KR20170134130A - Air supply system and control method of fuel cell - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a control method of an air supply system of a fuel cell, which comprises the following steps: deriving a relative humidity target value based on the cell voltage deviation and the stack current-voltage characteristics of a fuel cell stack in a control unit; and controlling the air supply system of a fuel cell including an air blower according to the relative humidity target value at the control unit.

Description

연료전지 공기 공급 시스템 및 그 제어방법{AIR SUPPLY SYSTEM AND CONTROL METHOD OF FUEL CELL}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a fuel cell air supply system,

본 발명은 연료전지 구동에 따른 셀전압과 스택 전류-전압 특성의 변화를 이용하여 가장 효율적인 연료전지 스택 내부의 상대습도값을 도출하여 연료전지 스택 내부 습도를 적절하게 유지할 수 있는 연료전지 공기 공급 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell air supply system capable of appropriately maintaining the humidity inside the fuel cell stack by deriving the relative humidity value of the inside of the fuel cell stack most efficiently using the change of the cell voltage and the stack current- And a control method thereof.

최근 화석 연료의 고갈 및 환경 오염의 문제로 인하여 대체 어네지에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 수소와 산소의 반응으로 전기를 발생시키는 연료전지의 경우 원료를 쉽게 구할 수 있고, 환경오염의 문제가 거의 없다는 점에서 대체에너지원으로 각광받고 있다.Recently, due to the exhaustion of fossil fuels and environmental pollution, interest in alternatives has increased. Particularly, fuel cells that generate electricity by the reaction of hydrogen and oxygen can easily obtain raw materials, and they are attracting attention as alternative energy sources in that they have little environmental pollution problem.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변호나시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동영 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.Fuel cells are a type of power generation system that reacts electrochemically in the fuel cell stack to convert it into electrical energy without changing the chemical energy of the fuel to heat by combustion. It is a kind of power generation device that not only supplies power for industrial, It can also be applied to the electric power supply of electric / electronic products, especially portable devices.

이러한 연료전지의 예로 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체, 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층, 반응기체들 및 냉가수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구 그리고 반응ㄱ이체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판을 포함하여 구성된다.The polymer electrolyte membrane fuel cell, which is the most studied as a power source for driving a vehicle, is a membrane electrode assembly with a catalyst electrode layer on both sides of the electrolyte membrane, A gas diffusion layer that distributes the gases evenly and transmits the generated electrical energy, a gasket and a fastening mechanism for maintaining the airtightness of the reaction gases and cold syringes, the proper tightening pressure, and the separation for moving the reactants and the cooling water Plate.

연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 공기가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드와 캐소드로 각각 공급되는데 수소는 애노드로 공급되고 공기는 캐소드로 공급된다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매레 의해 수소 이온과 전자로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.Hydrogen in the fuel cell and air as the oxidant are supplied to the anode and the cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator plate, respectively. Hydrogen is supplied to the anode and air is supplied to the cathode. The hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions and electrons by the catalytic action of the electrode layer formed on both sides of the electrolyte membrane. Only the hydrogen ions are selectively transmitted to the cathode through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane, And is transferred to the cathode through the diffusion layer and the separator plate.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supplying device to generate water. At this time, the flow of electrons through the external conductor occurs due to the movement of hydrogen ions, and a current is generated by the flow of electrons.

따라서 이러한 연료전지의 발전 원리에 비추어 볼 때 연료전지에 공기를 공급하는 시스템은 연료전지 내에서 매우 중요한 시스템에 해당하며 연료전지를 이용한 차량이나 발전시스템 등에서 연료전지에 공기를 공급하는 방법으로는 대부분 공기블로어를 이용해 반응에 필요한 공기를 공급해주는 방법을 이용한다.Therefore, in view of the power generation principle of such a fuel cell, a system for supplying air to the fuel cell corresponds to a very important system in the fuel cell, and most of the methods for supplying air to the fuel cell in a vehicle or a power generation system using the fuel cell A method of supplying air necessary for the reaction using an air blower is used.

연료전지로 공급되는 공기의 양이 많은수록 연료전지는 더 많은 출력을 전력을 내게 된다. 하지만 더 많은 공기의 공급을 위해 공기압축기를 동작시키는 경우, 이에 따른 손실이 존재하기 때문에 얻을 수 있는 출력전력이득은 감소할 수 있다. 따라서 연료전지 시스템의 효율 및 내구성 측면에서 연료전지로 공급되는 공기의 공급 양을 적절히 제어하는 것은 매우 중요한 요소이다.The greater the amount of air supplied to the fuel cell, the more power the fuel cell will output. However, when operating the air compressor for more air supply, the resulting output power gain can be reduced because of the losses there. Therefore, it is very important to appropriately control the amount of air supplied to the fuel cell in terms of efficiency and durability of the fuel cell system.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.

KR 2004-0000725 AKR 2004-0000725 A

본 발명은 연료전지 공기 공급 시스템의 불확실성에서 적응 가능한 셀전압 편차 정보 및 스택 전류-전압 특성 정보에 기반하여 스택내부의 상대습도목표값을 도출해 셀전압의 균일도를 개선할 수 있는 연료전지 공기 공급 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention relates to a fuel cell air supply system capable of improving the uniformity of the cell voltage by deriving a relative humidity target value within the stack based on adaptable cell voltage deviation information and stack current- voltage characteristic information in the uncertainty of the fuel cell air supply system And a control method thereof.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법은 제어부에서 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성에 기반하여 상대습도목표값을 도출하는 단계; 및 제어부에서 상기 상대습도목표값에 따라 공기블로어를 포함하는 연료전지 공기 공급 시스템을 제어하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for controlling a fuel cell air supply system, the method including: deriving a relative humidity target value based on a cell voltage deviation and a stack current-voltage characteristic of a fuel cell stack in a control unit; And controlling the fuel cell air supply system including the air blower according to the relative humidity target value at the control unit.

상기 상대습도목표값을 도출하는 단계는, 제어부에서 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성을 감지하는 단계; 제어부에서 상기 셀전압 편차가 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 셀전압 편차 인자와 상기 전류-전압 특성이 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 전류-전압 특성 인자를 도출하는 단계; 제어부에서 상기 셀전압 편차 인자를 기설정된 셀전압 편차 기준값에 적용하여 셀전압 편차 가중치를 도출하고, 상기 전류-전압 특성 인자를 기설정된 전류-전압 특성 기준값에 적용하여 전류-전압 특성 가중치를 도출하는 단계; 및 제어부에서 상기 셀전압 편차 가중치와 상기 전류-전압 특성 가중치를 이용하여 상대습도목표값을 도출하는 단계;를 포함한다.Wherein deriving the relative humidity target value comprises: sensing a cell voltage deviation and a stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack in a control unit; Deriving a cell voltage deviation factor at which the cell voltage deviation affects the stack relative humidity change and a current-voltage characteristic factor at which the current-voltage characteristic affects the stack relative humidity change; The control unit derives the cell voltage deviation weight by applying the cell voltage deviation factor to a preset cell voltage deviation reference value and derives the current-voltage characteristic weight by applying the current-voltage characteristic factor to the predetermined current-voltage characteristic reference value step; And deriving a relative humidity target value using the cell voltage deviation weight and the current-voltage characteristic weight in a control unit.

상기 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성 감지단계는, 연료전지 스택 출력전류가 기설정된 전류기준값 이상이고 연료전지 스택에 공기가 공급되는 경우에, 제어부에서 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성을 감지하는 것을 특징으로 한다.Wherein the step of sensing the cell voltage deviation and the stack current-voltage characteristic includes the steps of: when the fuel cell stack output current is equal to or greater than a predetermined current reference value and air is supplied to the fuel cell stack, And the voltage characteristic is detected.

상기 셀전압 편차 가중치는 상기 셀전압 편차 인자에서 상기 셀전압 편차 기준값을 감산하여 도출하며, 상기 전류-전압 특성 가중치는 상기 전류-전압 특성 인자에서 상기 전류-전압 특성 기준값을 감산하여 도출하는 것을 특징으로 한다.Wherein the cell voltage deviation weight is derived by subtracting the cell voltage deviation reference value from the cell voltage deviation value, and the current-voltage characteristic weight is derived by subtracting the current-voltage characteristic reference value from the current- .

상기 상대습도목표값 도출 단계는, 제어부에서 상기 셀전압 편차 가중치를 상기 셀전압 편차 기준값에 적용하여 셀전압 편차 보정값을 도출하고 상기 전류-전압 특성 가중치를 상기 전류-전압 특성 기준값에 적용하여 전류-전압 특성 보정값을 도출하는 단계; 및 제어부에서 상기 셀전압 편차 보정값과 상기 전류-전압 특성 보정값을 이용하여 상대습도목표값을 도출하는 단계;를 포함한다.The relative humidity target value deriving step may include deriving a cell voltage deviation correction value by applying the cell voltage deviation weight value to the cell voltage deviation reference value in a control unit, applying the current-voltage characteristic weight value to the current- Deriving a voltage characteristic correction value; And deriving a relative humidity target value using the cell voltage deviation correction value and the current-voltage characteristic correction value in the control unit.

상기 상대습도목표값을 도출하는 단계 이후에는, 제어부에서 상기 셀전압 편차 보정값을 새로운 셀전압 편차 기준값으로 재설정하고 상기 셀전압 전류-전압 특성 보정값을 새로운 전류-전압 특성 기준값으로 재설정하는 단계;를 포함한다.Resetting the cell voltage deviation correction value to a new cell voltage deviation reference value and resetting the cell voltage current-voltage characteristic correction value to a new current-voltage characteristic reference value after deriving the relative humidity target value; .

본 발명에 따른 연료전지 공기 공급 시스템은 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기블로어; 및 상기 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성에 기반하여 상대습도목표값을 도출하고, 상기 상대습도목표값에 따라 상기 공기블로어의 유량을 제어하는 제어부;를 포함한다.A fuel cell air supply system according to the present invention includes a fuel cell stack; An air blower for supplying air to the fuel cell stack; And a controller for deriving a relative humidity target value based on the cell voltage deviation and the stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack, and controlling the flow rate of the air blower according to the relative humidity target value.

상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성을 감지하고, 상기 셀전압 편차가 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 셀전압 편차 인자와 상기 전류-전압 특성이 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 전류-전압 특성 인자를 도출하며, 상기 셀전압 편차 인자를 기설정된 셀전압 편차 기준값에 적용하여 셀전압 편차 가중치를 도출하고, 상기 전류-전압 특성 인자를 기설정된 전류-전압 특성 기준값에 적용하여 전류-전압 특성 가중치를 도출하고, 상기 셀전압 편차 가중치와 상기 전류-전압 특성 가중치를 이용하여 상대습도목표값을 도출하는 것을 특징으로 한다.Wherein the control unit senses a cell voltage deviation and a stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack, and the cell voltage deviation factor in which the cell voltage deviation affects the stack relative humidity change and the current- Voltage characteristic factor, and derives a cell voltage deviation weight by applying the cell voltage deviation factor to a predetermined cell voltage deviation reference value, and outputs the current-voltage characteristic factor to a predetermined current-voltage characteristic reference value To derive a current-voltage characteristic weight value, and derive a relative humidity target value by using the cell voltage deviation weight value and the current-voltage characteristic weight value.

본 발명에 따를 경우 셀전압의 균일도를 개선할 수 있어 연료전지의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지 스택 주변의 인자들에 의하여 연료전지가 영향을 받는 경우, 이러한 외란 인자를 반영한 연료전지 시스템 제어가 가능해지므로 연료전지 시스템 제어의 실시간 응답성이 향상될 수 있다.According to the present invention, the uniformity of the cell voltage can be improved and the performance and durability of the fuel cell can be improved. In addition, when the fuel cell is influenced by the factors surrounding the fuel cell stack, Since the fuel cell system control is enabled, the real-time responsiveness of the fuel cell system control can be improved.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법의 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법 구성단계 적용 그래프
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 공기 공급 시스템의 구성도
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법의 순서도1 is a flowchart of a method of controlling a fuel cell air supply system according to a first embodiment of the present invention
FIG. 2 is a graph showing the application step of the method of controlling the fuel cell air supply system according to the embodiment of the present invention
3 is a schematic diagram of a fuel cell air supply system according to an embodiment of the present invention
4 is a flowchart of a method of controlling a fuel cell air supply system according to a second embodiment of the present invention

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법은 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 제어부(30)에서 연료전지 스택(10)의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성을 감지하는 단계(S10); 제어부(30)에서 상기 셀전압 편차가 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 셀전압 편차 인자와 상기 전류-전압 특성이 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 전류-전압 특성 인자를 도출하는 단계(S20); 제어부(30)에서 상기 셀전압 편차 인자를 기설정된 셀전압 편차 기준값에 적용하여 셀전압 편차 가중치를 도출하고, 상기 전류-전압 특성 인자를 기설정된 전류-전압 특성 기준값에 적용하여 전류-전압 특성 가중치를 도출하는 단계(S30);를 포함한다.The method of controlling a fuel cell air supply system according to the present invention comprises the steps of: (S10) sensing a cell voltage deviation and a stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack 10 in a control unit 30 as shown in FIG. 1; (S20) of deriving a cell voltage deviation factor in which the cell voltage deviation affects the stack relative humidity change and a current-voltage characteristic factor in which the current-voltage characteristic affects the stack relative humidity change in the control unit (30); The control unit 30 derives a cell voltage deviation weight by applying the cell voltage deviation factor to a preset cell voltage deviation reference value and applies the current-voltage characteristic factor to a preset current-voltage characteristic reference value to obtain a current- (Step S30).

셀전압 편차, 전류-전압 특성 감지 단계(S10)를 통해 스택 셀전압 편차와 전류-전압 특성을 감지하게 되는데, 이 두 인자를 기반으로 연료전지 스택(10) 내부의 상대습도목표값을 도출해 연료전지 공기 공급 시스템을 이에 맞추어 제어하기 위함이다.The cell voltage deviation and the current-voltage characteristic detection step S10 are used to detect the stack cell voltage deviation and the current-voltage characteristic. Based on these two factors, the relative humidity target value in the fuel cell stack 10 is derived, To control the battery air supply system accordingly.

상대습도목표값을 도출하기 위한 인자로 다양한 변수의 활용이 가능할 것이다. 예를들어 외기온도 또는 연료전지 요구 출력 등을 고려할 수 있을 것이다. 그러나 본 발명에서는 현재의 연료전지 상태를 가장 정확하게 추정할 수 있는 요소인 연료전지 셀전압 편차와 전류-전압 특성을 이용하도록 한다.Various parameters can be used as a factor to derive the relative humidity target value. For example, outside temperature or fuel cell power output may be considered. However, in the present invention, the fuel cell cell voltage deviation and the current-voltage characteristic, which are factors that can most accurately estimate the current fuel cell state, are utilized.

셀전압 편차는 연료전지 스택(10)을 구성하고 있는 각 셀전압과 셀전압 평균의 차이를 의미하는 것으로 각 셀들의 정확한 상태를 파악할 수 있는 요소가 된다. 또한 전류-전압 특성은 연료전지 출력전류와 출력전압간의 관계를 의미하는 것으로 연료전지 열화도 및 성능 등을 판단하는데 있어서 매우 중요한 요소가 된다. 따라서 본 발명에서는 이 두 가지 인자를 선택하여 상대습도 목표값을 도출하는 방법을 제시하고 있는 것이다. 연료전지 스택(10)의 셀전압 편차와 전류-전압 특성은 다양한 방법을 통하여 감지가 가능한데, 일반적으로 스택 셀전압 편차의 경우에는 각 셀의 셀전압을 측정해 감지할 수 있을 것이며 스택 전류-전압 특성은 스택의 출력전류와 출력전압을 측정하여 도출될 수 있을 것이다.The cell voltage deviation means a difference between each cell voltage constituting the fuel cell stack 10 and the cell voltage average, which is an element for grasping the accurate state of each cell. In addition, the current-voltage characteristic means a relation between the output current of the fuel cell and the output voltage, which is a very important factor in determining the fuel cell deterioration and performance. Accordingly, the present invention proposes a method of deriving the relative humidity target value by selecting these two factors. The cell voltage deviation and the current-voltage characteristic of the fuel cell stack 10 can be detected through various methods. Generally, in the case of the stack cell voltage deviation, the cell voltage of each cell can be measured and sensed, The characteristics may be derived by measuring the output current and output voltage of the stack.

다만 상기 셀전압 편차, 전류-전압 특성 감지단계(S10)는 연료전지 스택(10) 출력전류가 기설정된 전류기준값 이상이고 연료전지 스택(10)에 공기가 공급되는 경우에, 스택 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성을 감지하는 것이 바람직할 것이다.However, when the output current of the fuel cell stack 10 is equal to or greater than a predetermined current reference value and air is supplied to the fuel cell stack 10, the cell voltage deviation, current-voltage characteristic detection step S10, It would be desirable to sense the stack current-voltage characteristic.

왜냐하면 스택 출력전류가 낮은 경우에는 전류-전압 특성이 스택의 내부저항 특성이 나타나는 선형적인 구간 이전의 구간 즉, 반응활성화에 의한 손실이 특성으로 나타나는 구간이므로 이 구간에서는 스택 내부저항을 도출할 수 없기 때문이다.(연료전지 스택(10)의 상대습도를 조절하는 가장 큰 이유는 스택 내부저항에 의해 발생되는 발열에 의하여 스택 내부가 건조해 질 수 있기 때문이므로 스택 내부의 상대습도를 추정함에 있어 스택 내부저항은 가장 중요한 변수에 해당한다.) 더불어 연료전지 스택(10)에 공기 공급이 이루어지는 경우에 스택 셀전압을 측정하는 이유는 스택 내부에 공기 공급이 차단되는 경우에는 연료전지 스택(10)의 발전이 중지되므로 스택 셀전압 편차 자체를 감지할 수 없게 되기 때문이다. 따라서 본 발명에 따른 제어방법에 활용되는 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성은 연료전지 아이들 스탑 상태와 같이 연료전지 스택(10)에 공기 공급이 차단되지 않는 경우여야 하는 것이다.This is because, when the stack output current is low, the current-voltage characteristic is a period in which the internal resistance characteristic of the stack appears, that is, a period before the linear interval, that is, a loss due to the reaction activation. (The reason for controlling the relative humidity of the fuel cell stack 10 is because the inside of the stack can be dried due to the heat generated by the internal resistance of the stack. Therefore, in estimating the relative humidity inside the stack, The reason for measuring the stack cell voltage when the air supply to the fuel cell stack 10 is performed is to measure the voltage of the fuel cell stack 10 when the air supply to the stack is interrupted. Since the power generation is stopped, the stack cell voltage deviation itself can not be detected. Therefore, the cell voltage deviation and the stack current-voltage characteristic used in the control method according to the present invention should be such that the air supply to the fuel cell stack 10 is not blocked as in the case of the fuel cell idle stop state.

각 셀의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성이 감지되었다면, 상기 셀전압 편차가 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 셀전압 편차 인자와, 상기 전류-전압 특성이 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 전류-전압 특성 인자를 도출하는 단계(S20)를 수행하게 된다.If a cell voltage deviation and a stack current-voltage characteristic of each cell are sensed, a cell voltage deviation factor in which the cell voltage deviation affects the stack relative humidity change and a current-voltage characteristic that affects the stack relative humidity change - step S20 of deriving the voltage characteristic factor.

앞서 언급하였듯이 스택 내부의 상대습도는 다양한 변수들에 의하여 영향을 받는데, 본 발명에서는 그 중 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성을 변수로써 이용하는 방법을 선택하였는바, 본 단계를 통하여 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성이 스택 상대습도에 어느 정도의 영향을 주는지를 수치화한 셀전압 편차 인자와 전류-전압 특성 인자를 도출하는 것이다. 상기 셀전압 편차 인자와 전류-전압 특성 인자를 도출하는 방법으로는 Moving average, Normalization, Least mean square 방법등 다양한 방법이 존재할 수 있을 것이다.As described above, the relative humidity inside the stack is affected by various variables. In the present invention, a method of using the cell voltage deviation and the stack current-voltage characteristic as variables is selected. The cell voltage deviation factor and the current-voltage characteristic factor are obtained by quantifying how much the stack current-voltage characteristic affects the stack relative humidity. As a method of deriving the cell voltage deviation factor and the current-voltage characteristic factor, there may be various methods such as moving average, normalization, and Least mean square method.

도2에서 셀전압 편차 인자, 전류-전압 특성 인자 도출단계(S20)를 통해 도출된 전류-전압 특성 인자와 셀전압 편차 인자를 도시하고 있다. 전류-전압 특성인자를 전류-전압 특성에 따라 도2 (a)의 위에 있는 그래프의 형태를 띄게 되며, 셀전압 편차 인자는 셀전압 편차에 따라 도2 (a)의 아래에 있는 그래프의 형태를 띄게 될 것이다.Voltage characteristic factor and cell voltage deviation factor derived from the cell voltage deviation factor and the current-voltage characteristic factor derivation step (S20) in FIG. The current-voltage characteristics are plotted according to the current-voltage characteristic, and the cell voltage deviation factor is represented by the graph of FIG. 2 (a) according to the cell voltage deviation. It will be.

스택 상대습도(혹은 스택 내부저항)에 셀전압 편차와 전류-전압 특성이 영향을 미치는 정도인 셀전압 편차 인자와 전류-전압 특성 인자가 도출되었다면 이에 기반하여 셀전압 편차 가중치와 전류-전압 특성 가중치를 도출하게 된다. 구체적으로 상기 셀전압 편차 가중치는 상기 셀전압 편차 인자에서 상기 셀전압 편차 기준값을 감산하여 도출하며, 상기 전류-전압 특성 가중치는 상기 전류-전압 특성 인자에서 상기 전류-전압 특성 기준값을 감산하여 도출할 것이다. 여기서의 셀전압 편차 기준값과 전류-전압 특성 기준값은 본 발명에 따른 스택 내부 상대습도를 결정하는데 이용된 셀전압 편차 인자값과 전류-전압 특성 인자값을 의미할 것이다. 즉, 이를 통해서 본 발명은 이전의 스택 셀전압 편차 인자와 전류-전압 특성 인자를 현재의 스택 셀전압 편차 인자와 전류-전압 특성 인자와 비교하여 가중치를 도출함으로써 연료전지 공기 공급 시스템의 제어를 이전에 비해 어떤 방향으로 제어할 것인지를 결정할 수 있게 되는 것이다. 도2 (b)에서 본 발명에 따른 셀전압 편차 가중치, 전류-전압 가중치 도출단계(S30)에 따른 가중치를 도출한 일례를 도시하고 있다. 도2 (b)에서 도시하고 있는 바와 같이 현재의 셀전압 편차 인자 또는 전류-전압 특성 인자가 기존의 셀전압 편차와 전류-전압 특성과 큰 차이가 없다면 가중치는 0이 될 것이고 차이가 크다면 그 가중치도 따라 커질 것이다.If the cell voltage deviation factor and the current-voltage characteristic factor, which are the degree to which the cell voltage deviation and the current-voltage characteristic influence the stack relative humidity (or the stack internal resistance), are derived, the cell voltage deviation weight value and the current- . Specifically, the cell voltage deviation weight is derived by subtracting the cell voltage deviation reference value from the cell voltage deviation reference value, and the current-voltage characteristic weight is calculated by subtracting the current-voltage characteristic reference value from the current-voltage characteristic factor will be. Here, the cell voltage deviation reference value and the current-voltage characteristic reference value will refer to the cell voltage deviation factor value and the current-voltage characteristic factor value used to determine the relative humidity inside the stack according to the present invention. That is, the present invention compares the previous stack cell voltage deviation factor and the current-voltage characteristic factor with the current stack cell voltage deviation factor and current-voltage characteristic factor to derive a weight value, thereby controlling the fuel cell air supply system It is possible to determine in which direction the control is to be performed. FIG. 2 (b) shows an example of deriving a weight according to the cell voltage deviation weight and the current-voltage weight derivation step S30 according to the present invention. As shown in FIG. 2 (b), if the current cell voltage deviation factor or the current-voltage characteristic factor does not greatly differ from the existing cell voltage deviation and the current-voltage characteristic, the weight value will be zero. The weights will also increase.

이와 같이 셀전압 편차와 전류-전압 특성의 가중치를 도출하였다면 이후에는 제어부(30)에서 상기 셀전압 편차 가중치를 상기 셀전압 편차 기준값에 적용하여 셀전압 편차 보정값을 도출하고 상기 전류-전압 특성 가중치를 상기 전류-전압 특성 기준값에 적용하여 전류-전압 특성 보정값을 도출하는 단계(S40); 및 제어부(30)에서 상기 셀전압 편차 보정값과 상기 전류-전압 특성 보정값을 이용하여 상대습도목표값을 도출하는 단계(S50);를 수행하게 된다.If weights of the cell voltage deviation and the current-voltage characteristic are derived as described above, the control unit 30 then applies the cell voltage deviation weight to the cell voltage deviation reference value to derive the cell voltage deviation correction value, (S40) of applying a current-voltage characteristic correction value to the current-voltage characteristic reference value to derive a current-voltage characteristic correction value; And deriving a relative humidity target value by using the cell voltage deviation correction value and the current-voltage characteristic correction value in the control unit (S50).

도2 (c)에서 상기 셀전압 편차 보정값, 전류-전압 특성 보정값 도출단계(S40)에 의하여 도출된 셀전압 편차 보정값과 전류-전압 특성 보정값을 도시하고 있는데, 도2 (c)의 경우는 셀전압 편차 가중치, 전류-전압 가중치 도출단계(S30)에서 전류-전압 특성 가중치는 양수의 값으로 도출되고 셀전압 편차 가중치는 음수의 값으로 도출된 경우에 해당한다. 따라서 전류-전압 특성 보정값은 전류-전압 특성 인자에 비하여 큰 값을 가지게 되며, 셀전압 편차 보정값은 셀전압 편차 인자에 비하여 작은 값을 가지게 됨을 도2 (a)와 (c)의 비교를 통해 알 수 있다.The cell voltage deviation correction value and the current-voltage characteristic correction value derived by deriving the cell voltage deviation correction value and the current-voltage characteristic correction value S40 are shown in FIG. 2 (c) , The current-voltage characteristic weight is derived as a positive value and the cell voltage deviation weight is derived as a negative value in the current-voltage weight derivation step (S30). 2 (a) and 2 (c) show that the current-voltage characteristic correction value has a larger value than the current-voltage characteristic factor, and the cell voltage deviation correction value has a smaller value than the cell voltage deviation factor .

이후 상대습도목표값 도출단계(S50)에서는 셀전압 편차 보정값, 전류-전압 특성 보정값 도출단계(S40)를 통해 도출된 셀전압 편차 보정값과 전류-전압 특성 보정값을 이용하여 상대습도목표값을 도출하게 되는데, 도출하는 방법으로는 스택 내부저항을 상기 셀전압 편차 보정값과 전류-전압 특성 보정값을 이용하여 도출함으로써 상대습도목표값을 도출하는 방법을 고려해 볼 수 있을 것이다.Thereafter, in the relative humidity target value deriving step S50, the cell voltage deviation correction value and the current-voltage characteristic correction value derived from the current-voltage characteristic correction value deriving step S40 and the current- A method of deriving the relative humidity target value by deriving the internal resistance of the stack using the cell voltage deviation correction value and the current-voltage characteristic correction value may be considered as a method of deriving the relative humidity target value.

상대습도목표값을 도출하였다면 이후에는 공기 공급 시스템 제어 단계(S60)를 통해 제어부(30)에서 상기 상대습도목표값에 따라 공기블로어(20)를 포함하는 연료전지 공기 공급 시스템을 제어하여 스택 내부의 상대습도가 상대습도목표값이 되도록 제어하여 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있을 것이다. 여기서의 공기 공급 시스템의 제어는 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기의 유량을 제어한다는 의미로 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하는 공기블로어(20)를 제어하는 것과 동일한 의미로 볼 수 있을 것이다.If the relative humidity target value is derived, the control unit 30 controls the fuel cell air supply system including the air blower 20 according to the relative humidity target value through the air supply system control step S60, The performance and durability of the stack can be improved by controlling the relative humidity to be the relative humidity target value. Here, the control of the air supply system is equivalent to controlling the air blower 20 that supplies air to the fuel cell stack 10 in the sense of controlling the flow rate of the air supplied to the fuel cell stack 10 There will be.

또한 본 발명에 따를 경우 도4에서 도시하고 있는 바와 같이 상대습도목표값 도출단계(S50) 이후에 제어부(30)에서 상기 셀전압 편차 보정값을 새로운 셀전압 편차 기준값으로 재설정하고 상기 셀전압 전류-전압 특성 보정값을 새로운 전류-전압 특성 기준값으로 재설정하는 단계(S90);를 포함할 수 있는데, 이를 통해 셀전압 편차 가중치와 전류-전압 가중치를 도출하는데 이용되는 셀전압 편차 기준값과 전류-전압 특성 기준값이 실시간으로 업데이트 될 수 있으므로 연료전지의 발전에 따라 연료전지 스택(10) 성능에 변화가 있더라도 실시간으로 이에 대응하여 연료전지 시스템의 공기 공급을 적절히 제어할 수 있게 된다.According to the present invention, as shown in FIG. 4, after the relative humidity target value deriving step S50, the controller 30 resets the cell voltage deviation correction value to a new cell voltage deviation reference value, (S90) of resetting the voltage characteristic correction value to a new current-voltage characteristic reference value, whereby the cell voltage deviation reference value and the current-voltage characteristic reference value used to derive the current- The reference value can be updated in real time, so that even if the performance of the fuel cell stack 10 changes due to the development of the fuel cell, the air supply of the fuel cell system can be properly controlled in real time.

또한 이 경우에는 연료전지 시스템이 오프된다 하더라도 도4에 도시된 바와 같이 셀전압 편차 기준값, 전류-전압 편차 기준값 확인단계(S70)를 통해 상기 재설정 단계(S90)를 통해 수정된 셀전압 편차 기준값과 전류-전압 특성 기준값이 차기 연료전지 공기블로어(20) 제어에 반영되고, 셀전압 편차 오차, 전류-전압 편차 오차 확인단계(S80)를 통해 확인된 오차값을 차기의 셀전압 편차 인자 및 전류-전압 특성 인자 도출하는데 활용하여 상대습도 목표값을 더 정확하게 도출할 수 있게 된다.In this case, even if the fuel cell system is turned off, the cell voltage deviation reference value, the corrected cell voltage deviation reference value through the resetting step S90 through the current-voltage deviation reference value checking step S70, Voltage characteristic reference value is reflected in the control of the next fuel cell air blower 20 and the error value confirmed through the cell voltage deviation error and current-voltage deviation error checking step S80 is compared with the next cell voltage deviation factor and current- It is possible to derive the relative humidity target value more accurately by utilizing it to derive the voltage characteristic factor.

더불어 본 발명에 따른 연료전지 공기 공급 시스템은 도3에서 도시하고 있는 바와 같이 연료전지 스택(10); 상기 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하는 공기블로어(20); 및 상기 연료전지 스택(10)의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성에 기반하여 상대습도목표값을 도출하고, 상기 상대습도목표값에 따라 상기 공기블로어(20)의 유량을 제어하는 제어부(30);를 포함할 수 있을 것이다.In addition, the fuel cell air supply system according to the present invention includes a fuel cell stack 10 as shown in FIG. 3; An air blower (20) for supplying air to the fuel cell stack (10); And a controller 30 for deriving a relative humidity target value based on the cell voltage deviation and the stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack 10 and controlling the flow rate of the air blower 20 according to the relative humidity target value ); ≪ / RTI >

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 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.Although the present invention has been shown and described with respect to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. It will be obvious to those who have knowledge of.

S10: 셀전압 편차, 전류-전압 특성 감지단계
S20: 셀전압 편차 인자, 전류-전압 특성 인자 도출단계
S30: 셀전압 편차 가중치, 전류-전압 특성 가중치 도출단계
S40: 셀전압 편차 보정값, 전류-전압 특성 보정값 도출단계
S50: 상대습도목표값 도출단계
S60: 공기 공급 시스템 제어단계
10: 연료전지 스택 20: 공기블로어
30: 제어부S10: Cell voltage deviation, current-voltage characteristic detection step
S20: cell voltage deviation factor, current-voltage characteristic factor derivation step
S30: cell voltage deviation weight, current-voltage characteristic weight derivation step
S40: cell voltage deviation correction value, current-voltage characteristic correction value derivation step
S50: Relative humidity target value derivation step
S60: air supply system control step
10: Fuel cell stack 20: Air blower
30:

Claims (8)

제어부에서 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성에 기반하여 상대습도목표값을 도출하는 단계; 및
제어부에서 상기 상대습도목표값에 따라 공기블로어를 포함하는 연료전지 공기 공급 시스템을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법.Deriving a relative humidity target value based on the cell voltage deviation and the stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack in the control unit; And
And controlling the fuel cell air supply system including the air blower according to the relative humidity target value at the control unit. 청구항 1에 있어서,
상기 상대습도목표값을 도출하는 단계는,
제어부에서 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성을 감지하는 단계;
제어부에서 상기 셀전압 편차가 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 셀전압 편차 인자와 상기 전류-전압 특성이 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 전류-전압 특성 인자를 도출하는 단계;
제어부에서 상기 셀전압 편차 인자를 기설정된 셀전압 편차 기준값에 적용하여 셀전압 편차 가중치를 도출하고, 상기 전류-전압 특성 인자를 기설정된 전류-전압 특성 기준값에 적용하여 전류-전압 특성 가중치를 도출하는 단계; 및
제어부에서 상기 셀전압 편차 가중치와 상기 전류-전압 특성 가중치를 이용하여 상대습도목표값을 도출하는 단계;를 포함하는 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법.The method according to claim 1,
Wherein deriving the relative humidity target value comprises:
Sensing a cell voltage deviation and a stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack in a control unit;
Deriving a cell voltage deviation factor at which the cell voltage deviation affects the stack relative humidity change and a current-voltage characteristic factor at which the current-voltage characteristic affects the stack relative humidity change;
The control unit derives the cell voltage deviation weight by applying the cell voltage deviation factor to a preset cell voltage deviation reference value and derives the current-voltage characteristic weight by applying the current-voltage characteristic factor to the predetermined current-voltage characteristic reference value step; And
And deriving a relative humidity target value using the cell voltage deviation weight and the current-voltage characteristic weight in a control unit. 청구항 2에 있어서,
상기 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성 감지단계는,
연료전지 스택 출력전류가 기설정된 전류기준값 이상이고 연료전지 스택에 공기가 공급되는 경우에, 제어부에서 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성을 감지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법.The method of claim 2,
The cell voltage deviation and the stack current-
Wherein the control unit detects the cell voltage deviation and the stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack when the fuel cell stack output current is equal to or greater than a predetermined current reference value and air is supplied to the fuel cell stack. Control method. 청구항 2에 있어서,
상기 셀전압 편차 가중치는 상기 셀전압 편차 인자에서 상기 셀전압 편차 기준값을 감산하여 도출하며, 상기 전류-전압 특성 가중치는 상기 전류-전압 특성 인자에서 상기 전류-전압 특성 기준값을 감산하여 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법.The method of claim 2,
Wherein the cell voltage deviation weight is derived by subtracting the cell voltage deviation reference value from the cell voltage deviation value, and the current-voltage characteristic weight is derived by subtracting the current-voltage characteristic reference value from the current- Wherein the fuel cell air supply system control method comprises: 청구항 4에 있어서,
상기 상대습도목표값 도출 단계는,
제어부에서 상기 셀전압 편차 가중치를 상기 셀전압 편차 기준값에 적용하여 셀전압 편차 보정값을 도출하고 상기 전류-전압 특성 가중치를 상기 전류-전압 특성 기준값에 적용하여 전류-전압 특성 보정값을 도출하는 단계; 및
제어부에서 상기 셀전압 편차 보정값과 상기 전류-전압 특성 보정값을 이용하여 상대습도목표값을 도출하는 단계;를 포함하는 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법.The method of claim 4,
Wherein the deriving the relative humidity target value comprises:
Deriving a cell voltage deviation correction value by applying the cell voltage deviation weight value to the cell voltage deviation reference value in a control unit and deriving a current-voltage characteristic correction value by applying the current-voltage characteristic weight value to the current-voltage characteristic reference value ; And
And deriving a relative humidity target value using the cell voltage deviation correction value and the current-voltage characteristic correction value in a control unit. 청구항 2에 있어서,
상기 상대습도목표값을 도출하는 단계 이후에는,
제어부에서 상기 셀전압 편차 보정값을 새로운 셀전압 편차 기준값으로 재설정하고 상기 셀전압 전류-전압 특성 보정값을 새로운 전류-전압 특성 기준값으로 재설정하는 단계;를 포함하는 연료전지 공기 공급 시스템 제어방법.The method of claim 2,
After deriving the relative humidity target value,
And resetting the cell voltage deviation correction value to a new cell voltage deviation reference value and resetting the cell voltage current-voltage characteristic correction value to a new current-voltage characteristic reference value. 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기블로어; 및
상기 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성에 기반하여 상대습도목표값을 도출하고, 상기 상대습도목표값에 따라 상기 공기블로어의 유량을 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지 공기 공급 시스템.Fuel cell stack;
An air blower for supplying air to the fuel cell stack; And
And a controller for deriving a relative humidity target value based on the cell voltage deviation and the stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack and controlling the flow rate of the air blower according to the relative humidity target value, . 청구항 7에 있어서,
상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 셀전압 편차와 스택 전류-전압 특성을 감지하고, 상기 셀전압 편차가 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 셀전압 편차 인자와 상기 전류-전압 특성이 스택 상대습도 변화에 영향을 미치는 전류-전압 특성 인자를 도출하며, 상기 셀전압 편차 인자를 기설정된 셀전압 편차 기준값에 적용하여 셀전압 편차 가중치를 도출하고, 상기 전류-전압 특성 인자를 기설정된 전류-전압 특성 기준값에 적용하여 전류-전압 특성 가중치를 도출하고, 상기 셀전압 편차 가중치와 상기 전류-전압 특성 가중치를 이용하여 상대습도목표값을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 공기 공급 시스템.
The method of claim 7,
Wherein the control unit senses a cell voltage deviation and a stack current-voltage characteristic of the fuel cell stack, and the cell voltage deviation factor in which the cell voltage deviation affects the stack relative humidity change and the current- Voltage characteristic factor, and derives a cell voltage deviation weight by applying the cell voltage deviation factor to a predetermined cell voltage deviation reference value, and outputs the current-voltage characteristic factor to a predetermined current-voltage characteristic reference value To derive a current-voltage characteristic weight, and derive a relative humidity target value using the cell voltage deviation weight and the current-voltage characteristic weight.
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