KR20220085400A - 연료전지시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지스택의 수소입구측에 연결되며, 공급밸브와 센서가 마련된 수소공급부; 연료전지스택의 수소출구측에 연결되며, 워터트랩과 퍼지밸브가 마련된 수소배출부; 및 연료전지스택에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 통하여 퍼지밸브를 통해 배출되는 수소량을 산출하고, 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 공급밸브를 보상 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지시스템 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지시스템 및 그 제어방법 {FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 워터트랩 내의 응축수와 연료전지스택 수소극 내의 기체 불순물을 통합 배출함에 있어서, 수소 공급밸브의 제어를 통해 연료전지스택 수소극 측 연료 압력을 조절시 통합 배출되는 기체의 배출량을 별도의 센서 없이 추정하고, 이에 상응하는 만큼 추가적인 수소 공급이 될 수 있도록 함으로써 수소 공급량의 오버슛 또는 언더슛을 방지하여 연료전지스택의 발전효율을 증대시키고 열화를 방지할 수 있도록 하는 연료전지시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지스택의 수소극(애노드) 수소 공급 압력 제어의 경우, 시스템 운전 시작시 수소 차단 밸브를 개방하고 수소 공급 밸브의 개도 제어를 통한 스택 수소극 압력 제어를 수행하게 된다. 이 경우 공급밸브의 PWM 듀티 지령을 통해 공급량 조절이 가능하다.
그리고 수소극의 수소 공급 목표 압력은 스택 요구 출력에 따라 설정된다. 구체적으로, 스택 요구 출력이 증가할 경우 공기 공급 유량을 증대시키고 공기극 압력이 상승되며 수소극 목표 압력을 증대시키는 방안이다.
또한, 계측된 실제 수소극의 수소 압력이 목표 압력을 추종토록 PI 제어를 구성하여 수행한다.
한편, 운전 중 수소 농도 확보를 위해 퍼지 밸브를 일정 시간 개방하여 퍼지를 수행하는데, 여기서 퍼지밸브의 개방 중 수소 배출에 따른 압력 강하를 선 보상하기 위해, 퍼지밸브 개방 시점의 스택 전류에 따라 수소 공급밸브의 듀티 보상 목표값을 피드-포워드로 구성하여 제어한다.
한편, 워터트랩의 경우 퍼지밸브의 개방시 먼저 응축수를 배출하고, 응축수의 배출이 완료되면 자연스럽게 수소의 퍼징이 수행되는데, 시스템의 원가절감을 위해 워터트랩의 수위센서를 삭제할 경우 수소가 배출되는 시점과 그 양을 정확히 알기 어려워 반대로 공급되는 수소의 압력이 오버슛되거나 언더슛되는 문제가 발생된다.
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 10-2019-0000229 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 워터트랩 내의 응축수와 연료전지스택 수소극 내의 기체 불순물을 통합 배출함에 있어서, 수소 공급밸브의 제어를 통해 연료전지스택 수소극 측 연료 압력을 조절시 통합 배출되는 기체의 배출량을 별도의 센서 없이 추정하고, 이에 상응하는 만큼 추가적인 수소 공급이 될 수 있도록 함으로써 수소 공급량의 오버슛 또는 언더슛을 방지하여 연료전지스택의 발전효율을 증대시키고 열화를 방지할 수 있도록 하는 연료전지시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지시스템은, 연료전지스택의 수소입구측에 연결되며, 공급밸브와 센서가 마련된 수소공급부; 연료전지스택의 수소출구측에 연결되며, 워터트랩과 퍼지밸브가 마련된 수소배출부; 및 연료전지스택에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 통하여 퍼지밸브를 통해 배출되는 수소량을 산출하고, 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 공급밸브를 보상 제어하는 제어부;를 포함한다.
센서는 압력센서이며 공급밸브와 이젝터 사이에 마련될 수 있다.
퍼지밸브는 워터트랩의 하부에 마련되며, 퍼지벨브의 오픈시 워터트랩의 응축수가 먼저 배출된 후 수소가 배출될 수 있다.
제어부는 공급되는 수소량의 경우 센서를 통해 계측된 공급 수소의 압력 또는 유량으로부터 산출할 수 있다.
제어부는 소모되는 수소량의 경우 연료전지스택의 출력전류로부터 산출할 수 있다.
제어부는 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량을 차감하여 배출되는 수소량을 산출할 수 있다.
제어부는 공급되는 수소량과 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 통하여 배출되는 수소량을 산출할 수 있다.
제어부는 가압되는 수소량의 경우 연료전지스택의 수소극 내부 압력을 통하여 산출할 수 있다.
제어부는 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 차감하여 배출되는 수소량을 산출할 수 있다.
제어부는 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 배출되는 수소량을 통하여 보상값을 산출하고, 보상값을 공급밸브를 제어값에 더하여 공급밸브를 제어함으로써 공급되는 수소량의 언더슛 또는 오버슛을 방지할 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템을 제어하는 방법은, 연료전지스택에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 산출하는 단계; 연료전지스택에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 통하여 배출되는 수소량을 산출하는 단계; 배출되는 수소량이 기준값 이상인지 판단하는 단계; 및 배출되는 수소량이 기준값 이상인 경우 공급밸브를 통해 공급되는 수소량을 보상 제어하는 단계;를 포함한다.
배출되는 수소량을 산출하는 단계에서는, 공급되는 수소량과 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 통하여 배출되는 수소량을 산출할 수 있다.
배출되는 수소량을 산출하는 단계에서는, 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 차감하여 배출되는 수소량을 산출할 수 있다.
수소량을 보상 제어하는 단계에서는, 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 배출되는 수소량을 통하여 보상값을 산출하고, 보상값을 공급밸브를 제어값에 더하여 공급밸브를 제어함으로써 공급되는 수소량의 언더슛 또는 오버슛을 방지할 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템 및 그 제어방법에 따르면, 워터트랩 내의 응축수와 연료전지스택 수소극 내의 기체 불순물을 통합 배출함에 있어서, 수소 공급밸브의 제어를 통해 연료전지스택 수소극 측 연료 압력을 조절시 통합 배출되는 기체의 배출량을 별도의 센서 없이 추정하고, 이에 상응하는 만큼 추가적인 수소 공급이 될 수 있도록 함으로써 수소 공급량의 오버슛 또는 언더슛을 방지하여 연료전지스택의 발전효율을 증대시키고 열화를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어에 따른 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어방법 순서도.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어에 따른 결과를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어방법 순서도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성도로써, 본 발명에 따른 연료전지시스템은, 연료전지스택(500)의 수소입구측에 연결되며, 공급밸브(120)와 센서(130)가 마련된 수소공급부(100); 연료전지스택(500)의 수소출구측에 연결되며, 워터트랩(320)과 퍼지밸브(340)가 마련된 수소배출부(300); 및 연료전지스택(500)에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 통하여 퍼지밸브(340)를 통해 배출되는 수소량을 산출하고, 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 공급밸브(120)를 보상 제어하는 제어부(700);를 포함한다.
본 발명의 연료전지시스템의 경우 워터트랩(320)과 연료전지스택(500) 수소극의 출구 사이에 마련되어 있던 밸브를 삭제하고, 워터트랩(320)의 수위센서도 삭제한 것으로서, 시스템의 구성을 생략하여 원가를 절감하고 중량을 경량화하기 위한 시스템에 사용될 경우 효과가 높은 기술이다.
구체적으로, 도 1과 같이 연료전지스택(500)의 수소극(520)과 산소극(540)에는 수소와 공기가 공급되어 생성수가 생성되고 전류가 생산된다. 그리고 잔여 수소는 배출되어 워터트랩(320)의 퍼지밸브(340)를 통해 배기된다.
수소의 공급은 압력의 조절이 필요하며, 이를 위해 먼저 수소차단밸브(110)가 마련되고, 그 후 수소공급밸브(120)가 마련된다. 차단밸브(110)는 온오프 밸브이며 공급밸브(120)의 경우 PWM제어를 통해 유량이 제어된다.
따라서, 본 발명의 경우 수소공급부는 연료전지스택(500)의 수소입구측에 연결되며, 공급밸브(120)와 센서(130)가 마련된다. 센서(130)는 압력센서이며 공급밸브(120)와 이젝터(140) 사이에 마련될 수 있다. 그리고 수소극의 압력을 측정하기 위한 추가적인 센서(150)도 마련된다.
그리고 수소배출부(300)는 연료전지스택(500)의 수소출구측에 연결되며, 워터트랩(320)과 퍼지밸브(340)가 마련된다. 퍼지밸브(340)는 워터트랩(320)의 하부에 마련되며, 퍼지벨브(340)의 오픈시 중력에 의해 워터트랩(320)의 응축수가 먼저 배출된 후 유로가 개방되면 그 다음으로 내부의 수소가 배출될 수 있는 구조이다. 따라서 수위센서를 생략할 경우에는 응축수가 어느 시점에 모두 배출된 것이고, 어느 시점부터 수소가 배기되는 것인지의 산출을 정확하게 하는 것이 매우 중요하다.
이를 위해 제어부(700)는 연료전지스택(500)에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 통하여 퍼지밸브(340)를 통해 배출되는 수소량을 산출하고, 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 공급밸브(120)를 보상 제어하도록 한다.
참고로, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 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 수도 있으며, 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어 블록도로서, 스택의 출력 정도에 따라 설정되는 FP_T(수소 목표 압력)를 FP(계측된 수소 압력)가 추종하도록 수소 공급 밸브 지령의 피드백 제어를 수행한다.
퍼지 수행을 위해, 수소 퍼지 밸브를 개방한 이후, 공급 유량-소모 유량-가압 유량으로 계산한 수소 배출 유량이 기준값을 초과하면 응축수 퍼지 완료 후 수소 퍼지 시점으로 판정이 가능하다.
수소 퍼지 밸브 개방 이후, 수소 퍼지 판정시부터 퍼지 종료까지 수소 퍼지 유량 만큼의 추가적인 수소 공급을 위한 수소 공급 밸브 지령의 보상 제어를 수행한다. 그러한 보상이 없는 경우에는 수소 배출에 의한 과도한 압력 언더슛 발생 가능이 존재하기 때문이다.
또한, 수소 퍼지 밸브 개방 시부터 너무 일찍 보상 제어를 실시할 경우에는 선 보상에 의한 과도한 압력 오버슛 발생 가능이 존재한다.
따라서, 제어부(700)는 연료전지스택(500)에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 통하여 퍼지밸브(340)를 통해 배출되는 수소량을 산출하고, 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 공급밸브를 보상 제어하는 것이다.
여기서 공급되는 수소량의 경우 센서를 통해 계측된 공급 수소의 압력 또는 유량으로부터 산출할 수 있다.
그리고 제어부는 소모되는 수소량의 경우 연료전지스택의 출력전류로부터 산출할 수 있다. 구체적으로, 소모되는 수소량의 경우 아래의 수식을 통해 산출이 가능하다.
Figure pat00001
한편, 제어부(700)는 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량을 차감하여 배출되는 수소량을 산출할 수 있다. 또는 좀 더 정확하게는 제어부는 공급되는 수소량과 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 통하여 배출되는 수소량을 산출할 수 있다.
여기서 소모되는 수소량의 경우 연료전지스택의 출력전류로부터 산출할 수 있다. 구체적으로, 소모되는 수소량의 경우 아래의 수식을 통해 산출이 가능하다.
Figure pat00002
그리고 제어부(700)는 가압되는 수소량의 경우 연료전지스택의 수소극 내부 압력을 통하여 산출할 수 있다. 구체적으로, 가압되는 수소량은 아래의 수식으로 산출이 가능하다.
Figure pat00003
위와 같이, 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량과 가압되는 수소량을 제외한다면, 결국 배출되는 수소량을 알 수 있게 된다. 그리고 배출되는 수소량이 미미하다가 어느 시점부터 증대된다면, 해당 시점이 바로 응축수가 모두 배출되고 본격적으로 수소의 배출이 이루어지기 시작하는 시점이라고 볼 수 있게 된다.
즉, 제어부(700)는 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량 및 연료전지스택(500) 내부에 가압되는 수소량을 차감하여 배출되는 수소량을 산출할 수 있다.
그리고 이를 통해 제어부(700)는 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 배출되는 수소량을 통하여 보상값을 산출하고, 보상값을 공급밸브(120)를 제어값에 더하여 공급밸브(120)를 제어함으로써 공급되는 수소량의 언더슛 또는 오버슛을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어에 따른 결과를 나타낸 그래프로서, 도시된 것과 같이 수소 퍼지밸브의 개방시 먼저 응축수가 배출되고 그 다음 수소가 배출된다. 따라서 응축수의 배출이 종료되는 시점에 배출되는 수소의 양이 증대되는 A지점의 확인이 가능하다.
따라서 A지점부터 본격적으로 공급되는 수소의 보상 제어를 실시하게 되면 순간적으로 D와 같이 공급 수소 압력이 언더슛되는 형상을 방지할 수 있고, A지점 이전부터 보상할 경우 발생되는 C와 같은 오버슛을 방지할 수 있는 것이다.
따라서 본 발명의 제어에 의하여 공급되는 수소 압력은 B와 같이 목표 압력을 잘 추종하며 제어되는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 제어방법 순서도로서, 본 발명의 연료전지시스템을 제어하는 방법은, 연료전지스택에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 산출하는 단계(S100,S110,S120); 연료전지스택에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 통하여 배출되는 수소량을 산출하는 단계(S200); 배출되는 수소량이 기준값 이상인지 판단하는 단계(S210); 및 배출되는 수소량이 기준값 이상인 경우 공급밸브를 통해 공급되는 수소량을 보상 제어하는 단계(S300,S310);를 포함한다.
여기서 배출되는 수소량을 산출하는 단계(S200)에서는, 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 차감하여 배출되는 수소량을 산출할 수 있다.
특히, 수소량을 보상 제어하는 단계(S300,S310)에서는, 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 배출되는 수소량을 통하여 보상값을 산출하고, 보상값을 공급밸브를 제어값에 더하여 최종적으로 공급밸브를 제어함으로써 공급되는 수소량의 언더슛 또는 오버슛을 방지할 수 있다. 만약 배출되는 수소량이 기준값 이하일 경우에는 일반적인 피드백 제어에 따라 수소 공급 압력이 목표 압력을 추종하도록 제어할 수 있다(S400,S410,S500).
본 발명의 연료전지시스템 및 그 제어방법에 따르면, 워터트랩 내의 응축수와 연료전지스택 수소극 내의 기체 불순물을 통합 배출함에 있어서, 수소 공급밸브의 제어를 통해 연료전지스택 수소극 측 연료 압력을 조절시 통합 배출되는 기체의 배출량을 별도의 센서 없이 추정하고, 이에 상응하는 만큼 추가적인 수소 공급이 될 수 있도록 함으로써 수소 공급량의 오버슛 또는 언더슛을 방지하여 연료전지스택의 발전효율을 증대시키고 열화를 방지할 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.
100 : 수소공급부 300 : 수소배출부

Claims (14)

  1. 연료전지스택의 수소입구측에 연결되며, 공급밸브와 센서가 마련된 수소공급부;
    연료전지스택의 수소출구측에 연결되며, 워터트랩과 퍼지밸브가 마련된 수소배출부; 및
    연료전지스택에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 통하여 퍼지밸브를 통해 배출되는 수소량을 산출하고, 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 공급밸브를 보상 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    센서는 압력센서이며 공급밸브와 이젝터 사이에 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    퍼지밸브는 워터트랩의 하부에 마련되며, 퍼지벨브의 오픈시 워터트랩의 응축수가 먼저 배출된 후 수소가 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 공급되는 수소량의 경우 센서를 통해 계측된 공급 수소의 압력 또는 유량으로부터 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 소모되는 수소량의 경우 연료전지스택의 출력전류로부터 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량을 차감하여 배출되는 수소량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 공급되는 수소량과 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 통하여 배출되는 수소량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제어부는 가압되는 수소량의 경우 연료전지스택의 수소극 내부 압력을 통하여 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    제어부는 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 차감하여 배출되는 수소량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 배출되는 수소량을 통하여 보상값을 산출하고, 보상값을 공급밸브를 제어값에 더하여 공급밸브를 제어함으로써 공급되는 수소량의 언더슛 또는 오버슛을 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 청구항 1의 연료전지시스템을 제어하는 방법으로서,
    연료전지스택에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 산출하는 단계;
    연료전지스택에 공급되는 수소량과 소모되는 수소량을 통하여 배출되는 수소량을 산출하는 단계;
    배출되는 수소량이 기준값 이상인지 판단하는 단계; 및
    배출되는 수소량이 기준값 이상인 경우 공급밸브를 통해 공급되는 수소량을 보상 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    배출되는 수소량을 산출하는 단계에서는, 공급되는 수소량과 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 통하여 배출되는 수소량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    배출되는 수소량을 산출하는 단계에서는, 공급되는 수소량에서 소모되는 수소량 및 연료전지스택 내부에 가압되는 수소량을 차감하여 배출되는 수소량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    수소량을 보상 제어하는 단계에서는, 배출되는 수소량이 기준값 이상일 경우 배출되는 수소량을 통하여 보상값을 산출하고, 보상값을 공급밸브를 제어값에 더하여 공급밸브를 제어함으로써 공급되는 수소량의 언더슛 또는 오버슛을 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
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