KR20200041405A - 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법 및 시스템 - Google Patents

연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

시동 오프시, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단하는 단계; 공기 공급이 차단된 상태에서 연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 단계; 측정한 연료전지 스택의 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계; 및 추정한 수분량을 기반으로 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계;를 포함하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법이 소개된다.

Description

연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR REMOVING RESIDUAL WATER OF FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 연료전지의 시동 오프 상태에서 연료전지 스택 내부의 잔존수가 빙결되지 않도록 제거하는 기술에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치이다. 기본적으로 산화, 환원 반응을 이용한다는 점에서 화학 전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지 반응을 하는 화학 전지와는 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 시스템 외부로 제거되는 점에서 차이가 있다.
최근에는 연료전지 발전시스템이 실용화되고 있으며, 연료전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
다만, 연료전지는 외부의 기온이 극저온인 상태에서 시동 오프가 유지되는 경우, 연료전지 스택 내부에 잔존한 생성수가 빙결됨에 따른 부피 팽창에 의해 GDL(Gas Diffusion Layer)이 파손되는 문제가 있었다.
이러한 문제를 방지하기 위하여 종래에는 연료전지 시동 오프시에 연료전지 스택의 잔존수를 제거하기 위한 CSD(Cold Shut Down) 제어를 적용하였으나, 연료전지 스택의 내부에 잔존하는 수분의 양을 측정하지 않고 단순히 기설정된 시간동안 잔존수를 배출하도록 제어하였다.
이러한 제어에 따라, 연료전지 스택의 내부에 잔존하는 수분을 충분하게 배출하지 못하거나, 과도한 공기 공급시에는 연료전지 스택의 수소극으로 크로스오버(Cross Over)되는 산소의 양이 증가하거나 공기압축기를 과도하게 구동시킴으로써 연료전지의 연비가 저하되는 문제 등이 발생하였다.
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 10-2008-0048215 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 스택의 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하여 공기압축기를 구동함으로써 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 방법 및 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법은 시동 오프시, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단하는 단계; 공기 공급이 차단된 상태에서 연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 단계; 측정한 연료전지 스택의 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계; 및 추정한 수분량을 기반으로 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계;를 포함한다.
연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 단계에서는, 공기 공급이 차단된 시점부터 연료전지 스택에 포함된 복수의 셀 중 일부 또는 전부의 전압을 측정할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계에서는, 공기 공급이 차단된 시점부터 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최솟값이 기설정된 셀 전압 이하가 된 시점까지 시간인 셀 전압 감소시간의 현재값 또는 공기 공급이 차단된 시점부터 기설정된 시간 경과시 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최댓값과 최솟값 사이의 차이인 셀 전압 편차의 현재값을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계에서는, 셀 전압 감소시간의 현재값이 감소될수록 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 많은 것으로 추정할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계에서는, 셀 전압 편차의 현재값이 증가될수록 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 많은 것으로 추정할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계에서는, 추정한 수분량을 기반으로 정해진 지속시간 동안 기설정된 회전속도 지령으로 공기압축기를 구동하도록 제어할 수 있다.
공기 공급을 차단하는 단계 이전에, 연료전지 스택의 외기 온도를 측정하고, 측정한 외기 온도를 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분의 빙결 가능성을 판단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
공기 공급을 차단하는 단계 이전에, 연료전지의 FC STOP 모드에서 셀 전압 감소시간의 기준값 및 셀 전압 편차의 기준값을 각각 산출하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계에서는, 산출한 셀 전압 감소시간의 기준값 및 셀 전압 편차의 기준값을 기준으로 셀 전압 감소시간의 현재값 및 셀 전압 편차의 현재값을 각각 이용하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다.
셀 전압 감소시간의 기준값 및 셀 전압 편차의 기준값을 각각 산출하는 단계에서는, 시동 온 이후 최초의 연료전지의 FC STOP 모드에서 셀 전압 감소시간의 기준값 및 셀 전압 편차의 기준값을 각각 산출할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계 이후에, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단한 상태에서 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 재추정하는 단계; 및 재추정한 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계 이후에, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단한 상태에서 셀 전압 감소시간의 재추정값 및 셀 전압 편차의 재추정값을 각각 산출하는 단계; 및 셀 전압 감소시간의 재추정값 및 셀 전압 편차의 재추정값이 셀 전압 감소시간의 기준값을 포함한 셀 전압 감소시간의 정상범위 및 셀 전압 편차의 기준값을 포함한 셀 전압 편차의 정상범위에 각각 포함되는지 여부에 따라 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계에서는, 셀 전압 감소시간의 재추정값이 셀 전압 감소시간의 정상범위에 포함되지 않거나 셀 전압 편차의 재추정값이 셀 전압 편차의 정상범위에 포함되지 않는 경우, 셀 전압 감소시간의 재추정값 및 셀 전압 편차의 재추정값을 기반으로 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 시스템은 연료전지 스택; 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기압축기; 연료전지 스택에 포함된 복수의 셀 전압을 측정하는 셀 전압 측정부; 시동 오프시, 셀 전압 측정부에서 측정한 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 수분량 추정부; 및 수분량 추정부에서 추정한 수분량을 기반으로 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 구동 제어부;를 포함한다.
온도센서를 이용하여 측정한 연료전지 스택의 외기 온도를 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분의 빙결 가능성을 판단하는 빙결 판단부;를 더 포함할 수 있다.
수분량 추정부에서는, 공기 공급이 차단된 시점부터 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최솟값이 기설정된 셀 전압 이하가 된 시점까지 시간인 셀 전압 감소시간의 현재값 또는 공기 공급이 차단된 시점부터 기설정된 시간 경과시 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최댓값과 최솟값 사이의 차이인 셀 전압 편차의 현재값을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다.
연료전지의 FC STOP 모드에 셀 전압 측정부에서 측정한 연료전지 스택의 셀 전압을 기반으로 셀 전압 감소시간의 기준값 또는 셀 전압 편차의 기준값을 설정하는 기준값 설정부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법 및 시스템에 따르면, 외기 온도가 극저온시 연료전지 스택 내부의 잔존수를 제거하여 빙결을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 스택에 잔존한 수분의 양을 측정하여 제거함으로써 공기압축기의 과도한 공기 공급을 방지하는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 스택의 수소극으로 크로스오버되는 산소의 양을 감소시킴으로써 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 스택의 불필요한 전력 발전을 방지하고 공기압축기에서 불필요하게 소모되는 전력을 감소시켜 연료전지의 연비를 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법의 순서도이다.
도 2 내지 3은 연료전지 스택에 잔존하는 수분량에 따른 연료전지 스택의 셀 전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 시스템의 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법은 시동 오프시(S200), 연료전지 스택의 공기 공급을 차단하는 단계(S400); 공기 공급이 차단된 상태에서 연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 단계(S500); 측정한 연료전지 스택의 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계(S600); 및 추정한 수분량을 기반으로 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계(S700);를 포함한다.
연료전지 시스템의 시동 오프시는 사용자의 이그니션(Ignition) Off 신호에 따라 시동을 종료하거나 특정한 조건에 따라 제어기에서 시동 오프 명령을 전송한 경우 등을 모두 포함할 수 있다(S200).
연료전지 시스템의 시동 오프가 요청된 경우(S200), 먼저 연료전지 스택으로 공급하는 공기를 차단할 수 있다(S400). 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급계에 포함된 공기압축기를 Off 하도록 제어하고, 공기압축기와 연료전지 스택의 공기극 사이에 위치된 공기공급밸브를 차단하도록 제어할 수 있다.
연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 단계(S500)에서는 연료전지 스택에 공기 공급이 차단된 상태에서 연료전지 스택의 셀 전압을 측정할 수 있다. 특히, 공기 공급이 차단되면 연료전지 스택의 셀 전압은 점차적으로 감소할 것이므로, 셀 전압을 주기적으로 측정하여 셀 전압의 변화를 측정할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계(S600)에서는 측정한 연료전지 스택의 셀 전압을 이용하여 연료전지 스택 내부에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계(S700)에서는 추정한 수분량을 기반으로 공기압축기를 구동하는 것으로, 추정한 잔존 수분량에 따라 공기압축기를 제어함으로써 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거할 수 있다.
이에 따라, 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하여 공기압축기를 제어함으로써 불필요한 공기압축기 구동을 방지하면서 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거할 수 있어 효율적인 공기압축기 구동이 가능한 효과를 갖는다.
연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 단계(S500)에서는, 공기 공급이 차단된 시점부터 연료전지 스택에 포함된 복수의 셀 중 일부 또는 전부의 전압을 측정할 수 있다.
연료전지 스택의 내부에는 수십~수백 개의 셀을 포함할 수 있다. 연료전지 스택의 셀 전압은 연료전지 스택에 포함된 모든 셀의 전압을 각각 측정하거나 일부의 셀 전압을 측정할 수 있다.
도 2 내지 3은 연료전지 스택에 잔존하는 수분량에 따른 연료전지 스택의 셀 전압 변화를 도시한 그래프이다. 특히, 도 2는 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 없는 경우의 연료전지 스택의 셀 전압 변화를 도시한 것이고, 도 3은 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 많은 경우의 연료전지 스택의 셀 전압 변화를 도시한 것이다.
도 2 내지 3를 참조하면, 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계(S600)에서는, 공기 공급이 차단된 시점부터 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최솟값이 기설정된 셀 전압 이하가 된 시점까지 시간인 셀 전압 감소시간(
Figure pat00001
)의 현재값 또는 공기 공급이 차단된 시점부터 기설정된 시간 경과시 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최댓값과 최솟값 사이의 차이인 셀 전압 편차(
Figure pat00002
)의 현재값을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다. FC Stop 모드에 진입하면, 공기 공급이 차단되므로, FC Stop 모드의 진입시점을 공기 공급이 차단된 시점과 동일하게 볼 수 있다.
특히, 도 2와 도 3에 도시한 것과 같이 연료전지 스택의 내부에 잔존하는 수분량이 많은 경우 연료전지 스택의 셀들 사이에 수분이 불균일하게 분포된다. 특히, 셀의 수분이 잔존하는 영역에서는 수소와 산소가 반응하기 어려워 셀의 반응 면적이 적어 셀 전압이 급격하게 감소한다. 이에 반해, 수분을 적게 포함하는 셀은 반응 면적이 상대적으로 넓어 셀 전압이 상대적으로 완만하게 감소한다.
따라서, 복수의 셀 사이에서 반응성의 차이가 발생하고, 이에 따라 셀 전압의 변화에서 차별화된다. 본 발명은 이러한 공기 공급 차단 이후에 셀 전압의 변화를 통하여 연료전지 스택 내부에 잔존하는 수분량을 추정한다. 특히, 연료전지 스택 내부에 잔존하는 수분량을 추정하는 인자로 셀 전압 감소시간(
Figure pat00003
) 및 셀 전압 편차(
Figure pat00004
)를 이용할 수 있다.
셀 전압 감소시간은(
Figure pat00005
) 공기 공급이 차단된 시점부터 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최솟값이 기설정된 셀 전압 이하가 된 시점까지 시간이다. 연료전지 스택으로 공기 공급이 차단되면 셀 전압은 점차적으로 감소한다. 공기 공급이 차단된 시점부터 복수의 셀에서 측정한 셀 전압 중에서 최솟값이 기설정된 셀 전압 이하가 된 시점까지 소요된 시간을 측정할 수 있다. 기설정된 셀 전압은 연료전지 가동 중의 셀 전압 및 셀 전압 하강 속도를 고려하여 적절하게 기설정될 수 있다.
또한, 셀 전압 편차(
Figure pat00006
)는 공기 공급이 차단된 시점부터 기설정된 시간 경과시 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최댓값과 최솟값 사이의 차이이다. 연료전지 스택에 포함된 셀 전압들 사이에는 편차가 발생하고, 셀 전압의 최댓값과 최솟값 사이의 차이인 최대 편차가 셀 전압 편차(
Figure pat00007
)로 산출될 수 있다.
다른 실시예로, 셀 전압 편차(
Figure pat00008
)는 셀 전압의 최댓값과 셀 전압의 최솟값 사이의 비율로 산출될 수도 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계(S600)에서는, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00009
)의 현재값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00010
)의 현재값을 각각 산출하고, 산출한 전압 감소시간의 현재값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00011
)의 현재값을 이용하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계(S600)에서는, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00012
)의 현재값이 감소될수록 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 많은 것으로 추정할 수 있다.
또한, 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계(S600)에서는, 셀 전압 편차(
Figure pat00013
)의 현재값이 증가될수록 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 많은 것으로 추정할 수 있다.
또한, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00014
)과 셀 전압 편차(
Figure pat00015
)를 모두 이용하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 방법은 셀 전압 감소시간(
Figure pat00016
)이 작고 셀 전압 편차(
Figure pat00017
)가 클수록 잔존하는 수분량이 증가하는 함수 또는 기매핑된 맵에 의해 추정할 수 있다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계(S700)에서는, 추정한 수분량을 기반으로 정해진 지속시간 동안 기설정된 회전속도 지령으로 공기압축기를 구동하도록 제어할 수 있다.
즉, 공기압축기의 회전속도 지령(
Figure pat00018
)은 일정하게 기설정되고, 추정한 수분량에 따라 지속시간이 정해질 수 있다. 지속시간은 추정한 수분량이 증가할수록 함께 증가하도록 정해질 수 있다. 공기압축기의 회전속도 지령(
Figure pat00019
)은 예를 들어 최대 회전속도로 기설정될 수 있다.
이에 따라, 공기압축기에 의해 신속하게 연료전지 스택 내부에 잔존한 수분을 제거할 수 있는 효과를 갖는다.
공기 공급을 차단하는 단계(S400) 이전에, 연료전지 스택의 외기 온도를 측정하고, 측정한 외기 온도를 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분의 빙결 가능성을 판단하는 단계(S300);를 더 포함할 수 있다.
즉, 온도센서를 이용하여 연료전지 스택의 외부 온도를 측정하여 연료전지의 시동 오프가 유지된 상태에서 수분이 빙결될 수 있는 극저온 상태인지 판단할 수 있다. 외기 온도를 기설정된 빙결온도와 비교하여 기설정된 빙결온도보다 낮은 경우에 수분이 빙결될 수 있는 것으로 판단할 수 있다. 기설정된 빙결온도는 예를 들어 0℃로 기설정될 수 있다.
외기 온도가 기설정된 빙결온도보다 낮은 경우, 공기 공급을 차단하고 셀 전압을 측정할 수 있다. 만약 외기 온도가 기설정된 빙결온도 이상인 경우에는 수분이 빙결될 가능성이 없다고 판단하여 CSD(Cold Shut Down) 제어를 종료할 수 있다.
이에 따라, 외기 온도를 사전에 판단하여 CSD(Cold Shut Down) 제어의 수행 여부를 판단함으로써 필요한 상황에만 공기압축기를 구동함으로써 연비 향상 및 내구성 향상의 효과를 가질 수 있다.
공기 공급을 차단하는 단계(S400) 이전에, 연료전지의 FC STOP 모드에서 셀 전압 감소시간(
Figure pat00020
)의 기준값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00021
)의 기준값을 각각 산출하는 단계(S100);를 더 포함하고, 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계(S600)에서는, 산출한 셀 전압 감소시간(
Figure pat00022
)의 기준값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00023
)의 기준값을 기준으로 셀 전압 감소시간(
Figure pat00024
)의 현재값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00025
)의 현재값을 각각 이용하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다.
연료전지의 FC STOP 모드는 연료전지의 시동 온 상태에서 연료전지 스택의 발전이 중지된 것으로, 부하의 변동이 큰 연료전지 차량에서는 자주 진입하는 모드이다. 연료전지의 FC STOP 모드에서는 연료전지 스택으로 공기 공급을 차단한다.
즉, FC STOP 모드로 공기 공급을 차단한 상태에서 셀 전압 감소시간(
Figure pat00026
)의 기준값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00027
)의 기준값을 산출할 수 있다. 또한, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00028
)의 기준값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00029
)의 기준값을 기준으로 추후에 산출한 셀 전압 감소시간(
Figure pat00030
)의 현재값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00031
)의 현재값을 각각 이용하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다.
구체적으로, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00032
)의 기준값과 셀 전압 감소시간(
Figure pat00033
)의 현재값 사이의 비율 또는 차이를 이용하거나, 셀 전압 편차(
Figure pat00034
)의 기준값과 셀 전압 편차(
Figure pat00035
)의 현재값 사이의 비율 또는 차이를 이용하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다. 여기서도 기매핑된 맵 또는 기설정된 함수에 비율 또는 차이를 대입하여 수분량을 추정할 수 있다.
연료전지 스택의 셀 전압 감소시간(
Figure pat00036
) 및 셀 전압 편차(
Figure pat00037
)는 연료전지 스택에 잔존하는 수분량뿐만 아니라, 비가역적인 열화에 의해서도 가변될 수 있다. 즉, 연료전지 스택이 계속되는 발전에 의해 비가역적으로 열화됨에 따라 셀 전압 감소시간(
Figure pat00038
)은 감소되고, 셀 전압 편차(
Figure pat00039
)는 증가될 수 있다.
이에 따라, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00040
) 및 셀 전압 편차(
Figure pat00041
)를 새롭게 측정하여 각각의 기준값을 설정하고, 시동 오프시 각각의 현재값과 비교함으로써 더 정확한 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있는 효과를 갖는다.
특히, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00042
)의 기준값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00043
)의 기준값을 각각 산출하는 단계(S100)에서는, 시동 온 이후 최초의 연료전지의 FC STOP 모드에서(S110) 셀 전압 감소시간(
Figure pat00044
)의 기준값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00045
)의 기준값을 각각 산출할 수 있다(S120).
연료전지의 시동 온 이후 최초의 FC STOP 모드에서는 연료전지 스택에 잔존하는 수분이 가장 없는 경우이므로, 수분이 없는 상태에서 연료전지 스택의 비가역적 열화에 의한 셀 전압 감소시간(
Figure pat00046
)의 기준값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00047
)의 기준값을 설정하기에 가장 적절한 것입니다. 따라서, 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 정확하게 추정할 수 있는 효과를 갖는 것입니다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계(S700) 이후에, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단한 상태에서 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 재추정하는 단계(S800); 및 재추정한 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계(S900);를 포함할 수 있다.
공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거한 이후에 다시 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 재추정하고, 재추정한 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 일정 수준 이하이면 그대로 시동 오프를 완료할 수 있다. 만약, 재추정한 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 일정 수준을 초과하는 경우이면 연료전지 스택의 잔존 수분이 충분이 제거되지 않았다고 판단하여 다시 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거할 수 있다.
즉, 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거한 이후에 추가적인 수분량 추정 및 제거에 따라 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 확실하게 제거할 수 있는 효과를 갖는다.
연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계(S700) 이후에, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단한 상태에서 셀 전압 감소시간(
Figure pat00048
)의 재추정값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00049
)의 재추정값을 각각 산출하는 단계(S810); 및 셀 전압 감소시간(
Figure pat00050
)의 재추정값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00051
)의 재추정값이 셀 전압 감소시간(
Figure pat00052
)의 기준값을 포함한 셀 전압 편차(
Figure pat00053
)의 정상범위 및 셀 전압 편차(
Figure pat00054
)의 기준값을 포함한 셀 전압 편차(
Figure pat00055
)의 정상범위에 각각 포함되는지 여부에 따라(S820, S830) 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계(S900);를 포함할 수 있다.
즉, 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 재추정하는 단계(S810)에서, 사전에 잔존하는 수분량을 추정하는 것과 마찬가지로, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단한 상태에서 셀 전압 감소시간(
Figure pat00056
)의 재추정값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00057
)의 재추정값을 각각 산출하고, 산출한 셀 전압 감소시간(
Figure pat00058
)의 재추정값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00059
)의 재추정값을 이용하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 재추정할 수 있다.
특히, 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계(S900)에서는, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00060
)의 재추정값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00061
)의 재추정값이 셀 전압 감소시간(
Figure pat00062
)의 기준값을 포함한 셀 전압 감소시간(
Figure pat00063
)의 정상범위 및 셀 전압 편차(
Figure pat00064
)의 기준값을 포함한 셀 전압 편차(
Figure pat00065
)의 정상범위에 각각 포함되는지 여부에 따라 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 다시 제거할지 여부를 판단할 수 있다(S820, S830).
셀 전압 감소시간(
Figure pat00066
)의 정상범위는 산출한 셀 전압 감소시간(
Figure pat00067
)의 기준값 전후로 일정한 범위를 갖도록 설정될 수 있고(S820), 셀 전압 편차(
Figure pat00068
)의 정상범위는 산출한 셀 전압 편차(
Figure pat00069
)의 기준값 전후로 일정한 범위를 갖도록 설정될 수 있다(S830).
연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계(S900)에서는, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00070
)의 재추정값이 셀 전압 감소시간(
Figure pat00071
)의 정상범위에 포함되지 않거나 셀 전압 편차(
Figure pat00072
)의 재추정값이 셀 전압 편차(
Figure pat00073
)의 정상범위에 포함되지 않는 경우, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00074
)의 재추정값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00075
)의 재추정값을 기반으로 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거할 수 있다(S700).
즉, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00076
)의 재추정값 또는 셀 전압 편차(
Figure pat00077
)의 재추정값 중 어느 하나라도 정상범위를 벗어난 경우, 연료전지 스택에 잔존하는 수분이 충분히 제거되지 않은 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00078
)의 재추정값 및 셀 전압 편차(
Figure pat00079
)의 재추정값을 이용하여 다시 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거할 수 있다.
반대로, 셀 전압 감소시간(
Figure pat00080
)의 재추정값이 셀 전압 감소시간(
Figure pat00081
)의 정상범위에 포함되고, 셀 전압 편차(
Figure pat00082
)의 재추정값이 셀 전압 편차(
Figure pat00083
)의 정상범위에 포함되면 재추정한 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 일정 수준 이하인 것으로 판단되어 시동 오프를 완료할 수 있다.
이에 따라, 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 확실하게 제거하고, 충분히 제거되지 않은 경우 재추정한 수분량을 기반으로 다시 수분을 제거함으로써 수분의 빙결 가능성을 사전에 차단할 수 있는 효과를 갖는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(10)의 잔존수를 제거하는 시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(10)의 잔존수를 제거하는 시스템은 연료전지 스택(10); 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하는 공기압축기(20); 연료전지 스택(10)에 포함된 복수의 셀 전압을 측정하는 셀 전압 측정부(30); 시동 오프시, 셀 전압 측정부(30)에서 측정한 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택(10)에 잔존하는 수분량을 추정하는 수분량 추정부(40); 및 수분량 추정부(40)에서 추정한 수분량을 기반으로 공기압축기(20)를 구동하여 연료전지 스택(10)에 잔존하는 수분을 제거하는 구동 제어부(50);를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 수소와 산소를 각각 공급받아 내부에서 화학반응을 유도하여 전력을 발전한다. 이러한 과정에서 물이 발생하게 되어 연료전지의 가동 중에는 생성수를 외부로 배출하도록 제어할 수 있다.
다만, 연료전지의 시동 오프 상태가 지속되는 경우 외기 온도가 극저온 상태에서 빙결될 가능성이 있다.
공기압축기(20)는 연료전지 스택(10)의 공기극으로 공기를 공급하는 장치이다. 공기블로워 등의 공기를 공급하는 장치는 모두 포함할 수 있다.
셀 전압 측정부(30)는 연료전지 스택(10)에 포함된 복수의 셀의 전부 또는 일부의 전압을 측정하는 것이다. 복수의 셀 각각에 전압센서를 설치하여 전압을 측정할 수 있다.
수분량 추정부(40)는 시동 오프시 셀 전압 측정부(30)에서 측정한 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택(10)에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다. 특히, 시동 오프시 연료전지 스택(10)으로의 공기 공급을 차단한 상태에서 셀 전압 측정부(30)에서 측정한 셀 전압의 변화를 통하여 연료전지 스택(10)에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다.
구동 제어부(50)는 공기압축기(20)를 제어하는 제어부로, 수분량 추정부(40)에서 추정한 수분량을 기반으로 공기압축기(20)를 구동하여 연료전지 스택(10)에 잔존하는 수분을 제거할 수 있다. 구체적으로, 구동 제어부(50)에서는 기설정된 추정한 수분량을 기반으로 정해진 지속시간 동안 기설정된 회전속도 지령으로 공기압축기(20)를 구동하도록 제어할 수 있다.
추가적으로, 온도센서(70)를 이용하여 측정한 연료전지 스택(10)의 외기 온도를 기반으로 연료전지 스택(10)에 잔존하는 수분의 빙결 가능성을 판단하는 빙결 판단부(80);를 더 포함할 수 있다. 온도센서(70)는 연료전지 스택(10)의 외부에 설치되어 외부의 기온을 측정할 수 있고, 빙결 판단부(80)는 외기 온도를 기설정된 빙결온도와 비교하여 빙결 가능성을 판단할 수 있다.
수분량 추정부(40)에서는, 공기 공급이 차단된 시점부터 측정한 연료전지 스택(10)의 셀 전압 중 최솟값이 기설정된 셀 전압 이하가 된 시점까지 시간인 셀 전압 감소시간의 현재값 또는 공기 공급이 차단된 시점부터 기설정된 시간 경과시 측정한 연료전지 스택(10)의 셀 전압 중 최댓값과 최솟값 사이의 차이인 셀 전압 편차의 현재값을 기반으로 연료전지 스택(10)에 잔존하는 수분량을 추정할 수 있다.
또한, 연료전지의 FC STOP 모드에 셀 전압 측정부(30)에서 측정한 연료전지 스택(10)의 셀 전압을 기반으로 셀 전압 감소시간의 기준값 또는 셀 전압 편차의 기준값을 설정하는 기준값 설정부(60);를 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 잔존수를 제거하는 시스템에 관한 설명은 상기 연료전지 스택(10)의 잔존수를 제거하는 방법에 관한 설명과 중복되어 구체적인 기재는 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 : 연료전지 스택 20 : 공기압축기
30 : 셀 전압 측정부 40 : 수분량 추정부
50 : 구동 제어부 60 : 기준값 설정부
70 : 온도센서 80 : 빙결 판단부

Claims (16)

  1. 시동 오프시, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단하는 단계;
    공기 공급이 차단된 상태에서 연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 단계;
    측정한 연료전지 스택의 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계; 및
    추정한 수분량을 기반으로 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계;를 포함하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택의 셀 전압을 측정하는 단계에서는, 공기 공급이 차단된 시점부터 연료전지 스택에 포함된 복수의 셀 중 일부 또는 전부의 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계에서는, 공기 공급이 차단된 시점부터 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최솟값이 기설정된 셀 전압 이하가 된 시점까지 시간인 셀 전압 감소시간의 현재값 또는 공기 공급이 차단된 시점부터 기설정된 시간 경과시 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최댓값과 최솟값 사이의 차이인 셀 전압 편차의 현재값을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계에서는, 셀 전압 감소시간의 현재값이 감소될수록 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 많은 것으로 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계에서는, 셀 전압 편차의 현재값이 증가될수록 연료전지 스택에 잔존하는 수분량이 많은 것으로 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계에서는, 추정한 수분량을 기반으로 정해진 지속시간 동안 기설정된 회전속도 지령으로 공기압축기를 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    공기 공급을 차단하는 단계 이전에, 연료전지 스택의 외기 온도를 측정하고, 측정한 외기 온도를 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분의 빙결 가능성을 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  8. 청구항 3에 있어서,
    공기 공급을 차단하는 단계 이전에, 연료전지의 FC STOP 모드에서 셀 전압 감소시간의 기준값 및 셀 전압 편차의 기준값을 각각 산출하는 단계;를 더 포함하고,
    연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 단계에서는, 산출한 셀 전압 감소시간의 기준값 및 셀 전압 편차의 기준값을 기준으로 셀 전압 감소시간의 현재값 및 셀 전압 편차의 현재값을 각각 이용하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    셀 전압 감소시간의 기준값 및 셀 전압 편차의 기준값을 각각 산출하는 단계에서는, 시동 온 이후 최초의 연료전지의 FC STOP 모드에서 셀 전압 감소시간의 기준값 및 셀 전압 편차의 기준값을 각각 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계 이후에, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단한 상태에서 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 재추정하는 단계; 및
    재추정한 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 단계 이후에, 연료전지 스택의 공기 공급을 차단한 상태에서 셀 전압 감소시간의 재추정값 및 셀 전압 편차의 재추정값을 각각 산출하는 단계; 및
    셀 전압 감소시간의 재추정값 및 셀 전압 편차의 재추정값이 셀 전압 감소시간의 기준값을 포함한 셀 전압 감소시간의 정상범위 및 셀 전압 편차의 기준값을 포함한 셀 전압 편차의 정상범위에 각각 포함되는지 여부에 따라 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하거나 시동 오프를 완료하는 단계에서는, 셀 전압 감소시간의 재추정값이 셀 전압 감소시간의 정상범위에 포함되지 않거나 셀 전압 편차의 재추정값이 셀 전압 편차의 정상범위에 포함되지 않는 경우, 셀 전압 감소시간의 재추정값 및 셀 전압 편차의 재추정값을 기반으로 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 방법.
  13. 연료전지 스택;
    연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기압축기;
    연료전지 스택에 포함된 복수의 셀 전압을 측정하는 셀 전압 측정부;
    시동 오프시, 셀 전압 측정부에서 측정한 셀 전압을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 수분량 추정부; 및
    수분량 추정부에서 추정한 수분량을 기반으로 공기압축기를 구동하여 연료전지 스택에 잔존하는 수분을 제거하는 구동 제어부;를 포함하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    온도센서를 이용하여 측정한 연료전지 스택의 외기 온도를 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분의 빙결 가능성을 판단하는 빙결 판단부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    수분량 추정부에서는, 공기 공급이 차단된 시점부터 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최솟값이 기설정된 셀 전압 이하가 된 시점까지 시간인 셀 전압 감소시간의 현재값 또는 공기 공급이 차단된 시점부터 기설정된 시간 경과시 측정한 연료전지 스택의 셀 전압 중 최댓값과 최솟값 사이의 차이인 셀 전압 편차의 현재값을 기반으로 연료전지 스택에 잔존하는 수분량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 시스템.
  16. 청구항 14에 있어서,
    연료전지의 FC STOP 모드에 셀 전압 측정부에서 측정한 연료전지 스택의 셀 전압을 기반으로 셀 전압 감소시간의 기준값 또는 셀 전압 편차의 기준값을 설정하는 기준값 설정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 잔존수를 제거하는 시스템.
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