KR20200133093A - 연료전지의 운전 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

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현대자동차주식회사
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Abstract

연료전지의 전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 단계; 연료전지의 전력 발전이 중단된 경우, 연료전지에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링하는 단계; 및 모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계;를 포함하는 연료전지의 운전 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지의 운전 제어시스템 및 제어방법{CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR DRIVING OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 운전 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 연료전지 스택의 결함을 감지하고, 이에 대응하여 연료전지를 운전하는 기술에 관한 것이다.
연료전지란, 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전장치이다. 음극(Anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(Cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.
연료전지의 단위 셀은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개에서 수백개의 단위셀을 적층하여 사용한다. 단위 셀의 적층 시 단위 셀 간 전기적 접속이 이루어지고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판이다
연료전지 스택의 단위 셀은 분리판과 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer) 및 막-전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)로 구성된다. 복수의 분리판 사이에는 화학반응이 이루어지는 막-전극 접합체(MEA)가 구비되고, 막-전극 접합체(MEA) 양면인 애노드/캐소드 전극면에 기체확산층(GDL) 2장이 각각 적용된다. 이렇게 적층된 분리판, GDL, MEA 세트는 스택 제작시 높은 하중에 의해 가압 체결된다.
일반적으로, 연료전지 스택은 기밀 유지용 가스켓(Gasket)이 형성된 분리판을 포함한다. 특히, 연료전지 스택의 단위 셀은 MEA 또는 분리판에 형성된 가스켓에 의해 높은 체결 압력이 지지되며, MEA와 분리판 사이에서 가스켓에 의해 지지된 공간으로 반응 가스가 유입된다. 즉, 연료전지 스택의 단위 셀에는 MEA와 분리판 사이의 밀봉을 위하여 가장자리에 가스켓이 포함된다.
만약, 가스켓의 두께에 편차가 발생된 경우, MEA와 분리판 사이의 밀봉을 유지할 수 없고, 이에 따라 MEA로 공기 또는 냉각수와 같은 이물질이 유입되어 연료전지 스택의 열화가 가속되는 문제가 있었다. 다만, 이러한 문제는 연료전지 스택을 분해하여 직접 감지하거나, 장시간 운전된 연료전지 스택의 열화를 감지함으로써 추후에 간접적으로 감지할 수 밖에 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 10-1846633 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 스택에 포함된 단위 셀의 초기 결함을 초기에 감지하고, 감지한 결함 정도를 기반으로 연료전지를 운전하는 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 운전 제어시스템은 복수의 단위 셀이 포함된 연료전지; 연료전지의 전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 운전 제어부; 연료전지의 전력 발전이 중단된 상태인 경우, 연료전지에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링하는 모니터부; 및 모니터부에서 모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 결함 판단부;를 포함한다.
결함 판단부에서는, 복수의 단위 셀의 평균 전압을 기반으로 설정된 기준 전압과 비교함으로써 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
결함 판단부에서는, 단위 셀의 전압을 모니터링한 모니터링 시간 중 단위 셀의 전압이 기준 전압 이상으로 지속된 지속 시간의 비율을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
결함 판단부에서는, 모니터링 시간 및 지속 시간은 평균 전압이 기설정된 판단 전압 이하부터 측정할 수 있다.
운전 제어부에서는, 결함 판단부에서 판단한 단위 셀의 결함 정도를 기반으로 연료전지로 공급되는 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 운전 제어방법은 연료전지의 전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 단계; 연료전지의 전력 발전이 중단된 경우, 연료전지에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링하는 단계; 및 모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계;를 포함한다.
전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 단계에서는, 연료전지의 발전 전력이 요구되지 않아 연료전지로 공기 공급이 중단된 상태인지 판단할 수 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 복수의 단위 셀의 평균 전압을 기반으로 설정된 기준 전압과 비교함으로써 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
기준 전압은 평균 전압에 기설정된 오프셋 전압을 가산하여 설정할 수 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 단위 셀의 전압을 모니터링한 모니터링 시간 중 단위 셀의 전압이 기준 전압 이상으로 지속된 지속 시간의 비율을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 모니터링 시간 및 지속 시간은 평균 전압이 기설정된 판단 전압 이하부터 측정할 수 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율을 기반으로 기매핑된 맵에 따라 단위 셀의 결함 정도를 판단하고, 기매핑된 맵은 판단 전압이 증가할수록 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율의 기준값이 증가하도록 기매핑될 수 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 기준 전압은 평균 전압에 기설정된 오프셋 전압을 가산하여 설정하고, 기매핑된 맵은 오프셋 전압이 증가할수록 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율의 기준값이 증가하도록 기매핑될 수 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계 이후에, 판단한 단위 셀의 결함 정도를 기반으로 연료전지로 공급되는 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 연료전지로 공급하는 수소의 압력을 증가시킬 수 있다.
수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 연료전지로 공급하는 공기의 압력을 증가시키되, 연료전지로 공급하는 수소의 압력을 기반으로 공기의 압력을 제어할 수 있다.
수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 연료전지로 공급하는 냉각수의 압력을 감소시킬 수 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계 이후에, 연료전지의 전력 발전이 중단된 상태에서 연료전지의 전압을 상한 전압 이하로 제어하는 단계;를 더 포함하고, 상한 전압 이하로 제어하는 단계에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 상한 전압을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지의 운전 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 연료전지에 포함된 단위 셀마다 발생한 결함을 상대적으로 짧은 주행거리 또는 주행시간으로 초기에 진단할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 판단한 단위 셀의 결함에 따라 연료전지를 운전 제어함으로써 연료전지의 열화를 사전에 방지할 수 있어 내구성이 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 운전 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 운전 제어방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀의 전압을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 판단 전압 및 기준 전압에 따른 노출율을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 판단 전압 및 오프셋 전압에 따른 노출율의 기준값을 기매핑한 맵이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀의 결함 정도에 따른 수소의 압력 증가량을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀의 결함 정도에 따른 공기의 압력 증가량을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀의 결함 정도에 따른 냉각수의 압력 증가량을 도시한 것이다.
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(10)의 운전 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 운전 제어시스템은 복수의 단위 셀이 포함된 연료전지(10); 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 운전 제어부(50); 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태인 경우, 연료전지(10)에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링하는 모니터부(60); 및 모니터부(60)에서 모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 결함 판단부(70);를 포함한다.
연료전지(10)는 애노드(Anode) 측으로 수소를 공급받고, 캐소드(Cathode) 측으로 산소를 포함한 공기를 공급받아 출력을 발생시킨다. 발생된 출력은 모터 등의 구동원 또는 BOP(Balance of Plant)에 공급된다.
연료전지(10)는 단위 셀이 적층된 연료전지 스택(10)(Stack)일 수 있다. 특히, 연료전지(10)는 약 0.8[V]의 작은 출력 전압을 갖는 단위 셀을 복수 개로 적층하여 요구되는 전압을 형성할 수 있다.
운전 제어부(50)는 연료전지(10)의 전력 발전을 제어하는 장치로, 연료전지 스택(10)의 전력 발전이 중단된 상태(FC Stop Mode)인지 여부를 판단할 수 있다. 특히, 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태(FC Stop Mode)에서는 연료전지(10)로 공급되는 공기의 공급을 중단시킬 수 있다.
운전 제어부(50)는 연료전지(10) 시스템의 시동이 Off되거나, 연료전지(10) 시스템의 시동이 On되어 있는 상태더라도 구동원의 요구 출력이 상대적으로 적고 고전압배터리의 충전량이 충분한 상태에서는 연료전지(10)의 발전을 중단할 수 있다.
또한 반대로, 운전 제어부(50)는 구동원의 요구 출력이 증가하거나, 고전압배터리의 충전량이 감소된 상태에서는 연료전지(10)의 발전을 재개할 수 있다. 이에 따라, 연료전지(10) 시스템의 효율 및 연비를 증가시킬 수 있다.
모니터부(60)는 연료전지(10)에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링하는 SVM(Stack Voltage Moniter)일 수 있다. 모니터부(60)는 연료전지(10) 내부의 전체 단위 셀의 전압을 개별적으로 모니터링할 수 있다. 특히, 모니터부(60)는 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태인 경우, 연료전지(10)에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링할 수 있다.
특히, 모니터부(60)는 각각의 단위 셀의 전압을 직접 모니터링할 수도 있으나, 복수의 단위 셀로 구성된 채널(Channel)의 전압을 모니터링할 수 있고, 각각의 단위 셀의 전압은 모니터부(60)에서 모니터링한 채널에 포함된 단위 셀의 개수(n)으로 제산하여 추정할 수 있다.
결함 판단부(70)는 모니터부(60)에서 모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
일 실시예로, 단위 셀의 결함 정도는 개별 단위 셀의 결함 정도를 각각 판단할 수 있다. 모니터부(60)에서 개별 단위 셀의 전압을 직접 모니터링하거나, 모니터부(60)에서 모니터링한 복수의 단위 셀로 구성된 채널의 전압을 단위 셀의 개수(n)으로 제산하여 추정한 개별 단위 셀의 전압을 이용하여 개별 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
다른 실시예로, 복수의 단위 셀로 구성된 채널의 결함 정도를 판단할 수 있다. 즉, 복수의 단위 셀로 구성된 채널의 결함 정도를 판단하고, 해당 채널에 포함된 복수의 단위 셀에 동일한 결함 정도가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 운전 제어부(50) 및 결함 판단부(70)를 포함한 제어부는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다.
여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
구체적으로, 후술하는 것과 같이 본 발명에서 단위 셀의 결함은 연료전지(10)에 포함된 단위 셀의 가스켓 결함 등의 문제로 단위 셀 내부로 이물질이 유입되는 결함을 의미할 수 있다. 이러한 단위 셀의 결함은 가스켓의 두께가 균일하지 않은 초기 품질의 결함일 수도 있고, 주행 중 가스켓의 일부가 손상되어 발생할 수도 있다.
특히, 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태의 경우에는 연료전지(10) 및 내부의 단위 셀에 공기 공급이 중단되어 단위 셀의 전압이 점차적으로 감소되어야 하나, 외부에서 공기가 계속해서 유입되는 경우 단위 셀의 전압이 높은 상태로 유지될 수 있다. 이에 따라, 결함 판단부(70)는 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서 모니터부(60)에서 모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
이에 따라, 상대적으로 짧은 주행거리 또는 주행시간으로 연료전지(10)에 포함된 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있어, 결함에 따라 연료전지(10)의 열화를 사전에 방지할 수 있어 내구성이 향상되는 효과를 갖는다. 또한, 초기에 문제되는 단위 셀을 감지함으로써 교체를 유도할 수 있는 효과를 갖는다.
구체적으로, 결함 판단부(70)에서는, 복수의 단위 셀의 평균 전압을 기반으로 설정된 기준 전압과 비교함으로써 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
또한, 결함 판단부(70)에서는, 단위 셀의 전압을 모니터링한 모니터링 시간 중 단위 셀의 전압이 기준 전압 이상으로 지속된 지속 시간의 비율을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
특히, 결함 판단부(70)에서는, 모니터링 시간 및 지속 시간은 평균 전압이 기설정된 판단 전압 이하부터 측정할 수 있다.
이에 따라, 결함 판단의 정확도를 향상시키는 효과를 갖는다.
운전 제어부(50)에서는, 결함 판단부(70)에서 판단한 단위 셀의 결함 정도를 기반으로 연료전지(10)로 공급되는 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정할 수 있다.
운전 제어부(50)는 연료전지(10)로 공급되는 수소, 공기 또는 냉각수를 제어할 수 있다. 구체적으로, 운전 제어부(50)는 연료전지(10)로 수소를 공급하는 수소공급계(20), 공기를 공급하는 공기공급계(30) 및 냉각수를 순환시키는 냉각계(40) 등을 제어할 수 있다.
냉각계(40)는 연료전지(10)를 냉각시키는 시스템으로, 연료전지(10)로 냉각수를 공급하는 냉각펌프(41), 가열된 냉각수를 냉각시키는 라디에이터(43), 라디에이터(43)에 공기를 유동시키는 팬(44), 라디에이터(43)를 통과하는 냉각수의 유량을 조절하는 온도제어밸브(42) 등이 포함될 수 있다.
수소공급계(20)에는 연료전지(10)에서 배출된 수소를 재순환하여 다시 연료전지(10)로 공급하는 재순환라인(22), 재순환라인(22)과 수소탱크(미도시) 사이에서 수소 공급을 제어하는 수소공급밸브 및 이젝터(21) 등이 포함될 수 있다.
공기공급계(30)에는 외부의 공기를 압축하여 연료전지(10)로 공급하는 공기압축기(31), 공기공급라인(33)에서 연료전지(10)를 통과하여 공기가 배출되는 위치에 마련된 공기압력제어밸브(32, APC: Air Pressure Controller) 및 연료전지(10)로 공기가 공급되는 공기공급라인(33)에 마련되어 공기를 가습하는 가습기(34) 등이 포함될 수 있다.
운전 제어부(50)는 결함 판단부(70)에서 판단한 단위 셀의 결함 정도를 기반으로 연료전지(10)로 공급되는 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정할 수 있다. 구체적인 제어는 제어방법과 관련한 설명에서 후술한다.
이에 따라, 단위 셀의 결함 정도를 사전에 판단하고, 이를 반영하여 제어함으로써 단위 셀에 유입되는 이물질을 최소화하고, 이에 따른 열화를 사전에 방지하여 연료전지(10)의 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 운전 제어방법의 순서도이다.
도 2를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 운전 제어방법은 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 단계(S100); 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 경우, 연료전지(10)에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링하는 단계(S200); 및 모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계(S300);를 포함한다.
연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 단계(S100)에서는, 연료전지(10)의 시동이 Off되거나, 연료전지(10)의 시동이 On상태이더라도 연료전지(10)의 전력 발전이 요구되지 않아 전력 발전을 중단하는 FC Stop 모드인지 판단할 수 있다.
연료전지(10)의 전력 발전이 중단되지 않은 경우에는 연료전지(10)에서 전력 발전을 위하여 연료전지(10)에 수소, 공기 및 냉각수를 공급하도록 제어할 수 있다(S110).
특히, 전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 단계(S100)에서는, 연료전지(10)의 발전 전력이 요구되지 않아 연료전지(10)로 공기 공급이 중단된 상태인지 판단할 수 있다.
연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 경우에는 연료전지(10)로 공급하는 공기 공급을 중단할 수 있다. 연료전지(10)로 공기 공급이 중단되면, 연료전지(10)의 전력 발전이 중단됨에 따라 연료전지(10)에 포함된 단위 셀의 전압이 감소된다.
특히, 연료전지(10)로 공기 공급을 중단한 이후, 애노드(Anode) 측에서 캐소드(Cathode) 측으로 수소가 크로스오버되어 셀 전압이 감소되는 시간인 ODT(Oxygen Depletion Time)를 측정할 수 있다.
연료전지(10) 운행시에는 수소 및 공기를 대기압보다 높은 압력으로 연료전지(10)에 공급하므로 대기압과 같은 연료전지 스택(10) 케이스의 공기가 단위 셀 내부로 유입되지 않는다. 그러나 FC Stop 모드에서는 연료전지(10)로 공기 공급이 없고, 결함이 발생한 단위 셀에는 캐소드(Cathode) 측으로 외부의 공기 공급이 이루어지므로 셀 전압이 높은 상태를 유지하는 것이다.
연료전지(10)에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링하는 단계(S200)에서는, 연료전지(10)의 단위 셀마다의 전압을 모니터링 할 수 있다. 특히, 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서 단위 셀의 전압 변화를 모니터링할 수 있다
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계(S300)에서는, 모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다. 구체적으로, 모니터링한 단위 셀의 전압이 높은 상태를 유지하는 경우에는 단위 셀에 결함이 발생한 것으로 판단할 수 있고, 다른 단위 셀과 같이 전압이 하강하는 경우에는 해당 단위 셀에는 결함이 없는 것으로 판단할 수 있다.
이에 따라, 연료전지(10)에 포함된 단위 셀마다 발생한 결함을 주행시간 또는 주행거리가 길지 않더라도 초기에 진단할 수 있어 연료전지(10) 전체의 열화를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀의 전압을 도시한 것이다.
도 3을 더 참조하면, 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계(S300)에서는, 복수의 단위 셀의 평균 전압을 기반으로 설정된 기준 전압과 비교함으로써 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
예를 들어, 1 ~ 5의 단위 셀의 전압을 모니터링한 경우, 1 ~ 5의 단위 셀의 평균 전압을 산출할 수 있다. 연료전지(10)의 발전이 중단된 경우, 연료전지(10)에 포함된 단위 셀의 전압은 하강하는데, 공기 공급이 중단된 이후 소요시간, 대기압, 연료전지(10) 내부의 공기 또는 수소 압력 등 다양한 조건에 의해 단위 셀의 전압이 하강하는 변화율은 가변될 수 있다.
따라서, 동일한 연료전지(10)의 내부에 포함된 복수의 단위 셀의 평균 전압을 기반으로 설정된 기준 전압과 비교하여 각각의 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
특히, 기준 전압은 평균 전압에 기설정된 오프셋 전압을 가산하여 설정될 수 있다. 기설정된 오프셋 전압은 가변될 수 있는 값으로, 오프셋 전압이 클수록 단위 셀의 결함 정도는 뚜렷하게 판단할 수 있으나, 오프셋 전압이 작을수록 개별 단위셀의 결함 정도를 가능성을 폭넓게 판단할 수 있다.
일 실시예로, 복수의 오프셋 전압을 설정함으로써 복수의 기준 전압과 비교하여 단위 셀의 결함 정도를 복수의 단계로 판단할 수도 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계(S300)에서는, 단위 셀의 전압을 모니터링한 모니터링 시간 중 단위 셀의 전압이 기준 전압 이상으로 지속된 지속 시간의 비율을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
즉, 하기와 같은 수식으로 모니터링 시간 대비 지속 시간의 비율(노출율)을 산출함으로써 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
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즉, 순간적으로 가변될 수 있는 단위 셀의 전압에 의해 결함 정도가 잘못 판단될 수 있는 점에서, 판단 정확도를 향상시키기 위하여 전체 모니터링 시간 중 기준 전압 이상으로 지속된 지속 시간을 통하여 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
일 실시예로, 복수의 기준 노출율을 설정하고, 단위 셀의 노출율을 복수의 기준 노출율과 비교하여 단위 셀의 결함 정도를 판단할 수 있다.
일 실시예로, 모니터링 시간 및 지속 시간을 연료전지(10)의 전력 발전을 중단한 시점부터, 즉 연료전지(10)로 공기 공급을 중단한 시점부터 측정할 수 있다. 그러나 공기 공급을 중단한 직후에는 단위 셀에 잔존하는 공기의 양이 상이할 수 있는 등의 조건에 의해 단위 셀의 전압이 상이하게 나타날 수 있어 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 정확도가 낮다.
다른 실시예로, 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계(S300)에서는, 모니터링 시간 및 지속 시간은 평균 전압이 기설정된 판단 전압 이하부터 측정할 수 있다.
단위 셀의 전압은 공기 공급을 중단한 시점부터 시간이 경과함에 따라 점차적으로 하강한다. 따라서, 모니터링 시간 및 지속 시간을 기설정된 경과 시간이 지난 시점부터 또는 복수의 단위 셀의 평균 전압이 기설정된 판단 전압 이하가 된 시점부터 측정할 수 있다. 이에 따라, 단위 셀의 노출율을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 정확도가 향상되는 효과를 갖는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 판단 전압 및 기준 전압에 따른 노출율을 도시한 것이다.
도 4를 더 참조하면, 판단 전압을 설정하지 않거나 셀 전압의 최대 전압으로 설정한 경우(전체 전압 범위), 판단 전압을 상대적으로 높은 전압(V1)으로 정한 경우, 판단 전압을 상대적으로 중간 전압(V2)으로 정한 경우 및 판단 전압을 상대적으로 낮은 전압(V3)으로 정한 경우의 노출율을 각각 도시한 것이다.
도 4에 도시한 것과 같이, 평균 전압이 가장 크게 하강한 시점부터 모니터링 시간 및 지속 시간을 측정한 판단 전압을 V3로 설정한 경우에 노출율이 뚜렷하게 차이나는 것을 확인할 수 있다.
반면, 판단 전압이 증가될수록 결함 정도가 발생한 단위 셀 이외에 노출율이 크게 나타나는 단위 셀들이 많아지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4에 도시한 것과 같이 오프셋 전압을 크게 기설정하여 기준 전압이 증가될수록 노출율이 뚜렷하게 차이나는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 오프셋 전압 및 판단 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단위 셀의 노출율의 기준값을 가변할 필요가 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 판단 전압 및 오프셋 전압에 따른 노출율의 기준값을 기매핑한 맵이다.
도 5를 더 참조하면, 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계(S300)에서는, 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율을 기반으로 기매핑된 맵에 따라 단위 셀의 결함 정도를 판단하고, 기매핑된 맵은 판단 전압이 증가할수록 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율의 기준값이 증가하도록 기매핑될 수 있다.
또한, 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계(S300)에서는, 기준 전압은 평균 전압에 기설정된 오프셋 전압을 가산하여 설정하고, 기매핑된 맵은 오프셋 전압이 증가할수록 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율의 기준값이 증가하도록 기매핑될 수 있다.
즉, 판단 전압 및 오프셋 전압에 따라 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율, 즉 노출율의 기준값을 기매핑할 수 있다. 이에 따라, 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 정확도가 더 향상될 수 있는 효과를 갖는다.
특히, 도시한 것과 같이, 판단 전압 및 오프셋 전압에 따라 기매핑된 노출율의 기준값은 복수 개로 설정되고, 노출율의 크기에 따라 단위 셀의 결함 정도를 복수의 단계(A영역, B영역 및 C영역)로 구분할 수 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계(S300) 이후에, 판단한 단위 셀의 결함 정도를 기반으로 연료전지(10)로 공급되는 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계(S400);를 더 포함할 수 있다.
특히, 단위 셀의 결함 정도를 결함 발생 여부로 판단하거나 결함의 정도를 복수의 단계로 판단할 수 있다. 또한, 단위 셀의 결함 정도는 연료전지(10) 내의 결함이 발생한 단위 셀의 개수를 반영할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀의 결함 정도에 따른 수소의 압력 증가량을 도시한 것이다.
도 6을 더 참조하면, 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계(S400)에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 연료전지(10)로 공급하는 수소의 압력을 증가시킬 수 있다.
연료전지(10)의 전력 발전 중, 고출력 상태에서는 공기가 캐소드 측에서 애노드 측으로 유입될 가능성이 있고, 중저출력 상태에서는 애노드 측의 수소가 외부로 유출되어 수소 공급이 부족함에 따른 연료전지(10)의 열화가 발생할 가능성이 높다. 이에 따라 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 수소압력 증가량을 증대시킬 수 있다.
연료전지(10)의 전력 발전을 중단한 FC Stop 모드에서도 애노드 측의 수소가 외부로 유출될 가능성이 있고, 외부 공기가 애노드 측으로 유입될 가능성이 있는 점에서, 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 수소압력 증가량을 증대시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀의 결함 정도에 따른 공기의 압력 증가량을 도시한 것이다.
도 7을 더 참조하면, 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계(S400)에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 연료전지(10)로 공급하는 공기의 압력을 증가시키되, 연료전지(10)로 공급하는 수소의 압력을 기반으로 공기의 압력을 제어할 수 있다.
연료전지(10)의 전력 발전 중, 중저출력 상태에서는 애노드 측의 높은 수소 압력에 의해 수소가 캐소드 측으로 유입될 수 있다. 이에 따라, 애노드의 수소 압력을 증가시킴과 동시에 캐소드의 공기 압력을 증가시킬 수 있다.
다만, 공기가 애노드 측으로 유입되는 것보다 수소가 캐소드 측으로 유입되는 현상이 연료전지(10)의 내구성 확보에 유리한 점에서, 공기의 압력은 일부 상향시키거나 유지시킬 수 있다. 즉, 공기의 압력은 연료전지(10)로 공급하는 수소의 압력을 고려하여 수소의 압력보다는 작게 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 셀의 결함 정도에 따른 냉각수의 압력 증가량을 도시한 것이다.
도 8을 더 참조하면, 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계(S400)에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 연료전지(10)로 공급하는 냉각수의 압력을 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 연료전지(10)의 전력 발전 중, 연료전지(10)의 냉각을 위하여 냉각수를 공급하여야 하지만, 유입된 냉각수가 애노드 측 또는 캐소드 측으로 유입될 가능성이 있는 점에서, 냉각수의 압력을 감소시켜 공급할 수 있다. 이에 따라 감소되는 냉각 성능을 반영하여, 연료전지(10)의 발전 전력을 제한할 수도 있다.
연료전지(10)의 전력 발전을 중단한 FC Stop 모드에서는, 연료전지(10)의 냉각이 요구되지 않으므로, 냉각수를 순환시키지 않도록 냉각펌프의 구동을 Off하도록 제어할 수 있다.
단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계(S300) 이후에, 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태(S500)에서 연료전지(10)의 전압을 상한 전압 이하로 제어하는 단계(S600);를 더 포함하고, 상한 전압 이하로 제어하는 단계(S600)에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 상한 전압을 감소시킬 수 있다.
일반적으로 연료전지(10)의 전력 발전이 중단되고 연료전지(10)의 단위 셀 전압이 하강된 이후에는 연료전지(10)의 전압을 제어하지 않을 수 있다.
그러나 단위 셀의 결함 정도를 판단한 이후, 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 경우에는 연료전지(10)의 전압을 상한 전압 이하로 제어할 수 있고, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 상한 전압을 감소시킬 수 있다.
특히, 상한 전압을 연료전지(10)의 단위 셀마다 설정하고, 단위 셀의 전압이 상한 전압 이하로 유지되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서는 연료전지(10)를 COD(Cathode Oxygen Depletion) 저항에 연결시켜 상한 전압 이하로 유지할 수 있다.
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 20 : 수소공급계
30 : 공기공급계 40 : 냉각계
50 : 운전 제어부 60 : 모니터부
70 : 결함 판단부

Claims (18)

  1. 복수의 단위 셀이 포함된 연료전지;
    연료전지의 전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 운전 제어부;
    연료전지의 전력 발전이 중단된 상태인 경우, 연료전지에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링하는 모니터부; 및
    모니터부에서 모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 결함 판단부;를 포함하는 연료전지의 운전 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    결함 판단부에서는, 복수의 단위 셀의 평균 전압을 기반으로 설정된 기준 전압과 비교함으로써 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    결함 판단부에서는, 단위 셀의 전압을 모니터링한 모니터링 시간 중 단위 셀의 전압이 기준 전압 이상으로 지속된 지속 시간의 비율을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    결함 판단부에서는, 모니터링 시간 및 지속 시간은 평균 전압이 기설정된 판단 전압 이하부터 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    운전 제어부에서는, 결함 판단부에서 판단한 단위 셀의 결함 정도를 기반으로 연료전지로 공급되는 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어시스템.
  6. 연료전지의 전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 단계;
    연료전지의 전력 발전이 중단된 경우, 연료전지에 포함된 단위 셀의 전압을 모니터링하는 단계; 및
    모니터링한 단위 셀의 전압을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계;를 포함하는 연료전지의 운전 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    전력 발전이 중단된 상태인지 여부를 판단하는 단계에서는, 연료전지의 발전 전력이 요구되지 않아 연료전지로 공기 공급이 중단된 상태인지 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 복수의 단위 셀의 평균 전압을 기반으로 설정된 기준 전압과 비교함으로써 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    기준 전압은 평균 전압에 기설정된 오프셋 전압을 가산한 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 단위 셀의 전압을 모니터링한 모니터링 시간 중 단위 셀의 전압이 기준 전압 이상으로 지속된 지속 시간의 비율을 기반으로 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 모니터링 시간 및 지속 시간은 평균 전압이 기설정된 판단 전압 이하부터 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율을 기반으로 기매핑된 맵에 따라 단위 셀의 결함 정도를 판단하고,
    기매핑된 맵은 판단 전압이 증가할수록 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율의 기준값이 증가하도록 기매핑된 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계에서는, 기준 전압은 평균 전압에 기설정된 오프셋 전압을 가산하여 설정하고,
    기매핑된 맵은 오프셋 전압이 증가할수록 단위 셀의 결함 정도를 판단하는 모니터링 시간 중 지속 시간의 비율의 기준값이 증가하도록 기매핑된 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  14. 청구항 6에 있어서,
    단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계 이후에, 판단한 단위 셀의 결함 정도를 기반으로 연료전지로 공급되는 수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 연료전지로 공급하는 수소의 압력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 연료전지로 공급하는 공기의 압력을 증가시키되, 연료전지로 공급하는 수소의 압력을 기반으로 공기의 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    수소, 공기 또는 냉각수의 제어를 수정하는 단계에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 연료전지로 공급하는 냉각수의 압력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
  18. 청구항 6에 있어서,
    단위 셀의 결함 정도를 판단하는 단계 이후에, 연료전지의 전력 발전이 중단된 상태에서 연료전지의 전압을 상한 전압 이하로 제어하는 단계;를 더 포함하고,
    상한 전압 이하로 제어하는 단계에서는, 판단한 단위 셀의 결함 정도가 증가될수록 상한 전압을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전 제어방법.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003278810A1 (en) * 2002-09-12 2004-04-30 Metallic Power, Inc. Self-controlling fuel cell power system
JP5380972B2 (ja) * 2008-09-25 2014-01-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、及び、その異常検知方法
ES2395695T3 (es) * 2009-03-18 2013-02-14 Vito Nv Sistema de células de potencia con medios para detectar una discontinuidad
JP6400044B2 (ja) * 2016-05-30 2018-10-03 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその運転停止方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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