KR101610392B1 - 연료전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것으로서, 냉각수를 승온시키는 히터를 사용하지 않거나 히터의 사용량을 줄이면서 연료전지 스택의 승온 시간을 단축시킬 수 있는 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 시동 후 연료전지 스택에 반응가스가 공급되는 상태에서 온도센서에 의해 검출되는 스택 온도가 설정된 웜업 목표 운전 온도 이하인지를 판정하는 단계와; 스택 온도가 웜업 목표 운전 온도 이하의 저온 운전상태이면 냉각수 펌프를 최대 회전수로 구동하여 냉각수 유량 및 스택 발열량을 증가시킴으로써 스택을 승온시키는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법이 개시된다.

Description

연료전지 시스템의 제어 방법{Method for controlling fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시동 후 저온 운전영역에서 냉각수를 승온시키는 히터를 사용하지 않거나 히터의 사용량을 줄이면서 연료전지 스택을 효율적으로 승온시킬 수 있는 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 휴대 기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.

현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있다.

고분자 전해질형 연료전지는 작동온도가 50 ~ 100℃ 정도로서 비교적 저온이며, 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간, 높은 에너지 밀도를 가지는 장점이 있다.

고분자 전해질형 연료전지는 수소 이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학 반응이 일어나는 전극촉매가 부착된 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL : Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판을 포함하여 구성된다.

이러한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H⁺)과 전자(electron, e^-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

한편, 연료전지 차량 냉각 시스템의 성능 향상을 위해 스택을 높은 운전 온도에서 운전하는 경우 셀 내부의 건조(dry) 발생 가능성이 증가하여 스택의 성능 감소에 의한 발열량 증가 및 스택 효율 감소, 내구 수명 단축 등의 문제점이 발생한다.

또한 차량 냉각에 불리한 낮은 온도에서 스택을 저온 운전하는 경우 셀 내부의 플러딩(floodiing) 발생 가능성이 증가하는데, 시동 후 최적 운전 온도에 도달하기 전까지는 스택 온도가 낮기 때문에 스택 내 물의 응축량이 많아지고, 결국 응축수의 양이 늘면서 플러딩 현상 등 여러 문제점이 발생한다.

즉, 차량 냉각에 불리한 스택의 저온 운전시 셀 내부에 액적의 물량 과다로 MEA, GDL 및 분리판 채널 내에 플러딩 발생 가능성이 높아지는데, 특히 애노드측 플러딩의 경우 캐소드측 산소의 크로스-오버 증가로 애노드측에서 수소/산소 계면이 형성되어 캐소드 전극층 카본 담지체의 부식을 유발하고, 애노드 전극층 내 백금 입자 주위로 라디칼 발생을 가속화시켜 바인더(binder) 열화의 원인이 된다. 또한 수소 확산성 저하로 산화 반응 감소시 수소 이온 생성을 위한 물 전기분해 반응으로 애노드측 카본 담지체 부식을 유발한다.

따라서, 스택 출력 및 발열량, 냉각 시스템 성능, 스택 내구성 등을 고려하여 최적의 운전 온도로 스택을 운전시켜야 하며, 특히 시동 후에는 짧은 시간 내에 스택 온도를 최적 운전 온도로 승온시키는 것이 필요하다.

종래의 스택 승온 방법으로는 외부 열원(전기 히터)을 이용해 냉각수를 승온시킨 뒤 승온된 냉각수를 스택에 통과시켜 스택 온도를 목표 운전 온도로 신속히 높이는 방법(공개특허 제2009-39892호), 목표 운전 온도 유지를 위해 스택을 저효율로 운전시켜 스택의 발열량을 증대시키는 방법(공개특허 제2010-35182호), 부하장치(실내 에어컨, 히터, 냉시동용 밸브 히터, 스택 공급 공기 히터, 스택 엔드 플레이트 발열체 등)를 이용해 스택 출력을 소모시켜 스택 내 자체 발열을 유도하는 방법이 있다.

그러나, 이러한 방법은 단시간에 스택 온도를 높일 수 있는 장점은 있으나, 부하 장치, 열원에서 소비되는 에너지로 인해 시스템 효율이 감소하는 문제를 가지며, 스택에서 발생한 에너지를 모두 열에너지로 소모하기 때문에 에너지 효율을 저하시키는 단점을 가진다. 또한 채널 내 물 응축 및 플러딩 현상을 방지하는데 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 시동 후 저온 운전영역에서 냉각수를 승온시키는 히터를 사용하지 않거나 히터의 사용량을 줄이면서 연료전지 스택을 효율적으로 승온시킬 수 있는 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 시동 후 연료전지 스택에 반응가스가 공급되는 상태에서 온도센서에 의해 검출되는 스택 온도가 설정된 웜업 목표 운전 온도 이하인지를 판정하는 단계와; 스택 온도가 웜업 목표 운전 온도 이하의 저온 운전상태이면 냉각수 펌프를 최대 회전수로 구동하여 냉각수 유량 및 스택 발열량을 증가시킴으로써 스택을 승온시키는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법을 제공한다.

여기서, 시동 후 스택 온도가 설정된 기준온도 이하의 냉시동 조건이면 냉각수를 승온시키기 위한 냉각수 가열수단을 작동시켜 스택을 승온시키고, 스택 승온 후 냉시동 조건이 해제되면 웜업 목표 운전 온도 도달시까지 냉각수 펌프를 최대 회전수로 구동시키는 것이 바람직하다.

또한 냉시동 조건이 해제되면 상기 냉각수 가열수단을 오프시켜 냉각수 펌프의 최대 회전수 구동만으로 스택을 승온시키도록 구성될 수 있다.

그리고, 시동 후 스택 온도가 설정된 기준온도 이하의 냉시동 조건이면 부하장치로 스택 출력을 소모하면서 스택 발열을 통한 스택 승온이 이루어지도록 하고, 스택 승온 후 냉시동 조건이 해제되면 냉각수 펌프를 웜업 목표 운전 온도 도달시까지 최대 회전수로 구동시키는 것이 실시 가능하다.

또한 냉시동 조건이 해제되면 부하장치를 오프시켜 상기 냉각수 펌프의 최대 회전수 구동만으로 스택을 승온시키도록 구성될 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 연료전지 운전 제어 방법에 의하면, 시동 후 저온 운전영역에서 스택 온도가 목표 운전 온도로 승온될 때까지 냉각수 펌프의 구동을 최대 회전수로 제어함으로써, 셀 전압 안정성 및 내구 수명 증대의 효과가 제공됨은 물론 별도 열원을 사용하지 않거나 열원의 에너지 사용량을 줄이면서 효율적으로 스택을 승온시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에서와 같이 냉각수 승온을 위해 연료전지 생성물의 증발 잠열을 이용하는 최대 펌프 운전 제어(최대 유량 제어) 과정을 적용하는 경우 히터(또는 차량의 부하장치)의 사용량을 줄일 수 있고, 이로써 시스템 효율 및 차량 연비를 향상시킬 수 있는 이점을 가지게 된다.

도 1a 및 도 1b는 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 펌프 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명에서 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 냉각수 펌프가 제어되는 상태를 개략적으로 예시한 제어 상태도이다.
도 4는 냉각수 유량에 따른 스택 발열량과 냉각수 방열량의 경향을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에서 냉각수 유량이 증가함에 따라 시동 후 목표 운전 온도에 도달하는 시간이 단축될 수 있음을 보여주는 도면이다.
도 6과 도 7은 냉각수 유량에 따른 스택 운전 온도 변화를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어 과정을 나타내는 순서도이다.

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

본 발명은 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것으로서, 시동 후 저온 운전영역에서 냉각수를 승온시키는 히터를 사용하지 않거나 히터의 사용량을 줄이면서 연료전지 스택을 효율적으로 승온시킬 수 있는 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 연료전지 스택의 시동 후 저온 운전상태에서 냉각수 유량 제어를 통해 연료전지 스택을 승온시키는 것에 주된 특징이 있는 것으로, 스택 발열량을 최대로 이용하면서 스택 손실열이 최소화될 수 있도록 스택을 통과하는 냉각수의 유량을 제어하여 연료전지 스택의 승온 시간을 단축시킬 수 있도록 한 것이다.

주지된 바와 같이 연료전지 스택의 발생열은 전위의 하락에 의해 발생하는데, 그 원인으로는 활성화 분극, 저항 분극, 농도 분극 손실 등이 있다.

또한 반응생성물인 물의 액체 및 기체 상태에 따라 상이한 발열 특성을 나타내며, 종래에는 냉각 시스템 및 냉시동 연구를 위한 스택 발열 특성에 대해 주로 기체 상태만을 고려하여 연구가 진행되어 왔다.

이에 본 발명자는 스택 운전 온도 및 냉각수 유량을 변화시켜 스택 출력 및 냉각수 방열량을 계산하고, 이를 이론 발열량과 비교하여 생성수의 상태 변화 및 스택의 발열 특성 등을 분석하는 연구를 거듭하여 본 발명을 완성하였다.

도 1a 및 도 1b는 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 시스템(TMS : Thermal Management System)을 나타내는 구성도로서, 연료전지 스택(10), 냉각수 라인(11), 냉각수 가열수단인 히터(12), 냉각수 펌프(13), 써모스탯(14), 냉각수 리저버(15), 라디에이터(16), 연료전지 스택(10)의 냉각수 출구 온도를 검출하기 위한 냉각수 출구 온도센서(17), 히터(12)와 냉각수 펌프(13)의 구동을 제어하기 위한 제어기(20)를 포함하는 통상의 열 및 물 관리 시스템이 도시되어 있다.

도 1a는 냉각수를 승온시키기 위한 히터를 사용하지 않는 시스템을, 도 1b는 히터(12)를 사용하는 시스템을 나타낸 것으로, 도 1a의 시스템에 대한 본 발명의 제어 과정은 도 2에, 도 1b의 시스템에 대한 본 발명의 제어 과정은 후술하는 도 8에 나타내었다.

도 1a 및 도 1b에서 반응가스, 즉 수소와 공기를 공급하는 수소공급장치 및 공기공급장치에 대해서는 연료전지 시스템에서 스택 운전을 위한 통상적인 필수 구성요소이므로 도시를 생략하였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 펌프 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 비교예로서 종래기술에 따른 냉각수 펌프 제어 과정을 함께 도시하였다. 또한 도 3은 본 발명에서 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 냉각수 펌프가 제어되는 상태를 개략적으로 예시한 제어 상태도이다.

도 2 및 도 3에서 T는 연료전지 스택의 운전 온도, 즉 스택 온도를 나타내며, 스택 온도로는 냉각수 출구 온도센서(17)에 의해 검출되는 냉각수 출구 온도가 이용될 수 있다.

또한 T1은 냉시동 조건을 판별하기 위한 냉시동 기준온도(예, 0℃)이고, T2는 연료전지 스택의 최적 운전을 위해 시동 후 승온이 이루어지도록 설정되는 스택 웜업 목표 운전 온도(예, 55℃)이다.

또한 T3는 냉각수가 라디에이터(16)를 통과하도록 써모스탯(14)이 개방되는 온도(예, 62℃)로서, 써모스탯 개방 온도인 T3 이하의 스택 온도에서는 냉각수가 라디에이터(16)를 통과하지 않고 폐 루프 상의 냉각수 라인(11)을 순환하게 되며, 스택 온도가 T3를 초과하게 되면 냉각수가 라디에이터(16)를 통과하게 되므로 라디에이터에서의 냉각수 대기 방열이 이루어지게 된다.

또한 T4는 스택의 안전을 위해 설정되는 온도(예, 85℃)로서, 스택 온도가 T4를 초과하는 경우에는 연료전지 시스템을 셧다운시키게 된다.

상기의 온도 T1 ~ T4는 T4 > T3 > T2 > T1으로 설정된다.

이하, 본 발명의 제어 과정에서 냉각수 펌프(13)의 구동 제어는 제어기(20)가 수행하며, 스택 온도, 즉 냉각수 출구 온도를 제어기(20)가 냉각수 출구 온도센서(17)로부터 입력받아 냉각수 펌프(13)의 구동 및 회전수를 제어하게 된다.

본 발명의 제어 과정을 설명하기에 앞서, 도 2를 참조하여 종래기술에 따른 제어 과정을 우선 설명하면, 먼저 시동 후 스택 온도(T)가 상승하여 스택 웜업 목표 운전 온도(T2)에 도달하기까지는 전류를 소모하는 차량 내 부하장치(실내 에어컨, 히터, 냉시동용 밸브 히터, 스택 공급 공기 히터, 스택 엔드 플레이트 발열체 등)(미도시)로 스택 출력을 소모하면서, 이때의 스택 발열로 스택 온도(T)를 목표 운전 온도(T2)까지 승온시킬 수 있는 바, 이때 냉각수 펌프(13)는 미리 설정된 냉시동 운전조건으로 구동시킨다.

즉, 스택(10)을 통과하는 냉각수 유량이 감소하도록 냉각수 펌프(13)를 미리 설정된 낮은 회전수로 저속 구동시켜 스택 발열 및 온도 상승을 최대한 유도하고, 이로써 신속한 승온이 이루어지도록 한다.

이후 스택 온도(T)가 웜업 목표 운전 온도(T2)에 도달하게 되어 스택의 정상 운전이 이루어지는 상태에서는 냉각수 펌프(13)의 회전수를 스택 온도 및 차량 상태에 따른 회전수로 가변 제어하게 된다.

이후 스택 온도(냉각수 출구 온도임)(T)가 상승하여 T3를 초과하는 경우, 써모스탯(14)의 개변 각도와 냉각수 펌프(13)의 회전수를 스택 온도 및 차량 상태에 따라 가변 제어하면서, 라디에이터(16)에서의 대기 방열량을 제어하여 스택 온도를 제어한다.

상기 써모스탯(14)에서는 개변 각도에 따라 내부 유로의 개도량 조절이 조절되면서 라디에이터(16)를 통과하는 냉각수의 양과, 라디에이터를 바이패스하게 되는 냉각수의 양이 분배 제어되도록 되어 있다. 즉, 개변 각도에 따라 정해진 분배량으로 냉각수를 라디에이터(16)와 바이패스 경로(예를 들면, 도 1a 및 도 1b에서 냉각수 펌프(13)로 직결된 냉각수 라인)로 분배하여 조절된 양의 냉각수만이 라디에이터(16)에서 대기 방열되도록 할 수 있는 것이다.

물론, 상황에 따라서는 냉각수 전체를 바이패스 없이 라디에이터(16)로 보내어 대기 방열시킬 수도 있으며, 상술한 바와 같이 스택 온도(T)가 T3를 초과하지 않는 경우라면 라디에이터쪽의 내부 유로가 차단되면서 냉각수 전체가 라디에이터를 통과하지 않도록 바이패스된다.

도 2에서 써모스탯 온(on)은 냉각수의 일부 또는 전체 라디에이터(16)를 통과하도록 라디에이터쪽의 내부 유로가 개방된 상황을 의미한다.

그리고, 스택 온도(T)가 T4를 초과하는 경우에는 연료전지 시스템을 셧다운시키게 된다.

한편, 본 발명에 따른 제어 과정에서는 시동 후 연료전지 스택(10)에 반응가스가 공급되는 상태에서 온도센서(17)에 의해 검출되는 스택 온도(T)가 설정된 웜업 목표 운전 온도(T2) 이하인지를 판정하고, 스택 온도(T)가 웜업 목표 운전 온도(T2) 이하의 저온 운전상태이면 냉각수 펌프(13)를 최대 회전수로 구동하여 냉각수 유량 및 스택 발열량을 증가시킴으로써 스택을 승온시키게 된다.

즉, 제어기(10)가 온도센서(17)에 의해 검출되는 스택 온도(T)를 미리 설정된 시동 초기 웜업 목표 운전 온도(T2)에 도달할 때까지 냉각수 펌프(13)를 최대 회전수로 구동시키는 바, 스택(10)을 통과하는 냉각수 유량을 최대로 증가시키고, 이를 통해 후술하는 바와 같이 스택 발열량을 증가시키는 것이다.

여기서, 스택 시동이 냉시동 조건인 경우, 즉 스택 온도(T)가 냉시동 기준온도(T1) 이하인 경우(통상 빙점 이하의 온도 조건, 예, -20℃ ~ 0℃)라면(T≤T1), 전류를 소모하는 차량 내 부하장치(실내 에어컨, 히터, 냉시동용 밸브 히터, 스택 공급 공기 히터, 스택 엔드 플레이트 발열체 등)로 스택 출력을 소모하면서, 이때의 스택 발열로 스택 온도를 상승시키고, 이때 스택(10)을 통과하는 냉각수 유량이 감소하도록 냉각수 펌프(13)를 미리 설정된 낮은 회전수로 저속 구동시켜 신속한 승온이 이루어지도록 한다.

이와 같이 냉시동 조건에서는 스택 온도(T)를 상기와 같은 방법으로 냉시동 기준온도(T1)에 도달할 때까지 일단 승온시킨 뒤, 이후 스택 온도(T)가 상승하여 냉시동 조건이 해제되면(T>T1) 냉각수 펌프(13)를 최대 회전수로 구동시키는 바, 스택 온도(T)가 시동 후 웜업 목표 운전 온도(T2)에 도달할 때까지 신속히 증가되도록 한다.

또한 냉시동 조건이 해제되면 부하장치를 오프시켜 냉각수 펌프의 최대 회전수 구동만으로 스택을 승온시킬 수 있다.

여기서, 상기 부하장치가 차량 공조용 에이컨이나 히터라면 운전자나 승객의 냉난방 요구에 따라 오프시킬 수 없겠으나, 만약 스택 웜엄을 위한 용도로 사용되고 오프가 가능한 별도의 부하장치, 예컨대 스택 웜업을 위한 용도로 냉시동용 밸브 히터, 스택 공급 공기 히터, 스택 엔드 플레이트 발열체 등이 사용되는 경우라면 냉시동 조건 해제시 오프시켜 냉각수 펌프의 최대 회전수 구동만으로 스택을 승온시키도록 한다.

이와 같이 스택 온도(T)가 기준온도(T1)보다 높게 상승한다면(T>T1) 스택 웜업 목표 운전 온도(T2)까지 냉각수 유량 제어만으로 스택을 승온시킬 수 있고, 특히 이때 오프가 가능한 부하장치라면 오프시키는 것이 바람직하며, 이로써 부하장치에 의해 소모되는 에너지량을 줄일 수 있게 되면서 시스템의 효율이 향상될 수 있게 된다.

이후 스택 온도(T)가 목표 운전 온도(T2)에 도달한 상태에서 냉각수 펌프(13)의 회전수를 스택 온도 및 차량 상태에 따른 회전수로 가변 제어하는 과정, 이후 스택 온도(T)가 T3에 도달하여 써모스탯(14)의 개변 각도 및 냉각수 펌프(13)의 회전수를 가변 제어하면서 라디에이터(16)에서의 대기 방열량을 가변 제어하는 과정, T4를 초과하는 경우에는 연료전지 시스템을 셧다운시키는 과정은 종래와 동일하다.

상기와 같이 본 발명에서는 시동 초기 연료전지 스택의 저온 운전상태에서 스택 온도가 목표 운전 온도(T2)에 도달할 때까지 냉각수 펌프(13)를 최대 회전수로 구동하여 냉각수의 순환 유량을 최대로 증가시키는데(냉각수는 라디에이터에서의 방열 없이 스택과 펌프 사이의 폐 루프 상에서 순환됨), 이 경우 스택의 채널 내 냉각수 유속이 증가하면서 냉각수 입/출구 온도차가 감소하게 되고, 또한 냉각수 방열량은 증가하게 되며, 이로써 스택의 목표 운전 온도 도달 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

참고로 냉각수 방열량은 냉각수 공급 유량 및 스택의 냉각수 입/출구 온도차를 이용하여 구해질 수 있는데, 이는 아래의 식과 같다.

- Q_w = m × C_p ×ΔT (1)

또한 냉각수 펌프(13)를 최고 회전수로 구동시켜 냉각수 유량을 증가시키면, 냉각수 채널 내 유속이 증가하여 방열에 유리하고, 연료전지 생성물의 액체 상태로의 상 전환(응축)이 증가하면서 연료전지 생성물의 상태가 액체 상태로 존재할 가능성이 커지게 된다.

즉, 연료전지 스택의 평균 운전 온도가 감소하여 운전 온도가 낮은 경우 연료전지 반응 생성물로 액체 상태의 물 생성량이 증가하게 되고, 이 경우 스택의 발열량이 증가하게 된다.

하기 식은 액체 상태의 물 생성시와 기체 상태의 물 생성시 연료전지 스택의 발열량을 계산하는 식으로, 연료전지 반응 생성물인 물의 상태에 따라 아래와 같이 차이가 있다.

- 액체 상태로 생성시 : Q_{s ,liquid} = (1.48V - 셀 전압)×전류×셀 수 (2)

- 기체 상태로 생성시 : Q_{s ,steam} = (1.25V - 셀 전압)×전류×셀 수 (3)

생성수가 기체 상태(steam)인 경우 25℃, 1atm 조건에서의 생성 엔탈피 값은 ΔH_f = -241.83kJ/mol (LHV)이고, 이때 엔트로피 손실이 없는 이상 상태를 고려하여 계산하면 1.25V의 기전력을 갖는다. 스택의 발열량은 이 값을 식(3)에 대입하여 계산할 수 있다.

생성수가 액체 상태(liquid)로 응축된 경우에는 ΔH_f = -285.84kJ/mol (HHV)의 엔탈피 값을 가지며, 1.48V의 기전력을 갖는다. 스택의 발열량은 식(2)을 이용하여 계산할 수 있다.

상기 식(2)와 식(3)에서 셀 전압은 계면 저항 등에 의해 떨어지는 실제 셀 전압 값으로서, 이상 상태의 셀 전압(1.48V, 1.25V)과 실제 셀 전압 간의 차이가 발열량으로 나타나게 된다.

또한 기체 상태와 액체 상태의 엔탈피 차이는 44.01kJ/mol로 물의 상태 변화에 따른 증발 잠열의 차이이며, 위와 같이 생성물이 기체 상태인 경우 낮은 발열량을, 생성물이 액체 상태인 경우 높은 발열량을 가진다.

도 4는 냉각수 유량에 따른 스택 발열량과 냉각수 방열량의 경향을 보여주는 도면으로, 생성물이 기체 상태인 경우 낮은 발열량을 가지므로 LHV(Lower Heating Value), 액체 상태인 경우 높은 발열량을 가지므로 HHV(Higher Heating Value)로 나타내었다.

도 4를 참조하면, 시동 후 저온 운전영역(예, 스택 운전 온도 45℃) 조건에서 스택에 공급되는 냉각수의 유량(예, 60LPM ~ 200LPM)이 증가함에 따라 냉각수 방열량이 점차 증가하는 것을 알 수 있다.

이는 냉각수 채널 내 유속이 증가하여 방열에 유리하고 연료전지 생성물의 액체 상태로의 상 전환(응축)이 증가하면서 연료전지 생성물의 상태가 액체 상태로 존재할 가능성이 크기 때문이다.

위의 설명을 요약하면, 본 발명에서와 같이 시동 초기의 저온 운전영역에서 냉각수 펌프(13)를 최대 회전수로 구동시키면 냉각수 유량 및 유속이 증가하면서 냉각수 방열에 유리하고, 이에 스택의 셀 내에서 액체 상태로 존재하는 반응생성물의 양을 증가시킬 수 있는 바, 결국 액체 상태의 생성물이 많아지면서 상기한 증발 잠열의 차이로 스택의 발열량이 증가하게 된다.

이는 곧 차량 시동 초기 냉각수 공급 유량을 증가시킬 경우 스택의 승온 시간을 단축시킬 수 있음을 의미하는 것으로, 시동 초기에 본 발명에서와 같이 냉각수 펌프(13)의 회전수를 최대로 제어하는 경우 셀 내부의 액체 상태의 물량 증가 및 그로 인한 스택의 발열량 증가를 유도할 수 있게 되어 목표 운전 온도까지의 승온 시간을 단축시킬 수 있게 되는 것이다.

도 5는 본 발명에서 냉각수 유량을 증가시킬 경우(60LPM→200LPM) 시동 후 목표 운전 온도에 도달하는 시간이 단축될 수 있음을 보여주는 도면이다.

도 6과 도 7은 냉각수 유량에 따른 스택 운전 온도 변화를 보여주는 도면으로, 도 6은 냉각수 유량을 2.4LPM으로, 도 7은 냉각수 유량을 7.2LPM으로 한 경우의 셀 전압과 스택 운전 온도(냉각수 출구 온도)를 나타낸 것이며, 13셀로 이루어진 평가용 스택을 이용하여 측정한 결과를 나타낸 것이다.

도 6 및 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 차량 시동 초기 냉각수 유량을 증대시킬 경우 승온 시간을 20% 정도 단축시킬 수 있었으며, 냉각수 입/출구 온도차의 감소와 더불어 스택 전압의 안정성도 향상됨을 알 수 있다.

도 6을 참조하면, 특정 셀에서 셀 전압 값이 불안정한 형태를 나타내고 있는데, 이는 냉각수 유량이 낮음에 따라 스택 내 셀 간의 유량 분배 불량, 그로 인한 냉각수의 부분적인 정체, 국부적인 건조 상태 발생, 물의 평형상태 깨짐 등이 원인이 될 수 있고, 본 발명에서와 같이 냉각수 유량을 증대시킬 경우 이러한 문제들이 개선되면서 스택 전압의 안정성이 향상될 수 있고, 이에 내구 수명의 증대가 가능해진다.

한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 이는 운전 온도 승온 시간 단축을 위해 도 1b에 나타낸 바와 같이 냉각수 라인(11)에 냉각수 가열수단인 히터(12)가 적용된 경우의 제어 과정을 나타낸 것이다.

여기서, 냉각수 가열수단은 냉각수 라인(11)에 설치된 발열체인 히터(12) 외에 냉각수가 통과할 수 있는 유로를 구비하고 이 유로를 통과하는 냉각수를 승온시킬 수 있는 차량 내 발열부품이 될 수도 있다.

종래에는 시동 후 스택 온도(T)가 웜업 목표 운전 온도(T2)에 도달할 때까지 제어기(20)가 히터(12)를 작동시켜(히터 온(on)) 승온 시간을 단축하나, 본 발명에서는 스택 온도(T)가 냉시동 기준온도(T1) 이하인 냉시동 조건일 경우에만 히터(12)를 사용하는 것이 가능해진다.

즉, 시동 후 스택 온도(T)가 설정된 기준온도(T1) 이하의 냉시동 조건이면(T≤T1) 냉각수를 승온시키기 위한 히터(12)를 작동시켜 스택(10)을 승온시키고, 스택 승온 후 냉시동 조건이 해제되면(T>T1) 웜업 목표 운전 온도(T2) 도달시까지 냉각수 펌프를 최대 회전수로 구동시키되, 상기 히터(12)를 오프시켜 냉각수 펌프(13)의 최대 회전수 구동만으로 스택(10)을 승온시키는 것이다.

결국, 종래와 같이 웜업 목표 운전 온도(T2)까지 히터(12)를 이용하여 스택을 승온(냉각수 승온)시키는 경우 히터의 소모 에너지만큼 시스템 효율이 감소하므로 차량 연비를 저하시킬 수 있으나, 냉각수 승온 시간 단축을 위해 연료전지 생성물의 증발 잠열을 이용하는 본 발명의 최대 펌프 운전 제어(최대 유량 제어) 과정을 히터(12)와 병행하여 적용하는 경우 히터의 사용량을 줄일 수 있고, 이로써 시스템 효율 및 차량 연비를 향상시킬 수 있는 이점을 가지게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명은 냉각수 유량 제어를 이용하는 스택의 효율적인 승온 기술로서, 시동 후 저온 운전영역에서 스택 온도가 목표 운전 온도로 승온될 때까지 냉각수 펌프의 구동을 최대 회전수로 제어함으로써, 셀 전압 안정성 및 내구 수명 증대의 효과를 제공함은 물론, 별도 열원을 사용하지 않거나 열원의 에너지 사용량을 줄이면서 효율적으로 스택을 승온시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 연료전지 스택 11 : 냉각수 라인
12 : 히터 13 : 냉각수 펌프
14 : 써모스탯 15 : 냉각수 리저버
16 : 라디에이터 17 : 냉각수 출구 온도센서
20 : 제어기

Claims (5)

1. 시동 후 연료전지 스택에 반응가스가 공급되는 상태에서 온도센서에 의해 냉각수 출구 온도인 스택 온도를 검출하고,
   상기 스택 온도가 설정된 기준온도 이하의 냉시동 조건인 경우, 부하장치로 스택 출력을 소모하면서 스택 발열을 통한 스택 승온이 이루어지도록 함과 함께, 냉각수 펌프를 미리 설정된 낮은 회전수로 저속 구동시켜 신속한 승온이 이루어지도록 하고,
   스택의 승온으로 스택 온도가 냉시동 조건이 해제되면, 스택 웜업을 위한 부하장치를 오프시키고, 웜업 목표 운전 온도 도달시까지 냉각수 펌프를 최대 회전수로 구동시켜, 냉각수를 라디에이터에서의 방열 없이 스택과 펌프 사이의 폐루프에서 최대로 증가된 유량으로 순환시키며,
   상기 스택 온도가 웜업 목표 운전 온도 이상이 되면, 냉각수 펌프의 회전수를 스택 온도와 차량 상태에 따라 가변 제어하며, 냉각수가 라디에이터에서 방열되게 하는 것을
   포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 스택 온도가 설정된 기준온도 이하의 냉시동 조건에서 가동되는 부하장치는 냉각수를 승온시키기 위한 냉각수 가열수단인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
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