KR20130137738A - 연료전지 시스템 운전 방법 - Google Patents

연료전지 시스템 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전치 차량의 냉각 성능 만족 및 연료전지 시스템 효율 개선을 위한 연료전지 시스템 운전 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 시스템 효율과 냉각 성능 판단 지표를 이용하여, 차량 운전 조건(가압운전 유무 판단)을 도출함으로써, 연료전지 시스템의 운전 온도 증가에 따른 시스템 효율 및 차량 냉각 성능을 모두 만족시킬 수 있는 연료전지 시스템 운전 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템 운전 방법{FUEL CELL SYSTEM OPERATING METHOD}
본 발명은 연료전지 시스템 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전치 차량의 냉각 성능 만족 및 연료전지 시스템 효율 개선을 위한 연료전지 시스템 운전 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하도록 공기블로워 및 가습기를 포함하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있다.
첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연료공급 시스템(20)은 연료전지 스택(10)의 연료극에 수소를 공급하기 위한 수소탱크(21)와, 스택에서 반응을 마친 일부 수소를 재공급하기 위한 수소공급블로워(22) 등을 포함하여 구성되고, 상기 공기공급 시스템(30)은 외기로부터 이물질을 필터링하는 필터(31)와, 필터링된 공기를 흡입하는 공기블로워(32)와, 건조공기를 가습시켜 스택(10)의 공기극에 공급하는 가습기(33) 등을 포함하여 구성되며, 상기 열 및 물관리 시스템(40)은 연료전지 스택(10)의 냉각수 출구측으로부터 입구측 방향을 따라 물펌프(41), 전동식 써모스탯, 라디에이터(42) 등이 순차적으로 배치된 구성을 갖는다.
상기 연료전지 스택은 연료전지 자동차의 주 에너지원인 전기를 생산하는 일종의 발전장치로서, 전극막 어셈블리를 사이에 두고 수소가 공급되는 연료극과 공기가 공급되는 공기극이 적층된 구조를 가지며, 공기중의 산소와 외부에서 공급된 수소가 화학적으로 반응하여 전기에너지를 발생시키는 장치를 말한다.
따라서, 연료전지 시스템의 운전 중, 전기에너지의 생성을 위하여 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되고, 이와 동시에 에어블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.
그에 따라, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.
이러한 연료전지 시스템의 운전 중, 연료전지 스택 발열량 증가에 의한 연료전지 시스템의 운전 온도 상승으로 인하여 냉각 성능 불만족 상태가 초래될 수 있고, 연료전지 시스템의 냉각 성능 저하시 각 부품(연료전지 스택, 라디에이터, 전장품들 등)이 열해될 가능성 있으므로, 연료전지 시스템의 운전 중 냉각 성능은 매우 중요한 요소중 하나이다.
상기 연료전지 시스템의 냉각 성능 개선하기 위하여, 연료전지 차량에 탑재된 연료전지 시스템의 운전 온도를 증가시켜서 라디에이터의 냉각 성능을 향상시키는 방법이 채택될 수 있다.
예를 들어, 연료전지 스택으로부터 라디에이터로 들어가는 냉각수의 온도가 65℃ 이고, 외기온도가 25℃이면 Δt는 40℃가 되고, 운전온도 증가시 냉각수의 온도가 85℃ 이고, 외기온도가 25℃이면 Δt는 60℃가 되므로, 라디에이터에 의한 냉각 성능이 증가하게 되어, 결국 연료전지 시스템의 냉각 성능이 개선될 수 있다.
이렇게 연료전지 시스템의 운전 온도 증가시 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 냉각 성능이 개선되면, 엔진룸 패키지 개선이 가능하고, 열 및 물관리 시스템(Thermal Management System)의 부피 감소 및 원가 절감을 유도할 수 있으며, 차량 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.
반면, 연료전지 시스템의 운전 온도 증가시, 가습기의 가습 효율이 저하되면서 연료전지 스택의 건조 분위가 조성으로 인하여 스택 성능 저하를 초래하고, 스택 성능 저하에 따른 발열량이 증가하여 연료전지 차량 출력 제한 및 차속 저하를 초래하는 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하고자, 연료전지 시스템의 운전 온도 증가시 가습기의 가습효율을 높여 스택 성능을 높이기 위하여 스택에 공기를 가압하여 주입하는 가압 운전이 필요하지만, 이 경우 공기를 가압 주입하기 위한 공기블로워의 소모전력 증가로 연료전지 시스템 효율이 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 연료전지 시스템의 운전 온도 증가에 따른 시스템 효율 및 차량 냉각 성능을 모두 만족할 수 있는 연료전지 시스템의 운전 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 시스템 효율과 냉각 성능 판단 지표를 이용하여, 차량 운전 조건(가압운전 유무 판단)을 도출함으로써, 연료전지 시스템의 운전 온도 증가에 따른 시스템 효율 및 차량 냉각 성능을 모두 만족시킬 수 있는 연료전지 시스템 운전 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료전지 시스템 효율(a)과, 연료전지 시스템의 냉각 성능 판단 지표[Q/ITD(b)]를 이용하여, 연료전지 시스템 운전 조건인 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표[(y) = 시스템 효율(a)*X - Q/ITD(b)*(1-X)]를 도출하고, 도출된 연료전지 시스템 운전 조건에 따라 연료전지 시스템의 운전온도에 따른 가압운전 압력이 결정되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 방법을 제공한다.
이때, 상기 가압운전 유무 판단 지표에서 X는 0~1 사이의 값이고, a 및 b는 절대값으로 취해진 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 가압운전 압력이 결정된 범위에서 벗어나는 경우, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 주행 중, 스택의 현재 성능지표와 목표지표, 그리고 외기온도를 실시간 모니터링하여, 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표를 다시 도출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 외기온도 모니터링 후, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 고온 지역을 주행하는 것으로 판정되면, 0<X<1으로 제어하여 연료전지 시스템 효율보다 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표에 가중치가 부여될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외기온도 모니터링 후, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 저온 지역을 주행하는 것으로 판정되면, X=1로 제어하여 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표보다 연료전지 시스템 효율에 가중치가 부여될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외기온도 모니터링 후, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 고지대의 산소 농도 부족 지역을 주행하는 것으로 판정되면, 0<X<1으로 제어하여 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표보다 연료전지 시스템 효율에 가중치가 부여될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템 효율과 냉각 성능 판단 지표를 이용하여, 차량 운전 조건(가압운전 유무 판단)을 도출함으로써, 연료전지 시스템의 운전 온도 증가에 따른 시스템 효율 및 차량 냉각 성능을 모두 만족시킬 수 있다.
즉, 스택 초기 성능 기준으로 다양한 운전온도, 운전압력, 공기SR 등 각각의 제어 조건에서 연료전지 시스템 효율 및 차량 냉각 성능 판단 지표를 이용하여 차량 운전 조건(가압운전 유무 판단)을 도출함으로써, 연료전지 시스템의 운전 온도 증가에 따른 시스템 효율 및 차량 냉각 성능을 모두 만족시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템 운전 방법의 일 실시예를 나타내는 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템 운전 방법의 다른 실시예를 나타내는 그래프,
도 3은 연료전지 시스템 구성을 설명하는 블록도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 연료전지 시스템 운전 방법은 연료전지 시스템 효율 및 연료전지 시스템의 냉각 성능 판단 지표를 이용하여 차량 운전 조건(가압운전 유무 판단)을 도출하는 점에 주안점이 있다.
상기 연료전지 시스템 효율은 연료전지 차량 주행(정속, 가속, 등판 주행, 평지 주행 등) 성능 만족을 위한 연료전지 스택 요구 출력으로부터 수소이용률을 고려한 운전 조건별로 구할 수 있다.
이때, BOP(보기류 전장품) 소모 동력의 경우 연료전지 차량 운전 조건에 따라 변동되며, 예를 들어 공기압축기의 경우 스택에 공급되는 공급 공기 유량에 따른 소모 전력 변화가 커지는 것과 같다.
따라서, 연료전지 스택에 대한 요구 출력 즉, 스택 요구 출력이 아래와 같이 차량의 주행에 필요한 구동부 동력과 BOP 소모 동력의 합을 만족시켜야 한다.
[스택 요구 출력 = 구동부 필요 동력(차량 총 주행 저항 × 감속기 효율 × 모터효율 × 제어기 효율 ) + BOP 소모 동력 (공기압축기, 라디에이터팬, 수소블로워, 물펌프, 에어콘펌프, 기타 보기류)]
이러한 스택 요구 출력으로부터 연료전지 시스템 효율을 아래와 같이 구할 수 있다.
[연료전지 시스템효율 = 스택효율(스택평균전압/1.25V) × 전기효율((스택출력-BOP 소모동력)/스택출력) × 수소이용률]
상기 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템의 냉각 성능 판단 지표는 차량 외기온 및 라디에이터 입구 온도를 고려한 냉각 성능 기준으로서, [Q(스택발열량)/ITD(차량냉각수 라디에이터입구온도 - 외기온도)(kW/K)]로부터 얻을 수 있으며, Q/ITD는 낮을수록 냉각 성능에 유리한 것으로 알려져 있다.
전술한 바와 같이, 연료전지 스택으로부터 라디에이터로 들어가는 냉각수의 온도가 65℃이고, 외기온도가 25℃이면 Δt는 40℃가 되고, 연료전지 시스템의 운전온도 증가시 냉각수의 온도가 85℃이고, 외기온도가 25℃이면 Δt는 60℃가 되므로, 라디에이터에 의한 연료전지 시스템의 냉각 성능이 증가하게 되므로, Q/ITD는 낮을수록 냉각 성능에 유리한 것으로 알려져 있다.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 얻어진 연료전지 시스템 효율과 연료전지 시스템의 냉각 성능 판단 지표를 이용하여, 연료전지 시스템의 운전온도에 따른 연료전지 시스템 효율 및 냉각 성능을 만족시키는 연료전지 시스템 운전 조건을 도출하게 된다.
상기 연료전지 시스템 운전 조건은 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표로서, [(y) = 시스템 효율(a)*X - Q/ITD(b)*(1-X)]을 통해 도출된다.
이때, 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표에서, X는 0~1 사이의 값이고, a 및 b는 절대값으로 취해진다.
특히, 상기 가압운전 유무 판단 지표에서 X=1 이면 연료전지 시스템 효율이 최대가 되고, 반면 X=0 이면 냉각 성능이 최대가 되며, 목표로 하는 연료전지 시스템의 운전 조건에 따라 X값을 0~1 사이의 값으로 가변시킬 수 있다.
이렇게 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표가 도출되면, 도출된 연료전지 시스템 운전 조건에 따라 연료전지 시스템의 운전온도에 따른 가압운전 압력이 첨부한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 결정될 수 있다.
첨부한 도 1은 연료전지 차량의 등판 정속 주행시 연료전지 시스템의 운전 온도(공기SR2.0)에 따른 공기블로워의 운전 압력 제어 조건을 실험을 통해 나타낸 그래프이다.
공기블로워의 운전압력에 따른 공기입구압력 대비 연료전지 시스템 효율을 나타내는 도 1의 가장 위쪽 그래프를 참조하면, 연료전지 차량의 등판 정속 주행시 스택의 공기극에 대한 공기입구압력이 증가하는 경우, 연료전지 시스템의 운전온도 D℃에서 연료전지 시스템 효율이 점차 조금씩 낮아지고, 연료전지 시스템의 운전온도 D+5℃로 증가된 상태에서는 연료전지 시스템 효율이 D℃보다 다소 낮은 수준을 유지하며, 또한 연료전지 시스템의 운전온도 D+10℃로 증가된 상태에서는 D℃ 및 D+5℃ 상태보다 연료전지 시스템 효율이 낮지만 공기입구압력이 증가할수록 연료전지 시스템 효율이 점차 증가함을 알 수 있다.
이렇게 연료전지 시스템의 운전온도별 시스템 효율이 가장 높은 값을 취하면 도 1의 가장 위쪽 그래프에서 보듯이 은선으로 묶어진 부분이 된다.
또한, 공기블로워의 운전압력에 따른 공기입구압력 대비 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표(Q/ITD)를 나타내는 도 1의 중간에 도시된 그래프를 참조하면, 연료전지 차량의 등판 정속 주행시 스택의 공기극에 대한 공기입구압력이 증가하는 경우, 연료전지 시스템의 운전온도 D℃에서 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표가 다소 낮아지면서 다시 상승하고, 연료전지 시스템의 운전온도 D+5℃로 증가된 상태에서는 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표가 D℃보다 다소 낮은 수준을 유지하면서 점차 조금씩 낮아지며, 또한 연료전지 시스템의 운전온도 D+10℃로 증가된 상태에서는 D℃ 및 D+5℃ 상태보다 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표가 높지만 공기입구압력이 증가할수록 점차 크게 낮아짐을 알 수 있다.
이렇게 연료전지 시스템의 운전온도별 냉각 성능 지표가 가장 낮은 값을 취하면 도 1의 중간에 도시된 그래프에서 보듯이 은선으로 묶어진 부분이 된다.
이와 같이 연료전지 시스템 효율 및 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표가 운전온도(냉각수 온도)에 따라 변화되는 바, 운전온도별 연료전지 시스템 효율의 가장 높은 값(은선부분) 및 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표가 가장 낮은 값을 축을 바꾸어 도시하면, 첨부한 도 1의 가장 아래쪽 도면과 같이 도시된다.
도 1의 가장 아래쪽 그래프에서 위쪽 사선(파란색)은 운전온도별 연료전지 시스템 효율의 가장 높은 값을 취하여, 이를 운전온도별 공기블로워의 운전압력으로 나타낸 것이고, 아래쪽 사선(붉은색)은 운전온도별 연료전지 시스템의 냉각성능 지표( Q/ITD)의 가장 낮은 값을 취하여, 이를 운전온도별 공기블로워의 운전압력으로 나타낸 것이다.
즉, 위쪽 사선(파란색)은 연료전지 시스템 효율이 최대(X=1)일 때의 운전온도별 공기블로워의 운전압력을 나타내고, 아래쪽 사선(붉은색)은 운전온도별 연료전지 시스템의 냉각성능이 최대(X=0)일 때의 운전온도별 공기블로워의 운전압력을 나타낸다.
따라서, 연료전지 시스템의 운전 조건에 따라 X값을 0~1 사이의 값으로 가변시킴으로써, 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표 즉, [(y) = 시스템 효율(a)*X - Q/ITD(b)*(1-X)]가 달라지게 되며, 이때의 연료전지 스택 가압운전 유무 판단 지표의 범위는 연료전지 시스템 효율이 최대(X=1)일 때의 운전온도별 공기블로워의 운전압력을 나타내는 위쪽 사선(파란색)과 운전온도별 연료전지 시스템의 냉각성능이 최대(X=0)일 때의 운전온도별 공기블로워의 운전압력을 나타내는 아래쪽 사선(붉은색) 사이 범위에 놓이게 된다.
이에 따라, 연료전지 시스템의 운전온도에 따라, X값을 0~1 사이의 값으로 가변시킴으로써, 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표가 달라지게 되고, 결국 연료전지 시스템의 운전온도별 공기블로워의 가압운전압력은 연료전지 시스템 효율이 최대(X=1)일 때의 운전온도별 공기블로워의 운전압력을 나타내는 위쪽 사선(파란색)과 운전온도별 연료전지 시스템의 냉각성능이 최대(X=0)일 때의 운전온도별 공기블로워의 운전압력을 나타내는 아래쪽 사선(붉은색) 사이 범위내에서 조절된다.
이렇게 연료전지 시스템 효율 및 차량 냉각 성능 판단 지표를 이용하여 차량 운전 조건 즉, 공기블로워의 가압운전 유무 판단 및 가압운전압력을 도출함으로써, 연료전지 시스템의 운전 온도에 따른 연료전지 시스템 효율 및 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 냉각 성능을 모두 만족시킬 수 있다.
첨부한 도 2는 연료전지 차량의 등판 정속 주행시 운전 온도(냉각수 온도)별 공기운전압력 50kPa에서의 공기 SR 제어 조건을 실험을 통해 나타낸 그래프로서, 공기블로워의 운전압력을 50kPa로 유지한 상태에서 공기 SR 즉, 화학양론비도 일정범위로 조절됨을 보여주는 그래프이다.
공기 SR(%) 대비 연료전지 시스템 효율을 나타내는 도 2의 가장 위쪽 그래프를 참조하면, 연료전지 차량의 등판 정속 주행시 공기블로워의 운전압력을 50kPa 로 유지한 상태에서는 연료전지 시스템의 운전온도 D℃에서 연료전지 시스템 효율이 가장 좋고, 연료전지 시스템의 운전온도가 D+5℃로 증가된 상태에서는 연료전지 시스템 효율이 D℃보다 다소 낮은 수준을 유지하며, 또한 연료전지 시스템의 운전온도가 D+10℃로 증가된 상태에서는 D℃ 및 D+5℃ 상태보다 연료전지 시스템 효율이 많이 낮음을 알 수 있다.
또한, 공기 SR(%) 대비 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표(Q/ITD)를 나타내는 도 2의 중간에 도시된 그래프를 참조하면, 연료전지 차량의 등판 정속 주행시 공기블로워의 운전압력을 50kPa 로 유지한 상태에서는 연료전지 시스템의 운전온도 D℃에서 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표가 가장 높고, 연료전지 시스템의 운전온도 D+5℃로 증가된 상태 및 D+10℃로 증가된 상태에서는 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표가 D℃보다 낮은 수준을 유지하되, D+10℃로 증가된 상태에서는 조금씩 점차 증가됨을 알 수 있다.
도 2의 가장 아래쪽 그래프에서, 붉은색 라인은 연료전지 시스템 효율이 최대(X=1)일 때의 운전온도별 공기 SR을 나타내고, 파란색 라인은 운전온도별 연료전지 시스템의 냉각성능이 최대(X=0)일 때의 운전온도별 공기 SR을 나타내며, 선을 이었을 때 평행사변형 박스 구간을 형성하게 된다.
따라서, 연료전지 시스템의 운전 조건에 따라 X값을 0~1 사이의 값으로 가변시킴으로써, 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표 즉, [(y) = 시스템 효율(a)*X - Q/ITD(b)*(1-X)]가 달라지게 되며, 이때의 연료전지 스택 가압운전 유무 판단 지표의 범위는 평행사변형 박스 구간내에 존재하게 된다.
이렇게 연료전지 시스템 효율 및 차량 냉각 성능 판단 지표를 이용하여 차량 운전 조건 즉, 공기블로워의 가압운전 유무 판단 및 공기 SR을 도출함으로써, 연료전지 시스템의 운전 온도에 따른 연료전지 시스템 효율 및 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 냉각 성능을 모두 만족시킬 수 있다.
한편, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 주행 중, 상기와 같이 연료전지 시스템 효율 및 차량 냉각 성능 판단 지표를 이용하여, 공기블로워의 가압운전 압력이 결정된 범위에서 벗어나는 경우, 스택의 현재 성능지표와 목표지표, 그리고 외기온도를 실시간 모니터링하여, 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표를 다시 도출할 수 있다.
좀 더 상세하게는, 연료전지 스택의 초기 성능 기준으로 다양한 운전온도, 운전압력, 공기 SR 등 각 제어 조건은 연료전지 시스템 효율 및 차량 냉각 성능 판단 지표를 이용하여 도출하되, 연료전지 시스템의 운전 시간 누적에 따른 스택 성능 감소로 시스템 효율 및 차량 냉각 성능 감소가 초래되는 경우에는 스택의 현재 성능지표와 목표지표, 그리고 외기온도를 실시간 모니터링하여, 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표를 다시 도출하여 제어 조건을 업데이트시킬 수 있다.
이때, 상기 외기온도 모니터링 후, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 고온 지역을 주행하는 것으로 판정되면, 예를 들어 외기온도가 35℃ 이상에서 주행하는 것으로 판정되면, 연료전지 시스템 효율 및 차량 냉각 성능 판단 지표 도출시 상기 X의 범위를 0<X<1으로 제어하여 연료전지 시스템 효율보다 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표에 가중치가 부여되도록 함으로써, 고온지역에서는 연료전지 시스템의 냉각 성능을 더 만족시키는 것이 바람직하다.
즉, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 고온 지역(외기온도 35℃ 이상) 주행시 냉각수를 냉각시키는 라디에이터의 냉각 성능이 급격히 떨어질 수 있고, 그에 따라 연료전지의 전극막 어셈블리(MEA)가 상대습도 저하로 인해 건조되면서 스택 성능 저하 및 발열량 증가 가능성이 크므로, 연료전지 시스템의 냉각 성능을 최우선으로 운전 조건을 제어하는 것이 바람직하며, 이를 통해 연료전지 시스템 효율 일부 손실을 허용하더라도 공기블로워에 의한 운전 압력 및 SR 제어를 통한 가압 운전으로 스택 성능 증가 및 발열량 감소를 도모할 수 있다.
또한, 상기 외기온도 모니터링 후, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 저온 지역을 주행하는 것으로 판정되면, 예를 들어 외기온도가 0℃ 이하에서 주행하는 것으로 판정되면, 연료전지 시스템 효율 및 차량 냉각 성능 판단 지표 도출시 상기 X의 범위를 X=1로 제어하여 외기온도가 낮은 상태이므로 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표보다 연료전지 시스템 효율에 가중치가 부여될 수 있도록 함으로써, 저온지역에서는 연료전지 시스템 효율을 더 만족시키는 것이 바람직하다.
즉, 저온 지역 주행시 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 냉각 성능 문제가 발생할 가능성은 낮으므로, 낮은 외기 온도 및 낮은 상대 습도로 인한 스택 성능 저하 가능성을 해결하고자, 공기블로워의 운전 압력 및 SR 제어를 통한 가압 운전으로 스택 성능 및 연료전지 시스템 효율을 개선할 수 있다.
또한, 상기 외기온도 모니터링 후, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 차량 시스템 효율이 저하되는 고지대의 산소 농도 부족 지역을 주행하는 것으로 판정되면, 연료전지 시스템 효율 및 차량 냉각 성능 판단 지표 도출시 상기 X의 범위를 0<X<1으로 제어하여 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표보다 연료전지 시스템 효율에 가중치가 부여되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 고지대 산악 지역 주행시 저지대 대비 외기 온도가 감소되므로 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 냉각 성능에 문제가 발생할 가능성은 낮으므로, 고지대 주행시 산소 농도 부족으로 스택 성능 저하 및 발열량 증가를 해결하고자 운전 압력 및 SR제어를 통한 가압 운전으로 스택 성능 및 연료전지 시스템 효율을 개선할 수 있다.
10 : 스택
12 : 공기극
14 : 공기공급라인
16 : 공기배출라인
18 : 공기블로워
20 : 가습기
28 : 후단압력조절기

Claims (5)

  1. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료전지 시스템 효율(a)과, 연료전지 시스템의 냉각 성능 판단 지표[Q/ITD(b)]를 이용하여, 연료전지 시스템 운전 조건인 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표[(y) = 시스템 효율(a)*X - Q/ITD(b)*(1-X)]를 도출하고, 도출된 연료전지 시스템 운전 조건에 따라 연료전지 시스템의 운전온도에 따른 가압운전 압력이 결정되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 방법.
    상기 가압운전 유무 판단 지표에서 X는 0~1 사이의 값이고, a 및 b는 절대값으로 취해진 것임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압운전 압력이 결정된 범위에서 벗어나는 경우, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 주행 중, 스택의 현재 성능지표와 목표지표, 그리고 외기온도를 실시간 모니터링하여, 연료전지 스택의 가압운전 유무 판단 지표를 다시 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 외기온도 모니터링 후, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 고온 지역을 주행하는 것으로 판정되면, 0<X<1으로 제어하여 연료전지 시스템 효율보다 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표에 가중치가 부여될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 외기온도 모니터링 후, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 저온 지역을 주행하는 것으로 판정되면, X=1로 제어하여 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표보다 연료전지 시스템 효율에 가중치가 부여될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 외기온도 모니터링 후, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량이 고지대의 산소 농도 부족 지역을 주행하는 것으로 판정되면, 0<X<1으로 제어하여 연료전지 시스템의 냉각 성능 지표보다 연료전지 시스템 효율에 가중치가 부여될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 방법.
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