KR101795243B1 - 연료전지시스템의 운전 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 운전 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 전류량에 상응하는 요구 공기유량과 공기유량센서를 이용하여 측정한 유입 공기유량에 기초하여 연료전지시스템의 상태(Wet/Dry)를 파악한 후, 공기 과급량 및 운전온도를 조절하여 연료전지시스템 내부의 수분량을 조절함으로써, 연료전지시스템이 건조한 상태가 되는 것을 방지할 수 있는 연료전지시스템의 운전 제어 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 연료전지시스템의 운전 제어 장치에 있어서, 전류량에 상응하는 요구 공기유량을 저장하는 저장부; 연료전지 스택의 공기극으로 유입되는 공기유량(이하, 유입 공기유량)을 측정하는 공기유량 센서; 유입 공기유량을 조절하는 공기유량 조절부; 및 임계시간 동안 요구 공기유량과 유입 공기유량을 각각 누적하고, 누적 요구 공기유량 대비 누적 유입 공기유량의 비율이 임계치를 초과하면, 유입 공기유량을 기준치까지 낮추도록 상기 공기유량 조절부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지시스템의 운전 제어 장치 및 그 방법{DRIVING CONTROL APPARATUS OF FUEL CELL SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지시스템의 운전 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지시스템 내부의 수분량을 조절하여 연료전지시스템이 건조한(Dry) 상태가 되는 것을 방지하는 기술에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 연료전지 차량에 적용될 수 있다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.
이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 셀 내 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층, 즉 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 가지며, 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다.
기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다.
이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀들을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에 집전판(Current Collector) 및 절연판, 적층 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 반복 적층하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 셀을 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 단위 셀들을 적층한 것이 스택이다. 1개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약 1.3V로서, 차량 구동에 필요한 전력을 생산하기 위해 다수의 셀을 직렬로 적층하고 있다.
한편, 연료전지 스택 내에서는 수소와 반소 반응의 결과물로서 수분이 생성되는데, 이러한 수분량은 연료전지시스템의 성능에 영향을 미치기 때문에 적절히 조절되어야 한다.
종래의 기술로서, 연료전지시스템의 운전 제어 기술은 전압, 압력, 임피던스 등에 기초하여 연료전지시스템 내부의 상태(Wet/Dry)를 예측하기 때문에 연료전지시스템의 상태를 정확히 예측하지 못하는 문제점 있다.
대한민국공개특허 제2014-0086692호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전류량에 상응하는 요구 공기유량과 공기유량센서를 이용하여 측정한 유입 공기유량에 기초하여 연료전지시스템의 상태(Wet/Dry)를 파악한 후, 공기 과급량 및 운전온도를 조절하여 연료전지시스템 내부의 수분량을 조절함으로써, 연료전지시스템이 건조한 상태가 되는 것을 방지할 수 있는 연료전지시스템의 운전 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 연료전지시스템의 운전 제어 장치에 있어서, 전류량에 상응하는 요구 공기유량을 저장하는 저장부; 연료전지 스택의 공기극으로 유입되는 공기유량(이하, 유입 공기유량)을 측정하는 공기유량 센서; 유입 공기유량을 조절하는 공기유량 조절부; 및 임계시간 동안 요구 공기유량과 유입 공기유량을 각각 누적하고, 누적 요구 공기유량 대비 누적 유입 공기유량의 비율이 임계치를 초과하면, 유입 공기유량을 기준치까지 낮추도록 상기 공기유량 조절부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 연료전지시스템의 운전 제어 방법에 있어서, 임계시간 동안, 전류량에 상응하는 요구 공기유량과 연료전지 스택의 공기극으로 유입되는 공기유량(이하, 유입 공기유량)을 각각 누적하는 단계; 누적 요구 공기유량 대비 누적 유입 공기유량의 비율을 임계치와 비교하는 단계; 상기 비교결과, 임계치를 초과하면 연료전지 스택의 내부가 건조한 상태로 판단하여 유입 공기유량을 기준치까지 낮추는 단계; 및 상기 비교결과, 임계치를 초과하지 않으면 연료전지 스택의 내부가 정상인 것으로 판단하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 전류량에 상응하는 요구 공기유량과 공기유량센서를 이용하여 측정한 유입 공기유량에 기초하여 연료전지시스템의 상태(Wet/Dry)를 파악한 후, 공기 과급량 및 운전온도를 조절하여 연료전지시스템 내부의 수분량을 조절함으로써, 연료전지시스템이 건조한 상태가 되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 장치에 대한 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 요구 공기유량 대비 유입 공기유량과 최대 출력 간의 관계를 나타내는 일예시도,
도 3 은 본 발명에 따른 누적 요구 공기유량과 누적 유입 공기유량에 대한 일예시도,
도 4 는 본 발명에 따른 유입 공기유량을 기준치까지 낮춘 상태를 나타내는 일예시도,
도 5 는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 운전온도를 임계온도까지 낮춘 상태를 나타내는 일예시도,
도 6 은 본 발명에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 장치에 대한 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 장치는, 저장부(10), 공기유량 센서(20), 공기유량 조절부(30), 온도 조절부(40), 상태 진단부(50), 및 제어부(60)를 포함한다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 저장부(10)는 수소와 산소의 반응을 위해 인가되는 전류량에 상응하는 요구 공기유량에 대한 데이터를 저장하고 있다.
다음으로, 공기유량 센서(20)는 일례로 에어 플로 센서(air flow sensor)로 구현될 수 있으며, 제어부(50)의 제어하에 연료전지 스택의 공기극(cathode)으로 유입되는 공기유량(이하, 유입 공기유량)을 측정한다.
이러한 공기유량 센서(20)는 연료전지 스택의 공기극으로 유입되는 공기유량을 직접적으로 측정함으로써, 각종 파라미터(전압, 압력, 임피던스 등)를 통해 유추해 내는 종래의 기술에 비해 데이터의 검출 정확도를 향상시킬 수 있는 장점을 유발한다.
다음으로, 공기유량 조절부(30)는 일례로 에어 블로워(air blower)로 구현될 수 있으며, 제어부(50)의 제어하에 연료전지 스택의 공기극으로 유입되는 공기유량을 조절한다.
특히, 도 2를 통해서도 알 수 있듯이 연료전지 스택은 인가되는 전류량에 따른 요구 공기유량 대비 유입 공기유량(Stoichiometry Ratio :SR)에 따라 최대 출력에 차이가 발생하는 점을 고려할 때, 유입 공기유량의 조절을 통해 연료전지 스택 내부의 상태(Wet/Dry)를 최적의 상태로 유지하여 그 성능을 극대화할 수 있다. 도 2에서 SR_avg는 SR의 평균을 의미한다.
다음으로, 온도 조절부(40)는 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절하여 연료전지 스택의 운전온도를 조절한다.
이러한 온도 조절부(40)는 수랭식 냉각시스템으로 구현될 수도 있다.
통상, 차량용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 열을 외부로 방출하는 냉각시스템에는 냉각수를 스택 내 냉각수 채널에 공급하여 순환시키는 수랭식이 적용되고 있다.
수랭식 냉각시스템에서 냉각수가 스택의 열을 방열기를 통해 외부로 방출하기 위한 매체이면서, 필요에 따라 히터에 의한 냉각수 가열을 통해 스택의 온도를 상승시키는 매체로 사용되기도 하며, 또한 냉각수의 온도가 스택의 온도를 결정하는 중요한 요소가 된다.
예를 들어, 스택의 입구로 유입되는 냉각수의 온도를 변화시킴에 따라 스택의 작동온도를 제어할 수 있다.
연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 수랭식시스템의 구성은, 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 방열기(Radiator)와 냉각팬(Radiator Fan), 연료전지 스택과 방열기 사이에 냉각수가 순환되도록 연결되는 냉각수 라인, 방열기를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스(Bypass)하기 위한 바이패스 라인, 방열기와 바이패스 라인의 냉각수통과 유량을 조절하기 위한 서모스탯(Thermostat), 그리고 냉각수 라인에서 냉각수를 압송하는 펌프를 포함한다.
다음으로, 상태 진단부(50)는 연료전지 스택이 정상적으로 동작하고 있는지에 대한 진단을 수행한다.
이러한 상태 진단부(50)는 일례로 상태 진단부(50)는 연료전지 스택의 전류전압곡선(IV-Curve)을 이용하여 연료전지 스택의 정상 동작 여부를 진단할 수 있다.
예를 들어, 연료전지 스택이 정상적으로 동작할 때의 전류전압곡선(이하, 기준 전류전압곡선)과 현재 연료전지 스택의 전류전압곡선을 비교하여 진단할 수 있다. 즉, 현재 연료전지 스택의 전류전압곡선상의 값이 기준 전류전압곡선상의 값을 초과하면 정상 상태로 판단하고, 초과하지 않으면 비정상 상태로 판단한다.
다른 예로, 연료전지 스택이 정상적으로 동작할 때의 내부저항(이하, 기준 내부저항)과 현재 연료전지 스택의 내부저항을 비교하여 진단할 수 있다. 즉, 현재 연료전지 스택의 내부저항이 기준 내부저항보다 작으면 정상 상태로 판단하고, 그렇지 않으면 비정상 상태로 판단한다.
상술한 상태 진단부(50)는 제어부(60)에 의해 SR이 기준치까지 조절된 상태에서 동작하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제어부(60)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다.
특히, 제어부(60)는 연료전지 스택에 인가되는 전류량에 상응하는 요구 공기유량과 연료전지 스택의 공기극으로 유입되는 공기유량(유입 공기유량)을 임계시간 동안 각각 누적한다. 이때, 임계시간(일례로, 5분) 동안 누적된 요구 공기유량(310) 및 유입 공기유량(320)은 도 3에 도시된 바와 같다.
이후, 제어부(60)는 누적 요구 공기유량 대비 누적 유입 공기유량의 비율이 임계치를 초과하면 연료전지 스택의 내부가 건조한 것으로 판단하여 유입 공기유량을 기준치까지 낮추도록 공기유량 조절부(30)를 제어한다. 이렇게 유입 공기유량을 기준치까지 낮춘 상태는 도 4에 도시된 바와 같다.
또한, 제어부(60)는 누적 요구 공기유량 대비 누적 유입 공기유량의 비율이 임계치를 초과하지 않으면 정상 상태로 판단하여 지속적인 모니터링을 수행한다.
이후, 제어부(60)는 유입 공기유량이 기준치까지 낮아진 상태에서 상태 진단부(50)를 활성화하고, 상태 진단부(50)에 의해 비정상 상태로 진단되면 연료전지 스택의 운전온도를 임계온도까지 낮추도록 온도 조절부(40)를 제어한다. 이렇게 운전온도가 조절된 상태는 도 5에 도시된 바와 같다.
또한, 제어부(60)는 유입 공기유량이 기준치까지 낮아진 상태에서 상태 진단부(50)를 활성화하고, 상태 진단부(50)에 의해 정상 상태로 진단되면 연료전지 스택 내부의 건조함이 사라진 것으로 판단한다.
결국, 제어부(60)는 연료전지 스택의 내부가 건조한 상태가 되지 않도록 1차로 유입 공기유량을 조절하고, 1차 조절에도 불구하고 연료전지 스택 내부의 건조 상태가 유지되는 경우에 2차로 연료전지 스택의 온도를 조절한다. 이때, 1차 조절 후 연료전지 스택의 상태를 진단하기 위해 연료전지 스택의 전류전압 곡선 및 내부저항을 이용한다.
도 6 은 본 발명에 따른 연료전지시스템의 운전 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도로서, 제어부(60)에 의해 수행되는 과정을 나타낸다.
먼저, 임계시간 동안, 전류량에 상응하는 요구 공기유량과 연료전지 스택의 공기극으로 유입되는 공기유량(이하, 유입 공기유량)을 각각 누적한다(601).
이후, 누적 요구 공기유량 대비 누적 유입 공기유량의 비율을 임계치와 비교한다(602).
이후, 임계치를 초과하는지 판단한다(603).
상기 판단결과(603), 임계치를 초과하지 않으면 연료전지 스택의 내부가 정상인 것으로 판단한다.
상기 판단결과(603), 임계치를 초과하면 연료전지 스택의 내부가 건조한 상태로 판단하여 유입 공기유량을 기준치까지 낮춘다(604).
이후, 연료전지 스택의 상태를 진단한다(605).
이후, 비정상 상태로 판단되면 연료전지 스택의 운전온도를 임계온도까지 낮춘다(606, 607).
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10 : 저장부
20 : 공기유량 센서
30 : 공기유량 조절부
40 : 온도 조절부
50 : 상태 진단부
60 : 제어부

Claims (11)

  1. 전류량에 상응하는 요구 공기유량을 저장하는 저장부;
    연료전지 스택의 공기극으로 유입되는 공기유량(이하, 유입 공기유량)을 측정하는 공기유량 센서;
    유입 공기유량을 조절하는 공기유량 조절부; 및
    임계시간 동안 요구 공기유량과 유입 공기유량을 각각 누적하고, 누적 요구 공기유량 대비 누적 유입 공기유량의 비율이 임계치를 초과하면, 유입 공기유량을 기준치까지 낮추도록 상기 공기유량 조절부를 제어하는 제어부
    를 포함하는 연료전지시스템의 운전 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연료전지 스택의 상태를 진단하는 상태 진단부; 및
    연료전지 스택의 운전온도를 조절하는 온도 조절부
    를 더 포함하는 연료전지시스템의 운전 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 조절부는,
    연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    유입 공기유량이 기준치까지 낮아진 상태에서 상기 상태 진단부를 활성화하고, 상기 상태 진단부에 의해 비정상 상태로 진단되면 연료전지 스택의 운전온도를 임계온도까지 낮추도록 상기 온도 조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 상태 진단부는,
    연료전지 스택의 전류전압곡선(IV-Curve)을 이용하여 연료전지 스택의 정상 동작 여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 상태 진단부는,
    연료전지 스택의 내부저항을 이용하여 연료전지 스택의 정상 동작 여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 장치.
  7. 임계시간 동안, 전류량에 상응하는 요구 공기유량과 연료전지 스택의 공기극으로 유입되는 공기유량(이하, 유입 공기유량)을 각각 누적하는 단계;
    누적 요구 공기유량 대비 누적 유입 공기유량의 비율을 임계치와 비교하는 단계;
    상기 비교결과, 임계치를 초과하면 연료전지 스택의 내부가 건조한 상태로 판단하여 유입 공기유량을 기준치까지 낮추는 단계; 및
    상기 비교결과, 임계치를 초과하지 않으면 연료전지 스택의 내부가 정상인 것으로 판단하는 단계
    를 포함하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    유입 공기유량이 기준치까지 낮아진 상태에서, 연료전지 스택이 비정상 상태로 진단되면 연료전지 스택의 운전온도를 임계온도까지 낮추는 단계
    를 더 포함하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 운전온도를 낮추는 단계는,
    연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절하여 운전온도를 낮추는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 과정은,
    연료전지 스택의 전류전압곡선(IV-Curve)을 이용하여 연료전지 스택의 정상 동작 여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 과정은,
    연료전지 스택의 내부저항을 이용하여 연료전지 스택의 정상 동작 여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 운전 제어 방법.
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