장으로 판정하여 애노드 워터 트랩( AWT) 추정치 기반의 응축수 드레인밸브 제어를 개시하되 잔류 응축수가 수위센서 근처에서 유지되도록 드레인밸브 온/오프 제어를 수행하다.
반면, 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)이 추정기 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)보다 허용 기준치를 초과해서 클 경우, 수위센서 고장으로 드레인밸브가 과도하게 오픈되어 있을 가능성이 있고, 이에 응축수 대신에 수소가 누출되어 수소이용률 저하, 수소 누출센서 알람 등이 발생하면, 수위센서 고장(Fail)으로 판단하여, 애노드 워터 트랩(AWT) 추정치 기반의 응축수 드레인밸브 제어를 수행하되 잔류 응축수가 수위센서 근처에서 유지되도록 드레인 밸브에 대한 온/오프 제어를 수행한다.
이러한 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 애노드 응축수 드레인 제어 방법을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제3실시예
도 8a의 순서도에서 보듯이, 애노드 응축수 포집기 내의 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수량과, 누적 생성수량과, 누적 응축수 추정치를 아래의 수학식 3,4,5를 이용하여 각각 계산한다(S301). 하기 수학식에서 'AWT', 'Anode 응축수 Drain밸브 On' 등의 각 기호는 수학식 1에서 설명한 바와 같다.
[수학식 3]
Figure 112013016033012-pat00003
[수학식 4]
Figure 112013016033012-pat00004
[수학식 5]
Figure 112013016033012-pat00005
이때, 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)과 추정기 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)은 아래의 수학식 6 및 7에 의하여 산출된다.
[수학식 6]
Figure 112013016033012-pat00006
[수학식 7]
Figure 112013016033012-pat00007
이어서, 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)이 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)에서 누적 응축수 비율 차이 허용 기준치(AWT_TH)를 차감한 값보다 작고, 이 지속시간이 기준치(t1)보다 큰 것으로 판정되면(S302), 응축수 수위센서 경고단계로 판정한다(S303).
즉, 수위센서 고장으로 드레인 밸브가 과도하게 클로즈(Close)됨에 따라, 스택내 플러딩(Flooding) 심화로 셀 전압 저하, 수소재순환블로워 이상동작, 애노드측 스택 입/출구 압력 이상이 발생할 수 있다.
또한, [ (V_cell ＜ V_cell_TH) or (ΔV_cell ＞ ΔV_cell_TH), 또는 (수소재순환블로워 RPM ＜ RPM_cmd - RPM_TH), 또는 (애노드 스택 입구압력 ＞ 입구 정상압력 맵(map) + P_TH), 또는 (애노드 스택 출구압력 ＞ 출구 정상압력 맵(map) + P_TH) ] 이고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t2)보다 크면(S304), 응축수 수위센서 고장으로 판정한다(S305).
여기서, 제2실시예와 마찬가지로, 상기 '입구 정상압력 맵'과 '출구 정상압력 맵'은 각각의 맵으로부터 구해지는 입구와 출구의 정상압력 값을 의미하는 것이다.
또한, V_TH: 응축수 차이 허용 기준치[m^3], V_cell: 스택 셀 전압, V_cell_TH: 스택 셀전압 하한 기준치, ΔV_cell: 스택 셀전압 편차, ΔV_cell_TH: 스택 셀전압 편차 상한 기준치, RPM_cmd: 수소재순환블로워 RPM 명령치, RPM_TH: 수소재순환블로워 RPM 차이 허용 기준치, P_TH: 압력 차이 허용 기준치를 각각 의미한다.
이에 따라, 애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어(초기값 Close)가 개시된다(S306).
드레인 밸브 제어시, 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 지속시간이 기준치(t3)보다 큰 것으로 판정되면(S307), 응축수 드레인밸브를 오픈시키는 제어가 이루어진다(S308).
여기서, 잔류 응축수량은 제1 및 제2실시예와 마찬가지로 상기의 수학식 1로 계산되는 값이며, 따라서 상기 S307 단계에서 잔류 응축수량이 이용될 수 있도록, 도 8a의 순서도에는 나타내지는 않았지만, 본 제3실시예의 경우도 애노드 응축수 포집기 내의 워터 밸런스(Water Balance)식 기반 잔류 응축수량을 계산하는 단계를 포함한다.
반면, 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])에서 미리 설정된 응축수 차이 허용 기준치(V_TH[m^3])를 차감한 값을 곱한 값(ρ×(V2-VTH))보다 작거나, 드레인밸브 오픈시간이 기준치(t4)보다 큰 것으로 판정되면(S309), 응축수 드레인밸브를 클로즈(close)시키는 제어가 이루어진다(S310).
제4실시예
도 8b의 순서도에서 보듯이, 애노드 응축수 포집기 내의 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수량과, 누적 생성수량과, 누적 응축수 추정치를 제3실시예와 같이 상기와 같은 수학식 2,3,4를 이용하여 각각 계산한다(S401).
이어서, 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)이 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)과 누적 응축수 비율 차이 허용 기준치(AWT_TH)를 더한 값보다 크고, 이 지속시간이 기준치(t5)보다 큰 것으로 판정되면(S402), 응축수 수위센서 경고단계로 판정한다(S403).
즉, 수위센서 고장으로 드레인 밸브가 과도하게 오픈(Open)됨에 따라, 응축수 대신에 수소가 누출되어 차량 연비 저하(∵수소이용률 저하), 수소 누출센서 알람 가능성이 있는 것으로 판정한다.
따라서, [(수소이용률 계산치 ＜ 정상 수소이용률맵 - H2_Util_TH) 또는 (H2 누출 센서 On)] 이면서(and) [(지속시간 ＞ t6)]으로 판정되면(S404), 응축수 수위센서 고장으로 판정한다(S405).
제2실시예에서 설명된 바와 같이, 상기 '정상 수소이용률맵'은 정상 수소이용률 맵으로부터 구해지는 정상 수소이용률 값을 의미하는 것으로서, 이 정상 수소이용률 값이 구해지는 정상 수소이용률 맵은 스택전류 기반의 수소 이용률 실험맵을 이용하고, 'H2_Util_TH'는 수소 이용률 차이 허용 기준치를 의미하며, 상기 '수소이용률 계산치'는 상기의 수학식 2에 의하여 계산된다.
이에 따라, 애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어(초기값 Close)가 개시된다(S406).
드레인 밸브 제어시, 마찬가지로 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 지속시간이 기준치(t3)보다 큰 것으로 판정되면(S407), 응축수 드레인밸브를 오픈시키는 제어가 이루어진다(S408).
여기서, 잔류 응축수량은 제1 및 제2실시예와 마찬가지로 상기의 수학식 1로 계산되는 값이며, 따라서 상기 S407 단계에서 잔류 응축수량이 이용될 수 있도록, 도 8b의 순서도에는 나타내지는 않았지만, 본 제4실시예의 경우도 애노드 응축수 포집기 내의 워터 밸런스(Water Balance)식 기반 잔류 응축수량을 계산하는 단계를 포함한다.
반면, 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])에서 미리 설정된 응축수 차이 허용 기준치(V_TH[m^3])를 차감한 값을 곱한 값(ρ×(V2-VTH))보다 작거나, 드레인밸브 오픈시간이 기준치(t4)보다 큰 것으로 판정되면(S409), 응축수 드레인밸브를 클로즈(close)시키는 제어가 이루어진다(S410).
10 : 상대습도 및 응축수 추정기
20 : 추정기 내부 공기블로워 제어기
30 : 추정기 내부 가습기 제어기
40 : 추정기 내부 연료처리시스템(FPS) 제어기
50 : 추정기 내부 스택 제어기

Claims (13)

  1. 애노드 응축수 포집기 내의 워터 밸런스(Water Balance)식 기반 잔류 응축수량을 계산하는 단계와;
    잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 전체 부피(V1[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t1)보다 크면, 응축수 수위센서 경고단계로 판정하는 단계와;
    [ (V_cell ＜ V_cell_TH), 또는 (ΔV_cell ＞ ΔV_cell_TH), 또는 (수소재순환블로워 RPM ＜ RPM_cmd - RPM_TH), 또는 (애노드 스택 입구압력 ＞ 입구 정상압력 맵(map) + P_TH), 또는 (애노드 스택 출구압력 ＞ 출구 정상압력 맵(map) + P_TH) ] 이고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t2)보다 크면, 응축수 수위센서 고장으로 판정하는 단계와;
    애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어가 이루어지는 단계;
    를 포함하고, 상기 잔류 응축수량은 아래의 수학식 1로부터 계산되며, 상기 드레인밸브 제어시 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 지속시간이 기준치(t3)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 드레인밸브를 오픈시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
    수학식 1:
    Figure 112013016033012-pat00008

    수학식 1에서, AWT: 스택 출구에서 배출되어 애노드 워터트랩에 트랩되는 액체 유량, Anode 응축수 Drain밸브 On: 밸브가 오픈되는 이벤트를 카운트한 수(무차원 값임), Δt: 애노드 응축수 드레인 밸브 제어를 위한 샘플링 시간, 잔류 응축수 초기값: 차량 시동시 애노드 워터트랩 내부에 존재하는 물의 양,
    위에서, V_cell: 스택 셀 전압, V_cell_TH: 스택 셀전압 하한 기준치, ΔV_cell: 스택 셀전압 편차, ΔV_cell_TH: 스택 셀전압 편차 상한 기준치, RPM_cmd: 수소재순환블로워 RPM 명령치, RPM_TH: 수소재순환블로워 RPM 차이 허용 기준치, P_TH: 압력 차이 허용 기준치, 입구 정상압력 맵 및 출구 정상압력 맵: 각각의 맵으로부터 구해지는 입구와 출구의 정상압력 값으로서, 각 정상압력 값이 구해지는 각각의 맵은 실험 데이터를 기반으로 스택 사용 전류에 따라 정상압력 값을 미리 정해놓은 맵임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 드레인밸브 제어시,
    잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])에서 미리 설정된 응축수 차이 허용 기준치(V_TH[m^3])를 차감한 값을 곱한 값(ρ×(V2 - V_TH))보다 작거나, 드레인밸브 오픈시간이 기준치(t4)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 드레인밸브를 클로즈시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
  3. 애노드 응축수 포집기 내의 워터 밸런스(Water Balance)식 기반 잔류 응축수량을 계산하는 단계와;
    잔류 응축수량이 0(제로) 이하이고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t5)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 수위센서 경고단계로 판정하는 단계와;
    [(수소이용률 계산치 ＜ 정상 수소이용률맵 - H2_Util_TH) 또는 (H2 누출 센서 On)] 이면서(and) [(지속시간 ＞ t6)]으로 판정되면, 응축수 수위센서 고장으로 판정하는 단계와;
    애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어가 이루어지는 단계;
    를 포함하고, 상기 잔류 응축수량은 아래의 수학식 1로부터 계산되며, 상기 드레인밸브 제어시 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 지속시간이 기준치(t3)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 드레인밸브를 오픈시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
    수학식 1:
    Figure 112013099138952-pat00009

    수학식 1에서, AWT: 스택 출구에서 배출되어 애노드 워터트랩에 트랩되는 액체 유량, Anode 응축수 Drain밸브 On: 밸브가 오픈되는 이벤트를 카운트한 수(무차원 값임), Δt: 애노드 응축수 드레인 밸브 제어를 위한 샘플링 시간, 잔류 응축수 초기값: 차량 시동시 애노드 워터트랩 내부에 존재하는 물의 양,
    위에서, 수소이용률 계산치: 스택전류, 스택셀수 및 사용 수소량을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 계산되는 수소 이용률 값, H2_Util_TH: 수소 이용률 차이 허용 기준치, 정상 수소이용률맵: 맵으로부터 구해지는 정상 수소이용률 값으로서, 정상 수소이용률 값이 구해지는 정상 수소이용률 맵은 스택전류 기반의 수소 이용률 실험맵을 이용하며,
    상기 수소이용률 계산치는 아래의 수학식에 의하여 계산됨.
    Figure 112013099138952-pat00039

  4. 삭제
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 드레인 밸브 제어시,
    잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])에서 미리 설정된 응축수 차이 허용 기준치(V_TH[m^3])를 차감한 값을 곱한 값(ρ×(V2 - V_TH))보다 작거나, 드레인밸브 오픈시간이 기준치(t4)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 드레인밸브를 클로즈(close)시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
  6. 애노드 응축수 포집기 내의 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수량과, 스택전류와 스택셀수를 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 계산되는 누적 생성수량과, 누적 응축수 추정치를 계산하는 단계와;
    드레인밸브 작동 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)이 추정기 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)에서 누적 응축수 비율 차이 허용 기준치(AWT_TH)를 차감한 값보다 작고, 이 지속시간이 기준치(t1)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 수위센서 경고단계로 판정하는 단계와;
    [(V_cell ＜ V_cell_TH), 또는 (ΔV_cell ＞ ΔV_cell_TH), 또는 (수소재순환블로워 RPM ＜ RPM_cmd - RPM_TH), 또는 (애노드 스택 입구압력 ＞ 입구 정상압력 맵(map) + P_TH), 또는 (애노드 스택 출구압력 ＞ 출구 정상압력 맵(map) + P_TH) ] 이고, 동시에 그 지속시간이 기준치(t2)보다 크면, 응축수 수위센서 고장으로 판정하는 단계와;
    애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어가 이루어지는 단계;
    를 포함하고, 상기 누적 응축수량과 누적 응축수 추정치는 각각 아래의 수학식 3과 수학식 5로부터 계산되며, 상기 드레인밸브 제어시 아래의 수학식 1로부터 계산되는 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 지속시간이 기준치(t3)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 드레인밸브를 오픈시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
    수학식 1:
    Figure 112013016033012-pat00011

    수학식 3:
    Figure 112013016033012-pat00012

    수학식 5:
    Figure 112013016033012-pat00013

    수학식 1, 3, 5에서, AWT: 스택 출구에서 배출되어 애노드 워터트랩에 트랩되는 액체 유량, Anode 응축수 Drain밸브 On: 밸브가 오픈되는 이벤트를 카운트한 수(무차원 값임), Δt: 애노드 응축수 드레인 밸브 제어를 위한 샘플링 시간, 잔류 응축수 초기값: 차량 시동시 애노드 워터트랩 내부에 존재하는 물의 양,
    위에서, 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio1): 누적 생성수량에 대한 누적 응축수량의 비율, 추정기 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio2): 누적 생성수량에 대한 누적 응축수 추정치의 비율,
    V_cell: 스택 셀 전압, V_cell_TH: 스택 셀전압 하한 기준치, ΔV_cell: 스택 셀전압 편차, ΔV_cell_TH: 스택 셀전압 편차 상한 기준치, RPM_cmd: 수소재순환블로워 RPM 명령치, RPM_TH: 수소재순환블로워 RPM 차이 허용 기준치, P_TH: 압력 차이 허용 기준치, 입구 정상압력 맵 및 출구 정상압력 맵: 각각의 맵으로부터 구해지는 입구와 출구의 정상압력 값으로서, 각 정상압력 값이 구해지는 각각의 맵은 실험 데이터를 기반으로 스택 사용 전류에 따라 정상압력 값을 미리 정해놓은 맵임.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 누적 생성수량은 아래의 수학식에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
    Figure 112013016033012-pat00014

  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 드레인 밸브 제어시,
    잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])에서 미리 설정된 응축수 차이 허용 기준치(V_TH[m^3])를 차감한 값을 곱한 값(ρ×(V2 - V_TH))보다 작거나, 드레인밸브 오픈시간이 기준치(t4)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 드레인밸브를 클로즈(close)시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
  9. 애노드 응축수 포집기 내의 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수량과, 스택전류와 스택셀수를 이용하여 정해진 계산식으로부터 계산되는 누적 생성수량과, 누적 응축수 추정치를 계산하는 단계와;
    드레인밸브 작동 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio1)이 추정기 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio2)과 누적 응축수 비율 차이 허용 기준치(AWT_TH)를 더한 값보다 크고, 이 지속시간이 기준치(t5)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 수위센서 경고단계로 판정하는 단계와;
    [(수소이용률 계산치 ＜ 정상 수소이용률맵 - H2_Util_TH) 또는 (H2 누출 센서 On)] 이면서(and) [(지속시간 ＞ t6)]으로 판정되면, 응축수 수위센서 고장으로 판정하는 단계와;
    애노드 워터트랩(AWT) 추정치 기반 응축수 드레인밸브 제어가 이루어지는 단계;
    를 포함하고, 상기 누적 응축수량과 누적 응축수 추정치는 각각 아래의 수학식 3과 수학식 5로부터 계산되며, 상기 드레인밸브 제어시 아래의 수학식 1로부터 계산되는 잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])를 곱한 값보다 크고, 동시에 지속시간이 기준치(t3)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 드레인밸브를 오픈시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
    수학식 1:
    Figure 112013099138952-pat00015

    수학식 3:
    Figure 112013099138952-pat00016

    수학식 5:
    Figure 112013099138952-pat00017

    수학식 1, 3, 5에서, AWT: 스택 출구에서 배출되어 애노드 워터트랩에 트랩되는 액체 유량, Anode 응축수 Drain밸브 On: 밸브가 오픈되는 이벤트를 카운트한 수(무차원 값임), Δt: 애노드 응축수 드레인 밸브 제어를 위한 샘플링 시간, 잔류 응축수 초기값: 차량 시동시 애노드 워터트랩 내부에 존재하는 물의 양,
    위에서, 드레인밸브 작동 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio1): 누적 생성수량에 대한 누적 응축수량의 비율, 추정기 기반 누적 응축수 비율(AWT_ratio2): 누적 생성수량에 대한 누적 응축수 추정치의 비율,
    수소이용률 계산치: 스택전류, 스택셀수 및 사용 수소량을 이용하여 미리 정해진 계산식으로부터 계산되는 수소이용률 값, H2_Util_TH: 수소 이용률 차이 허용 기준치, 정상 수소이용률맵: 맵으로부터 구해지는 정상 수소이용률 값으로서, 정상 수소이용률 값이 구해지는 정상 수소이용률 맵은 스택전류 기반의 수소 이용률 실험맵을 이용하며,
    상기 수소이용률 계산치는 아래의 수학식에 의하여 계산됨.
    Figure 112013099138952-pat00040

  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 누적 생성수량은 아래의 수학식에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
    Figure 112013016033012-pat00018

  11. 삭제
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 드레인 밸브 제어시,
    잔류 응축수량이 응축수 밀도(ρ[kg/m^3])와 응축수 포집기 바닥부터 수위센서 부착 위치까지의 부피(V2[m^3])에서 미리 설정된 응축수 차이 허용 기준치(V_TH[m^3])를 차감한 값을 곱한 값(ρ×(V2-V_TH))보다 작거나, 드레인밸브 오픈시간이 기준치(t4)보다 큰 것으로 판정되면, 응축수 드레인밸브를 클로즈(close)시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용한 응축수 드레인 제어 방법.
  13. 삭제
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