KR101350184B1 - Method for controlling operation temperature of fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 작동온도 제어방법에 관한 것으로서, 스택 내 잔류 물량이나 멤브레인 함수율을 추정한 뒤 그 추정치를 기반으로 연료전지 스택의 작동온도를 제어하도록 구성됨으로써, 스택 내부 플러딩 및 드라이-아웃을 효과적으로 개선할 수 있는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지 시스템의 연료전지 스택 내 잔류 물량 또는 멤브레인 함수율을 실시간으로 추정하는 과정; 상기 과정에서 구해지는 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 스택 내부의 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지하는 과정; 및 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지한 경우 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 높이거나 낮추어줌으로써 플러딩 또는 드라이-아웃 상태가 해소되도록 연료전지 스택의 작동온도를 제어하는 과정;을 포함하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법이 개시된다.The present invention relates to a method for controlling the operating temperature of a fuel cell stack, and to estimate the residual water content or membrane moisture content in the stack and to control the operating temperature of the fuel cell stack based on the estimate, thereby flooding and drying out the stack. The main purpose is to provide a method for controlling the operating temperature of a fuel cell stack that can effectively improve the efficiency of the fuel cell stack. In order to achieve the above object, the process of estimating the residual amount or membrane moisture content in the fuel cell stack of the fuel cell system in real time; Detecting flooding or dry-out occurrence in the stack based on an estimate of remaining water content or a membrane moisture content estimated in the stack; And controlling an operating temperature of the fuel cell stack such that the flooding or dry-out state is eliminated by increasing or decreasing the temperature of the coolant supplied to the fuel cell stack when the flooding or dry-out occurs. A method of controlling the operating temperature of a stack is disclosed.

Description

연료전지 스택의 작동온도 제어방법{Method for controlling operation temperature of fuel cell stack} Method for controlling operation temperature of fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 작동온도 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스택 내 잔류 물량이나 멤브레인 함수율을 추정한 뒤 그 추정치를 기반으로 연료전지 스택의 작동온도를 제어함으로써 스택 내부 플러딩 및 드라이-아웃을 효과적으로 개선할 수 있는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for controlling the operating temperature of a fuel cell stack, and more particularly, to estimate the residual water content or membrane moisture content in the stack, and then to control the operating temperature of the fuel cell stack based on the estimated value. The present invention relates to a method for controlling an operating temperature of a fuel cell stack that can effectively improve out.

환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 수소와 산소를 포함하는 공기를 공급받아 이들의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료인 수소의 공급과 재순환, 수소 퍼징 등을 담당하는 연료처리시스템(FPS:Fuel Processing System), 공기의 공급과 가습 등을 담당하는 공기처리시스템(APS:Air Processing System), 및 연료전지 스택의 작동온도를 제어하기 위한 열관리시스템(TMS:Thermal Management System)을 포함하여 구성된다.A fuel cell system applied to a hydrogen fuel cell vehicle, which is one of environmentally friendly vehicles of the future, includes a fuel cell stack that generates electricity from electrochemical reactions by supplying air containing hydrogen and oxygen, A fuel processing system (FPS) responsible for recirculation and hydrogen purging, an air processing system (APS) for air supply and humidification, and an operating temperature control of the fuel cell stack And a thermal management system (TMS).

이러한 구성에서 연료전지가 반응가스인 수소와 산소의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 동안 그 반응부산물로 물과 함께 열을 배출하므로, 상기 열관리시스템은 반응부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 온도 상승을 방지하는 냉각시스템을 기본 구성으로 포함하고 있다.In this configuration, the fuel cell discharges heat together with water to the reaction by-product while generating electrical energy from an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, which are reaction gases, so that the thermal management system emits heat as a reaction by-product to the outside. Cooling system is included as standard to prevent stack temperature rise.

통상 차량용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 열을 외부로 방출하는 냉각시스템에는 냉각수를 스택 내 냉각수 채널에 공급하여 순환시키는 수냉식이 적용되고 있다.In general, in a vehicle fuel cell system, a cooling system for discharging heat of a fuel cell stack to the outside is applied with a water cooling system in which cooling water is supplied to a cooling water channel in the stack and circulated.

수냉식 냉각시스템에서 냉각수가 스택의 열을 방열기를 통해 외부로 방출하기 위한 매체이면서, 필요에 따라 히터에 의한 냉각수 가열을 통해 스택의 온도를 상승시키는 매체로 사용되기도 하며, 또한 냉각수의 온도가 스택의 온도를 결정하는 중요한 요소가 된다. In the water cooling system, the cooling water is a medium for dissipating heat from the stack to the outside through the radiator, and is also used as a medium for raising the temperature of the stack by heating the cooling water by a heater as needed. It is an important factor in determining temperature.

예를 들어, 스택의 입구로 유입되는 냉각수의 온도를 변화시킴에 따라 스택의 작동온도를 제어할 수 있다. For example, the operating temperature of the stack can be controlled by varying the temperature of the coolant flowing into the inlet of the stack.

연료전지 스택의 작동온도를 제어하는 수냉식 시스템의 구성은 알려진 바대로 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 방열기(Radiator)와 냉각팬(Radiator Fan), 연료전지 스택과 방열기 사이에 냉각수가 순환되도록 연결되는 냉각수 라인, 방열기를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스(Bypass)시키기 위한 바이패스 라인, 방열기와 바이패스 라인의 냉각수 통과 유량을 조절하기 위한 서모스탯(Thermostat), 그리고 냉각수 라인에서 냉각수를 압송하는 펌프를 포함한다.The configuration of a water-cooled system that controls the operating temperature of the fuel cell stack, as is known, connects the coolant between the radiator and the radiator fan, and the fuel cell stack and the radiator to dissipate the heat of the coolant to the outside. Coolant line, bypass line for bypassing the coolant so as not to pass through the radiator, thermostat for adjusting the flow rate of coolant through the radiator and bypass line, and pump pumping the coolant from the coolant line It includes.

한편, 연료전지는 이론적으로는 외부에서 수소와 공기(또는 산소)를 공급받아 스택 내부에서 전기와 물을 발생시키는 단순한 발전시스템이지만, 실제적으로는 전기화학 반응의 부산물인 물이 온도와 압력 등의 실시간 운전조건에 따라 양과 상태가 다양하게 변화하므로 연료전지의 내부 현상을 추정하기에 많은 어려움이 있다.On the other hand, the fuel cell is theoretically a simple power generation system that generates electricity and water from the outside by receiving hydrogen and air (or oxygen) from the outside, but in reality, water, which is a byproduct of the electrochemical reaction, Since the quantity and state vary depending on the real-time operating conditions, it is difficult to estimate the internal phenomenon of the fuel cell.

이는 물이 운전조건에 따라 수증기, 포화액, 얼음의 형태로 다양하게 변화므로 물의 전달특성이 변화하는 것은 물론, 이러한 물의 상태 변화가 스택의 분리판 채널, 가스확산층, 촉매층, 멤브레인 등을 통과하는 가스와 전자의 전달특성에도 영향을 미치기 때문이다.This is because water varies in the form of water vapor, saturated liquid, and ice according to the operating conditions. Therefore, the water transfer characteristics change, and the change of water state passes through the separator channel, gas diffusion layer, catalyst layer, and membrane of the stack. This also affects the transport properties of gases and electrons.

특히, 물과의 싸움으로 알려진 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지는 소위 물이 넘치는 "플러딩(Flooding)" 현상과 물이 부족한 "드라이-아웃(Dry-out)" 현상이 공존하여 스택 성능이 변하는 비선형성이 매우 높은 시스템이기 때문에 연료전지의 내부 현상을 추정하기가 더욱 난해하다.In particular, the Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell, known as the fight against water, combines the so-called "floating" overflow with water and the "dry-out" lack of water, resulting in a change in stack performance. It is more difficult to estimate the internal phenomena of a fuel cell because it is a system with very high nonlinearity.

이러한 플러딩과 드라이-아웃을 개선하는 가장 효과적인 방법은 운전상황에 맞게 연료전지 스택의 작동온도를 변화시키는 방법이며, 이를 위해서는 스택 내 잔류 물량 등의 여러 운전상황에 따라 열관리시스템(TMS)을 최적으로 제어할 수 있는 기술의 개발이 필수적이다. The most effective way to improve the flooding and dry-out is to change the operating temperature of the fuel cell stack according to the operating conditions. To this end, the thermal management system (TMS) is optimized according to various operating conditions such as the remaining amount of the stack. Development of controllable technology is essential.

연료전지 스택의 작동온도를 제어하기 위하여 수동형 서모스탯(왁스형)과 히터를 사용하는 기술이 제시되어 있으며(US 2006/0216554, US 2011/0159393), 서모스탯을 사용하는 경우 고정된 특정 온도에서 수동형 방식으로 냉각수의 유동 방향을 절환 제어하므로 정밀한 온도 제어가 불가능하고, 스택의 다양한 운전상황에 맞추어 스택 내부 플러딩 및 드라이-아웃 개선을 위한 제어를 수행하는 것이 불가능하다. 또한 히터 사용시에는 에너지 소모가 발생하는 문제가 있다.Techniques for using passive thermostats (waxes) and heaters to control the operating temperature of fuel cell stacks have been proposed (US 2006/0216554, US 2011/0159393). It is not possible to precisely control the temperature by controlling the flow direction of the coolant in a passive manner, and it is impossible to perform control for improving the in-stack flooding and dry-out according to various operation conditions of the stack. In addition, there is a problem that energy consumption occurs when using the heater.

이에 스택의 운전상황에 맞추어 작동온도를 정밀 제어하기 위해서는 전자식 제어가 가능한 3-웨이(3-Way) 밸브의 사용이 가능하고, 스택 내부 플러딩 및 드라이-아웃 개선을 위해 스택 내 잔류 물량 등의 운전상태에 따라 3-웨이 밸브의 개도를 능동 제어하는 것이 필요하다. In order to precisely control the operating temperature according to the operation status of the stack, it is possible to use a 3-way valve with electronic control, and to operate the remaining amount in the stack to improve the flooding and dry-out in the stack. Depending on the state, it is necessary to actively control the opening of the three-way valve.

현재 스택 내 잔류 물량을 간접적으로 추정하기 위해 별도의 측정 시스템을 이용한 AC 임피던스법이 알려져 있으나, 기존의 AC 임피던스법을 적용할 경우 고전압 배터리의 사용이 불가피하고(연료전지 단독 모드시 사용 불가), 일정량의 에너지 손실도 발생한다.Currently, the AC impedance method using a separate measurement system is known to indirectly estimate the remaining amount in the stack. However, when the existing AC impedance method is applied, the use of a high voltage battery is inevitable (not available in the fuel cell alone mode). There is also a certain amount of energy loss.

또한 스택 내 잔류 물량을 알아내기 위한 별도의 센서를 추가하여 사용하는 경우, 센서 사용에 따른 비용 증가, 센서 유지보수 비용 증가, 센서의 잦은 고장으로 인한 제어 신뢰성 저하의 문제점이 있게 된다.
In addition, when using a separate sensor to determine the remaining amount in the stack, there is a problem of an increase in the cost of using the sensor, an increase in sensor maintenance costs, and a decrease in control reliability due to frequent failure of the sensor.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 별도 센서의 추가 없이 연료전지 시스템 내 기존의 여러 센서 신호를 이용하여 스택 내 잔류 물량 등의 운전상태를 추정한 뒤 그 추정치를 기반으로 연료전지 스택의 작동온도를 제어하도록 구성됨으로써, 종래의 AC 임피던스법(별도 측정 시스템을 이용함)에 기초한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식, 별도 센서를 통한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식에서 나타나는 여러 문제점을 해소할 수 있는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention was invented to solve the above problems, and after estimating the operation state such as the residual quantity in the stack using various sensor signals existing in the fuel cell system without adding a separate sensor, By using the fuel cell stack to control the operating temperature of the fuel cell stack, it is possible to use the residual amount estimate in the stack based on the conventional AC impedance method (using a separate measuring system), and to use the residual amount estimate in the stack through a separate sensor. It is an object of the present invention to provide a method for controlling an operating temperature of a fuel cell stack that can solve various problems.

또한 본 발명은 연료전지 스택의 다양한 운전상태에 맞추어 작동온도를 가변 제어함으로써, 스택 내부 플러딩 및 드라이-아웃을 효과적으로 개선할 수 있고, 플러딩으로 인한 스택 전압 빠짐 현상, 고온으로 인한 스택 열화를 사전에 방지할 수 있는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
In addition, the present invention can effectively improve the internal flooding and dry-out by varying the operating temperature in accordance with the various operating conditions of the fuel cell stack, stack voltage drop phenomenon due to flooding, stack degradation due to high temperature in advance It is an object of the present invention to provide a method for controlling an operating temperature of a fuel cell stack that can be prevented.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 연료전지 시스템의 연료전지 스택 내 잔류 물량 또는 멤브레인 함수율을 실시간으로 추정하는 과정; 상기 과정에서 구해지는 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 스택 내부의 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지하는 과정; 및 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지한 경우 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 높이거나 낮추어줌으로써 플러딩 또는 드라이-아웃 상태가 해소되도록 연료전지 스택의 작동온도를 제어하는 과정;을 포함하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, the process of estimating the residual water content or membrane moisture content in the fuel cell stack of the fuel cell system in real time; Detecting flooding or dry-out occurrence in the stack based on an estimate of remaining water content or a membrane moisture content estimated in the stack; And controlling an operating temperature of the fuel cell stack such that the flooding or dry-out state is eliminated by increasing or decreasing the temperature of the coolant supplied to the fuel cell stack when the flooding or dry-out occurs. Provides a method of controlling the operating temperature of the stack.

상기한 본 발명의 제어방법에서, 상기 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지한 경우 방열기와 바이패스 라인의 냉각수 통과 유량을 조절하기 위한 3-웨이 밸브의 개도를 제어하여 냉각수의 온도를 높이거나 낮추는 것을 특징으로 한다.In the control method of the present invention, when the occurrence of the flooding or dry-out is to increase or decrease the temperature of the cooling water by controlling the opening degree of the 3-way valve for adjusting the cooling water passage flow rate of the radiator and bypass line It features.

여기서, 스택 입구 수온센서에 의해 검출된 스택 입구 냉각수 온도와 스택 입구 냉각수 온도 목표치에 기초하여 스택 입구 냉각수 온도가 상기 목표치를 추종하도록 3-웨이 밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 한다.Here, the opening degree of the 3-way valve is controlled so that the stack inlet coolant temperature follows the target value based on the stack inlet coolant temperature and the stack inlet coolant temperature target value detected by the stack inlet water temperature sensor.

또한 상기 3웨이-밸브의 개도를 제어하는 과정에서, 외기온센서에 의해 검출된 외기온도에 해당하는 스택 입구 냉각수 온도 목표치를 산출하고, 상기 외기온도에 해당하는 목표치를 설정값만큼 높이거나 설정값만큼 낮추어 최종의 목표치를 산출한 뒤, 스택 입구 냉각수 온도가 산출된 상기 최종의 목표치를 추종하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the process of controlling the opening degree of the three-way valve, the stack inlet coolant temperature target value corresponding to the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor is calculated, and the target value corresponding to the outside air temperature is increased by the set value or by the set value. And lowering the final target value to control the stack inlet cooling water temperature to follow the calculated final target value.

또한 상기 외기온도로부터 산출되는 스택 입구 냉각수 온도 목표치는 외기온도가 높을수록 낮게 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the stack inlet coolant temperature target value calculated from the outside air temperature is set to be lower as the outside air temperature is higher.

또한 플러딩 발생을 감지한 경우 스택 입구 냉각수 온도를 설정값만큼 높이고, 드라이-아웃 발생을 감지한 경우 스택 입구 냉각수 온도를 설정값만큼 낮추는 것을 특징으로 한다.In addition, when the flooding is detected, the stack inlet coolant temperature is increased by a set value, and when the dry-out is detected, the stack inlet coolant temperature is reduced by the set value.

또한 상기 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 설정된 플러딩 감지 기준치를 초과하는 상태가 설정된 지속시간 동안 유지되는 경우 플러딩 발생 상태인 것으로 판정하는 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized in that it is determined that the flooding occurs when the residual water amount estimate or the membrane moisture content estimate in the stack exceeds the set flooding detection threshold value for a predetermined duration.

또한 상기 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 설정된 드라이-아웃 감지 기준치를 초과하는 상태가 설정된 지속시간 동안 유지되는 경우 드라이-아웃 발생 상태인 것으로 판정하는 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized in that it is determined that the dry-out occurs when the remaining water content estimate or the membrane moisture content estimate in the stack exceeds the set dry-out detection threshold for a predetermined duration.

또한 상기 멤브레인 함수율 추정치는 연료전지 시스템의 산소, 질소, 수소, 물의 유량 다이나믹스(Dynamics) 및 질량 밸런스(Balance) 식을 기반으로 연료전지 시스템 내 멤브레인 함수율을 추정하는 추정기의 출력치인 것을 특징으로 한다.The membrane moisture content estimate may be an output value of an estimator for estimating the membrane moisture content in the fuel cell system based on flow rate dynamics and mass balance equations of oxygen, nitrogen, hydrogen, and water of the fuel cell system.

또한 상기 스택 내 잔류 물량은 연료전지 시스템의 산소, 질소, 수소, 물의 유량 다이나믹스(Dynamics) 및 질량 밸런스(Balance) 식을 기반으로 연료전지 시스템 내 스택의 각 층별 잔류 물량을 추정하는 추정기의 출력치인 스택의 각 층별 잔류 물량의 합에 스택의 셀 수를 곱하여 계산되는 것을 특징으로 한다.In addition, the remaining amount in the stack is an output value of an estimator for estimating the remaining amount of each layer of the stack in the fuel cell system based on the flow dynamics and mass balance equations of oxygen, nitrogen, hydrogen, and water of the fuel cell system. The sum of the remaining amount of each layer of the stack is characterized by being calculated by multiplying the number of cells in the stack.

여기서, 상기 각 층별 잔류 물량의 합은 캐소드 가스 채널(CGC)의 잔류 물량, 캐소드 가스확산층(CGDL) 잔류 증기량, 캐소드 카스확산층(CGDL) 잔류 액체량, 캐소드 촉매층(CCL) 잔류 증기량, 멤브레인(MEM) 잔류 물량, 애노드 촉매층(ACL) 잔류 증기량, 애노드 가스확산층(AGDL) 잔류 증기량, 애노드 가스확산층(AGDL) 잔류 액체량, 애노드 가스 채널(AGC)의 잔류 물량의 합인 것을 특징으로 한다.
Here, the sum of the residual amount of each layer is the residual amount of the cathode gas channel (CGC), the residual amount of the cathode gas diffusion layer (CGDL), the residual amount of cathode gas diffusion layer (CGDL), the residual amount of cathode catalyst layer (CCL), the membrane (MEM A) the sum of the residual amount, the residual amount of the anode catalyst layer (ACL), the residual amount of the anode gas diffusion layer (AGDL), the residual amount of the anode gas diffusion layer (AGDL), and the residual amount of the anode gas channel (AGC).

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 작동온도 제어방법에서는 추정기를 이용하여 스택 내 잔류 물량 또는 멤브레인 함수율을 추정하고, 그 추정치에 따라 스택 입구 냉각수 온도 목표치를 가변 제어하는 방식으로 스택의 작동온도를 현재의 스택 상태에 맞추어 최적으로 제어해줌으로써, 스택 내부의 플러딩 및 드라이-아웃 현상을 효과적으로 해소할 수 있고, 나아가 플러딩으로 인한 스택 전압 빠짐 현상, 고온으로 인한 스택 열화 문제 등을 사전에 방지할 수 있는 이점이 있게 된다.Accordingly, in the method for controlling the operating temperature of the fuel cell stack according to the present invention, the operating temperature of the stack is estimated by estimating the residual amount or membrane moisture content in the stack using an estimator and variably controlling the stack inlet coolant temperature target value according to the estimated value. Can be effectively controlled according to the current stack state, thereby effectively eliminating the flooding and dry-out phenomenon in the stack, and preventing the stack voltage drop due to flooding and the stack deterioration due to high temperature in advance. There is an advantage to this.

또한 본 발명에서는 별도 센서의 추가 없이 연료전지 시스템 내 기존의 여러 센서 신호를 이용하여 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 추정하고, 그 추정치에 기초하여 열관리시스템을 제어함으로써, AC 임피던스법에 기초한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식, 별도 센서를 사용한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식에서 나타나는 종래의 여러 문제점을 해소할 수 있게 된다.In addition, the present invention estimates the residual water content and membrane moisture content in the stack using various sensor signals in the fuel cell system without adding a separate sensor, and controls the thermal management system based on the estimated value, thereby controlling the in-stack based on the AC impedance method. It is possible to solve various problems in the conventional method using the residual amount estimation method and the method using the residual amount estimation in the stack using a separate sensor.

특히, 별도 센서의 추가 없이 기존의 센서 신호를 이용하여 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 다이나믹(Dynamic)하게 추정하여 이용하므로 원가 절감의 효과가 있다.
In particular, there is a cost reduction effect by dynamically estimating the residual amount and membrane moisture content in the stack using the existing sensor signal without the addition of a separate sensor.

도 1은 본 발명에서 이용되는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 대표적인 입력신호 및 출력신호를 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명에서 이용되는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 내부 구성도,
도 3은 본 발명에서 이용되는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 공기블로워 제어기를 설명하는 블록도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에서 이용되는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 가습기 제어기를 설명하는 블록도,
도 5a 및 도 5g는 본 발명에서 이용되는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 스택 제어기를 설명하는 블록도,
도 6은 본 발명에서 이용되는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기의 연료처리시스템(FPS) 제어기를 설명하는 블록도,
도 7은 본 발명에 따른 제어 과정을 수행하는 열관리시스템의 구성을 나타내는 블록도,
도 8과 도 9는 본 발명에 따른 제어 과정을 나타내는 순서도,
도 10은 본 발명의 제어 과정에서 외기온도에 따른 스택 입구 냉각수 온도 목표치를 산출하는 맵의 일례를 나타내는 도면,
도 11과 도 12는 도 8과 도 9에 나타낸 제어 과정에 따라 스택 입구 냉각수 온도 목표치가 실시간 가변되는 상태의 예를 나타내는 도면.
1 is a block diagram showing an exemplary input signal and output signal of the fuel cell relative humidity and condensate estimator used in the present invention;
2 is an internal configuration of the fuel cell relative humidity and condensate estimator used in the present invention,
3 is a block diagram illustrating an air blow controller of a fuel cell relative humidity and condensate estimator used in the present invention;
4A and 4B are block diagrams illustrating a humidifier controller of a fuel cell relative humidity and condensate estimator used in the present invention;
5A and 5G are block diagrams illustrating a stack controller of a fuel cell relative humidity and condensate estimator used in the present invention;
6 is a block diagram illustrating a fuel processing system (FPS) controller of a fuel cell relative humidity and condensate estimator used in the present invention;
7 is a block diagram showing the configuration of a thermal management system for performing a control process according to the present invention;
8 and 9 are flowcharts illustrating a control process according to the present invention;
10 is a diagram illustrating an example of a map for calculating a stack inlet coolant temperature target value according to an outside air temperature in a control process of the present invention;
11 and 12 are diagrams showing an example of a state in which the stack inlet coolant temperature target value is changed in real time according to the control procedures shown in FIGS. 8 and 9.

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

본 발명은 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용하여 연료전지 스택의 작동온도를 가변 제어하는 방법에 관한 것으로서, 상기 추정기를 이용하여 스택 내 잔류 물량 또는 멤브레인 함수율을 다이나믹하게 추정하고, 추정된 스택 내 잔류 물량 또는 멤브레인 함수율 값으로부터 스택의 플러딩 상태 또는 드라이-아웃 상태가 감지되면, 이를 해소하기 위한 냉각수 온도 및 연료전지 스택의 작동온도 제어를 수행하도록 구성된다.The present invention relates to a method of variably controlling the operating temperature of a fuel cell stack using a relative humidity and a condensate estimator for a fuel cell, and using the estimator to dynamically estimate the residual amount or membrane moisture content in the stack, If a flooding or dry-out condition of the stack is detected from the residual water content or membrane moisture content value, it is configured to perform cooling water temperature and operating temperature control of the fuel cell stack to resolve it.

본원의 출원인 및 발명자는 연료전지 시스템의 상대습도 및 응축수를 다이나믹하게 추정할 수 있는 추정기와, 이 추정기를 이용하여 애노드측(수소측)에 존재하는 응축수의 드레인을 제어하는 방법을 특허 출원한 바 있다[한국특허출원 제10-2010-0125324호, 2010.12.09 출원].Applicants and inventors of the present application patented an estimator capable of dynamically estimating the relative humidity and condensate of a fuel cell system, and a method for controlling the drain of condensate present on the anode side (hydrogen side) using the estimator. [Korean Patent Application No. 10-2010-0125324, 2010.12.09 application].

상기한 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기는 별도 센서의 추가 없이 연료전지 시스템 내 기존의 여러 센서 신호를 이용하여 상대습도 및 응축수를 추정할 수 있도록 구성되는 것으로, 본 발명에서는 기 특허 출원된 추정기를 이용하여 스택 내 잔류 물량 또는 멤브레인 함수율을 추정한 뒤, 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치와 외기온도에 따라 연료전지 스택의 작동온도를 제어하는 과정을 수행하게 된다.The relative humidity and condensate estimator for the fuel cell is configured to estimate the relative humidity and the condensate using various sensor signals in the fuel cell system without the addition of a separate sensor. After estimating the residual water content or membrane moisture content in the stack, the process of controlling the operating temperature of the fuel cell stack is performed according to the residual water content estimate or membrane moisture content estimate and the outside temperature.

즉, 추정기를 통해 구해지는 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치로부터 스택 내부의 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지하고, 플러딩 또는 드라이-아웃 감지시에 외기온도에 따라 산출되는 스택 입구의 냉각수 온도 목표치를 가변하여(목표치 가변 제어), 스택 입구의 냉각수 온도가 최종의 목표치를 추종하도록 3-웨이 밸브의 개도를 제어하는 바, 이를 통한 냉각수 온도 및 연료전지 스택의 작동온도 제어에 의해 플러딩 또는 드라이-아웃이 해소되도록 하는 것이다. In other words, it detects the occurrence of flooding or dry-out in the stack from the residual water quantity estimate or the membrane moisture content estimate obtained through the estimator, and the coolant temperature target value of the stack inlet calculated according to the outside temperature at the time of flooding or dry-out detection. (Controlling the target value variable), the opening degree of the 3-way valve is controlled so that the coolant temperature at the stack inlet follows the final target value, thereby flooding or drying by controlling the coolant temperature and the operating temperature of the fuel cell stack. The out is to be resolved.

상기 상대습도 및 응축수 추정기는, 연료전지 시스템의 전반적인 제어를 목적으로 기 장착되어 있는 공기/수소/냉각수측 온도/유량/압력 센서 신호를 기반으로 하여 연료전지 시스템 내의 상대습도 및 응축수를 다이나믹하게 추정하는 일종의 제어기로서, 그 출력신호는 공기측/수소측 상대습도, 공기측/수소측/가습기 순간 및 누적 응축수 비율, 멤브레인 함수율, 촉매층 산소/수소 분압, 스택 전압, 공기측/수소측 촉매층 상대습도, 산소/수소 과급비, 스택 내 잔류 물량, 가습기 내 잔류 물량 등을 포함한다.The relative humidity and condensate estimator dynamically estimates relative humidity and condensate in the fuel cell system based on pre-installed air / hydrogen / coolant side temperature / flow / pressure sensor signals for overall control of the fuel cell system. As a kind of controller, the output signal is air side / hydrogen side relative humidity, air side / hydrogen side / humidifier instantaneous and cumulative condensate ratio, membrane moisture content, catalyst layer oxygen / hydrogen partial pressure, stack voltage, air side / hydrogen catalyst layer relative humidity , Oxygen / hydrogen supercharge ratio, residual amount in stack, residual amount in humidifier and the like.

이하, 본 발명에서 이용되는 상대습도 및 응축수 추정기에 대해 먼저 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the relative humidity and the condensate estimator used in the present invention will be described in detail.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상대습도 및 응축수 추정기는, 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 수소 유량, 수소공급라인 및 스택의 입/출구에서의 수소 온도, 스택 입/출구에서의 수소 압력, 수소 재순환 블로워 속도 및 수소 퍼지/드레인 밸브 온/오프 상태를 포함하는 액츄에이터 신호 등을 입력신호로 받게 된다.As shown in Figure 1, the relative humidity and condensate estimator according to the present invention, air temperature, atmospheric pressure, atmospheric relative humidity (RH), the stack current, the air flow rate supplied to the cathode of the stack, humidifier inlet / outlet and stack Air temperature at inlet / outlet, air pressure at humidifier inlet / outlet and stack inlet / outlet, coolant temperature at stack inlet / outlet, hydrogen flow rate to anode of stack, hydrogen supply line and stack inlet / outlet An actuator signal including a hydrogen temperature, a hydrogen pressure at the stack inlet / outlet, a hydrogen recycle blow rate, and a hydrogen purge / drain valve on / off state is received as an input signal.

이러한 입력신호를 입력받은 상대습도 및 응축수 추정기는 후술하는 로직에 의하여 스택 입/출구 및 가습기 입/출구에서의 캐소드(=공기측) 상대습도(Cathode RH), 스택 입/출구에서의 애노드(=수소측) 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 부분 압력, 스택(또는 셀) 전압, 캐소드/애노드 촉매층의 상대습도, 산소/수소 과급비, 스택 잔류 물량(층(layer)별), 가습기 잔류 물량(튜브/셸(Tube/Shell)별) 등을 출력하게 된다.The relative humidity and condensate estimator, which receives the input signal, has a cathode (= air) relative humidity (= air side) at the stack inlet / outlet and the humidifier inlet / outlet and an anode at the stack inlet / outlet according to the logic described below. Hydrogen side) relative humidity (Anode RH), instantaneous and cumulative condensate ratio of cathode / anode / humidifier (CWT, AWT, SWT based), membrane (Membrane, electrolyte membrane) moisture content, oxygen / hydrogen partial pressure of cathode and anode catalyst layers, Outputs stack (or cell) voltage, relative humidity of cathode / anode catalyst layer, oxygen / hydrogen supercharge ratio, stack residue (by layer), humidifier residue (by tube / shell), etc. do.

바람직하게는, 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) 멤브레인 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 내 잔류 물량, (15) 가습기 잔류 물량을 포함하는 신호들 중 두 가지 이상의 출력신호를 내보낸다.Preferably, the relative humidity and condensate estimator is configured to dynamically estimate the relative humidity and condensate in the fuel cell system based on the flow dynamics and mass balance equations of oxygen, nitrogen, hydrogen, water, (1) Air-side relative humidity, (2) hydrogen-side relative humidity, (3) air-side instantaneous or cumulative condensate, (4) hydrogen-side instantaneous or cumulative condensate, (5) humidifier instantaneous or cumulative condensate, (6) membrane moisture content, ( 7) catalyst bed oxygen partial pressure, (8) catalyst bed hydrogen partial pressure, (9) stack or cell voltage, (10) catalyst bed relative humidity on air side, (11) catalyst bed relative humidity on hydrogen side, (12) oxygen supercharge ratio, (13 ) Outputs two or more output signals, including hydrogen supercharge ratio, (14) residual volume in stack, and (15) humidifier residual volume.

참고로, 각 도면에서 타원으로 표시된 부분은 상대습도 및 응축수 추정기의 출력신호를 나타낸다.For reference, the portions indicated by ellipses in each drawing represent the relative humidity and the output signal of the condensate estimator.

상기와 같은 입력신호를 입력받아 출력신호를 내는 추정기(10)의 구성은, 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.The configuration of the estimator 10 for receiving the input signal as described above and outputting the output signal, as illustrated in FIG. 2, includes an internal air blower controller 20, a tube control unit 32, and a shell control unit 34. An estimator internal humidifier controller 30, an estimator fuel processing system (FPS) controller 40, and an estimator internal stack controller 50 are included.

상기 공기블로워 제어기(20)는 공급유량 및 상대습도를 계산하는 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 공기블로워를 통해 공급된 증기 유량(Vapor flow)이 보존된다는 가정하에 가습기 입구의 캐소드 상대습도(Cathode RH)를 계산한다.The air blower controller 20 calculates the supply flow rate and the relative humidity, and as shown in FIG. 3, the cathode relative humidity of the humidifier inlet (assuming that a vapor flow supplied through the air blower is preserved). Calculate Cathode RH).

즉, 대기온도, 대기압력, 대기 상대습도(센서 신호 또는 실험 맵 사용)를 입력받아 가습기 입구에서의 캐소드 상대습도를 산출하고, 산출된 상대습도 신호를 가습기 제어기(30)로 보낸다.That is, receiving the atmospheric temperature, atmospheric pressure, atmospheric relative humidity (using a sensor signal or an experimental map), calculates the cathode relative humidity at the inlet of the humidifier, and sends the calculated relative humidity signal to the humidifier controller 30.

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.The humidifier consists of a shell that receives the wet air discharged from the cathode of the stack, and a tube (hollow fiber membrane) that humidifies the air by receiving the wet air from the shell while simultaneously flowing the dry air supplied from the air blower to the cathode of the stack. The humidifier controller 30 for overall control of the fluid flowing through the humidifier calculates the tube outlet flow rate of the humidifier through PI control following the target pressure P1, and then balances air and water. and a shell controller 34 for calculating the air and water balance after calculating the shell outlet flow rate of the humidifier through PI control following the target pressure P2. .

상기 가습기 제어기(30)의 튜브 제어부(32)는, 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.The tube control unit 32 of the humidifier controller 30, as shown in Figure 4a, the dry air supply flow rate of the humidifier inlet, the air temperature of the cathode inlet of the stack, the dry air passed through the humidifier tube without humidification A dry air balance calculation unit 32-1 including an integrator to receive the discharge flow rate and calculate a partial pressure of the dry air of the humidifier tube; The steam supply flow at the humidifier inlet, the steam discharge at the stack inlet delivered from the humidifier shell, the air temperature at the stack inlet, the partial pressure of the steam at the humidifier tube, the cathode relative humidity at the stack inlet, and the humidifier tube A water balance calculator 32-2 including an integrator to calculate a residual amount of water; An outlet flow rate calculation unit 32-3 which calculates a flow rate of dry air at the stack inlet and a steam discharge flow rate at the stack inlet is based on the air pressure and the target pressure P1 of the stack inlet.

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 계산하며, 또한 목표압력(P1)은 공기압력(스택 입구) 센서 데이터 또는 공기유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용한다.In this case, the flow rate of steam discharged from the humidifier shell is calculated in a diffusion manner based on the difference in water activity between the humidifier tube and the shell, and the outlet flow rate, that is, the dry air discharge flow rate at the stack inlet, and The steam discharge flow rate at the stack inlet is calculated by applying proportional-integral control to follow the air pressure (stack inlet) to the target pressure P1, and the target pressure P1 is the air pressure (stack inlet). Use sensor data or air flow based map data.

상기 가습기 제어기(30)의 셸 제어부(34)는, 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.As shown in FIG. 4B, the shell controller 34 of the humidifier controller 30 receives a dry air inflow flow rate at the stack outlet, a dry air discharge flow rate at the humidifier outlet, and an air temperature at the humidifier outlet. A dry air balance calculator 34-1 including an integrator to calculate a dry air partial pressure of the shell; The steam inlet flow rate at the stack outlet, the steam discharge flow rate at the humidifier outlet, the steam transfer flow rate delivered to the humidifier tube, the liquid inflow flow rate at the stack outlet, the liquid discharge flow rate at the humidifier outlet, and the air temperature at the humidifier outlet. A water balance calculator 34-2 including an integrator to receive the steam partial pressure of the humidifier shell, the cathode relative humidity of the humidifier outlet, and the residual amount of the humidifier shell; It consists of an outlet flow rate (Out Flow) calculation unit 34-3 for calculating the dry air discharge flow rate and the steam discharge flow rate of the humidifier outlet based on the air pressure and the target pressure (P2) of the humidifier outlet.

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. At this time, the steam delivery flow rate delivered to the humidifier tube is the same as the steam delivery flow rate from the humidifier shell, and the outlet flow rate, that is, the dry air discharge flow rate at the humidifier outlet and the steam discharge flow rate at the humidifier outlet, is the air pressure (humidifier outlet). ) Is calculated by applying PI (Proportional-Integral) control to follow the target pressure (P2), and the target pressure (P2) is the air pressure (humidifier outlet) sensor data or air flow-based map data The air temperature (humidifier outlet) is a sensor data or a humidifier inlet and stack inlet / outlet air temperature sensor values that are calculated based on an energy balance equation.

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) × α가 성립하며, α = 0 ~ 1 범위이다.Meanwhile, the liquid inflow flow rate at the outlet of the stack is an amount trapped in the cathode water trap (CWT), and the liquid discharge flow rate at the outlet of the humidifier is an amount trapped in the humidifier shell water trap (SWT). If the cathode relative humidity at the outlet is less than 100%, shell water trap (SWT) = cathode water trap (CWT) x α is established, and α = 0 to 1 range.

반면, 가습기 출구의 캐소드 상대습도가 100% 이상이면, 셸 워터트랩(SWT) = 캐소드 워터트랩(CWT) × α + 가습기 셸 순 물 흐름량(Shell Net Water Flow) × β가 성립하고, 이때 α = 0 ~ 1, β = 0 ~ 1 범위이다.On the other hand, if the cathode relative humidity at the outlet of the humidifier is more than 100%, shell water trap (SWT) = cathode water trap (CWT) × α + humidifier shell net water flow × β, where α = 0 to 1, β = 0 to 1 range.

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(CGC:Cathode Gas Channel) 제어부(51)와; 공기 및 물의 농도를 계산하여 가스확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)의 확산 및 모세관 현상에 의한 공기 및 물 이동량을 계산하는 캐소드 가스확산층(CGDL:Cathode Gas Diffusion Layer) 제어부(52)와; 생성수 계산, 전기화학 반응을 통한 전압(변수:전류, 온도, 산소 분압, 수소 분압) 및 잔류 물량 등을 계산하는 캐소드 촉매층(CCL:Cathode Catalyst Layer) 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 양을 계산하는 전해질막(MEM:Membrane Layer) 제어부(54)와; 애노드 촉매층의 잔류 물량을 계산하는 애노드 촉매층(ACL:Anode Catalyst Layer) 제어부(55)와; 수소 및 물 농도를 계산하여 가스확산층(Gas Diffusion Layer)의 확산 및 모세관 현상에 의한 공기 및 물 이동량을 계산하는 애노드 가스확산층(AGDL:Anode Gas Diffusion Layer) 제어부(56)와; 목표압력(P5)을 추정하는 PI 제어를 통하여 스택의 애노드 가스 채널의 출구 유량을 계산한 후 공기 및 물 밸런스를 계산하는 애노드 가스 채널(AGC:Anode Gas Channel) 제어부(57)를 포함하여 구성된다.Here, the stack controller 50 calculates the outlet flow rate of the cathode gas channel of the stack through the PI control for estimating the target pressure P3, as shown in FIG. A CGC: Cathode Gas Channel (51) controller 51; A cathode gas diffusion layer (CGDL) control unit 52 for calculating an air and water movement amount due to diffusion and capillary action of a gas diffusion layer (GDL) by calculating concentrations of air and water; A cathode catalyst layer (CCL) controller 53 for calculating generation water, voltage (variable: current, temperature, partial pressure of oxygen, partial pressure of hydrogen) and residual amount through electrochemical reaction; Electrolyte membrane (MEM: Membrane Layer), which calculates the water concentration of the membrane by osmotic drag, back diffusion, and heat pipe, and calculates the amount of water transferred to the cathode and anode catalyst layers. Control unit 54; An anode catalyst layer (ACL) control unit 55 for calculating a residual amount of the anode catalyst layer; An anode gas diffusion layer (AGDL) control unit 56 for calculating air and water movement due to diffusion and capillary phenomenon of the gas diffusion layer by calculating hydrogen and water concentrations; And an anode gas channel (AGC) controller 57 for calculating the air and water balance after calculating the outlet flow rate of the anode gas channel of the stack through the PI control for estimating the target pressure P5. .

상기 스택 제어기(50)의 캐소드 가스 채널(CGC:Cathode Gas Channel) 제어부(51)는, 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 증기 유량과, 스택 출구의 액체 배출유량과, 캐소드 가스확산층으로부터의 액체유량과, 스택 출구의 공기온도를 입력받아 캐소드 가스 채널의 증기 부분압력과, 스택 출구의 캐소드 상대습도와, 캐소드 가스 채널(CGC)의 잔류 물량과, 캐소드 가스 채널의 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.As shown in FIG. 5A, the cathode gas channel (CGC) controller 51 of the stack controller 50 includes a dry air supply flow rate at a stack inlet, a dry air discharge flow rate at a stack outlet, and a cathode. Oxygen supercharge ratio, oxygen concentration of cathode gas channel, dry air portion of cathode gas channel by inputting oxygen discharge flow rate to gas diffusion layer (CGDL), air temperature of stack outlet, dry air discharge flow rate of stack outlet A dry air balance calculation unit 51-1 including an integrator to calculate a pressure; Steam supply flow rate at the stack inlet, steam discharge flow rate at the stack outlet, steam flow rate from the cathode gas diffusion layer (CGDL), liquid discharge flow rate at the stack outlet, liquid flow rate from the cathode gas diffusion layer, and air temperature at the stack outlet The partial pressure of the cathode gas channel, the relative humidity of the cathode at the stack outlet, the residual volume of the cathode gas channel (CGC), the vapor concentration of the cathode gas channel, and the liquid S (CGC Liquid S = (s-s_im) A water balance calculator 51-2 including an integrator to calculate / (1-s_im); It consists of an outlet flow calculation part 51-3 which calculates the dry air discharge flow volume of a stack outlet and the steam discharge flow volume of a stack outlet based on the air pressure and target pressure P3 of the cathode gas channel CGC. do.

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.At this time, the outlet flow rate, that is, the dry air discharge flow rate of the stack outlet and the steam discharge flow rate of the stack outlet, is applied to the PI (Proportional-Integral) control for following the air pressure (stack outlet) to the target pressure P3. The target pressure P3 is based on air pressure (stack outlet) sensor data or air flow based map data, and the air temperature (stack outlet) is based on sensor data or stack coolant inlet / outlet temperature. Leverage map data from

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 × α가 성립하며, α = 0 ~ 1 범위이다.On the other hand, the liquid discharge flow rate at the stack outlet is the amount trapped in the cathode water trap (CWT), and if the cathode relative humidity at the stack outlet is less than 100%, the cathode water trap (CWT) = liquid from the cathode gas diffusion layer The flow rate x α holds, and α = 0 ranges from 0 to 1.

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) × β가 성립하고, 이때 α = 0 ~ 1, β = 0 ~ 1 범위이다.On the other hand, if the cathode relative humidity at the stack exit is more than 100%, then cathode water trap (CWT) = liquid flow from the cathode gas diffusion layer x α + cathode gas channel (CGC) net water flow (x) At this time, α = 0 ~ 1, β = 0 ~ 1 range.

만일, s > s_im 이면, 캐소드 가스 채널 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.If s> s_im, the cathode gas channel liquid S (CGC Liquid S) = (s-s_im) / (1-s_im) holds, and if s ≤ s_im, then S (CGC Liquid S) = 0, where s = residual liquid volume of the cathode gas channel ÷ cathode gas channel volume, and s_im means fixed saturation (Immobile Saturation), which is a reference condition in which liquid flow rate occurs in capillary action.

상기 스택 제어기(50)의 캐소드 가스확산층(CGDL:Cathode Gas Diffusion Layer) 제어부(52)는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 캐소드 가스 채널로부터의 산소 유입유량과, 캐소드 촉매층(CCL:Cathode Catalyst Layer)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 증기(Vapor)량을 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 액체(Liquid)량을 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.The cathode gas diffusion layer (CGDL) control unit 52 of the stack controller 50 includes an oxygen inflow flow rate from the cathode gas channel and a cathode catalyst layer (CCL) as illustrated in FIG. 5B. An oxygen balance control unit 52-1 including an integrator to calculate an oxygen concentration of the cathode gas diffusion layer CGDL based on the oxygen discharge flow rate for the; A steam balance control unit comprising an integrator to calculate the amount of residual vapor in the cathode gas diffusion layer CGDL based on the vapor inflow flow rate from the cathode catalyst layer CCL and the vapor discharge flow rate for the cathode gas channel CGC. 52-2); A liquid balance control unit 52-3 including an integrator to calculate a residual amount of liquid in the cathode gas diffusion layer CGDL based on the cathode gas diffusion layer condensation rate and the liquid flow rate to the cathode gas channel; A condensation rate calculator 52-4 calculating a condensation rate of the cathode gas diffusion layer CGDL based on the temperature and the vapor concentration of the cathode gas diffusion layer CGDL; A liquid that calculates the liquid flow rate of the cathode gas channel based on the temperature of the cathode gas diffusion layer and the liquid S (CGDL Liquid S = (s-s_im) / (1-s_im)) and the cathode gas channel liquid S (CGC Liquid S) A flow rate calculator 52-5; An oxygen diffusion calculator 52-6 which calculates an oxygen inflow flow from the cathode gas channel based on the oxygen concentration of the cathode gas diffusion layer, the oxygen concentration of the cathode gas channel, and the oxygen diffusion coefficient of the cathode gas diffusion layer; ; The vapor diffusion calculation unit 52-7 calculates a vapor discharge flow rate for the cathode gas channel based on the vapor concentration of the cathode gas diffusion layer, the vapor concentration of the cathode gas channel, and the vapor diffusion coefficient of the cathode gas diffusion layer. It is configured to include.

이때, 상기 캐소드 가스확산층(CGDL) 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반 맵 데이터 활용한다.At this time, the cathode gas diffusion layer (CGDL) temperature is utilized by the stack cooling water inlet / outlet temperature based map data.

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.If s> s_im, cathode gas diffusion layer liquid S (CGDL Liquid S) = (s-s_im) / (1-s_im) is established, and if s ≤ s_im, then S (CGDL Liquid S) = 0, where s = cathode gas diffusion layer (CGDL) residual liquid volume ÷ cathode gas diffusion layer (CGDL) void volume, s_im means fixed saturation, which is a reference condition in which liquid flow occurs in capillary action, In the capillary phenomenon, under the condition of s> s_im, the liquid flow rate is generated by the difference of the liquid S (Liquid S) of the adjacent layers.

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 커질수록) 산소와 증기의 확산(Diffusion) 계수가 작아지도록 계산식을 구성하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the cathode gas diffusion layer (CGDL) condensation rate is generated in proportion to the difference between the saturation pressure according to the cathode gas diffusion layer temperature and the vapor pressure according to the concentration of the cathode gas diffusion layer vapor (CGDL Vapor), and also the cathode gas diffusion layer (CGDL). ), It is desirable to configure the equation so that the diffusion coefficient of oxygen and vapor decreases as the amount of liquid (ie, the larger the CGDL Liguid s) becomes.

상기 스택 제어기(50)의 캐소드 촉매층(CCL:Cathode Catalyst Layer) 제어부(53)는, 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 증기(Vapor)량을 산출하는 잔류 증기량 산출부(53-3)와; 스택의 전기화학적 반응에 의한 생성수 유량과, 멤브레인에 대한 증기 유량을 기반으로 캐소드 가스확산층으로 흐르는 증기 유량을 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.The cathode catalyst layer (CCL) controller 53 of the stack controller 50 may be configured based on the oxygen concentration of the cathode gas diffusion layer CGDL and the temperature of the cathode catalyst layer CCL, as shown in FIG. 5C. An oxygen partial pressure calculator 53-1 for calculating an oxygen partial pressure of the cathode catalyst layer CCL; A relative humidity calculator 53-2 that calculates a relative humidity of the cathode catalyst layer CCL based on the vapor concentration of the cathode gas diffusion layer CGDL and the temperature of the cathode catalyst layer CCL; A residual vapor amount calculation unit 53-3 that calculates a residual vapor amount of the cathode catalyst layer CCL based on the vapor concentration of the cathode gas diffusion layer CGDL; A steam flow rate calculator 53-4 for calculating a flow rate of the water flowing into the cathode gas diffusion layer based on the flow rate of the generated water by the electrochemical reaction of the stack and the steam flow rate to the membrane; And a voltage calculator 53-5 that calculates a voltage by an electrochemical reaction of the stack based on the stack current, the cathode catalyst layer temperature, the membrane electrical resistance, the oxygen partial pressure of the cathode catalyst layer, and the hydrogen partial pressure of the anode catalyst layer. do.

상기 스택 제어기(50)의 전해질막(MEM:Membrane Layer) 제어부(54)는, 도 5d에 도시된 바와 같이, 멤브레인의 사용 전류 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, 멤브레인(MEM)의 함수율, 잔류 물량, 전기저항을 산출하도록 적분기를 포함하는 물 밸런스 산출부(54-4)를 포함하여 구성된다.Electrolyte membrane (MEM: Membrane Layer) control unit 54 of the stack controller 50, as shown in Figure 5d, the electroosmotic drag (Electro-) of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer based on the use current and the water content of the membrane an osmotic drag detection unit 54-1 for outputting an osmotic drag; A despread detector 54-2 that detects back diffusion of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer based on the cathode catalyst layer relative humidity, the anode catalyst layer relative humidity, the membrane temperature, and the water content; A heat pipe detector 54-3 which detects a state of water movement by the heat pipe mechanism based on the membrane temperature, the temperature difference between the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer, and the temperature difference between the cathode catalyst layer and the anode gas diffusion layer; The electroosmotic force output signal of the electroosmotic force detector 54-1, the despread output signal of the despreading detector 54-2, the output signal of the heat pipe detector 54-3, and the membrane temperature, etc. It is configured to include a water balance calculation unit 54-4 including an integrator to receive the input, the moisture content, the residual amount, the electrical resistance of the membrane (MEM).

이러한 전해질막(MEM:Membrane Layer) 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 사용 전류 및 스택 냉각수 입/출구온도에 기반한 맵 데이터를 활용하며, 캐소드 촉매층으로부터의 증기 유량 및 애노드 촉매층에 대한 증기 유량은 각각 캐소드 촉매층 측 및 애노드 촉매층 측의 전기삼투항력, 역확산율, 히트 파이프 출력값 등을 합하여 계산된다.In the electrolyte membrane (MEM: Membrane Layer) control unit 54, the membrane (MEM) temperature utilizes the stack cooling water inlet / outlet temperature based map data, and the temperature difference between the cathode catalyst layer (CCL) and the cathode gas diffusion layer (CGDL), The temperature difference between the cathode catalyst layer (CCL) and the anode gas diffusion layer (AGDL) utilizes map data based on the current used and the stack coolant inlet / outlet temperature, and the vapor flow rate from the cathode catalyst layer and the vapor flow rate to the anode catalyst layer are respectively the cathode catalyst layer side. And the electroosmotic drag, the back diffusion rate, the heat pipe output value, and the like on the anode catalyst layer side.

한편, 전기삼투항력(Electro-Osmotic Drag) 물 이동 메커니즘은 사용 전류에 따라 수소 이온(H+)이 멤브레인을 통과하게 될 때 수반되는 물 이동을 말하고, 역확산(Back Diffusion) 물 이동 메커니즘은 멤브레인(MEM) 양단의 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층의 물 활동성(Water Activity)에 따른 물 이동을 말하며, 히트 파이프(Heat-Pipe) 물 이동 메커니즘은 멤브레인의 포화(Saturated) 상태에서 층간의 온도 변화(Gradient)에 의한 물 이동(고온층(Hot Layer)→ 저온층(Cold Layer))을 말한다.Meanwhile, the electro-osmotic drag water movement mechanism refers to the water movement that occurs when hydrogen ions (H +) pass through the membrane depending on the current used, and the back diffusion water movement mechanism is a membrane ( MEM) refers to the water movement according to the water activity of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer at both ends, and the heat-pipe water movement mechanism is used to change the temperature between layers in the saturated state of the membrane. By water movement (hot layer → cold layer).

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.In addition, the membrane moisture content is a representative factor that can determine the membrane dry-out (MEM Dry-out), water flood (Flooding), a dimensionless factor between 0 ~ 16.8, the smaller the value is dry- out).

상기 스택 제어기(50)의 애노드 촉매층의 잔류 물량을 계산하는 애노드 촉매층(ACL:Anode Catalyst Layer) 제어부(55)는, 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 증기(Vapor)량을 산출하는 잔류 증기량 산출부(55-3)와; 멤브레인으로부터의 증기 유량을 기반으로 애노드 가스확산층으로 흐르는 증기 유량을 산출하는 증기 유량 산출부(55-4)를 포함하여 구성된다.An anode catalyst layer (ACL) control unit 55 for calculating the residual amount of the anode catalyst layer of the stack controller 50 may include a hydrogen concentration and an anode catalyst layer of the anode gas diffusion layer (AGDL), as shown in FIG. 5E. A hydrogen partial pressure calculator 55-1 that calculates a hydrogen partial pressure of the anode catalyst layer ACL based on the temperature of the ACL; A relative humidity calculator 55-2 that calculates a relative humidity of the anode catalyst layer ACL based on the vapor concentration of the anode gas diffusion layer AGDL and the temperature of the anode catalyst layer ACL; A residual vapor amount calculation unit 55-3 calculating a residual vapor amount of the anode catalyst layer ACL based on the vapor concentration of the anode gas diffusion layer AGDL; And a steam flow rate calculator 55-4 that calculates a steam flow rate flowing to the anode gas diffusion layer based on the steam flow rate from the membrane.

이때, 상기 애노드 촉매층의 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반의 맵 데이터를 활용한다.In this case, the temperature of the anode catalyst layer utilizes map data based on the stack cooling water inlet / outlet temperature.

상기 스택 제어기(50)의 애노드 가스확산층(AGDL:Anode Gas Diffusion Layer) 제어부(56)는, 도 5f에 도시된 바와 같이, 애노드 가스 채널(AGC)로부터의 수소 유입유량과, 애노드 촉매층(ACL:Anode Catalyst Layer)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.The anode gas diffusion layer (AGDL) control unit 56 of the stack controller 50 includes a hydrogen inflow flow rate from the anode gas channel AGC and an anode catalyst layer (ACL) as illustrated in FIG. 5F. A hydrogen balance controller 56-1 including an integrator to calculate a hydrogen concentration of the anode gas diffusion layer AGDL based on the hydrogen discharge flow rate for the anode catalyst layer; A vapor balance control unit 56 comprising an integrator to calculate the residual vapor amount and the vapor concentration of the anode gas diffusion layer AGDL based on the vapor inflow flow rate from the anode catalyst layer ALC and the vapor discharge flow rate for the anode gas channel AGC. -2) and; A liquid balance controller 56-3 including an integrator to calculate a residual liquid amount of the anode gas diffusion layer AGDL based on the anode gas diffusion layer AGDL condensation rate and the liquid flow rate to the anode gas channel AGC; A condensation rate calculator 56-4 calculating a condensation rate of the anode gas diffusion layer AGDL based on the temperature and the vapor concentration of the anode gas diffusion layer AGDL; Based on the temperature of the anode gas diffusion layer and the liquid S (AGDL Liquid S = (s-s_im) / (1-s_im)), and the anode gas channel liquid S (AGC Liquid S) to calculate the liquid flow rate to the anode gas channel A liquid flow rate calculation unit 56-5; A hydrogen diffusion calculation unit 56-6 that calculates a hydrogen inflow rate from the anode gas channel based on the hydrogen concentration of the anode gas diffusion layer, the hydrogen concentration of the anode gas channel, and the hydrogen diffusion coefficient of the anode gas diffusion layer; ; A vapor diffusion calculation unit 56-7 for calculating a vapor discharge flow rate for the anode gas channel based on the vapor concentration of the anode gas diffusion layer, the vapor concentration of the anode gas channel, and the vapor diffusion coefficient of the anode gas diffusion layer is provided. It is configured to include.

이때, 상기 애노드 가스확산층(AGDL) 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반 맵 데이터 활용한다.In this case, the temperature of the anode gas diffusion layer (AGDL) utilizes a stack cooling water inlet / outlet temperature based map data.

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.Where s> s_im, the anode gas diffusion layer liquid S (AGDL Liquid S) = (s-s_im) / (1-s_im) is established, and when s ≤ s_im, AGDL Liquid S = 0, where s (AGDL Liquid s) = anode gas diffusion layer (AGDL) residual liquid volume ÷ anode gas diffusion layer (AGDL) void volume, and s_im stands for fixed saturation, a reference condition in which liquid flow occurs in capillary action. In the capillary phenomenon, the liquid flow rate is generated by the difference of the liquid S (Liquid S) of the adjacent layers under the condition of s> s_im.

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.Meanwhile, the condensation rate of the anode gas diffusion layer (AGDL) is generated in proportion to the difference between the saturation pressure according to the anode gas diffusion layer temperature and the vapor pressure according to the concentration of the anode gas diffusion layer vapor (AGDL Vapor), and also the anode gas diffusion layer (AGDL). It is desirable to configure the formula so that the diffusion coefficient of hydrogen and vapor decreases as the amount of liquid (ie, the larger the AGDL Liquid s) becomes.

상기 스택 제어기(50)의 애노드 가스 채널(AGC:Anode Gas Channel) 제어부(57)는, 도 5g에 도시된 바와 같이, 스택 입구의 수소 공급유량과, 스택 출구의 수소 배출유량과, 애노드 가스확산층(AGDL)에 대한 수소 배출유량과, 스택 출구의 애노드 가스 채널(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 증기 유량과, 스택 출구의 액체 배출유량과, 애노드 가스확산층으로부터의 액체유량과, 스택 출구의 애노드 가스 채널(AGC) 온도를 입력받아서 애노드 가스 채널의 증기 부분압력과, 스택 출구의 애노드 상대습도와, 애노드 가스 채널의 잔류 물량과, 애노드 가스 채널의 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 가스 채널(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.The anode gas channel (AGC) control unit 57 of the stack controller 50 includes a hydrogen supply flow rate at the stack inlet, a hydrogen discharge flow rate at the stack outlet, and an anode gas diffusion layer, as shown in FIG. 5G. The hydrogen supercharge ratio, the hydrogen concentration of the anode gas channel, and the hydrogen in the anode gas channel by inputting the hydrogen discharge flow rate to the (AGDL), the anode gas channel (AGC) temperature at the stack outlet, and the hydrogen discharge flow rate at the stack outlet. A hydrogen balance calculator 57-1 including an integrator to calculate the partial pressure; Steam supply flow rate at the stack inlet, steam discharge flow rate at the stack outlet, steam flow rate from the anode gas diffusion layer (AGDL), liquid discharge flow rate at the stack outlet, liquid flow rate from the anode gas diffusion layer, and anode gas at the stack outlet The temperature of the channel (AGC) is input to the vapor partial pressure of the anode gas channel, the anode relative humidity of the stack outlet, the residual volume of the anode gas channel, the vapor concentration of the anode gas channel and the liquid S (AGC Liquid S = (s- a water balance calculator 57-2 including an integrator to calculate s_im) / (1-s_im)); It consists of an outlet flow calculation unit 57-3 which calculates the hydrogen discharge flow rate of the stack outlet and the steam discharge flow rate of the stack outlet based on the anode gas channel (AGC) pressure of the stack outlet and the target pressure P5. do.

이때, 출구 유량(Out Flow), 즉 스택 출구의 수소 배출유량 및 스택 출구의 증기 배출유량은 애노드 가스 채널 압력(스택 출구)을 목표압력(P5)으로 추종시키기 위한 PI(Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산되며, 또한 목표압력(P5)은 애노드 가스 채널 압력(스택 출구) 센서 데이터 또는 애노드 가스 채널 유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용하고, 애노드 가스 채널 온도(스택 출구)는 센서 데이터 또는 스택 냉각수 입/출구 온도 기반의 맵 데이터를 활용한다.At this time, the outlet flow (Out flow), that is, the hydrogen discharge flow rate of the stack outlet and the steam discharge flow rate of the stack outlet are proportional-integral (PI) control for following the anode gas channel pressure (stack outlet) to the target pressure P5. The target pressure P5 utilizes the anode gas channel pressure (stack outlet) sensor data or the map data based on the anode gas channel flow rate, and the anode gas channel temperature (stack outlet) is the sensor data or Leverage map data based on stack coolant inlet and outlet temperatures.

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 × α가 성립하며, α = 0 ~ 1 범위이다.On the other hand, the liquid discharge flow rate at the stack outlet is an amount trapped in the anode water trap (AWT), and if the anode relative humidity at the stack outlet is less than 100%, the anode water trap (AWT) = liquid from the anode gas diffusion layer The flow rate x α holds, and α = 0 ranges from 0 to 1.

반면, 스택 출구의 애노드 상대습도가 100% 이상이면, 애노드 워터트랩(AWT) = 애노드 가스확산층으로부터의 액체유량 × α + 애노드 가스 채널(AGC) 순 물 흐름량(Net Water Flow) × β가 성립하고, 이때 α = 0 ~ 1, β = 0 ~ 1 범위이다.On the other hand, if the anode relative humidity at the stack exit is 100% or more, anode water trap (AWT) = liquid flow rate from the anode gas diffusion layer × α + anode gas channel (AGC) net water flow × β is established. In this case, α = 0 ~ 1, β = 0 ~ 1 range.

여기서, s > s_im 이면, 애노드 가스 채널 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.Where s> s_im, the anode gas channel liquid S (AGC Liquid S) = (s-s_im) / (1-s_im) holds, and if s ≤ s_im, AGC Liquid S = 0, where s = anode Residual liquid volume ÷ anode gas channel volume of the gas channel, s_im means a fixed saturation (Immobile Saturation) which is a reference condition that the liquid flow rate occurs in the capillary phenomenon.

상기 연료처리시스템(FPS:Fuel Processing System) 제어기(40)는, 도 6에서 보듯이 목표압력(P4)을 추종하는 PI 제어를 통하여 수소 공급유량을 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.The fuel processing system (FPS) controller 40 includes: a hydrogen supply control unit 42 for calculating a hydrogen supply flow rate through a PI control following a target pressure P4 as shown in FIG. 6; A hydrogen inlet manifold controller 44 for controlling the mixing ratio between the supplied hydrogen and recycle hydrogen; A hydrogen outlet manifold control section 46 for hydrogen purging and condensate drain control of the hydrogen outlet manifold; And a hydrogen recycle loop controller 48 for ejector and recycle blower control.

보다 상세하게는, 상기 연료처리시스템 제어기(40)는, 목표압력(P4)과, 스택 출구의 애노드 가스 채널 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 가스 채널 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 가스 채널 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.More specifically, the fuel processing system controller 40 receives the target pressure P4, the anode gas channel pressure at the stack outlet, the hydrogen supply temperature, the relative humidity of the supply hydrogen, and the hydrogen supply flow rate and hydrogen. A hydrogen supply control section 42 for outputting a supply pressure, a hydrogen supply temperature, and a relative humidity of the supply hydrogen to the hydrogen inlet manifold control section 44; The hydrogen supply flow rate, the hydrogen supply pressure, the hydrogen supply temperature, and the relative humidity of the supply hydrogen are input from the hydrogen supply control unit 42, and the hydrogen recycle flow rate, the steam recycle flow rate, and the hydrogen are supplied from the hydrogen recycle loop control unit 48. The second recycle loop temperature, the hydrogen second recycle loop pressure, the relative humidity of the hydrogen second recycle loop are input, and the hydrogen flow rate at the stack inlet, the vapor flow rate at the stack inlet, the anode gas channel temperature and pressure at the stack inlet, A hydrogen inlet manifold controller 44 which outputs the anode relative humidity of the stack inlet to the anode gas channel (AGC) controller 57; From the anode gas channel (AGC) control unit 57, the hydrogen flow rate at the stack outlet, the vapor flow rate at the stack outlet, the liquid flow rate at the stack outlet, the anode gas channel temperature and pressure at the stack outlet, and the anode relative humidity at the stack outlet are input. A hydrogen outlet manifold that outputs the hydrogen recycle flow rate, the steam recycle flow rate, the hydrogen first recycle loop temperature, the hydrogen first recycle loop pressure, and the relative humidity of the hydrogen first recycle loop to the hydrogen recycle loop controller 48. A fold control section 46; From the hydrogen outlet manifold control section 46, the hydrogen recycle flow rate, the steam recycle flow rate, the hydrogen first recycle loop temperature, the hydrogen first recycle loop pressure, and the relative humidity of the hydrogen first recycle loop are input. And a hydrogen recycle loop controller 48 for outputting a steam recycle flow rate, a hydrogen second recycle loop temperature, a hydrogen second recycle loop pressure, and a relative humidity of the hydrogen second recycle loop.

이때, 수소 재순환루프에서, 수소재순환블로워 RPM에 따른 히트 맵(Heat map)을 기반으로 제2재순환루프 온도/압력/상대습도를 계산하고, 수소+증기 퍼지유량은 수소퍼지밸브 온(On)시 압력 차이에 의한 노즐 계산식으로부터 계산하며, 또한 응축수 드레인 유량은 응축수 드레인 밸브 온(On)시 단위 시간에 대한 응축수 배출 실험 맵을 기반으로 계산하고, 응축수 드레인 포트에 잔류하는 응축수량은 배출되는 응축수 드레인 유량에 입력되는 애노드 워터 트랩(AWT)을 고려한 액적 밸런스(Liquid Balance)식으로 계산한다.At this time, in the hydrogen recycle loop, the second recycle loop temperature / pressure / relative humidity is calculated on the basis of the heat map (Heat map) according to the hydrogen recycle blower RPM, the hydrogen + steam purge flow rate when the hydrogen purge valve On It is calculated from the nozzle equation based on the pressure difference, and the condensate drain flow rate is calculated based on the condensate discharge test map for the unit time when the condensate drain valve is on, and the amount of condensate remaining in the condensate drain port is discharged. It is calculated by the Liquid Balance equation considering the anode water trap (AWT) input to the flow rate.

또한 상기 수소공급유량은 스택 입구의 애노드 가스 채널 압력(스택 출구의 애노드 가스 채널 압력 기반 맵(map) 활용)을 목표압력(P4)으로 추종시키기 위한 PI (Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산하고, 상기 목표압력(P4)는 애노드 가스 채널 압력(스택 입구) 센서 데이터 또는 애노드 가스 채널 유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용하며, 수소공급온도는 센서 데이터 또는 대기온도와 수소탱크 온도 및 스택 냉각수 입/출구 온도 기반 맵 데이터를 활용한다.In addition, the hydrogen supply flow rate is calculated by applying PI (Proportional-Integral) control to follow the anode gas channel pressure at the stack inlet (using the anode gas channel pressure-based map at the stack outlet) to the target pressure P4. The target pressure P4 utilizes anode gas channel pressure (stack inlet) sensor data or anode gas channel flow rate based map data, and the hydrogen supply temperature is sensor data or atmospheric temperature, hydrogen tank temperature, and stack coolant. Leverage inlet / outlet temperature based map data.

이때, 공급수소의 상대습도는 순수 수소 조건을 고려하여 0%로 설정하고, 애노드 가스 채널 온도(스택 입구)는 공급 수소 + 증기(Vapor) 열량과, 재순환 수소 + 증기 열량의 에너지 밸런스(Energy balance)식으로부터 계산되며, 애노드 상대습도(스택 입구)는 수소 유량에 대한 증기 유량의 비로 정의되는 습도율(Humidity Ratio)를 기반으로 계산된다.At this time, the relative humidity of the supply hydrogen is set to 0% in consideration of the pure hydrogen conditions, the anode gas channel temperature (stack inlet) is the energy balance of the supply hydrogen + vapor calories, and the recycle hydrogen + steam calories ), And the anode relative humidity (stack inlet) is calculated based on the Humidity Ratio, which is defined as the ratio of the steam flow rate to the hydrogen flow rate.

이상으로 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기에 대해 설명하였는 바, 이하 추정기를 이용하여 구해지는 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수량 추정치에 기초하여 수행되는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법에 대해 설명하기로 한다.As described above, the relative humidity and condensate estimator for the fuel cell has been described. Hereinafter, a method of controlling the operating temperature of the fuel cell stack performed based on the estimated residual water content or the membrane water content estimated using the estimator will be described. .

본 발명에 따른 연료전지 스택의 작동온도 제어방법은 상기 추정기를 이용하여 실시간 구해지는 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치로부터 스택 내부의 플러딩 또는 드라이-아웃 발생 여부를 지속적으로 모니터링하고, 소정 조건을 만족하는 플러딩 상태 또는 드라이-아웃 상태가 감지되면, 이를 해소하기 위한 열관리시스템의 제어 과정을 수행하는 것에 특징이 있다.The method for controlling the operating temperature of a fuel cell stack according to the present invention continuously monitors whether the flooding or dry-out occurs in the stack from an estimate of residual water content or a membrane moisture content estimated in real time using the estimator, and monitors a predetermined condition. When a satisfactory flooding state or a dry-out state is detected, the control process of the thermal management system to solve this problem is characterized.

본 발명에서 스택 내부의 플러딩 상태 및 드라이-아웃 상태는 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 통해 실시간으로 구해지는 스택 내 잔류 물량(스택 전체의 잔류 물량) 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치로부터 감지되며, 상기 추정치가 미리 설정된 플러딩 발생 조건 또는 드라이-아웃 발생 조건을 만족하는 경우 스택 내부의 플러딩 발생 상태 또는 드라이-아웃 발생 상태인 것으로 판정하게 된다.In the present invention, the flooding state and the dry-out state in the stack are sensed from the residual water amount (the remaining amount of the entire stack) estimate or the membrane moisture content estimate obtained in real time through the relative humidity and condensate estimator for the fuel cell, and the estimated value is When the predetermined flood generation condition or the dry-out occurrence condition is satisfied, it is determined that the flooding generation state or the dry-out generation state in the stack is satisfied.

또한 본 발명에서 플러딩 또는 드라이-아웃 해소를 위한 열관리시스템의 제어는 냉각수 온도를 제어하여 연료전지 스택의 작동온도를 제어하는 것에 의해 이루어지고, 특히 스택 입구의 냉각수 온도가 특정의 목표치를 추종하도록 3-웨이 밸브의 개도를 제어하되, 플러딩 또는 드라이-아웃 감지시 외기온도로부터 산출된 스택 입구의 냉각수 온도 목표치를 플러딩 또는 드라이-아웃이 해소되도록 가변하는 목표치 가변 제어 방식이 적용된다. In addition, the control of the thermal management system for flooding or dry-out elimination in the present invention is made by controlling the operating temperature of the fuel cell stack by controlling the coolant temperature, in particular, so that the coolant temperature of the stack inlet follows a specific target value. While controlling the opening degree of the -way valve, a target variable control method is applied in which the cooling water temperature target value of the stack inlet calculated from the outside temperature is varied so that the flooding or dry-out is eliminated when the flooding or dry-out is sensed.

도 7은 본 발명에 따른 제어 과정을 수행하는 열관리시스템의 구성을 나타내는 블록도로서, 도시된 바와 같이, 열관리시스템은 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 방열기(102)와 냉각팬(102a), 연료전지 스택(101)과 방열기(102) 사이에 냉각수가 순환되도록 연결되는 냉각수 라인(103), 방열기(102)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스 라인(104), 방열기(102)와 바이패스 라인(104)의 냉각수 통과 유량을 조절하기 위한 3-웨이 밸브(105), 및 냉각수 라인(103)에서 냉각수를 압송하는 펌프(106)를 포함한다.7 is a block diagram showing a configuration of a thermal management system for performing a control process according to the present invention. As shown, the thermal management system includes a radiator 102 and a cooling fan 102a for dissipating heat of cooling water to the outside. Coolant line 103 connected to circulate the coolant between the fuel cell stack 101 and the radiator 102, bypass line 104 and radiator 102 for bypassing the coolant so as not to pass through the radiator 102. And a three-way valve 105 for adjusting the coolant passage flow rate of the bypass line 104, and a pump 106 for pumping the coolant in the coolant line 103.

상기 3-웨이 밸브(105)로는 외부에서 인가되는 전기적인 신호(제어신호)에 의해 개도 상태가 제어되는 전자식 밸브가 채용되며, 이때 전자식 밸브로는 왁스를 이용하는 전자식 서모스탯(예, 공개특허 2003-0067942, 공개특허 2006-0005750), 또는 솔레노이드나 모터에 의해 밸브체가 구동하여 개도 상태의 제어가 이루어지는 공지의 전자식 3-웨이 밸브가 사용될 수 있다.The three-way valve 105 is an electronic valve that is controlled by the opening state by an electrical signal (control signal) applied from the outside, in this case, an electronic thermostat (for example, using a wax) as the electronic valve -0067942, Published Patent 2006-0005750, or a known electronic three-way valve in which the valve body is driven by a solenoid or a motor to control the opening state can be used.

상기 3-웨이 밸브(105)의 개도 제어는 밸브 제어기(110)가 출력하는 제어신호에 의해 제어되며, 밸브 제어기(110)는 연료전지 제어기(109)로부터 최종 산출된 스택 입구 냉각수 목표치(T_FC_Target)와 스택 입구 냉각수 온도(T_FC)(스택 입구의 수온센서에 의해 검출됨)를 전달받아 이를 기초로 스택 입구 냉각수 온도가 상기 목표치를 추종하도록 3-웨이 밸브(105)의 개도를 제어한다.The opening degree control of the three-way valve 105 is controlled by a control signal output from the valve controller 110, the valve controller 110 is the stack inlet coolant target value (T_FC_Target) finally calculated from the fuel cell controller 109 And the stack inlet coolant temperature T_FC (detected by the water temperature sensor of the stack inlet) to control the opening degree of the 3-way valve 105 so that the stack inlet coolant temperature follows the target value.

3-웨이 밸브(105)가 모터에 의한 밸브체의 각회전으로 개도가 제어되는 밸브인 경우, 밸브 제어기(110)는 밸브체의 회전각(개도각)을 제어하기 위한 모터 제어신호를 3-웨이 밸브(105)에 인가하게 된다.When the 3-way valve 105 is a valve whose opening degree is controlled by the angular rotation of the valve body by the motor, the valve controller 110 outputs a motor control signal for controlling the rotation angle (opening angle) of the valve body. It is applied to the way valve 105.

상기 3-웨이 밸브(105)에 의해 방열기(102)와 바이패스 라인(104)을 통과하는 냉각수의 유량이 제어될 경우, 연료전지 스택(101)에 공급되는 냉각수의 온도, 즉 스택 입구 냉각수 온도가 제어될 수 있고, 결국 연료전지 스택의 작동온도가 제어될 수 있다.When the flow rate of the cooling water passing through the radiator 102 and the bypass line 104 is controlled by the three-way valve 105, the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell stack 101, that is, the stack inlet cooling water temperature. Can be controlled, and thus the operating temperature of the fuel cell stack can be controlled.

또한 수온센서(107)에 의해 실시간 검출되는 스택 입구 냉각수 온도(T_FC)가 연료전지 제어기(109)로 입력되고, 이와 더불어 연료전지 제어기(109)가 외기온센서(108)의 외기온 검출신호를 입력받게 된다.In addition, the stack inlet coolant temperature T_FC detected in real time by the water temperature sensor 107 is input to the fuel cell controller 109, and the fuel cell controller 109 receives the outside air temperature detection signal of the outside temperature sensor 108. do.

상술한 시스템 구성에서 연료전지 제어기(109)와 밸브 제어기(110)는 도 7에 예시된 바와 같이 별도의 제어기로 구비될 수 있으나, 추정기(10), 수온센서(107)와 외기온센서(108)의 출력신호(온도 검출신호)를 입력받으면서 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target)를 산출하여 3-웨이 밸브(105)를 직접적으로 제어하는 통합된 하나의 제어기가 사용될 수도 있다.In the above-described system configuration, the fuel cell controller 109 and the valve controller 110 may be provided as separate controllers as illustrated in FIG. 7, but the estimator 10, the water temperature sensor 107, and the outside air temperature sensor 108 are provided. An integrated controller may be used to directly control the 3-way valve 105 by calculating the stack inlet coolant temperature target value T_FC_Target while receiving an output signal (temperature detection signal).

그리고, 도 8과 도 9는 본 발명에 따른 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 도 8은 추정기(10)에 의해 구해지는 스택 내 잔류 물량 추정치에 기초하여 플러딩 또는 드라이-아웃을 감지하는 실시예를, 도 9는 추정기(10)에 의해 구해지는 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 플러딩 또는 드라이-아웃을 감지하는 실시예를 나타낸 것이다. 8 and 9 are flowcharts illustrating a control process according to the present invention, and FIG. 8 illustrates an embodiment of detecting flooding or dry-out based on an estimate of residual amount in a stack obtained by the estimator 10. 9 illustrates an embodiment of detecting flooding or dry-out based on the membrane moisture content estimates obtained by estimator 10.

또한 도 10은 본 발명의 제어 과정에서 외기온도에 따른 스택 입구 냉각수 온도 목표치를 산출하는 맵의 일례를 나타내는 도면으로서, 본 발명에서 플러딩 또는 드라이-아웃 감지시에 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target)가 가변됨을 보여주고 있다.FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a map for calculating a stack inlet coolant temperature target value according to an outside temperature in a control process of the present invention. In the present invention, the stack inlet coolant temperature target value (T_FC_Target) is determined when flooding or dry-out is detected. It is variable.

또한 도 11과 도 12는 도 8과 도 9에 나타낸 제어 과정에 따라 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target)가 실시간 가변되는 상태의 예를 나타내는 도면이다.11 and 12 illustrate examples of a state in which the stack inlet coolant temperature target value T_FC_Target is changed in real time according to the control process illustrated in FIGS. 8 and 9.

도면에서 T_FC_Target은 3-웨이 밸브(105)의 개도를 제어하는데 실제 사용되는 목표치로, 이 목표치와 수온센서(107)에 의해 검출된 스택 입구 냉각수 온도(T_FC)를 기초로 하여 3-웨이 밸브(105)의 개도가 제어된다.In the drawing, T_FC_Target is a target value actually used to control the opening degree of the 3-way valve 105, and based on this target value and the stack inlet coolant temperature T_FC detected by the water temperature sensor 107, the 3-way valve ( The opening degree of 105) is controlled.

본 발명의 제어 과정에서 상대습도 및 응축수 추정기(10)를 통해 얻어지는 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치와, 외기온센서(108)에 의해 검출되는 외기온도(T_Amb)가 이용되는데, 스택 내 잔류 물량 추정치와 멤브레인 함수율 추정치는 스택 내부의 플러딩 및 드라이-아웃 발생을 감지하는데 사용되고, 외기온도(T_Amb)는 스택 입구 냉각수 온도 목표치를 산출하는데 사용된다. In the control process of the present invention, an estimate of the residual amount or membrane moisture content in the stack obtained through the relative humidity and the condensate estimator 10 and an outside temperature T_Amb detected by the outside air temperature sensor 108 are used. Estimates and membrane moisture content estimates are used to detect flooding and dry-out occurrences within the stack, and the outside temperature T_Amb is used to calculate the stack inlet coolant temperature target.

또한 본 발명의 제어 과정에서는 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지한 경우 연료전지 스택(101)으로 공급되는 냉각수의 온도를 높이거나 낮추어줌으로써 플러딩 또는 드라이-아웃 상태가 해소되도록 연료전지 스택(101)의 작동온도를 제어하는데, 이때 연료전지 스택(101)의 작동온도를 제어하는 방식은 열관리시스템의 제어(3-웨이 밸브의 개도 제어)를 위한 스택 입구 냉각수 온도 목표치를 가변 제어하는 목표치 가변 제어 방식이 적용된다.In the control process of the present invention, when the occurrence of flooding or dry-out is detected, the temperature of the coolant supplied to the fuel cell stack 101 is increased or lowered so that the flooding or dry-out state is eliminated. In this case, the operating temperature of the fuel cell stack 101 may be controlled by using a variable variable control method for controlling a target temperature of the stack inlet coolant temperature for controlling the thermal management system (opening control of the 3-way valve). Apply.

먼저, 상대습도 및 응축수 추정기(10)가 스택 내 각 층(layer)별 잔류하는 액상(Liquid) 및 증기상(Vapor)의 잔류 물량을 추정하여 출력하므로(도 1 참조), 연료전지 제어기(109)가 추정기(10)의 출력신호인 각 층별 스택 내 잔류 물량 추정치를 입력받아 이를 모두 합한 다음 셀 수를 곱하여 전체 스택 내 잔류 물량 추정치를 구하게 된다.First, since the relative humidity and condensate estimator 10 estimates and outputs the remaining liquid and vapor phase residual amounts of each layer in the stack (see FIG. 1), the fuel cell controller 109 ) Inputs an estimate of the residual amount in the stack for each layer, which is an output signal of the estimator 10, sums all of them, and multiplies the number of cells to obtain an estimate of the remaining amount in the entire stack.

즉, 전체 스택 내 잔류 물량은 아래의 식(1)으로 표현될 수 있다.That is, the residual amount in the entire stack can be expressed by the following equation (1).

스택 내 잔류 물량 = 스택 셀 수 × [잔류 물량(CGC) + CGDL 잔류 증기(Vopor)량 + CGDL 잔류 액체(Liquid)량 + CCL 잔류 증기(Vopor)량 + MEM 잔류 물량 + ACL 잔류 증기(Vapor)량 + AGDL 잔류 증기(Vapor)량 + AGDL 잔류 액체(Liquid)량 + 잔류 물량(AGC)] (1)Residual amount in stack = number of stack cells × [CGC + Residual Vapor (CGDL) + CGDL Residual Liquid (CGDL) Liquid + CCL Residual Vapor (+) CMEM Residual Vapor (+) MEM Residual (AC) Volume + AGDL residual vapor volume + AGDL residual liquid volume + residual volume (AGC)] (1)

여기서, 잔류 물량(CGC)는 도 5a에 나타낸 물 밸런스 산출부(51-2)에서 산출되는 추정치이고, CGDL 잔류 증기(Vopor)량과 CGDL 잔류 액체(Liquid)량은 도 5b에 나타낸 증기 밸런스 제어부(52-2)와 액체 밸런스 제어부(52-3)에서 각각 산출되는 추정치이다. Here, the residual amount CGC is an estimated value calculated by the water balance calculation unit 51-2 shown in FIG. 5A, and the CGDL residual vapor amount and the CGDL residual liquid amount are the steam balance control unit shown in FIG. 5B. It is the estimated value computed by (52-2) and the liquid balance control part 52-3, respectively.

또한 CCL 잔류 증기(Vopor)량은 도 5c에 나타낸 잔류 증기량 산출부(53-3)에서, MEM 잔류 물량은 도 5d에 나타낸 물 밸런스 산출부(54-4)에서, ACL 잔류 증기(Vapor)량은 도 5e에 나타낸 잔류 증기량 산출부(55-3)에서 각각 산출되는 추정치이다.In addition, the amount of CCL residual vapor (Vopor) in the residual vapor amount calculation unit 53-3 shown in Fig. 5C, the MEM residual amount in the water balance calculation unit 54-4 shown in Fig. 5D, the ACL residual vapor (Vapor) amount Are estimated values respectively calculated by the residual steam amount calculating section 55-3 shown in FIG. 5E.

그리고, AGDL 잔류 증기(Vapor)량과 AGDL 잔류 액체(Liquid)량은 도 5f에 나타낸 증기 밸런스 제어부(56-2)와 액체 밸런스 제어부(56-3)에서 각각 산출되는 추정치이고, 잔류 물량(AGC) 도 5g에 나타낸 물 밸런스 산출부(57-2)에서 산출되는 추정치이다.The AGDL residual vapor amount and the AGDL residual liquid amount are estimated values calculated by the vapor balance control unit 56-2 and the liquid balance control unit 56-3 shown in FIG. 5F, respectively. ) Is an estimated value calculated by the water balance calculator 57-2 shown in FIG. 5G.

이와 같이 전체 스택의 잔류 물량은 추정기(10)의 각 구성부에서 구해지는 층별 잔류 물량 추정치, 즉 캐소드 가스 채널(CGC), 캐소드 가스확산층(CGDL), 캐소드 촉매층(CCL), 멤브레인(MEM), 애노드 촉매층(ACL), 애노드 가스확산층(AGDL), 애노드 가스 채널(AGC) 등 스택의 각 층(layer)을 기반으로 계산 및 출력되는 잔류 물량(추정기 내 각 구성부의 출력신호인 각 층별 잔류 물량 추정치임)의 합에 스택의 셀 수를 고려하여 계산될 수 있다. As such, the residual amount of the entire stack is estimated by the residual amount of each layer obtained in each component of the estimator 10, that is, the cathode gas channel (CGC), the cathode gas diffusion layer (CGDL), the cathode catalyst layer (CCL), the membrane (MEM), Residual volume calculated and output based on each layer of the stack, including anode catalyst layer (ACL), anode gas diffusion layer (AGDL), anode gas channel (AGC), etc. The number of cells in the stack can be calculated.

그리고, 스택 내부의 플러딩 또는 드라이-아웃 상태를 감지하는데 이용되는 멤브레인(MEM) 함수율 추정치는 도 5d에 나타낸 물 밸런스 산출부(54-4)에서 산출되는 추정치이다.The membrane (MEM) moisture content estimate used to detect the flooding or dry-out state inside the stack is an estimate calculated by the water balance calculator 54-4 shown in FIG. 5D.

한편, 도 8과 도 9에 나타낸 바와 같이, 연료전지 제어기(109)는 기본적으로 외기온센서(108)에 의해 검출된 외기온도(T_Amb1)에 기초하여 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target1)를 계산하고(예를 들면, 도 10의 외기온-목표치 산출 맵을 이용함), 동시에 상기 추정기(10)를 통해 구해지는 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치로부터 스택 내부의 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 모니터링하게 된다.8 and 9, the fuel cell controller 109 basically calculates the stack inlet coolant temperature target value T_FC_Target1 based on the outside temperature T_Amb1 detected by the outside air temperature sensor 108 ( For example, by using the outside temperature-target calculation map of FIG. 10), at the same time, the occurrence of flooding or dry-out in the stack may be monitored from the residual water content estimate or the membrane moisture content estimate obtained through the estimator 10.

이때, 외기온도에 따른 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target1)는 연료전지 제어기(109) 내에 저장된 도 10과 같은 외기온-목표치 산출 맵으로부터 계산될 수 있다. At this time, the stack inlet coolant temperature target value T_FC_Target1 according to the outside temperature may be calculated from the outside temperature-target value calculation map as shown in FIG. 10 stored in the fuel cell controller 109.

또한 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 모니터링하는 과정에서 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 미리 설정된 플러딩 감지 기준치를 초과하는 조건일 경우, 외기온도(T-Amb1)로부터 산출된 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target1)를 플러딩이 해소되도록 설정값(ΔT_FC_H1)만큼 보상해야 하는 플러딩 발생 상태인 것으로 판정하게 된다.In addition, when monitoring the occurrence of flooding or dry-out, the stack inlet coolant temperature target value calculated from the outside temperature (T-Amb1) when the estimated residual water content or the membrane moisture content in the stack exceeds the preset flooding detection threshold value ( It is determined that T_FC_Target1 is in a flooding state which should be compensated by the set value ΔT_FC_H1 so that flooding is eliminated.

반면, 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 미리 설정된 드라이-아웃 감지 기준치 미만인 조건일 경우, 외기온도(T_Amb1)로부터 산출되는 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target1)를 드라이-아웃이 해소되도록 설정값(ΔT_FC_L1)만큼 보상해야 하는 드라이-아웃 발생 상태인 것으로 판정하게 된다.On the other hand, when the residual water amount estimate or the membrane moisture content estimate in the stack is less than the preset dry-out detection threshold, the set value of dry-out of the stack inlet coolant temperature target value T_FC_Target1 calculated from the outside temperature T_Amb1 is set to be eliminated. It is determined that there is a dry-out occurrence state that should be compensated by ΔT_FC_L1).

이때, 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 플러딩 감지 기준치를 초과하는 상태가 미리 설정된 지속시간(Δt) 동안 유지될 경우, 최종적으로 플러딩 발생 상태임을 판정하도록 설정되는 것이 바람직하다.In this case, when the residual water amount estimate or the membrane moisture content estimate in the stack exceeds the flooding detection threshold value is maintained for a predetermined duration Δt, it is preferable to set the final flooding state.

마찬가지로 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 드라이-아웃 감지 기준치를 초과하는 상태가 미리 설정된 지속시간(Δt) 동안 유지될 경우, 최종적으로 드라이-아웃 발생 상태임을 판정하도록 설정되는 것이 바람직하다.Likewise, if the condition in which the residual water content estimate or the membrane moisture content estimate exceeds the dry-out detection threshold is maintained for a predetermined duration Δt, it is preferably set to determine that the dry-out occurs.

결국, 플러딩 또는 드라이-아웃이 발생하지 않은 정상 상태인 경우에는 도 10에 나타낸 바와 같이 외기온도-목표치 산출 맵에 의해 외기온도(T_Amb1)에 해당하는 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target1)가 최종의 목표치(T_FC_Target)로 산출되며, 반면 플러딩 또는 드라이-아웃 발생 상태에서는 외기온도에 해당하는 목표치(T_FC_Target1)에 설정값(ΔT_FC_H1,ΔT_FC_L1)만큼을 보상하여 수정한 최종의 목표치(T_Fc_Target)를 산출하게 된다.After all, in the normal state in which flooding or dry-out has not occurred, as shown in FIG. 10, the stack inlet coolant temperature target value T_FC_Target1 corresponding to the outside temperature T_Amb1 is the final target value according to the outside temperature-target value calculation map. In the flooding or dry-out state, the final target value T_Fc_Target is calculated by compensating the target values T_FC_Target1 corresponding to the outside temperature by the set values ΔT_FC_H1 and ΔT_FC_L1.

도 8, 도 9, 도 10을 참조하면, 임의의 외기온도 T_Amb1에서 스택 입구 냉각수 온도 목표치가 T_FC_Target1로 설정되었을 때, 정상 상태인 경우 수정 없이 T_FC_Target1가 3-웨이 밸브(105)의 개도를 제어하기 위한 최종의 목표치(T_FC_Target)로 사용되나(T_FC_Target = T_FC_Target1), 플러딩 또는 드라이-아웃 발생 상태에서는 설정값 ΔT_FC_H1, ΔT_FC_L1만큼을 보상한 최종의 목표치(T_FC_Target = T_FC_Target1+ΔT_FC_H1,T_FC_Target1-ΔT_FC_L1)가 산출됨을 볼 수 있다.8, 9, and 10, when the stack inlet coolant temperature target value is set to T_FC_Target1 at any outside temperature T_Amb1, T_FC_Target1 controls the opening degree of the three-way valve 105 without modification in the normal state. It is used as the final target value (T_FC_Target) (T_FC_Target = T_FC_Target1), but when the flooding or dry-out occurs, the final target value (T_FC_Target = T_FC_Target_T_FC_T_FC_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_T_Tget) can see.

도 10의 목표치 산출 맵은 선행 테스트를 통해 실험적으로 구해지는 데이터로, 외기온도(T_Amb)가 상승함에 따라(저온→고온) 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target)가 낮아지도록 설정된다.The target value calculation map of FIG. 10 is data obtained experimentally through a preceding test, and is set such that the stack inlet coolant temperature target value T_FC_Target decreases as the outside temperature T_Amb rises (from low temperature to high temperature).

또한 상기 목표치 산출 맵을 통해 동일한 외기온도 조건에서도 플러딩 감지시에는 외기온도(T_Amb1)에 해당하는 기본 목표치(T_FC_Target1)에 설정값(ΔT_FC_H1)만큼을 상승시킨 최종의 목표치가 산출될 수 있고, 드라이-아웃 감지시에는 기본 목표치(T_FC_Target1)에 설정값(ΔT_FC_L1)만큼을 감소시킨 최종의 목표치가 산출될 수 있다.In addition, when the flooding detection is performed even under the same ambient temperature condition, the final target value of increasing the set value ΔT_FC_H1 to the basic target value T_FC_Target1 corresponding to the outside temperature T_Amb1 may be calculated through the target value calculation map. When the out is detected, a final target value obtained by reducing the set target value ΔT_FC_L1 to the basic target value T_FC_Target1 may be calculated.

도 11과 도 12를 참조하면, 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 플러딩 감지 기준치를 초과하는 상태가 설정된 지속시간(Δt) 동안 유지되는 경우, 그리고 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 드라이-아웃 감지 기준치 미만인 상태가 설정된 지속시간(Δt) 동안 유지되는 경우, 스택 내부 플러딩 및 드라이-아웃이 발생한 상태로 판정하여, 그 판정 시점부터 스택 입구 냉각수 온도 목표치(T_FC_Target1)에 설정값(ΔT_FC_H1,ΔT_FC_L1)을 보상하여 최종의 목표치(T_FC_Target1+ΔT_FC_H1,T_FC_Target1-ΔT_FC_L1)를 산출함을 보여주고 있다.Referring to Figures 11 and 12, when the residual water content estimate or membrane moisture content estimate in excess of the flooding detection threshold is maintained for a set duration Δt, and the residual water content estimate or membrane moisture content estimate in the stack is dry. When the state below the out-out detection threshold value is maintained for the set duration Δt, it is determined that the stack internal flooding and dry-out have occurred, and the set value ΔT_FC_H1, from the determination point of the stack inlet coolant temperature target value T_FC_Target1 It is shown that the final target values T_FC_Target1 + ΔT_FC_H1 and T_FC_Target1-ΔT_FC_L1 are calculated by compensating ΔT_FC_L1.

또한 도 11과 도 12에 나타낸 바와 같이, 추정치가 플러딩 감지 기준치 이하가 되거나 드라이-아웃 감지 기준치 이상이 되는 정상 상태로 복귀되더라도 복귀 시점부터 설정된 지속시간(Δt) 동안 정상 상태가 유지된 경우에만, 플러딩 및 드라이-아웃 상태가 해소됨을 최종 판정하게 되고, 그 판정 시점부터는 스택 입구 냉각수 온도 목표치가 설정값 보상 없이 다시 맵의 외기온도(T_Amb1)에 해당하는 목표치(T_FC_Target1)로 최종 결정되게 된다.In addition, as shown in FIGS. 11 and 12, even when the estimated value is returned to the normal state which is lower than the flooding detection threshold or higher than the dry-out detection threshold, only when the steady state is maintained for the set duration Δt from the return time point. It is finally determined that the flooding and dry-out states are eliminated, and from the determination point, the stack inlet coolant temperature target value is finally determined as the target value T_FC_Target1 corresponding to the outside temperature T_Amb1 of the map without compensation of the set value.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 추정기를 이용하여 스택 내 잔류 물량 또는 멤브레인 함수율을 추정하고, 그 추정치에 따라 스택 입구 냉각수 온도 목표치를 가변 제어하는 방식으로 스택의 작동온도를 현재의 스택 상태에 맞추어 최적으로 제어해줌으로써, 스택 내부의 플러딩 및 드라이-아웃 현상을 효과적으로 해소할 수 있고, 나아가 플러딩으로 인한 스택 전압 빠짐 현상, 고온으로 인한 스택 열화 문제 등을 사전에 방지할 수 있는 이점이 있게 된다.In this way, the present invention optimizes the operating temperature of the stack according to the current stack state by estimating residual water content or membrane moisture content in the stack using an estimator and variably controlling the stack inlet coolant temperature target value according to the estimated value. By controlling, it is possible to effectively eliminate the flooding and dry-out phenomenon in the stack, and further, it is possible to prevent the stack voltage drop due to flooding and the stack degradation problem due to high temperature in advance.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
The embodiments of the present invention have been described in detail above, but the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are provided. Also included in the scope of the present invention.

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
101 : 연료전지 스택 102 : 방열기
103 : 냉각수 라인 104 : 바이패스 라인
105 : 3-웨이 밸브 106 : 펌프
107 : 스택 입구 수온센서 108 : 외기온센서
109 : 연료전지 제어기 110 : 밸브 제어기
10: relative humidity and condensate estimator
20: air blower controller inside estimator
30: humidifier controller inside the estimator
40: Estimator internal fuel processing system (FPS) controller
50: estimator internal stack controller
101: fuel cell stack 102: radiator
103: cooling water line 104: bypass line
105: 3-way valve 106: pump
107: stack inlet water temperature sensor 108: outside temperature sensor
109: fuel cell controller 110: valve controller

Claims (11)

연료전지 시스템의 산소, 질소, 수소, 물의 유량 다이나믹스(Dynamics) 및 질량 밸런스(Balance) 식을 기반으로 하는 추정기를 이용하여 상기 연료전지 시스템의 멤브레인 함수율 추정치를 구하는 과정;
상기 연료전지 시스템의 산소, 질소, 수소 물의 유량 다이나믹스 및 질량 다이나믹스 식을 기반으로 상기 연료전지 시스템 내 스택의 각 층별 잔류 물량을 추정하는 추정기를 이용하여 스택의 각 층별 잔류 물량의 합을 구하고, 여기에 스택의 셀 수를 곱하여 스택 내 잔류 물량 추정치를 구하는 과정;
상기 과정에서 구해지는 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 스택 내부의 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지하는 과정; 및
플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지한 경우 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 높이거나 낮추어줌으로써 플러딩 또는 드라이-아웃 상태가 해소되도록 연료전지 스택의 작동온도를 제어하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법.
Obtaining a membrane moisture content estimate of the fuel cell system using an estimator based on flow rate dynamics and mass balance equations of oxygen, nitrogen, hydrogen, and water of the fuel cell system;
The sum of the residual quantities of each layer of the stack is obtained using an estimator for estimating the residual quantity of each layer of the stack in the fuel cell system based on the flow dynamics and mass dynamics equations of oxygen, nitrogen, and hydrogen water of the fuel cell system. Multiplying by the number of cells in the stack to obtain a residual quantity estimate in the stack;
Detecting flooding or dry-out occurrence in the stack based on an estimate of remaining water content or a membrane moisture content estimated in the stack; And
And controlling an operating temperature of the fuel cell stack such that the flooding or dry-out state is eliminated by increasing or decreasing the temperature of the coolant supplied to the fuel cell stack when the flooding or dry-out occurs. Operating temperature control method of the fuel cell stack.
청구항 1에 있어서,
상기 플러딩 또는 드라이-아웃 발생을 감지한 경우 방열기와 바이패스 라인의 냉각수 통과 유량을 조절하기 위한 3-웨이 밸브의 개도를 제어하여 냉각수의 온도를 높이거나 낮추는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법.
The method according to claim 1,
When the flooding or dry-out occurs, the operating temperature of the fuel cell stack increases or decreases the temperature of the coolant by controlling the opening degree of a 3-way valve for adjusting the flow rate of the coolant through the radiator and the bypass line. Control method.
청구항 2에 있어서,
스택 입구 수온센서에 의해 검출된 스택 입구 냉각수 온도와 스택 입구 냉각수 온도 목표치에 기초하여 스택 입구 냉각수 온도가 상기 목표치를 추종하도록 3-웨이 밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법.
The method according to claim 2,
An operating temperature of the fuel cell stack, wherein the opening degree of the 3-way valve is controlled so that the stack inlet coolant temperature follows the target value based on the stack inlet coolant temperature and the stack inlet coolant temperature target value detected by the stack inlet water temperature sensor. Control method.
청구항 3에 있어서,
상기 3웨이-밸브의 개도를 제어하는 과정에서, 외기온센서에 의해 검출된 외기온도에 해당하는 스택 입구 냉각수 온도 목표치를 산출하고, 상기 외기온도에 해당하는 목표치를 설정값만큼 높이거나 설정값만큼 낮추어 최종의 목표치를 산출한 뒤, 스택 입구 냉각수 온도가 산출된 상기 최종의 목표치를 추종하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법.
The method according to claim 3,
In the process of controlling the opening degree of the 3-way valve, a target value of the stack inlet coolant temperature corresponding to the outside temperature detected by the outside air temperature sensor is calculated, and the target value corresponding to the outside temperature is increased by the set value or lowered by the set value. And calculating a final target value, then controlling the stack inlet coolant temperature to follow the calculated final target value.
청구항 4에 있어서,
상기 외기온도로부터 산출되는 스택 입구 냉각수 온도 목표치는 외기온도가 높을수록 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법.
The method of claim 4,
The stack inlet coolant temperature target value calculated from the outside temperature is set lower as the outside temperature is higher.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
플러딩 발생을 감지한 경우 스택 입구 냉각수 온도를 설정값만큼 높이고, 드라이-아웃 발생을 감지한 경우 스택 입구 냉각수 온도를 설정값만큼 낮추는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법.
The method according to claim 1 or 2,
The method of controlling the operating temperature of a fuel cell stack, wherein when the flooding is detected, the stack inlet coolant temperature is increased by a set value, and when the dry-out is detected, the stack inlet coolant temperature is lowered by a set value.
청구항 1에 있어서,
상기 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 설정된 플러딩 감지 기준치를 초과하는 상태가 설정된 지속시간 동안 유지되는 경우 플러딩 발생 상태인 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법.
The method according to claim 1,
And determining that the flooding occurs when the remaining water content estimate or the membrane moisture content estimate in the stack exceeds the set flooding detection threshold value for a predetermined duration.
청구항 1에 있어서,
상기 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치가 설정된 드라이-아웃 감지 기준치를 미만하는 상태가 설정된 지속시간 동안 유지되는 경우 드라이-아웃 발생 상태인 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법.
The method according to claim 1,
The method of controlling the operating temperature of a fuel cell stack, characterized in that it is determined that the dry-out occurs when the remaining amount of water in the stack estimate or the membrane moisture content estimate is less than the set dry-out detection threshold for a set duration. .
청구항 1에 있어서,
상기 각 층별 잔류 물량의 합은 캐소드 가스 채널(CGC)의 잔류 물량, 캐소드 가스확산층(CGDL) 잔류 증기량, 캐소드 카스확산층(CGDL) 잔류 액체량, 캐소드 촉매층(CCL) 잔류 증기량, 멤브레인(MEM) 잔류 물량, 애노드 촉매층(ACL) 잔류 증기량, 애노드 가스확산층(AGDL) 잔류 증기량, 애노드 가스확산층(AGDL) 잔류 액체량, 애노드 가스 채널(AGC)의 잔류 물량의 합인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 작동온도 제어방법.
The method according to claim 1,
The sum of the residual amount of each layer is the residual amount of the cathode gas channel (CGC), the residual amount of cathode gas diffusion layer (CGDL), the residual amount of cathode gas diffusion layer (CGDL), the residual amount of cathode catalyst layer (CCL), the residual amount of membrane (MEM) Operating temperature of the fuel cell stack, characterized in that the sum of the amount, the residual amount of the anode catalyst layer (ACL), the residual amount of the anode gas diffusion layer (AGDL), the residual liquid amount of the anode gas diffusion layer (AGDL), and the residual amount of the anode gas channel (AGC) Control method.
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