KR101759141B1

KR101759141B1 - Device and method for controlling hydrogen concentration of fuel cell system

Info

Publication number: KR101759141B1
Application number: KR1020160009426A
Authority: KR
Inventors: 이남우; 장세권
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-07-18

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 수소 농도 제어 방법은 상기 스택 구동 중 캐소드(Cathode) 채널을 통해 배기되는 공기의 산소 농도를 측정하는 단계와 상기 측정된 산소 농도에 기반하여 애노드(Anode) 채널의 배기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 연료 전지 시스템에서의 보다 효과적인 수소 농도 제어 방법을 제공할 수 있으며, 그에 따른 원가 절감 및 경량화가 가능한 장점이 있다.The present invention relates to an apparatus and method for controlling the concentration of hydrogen in a fuel cell system, and more particularly, to a system and method for controlling the concentration of hydrogen in a fuel cell system having a stack for producing electricity by reacting hydrogen, The control method may include measuring the oxygen concentration of the air exhausted through the cathode channel during the stack driving and controlling the exhaust of the anode channel based on the measured oxygen concentration. Therefore, the present invention can provide a more effective method of controlling the hydrogen concentration in the fuel cell system, thereby reducing cost and weight.

Description

TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a device and a method for controlling a hydrogen concentration in a fuel cell system,

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게 연료 전지 시스템의 스택 내 애노드(Anode)의 실시간 수소 농도를 측정하고 이를 제어하는 것이 가능한 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to an apparatus and method for controlling the concentration of hydrogen in a fuel cell system capable of measuring and controlling the real-time hydrogen concentration of an anode in a stack of a fuel cell system.

연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료 전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.The fuel cell system is a kind of power generation system that converts the chemical energy of the fuel directly into electrical energy in the fuel cell stack without electrochemically converting it into heat by combustion.

연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기(산소) 공급 장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 배출하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리계(Thermal Management System, TMS) 및 연료 전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료 전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.The fuel cell system mainly includes a fuel cell stack for generating electrical energy, a hydrogen supply device for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell stack, an air (oxygen) supply device for supplying oxygen in the air, which is an oxidant required for the electrochemical reaction, A thermal management system (TMS) for discharging the reaction heat of the fuel cell stack to the outside of the system, controlling the operating temperature of the fuel cell stack and performing a water management function, and a fuel for controlling the overall operation of the fuel cell system And a battery system controller.

이러한 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출하게 된다.With this configuration, in the fuel cell system, hydrogen, which is fuel, reacts with oxygen in the air to generate electricity, and heat and water are discharged as reaction byproducts.

차량용으로 가장 주목 받는 연료 전지 타입은 연료 전지 중 가장 높은 전력 밀도를 갖는 이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell 혹은 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)이며, 이는 낮은 작동 온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력 변환 반응 시간을 갖는 특징이 있다.The most prominent fuel cell type for automobiles is the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), which has the highest power density among the fuel cells. And a power conversion reaction time.

이온 교환막 연료 전지에 탑재되는 연료 전지 스택은 수소 이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기 화학 반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성되며, 수소와 산소(공기)가 공급될 때 연료전지반응에 의해 전류를 생성한다.The fuel cell stack mounted on the ion exchange membrane fuel cell is composed of a membrane electrode assembly (MEA) having an electrode / catalyst layer on both sides of the polymer electrolyte membrane on which hydrogen ions migrate, A gas diffusion layer (GDL) that distributes the generated electricity, a gas diffusion layer (GDL), a gasket and a fastening mechanism for maintaining the airtightness of the reaction gases and the cooling water, an appropriate tightening pressure, And generates a current by a fuel cell reaction when hydrogen and oxygen (air) are supplied.

연료 전지 스택에서 수소는 양극인 애노드(anode, '연료극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 음극인 캐소드(cathode, '공기극' 혹은 '산소극'이라고도 함)로 공급된다.In the fuel cell stack, hydrogen is supplied to an anode (also referred to as an anode), and oxygen (air) is supplied to a cathode (cathode) or an oxygen electrode.

양극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 음극으로 전달된다.Hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (proton, H +) and electrons (electron and e-) by the catalyst of the electrode layer formed on both sides of the electrolyte membrane. Only hydrogen ions selectively pass through the electrolyte membrane And the electrons are transferred to the cathode through the separator and the gas diffusion layer which is a conductor.

이때, 음극에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기 공급 장치에 의해 음극으로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응이 일어난다.At this time, in the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate water.

수소 이온의 이동에 따라 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생되며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.The flow of electrons through the external conductor is generated by the movement of hydrogen ions, and current is generated by the flow of electrons. In addition, heat is generated incidentally in the water production reaction.

이러한 이온교환막 연료 전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.The electrode reaction of such an ion exchange membrane fuel cell is represented by a reaction formula as follows.

[연료극에서의 반응] 2H₂→ 4H⁺ + 4e^- [Reaction at the anode] 2H ₂ ? 4H ⁺ + 4e ^-

[공기극에서의 반응] O₂ + 4H⁺+ 4e^-→ 2H₂O[Reaction in air electrode] O ₂ ^{^{+ 4H + + 4e - → 2H}} 2 O

[전체반응] 2H₂ + O₂ → 2H₂O + 전기에너지 + 열에너지[Total reaction] 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O + electric energy + thermal energy

상기 반응에서 수소 이온은 고분자막을 통과해 지나가야만 하는데, 수소의 막 투과성은 물 함유량의 함수로 결정되고, 반응이 진행됨에 따라 물이 발생하여 반응 기체와 막을 가습하게 된다.In this reaction, hydrogen ions must pass through the polymer membrane. Hydrogen permeability is determined as a function of the water content. As the reaction proceeds, water is generated and the reaction gas and the membrane are humidified.

가스가 건조한 경우에는 반응으로 생성된 물 전량이 공기를 가습하는데 쓰여 고분자막이 말라 버리며, 따라서, 연료 전지를 적절하게 가동하기 위해서는 고분자막이 습하게 유지되어야 한다. 왜냐하면 수소이온의 투과성은 막에 함유된 물의 함수로 결정되기 때문이다.When the gas is dry, the total amount of water produced by the reaction is used to humidify the air and the polymer membrane dries. Therefore, in order to operate the fuel cell properly, the polymer membrane must be kept moist. Because the permeability of hydrogen ions is determined as a function of the water contained in the membrane.

막이 너무 젖어 있을 경우에는 기체확산층(이하, GDL이라 함)의 기공이 막히게 되어 반응기체가 촉매에 접촉하지 못하는 경우가 발생하며, 이러한 이유로 막의 물 함유량을 적절히 유지하는 것은 매우 중요하다.When the membrane is too wet, the pores of the gas diffusion layer (hereinafter referred to as GDL) become clogged and the reaction gas may not contact the catalyst. For this reason, it is very important to maintain the water content of the membrane properly.

또한, 연료 전지는 산화제로서 순수 산소가 아닌 대기의 공기를 공급받는다. 하지만, 대기의 공기 습도는 막을 젖어있게 하는데 충분히 습하지 않으며, 따라서 연료 전지로 공급되기 전에 공기는 연료 전지의 원활한 작동을 위해서 충분히 가습되는 것이 바람직하다.In addition, the fuel cell is supplied with atmospheric air rather than pure oxygen as an oxidant. However, the air humidity of the atmosphere is not sufficiently wet to make the membrane wet, and therefore it is desirable that the air is sufficiently humidified for smooth operation of the fuel cell before being supplied to the fuel cell.

한편, 연료전지 스택은 단위 셀을 반복적으로 적층하여 쌓은 구조이며, 이때 단위 셀은 수소와 산소가 반응하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 최소한의 연료 전지 구성 요소이다.On the other hand, the fuel cell stack is a structure in which unit cells are repeatedly stacked, and the unit cell is a minimum fuel cell component for generating electric energy by reacting hydrogen and oxygen.

이러한 단위 셀 구조는 분리판, GDL, MEA가 적층된 구조이며, 여기서 분리판은 MEA와 GDL의 구조적 지지, 발생한 전류의 수집 및 전달, 반응기체의 수송, 반응생성물의 수송 및 제거, 그리고 반응열 제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당하는 연료 전지의 핵심 부품이다.This unit cell structure is a structure in which a separator plate, a GDL, and an MEA are stacked, wherein a separator plate is used for structural support of MEA and GDL, collection and delivery of generated current, transportation of reaction gas, transportation and removal of reaction products, And the cooling water transport for the fuel cell.

한편, 상기 연료전지 스택의 애노드(anode)로 공급되는 수소의 농도 측정을 통하여 애노드의 수소 농도를 적정 수준으로 유지시키는 종래의 제어 기술은 개질기를 이용하여 수소를 공급하는 시스템에 적용되어 왔으며, 그 일례로서 개질기를 통해 생산된 수소의 농도 및 불순물의 함량을 확인하여 기준 농도 이상의 수소가 공급되도록 제어하고, 애노드의 촉매층에 유해한 불순물이 함유될 때 시스템 구동을 정지시키는 기술 등을 들 수 있다.Conventional control techniques for maintaining the hydrogen concentration of the anode at an appropriate level through measurement of the concentration of hydrogen supplied to the anode of the fuel cell stack have been applied to a system for supplying hydrogen using a reformer, As an example, a technique of checking the concentration of hydrogen and the content of impurities produced through the reformer, controlling the supply of hydrogen over a reference concentration, and stopping the system drive when harmful impurities are contained in the catalyst layer of the anode.

또한, 종래의 수소 농도 제어하는 다른 기술로서, 연료전지 스택의 임피던스를 측정하고, 이를 바탕으로 연료전지 채널내 수소 농도를 판단하여, 수소 농도가 기준치 이하일 때 애노드 퍼지 제어를 통해 수소 농도를 유지하는 기술이 적용되고 있으나, 현실적으로 연료전지의 전류 부하가 연속적으로 변화하는 연료전지 차량에서 임피던스 측정을 통해 정확한 수소 농도를 측정하는데 어려움이 있고, 특히 고가의 임피던스 측정 장치가 연료전지 시스템에 장착되어야 하는 문제점이 있다.As another technique for controlling the hydrogen concentration, a hydrogen concentration in the fuel cell channel is determined based on the impedance of the fuel cell stack, and when the hydrogen concentration is lower than the reference value, the hydrogen concentration is maintained through the anode fuzzy control However, it is difficult to accurately measure the hydrogen concentration through the impedance measurement in a fuel cell vehicle in which the current load of the fuel cell continuously changes in a realistic manner. Particularly, there is a problem that an expensive impedance measuring device must be mounted on the fuel cell system .

또 다른 종래기술로서, 수소 재순환 배관 또는 애노드 출구단에 수소농도 측정 센서를 장착하여 애노드의 수소 농도 및 불순물 농도를 확인하여, 연료전지 스택의 각 셀(cell)의 전력상태를 확인하여 전력량이 기준치 이하일 경우, 해당 셀내에 불순물이 과다하여 이물질 제거를 위해 수소 퍼지를 실시하는 기술이 적용되고 있으나, 재순환 배관쪽에서 수소 농도를 확인할 경우 재순환량이 운전상태에 따라 균일하지 않고 응축수의 영향으로 정확한 수소 농도 측정이 매우 어렵기 때문에 실질적인 기술 적용이 곤란한 문제점이 있고, 각 셀의 전력 상태를 확인하여 전력량이 기준치 이하이면 수소 퍼지를 실시하는 방식 또한 이미 불순물의 영향으로 연료전지 성능에 문제가 발생한 이후에 조치를 취하는 방식이기 때문에 애노드의 손상 및 내구성에 악영향을 줄 가능성이 높은 단점이 있으며, 또한 현실적으로 연료전지 애노드 출구단에는 응축수가 다수 존재하여 수소 센서가 정상적으로 동작할 수 없고, 수분에 의해 센서 측정 오류 또는 센서 고장이 발생할 위험성이 대단히 높아 실제 제품에 적용하기 곤란한 문제점이 있다.As another conventional technique, a hydrogen concentration measuring sensor is mounted at a hydrogen recirculation pipe or an anode outlet end to confirm the hydrogen concentration and the impurity concentration of the anode, and the power state of each cell of the fuel cell stack is checked, , The hydrogen purging is performed to remove foreign substances due to excessive impurities in the cell. However, when the hydrogen concentration is checked on the recirculation pipe side, the recirculation amount is not uniform according to the operation state, and the accurate hydrogen concentration measurement It is difficult to apply practical technology, and it is necessary to confirm the power state of each cell, and if the amount of electricity is below the reference value, hydrogen purging is performed. Also, since there is a problem in fuel cell performance due to the influence of impurities, Because of the way it is taken, there is an adverse effect on the damage and durability of the anode In addition, there are many condensation water at the outlet of the anode of the fuel cell, so that the hydrogen sensor can not operate properly and the risk of sensor measurement error or sensor failure due to moisture is very high. There is a problem that is difficult to do.

또 다른 종래기술로서, 수소 재순환 배관내에 수소농도 측정센서를 장착하여 애노드의 채널 내 불순물의 농도를 확인하고, 이를 바탕으로 수소 퍼지 제어를 실시하는 기술을 적용하고 있으나, 이 또한 재순환 배관 내에 응축수가 다량 존재하여 정상적으로 수소 농도를 측정하기 어려운 단점이 있고, 또한 연료전지 전류에 따른 출력을 측정하여 정상상태보다 출력이 떨어질 경우 애노드에 수소 불순물이 증가한 것으로 판단하여 수소 퍼지 제어를 실시하고 있지만, 애노드 내의 불순물로 인해 연료전지 전극 손상이 발생한 이후에 조치가 취해질 가능성이 높아 내구성 측면에서 문제가 발생할 가능성이 높다.As another conventional technique, there is applied a technique of confirming the concentration of impurities in the channel of the anode by mounting a hydrogen concentration measuring sensor in the hydrogen recirculation pipe, and conducting hydrogen purging control based on the concentration of the impurities. It is difficult to measure the hydrogen concentration normally. Further, when the output of the fuel cell current is measured to be lower than the steady state, the hydrogen purity control is performed based on the determination that the hydrogen impurity has increased in the anode. There is a high possibility that measures will be taken after damages of the fuel cell electrode due to impurities, so there is a high possibility of problems in terms of durability.

또한, 본 출원인은 한국 공개 특허 10-2013-0060741를 통해 수소탱크에 수소농도 측정센서를 직접 장착하고, 측정된 수소 농도를 바탕으로 애노드 채널내 수소 농도 및 불순물 농도를 추정하여, 애노드의 채널내 수소 농도가 연료전지 시스템의 안정적 운전이 가능한 수소농도 기준치 이하로 낮아진 것으로 판정되면, 애노드 채널내의 기체(수소 및 불순물)를 외부로 배출시키는 퍼지 제어를 실시하여 애노드 채널 내 수소 농도를 기준치 이상으로 유지시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소농도 제어 장치 및 방법을 개시한 바 있다.In addition, the present applicant has proposed a hydrogen concentration measuring apparatus which directly mounts a hydrogen concentration measuring sensor in a hydrogen tank through Korean Patent Laid-Open No. 10-2013-0060741, estimates the hydrogen concentration and the impurity concentration in the anode channel based on the measured hydrogen concentration, When it is determined that the hydrogen concentration has been lowered below the hydrogen concentration reference value capable of stable operation of the fuel cell system, the hydrogen concentration in the anode channel is maintained at or above the reference value by performing purge control for discharging gas (hydrogen and impurities) in the anode channel to the outside A hydrogen concentration control apparatus and method for a fuel cell system.

하지만, 상기한 종래의 기술들은 MEA 양단의 압력 차이에 의한 가스의 크로스오버(Crossover) 영향을 계산하는데 한계가 있을 뿐만 아니라 애노드 채널 내 수소 농도를 정확히 추정하는데 한계가 있었다.However, the conventional techniques described above have a limitation in calculating the crossover effect of the gas due to the pressure difference at both ends of the MEA, and also have a limitation in accurately estimating the hydrogen concentration in the anode channel.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for controlling the concentration of hydrogen in a fuel cell system.

본 발명의 다른 목적은 연료 전지 스택의 공기 배기 라인에서 측정된 산소 농도에 기반하여 애노드 채널 내 수소 농도를 추정하고, 추정 결과에 기반하여 적응적으로 수소 퍼징 밸브를 제어하는 것이 가능한 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of estimating the hydrogen concentration in the anode channel based on the oxygen concentration measured in the air exhaust line of the fuel cell stack and adaptively controlling the hydrogen purge valve based on the estimation result And to provide a hydrogen concentration control apparatus and method.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention, unless further departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be possible.

본 발명은 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 장치 및 방법을 제공한다. The present invention provides an apparatus and method for controlling hydrogen concentration in a fuel cell system.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 수소 농도 제어 방법은 상기 스택 구동 중 캐소드(Cathode) 채널을 통해 배기되는 공기의 산소 농도를 측정하는 단계와 상기 측정된 산소 농도에 기반하여 애노드(Anode) 채널의 배기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.A method for controlling a hydrogen concentration in a fuel cell system having a stack for generating electric power by reacting hydrogen as a fuel and air as an oxidizer according to an embodiment of the present invention includes: discharging air discharged through a cathode channel Measuring the oxygen concentration of the anode channel and controlling the exhaust of the anode channel based on the measured oxygen concentration.

이때, 상기 측정된 산소 농도가 소정 제1 기준치를 초과하면 상기 애노드 채널에 쌓인 불순물이 배기되도록 제1 밸브를 개방시킬 수 있다.At this time, if the measured oxygen concentration exceeds a predetermined first reference value, the first valve may be opened so that the impurities accumulated in the anode channel are exhausted.

또한, 상기 제1 밸브가 개방된 상태에서 상기 캐소드(Cathode) 채널을 통해 배기되는 공기의 산소 농도가 소정 제2 기준치 이하로 떨어지면, 상기 제1 밸브를 닫아 상기 애노드 채널의 배기를 차단시키되, 상기 제1 기준치는 상기 제2 기준치보다 큰 값일 수 있다.In addition, when the oxygen concentration of the air exhausted through the cathode channel in the state where the first valve is opened falls below a predetermined second reference value, the first valve is closed to shut off the exhaust of the anode channel, The first reference value may be greater than the second reference value.

또한, 상기 캐소드(Cathode) 채널을 통해 배기되는 공기의 산소 농도가 소정 제3 기준치 이하로 떨어지면, 상기 스택에 고장이 발생된 것으로 판단하는 단계를 더 포함하되, 상기 제3 기준치는 상기 제2 기준치 보다 작은 값일 수 있다.The method may further include determining that a failure has occurred in the stack if the concentration of oxygen in the air exhausted through the cathode channel drops below a predetermined third reference value, Lt; / RTI >

또한, 상기 스택 구동에 따라 출력되는 전류의 세기를 측정하는 단계를 더 포함하되, 상기 측정된 전류의 세기가 일정 범위 내에 있는 경우, 상기 산소 농도 측정이 개시될 수 있다.Further, the method may further include measuring an intensity of a current output according to the stack driving, wherein the oxygen concentration measurement may be started when the intensity of the measured current is within a certain range.

또한, 상기 수소 농도 제어 방법은 상기 측정된 산소 농도에 기반하여 상기 애노드 채널의 수소 농도를 추정하는 단계를 더 포함하되, 상기 추정된 수소 농도에 따라 상기 애노드 채널의 퍼징 시점이 결정될 수 있다.The hydrogen concentration control method further includes estimating the hydrogen concentration of the anode channel based on the measured oxygen concentration, wherein the purging point of the anode channel can be determined according to the estimated hydrogen concentration.

또한, 상기 측정된 산소 농도와 상기 애노드 채널의 수소 농도는 서로 반비례 관계가 성립되며, 상기 반비례 관계에 기반하여 상기 수소 농도가 추정될 수 있다.In addition, the measured oxygen concentration and the hydrogen concentration of the anode channel are inversely related to each other, and the hydrogen concentration can be estimated based on the inverse relationship.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소 농도 제어 장치는 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택과 상기 스택의 캐소드 채널 배기 가스에 포함된 산소 농도를 측정하는 산소 농도 센서와 상기 측정된 산소 농도에 기반하여 상기 스택의 애노드 채널 배기 여부를 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for controlling concentration of hydrogen, comprising: a stack for producing electricity by reacting hydrogen as a fuel with air as an oxidant; an oxygen concentration sensor for measuring the concentration of oxygen contained in the cathode channel exhaust gas; And a controller for determining whether to exhaust the anode channel of the stack based on the measured oxygen concentration.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 상기한 연료 전지 시스템에서의 수소 농도 제어 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 및 해당 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공할 수 있다.In addition, another embodiment of the present invention can provide a computer readable program for executing any one of the hydrogen concentration control methods in the fuel cell system and a recording medium on which the program is recorded.

상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And can be understood and understood.

본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Effects of the method and apparatus according to the present invention will be described as follows.

본 발명은 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 장점이 있다.The present invention has the advantage of providing an apparatus and method for controlling the hydrogen concentration of a fuel cell system.

또한, 본 발명은 연료 전지 스택의 공기 배기 라인에서 측정된 산소 농도에 기반하여 애노드 채널 내 수소 농도를 추정하고, 추정 결과에 기반하여 적응적으로 수소 퍼징 밸브를 제어하는 것이 가능한 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 장점이 있다.The present invention also relates to a method for estimating a hydrogen concentration in an anode channel based on an oxygen concentration measured in an air exhaust line of a fuel cell stack and estimating a hydrogen concentration in a fuel cell system capable of controlling the hydrogen purging valve adaptively based on an estimation result There is an advantage of providing a concentration control apparatus and method.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtained by the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description will be.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택 내 수소의 농도 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 수소 농도 제어 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 캐소드 채널의 배기 가스에 포함된 산소 농도와 애노드 채널의 수소 농도 사이의 상관 관계 및 퍼징 시점을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a change in the concentration of hydrogen in the fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a structure of a hydrogen concentration control apparatus in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining the correlation between the oxygen concentration included in the exhaust gas of the cathode channel and the hydrogen concentration of the anode channel in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention and the purging timing.
5 is a flowchart illustrating a method of controlling the hydrogen concentration in the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an apparatus and various methods to which embodiments of the present invention are applied will be described in detail with reference to the drawings. The suffix "module" and " part "for the components used in the following description are given or mixed in consideration of ease of specification, and do not have their own meaning or role.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. That is, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively coupled to one or more of them. In addition, although all of the components may be implemented as one independent hardware, some or all of the components may be selectively combined to perform a part or all of the functions in one or a plurality of hardware. As shown in FIG. The codes and code segments constituting the computer program may be easily deduced by those skilled in the art. Such a computer program can be stored in a computer-readable storage medium, readable and executed by a computer, thereby realizing an embodiment of the present invention. As the storage medium of the computer program, a magnetic recording medium, an optical recording medium, a carrier wave medium, or the like may be included.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.It is also to be understood that the terms such as " comprises, "" comprising," or "having ", as used herein, mean that a component can be implanted unless specifically stated to the contrary. But should be construed as including other elements. All terms, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used terms, such as predefined terms, should be interpreted to be consistent with the contextual meanings of the related art, and are not to be construed as ideal or overly formal, unless expressly defined to the contrary.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected to or connected to the other component, It should be understood that an element may be "connected," "coupled," or "connected."

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 스택(Stack, 10), 제1 내지 제2 밸브(20, 30), 제1 내지 제2 압축기(40, 50), 라디에이터(Radiator, 60) 및 물탱크(Water Reservoir, 70)를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 연료 전지 시스템(100)의 각 구성 요소들을 전기적인 제어 신호를 통해 제어하는 연료 전지 시스템 제어기(미도시)이 연료 전지 시스템(100)에 포함될 수 있음을 주의해야 한다. Referring to FIG. 1, a fuel cell system 100 includes a stack 10, first and second valves 20 and 30, first and second compressors 40 and 50, a radiator 60, And a water reservoir (70). It should be noted, however, that a fuel cell system controller (not shown) that controls each component of the fuel cell system 100 through an electrical control signal may be included in the fuel cell system 100.

스택(10)은 양극인 애노드(11)와 음극인 캐소드(12)를 포함하여 구성될 수 있으며, 애노드(11)와 캐소드(12) 사이의 물 생성 반응에 따라 전기 에너지와 수증기를 발생시킨다. 이때, 스택(10) 내 생성된 전력은 애노드(11)를 통해 출력될 수 있다.The stack 10 may include an anode 11 as a cathode and a cathode 12 as an anode and generates electrical energy and water vapor in accordance with a water production reaction between the anode 11 and the cathode 12. At this time, the power generated in the stack 10 may be output through the anode 11. [

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 스택(10) 내 발생되는 열을 냉각시키기 위한 물과 스택(10) 내 물 생성 반응을 발생시키기 위한 산화제인 공기가 각각 물 공급 라인(81)과 공기 공급 라인(82)을 통해 캐소드(12)에 공급될 수 있다.1, a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention includes water for cooling the heat generated in the stack 10 and oxidant Air can be supplied to the cathode 12 through the water supply line 81 and the air supply line 82, respectively.

이때, 캐소드(12)에 주입되는 공기량 및 공기의 압력은 각각 제2 밸브(30) 및 제1 압축기(40)에 의해 각각 제어될 수 있다.At this time, the amount of air injected into the cathode 12 and the pressure of the air can be controlled by the second valve 30 and the first compressor 40, respectively.

연료 전지 시스템은 스택(10)의 목표 운전 온도에 기반하여 캐소드(12)에 주입되는 공기량과 압력이 제어될 수 있다. 물 생성 반응에 따라 스택(10)에서 발생되는 열은 상기 물 공급 라인(81)을 통해 캐소드(12)로 공급된 물을 증발시켜 수증기를 발생시키며, 이때, 발생되는 수증기의 증발 잠열로 스택(10)의 냉각이 이루어진다. 물론, 스택(10) 내부에서의 물 생성 반응에 의해서도 고온의 수증기가 발생될 수 있다.The fuel cell system can control the amount and pressure of air injected into the cathode 12 based on the target operating temperature of the stack 10. [ The heat generated in the stack 10 according to the water production reaction evaporates the water supplied to the cathode 12 through the water supply line 81 to generate water vapor. At this time, 10 is cooled. Of course, high-temperature steam can also be generated by the water-forming reaction in the stack 10.

스택(10) 내 발생된 고온의 수증기는 캐소드(12)의 일측에 연결된 공기 배출 라인(83)을 통해 제2 압축기(50)에 전달될 수 있다. 이때, 공기 배출 라인(83)을 통해 배출되는 수증기는 거의 포화 상태일 수 있다.The hot water vapor generated in the stack 10 may be transferred to the second compressor 50 through an air discharge line 83 connected to one side of the cathode 12. At this time, the water vapor discharged through the air discharge line 83 may be almost saturated.

물의 증발 잠열은 섭씨 80도에서 약 2300kJ/kg이며, 현열에 비해 대단히 많은 열을 필요로 한다.The latent heat of evaporation of water is about 2300 kJ / kg at 80 degrees Celsius and requires much more heat than sensible heat.

스택(10) 내 물의 증발은 온도가 높고 압력이 낮을수록 유리하며, 스택(10)의 캐소드(12)에 공급되는 공기에 포함된 증발 가능한 수증기량도 온도가 높고, 압력이 낮은 경우 증가하게 된다.The evaporation of water in the stack 10 is advantageous as the temperature is high and the pressure is low, and the amount of evaporable water vapor included in the air supplied to the cathode 12 of the stack 10 also increases when the temperature is high and when the pressure is low.

따라서, 캐소드(12)에 공급된 물을 잘 증발시키기 위해서는 캐소드(12) 내 온도는 높아야 하고, 압력은 낮아야 한다. 하지만, 스택(10)의 성능을 높이기 위해서는 캐소드(12)의 온도와 압력이 적절히 유지되어야 한다. Therefore, in order to evaporate the water supplied to the cathode 12 well, the temperature in the cathode 12 must be high and the pressure should be low. However, in order to improve the performance of the stack 10, the temperature and pressure of the cathode 12 must be properly maintained.

일 예로, 캐소드(12) 내의 압력은 제1 압축기(40) 및 제2 압축기(50)를 제어하여 조절될 수 있다. 다른 일 예로, 캐소드(12) 내의 압력은 제2 밸브, 제1 압축기(40) 및 제2 압축기(50)를 제어하여 조절될 수도 있다.In one example, the pressure in the cathode 12 can be regulated by controlling the first compressor 40 and the second compressor 50. In another example, the pressure in the cathode 12 may be regulated by controlling the second valve, the first compressor 40, and the second compressor 50.

라디에이터(60)에 공급되는 고온 다습한 수증기의 압력은 제2 압축기(50)에 의해 제어될 수 있다.The pressure of the high temperature and high humidity steam supplied to the radiator 60 can be controlled by the second compressor 50.

라디에이터(60)는 고온/고압의 다습한 수증기가 가지고 있는 열을 방열하여 응축수를 생성할 수 있다. 상세하게, 상기 방열에 따라 라디에이터(60)에서의 온도가 낮아지고 압력은 상승하여 절대습도가 낮아지므로 수증기가 물로 응축될 수 있다.The radiator 60 can generate condensed water by dissipating heat held by the high-temperature / high-pressure, high-moisture steam. In detail, the temperature of the radiator 60 is lowered due to the heat dissipation, the pressure is increased, and the absolute humidity is lowered, so that water vapor can be condensed into water.

라디에이터(60)에 의해 응축된 물-이하 설명의 편의를 위해 응축수라 명함-의 양은 라디에이터(60) 출구의 온도 및 공기량에 따라 출구의 총 압력을 제어하여 조절될 수 있다. 여기서, 라디에이터(60) 출구의 총 압력은 제2 압축기(50) 및 제1 밸브(20)를 통해 제어될 수 있다.The amount of water condensed by the radiator 60 - hereinafter referred to as condensate for convenience of explanation - can be adjusted by controlling the total pressure of the outlet depending on the temperature and the amount of air at the outlet of the radiator 60. Here, the total pressure at the outlet of the radiator 60 can be controlled through the second compressor 50 and the first valve 20. [

상세하게, 외기 온도 및 방열해야 하는 절대 열량에 따라 라디에이터(60) 출구의 온도 및 공기량이 결정될 수 있으며, 결정된 출구의 온도 및 공기량에 따라 제1 밸브(20)를 통해 배기되는 수증기량-즉, 라디에이터(60)에 공급되는 수증기량 - 라디에이터(60)에 의해 응축된 물의 량-은 출구의 총 압력을 제어하여 조절될 수 있다. 즉, 차량 내 습도는 제2 압축기(50) 및 제1 밸브(20)를 통한 라디에이터(60) 출구의 총 압력을 제어하여 조절될 수 있다. Specifically, the temperature and the amount of air at the outlet of the radiator 60 can be determined according to the outside air temperature and the absolute amount of heat to be radiated, and the amount of steam exhausted through the first valve 20, that is, The amount of water vapor supplied to the radiator 60 - the amount of water condensed by the radiator 60 - can be adjusted by controlling the total pressure at the outlet. That is, the humidity in the vehicle can be adjusted by controlling the total pressure of the outlet of the radiator 60 through the second compressor 50 and the first valve 20.

라디에이터(60)에서의 응축수량은 공기량이 적고, 온도가 낮으며, 압력이 높을수록 증가할 수 있다. The amount of condensed water in the radiator 60 can be increased as the amount of air is small, the temperature is low, and the pressure is high.

라디에이터(60)에서 응축된 물은 라디에이터(60)의 출구 일측에 구비된 별도의 응축수 배관(84)을 통해 물탱크(70)로 전달될 수 있으나 이는 하나의 실시예에 불과하며 라디에이터(60)에 의해 응축된 물을 물탱크(70)로 전달하는 방법은 한정되지 않는다. 일 예로, 라디에이터(60)에는 응축된 물을 응축수 배관(84)을 통해 물탱크(70)로 전달하기 위한 배수 펌프(미도시)가 별도로 구비될 수도 있다. 다른 일 예로, 라디에이터(60)에서 응축된 물을 제2 압축기(50)를 통한 압력 제어에 의해 응축수 배관(84)을 통해 물탱크(70)에 전달될 수도 있다.The condensed water in the radiator 60 may be transferred to the water tank 70 through a separate condensate pipe 84 provided at one side of the radiator 60. However, The method of delivering the water condensed by the water tank 70 to the water tank 70 is not limited. For example, the radiator 60 may be provided with a drain pump (not shown) for transferring the condensed water to the water tank 70 through the condensate water pipe 84. In another example, water condensed in the radiator 60 may be transferred to the water tank 70 through the condensate water line 84 by pressure control through the second compressor 50.

라디에이터(60) 출구로 배기되는 냉각 공기는 어느 정도 수증기를 포함하는 가습 공기일 수 있으며, 라디에이터 배기 라인(85)을 통해 제1 밸브(20)에 전달된 후 연료 전지 시스템(100) 밖으로 배출될 수 있다.The cooling air exhausted to the outlet of the radiator 60 may be humidified air containing water vapor to some extent and may be delivered to the first valve 20 through the radiator exhaust line 85 and then discharged out of the fuel cell system 100 .

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기에 포함된 수증기량과, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기의 수증기량을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 만약, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 수증기량이 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 수증기량보다 많은 경우, 물탱크(70)에 유지되는 물의 양은 점차적으로 감소할 수 있다. 이는, 캐소드(12)에 충분한 물이 공급되지 않은 스택(10) 내부의 온도가 상승하는 결과를 야기시킬 수 있다.Particularly, in the fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention, the amount of water vapor contained in the atmospheric air introduced through the second valve 30 and the amount of water vapor discharged through the first valve 20 are constant It is important to keep it. If the amount of water vapor discharged through the first valve (20) is larger than the amount of water vapor injected through the second valve (30), the amount of water held in the water tank (70) may gradually decrease. This may result in an increase in the temperature inside the stack 10 in which sufficient water is not supplied to the cathode 12.

또한, 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기에 포함된 수증기량과, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기의 수증기량을 일정하게 유지하는 것은 물탱크(70)에 물을 보충해야 하는 불편을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 전체적인 연료 전지 시스템의 성능을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.The water vapor amount included in the atmospheric air injected through the second valve 30 and the water vapor amount of the air exhausted through the first valve 20 are kept constant, There is an advantage that not only inconvenience can be prevented but also the performance of the entire fuel cell system can be maintained.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 대기 공기의 특성, 스택(10)의 목표 운전 온도, 스택(10)의 목표 출력 전력량 등에 기반하여 적응적으로 제1 내지 제2 밸브(20, 30), 제1 내지 제2 압축기(50) 중 적어도 하나를 제어함으로써, 연료 전지 시스템의 성능을 일정하게 유지시킬 수 있다.Therefore, the fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention can adaptively adjust the first to second (for example, the first to the second) power generation modes based on the characteristics of the atmospheric air, the target operating temperature of the stack 10, By controlling at least one of the valves 20 and 30 and the first and second compressors 50, the performance of the fuel cell system can be kept constant.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기한 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기에 포함된 수증기량과, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기의 수증기량을 일정하게 유지시킴으로써, 차량 내 실내 습도를 차량 외부의 습도와 유사 또는 동일하게 유지시킬 수 있는 장점이 있다. In addition, the fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention may further include an amount of water vapor contained in the atmospheric air injected through the second valve 30, a water vapor amount of the air exhausted through the first valve 20 The indoor humidity in the vehicle can be maintained to be similar to or the same as the humidity outside the vehicle.

이하에서는 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기를 통해 캐소드(12) 내에서 증발 가능한 수증기량(m_vap)을 산출하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of calculating the amount of water vapor (m _vap ) capable of evaporating in the cathode 12 through the atmospheric air injected through the second valve 30 will be described in detail.

대기 공기를 통해 캐소드(12) 내에서 증발 가능한 수증기량(m _vap )은 라디에이터(60)의 출구를 통해 배출되는 응축수를 제외환 수증기량-즉, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기에 포함된 수증기량-을 제어를 위한 목표 값으로 설정될 수 있다. The evaporable water vapor amount ( m _vap ) in the cathode 12 through the atmospheric air allows the condensed water discharged through the outlet of the radiator 60 to flow into the evaporator 11 through the evaporator 12, The amount of water vapor - can be set as a target value for control.

대기 공기를 통해 캐소드(12) 내에서 증발 가능한 수증기량(m _vap )은 하기 수식 1에 의해 산출될 수 있다.The amount of vaporizable water vapor ( m _vap ) in the cathode 12 through the atmospheric air can be calculated by the following equation (1).

상기 수식 1에서 보여지는 바와 같이, 증발 가능한 수증기량(m _vap )를 제어하기 위한 변수는 캐소드(12)에 공급되는 공기량-공기 SR에 비례-, 캐소드(12) 내 총 압력, 대기 공기의 상대 습도 및 포화 수증기압을 포함한다.As shown in Equation 1, the variable for controlling the amount of vaporizable water vapor ( m _vap ) depends on the amount of air supplied to the cathode 12 - proportional to the air SR - the total pressure in the cathode 12, And saturated water vapor pressure.

스택(10)의 캐소드(12)의 경우, 열이 충분히 잘 공급되므로 물이 증발하기 좋은 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 캐소드(12)에 의해 배출되는 공기는 상대습도는 거의 포화 상태에 가까울 수 있다. 따라서, 스택(10)의 온도를 목표 수준으로 조절하기 위해서는 캐소드(12)에 주입되는 공기량과 캐소드(12) 내 압력을 제어함으로써, 캐소드(12)에서의 수분 증발량을 조절할 수 있다.In the case of the cathode 12 of the stack 10, since the heat is sufficiently supplied, it is possible to maintain the state where the water evaporates. Thus, the air discharged by the cathode 12 may be close to a saturated state with relative humidity. Therefore, in order to adjust the temperature of the stack 10 to a target level, the amount of moisture evaporated in the cathode 12 can be controlled by controlling the amount of air injected into the cathode 12 and the pressure in the cathode 12. [

연료 전지 시스템(100)에서 궁극적으로 제어하고 싶은 변수는 스택(10)의 운전 온도이며, 캐소드(12) 내에서의 수증기 증발량 및 증발 잠열이 제어되지 않는 경우, 냉각이 제대로 이루어지지 않아 스택(10) 내부 온도가 상승하게 될 수 있다. 이러한 문제 해결을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 캐소드(12)에 주입되는 공기량 및 압력을 제어하여 스택(10)에서의 수증기 증발량 및 증발 잠열을 제어하고 목표 온도를 유지시키고, 상기 수증기 증발량에 따라 라디에이터(60)의 방열량 및 압력을 제어함으로써, 일정량의 물이 물탱크에 유지될 수 있도록 할 수 있다.The variable that is ultimately desired to be controlled in the fuel cell system 100 is the operating temperature of the stack 10. If the evaporation amount of water vapor and the latent heat of vaporization in the cathode 12 are not controlled, ) The internal temperature may rise. In order to solve such a problem, the fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention controls the amount of evaporated vapor and the latent heat of vaporization in the stack 10 by controlling the amount of air and pressure injected into the cathode 12, And a certain amount of water can be held in the water tank by controlling the amount of heat radiation and pressure of the radiator 60 according to the steam evaporation amount.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택 내 수소의 농도 변화를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a change in the concentration of hydrogen in the fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 장치로서, 정상적인 발전을 위해서는 적절한 농도의 수소와 산소가 각각 애노드와 캐소드에 공급되어야 한다.Fuel cells are devices that generate electricity by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. For normal development, appropriate concentrations of hydrogen and oxygen must be supplied to the anode and the cathode, respectively.

산소의 경우, 정상적인 운전 기간에는 에어 블로워를 통해 끊임없이 공기가 연료 전지 스택에 공급되고, 사용된 공기는 연료 전지 스택의 공기 배기구를 통해 배출되므로, 항상 일정한 농도의 산소가 스택에 공급될 수 있다.In the case of oxygen, air is constantly supplied to the fuel cell stack through the air blower during the normal operation period, and the used air is discharged through the air exhaust port of the fuel cell stack, so that a constant concentration of oxygen can always be supplied to the stack.

그러나, 상기한 도 2를 참조하면, 수소의 경우, 스택 내 수소의 이용율을 높이기 위한 목적으로 수소의 배출구가 닫힌 상태로 운영되며, 이에 따라 시간이 지날수록 불순물이 연료 전지의 수소 채널에 쌓이게 된다. 여기서, 수소 채널에 쌓이는 불순물은 수소 탱크로부터 공급되는 불순물, 캐소드에서 MEA를 통해 넘어온 질소 가스, 셀의 온도 상승에 따라 증발한 수증기 등을 포함할 수 있다. 물론, 캐소드에서 MEA를 통해 애노드 방향으로 산소 가스가 넘어올 수 있으나, 이 경우, 산소 가스는 애노드 촉매에서 수소 가스와 반응하여 바로 소모될 수 있다. 또한, 애노드 쪽의 수소 가스 역시, MEA를 통해 캐소드 방향으로 전달될 수 있으나, 이 경우의 수소 가스는 캐소드 촉매에서 산소 가스와 반응하여 바로 소모된다. However, referring to FIG. 2, in the case of hydrogen, the outlet of the hydrogen is operated in a closed state for the purpose of increasing the utilization ratio of the hydrogen in the stack, and the impurities accumulate in the hydrogen channel of the fuel cell over time . Here, the impurities accumulated in the hydrogen channel may include impurities supplied from the hydrogen tank, nitrogen gas passed through the MEA at the cathode, water vapor evaporated as the cell temperature rises, and the like. Of course, oxygen gas can be passed through the MEA in the anode direction toward the anode, but in this case, the oxygen gas can be consumed immediately by reacting with the hydrogen gas in the anode catalyst. Also, the hydrogen gas on the anode side can also be transmitted through the MEA in the cathode direction, but the hydrogen gas in this case reacts with the oxygen gas in the cathode catalyst and is consumed immediately.

불순물의 농도가 높아짐에 따라, 애노드 촉매에 전달되는 수소의 양은 감소하게 되며, 이는 전반적인 연료 전지 성능을 저하시킬 수 있다. 이를 막기 위해, 현재 출시되고 있는 대부분의 연료 전지 차량은 일정 주기마다 또는 일정량의 수소가 소모되면 애노드 채널의 배출 가스를 밖으로 배출시켜 애노드 채널 내 수소 농도를 일정 수준 이상으로 유지되도록 제어되고 있다. 하지만, 애노드 채널에서의 수소 농도를 실시간으로 측정하는 것은 현실적으로 쉽지 않은 문제점이 있다. 상세하게, 수소 탱크로부터 수소 가스와 함께 스택에 공급되는 불순물의 누적량은 수소 탱크에 저장된 가스 분석을 통해 계산될 수 있으나, MEA 양단의 압력 차이에 의해 발생되는 스택 내 가스 이동의 영향을 실측하거나 계산하는 것은 용이하지 않은 문제점이 있다.As the concentration of impurities increases, the amount of hydrogen delivered to the anode catalyst decreases, which may degrade overall fuel cell performance. In order to prevent this, most of the fuel cell vehicles currently on the market are controlled so that the exhaust gas of the anode channel is discharged outside the anode channel at a predetermined period or when a certain amount of hydrogen is consumed, so that the hydrogen concentration in the anode channel is maintained at a certain level or more. However, it is difficult to measure the hydrogen concentration in the anode channel in real time. In detail, the accumulation of impurities supplied to the stack along with hydrogen gas from the hydrogen tank can be calculated through gas analysis stored in a hydrogen tank, but the effect of gas movement in the stack caused by the pressure difference across the MEA can be measured or calculated There is a problem that it is not easy to do.

따라서, 본 발명은 스택의 공기 배기 라인을 통해 배출되는 공기 속에 포함된 산소 농도를 실시간 측정하고, 측정된 산소 농도에 기반하여 애노드 채널의 수소 농도를 추정하고, 추정된 수소 농도에 따라 적응적으로 수소 배기 밸브를 제어하는 것이 가능한 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 방법 및 그를 위한 장치를 제공하고자 한다. Accordingly, the present invention provides a method and system for real-time measurement of oxygen concentration contained in air exhausted through an air exhaust line of a stack, estimating the hydrogen concentration of the anode channel based on the measured oxygen concentration, A hydrogen concentration control method for a fuel cell system capable of controlling a hydrogen exhaust valve, and an apparatus therefor.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 수소 농도 제어 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a structure of a hydrogen concentration control apparatus in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 수소 농도 제어 장치(300)는 크게 스택(STACK, 310), 수소 퍼지 밸브(320), 산소 농도 센서(330) 및 제어부(340)를 포함하여 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위함일 뿐 본 발명의 다른 일 실시예는 보다 많거나 적은 구성 요소들을 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.3, the hydrogen concentration control apparatus 300 may include a stack (STACK) 310, a hydrogen purge valve 320, an oxygen concentration sensor 330, and a control unit 340, It should be noted that other embodiments of the present invention may be configured to include more or fewer components to facilitate understanding of the invention.

스택(310)은 애노드 채널(311), 막전극접합체(MEA, 312) 및 캐소드 채널(313)을 포함할 수 있으나, 이는 설명의 편의를 위함일 뿐, 스택(310)은 냉각 채널과 같은 구성 요소를 더 포함하여 구성될 수 있음을 주의해야 한다.The stack 310 may include an anode channel 311, a membrane electrode assembly (MEA) 312, and a cathode channel 313, but this is for illustrative purposes only, Elements may be further included.

스택(310)은 공기 공급 라인(303)을 통해 공급되는 산소와 수소 공급 라인(301)을 통해 공급되는 수소의 반응을 통해 전력을 생산한다. 이때, 사용된 공기는 공기 배기 라인(304)을 통해 외부로 배기된다.The stack 310 produces electric power through the reaction of oxygen supplied through the air supply line 303 and hydrogen supplied through the hydrogen supply line 301. At this time, the used air is exhausted to the outside through the air exhaust line 304.

상세하게, 공기 공급 라인(303)를 통해 공급되는 대기 공기는 스택(310)의 캐소드 채널(313)에 공급되며, 수소 공급 라인(301)을 통해 공급되는 수소 가스는 애노드 채널(311)에 공급된다. 특히, 애노드 채널(311)에 쌓인 불순물들은 수소 배기 라인(302)에 장착된 수소 퍼지 밸브(320)를 통해 외부로 배기될 수 있다. 이때, 수소 퍼지 밸브(320)는 제어부(340)에 의해 제어될 수 있다.In detail, the atmospheric air supplied through the air supply line 303 is supplied to the cathode channel 313 of the stack 310, and the hydrogen gas supplied through the hydrogen supply line 301 is supplied to the anode channel 311 do. In particular, the impurities accumulated in the anode channel 311 can be exhausted to the outside through the hydrogen purge valve 320 mounted on the hydrogen exhaust line 302. At this time, the hydrogen purge valve 320 may be controlled by the control unit 340.

산소 농도 센서(330)는 공기 배기 라인(304)을 통해 배기되는 공기에는 다량의 질소 가스뿐만 아니라 스택에서의 물 생성 반응 후 남은 산소 가스가 포함될 수 있다. 따라서, 산소 농도 센서(330)는 공기 배기 라인(304)을 통해 배기되는 공기에 포함된 산소의 농도를 측정할 수 있다. 일 예로, 산소 농도 센서(330)는 제어부(340)의 소정 제어 신호에 따라 산소 농도 측정을 개시하고, 측정된 산소 농도에 관한 정보를 제어부(340)에 실시간으로 전달할 수 있다. 일 예로, 제어부(340)는 스택(310)의 구동 후 출력 전력이 안정화된 경우, 산소 농도 센서(330)가 산소 농도의 측정을 개시하도록 제어할 수도 있다. The oxygen concentration sensor 330 may include not only a large amount of nitrogen gas in the air exhausted through the air exhaust line 304 but also remaining oxygen gas after the water production reaction in the stack. Therefore, the oxygen concentration sensor 330 can measure the concentration of oxygen contained in the air exhausted through the air exhaust line 304. [ For example, the oxygen concentration sensor 330 may start the oxygen concentration measurement according to a predetermined control signal of the controller 340, and may transmit information on the measured oxygen concentration to the controller 340 in real time. For example, the control unit 340 may control the oxygen concentration sensor 330 to start the measurement of the oxygen concentration when the output power after the driving of the stack 310 is stabilized.

제어부(340)는 산소 농도 센서(330)로부터 수신된 센싱 정보-즉, 배기 공기의 산소 농도 정보-에 기반하여 애노드 채널(311)의 수소 농도를 추정할 수 있다. 배기 공기의 산소 농도와 애노드 채널(311)의 수소 농도는 서로 반비례에 관계에 있을 수 있다. 일 예로, 배기 공기의 산소 농도가 증가하는 것은, 애노드 채널(311)에서 MEA(312)를 통해 캐소드 채널(313)로 전달되는 수소 가스의 양이 감소함을 의미할 수 있다. 반면, 배기 공기의 산소 농도가 감소하는 것은 애노드 채널(311)에서 캐소드 채널(313)로 전달되는, 즉 크로스오버되는, 수소 가스의 양이 증가함을 의미할 수 있다. The control unit 340 may estimate the hydrogen concentration of the anode channel 311 based on the sensing information received from the oxygen concentration sensor 330, that is, the oxygen concentration information of the exhaust air. The oxygen concentration of the exhaust air and the hydrogen concentration of the anode channel 311 may be inversely proportional to each other. For example, an increase in the oxygen concentration of the exhaust air may mean that the amount of hydrogen gas delivered from the anode channel 311 to the cathode channel 313 through the MEA 312 decreases. On the other hand, a decrease in the oxygen concentration of the exhaust air may mean that the amount of hydrogen gas is increased, that is, transferred to the cathode channel 313 from the anode channel 311, that is, crossed over.

제어부(340)는 배기 공기의 산소 농도에 기반하여 추정된 수소 농도가 소정 제1 기준치 이하로 떨어진 경우, 수소 퍼지 밸브(320)를 개방(OPEN)하여 애노드 채널(311)에 쌓인 불순물이 외부로 배출시킴으로써 애노드 채널(311) 내 수소의 농도가 소정 수준 이상으로 올라가도록 제어할 수 있다. 수소 퍼지 밸브(320)의 개방에 따라 애노드 채널(311) 내 수소 농도가 증가하면, 산소 농도 센서(330)에서 측정되는 배기 공기 내 산소 농도는 다시 낮아질 수 있다. 제어부(340)는 배기 공기의 산소 농도가 소정 기준치 이하로 떨어지는 경우, 상기 개방된 수소 퍼지 밸브(320)가 닫혀지도록 제어할 수 있다.The control unit 340 opens the hydrogen purge valve 320 so that impurities accumulated in the anode channel 311 are discharged to the outside when the estimated hydrogen concentration is lower than a predetermined first reference value based on the oxygen concentration of the exhaust air It is possible to control the concentration of hydrogen in the anode channel 311 to rise to a predetermined level or higher. When the hydrogen concentration in the anode channel 311 increases with the opening of the hydrogen purge valve 320, the oxygen concentration in the exhaust air measured by the oxygen concentration sensor 330 can be lowered again. The control unit 340 may control the open hydrogen purge valve 320 to close when the oxygen concentration of the exhaust air drops below a predetermined reference value.

특히, 수소 퍼지 밸브(320)의 퍼징 시점(개방 시점)은 제조사별 연료 전지 시스템의 세부 구성 및 특성에 따라 상이하게 결정될 수 있다. 상세하게, 퍼징 시점-즉, 애노드 채널 내 불순물 배출을 위해 수소 퍼지 밸브(320)를 개방하도록 결정하기 위한 기준 시점인 배기 공기의 산소 농도 값-은 해당 연료 전지 시스템의 성능 및 안정성을 극대화시킬 수 있는 값으로 결정될 수 있다. 물론, 배기 공기의 산소 농도가 기준치 이하로 낮아져, 수소 퍼지 밸브(320)를 다시 닫아야 하는 시점도 제조사별 연료 전지 시스템의 세부 구성 및 특성에 따라 해당 연료 전지 시스템의 성능 및 안정성을 극대화시킬 수 있도록 결정될 수 있다.In particular, the purging timing (opening time) of the hydrogen purge valve 320 can be determined differently depending on the detailed configuration and characteristics of the fuel cell system of each manufacturer. Specifically, the purging point - the oxygen concentration value of the exhaust air, which is a reference point for determining to open the hydrogen purge valve 320 for the purpose of discharging impurities in the anode channel - can maximize the performance and stability of the fuel cell system It can be determined as a certain value. Of course, when the oxygen concentration of the exhaust air is lowered below the reference value and the hydrogen purge valve 320 is to be closed again, the performance and stability of the fuel cell system may be maximized according to the detailed configuration and characteristics of the fuel cell system Can be determined.

연료 전지 스택(310)의 캐소드 채널(313)에는 질소, 산소 및 수증기가 존재하고, 애노드 채널(311)에는 수소와 수증기가 존재한다. There are nitrogen, oxygen and water vapor in the cathode channel 313 of the fuel cell stack 310, and hydrogen and water vapor are present in the anode channel 311.

각각의 채널에 존재하는 가스는 MEA(312)를 기준으로 양 채널 내 가스의 농도 차이-즉, 압력 차이-에 따라 MEA(312)를 거쳐 크로스오버(Crossover)될 수 있다.The gas present in each channel can be crossovered via the MEA 312 according to the difference in concentration of the gas in both channels, that is, the pressure difference, based on the MEA 312.

여기서, 가스 i의 MEA 투과도 J _i 는 하기 수식 2의 픽스 법칙(Fick's law)에 의해 산출될 수 있다.Here, the MEA permeability J _i of the gas i can be calculated by the Fick's law of the following equation (2).

질소는 일반 대기 중에 약 80%의 부피를 차지하고 있으므로, 캐소드 채널(313) 대부분의 부피를 차지한다. 반면, 애노드 채널에는 공기가 공급되지 않으므로, 공기의 농도는 거의 0에 가깝다. 따라서, 상기 수식 2에 따라 캐소드 채널(313)과 애노드 채널(311)의 질소 농도 차이에 따라 일정량의 질소가 캐소드 채널(313)에서 애노드 채널(311)로 이동하여 애노드 채널(311)에 불순물로 쌓이게 된다.Nitrogen occupies about the bulk of the cathode channel 313 because it occupies about 80% of the volume in the normal atmosphere. On the other hand, since air is not supplied to the anode channel, the air concentration is close to zero. A certain amount of nitrogen moves from the cathode channel 313 to the anode channel 311 in accordance with the difference in nitrogen concentration between the cathode channel 313 and the anode channel 311 according to Equation 2, It will accumulate.

산소는 일반 대기 중에 약 20%의 부피를 차지하며 애노드 채널(311)에서의 산소 농도는 거의 0에 가깝다. 따라서, 상기 수식 1에 따라 캐소드 채널(313)과 애노드 채널(311)의 산소 농도 차이에 따라 일정량의 산소가 캐소드 채널(313)에서 애노드 채널(311)로 이동한다. 하지만, 애노드 채널(311)로 넘어간 산소는 애노드 촉매상의 수소와 반응하여 모두 물로 변환되므로 애노드 채널(311)에 쌓이는 산소는 존재하지 않는다. 애노드 촉매상에서의 물 생성 반응에 의해 소진된 수소의 양만큼 수소 탱크를 통해 애노드 채널(311)로 수소 가스가 지속적으로 공급되는 경우, 애노드 채널(311)상에서의 수소 농도는 일정하게 유지될 수 있다.The oxygen occupies about 20% of the volume in the normal atmosphere and the oxygen concentration in the anode channel 311 is close to zero. Accordingly, a certain amount of oxygen moves from the cathode channel 313 to the anode channel 311 according to the difference in oxygen concentration between the cathode channel 313 and the anode channel 311 according to Equation (1). However, the oxygen passing through the anode channel 311 reacts with hydrogen on the anode catalyst and is converted into water, so that there is no oxygen accumulated in the anode channel 311. The hydrogen concentration on the anode channel 311 can be kept constant when hydrogen gas is continuously supplied to the anode channel 311 through the hydrogen tank by the amount of hydrogen exhausted by the water production reaction on the anode catalyst .

애노드 채널(311)의 수소 역시 위의 수식 2에 따라 캐소드 채널(313)로 이동한다. 이동된 수소는 캐소드 촉매상에서 산소와 반응하여 물이 된다. 따라서 캐소드 채널(313)상에 산소가 존재하는 한, 캐소드 채널(313)의 수소 농도는 0이라 말할 수 있다. 위의 수식 2에서 보면 MEA(312)를 넘어오는 수소의 양은 MEA(312) 양단의 수소의 농도 차이가 클 수록 커진다. 그러나 캐소드 채널(313)의 수소 농도는 산소가 존재하는 한 항상 0이다. 따라서 애노드 채널(311)의 수소 농도가 커질수록 보다 많은 양의 수소가 캐소드 채널(313)로 크로스오버된다.The hydrogen of the anode channel 311 also moves to the cathode channel 313 according to the above equation (2). The transferred hydrogen reacts with oxygen on the cathode catalyst to become water. Therefore, as long as oxygen exists on the cathode channel 313, the hydrogen concentration of the cathode channel 313 can be said to be zero. In the above equation (2), the amount of hydrogen passing through the MEA (312) increases as the difference in the concentration of hydrogen at both ends of the MEA (312) increases. However, the hydrogen concentration in the cathode channel 313 is always zero so long as oxygen is present. Therefore, the larger the hydrogen concentration of the anode channel 311, the greater the amount of hydrogen crossover to the cathode channel 313.

일반적으로 애노드 채널(311)의 압력은 연료 전지의 출력에 따라 지정된 압력으로 유지하므로 스택 운전에 따라 불순물의 양이 늘어날수록 불순물의 분압은 상승하고, 반면에 수소의 분압은 줄어들게 된다. 즉, 아래 수식 3의 이상 기체 상태 방정식을 이용하여 계산하면, 가스의 농도는 분압에 비례하는 것을 알 수 있다.Generally, since the pressure of the anode channel 311 is maintained at a specified pressure according to the output of the fuel cell, the partial pressure of the impurities increases as the amount of the impurities increases according to the stack operation, while the partial pressure of hydrogen decreases. In other words, it can be seen that the concentration of the gas is proportional to the partial pressure when it is calculated using the ideal gas state equation of the following equation (3).

,

,

따라서, 애노드 채널(311)에 쌓이는 불순물의 양이 늘어날 수록 애노드 채널(311)내의 수소의 분압은 점차 감소한다. 이에 따라 캐소드 채널(313)로 크로스오버되는 수소의 양은 점차 감소한다.Accordingly, as the amount of impurities accumulated in the anode channel 311 increases, the partial pressure of hydrogen in the anode channel 311 gradually decreases. So that the amount of hydrogen crossover to the cathode channel 313 gradually decreases.

애노드 채널(311)로부터 크로스오버되어 캐소드 촉매상에서 소모되는 수소의 양에 비례하여 캐소드 채널(313)내의 산소도 소모된다. Oxygen in the cathode channel 313 is also consumed in proportion to the amount of hydrogen that is crossovered from the anode channel 311 and consumed on the cathode catalyst.

스택의 캐소드 채널(313)에 공급된 후 배출되는 공기에 포함된 산소의 농도는 하기 수식 4에 의해 산출될 수 있다. The concentration of oxygen contained in the air discharged after being supplied to the cathode channel 313 of the stack can be calculated by the following equation (4).

상기 수식 4에서 C_consumed를 제외한 나머지 값들은 스택의 출력이 일정하면 일정하게 유지되는 값들이다. 반면, C_consumed는 출력되는 전류 값과는 무관하게 애노드 채널(311)의 수소 농도에 따라 변화하는 값이다.In Equation (4), the remaining values except for C _consumed are values that remain constant when the output of the stack is constant. On the other hand, C _consumed is a value that varies with the hydrogen concentration of the anode channel 311 regardless of the output current value.

따라서, 스택(310)의 출력 전류가 일정하게 유지되는 경우, 애노드 채널(311)의 불순물의 농도는 시간이 경과됨에 따라 높아지게 되며, 그에 따라 애노드 채널(311)의 수소 농도는 감소하게 된다. 애노드 채널(311)의 수소 농도가 감소하면, 캐소드 채널(313)에 크로스오버되는 수소의 양은 감소하고, 그에 따라, 캐소드 채널(313)을 통해 배기되는 산소의 농도는 증가하게 된다.Therefore, when the output current of the stack 310 is kept constant, the concentration of the impurity of the anode channel 311 becomes higher as time elapses, so that the hydrogen concentration of the anode channel 311 decreases. As the hydrogen concentration in the anode channel 311 decreases, the amount of hydrogen crossover to the cathode channel 313 decreases, thereby increasing the concentration of oxygen exhausted through the cathode channel 313.

결과적으로, 캐소드 채널(313) 배기 가스의 산소 농도를 통해 애노드 채널(311)의 수소 농도를 추정할 수 있다.As a result, the hydrogen concentration of the anode channel 311 can be estimated through the oxygen concentration of the exhaust gas of the cathode channel 313.

따라서, 후술할 도 4에 도시된 바와 같이, 캐소드 채널(313)의 배기 가스에 포함된 산소 농도(C_O2,Out)를 기준으로 상술한 도 3의 수소 퍼징 밸브(320)를 제어하는 경우, 애노드 채널(311)의 수소 농도를 일정 수준 이상으로 유지시킬 수 있다.4, when the hydrogen purging valve 320 of FIG. 3 is controlled based on the oxygen concentration C _{O2, Out} contained in the exhaust gas of the cathode channel 313, The hydrogen concentration of the anode channel 311 can be maintained at a certain level or higher.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 캐소드 채널의 배기 가스에 포함된 산소 농도와 애노드 채널의 수소 농도 사이의 상관 관계 및 퍼징 시점을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining the correlation between the oxygen concentration included in the exhaust gas of the cathode channel and the hydrogen concentration of the anode channel in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention and the purging timing.

상세하게, 도면 부호 410은 캐소드 채널의 공기 배기 라인에서 측정된 시간에 따른 산소 농도의 변화 및 그에 따른 퍼징 시점을 보여주며, 도면 번호 420는 상기 도면 부호 410에 따른 산소 농도 변화에 상응하는 애노드 채널에서의 수소 농도 변화 및 그에 따른 퍼징 시점을 보여준다. In detail, reference numeral 410 denotes a change in oxygen concentration and thus a purging time according to the time measured in the air exhaust line of the cathode channel, reference numeral 420 denotes an anode channel corresponding to the oxygen concentration change according to the reference numeral 410 And the purging time of the hydrogen.

도 4의 도면 번호 410 내지 420에 도시된 바와 같이, 캐소드 채널의 배기 가스에 포함된 산소 농도와 애노드 채널의 수소 농도는 서로 반비례 관계에 있을 수 있다. 본 발명에 따른 제어부(340)는 캐소드 채널의 배기 가스에 포함된 산소 농도를 소정 제1 임계 값과 비교하여 퍼징 시점을 결정하거나, 해당 산소 농도에 대응되는 애노드 채널의 수소 농도를 추정하고, 추정된 수소 농도를 소정 제2 임계 값과 비교하여 퍼징 시점을 결정할 수도 있다.As shown in the numerals 410 to 420 in FIG. 4, the oxygen concentration included in the exhaust gas of the cathode channel and the hydrogen concentration of the anode channel may be inversely proportional to each other. The control unit 340 according to the present invention determines the purge point by comparing the oxygen concentration included in the exhaust gas of the cathode channel with a predetermined first threshold value or estimates the hydrogen concentration of the anode channel corresponding to the oxygen concentration, The purge time point may be determined by comparing the hydrogen concentration with a predetermined second threshold value.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a method of controlling the hydrogen concentration in the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 수소 농도 제어 장치는 연료 전지 스택이 구동되면 캐소드 채널의 공기 배기 라인에서의 산소 농도를 측정할 수 있다(S510 내지 S520).Referring to FIG. 5, when the fuel cell stack is driven, the hydrogen concentration control apparatus can measure the oxygen concentration in the air exhaust line of the cathode channel (S510 to S520).

여기서, 공기 배기 라인상에서의 산소 농도 측정은 스택의 출력 전류 값이 소정 범위 내에서 안정적으로 출력되는 경우 개시되도록 제어될 수 있다. 일 예로, 수소 농도 제어 장치에는 산소 농도 센서가 구비될 수 있으며, 산소 농도 센서는 캐소드 채널의 공기 배기 라인의 산소 농도를 실시간 측정할 수 있다.Here, the oxygen concentration measurement on the air exhaust line can be controlled to be started when the output current value of the stack is stably output within a predetermined range. For example, the hydrogen concentration control apparatus may be provided with an oxygen concentration sensor, and the oxygen concentration sensor can measure the oxygen concentration of the air exhaust line of the cathode channel in real time.

수소 농도 제어 장치는 측정된 산소 농도가 소정 제1 기준치를 초과하는지 판단할 수 있다(S530).The hydrogen concentration controller may determine whether the measured oxygen concentration exceeds a predetermined first reference value (S530).

판단 결과, 측정된 산소 농도가 소정 제1 기준치를 초과한 경우, 수소 농도 제어 장치는 수소 퍼징 밸브를 열어 애노드 채널에 쌓인 불순물이 외부로 배출될 수 있도록 제어할 수 있다(S540). 물론, 연료 전지 스택이 구동되면, 초기에 수조 퍼징 밸브는 수소 이용율을 높이기 위해 닫혀 있도록 제어될 수 있다.As a result of the determination, if the measured oxygen concentration exceeds a predetermined first reference value, the hydrogen concentration control device may open the hydrogen purging valve to control the impurities accumulated in the anode channel to be discharged to the outside (S540). Of course, when the fuel cell stack is driven, initially the tank purging valve can be controlled to be closed to increase the hydrogen utilization rate.

수소 퍼징 밸브가 열리면, 애노드 채널의 수소 농도는 상승되고, 이에 따라 캐소드 채널에서 배기되는 공기의 산소 농도는 감소할 수 있다. When the hydrogen purge valve is opened, the hydrogen concentration of the anode channel is raised, and thus the oxygen concentration of the air exhausted from the cathode channel can be reduced.

수소 농도 제어 장치는 측정된 산소 농도가 소정 제2 기준치 이하로 떨어진 경우, 수소 퍼징 밸브를 닫아 애노드 채널 가스 배출을 차단할 수 있다(S550 내지 S560).When the measured oxygen concentration falls below a predetermined second reference value, the hydrogen concentration controller may close the hydrogen purge valve to block the anode channel gas discharge (S550 to S560).

여기서, 상기 제1 기준치는 상기 제2 기준치보다 큰 값일 수 있다.Here, the first reference value may be greater than the second reference value.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소 농도 제어 장치는 공기 배기 라인의 산소 농도가 소정 제3 기준치 이하로 떨어진 경우, 스택 내 고장이 발생된 것으로 판단할 수 있으며, 이에 따라 소정 고장 알림 신호를 차량 내 통신망에 연결된 특정 제어기에 송출할 수 있다. 여기서, 특정 제어기는 일 예로, 연료 전지 엔진 제어기일 수 있으며, 연료 전지 엔진 제어기는 고장 알림 신호가 수신되면, 차량 클러스터에 소정 제어 신호를 송출하여 차량 계기판에 소정 엔진 경고등이 표시되도록 제어할 수 있다. The hydrogen concentration control apparatus according to another embodiment of the present invention can determine that a failure has occurred in the stack when the oxygen concentration of the air exhaust line drops below a predetermined third reference value, To a specific controller connected to the in-vehicle communication network. Here, the specific controller may be, for example, a fuel cell engine controller, and when the failure notification signal is received, a predetermined control signal may be sent to the vehicle cluster so that a predetermined engine warning lamp is displayed on the vehicle instrument panel .

여기서, 제3 기준치는 상기한 제 2 기준치보다 작은 값일 수 있다.Here, the third reference value may be a value smaller than the second reference value.

일 예로, MEA의 내구에 문제가 발생하여 작은 구멍-즉, Pin Hole-이 발생된 경우, 애노드 채널의 수소가 과다하게 캐소드 채널에 크로스오버될 수 있다. 이 경우, 캐소드 채널에서 배기되는 공기의 산소 농도는 급격히 감소될 수 있다.For example, if a problem occurs in the endurance of the MEA and a small hole - that is, a pin hole - is generated, the hydrogen of the anode channel may excessively cross over to the cathode channel. In this case, the oxygen concentration of the air exhausted from the cathode channel can be drastically reduced.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 농도 제어 장치는 공기 배기 라인의 산소 농도가 소정 제3 기준치 이하로 떨어진 경우, 연료 전지 시스템에 이상이 발생된 것으로 판단할 수 있다.The hydrogen concentration control apparatus according to an embodiment of the present invention can determine that an abnormality has occurred in the fuel cell system when the oxygen concentration of the air exhaust line drops below a predetermined third reference value.

일반적으로 차량 엔진 시스템에서 공기 배기관을 통해 배기되는 산소의 농도를 측정하는 산소 농도 센서는 광범위하게 사용되고 있으며, 산소 농도 센서의 가격도 수소 농도를 측정하기 위한 다른 부품에 비해 저렴한 장점이 있다.Generally, an oxygen concentration sensor for measuring the concentration of oxygen exhausted through an air exhaust pipe in a vehicle engine system is widely used, and the price of an oxygen concentration sensor is advantageous in comparison with other parts for measuring hydrogen concentration.

상기와 같이 설명된 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 해당 장치에 다운로드되어 실행될 수도 있다. The hydrogen concentration control method of the fuel cell system described above can be implemented as a computer-readable code on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium includes all kinds of recording media storing data that can be decoded by a computer system. For example, it may be a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a magnetic tape, a magnetic disk, a flash memory, an optical data storage device, or the like. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed in a computer system connected to a computer network, stored as a code readable in a distributed manner, and downloaded and executed in the device.

또한, 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that various modifications and changes may be made.

Claims

A method for controlling the concentration of hydrogen in a fuel cell system having a stack for generating electricity by reacting hydrogen as a fuel with air as an oxidant,
Measuring oxygen concentration of air exhausted through a cathode channel during the stack driving;
Controlling exhaust of an anode channel based on the measured oxygen concentration; And
Estimating a hydrogen concentration of the anode channel based on the measured oxygen concentration
Wherein the purging point of the anode channel is determined according to the estimated hydrogen concentration.

The method according to claim 1,
And opens the hydrogen purge valve so that impurities accumulated in the anode channel are exhausted when the measured oxygen concentration exceeds a predetermined first reference value.

3. The method of claim 2,
Wherein when the oxygen concentration of the air exhausted through the cathode channel in the state where the hydrogen purge valve is opened falls below a predetermined second reference value, the hydrogen purge valve is closed to shut off the exhaust of the anode channel, And the reference value is a value larger than the second reference value.

The method of claim 3,
Further comprising the step of determining that a failure has occurred in the stack if the oxygen concentration of the air exhausted through the cathode channel drops below a predetermined third reference value, wherein the third reference value is less than the second reference value Hydrogen concentration control method.

The method according to claim 1,
Further comprising the step of measuring the intensity of the current output according to the stack drive, wherein when the measured current intensity is within a certain range, the oxygen concentration measurement is initiated.

delete

The method according to claim 1,
Wherein the measured oxygen concentration is inversely proportional to the hydrogen concentration of the anode channel and the hydrogen concentration is estimated based on the inverse relationship.

A stack for producing electricity by reacting hydrogen as fuel and air as oxidant;
An oxygen concentration sensor for measuring the concentration of oxygen contained in the cathode channel exhaust gas of the stack; And
A controller for determining whether to exhaust the anode channel of the stack based on the measured oxygen concentration,
Wherein the control unit estimates the hydrogen concentration of the anode channel based on the measured oxygen concentration and determines the purging point of the anode channel according to the estimated hydrogen concentration, .

9. The method of claim 8,
Further comprising a hydrogen purge valve for controlling the exhaust of the anode channel, wherein the control unit controls the hydrogen purge valve in accordance with the determination result.

10. The method of claim 9,
And the control unit opens the hydrogen purge valve so that impurities accumulated in the anode channel are exhausted when the measured oxygen concentration exceeds a predetermined first reference value.

11. The method of claim 10,
Wherein when the oxygen concentration of the air exhausted through the cathode channel drops below a predetermined second reference value while the hydrogen purge valve is open, the control unit closes the hydrogen purge valve to shut off the exhaust of the anode channel, Wherein the first reference value is larger than the second reference value.

12. The method of claim 11,
Wherein the control unit determines that a failure has occurred in the stack when the oxygen concentration of the air exhausted through the cathode channel drops below a third predetermined value and the third reference value is less than the second reference value, Hydrogen concentration control device.

9. The method of claim 8,
Wherein the control unit controls the oxygen concentration sensor to start the oxygen concentration measurement when the intensity of the current output in accordance with the stack driving is within a certain range.

delete

9. The method of claim 8,
Wherein the measured oxygen concentration is inversely proportional to the hydrogen concentration of the anode channel, and the hydrogen concentration is estimated based on the inverse relationship.

A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing the method according to any one of claims 1 to 5 and 7.