KR20180050837A - 연료전지 시스템의 시동 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 시동 중 전압 저감 제어 조건을 다변화하여, 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 시동 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 시스템의 시동시 전압 저감 제어 조건을 최소 셀 전압 제어 조건을 충족하는 것 외에 시동 오프후 스택에 공기가 비정상적으로 유입되는 조건 등을 판단하여 전압 저감 제어를 실시할 수 있도록 함으로써, 궁극적으로 스택의 전극 열화 방지 및 내구성 증대를 도모할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 시동 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템의 시동 제어 장치 및 방법{Control device and method for starting of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 시동 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 시동 중 전압 저감 제어 조건을 다변화하여, 궁극적으로 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 시동 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 수소(연료)를 공급하는 수소공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템과, 수소 및 산소의 전기화학적 반응에 의거 전기를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택의 전기화학적 반응열을 제거하는 동시에 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
상기 연료전지 차량에 탑재된 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 연료극 및 공기극에 각각 수소와 공기를 공급하여 전압(OCV: Open Circuit Voltage)을 형성한 후, 시동 상태에 돌입한다.
한편, 연료전지 차량의 장기 주차시 또는 스택내 공기 유입 후 시동시 등과 같은 상황에서 연료극(anode)에 수소가 존재하는 동시에 공기극(cathode)에 산소가 남은 상태이면, 전해질막을 통해 수소와 산소가 교환되어 전극 열화(연료극 및 공기극의 촉매층 열화)가 가속화되는 것으로 알려져 있다.
이에, 상기 스택의 전극 열화를 방지하기 위하여, 시동시 전압 저감 기구(Voltage Limit Device)를 이용하여 순간적으로 시동 전압을 저감시키는 방법이 적용되고 있다.
참고로, 시동시 전압 저감을 위한 기구로서, 공기극 산소 제거를 위한 전기적 저항의 일종인 COD(Cathode Oxygen Depletion)가 스택에 부하로 연결되어 사용된다.
특히, 상기 연료전지 시스템의 시동시 전기적 저항(이하, 저항으로 약칭함)을 이용한 전압 저감 제어는 통상 장기 주차 후, 스택 내 공기 유입이 추정될 경우 적용하는 것이 일반적이지만, 실질적으로는 연료전지 시스템의 시동 중 수소만 스택에 공급했을 때의 스택 전압이 일정 수준 이상일 경우에 적용되고 있다.
그러나, 상기 연료전지 시스템의 시동시 저항을 이용한 전압 저감 제어 중, 스택의 각 셀 간 수소 공급 불균일이 발생할 경우, 수소 미공급 셀 혹은 수소 공급이 부족한 셀에서 역전압이 발생하여 스택에 치명적인 내구 손상이 발생할 소지가 있다는 한계점 또한 있다.
이에, 상기 연료전지 시스템의 시동시 저항을 이용한 전압 저감 제어는 위의 한계점을 회피하고자, 최소 셀 전압 제어 조건(스택의 미리 정해진 최소 셀 전압이 일정 수준 이상일 경우)을 충족할 때만 적용되고 있다.
한편, 연료전지 시스템의 셧다운(시동 오프) 후, 일부 공기가 공기극에 잔류하거나, 장기 주차시 외부로부터 공기가 스택으로 유입될 수 있는 바, 이러한 비정상적인 유입공기 또는 잔류 공기로 인하여 시동 시 일부 셀에서 역전압이 형성될 수 있다.
좀 더 상세하게는, 상기 연료전지 시스템의 셧다운(시동 오프) 후, 시동시 스택에 공급되는 공기 외에 스택에 비정상적으로 이미 유입된 공기(시동 오프 후 스택에 비정상적으로 급속 유입된 공기) 또는 잔류공기(시동 오프 후 스택에 잔존하는 공기)로 인하여 스택의 일부 셀에서 역전압(상기한 수소 미공급 및 수소 공급 불균일로 인한 역전압과 다른 형태의 역전압)이 발생될 수 있다.
이에, 스택의 각 셀내 공기유입량이 증가하여 연료극 내 수소/공기 계면 형성에 의한 공기극의 촉매층이 열화될 수 있으며, 이 열화 방지를 위하여 상기한 연료전지 시스템의 시동시 저항을 이용한 전압 저감 제어를 적용해야 하는 상황이지만, 상기와 같이 최소 셀 전압 제어 조건으로 인하여 저항을 이용한 전압 저감 제어가 적용되지 못하는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 시스템의 시동시 저항을 이용한 전압 저감 제어 조건을 최소 셀 전압 제어 조건을 충족하는 것 외에 시동 오프후 스택에 공기가 비정상적으로 유입되는 조건 등을 판단하여 전압 저감 제어를 실시할 수 있도록 함으로써, 궁극적으로 스택의 전극 열화 방지 및 내구성 증대를 도모할 수 있도록 한 연료전지 시스템의 시동 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 스택에 연결되어 시간에 따른 스택 전압을 측정하고, 스택의 전압 형성 형태를 기반으로 전압 저감 제어의 실시 여부를 판단하는 스택 전압측정 진단기; 상기 스택 전압측정 진단기를 통해 인식되는 신호를 기반으로 스택에 대한 공기의 비정상 유입 여부를 판단한 후, 연료전지 시스템의 시동시 전압 저감 제어를 위한 전압 저감 기구에 대한 작동을 제어하는 연료전지 시스템 제어기; 및 상기 연료전지 시스템 제어기의 제어 신호에 의하여 시동시 전압을 저감시키는 전압 저감 기구; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 장치를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: ⅰ) 연료전지 시스템의 정지 상태에서 일정 시간 동안, 스택에 공기가 정상 또는 비정상적으로 유입되었는지 여부를 판정하는 단계; ⅱ) 연료전지 시스템의 시동시, 상기 스택에 공기가 비정상적으로 유입된 조건에서는 스택 전체 전압 및 최소 셀 전압을 고려하지 않은 상태에서 전압 저감 제어가 실시되는 단계; ⅲ) 연료전지 시스템의 시동시, 상기 스택에 공기가 정상적으로 유입된 조건에서는 스택의 전체 전압이 일정수준 이상이면서 미리 정해진 최소 셀 전압이 일정 수준 이상일 때 전압 저감 제어가 실시되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구현예는: ⅰ) 연료전지 시스템의 정지 이후, 스택 전압측정 진단기에서 일정 시간 동안 스택의 전압을 모니터링하는 단계; ⅱ) 연료전지 시스템의 정지 시간별 셀 전압값(Vcell)에 따른 연료전지 스택내 유입 공기량을 판정하는 단계; ⅲ) 상기 공기 유입량 판정 결과에 따라, 연료전지 시스템의 시동 시 전압 저감 제어가 다르게 이루어지는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 시동 시 셀에 형성되는 역전압 현상을 원인에 따라 구별하여 전압 저감 제한 조건을 다변화시킴으로써, 스택 열화 방지 및 스택의 내구성 증대를 도모할 수 있다.
즉, 연료전지 시스템의 시동시 전압 저감 제어가 스택의 전체 전압이 일정 수준 이상이면서 최소 셀 전압이 일정 수준 이상일 경우를 동시에 만족하는 조건에서 진행되는 것에 국한시키지 않고, 전압 저감 제어를 위한 조건을 다변화함으로써, 연료전지 셀 내구에 악영향을 줄 수 있는 역전압 형성을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 스택 내 공기 유입 이후 시동 시 발생하는 셀 전압을 최소화할 수 있고, 궁국적으로 스택의 연료극 내 수소/공기 계면 형성시 발생하는 전압을 최소로 낮추어줌으로써, 공기극 열화를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 시동 제어 장치를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 시동 제어 방법을 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 시동 제어 장치를 나타낸다.
도 1에서 보듯이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 시동 제어 장치는 연료전지 스택(10)에 연결되어 셀 전압 등을 측정하는 스택 전압측정 진단기(12)와, 스택 전압측정 진단기(12)를 비롯하여 각종 수소 및 공기공급상태를 알려주는 센서류 등의 신호를 기반으로 연료전지 시스템의 전반적인 운전 상태를 제어하는 상위 제어기인 연료전지 시스템 제어기(14)와, 스택의 전극 열화를 방지하기 위하여 시동시 전압을 순간적으로 저감시키기 위한 전압 저감 기구(16 : 저항, 배터리, 다이오드 등) 등을 포함한다.
상기 연료전지 스택(10)의 입구에는 수소 공급을 위한 수소공급라인 및 공기 공급을 위한 공기공급라인이 연결되고, 출구에는 미반응 수소가 배출되는 수소배출라인과 미반응 산소가 배출되는 공기배출라인이 연결되며, 각 라인에는 개폐밸브가 장착된다.
상기 스택 전압측정 진단기(12)는 스택에 연결되어, 스택의 전압 및 전압과 시간 간의 관계를 측정하고, 연료전지 시스템의 시동시 스택의 전압 형성 형태를 기반으로 전압 저감 제어의 실시 여부를 판단하는 역할을 한다.
이때, 상기 전압 형성 형태는 시동 시 스택의 각 셀 간 수소 공급 불균일로 인한 역전압과, 시동 시 스택의 공기극에 비정상적인 유입공기 또는 잔류 공기가 존재할 때 일부 셀에 형성되는 역전압 등으로 구분된다.
상기 연료전지 시스템 제어기(14)는 상기 스택 전압측정 진단기(12)를 통해 인식되는 신호 즉, 스택의 전압 및 전압과 시간 간의 관계를 기반으로 스택에 대한 공기의 비정상 유입 등을 판단한 후, 시동시 전압 저감 제어를 위한 전압 저감 기구의 작동 여부를 제어한다.
상기 전압 저감 기구(16)는 스택의 초기 운전상태 안정화 및 전극 열화를 방지를 통한 내구 개선을 위하여 시동시 전압을 순간적으로 저감시키기 위한 매체로서, 연료전지 시스템 제어기(14)의 제어 신호에 의하여 작동하여 스택의 전압을 저 감시킬 수 있는 저항, 배터리, 다이오드 등을 사용할 수 있다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 시동 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 시동 제어 방법을 도시한 순서도이다.
연료전지 시스템의 시동시 전압 저감 제어를 위하여, 연료전지 시스템의 정지 상태에서 일정 시간 동안, 스택에 공기가 정상 또는 비정상적으로 유입되었는지 여부를 판정해야 한다.
이를 위해, 먼저 연료전지 차량에 탑재된 연료전지 시스템의 정지된 상태, 즉 시동이 오프된 상태에서 일정 시간(장기 주차)이 지난 후 시동시, 스택의 시간별 전압이 일정 수준(임계값) 이상인지 미만인지를 판정한다(S101).
즉, 상기 스택 전압측정 진단기(12)에 의하여 최초 수소 공급(공기 공급 이전)에 따른 스택 전체 전압(Vtotal) 형성이 일정 수준 이상(≥V1)으로 측정되는지 여부를 판정한다.
이때, 상기 스택 전압측정 진단기(12)에 의하여 최초 수소 공급(공기 공급 이전)에 따른 스택 전체 전압(Vtotal) 형성이 일정 수준 이상(≥V1)으로 측정되면, 스택 전압측정 진단기(12)에서 연료전지 내 공기 유입량이 일정 수준 이상인 것으로 판단하여 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 공기극에 공기가 비정상적으로 급속 유입된 것으로 판정하고(S102), 반면 스택 전체 전압(Vtotal) 형성이 일정 수준 미만으로 측정되면, 공기극에 공기가 정상적으로 유입된 것으로 판정하여(S103), 그 판정 신호를 연료전지 시스템 제어기(14)에 전송한다.
선택적으로, 상기 스택 전압측정 진단기(12) 외에 상기 스택에 대한 공기의 비정상 유입 여부를 판단하기 위한 구성으로서, 농도감지센서 또는 압력감지센서를 사용할 수 있다.
이에, 상기 연료전지 내의 농도감지센서 등을 통하여 공기농도가 일정 수준 이상으로 감지(≥C1)되거나, 또는 연료전지 내의 압력감지센서 등을 통하여 공기극 압력이 일정 수준 이상 증가(≥△P1)한 것으로 감지되는 경우에도 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 공기극에 공기가 비정상적으로 급속 유입된 것으로 판정할 수 있고, 반면 공기농도가 일정 수준 미만으로 감지되거나, 또는 공기극 압력이 일정 수준 미만 증가한 것으로 감지되는 경우에는 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 공기극에 공기가 정상적으로 유입된 것으로 판정할 수 있다.
이와 같이, 상기 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 스택 전압 상태, 공기 농도상태, 공기 압력상태 등을 이용하여 스택으로 공기가 유입된 것을 정상 조건(스택내 공기가 시간별로 정상 유입)과 비정상 조건(스택내 공기가 급속 유입)으로 판정할 수 있다.
다음으로, 연료전지 시스템의 시동에 따라 스택의 연료극에 수소가 공급되고, 연료전지 시스템 제어기(14)에서 스택으로 공기가 유입되는 정상 조건(스택내 공기가 시간별로 정상 유입)과 비정상 조건(스택내 공기가 급속 유입)에 따라 셀 전압 저감 제어를 위한 진입 조건을 달리 결정한다.
상기 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 공기극에 공기가 비정상적으로 급속 유입된 것으로 판정된 경우, 연료전지 시스템의 시동에 따라 연료극에 수소가 공급되고(S104), 시동시 전압 저감 제어가 이루어진다(S105).
보다 상세하게는, 상기 단계 S105에서 이루어지는 전압 저감 제어는 연료전지 시스템의 시동시 스택에 공기가 비정상적으로 유입된 조건에서 이루어지며, 스택 전체 전압 및 최소 셀 전압을 고려하지 않은 상태에서 실시된다.
이때, 상기 단계 S105에서 이루어지는 전압 저감 제어는 연료전지 시스템 제어기(14)의 제어 신호에 의하여 작동하는 전압 저감 기구(16)가 작동하여 이루어지는 바, 이 전압 저감 기구(16)는 연료전지 시스템의 시동시 전압 저감을 위한 수단으로서, 공기극 산소 제거용 전기적 저항이며, 다른 형태로서, 배터리, 다이오드 등을 포함하고, 이들 중 어느 하나가 스택에 부하로 연결된 상태에서 연료전지 시스템 제어기(14)의 제어 신호에 의하여 스택 전압을 저감시키는 작동을 하게 된다.
좀 더 상세하게는, 상기 단계 S105에서 이루어지는 전압 저감 제어는 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 공기극에 공기가 비정상적으로 급속 유입된 것으로 판정된 경우에 이루어지는 단계로서, 시동시 스택에 비정상적으로 이미 유입된 공기(시동 오프 후 스택에 비정상적으로 유입된 공기)로 인하여 스택의 일부 셀에서 역전압이 발생되는 점, 그리고 스택의 각 셀내 공기유입량이 증가하여 연료극 내 수소/공기 계면 형성에 의한 공기극의 촉매층이 열화되는 점 등을 방지하기 위하여 스택 전체 전압 및 최소 셀 전압에 제한되지 않은 상태 즉, 스택 전체 전압 및 최소 셀 전압을 고려하지 않은 상태에서 진행된다.
이때, 연료전지 시스템의 정지(시동 오프) 이후 일정 시간 이내에 급격히 스택에 유입된 공기로 인하여 연료전지 시스템의 정지 중 및 시동 시 발생하는 셀 제1역전압은 연료전지 시스템의 정지(시동 오프) 이후 일정 시간 이내에 스택에 급격한 공기 유입이 없는 상태에서 연료전지 시스템의 시동과 함께 전압 저감 제어 작동 중 수소 미공급 셀 혹은 수소 공급이 부족한 셀에서 발생하는 제2역전압과 다른 메커니즘으로 형성되는 것으로서, 시동 동작 시 셀의 공기극 전극의 열화를 촉진시킬 수 있는 환경을 조성한다.
이에, 연료전지 시스템의 시동 시 셀에 형성되는 역전압 현상을 원인에 따라 구별하여, 상기와 같이 제1역전압이 발생되는 경우 전압 저감 제한 조건(시동시 저항 작동 제한 조건으로서 스택 전체 전압 및 최소 셀 전압이 일정 수준 이상이어야 하는 조건)을 해제함으로써, 상기 단계 S105에서 이루어지는 전압 저감 제어가 스택 전체 전압 및 최소 셀 전압을 고려하지 않은 상태에서 진행되어, 궁극적으로 스택 열화 방지 및 스택의 내구성 증대를 도모할 수 있다.
한편, 상기한 단계 S103에서 공기극에 공기가 정상적으로 유입된 것으로 판정되면, 시동시 수소 공급 후 스택의 전체 전압이 일정수준 이상이면서 미리 정해진 최소 셀 전압이 일정 수준 이상인지 여부를 판정한다(S106, S107).
이때, 상기 S106 및 S107 단계를 실시하는 이유는 전술한 바와 같이 연료전지 시스템의 시동시 전압 저감 제어 중, 스택의 각 셀 간 수소 공급 불균일이 발생할 경우, 수소 미공급 셀 혹은 수소 공급이 부족한 셀에서 역전압이 발생하여 스택에 치명적인 내구 손상이 발생할 소지가 있다는 한계점이 있고, 이 한계점을 회피하고자 전압 저감 제어를 최소 셀 전압 제어 조건을 충족할 때만 적용하기 위함에 있다.
이에, 연료전지 시스템의 시동시, 상기 스택에 공기가 정상적으로 유입된 조건에서는 스택의 전체 전압이 일정수준 이상이면서 미리 정해진 최소 셀 전압이 일정 수준 이상일 때 전압 저감 제어가 실시된다.
보다 상세하게는, 상기 단계 S106 및 S107의 판정 결과, 시동시 수소 공급 후 스택의 전체 전압이 일정수준 이상이면서 미리 정해진 최소 셀 전압이 일정 수준 이상이면, 시동시 전압 저감 제어가 이루어지고(S108), 이때의 전압 저감 제어는 상기와 같이 스택에 부하로서 연결된 공기극 산소 제거용 전기적 저항, 배터리, 다이오드 중 어느 하나가 연료전지 시스템 제어기(14)의 제어 신호에 의하여 스택 전압을 저감시키는 작동을 하여 이루어진다.
이에, 상기 단계 S108에서 이루어지는 시동시 전압 저감 제어에 의하여 스택의 각 셀 간 수소 공급 불균일로 인한 역전압 및 이로 인한 스택의 내구 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
반면, 상기 단계 S106 및 S107의 판정 결과, 시동시 수소 공급 후 스택의 전체 전압이 일정수준 미만이거나, 미리 정해진 최소 셀 전압이 일정 수준 미만이면, 전압 저감 제어를 실시하지 않는다(S109).
상기한 시동시 전압 저감 제어를 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 스택으로 공기가 유입된 것을 정상 조건(스택내 공기가 시간별로 정상 유입)과 비정상 조건(스택내 공기가 급속 유입)으로 구분하여 진행하는 것으로 설명하였지만, 시동시 전압 저감 제어 조건을 더욱 다변화시킬 수 있다.
여기서, 연료전지 시스템의 시동시 전압 저감 제어 조건을 보다 다변화시킬 수 있는 예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 연료전지 시스템의 정지(시동 오프) 이후, 스택 전압측정 진단기(12)에서 일정 시간(X시간) 동안 스택의 전압을 모니터링한다.
바람직하게는, 상기 스택 전압측정 진단기(12)에서 스택내 공기 유입량을 판정하는 예로서, 다음의 1) 내지 3)과 같이 연료전지 시스템의 정지 시간(X) 별 개별 셀 전압값(Vcell)에 따른 연료전지 스택의 각셀 내 유입 공기(산소)량을 판정할 수 있다(단, V2 ≤ 0, V3 > 0).
1) 정지 시간 X1 이내, 셀 전압이 V2 ≤ Vcell ≤ V3 경우, 연료전지 시스템의 정지 후 스택에 빠른 공기 유입이 없는 것으로 판정(상태 A: 정상 정지 상태)한다.
2) 정지 시간 X2 시간 이내, 셀 전압이 Vcell < V2 또는 Vcell > V3 경우: 연료전지 시스템의 정지 후 스택에 빠른 공기 유입이 있는 상태로 판정(상태 B: 비정상 정지 상태)한다.
이때, 연료전지 시스템의 시동 오프 직후, 스택 내 셀 전압은 통상 0 V 전후 수준이며, 연료전지 스택 내 급격한 공기 유입 시 잔여 수소/공기의 스택 내 농도 구배에 따라, 일부 셀은 0 V 이상의 상승된 전위를 형성하고, 다른 일부 셀은 0 V 미만의 전위 형성한다.
3) 정지 시간 X2 이상 (X1 < X2) 경우에는 연료전지 시스템을 탑재한 차량의 장기 주차상태로 판단하여, 일정 기준값 이상 스택에 공기 유입이 정상적으로 이루어진 것으로 판정(상태 C: 장기 주차 상태)한다.
다음으로, 상기한 1) 내지 3)의 공기 유입 판정 결과를 기반으로 한 연료전지 시스템의 시동 시 전압 저감 제어가 다음의 ⅰ) 내지 ⅳ) 같이 진행될 수 있다.
ⅰ) 스택에 공기 유입 상태를 고려하지 않고, 즉, 상기한 상태 A, 상태 B, 상태 C에 관계없이, 시동에 따른 수소 공급(공기 공급 전)이 이루어지고, 스택의 전체 전압(Vtotal)이 일정 전압(V1) 미만이면, 전압 저감 제어(예, 저항을 이용한 스택 전압 저감 제어)는 진행되지 않는다[상태 A/B/C → Key on → 수소 공급 (공기 공급 전) → Vtotal < V1 → 시동 저항 미작동/일반 시동 제어].
ⅱ) 연료전지 시스템의 정지 후 스택에 빠른 공기 유입이 없는 것으로 판정(상태 A: 정상 정지 상태)되거나, 연료전지 시스템을 탑재한 차량이 장기 주차상태에서 일정 기준값 이상 스택에 공기 유입이 이루어진 것으로 판정(상태 C: 장기 주차 상태)된 경우, 스택의 전체 전압(Vtotal)이 일정 전압(V1) 이상이고, 최소 셀 전압(Vmin)이 일정 전압(V4) 이상이면, 상기 연료전지 시스템 제어기(14)의 제어 신호에 의하여 전압 저감 제어(예, 저항을 이용한 스택 전압 저감 제어)가 실시된다[상태 A/C → Key on → 수소 공급 (공기 공급 전) → Vtotal > V1 & 최소 셀 전압 Vmin > V4(≥0) → 시동 시 전압 저감].
이렇게 스택에 공기 유입이 없는 경우(상태 A: 정상 정지 상태) 또는 장시간에 걸쳐 공기유입이 정상적으로 이루어진 경우(상태 C: 장기 주차 상태), 스택의 전체 전압(Vtotal)이 일정 전압(V1) 이상이고, 최소 셀 전압(Vmin)이 일정 전압(V4) 이상이면, 전압 저감 제어를 실시함으로써, 시동 초기시 전해질막을 통해 수소와 산소가 교환되어 전극 열화(연료극 및 공기극의 촉매층 열화)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
ⅲ) 연료전지 시스템의 정지 후 스택에 빠른 공기 유입이 없는 것으로 판정(상태 A: 정상 정지 상태)되거나, 연료전지 시스템을 탑재한 차량이 장기 주차상태에서 일정 기준값 이상 스택에 공기 유입이 이루어진 것으로 판정(상태 C: 장기 주차 상태)된 경우, 스택의 전체 전압(Vtotal)이 일정 전압(V1) 이상이더라도, 최소 셀 전압(Vmin)이 일정 전압(V4) 미만이면, 전압 저감 제어(예, 저항을 이용한 스택 전압 저감 제어)가 미실시된다[상태 A/C → Key on → 수소 공급 (공기 공급 전) → Vtotal > V1 & 최소 셀 전압 Vmin < V4 → 시동 시 전압 저감 제어 미작동].
이때, 전술한 바와 같이 최소 셀 전압 제어 조건(스택의 미리 정해진 최소 셀 전압이 일정 수준 이상일 경우)을 충족하지 못하는 경우 전압 저감 제어를 실시하면, 수소 미공급 셀 혹은 수소 공급이 부족한 셀에서 역전압이 발생하여 스택에 치명적인 내구 손상이 발생할 소지가 있으므로, 최소 셀 전압(Vmin)이 일정 전압(V4) 미만이면, 전압 저감 제어(예, 저항을 이용한 스택 전압 저감 제어)를 미실시하는 것이 바람직하다.
ⅳ) 연료전지 시스템의 정지 후 스택에 빠른 공기 유입이 있는 상태로 판정(상태 B: 비정상 정지 상태)된 경우에는 스택의 전체 전압(Vtotal) 및 최소 셀 전압(Vmin)을 고려하지 않은 채, 상기 연료전지 시스템 제어기(14)의 제어 신호에 의하여 전압 저감 제어(예, 저항을 이용한 스택 전압 저감 제어)가 실시된다[상태 B → Key on → 수소 공급 (공기 공급 전) → Vtotal 및 최소 셀 전압 Vmin 무관/시동 시 전압 저감 제어(시동 저항) 작동].
위의 ⅳ) 단계와 같이, 스택 전체 전압 및 최소 셀 전압에 제한되지 않은 상태 즉, 스택 전체 전압 및 최소 셀 전압을 고려하지 않기 위하여 미점검한 상태에서 전압 저감 제어를 실시함으로써, 시동시 스택에 비정상적으로 이미 유입된 공기로 인하여 스택의 일부 셀에서 역전압이 발생되는 점, 그리고 스택의 각 셀내 공기유입량이 증가하여 연료극 내 수소/공기 계면 형성에 의한 공기극의 촉매층이 열화되는 점 등을 방지할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 시스템의 시동시 전압 저감 제어가 스택의 전체 전압이 일정 수준 이상이면서 최소 셀 전압이 일정 수준 이상일 경우를 동시에 만족하는 조건에서 진행되는 것에 국한시키지 않고, 전압 저감 제어를 위한 조건을 다변화함으로써, 연료전지 셀 내구에 악영향을 줄 수 있는 역전압 형성을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 스택 내 공기 유입 이후 시동 시 발생하는 셀 전압을 최소화할 수 있고, 궁극적으로 스택의 연료극 내 수소/공기 계면 형성시 발생하는 전압을 최소로 낮추어줌으로써, 공기극 열화를 최소화할 수 있다.
10 : 연료전지 스택
12 : 스택 전압측정 진단기
14 : 연료전지 시스템 제어기
16 : 전압 저감 기구

Claims (14)

  1. 연료전지 스택에 연결되어 시간에 따른 스택 전압을 측정하고, 스택의 전압 형성 형태를 기반으로 전압 저감 제어의 실시 여부를 판단하는 스택 전압측정 진단기;
    상기 스택 전압측정 진단기를 통해 인식되는 신호를 기반으로 스택에 대한 공기의 비정상 유입 여부를 판단한 후, 연료전지 시스템의 시동시 전압 저감 제어를 위한 전압 저감 기구에 대한 작동을 제어하는 연료전지 시스템 제어기; 및
    상기 연료전지 시스템 제어기의 제어 신호에 의하여 시동시 전압을 저감시키는 전압 저감 기구;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압 저감 기구는 시동시 전압을 순간적으로 저감시키기 위한 매체로서, 저항, 배터리, 다이오드 중 어느 하나로 채택된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택에 대한 공기의 비정상 유입 여부를 판단하기 위하여, 연료전지 내 공기농도를 감지하는 농도감지센서 또는 연료전지 내 공기압력을 감지하는 압력감지센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 장치.
  4. ⅰ) 연료전지 시스템의 정지 상태에서 일정 시간 동안, 스택에 공기가 정상 또는 비정상적으로 유입되었는지 여부를 판정하는 단계;
    ⅱ) 연료전지 시스템의 시동시, 상기 스택에 공기가 비정상적으로 유입된 조건에서는 스택 전체 전압 및 최소 셀 전압을 고려하지 않은 상태에서 전압 저감 제어가 실시되는 단계;
    ⅲ) 연료전지 시스템의 시동시, 상기 스택에 공기가 정상적으로 유입된 조건에서는 스택의 전체 전압이 일정수준 이상이면서 미리 정해진 최소 셀 전압이 일정 수준 이상일 때 전압 저감 제어가 실시되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅰ) 단계는:
    연료전지 시스템의 시동시, 최초 수소 공급에 따른 스택 전체 전압(Vtotal) 형성이 일정 수준 이상(≥V1)으로 측정되는지 여부를 판정하는 단계;
    스택 전체 전압(Vtotal) 형성이 일정 수준 이상(≥V1)으로 측정되면, 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 공기극에 공기가 비정상적으로 급속 유입된 것으로 판정하는 단계;
    스택 전체 전압(Vtotal) 형성이 일정 수준 미만으로 측정되면, 공기극에 공기가 정상적으로 유입된 것으로 판정하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 ⅰ) 단계는:
    스택 내의 공기농도가 일정 수준 이상으로 감지되거나, 공기극 압력이 일정 수준 이상 증가한 것으로 감지되는 경우, 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 공기극에 공기가 비정상적으로 급속 유입된 것으로 판정하는 단계;
    공기농도가 일정 수준 미만으로 감지되거나, 또는 공기극 압력이 일정 수준 미만 증가한 것으로 감지되는 경우, 연료전지 시스템의 시동 오프 상태에서 공기극에 공기가 정상적으로 유입된 것으로 판정하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 전압 저감 제어는 공기극 산소 제거를 위하여 저항, 배터리, 다이오드 중 어느 하나가 스택에 부하로 연결된 상태에서 연료전지 시스템 제어기의 제어 신호에 의하여 스택 전압을 저감시키는 작동을 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  8. ⅰ) 연료전지 시스템의 정지 이후, 스택 전압측정 진단기에서 일정 시간 동안 스택의 전압을 모니터링하는 단계;
    ⅱ) 연료전지 시스템의 정지 시간별 셀 전압값(Vcell)에 따른 연료전지 스택내 유입 공기량을 판정하는 단계;
    ⅲ) 상기 공기 유입량 판정 결과에 따라, 연료전지 시스템의 시동 시 전압 저감 제어가 다르게 이루어지는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계에서, 상기 ⅲ) 단계에서의 전압 저감 제어를 다르게 실시하기 위한 스택 내 공기 유입량을 판정할 때,
    연료전지 시스템의 정지 시간 X1 이내, 셀 전압(Vcell)이 V2 ≤ Vcell ≤ V3(V2 ≤ 0, V3 > 0) 경우, 연료전지 시스템의 정지 후 스택에 빠른 공기 유입이 없는 것으로 판정(상태 A: 정상 정지 상태)하고,
    연료전지 시스템의 정지 시간 X2 시간 이내, 셀 전압(Vcell)이 Vcell < V2 또는 Vcell > V3(V2 ≤ 0, V3 > 0) 경우, 연료전지 시스템의 정지 후 스택에 빠른 공기 유입이 있는 상태로 판정(상태 B: 비정상 정지 상태)하며,
    연료전지 시스템의 정지 시간 X2 이상(X1 < X2) 경우에는 연료전지 시스템을 탑재한 차량의 장기 주차상태로 판단하여, 일정 기준값 이상 스택에 공기 유입이 정상적으로 이루어진 것으로 판정(상태 C: 장기 주차 상태)하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계에서, 연료전지 시동에 따른 수소 공급이 이루어지는 상태에서 스택의 전체 전압(Vtotal)이 일정 전압(V1) 미만이면, 스택에 대한 공기 유입량을 고려하지 않은 채, 전압 저감 제어가 미실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계에서 스택 내 공기 유입량을 판정한 결과, 상기 (상태 A: 정상 정지 상태) 및 (상태 C: 장기 주차 상태)로 판정되면,
    상기 ⅲ) 단계에서, 스택의 전체 전압(Vtotal)이 일정 전압(V1) 이상이고, 최소 셀 전압(Vmin)이 일정 전압(V4) 이상이면, 전압 저감 제어가 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계에서 스택 내 공기 유입량을 판정한 결과, 상기 (상태 A: 정상 정지 상태) 및 (상태 C: 장기 주차 상태)로 판정되면,
    상기 ⅲ) 단계에서, 스택의 전체 전압(Vtotal)이 일정 전압(V1) 이상이더라도, 최소 셀 전압(Vmin)이 일정 전압(V4) 미만이면, 전압 저감 제어가 미실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계에서 스택 내 공기 유입량을 판정한 결과, 상기 (상태 B: 비정상 정지 상태)로 판정되면,
    상기 ⅲ) 단계에서, 스택의 전체 전압(Vtotal) 및 최소 셀 전압(Vmin)을 고려하지 않은 채, 전압 저감 제어가 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
  14. 청구항 11 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 전압 저감 제어는 공기극 산소 제거를 위하여 저항, 배터리, 다이오드 중 어느 하나가 스택에 부하로 연결된 상태에서 연료전지 시스템 제어기의 제어 신호에 의하여 스택 전압을 저감시키는 작동을 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 제어 방법.
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