KR102347322B1 - Thermal Management Method and Device For PEFMC - Google Patents

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KR102347322B1
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주식회사 블루이코노미전략연구원
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법 및 그 장치에 관한 것으로서 연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 저위발열량(LHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 냉각에 필요한 최소냉각량을 연산하는 제1 단계; 연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 고위발열량(HHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 냉각에 필요한 최대냉각량을 연산하는 제2 단계; 상기 연료전지 스택의 냉각량이 상기 최소냉각량과 상기 최대냉각량 범위 이내가 되도록 상기 연료전지 스택의 냉각량을 제어하는 제 단3계;를 포함하여, 연료전지 스택에 대한 적정 냉각량을 산출함으로서 연료전지 스택의 냉각을 효율적이고 효과적으로 제어할 수 있다.The present invention relates to a method and apparatus for controlling cooling of a fuel cell system including a fuel cell stack, and to a flow rate of hydrogen fuel consumed in a fuel cell stack, a low-level calorific value (LHV) of hydrogen, and electric power produced in the fuel cell stack a first step of calculating a minimum amount of cooling required for cooling of the fuel cell stack; a second step of calculating a maximum amount of cooling required for cooling the fuel cell stack from a flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, a high calorific value (HHV) of hydrogen, and electric power generated in the fuel cell stack; a third step of controlling the cooling amount of the fuel cell stack so that the cooling amount of the fuel cell stack is within the range of the minimum cooling amount and the maximum cooling amount; It is possible to efficiently and effectively control the cooling of the fuel cell stack.

Description

연료전지 시스템의 냉각 제어 방법 및 그 장치 {Thermal Management Method and Device For PEFMC }Fuel cell system cooling control method and device {Thermal Management Method and Device For PEFMC }

본 발명은 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템 운전중 연료전지 스택의 냉각에 필요한 적정 냉각량을 산출하여 제어할 수 있는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for controlling cooling of a fuel cell system, and more particularly, to a method and system for controlling cooling of a fuel cell system capable of calculating and controlling an appropriate amount of cooling required for cooling a fuel cell stack during operation of the fuel cell system; It's about the system.

최근 자동차, 가정 또는 상업용 등의 분야에서 전기 생산에 사용되는 수소 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 장치로서 그 사용 분야가 점점 확장되는 추세이다. 수소 연료전지는 수소를 연료로 사용함으로서 배터리 등 전력 저장장치에 비하여 충전 시간이 거의 필요치 않은 장점이 있다. 수소와 산소의 전기화학 반응은 연료전지 스택에서 일어나게 되는데 이 과정에서 전기가 생산됨과 동시에 반응의 부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이 중에서 열은 연료전지 스택의 온도를 상승시켜 시스템의 효율을 저하시키기 때문에 연료전지 스택의 온도를 적절하게 유지시키기 위한 대책이 요구된다. 최근 주목받고 있는 양성자 교환막 연료전지(PEMFC, Proton-exchange membrane fuel cell) 또는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)로 불리는 PEFMC 는 높은 전력밀도를 가지면서 빠른 운전 개시가 가능하다는 장점이 있으나, 효율적인 전력 생산을 위해서는 반응열 및 물의 잠열로 인한 스택의 온도 상승을 막기 위한 최적의 냉각 제어가 반드시 필요하다. 따라서 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 수소 및 산소 공급을 위한 장치는 물론이고 냉각을 위한 장치 등도 포함하게 된다. Recently, a hydrogen fuel cell used for electricity production in fields such as automobiles, home or commercial use is a device that generates electrical energy from an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and the field of use thereof is gradually expanding. Since the hydrogen fuel cell uses hydrogen as a fuel, it has the advantage that it requires little charging time compared to an electric power storage device such as a battery. The electrochemical reaction between hydrogen and oxygen takes place in the fuel cell stack, and in this process, electricity is generated and heat and water are discharged as by-products of the reaction. Among them, since heat increases the temperature of the fuel cell stack and lowers the efficiency of the system, a countermeasure for properly maintaining the temperature of the fuel cell stack is required. PEFMC, also called proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) or polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is attracting attention recently, has the advantage of high power density and fast operation start. However, for efficient power generation, optimal cooling control is absolutely necessary to prevent the stack temperature rise due to reaction heat and latent heat of water. Accordingly, the fuel cell system includes a device for supplying hydrogen and oxygen to the fuel cell stack as well as a device for cooling.

연료전지 시스템의 냉각 방법으로는 연료전지 스택 내에 냉각수를 순환시켜 냉각하는 수냉식 냉각 방법이 널리 적용되고 있다. 수냉식 냉각 방법의 냉각량(Cooling rate)은 냉각수의 온도 및 유량으로 결정될 수 있다. 과소한 냉각량은 연료전지 스택을 고온으로 만들고 최종적으로 드라이 아웃(Dry out)되어 연료전지가 정지되는 상태에 이를 수 있으며 과다한 냉각량은 연료전지 스택을 플러딩(Flooding) 상태로 만들어 연료전지 시스템이 매우 비효율적인 운전상태로 될 수 있다.As a cooling method of a fuel cell system, a water-cooling cooling method in which cooling water is circulated in a fuel cell stack for cooling is widely applied. The cooling rate of the water cooling method may be determined by the temperature and flow rate of the cooling water. Insufficient cooling amount makes the fuel cell stack high temperature and finally dries out, leading to a state in which the fuel cell is stopped. This can lead to very inefficient operation.

기존의 냉각 제어 방법은 (특허문헌 001) 대한민국 등록특허공보 제10-1190729(2019.10.04.) "연료전지 시스템의 냉각수 유량 예측 방법 및 냉각수 정상 순환 판정 방법"에 개시된 것과 같이 스택의 입출구 측의 냉각수 온도 등을 측정하여 냉각 제어를 수행하는 정도에 그쳐왔다.The existing cooling control method (Patent Document 001), as disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1190729 (2019.10.04.) "Method for predicting coolant flow rate in fuel cell system and method for determining normal circulation of coolant," It has been limited to the extent to which cooling control is performed by measuring the temperature of the cooling water and the like.

따라서 연료전지 스택의 드라이 아웃(Dry out) 또는 플러딩(Flooding)을 피할 수 있는 최소 냉각량 및 최대 냉각량을 계산할 수 있다면 연료전지 시스템의 효율적이고 효과적인 냉각 제어가 가능하다.Therefore, if the minimum amount of cooling and the maximum amount of cooling that can avoid dry out or flooding of the fuel cell stack can be calculated, efficient and effective cooling control of the fuel cell system is possible.

한편 (특허문헌 002) 대한민국 등록특허공보 제10-1952792(2019.02.21.) "에너지 시스템의 고장진단 방법 및 장치"에는 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기에 대하여 엑서지에 기반한 열경제학적 방법을 적용하여 각 구성기기에서의 손실일과 이에 따른 손실비용을 계산함으로서 효율이 저하된 구성기기를 정확하게 진단할 수 있는 에너지 시스템의 고장진단 방법 및 시스템을 제공하고 있으나 이를 연료전지 시스템에 적용하여 연료전지 스택의 적정 냉각량을 알아낼 수 있는 방법은 제시하지 못하고 있다.On the other hand, (Patent Document 002) Korean Patent Publication No. 10-1952792 (2019.02.21.) "Energy system failure diagnosis method and apparatus" applies an exergy-based thermoeconomic method to each component constituting the energy system. Thus, we provide a method and system for diagnosing an energy system failure that can accurately diagnose components with reduced efficiency by calculating the loss day and cost of loss in each component. There is no way to find out the appropriate cooling amount.

대한민국 등록특허공보 제10-1190729(2019.10.04.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1190729 (2019.10.04.) 대한민국 등록특허공보 제10-1952792(2019.02.21.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1952792 (2019.02.21.)

이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 연료전지 스택의 드라이 아웃(Dry out) 또는 플러딩(Flooding)을 피할 수 있는 최소 냉각량 및 최대 냉각량을 계산하여 연료전지 스택에 대한 적정 냉각량을 산출함으로서 연료전지 시스템을 효율적이고 효과적으로 냉각 제어할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것에 있다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to calculate the minimum amount of cooling and the maximum amount of cooling that can avoid dry out or flooding of the fuel cell stack, and calculate the appropriate amount of cooling for the fuel cell stack. An object of the present invention is to provide a method and system capable of efficiently and effectively controlling cooling of a battery system.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 연료전지 스택 및 연료전지 냉각 장치를 포함하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법은 연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 저위발열량(LHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 냉각에 필요한 최소냉각량을 연산하는 제1 단계; 연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 고위발열량(HHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 냉각에 필요한 최대냉각량을 연산하는 제2 단계; 상기 연료전지 스택의 냉각량이 상기 최소냉각량과 상기 최대냉각량 범위 이내가 되도록 상기 연료전지 스택의 냉각량을 제어하는 제 3단계;를 포함한다.In order to realize the object of the present invention, the method for controlling cooling of a fuel cell system including a fuel cell stack and a fuel cell cooling device according to the present invention includes the flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack and the low calorific value ( LHV), and a first step of calculating a minimum amount of cooling required for cooling of the fuel cell stack from the power generated by the fuel cell stack; a second step of calculating a maximum amount of cooling required for cooling the fuel cell stack from a flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, a high calorific value (HHV) of hydrogen, and electric power generated in the fuel cell stack; and a third step of controlling the cooling amount of the fuel cell stack so that the cooling amount of the fuel cell stack is within the range of the minimum cooling amount and the maximum cooling amount.

상기 제1 단계에서 최소냉각량은 수학식,

Figure 112020061057500-pat00001
에 의하여 연산하는 것을 특징으로 하한다. 여기서,
Figure 112020061057500-pat00002
는 최소냉각량이고,
Figure 112020061057500-pat00003
는 연료전지 스택에서 소비되는 수소의 몰 유량(Mole Flow Rate)이고, LHV는 수소의 저위발열량(Lower Heating Value)이고,
Figure 112020061057500-pat00004
는 연료전지 스택에서 생산되는 전력에 대응되는 엑서지이다.In the first step, the minimum amount of cooling is
Figure 112020061057500-pat00001
It is characterized in that it is calculated by here,
Figure 112020061057500-pat00002
is the minimum amount of cooling,
Figure 112020061057500-pat00003
is the molar flow rate of hydrogen consumed in the fuel cell stack, LHV is the lower heating value of hydrogen,
Figure 112020061057500-pat00004
is an exergy corresponding to power generated by the fuel cell stack.

상기 제2 단계에서 최대냉각량은 수학식,

Figure 112020061057500-pat00005
에 의하여 연산하는 것을 특징으로 한다. 여기서,
Figure 112020061057500-pat00006
는 최대냉각량이고,
Figure 112020061057500-pat00007
는 연료전지 스택에서 소비되는 수소의 몰 유량(Mole Flow Rate)이고, HHV는 수소의 고위발열량(Higher Heating Value)이고,
Figure 112020061057500-pat00008
는 연료전지 스택에서 생산되는 전력에 대응되는 엑서지이다.In the second step, the maximum amount of cooling is
Figure 112020061057500-pat00005
It is characterized in that it is calculated by here,
Figure 112020061057500-pat00006
is the maximum cooling amount,
Figure 112020061057500-pat00007
is the molar flow rate of hydrogen consumed in the fuel cell stack, HHV is the higher heating value of hydrogen,
Figure 112020061057500-pat00008
is an exergy corresponding to power generated by the fuel cell stack.

상기 제3 단계에서 연료전지 스택의 냉각은 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 온도 및 유량을 제어함으로서 냉각량을 제어할 수 있다.In the third step, cooling of the fuel cell stack may control the amount of cooling by controlling the temperature and flow rate of the coolant supplied to the fuel cell stack.

한편, 또 다른 실시 예에 의한 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 장치는 연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 저위발열량(LHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 최소냉각량을 연산하는 최소냉각량 연산부;와 연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 고위발열량(HHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 최대냉각량을 연산하는 최대냉각량 연산부;와 상기 연료전지 스택의 냉각량이 상기 최소 냉각량과 상기 최대 냉각량 범위 이내가 되도록 상기 연료전지 스택의 냉각량을 제어하는 냉각량 제어부;를 포함할 수 있다. Meanwhile, the cooling control apparatus of a fuel cell system including a fuel cell stack according to another embodiment includes a flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, a low-level calorific value (LHV) of hydrogen, and electric power produced in the fuel cell stack. A minimum cooling amount calculating unit that calculates the minimum amount of cooling of the fuel cell stack from a maximum cooling amount calculating unit for calculating a maximum cooling amount; and a cooling amount control unit controlling the cooling amount of the fuel cell stack so that the cooling amount of the fuel cell stack is within the range of the minimum cooling amount and the maximum cooling amount. have.

본 발명에서 제공하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법 및 시스템에 따르면, 연료전지 스택의 드라이 아웃(Dry out) 또는 플러딩(Flooding)을 피할 수 있는 최소 냉각량 및 최대 냉각량을 계산하여 연료전지 스택에 필요한 적정 냉각량을 산출함으로서 연료전지 시스템을 효율적이고 효과적으로 냉각 제어할 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.According to the method and system for controlling cooling of a fuel cell system provided by the present invention, the minimum amount of cooling and the maximum amount of cooling capable of avoiding dry out or flooding of the fuel cell stack are calculated and applied to the fuel cell stack. There is an effect that the fuel cell system can be efficiently and effectively cooled and controlled by calculating the appropriate amount of cooling required. The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 냉각 제어 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 냉각 제어 방법을 설명하기 위한 연료전지 시스템의 구성도이다.
1 is a flowchart illustrating a method for controlling cooling of a fuel cell system according to the present invention.
2 is a configuration diagram for explaining a cooling control device of a fuel cell system according to the present invention.
3 is a configuration diagram of a fuel cell system for explaining a cooling control method according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시 예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.Since the present invention can have various changes and can have various forms, embodiments will be described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. In the present application, terms such as “comprises” or “consisting of” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

본 발명에서 사용하는 약어들은 다음과 같이 정의된다.Abbreviations used in the present invention are defined as follows.

Figure 112020061057500-pat00009
: 최소냉각량(Minimum Cooling rate)
Figure 112020061057500-pat00009
: Minimum Cooling rate

Figure 112020061057500-pat00010
: 최대냉각량(Maximum Cooling rate)
Figure 112020061057500-pat00010
: Maximum Cooling rate

Figure 112020061057500-pat00011
: 연료전지 스택에서 소비되는 수소의 몰 유량(Mole Flow Rate)
Figure 112020061057500-pat00011
: Mole flow rate of hydrogen consumed in fuel cell stack

Figure 112020061057500-pat00012
: 연료전지 스택에서 생산되는 전력에 대응되는 엑서지
Figure 112020061057500-pat00012
: Exergy corresponding to power produced by fuel cell stack

수증기 응축률비(y) : 연료전지 스택 내에서 만들어지는 수소와 산소의 전기화학 반응의 부산물 중 물(H2O)이 액체상태로 되는 비율 Water vapor condensation rate ratio (y): The ratio at which water (H 2 O) becomes liquid among by-products of the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen produced in the fuel cell stack

LHV : 수소의 저위발열량(Lower Heating Value)LHV: Lower Heating Value of hydrogen

HHV : 수소의 고위발열량(Higher Heating Value)HHV: Higher Heating Value of hydrogen

본 발명에서 LHV 및 HHV는 다른 설명이 없는 한 수소에 대한 LHV 및 HHV를 의미한다. In the present invention, LHV and HHV mean LHV and HHV for hydrogen unless otherwise specified.

냉각량(Cooling rate)의 단위는 kJ/h 이다.The unit of cooling rate is kJ/h.

한편 본 발명에 따른 냉각 제어 장치가 제어할 수 있는 파라미터로는 열교환기 등에 공급되는 냉각수의 온도, 압력, 유량 등이 있으며 이러한 냉각 파라미터들을 변경할 수 있는 냉각 장치들은 본 발명의 냉각 제어 장치가 제어할 수 있는 대상이 될 수 있다.On the other hand, parameters that can be controlled by the cooling control device according to the present invention include temperature, pressure, flow rate, etc. of cooling water supplied to a heat exchanger, etc., and the cooling devices capable of changing these cooling parameters are controlled by the cooling control device of the present invention. can be a possible target.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명의 냉각 제어 방법을 설명하기 전에 먼저 본 발명의 일 실시예가 적용될 수 있는 도 3의 연료전지 시스템의 구성도를 살펴본다. Before describing the cooling control method of the present invention, a configuration diagram of the fuel cell system of FIG. 3 to which an embodiment of the present invention can be applied will be described.

도 3은 수소와 산소의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 시스템의 구성을 보여준다.3 shows the configuration of a fuel cell system for generating electric energy from an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.

도 3을 참조하면 연료전지 시스템을 구성요소로는 에어 블로어(Air Blower)(1), 가습기(Humidifier)(2), 연료전지 스택(FCS, Fuel Cell Stack)(6), 애노드Anode)(3), 캐소드(Cathode)(4), 연료전지 스택 열교환기(HTX(HeaT eXchange) in FCS)(5), 탈이온수 열교환기(HTX for DI(Deionized) water)(7), 펌프 1(8), 펌프 2(9), 냉각수 탱크(10), 탈이온수 탱크(DI water tank)(11), 냉각수 열교환기(HTX for coolant)(12) 등을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, components of the fuel cell system include an air blower (1), a humidifier (2), a fuel cell stack (FCS, Fuel Cell Stack) (6), and an anode (3). ), cathode (4), fuel cell stack heat exchanger (HTX (HeaT eXchange) in FCS) (5), deionized water heat exchanger (HTX for DI (Deionized) water) (7), pump 1 (8) , the pump 2 ( 9 ), the coolant tank ( 10 ), the deionized water tank ( DI water tank) ( 11 ), the coolant heat exchanger ( HTX for coolant) ( 12 ), and the like.

연료전지의 연료 역할을 하는 수소는 연료전지 스택의 애노드로 공급되고, 공기 중의 산소는 에어 블로어(Air Blower)와 가습기(Humidifier)를 거친 후 연료전지 스택의 캐소드로 공급된다. 연료전지 스택의 애노드와 캐소드에 공급되는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기가 생산됨과 동시에 반응의 부산물로 열과 물을 배출하게 되는데 연료전지 스택의 과도한 온도 상승을 방지하기 위하여 연료전지 스택 열교환기에서 적절한 냉각 제어를 수행하게 된다. 연료전지 스택 열교환기로 공급되는 DI(Deionized) 워터는 탈이온수 탱크로부터 펌프 1을 통하여 공급되고 흡수된 열을 탈이온수 열교환기를 통해 냉각수로 전달한다. 냉각수는 냉각수 탱크로부터 펌프 2를 통해 탈이온수 열교환기로 공급되고 흡수된 열은 냉각수 열교환기를 통하여 외부로 방출된다.Hydrogen serving as a fuel of the fuel cell is supplied to the anode of the fuel cell stack, and oxygen in the air is supplied to the cathode of the fuel cell stack after passing through an air blower and a humidifier. Electricity is produced by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen supplied to the anode and cathode of the fuel cell stack, and heat and water are discharged as by-products of the reaction. Appropriate cooling control will be performed. DI (deionized) water supplied to the fuel cell stack heat exchanger is supplied from the deionized water tank through the pump 1, and the absorbed heat is transferred to the cooling water through the deionized water heat exchanger. Cooling water is supplied from the cooling water tank to the deionized water heat exchanger through the pump 2, and the absorbed heat is discharged to the outside through the cooling water heat exchanger.

이때 냉각량이 부족하거나 과다하면 연료전지 스택에서 드라이 아웃(Dry out) 또는 플러딩(Flooding)이 발생하게 되고 이로 인하여 연료전지 스택에서의 전력 생산이 저하되거나 중단될 수 있다. In this case, if the amount of cooling is insufficient or excessive, dry out or flooding may occur in the fuel cell stack, which may reduce or stop power generation in the fuel cell stack.

연료전지 스택의 냉각에 필요한 적정 냉각량은 수소의 공급량 및 생성되는 전력량과 매우 깊은 관련이 있다. 또한 연료전지 스택 내에서 만들어지는 수소와 산소의 전기화학 반응의 부산물 중 물(H2O)이 액체상태로 되는 비율(수증기 응축률비, y)이 냉각량 결정에 매우 중요한 변수이므로 수증기 응축률비 y 를 정확히 알아내거나 추정할 수 있다면 연료전지 스택의 드라이 아웃(Dry out) 또는 플러딩(Flooding)을 피할 수 있다.The appropriate amount of cooling required for cooling the fuel cell stack is closely related to the amount of hydrogen supplied and the amount of electricity generated. In addition, the ratio of water (H2O) to liquid state (water vapor condensation rate ratio, y) among the byproducts of the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen produced in the fuel cell stack is a very important variable in determining the amount of cooling. Dry out or flooding of the fuel cell stack can be avoided if it can be found or estimated.

본 발명의 발명자들은 수증기 응축률비 y 를 정확히 알아내거나 추정하기 위하여 열경제학적 방법으로 연구하던 중 연료전지 스택에서 필요한 최소 냉각량 및 최대 냉각량은 수소의 공급량, 생성되는 전력량 및 수소의 고위 발열량(HHV) 및 저위발열량(LHV)으로부터 계산할 수 있음을 알아내었다. While the inventors of the present invention were studying the thermoeconomic method to accurately find out or estimate the water vapor condensation rate ratio y, the minimum and maximum cooling amount required in the fuel cell stack was determined by the amount of hydrogen supplied, the amount of electricity generated, and the high calorific value of hydrogen ( HHV) and lower calorific value (LHV).

현재 공급되는 수소량과 생산되는 전력량으로부터 연료전지 스택에 필요한 최소 냉각량 및 최대 냉각량을 계산하고 해당 범위 이내로 냉각 장치를 제어함으로써 연료전지 스택의 드라이 아웃(Dry out) 또는 플러딩(Flooding)을 방지할 수 있게 된다.Prevents dry out or flooding of the fuel cell stack by calculating the minimum and maximum cooling amount required for the fuel cell stack from the amount of hydrogen currently supplied and the amount of electricity produced and controlling the cooling device within the corresponding range be able to do

연료전지 스택(FCS)에서 단위 kmole당 연료의 입력 화학 엑서지(

Figure 112020061057500-pat00013
)는 전기 화학적 반응 동안 연료전지 스택(FCS)에서 생성된 총 수증기 중 액체 물의 몰(mol) 분율 즉 수증기 응축률비(y)에 따라 달라지며 이는 다음 수학식과 같이 쓸 수 있다.Input chemical exergy of fuel per unit kmole in fuel cell stack (FCS) (
Figure 112020061057500-pat00013
) depends on the molar fraction of liquid water in the total water vapor generated in the fuel cell stack (FCS) during the electrochemical reaction, that is, the water vapor condensation rate ratio (y), which can be written as the following equation.

Figure 112020061057500-pat00014
Figure 112020061057500-pat00014

여기서 LHV는 수소의 저위발열량이고 HHV는 수소의 고위 발열량이며

Figure 112020061057500-pat00015
는 주어진 온도에서 H2O의 잠열이다.where LHV is the lower calorific value of hydrogen and HHV is the higher calorific value of hydrogen.
Figure 112020061057500-pat00015
is the latent heat of H 2 O at a given temperature.

연료전지 스택(FCS)에서 소비되는 수소 연료의 몰 유속(

Figure 112020061057500-pat00016
)은 다음과 같이 구할 수 있다.Molar flow rate of hydrogen fuel consumed in fuel cell stack (FCS) (
Figure 112020061057500-pat00016
) can be obtained as

Figure 112020061057500-pat00017
Figure 112020061057500-pat00017

여기서 I는 전류이고, Ncell은 스택의 셀(cell) 수이고, F는 패러데이 상수로서 약 26801.48 Ah/kmol이다. where I is the current, N cell is the number of cells in the stack, and F is the Faraday constant, which is about 26801.48 Ah/kmol.

만약 연료전지 스택에서 전력으로 변환되지 않은 화학적 엑서지(Ptherm)가 있다면 연료전지 시스템의 엑서지 수지식은 다음과 같이 쓸 수 있다.If there is chemical exergy (P therm ) that is not converted into electric power in the fuel cell stack, the exergy balance of the fuel cell system can be written as follows.

Figure 112020061057500-pat00018
Figure 112020061057500-pat00018

Figure 112020061057500-pat00019
는 연료전지 시스템의 수소 연료에 의한 화학적 엑서지이고,
Figure 112020061057500-pat00020
는 연료전지 스택에서 생산되는 전력에 대응되는 엑서지이다. 여기서 연료전지 스택에서 전력으로 변환되지 않은 화학적 엑서지
Figure 112020061057500-pat00021
은 연료전지 스택에서 응축수의 몰분율에 의존한다.
Figure 112020061057500-pat00019
is the chemical exergy by hydrogen fuel of the fuel cell system,
Figure 112020061057500-pat00020
is an exergy corresponding to power generated by the fuel cell stack. Here, chemical exergy that is not converted into electrical power in the fuel cell stack
Figure 112020061057500-pat00021
depends on the mole fraction of condensate in the fuel cell stack.

보다 구체적으로 최소냉각량과 최대 냉각량은 수학식,More specifically, the minimum cooling amount and the maximum cooling amount are

Figure 112020061057500-pat00022
Figure 112020061057500-pat00022

Figure 112020061057500-pat00023
Figure 112020061057500-pat00023

에 의하여 연산될 수 있다. can be calculated by

여기서,

Figure 112020061057500-pat00024
는 연료전지 스택에 필요한 최소냉각량이고 이보다 냉각량이 적을 경우 과소 냉각되어 연료전지 스택을 고온으로 만들고 최종적으로 드라이 아웃(Dry out)되어 연료전지가 정지되는 상태에 이를 수 있다.
Figure 112020061057500-pat00025
는 연료전지 스택에 필요한 최대냉각량이고 이보다 냉각량이 클 경우 과다 냉각되어 연료전지 스택을 플러딩(Flooding) 상태로 만들어 연료전지 시스템이 매우 비효율적인 운전상태로 될 수 있다.here,
Figure 112020061057500-pat00024
is the minimum amount of cooling required for the fuel cell stack, and if the amount of cooling is less than this, it is undercooled to make the fuel cell stack to a high temperature, and finally dry out, leading to a state in which the fuel cell is stopped.
Figure 112020061057500-pat00025
is the maximum amount of cooling required for the fuel cell stack, and if the amount of cooling is greater than this, overcooling may cause the fuel cell stack to flood, resulting in a very inefficient operation of the fuel cell system.

Figure 112020061057500-pat00026
는 연료전지 스택에서 소비되는 수소의 몰 유량(Mole Flow Rate)이고,
Figure 112020061057500-pat00027
는 연료전지 스택에서 생산되는 전력에 대응되는 엑서지이다. LHV는 수소의 저위발열량(Lower Heating Value)이고, HHV는 수소의 고위발열량(Higher Heating Value이다.
Figure 112020061057500-pat00026
is the molar flow rate of hydrogen consumed in the fuel cell stack,
Figure 112020061057500-pat00027
is an exergy corresponding to power generated by the fuel cell stack. LHV is the lower heating value of hydrogen, and HHV is the higher heating value of hydrogen.

최소 냉각량과 최대 냉각량이 결정되면 적정 냉각량이 최소 냉각량 이상 그리고 최대 냉각량 이하의 범위가 되도록 연료전지 스택의 냉각량을 제어하게 된다. 연료전지 스택의 냉각량은 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 온도 및 유량을 제어함으로서 제어할 수 있다. 필요에 따라 냉각수의 압력도 제어 변수가 될 수 있다. When the minimum cooling amount and the maximum cooling amount are determined, the cooling amount of the fuel cell stack is controlled so that the appropriate cooling amount is greater than or equal to the minimum cooling amount and less than the maximum cooling amount. The amount of cooling of the fuel cell stack may be controlled by controlling the temperature and flow rate of the coolant supplied to the fuel cell stack. If necessary, the pressure of the coolant can also be a control variable.

연료가 연소할 때 발생하는 총발열량을 고위발열량이라고 한다. 발열량은 열량계에 의한 측정법을 이용하는데 연소 후 열량계의 온도가 100℃ 이하로 낮아지기 때문에 연소 가스 중의 수증기는 응축하여 물이 되고 이 과정에서 잠열을 방출하게 되므로 그 잠열까지를 포함하여 열랑을 계산한 것이 고위 발열량이다. 저위 발열량은 고위발열량에서 연소가스 중에 함유된 수증기의 잠열을 뺀 것을 말한다. 실제 연료의 열량계산은 저위발열량을 기준으로 하는데 그 이유는 고체나, 액체 연료의 경우 연료를 기화시켜 연소시키기 위하여 연료 중에 함유된 수분을 증발시켜야 하기 때문이다. The total amount of heat generated when fuel is burned is called high calorific value. The calorific value is measured by a calorimeter, and since the temperature of the calorimeter is lowered to 100℃ or less after combustion, water vapor in the combustion gas condenses to become water, and latent heat is released in this process. is the high calorific value. The low calorific value refers to the high calorific value minus the latent heat of water vapor contained in the combustion gas. The actual calorific value of fuel is calculated based on the lower calorific value because, in the case of solid or liquid fuel, moisture contained in the fuel must be evaporated to vaporize and burn the fuel.

이에 따라 본 발명에 따른 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법은 도 1을 참조하여 설명하면, Accordingly, the cooling control method of the fuel cell system including the fuel cell stack according to the present invention will be described with reference to FIG. 1 ,

연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 저위발열량(LHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 냉각에 필요한 최소냉각량을 연산하는 제1 단계; 연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 고위발열량(HHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 냉각에 필요한 최대냉각량을 연산하는 제2 단계; 상기 연료전지 스택의 냉각량이 상기 최소냉각량과 상기 최대냉각량 범위 이내가 되도록 상기 연료전지 스택의 냉각량을 제어하는 제 3단계;를 포함할 수 있다. A first step of calculating a minimum amount of cooling required for cooling the fuel cell stack from the flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, the low-level calorific value (LHV) of the hydrogen, and the electric power produced in the fuel cell stack; a second step of calculating a maximum amount of cooling required for cooling the fuel cell stack from a flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, a high calorific value (HHV) of hydrogen, and electric power generated in the fuel cell stack; a third step of controlling the cooling amount of the fuel cell stack so that the cooling amount of the fuel cell stack is within the range of the minimum cooling amount and the maximum cooling amount.

여기서 최소냉각량은 수학식,Here, the minimum cooling amount is

Figure 112020061057500-pat00028
Figure 112020061057500-pat00028

에 의하여 연산할 수 있으며, can be calculated by

최대냉각량은 수학식,The maximum cooling amount is

Figure 112020061057500-pat00029
Figure 112020061057500-pat00029

에 의하여 연산할 수 있다. (

Figure 112020061057500-pat00030
는 연료전지 스택에서 소비되는 수소의 몰 유량(Mole Flow Rate)이고, LHV는 수소의 저위발열량(Lower Heating Value)이고,
Figure 112020061057500-pat00031
는 연료전지 스택에서 생산되는 전력에 대응되는 엑서지이다.)can be calculated by (
Figure 112020061057500-pat00030
is the molar flow rate of hydrogen consumed in the fuel cell stack, LHV is the lower heating value of hydrogen,
Figure 112020061057500-pat00031
is the exergy corresponding to the power generated by the fuel cell stack.)

최대냉각량

Figure 112020061057500-pat00032
는 연료전지 스택에서 전기화학적 반응에 의하여 생성된 H2O가 모두 물이 되는 화학적 엑서지 속도(the rate of chemical exergy)를 나타내며, 최소냉각량
Figure 112020061057500-pat00033
은 연료전지 스택에서 전기화학적 반응에 의하여 생성된 H2O가 모두 수증기가 되는 화학적 엑서지 속도(the rate of chemical exergy)를 나타낸다.maximum cooling
Figure 112020061057500-pat00032
represents the rate of chemical exergy in which all H 2 O generated by the electrochemical reaction in the fuel cell stack becomes water, and the minimum cooling amount
Figure 112020061057500-pat00033
denotes the rate of chemical exergy at which all H 2 O generated by the electrochemical reaction in the fuel cell stack becomes water vapor.

바꾸어 말하자면 수소연료의 고위발열량과 관련하여 연산한 최대냉각량

Figure 112020061057500-pat00034
은 연소과정에서 발생하는 수증기가 전부 물이 되지 않도록 하여 플러딩을 방지하기 위한 냉각량을 의미한다. 마찬가지로 수소연료의 저위발열량과 관련하여 연산한 최소냉각량
Figure 112020061057500-pat00035
은 연소과정에서 발생하는 물이 전부 수증기 되지 않도록 하여 드라이 아웃을 방지하기 위한 냉각량을 의미한다.In other words, the maximum cooling amount calculated in relation to the high calorific value of hydrogen fuel.
Figure 112020061057500-pat00034
is the amount of cooling to prevent flooding by preventing all water vapor generated in the combustion process from becoming water. Similarly, the minimum cooling amount calculated in relation to the low calorific value of hydrogen fuel.
Figure 112020061057500-pat00035
indicates the amount of cooling to prevent dry-out by preventing all water generated in the combustion process from becoming steam.

한편, 연료전지 스택(FCS)에서 전력으로 변환되지 않는 화학적 엑서지(Ptherm)를 이용하면 수증기 응축률비(y)를 계산(추정)할 수 있다. On the other hand, if chemical exergy (P therm ) that is not converted into electric power in the fuel cell stack (FCS) is used, the water vapor condensation rate ratio (y) can be calculated (estimated).

Figure 112020061057500-pat00036
Figure 112020061057500-pat00036

상기 연료전지 시스템에서의 수증기 응축률비(y)는 MOPSA(Modified Productive Structure Analysis)라고 불리우는 열경제학적 방법으로도 구할 수 있는데 열경제학적 방법으로 수증기 응축률비(y)를 구하는 방법은 다음과 같다. The water vapor condensation rate ratio (y) in the fuel cell system can also be obtained by a thermoeconomic method called Modified Productive Structure Analysis (MOPSA).

첫번째 단계에서는 연료전지 시스템의 엑서지 수지식과 엑서지 비용 수지식을 생성하되 엑서지 수지식과 엑서지 비용 수지식에는 연료전지 스택에서 생성되는 H2O가 액체상태로 되는 비율인 수증기 응축률비(y)가 포함되도록 연료전지 시스템을 구성하는 각 구성기기에 대하여 엑서지 수지식과 엑서지 비용 수지식을 생성한다. 두번째 단계는 연료전지 시스템 전체의 비용 수지식을 생성한다. 세번째 단계에서는 연료전지 시스템 전체의 비용 수지식에서 계산되는 발전단가와 각 구성기기의 비용 수지식에서 계산되는 발전단가가 같아지는 수증기 응축률비(y)를 연산하면 수증기 응축률비(y)를 계산할 수 있다. In the first step, an exergy balance equation and an exergy cost balance equation of the fuel cell system are generated, but in the exergy balance equation and the exergy cost balance equation, the water vapor condensation rate ratio (y ), an exergy balance equation and an exergy cost balance equation are generated for each component constituting the fuel cell system. The second step creates a cost balance for the entire fuel cell system. In the third step, the water vapor condensation rate ratio (y) can be calculated by calculating the water vapor condensation rate ratio (y) at which the power generation unit price calculated from the cost balance equation of the entire fuel cell system and the generation unit cost calculated from the cost balance equation of each component are equal. have.

본 발명의 연료전지 시스템에서 엑서지 수지식을 생성하는 각 구성기기는 송풍기(Air Blower), 가습기(Humidifier), 애노드(Anode), 캐소드(Cathode), 연료전지 스택 열교환기(HTX in FCS), 연료전지 스택(FCS, Fuel Cell Stack), 탈이온수 열교환기(HTX for DI water), 펌프 1, 펌프 2, 냉각수 탱크, 탈이온수 탱크(DI water tank), 냉각수 열교환기(HTX for coolant)가 포함된다. 이어서 각 구성기기에 대하여 수증기 응축률비 y가 포함되도록 엑서지 비용수지식을 생성한다.In the fuel cell system of the present invention, each component generating the exergy balance is an air blower, a humidifier, an anode, a cathode, a fuel cell stack heat exchanger (HTX in FCS), Includes fuel cell stack (FCS), deionized water heat exchanger (HTX for DI water), pump 1, pump 2, coolant tank, DI water tank, and HTX for coolant do. Next, an exergy cost balance equation is generated to include the water vapor condensation rate ratio y for each component.

각 구성기기의 엑서지 비용수지식을 이용하여 연료전지 시스템 전체의 비용 수지식을 생성할 수 있다. A cost balance equation for the entire fuel cell system may be generated using the exergy cost balance equation of each component.

마지막 단계로 연료전지 시스템 전체의 비용 수지식에서 계산되는 발전단가와 각 구성기기의 비용 수지식에서 계산되는 발전단가가 같아지는 수증기 응축률비(y)를 연산할 수 있다.As a final step, it is possible to calculate the water vapor condensation rate ratio (y) at which the unit cost of power generation calculated from the cost balance equation of the entire fuel cell system is equal to the unit cost of power generation calculated from the cost balance equation of each component.

열경제학적 방법으로 계산한 수증기 응축률비(y)는 CLmax 및 CLmin으로 계산한 수증기 응축률비(y)와 동일한 결과를 나타낸다는 것을 알 수 있다.The water vapor condensation rate ratio (y) calculated by the thermoeconomic method is CLmax And it can be seen that the same result as the water vapor condensation rate ratio (y) calculated by CLmin is shown.

다음의 표 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지 시스템의 다양한 운전 조건에 따른 결과를 보여주는 표로서 1KW PEMFC 시스템에 대해 100% 부하조건 및 50% 부하조건에서 MOPSA로 계산한 전기의 단위비용(Unit Cost of Electricity, $/GJ), PEMFC 시스템의 효율(Efficiency), MOPSA 방법에 의한 응축수의 계산된 MOL 분율(Mole ftaction of Liquid Water), 수증기 응축률비(y), 액체 물의 측정된 질량 유량(measured mass flow rate of liquid water, kg/h), FCS의 냉각량(Cooling rate in FXS, kJ/h) 및 본 발명의 일 실시예에 의하여 연산된 최소냉각량(Minimun Cooling rate, CLmin, kJ/h) 및 최대냉각량(Maximun Cooling rate, CLmax, kJ/h)을 보여준다.The following Table 1 is a table showing the results according to various operating conditions of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The unit cost of electricity calculated by MOPSA under 100% load condition and 50% load condition for 1KW PEMFC system (Unit Cost of Electricity, $/GJ), PEMFC System Efficiency, Calculated Mole ftaction of Liquid Water by MOPSA Method, Water Vapor Condensation Rate Ratio (y), Measured Mass Flow Rate of Liquid Water (measured mass flow rate of liquid water, kg/h), cooling rate in FXS, kJ/h /h) and the maximum cooling rate (Maximun Cooling rate, CLmax, kJ/h) is shown.

[표 1][Table 1]

Figure 112020061057500-pat00037
Figure 112020061057500-pat00037

100% 부하 조건에서 전기의 단위비용은 약 247 $/GJ이나, 50% 부하 조건에서는 435 $/GJ로 증가한다. 이러한 단위비용의 차이는 PEMFC 시스템을 구성하기 위한 초기 투자비용이 높기 때문이다. 한편 PEMFC 시스템의 효율은 50% 및 100% 부하 조건에서 약 39% 및 41%로서 큰 차이가 없음을 알 수 있다.At 100% load, the unit cost of electricity is about 247 $/GJ, but at 50% load it increases to 435 $/GJ. This difference in unit cost is because the initial investment cost for constructing the PEMFC system is high. On the other hand, it can be seen that the efficiency of the PEMFC system is about 39% and 41% under 50% and 100% load conditions, and there is no significant difference.

[표 1]에서 케이스 1 내지 5의 경우는 FCS의 냉각량이 최소냉각량 CLmin과 최대냉각량 CLmax 사이의 범위에 있기 때문에 MOPSA를 사용하여 전기의 단위비용을 계산할 수 있다. 만약 FCS의 냉각 속도가 최소냉각량과 최대냉각량을 벗어나는 케이스 6 및 7과 같은 경우 MOPSA를 사용하여 전기의 단위비용을 계산할 수 없으며, [표 1]의 케이스 6 및 7의 경우 전기의 단위비용은 다른 방법(Moran's Method)으로 계산하여 나타낸 것이다.In [Table 1], in cases 1 to 5, the unit cost of electricity can be calculated using MOPSA because the cooling amount of the FCS is in the range between the minimum cooling amount CLmin and the maximum cooling amount CLmax. If the cooling rate of FCS is the same as Cases 6 and 7, where the minimum cooling rate and the maximum cooling rate are the same, the unit cost of electricity cannot be calculated using MOPSA, and in cases 6 and 7 of [Table 1], the unit cost of electricity is calculated by another method (Moran's Method).

케이스 6 및 7은 FCS의 냉각량이 필요한 최대냉각량보다 큰 경우를 보여준다. 이러한 경우는 FCS로 공기를 공급하는 에어 블로어(1)가 성능 저하 등의 원인으로 인하여 FCS에서 수소와의 반응으로 생산되어야 할 전류 부하에 대응할 만큼의 충분한 공기를 공급하지 못할 때 발생할 수 있다.Cases 6 and 7 show the case where the cooling amount of the FCS is larger than the maximum required cooling amount. This case may occur when the air blower 1 that supplies air to the FCS does not supply enough air to cope with the current load to be produced by the reaction with hydrogen in the FCS due to a cause such as deterioration in performance.

과다한 냉각으로 인하여 셀(cell) 온도가 감소하고 결과적으로 GDL(Gas Diffusion Layer) 및 캐소드 채널에서 플러딩(flooding)이 발생할 수 있다. Due to excessive cooling, a cell temperature may decrease, and as a result, flooding may occur in a gas diffusion layer (GDL) and a cathode channel.

한편, FCS의 냉각량이 FCS에 필요한 최소냉각량보다 작을 경우도 있을 수 있다. 이러한 상황은 DI 워터(Deionized Water) 펌프(pump 1)가 충분한 유량을 제공하지 못할 때 발생할 수 있으며, 이 경우 셀(cell) 온도 증가하고 결과적으로 FCS 막에 드라이아웃(Dry Out)이 발생할 수 있다. On the other hand, there may be a case where the amount of cooling of the FCS is smaller than the minimum amount of cooling required for the FCS. This situation may occur when the DI water (deionized water) pump (pump 1) does not provide a sufficient flow rate, in which case the cell temperature increases and as a result, dry out of the FCS membrane may occur. .

한편 도 2에 따르면, 본 발명의 일시예에 따른 연료전지 시스템의 냉각 제어 장치(120)은 연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 저위발열량(LHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 최소냉각량을 연산하는 최소냉각량 연산부(121);와 연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 고위발열량(HHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 최대냉각량을 연산하는 최대냉각량 연산부(122);와 상기 연료전지 스택의 냉각량이 상기 최소 냉각량과 상기 최대 냉각량 범위 이내가 되도록 상기 연료전지 스택의 냉각량을 제어하는 냉각량 제어부(123);를 포함할 수 있다. 상기 냉각량 제어부는 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 온도 및 유량을 제어함으로서 연료전지 스택의 냉각량을 제어할 수 있다. 본 발명의 일시예에 따른 연료전지 시스템의 냉각 제어 장치(120)는 상술한 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법과는 발명의 카테고리만 달리하고 있으므로 실질적으로 동일한 설명은 반복하지 아니한다.Meanwhile, according to FIG. 2 , the cooling control device 120 of the fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention provides a flow rate of hydrogen fuel consumed in a fuel cell stack, a low-level calorific value (LHV) of hydrogen, and production in the fuel cell stack. The minimum cooling amount calculating unit 121 that calculates the minimum amount of cooling of the fuel cell stack from the generated electric power; and the flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, the high calorific value (HHV) of hydrogen, and power produced in the fuel cell stack a maximum cooling amount calculating unit 122 for calculating the maximum cooling amount of the fuel cell stack from The cooling amount control unit 123; may include. The cooling amount controller may control the cooling amount of the fuel cell stack by controlling the temperature and flow rate of the coolant supplied to the fuel cell stack. Since the cooling control apparatus 120 for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention is different from the above-described cooling control method for a fuel cell system only in the category of the invention, substantially the same description will not be repeated.

이상에서는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법 및 그 장치를 실시예로 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 여타 시스템의 냉각 제어에 대해서도 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것임은 자명하다. 또한 통상의 기술자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In the above, the cooling control method of the fuel cell system and the apparatus have been described with reference to the embodiment, but it is obvious that those skilled in the art will understand that it can be applied to cooling control of other systems. In addition, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims.

1 : 에어 블로어(Air Blower)
2 : 가습기(Humidifier)
3 : 애노드Anode)
4 : 캐소드(Cathode)
5: 연료전지 스택 열교환기(HTX(HeaT eXchange) in FCS)
6 : 연료전지 스택(FCS, Fuel Cell Stack)
7 : 탈이온수 열교환기(HTX for DI(Deionized) water)
8 : 펌프 1(Pump1)
9 : 펌프 2(Pump2)
10 : 냉각수 탱크(Coolant Water Tank)
11 : 탈이온수 탱크(DI(Deionized) water tank)
12 : 냉각수 열교환기(HTX for coolant)
120 : 냉각 제어 장치
121 : 최소냉각량 연산부
122 : 최대냉각량 연산부
123 : 냉각량 제어부
1: Air Blower
2: Humidifier
3: Anode)
4: cathode
5: Fuel cell stack heat exchanger (HTX (HeaT eXchange) in FCS)
6: Fuel cell stack (FCS, Fuel Cell Stack)
7: Deionized water heat exchanger (HTX for DI (Deionized) water)
8 : Pump 1 (Pump1)
9: Pump 2 (Pump2)
10: Coolant Water Tank
11: Deionized water tank (DI (Deionized) water tank)
12: HTX for coolant
120: cooling control device
121: Minimum cooling amount calculation unit
122: maximum cooling amount calculation unit
123: cooling amount control unit

Claims (6)

연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법에 있어서,
연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 저위발열량(LHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 냉각에 필요한 최소냉각량을 연산하는 제1 단계;
연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 고위발열량(HHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 냉각에 필요한 최대냉각량을 연산하는 제2 단계;
상기 연료전지 스택의 냉각량이 상기 최소냉각량과 상기 최대냉각량 범위 이내가 되도록 상기 연료전지 스택의 냉각량을 제어하는 제 3단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법.
A method for controlling cooling of a fuel cell system including a fuel cell stack, the method comprising:
A first step of calculating a minimum amount of cooling required for cooling the fuel cell stack from the flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, the low-level calorific value (LHV) of hydrogen, and the electric power produced in the fuel cell stack;
a second step of calculating a maximum amount of cooling required for cooling the fuel cell stack from a flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, a high calorific value (HHV) of hydrogen, and electric power generated in the fuel cell stack;
and a third step of controlling the cooling amount of the fuel cell stack so that the cooling amount of the fuel cell stack is within the range of the minimum cooling amount and the maximum cooling amount.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 단계에서 최소냉각량은 수학식,
Figure 112020061057500-pat00038

에 의하여 연산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법.
(여기서,
Figure 112020061057500-pat00039
는 최소냉각량이고,
Figure 112020061057500-pat00040
는 연료전지 스택에서 소비되는 수소의 몰 유량(Mole Flow Rate)이고, LHV는 수소의 저위발열량(Lower Heating Value)이고,
Figure 112020061057500-pat00041
는 연료전지 스택에서 생산되는 전력에 대응되는 엑서지이다.)
The method according to claim 1,
In the first step, the minimum amount of cooling is
Figure 112020061057500-pat00038

Cooling control method of a fuel cell system, characterized in that calculated by
(here,
Figure 112020061057500-pat00039
is the minimum amount of cooling,
Figure 112020061057500-pat00040
is the molar flow rate of hydrogen consumed in the fuel cell stack, LHV is the lower heating value of hydrogen,
Figure 112020061057500-pat00041
is the exergy corresponding to the power generated by the fuel cell stack.)
청구항 1에 있어서,
상기 제2 단계에서 최대냉각량은 수학식,
Figure 112020061057500-pat00042

에 의하여 연산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법.
(여기서,
Figure 112020061057500-pat00043
는 최대냉각량이고,
Figure 112020061057500-pat00044
는 연료전지 스택에서 소비되는 수소의 몰 유량(Mole Flow Rate)이고, HHV는 수소의 고위발열량(Higher Heating Value)이고,
Figure 112020061057500-pat00045
는 연료전지 스택에서 생산되는 전력에 대응되는 엑서지이다.)
The method according to claim 1,
In the second step, the maximum amount of cooling is
Figure 112020061057500-pat00042

Cooling control method of a fuel cell system, characterized in that calculated by
(here,
Figure 112020061057500-pat00043
is the maximum cooling amount,
Figure 112020061057500-pat00044
is the molar flow rate of hydrogen consumed in the fuel cell stack, HHV is the higher heating value of hydrogen,
Figure 112020061057500-pat00045
is the exergy corresponding to the power generated by the fuel cell stack.)
청구항 1에 있어서,
상기 제3 단계에서 연료전지 스택의 냉각은 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 온도 및 유량을 제어함으로서 냉각량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 방법.
The method according to claim 1,
The cooling control method of the fuel cell system, characterized in that the cooling of the fuel cell stack in the third step is to control the amount of cooling by controlling the temperature and flow rate of the coolant supplied to the fuel cell stack.
연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 장치에 있어서,
연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 저위발열량(LHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 최소냉각량을 연산하는 최소냉각량 연산부;와
연료전지 스택에서 소비되는 수소연료의 유량과, 수소의 고위발열량(HHV), 및 연료전지 스택에서 생산되는 전력으로부터 연료전지 스택의 최대냉각량을 연산하는 최대냉각량 연산부;와
상기 연료전지 스택의 냉각량이 상기 최소 냉각량과 상기 최대 냉각량 범위 이내가 되도록 상기 연료전지 스택의 냉각량을 제어하는 냉각량 제어부;를 포함하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 장치.
In the cooling control apparatus of a fuel cell system including a fuel cell stack,
A minimum cooling amount calculating unit for calculating a minimum amount of cooling of the fuel cell stack from the flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, the low-level calorific value (LHV) of hydrogen, and the electric power produced in the fuel cell stack; And
A maximum cooling amount calculating unit that calculates the maximum amount of cooling of the fuel cell stack from the flow rate of hydrogen fuel consumed in the fuel cell stack, the high calorific value (HHV) of hydrogen, and the electric power produced in the fuel cell stack; and
and a cooling amount control unit controlling the amount of cooling of the fuel cell stack so that the amount of cooling of the fuel cell stack is within the range of the minimum cooling amount and the maximum cooling amount.
청구항 5에 있어서,
상기 냉각량 제어부는 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 온도 및 유량을 제어함으로서 연료전지 스택의 냉각량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각 제어 장치.

6. The method of claim 5,
wherein the cooling amount controller controls the cooling amount of the fuel cell stack by controlling the temperature and flow rate of the coolant supplied to the fuel cell stack.

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