KR102676730B1 - 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents
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Abstract
연료전지 스택으로 공급된 공기 유량을 측정하는 단계; 연료전지의 발전 정지 모드로 진입한 경우, 측정한 공기 유량을 기반으로 연료전지 스택에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태를 판단하는 단계; 및 판단한 산소 분포 상태를 기반으로 연료전지 스택으로 공기를 공급하거나 차단하도록 공기 공급을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법이 소개된다.
Description
본 발명은 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법 및 제어시스템에 관한 것으로, 연료전지의 전력 발전을 중단하는 연료전지의 발전 정지 모드에서 셀 전압 사이의 편차를 감소시키는 기술에 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(Anode)측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드(Cathode)로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 발생한다.
연료전지 스택이 고전위에 노출되는 경우, 촉매의 열화가 발생하여 연료전지 스택의 비가역적인 열화를 발생시켜 성능이 악화된다. 따라서, 연료전지 스택은 전 운전영역에서 연료전지 스택의 전압 또는 셀 전압에 상한치를 두고, 양방향 DC/DC 컨버터(BHDC)를 이용하여 상한치를 넘지 않도록 제어한다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지의 발전 정지 모드에서 셀 전압의 분포를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 연료전지의 발전이 중단되는 연료전지의 발전 정지 모드(FC Stop)에서는 공기 공급이 중단됨에 따라 셀 사이의 산소 분압 차이가 발생하여 셀 전압 사이의 편차가 크게 발생한다. 공기 유량 및 산소 공급량이 상대적으로 적은 상태에서 연료전지의 발전 정지 모드로 진입한 경우, 셀 사이의 산소 불균일 정도가 증대되어 셀 전압 사이의 편차가 특히 더 크게 발생한다.
특히, 일부 셀들은 고전위에 노출되고, 이에 따라 촉매가 열화됨에 따라 연료전지 스택의 성능이 악화되는 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 전력 발전을 중단하는 연료전지의 발전 정지 모드에 진입시 개별 셀 사이의 산소분압 차이를 해소함으로써 연료전지의 발전 정지 모드에서의 셀 전압 편차를 감소시키는 기술을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법은 연료전지 스택으로 공급된 공기 유량을 측정하는 단계; 연료전지의 발전 정지 모드로 진입한 경우, 측정한 공기 유량을 기반으로 연료전지 스택에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태를 판단하는 단계; 및 판단한 산소 분포 상태를 기반으로 연료전지 스택으로 공기를 공급하거나 차단하도록 공기 공급을 제어하는 단계;를 포함한다.
공기 유량을 측정하는 단계에서는, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워의 공기 유량을 측정하는 유량센서에서 공기 유량을 측정할 수 있다.
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 측정한 공기 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 공기 공급량을 기반으로 산소 분포 상태를 판단할 수 있다.
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 공기 공급량이 기설정된 기준 공기량 이하면 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단할 수 있다.
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 측정한 공기 유량 중 산소 유량을 추정하고, 추정한 산소 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 산소 공급량을 기반으로 산소 분포 상태를 판단할 수 있다.
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 산소 공급량이 기설정된 기준 산소량 이하면 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단할 수 있다.
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 연료전지 스택의 출력 전류를 기설정된 적분시간 동안 적분한 전하량을 기반으로 산소 소모량을 추정하고, 산소 공급량에서 산소 소모량을 감산한 산소 잔존량을 기반으로 산소 분포 상태를 판단할 수 있다.
공기 공급을 제어하는 단계에서는, 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단한 경우, 연료전지 스택으로 공기를 공급하도록 제어하고, 산소가 균일하게 분포된 상태로 판단한 경우 연료전지 스택으로의 공기를 차단하도록 제어할 수 있다.
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 산소 분포 상태를 산소 분포가 불균일한 정도에 따라 복수의 단계로 구분하고, 공기 공급을 제어하는 단계에서는, 산소 분포가 불균일할수록 연료전지 스택으로 공급하는 공기 추가공급량이 증가되도록 제어할 수 있다.
공기 공급을 제어하는 단계에서는, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워를 기설정된 회전속도로 구동하되, 산소 분포가 불균일할수록 공기블로워의 구동시간을 증가시킬 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템은 연료전지 스택으로 공급된 공기 유량을 기반으로 연료전지 스택에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태를 판단하는 상태 판단부; 및 연료전지의 발전 정지 모드로 진입한 경우, 상태 판단부에서 판단한 산소 분포 상태를 기반으로 연료전지 스택으로 공기를 공급하거나 차단하도록 공기 공급을 제어하는 공기 공급 제어부;를 포함한다.
연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워의 공기 유량을 측정하는 유량센서;를 더 포함할 수 있다.
상태 판단부는, 측정한 공기 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 공기 공급량을 기반으로 공기 공급량이 기설정된 기준 공기량 이하면 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단할 수 있다.
공기 공급 제어부는, 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단한 경우, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워를 구동하여 연료전지 스택으로 공기를 공급하도록 제어할 수 있다.
상태 판단부는, 산소 분포 상태를 산소 분포가 불균일한 정도에 따라 복수의 단계로 구분하고, 공기 공급 제어부는, 산소 분포가 불균일할수록 연료전지 스택으로 공급하는 공기 추가공급량이 증가되도록 제어할 수 있다.
공기 공급 제어부는, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워를 기설정된 회전속도로 구동하되, 산소 분포가 불균일할수록 산소 분포가 불균일할수록 공기블로워의 구동시간을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 연료전지 스택에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태가 불균일한 경우에 연료전지 스택으로 공기를 추가로 공급함에 따라 셀 전압 편차가 감소되는 효과를 갖는다.
또한, 이에 따라 셀이 고전위에 노출되는 현상을 방지하여 연료전지 스택의 내구성이 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지의 발전 정지 모드에서 셀 전압의 분포를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어에 따른 연료전지의 발전 정지 모드에서 셀 전압의 분포를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어에 따른 연료전지의 발전 정지 모드에서 셀 전압의 분포를 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.
연료전지 스택은 수소공급계와 공기공급계로부터 각각 수소와 공기를 공급받고, 내부에서 화학 반응을 통하여 전력을 발전한다. 연료전지 스택은 모터 및 고전압 배터리와 연결되고, 연료전지 스택에서 발전된 전력은 양방향 고전압 DC 컨버터(BHDC: Bidirectional High-voltage DC/DC Converter)를 통하여 모터 또는 고전압배터리로 공급된다.
일반적으로, 연료전지 스택은 요구되는 출력 또는 전류에 따라 공급되는 공기 유량이 가변된다. 연료전지 스택에서 요구되는 출력 또는 전류가 상대적으로 적은 저전류 제어영역에서는 연료전지 스택에 공급되는 공기 유량을 상대적으로 감소시키는 저유량 제어를 통하여 연료전지 스택이 고전위에 노출되지 않도록 제어한다.
또한, 양방향 고전압 DC 컨버터를 제어하여 연료전지 스택의 전압을 제어함으로써 연료전지 스택의 전압 또는 연료전지 스택에 포함된 셀들의 전압이 기설정된 전압을 넘지 않도록 제어된다. 이에 따라, 연료전지 스택의 내구성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.
연료전지는 연료전지 스택의 요구 출력 및 고전압 배터리의 충전량(SOC: State Of Charge)를 기반으로 발전 정지 모드(FC Stop Mode)에 진입한다. 발전 정지 모드는 연료전지 차량은 주행 중이거나 시동 온 상태이지만, 연료전지 스택으로 공기 공급을 차단하여 연료전지 스택의 발전을 정지하는 모드이다. 특히, 고전압 배터리의 충전량이 기설정된 충전량 이상이고, 연료전지 스택의 요구 출력이 기설정된 전력 이하인 경우 발전 정지 모드에 진입할 수 있다.
연료전지의 발전 정지 모드에는 연료전지 스택으로 공기 공급이 차단되는데, 이에 따라 셀 사이의 산소 분포 상태가 균일하지 않게 되어 산소 분압차의 발생에 따라 셀 전압 편차가 발생한다.
특히, 연료전지의 발전 정지 모드에 진입하기 이전에 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량이 적은 저유량 제어 상태였던 경우에는 이러한 셀 전압 편차가 상대적으로 크게 발생하여 일부 셀들이 고전위에 노출되어 열화되는 문제가 발생하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법은 연료전지 스택으로 공급된 공기 유량을 측정하는 단계(S100); 발전 정지 모드로 진입된 경우(S400), 측정한 공기 유량을 기반으로 연료전지 스택에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태를 판단하는 단계(S500); 및 판단한 산소 분포 상태를 기반으로 연료전지 스택으로 공기를 공급하거나 차단하도록 공기 공급을 제어하는 단계(S600);를 포함한다.
공기 유량을 측정하는 단계(S100)에서는, 단위 시간당 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 유량을 실시간으로 측정할 수 있다. 공기 유량은 연료전지 스택에 요구되는 출력 또는 전류를 이용하여 공기블로워를 제어하여 연료전지 스택으로 공급하고자 하는 공기 유량의 타겟값을 이용할 수 있다. 또는, 공기블로워의 회전속도[rpm] 등을 통하여 공기 유량을 추정할 수도 있다.
특히, 공기 유량을 측정하는 단계(S100)에서는, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워의 공기 유량을 측정하는 유량센서에서 공기 유량을 측정할 수 있다. 이에 따라, 공기 유량을 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 효과를 갖는다.
발전 정지 모드로 진입된 경우(S400), 산소 분포 상태를 판단하는 단계(S500)에서는, 측정한 공기 유량을 기반으로 연료전지 스택에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태를 판단할 수 있다. 후술하는 것과 같이, 산소 분포 상태는 균일한 상태 또는 불균일한 상태로 구분할 수도 있고, 복수의 단계로 구분할 수 있다.
발전 정지 모드로 진입된 경우(S400), 공기 공급을 제어하는 단계(S600)에서는 공기 공급을 즉시 차단하도록 제어하는 것이 일반적이다(S620). 즉, 연료전지 스택의 발전을 정지하기 위하여 발전 정지 모드에 진입하면 즉시 공기 공급을 차단한다. 그러나 본 발명에서는 판단한 산소 분포 상태를 기반으로 연료전지 스택으로 공기를 추가로 공급하거나 즉시 차단하도록 공기 공급을 제어할 수 있다(S600).
산소 분포 상태는 연료전지의 발전 정지 모드에 진입하기 전의 공기 공급 상태에 영향을 받는다. 즉, 연료전지의 발전 정지 모드에 진입하기 직전에 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량 또는 산소 공급량이 상대적으로 적으면 연료전지 스택의 산소 분포 상태가 불균일하다.
특히, 연료전지의 발전 정지 모드에 진입하기 전에는 연료전지 스택의 요구 전류가 적은 저전류 영역인 경우가 많으므로, 연료전지 스택에 상대적으로 적은 공기를 공급하는 저유량 제어에 의해 연료전지 스택의 산소 분포 상태가 불균일한 경우가 많을 것이다.
구체적으로 일 실시예에 따르면, 산소 분포 상태를 판단하는 단계(S500)에서는, 측정한 공기 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 공기 공급량(S300)을 기반으로 산소 분포 상태를 판단할 수 있다.
여기서 기설정된 적분시간은 연료전지 스택 내부로 기체가 분포되는 시간을 고려하여 몇 초 정도로 적절하게 기설정될 수 있다. 적분시간이 너무 짧으면 연료전지 스택 내부의 셀에 공급되는 공기량이 제대로 반영되지 않을 수 있고, 적분시간이 너무 길면 셀에 공급된 공기 중의 산소가 수소와 반응하거나 방출되어 셀에 잔존한 산소량과 관련성이 떨어지는 문제가 있어 적절하게 설정되어야 한다.
특히, 공기 공급량이 기설정된 기준 공기량 이하면 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단할 수 있다. 반대로, 공기 공급량이 기설정된 기준 공기량 초과이면 산소가 균일하게 분포된 상태로 판단할 수 있다. 기준 공기량은 연료전지 스택이 충분하게 발전되는 상태의 기설정된 적분시간 동안 공기량을 고려하여 적절하게 기설정될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 산소 분포 상태를 판단하는 단계(S500)에서는, 측정한 공기 유량 중 산소 유량을 추정(S200)하고, 추정한 산소 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 산소 공급량(S300)을 기반으로 산소 분포 상태를 판단할 수 있다.
산소 유량은 공기 유량에 산소 농도를 곱하여 추정할 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 공기 중의 산소 농도는 21%인 것으로 가정하여 산소 농도를 추정할 수 있다. 또는, 실시간으로 산소 농도를 측정하고, 측정한 산소 농도를 이용하여 산소 유량을 추정할 수도 있다.
예를 들어, 공기 유량이 100[kg/h]인 경우, 산소 유량은 21[kg/h]인 것으로 추정할 수 있고, 산소 분자량이 32[g/mol]인 점을 이용하면 1시간 동안 산소 공급량은 약 656[mol]이고, 1초당 산소 공급량은 약 0.18[mol]이다.
특히, 산소 공급량이 기설정된 기준 산소량 이하면 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단할 수 있다. 반대로, 산소 공급량이 기설정된 기준 산소량 초과이면 산소가 균일하게 분포된 상태로 판단할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 산소 분포 상태를 판단하는 단계(S500)에서는, 연료전지 스택의 출력 전류를 기설정된 적분시간 동안 적분한 전하량을 기반으로 산소 소모량을 추정하고, 산소 공급량에서 산소 소모량을 감산한 산소 잔존량을 기반으로 산소 분포 상태를 판단할 수 있다. 이에 따라, 연료전지 스택에 잔존한 산소 잔존량을 이용하여 산소 분포 상태를 더 정확하게 판단할 수 있는 효과를 갖는다.
즉, 산소 잔존량은 기설정된 적분시간 동안의 산소 공급량에서 산소 소모량을 감산하여 산출할 수 있다. 산소 소모량은 연료전지 스택의 출력 전류를 기설정된 적분시간 동안 적분한 전하량에 비례하는 점을 이용하여 추정할 수 있다.
구체적으로, 산소 분자 1[mol]당 전자 4[mol]이 발생되는 점 및 전하량 1[C]당 전자는 6.25*10^18[개]이며, 전자 1[mol]당 6.023*10^23[개]인 점을 이용하면 출력전류를 적분한 전하량을 이용하여 반응에 소모된 산소 소모량을 추정할 수 있다.
공기 공급을 제어하는 단계(S600)에서는, 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단한 경우, 연료전지 스택으로 공기를 공급하도록 제어하고, 산소가 균일하게 분포된 상태로 판단한 경우 연료전지 스택으로의 공기를 차단하도록 제어할 수 있다(S620).
연료전지의 발전 정지 모드로 진입한 경우, 연료전지 스택으로의 공기 공급을 바로 차단하는 것이 일반적이다. 그러나 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단한 경우에는 연료전지 스택으로 공기를 추가로 공급한 후 차단하도록 제어할 수 있다(S610). 이에 따라, 산소가 불균일하게 분포된 경우에만 공기를 추가로 공급함으로써 셀 전압 편차를 해소하고 내구성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법의 순서도이다.
도 3을 더 참조하면, 다른 실시예로 산소 분포 상태를 판단하는 단계(S500')에서는, 산소 분포 상태를 산소 분포가 불균일한 정도에 따라 복수의 단계로 구분하고, 공기 공급을 제어하는 단계(S600)에서는, 산소 분포가 불균일할수록 연료전지 스택으로 공급하는 공기 추가공급량이 증가되도록 제어할 수 있다(S610).
구체적으로, 공기 공급량, 산소 공급량 또는 산소 잔존량에 따라 산소 분포 상태를 복수의 단계로 구분할 수 있다(S510, S520). 특히, 공기 공급량, 산소 공급량 또는 산소 잔존량의 크기에 따라 산소 분포 상태를 판단하되, 공기 공급량, 산소 공급량 또는 산소 잔존량의 크기가 작을수록 산소 분포의 불균일 정도가 심한 것으로 판단할 수 있다. 산소 분포가 불균일할수록 연료전지 스택으로 공급하는 공기 추가공급량은 증가되도록 제어할 수 있다.
공기 공급량, 산소 공급량 또는 산소 잔존량이 제1기준값(α) 이하인 경우(S510)에는 산소 분포의 불균일 정도가 심한 것으로 판단하여 상대적으로 많은 공기 추가공급량을 공급하도록 제어할 수 있다(S611). 또한, 공기 공급량, 산소 공급량 또는 산소 잔존량이 제1기준값(α) 초과이고 제2기준값(β) 이하인 경우(S520)에는 산소 분포의 불균일 정도가 적은 것으로 판단하여 상대적으로 적은 공기 추가공급량을 공급하도록 제어할 수 있다(S612).
공기 공급량, 산소 공급량 또는 산소 잔존량이 제2기준값(β) 초과인 경우(S520)에는 산소 분포가 균일한 것으로 판단하여 공기를 추가로 공급하지 않고 공기 공급을 차단하도록 제어할 수 있다(S620).
공기 공급을 제어하는 단계(S600)에서는, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워를 기설정된 회전속도로 구동하되, 산소 분포가 불균일할수록 공기블로워의 구동시간을 증가시킬 수 있다.
공기블로워는 기설정된 회전속도로 고정하여 구동하도록 제어하고, 공기블로워의 구동시간만을 가변하여 공기 추가공급량을 가변할 수 있다. 즉, 복수의 단계로 구분된 산소 분포 상태에 따라 공기블로워의 구동시간이 가변될 수 있다. 산소 분포가 불균일할수록 연료전지 스택으로 공급하는 공기 추가공급량이 증가되도록 공기블로워의 구동시간을 증가시킬 수 있다.
즉, 공기 공급량, 산소 공급량 또는 산소 잔존량이 제1기준값(α) 이하인 경우에는 공기블로워를 x1초 동안 구동하고(S611), 공기 공급량, 산소 공급량 또는 산소 잔존량이 제1기준값(α) 초과이고 제2기준값(β) 이하인 경우에는 공기블로워를 x1초 보다 작은 x2초 동안 구동할 수 있다(S612).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템은 연료전지 스택(10)으로 공급된 공기 유량을 기반으로 연료전지 스택(10)에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태를 판단하는 상태 판단부(20); 및 상태 판단부(20)에서 판단한 산소 분포 상태를 기반으로 연료전지 스택(10)으로 공기를 공급하거나 차단하도록 공기 공급을 제어하는 공기 공급 제어부(30);를 포함한다.
상태 판단부(20)는 연료전지 스택(10)에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태를 판단할 수 있다. 공기 공급 제어부(30)는 연료전지 스택(10)으로 공급하는 공기를 제어하는 것으로, 연료전지 스택(10)의 요구출력에 따라 공기를 공급하는 공기블로워(40)의 회전속도[rpm]를 제어할 수 있다.
연료전지 스택(10)으로 공기를 공급하는 공기블로워(40)의 공기 유량을 측정하는 유량센서(50);를 더 포함할 수 있다. 유량센서(50)는 공기블로워(40)에 위치되어, 공기블로워(40)가 연료전지 스택(10)으로 공급하는 공기 유량을 실시간으로 측정할 수 있다.
상태 판단부(20)는, 측정한 공기 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 공기 공급량을 기반으로 공기 공급량이 기설정된 기준 공기량 이하면 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단할 수 있다.
공기 공급 제어부(30)는, 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단한 경우, 연료전지 스택(10)으로 공기를 공급하는 공기블로워(40)를 구동하여 연료전지 스택(10)으로 공기를 공급하도록 제어할 수 있다.
상태 판단부(20)는, 산소 분포 상태를 산소 분포가 불균일한 정도에 따라 복수의 단계로 구분하고, 공기 공급 제어부(30)는, 산소 분포가 불균일할수록 연료전지 스택(10)으로 공급하는 공기 공급량이 증가되도록 제어할 수 있다.
공기 공급 제어부(30)는, 연료전지 스택(10)으로 공기를 공급하는 공기블로워(40)를 기설정된 회전속도로 구동하되, 산소 분포가 불균일할수록 산소 분포가 불균일할수록 공기블로워(40)의 구동시간을 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 발전 정지 모드 제어에 따른 연료전지의 발전 정지 모드에서 셀 전압의 분포를 도시한 것이다.
도 5를 도 1과 비교하면, 본 발명에 따라 연료전지의 발전 정지 모드(FC Stop)에 진입시 연료전지의 발전 정지 모드의 진입을 지연시키면서 공기를 추가로 공급하도록 제어한다. 이에 따라, 공기를 추가로 공급하지 않고 즉시 차단한 도 1과 비교하면, 셀 전압 편차가 상당히 개선된 효과를 확인할 수 있다.
즉, 본 발명은 연료전지 스택에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태가 불균일한 경우에 연료전지 스택으로 공기를 추가로 공급함에 따라 셀 전압 편차가 감소되고, 이에 따라 고전위에 노출되는 셀이 상대적으로 감소됨으로써 연료전지 스택의 내구성이 향상되는 효과를 갖는다.
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 : 상태 판단부
30 : 공기 공급 제어부 40 : 공기블로워
50 : 유량센서
30 : 공기 공급 제어부 40 : 공기블로워
50 : 유량센서
Claims (16)
- 연료전지 스택으로 공급된 공기 유량을 측정하는 단계;
연료전지의 발전 정지 모드로 진입한 경우, 측정한 공기 유량을 기반으로 연료전지 스택에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태를 판단하는 단계; 및
판단한 산소 분포 상태를 기반으로 연료전지 스택으로 공기를 공급하거나 차단하도록 공기 공급을 제어하는 단계;를 포함하되,
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 측정한 공기 유량 중 산소 유량을 추정하고, 추정한 산소 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 산소 공급량을 기반으로 산소 분포 상태를 판단하고, 연료전지 스택의 출력 전류를 기설정된 적분시간 동안 적분한 전하량을 기반으로 산소 소모량을 추정하여, 산소 공급량에서 산소 소모량을 감산한 산소 잔존량을 기반으로 산소 분포 상태를 판단하고, 산소 잔존량의 크기가 작을수록 셀 사이의 산소 분포의 불균일 정도가 심한 것으로 산소 분포 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법. - 청구항 1에 있어서,
공기 유량을 측정하는 단계에서는, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워의 공기 유량을 측정하는 유량센서에서 공기 유량을 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법. - 청구항 1에 있어서,
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 측정한 공기 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 공기 공급량을 기반으로 산소 분포 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법. - 청구항 3에 있어서,
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 공기 공급량이 기설정된 기준 공기량 이하면 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 산소 공급량이 기설정된 기준 산소량 이하면 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
공기 공급을 제어하는 단계에서는, 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단한 경우, 연료전지 스택으로 공기를 공급하도록 제어하고, 산소가 균일하게 분포된 상태로 판단한 경우 연료전지 스택으로의 공기를 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법. - 청구항 1에 있어서,
산소 분포 상태를 판단하는 단계에서는, 산소 분포 상태를 산소 분포가 불균일한 정도에 따라 복수의 단계로 구분하고,
공기 공급을 제어하는 단계에서는, 산소 분포가 불균일할수록 연료전지 스택으로 공급하는 공기 추가공급량이 증가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법. - 청구항 9에 있어서,
공기 공급을 제어하는 단계에서는, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워를 기설정된 회전속도로 구동하되, 산소 분포가 불균일할수록 공기블로워의 구동시간을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어방법. - 연료전지 스택으로 공급된 공기 유량을 기반으로 연료전지 스택에 포함된 셀 사이의 산소 분포 상태를 판단하는 상태 판단부; 및
연료전지의 발전 정지 모드로 진입한 경우, 상태 판단부에서 판단한 산소 분포 상태를 기반으로 연료전지 스택으로 공기를 공급하거나 차단하도록 공기 공급을 제어하는 공기 공급 제어부;를 포함하되,
상태 판단부는, 공급된 공기 유량 중 산소 유량을 추정하고, 추정한 산소 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 산소 공급량을 기반으로 산소 분포 상태를 판단하고, 연료전지 스택의 출력 전류를 기설정된 적분시간 동안 적분한 전하량을 기반으로 산소 소모량을 추정하여, 산소 공급량에서 산소 소모량을 감산한 산소 잔존량을 기반으로 산소 분포 상태를 판단하고, 산소 잔존량의 크기가 작을수록 셀 사이의 산소 분포의 불균일 정도가 심한 것으로 산소 분포 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템. - 청구항 11에 있어서,
연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워의 공기 유량을 측정하는 유량센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템. - 청구항 11에 있어서,
상태 판단부는, 측정한 공기 유량을 기설정된 적분시간 동안 적분한 공기 공급량을 기반으로 공기 공급량이 기설정된 기준 공기량 이하면 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템. - 청구항 11에 있어서,
공기 공급 제어부는, 산소가 불균일하게 분포된 상태로 판단한 경우, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워를 구동하여 연료전지 스택으로 공기를 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템. - 청구항 11에 있어서,
상태 판단부는, 산소 분포 상태를 산소 분포가 불균일한 정도에 따라 복수의 단계로 구분하고,
공기 공급 제어부는, 산소 분포가 불균일할수록 연료전지 스택으로 공급하는 공기 추가공급량이 증가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템. - 청구항 15에 있어서,
공기 공급 제어부는, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기블로워를 기설정된 회전속도로 구동하되, 산소 분포가 불균일할수록 산소 분포가 불균일할수록 공기블로워의 구동시간을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전 정지 모드 제어시스템.
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