KR20210070451A - 연료전지의 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

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최성범
임충운
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Abstract

수소와 산소를 각각 공급받고, 내부에서 화학 반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지; 외기와 열교환 가능한 열교환장치가 구비되고, 내부에 냉각수가 순환하면서 연료전지와 열교환하는 냉각계; 연료전지 온도 또는 냉각계의 냉각수 온도를 감지하는 온도감지부; 및 연료전지가 전력 발전시 온도감지부에서 감지한 연료전지 온도 또는 냉각수 온도가 기설정된 성능저하온도 이상인 경우, 연료전지의 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어하는 냉각제어부;를 포함하는 연료전지의 제어시스템이 소개된다.

Description

연료전지의 제어시스템 및 제어방법 {CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF FUELCELL}
본 발명은 연료전지의 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 연료전지의 고출력 운전이 지속된 경우에 성능 회복을 위한 제어 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 전기에너지가 발생한다.
연료전지는 승용차 뿐만 아니라 SUV(Sport Utility Vehicle)에도 도입되었으며, 고출력 주행이 요구되는 버스 및 트럭 등 상용차 분야에도 적용되어 주행거리 확보 및 친환경적인 장점이 활용될 수 있다.
특히, 이러한 상용차 분야에서 장거리를 등판 주행하거나 또는 적재하중이 큰 경우에는 고출력 주행이 장시간 지속될 수 있으나, 연료전지 차량의 냉각계는 최대 냉각 성능에 한계가 있어 연료전지가 고온에서 운전되는 문제가 있었다.
승용차 또는 SUV의 경우에는 연료전지의 고온 운전을 회피하도록 연료전지의 출력을 제한하는 제어가 포함되기도 하지만, 상용차의 경우에는 차량의 구동 정지가 발생할 수 있어 안정성 측면에서 심각한 문제가 발생하여 출력 제한이 어려웠다. 따라서, 상용차에 적용되는 연료전지가 고온에 노출됨에 따라 성능 저하가 발생하고, 이에 따라 내구성이 저하되는 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 10-1405551 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지의 고출력이 지속되는 경우 연료전지의 발전 정지시 연료전지의 성능이 회복되도록 냉각 제어를 수행하는 기술을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 제어시스템은 수소와 산소를 각각 공급받고, 내부에서 화학 반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지; 외기와 열교환 가능한 열교환장치가 구비되고, 내부에 냉각수가 순환하면서 연료전지와 열교환하는 냉각계; 연료전지 온도 또는 냉각계의 냉각수 온도를 감지하는 온도감지부; 및 연료전지가 전력 발전시 온도감지부에서 감지한 연료전지 온도 또는 냉각수 온도가 기설정된 성능저하온도 이상인 경우, 연료전지의 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어하는 냉각제어부;를 포함한다.
온도감지부에서는, 냉각계의 냉각수 중 연료전지의 입구측으로 유입되는 냉각수 온도를 측정할 수 있다.
연료전지가 전력 발전시 연료전지에서 출력되는 전력 또는 전류의 크기를 모니터링하는 모니터링부;를 더 포함하고, 냉각제어부에서는, 모니터링한 연료전지의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어할 수 있다.
연료전지의 시동 온 이후, 모니터링부에서 모니터링한 연료전지의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상으로 유지되는 시간을 누적하여 측정하는 시간측정부;를 더 포함하고, 냉각제어부에서는, 시간측정부에서 측정한 누적 시간이 기설정된 시간 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어할 수 있다.
냉각제어부에서는, 연료전지의 발전 정지 요청시부터 기설정된 제1회복시간동안 연료전지를 냉각하도록 냉각계를 제어할 수 있다.
냉각제어부에서는, 냉각수를 기설정된 회복온도로 냉각시킨 이후에, 기설정된 제2회복시간동안 연료전지를 냉각하도록 냉각계를 제어할 수 있다.
냉각계에는 냉각수를 유동시키는 냉각펌프 및 라디에이터 주위의 외기를 유동시키는 냉각팬이 구비되고, 냉각제어부에서는, 냉각수의 온도가 기설정된 회복온도로 하강될 때까지 냉각펌프의 회전속도 또는 냉각팬의 회전속도를 최대로 제어하고, 제2회복시간동안 냉각수의 온도를 기설정된 회복온도로 유지되도록 냉각계를 제어할 수 있다.
연료전지의 셧다운이 요청되면 냉각제어부의 냉각계 제어 여부를 판단하고, 냉각제어부의 냉각계 제어가 완료된 이후에 연료전지의 셧다운을 제어하는 시동제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 제어방법은 연료전지가 전력 발전시 연료전지 온도 또는 냉각계의 냉각수 온도를 감지하는 단계; 감지한 연료전지 온도 또는 냉각수 온도를 기설정된 성능저하온도와 비교하는 단계; 및 감지한 연료전지 온도 또는 냉각수 온도가 기설정된 성능저하온도 이상인 경우, 연료전지의 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어하는 단계;를 포함한다.
냉각계를 제어하는 단계 이전에, 연료전지가 전력 발전시 연료전지에서 출력되는 전력 또는 전류의 크기를 모니터링하는 단계;를 더 포함하고, 냉각계를 제어하는 단계에서는, 모니터링한 연료전지의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어할 수 있다.
전력 또는 전류의 크기를 모니터링하는 단계 이후에, 연료전지의 시동 온 이후 모니터링한 연료전지의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상으로 유지되는 시간을 누적하여 측정하는 단계;를 더 포함하고, 냉각계를 제어하는 단계에서는, 시간측정부에서 측정한 누적 시간이 기설정된 시간 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어할 수 있다.
냉각계를 제어하는 단계에서는, 냉각수를 기설정된 회복온도로 냉각시킨 이후에, 기설정된 제2회복시간동안 연료전지를 냉각하도록 냉각계를 제어할 수 있다.
냉각계를 제어하는 단계에서는, 냉각수의 온도가 기설정된 회복온도로 하강될 때까지 냉각펌프의 회전속도 또는 냉각팬의 회전속도를 최대로 제어하고, 제2회복시간동안 냉각수의 온도를 기설정된 회복온도로 유지되도록 냉각계를 제어할 수 있다.
냉각계를 제어하는 단계 이후에, 연료전지의 셧다운 제어가 요청되면 냉각제어부의 냉각계 제어가 완료된 이후에 연료전지의 셧다운을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 연료전지의 발전시 저하된 연료전지 스택의 성능이 회복되는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 스택의 성능 회복에 의해 연료전지의 발전 효율이 향상되어 연비가 향상되는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 스택의 열화가 지연되어 내구성이 향상되고, 이에 따라 연료전지 스택의 수명이 연장되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 다양한 조건에서 연료전지의 고출력 운전에 따른 성능 저하를 도시한 것이다.
도 3 내지 도 4는 연료전지의 운전 온도 및 휴지기의 냉각 조건에 따른 연료전지의 성능 저하를 도시한 그래프 및 테이블이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 제어방법의 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 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 제어시스템은 수소와 산소를 각각 공급받고, 내부에서 화학 반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지(10); 외기와 열교환 가능한 열교환장치(21)가 구비되고, 내부에 냉각수가 순환하면서 연료전지(10)와 열교환하는 냉각계(20); 연료전지(10) 온도 또는 냉각계(20)의 냉각수 온도를 감지하는 온도감지부(30); 및 연료전지(10)가 전력 발전시 온도감지부(30)에서 감지한 연료전지(10) 온도 또는 냉각수 온도가 기설정된 성능저하온도 이상인 경우, 연료전지(10)의 발전 정지시에 연료전지(10)를 추가로 냉각하도록 냉각계(20)를 제어하는 냉각제어부(40);를 포함한다.
연료전지(10)는 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택(10)을 의미하는 것으로, 수소공급계로부터 수소를 공급받고, 공기공급계로부터 공기 중에 포함된 산소를 공급받아 내부에서 화학 반응을 유도할 수 있다.
연료전지(10)의 내부에서 수소와 산소의 반응에 의해 전자가 이동되고, 이에 따라 전류 및 전력이 발전될 수 있다. 또한, 연료전지(10)의 내부에서는 수소와 산소의 화학 반응에 의해 생성수가 생성될 수 있고, 추가로 열 에너지가 발생될 수 있다.
냉각계(20)는 연료전지(10)의 내부에서 발생되는 열을 외부로 배출하도록 냉각수를 순환시킬 수 있다. 냉각계(20)에는 냉각수를 순환시키는 냉각펌프(22), 내부에 유동되는 냉각수를 외기와 열교환 가능하게 외부로 노출시키는 열교환장치(21), 열교환장치(21) 주위의 외기를 유동시켜 열교환장치(21)의 열교환을 증폭하는 냉각팬(23) 등이 포함될 수 있다.
추가로, 냉각계(20)에는 열교환장치(21, 라디에이터)로 유동되는 냉각수와 열교환장치(21)를 바이패스하는 냉각수 사이의 유량비를 조절하는 유량조절밸브(24)가 더 포함될 수 있다.
냉각제어부(40)는 냉각계(20)의 냉각펌프(22), 냉각팬(23) 및 유량조절밸브(24)를 제어하여 연료전지(10)의 냉각을 제어할 수 있다. 구체적으로, 냉각펌프(22) 및 냉각팬(23)의 회전속도[RPM]을 제어하거나 유량조절밸브(24)의 개도를 제어함으로써 연료전지(10)로 유입되는 냉각수의 온도 또는 냉각수의 유량을 제어할 수 있다.
온도감지부(30)는 연료전지(10)가 전력 발전을 하는 중에 연료전지(10)의 온도 또는 냉각계(20)의 냉각수 온도를 감지할 수 있다. 연료전지(10)의 온도는 직접 측정하기 어려운 점에서, 온도감지부(30)는 연료전지(10) 입구측의 냉각수 온도 또는 출구측의 냉각수 온도를 기반으로 연료전지(10)의 온도를 추정할 수 있다.
냉각제어부(40)는 연료전지(10)의 발전 정지시 연료전지(10)를 냉각시킬 수 있다. 여기서, 발전 정지란 연료전지(10)의 시동 온 상태에서 연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 아이들 스탑(FC STOP) 또는 연료전지(10)의 시동 오프를 의미할 수 있다.
일반적으로, 연료전지(10)의 시동 오프 또는 아이들 스탑 모드의 요청시 연료전지(10)의 내부에서 발생하는 화학 반응을 중단하므로 연료전지(10)의 냉각 제어 또한 중단된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각제어부(40)는 연료전지(10)의 시동 오프 또는 아이들 스탑 모드의 요청시 연료전지(10)를 추가로 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다. 특히, 냉각제어부(40)는 연료전지(10)가 전력 발전시 온도감지부(30)에서 감지한 연료전지(10) 온도 또는 냉각수 온도가 기설정된 성능저하온도 이상인 경우에 연료전지(10)를 추가로 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
기설정된 성능저하온도는 연료전지(10)의 성능이 저하될 가능성이 높아지는 고온으로 기설정될 수 있다. 이에 따라, 연료전지(10)의 전력 발전 중에 연료전지(10)가 고온에 노출되었는지를 판단하고, 고온에 노출된 경우에는 연료전지(10)의 발전 정지시에 연료전지(10)를 냉각시킴으로써 연료전지(10)의 성능을 회복하는 효과를 갖는다. 구체적으로, 냉각계(20)가 연료전지(10)를 냉각함에 따라 드라이아웃 상태가 된 연료전지(10)의 내부에 증기를 응축시킴으로써 습도를 향상시켜 습윤한 상태가 되도록 연료전지(10)를 회복할 수 있다.
온도감지부(30)에서는, 냉각계(20)의 냉각수 중 연료전지(10)의 입구측으로 유입되는 냉각수 온도를 측정할 수 있다.
온도감지부(30)는 냉각계(20)의 다양한 위치에서 냉각수의 온도를 측정하거나, 연료전지(10)의 온도를 추정할 수 있으나, 특히 연료전지(10)의 입구측으로 유입되는 냉각수의 온도를 측정할 수 있다.
연료전지(10)의 입구측으로 유입되는 냉각수의 온도가 기설정된 성능저하온도 이상인 경우에는 연료전지(10)를 기설정된 성능저하온도 이하로 냉각하기 어려운 상황이며, 이에 따라 연료전지(10)의 운전 온도가 기설정된 성능저하온도 이상으로 유지되는 상황임을 알 수 있기 때문이다.
연료전지(10)가 전력 발전시 연료전지(10)에서 출력되는 전력 또는 전류의 크기를 모니터링하는 모니터링부(50);를 더 포함하고, 냉각제어부(40)에서는, 모니터링한 연료전지(10)의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지(10)를 추가로 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
모니터링부(50)는 연료전지(10)가 전력 발전하는 상태에서 연료전지(10)에서 출력하는 전력 또는 전류의 크기를 모니터링할 수 있다. 모니터링부(50)는 연료전지(10)와 모터 등의 구동계 사이에 연결된 메인버스단의 전압 또는 전류를 측정하는 전압센서 또는 전류센서와 연결될 수 있다.
냉각제어부(40)에서는 연료전지(10)에서 출력하는 전력의 크기가 기설정된 고전력기준 이상이거나, 연료전지(10)에서 출력하는 전류의 크기가 기설정된 고전류기준 이상인 경우인지 판단하고, 고전력기준 또는 고전류기준 이상인 경우에 발전정지시 연료전지(10)를 추가로 냉각할 수 있다.
추가로, 연료전지(10)의 시동 온 이후, 모니터링부(50)에서 모니터링한 연료전지(10)의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상으로 유지되는 시간을 누적하여 측정하는 시간측정부(60);를 더 포함하고, 냉각제어부(40)에서는, 시간측정부(60)에서 측정한 누적 시간이 기설정된 시간 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지(10)를 추가로 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
시간측정부(60)는 모니터링한 연료전지(10)의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 고전류기준 이상으로 유지되는 시간을 측정할 수 있다. 특히, 시간측정부(60)는 연료전지(10)의 시동 온 이후에 연료전지(10)의 전력 발전이 중단되기 이전까지의 누적 시간을 측정할 수 있다.
냉각제어부(40)에서는, 측정한 누적 시간이 기설정된 시간 이상인 경우에만 연료전지(10)를 추가로 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다. 즉, 연료전지(10)가 고출력으로 운전되는 시간이 장시간 지속되는 경우에 연료전지(10)를 회복시키도록 냉각시키는 제어가 요구될 수 있다.
다른 실시예로, 냉각제어부(40)는 측정한 누적 시간이 길수록 연료전지(10)를 추가로 냉각하는 회복시간을 증가시킬 수 있다.
연료전지(10)가 고출력으로 운전하는 경우에는 냉각계(20)의 냉각 성능이 부족함에 따라 연료전지(10)가 고온에 노출될 수 있다. 연료전지(10)가 고온에 노출되면 연료전지(10)로 공기가 유입되는 공기유입구는 드라이아웃(Dry-Out) 상태가 되고, 시간이 지속됨에 따라 그 영역이 증가되어 연료전지(10)의 내부 저항이 증대되는 문제가 발생한다. 즉, 연료전지(10)가 고출력으로 운전함에 따라 연료전지(10)의 성능 저하가 발생한다.
추가로, 연료전지(10)의 공기유입구의 드라이아웃이 확대됨에 따라 연료전지(10)의 내부에 포함된 막의 저항이 증대되고, 이에 따라 연료전지(10)의 비가역적인 열화가 발생하게 된다. 또한, 연료전지(10)의 재시동시 성능 저하에 따라 낮은 성능이 유지되면서 수소와 산소의 반응에 따른 발열을 증대시켜 연료전지(10)의 운전 온도가 더 상승되는 문제가 발생한다.
도 2는 다양한 조건에서 연료전지(10)의 고출력 운전에 따른 성능 저하를 도시한 것이다.
도 2를 더 참조하면, 각각의 조건에서 연료전지(10)의 운전 시간이 지속됨에 따른 연료전지(10)의 셀평균전압을 도시한 것이다. 특히, 연료전지(10)를 수십 시간동안 운전하는 조건으로 실험한 데이터이다.
구체적으로, 셀평균전압은 연료전지(10)에서 동일한 전류를 출력하는 상태에서 연료전지(10)에 포함된 단위셀들의 평균 전압을 의미하는 것으로, 동일한 전류를 출력하는 상태에서 셀평균전압이 감소되면 연료전지(10)에서 출력하는 전력이 감소되는 것이다. 즉, 도시한 셀평균전압이 감소되면 연료전지(10)의 성능이 저하되는 것을 의미한다.
먼저, (1)은 연료전지(10)에서 고전류를 지속적으로 출력하는 상황으로 연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 휴지기가 없는 상태로 운전하는 조건이다. 연료전지(10)의 고전류 운전이 지속됨에 따라 연료전지(10)의 성능이 저하되는 현상을 확인할 수 있다.
(2)의 경우에는 연료전지(10)가 고전류와 저전류를 번갈아가면서 출력하도록 운전하는 상황으로, 연료전지(10)의 전력 발전을 중단하는 휴지기가 없는 상태로 운전하는 조건이다. 휴지기가 포함되지 않는 경우 연료전지(10)의 성능은 계속해서 저하되는 현상을 확인할 수 있다.
(3) 내지 (4)의 경우에는 연료전지(10)가 고전류와 저전류를 번갈아가면서 출력하도록 운전하되, 2시간마다 연료전지(10)의 전력 발전을 중단하도록 운전하는 조건이다. 즉, (3) 내지 (4)는 2시간의 전력 발전 간격으로 휴지기가 포함된 조건이다.
특히, (3)의 경우에는 휴지기를 10분 동안 유지하였고, (4)의 경우에는 휴지기를 10초 동안 유지하였으며, (3) 내지 (4) 모두 휴지기마다 냉각수를 순환시키면서 연료전지(10)를 냉각하였다.
(3) 내지 (4)의 경우, 연료전지(10)의 전력 발전이 중단된 상태에서 냉각계(20)를 제어하여 연료전지(10)를 냉각하도록 제어함에 따라 연료전지(10)의 성능이 유지되는 결과를 확인할 수 있다. 특히, (3)의 결과를 (4)의 결과와 대비하면, 휴지기가 길어짐에 따라 연료전지(10)의 성능이 유지되는 효과가 크다는 결과를 확인할 수 있다.
(5) 내지 (6)의 경우에는 연료전지(10)가 계속해서 고전류를 출력하도록 운전하되, 2시간마다 연료전지(10)의 전력 발전이 중단하도록 운전하는 조건이다. 즉, (5) 내지 (6)는 2시간의 전력 발전 간격으로 휴지기가 포함된 조건이다.
(5)의 경우에는 휴지기를 10초 동안 유지하면서 자연 냉각하는 조건이고, (6)은 휴지기를 1분동안 유지하면서 냉각수를 순환시키도록 냉각계(20)를 제어하는 조건이다. (6)의 결과를 (5)의 결과와 대비하면, 휴지기에 낮은 온도의 냉각수를 순환시킴으로써 냉각 성능이 향상됨에 따라 연료전지(10)의 성능이 유지되는 효과가 크다는 결과를 확인할 수 있다.
도 3 내지 도 4는 연료전지(10)의 운전 온도 및 휴지기의 냉각 조건에 따른 연료전지(10)의 성능 저하를 도시한 그래프 및 테이블이다.
도 3 내지 4를 더 참조하면, (1) 내지 (3)의 조건은 연료전지(10)의 운전 온도를 가변하면서 연료전지(10)에서 고전류를 출력하도록 운전하는 중에 연료전지(10)를 냉각하는 휴지기를 갖는 조건으로 시험을 반복한 것이다.
(1) 내지 (3)의 결과를 비교해보면, 연료전지(10)의 운전 온도가 상대적으로 낮은 경우에는 성능 저하가 거의 발생하지 않으나, 운전 온도가 점차적으로 증가됨에 따라 연료전지(10)의 성능 저하가 점차적으로 크게 발생하는 결과를 확인할 수 있다.
즉, 연료전지(10)가 고온에 노출될수록 연료전지(10)의 성능 저하가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
(4)의 조건은 연료전지(10)에서 고전류를 출력하도록 운전하고, 단시간의 휴지기를 가지면서 연료전지(10)의 온도가 5[℃] 감소되도록 자연 냉각하는 조건으로 시험을 반복한 것이다.
(4)의 결과를 (1) 내지 (3)과 비교하면, 휴지기 동안 연료전지(10)의 온도가 충분히 감소되지 않은 경우에는 연료전지(10)를 상대적으로 저온에서 운전하더라도 성능 저하가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 연료전지(10)의 발전을 중단하는 휴지기에 연료전지(10)를 충분히 냉각함으로써 연료전지(10)의 온도를 하강시키면 연료전지(10)의 성능 회복이 가능한 점을 확인할 수 있다.
즉, 연료전지(10)를 강제적으로 냉각하여 연료전지(10)를 충분히 냉각시켜야 연료전지(10)의 성능 회복이 가능한 점을 확인할 수 있다.
또한, (5) 내지 (6)의 조건은 연료전지(10)가 상대적으로 고온인 상태로 연료전지(10)에서 고전류를 출력하도록 운전하고, 휴지기를 각각 장시간 및 단시간으로 유지하는 조건으로 시험을 반복한 것이다.
특히, (5)의 조건에서는 장시간동안 35[℃]의 냉각수로 강제 냉각을 수행함으로써 연료전지(10)가 35[℃]로 냉각된 상태이고, (6)의 조건에서는 단시간동안 강제 냉각을 수행함으로써 연료전지(10)가 충분히 냉각되지 않은 상태이다.
(5) 내지 (6)의 결과를 보면, 연료전지(10)가 상대적으로 고온에서 운전되더라도 충분한 시간의 휴지기를 갖는 경우에는 연료전지(10)의 성능이 회복되는 결과를 확인할 수 있다. 다만, 휴지기의 시간이 충분하지 않는 경우에는 연료전지(10)의 성능을 충분히 회복하기 어려운 결과를 확인할 수 있다.
따라서, 연료전지(10)의 발전이 중단된 상태에서는 충분한 시간 동안 연료전지(10)를 냉각시켜야 연료전지(10)의 성능 회복이 가능한 점을 확인할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 냉각제어부(40)에서는, 연료전지(10)의 발전 정지 요청시부터 기설정된 제1회복시간동안 연료전지(10)를 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
냉각제어부(40)는 연료전지(10)의 발전 정지가 요청되면 연료전지(10)의 발전을 정지하도록 제어할 수 있다. 일 실시예로, 연료전지(10)로 공급하던 공기 공급을 중단하도록 제어할 수 있다.
동시에, 냉각제어부(40)는 기설정된 제1회복시간동안 연료전지(10)를 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다. 기설정된 제1회복시간은 연료전지(10) 내부의 증기를 액적 상태로 상태 변환시키기 충분한 시간으로 약 30분 이상으로 기설정될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 냉각제어부(40)에서는, 냉각수를 기설정된 회복온도로 냉각시킨 이후에, 기설정된 제2회복시간동안 연료전지(10)를 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
냉각제어부(40)는 연료전지(10)의 발전 정지가 요청되면 연료전지(10)를 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있고, 냉각수를 기설정된 회복온도로 냉각시킬 수 있다. 특히, 냉각제어부(40)는 냉각수가 기설정된 회복온도로 하강한 이후에 기설정된 제2회복시간동안 연료전지(10)를 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
여기서, 냉각수의 온도는 온도감지부(30)에서 측정한 온도로서, 연료전지(10)의 입구측으로 유입되는 냉각수 온도일 수 있다. 기설정된 회복온도는 약 30도 정도로 기설정될 수 있다.
즉, 냉각제어부(40)는 냉각수를 기설정된 제2회복시간동안 유지시키면서 연료전지(10)를 냉각시킬 수 있다.
냉각계(20)에는 냉각수를 유동시키는 냉각펌프(22) 및 라디에이터 주위의 외기를 유동시키는 냉각팬(23)이 구비될 수 있다.
냉각제어부(40)에서는, 냉각수의 온도가 기설정된 회복온도로 하강될 때까지 냉각펌프(22)의 회전속도 또는 냉각팬(23)의 회전속도를 최대로 제어하고, 제2회복시간동안 냉각수의 온도를 기설정된 회복온도로 유지되도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
냉각제어부(40)는 연료전지(10)의 발전 정지가 요청되면 냉각수의 온도가 기설정된 회복온도로 하강될 때까지 냉각펌프(22)의 회전속도 또는 냉각팬(23)의 회전속도를 최대로 제어할 수 있다.
이에 따라, 연료전지(10)를 냉각하는 냉각계(20)의 온도가 급격하게 감소되어 연료전지(10)를 냉각함으로써 연료전지(10)의 회복을 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.
냉각제어부(40)는 냉각계(20)의 온도가 기설정된 회복온도로 하강하면, 이후부터 기설정된 회복온도를 유지하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다. 즉, 냉각펌프(22)의 회전속도 및 냉각팬(23)의 회전속도를 냉각수의 온도가 기설정된 회복온도가 유지되도록 제어할 수 있다.
연료전지(10)의 셧다운이 요청되면 냉각제어부(40)의 냉각계(20) 제어 여부를 판단하고, 냉각제어부(40)의 냉각계(20) 제어가 완료된 이후에 연료전지(10)의 셧다운을 제어하는 시동제어부(70);를 더 포함할 수 있다.
연료전지(10)의 시동 오프가 입력된 경우에는 연료전지(10)의 셧다운을 요청할 수 있다. 연료전지(10)의 셧다운 제어는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 제어 등 연료전지(10)의 전력 발전을 중단한 상태로 장시간 보관하기 위한 제어일 수 있다.
시동제어부(70)는 냉각제어부(40)의 냉각계(20) 제어 여부를 판단할 수 있다. 특히, 시동제어부(70)는 냉각제어부(40)의 연료전지(10)를 추가로 냉각하는 냉각계(20) 제어가 요구되지 않는 경우에는 바로 연료전지(10)의 셧다운 제어를 수행할 수 있다.
다만, 시동제어부(70)는 냉각제어부(40)의 냉각계(20) 제어가 요구되는 경우에는 냉각제어부(40)의 냉각계(20) 제어가 완료된 이후에 연료전지(10)의 셧다운을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 제어방법의 순서도이다.
도 5를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 제어방법은 연료전지(10)가 전력 발전시 연료전지(10) 온도 또는 냉각계(20)의 냉각수 온도를 감지하는 단계(S100); 감지한 연료전지(10) 온도 또는 냉각수 온도를 기설정된 성능저하온도와 비교하는 단계(S400); 및 감지한 연료전지(10) 온도 또는 냉각수 온도가 기설정된 성능저하온도 이상인 경우, 연료전지(10)의 발전 정지시(S300)에 연료전지(10)를 추가로 냉각하도록 냉각계(20)를 제어하는 단계(S600);를 포함한다.
냉각계(20)를 제어하는 단계(S600) 이전에, 연료전지(10)가 전력 발전시 연료전지(10)에서 출력되는 전력 또는 전류의 크기를 모니터링하는 단계(S100);를 더 포함하고, 냉각계(20)를 제어하는 단계(S600)에서는, 모니터링한 연료전지(10)의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지(10)를 추가로 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
전력 또는 전류의 크기를 모니터링하는 단계(S100) 이후에, 연료전지(10)의 시동 온 이후 모니터링한 연료전지(10)의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상으로 유지되는 시간을 누적하여 측정하는 단계(S200);를 더 포함하고, 냉각계(20)를 제어하는 단계(S600)에서는, 시간측정부(60)에서 측정한 누적 시간이 기설정된 시간 이상인 경우(S500), 발전 정지시에 연료전지(10)를 추가로 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
냉각계(20)를 제어하는 단계(S400)에서는, 냉각수를 기설정된 회복온도로 냉각시킨 이후에, 기설정된 제2회복시간동안 연료전지(10)를 냉각하도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
냉각계(20)를 제어하는 단계(S600)에서는, 냉각수의 온도가 기설정된 회복온도로 하강될 때까지 냉각펌프(22)의 회전속도 또는 냉각팬(23)의 회전속도를 최대로 제어하고, 제2회복시간동안 냉각수의 온도를 기설정된 회복온도로 유지되도록 냉각계(20)를 제어할 수 있다.
냉각계(20)를 제어하는 단계(S600) 이후에, 연료전지(10)의 셧다운 제어가 요청되면 냉각제어부(40)의 냉각계(20) 제어가 완료된 이후에 연료전지(10)의 셧다운을 제어하는 단계(S700);를 더 포함할 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 : 냉각계
30 : 온도감지부 40 : 냉각제어부
50 : 모니터링부 60 : 시간측정부
70 : 시동제어부

Claims (14)

  1. 수소와 산소를 각각 공급받고, 내부에서 화학 반응에 의해 전력을 발전하는 연료전지;
    외기와 열교환 가능한 열교환장치가 구비되고, 내부에 냉각수가 순환하면서 연료전지와 열교환하는 냉각계;
    연료전지 온도 또는 냉각계의 냉각수 온도를 감지하는 온도감지부; 및
    연료전지가 전력 발전시 온도감지부에서 감지한 연료전지 온도 또는 냉각수 온도가 기설정된 성능저하온도 이상인 경우, 연료전지의 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어하는 냉각제어부;를 포함하는 연료전지의 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    온도감지부에서는, 냉각계의 냉각수 중 연료전지의 입구측으로 유입되는 냉각수 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료전지가 전력 발전시 연료전지에서 출력되는 전력 또는 전류의 크기를 모니터링하는 모니터링부;를 더 포함하고,
    냉각제어부에서는, 모니터링한 연료전지의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    연료전지의 시동 온 이후, 모니터링부에서 모니터링한 연료전지의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상으로 유지되는 시간을 누적하여 측정하는 시간측정부;를 더 포함하고,
    냉각제어부에서는, 시간측정부에서 측정한 누적 시간이 기설정된 시간 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    냉각제어부에서는, 연료전지의 발전 정지 요청시부터 기설정된 제1회복시간동안 연료전지를 냉각하도록 냉각계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    냉각제어부에서는, 냉각수를 기설정된 회복온도로 냉각시킨 이후에, 기설정된 제2회복시간동안 연료전지를 냉각하도록 냉각계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    냉각계에는 냉각수를 유동시키는 냉각펌프 및 라디에이터 주위의 외기를 유동시키는 냉각팬이 구비되고,
    냉각제어부에서는, 냉각수의 온도가 기설정된 회복온도로 하강될 때까지 냉각펌프의 회전속도 또는 냉각팬의 회전속도를 최대로 제어하고, 제2회복시간동안 냉각수의 온도를 기설정된 회복온도로 유지되도록 냉각계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 셧다운이 요청되면 냉각제어부의 냉각계 제어 여부를 판단하고, 냉각제어부의 냉각계 제어가 완료된 이후에 연료전지의 셧다운을 제어하는 시동제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어시스템.
  9. 연료전지가 전력 발전시 연료전지 온도 또는 냉각계의 냉각수 온도를 감지하는 단계;
    감지한 연료전지 온도 또는 냉각수 온도를 기설정된 성능저하온도와 비교하는 단계; 및
    감지한 연료전지 온도 또는 냉각수 온도가 기설정된 성능저하온도 이상인 경우, 연료전지의 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    냉각계를 제어하는 단계 이전에, 연료전지가 전력 발전시 연료전지에서 출력되는 전력 또는 전류의 크기를 모니터링하는 단계;를 더 포함하고,
    냉각계를 제어하는 단계에서는, 모니터링한 연료전지의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    전력 또는 전류의 크기를 모니터링하는 단계 이후에, 연료전지의 시동 온 이후 모니터링한 연료전지의 전력 또는 전류의 크기가 기설정된 고전력기준 또는 기설정된 고전류기준 이상으로 유지되는 시간을 누적하여 측정하는 단계;를 더 포함하고,
    냉각계를 제어하는 단계에서는, 시간측정부에서 측정한 누적 시간이 기설정된 시간 이상인 경우, 발전 정지시에 연료전지를 추가로 냉각하도록 냉각계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    냉각계를 제어하는 단계에서는, 냉각수를 기설정된 회복온도로 냉각시킨 이후에, 기설정된 제2회복시간동안 연료전지를 냉각하도록 냉각계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    냉각계를 제어하는 단계에서는, 냉각수의 온도가 기설정된 회복온도로 하강될 때까지 냉각펌프의 회전속도 또는 냉각팬의 회전속도를 최대로 제어하고, 제2회복시간동안 냉각수의 온도를 기설정된 회복온도로 유지되도록 냉각계를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    냉각계를 제어하는 단계 이후에, 연료전지의 셧다운 제어가 요청되면 냉각제어부의 냉각계 제어가 완료된 이후에 연료전지의 셧다운을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제어방법.
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