KR20180051746A - 연료전지 냉시동 제어방법 - Google Patents

연료전지 냉시동 제어방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지의 내부상태를 측정하여 도출된 스택활성면적에 따라 냉시동을 제어함으로써, 연료전지시스템의 안정성을 확보할 수 있는 연료전지 냉시동 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 냉시동 제어방법{CONTROLLING METHOD FOR COLD START OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 냉시동 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지의 내부상태를 측정하여 도출된 스택활성면적에 따라 냉시동을 제어함으로써, 연료전지시스템의 안정성을 확보할 수 있는 연료전지 냉시동 제어방법에 관한 것이다.
연료전지스택 내부에는 물이 존재하므로 영하의 온도에서 얼음이 생성되므로, 시동시 냉시동 프로세스가 필요하다. 연료전지 냉시동이란 영하의 환경에서 시동시에 스택전류를 일정시간 출력하고, 주행에 적합하도록 승온하는 과정이다.
기존의 냉시동은 냉시동 시점의 외기온도를 기준으로 연료전지 스택 해동에 필요한 발열량을 추정하기 때문에 스택 해동이 완료되지 않은 상태에서 냉시동 완료로 판단할 수 있어, 주행시 내구성 저하 또는 비상정지가 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 연료전지스택이 과도하게 빙결된 상태에서 냉시동을 실시할 수 있어 수소부족 또는 과열에 의한 스택 손상이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 냉시동이 필요하지 않은 상황에서 외기온도가 영하일 경우 냉시동을 실시 할수 있어, 불필요한 냉시동 실시로 사용자의 차량 이용성을 저해하는 문제점이 있었다.
따라서, 연료전스택의 실제 상태를 반영하여 연료전지 냉시동을 효율적이고 안정적으로 할 수 있는 솔루션이 필요하였던 것이다.
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.
KR 10-2014-0074556 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료 전지의 내부상태를 측정하여 도출된 스택활성면적에 따라 냉시동을 제어함으로써, 연료전지시스템의 안정성을 확보할 수 있는 연료전지 냉시동 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 냉시동 제어방법은,대상 온도를 도출하는 단계; 연료전지의 내부저항을 도출하는 단계; 도출된 대상 온도와 내부저항을 이용하여 연료전지의 스택활성면적을 도출하는 단계; 및 도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계;를 포함한다.
대상 온도를 도출하는 단계에서 대상 온도는 연료전지의 내부온도인 것을 특징으로 한다.
스택활성면적을 도출하는 단계에서는 미리 저장된 맵데이터를 이용하여 스택활성면적을 도출하는 것을 특징으로 한다.
스택활성면적을 도출하는 단계에서는 대상 온도에 관한 하기의 식과 연료전지의 내부저항에 관한 하기의 식을 이용하여 스택활성면적을 계산하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서는 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 어느 한 구간에 포함되는 경우 각각의 구간별로 미리 설정된 제어부의 요구출력만큼 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서는 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 스택활성면적 범위가 최상위 구간에 포함되는 경우 연료전지에 요구되는 출력값에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서는 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 스택활성면적 범위가 중간 구간에 포함되는 경우 미리 설정된 제한출력 이하에서 연료전지의 출력을 제어하거나 또는 미리 설정된 고정출력으로 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서 스택활성면적 범위의 중간 구간은 복수의 서브구간으로 구분되고, 각 서브구간에서는 미리 설정된 고정출력으로 연료전지의 출력을 제어하며 스택활성면적 범위가 상대적으로 큰 서브구간이 고정출력값도 상대적으로 큰 것을 특징으로 한다.
도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서는 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 스택활성면적 범위가 최하위 구간에 포함되는 경우 미리 설정된 고정출력으로 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료전지 냉시동 제어방법에 따르면, 연료 전지의 내부상태를 측정하여 도출된 스택활성면적에 따라 냉시동을 제어함으로써, 연료전지시스템의 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 연료전지스택의 내부상태를 측정하여 냉시동 실행 여부 및 냉시동 전류 및 시간을 최적화함으로써, 사용자의 이용성을 향상시킬 수 있고 연료전지시스템의 안정성 및 효율성을 확보할 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예로서, 복수의 스택활성 면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 연료전지 냉시동 제어방법의 순서도.
도 2은 본 발명의 일 실시예로서, 스택내부온도와 스택저항에 의해 도출된 스택활성면적에 대한 맵데이터.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 냉시동 제어방법에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 복수의 스택활성 면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 연료전지 냉시동 제어방법의 순서도, 도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 스택내부온도와 스택저항에 의해 도출된 스택활성면적에 대한 맵데이터이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 연료전지 냉시동 제어방법은 대상 온도를 도출하는 단계(S200); 연료전지의 내부저항을 도출하는 단계(S230); 도출된 대상 온도와 내부저항을 이용하여 연료전지의 스택활성면적을 도출하는 단계(S300); 및 도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계(S320, S340, S360, S380);를 포함한다.
대상 온도를 도출하는 단계(S200)에서 본 발명의 일 실시예로서, 대상 온도는 연료전지의 내부온도일 수 있다. 연료전지의 내부온도를 도출하는 방법에는 측정과 추정이 있는데, 내부온도를 도출하는 방법은 이미 당업자에게 널리 알려진 기술로써 공지된 기술들 중 어느 하나의 방법을 채용하여 내부온도를 도출할 수 있다. 예를 들어 외기온과 연료전지의 상태를 통해 내부온도를 추정이 가능하고, 연료전지 냉각수 출구단의 온도를 측정함으로써 추정도 가능하고, 연료전지 내부에 온도센서를 두는 등 다양한 방식으로 도출이 가능한 것이다.
연료전지의 내부저항을 도출하는 단계(S230)에서 연료전지의 내부저항, 즉 셀저항을 도출하는 방법도 이미 당업자에게 널리 알려진 기술로써 공지된 기술들 중 어느 하나의 방법을 채용하여 내부저항을 도출한다. 예를 들어 연료전지의 출력 전압과 전류의 관계를 통해 저항을 측정하는 등의 방법을 활용할 수 있다.
도출된 대상 온도와 내부저항을 이용하여 연료전지의 스택활성면적을 도출하는 단계(S300)에서 본 발명의 일 실시예로서, 연료전지의 내부온도에 관한 하기의 식과 연료전지의 내부저항에 관한 하기의 식을 이용하여 스택활성면적을 계산할 수 있다.
Figure pat00002
상기 식에서 식(1)~(3)의 결과를 종합하면 식(4)를 도출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 식으로부터 스택내부온도와 스택저항에 의해 도 3의 스택활성면적에 대한 맵데이터를 얻을 수 있다.
스택활성면적을 도출하는 단계에서 스택활성면적을 도출하는 방법은 제어부에 미리 저장된 도 3의 맵데이터를 이용하여 스택내부온도와 스택저항만으로 스택활성면적을 도출할 수도 있고, 제어부에 미리 저장된 상기 식을 이용하여 스택내부온도와 스택저항을 대입하여 스택활성면적을 도출할 수 있다.
도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계(S320, S340, S360, S380)에서는 맵데이터를 이용하여 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 어느 한 구간에 포함되는 경우 각각의 구간별로 미리 설정된 제어부의 요구출력만큼 연료전지의 출력을 제어한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예로서 복수의 구간은 제어부에서 설정에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 스택활성면적이 0~30%, 30~50%, 50~70%, 70~90%, 90~100%와 같이 5구간일 수도 있고, 0~50%, 50~70%, 70~100%와 같이 3구간일 수도 있다. 또한, 수치도 0~20%, 20~40%, 40~70%, 70~90%, 90~100%와 같이 다양하게 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 스택활성면적 범위가 최상위 구간에 포함되는 경우 연료전지에 요구되는 출력값에 따라 연료전지의 출력을 제어한다.
여기서, 스택활성면적 범위가 최상위 구간인 범위는 제어부에서 설정에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예로서, 90~100%일 수 있다.
도출된 스택활성면적이 이 구간에 포함되는 경우 정상주행이 가능하므로 별도의 냉시동이 필요 없기 때문에 출력 제한이 없다. 냉시동 생략으로 이용성을 향상시킬 수 있다.
도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 스택활성면적 범위가 중간 구간에 포함되는 경우 미리 설정된 제한출력 이하에서 연료전지의 출력을 제어하거나 또는 미리 설정된 고정출력으로 연료전지의 출력을 제어한다.
이때, 스택활성면적 범위의 중간 구간은 복수의 서브구간으로 구분되고, 각 서브구간에서는 미리 설정된 고정출력으로 연료전지의 출력을 제어하며 스택활성면적 범위가 상대적으로 큰 서브구간이 고정출력값도 상대적으로 큰 값으로 설정된다.
여기서, 스택활성면적 범위의 중간 구간에서 복수의 서브구간은 제어부에서 설정에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예로서, 30~50%, 50~70%, 70~90%일 수 있고, 20~40%, 40~70%, 70~90%일 수 있다.
스택활성면적 범위가 상대적으로 큰 서브구간이 고정출력값도 상대적으로 큰 값으로 설정된다는 의미는 예를 들어, 스택활성면적이 50~70%에 포함되는 경우와 30~50%에 포함되는 경우가 있을 때, 스택활성면적 범위가 상대적으로 큰 전자의 경우가 고정출력값인 스택해동전류도 더 크다는 의미다.
본 발명의 일 실시예로서, 도출된 스택활성면적이 70~90%에 포함될 경우 차량주행은 가능하나 정상주행단계는 아니므로, 스택손상을 방지하기 위해 미리 설정된 제한출력 이하로 연료전지의 출력을 제한할 수 있다. 예를 들어, 최대 출력을 80%로 제한할 수 있다. 이때, 주행시 자연적으로 스택해동됨에 따라 출력제한을 해제할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 도출된 스택활성면적이 50~70%에 포함될 경우 제어부에서 미리 설정해둔 고정전류로 스택해동을 실시할 수 있다. 스택활성면적이 50%이므로 고전류로 스택해동을 실시 수 있다. 또한, 고전류로 해동하므로 단시간이 소요된다. 여기서, 고전류는 0.3A/cm2일 수 있고, 단시간은 30초일 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 도출된 스택활성면적이 30~50%에 포함될 경우 제어부에서 미리 설정해둔 고정전류로 스택해동을 실시할 수 있다. 스택활성면적이 작으므로 고전류로 출력시, 수소부족 또는 hotspot이 발생할 수 있으므로, 중전류로 스택해동을 실시할 수 있다. 스택해동 전류 하향 조정으로 스택손상을 방지할 수 있다. 또한, 중전류로 해동하므로 중시간이 소요된다. 여기서, 중전류는 0.2A/cm2일 수 있고, 중시간은 1분일 수 있다.
도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 스택활성면적 범위가 최하위 구간에 포함되는 경우 미리 설정된 고정출력만큼 연료전지의 출력을 제어한다.
여기서, 스택활성면적 범위가 최하위 구간인 범위는 제어부에서 설정에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예로서, 0~30%일 수 있고, 0~20%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 도출된 스택활성면적이 0~30%에 포함될 경우 제어부에서 미리 설정해둔 고정전류로 스택해동을 실시할 수 있다. 스택활성면적이 매우 작으므로 저전류로 스택해동을 실시할 수 있다. 스택해동 전류 하향 조정으로 스택손상을 방지할 수 있다. 저전류로 해동하므로 장시간이 소요된다. 여기서, 저전류는 0.1A/cm2일 수 있고, 장시간은 2분일 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서 도 1을 상세하게 설명하면, 복수의 스택활성 면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 연료전지 냉시동 제어방법의 순서도로서, 이를 설명하면 차량의 시동시(S100) 스택내부온도를 도출하게 된다(S200). 도출된 스택내부온도가 0도 이상인 경우 냉시동 필요가 없으므로 일반시동(S240)으로 정상주행(S400)하게 된다.
도출된 스택내부온도가 0도 이하인 경우 냉시동이 필요하므로 냉시동단계(S220)로 진입하게 된다. 냉시동 진입시 내부저항을 도출하고(S230), 제어부에서 스택내부온도와 스택저항을 통해 맵데이터를 이용하거나 상기 식을 이용하여 스택활성면적을 도출한다(S300).
도출된 스택활성면적이 90~100% 구간에 포함되는 경우, 스택활성면적이 정상적이므로 냉시동 필요없이 바로 정상주행단계(S400)로 진입한다.
도출된 스택활성면적이 70~90% 구간에 포함되는 경우, 차량주행은 가능한 상태이나 스택손상을 방지하기 위해 최대출력을 80%로 제한할 수 있다(S380). 주행시 자연적으로 스택해동됨에 따라 출력제한을 해제할 수 있다.
도출된 스택활성면적이 50~70% 구간에 포함되는 경우, 고전류 0.3A/cm2로 단시간 30초동안 스택해동을 실시할 수 있다(S360).
도출된 스택활성면적이 30~50% 구간에 포함되는 경우, 중전류 0.2A/cm2로 중시간 1분동안 스택해동을 실시할 수 있다(S340).
도출된 스택활성면적이 0~30% 구간에 포함되는 경우, 저전류 0.1A/cm2로 장시간 2분동안 스택해동을 실시할 수 있다(S320).
스택활성면적이 90%이하의 경우에는 출력 제어단계(S320, S340, S360, S380)이후 다시 스택활성면적을 도출하는 단계(S300)로 진입하게 된다. 이 단계에서, 매 1~10초마다 스택활성면적을 도출하고, 도출된 스택활성면적에 따라 스택해동전류를 조절하거나 차량주행을 시작할 수 있다. 스택활성면적이 70%에 도달시 주행을 시작하기 때문에 냉시동 시간을 최적화할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 연료전지 냉시동 제어방법은, 스택활성면적을 직접 도출함으로써 연료전지스택의 실제 상태를 반영할 수 있다.
또한, 도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 스택해동전류와 냉시동시간을 조절할 수 있으므로, 최적화가 가능하고 사용자의 이용성이 향상될 수 있다.
또한, 도출된 스택활성면적에 따라 출력을 제어하므로, 안정적이고 효율적인 연료전지 냉시동 제어가 가능하다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 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.

Claims (9)

  1. 대상 온도를 도출하는 단계;
    연료전지의 내부저항을 도출하는 단계;
    도출된 대상 온도와 내부저항을 이용하여 연료전지의 스택활성면적을 도출하는 단계; 및
    도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 냉시동 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    대상 온도를 도출하는 단계에서 대상 온도는 연료전지의 내부온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    스택활성면적을 도출하는 단계에서는 미리 저장된 맵데이터를 이용하여 스택활성면적을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    스택활성면적을 도출하는 단계에서는 대상 온도에 관한 하기의 식과 연료전지의 내부저항에 관한 하기의 식을 이용하여 스택활성면적을 계산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 제어방법.
    Figure pat00003
  5. 청구항 1에 있어서,
    도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서는 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 어느 한 구간에 포함되는 경우 각각의 구간별로 미리 설정된 제어부의 요구출력만큼 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서는 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 스택활성면적 범위가 최상위 구간에 포함되는 경우 연료전지에 요구되는 출력값에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서는 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 스택활성면적 범위가 중간 구간에 포함되는 경우 미리 설정된 제한출력 이하에서 연료전지의 출력을 제어하거나 또는 미리 설정된 고정출력으로 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서 스택활성면적 범위의 중간 구간은 복수의 서브구간으로 구분되고, 각 서브구간에서는 미리 설정된 고정출력으로 연료전지의 출력을 제어하며 스택활성면적 범위가 상대적으로 큰 서브구간이 고정출력값도 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 제어방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    도출된 스택활성면적에 따라 연료전지의 출력을 제어하는 단계에서는 도출된 스택활성면적이 복수의 구간 중 스택활성면적 범위가 최하위 구간에 포함되는 경우 미리 설정된 고정출력으로 연료전지의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉시동 제어방법.
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