KR102532330B1 - 연료전지의 수소 농도 추정방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량을 측정하고, 측정된 공기의 유량을 기설정된 유량과 비교하는 단계; 비교한 결과에 따라 공기공급계의 모델을 결정하는 단계; 및 결정된 공기공급계의 모델을 기반으로 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계;를 포함하는 연료전지의 수소 농도 추정방법이 소개된다.

Description

연료전지의 수소 농도 추정방법 및 시스템{HYDROGEN CONCENTRATION ESTIMATING METHOD AND SYSTEM FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 수소 농도 추정방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 공기공급량에 따른 모델을 달리 설정하여 수소 농도를 추정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 수소공급장치 및 공기공급장치에서 각각 공급된 수소와 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택 및 이를 냉각시키기 위한 냉각 시스템 등을 포함하고 있다.
즉, 연료전지 스택의 애노드 측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 발생한다.
그 중에서, 연료전지 스택의 애노드 측으로 공급하는 수소는 적절한 수준의 수소 농도를 유지하여야 하기 때문에 수소 재순환라인에서 적절한 수소퍼지 제어가 이루어진다. 수소퍼지 제어는 일반적으로 수소 농도를 실시간으로 추정하고, 이에 따라 적절한 수준의 수소 농도가 유지되도록 수소퍼지 제어를 실시한다.
다만, 연료전지 정지모드에서 수소 농도를 실시간 추정하는 경우에는 수소공급계의 수소 농도 추정치와 측정치 사이에 오차가 크게 발생하는 문제가 발생한다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 전류별 수소 농도 측정치 및 추정치를 도시한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 전류(연료전지 스택의 출력 전류)가 0인 연료전지 정지모드(FC Stop Mode)에서 수소 농도의 측정치와 추정치 사이의 오차가 크게 발생한다.
구체적으로, 연료전지 정지모드에서 수소 농도 측정치는 정지모드가 지속될수록 상승한다. 다만, 수소 농도가 증가하지는 않는 점에서, 연료전지 정지모드에서 수소 농도 측정치는 신뢰할 수 없다.
수소 농도 추정치는 연료전지 정지모드가 지속될수록 하강하고 심지어 수소 농도가 20~30%정도로 하강하기도 하였다. 그러나 실험에 따르면 실제 측정치는 60% 정도의 수소 농도를 유지하였다.
즉, 연료전지 정지모드의 수소 농도 측정치와 추정치 사이에 오차가 크게 발생하면서 실제 수소농도와 달리 추정치가 크게 감소하여 연료전지 정지모드의 해제시 수소 퍼지를 과도하게 수행하는 문제가 발생하였다. 수소 퍼지를 과도하게 수행하면, 연비 측면에서 불리할 뿐만 아니라 배출가스 규제를 만족시키는 점에서도 불리한 문제가 있다.
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 10-1459815 B JP 2006-079891 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 정지모드에서도 수소공급계의 수소 농도를 정확하게 추정하는 수소 농도 추정 방법 및 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법은 연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량을 측정하고, 측정된 공기의 유량을 기설정된 유량과 비교하는 단계; 비교한 결과에 따라 공기공급계의 모델을 결정하는 단계; 및 결정된 공기공급계의 모델을 기반으로 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계;를 포함한다.
비교하는 단계에서 기설정된 유량은 연료전지 스택으로 공기 공급이 차단된 경우의 공기 유량으로 설정할 수 있다.
공기공급계의 모델을 결정하는 단계는 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량을 초과하면 공기공급계는 개방된 모델로 결정할 수 있다.
공기공급계가 개방된 모델로 결정된 경우, 수소 공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 수소 분압은 0으로 가정할 수 있다.
공기공급계가 개방된 모델로 결정된 경우, 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 질소 분압 또는 산소 분압은 공기공급계 기체압력 및 증기분압을 기반으로 가정할 수 있다.
공기공급계의 모델을 결정하는 단계는 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량 이하이면 공기공급계는 밀폐된 모델로 결정할 수 있다.
공기공급계가 밀폐된 모델로 결정된 경우, 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 수소 분압은 수소공급계로부터 크로스오버되는 수소에 의해 증가되는 것으로 가정할 수 있다.
수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 수소 분압은 아래의 수식을 이용하여 가정할 수 있다.
Figure 112017123937029-pat00001
Figure 112017123937029-pat00002
: 공기공급계 내부의 수소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00003
: 공기공급계 내부의 초기 수소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00004
: 단위시간당 크로스오버되는 수소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00005
: 공기공급계의 수소 분압, R: 기체상수, T: 기체의 온도
Figure 112017123937029-pat00006
: 공기공급계 내부의 부피
공기공급계가 밀폐된 모델로 결정된 경우, 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 산소 분압은 수소공급계로 크로스오버되는 산소에 의해 감소되는 것으로 가정할 수 있다.
수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 산소 분압은 아래의 수식을 이용하여 가정할 수 있다.
Figure 112017123937029-pat00007
Figure 112017123937029-pat00008
: 공기공급계의 산소 분압,
Figure 112017123937029-pat00009
: 공기공급계의 초기 산소 분압, t: 공기공급계가 밀폐된 모델 지속시간, T1: 시정수(상수)
공기공급계가 밀폐된 모델로 결정된 경우, 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 질소 분압은 수소공급계로 크로스오버되는 질소에 의해 감소되는 것으로 가정할 수 있다.
수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 질소 분압은 아래의 수식을 이용하여 가정할 수 있다.
Figure 112017123937029-pat00010
Figure 112017123937029-pat00011
Figure 112017123937029-pat00012
: 공기공급계의 질소 분압,
Figure 112017123937029-pat00013
: 공기공급계 내부의 질소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00014
: 공기공급계 내부의 부피, R: 기체상수, T: 기체의 온도,
Figure 112017123937029-pat00015
: 공기공급계 내부의 기체 몰수,
Figure 112017123937029-pat00016
: 공기공급계 내부의 수소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00017
: 공기공급계 내부의 산소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00018
: 공기공급계 내부의 기체 압력
수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계 또는 수소공급계의 증기 분압은 포화수증기압으로 가정할 수 있다.
수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 수소공급계의 질소 분압은 공기공급계로부터 크로스오버되는 질소에 의해 증가하는 것으로 가정할 수 있다.
수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 수소공급계의 수소 분압은 수소공급계의 기체압력에서 질소 분압 및 증기 분압을 감산한 것으로 가정할 수 있다.
수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 수소공급계의 수소 분압을 질소 분압과 수소 분압의 합으로 제산하여 수소 농도를 추정할 수 있다.
수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계 이후에, 추정된 수소공급계의 수소 농도가 목표 수소 농도를 추종하도록 수소공급계를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정시스템은 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급계; 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급계; 및 공기공급계에서 연료전지 스택에 공급하는 공기의 유량을 측정하고, 측정된 공기의 유량을 기설정된 유량과 비교하며, 비교한 결과에 따라 공기공급계의 모델을 결정하고, 결정된 공기공급계의 모델을 기반으로 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 수소 농도 추정기;를 포함한다.
수소 농도 추정기는 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량을 초과하면 공기공급계를 개방된 모델로 결정하고, 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량 이하이면 공기공급계를 밀폐된 모델로 결정할 수 있다.
수소저장계로부터 수소공급계로 공급하는 수소의 압력을 제어하는 가압 제어기; 수소 퍼지 밸브의 개폐를 제어하는 퍼지 제어기; 및 수소 농도 추정기에서 추정된 수소공급계의 수소 농도가 목표 수소 농도를 추종하도록 가압제어기 및 퍼지 제어기를 제어하는 상위 제어기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 수소 농도 추정 방법 및 시스템에 따르면, 연료전지 정지모드에서도 수소 농도 추정기의 정확도를 개선하는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 정지모드 해제시 불필요한 수소 퍼지 또는 수소 가압제어를 방지하는 효과를 갖는다.
또한, 수소공급계의 수소 농도 상승을 위하여 불필요하게 버려지는 수소가 감소되어 연비 개선 및 배출가스 규제에 유리한 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 전류별 수소 농도 측정치 및 추정치를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법에 따른 연료전지 전류별 수소 농도 측정치 및 추정치를 도시한 그래프이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 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. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 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 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법은 연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량을 측정하고, 측정된 공기의 유량을 기설정된 유량과 비교하는 단계(S200); 비교한 결과에 따라 공기공급계의 모델을 결정하는 단계(S300, S400); 및 결정된 공기공급계의 모델을 기반으로 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계(S500);를 포함한다.
연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량은 센서를 이용하여 측정할 수 있다(S100). 또는, 공기압축기의 회전속도, 공기제어밸브(ACV, Air Control Valve)의 개도, 공기의 압력, 온도 등을 고려하여 추정할 수도 있다. 다만, 여기서는 연료전지 스택에 공기가 공급되는지 여부만을 이용할 수도 있는 점에서 공기제어밸브의 차단 여부를 이용하여 판단할 수도 있다.
측정된 공기의 유량을 기설정된 유량과 비교할 수 있다(S200). 여기서 기설정된 유량은 연료전지 스택으로 공기 공급이 차단된 경우의 공기 유량으로 설정할 수 있다. 공기제어밸브의 차단으로 인하여 연료전지 스택으로 공기 공급이 차단된 경우에는 공기 유량이 0이 되므로, 기설정된 유량은 0으로 설정할 수 있다.
또는, 이론적으로 기설정된 유량이 0이지만 공기제어밸브가 공기의 입구 또는 출구 중 한쪽에만 설치되는 경우에는 어느 정도 확산이 발생하여 공기 유량이 0보다는 클 수 있다. 따라서 기설정된 유량은 확산에 의한 공기 유량을 고려하여 설정할 수 있다.
일반적으로, 수소 농도를 추정함에 있어서 수소공급계는 밀폐된 것으로 가정하고, 공기공급계는 개방된 것으로 가정한다. 연료전지에 공기를 공급하는 상태에는 외부의 공기가 유입되고 외부로 공기가 배출되는 점에서 개방된 모델로 가정하는 것이 타당하다.
다만, 연료전지의 스탑 모드에는 연료전지 공기공급계가 외부와 차단되어 밀폐된 것과 다름없이 가정할 수 있다. 구체적으로 연료전지 스탑모드에는 공기차단밸브에 의해 공기 공급이 차단되고, 공급 또는 배출 중 어느 한쪽만이 차단되더라도 확산 면적은 매우 작은데 대비하여 확산 거리가 길어 확산이 거의 발생하지 않는다. 따라서 공기 공급이 차단된 경우에는 공기공급계는 밀폐된 모델으로 가정하는 것이 타당하다.
따라서, 공기공급계의 모델을 결정하는 단계(S300, S400)는 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량을 초과하면 공기공급계는 개방된 모델로 결정하고, 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량 이하이면 공기공급계는 밀폐된 모델로 결정할 수 있다. 개방된 모델 또는 밀폐된 모델로 결정된 공기공급계의 모델을 기반으로 수소공급계의 수소 농도를 추정할 수 있다.
구체적으로, 공기공급계를 개방된 모델로 결정된 경우(S300), 수소 공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 수소 분압은 0으로 가정할 수 있다. 공기 유량에 의해 수소가 외부로 배출되거나, 공기 중의 산소와 반응하여 소모되는 것으로 가정한 것이다. 증기 분압은 온도에 따라 가변되는 포화수증기압으로 가정할 수 있다.
공기공급계의 질소 분압 또는 산소 분압은 공기공급계 기체압력 및 증기분압을 기반으로 가정할 수 있다. 구체적으로, 공기공급계의 기체압력에서 증기분압을 뺀 값을 공기공급계의 질소 분압과 산소 분압의 합으로 가정할 수 있다. 공기는 질소가 79%이고 산소가 21%인 것으로 가정한다면, 질소 분압은 0.79*(공기공급계의 기체압력 - 증기분압)으로 가정하고, 산소 분압은 0.21*(공기공급계의 기체압력 - 증기분압)로 가정할 수 있다.
공기공급계의 모델을 결정하는 단계(S200)는 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량 이하이면 공기공급계는 밀폐된 모델로 결정할 수 있다.
공기공급계가 밀폐된 모델로 결정된 경우(S400), 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 수소 분압은 수소공급계로부터 크로스오버되는 수소에 의해 증가되는 것으로 가정할 수 있다.
구체적으로, 수소 농도를 추정하는 단계(S500)에서 공기공급계의 수소 분압은 아래의 수식을 이용하여 가정할 수 있다.
Figure 112017123937029-pat00019
Figure 112017123937029-pat00020
: 공기공급계 내부의 수소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00021
: 공기공급계 내부의 초기 수소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00022
: 단위시간당 크로스오버되는 수소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00023
: 공기공급계의 수소 분압, R: 기체상수, T: 기체의 온도
Figure 112017123937029-pat00024
: 공기공급계 내부의 부피
여기서, 공기공급계 내부의 초기 수소 몰수(
Figure 112017123937029-pat00025
)는 크로스오버에 의한 수소 몰수를 적분하기 전의 수소 몰 수를 측정하거나 추정할 수 있다. 공기 유량이 있는 경우, 공기공급계 내부에 수소가 없는 것으로 가정한다면 공기공급계 내부의 초기 수소 몰수(
Figure 112017123937029-pat00026
)는 0으로 가정할 수 있다.
공기공급계가 밀폐된 모델로 결정된 경우(S400), 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 산소 분압은 수소공급계로 크로스오버되는 산소에 의해 감소되는 것으로 가정할 수 있다.
구체적으로, 수소 농도를 추정하는 단계(S500)에서 공기공급계의 산소 분압은 아래의 수식을 이용하여 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
Figure 112017123937029-pat00027
Figure 112017123937029-pat00028
: 공기공급계의 산소 분압,
Figure 112017123937029-pat00029
: 공기공급계의 초기 산소 분압, t: 공기공급계가 밀폐된 모델 지속시간, T1: 시정수(상수)
여기서, 공기공급계의 초기 산소 분압(
Figure 112017123937029-pat00030
)은 밀폐된 모델로 천이하기 전 개방된 모델에서 마지막으로 산출된 값을 이용할 수 있다. 시정수(T1)는 실험을 통해 실제와 가장 근접하도록 설정할 수 있다. 시정수(T1)는 산소의 온도에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
공기공급계가 밀폐된 모델로 결정된 경우(S400), 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계(S500)에서 공기공급계의 질소 분압은 수소공급계로 크로스오버되는 질소에 의해 감소되는 것으로 가정할 수 있다.
구체적으로, 수소 농도를 추정하는 단계(S500)에서 공기공급계의 질소 분압은 아래의 수식을 이용하여 가정할 수 있다.
Figure 112017123937029-pat00031
Figure 112017123937029-pat00032
Figure 112017123937029-pat00033
: 공기공급계의 질소 분압,
Figure 112017123937029-pat00034
: 공기공급계 내부의 질소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00035
: 공기공급계 내부의 부피, R: 기체상수, T: 기체의 온도,
Figure 112017123937029-pat00036
: 공기공급계 내부의 기체 몰수,
Figure 112017123937029-pat00037
: 공기공급계 내부의 수소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00038
: 공기공급계 내부의 산소 몰수,
Figure 112017123937029-pat00039
: 공기공급계 내부의 기체 압력
수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계(S500)에서 공기공급계 또는 수소공급계의 증기 분압은 증기 분압은 온도에 따라 가변되는 포화수증기압으로 가정할 수 있다.
수소공급계는 밀폐된 모델로 가정할 수 있다(S500). 수소공급계에는 질소, 수소 및 증기만이 포함된 것으로 가정할 수 있다. 산소가 수소공급계로 막을 통해 크로스오버되는 경우 수소와 반응하여 사라지는 것으로 가정하는 것이다. 증기 분압은 온도에 따라 가변되는 포화수증기압으로 가정할 수 있다.
수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계(S500)에서 수소공급계의 질소 분압은 공기공급계로부터 크로스오버되는 질소에 의해 증가하는 것으로 가정할 수 있다. 수소공급계의 수소 분압은 수소공급계의 기체압력에서 질소 분압 및 증기 분압을 감산한 것으로 가정할 수 있다.
구체적으로, 질소 분압은 아래와 같은 수식으로 가정할 수 있다.
Figure 112017123937029-pat00040
Figure 112017123937029-pat00041
Figure 112017123937029-pat00042
: 수소공급계의 질소 분압,
Figure 112017123937029-pat00043
: 수소공급계 내부의 질소 몰 수,
Figure 112017123937029-pat00044
: 수소공급계 내부의 부피,
Figure 112017123937029-pat00045
: 수소공급계의 초기 질소 몰 수,
Figure 112017123937029-pat00046
: 단위시간당 크로스오버되는 질소 몰 수
여기서, 수소공급계의 초기 질소 몰 수(
Figure 112017123937029-pat00047
)는 크로스오버된 질소의 적분 이전에 산출 또는 측정한 수소공급계의 질소 몰 수일 수 있다.
수소 분압은 수소공급계의 기체 압력에서 질소 분압과 증기 분압을 감산한 것으로 가정할 수 있다.
수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 수소공급계의 수소 분압을 질소 분압과 수소 분압의 합으로 제산하여 수소 농도를 추정할 수 있다.
수소 농도 = (수소 분압/(질소 분압 + 수소 분압))
수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계(S500) 이후에, 추정된 수소공급계의 수소 농도가 목표 수소 농도를 추종하도록 수소공급계를 제어할 수 있다(S600).
목표 수소 농도는 메모리에 목표 수소 농도 맵이 저장될 수 있다. 목표 수소 농도 맵은 연료전지 스택의 출력 전류별 최적 수소 농도를 매핑한 것일 수 있다. 최적 수소 농도보다 고농도인 경우에는 수소의 크로스오버량이 많아져 연비가 악화되고, 최적 수소 농도보다 저농도인 경우에는 수소 부족으로 인하여 연료전지 스택의 내구성이 악화되어 수명이 단축되는 문제가 발생할 수 있다. 최적 수소 농도는 상한선과 하한선을 갖는 일정 영역으로 매핑될 수 있다.
여기서 크로스오버되는 기체의 양은 물질 전달식을 이용할 수 있다. 구체적으로, 막을 통과하여 크로스오버되거나 수소퍼지밸브를 개방할 때 퍼지량을 고려할 수 있다.
물질 전달식은 기존에 공지된 기술을 사용할 수 있다. 예를 들면 아래와 같이 물질 전달식을 이용하여 크로스오버되는 기체량을 산출할 수 있다.
Figure 112017123937029-pat00048
Figure 112017123937029-pat00049
여기서, 수식에 사용된 기호는 아래와 같다.
Figure 112017123937029-pat00050
: 질소 크로스오버 속도
Figure 112017123937029-pat00051
: 수소 크로스오버 속도
P : 압력, [kPa] R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K]
T : 온도, [K] D: 확산계수
A : 촉매 면적
Figure 112017123937029-pat00052
: 확산 거리
추정된 수소공급계의 수소 농도를 기반으로 수소공급계의 수소 농도가 목표 수소 농도를 추종하도록 제어할 수 있다. PI제어와 같은 폐루프 제어를 이용하여 급출발 또는 연료전지 스탑모드 등의 외란으로부터 강건성을 갖도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 추정된 수소 농도가 목표 수소 농도보다 작은 경우에는 수소 농도를 높이도록 제어할 수 있다. 수소퍼지밸브를 개방하도록 제어하여 퍼지를 통해 수소 농도를 높일 수 있고, 또는 수소공급밸브(Fuel Supply Valve) 및 연료 이젝터(Fuel Ejector)를 제어하여 수소저장계로부터 수소공급계로 수소를 가압하여 공급하도록 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정시스템은 연료전지 스택(A)에 공기를 공급하는 공기공급계(30); 연료전지 스택(A)에 수소를 공급하는 수소공급계(20); 및 공기공급계(30)에서 연료전지 스택(A)에 공급하는 공기의 유량을 측정하고, 측정된 공기의 유량을 기설정된 유량과 비교하며, 비교한 결과에 따라 공기공급계(30)의 모델을 결정하고, 결정된 공기공급계(30)의 모델을 기반으로 수소공급계(20)의 수소 농도를 추정하는 수소 농도 추정기(70);를 포함한다.
공기의 유량은 공기공급계(30)의 공기 공급 또는 배출 라인에 마련된 공기 제어 밸브(31)의 개도에 의해 제어될 수 있는 것이고, 공기 제어 밸브(31)의 개도를 측정하여 공기의 유량을 추정할 수 있다.
수소 농도 추정기(70)는 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량을 초과하면 공기공급계(30)를 개방된 모델로 결정하고, 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량 이하이면 공기공급계(30)를 밀폐된 모델로 결정할 수 있다.
수소저장계(10)로부터 수소공급계(20)로 공급하는 수소의 압력을 제어하는 가압 제어기(50); 수소 퍼지 밸브(61)의 개폐를 제어하는 퍼지 제어기(60); 및 수소 농도 추정기(70)에서 추정된 수소공급계(20)의 수소 농도가 목표 수소 농도를 추종하도록 가압제어기(50) 및 퍼지 제어기(60)를 제어하는 상위 제어기(40);를 더 포함할 수 있다.
가압 제어기(50)는 수소공급밸브(51, Fuel Supply Valve) 및 연료 이젝터(51, Fuel Ejector)를 제어하여 수소저장계(10)로부터 수소공급계(20)로 공급하는 수소의 압력을 제어할 수 있다.
상위 제어기(40), 가압 제어기(50), 퍼지 제어기(60) 및 수소 농도 추정기(70)은 모두 연료전지 제어기(FCU)에 포함되거나 개별적인 제어기로 마련될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법에 따른 연료전지 전류별 수소 농도 측정치 및 추정치를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 수소 농도 추정방법에 따른 수소 농도 추정치는 연료전지 발전 구간에서는 특히 측정농도와 거의 일치한다. 또한, 연료전지 전류가 0인 구간은 연료전지의 발전을 Stop 제어하는 FC Stop 구간에서 수소 농도 측정치는 오히려 높아지는 점에서 신뢰성이 없는 것이나, 수소 농도 추정치는 수소 농도 50% 이상으로 유지된다. 또한, FC STOP 구간 해제시 측정치에 바로 수렴하는 것을 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법에 따르면 수소 농도 추정의 정확도가 향상된 점을 확인할 수 있다.
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.
10 : 수소저장계 20 : 수소공급계
30 : 공기공급계 40 : 상위 제어기
50 : 가압 제어기 60 : 퍼지 제어기
70 : 수소 농도 추정기 A : 연료전지 스택

Claims (20)

  1. 연료전지 스택에 공급되는 공기의 유량을 측정하고, 측정된 공기의 유량을 기설정된 유량과 비교하는 단계;
    비교한 결과에 따라 공기공급계의 모델을 연료전지 스택에 공기를 공급하는 개방된 모델 또는 공기차단밸브에 의해 공기 공급이 차단되는 밀폐된 모델로 결정하는 단계; 및
    결정된 공기공급계의 모델을 기반으로 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계;를 포함하되,
    비교하는 단계에서 기설정된 유량은 연료전지 스택으로 공기 공급이 차단된 경우의 공기 유량으로 설정되는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    공기공급계의 모델을 결정하는 단계는 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량을 초과하면 공기공급계는 개방된 모델로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    공기공급계가 개방된 모델로 결정된 경우, 수소 공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 수소 분압은 0으로 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    공기공급계가 개방된 모델로 결정된 경우, 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 질소 분압 또는 산소 분압은 공기공급계 기체압력 및 증기분압을 기반으로 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    공기공급계의 모델을 결정하는 단계는 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량 이하이면 공기공급계는 밀폐된 모델로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    공기공급계가 밀폐된 모델로 결정된 경우, 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 수소 분압은 수소공급계로부터 크로스오버되는 수소에 의해 증가되는 것으로 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 수소 분압은 아래의 수식을 이용하여 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
    Figure 112017123937029-pat00053

    Figure 112017123937029-pat00054
    : 공기공급계 내부의 수소 몰수,
    Figure 112017123937029-pat00055
    : 공기공급계 내부의 초기 수소 몰수,
    Figure 112017123937029-pat00056
    : 단위시간당 크로스오버되는 수소 몰수,
    Figure 112017123937029-pat00057
    : 공기공급계의 수소 분압, R: 기체상수, T: 기체의 온도
    Figure 112017123937029-pat00058
    : 공기공급계 내부의 부피
  9. 청구항 6에 있어서,
    공기공급계가 밀폐된 모델로 결정된 경우, 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 산소 분압은 수소공급계로 크로스오버되는 산소에 의해 감소되는 것으로 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 산소 분압은 아래의 수식을 이용하여 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
    Figure 112017123937029-pat00059

    Figure 112017123937029-pat00060
    : 공기공급계의 산소 분압,
    Figure 112017123937029-pat00061
    : 공기공급계의 초기 산소 분압, t: 공기공급계가 밀폐된 모델 지속시간, T1: 시정수(상수)
  11. 청구항 6에 있어서,
    공기공급계가 밀폐된 모델로 결정된 경우, 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 질소 분압은 수소공급계로 크로스오버되는 질소에 의해 감소되는 것으로 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계의 질소 분압은 아래의 수식을 이용하여 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
    Figure 112017123937029-pat00062

    Figure 112017123937029-pat00063

    Figure 112017123937029-pat00064
    : 공기공급계의 질소 분압,
    Figure 112017123937029-pat00065
    : 공기공급계 내부의 질소 몰수,
    Figure 112017123937029-pat00066
    : 공기공급계 내부의 부피, R: 기체상수, T: 기체의 온도,
    Figure 112017123937029-pat00067
    : 공기공급계 내부의 기체 몰수,
    Figure 112017123937029-pat00068
    : 공기공급계 내부의 수소 몰수,
    Figure 112017123937029-pat00069
    : 공기공급계 내부의 산소 몰수,
    Figure 112017123937029-pat00070
    : 공기공급계 내부의 기체 압력
  13. 청구항 1에 있어서,
    수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 공기공급계 또는 수소공급계의 증기 분압은 포화수증기압으로 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 수소공급계의 질소 분압은 공기공급계로부터 크로스오버되는 질소에 의해 증가하는 것으로 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 수소공급계의 수소 분압은 수소공급계의 기체압력에서 질소 분압 및 증기 분압을 감산한 것으로 가정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계에서 수소공급계의 수소 분압을 질소 분압과 수소 분압의 합으로 제산하여 수소 농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  17. 청구항 1에 있어서,
    수소공급계의 수소 농도를 추정하는 단계 이후에, 추정된 수소공급계의 수소 농도가 목표 수소 농도를 추종하도록 수소공급계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  18. 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급계;
    연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급계; 및
    공기공급계에서 연료전지 스택에 공급하는 공기의 유량을 측정하고, 측정된 공기의 유량을 기설정된 유량과 비교하며, 비교한 결과에 따라 공기공급계의 모델을 연료전지 스택에 공기를 공급하는 개방된 모델 또는 공기차단밸브에 의해 공기 공급이 차단되는 밀폐된 모델로 결정하고, 결정된 공기공급계의 모델을 기반으로 수소공급계의 수소 농도를 추정하는 수소 농도 추정기;를 포함하되,
    기설정된 유량은 연료전지 스택으로 공기 공급이 차단된 경우의 공기 유량으로 설정되는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    수소 농도 추정기는 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량을 초과하면 공기공급계를 개방된 모델로 결정하고, 측정된 공기의 유량이 기설정된 유량 이하이면 공기공급계를 밀폐된 모델로 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  20. 청구항 19에 있어서,
    수소저장계로부터 수소공급계로 공급하는 수소의 압력을 제어하는 가압 제어기;
    수소 퍼지 밸브의 개폐를 제어하는 퍼지 제어기; 및
    수소 농도 추정기에서 추정된 수소공급계의 수소 농도가 목표 수소 농도를 추종하도록 가압제어기 및 퍼지 제어기를 제어하는 상위 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
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