KR101567238B1 - 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 연료전지 시스템에서 연료전지의 운전 상태에 따른 퍼지 전하량을 기초로 수소 퍼지 밸브의 개방 시점을 가변 제어함으로써 연료전지의 수소 이용률 및 시스템 효율, 수소 재순환 성능 등의 향상을 도모할 수 있는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 스택의 운전 상태를 실시간 검출하는 운전 상태 검출부; 상기 운전 상태 검출부에 의해 검출되는 스택 운전 상태 정보에 기초하여 수소 퍼지 밸브의 개방시점을 결정하고 수소 퍼지 밸브의 개방을 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 연료전지 스택의 수소 퍼지가 이루어지도록 개방되는 수소 퍼지 밸브를 포함하며, 상기 제어기는, 미리 정해진 적산 주기마다 현 스택 운전 상태에 해당하는 가변 퍼지 전하량을 맵으로부터 구하고, 현재의 스택 전류와 상기 가변 퍼지 전하량, 기 설정된 기준 퍼지 전하량 값을 이용하여 상기 적산 주기에 해당하는 시간 동안의 전하량을 계산한 뒤, 계산된 전하량을 매 적산 주기마다 누적하여 적산하며, 전하량 적산값과 상기 기준 퍼지 전하량을 비교하여 수소 퍼지 밸브의 개방 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치, 및 이를 이용한 수소 퍼지 방법이 개시된다.

Description

연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법{Hydrogen purging device and method for fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에서 연료전지의 수소 이용률 및 시스템 효율 향상이 가능해지는 수소 퍼지 장치 및 방법에 관한 것이다.
친환경 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응기체(연료인 수소와 산화제인 산소)의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 및 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함한다.
도 1은 통상의 연료전지 시스템을 도시한 개략도로서, 수소공급장치는 수소저장부(수소탱크)(21), 고압/저압 레귤레이터(미도시), 수소공급밸브(23), 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워(31), 가습기(32) 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템(미도시)은 전동물펌프(냉각수 펌프), 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.
상기 수소공급장치의 수소탱크(21)로부터 공급되는 고압의 수소는 미도시된 고압/저압 레귤레이터를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 연료전지 스택(10)에 공급되며, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인(24)에 이젝터(25) 및/또는 재순환 블로워를 설치하여 연료전지 스택(10)의 수소극(애노드)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 수소극으로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
공기공급장치는 공기블로워(31)에 의해 공급되는 공기를 가습기(32)를 통해 가습한 후 연료전지 스택에 공급하도록 구성된다.
한편, 연료전지 시스템에서 연료전지 스택(10)의 운전에 따라 스택의 공기극(캐소드)에 공급된 공기 중의 질소와 공기극에서 생성된 생성수(물 및 수증기)는 스택 내부의 전해질막을 통해 크로스오버(crossover)되어 수소극(애노드)측으로 이동해 온다.
이때, 질소는 수소의 분압을 낮춤으로써 스택의 성능을 저하시키고, 생성수는 분리판 채널의 유로를 막음으로써 수소의 이동을 저해하므로, 주기적인 수소극의 퍼지(purge)를 통해 크로스오버되는 공기 중 질소와 채널 내 액적을 제거하고, 스택의 안정적인 성능을 확보해야 한다.
연료전지에서는 스택 내부의 전해질막을 통해 수소극으로 넘어오는 질소, 물 및 수증기 등의 이물질이 많아질수록 수소극 내의 수소량이 줄어들게 되어 반응효율이 떨어지며, 따라서 정해진 주기에 맞추어 수소 퍼지 밸브(40)를 열어 퍼지를 실시한다.
즉, 연료전지 스택(10)의 수소극 출구측 라인에 수소 퍼지를 위한 수소 퍼지 밸브(40)를 설치하여 수소극의 수소를 주기적으로 배출시킴으로써 연료전지 스택 내 분리판의 수분 및 질소 등의 이물질을 함께 배출 및 제거하고, 수소 이용률을 높이는 것이다.
이와 같이 연료전지 스택 내 이물질의 배출시에는 수소 농도 증가, 수소 이용률 증대, 기체 확산도 및 반응성 향상의 장점이 있게 된다.
수소 퍼지 밸브(40)는 수소 농도 관리를 위해 연료전지 시스템 제어기(미도시)의 명령에 따라 주기적으로 개폐하는 전자식 제어밸브로서, 이를 열어줄 경우 연료전지 스택(10) 내 수분 및 질소 등의 이물질이 차량 배기구(34)를 통해 대기로 배출될 수 있게 된다.
차량 운전시 수소 퍼지 밸브(40)를 열면 연료전지 스택(10)의 수소극(상대적으로 고압)과 공기극 간의 압력차에 의해 수소를 공기극 후단 및 공기배기라인(33), 배기구(34)를 통해 대기로 배출할 수 있고, 이때 수소와 함께 이물질이 함께 배출되므로 연료전지 스택의 출력을 유지할 수 있는 것이다.
연료전지의 수소 퍼지와 관련한 선행기술문헌으로는 일본 공개특허 제2013-225514호(2013.10.31), 일본 공개특허 제2009-187794호(2009.08.20), 일본 공개특허 제2009-146656호(2009.07.02), 일본 공개특허 제2006-269337호(2006.10.05), 일본 공개특허 제2005-267898호(2005.09.29), 일본 공개특허 제1997-320620호(1997.12.12), 일본 공개특허 제1992-071168호(1992.03.05) 등이 있다.
수소 퍼지시에 스택 전류에 따라 도 2에 나타낸 바와 같이 퍼지 주기를 결정하고 동일 전하량 기준으로 퍼지하는 경우(고정 전하량 기준), 스택의 고전류 구간에서의 퍼지 주기에 비해 저전류 구간에서의 퍼지 주기가 길다.
이때, 연료전지 스택의 동일 운전 조건에서 크로스오버되는 질소의 양은 동일하므로 퍼지 주기가 길어지면 수소 재순환 장치에 누적되는 질소 부피가 증가하여 저전류 구간에서 수소 재순환 장치의 수소 농도가 상대적으로 크게 낮아진다.
그 결과로 재순환되는 질소 유량의 증가로 인해 수소 재순환 성능이 감소하고 수소의 화학양론비(Stoichiometry Ratio, 이하 "SR"이라 칭함)가 감소한다.
여기서, 수소 SR은 스택의 수소극(애노드) 입구 농도와 출구 농도를 측정하여 아래의 식을 이용하여 계산 가능하다.
Figure 112014087484011-pat00001
여기서, X는 수소 공급 유량, Y는 질소 재순환 유량, C는 이론 수소 사용량(크로스오버 미고려)을 나타낸다.
또한, 도 3과 같이 퍼지 기준이 운전 온도인 경우(스택 정전류 조건), 동일 운전 조건에서 목표 온도 대비 운전 온도 증가시에 스택의 공기극(cathode) 출구에서 수증기 배출량 증가로 인해 공기극측에서 수소극(anode)측으로 역확산(back-diffusion)되는 물량이 감소한다.
그로 인해 수소극측 수증기량이 감소하여 노점(露點)이 감소하고, 결국 재순환 수소 농도가 증가하여 수소 SR이 증가한다.
또한, 도 3과 같이 퍼지 기준이 운전 온도인 경우, 동일 운전 조건에서 운전 온도 감소시에 수소 재순환 장치 내 액적이 증가함과 더불어 노점이 낮아지고, 크로스오버되는 질소량이 감소하여 수소 농도가 증가하는바, 그 결과 수소 SR이 증가한다.
도 4는 연료전지 스택의 운전 압력에 따른 수소의 크로스오버량을 나타내는 도면으로[M. Inaba et al. / Electrochimica Acta 51 (2006) 5746-5753], 이에 나타낸 바와 같이 퍼지 기준이 운전 압력이고 수소극(anode)과 공기극(cathode)의 차압이 0인 경우 운전 압력 증가시 크로스오버되는 가스량이 증가한다.
그 결과로 동일 운전 조건에서 가압 운전에 의해 운전 압력 증가시 질소의 크로스오버량 증가로 인해 수소 농도 감소 폭이 증가하여 수소 SR 감소가 가능하다.
상술한 바의 이유로 퍼지 주기 판단시에는 스택 전류, 스택 운전 온도 및 스택 운전 압력 등의 고려가 동시에 필요하며, 연료전지 시스템에서 스택 전류 증가시 스택 차압이 증가하고, 특히 스택 발열량이 증가하여 스택 운전 온도가 증가한다.
이때, 연료전지 시스템의 냉각 성능이 부족한 경우 스택 운전 온도는 더욱 증가하여 스택 성능이 감소하고, 더 큰 출력을 내기 위해 스택 전류가 증가하는 경우 스택 차압이 추가로 증가한다.
반대로 스택 전류 증가로 스택 전압이 감소하는 경우 스택 보호를 위해 스택 전류 및 출력을 감소시키는 전류 제한 제어가 수행되므로 스택 차압 및 운전 온도가 감소하게 된다.
이와 같이 스택 전류, 스택 운전 온도, 스택 운전 압력 등의 연료전지 운전 상태는 상호 연관성이 있고 실시간으로 변동하므로 각 운전 상태에서 최적의 퍼지 전하량을 도출한 후 수소 퍼지 제어에 적용할 경우 수소 재순환 성능 및 시스템 효율의 개선이 가능하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창출한 것으로서, 연료전지 시스템에서 연료전지의 운전 상태에 따른 퍼지 전하량을 기초로 수소 퍼지 밸브의 개방을 가변 제어함으로써 연료전지의 수소 이용률 및 시스템 효율, 수소 재순환 성능 등의 향상을 도모할 수 있는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 연료전지 스택의 운전 상태를 실시간 검출하는 운전 상태 검출부; 상기 운전 상태 검출부에 의해 검출되는 스택 운전 상태 정보에 기초하여 수소 퍼지 밸브의 개방시점을 결정하고 수소 퍼지 밸브의 개방을 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 연료전지 스택의 수소 퍼지가 이루어지도록 개방되는 수소 퍼지 밸브를 포함하며, 상기 제어기는, 미리 정해진 적산 주기마다 현 스택 운전 상태에 해당하는 가변 퍼지 전하량을 맵으로부터 구하고, 현재의 스택 전류와 상기 가변 퍼지 전하량, 기 설정된 기준 퍼지 전하량 값을 이용하여 상기 적산 주기에 해당하는 시간 동안의 전하량을 계산한 뒤, 계산된 전하량을 매 적산 주기마다 누적하여 적산하며, 전하량 적산값과 상기 기준 퍼지 전하량을 비교하여 수소 퍼지 밸브의 개방 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치를 제공한다.
그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료전지 스택의 운전 동안 운전 상태 검출부로부터 실시간 검출되는 운전 상태를 입력받아 모니터링하는 단계; 미리 정해진 적산 주기마다 현 스택 운전 상태에 해당하는 가변 퍼지 전하량을 맵으로부터 구하는 단계; 현재의 스택 전류와 상기 가변 퍼지 전하량, 기 설정된 기준 퍼지 전하량 값을 이용하여 상기 적산 주기에 해당하는 시간 동안의 전하량을 계산하고, 계산된 전하량을 매 적산 주기마다 누적하여 적산하는 단계; 및 상기 전하량 적산값과 상기 기준 퍼지 전하량을 비교하여 수소 퍼지 밸브의 개방 시점을 결정하고, 개방 시점에서 수소 퍼지 밸브를 개방하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법에 의하면, 연료전지 시스템에서 연료전지의 운전 상태에 따른 퍼지 전하량을 기초로 수소 퍼지 밸브의 개방을 가변 제어함으로써 연료전지의 수소 이용률 및 시스템 효율, 수소 재순환 성능 등의 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 통상의 연료전지 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 고정 전하량을 기준으로 하는 퍼지 주기와 스택 수소극 출구의 수소 농도를 나타내는 도면이다.
도 3은 스택 운전 온도를 기준으로 하는 수소 SR 및 스택 수소극 출구의 수소 농도를 나타내는 도면이다.
도 4는 스택 운전 압력에 따른 수소 크로스오버량을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 수소 퍼지 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 수소 퍼지 과정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 출구 수소 농도에 따른 스택 내구 성능 감소율을 나타내는 도면이다.
도 8은 퍼지 전하량 제어 조건에 따른 전류 구간별 퍼지 전하량과 출구 수소 농도를 나타내는 도면이다.
도 9는 스택 운전 온도에 따른 퍼지 전하량별 출구 수소 농도와 수소 SR을 나타내는 도면이다.
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 연료전지 시스템에서 연료전지의 운전 상태에 따라 결정되는 퍼지 전하량을 기초로 수소 퍼지 밸브의 개방 시점을 가변 제어함으로써 연료전지의 수소 이용률 및 시스템 효율, 수소 재순환 성능 등의 향상을 도모할 수 있는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 수소 퍼지 장치의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 6은 본 발명에 따른 수소 퍼지 과정을 나타내는 순서도이며, 도 7은 연료전지 스택에서 수소극 출구의 수소 농도(이하, "출구 수소 농도"라 약칭함)에 따른 스택 내구 성능 감소율을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 수소 퍼지 장치는 연료전지 스택의 운전 상태를 실시간 검출하는 운전 상태 검출부(1,2), 운전 상태 검출부에 의해 검출되는 운전 상태 정보에 기초하여 수소 퍼지 밸브의 개방시점을 결정하고 수소 퍼지 밸브의 개방을 위한 제어신호를 출력하는 제어기(3), 상기 제어기(3)가 출력하는 제어신호에 따라 연료전지 스택의 수소 퍼지가 이루어지도록 개방되는 수소 퍼지 밸브(4)를 포함한다.
여기서, 연료전지 스택의 운전 상태는 스택 운전 온도와 전류가 될 수 있고, 스택 운전 온도 대신 스택 운전 압력이 적용 가능하다.
따라서, 운전 상태 검출부는 운전 온도 검출부(1)와 스택 전류 검출부(2)가 될 수 있고, 또는 운전 압력 검출부와 스택 전류 검출부가 될 수 있다.
상기 운전 온도 검출부(1)는 스택 온도를 검출하기 위한 센서, 보다 상세하게는 스택 입구단 또는 스택 출구단의 냉각수 온도를 검출하는 온도센서가 될 수 있다.
또한, 상기 운전 압력 검출부는 스택의 운전 압력을 검출하는 압력센서, 스택 전류 검출부(2)는 전류 센서가 될 수 있다.
알려진 바와 같이, 연료전지 시스템에서 연료전지 시스템 내 장치의 작동 전반을 제어하는 제어기(3), 즉 연료전지 시스템 제어기는 연료전지 스택의 현 운전 상태, 예를 들어 스택 전류나 스택 운전 온도, 스택 운전 압력 등의 정보를 센서를 통해 실시간 취득하고, 취득되는 운전 상태 정보를 입력 변수로 하여 각종 시스템 내 장치의 작동을 제어하고 있다.
본 발명에서는 상기와 같이 연료전지 시스템 및 연료전지 스택의 운전 중에 실시간으로 취득되는 운전 상태 정보를 이용하여 제어기(3)가 연료전지 스택에 대한 수소 퍼지 작동, 즉 수소 퍼지 밸브(4)의 작동을 제어한다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 퍼지 과정, 특히 연료전지 스택의 운전 상태에 따른 수소 퍼지 밸브의 제어 과정이 도시되어 있으며, 연료전지 시스템 제어기는 연료전지 스택의 운전 동안 운전 상태 검출부로부터 실시간 검출되는 스택 운전 온도와 스택 전류와 같은 운전 상태 정보를 입력받아 모니터링한다.
여기서, 스택 운전 상태로 스택 운전 온도 대신 스택 운전 압력이 적용될 수 있다.
또한, 제어기는 실시간 취득되는 스택 운전 온도와 스택 전류에 따른 가변 퍼지 전하량을 맵 데이터 정보로부터 적산 주기(예, 100msec)마다 구하여 업데이트하고, 이를 하기와 같이 전류 적산에 반영한다.
즉, 구해진 가변 퍼지 전하량과 스택 전류, 그리고 미리 설정된 기준 퍼지 전하량을 이용하여 적산 주기에 해당하는 시간 동안의 전하량(전류량)을 소정의 계산식을 이용하여 적산 주기마다 계산하고, 계산되는 전하량을 적산 주기마다 누적하여 적산한다.
또한, 전하량 적산값을 상기 기준 퍼지 전하량과 비교하여 적산값이 기준 퍼지 전하량 이상이 되는 시점에서 수소 퍼지 밸브를 온(On) 시켜 개방하고, 이후 전하량(Q)을 초기화한다.
물론, 적산값이 기준 퍼지 전하량 미만일 경우 전하량 계산 및 적산을 계속하고, 적산값이 기준 퍼지 전하량 이상이 되는 시점에서 수소 퍼지 밸브를 개방한다.
여기서, 수소 퍼지 밸브의 개방 시간은 미리 설정되는 일정 시간이 될 수 있고, 또는 스택 전류에 따라 가변되어 정해지는 시간이 될 수 있다.
이와 같은 수소 퍼지 및 그 제어 과정을 연료전지 스택의 운전 동안 반복하여 실시하게 된다.
한편, 기준 퍼지 전하량은 연료전지 시스템에 대한 반복 선행 시험을 통해 구해지는 값으로, 연료전지 스택의 내구 성능이 고려된 출구 수소 농도 또는 수소 SR을 만족하고 시스템의 운전이 가능한 값으로 미리 선정하여 사용한다.
또한, 상기 제어 과정에서 전하량 계산에 사용되는 가변 퍼지 전하량은 제어기에 저장된 맵 데이터 정보를 이용하여 차량 주행시 연료전지 스택의 실시간 운전 상태 정보인 스택 운전 온도(또는 스택 운전 압력)와 스택 전류로부터 구해진다.
상기 맵 데이터에 대해 좀더 설명하면, 연료전지 스택의 운전 조건, 즉 스택 운전 온도(스택 운전 압력)와 스택 전류에 따라 가변 퍼지 전하량 값을 맵핑하여 맵 데이터를 작성하며, 이때 운전 조건별 가변 퍼지 전하량 값은 연료전지 시스템에 대한 반복 선행 시험을 통해 구해져 사용된다.
바람직하게는 차량에서 연료전지 운전 조건(스택 운전 온도 또는 스택 운전 압력, 스택 전류)별 스택의 최대 내구 성능을 나타내는 출구 수소 농도 또는 수소 SR 기준을 만족하는 수소 퍼지 전하량 값이 선정되어 사용될 수 있다.
도 8은 퍼지 전하량 제어 조건에 따른 전류 구간별 퍼지 전하량과 출구 수소 농도를 나타내는 도면이고, 도 9는 스택 운전 온도에 따른 퍼지 전하량별 출구 수소 농도와 수소 SR을 나타내는 도면이다.
전술한 바대로 도 2 및 도 3에서와 같이 스택의 운전 상태, 즉 스택 전류 및 스택 운전 온도에 따라 출구 수소 농도와 수소 SR에 있어 차이가 발생하며, 전류 구간에 따라 동일 출구 수소 농도에서 퍼지 전하량을 제어할 때 도 8에서와 같이 스택 전류가 증가할수록 퍼지 전하량이 증가함을 알 수 있고, 그 결과 퍼지량을 감소시켜 수소 이용률을 증대시키는 것이 가능하다.
또한, 도 9에서와 같이 기준 온도 대비 스택 운전 온도가 일정량(예, +20℃/-20℃) 증가 및 감소된 조건에서 기준 온도의 기준 퍼지 전하량 대비 증가된 퍼지 전하량에서도 기준 온도 대비 출구 수소 농도와 수소 SR의 증가가 가능하며, 더불어 출구 수소 농도가 낮은 경우에도 수증기 분압 감소로 수소 SR 증가가 가능하다.
이와 같이 퍼지 전하량은 연료전지 스택의 운전시 출구 수소 농도 및 수소 SR과 관련이 있으며, 따라서 퍼지 전하량을 결정하기 위한 맵 데이터의 작성시 선행 시험을 통해 내구 성능을 만족하는 출구 수소 농도 또는 수소 SR을 기준으로 하여 운전 조건(스택 운전 온도 또는 스택 운전 압력, 그리고 스택 전류)별 최적의 퍼지 전하량을 선정하여 맵핑한다.
도 9를 참조하면, 수소 농도에 따른 스택 성능 감소율 비교시 출구 수소 농도에 따라 성능이 급격하게 저하되는 구간이 발생하며, 이러한 결과를 바탕으로 성능 그래프의 변곡점을 출구 수소 농도 기준으로 선정할 수 있고, 이러한 출구 수소 농도 기준을 만족하는 가변 퍼지 전하량을 운전 조건별로 도출하여 맵 데이터를 작성하는데 사용할 수 있다.
일례로, 스택 운전 기준으로서, 차량에서 스택 운전 온도 60℃, 스택 전류 50A, 출구 수소 농도 80%를 만족하는 조건인 수소 퍼지 전하량 4000C를 기준 퍼지 전하량으로 설정할 수 있다.
결국, 상기한 맵 데이터에 의하면, 실시간 모니터링되는 연료전지 스택의 운전 상태, 즉 현 스택 운전 온도(또는 스택 운전 압력)와 스택 전류에 해당하는 가변 퍼지 전하량을 실시간으로 구하여 업데이트 할 수 있고, 업데이트 되는 가변 퍼지 전하량을 전류 적산에 반영할 수 있다.
그리고, 도 6의 제어 과정 중 전하량 적산 과정에 대해 좀더 설명하면, 제어기가 맵 데이터로부터 구해진 가변 퍼지 전하량을 이용하여 전하량을 계산하되, 전하량은 스택 전류, 가변 퍼지 전하량과 기준 퍼지 전하량, 그리고 적산 주기의 시간(예, 100msec)을 이용하여 하기 계산식으로부터 구해질 수 있다.
전하량 = 전류(A) × 적산 주기의 시간(sec) × a(C)/b(C)
여기서, a는 기준 퍼지 전하량을, b는 가변 퍼지 전하량을 나타내며, a/b는 가변 퍼지 팩터(factor) 값이 된다.
예를 들어, 적산 주기 시간을 도 7에서와 같이 100msec로 설정하고, 맵 데이터로부터 스택 온도 70℃, 스택 전류 100A, 가변 퍼지 전하량이 8000C로 구해졌을 때, 기준 퍼지 전하량이 4000C라면, 전하량은
전하량(C) = 100A × 01sec × (4000/8000) = 5
가 된다.
또한, 상기와 같이 적산 주기마다 계산되는 전하량을 실시간으로 누적하여 적산한 뒤, 적산값을 기준 퍼지 전하량과 비교하고, 적산값이 기준 퍼지 전하량 이상이 되는 조건에서 수소 퍼지 밸브를 온(On) 시켜 개방하는 수소 퍼지 가변 제어를 실시한다.
여기서, 전하량의 적산을 식으로 표현하면 아래와 같다.
적산값 = ∑(전류 × 적산 주기의 시간 × a/b)
이와 같이 하여, 본 발명의 수소 퍼지 장치 및 방법에 따르면, 연료전지 스택의 운전 상태에 따라 가변되는 퍼지 전하량 값을 이용하여 수소 퍼지 밸브의 개방 여부를 결정하는 수소 가변 퍼지 방식을 이용함으로써, 종래의 퍼지 전하량 고정 방식과 비교하여 연료전지의 수소 이용률 및 연료전지 시스템의 효율 증대를 달성할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 운전 온도 검출부
2 : 스택 전류 검출부
3 : 제어기
4 : 수소 퍼지 밸브

Claims (12)

  1. 연료전지 스택의 운전 상태를 실시간 검출하는 운전 상태 검출부;
    상기 운전 상태 검출부에 의해 검출되는 스택 운전 상태 정보에 기초하여 수소 퍼지 밸브의 개방시점을 결정하고 수소 퍼지 밸브의 개방을 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및
    상기 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 연료전지 스택의 수소 퍼지가 이루어지도록 개방되는 수소 퍼지 밸브를 포함하며,
    상기 제어기는,
    미리 정해진 적산 주기마다 현 스택 운전 상태에 해당하는 가변 퍼지 전하량을 맵으로부터 구하고, 현재의 스택 전류와 상기 가변 퍼지 전하량, 기 설정된 기준 퍼지 전하량 값을 이용하여 상기 적산 주기에 해당하는 시간 동안의 전하량을 계산한 뒤, 계산된 전하량을 매 적산 주기마다 누적하여 적산하며, 전하량 적산값과 상기 기준 퍼지 전하량을 비교하여 수소 퍼지 밸브의 개방 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 운전 상태는 스택 운전 온도와 스택 전류인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 운전 상태는 스택 운전 압력과 스택 전류인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 적산 주기에 해당하는 시간 동안의 전하량은 하기 식 1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
    식 1: 전하량 = 전류(A) × 적산 주기의 시간(sec) × a(C)/b(C)
    여기서, a는 기준 퍼지 전하량, b는 가변 퍼지 전하량임.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    제어기는 전하량 적산값이 기준 퍼지 전하량 이상인 경우 수소 퍼지 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수소 퍼지 밸브의 개방 시간은 미리 설정되는 일정 시간이거나, 스택 전류에 따라 가변되어 정해지는 시간인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
  7. 연료전지 스택의 운전 동안 운전 상태 검출부로부터 실시간 검출되는 운전 상태를 입력받아 모니터링하는 단계;
    미리 정해진 적산 주기마다 현 스택 운전 상태에 해당하는 가변 퍼지 전하량을 맵으로부터 구하는 단계;
    현재의 스택 전류와 상기 가변 퍼지 전하량, 기 설정된 기준 퍼지 전하량 값을 이용하여 상기 적산 주기에 해당하는 시간 동안의 전하량을 계산하고, 계산된 전하량을 매 적산 주기마다 누적하여 적산하는 단계; 및
    상기 전하량 적산값과 상기 기준 퍼지 전하량을 비교하여 수소 퍼지 밸브의 개방 시점을 결정하고, 개방 시점에서 수소 퍼지 밸브를 개방하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  8. 청구항 7 있어서,
    상기 연료전지 스택의 운전 상태는 스택 운전 온도와 스택 전류인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  9. 청구항 7 있어서,
    상기 연료전지 스택의 운전 상태는 스택 운전 압력과 스택 전류인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 적산 주기에 해당하는 시간 동안의 전하량은 하기 식 1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
    식 1: 전하량 = 전류(A) × 적산 주기의 시간(sec) × a(C)/b(C)
    여기서, a는 기준 퍼지 전하량, b는 가변 퍼지 전하량임.
  11. 청구항 7 또는 청구항 10에 있어서,
    전하량 적산값이 기준 퍼지 전하량 이상인 경우 수소 퍼지 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 수소 퍼지 밸브의 개방 시간은 미리 설정되는 일정 시간이거나, 스택 전류에 따라 가변되어 정해지는 시간인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.


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