KR20150117728A - 연료 전지 스택 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택의 성능 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 성능 제어 방법은 연료 전지 스택의 초기 전압과 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이와 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이를 비교하여 상기 연료 전지 스택의 출력 성능을 판단하는 진단 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 스택 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료 전지 스택 제어 방법에 관한 것으로, 연료 전지 스택의 성능 회복을 위한 연료 전지 스택 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 스택의 연료극(애노드)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기블로워를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(캐소드)으로 공급한다.
스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
연료 전지 스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.
연료 전지를 구동하기 위한 공기 블로워, 수소 재순환 블로워, 워터 펌프 등의 구성들은 메인 버스단에 연결되어 연료전지 시동을 용이하게 하며, 메인 버스단에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이들과, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 하는 다이오드가 연결될 수 있다.
공기 블로워를 통해 공급된 건조한 공기는 가습기를 통해 가습된 뒤, 연료 전지 스택의 캐소드(Cathode, 공기극)에 공급되며, 캐소드의 배기 가스는 내부에서 발생한 물 성분에 의해 가습된 상태로 가습기에 전해져 공기 블로워에 의해 캐소드로 공급될 건조공기를 가습하는데 사용될 수 있다.
한편, 연료 전지 스택은 운행 조건 즉, 외기 온도, 냉각수 온도, 사용 전류 등에 민감하게 반응하여 상태와 성능이 결정된다. 운행 조건이 좋지 않은 상황에서 차량의 운행이 지속되면, 단기적으로는 연료 전지 스택의 성능하락을 가져와 운전자의 요구 출력을 만족시키지 못하게 되며, 장기적으로는 스택 내구 열화에 영향을 미쳐 연료 전지 스택의 수명을 단축시키게 된다.
한편, 연료 전지 스택의 드라이 아웃(Dryout)은 두 가지 요인에 의해 발생되는데 그 중 하나는 고온 고출력에서 발생하는 드라이 아웃이며, 다른 하나는 저출력에서 발생하는 드라이 아웃이다. 고온 고출력에서의 드라이 아웃은 스택 내부의 열 평형(Heat Balance)이 무너져 발생되는 상황이고, 저출력 드라이 아웃은 공기 공급, 운전 온도 최적 범위 제어 실패, 저전류 부가 및 무부하 운전으로 인한 물생성 감소로 발생하는 드라이 아웃을 말한다. 연료 전지 스택의 드라이 아웃이 발생하면 연료 전지 스택의 출력이 감소되며, 정상 출력으로 회복되기까지 많은 시간이 필요할 뿐만 아니라, 오랜시간 지속되면 회복 불능의 성능 감소로 인해 시스템을 사용하지 못하게 될 수도 있다. 따라서 연료 전지 스택의 드라이 아웃 상황을 감지하고, 드라이 아웃 상황인 경우 스택 회복 운전을 수행하여 빨리 회복될 수 있도록 제어하는 것이 필요하다.
뿐만 아니라, 연료인 수소 공급시 수소가 오염되어 수소 농도가 저하되는 경우에도 연료 전지 스택의 성능이 감소될 수 있다. 즉, 연료 전지 스택의 출력 성능 저하시, 드라이 아웃에 따른 제어와 수소 오염에 따른 별도의 제어가 요구된다.
본 발명은 연료 전지 스택의 전압을 통해 성능을 진단하고 이에 따라 성능 감소시 성능 감소 원인에 따라 연료 전지 스택의 성능을 회복시킬 수 있는 연료 전지 스택 제어 방법을 제공하고자 함이다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 스택의 성능 제어 방법은, 연료 전지 스택의 초기 전압과 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이와 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이를 비교하여 상기 연료 전지 스택의 출력 성능을 판단하는 진단 단계를 포함할 수 있다.
상기 초기 전압과 상기 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이가 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이보다 더 큰 경우, 상기 소정 시간 경과 후의 상기 연료 전지 스택의 성능이 최소 요구 성능보다 낮은 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 판단 결과에 따라, 상기 연료 전지 스택 내부의 수소 및 공기 압력을 증가시키는 가압 운전 단계를 더 포함할 수 있다.
기설정된 시간 동안 상기 가압 운전 단계 수행 이후, 상기 진단 단계를 재수행하는 제1 재진단 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 재진단 단계에서, 상기 초기 전압과 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이가 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이보다 더 큰 경우, 퍼지량을 증가시키고, 퍼지 주기를 단축시키는 퍼지 조절 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 퍼지 조절 단계 이후, 상기 진단 단계를 재수행하는 제2 재진단 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 재진단 단계에서, 상기 초기 전압과 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이가 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이보다 더 큰 경우, 상기 연료 전지 스택의 수소 재순환 라인에 공기를 주입하는 공기 주입 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 주입 단계 이후, 상기 진단 단계를 재수행하는 제3 재진단 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 재진단 단계에서, 상기 초기 전압과 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이가 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이보다 더 큰 경우, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 수소가 저장된 수소 저장부를 퍼지하고, 재충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 스택 제어 방법에 따르면, 연료 전지 스택의 성능 저하 원인을 파악할 수 있고, 파악된 연료 전지 스택 성능 저하 원인에 따라 그에 대응되는 연료 전지 성능 증대 제어를 수행함으로써 연료 전지 스택의 성능을 빠르게 회복시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 성능 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 정상 조건과 드라이 조건 및 가압 조건에서의 전류 변화에 따른 연료 전지 스택의 성능 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 수소 내의 CO 농도에 따른 연료 전지 스택의 성능 변화를 도시한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 퍼지 주기와 퍼지량에 따른 수소 입구에서의 일산화탄소 농도 변화와 수소 재순환 시스템 입구에서의 일산화탄소 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 정상 상태보다 낮은 수소 농도에서 연료 전지 스택의 정전류 운전시 연료 전지 스택의 전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 일산화탄소 피독 상태와 수소 측 공기 주입시의 전류 및 전압의 변화를 도시한 그래프이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 성능 제어 방법을 도시한 순서도이다. 연료 전지 스택의 성능 제어 주체는 연료 전지 스택을 전반적으로 제어하는 제어부(미도시)일 수 있다. 먼저, 제어부는 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 경과 후의 전압(V2) 간의 차이와 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3) 간의 차이를 비교하여 연료 전지 스택의 출력 성능을 판단한다(S101).
여기서, 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)은 시동 직후의 연료 전지 스택의 전압이며, 기설정된 최소 전압(V3)은 연료 전지 스택 수명 종료 기준 전압, 즉 연료 전지 스택 교체 기준 전압일 수 있다. 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 연료 전지 차량 주행 이후에 연료 전지 스택의 전압(V2)의 차이가 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3)의 차이를 비교하여(S101), 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 연료 전지 차량 주행 이후에 연료 전지 스택의 전압(V2)의 차이가 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3)의 차이보다 더 큰 경우, 연료 전지 스택의 출력 성능이 최소 요구 성능보다 낮은 것으로 판단되는 것이다. 이러한 출력 성능의 감소는 연료 전지 스택의 드라이 아웃 또는 연료 전지 스택의 오염에 기인할 수 있다.
연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 연료 전지 차량 주행 이후에 연료 전지 스택의 전압(V2)의 차이가 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3)의 차이보다 더 큰 경우, 연료 전지 스택의 동작들을 제어하는 제어부(미도시)는 연료 전지 스택 내부의 수소 및 공기 압력을 증가시켜 가압 운전시킬 수 있다(S103). 가압 운전시 절대 습도량이 낮아지게 되고, 상대 습도가 증가하기 때문에, 연료 전지 스택의 드라이 아웃 상태를 개선시킬 수 있다.
도 2는 정상 조건과 드라이 조건 및 가압 조건에서의 전류 변화에 따른 연료 전지 스택의 성능 변화를 도시한 그래프이다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 연료 전지 스택의 상태가 드라이 아웃 상태라면, 가압 운전하여 연료 전지 스택의 출력 성능을 증가시킬 수 있는 것이다.
기설정된 시간 동안 가압 운전 후, 제어부는 다시 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 연료 전지 차량 주행 이후에 연료 전지 스택의 전압(V2)의 차이와 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3)의 차이를 비교하여(S105), 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 연료 전지 차량 주행 이후에 연료 전지 스택의 전압(V2)의 차이가 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3)의 차이보다 가압 운전에도 불구하고 아직도 더 큰 경우라면, 일산화탄소(CO) 피독에 의한 연료 전지 스택 오염이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
도 3은 수소 내의 CO 농도에 따른 연료 전지 스택의 성능 변화를 도시한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 오염 후는 수소 내의 CO 농도가 높음을 의미하며, 최소 요구 성능의 경우, 기설정된 최소 전압(V3)에 대응하는 연료 전지 스택의 출력 성능을 말한다. 오염 전과 성능 회복 운전 이후의 연료 전지 스택의 출력 성능은 거의 유사하며, 오염 후 연료 전지 스택의 출력 성능은 기설정된 최소 전압(V3)에 대응되는 출력 성능보다 훨씬 낮은 것을 알 수 있다. 이와 관련하여 도 5는 정상 상태보다 낮은 수소 농도에서 연료 전지 스택의 정전류 운전시 연료 전지 스택의 전압 변화를 도시한 그래프이다. 즉, CO 피독되어 수소 농도가 정상 상태보다 더 낮다면 시간에 따라 연료 전지 셀 전압이 점차적으로 감소하는 것을 알 수 있다.
일산화탄소 오염을 개선하기 위해 제어부는 수소 퍼지의 주기 및 퍼지량을 조절할 수 있다(S107). 구체적으로 제어부는 수소 퍼지의 주기를 줄이고, 수소 퍼지의 양을 증가시킬 수 있다. 즉, CO 피독된 수소에서 CO의 농도를 감소시키기 위해 수소 퍼징하는 주기를 줄여서 더 자주 퍼지하도록 하고, 수소 퍼지의 양을 늘려서 더 많이 퍼지하도록 하는 것이다. 이와 관련하여 도 4a 및 도 4b는 퍼지 주기와 퍼지량에 따른 수소 입구에서의 일산화탄소 농도 변화와 수소 재순환 시스템 입구에서의 일산화탄소 농도 변화를 도시한 그래프이다. 도 4a 및 도 4b에서 알 수 있는 바와 같이 퍼지 주기를 반으로 감소시키고, 퍼지량을 두 배로 늘리면 수소 입구에서와 수소 재순환 시스템 입구에서의 일산화탄소 농도가 시간에 따라 감소되는 것을 알 수 있다.
즉, 제어부는 가압 운전을 통해 연료 전지 스택의 드라이 아웃 상태가 개선되었음에도 불구하고, 아직 연료 전지 스택 전압을 이용한 스택 상태 재진단시에도 연료 전지 스택의 출력 성능이 최소 요구 성능보다 낮다면, 수소 퍼지량을 증가시키고, 퍼지 주기를 단축함으로써 일 예로 일산화탄소인 오염물질을 감소시킬 수 있다.
수소 퍼지량을 증가시키고, 수소 퍼지 주기를 단축시켜 CO의 농도를 감소시킨 이후에, 다시 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 연료 전지 차량 주행 이후에 연료 전지 스택의 전압(V2)의 차이와 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3)의 차이를 비교하여(S109), 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 연료 전지 차량 주행 이후에 연료 전지 스택의 전압(V2)의 차이가 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3)의 차이보다 퍼지량 증가 및 퍼지 주기 단축에도 불구하고 더 큰 경우라면, 제어부는 수소 재순환 라인에 공기를 주입하여 일산화탄소의 이산화탄소로의 환원을 유도할 수 있다(S111).
이와 관련하여, 도 6은 일산화탄소 피독 상태와 수소 재순환 라인측 공기 주입시의 전류 및 전압의 변화를 도시한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 일산화탄소 피독 상태에서와 공기 주입 이후의 전류 및 전압의 변화가 상이한 것을 알 수 있다.
수소 재순환 라인측에 공기를 주입하여 오염물질인 일산화탄소를 제거한 이후, 제어부는 다시 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 연료 전지 차량 주행 이후에 연료 전지 스택의 전압(V2)의 차이와 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3)의 차이를 비교하여(S113), 연료 전지 스택의 초기 전압(V1)과 소정 시간 연료 전지 차량 주행 이후에 연료 전지 스택의 전압(V2)의 차이가 초기 전압(V1)과 기설정된 최소 전압(V3)의 차이보다 더 큰 경우라면, 수소 탱크인 수소 저장부에 저장된 수소를 모두 퍼지하고, 새로운 수소로 재충전시킬 수 있다(S115).
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 연료 전지 스택의 성능 제어 방법

Claims (9)

  1. 연료 전지 스택의 초기 전압과 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이와 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이를 비교하여 상기 연료 전지 스택의 출력 성능을 판단하는 진단 단계를 포함하는,
    연료 전지 스택의 성능 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초기 전압과 상기 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이가 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이보다 더 큰 경우, 상기 소정 시간 경과 후의 상기 연료 전지 스택의 성능이 최소 요구 성능보다 낮은 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지 스택의 성능 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 판단 결과에 따라, 상기 연료 전지 스택 내부의 수소 및 공기 압력을 증가시키는 가압 운전 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 스택의 성능 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    기설정된 시간 동안 상기 가압 운전 단계 수행 이후, 상기 진단 단계를 재수행하는 제1 재진단 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 스택의 성능 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 재진단 단계에서, 상기 초기 전압과 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이가 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이보다 더 큰 경우, 퍼지량을 증가시키고, 퍼지 주기를 단축시키는 퍼지 조절 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 스택의 성능 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 퍼지 조절 단계 이후, 상기 진단 단계를 재수행하는 제2 재진단 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 스택의 성능 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 재진단 단계에서, 상기 초기 전압과 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이가 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이보다 더 큰 경우, 상기 연료 전지 스택의 수소 재순환 라인에 공기를 주입하는 공기 주입 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 스택의 성능 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공기 주입 단계 이후, 상기 진단 단계를 재수행하는 제3 재진단 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 스택의 성능 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 재진단 단계에서, 상기 초기 전압과 소정 시간 경과 후의 전압 간의 차이가 상기 초기 전압과 기설정된 최소 전압 간의 차이보다 더 큰 경우, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 수소가 저장된 수소 저장부를 퍼지하고, 재충전하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 스택의 성능 제어 방법.
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