KR101795536B1 - 연료 전지 자동차 및 연료 전지 자동차의 함수량 추정 방법 - Google Patents

연료 전지 자동차 및 연료 전지 자동차의 함수량 추정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지와 연료 전지 자동차, 연료 전지의 함수량 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 연료 전지 스택의 적절한 물 관리를 위해 연료 전지 스택의 현재의 함수량을 추정하는 방법을 제안하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 연료 전지의 함수량 추정 방법은, 연료 전지의 함수 변화량을 감시하는 단계와; 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 전류 및 전압의 분포에 따른 전류-전압 커브를 도출하는 단계와; 전류-전압 커브를 이용하여 연료 전지의 초기 함수량을 획득하는 단계와; 연료 전지의 초기 함수량 및 함수 변화량으로부터 연료 전지의 현재 함수량을 추정하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 자동차 및 연료 전지 자동차의 함수량 추정 방법{FUEL CELL VEHICLE AND WATER CONTENT ESTIMATE METHOD THEREOF}
본 발명은 자동차에 관한 것으로, 연료 전지를 동력으로 사용하는 연료 전지 자동차에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel Cell)는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 발전 시스템이다. 연료 전지의 기본적인 구조는, 전해질을 사이에 두고 음극(수소극)와 양극(산소극)이 전극을 이루는 단위 셀을 기본으로 한다. 수소를 연료로 사용하는 연료 전지의 경우에는 음극에 수소를 공급하고 양극에 산소를 공급함으로써 이온화된 물질의 화학적 반응을 통해 전기와 열이 생성된다. 이와 같은 단위 셀들을 여러 개 적층하여 연료 전지 스택(Fuel Cell Stack)을 구성할 수 있다.
연료 전지는 화석 연료의 연소(산화) 과정을 거치지 않기 때문에 NOx나 SOx, HC, CO 등의 유해 물질을 배출하지 않는다. 또한 발전 효율이 매우 높아서 미래의 발전 기술로도 평가 받고 있다. 이로 인해 에너지 절약과 환경 보호, 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제에 대응하기 위하여 자동차의 화석 연료를 대체할 새로운 동력원으로서 적용되고 있다.
연료 전지 스택에 공급되는 수소와 산소가 너무 건조하면 연료 전지 스택(220)의 성능이 저하될 수 있다. 연료 전지 스택에 공급되는 반응 가스의 상대 습도가 너무 낮으면 고분자 막인 전해질의 건조 현상(Dry-out)이 초래되어 이온 전도도가 낮아지고, 결국 연료 전지 스택의 발전 성능이 저하된다. 반대로, 연료 전지 스택에 함유된 수분의 양이 과도하게 많으면 반응이 일어나는 촉매 층과 전해질 층 삼상 계면에서의 플러딩 현상(Flooding)이 초래되고, 이 플러딩 현상에 의해 물질 전달이 방해를 받아서 연료 전지 스택의 성능이 저하될 수 있다. 따라서 연료 전지 스택의 성능을 최대로 유지하기 위해서는 연료 전지 스택의 적절한 수준의 물 관리가 이루어져야 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 연료 전지 스택의 적절한 물 관리를 위해 연료 전지 스택의 현재의 함수량을 추정하는 방법을 제안하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적의 연료 전지의 함수량 추정 방법은, 연료 전지의 함수 변화량을 감시하는 단계와; 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 전류 및 전압의 분포에 따른 전류-전압 커브를 도출하는 단계와; 전류-전압 커브를 이용하여 연료 전지의 초기 함수량을 획득하는 단계와; 연료 전지의 초기 함수량 및 함수 변화량으로부터 연료 전지의 현재 함수량을 추정하는 단계를 포함한다.
상술한 연료 전지의 함수량 추정 방법은, 연료 전지의 부족 함수량과 최적 함수량을 더 이용하여 초기 함수량을 획득한다.
상술한 연료 전지의 함수량 추정 방법에서, 초기 함수량은,
(수식 2) 초기 함수량(W0) = (Wworst - Wbest)/(Sw - Sb) X (S0 - Sb) + Wbest
로 정의되고, 수식 2에서 Wworst는 부족 함수량이고, Wbest는 최적 함수량이며, Sw는 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw)의 기울기이고, Sb는 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)의 기울기이며, S0은 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)의 기울기이다.
상술한 연료 전지의 함수량 추정 방법에서, 현재 함수량은,
(수식 3) 현재 함수량(Wnow) = W0 + ΔW
로 정의되고, 수식 3에서 W0는 초기 함수량이고, ΔW는 함수 변화량이다.
상술한 연료 전지의 함수량 추정 방법에서, 함수 변화량은,
(수식 1) 함수 변화량(ΔW) = 공급되는 물의 양 + 생성되는 물의 양 - 배출되는 물의 양
으로 정의되고, 수식 1에서 물의 공급과 생성, 배출은 연료 전지를 대상으로 하는 것이다.
상술한 연료 전지의 함수량 추정 방법은, 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 버퍼에 저장하는 것을 더 포함한다.
상술한 목적의 연료 전지 자동차는, 전력을 생산하는 연료 전지와; 연료 전지의 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 전류 및 전압의 분포에 따른 전류-전압 커브를 도출하고, 전류-전압 커브를 이용하여 연료 전지의 초기 함수량을 획득하며, 연료 전지의 초기 함수량 및 함수 변화량으로부터 연료 전지의 현재 함수량을 추정하는 제어부를 포함한다.
상술한 연료 전지 자동차는, 연료 전지의 부족 함수량과 최적 함수량을 더 이용하여 초기 함수량을 획득한다.
상술한 연료 전지 자동차에서, 초기 함수량은,
(수식 2) 초기 함수량(W0) = (Wworst - Wbest)/(Sw - Sb) X (S0 - Sb) + Wbest
로 정의되고, 수식 2에서 Wworst는 부족 함수량이고, Wbest는 최적 함수량이며, Sw는 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw)의 기울기이고, Sb는 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)의 기울기이며, S0은 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)의 기울기이다.
상술한 연료 전지 자동차에서, 현재 함수량은,
(수식 3) 현재 함수량(Wnow) = W0 + ΔW
로 정의되고, 수식 3에서 W0는 초기 함수량이고, ΔW는 함수 변화량이다.
상술한 연료 전지 자동차에서, 함수 변화량은,
(수식 1) 함수 변화량(ΔW) = 공급되는 물의 양 + 생성되는 물의 양 - 배출되는 물의 양
으로 정의되고, 수식 1에서 물의 공급과 생성, 배출은 연료 전지를 대상으로 하는 것이다.
상술한 연료 전지 자동차는, 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 버퍼에 저장하는 것을 더 포함한다.
상술한 목적의 연료 전지의 함수량 추정 방법은, 연료 전지의 함수 변화량을 감시하는 단계와; 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 전류 및 전압의 분포에 따른 전류-전압 커브를 도출하는 단계와; 전류-전압 커브를 이용하여 연료 전지의 초기 함수량을 획득하는 단계와; 연료 전지의 초기 함수량 및 함수 변화량으로부터 연료 전지의 현재 함수량을 추정하는 단계를 포함하고,
초기 함수량은,
(수식 2) 초기 함수량(W0) = (Wworst - Wbest)/(Sw - Sb) X (S0 - Sb) + Wbest
로 정의되고, 수식 2에서 Wworst는 부족 함수량이고, Wbest는 최적 함수량이며, Sw는 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw)의 기울기이고, Sb는 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)의 기울기이며, S0은 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)의 기울기이다.
상술한 연료 전지의 함수량 추정 방법에서, 현재 함수량은,
(수식 3) 현재 함수량(Wnow) = W0 + ΔW
로 정의되고, 수식 3에서 W0는 초기 함수량이고, ΔW는 함수 변화량이다.
상술한 연료 전지의 함수량 추정 방법에서, 함수 변화량은,
(수식 1) 함수 변화량(ΔW) = 공급되는 물의 양 + 생성되는 물의 양 - 배출되는 물의 양
으로 정의되고, 수식 1에서 물의 공급과 생성, 배출은 연료 전지를 대상으로 하는 것이다.
상술한 연료 전지의 함수량 추정 방법은, 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 버퍼에 저장하는 것을 더 포함한다.
상술한 목적의 연료 전지의 함수량 추정 장치는, 버퍼와; 연료 전지의 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 버퍼에 저장하고, 연료 전지의 전류 및 전압의 분포에 따른 전류-전압 커브를 도출하며, 전류-전압 커브를 이용하여 연료 전지의 초기 함수량을 획득하고, 연료 전지의 초기 함수량 및 함수 변화량으로부터 연료 전지의 현재 함수량을 추정하는 함수량 추정부를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 연료 전지 스택의 현재의 함수량을 추정하는 방법을 제안함으로써, 이를 기초로 연료 전지 스택의 적절한 물 관리가 이루어질 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 자동차를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 동력 계통의 배치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 동력 계통의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차에서 사용되는 연료 전지의 원리를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차의 함수량 추정을 위한 구성을 나타낸 도면이다.
도 6(A)는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차의 연료 전지 스택의 함수 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 6(B)는 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)과 드라이 아웃 조건 즉 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw), 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차의 연료 전지 스택의 함수량 추정 방법을 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 자동차를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차(100)는, 연료 전지 자동차(100)의 외관을 형성하는 본체(110), 탑승자에게 연료 전지 자동차(100) 전방의 시야를 제공하면서 바람으로부터 탑승자를 보호하기 위한 윈드쉴드(windshield)(112), 탑승자에게 연료 전지 자동차(100)의 측면 및 측후방의 시야를 제공하는 아웃사이드 미러(114), 연료 전지 자동차(100) 내부를 외부로부터 차폐시키는 도어(190), 통신을 위한 안테나(152) 및 연료 전지 자동차(100)의 전방에 위치하는 앞바퀴(122), 연료 전지 자동차(100)의 후방에 위치하는 뒷바퀴(124)를 포함할 수 있다.
윈드쉴드(112)는 본체(110)의 전방 상측에 마련되어 연료 전지 자동차(100) 내부의 탑승자가 연료 전지 자동차(100) 전방의 시각 정보를 획득할 수 있도록 한다. 또한, 아웃사이드 미러(114)는 좌측과 우측의 도어(190) 각각에 하나씩 마련될 수 있다. 연료 전지 자동차(100)의 탑승자는 아웃사이드 미러(114)를 통해 연료 전지 자동차(100)의 측면 및 측후방의 시각 정보를 획득할 수 있다.
도어(190)는 본체(110)의 좌측 및 우측에 회동 가능하도록 마련된다. 도어(190)의 개방 시에는 탑승자의 출입이 가능하며, 도어(190)의 폐쇄 시에 연료 전지 자동차(100)의 내부를 외부로부터 차폐시킬 수 있다. 도어(190)는 도어 시건 장치(192)를 이용하여 잠금/해제할 수 있다. 도어 시건 장치(192)의 잠금/해제는 사용자가 연료 전지 자동차(100)에 접근하여 도어 시건 장치(192)의 버튼이나 레버를 직접 조작하는 방법과 연료 전지 자동차(100)로부터 떨어진 위치에서 원격 제어기(Remote Controller) 등을 이용하여 원격으로 잠금/해제하는 방법이 있다.
안테나(152)는 텔레매틱스와 DMB, 디지털 TV, GPS 등의 방송/통신 신호 등을 수신하기 위한 것으로서, 다양한 종류의 방송/통신 신호를 수신하는 다기능 안테나이거나 또는 어느 하나의 방송/통신 신호를 수신하기 위한 단일 기능 안테나일 수 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 동력 계통의 배치를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 연료 전지 자동차(100)는 플랫 플로어 타입(Flat Floor Type)이지만, 플랫 플로어 타입 이외의 다른 형태의 연료 전지 자동차에도 본 발명이 적용될 수 있다.
연료 전지 자동차(100)에는 연료 전지 모듈과 여러 가지 전장품이 탑재된다. 연료 전지 모듈 및 전장품들은 엔진 룸과 언더 플로어, 러기지 룸의 하부에 분산 배치된다. 연료 전지 자동차(100)에서, 연료 전지 스택(220)과 에어 블로어(202b), 가습기(210), 수소 공급 장치(230), 고전압 배터리(240), 수소 탱크(250) 등이 연료 전지 모듈을 구성한다. 또한 연료 전지 자동차(100)에서 전장품은, 모터(260)와 전자 제어부 (270), 고전압 정션 박스(전력 분배부)(280), TMS(Temperature Management System) 모듈(290)을 포함한다.
도 3은 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차의 동력 계통의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3에는 앞서 도 2에서 언급한 구성 요소들 외에 에어 클리너(202a)와 쿨링 모듈(202c), 펌프(202d), 충전부(242), 고전압 양방향 직류-직류 컨버터(High Voltage Bidirectional DC-DC Converter)(282)를 추가로 도시하였다.
연료 전지 스택(220)은 복수의 단위 연료 전지 셀(Unit Fuel Cell)(도 4 참조)이 적층된(Stack) 것으로서, 쿨링 모듈(202c)(예를 들면 라디에이터)에 의해 냉각된다. 쿨링 모듈(202c)의 제어는 온도 관리를 담당하는 TMS 모듈(290)에 의해 이루어진다. 연료 전지 스택(220)이 생산하는 전력은 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)를 통해 고전압 정션 박스(280)로 공급되고, 고전압 정션 박스(280)를 통해 전자 제어부(270)와 모터(260) 등의 고전압을 필요로 하는 전기 부하로 제공된다.
에어 블로어(202b)는 연료 전지 스택(220)에 공기(산소)를 공급하도록 마련된다. 공기(산소)를 공급하는 목적은 연료 전지 스택(220)에 산소를 공급하여 수소와 반응하도록 하기 위함이다. 연료 전지 스택(220)에서는 수소와 산소의 반응에 의해 전력이 생산된다.
연료 전지 스택(220)에 공기가 공급되기까지의 경로는 에어 클리너(202a)와 에어 블로어(202b), 가습기(210)를 거쳐 연료 전지 스택(220)에 이른다. 에어 클리너(202a)는 연료 전지 스택(220)에 공급할 공기를 정화하도록 마련된다. 에어 클리너(202a)에 의해 정화된 공기는 에어 블로어(202b)의 송풍 작용에 의해 가습기(210)까지 전달된다. 가습기(210)는 연료 전지 스택(220)에 공급되는 공기를 가습하도록 마련된다. 이와 같은 가습기(210)의 작용에 의해 습윤한 상태로 전환된 공기가 연료 전지 스택(220)에 공급될 수 있다. 연료 전지 스택(220)에 공급되는 수소와 산소가 너무 건조하면 연료 전지 스택(220)의 성능이 저하될 수 있다. 연료 전지 스택(220)에 공급되는 반응 가스의 상대 습도가 너무 낮으면 고분자 막인 전해질이 충분히 수화되지 않아서 이온 전도도가 낮아지고, 결국 연료 전지 스택(220)의 발전 성능이 저하된다. 연료 전지 스택(220)에 공급되는 공기를 가습하면 연료 전지 스택(220)에서 수소 이온의 이동을 담당하는 전해질의 건조 현상(Dry-out)이 초래되지 않도록 할 수 있어서 연료 전지 스택(220)의 성능 저하를 방지할 수 있다. 반대로, 연료 전지 스택(220)에 함유된 수분의 양이 과도하게 많으면 반응이 일어나는 촉매 층과 전해질 층 삼상 계면에서의 플러딩 현상(Flooding)이 초래되고, 이 플러딩 현상에 의해 물질 전달이 방해를 받아서 연료 전지 스택(220)의 성능이 저하될 수 있다. 따라서 연료 전지 스택(220)에서는 적절한 수준의 물 관리가 이루어져야 한다.
수소 공급 장치(230)는 연료 전지 스택(220)에 연료인 수소를 공급하도록 마련된다. 고체 고분자형 연료 전지에서는 전해질인 고분자 막을 항상 습한 상태로 유지할 필요가 있기 때문에 반응 가스인 산소를 가습하여 공급한 것처럼 연료인 수소 역시 가습하여 연료 전지 스택(220)에 공급한다. 수소의 가습을 위해 막 가습기(미도시)가 사용된다. 막 가습기는 수분만이 통과하는 반투막의 한쪽에는 수소를 반대쪽에는 물을 흘려 수소를 가습하는 원리이다. 막 가습기는 연료 전지 스택(220)과 그 구조가 유사하며, 연료 전지 스택(220)과 일체로 결합될 수 있다.
고전압 배터리(240)는 연료 전지 스택(220)과는 별개의 보조 배터리로서 고전압(예를 들면 180V)의 전력을 제공하도록 마련된다. 고전압 배터리(240)에서 제공되는 전압은 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(도 3의 282 참조)에 의해 250~400V로 승압된 후 고전압 정션 박스(280)를 통해 전기 부하(도 5의 502 참조)로 공급된다. 고전압 배터리(240)는 기존의 플러그-인에 대응하는 대용량의 리튬 이온 배터리로서, 연료 전지 자동차(100)의 전기 자동차 모드(Electric Vehicle Mode, EV 모드)에서 고전압 배터리(240)의 전력만으로 연료 전지 자동차(100)가 운행되도록 할 수 있다. 따라서 연료 전지 자동차(100)의 구동을 위한 동력 공급원으로서 수소를 이용하는 연료 전지 스택(220) 외에 가정용 전기와 같은 2차 재원을 고전압 배터리(240)에 직접 충전함으로써 연료 전지 자동차(100)를 구동하기 위한 동력원을 다양화할 수 있다. 고전압 배터리(240)는 외부 전원을 이용하는 충전부(242)에 의해 충전될 수도 있다.
수소 탱크(250)는 연료 전지 자동차(100)의 연료인 수소를 저장하도록 마련된다. 수소 탱크(250)는 수소 흡장 합금 탱크나 고압 용기, 액체 수소 탱크가 사용될 수 있다.
모터(260)는 앞바퀴(122) 또는 뒷바퀴(124)를 구동하도록 마련된다. 모터(260)는 연료 전지 스택(220) 또는 고전압 배터리(240)로부터 제공되는 전기 에너지에 의해 동작한다. 모터(260)는 전자 제어부(270)에 의해 그 속도가 제어될 수 있다. 모터(260)는 100kw급으로 엘 타입(L Type) 감속기와 함께 설치될 수 있다.
전자 제어부(Electronic Control Unit, ECU)(270)는 연료 전지 자동차(100)의 동작 전반을 제어한다. 예를 들면 전자 제어부(270)는 연료 전지 자동차(100)의 주행을 위해 모터(260)의 회전과 정지 등을 제어하고, 또 모터(260)의 회전 시에는 모터(260)의 회전 속도를 제어한다. 전자 제어부(270)에 의한 모터(260)의 제어는 운전자의 가속과 제동, 변속기의 조작에 응답하여 이루어진다. 또한 전자 제어부(270)는 전기 부하(도 5의 502 참조)로의 전력 공급에 관여한다. 또한 전력 생산을 위해 연료 전지 스택(220)으로의 수소 및 산소의 공급, 냉각 등의 제어에도 관여한다.
고전압 정션 박스(280)는 고전압(예를 들면 최고 250-400V)을 필요로 하는 전기 부하에 고전압을 분배하도록 마련된다. 고전압 정션 박스(280)는 엔진 룸 내의 전력 공급(분배)에 관련된 부품들을 하나로 모듈화한 것이다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차(100)의 모듈화된 고전압 정션 박스(280)는 부품 사이즈 및 고전압 와이어링을 최소화할 수 있다. 도 3에는 고전압 정션 박스(280)와 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)가 별도의 구성 요소로 분리되어 있는데, 필요에 따라 고전압 양방향 DC-DC 컨버터(282)를 고전압 정션 박스(280) 내에 포함시켜서 일체화할 수도 있다.
TMS 모듈(290)은 연료 전지 자동차(100)의 각 부분의 온도 관리를 수행하도록 마련된다. TMS 모듈(290)을 적용함으로써 열 관리 시스템을 단순화할 수 있고, 열 관리 시스템의 배관을 최소화함으로써 레이아웃 설계가 유리해지고 열관리 시스템의 성능이 개선될 수 있다.
이 밖에도 엔진 룸에는 펌프(202d)가 더 설치된다. 연료 전지 스택(220)은 쿨링 모듈(202c)로부터 펌프(202d)를 통해 냉각수를 공급받아 냉각됨으로써 온도가 제어된다. 또한, 연료 전지 스택(220)에서 반응에 사용된 공기와 물은 연료 전지 자동차(100)의 외부로 배출되거나, 연료 전지 스택(220)으로 순환하여 연료 전지 스택(220)에서 수소와 반응하는 용도로 재사용될 수도 있다.
도 4는 도 1에 나타낸 연료 전지 자동차에서 사용되는 연료 전지의 원리를 나타낸 도면이다. 도 4에는 특히 대표적인 연료 전지인 고체 고분자형 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PDMFC)의 원리를 나타내었다. 수소를 연료로 사용하는 연료 전지는 물을 전기 분해하면 수소와 산소로 분리되는 전기 분해의 원리를 역으로 이용한 것이다. 즉, 수소와 산소를 반응시켜서 발생하는 전자의 이동으로부터 전력을 얻는다.
연료 전지 스택(220)은 단위 셀이 여러 개 적층된 구조인데, 도 4에 나타낸 연료 전지 셀은 연료 전지 스택(220)을 구성하는 복수의 단위 셀들 가운데 하나를 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 것처럼, 음극(수소극)과 양극(산소극) 사이에 전해질이 채워지고, 음극(수소극)과 양극(산소극) 사이에서 전력을 얻을 수 있다.
연료 전지 스택(220)에서 전력을 생산하기 위해서는 도 4에 나타낸 단위 셀의 음극(수소극)에 수소(H2)를 공급하고 양극(산소극)에 산소(O2)를 공급한다. 단위 셀의 음극(수소극)에서는 공급된 수소(H2)가 산화 반응을 일으켜 2H++2e-로 변환된다. 이렇게 수소(H2)로부터 분리된 전자(2e-)가 전기 부하(예를 들면 모터)로 이동하면서 전류가 형성된다. 물론 전류의 방향은 전자의 이동 방향의 반대인 양극(산소극)에서 음극(수소극)으로 향한다. 전자를 잃은 수소 이온(H+)은 전해질을 통해 양극(산소극)으로 이동하여 산소(1/2 O2) 및 전자(2e-)와 결합하면서 산소의 환원 반응이 일어나 물(H2O)과 열로 변환된다.
이와 같이 연료 전지에서 발생하는 물과 열은 외부로 배출되거나 또는 재생 에너지로 활용되기도 한다. 특히 열 에너지는 연료 전지의 에너지 효율을 높이는데 크게 작용한다. 열 에너지 활용 이전의 연료 전지의 에너지 효율은 약 40-60% 정도인데, 열 에너지를 활용하면 연료 전지의 에너지 효율을 약 80%까지 높일 수 있다.
연료 전지 스택(220)의 “함수량(Water Content, 含水量)”은 연료 전지 스택(220) 내부에 함유되어 있는 수분의 양을 의미한다. 연료 전지 스택(220)의 함수량은 연료 전지 스택(220)의 성능 및 효율을 결정하는 매우 중요한 요소들 중 하나이다.
연료 전지 스택(220)의 단위 셀의 구조는 앞서 도 4를 통해 설명하였다. 도 4의 설명에서 언급한 것처럼, 연료 전지 스택(220)에서는 단위 셀을 구성하는 전해질이 함유하고 있는 수분의 양이 최적의 수준일 때 이온 전도도가 최적의 상태로 유지되어 전력 생산 효율 역시 가장 높다. 그러나 전해질이 함유하고 있는 수분의 양이 지나치게 부족하거나(Dry-out) 또는 과도하게 많으면(Flooding) 연료 전지 스택(220)의 전력 생산 효율이 낮아지거나 내구성을 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다.
따라서 연료 전지 자동차(100)에서 연료 전지 스택(220)의 현재 함수량(Wnow)을 정확히 추정하고 현재 함수량(Wnow)의 추정 값을 기초로 연료 전지 스택(220)의 실제 함수량을 최적의 상태로 유지하는 것이 매우 중요하다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차의 함수량 추정을 위한 구성을 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 전자 제어부(ECU)(270)에는 연료 전지 스택(220)의 현재 함수량(Wnow)을 추정하기 위한 함수량 추정부(502)와 데이터 버퍼(504)가 마련된다. 데이터 버퍼(504)는 함수량 추정 과정에서 발생하는 데이터를 일시적으로 저장하기 위한 것이다. 함수량 추정부(502) 및 데이터 버퍼(504)는 전자 제어부(270) 내부에 로직 형태로 마련될 수 있다. 또는 함수량 추정부(502) 및 데이터 버퍼(504)는 전자 제어부(270) 외부에 별도의 집적 회로 및 메모리의 형태로 구현될 수도 있다.
함수량 추정부(502)는 연료 전지 스택(220)의 현재 함수량(Wnow)을 추정하는 것을 목적으로 한다. 연료 전지 스택(220)의 현재 함수량(Wnow)을 추정하기 위해서는 함수 변화량(ΔW) 및 초기 함수량(W0)의 정보를 알아야 한다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차(100)에서는 다음과 같이 함수 변화량(ΔW) 및 초기 함수량(W0)을 구한다.
함수 변화량(ΔW)은 다음의 수식 1과 같이 계산될 수 있다.
(수식 1) 함수 변화량(ΔW) = 공급되는 물의 양 + 생성되는 물의 양 - 배출되는 물의 양
즉, 함수 변화량(ΔW)은 연료 전지 스택(220)에 공급되는 물의 양과 연료 전지 스택(220) 내부에서 반응을 통해 생성되는 물의 양의 합에서, 연료 전지 스택(220)으로부터 배출되는 물의 양을 뺀 것과 같다. 함수 변화량(ΔW)을 구하기 위해 연료 전지 스택(220)에 마련되어 있는 여러 센서의 측정 값을 획득하고, 획득한 측정 값들을 이상 기체 방정식에 적용하여 구할 수 있다. 이를 위해 연료 전지 스택(220)의 전류(Ifc)와 압력(Pfc), 온도(Tfc), 상대 습도(RH)의 검출 값들이 사용될 수 있다.
도 6(A)는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차(100)의 연료 전지 스택(220)의 함수 변화량을 나타낸 그래프이다. 도 6(A)에 나타낸 것처럼, 연료 전지 스택(220)의 함수 변화량(ΔW)을 지속적으로 모니터링하면서 함수 변화량 ΔW=0이 되는 시점 ①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥, … 마다의 연료 전지 스택(220)의 전류(Ifc) 및 전압(Vfc)을 측정하여 데이터 버퍼(504)에 기록한다.
도 6(B)는 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)과 드라이 아웃 조건 즉 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw), 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)을 나타낸 그래프이다. 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)과 드라이 아웃 조건 즉 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw)은 실험을 통해 미리 획득한 전류-전압 곡선들이다. 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)은 앞서 설명한 도 6(A)의 ΔW=0인 시점 ①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥, …의 전류-전압 곡선이다. 전류-전압 곡선(C0)은 ΔW=0인 시점 ①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥, …에서의 연료 전지 전류(Ifc) 및 연료 전지 전압(Vfc)의 분포에 최소 자승법(Least Square Method, LSM)을 적용하여 구한다.
도 6(B)에 나타낸 그래프에서, “선형 구간”으로 표시된 구간처럼 일정 수준 이상의 선형성을 만족하는 경우 이를 직선으로 가정하고 각각의 기울기(Sb)(S0)(Sw)를 구한 후, 기울기(Sb)(S0)(Sw)를 이용하여 초기 함수량(W0)를 구할 수 있다.
초기 함수량(W0)를 구하기 위한 수식은 다음의 수식 2과 같다.
(수식 2) 초기 함수량(W0) = (Wworst - Wbest)/(Sw - Sb) X (S0 - Sb) + Wbest
위의 수식 2에서, Wworst는 부족 함수량이고, Wbest는 최적 함수량이며, Sw는 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw)의 기울기이고, Sb는 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)의 기울기이며, S0은 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)의 기울기이다.
수식 2을 구성하는 기울기(Sw)(S0)(Sb)는 연료 전지 스택(220)의 장기 열화에 관계없이 함수량에 의해서만 결정되기 때문에 연료 전지 스택(220)의 장기 열화도를 판단하지 않더라도 함수량을 추정할 수 있다.
현재 함수량(Wnow)은 위에서 구한 초기 함수량(W0)에 함수 변화량(ΔW)을 더한 것과 같다. 즉, 현재 함수량(Wnow)은 아래의 수식 3과 같이 나타낼 수 있다.
(수식 3) 현재 함수량(Wnow) = W0 + ΔW
이와 같이 구한 연료 전지 스택(220)의 현재 함수량(Wnow)을 이용하면 연료 전지 스택(220)의 드라이-아웃(Dry-out) 및 플러딩(Floodin)을 효과적으로 방지할 수 있다. 현재 함수량(Wnow) 즉 현재 연료 전지 스택(220)에 함유되어 있는 물의 양을 알고 있으므로, 최적 함수량(Wbest)과의 비교를 통해 급수/배수를 제어함으로써 연료 전지 스택(220)의 함수량을 항상 최적 함수량(Wbest)으로 유지할 수 있다. 또한 급수/배수의 제어를 통해 연료 전지 스택(220)이 드라이-아웃 상태에 이르지 않도록 할 수 있다.
또한 연료 전지 스택(220)의 현재 함수량(Wnow) 연료 전지 자동차(100)의 냉시동 구현에도 크게 영향을 미친다. “냉시동”은 연료 전지 자동차(100)의 주변의 온도가 빙점 이하로 매우 낮은 상태에서 연료 전지 자동차(100)의 키 스타트 기동을 의미한다. 주변의 온도가 빙점 이하이므로 연료 전지 스택(220)에 함유되어 있는 수분이 동결되어 연료 전지 스택(220)이 정상적으로 동작하지 못함에 따라 연료 전지 자동차(100)의 시동이 불가능할 수 있다. 이 경우 연료 전지 스택(220)의 얼어있는 수분을 해빙한 후 키 스타트를 시도해야 하는데, 연료 전지 스택(220)의 현재 함수량(Wnow)을 알 수 있으면 냉시동 시 운전자의 편의를 고려한 다양한 대응이 가능해진다. 예를 들면 연료 전지 스택(220)의 해동에 필요한 시간을 표시하여 운전자가 인지할 수 있도록 하거나, 연료 전지 자동차(100)의 냉각 운전 정지(Cold Shutdown, CSD)에 필요한 시간을 정확히 계산하여 운전자에게 알릴 수 있다. 여기서 “냉각 운전 정지(CSD)”는 연료 전지 자동차(100)의 운행을 종료할 때 다음 운행 시의 냉시동을 고려하여 연료 전지 스택(220)의 수분을 미리 제거하는 것을 의미한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 자동차의 연료 전지 스택의 함수량 추정 방법을 나타낸 도면이다. 먼저 전자 제어부(270)는 연료 전지 스택(220)의 함수 변화량(ΔW)을 지속적으로 모니터링한다(702).
또한, 전자 제어부(270)는 연료 전지 스택(220)의 함수 변화량(ΔW)을 지속적으로 모니터링하면서 함수 변화량 ΔW=0이 되는 시점 ①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥, … 마다의 연료 전지 스택(220)의 전류(Ifc) 및 전압(Vfc)을 측정하여 데이터 버퍼(504)에 기록한다(704).
데이터 버퍼(504)를 대상으로 하는 기록은 데이터 버퍼(504)의 할당된 기록 영역이 모두 가득 찰 때까지 이루어질 수 있다(706의 '아니오'). 또는 데이터 버퍼(504)를 대상으로 하는 기록은 전류(Ifc) 및 전압(Vfc)의 측정 값이 미리 정해진 회수만큼 기록될 때까지 실시할 수도 있다.
데이터 버퍼(504)의 할당된 기록 영역이 연료 전지 스택(220)의 전류(Ifc) 및 전압(Vfc)의 측정 값으로 가득 차면(706의 '예') 전자 제어부(270)는 앞서 도 6(B)에 나타낸 ΔW=0 조건에서의 I fc 및 V fc 분포에 따른 I-V 커브(C0)를 도출한다(708).
데이터 버퍼(504)의 데이터를 이용하여 I-V 커브(C0)를 도출하였으므로, 전자 제어부(270)는 데이터 버퍼(504)의 데이터를 삭제하여 초기화한다(710). 이는 다음 번 함수량 추정에서 사용될 I-V 커브(C0)를 도출하기 위한 새로운 전류(Ifc) 및 전압(Vfc) 측정 값을 기록할 수 있도록 준비하기 위함이다.
ΔW=0 조건에서의 I fc 및 V fc 분포에 따른 I-V 커브(C0)가 확보되었으므로, 전자 제어부(270)는 앞서 도 6(B)를 통해 설명한 초기 함수량(W0)을 연산을 통해 획득한다(712). 즉, 실험을 통해 미리 획득한 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)과 드라이 아웃 조건 즉 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw), 그리고 함수 변화량(ΔW)의 모니터링을 통해 획득한 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)을 이용하여 아래의 수식 2를 만족하는 초기 함수량(W0)을 획득한다.
(수식 2) 초기 함수량(W0) = (Wworst - Wbest)/(Sw - Sb) X (S0 - Sb) + Wbest
위의 수식 2에서, Wworst는 부족 함수량이고, Wbest는 최적 함수량이며, Sw는 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw)의 기울기이고, Sb는 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)의 기울기이며, S0은 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)의 기울기이다.
초기 함수량(W0)과 함수 변화량(ΔW)을 이용하면 현재 함수량(Wnow)을 추정할 수 있다. 전자 제어부(270)는 다음의 수식 3에 나타낸 것처럼 초기 함수량(W0)과 함수 변화량(ΔW)의 합을 통해 현재 함수량(Wnow)을 추정한다(714).
(수식 3) 현재 함수량(Wnow) = W0 + ΔW
현재 함수량(Wnow)은 연료 전지 스택(220)이 현재 함유하고 있는 물의 양을 추정한 값이다. 따라서 전자 제어부(270)는 추정된 현재 함수량(Wnow)에 기초하여 연료 전지 스택(220)을 제어함으로써 연료 전지 스택(220)의 효율을 높이고 연료 전지 스택(220)의 상태에 영향을 받는 다른 장치들도 안전하고 효과적으로 제어할 수 있다(716).
위의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 위에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
　100 : 연료 전지 자동차
202a : 에어 클리너
202b : 에어 블로어
202c : 쿨링 모듈
202d : 펌프
210 : 가습기
220 : 연료 전지 스택
230 : 수소 공급 장치
240 : 고전압 배터리
242 : 충전부
250 : 수소 탱크
260 : 모터
270 : 전자 제어부(ECU)
280 : 고전압 정션 박스
282 : 고전압 양방향 DC-DC 컨버터
290 : TMS 모듈
502 : 함수량 추정부
504 : 데이터 버퍼

Claims (11)

  1. 연료 전지의 함수 변화량을 감시하는 단계와;
    상기 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 상기 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 상기 전류 및 상기 전압의 분포에 따른 전류-전압 커브를 도출하는 단계와;
    상기 전류-전압 커브를 이용하여 상기 연료 전지의 초기 함수량을 획득하는 단계와;
    상기 연료 전지의 상기 초기 함수량 및 상기 함수 변화량으로부터 상기 연료 전지의 현재 함수량을 추정하는 단계를 포함하는 연료 전지의 함수량 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 부족 함수량과 최적 함수량을 더 이용하여 상기 초기 함수량을 획득하는 연료 전지의 함수량 추정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 초기 함수량은,
    (수식 2) 초기 함수량(W0) = (Wworst - Wbest)/(Sw - Sb) X (S0 - Sb) + Wbest
    로 정의되고, 상기 수식 2에서 상기 Wworst는 상기 부족 함수량이고, 상기 Wbest는 상기 최적 함수량이며, 상기 Sw는 상기 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw)의 기울기이고, 상기 Sb는 상기 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)의 기울기이며, 상기 S0은 상기 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)의 기울기인 연료 전지의 함수량 추정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 현재 함수량은,
    (수식 3) 현재 함수량(Wnow) = W0 + ΔW
    로 정의되고, 상기 수식 3에서 상기 W0는 상기 초기 함수량이고, 상기 ΔW는 상기 함수 변화량인 연료 전지의 함수량 추정 방법.
  5. 전력을 생산하는 연료 전지와;
    상기 연료 전지의 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 상기 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 상기 전류 및 상기 전압의 분포에 따른 전류-전압 커브를 도출하고, 상기 전류-전압 커브를 이용하여 상기 연료 전지의 초기 함수량을 획득하며, 상기 연료 전지의 상기 초기 함수량 및 상기 함수 변화량으로부터 상기 연료 전지의 현재 함수량을 추정하는 제어부를 포함하는 연료 전지 자동차.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 부족 함수량과 최적 함수량을 더 이용하여 상기 초기 함수량을 획득하는 연료 전지 자동차.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 초기 함수량은,
    (수식 2) 초기 함수량(W0) = (Wworst - Wbest)/(Sw - Sb) X (S0 - Sb) + Wbest
    로 정의되고, 상기 수식 2에서 상기 Wworst는 상기 부족 함수량이고, 상기 Wbest는 상기 최적 함수량이며, 상기 Sw는 상기 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw)의 기울기이고, 상기 Sb는 상기 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)의 기울기이며, 상기 S0은 상기 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)의 기울기인 연료 전지 자동차.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 현재 함수량은,
    (수식 3) 현재 함수량(Wnow) = W0 + ΔW
    로 정의되고, 상기 수식 3에서 상기 W0는 상기 초기 함수량이고, 상기 ΔW는 상기 함수 변화량인 연료 전지 자동차.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 함수 변화량은,
    (수식 1) 함수 변화량(ΔW) = 공급되는 물의 양 + 생성되는 물의 양 - 배출되는 물의 양
    으로 정의되고, 상기 수식 1에서 물의 공급과 생성, 배출은 상기 연료 전지를 대상으로 하는 것인 연료 전지 자동차.
  10. 연료 전지의 함수 변화량을 감시하는 단계와;
    상기 함수 변화량이 0이 되는 시점마다의 상기 연료 전지의 전류 및 전압을 측정하여 상기 전류 및 상기 전압의 분포에 따른 전류-전압 커브를 도출하는 단계와;
    상기 전류-전압 커브를 이용하여 상기 연료 전지의 초기 함수량을 획득하는 단계와;
    상기 연료 전지의 상기 초기 함수량 및 상기 함수 변화량으로부터 상기 연료 전지의 현재 함수량을 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 초기 함수량은,
    (수식 2) 초기 함수량(W0) = (Wworst - Wbest)/(Sw - Sb) X (S0 - Sb) + Wbest
    로 정의되고, 상기 수식 2에서 상기 Wworst는 부족 함수량이고, 상기 Wbest는 최적 함수량이며, 상기 Sw는 상기 부족 함수량(Wworst) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cw)의 기울기이고, 상기 Sb는 상기 최적 함수량(Wbest) 조건에서의 전류-전압 곡선(Cb)의 기울기이며, 상기 S0은 상기 함수 변화량 ΔW=0인 조건(W0)에서의 전류-전압 곡선(C0)의 기울기인 연료 전지의 함수량 추정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 현재 함수량은,
    (수식 3) 현재 함수량(Wnow) = W0 + ΔW
    로 정의되고, 상기 수식 3에서 상기 W0는 상기 초기 함수량이고, 상기 ΔW는 상기 함수 변화량인 연료 전지의 함수량 추정 방법.
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