KR20170051348A - 연료전지 시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 스택과 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 결정된 복수 개의 전류-전압 곡선이 저장된 메모리부와 연료전지 스택의 운전 조건을 감지하기 위한 측정부 및 측정부에서 감지된 연료전지 스택의 운전 조건을 만족시키는 전류-전압 곡선을 호출하고, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택의 성능을 예측하기 위한 제어부를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.

Description

연료전지 시스템 및 이의 제어방법{Fuel cell system and controlling method thereof}
본 발명은 연료전지 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
일예로, 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다.
구체적으로, 고분자 전해질 연료전지 스택은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고 발생된 물을 배출시키는 분리판(Bipolar Plate), 막-전극 접합체와 분리판 사이에서 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는 가스켓(Gasket)을 포함할 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 전류 대 전압 곡선을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 분극곡선(Polarization curve) 또는 성능곡선이라 불리는 연료전지의 전류(I) 대 전압(V) 곡선은 연료전지 시스템이 특정 운전조건 하에서 생성시키는 출력 전류밀도를 측정한 데이터로서 연료전지의 성능을 나타내는 대표적인 분석 및 표현 방법이다.
그러나 이러한 특성곡선은 순간적인 부하(load)의 변화에 대한 연료전지의 전기화학적 응답특성 및 성능변화에 대한 제한적인 정보만을 나타내며, 변화하는 운전조건 하에서의 연료전지의 동적(dynamic) 성능변화와 운전 중인 연료전지의 내부상태를 판단하기 위한 수단으로서 보완되어야 할 추가적인 진단 및 분석 기법이 요구된다.
즉, 전류밀도가 낮은 상태에서 높은 상태로(정방향) 변하거나, 전류밀도가 높은 상태에서 낮은 상태로(역방향) 변화시킬 때, 서로 다른 거동을 보이는 이력현상(Hysteresis)이 나타나게 되나, 단일 전류-전압 곡선은 이에 대한 정보를 포함하고 있지 않은 문제가 있다.
본 발명은 연료전지의 순환적(cyclic) 분극곡선의 토폴로지 패턴(topological pattern)에 기반한 분류방법을 통해 평가대상인 연료전지 시스템의 동적 부하(dynamic load) 변화 중의 전기화학적 응답특성을 분석하고, 이를 통해 연료전지의 동적 조건 하의 성능 평가, 운전 조전의 최적화, 연료전지의 내부 상태 전단을 가능하게 하는 연료전지 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 스택과 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 결정된 복수 개의 전류-전압 곡선이 저장된 메모리부와 연료전지 스택의 운전 조건을 감지하기 위한 측정부 및 측정부에서 감지된 연료전지 스택의 운전 조건을 만족시키는 전류-전압 곡선을 호출하고, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택의 성능을 예측하기 위한 제어부를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
여기서 제어부는 측정부를 통해 수집된 연료전지 스택의 운전 조건에 기초하여 그래프 이론에 따라 유사도가 높은 전류-전압 곡선을 호출하도록 마련된다.
또한, 복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 갖는 곡선을 적어도 하나 포함할 수 있다.
또한, 복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 가지며, 양 궤적이 하나 이상의 교점을 갖는 곡선을 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정부는, 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서 또는 유량 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 제어부는 측정부를 통해 연료전지 스택의 운전 조건을 실시간으로 수집하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 온도, 압력, 습도 또는 유량 중 적어도 하나를 제어하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 전류 및 전압을 제어하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 연료전지 스택의 전류 및 전압 데이터를 수집하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 측정된 전류 및 전압 데이터와, 수집된 연료전지의 운전조건을 매칭하여 함께 저장하도록 마련될 수 있다. 구체적으로, 운전 중, 연료전지 스택의 전류 및 전압 데이터의 수집과 연료전지의 운전조건의 수집은 개별적으로 각각 이루어질 수 있고, 이러한 개별 데이터들은 상호 매칭되어 함께 저장될 수 있다. 즉, 특정 전류-전압 데이터에서의 연료전지 스택의 운전 조건이 매칭되어 테이블 방식으로 저장될 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 운전 조건은, 반응기체의 유입농도, 반응기체의 압력, 반응기체의 습도 또는 셀 온도 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 성능은 특정 전압 조전 하에서 생성되는 전류 밀도일 수 있다.
또한, 제어부는 실시간으로 연료전지 스택의 성능을 감시하도록 마련될 수 있다.
또한, 제어부는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 전류-전압 곡선을 분류하기 위한 연료전지 스택의 운전 제어 규칙을 생성하도록 마련될 수 있다. 또한, 제어부는 생성된 운전 제어 규칙을 평가하도록 마련될 수 있다.
또한, 제어부는 호출된 어느 한 전류-전압 곡선(예를 들어, 제1 전류-전압 곡선)에 기초하여 연료전지 스택의 성능을 예측하는 과정에서, 연료전지 스택의 운전 조건이 변화하면, 운전 제어 규칙에 따라 또 다른 전류-전압 곡선(예를 들어, 제2 전류-전압 곡선)을 호출하도록 마련될 수 있다. 이후, 제어부는 제2 전류-전압 곡선에 기초하여 연료전지 스택의 성능을 예측하도록 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 결정되는 복수 개의 전류-전압 곡선을 저장하는 단계와 연료전지 스택의 운전 조건을 감지하는 단계 및 감지된 연료전지 스택의 운전 조건을 만족시키는 전류-전압 곡선을 호출하고, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택의 성능을 예측하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법이 제공된다. 여기서 제어부는 측정부를 통해 수집된 연료전지 스택의 운전 조건에 기초하여 그래프 이론에 따라 유사도가 높은 전류-전압 곡선을 호출하도록 마련된다.
또한, 복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 갖는 곡선을 적어도 하나 포함할 수 있다.
또한, 복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 가지며, 양 궤적이 하나 이상의 교점을 갖는 곡선을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 스택의 운전조건은 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서 또는 유량 센서 중 적어도 하나를 통해 측정될 수 있다.
또한, 연료전지 시스템의 제어방법은 호출된 전류-전압 곡선에 따라 온도, 압력, 습도 또는 유량 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템의 제어방법은 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택의 전류 및 전압을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템의 제어방법은 연료전지 스택의 전류 및 전압 데이터를 수집하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 연료전지의 운전 조건은, 반응기체의 유입농도, 반응기체의 압력, 반응기체의 습도 또는 셀 온도 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 성능은 특정 전압 조전 하에서 생성되는 전류 밀도일 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 시스템 및 이의 제어방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
연료전지 스택의 운전조건에 따라 정방향(forward)과 역방향(backward) 스캔에 의해 얻어지는 전류-전압 곡선의 궤적에 발생하는 이력현상을 그 형태에 따라 유한 개의 기본유형으로 분류할 수 있다.
또한, 반응기체 유입량, 기체의 상대 습도, 셀 온도, 압력 등의 운전변수와 촉매층과 기체 확산층 및 전극의 특성, 고분자 전해질막의 성능 등 연료전지 스택의 구성요소의 특성을 이력곡선 유형 간의 상관관계를 이용한 분류법을 통해 연료전지의 순간성능 예측과 운전조건 최적화, 연료전지 설계 등에 활용할 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 전류 대 전압 곡선을 나타낸다.
도 2 내지 도 6은 다양한 형태의 전류 대 전압 곡선을 나타내는 그래프들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 8은 전류-전압 곡선 분류를 위한 그래프 이론을 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 운전 제어 규칙을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명과 관련된 연료전지 시스템의 일 제어 상태를 설명하기 위한 그래프들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 이의 제어방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 2 내지 도 6은 다양한 형태의 전류 대 전압 곡선을 나타내는 그래프들이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 시스템의 구성도이다.
또한, 도 8은 전류-전압 곡선 분류를 위한 그래프 이론을 설명하기 위한 개념도이고, 도 9는 운전 제어 규칙을 설명하기 위한 개념도이다.도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 시스템(1)은 연료전지 스택(10)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 연료전지 스택(10)은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 및 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고 발생된 물을 배출시키는 분리판(Bipolar Plate) 등을 포함할 수 있다.
상기 연료전지 시스템(1)은 연료전지 스택(10)의 운전 조건에 따라 결정된 복수 개의 전류-전압 곡선이 저장된 메모리부(40) 및 연료전지 스택(10)의 운전 조건을 감지하기 위한 측정부(20)를 포함한다.
상기 메모리부(40)에는 연료전지 스택(10)의 운전 조건을 달리함에 따라 결정되는 복수 개의 전류-전압 곡선이 저장된다. 복수 개의 전류-전압 곡선은 전술한 연료전지 시스템의 성능곡선이며, 상이한 특성을 갖는다.
한편, 특정 셀 전압 조건(V) 하에서 생성된 전류밀도(I)는 연료전지 스택(10)의 운전조건(반응기체의 유입농도, 압력 및 습도, 셀 온도, 습도 등)과 연료전지 스택(10)의 구성요소의 성능(전해질 막의 이온 및 전기전도성과 기체투과 특성, 촉매층과 기체 확산층으로 구성된 전극의 전기화학적 성능 및 수분배출 특성 등)에 따라서 결정될 수 있다.
특정 연료전지 시스템(1)의 전류-전압의 연속적인 변화거동을 나타내는 성능곡선은 어느 한 전류-전압 조건에서 다른 전류-전압 조건으로 비평형 상태 이동 시 진행방향에 따라 다른 궤적을 나타내는 이력현상(Hysteresis)을 보이며 다음의 유한 개의 유형으로 분류될 수 있다.
도 2를 참조하면, I-V 곡선은 연속적인 평형 상태하에서 전류-전압 변화거동을 나타내며, 정방향과 역방향 변화시 전류-전압 곡선의 궤적이 일치한다. 이러한 형태의 곡선은 급격한 동역학적 운전 조건하에서의 연료전지 스택(10)의 성능변화에 대한 정보를 포함하지 않는다.
복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 갖는 곡선을 적어도 하나 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, I-V 곡선은 정방향 변화에 대해 역방향 변화시의 성능이 전체 전류밀도 영역에서 더 높거나(도 3), 더 낮게(도 4) 나타나는 형태이다. 일예로, 고(高)전류밀도 영역에서 생성된 과량의 물이 연료전지 시스템 내부에 축적되어 반응기체의 분배를 지속적으로 저하시키는 경우 도 4와 같은 이력현상이 나타날 수 있다. 반대로, 반응 중 생성된 물 함량이 반응기체의 분배에 대해 미치는 영향을 최소화하면서 전해질 막의 이온 전도도를 향상시키는 운전 및 시스템 조건으로 최적화될 경우, 정방향 성능보다 역방향 성능이 높게 얻어지는 도면 3의 패턴이 나타날 수 있다.
또한, 복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 가지며, 양 궤적이 하나 이상의 교점을 갖는 곡선을 포함할 수 있다.
도 5 및 도 6를 참조하면, 정방향과 역방향 성능곡선의 궤적은 교차점을 포함하며, 이 교차점보다 높거나 낮은 전류밀도 영역에서 정방향과 역방향 성능의 역전현상이 일어난다. 일예로, 고전류밀도 영역에서 시스템 내부에 축적되는 물의 범람현상(flooding: 이하 '플러딩'이라 지칭함)으로 인해 역방향 성능이 정방향 성능보다 낮게 나타나다가 저전류밀도영역으로 갈수록 물의 축적량이 감소하면서 성능이 향상되는 성능 역전현상이 일어나게 된다(도 5 참조). 반대로, 고전류밀도 영역에서 전해질막의 이온전도도 향상을 가져온 수분함량의 성능향상 효과가 저전류밀도 영역으로 갈수록 감소하고 다른 성능저하인자(예를 들어, 촉매손실, 피독, 전해질막 건조 등)가 우세하게 발현할 때 도 6과 같은 패턴이 나타날 수 있다.
아울러, 전술한 유형 중 두 가지 이상의 유형이 복합된 형태의 이력 현상이 나타날 수 있으며, 본 문서에서 설명하는 복수 개의 전류-전압 곡선은 전술한 5가지 기본 유형의 성능곡선에만 제한되지 않는다.
이러한 순환형(Cyclic) 전류-전압곡선이 보여주는 이력현상(hysteresis)은 도 2에서와 같이 기존의 성능곡선이 가지고 있지 않은 정보를 추가적으로 제공하며, 연료전지 시스템(1)의 운전 중 실시간 성능 모니터링 및 순간성능 예측, 운전조건의 최적화, 연료전지 시스템(1)의 설계 등의 분야에 적용할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 시스템(1)은 측정부(20)에서 감지된 연료전지 스택(10)의 운전 조건을 만족시키는 전류-전압 곡선을 호출하고, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택(10)의 성능을 예측하기 위한 제어부(30)를 포함한다.
여기서 제어부(30)는 측정부(20)를 통해 수집된 연료전지 스택(10)의 운전 조건에 기초하여 그래프 이론(graph theory)에 따라 유사도가 높은 전류-전압 곡선을 호출하도록 마련된다. 구체적으로, 연료전지 스택(10)의 다양한 운전 조건과 유한 개의 전류-전압 곡선 패턴의 연관관계를 규정할 필요가 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 연료전지 스택(10)의 다양한 운전 조건에도 이러한 거동을 5가지(도 2 내지 도 6)의 전류-전압 곡선 유형으로 분류하도록 마련된다.
그래프 이론과 관련하여 도 8을 참조하면, 전류-전압(I-V) 2차원 평면에서 특정 순간의 전류-전압 상태는 점(Node, n1 내지 n5)으로 표현할 수 있으며, 점 간의 연결(Edge, e1 내지 e4)은 전류-전압 변화방향에 따라 화살표로 표시할 수 있다. 전류-전압 변화를 나타내는 곡선은 점(node)과 연결(edge)로 구성된 그래프로 표시될 수 있다. 이때, 점과 연결로 구성된 그래프를 토폴로지 패턴(topological pattern)에 따라 분류하면, 도 2 내지 도 6에 도시된 유한 개의 전류-전압 곡선 유형으로 분류할 수 있다.
또한, 전류-전압 데이터에 기초하여, 인접 행렬(Adjacency matrix)과 결합 행렬(Incidence matrix)을 생성하고, 이를 통해 유사도를 측정할 수도 있다.
또한, 상기 측정부(20)는, 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서 또는 유량 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 측정부(20)는 온도 측정부(21)와 압력 측정부(22)와 습도 측정부(23) 및 유량 측정부(24)를 포함할 수 있다.
상기 제어부(30)는 성능곡선 분류/예측부(31)와 운전조건 제어부(32) 및 전류-전압 데이터 수집부(33)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어부(30)는, 연료전지 스택의 전류 및 전압 데이터를 수집하도록 마련될 수 있다. 상기 제어부(30)는 수집된 전류-전압 데이터 수집을 통해, 기준 성능곡선(도 2)에 비하여, 이력 현상이 발생했는지 여부를 확인할 수 있고, 현재 연료전지 스택(10)의 운전 조건을 만족시키는 전류-전압 곡선을 분류 및 호출할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 성능곡선 분류/예측부(31)는 그래프 이론에 따라 유사도가 높은 전류-전압 곡선을 호출하도록 마련된다.
또한, 전류-전압 성능 곡선 유형의 분류는 2개의 그래프 간의 유사 정도를 측정하여 분류할 수 있고, 다양한 형태의 유사도 측정방법이 적용될 수 있다.
또한, 상기 제어부(30)는, 측정된 전류 및 전압 데이터와, 수집된 연료전지의 운전조건을 매칭하여 함께 메모리부(40)에 저장하도록 마련될 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)의 운전조건의 수집은 측정부(20)를 통해 수행되고, 연료전지 스택(10)의 전류 및 전압 데이터의 수집은 전류-전압 데이터 수집부(33)를 통해 수행될 수 있다. 구체적으로, 운전 중, 연료전지 스택(10)의 전류 및 전압 데이터의 수집과 연료전지 스택(10)의 운전조건의 수집은 개별적으로 각각 이루어질 수 있고, 이러한 개별 데이터들은 상호 매칭되어 함께 저장될 수 있다. 즉, 특정 전류-전압 데이터에서의 연료전지 스택(10)의 운전 조건이 매칭되어 테이블 방식으로 저장될 수 있다. 또한, 제어부(30)는 측정부(20)를 통해 연료전지 스택의 운전 조건을 실시간으로 수집하도록 마련될 수 있다.
여기서 상기 제어부(30)는, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 온도, 압력, 습도 또는 유량 중 적어도 하나를 제어하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제어부(30)는, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택(10)의 전류 및 전압을 제어하도록 마련될 수 있다.
또한, 연료전지 스택(10)의 운전 조건은, 반응기체의 유입농도, 반응기체의 압력, 반응기체의 습도 또는 셀 온도 중 적어도 하나일 수 있다.
한편, 연료전지 스택(10)의 성능은 특정 전압 조전 하에서 생성되는 전류 밀도일 수 있다.
또한, 제어부는 실시간으로 연료전지 스택(10)의 성능을 감시하도록 마련될 수 있다.
도 9를 참조하면, 운전 조건 제어부(32)는 다음과 같은 방법으로 연료전지 스택(10)의 운전 제어 규칙을 생성할 수 있다.
도 9에서, 도면부호 11 내지 15는 도 2 내지 도 6을 통해 설명한 전류-전압 곡선을 각각 나타낸다. 또한, 도면부호 H는 습도, T는 온도, P는 압력을 나타낸다. 구체적으로, 온도, 습도, 압력이 변화하면, 기존에 호출된 전류-전압 곡선과는 다른 유형의 전류-전압 곡선을 호출하고, 새롭게 호출된 전류-전압 곡선에 기초하여 연료전지 스택(10)을 제어하게 된다. 즉, 온도, 습도, 압력 등의 연료전지 스택(10)의 운전 조건 변화에 기초하여 전류-전압 곡선 유형을 변화시키는 것을 운전 제어 규칙이라 정의할 수 있다.
제어부(30)는 연료전지 스택(10)의 운전 조건에 따라 전류-전압 곡선을 분류하기 위한 연료전지 스택의 운전 제어 규칙을 생성하도록 마련될 수 있다. 또한, 제어부(30)는 생성된 운전 제어 규칙을 평가하도록 마련될 수 있다. 이를 통해, 제어부(30)는 운전 제어 규칙(예를 들어, If-then rules)을 데이터 학습하도록 마련될 수 있고, 인공지능형 제어를 수행할 수 있다.
또한, 운전 제어 규칙을 생성할 때, 패턴 인식 알고리즘과 관련하여, 판단 트리(decision tree)(도 9 참조)를 이용할 수도 있고, 서포트 벡터 머신(Support vector machine), 주성분 분석(Principal Component Analysis), 클러스터 분석(cluster Analysis) 등이 사용될 수 있다.
또한, 제어부(30)는 호출된 어느 한 전류-전압 곡선(예를 들어, 제1 전류-전압 곡선)에 기초하여 연료전지 스택의 성능을 예측하는 과정에서, 연료전지 스택(10)의 운전 조건이 변화하면, 운전 제어 규칙에 따라 또 다른 전류-전압 곡선(예를 들어, 제2 전류-전압 곡선)을 호출하도록 마련될 수 있다. 이후, 제어부(30)는 제2 전류-전압 곡선에 기초하여 연료전지 스택(10)의 성능을 예측하도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 운전 제어 규칙의 평가 및 업데이트와 관련하여, 일정 시간간격(예를 들어, hi) 동안 수집된 데이터는 제어규칙을 생성하는데 사용되고, 제어규칙에 의해 조정된 전류, 전압, 출력 밀도 등의 예상수치가 다른 시간간격(예를 들어, hj) 동안 측정된 수치와 비교될 수 있다. 그 차이(분산값)는 피드백 루프(feedback loop)를 통해 제어규칙을 조정 또는 향상시키기 위한 기준으로 사용될 수 있고, 연료전지 스택의 현재 상태에 대한 진단에 이용되어 운전 조건 변수(온도, 압력, 습도 등)의 조절을 통해 연료전기 스택이 최적 성능을 유지하도록 제어하는데 이용될 수 있다. 또한, 복수 개의 연료전지 셀 중 어느 하나의 셀은 운전 제어 규칙의 평가 및 업데이트를 위해 사용될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 연료전지 시스템(1)의 제어방법은 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 시스템의 제어방법은 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 결정되는 복수 개의 전류-전압 곡선을 저장하는 단계를 포함한다. 또한, 연료전지 시스템의 제어방법은 연료전지 스택의 운전 조건을 감지하는 단계 및 감지된 연료전지 스택의 운전 조건을 만족시키는 전류-전압 곡선을 호출하고, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택의 성능을 예측하는 단계를 포함한다. 여기서, 제어부는 측정부를 통해 수집된 연료전지 스택의 운전 조건에 기초하여 그래프 이론에 따라 유사도가 높은 전류-전압 곡선을 호출하도록 마련된다.
전술한 바와 같이, 복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 갖는 곡선을 적어도 하나 포함할 수 있다. 또한, 복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 가지며, 양 궤적이 하나 이상의 교점을 갖는 곡선을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 스택의 운전조건은 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서 또는 유량 센서 중 적어도 하나를 통해 측정될 수 있다.
또한, 연료전지 시스템의 제어방법은 호출된 전류-전압 곡선에 따라 온도, 압력, 습도 또는 유량 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템의 제어방법은 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택의 전류 및 전압을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템의 제어방법은 연료전지 스택의 전류 및 전압 데이터를 수집하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명과 관련된 연료전지 시스템의 일 제어 상태를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 10를 참조하면, 고전류 밀도에서 플러딩 현상이 발생했음을 진단할 수 있고, 이때 상대습도를 낮추기 위한 습도 제어가 이루어질 수 있다.
도 11을 참조하면, 플러딩 현상을 제거함에 따라 이력 현상이 감소하고, 저전류 밀도영역에서 성능향상이 관찰된다. 이때, 압력을 증가시키는 압력 제어가 수행되며, 성능곡선은 도 12로 변화한다.
도 12를 참조하면, 도 12에 도시된 성능 곡선은 도 10 및 도 11에 도시된 성능 곡선의 혼합형태로서, 가압에 의해 중-저 전력 밀도 영역에서의 성능향상과 이력현상이 관찰되고, 고 전류밀도 영역에서 물질전달저항에 의한 전압 급강하현상이 관찰된다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1: 연료전지 시스템
10: 연료전지 스택
20: 측정부
30: 제어부
40: 메모리부

Claims (15)

  1. 연료전지 스택;
    연료전지 스택의 운전 조건에 따라 결정된 복수 개의 전류-전압 곡선이 저장된 메모리부;
    연료전지 스택의 운전 조건을 감지하기 위한 측정부; 및
    측정부에서 감지된 연료전지 스택의 운전 조건을 만족시키는 전류-전압 곡선을 호출하고, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택의 성능을 예측하기 위한 제어부를 포함하며,
    제어부는 측정부를 통해 수집된 연료전지 스택의 운전 조건에 기초하여 그래프 이론에 따라 유사도가 높은 전류-전압 곡선을 호출하도록 마련된 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 갖는 곡선을 적어도 하나 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 전류-전압 곡선은, 정방향 궤적과 역방향 궤적이 상이한 이력현상을 가지며, 양 궤적이 하나 이상의 교점을 갖는 곡선을 포함하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정부는, 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서 또는 유량 센서 중 적어도 하나를 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제어부는 측정부를 통해 연료전지 스택의 운전 조건을 실시간으로 수집하도록 마련된 연료전지 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 온도, 압력, 습도 또는 유량 중 적어도 하나를 제어하도록 마련된 연료전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 전류 및 전압을 제어하도록 마련된 연료전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 연료전지 스택의 전류 및 전압 데이터를 측정하도록 마련된 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는, 측정된 전류 및 전압 데이터와, 수집된 연료전지의 운전조건을 매칭하여 함께 저장하도록 마련된 연료전지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    연료전지 스택의 운전 조건은, 반응기체의 유입농도, 반응기체의 압력, 반응기체의 습도 또는 셀 온도 중 적어도 하나인 연료전지 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    연료전지 스택의 성능은 특정 전압 조전 하에서 생성되는 전류 밀도인 연료전지 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 실시간으로 연료전지 스택의 성능을 감시하도록 마련된 연료전지 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 전류-전압 곡선을 분류하기 위한 연료전지 스택의 운전 제어 규칙을 생성하고, 생성된 운전 제어 규칙을 평가하도록 마련된 연료전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제어부는 어느 한 전류-전압 곡선에 기초하여 연료전지 스택의 성능을 예측하는 과정에서, 연료전지 스택의 운전 조건이 변화하면, 운전 제어 규칙을 따라 다른 전류-전압 곡선에 기초하여 연료전지 스택의 성능을 예측하도록 마련된 연료전지 시스템.
  15. 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 결정되는 복수 개의 전류-전압 곡선을 저장하는 단계;
    연료전지 스택의 운전 조건을 감지하는 단계; 및
    감지된 연료전지 스택의 운전 조건을 만족시키는 전류-전압 곡선을 호출하고, 호출된 전류-전압 곡선에 따라 연료전지 스택의 성능을 예측하는 단계를 포함하며,
    제어부는 측정부를 통해 수집된 연료전지 스택의 운전 조건에 기초하여 그래프 이론에 따라 유사도가 높은 전류-전압 곡선을 호출하도록 마련된 연료전지 시스템의 제어방법.
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