KR20200118289A - 연료전지 스택의 압력 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 스택의 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력이 사전 설정된 목표 차압을 유지하도록 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 제어하는 단계; 상기 연료전지 스택의 출력 전류 및 상기 연료전지 스택 내 단위 셀의 출력 편차를 기반으로 상기 연료전지 스택의 셀빠짐 현상을 예측하는 단계; 상기 예측하는 단계에서 셀빠짐 현상이 발생한 것으로 예측되는 경우, 대기압을 측정한 결과를 기반으로 상기 목표 차압을 수정하기 위한 보정 차압을 연산하는 단계; 및 상기 보정 차압을 적용한 목표 차압을 유지하도록 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 수정 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법이 개시된다.

Description

연료전지 스택의 압력 제어 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING PRESSURE OF FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택의 압력 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고지 고출력 상태에서 연료전지 스택의 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 사이의 차압 제어시 발생할 수 있는 애노드와 캐소드 크로스오버 현상을 방지할 수 있는 연료전지 스택의 압력 제어 방법 및 시스템에 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.
연료전지 스택의 애노드(Anode)측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드(Cathode)로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기 에너지가 발생한다.
차량에 적용되는 연료전지 스택의 캐소드 측 공기 공급은 차량의 APS(Accelerator Pedal Sensor)에서 측정한 액셀러레이터 페달 답입량에 따른 모터의 요구 토크 및 요구 회전수를 통하여 연료전지 스택에서 요구되는 출력에 따른 공기 유량을 산출하고, 산출한 공기 유량에 따라 공기압축기의 회전속도(RPM)를 결정한다. 반면, 연료전지 스택의 애노드 측 수소 공급은 공기 유량 및 온도에 따라 사전에 정해진 목표 압력을 추종하도록 제어한다.
특히, 연료전지 스택은 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력이 서로 일정한 차압을 유지하도록 제어되어야 한다. 캐소드 측의 압력이 애노드 측보다 높아지는 경우, 캐소드 측에서 애노드 측으로 산소가 크로스오버 되어 애노드 측의 전극에서 카본이 손상됨에 따른 내구성 저하가 발생할 수 있고, 애노드 측 압력이 캐소드 측 보다 높아지는 경우 애노드 측에서 캐소드 측으로 수소가 크로스오버 되어 해당 단위 셀의 출력을 감소시키는 셀빠짐 현상이 발생할 수 있으므로, 연료전지 스택의 애노드 측과 캐소드 측의 차압을 일정하게 유지하는 제어는 연료전지 스택의 안정적인 출력 유지를 위해 매우 중요하다.
종래에, 연료전지 스택의 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력의 차압을 사전 설정된 목표 차압으로 일정하게 유지하기 위한 다양한 제어 방법이 연구되고 발표되었다. 그러나, 이러한 종래의 차압 제어 방식들은 단순히 일정한 목표 차압을 유지할 수 있도록 제어하는 기술에 국한되어 있으며, 다양한 연료전지 스택 운전 환경을 고려하지 못하고 있다.
예를 들면, 연료전지 스택을 구비한 차량이 공기가 희박한 고지에서 고출력 운전을 하는 경우, 일정 차압을 유지하는 제어를 수행함에도 불구하고 애노드 측의 수소가 캐소드 측으로 크로스오버 되어 일부 단위 셀의 출력을 급격하게 저하시키는 셀 빠짐 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 당 기술 분야에서는 고지 고출력 등과 같은 다양한 운전 환경을 고려하여 적절하게 차압 제어를 수행할 수 있는 연료전지 스택의 압력 제어 기술이 요구되고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 4629986 B
이에 본 발명은, 연료전지 스택이 운전되는 고도 등을 고려하여 연료전지 스택의 셀빠짐 현상이 발생하기 이전이 이를 감지하고 셀빠짐 현상을 예방할 수 있도록 적절한 애노드 측과 캐소드 측의 차압 제어 수행할 수 있는 연료전지 스택의 압력 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
연료전지 스택의 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력이 사전 설정된 목표 차압을 유지하도록 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 제어하는 단계;
상기 연료전지 스택의 출력 전류 및 상기 연료전지 스택 내 단위 셀의 출력 편차를 기반으로 상기 연료전지 스택의 셀빠짐 현상을 예측하는 단계;
상기 예측하는 단계에서 셀빠짐 현상이 발생한 것으로 예측되는 경우, 대기압을 측정한 결과를 기반으로 상기 목표 차압을 수정하기 위한 보정 차압을 연산하는 단계; 및
상기 보정 차압을 적용한 목표 차압을 유지하도록 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 수정 제어하는 단계;
를 포함하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 예측하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 출력 전류와 사전 설정된 제1 기준값을 비교하는 단계; 상기 연료전지 스택의 출력 전류가 상기 제1 기준값 이하인 경우 상기 연료전지 스택 내 단위 셀 간의 전압 편차와 사전 설정된 제2 기준값을 비교하는 단계; 및 상기 연료전지 스택 내 단위 셀 간의 전압 편차가 상기 제2 기준값 이상인 경우 상기 셀빠짐 현상이 발생한 것으로 예측하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 보정 차압을 연산하는 단계는, 사전 설정된 기준 대기압에 상기 대기압을 측정한 결과를 감산한 값에 사전 설정된 비례상수를 곱하여 상기 보정 차압을 연산할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 보정 차압을 연산하는 단계는, 상기 기준 대기압에 상기 대기압을 측정한 결과를 감산한 값이 사전 설정된 기준값 이상인 경우, 상기 보정 차압을 상기 기준값에 상기 비례 상수를 곱한 값으로 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기준 대기압은 표준 대기압일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 수정 제어하는 단계는, 상기 보정 차압에 대응되는 보정 개도량을 도출하고, 상기 연료전지 스택의 상기 캐소드 측 공기 배출 라인에 설치된 공기압력 제어 밸브의 개도량을 상기 보정 개도량 만큼 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 수정하는 단계는, 상기 보정 차압에 대응되는 상기 보정 개도량을 사전에 저장한 데이터 맵을 참고하여 상기 보정 개도량을 도출할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 수정하는 단계는, 상기 공기압력 제어 밸브의 기존 개도량이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 데이터 맵을 참조하여 도출된 보정 개도량 만큼 상기 공기압력 제어 밸브의 개도량을 감소시키고, 상기 공기압력 제어 밸브의 기존 개도량이 사전 설정된 기준값 이하인 경우 상기 데이터 맵을 참조하여 도출된 보정 개도량을 사전 설정된 비율로 감소시킨 결과 만큼 상기 공기압력 제어 밸브의 개도량을 감소시킬 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
연료전지 스택; 및
상기 연료전지 스택의 애노드 측의 압력과 캐소드 측의 압력 차이가 사전 설정된 목표 차압을 유지하도록 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 제어하되, 상기 연료전지 스택에 셀빠짐 현상이 발생하는 것을 예측된 경우 상기 목표 차압을 보정하여 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 제어하는 컨트롤러;
를 포함하는 연료전지 스택의 압력 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 연료전지 스택의 출력 전류와 사전 설정된 제1 기준값을 비교하고, 상기 연료전지 스택의 출력 전류가 상기 제1 기준값 이하인 경우 상기 연료전지 스택 내 단위 셀 간의 전압 편차와 사전 설정된 제2 기준값을 비교하며, 상기 연료전지 스택 내 단위 셀 간의 전압 편차가 상기 제2 기준값 이상인 경우 상기 셀빠짐 현상이 발생한 것으로 예측할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 사전 설정된 기준 대기압에 상기 대기압을 측정한 결과를 감산한 값에 사전 설정된 비례상수를 곱하여 상기 목표 차압을 보정하기 위해 상기 목표 차압에서 차감되는 보정 차압을 연산할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 기준 대기압에 상기 대기압을 측정한 결과를 감산한 값이 사전 설정된 기준값 이상인 경우, 상기 보정 차압을 상기 기준값에 상기 비례 상수를 곱한 값으로 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 보정 차압에 대응되는 보정 개도량을 도출하고, 상기 연료전지 스택의 상기 캐소드 측 공기 배출 라인에 설치된 공기압력 제어 밸브의 개도량을 상기 보정 개도량 만큼 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 보정 차압에 대응되는 상기 보정 개도량을 기록한 데이터 맵을 사전 저장하며, 상기 데이터 맵을 참고하여 상기 보정 개도량을 도출할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 공기압력 제어 밸브의 기존 개도량이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 데이터 맵을 참조하여 도출된 보정 개도량 만큼 상기 공기압력 제어 밸브의 개도량을 감소시키고, 상기 공기압력 제어 밸브의 기존 개도량이 사전 설정된 기준값 이하인 경우 상기 데이터 맵을 참조하여 도출된 보정 개도량을 사전 설정된 비율로 감소시킨 결과 만큼 상기 공기압력 제어 밸브의 개도량을 감소시킬 수 있다.
상기 연료전지 스택의 압력 제어 방법 및 시스템에 따르면, 연료전지 스택의 애노드 측과 캐소드 측의 차압 제어시 셀빠짐 현상이 발생하거나 발생을 예측하여 목표 차압을 수정함으로써, 애노드 측 압력이 과도하게 높아 수가 캐소드 측으로 크로스오버 되는 것을 차단 또는 예방할 수 있다.
이에 따라, 상기 연료전지 스택의 압력 제어 방법 및 시스템에 따르면, 셀빠짐 현상을 개선 또는 예방할 수 있으므로 셀빠짐 현상이 수반하는 셀 열화 가속을 방지하고 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 연료전지 스택의 압력 제어 방법 및 시스템에 따르면, 연료전지 스택을 적용한 차량의 주행 시 셀빠짐 현상에 의해 발생하는 차량의 울컥거림 현상을 방지하여 탑승객에게 우수한 승차감을 제공할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 압력 제어 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 압력 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 압력 제어 시스템 및 방법에서 적용되는 목표 차압과 표준 대기압에서 실측 대기압을 감산한 값의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 압력 제어 시스템 및 방법에서 공기압력 제어 밸브의 보정 개도량의 적용예를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 연료전지 스택의 압력 제어 방법 및 시스템을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 압력 제어 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 압력 제어 시스템은, 연료전지 스택(10)과, 연료전지 스택(10)의 애노드(11) 측의 압력과 연료전지 스택(10)의 캐소드(Cathode)(12) 측의 압력 차이가 사전 설정된 목표 차압이 되도록 제어하되, 연료전지 스택(10) 내 특정 단위 셀의 출력 저하가 발생하는 경우 상기 목표 차압을 보정하는 컨트롤러(100)를 포함할 수 있다.
연료전지 스택(10)은, 애노드(11)와 캐소드(12)를 갖는 복수의 단위 셀들을 적층하여 구성될 수 있다. 각 단위 셀은 캐소드(12) 측으로 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급받고, 애노드(11) 측으로 연료인 수소를 공급받아 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)에서 화학반응을 통하여 전력을 발생시킨다.
컨트롤러(100)는 애노드(11) 측의 입구 압력과 캐소드(12) 측의 입구 압력의 차이를 사전 설정된 목표 차압이 되도록 제어한다. 애노드(11) 측과 캐소드 측의 압력 차이를 목표 차압이 되도록 제어하는 구체적인 방식은 당 기술분야에 알려져 있는 다양한 공지의 기술을 이용하여 달성될 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(100)는 애노드(11) 측에 설치된 압력 센서(33)와 캐소드(12) 측에 마련된 압력 센서(21)로부터 각각의 압력을 검출한 값을 입력 받아 그 차이를 연산하고, 연산된 차이가 사전 설정된 목표 차압이 될 수 있도록 연료전지 시스템 내에서 애노드(11) 측과 캐소드(12) 측의 압력을 조정할 수 있는 여러 요소들을 제어할 수 있다.
애노드(11) 측과 캐소드(12) 측의 압력을 조정할 수 있는 여러 요소들로서, 애노드(11) 측의 수소 공급 라인(30)에 마련되는 수소 공급 밸브 및 이젝터(31), 애노드(11)에서 미반응 수소를 배출하는 라인에 설치되는 드레인 밸브(70) 또는 퍼지 밸브(80)와, 캐소드(12) 측으로 공기를 공급하는데 사용되는 공기 압축기(20)와, 연료전지 스택(10)의 캐소드(12) 측에서 배출되는 공기의 양을 조정함으로써 캐소드(12) 측의 공기 압력을 조정할 수 있는 공기압력 제어 밸브(Air Pressure Control valve: APC)(24) 등이 연료전지 시스템 내에 구비될 수 있다.
이러한, 연료전지 스택(10)의 압력 제어는 컨트롤러(100) 내의 차압 제어부(130)에 의해 이루어질 수 있다.
더하여, 컨트롤러(100)는 연료전지 스택(10)의 요구 출력을 기반으로 연료전지 스택(10)의 애노드(11) 측 수소 공급 압력을 조정할 수 있다. 컨트롤러(100)는 수소 공급 압력, 즉 연료전지 스택(10)의 애노드(11) 측 입구 압력을 제어하기 위한 수소공급 제어부(110)를 포함할 수 있다.
또한, 컨트롤러(100)는 연료전지 스택(10)의 요구 출력을 기반으로 공기 압축기(20)의 회전속도를 제어하거나 공기압력 제어 밸브(24)의 개도를 조정함으로써 연료전지 스택(10)의 캐소드(12) 측 입구 압력을 제어할 수 있다. 컨트롤러(100)는 공기 공급 압력, 즉 연료전지 스택(10)의 캐소드(12) 측 입구 압력을 제어하기 위한 공기공급 제어부(120)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 차량에서 연료전지 스택(10)과 전기적으로 연결된 모터의 요구전력이 증가하거나 연료전지 스택(10)과 전기적으로 연결되어 전기 에너지를 저장하는 고전압 배터리의 충전량이 감소함에 따라 연료전지 스택(10)의 요구 출력이 증가하는 경우, 컨트롤러(100)의 공기공급 제어부(120)는 공기 압축기(20)의 회전속도를 증가하도록 제어할 수 있다.
도 1에서, 참조부호 '23'은 연료전지 스택(10)의 캐소드(12)로 제공되는 공기에 수분을 공급하여 습윤 공기로 만들어 주기 위한 가습기를 나타내며, 참조부호 '32'는 연료인 수소를 저장하는 저장 탱크를 나타낸다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 압력 제어 시스템은 후술하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 압력 제어 방법에 대한 설명을 통해 그 동작 및 작용 효과가 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 압력 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택의 압력 제어 방법은, 먼저 컨트롤러(100)의 차압 제어부(130)가 사전 설정된 차압 운전 알고리즘을 이용하여 연료전지 스택(10)의 애노드(11) 측과 캐소드(12) 측의 압력차를 사전 설정된 제1 목표 차압으로 일정하게 유지시키는 제어를 실시하는 단계(S11)로부터 시작될 수 있다. 단계(S11)은 연료전지 스택(11)에서 애노드(11) 측과 캐소드(12) 측의 압력차에 의한 크로스오버 발생으로 인해 연료전지 스택(11)에서 셀빠짐 현상이 발생하지 않는 정상적인 상태에서 이루어지는 차압 제어가 이루어지는 단계일 수 있다.
예를 들어, 단계(S11)에서, 컨트롤러(100)의 수소공급 제어부(110)는 외부에서 입력되는 연료전지 스택(10)의 요구 출력을 기반으로 결정된 목표 압력으로 연료전지 스택(10)의 애노드(11) 측에 수소가 공급을 제어하고, 공기공급 제어부(120)는 연료전지 스택(10)의 요구 출력을 기반으로 연료전지 스택(10)의 캐소드(12) 측으로 공기를 공급하기 위한 공기압축기(20)의 회전속도를 제어한다. 이어, 컨트롤러(100)의 차압 제어부(130)는 연료전지 스택(10)의 애노드(11) 측과 캐소드(12)측 사이의 차압을 산출하고, 산출한 차압을 기반으로 애노드(11) 측의 수소 공급 목표 압력 또는 공기압축기(20)의 회전속도를 수정하여 연료전지 스택(10)의 애노드(11) 측과 캐소드(12)측 사이의 차압이 사전 설정된 제1 목표 차압이 되도록 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 목표 차압은 연료전지 스택(10)가 셀빠짐 현상이 발생하지 않은 정상 상태로 동작하는 경우에 적용되도록 설정된 애노드(11) 측과 캐소드(12) 측의 압력차의 목표치일 수 있다.
단계(S11)에서 이루어지는 연료전지 스택(10)의 압력제어 기법은 애노드(11) 측과 캐소드(12) 측의 압력차가 특정 목표 차압을 유지하도록 제어하는 당 기술분야의 여러 공지 기술이 선택적으로 적용될 수 있다.
이어, 컨트롤러(100)의 차압 제어부(130)는 연료전지 스택(10)에서 셀빠짐 현상이 발생한 것을 감지하거나 셀빠짐 현상이 발생할 것을 예측하는 단계(S12 및 S13)을 수행할 수 있다.
더욱 구체적으로, 셀빠짐 현상 발생을 감지하거나 예측하는 단계는 연료전지 스택(10)의 출력 전류가 사전 설정된 기준값(a) 이하로 감소하는지 판단하는 단계(S12)와 연료전지 스택(10) 내에 구비되는 복수의 단위 셀 사이의 출력 편차가 사전 설정된 기준값(b) 보다 커지는지 판단하는 단계(S13)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 셀빠짐 현상은 복수의 단위셀 중 일부 셀의 출력이 급감하는 현상을 말하는데, 셀빠짐 현상이 발생하는 경우 연료전지 스택(10) 전체의 출력이 감소하고 셀빠짐 현상이 발생한 단위 셀의 출력만 급감하므로 단위 셀 간의 출력 편차가 크게 발생할 수 있게 된다. 컨트롤러(100)의 차압 제어부(130)는 이러한 연료전지 스택(10)의 출력 변화 및 단위 셀 간의 출력 편차를 기반으로 셀빠짐 현상의 발생을 감지하거나 예측할 수 있다.
여기서, 기준값(a)는 셀빠짐이 발생한 것을 판단하거나 셀빠짐 현상의 발생이 예상되는 기준 전류값일 수 있다. 또한, 기준값(b)는 셀빠짐 현상이 시작되는 것으로 판단할 수 있는 단위 셀 간의 전압 편차값일 수 있다. 이러한 기준값(a)나 기준값(b)는 본 발명의 여러 실시형태를 적용하고자 하는 연료전지 스택(10)의 운전을 통해 실험적으로 도출될 수 있다. 더하여, 연료전지 스택(10)에 마련되는 출력 전류 센서 및 단위 셀 마다 마련되는 전압 센서를 통해 연료전지 스택(10)의 출력 전류나 단위 셀 간의 전압 편차를 도출할 수 있다.
한편, 컨트롤러(100)에 의해 셀빠짐 현상이 발생한 것으로 판단되거나 셀빠짐 현상 발생이 예측되지 않는 경우에는 전술한 단계(S11)에 의한 차압 제어가 계속 수행될 수 있다.
연료전지 스택(10)에서 발생하는 셀빠짐 현상의 원인은 여러가지가 있을 수 있으나, 본 발명의 여러 실시형태는 높은 고도에서 연료전지 스택(10)을 고출력으로 운용한 경우 애노드(11)와 캐소드(12) 사이의 압력 편차 발생으로 인해 애노드(11) 측으로부터 캐소드(12) 측으로 크로스오버가 발생함이 원인이 되는 셀빠짐 현상을 해소하거나 예방하기 위한 것이다. 따라서, 후술하는 상세한 제어 기법을 적용한 경우에도 셀빠짐 현상이 개선되거나 해소되지 않는다면 셀빠짐의 다른 원인을 찾기 위한 알고리즘을 수행하거나 정비를 유도하여 정확한 셀빠짐 현상 발생의 원인을 파악하게 할 수 있다.
단계(S12)에서 연료전지 스택(10)의 출력 전류가 기준값(a) 이하이고, 연료전지 스택(10) 내 단위 셀 간의 전압 편차가 기준값(b) 이상인 경우, 컨트롤러(100)의 차압 제어부(130)는 단계(S11)에서 차압 제어에 사용한 제1 목표 차압을 보정하기 위한 보정 차압을 연산한다(S14).
단계(S14)에서 차압 제어부(130)는 기준 대기압(예를 들어, 표준 대기압(101.3kps))에 별도로 마련된 대기압 센서에서 측정된 대기압을 감산한 결과에 사전설정된 비례상수를 곱하여 보정 차압을 연산하고 제1 목표 차압에 연산된 보정 차압을 적용하여 차압 제어에 사용되는 목표 차압을 수정할 수 있다.
보정 차압은 표준 대기압과 연료전지 스택(10)이 위치한 고도에서의 대기압(실측 대기압)의 차에 실험적인 방식에 의해 결정될 수 있는 적절한 비례 상수를 곱하여 도출될 수 있다. 특히, 고도가 높아지는 경우 공기가 희박해져 캐소드(12) 측 압력이 감소함에 따라 애노드(11) 측 압력에서 캐소드(12) 측 압력을 감산한 차압의 크기는 더욱 커지게 되므로 목표 차압을 감소시킬 수 있도록 비례 상수는 음수가 되어야 한다.
한편, 보정 차압은 일정 수준 이상 작은 값으로 설정되면 목표 차압이 과도하게 보정될 수 있으므로 표준 대기압에서 실측 대기압을 감산한 값의 크기가 증가하여 사전 설정된 기준값에 도달하는 경우 보정 차압의 크기가 더 이상 증가하지 않도록 기준값에 비례상수를 곱한 값을 보정 차압으로 적용할 수 있다.
이러한 방식으로 연산되는 보정 차압이 도 3에 도시된다. 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 압력 제어 시스템 및 방법에서 적용되는 목표 차압과 표준 대기압에서 실측 대기압을 감산한 값의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3에 도시된 것과 같이, 단계(S14)에서 차압 제어부(130)는 연료전지 스택(10)이 위치한 고도가 높아져 표준 대기압에서 실측 대기압을 감산한 값이 증가할수록 보정 차압을 증가시켜 목표 차압을 일정하게 감소시키며, 표준 대기압에서 실측 대기압을 감산한 값이 특정 기준값(A)에 도달하면 보정 차압을 일정하게 유지시켜 목표 차압 역시 일정하게 유지되게 할 수 있다.
이어, 컨트롤러(100)는, 애노드(11)와 캐소드(12) 사이의 압력 편차가 단계(S14)에서 연산한 보정 차압을 적용한 수정된 목표 차압(제2 목표 차압)이 되도록 제어하기 위해, 연료전지 스택(10)의 캐소드(12) 측 공기 배출 라인에 설치된 있는 공기압력 제어 밸브(Air Pressure Control valve: APC)(24)의 개도량을 조정한다(S15).
단계(S15)에서 이루어지는 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량 제어는 기존에 유지하던 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량에 단계(S14)에서 연산된 보정차압에 대응되는 보정 개도량을 적용하는 방식으로 이루어질 수 있다. 차압 제어부(130)는 보정 차압에 대응되는 보정 개도량을 사전에 실험적인 방식 등을 통해 미리 결정하여 맵데이터의 형태로 저장할 수 있다. 차압 제어부(130)는 단계(S14)에서 보정 차압을 연산한 후 연산된 보정 차압에 대응되는 보정 개도량을 맵데이터로부터 찾고 이를 공기공급 제어부(120)에 제공하고, 공기공급 제어부(120)는 제공받은 보정 개도량을 적용하여 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량을 제어할 수 있다.
여기서 보정 개도량의 적용은 이전 유지하던 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량을 감소시키는 방식으로 이루어진다. 이러한 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량 감소 보정을 통해 연료전지 스택(10)의 캐소드(12) 측 압력이 증가하게 되고 그에 따라 연료전지 스택(10)의 애노드(11) 측에서 캐소드(12) 측으로 발생하는 수소의 크로스오버를 방비하여 셀빠짐 현상이 발생하는 것을 해소하거나 예방할 수 있게 되는 것이다.
한편, 단계(S15)에서는 보정 개도량을 적용하기 직전 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량을 기준으로 실제 적용되는 보정 개도량의 크기를 조정할 수 있다. 예를 들어, 보정 개도량을 적용하기 직전 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량이 사전 설정된 기준값보다 큰 경우에는 보정 차압에 대응되는 보정 개도량을 사전에 저장한 맵에서 도출되는 보정 개도량을 그대로 적용하고, , 보정 개도량을 적용하기 직전 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량이 사전 설정된 기준값 이하인 경우에는 보정 차압에 대응되는 보정 개도량을 사전에 저장한 맵에서 도출되는 보정 개도량을 사전 설정된 일정 비율 감소시켜 적용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 압력 제어 시스템 및 방법에서 공기압력 제어 밸브의 보정 개도량의 적용예를 설명하기 위한 그래프이다.
보정 개도량을 적용하기 직전 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량이 사전 설정된 기준값보다 큰 경우에는, 도 4의 참조 부호 'L1'과 같이 맵에 저장된 보정 차압(x축)에 대응되는 보정 개도량(y축)을 그대로 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량 제어에 적용할 수 있다.
보정 개도량을 적용하기 직전 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량이 사전 설정된 기준값 이하인 경우에는, 도 4의 참조 부호 'L2'와 같이 맵에 저장된 보정 차압(x축)에 대응되는 보정 개도량(y축)을 일정 비율로 감소시켜 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량 제어에 적용할 수 있다.
여기서, 보정 개도량의 적용에 사용되는 기준값은 실험적인 방식으로 사전에 설정되는 값으로 보정 개도량을 그대로 적용하는 경우 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량이 과도하게 감소됨에 따라 연료전지 스택(10)의 캐소드(12) 측으로 공급되는 공기의 양을 급감시킴으로써 연료전지 스택(10)의 출력에 문제를 발생시킬 수 있는 기준이 되는 값으로 결정될 수 있다. 이러한 기준값의 설정으로 인해 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량이 충분히 클 경우에는 보정 개도량을 적용하여 적극적으로 차압이 감소하도록 캐소드(12) 측 압력을 증가시키고, 공기압력 제어 밸브(24)의 개도량이 기준값 이하인 상태에서는 보정 개도량을 감소시켜 적용함으로써 캐소드(12) 측 압력을 적게 증가시켜 상대적으로 차압 감소의 효과를 적게 달성하는 대신 연료전지 스택(10)의 성능에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 연료전지 압력 제어 방법 및 시스템은, 연료전지 스택의 애노드 측과 캐소드 측의 차압 제어 시 셀빠짐 현상이 발생하거나 발생을 예측하여 목표 차압을 수정함으로써, 애노드 측 압력이 과도하게 높아 수가 캐소드 측으로 크로스오버 되는 것을 차단 또는 예방할 수 있다. 이에 따라, 셀빠짐 현상을 개선 또는 예방할 수 있으므로 셀빠짐 현상이 수반하는 셀 열화 가속을 방지하고 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 연료전지 스택을 적용한 차량의 주행 시 셀빠짐 현상에 의해 발생하는 차량의 울컥거림 현상을 방지하여 탑승객에게 우수한 승차감을 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
11: 연료전지 스택 11: 애노드
12: 캐소드 20: 공기 압축기
21: 캐소드측 압력 센서 23: 가습기
24: 공기압력 제어 밸브 30: 수소 공급 라인
31: 수소 공급 밸브 및 이젝터 32: 수소저장 탱크
33: 애노드측 압력 센서 100: 컨트롤러
110: 수소공급 제어부 120: 공기공급 제어부
130: 차압 제어부

Claims (16)

  1. 연료전지 스택의 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력이 사전 설정된 목표 차압을 유지하도록 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 제어하는 단계;
    상기 연료전지 스택의 출력 전류 및 상기 연료전지 스택 내 단위 셀의 출력 편차를 기반으로 상기 연료전지 스택의 셀빠짐 현상을 예측하는 단계;
    상기 예측하는 단계에서 셀빠짐 현상이 발생한 것으로 예측되는 경우, 대기압을 측정한 결과를 기반으로 상기 목표 차압을 수정하기 위한 보정 차압을 연산하는 단계; 및
    상기 보정 차압을 적용한 목표 차압을 유지하도록 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 수정 제어하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 예측하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 출력 전류와 사전 설정된 제1 기준값을 비교하는 단계;
    상기 연료전지 스택의 출력 전류가 상기 제1 기준값 이하인 경우 상기 연료전지 스택 내 단위 셀 간의 전압 편차와 사전 설정된 제2 기준값을 비교하는 단계; 및
    상기 연료전지 스택 내 단위 셀 간의 전압 편차가 상기 제2 기준값 이상인 경우 상기 셀빠짐 현상이 발생한 것으로 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 보정 차압을 연산하는 단계는,
    사전 설정된 기준 대기압에 상기 대기압을 측정한 결과를 감산한 값에 사전 설정된 비례상수를 곱하여 상기 보정 차압을 연산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 보정 차압을 연산하는 단계는,
    상기 기준 대기압에 상기 대기압을 측정한 결과를 감산한 값이 사전 설정된 기준값 이상인 경우, 상기 보정 차압을 상기 기준값에 상기 비례 상수를 곱한 값으로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 기준 대기압은 표준 대기압인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 수정 제어하는 단계는,
    상기 보정 차압에 대응되는 보정 개도량을 도출하고, 상기 연료전지 스택의 상기 캐소드 측 공기 배출 라인에 설치된 공기압력 제어 밸브의 개도량을 상기 보정 개도량 만큼 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 수정하는 단계는,
    상기 보정 차압에 대응되는 상기 보정 개도량을 사전에 저장한 데이터 맵을 참고하여 상기 보정 개도량을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 수정하는 단계는,
    상기 공기압력 제어 밸브의 기존 개도량이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 데이터 맵을 참조하여 도출된 보정 개도량 만큼 상기 공기압력 제어 밸브의 개도량을 감소시키고,
    상기 공기압력 제어 밸브의 기존 개도량이 사전 설정된 기준값 이하인 경우 상기 데이터 맵을 참조하여 도출된 보정 개도량을 사전 설정된 비율로 감소시킨 결과 만큼 상기 공기압력 제어 밸브의 개도량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 방법.
  9. 연료전지 스택; 및
    상기 연료전지 스택의 애노드 측의 압력과 캐소드 측의 압력 차이가 사전 설정된 목표 차압을 유지하도록 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 제어하되, 상기 연료전지 스택에 셀빠짐 현상이 발생하는 것을 예측된 경우 상기 목표 차압을 보정하여 상기 애노드 측 압력과 캐소드 측 압력을 제어하는 컨트롤러;
    를 포함하는 연료전지 스택의 압력 제어 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 연료전지 스택의 출력 전류와 사전 설정된 제1 기준값을 비교하고, 상기 연료전지 스택의 출력 전류가 상기 제1 기준값 이하인 경우 상기 연료전지 스택 내 단위 셀 간의 전압 편차와 사전 설정된 제2 기준값을 비교하며, 상기 연료전지 스택 내 단위 셀 간의 전압 편차가 상기 제2 기준값 이상인 경우 상기 셀빠짐 현상이 발생한 것으로 예측하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    사전 설정된 기준 대기압에 상기 대기압을 측정한 결과를 감산한 값에 사전 설정된 비례상수를 곱하여 상기 목표 차압을 보정하기 위해 상기 목표 차압에서 차감되는 보정 차압을 연산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 기준 대기압에 상기 대기압을 측정한 결과를 감산한 값이 사전 설정된 기준값 이상인 경우, 상기 보정 차압을 상기 기준값에 상기 비례 상수를 곱한 값으로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 시스템.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 기준 대기압은 표준 대기압인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 시스템.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 보정 차압에 대응되는 보정 개도량을 도출하고, 상기 연료전지 스택의 상기 캐소드 측 공기 배출 라인에 설치된 공기압력 제어 밸브의 개도량을 상기 보정 개도량 만큼 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 보정 차압에 대응되는 상기 보정 개도량을 기록한 데이터 맵을 사전 저장하며, 상기 데이터 맵을 참고하여 상기 보정 개도량을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 공기압력 제어 밸브의 기존 개도량이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 데이터 맵을 참조하여 도출된 보정 개도량 만큼 상기 공기압력 제어 밸브의 개도량을 감소시키고,
    상기 공기압력 제어 밸브의 기존 개도량이 사전 설정된 기준값 이하인 경우 상기 데이터 맵을 참조하여 도출된 보정 개도량을 사전 설정된 비율로 감소시킨 결과 만큼 상기 공기압력 제어 밸브의 개도량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 압력 제어 시스템.
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