KR101947834B1 - 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법 및 제어시스템 Download PDF

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Abstract

공기공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 공기체크단계; 수소공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 수소체크단계; 상기 공기공급부와 수소공급부의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하는 차이파악단계; 및 상기 차이값에 따라 가변적으로 응축수 드레인밸브의 개방유지시간을 설정하는 가변설정단계;를 포함하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법 및 제어시스템이 소개된다.

Description

연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법 및 제어시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING DRAIN-VALVE OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 운전 영역(전류, 출력) 구간에 따른 응축수 배출성을 동등 수준으로 유지하고 이를 통한 연료전지 시스템의 단기 출력과 내구 수명을 유지하기 위한 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법 및 제어시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학 반응을 통해 지속적으로 수분을 배출하며, 이는 워터 트랩과 드레인 밸브의 조합에 시스템 특성에 맞는 응축수 배출 로직을 통해 이루어진다. 연료전지 시스템의 운전 영역에 따라, 응축수 배출성 부족으로 인한 스택 내부 유로에서의 플러딩(flooding) 발생은 스택 단기 출력 성능 및 장기 내구 수명에 악영향을 주는 인자이므로, 이에 적절한 운전 방법이 필요하다.
즉, 연료전지시스템의 드레인밸브는 응축수를 모아 가습기로 배출하고, 가습기에서는 그 응축수를 이용하여 공기를 가습한 후 공기극으로 제공한다. 그런데, 이러한 가습기와 드레인밸브 사이의 압력차에 의해 드레인밸브를 일정시간 개방하더라도 상이한 유량의 응축수 배출이 이루어짐으로써 셀성능 확보의 관점에서 국부적인 플러딩 등을 방지하기 어려웠던 것이다.
종래의 KR 10-2010-0058867 A "연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법"은 "연료전지 스택의 운전에 따른 발생전류를 적산하는 전류적산값 계산 단계와; 상기 전류적산값을 미리 설정된 전류적산 임계값과 비교하는 단계와; 상기 전류적산값이 전류적산 임계값보다 크면 드레인 밸브를 개방시켜, 워터트랩내의 응축수가 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩내 응축수 배출 제어 방법"을 소개한다.
그러나 이러한 제어방법에 의하더라도 가습기와 드레인밸브 간의 압력차이 또는 공기공급부와 수소공급부의 압력차이에 따른 드레인밸브의 배출성 차별화는 이루어지지 않은 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2010-0058867 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 운전 영역(전류, 출력) 구간에 따른 응축수 배출성을 동등 수준으로 유지하고 이를 통한 연료전지 시스템의 단기 출력과 내구 수명을 유지하기 위한 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법 및 제어시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법은, 공기공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 공기체크단계; 수소공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 수소체크단계; 상기 공기공급부와 수소공급부의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하는 차이파악단계; 및 상기 차이값에 따라 가변적으로 응축수 드레인밸브의 개방유지시간을 설정하는 가변설정단계;를 포함한다.
상기 공기체크단계와 수소체크단계는 공기공급부와 수소공급부의 압력을 체크하고, 상기 차이파악단계는 공기공급부와 수소공급부의 체크된 압력의 차이값을 파악할 수 있다.
상기 공기체크단계와 수소체크단계는 공기공급부와 수소공급부의 유량을 체크하고, 상기 차이파악단계는 공기공급부와 수소공급부의 체크된 유량의 차이값을 파악할 수 있다.
상기 공기체크단계는 공기공급부의 압력을 체크하고 수소체크단계는 수소공급부의 유량을 체크하며, 상기 차이파악단계는 공기공급부의 압력 또는 수소공급부의 유량을 어느 일방으로 환산한 후 그 차이값을 파악할 수 있다.
상기 공기체크단계는 공기공급부의 유량을 체크하고 수소체크단계는 수소공급부의 압력을 체크하며, 상기 차이파악단계는 공기공급부의 유량 또는 수소공급부의 압력을 어느 일방으로 환산한 후 그 차이값을 파악할 수 있다.
상기 가변설정단계는 차이값의 크기가 클수록 드레인밸브의 개방유지시간을 증대시킬 수 있다.
상기 가변설정단계는 차이값의 범위에 따른 복수의 비교구간을 설정하고 각 비교구간마다 개방유지시간을 미리 매핑하며, 파악된 차이값이 해당하는 비교구간을 선택하고 그에 따른 개방유지시간을 설정할 수 있다.
또 다른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법은, 가습기 측의 압력 또는 유량을 체크하는 공기체크단계; 드레인밸브 측의 압력 또는 유량을 체크하는 수소체크단계; 상기 가습기 측과 드레인밸브 측의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하는 차이파악단계; 및 상기 차이값에 따라 가변적으로 응축수 드레인밸브의 개방유지시간을 설정하는 가변설정단계;를 포함한다.
그리고, 본 발명의 연료전지시스템의 드레인밸브 제어시스템은, 공기를 도입하여 가습한 후 연료전지의 공기극에 제공하는 가습기; 연료전지의 수소극에서 토출된 응축수를 배출하는 드레인밸브; 압력센서 또는 유량센서가 구비된 연료전지의 공기공급부; 압력센서 또는 유량센서가 구비된 연료전지의 수소공급부; 및 공기공급부와 수소공급부의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하고, 차이값에 따라 가변적으로 드레인밸브의 개방유지시간을 제어하는 제어부;를 포함한다.
또 다른 본 발명의 연료전지시스템의 드레인밸브 제어시스템은, 공기를 도입하여 가습한 후 연료전지의 공기극에 제공하는 가습기; 연료전지의 수소극에서 토출된 응축수를 배출하는 드레인밸브; 가습기 측과 드레인밸브 측의 유량 또는 압력을 체크하는 센서부; 및 가습기 측과 드레인밸브 측의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하고, 차이값에 따라 가변적으로 드레인밸브의 개방유지시간을 제어하는 제어부;를 포함한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 반응면에서의 연료(산소 또는 수소)가 공급되지 않아 발생하는 국부적인 셀 플러딩에 의한 출력 제한 방지에 기여하여 스택 단기 출력 개선이 이루어진다.
또한, 잦은 플러딩에 의한 스택 내구 수명 단축 방지에 기여할 수 있고, 드레인밸브 부품의 적절한 작동 횟수 및 작동 시점 부여를 통한 밸브류의 내구 수명 증진이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법의 순서도.
도 3 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어시스템 및 제어방법의 효과를 설명하기 위한 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법 및 제어시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법의 순서도이다.
먼저, 본 발명의 연료전지시스템의 드레인밸브 제어시스템을 살펴본다. 드레인밸브 제어시스템은, 공기를 도입하여 가습한 후 연료전지의 공기극에 제공하는 가습기(100); 연료전지의 수소극에서 토출된 응축수를 배출하는 드레인밸브(200); 압력센서 또는 유량센서가 구비된 연료전지의 공기공급부(300); 압력센서 또는 유량센서가 구비된 연료전지의 수소공급부(400); 및 공기공급부(300)와 수소공급부(400)의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하고, 차이값에 따라 가변적으로 드레인밸브(200)의 개방유지시간을 제어하는 제어부(500);를 포함한다.
본 발명의 시스템은 연료전지시스템에 적용되는 것으로써, 연료전지시스템에서는 공기를 가습기(100)에 도입하고 가습 후 이를 공기극(10)에 도입하는 공기공급부(300) 및 수소를 이젝터(30)로 연료극(20)에 공급하고, 이로부터 배출되는 응축수를 받는 워터트랩(220)과 이를 배출하는 드레인밸브(200)로 구성된 수소공급부(400)로 구성된다. 따라서, 공기공급부(300)와 수소공급부(400)에는 하나 이상의 압력센서 또는 유량센서를 설치함으로써 유통되는 공기와 수소의 압력이나 유량을 측정하고 그에 따라 연료전지를 운행하도록 한다.
한편, 도 3의 경우는 공기나 수소의 공급압력 또는 인가전류에 대한 드레인밸브의 응축수 배출 타이밍을 나타낸 그래프인데, 공급압력이나 인가전류 즉, 연료전지의 출력에 대한 요청이 변화되더라도 응축수의 배출을 위한 드레인밸브의 개방시간에는 전혀 변화가 없음을 알 수 있다. 즉, 종래에는 이러한 드레인밸브의 제어를 연료전지의 운행조건과는 상관없이 일정시간 동안만 주기적으로 배출하였던 것이다.
도 4의 경우는 공기공급부의 압력과 수소공급부의 압력관계를 나타낸 것인데, 우측으로 갈수록 인가전류 즉, 연료전지의 출력이 증대되는 것으로서, 각 공급부의 압력이 모두 증가하는 것을 알 수 있다. 각 공급부의 압력은 아이들시에는 일정하게 유지되다가 일정 전류 이상부터 압력이 증대되기 시작하는데, 그 이후의 단계에서 공기공급부와 수소공급부의 압력차이가 벌어지며 응축수의 배출이 불량해지는 구간이 나타난다. 즉, 응축수는 드레인밸브에서 가습기측으로 토출되는바, 수소공급부측에서 공기공급부로 배출된다고 볼 수 있다. 그러나 그 수소공급부와 공기공급부의 차압이 확보될 경우에는 응축수의 배출이 활발하여 짧은 시간의 드레인밸브 개도에도 불구하고 많은 응축수가 배출되나, 차압이 적을 경우에는 드레인밸브의 개도시간이 동일하여도 배출되는 유량이 적을 수밖에 없는 것이다. 그에 따라 셀에서는 국부적인 플러딩이 발생된다.
한편, 도 5의 경우에는 인가전류와 차압의 관계를 나타낸 것인데, 인가전류가 높아짐에 따라 즉, 공기공급부와 수소공급부의 공급 가동이 이루어짐에 따라 차압은 처음에는 낮아지고 다시 증가되는 것을 알 수 있다. 심한 경우에는 차압이 0.1 BAR 이하로 감소되는 지점도 있는데, 이는 주로 최초의 아이들링시 발생되는 것으로서, 공기공급부의 아이들 유량 영역이 0~50 A이고, 수소공급부의 아이들 영역이 0~100 A이기에 50~100 A 전류 영역에서 수소공급 압력이 공기공급 압력에 비해 상대적으로 낮기 때문인 것으로 보인다.
따라서, 이러한 결과를 종합하여 보면, 공기공급과 수소공급의 차압을 통하여 그 차압에 해당하는 만큼 드레인밸브의 개방시간을 조절할 경우 좀 더 효과적인 응축수 배출이 가능하고, 그에 따라 셀의 플러딩을 방지하며 단기적인 연료전지의 성능을 끌어올릴 수 있게 되는 것이다.
이에 따라, 본 발명은 공기를 도입하여 가습한 후 연료전지의 공기극에 제공하는 가습기(100)와 연료전지의 수소극에서 토출된 응축수를 배출하는 드레인밸브(200)를 포함한다.
그리고, 연료전지의 공기공급부(300)에 센서(40)를 구비하고, 수소공급부(400)에도 센서(50)를 구비한다. 다만, 도시된 센서의 위치는 예시일뿐 반드시 그 위치에만 구속되는 것은 물론 아니다. 그리고 이러한 센서들은 압력센서 또는 유량센서일 수 있다. 연료전지시스템에서의 압력과 유량은 어느 하나를 측정할 경우 베르누이방정식의 변환에 따라 서로 다른 값으로 환산이 가능하기 때문이다.
한편, 제어부(500)는 기본적으로 드레인밸브의 개방을 제어하는데, 제어부는 공기공급부(300)와 수소공급부(400)의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하고, 차이값에 따라 가변적으로 드레인밸브(200)의 개방유지시간을 제어하도록 하는 것이다.
또한, 상기 언급한 차압을 더욱 효과적이고 직접적으로 파악하기 위해 가습기 측과 드레인밸브 측의 유량 또는 압력을 체크하는 센서부(40',50')를 두는 것도 가능할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법의 순서도로서, 본 발명의 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법은, 공기공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 공기체크단계(S100); 수소공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 수소체크단계(S)200; 상기 공기공급부와 수소공급부의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하는 차이파악단계(S300); 및 상기 차이값에 따라 가변적으로 응축수 드레인밸브의 개방유지시간을 설정하는 가변설정단계(S400);를 포함한다.
즉, 먼저 공기공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 공기체크단계(S100)를 수행한다. 그리고 수소공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 수소체크단계(S200)를 수행한다.
그 후 상기 공기공급부와 수소공급부의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하는 차이파악단계(S300)를 수행하고, 상기 차이값에 따라 가변적으로 응축수 드레인밸브의 개방유지시간을 설정하는 가변설정단계(S400)를 수행하는 것이다.
구체적으로는, 상기 공기체크단계(S100)와 수소체크단계(S200)는 공기공급부와 수소공급부의 압력을 체크하고, 상기 차이파악단계(S300)는 공기공급부와 수소공급부의 체크된 압력의 차이값을 파악하도록 할 수 있다.
또는, 상기 공기체크단계(S100)와 수소체크단계(S200)는 공기공급부와 수소공급부의 유량을 체크하고, 상기 차이파악단계(S300)는 공기공급부와 수소공급부의 체크된 유량의 차이값을 파악할 수 있다.
또는, 상기 공기체크단계(S100)는 공기공급부의 압력을 체크하고 수소체크단계(S200)는 수소공급부의 유량을 체크하며, 상기 차이파악단계(S300)는 공기공급부의 압력 또는 수소공급부의 유량을 어느 일방으로 환산한 후 그 차이값을 파악하도록 할 수 있다.
또는, 상기 공기체크단계(S100)는 공기공급부의 유량을 체크하고 수소체크단계(S200)는 수소공급부의 압력을 체크하며, 상기 차이파악단계(S300)는 공기공급부의 유량 또는 수소공급부의 압력을 어느 일방으로 환산한 후 그 차이값을 파악하도록 할 수 있다.
즉, 압력과 유량의 경우 베르누이 방정식의 에너지 보존법칙에 따라 상호 환산이 가능한 수치이기 때문에 압력과 유량 중 어느 일측의 센싱값을 통하여 타측의 값으로 환산이 가능하기 때문이다. 따라서, 공기공급부의 압력을 측정하고 수소공급부의 유량을 측정한 경우에도 상호 압력이나 유량으로 통일하여 파악한 후 차이값을 도출하고, 그에 따라 드레인밸브를 제어토록 하는 것이다.
한편, 상기 가변설정단계(S400)는 차이값의 크기가 클수록 드레인밸브의 개방유지시간을 증대시키도록 한다.
구체적으로, 상기 가변설정단계(S400)는 차이값의 범위에 따른 복수의 비교구간을 설정하고 각 비교구간마다 개방유지시간을 미리 매핑하며, 파악된 차이값이 해당하는 비교구간을 선택하고 그에 따른 개방유지시간을 설정하도록 할 수 있다.
도 6은 이러한 단계설정을 나타낸 것으로서, 예를 들어 차이값이 증대될 경우 그에 따라 단계적으로 드레인밸브의 개방시간을 증가시키도록 할 수 있는 것이다.
이러한 차이값의 범위와 그에 대응되는 개방시간은 제어부에 미리 데이터맵으로써 준비해둘 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 또 다른 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법은, 가습기 측의 압력 또는 유량을 체크하는 공기체크단계(S100); 드레인밸브 측의 압력 또는 유량을 체크하는 수소체크단계(S200); 상기 가습기 측과 드레인밸브 측의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하는 차이파악단계(S300); 및 상기 차이값에 따라 가변적으로 응축수 드레인밸브의 개방유지시간을 설정하는 가변설정단계(S400);를 포함함으로써 직접적인 압력/유량이 측정을 통해 좀 더 정확한 차이값을 산출하는 것도 가능할 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 반응면에서의 연료(산소 또는 수소)가 공급되지 않아 발생하는 국부적인 셀 플러딩에 의한 출력 제한 방지에 기여하여 스택 단기 출력 개선이 이루어진다.
또한, 잦은 플러딩에 의한 스택 내구 수명 단축 방지에 기여할 수 있고, 드레인밸브 부품의 적절한 작동 횟수 및 작동 시점 부여를 통한 밸브류의 내구 수명 증진이 가능해진다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 가습기 200 : 드레인밸브
300 : 공기공급부 400 : 수소공급부
500 : 제어부

Claims (10)

  1. 공기공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 공기체크단계(S100);
    수소공급부의 압력 또는 유량을 체크하는 수소체크단계(S200);
    상기 공기공급부와 수소공급부의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하는 차이파악단계(S300); 및
    상기 차이값에 따라 가변적으로 연료전지의 수소극에서 토출된 응축수를 가습기로 배출하는 드레인밸브의 개방유지시간을 설정하는 가변설정단계(S400);를 포함하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기체크단계(S100)와 수소체크단계(S200)는 공기공급부와 수소공급부의 압력을 체크하고, 상기 차이파악단계(S300)는 공기공급부와 수소공급부의 체크된 압력의 차이값을 파악하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기체크단계(S100)와 수소체크단계(S200)는 공기공급부와 수소공급부의 유량을 체크하고, 상기 차이파악단계(S300)는 공기공급부와 수소공급부의 체크된 유량의 차이값을 파악하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기체크단계(S100)는 공기공급부의 압력을 체크하고 수소체크단계(S200)는 수소공급부의 유량을 체크하며, 상기 차이파악단계(S300)는 공기공급부의 압력 또는 수소공급부의 유량을 어느 일방으로 환산한 후 그 차이값을 파악하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기체크단계(S100)는 공기공급부의 유량을 체크하고 수소체크단계(S200)는 수소공급부의 압력을 체크하며, 상기 차이파악단계(S300)는 공기공급부의 유량 또는 수소공급부의 압력을 어느 일방으로 환산한 후 그 차이값을 파악하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변설정단계(S400)는 차이값의 크기가 클수록 드레인밸브의 개방유지시간을 증대시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변설정단계(S400)는 차이값의 범위에 따른 복수의 비교구간을 설정하고 각 비교구간마다 개방유지시간을 미리 매핑하며, 파악된 차이값이 해당하는 비교구간을 선택하고 그에 따른 개방유지시간을 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법.
  8. 가습기 측의 압력 또는 유량을 체크하는 공기체크단계(S100);
    드레인밸브 측의 압력 또는 유량을 체크하는 수소체크단계(S200);
    상기 가습기 측과 드레인밸브 측의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하는 차이파악단계(S300); 및
    상기 차이값에 따라 가변적으로 연료전지의 수소극에서 토출된 응축수를 가습기로 배출하는 드레인밸브의 개방유지시간을 설정하는 가변설정단계(S400);를 포함하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어방법.
  9. 공기를 도입하여 가습한 후 연료전지의 공기극에 제공하는 가습기(100);
    연료전지의 수소극에서 토출된 응축수를 가습기로 배출하는 드레인밸브(200);
    압력센서 또는 유량센서가 구비된 연료전지의 공기공급부(300);
    압력센서 또는 유량센서가 구비된 연료전지의 수소공급부(400); 및
    공기공급부(300)와 수소공급부(400)의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하고, 차이값에 따라 가변적으로 드레인밸브(200)의 개방유지시간을 제어하는 제어부(500);를 포함하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어시스템.
  10. 공기를 도입하여 가습한 후 연료전지의 공기극에 제공하는 가습기(100);
    연료전지의 수소극에서 토출된 응축수를 가습기로 배출하는 드레인밸브(200);
    가습기 측과 드레인밸브 측의 유량 또는 압력을 체크하는 센서부(40',50'); 및
    가습기 측과 드레인밸브 측의 체크된 유량 또는 압력의 차이값을 파악하고, 차이값에 따라 가변적으로 드레인밸브(200)의 개방유지시간을 제어하는 제어부(500);를 포함하는 연료전지시스템의 드레인밸브 제어시스템.
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