KR20160142917A - 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
가압 운전 상태에서 차량 출력의 급감 등을 위해 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 급격한 감소가 요구되는 경우 신속하게 요구되는 공기 유량까지 공기 공급을 감소시킬 수 있는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치 및 그 방법이 개시된다. 상기 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치는, 공기를 압축하여 상기 연료전지 스택의 환원극으로 공급하는 공기 압축기; 상기 연료전지 스택에서 반응을 마친 공기가 배출되는 라인에 설치된 배압 조절 밸브; 및 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 감소가 요구될 때, 상기 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력 및 공기의 감소 요구량에 기반하여 상기 배압 조절 밸브 및 상기 공기 압축기를 제어하는 제어부;를 포함한다.
Description
본 발명은 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가압 운전 상태에서 차량 출력의 급감 등을 위해 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 급격한 감소가 요구되는 경우 신속하게 요구되는 공기 유량까지 공기 공급을 감소시킬 수 있는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템을 운전하는 방식은 크게 상압형 및 가변압형으로 나뉜다. 이들 각 운전 방식에서 연료전지 스택의 운전압력은 전체 성능에 지배적인 영향을 주는 요소 중 하나로 작용한다.
연료전지 시스템중 상압형 연료전지 시스템의 경우, 연료전지의 환원극(cathode)에 상압의 공기를 공급하기 위해 많은 전력을 필요로 하지 않는 공기 블로어(Air Blower)를 사용한다. 공기 공급을 위한 주변 장치들의 전원이 연료전지 스택으로부터 공급된다는 점을 고려할 때, 상압형 연료전지 시스템은 주변 장치들의 전력 소모가 적다는 장점이 있는 반면, 연료전지 스택의 운전압력이 높아질수록 연료전지의 효율이 높아진다는 관점에서 볼 때는 연료전지 스택의 전력밀도가 낮아지는 단점이 있다.
이러한 점을 감안하여, 가변압형 연료전지 시스템이 개발 되고 있다. 가변압형 연료전지 시스템은, 저출력 구간에서 기생전력을 최소화할 수 있도록 저압 운전을 하여 시스템의 효율을 향상시키고, 고출력 구간에서는 고압운전을 통해 성능을 향상시키는 가변압 시스템이다. 가변압형 연료전지 시스템은 환원극에 상압보다 높은 압력의 공기를 공급하기 위해 공기 압축기(compressor)를 사용하고, 연료전지 스택을 통과하고 나오는 가스 배관에 별도의 배압 조절 밸브(Back Pressure Control Valve)를 장착하여 연료전지 스택에 공급되는 가스의 압력을 제어한다.
가변압형 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택 상태가 건조하다고 판단되는 경우 또는 고온, 고출력, 고지 등과 같이 높은 출력이 필요한 조건에서 공기 압력을 높여서 운전을 한다. 이러한 운전 조건에서 차량 출력이 급격하게 감소하는 경우, 차량 제어기는 공기 과급에 의한 연료전지 스택의 건조를 방지할 수 있도록 급격하게 공기 유량을 감소시키기 위해 공기 압축기 속도를 급감하는 제어를 실시하게 된다.
이와 같은 과정에서 연료전지에 기 공급된 공기에 의해 형성된 압력은 감소하지 않은 상태에서 공기 압축기 유량이 급감하게 되면서 공기 압축기가 서지(surge) 영역에서 운전되는 문제가 발생한다. 공기 압축기가 서지 영역에서 운전되는 경우, 환원극 배관 내 압력 및 유량이 불안정하게 나타난다. 또한, 공기 압축기가 서지 영역에서 운전되는 경우가 반복되는 경우 압력 및 유량 불안정으로 인해 공기 압축기와 연료전지 스택의 장기적인 내구성에 악영향을 끼치게 되고 나아가 연료전지 스택의 출력이 불안정해지는 심각한 문제가 발생한다.
이에 본 발명은 가압 운전 상태에서 차량 출력의 급감 등을 위해 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 급격한 감소가 요구되는 경우 신속하게 요구되는 공기 유량까지 공기 공급을 감소시킬 수 있는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
공기를 압축하여 상기 연료전지 스택의 환원극으로 공급하는 공기 압축기;
상기 연료전지 스택에서 반응을 마친 공기가 배출되는 라인에 설치된 배압 조절 밸브; 및
상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 감소가 요구될 때, 상기 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력 및 공기의 감소 요구량에 기반하여 상기 배압 조절 밸브 및 상기 공기 압축기를 제어하는 제어부;
를 포함하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상기 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력과 사전 설정된 서지 기준 압력의 차이가 사전 설정된 임계값보다 작은 경우, 상기 배압 조절 밸브를 개방하고 상기 공기 압축기를 감속시키는 제어를 실행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상기 공기의 감소 요구량이 사전 설정된 임계값보다 큰 경우, 상기 배압 조절 밸브를 개방하고 상기 공기 압축기를 감속시키는 제어를 실행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상기 배압 조절 밸브가 최대 개도값으로 개방되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 공기 압축기는 회생 재동을 통해 감속될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
공기를 압축하여 연료전지 스택의 환원극으로 공급하는 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력을 검출하는 모니터링 단계;
상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 감소 요구량을 입력 받는 감소 요구 입력 단계; 및
상기 모니터링 단계에서 검출된 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력과 상기 감소 요구 입력 단계에서 입력된 상기 감소 요구량에 기반하여 상기 배압 조절 밸브 및 상기 공기 압축기를 제어하는 단계;
를 포함하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 모니터링 단계는, 상기 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력 및 사전 설정된 상기 공기 압축기 동작영역에 따른 서지 기준 압력을 비교하는 단계이고, 상기 감소 요구 입력 단계는 상기 감소 요구량과 사전 설정된 제1 임계값을 비교하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어 단계는, 상기 현재 공기 공급 압력과 상기 서지 기준 압력의 차가 사전 설정된 제2 임계값 보다 작고 상기 공기 유량의 감소 요구량이 상기 제1 임계값보다 클 때, 상기 연료전지 스택에서 반응을 마친 공기가 배출되는 라인에 설치된 배압 조절 밸브를 개방하고 상기 공기 압축기를 감속하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어 단계는, 상기 배압 조절 밸브를 먼저 개방하고 이어 상기 공기 압축기를 감속할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 공기 압축기는 회생 재동을 통해 감속될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어 단계 이전에 상기 배압 조절 밸브의 개도값을 저장하는 개도값 저장 단계를 더 포함하며, 상기 제어 단계 이후에 상기 연료전지 스택으로 공급되는 유량이 상기 공기의 감소 요구량에 따라 감소한 경우 상기 개도값 저장 단계에서 저장된 개도값을 갖도록 상기 배압 조절 밸브를 제어하는 개도값 복구 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 감소가 요구될 때, 공기를 압축하여 상기 연료전지 스택의 환원극으로 공급하는 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력 및 공기의 감소 요구량에 기반하여, 상기 연료전지 스택에서 반응을 마친 공기가 배출되는 라인에 설치된 배압 조절 밸브를 개방하고 상기 공기 압축기를 감속시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법으로 요약될 수 있다.
상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치 및 그 방법에 따르면, 가압 운전 중인 연료전지 시스템에서 차량 출력 급감을 위하여 급속한 공급 공기의 유량 감소가 필요한 경우, 공기가 배기되는 라인의 배압 조절 밸브를 개방하여 기 공급된 공기에 의한 압력을 감소시키면서 공기 압축기를 감속시킴으로써 공기 압축기가 서지 영역에서 운전되는 것을 방지하는 효과가 있다. 이와 같이, 공기 압축기가 서지 영역에서 운전되는 것을 회피하면서 급격한 유량 감소가 가능하므로 연료전지 스택의 건조를 방지하여 스택 성능 열화를 예방하는 효과도 있다.
또한, 상기 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치 및 그 방법에 따르면 배압 조절 밸브의 개방에 따라 환원극 배관에 발생하는 공기 부하가 감소하여 공기 압축기의 모터 회생 제동을 통해 최대한의 에너지를 회수할 수 있으므로 연료전지 시스템의 현저한 효율 향상이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치를 도시한 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법을 도시한 흐름도.
도 3은 도 3은 가압 운전 상태에서 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 급격한 감소 제어시, 차량에서 요구하는 공급 공기의 유량과 종래 기술에 의해 실제 공급되는 공기 유량의 차이를 도시한 그래프.
도 4 및 도 5는 가압 운전 상태에서 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 급격한 감소 제어시 공기 압축기의 운전 영역을 비교하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법을 도시한 흐름도.
도 3은 도 3은 가압 운전 상태에서 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 급격한 감소 제어시, 차량에서 요구하는 공급 공기의 유량과 종래 기술에 의해 실제 공급되는 공기 유량의 차이를 도시한 그래프.
도 4 및 도 5는 가압 운전 상태에서 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 급격한 감소 제어시 공기 압축기의 운전 영역을 비교하기 위한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치는, 연료전지 스택(11)과, 공기를 압축하여 연료전지 스택(11)의 환원극으로 공급하는 공기 압축기(13)와, 연료전지 스택(10)에서 반응을 마친 공기가 배출되는 라인에 설치된 배압 조절 밸브(15)와, 상기 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기의 유량 감소가 요구될 때, 공기 유량공기 압축기(13)의 현재 공기 공급 압력 및 공기의 감소 요구량에 기반하여 공기 압축기(13)와 배압 조절 밸브(15)를 제어하는 제어부(17)을 포함하여 구성될 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치는, 공기 압축기(13)에서 공급되는 공기의 유량과 압력을 각각 검출하는 유량 센서(18) 및 압력 센서(19)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 본 발명의 일 실시형태가 적용되는 가변압형 연료전지 시스템은, 외부공기의 이물질을 여과하는 필터(21)와 필터(21)의 공기 출력 라인에 설치된 공기 차단 밸브(23)와 공기 차단 밸브(23)를 통해 제공된 공기를 통과시키며 공기 공급에 따른 소음을 제거하여 공기 압축기(13)로 제공하는 소음기(25)와, 공기 압축기(13)로부터 환원극으로 공급되는 공기를 가습시키는 가습기(27)를 더 포함할 수 있다. 통상 연료전지 스택(11)에서 반응을 마친 습윤공기는 가습기(13)를 통과하여 배출될 수 있다.
상술한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법은, 제어부(17)가 공기 압축기(13)로부터 공급되는 공기의 압력을 감시하는 단계(S101)로부터 시작될 수 있다. 더욱 구체적으로, 제어부(17)는 사전 결정되어 있는 공기 압축기(13)의 동작 특성에 따른 공기 압축기의 서지 기준 압력와 공기 압축기(13)에서 실제 공급되는 공기의 압력의 차이가 사전 설정된 임계값(P)보다 작은 값을 갖는지 판단할 수 있다(S101). 공기 압축기(13)에서 공급되는 공기의 압력은 공기 압축기(13)의 후단에 설치된 압력 센서(19)로부터 검출되어 제어부(17)로 제공될 수 있다. 또한, 제어부(17)에는 사전 결정된 공기 압축기(13)의 동작 특성에 따른 서지 기준 압력이 외부에서 입력되거나 그 내부에 저장될 수 있다.
단계(S101)에서, 제어부(17)가 서지 기준 압력과 공기 압축기(13)의 공기 공급 압력의 차이를 비교하는 것은 공기 압축기(17)에서 공급하는 공기의 압력이 서지 기준 압력에 가까운 정도를 확인하는 과정으로 서지 기준 압력과 공기 압축기(13)의 공기 공급 압력의 차이가 작을수록 공기 압축기(13)의 공기 공급 압력이 공기 압축기(13)의 서지 영역에 가깝다는 의미이며, 높은 압력으로 공기를 공급하고 있다는 의미로 해석될 수 있다.
이어, 제어부(17)는 외부로부터 차량 출력을 감소시키기 위해 감소된 공급 공기 목표량을 포함하는 공기 유량 감소 지시를 입력 받을 수 있다. 이 때, 제어부(17)는 감소된 공급 공기 목표량과 현재의 공급 공기 목표량을 비교하여 감소시켜야 하는 공기 유량인 공급 공기 감소 요구량을 산출할 수 있다. 제어부(17)는 이 공급 공기 감소 요구량이 사전 설정된 임계값(Q)보다 큰지 판단할 수 있다(S103). 즉, 제어부(17)는 공기 압축기(13)를 서지 기준 압력에 가까운 고압으로 동작하던 중 출력 감소를 위한 공기 유량 감소 지시를 받는 경우, 감소시켜야 하는 공급 공기 감소 요구량이 사전 설정된 임계값(Q)보다 큰지 판단할 수 있다(S103).
단계(S103)은 제어부(17)가 공급 공기 감소 요구량의 크기를 판단하는 과정이다. 단계(S103)에서, 공급 공기 감소 요구량이 사전 설정된 임계값(Q)보다 크다는 것은 감소시켜야 하는 공기 유량이 매우 크다는 의미로, 급격한 공기 유량 감소가 요구된다는 것을 의미한다.
이어, 제어부(105)는 공기 유량 감소를 위해 공기 압축기(13)와 배압 조절 밸브(15)를 제어하기 이전에 현재 배압 조절 밸브의 개도값을 저장할 수 있다(S105). 단계(S105)는 유량 감소 제어 이후 다시 공기 압축기(13)를 가압 제어하여야 할 때 가압 운전 조건으로 용이하게 복귀하기 위해 수행되는 단계이다. 단계(S105)는 가압 운전 조건으로 복귀하기 위한 다른 제어 기법이 적용되는 경우 생략될 수도 있다.
이어, 제어부(105)는 배압 조절 밸브(S107)를 개방하고(S107) 공기 압축기(13)를 감속시켜 연료전지 스택(11)으로 공급되는 공기의 압력을 감소시킬 수 있다(S109).
배압 조절 밸브(15)를 개방하는 단계(S107)는 제어부(105)가 현재 배압 조절 밸브(S107)의 개도량 보다 더 큰 개도량을 갖도록 배압 조절 밸브(15)를 제어하는 과정이다. 더욱 바람직하게는 공기 압축기(13)의 고압 운전 상태에서 급격한 유량 감소를 구현하여야 상황이므로, 단계(S107)에서는 가능한 많은 공기가 배출될 수 있도록 배압 조절 밸브(15)가 최대 개도량을 갖도록 제어될 수 있다.
공기 압축기(13)를 감속하는 단계(S109)는 공기 압축기(13)의 모터 회전 속도를 감속시켜 공급되는 공기의 압력을 감소시킴으로써 공기의 유량을 감소시키는 과정이다. 바람직하게, 단계(S109)에서는 공기 압축기(13)에 회생 제동을 실시하여 공기 압축기(13)의 모터 회전 속도를 감속시킬 수 있다. 단계(S109)에서 모터 감속을 위해 회생 제동을 실시함으로써 에너지의 회수가 가능하다.
배압 조절 밸브(15)를 개방하는 단계(S107) 및 공기 압축기(13)를 감속시키는 단계(S108)는 양 단계 중 어느 하나가 먼저 시작되거나 양 단계가 동시에 시작되어도 무방하다. 그러나, 적어도 단계(S109)가 시작된 직후에 단계(S107)이 시작되어야 한다. 즉, 공기 압축기(13)의 감속이 일정 시간 이상 지속되고 배압 조절 밸브(15)가 개방되지 않으면 연료전지 스택(11)의 환원극 배기 라인에 잔류한 공기 때문에 압력 감소가 신속히 이루어지지 못하여 공기 압축기(13)가 서지 영역에서 동작하는 문제가 발생할 수 있다.
다만, 배압 조절 밸브(15)를 개방하는 단계(S107)를 먼저 시작하여 연료전지 스택(11)의 환원극 배압을 먼저 낮추는 것이 서지 방지 안정성 측면에서 유리하다. 다시 설명하면, 배압 조절 밸브(15)를 개방하는 단계(S107)를 먼저 시작함으로써 공기 압축기(13)의 동작점을 서지 영역으로부터 이격시킨 후, 공기 압축기(13)를 감속시키는 단계(S108)를 통해 압력을 낮춤으로써 서지 발생의 위험을 더욱 감소시킬 수 있다.
이어, 제어부는(17) 출력 감소를 위해 단계(S103)에서 입력 받은 공급 공기 목표량과 현재의 공기 유량을 비교하고 그 차이가 사전 설정된 임계값(R)보다 작은지 판단할 수 있다(S111). 단계(S111)은 차량 출력 감소에 의한 유량 감소 제어를 상술한 것과 같이 실시하여 현재 연료전지 스택을 공급되는 공기의 유량이 공급 공기 목표량과 실질적으로 동일한지를 판단하는 과정이다. 단계(S111)에서 적용되는 임계값(R)은 공급 공기 목표량과 현재의 공기 유량이 실질적으로 동일하다고 판단할 수 있는 기준이 되는 값일 수 있다. 단계(S111)에서 공급 공기 목표량과 현재의 공기 유량이 실질적으로 동일하다고 판단될 때까지 공기 압축기(13) 회전을 감속시키는 단계(S109)가 반복될 수 있다.
이어, 제어부(17)는 단계(S111)에서 공급 공기 목표량과 현재의 공기 유량이 실질적으로 동일하다고 판단되면, 단계(S105)에서 저장된 개도값을 갖도록 배압 조절 밸브(15)의 개도량을 제어하고 다시 가압 운전 조건으로 복귀할 수 있다.
상술한 것과 같은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치 및 그 방법은 가압 운전 중인 연료전지 시스템에서 차량 출력 급감을 위하여 급속한 공급 공기의 유량 감소가 필요한 경우, 공기 압축기(13)가 서지 상태가 되지 않는 동작영역에서 신속하게 공급 공기의 유량을 공급 공기 감소 요구량이 되도록 설정할 수 있다. 또한, 공기 압축기의 회생 재동을 통한 에너지 회수를 극대화할 수 있다.
도 3은 가압 운전 상태에서 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 급격한 감소 제어시, 차량에서 요구하는 공급 공기의 유량과 종래 기술에 의해 실제 공급되는 공기 유량의 차이를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 급격한 유량 감소가 요구되는 경우 차량에서는 실선으로 표시된 것과 같이 단시간에 공급되는 공기의 유량 감소를 요구하게 된다. 그러나, 실선으로 도시된 것과 같은 요구 공기 공급 유량에 맞추어 공기 압축기 속도를 급격하게 감소시키는 경우 공기 공급 배관에서 서지가 발생할 수 있다. 이러한 문제로 인해 종래 기술은 서지 발생 방지를 위해 실제 공급 공기 유량을 점선으로 표시된 것과 같이 서서히 감소시킨다. 종래 기술과 같이 공기 유량을 서서히 감소시키는 경우, 공기 과급에 의해 연료전지 스택은 더욱 건조해져서 스택 성능이 저하되며 공기 압축기 속도 감소시 모터 회생 제동을 통해 회수 가능한 에너지 회수량이 감소하여 시스템 효율 또한 저하될 수 있다.
이에 반해, 본 발명에 따르면, 도 3의 실선과 같이 급격한 공기 유량의 감소가 가능하므로 종래 기술의 문제를 해소할 수 있게 된다. 이러한 효과는 후술하는 도 4 및 도 5에 대한 설명을 통해 더욱 명확해질 것이다.
도 4 및 도 5는 가압 운전 상태에서 연료전지 스택으로 공급되는 공기 유량의 급격한 감소 제어시 공기 압축기의 운전 영역을 비교하기 위한 도면이다.
도 4는 단순히 공기 압축기(13)의 속도를 감소시켜 유량을 제어하는 경우를 도시한 것으로, 가압 운전시 공기 압축기 운전점(A)에서 유량 감소를 위해 공기 압축기(13)의 속도를 급감시키면 서지 영역에서 공기 압축기 운전점(B)이 형성되어 문제가 발생한다.
이러한 문제 발생을 해결하고자, 본 발명의 일 실시형태에서는 공기 압축기(13)의 속도 감소와 제어와 함께 배압 조절 밸브(15)를 개방하여 환원극 차압을 감소시켜 도 5의 'C'로 표시된 운전점까지 공기 압축기(13)의 운전점을 서지 곡선으로부터 이격시킨다. 배압 조절 밸브(15)의 개도를 열어주는 경우 환원극 차압이 감소하기 때문에 급격하게 공기 압축기(13)의 운전 속도를 감소시키더라도 공기 압축기 운전점(D)이 서지영역으로 이탈하지 않고 안정적인 공기압축기 운전이 가능하다.
또한, 도 5에 도시된 것과 같은 제어를 적용하는 경우, 배압 조절 밸브(15)의 개방에 따라 환원극 배관에 발생하는 공기 부하가 감소하여 공기 압축기(13)의 모터 회생 제동을 통해 최대한의 에너지를 회수하여 배터리에 저장함으로써 연료전지 시스템의 효율 향상이 가능하다. 특히, 가압형 연료전지 시스템의 경우 연료전지 최대 출력 운전 조건에서 10 % 이상의 에너지를 공기 압축기(13)에서 소모하기 때문에, 공기 유량 감소시 회생 제동을 통해 회수할 수 있는 에너지는 시스템 효율을 향상시키는데 큰 영향을 미친다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
11: 연료전지 스택
13: 공기 압축기
15: 배압 조절 밸브 17: 제어부
18: 유량 센서 19: 압력 센서
15: 배압 조절 밸브 17: 제어부
18: 유량 센서 19: 압력 센서
Claims (12)
- 공기를 압축하여 연료전지 스택의 환원극으로 공급하는 공기 압축기;
상기 연료전지 스택에서 반응을 마친 공기가 배출되는 라인에 설치된 배압 조절 밸브; 및
상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 감소가 요구될 때, 상기 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력 및 공기의 감소 요구량에 기반하여 상기 배압 조절 밸브 및 상기 공기 압축기를 제어하는 제어부;
를 포함하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
상기 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력과 사전 설정된 서지 기준 압력의 차이가 사전 설정된 임계값보다 작은 경우, 상기 배압 조절 밸브를 개방하고 상기 공기 압축기를 감속시키는 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
상기 공기의 감소 요구량이 사전 설정된 임계값보다 큰 경우, 상기 배압 조절 밸브를 개방하고 상기 공기 압축기를 감속시키는 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치. - 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 제어부는, 상기 배압 조절 밸브가 최대 개도값으로 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 공기 압축기는 회생 재동을 통해 감속되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치. - 공기를 압축하여 연료전지 스택의 환원극으로 공급하는 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력을 검출하는 모니터링 단계;
상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 감소 요구량을 입력 받는 감소 요구 입력 단계; 및
상기 모니터링 단계에서 검출된 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력과 상기 감소 요구 입력 단계에서 입력된 상기 감소 요구량에 기반하여 상기 배압 조절 밸브 및 상기 공기 압축기를 제어하는 단계;
를 포함하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 모니터링 단계는, 상기 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력 및 사전 설정된 상기 공기 압축기 동작영역에 따른 서지 기준 압력을 비교하는 단계이고,
상기 감소 요구 입력 단계는 상기 감소 요구량과 사전 설정된 제1 임계값을 비교하는 단계인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 제어 단계는, 상기 현재 공기 공급 압력과 상기 서지 기준 압력의 차가 사전 설정된 제2 임계값 보다 작고 상기 공기 유량의 감소 요구량이 상기 제1 임계값보다 클 때, 상기 연료전지 스택에서 반응을 마친 공기가 배출되는 라인에 설치된 배압 조절 밸브를 개방하고 상기 공기 압축기를 감속하는 단계인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 제어 단계는, 상기 배압 조절 밸브를 먼저 개방하고 이어 상기 공기 압축기를 감속하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 공기 압축기는 회생 재동을 통해 감속되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 제어 단계 이전에 상기 배압 조절 밸브의 개도값을 저장하는 개도값 저장 단계를 더 포함하며,
상기 제어 단계 이후에 상기 연료전지 스택으로 공급되는 유량이 상기 공기의 감소 요구량에 따라 감소한 경우 상기 개도값 저장 단계에서 저장된 개도값을 갖도록 상기 배압 조절 밸브를 제어하는 개도값 복구 단계를 더 포함 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법. - 연료전지 스택에 공급되는 공기의 감소가 요구될 때, 공기를 압축하여 상기 연료전지 스택의 환원극으로 공급하는 공기 압축기의 현재 공기 공급 압력 및 공기의 감소 요구량에 기반하여, 상기 연료전지 스택에서 반응을 마친 공기가 배출되는 라인에 설치된 배압 조절 밸브를 개방하고 상기 공기 압축기를 감속시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 공기 공급 제어 방법.
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