KR20130071731A - 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자 제어기에서 연료전지 시스템의 운전압력에 따라 맵핑된 기준 출력 및 연료극 부근에 미리 설정된 두 지점에서의 기준 차압을 포함하는 운전정보를 파악하는 제1 단계; 연료전지 시스템의 출력과 상기 기준 출력을 비교하여, 상기 출력이 기준 출력보다 낮으면 상기 전자 제어기에서 상기 연료극 내 압력이 요동하는 목표 압력이 되도록 제어하는 제2 단계; 및 상기 두 지점에서의 측정 차압과 상기 기준 차압을 서로 비교하여, 상기 측정 차압이 기준 차압보다 낮으면 상기 전자 제어기에서 퍼지밸브 작동 주기가 감소하도록 제어하는 제3 단계;를 포함함으로써, 연료전지 시스템의 전 동작 영역에서 높은 효율을 얻을 수 있고, 퍼지 밸브 작동 주기를 효율적으로 제어하여 연비를 개선하며 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법 {Control method for pressure flow oscillation in the anode of fuel cell stack}
본 발명은 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자제어기(ECU)에서 연료전지 스택 내 연료극의 목표압력을 주기적으로 요동하도록 변화시키는 연료극의 압력 요동 제어방법에 관한 것이다.
기존에 다양한 분야에서 사용해오던 석유 에너지는 심각한 자연 환경 문제를 일으킬 뿐 아니라 매장량이 유한하여 최근에는 대부분의 국가에서 대체에너지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 수소에너지를 사용하는 연료전지 시스템은 현재의 내연 기관에 비하여 열효율이 높을 뿐만 아니라 생성물 또한 청정하여 환경 친화적인 우수한 대체에너지로 각광받고 있다.
연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템으로서, 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급 시스템, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 냉각 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
종래의 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치는 한국등록특허 제10-0836371호 또는 한국공개특허 제10-2011-0029512호에서 개시하는 방식을 포함하는 다양한 방식으로 동작할 수 있고, 수소연료 공급 조절 장치의 각 구성에 대해 첨부된 도 1a를 참고하여 살펴본다.
수소저장탱크(10)에 연결되는 수소공급라인(12)과, 연료전지 스택(30)에서 미반응된 수소가 재순환되는 수소 재순환라인(14)과, 새로운 수소 및 재순환 수소를 연료전지 스택(30)의 연료극 쪽으로 펌핑 공급하도록 스택 입구(13)와 수소 재순환라인(14)이 만나는 지점에 장착되는 제트펌프(16)와, 스택 입구에 장착되어 수소 및 공기압력을 측정하는 스택 입구 측 압력센서(18)와, 상기 스택 입구 측 압력센서(18)의 검출신호를 기반으로 수소공급라인(12)에 장착된 레귤레이터(20)의 유량 제어 동작을 제어하는 ECU(22, electronic control unit)와, 수소 재순환라인(14)과 연결된 배출라인(24)에 배치되어 수소와 산소 간 반응으로 생성된 응축수를 ECU(22)의 제어에 의해 외부로 배출시키는 퍼지 밸브(26) 등을 포함하여 구성되고, 제트펌프(16)는 고압 탱크에서 공급된 압축수소를 노즐을 통해 분사하여 진공을 발생시키고, 이를 이용하여 연료전지 스택(30) 내 배출 가스를 흡입하여 수소 가스를 재순환시키는 기능을 한다.
이때, 압축 수소의 전달 및 미반응 수소의 재순환을 위한 이젝터(ejector) 역할을 수행하는 장치로서, 제트펌프(16) 대신에 도 1b에 도시되어 있는 것처럼 블로워(18)가 장착될 수 있다. 덧붙여 상기 스택 출구 측 압력센서(28)의 검출신호를 ECU(22)에서 활용할 수도 있다.
연료전지 시스템의 연료전지 스택(30)인 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cells)에서 연료극으로부터 제공된 수소 이온과 공기극으로부터 제공된 산소 이온이 만나서 응축수를 생성한다. 응축수는 일반적으로 공기극에서 발생하지만, 농도차에 의해 연료극 측으로 이동한다. 이러한 응축수는 수소 연료 공급을 방해할 수 있고, 연료전지 스택의 효율을 떨어뜨리고 내구성에 문제를 일으킬 수 있다.
특히, 제트펌프(16)를 사용하는 방식인 경우 도 2에 도시된 연료전지 시스템의 출력과 운전압력 간의 관계를 나타내는 그래프에서 확인할 수 있는 것처럼 저출력 운전 영역에서 제트펌프(16)는 수소 재순환을 위한 흡입 효율이 높지 않아, 수소 재순환라인(14)과 연결된 배출라인(24) 상에 설치한 퍼지 밸브(26)를 통한 응축수 배출이 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, 블로워를 사용하는 방식인 경우에도 블로워의 베어링 및 기타 부품을 부식시킬 수 있는 수소 재순환 가스의 응축수를 퍼지 밸브(26)를 통해 배출하는데, 연료전지 스택에서 미반응된 수소도 함께 배출되는 문제점이 발생하여 퍼지 밸브(26)의 절대적인 개폐 횟수를 감소시키면서, ECU(22)가 퍼지 밸브(26)를 효율적으로 개폐하도록 제어하는 방법이 필요한 실정이었다.
추가적으로, 연료전지 시스템이 최적 운전 온도에 도달하기 전까지 생성되는 응축수를 배출함에 있어서, 퍼지 밸브(26)를 사용하지 않고 간단하게 배출시킬 수 있는 방법도 요구되고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 전자제어기(ECU)에서 연료전지 스택 내 연료극의 목표압력을 주기적으로 요동 또는 진동하도록 변화시킴으로써, 저출력 운전 영역을 포함하는 전 영역에서 수소 공급 유량, 수소 재순환 유량 및 퍼지 밸브의 개폐를 효율적으로 제어하여 연료전지 시스템의 연비를 향상시키는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연료전지 시스템 내 특정 지점의 온도를 비교함으로써, ECU에서 연료전지 스택 내 연료극의 목표압력을 효율적으로 제어하여 퍼지 밸브 조작없이도 연료전지 시스템의 연비를 향상시키는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법은, 전자 제어기에서 연료전지 시스템의 운전압력에 따라 맵핑된 기준 출력 및 연료극 부근에 미리 설정된 두 지점에서의 기준 차압을 포함하는 운전정보를 파악하는 제1 단계; 연료전지 시스템의 출력과 상기 기준 출력을 비교하여, 상기 출력이 기준 출력보다 낮으면 상기 전자 제어기에서 상기 연료극 내 압력이 요동하는 목표 압력이 되도록 제어하는 제2 단계; 및 상기 두 지점에서의 측정 차압과 상기 기준 차압을 서로 비교하여, 상기 측정 차압이 기준 차압보다 낮으면 상기 전자 제어기에서 퍼지밸브 작동 주기가 감소하도록 제어하는 제3 단계;를 포함하여 구성된다.
한편, 상기와 같은 다른 목적을 달성하기 위한 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법은, 전자 제어기에서 연료전지 시스템의 운전압력에 따라 맵핑된 기준 출력 및 연료전지 시스템 내 미리 설정된 지점에서의 기준 온도를 포함하는 운전정보를 파악하는 제1 단계; 연료전지 시스템의 출력과 상기 기준 출력을 비교하여, 상기 출력이 기준 출력보다 낮으면 상기 전자 제어기에서 연료극 내 압력이 요동하는 목표 압력이 되도록 제어하는 제2 단계; 및 상기 지점에서의 측정 온도 및 상기 기준 온도를 비교하여, 상기 측정 온도가 기준 온도보다 낮거나 같으면 상기 전자 제어기에서 압력 요동의 크기가 증가하도록 제어하는 제3 단계;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법에 의하면, 퍼지 밸브의 작동 주기를 3~4 배 이상 증가시킬 수 있어 외부로 배출되는 미반응 수소의 양을 줄일 수 있어 연비를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명이 펌핑이 일어나는 이젝터를 탑재한 방식의 연료전지 시스템에 적용된 경우, 저출력 운전 구간에서의 흡입 성능 저하 문제에 대해 일시적으로 수소 유량 공급을 증가시켜 해결할 수 있고, 혼합부에서의 혼합이 원활하게 이루어질 수 있게 하여 펌핑 성능 향상과 SR(stochiometry ratio) 증가 효과가 있다.
나아가 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법에서 최적 운전 온도 도달에 걸리는 시간동안 불필요하게 발생하는 응축수와 관련하여, 퍼지밸브 사용없이도 연료극 요동 압력의 크기를 증가시켜 응축수를 배출시킴으로써, 연료전지 스택의 전압 강하량은 줄이고 스택의 효율은 상승시키며 내구성 향상에 효과가 있다.
도 1a과 도 1b는 종래의 연료전지 시스템용 수소연료 공급 조절 장치를 나타내는 개략도이고,
도 2는 도 1a에서 시스템의 출력과 운전압력 간의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 나타내는 순서도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 시간의 흐름에 대해 나타내는 그래프 및 이젝터 내부 개략도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 나타내는 순서도이고,
도 6은 본 발명의 각 실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 시간의 흐름에 대해 나타내는 그래프이고,
도 7a와 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 적용시킨 실험 결과를 나타내는 그래프이며,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 적용시킨 것과 미적용시킨 것의 비교 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 나타내는 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 시간의 흐름에 대해 나타내는 그래프 및 이젝터 내부 개략도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법은, 전자 제어기에서 연료전지 시스템의 운전압력에 따라 맵핑된 기준 출력 및 연료극 부근에 미리 설정된 두 지점에서의 기준 차압을 포함하는 운전정보를 파악하는 제1 단계; 연료전지 시스템의 출력과 기준 출력을 비교하여, 출력이 기준 출력보다 낮으면 전자 제어기에서 연료극 내 압력이 요동하는 목표 압력이 되도록 제어하는 제2 단계; 및 두 지점에서의 측정 차압과 기준 차압을 서로 비교하여, 측정 차압이 기준 차압보다 낮으면 전자 제어기에서 퍼지밸브 작동 주기가 감소하도록 제어하는 제3 단계;를 포함한다.
우선 연료전지 시스템 특히, 연료전지 시스템에 수소 연료를 공급하는 장치가 운전을 시작한다(S10). 본 발명에서 수소연료 공급 조절 장치는 도 1a처럼 제트 펌프(16)를 적용시킨 방식과 도 1b처럼 블로워(15)를 적용시킨 방식뿐만 아니라 종래에 알려진 것도 포함하고, 도 1a과 도 1b의 ECU(22)와 같은 전자제어기가 수소 연료 공급의 전 과정을 조절 및 제어하는 것이 바람직하다.
이후 ECU는 일반적인 연료전지 시스템에 대한 제어와는 별도의 본 발명에 따른 연료극의 압력 요동 제어를 위해 연료전지 시스템의 운전압력에 따라 맵핑된 기준 출력 및 연료극 부근에 미리 설정된 두 지점에서의 기준 차압을 포함하는 운전정보를 파악한다(S20). 이러한 맵핑은 연료극 차압 또는 수소 재순환 유량이 최대가 되도록 이루어질 수 있고, 기준 출력 및 기준 차압은 연료전지 시스템의 운전압력과 밀접한 관련이 있으며, 기준 출력 및 기준 차압을 포함하는 운전정보는 기존 운전 데이터를 기반으로 작성될 수 있다. 이때, 미리 설정된 두 지점은 연료극의 입구와 출구인 것이 바람직하나, 특별한 지점으로 제한되는 것은 아니다.
계속해서 ECU는 연료전지 시스템의 출력(power) 또는 부하(load)를 모니터링하면서 일정 주기 간격으로 혹은 실시간으로 기준 출력과 비교한다(S30).
만약 연료전지 시스템의 출력이 기준 출력보다 높거나 같다면, 도 2에 도시된 것처럼 ECU는 연료전지 스택의 연료극에 충분한 연료가 주입되고 있다고 판단하여 요동 주파수 f를 0로 설정한다(S100). f를 0으로 설정함에 따라 연료전지 스택에 흐르는 전류 I를 제외한 나머지 변수는 0가 되고, ECU는 연료극 측의 목표 압력 Ptarget1에 대해 제어하는 식을 아래와 같이 설정한다(S110).
Figure pat00001
즉, ECU는 연료극 측의 목표 압력이 오직 연료전지 스택에 흐르는 전류를 추종하여 결정될 수 있도록 제어한다. 따라서 이 전류 I는 연료전지 시스템의 출력에 비례하는 관계에 있게 된다.
이후 ECU는 동작을 계속하는 신호가 인가되는지 파악하여(S120), 계속하게 되면 다시 연료전지 시스템의 출력과 기준 출력을 비교하여(S30) 위와 같은 작동을 반복(S100)하거나 반대의 결과라면 후술하는 것과 같은 작동을 수행한다(S200). 혹은 운전 종료 신호를 받아 연료전지 시스템을 오프시킨다(S40).
한편 만약 연료전지 시스템의 출력이 기준 출력보다 낮다면, ECU에서 연료극 내 압력이 요동하는 목표 압력이 되도록 제어한다. 이때, 도 2에 도시된 것처럼 ECU는 연료전지 시스템이 저출력 운전영역에 있다고 판단하여 요동 주파수 f를 0이 아닌 값으로 설정한다(S200). f를 0이 아닌 값으로 설정함과 동시에 ECU는 연료극 측의 목표 압력 Ptarget2이 다음과 같은 식에 의해 결정되도록 조절한다(S210).
Figure pat00002
즉, ECU는 연료극 측의 목표 압력이 요동 주파수 f, 요동 크기 p', 운전출력 또는 운전부하에 따라 맵핑된 연료극 기준압력(평균압력) P, 연료전지 스택에 흐르는 전류 I, 연료전지 스택의 운전 온도 T, 퍼지밸브 작동 주기 Tpurge 를 매개변수로 하는 함수에 의해 결정될 수 있도록 제어한다. 여기서, 목표 압력 및 기준압력은 도 1a와 도 1b에 도시된 압력센서(18)에 의해 측정될 수 있지만, 반드시 압력센서(18)가 연료극의 입구 측에 설치되어 측정해야 하는 것은 아니다. 덧붙여, 운전 온도 T는 냉각수 온도, 재순환 수소 가스 온도, 공기 온도 등이 될 수 있다.
ECU에서 연료극 측의 목표 압력 Ptarget2가 위 식에 의해 주기적으로 변동하도록 조절하면, 도 1a와 도 1b에 도시된 것처럼 수소가 공급되는 유량을 조절하는 유량조절밸브(20) 또는 레귤레이터가 목표 압력에 추종하여 동작하게 된다.
도 4의 이젝터 내부 개략도에 도시된 것처럼 ECU에서 보내는 신호에 의해 개폐되는 유량조절밸브를 통과한 수소는 유입구(100)를 통해 이젝터 측으로 전달된다. 이러한 압축수소는 노즐(110)을 통해 분사되고, 재순환 유입구(120)를 통해 유입된 재순환 수소와 혼합부(130, mixing zone)에서 혼합된다. 디퓨저(140, diffuser)는 혼합된 수소를 연료전지 스택의 연료극 측으로 전달시킨다.
이때, 유량조절밸브가 목표 압력을 추종하여 작동하므로, 노즐(110)을 통과하는 수소의 유량도 주기적으로 증가 혹은 감소하게 된다.
특히, 수소 유량 증가시에 이러한 노즐(110)의 비정상 유동(unsteady flow)은 노즐(110)의 진공압력을 증가시킬 뿐만 아니라 혼합부(130)와 디퓨저(140)에서 흡입가스와 혼합을 원활하게 하여 재순환량을 증가시킨다. 재순환량 증가는 퍼지 밸브 작동 주기 Tpurge를 증가시킬 수 있어 퍼지 밸브를 통해 외부로 배출되는 미반응 수소의 양을 줄일 수 있다.
도 4의 그래프를 참고하여 연료극 측의 목표 압력 변화에 따른 수소 공급 유량 및 재순환 유량의 변화를 구체적으로 살펴본다.
도 4의 첫번째 그래프에 도시된 것처럼, 연료극 측 기준 압력에 대하여 p'의 요동 크기로 주파수 f(주기의 역수)마다 목표 압력이 변화한다. 이러한 목표 압력은 p' 또는 f 뿐만 아니라 운전부하에 따라 맵핑된 기준압력 P, 전류 I, 운전온도 T, 퍼지 밸브 작동 주기 Tpurge 등을 추가적인 매개변수로 하여 결정된다. ECU가 연료극의 압력 요동을 제어하면, 실제 압력은 목표 압력에 대해 일정 오차를 갖고 추종하며 변화한다.
도 4의 두번째, 세번째 그래프에 도시된 것처럼 ECU가 연료극 측 목표 압력을 요동을 갖도록 제어하면, 목표 압력에 추종하는 수소 유량조절 밸브의 개폐에 의해 수소 공급 유량도 변화하고, 연료극 입출구 차압의 최대값도 변화한다. 이때, 연료극 입출구 간의 압력 차이는 수소 재순환 유량과 관련이 있다.
도 4의 두번째 그래프 상의 ① 지점은 왼쪽 이젝터 내부 개략도와 관련이 있고, ② 지점은 오른쪽 이젝터 내부 개략도와 관련이 있다.
① 지점에서는 유입구(100)를 통해 들어오는 수소 연료가 증가하여 노즐(110)을 통과하는 압축 수소양이 증가하게 되고, 이로 인해 연료극 측으로 유입되는 수소 유량 및 재순환유입구(120)를 통해 유입되는 재순환 수소 유량이 증가함을 알 수 있다.
또한, ② 지점에서는 유입구(100)를 통해 들어오는 수소 연료가 감소하여 노즐(110)을 통과하는 압축 수소양이 감소하게 되고, 이로 인해 연료극 측으로 유입되는 수소 유량 및 재순환유입구(120)를 통해 유입되는 재순환 수소 유량이 감소함을 알 수 있다.
이처럼 수소 재순환 유량이 증가하면 퍼지 밸브 작동 주기가 늘어날 수 있고, 외부로 배출되는 수소의 양을 줄일 수 있다. 덧붙여, 연료극 입구와 출구의 압력 요동과 유동 펄스는 연료전지 스택 채널의 응축수 배출을 증가시킬 수 있어 퍼지 밸브 작동 필요 횟수를 감소시킬 수 있다.
이후에 ECU는 연료전지 스택의 연료극 내 미리 설정된 두 지점에서 측정되는 측정 차압을 모니터링한다(S220). 이때, 미리 설정된 두 지점의 압력 차이인 측정 차압은 연료극의 입구 압력과 연료극의 출구 압력 차이인 것이 바람직하고, 차압이 ECU에서 계산된다. 이후 ECU는 연료극 차압에 대해 모니터링한 결과와 기준 차압을 일정 주기 간격으로 혹은 실시간으로 비교한다(S230).
이렇게 측정된 측정 차압이 기준 차압보다 낮다면, ECU는 수소의 재순환 유량이 부족한 것으로 판단하여 퍼지 밸브 작동 주기 Tpurge를 줄인다(S231). Tpurge의 감소는 퍼지 밸브를 보다 자주 개폐하게 됨을 의미하고, 이는 응축수 배출을 증가시키고 수소의 재순환 유량도 증가시킬 수 있다.
이와 반대로 만약 측정 차압이 기준 차압보다 높거나 같다면, ECU는 수소의 재순환 유량이 충분하거나 과잉 상태인 것으로 판단하여 퍼지 밸브 작동 주기 Tpurge를 증가시킨다(S232). Tpurge의 증가는 퍼지 밸브를 보다 덜 개폐하게 됨을 의미하고, 이는 응축수 배출을 감소시키고 수소의 재순환 유량도 감소 또는 유지시킬 수 있다.
이후 ECU는 다시 연료전지 시스템의 출력과 기준 출력을 비교(S30)하여 위와 같은 작동을 반복(S200)하거나 반대의 결과라면 요동주파수 f를 0으로 설정한다(S100). 혹은 운전 종료 신호를 받아 연료전지 시스템을 오프시킨다(S40).
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법은 연료극 측의 목표 압력을 ECU에서 제어함에 따라 수소 공급조절 밸브 및 퍼지밸브의 개폐를 조절함으로써 수소 공급 유량 및 재순환 유량을 컨트롤하고, 전체 연료전지 시스템의 효율을 향상시키며, 연비 및 연료전지 스택의 내구성을 개선할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법은, 전자 제어기에서 연료전지 시스템의 운전압력에 따라 맵핑된 기준 출력 및 연료전지 시스템 내 미리 설정된 지점에서의 기준 온도를 포함하는 운전정보를 파악하는 제1 단계; 연료전지 시스템의 출력과 기준 출력을 비교하여, 출력이 기준 출력보다 낮으면 전자 제어기에서 연료극 내 압력이 요동하는 목표 압력이 되도록 제어하는 제2 단계; 및 위 지점에서의 측정 온도 및 기준 온도를 비교하여, 측정 온도가 기준 온도보다 낮거나 같으면 전자 제어기에서 압력 요동의 크기가 증가하도록 제어하는 제3 단계;를 포함한다. 이와 관련해서는 도 5를 참고하여 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 나타내는 순서도이다.
우선 연료전지 시스템 특히, 연료전지 시스템에 수소 연료를 공급하는 장치가 운전을 시작하고(S10), 이후 ECU는 일반적인 연료전지 시스템에 대한 제어와는 별도의 본 발명에 따른 연료극의 압력 요동 제어를 위해 연료전지 시스템의 운전압력에 따라 맵핑된 기준 출력 및 연료전지 시스템 내 미리 설정된 지점에서의 기준 온도를 포함하는 운전정보를 파악한다(S20).
이러한 맵핑은 연료극 차압 또는 수소 재순환 유량이 최대가 되도록 이루어질 수 있고, 기준 출력 및 기준 온도는 연료전지 시스템의 운전압력과 밀접한 관련이 있으며, 기준 출력 및 기준 온도를 포함하는 운전정보는 기존 운전 데이터를 기반으로 작성될 수 있다. 이때, 기준 온도를 파악하는 미리 설정된 지점은 냉각수 라인, 연료극의 입구 또는 출구인 것이 바람직하나, 특별한 지점으로 제한되는 것은 아니다.
계속해서 ECU는 연료전지 시스템의 출력(power) 또는 부하(load)를 모니터링하면서 일정 주기 간격으로 혹은 실시간으로 기준 출력과 비교한다(S30).
만약 연료전지 시스템의 출력이 기준 출력보다 높거나 같다면, 도 2에 도시된 것처럼 ECU는 연료전지 스택의 연료극에 충분한 연료가 주입되고 있다고 판단하여 요동 주파수 f를 0로 설정한다(S300). f를 0으로 설정함에 따라 연료전지 스택에 흐르는 전류 I를 제외한 나머지 변수는 0가 되고, ECU는 연료극 측의 목표 압력 Ptarget1에 대해 제어하는 식은 상술한 [수학식 1]과 같이 설정한다(S310).
이후 ECU는 동작을 계속하는 신호가 인가되는지 파악하여(S320), 계속하게 되면 다시 연료전지 시스템의 출력과 기준 출력을 비교하여(S30) 위와 같은 작동을 반복(S300)하거나 반대의 결과라면 후술하는 것과 같은 작동을 수행한다(S400). 혹은 운전 종료 신호를 받아 연료전지 시스템을 오프시킨다(S40).
한편 만약 연료전지 시스템의 출력이 기준 출력보다 낮다면, ECU에서 연료극 내 압력이 요동하는 목표 압력이 되도록 제어한다. 이때, 도 2에 도시된 것처럼 ECU는 연료전지 시스템이 저출력 운전영역에 있다고 판단하여 요동 주파수 f를 0이 아닌 값으로 설정한다(S400). f를 0이 아닌 값으로 설정함과 동시에 ECU는 연료극 측의 목표 압력 Ptarget2이 상술한 [수학식 2]에 의해 결정되도록 조절한다(S410).
ECU에서 연료극 측의 목표 압력 Ptarget2가 [수학식 2]에 의해 주기적으로 변동하도록 조절하면, 도 1a와 도 1b에 도시된 것처럼 수소가 공급되는 유량을 조절하는 유량조절밸브(20) 또는 레귤레이터가 목표 압력에 추종하여 동작하게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법에서 목표 압력 Ptarget2에 의한 제어는 이미 상술한 본 발명의 일실시예에 따른 제어방법과 동일한 방식으로 이루어지므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이후에 ECU는 연료전지 시스템 내 미리 설정된 지점에서 측정되는 측정 온도를 모니터링한다(S420). 이때, 미리 설정된 지점의 측정 온도는 이미 설정된 지점의 기준 온도와 동일한 지점에서 측정된 것으로서, 위 지점은 냉각수 라인, 연료극의 입구 또는 출구인 것인 것이 바람직하고, 연료극은 공기 연료나 수소 연료 중 어느 연료에 대한 것이라도 상관없으며, 온도가 ECU에서 계산된다. 이후 ECU는 측정 온도에 대해 모니터링한 결과와 기준 온도를 일정 주기 간격으로 혹은 실시간으로 비교한다(S430).
이렇게 측정된 측정 온도가 기준 온도보다 낮거나 같으면, ECU는 압력 요동의 크기가 증가하도록 제어한다(S431). 즉, 위 [수학식 2]에서 특히 T 변수에 의해 압력 요동의 크기가 증가함에 따라 시동 초기 또는 겨울철 저온 조건 하에 최적 운전 온도(55 ~70도)에 도달하지 못한 상태의 연료전지 시스템에서 불필요하게 발생하는 응축수를 퍼지밸브 조작없이 효율적으로 배출시킬 수 있다.
이와 반대로 측정 온도가 기준 온도보다 높으면, ECU는 퍼지밸브를 일정 주기로 작동시킬 수 있다(S432). 이때, 측정 온도 및 기준 온도의 미리 설정된 지점이 냉각수 라인인 경우에는 기준 온도를 40도로 삼는 것이 바람직하다.
이후 ECU는 다시 연료전지 시스템의 출력과 기준 출력을 비교(S30)하여 위와 같은 작동을 반복(S400)하거나 반대의 결과라면 요동주파수 f를 0으로 설정한다(S300). 혹은 운전 종료 신호를 받아 연료전지 시스템을 오프시킨다(S40).
이와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법은 연료극 측의 목표 압력을 ECU에서 제어함에 따라 시동초기 또는 겨울철 저온 조건 하에 연료극에서 불필요하게 발생하는 응축수를 퍼지밸브의 특별한 조작없이도 배출시킴으로써, 전체 연료전지 시스템의 효율을 향상시키며, 연비 및 연료전지 스택의 내구성을 개선할 수 있다.
지금까지 상술한 본 발명에 따른 각 실시예에서, ECU는 연료극 측의 목표 압력을 도 6처럼 변화하도록 동시에 제어할 수도 있다. 도 6은 본 발명의 각 실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 시간의 흐름에 대해 나타내는 그래프이다.
연료전지 시스템의 출력이 기준 출력보다 낮은 경우에 연료극 압력 요동 제어를 하며 목표 압력을 설정함에 있어서, 목표 압력을 결정하는 매개변수 중 하나인 요동 주파수 f와 관련된 요동 주기(1/f)를 조절할 때, 요동 주기 내 고점의 시간을 운전출력에 따라 변화시킬 수 있다.
연료전지 시스템의 출력(power) 또는 부하(load)가 매우 작은 경우에는 ECU가 목표 압력의 변화를 제어함에 있어서, 고점 시간이 짧아지도록 제어한다. 즉, 도 5의 윗쪽 그래프와 같이 duty를 조절하여 한 주기 내 고점 시간을 줄임으로써, 수소 소모에 의한 압력 하강을 적절한 수준으로 관리하고 다음 목표 압력 상승시에 수소 공급 유량을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
나아가, 연료전지 시스템의 출력 또는 부하가 비교적 큰 경우에는 ECU가 목표 압력의 변화를 제어함에 있어서, 고점 시간이 길어지도록 제어한다. 즉, 도 5의 아래쪽 그래프와 같이 duty를 조절하여 한 주기 내 고점 시간을 늘림으로써, 수소 공급 유량을 보다 원만하게 증가되도록 제어할 수 있다.
실험예
도 7a는 도 1a에서 도시한 이젝터 타입에 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 적용시켰을 때 펌핑 효율 곡선을 나타내는 그래프로서, 수소공급 유량 변화에 따른 흡입 효율 변화를 나타내고 있다.
특히, ①과 ② 지점에서의 수소공급 유량과 흡입 효율의 변화를 도 7b와 관련하여 살펴본다.
도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법이 적용된 연료전지 시스템에서 시간의 흐름에 따른 목표 압력, 연료전지 스택 내 실제 압력 및 수소 공급 유량의 변화 그리고 퍼지 밸브 작동 타이밍을 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따라서 ECU가 요동 주파수 f가 0이 아니도록 제어하면, 파란색으로 표시된 목표 압력이 도 7b처럼 주기적으로 변화하게 된다. 즉, ECU는 연료전지 스택의 연료극 측 압력이 목표 압력처럼 요동(flow oscillation) 혹은 진동하도록 제어한다. 물론 이러한 목표 압력과 빨간색으로 표시된 스택 내 실제 압력은 일정 오차가 있을 수 있다. 노란색으로 표시된 수소 공급 유량은 목표 압력 또는 실제 압력을 추종하여 변화함을 알 수 있고, 흰색으로 표시된 퍼지 밸브 작동 타이밍에 수소 공급 유량이 급격하게 증가함을 알 수 있다. 이를 통해 퍼지 밸브 작동 주기를 조절함에 따라 수소 공급 유량을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 7b에 표시된 ① 지점에서는 이젝터의 펌핑이 없는 상태로 도 6a에서 확인할 수 있는 것과 같이 흡입 효율이 상대적으로 낮지만, ② 지점에서는 이젝터의 펌핑이 발생하는 상태로 흡입 효율이 상대적으로 높다. 이러한 흡입 효율의 평균값은 전 영역에서 요동 주파수 f를 0으로 설정하여 운전할 때의 흡입 효율보다 높아, 본 발명과 같은 제어방법을 적용시킨 연료전지 시스템이 보다 효율적임을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법을 적용시킨 것과 미적용시킨 것의 비교 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이는 압력 요동 제어의 효과를 확인하기 위한 실험으로서, 일정 부하 전류와 기준 압력을 걸어준 상태에서 시간 흐름에 따라 발생하는 전압 강하량을 측정하여 효과를 비교하였다.
노란색으로 표시된 그래프는 연료극의 압력 요동 제어 및 퍼지 밸브의 적용없이 실험한 결과로서, 비교적 짧은 시간 동안 많은 전압 강하가 생긴 것을 확인할 수 있다. 또한, 빨간색으로 표시된 그래프는 퍼지 밸브의 적용없이 연료극의 압력 요동 제어를 적용시킨 실험 결과로서, 위의 경우와 비슷한 시간 동안 상당한 전압 강하와 함께 변동폭이 극심한 것을 확인할 수 있으며, 생성된 응축수의 원활한 배출의 부재가 성능 하락의 원인이라고 볼 수 있다.
반면에, 파란색으로 표시된 그래프는 본 발명의 일실시예에 따른 연료극의 압력 요동 제어방법을 적용하여 실험한 결과로서, 위의 경우들과 비교하여 약 2배의 시간 동안 실험했음에도 전압 강하가 거의 발생하지 않았음을 알 수 있다. 덧붙여 퍼지 밸브 주기 Tpurge 마다 즉, 개폐가 이루어지면 전압이 일정 수준 상승함을 알 수 있다.
이처럼 본 발명에서 상술한 각 실시예와 같이 연료극의 압력에 대해 요동이 생기도록 제어함으로써, 연료전지 시스템의 전 동작 영역에서 높은 효율을 유지할 수 있고, SR(stochiometry ratio) 증가에 따라 연비 및 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다. 즉, 수소연료 공급량과 연료전지 스택에서 전기를 발생시키기 위해 필요한 수소연료의 양의 비로 정의되는 SR이 증가함에 따라 연료극의 미세 채널 내 유량 증가, 채널 유동의 균일화, 응축수와 기타 가스 배출의 원활화 및 연료전지 스택의 입출구 사이 온도, 습도 등의 차이의 감소 등의 효과가 생기게 된다.
비록 본 발명이 실시예와 몇몇 도면에 의해 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
100 : 수소 유입구
110 : 노즐
120 : 재순환 수소 유입구
130 : 혼합부
140 : 디퓨저

Claims (9)

  1. 전자 제어기에서 연료전지 시스템의 운전압력에 따라 맵핑된 기준 출력 및 연료극 부근에 미리 설정된 두 지점에서의 기준 차압을 포함하는 운전정보를 파악하는 제1 단계;
    연료전지 시스템의 출력과 상기 기준 출력을 비교하여, 상기 출력이 기준 출력보다 낮으면 상기 전자 제어기에서 상기 연료극 내 압력이 요동하는 목표 압력이 되도록 제어하는 제2 단계; 및
    상기 두 지점에서의 측정 차압과 상기 기준 차압을 서로 비교하여, 상기 측정 차압이 기준 차압보다 낮으면 상기 전자 제어기에서 퍼지밸브 작동 주기가 감소하도록 제어하는 제3 단계;를 포함하는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제3 단계에서
    상기 전자 제어기는 상기 측정 차압이 기준 차압보다 높으면 퍼지밸브 작동 주기가 증가하도록 제어하고, 상기 측정 차압이 기준 차압과 같으면 퍼지밸브 작동 주기를 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제3 단계에서
    상기 두 지점은 연료극의 입구와 출구인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법.
  4. 전자 제어기에서 연료전지 시스템의 운전압력에 따라 맵핑된 기준 출력 및 연료전지 시스템 내 미리 설정된 지점에서의 기준 온도를 포함하는 운전정보를 파악하는 제1 단계;
    연료전지 시스템의 출력과 상기 기준 출력을 비교하여, 상기 출력이 기준 출력보다 낮으면 상기 전자 제어기에서 연료극 내 압력이 요동하는 목표 압력이 되도록 제어하는 제2 단계; 및
    상기 지점에서의 측정 온도 및 상기 기준 온도를 비교하여, 상기 측정 온도가 기준 온도보다 낮거나 같으면 상기 전자 제어기에서 압력 요동의 크기가 증가하도록 제어하는 제3 단계;를 포함하는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제3 단계에서
    상기 전자 제어기는 상기 측정 온도가 기준 온도보다 높으면 퍼지밸브를 일정 주기로 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 제3 단계에서
    상기 지점은 냉각수 라인, 연료극의 입구 또는 출구인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 제2 단계에서
    상기 목표 압력은 요동 주파수 f, 요동 크기 p', 운전출력에 따라 맵핑된 연료극 기준압력 P, 연료전지 스택에 흐르는 전류 I, 연료전지 스택의 운전 온도 T 및 퍼지밸브 작동 주기 Tpurge를 매개변수로 하는 함수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 제2 단계에서
    상기 출력이 기준 출력보다 높으면 상기 전자 제어기에서 연료극 내 압력은 상기 연료전지 시스템에 흐르는 전류 I에 의해 결정되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 요동 주파수 f와 관련된 요동 주기를 조절할 때, 상기 요동 주기 내 고점의 시간을 운전출력에 따라 변화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 내 연료극의 압력 요동 제어방법.
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