KR20190131726A - 연료전지 시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력과 물을 생성하는 연료전지 스택과 연료전지 스택 내의 물의 양이 시간이 지남에 따라 수렴하는 값인 최대잔존수량 및 연료전지 스택의 출력전력에 기초하여 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지 시스템은 스택 내부의 물의 양을 실시간으로 감지할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그의 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THEROF}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택 내의 물의 양을 계산할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 수십 또는 수백개의 셀을 직렬로 쌓아올린 스택을 포함한다. 스택은 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드 타측은 캐소드가 마련된다.
이러한 스택은 애노드에 수소가 공급되면 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 전자는 분리판을 통해 스택 외부로 이동하며 전기를 생산하며, 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드로 이동한 후 외기에서 공급되는 산소 및 전자와 결합하여 물을 형성하고 외부로 배출된다.
한편, 연료전지 스택에서 생성되어 배출되지 않고 내부에 잔존하는 물은 산소와 수소의 흐름을 방해하므로 제거가 필요한데, 생성된 물의 일부는 수소나 공기의 흐름에 의해 배출되나 나머지는 배출되지 않고 연료전지 스택 내에 잔존할 수 있다. 특히, 연료전지 스택의 애노드 전극에 물이 다량 존재할 경우, 연료인 수소의 공급을 방해하여 연료전지 스택의 발전 성능이 저하되며, 나아가 구성품의 손상을 일으킬 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 스택 내의 애노드에는 배기라인이 연결되어 퍼지밸브의 개폐에 의해 상기 애노드 내의 가스를 일정주기로 외부로 배출하도록 구성된다. 하지만, 애노드에서 배출되는 퍼지가스에는 상당한 농도의 수소(일반적으로 60~70% 수준)가 포함되어 있다. 이렇게 수소가 배출되어 버려지면서 수소이용률의 저하에 따른 연료전지시스템의 효율저하를 초래하는 문제가 있다.
본 발명은 연료전지 스택 내부의 물의 양을 정확하게 예측하고 적시에 스택의 물을 배출함으로써 효율적으로 기동할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것에 주목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력과 물을 생성하는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택 내의 물의 양이 시간이 지남에 따라 수렴하는 값인 최대잔존수량 및 상기 연료전지 스택의 출력전력에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는 제어부를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 연료전지 스택의 출력전력에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내의 물의 양이 시간이 지남에 따라 수렴하는 값인 최대잔존수량을 획득하는 단계와, 상기 최대잔존수량 및 상기 연료전지 스택의 출력전력에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지 시스템은 스택 내부의 물의 양을 실시간으로 정확하게 획득하여 필요한 시점에만 수소 퍼징을 통해 물을 배출함으로써, 외부로 유출되는 수소의 양을 최소화하여 시스템을 효율적으로 기동할 수 있다.
즉, 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 시스템 내부에서 생성되는 물의 양 뿐만 아니라 연료전지 스택 내부의 유동에 의해 배출되는 물의 양까지 고려된 실제 연료전지 스택 내부의 잔존하는 물의 양을 실시간으로 정확하게 획득할 수 있다.
또한, 스택 내부의 물로 인해 연료공급이 원활하지 못하여 스택의 발전성능이 저하되는 것이 방지될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 제어순서도이다.
도 3은 도 2의 제어방법을 보다 자세하게 설명하기 위한 제어순서도이다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도이다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력과 물을 생성하는 연료전지 스택(10), 제어부(20), 메모리(30), 연료전지 스택(10)에서 배출되는 물 또는 수소 등을 조절하는 배수-퍼지 밸브(40), 상기 연료전지 스택(10)으로 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기 블로워(50) 및 상기 연료전지 스택(10)으로 수소를 공급하는 수소 공급부(60)를 포함한다.
실시예에 따라서 연료전지 시스템은, 상기 구성들 중 일부를 포함하지 않거나 추가적으로 구성을 더 포함하는 것도 가능하나, 어느 경우에도 연료전지 스택(10), 제어부(20)는 포함한다.
연료전지 스택(10)은 전해질막, 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 캐소드 전극과 애노드 전극으로 이루어진 연료전지 셀(cell)이 적층되어, 수소와 산소의 전기 화학적 반응으로 전력을 생성한다.
연료전지 시스템의 기동 중에는 연료전지 스택(10)의 캐소드 전극으로 산소를 포함한 공기가 공급되고, 연료전지 스택(10)의 애노드 전극으로 수소가 공급된다. 이때, 공기와 수소는 반응에 적절한 고온 상태로 히팅되어 연료전지 스택(10)으로 공급될 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)은 화학적 반응을 위해 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요한데, 이를 위해 공기는 가습되어 연료전지 스택(10)으로 공급될 수 있다.
수분을 공급받은 공기는 스택내 유로를 따라 이동하여 수소와 반응한 다음 물을 생성한다. 연료전지 스택(10)으로 공급된 수소는 산소와 반응하고, 반응하지 않은 미반응 수소는 애노드 전극의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 미반응 수소는 수분을 함유한 채로 배출될 수 있다.
한편, 연료전지 스택(10)에서 생성되어 배출되지 않고 내부에 잔존하는 물은 산소와 수소의 흐름을 방해하므로 제거가 필요한데, 생성된 물의 일부는 수소나 공기의 흐름에 의해 배출되나 나머지는 배출되지 않고 연료전지 스택(10) 내에 잔존할 수 있다. 특히, 연료전지 스택(10)의 애노드 전극에 물이 다량 존재할 경우, 연료인 수소의 공급을 방해하여 연료전지 스택(10)의 발전 성능이 저하되며, 나아가 구성품의 손상을 일으킬 수 있다.
연료전지 스택(10)의 내부의 물을 배출하기 위해 연료전지 스택(10) 내부의 흐름량을 증가시켜 스택 내부의 유체(수분을 포함한 혼합 가스)의 유속을 증대시키는 방법이 있다. 이때 가장 많이 이용되는 방법은 주기적인 수소의 퍼지이다. 연료전지 스택(10) 내의 수분을 제거하고자 할 때 배수-퍼지 밸브(40)를 통해 퍼징을 함으로써 연료전지 스택(10) 내의 수소 흐름량을 증가시킬 수 있다. 이러한 수소의 퍼징은 연료전지 스택(10)의 수분을 제거하기는 하지만, 수소를 외부로 배출하게 되어 연비를 감소시키고 폭발 등의 위험성을 증가시키는 단점이 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 발전 성능이 저하되는 것을 방지하면서 위와 같이 수소의 퍼징 등을 이용한 배출시의 단점을 최소화하기 위해, 연료전지 스택(10)의 물의 배출이 필요한 시점을 정확히 판단하기 위한 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택 내에 물이 최대로 잔류하는 최대잔존수량과 연료전지 스택의 출력전력에 기초하여, 연료전지 스택 내부의 물의 양을 실시간으로 획득하는 것에 기본적인 특징이 있다.
또한, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택 내부에서 생성되는 물의 양과 연료전지 내부의 기체 유동(예를 들면, 수소 등)에 의하여 연료전지 스택 외부로 배출되는 물의 양이 고려된 값인, 연료전지 스택 내부에 잔존하는 물의 양을 획득한다는 것에 특징이 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
이와 같은 연료전지 시스템의 구성들 중 일부는 당업계에 일반적으로 알려진 구성들인바, 그에 관한 설명은 생략하기로 한다.
제어부(20)는 연료전지 시스템의 각 구성들을 제어할 수 있다. 제어부(20)는 연료전지 시스템 각각의 구성들로부터 연료전지 시스템에 관한 정보 또는 신호를 획득할 수 있다.
제어부(20)는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(20)의 제어방법에 관하여 보다 상세하게는 도 2 이하를 참조하여 후술하기로 한다.
배수-퍼지 밸브(40)는 연료 전지 스택(10)의 물이나 혼합기체를 배출하기 위한 밸브이다. 연료전지 스택(10) 내부에서 물이 잘 배출되지 않는 경우, 즉 플러딩(flooding) 상태인 경우, 연료인 수소의 공급을 방해하여 연료전지 스택(10)의 발전 성능이 저하되며, 심각한 경우 연료 전지 스택(10)의 구성품의 소손을 일으킬 수 있다.
배수-퍼지 밸브(40)는 연료전지 시스템의 기동 중에 연료전지 시스템으로 유입되는 공기 또는 수소등의 압력에 의해 스택의 물이 일부 배출될 수 있도록 일부 개방될 수 있다. 배수-퍼지 밸브(40)는 수소 퍼지를 실시할 때는 유동 저항을 최소화하여 스택 내부의 물을 외부로 배출시키기 위해 완전히 개방될 수 있다.
수소 공급부(60)는 통상의 수소 탱크로서, 고압 수소를 저장하고 연료전지 스택(10)에 이를 공급할 수 있다. 수소 공급부(50)에서 나온 고압 수소는 압력 레귤레이터, 압력 조절 밸브, 인젝터, 압력 조절 액추에이터(미도시) 등에서 다시 감압되어 연료전지 스택(10)으로 공급될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법을 나타내는 제어순서도이고, 도 3은 도 2의 제어방법을 보다 자세하게 설명하기 위한 제어순서도이다.
도 2를 참조하면, 제어부(20)는 연료전지 시스템의 기동시 또는 수소를 퍼지하여 연료전지 스택(10)의 물을 배출한 이후에, 스택 내부의 물의 양을 획득하기 위해 제어로직을 개시할 수 있다(S100).
제어부(20)는 수소를 퍼지한 직후 연료전지 스택(10) 내부에 잔류하는 잔수의 양을 획득할 수 있다(S200).
수소를 퍼지한 직후 연료전지 스택(10) 내부의 잔수의 양은 연료전지 스택(10)의 온도, 퍼지 시의 수소의 유량 등에 따라 달라질 수 있다.
수소를 퍼지한 직후 연료전지 스택(10) 내부의 잔수의 양에 관한 정보는 중성자 래디오그래피(neutron radiography, NR)를 이용한 실험을 통하여 얻을 수 있다. 즉, 퍼지조건(예를 들면 스택의 온도, 퍼지시 수소 유입량, 퍼지 시간, 배출-퍼지 밸브를 개방한 시간, 스택의 출력전력 등)을 달리하며 중성자 래디오그래피를 이용해 스택을 촬영하고, 촬영한 결과값을 테이블로 만들 수 있다. 이와 같이 얻어진 테이블을 메모리(30)에 저장할 수 있다.
제어부(20)는 상기 퍼지조건 중 적어도 일부를 연료전지 시스템의 구성으로부터 획득하고, 획득한 퍼지조건 및 메모리(30)에 저장된 테이블에 기초하여 수소를 퍼지한 직후 연료전지 스택(10) 내부의 잔수의 양을 획득할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제어부(20)는 일정 시간동안 연료전지 스택(10)의 평균온도 및 평균출력전력을 계산할 수 있다(S300).
도 4를 참조하면, 연료전지 스택(10)이 기동을 개시하여 정지하는 한 사이클 동안에 연료전지 스택(10)의 출력전력(kW)은 0에서 기 설정된 최대값 사이의 범위에서 변할 수 있다. 즉, 연료전지 스택(10)의 출력전류(A)는 연료전지 스택(10)이 기동하는 한 사이클 동안에 0에서 기 설정된 최대값 사이의 범위에서 변할 수 있다.
출력전력(또는 출력전류)이 변함에 따라서, 연료전지 스택(10) 내부에서 생성되는 물의 양도 변한다. 이는, 연료전지 스택(10)의 수소와 산소의 전기-화학적 반응에 의해 전력을 생성하며, 전기-화학적 반응을 많이 할수록 물도 많이 생성되기 때문이다.
또한, 출력전력(또는 출력전류)이 변함에 따라서, 연료전지 스택(10) 내부의 기체의 유동에 의하여 연료전지 스택(10) 외부로 쓸려나가는 물의 양도 변한다. 예를 들어 설명하면, 연료전지 스택(10)의 출력전력을 높이기 위해서는 연료전지 스택(10) 내부로 주입하는 수소의 단위시간당 유량을 늘려야 하고, 이에 따라 연료전지 스택(10) 내부의 수소의 유동 압력에 의해 배출되는 물의 양도 증가하게 된다.
또한, 동일한 출력전력(또는 출력전류)로 연료전지 스택(10)이 동작하더라도, 동작 조건에 따라 연료전지 스택(10) 내부에서 생성되는 물의 양 및 연료전지 스택(10) 외부로 배출되는 물의 양이 달라질 수 있다.
예를 들면, 연료전지 스택(10)의 온도, 주위 압력, 내부 유로의 형상 및 그에 따른 유동 저항과 유속 등에 따라, 동일한 출력전력(또는 출력전류)로 동작하는 연료전지 스택들 각각에서 생성되는 물의 양 및 배출되는 물의 양이 달라질 수 있다.
이에 본원 발명에서는, 연료전지 스택(10)의 출력전력에 따라 내부에 잔류하는 물의 양을 획득하기 위해, 먼저 해당 연료전지 스택(10)에 대하여 실험을 통해 출력전력과 상기 동작 조건들에 따른 스택 내부에 잔류하는 물의 양에 관한 데이터를 획득한다. 그리고, 제어부(30)는 저장된 데이터 및 실시간으로 획득되는 연료전지 스택(10)의 출력전력 및 온도 등의 조건에 기초하여, 연료전지 스택(10) 내부에 잔류하는 물의 양을 획득한다.
일정 시간 동안에 연료전지 스택(10) 내부에 잔류하는 물의 총량을 알기 위하여, 기 설정된 시간간격(Δt) 별로 물의 증감량을 구하여 이를 합산하는 방법을 이용할 수 있다. 이는, 수학적으로 적분의 원리와 동일하게 이해될 수 있다.
제어부(20)는 ti~ti+1 구간에서의 연료전지 스택(10)의 평균온도(Tavg)와 평균출력전력(Pavg)를 계산할 수 있다(S300).
제어부(20)는 계산한 평균온도 및 평균출력전력에 기초하여, ti~ti+1 구간에서의 스택 내부의 최대잔존수량(Ci)을 획득할 수 있다(S400).
최대잔존수량(Ci)은 연료전지 스택(10)이 일정한 온도 및 일정한 출력전력으로 기동할 때 시간이 지남에 따라 연료전지 스택(10) 내부의 물의 양이 수렴하는 값으로 정의될 수 있다.
연료전지 스택(10) 내부의 물이 일정 값으로 수렴하는 이유는, 연료전지 스택(10)이 기동하면서 생성되는 물의 일부가 배출단을 통하여 연료전지 스택(10) 외부로 배출되기 때문이다. 연료전지 스택(10) 기동시에는 수소를 포함하는 연료와 공기가 일정 압력으로 주입되고, 연료 및/또는 공기의 압력에 의해 연료전지 스택(10)의 물의 일부가 스택 외부로 배출되게 된다. 따라서, 연료전지 스택(10)이 일정 출력전력으로 기동하는 경우 연료전지 스택(10) 내부에서 생성되는 물의 양과 연료전지 스택(10)에서 배출되는 물의 양이 평형을 이루는 시점이 존재할 수 있고, 이때의 스택 내부의 물의 양을 최대잔존수량(Ci)으로 정의할 수 있다.
도 5는 시간에 따른 연료전지 스택(10) 내부의 물의 양을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 출력전력에 따라 최대잔존수량(Ci)는 변할 수 있다.
예를 들면, 연료전지 스택(10)의 출력전류가 57A인 경우, 최대잔존수량(Ci)은 존재하지 않고, 연료전지 스택(10) 내부의 물은 계속해서 증가할 수 있다. 이는, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 수소 또는 공기 등의 압력이 충분하지 않아 연료전지 스택(10) 내부의 물을 원활히 배출시키지 못하기 때문이다.
예를 들면, 연료전지 스택(10)의 출력전류가 115A인 경우, 최대잔존수량(Ci)은 C2일 수 있다.
예를 들면, 연료전지 스택(10)의 출력전류가 216A인 경우, 최대잔존수량(Ci)은 C2 값보다 작은 C1일 수 있다. 이와 같이, 연료전지 스택(10)의 출력전류 또는 출력전력이 증가함에 따라 최대잔존수량(Ci)의 값은 작을 수 있다.
한편, 도 5의 그래프에서의 출력전류 값은 일 실시예에 따른 것으로, 연료전지 스택(10)의 형상, 구조, 기동조건 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 연료전지 스택의 종류 또는 시스템의 작동 조건에 따라서, 출력전류 57A인 경우에도 최대잔존수량(Ci)을 가질 수도 있고, 또는 출력전류 115A인 경우에도 최대잔존수량(Ci)을 가지지 않을 수도 있다.
위와 같은 데이터는 중성자 래디오그래피(neutron radiography, NR)를 이용한 실험을 통하여 얻을 수 있다. 즉, 연료전지 스택(10)의 형상, 구조, 기동조건 등에 따라 최대잔존수량(Ci)의 값은 달라질 수 있으므로, 중성자 래디오그래피를 이용하여 연료전지 스택(10)의 출력전력(또는 온도 등)을 달리하며 연료전지 스택(10)을 촬영하여, 최대잔존수량(Ci) 값을 얻을 수 있다.
중성자 래디오그래피 실험을 통해, 연료전지의 종류 및 작동환경에 따른 각각의 최대잔존수량(Ci)의 정보를 얻을 수 있고, 이에 기초하여 연료전지 기동 중에 연료전지 내의 물의 양을 정확히 획득할 수가 있다.
도 6은 스택의 출력전력에 따른 최대잔존수량(Ci)의 경향성을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 연료전지 스택(10)의 출력전력이 증가함에 따라, 최대잔존수량(Ci)은 작은 값을 가질 수 있다. 다만, 출력전력이 일정값 이상이 되면 최대잔존수량(Ci) 값도 수렴할 수 있다. 연료전지 스택(10)의 출력전력이 높아질수록 연료전지 내에서 생성되는 물의 양은 증가하는 한편 연료전지 스택(10) 내부로 유입되는 기체(수소, 공기 등)의 압력(또는 유속이나 유량)도 커지는데, 일정 구간에서는 출력전력이 증가함에 따른 물의 배출 효과가 큰 반면, 일정 출력전력 이상에서는 그 효과가 스택 내부의 유로 형상 등의 구조적인 한계로 감소되기 때문으로 볼 수 있다.
도 7은 스택의 온도에 따른 최대잔존수량(Ci)의 경향성을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 연료전지 스택(10)의 온도가 증가함에 따라, 최대잔존수량(Ci)은 작은 값을 가질 수 있다. 다만, 온도가 높은 구간에서는 상대적으로 온도가 낮은 구간에서보다 최대잔존수량(Ci)의 감소 폭이 작을 수 있다. 연료전지 스택(10)의 온도가 높아지면 물이 기체상태로 미반응 수소 등과 혼합되어 배출될 수 있고, 연료전지 스택(10) 내부의 기체도 활발하게 배출될 수 있기 때문으로 볼 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 스택의 출력전력, 온도와 최대잔존수량의 관계에 대한 실험데이터는 테이블로 메모리(30)에 저장될 수 있다. 제어부(20)는 스택의 온도와 출력전력값을 획득하고, 저장된 스택의 온도 및 출력전력값에 해당되는 최대잔존수량(Ci) 값을 획득할 수 있다.
또는, 스택의 온도와 출력전력값에 따른 최대잔존수량(Ci)의 식이 메모리(30)에 저장될 수도 있다. 온도와 최대잔존수량의 관계에 대한 실험데이터에 기초하여 계산된 식을 메모리(30)에 저장하고, 제어부(20)는 메모리(30)에 저장된 최대잔존수량(Ci)에 관한 식에 감지된 온도 및 출력전력을 대입하여, 최대잔존수량(Ci)을 계산할 수 있다. 이 경우, 실험을 통해 구하지 않은 범위에 대하여도 최대잔존수량(Ci)을 계산할 수 있는 이점이 있다.
제어부(20)는 최대잔존수량(Ci)에 기초하여, 스택 내부의 물증감량을 획득할 수 있다(S500).
스택 내부의 물증감량은 스택 내부의 물의 양이 증가 또는 감소한 양으로, 스택 내부에서 생성되는 물의 양과는 다를 수 있다. 즉, 물의 증감량은 “(스택에서 생성된 물의 양) - (스택으로부터 배출된 물의 양)”과 같이 구해지는 값일 수 있다.
제어부(20)는 ti 시점에서의 스택 내부의 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만인지 여부를 판단할 수 있다(S510).
제어부(20)는 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만인 것으로 판단되는 경우, ti~ti+1 구간의 물증감량(Δyi+1)은 아래의 식을 통하여 구할 수 있다(S511). 이하의 식에서 볼드체로 표시된 문자는 상수가 아닌 변수이다.
[식 1]
Δyi+1 = ai+1Δt, ai+1 = f(T avg , P avg ) > 0
물증감량(Δyi+1)은 물증가속도(ai+1)와 기 설정된 단위시간의 곱으로 계산될 수 있다. 물증가속도(ai+1)는 ti~ti+1 구간에서의 스택의 평균온도 및 평균출력전력에 관한 식으로 나타낼 수 있다.
제어부(20)는 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만인 것으로 판단되는 경우, 기 설정된 단위시간(Δt) 동안 물의 양은 일정한 기울기(ai+1)로 증가하는 것으로 계산할 수 있다. 즉, 제어부(20)는 기 설정된 단위시간(Δt) 동안 물증가속도(ai+1)는 일정한 것으로 계산할 수 있다.
물증가속도(ai+1)는 연료전지 스택(10)의 온도와 출력전력에 따라 변할 수 있다. 물증가속도(ai+1)는 연료전지 스택의 출력전력에 대한 일차식으로 나타낼 수 있다. 즉, 물증감량(Δyi+1)은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
[식 2]
Δyi+1 = ai+1Δt = (a' P avg + C1) Δt, a' = a'' T avg + C2 > 0
물증가속도(ai+1)는 연료전지 스택(10)의 출력전력(Pavg)에 대한 일차식으로 나타낼 수 있으므로, 결과적으로 물증감량(Δyi+1)은 출력전력(Pavg)에 관한 일차식으로 계산될 수 있다.
한편, 변수인 출력전력에 곱해지는 값(a')은 연료전지 스택의 온도(Tavg)에 따라 획득되는 값일 수 있다. a'은 온도(Tavg)에 관한 식으로 구해지는 값일 수 있다. a'은 식 2와 같이 온도(Tavg)에 관한 일차식으로 나타낼 수 있다.
도 8은 스택 내부의 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만일 때 시간에 따른 스택 내부의 물의 양의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 스택 내부의 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만일 때, 시간이 지남에 따른 스택 내부의 물의 양(Y(ti))의 실험값은 점선과 같이 표시할 수 있다.
이와 같은 실험값에 기초하여, 스택 내부의 물의 양은 시간이 지남에 따라 실선으로 표시되는 것과 같이 일정한 기울기(a)로 증가하는 것으로 근사할 수 있다. 이때, 기울기(a)는 연료전지 스택(10)의 온도와 출력전력에 따라 변할 수 있다. 기울기(a)는 연료전지 스택(10)의 온도에 관한 일차식, 그리고 출력전력에 관한 일차식으로 나타낼 수 있다.
즉, 스택 내부의 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만일 때, 물증감량(Δyi+1 )은 연료전지 스택(10)의 출력전력에 비례하여 증가할 수 있다. 또한, 스택 내부의 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만일 때, 물증감량(Δyi+1 )은 연료전지 스택(10)의 온도에 비례하여 증가할 수 있다.
한편, 도 8과 같이 나타나는, 구동조건(스택의 출력전력, 온도 등)에서의 시간에 따른 연료전지 내부의 물의 양의 데이터는 중성자 래디오그래피 실험을 통하여 얻을 수 있다.
중성자 래디오그래피를 이용해 서로 다른 구동조건(스택의 출력전력, 온도 등) 하에서 연료전지 스택(10)을 촬영하고, 실험데이터에 기초하여 물증감량(Δyi+1 )에 관한 식을 산출할 수 있다.
산출된 식은 메모리(30)에 저장되고, 제어부(20)는 메모리(30)에 저장된 물증감량(Δyi+1 )에 관한 식에 시간간격 별 스택의 평균출력전력 및 평균온도를 대입하여, ti~ti+1 구간에서의의 물증감량(Δyi+1)을 획득할 수 있다.
제어부(20)는 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만이 아닌 것으로 판단되는 경우, 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci)을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다(S520).
제어부(20)는 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci)을 초과하는 것으로 판단되는 경우, ti~ti+1 구간의 물증감량(Δyi+1)은 아래의 식을 통하여 구할 수 있다(S521).
[식 3]
Δyi+1 = bi+1Δt, bi+1 = f(T avg , P avg ) < 0
물증감량(Δyi+1)은 물감소속도(bi+1)와 기 설정된 단위시간의 곱으로 계산될 수 있다. 물감소속도(bi+1)는 ti~ti+1 구간에서의 스택의 평균온도 및 평균출력전력에 관한 식으로 나타낼 수 있다.
제어부(20)는 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci)을 초과하는 것으로 판단되는 경우, 기 설정된 단위시간(Δt) 동안 물의 양은 일정한 기울기(bi+1)로 감소하는 것으로 계산할 수 있다.
물감소속도(bi+1)는 연료전지 스택(10)의 온도와 출력전력에 따라 변할 수 있다. 물감소속도(bi+1)는 연료전지 스택(10)의 출력전력에 대한 일차식으로 나타낼 수 있다. 즉, 물증감량(Δyi+1)은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
[식 4]
Δyi+1 = bi+1Δt = (b' P avg + C3) Δt, b' = b'' T avg + C4 > 0
물감소속도(bi+1)는 연료전지 스택(10)의 출력전력(Pavg)에 대한 일차식으로 나타낼 수 있으므로, 결과적으로 물증감량(Δyi+1)은 출력전력(Pavg)에 관한 일차식으로 계산될 수 있다.
한편, 변수인 출력전력에 곱해지는 값(b')은 연료전지 스택의 온도(Tavg)에 따라 획득되는 값일 수 있다. 즉, b'은 온도(Tavg)에 관한 식으로 구해지는 값일 수 있다. b'는 식 4와 같이 온도(Tavg)에 관한 일차식으로 나타낼 수 있다.
도 9는 스택 내부의 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci)을 초과할 때 시간에 따른 스택 내부의 물의 양의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 스택 내부의 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci)을 초과할 때, 시간이 지남에 따른 스택 내부의 물의 양(Y(ti))의 실험값은 점선과 같이 표시할 수 있다.
이와 같은 실험값에 기초하여, 스택 내부의 물의 양은 시간이 지남에 따라 실선으로 표시되는 것과 같이 일정한 기울기(-c)로 감소하는 것으로 근사할 수 있다. 이때, 기울기(-c)는 연료전지 스택(10)의 온도와 출력전력에 따라 변할 수 있다. 기울기(-c)는 연료전지 스택(10)의 온도에 관한 일차식, 그리고 출력전력에 관한 일차식으로 나타낼 수 있다.
즉, 스택 내부의 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만일 때, 물증감량(Δyi+1 )은 연료전지 스택(10)의 출력전력에 비례하여 감소할 수 있다. 또한, 스택 내부의 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만일 때, 물증감량(Δyi+1 )은 연료전지 스택(10)의 온도에 비례하여 감소할 수 있다.
제어부(20)는 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 미만이 아니고 최대잔존수량(Ci)을 초과하지도 않는 것으로 판단되는 경우, 물증감량(Δyi+1 )은 0 인 것으로 판단할 수 있다(S523).
즉, 제어부(20)는 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci)과 같은 것으로 판단되는 경우, ti~ti+1 시간 동안에 연료전지 스택(10) 내부의 물의 양은 일정한 것으로 계산할 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나 본 발명의 다른 실시예에 따를 때, 제어부(20)는 메모리(30)에 저장된 출력전력, 온도에 따른 물증감량의 테이블에 기초하여, 기 설정된 단위시간에서의 물증감량(Δyi+1)을 획득할 수도 있다(S500).
메모리(30)에는 중성자 래디오그래피 실험을 통해 구한, 스택의 출력전력과 온도의 변화에 따른 물증감량에 관한 데이터가 테이블로 저장될 수 있다. 중성자 래디오그래피 실험은 스택 내부의 물의 양이 최대잔존수량(Ci) 미만인 조건에서, 스택의 출력전력과 온도를 달리하며 실시될 수 있다. 또한, 중성자 래디오그래피 실험은 스택 내부의 물의 양이 최대잔존수량(Ci)을 초과하는 조건에서 스택의 출력전력과 온도를 달리하며 실시될 수 있다. 이와 같은 실험을 통하여 획득한 연료전지 스택(10)의 기동조건(최대잔존수량 초과/미만 여부, 출력전력, 온도)에 따른 물증감량의 데이터는 테이블로 메모리(30)에 저장될 수 있다.
제어부(20)는 ti~ti+1 시간 동안의 스택의 평균출력전력과 평균온도를 획득하고, 물의 양(Y(ti))이 최대잔존수량(Ci) 초과/미만 인지 여부에 기초하여, 메모리(30)에 저장된 테이블에서 해당 평균출력전력과 평균온도에 대응되는 물증감량(Δyi+1)을 획득할 수 있다.
이와 같이, 제어부(20)는 메모리(30)에 저장된 식에 기초하여 물증감량(Δyi+1)을 계산하거나, 메모리(30)에 저장된 테이블에 기초하여 물증감량(Δyi+1)을 불러옴으로써, 결과적으로 ti~ti+1 시간 동안의 물증감량(Δyi+1)을 획득할 수 있다.
제어부(20)는 아래의 식과 같이 ti에서의 물의 양(Y(ti))에 ti~ti+1 시간 동안의 물증감량(Δyi+1)을 적산하여 ti+1에서의 물의 양(Y(ti+1)을 획득할 수 있다(S600).
[식 5]
Y(ti+1)=Y(ti) +Δyi+1
제어부(20)는 위와 같은 방식으로 수소를 퍼지한 직후(t0) 스택 내부의 잔수의 양에 기 설정된 시간간격(Δt) 별 물증감량(Δyi+1)을 적산하여, tn에서의 연료전지 스택(10) 내부의 물의 양(Y(tn))을 획득할 수 있다.
제어부(20)는 스택 내부의 물의 양에 기초하여, 스택 내부에 수소를 퍼지하기 위해 배수-퍼지 밸브(40)를 제어할 수 있다(S700).
이와 같이 구성되는 연료전지 시스템은 기 설정된 시간간격 별로 물증감양을 획득하고, 이에 따라 기 설정된 시간간격 별로 스택 내부의 물의 양을 획득할 수 있다.
즉, 본원 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 스택 내부에서 생성되는 물의 양에서 연료전지 스택 내부의 기체 유동에 의해 배출구로 배출되는 물의 양이 제외된 연료전지 스택 내부에 실제 잔류하는 물의 양을 획득할 수 있다. 이를 통해, 기존에 연료전지 스택 내부에 생성되는 물의 양 만을 계산하는 기술에 비해 실제 연료전지 스택 내부에 존재하는 물의 양을 실시간으로 정확히 획득할 수 있다.
연료전지 시스템은 실시간으로 감지되는 스택 내부의 물의 양에 기초하여, 스택 내부의 물 배출이 필요한지 여부를 판단하고 적시에 물을 배출함으로써, 연료전지의 발전성능을 저하되는 것을 방지하고 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
10: 연료전지 스택
20: 제어부
30: 메모리
40: 배수-퍼지 밸브
50: 공기 블로워
60: 수소 공급부

Claims (20)

  1. 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력과 물을 생성하는 연료전지 스택; 및
    상기 연료전지 스택 내의 물의 양이 시간이 지남에 따라 수렴하는 값인 최대잔존수량 및 상기 연료전지 스택의 출력전력에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는 제어부를 포함하는, 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 온도 및 출력전력에 기초하여, 상기 최대잔존수량을 획득하는, 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 온도 및 출력전력에 따른 상기 연료전지 스택 내부의 물증가속도에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는, 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 온도와 물증가속도의 관계 및 출력전력과 물증가속도의 관계에 관한 정보를 저장하는 메모리를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 메모리에 저장된 정보, 상기 연료전지 스택의 온도 및 출력전력에 기초하여 상기 물증가속도를 획득하는, 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택 내부의 물의 양이 상기 최대잔존수량 미만인 경우, 기 설정된 단위시간 동안 물의 양은 일정한 기울기로 증가하는 것으로 계산하는, 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택 내부의 물의 양이 상기 최대잔존수량을 초과하는 경우, 기 설정된 단위시간 동안 물의 양은 일정한 기울기로 감소하는 것으로 계산하는, 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택 내부의 물의 양이 상기 최대잔존수량과 같은 경우, 기 설정된 단위시간 동안 물의 양은 일정한 것으로 계산하는, 연료전지 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택 내부의 물의 양이 상기 최대잔존수량 미만인 경우, 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 출력전력에 관한 일차식으로 계산하는, 연료전지 시스템.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 출력전력에 관한 일차식에서, 변수인 출력전력에 곱해지는 값은 상기 연료전지 스택의 온도에 따라 획득되는 값인, 연료전지 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택에서 물이 배출된 때로부터 경과한 시간에 더 기초하여, 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는, 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택에서 물이 배출된 직후 상기 연료전지 스택 내의 잔수의 양에 더 기초하여, 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는, 연료전지 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 물을 배출하기 위해 상기 연료전지 스택을 제어하여 수소를 퍼지하고,
    상기 연료전지 스택의 온도 및 퍼지시 수소의 유량에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내의 상기 잔수의 양을 획득하는, 연료전지 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택으로부터 물이 배출된 때로부터 기 설정된 시간간격 별로 상기 연료전지 스택 내부의 물증감량을 획득하고,
    상기 잔수의 양과 시간간격 별 물증감량을 적산하여 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는, 연료전지 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    중성자 래디오그래피(Neutron Radiography)를 이용하여 상기 연료전지 스택을 촬영한 데이터에 기초한, 상기 연료전지 스택 내부의 물증가속도에 관한 정보와, 상기 연료전지 스택에서 물이 배출된 직후 잔수의 양에 관한 정보를 저장하는 메모리를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 물 배출 유로를 개폐하는 밸브를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택 내부의 물의 양이 기 설정된 임계값 이상이 되면, 상기 연료전지 스택에서 응축수를 배출하기 위해 상기 밸브를 제어하는, 연료전지 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스택 내의 물의 양은,
    상기 연료전지 스택 내부에서 생성되는 물의 양에서 상기 연료전지 스택 내부의 기체의 유동 등에 의해 상기 연료전지 스택 외부로 배출되는 물의 양이 제외된 값인, 연료전지 시스템.
  17. 연료전지 스택의 출력전력에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내의 물의 양이 시간이 지남에 따라 수렴하는 값인 최대잔존수량을 획득하는 단계;
    상기 최대잔존수량 및 상기 연료전지 스택의 출력전력에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 연료전지 스택 내부에서 생성되는 물의 양을 획득하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 온도 및 출력전력에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내부의 물증가속도를 획득하는 단계;
    상기 물증가속도에 기초하여, 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 연료전지 스택으로부터 물이 배출된 때로부터 기 설정된 시간간격 별로 상기 연료전지 스택의 평균출력전력을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 최대잔존수량을 획득하는 단계에서는,
    상기 평균출력전력에 기초하여, 기 설정된 시간간격 별로 상기 최대잔존수량을 획득하고,
    상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는 단계는,
    상기 최대잔존수량 및 상기 평균출력전력에 기초하여, 기 설정된 시간간격 별로 상기 연료전지 스택 내부의 물증가속도를 획득하는 단계;
    상기 물증가속도에 기초하여, 기 설정된 시간간격 별로 상기 연료전지 스택 내부의 물의 증감량을 획득하는 단계; 및
    상기 연료전지 스택으로부터 물이 배출된 직후에 상기 연료전지 스택 내의 잔수의 양과 계산된 시간간격 별 상기 물의 증감량을 적산하여 상기 연료전지 스택 내부의 물의 양을 획득하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 최대잔존수량은, 상기 연료전지 스택의 온도에 더 기초하여 계산되는, 연료전지 시스템의 제어방법.
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