KR102586457B1 - 연료전지 시스템의 공기 배기계 결빙 방지를 위한 제어 방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 공기 배기계 결빙 방지를 위한 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 결빙 가능성이 높은 차량 상태를 특정하고, 차량 상태 별로 다른 기준에 따라 연료전지 시스템을 제어함으로써 보다 효과적으로 공기 배기계 결빙을 방지할 수 있는 제어 방법을 제공하는 것에 목적이 있다. 이를 위해 본 발명에서는 냉각수 온도 및 외기온에 따른 공기 과급 제어, 차량 경사도에 따른 가중치를 적용한 공기 과급 제어, COD 히터를 이용한 강제 승온 로직을 실시하는 것에 특징이 있다.

Description

연료전지 시스템의 공기 배기계 결빙 방지를 위한 제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING FUEL CELL SYSTEM TO PREVENT FREEZING OF AIR EXHAUST SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템의 공기 배기계 결빙 방지를 위하여 연료전지 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량은 수소와 산소를 연료전지 스택 안에서 반응시켜 전기를 발생시켜 전기 모터로 차량을 구동하는 친환경 차량이다. 수소와 산소의 반응으로 공기극에서 생성된 물의 대부분은 공기 배기계를 통해 액적 또는 수증기 형태로 차량 하부 중앙의 드레인 호스와 차량 후방의 머플러쪽으로 배출이 된다. 머플러 쪽으로의 물 배출을 최소화 하기 위해 공기 배기계 중간의 소음기는 물과 공기를 분리해 주는 구조로 되어있으며, 대부분의 생성수는 소음기 하단에 부착된 드레인 호스로 액적 형태로 배출이 된다. 한편, 연료전지 차량의 운행 중, 공기 배기계 결빙이 발생할 경우 차량이 셧다운될 우려가 있다.
한국 공개 특허 제2015-0072685호 (2015. 06. 30.)
차량 시동 후, 차량을 장시간 아이들로 유지시킬 경우, 배출된 생성수가 드레인 호스를 결빙시킬 수 있다. 또한, 배출되지 못한 생성수가 배관 내 누적되고 다시 결빙이 될 경우, 공기 공급이 원활히 이루어 질 수가 없으며, 심각한 경우 차량 셧다운이 될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 추가적인 하드웨어를 부가하지 않고, 연료전지 시스템 내의 구성품들을 제어함으로써 공기 배기계의 결빙을 방지할 수 있는 제어 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
또한, 본 발명에서는 결빙 가능성이 높은 차량 상태를 특정하고, 차량 상태 별로 다른 기준에 따라 연료전지 시스템을 제어함으로써 보다 효과적으로 배기계 결빙을 방지할 수 있는 제어 방법을 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명에서는 차량이 완전히 셧다운 되기 이전에 공기 배기계의 결빙 여부를 판단하고, 연료전지 스택의 비가역적인 손상을 방지할 수 있도록 연료전지 시스템을 미리 셧다운시킬 수 있는 제어 방법을 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 차량 키 온 상태에서, 외기온이 미리 설정된 기준 온도 보다 낮고, 스택 냉각수 온도가 미리 설정된 공기 과급 온도 범위에 속하는 경우, 공급되는 공기 유량을 증대시키는 공기 과급 제어를 실시하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 차량의 경사도를 확인하고, 상기 공기 과급 제어 시, 차량의 경사도가 미리 설정된 경사도 임계값(S1) 보다 큰 경우, 차량 경사도에 따른 가중치(α)를 적용하여 공기 과급량을 결정하는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 공조 소모 파워가 미리 설정된 기준값(P1) 보다 작고, 외기온이 미리 설정된 제1 온도(T1) 보다 낮으며, 스택 냉각수 온도가 미리 설정된 제2 온도(T2) 보다 낮은 상태를 미리 설정된 제1 시간(t1) 이상 유지하는 경우, COD 히터를 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 외기온이 미리 설정된 제5 온도(T5) 보다 낮은 상태에서, 공기 유량 이상 또는 공기압력제어밸브의 개도 이상이 발생하고, 스택의 역전압 상태가 미리 설정된 제3 시간(t3) 이상 지속되는 경우, 스택 손상을 방지하기 위해 연료전지 시스템을 셧다운시키는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 공기 배기계 및 드레인 호스 등에 히터와 같은 추가의 하드웨어 장치를 추가하지 않고, 단지 연료전지 시스템 내부 구성들을 제어함으로써 동절기 공기 배기계 결빙 문제를 근본적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 외기온, 스택 출구 냉각수 온도, 경사로 등 차량 주변 상황 판단을 통해 공기 과급만을 통해 ‘불필요한 연료 소모 없이’ 공기 배기계가 결빙되지 않도록 하여 차량 셧다운 등의 문제를 방지할 수 있다.
또한, 공기 과급 만으로 결빙 방지 제어가 불가능한 경우라 하더라도, COD 히터 및 바이패스 밸브 등의 부품을 제어하여 스택 냉각수를 강제 승온시켜 줌으로써 동절기 어떤 운전 조건에서도 안정적인 연료전지 시스템 운전이 가능한 장점이 있다.
만일, 공기 배기계가 결빙되더라도 결빙 여부 및 역전압 발생으로 인한 스택의 2차 손상 가능성 등을 정확히 진단하고, 연료전지 시스템의 셧다운과 같은 방식으로 선제 대응을 실시함으로써, 스택이 장시간 역전압에 노출됨에 따라 비가역적인 스택의 2차 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 일반적인 구성을 도시한 것이고,
도 2는 연료전지 시스템의 공기 배기계를 도시한 것이고,
도 3은 공기 배기계에 설치되는 소음기의 단면을 도시한 것이고,
도 4는 차량 경사도에 따른 공기 배기계의 결빙이 영향을 받게 되는 것을 도시한 것이고,
도 5는 연료전지 시스템의 열 관리 시스템을 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템의 공기 배기계 결빙 방지를 위한 제어 방법을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템의 공기 배기계 결빙 방지를 위한 제어 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 연료전지 시스템의 일반적인 구성을 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 연료전지 시스템 중 연료전지 시스템의 공기 배기계를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택의 연료극과 공기극에는 각각 수소 공급계와 공기 공급계가 연결되고, 공기 및 수소는 배기계를 통해 외부로 배출된다.
즉, 공기 공급 장치로, 공기 블로워(101) 및 공기 입구 차단 밸브(102)가 연료전지 스택의 공기극(121) 전단에 설치되고, 공기 배기를 위해, 공기극(121) 후단에는 공기 출구 차단 밸브(103), 공기 압력 제어 밸브(104)가 순차적으로 설치된다.
또한, 수소가 저장된 수소 저장 시스템(105)에 연결된 수소 공급 장치로, 수소 공급 밸브(106) 및 이젝터(107)가 설치되고, 이젝터(107)를 통해 연료극으로 분사된 연료를 재순환시키기 위한 재순환 라인이 연료극 후단에 형성된다.
이러한 재순환 라인 상에는 도 1에서와 같이 응축수 포집을 위한 응축수 리저버(108)가 설치되고, 응축수 리저버 내에 일정 수위 이상의 응축수가 포집된 경우, 이를 배출하기 위한 드레인 밸브(110)가 설치된다. 또한, 재순환 라인 상에는 수소 퍼징을 위한 퍼지 밸브(109)가 설치되고, 이러한 퍼지 밸브(109)를 개방시킴에 따라 연료극 내 가스를 배기시킬 수 있도록 구성된다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템 중 연료전지 시스템의 공기 배기계만을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 공기 배기계의 전단에는 공기압력제어밸브(210)가 설치되고, 이 공기압력제어밸브 후단에는 배기 소음을 줄여주기 위한 소음기(220)가 설치된다. 소음기 후단의 배기계 단부에는 머플러(230)가 형성되며, 이 머플러를 통해 물이 배출된다. 이러한 머플러(230)는 일반적으로 소음기로부터 연장되는 배관이 T자 형상으로 분기되는 구조를 가질 수 있으며, 이 분기 구조는 도 2에서와 같이 고저차를 가지도록 형성된다.
공기 배기계의 소음기는 배기 소음을 줄여주는 역할 이외에 배출수 중 큰 액적 상태의 물은 아래로 흐르고 미립자 상태의 물은 에칭망을 통과하여 후단의 머플러로 통해 외부로 배출하도록 구성된다.
이와 관련, 도 3에서는 공기 배기계에 설치되는 소음기(220)의 단면을 도시하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 소음기(220) 내부에는 에칭망(221)이 형성되어 있으며, 이 에칭망 아래 바닥쪽으로는 유로가 형성되며, 이 유로 하단에는 드레인 홀(221)이 형성되고 이 드레인 홀(221)에는 드레인 호스가 연결된다.
실제 배출수의 80~90%는 드레인 호스를 통해서 차량 하부로 배출되는데, 드레인 호스가 결빙이 될 경우, 배기계 끝단부 고저차에 의해 배출수는 머플러쪽으로 쉽게 배출되지 못하고 배관 안에 누적된다. 이렇게 누적된 배출수는 동절기 결빙되어 공기 배기계를 막아 원활한 공기 공급이 이루어지지 못하게 한다.
연료전지 스택의 내구와 연비 향상을 위해 정차 상태 등 큰 부하가 필요하지 않은 경우에는 고전압 배터리만으로 시스템에 필요한 전력을 공급한다. (FC Stop)
반면, 배터리가 고전압 배터리의 SOC(State Of Charge)가 일정 수준 이하가 될 경우, 연료전지 스택을 다시 구동하게 된다 (FC Start). 따라서, 차량 주행 중에는 이러한 FC(Fuel Cell) 스탑과 FC 스타트 과정을 반복하게 된다.
는 FC 스타트/FC 스탑 기술이 적용되어 있다. 이 때, 공조히터 최대 동작 등 차량 부하가 큰 경우에는 FC 스타트와 FC 스탑을 반복하는 주기가 짧고, (약 10분 이내로, 고전압 배터리가 자주 충방전됨), 공조 시스템 오프 등으로 인해 무부하 상태인 경우, 그 주기가 5배 이상 길게 된다. (최대 약 45분)
한편, FC 스탑 상태가 아닌 경우, 스택에는 발전을 위해 일정량의 공기 공급이 필요하며, 기본적으로 스택의 소모 전류에 따라 공기량이 결정되도록 되어 있다. 하지만 저전류(예를 들어, 20A 미만)에서는 너무 적은 양의 공기가 유입됨에 따라 생성수를 배출할 수 없게 된다. 이에, 생성수가 배출될 수 있는 하한의 개념으로, ‘최소공기 유량’이 적용되고 있으며, 예를 들어, 스택 내 440셀을 기준으로, 최소공기 유량이 320LPM 정도가 되도록 설정하고 있다. 이는 스택 온도와 무관하게 대략 최소 20A 정도의 전류를 스택에서 출력할 수 있도록 설정된 유량이다.
따라서, 연료전지 시스템은 아이들 상태이더라도, FC 스탑 상태가 아니라면 최소공기 유량에 따른 공기가 공급되도록 공기 블로워를 동작시킨다.
한편, 공기 배관의 결빙이 발생하지 않기 위해서는 소음기의 드레인 호스 결빙을 막는 것이 중요하다. 즉, 머플러 측의 고저차를 극복하고 물이 외부로 배출되기 위해서는 공기 블로워가 일정 이상 RPM으로 구동되어야 한다.
1. 냉각수 온도 및 외기온에 따른 공기 과급 제어
본 발명의 바람직한 구현예에서는 차량의 키 온(Key On) 상태에서, 냉각수 온도 및 외기온에 따라 공기를 과급하는 제어 로직을 포함하는 것에 특징이 있다.
냉각수 온도 및 외기온에 따라 공기를 과급하는 것은 최소 공기 유량을 증대하는 것을 의미하고, 이와 같이 일정한 조건 하에서, 최소 공기 유량을 증대시킴으로써 배기계 결빙을 방지할 수 있다. 이와 관련, 냉각수 온도는 스택 온도를 반영하는 파라미터로, 바람직하게는 스택 출구 냉각수 온도가 이용될 수 있다.
일반적으로 차량 주행시 스택 냉각수 온도는 55~75℃ 범위이며, 배기계로 배출되는 공기 및 생성수의 온도도 이와 유사하다. 이와 같은 온도 범위에서는 외기온이 -30℃ 정도인 극저온 상태에서도 공기 배기계 내부의 결빙이 발생하지 않는다.
하지만, 냉시동 후 또는 차량을 장시간 아이들로 방치해 두었을때는 스택 온도가 30~40℃ 이하로 유지되며, 아이들 상태의 저출력 운전으로 인해 배출되는 공기 및 생성수의 양도 적다. 이런 상황에서, 배출수는 주변이 차가운 배기계를 통해 나오면서 점차 식어 결국 드레인호스 끝단에서 결빙될 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 구현예에서는, 스택 냉각수 온도가 일정시간 낮게 유지될 경우, 공기 배기계의 결빙을 방지하기 위해, 미리 설정된 최소 공기 유량 보다 더 많은 량의 공기를 공급하는 공기 과급 제어를 실시하는 것에 특징이 있다. 즉, 본 제어에서는 일반적인 환경에서 설정된 공기 유량에 비하여 과잉의 공기가 공급되도록 하는 것이며, 바람직하게는 외기온 및 냉각수 온도에 따라 과급량이 결정되도록 제어하게 된다. 이와 같은 공기 과급 제어를 통해, 상대적으로 고온의 배출수를 보다 많이 배출해 줄 수 있어, 공기 배기계 내의 결빙을 방지할 수 있다.
또한, 공기 과급 제어를 수행함으로써, 공기 블로워가 더 빠른 회전수로 회전하게 됨에 따라 더 많은 전류를 소모하게 되고, 이 때의 전류는 스택에서 나오게 된다. 즉, 공기 과급 제어를 실시할 경우, 스택의 출력 전류가 상승하게 됨에 따라 스택 운전 온도도 자연스럽게 상승시킬 수 있으며, 이러한 스택 운전 온도의 상승은 배기계 결빙 방지에 효과적으로 기여할 수 있다.
이러한 공기 과급 제어의 제어 진입 조건으로는, 스택 온도를 반영하는 스택 출구 냉각수 온도 및 외기온에 대한 조건을 고려할 수 있다.
이러한 공기 과급의 정도는 외기온에 따라 달라지는데, 0℃ 이상에서는 과급이 필요가 없으며 -30℃ 갈수록 더 많은 과급을 통해 공기 배관이 결빙되지 않도록 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 공기 과급 제어는 외기온이 0℃ 이하인 경우에만 실시되고, 공기 과급량을 외기온이 낮아짐에 따라 증가하도록 설정할 수 있다. 이와 관련, 공기 과급량은 외기온이 낮아짐에 따라 선형적으로 증가하도록 설정할 수 있다.
한편, 스택 온도가 20℃ 이하의 과냉 상태일때는 이러한 공기 과급으로 인해 '차가운' 배출수가 더 많이 배출됨에 따라 드레인 호스가 더 빨리 결빙되는 역효과가 나타날 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 공기 과급을 위한 스택 냉각수 온도 범위를 지정하고, 현재 스택 냉각수 온도가 공기 과급 온도 범위 내에 있는 경우에만 공기 과급 제어를 실시하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 공기 과급 온도 범위는 하한과 상한을 갖는 온도 범위일 수 있으며, 바람직하게는 20℃ 내지 55℃ 일 수 있다. 이와 관련, 스택 냉각수 온도는 스택 출구 냉각수 온도일 수 있다.
또한, 이러한 최소 공기 유량에 대한 정보는 외기온과 냉각수 온도에 따라 공기 유량이 특정된 맵 데이터 형태로 제어기 내에 저장될 수 있다. 예를 들어, 상기 맵 데이터는 외기온과 냉각수 온도 정보에 따른 공기 유량 정보를 포함하고 있는 3D 데이터일 수 있다.
2. 차량 경사도에 따른 '추가' 공기 과급
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 차량 경사도에 따라 공기 과급량을 달리 제어하도록 구성된다. 차량이 노우즈 업(Nose-up) 방향의 등판로 상에 주정차되어 있을 경우, 배출수가 배관 내 누적되기 더 쉬운 상황이다.
이와 관련, 도 4는 차량 경사도에 따른 공기 배기계의 결빙이 영향을 받게 되는 것을 도시한 것이다. 도 4에서와 같이, 차량이 10% 정도 되는 노우즈 업 방향의 경사로, 즉 등판로 상에 위치하는 경우, 공기 배기계 또한 차량 경사도에 따라 10% 정도의 경사도를 가지게 된다. 이 때, 드레인 호스 측에서 1차적으로 결빙이 발생한 후, 머플러 측에서 2차 결빙으로 인한 공기 배기계 막힘이 상대적으로 빨리 발생한다. 반면, 노우즈 다운 방향의 강판로 상에 차량이 위치할 경우, 물이 드레인 호스 측으로 흐르지 않고, 상대적으로 고온의 가습기 쪽으로 흐르게 되어 있어 결빙 문제는 발생하지 않는다. 따라서 본 구현예에서는, 차량 경사도 센서를 활용하여 차량이 일정 경사 S1(예를 들어, 경사도 10%) 이상일 경우에는 기존 공기 과급에 가중치 α를 주어 경사도에 따라 공기 과급량을 증가시켜 주도록 제어하게 된다.
이와 관련, 가중치(α)는 경사도에 따라 점진적으로 증가하도록 할 수도 있으나, 바람직하게는 경사도에 대한 임계값(S1) 이상일 경우, 일률적으로 적용할 수 있다.
3. 차량 부하에 따른 스택의 강제 승온 동작
외기온 및 스택 온도에 따른 선택적 공기 과급을 통해 공기 배기계 결빙을 어느 정도 방지할 수 있다. 다만, 운전자가 공조히터 오프 또는 약구동(공조 소모 파워 < P1) 등 차량 저부하 상태로 아이들 상태로 차량을 방치하는 경우, FC 스탑 시간이 상대적으로 길어지게 된다 (최대 40분). 이 경우, 스택의 온도를 상승시킬 만한 부하 소스가 없게 된다. 앞에서 서술한 바와 같이 이런 경우의 공기 과급은 오히려 드레인 호스 결빙이 더욱 빨리 진행되는 역효과를 불러올 수 있다.
물론 이러한 결빙 정도는 외기온도에 따라서 달라지게 된다. 외기온도가 일정 수준 T1(예. -15℃) 이하의 조건에서는 이러한 결빙 문제가 잘 발생하며, 스택 출구 냉각수온이 일정온도 T2(예. 43℃) 이하로 일정시간 t1(예. 1시간) 이상 유지시 결빙 가능성도 높다고 판단되어 강제 승온이 반드시 필요하다. 강제 승온은 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터라는 냉각수 내 고전압 히터를 사용하기 때문에 연비가 저하될 수 있어, 꼭 필요한 경우에 한해서만 사용하는 것이 바람직하다.
또한 스택의 장시간 저온 운전은 스택 내구 측면에서도 결코 좋지는 않아 차량 자체 부하만으로 스택을 발열할 수 없다고 판단될 경우 약간의 수소를 소모하더라도 빨리 승온을 해주는 것이 좋다. 따라서 차량 운전 조건(장시간 아이들 여부, 공조 히터 등 부하 사용 여부 등) 및 외기조건을 판단하여 필요시 강제 승온을 통해 배관 결빙 방지 전략이 필요하다.
이와 관련, 도 5는 연료전지 시스템의 열 관리 시스템을 도시한 것이다.
COD 히터를 포함하는 연료전지 시스템의 열 관리 시스템(TMS)을 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, COD 히터(550)는 열 관리 시스템의 냉각 라인에 설치되며, 바람직하게는 연료전지 스택(510)에 대한 바이패스 라인 상에 설치된다. 이러한 COD 히터(550)는 캐소드 측에 잔존하는 산소를 소진시키기 위한 히터로, 냉시동, 장강판 COD 회생제동 제어 및 셧다운 시 캐소드 산소 소진 등에 사용될 수 있다.
COD 히터(550) 및 스택(510) 후단에는 냉각수를 COD 히터(550) 측으로 바이패스시키기 위한 냉각수 바이패스 밸브(CBV, 560)이 설치된다. 이러한 냉각수 바이패스 밸브(560)는 스택(510) 또는 COD 히터(550) 측으로 유량을 결정할 수 있도록 구성된다. 또한, 스택(510)으로 냉각수를 펌핑하기 위한 냉각수 공급 펌프(520)가 열 관리 시스템 내에 설치된다.
냉각수 온도 제어 밸브(CTV, 530)는 4웨이 밸브라고도 하며, 스택 온도 제어를 위해 개도 제어를 수행하여 라디에이터(540)로 유입되는 냉각수량을 제어하도록 구성된다. 또한 냉각수 온도 제어 밸브(530)는 이온 필터(570) 및 공조 히터 코어(480)가 설치된 냉각수 라인 측에 연결될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 냉각수 공급 펌프(520), 냉각수 온도 제어 밸브(530) 및 냉각수 바이패스 밸브(560)을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.
각 구성의 기능을 살펴보면, 냉각수 공급 펌프(520)은 연료전지가 적절한 온도로 운전될 수 있도록 스택 냉각수를 순환시킨다.
또한, 냉각수 온도 제어밸브(530)은 4웨이 밸브로써, 개폐 각도 및 냉각수의 흐름을 조절하여 스택이 요구하는 냉각량에 따라 조절되며 스택이 소용량의 냉각 성능을 요하는 경우에는 냉각수가 라디에이터(540)를 거치지 않도록 않다. 반대로 고용량의 냉각 성능을 요하는 경우에는 냉각수가 라디에이터(540)를 거치도록 조절되어 스택이 최적의 운전 온도를 유지할 수 있도록 제어된다.
냉각수 바이패스 밸브(560)는 COD 히터로 흐르는 유량을 조절하여 겨울철 등 스택 냉각수 온도를 빠르게 상승시킬 필요가 있을 때 기능을 수행한다.
또한, COD 히터(550)는 필요 시 스택 냉각수 승온 및 차량 시동 오프 시 스택 전류를 소모하는 기능을 수행한다.
이와 같은 구성을 갖는 열 관리 시스템은 각 밸브들 및 펌프를 제어함으로써 각 냉각 라인에 흐르는 냉각수 유량을 효과적으로 조절할 수 있으며, 이를 통해 스택이 최적의 온도에서 운전이 되도록 제어한다.
특히, 이러한 열 관리 시스템의 COD 히터(550)는 본 발명에 따른 공기 배기계 결빙 방지 제어에 있어서, 스택의 냉각수 온도를 빠른 시간 내에 승온시켜 드레인 호스가 결빙되는 것을 방지하도록 구성된다.
이와 관련, 일반 운전 중 COD 히터를 동작시킬 때에는 스택과 COD 히터를 동시에 냉각해야 한다. 따라서, 강제 승온 로직 동작시 냉각수 공급 펌프(520)도 일정 속도 S2 (예. 5500 RPM)로 구동을 해야하며, 바람직하게는 냉각수 공급 펌프의 구동 속도 하한을 설정하고, 이 구동 속도 이상으로 냉각수 공급 펌프가 구동하도록 구성할 수도 있다. 또한, 바람직하게는 냉각수 공급 펌프의 최대 회전수로 구동하도록 설정할 수 있다.
또한, 제어기는 냉각수 바이패스 밸브 (CBV, Coolant Bypass Valve, 560)를 적정한 개도 A(예. 45도)로 조절해 줌으로써, 냉각수 유량을 적절히 분배하여 스택과 COD 히터(550) 모두 충분히 냉각되도록 제어해야 한다. 바람직하게, COD 히터를 통해 강제 승온 로직이 동작하는 경우, 냉각수 바이패스 밸브의 개도는 40도 내지 50도 범위로 설정되도록 함으로써, 스택과 COD 히터 모두로 냉각수 유량이 분배될 수 있도록 할 수 있다.
한편, 스택 냉각수 온도가 일정 수준 T3(예. 60℃, 단, T3>T2) 이상으로 일정 시간 t2(예. 2초)이상 유지시 강제 승온은 중단 한다. 이 경우, 냉각수 온도가 충분히 상승하여 공기 배기계 결빙 우려는 낮아진 상태이므로, 불필요한 전력 소모를 피하기 위해 COD 히터는 구동을 정지한다.
또한, 강제 승온 중 스택 또는 COD 히터의 과열 방지를 실시할 필요가 있는 경우, 즉시 강제 승온 로직을 중단하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 운전자가 아이들 상태에서 변속후 차량을 구동하여 스택 요구 전류가 일정 수준 C(예. 50A) 이상의 경우에는 스택 과열 우려가 있고, 강제 승온이 필요없는 상황이라 판단되어 강제 승온을 중단한다.
또한, COD 히터의 경우 내부 온도센서를 통해 과열 여부를 판단할 수 있으므로, COD 히터가 과열 상태인 경우, 즉시 강제 승온을 중단한다.
또한, 예상치 못한 스택의 과열이 발생한 경우에는 스택의 열화 방지 등을 위해 강제 승온을 즉시 중단하도록 구성한다. 예를 들어, 스택 출구 냉각수 온도가 일정 수준 T4(예. 80℃) 이상이거나 및 스택 셀전압 편차가 D(국부적 과열로 인한 성능 저하)이상일 경우, 스택 과열 상태로 보아, 강제 승온 로직을 중단한다.
4. 공기 배기계 결빙 시 2차 스택 손상 방지 제어
원활한 스택 반응과 내구를 위해서는 연료극 농도를 70% 이상으로 유지해야 하며, 이를 위해서는 고농도의 수소를 공급하고, 저농도의 내부 수소를 배출시키는 수소 퍼지 기능을 주기적으로 수행해야 한다. 이러한 기능의 퍼지밸브는 수소 농도 저감 목적으로 스택 매니폴더의 공기 출구부에 연결되어 수소를 배출하고 있다. 즉, 연료극과 공기극의 차압만큼 수소가 퍼지가 되는 원리이다.
그러나 공기 배기계가 점점 결빙되어 차압이 높아진 상태에서 퍼지를 해줄 경우 수소가 퍼지되지 않고, 오히려 공기가 스택 연료극으로 역류하는 현상이 발생할 수 있다. 물론 완전히 결빙되어 공기 배기계 내부 배관이 막히는 경우에는 공기 공급이 전혀 이루어지지 않아 차량이 즉시 셧다운된다.
이와 같이 공기 배기계 결빙으로 인해 공기가 스택 연료극 측으로 역류하는 경우 스택 연료극의 농도가 급격히 낮아지게 된다. 따라서, 연료극의 수소 부족으로 인해 스택에 역전압이 발생할 수 있으며, 역전압 상태가 오래 지속될 경우 스택에 비가역적인 손상을 유발하기도 한다. 이런 경우, 실제 1시간 이상 역전압이 발생할 수 있지만, 이를 회복하기 위해 추가 퍼지를 해주는 것은 상황을 더욱 악화시킬 뿐이다.
한편, 역전압이 발생하는 원인은 아주 다양하고 추가 퍼지/드레인 등에 의해 회복되는 경우도 많기 때문에 역전압이 발생했다고 무조건 차량을 셧다운 시킬 수는 없다.
따라서 공기 배기계의 결빙에 의한 역전압이라고 정확히 판단된다면 2차 스택 손상 방지를 위해, 즉시 시스템을 셧다운 시키는 페일 세이프 전략이 필요하다.
이를 위해, 본 발명의 또 다른 구현예에서는, 공기 배기계의 결빙을 판단하고, 이러한 공기 배기계의 결빙에 의한 역전압이라고 판단되는 경우에만 연료전지시스템을 셧다운 시키도록 구성된다.
이와 관련, 공기 배기계의 결빙으로 인한 역전압 발생을 판단하는 조건은 다음과 같다.
① 외기온도 T5 이하 (예. 0℃)
② 공기 유량 이상 발생 또는 공기압력제어밸브(Air Pressure Control Valve: APC) 개도 이상 발생
③ 역전압 발생후 t3(예. 10분) 시간 이상 지속
이와 관련, 조건 ①, ②는 결빙 발생 판정 조건이고, 조건 ③은 역전압 발생에 대한 판정 조건이다.
즉, 결빙의 조건으로 외기온이 결빙이 가능한 온도 이하이어야 하고 (조건 ①), 역전압으로 인한 스택 손상이 발생할 정도로 충분한 시간이 경과하였는지(조건 ③)을 판단한다. 이 때, 역전압 발생 여부는 스택 셀전압 중 최소값이 '0' 보다 작은지 여부에 따라 판정할 수 있다.
또한, 공기 배기계 내 배관이 결빙되기 시작하면 공기 유량이 부족해 지기도 하지만, 공기압력제어밸브 주변 배관 결빙으로 공기압력제어밸브 개도가 정상적으로 제어되지 않기도 한다. 따라서, 조건 ②에서와 같이, 공급되는 공기 유량 이상이 발생하거나, 또는 공기압력제어밸브의 개도 이상이 발생하는 경우를 공기 배기계 결빙에 대한 판정 조건으로 특정한다.
따라서, 이러한 조건 ① 내지 ③을 충족한 경우, 공기 배기계 결빙으로 인한 역전압 상태가 지속되고 있는 것으로 보아, 스택 손상을 방지하기 위해 연료전지 시스템을 셧다운시킨다.
도 6은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템의 공기 배기계 결빙 방지를 위한 제어 방법을 도시한 것이다.
도 6의 예는 앞서의 냉각수 온도 및 외기온에 따른 공기 과급 제어, 차량 경사도에 따른 가중치를 적용한 공기 과급 제어, COD 히터를 이용한 강제 승온 로직 및 역전압 발생 시 페일 세이프 제어가 통합된 예이다.
다만, 도 6의 예는 본 발명을 구현하기 위한 하나의 바람직한 예일 뿐이며, 본 발명은 냉각수 온도 및 외기온에 따른 공기 과급 제어를 기본으로 하여, 단독으로 또는 다른 제어들과의 통합되어 적용될 수 있다.
예를 들어, 차량 경사도에 따른 가중치를 적용한 공기 과급 제어, COD 히터를 이용한 강제 승온 로직 및 역전압 발생 시 페일 세이프 제어 중 어느 하나의 제어만이 냉각수 온도 및 외기온에 따른 공기 과급 제어에 부가적으로 적용될 수 있다.
본 구현예에 따르면, 도 6에서와 같이 외기온 및 스택 출구 냉각수 온도를 기반으로 최소 공기 유량을 결정한다(S601). 앞서 설명한 바와 같이, 최소 공기 유량은 공기 배기계 결빙을 방지하기 위한 공기의 과급량을 반영한 것으로, 바람직하게는 최소 공기 유량에 대한 맵 데이터에 의해 외기온 및 냉각수 온도에 따라 결정될 수 있다.
이후, 본 구현예에서는, 공기 배기계 결빙으로 인해 역전압이 발생하여 스택 손상이 발생할 우려가 있는지 여부를 확인한다(S602).
이러한 판단 로직은 앞서의 역전압 발생 시 페일 세이프 제어 로직에 대한 것으로, 세가지 조건 ① 내지 ③을 충족하는지 여부를 확인하게 된다. 따라서, 세가지 조건 ① 내지 ③을 충족하는 경우, 공기 배기계 결빙으로 인해 역전압이 발생하여 스택 손상이 발생될 우려가 있는 것으로 보아, 연료전지 시스템을 셧다운시킨다(S613).
한편, 위 세가지 조건 ① 내지 ③ 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 공기 배기계 결빙 또는 역전압 상태가 아닌 것으로 보아, 후속 제어를 실시한다.
단계 S603, S604는 차량 경사도에 따라 공기 과급량에 가중치를 두어 제어하는 것이다. 본 단계 S603에서는 차량 경사도를 판단하여, 차량 경사도가 경사도에 대한 임계값(S1)을 초과하는 경우, 공기 과급량에 가중치 팩터를 적용하여 공기량 증가시키게 된다(S604).
또한, 단계 S605 내지 S611은 COD 히터에 의해 강제 승온 로직을 적용하는 것을 도시하고 있다.
먼저, 단계 S605에서는 외기온이 미리 설정된 온도(T2, 예를 들어 -15℃) 이하이고, 스택 출구온이 미리 설정된 온도(T2, 예를 들어, 43℃) 이하의 조건에서, 차량 부하가 충분히 낮은 저부하 상태인지 여부에 따라 판정한다.
앞서 설명한 바와 같이, 차량 부하가 낮은지 여부는 공조 장치가 오프되었거나 또는 공조 장치가 약구동 상태이어서, 공조 소모 파워가 P1 미만인 경우로 설정할 수 있다.
위 조건이 충족되지 않을 경우, 단계 S601로 돌아가 공기 과급 제어를 실시하고, 위 조건 충족 시, 단계 S606 이하의 COD 히터를 이용한 강제 승온 로직을 적용한다.
따라서, 단계 S606에서와 같이, COD 히터가 동작되고, 냉각수 펌프 및 미리설정된 회전수로 동작하며, 바이패스 밸브 또한 미리 설정된 개도로 제어됨에 따라 COD 히터와 스택 모두를 충분히 냉각할 수 있도록 제어된다(S606).
한편, 이러한 COD 히터를 이용한 강제 승온 제어는 스택 온도가 충분히 상승할 때까지 지속된다. 따라서, 도 6에서와 같이, 스택 출구 냉각수 온도(스택 출구온)가 미리 설정된 온도(T3) 이상이며, 이러한 상태가 일정 시간(t2) 이상 유지되는 경우(S607), 강제 승온 로직이 중단되도록 구성할 수 있다(S608).
이후, 키오프 신호를 확인하여(S612), 키 오프된 경우에는 연료전지 시스템을 셧다운 시키도록 구성할 수 있다(S613). 반면, 키오프 신호가 없는 경우, 앞서 단계 S601 이하의 단계를 반복하도록 구성할 수 있다.
또한, 이러한 COD 히터를 이용한 강제 승온 제어 시, COD 히터 또는 스택의 과열을 방지하기 위해 단계 S609 내지 S611을 거치도록 구성할 수 있다.
구체적으로, 스택 요구 전류가 일정 수준, 예를 들어 50A 이상인 경우, 스택 과열 우려가 있으므로 COD 히터를 오프시키고, 강제 승온을 종료한다(S609).
또한, COD 히터 온도가 미리 설정된 온도 이상이어서, COD 히터 과열로 판정된 경우에도 COD 히터를 오프시키고, 강제 승온을 종료하도록 구성할 수 있다(S610).
아울러, 스택 출구 냉각수 온도가 너무 높은 경우, 예를 들어 T4(80℃) 이상인 경우 또는 셀전압 편차가 기준치(D) 이상인 경우에도 COD 히터를 오피시키고 강제 승온 로직을 종료하도록 구성할 수 있다(S611).
이러한 단계 S609 내지 S611은 강제 승온 로직 중단 여부를 판단하기 위해 스택 냉각수 온도에 대한 정보를 확인하는 단계 S607와 병렬적으로 진행될 수 있다. 따라서, 단계 S607, 단계 S609, S610, S611에서의 조건 중 어느 하나의 조건을 충족하는 경우, COD 히터는 오프되고, 강제 승온 로직은 중단된다
이와 같은 연료전지 시스템의 제어 방법을 통해, 동절기 공기 배기계 결빙 문제를 효과적으로 방지할 수 있으며, 불필요한 연료 소모 없이 연료전지 시스템 내부 구성을 적절히 제어하는 것 만으로, 스택 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
101: 공기 블로워 102: 공기 입구 차단 밸브
103: 공기 출구 차단 밸브 104: 공기 압력 제어 밸브
105: 수소 저장 시스템 106: 수소 공급 밸브
107: 이젝터 108: 응축수 리저버
109: 퍼지 밸브 110: 드레인 밸브
121: 공기극 122: 연료극
123: 냉각유로 210: 공기압력제어밸브
220: 소음기 230: 머플러
510: 연료전지 스택 520: 냉각수 공급 펌프(CSP)
530: 냉각수 온도 제어 밸브(CTV) 540: 라디에이터
550: COD 히터 560: 냉각수 바이패스 밸브(CBV)
570: 이온필터 580: 공조 히터 코어

Claims (14)

  1. 차량 키 온 상태에서, 외기온이 미리 설정된 기준 온도보다 낮고, 스택 냉각수 온도가 미리 설정된 공기 과급 온도 범위에 속하는 경우, 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량을 증대시키는 공기 과급 제어를 실시하며,
    상기 공기 과급 제어는, 공기 배기계의 결빙을 방지하기 위해, 미리 설정된 최소 공기유량보다 더 많은 공기를 공급하는 것이고,
    상기 최소 공기유량은 연료전지 생성수가 배출될 수 있는 하한의 공기유량인 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 과급 제어에서, 공기 과급량은 상기 외기온과 상기 스택 냉각수 온도에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 과급 제어는 외기온이 0℃ 보다 낮은 경우에만 실시되는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 과급 제어는 공기 블로워의 회전수를 증가시켜 공기 유량을 증대시키는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    차량의 경사도를 확인하고, 상기 공기 과급 제어 시, 차량의 경사도가 미리 설정된 경사도 임계값(S1) 보다 큰 경우, 차량 경사도에 따른 가중치(α)를 적용하여 공기 과급량을 결정하는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    공조 소모 파워가 미리 설정된 기준값(P1) 보다 작고, 외기온이 미리 설정된 제1 온도(T1) 보다 낮으며, 스택 냉각수 온도가 미리 설정된 제2 온도(T2) 보다 낮은 상태를 미리 설정된 제1 시간(t1) 이상 유지하는 경우, COD 히터를 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 COD 히터를 작동시키는 단계에서는, 냉각수 공급 펌프를 미리 설정된 기준 회전수(S2) 이상으로 동작시키며, 냉각수 바이패스 밸브를 미리 설정된 개도량 범위로 제어하는 것을 특징으로 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 냉각수 바이패스 밸브의 개도량은 40도 내지 50도로 제어되는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 스택 냉각수 온도가 미리 설정된 제 3온도(T3)(T3>T2) 보다 높은 상태로 미리 설정된 제2 시간(t2) 동안 유지되는 경우, COD 히터를 오프시키는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    차량 구동에 따라 스택 요구 전류가 미리 설정된 기준 전류(C) 이상인 경우, COD 히터를 오프시키는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    COD 히터의 내부 온도를 측정하여, COD 히터가 과열 상태로 판단된 경우, COD 히터를 오프시키는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    스택 냉각수 온도가 미리 설정된 제4 온도 이상이거나, 스택 셀전압 편차가 미리 설정된 셀편차 임계값(D) 이상인 경우, COD 히터를 오프시키는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 외기온이 미리 설정된 제5 온도(T5) 보다 낮은 상태에서, 공기 유량 이상 또는 공기압력제어밸브의 개도 이상이 발생하고, 스택의 역전압 상태가 미리 설정된 제3 시간(t3) 이상 지속되는 경우, 스택 손상을 방지하기 위해 연료전지 시스템을 셧다운시키는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제5 온도(T5)는 0℃이고, 역전압 발생 여부는 스택 셀전압 중 최소값이 '0' 보다 작은지 여부에 따라 판정하는 것을 특징으로 하는 공기 배기계 결빙 방지를 위한 연료전지 시스템의 제어 방법.
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