KR20190072910A - 수소 퍼지 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 추정하는 단계; 및 추정한 공기 공급량을 기반으로 수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계;를 포함하는 수소 퍼지 제어방법이 소개된다.

Description

수소 퍼지 제어방법 및 제어시스템{CONTROL METHOD AND CONTROL SYSTEM OF HYDROGEN PURGING}
본 발명은 수소 퍼지 제어방법 및 제어시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 저출력 운전 중 수소 퍼지에 관한 제어방법 및 제어시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 전해질을 사이에 두고 양극과 음극으로 이루어진 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
연료전지는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기를 발생시키는 점에서 연료전지의 전기 발생 성능을 결정하는 요인 중에 하나가 애노드(Anode)의 수소기체의 농도이다. 적어도 70% 정도의 수소 농도가 유지되어야 스택 성능의 하락 없이 연료전지의 운전이 가능하다. 수소 탱크에서 공급되는 수소는 99.999%의 고농도지만, 스택 내부에서 반응 중 생기는 수분, 산소극에서 넘어오는 질소, 그리고 수소극 재순환 기능에 의해 실제로 70% 정도의 수소 농도로 운전된다.
수소극 농도를 유지하기 위해서는 수소 탱크에서 고농도의 수소를 공급하고, 저농도의 내부 수소를 외부로 배출시키는 수소 퍼지 기능을 주기적으로 수행해야 한다. 그러나 연료전지 차량은 수소 배출가스 규제를 만족시켜야 하는 점에서 수소 퍼지시에 일시적으로 배출 수소 농도가 상승하는 현상을 방지하기 위하여 이를 적절히 희석시켜서 배출시켜야 한다. 이를 위해 공기 배출부에 수소 퍼지를 수행하여, 배출되는 공기에 내부 수소를 희석시켜 배출한다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택을 운전하는 I-V 성능 곡선을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 스택의 내구성을 위해서는 연료전지 스택에 상한 전압(X[V])을 설정하여 전압을 제한하도록 운전한다. 구체적으로, 연료전지 스택에 연결된 메인버스단의 DC/DC 컨버터(BHDC)를 제어하여 배터리 충방전을 통해 전압 제어를 수행한다. 스택전류가 Y[A] 이상인 ② 영역의 경우에는 상한 전압(X[V]) 이하로 유지시키면서 연료전지 스택에서 발생하는 Y[A] 이상의 스택전류를 이용하여 차량 구동 및 기타 보기류에 공급하고, 고전압 배터리를 충전할 수 있다.
그러나 이러한 제어가 계속되는 경우에는 고전압 배터리가 만충되어 더이상 충전될 수 없게 되고, 이에 따라 DC/DC 컨버터는 더이상 전압을 제어할 수 없게 되어 스택전압은 상한 전압(X[V]) 이상의 ① 영역으로 진입될 수 있는 문제가 있다.
이러한 경우에는 상한 전압 이하로 제한하여 운전하기 위해서는 기존 I-V 성능 곡선보다 낮은 상태(③)로 운전해야하며, 이를 위해서는 연료전지 스택에 공급되는 가스를 정밀하게 제어하여야 한다. 다만, 수소의 공급을 줄이는 경우에는 수소 부족 상태가 발생할 수 있고, 이에 따라 역전압이 발생하여 막-전극접합체(MEA) 또는 분리판 등의 하드웨어의 손상을 발생시킬 수 있기 때문에 공기 공급량을 조절하여 제어하는 방법을 이용한다. 구체적으로, 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 압축기의 RPM 및 연료전지 스택의 공기 출구단에 마련된 공기 제어 밸브의 개도를 제어함으로써 연료전지 스택에 공급하는 공기 공급량을 감소시켜 저전류 요구 구간의 스택의 I-V 성능을 하락시켜 연료전지 스택의 전압을 제한할 수 있다.
그러나 공기의 유량을 매우 낮게 제어하는 경우에 수소 퍼지를 수행하는 경우에는 퍼지된 수소가 스택 내부로 역류하여 스택 전압을 순간적으로 떨어뜨리게 되어, 에너지 효율 및 연료전지 차량의 상품성에 큰 영향을 준다.
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 10-1646404 B KR 10-1679970 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 저출력 운전 중 퍼지된 수소가 공기극으로 역류하지 않도록 수소 퍼지를 제어하는 방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수소 퍼지 제어방법은 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 추정하는 단계; 및 추정한 공기 공급량을 기반으로 수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계;를 포함한다.
공기 공급량을 추정하는 단계 이전에, 수소 농도를 추정하여 수소 퍼지가 필요한 시점을 판단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계는 추정한 공기 공급량과 기설정된 제1공기유량을 비교하는 단계를 포함하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상인 경우 수소 퍼지가 필요한 시점에 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다.
기설정된 제1공기유량은 퍼지된 수소가 캐소드(Cathode) 측으로 역류하지 않는 최소 공기 공급량 이상으로 설정할 수 있다.
수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계는 수소 퍼지를 수행하는 동안 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량이 감소하지 않도록 제어할 수 있다.
비교하는 단계에서 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 미만인 경우, 비교하는 단계 이후에 공기 공급량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
공기 공급량을 제어하는 단계는 목표 공기 공급량을 설정하고, 공기 제어 밸브의 개도 또는 공기 압축기의 회전속도를 제어하여 공기 공급량이 목표 공기 공급량을 추종하도록 제어할 수 있다.
공기 공급량을 제어하는 단계는 공기 제어 밸브를 먼저 개방한 후에 공기 압축기의 회전속도를 증가시킬 수 있다.
공기 공급량을 제어하는 단계 이후에, 추정한 공기 공급량과 기설정된 제2공기유량을 비교하는 단계를 더 포함하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제2공기유량 이상이면 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다.
기설정된 제2공기유량은 목표 공기 공급량 이하로 설정할 수 있다.
수소 퍼지를 수행하도록 제어한 이후에, 공기 공급량이 연료전지 스택의 요구 공기 공급량으로 복귀하도록 공기 제어 밸브의 개도 또는 공기 압축기의 회전속도를 제어할 수 있다.
수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계는 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 미만인 경우, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상이 될 때까지 수소 퍼지를 대기하도록 제어할 수 있다.
수소 퍼지를 대기하는 경우, 이후의 수소 퍼지 제어시 수소 퍼지를 대기한 대기시간을 기반으로 퍼지지속시간을 가변할 수 있다.
수소 퍼지를 대기한 대기시간이 증가할수록 퍼지지속시간이 증가하도록 가변할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수소 퍼지 제어시스템은 수소 농도를 추정하여 수소 퍼지가 필요한 시점을 판단하고, 수소 퍼지를 제어하는 수소 퍼지 제어부; 및 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 추정하고, 추정한 공기 공급량을 기반으로 수소 퍼지의 수행을 제어하는 상위 제어부;를 포함한다.
상위 제어부는 추정한 공기 공급량과 기설정된 제1공기유량을 비교하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상인 경우 수소 퍼지가 필요한 시점에 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다.
수소 퍼지를 수행하는 동안 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량이 감소하지 않도록 제어하는 공기 공급 제어부;를 더 포함할 수 있다.
공기 제어 밸브의 개도 또는 공기 압축기의 회전속도를 제어하여 공기 공급량이 상위 제어부에서 설정한 목표 공기 공급량을 추종하도록 제어하는 공기 공급 제어부;를 더 포함하고, 상위 제어부는 추정한 공기 공급량과 기설정된 제2공기유량을 비교하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제2공기유량 이상이면 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다.
상위 제어부는 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 미만인 경우, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상이 될 때까지 수소 퍼지를 대기하도록 제어할 수 있다.
상위 제어부는 수소 퍼지를 대기하는 경우, 이후의 수소 퍼지 제어시 수소 퍼지를 대기한 대기시간이 증가할수록 퍼지지속시간이 증가하도록 가변할 수 있다.
본 발명의 수소 퍼지 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 수소극에 공급되는 수소 가스 농도를 적절하게 유지하는 효과를 갖는다.
또한, 퍼지된 수소가 공기극으로 역류하여 스택 전압이 강하하는 상황을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 저유량 운전 중에도 연료전지 스택의 전압을 상한 전압 이하로 유지하여 연료전지 스택의 내구성 및 차량의 상품성이 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택을 운전하는 I-V 성능 곡선을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 및 수소의 이동 경로를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 퍼지 제어방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 퍼지 제어방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 퍼지 제어시스템의 구성도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 및 수소의 이동 경로를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 수소 입구는 수소 탱크 등의 수소를 저장하는 장치로부터 유입되고, 수소 재순환 유로를 통해 유입된 수소 가스와 이젝터(Ejector)에서 혼합되어 애노드(Anode)로 공급된다. 공기 압축기를 통해 외부의 공기가 공기 입구로 유입되고, 캐소드(Cathode)로 공급된 후 공기 출구로 배출된다.
연료전지 스택의 애노드 내부 수소 농도를 일정수준(약 70%)로 유지하기 위해서는 수소 농도가 감소된 애노드 기체 및 수분을 외부로 배출하는 수소 퍼지가 필요하다.
수소 퍼지는 애노드 내부의 수소 농도 추정 기반으로 주기적으로 수행될 수 있다. 또는 연료전지 시동온시 및 시동오프시에 COD(Cathode Oxygen Depletion) 제어와 동시에 수행되거나, 연료전지 운전 중 수소 분압 추정 또는 스택 전류 적산 등에 의해 수행이 제어될 수 있다.
수소 퍼지는 배출가스 농도 규제를 만족시키기 위하여 캐소드에서 배출되는 공기 측으로 배출하여 수소 농도를 희석시킬 수 있다. 캐소드에서 배출되는 공기의 유량이 일정량 이상인 경우에는 캐소드 배출 공기와 퍼지된 수소 가스가 희석되어 외부로 배출되지만, 캐소드에서 배출되는 공기의 유량 또는 압력이 일정량 미만인 경우에는 퍼지된 수소 가스가 역류하여 캐소드 내부로 유입될 수 있다.
이 경우에 캐소드에서 수소와 산소의 반응이 발생할 수 있고, 이에 따라 캐소드 측의 산소가 제거되어 연료전지 스택의 전압이 급격하게 하강하는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 종래기술에서 설명한 바와 같이 연료전지 스택에 공급하는 공기 유량을 감소시키는 제어는 도심 주행 조건(UDDS)에서 전체 주행의 50% 이상을 차지할 수 있다. 따라서, 수소 퍼지 제어에 의해 연료전지 스택의 전압 강하가 발생할 가능성이 매우 높은 점에서 이를 대비한 제어방법 및 제어시스템이 필요하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 퍼지 제어방법의 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 퍼지 제어방법은 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 추정하는 단계(미도시); 및 추정한 공기 공급량을 기반으로 수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계(S300, S500);를 포함한다.
공기 공급량을 추정하는 단계(S200) 이전에, 수소 농도를 추정하여 수소 퍼지가 필요한 시점을 판단하는 단계(S100);를 더 포함할 수 있다.
수소 퍼지가 필요한 시점은 다양한 방법으로 판단할 수 있다. 연료전지의 운전 중에는 수소 농도 또는 분압 추정이나 스택 전류 적산 등에 의해 수소 퍼지가 필요한 시점이 판단될 수 있다. 추정된 수소 농도가 기설정된 수소 농도만큼 감소된 시점에 수소 퍼지가 필요한 것으로 판단할 수 있다. 그밖에 연료전지 시동온시 및 시동오프시에 COD(Cathode Oxygen Depletion) 제어와 동시에 수소 퍼지가 수행되도록 제어할 수도 있다.
연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 추정할 수 있다. 공기 공급량을 측정하는 센서를 통하여 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 공기 공급량을 추정할 수도 있고, 공기압축기의 회전수, 공기의 온도 등을 비롯한 공기압축기 구동 조건을 이용하여 공기 공급량을 추정할 수 있다. 여기서 공기 공급량은 단위 시간당 공급하는 공기의 유량을 의미한다.
수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계(S300, S500)는 추정한 공기 공급량과 기설정된 제1공기유량을 비교하는 단계(S200)를 포함하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상인 경우 수소 퍼지가 필요한 시점에 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다(S300).
기설정된 제1공기유량은 퍼지된 수소가 캐소드(Cathode) 측으로 역류하지 않는 최소 공기 공급량 이상으로 설정할 수 있다. 상기 설명한 바와 같이 연료전지 스택의 캐소드로 공급하는 공기유량이 일정 수준 이하인 경우에는 퍼지된 수소가 캐소드 측으로 역류하여 연료전지 스택 내부로 유입될 수 있다. 제1공기유량은 이러한 현상을 방지하기 위한 최소 공기 공급량 이상으로 설정하여 연료전지 스택에 공급되는 공기 공급량이 제1공기유량 이상인 경우에는 퍼지된 수소가 캐소드 측으로 역류할 우려가 없는 것으로 인정될 수 있다.
수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계(S300)는 수소 퍼지를 수행하는 동안 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량이 감소하지 않도록 제어할 수 있다(S310, S320). 즉, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상인 경우 수소 퍼지가 필요한 시점에 수소 퍼지를 수행하는 경우에는 수소 퍼지 이전에 공기 공급량의 공기 공급량이 감소하지 않도록 제한하고(S310), 수소 퍼지 이후에 공기 공급량의 감소 제한을 해제할 수 있다(S320).
수소 퍼지는 짧은 시간 내에 이루어지지만, 차량의 부하변동이 더 짧은 시간 안에 발생하여 수소 퍼지 밸브가 개방된 동안에 공기 유량이 감소할 수도 있다. 따라서, 퍼지를 수행하는 동안에는 최소한의 공기 유량을 유지할 수 있도록, 공기 공급량이 일정 수준 이하로 감소하는 것을 방지하여야 한다. 여기서 일정 수준은 제1공기유량일 수 있다. 이를 위해, 수소 퍼지를 수행하는 동안에는 공기 압축기가 특정 RPM 미만으로 제어되거나 공기 제어 밸브가 특정 개도 미만으로 제어되는 것을 방지할 수 있다.
비교하는 단계(S200)에서 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 미만인 경우, 비교하는 단계(S200) 이후에 공기 공급량을 제어하는 단계(S410, S420, S430)를 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예로 공기 공급량이 작아 수소 퍼지를 수행하면 퍼지된 수소가 역류할 가능성이 있는 경우에 공기 공급량을 제어한 후 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다.
공기 공급량을 제어하는 단계(S410, S420, S430)는 목표 공기 공급량을 설정(S410)하고, 공기 제어 밸브의 개도 또는 공기 압축기의 회전속도를 제어하여 공기 공급량이 목표 공기 공급량을 추종하도록 제어할 수 있다(S420, S430).
공기 공급량을 제어하는 단계(S410, S420, S430) 이후에, 추정한 공기 공급량과 기설정된 제2공기유량을 비교하는 단계(S440)를 더 포함하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제2공기유량 이상이면 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다(S500).
목표 공기 공급량과 기설정된 제2공기유량은 현재 연료전지 스택에서 요구하는 공기량과 퍼지된 수소가 역류함에 따라 소모될 수 있는 산소량을 고려하여 목표 공기 공급량을 설정할 수 있다. 연료전지 스택에서 요구하는 공기량은 연료전지 스택의 전류 또는 전압을 기반으로 연료전지 스택의 발전에 필요한 공기량으로 설정할 수 있다.
기설정된 제2공기유량은 목표 공기 공급량 이하일 수 있다. 즉, 목표 공기 공급량은 공기 공급량을 제어하기 위한 목표 값인 점에서 빠르게 공기 공급량이 증가할 수 있도록 제2공기유량보다 더 큰 값으로 설정할 수 있다.
구체적으로, 예를 들면 연료전지 스택의 저출력 모드에서 수소 퍼지 밸브를 개방하여 수소 퍼지를 실시하는 경우 0.4초 동안 수소 퍼지 밸브를 개방한다고 가정한다면 퍼지되는 수소 가스(수소+수증기+질소 등)는 1[L]가 배출된다. 퍼지되는 수소 가스의 수소 농도는 약 60%정도인 점에서, 약 0.6[L]의 수소가 퍼지되는 것이고, 0.6[L]의 수소는 0.3[L]의 산소를 완전히 소모시킬 수 있다. 공기 중의 산소 비율을 약 20%로 가정한다면, 1.5[L]의 공기 내부의 산소를 모두 소모시킬 수 있는 양이다.
수소 퍼지를 수행하는 0.4초 동안에 1.5[L]의 공기가 공급되려면 연료전지 스택의 공기 공급량은 적어도 225[LPM(Liter Per Minute)] 이상은 공급되어야 퍼지된 수소가 역류함에 따라 산소가 소모되더라도 캐소드로 산소가 공급될 수 있다.
상기 예시와 같이, 제2공기유량은 퍼지된 수소가 역류함에 따라 소모될 수 있는 산소량을 포함하는 공기 유량(c) 및 연료전지 스택에 요구되는 공기 유량(b)을 합한 공기 유량으로 설정할 수 있다. 목표 공기 공급량은 제2공기유량에 일정한 마진(+α)을 더한 값으로 설정할 수 있다.
추정한 공기 공급량이 기설정된 제2공기유량 이상이면(S440) 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다(S500). 여기서도 수소 퍼지를 수행하는 동안 공기 공급량이 감소하지 않도록 제한할 수 있다.
공기 공급량을 제어하는 단계(S410, S420, S430)는 공기 제어 밸브의 개방 또는 공기 압축기의 회전을 제어하여 공기 공급량을 제어할 수 있다. 공기 압축기의 회전속도는 일정 RPM 이하 또는 일정 RPM 이상으로 제어할 수 없는 점에서 공기 제어 밸브와 함께 제어하여 공기 공급량을 더 큰 범위로 제어할 수 있다.
구체적으로, 공기 제어 밸브를 먼저 개방한 후에(S420) 공기 압축기의 회전속도를 증가시킬 수 있다(S430). 공기 제어 밸브가 충분히 개방되지 않은 상태에서 공기 압축기의 회전속도를 증가시키더라도 유량이 크게 상승하지 않고, 오히려 과도한 압력이 발생하여 하드웨어의 손상을 발생시킬 수 있다. 따라서, 공기 제어 밸브를 먼저 개방하고 공기 압축기의 회전 속도를 증가하는 것이 공기 공급량을 증가시키는데 유리하다.
수소 퍼지를 수행하도록 제어(S500)한 이후에, 공기 공급량이 연료전지 스택의 요구 공기 공급량(b)으로 복귀하도록 공기 제어 밸브의 개도 또는 공기 압축기의 회전속도를 제어할 수 있다(S610, S620, S630). 여기서 목표 공기 공급량은 연료전지 스택에 요구되는 공기 유량(b)으로 설정하여 이를 추종하도록 제어할 수 있다(S610). 공기 공급량을 증가시키는 경우와 반대로, 공기 공급량을 감소시키는 경우에는 공기 압축기의 회전속도를 먼저 감소시킨(S620) 후 공기 제어 밸브를 감소시킬 수 있다(S630).
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 퍼지 제어방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 퍼지 제어방법의 수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계(S300, S900)는 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 미만인 경우(S200), 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상이 될 때까지 수소 퍼지를 대기하도록 제어할 수 있다(S700).
즉, 도 3의 실시예에서는 수소 퍼지를 수행하기 위하여 적극적으로 공기 공급량을 제어하는 반면, 해당 실시예에서는 소극적으로 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상이 될 때까지 수소 퍼지를 대기할 수 있는 것이다.
여기서, 수소 퍼지를 대기하는 경우, 이후의 수소 퍼지 제어시 수소 퍼지를 대기한 대기시간을 기반으로 퍼지지속시간을 가변할 수 있다(S710). 구체적으로, 수소 퍼지를 대기한 대기시간이 증가할수록 퍼지지속시간이 증가하도록 가변할 수 있다. 여기서, 퍼지지속시간은 수소 퍼지 밸브를 개방하는 시간일 수 있다.
즉, 평상시에 수소 퍼지를 수행하는 경우에는 퍼지지속시간을 β초로 제어할 수 있으나(S300), 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상이 될 때까지 수소 퍼지를 대기(S800)한 후에 수소 퍼지를 수행하는 경우(S900)에는 퍼지지속시간을 β초에 γ초만큼 증가된 β+γ초로 퍼지지속시간을 가변할 수 있다(S710). γ초는 수소 퍼지를 대기한 대기시간에 비례하여 증가할 수 있고, 일정한 상한치가 설정되어 그 이상은 증가하지 않을 수 있다.
추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상이 될 때까지 수소 퍼지를 대기(S800)한 후에 수소 퍼지를 수행하는 경우(S900)에도 퍼지 중 공기 공급량이 하강하는 것을 제한할 수 있다(S910, S920).
도 3과 동일한 부분에 관하여는 설명을 생략한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 퍼지 제어시스템의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 퍼지 제어시스템은 수소 농도를 추정하여 수소 퍼지가 필요한 시점을 판단하고, 수소 퍼지를 제어하는 수소 퍼지 제어부(20); 및 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 추정하고, 추정한 공기 공급량을 기반으로 수소 퍼지의 수행을 제어하는 상위 제어부(10);를 포함한다.
상위 제어부(10)는 추정한 공기 공급량과 기설정된 제1공기유량을 비교하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상인 경우 수소 퍼지가 필요한 시점에 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다.
수소 퍼지를 수행하는 동안 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량이 감소하지 않도록 제어하는 공기 공급 제어부(30);를 더 포함할 수 있다.
공기 제어 밸브(60)의 개도 또는 공기 압축기(50)의 회전속도를 제어하여 공기 공급량이 상위 제어부(10)에서 설정한 목표 공기 공급량을 추종하도록 제어하는 공기 공급 제어부(30);를 더 포함하고, 상위 제어부(10)는 추정한 공기 공급량과 기설정된 제2공기유량을 비교하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제2공기유량 이상이면 수소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다.
상위 제어부(10)는 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 미만인 경우, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상이 될 때까지 수소 퍼지를 대기하도록 제어할 수 있다.
상위 제어부(10)는 수소 퍼지를 대기하는 경우, 이후의 수소 퍼지 제어시 수소 퍼지를 대기한 대기시간이 증가할수록 퍼지지속시간이 증가하도록 가변할 수 있다.
수소 퍼지 제어부(20)는 수소 퍼지 시점을 판단하고, 수소 퍼지 밸브(40)를 제어함으로써 수소 퍼지를 수행할 수 있다.
공기 공급 제어부(30)는 공기 압축기(50)의 회전속도 및 공기 제어 밸브(60)의 개도를 제어함으로써 연료전지 스택의 캐소드로 공급하는 공기의 유량을 제어할 수 있다.
상위 제어부(10)는 공기 공급 제어부(30) 및 수소 퍼지 제어부(20)의 상위에서 이들을 각각 제어하는 연료전지 제어기(FCU)일 수 있고, 공기 공급 제어부(30) 및 수소 퍼지 제어부(20)는 각각 별도의 제어기일 수도 있고, 연료전지 제어기에 포함될 수도 있다.
제어시스템의 구체적인 제어방법은 상기 제어방법에 관한 설명과 중복되는 점에서 생략한다.
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.
10 : 상위 제어부 20 : 수소 퍼지 제어부
30 : 공기 공급 제어부 40 : 수소 퍼지 밸브
50 : 공기 압축기 60 : 공기 제어 밸브

Claims (20)

  1. 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 추정하는 단계; 및
    추정한 공기 공급량을 기반으로 수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계;를 포함하는 수소 퍼지 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    공기 공급량을 추정하는 단계 이전에, 수소 농도를 추정하여 수소 퍼지가 필요한 시점을 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계는 추정한 공기 공급량과 기설정된 제1공기유량을 비교하는 단계를 포함하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상인 경우 수소 퍼지가 필요한 시점에 수소 퍼지를 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    기설정된 제1공기유량은 퍼지된 수소가 캐소드(Cathode) 측으로 역류하지 않는 최소 공기 공급량 이상으로 설정하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계는 수소 퍼지를 수행하는 동안 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량이 감소하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    비교하는 단계에서 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 미만인 경우, 비교하는 단계 이후에 공기 공급량을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    공기 공급량을 제어하는 단계는 목표 공기 공급량을 설정하고, 공기 제어 밸브의 개도 또는 공기 압축기의 회전속도를 제어하여 공기 공급량이 목표 공기 공급량을 추종하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    공기 공급량을 제어하는 단계는 공기 제어 밸브를 먼저 개방한 후에 공기 압축기의 회전속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    공기 공급량을 제어하는 단계 이후에, 추정한 공기 공급량과 기설정된 제2공기유량을 비교하는 단계를 더 포함하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제2공기유량 이상이면 수소 퍼지를 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    기설정된 제2공기유량은 목표 공기 공급량 이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    수소 퍼지를 수행하도록 제어한 이후에, 공기 공급량이 연료전지 스택의 요구 공기 공급량으로 복귀하도록 공기 제어 밸브의 개도 또는 공기 압축기의 회전속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  12. 청구항 3에 있어서,
    수소 퍼지의 수행을 제어하는 단계는 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 미만인 경우, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상이 될 때까지 수소 퍼지를 대기하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    수소 퍼지를 대기하는 경우, 이후의 수소 퍼지 제어시 수소 퍼지를 대기한 대기시간을 기반으로 퍼지지속시간을 가변하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    수소 퍼지를 대기한 대기시간이 증가할수록 퍼지지속시간이 증가하도록 가변하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어방법.
  15. 수소 농도를 추정하여 수소 퍼지가 필요한 시점을 판단하고, 수소 퍼지를 제어하는 수소 퍼지 제어부; 및
    연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량을 추정하고, 추정한 공기 공급량을 기반으로 수소 퍼지의 수행을 제어하는 상위 제어부;를 포함하는 수소 퍼지 제어시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상위 제어부는 추정한 공기 공급량과 기설정된 제1공기유량을 비교하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상인 경우 수소 퍼지가 필요한 시점에 수소 퍼지를 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    수소 퍼지를 수행하는 동안 연료전지 스택으로 공급되는 공기 공급량이 감소하지 않도록 제어하는 공기 공급 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어시스템.
  18. 청구항 16에 있어서,
    공기 제어 밸브의 개도 또는 공기 압축기의 회전속도를 제어하여 공기 공급량이 상위 제어부에서 설정한 목표 공기 공급량을 추종하도록 제어하는 공기 공급 제어부;를 더 포함하고,
    상위 제어부는 추정한 공기 공급량과 기설정된 제2공기유량을 비교하고, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제2공기유량 이상이면 수소 퍼지를 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어시스템.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상위 제어부는 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 미만인 경우, 추정한 공기 공급량이 기설정된 제1공기유량 이상이 될 때까지 수소 퍼지를 대기하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어시스템.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상위 제어부는 수소 퍼지를 대기하는 경우, 이후의 수소 퍼지 제어시 수소 퍼지를 대기한 대기시간이 증가할수록 퍼지지속시간이 증가하도록 가변하는 것을 특징으로 하는 수소 퍼지 제어시스템.
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