KR20170119419A - 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 연료극 내부로 수소가 공급되는 시점의 제1압력과, 수소 공급이 종료되는 시점의 제2압력으로부터 해당 구간의 수소소모량을 산출하는 단계 및 (b) 각 구간 별 수소소모량을 적산하여 총 수소소모량을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법{Hydrogen consumption measuring method of fuel cell system}
본 발명은 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량 주행기간 중 순간연비 및 평균연비 계산의 정확성을 높일 수 있는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수소 연료전지 차량은 수소와 산소를 반응시켜 나오는 전하를 이용하여 모터를 구동시켜 추진력을 발생시키는 차량으로서, 연료(수소) 탱크 내 수소의 압력과 온도를 측정하여 탱크 내에 존재하는 수소량을 측정하고, 수소 측정량의 변화를 통해 차량에서 소모된 연료량을 계산할 수 있다.
하지만, 상기와 같은 수소 연료전지 차량의 경우 700bar 이상의 고압 수소를 연료로 사용하고, 온도 사용 범위가 -40℃ ~ 85℃ 로 넓기 때문에, 연료량 계산의 정밀도가 낮아질 수 있다.
즉, 수소 연료전지 차량의 수소 탱크에는 압력센서 및 온도센서가 설치되어 있으며, 설계 단계에서 수소 탱크 부피가 이미 정해져 있기 때문에, 상기와 같은 압력센서 및 온도센서로부터 얻은 수소 탱크 내부의 온도 및 압력 값을 이용하면, 이상기체 방정식(M=PV/RT)을 통해 수소 탱크 내의 수소 질량을 계산할 수 있다.
또한, 실시간으로 측정되는 수소 탱크 내부의 수소 질량의 변동량을 통해 잔여 수소량 및 수소소모량을 알 수 있으며, 차량의 주행거리 데이터를 이용하여 차량의 실시간 연비 및 평균연비를 계산할 수 있고, 이를 통해 차량의 주행거리를 도출하여 클러스터에 표시함으로써, 운전자에게 정보를 제공할 수 있다.
그러나, 수소 탱크 내부의 압력이 매우 높으므로 압력센서의 분해능이 낮고, 온도 변동 범위가 크기 때문에 온도센서의 분해능이 낮아 수소 탱크 내 수소 질량을 계산하는데 오차가 매우 커지게 되며, 이로 인해 차량의 연비 및 잔여 주행거리 표시에 대한 오차 발생이 증가되어 고객의 불만을 야기할 수 있다.
일본공개특허공보 2005-027473호
본 발명의 목적은, 연료전지 스택에 공급되는 수소를 특정한 압력 패턴으로 공급하고, 이를 통해 형성된 삼각파의 발생 횟수와 그에 따른 하나의 수소소모량을 계산하여 주행시간 동안의 연료전지시스템에서 소모되는 총 수소소모량을 정확하게 측정함으로써, 차량의 연비 계산 및 잔여 주행거리 표시의 정확성을 높일 수 있는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법은 (a) 연료극 내부로 수소가 공급되는 시점의 제1압력과, 수소 공급이 종료되는 시점의 제2압력으로부터 해당 구간의 수소소모량을 산출하는 단계 및 (b) 각 구간 별 수소소모량을 적산하여 총 수소소모량을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서 구간의 수소소모량은 하기 <수학식>에 의해 계산된다.
<수학식>
수소소모량 = (PBn/TBn - PAn/TAn) * V * C
PA : AN 지점(수소 공급 시점)에서 연료극 내부 압력,
PB : BN 지점(수소 공급 종료 시점)에서 연료극 내부 압력,
TA : AN 지점(수소 공급 시점)에서 연료극 내부 온도,
TB : BN 지점(수소 공급 종료 시점)에서 연료극 내부 온도,
V : 연료극 내부 부피,
C : 환산계수임.
이러한 상기 (a) 단계에서 제1압력은 미리 설정된 초기 압력이고, 제2압력은 미리 설정된 기준 압력이다.
이때, 상기 (a) 단계에서 구간의 수소소모량은 하기 <수학식>에 의해 계산된다.
<수학식>
수소소모량 = (PB/TB - PA/TA) * V * C
PA : A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 압력,
PB : B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 압력,
TA : A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 온도,
TB : B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 온도,
V : 연료극 내부 부피,
C : 환산계수임.
그리고, 상기 (a) 단계에서 구간의 수소소모량은 상기 기준 압력에서의 연료극 내부 온도와 상기 초기 압력에서의 연료극 내부 온도가 동일한 온도인 것으로 가정하면, 하기 <수학식>에 의해 계산된다.
<수학식>
수소소모량 = (PB - PA) * V * 1/T * C
PA : A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 압력,
PB : B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 압력,
T : 연료전지 스택 내부 온도,
V : 연료극 내부 부피,
C : 환산계수임.
또한, 상기 (a) 단계에서 구간의 수소소모량은 "PB = PA + CP (CP = 상수)"의 관계가 있는 것으로 가정하면, 하기 <수학식>에 의해 계산된다.
<수학식>
수소소모량 = CP * V * 1/T * C
CP : 사이클 생성 시 최대 압력과 기준 압력의 차이,
V : 연료극 내부 부피,
T : 연료전지 스택 내부 온도
C : 환산계수임.
또한, 상기 (a) 단계 이전에, 차량의 시동 전 수소 탱크 내 잔여수소량을 확인하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 (b) 단계 이후, 상기 잔여수소량에서 상기 총 수소소모량의 차를 산출하여 현재 잔여수소량을 결정하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 현재 잔여수소량을 차량의 클러스터에 표시하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (b) 단계는 차량의 시동 시점에서 시동 종료 시점까지의 총 수소소모량을 산출한다.
또한, 상기 (b) 단계에서 총 수소소모량은 상기 초기 압력 및 상기 기준 압력에 따라 산출된 기준 수소소모량에 수소 공급 및 종료의 반복 횟수를 곱하여 산출된다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법은 (a) 연료극 내부에 대한 초기 압력 및 기준 압력을 설정하고, 상기 초기 압력 및 상기 기준 압력에 따라 산출된 기준 수소소모량을 산출하는 단계와 (b) 상기 초기 압력 상태에서 차량을 시동하는 단계와 (c) 상기 초기 압력 상태에서 차량의 시동을 종료하는 단계 및 (d) 차량 시동 후 종료까지 수소 공급 및 종료의 반복 횟수를 검출하고, 상기 반복 횟수에 상기 기준 수소소모량을 곱하여 총 수소소모량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서 상기 기준 수소소모량은 차량 시동 후 종료까지 상기 기준 압력과 상기 초기 압력의 차이가 일정한 것으로 가정하면, 하기 <수학식>에 의해 계산된다.
<수학식>
수소소모량 = (PB - PA) * V * 1/T * C
PA : A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 압력,
PB : B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 압력,
T : 연료전지 스택 내부 온도,
V : 연료극 내부 부피,
C : 환산계수임.
그리고, 상기 (d) 단계 이후 기저장된 시동 전 잔여수소량과 상기 총 수소소모량의 차를 통해 현재 잔여수소량을 결정하는 (e) 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 (e) 단계 이후에 상기 현재 잔여수소량을 차량의 클러스터에 표시하는 단계를 포함한다.
본 발명은, 연료전지 스택에 공급되는 수소를 특정한 압력 패턴으로 공급하고, 이를 통해 형성된 삼각파의 발생 횟수와 그에 따른 하나의 수소소모량을 계산하여 주행시간 동안의 연료전지시스템에서 소모되는 총 수소소모량을 정확하게 측정함으로써, 차량의 연비 계산 및 잔여 주행거리 표시의 정확성을 높일 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 측정된 수소소모량과 수소 탱크의 온도 및 압력을 이용하여 산출된 기준 수소소모량을 비교하여 수소 탱크에 장착된 온도센서 및 압력센서의 정상 작동 여부를 확인할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1 은 일반적인 연료전지시스템의 연료극 구조를 보여주는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법을 보여주는 개념도이다.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법에서 총 수소소모량의 산출을 보여주는 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법을 보여주는 개념도이다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법에서 총 수소소모량의 산출을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 은 일반적인 연료전지시스템의 연료극 구조를 보여주는 도면이다.
일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 차량의 연료전지시스템에서 연료전지 스택(10)에 수소를 공급하고, 연료전지 스택(10)의 연료극(anode)에서 배출된 가스를 재순환하는 구조는 다음과 같다.
먼저, 수소 탱크(20)에 저장된 고압(700bar)의 가스는 레귤레이터(30)를 거치며 감압되고(10 ~ 20bar), 수소공급 밸브(40)와 이젝터(미도시)를 거쳐 2차로 감압되어(0 ~ 5bar) 연료전지 스택(10)의 연료극에 공급된다.
여기서, 연료전지 스택(10)의 연료극에서 배출된 가스는 이젝터(미도시)로 재순환되며, 결과적으로 수소 탱크(20)로부터 공급된 수소와 혼합되어 연료전지 스택(10)으로 공급된다.
이때, 연료전지 스택(10) 및 상기와 같은 재순환 유로가 포함된 연료극 내부 압력은 압력센서(50)를 통해 측정되며, 그 값은 제어기(60)에 전달된다.
또한, 연료전지 스택(10)에 공급되는 수소의 양은 수소공급 밸브(40)를 이용하여 제어할 수 있으며, 이러한 수소공급 밸브(40)는 비례제어 밸브, ON/OFF 밸브, 인젝터 등으로 구비될 수 있고, 제어기(60)를 통해 수소공급 밸브(40)를 통과하는 수소의 유량을 조절할 수 있다.
한편, 연료전지 스택(10)에서 발생된 물을 포집하는 워터트랩(70) 및 워터트랩(70)에서 포집된 물을 배출하는 드레인 밸브(80) 및 재순환 유로 상에 포함된 이물질을 제거하도록 설치되는 퍼지 밸브(90) 등의 구조는 공지된 것이므로, 그에 따른 구조 및 작동에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같은 연료전지시스템의 구조를 바탕으로 한 본 실시예에서는 차량이 시동됨에 따라 연료극 내부로 공급되는 시점의 수소 압력과, 수소 공급이 종료되는 시점의 수소 압력을 이용하여 수소소모량을 산출할 수 있으며, 상기 산출된 수소소모량을 통해 연료전지 스택(10)의 총 수소소모량을 정확하게 측정할 수 있기 때문에, 차량의 연비 계산 및 잔여 주행거리 표시의 정확성을 높일 수 있다.
이하, 도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법을 보여주는 개념도이고, 도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법에서 총 수소소모량의 산출을 보여주는 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 연료극 내부로 수소가 공급되는 시점의 제1압력과, 수소 공급이 종료되는 시점의 제2압력으로부터 해당 구간의 수소소모량을 산출한다(S110).
즉, 연료극 내부로 수소가 제1압력으로 공급되는 경우에는, 연료극 내부의 수소 압력이 제1압력에서 제2압력에 도달할 때까지 수소를 과량으로 공급하게 되는데, 만일 압력센서를 통해 연료극 내부의 수소 압력이 제2압력에 도달한 것으로 판단되면, 수소 공급이 종료되도록 한다.
이때, 수소 압력이 제2압력에 도달함에 따라 수소 공급이 종료되면, 결국 수소 압력이 제1압력에서 제2압력, 다시 제1압력으로 변화하는 하나의 구간이 형성되는데, 이는 제2압력까지 도달한 수소는 발전, 퍼지, 크로스오버 등과 같은 연료전지시스템의 수소소모에 따라 감소하게 되고, 그에 따라 연료극 내부의 수소 압력은 감소하여 제1압력에 도달하기 때문이다.
이러한 구간의 수소소모량은 하기 <수학식>에 의해 계산될 수 있다.
<수학식>
수소소모량 = (PBn/TBn - PAn/TAn) * V * C
여기서, PA는 AN 지점(수소 공급 시점)에서 연료극 내부 압력을, PB는 BN 지점(수소 공급 종료 시점)에서 연료극 내부 압력을, TA는 AN 지점(수소 공급 시점)에서 연료극 내부 온도를, TB는 BN 지점(수소 공급 종료 시점)에서 연료극 내부 온도를, V는 연료극 내부 부피를, C는 환산계수를 의미한다.
이때, 연료극 내부의 부피(V)는 일정하고, 환산계수(C)는 기체 상수 및 분자량/부피/질량 환산계수 등이 포함된 상수이므로, 결국 상기 <수학식>을 통해 연료극 내부로 수소가 공급되는 시점의 제1압력과, 수소 공급이 종료되는 시점의 제2압력으로부터 해당 구간에 대한 수소소모량을 산출할 수 있다.
여기서, 환산계수(C)는 일반적인 이상기체 상태방정식에서 PV=mRT 이고, 이때 R은 기체상수 (8.3143 m3·Pa·K-1·mol-1) 임에 따라 기체상수 및 몰수와 질량을 환산하는 계수 및 이상기체와 수소와의 차이를 고려하는 상수를 통합하여 표기한 것을 특징으로 한다.
한편, 상기와 같이 산출된 구간의 수소소모량을 차량의 시동 시점에서부터 시동 종료 시점까지 모두 적산하여 총 수소소모량을 산출할 수 있으며(S120), 그에 따라 수소소모량 산출 단계(S110)가 이루어지기 이전, 즉 차량의 시동 전에 확인된 잔여수소량에서 상기 산출된 총 수소소모량의 차를 계산하여 현재 잔여수소량 또한 산출할 수 있다.
이러한 현재 잔여수소량은 차량의 클러스터에 표시될 수 있으며, 그에 따라 총 수소소모량 및 현재 잔여수소량을 이용하여 차량의 연비 계산 및 잔여 주행거리 표시의 정확성을 높일 수 있고, 소비자의 만족도를 향상시킬 수 있다.
한편, 도 3에 개시된 바와 같이 수소소모량 산출 단계(S110)에서 제1압력은 미리 설정된 초기 압력(PA)이고, 제2압력은 미리 설정된 기준 압력(TB)인 것으로 가정하여, 초기 압력과 기준 압력이 차량의 시동 시점에서 시동 종료 시점까지 일정한 경우에는 해당 구간에 대한 수소소모량은 하기 <수학식>에 의해 계산된다.
<수학식>
수소소모량 = (PB/TB - PA/TA) * V * C
이때, PA는 A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 압력을, PB는 B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 압력을, TA는 A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 온도를, TB는 B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 온도를, V는 연료극 내부 부피를, C는 환산계수를 의미한다.
여기서, 도 3에 개시된 시간 t 는 연료극 내부의 수소 압력이 초기 압력인 PA에서 기준 압력인 PB 까지 증가했다가 다시 초기 압력(P1)에 도달하기까지의 단위 시간으로, 이러한 t 값은 연료전지시스템의 수소 소모량의 영향을 받게 된다.
참고적으로, 만일 수소 공급량을 충분히 많이 하여 초기 압력(PA)에서 기준 압력(PB)에 도달하는 시간을 축소하면, t 값은 연료극 내부의 수소 압력이 기준 압력(PB)에서 초기 압력(PA)에 도달하는 시간에 근사하여 수렴하게 되는데, 이러한 경우 t 값은 연료전지시스템이 수소를 소모하는 시간이 되며, 결과적으로 연료전지시스템이 수소를 많이 소모할 경우(시스템이 전기를 많이 생산하는 경우) 감소하게 되고, 수소를 적게 소모하는 경우 증가하게 된다.
또한, 수소공급량이 충분히 많지 않아 초기 압력(PA)에서 기준 압력(PB)에 도달하는 시간이 유의미하게 길다면, 이 시간동안의 스택 전류 발생량을 이용하여 계산한 수소 소모량을 추가할 경우 계산의 정확성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 PA와 PB는 연료전지시스템의 압력센서를 통해 측정될 수 있으며, TA와 TB 또한 온도센서를 통해 측정될 수 있고, V는 연료전지 스택에 따라 정해진 값이며, C 또한 기체 상수 및 분자량/부피/질량 환산계수에 따라 미리 정해진 상수 값을 의미하기 때문에, 상기와 같이 측정 및 정해진 값을 통해 상기 <수학식>을 이용하여 하나의 구간에 대한 수소소모량을 계산할 수 있다.
이때, 연료전지시스템의 운전 시 연료극 내부 온도는 짧은 시간 내에 급속도로 변하지 않는 경향이 있으므로, "TA ≒ TB ≒ 연료전지 스택온도(T)"로 간주할 수 있으며, 이러한 경우 하나의 구간에 대한 수소소모량은 하기 <수학식>에 의해 간소화될 수 있고, 그에 따라 해당 구간에 수소소모량 계산에 소요되는 제어기의 리소스를 축소할 수도 있다.
<수학식>
수소소모량 = (PB - PA) * V * 1/T * C
여기서, T는 연료전지 스택의 온도를 의미하며, PA, PB, V, C 값은 전술된 <수학식>과 동일하므로 생략하기로 한다.
그리고, 연료전지시스템에 수소를 공급할 때, "PB = PA + CP (CP = 상수)"의 관계가 있는 것으로 가정하면, 하나의 구간에 대한 수소소모량은 하기 <수학식>과 같이 더욱 간소화될 수 있으며, 제어기의 소모 리소스를 최소화함과 동시에 해당 구간에 대한 수소소모량의 연산속도를 더욱 향상시킬 수 있다.
<수학식>
수소소모량 = CP * V * 1/T * C
이러한 <수학식>에서의 CP 는 하나의 구간에서의 기준 압력과 초기 압력의 차이를 의미하며, V, T, C는 전술된 <수학식>에서와 동일하므로 생략하기로 한다.
결과적으로, 본 실시예에서는 전술된 <수학식> 들을 통해 초기 압력 및 기준 압력에 따라 산출된 기준 수소소모량에 수소 공급 및 종료의 반복 횟수를 곱하여 차량의 전체 주행시간동안의 총 수소소모량을 정확하게 산출할 수 있다(S120).
또한, 본 실시예에서는 상기와 같이 측정된 총 수소소모량과 차량의 시동 전 측정된 잔여수소량의 차를 통해 현재 잔여수소량을 결정할 수 있는데, 이러한 경우 현재 잔여수소량을 차량의 클러스터를 통해 확인 및 이전의 잔여수소량과의 차이를 판단하여 온도센서와 압력센서의 정상 작동 여부를 확인할 수도 있다.
이하, 도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법을 보여주는 개념도이고, 도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법에서 총 수소소모량의 산출을 보여주는 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 연료전지 차량에서는 도 2 내지 도 3을 통해 전술된 바와 같이 초기 압력과 기준 압력을 일정하게 유지하는 구간과, 도 5에 도시된 바와 같이 초기 압력을 변화시키는 구간을 복합적으로 적용하는 경우가 대부분이다.
즉, 본 실시예서는 차량 시동 후 연료전지시스템의 출력조건 등과 같은 운전조건에 따라 초기 압력의 증가와 감소가 반복되는 경우, 먼저 연료극 내부에 대한 초기 압력 및 기준 압력을 설정하고, 설정된 초기 압력 및 기준 압력에 따라 산출된 하나의 구간에 대한 기준 수소소모량을 산출한다(S210).
이후, 초기 압력 상태에서 차량을 시동한다(S220).
또한, 초기 압력 상태에서 차량의 시동을 종료한다(S230).
최종적으로, 차량 시동 후 시동 종료까지 수소 공급 및 종료의 반복 횟수를 검출하고, 이러한 반복 횟수와 상기 기준 수소소모량 산출 단계(S210)에서 산출된 기준 수소소모량을 곱하여 총 수소소모량을 산출한다(S240).
상기와 같은 기준 수소소모량 산출 단계(S210)에서 기준 수소소모량은 만일 차량 시동 후 종료까지 기준 압력(PBn)과 초기 압력(PAn)의 차이가 일정한 것으로 가정하면, 하기 <수학식>에 의해 계산될 수 있다.
<수학식>
수소소모량 = (PB - PA) * V * 1/T * C
여기서, PA는 A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 압력을, PB는 B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 압력을, T는 연료전지 스택의 온도를, V 는 연료극 내부 부피를, C 는 환산계수를 의미한다.
이때, 연료극 내부의 부피는 일정하고, 차량의 시동 시점 및 시동 종료 시점에서는 연료전지시스템의 출력이 0이므로, 일반적으로 차량 시동 시점과 시동 종료 시점의 기준 압력은 동일할 수 있다.
또한, 시동 시점에서의 연료극 내부 온도와 시동 종료 시점에서의 연료극 내부 온도는 차이가 발생할 수는 있으나, 그 차이가 매우 미미하므로 무시할 수 있다.
즉, 상기와 같이 차량의 시동 및 시동 종료 시의 압력 값이 동일하므로, PAn 과 PAn+1 의 차이에 의한 수소공급량 차이는 도 5의 그래프에서와 같이 "ΔP = PBn - PAn"가 일정하다는 조건에 의해, 초기 압력의 증가와 감소가 반복됨에 따라 PAn+1 또는 그 이후 시기에 보상되게 되므로, 결국 전체 운전시간 내의 수소 공급량은 초기 압력이 일정할 때와 동일하게 계산될 수 있다.
결과적으로, 본 실시예에서는 연료전지시스템의 초기 압력이 변화됨에 관계없이 기준 수소소모량을 정확하게 계산할 수 있으며, 그에 따라 기준 수소소모량에 이러한 기준 수소소모량이 반복된 횟수를 곱하여 산출된 총 수소소모량 또한 정확하게 계산할 수 있다(S240).
한편, 본 실시예에서는 총 수소소모량 산출 단계(S240) 이후 기저장된 시동 전 잔여수소량과 상기 산출된 총 수소소모량의 차를 통해 현재 잔여수소량을 결정할 수 있으며, 이러한 현재 잔여수소량을 차량의 클러스터에 표시되도록 하여 잔여 주행거리 표시의 정확성을 높일 수 있고, 그에 따라 소비자의 만족도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은, 연료전지 스택에 공급되는 수소를 특정한 압력 패턴으로 공급하고, 이를 통해 형성된 삼각파의 발생 횟수와 그에 따른 하나의 수소소모량을 계산하여 주행시간 동안의 연료전지시스템에서 소모되는 총 수소소모량을 정확하게 측정함으로써, 차량의 연비 계산 및 잔여 주행거리 표시의 정확성을 높일 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 측정된 수소소모량과 수소 탱크의 온도 및 압력을 이용하여 산출된 기준 수소소모량을 비교하여 수소 탱크에 장착된 온도센서 및 압력센서의 정상 작동 여부를 확인할 수 있는 효과를 갖는다.
이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
10 : 연료전지 스택 20 : 수소 탱크
30 : 레귤레이터 40 : 수소 공급밸브
50 : 압력센서 60 : 제어기
70 : 워터트랩 80 : 드레인 밸브
90 : 퍼지 밸브

Claims (15)

  1. (a) 연료극 내부로 수소가 공급되는 시점의 제1압력과, 수소 공급이 종료되는 시점의 제2압력으로부터 해당 구간의 수소소모량을 산출하는 단계; 및
    (b) 각 구간 별 수소소모량을 적산하여 총 수소소모량을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 구간의 수소소모량은 하기 <수학식>에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
    <수학식>
    수소소모량 = (PBn/TBn - PAn/TAn) * V * C
    PA : AN 지점(수소 공급 시점)에서 연료극 내부 압력,
    PB : BN 지점(수소 공급 종료 시점)에서 연료극 내부 압력,
    TA : AN 지점(수소 공급 시점)에서 연료극 내부 온도,
    TB : BN 지점(수소 공급 종료 시점)에서 연료극 내부 온도,
    V : 연료극 내부 부피,
    C : 환산계수임.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 제1압력은 미리 설정된 초기 압력이고, 제2압력은 미리 설정된 기준 압력인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 구간의 수소소모량은 하기 <수학식>에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
    <수학식>
    수소소모량 = (PB/TB - PA/TA) * V * C
    PA : A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 압력,
    PB : B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 압력,
    TA : A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 온도,
    TB : B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 온도,
    V : 연료극 내부 부피,
    C : 환산계수임.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 구간의 수소소모량은 상기 기준 압력에서의 연료극 내부 온도와 상기 초기 압력에서의 연료극 내부 온도가 동일한 온도인 것으로 가정하면, 하기 <수학식>에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
    <수학식>
    수소소모량 = (PB - PA) * V * 1/T * C
    PA : A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 압력,
    PB : B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 압력,
    T : 연료전지 스택 내부 온도,
    V : 연료극 내부 부피,
    C : 환산계수임.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 구간의 수소소모량은 "PB = PA + CP (CP = 상수)"의 관계가 있는 것으로 가정하면, 하기 <수학식>에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
    <수학식>
    수소소모량 = CP * V * 1/T * C
    CP : 사이클 생성 시 최대 압력과 기준 압력의 차이,
    V : 연료극 내부 부피,
    T : 연료전지 스택 내부 온도
    C : 환산계수임.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에, 차량의 시동 전 수소 탱크 내 잔여수소량을 확인하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 (b) 단계 이후, 상기 잔여수소량에서 상기 총 수소소모량의 차를 산출하여 현재 잔여수소량을 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 현재 잔여수소량을 차량의 클러스터에 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 (b) 단계는 차량의 시동 시점에서 시동 종료 시점까지의 총 수소소모량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 총 수소소모량은 상기 초기 압력 및 상기 기준 압력에 따라 산출된 기준 수소소모량에 수소 공급 및 종료의 반복 횟수를 곱하여 산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
  12. (a) 연료극 내부에 대한 초기 압력 및 기준 압력을 설정하고, 상기 초기 압력 및 상기 기준 압력에 따라 산출된 기준 수소소모량을 산출하는 단계;
    (b) 상기 초기 압력 상태에서 차량을 시동하는 단계;
    (c) 상기 초기 압력 상태에서 차량의 시동을 종료하는 단계; 및
    (d) 차량 시동 후 종료까지 수소 공급 및 종료의 반복 횟수를 검출하고, 상기 반복 횟수에 상기 기준 수소소모량을 곱하여 총 수소소모량을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 기준 수소소모량은 차량 시동 후 종료까지 상기 기준 압력과 상기 초기 압력의 차이가 일정한 것으로 가정하면, 하기 <수학식>에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
    <수학식>
    수소소모량 = (PB - PA) * V * 1/T * C
    PA : A 지점(초기 압력)에서 연료극 내부 압력,
    PB : B 지점(기준 압력)에서 연료극 내부 압력,
    T : 연료전지 스택 내부 온도,
    V : 연료극 내부 부피,
    C : 환산계수임.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후 기저장된 시동 전 잔여수소량과 상기 총 수소소모량의 차를 통해 현재 잔여수소량을 결정하는 (e) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 (e) 단계 이후에 상기 현재 잔여수소량을 차량의 클러스터에 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소소모량 측정 방법.
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