KR101350187B1

KR101350187B1 - 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법

Info

Publication number: KR101350187B1
Application number: KR1020110105059A
Authority: KR
Inventors: 전순일; 김대종
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2014-01-10
Also published as: KR20130040357A

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법에 관한 것으로서, 연료전지 시스템 내 기존의 여러 센서 신호를 이용하여 냉시동 프리컨디셔닝을 수행하도록 구성됨으로써, 종래의 AC 임피던스법(별도 측정 시스템을 이용함)에 기초한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식, 별도 센서를 활용한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식, 냉각수 온도 신호만을 이용하여 공기블로워를 제어하는 방식에서 나타나는 여러 문제점을 해소할 수 있는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위하여, 키 오프가 검출되면 외기온센서에 의해 검출된 외기온도가 설정된 기준온도 미만인지를 판정하는 과정과; 상기 외기온도가 기준온도 미만이면 실시간으로 연료전지 시스템의 스택 내 잔류 물량 또는 멤브레인 함수율을 추정하는 과정과; 추정된 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하는 과정;을 포함하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법이 개시된다. 여기서, 스택 내 잔류 물량 추정치와 멤브레인 함수율 추정치는 연료전지 시스템의 산소, 질소, 수소, 물의 유량 다이나믹스(Dynamics) 및 질량 밸런스(Balance) 식을 기반으로 추정되는 것일 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법{Control method for cold start pre-conditioning of fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 냉시동을 위한 프리컨디셔닝 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기온도가 낮은 조건에서 연료전지 시스템이 키 오프될 때 차기 냉시동성 확보를 위해 스택 내 물을 제거하는 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법에 관한 것이다.

연료전지는 이론적으로는 외부에서 수소와 공기(또는 산소)를 공급받아 스택 내부에서 전기와 물을 발생시키는 단순한 발전 시스템이지만, 실제적으로는 전기화학 반응의 부산물인 물이 온도와 압력 등의 실시간 운전조건에 따라 그 양과 상태가 다양하게 변화하므로 연료전지의 내부 현상을 추정하기에 많은 어려움이 있다.

이는 물이 운전조건에 따라 수증기, 포화액, 얼음의 형태로 다양하게 변화므로 물의 전달 특성이 변화하는 것은 물론, 이러한 물의 상태 변화가 스택의 분리판 채널, 가스확산층, 촉매층, 멤브레인 등을 통과하는 가스와 전자의 전달 특성에도 영향을 미치기 때문이다.

특히, 연료전지는 소위 물이 넘치는 "플러딩(Flooding)" 현상과 물이 부족한 "드라이아웃(Dry-out)" 현상이 공존하여 스택 성능이 변하는 비선형성이 매우 높은 시스템이기 때문에 연료전지의 내부 현상을 추정하기가 더욱 난해하다.

또한 동력원으로 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와 같은 연료전지를 탑재한 연료전지 차량에서 스택 내에 잔류하는 물은 겨울철의 냉시동성을 저하시키는 문제가 있으므로 냉시동 프리컨디셔닝(Pre-conditioning) 제어가 필요하다.

여기서, 냉시동 프리컨디셔닝은 겨울철과 같이 외기온도가 낮은 상태에서 키 오프(Key Off)할 때 다음번의 냉시동을 위해 스택 내 물을 제거하는 과정으로 정의될 수 있다.

외기온도가 낮은 상태에서 키 오프시에 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하지 않으면 스택 내 물의 빙결로 인해 이후 차기 냉시동에서 어려움을 겪게 되는데, 특히 냉시동 중 스택 전압 빠짐 현상 및 그로 인한 스택 내구 저하 등의 여러 문제가 있게 되며, 이러한 냉시동 문제는 연료전지 차량에서 반드시 해결해야 할 난제로 꼽히고 있다.

냉시동 프리컨디셔닝 제어를 위해서는 스택 내 잔류 물량 등을 추정하는 것이 필요하며, 현재 스택 내 잔류 물량을 간접적으로 추정하기 위해 별도의 측정 시스템을 이용한 AC 임피던스법이 알려져 있다.

그러나, 기존의 AC 임피던스법을 적용할 경우 고전압 배터리의 사용이 불가피하며(연료전지 단독 모드시 사용 불가), 일정량의 에너지 손실도 발생한다.

또한 스택 내 잔류 물량을 알아내기 위한 별도 센서를 사용하는 경우, 센서 사용에 따른 비용 증가, 센서 유지보수 비용 증가, 센서의 잦은 고장으로 인한 제어 신뢰성 저하의 문제점이 있게 된다.

또한 냉시동 프리컨디셔닝을 위해 냉각수 온도 신호에 기초하여 공기블로워를 제어하는 방법이 제시된 바 있으나, 냉각수 온도 신호만을 이용할 경우 공기블로워의 과도한 RPM 제어로 소음 문제가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 별도 센서의 추가 없이 연료전지 시스템 내 기존의 여러 센서 신호를 이용하여 냉시동 프리컨디셔닝을 수행하도록 구성됨으로써, 종래의 AC 임피던스법(별도 측정 시스템을 이용함)에 기초한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식, 별도 센서를 활용한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식, 냉각수 온도 신호만을 이용하여 공기블로워를 제어하는 방식에서 나타나는 여러 문제점을 해소할 수 있는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 키 오프가 검출되면 외기온센서에 의해 검출된 외기온도가 설정된 기준온도 미만인지를 판정하는 과정; 상기 외기온도가 기준온도 미만이면 실시간으로 연료전지 시스템의 스택 내 잔류 물량과 멤브레인 함수율 중 어느 하나 이상을 추정하는 과정; 및 상기 과정에서 추정된 추정치에 기초하여 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하는 과정;을 포함하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법을 제공한다.

여기서, 본 발명은 상기 추정된 추정치에 기초하여 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하기 위한 시간을 산출하는 과정을 더 포함하고, 산출된 상기 시간 동안 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하기 위한 시간이 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출되도록 하여, 냉시동 프리컨디셔닝 수행 시간을 제어 맵을 통해 상기 추정치에 따라 가변 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하기 위한 시간이 스택 내 잔류 물량 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 시간과, 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 시간 중 최대값으로 선정되도록 하여, 냉시동 프리컨디셔닝 수행 시간을 상기 추정치에 따라 가변 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하기 위한 시간은 추정치가 클수록 선형적, 비선형적, 또는 단계적으로 커지도록 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하는 과정은 추정치에 기초하여 공기블로워의 회전수와 연료전지 스택의 부하량 중 어느 하나 이상을 가변 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전수와 부하량은 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 회전수와 부하량으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전수와 부하량을 추정치가 설정된 목표치를 추종하도록 PID 제어하고, 추정치와 목표치 간의 차이가 설정치 이하가 되는 경우 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 종료하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전수는 스택 내 잔류 물량 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 회전수와, 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 회전수 중 최대값으로 제어하고, 상기 부하량은 스택 내 잔류 물량 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 부하량과, 상기 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 부하량 중 최대값으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전수와 부하량은 추정치가 클수록 선형적, 비선형적, 또는 단계적으로 커지도록 설정되는 것을 특징으로 한다.

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.

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.

또한 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.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법에 의하면, 별도 센서의 추가 없이 연료전지 시스템 내 기존의 여러 센서 신호를 이용하여 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 추정하고, 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 공기블로워를 가변 제어하거나, 연료전지에 의해 충전되는 배터리 또는 히터와 같은 연료전지의 부하를 가변 제어하는 냉시동 프리컨디셔닝을 수행함으로써, AC 임피던스법에 기초한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식, 별도 센서를 사용한 스택 내 잔류 물량 추정치를 이용하는 방식, 냉각수 온도 신호만을 이용하여 공기블로워를 제어하는 방식에서 나타나는 종래의 여러 문제점을 해소할 수 있는 이점이 있게 된다.

특히, 별도 센서의 추가 없이 기존의 센서 신호를 이용하여 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 다이나믹(Dynamic)하게 추정하여 이용하므로 원가 절감의 효과가 있게 되고, 스택 내 잔류 물량에 기초하여 프리컨디셔닝 제어를 최적으로 가변 제어함에 따라 공기블로워 작동에 따른 소음을 감소시킬 수 있다.

또한 근본적으로 연료전지 차량의 냉시동성이 개선될 수 있고, 프리컨디셔닝을 통해 냉시동 중 스택 전압 빠짐 현상이 최소화될 수 있으며, 스택의 내구 증대를 달성할 수 있게 된다.

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 프리컨디셔닝 제어방법에서 공기블로워의 회전수 가변 제어를 위한 제어 맵의 일례를 예시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 프리컨디셔닝 제어방법에서 연료전지 스택의 부하량 가변 제어를 위한 제어 맵의 일례를 예시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 프리컨디셔닝 제어방법에서 프리컨디셔닝 수행 시간을 결정하기 위한 제어 맵의 일례를 예시한 도면,
도 10은 본 발명에서 냉시동 프리컨디셔닝을 위해 스택 내 잔류 물량 추정치에 기초하여 공기블로워의 회전수를 가변 제어하는 구성의 블록도,
도 11은 본 발명에서 냉시동 프리컨디셔닝을 위해 스택 내 잔류 물량 추정치에 기초하여 공기블로워의 회전수를 가변 제어하는 구성의 블록도,
도 12은 본 발명의 실시예에 따른 냉시동 프리컨디셔닝을 수행한 결과의 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 나타내는 도면.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기를 이용하여 냉시동 프리컨디셔닝(Pre-conditioning)을 수행하는 연료전지 시스템의 제어방법에 관한 것으로서, 상기 추정기를 이용하여 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 다이나믹하게 추정하고, 추정된 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율 값에 기초하여 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하도록 구성된다.

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].

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 및 멤브레인 함수율을 추정한 뒤, 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 공기블로워를 가변 제어하거나, 연료전지에 의해 충전되는 배터리 또는 히터와 같은 연료전지의 부하를 가변 제어하는 냉시동 프리컨디셔닝을 수행하게 된다.

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.

이하, 본 발명에서 이용되는 상대습도 및 응축수 추정기에 대해 먼저 상세히 설명하기로 한다.

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.

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.

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.

참고로, 각 도면에서 타원으로 표시된 부분은 상대습도 및 응축수 추정기의 출력신호를 나타낸다.

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.

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.

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.

가습기는 스택의 캐소드로부터 배출되는 습윤공기를 받아들이는 셸과, 공기블로워로부터 스택의 캐소드로 공급되는 건조공기가 흐르는 경로이면서 동시에 셸로부터 습윤공기를 받아들여 공기를 가습시키는 튜브(중공사막)로 구성되고, 이러한 가습기를 흐르는 유체의 전반적인 제어를 위한 가습기 제어기(30)는, 목표(Target)압력(P1)을 추종하는 PI 제어를 통하여 가습기의 튜브 출구 유량을 계산한 후 공기(air) 및 물 밸런스(water Balance)를 계산하는 튜브 제어부(32)와, 목표압력(P2)을 추종하는 PI 제어를 통하여 가습기의 셸 출구 유량을 계산한 후 공기 및 물 밸런스를 계산하는 셸 제어부(34)로 구성된다.

상기 가습기 제어기(30)의 튜브 제어부(32)는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 가습기 입구의 건조공기 공급유량과, 스택의 캐소드 입구의 공기온도와, 가습되지 않고 가습기 튜브를 통과한 건조공기 배출유량을 입력받아 가습기 튜브의 건조공기 부분압력을 산출하도록 적분기를 포함하는 건조공기 밸런스(Dry Air Balance) 산출부(32-1)와; 가습기 입구의 증기 공급유량과, 가습기 셸로부터 전달된 스택 입구에서의 증기 배출유량과, 스택 입구의 공기온도를 입력받아 가습기 튜브에서의 증기 부분압력과, 스택 입구에서의 캐소드 상대습도와, 가습기 튜브의 잔류 물량을 산출하도록 적분기를 포함하는 물 밸런스(Water Balance) 산출부(32-2)와; 스택 입구의 공기압력과 목표압력(P1)을 기반으로 스택 입구에서의 건조공기 배출유량 및 스택 입구에서의 증기 배출유량을 산출하는 출구 유량(Out Flow) 산출부(32-3)로 구성된다.

이때, 상기 가습기 튜브와 셸의 물 활동성(Water Activity) 차이에 의한 확산식으로 가습기 셸로부터의 전달된 증기 배출유량을 계산하고, 출구 유량(Out Flow), 즉 스택 입구에서의 건조공기 배출유량 및 스택 입구에서의 증기 배출유량은 공기압력(스택 입구)을 목표압력(P1)으로 추종시키기 위한 PI(Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산하며, 또한 목표압력(P1)은 공기압력(스택 입구) 센서 데이터 또는 공기유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용한다.

상기 가습기 제어기(30)의 셸 제어부(34)는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 스택 출구의 건조공기 유입유량과, 가습기 출구의 건조공기 배출유량과, 가습기 출구의 공기온도를 입력받아, 가습기 셸의 건조공기 부분압력을 산출하도록 적분기를 포함하는 건조공기 밸런스(Dry Air Balance) 산출부(34-1)와; 스택 출구에서의 증기 유입유량과, 가습기 출구에서의 증기 배출유량과, 가습기 튜브에 전달되는 증기 전달유량과, 스택 출구의 액체 유입유량과, 가습기 출구의 액체 배출유량과, 가습기 출구의 공기온도를 입력받아, 가습기 셸의 증기 부분압력과, 가습기 출구의 캐소드 상대습도와, 가습기 셸의 잔류 물량을 산출하도록 적분기를 포함하는 물 밸런스(Water Balance) 산출부(34-2)와; 가습기 출구의 공기압력과 목표압력(P2)을 기반으로 가습기 출구의 건조공기 배출유량 및 가습기 출구의 증기 배출유량을 산출하는 출구 유량(Out Flow) 산출부(34-3)로 구성된다.

이때, 가습기 튜브에 전달되는 증기 전달유량은 가습기 셸로부터의 증기 전달유량과 동일하고, 출구 유량(Out Flow), 즉 가습기 출구의 건조공기 배출유량 및 가습기 출구의 증기 배출유량은 공기압력(가습기 출구)을 목표압력(P2)으로 추종시키기 위한 PI(Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산되며, 또한 목표압력(P2)은 공기압력(가습기 출구) 센서 데이터 또는 공기유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용하고, 공기온도(가습기 출구)는 센서 데이터 또는 가습기 입구, 스택 입구/출구 공기온도 센서값으로 에너지 밸런스(Energy Balance)식을 기반으로 계산된 값을 활용한다.

한편, 스택 출구의 액체 유입유량은 캐소드 워터트랩(CWT:Cathode Water Trap)에 트랩되는 양이고, 가습기 출구의 액체 배출유량은 가습기 셸 워터트랩(SWT:Shell Water Trap)에 트랩되는 양으로서, 가습기 출구의 캐소드 상대습도가 100% 미만이면, 셸 워터트랩(SWT) = 캐소드 워터트랩(CWT) × α가 성립하며, α = 0 ~ 1 범위이다.

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.

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.

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.

이때, 출구 유량(Out Flow), 즉 스택 출구의 건조공기 배출유량 및 스택 출구의 증기 배출유량은 공기압력(스택 출구)을 목표압력(P3)으로 추종시키기 위한 PI(Proportional-Integral) 제어를 적용하여 계산되며, 또한 목표압력(P3)은 공기압력(스택 출구) 센서 데이터 또는 공기유량 기반의 맵(map) 데이터를 활용하고, 공기온도(스택 출구)는 센서 데이터 또는 스택 냉각수 입/출구 온도 기반의 맵 데이터를 활용한다.

한편, 스택 출구의 액체 배출유량은 캐소드 워터트랩(CWT:Cathode Water Trap)에 트랩되는 양으로서, 스택 출구의 캐소드 상대습도가 100% 미만이면, 캐소드 워터트랩(CWT) = 캐소드 가스확산층으로부터의 액체유량 × α가 성립하며, α = 0 ~ 1 범위이다.

반면, 스택 출구의 캐소드 상대습도가 100% 이상이면, 캐소드 워터트랩(CWT) = 캐소드 가스확산층으로부터의 액체유량 × α + 캐소드 가스 채널(CGC) 순 물 흐름량(Shell Net Water Flow) × β가 성립하고, 이때 α = 0 ~ 1, β = 0 ~ 1 범위이다.

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.

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.

이때, 상기 캐소드 가스확산층(CGDL) 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반 맵 데이터 활용한다.

만일, s > s_im 이면, 캐소드 가스확산층 액체 S(CGDL Liquid S) = (s - s_im)/(1 - s_im)이 성립하고, s ≤ s_im 이면, S(CGDL Liquid S) = 0이 되며, 이때 s = 캐소드 가스확산층(CGDL) 잔류 액체(Liquid) 부피 ÷ 캐소드 가스확산층(CGDL) 공극 부피이고, s_im는 모세관 현상에서 액체 유량이 발생하는 기준 조건인 고정된 포화 상태(Immobile Saturation)를 의미하고, 모세관 현상은 s > s_im 조건에서, 인접한 층의 액체 S(Liquid S)의 차이에 의해서 액체 유량이 발생한다.

한편, 캐소드 가스확산층(CGDL) 응축률은 캐소드 가스확산층 온도에 따른 포화(Saturation) 압력과 캐소드 가스확산층 증기(CGDL Vapor) 농도에 따른 증기압력의 차이에 비례해서 발생하고, 또한 캐소드 가스확산층(CGDL)에 액적(Liquid)량이 증가할수록(즉, CGDL Liguid s가 커질수록) 산소와 증기의 확산(Diffusion) 계수가 작아지도록 계산식을 구성하는 것이 바람직하다.

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.

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.

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.

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.

또한 상기 멤브레인 함수율은 멤브레인 드라이-아웃(MEM Dry-out), 물 범람(Flooding)을 판단할 수 있는 대표 인자로서, 0 ~ 16.8 사이의 무차원 인자로, 값이 작을수록 드라이-아웃(dry-out)됨을 의미한다.

상기 스택 제어기(50)의 애노드 촉매층의 잔류 물량을 계산하는 애노드 촉매층(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.

이때, 상기 애노드 촉매층의 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반의 맵 데이터를 활용한다.

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.

이때, 상기 애노드 가스확산층(AGDL) 온도는 스택 냉각수 입/출구온도 기반 맵 데이터 활용한다.

여기서, s > s_im 이면, 애노드 가스확산층 액체 S(AGDL Liquid S) = (s - s_im)/(1 - s_im)이 성립하고, s ≤ s_im 이면, AGDL Liquid S = 0이 되며, 이때 s (AGDL Liquid s) = 애노드 가스확산층(AGDL) 잔류 액체(Liquid) 부피 ÷ 애노드 가스확산층(AGDL) 공극 부피이고, s_im는 모세관 현상에서 액체 유량이 발생하는 기준 조건인 고정된 포화 상태(Immobile Saturation)을 의미하며, 모세관 현상은 s > s_im 조건에서 인접한 층의 액체 S(Liquid S)의 차이에 의해서 액체 유량이 발생한다.

한편, 애노드 가스확산층(AGDL) 응축률은 애노드 가스확산층 온도에 따른 포화(saturation) 압력과 애노드 가스확산층 증기(AGDL Vapor) 농도에 따른 증기압력의 차이에 비례해서 발생하고, 또한 애노드 가스확산층(AGDL)에 액적(Liquid)량이 증가할수록(즉, AGDL Liquid s가 커질 수록) 수소와 증기의 확산(Diffusion) 계수가 작아지도록 계산식을 구성하는 것이 바람직하다.

상기 스택 제어기(50)의 애노드 가스 채널(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.

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.

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.

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.

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.

상기 연료처리시스템(FPS:Fuel Processing System) 제어기(40)는, 도 6a 및 도 6b에서 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.

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.

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.

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.

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.

이상으로 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기에 대해 설명하였는 바, 이하 추정기에서 구해지는 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수량 추정치에 기초하여 수행되는 본 발명의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법은 연료전지 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율 추정치를 기초로 하여 공기블로워의 회전수(rpm) 가변 제어, 연료전지 스택의 부하량 가변 제어, 프리컨디셔닝 수행 시간의 가변 제어를 수행하는 것에 주된 특징이 있다.

즉, 본 발명에서 상대습도 및 응축수 추정기를 통해 얻어지는 연료전지 스택 내 잔류 물량(스택 전체의 잔류 물량) 추정치 및 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 프리컨디셔닝 수행 시간을 산출하고, 산출된 프리컨디셔닝 수행 시간 동안 공기블로워를 상기 추정치에 따른 회전수(rpm)로 가변 제어하거나, 연료전지 스택에 로딩되는 부하량을 상기 추정치에 따라 가변 제어하거나, 또는 상기 공기블로워의 회전수 가변 제어와 상기 연료전지 스택의 부하량 가변 제어를 동시에 수행하게 된다.

먼저, 냉시동 프리컨디셔닝은 겨울철과 같이 외기온도가 빙점 이하의 온도로 낮은 조건에서 연료전지 시스템이 키 오프(Key Off)될 때 다음번의 냉시동을 위해 스택 내 물을 제거하는 과정이다.

따라서, 제어기(통상의 연료전지 시스템 제어기가 될 수 있음)는 키 오프가 검출되면 외기온센서의 신호로부터 외기온센서에 의해 검출된 외기온도가 미리 설정된 기준온도 미만인지를 판정하고, 기준온도 미만이면 차기 냉시동을 위한 프리컨디셔닝 제어를 수행한다. 여기서, 기준온도는 빙점으로 설정될 수 있다.

이때, 냉시동 프리컨디셔닝을 위해 상대습도 및 응축수 추정기를 통해 얻어지는 스택 내 잔류 물량 추정치와 멤브레인 함수율 추정치가 이용되는데, 상대습도 및 응축수 추정기가 스택 내 각 층(layer)별 잔류하는 액상(Liquid) 및 증기상(Vapor)의 잔류 물량을 추정하여 출력하므로(도 1 참조), 제어기는 추정기의 출력신호인 각 층별 스택 내 잔류 물량 추정치를 모두 합한 다음 셀 수를 곱하여 전체 스택 내 잔류 물량 추정치를 구하게 된다.

즉, 전체 스택 내 잔류 물량은 아래의 식(1)으로 표현될 수 있다.

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)

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.

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.

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.

이와 같이 전체 스택의 잔류 물량은 추정기의 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.

그리고, 냉시동 프리컨디셔닝을 위해 이용되는 멤브레인(MEM) 함수율 추정치는 도 5d에 나타낸 물 밸런스 산출부(54-4)에서 산출되는 추정치이다.

한편, 상기와 같이 전체 스택 내 잔류 물량과 멤브레인 함수율 추정치가 구해지고 나면, 제어기는 이를 기초로 하여 프리컨디셔닝 수행 시간을 산출하고, 산출된 프리컨디셔닝 수행 시간 동안 1) 공기블로워를 스택 내 잔류 물량과 멤브레인 함수율 추정치에 따른 회전수(rpm)로 가변 제어하거나, 2) 연료전지 스택에 로딩되는 부하량을 스택 내 잔류 물량과 멤브레인 함수율 추정치에 따라 가변 제어하거나, 3) 스택 내 잔류 물량과 멤브레인 함수율 추정치를 기초로 한 상기 공기블로워의 회전수 가변 제어와 상기 연료전지 스택의 부하량 가변 제어를 동시에 수행하게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 프리컨디셔닝 제어방법에서 공기블로워의 회전수 가변 제어를 위한 제어 맵의 일례를 예시한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 프리컨디셔닝 제어방법에서 연료전지 스택의 부하량 가변 제어를 위한 제어 맵의 일례를 예시한 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 공기블로워의 회전수를 가변 제어하는 실시예에서, 냉시동 프리컨디셔닝시 공기블로워의 회전수(rpm) 최종명령치는 '스택 내 잔류 물량 추정치 - 회전수' 제어 맵(도 7의 (a))과, '멤브레인 함수율 추정치 - 회전수' 제어 맵(도 7의 (b))으로부터 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 입력변수로 하여 구해지는 회전수(rpm1, rpm2) 중 최대값으로 구해지며, 제어기가 구해진 최종명령치로 공기블로워의 회전수를 제어하게 된다.

상기 각 제어 맵은 동일 사양의 연료전지 시스템 및 추정기에 대해 선행 테스트를 실시하여 구해지는 실험 맵으로서, 프리컨디셔닝 제어 종료 시점에서 냉시동 확보를 위해 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 특정 값 이하로 유지시킬 수 있는 제어 맵을 작성 및 검증하여 사용하게 된다.

또한 도 8에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택에 로딩되는 부하량을 가변 제어하는 실시예에서, 냉시동 프리컨디셔닝시 연료전지 부하량(Load) 최종명령치는 '스택 내 잔류 물량 추정치 - 부하량' 제어 맵(도 8의 (a))과, '멤브레인 함수율 추정치 - 부하량' 제어 맵(도 8의 (b))으로부터 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 입력변수로 하여 구해지는 부하량(Load1, Load2) 중 최대값으로 구해지며, 제어기가 구해진 최종명령치로 연료전지 스택의 출력 파워, 즉 스택에서 미리 정해진 특정 부하 장치로 출력되는 파워를 제어하게 된다.

여기서, 부하 장치는 연료전지 스택의 출력으로 충전되는 배터리가 될 수 있고, 또는 히터와 같이 스택 전류를 소모하는 연료전지 시스템 또는 차량 내 미리 정해진 저항 보기류 장치가 될 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예로서, 연료전지 시스템의 프리컨디셔닝은 공기블로워의 회전수와 연료전지 스택의 부하량을 모두 가변 제어하는 것으로 실시될 수 있다.

이때의 가변 제어에 있어서도, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 추정기를 통해 구해지는 스택 내 잔류 물량 추정치와 멤브레인 함수율 추정치를 기초로 하여, 미리 설정된 제어 맵으로부터 회전수 및 부하량의 최대값을 최종명령치로 구하게 되며, 제어기가 구해진 각각의 최종명령치로 공기블로워의 회전수 및 연료전지 스택의 부하량을 동시에 제어하게 된다.

단, 이 경우의 각 제어 맵 역시 선행 테스트를 통해 얻어진 제어 맵이 활용되나, 이때의 각 제어 맵이 공기블로워의 회전수만을 가변 제어하는 실시예와, 연료전지 스택의 부하량만을 가변 제어하는 실시예의 제어 맵과는 상이한 제어 맵이 될 수 있다.

즉, 각 제어 맵에서 스택 내 잔류 물량 추정치 및 멤브레인 함수율 추정치에 따른 제어값(회전수와 부하량)이 앞서 설명한 실시예의 제어 맵에서와 달리 설정될 수 있는 것이다.

도 9는 본 발명에 따른 프리컨디셔닝 제어방법에서 프리컨디셔닝 수행 시간을 결정하기 위한 제어 맵의 일례를 예시한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 프리컨디셔닝 수행 시간(지속 시간) 역시 추정기를 통해 구해진 스택 내 잔류 물량 추정치와 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 가변 제어될 수 있다.

이때, 프리컨디셔닝 수행 시간(Time)의 최종명령치는 '스택 내 잔류 물량 추정치 - 수행 시간' 제어 맵(도 9의 (a))과, '멤브레인 함수율 추정치 - 수행 시간' 제어 맵(도 9의 (b))으로부터 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 입력변수로 하여 구해지는 수행 시간(Time1, Time2) 중 최대값으로 구해지며, 제어기가 구해진 최종명령치 시간 동안 프리컨디셔닝 제어를 수행하게 된다.

그리고, 도 7 내지 도 9에 나타낸 각 제어 맵을 살펴보면, 입력변수인 스택 내 잔류 물량과 멤브레인 함수율 추정치가 클수록 입력변수에 의해 추출되는 제어값(회전수, 부하량, 수행 시간)이 선형적, 비선형적 또는 단계적으로 커질 수 있게 각 제어 맵이 설정됨을 볼 수 있다.

또한 도시된 제어 맵은 하나의 입력변수에서 하나의 제어값을 구하는 1차원 제어 맵이나, 본 발명의 프리컨디셔닝 제어를 위해, 각 제어 맵이 2개의 입력변수, 즉 스택 내 잔류 물량 추정치와 멤브레인 함수율 추정치를 모두 입력변수로 하여, 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 특정 값 이하로 유지시킬 수 있는 최적의 회전수 제어값과 부하량 제어값을 정의한 다차원 제어 맵('스택 내 잔류 물량 추정치-멤브레인 함수율 추정치-회전수' 제어 맵, '스택 내 잔류 물량 추정치-멤브레인 함수율 추종치-부하량' 제어 맵)이 작성되어 이용될 수 있다.

이 경우, 최종명령치는 스택 내 잔류 물량 추정치와 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하여 각 제어 맵으로부터 구해지는 최적의 회전수 제어값, 최적의 부하량 제어값이 된다.

그리고, 상술한 실시예에서, 공기블로워의 회전수를 가변 제어하기 위한 제어 맵, 연료전지 스택의 부하량을 가변 제어하기 위한 제어 맵, 프리컨디셔닝 수행 시간을 가변 제어하기 위한 제어 맵은, 최종명령치를 최대값으로 구하게 되므로, 스택 내 잔류 물량 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵과, 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵이 모두 구비되어야 한다.

그러나, 스택 내 잔류 물량 추정치와 멤브레인 함수율 추정치 중 어느 하나만을 기초로 하여 프리컨디셔닝 수행 시간이 결정되도록 할 수 있고, 또한 스택 내 잔류 물량 추정치와 멤브레인 함수율 추정치 중 어느 하나만을 기초로 하여 공기블로워의 회전수를 가변 제어하거나, 연료전지 스택의 부하량을 가변 제어하거나, 공기블로워의 회전수와 연료전지 스택의 부하량을 동시에 가변 제어하는 프리컨디셔닝이 수행될 수 있다.

이 경우, 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 하나의 제어 맵을 이용하더라도 프리컨디셔닝 수행 시간을 가변 제어하는 것이 가능하다.

또한 공기블로워의 회전수를 가변 제어하기 위해서 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 하나의 제어 맵을 이용하는 것이 가능하며, 연료전지 스택의 부하량을 가변 제어하기 위해서도 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 하나의 제어 맵만을 이용하는 것이 가능하다.

즉, 프리컨디셔닝 수행 시간이 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 하나의 제어 맵(도 9의 (a) 또는 (b)와 유사한 제어 맵 형태가 됨)으로부터 산출되도록 하는 것이다.

또한 공기블로워의 회전수가 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 하나의 제어 맵(도 7의 (a) 또는 (b)와 유사한 제어 맵 형태가 됨)으로부터 산출되도록 하고, 연료전지 스택의 부하량 역시 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 하나의 제어 맵(도 8의 (a) 또는 (b)와 유사한 제어 맵 형태가 됨)으로부터 산출되도록 하는 것이다.

그리고, 본 발명에 따른 프리컨디셔닝 제어방법의 또 다른 실시예로서, 키 오프 시점부터 상대습도 및 응축수 추정기(도 10 및 도 11에서는 도면부호 103임)를 통해 구해진 스택 내 잔류 물량 또는 멤브레인 함수율 추정치가 미리 설정된 목표치를 추종하도록 공기블로워의 회전수 또는 연료전지의 부하량을 PID 제어하는 가변 제어방법이 적용될 수 있다.

냉시동 프리컨디셔닝을 위해 스택 내 잔류 물량 추정치에 기초하여 공기블로워의 회전수를 가변 제어하는 방식에서는, 도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 키 오프 후 추정기(103)의 출력신호로부터 스택 내 잔류 물량 추정치가 실시간으로 구해지면(상기 식(1) 참조), 스택 내 잔류 물량 추정치가 미리 설정된 잔류 물량 목표치를 추종하도록 연료전지 시스템(102) 내 공기블로워의 회전수를 실시간으로 PID 제어하는 PID 제어기(101)가 구비될 수 있다.

이때, PID 제어기(101)는 추정기(103)의 출력신호를 입력받도록 되어 있으며, 추정기(103)의 출력신호로부터 스택 내 잔류 물량 추정치를 구하여 이를 기초로 공기블로워의 회전수를 PID 제어하도록 구비된다.

냉시동 프리컨디셔닝을 위해 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 공기블로워의 회전수를 가변 제어하는 방식에서는, 도 10의 (b)에 나타낸 바와 같이, 키 오프 후 추정기(103)의 출력신호인 멤브레인 함수율 추정치가 미리 설정된 함수율 목표치를 추종하도록 공기블로워의 회전수를 실시간으로 PID 제어하는 PID 제어기(101)가 구비될 수 있다.

이때, PID 제어기(101)는 추정기(103)의 출력신호를 입력받도록 되어 있으며, 추정기(103)에서 출력되는 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 공기블로워의 회전수를 PID 제어하도록 구비된다.

또한 냉시동 프리컨디셔닝을 위해 스택 내 잔류 물량 추정치에 기초하여 연료전지 스택의 부하량을 가변 제어하는 방식에서는, 도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이, 키 오프 후 추정기(103)의 출력신호로부터 스택 내 잔류 물량 추정치가 실시간으로 구해지면(상기 식(1) 참조), 스택 내 잔류 물량 추정치가 미리 설정된 잔류 물량 목표치를 추종하도록 연료전지 시스템(102) 내 스택 부하량을 실시간으로 PID 제어하는 PID 제어기(101)가 구비될 수 있다.

이때, PID 제어기(101)는 추정기(103)의 출력신호를 입력받도록 되어 있으며, 추정기(103)의 출력신호로부터 스택 내 잔류 물량 추정치를 구하여 이를 기초로 연료전지 스택의 부하량을 PID 제어하도록 구비된다.

또한 냉시동 프리컨디셔닝을 위해 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 연료전지 스택의 부하량을 가변 제어하는 방식에서는, 도 11의 (b)에 나타낸 바와 같이, 키 오프 후 추정기(103)의 출력신호인 멤브레인 함수율 추정치가 미리 설정된 함수율 목표치를 추종하도록 연료전지 시스템(102) 내 스택 부하량을 실시간으로 PID 제어하는 PID 제어기(101)가 구비될 수 있다.

이때, PID 제어기(101)는 추정기(103)의 출력신호를 입력받도록 되어 있으며, 추정기(103)에서 출력되는 멤브레인 함수율 추정치에 기초하여 연료전지 스택의 부하량을 PID 제어하도록 구비된다.

상기한 제어방법에서 추정치와 목표치 간의 차이가 설정치 이하가 되는 경우 프리컨디셔닝 제어를 종료하도록 설정되며, 스택 내 잔류 물량 목표치와 멤브레인 함수율 목표치는 선행 테스트를 통해 차기 냉시동성을 확보할 수 있는 수치로 미리 설정되는 값이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 냉시동 프리컨디셔닝을 수행한 결과의 멤브레인 함수율과 스택 내 잔류 물량을 나타내는 도면으로, 추정치를 기반으로 상술한 본 발명의 프리컨디셔닝 제어를 수행할 경우 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율이 효과적으로 감소함을 보여주고 있다.

도 12는 추정치를 기반으로 연료전지의 부하 로딩 및 공기블로워의 블로윙(blowing)을 함께 가변 제어하는 프리컨디셔닝 수행 결과를 나타내는 것으로, 프리컨디셔닝 구간에서 멤브레인 함수율 및 스택 내 잔류 물량이 효과적으로 감소하는 것으로 나타나 있다.

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.

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 : PID 제어기
102 : 연료전지 시스템
103 : 상대습도 및 응축수 추정기

Claims

키 오프가 검출되면 외기온센서에 의해 검출된 외기온도가 설정된 기준온도 미만인지를 판정하는 과정;
상기 외기온도가 기준온도 미만이면 스택의 잔류 물량을 실시간으로 연료전지 시스템의 스택 내 잔류 물량 및 멤브레인 함수율을 추정하는 과정; 및
상기 과정에서 추정된 추정치에 기초하여 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하는 과정;을 포함하고,
상기 스택의 잔류 물량은 연료전지 시스템 내 스택의 각 층별 잔류 물량을 추정하는 추정기의 출력치인 스택의 각 층별 잔류 물량의 합에 스택의 셀 수를 곱하여 계산하고,
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 물량을 합하여 계산하며,
상기 멤브레인 함수율은 멤브레인 함수율을 추정하는 추정기로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 추정된 추정치에 기초하여 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하기 위한 시간을 산출하는 과정을 더 포함하고,
산출된 상기 시간 동안 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하기 위한 시간이 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출되도록 하여, 냉시동 프리컨디셔닝 수행 시간을 제어 맵을 통해 상기 추정치에 따라 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하기 위한 시간이 스택 내 잔류 물량 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 시간과, 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 시간 중 최대값으로 선정되도록 하여, 냉시동 프리컨디셔닝 수행 시간을 상기 추정치에 따라 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하기 위한 시간은 추정치가 클수록 선형적, 비선형적, 또는 단계적으로 커지도록 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 수행하는 과정은 추정치에 기초하여 공기블로워의 회전수와 연료전지 스택의 부하량 중 어느 하나 이상을 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 6에 있어서,
상기 회전수와 부하량은 스택 내 잔류 물량 추정치 또는 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 회전수와 부하량으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 6에 있어서,
상기 회전수와 부하량을 추정치가 설정된 목표치를 추종하도록 PID 제어하고, 추정치와 목표치 간의 차이가 설정치 이하가 되는 경우 냉시동 프리컨디셔닝 제어를 종료하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 6에 있어서,
상기 회전수는 스택 내 잔류 물량 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 회전수와, 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 회전수 중 최대값으로 제어하고,
상기 부하량은 스택 내 잔류 물량 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 부하량과, 상기 멤브레인 함수율 추정치를 입력변수로 하는 제어 맵으로부터 산출된 부하량 중 최대값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 6, 청구항 7, 또는 청구항 8에 있어서,
상기 회전수와 부하량은 추정치가 클수록 선형적, 비선형적, 또는 단계적으로 커지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 1에 있어서,
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 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 11에 있어서,
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 하는 연료전지 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.
청구항 12에 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 시스템의 냉시동 프리컨디셔닝 제어방법.