KR20210008672A - 연료전지의 퍼지량 추정시스템, 이를 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법 - Google Patents

연료전지의 퍼지량 추정시스템, 이를 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법 Download PDF

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Abstract

애노드 측으로 수소를 공급받고, 캐소드 측으로 산소를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지의 애노드 측과 연결되고, 내부에 수소가 포함된 기체가 순환되는 재순환라인; 재순환라인에 위치되고, 개방됨에 따라 재순환라인의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브; 퍼지밸브의 전단과 후단 사이의 차압을 산출하는 차압 산출부; 재순환라인의 현재 기체 확산 속도를 추정하는 속도 추정부; 및 차압 산출부에서 산출한 차압 및 속도 추정부에서 추정한 기체 확산 속도를 이용하여 퍼지밸브를 통한 퍼지량을 추정하는 퍼지량 추정부;를 포함하는 연료전지의 퍼지량 추정시스템이 소개된다.

Description

연료전지의 퍼지량 추정시스템, 이를 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법{SYSTEM FOR ESTIMATING PURGE AMOUNT OF FUEL CELL, SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING HYDROGEN CONCENTRATION USING THE SAME OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 퍼지량 추정시스템, 이를 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 연료전지의 애노드 측에서 외부로 배출되는 퍼지량을 더 정확하게 추정하고, 이를 이용하여 연료전지 스택으로 공급되는 수소의 농도를 추정하는 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.
특히, 애노드 측의 퍼지밸브를 개방함으로써 외부로 배출되는 기체의 퍼지량을 정확하게 추정할 수 없고, 기체 온도 또는 기체 농도에 따라 가변되는 기체의 퍼지량을 반영하지 못하는 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, 기체의 온도 및 농도를 반영하여 애노드 측에서 배출되는 퍼지량을 정확하게 추정하고, 이를 이용하여 애노드 측의 수소 농도를 추정하는 기술을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 퍼지량 추정시스템은 애노드 측으로 수소를 공급받고, 캐소드 측으로 산소를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지의 애노드 측과 연결되고, 내부에 수소가 포함된 기체가 순환되는 재순환라인; 재순환라인에 위치되고, 개방됨에 따라 재순환라인의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브; 퍼지밸브의 전단과 후단 사이의 차압을 산출하는 차압 산출부; 재순환라인의 현재 기체 확산 속도를 추정하는 속도 추정부; 및 차압 산출부에서 산출한 차압 및 속도 추정부에서 추정한 기체 확산 속도를 이용하여 퍼지밸브를 통한 퍼지량을 추정하는 퍼지량 추정부;를 포함한다.
속도 추정부에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 온도에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 기체 온도의 기설정된 온도에 대한 비의 제곱근을 곱하여 추정할 수 있다.
속도 추정부에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 평균 분자량에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 평균 분자량의 기설정된 평균 분자량에 대한 비의 제곱근을 제산하여 추정할 수 있다.
현재 평균 분자량은 재순환라인의 기체별 농도 및 기체별 분자량을 이용하여 추정할 수 있다.
퍼지량 추정부에서는, 퍼지량은 차압에 퍼지 게인을 곱하여 산출한 시간에 따른 퍼지율에 비례하는 것으로 추정하고, 퍼지 게인은 기설정된 게인에 속도 추정부에서 추정한 현재 기체 확산 속도를 반영하도록 수정될 수 있다.
퍼지량 추정부에서 추정한 퍼지량을 기반으로 퍼지밸브의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어하는 퍼지 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 퍼지량 추정시스템을 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템은 퍼지량 추정부에서 추정한 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 농도 추정부;를 더 포함할 수 있다.
농도 추정부에서는, 재순환라인의 전체 기체량, 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버된 크로스오버량 및 퍼지밸브를 통해 외부로 퍼지된 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정할 수 있다.
농도 추정부에서 추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어하는 퍼지 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법은 연료전지의 애노드 측에 수소가 포함된 기체를 순환시키는 재순환라인의 현재 기체 확산 속도를 추정하는 단계; 추정한 현재 기체 확산 속도를 반영하여 재순환라인에서 외부로 연결된 퍼지밸브를 통한 퍼지량을 추정하는 단계; 및 추정한 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 단계;를 포함한다.
현재 기체 확산 속도를 추정하는 단계에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 온도에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 기체 온도의 기설정된 온도에 대한 비의 제곱근을 곱하여 추정할 수 있다.
현재 기체 확산 속도를 추정하는 단계에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 평균 분자량에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 평균 분자량의 기설정된 평균 분자량에 대한 비의 제곱근을 제산하여 추정할 수 있다.
현재 평균 분자량은 재순환라인의 기체별 농도 및 기체별 분자량을 이용하여 추정할 수 있다.
퍼지량을 추정하는 단계에서는, 퍼지량은 차압에 퍼지 게인을 곱하여 산출한 시간에 따른 퍼지율에 비례하는 것으로 추정하고, 퍼지 게인을 기설정된 게인에 속도 추정부에서 추정한 현재 기체 확산 속도를 반영하도록 수정할 수 있다.
수소 농도를 추정하는 단계에서는, 재순환라인의 전체 기체량, 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버된 크로스오버량 및 퍼지밸브를 통해 외부로 퍼지된 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정할 수 있다.
수소 농도를 추정하는 단계에서는, 재순환라인의 전체 기체량에서 크로스오버량 및 퍼지량을 반영한 질소량과 증기량을 감산함으로써 재순환라인의 수소량을 추정할 수 있다.
수소 농도를 추정하는 단계 이후에, 추정한 퍼지량 또는 추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 조건에 따라 가변되는 기체 확산 속도를 반영하여 퍼지량을 추정함으로써 더 정확한 퍼지량 추정이 가능한 효과를 갖는다.
또한, 이에 따라 재순환라인의 수소 농도를 더 정확하게 추정 가능한 효과를 갖는다.
또한, 이에 따라 정확한 수소 농도를 이용하여 재순환라인의 수소 농도를 목표 농도로 유지하도록 수소공급계를 제어할 수 있어 연비 및 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 퍼지량 추정시스템 및 이를 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법의 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 연료전지(10)의 퍼지량 추정시스템 및 이를 이용한 연료전지(10)의 수소 농도 추정시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 수소 농도 추정방법의 순서도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 퍼지량 추정시스템은 애노드(11) 측으로 수소를 공급받고, 캐소드(12) 측으로 산소를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지(10); 연료전지(10)의 애노드(11) 측과 연결되고, 내부에 수소가 포함된 기체가 순환되는 재순환라인(20); 재순환라인(20)에 위치되고, 개방됨에 따라 재순환라인(20)의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브(30); 퍼지밸브(30)의 전단과 후단 사이의 차압을 산출하는 차압 산출부(40); 재순환라인(20)의 현재 기체 확산 속도를 추정하는 속도 추정부(50); 및 차압 산출부(40)에서 산출한 차압 및 속도 추정부(50)에서 추정한 기체 확산 속도를 이용하여 퍼지밸브(30)를 통한 퍼지량을 추정하는 퍼지량 추정부(60);를 포함한다.
연료전지(10)는 내부에 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함한 연료전지(10)의 스택(Stack)이고, 내부에서 산소와 수소가 서로 화학 반응함으로써 전기에너지를 발전한다.
구체적으로, 연료전지(10)의 애노드(11)(Anode) 측에는 수소를 포함한 기체가 공급되고, 연료전지(10)의 캐소드(12)(Cathode) 측에는 산소를 포함한 공기와 같은 기체가 공급될 수 있다.
재순환라인(20)은 연료전지(10)의 애노드(11) 측에 연결되어 연료전지(10) 스택에 수소를 공급한다. 특히, 연료전지(10)를 통과하여 출구로 배출된 수소가 포함된 기체를 다시 연료전지(10)의 입구로 재순환되도록 연결된다.
퍼지밸브(30)는 재순환라인(20) 중 연료전지(10)의 출구 측에 위치된다. 퍼지밸브(30)가 개방되는 퍼지 제어에 따라 재순환라인(20)의 수소를 포함한 기체는 외부로 배출된다. 퍼지 제어에 따라, 재순환라인(20)의 불순물이 포함된 기체는 외부로 배출되고, 수소탱크로부터 순수한 수소가 공급되어 재순환라인(20)의 수소 농도가 유지될 수 있다.
차압 산출부(40)는 퍼지밸브(30)의 전단과 후단의 차압를 퍼지밸브(30)의 전단 압력에서 후단 압력을 감산하여 산출할 수 있다. 구체적으로, 퍼지밸브(30)의 전단은 애노드(11) 측에 위치된 것으로, 재순환라인(20)에 마련된 압력센서를 이용하여 퍼지밸브(30)의 전단 압력을 측정할 수 있다. 또한, 퍼지밸브(30)의 후단은 차량의 외부에 연결되거나, 캐소드(12) 측의 출구에 연결될 수 있다.
속도 추정부(50)는 재순환라인(20)에 포함된 기체의 확산 속도를 추정할 수 있다. 퍼지밸브(30)를 통하여 배출되는 퍼지량은 기체 확산 속도에 영향을 받을 수 있다. 특히, 기체 확산 속도가 빠르면 동일한 조건에서 더 많은 기체가 배출될 수 있다. 이에 따라, 속도 추정부(50)는 재순환라인(20)의 기체 확산 속도를 추정할 수 있다.
퍼지량 추정부(60)는 차압 및 기체 확산 속도를 이용하여 퍼지량을 추정할 수 있다. 구체적으로, 퍼지량 추정부(60)는 시간에 따른 퍼지율과 시간을 곱하여 퍼지량을 산출할 수 있고, 시간에 따른 퍼지율은 차압에 퍼지 게인을 곱하여 산출할 수 있다.
여기서, 퍼지 게인은 퍼지주기, 퍼지시 퍼지밸브(30)의 개도 및 퍼지 밸브의 개방시간 등에 의해 기설정되는 값일 수 있다. 퍼지량 추정부(60)는 온도 또는 평균 분자량 등에 의해 가변되는 기체 확산 속도를 퍼지 게인에 반영할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따르면 조건에 따라 가변되는 기체 확산 속도를 반영하여 퍼지량을 추정함으로써 더 정확한 퍼지량 추정이 가능한 효과를 갖는다.
속도 추정부(50)에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 온도에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 기체 온도의 기설정된 온도에 대한 비의 제곱근을 곱하여 추정할 수 있다.
속도 추정부(50)에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 평균 분자량에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 평균 분자량의 기설정된 평균 분자량에 대한 비의 제곱근을 제산하여 추정할 수 있다.
구체적으로, 기체의 에너지(E)는 아래와 같이 온도(T)에 비례하고, 이는 분자의 운동에너지로 표현할 수 있다.
Figure pat00001
기체의 에너지는 기체의 온도가 가변됨에 따라 가변되고, 기체의 평균 분자량 또는 평균 속도(기체 확산 속도)에 따라 가변될 수 있다. 기준이 되는 기설정된 상태에서의 기체 에너지(Es)는 아래와 같을 수 있다. 여기서, 기설정된 상태에서의 평균 분자량은
Figure pat00002
이고, 기체 확산 속도는
Figure pat00003
이다.
Figure pat00004
기체의 온도 등과 같은 상태 조건이 가변된 경우, 기설정된 상태에서의 기체 에너지와 비교하면 아래와 같은 수식을 도출할 수 있다.
Figure pat00005
상기 수식을 기체 확산 속도에 관하여 정리하면 아래와 같다.
Figure pat00006
즉, 기체 확산 속도(<v>)는 온도의 제곱근에 비례하고, 평균 분자량의 제곱근에 반비례할 수 있다.
따라서, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 온도에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 기체 온도의 기설정된 온도에 대한 비의 제곱근을 곱하여 추정할 수 있고, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 평균 분자량에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 평균 분자량의 기설정된 평균 분자량에 대한 비의 제곱근을 제산하여 추정할 수 있다.
평균 분자량은 일 실시예로, 재순환라인(20)의 기체별 농도 및 기체별 분자량을 이용하여 추정할 수 있다. 재순환라인(20)의 기체별 농도는 후술하는 것과 같은 농도 추정부에서 추정한 수소량, 질소량 및 증기량을 기체별 농도로 이용할 수 있다.
기체별 분자량은 분자 1몰의 질량을 의미하는 것으로, 수소는 약 2.016[g], 질소는 약 28.016[g], 증기는 약 18.02[g]일 수 있다. 즉, 평균 분자량은 기체별 농도에 따른 기체별 분자량을 각각 곱하여 합산함으로써 산출할 수 있다.
기준 확산 속도가 정해지는 기설정된 온도 및 기설정된 평균 분자량은 연료전지(10)의 정상 운전 상태로 기설정될 수 있다. 예를 들어, 기준 확산 속도는 60 [℃]에서 수소 농도가 70[%]인 상태일 수 있다.
현재 기체 온도는 재순환라인(20)에 위치된 온도센서를 이용하여 직접 측정할 수 있고, 다른 실시예로는 연료전지(10)의 온도와 동일한 것으로 추정할 수 있다. 연료전지(10)의 온도는 연료전지(10) 출구 측의 냉각수 온도를 측정함으로써 간접적으로 측정할 수 있다.
현재 평균 분자량은 후술하는 농도 추정기에서 직전에 추정한 수소 농도를 기반으로 추정할 수 있다.
퍼지량 추정부(60)에서는, 퍼지량은 차압에 퍼지 게인을 곱한 시간에 따른 퍼지율에 비례하는 것으로 추정하고, 퍼지 게인은 기설정된 게인에 속도 추정부(50)에서 추정한 현재 기체 확산 속도를 반영하도록 수정될 수 있다.
구체적으로, 시간에 따른 퍼지율은 아래와 같이 차압과 퍼지 게인의 곱으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
퍼지 게인(C)는 기준 퍼지 게인(Cs)에 현재 기체 확산 속도를 반영하도록 수정함으로써 시간에 따른 퍼지율은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00008
다른 실시예로, 평균 분자량의 비는 재순환라인(20)에 포함된 기체의 밀도비와 동일한 것으로 가정할 수 있다. 이에 따라, 시간에 따른 퍼지율은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00009
또한, 이에 따라 재순환라인(20)의 수소 농도를 더 정확하게 추정 가능한 효과를 갖는다.
퍼지량 추정부(60)에서 추정한 퍼지량을 기반으로 퍼지밸브(30)의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어하는 퍼지 제어부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 퍼지 제어부는 기체 확산 속도가 가변됨에 따라 가변되는 퍼지량을 이전과 같도록 제어하기 위하여, 퍼지밸브(30)의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어할 수 있다. 이에 따라, 퍼지 게인(C)가 가변될 수 있다.
즉, 기체 확산 속도가 빨라진 경우, 퍼지량이 동일하도록 제어하기 위하여 퍼지밸브(30)의 개방 주기를 증가시키거나, 퍼지밸브(30)의 개방 개도를 감소시키거나, 또는 퍼지밸브(30)의 개방 유지시간을 감소시키도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 퍼지량 추정시스템을 이용한 연료전지(10)의 수소 농도 추정시스템으로, 퍼지량 추정부(60)에서 추정한 퍼지량을 기반으로 재순환라인(20)의 수소 농도를 추정하는 농도 추정부;를 포함할 수 있다.
농도 추정부에서는, 재순환라인(20)의 전체 기체량, 연료전지(10)의 애노드(11) 측과 캐소드(12) 측 사이에서 크로스오버된 크로스오버량 및 퍼지밸브(30)를 통해 외부로 퍼지된 퍼지량을 기반으로 재순환라인(20)의 수소 농도를 추정할 수 있다.
농도 추정부에서 추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브(30)의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어하는 퍼지 제어부;를 더 포함할 수 있다.
정확한 수소 농도를 이용하여 재순환라인(20)의 수소 농도를 목표 농도로 유지하도록 수소공급계를 제어할 수 있어 연비 및 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.
연료전지(10)의 수소 농도 추정시스템의 구체적인 구성은 연료전지(10)의 수소 농도 추정방법에 관한 설명에서 후술한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 수소 농도 추정방법은 연료전지(10)의 애노드(11) 측에 수소가 포함된 기체를 순환시키는 재순환라인(20)의 현재 기체 확산 속도를 추정하는 단계(S100); 추정한 현재 기체 확산 속도를 반영하여 재순환라인(20)에서 외부로 연결된 퍼지밸브(30)를 통한 퍼지량을 추정하는 단계(S200); 및 추정한 퍼지량을 기반으로 재순환라인(20)의 수소 농도를 추정하는 단계(S300);를 포함한다.
현재 기체 확산 속도를 추정하는 단계(S100)에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 온도에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 기체 온도의 기설정된 온도에 대한 비의 제곱근을 곱하여 추정할 수 있다.
현재 기체 확산 속도를 추정하는 단계(S100)에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 평균 분자량에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 평균 분자량의 기설정된 평균 분자량에 대한 비의 제곱근을 제산하여 추정할 수 있다.
현재 평균 분자량은 재순환라인(20)의 기체별 농도 및 기체별 분자량을 이용하여 추정할 수 있다.
퍼지량을 추정하는 단계(S200)에서는, 퍼지량은 차압에 퍼지 게인을 곱하여 산출한 시간에 따른 퍼지율에 비례하는 것으로 추정하고, 퍼지 게인을 기설정된 게인에 속도 추정부(50)에서 추정한 현재 기체 확산 속도를 반영하도록 수정할 수 있다.
수소 농도를 추정하는 단계(S300)에서는, 재순환라인(20)의 전체 기체량, 연료전지(10)의 애노드(11) 측과 캐소드(12) 측 사이에서 크로스오버된 크로스오버량 및 퍼지밸브(30)를 통해 외부로 퍼지된 퍼지량을 기반으로 재순환라인(20)의 수소 농도를 추정할 수 있다.
구체적으로 수소 농도를 추정하는 단계(S300)에서는, 재순환라인(20)의 전체 기체량에서 크로스오버량 및 퍼지량을 반영한 질소량과 증기량을 감산함으로써 재순환라인(20)의 수소량을 추정할 수 있다.
재순환라인(20)의 전체 기체량(
Figure pat00010
)은 아래의 수식과 같이 이상기체 상태 방정식으로부터 재순환라인(20)의 기체 압력(P), 부피(V) 및 온도(T)를 이용하여 추정할 수 있다.
Figure pat00011
[mol]
여기서, R : 가스 상수, 8.314 [J/molK]이다.
기체 확산율은 연료전지(10) 스택의 전해질막 두께에 반비례하고, 애노드(11) 측과 캐소드(12) 측 사이의 기체 분압차에 비례할 수 있다. 구체적으로, 크로스오버량은 아래와 같은 FICK's LAW(확산 법칙)를 적용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
은 기체의 질량확산율(g/s), A는 확산면적, D는 기체 확산계수, x는 확산 거리, c는 기체 농도, R은 보편기체상수(8.314 J/mol), P는 기체 압력, T는 기체 온도, M는 기체의 몰질량(g/mol)이다. 이를 아래와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00014
Figure pat00015
여기서,
Figure pat00016
은 시간에 따른 크로스오버율(mol/s)이다. 크로스오버량은 시간에 따른 크로스오버율에 시간을 곱하여 산출할 수 있다.
즉, 연료전지(10) 스택의 전해질막 사이로 크로스오버된 크로스오버율은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00017
여기서,
Figure pat00018
: 질소의 확산율, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 전해질막 면적,
Figure pat00019
: 전해질막 두께,
Figure pat00020
: 연료전지(10)의 캐소드(12)측 질소 분압,
Figure pat00021
: 연료전지(10)의 애노드(11)측 질소 분압
Figure pat00022
여기서,
Figure pat00023
: 증기의 확산율, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 전해질막 면적,
Figure pat00024
: 전해질막 두께,
Figure pat00025
: 연료전지(10)의 캐소드(12)측 증기 분압,
Figure pat00026
: 연료전지(10)의 애노드(11)측 증기 분압
수소는 이들과 반대로, 연료전지(10)의 애노드(11) 측에서 캐소드(12) 측으로 크로스오버될 수 있다.
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
: 수소의 확산율, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 전해질막 면적,
Figure pat00029
: 전해질막 두께,
Figure pat00030
: 애노드(11) 측 수소 분압,
Figure pat00031
: 캐소드(12) 측 수소 분압
또한, 크로스오버율은 기체 확산계수에 비례하고, 기체 확산계수(D)는 연료전지(10)의 애노드(11) 측과 캐소드(12) 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 연료전지(10)의 열화도, 온도 등의 상태에 따라 가변되는 값을 이용할 수도 있다. 더 구체적으로, 기체 확산계수(D)는 연료전지(10)의 애노드(11) 측과 캐소드(12) 측 사이에 위치된 전해질막의 함수량 및 온도에 따라 가변되는 값을 이용하여 산출할 수 있다. 추가로, 연료전지(10) 스택의 전해질막이 열화됨에 따라 기체 확산계수(D)가 가변되는 것으로 산출할 수도 있다.
기체별 퍼지율은 구체적으로 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다(질소 퍼지율(
Figure pat00032
), 증기 퍼지율(
Figure pat00033
), 수소 퍼지율(
Figure pat00034
)).
Figure pat00035
Figure pat00036
Figure pat00037
재순환라인(20)의 초기 질소량 및 초기 증기량을 각각 예측할 수 있다. 일 실시예로, 연료전지(10)의 시동 오프에 따른 연료전지(10)의 발전이 중단되기 이전에 추정한 질소량 및 증기량에 발전이 중단된 상태가 지속된 지속시간을 반영하여 재시동시의 초기 질소량 초기 증기량을 예측할 수 있다.
초기 질소량과 애노드(11) 측에서 크로스오버된 질소량 및 퍼지된 질소량을 각각 산출하여 크로스오버된 질소량 및 퍼지된 질소량을 기반으로 재순환라인(20)의 현재 질소량을 산출할 수 있다.
또한, 예측한 초기 증기량과 크로스오버된 증기량 및 퍼지된 증기량을 각각 산출하여 이들을 기반으로 재순환라인(20)의 현재 증기량을 산출할 수 있다.
수소 농도를 추정하는 단계(S300)에서는, 재순환라인(20)의 전체 기체량에서 현재 질소량과 현재 증기량을 감산함으로써 현재 수소량을 추정할 수 있다. 수소 농도는 현재 수소량을 전체 기체량으로 제산함으로써 추정할 수 있다.
수소 농도를 추정하는 단계(S300) 이후에, 추정한 퍼지량 또는 추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브(30)의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어하는 단계(S400);를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 추정한 수소 농도가 목표 수소 농도를 추종하는지 판단하고, 목표 수소 농도를 추종하도록 퍼지밸브(30)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 퍼지밸브(30)의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어함으로써 퍼지량을 가변하여 재순환라인(20)의 수소 농도를 제어할 수 있다.
또는, 재순환라인(20)의 수소 농도가 기설정된 범위 이내에서 유지되도록 추정한 수소 농도가 기설정된 하한값인 경우 기설정된 유지시간 동안 퍼지밸브(30)의 개방을 유지하거나 기설정된 상한값이 될 때까지 퍼지밸브(30)의 개방을 유지하도록 제어할 수 있다.
다른 실시예로, 수소탱크와 재순환라인(20) 사이의 수소공급밸브 또는 이젝터를 제어함으로써 재순환라인(20)의 수소 농도를 제어할 수 있다. 즉, 추정한 수소 농도가 목표 수소 농도보다 낮은 경우, 수소공급밸브를 개방하고 이젝터를 가동하여 재순환라인(20)에 수소를 공급하도록 제어할 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(10) 스택의 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 11 : 애노드
12 : 캐소드 20 : 재순환라인
30 : 퍼지밸브 40 : 차압 산출부
50 : 퍼지량 추정부 60 : 퍼지량 추정부

Claims (17)

  1. 애노드 측으로 수소를 공급받고, 캐소드 측으로 산소를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지;
    연료전지의 애노드 측과 연결되고, 내부에 수소가 포함된 기체가 순환되는 재순환라인;
    재순환라인에 위치되고, 개방됨에 따라 재순환라인의 기체를 외부로 배출하는 퍼지밸브;
    퍼지밸브의 전단과 후단 사이의 차압을 산출하는 차압 산출부;
    재순환라인의 현재 기체 확산 속도를 추정하는 속도 추정부; 및
    차압 산출부에서 산출한 차압 및 속도 추정부에서 추정한 기체 확산 속도를 이용하여 퍼지밸브를 통한 퍼지량을 추정하는 퍼지량 추정부;를 포함하는 연료전지의 퍼지량 추정시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    속도 추정부에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 온도에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 기체 온도의 기설정된 온도에 대한 비의 제곱근을 곱하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 퍼지량 추정시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    속도 추정부에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 평균 분자량에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 평균 분자량의 기설정된 평균 분자량에 대한 비의 제곱근을 제산하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 퍼지량 추정시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    현재 평균 분자량은 재순환라인의 기체별 농도 및 기체별 분자량을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 퍼지량 추정시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    퍼지량 추정부에서는, 퍼지량은 차압에 퍼지 게인을 곱하여 산출한 시간에 따른 퍼지율에 비례하는 것으로 추정하고, 퍼지 게인은 기설정된 게인에 속도 추정부에서 추정한 현재 기체 확산 속도를 반영하도록 수정된 것을 특징으로 하는 연료전지의 퍼지량 추정시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    퍼지량 추정부에서 추정한 퍼지량을 기반으로 퍼지밸브의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어하는 퍼지 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 퍼지량 추정시스템.
  7. 청구항 1의 연료전지의 퍼지량 추정시스템을 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템으로서,
    퍼지량 추정부에서 추정한 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 농도 추정부;를 더 포함하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    농도 추정부에서는, 재순환라인의 전체 기체량, 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버된 크로스오버량 및 퍼지밸브를 통해 외부로 퍼지된 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    농도 추정부에서 추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어하는 퍼지 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  10. 연료전지의 애노드 측에 수소가 포함된 기체를 순환시키는 재순환라인의 현재 기체 확산 속도를 추정하는 단계;
    추정한 현재 기체 확산 속도를 반영하여 재순환라인에서 외부로 연결된 퍼지밸브를 통한 퍼지량을 추정하는 단계; 및
    추정한 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 단계;를 포함하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    현재 기체 확산 속도를 추정하는 단계에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 온도에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 기체 온도의 기설정된 온도에 대한 비의 제곱근을 곱하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    현재 기체 확산 속도를 추정하는 단계에서는, 현재 기체 확산 속도는 기설정된 평균 분자량에서의 기준 기체 확산 속도와 현재 평균 분자량의 기설정된 평균 분자량에 대한 비의 제곱근을 제산하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    현재 평균 분자량은 재순환라인의 기체별 농도 및 기체별 분자량을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    퍼지량을 추정하는 단계에서는, 퍼지량은 차압에 퍼지 게인을 곱하여 산출한 시간에 따른 퍼지율에 비례하는 것으로 추정하고, 퍼지 게인을 기설정된 게인에 속도 추정부에서 추정한 현재 기체 확산 속도를 반영하도록 수정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    수소 농도를 추정하는 단계에서는, 재순환라인의 전체 기체량, 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버된 크로스오버량 및 퍼지밸브를 통해 외부로 퍼지된 퍼지량을 기반으로 재순환라인의 수소 농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    수소 농도를 추정하는 단계에서는, 재순환라인의 전체 기체량에서 크로스오버량 및 퍼지량을 반영한 질소량과 증기량을 감산함으로써 재순환라인의 수소량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  17. 청구항 10에 있어서,
    수소 농도를 추정하는 단계 이후에, 추정한 퍼지량 또는 추정한 수소 농도를 기반으로 퍼지밸브의 개방 주기, 개방 개도 또는 개방 유지시간을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
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