KR102663202B1 - 연료전지의 수소 공급 제어방법 - Google Patents
연료전지의 수소 공급 제어방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102663202B1 KR102663202B1 KR1020180076898A KR20180076898A KR102663202B1 KR 102663202 B1 KR102663202 B1 KR 102663202B1 KR 1020180076898 A KR1020180076898 A KR 1020180076898A KR 20180076898 A KR20180076898 A KR 20180076898A KR 102663202 B1 KR102663202 B1 KR 102663202B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- hydrogen
- fuel cell
- amount
- pressure sensor
- sensing value
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 415
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 415
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 407
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 214
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 69
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 17
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 16
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 8
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 7
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 4
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 17
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 8
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 102100025269 DENN domain-containing protein 2B Human genes 0.000 description 2
- 101000722264 Homo sapiens DENN domain-containing protein 2B Proteins 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical class O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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
- H01M8/04746—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
- H01M8/04082—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
- H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling 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
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
- H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow 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
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04552—Voltage of the individual 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
- H01M8/04664—Failure or abnormal function
- H01M8/04679—Failure or abnormal function of fuel cell stacks
-
- 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
- H01M8/04664—Failure or abnormal function
- H01M8/04686—Failure or abnormal function of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
-
- 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
-
- 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
- Sustainable Development (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Fuzzy Systems (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계; 및 판단한 수소 이용 상태를 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계;를 포함하는 연료전지의 수소 공급 제어방법이 소개된다.
Description
본 발명은 연료전지의 수소 공급 제어방법에 관한 것으로, 연료전지의 발전 중에 연료전지에 수소를 공급하는 수소 공급압을 센싱하는 수소 압력센서의 센싱값을 보정하여 수소 공급압을 적절하게 제어하는 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자 제품, 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 이용될 수 있다.
특히, 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에서는 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성된다.
수소공급장치에서 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 일정한 압력으로 감압된 후 연료전지 스택에 공급되는데, 이때 감압된 수소는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 압력 제어를 통해 공급량이 제어된 상태로 연료전지 스택에 공급된다. 또한, 연료전지 스택에서 반응 후 남은 수소는 수소 재순환 장치에 의해 스택 수소극(Anode)으로 재순환된다.
수소탱크로부터 공급된 수소는 수소 압력조절밸브에 의해 압력이 조절된 후 연료전지 스택으로 공급되는데, 수소 압력조절밸브는 스택 운전 조건에 적절한 압력으로 조절하도록 제어되며, 이때 수소 압력조절밸브에 의해 조절되는 수소 압력은 수소 압력센서 값을 피드백 받아 제어된다.
재순환 블로워는 연료전지 스택에서 요구하는 수소량에 따라 회전수가 제어되며, 재순환 블로워의 회전수(rpm)에 따라 수소 재순환 유량이 제어된다. 한편, 연료전지 스택에 공급되는 수소 연료는 스택 전류량에 맞도록 공급되어야 하는데, 연료전지 스택에 공급되는 연료량, 즉 수소 공급량은 수소 압력조절밸브를 통해 압력으로 제어하며, 스택 전류를 증가시키기 위해서는 수소 공급압력을 증가시켜 스택 내 반응면에서의 수소량을 증가시켜야 한다.
구체적으로, 수소 압력은 일반적으로 공기 압력보다 일정 수준 이상 높게 공급하는 것으로, 스택 전류량과 압력이 상응하도록 정밀하게 수소 공급이 제어되어야 한다. 만약, 요구되는 수소 압력보다 높게 수소가 공급될 경우 에너지 효율이 감소하여 연비가 악화되고, 반대로 수소 압력이 낮아짐으로 인하여 공기 압력과 충분한 차압을 유지하지 못하는 경우 반응이 원활하게 발생하지 않아 연료전지 스택의 출력이 감소하고, 단시간에 내구를 급격히 저하시켜 연료전지 스택에 심각한 손상을 줄 수 있다.
따라서, 수소 압력센서는 신뢰성 있는 수소 공급량 제어를 위해 중요하고, 측정값의 오차가 발생할 경우 연료전지 시스템의 손상을 초래하게 되므로, 비정상적인 오차가 발생하였을 때 이를 신속히 감지하고 이러한 오차를 보상하여 정상적인 수소 공급이 이루어지도록 하는 것이 필요하다.
기존에는 수소 압력센서의 오차를 보정하기 위하여 연료전지 스탑시 수소 측을 대기와 개방한 후 대기압센서와의 차이를 오차로 측정하는 방법을 사용하거나, 수소를 재순환시키는 재순환 블로워에 걸리는 부하량을 이용하여 수소 압력센서의 오차를 측정하는 방법을 사용하였다.
다만, 이러한 방법들은 연료전지의 발전 중에 이용할 수 없거나, 재순환 블로워가 삭제되는 경우에 이용할 수 없는 문제가 있었다.
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.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지의 발전 중에도 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소 공급압을 센싱하는 수소 압력센서 측정값의 오차를 측정하고, 이를 보상하여 수소 공급압을 적절하게 제어하는 방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 수소 공급 제어방법은 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계; 및 판단한 수소 이용 상태를 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계;를 포함한다.
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계에서는, 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 산출한 배출수소량의 수소 공급량 및 전력 발전에 이용된 수소량을 이용하여 산출한 수소미사용량에 대한 비율이 기설정된 비율 범위 이내에 포함되면 정상으로 판단할 수 있다.
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제2기준비율을 초과하는 경우, 연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계;를 더 포함하고, 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계에서는, 판단한 연료전지의 전력 발전 상태를 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다.
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계 이후에, 보정한 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 연료전지 스택으로 공급하는 수소 공급압을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계에서는, 연료전지 스택이 기준 전류를 출력하는 상태의 운전 전압값의 기준 전압값에 대한 비를 이용하여 전력 발전 상태를 판단할 수 있다.
기준 전압값은 연료전지의 기저장된 전력 발전 데이터를 기반으로 결정될 수 있다.
연료전지 스택이 기준 전류를 출력하지 않는 경우, 연료전지 스택이 출력하는 출력 전류값 및 출력 전압값을 이용하여 기준 전류를 출력하는 상태의 운전 전압값을 추정할 수 있다.
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계에서는, 운전 전압값의 기준 전압값에 대한 비가 기설정된 제1전압비율보다 작은 경우, 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다.
연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계에서는, 평균셀전압의 최대셀전압에 대한 비를 이용하여 전력 발전 상태를 판단할 수 있다.
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계에서는, 평균셀전압의 최대셀전압에 대한 비가 기설정된 제2전압비율 이하인 경우, 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다.
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제1기준비율 미만인 경우, 실제 수소 압력을 추정하는 단계;를 더 포함하고, 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계에서는, 추정한 실제 수소 압력을 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 증가시키도록 보정할 수 있다.
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제1기준비율 미만인 경우, 연료전지의 발전 정지시, 연료전지의 셀전압을 모니터링하여 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계 이후에, 연료전지 스택이 정상인 것으로 진단된 경우, 연료전지 스택으로 수소를 공급하고 연료전지 스택으로부터 배출된 수소를 순환하는 재순환라인 또는 수소저장장치에서 재순환라인으로 수소를 공급하는 수소공급라인에서 수소의 누출을 감지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 수소 공급 제어방법에 따르면, 연료전지 스택의 발전 중에도 주기적으로 수소 압력센서의 센싱값 오차를 보정할 수 있고, 이에 따라 신속한 수소 압력센서의 보정이 가능한 효과를 갖는다.
또한, 수소 압력센서의 센싱값이 실제값보다 낮은 경우까지 감지할 수 있고, 이에 따라 불필요하게 버려지는 수소를 감소시켜 연비를 향상시키는 효과를 갖는다.
또한, 추가로 연료전지 스택의 상태 또는 수소의 누출을 감지하여 수소 공급계의 정상 여부를 진단함으로써 수소 압력센서의 센싱값 오차와 구별할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 공급 제어방법의 순서도이다.
도 2는 연료전지 차량의 주행거리에 따른 셀전압을 도시한 그래프이다.
도 3은 운전 전압값을 추정하는 방법을 도시한 그래프이다.
도 4는 연료전지의 전력 발전 상태가 비정상인 경우의 셀전압 분포를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 연료전지 차량의 주행거리에 따른 셀전압을 도시한 그래프이다.
도 3은 운전 전압값을 추정하는 방법을 도시한 그래프이다.
도 4는 연료전지의 전력 발전 상태가 비정상인 경우의 셀전압 분포를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도를 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 공급 제어방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 공급 제어방법은 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계(S100); 및 판단한 수소 이용 상태를 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계(S500, S700);를 포함한다.
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계(S100)에서는, 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 수소 이용 상태가 정상인지 판단할 수 있다. 구체적으로, 수소 압력센서에서 센싱한 수소 압력을 이용하여 산출한 수소의 크로스오버량 및 수소의 퍼지량과 연료전지로 공급되는 공급 수소량, 연료전지의 스택에서 발전에 이용하는 발전 수소량 등을 이용하여 연료전지의 수소 이용 상태가 정상적인지를 판단할 수 있다.
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계(S500, S700)에서는, 연료전지의 수소 이용 상태가 비정상으로 판단된 경우, 수소 압력센서의 센싱값을 보정할 수 있다.
이에 따라, 연료전지가 발전 중인 상태에서도 주기적인 수소 압력센서의 센싱값 측정이 가능하고, 이에 따라 신속하게 수소 압력센서의 센싱값을 보정함에 따라 실시간으로 최적의 수소 압력을 유지할 수 있는 효과를 갖는다.
구체적으로, 연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계(S100)에서는, 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 산출한 배출수소량의 수소 공급량 및 전력 발전에 이용된 수소량을 이용하여 산출한 수소미사용량에 대한 비율을 이용할 수 있다. 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 기설정된 비율 범위(제1기준비율 이상이고, 제2기준비율 이하) 이내에 포함되면 정상으로 판단할 수 있다.
즉, 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율은 아래와 같이 산출할 수 있다.
배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율 = (배출수소량 / 수소미사용량 * 100[%])
여기서, 제1기준비율은 100%보다 작고, 제2기준비율은 100%보다 크게 설정될 수 있다. 즉, 제1기준비율 및 제2기준비율은 100%를 기준으로 오차범위를 각각 감산 또는 가산한 값일 수 있다.
더 구체적으로, 수소 공급량 및 전력 발전에 이용된 수소량을 이용하여 산출한 수소미사용량은, 수소저장장치에서 공급된 수소량 및 전력 발전에 이용된 수소량을 이용하여 산출할 수 있다. 수소저장장치인 수소 탱크에서 공급된 수소 공급량에서 연료전지 스택의 전력 발전에 이용된 수소량을 제외한 수소량을 수소 미사용량으로 추정하는 것이다.
수소 탱크에서 공급된 수소 공급량은, 수소 탱크에 저장된 수소량의 변화량을 이용하여 산출할 수 있다. 즉, 수소의 누출이 없다는 가정하에서 시간에 따라 수소 탱크는 연료전지로만 수소를 공급하므로, 수소 탱크에 저장된 수소량의 변화량은 모두 수소 탱크에서 연료전지로 공급한 수소량으로 가정할 수 있다.
수소 탱크에 저장된 수소량은 수소 탱크의 압력, 온도, 부피 등을 측정하여 추정 수소 미사용량으로 추정할 수 있고, 수소 탱크의 부피는 일정한 경우가 일반적이므로, 압력센서 및 온도센서의 측정으로 산출할 수 있다. 구체적으로, 아래와 같은 수식을 이용할 수 있다.
탱크에 저장된 수소량 =
여기서, P : 압력, V : 부피, M : 몰 질량(Molar mass, 2.01588 [g/mol]),
z : 압축계수, R : 기체상수(8.314472 [J/(mol*K)]), T : 온도
또한, 연료전지 스택의 전력 발전에 이용된 수소량은, 연료전지 스택에서 출력된 전류를 시간에 따라 적분함으로써 기설정된 시간동안의 전류량을 적산하고, 이에 따라 연료전지 스택의 전력 발전에 이용된 수소량을 산출할 수 있다. 구체적으로, 아래의 수식을 이용할 수 있다.
여기서, 화학반응비례량은 아래와 같이 수소 2몰 반응시 전자 4몰이 이동되므로, 화학반응비례량은 2로 가정할 수 있다.
수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 산출한 배출수소량은 수소 크로스오버량과 수소 퍼지량의 합으로 산출할 수 있다. 수소 크로스오버량은 연료전지 스택의 막-전극 접합체(MEA)를 통과하여 애노드(Anode) 측에서 캐소드(Cathode) 측으로 확산되는 수소량을 의미한다. 또한, 수소 퍼지량은 연료전지 스택을 통과한 수소를 재순환시키는 재순환라인에 마련된 퍼지밸브를 열어 공기 배출구 측으로 일부 배출시키는 재순환라인의 기체 중 수소량을 의미한다. 이들은 모두 후술하는 바와 같이 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 산출된다.
수소 크로스오버량은 애노드 측의 수소가 전력 발전을 위한 반응 없이 막-전극 접합체를 통과하여 캐소드 측으로 이동하는 것으로, 아래와 같은 확산식에 의해 단위시간당 수소 크로스오버량을 산출할 수 있다.
여기서, R = 기체상수, T = 절대온도, A = 전해질막 단면적, = 전해질막 두께, = 애노드 측의 수소분압, = 캐소드 측의 수소분압
는 확산계수로 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
여기서 확산계수는 기체종류, 온도 및 습도 등에 의해 가변되는 것으로 시험에 의한 값 및 센서의 측정값 등을 이용하여 산출할 수 있다. 수소의 경우, 반복 시험에 의해 α=0.781, β=0.500, γ=-0.0165, E=34500 [J/mol]로 이용하고, 상수 및 측정값 등을 대입하여 산출할 수 있다.
단위시간당 질소 크로스오버량 및 단위시간당 증기 크로스오버량도 동일한 방법으로 산출할 수 있다. 다만, 질소 및 증기는 캐소드 측에서 애노드 측으로 크로스오버되는 것으로 가정해야 할 것이다.
여기서, 확산계수는 기체마다 달라지며, 증기의 확산계수는 질소의 확산계수의 약 20배 정도에 해당한다.
수소 퍼지는 농도가 상대적으로 낮은 수소를 외부로 배출하고, 수소 탱크로부터 새로운 수소를 공급받아 재순환라인의 수소 농도를 높이기 위한 것이다. 수소 퍼지량은 구체적으로 아래의 수식을 이용하여 산출된 단위시간당 수소 퍼지량을 시간에 따라 적분하여 산출할 수 있다.
단위시간당 수소 퍼지량()은 단위시간당 총 기체 퍼지량() 중 애노드 측의 수소 농도()에 비례한다.
여기서, 단위시간당 총 기체 퍼지량()은 애노드 측 압력()과 대기압() 사이의 압력차에 비례상수(C)를 곱하여 산출할 수 있다. 비례상수(C)는 퍼지주기, 퍼지시간, 퍼지시 퍼지밸브 개도 등을 종합하여 기설정된 맵에 의해 정해질 수 있다.
여기서, 애노드 측의 전체 기체량()은 아래의 수식과 같이 애노드 측의 전체 기체 압력(P), 부피(V) 및 온도(T)를 이용하여 추정할 수 있다.
[mol]
여기서, R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K]이다.
애노드 측의 수소 기체량()은 애노드 측의 전체 기체량()에서 애노드 측의 질소 기체량() 및 애노드 측의 증기량()을 감산하여 산출할 수 있다.
애노드 측의 질소 기체량() 및 애노드 측의 증기량()은 초기값(init)에서 질소 및 증기 각각의 단위시간당 퍼지량 및 크로스오버량을 시간에 따라 적분하여 산출할 수 있다.
애노드측의 증기량()은 아래 수식과 같이 시간에 따라 적분한 증기의 크로스 오버량 및 증기의 퍼지량에 초기 증기량을 합산하여 추정할 수 있다.
증기의 크로스 오버량()은 질소의 크로스 오버와 마찬가지로 연료전지의 캐소드측에서 애노드측으로 크로스 오버되는 것으로 가정할 수 있고, 아래의 수식을 이용하여 추정할 수 있다.
여기서, : 증기 크로스오버 속도, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 촉매 면적, : 확산 거리, : 연료전지의 캐소드측 증기분압, : 연료전지의 애노드측 증기분압
증기의 퍼지량()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()을 산출할 수 있다.
연료전지의 캐소드측 증기분압(), 연료전지의 애노드측 증기분압() 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() 또는 초기 증기량()은 연료전지의 재시동시 상태정보(압력, 온도 등) 및 정지 시간을 이용하여 기매핑된 맵을 이용하여 산출할 수 있다.
상기 수식들을 이용하여, 수소 퍼지량 및 수소 크로스오버량을 산출할 수 있고, 수소 퍼지량과 수소 크로스오버량의 합을 배출수소량으로 산출할 수 있다.
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계(S100)에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제2기준비율을 초과하는 경우(S120)는 정상인 상태보다 배출수소량이 적은 경우로, 실제 수소 압력보다 수소 압력센서의 센싱값이 더 큰 상태로 인하여 수소 압력이 낮은 상태로 유지되어 크로스오버 또는 퍼지량이 정상인 상태보다 적은 경우에 해당한다.
따라서, 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계(S700)에서는, 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다.
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계(S100)에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제2기준비율을 초과하는 경우(S120), 연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계(S600);를 더 포함할 수 있다.
연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계(S600)에서는, 연료전지의 수소 이용 상태가 정상으로 판단된 경우, 연료전지의 전력 발전 상태를 판단할 수 있다. 연료전지 스택의 I-V 커브, 연료전지 스택의 셀전압 등의 다양한 전력 발전 상태를 판단할 수 있다. 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계(S700)에서는, 판단한 연료전지의 전력 발전 상태를 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다.
연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계(S600)에서는, 연료전지의 전력 발전 상태가 비정상인지 여부를 판단하는 것으로, 구체적으로 애노드 측의 수소가 목표 수소 압력보다 낮은지 여부를 판단할 수 있다.
일 실시예로, 연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계(S600)에서는, 연료전지 스택이 기준 전류를 출력하는 상태의 운전 전압값의 기준 전압값에 대한 비를 이용하여 전력 발전 상태를 판단할 수 있다. 즉, 전력 발전 상태를 판단하기 위한 지표로, 운전 전압값의 기준 전압값에 대한 비를 이용하는 것이다.
여기서 운전 전압값은 연료전지 스택이 기준 전류를 출력하고 있는 상태에서의 출력 전압을 의미하는 것이고, 기준 전압값은 기준이 되는 운전 전압값으로, 연료전지 스택이 정상적으로 목표 수소 압력의 조건에서 운전되는 경우에 연료전지 스택이 기준 전류를 출력하고 있는 상태에서의 출력 전압을 의미한다.
도 2는 연료전지 차량의 주행거리에 따른 셀전압을 도시한 그래프이다.
도 2를 더 참조하면, 연료전지 차량은 주행거리가 증가함에 따라 기준 전류를 출력하는 상태의 셀전압이 점차적으로 감소함을 확인할 수 있다. 즉, 연료전지 차량의 주행거리가 증가함에 따라 연료전지 스택의 발전 성능을 나타내는 지표인 기준 전류를 출력하는 상태에서의 셀전압이 초기값을 기준으로 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.
연료전지의 운전이 지속됨에 따라, 연료전지 스택의 전해질막이 열화되고, 이에 따라 전해질막이 얇아짐에 따라 연료전지 스택의 발전 성능이 감소하는 것이다. 따라서, 연료전지의 열화 경향에 따라 기준이 되는 연료전지 스택의 발전 성능을 가변시킬 필요가 있다.
즉, 연료전지 차량의 주행거리에 따른 전력 발전 데이터를 저장한 그래프(A)를 형성할 수 있고, 기저장된 전력 발전 데이터에 따른 최소자승법을 이용한 추세선(A')으로 전력 발전 데이터를 예측할 수 있다. 연료전지의 열화 경향은 도시한 것과 같이 연료전지 차량의 경우 주행거리를 이용할 수도 있고, 연료전지 운전 시간, 연료전지 시동 횟수 등의 다양한 기저장된 전력 발전 데이터를 이용할 수도 있다.
따라서, 기준 전압값은 연료전지의 기저장된 전력 발전 데이터를 기반으로 결정될 수 있다. 연료전지는 운전 중 전력 발전 데이터를 주기적으로 저장하고, 기저장된 전력 발전 데이터를 기반으로 연료전지의 열화 경향을 판단하고, 해당 열화 경향에 따른 기준 전압값을 결정할 수 있다.
기준 전류는 측정의 정확도를 위하여 일정 수준 이상으로 정해질 수 있다. 다만, 연료전지가 저출력 운전 또는 저유량 제어 상태로 운전되는 경우에는 기준 전류를 출력하지 않을 수 있다. 따라서, 연료전지 스택이 기준 전류를 출력하지 않는 경우, 연료전지 스택이 출력하는 출력 전류값 및 출력 전압값을 이용하여 기준 전류를 출력하는 상태의 운전 전압값을 추정할 수 있다.
도 3은 운전 전압값을 추정하는 방법을 도시한 그래프이다.
도 3을 더 참조하면, 운전 전압값은 현재운전점의 출력 전류값(I)과 출력 전압값(V)를 이용하여 운전 전압값을 추정할 수 있다. 여기서 추정 기울기()는 기저장된 I-V 커브로부터 추정할 수 있고, 기설정된 상수값을 이용할 수도 있다.
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계(S700)에서는, 운전 전압값의 기준 전압값에 대한 비가 기설정된 제1비율보다 작은 경우, 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다. 운전 전압값의 기준 전압값에 대한 비가 작은 경우는 연료전지 스택에 공급되는 수소 공급압이 충분하지 못하여 정상적인 상태에서보다 연료전지 스택의 전력 발전 상태가 저하된 경우로, 수소 압력센서의 센싱값이 실제 수소압력보다 높게 센싱된 것이다. 따라서, 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다.
도 4는 연료전지의 전력 발전 상태가 비정상인 경우의 셀전압 분포를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 다른 실시예로 연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계(S600)에서는, 평균셀전압의 최대셀전압에 대한 비를 이용하여 전력 발전 상태를 판단할 수 있다.
도 4는 평균셀전압의 최대셀전압에 대한 비가 상대적으로 낮은 상태를 도시한 것이다. 특히, 64~66 채널 측에서 셀전압이 낮게 분포되어 셀전압의 분포가 불균형적임을 확인할 수 있다.
연료전지 스택에 공급되는 수소 공급압이 정상적인 상태보다 낮다면 전체적인 셀전압 분포가 불균형적일 수 있다. 특히, 애노드 측의 수소 공급압이 캐소드 측의 공기 공급압보다 낮다면 셀에서 전력 발전이 발생하지 않거나 역반응이 발생될 수 있어 셀전압이 낮아질 수 있는 것이다.
따라서, 평균셀전압의 최대셀전압에 대한 비를 이용하여 전력 발전 상태를 판단할 수 있다. 특히, 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계(S600)에서는, 평균셀전압의 최대셀전압에 대한 비가 기설정된 제2비율 이하인 경우, 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다.
즉, 평균셀전압의 최대셀전압에 대한 비가 낮은 경우는 셀전압의 분포가 균형적이지 않은 경우이므로, 정상적인 상태보다 수소 공급압이 낮은 상태로 판단할 수 있다. 이에 따라, 수소 압력센서의 센싱값은 실제 수소 압력보다 높게 센싱된 것이다. 따라서, 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다.
연료전지의 전력 발전 상태를 판단하여 수소 압력센서의 센싱값을 보정함에 따라, 연료전지의 전력 발전 상태가 정상 상태에 미치지 못하는 경우 수소 압력센서의 센싱값은 실제 수소 압력보다 높게 센싱된 것으로 판단하여 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정할 수 있다. 또한, 이에 따라 수소 압력센서의 정확도를 향상시킬 수 있고, 연료전지의 전력 발전을 정상적으로 회복하고 스택의 열화를 방지함으로써 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계(S700) 이후에, 보정한 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 연료전지 스택으로 공급하는 수소 공급압을 제어하는 단계(S800);를 더 포함할 수 있다.
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계(S100)에서 수소 이용 상태가 정상인 것으로 판단되면 수소 압력센서의 센싱값을 보정할 필요 없이 수소 공급압을 제어할 수 있다. 즉, 수소 압력 센서의 오차가 적정한 수준 이내인 것으로 판단하여 오차를 보정할 필요 없이 수소 압력 센서의 센싱값을 그대로 이용하여 수소 공급압을 제어할 수 있다(S800).
수소 공급압을 제어하는 단계(S800)에서는, 수소 블로워 또는 이젝터(Ejector) 등을 이용하여 수소 재순환라인의 수소 공급압을 제어할 수 있다. 제어기는 이러한 제어를 위하여 수소 압력센서의 센싱값을 피드백받아 제어하는 것이 일반적이므로, 수소 압력센서의 센싱값이 오차를 갖는 경우에는 수소 공급압을 목표 수소 공급압으로 제어하기 어렵다. 따라서, 상기의 기술을 이용한 수소 압력센서의 센싱값을 보정한 이후에 보정한 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 수소 공급압을 제어함으로써 목표 수소 공급압으로 수소 공급압을 제어할 수 있다.
다만, 상기의 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 방법은 연료전지 스택의 상태가 정상이고, 재순환라인 또는 수소공급라인에서 수소의 누출이 없는 것으로 가정한 것이다. 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제1기준비율 이상인 상태로, 수소의 누출이 예상되지 않기 때문이다.
수소 공급압을 제어하는 단계(S800) 이후에, 연료전지가 STOP 상태인지 여부를 판단할 수 있다(S900). 연료전지의 발전이 중단된 경우에는 제어를 종료할 수 있고, 연료전지가 계속해서 발전하는 상태인 경우, 다시 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계(S100)로 돌아가서 연료전지 발전 중 제어가 계속해서 반복될 수 있다.
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계(S100)에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제1기준비율 미만인 경우(S110), 수소 압력센서의 센싱값이 작게 센싱되는 것으로, 연료전지 스택의 상태가 비정상이거나, 수소의 누출이 예상될 수 있다. 따라서, 연료전지의 발전 정지시(S200), 연료전지의 셀전압을 모니터링하여 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계(S300);를 더 포함할 수 있다.
여기서 연료전지의 발전이 정지된 경우는, 연료전지의 시동 Off 상태뿐만 아니라 연료전지의 아이들 스탑(Idle Stop) 상태인 경우도 포함할 수 있다.
특히, 여기서 연료전지의 발전이 차량이 주행 중 아이들 스탑으로 정지되는 경우에는 연료전지 스택의 상태를 진단하기 제어를 위하여 일정 시간이 소요되고, 이에 따라 다시 연료전지의 발전이 필요한 상황이더라도 즉시 연료전지의 발전을 재개할 수 없다.
즉, 연료전지 스택의 상태를 진단하는 제어를 수행하는 동안 연료전지 스택의 발전을 재개할 수 없으므로 고전압 배터리의 충전량만으로 전력을 공급해야되므로 고전압 배터리의 충전량이 충분할 필요가 있다. 따라서, 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 제어 이후에는 아이들 스탑에 진입하기 위한 고전압 배터리의 SOC(State Of Charge) 기준을 상향 조정하여 연료전지 스택의 상태를 진단하기 위한 충분한 시간을 확보할 수 있다.
연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계(S300)에서는, ODT(OCV(Open Circuit Voltage) Decay Time)가 정상인지를 판단할 수 있다. ODT는 연료전지 스택으로 공기 공급을 차단한 상태에서 캐소드 측의 존재하는 산소가 소모되는 시간을 의미하는 것으로, 캐소드 측에 잔존한 산소가 소모되어 셀전압이 기설정된 셀전압으로 하강하는데 소요되는 시간으로 측정할 수 있다. 즉, 개별 셀의 MEA 상태를 판단할 수 있는 지표가 되는 것으로, ODT가 기설정된 기준시간 이하인 경우에는 연료전지 스택에 Hot spot 등에 의해 핀홀이 발생된 상태이거나, 셀빠짐 등이 발생되어 애노드 측의 수소가 빠르게 캐소드 측으로 확산된 상황임을 감지할 수 있다.
따라서, 연료전지 스택으로의 공기 공급을 차단하고 연료전지의 셀전압을 모니터링함으로써 ODT를 측정할 수 있고, 측정한 ODT를 기설정된 기준시간과 비교함에 따라 연료전지 스택의 상태를 진단할 수 있는 것이다.
연료전지 스택의 상태가 핀홀 등이 발생한 비정상적인 상태라면, 수소 압력센서의 오차가 문제가 아니라 연료전지 스택의 상태가 비정상적인 것으로 판단하여 비상운전모드(Fail-Safe Mode)로 진입하거나, 운전자가 이를 감지하도록 경고등을 이용하여 알릴 수 있다(S310).
또한, 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계(S300) 이후에, 연료전지 스택이 정상인 것으로 진단된 경우, 연료전지 스택으로 수소를 공급하고 연료전지 스택으로부터 배출된 수소를 순환하는 재순환라인 또는 수소저장장치에서 재순환라인으로 수소를 공급하는 수소공급라인에서 수소의 누출을 감지하는 단계(S320);를 더 포함할 수 있다. 즉, 연료전지 스택에 핀홀 등이 발생하지 않은 경우라면, 재순환라인 또는 수소공급라인에서 수소의 누출이 발생한 경우라고 판단하여 수소의 누출을 감지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)과 연료전지 스택(10)으로 수소를 공급하고 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 수소를 순환하는 재순환라인(20), 재순환라인(20)의 수소압력을 측정하는 수소 압력센서(21, FP10, FP11), 수소저장장치인 수소 탱크(40, HFT1, HFT2, HFT3) 및 수소 탱크(40)로부터 재순환라인(20)으로 수소를 공급하는 수소공급라인(30)을 포함할 수 있다. 본 발명에서 센싱값을 보정하는 수소 압력센서(21)는 재순환라인(20)에 위치된 수소 압력센서(21)로, 센싱값의 오차를 서로 보상하도록 복수 개(FP10, FP11)로 마련될 수 있다.
연료전지의 발전이 정지된 경우(S600), 연료전지 스택(10)이 정상인 것으로 진단되면(S700), 재순환라인 또는 수소공급라인에서 수소의 누출을 감지 (S900)할 수 있다. 먼저, 수소 탱크(40, HFT1, HFT2, HFT3)를 각각 수소공급라인(30)으로 연결하거나 차단하는 수소탱크밸브(41, HTS1, HTS2, HTS3)를 차단하도록 제어할 수 있다. 여기서는 수소공급라인(30)을 재순환라인(20)으로 연결하거나 차단하는 수소공급밸브(50, FSV)는 개방된 상태이다.
수소탱크밸브(41)를 차단한 상태로 수소공급라인(30)에 위치한 수소공급 압력센서(31)에서 압력을 모니터링할 수 있다. 수소공급 압력센서(31)에서 모니터링한 압력의 기설정된 시간동안의 강하량이 기준값보다 큰 경우에는 재순환라인(20) 또는 수소공급라인(30)에 수소의 누출이 발생한 것으로 감지할 수 있다.
이 경우, 구체적으로 수소의 누출이 발생한 곳이 재순환라인(20)인지 또는 수소공급라인(30)인지 감지할 필요가 있다. 따라서, 수소공급밸브(50, FSV)를 추가로 차단한 상태로 수소공급라인(30)에 위치한 수소공급 압력센서(31)에서 압력을 모니터링할 수 있다.
수소공급 압력센서(31)에서 모니터링한 압력의 기설정된 시간동안의 강하량이 기준값보다 큰 경우에는 수소공급라인(30)에 수소의 누출이 발생한 것으로 감지할 수 있다. 반대로, 수소공급 압력센서(31)에서 모니터링한 압력의 기설정된 시간동안의 강하량이 기준값 이하인 경우에는 수소공급라인(30)에는 수소의 누출이 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있고, 이에 따라 수소공급밸브(50, FSV)에 의해 차단된 재순환라인(20)에 수소의 누출이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
연료전지 시스템에 수소의 누출이 발생한 경우라면, 수소 압력센서(21)의 오차가 문제가 아니라 연료전지 시스템에 수소의 누출이 발생한 것으로 판단하여 비상운전모드(Fail-Safe Mode)로 진입하거나, 운전자가 이를 감지하도록 경고등을 이용하여 알릴 수 있다. 이때, 수소의 누출이 발생한 부분이 재순환라인(20)인지 수소공급라인(30)인지를 구체적으로 경고할 수 있다.
특히, 수소는 폭발성이 있는 물질이므로, 수소의 누출이 발생한 경우라면 수소 탱크의 수소가 더이상 공급되지 않도록 수소탱크(40)밸브(HTS1, HTS2, HTS3)를 차단하도록 제어할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계(S100)에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제1기준비율 미만인 경우(S110), 실제 수소 압력보다 낮은 수소 압력이 피드백됨에 따라 정상적인 제어가 적용된 상황보다 수소 압력이 높게 유지되어 더 많은 수소가 크로스오버되거나 퍼지되는 등 버려지는 상황이다. 이에 따라, 수소 압력센서의 센싱값을 증가시키도록 보정할 필요가 있다. 이에 따라, 버려지는 수소를 감소시켜 차량의 연비를 향상시키는 효과를 갖는다.
따라서, 실제 수소 압력을 추정하는 단계(S400);를 더 포함하고, 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계(S400)에서는, 추정한 실제 수소 압력을 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 증가시키도록 보정할 수 있다(S500).
실제 수소 압력을 추정하는 단계(S400)에서는, 수소저장장치에서 공급된 수소량 및 전력 발전에 이용된 수소량을 이용하여 추정한 추정 수소 미사용량과 수소 퍼지량 및 수소 크로스오버량을 이용하여 산출한 산출 수소 미사용량 사이의 관계를 이용하여 실제 수소 압력을 추정할 수 있다.
여기서, 수소 퍼지량 및 수소 크로스오버량은 모두 애노드 측의 수소 압력값을 포함하는 것으로, 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여야 한다. 따라서, 애노드 측의 수소 압력을 미지수로 놓고 추정 수소 미사용량과 산출 수소 미사용량을 같은 것으로 가정하면 실제 수소 압력을 추정할 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 스택 20 : 재순환라인
30 : 수소공급라인 40 : 수소탱크
50 : 수소공급밸브(FSV)
30 : 수소공급라인 40 : 수소탱크
50 : 수소공급밸브(FSV)
Claims (13)
- 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계; 및
판단한 수소 이용 상태를 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계;를 포함하되,
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계에서는
수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 산출한 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율을 기반으로 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 1에 있어서,
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계에서는, 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 산출한 배출수소량의 수소 공급량 및 전력 발전에 이용된 수소량을 이용하여 산출한 수소미사용량에 대한 비율이 기설정된 비율 범위 이내에 포함되면 정상으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 2에 있어서,
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제2기준비율을 초과하는 경우, 연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계;를 더 포함하고,
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계에서는, 판단한 연료전지의 전력 발전 상태를 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 3에 있어서,
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계 이후에, 보정한 수소 압력센서의 센싱값을 이용하여 연료전지 스택으로 공급하는 수소 공급압을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 3에 있어서,
연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계에서는, 연료전지 스택이 기준 전류를 출력하는 상태의 운전 전압값의 기준 전압값에 대한 비를 이용하여 전력 발전 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 5에 있어서,
기준 전압값은 연료전지의 기저장된 전력 발전 데이터를 기반으로 결정된 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 5에 있어서,
연료전지 스택이 기준 전류를 출력하지 않는 경우, 연료전지 스택이 출력하는 출력 전류값 및 출력 전압값을 이용하여 기준 전류를 출력하는 상태의 운전 전압값을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 3에 있어서,
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계에서는, 운전 전압값의 기준 전압값에 대한 비가 기설정된 제1전압비율보다 작은 경우, 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 3에 있어서,
연료전지의 전력 발전 상태를 판단하는 단계에서는, 평균셀전압의 최대셀전압에 대한 비를 이용하여 전력 발전 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 9에 있어서,
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계에서는, 평균셀전압의 최대셀전압에 대한 비가 기설정된 제2전압비율 이하인 경우, 수소 압력센서의 센싱값을 감소시키도록 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 2에 있어서,
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제1기준비율 미만인 경우, 실제 수소 압력을 추정하는 단계;를 더 포함하고,
수소 압력센서의 센싱값을 보정하는 단계에서는, 추정한 실제 수소 압력을 기반으로 수소 압력센서의 센싱값을 증가시키도록 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 2에 있어서,
연료전지의 수소 이용 상태가 정상인지 판단하는 단계에서 배출수소량의 수소미사용량에 대한 비율이 제1기준비율 미만인 경우, 연료전지의 발전 정지시, 연료전지의 셀전압을 모니터링하여 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법. - 청구항 12에 있어서,
연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계 이후에, 연료전지 스택이 정상인 것으로 진단된 경우, 연료전지 스택으로 수소를 공급하고 연료전지 스택으로부터 배출된 수소를 순환하는 재순환라인 또는 수소저장장치에서 재순환라인으로 수소를 공급하는 수소공급라인에서 수소의 누출을 감지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180076898A KR102663202B1 (ko) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 연료전지의 수소 공급 제어방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180076898A KR102663202B1 (ko) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 연료전지의 수소 공급 제어방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200004005A KR20200004005A (ko) | 2020-01-13 |
| KR102663202B1 true KR102663202B1 (ko) | 2024-05-03 |
Family
ID=69153494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180076898A KR102663202B1 (ko) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 연료전지의 수소 공급 제어방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102663202B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013093141A (ja) * | 2011-10-24 | 2013-05-16 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム、圧力センサの誤差検出方法および圧力センサの補正方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101646382B1 (ko) | 2014-11-21 | 2016-08-08 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 시스템의 수소 압력센서 고장 진단 방법 |
-
2018
- 2018-07-03 KR KR1020180076898A patent/KR102663202B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013093141A (ja) * | 2011-10-24 | 2013-05-16 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム、圧力センサの誤差検出方法および圧力センサの補正方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20200004005A (ko) | 2020-01-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5196209B2 (ja) | 燃料電池システム、および燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法 | |
| KR102651959B1 (ko) | 연료전지의 수소 공급 제어시스템 및 제어방법 | |
| CA2659957C (en) | Fuel cell system | |
| US7736814B2 (en) | Fuel-cell system and method of estimating nitrogen concentration on fuel electrode of fuel cell | |
| JP4434525B2 (ja) | 燃料電池の異常検出方法 | |
| US20170179511A1 (en) | Method of controlling purge of fuel cell system for vehicle | |
| US8470486B2 (en) | Fuel cell system | |
| KR20200042568A (ko) | 연료전지의 수소 공급 이상 진단시스템 및 진단방법 | |
| US11043682B2 (en) | Method to detect fuel cell gas leak | |
| KR101829692B1 (ko) | 연료 전지의 이온 교환기 중합체 멤브레인의 투과성 상태를 검출하기 위한 방법 | |
| JP6853913B2 (ja) | 外部の試験ガス供給部への接続用の組み込まれたガス接続部を有した燃料電池システム | |
| KR102532330B1 (ko) | 연료전지의 수소 농도 추정방법 및 시스템 | |
| US9444115B2 (en) | Fuel cell system with calculation of liquid water volume | |
| US10914650B2 (en) | Method of calibrating offset of pressure sensor | |
| US20080008913A1 (en) | Fuel Cell System | |
| WO2006048983A1 (ja) | 燃料電池システム | |
| KR102614135B1 (ko) | 연료전지의 공기 공급 제어방법 및 제어시스템 | |
| CN112786927A (zh) | 燃料电池的劣化估计系统、氢气供应系统及氢气供应方法 | |
| US8268494B2 (en) | Fuel cell system | |
| KR102663202B1 (ko) | 연료전지의 수소 공급 제어방법 | |
| JP2004281132A (ja) | 燃料電池システム | |
| KR20230133076A (ko) | 연료전지의 수소압력센서 옵셋 보정시스템 및 보정방법 | |
| JP2009289715A (ja) | 燃料電池システム及び遮断弁の開閉状態判定方法 | |
| KR20210011525A (ko) | 연료전지 차량의 비상 운전 제어 장치 및 방법 | |
| KR20210143357A (ko) | 연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법 |
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 |