KR102463413B1

KR102463413B1 - 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법

Info

Publication number: KR102463413B1
Application number: KR1020160153011A
Authority: KR
Inventors: 이진헌; 김학구; 이승용; 이동훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2022-11-03
Also published as: KR20180055317A

Abstract

본 발명은 스택에 대한 공기 공급을 위한 공기 압축기 또는 냉각수 순환을 위한 펌프의 회전수를 제어하여, 연료전지 스택의 내부압력 변동을 최소화할 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택의 기밀씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법{Method for controlling inner pressure of fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 압력 변동 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 기밀씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시키고자, 연료전지 스택의 내부압력 변동을 최소화할 수 있도록 한 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지 스택의 구성을 첨부한 도 1 및 도 2를 참조로 살펴보면, 가장 안쪽에 전극막 접합체(10, MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(12)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(14: cathode) 및 연료극(16: anode)으로 구성되어 있다.

또한, 상기 전극막 접합체의 바깥 부분, 즉 공기극(14) 및 연료극(16)의 바깥쪽에는 가스확산층(18, GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 가스확산층(18)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트(30, End plate)가 결합된다.

이때, 상기 분리판(20)의 사방 테두리부와 상기 가스확산층(18)의 사방 테두리부 간에는 가스켓이라고 불리우는 기밀용 씰(19)이 위치되며, 실질적으로는 분리판(20)에 취부된 상태에서 가스확산층(18)에 밀착된다.

따라서, 상기 연료전지 스택(이하, 스택으로 약칭함)의 연료극(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 공기극(12)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(12)에서는 연료극(14)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

이러한 스택에 있어서, 상기 기밀용 씰은 분리판에 부착되어 연료전지 스택의 각 유니트 셀(Unit Cell)을 나누는 기준이 되는 동시에 분리판의 표면에 형성된 수소, 냉각수, 공기 유로를 독립적으로 밀폐시키는 기능을 하게 된다.

즉, 상기 기밀용 씰은 수소와 공기가 직접적으로 만나는 것을 방지하는 유로 기밀 기능, 냉각수가 수소 및 공기와 만나는 것을 방지하는 기밀 기능, 외부 방향으로 유체(공기, 수소, 냉각수)가 유출되는 것을 막는 기밀 기능 등을 수행하는 중요한 구성요소 중 하나이다.

한편, 연료전지 차량에서 필요로 하는 전력을 생산하기 위하여, 스택에 공급되는 공기 공급량 및 수소 공급량이 변동하게 된다.

예를 들어, 차량의 요구 파워가 높아지는 경우 스택에 대한 공기 공급량 및 수소 공급량을 급격히 증가하여, 분리판의 공기 채널 및 수소 채널의 압력이 높아지게 되고, 그에 따라 분리판에 작용하는 압력으로 인해 냉각수 채널의 압력도 상승하게 된다.

반대로, 차량의 요구 파워가 낮아지는 경우, 스택에 대한 공기 공급량 및 수소 공급량이 감소하여, 분리판의 공기 채널 및 수소 채널의 압력이 낮아지게 되고, 냉각수 채널의 압력도 낮아지게 된다.

이와 같이, 차량의 요구부하량에 따라 스택내 순간적인 압력 변동이 지속적으로 발생하게 되면, 그로 인해 기밀용 씰에도 순간적인 압력 변동(특히 동압)이 계속 가해지게 되어, 결국 기밀용 씰의 기밀성능이 압력 변동에 지속적으로 노출되는 이유로 크게 저하되는 문제점이 있다.

더욱이, 연료전지의 출력밀도 향상을 위해 운전압력을 점점 더 높여가는 추세에 있는 바, 이에 기밀용 씰에 의한 안정적인 기밀성능 확보가 필수적으로 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 스택에 대한 공기 공급을 위한 공기 압축기 또는 냉각수 순환을 위한 펌프의 회전수를 제어하여, 연료전지 스택의 내부압력 변동을 최소화할 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택의 기밀씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 스택에 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기의 회전수(rpm) 변화량과, 스택에 공급되는 냉각수 압력 변화량과, 스택에 공급되는 공기 압력 변화량 중 선택된 하나 이상이 양의 임계값 이상이면, 스택에 냉각수를 순환시키는 워터펌프의 회전수를 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시키는 단계와; 스택에 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기의 회전수(rpm) 변화량과, 스택에 공급되는 냉각수 압력 변화량과, 스택에 공급되는 공기 압력 변화량 중 선택된 하나 이상이 음의 임계값 이상이면, 스택에 냉각수를 순환시키는 워터펌프의 회전수를 임계회전수 이상으로 일정시간 동안 증가시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 일정시간이 지난 후에 워터펌프의 회전수를 임계회전수로 복귀시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 스택에 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기의 회전수(rpm) 변화량은 스택의 공기극 입구 및 냉각수 입구에 각각 공기압력센서와 냉각수 압력센서가 존재하지 않는 경우 측정되는 것을 특징으로 한다.

상기 스택에 공급되는 공기 압력 변화량은 스택의 공기극 입구에 장착된 공기압력센서에 의하여 측정되는 것을 특징으로 한다.

상기 스택에 공급되는 냉각수 압력 변화량은 스택의 냉각수 입구에 장착된 냉각수 압력센서에 의하여 측정되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 스택에서 생성된 전기를 충방전하는 배터리의 SOC 수준으로 판단하여, 공기압축기와 워터펌프의 회전수 변화량을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 배터리의 SOC 수준이 임계 SOC 이상이면, 공기압축기의 회전수를 일정시간 동안 임계회전수 미만으로 감소시킨 후, 일정시간 후에 임계회전수까지 증가시키는 것을 특징으로 한다.

반면, 상기 배터리의 SOC 수준이 임계 SOC 미만이면, 워터펌프의 회전수를 공기압축기의 회전수 변화량에 반대방향을 향해 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시킨 후, 일정시간 후에 임계회전수로 복귀시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리의 SOC 수준이 임계 SOC 미만인 상태에서 공기압축기의 회전수 변화량이 임계값 이상으로 증가하면, 워터펌프를 일정속도로 구동시키는 동시에 전자식 써모스탯의 개도를 오픈방향으로 변화시켜 냉각수가 라디에이터를 거쳐 스택으로 순환되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리의 SOC 수준이 임계 SOC 미만인 상태에서 공기압축기의 회전수 변화량이 음의 임계값 이상이면, 워터펌프를 일정속도로 구동시키는 동시에 전자식 써모스탯의 개도를 클로즈방향으로 변화시켜 냉각수가 라디에이터를 거치지 않고 스택으로 순환되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다

본 발명에 따르면, 스택에 대한 공기 공급을 위한 공기 압축기 또는 냉각수 순환을 위한 워퍼펌프의 회전수를 제어하여, 스택의 공기측 압력 변동을 최소화하는 동시에 스택에 공급되는 냉각수 압력 변동도 최소화시킴으로써, 기밀용 씰에 대한 압력 변동 노출을 최소화할 수 있고, 결국 기밀용 씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 연료전지 스택의 단위 셀 구성을 나타낸 개략도 및 단면도,
도 3은 연료전지 시스템 구성을 도시한 블럭도,
도 4는 연료전지 운전 중, 스택의 공기측 압력과 스택 입구측의 냉각수 압력을 보여주는 그래프,
도 5 내지 8은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법을 도시한 순서도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 구성을 첨부한 도 3을 참조로 살펴보면 다음과 같다.

상기 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(100)과, 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템(200)과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템(300)과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템(400) 등을 포함하여 구성된다.

상기 연료공급시스템(200)은 수소를 저정하는 수소탱크(202)와, 수소탱크(202)로부터의 수소배출압력을 조절하는 수소 레귤레이터(204)와, 스택의 입구측에 연결되어 수소공급을 허용 또는 차단하는 수소밸브(206) 등을 포함하여 구성된다.

상기 공기공급 시스템(300)은 공기 압축기(302)와, 공기 압축기(302)로부터의 압축공기를 냉각하는 인터쿨러(304)와, 스택(100)으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기 등을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 스택(100)의 공기측 입구에는 공기압력센서(306)가 장착된다.

상기 열 및 물관리 시스템(400)은 스택의 냉각수 출구라인에 연결되는 라디에이터(402) 및 전동식 워터펌프(404)와, 라디에이터(402) 및 전동식 워터펌프(404) 사이에 배치되어 스택에서 배출되는 냉각수를 그 온도에 따라 전동식 워터펌프(404)쪽으로 바로 공급하도록 개폐 작동하는 전자식 써모스탯(406) 등을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 스택(100)의 냉각수 입구에는 냉각수 압력센서(408)가 장착된다.

한편, 상기 스택(100)에서 생성되는 전기는 인버터(500)를 통해 배터리(502)에 충전되거나, 차량의 주행용 모터(504) 등과 같은 부하에 직접 공급된다.

따라서, 상기 연료공급시스템(200)에서 스택(100)의 연료극에 수소를 공급하고, 상기 공기공급시스템(300)에서 스택(100)의 공기극에 산소를 공급함으로써, 연료전지 스택의 전기화학적 반응에 의한 발전을 통해 전기가 생성된다.

이때, 상기한 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 주행 중, 차량의 요구 파워가 높아지는 경우 스택에 대한 공기 공급량 및 수소 공급량을 급격히 증가하여, 분리판의 공기 채널 및 수소 채널의 압력이 높아지게 되고, 그에 따라 분리판에 작용하는 압력으로 인해 냉각수 채널의 압력도 상승하게 된다.

이때, 상기 열 및 물관리 시스템(400)의 워터펌프(404)가 스택으로 냉각수를 순환시키기 위하여 일정 속도로 운전 중일 때, 차량의 요구부하 변동에 따라 공기측 및 수소측 압력 즉, 스택의 공기극으로 공급되는 공기 압력과, 연료극으로 공급되는 수소 압력이 변동함으로써, 스택의 입구쪽 냉각수 압력도 변동하는 현상이 발생한다.

좀 더 상세하게는, 스택에 공급되는 공기 및 냉각수 흐름 압력을 실제 측정한 첨부한 도 4의 그래프를 참조하면, 워터펌프는 일정 속도로 운전되더라도, 공기측 압력 즉, 스택의 공기극으로 공급되는 공기 압력이 급격하게 변동될 때, 스택의 입구측 냉각수 압력도 함께 변동하는 것을 알 수 있다(도 3의 점선의 타원 표시부 참조).

이와 같이, 차량의 요구부하량에 따라 스택의 공기측 압력과 수소측 압력 변동이 지속적으로 발생하게 되면, 그로 인해 기밀용 씰에도 순간적인 압력 변동(특히 동압)이 계속 가해지게 되어, 결국 기밀용 씰의 기밀성능이 압력 변동에 지속적으로 노출되는 이유로 크게 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해소하고자, 본 발명은 스택에 대한 공기 공급을 위한 공기 압축기 또는 냉각수 순환을 위한 펌프의 회전수를 제어하여, 연료전지 스택의 내부압력 변동을 최소화할 수 있도록 함으로써, 기밀용 씰에 순간적인 압력 변동이 계속 가해지게 되는 것을 방지하여 기밀씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

여기서, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법을 각 실시예별로 살펴보기로 한다.

제1실시예

첨부한 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명의 제1실시예는 스택의 공기극 입구 및 냉각수 입구에 각각 공기압력센서와 냉각수 압력센서가 존재하지 않는 경우, 공기압축기의 회전수 변화량을 기반으로, 스택의 내부 압력 변동을 최소화할 수 있도록 한 점에 특징이 있다.

이를 위해, 먼저 상기 스택(100)에 공기를 압축하여 공급하는 공기압축기(302)의 회전수(rpm) 변화량을 측정한다.

이때, 상기 공기압축기(302)의 회전수 변화량은 제어기에서 공기압축기의 단수별 회전수를 실시간으로 모니터링하여 얻어질 수 있다.

다음으로, 상기 제어기에서 공기압축기의 회전수 변화량이 양의 임계값 이상이면, 스택(100)에 냉각수를 순환시키는 워터펌프(404)의 회전수를 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시키는 제어를 하는 바, 그 이유는 공기압축기의 회전수 변화량이 커서 스택에 공급되는 공기압력 변동이 발생하더라도, 냉각수를 공급하는 워터펌프의 회전수를 감소시켜 냉각수 압력 변동의 감소를 유도하고자 한 점에 있다.

예를 들어, 연료전지 차량의 요구 파워가 높아짐에 따라 스택에 대한 공기 공급량이 증가해야 하는 바, 이에 공기를 더 공급하기 위해 공기압축기의 회전수 변화량이 급격하게 임계값 이상이 되면, 공기가 흐르는 분리판의 공기 채널의 압력이 높아지게 되어 공기압력 변동이 발생하고, 그에 따라 분리판에 작용하는 공기압력 변동으로 인해 냉각수 채널의 압력도 상승하여 냉각수 압력 변동도 발생하게 된다.

이에, 공기압축기의 회전수 변화량이 커서 스택에 공급되는 공기압력 변동이 발생하더라도, 냉각수를 공급하는 워터펌프의 회전수를 감소시켜 냉각수 압력 변동의 감소를 유도해줌으로써, 냉각수 압력 변동을 최소화하는 동시에 기밀용 씰에 대한 압력 변동 노출을 최소화할 수 있고, 결국 기밀용 씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있다.

반면, 상기 공기압축기의 회전수 변화량이 음의 임계값 이상이면, 스택 내부의 압력이 (-)가 되는 현상이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하고자 스택(100)에 냉각수를 순환시키는 워터펌프(404)의 회전수를 임계회전수 이상으로 일정시간 동안 증가시키는 제어를 한다.

한편, 상기 워터펌프(404)의 회전수를 증가 또는 감소시키는 일정시간이 지난 후, 워터펌프의 회전수를 본래의 임계회전수로 복귀시키도록 한다.

제2실시예

첨부한 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명의 제2실시예는 스택의 냉각수 입구에 냉각수 압력센서가 존재하는 경우, 냉각수 압력센서의 감지값을 기반으로, 스택의 내부 압력 변동을 최소화할 수 있도록 한 점에 특징이 있다.

이를 위해, 먼저 상기 스택(100)에 냉각수가 공급될 때, 스택의 냉각수 입구에 장착된 냉각수 압력센서(408)에서 냉각수 압력을 측정하여 제어기에 전송하면, 제어기에서 냉각수 압력변화량을 실시간으로 모니터링하게 된다.

다음으로, 상기 제어기에서 스택(100)에 공급되는 냉각수 압력 변화량이 양의 임계값 이상으로 증가하면, 스택에 냉각수를 순환시키는 워터펌프(404)의 회전수를 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시키는 제어를 하게 된다.

상기 냉각수 압력 변화량이 증가하는 이유는 차량의 요구부하가 증가하는 것 외에 상기와 같이 공기가 흐르는 분리판의 공기 채널의 압력이 높아지게 되어 공기압력 변동이 발생하고, 그에 따라 분리판에 작용하는 공기압력 변동으로 인해 냉각수 채널의 압력도 상승하여 냉각수 압력 변동도 발생하는 점에 기인한다.

이에, 기밀용 씰에 대한 냉각수 압력 변동을 최소화하고자, 위와 같이 워터펌프(404)의 회전수를 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시키는 제어를 하여, 스택에 공급되는 냉각수 압력을 감소시킴으로써, 냉각수 압력 변동량을 줄일 수 있고, 그에 따라 기밀용 씰에 대한 압력 변동 노출을 최소화하여 기밀용 씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있다.

반면, 상기 스택(100)에 공급되는 냉각수 압력 변화량이 음의 임계값 이상이면, 스택 내부의 압력이 (-)가 되는 현상이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하고자 스택(100)에 냉각수를 순환시키는 워터펌프(404)의 회전수를 임계회전수 이상으로 일정시간 동안 증가시키는 제어를 한다.

제3실시예

첨부한 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명의 제3실시예는 스택의 공기극 입구에 공기압력센서가 존재하는 경우, 공기압력센서의 감지값을 기반으로, 스택의 내부 압력 변동을 최소화할 수 있도록 한 점에 특징이 있다.

이를 위해, 먼저 상기 스택(100)에 냉각수가 공급될 때, 스택의 공기극 입구에 장착된 냉각수 압력센서(306)에서 공기 압력을 측정하여 제어기에 전송하면, 제어기에서 공기압력 변화량을 실시간으로 모니터링하게 된다.

다음으로, 상기 제어기에서 스택(100)에 공급되는 공기 압력 변화량이 양의 임계값 이상으로 증가하면, 스택에 냉각수를 순환시키는 워터펌프(404)의 회전수를 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시키는 제어를 하게 된다.

상기 공기 압력 변화량이 증가하는 이유는 차량의 요구부하에 따라 공기압축기(302)의 회전수가 증가하는 점에서 찾을 수 있고, 공기 압력 변화량이 증가하면 공기가 흐르는 분리판의 공기 채널의 압력이 높아지게 되어 공기압력 변동이 발생하고, 그에 따라 분리판에 작용하는 공기압력 변동으로 인해 냉각수 채널의 압력도 상승하여 냉각수 압력 변동도 발생하게 된다.

이에, 기밀용 씰에 대한 공기 압력 변동을 최소화하고자, 위와 같이 워터펌프(404)의 회전수를 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시키는 제어를 하여, 스택에 공급되는 냉각수 압력을 감소시킴으로써, 냉각수 압력 변동량을 줄일 수 있고, 그에 따라 기밀용 씰에 대한 압력 변동 노출을 최소화하여 기밀용 씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있다.

제4실시예

첨부한 도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명의 제4실시예는 스택에서 생성된 전기를 충방전하는 배터리의 SOC 수준으로 판단하여, 공기압축기와 워터펌프의 회전수 변화량을 제어함으로써, 스택의 내부 압력변동을 최소화할 수 있도록 한 점에 특징이 있다.

이를 위해, 차량의 요구부하 증가시, 배터리 SOC 수준을 판단하여 임계 SOC와 비교한다.

비교 결과, 배터리(502)의 SOC 수준이 임계 SOC 이상이면, 제어기에서 공기압축기의 회전수를 일정시간 동안 임계회전수 미만으로 감소시킨 후, 일정시간 후에 임계회전수까지 증가시키는 제어를 하는 바, 그 이유는 배터리 SOC가 부하요구에 충족할 만큼 충분하므로 공기압축기에 의하여 공급되는 공기공급량을 감소 조절하여 스택의 전기 생산량을 요구부하에 맞게 증가시키지 않아도 되기 때문이다.

이에, 상기 공기압축기(302)의 회전수를 일정시간 동안 임계회전수 미만으로 감소시킴으로써, 스택에 공급되는 공기 압력 변동을 줄일 수 있고, 그에 따라 냉각수 압력 변동도 최소화하는 동시에 기밀용 씰에 대한 압력 변동 노출을 최소화할 수 있으므로, 결국 기밀용 씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있다.

반면, 상기 배터리(502)의 SOC 수준이 임계 SOC 미만이면, 요구부하를 충족하기 위하여 스택의 전기 생산량이 증가되어야 하므로, 스택에 공기를 더 공급하기 위해 공기압축기(302)의 회전수가 증가할 수 밖에 없는 바, 이때에는 워터펌프(404)의 회전수를 공기압축기의 회전수 변화량에 반대방향을 향해 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시킨 후, 일정시간 후에 임계회전수로 복귀시키도록 한다.

이에, 상기 배터리(502)의 SOC 수준이 임계 SOC 미만일 때, 공기압축기(302)의 회전수가 증가하여 스택(100)의 공기 압력 변동이 발생하더라도, 워터펌프(404)의 회전수를 일정시간 동안 감소시켜 냉각수 압력 변동의 감소를 유도해줌으로써, 냉각수 압력 변동을 최소화하는 동시에 기밀용 씰에 대한 압력 변동 노출을 최소화할 수 있고, 결국 기밀용 씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 배터리(502)의 SOC 수준이 임계 SOC 미만인 상태에서 공기압축기(302)의 회전수 변화량이 임계값 이상으로 증가하면, 워터펌프(404)를 일정속도로 구동시키는 동시에 전자식 써모스탯(406)의 개도를 오픈방향으로 변화시키는 제어를 하여 냉각수가 라디에이터(402)를 거쳐 스택(100)으로 순환되도록 한 방법을 적용할 수 있다.

이때, 냉각수가 라디에이터(402)를 거쳐 스택(100)으로 순환됨에 따라 냉각수 흐름경로가 길어진 상태에서 워터펌프(404)의 정해진 펌핑력에 의하여 순환되는 냉각수의 흐름 압력이 감소될 수 있으므로, 결국 스택으로 순환되는 냉각수 흐름압력의 감소를 유도할 수 있고, 이에 스택내의 냉각수 압력 변동을 최소화하는 동시에 기밀용 씰에 대한 압력 변동 노출을 최소화할 수 있고, 결국 기밀용 씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있다.

반면, 상기 배터리(502)의 SOC 수준이 임계 SOC 미만인 상태에서 공기압축기(302)의 회전수 변화량이 음의 임계값 이상이면, 차량의 요구부하가 크지 않게 전환된 상태로 판단할 수 있는 바, 이때에는 워터펌프를 일정속도로 구동시키는 동시에 전자식 써모스탯의 개도를 클로즈방향으로 변화시켜 냉각수가 라디에이터를 거치지 않고 스택으로 바로 순환되도록 하여 스택 냉각이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다.

이상에서 본 바와 같이, 스택에 대한 공기 공급을 위한 공기 압축기 또는 냉각수 순환을 위한 워퍼펌프의 회전수를 제어하여, 스택의 공기측 압력 변동을 최소화하는 동시에 스택에 공급되는 냉각수 압력 변동도 최소화시킴으로써, 기밀용 씰에 대한 압력 변동 노출을 최소화할 수 있고, 결국 기밀용 씰에 대한 안정성 및 내구성능을 향상시킬 수 있다.

100 : 스택
200 : 연료공급시스템
202 : 수소탱크
204 : 수소 레귤레이터
206 : 수소밸브
300 : 공기공급 시스템
302 : 공기 압축기
304 : 인터쿨러
306 : 공기압력센서
400 : 열 및 물관리 시스템
402 : 라디에이터
404 : 전동식 워터펌프
406 : 전자식 써모스탯
408 : 냉각수 압력센서
500 : 인버터
502 : 배터리
504 : 주행용 모터

Claims

스택에 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기의 회전수(rpm) 변화량과, 스택에 공급되는 냉각수 압력 변화량과, 스택에 공급되는 공기 압력 변화량 중 선택된 하나 이상이 양의 임계값 이상이면, 스택에 냉각수를 순환시키는 워터펌프의 회전수를 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시키는 단계;
스택에 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기의 회전수(rpm) 변화량과, 스택에 공급되는 냉각수 압력 변화량과, 스택에 공급되는 공기 압력 변화량 중 선택된 하나 이상이 음의 임계값 이상이면, 스택에 냉각수를 순환시키는 워터펌프의 회전수를 임계회전수 이상으로 일정시간 동안 증가시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 일정시간이 지난 후에 워터펌프의 회전수를 임계회전수로 복귀시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 스택에 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기의 회전수(rpm) 변화량은 스택의 공기극 입구 및 냉각수 입구에 각각 공기압력센서와 냉각수 압력센서가 존재하지 않는 경우 측정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 스택에 공급되는 공기 압력 변화량은 스택의 공기극 입구에 장착된 공기압력센서에 의하여 측정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 스택에 공급되는 냉각수 압력 변화량은 스택의 냉각수 입구에 장착된 냉각수 압력센서에 의하여 측정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 스택에서 생성된 전기를 충방전하는 배터리의 SOC 수준으로 판단하여, 공기압축기와 워터펌프의 회전수 변화량을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 배터리의 SOC 수준이 임계 SOC 이상이면, 공기압축기의 회전수를 일정시간 동안 임계회전수 미만으로 감소시킨 후, 일정시간 후에 임계회전수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 배터리의 SOC 수준이 임계 SOC 미만이면, 워터펌프의 회전수를 공기압축기의 회전수 변화량에 반대방향을 향해 임계회전수 미만으로 일정시간 동안 감소시킨 후, 일정시간 후에 임계회전수로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 배터리의 SOC 수준이 임계 SOC 미만인 상태에서 공기압축기의 회전수 변화량이 임계값 이상으로 증가하면, 워터펌프를 일정속도로 구동시키는 동시에 전자식 써모스탯의 개도를 오픈방향으로 변화시켜 냉각수가 라디에이터를 거쳐 스택으로 순환되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 배터리의 SOC 수준이 임계 SOC 미만인 상태에서 공기압축기의 회전수 변화량이 음의 임계값 이상이면, 워터펌프를 일정속도로 구동시키는 동시에 전자식 써모스탯의 개도를 클로즈방향으로 변화시켜 냉각수가 라디에이터를 거치지 않고 스택으로 순환되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 내부압력 변동 제어 방법.