KR20200047831A - 연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법 Download PDF

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박건형
이규일
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현대자동차주식회사
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Abstract

연료의 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택; 연료전지 스택에서 배출된 연료를 재순환시키거나 연료탱크에서 공급된 연료를 연료전지 스택에 공급하는 연료공급라인; 연료공급라인에 마련되어 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터트랩; 워터트랩의 배출구에 마련되어 개방되거나 폐쇄됨에 따라 워터트랩에 저장된 응축수의 배출을 허용하거나 차단하는 드레인 밸브; 및 연료의 화학 반응량을 추정하고, 추정한 화학 반응량을 기반으로 드레인 밸브를 개방하고, 드레인 밸브의 개방 상태에서 연료공급라인을 통한 연료전지 스택으로의 연료 공급 상태를 기반으로 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템이 소개된다.

Description

연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법{CONDENSATE WATER DRAIN CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 워터트랩의 수위센서가 고장난 경우에도 워터트랩에 저장된 응축수를 배출하는 제어기술에 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.
연료전지 시스템은 화학 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 및 연료전지 스택의 수소극으로 수소를 공급하는 수소 공급장치가 포함된다.
연료전지 스택에서 발전을 하면 연료전지 스택 내부에서 생성수가 발생하고, 이들 중 일부는 농도차에 의해 전해질막을 통과하여 수소극으로 배출된다. 수소 공급장치는 재순환장치를 통하여 수소 가스가 재순환되고, 수소극에서 배출된 생성수는 응축되어 수소 공급장치에 포함된 워터트랩에 저장된다.
워터트랩에는 수위센서를 포함하고, 수위센서에서 센싱한 응축수의 수위가 기설정된 배출수위 이상이 되면 드레인 밸브를 개방하여 저장된 응축수를 외부로 배출한다. 또한, 수위센서에서 센싱한 응축수의 수위가 기설정된 차단수위 이하가 되면 드레인 밸브를 폐쇄하여 수소의 누출을 방지한다.
다만, 워터트랩의 수위센서에 고장이 발생한 경우, 워터트랩에 저장된 응축수 수위를 측정할 수 없어 드레인 밸브를 적절하게 제어할 수 없는 문제가 있다. 수소 공급장치의 응축수가 외부로 원활하게 배출되지 못하면 연료전지 스택에서 생성수를 외부로 배출할 수 없어 분리판 유로를 막게되고, 필요 이상으로 드레인 밸브를 개방하게 되면 불필요하게 수소를 배출하게 되어 연비가 악화되는 문제가 있다.
종래에는 이러한 문제를 방지하기 위하여, 워터트랩의 수위센서가 고장난 경우, 연료전지 스택에서 발전한 전류를 적산한 전류적산값을 기준으로 전류적산값이 기설정된 일정값이 되면 드레인 밸브를 개방하는 Fail-Safe 제어를 이용하였으나, 연료전지 스택의 상태에 따라 워터트랩에 저장되는 응축수의 양이 일정하지 않아 워터트랩의 수위를 정확하게 측정할 수 없는 문제가 있었다.
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 10-0969063 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 워터트랩의 레벨센서 고장시에도 워터트랩에 저장된 응축수를 감지하여 드레인 밸브를 적절하게 제어하는 기술을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어시스템은 연료의 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택; 연료전지 스택에서 배출된 연료를 재순환시키거나 연료탱크에서 공급된 연료를 연료전지 스택에 공급하는 연료공급라인; 연료공급라인에 마련되어 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터트랩; 워터트랩의 배출구에 마련되어 개방되거나 폐쇄됨에 따라 워터트랩에 저장된 응축수의 배출을 허용하거나 차단하는 드레인 밸브; 및 연료의 화학 반응량을 추정하고, 추정한 화학 반응량을 기반으로 드레인 밸브를 개방하고, 드레인 밸브의 개방 상태에서 연료공급라인을 통한 연료전지 스택으로의 연료 공급 상태를 기반으로 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 제어기;를 포함한다.
연료전지 스택의 애노드 측 압력을 측정하는 압력센서;를 더 포함하고, 제어기에서는, 압력센서에서 측정한 애노드 측 압력에 따라 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
연료탱크와 연료공급라인 사이에 위치되어 연료탱크에서 연료공급라인으로 공급하는 연료를 제어하는 연료공급밸브;를 더 포함하고, 제어기에서는, 연료공급밸브의 개도에 따라 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
연료공급라인에 마련되고, 연료공급라인의 기체를 외부로 배출하는 퍼지(Purge)를 제어하는 퍼지밸브;를 더 포함하고, 제어기에서는, 드레인 밸브의 개방에 의해 워터트랩의 배출구로 배출된 연료 배출량을 추정하고, 추정한 워터트랩의 배출구로 배출된 기체량을 기반으로 퍼지밸브의 개방을 제어할 수 있다
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어방법은 연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 단계; 추정한 반응량을 기반으로 개방되거나 폐쇄됨에 따라 연료공급라인의 응축수를 저장하는 워터트랩에 저장된 응축수의 배출을 허용하거나 차단하는 드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 단계; 및 드레인 밸브의 개방 상태에서 연료공급라인을 통한 연료전지 스택으로의 연료 공급 상태를 기반으로 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계;를 포함한다.
연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택의 출력전류를 시간에 따라 적분한 전류 적산값으로 연료전지 스택에서의 반응량을 추정할 수 있다.
드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 단계에서는, 추정한 반응량이 기설정된 반응량 이상이면 드레인 밸브를 개방하도록 제어할 수 있다.
드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계에서는, 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 기설정된 감소율 이상으로 감소하면 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압 이상인 경우일 수 있다.
드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계에서는, 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압에서 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력을 감산한 값이 기설정된 압력차 이상이면 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계에서는, 드레인 밸브를 개방하도록 제어한 시점부터 기설정된 개방시간 경과시 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하되, 기설정된 개방시간 경과시 연료탱크에서 연료공급밸브의 개도가 기설정된 임계 개도 이하인 경우, 드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 반응량의 기준을 감소시킬 수 있다.
드레인 밸브를 개방하도록 제어한 시점부터 기설정된 개방시간 경과시까지 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압을 고정할 수 있다.
드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계 이후에, 워터트랩의 배출구를 통해 배출된 연료 배출량을 추정하는 단계; 및 추정한 연료 배출량을 기반으로 연료공급라인의 기체를 외부로 배출하는 퍼지(Purge)를 제어하는 퍼지밸브의 개방을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
연료 배출량을 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택의 애노드 측 압력과 외부 압력 사이의 압력차를 기반으로 연료 배출량을 추정할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 응축수 배출 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 수위센서가 고장난 경우 또는 수위센서를 포함하지 않는 경우에도 드레인 밸브를 제어하여 워터 트랩에 저장된 응축수를 적절하게 배출할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 이에 따라 워터 트랩에 저장된 응축수가 과도하여 연료전지 스택에 플러딩(Flooding)이 발생하는 문제 및 드레인 밸브를 통하여 연료공급라인의 수소가 배출되는 문제를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어방법의 순서도이다.
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 연료전지의 응축수 배출 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어시스템은 연료의 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택(10); 연료전지 스택(10)에서 배출된 연료를 재순환시키거나 연료탱크(70)에서 공급된 연료를 연료전지 스택(10)에 공급하는 연료공급라인(80); 연료공급라인(80)에 마련되어 연료전지 스택(10)에서 발생된 응축수를 저장하는 워터트랩(20); 워터트랩(20)의 배출구에 마련되어 개방되거나 폐쇄됨에 따라 워터트랩(20)에 저장된 응축수의 배출을 허용하거나 차단하는 드레인 밸브(30); 및 연료의 화학 반응량을 추정하고, 추정한 화학 반응량을 기반으로 드레인 밸브(30)를 개방하고, 드레인 밸브(30)의 개방 상태에서 연료공급라인(80)을 통한 연료전지 스택(10)으로의 연료 공급 상태를 기반으로 드레인 밸브(30)를 폐쇄하도록 제어하는 제어기(50);를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 연료인 수소와 산소를 수소극(애노드, Anode) 및 산소극(캐소드, Cathode)으로 각각 공급받아 화학 반응을 통하여 전력을 발전한다. 연료전지 스택(10)의 내부에서 수소와 산소가 반응하면서 응축수가 발생한다.
연료공급라인(80)은 연료탱크(70)에서 공급된 연료를 연료전지 스택(10)에 공급하고, 연료전지 스택(10)에서 배출된 연료를 재순환하여 다시 연료전지 스택(10)으로 공급한다. 즉, 연료전지 스택(10)에서 배출된 연료를 재순환시키되 연료탱크(70)에서 공급된 연료와 혼합하여 다시 연료전지 스택(10)으로 공급한다.
연료탱크(70)는 고압의 수소를 저장하고, 저장된 수소를 연료공급라인(80)으로 공급한다. 연료탱크(70)에 저장된 고압의 수소는 감압 과정을 거친 뒤 연료공급라인(80)으로 공급된다.
워터트랩(20)은 연료공급라인(80)에 마련되어 연료전지 스택(10)에서 발생된 응축수를 저장한다. 특히, 연료전지 스택(10)의 공기극에서 발생되어 수소극으로 확산됨에 따라 연료공급라인(80)으로 이동된 응축수가 저장된다. 워터트랩(20)의 배출구는 외부로 연결되거나 연료전지 스택(10)의 공기극 입구에 위치된 가습기와 연결될 수 있다.
드레인 밸브(30)는 워터트랩(20)의 배출구에 마련되어 워터트랩(20)의 응축수 배출을 제어할 수 있다. 특히, 드레인 밸브(30)는 개방됨에 따라 워터트랩(20)에 저장된 응축수의 배출을 허용할 수 있고, 폐쇄됨에 따라 응축수의 배출을 차단할 수 있다. 일반적으로, 워터트랩(20)의 배출구를 통하여 수소가 배출되지 않도록 폐쇄된 상태로 제어되다가, 간헐적으로 응축수가 저장되면 개방되어 응축수를 외부로 배출한다.
일반적으로, 워터트랩(20)에는 수위센서(40)가 마련되어 워터트랩(20)에 저장된 응축수를 감지할 수 있다. 특히, 수위센서(40)는 워터트랩(20)에 저장된 응축수의 수위를 감지하여 응축수가 저장된 양을 감지하고, 수위센서(40)의 센싱값을 기반으로 드레인 밸브(30)의 개폐를 제어할 수 있다.
구체적으로, 수위센서(40)의 센싱값으로 응축수가 제1수위 이상으로 저장된 것으로 판단하면 드레인 밸브(30)를 개방시키고, 다시 수위센서(40)의 센싱값으로 응축수가 제2수위 미만인 것으로 판단하면 드레인 밸브(30)를 폐쇄시킬 수 있다. 다만, 수위센서(40)가 고장난 경우에는 수위센서(40)의 센싱값을 기반으로 드레인 밸브(30)의 개폐를 제어할 수 없다.
따라서, 제어기(50)는 연료의 화학 반응량을 추정하고, 추정한 화학 반응량을 기반으로 드레인 밸브(30)를 개방하고, 드레인 밸브(30)의 개방 상태에서 연료공급라인(80)을 통한 연료전지 스택(10)으로의 연료 공급 상태를 기반으로 드레인 밸브(30)를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
제어기(50)는 별도로 형성된 제어기이거나, 연료전지의 수소공급계를 제어하는 별도의 제어기일 수 있고, 또는 연료전지 제어기(FCU, Fuel cell Control Unit)에 포함되어 연료전지의 수소공급계를 제어할 수 있다.
연료전지 스택(10)으로의 연료 공급 상태는 후술하는 것과 같이, 연료전지 스택(10)의 애노드 측에서 측정한 압력, 연료탱크(70)에서 연료공급라인(80)으로 공급하는 연료를 제어하는 연료공급밸브(71) 등의 압력 등을 이용하여 판단할 수 있다.
이에 따라, 수위센서(40)가 고장난 경우 또는 수위센서(40)를 포함하지 않는 경우에도 드레인 밸브(30)를 제어하여 워터 트랩에 저장된 응축수를 적절하게 배출할 수 있어 워터 트랩에 저장된 응축수가 과도하여 연료전지 스택(10)에 플러딩(Flooding)이 발생하는 문제 및 드레인 밸브(30)를 통하여 연료공급라인(80)의 수소가 배출되는 문제를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
연료전지 스택(10)의 애노드 측 압력을 측정하는 압력센서(60);를 더 포함하고, 제어기(50)에서는, 압력센서(60)에서 측정한 애노드 측 압력에 따라 드레인 밸브(30)를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
압력센서(60)는 연료전지 스택(10) 내부의 애노드 측의 압력을 측정할 수 있다. 제어기(50)는 후술하는 것과 같이 압력센서(60)에서 측정한 연료전지 스택(10)의 애노드 측 압력을 이용하여 드레인 밸브(30)의 폐쇄를 제어할 수 있다.
다른 실시예로는 연료공급라인(80)에 마련되어 연료공급라인(80)의 압력을 측정할 수 있다. 특히, 연료공급라인(80) 중 연료전지 스택(10)으로 유입되는 애노드의 입구 측에 위치되어 연료전지 스택(10)의 수소극으로 유입되는 연료공급라인(80)의 압력을 측정할 수 있다.
연료탱크(70)와 연료공급라인(80) 사이에 위치되어 연료탱크(70)에서 연료공급라인(80)으로 공급하는 연료를 제어하는 연료공급밸브(71);를 더 포함하고, 제어기(50)에서는, 연료공급밸브(71)의 개도에 따라 드레인 밸브(30)를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
연료탱크(70)와 연료공급라인(80) 사이에는 연료공급밸브(71)가 위치될 수 있다. 연료공급밸브(71)는 연료공급라인(80)의 압력 또는 압력센서(60)에서 측정한 애노드 측 압력과 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압에 의해 개도가 제어될 수 있다. 즉, 압력센서(60)에서 측정한 애노드 측 압력이 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압을 추종하도록 연료공급밸브(71)의 개도가 제어될 수 있다.
연료공급밸브(71)와 별도로 연료전지 시스템의 시동 On/Off에 따라 개방/폐쇄되도록 제어되어 수소를 공급하거나 차단하는 차단밸브(미도시)가 더 포함될 수 있고, 연료공급밸브(71)는 차단밸브의 역할을 동시에 수행하도록 일체형일 수 있다.
제어기(50)는 연료공급밸브(71)의 개도에 따라 연료공급라인(80)의 연료 배출을 감지하여 드레인 밸브(30)의 폐쇄를 제어할 수 있다.
연료공급라인(80)에 마련되고, 연료공급라인(80)의 기체를 외부로 배출하는 퍼지(Purge)를 제어하는 퍼지밸브(90);를 더 포함하고, 제어기(50)에서는, 드레인 밸브(30)의 개방에 의해 워터트랩(20)의 배출구로 배출된 연료 배출량을 추정하고, 추정한 워터트랩(20)의 배출구로 배출된 기체량을 기반으로 퍼지밸브(90)의 개방을 제어할 수 있다.
퍼지밸브(90)는 연료전지 스택(10)을 통과하여 다시 재순환되는 연료공급라인(80)에 위치되어 연료전지 스택(10)을 통과함에 따라 연료공급라인(80)의 수소 농도가 낮아진 기체를 외부로 배출시킬 수 있다.
제어기(50)는 워터트랩(20)의 배출구를 통해 배출된 연료 배출량을 추정하고, 추정한 연료 배출량을 반영하여 퍼지밸브(90)의 개방 시간을 감소시키거나 개방 주기를 증가시킬 수 있다. 즉, 워터트랩(20)의 배출구를 통하여 연료가 배출된 경우, 퍼지밸브(90)를 통한 퍼지량을 감소시키도록 제어할 수 있다.
제어기(50)의 구체적인 제어 방법에 관하여는 아래에서 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어방법은 연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 단계(S300); 추정한 반응량을 기반으로 개방되거나 폐쇄됨에 따라 연료공급라인의 응축수를 저장하는 워터트랩에 저장된 응축수의 배출을 허용하거나 차단하는 드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 단계(S400); 및 드레인 밸브의 개방 상태에서 연료공급라인을 통한 연료전지 스택으로의 연료 공급 상태를 기반으로 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계(S800);를 포함한다.
연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 단계(S300)에서는, 연료전지 스택에 공급된 수소 및 산소의 반응량을 추정하는 것이다. 연료전지 스택의 반응 환경 등에 따라 상이할 수 있지만, 연료전지 스택에서 발생되어 워터트랩으로 이동되는 응축수는 연료전지 스택의 반응량에 비례한다. 따라서, 연료전지 스택에서의 반응량을 추정하고, 이를 기반으로 응축수의 배출을 제어할 수 있다.
드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 단계(S400)에서는, 추정한 반응량을 기반으로 워터트랩에 일정량 이상의 응축수가 저장된 것으로 판단한 경우 드레인 밸브를 개방하여 워터트랩의 배출구를 통하여 응축수의 배출을 허용할 수 있다.
드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계(S800)에서는, 드레인 밸브를 개방한 상태에서 워터트랩의 배출구를 통하여 응축수의 배출이 완료되면 연료공급라인의 연료가 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 드레인 밸브의 개방 상태에서 연료공급라인을 통한 연료전지 스택으로의 연료 공급 상태를 기반으로 연료공급라인의 연료 배출을 감지하여 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 연료공급라인에서의 연료 배출을 최소화하면서 워터트랩에 저장된 응축수를 효과적으로 배출할 수 있는 효과를 갖는다.
연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 단계(S300) 이전에, 수위센서의 고장 여부를 판단하는 단계(S100)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 수위센서의 고장 여부를 판단하는 단계(S100)에서는, 수위센서의 센싱값이 정상 센싱 범위를 벗어난 경우 수위센서가 고장난 것으로 판단할 수 있다.
다른 실시예로, 드레인 밸브의 개방 제어에도 불구하고 수위센서의 센싱값이 고정된 경우 수위센서가 고장난 것으로 판단할 수 있다. 즉, 드레인 밸브를 개방하였지만 수위센서에서 센싱한 수위가 기준시간 이상으로 감소되지 않으면 수위센서가 고장난 것으로 판단할 수 있다.
또 다른 실시예로, 드레인 밸브를 폐쇄한 상태에서 연료전지 스택이 계속해서 발전하는데 수위센서의 센싱값이 증가되지 않는 경우에는 고장난 것으로 판단할 수 있다. 구체적으로, 연료전지 스택의 출력전류를 적분한 전류 적산값이 기설정된 이상 적산값을 초과할 때까지 증가하더라도 수위센서의 센싱값이 증가되지 않는다면 수위센서가 정상적으로 작동하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
수위센서의 고장 여부를 판단하는 단계(S100)에서, 수위센서가 고장나지 않은 것으로 판단한 경우, 수위센서의 센싱값을 기반으로 드레인 밸브를 제어할 수 있다(S200). 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 응축수 배출 제어방법은 수위센서가 고장난 경우로 한정될 수 있다.
연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 단계(S300)에서는, 연료전지 스택의 출력전류를 시간에 따라 적분한 전류 적산값으로 연료전지 스택에서의 반응량을 추정할 수 있다.
연료전지 스택은 수소와 산소의 화학 반응에 의하여 전류를 발전하고, 이를 메인버스단 등을 통하여 모터를 비롯한 부하들에 공급한다. 따라서, 연료전지 스택에서 출력하는 출력전류를 시간에 따라 적분한 전류 적산값은 연료전지 스택의 반응량과 비례한다. 따라서, 전류 적산값을 이용하여 연료전지 스택에서의 반응량을 추정할 수 있다.
드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 단계(S400)에서는, 추정한 반응량이 기설정된 반응량 이상이면 드레인 밸브를 개방하도록 제어할 수 있다. 즉, 추정한 연료전지 스택에서의 반응량이 기설정된 반응량 이상이 되면 워터트랩에 저장된 응축수가 배출될 필요가 있을 정도로 저장된 것으로 판단하여 드레인 밸브를 개방하도록 제어할 수 있다.
기설정된 반응량은 실험에 의해 기설정될 수 있고, 연료전지 스택의 다양한 운전 조건에서 워터트랩에 응축수가 저장되는 속도의 평균값 또는 최악의 상황 등을 고려하여 기설정될 수 있다.
특히, 연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 단계(S300)에서 전류 적산값으로 연료전지 스택에서의 반응량을 추정한 경우, 전류 적산값이 기설정된 적산값(α) 이상인 경우 드레인 밸브를 개방하도록 제어할 수 있다.
드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계(S800)에서는, 드레인 밸브의 개방에 의해 저장된 응축수의 배출이 완료되면 워터트랩의 배출구를 통하여 연료공급라인의 연료가 배출되므로, 연료공급라인의 연료가 배출되는지 여부를 통하여 응축수의 배출 완료를 감지할 수 있다(S500).
일 실시예로, 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계(S800)에서는, 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 기설정된 감소율(β) 이상으로 감소하면(S510) 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다. 즉, 연료전지 스택의 애노드 측 압력을 측정하는 압력센서의 센싱값이 기설정된 감소율(β) 이상으로 급격하게 감소하면, 워터트랩의 배출구를 통하여 연료공급라인의 연료가 배출되고 있는 것으로 판단할 수 있는 것으로, 워터트랩의 배출구를 통한 연료 배출을 추정할 수 있는 효과를 갖는다.
특히, 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압 이상인 경우일 수 있다(S510). 타겟압은 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 추종하는 목표값으로, 연료전지의 요구 발전량에 비례하도록 정해질 수 있다.
즉, 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압 이상인 경우, 연료전지 스택의 애노드 측 압력을 상승시키도록 제어하지 않으므로, 연료공급밸브를 통한 연료 유입이 최소화된다. 따라서, 연료공급밸브를 통한 연료 유입에 따른 연료전지 스택의 애노드 측 압력 변화가 최소화되어 워터트랩의 배출구를 통한 연료 배출 여부를 더 정확하게 추정할 수 있는 효과를 갖는다.
구체적으로, 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 타겟압보다 작은 경우는 연료전지의 요구 발전량이 감소된 경우일 수 있다. 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 타겟압 이하인 경우에는 연료공급밸브의 개도가 작거나 폐쇄되도록 제어될 수 있다. 따라서, 연료전지 스택의 발전에 따라 연료공급라인의 연료를 소모함에 따라 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 타겟압이 되도록 서서히 감소하는 구간이다.
기설정된 감소율(β)은 연료공급라인의 연료를 소모함에 따라 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 타겟압이 되도록 서서히 감소하는 감소율보다 크게 설정될 수 있다.
즉, 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 기설정된 감소율(β) 이상으로 감소하면 워터트랩의 배출구를 통하여 연료공급라인의 연료가 배출되고 있는 것으로 판단하여 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
다른 실시예로, 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계(S800)에서는, 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압에서 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력을 감산한 값이 기설정된 압력차 이상이면(S520) 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다. 기설정된 압력차는 요구 발전량에 따른 타겟압의 변화에 따라 연료전지 스택의 애노드 측 압력과 일시적으로 차이가 발생하는 일반적인 압력차보다 크게 기설정될 수 있다.
즉, 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 타겟압에 대비하여 큰 차이로 감소된 경우(S520), 연료공급라인의 연료가 배출되고 있는 것으로 판단할 수 있고, 이에 따라 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
또 다른 실시예로, 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계(S800)에서는, 드레인 밸브를 개방하도록 제어한 시점부터 기설정된 개방시간(T) 경과시(S530) 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하되, 기설정된 개방시간(T) 경과시 연료탱크에서 연료공급밸브의 개도가 기설정된 임계 개도(X) 이하인 경우(S600), 드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 반응량의 기준을 감소시킬 수 있다(S700).
즉, 드레인 밸브를 개방하도록 제어한 시점 이후에 기설정된 개방시간이 경과하면(S520) 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
추가로, 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계(S800)에서, 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 기설정된 감소율(β) 이상으로 감소하면(S510) 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하거나, 또는 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압에서 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력을 감산한 값이 기설정된 압력차 이상이면(S520) 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어함에 있어서, 드레인 밸브를 개방하도록 제어한 후 기설정된 개방시간(T) 경과시까지도 드레인 밸브가 폐쇄되지 않는 경우에 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
즉, 연료공급라인의 연료가 배출되고 있는 것으로 판단되지 않더라도 기설정된 개방시간(T) 이 경과하면 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다. 이에 따라 워터트랩의 배출구를 통하여 연료공급라인의 연료가 배출되는 문제를 방지할 수 있다.
추가로, 기설정된 개방시간(T) 경과시 연료탱크에서 연료공급밸브의 개도가 기설정된 임계 개도(X) 이하인지 여부를 판단할 수 있다. 드레인 밸브를 기설정된 개방시간(T) 동안 개방한 상태에서 연료공급밸브의 개도가 기설정된 임계 개도(X)를 초과하면 워터트랩의 배출구를 통하여 연료공급라인의 연료가 배출되는 것으로 판단할 수 있다.
기설정된 임계 개도(X)는 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압을 추종하기 위한 정상적인 개도 범위를 고려하여 기설정될 수 있다.
다만, 연료공급밸브의 개도가 기설정된 임계 개도(X) 이하인 경우, 드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 반응량의 기준을 감소시킬 수 있다(S700). 즉, 상술한 기설정된 적산값(α)을 감소시킬 수 있다(S700).
연료공급밸브의 개도가 기설정된 임계 개도(X) 이하인 경우는 워터트랩에 저장된 응축수가 완전히 배출되지 않았거나, 연료공급라인 또는 연료전지 스택 내부에 응축수가 잔존한 상태일 수 있다. 따라서, 드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 기준이 되는 기설정된 반응량을 감소시킬 수 있다(S700).
특히, 드레인 밸브를 개방하도록 제어한 시점부터 기설정된 개방시간(T) 경과시까지 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압을 고정할 수 있다. 이에 따라, 타겟압을 추종하는 연료공급라인의 압력의 변화를 정확하게 감지할 수 있다.
즉, 워터트랩의 배출구를 통하여 연료공급라인의 연료가 배출되어 연료공급라인의 압력이 낮아지는 상황을 더 정확하게 감지할 수 있는 효과를 갖는다.
드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계(S800)에서는 전류 적산을 리셋할 수 있다. 즉, 드레인 밸브를 개방하는 제어(S400)을 위한 기준으로 이용하는 시간에 따라 적분한 전류 적산 값을 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하면서 0으로 리셋하고, 다음 드레인 밸브의 개방 제어를 위하여 연료전지 스택의 출력 전류를 다시 시간에 따라 적분할 수 있다.
드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계(S800) 이후에, 워터트랩의 배출구를 통해 배출된 연료 배출량을 추정하는 단계(S900); 및 추정한 연료 배출량을 기반으로 연료공급라인의 기체를 외부로 배출하는 퍼지(Purge)를 제어하는 퍼지밸브의 개방을 제어하는 단계(S900);를 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택에서 배출된 연료공급라인의 기체는 크로스오버 등에 의해 불순물이 쌓이게 되므로 퍼지밸브를 개방하여 연료공급라인의 기체를 외부로 배출할 수 있다. 특히, 퍼지밸브를 제어하는 단계(S900)에서는, 퍼지밸브의 개방 주기 및 퍼지밸브의 개방시간을 제어할 수 있다.
다만, 드레인 밸브의 개방에 의해 워터트랩의 배출구에서 연료공급라인의 기체가 외부로 배출된 경우, 워터트랩의 배출구를 통해 배출된 연료 배출량을 추정하여 퍼지밸브의 제어에 반영할 수 있다. 구체적으로, 추정한 연료 배출량만큼 퍼지밸브의 개방을 통한 퍼지량을 감소시키도록 퍼지밸브의 개방 주기를 증가시키거나 퍼지밸브의 개방시간을 감소시키도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 연료 배출량을 추정하는 단계(S900)에서는, 연료전지 스택의 애노드 측 압력과 외부 압력 사이의 압력차를 기반으로 연료 배출량을 추정할 수 있다.
퍼지밸브는 연료공급라인이 외부와 연결된 사이에 위치하는 것으로, 외부는 캐소드 측 입구일 수 있다. 따라서, 외부 압력은 연료전지 스택의 캐소드 측 입구의 압력일 수 있다.
연료 배출량은 연료전지 스택의 애노드 측 압력과 외부 압력 사이의 압력차 또는 연료전지 스택의 애노드 측 압력과 연료전지 스택의 캐소드 측 입구의 압력 사이의 압력차에 비례할 수 있다.
구체적으로, 연료전지 스택의 애노드 측 압력과 연료전지 스택의 캐소드 측 입구의 압력에 따른 수소 배출율[g/s]가 기저장된 테이블 또는 맵에 의해 정해질 수 있다.
따라서, 수소 배출량[g]은 정해진 수소 배출율[g/s]과 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어한 시점부터 실제 드레인 밸브를 폐쇄한 시점 사이의 폐쇄시간[s]을 이용하여 추정할 수 있다. 폐쇄시간[s]은 시스템 사양에 따라 실험에 의해 정해질 수 있다.
따라서, 워터트랩의 배출구를 통하여 배출된 연료공급라인의 연료 배출량을 반영하여 퍼지제어를 수행함으로써 불필요한 연료 배출을 방지하여 연비를 향상시키고, 제어의 강건성을 향상시키는 효과를 갖는다.
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 : 워터트랩
30 : 드레인 밸브 40 : 수위센서
50 : 제어기 60 : 압력센서
70 : 연료탱크 71 : 연료공급밸브
80 : 연료공급라인 90 : 퍼지밸브

Claims (14)

  1. 연료의 화학 반응을 통하여 전력을 발전하는 연료전지 스택;
    연료전지 스택에서 배출된 연료를 재순환시키거나 연료탱크에서 공급된 연료를 연료전지 스택에 공급하는 연료공급라인;
    연료공급라인에 마련되어 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터트랩;
    워터트랩의 배출구에 마련되어 개방되거나 폐쇄됨에 따라 워터트랩에 저장된 응축수의 배출을 허용하거나 차단하는 드레인 밸브; 및
    연료의 화학 반응량을 추정하고, 추정한 화학 반응량을 기반으로 드레인 밸브를 개방하고, 드레인 밸브의 개방 상태에서 연료공급라인을 통한 연료전지 스택으로의 연료 공급 상태를 기반으로 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    연료전지 스택의 애노드 측 압력을 측정하는 압력센서;를 더 포함하고,
    제어기에서는, 압력센서에서 측정한 애노드 측 압력에 따라 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료탱크와 연료공급라인 사이에 위치되어 연료탱크에서 연료공급라인으로 공급하는 연료를 제어하는 연료공급밸브;를 더 포함하고,
    제어기에서는, 연료공급밸브의 개도에 따라 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    연료공급라인에 마련되고, 연료공급라인의 기체를 외부로 배출하는 퍼지(Purge)를 제어하는 퍼지밸브;를 더 포함하고,
    제어기에서는, 드레인 밸브의 개방에 의해 워터트랩의 배출구로 배출된 연료 배출량을 추정하고, 추정한 워터트랩의 배출구로 배출된 기체량을 기반으로 퍼지밸브의 개방을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어시스템.
  5. 연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 단계;
    추정한 반응량을 기반으로 개방되거나 폐쇄됨에 따라 연료공급라인의 응축수를 저장하는 워터트랩에 저장된 응축수의 배출을 허용하거나 차단하는 드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 단계; 및
    드레인 밸브의 개방 상태에서 연료공급라인을 통한 연료전지 스택으로의 연료 공급 상태를 기반으로 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택의 출력전류를 시간에 따라 적분한 전류 적산값으로 연료전지 스택에서의 반응량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 단계에서는, 추정한 반응량이 기설정된 반응량 이상이면 드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계에서는, 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 기설정된 감소율 이상으로 감소하면 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력이 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압 이상인 경우인 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계에서는, 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압에서 압력센서에서 측정한 연료전지 스택의 애노드 측 압력을 감산한 값이 기설정된 압력차 이상이면 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  11. 청구항 5에 있어서,
    드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계에서는, 드레인 밸브를 개방하도록 제어한 시점부터 기설정된 개방시간 경과시 드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하되, 기설정된 개방시간 경과시 연료탱크에서 연료공급밸브의 개도가 기설정된 임계 개도 이하인 경우, 드레인 밸브를 개방하도록 제어하는 반응량의 기준을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    드레인 밸브를 개방하도록 제어한 시점부터 기설정된 개방시간 경과시까지 연료전지의 요구 발전량에 따른 타겟압을 고정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  13. 청구항 5에 있어서,
    드레인 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 단계 이후에, 워터트랩의 배출구를 통해 배출된 연료 배출량을 추정하는 단계; 및
    추정한 연료 배출량을 기반으로 연료공급라인의 기체를 외부로 배출하는 퍼지(Purge)를 제어하는 퍼지밸브의 개방을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    연료 배출량을 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택의 애노드 측 압력과 외부 압력 사이의 압력차를 기반으로 연료 배출량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 응축수 배출 제어방법.
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