KR101646403B1 - 연료전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템의 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 연료전지 차량의 주행 중 연료전지 발전 정지시, 연료전지 스택의 전압을 검출하는 단계 및 검출된 전압의 크기 변화에 따라 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 제어 방법{CONTROL METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 발전 정지시 수소 공급압을 가변하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
도 1은 전반적인 연료전지 시스템을 도식화한 도면이다. 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(10), 연료전지 부하장치(20), 공기블로워(30), 가습기(40), 입구측과 출구측 공기차단밸브(35, 45), 드레인 밸브(42), 퍼지 밸브(44),워터트랩(50), 수소재순환기(55), 수소공급밸브(57), 라디에이터(60) 및 써모스탯(65)을 포함할 수 있다.
입구측과 출구측 공기차단밸브(35, 45)는 연료전지 차량의 시동 정지 이후에 공기가 연료전지 스택으로 유입되는 것을 차단할 수 있다. 드레인 밸브(42)는 수소 출구 라인에 마련되어 애노드 측에 쌓인 생성수를 제거하며, 퍼지 밸브(44)는 애노드 측의 수소 농도를 조정하며, 공기 출구측에 공기와의 희석 목적으로 수소를 배출할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 전압을 낮춰 제거하기 위한 연료전지 부하장치(20)는 연료전지 차량의 시동 정지 중 그리고 정지 이후에 연료전지 스택(10) 내부의 산소를 제거하기 위해 연료전지 스택(10)과 상시 연결된다. 연료전지 스택(10)에 유입된 산소는 연료전지 부하장치(20)를 통해 전류가 소모되면서 애노드의 잔존 수소와 함께 제거된다. 애노드에 수소가 부족한 경우에 산소 소모가 불가하므로 이를 막기 위해 주기적으로 애노드에 수소를 공급하는 Wakeup 기술이 이용된다.(대한민국 공개특허 제10-2010-0060478호)
한편, 연료전지 발전 정지(FC STOP) 시에는 애노드 압력 제어를 통해 애노드에서 캐소드로 크로스 오버되는 수소의 양을 감소시켜야 수소 배기 가스 규제를 만족시킬 수 있다. 따라서, 크로스 오버되는 수소의 양을 감소시킬 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 연료전지 발전 정지시 수소 공급압을 가변함으로써 수소 크로스 오버를 최소화할 수 있는 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은, 연료전지 차량의 주행 중 연료전지 발전 정지시, 연료전지 스택의 전압을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 전압의 크기 변화에 따라 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수소 공급압을 조정하는 단계는, 상기 연료전지 발전 정지 이후 상기 연료전지 스택의 전압 크기가 소정 기준 전압 미만인 경우 수행될 수 있다.
상기 소정 기준 전압은 상기 연료전지 발전 정지 이후, 강제적으로 부하를 통해 연료전지 스택의 전압을 낮춘 이후의 전압인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 수소 공급압을 조정할 때, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 상기 연료전지 스택의 전압보다 높게 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수소 공급압을 조정하는 단계를 수행하기 이전에, 상기 연료전지 스택으로의 외부 공기 공급을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계는, 상기 연료전지 스택으로의 외기 유입에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 상승하면, 수소 공급압을 상승시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 전압 크기 변화에 따라 히스테리시스 구간을 가지고 조정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 전압 크기가 감소할수록 수소 공급압을 낮추는 단계를 포함할 수 있다.
상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계의 수행시간과 기설정된 기준시간을 비교하는 단계; 및 상기 수행시간이 하향 조정된 수소공급압에 따른 기설정된 기준시간을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소를 애노드 측에 추가 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 추가 퍼지 횟수는 상기 수행시간이 기설정된 기준시간을 초과한 시간에 비례할 수 있다.
상기 수소 공급압 조정에 의해 하향 조정된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 기준압력의 크기를 비교하는 단계; 및 상기 적분값이 기설정된 기준압력을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소를 애노드 측에 추가 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 추가 퍼지 횟수는 상기 기설정된 기준압력과 상기 적분값의 차이에 비례할 수 있다.
상기 수소 공급압 조정에 의해 애노드 측으로 이동하는 질소의 이동속도를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 질소량을 비교하는 단계; 및 상기 적분값이 기설정된 질소량을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소를 애노드 측에 추가 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 추가 퍼지 횟수는 상기 기설정된 질소량과 상기 적분값의 차이에 비례할 수 있다.
상기 연료전지 발전이 재개됨에 따라 수소 공급압이 상승하여 애노드 측 수소량이 목표 수소량에 도달된 이후, 캐소드 측에 공기를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 추가 퍼지하는 단계는, 상기 공기를 공급하는 단계 이후에 수행될 수 있다.
상기 애노드 측 수소량이 목표 수소량에 도달되기 이전에는, 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 상기 연료전지 스택의 전압보다 높게 조정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계의 수행시간과 기설정된 기준시간을 비교하는 단계; 및 상기 수행시간이 하향 조정된 수소공급압에 따른 기설정된 기준시간을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소 공급압을 소정 시간 동안 증대시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수행시간이 기설정된 기준시간을 초과한 시간과 상기 소정 시간 또는 상기 증대되는 수소 공급압의 크기 중 적어도 하나는 비례할 수 있다.
상기 수소 공급압 조정에 의해 하향 조정된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 기준압력의 크기를 비교하는 단계; 및 상기 적분값이 기설정된 기준압력을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소 공급압을 소정 시간동안 증대시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기설정된 기준압력과 상기 적분값의 차이와, 상기 소정 시간 또는 상기 증대되는 수소 공급압의 크기 중 적어도 하나는 비례할 수 있다.
상기 수소 공급압 조정에 의해 애노드 측으로 이동하는 질소의 이동속도를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 질소량을 비교하는 단계; 및 상기 적분값이 기설정된 질소량을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소 공급압을 소정 시간동안 증대시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기설정된 질소량과 상기 적분값의 차이와, 상기 소정 시간 또는 상기 증대되는 수소 공급압의 크기 중 적어도 하나는 비례할 수 있다.
상기 질소의 이동속도는 상기 수소 공급압 조정에 의해 감소된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이, 연료전지 스택의 가습 상태, 연료전지 스택의 전압 중 적어도 하나에 의존할 수 있다.
상기 질소의 이동 속도는 상기 수소 공급압 조정에 의해 감소된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이가 클수록, 연료전지 스택의 가습 정도가 높을수록, 연료전지 스택의 온도가 높을수록, 또는 연료전지 스택의 전압이 하강할수록 빠른 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 적분값은 상한치를 갖는다.
상기 상한치는 램에어가 유입되면 증가한다.
상기 수소 공급압을 소정 시간 동안 증대시킨 이후, 수소를 추가로 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지의 발전 재개는 상기 수행 시간이 설정 시간 이상이 되면 수행될 수 있다.
상기 연료전지의 발전 재개는 상기 적분값이 설정값 이상이 되면 수행될 수 있다.
상기 추가 퍼지 완료 이후 상기 연료전지의 발전 재개를 완료할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법에 따르면, 연료전지 발전 정지시 연료전지 수소 공급압을 하향 제어함으로써 수소 크로스 오버를 최소화시킬 수 있다.
수소 크로스 오버를 최소화시킴으로써 연비를 향상시키고, 배출가스를 저감시킬 수 있다.
연료전지 발전 재개(Restart) 시 수소 공급압을 높이고, 수소 퍼지함으로써 애노드 측에 쌓인 질소를 제거할 수 있다.
도 1은 전반적인 연료전지 시스템을 도식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 연료전지 발전 정지시 연료전지 스택의 전압에 따른 수소 공급압의 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 수소 공급압을 하향 제어하는 시간에 따라 연료전지 재시동시 수소 공급압을 증대시키고, 수소 퍼지하는 연료전지 시스템의 제어방법에 대해 간략히 설명한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 시간의 변화에 따라 연료전지 스택의 전압 크기의 변화와 수소 공급압의 변화를 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다. 도시된 바와 같이, 차량용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템은, 메인버스단(211)을 통해 병렬로 접속되는 주동력원인 연료전지 스택(10)과 보조동력원인 고전압 배터리(메인배터리)(220), 고전압 배터리(220)의 출력 제어가 가능하도록 고전압 배터리(220)에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(BHDC:Bidirectional High Voltage DC/DC Converter)(221), 연료전지 스택(10)과 고전압 배터리(220)의 출력측인 메인버스단(211)에 연결된 인버터(231), 인버터(231)에 연결된 구동모터(232), 인버터(231) 및 구동모터(232)를 제외한 차량 내 고전압 부하(233), 저전압 배터리(보조배터리)(240) 및 저전압 부하(241), 저전압 배터리(240)와 메인버스단(211) 사이에 연결되어 고전압을 저전압으로 변환해주는 저전압 DC/DC 컨버터(LDC:Low Voltage DC/DC Conveter)(242) 및 연료전지 부하장치(20)를 포함할 수 있다.
여기서, 차량의 주동력원인 연료전지 스택(10)과 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(220)가 메인버스단(211)을 통해 인버터(231)/구동모터(232) 등 시스템 내 각 부하에 대해 병렬로 접속되고, 고전압 배터리단에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(221)가 연료전지 스택(10)의 출력측인 메인버스단(211)에 접속되어, 양방향 DC/DC 컨버터(221)의 전압(메인버스단으로의 출력 전압) 제어에 의해 연료전지 스택(10)의 출력 및 고전압 배터리(220)의 출력 제어가 가능하도록 되어 있다.
연료전지 스택(10)의 출력단에는 역전류가 흐르지 않도록 연결된 다이오드(213)가 설치된다. 연료전지 스택(10)을 메인버스단(211)에 선택적으로 연결하도록 구비된 릴레이(214)가 설치될 수 있다. 릴레이(14)는 연료전지(10)가 정상 운전되는 차량 운행 중뿐만 아니라 연료전지 시스템의 아이들 스탑/재시동 상태에서 항시 연결된 상태로 있게 되며, 차량의 키 오프(키오프에 따른 정상 셧다운)시 또는 비상 셧다운시에만 연결이 해제된다. 연료전지 부하장치(20)는 연료전지 시동 및 셧다운시 연료전지의 전압 제거를 위한 부하이다. 연료전지 스택(10)과 연료전지 부하장치(20)는 연료전지 부하 릴레이(25)를 통해 연결될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 연료전지 발전 정지시 연료전지 스택의 전압에 따른 수소 공급압의 변화를 도시한 그래프이다. 도 4는 수소 공급압을 하향 제어하는 시간에 따라 연료전지 재시동시 수소 공급압을 증대시키고, 수소 퍼지하는 연료전지 시스템의 제어방법에 대해 간략히 설명한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 시간의 변화에 따라 연료전지 스택의 전압 크기의 변화와 수소 공급압의 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 크게 연료전지 발전 정지시, 연료전지 스택의 전압을 검출하는 단계와 검출된 전압의 크기 변화에 따라 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
즉, 기존의 연료전지 시스템의 경우 연료전지 발전 정지 이후에 공기 공급만 중지했었으나, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 경우는 연료전지 발전 정지 이후에 공기 공급을 중지할 뿐만 아니라 수소 공급압도 하향시키는 것이 특징이다.
수소 공급압을 조정하는 단계는, 연료전지 발전 정지 이후 연료전지 스택의 전압 크기가 소정 기준 전압 미만인 경우 수행될 수 있다. 수소 공급압을 조정하는 단계 이전에는 연료전지 스택(10)으로의 외부 공기 공급을 차단시킬 수 있다. 또한, 수소 공급압을 조정할 때, 연료전지 스택(10)의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 연료전지 스택(10)의 전압보다 높게 조정하여 연료전지 스택(10)으로부터의 출력이 메인 버스단(211) 측으로 공급되는 것을 방지한다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이 수소 공급압을 조정할 때, 연료전지 스택(10)의 전압 크기 변화에 따라 히스테리시스 구간을 가지고 수소 공급압을 조정할 수 있다. 대체적으로, 연료전지 발전 정지 이후에는 연료전지 부하장치(20) 등에 의하여 연료전지 스택(10)의 전압이 감소한다. 연료전지 스택의 전압이 감소함에 따라 수소 공급압을 하향시킬 수 있다. 연료전지 스택(10)으로의 외기 유입에 따라 연료전지 스택(10)의 전압이 상승하면, 수소 공급압을 상승시킬 수도 있다.
도 3a에 표시된 부분을 확대 도시한 것이 도 3b로서 도 3a에 따르면, 연료전지 발전 정지 상태에서 공기 유량은 0이지만, 수소 공급압은 일정치로 유지되고 있음을 볼 수 있다. 그러나, 본원의 경우, 도 3b에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(10)의 전압 감소에 따라 수소 공급압을 하향 제어할 수 있다. 도 3b를 참조하면, 구간 A는 연료전지 스택(10)의 전압 제거 구간으로써 강제적으로 고전압 배터리를 충전하거나, 연료전지 부하장치(20)를 이용하여 연료전지 스택(10)의 전압을 제거하는 구간이다. 즉, 연료전지 스택(10)의 전압이 강제적으로 부하를 통해 소정 전압 이하로 떨어진 이후의 구간 B에서 비로소, 본원의 수소 공급압 하향 제어가 수행된다.
구간 B에서는 메인버스단 전압이 연료전지 스택의 전압보다 높게 설정되어 연료전지 스택의 출력이 차단되며, 애노드에서 캐소드로의 수소 크로스 오버가 최소화된다. 또한, 애노드로 산소가 유입되는 것을 방지하는데 이때 재시동시 응답성과 공기 차단 밸브의 작동 빈도, 외부 산소 유입 방지를 종합적으로 고려한다.
구간 B에서도 수소 공급압 조정은 히스테리시스 밴드를 가지고 수행되어, 연료전지 스택(10)의 전압이 외기 유입 등으로 인하여 증가하면 수소 공급압도 상승 제어할 수 있다. 수소 공급압 하향 제어시, 하향 제어 수행시간이 측정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 전압이 감소하여 소정 전압 미만이 되었을 때 비로소 수소 공급압이 하강하고 있음을 알 수 있다.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 애노드 측 수소 공급압을 조정 제어가 수행된 시간과 기설정된 기준시간을 비교하여, 수행시간이 하향 조정된 수소공급압에 따른 기설정된 기준시간을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소를 애노드 측에 추가 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 수소 공급압 조정에 의해 하향 조정된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 기준압력의 크기를 비교하여, 적분값이 기설정된 기준압력을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소를 애노드 측에 추가 퍼지하는 단계를 더 포함할 수도 있고, 수소 공급압 조정에 의해 애노드 측으로 이동하는 질소의 이동속도를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 질소량을 비교하여, 적분값이 기설정된 질소량을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소를 애노드 측에 추가 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계의 수행시간과 기설정된 기준시간을 비교하여 수행시간이 하향 조정된 수소공급압에 따른 기설정된 기준시간을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소 공급압을 소정 시간(Tadd_rst) 동안 증대시키는 단계를 더 포함할 수 있고, 수소 공급압 조정에 의해 하향 조정된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 기준압력의 크기를 비교하여 적분값이 기설정된 기준압력을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소 공급압을 소정 시간(Tadd_rst) 동안 증대시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 수소 공급압 조정에 의해 애노드 측으로 이동하는 질소의 이동속도를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 질소량을 비교하여 적분값이 기설정된 질소량을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소 공급압을 소정 시간(Tadd_rst)동안 증대시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서 기설정된 기준시간은 수소 공급압에 따라 가변될 수 있다. 즉, 수소 공급압이 수소 공급압의 조정에 따라 어느 정도 하향되었는지 여부에 의해서 기설정된 기준 시간은 달라질 수 있다. 예컨대, 하향 제어 수행 시간이 길더라도 수소 공급압의 하향 정도가 하향 제어 수행 시간이 더 짧은 경우보다 더 크지 않다면 기준 시간은 조금 더 길게 설정될 수 있다.
또한, 수행시간이 기설정된 기준시간을 초과한 시간는 추가 퍼지 횟수에 비례할 수 있고, 소정 시간 또는 증대되는 수소 공급압의 크기 중 적어도 하나에 비례할 수 있다. 즉, 수소 공급압의 하향 정도가 시간에 따라 일정하다고 가정하면, 수소 공급압 조정 제어 수행 시간이 기설정된 기준 시간을 얼마나 초과하였는지는 결국 애노드 측의 수소 공급압이 얼마나 낮은 상태인지를 뜻하며, 수소 공급압이 더 많이 낮아져 있을수록 수소 공급압을 증대시키는 시간(Tadd_rst)과 증대시켜야 하는 수소 공급압의 크기(Padd_rst)는 길어지고 커질 수 있다. 또한, 추가 퍼지 횟수도 증가될 수 있다.
상술한 바와 같이, 기존에는 연료전지 발전 정지를 하더라도 공기 공급량만 조정했을 뿐, 수소 공급압은 일정값으로 유지하였다. 따라서, 이러한 일정값(일정값을 연료전지 발전 정지 상태의 초기 수소 공급압으로 표현)과 수소 공급압 조정에 의해 감소된 수소 공급압과의 차이를 시간 적분하여, 기설정된 기준 압력과 비교하여 그 차이가 크다면 수소 공급압이 연료전지 발전 정지 이후 더 많이 하향된 것이므로 수소를 추가로 퍼지하던가 수소 공급압을 소정 시간(Tadd_rst) 동안 추가로 증대시킬 수 있다. 예컨대, 기설정된 기준압력과 적분값의 차이와 소정 시간(Tadd_rst) 또는 증대되는 수소 공급압의 크기(Padd_rst) 및 수소 퍼지 횟수는 비례하는 관계를 갖는다.
여기서, 질소의 이동속도는 수소 공급압 조정에 의해 감소된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이, 연료전지 스택(10)의 가습 상태, 연료전지 스택(10)의 온도, 또는 연료전지 스택(10)의 전압 중 적어도 하나에 의존하며, 구체적으로 질소의 이동 속도는 수소 공급압 조정에 의해 감소된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이가 클수록, 연료전지 스택(10)의 가습 정도가 높을수록, 연료전지 스택(10)의 온도가 높을수록, 또는 연료전지 스택(10)의 전압이 하강할수록 더 빠를 수 있다.
상술한 두 종류의 적분 값들은 모두 상한치를 가지고 있으며, 이러한 상한치는 램에어가 유입되면 증가할 수 있다. 램에어의 유입량은 공기 유량 감지 센서로 감지할 수도 있고, 차량의 주행 속도가 높을수록 램에어 유입량이 높다고 추정하여 판단할 수도 있다.
또한, 본원의 연료전지 시스템의 제어 방법에 따르면 수소 공급압을 소정 시간 동안 증대시킨 이후에, 수소를 추가로 퍼지(도 4의 Pugadd_rst)할 수도 있다. 단 수소 추가 퍼지는 연료전지 발전이 재개됨에 따라 수소 공급압이 상승하여 애노드 측 수소량이 목표 수소량에 도달된 이후, 캐소드 측에 공기가 공급된 이후에 수행될 수 있다. 이는 수소 퍼지시 공기 희석이 필요하기 때문이다.
수소 퍼지 횟수와 주기는 가변될 수 있다. 그리고 발전 재개는 이러한 수소 퍼지가 완료된 이후에 수행될 수 있다. 도 5를 참조하면, 수소 공급압을 증대하고 이후 추가로 수소를 퍼지하여 수소 공급압을 낮추는 것을 알 수 있다. 그리고 수소 퍼지되는 시점이 공기 공급 시작 시점 이후인 것을 알 수 있다.
즉, 애노드 측 수소량이 목표 수소량에 도달된 이후, 캐소드 측에 공기를 공급하고, 공기 공급 이후 수소를 추가로 퍼지할 수 있다. 목표 수소량은 연료전지 발전 재개 프로세스에서 연료전지 발전 재개가 개시될 때 달성되어야 하는 목표 수소량이며, 수소 공급압을 추가로 높이거나, 수소를 추가 퍼지하게 되면 이러한 목표 수소량보다 더 수소량이 높아질 수 있다. 즉, 연료전지 발전 재개시 애노드 측 수소량이 목표 수소량에 도달되면, 그 이후 캐소드 측에 공기가 공급되는데, 수소 퍼지는 공기 공급이 된 이후에 행해져야 한다. 연료전지 발전 재개 프로세스는 고전압 배터리의 SOC와 운전자의 요구 토크에 의해 시작되며, 연료전지 발전 정지 중에 고전압 배터리의 SOC가 기준보다 낮거나, 운전자의 요구 토크가 기준보다 크면 연료전지 발전 재개 프로세스가 개시될 수 있다.
또한, 본 발명에서 연료전지 발전 개시 프로세스는 적분값들 또는 수행 시간이 설정 시간 이상 또는 설정 값 이상이 되면 개시될 수 있다.
여기서, 애노드 측 수소량이 목표 수소량에 도달되기 이전에는, 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 연료전지 스택의 전압보다 높게 조정하여 연료전지 스택의 출력을 차단할 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 : 연료전지 20 : 연료전지 부하장치
30 : 공기 블로워 40 : 가습기
50 : 워터트랩 60 : 라디에이터
220 : 고전압 배터리 221 : 양방향 DC/DC 컨버터
231 : 인버터 232 : 모터
233 : 고전압 부하 240 : 저전압 배터리
241 : 저전압 부하 242 : 저전압 DC/DC 컨버터

Claims (32)

  1. 연료전지 차량의 주행 중 연료전지 발전 정지시, 연료전지 스택의 전압을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 전압의 크기 변화에 따라 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계를 포함하며,
    상기 수소 공급압 조정에 의해 하향 조정된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 기준압력의 크기를 비교하는 단계; 및
    상기 적분값이 기설정된 기준압력을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소를 애노드 측에 추가 퍼지하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소 공급압을 조정하는 단계는, 상기 연료전지 발전 정지 이후 상기 연료전지 스택의 전압 크기가 소정 기준 전압 미만인 경우 수행되는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소정 기준 전압은 상기 연료전지 발전 정지 이후, 강제적으로 부하를 통해 연료전지 스택의 전압을 낮춘 이후의 전압인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소 공급압을 조정할 때, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 상기 연료전지 스택의 전압보다 높게 조정하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소 공급압을 조정하는 단계를 수행하기 이전에,
    상기 연료전지 스택으로의 외부 공기 공급을 차단하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계는,
    상기 연료전지 스택으로의 외기 유입에 따라 상기 연료전지 스택의 전압이 상승하면, 수소 공급압을 상승시키는 단계를 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 전압 크기 변화에 따라 히스테리시스 구간을 가지고 조정하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 전압 크기가 감소할수록 수소 공급압을 낮추는 단계를 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계의 수행시간과 기설정된 기준시간을 비교하는 단계; 및
    상기 수행시간이 하향 조정된 수소공급압에 따른 기설정된 기준시간을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소를 애노드 측에 추가 퍼지하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 추가 퍼지 횟수는 상기 수행시간이 기설정된 기준시간을 초과한 시간에 비례하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 추가 퍼지 횟수는 상기 기설정된 기준압력과 상기 적분값의 차이에 비례하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  13. 연료전지 차량의 주행 중 연료전지 발전 정지시, 연료전지 스택의 전압을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 전압의 크기 변화에 따라 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계를 포함하며,
    상기 수소 공급압 조정에 의해 애노드 측으로 이동하는 질소의 이동속도를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 질소량을 비교하는 단계; 및
    상기 적분값이 기설정된 질소량을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소를 애노드 측에 추가 퍼지하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 추가 퍼지 횟수는 상기 기설정된 질소량과 상기 적분값의 차이에 비례하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  15. 제1항, 제9항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 발전이 재개됨에 따라 수소 공급압이 상승하여 애노드 측 수소량이 목표 수소량에 도달된 이후, 캐소드 측에 공기를 공급하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 추가 퍼지하는 단계는,
    상기 공기를 공급하는 단계 이후에 수행되는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 애노드 측 수소량이 목표 수소량에 도달되기 이전에는, 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 상기 연료전지 스택의 전압보다 높게 조정하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계의 수행시간과 기설정된 기준시간을 비교하는 단계; 및
    상기 수행시간이 하향 조정된 수소공급압에 따른 기설정된 기준시간을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소 공급압을 소정 시간 동안 증대시키는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 수행시간이 기설정된 기준시간을 초과한 시간과 상기 소정 시간 또는 상기 증대되는 수소 공급압의 크기 중 적어도 하나는 비례하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  20. 연료전지 차량의 주행 중 연료전지 발전 정지시, 연료전지 스택의 전압을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 전압의 크기 변화에 따라 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계를 포함하며,
    상기 수소 공급압 조정에 의해 하향 조정된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 기준압력의 크기를 비교하는 단계; 및
    상기 적분값이 기설정된 기준압력을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소 공급압을 소정 시간동안 증대시키는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 기설정된 기준압력과 상기 적분값의 차이와, 상기 소정 시간 또는 상기 증대되는 수소 공급압의 크기 중 적어도 하나는 비례하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  22. 연료전지 차량의 주행 중 연료전지 발전 정지시, 연료전지 스택의 전압을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 전압의 크기 변화에 따라 애노드 측 수소 공급압을 조정하는 단계를 포함하며,
    상기 수소 공급압 조정에 의해 애노드 측으로 이동하는 질소의 이동속도를 시간에 따라 적분한 값과 기설정된 질소량을 비교하는 단계; 및
    상기 적분값이 기설정된 질소량을 초과하는 경우, 연료전지 발전 재개시 수소 공급압을 소정 시간동안 증대시키는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 기설정된 질소량과 상기 적분값의 차이와, 상기 소정 시간 또는 상기 증대되는 수소 공급압의 크기 중 적어도 하나는 비례하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  24. 제13항 또는 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질소의 이동속도는 상기 수소 공급압 조정에 의해 감소된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이, 연료전지 스택의 가습 상태, 연료전지 스택의 전압 중 적어도 하나에 의존하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  25. 제13항 또는 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질소의 이동 속도는 상기 수소 공급압 조정에 의해 감소된 수소 공급압과 연료전지 발전정지 상태의 초기 수소 공급압의 차이가 클수록, 연료전지 스택의 가습 정도가 높을수록, 연료전지 스택의 온도가 높을수록, 또는 연료전지 스택의 전압이 하강할수록 빠른 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  26. 제1항, 제13항, 제20항 또는 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적분값은 상한치를 갖는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 상한치는 램에어가 유입되면 증가하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  28. 제18항, 제20항 또는 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 공급압을 소정 시간 동안 증대시킨 이후, 수소를 추가로 퍼지하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  29. 제9항 또는 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 발전 재개는 상기 수행 시간이 설정 시간 이상이 되면 수행되는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  30. 제1항, 제13항, 제20항 또는 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 발전 재개는 상기 적분값이 설정값 이상이 되면 수행되는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  31. 제1항, 제9항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가 퍼지 완료 이후 상기 연료전지의 발전 재개를 완료하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 추가 퍼지 완료 이후 상기 연료전지의 발전 재개를 완료하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
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