KR102554935B1 - 연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102554935B1
KR102554935B1 KR1020180029616A KR20180029616A KR102554935B1 KR 102554935 B1 KR102554935 B1 KR 102554935B1 KR 1020180029616 A KR1020180029616 A KR 1020180029616A KR 20180029616 A KR20180029616 A KR 20180029616A KR 102554935 B1 KR102554935 B1 KR 102554935B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
concentration
fuel
nitrogen
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020180029616A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190108293A (ko
Inventor
권순우
반현석
이준용
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020180029616A priority Critical patent/KR102554935B1/ko
Priority to US16/055,454 priority patent/US10879547B2/en
Priority to CN201811002831.7A priority patent/CN110277577B/zh
Publication of KR20190108293A publication Critical patent/KR20190108293A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102554935B1 publication Critical patent/KR102554935B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/045—Humidity; Ambient humidity; Water content of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • H01M8/222—Fuel cells in which the fuel is based on compounds containing nitrogen, e.g. hydrazine, ammonia
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계; 산출한 기체의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 연료전지의 애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 단계; 및 추정한 애노드측의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 애노드측의 수소 또는 질소 농도가 목표 수소 농도 또는 목표 질소 농도를 추종하도록 수소 공급계를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 수소 농도 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템{CONTROL METHOD AND CONTROL SYSTEM OF HYDROGEN CONCENTRATION FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료탱크의 수소 농도를 이용하여 연료전지 애노드측의 수소 농도를 추정하고 제어하는 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 수소 퍼지 제어가 이루어진다. 수소 퍼지 제어는 일반적으로 수소 농도를 실시간으로 추정하고, 이에 따라 적절한 수준의 수소 농도가 유지되도록 수소 퍼지 제어를 실시한다.
이러한 수소 농도 추정은 연료탱크 내부에 순도 100%의 수소가 저장되어 애노드 측으로 공급되는 것으로 가정한다. 다만, 연료탱크는 제작시 폭발 등의 안전 문제로 인하여 수소 탱크 내부에 질소를 충전한 상태에서 납품된다. 따라서, 연료전지를 탑재한 연료전지 차량의 제작 초기에는 연료탱크 내부에 질소가 포함되고, 수소탱크로 수소의 충전이 거듭되면서 수소 농도가 100%에 수렴하게 된다.
이러한 연료전지의 초기 구동시 연료탱크의 수소 농도를 100%로 가정할 수 없고, 이에 따라 수소 농도 추정이 불가능하여 기존의 전류 적산을 통한 퍼지 제어방법을 이용하였다.
그러나 수소 농도 추정이 아닌 전류 적산에 따른 퍼지 제어에 따르더라도, 수소 농도가 기설정된 수준 이하일 경우 낮은 전류적산량(Q)을 기준으로 퍼지를 제어한다. 전류 적산에 따른 퍼지 제어의 경우에는 많은 양의 수소를 퍼지하게 되어 연비의 문제 및 배출가스의 환경 기준에 부합하기 어려운 문제가 발생하였다.
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
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료탱크의 수소 농도가 낮은 연료전지의 초기 구동시의 연료전지 애노드측의 수소 농도를 정확하게 추정하고, 이에 따라 연료전지 애노드측의 수소 농도를 제어하는 방법 및 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 수소 농도 제어방법은 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계; 산출한 기체의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 연료전지의 애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 단계; 및 추정한 애노드측의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 애노드측의 수소 또는 질소 농도가 목표 수소 농도 또는 목표 질소 농도를 추종하도록 수소 공급계를 제어하는 단계;를 포함한다.
연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계 이전에, 연료탱크에 연료를 충전한 횟수를 누적하여 측정하는 단계;를 더 포함하고, 측정한 누적 충전 횟수가 기설정된 횟수 미만인 경우, 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출할 수 있다.
연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계 이전에, 연료탱크에 충전한 연료의 양을 누적하여 측정하는 단계;를 더 포함하고, 측정한 누적 연료의 양이 기설정된 연료량 미만인 경우에 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출할 수 있다.
연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계에서는, 연료탱크 내부에는 수소 및 질소가 포함되고, 연료 충전시에는 연료탱크에 순수한 수소만이 유입되는 것으로 가정하여 수소 또는 질소의 농도를 산출할 수 있다.
연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계에서는, 연료 충전 이전의 수소 농도, 연료 충전 이전의 충전비율 및 연료 충전 이후의 충전비율을 이용하여 연료 충전 이후의 수소 농도를 산출할 수 있다.
애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 단계에서는, 애노드측의 질소량, 수소량 및 증기량을 합산한 전체 기체량 중 수소량의 비율을 추정할 수 있다.
애노드측의 전체 기체량은 애노드측 전체 기체의 압력, 부피 및 온도를 이용하여 추정할 수 있다.
애노드측의 질소량은 시간에 따라 적분한 질소의 크로스 오버량, 질소의 퍼지량 및 연료탱크에서 유입되는 질소량에 초기 질소량을 합산하여 추정할 수 있다.
시간에 따라 적분한 연료탱크에서 유입되는 질소량은 산출한 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 이용하여 추정할 수 있다.
애노드측의 증기량은 시간에 따라 적분한 증기의 크로스 오버량 및 증기의 퍼지량에 초기 증기량을 합산하여 추정할 수 있다.
애노드측의 수소량은 애노드측의 전체 기체량에서 질소량 및 증기량을 감산하여 추정할 수 있다.
수소 공급계를 제어하는 단계에서는, 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 애노드측의 기체 압력을 제어하거나, 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지를 제어할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 수소 농도 제어시스템은 연료전지로 공급하는 수소를 저장하는 연료탱크; 연료탱크의 수소를 연료전지로 공급하는 수소 공급계; 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하고, 산출한 기체의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 연료전지의 애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 기체 농도 추정기; 및 기체 농도 추정기에서 추정한 애노드측의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 애노드측의 수소 또는 질소 농도가 목표 수소 농도 또는 목표 질소 농도를 추종하도록 수소 공급계를 제어하는 제어기;를 포함할 수 있다.
수소 공급계는 연료전지를 통과한 수소를 다시 연료전지로 공급하는 재순환라인과 연료탱크의 수소를 연료전지로 공급하는 연료공급라인 사이에 마련된 연료이젝터 및 연료공급밸브를 포함하고, 제어기는 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 연료이젝터 및 연료공급밸브를 제어하여 애노드측의 기체 압력을 제어할 수 있다.
수소 공급계는 연료전지를 통과한 기체를 다시 연료전지로 공급하는 재순환라인에 마련되어 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브를 포함하고, 제어기는 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 퍼지밸브를 제어하여 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지를 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 수소 농도 제어방법에 따르면, 연료탱크 내부에 질소를 포함하는 연료전지의 초기 구동시 연료전지에 공급하는 수소의 농도를 정확하게 예측할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 불필요한 연료전지의 수소 퍼지를 예방하여 연비가 상승되고 배출가스 규제를 충족시키는데 유리한 효과를 갖는다.
또한, 연료전지가 저농도의 수소를 공급받아 운전하는 경우를 방지하여 연료전지의 열화가 가속되는 것을 방지하고, 이에 따라 연료전지의 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 제어방법의 순서도이다.
도 2는 연료탱크에 연료를 충전한 횟수에 따른 연료탱크 내부의 수소 농도를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 제어시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템을 적용한 경우의 연료탱크 충전 횟수에 따른 퍼지횟수를 도시한 것이다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 제어방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 제어방법은 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계(S200); 산출한 기체의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 연료전지의 애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 단계(S400); 및 추정한 애노드측의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 애노드측의 수소 또는 질소 농도가 목표 수소 농도 또는 목표 질소 농도를 추종하도록 수소 공급계를 제어하는 단계(S500);를 포함한다.
따라서, 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 고려함으로써 연료전지의 애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정 정확도를 향상시킬 수 있고, 이에 따라 퍼지 제어 또는 가압 제어를 통하여 연료전지의 애노드측 수소 농도를 적절하게 유지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 2는 연료탱크에 연료를 충전한 횟수에 따른 연료탱크 내부의 수소 농도를 도시한 그래프이다. 구체적으로, 경고등이 점등되는 연료탱크의 충전율이 24%인 경우에 연료탱크에 수소를 충전하고, 충전시 연료탱크의 충전율이 80%가 될 때까지 충전하는 것으로 가정한 것이다.
도 2를 더 참조하면, 제작시 연료탱크 내부에는 질소만이 충전되어 있는 상태로 납품 및 조립되고, 연료전지 차량이 출고될 때 수소가 충전될 수 있다. 연료탱크의 1회 수소 충전시에는 수소 농도 99.730%, 2회 수소 충전시에는 99.925%, 3회 수소 충전시에는 99.993%, 4회 충전시에는 99.993%로 측정된다. 즉, 충전 횟수를 거듭할수록 더 많은 수소와 혼합되어 수소 농도는 100%에 수렴한다.
이에 따라, 연료탱크에 수소 충전을 거듭하는 경우에는 수소탱크의 수소 농도를 100%로 가정할 수 있으나, 연료전지 구동 초기에는 질소가 다량 포함되어 있어 수소 농도를 100%로 가정할 수 없다. 즉, 연료탱크에 수소 충전을 거듭함에 따라 연료탱크의 수소 농도는 100%에 수렴하여 연료탱크의 수소 농도를 100%로 가정할 수 있지만, 연료전지 구동 초기에는 연료탱크 내부의 질소를 무시할 수 없다.
이를 판단하기 위하여, 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계(S200) 이전에, 연료탱크에 연료를 충전한 횟수를 누적하여 측정하는 단계(S100);를 더 포함하고, 측정한 누적 충전 횟수가 기설정된 횟수 미만인 경우, 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출할 수 있다. 측정한 누적 충전 횟수가 기설정된 횟수 이상인 경우에는 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 농도는 100%인 것으로 가정할 수 있다(S300).
즉, 도 2에 도시한 것과 같이 연료탱크의 연료 충전횟수가 5회 이상인 경우 연료탱크 내부의 수소 농도는 99.998%가 되므로 100%로 가정해도 연료전지 애노드측의 수소 농도를 추정하는데 오차가 거의 발생하지 않는다. 따라서, 기설정된 횟수를 5회로 설정하여, 5회 미만인 경우에만 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출할 수 있다.
또한 다른 실시예로, 연료탱크의 연료 충전시마다 충전하는 수소량이 상이할 수 있으므로, 이를 고려하여 더 정확하게는 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계(S200) 이전에, 연료탱크에 충전한 연료의 양을 누적하여 측정하는 단계(미도시);를 더 포함하고, 측정한 누적 연료의 양이 기설정된 연료량 미만인 경우에 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출할 수 있다.
연료탱크에 충전한 연료의 양을 누적하여 측정하는 단계(미도시)는 연료탱크에 연료 충전시 충전 이전 충전율과 충전 이후 충전율을 비교하여 충전된 수소량을 측정하고, 연료탱크에 충전한 연료의 양을 누적하여 측정할 수 있다. 측정한 누적 연료의 양이 기설정된 연료량 이상인 경우에는 연료탱크 내부에 저장된 기체를 100%의 수소로 가정하여도 오차가 거의 없기 때문이다.
이에 따라, 연료전지 초기 구동시 또는 연료탱크를 교체한 초기에만 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 농도를 산출하여 정밀한 연료전지의 수소 농도를 제어할 수 있고, 이후에는 오차가 거의 없으므로 불필요한 계산을 생략하고, 연료탱크 내부에 저장된 기체를 100%의 수소로 가정하여 계산 과정을 간단하게 할 수 있는 효과를 갖는다.
연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계(S200)에서는 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 농도 또는 질소 농도를 산출할 수 있다. 여기서 연료탱크 내부에는 수소와 질소만이 존재하는 것으로 가정할 수 있다.
여기서는 수소의 농도를 산출하고, 추정하여 수소 공급계를 제어하는 것을 위주로 기재하였으나, 반대로 질소의 농도를 산출하고 추정하여 수소 공급계를 제어하는 것도 동일하게 적용될 수 있다.
구체적으로, 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계에서는, 연료탱크 내부에는 수소 및 질소가 포함되고, 연료 충전시에는 연료탱크에 순수한 수소만이 유입되는 것으로 가정하여 수소 또는 질소의 농도를 산출할 수 있다. 즉, 연료탱크에 연료 충전시에는 100%의 순수 수소가 유입되는 것으로 가정하여 연료탱크 내부의 질소량에는 변화가 없고, 수소량만이 증가하는 원리를 이용할 수 있다.
연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계(S200)에서는, 연료 충전 이전의 수소 농도, 연료 충전 이전의 충전비율 및 연료 충전 이후의 충전비율을 이용하여 연료 충전 이후의 수소 농도를 산출할 수 있다. 특히, 아래의 수식을 이용하여 연료탱크 내부의 수소 농도를 산출할 수 있다.
Figure 112018025473509-pat00001
여기서,
Figure 112018025473509-pat00002
는 k회 연료 충전 이후의 수소 농도,
Figure 112018025473509-pat00003
는 (k-1)회 연료 충전 이후의 수소 농도,
Figure 112018025473509-pat00004
는 연료 충전(k번째) 이후의 충전비율,
Figure 112018025473509-pat00005
는 연료 충전(k번째) 이전의 충전비율이고, 충전 비율(SOF)은
Figure 112018025473509-pat00006
이다. k는 연료탱크의 누적된 충전 횟수이다. 구체적으로, 충전 비율(SOF)은 연료탱크에 저장할 수 있는 최대 기체량(mol) 대비 현재 연료탱크에 저장된 기체량(mol)의 비율이다.
상기 수식은 연료 충전시 순수 수소만 충전되기 때문에 연료탱크 내부의 기체중 질소량(mol)은 충전 이전과 이후에 동일하게 유지되는 원리를 이용한 것이다. 이러한 원리에 따라, 충전 이전과 이후 사이에 [충전비율(SOF) * 질소 농도]가 일정하다는 공식에 질소 농도는 (1 - 수소 농도)인 점을 이용하면 상기 수식을 유도할 수 있다.
따라서, 연료 충전 이후의 수소 농도는 연료 충전 이전의 수소 농도, 연료 충전 이전의 충전비율 및 연료 충전 이후의 충전비율을 이용하여 산출할 수 있다. 연료 충전 이전의 수소 농도는 연료 충전시마다 누적하여 계산하고 저장해놓은 값일 수 있다. 충전비율은 예를 들어 연료탱크의 압력을 측정하는 압력센서를 이용하여 연료탱크 내부의 충전 기체량을 산출하는 등의 방식으로, 충전 기체량과 최대 충전 기체량의 비를 충전비율로 산출할 수 있다.
여기서, 연료탱크 내부에는 수소와 질소가 동일한 농도로 충전되어 있는 것으로 가정하고, 연료탱크에서 연료전지 애노드 측으로 수소를 공급하는 경우에도 연료탱크 내부와 수소 농도 또는 질소 농도가 동일한 기체가 공급되는 것으로 가정한다.
애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 단계(S400)에서는, 애노드측의 질소량(
Figure 112018025473509-pat00007
), 수소량(
Figure 112018025473509-pat00008
) 및 증기량(
Figure 112018025473509-pat00009
)을 합산한 전체 기체량(
Figure 112018025473509-pat00010
) 중 수소량의 비율을 추정할 수 있다. 즉, 연료전지의 애노드측에는 질소, 수소, 증기만이 포함된 것으로 가정하고, 애노드측 전체에 동일한 농도로 질소, 수소 및 증기가 혼합된 것으로 가정한다.
구체적으로, 애노드측의 전체 기체량(
Figure 112018025473509-pat00011
)은 아래의 수식과 같이 애노드측 전체 기체의 압력(P), 부피(V) 및 온도(T)를 이용하여 추정할 수 있다.
Figure 112018025473509-pat00012
[mol]
여기서, R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K]이다.
애노드측의 질소량(
Figure 112018025473509-pat00013
)은 아래 수식과 같이 시간에 따라 적분한 질소의 크로스 오버량, 질소의 퍼지량 및 연료탱크에서 유입되는 질소량에 초기 질소량(
Figure 112018025473509-pat00014
)을 합산하여 추정할 수 있다.
Figure 112018025473509-pat00015
여기서, 질소의 크로스 오버 이동률(
Figure 112018025473509-pat00016
), 질소의 퍼지 이동률(
Figure 112018025473509-pat00017
) 및 연료탱크에서 유입되는 질소 이동률(
Figure 112018025473509-pat00018
)은 시간에 따른 물질 이동량이므로, 시간에 따른 적분을 통하여 총 질소의 이동량을 추정할 수 있고, 여기에 초기 질소량(
Figure 112018025473509-pat00019
)을 합산하여 애노드측의 질소량(
Figure 112018025473509-pat00020
)을 추정할 수 있다.
시간에 따라 적분한 질소의 퍼지량은 질소의 크로스 오버 이동률(
Figure 112018025473509-pat00021
)을 시간에 따라 적분하여 추정할 수 있다. 질소의 크로스 오버 이동률(
Figure 112018025473509-pat00022
)은 확산식을 기반으로 추정할 수 있다.
즉, 연료전지의 캐소드 측에서 막-전극 접합체(MEA)를 투과하여 애노드 측으로 크로스 오버된 질소량은 정해진 구간 동안 아래 기재된 수식에 의한 질소 크로스 오버 이동률을 시간에 따라 적분하여 추정할 수 있다. 일 실시예로 확산식은 아래의 수식을 이용할 수 있다.
Figure 112018025473509-pat00023
여기서, 수식에 사용된 기호는 아래와 같다.
Figure 112018025473509-pat00024
: 질소 크로스 오버 이동률, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 촉매 면적,
Figure 112018025473509-pat00025
: 확산 거리,
Figure 112018025473509-pat00026
: 연료전지의 캐소드측 질소분압,
Figure 112018025473509-pat00027
: 연료전지의 애노드측 질소분압
여기서, 확산계수(D)는 초기에 튜닝되는 파라미터일 수도 있고, 막-전극 접합체(MEA)의 열화 정도에 따라 가변되는 파라미터일 수 있다.
시간에 따라 적분한 질소의 퍼지량은 수소 공급계의 연료전지를 통과한 기체를 다시 연료전지로 공급하는 재순환라인에 마련되어 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브에 의해 외부로 배출되는 기체량을 통하여 산출할 수 있다.
즉, 질소의 퍼지 이동률(
Figure 112018025473509-pat00028
)은 퍼지밸브에 의해 연료전지의 애노드측에서 외부로 배출되는 기체 이동률을 산출하고, 배출되는 기체 중 질소 농도를 이용하여 질소의 퍼지 이동률(
Figure 112018025473509-pat00029
)을 산출할 수 있다. 외부로 배출되는 기체량은 외부의 기체압력과 연료전지 애노드측의 기체압력 사이의 차이 및 퍼지밸브의 개도 등을 이용하여 산출할 수 있고, 배출되는 기체 중 질소 농도는 추정한 애노드측의 질소 농도와 동일한 것으로 가정할 수 있다.
연료탱크에서 유입되는 질소 이동률(
Figure 112018025473509-pat00030
)은 산출한 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 이용하여 추정할 수 있다. 구체적으로, 아래의 수식과 같이 연료탱크에서 유입되는 질소 이동률(
Figure 112018025473509-pat00031
)은 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 농도(
Figure 112018025473509-pat00032
) 및 연료탱크에서 유입되는 수소 이동률(
Figure 112018025473509-pat00033
)로 표현할 수 있다.
Figure 112018025473509-pat00034
아래의 수식과 같이 연료전지 애노드측에서 소모하거나 외부로 유출되는 이동률을 계산하고 연료탱크에서 유입되는 수소 이동률(
Figure 112018025473509-pat00035
)은 연료전지 애노드측에서 소모하거나 외부로 유출되는 이동률과 동일한 것으로 가정할 수 있다.
Figure 112018025473509-pat00036
또한, 연료탱크에서 유입되는 수소 이동률(
Figure 112018025473509-pat00037
)은 연료탱크에서 애노드측으로 유입되는 전체 기체 이동률을 센서를 이용하여 측정하거나, 연료탱크에 저장된 기체량의 변화를 통하여 연료탱크에서 애노드측으로 유입되는 전체 기체 이동률을 간접적으로 측정할 수도 있다.
애노드측의 증기량(
Figure 112018025473509-pat00038
)은 아래 수식과 같이 시간에 따라 적분한 증기의 크로스 오버량 및 증기의 퍼지량에 초기 증기량을 합산하여 추정할 수 있다.
Figure 112018025473509-pat00039
증기의 크로스 오버량(
Figure 112018025473509-pat00040
)은 질소의 크로스 오버와 마찬가지로 연료전지의 캐소드측에서 애노드측으로 크로스 오버되는 것으로 가정할 수 있고, 아래의 수식을 이용하여 추정할 수 있다.
Figure 112018025473509-pat00041
여기서,
Figure 112018025473509-pat00042
: 증기 크로스오버 속도, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 촉매 면적,
Figure 112018025473509-pat00043
: 확산 거리,
Figure 112018025473509-pat00044
: 연료전지의 캐소드측 증기분압,
Figure 112018025473509-pat00045
: 연료전지의 애노드측 증기분압
증기의 퍼지량(
Figure 112018025473509-pat00046
)은 수소 공급계의 연료전지를 통과한 기체를 다시 연료전지로 공급하는 재순환라인에 마련되어 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브에 의해 외부로 배출되는 기체량을 통하여 산출할 수 있다.
즉, 퍼지밸브에 의해 연료전지의 애노드측에서 외부로 배출되는 기체량을 산출하고, 배출되는 기체 중 증기 농도(증기 몰분율)를 이용하여 증기의 퍼지량(
Figure 112018025473509-pat00047
)을 산출할 수 있다.
연료전지의 캐소드측 증기분압(
Figure 112018025473509-pat00048
), 연료전지의 애노드측 증기분압(
Figure 112018025473509-pat00049
) 및 연료전지의 애노드측 증기 몰분율 등은 연료전지 내부의 온도 및 압력 등에 의해 가변되는 값일 수 있고, 간단하게 포화상태인 것으로 판단하여 포화 수증기압을 이용할 수도 있으나, 더 정확하게는 연료전지 내부의 온도 및 압력에 따른 증기분압 또는 증기 몰분율의 실험 데이터로 기매핑된 맵을 이용하여 상태에 따른 증기분압 또는 증기 몰분율을 산출할 수 있다.
또한, 초기 질소량(
Figure 112018025473509-pat00050
) 또는 초기 증기량(
Figure 112018025473509-pat00051
)은 연료전지의 재시동시 상태정보(압력, 온도 등) 및 정지 시간을 이용하여 기매핑된 맵을 이용하여 산출할 수 있다.
애노드측의 수소량(
Figure 112018025473509-pat00052
)은 애노드측의 전체 기체량(
Figure 112018025473509-pat00053
)에서 질소량(
Figure 112018025473509-pat00054
) 및 증기량(
Figure 112018025473509-pat00055
)을 감산하여 추정할 수 있다. 애노드측의 수소량(
Figure 112018025473509-pat00056
) 또한 상기 질소량(
Figure 112018025473509-pat00057
) 또는 증기량(
Figure 112018025473509-pat00058
)과 같이 초기값과 크로스오버량, 연료탱크로부터 공급되는 수소량, 퍼지량 등을 통하여 추정하는 방법도 가능하지만, 애노드측의 전체 기체량(
Figure 112018025473509-pat00059
)에서 각각 추정한 질소량(
Figure 112018025473509-pat00060
) 및 증기량(
Figure 112018025473509-pat00061
)을 감산하는 방법으로 추정할 수 있다.
이에 따라, 계산 과정도 간략화되는 장점도 있고, 특히 질소량(
Figure 112018025473509-pat00062
) 및 증기량(
Figure 112018025473509-pat00063
)의 추정에 따라 발생한 오차를 상쇄시키고, 이에 따라 안정적이고 강건한 수소 공급계 제어가 가능한 효과를 갖는다.
수소 공급계를 제어하는 단계(S500)에서는, 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 애노드측의 기체 압력을 제어하거나, 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 제어시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 제어시스템은 연료전지(10)로 공급하는 수소를 저장하는 연료탱크(30); 연료탱크(30)의 수소를 연료전지(10)로 공급하는 수소 공급계(20); 연료탱크(30) 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하고, 산출한 기체의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 연료전지(10)의 애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 기체 농도 추정기(40); 및 기체 농도 추정기(40)에서 추정한 애노드측의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 애노드측의 수소 또는 질소 농도가 목표 수소 농도 또는 목표 질소 농도를 추종하도록 수소 공급계(20)를 제어하는 제어기(50);를 포함할 수 있다.
수소 공급계(20)는 연료전지(10)를 통과한 수소를 다시 연료전지(10)로 공급하는 재순환라인을 포함하고, 재순환라인의 기체에 연료탱크(30)의 수소를 더하여 연료전지(10)로 공급하는 연료공급라인을 포함할 수 있다.
연료전지(10)를 통과한 수소를 다시 연료전지(10)로 공급하는 재순환라인과 연료탱크(30)의 수소를 연료전지(10)로 공급하는 연료공급라인 사이에 마련된 연료이젝터 및 연료공급밸브(22)를 포함하고, 제어기(50)는 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 연료이젝터 및 연료공급밸브(22)를 제어하여 애노드측의 기체 압력을 제어할 수 있다.
또는, 수소 공급계(20)는 연료전지(10)를 통과한 기체를 다시 연료전지(10)로 공급하는 재순환라인에 마련되어 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브(21)를 포함하고, 제어기(50)는 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 퍼지밸브(21)를 제어하여 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지를 제어할 수 있다.
기체 농도 추정기(40)는 상기 설명한 것과 같이, 연료탱크(30) 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출할 수 있고, 산출한 연료탱크(30) 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 연료전지(10)의 애노드측 수소 농도 또는 질소 농도를 추정할 수 있다.
제어기(50)는 연료전지(10)의 출력전류별 최적 수소 농도를 기매핑하여 저장할 수 있고, 연료전지(10)의 애노드측 수소 농도를 저장된 연료전지(10)의 출력전류별 최적 수소 농도로 제어할 수 있다. 연료전지(10)의 애노드측 수소 농도가 높으면 크로스 오버되는 수소가 증가하여 연비가 악화되는 문제가 발생하고, 연료전지(10)의 애노드측 수소 농도가 낮으면 반응면에서 수소가 부족하여 연료전지(10) 스택의 수명이 단축되는 문제를 갖는다. 최적 수소 농도는 이러한 상황을 모두 고려한 것으로, 최적농도의 상한 및 하한이 각각 기매핑되어 그 사이의 영역 이내로 연료전지(10)의 애노드측 수소 농도가 제어될 수 있다.
제어기(50)는 기체 농도 추정기(40)에서 추정한 연료전지(10)의 애노드측 수소 농도가 목표 수소 농도 목표 질소 농도를 추종하도록 피드백 제어를 통한 폐루프 제어를 이용할 수 있다. 이에 따라, 기체 농도 추정기(40)가 추정한 수소 농도가 정확하다면 외란 등에도 강건하게 수소 농도 퍼지가 가능한 효과를 갖는다.
일반적으로, 애노드측 수소 농도는 연료전지(10)의 운전 중 연료전지(10)로 공급하는 재순환라인에 마련되어 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브(21)를 제어하는 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 연료전지(10)의 운전 중 기체 농도 추정기(40)에서 추정한 연료전지(10)의 애노드측 수소 농도가 최적 수소 농도의 하한선과 만나면 퍼지밸브(21)를 개방하고, 다시 연료전지(10)의 애노드측 수소 농도가 최적 수소 농도의 상한선과 만나면 퍼지밸브(21)를 폐쇄하는 방법을 이용할 수 있다.
이에 따라, 퍼지밸브(21)를 개방 및 폐쇄하는 제어를 통해 즉각적으로 연료전지(10)의 애노드측 수소 농도를 제어할 수 있는 효과를 갖는다
추가로, 제어기(50)는 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 연료전지(10)를 통과한 수소를 다시 연료전지(10)로 공급하는 재순환라인과 연료탱크(30)의 수소를 연료전지(10)로 공급하는 연료공급라인 사이에 마련된 연료이젝터 및 연료공급밸브(22)를 제어할 수 있다.
연료전지(10) 시스템의 종료 후 재시동시 또는 주행 중 연료전지(10)의 발전 정지(FC Stop) 후 재구동시 등에는 연료전지(10) 애노드측의 수소 농도가 급격하게 낮아진 상태일 수 있으므로, 연료전지(10) 애노드측의 기체 압력을 상승시키는 제어를 통하여 연료전지(10) 애노드측의 수소 농도를 급격하게 상승시킬 수 있다. 즉, 연료이젝터 및 연료공급밸브(22)를 제어하여 연료전지(10)로 공급하는 연료탱크(30)의 수소량을 증가시켜 연료전지(10) 애노드측의 기체 압력을 상승시킬 수 있다.
또한, 이외의 다른 방법을 통하여서도 애노드측의 수소 농도를 가변시키도록 수소 공급계(20)를 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템을 적용한 경우의 연료탱크 충전 횟수에 따른 퍼지횟수를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명을 적용하는 경우 연료탱크의 충전 횟수가 5회 이상인 경우에는 약 31회의 퍼지횟수가 누적되는 것을 알 수 있고, 연료탱크의 충전 횟수가 5회 미만인 경우에는 약 42회의 퍼지횟수로부터 충전 횟수가 증가함에 따라 약 31회의 퍼지횟수로 수렴하는 것을 알 수 있다.
즉, 연료탱크의 수소 농도가 높아질수록 퍼지횟수의 누적값이 점점 감소하는 경향을 확인할 수 있고, 이러한 경향은 경험적인 지식과 일치하는 점에서 적절한 퍼지 제어가 수행되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 불필요한 연료전지의 수소 퍼지를 예방하여 연비가 상승되고 배출가스 규제를 충족시키는데 유리한 효과를 갖는 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 : 연료전지 20 : 수소 공급계
30 : 연료탱크 40 : 기체 농도 추정기
50 : 제어기
21 : 퍼지밸브 22 : 연료이젝터 및 연료공급밸브

Claims (15)

  1. 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계;
    산출한 기체의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 연료전지의 애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 단계; 및
    추정한 애노드측의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 애노드측의 수소 또는 질소 농도가 목표 수소 농도 또는 목표 질소 농도를 추종하도록 수소 공급계를 제어하는 단계;를 포함하며,
    연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계 이전에, 연료탱크에 연료를 충전한 횟수를 누적하여 측정하거나 연료탱크에 충전한 연료의 양을 누적하여 측정하는 단계;를 더 포함하고,
    측정한 누적 충전 횟수가 기설정된 횟수 미만이거나 측정한 누적 연료의 양이 기설정된 연료량 미만인 경우 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계에서는, 연료탱크 내부에는 수소 및 질소가 포함되고, 연료 충전시에는 연료탱크에 순수한 수소만이 유입되는 것으로 가정하여 수소 또는 질소의 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 단계에서는, 연료 충전 이전의 수소 농도, 연료 충전 이전의 충전비율 및 연료 충전 이후의 충전비율을 이용하여 연료 충전 이후의 수소 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 단계에서는, 애노드측의 질소량, 수소량 및 증기량을 합산한 전체 기체량 중 수소량의 비율을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    애노드측의 전체 기체량은 애노드측 전체 기체의 압력, 부피 및 온도를 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    애노드측의 질소량은 시간에 따라 적분한 질소의 크로스 오버량, 질소의 퍼지량 및 연료탱크에서 유입되는 질소량에 연료전지 구동 초기 질소량을 합산하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    시간에 따라 적분한 연료탱크에서 유입되는 질소량은 산출한 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    애노드측의 증기량은 시간에 따라 적분한 증기의 크로스 오버량 및 증기의 퍼지량에 연료전지 구동 초기 증기량을 합산하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    애노드측의 수소량은 애노드측의 전체 기체량에서 질소량 및 증기량을 감산하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    수소 공급계를 제어하는 단계에서는, 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 애노드측의 기체 압력을 제어하거나, 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어방법.
  13. 연료전지로 공급하는 수소를 저장하는 연료탱크;
    연료탱크의 수소를 연료전지로 공급하는 수소 공급계;
    연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하고, 산출한 기체의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 연료전지의 애노드측 수소 또는 질소 농도를 추정하는 기체 농도 추정기; 및
    기체 농도 추정기에서 추정한 애노드측의 수소 또는 질소 농도를 기반으로 애노드측의 수소 또는 질소 농도가 목표 수소 농도 또는 목표 질소 농도를 추종하도록 수소 공급계를 제어하는 제어기;를 포함하며,
    기체 농도 추정기는 연료탱크에 연료를 충전한 횟수 또는 연료탱크에 충전한 연료의 양이 기설정된 횟수 미만이거나 양이 기설정된 연료량 미만인 경우 연료탱크 내부에 저장된 기체의 수소 또는 질소 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    수소 공급계는 연료전지를 통과한 수소를 다시 연료전지로 공급하는 재순환라인과 연료탱크의 수소를 연료전지로 공급하는 연료공급라인 사이에 마련된 연료이젝터 및 연료공급밸브를 포함하고,
    제어기는 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 연료이젝터 및 연료공급밸브를 제어하여 애노드측의 기체 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    수소 공급계는 연료전지를 통과한 기체를 다시 연료전지로 공급하는 재순환라인에 마련되어 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브를 포함하고,
    제어기는 애노드측의 수소 농도를 가변하기 위하여 퍼지밸브를 제어하여 애노드측의 기체를 외부로 배출하는 퍼지를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 제어시스템.
KR1020180029616A 2018-03-14 2018-03-14 연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템 KR102554935B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180029616A KR102554935B1 (ko) 2018-03-14 2018-03-14 연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템
US16/055,454 US10879547B2 (en) 2018-03-14 2018-08-06 Control method and control system of hydrogen concentration for fuel cell
CN201811002831.7A CN110277577B (zh) 2018-03-14 2018-08-30 燃料电池的氢气浓度的控制方法和控制系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180029616A KR102554935B1 (ko) 2018-03-14 2018-03-14 연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190108293A KR20190108293A (ko) 2019-09-24
KR102554935B1 true KR102554935B1 (ko) 2023-07-12

Family

ID=67906189

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180029616A KR102554935B1 (ko) 2018-03-14 2018-03-14 연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10879547B2 (ko)
KR (1) KR102554935B1 (ko)
CN (1) CN110277577B (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210008672A (ko) 2019-07-15 2021-01-25 현대자동차주식회사 연료전지의 퍼지량 추정시스템, 이를 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법
KR20210009222A (ko) 2019-07-16 2021-01-26 현대자동차주식회사 연료전지의 퍼지량 추정시스템, 이를 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법
DE102019126042A1 (de) * 2019-09-26 2021-04-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoff, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug
WO2021186879A1 (ja) * 2020-03-16 2021-09-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム
CN114839106A (zh) * 2021-02-02 2022-08-02 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池氢浓度的测量方法、系统、车辆以及介质
CN113555592B (zh) * 2021-09-23 2021-12-21 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池系统的氮气浓度自适应控制方法
CN115825360B (zh) * 2023-02-21 2023-05-12 北京重理能源科技有限公司 燃料电池汽车氢浓度传感器校准方法及系统

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3915681B2 (ja) 2002-12-03 2007-05-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4617675B2 (ja) * 2004-01-13 2011-01-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4710246B2 (ja) * 2004-05-14 2011-06-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2006134805A (ja) * 2004-11-09 2006-05-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2006221980A (ja) 2005-02-10 2006-08-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2006324058A (ja) 2005-05-17 2006-11-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム及び燃料電池システムのパージ制御方法
US8524404B2 (en) 2006-07-17 2013-09-03 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell anode stoichiometry control
US8855942B2 (en) * 2007-06-15 2014-10-07 GM Global Technology Operations LLC Anode bleed control strategy for improved water management and hydrogen utilization
JP2009059556A (ja) 2007-08-31 2009-03-19 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US8195407B2 (en) * 2009-10-09 2012-06-05 GM Global Technology Operations LLC Online method to estimate hydrogen concentration estimation in fuel cell systems at shutdown and startup
JP5502553B2 (ja) 2010-03-29 2014-05-28 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 燃料電池システム
KR101459815B1 (ko) * 2011-11-30 2014-11-12 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소농도 제어 장치 및 방법
KR101679970B1 (ko) * 2015-05-11 2016-11-25 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 퍼지밸브 제어 장치 및 그 방법
US9985303B2 (en) * 2015-09-23 2018-05-29 GM Global Technology Operations LLC Validation and correction of gen 2 anode H2 concentration estimation
KR101759141B1 (ko) * 2016-01-26 2017-07-18 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 장치 및 방법
KR101816391B1 (ko) * 2016-04-26 2018-01-08 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 시동방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20190288314A1 (en) 2019-09-19
CN110277577A (zh) 2019-09-24
CN110277577B (zh) 2024-04-09
US10879547B2 (en) 2020-12-29
KR20190108293A (ko) 2019-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102554935B1 (ko) 연료전지의 수소 농도 제어방법 및 제어시스템
KR102651959B1 (ko) 연료전지의 수소 공급 제어시스템 및 제어방법
KR102532330B1 (ko) 연료전지의 수소 농도 추정방법 및 시스템
US8563191B2 (en) Fuel cell system and gas leakage detection device
KR102452469B1 (ko) 연료전지의 수소퍼지 제어방법 및 시스템
JP5029069B2 (ja) アノード内不純物質の濃度分布推定装置及びそれを利用する燃料電池システム
EP2793304A1 (en) Method for estimating amount of liquid water inside fuel cell, method for estimating amount of liquid water discharged from fuel cell, device for estimating amount of liquid water inside fuel cell, and fuel cell system
JP4359856B2 (ja) 燃料電池システム及び移動体
CN102237536B (zh) 控制燃料电池系统中的燃料输送喷射器的适应性方法
CN113130942B (zh) 一种燃料电池氢气循环系统和燃料电池车辆
KR20210053088A (ko) 연료전지의 열화 추정 시스템과 이를 포함한 연료전지의 수소 공급 시스템 및 방법
JP2020077457A (ja) 燃料電池システム
KR20210009222A (ko) 연료전지의 퍼지량 추정시스템, 이를 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법
US20080152962A1 (en) Controlling oxidant flow to a reactor of a fuel cell system
JP2011210392A (ja) 燃料電池システム
JP5376390B2 (ja) 燃料電池システム
KR20210071677A (ko) 연료전지의 수소 공급 제어시스템 및 제어방법
KR20200071255A (ko) 연료전지 시스템의 수소 공급 제어 방법
KR102518714B1 (ko) 연료전지 시스템의 수소 분압 제어방법
JP2012004032A (ja) 燃料電池システム
JP5321946B2 (ja) 燃料電池システム、循環流量の推定方法及びこれを用いた運転方法
KR20210041971A (ko) 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법
CN112363064A (zh) 一种燃料电池电堆阴极边界条件测试方法
US8642223B2 (en) Control strategy to prevent unexpected hydrogen flow to the cathode due to a failed pressure sensor while catalytic heating
JP7208120B2 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant