KR20200050508A - 연료전지의 수소 공급 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

수소와 공기를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지 스택; 연료전지 스택의 출구에서 배출된 수소를 다시 연료전지 스택의 입구로 공급하는 재순환라인; 재순환라인 중 연료전지 스택의 출구 측에 위치되고, 개방됨에 따라 재순환라인의 수소를 외부로 배출하는 퍼지밸브; 재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 재순환 판단부; 및 재순환 판단부에서 판단한 재순환라인의 재순환 상태를 기반으로 재순환라인에서 외부로 연결된 퍼지밸브에서 퍼지된 기체별 퍼지량을 추정하고, 추정한 기체별 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 농도 추정부;를 포함하는 연료전지의 수소 공급 제어시스템이 소개된다.

Description

연료전지의 수소 공급 제어시스템 및 제어방법{HYDROGEN SUPPLY CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 수소 공급 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 농도를 직접 추정하여 퍼지 제어 및 수소 압력 제어를 수행하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 수소공급장치 및 공기공급장치에서 각각 공급된 수소와 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택 및 이를 냉각시키기 위한 냉각 시스템 등을 포함하고 있다.
즉, 연료전지의 애노드 측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 발생한다.
그 중에서, 연료전지의 애노드 측으로 공급하는 수소는 적절한 수준의 수소 농도를 유지하여야 하기 때문에 수소 재순환라인에서 적절한 수소 퍼지 제어가 이루어진다. 수소 퍼지 제어는 일반적으로 수소 농도를 실시간으로 추정하고, 이에 따라 적절한 수준의 수소 농도가 유지되도록 수소 퍼지 제어를 실시한다.
기존에는 연료전지 스택 애노드 측의 수소 농도를 추정할 수 있는 방법이 없어, 연료전지의 출력 전류를 시간에 따라 적분하고 가중치(Weighting Factor)를 곱한 값을 Q로 정의하고, Q값이 실험적으로 튜닝한 기준값에 도달하면 퍼지를 실시하는 방법으로 연료전지 스택 애노드 측의 수소 농도를 유지하도록 제어하였다(전류 적산 제어).
다만, 이러한 기존의 퍼지 제어방법으로는 실제적 제어 대상인 수소 농도와 Q값 사이의 관계가 명확하지 않고, 이에 따라 목표 수소 농도 또는 목표 수소 압력의 기준이 명확하지 않아 최적의 수소 농도 제어가 불가능한 문제가 있었다.
또한, 연료전지의 출력 전류가 0인 구간(아이들 스탑 구간 등)에서는 Q값이 증가하지 않아 퍼지를 수행할 수 없는 문제가 있고, 연료전지의 고속 주행 또는 시내 주행 등의 상황에 따라 연료전지의 수소 농도가 적절하게 유지되기 어려운 문제가 있었다.
특히, 연료전지에서 수소를 거의 소모하지 않는 FC STOP 모드 또는 저유량 제어 모드에서는 연료전지의 이젝터에 의한 재순환 라인의 재순환 효과가 상대적으로 미미하여 재순환 라인의 확산이 충분히 이루어지지 않아 퍼지에 따른 효과가 재순환 효과가 큰 상태와 상이하게 나타나는 현상이 있으나 이를 반영하지 못한 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 10-1459815 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 재순환라인의 재순환율에 따라 퍼지밸브를 통하여 퍼지된 기체별 퍼지량을 반영하여 연료전지 스택의 애노드측 수소 농도를 추정하고, 연료전지의 수소 공급을 제어하는 기술을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 수소 공급 제어시스템은 수소와 공기를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지 스택; 연료전지 스택의 출구에서 배출된 수소를 다시 연료전지 스택의 입구로 공급하는 재순환라인; 재순환라인 중 연료전지 스택의 출구 측에 위치되고, 개방됨에 따라 재순환라인의 수소를 외부로 배출하는 퍼지밸브; 재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 재순환 판단부; 및 재순환 판단부에서 판단한 재순환라인의 재순환 상태를 기반으로 재순환라인에서 외부로 연결된 퍼지밸브에서 퍼지된 기체별 퍼지량을 추정하고, 추정한 기체별 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 농도 추정부;를 포함한다.
재순환라인 중 연료전지 스택의 입구 측에 위치되고, 연료탱크와 연결되어 연료탱크의 수소를 재순환라인으로 공급하는 이젝터;를 더 포함할 수 있다.
재순환 판단부는, 연료전지 스택의 출력 전류를 기반으로 재순환 상태를 판단할 수 있다.
농도 추정부는, 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 질소 또는 수소의 농도를 재순환라인의 재순환 상태에 따라 수정하고, 수정한 질소 또는 수소의 농도를 이용하여 질소의 퍼지량 또는 수소의 퍼지량을 추정할 수 있다.
추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브의 개방을 제어하는 퍼지 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 수소 공급 제어방법은 연료전지 스택의 출구에서 수소를 재순환하여 다시 연료전지 스택의 입구로 공급하는 재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 단계; 판단한 재순환라인의 재순환 상태를 기반으로 재순환라인에서 외부로 연결된 퍼지밸브에서 퍼지된 기체별 퍼지량을 추정하는 단계; 및 추정한 기체별 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 단계;를 포함한다.
재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 단계에서는, 연료전지 스택의 출력 전류를 기반으로 재순환 상태를 판단할 수 있다.
재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 단계에서는, 연료전지 스택의 출력 전류가 기설정된 제1전류 이상인 상태가 기설정된 시간 이상 지속되면 재순환이 활성화된 상태로 판단할 수 있다.
재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 단계에서는, 연료전지 스택의 출력 전류가 기설정된 제2전류 이하인 상태가 기설정된 시간 이상 지속되면 재순환이 비활성화된 상태로 판단할 수 있다.
기체별 퍼지량을 추정하는 단계에서는, 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 질소 또는 수소의 농도를 재순환라인의 재순환 상태에 따라 수정하고, 수정한 질소 또는 수소의 농도를 이용하여 질소의 퍼지량 또는 수소의 퍼지량을 추정할 수 있다.
기체별 퍼지량을 추정하는 단계에서는, 재순환 상태에 따라 정해진 불균일 Factor를 반영하여 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 질소의 농도를 감소시키거나 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 수소의 농도를 증가시키도록 수정할 수 있다.
기체별 퍼지량을 추정하는 단계에서는, 재순환이 활성화된 상태로 판단하면, 퍼지된 기체의 기체별 농도가 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 기체별 농도를 그대로 이용하여 기체별 퍼지량을 추정할 수 있다.
재순환라인의 수소 농도를 추정하는 단계에서는, 재순환라인의 전체 기체량, 크로스오버되어 유입된 질소량, 크로스오버되어 유입된 증기량 및 추정한 기체별 퍼지량을 이용하여 추정할 수 있다.
재순환라인의 수소 농도를 추정하는 단계 이후에, 추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브의 개방을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 수소 공급 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 재순환라인의 재순환 정도에 따라 퍼지밸브를 통하여 퍼지된 기체의 농도를 정확하게 추정할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 기체별 퍼지량을 반영하여 재순환라인의 수소 농도 추정 정확도가 향상되고, 적절한 퍼지제어를 통하여 내구성 확보 및 연비를 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 공급 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 공급 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 수소 공급 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 공급 제어시스템은 수소와 공기를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지 스택(10); 연료전지 스택(10)의 출구에서 배출된 수소를 다시 연료전지 스택(10)의 입구로 공급하는 재순환라인(20); 재순환라인(20) 중 연료전지 스택(10)의 출구 측에 위치되고, 개방됨에 따라 재순환라인(20)의 수소를 외부로 배출하는 퍼지밸브(40); 재순환라인(20)의 재순환 상태를 판단하는 재순환 판단부(50); 및 재순환 판단부(50)에서 판단한 재순환라인(20)의 재순환 상태를 기반으로 재순환라인(20)에서 외부로 연결된 퍼지밸브(40)에서 퍼지된 기체별 퍼지량을 추정하고, 추정한 기체별 퍼지량을 기반으로 재순환라인(20)의 수소 농도를 추정하는 농도 추정부(60);를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 내부에 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함하고, 공기 중의 산소와 수소가 서로 화학 반응함으로써 전기에너지를 발전한다.
재순환라인(20)은 연료전지 스택(10)의 애노드(Anode) 측에 연결되어 연료전지 스택(10)에 수소를 공급한다. 특히, 연료전지 스택(10)의 출구에서 배출된 수소를 다시 연료전지 스택(10)의 입구로 재순환되도록 연결된다.
퍼지밸브(40)는 재순환라인(20) 중 연료전지 스택(10)의 출구 측에 위치된다. 퍼지밸브(40)가 개방되는 퍼지제어에 따라 재순환라인(20)의 수소를 포함한 기체는 외부로 배출된다. 퍼지제어에 따라, 불순물이 포함된 재순환라인(20)의 기체가 외부로 배출되고 순수한 수소가 공급되어 재순환라인(20)의 수소 농도를 유지한다.
재순환 판단부(50)는 재순환라인(20)의 재순환 상태를 판단한다. 구체적으로, 재순환라인(20)의 기체들이 빠르게 순환하면서 균일한 상태를 유지하는지, 재순환라인(20)의 기체들이 거의 정지한 상태로 불균일한 상태인지를 판단한다. 특히, 시동 Off 상태 또는 FC Stop 모드에서 재순환라인(20)의 재순환이 거의 발생하지 않고, 막-전극접합체를 통하여 수소, 산소 및 증기가 크로스오버됨에 따른 불순물 유입의 효과가 국부적으로 발생함으로 인한 농도 불균일 상태가 발생한다.
또한, 이에 따라 재순환라인(20)의 기체를 외부로 배출하는 퍼지제어의 경우 퍼지밸브(40)를 통해 배출되는 퍼지 기체의 기체별 농도가 재순환 상태에 영향을 받는다.
따라서, 농도 추정부(60)는 재순환 판단부(50)에서 판단한 재순환라인(20)의 재순환 상태를 기반으로 재순환라인(20)에서 외부로 연결된 퍼지밸브(40)에서 퍼지된 기체별 퍼지량을 추정한다. 또한, 농도 추정부(60)는 추정한 기체별 퍼지량을 기반으로 재순환라인(20)의 수소 농도를 추정한다.
즉, 본 발명에 따르면 재순환라인(20)의 재순환 정도에 따라 퍼지밸브(40)를 통하여 퍼지된 기체의 농도를 정확하게 추정하고, 이에 따라 더 정확한 기체별 퍼지량을 반영하여 재순환라인(20)의 수소 농도 추정 정확도가 향상되는 효과를 갖는다.
특히, 종래 기술에 따른 수소 농도 추정 기술은 재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하였다. 이에 따르는 경우, 연료전지 차량의 주행 중 FC Stop이 자주 발생하는 운전 모드에서 실제 수소 농도와 추정한 수소 농도 사이의 오차가 크게 발생하였다.
그러나 본 발명에 따르는 경우, FC Stop 모드 또는 저유량 발전 모드 등에 재순환라인(20)에서 퍼지되는 기체의 농도를 수정함으로써 정확도가 향상되어 오차를 감소시키는 효과를 갖는다.
재순환라인(20) 중 연료전지 스택(10)의 입구 측에 위치되고, 연료탱크와 연결되어 연료탱크의 수소를 재순환라인(20)으로 공급하는 이젝터(30);를 더 포함할 수 있다. 이젝터(30)는 재순환라인(20)과 연료탱크 사이에 위치되는 것으로, 이젝터(30)의 특성상 재순환라인(20)에서 연료전지 스택(10)의 입구 측과 출구 측 사이의 차압에 의해 재순환라인(20)의 재순환이 발생한다.
따라서, FC Stop 모드 또는 저유량 발전 모드 등의 연료전지 스택(10)의 입구 측과 출구 측 사이의 차압이 작게 발생하는 경우에는 재순환라인(20)의 재순환 상태가 비활성화되고, 오히려 역류하는 경우도 발생할 수 있다. 따라서, 재순환 상태를 판단하고, 이를 퍼지된 기체별 퍼지량 추정에 반영할 필요가 있다.
재순환 판단부(50)는, 연료전지 스택(10)의 출력 전류를 기반으로 재순환 상태를 판단할 수 있다.
농도 추정부(60)는, 재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 질소 또는 수소의 농도를 재순환라인(20)의 재순환 상태에 따라 수정하고, 수정한 질소 또는 수소의 농도를 이용하여 질소의 퍼지량 또는 수소의 퍼지량을 추정할 수 있다.
추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브(40)의 개방을 제어하는 퍼지 제어부(70);를 더 포함할 수 있다. 퍼지 제어부(70)는 정확도가 향상된 수소 농도 추정에 따라 적절한 퍼지제어를 통하여 내구성 확보 및 연비를 향상시키는 효과를 갖는다.
구체적인 제어에 관한 내용은 아래의 제어방법에서 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 공급 제어방법의 순서도이다.
도 2를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 공급 제어방법은 연료전지 스택(10)의 출구에서 수소를 재순환하여 다시 연료전지 스택(10)의 입구로 공급하는 재순환라인(20)의 재순환 상태를 판단하는 단계(S400); 판단한 재순환라인(20)의 재순환 상태를 기반으로 재순환라인(20)에서 외부로 연결된 퍼지밸브(40)에서 퍼지된 기체별 퍼지량을 추정하는 단계(S410, S420, S500); 및 추정한 기체별 퍼지량을 기반으로 재순환라인(20)의 수소 농도를 추정하는 단계(S600);를 포함한다.
구체적으로, 재순환라인(20)의 재순환 상태를 판단하는 단계(S400)에서는, 연료전지 스택(10)의 출력 전류를 기반으로 재순환 상태를 판단할 수 있다. 연료전지 스택(10)의 출력 전류는 연료전지 스택(10)에서 수소 소모량과 비례한다. 연료전지 스택(10)에서의 수소 소모량은 발전 수소량과 크로스오버된 수소량의 합일 수 있다. 특히, 발전 수소량은 연료전지 스택(10)의 출력 전류와 정비례한다.
수소 소모량이 증가함에 따라 연료탱크에서 이젝터(30)를 통하여 공급되는 수소 공급량도 증가하고, 이에 따라 연료전지 스택(10)의 입구 측과 출구 측 사이의 차압이 증가하여 재순환라인(20)의 유동량이 증가한다. 즉, 연료전지 스택(10)의 출력 전류가 증가함에 따라 재순환라인(20)의 재순환 상태가 활성화되는 것으로 판단할 수 있다.
더 구체적으로, 재순환라인(20)의 재순환 상태를 판단하는 단계(S400)에서는, 연료전지 스택(10)의 출력 전류가 기설정된 제1전류 이상인 상태가 기설정된 시간 이상 지속되면 재순환이 활성화된 상태로 판단할 수 있다.
재순환라인(20)의 재순환 상태를 판단하는 단계(S400)에서는, 연료전지 스택(10)의 출력 전류가 기설정된 제2전류 이하인 상태가 기설정된 시간 이상 지속되면 재순환이 비활성화된 상태로 판단할 수 있다.
기설정된 시간은 기체의 관성에 따른 지연 효과를 반영한 것으로, 순간적인 수소 소모량이 증가하더라도 이젝터(30)를 통한 수소 공급에 따라 재순환라인(20)의 재순환 효과가 반영되는데 시간 지연이 발생한다. 기설정된 시간은 실험에 의해 측정된 지연 시간일 수 있고, 예를 들어 3초 정도일 수 있다.
제1전류는 연료전지 스택(10)에서 수소 소모량이 크게 발생하도록 연료전지 스택(10)의 출력 전류가 충분히 큰 정도로, 연료전지 스택(10)의 크기 등을 고려하여 기설정될 수 있다. 반대로, 제2전류는 연료전지 스택(10)에서 수소 소모량이 미미하도록 연료전지 스택(10)의 출력 전류가 적은 상태로 기설정될 수 있다.
기체별 퍼지량을 추정하는 단계(S410, S420, S500)에서는, 재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 질소 또는 수소의 농도를 재순환라인(20)의 재순환 상태에 따라 수정하고, 수정한 질소 또는 수소의 농도를 이용하여 질소의 퍼지량 또는 수소의 퍼지량을 추정할 수 있다.
질소 또는 수소의 농도는 재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정할 수 있다.
구체적으로, 재순환라인(20)의 전체 기체량, 크로스오버되어 유입된 질소량, 크로스오버되어 유입된 증기량 및 추정한 기체별 퍼지량을 이용하여 추정할 수 있다.
재순환라인(20)의 전체기체량(
Figure pat00001
)은 아래의 수식과 같이 이상기체 상태 방정식으로부터 재순환라인(20)의 기체 압력(P), 부피(V) 및 온도(T)를 이용하여 추정할 수 있다.
Figure pat00002
[mol]
여기서, R : 가스 상수, 8.314 [J/mol·K]이다.
기체 확산율은 연료전지 스택(10)의 전해질막 두께에 반비례하고, 애노드 측과 캐소드 측 사이의 기체 분압차에 비례할 수 있다. 구체적으로, 크로스오버된 기체량은 아래와 같은 FICK's LAW(확산 법칙)를 적용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
은 기체의 질량확산율(g/s), A는 확산면적, D는 기체 확산계수, x는 확산 거리, c는 기체 농도, R은 보편기체상수(8.314 J/mol·K), P는 기체 압력, T는 기체 온도, M는 기체의 몰질량(g/mol)이다. 이를 아래와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
은 기체 확산율(mol/s)이다.
즉, 연료전지 스택(10)의 전해질막 사이로 크로스오버된 기체량은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00008
여기서,
Figure pat00009
: 질소의 확산율, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 전해질막 면적,
Figure pat00010
: 전해질막 두께,
Figure pat00011
: 연료전지의 캐소드측 질소 분압,
Figure pat00012
: 연료전지의 애노드측 질소 분압
Figure pat00013
여기서,
Figure pat00014
: 증기의 확산율, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 전해질막 면적,
Figure pat00015
: 전해질막 두께,
Figure pat00016
: 연료전지의 캐소드측 증기 분압,
Figure pat00017
: 연료전지의 애노드측 증기 분압
수소는 이들과 반대로, 연료전지의 애노드 측에서 캐소드 측으로 크로스오버될 수 있다.
Figure pat00018
여기서,
Figure pat00019
: 수소의 확산율, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 전해질막 면적,
Figure pat00020
: 전해질막 두께,
Figure pat00021
: 애노드 측 수소 분압,
Figure pat00022
: 캐소드 측 수소 분압
또한, 기체 확산율은 기체 확산계수에 비례하고, 기체 확산계수는 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에 위치된 전해질막의 함수량 및 온도에 따라 가변될 수 있다.
기체 확산계수(D)는 고정된 상수 값을 이용할 수도 있지만, 더 정확도를 높이기 위하여 기체 확산계수(D)는 연료전지의 열화도, 온도 등의 상태에 따라 가변되는 값을 이용할 수도 있다. 더 구체적으로, 기체 확산계수(D)는 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에 위치된 전해질막의 함수량 및 온도에 따라 가변되는 값을 이용하여 산출할 수 있다. 추가로, 연료전지 스택(10)의 전해질막이 열화됨에 따라 기체 확산계수(D)가 가변되는 것으로 산출할 수도 있다.
기체 퍼지율(
Figure pat00023
)은 애노드 측의 기체 압력(
Figure pat00024
)과 외부의 기체 압력(
Figure pat00025
) 사이의 압력 차이에 비례할 수 있다. 외부의 기체 압력(
Figure pat00026
)은 캐소드 측의 기체 압력일 수 있다. 구체적인 수식은 아래와 같을 수 있다.
Figure pat00027
여기서, C는 퍼지 게인 값으로, 퍼지주기, 퍼지시 퍼지밸브(40)의 개도 및 퍼지 밸브의 개방시간 등에 의해 정해지는 값일 수 있다.
구체적으로 기체별 퍼지율은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다(질소 퍼지율(
Figure pat00028
), 증기 퍼지율(
Figure pat00029
), 수소 퍼지율(
Figure pat00030
)).
Figure pat00031
Figure pat00032
Figure pat00033
재순환라인(20)의 초기 질소량 및 초기 증기량을 각각 예측하고, 애노드 측에서 크로스오버된 질소량 및 증기량과 퍼지된 질소량 및 증기량을 각각 산출하여 크로스오버된 질소량 및 퍼지된 질소량을 기반으로 재순환라인(20)의 현재 질소량을 산출하고 예측한 초기 증기량, 크로스오버된 증기량 및 퍼지된 증기량을 기반으로 재순환라인(20)의 현재 증기량을 산출할 수 있다.
즉, 상기 수식을 이용하여 초기량에 확산율 및 단위 시간당 퍼지율을 시간에 따라 적분함으로써 현재 질소량 및 현재 증기량을 산출할 수 있다. 현재 수소량은 재순환라인(20)의 기체량에서 현재 질소량 및 현재 증기량을 감산하여 산출할 수 있다.
따라서, 재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 재순환라인(20)의 기체량, 현재 질소량, 현재 증기량 및 현재 수소량을 모두 산출함으로써 질소의 농도 및 수소의 농도를 각각 추정할 수 있다.
구체적으로, 추정한 질소의 농도 및 수소의 농도는 재순환라인(20)의 재순환 상태에 따라 수정하고, 수정한 질소 또는 수소의 농도를 이용하여 질소의 퍼지량 또는 수소의 퍼지량을 추정할 수 있다.
재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정한 경우에는 기체별 퍼지량을 아래와 같이 추정할 수 있다.
수소 퍼지량 = (전체 퍼지량) * (수소량 / 재순환라인(20)의 기체량)
질소 퍼지량 = (전체 퍼지량) * (질소량 / 재순환라인(20)의 기체량)
증기 퍼지량 = (전체 퍼지량) * (증기량 / 재순환라인(20)의 기체량)
다만, 재순환 상태가 비활성화된 경우에는 재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정할 수 없어, 불균일 Factor를 반영하여 재순환라인(20)의 질소의 농도 또는 수소의 농도를 수정할 수 있다. 불균일 Factor는 양수로 기설정된 고정값일 수 있고, 재순환의 비활성화 수준에 따라 복수 개로 가변 가능한 값일 수 있다.
구체적으로, 아래 수식과 같이 재순환 상태에 따라 정해진 불균일 Factor를 반영하여 재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 질소의 농도를 감소시키거나 재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 수소의 농도를 증가시키도록 수정할 수 있다.
수소 퍼지량 = (1 + 불균일 Factor) * (전체 퍼지량) * (수소량 / 재순환라인(20)의 기체량)
질소 퍼지량 = (1 - 불균일 Factor) * (전체 퍼지량) * (질소량 / 재순환라인(20)의 기체량)
증기 퍼지량 = (전체 퍼지량) * (증기량 / 재순환라인(20)의 기체량)
재순환라인(20)의 재순환이 비활성화된 상태에서는 크로스오버된 질소가 연료전지 스택(10) 측에서 확산되지 않고 관성에 의해 이동되지 않는 효과에 따라 퍼지밸브(40)에서 퍼지되는 기체의 질소 농도가 감소된다. 또한, 반대로 수소의 농도는 균일한 것으로 가정한 수소 농도보다 상대적으로 증가된다. 다만, 증기의 농도에는 차이가 없는 것으로 가정할 수 있다.
반대로, 기체별 퍼지량을 추정하는 단계(S410, S420, S500)에서는, 재순환이 활성화된 상태로 판단하면, 퍼지된 기체의 기체별 농도가 재순환라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 기체별 농도를 그대로 이용하여 기체별 퍼지량을 추정할 수 있다.
즉, 재순환이 활성화된 상태로 판단한 경우, 재순환라인(20)의 기체별 농도가 전체적으로 균일한 것으로 가정할 수 있다. 따라서, 불균일 Factor가 0인 것으로 대입할 수 있다.
재순환라인(20)의 수소 농도를 추정하는 단계(S600)에서는, 재순환라인(20)의 전체 기체량, 크로스오버되어 유입된 질소량, 크로스오버되어 유입된 증기량 및 추정한 기체별 퍼지량을 이용하여 추정할 수 있다.
상기 설명한 것과 같이 재순환라인(20)의 전체 기체량, 크로스오버되어 유입된 질소량, 크로스오버되어 유입된 증기량을 추정하되, 불균일 Factor를 반영하여 추정한 기체별 퍼지량을 이용하여 질소의 퍼지량 또는 수소의 퍼지량을 추정할 수 있다.
구체적으로, 재순환라인(20)의 수소 농도를 추정하는 방법은 압력센서를 이용하여 재순환라인(20)의 압력을 측정하고, 이상 기체 상태 방정식 등을 이용하여 재순환라인(20)의 전체 기체량을 계산할 수 있다(S100). 또한, 상기 설명한 것과 같이 확산 방정식을 이용하여 질소의 크로스오버량 및 증기의 크로스오버량을 산출할 수 있다(S200).
또한, 퍼지밸브(40)를 사이에 두고 재순환라인(20)과 외부의 압력차이에 의해 퍼지된 기체량을 산출할 수 있다(S300). 재순환 상태를 기반으로 퍼지된 기체량 중 질소량 및 증기량을 각각 추정할 수 있다(S410, S420, S500). 퍼지된 질소량은 재순환 상태가 활성화된 경우에는 추정한 질소 농도를 그대로 이용하고(S410), 퍼지된 질소량은 재순환 상태가 비활성화된 경우에는 불균일 Factor를 반영할 수 있다(S420).
재순환라인(20)의 증기량 및 질소량의 초기값에서 상기 크로스오버량 및 퍼지량을 합산함으로써(확산률 및 퍼지율 시간에 따라 적분함) 재순환라인(20)의 증기량 및 질소량을 추정할 수 있고, 이에 따라 수소량 및 수소 농도를 추정할 수 있다(S600).
재순환라인(20)의 수소 농도를 추정하는 단계(S600) 이후에, 추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브(40)의 개방을 제어하는 단계(S700);를 더 포함할 수 있다.
퍼지밸브(40)의 개방은 재순환라인(20)의 수소 농도가 기설정된 범위 이내에서 유지되도록 수소 농도가 기설정된 하한값인 경우 기설정된 유지시간 동안 개방을 유지하거나 기설정된 상한값이 될 때까지 개방을 유지할 수 있다.
따라서, 정확도가 향상된 수소 농도 추정이 가능하고, 이에 따라 불필요한 퍼지를 방지하고 수소 농도가 일정 농도 이상을 유지하도록 적절하게 퍼지가 제어되어 연비를 향상시키고 연료전지 스택(10)의 내구성이 향상되는 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 : 재순환라인
30 : 이젝터 40 : 퍼지밸브
50 : 재순환 판단부 60: 농도 추정부
70 : 퍼지 제어부

Claims (14)

  1. 수소와 공기를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지 스택;
    연료전지 스택의 출구에서 배출된 수소를 다시 연료전지 스택의 입구로 공급하는 재순환라인;
    재순환라인 중 연료전지 스택의 출구 측에 위치되고, 개방됨에 따라 재순환라인의 수소를 외부로 배출하는 퍼지밸브;
    재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 재순환 판단부; 및
    재순환 판단부에서 판단한 재순환라인의 재순환 상태를 기반으로 재순환라인에서 외부로 연결된 퍼지밸브에서 퍼지된 기체별 퍼지량을 추정하고, 추정한 기체별 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 농도 추정부;를 포함하는 연료전지의 수소 공급 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    재순환라인 중 연료전지 스택의 입구 측에 위치되고, 연료탱크와 연결되어 연료탱크의 수소를 재순환라인으로 공급하는 이젝터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    재순환 판단부는, 연료전지 스택의 출력 전류를 기반으로 재순환 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    농도 추정부는, 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 질소 또는 수소의 농도를 재순환라인의 재순환 상태에 따라 수정하고, 수정한 질소 또는 수소의 농도를 이용하여 질소의 퍼지량 또는 수소의 퍼지량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브의 개방을 제어하는 퍼지 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어시스템.
  6. 연료전지 스택의 출구에서 수소를 재순환하여 다시 연료전지 스택의 입구로 공급하는 재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 단계;
    판단한 재순환라인의 재순환 상태를 기반으로 재순환라인에서 외부로 연결된 퍼지밸브에서 퍼지된 기체별 퍼지량을 추정하는 단계; 및
    추정한 기체별 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 단계;를 포함하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 단계에서는, 연료전지 스택의 출력 전류를 기반으로 재순환 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 단계에서는, 연료전지 스택의 출력 전류가 기설정된 제1전류 이상인 상태가 기설정된 시간 이상 지속되면 재순환이 활성화된 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    재순환라인의 재순환 상태를 판단하는 단계에서는, 연료전지 스택의 출력 전류가 기설정된 제2전류 이하인 상태가 기설정된 시간 이상 지속되면 재순환이 비활성화된 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    기체별 퍼지량을 추정하는 단계에서는, 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 질소 또는 수소의 농도를 재순환라인의 재순환 상태에 따라 수정하고, 수정한 질소 또는 수소의 농도를 이용하여 질소의 퍼지량 또는 수소의 퍼지량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    기체별 퍼지량을 추정하는 단계에서는, 재순환 상태에 따라 정해진 불균일 Factor를 반영하여 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 질소의 농도를 감소시키거나 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 수소의 농도를 증가시키도록 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    기체별 퍼지량을 추정하는 단계에서는, 재순환이 활성화된 상태로 판단하면, 퍼지된 기체의 기체별 농도가 재순환라인의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 추정한 기체별 농도를 그대로 이용하여 기체별 퍼지량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
  13. 청구항 6에 있어서,
    재순환라인의 수소 농도를 추정하는 단계에서는, 재순환라인의 전체 기체량, 크로스오버되어 유입된 질소량, 크로스오버되어 유입된 증기량 및 추정한 기체별 퍼지량을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
  14. 청구항 6에 있어서,
    재순환라인의 수소 농도를 추정하는 단계 이후에, 추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브의 개방을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 공급 제어방법.
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