KR20170115685A - Fuel cell system and control method for the same - Google Patents
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Abstract
연료 및 공기의 공급 개시 이후, 목표 전압에 도달할 때까지의 적어도 한 시점에서 확인된 연료전지의 발전 전압을 기초로 연료 및 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공기극 및 연료극을 포함하는 복수의 단위 셀이 적층되는 연료전지 스택; 및 상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 이후, 상기 연료전지 스택의 발전 전압이 목표 전압에 도달할 때까지의 적어도 한 시점에서 상기 복수의 단위 셀 각각의 발전 전압을 확인하고, 상기 확인된 발전 전압을 기초로 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 제어부; 를 포함할 수 있다.The fuel cell system determines the supply state of fuel and air based on the generation voltage of the fuel cell confirmed at least at one point in time from the start of supply of fuel and air until the target voltage is reached, and a control method thereof.
A fuel cell system according to an embodiment includes a fuel cell stack in which a plurality of unit cells including an air electrode and a fuel electrode are stacked; And checking the generation voltage of each of the plurality of unit cells at least at a time point after the start of supply of the fuel and the air until the generation voltage of the fuel cell stack reaches a target voltage, A control unit for determining a supply state of the fuel and the air based on the control signal; . ≪ / RTI >
Description
공급되는 연료 및 공기를 이용하여 발전하는 연료전지 시스템, 및 그 제어방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity using supplied fuel and air, and a control method thereof.
연료전지는 연료(수소, 메탄올, 석탄, 천연가스, 석유, 바이오매스 가스, 매립지 가스 등)가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발전 장치로, 기존의 발전 기술보다 높은 발전 효율 그리고 공해 물질의 배출을 줄이면서 전기와 열을 동시에 생산하는 기술이다. The fuel cell is a power generation system that converts chemical energy of fuel (hydrogen, methanol, coal, natural gas, petroleum, biomass gas, landfill gas, etc.) directly into electric energy by electrochemical reaction. It is a technology that simultaneously produces electricity and heat while reducing the generation efficiency and emissions of pollutants.
연료전지 스택(stack)은 단위 전지가 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA; Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜줄 수 있는 전해질 막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 전극층으로 구성되어 있다.The fuel cell stack is composed of unit cells arranged in series. Each unit cell has a membrane-electrode assembly (MEA) located in the innermost part thereof. The membrane- And an electrode layer coated on both surfaces of the electrolyte membrane so that hydrogen and oxygen can react with each other.
연료전지는 연료 및 공기가 공급되면 미리 정해진 목표 전압을 출력할 수 있는데, 출력 전압이 최종적으로 목표 전압에 도달하기까지 걸리는 시간을 지연 시간이라 한다. 이 때, 지연 시간은 연료/공기 공급 수단의 기구적, 전기적 저항, 연료전지 내부의 습도, 온도 등에 따라 달라질 수 있다.The fuel cell can output a predetermined target voltage when fuel and air are supplied. The time required for the output voltage to finally reach the target voltage is referred to as a delay time. At this time, the delay time may vary depending on the mechanical and electrical resistance of the fuel / air supply means, the humidity inside the fuel cell, the temperature, and the like.
개시된 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 및 공기의 공급 개시 이후, 목표 전압에 도달할 때까지의 적어도 한 시점에서 확인된 연료전지의 발전 전압을 기초로 연료 및 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공한다.According to an embodiment of the disclosed invention, there is provided a fuel cell system for determining a supply state of fuel and air based on a generation voltage of a fuel cell identified at least at a time point from the start of supply of fuel and air until reaching a target voltage, System and a control method thereof.
일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 공기극 및 연료극을 포함하는 복수의 단위 셀이 적층되는 연료전지 스택; 및 상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 이후, 상기 연료전지 스택의 발전 전압이 목표 전압에 도달할 때까지의 적어도 한 시점에서 상기 복수의 단위 셀 각각의 발전 전압을 확인하고, 상기 확인된 발전 전압을 기초로 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 제어부; 를 포함할 수 있다.A fuel cell system according to an embodiment includes a fuel cell stack in which a plurality of unit cells including an air electrode and a fuel electrode are stacked; And checking the generation voltage of each of the plurality of unit cells at least at a time point after the start of supply of the fuel and the air until the generation voltage of the fuel cell stack reaches a target voltage, A control unit for determining a supply state of the fuel and the air based on the control signal; . ≪ / RTI >
또한, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택에 연료 및 공기의 공급이 개시된 시점으로부터 미리 정해진 제 1 기준 시간 이후 상기 복수의 단위 셀 각각의 제 1 발전 전압과 미리 정해진 기준 발전 전압의 차이를 기초로 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정 할 수 있다.The control unit may control the fuel cell stack based on a difference between a first generation voltage of each of the plurality of unit cells and a predetermined reference generation voltage after a predetermined first reference time from the start of supply of fuel and air to the fuel cell stack, The supply state of the fuel and the air can be determined.
또한, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택이 복수이면, 상기 복수의 연료전지 스택 각각에 대하여 상기 복수의 단위 셀 각각의 상기 제 1 발전 전압을 확인하고, 상기 복수의 연료전지 스택 각각의 상기 제 1 발전 전압 패턴을 비교하여 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정 할 수 있다.The control unit may be configured to check the first generation voltage of each of the plurality of unit cells with respect to each of the plurality of fuel cell stacks if the fuel cell stack is a plurality, The supply state of the fuel and the air can be determined by comparing the generated voltage patterns.
또한, 상기 제어부는, 상기 복수의 연료전지 스택 중 적어도 두 개의 상기 제 1 발전 전압 패턴의 차이가 미리 정해진 기준 차이를 초과하면, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 비정상으로 결정 할 수 있다.In addition, the control unit may abnormally determine the supply state of the fuel and the air if the difference between the at least two first generation voltage patterns of the plurality of fuel cell stacks exceeds a predetermined reference difference.
또한, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택에 공급되던 상기 연료 및 상기 공기의 차단 시점으로부터 미리 정해진 제 2 기준 시간 이후 상기 복수의 단위 셀 각각의 제 2 발전 전압을 참조하여 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정 할 수 있다.Also, the control unit refers to the second generation voltage of each of the plurality of unit cells after a predetermined second reference time from the time when the fuel and air are supplied to the fuel cell stack, The state can be determined.
또한, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택에 공급되던 상기 연료 및 상기 공기의 차단 이후 상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 전에 상기 제 2 발전 전압을 저장하고, 상기 연료전지 스택에 상기 연료 및 상기 공기의 공급이 개시되면 상기 저장된 제 2 발전 전압을 참조 할 수 있다.The control unit may store the second generation voltage before the start of supply of the fuel and the air after interrupting the fuel and the air supplied to the fuel cell stack, When the supply is started, the stored second generation voltage can be referred to.
또한, 상기 제어부는, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 이후, 상기 연료전지 스택의 발전 전압이 미리 정해진 기준 발전 전압에 도달하기까지의 지연 시간에 기초하여 상기 공기의 공급 상태를 결정할 수 있다.The control unit may determine the supply state of the air based on a delay time from when the fuel and the air are supplied until the power generation voltage of the fuel cell stack reaches a predetermined reference power generation voltage.
또한, 상기 연료전지 스택으로부터 상기 연료가 배출되는 제 1 경로에 마련되는 퍼지 밸브와 상기 연료전지 스택으로부터 물이 배출되는 제 2 경로에 마련되는 드레인 밸브를 포함하는 연료 공급부; 및 상기 연료전지 스택으로 상기 공기가 공급되는 제 3 경로에 마련되는 공기 차단 밸브를 포함하는 공기 공급부; 를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태가 비정상으로 결정되면, 상기 퍼지 밸브, 상기 드레인 밸브, 및 상기 공기 차단 밸브의 상태를 점검 할 수 있다.A fuel supply unit including a purge valve provided in a first path through which the fuel is discharged from the fuel cell stack and a drain valve provided in a second path through which water is discharged from the fuel cell stack; And an air shutoff valve provided in a third path through which the air is supplied to the fuel cell stack; And the control unit may check the state of the purge valve, the drain valve, and the air shutoff valve when the supply state of the fuel and the air is determined to be abnormal.
또한, 상기 제어부는, 상기 퍼지 밸브, 상기 드레인 밸브, 및 상기 공기 차단 밸브의 상태가 정상으로 확인되면, 상기 연료전지 스택에 상기 연료가 정상적으로 공급되도록 상기 퍼지 밸브, 및 상기 드레인 밸브 중 적어도 하나를 주기적으로 개폐 할 수 있다.The purge valve, the drain valve, and the drain valve may be connected to the fuel cell stack so that the fuel is normally supplied to the fuel cell stack when the state of the purge valve, the drain valve, It can be opened and closed periodically.
또한, 상기 제어부는, 상기 퍼지 밸브, 상기 드레인 밸브, 및 상기 공기 차단 밸브가 정상으로 확인되면, 상기 연료전지 스택에 상기 공기가 정상적으로 공급되도록 상기 공기 차단 밸브를 주기적으로 개폐 할 수 있다.The control unit may periodically open / close the air shutoff valve to normally supply the air to the fuel cell stack when the purge valve, the drain valve, and the air shutoff valve are confirmed as normal.
일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 연료전지 스택에 연료 및 공기를 공급하는 단계; A control method of a fuel cell system according to an embodiment includes: supplying fuel and air to a fuel cell stack;
상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 이후, 상기 연료전지 스택의 발전 전압이 목표 전압에 도달할 때까지의 적어도 한 시점에서 상기 복수의 단위 셀 각각의 발전 전압을 확인하는 단계; 및 상기 확인된 발전 전압을 기초로 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계; 를 포함 할 수 있다.Confirming a generation voltage of each of the plurality of unit cells at least at a time point after the start of supply of the fuel and the air until a generation voltage of the fuel cell stack reaches a target voltage; And determining a supply state of the fuel and the air based on the detected generation voltage; . ≪ / RTI >
또한, 상기 복수의 단위 셀 각각의 발전 전압을 확인하는 단계는, 상기 연료전지 스택에 연료 및 공기의 공급이 개시된 시점으로부터 미리 정해진 제 1 기준 시간 이후 상기 복수의 단위 셀 각각의 제 1 발전 전압을 확인하고, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는, 상기 제 1 발전 전압과 미리 정해진 기준 발전 전압의 차이를 기초로 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정 할 수 있다.The step of confirming the generation voltage of each of the plurality of unit cells may include the step of determining a first generation voltage of each of the plurality of unit cells after a predetermined first reference time from the start of supply of fuel and air to the fuel cell stack And determining the supply state of the fuel and the air may determine the supply state of the fuel and the air based on a difference between the first generation voltage and a predetermined reference generation voltage.
또한, 상기 복수의 단위 셀 각각의 발전 전압을 확인하는 단계는, 상기 연료전지 스택이 복수이면, 상기 복수의 연료전지 스택 각각에 대하여 상기 복수의 단위 셀 각각의 상기 제 1 발전 전압을 확인하고, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는, 상기 복수의 연료전지 스택 각각의 상기 제 1 발전 전압 패턴을 비교하여 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정 할 수 있다.The step of verifying the generation voltage of each of the plurality of unit cells may further include checking the first generation voltage of each of the plurality of unit cells with respect to each of the plurality of fuel cell stacks when the fuel cell stack is a plurality, The step of determining the supply state of the fuel and the air may determine the supply state of the fuel and the air by comparing the first generation voltage pattern of each of the plurality of fuel cell stacks.
또한, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는, 상기 복수의 연료전지 스택 중 적어도 두 개의 상기 제 1 발전 전압 패턴의 차이가 미리 정해진 기준 차이를 초과하면, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 비정상으로 결정 할 수 있다.In addition, the step of determining the supply state of the fuel and the air may include: when the difference between the at least two first generation voltage patterns of the plurality of fuel cell stacks exceeds a predetermined reference difference, The state can be determined abnormally.
또한, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는, 상기 연료전지 스택에 공급되던 상기 연료 및 상기 공기의 차단 시점으로부터 미리 정해진 제 2 기준 시간 이후 상기 복수의 단위 셀 각각의 제 2 발전 전압을 참조하여 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정 할 수 있다.The step of determining the supply state of the fuel and the air may include determining a supply state of the fuel and the air based on a second generation voltage of each of the plurality of unit cells after a predetermined second reference time, The supply state of the fuel and the air can be determined.
또한, 상기 연료전지 스택에 공급되던 상기 연료 및 상기 공기의 차단 이후 상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 전에 상기 제 2 발전 전압을 저장하는 단계; 를 더 포함 할 수 있다.Storing the second generation voltage before the supply of the fuel and the air is started after the fuel and the air supplied to the fuel cell stack are cut off; As shown in FIG.
또한, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 이후, 상기 연료전지 스택의 발전 전압이 미리 정해진 기준 발전 전압에 도달하기까지의 지연 시간에 기초하여 상기 공기의 공급 상태를 결정할 수 있다.The step of determining the supply state of the fuel and the air may further include determining a supply state of the fuel and the air based on the delay time until the generation voltage of the fuel cell stack reaches a predetermined reference generation voltage, The supply state of the air can be determined.
또한, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태가 비정상으로 결정되면, 상기 연료전지 스택으로부터 상기 연료가 배출되는 제 1 경로, 상기 연료전지 스택으로부터 물이 배출되는 제 2 경로, 및 상기 연료전지 스택으로 상기 공기가 공급되는 제 3 경로가 정상적으로 연결 및 차단되는지 여부를 확인하는 단계; 를 더 포함 할 수 있다.A first path through which the fuel is discharged from the fuel cell stack, a second path through which water is discharged from the fuel cell stack, and a second path through which the fuel is discharged from the fuel cell stack when the supply state of the fuel and the air is determined to be abnormal. Confirming whether the third path to which air is supplied is normally connected and disconnected; As shown in FIG.
또한, 상기 제 1 경로, 상기 제 2 경로 및 상기 제 3 경로가 정상적으로 연결 및 차단되는 것으로 확인되면, 상기 연료전지 스택에 상기 연료가 정상적으로 공급되도록 상기 제 1 경로 및 상기 제 2 경로 중 적어도 하나를 주기적으로 연결 및 차단하는 단계; 를 더 포함 할 수 있다.In addition, if it is confirmed that the first path, the second path, and the third path are normally connected and disconnected, at least one of the first path and the second path may be provided so that the fuel is normally supplied to the fuel cell stack Periodically connecting and blocking; As shown in FIG.
또한, 상기 제 1 경로, 상기 제 2 경로 및 상기 제 3 경로가 정상적으로 개폐되는 것으로 확인되면, 상기 연료전지 스택에 상기 공기가 정상적으로 공급되도록 상기 제 3 경로를 주기적으로 연결 및 차단하는 단계; 를 더 포함 할 수 있다.Periodically connecting and disconnecting the third path so that the air is normally supplied to the fuel cell stack if it is confirmed that the first path, the second path, and the third path are normally opened and closed; As shown in FIG.
개시된 차량 및 그 제어방법의 일 실시예에 따르면, 연료 및 공기의 공급이 개시된 이후 목표 전압에 도달하지 못하는 경우를 회피할 수 있다. 이를 통해, 연료전지의 내구성과 효율성을 높일 수 있다. According to one embodiment of the disclosed vehicle and its control method, it is possible to avoid cases where the supply of fuel and air can not reach the target voltage after the start of the supply. As a result, the durability and efficiency of the fuel cell can be improved.
도 1은 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 셀 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도 이다.
도 3은 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 서로 다른 단위 셀의 시간에 따른 발전 전압 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법의 흐름도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법의 흐름도이다.1 is a view showing a unit cell structure of a fuel cell stack according to an embodiment.
2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment.
FIG. 3 is a graph showing a time-dependent power generation voltage of different unit cells of the fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a fuel cell system control method according to an embodiment.
5 is a flowchart of a fuel cell system control method according to another embodiment.
이하 첨부된 도면을 참조하여 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a fuel cell system and a control method thereof will be described with reference to the accompanying drawings.
연료전지는 연료(수소, 메탄올, 석탄, 천연가스, 석유, 바이오매스 가스, 매립지 가스 등)가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발전 장치로, 기존의 발전 기술보다 높은 발전 효율 그리고 공해 물질의 배출을 줄이면서 전기와 열을 동시에 생산하는 기술이다. The fuel cell is a power generation system that converts chemical energy of fuel (hydrogen, methanol, coal, natural gas, petroleum, biomass gas, landfill gas, etc.) directly into electric energy by electrochemical reaction. It is a technology that simultaneously produces electricity and heat while reducing the generation efficiency and emissions of pollutants.
연료전지 차량은 연료전지로부터 생산된 전기로 구동되는 전기자동차의 일종으로, 연료전지 주위에는 차량 운전에 필요한 주변 장치(Balance of Plant, BOP)들이 놓이게 된다. 이러한 주변 장치들은 차량의 운전 상황에 따라 연료전지에 필요한 양의 연료와 공기를 공급해 주고, 적절한 온도를 유지하게 위해 냉각수도 돌려주게 된다. 이하, 연료전지와 연료전지를 구동시키는데 필요한 주변 장치들을 합쳐서 연료전지 시스템이라 지칭하도록 한다.A fuel cell vehicle is a type of electric vehicle driven by an electric vehicle produced from a fuel cell, and a peripheral device (Balance of Plant) necessary for driving the vehicle is placed around the fuel cell. These peripherals provide the fuel and air needed for the fuel cell according to the driving conditions of the vehicle and also return the cooling water to maintain the proper temperature. Hereinafter, the fuel cell and peripheral devices necessary for driving the fuel cell are collectively referred to as a fuel cell system.
이하, 연료전지 시스템이 연료전지 차량에 탑재된 경우를 전제로 개시된 발명에 따른 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 대해 상세하게 설명하도록 한다. Hereinafter, the fuel cell system and its control method according to the present invention will be described in detail with reference to the case where the fuel cell system is mounted on the fuel cell vehicle.
먼저, 연료전지 시스템의 발전 방법을 단위 셀을 통해 설명한다.First, a method of generating a fuel cell system will be described using a unit cell.
도 1은 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 단위 셀 구조를 도시한 도면이다.1 is a view showing a unit cell structure of a fuel cell stack according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 연료전지 스택(130)의 단위 셀(130-1)은 막전극 접합체(10, Membrane-Electrode Assembly, MEA)와, 막전극 접합체(10)와 이웃하도록 배치된 수전해층(20)과, 수전해층(20)과 이웃하도록 배치된 가스 확산층(30)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 단위 셀은 중앙의 막전극 접합체(10)를 기준으로 좌우 양측에 수전해층(20), 가스 확산층(30), 분리판(40)이 차례로 적층된 형태를 가질 수 있다.1, a unit cell 130-1 of a
막전극 접합체(10)는 고분자전해질 막(11)의 양쪽 면에 각각 연료극(12, 애노드, 수소극 또는 산화극 이라고도 함)과 공기극(13, 캐소드, 산소극, 또는 환원극 이라고도 함)이 마련될 수 있다. 이 때, 막전극 접합체(10)는 두 전극이 고분자전해질 막(11)과 일체형으로 마련되는데, 막전극 접합체(10)의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심적 역할을 담당할 수 있다.The
연료극(12)에는 전기화학반응을 일으키기 위해 고질의 수소가 공급되며, 공급된 수소는 촉매에 의해 수소 이온과 전자로 분리되어 전기가 발생될 수 있다. 이러한 연료극(12)에는 전극 간 역전압 인가 시 연료극(12) 주위의 물을 전기 분해하도록 마련된 물 분해 촉매가 적용될 수 있다. 일 예로, 연료극(12)에는 망간 포스페이트와 같은 물 분해 촉매가 적용될 수 있다. 다만, 연료극(12)에 적용 가능한 물 분해 촉매의 예가 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 기술자가 쉽게 생각할 수 있는 범위의 예들을 포함할 수 있다.High-quality hydrogen is supplied to the
물 분해 촉매는 역 전압 인가 시 연료극(12) 주위에 발생된 물의 전기 분해를 촉진시킬 수 있으며, 이를 통해 역 전압의 인가에 따른 전극의 손상을 방지할 수 있다. The water decomposition catalyst can promote electrolysis of water generated around the
공기극(13)에는 전기화학반응을 일으키기 위해 산소를 포함한 공기가 공급되며, 공급된 산소가 연료극(12)에서 발생된 수소 이온 및 전자와 결합하여 물이 생성될 수 있다.Air containing oxygen is supplied to the
가스 확산층(30)은 분리판(40)과 전극 사이에 마련되어 반응기체를 고르게 분포시키고 발생된 전기 에너지를 전달하는 역학을 수행한다.The
분리판(40)은 반응기체들 및 냉각수를 이동시키기 위한 것으로, 내부에 유로가 형성될 수 있다. 이를 통해, 분리판(40)은 막전극 접합체(10)에 반응물을 공급하고, 물을 제거할 수 있다. 또한, 분리판(40)은 전자가 외부 회로로 이동할 수 있도록 하는 집전체의 역할을 수행할 수도 있다.The
이에 기초하여, 연료전지 스택의 단위 셀의 발전 방법을 상세히 설명한다.Based on this, a method of generating the unit cells of the fuel cell stack will be described in detail.
도 1을 참조하면, 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판(40)의 유로를 통해 막전극접합체의 연료극(12)과 공기극(13)으로 각각 공급될 경우, 수소는 연료극(12)으로 공급되고 산소(공기)는 공기극(13)으로 공급될 수 있다.1, when hydrogen as a fuel and oxygen (air) as an oxidizer are supplied to the
연료극(12)으로 공급된 수소는 고분자전해질 막(11)의 양쪽에 구비된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)으로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온 교환막인 고분자전해질 막(11)을 통과하여 공기극(13)으로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체 확산층(30)과 분리판(40)을 통해 공기극(13)으로 전달될 수 있다.Hydrogen supplied to the
공기극(13)에서는 고분자전해질 막(11)을 통해 공급된 수소 이온과 분리판(40)을 통해 전달된 전자가 공기극(13)으로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응이 수행될 수 있다. 물의 생성 반응과 함께 발생되는 수소 이온의 이동에 의해 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성될 수 있다.In the
상술한 단위 셀은 복수 개가 적층되어 하나의 연료전지 스택을 구성할 수 있다. 단위 셀들은 서로 직렬 연결되어 하나의 연료전지 스택(130)을 구성하고, 연료전지 스택(130)은 하나의 단위 셀에 비해 높은 전압을 생성할 수 있다. A plurality of the above-described unit cells may be stacked to form one fuel cell stack. The unit cells are connected to each other in series to constitute one
이하에서는, 연료전지 스택(130)을 포함하는 연료전지 시스템(100)에 대하여 설명한다.Hereinafter, the
도 2는 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다. 도 2에서 일반 실선으로 표시되는 화살표는 연료 및 공기의 공급 경로를 의미하며, 굵은 실선으로 표시되는 화살표는 제어 방향을 의미할 수 있다.2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment. In FIG. 2, arrows denoted by general solid lines denote fuel and air supply paths, and arrows denoted by thick solid lines denote control directions.
도 2를 참조하면, 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(130); 연료전지 스택(130)에 공기를 공급하는 공기 공급부(110); 연료전지 스택(130)에 연료를 공급하는 연료 공급부(120); 및 공기 공급부(110)와 연료 공급부(120)를 제어하는 제어부(140); 를 포함할 수 있다.2, the
연료전지 스택(130)은 수소와 산소의 산화환원반응을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 연료전지 스택(130)은 수소와 산소를 결합하여 물을 생성하는데, 이 때 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 이용할 수 있다. 연료전지 스택(130)(130)은 외부로부터 공급되는 산소와 수소의 화학 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키므로 충전이 필요 없고, 연료의 연소 반응이 없어 친환경적이다.The
이를 위해, 연료전지 스택(130)은 도 1의 복수의 단위 셀(130-1)이 적층되는 구조로 마련될 수 있다. 상술한 바와 같이, 단위 셀(130-1)은 공기극(13) 및 연료극(12)을 포함할 수 있으며, 이는 도 1에서 설명한 바와 동일하다.To this end, the
공기 공급부(110)는 산소를 포함한 공기를 연료전지 스택(130)에 공급할 수 있다. 이를 위해, 공기 공급부(110)는 외부로부터 공기를 가압하여 제공하는 공기 펌프(111); 공기 펌프(111)로부터 공급되는 공기를 가습시키는 가습기(112); 및 연료전지 스택(130)으로 가습된 공기가 공급되는 경로에 마련되는 공기 차단 밸브(113); 를 포함할 수 있다.The
공기 펌프(111)는 정해진 공기 공급량의 세트 포인트에 따라 회전수가 제어됨으로써, 연료전지 스택(130)에 필요한 공기를 제공할 수 있다. 이를 위해, 공기 펌프(111)는 후술할 제어부(140)에 의해 피드 포워드(Feed Forward) 제어 및/또는 피드백(Feedback) 제어될 수 있다. 피드백 및 피드 포워드에 대한 제어로직은 공지된 기술인 바, 자세한 설명을 생략한다.The
가습기(112)는 공기 펌프(111)로부터 제공된 공기를 가습할 수 있다. 가습기(112)에 의해 가습된 공기는 연료전지 스택(130)의 공기극(13)에 공급될 수 있다. The
공기 차단 밸브(113)는 가습기(112)와 연료전지 스택(130)의 공기극(13) 사이에 형성되는 공기의 공급 경로 상에 마련될 수 있다. 공기 차단 밸브(113)의 개방 시에만 연료전지 스택(130)에 공기가 공급되므로, 공기 차단 밸브(113)는 후술할 제어부(140)의 제어에 따라 선택적으로 개폐될 수 있다.The
또한, 공기 공급부(110)는 연료전지 스택(130)으로부터 잉여의 공기, 연료, 물을 배출할 수도 있다. 이를 위해, 공기 공급부(110)는 연료전지 스택(130)과의 관계에서 공기 배출 경로, 연료 배출 경로, 물 배출 경로를 형성할 수 있고, 각각의 경로는 일부 또는 전부 구간에서 공통되거나 분리될 수 있다.In addition, the
연료 공급부(120)는 수소를 포함하는 연료를 연료전지 스택(130)에 공급할 수 있다. 이를 위해, 연료 공급부(120)는 외부에서 제공된 연료를 처리하여 수소를 생성하는 연료 처리부(121); 생성된 수소가 연료전지 스택(130)으로 공급되는 경로에 마련되는 연료 차단 밸브(123); 연료전지 스택(130)으로부터 연료가 배출되는 경로에 마련되는 퍼지 밸브(124); 연료전지 스택(130)으로부터 배출되는 물을 저장하여 배출하는 워터 트랩(122); 및 워터 트랩(122)으로부터 배출되는 물의 배출 경로 상에 마련되는 드레인 밸브(125); 를 포함할 수 있다.The
연료 처리부(121)는 연료를 개질 및 정화하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 연료전지 스택(130)의 연료극(12)에 공급할 수 있다. 이처럼, 연료 처리부(121)는 개질기로서 탄화수소 계열의 연료(개질용 연료)를 개질하여 고질의 수소를 생성할 수 있다.The
연료 차단 밸브(123)는 연료 처리부(121)와 연료전지 스택(130)의 연료극(12) 사이에 형성되는 연료의 공급 경로 상에 마련될 수 있다. 연료 차단 밸브(123)의 개방 시에만 연료전지 스택(130)에 연료가 공급되므로, 연료 차단 밸브(123)는 후술할 제어부(140)의 제어에 따라 선택적으로 개폐될 수 있다.The
퍼지 밸브(124)는 연료가 배출되는 경로 상에 마련될 수 있다. 구체적으로, 퍼지 밸브(124)는 연료전지 스택(130) 중 연료극(12)의 잉여 연료를 외부로 배출하는 경로 상에 마련될 수 있다. 퍼지 밸브(124)의 개방 시에만 연료전지 스택(130)의 연료가 배출되므로, 퍼지밸브는 후술할 제어부(140)의 제어에 따라 선택적으로 개폐될 수 있다.The
워터 트랩(122)은 연료전지 스택(130)에서 배출되는 물을 임시로 저장할 수 있다. 구체적으로, 연료전지 스택(130)의 연료극(12)에서 연료와 함께 물이 배출되는데, 워터 트랩(122)은 이 중 물을 임시 저장하고, 수소를 연료전지 스택(130)에 재공급 할 수 있다.The
드레인 밸브(125)는 워터 트랩(122)에 임시 저장되는 물을 외부로 배출하도록 물 배출 경로 상에 마련될 수 있다. 드레인 밸브(125)의 개방 시에만 연료전지 스택(130)의 물이 배출되므로, 드레인 밸브(125)는 후술할 제어부(140)의 제어에 따라 선택적으로 개폐될 수 있다.The
한편, 연료전지 스택(130)을 구성하는 각각의 단위 셀(130-1)은 연료 및 공기의 공급 조건이 상이할 수 있다. 예를 들어, 각각의 단위 셀(130-1)에 연료를 공급하는 연료 공급부(120)와 공기를 공기 공급부(110)의 기구적, 전기적 저항, 각각의 단위 셀(130-1)의 습도, 온도 등의 조건에 따라 발전 전압의 출력 결과가 달라질 수 있다.The unit cells 130-1 constituting the
특히, 출력하고자 하는 목표 전압에 도달하는데 소요되는 시간, 즉 지연 시간이 각각의 단위 셀(130-1)마다 상이할 수 있다. 이에 대하여, 도 3을 참조하여, 설명한다.In particular, the time required for reaching the target voltage to be output, that is, the delay time may be different for each unit cell 130-1. This will be described with reference to Fig.
도 3은 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 서로 다른 단위 셀의 시간에 따른 발전 전압 그래프이다. 도 3에서 G1은 하나의 연료전지 스택(130)을 구성하는 제 1 단위 셀(130-1)의 발전 전압 그래프이고, G2는 하나의 연료전지 스택(130)을 구성하는 제 2 단위 셀(130-1)의 발전 전압 그래프를 나타낸다. 또한, 도 3의 경우, 제 1 단위 셀(130-1)과 제 2 단위 셀(130-1)이 최종적으로는 발전 전압이 목표 전압 VG에 도달하는 경우를 전제로 한다.FIG. 3 is a graph showing a time-dependent power generation voltage of different unit cells of the fuel cell stack according to an exemplary embodiment of the present invention. In FIG. 3, G1 is a power generation voltage graph of the first unit cell 130-1 constituting one
도 3을 참조하면, 제 1 단위 셀(130-1)과 제 2 단위 셀(130-1)은 동일한 연료전지 스택(130)을 구성함에도 서로 다른 발전 전압 그래프를 가질 수 있다. 특히, 연료 및 공기의 공급 개시 시점으로부터 미리 정해진 기준 시간 tr 이후, 제 1 단위 셀(130-1)의 출력 전압은 V1인 반면 제 2 단위 셀(130-1)의 출력 전압은 V2 임을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, although the first unit cell 130-1 and the second unit cell 130-1 constitute the same
이를 통해, 제 2 단위 셀(130-1)보다 제 1 단위 셀(130-1)에 연료 및 공기의 공급이 원활하지 않다고 추정할 수 있으며, 그 정도는 V1과 V2의 차이를 기초로 판단할 수 있다. 이 때, V1과 V2의 차이가 클수록 하나의 연료전지 스택(130)을 구성하는 각각의 단위 셀(130-1)에 대한 연료 및 공기 공급의 차이가 발생한다는 것을 의미하므로, V1과 V2의 차이에 따라 연료전지 스택(130) 의 연료 및 공기 공급 상태를 판단할 수 있다.As a result, it can be estimated that the supply of fuel and air to the first unit cell 130-1 is not smooth more than the second unit cell 130-1, and the degree is determined based on the difference between V1 and V2 . At this time, the greater the difference between V1 and V2, the greater the difference in fuel and air supply to each unit cell 130-1 constituting one
또한, 각각의 단위 셀(130-1)의 지연 시간에 기초하여 연료전지 스택(130) 의 연료 및 공기 공급 상태를 판단할 수도 있다. 여기서, 지연 시간이란 연료 및 공기의 공급 개시 이후 단위 셀(130-1)의 발전 전압이 목표 전압에 도달하는데 소요되는 시간을 의미할 수 있다.Further, the fuel and air supply state of the
도 3을 참조하면, 제 1 단위 셀(130-1)의 지연 시간은 td1인 반면 제 2 단위 셀(130-1)의 지연 시간은 td2 임을 확인할 수 있다. 이렇게 확인된 지연 시간과 미리 정해진 기준 지연 시간과의 차이가 클수록 연료 및 공기의 공급이 원활하지 않음을 의미할 수 있으며, 제 1 단위 셀(130-1)의 지연 시간 td1과 제 2 단위 셀(130-1)의 지연 시간 td2의 차이가 클수록 연료 및 공기의 공급이 비정상임을 의미할 수도 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the delay time of the first unit cell 130-1 is t d1 while the delay time of the second unit cell 130-1 is t d2 . The greater the difference between the delay time thus determined and the predetermined reference delay time, the less smooth the supply of fuel and air. The delay time t d1 of the first unit cell 130 - The larger the difference between the delay time t d2 of the delay circuit 130-1 It may mean that the supply of fuel and air is abnormal.
즉, 연료 및 공기의 공급 개시 이후, 연료전지 스택(130)의 발전 전압이 목표 전압에 도달할 때까지의 적어도 한 시점에서 확인된 복수의 단위 셀(130-1) 각각의 발전 전압은 연료전지 스택(130)에 대한 연료 및 공기 공급 상태를 결정하는데 이용될 수 있다. That is, the generation voltage of each of the plurality of unit cells 130-1, which has been confirmed at least at a time point from when the supply of fuel and air is started until the generation voltage of the
상술한 바와 같이, 연료전지 스택(130)에 대한 연료 및 공기 공급 상태를 결정하기 위해, 제어부(140)는 연료 및 공기 공급 개시 시점 이후, 연료전지 스택(130)의 발전 전압이 목표 전압에 도달할 때까지의 적어도 한 시점에서 확인된 복수의 단위 셀(130-1) 각각의 발전 전압을 기초로 연료 및 공기의 공급 상태를 결정할 수 있다.As described above, in order to determine the state of the fuel and the air supply to the
구체적으로, 일 실시예에 따른 제어부(140)는 상기 연료전지 스택(130)에 연료 및 공기의 공급이 개시된 시점으로부터 미리 정해진 제 1 기준 시간 이후 각각의 단위 셀(130-1)의 제 1 발전 전압을 확인할 수 있다. 이 때, 제 1 기준 시간은 발전 전압이 목표 전압에 도달하는데 소요되는 지연 시간 이하로 미리 결정될 수 있다.In detail, the
그 다음, 제어부(140)는 제 1 발전 전압과 미리 정해진 기준 발전 전압의 차이를 비교할 수 있다. 이 때, 기준 발전 전압은 연료 및 공기 공급 상태가 정상적일 때 제 1 기준 시간 이후 단위 셀(130-1)의 최소 발전 전압을 의미할 수 있다. 이와 같은 기준 발전 전압은 복수의 단위 셀(130-1) 모집단의 제 1 발전 전압을 확인함으로써 통계적으로 결정되거나, 미리 정해진 연산 과정에 따라 수학적으로 결정될 수 있다.Then, the
만약, 연료전지 스택(130)을 구성하는 복수의 단위 셀(130-1)의 제 1 발전 전압이 기준 발전 전압 이상이면, 제어부(140)는 연료전지 스택(130)에 대한 연료 및 공기 공급 상태가 정상이라고 결정할 수 있다. 반면, 연료전지 스택(130)을 구성하는 복수의 단위 셀(130-1) 중 적어도 하나의 제 1 발전 전압이 기준 발전 전압 미만이면, 제어부(140)는 연료전지 스택(130)에 대한 연료 및 공기 공급 상태가 비정상이라고 결정할 수 있다. If the first generation voltage of the plurality of unit cells 130-1 constituting the
하나의 제 1 발전 전압을 기준 발전 전압과 개별적으로 비교하여 연료 및 공기 공급 상태를 결정하는 방법과 달리, 제어부(140)는 하나의 연료전지 스택(130)을 구성하는 복수의 단위 셀(130-1) 각각의 제 1 발전 전압을 확인함으로써 획득되는 제 1 발전 전압 패턴을 기초로 연료 및 공기 공급 상태를 판단할 수도 있다.Unlike the method of determining the fuel and air supply states by individually comparing one first generation voltage with the reference generation voltage, the
구체적으로, 제어부(140)는 복수의 단위 셀(130-1) 각각의 제 1 발전 전압을 그래프 상에 플로팅 함으로써 제 1 발전 전압 패턴을 획득할 수 있다. 그 다음, 제어부(140)는 제 1 발전 전압 패턴 중 기준 발전 전압 미만인 구간이 존재하는지 확인함으로써 연료전지 스택(130)에 대한 연료 및 공기의 공급 상태를 결정할 수 있다.Specifically, the
지금까지는 복수의 단위 셀(130-1) 중 적어도 하나의 제 1 발전 전압이 기준 발전 전압 미만이면, 연료전지 스택(130)에 대한 연료 및 공기 공급 상태를 비정상으로 결정하는 제어부(140)에 대하여 설명하였다. 그러나, 제어부(140)는 복수의 단위 셀(130-1) 중 기준 발전 전압 미만의 제 1 발전 전압을 가지는 단위 셀(130-1)의 개수에 따라 연료 및 공기 공급 상태를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 전체 단위 셀(130-1)의 수에 대한 기준 발전 전압 미만의 제 1 발전 전압을 가지는 단위 셀(130-1)의 비율(%)을 획득하고, 이를 기준 비율과 비교함으로써 연료 및 공기 공급 상태를 결정할 수 있다. 이와는 달리, 제어부(140)는 복수의 단위 셀(130-1)의 제 1 발전 전압의 평균을 획득하고, 획득한 평균 값을 기준 발전 전압과 비교함으로써 연료 및 공기 공급 상태를 결정할 수도 있다. If the first generation voltage of at least one of the plurality of unit cells 130-1 is below the reference generation voltage, the
이처럼, 제어부(140)는 복수의 단위 셀(130-1) 각각의 제 1 발전 전압을 기초로 연료 및 공기 공급 상태를 결정하는 기술적 사상안에서 다양하게 구현될 수 있다.As described above, the
또한, 다른 실시예에 따른 제어부(140)는 연료 및 공기의 공급 개시 이후, 연료전지 스택(130)의 발전 전압이 미리 정해진 기준 발전 전압에 도달하기까지의 지연 시간을 확인할 수 있다. 그 다음, 제어부(140)는 확인된 지연 시간을 미리 정해진 기준 지연 시간과 비교할 수 있다. In addition, the
이 때, 기준 지연 시간은 연료 및 공기 공급 상태가 정상적일 때 단위 셀(130-1)의 발전 전압이 목표 전압에 도달하는데 소요되는 시간을 의미할 수 있다. 이와 같은 기준 지연 시간은 복수의 단위 셀(130-1) 모집단의 지연 시간을 확인함으로써 통계적으로 결정되거나, 미리 정해진 연산 과정에 따라 수학적으로 결정될 수 있다.In this case, the reference delay time may be a time required for the generated voltage of the unit cell 130-1 to reach the target voltage when the fuel and air supply conditions are normal. The reference delay time may be statistically determined by checking the delay time of the population of a plurality of unit cells 130-1 or mathematically determined according to a predetermined calculation process.
이와는 달리, 제어부(140)는 각각의 단위 셀(130-1)의 지연 시간을 상호 비교하여 연료 및 공기 공급 상태를 판단할 수도 있다. 예를 들어, 단위 셀(130-1) 간의 지연 시간 차이가 임계값 이상이면 연료 및 공기의 공급 상태가 비정상임을 결정할 수 있다. Alternatively, the
지금까지는 연료전지 시스템(100)이 하나의 연료전지 스택(130)을 포함하는 경우를 전제로 설명하였다. 이와는 달리, 연료전지 시스템(100)이 물리적으로 분리되는 복수의 연료전지 스택(130)을 포함하는 것도 가능할 수 있다. 이 때, 물리적으로 분리되는 복수의 연료전지 스택(130)은 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.The case where the
이 경우에도, 각각의 연료전지 스택(130)의 출력 전압의 차이가 적을수록 연료전지 시스템(100)이 정상동작 함을 의미하므로, 제어부(140)는 각각의 연료전지 스택(130)의 제 1 출력 전압 패턴을 비교함으로써 연료 및 공기 공급 상태를 결정할 수 있다.In this case, the smaller the difference in the output voltages of the fuel cell stacks 130, the more the
예를 들어, 연료전지 시스템(100)이 직렬로 연결되는 제 1 연료전지 스택(130)과 제 2 연료전지 스택(130)을 포함하는 경우, 제어부(140)는 제 1 연료전지 스택(130)과 제 2 연료전지 스택(130) 각각의 제 1 출력 전압 패턴을 획득할 수 있다. 그 다음, 제어부(140)는 이들 패턴을 비교하여 전체 연료전지 스택(130)에 대한 연료 및 공기 공급 상태를 결정할 수 있다.For example, when the
구체적으로, 제어부(140)는 각각의 제 1 출력 전압 패턴의 차이가 미리 정해진 기준 차이를 초과하면, 연료 및 공기의 공급 상태를 비정상으로 결정할 수 있다. 여기서, 기준 차이란 연료 및 공기의 공급 상태가 정상일 때, 직렬 연결된 복수의 연료전지 스택(130) 각각을 구성하는 단위 셀(130-1) 간의 출력 전압 차이의 최대값을 의미할 수 있다.Specifically, when the difference between the respective first output voltage patterns exceeds a predetermined reference difference, the
만약, 제 1 연료전지 스택(130)과 제 2 연료전지 스택(130) 각각의 제 1 출력 전압 패턴의 차이가 기준 차이를 초과하면, 제어부(140)는 전체 연료전지 스택(130)에 대한 연료 및 공기 공급 상태를 비정상으로 결정할 수 있다.If the difference between the first output voltage patterns of the first
제 1 연료전지 스택(130)과 제 2 연료전지 스택(130) 각각의 제 1 출력 전압 패턴을 비교하는 방법으로, 제어부(140)는 각각의 연료전지 스택(130)을 구성하는 개별 단위 셀(130-1)의 제 1 출력 전압을 비교하거나, 각각의 제 1 출력 전압 패턴의 평균을 비교할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 각각의 제 1 출력 전압 패턴 중 기준 출력 전압 이하의 영역을 비교할 수도 있다.The
이처럼, 제어부(140)는 복수의 연료전지 스택(130) 중 적어도 두 개의 제 1 발전 전압 패턴의 차이를 비교하는 기술적 사상 안에서 다양하게 구현될 수 있다.As described above, the
또한, 제어부(140)는 연료전지 스택(130)에 공급되던 연료 및 공기의 차단 시점으로부터 제 2 기준 시간 이후 복수의 단위 셀(130-1) 각각의 제 2 발전 전압을 획득하고, 획득한 제 2 발전 전압을 참조하여 연료 및 공기의 공급 상태를 결정할 수도 있다. In addition, the
연료 및 공기의 공급에 따라 출력되는 전압의 변화는 연료 및 공기의 차단에 따라 출력되는 전압의 변화와 대응되므로, 제어부(140)는 연료 및 공기 공급 상태를 결정하는데 제 2 발전 전압을 참조할 수 있다.Since the change in the voltage output according to the supply of the fuel and the air corresponds to the change in the voltage output according to the cutoff of the fuel and the air, the
특히, 제어부(140)는 제 2 발전 전압을 기초로 연료 및 공기 공급 상태를 결정하고, 연료 및 공기 공급 상태가 비정상으로 판단될 경우 제 1 발전 전압을 기초로 제 2 발전 전압을 참조하여 연료 및 공기 공급 상태를 결정할 수 있다.In particular, when the fuel and air supply conditions are determined to be abnormal, the
이를 위해, 제어부(140)는 연료전지 스택(130)에 공급되던 연료 및 공기의 차단 이후 다시 연료 및 공기의 공급이 개시되기 전에 제 2 발전 전압을 미리 저장할 수 있다. 특히, 제어부(140)는 제 2 발전 전압을 기초로 연료 및 공기 공급 상태가 비정상으로 판단될 경우에만 제 2 발전 전압을 저장할 수 있다.For this, the
상술한 방법에 따라 연료 및 공기의 공급 상태가 비정상으로 결정되면, 제어부(140)는 연료 및 공기의 공급 상태를 개선하기 위한 동작을 수행할 수 있다. 이에 앞서, 제어부(140)는 공기 차단 밸브(113), 퍼지 밸브(124), 및 드레인 밸브(125)가 정상적으로 개폐되는지 점검할 수 있다. 여기서, 밸브가 정상적으로 개폐된다는 것은 밸브의 개방 시 밸브가 마련되는 경로를 연결하고, 밸브의 폐쇄 시 밸브가 마련되는 경로를 차단하는 것을 의미할 수 있다.If the supply state of the fuel and the air is determined to be abnormal according to the above-described method, the
공기 차단 밸브(113), 퍼지 밸브(124), 및 드레인 밸브(125)가 정상적으로 개폐되는지를 점검하기 위해, 제어부(140)는 공지된 밸브 점검 방법 중 적어도 하나를 채택할 수 있다.In order to check whether the
밸브의 점검 결과 적어도 하나의 밸브의 상태가 비정상으로 확인되면, 연료전지 시스템(100)이 정상적으로 동작하기 위해서는 해당 밸브의 수리 내지는 교체가 수행될 필요가 있다.If the state of at least one valve is confirmed to be abnormal as a result of checking the valve, it is necessary that repair or replacement of the valve is performed in order for the
반면, 모든 밸브의 상태가 정상으로 확인되면, 제어부(140)는 연료 및 공기의 공급 상태를 개선하기 위해 연료전지 스택(130)에 연료 및 공기를 오실레이션 공급(Oscillation Supply)할 수 있다.On the other hand, if all of the valves are found to be normal, the
구체적으로, 제어부(140)는 공기의 공급 상태를 개선하기 위해 연료전지 스택(130)에 공기를 오실레이션 공급할 수 있다. 이를 위해, 제어부(140)는 공기의 공급 경로 상에 마련되는 공기 차단 밸브(113)를 주기적으로 개폐할 수 있다. 그 결과, 연료전지 스택(130)에 대한 공기 공급 상태가 개선될 수 있다.Specifically, the
또한, 제어부(140)는 연료의 공급 상태를 개선하기 위해 연료전지 스택(130)에 연료를 오실레이션 공급할 수 있다. 이를 위해, 제어부(140)는 연료의 배출 경로 및 물의 배출 경로 각각에 마련되는 퍼지 밸브(124), 및 드레인 밸브(125)를 주기적으로 개폐할 수 있다. 그 결과, 연료전지 스택(130)에 대한 연료 공급 상태가 개선될 수 있다.In addition, the
또한, 상술한 바와 같이 제 2 출력 전압에 기초하여 연료 및 공기의 상태가 비정상으로 결정되면, 제어부(140)는 공기 차단 밸브(113)를 폐쇄 후, 공기를 오실레이션 공급한 다음, 이를 전량 배출시킬 수 있다. 또한, 제어부(140)는 퍼지 밸브(124) 및 드레인 밸브(125)를 폐쇄 후, 연료를 오실레이션 공급한 다음, 이를 전량 배출시킬 수 있다.If the state of the fuel and the air is determined to be abnormal based on the second output voltage as described above, the
그 결과, 연료전지 스택(130) 내부를 리셋하고, 다시 연료 및 공기가 공급되면, 제어부(140)는 연료 및 공기의 공급 상태를 재확인할 수 있다.As a result, the inside of the
도 4는 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법의 흐름도이고, 구체적으로 연료 및 공기의 공급 상태를 결정하기 위한 방법을 나타낸다.4 is a flow chart of a method of controlling a fuel cell system according to an embodiment, and specifically shows a method for determining the state of supply of fuel and air.
먼저, 연료전지 시스템(100)은 연료전지의 발전이 시작되었는지 확인할 수 있다.(800) 여기서, 발전이 시작되었다는 것은 연료전지 스택(130)에 연료 및 공기가 공급되기 시작하였다는 것을 의미할 수 있다. 만약, 발전이 시작되기 전이라면, 연료전지 시스템(100)은 반복하여 이를 확인할 수 있다.First, the
반면, 발전이 시작되었다면, 연료전지 시스템(100)은 발전 시작 시점으로부터 미리 정해진 기준 시간 tr 이후 연료전지 스택(130)의 발전 전압 V1을 획득할 수 있다.(810) 여기서, 미리 정해진 기준 시간 tr이란 발전 전압이 목표 전압에 도달하는데 소요되는 지연 시간 이하로 미리 결정될 수 있다. 또한, 연료전지 스택(130)의 발전 전압 V1은 연료전지 스택(130)을 구성하는 개별 단위 셀(130-1)의 발전 전압 각각을 의미하거나, 이들의 평균값, 최대값, 최소값 등을 포함할 수 있다.On the other hand, if the power generation has started, the
마지막으로, 연료전지 시스템(100)은 획득한 V1을 기준 발전 전압 Vr과 비교하여, 연료 및 공기의 공급 상태를 결정할 수 있다.(820) 이 때, 기준 발전 전압 Vr은 연료 및 공기 공급 상태가 정상적일 때 기준 시간 이후 단위 셀(130-1)의 최소 발전 전압을 의미할 수 있다. 이와 같은 기준 발전 전압은 복수의 단위 셀(130-1) 모집단의 제 1 발전 전압을 확인함으로써 통계적으로 결정되거나, 미리 정해진 연산 과정에 따라 수학적으로 결정될 수 있다.Finally, the
이와 같은 방법을 통해, 연료전지 시스템(100)은 연료 및 공기의 공급 상태를 판단하고, 연료 및 공기의 공급 상태가 비정상인 경우 대응되는 동작을 수행할 수 있다.Through such a method, the
도 5는 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법의 흐름도이고, 구체적으로 연료 및 공기의 공급 상태를 개선하기 위한 방법을 나타낸다5 is a flowchart of a fuel cell system control method according to another embodiment, and specifically shows a method for improving the supply state of fuel and air
먼저, 연료전지 시스템(100)은 연료 및 공기의 공급 상태가 비정상인지 확인할 수 있다.(900) 연료 및 공기의 공급 상태를 확인하는 방법은 도 4에서 설명한 바와 같다. 만약, 연료 및 공기의 공급 상태가 정상이라면, 절차를 종료한다.First, the
반면, 연료 및 공기의 공급 상태가 비정상이라면, 연료전지 시스템(100)은 공기 차단 밸브(113), 퍼지 밸브(124), 드레인 밸브(125)가 정상적으로 개폐되는지 확인할 수 있다.(910) 여기서, 밸브가 정상적으로 개폐된다는 것은 밸브의 개방 시 밸브가 마련되는 경로를 연결하고, 밸브의 폐쇄 시 밸브가 마련되는 경로를 차단하는 것을 의미할 수 있다. The
만약, 밸브가 정상적으로 개폐되지 않는다면, 절차를 종료한다. 이 경우에는 정상적으로 개폐되지 않는 밸브의 수리 내지 교체를 수행할 필요가 있다.If the valve is not normally opened or closed, the procedure is terminated. In this case, it is necessary to repair or replace the valve that is not normally opened or closed.
반면, 밸브가 정상적으로 개폐된다면, 연료전지 시스템(100)은 공기 차단 밸브(113), 퍼지 밸브(124), 및 드레인 밸브(125)를 주기적으로 개폐할 수 있다.(920) 이를 통해, 연료전지 스택(130)에 연료 및 공기가 오실레이션 공급되고, 최종적으로 연료 및 공기의 공급 상태가 개선될 수 있다.On the other hand, if the valve is normally opened and closed, the
100: 연료전지 시스템
110: 공기 공급부
113: 공기 차단 밸브
120: 연료 공급부
124: 퍼지 밸브
125: 드레인 밸브
130: 연료전지 스택
130-1: 단위 셀
140: 제어부100: Fuel cell system
110: air supply part
113: Air shutoff valve
120: fuel supply unit
124: purge valve
125: drain valve
130: Fuel cell stack
130-1: Unit cell
140:
Claims (20)
상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 이후, 상기 연료전지 스택의 발전 전압이 목표 전압에 도달할 때까지의 적어도 한 시점에서 상기 복수의 단위 셀 각각의 발전 전압을 확인하고, 상기 확인된 발전 전압을 기초로 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 제어부; 를 포함하는 연료전지 시스템. A fuel cell stack in which a plurality of unit cells including an air electrode and a fuel electrode are stacked; And
After confirming the generation voltage of each of the plurality of unit cells at least one time point after the start of supply of the fuel and the air until the generation voltage of the fuel cell stack reaches the target voltage, A controller for determining a supply state of the fuel and the air; And a fuel cell system.
상기 제어부는,상기 연료전지 스택에 연료 및 공기의 공급이 개시된 시점으로부터 미리 정해진 제 1 기준 시간 이후 상기 복수의 단위 셀 각각의 제 1 발전 전압과 미리 정해진 기준 발전 전압의 차이를 기초로 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the control unit controls the fuel and the air based on a difference between a first generation voltage of each of the plurality of unit cells and a predetermined reference generation voltage after a predetermined first reference time from the start of supply of fuel and air to the fuel cell stack, And determines the supply state of the air.
상기 제어부는,
상기 연료전지 스택이 복수이면, 상기 복수의 연료전지 스택 각각에 대하여 상기 복수의 단위 셀 각각의 상기 제 1 발전 전압을 확인하고, 상기 복수의 연료전지 스택 각각의 상기 제 1 발전 전압 패턴을 비교하여 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein,
The first generation voltage of each of the plurality of unit cells is checked for each of the plurality of fuel cell stacks and the first generation voltage pattern of each of the plurality of fuel cell stacks is compared And determines the supply state of the fuel and the air.
상기 제어부는,
상기 복수의 연료전지 스택 중 적어도 두 개의 상기 제 1 발전 전압 패턴의 차이가 미리 정해진 기준 차이를 초과하면, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 비정상으로 결정하는 연료전지 시스템.The method of claim 3,
Wherein,
Wherein the supply state of the fuel and the air is determined to be abnormal if the difference between the at least two first generation voltage patterns of the plurality of fuel cell stacks exceeds a predetermined reference difference.
상기 제어부는,
상기 연료전지 스택에 공급되던 상기 연료 및 상기 공기의 차단 시점으로부터 미리 정해진 제 2 기준 시간 이후 상기 복수의 단위 셀 각각의 제 2 발전 전압을 참조하여 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein,
A fuel cell for determining a supply state of the fuel and the air by referring to a second generation voltage of each of the plurality of unit cells after a predetermined second reference time from a time point at which the fuel and air are supplied to the fuel cell stack, system.
상기 제어부는,
상기 연료전지 스택에 공급되던 상기 연료 및 상기 공기의 차단 이후 상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 전에 상기 제 2 발전 전압을 저장하고, 상기 연료전지 스택에 상기 연료 및 상기 공기의 공급이 개시되면 상기 저장된 제 2 발전 전압을 참조하는 연료전지 시스템.6. The method of claim 5,
Wherein,
Storing the second generation voltage before starting supply of the fuel and the air after interrupting the fuel and the air supplied to the fuel cell stack, and when the supply of the fuel and the air to the fuel cell stack is started, And the second generated voltage is referred to.
상기 제어부는,
상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 이후, 상기 연료전지 스택의 발전 전압이 미리 정해진 기준 발전 전압에 도달하기까지의 지연 시간에 기초하여 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein,
Wherein the supply state of the air is determined based on a delay time after the start of supply of the fuel and the air until the generation voltage of the fuel cell stack reaches a predetermined reference generation voltage.
상기 연료전지 스택으로부터 상기 연료가 배출되는 제 1 경로에 마련되는 퍼지 밸브와 상기 연료전지 스택으로부터 물이 배출되는 제 2 경로에 마련되는 드레인 밸브를 포함하는 연료 공급부; 및
상기 연료전지 스택으로 상기 공기가 공급되는 제 3 경로에 마련되는 공기 차단 밸브를 포함하는 공기 공급부; 를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태가 비정상으로 결정되면, 상기 퍼지 밸브, 상기 드레인 밸브, 및 상기 공기 차단 밸브의 상태를 점검하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
A fuel supply unit including a purge valve provided in a first path through which the fuel is discharged from the fuel cell stack and a drain valve provided in a second path through which water is discharged from the fuel cell stack; And
An air supply unit including an air shutoff valve provided in a third path through which the air is supplied to the fuel cell stack; Further comprising:
Wherein,
And the state of the purge valve, the drain valve, and the air shutoff valve is checked if the supply state of the fuel and the air is determined to be abnormal.
상기 제어부는,
상기 퍼지 밸브, 상기 드레인 밸브, 및 상기 공기 차단 밸브의 상태가 정상으로 확인되면, 상기 연료전지 스택에 상기 연료가 정상적으로 공급되도록 상기 퍼지 밸브, 및 상기 드레인 밸브 중 적어도 하나를 주기적으로 개폐하는 연료전지 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein,
And a fuel cell stack for periodically opening and closing at least one of the purge valve and the drain valve so that the fuel is normally supplied to the fuel cell stack when the state of the purge valve, the drain valve, system.
상기 제어부는,
상기 퍼지 밸브, 상기 드레인 밸브, 및 상기 공기 차단 밸브가 정상으로 확인되면, 상기 연료전지 스택에 상기 공기가 정상적으로 공급되도록 상기 공기 차단 밸브를 주기적으로 개폐하는 연료전지 시스템.9. The method of claim 8,
Wherein,
And the air shutoff valve is periodically opened and closed so that the air is normally supplied to the fuel cell stack when the purge valve, the drain valve, and the air shutoff valve are confirmed as normal.
상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 이후, 상기 연료전지 스택의 발전 전압이 목표 전압에 도달할 때까지의 적어도 한 시점에서 상기 복수의 단위 셀 각각의 발전 전압을 확인하는 단계; 및
상기 확인된 발전 전압을 기초로 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계; 를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.Supplying fuel and air to the fuel cell stack;
Confirming a generation voltage of each of the plurality of unit cells at least at a time point after the start of supply of the fuel and the air until a generation voltage of the fuel cell stack reaches a target voltage; And
Determining a supply state of the fuel and the air based on the identified generation voltage; And controlling the fuel cell system.
상기 복수의 단위 셀 각각의 발전 전압을 확인하는 단계는,
상기 연료전지 스택에 연료 및 공기의 공급이 개시된 시점으로부터 미리 정해진 제 1 기준 시간 이후 상기 복수의 단위 셀 각각의 제 1 발전 전압을 확인하고,
상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는,
상기 제 1 발전 전압과 미리 정해진 기준 발전 전압의 차이를 기초로 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템의 제어방법.12. The method of claim 11,
Wherein the step of verifying the generation voltage of each of the plurality of unit cells comprises:
Checking a first generation voltage of each of the plurality of unit cells after a predetermined first reference time from when fuel and air are supplied to the fuel cell stack,
Wherein the step of determining the supply state of the fuel and the air comprises:
Wherein the supply state of the fuel and the air is determined based on a difference between the first generation voltage and a predetermined reference generation voltage.
상기 복수의 단위 셀 각각의 발전 전압을 확인하는 단계는,
상기 연료전지 스택이 복수이면, 상기 복수의 연료전지 스택 각각에 대하여 상기 복수의 단위 셀 각각의 상기 제 1 발전 전압을 확인하고,
상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는,
상기 복수의 연료전지 스택 각각의 상기 제 1 발전 전압 패턴을 비교하여 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템의 제어방법.13. The method of claim 12,
Wherein the step of verifying the generation voltage of each of the plurality of unit cells comprises:
The first power generation voltage of each of the plurality of unit cells is checked for each of the plurality of fuel cell stacks if the fuel cell stack is a plurality,
Wherein the step of determining the supply state of the fuel and the air comprises:
And comparing the first generation voltage pattern of each of the plurality of fuel cell stacks to determine a supply state of the fuel and the air.
상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는,
상기 복수의 연료전지 스택 중 적어도 두 개의 상기 제 1 발전 전압 패턴의 차이가 미리 정해진 기준 차이를 초과하면, 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 비정상으로 결정하는 연료전지 시스템의 제어방법.14. The method of claim 13,
Wherein the step of determining the supply state of the fuel and the air comprises:
Wherein the supply state of the fuel and the air is determined to be abnormal if a difference between at least two of the plurality of fuel cell stacks exceeds a predetermined reference difference.
상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는,
상기 연료전지 스택에 공급되던 상기 연료 및 상기 공기의 차단 시점으로부터 미리 정해진 제 2 기준 시간 이후 상기 복수의 단위 셀 각각의 제 2 발전 전압을 참조하여 상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템의 제어방법.12. The method of claim 11,
Wherein the step of determining the supply state of the fuel and the air comprises:
A fuel cell for determining a supply state of the fuel and the air by referring to a second generation voltage of each of the plurality of unit cells after a predetermined second reference time from a time point at which the fuel and air are supplied to the fuel cell stack, Method of controlling the system.
상기 연료전지 스택에 공급되던 상기 연료 및 상기 공기의 차단 이후 상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 전에 상기 제 2 발전 전압을 저장하는 단계; 를 더 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.16. The method of claim 15,
Storing the second generation voltage before starting supply of the fuel and the air after interrupting the fuel and the air supplied to the fuel cell stack; Further comprising the steps of:
상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 단계는,
상기 연료 및 상기 공기의 공급 개시 이후, 상기 연료전지 스택의 발전 전압이 미리 정해진 기준 발전 전압에 도달하기까지의 지연 시간에 기초하여 상기 공기의 공급 상태를 결정하는 연료전지 시스템.12. The method of claim 11,
Wherein the step of determining the supply state of the fuel and the air comprises:
Wherein the supply state of the air is determined based on a delay time after the start of supply of the fuel and the air until the generation voltage of the fuel cell stack reaches a predetermined reference generation voltage.
상기 연료 및 상기 공기의 공급 상태가 비정상으로 결정되면, 상기 연료전지 스택으로부터 상기 연료가 배출되는 제 1 경로, 상기 연료전지 스택으로부터 물이 배출되는 제 2 경로, 및 상기 연료전지 스택으로 상기 공기가 공급되는 제 3 경로가 정상적으로 연결 및 차단되는지 여부를 확인하는 단계; 를 더 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.12. The method of claim 11,
A first path through which the fuel is discharged from the fuel cell stack, a second path through which water is discharged from the fuel cell stack when the supply state of the fuel and the air is determined to be abnormal, Confirming whether or not the supplied third path is normally connected and disconnected; Further comprising the steps of:
상기 제 1 경로, 상기 제 2 경로 및 상기 제 3 경로가 정상적으로 연결 및 차단되는 것으로 확인되면, 상기 연료전지 스택에 상기 연료가 정상적으로 공급되도록 상기 제 1 경로 및 상기 제 2 경로 중 적어도 하나를 주기적으로 연결 및 차단하는 단계; 를 더 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.18. The method of claim 17,
At least one of the first path and the second path is periodically supplied to the fuel cell stack such that the fuel is normally supplied to the fuel cell stack when it is confirmed that the first path, the second path, and the third path are normally connected and disconnected, Connecting and blocking; Further comprising the steps of:
상기 제 1 경로, 상기 제 2 경로 및 상기 제 3 경로가 정상적으로 개폐되는 것으로 확인되면, 상기 연료전지 스택에 상기 공기가 정상적으로 공급되도록 상기 제 3 경로를 주기적으로 연결 및 차단하는 단계; 를 더 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.18. The method of claim 17,
Periodically connecting and disconnecting the third path so that the air is normally supplied to the fuel cell stack if it is confirmed that the first path, the second path, and the third path are normally opened and closed; Further comprising the steps of:
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