KR20200056188A - 연료전지 시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 연료전지 스택의 시동시, 캐소드로 유입되는 공기를 조절하는 공기조절부가 개방된 직후에 캐소드로 유입되는 공기 유량값을 획득하는 단계와, 획득된 공기 유량값에 기초하여, 연료전지 스택의 기밀 상태를 판단하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공기 유량값에 기초하여 연료전지 스택의 기밀 상태를 판단하기 위한 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 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다.
이중, 스택은 수십 또는 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드 타측은 캐소드가 마련된다.
각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되어 수소와 산소의 유동 경로를 제한하며 상기 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동시키도록 전도체로 제조된다.
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.
연료전지 시스템에 있어서 연료전지 스택의 기밀을 유지하는 것이 중요하다. 연료전지 스택의 기밀 상태가 불량하여, 연료전지 스택의 기동이 중단된 상태에서 의도치 않게 연료전지 스택으로 공기가 유입된 상태에서 연료전지 스택을 시동시키게 되면 연료전지 스택에서 과도한 고전압이 생성되어 연료전지 시스템에 손상을 가져올 수 있다.
따라서, 연료전지 스택의 기밀 성능을 직접적으로 감지하기 위한 기술이 필요하다.
본 발명은 연료전지 시스템의 시동 시 연료전지 스택의 기밀 성능을 직접적으로 감지할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 제어방법을 제공하는데 주목적이 있다.
또한, 연료전지 스택의 기밀 상태의 불량을 효과적으로 감지함으로써, 연료전지 스택에서 과도한 고전압이 생성되거나, 생성되더라도 고전압이 지속되는 것을 방지하여 연료전지 시스템이 손상되는 것을 방지하도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, (a) 연료전지 스택의 시동시, 캐소드로 유입되는 공기를 조절하는 공기조절부가 개방된 직후에 캐소드로 유입되는 공기 유량값을 획득하는 단계와; (b) 획득된 상기 공기 유량값에 기초하여, 상기 연료전지 스택의 기밀 상태를 판단하는 단계를 포함한다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 적어도 하나의 프로세서와; 상기 적어도 하나의 프로세서에 연결되고, 캐소드로 유입되는 공기 유량값을 획득하는 공기유량획득부와; 상기 적어도 하나의 프로세서에 연결되고, 복수의 인스트럭션(instructions)을 저장하는 메모리를 포함한다.
상기 인스트럭션들은, 실행 시에, 상기 프로세서가 상기 연료전지 스택의 시동 시, 상기 캐소드로 유입되는 공기를 조절하는 공기조절부가 개방된 직후에 상기 캐소드로 유입되는 공기 유량값을 획득하도록 상기 공기유량획득부를 제어하고, 획득된 상기 공기유량값에 기초하여, 상기 연료전지스택의 기밀 상태를 판단하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 연료전지 스택의 시동 시 공기조절부가 개방된 직후에 획득된 공기 유량값에 기초하여 연료전지 스택의 기밀 상태를 판단함으로써, 연료전지 시스템의 시동 시 연료전지 스택의 기밀 성능을 직접적으로 감지할 수 있게 되는 효과가 있다.
둘째, 연료전지 스택의 기밀 성능을 효과적으로 감지하여, 연료전지 스택에서 과도한 고전압이 생성되거나, 생성되더라도 고전압이 지속되는 시간을 줄여서 연료전지 시스템이 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 제어순서도이다.
도 3은 도 2의 S400단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 제어방법의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 제어순서도이다.
도 3은 도 2의 S400단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 제어방법의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
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.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 제어순서도이다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10), 공기조절부(20), 수소조절부(30), 공기유량획득부(40), 제어부(50)를 포함한다. 제어부(50)는 프로세서(51)와 메모리(52)를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력과 물을 생성한다.
연료전지 스택(10)은 전해질막, 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 캐소드 전극(또는 공기극)과 애노드 전극(또는 연료극)으로 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.
공기조절부(20)는 캐소드로 유입되는 공기를 조절하기 위해 마련될 수 있다. 공기조절부(20)는 공기공급부(미도시)로부터 압축공기를 제공받아, 연료전지 스택(10)으로 제공할 수 있다. 공기조절부(20)는 연료전지 스택(10)에서 배출되는 공기를 조절할 수 있다. 공기조절부(20)는 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 공기조절부(20)는 공기압력밸브와 공기차단밸브를 포함할 수 있다.
공기차단밸브는 공기유로를 개방하거나 차단하기 위해 마련될 수 있다. 공기차단밸브는 기밀성이 좋은 플립 방식의 밸브로 마련될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 방식의 밸브가 이용될 수 있다.
공기압력밸브는 연료전지 스택으로 유입되는 공기의 압력이나 연료전지 스택에서 배출되는 공기의 압력을 조절하기 위해 마련될 수 있다. 공기압력밸브는 종래에 알려진 다양한 방식의 밸브가 이용될 수 있다.
수소조절부(30)는 애노드로 유입되는 수소를 조절하기 위해 마련될 수 있다. 수소조절부(30)는 수소공급부(미도시)로부터 수소를 제공받아, 연료전지 스택(10)으로 제공할 수 있다. 수소조절부(30)는 연료전지 스택(10)에서 배출되는 수소를 조절할 수 있다. 수소조절부(30)는 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 수소조절부(30)는 수소압력밸브와 수소차단밸브를 포함할 수 있다.
수소차단밸브는 공기유로를 개방하거나 차단하기 위해 마련될 수 있다. 수소차단밸브는 기밀성이 좋은 플립 방식의 밸브로 마련될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 방식의 밸브가 이용될 수 있다.
수소압력밸브는 연료전지 스택으로 유입되는 수소의 압력이나 연료전지 스택에서 배출되는 수소의 압력을 조절하기 위해 마련될 수 있다. 수소종래에 알려진 다양한 방식의 밸브가 이용될 수 있다.
공기유량획득부(40)는 캐소드로 유입되는 공기의 유량값을 획득하기 위해 마련될 수 있다.
예를 들면, 공기유량획득부(40)는 단위시간당 유로를 통과하는 유체의 유량을 측정하는 플로우미터를 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들면, 공기유량획득부(40)는 공기조절부(20)와 연료전지 스택(10)을 연결하는 유로에 설치되어, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기의 유량값을 획득할 수 있다.
제어부(50)는 연료전지 시스템의 구성 전반을 제어할 수 있다. 제어부(50)는 하나 이상의 제어부(50)로 구성될 수 있다. 제어부(50)는 연료전지 시스템 각각의 구성들로부터 연료전지 시스템에 관한 정보 또는 신호를 획득할 수 있다.
제어부(50)는 프로세서(51)와 메모리(52)를 포함할 수 있다. 메모리(52)는 인스트럭션들을 저장하도록 구비될 수 있다. 프로세서(51)는 이하에서 설명하는 과정들을 수행하기 위해, 인스트럭션들을 수행하도록 구비될 수 있다. 한편, 제어부(50)는 연료전지 시스템 외의 차량의 다른 장치에 구비된 제어부와 통합될 수도 있다.
제어부(50)는 실행 가능한 프로그램 명령들을 포함하는 비 휘발성의 컴퓨터 판독 가능 매체로써 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예로는, ROM, RAM, compact disc (CD)-ROMs, 마그네틱 테이프, 플로피 디스크, 플레시 드라이브, 스마트 카드와 광학 데이터 저장 장치가 있으며 이에 한정되지 아니한다.
제어부(50)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.
도 3은 도 2의 S400단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 4 및 도 5는 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 제어방법의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도 2 이하를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 시동을 온(ON)시키는 신호가 획득되면, 공기조절부(20)와 수소조절부(30)를 제어하여, 캐소드로 공기의 유입은 허용되되 캐소드로부터 공기의 배출은 허용되지 않도록 하고, 애노드로 수소의 유입은 허용되되 애노드로부터 수소의 배출은 허용되지 않도록 할 수 있다(S100).
제어부(50)는 캐소드로 공기의 유입이 허용되도록 공기차단밸브를 개방하여, 캐소드의 내부 압력에 의해 공기의 유동이 생성되도록 할 수 있다.
도 4는 연료전지 스택의 기밀 상태가 양호할 때와 그렇지 못할 때 애노드의 내부압력을 나타난 그래프이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 양호할 때, 연료전지 스택(10)의 구동이 중지된 후 소정 시간이 지나면 캐소드의 내부 압력은 대기압보다 낮게 유지되게 된다. 따라서, 공기 압축기가 구동되지 않더라도 캐소드의 내부에 형성된 음압에 의해, 공기차단밸브가 개방되면 캐소드로 공기의 유입이 이루어지게 된다.
도 4의 (b)를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 불량할 때, 연료전지 스택(10)의 구동이 중지된 후 소정 시간이 지나면 캐소드의 내부 압력은 대기압과 거의 동일하게 된다. 따라서, 공기 압축기가 구동되지 않은 채로 공기차단밸브가 개방되면 캐소드로의 공기 유입은 이루어지지 않게 된다.
다음, 제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 기밀 상태 판단 로직의 진입조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다(S200).
일 실시예에서, 제어부(50)는 S100단계를 수행하기 전 또는 S100단계를 수행함과 동시에 S200단계를 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 애노드의 내부 수소압력이 기 설정된 범위 이내가 아니면, 기밀 상태 판단 로직의 진입조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
예를 들면, 제어부(50)는 애노드의 내부 수소압력을 감지하는 수소압력센서를 이용해 애노드 내부의 수소압력값의 절댓값이 기 설정된 값 미만이면, 기밀 상태 판단 로직의 진입조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
예를 들면, 제어부(50)는 애노드의 내부 수소압력을 감지하는 수소압력센서를 이용해 획득한 수소압력값이, -P1(0보다 큰 값)보다 작거나 또는 P2(0보다 큰 값)보다 크면, 기밀 상태 판단 로직의 진입조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 공기유량획득부(40)를 이용하여, 캐소드로 공기의 유입되는 것을 허용하도록 공기조절부(20)가 개방된 직후에 공기 유량값을 획득하고, 획득된 공기 유량값이 0(zero) 이면 기밀 상태 판단 로직의 진입조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다. 또는, 제어부(50)는 획득된 공기 유량값이 기 설정된 값 미만이면, 기밀 상태 판단 로직의 진입조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 직전에 연료전지 스택(10)의 기동이 정지된 시점으로부터 경과된 시간이 기 설정된 시간 이상인지 판단한 결과에 기초하여, 기밀 상태 판단 로직의 진입조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들면, 제어부(50)는 직전에 연료전지 스택(10)의 기동이 정지된 시점으로부터 소정 시간(예를 들면, 1시간) 이내이면, 기밀 상태 판단 로직의 진입조건을 만족하지 않는 것으로 판단하고 연료전지 스택(10)이 정상인 것으로 판단할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 기동이 정지된 시점으로부터 일정 시간이 지나지 않은 상태에서는 정상적으로 기밀이 유지되는 경우라도 연료전지 스택(10)의 내부 압력이 유의미하게 떨어지지 않을 수 있다. 즉, 연료전지 스택(10)의 기동이 정지된 시점으로부터 일정 시간이 지나지 않은 상태에서는 정상적으로 기밀이 유지되는 경우라도 공기조절부(20)가 개방되었을 시 공기 유량값이 0(zero)에 가까울 수 있다. 따라서, 연료전지 스택(10)의 기동이 정지된 시점으로부터 일정 시간이 지나지 않았을 시에는 공기 유량값을 이용해 연료전지 스택의 기밀상태를 판단하는 것이 무의미하므로, 정상적으로 연료전지 스택(10)의 기동이 이루어지도록 할 수 있다.
다음, 제어부(50)는 공기유량획득부(40)를 이용하여, 캐소드로 공기의 유입되는 것을 허용하도록 공기조절부(20)가 개방된 직후에 캐소드로 유입되는 공기유량값을 획득할 수 있다(S300).
일 실시예에서, 제어부(50)는 캐소드로 공기의 유입되는 것을 허용하도록 공기조절부(20)가 개방된 직후부터 기 설정된 시간 동안 기 설정된 단위시간 간격 별 공기 유량값을 획득하도록, 공기유량획득부(40)를 제어할 수 있다.
다음, 제어부(50)는 획득된 공기 유량값에 기초하여, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태를 판단할 수 있다(S400).
예를 들면, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 불량한 경우는 연료전지 스택(10)을 구성하는 연료전지 셀들 간의 기밀이 불량한 경우나 공기차단밸브의 기밀 상태가 불량한 경우가 있을 수 있다.
도 4의 (a)를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 양호할 때, 연료전지 스택(10)의 기동이 중지되고 시간이 지남에 따라 애노드 내부의 압력은 감소되다가 일정값으로 수렴되고, 수렴된 압력으로 거의 일정하게 유지되게 된다.
이와 같은 현상이 나타나는 이유에 대해 이하에서 간단하게 설명하기로 한다.
연료전지 스택(10)의 기동이 중지되면 연료전지 스택(10)으로의 공기 또는 수소의 유입이 차단되고, 연료전지 스택(10)으로부터 공기 또는 수소의 배출도 차단되게 된다.
연료전지 스택(10) 내부에 잔존하는 수소, 산소, 질소 등은 전해질막을 통하여 캐소드에서 애노드 또는 애노드에서 캐소드로 이동되게 되고, 수소와 산소의 반응에 의해 물이 생성되며 연료전지 스택(10)의 내부에서 기체 상태로 존재하는 몰 수가 감소되게 된다.
이에 따라, 애노드의 내부 압력과 캐소드의 내부 압력은 연료전지 스택(10)의 기동이 중지된 후 시간이 지남에 따라 감소되다가, 대기압 보다 낮은 일정 압력으로 수렴되게 된다. 이때, 애노드의 내부 압력과 캐소드의 내부 압력은 서로 거의 동일하게 수렴하게 된다.
한편, 도 4의 (b)를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 불량할 경우, 연료전지 스택(10)의 기동이 중지되면 일시적으로 애노드 내부의 압력이 감소되었다가 대기압으로 회복되게 된다. 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 불량할 경우 캐소드나 애노드로 공기가 유입되게 되고, 이에 따라 애노드나 캐소드 어느 한 쪽에 압력이 내려가더라도 전해질막 등을 통해 이온이 이동되어 압력이 회복되게 된다.
도 5의 (a)를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 양호할 때 앞서 설명한 바와 같이 캐소드 내부의 압력은 대기압 미만의 일정 압력으로 유지되게 되고, 그 상태에서 공기조절부(20)를 개방하게 되면 압력 차에 의해 공기가 캐소드로 유입되게 된다.
한편, 도 5의 (b)를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 불량할 때 앞서 설명한 바와 같이 캐소드 내부의 압력은 대기압과 거의 동일하게 되고, 그 상태에서 공기조절부(20)를 개방하여도 압력 차에 의한 공기 유동은 일어나지 않게 된다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 공기 유량값의 피크값(peak value)을 기준으로, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태를 판단할 수 있다. 공기 유량값의 피크값은 기 설정된 단위시간 간격 별로 획득한 공기 유량값들 중에서 가장 큰 값으로 정의될 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 공기 유량값의 절댓값을 기준으로 연료전지 스택(10)의 기밀 상태를 판단할 수 있다.
다음, 제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 기밀 상태를 판단한 결과, 연료전지 스택의 기밀 상태가 정상(또는 양호)이면, 공기조절부(20)와 수소조절부(30)를 제어하여, 캐소드로부터 공기의 배출이 허용되고, 애노드로부터 수소의 배출이 허용되도록 할 수 있다(S500).
제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 기밀 상태를 판단한 결과, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 정상이면, 연료전지 스택(10)으로 수소와 공기가 공급되고, 연료전지 스택(10)으로부터 수소와 공기가 배출되며 정상적으로 연료전지 스택이 기동되도록 공기조절부(20)와 수소조절부(30)를 제어할 수 있다.
한편, 제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 기밀 상태를 판단한 결과, 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 비정상(또는 불량)이면, 애노드로 유입되는 수소량을 증가시키기 위해, 애노드로 유입되는 수소를 조절하는 수소조절부(30)를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 기 설정된 수소압보다 높게 목표 수소압을 설정하고, 목표 수소압에 기초하여 수소조절부(30)를 제어할 수 있다.
목표 수소압은 애노드의 내부의 수소압력의 목푯값으로서, 기 설정된 값일 수 있다. 또는, 목표 수소압은 애노드로 공급되는 수소 공급압력의 목푯값으로서, 기 설정된 값일 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 애노드로 유입되는 수소량을 증가시키기 위해, 애노드로 유입되는 수소 압력이 상승되도록 공기압축기(미도시)를 제어할 수 있다. 제어부(50)는 기 설정된 수소압보다 높게 목표 수소압을 설정하고, 애노드로 공급되는 수소가 목표 수소압을 갖도록 공기압축기를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 기 설정된 횟수보다 더 많게 목표 퍼지 횟수를 설정하고, 목표 퍼지 횟수만큼 퍼지를 수행하도록 수소조절부(30)를 제어할 수 있다. 목표 퍼지 횟수는 연료전지 스택(10)의 시동 초기에 퍼지(purge)를 수행하는 횟수로서, 기 설정된 값일 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 S400단계를 보다 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 제어부(50)는 공기유량의 피크값의 절댓값이 A보다 큰지 여부를 판단할 수 있다(S410). A는 0보다 큰 값으로 기 설정된 값이다.
제어부(50)는 공기유량의 피크값의 절댓값이 A보다 큰 것으로 판단되면, 목표 수소압과 목표 퍼지 횟수를 유지할 수 있다(S411).
제어부(50)는 공기유량의 피크값의 절댓값이 A보다 크지 않은 것으로 판단되면, 공기유량의 피크값의 절댓값이 B보다 큰지 여부를 판단할 수 있다(S420). B는 0보다 큰 값으로 A보다는 작게 기 설정된 값이다.
제어부(50)는 공기유량의 피크값의 절댓값이 B보다 큰 것으로 판단되면, 목표 수소압을 상향 설정하고, 목표 퍼지 횟수를 유지할 수 있다(S422).
제어부(50)는 공기유량의 피크값의 절댓값이 B보다 크지 않은 것으로 판단되면, 목표 수소압과 목표 퍼지 횟수를 을 상향 설정할 수 있다(S421).
목표 수소압을 상향 설정하거나, 목표 퍼지 횟수를 상향 설정하는 것은 애노드로 공급되는 수소의 절대량을 증가시키기 위함이다.
연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 불량할 경우, 캐소드와 애노드의 내부에는 다량의 공기가 존재하게 된다. 그 상태에서 애노드로 다량의 수소가 공급되게 되면, 공기와 수소의 전기화학적 반응에 의해 연료전지 스택(10)에서 과도한 전압이 생성되게 된다(도 5의 (b) 참조).
캐소드 내부에 다량의 공기가 존재한 상태에서 애노드로 다량의 수소를 공급하게 되면, 연료전지 스택(10)에서 고전압이 생성되게 되고, 애소드 내부에 다량의 공기가 존재한 상태에서 애노드로 다량의 수소를 공급하게 되면, 연료전지 스택(10)에서 높은 역전압이 생성되게 된다.
과도한 고전압은 연료전지 스택(10)을 손상시킬 수 있으며, 특히 고전압이 일정 시간 이상 지속되는 경우 연료전지 스택(10)을 크게 손상시킬 수 있다. 따라서, 고전압이 생성되는 것을 막는 것이 바람직하며, 특히 고전압이 생성되더라도 유지되는 시간을 줄이는 것이 필요하다.
본 발명에 따르면, 목표 수소압을 상향 설정하거나, 목표 퍼지 횟수를 상향 설정하여 애노드로 공급되는 수소의 절대량을 증가시킴으로써, 단시간 내에 연료전지 스택(10) 내에 잔존하는 공기와 수소를 반응시켜 고전압이 지속되는 시간을 줄일 수 있다. 이를 통해, 연료전지 스택(10)가 손상될 가능성을 낮출 수 있는 효과가 있다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 기밀 상태가 불량이면, 연료전지 스택(10)에 일시적으로 저항을 연결시키는 안전제어를 실시할 수 있다. 제어부(50)는 연료전지 스택(10)이 정상적으로 시동될 때에는 연료전지 스택(10)과 저항의 연결을 끊었다가, 연료전지 스택(10)의 시동 시 과도한 고전압이 발생될 때 연료전지 스택(10)과 저항을 연결시켜 연료전지 스택(10)의 전압이 저항에 걸리도록 할 수 있다. 도 5의 (b)를 참조하면, 이와 같은 안전제어를 수행함으로써 스택의 전압을 빠르게 낮출 수가 있다.
일 실시예에서, 제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 전압이 과도하게 상승하기 이전에, 공기 유량값에 기초하여 연료전지 스택(10)에 일시적으로 저항을 연결시키는 안전제어를 실시할 수 있다. 이를 통해, 연료전지 스택(10)의 전압이 과도하게 상승하기 전에 미리 공기 유량값에 기초해 안전제어를 수행함으로써, 연료전지 스택(10)이 손상될 가능성을 낮출 수 있는 효과가 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 프로세서 또는 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
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 : 공기조절부
30 : 수소조절부
40 : 공기유량획득부
50 : 제어부
51 : 프로세서
52 : 메모리
20 : 공기조절부
30 : 수소조절부
40 : 공기유량획득부
50 : 제어부
51 : 프로세서
52 : 메모리
Claims (11)
- (a) 연료전지 스택의 시동시, 캐소드로 유입되는 공기를 조절하는 공기조절부가 개방된 직후에 캐소드로 유입되는 공기 유량값을 획득하는 단계; 및
(b) 획득된 상기 공기 유량값에 기초하여, 상기 연료전지 스택의 기밀 상태를 판단하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 (b)단계에서는,
상기 공기 유량값이 기 설정된 임계값 이상이면, 상기 연료전지 스택의 기밀 상태가 정상인 것으로 판단하고,
상기 공기 유량값이 기 설정된 임계값 미만이면, 상기 연료전지 스택의 기밀 상태가 비정상인 것으로 판단하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 (b)단계에서는, 상기 공기조절부가 개방된 직후에 상기 캐소드로 유입되는 공기 유량값의 피크값을 기준으로, 상기 연료전지 스택의 기밀 상태를 판단하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 (b)단계에서는, 상기 공기조절부가 개방된 직후에 상기 캐소드로 유입되는 공기 유량값의 절댓값을 기준으로, 상기 연료전지 스택의 기밀 상태를 판단하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 (a)단계 이전에,
상기 연료전지 스택의 시동을 온(ON)시키는 신호가 획득되면, 상기 캐소드로 공기의 유입은 허용되되 상기 캐소드로부터 공기의 배출은 허용되지 않도록 상기 공기조절부를 제어하고, 애노드로 수소의 유입은 허용되되 상기 애노드로부터 수소의 배출은 허용되지 않도록 수소조절부를 제어하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 (b)단계 이후에,
상기 (b)단계에서 판단한 결과 연료전지 스택의 기밀 상태가 정상이면, 상기 캐소드로부터 공기의 배출이 허용되도록 상기 공기조절부를 제어하고, 상기 애노드로부터 수소의 배출이 허용되도록 상기 수소조절부를 제어하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 (b)단계 이후에,
상기 (b)단계에서 판단한 결과 연료전지 스택의 기밀 상태가 비정상이면, 애노드로 유입되는 수소량을 증가시키기 위해, 상기 애노드로 유입되는 수소를 조절하는 수소조절부를 제어하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 공기조절부와 상기 수소조절부를 제어하는 단계에서는, 기 설정된 수소압보다 높게 목표 수소압을 설정하고, 상기 애노드로 공급되는 수소가 상기 목표 수소압을 갖도록, 상기 수소조절부를 제어하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 연료전지 스택의 보통의 구동 시보다 높은 압력으로 기 설정된 시간 동안 수소를 상기 애노드로 공급하는 것을 퍼징이라고 할 때,
상기 공기조절부와 상기 수소조절부를 제어하는 단계에서는,
상기 (b)단계에서 판단한 결과 연료전지 스택의 기밀 상태가 정상이면, 상기 퍼징을 기 설정된 횟수로 실시하고,
상기 (b)단계에서 판단한 결과 연료전지 스택의 기밀 상태가 비정상이면, 상기 퍼징을 상기 기 설정된 횟수보다 더 많게 설정된 목표 횟수로 실시하도록 상기 수소조절부를 제어하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 (b)단계에서 판단한 결과 연료전지 스택의 기밀 상태가 비정상이면, 상기 연료전지 스택에서 발생되는 고전위를 저감시키기 위해, 상기 연료전지 스택에 일시적으로 저항을 연결시키는 안전제어를 실시하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 시스템의 제어방법. - 연료전지 시스템에 있어서,
적어도 하나의 프로세서;
상기 적어도 하나의 프로세서에 연결되고, 캐소드로 유입되는 공기 유량값을 획득하는 공기유량획득부; 및
상기 적어도 하나의 프로세서에 연결되고, 복수의 인스트럭션(instructions) 을 저장하는 메모리를 포함하고,
상기 인스트럭션들은, 실행 시에, 상기 프로세서가:
상기 연료전지 스택의 시동 시, 상기 캐소드로 유입되는 공기를 조절하는 공기조절부가 개방된 직후에 상기 캐소드로 유입되는 공기 유량값을 획득하도록 상기 공기유량획득부를 제어하고,
획득된 상기 공기유량값에 기초하여, 상기 연료전지스택의 기밀 상태를 판단하도록 하는, 연료전지 시스템.
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