KR101567645B1 - 연료 전지 시스템 및 그 운전 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템 및 그 운전 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법은 연료 전지 스택의 발전을 정지시키거나 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 블로워를 감속시키는 단계; 및 상기 공기 블로워의 출구측과 상기 연료 전지 스택의 공기극 입구 사이에 위치하는 밸브를 조정하여 상기 밸브에 연결된 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계를 포함한다. 이에 의해 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)이 유지되는 시간을 감소시키고, 연료 전지 스택의 드라이 아웃(Dry Out)을 방지하여 연료 전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 운전 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND DRIVING CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 운전 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 운전성을 개선시키며, 연료 전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 운전 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 스택의 연료극(애노드)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기블로워를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(캐소드)으로 공급한다.
스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
연료 전지 스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.
연료 전지를 구동하기 위한 공기 블로워, 수소 재순환 블로워, 워터 펌프 등의 구성들은 메인 버스단에 연결되어 연료전지 시동을 용이하게 하며, 메인 버스단에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이들과, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 하는 다이오드가 연결될 수 있다.
공기 블로워를 통해 공급된 건조한 공기는 가습기를 통해 가습된 뒤, 연료 전지 스택의 캐소드(Cathode, 공기극)에 공급되며, 캐소드의 배기 가스는 내부에서 발생한 물 성분에 의해 가습된 상태로 가습기에 전해져 공기 블로워에 의해 캐소드로 공급될 건조공기를 가습하는데 사용될 수 있다.
한편, 연비 향상을 위해 차량 운행 도중에 필요한 경우 연료 전지의 발전을 정지시키고 재개하는 과정[연료 전지 정지(Fuel Cell Stop)/연료 전지 재시동(Fuel Cell Restart) 과정], 즉 연료 전지 하이브리드 차량에서 연료 전지의 발전을 일시적으로 정지시키는 아이들 스탑(Idle Stop)/해제 제어 과정[연료전지의 온(On)/오프(Off) 제어 과정]이 중요하게 고려되어야 한다.
특히, 주행 중에 연료 전지 발전을 정지하고 재개함에 있어서 공기의 유입에 의해 연료 전지 스택에 드라이 아웃(Dry out)이 발생하는 문제뿐만 아니라, 차량의 재가속성, 연비 등을 종합적으로 고려한 제어가 중요하다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 연료 전지 발전 정지와 연료 전지 발전 정지시의 운전을 제어하는 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법은연료 전지 스택의 발전을 정지시키거나 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 블로워를 감속시키는 단계; 및 상기 공기 블로워의 출구측과 상기 연료 전지 스택의 공기극 입구 사이에 위치하는 밸브를 조정하여 상기 밸브에 연결된 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제어하는 단계 이전에 연료 전지 스택의 건조 상태를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계는 상기 판단 결과에 따라 수행될 수 있다.
상기 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계는 상기 판단 결과 상기 연료 전지 스택이 건조한 상태인 경우, 상기 밸브에 연결된 배관들 중 바이패스 배관을 통해 상기 공급되는 공기를 공기극의 출구 측으로 배출시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계는 상기 판단 결과 상기 연료 전지 스택이 건조한 상태인 경우, 상기 밸브에 연결된 배관들 중 바이패스 배관을 통해 상기 공급되는 공기를 외부로 배출시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 공급되는 공기를 배출한 이후, 배터리의 정상 동작 여부 및 충전 상태와 상기 배터리와 상기 연료 전지 스택을 연결하는 전력 변환 장치의 정상 동작 여부에 따라 상기 공기 블로워를 상이한 방식으로 정지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리와 상기 전력 변환 장치가 정상 동작하며, 상기 배터리의 충전 상태가 기설정된 기준 상태보다 더 낮은 경우, 상기 공기 블로워를 회생 정지시킬 수 있다.
상기 배터리가 동작하지 않거나 상기 배터리의 충전 상태가 기설정된 기준 상태보다 더 높거나 상기 배터리와 상기 연료 전지 스택을 연결하는 전력 변환 장치가 고장인 경우 상기 공기 블로워를 관성 정지시킬 수 있다.
상기 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계는 상기 판단 결과 상기 연료 전지 스택이 플러딩(flooding) 상태인 경우, 상기 공기 블로워를 관성 정지시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 공기 블로워의 관성 정지에 따라 상기 공기극에 공급되는 공기의 유량이 기설정된 기준값을 만족하면 상기 연료 전지 시스템의 운전을 정지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법은, 연료 전지 스택의 발전을 정지시키거나 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 블로워를 감속시키는 단계; 및 상기 공기 블로워의 출구측과 상기 연료 전지 스택의 공기극 입구 사이에 위치하는 밸브를 조정하여 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 유량 및 상기 공기 블로워를 통해 공급되는 공기의 유량을 독립적으로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법은, 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 블로워의 출구측과 상기 연료 전지 스택의 공기극 입구 사이에 위치하는 밸브를 조정하여 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 유량 및 상기 공기 블로워를 통해 공급되는 공기의 유량을 독립적으로 제어하는 단계; 및 상기 연료 전지 스택에 공급되는 공기의 유량과 상기 공기 블로워를 통해 공급되는 공기의 유량을 독립적으로 제어함으로써 상기 공기 블로워의 회생 제동량을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 공기극 및 연료극을 포함하는 연료 전지 스택; 상기 공기극에 공기를 공급하는 공기 블로워; 상기 공기 블로워의 출구와 상기 공기극의 입구 사이에 위치하는 밸브; 상기 밸브에 연결된 복수의 배관들; 및 상기 밸브를 조정하여 상기 배관들의 연결 상태를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 연료 전지 스택의 건조 상태를 판단하여 상기 판단 결과에 따라 상기 밸브를 조정하여 상기 배관들의 연결 상태를 제어할 수 있다.
상기 밸브는 3-way 밸브이며, 상기 공기 블로워의 출구, 일측이 공기극 출구와 연결된 바이패스 배관의 타측 및 상기 공기극 입구에 연결될 수 있다.
상기 제어부는 상기 판단 결과 상기 연료 전지 스택이 건조한 상태인 경우, 상기 밸브에 연결된 배관들 중 상기 바이패스 배관을 통해 상기 공급되는 공기를 상기 공기극 출구측으로 배출하도록 상기 밸브를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 시스템 및 그 운전 제어 방법에 따르면, 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)이 유지되는 시간을 감소시키고, 연료 전지 스택의 드라이 아웃(Dry Out)을 방지하여 연료 전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 연료 전지의 발전 정지 이후에 재가속시 연료 전지 차량의 재가속성을 향상시킬 수 있다.
또한, 공기 블로워의 회생제동 선택 제어를 통해 에너지를 회수함으로써 연료 전지 차량의 연비 손실을 최소화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전시 시스템의 운전 제어 방법에서 공기 블로워의 관성 제동 정지 운전시와 공기극으로의 공기 공급을 밸브를 이용하여 차단시킨 경우의 시간에 따른 전압, 전류 및 공기 블로워 회전수를 도시한 그래프이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(100)은, 메인버스단(11)을 통해 병렬로 접속되는 주동력원인 연료 전지(10)와 보조동력원인 고전압 배터리(메인배터리)(20), 고전압 배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 고전압 배터리(20)에 연결된 양방향 전력변환장치(BHDC:Bidirectional High Voltage DC/DC Converter)(21), 연료 전지(10)와 고전압 배터리(20)의 출력측인 메인버스단(11)에 연결된 인버터(31), 상기 인버터(31)에 연결된 구동모터(32), 인버터(31) 및 구동모터(32)를 제외한 차량 내 고전압 전자부하(33), 저전압 배터리(보조배터리)(40) 및 저전압 전자부하(41), 저전압 배터리(40)와 메인버스단(11) 사이에 연결되어 고전압을 저전압으로 변환해주는 저전압 전력변환장치(LDC:Low Voltage DC/DC Conveter)(42)를 포함한다.
여기서, 차량의 주동력원인 연료 전지(10)와 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(20)가 메인버스단(11)을 통해 인버터(31)/구동모터(32) 등 시스템 내 각 부하에 대해 병렬로 접속되고, 고전압 배터리단에 연결된 양방향 전력변환장치(21)가 연료 전지(10)의 출력측인 메인버스단(11)에 접속되어, 상기 양방향 전력변환장치(21)의 전압(메인버스단으로의 출력 전압) 제어에 의해 연료전지(10)의 출력 및 고전압 배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 되어 있다.
연료 전지단에는 역전류가 흐르지 않도록 연결된 다이오드(13)와, 연료 전지(10)를 메인버스단(11)에 선택적으로 연결하도록 구비된 릴레이(14)가 설치된다. 상기 릴레이(14)는 연료 전지(10)가 정상 운전되는 차량 운행 중뿐만 아니라 연료 전지 시스템의 아이들 스탑/재시동 상태에서 항시 연결된 상태로 있게 되며, 차량의 키 오프(키 오프에 따른 정상 셧다운)시 또는 비상 셧다운시에만 연결이 해제된다.
또한 구동모터(32)를 회전시키기 위한 인버터(31)가 메인버스단(11)을 통해 연료 전지(10) 및 고전압 배터리(20)의 출력측에 연결되어 연료 전지(10) 및/또는 고전압 배터리(20)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 구동모터(32)를 구동시킨다.
구동모터(32)의 구동은 연료전지(10)의 출력(전류)을 단독으로 이용하는 연료전지 모드, 고전압 배터리(20)의 출력을 단독으로 이용하는 EV 모드, 연료 전지(10)의 출력을 고전압 배터리(20)의 출력이 보조하게 되는 하이브리드(HEV) 모드로 이루어진다.
특히, 연료전지 시스템에서 소정의 아이들 스탑 조건을 만족하는 경우 공기 공급을 중지하여 연료 전지(10)의 발전을 정지하는 아이들 스탑 제어가 수행되고, 연료 전지(10)가 재시동되어 정상적인 연료 전지(10)의 출력으로 구동모터(32)가 구동되기 전까지는 고전압 배터리(20)의 출력을 단독으로 이용하는 EV 모드의 주행이 이루어진다.
이러한 EV 모드 주행 상태에서는 릴레이(14)가 온(ON) 된 상태 및 연료 전지(10)의 발전이 중지(공기 공급 중지)된 상태에서 고전압 배터리단에 연결된 양방향 전력변환장치(21)의 부스트 제어를 통해 고전압 배터리(20)의 전압을 부스팅하여 고전압 배터리(20)의 출력만으로 인버터(31)/구동모터(32) 등의 차량 내 부하를 작동시키게 된다.
또한 상기와 같이 연료 전지 시스템의 아이들 스탑시 공기의 공급을 중지하였다가 소정의 재시동 조건을 만족하는 경우에는 공기 공급을 재개하여 연료 전지를 재시동하고, 재시동 후 연료 전지 시스템의 정상 운전 모드 복귀시에는 공기가 정상 공급되는 상태에서 다시 연료 전지(10)의 출력을 차량 부하에 따라 추종 제어하게 되고(부하 추종(Load Following) 제어), 또한 양방향 전력변환장치(21)의 부스팅 상태를 해제하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 스택(210), 입구측 공기 차단 밸브(220), 출구측 공기 차단 밸브(225), 공기 블로워(230), 3-way 밸브(240), 바이패스 배관(250), 가습기(260), 워터 트랩(270), 수소 재순환기(275), 수소 공급 밸브(280) 및 제어부(290)를 포함할 수 있다. 또한, 입구측 공기 차단 밸브(220) 전단에는 필터(미도시)가, 입구측 공기 차단 밸브(220)의 출구와 공기 블로워(230) 입구 사이에는 소음기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 애노드(연료극) 출구측에는 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 연료 전지 시스템(200)의 구성들 중 일부는 당업계에 일반적으로 알려진 구성들인바, 구성들 각각에 관한 설명은 생략하기로 한다.
연료 전지 스택(210)은 공기극과 연료극을 포함하며, 공기블로워(230)는 공기극(캐소드) 측에 공기를 공급할 수 있다. 밸브(240)는 3-way 밸브이며, 공기 블로워의 출구, 일측이 가습기(260)의 출구측과 연결되는 바이패스 배관(250)의 타측 및 가습기(260)에 연결될 수 있다. 바이패스 배관(250)은 가습기(260)의 출구측과 밸브(240) 사이에 형성될 수 있고, 또는 공기 차단 밸브(225)와 밸브(240) 사이에 위치할 수 있다. 바이패스 배관(250)을 통해 들어온 공기는 연료 전지 스택(210) 내의 공기극 채널들을 거치지 않고, 연료 전지 스택(210) 후단의 공기극 배관 중 하나를 통해 출구측 공기 차단 밸브(225) 쪽으로 이동할 수 있다. 또한, 바이패스 배관(250)은 외부의 대기와 바로 연결될 수도 있다. 따라서 바이패스 배관(250)을 통해 들어온 공기는 대기중으로 바로 방출될 수 있다. 또한, 바이패스 배관(250)은 필요에 따라 공기극 출구측, 즉 가습기(260)의 출구측이 아니고, 출구측 공기 차단 밸브(225)와 연결될 수도 있으며, 이때 바이패스 배관(250)을 통해 들어온 공기는 출구측 공기 차단 밸브(225)의 개도 조절에 의해 외부로 배기될 수 있다.
이러한 밸브(224)를 이용한 공기 공급 패스의 조절은 연료 전지 차량의 시동 정지 상태에서 이루어지는 것이며, 밸브(224)의 개도 조절을 통하여 연료 전지 스택(210)으로 공급될 공기와 바이패스 배관(250)으로 공급될 공기의 양을 자유롭게 제어할 수 있다.
한편, 제어부(290)는 연료 전지 스택(210)이 드라이 아웃 즉, 건조한 상태인지 플러딩(flooding) 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 이러한 상태 판단은 스택 출구 공기의 RH 추정기(대한민국 공개특허공보 10-2010-0125324 참조)를 이용하거나, 실시간 전류-전압 곡선을 모니터링하여, 전류-전압 곡선의 기울기를 이용하여 판단할 수 있다.
제어부(290)는 연료 전지 스택(210)의 건조 상태를 판단하여, 판단 결과에 따라 밸브(240)를 조정하여 배관들, 즉 밸브(240)와 공기극을 연결하는 배관, 공기블로워(230)와 밸브(240)를 연결하는 배관 및 가습기(260) 출구측과 밸브(240)를 연결하는 바이패스 밸브(250)의 연결 상태를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(290)는 건조 상태 판단 결과 연료 전지 스택(210)이 건조한 상태인 경우, 밸브(240)에 연결된 배관들 중 가습기(260)의 출구측으로 연결된 바이패스 배관(250)을 통해 공기 블로워(230)로부터 공급된 공기를 외부로 배출하도록 밸브(240)를 제어할 수 있다.
또한 바이패스 배관(250)이 공기극 출구단이 아니라 곧바로 대기와 연결된 경우, 공기 블로워(230)로부터 공급된 공기를 외부로 배출하도록 밸브(240)를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(290)는 연료 전지 스택(210)의 건조 상태가 플러딩 상태인 경우를 제외하고는, 공기극 측으로의 공기 공급을 차단하여 공기 블로워(230) 감속시 불필요하게 발생할 수 있는 공기 과급 조건을 최소화시켜 연료 전지 스택(210)이 건조해지는 것을 방지할 수 있다.
공기극 측에 공기 공급하는 것을 차단하기 위해서, 제어부(290)는 공기극 입구로 연결된 배관에 장착된 3-way 밸브(240)를 통해 연료 전지 발전 정지 중에 공기극에 공급되는 공기를 즉시 차단하여 공기극 발전 정지 시간을 최소화시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)의 경우 3-way 밸브(240)와 이에 연결된 바이패스 배관(250)을 별도로 구비함으로써, 제어부(290)는 공기극 측으로 공급되는 공기와 공기 블로워(230)를 통해 공급하는 유량을 독립적으로 제어할 수 있게 된다. 따라서, 공기 블로워(230)의 회생제동량 또한 가변적으로 조절이 가능하여 에너지 회수율 극대화를 통해 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 빈번한 가감속 구간에서 주행 응답성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제어부(290)는 밸브(240)를 조정하여 연료 전지 스택(210)에 공급되는 공기의 유량 및 공기 블로워(230)를 통해 공급되는 공기의 유량을 독립적으로 제어할 수 있다.
또한, 연료 전지 발전 정지 상태뿐만 아니라 공기 블로워(230) 감속 구간에서도 공기극 공급 유량을 제어하고 회생 제동 정지 운전을 함으로써 에너지를 회수할 수 있다. 밸브(240)가 없는 종래 구조에서는 연료 전지 스택(210)이 건조한 상태인 경우여서 공기 블로워(230)의 감속을 빠르게 실시해야하는 구간일지라도, 배터리(20) 및 전력 변환 장치(21)가 정상 상태가 아니어서 회생 제동이 불가하여 공기 블로워(230)를 관성 제동 운전을 통해 정지시킴으로서 불필요한 공기가 과급되고, 이에 따라 연료 전지 스택(210)의 건조 상태가 악화되는 문제점이 있었다. 그러나, 연료 전지 스택(210)의 공기극 측으로 공급되는 공기와 공기 블로워(230)를 통해 공급되는 유량이 독립적으로 제어될 수 있게 되어, 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 회생 제동 정지시 모터(32) 회생 제동량과 공기 블로워(230) 회생 제동량을 유기적으로 제어하지 못하는 경우 연비 손실이 발생할 우려가 높았으나 공급 공기 유량과 공기 블로워 회생 제동 정지에 대한 독립적인 제어가 가능하게 되어 회생제동 회수율을 최대화할 수 있는 장점이 있다.
한편, 공기 블로워(230)의 회생제동량은 고전압 배터리(20)의 최대 충전 가능 에너지량에서 모터(32)에 의한 회생제동량을 뺀 값에 전자 부하들(33, 41)이 사용하는 에너지 량을 더한 값보다 작게 설정될 수 있다.
제어부(290)는 공급되는 공기를 외부로 배출한 이후, 배터리(20)의 정상 동작 여부 및 충전 상태와 배터리(20)와 연료 전지 스택(10, 210)을 연결하는 전력 변환 장치(21)의 정상 동작 여부에 따라 공기 블로워(230)를 상이한 방식으로 정지시킬 수 있다.
제어부(290)는 배터리(20)와 전력 변환 장치(21)가 정상 동작하며, 배터리(20)의 충전 상태가 기설정된 기준 상태보다 더 낮은 경우, 공기 블로워(230)를 회생 정지시킬 수 있다. 즉, 제어부(290)는 배터리(20) 및 전력 변환 장치(21)가 정상이면 공기 블로워(230)를 회생 제동 운전시켜 에너지를 회수할 수 있다.
또한, 제어부(290)는 배터리(20)가 동작하지 않거나 배터리(20)의 충전 상태가 기설정된 기준 상태보다 더 높거나 또는 배터리(20)와 연료 전지 스택(10, 210)을 연결하는 전력 변환 장치(21)가 고장인 경우 공기 블로워(230)를 관성 정지시킬 수 있다.
또한, 제어부(290)는 연료 전지 스택(210)의 건조 상태 판단 결과 연료 전지 스택(210)이 플러딩(flooding) 상태인 경우, 공기 블로워(230)를 관성 정지시킬 수 있다. 즉, 제어부(290)는 연료 전지 스택(210)의 상태가 플러딩 상태이면, 공기 블로워(230)를 정지하되, 회생제동 운전을 하지 않고 관성으로 공기 블로워(230)가 정지되도록 제어할 수 있다.
제어부(290)는 공기 블로워(230)의 관성 정지에 따라 공기극에 공급되는 공기의 유량이 기설정된 기준값을 만족하면 연료 전지 시스템(200)의 운전을 정지시킬 수 있다. 즉, 관성 정지에 따라 공기극에 공급되는 공기의 유량이 연료 전지 발전 정지 프로세스를 종료시키는 기준 공기 유량보다 더 작은 경우, 제어부(290)는 연료 전지 스탑 모드로 진입시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법을 간략히 도시한 순서도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 운전 제어 방법(300)에 따르면 제어부(290)는 공기 블로워(230)를 중지시킨(S301) 이후, 연료 전지 스택(210)이 건조한 상태인지 여부를 판단한다(S303) 연료 전지 스택이 건조한 상태인지 여부를 판단하는 방법은 대한민국 공개 특허 2012-0064204에 기재된 바와 같이 연료 전지 스택 출구 공기의 상대 습도 추정기를 이용할 수 있다. 또는 실시간 전류-전압(IV) 곡선을 모니터링하여 IV 곡선의 기울기를 이용하여 판단할 수 있다.
구체적으로 제어부(290)에 개념적으로 포함된 공기 블로워 모터 제어기(미도시)는 연료 전지 스택(210)에 공기를 공급하는 공기 블로워(230)의 회전을 제어하고, 연료 전지 스택(210)이 건조한 상태인지 여부에 따라서 상이한 방식으로 공기 블로워(230)의 회전을 정지시켜 연료 전지 스택(210)으로의 공기 공급을 차단할 수 있다. 연료 전지 스택(210)이 건조한 상태인 경우, 제어부(290)는 연료 전지 스택(210)의 공기극으로의 공기 유입을 차단하고, 밸브(240)의 개도를 조정하여 바이패스 배관(250)을 통해 공기 블로워(230)로부터 공급된 공기를 공기극 가습기(260)의 출구측으로 또는 바로 대기 중으로 배출할 수 있다(S305).
제어부(290)는 배터리(20) 및 전력 변환 장치(21)가 정상인지 여부를 판단하여(S309), 배터리(20) 및 전력 변환 장치(21)가 정상적으로 동작하는 경우 공기 블로워(230)의 회생 제동량을 결정하고, 공기 블로워(230)를 회생제동 운전시켜 회생제동 방식으로 정지시킬 수 있다(S311). 공기극으로의 공기 공급을 밸브(240)를 통해 신속하게 차단할 수 있다. 따라서, 건조한 외부 공기에 의해 연료 전지 스택(210)을 더 건조한 상태로 만드는 것을 방지할 수 있다. 또한 회생제동 운전을 통해 에너지를 회수함으로써 연비 또한 향상시킬 수 있다.
다만, 배터리(20)와 전력 변환 장치(21)가 정상이 아닌 경우에 제어부(290)는 공기 블로워(230)를 관성 정지시킬 수 있다(S313). 그러나, 이 경우에도 공기극으로의 공기 공급은 밸브(240)에서 신속하게 차단되어, 공기 블로워(230)로부터 공급된 공기는 바이패스 배관(250)을 통해 연료 전지 스택(210) 내부의 공기극 채널들을 거치지 않고, 연료 전지 스택(210) 후단의 공기극 배관 중 적어도 하나의 배관으로, 또는 외부로 배기되므로 연료 전지 스택(210)의 건조 상태를 악화시키는 것을 방지할 수 있다.
제어부(290)는 연료 전지 스택(210)이 드라이 상태가 아닌 경우, 다시 연료 전지 스택(210)이 플러딩(flooding) 상태인지 여부를 판단하여(S307), 연료 전지 스택(210)이 플러딩 상태인 경우, 공기 블로워(230)를 관성제동 운전시켜 관성제동 방식으로 정지시킬 수 있다.(S315) 즉, 회생제동 운전 없이 관성으로만 공기 블로워가 정지되도록 제어할 수 있다. 관성제동 운전시, 연료 전지 재가속시에 관성 회전수를 활용하여 가속 성능을 확보할 수 있다. 즉, 관성 제동 운전시에는 공기 블로워가 서서히 정지되므로, 연료 전지의 재가동이 요구될 당시의 공기 블로워 회전 수에서부터 빠르게 회전수를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
연료 전지 스택(210)이 플러딩 상태인지 여부를 판단하여 플러딩 상태가 아닌 경우에는 연료 전지 스택(210)이 건조 상태일 때와 마찬가지로, 제어부(290)는 밸브(240)의 개도를 제어하여 공기 블로워(230)를 통해 공급된 공기를 연료 전지 스택(210) 후단의 공기극 배관 중 적어도 하나의 배관으로 연결된 바이패스 배관(250)을 통해 외부로 배기할 수 있다(S305). 또는 경우에 따라 공기극 출구측 배관이 아닌 대기중으로 배기할 수도 있다. 이후 과정은 연료 전지 스택(230)이 드라이 상태일 경우와 동일하다.
한편, 연료 전지 스택(210)이 건조한 상태여서 공기 블로워(230)를 회생제동 운전시키더라도, 회생제동 출력을 회수하기 위한 배터리(20) 또는 전력 변환 장치(21)가 정상적으로 동작하지 않거나 배터리(20)의 충전 상태(SOC; State Of Charge)가 기준 SOC보다 높아 과다하여 회생제동 제한이 발생하는 상황이라면, 제어부(290)는 공기 블로워(230)를 관성제동 운전시킬 수 있다.
공기 블로워(230)를 정지시킴에 따라 연료 전지 스택(210)에 존재하는 공기의 유량이 기준값보다 작다면 제어부(290)는 연료 전지 시스템의 동작을 중단시킨다(S313). 이 때의 연료 전지의 동작 중단시의 동작 모드는 연료 전지 스탑 모드라고 지칭할 수 있다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 관성제동 운전시와 3-way 밸브(240)를 이용하여, 공기 블로워(230)를 통해 공급된 공기를 바이패스시키는 경우에 시간에 따른 전압, 전류 및 공기 블로워(230)의 회전수 변화에 대해 도시한 그래프들이다. 도 2, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제어부(290)의 공기 블로워(230) 회전 명령에 따라서 공기 블로워의 회전수(Rpm)가 제어되다가 블로워 관성제동 운전시(도 4a)에는 공기 블로워 회전 정지 명령이 있음에도 공기 블로워의 회전수가 천천히 감소되며, 밸브(24)를 통해 공급된 공기를 외부로 배출하는 경우(도 4b)에는 공기 블로워 회전 정지 명령에 거의 일치하도록 급격히 공기 블로워의 회전수가 감소됨을 알 수 있다. 도 4a에서 알 수 있는 바와 같이, 관성제동 운전시에는 건조한 공기가 연료 전지 스택에 유입되어 이로 인해 스택의 가습 상태를 악화시킬 수 있다. 반면에 실제 공기 블로워의 회전수가 서서히 감소함에 따라 재가속시, 그때의 공기 블로워 회전수를 이용하여 가속 성능을 확보할 수 있는 효과가 있다. 한편, 연료 전지 스택이 건조한 상태인 경우 공기 블로워(230)에서 공급된 공기를 외부로 배출함에 따라서 공기 유입에 의한 연료 전지 스택(210)의 드라이 아웃(Dry out)을 방지할 수 있다.
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 연료 전지 20 : 고전압 배터리
21 : 전력 변환 장치 32 : 모터
33 : 고전압 전자 부하 40 : 저전압 배터리
41 : 저전압 전자 부하 42 : 저전압 전력 변환 장치
200 : 연료 전지 시스템 210 : 연료 전지 스택
220 : 입구측 공기 차단 밸브 225 : 출구측 공기 차단 밸브
230 : 공기 블로워 240 : 밸브
250 : 바이패스 배관 260 : 가습기
270 : 워터 트랩 275 : 수소 재순환기
280 : 수소 공급 밸브
300 : 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법

Claims (16)

  1. 연료 전지 스택의 발전을 정지시키거나 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기 블로워를 감속시키는 단계; 및
    상기 공기 블로워의 출구측과 상기 연료 전지 스택의 공기극 입구 사이에 위치하는 밸브를 조정하여 상기 밸브에 연결된 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 제어하는 단계 이전에 연료 전지 스택의 건조 상태를 판단하는 단계를 더 포함하며,
    상기 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계는 상기 판단 결과 상기 연료 전지 스택이 건조한 상태인 경우, 상기 밸브에 연결된 배관들 중 바이패스 배관을 통해 상기 공급되는 공기를 공기극의 출구 측으로 배출시키는 단계를 포함하고,
    상기 공급되는 공기를 배출한 이후, 배터리와 전력 변환 장치가 정상 동작하며, 상기 배터리의 충전 상태가 기설정된 기준 상태보다 더 낮은 경우, 상기 공기 블로워를 회생 정지시키는,
    연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계는 상기 판단 결과 상기 연료 전지 스택이 건조한 상태인 경우, 상기 밸브에 연결된 배관들 중 바이패스 배관을 통해 상기 공급되는 공기를 외부로 배출시키는 단계를 포함하는,
    연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 공급되는 공기를 배출한 이후, 배터리의 정상 동작 여부 및 충전 상태와 상기 배터리와 상기 연료 전지 스택을 연결하는 전력 변환 장치의 정상 동작 여부에 따라 상기 공기 블로워를 상이한 방식으로 정지시키는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리가 동작하지 않거나 상기 배터리의 충전 상태가 기설정된 기준 상태보다 더 높거나 상기 배터리와 상기 연료 전지 스택을 연결하는 전력 변환 장치가 고장인 경우 상기 공기 블로워를 관성 정지시키는,
    연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배관들의 연결 상태를 제어하는 단계는 상기 판단 결과 상기 연료 전지 스택이 플러딩(flooding) 상태인 경우, 상기 공기 블로워를 관성 정지시키는 단계를 포함하는,
    연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공기 블로워의 관성 정지에 따라 상기 공기극에 공급되는 공기의 유량이 기설정된 기준값을 만족하면 상기 연료 전지 시스템의 운전을 정지시키는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템의 운전 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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  15. 삭제
  16. 삭제
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