KR102336395B1 - 연료전지 정지 모드 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 정지 모드를 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
특히, 연료전지의 열화 정도를 산출하여, 산출된 열화 정도에 따라 정지 전압을 결정하고, 연료전지의 출력전압이 결정된 정지 전압이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 방법 및 시스템이 개시된다.

Description

연료전지 정지 모드 제어 방법 및 시스템 {CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR STOP MODE OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 열화 정도에 따라 연료전지 정지 모드에서 정지 전압을 가변하는 제어를 제시함으로써 내구성 및 운전성을 향상시킬 수 있는 연료전지 정지 모드 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 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.
연료전지의 시동을 정지하는 경우 또는 요구 전력이 소정 값 이하인 경우에는 연료전지에 공급하는 반응 가스의 공급이 중단되도록 제어하는데, 이때 반응층에 남아있는 가스들이 반응하면서 연료전지에 출력이 발생하게 되어, 연료전지 전극이 높은 전위에 노출되는 상황이 발생한다.
그러나 연료전지의 전극, 특히 산소극 전극의 백금(Pt) 촉매가 OCV(Open Circuit Voltage)에 가까운 높은 전위에 노출되는 경우에는 공급 공기 중 산소 또는 가습 공기 중의 수분과 반응하여 산화 현상이 발생하게 된다. 이렇게 산화된 촉매에서는 연료전지 반응이 발생하지 않게 되어 연료전지는 성능 열화가 발생하고, 이는 같은 전류로 운전할 때 비해 연료전지의 출력강하로 이어지고, 결국 시스템 효율의 저하를 유발한다.
이를 위한 종래의 기술로는 이러한 고전위에 의한 전극 성능 열화를 방지하기 위하여 정지 모드로 운행할 때 OCV보다 낮은 상한 전압을 설정하고, 이에 따른 제어를 실시하는 기술이 공개되어 있다.
다만, 상한 전압을 설정하는 종래 기술로는 열화 회복이 충분하지 않아 열화에 의한 촉매 탈리 현상이 발생하고, 이에 따라 영구적인 성능하락으로 이어지는 문제가 있다.
US 2010-0055521 A
Analysis and modeling of PEMFC degradation: Effect on oxygen transport, Shinji Jomori, Nobuaki Nonoyama, Toshihiko Yoshida Journal of Power Sources, Volume 215, 1 October 2012, Pages 18-27 Pt-Oxide Coverage-Dependent Oxygen Reduction Reaction (ORR) Kinetics, N. P. Subramanian, T. A. Greszler, J. Zhang, W. Gu and R. Makharia Journal of The Electrochemical Society, 159(5) B531-B540 (2012)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전극의 열화 정도에 따라 결정되는 정지 전압을 유지하도록 연료전지를 제어하는 방법 및 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 정지 모드 제어 방법은 연료전지의 열화 정도를 산출하는 단계; 산출한 열화 정도에 따라 연료전지의 정지 전압을 결정하는 단계; 연료전지의 정지 모드 진입 여부를 판단하는 단계; 및 연료전지가 정지 모드에 진입하는 것으로 판단한 경우, 연료전지의 출력전압이 결정된 정지 전압이 되도록 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
열화 정도를 산출하는 단계에서는 연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 이용하여 연료전지의 열화 정도를 산출할 수 있다.
열화 정도를 산출하는 단계에서는 연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 불활성 메모리에 갱신하며 저장할 수 있다.
열화 정도를 산출하는 단계에서는 아래의 수식에 따라 산소극 촉매의 산화 정도를 도출할 수 있다.
Figure 112017035116547-pat00001
정지 전압을 결정하는 단계에서는 산출된 열화 정도를 기설정된 값과 비교하고, 비교 결과에 따라 복수 개의 기저장된 정지 전압 중에서 하나를 선택할 수 있다.
정지 전압을 결정하는 단계에서는 산출된 열화 정도가 클수록 정지 전압이 낮아지도록 정지 전압을 결정할 수 있다.
정지 전압을 결정하는 단계에서는 산출된 열화 정도가 작을수록 정지 전압이 높아지도록 정지 전압을 결정할 수 있다.
연료전지의 정지 모드 진입 여부를 판단하는 단계에서는 요구 출력의 존재 여부에 따라 정지 모드 진입 여부를 판단할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 정지 모드 제어 시스템은 연료전지의 열화 정도를 산출하는 열화 산출부; 열화 산출부에서 산출한 연료전지의 열화 정도에 따라 연료전지의 정지 전압을 결정하는 정지 전압 결정부; 연료전지의 정지 모드 진입 여부를 판단하는 정지 모드 진입 여부 판단부; 및 정지 모드 진입 여부 판단부에서 연료전지가 정지 모드에 진입하는 것으로 판단한 경우, 연료전지의 출력전압이 정지 전압 결정부에서 결정된 정지 전압이 되도록 제어하는 전력분배 제어부;를 포함할 수 있다.
연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 도출하는 산화 도출부;를 더 포함하고,
열화 산출부에서는 산화 도출부에서 도출한 연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 통하여 연료전지의 열화 정도를 산출할 수 있다.
산화 도출부에는 연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 갱신하며 저장하는 불활성 메모리를 더 가질 수 있다.
정지 전압 결정부에는 기준 열화도와 복수의 정지 전압이 기저장되고, 정지 전압 결정부에서는 열화 산출부에서 산출한 연료전지의 열화 정도를 기준 열화도와 비교하고, 비교 결과에 따라 기저장된 복수의 정지 전압 중에서 하나를 선택할 수 있다.
정지 전압 결정부에서는 열화 산출부에서 산출된 열화 정도가 클수록 정지 전압이 낮아지도록 정지 전압을 결정하고, 산출된 열화 정도가 작을수록 정지 전압이 높아지도록 정지 전압을 결정할 수 있다.
본 발명의 연료전지 정지 모드에서 정지전압을 가변하는 제어에 따르면, 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 운전중 발생할 수 있는 연료전지 열화를 방지하여 성능 하락을 막을 수 있다.
둘째, 운전중 촉매의 산화량을 최소한으로 관리하여, 산소극 백금(Pt) 촉매가 계속해서 높은 전압에 노출되는 경우에 전극에서 탈리하여 회복될 수 없는 영구적인 성능하락으로 이어질 가능성을 낮추는 내구성 향상 효과가 있다.
셋째, 연료전지의 운전중 열화를 회복하여 시스템 효율이 증가하여 종래기술에 대비하여 차량 연비 향상 효과를 얻을 수 있다.
넷째, 필요시에만 선택적으로 연료전지 정지전압의 강하를 실행하므로, 정지 모드 해제시 출력지연의 발생을 최소화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 정지 모드 제어 방법의 순서도 이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 정지 모드 제어 시스템의 구성도이다.
본 발명의 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.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 정지 모드 제어 방법의 순서도 이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 정지 모드 제어 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 정지 모드 제어 방법은 연료전지의 열화 정도를 산출하는 단계(S100); 산출한 열화 정도에 따라 연료전지의 정지 전압을 결정하는 단계(S200); 연료전지의 정지 모드 진입 여부를 판단하는 단계(S300); 및 연료전지가 정지 모드에 진입하는 것으로 판단한 경우, 연료전지의 출력전압이 결정된 정지 전압이 되도록 제어하는 단계(S400);를 포함할 수 있다.
이와 같은 연료전지 정지 모드 제어 방법에 따르면, 산출된 열화 정도에 의해 정지 전압을 결정하여 열화 정도가 큰 경우에는 열화 회복을 촉진하도록 하고, 열화 정도가 작은 경우에는 연료전지의 정지 모드 해제시 출력지연의 발생을 최소화하도록 정지 전압을 정하는 것으로, 시스템의 효율 증가 및 출력 지연 최소화의 상반된 목적을 모두 달성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 정지 모드 제어 시스템은 연료전지(10)의 열화 정도를 산출하는 열화 산출부(20); 열화 산출부에서 산출한 연료전지의 열화 정도에 따라 연료전지의 정지 전압을 결정하는 정지 전압 결정부(30); 연료전지의 정지 모드 진입 여부를 판단하는 정지 모드 진입 여부 판단부(40); 및 정지 모드 진입 여부 판단부에서 연료전지가 정지 모드에 진입하는 것으로 판단한 경우, 연료전지의 출력전압이 정지 전압 결정부에서 결정된 정지 전압이 되도록 제어하는 전력분배 제어부(50);를 포함할 수 있다.
그리고 이러한 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 정지 모드 제어 방법은 도 2의 연료전지 정지 모드 제어 시스템에 의해 구현될 수 있다.
따라서, 도 1 내지 2를 함께 참조하면, 연료전지의 열화 정도를 산출하는 단계(S100)는 열화 산출부(20)에서 연료전지(10)의 열화 정도를 산정한다.
이때, 산화 도출부(60)에서 연료전지 산소극 촉매인 백금(Pt)의 산화 정도를 도출하고, 열화 산출부(20)에서 도출된 산소극 촉매의 산화 정도를 이용하여 연료전지의 열화 정도를 산출할 수 있다. 여기서 연료전지의 열화 정도는 도출한 산소극 촉매의 산화 정도를 그대로 스케일링한 값을 이용할 수도 있고, 산소극 촉매의 산화 정도를 변수로 사용하는 공식을 이용할 수도 있을 것이다.
산화 도출부(60)에서 도출한 연료전지 산소극 촉매의 산화 정도는 불활성 메모리(61)에 갱신하면서 저장하여, 최신 산화 정도 값을 저장하도록 할 수 있다.
열화 정도를 산출하는 단계에서는 아래의 수식에 따라 산소극 촉매의 산화 정도를 도출할 수 있다. 여기서 Faraday 상수는 96485, 이상기체상수는 8.314를 이용할 수 있고, 전극의 소재와 구성에 따른 물성치인
Figure 112017035116547-pat00002
는 소재 실험의 결과 또는 문헌을 기반으로 산출할 수 있다. 또한, 멤브레인 전위손실은 연료전지 전류와 미리 산정하거나 추정한 멤브레인 저항의 곱으로 계산할 수 있다.
Figure 112017035116547-pat00003
제시한 수식들은 비특허문헌으로 기재한 관련 논문들을 참고하면 더 명확하게 이해할 수 있습니다.
또한, 전극 촉매의 산화 정도를 산출하기 위해서는 직전 산출 값이 필요한데, 운전 중에는 직전 산출 값을 사용하고, 시동 직후와 같은 직전 산출 값이 없는 경우에는 불활성 메모리(61)에 저장된 값을 기반으로 산출할 수 있다.
구체적으로, 예컨대 시동 직후인 경우 불활성 메모리(61)에 저장된 전극 촉매의 산화 정도를 읽고, 연료전지의 시동 정지시부터 시동시까지의 정지 시간을 측정하여, 정지 시간동안에는 연료전지의 전압이 0[V]인 것으로 가정하여 새로운 전극 촉매의 산화 정도를 산출한다.
열화 정도에 따라 정지 전압을 결정하는 단계(S200)는 정지 전압 결정부(30)에서 산출된 열화 정도를 기설정된 값과 비교하고, 비교 결과에 따라 복수 개의 기저장된 정지 전압 중에서 하나를 선택하는 것으로 정지 전압을 정할 수 있다.
정지 전압 결정부(30)에는 기준 열화도와 복수의 정지 전압이 기저장되고, 정지 전압 결정부에서는 열화 산출부에서 산출한 연료전지의 열화 정도를 기준 열화도와 비교하고, 비교 결과에 따라 기저장된 복수의 정지 전압 중에서 하나를 선택하는 방식으로 정지 전압을 결정할 수 있다.
예를 들어, 산출된 열화 정도를 기설정된 값과 비교하고(S210), 열화 정도가 기설정값보다 큰 경우에는 정지 전압을 V1으로(S222), 작거나 같은 경우에는 정지 전압을 V2로(S221) 결정할 수 있다. 이때 V2는 V1보다 큰 값으로 정한다.
이때, 산출된 열화 정도가 클수록 정지 전압이 낮아지도록 정지 전압을 결정하여 열화 회복을 촉진할 수 있다.
반대로, 산출된 열화 정도가 작을수록 정지 전압이 높아지도록 정지 전압을 결정하여 연료전지의 정지 모드 해제시 출력 회복의 지연을 최소화하도록 할 수 있다.
연료전지의 정지 모드 진입 여부를 판단하는 단계(S300)는 정지 모드 진입 여부 판단부(40)에서 판단할 수 있다.
이때, 요구 출력의 존재 여부에 따라 정지 모드 진입 여부를 판단할 수 있다. 연료전지의 요구 출력이 0이 되는 경우(S300)에는 더 이상 연료전지를 운전할 필요가 없어지기 때문에 정지 모드로 진입하게 되는 것이고, 요구 출력이 0이 아닌 경우에는 다시 열화 정도를 판단하는 단계(S100)로 돌아갈 수 있다.
연료전지가 정지 모드에 진입한 경우에는 연료전지의 운전을 정지하고, 연료전지의 출력전압이 결정된 정지 전압이 되도록 제어하는 단계(S400)는 전력 분배 제어부(50)에서 제어할 수 있다.
이때, 전력 분배 제어부(50)은 연료전지와 구동모터(51), 전장부품(52) 및 고전압 배터리(53) 등의 사이에 존재하는 DC-DC 컨버터(미도시)를 제어하는 것일 수 있다.
구체적으로, 연료전지의 운전이 정지된 경우, 연료전지의 출력 전압이 결정된 정지 전압보다 높아진 경우에는 DC-DC 컨버터(미도시)를 제어하여 전장 부품(52) 또는 고전압 배터리(53)으로 전력을 분배하여 연료전지의 출력 전압이 결정된 정지 전압으로 유지되도록 제어하는 것이다.
10 : 연료전지
20 : 열화 산출부
30: 정지 전압 결정부
40 : 정지 모드 진입 여부 판단부
50 : 전력 분배 제어부
60 : 산화 도출부
S100 : 연료전지의 열화 정도를 산출하는 단계
S200 : 연료전지의 정지 전압을 결정하는 단계
S300 : 연료전지의 정지 모드 진입 여부를 판단하는 단계
S400 : 연료전지의 출력전압이 결정된 정지 전압이 되도록 제어하는 단계

Claims (13)

  1. 연료전지의 열화 정도를 산출하는 단계;
    산출한 열화 정도에 따라 연료전지의 정지 전압을 결정하는 단계;
    연료전지의 요구출력을 통해 정지 모드 진입 여부를 판단하는 단계; 및
    연료전지가 정지 모드에 진입하는 것으로 판단한 경우, 연료전지의 출력전압이 결정된 정지 전압이 되도록 제어하는 단계;를 포함하고,
    정지 전압을 결정하는 단계에서는 산출된 열화 정도가 클수록 정지 전압이 낮아지도록 정지 전압을 결정하고, 산출된 열화 정도가 작을수록 정지 전압이 높아지도록 정지 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    열화 정도를 산출하는 단계에서는 연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 이용하여 연료전지의 열화 정도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    열화 정도를 산출하는 단계에서는 연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 불활성 메모리에 갱신하며 저장하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    열화 정도를 산출하는 단계에서는 아래의 수식에 따라 산소극 촉매의 산화 정도를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 방법.
    Figure 112017035116547-pat00004
  5. 청구항 1에 있어서,
    정지 전압을 결정하는 단계에서는 산출된 열화 정도를 기설정된 값과 비교하고, 비교 결과에 따라 복수 개의 기저장된 정지 전압 중에서 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 정지 모드 진입 여부를 판단하는 단계에서는 요구 출력의 존재 여부에 따라 정지 모드 진입 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 방법.
  9. 연료전지의 열화 정도를 산출하는 열화 산출부;
    열화 산출부에서 산출한 연료전지의 열화 정도에 따라 연료전지의 정지 전압을 결정하는 정지 전압 결정부;
    연료전지의 요구출력을 통해 정지 모드 진입 여부를 판단하는 정지 모드 진입 여부 판단부; 및
    정지 모드 진입 여부 판단부에서 연료전지가 정지 모드에 진입하는 것으로 판단한 경우, 연료전지의 출력전압이 정지 전압 결정부에서 결정된 정지 전압이 되도록 제어하는 전력분배 제어부;를 포함하고,
    정지 전압 결정부에서는 열화 산출부에서 산출된 열화 정도가 클수록 정지 전압이 낮아지도록 정지 전압을 결정하고, 산출된 열화 정도가 작을수록 정지 전압이 높아지도록 정지 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 도출하는 산화 도출부;를 더 포함하고,
    열화 산출부에서는 산화 도출부에서 도출한 연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 통하여 연료전지의 열화 정도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    산화 도출부에는 연료전지 산소극 촉매의 산화 정도를 갱신하며 저장하는 불활성 메모리를 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    정지 전압 결정부에는 기준 열화도와 복수의 정지 전압이 기저장되고, 정지 전압 결정부에서는 열화 산출부에서 산출한 연료전지의 열화 정도를 기준 열화도와 비교하고, 비교 결과에 따라 기저장된 복수의 정지 전압 중에서 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 모드 제어 시스템.
  13. 삭제
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