KR101836656B1 - 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 별도로 저전압용 공기공급부를 마련하여 저출력 운전 구간에서는 저출력 공기공급부를 이용함으로써 보기류의 소모동력 저감을 통해 차량 연비 개선을 할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 공기극에 공기가 공급되도록 하는 제1 공기공급부; 상기 연료전지 스택의 공기극에 상기 제1 공기공급부보다 낮은 전압의 전원을 이용하여 공기가 공급되도록 하는 제2 공기공급부; 및 상기 연료전지 스택에서 요구되는 공기의 유량 또는 유속 또는 압력에 따라 상기 제1 공기공급부 및 제2 공기공급부를 함께 또는 선택적으로 구동하는 제어부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법{FUEL CELL SYSTEM FOR VIHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 연료전지 시스템에 별도로 저압용 공기공급부를 마련하여 저출력 운전 구간에서는 저압용 공기공급부를 이용함으로써 보기류의 소모동력 저감을 통해 차량 연비 개선을 할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템을 운전하는 방식은 크게 상압형 및 가압형으로 나누어져 있고, 각 운전 방식에서 연료전지 스택의 운전압력은 전체 성능에 지배적인 영향을 주는 요소 중 하나로 작용한다.
상기 가압형 연료전지 시스템의 경우, 공기가 압축기를 통해 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 점에서 차이가 있고, 또한 연료전지 스택의 가스(수소,공기) 및 냉각수 배출용 배관에 별도의 압력 제어장치인 출구압력 제어 밸브를 장착하여 연료전지 스택 내에 부가되는 운전압력을 제어하게 된다.
상기 가압형 연료전지 시스템의 경우, 그 운전압력을 높일 경우 스택의 성능이 높아질 뿐만 아니라 시스템 냉각계 구성이 용이해지고, 가습 성능도 높일 수 있지만, 높은 운전압력을 형성하기 위해 압축기 이외에 출구압력 제어 밸브가 추가적으로 필요하게 되고, 공기압축기가 소모하는 기생전력이 커지는 단점이 있다.
통상적인 가변압 연료전지 시스템은 저출력 구간에서는 스택의 운전압력을 낮게 하고, 고출력 구간에서는 운전압력을 올려 스택의 성능을 향상시키는 방식이지만, 출력에 따라 운전압력을 변동시키기 위해서는 압축기 출구(또는 스택입구)의 압력을 측정하고, 유량에 따른 압력을 제어해 주어야 한다.
그러나 연료전지 차량의 고온 등판 운전과 같이 연료전지 스택이 고출력으로 운전되지만 냉각성능은 떨어지는 운전 조건에서는 스택의 운전 온도가 상승하여 공급 연료의 습도 하락이 발생하고 이로 인해 연료전지 스택이 드라이되어 동일 전류에서의 스택 운전 전압이 강하하는 문제가 발생한다. 이 경우 스택 전압 강하에 의해 스택 발열량이 증가하면서 연료전지 운전 온도가 더욱 상승하는 악순환 현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 최근 차량용 연료전지 시스템에서는 캐소드(cathode)로 공급하는 공기의 압력을 높여서 캐소드측 상대습도를 높이는 제어기술을 적용중에 있다. 이러한 이유로 연료전지 스택 캐소드측에 공기를 공급하는 공기압축기는 더더욱 확대되고 있다.
이에 따라 공기압축기는 압축비가 증대되면서 최대 압력 운전점에서 최대 효율점이 나타나도록 공기압축기를 설계하면서 저유량 구간에서의 압축기 효율은 상대적으로 과거 상압형 시스템 대비 낮아지는 문제가 발생한다. 이에 따라 차량 도심 운전시 주 운전 영역인 저유량 구간에서 공기압축기 소모 동력이 증가하여 차량 연비에 악영향을 끼치고 있다.
본 발명은 연료전지 시스템에 별도로 저압용 공기공급부를 마련하여 저출력 운전 구간에서는 저압용 공기공급부를 이용함으로써 보기류의 소모동력 저감을 통해 차량 연비 개선을 할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 공기극에 공기가 공급되도록 하는 제1 공기공급부; 상기 연료전지 스택의 공기극에 상기 제1 공기공급부보다 낮은 전압의 전원을 이용하여 공기가 공급되도록 하는 제2 공기공급부; 및 상기 연료전지 스택에서 요구되는 공기의 유량 또는 유속 또는 압력에 따라 상기 제1 공기공급부 및 제2 공기공급부를 함께 또는 선택적으로 구동하는 제어부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 제1 공기공급부는 차량의 고전압 전력공급부로부터 전압을 인가받고, 상기 제2 공기공급부는 차량의 저전압 배터리로부터 전압을 인가받아 구동하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 제1 공기공급부 및 상기 제2 공기공급부에는 상기 연료전지 스택의 공기 유입구와 연결되는 공기 배관이 각각 마련되고, 각각의 공기 배관은 상기 연료전지 스택의 공기 유입구와 병렬적으로 연결된 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 병렬 배치된 제1 공기공급부, 상기 제2 공기공급부 및 상기 연료전지 스택의 유입구의 공기배관은 3WAY 밸브를 매개로 연결되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 제어부는 상기 3WAY 밸브를 상기 제1 공기공급부에서 제공되는 공기를 상기 연료전지 스택으로 유입되도록 구동하거나 상기 제2 공기공급부에서 제공되는 공기를 상기 연료전지 스택으로 유입되도록 구동하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 연료전지 스택의 공기 유입구, 상기 제1 공기공급부 및 상기 제2 공기공급부는 직렬 배치되고, 공기 배관으로 연결된 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 제2 공기공급부는 상기 연료전지 스택의 공기 배출구에 연결됨으로써 제1 공기공급부, 연료전지 스택, 제2 공기공급부의 순서로 직렬 연결되고, 상기 제2 공기공급부는 연료전지 스택의 공기 배출을 수행함으로써 상기 연료전지 스택의 공기 유입구에 공기가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
또한, 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 연료전지 시스템을 제어하는 방법으로서, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량 또는 유속 또는 압력에 관계된 요구값을 도출하는 단계; 상기 도출된 요구값을 기 설정된 기준값과 비교하는 단계; 및 상기 도출된 요구값이 상기 기준값 보다 작은 경우, 상기 저전압의 제2 공기공급부를 구동하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 도출된 요구값이 상기 기준값을 초과하면 고전압으로 공기를 공급하는 제1 공기공급부를 구동하는 단계를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 기 설정된 기준값은 동일 유량 공급시 저전압 공기공급부와 고전압 공기공급부의 소모동력을 비교하고, 저전압 공기공급부의 구동시 소모동력이 고전압공기공급부의 소모동력 대비 작은 유량 공급점을 기준으로 결정되는 파라미터 값인 점에 그 특징이 있다.
본 발명은 연료전지 시스템에 저출력 공기공급부를 별도로 구비하여 저출력 구간에서 고출력 공기공급부의 구동 대비 연료전지 시스템 효율 및 차량 연비 효율을 높일 수 있다.
또한, 구동전압 감소에 따른 스위칭 손실 감소, 구동전압 및 최대 속도(인덕턴스 증가)효과로 3상 전류 리플 감소로 기계적 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 대한 순서도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(160), 상기 연료전지 스택(160)의 공기극에 공기가 공급되도록 하는 제1 공기공급부(140), 상기 연료전지 스택(160)의 공기극에 상기 제1 공기공급부(140)보다 낮은 전압의 전원을 이용하여 공기가 공급되도록 하는 제2 공기공급부(130); 및 상기 연료전지 스택(160)에서 요구되는 공기의 유량 또는 유속 또는 압력에 따라 상기 제1 공기공급부(140) 및 제2 공기공급부(130)를 함께 또는 선택적으로 구동하는 제어부(170)를 포함하여 구성된다.
상기 연료전지 스택(160)에 공급되는 공기는 외부공기의 이물질을 필터(110)를 통해 여과되고, 상기 여과된 공기는 고압으로 압축 또는 저압으로 압축한 후, 가습을 시켜 공기극으로 공급받게 된다. 이때, 상기 연료전지 스택(160)의 입력단에는 도시되지 않았지만 가습기, 소음기 등 구성의 필요에 따라 배치될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 연료전지 스택(160)의 구성은 상기 제1 공기공급부(140) 또는 상기 제2 공기공급부(130)에 의해 공기가 공급되는 공기채널(미도시), 연료가 공급되는 연료채널(미도시)과, 차량냉각장치(미도시)의 냉각라인과 연결되어 연료전지 스택(160)의 냉각을 수행하기 위한 냉각채널(미도시), 상기 연료전지 스택은 전류를 검출하는 전류 센서(미도시)를 구비하게 된다. 여기서, 상기 연료전지 스택(160)을 편의상 이하 '스택'으로 기재하기로 한다.
보다 구체적으로, 상기 연료전지 스택(160)의 전류 센서는 상기 연료전지 스택(160)의 요구 출력에 따른 공기 유량을 제어하기 위해 전류 값을 측정하고, 이를 이용하여 상기 제어부(170)에서 상기 연료전지 스택(160)의 요구 공기 유량을 추정하게 된다.
상기 제1 공기공급부(140)는 고출력 전력공급부로부터 전원을 인가받아 상기 제어부(170)의 구동 제어 신호에 의하여 상기 연료전지 스택(160)에 공기를 고압으로 압축하여 제공하게 되고, 상기 연료전지 스택(160)의 요구 출력에 맞는 공기량을 공급하는 수준으로 회전 구동하게 되고, 이에 제1 공기공급부(140)는 단지 스택의 요구 출력에 따라 공기 공급유량만을 컨트롤하는 역할을 하게 된다. 이때, 상기 스택(160)의 요구 출력이 가변 됨에 따라, 제1 공기공급부(140)의 회전수가 특정 회전수 이상이 되어 스택의 고출력 구간이 되면, 상기 제어부(170)의 제어 신호에 의하여 3way 밸브(150)의 개도가 상기 제1 공기공급부(140)로 열리게 된다. 따라서, 상기 제1 공기공급부(140)의 회전수가 높아지는(유량이 높아지는) 스택의 고출력 구간에서는 스택의 운전압력이 상승하고, 반대로 제2 공기공급부(130)가 구동하는 유량이 적어지는 스택의 저출력 구간에서는 스택의 운전압력이 낮아지게 된다.
상기 제2 공기공급부(130)는 스택의 저출력 구간이 되면, 상기 제어부(170)의 구동 제어 신호에 의하여 출구압력 제어 밸브의 개도가 제2 공기공급부쪽으로 열리게 된다. 여기서, 상기 제2 공기공급부(130)는 차량의 12V 저전압 전원 공급부로부터 전원을 인가받아 구동할 수 있는 12V 팬을 사용하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 공기공급부의 효율 및 연료전지 주 운전점을 고려하여 최적의 12V 팬을 적용하여 저유량 구간에서 제2 공기공급부 구동이 고출력 제1 공기공급부 구동 대비 효율을 높일 수 있다. 즉, 저출력 구간에서 고출력 제1 공기공급부를 대신하여 저출력 제2 공기공급부를 사용함으로써 스위칭 소자 구동 전압 및 전류 용량 감소로 스위칭 손실 감소, 구동전압 및 최대 속도(인덕턴스 증가) 효과로 3상 전류 리플 감소, 저유량 구간에서 고전압 공기 압축기 대비 기계적 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 공기공급부(140)의 회전수가 높아지는(유량이 높아지는) 스택의 고출력 구간에서는 스택의 운전압력이 상승하고, 반대로 제2 공기공급부(130)가 구동하는 유량이 적어지는 스택의 저출력 구간에서는 스택의 운전압력이 낮아지게 된다.
상기 제1 공기공급부(140)와 상기 제2 공기공급부(130)를 병렬 구성시 공기 공급 방향을 결정해줄 별도의 3Way 밸브(Valve)(150) 장착이 필요하게 되는데, 2개의 공기공급 장치의 공급 배관이 분리되어 서로 간에 영향을 주지 않게 된다.
보다 구체적으로, 상기 연료전지 스택의 공기 유입구와 상기 제1 공기공급부 및 상기 제2 공기공급부를 연결하도록 마련된 공기 배관은 병렬 구조로 배치되어 있고, 상기 병렬 배치된 공기 배관과 상기 연료전지 스택의 유입구 사이에 3WAY 밸브(150)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 제1 공기공급부와 상기 제2 공기공급부의 병렬 배치에서 어느 하나의 공기 배관은 상기 스택의 공기 유입구와 직선으로 연결되도록 위치시키고, 다른 하나의 공기 배관이 절곡되어 병렬 배치하도록 한다. 이는 공기 배관을 병렬 배치하더라도 최소한 공기 유량을 공급하는데 선형성을 확보하기 위함이다.
또한, 상기 3WAY 밸브(150)는 상기 제1 공기공급부(140)에서 제공되는 공기를 상기 연료전지 스택(160)으로 유입되도록 구동하거나 상기 제2 공기공급부(130)에서 제공되는 공기를 상기 연료전지 스택(160)으로 유입되도록 구동하게 된다.
상기 제어부(170)는 상기 연료전지 스택(160)의 전반적인 동작을 제어하며, 본 실시 예의 요지와 관련하여 상기 제1 공기공급부(140) 및 상기 제2 공기공급부(130)의 제어 및 상기 제1 공기공급부(140) 또는 상기 제2 공기공급부(130)에 공기가 유입되도록 상기 3WAY 밸브(150)의 구동을 제어하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 제어부(170)는 상기 제1 공기공급부(140) 및 상기 제2 공기공급부(130)는 상기 연료전지 스택(160)의 공기극으로 공급하기 위하여 스택의 요구 출력을 입력받은 제어부(170)에서 제1 공기공급부(140) 또는 제2 공기공급부(130)에 구동 제어 신호(스택의 요구 출력에 맞는 회전수로 구동하라는 신호)를 보낸다.
그리고 상기 고출력 제1 공기공급부(140)와 상기 저출력 제2 공기공급부(130)를 병렬 구성시 공기 공급 방향을 결정해줄 상기 3Way 밸브(Valve)(150)의 개도를 제어하게 된다. 즉, 상기 고출력 제1 공기공급부(140) 또는 상기 저출력 제2 공기공급부(130)가 상기 제어부(170)의 구동 제어 신호에 의하여 스택의 요구 출력에 맞는 공기량을 공급하도록 3way 밸브(150)의 개도를 제어하게 된다.
다시 말해, 제2 공기공급부(130)과 고출력 제1 공기공급부(140)가 병렬로 연결된 구조에서는 스택 공기 요구 유량 기준값 α 근방에서 선형적인 유량 제어를 위해 3way 밸브 개도 제어가 필요하다. 스택 공기 요구 유량 기준값 α 미만인 경우 3way 밸브 방향을 제2 공기공급부(130) 방향으로 변경하고, α를 초과하는 경우 3way 밸브 방향을 고압용 제1 공기공급부(140) 방향으로 변경하는 제어 기능 적용이 필요하다.
또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4의 실시 예에서는 고압용 제1 공기공급부와 제2 공기공급부를 연료전지 스택의 공기 배관에 직렬 구조로 배치한다. 즉, 저출력 제2 공기공급부과 고출력 제1 공기공급부를 연료전지 캐소드(cathode) 공급 배관에 직렬로 구성하는 방식의 실시 예를 적용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제2 실시 예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(260), 상기 연료전지 스택(260)의 공기극에 고압으로 공기를 공급하는 제1 공기공급부(240), 상기 제1 공기공급부(240)의 입력단에 직렬 구조로 배치되고, 상기 연료전지 스택(260)의 공기극에 저압으로 공기를 공급하는 제2 공기공급부(230), 상기 연료전지 스택(260)의 스택공기요구유량에 따라 상기 제1 공기공급부(240) 또는 상기 제2 공기공급부(230)를 선택적으로 구동하는 제어부(270)를 포함하여 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3 실시 예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(360), 상기 연료전지 스택(360)의 공기극에 고압으로 공기를 공급하는 제1 공기공급부(330), 상기 제1 공기공급부(330)의 출력단에 직렬 구조로 배치되고, 상기 연료전지 스택(360)의 공기극에 저압으로 공기를 공급하는 제2 공기공급부(340), 상기 연료전지 스택(360)에 요구되는 공기 유량에 따라 상기 제1 공기공급부(330) 또는 상기 제2 공기공급부(340)를 선택적으로 구동하는 제어부(370)를 포함하여 구성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제4 실시 예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(460), 상기 연료전지 스택(460)의 공기극에 고압으로 공기를 공급하는 제1 공기공급부(430), 상기 연료전지 스택(460)의 출력단에 직렬 구조로 배치되고, 상기 연료전지 스택(460)의 공기극에 저압으로 공기를 공급하는 제2 공기공급부(440), 상기 연료전지 스택(460)에 요구되는 공기 유량에 따라 상기 제1 공기공급부(430) 또는 상기 제2 공기공급부(440)를 선택적으로 구동하는 제어부(470)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 제2, 제3, 제4 실시 예의 각 구성 요소의 상세한 설명은 상기 제1 실시 예를 참조하여 생략하기로 한다. 이때, 제2 공기공급부(230,340,440)은 연료전지 스택의 공기 유입단 또는 출력단 모두에 위치 가능하며, 스택 출력단에 제2 공기공급부가 위치한 경우 고출력 제1 공기공급부(240,330,430)의 공기 유입단 또는 출력단 모두에 장착 가능하다.
이러한, 상기 제2, 제3, 제4 실시예의 제2 공기공급부과 제1 공기공급부가 직렬로 연결된 구조의 경우 2가지 공기공급 장치가 서로 간의 유동 형성시 부하(저항) 요소로 작용하는 단점이 있을 수 있으나 병렬 구성과는 달리 공급 공기 유량의 선형성 확보가 가능한 장점이 있다.
다시 말해, 병렬연결 구조에서는 유량에 따라 제2 공기공급부 구동에서 고출력 제1 공기공급부로 공기공급 장치를 변경하는 시점에서 유량의 선형성 확보를 위해서는 3way 밸브 개도와 제2 공기공급부, 고압용 제1 공기공급부 속도 제어를 유기적으로 수행해야 하나 직렬연결 구조에서는 3way 밸브 개도 제어가 불필요하여 제어 기능이 단순화하고 유량의 선형성 확보 또한 용이하다.
따라서, 본 발명의 실시 예들과 같이, 고출력 제1 공기공급부를 대신하여 저유량 구간에서 제2 공기공급부를 이용하여 공기를 공급함으로써 제1 공기공급부 구동 대비 공기공급 장치 에너지 소모량 50% 이하로 개선이 가능하게 된다.
또한, 고출력 제1 공기공급부의 최저 운전가능 속도 제한으로 연료전지 캐소드(cathode) 내 극소 유량 제어가 불가능했으나 제2 공기공급부를 이용하여 연료전지 저출력 운전 구간에서 연료전지 캐소드내 극소 유량 제어가 가능하게 된다.
또한, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 대한 순서도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 먼저, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 스택공기요구유량 값을 검출하는 단계가 수행된다(S501).
보다 구체적으로, 연료전지 스택의 전류 센서를 이용하여 전류값을 측정하게 되고, 이를 이용하여 스택공기요구유량을 추정하여 검출하게 된다.
상기 스택공기요구유량은 제1 공기공급부과 제2 공기공급부의 구동을 결정하는 값으로 스택 전류를 사용하는 방식을 적용하게 된다. 즉, 연료전지 시스템에서는 스택 전류에 따라 스택 요구 공기 유량을 제어하기 때문에 스택 전류량을 통해서도 제1 공기공급부과 제2 공기공급부의 구동 시점을 결정할 수 있다.
그리고 상기 검출된 스택공기요구 유량값을 기 설정된 기준치와 비교하여 유량 기준치를 초과하는지 여부를 판단하는 단계가 수행된다(S503). 여기서, 상기 기 설정된 기준치는 제1 공기공급부의 유량별 소모동력과 제2 공기공급부의 유량별 소모동력을 비교하여 결정된 파라미터 값이다.
보다 구체적으로, 고출력 제1 공기공급부과 저출력 제2 공기공급부의 구동 시점의 기준이 되는 유량 기준치 값 α는 스택공기요구유량에 따라 고출력 제1 공기공급부과 저출력 제2 공기공급부의 공급할 때 대비 유량 공급점을 기준으로 선정한다. 유량 기준치 값 α는 저출력 제2 공기공급부의 유량별 소모동력과 고출력 제1 공기공급부의 유량별 소모동력 비교 시험을 통해 사전에 결정된 파라미터값이며, 제2 공기공급부 소모동력 계산시 저전압(12V) 공급시 사용되는 DC/DC 컨버터(스택 전압을 이용하여 12V battery를 충전하기 위한 컨버터)의 효율 고려가 필요하며, 제1 공기공급부 소모동력은 제1 공기공급부 인버터단에 공급되는 DC단 전압에 따라 변화하기 때문에 이 부분을 고려하여 선정 필요하다. 고출력 제1 공기공급부의 소모동력은 스택 캐소드(cathode) 온도, 압력 캐소드(cathode) 배관 차압, 습도 조건등에 영향을 받기 때문에 이 부분을 고려하여 유량 기준치 값 α 선정 가능하다. 그러나 저유량 영역에서 스택 캐소드(cathode) 온도, 압력 캐소드 배관 차압 특성에 따른 제1 공기공급부 소모동력 변화량이 크지 않기 때문에 이 부분은 무시하고 유량 기준치 값 α를 선정해도 무방하다.
그 다음, 상기 검출된 스택공기요구 유량값을 기반으로 상기 스택공기요구 유량값이 기 설정된 기준치(α)를 초과하면 고출력 제1 공기공급부가 구동하도록 제어하는 단계를 수행하게 된다(S505).
보다 구체적으로, 제1 공기공급부는 상기 제어부의 구동 제어 신호에 의하여 상기 연료전지 스택에 공기를 고압으로 압축하여 제공하게 되고, 상기 연료전지 스택의 요구 출력에 맞는 공기량을 공급하는 수준으로 회전 구동하게 된다. 이에 제1 공기공급부는 제어신호의 출력에 따라 공기 공급유량만을 컨트롤하는 역할을 하게 된다. 여기서, 상기 연료전지 스택을 편의상 이하 '스택'으로 기재하기로 한다.
이때, 상기 제1 공기공급부와 상기 제2 공기공급부가 병렬 배치된 구조일 경우, 상기 스택의 요구 출력이 가변 됨에 따라, 제1 공기공급부의 회전수가 특정 회전수 이상이 되어 스택의 고출력 구간이 되면, 제어부의 구동 제어 신호에 의하여 병렬 구조로 배치된 3way 밸브의 개도가 상기 제1 공기공급부쪽으로 열리게 된다.
한편, 상기 검출된 스택공기요구 유량값을 기반으로 상기 검출된 스택공기요구 유량값이 유량 기준치를 초과하지 않으면 제2 공기공급부가 구동하도록 제어하는 단계를 수행하게 된다(S507).
보다 구체적으로, 연료전지 스택의 저출력 구간이 되면, 상기 제어부의 구동 제어 신호에 의하여 제2 공기공급부가 구동하게 된다.
이때, 상기 제1 공기공급부와 상기 제2 공기공급부가 병렬 배치된 구조일 경우, 상기 스택의 요구 출력이 가변 됨에 따라 스택의 고출력 구간이 되면, 제어부의 구동 제어 신호에 의하여 병렬 구조로 배치된 3way 밸브의 개도가 상기 제2 공기공급부쪽으로 열리게 된다.
따라서, 고출력 제1 공기공급부 효율 및 연료전지 주 운전점을 고려한다면, 저유량 구간에서 저출력 제2 공기공급부 구동이 고출력 제1 공기공급부 구동 대비 효율을 높일 수 있다. 즉, 공기공급 장치 모터 구동용 전압 및 전류 용량 감소로 스위칭 손실 감소, 구동전압 및 최대 속도(인덕턴스 증가) 효과로 3상 전류 리플 감소, 저유량 구간에서 고출력 공기공급기 대비 기계적 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
140, 240, 330, 430 --- 제1 공기공급부
130, 230, 340, 440 --- 제2 공기공급부
150 --- 3way 밸브
160, 260, 360,,460 --- 연료전지 스택
170, 270, 370, 470 --- 제어부

Claims (11)

  1. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 공기극에 공기가 공급되도록 하는 제1 공기공급부;
    상기 연료전지 스택의 공기극에 상기 제1 공기공급부보다 낮은 전압의 전원을 이용하여 공기가 공급되도록 하는 제2 공기공급부; 및
    상기 연료전지 스택에서 요구되는 공기의 유량 또는 유속 또는 압력을 도출하고, 도출된 요구값에 따라 상기 제1 공기공급부 및 제2 공기공급부를 함께 또는 선택적으로 구동하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공기공급부는 차량의 고전압 전력공급부로부터 전압을 인가받고, 상기 제2 공기공급부는 차량의 저전압 배터리로부터 전압을 인가받아 구동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공기공급부 및 상기 제2 공기공급부에는 상기 연료전지 스택의 공기 유입구와 연결되는 공기 배관이 각각 마련되고, 각각의 공기 배관은 상기 연료전지 스택의 공기 유입구와 병렬적으로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 병렬 배치된 제1 공기공급부, 상기 제2 공기공급부 및 상기 연료전지 스택의 유입구의 공기배관은 3WAY 밸브를 매개로 연결되는 것을 특징을 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 3WAY 밸브를 상기 제1 공기공급부에서 제공되는 공기를 상기 연료전지 스택으로 유입되도록 구동하거나 상기 제2 공기공급부에서 제공되는 공기를 상기 연료전지 스택으로 유입되도록 구동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 공기 유입구, 상기 제1 공기공급부 및 상기 제2 공기공급부는 직렬 배치되고, 공기 배관으로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 공기공급부는 상기 연료전지 스택의 공기 배출구에 연결됨으로써 제1 공기공급부, 연료전지 스택, 제2 공기공급부의 순서로 직렬 연결되고, 상기 제2 공기공급부는 연료전지 스택의 공기 배출을 수행함으로써 상기 연료전지 스택의 공기 유입구에 공기가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 1의 연료전지 시스템을 제어하는 방법으로서,
    연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량 또는 유속 또는 압력에 관계된 요구값을 도출하는 단계;
    상기 도출된 요구값을 기 설정된 기준값과 비교하는 단계; 및
    상기 도출된 요구값이 상기 기준값 보다 작은 경우, 상기 저전압의 제2 공기공급부를 구동하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 도출된 요구값이 상기 기준값을 초과하면 고전압으로 공기를 공급하는 제1 공기공급부를 구동하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 기 설정된 기준값은 동일 유량 공급시 저전압 공기공급부와 고전압 공기공급부의 소모동력을 비교하고, 저전압 공기공급부의 구동시 소모동력이 고전압공기공급부의 소모동력 대비 작은 유량 공급점을 기준으로 결정되는 파라미터 값인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 요구값을 도출하는 단계에서 상기 공기의 요구값을 대체하여 연료전지 스택에서 필요한 요구 전류값을 도출하고 기준 전류값과 비교하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
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