KR101816391B1 - 연료전지 시스템의 시동방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 시동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 연료전지 시스템의 시동방법은, 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출하는 질소분압 산출단계; 상기 질소분압 산출단계에서 산출된 질소분압으로부터 상기 타겟 수소농도를 만족하는 타겟 수소압을 산출하는 타겟 수소압 산출단계; 및 상기 타겟 수소압에 대응하여 수소를 공급하는 수소 공급단계;를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 시동방법{PROCEDURE FOR STARTING UP FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템을 시동시키는 연료전지 시동방법에 관한 것로, 보다 상세하게는 수소 이용율을 개선함과 더불어 전기에너지 손실을 최소화할 수 있는 연료전지 시동방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킨다.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함할 수 있다.
이러한 연료 전지는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
그리고, 연료전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 전지가 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 이 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 배치된 수소극 및 공기극 등으로 구성되어 있다.
한편, 연료전지 자동차 등에 적용된 연료전지 시스템은 그 시동단계에서 운전 중의 타켓 수소농도, 시동 시의 추가적인 퍼지유무, 정차시간에 따른 수소극의 질소 분압이 0~80 kPa 정도가 된다.
예컨대, 운전 중 출구의 타켓 수소농도가 60%인 경우에 연료전지의 운전 정지(shut down) 시 수소의 퍼지를 통해 출구의 수소농도가 100%로 상승하면 질소 분압은 0 kPa이 될 수 있다. 그리고, 연료전지의 운전 정지시간(예컨대, 차량의 주차시간 등)이 증가함에 따라 공기극의 공기 및 대기에서 공기극 내부로 확산된 공기가 전해질막을 통해 수소극으로 크로스오버(cross-over)될 수 있고, 이에 수소극의 질소 및 산소 등의 가스 농도가 증가할 수 있다.
이때, 산소는 수소극 내의 잔류수소와 반응하여 소진될 수 있고, 만일 수소극 내에 잔류 수소가 없을 경우에는 산소 농도는 점차 증가할 수 있다. 그리고, 질소는 비활성가스로서 수소와 미반응하고, 공기 중 질소 분압을 고려할 때 질소의 최대분압은 대략 80kPa이 된다.
이렇게 연료전지의 운전 정지 이후에 연료전지를 시동할 경우에는 수소극의 수소 공급에 따라 잔류 산소는 추가 반응하여 물을 생성하여 소모될 수 있지만, 질소는 비활성가스인 질소는 수소와 함께 재순환하고, 시동단계에서 질소 배출을 위한 수소 퍼지 시에 잔류 질소와 수소가 동시에 배출될 수 있다.
한편, 연료전지의 시동단계에서 수소의 퍼지가 항상 요구되는 것이 아니고, 연료전지의 막-전극 어셈블리(MEA)의 내구성을 고려하여 수소의 퍼지 유무가 결정될 수 있다. 예컨대, 연료전지의 막-전극 어셈블리(MEA)의 내구성이 높은 경우에는 운전 도중의 타겟 수소 농도가 상대적으로 낮아질 수 있고, 이렇게 연료전지의 타겟 수소농도가 상대적으로 낮은 경우에는 수소의 재순환량이 상대적으로 높아질 수 있으며, 이러한 조건에서는 무퍼지 시동(start up without purging)이 가능할 수 있다.
이와 같이, 무퍼지 시동이 가능한 조건에서도 질소 배출을 위한 수소 퍼지를 수행할 경우에는 잔류 질소와 수소가 함께 배출되므로, 수소 이용율이 대폭 감소될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 단점을 극복하기 위하여 연구개발된 것으로, 무퍼지 시동이 가능한 조건의 타겟 수소농도를 만족시킬 수 있는 타겟 수소압 및/또는 수소 재순환블로워의 RPM을 산출함으로써 연료전지의 무퍼지 시동(start up without pruging)을 효과적으로 구현할 수 있는 연료전지 시동방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템의 시동방법은,
수소극의 질소분압을 산출하는 질소분압 산출단계;
상기 질소분압 산출단계에서 산출된 질소분압으로부터 타겟 수소농도를 만족하는 타겟 수소압을 산출하는 타겟 수소압 산출단계; 및
상기 타겟 수소압에 대응하여 수소를 공급하는 수소 공급단계;를 포함할 수 있다.
상기 질소분압 산출단계는, 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도로부터 상기 수소극의 질소분압을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 질소분압 산출단계는 타겟 수소농도, 수소의 퍼지 유무, 및 운전 정지시간의 경과에 따라 수소극의 가스분압이 예측되는 가스분압 산출모델로부터 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도를 선정하고, 상기 선정된 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 수소 공급단계 이후에 공기를 공급하는 공기 공급단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 시스템의 시동방법은,
무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출하는 질소분압 산출단계;
상기 질소분압 산출단계에서 산출된 질소분압으로부터 상기 타겟 수소농도를 만족하는 타겟 수소압을 산출하는 타겟 수소압 산출단계;
상기 타겟 수소농도에 대응하는 수소 재순환율을 선정하고, 상기 선정된 수소 재순환율을 만족하는 재순환블로워의 RPM을 산출하는 RPM 산출단계; 및
상기 타겟 수소압에 대응하여 수소를 공급함과 더불어, 상기 재순환블로워의 RPM에 대응하여 수소를 재순환시키는 수소 공급 및 재순환 단계;를 포함할 수 있다.
상기 질소분압 산출단계는 타겟 수소농도, 수소의 퍼지 유무, 및 운전 정지시간의 경과에 따라 수소극의 가스분압이 예측되는 가스분압 산출모델로부터 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도를 선정하고, 상기 선정된 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 RPM 산출단계는 상기 타겟 수소농도에 대응하여 수소 화학양론비를 선정하고, 상기 선정된 수소 화학양론비를 만족하는 재순환블로워의 RPM을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 수소 공급 및 재순환 단계 이후에 공기를 공급하는 공기 공급단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 수소극의 가스분압 예측모델로부터 무퍼지 시동이 가능한 조건의 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출하고, 이렇게 산출된 질소분압을 이용하여 무퍼지 시동이 가능한 타겟 수소압 및/또는 재순환블로워의 RPM을 산출하며, 이러한 타겟 수소압 및/또는 재순환블로워의 RPM에 맞춰 수소 공급장치 및/또는 재순환블로워를 제어함으로써 무퍼지 시동이 가능한 조건에서의 무퍼지 시동을 효율적으로 구현할 수 있고, 이를 통해 수소 이용율을 개선할 뿐만 아니라 전기에너지의 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 시스템을 예시한 도면이다.
도 2는 타겟 수소농도, 수소의 퍼지 유무, 및 연료전지 시스템의 운전 정지 시간의 경과에 따라 수소극의 가스분압(질소. 산소 등)을 예측한 수소극의 가스분압 모델을 예시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 스택의 입구 및 출구 사이의 압력차에 따른 재순환 수소량을 측정하여 재순환블로워의 성능을 작성한 재순환블로워 성능맵을 예시한 도면이다.
도 6은 스택의 입구 및 출구 사이의 압력차에 따른 재순환 수소량을 측정하여 이젝터의 성능을 작성한 이젝터 성능맵을 예시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 수소극(11) 및 공기극(12)을 가진 스택(10)과, 스택(10)의 수소극(11)으로 수소를 공급하는 수소 공급장치(20)와, 스택(10)의 공기극(12)으로 공기를 공급하는 공기 공급장치(30)를 포함할 수 있다.
스택(10)은 수소극(11)과 공기극(12)을 가진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체로 구성될 수 있다.
수소 공급장치(20)는 수소 저장탱크(미도시)로부터 수소극(11)의 입구측에 연결된 수소 공급라인(21)과, 수소 공급라인(21)에 설치된 수소공급밸브(22, HSV)와, 수소극(11)의 입구와 수소공급밸브(22) 사이에 설치된 이젝터(23) 등을 가질 수 있다.
수소극(11)의 입구 측에는 입구센서(24)가 설치되어 수소극(11)의 입구측 온도 및 입구측 압력 등을 측정할 수 있고, 수소극(11)의 출구측에는 출구센서(25)가 설치되어 수소극(11)의 출구측 온도 및 출구측 압력 등을 측정할 수 있다.
수소극(11)의 출구에는 재순환라인(41)이 접속되고, 이러한 재순환라인(41)은 수소극(11)의 출구와 이젝터(23)를 연결할 수 있다. 재순환라인(41)의 도중에는 재순환블로워(42)가 설치될 수 있다. 그리고, 재순환라인(41) 상에서 재순환블로워(42)의 하류 측에 워터트랩(43)이 설치될 수 있다.
공기 공급장치(30)는 공기극(12)의 입구측에 연결된 공기 공급라인(31)과, 공기 공급라인(31)의 상류단에 설치된 필터(32)와, 필터(32)의 하류측에 설치된 공기 압축기(33)와, 공기 압축기(33)의 하류 측에 설치된 가습기(34) 등을 가질 수 있다.
공기극(12)의 입구 측에는 입구센서(35)가 설치되어 공기극(12)의 입구측 온도 및 입구측 압력 등을 측정할 수 있고, 공기극(12)의 출구 측에는 출구센서(36)가 설치되어 공기극(12)의 출구측 온도 및 출구측 압력 등을 측정할 수 있다.
공기극(12)의 출구에는 공기배기라인(51)이 접속되고, 공기배기라인(51)은 가습기(34)를 통과하여 외부로 연장될 수 있다. 그리고, 공기배기라인(51)의 하류에는 배압조절기(52)가 설치될 수 있다.
한편, 재순환라인(41)의 도중에는 퍼지라인(44)이 분기되어 공기배기라인(51) 또는 가습기(34) 측에 연결될 수 있다. 퍼지라인(44)에는 퍼지밸브(45)가 설치될 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지 시스템의 운전정지 시간이 일정시간 동안 경과한 후에 연료전지 시스템을 시동하고자 할 경우에, 운전 중의 타겟 수소농도에 따라 수소극(11)에 대한 수소의 퍼지 유무가 결정될 수 있으며, 특히 스택(10)의 막전극 어셈블리의 내구성에 따라 타겟 수소농도가 가변적으로 선정될 수 있고, 이렇게 가변되는 타겟 수소농도에 따라 시동 시의 퍼지유무가 결정될 수 있다. 예컨대, 타겟 수소농도가 일정 기준치 보다 상대적으로 낮은 경우에는 시동 단계에서 퍼지를 수행하지 않는 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당될 수 있고, 반대로 타겟 수소농도가 일정 기준치 보다 상대적으로 높은 경우에는 시동단계에서 퍼지를 필수적으로 수행하여야 하는 퍼지 시동 조건에 해당될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동방법을 도시한다.
도 3을 참조하면, 연료전지 시스템이 일정시간 동안 정지된(예컨대, 연료전지 차량의 주차 상태에 해당될 수 있음) 이후에, 연료전지 시스템의 제어부가 시동신호(start-up signal)를 수신하면(S1), 가스분압 모델을 통해 스택(10)의 수소극(11)의 질소분압을 산출한다(S2).
특히, 도 2에 예시된 수소극의 가스분압 모델을 이용하여 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도를 선정하고, 이렇게 선정된 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출할 수 있다.
도 2에는 타겟 수소농도, 수소의 퍼지 유무, 및 연료전지 시스템의 운전 정지 시간의 경과에 따라 수소극(11) 내에 있는 질소, 산소 등과 같은 가스의 분압이 예측되는 수소극의 가스분압 모델이 예시되어 있다.
도 2의 가스분압 모델을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 2의 A선은 운전 도중의 수소극(11)의 출구측 타겟 수소농도가 60%이고, 저온의 운전정지(SD, Shut-Down)상태에서 운전정지 시간의 경과에 따라 질소분압이 0 kPa~80 kPa으로 증가함을 알 수 있고, 수소의 퍼지가 요구되는 퍼지 시동조건임을 나타낸다.
도 2의 B선은 운전 도중의 수소극(11)의 출구측 타겟 수소농도가 40%이고, 상온의 운전전지(SD, Shut-Down) 상태에서 운전정지 시간의 경과에 따라 질소분압이 0 kPa~80 kPa으로 증가함을 알 수 있고, 무퍼지 시동이 가능한 조건임을 나타낸다.
도 2의 C선은 운전 도중의 수소극(11)의 출구측 타겟 수소농도가 20%이고, 상온의 운전전지(SD, Shut-Down) 상태에서 운전정지 시간의 경과에 따라 질소분압이 대략 80kPa을 일정하게 유지함을 알 수 있고, 무퍼지 시동이 가능한 조건임을 나타낸다.
도 2의 D선은 운전 도중의 수소극(11)의 산소 분압이 완만하게 증가함을 나타낸다.
이러한 가스분압 모델로부터 무퍼지 시동이 가능한 조건(예컨대, 도 2의 B선, C선에 해당되는 조건인 경우)에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도가 선정될 수 있고, 이렇게 선정된 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출할 수 있다. 즉, 가스분압 모델로부터 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출할 수 있다(S2).
이렇게 산출된 질소분압으로부터 도2에서 선정된 타겟 수소농도를 만족하는 타겟 수소압을 산출할 수 있다(S3).
예컨대, 도 2의 B선과 같이 타겟 수소농도가 40%이고, 상온 운전정지인 경우에는 운전정지시간이 30시간을 경과한 조건에서는 질소분압이 80 kPa가 될 수 있으며, 이에 타겟 수소농도 = ((타겟 수소압 - 질소분압)/타겟 수소압)×100의 관계식에 타겟 수소농도인 40% 및 질소분압인 80 kPa을 대입하면, 40%= ((타겟 수소압-80)/타겟 수소압)×100이 되고, 이로부터 타겟 수소압을 133 kPa로 산출할 수 있다.
이에, 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 타겟 수소압을 산출하고, 이렇게 산출된 타겟 수소압에 맞춰 연료전지 시스템의 수소공급장치(20)를 적절히 제어하여 수소극(11) 측으로 수소를 공급할 수 있다(S4).
그 이후에 공기극(12) 측으로 공기를 공급한다(S5). 이때, 스택(10)의 과열을 방지하기 위하여 스택(10) 내로 냉각수를 공급할 수도 있다.
그런 다음에 스택(10)의 수소극(11)과 산소극(12)의 반응에 의해 운전을 위한 동력이 발생하면 시동단계가 종료될 수 있다(S6). 시동단계가 종료된 이후의 운전단계에서는 운전 상황 내지 조건 등에 따라 수소의 공급이 다양하게 제어될 수 있다. 또한, 공기의 공급 및 냉각수의 공급이 적절히 제어될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동방법을 도시한다.
도 4를 참조하면, 연료전지 시스템이 일정시간 동안 정지된(예컨대, 연료전지 차량의 주차 상태에 해당될 수 있음) 이후에, 연료전지 시스템에 시동신호가 발생하면(T1), 가스분압 모델을 통해 스택(10)의 수소극(11)의 질소분압을 산출한다(T2).
이러한 질소분압의 산출은 상술한 바와 같이, 도 2에 예시된 수소극의 가스분압 모델을 이용하여 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도를 선정하고, 이렇게 선정된 운전 중의 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출할 수 있다(T2).
이렇게 산출된 질소분압으로부터 타겟 수소농도를 만족하는 타겟 수소압을 산출할 수 있다(T3). 즉, 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 타겟 수소압을 산출할 수 있다.
그리고, 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당되는 타겟 수소농도에 대응하는 수소의 재순환율을 만족하도록 재순환블로워(42)의 RPM을 산출한다(T4). 여기서, 수소의 재순환율은 소정의 맵을 통해 타겟 수소농도로부터 산출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당되는 타겟 수소농도 (또는 수소의 재순환율)에 대응하는 수소 화학양론비(SR, stoichiometry)를 선정하고, 이렇게 선정된 수소 화학양론비를 만족하는 재순환블로워의 RPM을 산출할 수 있다.
아래의 [표 1]은 타겟 수소농도를 만족하는 재순환블로워(42)의 RPM을 산출할 수 있는 재순환블로워(42)의 RPM 조건을 맵핑한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 그 조건, 사양 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
타겟 수소농도(%) 재순환블로워의 RPM
20% 12000RPM
40% 9000RPM
60% 6000RPM
상기의 [표 1]은 수소 화학양론비(SR)가 1.5이고, RH(상대습도) 100%(온도센서에 의해 측정), 상압(100kPa) 운전, 최소유량 공급기준 전류 40A인 수소 재순환질량의 기준 조건에서 재순환블로워(42)의 RPM 조건을 맵핑한 것이다.
예컨대, 상기의 [표 1]에서, 타겟 수소농도가 20%인 경우 수소 화학양론비(SR) 1.5를 만족시키기 위한 재순환블로워(42)의 회전속도(RPM)는 1200ORPM이고, 타겟 수소농도가 40%인 경우 수소 SR 1.5를 만족시키기 위한 재순환블로워(42)의 회전속도(RPM)는 9000RPM임을 알 수 있다.
상기의 [표 1]로부터, 타겟 수소농도가 클수록 질소 농도가 작아짐에 따라 수소의 재순환 질량이 상대적으로 작아질 수 있고(질소 밀도가 수소 밀도 보다 크므로 질소 농도가 작을수록 재순환 질량이 작아짐), 이에 재순환블로워(42)의 RPM이 감소함을 알 수 있었다.
또한, 예시된 [표 1]에 의해 수소 화학양론비(SR)을 만족하기 위한 재순환블로워(42)의 RPM 조건은 재순환블로워(42)의 성능 및 이젝터(23)의 성능에 의존할 수 있고, 이에 재순환블로워 성능맵(도 5에 예시됨) 및 이젝터 성능맵(도 6에 예시됨)을 통해 산출되는 수소 재순환유량을 반영하여 재순환블로워(42)의 RPM에 대한 맵핑이 요구될 수 있다.
도 5는 스택(10)의 입구 및 출구 사이의 압력차에 따른 재순환 수소량을 측정하여 재순환블로워(42)의 성능을 작성한 재순환블로워 성능맵을 예시한 것으로, 본 발명은 도 5에 한정되지 않으며 다양하게 변경될 수 있다. 그 외에도, 재순환블로워 성능맵은 스택(10)의 입/출구 온도, 가스조성(수소, 질소, 수증기 등의 성분비) 등에 따라 맵핑될 수도 있다.
도 6은 스택(10)의 입구 및 출구 사이의 압력차에 따른 재순환 수소량을 측정하여 이젝터(23)의 성능을 작성한 이젝터 성능맵을 예시한 것으로, 본 발명은 도 6에 한정되지 않으며 그 사양, 조건 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 그 외에도, 이젝터 성능맵은 스택(10)의 입/출구 온도, 가스조성(수소, 질소, 수증기 등의 성분비) 등에 따라 맵핑될 수도 있다.
그 이후에, 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 타겟 수소압에 맞춰 연료전지 시스템의 수소 공급장치(20)를 적절히 제어하여 수소극(11) 측으로 수소를 공급함과 더불어, 타겟 수소압에 맞춰 산출된 재순환블로워(42)의 RPM에 대응하여 재순환블로워(42)를 적절히 제어하여 수소극(11)의 출구에서 입구측으로 수소를 재순환시킬 수 있다(T5).
그 이후에 공기극(12) 측으로 공기를 공급한다(T6). 이때, 스택(10)의 과열을 방지하기 위하여 스택(10) 내로 냉각수를 공급할 수도 있다.
그런 다음에 스택(10)의 수소극(11)과 산소극(12)의 반응에 의해 운전을 위한 동력이 발생하면 시동단계가 종료될 수 있다(T7). 시동단계가 종료된 이후의 운전단계에서는 운전 상황 내지 조건 등에 따라 수소의 공급 및 수소의 재순환율 등이 다양하게 제어될 수 있다. 또한, 공기의 공급 및 냉각수의 공급이 적절히 제어될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 수소극의 가스분압 예측모델로부터 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도 및 질소분압을 산출하고, 이렇게 산출된 타겟 수소농도 및 질소분압을 이용하여 무퍼지 시동이 가능한 타겟 수소압 및/또는 재순환블로워의 RPM을 산출하며, 이러한 타겟 수소압 및/또는 재순환블로워의 RPM에 맞춰 수소 공급 및/또는 재순환블로워를 제어함으로써 무퍼지 시동이 가능한 조건에서의 무퍼지 시동을 효율적으로 구현할 수 있고, 이를 통해 수소 이용율을 개선할 뿐만 아니라 전기에너지의 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 스택 11: 수소극
12: 공기극 20: 수소 공급장치
23: 이젝터 30: 공기 공급장치
41: 재순환라인 42: 재순환블로워

Claims (8)

  1. 수소극의 질소분압을 산출하는 질소분압 산출단계;
    상기 질소분압 산출단계에서 산출된 질소분압으로부터 타겟 수소농도를 만족하는 타겟 수소압을 산출하는 타겟 수소압 산출단계; 및
    상기 타겟 수소압에 대응하여 수소를 공급하는 수소 공급단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 질소분압 산출단계는, 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도로부터 상기 수소극의 질소분압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 질소분압 산출단계는 타겟 수소농도, 수소의 퍼지 유무, 및 운전 정지시간의 경과에 따라 수소극의 가스분압이 예측되는 가스분압 산출모델로부터 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도를 선정하고, 상기 선정된 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 공급단계 이후에 공기를 공급하는 공기 공급단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동방법.
  5. 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출하는 질소분압 산출단계;
    상기 질소분압 산출단계에서 산출된 질소분압으로부터 상기 타겟 수소농도를 만족하는 타겟 수소압을 산출하는 타겟 수소압 산출단계;
    상기 타겟 수소농도에 대응하는 수소의 재순환율을 만족하는 재순환블로워의 RPM을 산출하는 RPM 산출단계; 및
    상기 타겟 수소압에 대응하여 수소를 공급함과 더불어, 상기 재순환블로워의 RPM에 대응하여 수소를 재순환시키는 수소 공급 및 재순환 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 질소분압 산출단계는 타겟 수소농도, 수소의 퍼지 유무, 및 운전 정지시간의 경과에 따라 수소극의 가스분압이 예측되는 가스분압 산출모델로부터 무퍼지 시동이 가능한 조건에 해당하는 운전 중의 타겟 수소농도를 선정하고, 상기 선정된 타겟 수소농도로부터 질소분압을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 RPM 산출단계는 상기 타겟 수소농도에 대응하여 수소 화학양론비를 선정하고, 상기 선정된 수소 화학양론비를 만족하는 재순환블로워의 RPM을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 수소 공급 및 재순환 단계 이후에 공기를 공급하는 공기 공급단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동방법.
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