KR20170001231A

KR20170001231A - 연료전지 시스템 운전 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20170001231A
Application number: KR1020150090922A
Authority: KR
Inventors: 임세준
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-01-04
Also published as: US20160380281A1; CN106299417A; CN106299417B; DE102015225281A1; KR101704224B1

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 운전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 순간 출력을 향상시킬 수 있고, 연료전지 셀 간의 성능 편차를 저감시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템 운전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 "쏘-투스" 및 "이력 현상"을 응용하여, 연료전지 셀 전압을 순간적으로 낮춰주거나, 연료전지 시스템을 셧-다운(Shut-down)에 가까운 상태를 발현시켜주고, 다시 연료전지 시스템을 정상 조건으로 회귀시킨 후 정상 운전이 이루어지도록 함으로써, 연료전지 시스템의 순간 출력을 이전 상태에서 발현 가능한 최고 출력 수준 이상의 성능으로 향상시킬 수 있고, 연료전지 셀 간의 성능 편차를 저감시킬 수 있는 연료전지 시스템 운전 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템 운전 제어 장치 및 방법{Device and method for controlling fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템 운전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 순간 출력을 향상시킬 수 있고, 연료전지 셀 간의 성능 편차를 저감시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템 운전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.

따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극에 연료인 수소가, 공기극에 산화제인 공기가 공급되면, 연료극에서는 공급된 수소가 그 촉매층 산화 반응에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 이때 발생된 수소이온은 스택내의 고분자 전해질막을 통하여, 전자는 외부 회로를 통해 공기극에 공급되며, 이에 공기극에서는 공급된 산소와 전자가 만나 촉매층 환원반응에 의해 산소이온이 생성되고, 상기 수소이온과 산소이온이 결합하여 물이 생성되는 원리를 통해 전기를 발생시키게 된다.

한편, 상기 연료전지 스택의 연료극(anode)에 수소를 공급하고, 공기극(Cathode)에 공기를 공급하여 이루어지는 스택의 개회로전압(OCV: Open Circuit Voltage) 생성 상태에서 공기 공급을 끊고, 저항 혹은 배터리, 혹은 다이오드, 혹은 이 밖의 전압 저감장치 및/또는 방법을 이용하여 전압을 0V에 준하는 수준으로 낮추고, 다시 전압을 상승시켜 스택의 출력을 측정하면 일시적으로 스택의 출력이 향상되는 현상이 발견되며, 이를 당업계에서 "쏘-투스(Saw-tooth)" 현상이라고 한다.

그리고, 이와 유사하게 일반 I-V 평가 중 발생하는 "이력(Hysteresis)현상"( 예: 연료전지 스택에 전류를 100 A → 200 A → 300 A → 400 A → 300 A → 200 A → 100 A…와 같은 순으로 인가할 때, 전류를 증가시키는 구간(100 → 200 → 300 → 400 A)에서의 스택 성능보다 전류를 감소시키는 구간(400 → 300 → 200 → 100 A)에서의 스택 성능이 더 높게 측정되고, 연료전지 스택을 구성하는 각 셀 간 성능 편차가 저감되는 경향)이 발생한다.

상기한 두 가지 현상 즉, 쏘-투스 현상 및 이력 현상을 통하여, 연료전지 스택에 공급되는 반응가스 등의 물질에 대한 유량 및 가습 조건 등의 운전 조건을 향상시키지 않은 상태 즉, 수소 및 공기를 포함하는 반응가스에 대한 유량 조절 및 가습 조건 제어 등과 같은 여러가지 운전 제어조건을 인가하지 않은 상태에서 순간적으로 스택의 성능(출력)이 향상되고, 셀 간 성능 편차가 저감될 수 있다.

대개, 연료전지 시스템의 출력 향상 및 셀 간 성능 편차 저감을 위해서는 온도, 압력, 가습 등과 같은 여러가지 운전 조건을 최적 수준으로 조절하거나, 반응 기체의 유입량을 증대시켜주는 방법이 일반적이다.

그러나, 연료전지 시스템의 하드웨어 구성의 한계 조건 이상으로는 운전 조건 상향 조정(예: 일정 수준 이상의 가습 증대 등)이나, 반응 기체의 추가 투입(예: 일정 수준 이상의 유량 및 압력 상향 조절 등)이 불가능하기 때문에, 결국 해당 연료전지 시스템의 구성 하드웨어 용량을 늘리지 않는 한 정해진 출력 이상의 값을 얻거나, 셀 간 성능 편차가 발생한 상황에서 이를 줄이는 것은 가능하지 않다는 것이 일반적이다.

또한, 연료전지 시스템의 구동 시간이 경과할수록 연료전지 스택 자체의 출력이 저하(열화 현상)되는 경향이 있기 때문에 일정 시간 이상의 운전을 경험한 연료전지 시스템은 초기 성능 대비 낮은 수준의 출력을 형성하게 되고, 연료전지 셀 간 성능 편차도 증대된다.

이렇게 연료전지 스택의 출력이 저하되고, 셀 간 편차가 증대되면, 연료전지 시스템의 운전 조건에 따른 출력 제한 등으로 인하여 연료전지 차량의 가속/추월 특성을 포함한 정상적인 운전 성능의 확보/조절 등이 불가능한 상황으로 도래하는 문제점이 따르게 된다.

이를 해소하고자, 통상의 연료전지 시스템에서는 부품의 교환이나, 연료전지의 가역적인 성능 저하에 대한 성능 회복 공정(Recovery) 등과 같이, 연료전지 시스템의 운전을 멈추고 별도의 후처리(Post-treatment)를 실시하는 등의 방법 외에는 별다른 대안이 없으며, 또한 이러한 공정들은 연료전지 시스템을 별도의 분해 및 재설치 등의 공정이 필요하여 작업성이 크게 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 "쏘-투스" 및 "이력 현상"을 응용하여, 연료전지 셀 전압을 순간적으로 낮춰주거나, 연료전지 시스템을 셧-다운(Shut-down)에 가까운 상태를 발현시켜주고, 다시 연료전지 시스템을 정상 조건으로 회귀시킨 후 정상 운전이 이루어지도록 함으로써, 연료전지 시스템의 순간 출력을 이전 상태에서 발현 가능한 최고 출력 수준 이상의 성능으로 향상시킬 수 있고, 연료전지 셀 간의 성능 편차를 저감시킬 수 있는 연료전지 시스템 운전 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점을 판단하는 감지부와; 연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점에서 연료전지 시스템의 운전 모드를 보조전원 단독(Only) 모드로 전환하는 동시에 연료전지 셀 전압을 0V 부근까지 낮추어주는 제어를 한 후, 다시 연료전지 시스템을 정상 운전모드로 전환 제어하는 제어부와; 상기 제어부의 명령에 의하여 연료전지 셀 전압을 0V 부근까지 낮추어주는 전압저감수단; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 감지부는 연료전지 시스템의 작동 전류별 연료전지 셀의 전체 전압(연료전지 차량의 고출력 주행을 위한 작동 전류별 연료전지 셀의 전체 전압)이 임계값 이하이고, 연료전지 셀의 평균전압이 임계값 이하일 때, 연료전지 성능 향상이 요구되는 시점으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 감지부는 연료전지 셀의 평균전압과 최소 셀 전압 간의 차이인 셀 편차가 임계값 이상일 때, 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점으로 판단하는 것을 특징으로 한다..

본 발명의 일 구현예에서, 상기 전압저감수단은 연료전지의 공기극에 대한 공기 차단 후에 연료전지 셀의 전류를 소모하여 연료전지 셀의 전압을 0V 근처까지 낮추어주는 저항, 다이오드, 배터리 중 선택된 어느 하나로 채택되는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 전압저감수단은 연료전지의 공기극에 대한 공기 공급유량을 최소 유량 범위로 저감시키는 동시에 공기극에 수소를 공급하여 셀 전압을 0V 근처까지 낮추어주는 공기극용 수소퍼지라인으로 채택되는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 전압저감수단은 연료전지의 정상 운전 중 연료전지에 고전류를 인가하여 연료전지의 전압을 일정 수준 이하로 낮추어주는 추가 전원으로 채택되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다음 구현예는: ⅰ) 연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점을 판단하는 단계와; ⅱ) 연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점에서 연료전지 시스템의 운전 모드를 보조전원 단독(Only) 모드로 전환하는 동시에 연료전지 셀 전압을 0V 부근까지 낮추어주는 제어 단계와; ⅲ) 연료전지 시스템을 정상 운전모드로 전환 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 ⅰ) 단계에서, 연료전지 시스템의 작동 전류별 연료전지 셀의 전체 전압(연료전지 차량의 고출력 주행을 위한 작동 전류별 연료전지 셀의 전체 전압)이 임계값 이하이고, 연료전지 셀의 평균전압이 임계값 이하일 때, 연료전지 성능 향상이 요구되는 시점으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 ⅰ) 단계에서, 연료전지 셀의 평균전압과 최소 셀 전압 간의 차이인 셀 편차가 임계값 이상일 때, 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 ⅱ) 단계에서, 연료전지 셀의 전압을 0V 근처까지 낮추어주는 제어는 연료전지의 공기극에 대한 공기 차단 후에 연료전지 셀의 전류를 저항, 다이오드, 배터리 중 선택된 어느 하나에서 소모하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 ⅱ) 단계에서, 연료전지 셀의 전압을 0V 근처까지 낮추어주는 제어는 연료전지의 공기극에 대한 공기 공급유량을 최소 유량 범위로 저감시키는 동시에 공기극용 수소퍼지라인을 이용하여 공기극에 수소를 공급하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 ⅱ) 단계에서, 연료전지 셀의 전압을 0V 근처까지 낮추어주는 제어는 연료전지의 정상 운전 중 연료전지에 고전류를 인가하여 연료전지의 전압을 일정 수준 이하로 낮추어주는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면 "쏘-투스" 및 "이력 현상"을 응용하여, 연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점에서 연료전지 셀 전압을 순간적으로 특정전압(예를 들어 0V 근처)까지 낮추어준 다음, 다시 연료전지 시스템을 정상 조건으로 회귀시켜 정상 운전이 이루어지도록 함으로써, 연료전지 시스템의 순간 출력을 이전 상태에서 발현 가능한 최고 출력 수준 이상의 성능으로 향상시킬 수 있고, 연료전지 셀 간의 성능 편차를 저감시킬 수 있다.

즉, 순간적인 급가속 상황 등 단기간에 고출력을 요하는 운전 구간이나, 연료전지의 취약 운전 조건(연료전지의 저온 혹은 고온, 저가습 조건, 장시간 아이들 운전과 같은 수소 농도 저감 및 드라이아웃 조건, 장시간 정차 후 재시동 초기)과 같이, 다수의 연료전지 셀을 포함하는 연료전지 스택의 성능이 제한값 이하로 저하되거나, 각 연료전지 셀 간 성능 편차가 증대된 시점에서 연료전지 성능(출력)을 향상시킬 수 있고, 연료전지 셀 간 성능 편차를 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템 운전 제어 방법을 도시한 순서도,
도 2 내지 도 4는 종래(비교예) 및 본 발명(실시예) 적용시, 연료전지 스택의 성능을 측정 비교한 그래프,
도 5 및 도 6은 종래(장시간 정차후 재시동 초기) 및 본 발명(셀 전압 저감후 재시동) 적용시 연료전지 셀 성능을 측정 비교한 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 스택에 별도의 물질을 공급하거나, 스택에 대한 가습량을 조절하거나, 스택에 대한 수소 또는 공기 가압 운전을 하는 등 여러가지 형태의 운전 조건을 변경하거나 증대함 없이, 연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점에서 연료전지 시스템의 순간 출력 향상을 도모할 수 있고, 연료전지 셀 간 성능 편차가 증대된 상황에서 그 편차를 저감시켜 줄 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템 운전 제어 방법을 도시한 순서도이다.

먼저, 본 발명의 연료전지 시스템 운전 제어를 위하여, 연료전지 차량의 시동 여부, 또는 운전 정보, 또는 차량에 탑승한 운전자를 인지하는 시점을 시작으로 한다(S101).

보다 상세하게는, 상기 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되며, 이러한 연료전지 시스템이 연료전지 차량에 탑재된 상태에서, 본 발명의 연료전지 시스템 운전 제어를 위하여 연료전지 차량의 시동 여부, 또는 운전 정보, 또는 차량에 탑승한 운전자를 인지하는 시점을 시작으로 한다.

이어서, 연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점을 감지부에서 판단하는 단계가 진행된다(S102).

이때, 상기 감지부는 연료전지 셀 성능이 임계값 이하인 경우 연료전지 성능 향상이 필요한 시점으로 판정한다.

즉, 상기 감지부는 연료전지 시스템의 작동 전류별 연료전지 셀의 전체 전압(예를 들어, 연료전지 차량의 고출력 주행을 위한 작동 전류별 연료전지 셀의 전체 전압)이 임계값 이하이고, 연료전지 셀의 평균전압이 임계값 이하일 때, 연료전지 성능 향상이 요구되는 시점으로 결정한다.

또한, 상기 감지부는 연료전지 셀 간 전압 편차가 임계값 이하인 경우 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점으로 판정한다.

즉, 상기 감지부는 연료전지 셀의 평균전압과 최소 셀 전압 간의 차이인 셀 편차가 임계값 이상일 때, 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점으로 결정한다.

이때, 상기 연료전지 성능(출력) 상향이 요구되는 시점 혹은 연료전지 셀 간 전압 편차 저감이 요구되는 시점은 실질적으로 연료전지 차량의 장기간 주차 후 시동 시점, 장시간 아이들 주행 이후 가속, 일반 주행 중 추월 가속 상황 등에서 발생될 수 있다.

이렇게 상기 연료전지 셀 성능이 임계값 이하인 연료전지 성능 향상이 필요한 시점으로 판정되거나, 또는 상기 연료전지 셀 간 전압 편차가 임계값 이하인 셀 간 성능 편차 저감이 필요한 시점으로 판정되면, 제어부(제어기)에서 연료전지 시스템의 운전 모드를 보조전원을 이용한 단독(Only) 모드(예, 연료전지 차량의 배터리 전원을 이용한 EV 모드 주행)로 전환하는 제어를 하고(S103), 동시에 연료전지 셀 전압을 특정전압(예를 들어, 0.1V 또는 0V 수준)까지 낮추어주는 제어를 한다(S104).

이때, 상기 제어부의 명령에 의하여 전압저감수단에서 연료전지 셀 전압을 0V 부근까지 낮추어주게 된다.

상기 전압저감수단의 제1실시예로서, 연료전지 셀의 전압을 특정전압 이하로 낮추어주는 저항, 다이오드, 배터리 중 선택된 어느 하나로 채택될 수 있고, 이에 연료전지의 공기극에 대한 공기 차단 후에 저항, 다이오드, 배터리 중 선택된 어느 하나에서 연료전지 셀의 전류를 소모하여, 연료전지 셀의 전압이 특정전압 이하로 저감된다.

상기 전압저감수단의 제2실시예로서, 셀 전압을 특정전압(예를 들어, 0.1V 또는 0V 수준)까지 낮추어주는 공기극용 수소퍼지라인으로 채택될 수 있고, 이에 연료전지의 공기극에 대한 공기 공급유량을 최소 유량 범위로 저감시키는 동시에 공기극용 수소퍼지라인을 이용하여 공기극에 공기가 아닌 수소를 공급함으로써, 연료전지 셀의 전압이 특정전압 이하로 저감된다.

좀 더 상세하게는, 연료전지 시스템의 정상적인 운전 상태에서는 연료전지의 공기극에 공기를, 연료극에 수소를 공급하여 전기를 생성하지만, 연료전지 셀의 전압을 특정전압 이하로 낮추고자, 별도의 공기극용 수소퍼지라인을 공기극에 연결하여 공기극에 수소를 공급함으로써, 연료전지의 전기 생성을 위한 반응이 줄어들어 연료전지 셀의 전압이 예를 들어0.1V 또는 0V 수준까지 저감된다.

상기 전압저감수단의 제3실시예로서, 연료전지의 정상 운전 중 연료전지에 고전류를 인가하여 연료전지의 전압을 일정 수준 이하로 낮추어주는 추가 전원이 사용될 수 있고, 이러한 추가 전원을 이용하여 연료전지 셀 전압을 정상 운전 대비 최소 약 50mV 이상 저감시킬 수 있다.

다음으로, 상기한 전압저감수단에 의하여 연료전지 셀의 전압이 특정전압 이하로 저감되면, 상기한 각 실시예에 따른 전압저감수단의 전압저감 과정을 해제시킨다(S105).

이와 동시에, 연료전지 시스템의 운전 모드를 보조전원 단독(Only) 모드에서 다시 정상 운전모드로 전환하는 제어가 이루어지고(S106), 이때 연료전지 스택의 전압 확인 후 연료전지 출력 성능 향상이 필요하고, 셀 전압 편차 저감이 필요하면 다시 위와 같은 과정이 반복 진행될 수 있다(S107).

상기와 같은 본 발명의 운전 제어 장치 및 방법에 따르면, 운전자의 자체 조작에 의한 방법, 차량 자체 진단/제어기를 이용하는 방법, 차량 운전 상태를 모니터링하는 방법 등을 통하여, 연료전지 시스템의 이전 운전 상태로 인해 연료전지 스택의 출력이 일시적으로 저하(가역 성능 저하)되거나, 셀 간 성능 편차가 특정 수준 이상으로 증대된 경우이거나, 추월 가속 등 급가속 등 순간적인 성능 향상을 요하는 경우, 별도의 하드웨어적인 요소에 대한 수정/보완 없이, 연료전지 시스템의 순간 출력을 향상시키고, 연료전지 셀 간의 성능 편차를 저감시킬 수 있고, 결국 연료전지 차량의 안정적인 운행을 이룰 수 있다.

또한, 본 발명의 연료전지 시스템 운전 장치 및 방법을 활용할 경우, 정상 운전 상태가 아닌 비정상 운전 조건에 의한 스택의 성능 저하가 발생된 경우에 특히 더 큰 성능 향상 효과를 기대할 수 있으며, 그 조건들은 하기와 같다.

첫째, 연료전지 시스템의 일정 시간 이상 구동 이후 및 스택에 손상을 줄 수 있는 비정상 상태 이후, 연료전지 스택의 성능이 저하/셀 간 성능 편차가 심화된 비가역 열화의 경우.

둘째, 비정상 운전 조건 이후 연료전지 스택이 가역 열화된 경우, 장시간 주차 후 시동/운전 초기, 그리고 장시간 강판 주행/고온·저가습 운전 지속/저속·아이들 운전 지속에 따른 수소 농도 저감 혹은 스택 드라이아웃(Dry-out)에 의한 가역적 성능 저하 및 셀 간 성능 편차가 심화된 경우.

여기서, 본 발명 및 종래의 연료전지 시스템 운전 방법을 적용한 경우, 연료전지 스택 성능을 통상의 성능 측정 장비를 이용하여 측정 비교하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같다.

도 2를 참조하면, 일반 운전 구간에서 곧바로 고출력 구간(@ 1.2 A/㎠)으로 작동 전류를 순간적으로 증가시킨 종래의 경우와, 전류 증가 이전에 스택 전압을 OV 근처까지 낮추어주는 본 발명의 방법을 적용한 경우에 대한 연료전지 스택의 (성능)출력을 비교하면, 본 발명이 종래 대비 약 5% 이상 스택 출력이 향상된 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 3을 참조하면 수 분 이상의 도심 주행(저출력 운전: @ 0.6 A/㎠)의 경우, 종래 대비 본 발명이 약 10% 이상 스택 출력이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 4를 참조하면 아이들 운전 지속에 따른 연료전지의 드라이아웃 현상 등으로 급격한 가역 성능 저하가 있을 경우, 혹은 장기간 운행으로 스택 내구 성능의 저하가 있는 경우, 저항 또는 연료극 수소 공급을 통한 연료전지 셀 전압을 OV 근처까지 낮추어준 후 재시동한 본 발명이 종래 대비 더 높은 출력 향상(약 5~10% 이상) 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다.

여기서, 본 발명의 다른 시험예로서, 연료전지 차량의 장시간 정차후 재시동시 저출력 구간에서의 셀 전압을 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 5에 도시된 바와 같다.

첨부한 도 5는 일정 시간 이상 정차 후 재시동 초기(저온)시, 전류 밀도 50 mA/㎠ 이하의 저출력 구간에서 스택을 구성하는 연료전지 셀 성능을 측정한 결과로서, (a)는 장시간 정차 후 종래의 셀 성능을 나타내고, (b)는 본 발명의 전압 저감 방법을 이용하여 셀 전압을 0.1 V 이하로 저감시킨 다음 재시동 후의 셀 성능을 나타낸다.

도 5에서 보듯이, 장시간 정차 중에는 스택의 셀 내 건조, 스택 내 공기 유입 등의 원인으로 장시간 정차 이후 시동 초기시, 스택의 성능은 정상 상태 대비 다소 낮은 성능을 보이게 되며, 수 백 셀 이상이 적층된 스택에서는 성능 자체만 낮을 뿐만 아니라 셀 간 성능 편차도 심화되는 경향이 있지만, 본 발명의 경우 상기한 바와 같이 전압저감수단에 의한 전압 저감(예, 저항을 이용한 전압 저감) 등을 이용하여 스택 전압을 일정 수준 이상으로 낮추어준 다음, 이후 재시동을 한 경우, 종래 대비 약 5% 이상 수준으로 연료전지 셀 성능이 상향됨을 확인할 수 있었다.

여기서, 본 발명의 다른 시험예로서, 연료전지 차량의 장시간 정차후 재시동 초기시 셀 성능을 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 6에 도시된 바와 같다.

첨부한 도 6은 연료전지 차량의 15시간 이상 정차 이후, 재시동 초기시 스택 셀 성능을 측정한 결과로서, (a)는 장시간 정차 후 아무 조치없이 시동시 성능을 측정한 종래의 셀 성능을 나타내고, (b)는 본 발명의 전압 저감 방법을 이용하여 스택 전압을 일정 수준 이하로 낮추어준 다음 재시동을 한 경우의 셀 성능을 나타낸다.

도 6에서 보듯이, 종래의 경우 일부 셀의 성능 저하(은선 박스 표시)가 발생하여 셀 간 성능 편차가 상당히 큰 값을 형성하는 것을 알 수 있고, 반면에 본 발명의 경우 셀 간 전압 편차가 약 0.1 V 이상 벌어졌던 것을 해소할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템 성능 향상 방법을 활용할 경우, 순간적으로, 혹은 단기간 고출력을 요하는 운전 구간 및 스택의 셀 간 성능 편차가 증대된 상태에서 스택의 출력을 향상시킬 수 있고, 셀 간 성능 편차를 저감시킬 수 있으므로, 연료전지 차량의 안정적인 운행이 가능한 장점을 제공할 수 있다.

또한, 상대적으로 취약한 운전 조건에서 발생하는 셀 간 성능 편차를 저감시켜줌으로써, 스택의 비정상적인 성능 저감/열화를 방지할 수 있고, 스택이 열화된 상태에서 출력 향상을 이루게 됨으로써, 연료전지의 내구 성능을 증대시킬 수 있다.

Claims

연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점을 판단하는 감지부와;
연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점에서 연료전지 시스템의 운전 모드를 보조전원 단독(Only) 모드로 전환하는 동시에 연료전지 셀 전압을 특정 전압 이하로 낮추어주는 제어를 한 후, 다시 연료전지 시스템을 정상 운전모드로 전환 제어하는 제어부;
상기 제어부의 명령에 의하여 연료전지 셀 전압을 특정 전압 이하로 낮추어주는 전압저감수단;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 감지부는 연료전지 시스템의 작동 전류별 연료전지 셀의 전체 전압이 임계값 이하이고, 연료전지 셀의 평균전압이 임계값 이하일 때, 연료전지 성능 향상이 요구되는 시점으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 감지부는 연료전지 셀의 평균전압과 최소 셀 전압 간의 차이인 셀 편차가 임계값 이상일 때, 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전압저감수단은 연료전지의 공기극에 대한 공기 차단 후에 연료전지 셀의 전류를 소모하여 연료전지 셀의 전압을 특정 전압 이하로 낮추어주는 저항, 다이오드, 배터리 중 선택된 어느 하나로 채택되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전압저감수단은 연료전지의 공기극에 대한 공기 공급유량을 최소 유량 범위로 저감시키는 동시에 공기극에 수소를 공급하여 셀 전압을 특정 전압 이하로 낮추어주는 공기극용 수소퍼지라인으로 채택되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전압저감수단은 연료전지의 정상 운전 중 연료전지에 고전류를 인가하여 연료전지의 전압을 일정 수준 이하로 낮추어주는 추가 전원으로 채택되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 장치.
ⅰ) 연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점을 판단하는 단계와;
ⅱ) 연료전지 성능 향상 및 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점에서 연료전지 시스템의 운전 모드를 보조전원 단독(Only) 모드로 전환하는 동시에 연료전지 셀 전압을 특정 전압 이하로 낮추어주는 제어 단계와;
ⅲ) ⅱ) 단계의 제어가 만족되면, 연료전지 시스템을 정상 운전모드로 전환 제어하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 ⅰ) 단계에서, 연료전지 시스템의 작동 전류별 연료전지 셀의 전체 전압이 임계값 이하이고, 연료전지 셀의 평균전압이 임계값 이하일 때, 연료전지 성능 향상이 요구되는 시점으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 ⅰ) 단계에서, 연료전지 셀의 평균전압과 최소 셀 전압 간의 차이인 셀 편차가 임계값 이상일 때, 셀 간 성능 편차 저감이 요구되는 시점으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 ⅱ) 단계에서, 연료전지 셀의 전압을 특정 전압 이하로 낮추어주는 제어는 연료전지의 공기극에 대한 공기 차단 후에 연료전지 셀의 전류를 저항, 다이오드, 배터리 중 선택된 어느 하나에서 소모하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 ⅱ) 단계에서, 연료전지 셀의 전압을 특정 전압 이하로 낮추어주는 제어는 연료전지의 공기극에 대한 공기 공급유량을 최소 유량 범위로 저감시키는 동시에 공기극용 수소퍼지라인을 이용하여 공기극에 수소를 공급하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 ⅱ) 단계에서, 연료전지 셀의 전압을 특정 전압 이하로 낮추어주는 제어는 연료전지의 정상 운전 중 연료전지에 고전류를 인가하여 연료전지의 전압을 일정 수준 이하로 낮추어주는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 운전 제어 방법.