KR102552485B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택, 공기극으로 공급될 공기를 가습하는 가습기, 가습기에 공기를 공급하는 공기 공급부, 제어부를 포함한다. 제어부는 연료전지 스택의 플러딩을 예방하기 위해, 가습기의 물량에 기초해서, 공기 공급부에 의한 공기의 공급유랑을 조절하도록 구성된다.

Description

연료전지 시스템{Fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템을 포함한다.
스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다.
연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
또한, 연료전지 스택의 전단에 구비된 가습기에 의해 가습되어진 공기가 연료전지 스택으로 공급될 때, 외기와의 온도차에 의한 수증기의 응축현상 발생한다.
특히, 저출력 구간에서는 가습기 내에 응축수가 누적되는 현상이 발생한다. 응축수가 스택 내 유입될 경우, 이온교환막은 물의 양이 너무 많아(플러딩), 수증기의 액화과정이 쉽게 일어나 촉매와 반응가스들의 접촉을 방해하여 연료 전지 스택의 반응 효율을 감소시키는 문제점이 있다.
따라서, 플러딩이 발생하는 것을 사전에 예방하기 위하여, 스택 내에 응축수가 유입되는 것을 방지하는 장치 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 가습기 내의 응축수가 공기극으로 허용유량 이상 공급되는 것을 방지함으로써, 플러딩이 발생되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공한다.
또한, 가습기 내의 응축수를 감소시키기 위해서, 공기 공급부에 공급유량을 증가시킴으로써, 연료전지 스택 내에 잔존해 있던 응축수는 증발하거나, 연료전지 스택의 출구 쪽으로 응축수가 강제 배출되는 연료전지 시스템을 제공한다.
일 예에서 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택, 상기 공기극으로 공급될 공기를 가습하는 가습기, 상기 가습기에 공기를 공급하는 공기 공급부, 상기 연료전지 스택의 플러딩을 예방하기 위해, 상기 가습기의 물량에 기초해서, 상기 공기 공급부를 제어하여 상기 공기 공급부에 의한 공기의 공급유량을 조절하는 제어부, 상기 가습기에서 가습되어 배출된 공기를 상기 연료전지 스택으로 안내하는 제1 유로, 상기 연료전지 스택에서 배출된 공기를 외부로 안내하는 제2 유로, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 연결하는 제3 유로, 및 상기 제1 유로와 상기 제3 유로의 연결지점에 마련되어, 상기 제1 유로 중의 공기가 상기 제3 유로로 바이패스 되는 양을 조절하는 바이패스 밸브를 포함하고, 상기 제어부는 상기 가습기의 물량으로서, 상기 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이면, 상기 가습기를 통과하는 공기에 의해 상기 가습기 내의 응축수가 상기 공기극으로 허용유량 이상으로 전달되어 플러딩이 발생하기 전에, 상기 가습기 내의 응축수 및 상기 연료전지 스택 내의 응축수를 제거하기 위해, 상기 공급유량이 증가하게 상기 공기 공급부를 제어하고, 상기 제어부는 상기 공기 공급부에 더해서 상기 바이패스 밸브를 상기 물량에 기초해서 제어하고, 상기 제어부는 상기 가습기의 물량으로서, 상기 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이면, 상기 공급유량이 증가하게 상기 공기 공급부를 제어하고, 또한 상기 제1 유로 중의 공기가 상기 제3 유로로 바이패스 되는 양이 증가하게 상기 바이패스 밸브를 제어할 수 있다.
이에 따라, 가습기 내의 응축수가 공기극으로 허용유량 이상 공급되는 것을 방지함으로써, 플러딩이 발생되는 것을 방지할 수 있는 특징이 있다.
또한, 가습기 내의 응축수를 감소시키기 위하여, 공기 공급부에 공급유량을 증가시킴으로써, 연료전지 스택 내에 잔존해 있던 응축수는 증발하거나, 연료전지 스택의 출구 쪽으로 응축수가 강제 배출됨으로써, 플러딩이 발생하는 것을 사전에 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 스택의 출력전류에 따라 응축수 누적량을 추정한 도표이다.
도 3은 스택의 출력전류에 따라 응축수 누적량을 추정한 그래프이다.
도 4는 시간당 스택의 출력전류를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 제어부가 배터리 SOC에 의한 FC stop의 진입/해지 횟수가 기준시간당 기준횟수 이하에 해당하는지를 판단하는 흐름도이다.
도 7은 제어부가 FC stop의 유지시간이 기준시간 이상에 해당하는지를 판단하는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1을 참고하여 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택(30), 가습기(20), 공기 공급부(10), 제어부(100)를 포함한다.
가습기(20)는 공기극으로 공급될 공기를 가습하도록 구성될 수 있으며, 공기 공급부(10)는 가습기(20)에 공기를 공급하도록 구성될 수 있다. 연료전지 스택(30)의 플러딩을 예방하기 위해, 제어부(100)는 가습기(20)의 물량에 기초해서, 공기 공급부(10)를 제어하여, 공기 공급부(10)에 의한 공기의 공급유랑을 조절하도록 구성될 수 있다.
제어부(100)는 가습기(20)의 물량으로서, 가습기(20) 내의 응축수 누적량에 따라, 공기 공급부(10)를 제어하도록 구성될 수 있다.
제어부(100)는 가습기(20) 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이면, 가습기(20)를 통과하는 공기에 의해 가습기(20) 내의 응축수가 공기극으로 허용유량 이상으로 전달되어 플러딩이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 플러딩이 발생하기 전에 가습기(20) 내의 응축수 및 연료전지 스택(30) 내의 응축수를 제거하도록 구성될 수 있다.
제어부(100)는 응축수를 제거하기 위하여, 공급유량을 증가시키도록 공기 공급부(10)를 제어하도록 구성될 수 있다.
제어부(100)는, 응축수 누적량이 기준량 이상이면, 공기 공급부(10)의 작동 RPM을 목표 RPM으로 증가시킨 작동 상태를 소정 시간 동안 유지시키도록 공기 공급부(10)를 제어하도록 구성될 수 있다.일예로, 응축수 누적량의 기준량은 30g일 수 있으며, 제어부(100)는 응축수 누적량이 30g일 때, 공기 공급부(10)의 RPM을 1초 동안 제어하여, 공급유량을 증가시키도록 구성될 수 있다.
일예로, 공기 공급부(10)가 35KRPM으로 작동 중인데, 응축수 누적량이 30g으로 판단되면, 제어부(100)는, 공기 공급부(10)의 작동 RPM을 30KRPM만큼 증가시켜, 공기 공급부(10)가 목표 RPM인 65KRPM에서 1초 동안 작동되도록 공기 공급부(10)를 제어할 수 있다.
일예로, 연료전지 스택(30) 내 응축수가 잔존하여도, 제어부(100)는 가습기(20) 내의 응축수를 감소시키기 위하여, 공기 공급부(10)에 공급유량을 증가시킴으로써, 연료전지 스택(30) 내에 잔존해 있던 응축수는 증발하거나, 연료전지 스택(30)의 출구 쪽으로 응축수가 강제 배출됨으로써, 플러딩이 발생하는 것을 사전에 예방할 수 있는 특징이 있다.
도 2는 스택의 출력전류에 따라 응축수 누적량을 추정한 도표이며, 도 3은 스택의 출력전류에 따라 응축수 누적량을 추정한 그래프이다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(100)는 연료전지 스택의 출력전류에 따라 가습기 내에 응축수가 시간당 누적되는 속도인 응축수 누적속도를 시간에 대해 적분하여 응축수 누적량을 추정하도록 구성될 수 있다.
일예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(100)는 시간당 연료전지 스택의 출력전류에 따라, 시간당 가습기 내에 응축수가 누적되는 누적속도를 시간에 대해 적분한 실험데이터에 의하여, 응축수 누적량을 추정할 수 있다.
도 4는 시간당 스택의 출력전류를 나타낸 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(100)는 제1 시간이 경과할 때마다 당시의 출력전류에 따라 응축수 누적속도를 결정하거나, 또는 제2 시간이 경과할 때마다 제2 시간 동안의 출력전류의 평균값에 따라 응축수 누적속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 일정시간 동안 출력 전류의 누적 전하량에 따라 응축수 누적속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
일예로, 제1 시간은 30초~40초마다 실시간으로 출력전류를 확인하여, 출력전류에 따라 응축수 누적속도를 결정하도록 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 시스템을 나타내는 흐름도이다. 도5 에 도시된 바와 같이, 제어부(100)는 응축수 누적량이 기준량 이상으로 판단하면(S310), 소정시간 동안 공기 공급부의 작동 RPM을 증가시키도록 구성될 수 있다.
제어부(100)는 공기 공급부의 작동 RPM을 목표 RPM으로 증가시킨 작동 상태를 소정 시간 동안 유지되게 제어할 수 있다. 제어부는 RPM 증가 작동 상태로 소정 시간 동안 유지시켜 공기 공급부를 제어(S320)한 이후에, 응축수 누적량을 0으로 추정할 수 있다(S330). 제어부(100)는 이때부터 다시 응축수 누적량을 산정하도록 구성될 수 있다. 제어부(100)는 공급유량이 설정유량 이상이거나 연료전지 스택의 출력전류가 설정전류 이상인 상태가 설정시간 이상 유지되는 조건에 해당하면(S340), 제어부는 응축수 누적량을 0으로 추정하도록 구성될 수 있다(S330). 제어부(100)는 이때부터, 다시 응축수 누적량을 산정하도록 구성될 수 있다.
일예로, 공급유량은 200 kg/hr 일 수 있으며, 출력전류는 130A 이상일 수 있다.
일예로, 제어부(100)는 설정시간 이상 동안 공급유량이 설정유량 이상이거나, 연료전지 스택의 출력전류가 설정전류 이상일 경우, 제어부는 자체적으로 가습기 내부 응축수가 배출되었음을 판단하여, 응축수 누적량을 0으로 추정할 수 있다.
일예로, 소비자가 운전 시, 엑셀을 밟을 경우, 차량은 속도가 높아지면서, 그에 따라, 공기 공급유량도 많아지고, 출력전류도 높아지게 되는데, 이 경우, 제어부는 공기 공급부의 공급유량이 증가하여, 가습기 내부 응축수가 배출되었음을 판단하여, 응축수 누적량을 0으로 추정할 수 있다
본 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 누적속도는 출력전류에 더해서, 외기의 온도, 에어 쿨러의 냉각수 온도, 가습기 전단의 공기 온도 및 공기극 전단의 공기 온도 중의 적어도 어느 하나에 따라 결정될 수 있다.
일예로, 출력전류에 더해서, 외기 온도가 제1 기준온도보다 낮거나, 냉각수 온도가 제2 기준온도보다 낮거나, 가습기 전단의 공기 온도가 제2 기준온도보다 낮거나, 공기극 전단의 공기 온도가 제4 기준온도보다 낮을 경우 중의 적어도 하나가 판단되면(S210), 제어부는 공기 공급부에 공급유량을 증가시키도록 제어할 수 있다.
일예로, 제1 기준온도는 30°C일 수 있으며, 제2 기준온도는 40°C일 수 있으며, 제3 기준온도는 40°C일 수 있으며, 제4 기준온도는 40°C일 수 있다.
일예로, 제어부(100)는 외기 온도, 냉각수 온도, 가습기 전단의 공기 온도, 공기극 전단의 공기 온도 중의 적어도 하나가 기준온도보다 낮을 경우, 가습기의 내부 온도가 낮은 상태로 판단할 수 있다.
제어부(100)는 출력전류에 기초하여, 응축수 누적량을 추정하나, 보다 누적량을 정확하게 추정하기 위하여, 전술한 기준온도 조건을 포함할 수 있다.
일예로, 가습기 내부에 축적된 응축수는 출력 전류에 따라 크게 다를 수 있기 때문에, 외기 온도, 냉각수 온도, 가습기 전단의 공기 온도, 공기극 전단의 공기 온도 중의 적어도 하나를 더 고려할 수 있다.
또한, 제어부(100)는 출력전류에 기초한 응축수 누적량을 추정한 값에 의하여, 공기 공급부를 제어시키는 것뿐 만아니라, 기준온도 조건에 만족시켜 공기 공급부의 공급유량을 제어함으로써, 공기 공급부를 쓸데없이 구동시키지 않는 특징이 있다.일예로, 제어부는 응축수 누적량이 30g으로 추정하면, 위험상황이라 인지할 수 있으며, 이에, 온도조건이 기준온도보다 낮을 경우, 더 위험상황이라 판단할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 제1 유로(41), 제2 유로(42), 제3 유로(43), 바이패스 밸브(50)를 더 포함할 수 있다.
제1 유로(41)는 가습기(20)에서 가습되어 배출된 공기를 연료전지 스택(30)으로 안내하도록 구성될 수 있다. 제2 유로(42)는 연료전지 스택(30)에서 배출된 공기를 외부로 안내하도록 구성될 수 있다. 제1 유로(41)와 제2 유로(42)를 연결하는 제3 유로(43)에 의하여 연결될 수 있다.
바이패스 밸브(50)는 제1 유로(41)와 제3 유로(43)의 연결지점에 마련될 수 있으며, 바이패스 밸브(50)는 제1 유로(41) 중의 공기를 제3 유로(43)로 바이패스 되는 양을 조절하도록 구성될 수 있다. 제어부(100)는 공기 공급부(10)에 더해서 바이패스 밸브(50)를 가습기(20)의 물량에 기초해서 제어하도록 구성될 수 있다.
제어부(100)는 가습기(20)의 물량으로서, 가습기(20) 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이면, 공급유량이 증가하게 공기 공급부(10)를 제어하고, 제1 유로(41) 중의 공기가 제3 유로(43)로 바이패스 되는 양이 증가하게 바이패스 밸브(50)를 제어하도록 구성될 수 있다.
일예로, 제1 유로(41) 중의 공기가 제3 유로(43)로 바이패스 될 경우, 연료전지 스택(30)에 가습기(20) 내의 응축수가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
일예로, 제1 유로(41) 중의 일부의 공기가 제3 유로(43)로 바이패스 될 경우, 제어부(100)는 공기 공급부(10)의 작동 RPM을 목표 RPM으로 증가시킨 작동 상태를 소정시간 동안 유지시킴으로써, 연료전지 스택(30) 내에 잔존해 있던 응축수는 증발하거나, 연료전지 스택(30)의 출구 쪽으로 응축수가 강제 배출됨으로써, 플러딩이 발생하는 것을 사전에 예방할 수 있다.본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 입구 공분기(미도시), 출구 공분기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 입구 공분기(미도시)는 가습기(20)에서 공급된 공기를 복수의 공기극으로 분배하도록 구성될 수 있으며, 출구 공분기(미도시)는 복수의 공기극에서 배출된 공기를 모아서 배출하도록 구성될 수 있다. 제3 유로(43)는 입구 공분기(미도시)와 출구 공분기(미도시)를 연통하도록 구성될 수 있다.
일예로, 제1 유로(41)는 입구 공분기(미도시)와 연결될 수 있으며, 제2 유로(42)는 출구 공분기(미도시)와 연결될 수 있다. 일예로, 제2 유로(42)는 가습기(20)와 연결될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 조절 밸브(60)를 더 포함할 수 있다. 조절 밸브(60)는 입구 공분기(미도시)에 구비될 수 있으며, 조절 밸브(60)는 복수의 공기극으로 분배되는 공기의 양을 조절하도록 구성될 수 있다.
일예로, 조절 밸브(60)는 공기 차단 밸브일 수 있다. 제어부(100)는 가습기(20)의 물량으로서, 가습기(20) 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이면, 공급유량이 증가하게 공기 공급부(10)를 제어하고, 조절 밸브(60)의 개도가 증가하도록 조절 밸브(60)를 제어하도록 구성될 수 있다.
도 6은 제어부가 배터리 SOC에 의한 FC stop의 진입/해지 횟수가 기준시간당 기준횟수 이하에 해당하는지를 판단하는 흐름도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부는 가습기의 물량으로서, 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이고, 배터리 SOC에 의한 FC stop의 진입/해지 횟수가 기준시간당 기준횟수 이하에 해당하는지를 판단할 수 있다.
제어부(100)는 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이고, 배터리 SOC에 의한 FC stop의 진입/해지 횟수가 기준시간당 기준횟수 이하에 해당하면, 공기 공급부의 RPM을 목표 RPM으로 증가시킨 작동상태를 소정시간 유지하도록 제어할 수 있다.
또한, 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이고, 배터리 SOC에 의한 FC stop의 진입/해지 횟수가 기준시간당 기준횟수 이하인 것에 더하여, 외기 온도, 에어 쿨러의 냉각수 온도, 가습기 전단의 공기 온도 및 공기극 전단의 공기 온도 중의 적어도 하나를 고려하도록 구성될 수 있다.
여기에서의, 배터리 SOC란 배터리 잔량을 의미할 수 있으며, FC stop은 특정 출력 이하 필요 시, 공기 공급부의 구동, 연료전지 스택의 주요 구동품의 동작을 멈추는 것을 의미할 수 있다. 일예로, 차량이 정차 시, 연료전지 스택의 출력을 뽑을 필요가 없으며, 필요한 최소한의 출력은 보조배터리로 충당할 수 있다. 특정 출력 이하 필요 시, 연료전지 스택은 공기 압축기 등의 구동동작을 멈추는 것을 뜻할 수 있다.
FC stop 진입/해지 횟수란, 차량이 장기 정차 중일 시, 배터리로 감당할 수 있는 출력 용량은 한계가 있다. 일예로, 배터리 SOC가 20 이하로 떨어지면, 연료전지 스택에서 출력을 소량 뽑게 된다. 이때, FC stop은 해지상태가 되나, 이후에 계속 차량이 정차 상태이면 FC stop으로 진입하게된다. 일예로, 소비자가 장기 정차 중이라 해도, 배터리로 감당할 수 있는 출력 용량은 한계가 있으므로, 배터리 SOC가 (예. 20 이하)로 떨어지면 연료전지에서 출력을 소량 뽑게 되며, 이때는 FC stop 강제 해지상태가 되고, 이후, 계속 정차 상태를 유지하면, 다시 FC stop으로 진입하게 된다.
가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이고, 배터리 SOC에 의한 FC stop의 진입/해지 횟수가 기준시간당 기준횟수 이하에 해당하면, 외기 온도가 제1 기준온도보다 낮은지 판단, 냉각수 온도가 제2 기준온도보다 낮은지 판단, 가습기 전단의 공기 온도가 제3 기준온도보다 낮은지 판단, 공기극 전단의 공기 온도가 제4 기준온도보다 낮은지를 판단할 수 있다. 외기 온도, 에어 쿨러의 냉각수 온도, 가습기 전단의 공기 온도, 공기극 전단의 공기 온도가 기준온도보다 낮다고 판단하면(S410), 제어부(100)는 공급유량이 증가하게 공기 공급부의 작동 RPM을 목표 RPM으로 증가시킨 작동 상태가 소정 시간 동안 유지되게 제어할 수 있다(S420). 이후에, 제어부(100)는 공기 공급부의 공급유량이 증가하여, 가습기 내부 응축수가 배출되었음을 판단하여, 응축수 누적량을 0으로 추정할 수 있다(S430).
일예로, 대략적으로 배터리 SOC는 20~80일 수 있으며, 기준시간은 10~20분일 수 있으며, 기준횟수는 1~2회일 수 있다.
일예로, 제1 기준온도는 30°C일 수 있으며, 제2 기준온도는 40°C일 수 있으며, 제3 기준온도는 40°C일 수 있으며, 제4 기준온도는 40°C일 수 있다.
일예로, 배터리 SOC가 20 이하일 경우, 차량은 연료전지 스택에서 출력을 소량 뽑게 된다. 이때, FC stop은 해지상태가 되나, 이후에 계속 차량이 정차 상태이면 FC stop으로 진입하게된다. 이때, 장기 정차 시간이 길어지게 되면서, 가습기 내 응축수량이 증가하게 되는데, FC stop의 진입/해지의 FC stop 해지가 기준 시간당 기준 횟수 이상일 경우, 제어부(100)는 차량이 장기 정차 하지 않음을 판단할 수 있다.
일예로, 배터리 SOC가 20 이하일 경우, FC stop의 진입/해지 횟수가 10~20분당 1~2회 이하에 해당하면, 제어부(100)는 차량이 장기 정차하여, 가습기 내 응축수량이 증가했음을 판단할 수 있다.
일예로, 외기 온도, 냉각수 온도, 가습기 전단의 공기 온도, 공기극 전단의 공기 온도 중의 적어도 하나가 기준온도보다 이하이면, 제어부는 가습기의 내부 온도가 낮은 상태로 판단할 수 있다. 제어부(100)는 출력전류에 기초하여, 응축수 누적량을 추정하나, 보다 누적량을 정확하게 추정하기 위하여, 전술한 기준온도 조건을 포함할 수 있다.
응축수 누적량이 기준량이상이고, 전술한 온도조건이 기준온도보다 낮을 경우, 제어부는 위험상황이라 인지할 수 있다. 이에 더하여, 배터리 SOC에 의한 FC stop의 진입/해지 횟수가 기준시간당 기준횟수 이하이면, 더 위험상황이라 판단할 수 있다.
여기에서의 위험상황이라 함은, 가습기 내 응축수량이 증가하는 것일 수 있다.
제어부(100)는 배터리 SOC에 의한 FC stop의 진입/해지 횟수가 기준시간당 기준횟수 이하이며, 응축수 누적량이 기준량 이상이면서, 외기 온도, 냉각수 온도, 가습기 전단의 공기 온도, 공기극 전단의 공기 온도 중의 적어도 하나가 기준온도 이하라고 판단되면, 공기 공급부의 작동 RPM을 목표 RPM으로 증가시킨 작동상태를 소정시간 유지하도록 제어하여, 연료전지 스택이 플러딩되는 것을 사전에 방지할 수 있다. 이는, 공기 공급부의 공급유량을 아무때나 과급하는 것이 아닌, 플러딩 상황이 예측될 가능성이 있는 조건에 따라, 공기 공급부의 공급 유량을 과급시킴으로써, 연료 전지 스택의 반응 효율성을 좋게할 수 있다.
도 7은 제어부가 FC stop의 유지시간이 기준시간 이상에 해당하는 지를 판단하는 흐름도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제어부는 가습기의 물량으로서, 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상에 해당하는지를 판단할 수 있다. 제어부는 FC stop의 유지시간이 기준시간 이상이면(510), 공급유량이 증가하게 공기 공급부의 작동 RPM을 목표 RPM만큼 증가시킨 작동 상태가 소정 시간 동안 유지되게 제어할 수 있다(S520). 이후에, 제어부(100)는 공기 공급부의 공급유량이 증가하여, 가습기 내부 응축수가 배출되었음을 판단하여, 응축수 누적량을 0으로 추정할 수 있다(S530).
일예로, 기준시간은 1초에서~10분 일 수 있다.
일예로, FC stop의 유지 시간이 길면, 장기 정차 시간이 길어지게 되면서, 가습기 내 응축수량이 증가할 수 있다. 따라서, 제어부(100)는 공급유량이 증가하게 공기 공급부의 작동 RPM을 목표 RPM으로 증가시키도록 제어할 수 있다.
일예로, 공기 공급부(10)의 작동 RPM을 30KRPM만큼 증가시켜, 공기 공급부(10)가 목표 RPM인 65KRPM에서 1초 동안 작동되도록 공기 공급부를 제어할 수 있다.
이는, 제어부(100)가 가습기 내의 응축수 누적량 및 FC stop의 유지 시간을 판단하여, 공급유량을 증가시킴으로써, 연료전지 스택이 플러딩 되는 것을 사전에 방지할 수 있는 특징이 있다.
또한, 공기 공급부의 공급유량을 아무때나 과급하는 것이 아닌, 연료전지 스택이 플러딩될 가능성이 있는 조건에 따라, 공기 공급부의 공급 유량을 과급시킴으로써, 쓸데없는 구동을 하지 않아도 되는 특징이 있다.
이는, 플러딩될 가능성의 조건이 보다 세분화해짐으로써, 플러딩 될 가능성이있을시에만, 공급부를 구동시키는 특징이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 공기 공급부 20: 가습부
30: 연료전지 스택 50: 바이패스 밸브
60: 조절 밸브

Claims (14)

  1. 공기극과 연료극을 구비하는 연료전지 스택;
    상기 공기극으로 공급될 공기를 가습하는 가습기;
    상기 가습기에 공기를 공급하는 공기 공급부;
    상기 연료전지 스택의 플러딩을 예방하기 위해, 상기 가습기의 물량에 기초해서, 상기 공기 공급부를 제어하여 상기 공기 공급부에 의한 공기의 공급유량을 조절하는 제어부;
    상기 가습기에서 가습되어 배출된 공기를 상기 연료전지 스택으로 안내하는 제1 유로;
    상기 연료전지 스택에서 배출된 공기를 외부로 안내하는 제2 유로;
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 연결하는 제3 유로; 및
    상기 제1 유로와 상기 제3 유로의 연결지점에 마련되어, 상기 제1 유로 중의 공기가 상기 제3 유로로 바이패스 되는 양을 조절하는 바이패스 밸브를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 가습기의 물량으로서, 상기 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이면, 상기 가습기를 통과하는 공기에 의해 상기 가습기 내의 응축수가 상기 공기극으로 허용유량 이상으로 전달되어 플러딩이 발생하기 전에, 상기 가습기 내의 응축수 및 상기 연료전지 스택 내의 응축수를 제거하기 위해, 상기 공급유량이 증가하게 상기 공기 공급부를 제어하고,
    상기 제어부는, 상기 공기 공급부에 더해서 상기 바이패스 밸브를 상기 물량에 기초해서 제어하고,
    상기 제어부는 상기 가습기의 물량으로서, 상기 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이면, 상기 공급유량이 증가하게 상기 공기 공급부를 제어하고, 또한 상기 제1 유로 중의 공기가 상기 제3 유로로 바이패스 되는 양이 증가하게 상기 바이패스 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 출력전류에 따라 상기 가습기 내에 응축수가 시간당 누적되는 속도인 응축수 누적속도를 시간에 대해 적분하여 상기 응축수 누적량을 추정하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는, 제1 시간이 경과할 때마다 당시의 출력전류에 따라 응축수 누적속도를 결정하거나, 또는 제2 시간이 경과할 때마다 상기 제2 시간 동안의 출력전류의 평균값에 따라 응축수 누적속도를 결정하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 응축수 누적속도는, 상기 출력전류에 더해서, 외기의 온도, 에어 쿨러의 냉각수 온도, 가습기 전단의 공기 온도 및 공기극 전단의 공기 온도 중의 적어도 어느 하나에 따라 결정되는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 응축수 누적량이 상기 기준량 이상이면, 상기 공기 공급부의 작동 RPM을 목표 RPM으로 증가시킨 작동 상태를 소정 시간 동안 유지시키도록 상기 공기 공급부를 제어하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 작동 상태가 상기 소정 시간 동안 유지되게 상기 공기 공급부를 제어한 이후에, 상기 응축수 누적량을 0으로 추정하고, 이때부터 다시 상기 응축수 누적량을 산정하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공급유량이 설정유량 이상이거나 상기 연료전지 스택의 출력전류가 설정전류 이상인 상태가 설정시간 이상 유지되면, 상기 응축수 누적량을 0으로 추정하고, 이때부터 다시 상기 응축수 누적량을 산정하는 연료전지 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 가습기에서 공급된 공기를 복수의 상기 공기극으로 분배하는 입구 공분기와, 복수의 상기 공기극에서 배출된 공기를 모아서 배출하는 출구 공분기를 더 포함하고,
    상기 제3 유로는 상기 입구 공분기와 상기 출구 공분기를 연통하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 입구 공분기에 구비되어 복수의 상기 공기극으로 분배되는 공기의 양을 조절하는 조절 밸브를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 가습기의 물량으로서, 상기 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이면, 상기 공급유량이 증가하게 상기 공기 공급부를 제어하고, 또한 상기 조절 밸브의 개도가 증가하게 상기 조절 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 가습기의 물량으로서, 상기 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이고, 배터리 SOC에 의한 FC stop의 진입/해지 횟수가 기준시간당 기준횟수 이하이면, 상기 공급유량이 증가하게 상기 공기 공급부를 제어하는 연료전지 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 가습기의 물량으로서, 상기 가습기 내의 응축수 누적량이 기준량 이상이고, FC stop의 유지시간이 기준시간 이상이면, 상기 공급유량이 증가하게 상기 공기 공급부를 제어하는 연료전지 시스템.
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