KR20210041971A - 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법 - Google Patents

연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법 Download PDF

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이현재
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Abstract

수소와 산소를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지에서 배출된 수소를 재순환시키면서 연료전지로 공급하는 수소공급라인; 연료전지의 운전이 종료된 시점부터 연료전지의 재기동시까지의 지속시간을 측정하는 시간측정부; 시간측정부에서 측정한 지속시간을 이용하여 지속시간동안 연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 공기량추정부; 및 시간측정부에서 측정한 지속시간 및 공기량추정부에서 추정한 유입된 공기량을 기반으로 연료전지의 재기동시 수소공급라인의 수소 농도를 추정하는 농도추정부;를 포함하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법이 소개된다.

Description

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 수소 농도 추정시스템 및 추정방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 연료전지의 시동 오프 상태에서 연료전지의 애노드 측 수소 농도를 정확하게 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 수소공급라인에서 적절한 수소 퍼지 제어가 이루어진다. 수소 퍼지 제어는 일반적으로 수소 농도를 실시간으로 추정하고, 이에 따라 적절한 수준의 수소 농도가 유지되도록 수소 퍼지 제어를 실시한다.
종래 기술에 따르면, 연료전지의 애노드 측 수소 농도를 측정하기 어려워, 애노드 측의 초기 농도를 이용하여 지속적으로 수소 농도를 추정하는 기술이 이용되었다. 그러나 연료전지의 시동시 애노드 측의 초기 농도를 정확하게 추정하기 어려운 문제가 있었다. 특히, 시동 초기에 추정 정확도가 부족한 점을 보완하기 위하여 수소를 과공급함으로써 연비가 저하하는 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, 연료전지의 시동 오프 상태에서 애노드 측의 수소 농도 변화에 따른 연료전지의 시동시 초기 수소 농도를 정확하게 추정함으로써 정확도가 향상된 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 수소 농도 추정시스템은 수소와 산소를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지에서 배출된 수소를 재순환시키면서 연료전지로 공급하는 수소공급라인; 연료전지의 운전이 종료된 시점부터 연료전지의 재기동시까지의 지속시간을 측정하는 시간측정부; 시간측정부에서 측정한 지속시간을 이용하여 지속시간동안 연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 공기량추정부; 및 시간측정부에서 측정한 지속시간 및 공기량추정부에서 추정한 유입된 공기량을 기반으로 연료전지의 재기동시 수소공급라인의 수소 농도를 추정하는 농도추정부;를 포함한다.
공기량추정부에서는, 연료전지의 재기동시 수소공급라인의 기체 압력을 측정하고, 측정한 수소공급라인의 기체 압력을 기반으로 연료전지의 캐소드 측으로 유입된 공기량을 추정할 수 있다.
공기량추정부에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 압력과 측정한 수소공급라인의 기체 압력 사이의 차이를 이용하여 유입된 공기량을 추정할 수 있다.
기준 압력은 연료전지로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지의 운전이 종료된 시점의 연료전지 운전온도에 따라 기매핑될 수 있다.
농도추정부에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 농도에 공기량추정부에서 추정한 유입된 공기량을 반영하여 최종 농도를 추정할 수 있다.
기준 농도는 연료전지로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지의 운전이 종료된 시점의 연료전지 운전온도에 따라 기매핑될 수 있다.
농도추정부에서는, 연료전지의 재기동시 추정한 수소공급라인의 수소 농도에 연료전지의 재기동 이후 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버되는 크로스오버량 및 퍼지량을 반영하여 수소공급라인의 수소 농도를 모니터링할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법은 연료전지의 운전이 종료된 시점부터 연료전지의 재기동시까지의 지속시간을 측정하는 단계; 지속시간을 측정하는 단계에서 측정한 지속시간을 이용하여 지속시간동안 연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 단계; 및 측정한 지속시간 및 추정한 유입된 공기량을 기반으로 연료전지의 재기동시 수소공급라인의 수소 농도를 추정하는 단계;를 포함한다.
연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 단계 이전에, 연료전지의 재기동시 수소공급라인의 기체 압력을 측정하는 단계;를 더 포함하고, 연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 단계에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 압력과 기체 압력을 측정하는 단계에서 측정한 수소공급라인의 기체 압력 사이의 차이를 이용하여 연료전지의 캐소드 측으로 유입된 공기량을 추정할 수 있다.
연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 단계에서는, 측정한 지속시간이 기설정된 시간 이상이면 공기공급라인의 차단된 영역과 수소공급라인을 단일의 밀폐계로 가정하여 연료전지로 유입된 공기량을 추정할 수 있다.
지속시간을 측정하는 단계 이전에, 연료전지의 운전이 종료된 시점에 연료전지의 운전온도를 저장하는 단계;를 더 포함하고, 기준 압력은 연료전지로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지의 운전이 종료된 시점의 연료전지 운전온도에 따라 기매핑될 수 있다.
수소공급라인의 수소 농도를 추정하는 단계에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 농도에 공기량추정부에서 추정한 유입된 공기량을 반영하여 최종 농도를 추정할 수 있다.
지속시간을 측정하는 단계 이전에, 연료전지의 운전이 종료된 시점에 연료전지의 운전온도를 저장하는 단계;를 더 포함하고, 기준 농도는 연료전지로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지의 운전이 종료된 시점의 연료전지 운전온도에 따라 기매핑될 수 있다.
수소공급라인의 수소 농도를 추정하는 단계 이후에, 연료전지의 재기동시 추정한 수소공급라인의 수소 농도에 연료전지의 재기동 이후 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버되는 크로스오버량 및 퍼지량을 반영하여 수소공급라인의 수소 농도를 모니터링하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
수소공급라인의 수소 농도를 모니터링하는 단계에서는, 연료전지의 재기동시 추정한 수소공급라인의 수소 농도를 이용하여 연료전지의 재기동시 질소 농도 및 증기 농도를 추정하고, 추정한 질소 농도 및 증기 농도에 질소 및 증기의 크로스오버량과 질소 및 증기의 퍼지량을 반영하여 수소공급라인의 수소 농도를 모니터링할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법에 따르면, 연료전지의 운전 중단 후 재기동시 수소 농도를 정확하게 추정하는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지의 운전 중 수소 농도를 추정하는 정확도가 향상됨에 따라 연료전지의 내구성 및 연비가 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 수소 농도 추정방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지속시간에 따른 수소공급라인의 압력맵을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지속시간에 따른 수소공급라인의 수소 농도맵을 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 수소 농도 추정시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 수소 농도 추정시스템은 수소와 산소를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지(10); 연료전지(10)에서 배출된 수소를 재순환시키면서 연료전지(10)로 공급하는 수소공급라인(20); 연료전지(10)의 운전이 종료된 시점부터 연료전지(10)의 재기동시까지의 지속시간을 측정하는 시간측정부(40); 시간측정부(40)에서 측정한 지속시간을 이용하여 지속시간동안 연료전지(10)로 유입된 공기량을 추정하는 공기량추정부(50); 및 시간측정부(40)에서 측정한 지속시간 및 공기량추정부(50)에서 추정한 유입된 공기량을 기반으로 연료전지(10)의 재기동시 수소공급라인(20)의 수소 농도를 추정하는 농도추정부(70);를 포함한다.
연료전지(10)는 내부에 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함한 연료전지(10) 스택일 수 있다. 공기 중의 산소와 수소가 내부에서 서로 화학 반응함으로써 전기에너지를 발전할 수 있다.
수소공급라인(20)은 연료전지(10)의 애노드(Anode) 측에 연결되어 연료전지(10)에 수소를 공급한다. 특히, 수소공급라인(20)은 연료전지(10)의 출구에서 배출된 수소를 다시 연료전지(10)의 입구로 재순환되도록 연결될 수 있다.
공기량추정부(50)에서는, 연료전지(10)의 재기동시 수소공급라인(20)의 기체 압력을 측정하고, 측정한 수소공급라인(20)의 기체 압력을 기반으로 연료전지(10)의 캐소드 측으로 유입된 공기량을 추정할 수 있다.
수소공급라인(20)에는 수소공급라인(20) 내부의 압력을 측정하는 압력센서(21)가 더 포함될 수 있다.
공기량추정부(50)에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 압력과 측정한 수소공급라인(20)의 기체 압력 사이의 차이를 이용하여 유입된 공기량을 추정할 수 있다.
기준 압력은 연료전지(10)로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지(10)의 운전온도에 따라 기매핑될 수 있다. 특히, 연료전지(10)의 운전온도는 운전이 종료된 시점의 온도일 수 있다.
농도추정부(70)에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 농도에 공기량추정부(50)에서 추정한 유입된 공기량을 반영하여 최종 농도를 추정할 수 있다.
기준 농도는 연료전지(10)로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지(10)의 운전온도에 따라 기매핑될 수 있다. 특히, 연료전지(10)의 운전온도는 운전이 종료된 시점의 온도일 수 있다.
농도추정부(70)에서는, 연료전지(10)의 재기동시 추정한 수소공급라인(20)의 수소 농도에 연료전지(10)의 재기동 이후 연료전지(10)의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버되는 크로스오버량 및 퍼지량을 반영하여 수소공급라인(20)의 수소 농도를 모니터링할 수 있다.
퍼지제어부(80)에서는, 농도추정부(70)에서 모니터링한 수소공급라인(20)의 수소 농도를 이용하여 수소공급라인(20)의 퍼지를 제어할 수 있다. 구체적으로, 퍼지제어부(80)는 수소공급라인(20) 중 연료전지(10)의 출구 측에 위치된 퍼지밸브(22)를 개방함으로써 퍼지를 제어할 수 있다. 퍼지밸브(22)가 개방되는 퍼지 제어에 의해 수소공급라인(20)의 수소를 포함한 기체는 외부로 배출된다.
퍼지 제어에 따라, 질소 등의 불순물이 포함된 수소공급라인(20)의 기체가 외부로 배출되고 순수한 수소가 공급되어 수소공급라인(20)의 수소 농도가 유지될 수 있다. 일 실시예로, 퍼지제어부(80)는 농도추정부(70)에서 추정한 수소공급라인(20)의 수소 농도가 기설정된 수소 농도(예를 들어, 60%) 이하이면 퍼지밸브(22)를 개방하도록 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 수소 농도 추정방법의 순서도이다.
도 2를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 수소 농도 추정방법은 연료전지(10)의 운전이 종료된 시점부터 연료전지(10)의 재기동시까지의 지속시간을 측정하는 단계(S300); 지속시간을 측정하는 단계(S300)에서 측정한 지속시간을 이용하여 지속시간동안 연료전지(10)로 유입된 공기량을 추정하는 단계(S600); 및 측정한 지속시간 및 추정한 유입된 공기량을 기반으로 연료전지(10)의 재기동시 수소공급라인(20)의 수소 농도를 추정하는 단계(S700);를 포함한다.
종래 기술에 따르면, 연료전지(10) 또는 연료전지(10) 차량의 시동 Off 신호에 따라 연료전지(10)의 운전이 종료되면, 연료전지(10)의 재기동시까지의 지속시간에 따른 수소 농도 맵에 의해 연료전지(10)의 재기동시 수소공급라인(20)의 수소 농도를 추정하였다.
연료전지(10)의 운전이 종료된 상태(S100)에서 연료전지(10)의 공기공급라인은 밀폐되도록 제어되나, 공기공급라인의 공기공급밸브(31) 또는 공기차단밸브(32)에는 누기가 발생하고, 이러한 누기량은 제품마다 편차가 크게 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 연료전지(10)의 운전이 종료된 상태에서 연료전지(10)로 유입된 공기량을 추정하고, 이를 반영하여 연료전지(10)의 재기동시 수소공급라인(20)의 수소 농도를 추정함으로써 더 정확한 수소 농도 추정이 가능한 효과를 갖는다.
지속시간을 측정하는 단계(S300)에서는, 연료전지(10)의 운전이 종료된 시점부터(S100) 연료전지가 재기동된 시점(S400)까지 지속된 시간을 카운팅함으로써 지속시간을 측정할 수 있다. 연료전지(10)의 운전이 종료된 시점은 연료전지(10)로 공기 공급이 차단된 시점일 수 있다.
더 구체적으로, 연료전지(10)로 유입된 공기량을 추정하는 단계(S600) 이전에, 연료전지(10)의 재기동시 수소공급라인(20)의 기체 압력을 측정하는 단계(S500);를 더 포함하고, 연료전지(10)로 유입된 공기량을 추정하는 단계(S600)에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 압력과 기체 압력을 측정하는 단계(S500)에서 측정한 수소공급라인(20)의 기체 압력 사이의 차이를 이용하여 연료전지(10)의 캐소드 측으로 유입된 공기량을 추정할 수 있다.
특히, 연료전지(10)로 유입된 공기량을 추정하는 단계(S600)에서는, 측정한 지속시간이 기설정된 시간 이상이면 공기공급라인의 차단된 영역과 수소공급라인(20)을 단일의 밀폐계로 가정하여 연료전지(10)로 유입된 공기량을 추정할 수 있다.
기설정된 시간은 예를 들어 1시간으로 기설정될 수 있다. 측정한 지속시간이 기설정된 시간 이상이 되면, 연료전지(10)의 애노드 측과 캐소드 측 사이의 크로스오버에 의해 기체 조성이 거의 동일해질 수 있다. 특히, 수소공급라인(20) 및 공기공급라인의 차단된 영역에는 잔류 산소가 소모되고, 수소, 질소 및 증기는 균일한 것으로 가정할 수 있다.
또한, 측정한 지속시간이 기설정된 시간 이상이 되면, 외부에서 연료전지(10)의 캐소드 측으로 공기가 유입되더라도 단일의 밀폐계 안에서 확산되는 것으로 가정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지속시간에 따른 수소공급라인(20)의 압력맵을 도시한 것이다.
도 3을 더 참조하면, 지속시간을 측정하는 단계(S300) 이전에, 연료전지(10)의 운전온도를 저장하는 단계(S200);를 더 포함할 수 있다. 특히, 연료전지(10)의 운전온도는 운전이 종료된 시점의 온도일 수 있다.
구체적으로, 온도센서(11)를 통하여 연료전지(10)의 운전온도가 측정될 수 있고, 일 실시예로 온도센서(11)를 통하여 연료전지(10)의 출구 측으로 배출되는 냉각수 온도를 측정함으로써 연료전지(10)의 운전온도를 추정할 수 있다.
연료전지(10)의 운전온도를 저장하는 단계(S200)에서는, 연료전지(10)의 운전이 종료되어 연료전지(10)로 공기 공급이 차단되는 시점에서 연료전지(10)의 운전온도를 메모리(60)에 저장할 수 있다.
메모리(60)에 저장된 기준 압력은 연료전지(10)로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지(10)의 운전온도에 따라 기매핑될 수 있다. 특히, 연료전지(10)의 운전온도는 운전이 종료된 시점의 온도일 수 있다.
기준 압력은 연료전지(10)의 운전이 종료된 상태에서 수소공급라인(20) 및 공기공급라인의 차단된 영역이 완전히 밀폐되어 연료전지(10)로 공기가 유입되지 않는 상태에서 실험 등에 의해 기매핑될 수 있다.
수소공급라인(20)은 연료전지(10)의 운전온도가 높을수록 증기의 분압이 크게 감소됨에 따라 연료전지(10)의 운전이 종료된 초기에 압력 저하가 크게 발생할 수 있다.
도 3에 도시한 것과 같이, 연료전지(10)의 운전온도가 높을수록 연료전지(10)의 운전 상태에서 증기압이 크고, 연료전지(10)의 운전이 종료되어 수소공급라인(20)의 온도가 감소되면 응축되는 증기량이 크게 발생되어 압력 저하가 크게 발생할 수 있다.
따라서, 기준 압력은 운전 종료 지속시간 뿐만 아니라 연료전지(10)의 운전이 종료된 시점의 연료전지(10) 운전온도에 따라 기매핑될 수 있다.
더 구체적으로, 측정한 수소공급라인(20)의 기체 압력이 기준 압력과 같거나 작은 경우에는 연료전지(10)로 유입된 공기량이 0인 것으로 판단할 수 있다.
또한, 추정한 연료전지(10)로 유입된 공기량이 0인 경우, 수소공급라인(20)의 수소 농도를 추정하는 단계(S700)에서는, 수소공급라인(20)의 수소 농도를 메모리(60)에 기저장된 기준 농도로 추정할 수 있다.
반면, 측정한 수소공급라인(20)의 기체 압력이 기준 압력보다 큰 경우에는 연료전지(10)로 유입된 공기량을 추정할 수 있다.
일 실시예로, 외부에서 공기가 유입되지 않은 상태에서 연료전지(10) 내부의 기체를
Figure pat00001
[mol]로 가정한다면, 외부의 공기가 연료전지(10)로 x [mol] 유입된 경우에 연료전지(10) 내부의 기체는
Figure pat00002
[mol]일 수 있다.
여기서, 연료전지(10) 내부는 단일의 밀폐계로 가정한 공기공급라인의 차단된 영역과 수소공급라인(20)의 내부일 수 있다.
또한, 외부의 공기가 유입되지 않은 상태의 연료전지(10) 내부의 기체는 잔존 산소가 모두 소모되어 아래의 수식과 같이 질소, 수소 및 증기의 합으로 표현될 수 있다.
Figure pat00003
또한, 유입된 외부의 공기 중 산소의 농도가 20%이고, 질소의 농도가 80%인 것으로 가정한다면, 아래와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00004
=
Figure pat00005
이 중에서, 0.4 x [mol]의 수소와 0.2 x [mol]의 산소가 서로 반응하면 물이 생성되고, 이에 따라 x [mol]의 공기가 유입되면 0.4 x [mol]의 수소와 0.2 x [mol]의 산소가 제거되고, 연료전지(10) 내부의 기체는 0.4 x [mol] 만큼 증가될 것이다.
즉, 연료전지(10) 내부로 x [mol]의 기체가 유입되면, 0.8 x [mol]의 질소가 증가되고, 0.4 x [mol]의 수소가 감소되어 연료전지(10) 내부에 포함된 전체 기체량은 아래와 같이 증가될 것이다.
Figure pat00006
따라서, 재기동시 측정한 수소공급라인(20)의 기체 압력(P')과 기준 압력(P)는 아래와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, Vst는 단일의 밀폐계로 가정한 공기공급라인의 차단된 영역과 수소공급라인(20)의 내부의 부피이고, R은 기체 상수이며, T는 재기동시 수소공급라인(20) 내부의 온도(또는 연료전지(10)의 온도)일 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
이에 따라, 재기동시 측정한 수소공급라인(20)의 기체 압력(P')과 기준 압력(P) 사이의 차이인 압력차(△P)는 아래와 같이 나타낼 수 있고, 이에 따라 연료전지(10)로 유입된 공기량(x [mol])은 아래와 같이 추정할 수 있다.
Figure pat00009
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지속시간에 따른 수소공급라인(20)의 수소 농도맵을 도시한 것이다.
도 4를 더 참조하면, 수소공급라인(20)의 수소 농도를 추정하는 단계(S700)에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 농도에 공기량추정부(50)에서 추정한 유입된 공기량을 반영하여 최종 농도를 추정할 수 있다.
특히, 지속시간을 측정하는 단계(S300) 이전에, 연료전지(10)의 운전이 종료된 시점에 연료전지(10)의 운전온도를 저장하는 단계(S200);를 더 포함하고, 기준 농도는 연료전지(10)로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지(10)의 운전이 종료된 시점의 연료전지(10) 운전온도에 따라 기매핑될 수 있다.
기준 농도는 연료전지(10)의 운전이 종료된 상태에서 수소공급라인(20) 및 공기공급라인의 차단된 영역이 완전히 밀폐되어 연료전지(10)로 공기가 유입되지 않는 상태에서 실험 등에 의해 기매핑될 수 있다.
기준 농도는 연료전지(10)의 운전이 종료된 시점의 연료전지(10) 운전온도가 높을수록 수소 농도 저하가 크게 발생할 수 있다. 이러한 현상 또한 증기 분압의 영향일 수 있다.
수소공급라인(20)의 수소 농도를 추정하는 단계(S700)에서, 최종 농도는 기준 농도에 추정한 유입된 공기량을 반영하여 추정할 수 있다.
추정한 연료전지(10)로 유입된 공기량(x [mol])에 의해 최종 질소량 및 최종 수소량은 아래와 같이 기준 질소량(
Figure pat00010
) 및 기준 수소량(
Figure pat00011
)으로부터 수정될 수 있다.
Figure pat00012
Figure pat00013
기준 수소량(
Figure pat00014
)은 수소의 기준 농도로부터 밀폐계의 압력 및 부피에 따른 기체 방정식을 이용하여 산출될 수 있고, 전체 기체량에서 기준 질소량(
Figure pat00015
)은 기준 수소량(
Figure pat00016
) 및 증기량을 감산하여 산출될 수 있다.
특히, 추정한 연료전지(10)로 유입된 공기량(x [mol])을 반영한 수소의 최종 농도(
Figure pat00017
)는 아래와 같이 추정될 수 있다.
Figure pat00018
수소공급라인(20)의 수소 농도를 추정하는 단계(S700) 이후에, 연료전지(10)의 재기동시 추정한 수소공급라인(20)의 수소 농도에 연료전지(10)의 재기동 이후 연료전지(10)의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버되는 크로스오버량 및 퍼지량을 반영하여 수소공급라인(20)의 수소 농도를 모니터링하는 단계(S800);를 더 포함할 수 있다.
특히, 수소공급라인(20)의 수소 농도를 모니터링하는 단계(S800)에서는, 연료전지(10)의 재기동시 추정한 수소공급라인(20)의 수소 농도를 이용하여 연료전지(10)의 재기동시 질소 농도 및 증기 농도를 추정하고, 추정한 질소 농도 및 증기 농도에 질소 및 증기의 크로스오버량과 질소 및 증기의 퍼지량을 반영하여 수소공급라인(20)의 수소 농도를 모니터링할 수 있다.
수소공급라인(20)의 수소 농도는 수소공급라인(20)의 전체기체량에서 질소량 및 증기량을 감산하여 산출된 수소량을 이용하여 모니터링할 수 있다.
수소공급라인(20)의 전체기체량(
Figure pat00019
)은 아래의 수식과 같이 이상기체 상태 방정식으로부터 수소공급라인(20)의 기체 압력(P), 부피(V) 및 온도(T)를 이용하여 추정할 수 있다.
Figure pat00020
[mol]
여기서, R : 가스 상수, 8.314 [J/molK]이다.
기체 확산율은 연료전지(10) 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 pat00021
여기서,
Figure pat00022
은 기체의 질량확산율(g/s), A는 확산면적, D는 기체 확산계수, x는 확산 거리, c는 기체 농도, R은 보편기체상수(8.314 J/mol
는 기체 압력, T는 기체 온도, M는 기체의 몰질량(g/mol)이다. 이를 아래와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00023
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
은 기체 확산율(mol/s)이다.
즉, 연료전지(10)의 전해질막 사이로 크로스오버된 기체량은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00026
여기서,
Figure pat00027
: 질소의 확산율, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 전해질막 면적,
Figure pat00028
: 전해질막 두께,
Figure pat00029
: 연료전지(10)의 캐소드측 질소 분압,
Figure pat00030
: 연료전지(10)의 애노드측 질소 분압
Figure pat00031
여기서,
Figure pat00032
: 증기의 확산율, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 전해질막 면적,
Figure pat00033
: 전해질막 두께,
Figure pat00034
: 연료전지(10)의 캐소드측 증기 분압,
Figure pat00035
: 연료전지(10)의 애노드측 증기 분압
수소는 이들과 반대로, 연료전지(10)의 애노드 측에서 캐소드 측으로 크로스오버될 수 있다.
Figure pat00036
여기서,
Figure pat00037
: 수소의 확산율, P : 압력, [kPa], R : 가스 상수, 8.314 [J/mol/K], T : 온도, [K], D: 확산계수, A : 전해질막 면적,
Figure pat00038
: 전해질막 두께,
Figure pat00039
: 애노드 측 수소 분압,
Figure pat00040
: 캐소드 측 수소 분압
또한, 기체 확산율은 기체 확산계수에 비례하고, 기체 확산계수는 연료전지(10)의 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 연료전지(10)의 열화도, 온도 등의 상태에 따라 가변되는 값을 이용할 수도 있다. 더 구체적으로, 기체 확산계수(D)는 연료전지(10)의 애노드 측과 캐소드 측 사이에 위치된 전해질막의 함수량 및 온도에 따라 가변되는 값을 이용하여 산출할 수 있다. 추가로, 연료전지(10)의 전해질막이 열화됨에 따라 기체 확산계수(D)가 가변되는 것으로 산출할 수도 있다.
기체 퍼지율(
Figure pat00041
)은 애노드 측의 기체 압력(
Figure pat00042
)과 외부의 기체 압력(
Figure pat00043
) 사이의 압력 차이에 비례할 수 있다. 외부의 기체 압력(
Figure pat00044
)은 캐소드 측의 기체 압력일 수 있다. 구체적인 수식은 아래와 같을 수 있다.
Figure pat00045
여기서, C는 퍼지 게인 값으로, 퍼지주기, 퍼지시 퍼지밸브(22)의 개도 및 퍼지밸브(22)의 개방시간 등에 의해 정해지는 값일 수 있다.
구체적으로 기체별 퍼지율은 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다(질소 퍼지율(
Figure pat00046
), 증기 퍼지율(
Figure pat00047
), 수소 퍼지율(
Figure pat00048
)).
Figure pat00049
Figure pat00050
Figure pat00051
수소공급라인(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 수소공급라인(20)의 현재 질소량을 산출하고 예측한 초기 증기량, 크로스오버된 증기량 및 퍼지된 증기량을 기반으로 수소공급라인(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 수소공급라인(20)의 기체량에서 현재 질소량 및 현재 증기량을 감산하여 산출할 수 있다.
따라서, 수소공급라인(20)의 기체 농도가 균일한 것으로 가정하여 수소공급라인(20)의 기체량, 현재 질소량, 현재 증기량 및 현재 수소량을 모두 산출함으로써 수소공급라인(20)의 수소 농도를 모니터링할 수 있다.
이에 따라, 산소와의 반응 등에 의해 추정하기 어려운 수소 농도를 질소량 및 증기량을 통하여 산출함으로써 수소 농도를 지속적으로 모니터링할 수 있다.
추가로, 수소공급라인(20)의 수소 농도를 모니터링하는 단계(S800)에서 모니터링한 수소공급라인(20)의 수소 농도를 기반으로 퍼지를 제어하는 단계(S900);를 더 포함할 수 있다.
퍼지를 제어하는 단계(S900)에서는 수소공급라인(20)의 수소 농도가 기설정된 농도 이하가 되면 퍼지밸브(22)를 개방하도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 정확도가 향상된 수소 농도 추정이 가능하고, 이에 따라 불필요한 퍼지를 방지하고 수소 농도가 일정 농도 이상을 유지하도록 적절하게 퍼지가 제어되어 연비를 향상시키고 연료전지(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 20 : 수소공급라인
30 : 공기공급라인 40 : 시간측정부
50 : 공기량추정부 60 : 메모리
70 : 농도추정부 80 : 퍼지제어부

Claims (15)

  1. 수소와 산소를 공급받아 전력을 발전하는 연료전지;
    연료전지에서 배출된 수소를 재순환시키면서 연료전지로 공급하는 수소공급라인;
    연료전지의 운전이 종료된 시점부터 연료전지의 재기동시까지의 지속시간을 측정하는 시간측정부;
    시간측정부에서 측정한 지속시간을 이용하여 지속시간동안 연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 공기량추정부; 및
    시간측정부에서 측정한 지속시간 및 공기량추정부에서 추정한 유입된 공기량을 기반으로 연료전지의 재기동시 수소공급라인의 수소 농도를 추정하는 농도추정부;를 포함하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    공기량추정부에서는, 연료전지의 재기동시 수소공급라인의 기체 압력을 측정하고, 측정한 수소공급라인의 기체 압력을 기반으로 연료전지의 캐소드 측으로 유입된 공기량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    공기량추정부에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 압력과 측정한 수소공급라인의 기체 압력 사이의 차이를 이용하여 유입된 공기량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    기준 압력은 연료전지로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지의 운전온도에 따라 기매핑된 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    농도추정부에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 농도에 공기량추정부에서 추정한 유입된 공기량을 반영하여 최종 농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    기준 농도는 연료전지로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지의 운전온도에 따라 기매핑된 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    농도추정부에서는, 연료전지의 재기동시 추정한 수소공급라인의 수소 농도에 연료전지의 재기동 이후 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버되는 크로스오버량 및 퍼지량을 반영하여 수소공급라인의 수소 농도를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정시스템.
  8. 연료전지의 운전이 종료된 시점부터 연료전지의 재기동시까지의 지속시간을 측정하는 단계;
    지속시간을 측정하는 단계에서 측정한 지속시간을 이용하여 지속시간동안 연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 단계; 및
    측정한 지속시간 및 추정한 유입된 공기량을 기반으로 연료전지의 재기동시 수소공급라인의 수소 농도를 추정하는 단계;를 포함하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 단계 이전에, 연료전지의 재기동시 수소공급라인의 기체 압력을 측정하는 단계;를 더 포함하고,
    연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 단계에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 압력과 기체 압력을 측정하는 단계에서 측정한 수소공급라인의 기체 압력 사이의 차이를 이용하여 연료전지의 캐소드 측으로 유입된 공기량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 단계에서는, 측정한 지속시간이 기설정된 시간 이상이면 공기공급라인의 차단된 영역과 수소공급라인을 단일의 밀폐계로 가정하여 연료전지로 유입된 공기량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    지속시간을 측정하는 단계 이전에, 연료전지의 운전온도를 저장하는 단계;를 더 포함하고,
    기준 압력은 연료전지로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지의 운전온도에 따라 기매핑된 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    수소공급라인의 수소 농도를 추정하는 단계에서는, 측정한 지속시간에 따른 기준 농도에 공기량추정부에서 추정한 유입된 공기량을 반영하여 최종 농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    지속시간을 측정하는 단계 이전에, 연료전지의 운전온도를 저장하는 단계;를 더 포함하고,
    기준 농도는 연료전지로 공기가 유입되지 않는 상태에서 지속시간 및 연료전지의 운전온도에 따라 기매핑된 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    수소공급라인의 수소 농도를 추정하는 단계 이후에, 연료전지의 재기동시 추정한 수소공급라인의 수소 농도에 연료전지의 재기동 이후 연료전지의 애노드 측과 캐소드 측 사이에서 크로스오버되는 크로스오버량 및 퍼지량을 반영하여 수소공급라인의 수소 농도를 모니터링하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    수소공급라인의 수소 농도를 모니터링하는 단계에서는, 연료전지의 재기동시 추정한 수소공급라인의 수소 농도를 이용하여 연료전지의 재기동시 질소 농도 및 증기 농도를 추정하고, 추정한 질소 농도 및 증기 농도에 질소 및 증기의 크로스오버량과 질소 및 증기의 퍼지량을 반영하여 수소공급라인의 수소 농도를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수소 농도 추정방법.
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