KR101447248B1 - 연료전지의 공기 유량 제어방법 - Google Patents

연료전지의 공기 유량 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 연료전지의 공기 유량 제어방법은, 연료전지에서 출력되는 순수전력(Pnet)을 기준전력(Pold)으로 설정하는 제1단계와, 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기에 일정한 전압값(M)을 증가시켜 공기 공급량을 변화시키는 제2단계와, 상기 전압값(M)이 증가된 연료전지의 순수전력(Pnet)을 측정하여 상기 측정된 순수전력(Pnet)과 상기 기준전력(Pold)을 비교하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 기준전력(Pold) 이상을 이루도록 상기 전압값(M)을 제공하는 제3단계와, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 기준전력(Pold) 이하를 이루면, 상기 기준전력(Pold) 이하를 이루는 측정된 순수전력(Pnet)을 한계전력(Pold)으로 설정하는 제4단계와, 상기 연료전지에서 출력되는 순수전력(Pnet)을 한계전력(Pold) 이상을 이루도록, 상기 공기압축기에 일정한 전압값(M)을 감소시켜 공기공급량을 변화시키는 제5단계 및, 상기 전압값(M)이 감소된 상기 연료전지의 순수전력(Pnet)을 측정하여 상기 측정된 순수전력(Pnet)과 상기 한계전력(Pold)을 비교하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 한계전력(Pold) 이하를 이루면, 상기 한계전력(Pold) 이하를 이루는 순수전력(Pnet)을 상기 제1단계(S100)에서 기준전력(Pold)으로 재설정한 후 상기 제2단계를 실시하고 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 한계전력 이상을 이루면, 상기 한계전력 이상을 이루는 순수전력을 상기 제4단계에서 한계전력으로 재설정하는 제6단계를 포함한다.

Description

연료전지의 공기 유량 제어방법{Air supply control method of fuel cell}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 연료전지의 최대 효율점 추적 제어를 위한 공기 유량 제어 알고리즘을 사용함으로써, 연료전지 시스템이 바뀌더라도 범용적으로 적용할 수 있고, 항상 연료전지가 최대의 효율로 동작할 수 있도록 하는 연료전지의 공기 유량 제어방법에 관한 것이다.
최근 화석 연료의 고갈 및 환경 오염의 문제로 인하여 대체 에너지에 대한 관심이 커지고 있다.
특히, 수소와 산소의 반응으로 전기를 발생시키는 연료전지의 경우 원료를 쉽게 구할 수 있고, 환경오염의 문제가 거의 없다는 점에서 대체에너지원으로 각광받고 있다.
연료전지를 이용한 차량이나 발전시스템 등에서 연료전지에 산소를 공급하는 방법으로는, 대부분 공기압축기를 이용해 반응에 필요한 산소를 포함하고 있는 공기를 공급해주는 방법을 이용한다.
연료전지로 공급되는 공기의 양에 따른 효율을 살펴보면, 많은 양의 공기가 공급될수록 연료전지는 더 많은 출력 전력을 내게 된다. 하지만 더 많은 공기의 공급을 위해 공기압축기를 동작시키는 경우, 이에 따른 손실이 존재하기 때문에 우리가 얻을 수 있는 순수전력이 실제로 증가하는 것은 아니다.
이러한 특성은, 연료전지와 공기압축기의 특성에 의해 비선형적으로 나타나기 때문에, 공기압축기를 효율적으로 제어할 수 있는 제어 알고리즘이 필요하다.
종래에 사용되고 있는 공기압축기의 공기 유량 제어방법은, 대부분 실험적 측정을 통해 반응에 필요한 산소량의 2배에 해당하는 산소를 공급해 줄 수 있도록 제어하고 있다.
그러나 상기한 종래의 제어방법은, 간단한 제어알고리즘으로 인해 빠른 응답 특성을 갖는 장점은 있으나, 부하에 따라 연료전지가 최대의 효율로 동작할 수 있는 공기공급량이 변화하기 때문에 이를 정확히 맞춰줄 수 없고, 연료전지 시스템이 바뀌는 경우 새로운 실험적 측정을 통해 공급할 산소량의 비율을 정해주어야 하는 작업이 필요하여 번거로운 단점이 있었다.
또 다른 종래의 제어방법으로는, 연료전지와 공기압축기의 선형 모델을 이용하여, 연료전지가 최대효율로 동작할 수 있는 공기공급량을 계산하여 공기를 공급해 주는 제어방법이 있다.
그러나 상기한 종래의 제어방법은, 연료전지 시스템이 바뀌는 경우 새로운 선형 모델이 필요하고, 주변 환경적 요인의 변화로 인해 선형모델과 실제 연료전지의 특성 간에 차이가 생길 경우 연료전지가 최대의 효율로 동작하지 못하게 되는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 제어방법과는 달리 본 발명은 출력전류에 따라 반응에 필요한 공기공급량이 변화하였을 때 연료전지 출력전력에서 공기압축기의 손실전력을 제외한 순수전력의 크기를 계속적으로 비교하여 순수전력이 증가하는 방향으로 공기공급량의 크기를 증가시킴으로써, 연료전지 시스템이 바뀌더라도 범용적으로 적용할 수 있도록 함과 아울러, 항상 연료전지가 최대의 효율로 동작시키기 위해 공기압축기를 제어하는 연료전지의 공기 유량 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 연료전지에서 출력되는 순수전력(Pnet)을 기준전력(Pold)으로 설정하는 제1단계와, 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기의 제어전압(vc)에 일정한 전압값(M)을 증가시켜 공기 공급량을 변화시키는 제2단계와, 상기 전압값(M)이 증가된 연료전지의 순수전력(Pnet)을 측정하여 상기 측정된 순수전력(Pnet)과 상기 기준전력(Pold)을 비교하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 기준전력(Pold) 이상을 이루도록 상기 제어전압(vc)을 제공하는 제3단계와, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 기준전력(Pold) 이하를 이루면, 상기 기준전력(Pold) 이하를 이루는 측정된 순수전력(Pnet)을 한계전력(Pold)으로 설정하는 제4단계와, 상기 연료전지에서 출력되는 순수전력(Pnet)을 한계전력(Pold) 이상을 이루도록, 상기 공기압축기에 일정한 전압값(M)을 감소시켜 공기공급량을 변화시키는 제5단계 및, 상기 전압값(M)이 감소된 상기 연료전지의 순수전력(Pnet)을 측정하여 상기 측정된 순수전력(Pnet)과 상기 한계전력(Pold)을 비교하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 한계전력(Pold) 이하를 이루면, 상기 한계전력(Pold) 이하를 이루는 순수전력(Pnet)을 상기 제1단계(S100)에서 기준전력(Pold)으로 재설정한 후 상기 제2단계를 실시하고 상기 측정된 순수전력이 상기 한계전력 이상을 이루면, 상기 한계전력 이상을 이루는 순수전력을 상기 제4단계에서 한계전력으로 재설정하는 제6단계를 포함한다.
여기서, 상기 제2단계에서 증가되는 전압값(M)과 상기 제5단계에서 감소되는 전압값(M)의 크기는, 최대 효율점에서의 거리에 따라 변화시키는 것이 바람직하다.
이를 위해, 상기 제1단계에서는, 상기 전압값(M)을 최소값(M0)으로 설정하고, 상기 최대 효율점에서의 거리를 판단하기 위한 플래그(Flag)를 0으로 설정하는 단계가 선행되며, 상기 제3단계에서는, 상기 측정된 순수전력이 상기 기준전력(Pold) 이상인 경우 상기 플래그(Flag)가 1인지 여부를 판단하며, 상기 측정된 순수전력이 증가하는 방향으로 2번 이상 진행되었는지를 판단하는 단계와, 상기 측정된 순수전력이 증가하는 방향으로 처음 변화하는 경우에 상기 플래그(Flag) 값에 1을 넣어준 후, 상기 제1단계로 되돌아가는 단계 및, 상기 측정된 순수전력이 증가하는 방향으로의 변화가 2번 이상 반복되는 경우에 상기 전압값(M)의 크기를 2배의 크기로 증가시킨 후, 상기 제1단계로 돌아가는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제4단계에서는 상기 변화시키는 전압값(M)을 최소값(M0)으로 설정하고, 상기 최대 효율점에서의 거리를 판단하기 위한 플래그(Flag)를 0으로 설정하는 단계가 선행되며, 상기 제6단계에서는, 상기 측정된 순수전력이 상기 한계전력 이상인 경우 상기 플래그(Flag)가 1인지 여부를 판단하며, 상기 측정된 순수전력이 증가하는 방향으로 2번 이상 진행되었는지를 판단하는 단계와, 상기 측정된 순수전력이 증가하는 방향으로 처음 변화하는 경우에 상기 플래그(Flag) 값에 1을 넣어준 후, 상기 제1단계로 되돌아가는 단계 및, 상기 측정된 순수전력이 증가하는 방향으로의 변화가 2번 이상 반복되는 경우에 상기 전압값(M)의 크기를 2배의 크기로 증가시킨 후, 상기 제4단계로 돌아가는 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 연료전지 최대 효율점 추적 제어 알고리즘을 통해 공기유량을 제어하면 부하에 관계없이 모든 지점에서 최대 효율로 연료전지의 동작이 가능한 장점이 있다.
또한, 온도나 압력, 습도 등과 같은 주변 환경적 요인이 변화하여도 최대 효율점을 추적하여 그 지점에서 동작할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 공기 유량 제어방법에서 각 단계를 도시한 플로우이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 공기 유량 제어방법에서 최대 효율점에서의 거리에 따라 전압값(M)이 변화하는 방법에 대한 단계가 더 적용된 플로우이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 공기 유량 제어방법에서 각 단계를 도시한 플로우이며, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 공기 유량 제어방법에서 최대 효율점에서의 거리에 따라 전압값(M)이 변화하는 방법에 대한 단계가 더 적용된 플로우이다.
도 1과 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 공기 유량 제어방법은, 연료전지에 연결된 부하에 의해 연료전지의 출력전류가 결정되면, 제어기에서 이를 바탕으로 연료전지에 공급될 공기공급량을 결정해주게 된다.
즉, 본 발명에서는 연료전지에 공급되는 공기의 양을 변화시킨 후 연료전지의 출력전력에서 공기압축기의 손실 전력을 제외한 순수전력(Pnet)의 크기를 이전 단계의 전력 값과 계속 적으로 비교함으로써, 상기 비교 값을 토대로 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로 공기 공급량의 크기를 증가시키는 방식을 가진다.
이하, 도 1을 참조로 본 발명의 단계를 순차적으로 설명하면, 먼저 제1단계(S100)에서는 현재 연료전지에서 출력되는 순수전력(Pnet)을 기준전력(Pold)으로 제어기(미도시)에 설정하는 과정을 진행한다.
다음으로, 제2단계(S200)에서는 제어기에서 연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기(미도시)의 제어전압(vc)에 일정한 상수 값을 갖는 전압값(M)을 더하여 증가시킨다. 이때, 공기압축기의 제어전압(vc)이 증가함에 따라 공기압축기의 공기 공급량도 증가하는 방향으로 변화한다.
다음으로, 제3단계(S300)는 전압값(M)이 증가된 연료전지의 순수전력(Pnet)을 측정하고, 상기 측정된 순수전력(Pnet)과 기준전력(Pold)을 비교분석하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 기준전력(Pold) 이상을 이루도록 제어전압(vc)을 제공한다.
즉, 상기 제3단계(S300)에서는 측정된 순수전력(Pnet)이 기준전력(Pold)보다 큰 경우에, 전술한 제1단계(S100)로 되돌아가는 과정을 반복적으로 진행하면서 전압값(M)을 계속 적으로 증가시키는 과정을 진행하게 된다.
다음으로, 제4단계(S400)에서는 상기 제3단계(S300)에서 측정된 순수전력(Pnet)이 기준전력(Pold) 이하를 이루는 경우, 상기 기준전력(Pold) 이하를 이루는 측정된 순수전력(Pnet)을 한계전력(Pold)으로 설정한다.
다시 말해, 전술한 제3단계(S300)에서 제어기에 설정된 기준전력(Pold)보다 측정된 순수전력(Pnet)이 더 작은 경우에, 상기와 같이 한계전력(Pold)으로 저장하는 것이다.
다음으로, 제5단계(S500)는 연료전지에서 출력되는 순수전력(Pnet)을 한계전력(Pold) 이상을 이루도록, 연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기의 제어전압(vc)에 일정한 상수 값을 갖는 전압값(M)을 감소시킨다. 이때, 공기압축기의 제어전압(vc)이 감소함에 따라 공기압축기의 공기 공급량도 감소하는 방향으로 변화한다.
다음으로, 제6단계(S600)는 전압값(M)이 감소된 연료전지의 순수전력(Pnet)을 측정하고, 상기 측정된 순수전력(Pnet)과 상기 한계전력(Pold)을 비교한다.
그리고, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 한계전력(Pold) 이하를 이루는 경우에, 한계전력(Pold) 이하를 이루는 순수전력(Pnet)을 전술한 제1단계(S100)에서 기준전력(Pold)으로 재설정하며, 다시 제2단계(S200)의 과정으로부터 이하 단계를 순차적으로 실시하게 된다.
만약, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 한계전력(Pold) 이상을 이루면, 상기 한계전력 이상을 이루는 순수전력(Pnet)을 상기 제4단계(S100)에서 한계전력으로 재설정하고 다시 제 5단계(S500)의 과정을 반복하게 된다.
한편, 전술한 제2단계(S200)에서 증가시키는 전압값(M)의 크기와 상기 제5단계(S500)에서 감소시키는 전압값(M)의 크기는, 도 2에서와 같이 기준이 되는 최대 효율점에서의 거리에 따라 변화시키는 것이 바람직하다.
이를 위해, 전술한 제1단계(S100)에서는 변화시키는 전압값(M)의 값을 최소값(M0)으로 설정하고, 최대 효율점에서의 거리를 판단하기 위한 플래그(Flag)를 0으로 설정하는 단계(S110)가 선행될 수 있다.
그리고 제3단계(S300)에서는, 측정된 순수전력(Pnet)이 설정된 기준전력(Pold) 이상인 경우에 상기 플래그(Flag)가 1인지 여부를 판단하며, 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로 2번 이상 진행되었는지를 판단하는 단계(S310)와, 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로 처음 변화하는 경우에 상기 플래그(Flag) 값에 1을 넣어준 후, 상기 제1단계(S100)로 되돌아가는 단계(S320) 및, 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로의 변화가 2번 이상 반복되는 경우에 전압값(M)의 크기를 2배의 크기로 증가시킨 후, 전술한 제1단계(S100)로 돌아가는 단계(S330)가 이후에 순차적으로 진행될 수 있다.
이와 함께, 전술한 제4단계(S400)에서는 변화시키는 전압값(M)의 값을 최소값(M0)으로 설정하고, 최대 효율점에서의 거리를 판단하기 위한 플래그(Flag)를 0으로 설정하는 단계(S410)가 선행될 수 있다.
그리고 제6단계(S600)에서는, 측정된 순수전력(Pnet)이 한계전력(Pold) 이상인 경우 상기 플래그(Flag)가 1인지 여부를 판단하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로 2번 이상 진행되었는지를 판단하는 단계(S610)와, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로 처음 변화하는 경우에 상기 플래그(Flag) 값에 1을 넣어준 후, 상기 제4단계(S400)로 되돌아가는 단계(S620) 및, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로의 변화가 2번 이상 반복되는 경우에 상기 전압값(M)의 크기를 2배의 크기로 증가시킨 후, 전술한 제4단계(S400)로 돌아가는 단계(S630)가 이후에 진행될 수 있다.
즉, 전술한 제5단계(S500)에서 전압값(M)을 감소시키는 것만이 다를 뿐, 나머지 과정들은 전압값(M)을 증가시키는 과정과 동일하게 진행된다.
결과적으로, 본 발명은 연료전지 최대 효율점 추적 제어 알고리즘을 통해 공기유량을 제어하기 때문에, 부하에 관계없이 모든 지점에서 최대 효율로 연료전지의 동작이 가능하다. 또한, 온도나 압력, 습도 등과 같은 주변 환경적 요인이 변화하여도 최대 효율점을 추적하여 동작할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 연료전지의 공기 유량 제어방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.

Claims (4)

  1. 연료전지에서 출력되는 순수전력(Pnet)을 기준전력(Pold)으로 설정하는 제1단계(S100);
    상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기의 제어전압(vc)에 일정한 전압값(M)을 증가시켜 공기 공급량을 변화시키는 제2단계(S200);
    상기 전압값(M)이 증가된 연료전지의 순수전력(Pnet)을 측정하여 상기 측정된 순수전력(Pnet)과 상기 기준전력(Pold)을 비교하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 기준전력(Pold) 이상을 이루도록 상기 제어전압(vc)을 제공하는 제3단계(S300);
    상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 기준전력(Pold) 이하를 이루면, 상기 기준전력(Pold) 이하를 이루는 측정된 순수전력(Pnet)을 한계전력(Pold)으로 설정하는 제4단계(S400);
    상기 연료전지에서 출력되는 순수전력(Pnet)을 한계전력(Pold) 이상을 이루도록, 상기 공기압축기에 일정한 전압값(M)을 감소시켜 공기공급량을 변화시키는 제5단계(S500); 및
    상기 전압값(M)이 감소된 상기 연료전지의 순수전력(Pnet)을 측정하여 상기 측정된 순수전력(Pnet)과 상기 한계전력(Pold)을 비교하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 한계전력(Pold) 이하를 이루면, 상기 한계전력(Pold) 이하를 이루는 순수전력(Pnet)을 상기 제1단계(S100)에서 기준전력(Pold)으로 재설정한 후 상기 제2단계(S200)를 실시하고 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 한계전력(Pold) 이상을 이루면, 상기 한계전력(Pold) 이상을 이루는 순수전력(Pnet)을 상기 제4단계에서 한계전력(Pold)으로 재설정하는 제6단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 유량 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계(S200)에서 증가되는 전압값(M)과 상기 제5단계(S500)에서 감소되는 전압값(M)의 크기는, 최대 효율점에서의 거리에 따라 변화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 유량 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1단계(S100)에서는, 전압값(M)을 최소값(M0)으로 설정하고, 상기 최대 효율점에서의 거리를 판단하기 위한 플래그(Flag)를 0으로 설정하는 단계(S110)가 선행되며,
    상기 제3단계(S300)에서는, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 기준전력(Pold) 이상인 경우 상기 플래그(Flag)가 1인지 여부를 판단하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로 2번 이상 진행되었는지를 판단하는 단계(S310)와, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로 처음 변화하는 경우에 상기 플래그(Flag) 값에 1을 넣어준 후, 상기 제1단계(S100)로 되돌아가는 단계(S320)와, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로의 변화가 2번 이상 반복되는 경우에 상기 전압값(M)의 크기를 2배의 크기로 증가시킨 후, 상기 제1단계(S100)로 돌아가는 단계(S330)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 유량 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제6단계(S600)에서는, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 상기 한계전력(Pold) 이상인 경우 상기 플래그(Flag)가 1인지 여부를 판단하며, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로 2번 이상 진행되었는지를 판단하는 단계(S610)와, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로 처음 변화하는 경우에 상기 플래그(Flag) 값에 1을 넣어준 후, 상기 제1단계(S100)로 되돌아가는 단계(S620)와, 상기 측정된 순수전력(Pnet)이 증가하는 방향으로의 변화가 2번 이상 반복되는 경우에 상기 전압값(M)의 크기를 2배의 크기로 증가시킨 후, 상기 제4단계(S400)로 돌아가는 단계(S630)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기 유량 제어방법.
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