KR20110138819A - 연료전지 시스템의 냉각수 유량 예측 방법 및 냉각수 정상 순환 판정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법에 관한 것으로서, 냉각수 라인에 설치되었던 고가의 유량계나 압력센서 없이도 연료전지 스택의 입, 출구측 냉각수 온도를 검출하도록 기 설치된 온도센서만을 이용하여 연료전지 시스템 내에 순환되는 냉각수의 유량을 실시간으로 확인할 수 있고, 이를 토대로 냉각수의 정상 순환 여부를 정확히 판단할 수 있도록 한 냉각수 정상 순환 판정 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명에서는 유량계나 압력센서 없이도 차량의 냉각수 라인에서 발생한 문제를 즉각적으로 확인하여 냉각 시스템의 이상으로 인한 연료전지 스택의 과열 및 손상 등을 사전에 효과적으로 방지할 수 있게 되고, 연료전지 시스템의 구성 비용 및 시스템의 원가 절감을 달성할 수 있게 된다.

Description

연료전지 시스템의 냉각수 유량 예측 방법 및 냉각수 정상 순환 판정 방법{Monitoring method for cooling water of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에서 연료전지의 운전 중 냉각수 라인 및 연료전지 스택을 통과하는 스택 냉각수의 유량을 추정하고 냉각수의 정상적인 순환상태를 판단 및 모니터링할 수 있는 방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
이러한 구성에서 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 산소의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키고, 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이에 연료전지 시스템에는 연료전지 스택의 온도 상승을 방지하기 위하여 연료전지 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다.
특히, 가정용 및 자동차용으로 주목받고 있는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 높은 전력밀도를 가지면서 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간을 가지는 장점이 있으나, 물을 필요로 하기 때문에 100℃ 이하의 온도에서 작동되어야 한다.
통상 자동차용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택을 최적 온도로 유지하기 위한 냉각 시스템에는 스택 내 냉각수 채널을 통해 물을 순환시켜 냉각시키는 수냉식이 널리 적용되고 있다.
상기한 수냉식 냉각 시스템을 도 1에 도시하였다. 도 1은 종래기술에 따른 냉각수 시스템의 구성을 나타내는 개략도로서, 연료전지 스택(10)에는 반응가스가 공급되는 캐소드 채널과 애노드 채널, 그리고 스택 냉각수가 통과하면서 스택과 냉각수 간의 열교환이 이루어지는 냉각수 채널이 구비된다.
또한 냉각수가 순환될 수 있도록 연료전지 스택(10)과 라디에이터(21) 사이에 구성되는 냉각수 라인(11), 순환을 위해 냉각수를 펌핑하여 압송하는 냉각수 펌프(14), 냉각수가 저장되는 냉각수 리저버(12), 라디에이터(21)의 효과적인 방열을 위해 구비되는 라디에이터 팬(22)이 구비된다. 그 밖에 냉각수 라인(11)의 유량계(15), 온도센서(16,18) 및 압력센서(17,19), 냉각수 리저버(12)의 수위센서(13) 등이 설치된다.
이러한 수냉식 냉각 시스템을 적용함에 있어서 스택 냉각수 배관이 뜻하지 않게 막히거나 배관에 기포가 차는 경우 또는 냉각수가 부족한 경우에 냉각수가 정상적으로 순환하지 못하는 문제가 발생하는데, 스택 냉각수가 정상적으로 순환하지 않을 경우 스택 냉각이 정상적으로 이루어지지 않게 되고, 또한 스택 냉각이 정상적으로 이루어지지 않을 경우 스택이 과열되면서 연료전지 열화(MEA(Membrane-Electrode Assembly) 등 손상)에 의한 성능 저하가 초래될 수 있다.
따라서, 냉각수 라인(11)에서 냉각수가 정상적으로 순환하는지를 모니터링해야 하는데, 냉각수의 정상 순환 여부를 판단하기 위해서 종래에는 냉각수 라인(11)에 유량계(15)를 장착한 뒤 이 유량계(15)를 통해 냉각수 유량을 직접적으로 측정하여 판단하거나, 압력센서(17,19)를 통해 냉각수 압력을 측정하여 간접적으로 유량을 확인한 뒤 정상 순환 여부를 판단하는 방식을 이용하였다. 또한 냉각수 리저버(12)에 설치된 수위센서(13)를 통해 냉각수 부족을 확인하고 있다.
그러나, 유량계를 사용하는 방식의 경우 정확한 유량을 측정할 수는 있으나 유량계가 고가여서 가격적인 문제로 인해 양산용 시스템에 적용하기에 어려움이 있고, 냉각수 압력을 측정하는 방식의 경우 배관의 상태에 따라 압력이 변화하는 문제가 있어서 정확한 유량을 확인하기 어려울 뿐만 아니라 압력센서 추가에 따른 비용 증가의 문제가 발생한다.
또한 냉각수 리저버에 수위센서를 설치하는 방식은 냉각수 부족 현상을 확인할 수는 있으나 냉각수 유량을 확인할 수 없고, 이 또한 센서 추가에 따른 비용 증가의 문제를 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 종래에 냉각수 라인에 설치되었던 고가의 유량계나 압력센서 없이도 연료전지 시스템 내에 순환되는 냉각수의 유량을 실시간으로 확인할 수 있고, 이를 토대로 냉각수의 정상 순환 여부를 정확히 판단할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 유량계나 압력센서 없이도 차량의 냉각수 라인에서 발생한 문제를 즉각적으로 확인할 수 있도록 하여 냉각 시스템의 이상으로 인한 연료전지 스택의 과열 및 손상(MEA의 촉매 열화 및 손상 등) 등을 사전에 효과적으로 방지할 수 있고, 냉각수 라인의 유량계나 압력센서의 삭제를 통해 연료전지 시스템의 구성 비용 및 시스템의 원가 절감, 가격 경쟁력 확보를 달성할 수 있도록 하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 압력센서 등을 이용한 기존 간접식 측정 방식에 비하여 냉각수의 유량을 계산을 통해 더욱 정확히 추정할 수 있고, 이로써 보다 정밀한 스택 온도 제어가 가능해지도록 하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 제어기에서 간단한 수식 계산 및 알고리즘 수행으로 냉각수 유량의 추정 및 냉각수 정상 순환 여부의 확인이 가능하도록 하여 제어기의 연산 부담을 최소화할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 연료전지의 운전 중 온도센서에 의해 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도가 검출되는 단계와; 연료전지의 운전 중 회전수 검출부에 의해 냉각수 펌프의 회전수가 검출되는 단계와; 상기 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 연료전지 스택의 운전상태에 따른 스택 발열량에 기초하여 냉각수 유량 추정식으로부터 냉각수 유량을 산출하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 냉각수 유량 예측 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 냉각수 유량 추정식은 상기 연료전지 스택을 검사체적으로 하는 열역학 제1법칙에 의해 도출된 계산식으로서, 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 스택 발열량, 스택 열용량, 냉각수 비열로부터 상기 냉각수 유량이 계산되도록 된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 냉각수 유량 추정식은 하기 식(1)과 같이 정의되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
(1)
여기서,
Figure pat00002
는 냉각수 유량, Q는 스택 발열량, MW는 스택 열용량, Tout는 출구측 냉각수 온도, Tout,old는 이전 계산 단계의 출구측 냉각수 온도, C는 냉각수 비열, Tin는 입구측 냉각수 온도임.
또한 본 발명은, 연료전지의 운전 중 온도센서에 의해 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도가 검출되는 단계와; 연료전지의 운전 중 회전수 검출부에 의해 냉각수 펌프의 회전수가 검출되는 단계와; 상기 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 연료전지 스택의 운전상태에 따른 스택 발열량에 기초하여 냉각수 유량 추정식으로부터 냉각수 유량을 산출하는 단계와; 미리 설정된 회전수-유량 데이터로부터 냉각수 펌프의 회전수 검출값에 상응하는 냉각수 유량을 산출하는 단계와; 상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산되는 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출되는 냉각수 유량에 기초하여 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계는, 상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산된 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출된 냉각수 유량 간의 오차를 산출하는 단계와; 상기 두 냉각수 유량 간의 오차를 설정 시간 동안 누적하여 오차의 누적량을 산출하는 단계와; 상기 오차의 누적량을 정상 순환 여부 판단을 위한 누적 오차 기준치(α1)와 비교하여, 상기 누적 기준치(α1)를 초과하면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로, 누적 기준치(α1) 이하이면 정상 순환되는 상태로 판정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직한 실시예에서, 상기 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계는, 상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산된 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출된 냉각수 유량 간의 오차를 정상 순환 여부 판단을 위한 오차 기준치(β1)와 비교하는 단계와; 상기 두 냉각수 유량 간의 오차가 설정 시간(γ1)을 초과하여 상기 오차 기준치(β1)을 초과하면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로, 상기 두 냉각수 유량 간의 오차가 오차 기준치(β1) 이하이거나 오차 기준치(β1)를 초과하는 시간이 상기 설정 시간(γ1) 이내이면 냉각수가 정상 순환되는 상태로 판정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 냉각수 유량 예측 방법 및 정상 순환 판정 방법에 의하면, 종래에 냉각수 라인에 설치되었던 고가의 유량계나 압력센서 없이도 연료전지 스택의 입, 출구측 냉각수 온도를 검출하도록 기 설치된 온도센서만을 이용하여 연료전지 시스템 내에 순환되는 냉각수의 유량을 실시간으로 확인할 수 있고, 이를 토대로 냉각수의 정상 순환 여부를 정확히 판단할 수 있게 된다.
또한 냉각수 라인의 유량계나 압력센서 없이도 차량의 냉각수 라인에서 발생한 문제를 즉각적으로 확인하여 냉각 시스템의 이상으로 인한 연료전지 스택의 과열 및 손상(MEA의 촉매 열화 및 손상 등) 등을 사전에 효과적으로 방지할 수 있게 되고(스택의 내구성 확보에 기여하게 됨), 냉각수 라인의 유량계나 압력센서의 삭제를 통해 연료전지 시스템의 구성 비용 및 시스템의 원가 절감, 가격 경쟁력 확보를 달성할 수 있게 된다.
또한 압력센서 등을 이용한 기존 간접식 측정 방식에 비하여 냉각수의 유량을 계산을 통해 더욱 정확히 추정할 수 있고, 이로써 보다 정밀한 스택 온도 제어가 가능해지는 이점이 있다.
또한 스택 냉각수의 부족을 판단하기 위한 냉각수 리저버의 수위센서를 삭제할 수 있어 추가적인 원가 절감이 가능해지고, 간단한 수식 계산 및 알고리즘 수행으로 냉각수 유량의 추정 및 냉각수 정상 순환 여부의 확인이 가능하여 제어기의 연산 부담이 최소화되는 이점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 냉각수 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각수 정상 순환 판정 과정이 수행되는 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각수 유량 추정에 대해서 설명하기 위한 참고도면이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각수 정상 순환 판단 과정을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 시스템에서 연료전지의 운전 중 냉각수 라인(냉각수 배관) 및 연료전지 스택을 통과하는 스택 냉각수의 유량을 추정하고 냉각수의 정상적인 순환상태를 판단 및 모니터링할 수 있는 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 연료전지 시스템의 냉각수 라인에 기 설치된 온도센서의 검출값을 이용하여 종래의 유량계나 압력센서의 이용 없이 이론적인 해석 모델을 통해 냉각수 배관에 흐르는 유량을 계산할 수 있는 기술에 주안점이 있는 것이다.
또한 이론적인 해석 모델을 통한 냉각수 유량 계산에 있어서, 본 발명에서는 개방 시스템에서의 에너지 보존법칙을 이용하여 스택 냉각수의 유량을 정확히 추정할 수 있는 기술을 제시한다. 이와 같이 본 발명에서 추정된 스택 냉각수의 유량은 연료전지 스택의 온도 제어 등 다양한 측면에서 유용하게 활용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각수 정상 순환 판정 과정이 수행되는 연료전지 시스템의 구성도로서, 연료전지 스택(10)과 더불어 연료전지 시스템의 기본 구성이라 할 수 있는 수소공급장치, 공기공급장치, 냉각 시스템, 제어기(1)를 도시하고 있다.
주지된 바와 같이, 수소공급장치는 수소탱크(31), 고압/저압 레귤레이터(32,34), 시동/정지용 솔레노이드 밸브(33), 유량계(35), 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인(36)의 블로워(37)가 연료전지 스택(10)의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드로 재순환시켜 수소의 재사용을 도모하게 된다. 도면부호 38은 수소 재순환 라인(36)의 솔레노이드 밸브를, 도면부호 39는 애노드의 수소를 배출시켜 퍼지함으로써 스택 내 분리판의 액적이나 질소 등 이물질을 제거하고 수소 이용률을 증대시키는 수소퍼지밸브를 나타낸다.
공기공급장치는 공기블로워(41), 유량계(42), 공기밸브(미도시), 가습기(미도시) 등을 포함하며, 냉각 시스템은 냉각수 펌프(14), 라디에이터(21), 라디에이터 팬(22), 냉각수 리저버(미도시), 냉각수 라인(11)의 온도센서(16,18) 등을 포함한다. 여기서, 온도센서(16,18)는 연료전지 스택(10)의 냉각수 출구측과 입구측에 각각 설치되어 스택의 출구측 냉각수 온도와 입구측 냉각수 온도를 검출하게 된다.
또한 연료전지 스택(10)에서 출력되는 전류 및 전압을 검출하기 위한 전류센서(23) 및 전압센서(24)가 설치되며, 제어기(1)는 유량계(35,42), 온도센서(16,18), 전류센서(23), 전압센서(24) 등의 검출값을 입력받아 연료전지 시스템의 각 구성부에 대하여 작동 전반을 제어하게 된다.
또한 도 2의 연료전지 시스템은 도면상 나타내지는 않았으나 냉각수 펌프(14)의 회전수를 검출하기 위한 회전수 검출부(미도시)를 포함하며, 상기 제어기(1)는 회전수 검출부로부터 냉각수 펌프의 회전수를 실시간으로 입력받게 된다.
상기 회전수 검출부로는 냉각수 펌프의 회전수를 실측하기 위한 회전수 센서가 될 수 있으나, 펌프 회전수에 상응하는 값(제어값 또는 실측값), 예컨대 펌프 회전수 제어를 위해 인가되는 펌프 전류치(제어값 또는 전류센서에 의한 실측값), 펌프 출력, 펌프 회전수 제어를 위한 지령치 등으로부터도 회전수의 추정이 가능하므로, 본 발명의 회전수 검출부는 회전수를 실측하기 위한 센서 등의 요소를 포함하는 것이거나, 펌프 회전수에 상응하는 값을 획득하기 위한 다양한 형태의 요소를 모두 포함하는 것으로 이해해야 함이 타당하다.
한편, 본 발명에서는 상기와 같이 이루어진 연료전지 시스템 내에서 개방 시스템에서의 열역학 법칙을 이용하여 온도센서(16,18)에 의해 검출되는 연료전지 스택(10)의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도로부터 냉각수 유량을 이론적으로 계산하고, 계산된 냉각수 유량으로부터 냉각수 라인(11) 및 연료전지 스택(10)의 냉각수 채널을 따라 냉각수가 정상적으로 순환되고 있는지를 판단하게 된다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 3은 본 발명에 따른 냉각수 유량 추정에 대해서 설명하기 위한 참고도면이고, 도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 정상 순환 판단 과정을 나타내는 순서도이다.
우선, 본 발명에서는 연료전지 스택을 하나의 검사체적(control volume)으로 하여 검사체적이 흡수한 에너지(Q)(= 연료전지 스택의 발열량 = 냉각수의 흡열량)와 연료전지 스택으로 유입된 냉각수 에너지량(Ein)의 합이 연료전지 스택에서 빠져나온 냉각수 에너지량(Eout)과 검사체적의 에너지 변화량(ΔEsystem)의 합과 같다는 개방 시스템에서 열역학 제1법칙을 이용하여 스택 냉각수의 유량을 계산하는 모델을 제시한다.
이러한 본 발명의 냉각수 유량 추정 모델에 대해 보다 상세히 설명하면, 본 발명자는 개방 시스템의 열역학 제1법칙을 활용하여 연료전지 스택(10)의 입구측 냉각수 온도센서(16)와 출구측 냉각수 온도센서(18)의 검출값으로부터 냉각수 유량을 계산할 수 있는 냉각수 유량 추정식을 도출하였는 바, 우선 시스템에 사용된 연료전지 스택(10)을 검사체적으로 하는 열역학 제1법칙은 아래의 식(E1)과 같이 정리될 수 있다(도 3 참조).
(E1) 연료전지 스택의 발열량(Q) + 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 에너지량(Ein) = 연료전지 스택의 에너지 변화량(ΔEsystem) + 연료전지 스택에서 나오는 냉각수 에너지량(Eout)
또한 위의 식(E1)은 아래의 식(E2)로 다시 표현될 수 있다.
(E2)
Figure pat00003
여기서, Q는 연료전지 스택(10)의 발열량,
Figure pat00004
는 냉각수 유량, C는 냉각수 비열, Tin는 온도센서(16)에 의해 검출되는 입구측 냉각수 온도, MW는 연료전지 스택(검사체적) 열용량, Tout는 온도센서(18)에 의해 검출되는 출구측 냉각수 온도, Tout,old는 이전 계산 단계의 출구측 냉각수 온도(계측값)이다. Tout - Tout,old는 출구측 냉각수 온도의 변화량이 된다.
상기 식(E2)를 정리하여 냉각수 유량 추정식을 도출하면 아래 식(E3)와 같다. 하기 식(E3)의 냉각수 유량 추정식은 1) 연료전지 스택의 온도 변화와 냉각수 출구 온도 변화가 같고, 2) 연료전지 스택의 애노드와 캐소드 채널에서 각각의 기체가 출입할 때 에너지의 출입량은 무시하는 것으로 가정하여 도출된 것이다. 상기 에너지의 출입량은 전체 에너지량의 최대 5% 이하로서 전체 에너지량에 비해 매우 작은 값이므로 무시하는 것이 가능하다.
(E3)
Figure pat00005
상기의 냉각수 유량 추정식에서, 검사체적의 열용량, 즉 연료전지 스택(10)의 열용량 MW와 냉각수의 비열 C는 해당 연료전지 스택에 대하여 알고 있는 값이고, 이 알고 있는 값 MW와 C는 제어기에 미리 입력된 상태에서 연료전지의 운전 중에 냉각수의 유량을 추정하는데 사용되게 된다.
또한 입구측 냉각수 온도 Tin과 출구측 냉각수 온도 Tout, Tout,old는 입구측 냉각수 온도센서(16)와 출구측 냉각수 온도센서(18)에 의해 각각 실시간 검출되는 온도이고, 연료전지 스택(10)의 발열량(냉각수의 흡열량) Q는 제어기(1)가 연료전지의 운전상태에 따라 실시간으로 계산하는 값으로서, 운전 중 연료전지 스택의 발열량 산출은 연료전지 시스템에서 다양한 방식으로 계산되고 있으나, 일례를 들면 다음과 같다.
가장 간단한 방법으로서, 연료전지 시스템 내에서 전류센서(23)와 전압센서(24)에 의해 측정되는 스택 전류와 전압을 이용하는 방식인데, 연료전지 시스템에서 전기적인 에너지로 사용된 부분을 제외한 나머지 에너지는 모두 열로 발생하여 냉각수가 흡수했다고 가정할 경우, 아래와 같은 식(E4)로부터 연료전지 스택의 발열량 Q가 계산될 수 있다.
(E4)
Figure pat00006
여기서, E는 스택의 가역 개회로 전압(reversible open circuit voltage of stack), Vstack는 스택 전압, Istack는 스택 전류이다.
상기의 발열량 산출 방법은 일례를 든 것으로, 본 발명에서 발열량 산출 방법은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
결국, 제어기(1)는 연료전지의 운전 중 실시간 검출되는 연료전지 스택(10)의 입구측 냉각수 온도(Tin)와 출구측 냉각수 온도(Tout)에 기초하여 상기 식(E3)으로부터 연료전지 스택의 출구측 냉각수 유량(
Figure pat00007
, 도 4 및 도 5에서는 mout _est로 나타냄)을 미리 설정된 시간 간격으로 계산할 수 있고(S11/S11'), 또한 식(E3)에 의해 산출된 냉각수 유량을, 냉각수 라인(11)에 설치된 냉각수 펌프(14)의 현재 회전수로부터 얻어진 스택 출구측의 냉각수 유량(mout)과 비교하여, 냉각수의 정상 순환 여부를 판단할 수 있게 된다(도 4 및 도 5 참조).
즉, 펌프 회전수에 따른 냉각수 유량값이 설정된 회전수-유량 맵(map)으로부터 회전수 검출부에 의해 검출된 현재 펌프 회전수에 해당하는 냉각수 유량(mout)을 추출한 뒤(S12/S12'), 상기 식(E3)의 유량 추정식으로부터 산출된 냉각수 유량(mout _est)을 회전수-유량 맵(map)으로부터 추출한 냉각수 유량(mout)과 비교하여 냉각수의 정상 순환 여부를 판단하는 것이다.
여기서, 회전수-유량 맵은 동일 사양의 연료전지 스택 및 동일 사양의 냉각수 펌프를 포함한 냉각 시스템, 그리고 이들을 포함하고 있는 동일 사양의 연료전지 시스템에 대하여 선행 실시한 실험을 통해 얻어지는 펌프 회전수-냉각수 유량 데이터로서, 냉각수 펌프의 각 회전수에 대하여 유량계를 이용해 계측한 스택 출구측의 냉각수 유량값을 맵 데이터화한 것이다.
냉각수의 정상 순환 여부를 판단하는 과정에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제어기(1)는 두 냉각수 유량 간의 오차를 정해진 시간 간격으로 산출한 뒤 기 설정된 시간 동안의 오차를 누적하여 오차의 누적량을 정상 순환 여부 판단을 위한 누적 오차 기준치 α1와 비교하게 되는데(S13,S14), 이때 누적 기준치 α1를 초과하는 경우라면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로 판정하여, 연료전지 스택의 출력을 설정치 이내로 제한하거나, 연료전지 시스템을 셧다운 시키게 된다(S15). 물론, 오차 누적량이 누적 오차 기준치 α1 이하이면 냉각수가 정상 순환되는 상태로 판정한다.
또는 냉각수의 정상 순환 여부를 판단하는 과정에서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어기(1)는 두 냉각수 유량 간의 오차를 정상 순환 여부 판단을 위한 오차 기준치 β1와 비교하게 되는데(S13'), 이때 미리 설정된 시간 γ1을 초과하여 오차 기준치 β1을 초과하는 경우라면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로 판정하여, 연료전지 스택의 출력을 설정치 이내로 제한하거나, 연료전지 시스템을 셧다운 시키게 된다(S14',S15'). 물론, 두 냉각수 유량 간의 오차가 오차 기준치 β1 이하이거나, 오차 기준치 β1을 초과하는 시간이 γ1 이내의 시간인 경우, 냉각수가 정상 순환되는 상태로 판정한다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 종래에 냉각수 라인에 설치되었던 고가의 유량계나 압력센서 없이도 연료전지 스택의 입, 출구측 냉각수 온도를 검출하도록 기 설치된 온도센서만을 이용하여 연료전지 시스템 내에 순환되는 냉각수의 유량을 실시간으로 확인할 수 있고, 이를 토대로 냉각수의 정상 순환 여부를 정확히 판단할 수 있게 된다.
또한 냉각수 라인의 유량계나 압력센서 없이도 차량의 냉각수 라인에서 발생한 문제를 즉각적으로 확인하여 냉각 시스템의 이상으로 인한 연료전지 스택의 과열 및 손상(MEA의 촉매 열화 및 손상 등) 등을 사전에 효과적으로 방지할 수 있게 되고(스택의 내구성 확보에 기여하게 됨), 냉각수 라인의 유량계나 압력센서의 삭제를 통해 연료전지 시스템의 구성 비용 및 시스템의 원가 절감, 가격 경쟁력 확보를 달성할 수 있게 된다.
또한 압력센서 등을 이용한 기존 간접식 측정 방식에 비하여 냉각수의 유량을 계산을 통해 더욱 정확히 추정할 수 있고, 이로써 보다 정밀한 스택 온도 제어가 가능해지는 이점이 있다.
또한 스택 냉각수의 부족을 판단하기 위한 냉각수 리저버의 수위센서를 삭제할 수 있어 추가적인 원가 절감이 가능해지고, 간단한 수식 계산 및 알고리즘 수행으로 냉각수 유량의 추정 및 냉각수 정상 순환 여부의 확인이 가능하여 제어기의 연산 부담이 최소화되는 이점이 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 제어기 10 : 연료전지 스택
11 : 냉각수 라인 14 : 냉각수 펌프
16 : 입구측 냉각수 온도센서 18 : 출구측 냉각수 온도센서
21 : 라디에이터 22 : 라이데이터 팬
23 : 전류센서 24 : 전압센서

Claims (8)

  1. 연료전지의 운전 중 온도센서에 의해 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도가 검출되는 단계와;
    연료전지의 운전 중 회전수 검출부에 의해 냉각수 펌프의 회전수가 검출되는 단계와;
    상기 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 연료전지 스택의 운전상태에 따른 스택 발열량에 기초하여 냉각수 유량 추정식으로부터 냉각수 유량을 산출하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 시스템의 냉각수 유량 예측 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수 유량 추정식은 상기 연료전지 스택을 검사체적으로 하는 열역학 제1법칙에 의해 도출된 계산식으로서, 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 스택 발열량, 스택 열용량, 냉각수 비열로부터 상기 냉각수 유량이 계산되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 유량 예측 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각수 유량 추정식은 하기 식(1)과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료전지 시스템의 냉각수 유량 예측 방법.
    Figure pat00008
    (1)
    여기서,
    Figure pat00009
    는 냉각수 유량, Q는 스택 발열량, MW는 스택 열용량, Tout는 출구측 냉각수 온도, Tout,old는 이전 계산 단계의 출구측 냉각수 온도, C는 냉각수 비열, Tin는 입구측 냉각수 온도임.
  4. 연료전지의 운전 중 온도센서에 의해 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도가 검출되는 단계와;
    연료전지의 운전 중 회전수 검출부에 의해 냉각수 펌프의 회전수가 검출되는 단계와;
    상기 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 연료전지 스택의 운전상태에 따른 스택 발열량에 기초하여 냉각수 유량 추정식으로부터 냉각수 유량을 산출하는 단계와;
    미리 설정된 회전수-유량 데이터로부터 냉각수 펌프의 회전수 검출값에 상응하는 냉각수 유량을 산출하는 단계와;
    상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산되는 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출되는 냉각수 유량에 기초하여 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉각수 유량 추정식은 상기 연료전지 스택을 검사체적으로 하는 열역학 제1법칙에 의해 도출된 계산식으로서, 입구측 냉각수 온도 및 출구측 냉각수 온도, 스택 발열량, 스택 열용량, 냉각수 비열로부터 상기 냉각수 유량이 계산되도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 냉각수 유량 추정식은 하기 식(1)과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법.
    Figure pat00010
    (1)
    여기서,
    Figure pat00011
    는 냉각수 유량, Q는 스택 발열량, MW는 스택 열용량, Tout는 출구측 냉각수 온도, Tout,old는 이전 계산 단계의 출구측 냉각수 온도, C는 냉각수 비열, Tin는 입구측 냉각수 온도임.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계는,
    상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산된 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출된 냉각수 유량 간의 오차를 산출하는 단계와;
    상기 두 냉각수 유량 간의 오차를 설정 시간 동안 누적하여 오차의 누적량을 산출하는 단계와;
    상기 오차의 누적량을 정상 순환 여부 판단을 위한 누적 오차 기준치(α1)와 비교하여, 상기 누적 기준치(α1)를 초과하면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로, 누적 기준치(α1) 이하이면 정상 순환되는 상태로 판정하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉각수 정상 순환 여부를 판정하는 단계는,
    상기 냉각수 유량 추정식에 의해 계산된 냉각수 유량과 상기 회전수-유량 데이터로부터 산출된 냉각수 유량 간의 오차를 정상 순환 여부 판단을 위한 오차 기준치(β1)와 비교하는 단계와;
    상기 두 냉각수 유량 간의 오차가 설정 시간(γ1)을 초과하여 상기 오차 기준치(β1)을 초과하면 냉각수가 비정상 순환되는 상태로, 상기 두 냉각수 유량 간의 오차가 오차 기준치(β1) 이하이거나 오차 기준치(β1)를 초과하는 시간이 상기 설정 시간(γ1) 이내이면 냉각수가 정상 순환되는 상태로 판정하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 정상 순환 판정 방법.

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