KR101755936B1 - 연료전지 시스템 및 제어 방법 - Google Patents
연료전지 시스템 및 제어 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101755936B1 KR101755936B1 KR1020150177387A KR20150177387A KR101755936B1 KR 101755936 B1 KR101755936 B1 KR 101755936B1 KR 1020150177387 A KR1020150177387 A KR 1020150177387A KR 20150177387 A KR20150177387 A KR 20150177387A KR 101755936 B1 KR101755936 B1 KR 101755936B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- hydrogen
- air
- stack
- discharge
- supply
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04791—Concentration; Density
- H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0444—Concentration; Density
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04231—Purging of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
- H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0444—Concentration; Density
- H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0444—Concentration; Density
- H01M8/04455—Concentration; Density of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
본 발명은 연료전지 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 수소와 공기를 연료전지의 스택으로 공급하는 공급관과; 상기 공급관에 공급되는 수소와 공기의 불순물을 확인하는 가스농도센서와; 상기 공급관에 구비되어 수소와 공기 공급을 제어하는 공급밸브와; 상기 스택으로부터 수소와 공기를 배출하는 배출관과; 상기 배출관에 구비되어 수소와 공기 배출을 제어하는 배출밸브와; 상기 가스농도센서와 연동되어 불순물 유입을 판단하는 제어장치와; 상기 스택의 전단과 후단에 구비되어 불순물 유입 판단 시 오염된 연료를 제거하는 배기밸브로 구성되어, 연료전지 시스템 내 불순물이 유입되어 급격한 성능 저하가 발생한 경우 그 원인을 판단할 수 있고, 불순물 유입에 의해 스택 주요 부품이 손상되어 정상 작동이 어려운 경우 연료전지 스택 성능을 정상 수준으로 회복할 수 있게 하여 상품성과 안전성을 향상시키는데 효과가 있도록 하는 것이다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 차량의 연료전지에 수소와 공기 같은 연료전지 반응 기체 중 불순물이 유입되는 경우 이를 진단하고 연료전지 스택의 성능을 회복하기 위한 연료전지 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel cell)는 수소 또는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬전지에 비하여 4~10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
또한, 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등으로 구분할 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 다른 연료종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 사용된다.
한편, 종래의 연료전지 시스템은 운행 중 차량의 연료전지에서 수소와 공기 같은 연료전지 반응 기체 중 불순물이 유입되기도 하는데 이러한 경우 연료전지 시스템에 유입된 불순물에 의해 스택 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
특허 1 : 대한민국 공개특허 제10-2012-0020499호
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 연료전지 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 차량의 연료전지에 수소와 공기 같은 연료전지 반응 기체 중 불순물이 유입되는 경우 이를 진단하고 연료전지 스택의 성능을 회복하기 위한 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명은 수소와 공기를 연료전지의 스택으로 공급하는 공급관과; 상기 공급관에 공급되는 수소와 공기의 불순물을 확인하는 가스농도센서와; 상기 공급관에 구비되어 수소와 공기 공급을 제어하는 공급밸브와; 상기 스택으로부터 수소와 공기를 배출하는 배출관과; 상기 배출관에 구비되어 수소와 공기 배출을 제어하는 배출밸브와; 상기 가스농도센서와 연동되어 불순물 유입을 판단하는 제어장치와; 상기 스택의 전단과 후단에 구비되어 불순물 유입 판단 시 오염된 연료를 제거하는 배기밸브를 포함함으로써 달성된다.
상기 제어장치는, 운전 중 온도, 가습 및 압력과 같은 운전조건을 저장하여 상기 운전조건의 정상 또는 비정상 여부와 그 정도를 판단하는 제어부와; 상기 제어부와 연동되며, 상기 운전조건과, 진단되는 저항값을 파악하여 상기 제어부를 통해 불순물이 유입되는지 여부와 유입 정도를 판단하는 진단부;를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 연료 제거 이후 상기 스택의 성능을 회복시키도록 하는 것이 바람직하다.
상기 공급관과 상기 스택 사이에 구비되어 수소 또는 공기가 상기 스택으로 유입되는 것을 차단하는 스택입구차단밸브;를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 공급관은 수소를 공급하는 수소공급관과, 공기를 공급하는 공기공급관으로 이루어지며, 상기 가스농도센서는 수소의 불순물을 확인하는 수소가스농도센서와, 공기의 불순물을 확인하는 공기가스농도센서로 이루어지고, 상기 공급밸브는 수소 공급을 제어하는 수소공급밸브와, 공기 공급을 제어하는 공기공급밸브로 이루어지고, 상기 배출관은 수소를 배출하는 수소배출관과, 공기를 배출하는 공기배출관으로 이루어지고, 상기 배출밸브는 수소 배출을 제어하는 수소배출밸브와, 공기 배출을 제어하는 공기배출밸브로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 연료전지 차량에서 수소 충전 후 운행 중 스택 전압을 측정하는 제1단계와; 상기 제1단계의 스택 전압이 기준 전압보다 낮은 지 판단하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 스택 전압이 기준 전압보다 낮은 경우 수소 순도가 비정상인 것으로 판단하여 운전조건을 확인하는 제3단계와; 상기 제3단계에서 운전조건이 정상인지 판단하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 운전조건이 정상인 경우 오염된 연료를 배기, 제거 및 재충전하는 제5단계와; 상기 제5단계 이후 차량의 단기 재주행 필요 여부를 판단하는 제6단계와; 상기 제6단계에서 단기 재주행 필요 시 시동 온/오프를 반복하는 로직을 실시하는 제7단계와; 상기 제7단계 이후 상기 스택의 성능 회복 여부를 판단하는 제8단계와; 상기 제8단계에서 성능 회복 시 정상상태 도달로 판단하여 로직을 종료하는 제9단계;를 포함함으로써 달성된다.
상기 운전조건은 온도, 압력, 냉각수 및 가습 상태가 적용되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서 스택 전압이 기준 전압보다 낮지 않은 경우 수소 순도가 정상인 것으로 판단하는 제2-1단계로 이동하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제4단계에서 운전조건이 비정상인 경우 운전조건에 따른 성능 저하로 판단하는 제4-1단계로 이동하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제6단계에서 차량 단기 재주행 불필요 시 차량 시동 오프에 따른 공기 차단 밸브를 오픈시키는 제6-1단계로 이동하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제8단계에서 상기 스택 성능 미회복 시 추가 회복 로직을 반복하는 제8-1단계로 이동하고 추가 점검을 위해 제1단계로 이동하도록 하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 연료전지 시스템 내 불순물이 유입되어 급격한 성능 저하가 발생한 경우 그 원인을 판단할 수 있고, 불순물 유입에 의해 스택 주요 부품이 손상되어 정상 작동이 어려운 경우 연료전지 스택 성능을 정상 수준으로 회복할 수 있게 하여 상품성과 안전성을 향상시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 연료전지 시스템을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템 제어 방법을 도시하는 흐름도.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템 제어 방법을 도시하는 흐름도.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 연료전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 수소와 공기를 연료전지 스택으로 공급하는 공급관(10)과, 수소와 공기의 불순물을 확인하는 가스농도센서(20)와, 수소와 공기의 공급을 제어하는 공급밸브(30)와, 수소와 공기를 배출하는 배출관(40)과, 배출을 제어하는 배출밸브(50)와, 불순물 유입을 판단하는 제어장치(60)와, 불순물 유입 시 오염된 연료를 제거하는 배기밸브를 포함한다.
공급관은 연료전지 시스템 내에서 스택과 연결되어 수소와 공기를 공급하는 구성으로 수소공급관(11)과 공기공급관(12)으로 이루어진다.
이때, 수소공급관(11)은 스택으로 수소를 공급하며, 공기공급관(12)은 스택으로 공기를 공급한다.
가스농도센서는 공급관(10)에 공급되는 수소와 공기의 불순물을 확인한다.
한편, 가스농도센서(20)는 수소공급관(11)으로 유입되는 수소의 불순물을 확인하는 수소가스농도센서(21)와, 공기공급관(12)으로 유입되는 공기의 불순물을 확인하는 공기가스농도센서(22)로 이루어진다.
공급밸브는 공급관(10)에 구비되어 수소와 공기 공급을 제어한다.
여기서, 공급밸브(30)는 수소공급관(11)의 수소 공급을 제어하는 수소공급밸브(31)와, 공기공급관(12)의 공기 공급을 제어하는 공기공급밸브(32)로 이루어지도록 한다.
배출관은 스택으로부터 수소와 공기를 배출한다.
이때, 배출관(40)은 수소공급관(11)과 연결되어 공급된 수소를 스택을 거쳐 배출시키는 수소배출관(41)과, 공기공급관(12)과 연결되어 공급된 공기를 스택을 거쳐 배출시키는 공기배출관(42)으로 이루어진다.
배출밸브는 배출관(40)에 구비되어 수소와 공기 배출을 제어한다.
이때, 배출밸브(50)는 수소배출관(41)과 연결되어 수소 배출을 제어하는 수소배출밸브(51)와, 공기배출관(42)과 연결되어 공기 배출을 제어하는 공기배출밸브(52)로 이루어지도록 한다.
제어장치(60)는 가스농도센서(20)와 연동되어 불순물 유입을 판단한다.
여기서, 제어장치(60)는 운전조건을 통해 정상 여부를 판단하는 제어부(61)와, 불순물 유입 여부를 판단하는 진단부(62)로 이루어지도록 한다.
제어부(61)는 운전 중 온도, 가습 및 압력과 같은 운전조건을 저장하여 운전조건의 정상 또는 비정상 여부와 그 정도를 판단한다.
진단부(62)는 제어부(61)와 연동되며, 운전조건과, 진단되는 저항값을 파악하여 제어부(61)를 통해 불순물이 유입되는지 여부와 유입 정도를 판단한다.
배기밸브는 스택의 전단과 후단에 구비되어 불순물 유입 판단 시 오염된 연료를 제거한다.
한편, 제어부(61)는 연료 제거 이후 스택의 성능 회복이 가능하도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 공급관(10)과 스택 사이에 구비되어 수소 또는 공기가 스택으로 유입되는 것을 차단하는 스택입구차단밸브(80)가 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
이때 스택입구차단밸브(80)는 수소 유입을 차단하는 수소스택입구차단밸브(81)와, 공기 유입을 차단하는 공기스택입구차단밸브(82)로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 연료전지 시스템 제어 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 스택 전압을 측정하는 제1단계(S10)와, 스택 전압과 기준 전압을 비교 판단하는 제2단계(S20)와, 운전조건을 확인하는 제3단계(S30)와, 운전조건이 정상인지 판단하는 제4단계(S40)와, 오염된 연료를 배기, 제거 및 재충전하는 제5단계(S50)와, 재주행 여부를 판단하는 제6단계(S60)와, 시동 온/오프를 반복하는 제7단계(S70)와, 스택 성능 회복 여부를 판단하는 제8단계(S80)와, 정상상태 도달 시 로직을 종료하는 제9단계(S90)를 포함한다.
제1단계(S10)는 연료전지 차량에서 수소 충전 후 운행 중 스택 전압을 측정한다.
제2단계(S20)는 수소 충전 후 운행 중 측정한 스택 전압이 기준 전압보다 낮은 지 판단한다.
제3단계(S30)는 제2단계(S20)에서 스택 전압이 기준 전압보다 낮은 경우 수소 순도가 비정상인 것으로 판단하여 운전조건을 확인한다.
이때, 운전조건은 온도, 압력, 냉각수 및 가습상태를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 제2단계(S20)에서 스택 전압이 기준 전압보다 낮지 않은 경우 수소 순도가 정상인 것으로 판단하는 제2-1단계(S21)로 이동하도록 한다.
제4단계(S40)는 제3단계(S30)에서 운전조건이 정상인지 판단한다.
제5단계(S50)는 제4단계(S40)에서 운전조건이 정상인 경우 오염된 연료를 배기, 제거 및 재충전한다.
이때, 제4단계(S40)에서 운전조건이 비정상인 경우 운전조건에 따른 성능 저하로 판단하는 제4-1단계(S41)로 이동하도록 하는 것이 바람직하다.
제6단계(S60)는 제5단계(S50) 이후 차량의 단기 재주행 필요 여부를 판단한다.
제7단계(S70)는 제6단계(S60)에서 단기 재주행 필요 시 시동 온/오프를 반복하는 로직을 실시하도록 한다.
이때, 제6단계(S60)에서 차량 단기 재주행 불필요 시 차량 시동 오프에 따른 공기 차단 밸브를 오픈시키는 제6-1단계(S61)로 이동하도록 하는 것이 바람직하다.
제8단계(S80)는 제7단계(S70) 이후 스택의 성능 회복 여부를 판단한다.
제9단계(S90)는 제8단계(S80)에서 성능 회복 시 정상상태 도달로 판단하여 로직을 종료하도록 한다.
또한, 제8단계(S80)에서 스택 성능 미회복 시 추가 회복 로직을 반복하는 제8-1단계(S81)로 이동하고 추가 점검을 위해 제1단계(S10)로 이동하도록 하는 것이 바람직하다.
이처럼, 본 발명은 센서를 통해 불순물 유입 여부를 진단할 수 있으며, 또한 수소 충전 후 일정 시간 내 운행 중 성능 이상이 발생하거나 운전조건 또는 제어장치(60)를 통해 진단할 수 있고, 운전조건이 정상으로 확인된 경우에는 연료 충전 후 불순물이 유입된 것으로 추정할 수 있다.
또한, 불순물 유입이 확인된 후에는 오염된 연료를 배기 또는 제거하고 재충전시키며, 시동이 오프되지 않아 단기 재주행이 필요한 경우에는 시동 온/오프를 반복하속, 시동이 오프되어 단기 재주행이 불필요한 경우에는 공기차단 밸브를 오프시키도록 한다.
한편, 본 발명의 효과 및 실시예를 아래의 표를 통해 설명한다. 이때 실시예는 성능 회복 실험 시 불순물 포함 반응 기체 투입을 중지하고 고순도 반응 기체 투입 시 성능을 확인한 것이다.
표 1은 불순물 피독(CO) 후 성능 회복 경향을 나타낸 것으로, 수 ppm 이내 수준의 불순물에 1시간 이내 피독 진행 후 평가한 것이며, 표 2는 불순물 피독(H2S) 후 성능 회복 경향을 나타낸 것으로, 수 ppm 이내 수준의 불순물에 1시간 이내 피독 진행 후 평가한 것이다. 표 1,2에서 농도/시간이 클수록 성능 저감은 심화된다.
조건 | A스택 | B스택 | C스택 | |
피독 후 초기대비성능 |
회복 공정 X | 81% | 76% | 71% |
운전/재활성화 | 91% | 86% | 88% | |
시동/정지 30회 | 96% | 92% | 97% | |
스택 내 공기 유입 | 99% | 100% | 100% |
조건 | A스택 | B스택 | C스택 | |
피독 후 초기대비성능 |
회복 공정 X | 90% | 80% | 87% |
고출력/재활성화 | 93% | 86% | 92% | |
시동/정지 30회 | 96% | 90% | 95% | |
스택 내 공기 유입 | 98% | 95% | 96% | |
물 공급/세척 | 100% | 98% | 99% |
상기 표 1,2를 보면 별도의 회복 공정 없이 스택 성능을 측정한 경우 일정 수준 이상의 정상 온도, 가습, 유량조건에서 측정하고, 운전/재활성화 및 고출력/재활성화의 경우 정상 온도, 가습, 유량 조건에서 아이들(Idle)과 고전류를 반복 운전하여 일정 수준 성능 회복까지 일정 운전 시간이 소요된다.
즉, 피독 후 성능 회복율이 상대적으로 낮고, 차량의 경우 운전 초기부터는 정상 가습/고출력 운전은 어려우므로 차량에 구비된 연료전지 시스템의 경우 시스템 운전 중 발생하는 물을 이용하여 스택의 가습을 해주는 시스템이기 때문에 운전 초기에는 스택의 물량 부족으로 정상 성능 발현이 어렵고 고출력 운전을 통한 성능 회복이 어렵다. 다시 말해 일정 농도 이상 피독 시에는 출력 제한등에 의해 초기 운전 중 성능 발현이 어려워 운전/재활성화가 어렵다.
한편, 시동/정지를 반복하여 전압을 순환하는 경우에는 전위 순환 횟수 증대 시 회복율이 증대하는데 이는 회복 공정이 없거나 운전(고출력)/재활성화에 비해 운전 조건 발현이 용이하며, 상대적으로 회복 공정을 위한 시간이 짧고, 운전 온도/가습 조건 등에 제약이 적으며 차량에서 활용하기 용이한 운전 제어 조건이다. 즉, 불순물 농도/노출 시간 증대에 의한 피독 심화 시 회복 공정이 없거나 운전(고출력)/재활성화와 같은 일반적인 운전에 의한 회복 공정 대비 성능 회복 효과가 상대적으로 크게 발현된다.
또한, 스택 내 공기를 유입시켜 실온 조건의 스택 입출구를 오픈시켜 공기를 유입시키는 경우 공기 공급 시 전극 내 고전위 형성에 의한 불순물 탈착에 의한 성능 회복에 효과가 있고, 전극 내 산화 반응에 의한 불순물 탈착에 의한 성능 회복에 효과가 있으며, 일산화탄소의 경우 스택 반응면 내 공기 유입 이후 100% 수준의 성능 회복이 확인되는 것을 알 수 있다.
또한, 스택 내 기체 반응면 내에 물 공급/세척하게 되면 황화수소의 경우 시동/정지 반복에 의한 전위 순환 및 공기 유입 등의 회복 방법으로는 100% 수준 성능 회복까지 도달하지 못하나 물 공급 이후 100% 수준 회복하는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명은 수소와 공기를 연료전지의 스택으로 공급하는 공급관(10)과, 공급관(10)에 공급되는 수소와 공기의 불순물을 확인하는 가스농도센서(20)와, 공급관(10)에 구비되어 수소와 공기 공급을 제어하는 공급밸브(30)와, 스택으로부터 수소와 공기를 배출하는 배출관(40)과, 배출관(40)에 구비되어 수소와 공기 배출을 제어하는 배출밸브(50)와, 가스농도센서(20)와 연동되어 불순물 유입을 판단하는 제어장치(60)와, 스택의 전단과 후단에 구비되어 불순물 유입 판단 시 오염된 연료를 제거하는 배기밸브로 이루어져, 연료전지 시스템 내 불순물이 유입되어 급격한 성능 저하가 발생한 경우 그 원인을 판단할 수 있고, 불순물 유입에 의해 스택 주요 부품이 손상되어 정상 작동이 어려운 경우 연료전지 스택 성능을 정상 수준으로 회복할 수 있게 하여 상품성과 안전성을 향상시킬 수 있게 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 공급관 20 : 가스농도센서
30 : 공급밸브 40 : 배출관
50 : 배출밸브 60 : 제어장치
70 : 배기밸브 S10 : 제1단계
S20 : 제2단계 S30 : 제3단계
S40 : 제4단계 S50 : 제5단계
S60 : 제6단계 S70 : 제7단계
S80 : 제8단계 S90 : 제9단계
30 : 공급밸브 40 : 배출관
50 : 배출밸브 60 : 제어장치
70 : 배기밸브 S10 : 제1단계
S20 : 제2단계 S30 : 제3단계
S40 : 제4단계 S50 : 제5단계
S60 : 제6단계 S70 : 제7단계
S80 : 제8단계 S90 : 제9단계
Claims (11)
- 수소와 공기를 연료전지의 스택으로 공급하는 공급관과;
상기 공급관에 공급되는 수소와 공기의 불순물을 확인하는 가스농도센서와;
상기 공급관에 구비되어 수소와 공기 공급을 제어하는 공급밸브와;
상기 스택으로부터 수소와 공기를 배출하는 배출관과;
상기 배출관에 구비되어 수소와 공기 배출을 제어하는 배출밸브와;
상기 가스농도센서와 연동되어 불순물 유입을 판단하는 제어장치와;
상기 스택의 전단과 후단에 구비되어 불순물 유입 판단 시 오염된 연료를 제거하는 배기밸브를 포함하되;
상기 제어장치는,
운전 중 온도, 가습 및 압력에 대한 운전조건을 저장하여 상기 운전조건의 정상 또는 비정상 여부와 그 정도를 판단하는 제어부와;
상기 제어부와 연동되며, 상기 운전조건과, 진단되는 저항값을 파악하여 상기 제어부를 통해 불순물이 유입되는지 여부와 유입 정도를 판단하는 진단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 연료 제거 이후 상기 스택의 성능을 회복시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 공급관과 상기 스택 사이에 구비되어 수소 또는 공기가 상기 스택으로 유입되는 것을 차단하는 스택입구차단밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 공급관은 수소를 공급하는 수소공급관과, 공기를 공급하는 공기공급관으로 이루어지며,
상기 가스농도센서는 수소의 불순물을 확인하는 수소가스농도센서와, 공기의 불순물을 확인하는 공기가스농도센서로 이루어지고,
상기 공급밸브는 수소 공급을 제어하는 수소공급밸브와, 공기 공급을 제어하는 공기공급밸브로 이루어지고,
상기 배출관은 수소를 배출하는 수소배출관과, 공기를 배출하는 공기배출관으로 이루어지고,
상기 배출밸브는 수소 배출을 제어하는 수소배출밸브와, 공기 배출을 제어하는 공기배출밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 연료전지 차량에서 수소 충전 후 운행 중 스택 전압을 측정하는 제1단계와;
상기 제1단계의 스택 전압이 기준 전압보다 낮은 지 판단하는 제2단계와;
상기 제2단계에서 스택 전압이 기준 전압보다 낮은 경우 수소 순도가 비정상인 것으로 판단하여 운전조건을 확인하는 제3단계와;
상기 제3단계에서 운전조건이 정상인지 판단하는 제4단계와;
상기 제4단계에서 운전조건이 정상인 경우 오염된 연료를 배기, 제거 및 재충전하는 제5단계와;
상기 제5단계 이후 차량의 단기 재주행 필요 여부를 판단하는 제6단계와;
상기 제6단계에서 단기 재주행 필요 시 시동 온/오프를 반복하는 로직을 실시하는 제7단계와;
상기 제7단계 이후 상기 스택의 성능 회복 여부를 판단하는 제8단계와;
상기 제8단계에서 성능 회복 시 정상상태 도달로 판단하여 로직을 종료하는 제9단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 운전조건은 온도, 압력, 냉각수 및 가습 상태인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 제2단계에서 스택 전압이 기준 전압보다 낮지 않은 경우 수소 순도가 정상인 것으로 판단하는 제2-1단계로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 제4단계에서 운전조건이 비정상인 경우 운전조건에 따른 성능 저하로 판단하는 제4-1단계로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 제6단계에서 차량 단기 재주행 불필요 시 차량 시동 오프에 따른 공기 차단 밸브를 오픈시키는 제6-1단계로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 제8단계에서 상기 스택 성능 미회복 시 추가 회복 로직을 반복하는 제8-1단계로 이동하고 추가 점검을 위해 제1단계로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020150177387A KR101755936B1 (ko) | 2015-12-11 | 2015-12-11 | 연료전지 시스템 및 제어 방법 |
US15/143,789 US10461348B2 (en) | 2015-12-11 | 2016-05-02 | Fuel cell system and method of controlling the same |
DE102016208224.8A DE102016208224A1 (de) | 2015-12-11 | 2016-05-12 | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020150177387A KR101755936B1 (ko) | 2015-12-11 | 2015-12-11 | 연료전지 시스템 및 제어 방법 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20170069763A KR20170069763A (ko) | 2017-06-21 |
KR101755936B1 true KR101755936B1 (ko) | 2017-07-07 |
Family
ID=58773742
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020150177387A KR101755936B1 (ko) | 2015-12-11 | 2015-12-11 | 연료전지 시스템 및 제어 방법 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10461348B2 (ko) |
KR (1) | KR101755936B1 (ko) |
DE (1) | DE102016208224A1 (ko) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10329150B2 (en) * | 2017-06-29 | 2019-06-25 | GM Global Technology Operations LLC | Fuel cell system and method for determining purity level of hydrogen gas provided to an anode side of the fuel cell |
DE102018201815A1 (de) * | 2018-02-06 | 2019-08-08 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Detektion der Luftgüte |
JP7351607B2 (ja) * | 2018-09-03 | 2023-09-27 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システムおよび燃料ガス品質の判定方法 |
US11274599B2 (en) | 2019-03-27 | 2022-03-15 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Air system switching system to allow aero-engines to operate in standby mode |
US11391219B2 (en) | 2019-04-18 | 2022-07-19 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Health monitor for air switching system |
US11859563B2 (en) | 2019-05-31 | 2024-01-02 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Air system of multi-engine aircraft |
US11274611B2 (en) | 2019-05-31 | 2022-03-15 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Control logic for gas turbine engine fuel economy |
DE102019211490A1 (de) * | 2019-08-01 | 2021-02-04 | Audi Ag | Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug |
US11326525B2 (en) | 2019-10-11 | 2022-05-10 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Aircraft bleed air systems and methods |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005158426A (ja) * | 2003-11-25 | 2005-06-16 | Toyota Industries Corp | 凍結防止装置 |
JP2006318764A (ja) * | 2005-05-12 | 2006-11-24 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
JP2008243430A (ja) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Tokyo Gas Co Ltd | 燃料電池の保護方法及び保護システム |
JP2010146792A (ja) * | 2008-12-17 | 2010-07-01 | Yokogawa Electric Corp | 電池制御装置および電池制御方法 |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3721596B2 (ja) | 1995-03-01 | 2005-11-30 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の燃料電池制御装置 |
JP3767639B2 (ja) | 1996-02-29 | 2006-04-19 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池スタックの運転状態判別方法及び運転制御方法 |
JP2001146407A (ja) | 1999-11-18 | 2001-05-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 一酸化炭素浄化装置、その運転方法およびその停止方法 |
JP3972675B2 (ja) * | 2002-02-15 | 2007-09-05 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
JP2004165058A (ja) | 2002-11-14 | 2004-06-10 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システムの制御装置 |
JP2006158006A (ja) | 2004-11-25 | 2006-06-15 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池車両の制御装置 |
US20060249399A1 (en) | 2005-05-06 | 2006-11-09 | The Regents Of The University Of California | Cleaning (de-poisining) PEMFC electrodes from strongly adsorbed species on the catalyst surface |
US8652694B2 (en) | 2008-03-04 | 2014-02-18 | Fuelcell Energy, Inc. | Water recovery assembly for transferring water from fuel cell cathode exhaust |
US8273486B2 (en) | 2009-01-30 | 2012-09-25 | Honeywell International, Inc. | Protecting a PEM fuel cell catalyst against carbon monoxide poisoning |
KR101218283B1 (ko) | 2010-08-30 | 2013-01-03 | 한국에너지기술연구원 | 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 운전제어방법 및 이를 채용한 직접 메탄올형 연료전지 시스템 |
-
2015
- 2015-12-11 KR KR1020150177387A patent/KR101755936B1/ko active IP Right Grant
-
2016
- 2016-05-02 US US15/143,789 patent/US10461348B2/en active Active
- 2016-05-12 DE DE102016208224.8A patent/DE102016208224A1/de active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005158426A (ja) * | 2003-11-25 | 2005-06-16 | Toyota Industries Corp | 凍結防止装置 |
JP2006318764A (ja) * | 2005-05-12 | 2006-11-24 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
JP2008243430A (ja) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Tokyo Gas Co Ltd | 燃料電池の保護方法及び保護システム |
JP2010146792A (ja) * | 2008-12-17 | 2010-07-01 | Yokogawa Electric Corp | 電池制御装置および電池制御方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102016208224A1 (de) | 2017-06-14 |
US20170170501A1 (en) | 2017-06-15 |
KR20170069763A (ko) | 2017-06-21 |
US10461348B2 (en) | 2019-10-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101755936B1 (ko) | 연료전지 시스템 및 제어 방법 | |
KR101567643B1 (ko) | 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법 | |
KR101043893B1 (ko) | 기동 또는 정지 시에 전극 활성을 재생시키는 연료 전지시스템 | |
US8911913B2 (en) | Fuel cell system and method for recovering performance of a fuel cell | |
JP2006156180A (ja) | 燃料電池システム及び該システムにおける燃料ガス経路の故障検知方法 | |
WO2007142169A1 (en) | Fuel cell system and method of controlling fuel cell system | |
JP2008147102A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2008235093A (ja) | 燃料電池の特性回復方法および燃料電池システム | |
JP2014207061A (ja) | 燃料電池システム及びその制御方法 | |
JP5350601B2 (ja) | 燃料電池システム | |
WO2014103101A1 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムにおける燃料電池の発電性能回復方法 | |
KR101240986B1 (ko) | 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법 | |
JP5207230B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池の性能回復方法を実施するためのシステム | |
JP7379832B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP5211875B2 (ja) | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの異常診断方法 | |
JP2008130358A (ja) | 燃料電池システム | |
KR20210035929A (ko) | 연료전지 스택의 성능 회복 방법 | |
JP2007323863A (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池の停止方法 | |
JP2007179786A (ja) | 燃料電池システム | |
KR101592682B1 (ko) | 연료 전지 스택 제어 방법 | |
JP2021022458A (ja) | 燃料電池システムにおけるカソード不純物除去方法 | |
JP2010118289A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2006196402A (ja) | 燃料電池システムの制御装置 | |
KR101822235B1 (ko) | 연료 전지의 제조 방법 | |
JP2007287545A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |