KR20150073661A - Apparatus and Method for controlling hydrogen concentration - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system and, more specifically, to an apparatus and a method for controlling hydrogen concentration, which can control hydrogen concentration by opening or closing a purge valve and/or a condensate water drain valve as estimating a state of condensate water and/or impurities in accordance with hydrogen concentration.

Description

수소 농도 조절 장치 및 방법{Apparatus and Method for controlling hydrogen concentration}[0001] The present invention relates to an apparatus and a method for controlling a hydrogen concentration,

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수소 농도에 따라 응축수 및/또는 불순물 상태를 추정하여 퍼지 밸브 및/또는 응축수 드레인 밸브를 개방(Open) 또는 폐색(Close)함으로써 수소 농도를 조절하는 수소 농도 조절 장치 및 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system that estimates condensed water and / or impurity state according to hydrogen concentration and adjusts the hydrogen concentration by opening or closing a purge valve and / And a method for controlling the concentration of hydrogen.

일반적으로 연료 전지 스택의 애노드(anode)로 공급되는 수소의 농도 측정을 통하여 애노드의 수소 농도를 적정 수준으로 유지하였다.In general, the hydrogen concentration of the anode was maintained at an appropriate level by measuring the concentration of hydrogen supplied to the anode of the fuel cell stack.

부연하면, 재순환 과정을 통해 공기극으로 넘어온 질소, 수증기 때문에 수송 농도가 희박해져 기체 분포가 일정하지 않게 된다. 따라서, 수소의 농도를 확인하여 기준 농도 이상의 수소가 공급되도록 제어하였다.In addition, nitrogen and water vapor, which are transferred to the air electrode through the recirculation process, become thinner and the gas distribution becomes uneven. Therefore, the concentration of hydrogen was checked, and hydrogen was controlled to be supplied at a reference concentration or more.

또 다른 수소 농도 제어 기술을 보여주는 예가 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 연료 전지 스택(110)으로부터 질소 등 기체 불순물을 제거하기 위해 주기적으로 퍼지밸브(140)를 작동한다. An example showing another hydrogen concentration control technique is shown in Fig. Referring to FIG. 1, the purge valve 140 is periodically operated to remove gas impurities such as nitrogen from the fuel cell stack 110.

연료 전지 스택(110)의 연료극에 축적된 응축수는 응축수 리저버(150)에 담았다가 물이 일정 수준에 도달하면 버리게 된다. 왜냐하면, 응축수 배출과 함께 가급적 수소가 같이 나가지 않도록 하는데 그 목적이 있기 때문이다.The condensed water accumulated in the fuel electrode of the fuel cell stack 110 is collected in the condensate reservoir 150 and discarded when the water reaches a certain level. This is because the objective is to prevent as much hydrogen as possible with the discharge of condensed water.

이때, 일정 수준의 응축수 수위를 감지하기 위해 수위센서(151)가 사용된다.수위센서(151)는 물을 감지하는 비접촉식 정전용량 센서를 이용한다. 물을 감지할 경우 응축수 드레인 밸브(153)를 열어 물만 선택적으로 배출한다. 이와 달리, 퍼지밸브(140)는 감지 여부와 관계없이 일정 시간이나 전류량 등을 통해 주기적으로 개방된다.At this time, a water level sensor 151 is used to detect a certain level of condensed water level. The water level sensor 151 uses a non-contact type capacitive sensor that senses water. When water is sensed, the condensate drain valve 153 is opened to selectively discharge only water. Alternatively, the purge valve 140 is periodically opened through a certain amount of time or an amount of current irrespective of whether the purge valve 140 is sensed or not.

그런데, 정전 용량형 수위센서는 전자파 장애 등 외란의 우려가 있어 응축수의 수위 감지시 오작동될 수 있다는 단점이 있었다.However, the electrostatic capacitive level sensor has disadvantages such as disturbance such as electromagnetic interference, which may cause a malfunction when detecting the level of the condensed water.

또한, 퍼지밸브(140)의 경우, 정확한 감지에 의해 작동하는 것이 아니므로 더 많은 양의 수소를 배출할 수도 있었다. 또한, 수소농도가 낮은 상태에서 운전을 할 수 있는 상황이 많이 발생할 수 있다는 단점이 있었다.Further, in the case of the purge valve 140, since it is not operated by accurate detection, a larger amount of hydrogen may be discharged. In addition, there is a disadvantage in that a large number of situations can occur in a state where the hydrogen concentration is low.

즉, 수소 퍼지가 증가하면 연비가 저하되고, 수소 농도가 낮아지면 연료 전지 스택 열화의 원인이 될 수 있다.That is, if the hydrogen purging is increased, the fuel efficiency is lowered, and if the hydrogen concentration is lowered, the fuel cell stack may be deteriorated.

1. 한국공개특허번호 제10-2012-0012210호1. Korean Patent Publication No. 10-2012-0012210 2. 한국등록특허번호 제10-0767520호2. Korean Patent No. 10-0767520

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 응축수의 수위를 정확히 감지하여 수소의 배출량을 정밀하게 제어할 수 있는 수소 농도 조절 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a hydrogen concentration control apparatus and method capable of precisely controlling the discharge amount of hydrogen by accurately detecting the level of condensed water.

또한, 본 발명은 수소 농도도 동시에 측정하여 연료 전지 스택의 연료극 퍼지를 수행함으로써 연료 전지 스택 열화, 연비 저하 등을 방지하는 수소 농도 조절 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a hydrogen concentration control apparatus and method for preventing fuel cell stack deterioration, fuel consumption degradation, and the like by simultaneously measuring hydrogen concentration to perform anode purging of a fuel cell stack.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 응축수의 수위를 정확히 감지하여 수소의 배출량을 정밀하게 제어하고, 수소 농도도 동시에 측정하여 연료 전지 스택의 연료극 퍼지를 수행하는 수소 농도 조절 장치를 제공한다.The present invention provides a hydrogen concentration control apparatus for precisely controlling the discharge amount of hydrogen by precisely sensing the level of condensed water and simultaneously measuring the hydrogen concentration to perform the anode purging of the fuel cell stack.

상기 수소 농도 조절 장치는,Wherein the hydrogen concentration adjusting device comprises:

연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브와, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 장치에 있어서,1. A fuel cell system comprising: a fuel cell stack; a reservoir for storing condensed water and hydrogen discharged from the fuel cell stack; a condensate drain valve for discharging condensate; and a purge valve for discharging impurities from the fuel cell stack. In the concentration adjusting apparatus,

상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서; 및A hydrogen concentration sensor for measuring the concentration of hydrogen in the condensate reservoir; And

측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개폐를 판단하는 제어기;를 포함한다.And a controller for estimating a condensed water state and an impurity state by using the measured hydrogen concentration and determining opening and closing of at least one of the condensate drain valve and the purge valve in accordance with the estimated condensed water state and the impurity state.

이때, 상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the condensed water state may be a full water level or a low water level (NOT FULL) according to a preset reference range of the hydrogen concentration.

또한, 상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 할 수 있다.Further, the impurity state may be any of Good, Not good, and Not available depending on a reference range of hydrogen concentration set in advance.

또한, 상기 제어기는 상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준값을 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 것을 특징으로 할 수 있다.The controller monitors the cell voltage of the fuel cell stack and changes the reference range of the hydrogen concentration when the cell voltage exceeds a predetermined reference value.

또한, 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개방은 상기 수소 농도가 낮은 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.Also, at least one of the condensate drain valve and the purge valve may be opened when the hydrogen concentration is low or when the standard deviation of the monitored cell voltage is large.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수 및 불순물을 배출하는 수소 배기 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 장치에 있어서, 상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서; 및 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브의 배출 여부를 판단하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치를 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention is a fuel cell system comprising a fuel cell stack, a reservoir for storing condensed water and hydrogen discharged from the fuel cell stack, and a hydrogen generator for discharging condensate and impurities, A concentration controller comprising: a hydrogen concentration sensor for measuring a concentration of hydrogen in the condensate reservoir; And a controller for estimating a condensed state and an impurity state using the measured hydrogen concentration and determining whether the hydrogen exhaust valve is discharged according to the estimated condensed water state and the impurity state. to provide.

이때, 상기 수소 배기 밸브의 개방은 상기 수소 농도가 낮을 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the opening of the hydrogen exhaust valve may be performed when the hydrogen concentration is low or when the standard deviation of the monitored cell voltage is large.

또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브와, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 방법에 있어서, 상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 단계; 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하는 단계; 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개폐를 판단하는 단계; 및 판단 결과에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나가 개방 또는 폐색되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법을 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention is a fuel cell stack including a fuel cell stack, a reservoir for storing condensed water and hydrogen discharged from the fuel cell stack, a condensate drain valve for discharging condensate, A method of controlling a hydrogen concentration in a fuel cell system having a purge valve for discharging impurities, the method comprising: measuring a hydrogen concentration in the condensate reservoir; Estimating a condensate state and an impurity state using the measured hydrogen concentration; Determining opening and closing of at least one of the condensate drain valve and the purge valve according to an estimated condensate state and an impurity state; And at least one of the condensate drain valve and the purge valve is opened or closed according to the determination result.

또한, 상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하는 단계; 및 모니터링된 셀 전압이 미리 설정된 기준값과 비교하여 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Monitoring a cell voltage of the fuel cell stack; And changing the reference range of the hydrogen concentration when the monitored cell voltage exceeds a preset reference value.

또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수 및 불순물을 배출하는 수소 배기 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 방법에 있어서, 상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 단계; 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하는 단계; 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브의 개폐를 판단하는 단계; 및 판단 결과에 따라 상기 수소 배기 밸브가 개방 또는 폐색되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법을 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention is a fuel cell system having a fuel cell stack, a reservoir for storing condensed water and hydrogen discharged from the fuel cell stack, and a hydrogen exhaust valve for discharging condensate and impurities, The method comprising the steps of: measuring a hydrogen concentration in the condensate reservoir; Estimating a condensate state and an impurity state using the measured hydrogen concentration; Determining opening and closing of the hydrogen exhaust valve according to an estimated condensed water state and an impurity state; And opening or closing the hydrogen exhaust valve according to the determination result.

본 발명에 따르면, 응축수 리저버에 수소농도센서를 설치함으로써 수소농도가 낮았을 때만 밸브를 개방해주므로 불필요한 개방을 막아 연비를 향상시킬 수 있다.According to the present invention, since the valve is opened only when the hydrogen concentration is low by installing the hydrogen concentration sensor in the condensate reservoir, it is possible to prevent the unnecessary opening and improve the fuel efficiency.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 수소농도가 낮았을 때에도 운전을 지속 수행할 경우 연료 전지 스택의 열화가 발생할 수 있으나 수소농도로 인한 운전이 가능하다는 점을 들 수 있다.Another advantage of the present invention is that the fuel cell stack can be deteriorated when the operation is continued even when the hydrogen concentration is low, but it is possible to operate due to the hydrogen concentration.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 수소 농도 관리 제어를 통해 통합형 배기 시스템이 가능하므로 퍼지 밸브의 삭제가 가능하다는 점을 들 수 있다.Further, another effect of the present invention is that the purge valve can be eliminated because the integrated exhaust system can be realized through the hydrogen concentration control.

도 1은 일반적인 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 수소 농도 조절 장치(200)에서 측정된 수소 농도를 측정하여 밸브(253,240)를 개폐하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 퍼지 밸브가 삭제된 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다.1 is a configuration diagram of a general fuel cell system.
2 is a conceptual diagram of the hydrogen concentration control apparatus 200 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a process of opening and closing the valves 253 and 240 by measuring the hydrogen concentration measured by the hydrogen concentration controller 200 shown in FIG.
4 is a conceptual diagram of a hydrogen concentration control apparatus 200 in which a purge valve is eliminated according to another embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term "and / or" includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

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 의미가 있다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be construed as ideal or overly formal in meaning unless explicitly defined in the present application Should not.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 수소 농도 조절 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an apparatus and method for controlling a hydrogen concentration according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다. 도 2를 참조하면, 상기 수소 농도 조절 장치(200)는, 연료 전지 스택(201), 상기 연료 전지 스택(201)으로부터 방출되는 응축수 및/또는 수소를 저장하는 리저버(250), 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브(253), 상기 연료 전지 스택(201)으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브(240), 상기 응축수 리저버(250)내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서(251), 이들과 연결되어 데이터 및/또는 제어 신호를 송수신하는 제어기(210) 등을 포함하여 구성된다.2 is a conceptual diagram of the hydrogen concentration control apparatus 200 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the hydrogen concentration controller 200 includes a fuel cell stack 201, a reservoir 250 for storing condensed water and / or hydrogen discharged from the fuel cell stack 201, A condensate drain valve 253, a purge valve 240 for discharging impurities discharged from the fuel cell stack 201, a hydrogen concentration sensor 251 for measuring a hydrogen concentration in the condensate reservoir 250, And a controller 210 for transmitting and receiving data and / or control signals.

연료 전지 스택(201)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA, 전극막 어셈블리, 전극막 접합체라고도 함)와 분리판(Separator)으로 이루어진 단위 셀이 수십 내지 수백 개 이상 적층된 구조를 가지고, 양끝단에는 적층된 각 구성들을 일정한 면압으로 고정시키는 동시에 집전 역할을 하는 엔드 플레이트가 장착된다.The fuel cell stack 201 has a structure in which several tens to several hundreds of unit cells made up of a membrane electrode assembly (MEA, an electrode membrane assembly, an electrode membrane assembly) and a separator are stacked, At both ends, the laminated structures are fixed with a constant surface pressure, and an end plate serving as a current collector is mounted.

막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과, 이 고분자 전해질 막을 사이에 두고 배열되는 연료극(Anode)(미도시) 및 공기극(Cathode)(미도시)로 구성된다. 또한, 이들 연료극 및 공기극은 나노 크기의 촉매입자를 포함하는 촉매층이 전극 기재(backing layer)에 흡착된다. The membrane-electrode assembly is composed of a polymer electrolyte membrane and an anode (not shown) and a cathode (not shown) arranged between the polymer electrolyte membrane. Further, the catalyst layers including nano-sized catalyst particles are adsorbed on the electrode substrate (backing layer).

연료극은 순수한 수소를 공급하지만, 반응 중 공기극에서 반응물(물)과 질소 등이 고분자 전해질 막을 투과해 넘어와 불순물의 역할을 하여 연료인 수소가 각 유로를 지나가지 못하게 된다. 이는 수소의 농도를 저하시켜 연료 전지 스택(201)의 열화 원인이 되기도 한다. The fuel electrode supplies pure hydrogen, but reactants (water) and nitrogen permeate through the polymer electrolyte membrane and act as impurities in the air electrode during the reaction, so that hydrogen as a fuel can not pass through each flow path. This lowers the concentration of hydrogen, which causes deterioration of the fuel cell stack 201.

수소는 실제 반응에 필요한 양보다 더 많은 양을 넣어서 성능을 올려주고, 미반응한 수소는 재순환 기구(이젝터, 펌프 등)를 통해 다시 사용하는 수소 재순환 시스템을 갖추고 있다.Hydrogen has a hydrogen recirculation system that boosts performance by adding more than the amount needed for the actual reaction, and uses unreacted hydrogen back through recycling equipment (ejectors, pumps, etc.).

연료 전지 스택(201)은 그 원리 및/또는 구성이 널리 알려져 있으므로 본 발명의 명확한 이해를 위해 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.Since the principle and / or configuration of the fuel cell stack 201 is well known, further explanation will be omitted for the sake of clarity of the present invention.

도 2를 참조하여 계속 설명하면, 응축수 리저버(250)는 연료 전지 스택(201)에서 생성되는 응축수를 저장한다. 연료극에 축적된 응축수는 응축수 리저버(250)에 저장되었다가 응축수가 일정 수준에 도달하면 버리게 된다. 이유는 가급적 수소가 같이 나가지 않도록 하는데 그 목적이 있다.2, the condensate reservoir 250 stores the condensed water generated in the fuel cell stack 201. [ The condensed water accumulated in the fuel electrode is stored in the condensed water reservoir 250 and is discarded when the condensed water reaches a certain level. The reason is that as much hydrogen as possible does not go out.

또한, 응축수 리저버(250)에는 응축수 리저버(250)내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서(251)와, 응축수를 배출하는 응축수 밸브(253)가 구성된다. 또한, 퍼지밸브(240)는 질소 등 기체 불순물을 제거하기 위해 주기적으로 작동한다. The condensate reservoir 250 is also provided with a hydrogen concentration sensor 251 for measuring the hydrogen concentration in the condensate reservoir 250 and a condensate valve 253 for discharging the condensed water. The purge valve 240 also operates periodically to remove gas impurities such as nitrogen.

제어기(210)는 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및/또는 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및/또는 불순물 상태에 따라 응축수 드레인 밸브(253) 및/또는 퍼지 밸브(240)의 개폐를 제어한다.The controller 210 estimates the condensed water state and / or the impurity state using the measured hydrogen concentration, and opens and closes the condensate drain valve 253 and / or the purge valve 240 according to the estimated condensed water state and / .

응축수 및 불순물 상태는 수소 농도의 기준 범위에 따라 미리 설정된다. 이를 표로 나타내면 다음과 같다.Condensate and impurity conditions are preset according to the reference range of the hydrogen concentration. The table below shows the following.

수소농도의 기준범위(%)Reference range of hydrogen concentration (%) 응축수 상태Condensate Condition 불순물 상태Impurity state 밸브 동작Valve operation 0 - 1.00 - 1.0 만수위(Full)Full water level (Full) 사용 불가(Not available)Not available 개방(Open)Open 1.1 - 601.1 - 60 저수위(Not Full)Not Full 비양호(Not good)Not good 개방(Open)Open 60.1 - 10060.1 - 100 저수위(Not Full)Not Full 양호(Good)Good 폐색(Close)Close

즉, 측정된 수소 농도에 따라 응축수 및/또는 불순물 상태를 추정하여 퍼지 밸브(240) 및/또는 응축수 드레인 밸브(253)의 개폐를 결정한다.That is, the purge valve 240 and / or the condensate drain valve 253 are determined to be opened or closed by estimating the condensed water and / or the impurity state according to the measured hydrogen concentration.

물론, 연료 전지 스택(201)의 셀 전압을 진단하여 열화가 많이 진행되었다고 판단되면 수소 농도의 기준 범위를 변경할 수 있다. 이를 보여주는 예를 표로 나타내면 다음과 같다.Of course, if the cell voltage of the fuel cell stack 201 is diagnosed and it is determined that much deterioration has progressed, the reference range of the hydrogen concentration can be changed. An example of this is shown in the table below.

수소농도의 기준범위(%)Reference range of hydrogen concentration (%) 응축수 상태Condensate Condition 불순물 상태Impurity state 밸브 동작Valve operation 0 - 1.00 - 1.0 만수위(Full)Full water level (Full) 사용 불가(Not available)Not available 개방(Open)Open 1.1 - 70 1.1 - 70 저수위(Not Full)Not Full 비양호(Not good)Not good 개방(Open)Open 70.1 - 100 70.1 - 100 저수위(Not Full)Not Full 양호(Good)Good 폐색(Close)Close

부연하면, 상기 제어기(210)는 상기 연료 전지 스택(201)의 셀 전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준값을 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경한다.In addition, the controller 210 monitors the cell voltage of the fuel cell stack 201 and changes the reference range of the hydrogen concentration when the cell voltage exceeds a preset reference value.

위 표에 도시된 바와 같이, 상기 응축수 드레인 밸브(253) 및/또는 퍼지 밸브(240)의 개방은 수소 농도가 낮은 경우에만 가능하다. 따라서, 불필요한 밸브(240,253)의 개방을 방지하여 연비를 향상시킨다.As shown in the above table, the opening of the condensate drain valve 253 and / or the purge valve 240 is possible only when the hydrogen concentration is low. Therefore, unnecessary opening of the valves 240 and 253 is prevented, thereby improving fuel economy.

또한, 수소 농도가 낮았을 때에도 운전을 지속 수행할 경우, 연료 전지 스택(201)의 열화가 발생할 수 있으나, 수소 농도로 인해 차량의 운전이 가능하다.Further, when the operation is continued even when the hydrogen concentration is low, deterioration of the fuel cell stack 201 may occur, but the operation of the vehicle is possible due to the hydrogen concentration.

도 3은 도 2에 도시된 수소 농도 조절 장치(200)에서 측정된 수소 농도를 측정하여 밸브(도 2의 253,240)를 개폐하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 연료 전지 스택(도 2의 210)의 셀 전압을 모니터링하여 셀 전압 표준 편차를 산출한다(단계 S310). FIG. 3 is a flowchart illustrating a process of opening and closing the valves (253 and 240 in FIG. 2) by measuring the hydrogen concentration measured by the hydrogen concentration controller 200 shown in FIG. Referring to FIG. 3, the cell voltage of the fuel cell stack 210 (FIG. 2) is monitored to calculate the cell voltage standard deviation (step S310).

표준 편차 산출 결과, 표준 편차가 과다한지를 판단한다(단계 S320). 부연하면, 셀 전압의 표준 편차가 미리 설정된 기준값과 비교하여 기준값을 초과하면 표준 편차를 과다로 판단한다.As a result of the standard deviation calculation, it is determined whether the standard deviation is excessive (step S320). In other words, if the standard deviation of the cell voltage exceeds a preset reference value, the standard deviation is judged excessively.

판단 결과, 표준 편차가 과다하면 밸브(도 2의 253,240)를 개방한다(단계 S350).As a result of the determination, if the standard deviation is excessive, the valve (253, 240 in Fig. 2) is opened (step S350).

이와 달리, 단계(S320)에서 표준 편차가 과다가 아니면, 수소 농도 센서(도 2의 251)를 이용하여 수소 농도를 측정한다(단계 S330).Alternatively, if the standard deviation is not excessive in step S320, the hydrogen concentration is measured using the hydrogen concentration sensor 251 (FIG. 2) (step S330).

측정된 수소 농도가 미리 설정된 기준값(예를 들면 60)과 비교한다(단계 S340).The measured hydrogen concentration is compared with a preset reference value (e.g., 60) (step S340).

비교 결과, 측정된 수소 농도가 기준값보다 작으면 밸브(도 2의 253,240)를 개방한다(단계 S350). 이와 달리, 단계(S340)에서 측정된 수소 농도가 기준값보다 작지 않으면, 밸브(253,240)를 폐색한다(단계 S341). 이후, 단계 S310 내지 단계 S340가 진행된다.As a result of comparison, if the measured hydrogen concentration is smaller than the reference value, the valve (253, 240 in Fig. 2) is opened (step S350). Alternatively, if the hydrogen concentration measured in step S340 is not less than the reference value, the valves 253 and 240 are closed (step S341). Thereafter, steps S310 to S340 are performed.

물론, 본 발명에서는 셀 전압의 표준 편차를 고려하여 밸브의 개폐를 결정하는 과정을 먼저 기술하였으나, 이러한 과정이 없이도, 수소 농도 측정을 이용하여 밸브의 개폐를 결정하는 것도 가능하다.Of course, in the present invention, the process of determining the opening and closing of the valve in consideration of the standard deviation of the cell voltage has been described. However, without this process, it is also possible to determine the opening and closing of the valve by using the hydrogen concentration measurement.

도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 퍼지 밸브가 삭제된 수소 농도 조절 장치(200)의 개념도이다. 도 4를 참조하면, 도 4에 구성되는 수소 농도 조절 장치(400)는 도 2에 도시되는 퍼지 밸브(240)를 삭제한 구성이다. 즉, 수소 배기 밸브(453)가 통합형 배기 밸브로 된다.4 is a conceptual diagram of a hydrogen concentration control apparatus 200 in which a purge valve is eliminated according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the hydrogen concentration controller 400 shown in FIG. 4 has a configuration in which the purge valve 240 shown in FIG. 2 is omitted. That is, the hydrogen exhaust valve 453 becomes an integrated exhaust valve.

따라서, 수소 농도 센서(451)가 응축수 리저버(450)내의 수소 농도를 측정하며, 제어기(410)는 이러한 측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및/또는 불순물 상태를 추정한다. 이후, 제어기(410)는 추정된 응축수 상태 및/또는 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브(453)의 배출 여부를 판단한다.Accordingly, the hydrogen concentration sensor 451 measures the hydrogen concentration in the condensate reservoir 450, and the controller 410 estimates the condensed water state and / or the impurity state using the measured hydrogen concentration. Then, the controller 410 determines whether the hydrogen exhaust valve 453 is discharged according to the estimated condensed water state and / or the impurity state.

수소 공급 밸브(430)는 수소를 실제 반응에 필요한 양보다 더 많은 양을 연료 전지 스택(401)에 공급하여 성능을 올려준다. 이때, 미반응한 수소는 이젝터(420)를 통해 다시 연료 전지 스택(401)에 공급된다. 이는 수소 재순환 시스템이라 한다. The hydrogen supply valve 430 supplies hydrogen to the fuel cell stack 401 in an amount larger than the amount required for the actual reaction to increase the performance. At this time, unreacted hydrogen is supplied again to the fuel cell stack 401 through the ejector 420. This is called a hydrogen recirculation system.

다른 구성들은 부호만 달리하여 표시하였을 뿐 그 기능 및/또는 역할은 유사하므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.Other components are denoted by different reference numerals only, and their functions and / or roles are similar to each other, so further description will be omitted.

200,400: 수소 농도 조절 장치
201,401: 연료 전지 스택
210,410: 제어기
250,450: 응축수 리저버
251,451: 수소 농도 센서
240: 퍼지 밸브 253: 응축수 밸브
420: 이젝터 430: 수소 공급 밸브
453: 수소 배기 밸브200,400: hydrogen concentration adjusting device
201,401: Fuel cell stack
210, 410:
250, 450: Condensate reservoir
251,451: hydrogen concentration sensor
240: purge valve 253: condensate valve
420: Ejector 430: Hydrogen supply valve
453: The hydrogen exhaust valve

Claims (20)

연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브와, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 장치에 있어서,
상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서; 및
측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개폐를 판단하는 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
1. A fuel cell system comprising: a fuel cell stack; a reservoir for storing condensed water and hydrogen discharged from the fuel cell stack; a condensate drain valve for discharging condensate; and a purge valve for discharging impurities from the fuel cell stack. In the concentration adjusting apparatus,
A hydrogen concentration sensor for measuring the concentration of hydrogen in the condensate reservoir; And
A controller for estimating a condensed water state and an impurity state by using the measured hydrogen concentration, and determining opening and closing of at least one of the condensate drain valve and the purge valve according to the estimated condensed water state and the impurity state;
Wherein the hydrogen concentration adjusting device comprises:
제 1 항에 있어서,
상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the condensed water state is a full water level or a low water level according to a predetermined reference range of the hydrogen concentration.
제 1 항에 있어서,
상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the impurity state is one of Good, Not good, and Not available according to a reference range of a predetermined hydrogen concentration.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준값을 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
The method according to claim 2 or 3,
Wherein the controller monitors the cell voltage of the fuel cell stack and changes the reference range of the hydrogen concentration when the cell voltage exceeds a preset reference value.
제 4 항에 있어서,
상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개방은 상기 수소 농도가 낮은 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein at least one of the condensate drain valve and the purge valve is opened when the hydrogen concentration is low or when the standard deviation of the monitored cell voltage is large.
연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수 및 불순물을 배출하는 수소 배기 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 장치에 있어서,
상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 수소 농도 센서; 및
측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하고, 추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브의 배출 여부를 판단하는 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
An apparatus for regulating the concentration of hydrogen in a fuel cell system having a fuel cell stack, a reservoir for storing condensed water and hydrogen discharged from the fuel cell stack, and a hydrogen exhaust valve for discharging condensate and impurities,
A hydrogen concentration sensor for measuring the concentration of hydrogen in the condensate reservoir; And
A controller for estimating a condensed water state and an impurity state using the measured hydrogen concentration, and determining whether the hydrogen exhaust valve is discharged according to the estimated condensed water state and the impurity state;
Wherein the hydrogen concentration adjusting device comprises:
제 6 항에 있어서,
상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the condensed water state is a full water level or a low water level according to a predetermined reference range of the hydrogen concentration.
제 6 항에 있어서,
상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the impurity state is one of Good, Not good, and Not available according to a reference range of a predetermined hydrogen concentration.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준값을 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
9. The method according to claim 7 or 8,
Wherein the controller monitors the cell voltage of the fuel cell stack and changes the reference range of the hydrogen concentration when the cell voltage exceeds a preset reference value.
제 9 항에 있어서,
상기 수소 배기 밸브의 개방은 상기 수소 농도가 낮을 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the opening of the hydrogen exhaust valve is performed when the hydrogen concentration is low or when the standard deviation of the monitored cell voltage is large.
연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수를 배출하는 응축수 드레인 밸브와, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 불순물을 배출하는 퍼지 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 방법에 있어서,
상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 단계;
측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하는 단계;
추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개폐를 판단하는 단계; 및
판단 결과에 따라 상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나가 개방 또는 폐색되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
1. A fuel cell system comprising: a fuel cell stack; a reservoir for storing condensed water and hydrogen discharged from the fuel cell stack; a condensate drain valve for discharging condensate; and a purge valve for discharging impurities from the fuel cell stack. In the method for adjusting the concentration,
Measuring the hydrogen concentration in the condensate reservoir;
Estimating a condensate state and an impurity state using the measured hydrogen concentration;
Determining opening and closing of at least one of the condensate drain valve and the purge valve according to an estimated condensate state and an impurity state; And
Opening or closing at least one of the condensate drain valve and the purge valve according to a result of the determination;
Wherein the hydrogen concentration is adjusted to a predetermined value.
제 11 항에 있어서,
상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the condensed water state is a full water level or a low water level according to a predetermined reference range of the hydrogen concentration.
제 11 항에 있어서,
상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the impurity state is one of Good, Not good and Not available according to a reference range of a predetermined hydrogen concentration.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하는 단계; 및 모니터링된 셀 전압이 미리 설정된 기준값과 비교하여 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.The method according to claim 12 or 13,
Monitoring a cell voltage of the fuel cell stack; And changing the reference range of the hydrogen concentration when the monitored cell voltage exceeds a predetermined reference value. 제 14 항에 있어서,
상기 응축수 드레인 밸브 및 퍼지 밸브 중 적어도 하나의 개방은 상기 수소 농도가 낮을 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the opening of at least one of the condensate drain valve and the purge valve is performed when the hydrogen concentration is low or when the standard deviation of the monitored cell voltage is large.
연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택으로부터 방출되는 응축수 및 수소를 저장하는 리저버와, 응축수 및 불순물을 배출하는 수소 배기 밸브를 갖는 연료 전지 시스템의 수소 농도 조절 방법에 있어서,
상기 응축수 리저버내의 수소 농도를 측정하는 단계;
측정된 수소 농도를 이용하여 응축수 상태 및 불순물 상태를 추정하는 단계;
추정된 응축수 상태 및 불순물 상태에 따라 상기 수소 배기 밸브의 개폐를 판단하는 단계; 및
판단 결과에 따라 상기 수소 배기 밸브가 개방 또는 폐색되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
A method for controlling a hydrogen concentration in a fuel cell system having a fuel cell stack, a reservoir for storing condensed water and hydrogen discharged from the fuel cell stack, and a hydrogen exhaust valve for discharging condensate and impurities,
Measuring the hydrogen concentration in the condensate reservoir;
Estimating a condensate state and an impurity state using the measured hydrogen concentration;
Determining opening and closing of the hydrogen exhaust valve according to an estimated condensed water state and an impurity state; And
Opening or closing the hydrogen exhaust valve according to a result of the determination;
Wherein the hydrogen concentration is adjusted to a predetermined value.
제 16 항에 있어서,
상기 응축수 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 만수위(FULL) 또는 저수위(NOT FULL)가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.17. The method of claim 16,
Wherein the condensed water state is a full water level or a low water level according to a predetermined reference range of the hydrogen concentration. 제 16 항에 있어서,
상기 불순물 상태는 미리 설정된 수소 농도의 기준 범위에 따라 양호(Good), 비양호(Not good), 및 사용 불가(Not available) 중 어느 하나가 되는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the impurity state is one of Good, Not good and Not available according to a reference range of a predetermined hydrogen concentration.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택의 셀 전압을 모니터링하는 단계; 및 모니터링된 셀 전압이 미리 설정된 기준값과 비교하여 초과하면 상기 수소 농도의 기준 범위를 변경하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.
The method according to claim 17 or 18,
Monitoring a cell voltage of the fuel cell stack; And changing the reference range of the hydrogen concentration if the monitored cell voltage exceeds a preset reference value.
제 19 항에 있어서,
상기 수소 배기 밸브의 개방은 상기 수소 농도가 낮을 경우 또는 모니터링된 셀 전압의 표준 편차가 큰 경우 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 농도 조절 방법.20. The method of claim 19,
Wherein the opening of the hydrogen exhaust valve is performed when the hydrogen concentration is low or when the standard deviation of the monitored cell voltage is large.
KR1020130161632A 2013-12-23 2013-12-23 Apparatus and Method for controlling hydrogen concentration KR101610444B1 (en)

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