KR20230022713A - Mehtod for controling feul cell system and fuel cell control system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 내구성을 증대시키기 위한 연료전지 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell control device and method, and more particularly to a fuel cell control device and method for increasing durability of a fuel cell system.
연료전지 시스템은 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응이 일어나는 시스템으로 전기화학반응의 부산물인 물의 양이 온도와 압력 등 실시간 운전 조건에 따라 수증기, 포화액, 얼음 등의 형태로 변동되어 물의 전달 특성이 변화하게 된다. 또한, 이 물은 분리판의 채널, 기체확산층, 촉매층, 전해질막을 통과하는 가스와 전자의 전달 특성에도 영향을 미친다.The fuel cell system is a system in which an electrochemical reaction occurs inside the fuel cell stack by receiving hydrogen and air from outside. The change in shape changes the transport properties of water. In addition, this water affects the transfer characteristics of gas and electrons passing through the channel of the separator, the gas diffusion layer, the catalyst layer, and the electrolyte membrane.
즉, 연료전지 스택에서 물이 넘치게 되는 플러딩(Flooding) 현상과, 물이 부족한 드라이아웃(Dry-out) 현상이 양립하고 있다. 특히 연료전지 스택이 드라이아웃되는 상황을 막기 위해 연료전지 스택이 고온에 노출되는 것을 방지하여야 하고, 이를 위해서는 냉각 성능을 확보해야한다.That is, a flooding phenomenon in which water overflows in the fuel cell stack and a dry-out phenomenon in which water is insufficient are compatible. In particular, in order to prevent the fuel cell stack from drying out, it is necessary to prevent the fuel cell stack from being exposed to high temperatures, and to this end, cooling performance must be secured.
그러나, 외기온이 높다던가, 등판 운전 중이라는 환경적 요인과 냉각수 펌프, 냉각팬, 써모스탯 등 냉각 부품이 고장이라는 요인으로 인하여 연료전지 시스템의 최대 방열 가능량이 감소하게 되면, 최대 허용 온도를 유지하기 위해 연료전지 스택의 출력량을 감소시켜야 하는 문제가 발생된다.However, if the maximum heat dissipation potential of the fuel cell system is reduced due to environmental factors such as high outdoor temperature, climbing operation, and failure of cooling parts such as the coolant pump, cooling fan, and thermostat, it is difficult to maintain the maximum allowable temperature. Therefore, a problem arises in that the output of the fuel cell stack must be reduced.
이와 관련, 특허 문헌 1(KR 10-1592720 B)에서는 회복 운전 모드를 포함하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법이 개시되어 있다. 특허 문헌 1의 연료전지 시스템의 운전 제어 방법은 연료전지 시스템의 냉각 성능 감소 상태 또는 연료전지 스택의 열화 상태에 기반하여 연료전지 스택 내부의 물부족 상태를 판단하고, 판단된 상태에 따라 연료전지 시스템의 진단 레벨을 분류하도록 구성되며, 분류된 진단 레벨에 대응하는 적어도 하나의 회복 운전 모드를 실시하게 된다.In this regard, Patent Document 1 (KR 10-1592720 B) discloses an operation control method of a fuel cell system including a recovery operation mode. The operation control method of the fuel cell system of Patent Document 1 determines the water shortage state inside the fuel cell stack based on the reduced cooling performance of the fuel cell system or the deterioration state of the fuel cell stack, and determines the fuel cell system according to the determined state. It is configured to classify the diagnosis level of, and at least one recovery operation mode corresponding to the classified diagnosis level is implemented.
다만, 이러한 특허 문헌 1의 운전 제어 방법의 경우, 스택 상태를 정확하게 진단하고 이에 따른 진단 레벨을 분류하는 방식을 실차에 효과적으로 적용하기 어려운 문제점이 존재한다. 따라서, 운전 조건을 단순화시켜 보다 실차 적용에 유리한 연료전지 운전 제어 방법이 요구된다.However, in the case of the driving control method of Patent Document 1, there is a problem in that it is difficult to effectively apply the method of accurately diagnosing the stack state and classifying the diagnosis level accordingly to the actual vehicle. Therefore, there is a need for a fuel cell operation control method that is more advantageous for actual vehicle application by simplifying operating conditions.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 스택의 운전 조건을 단순화시켜 온도 및 출력 상태에 따라 공기 압력을 가변 제어하는 방식을 적용함으로써 실차 적용이 가능한 새로운 연료전지 제어 장치 및 방법을 제공하고자 함이다.The present invention has been proposed to solve these problems, and is intended to provide a new fuel cell control device and method that can be applied to actual vehicles by simplifying the operating conditions of the stack and applying a method of variablely controlling the air pressure according to the temperature and output state. It is Ham.
특히, 본 발명에서는 연료전지의 핵심 부품인 연료전지 스택의 내구성을 개선함에 있어서, 스택의 열화를 가속화할 수 있는 조건을 단순화시켜 제시하고, 이러한 가속화 조건 영역에서 연료전지 스택의 내구성을 회복/유지시키기 위한 새로운 방법을 제시하는 것에 목적이 있다.In particular, in the present invention, in improving the durability of a fuel cell stack, which is a key component of a fuel cell, conditions for accelerating the deterioration of the stack are simplified and presented, and durability of the fuel cell stack is restored/maintained in this acceleration condition region. The purpose is to suggest a new way to do it.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 제어 장치 및 방법에서는 연료전지 시스템의 동작 중, 연료전지의 온도 및 전류를 확인하는 단계; 및 연료전지의 전류가 기준 전류를 초과하고, 연료전지의 온도가 기준 온도를 초과하는 열화 위험 조건에 도달 한 경우, 공기 공급 압력이 수소 공급 압력 보다 커지도록 압력을 제어하는 공기 측 증압 단계;를 포함하고, 공기 측 증압 단계는 연료전지의 온도 또는 전류가 열화 위험 조건을 벗어날 때까지 유지된다.In order to achieve the above object, the fuel cell control apparatus and method according to the present invention include checking the temperature and current of the fuel cell during operation of the fuel cell system; and an air-side pressure boosting step of controlling the pressure so that the air supply pressure becomes greater than the hydrogen supply pressure when the current of the fuel cell exceeds the reference current and the temperature of the fuel cell reaches a deterioration risk condition exceeding the reference temperature. Including, the air-side pressure boosting step is maintained until the temperature or current of the fuel cell is out of the deterioration risk condition.
연료전지의 전류가 기준 전류 이하이거나, 연료전지의 온도가 기준 온도 이하인 정상 운전 조건으로 확인된 경우, 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 압력을 제어할 수 있다.When the current of the fuel cell is equal to or less than the reference current or the temperature of the fuel cell is determined to be a normal operating condition that is equal to or less than the reference temperature, the pressure may be controlled so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes a preset first adjusted pressure. .
공기 측 증압 단계에서는 미리 설정된 기준 시간 동안 공기 공급 압력을 선형적으로 증가시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제2 조정 압력이 되도록 압력을 제어할 수 있다.In the air-side pressure boosting step, the air supply pressure may be linearly increased for a preset reference time, and the pressure may be controlled such that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes the preset second adjustment pressure.
공기 측 증압 단계 이후, 연료전지의 온도 및 전류를 다시 확인하여, 연료전지의 전류가 기준 전류 이하이거나, 연료전지의 온도가 기준 온도 이하인 정상 운전 조건으로 확인된 경우, 미리 설정된 기준 시간 동안 공기 공급 압력을 선형적으로 감소시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 압력을 제어하는 공기 측 감압 단계;를 더 포함할 수 있다.After the air-side pressure boosting step, the temperature and current of the fuel cell are checked again, and if the current of the fuel cell is below the reference current or the temperature of the fuel cell is below the reference temperature, and the normal operating conditions are confirmed, air is supplied for a preset reference time. An air-side decompression step of controlling the pressure so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes a preset first control pressure by linearly reducing the pressure; may be further included.
공기 측 감압 단계는 연료전지의 온도 및 전류가 열화 위험 조건에 도달할 때 까지 유지될 수 있다.The air-side depressurization step may be maintained until the temperature and current of the fuel cell reach deterioration risk conditions.
공기 측 증압 단계에서는, 공기 공급 장치 내의 공기 압력 조절 밸브를 점진적으로 폐쇄하여 공기 공급 압력을 선형적으로 증가시키고, 공기 측 감압 단계에서는, 공기 압력 조절 밸브를 점진적으로 개방하여 공기 공급 압력을 선형적으로 감소시킬 수 있다.In the air side pressure boosting step, the air pressure regulating valve in the air supply device is gradually closed to linearly increase the air supply pressure, and in the air side pressure reducing step, the air pressure regulating valve is gradually opened to linearly increase the air supply pressure. can be reduced to
본 발명의 연료전지 제어 장치는, 연료전지의 온도를 확인하기 위한 온도 센서; 연료전지의 전류를 확인하기 위한 전류 센서; 공기 공급 장치에서의 공기 공급 압력과 수소 공급 장치에서의 수소 공급 압력 간의 차압을 조정하기 위한 압력 조절 밸브; 및 온도 센서 및 전류 센서로부터 검출된 연료전지 온도 및 전류 정보를 기반으로 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하는 제어기;를 포함하고, 전류 센서에서 검출된 전류가 기준 전류를 초과하고, 온도 센서에서 검출된 온도가 기준 온도를 초과하는 열화 위험 조건에 도달 한 경우, 제어기는 공기 공급 압력이 수소 공급 압력 보다 커지도록 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하도록 구성된다.A fuel cell control device of the present invention includes a temperature sensor for checking the temperature of a fuel cell; Current sensor for checking the current of the fuel cell; a pressure regulating valve for adjusting a differential pressure between the air supply pressure in the air supply device and the hydrogen supply pressure in the hydrogen supply device; and a controller controlling the opening amount of the pressure control valve based on the fuel cell temperature and current information detected from the temperature sensor and the current sensor; wherein the current detected by the current sensor exceeds the reference current and detected by the temperature sensor. The controller is configured to control an opening amount of the pressure regulating valve so that the air supply pressure becomes greater than the hydrogen supply pressure when the temperature reaches a deterioration risk condition exceeding the reference temperature.
전류 센서에서 검출된 전류가 기준 전류 이하이거나, 온도 센서에서 검출된 온도가 기준 온도 이하인 정상 운전 조건으로 확인된 경우, 제어기는 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하여, 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 제어할 수 있다.When the current detected by the current sensor is below the reference current or when the temperature detected by the temperature sensor is below the reference temperature and the normal operating condition is confirmed, the controller controls the opening amount of the pressure regulating valve so that there is a gap between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure. The differential pressure may be controlled to be a preset first adjustment pressure.
열화 위험 조건에 도달 한 것으로 판단된 경우, 제어기는 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하여, 미리 설정된 기준 시간 동안 공기 공급 압력을 선형적으로 증가시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제2 조정 압력이 되도록 제어할 수 있다.When it is determined that the deterioration risk condition has been reached, the controller controls the opening amount of the pressure regulating valve to linearly increase the air supply pressure for a preset reference time, so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure is reduced to the preset limit. 2 can be controlled to be adjusted pressure.
제어기는 열화 위험 조건에 도달한 이후, 실시간으로 전류 센서 및 온도 센서의 검출값을 확인하여, 검출된 전류값이 기준 전류 이하이거나, 검출된 온도값이 기준 온도 이하인 정상 운전 조건으로 확인된 경우, 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하여 미리 설정된 기준 시간 동안 공기 공급 압력을 선형적으로 감소시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 제어할 수 있다.After reaching the deterioration risk condition, the controller checks the detection values of the current sensor and the temperature sensor in real time, and if the detected current value is less than the reference current or the detected temperature value is less than the reference temperature, normal operating conditions are confirmed. The air supply pressure may be linearly reduced for a predetermined reference time by controlling the opening amount of the pressure regulating valve, so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure may be controlled to a predetermined first adjustment pressure.
온도 센서는 연료전지 스택 출구에 설치되는 냉각수 온도 센서이고, 전류 센서는 연료전지의 스택 전류를 검출하는 스택 전류 센서이고, 압력 조절 밸브는 공기 공급 압력을 조절할 수 있는 공기 압력 조절 밸브일 수 있다.The temperature sensor may be a coolant temperature sensor installed at the outlet of the fuel cell stack, the current sensor may be a stack current sensor that detects the stack current of the fuel cell, and the pressure control valve may be an air pressure control valve capable of adjusting air supply pressure.
본 발명의 연료전지 제어 장치 및 방법에 따르면, 급가속 시 또는 등판 운전을 장시간 유지할 때 발생하는 고온/고출력 운전 조건 영역에서의 스택 열화를 방지함으로써, 스택 내구성을 증대할 수 있는 효과가 있다.According to the fuel cell control apparatus and method of the present invention, it is possible to increase stack durability by preventing stack deterioration in a high-temperature/high-output operating condition region, which occurs during rapid acceleration or when climbing operation is maintained for a long time.
특히, 본 발명에 따르면, 공기 압력 조건을 가변 제어함에 있어서, 고온/고출력 운전 조건 진입 시, 일정 시간을 두고 점진적으로 공기 공급 압력을 증대시키는 제어 방식을 적용함으로써 스택의 드라이 현상을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In particular, according to the present invention, in variable control of the air pressure condition, when a high-temperature/high-output operating condition is entered, a control method of gradually increasing the air supply pressure over a certain period of time is applied to prevent drying of the stack and improve durability. There is an effect that can be improved.
도 1은 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 연료전지 시스템 반응/구동부를 도시한 구성도.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 제어 장치의 정상 운전 조건에서의 구동 상태를 도시한 구성도.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 제어 장치의 고온/고출력 운전 조건에서의 구동 상태를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 제어 방법에 의해 압력 제어가 이루어지는 것을 개념적으로 도시한 시간과 차압(공기압력-수소압력) 간의 그래프.
도 5a는 운전 제어 방식에 따른 100시간 내구시험 결과를 도시한 그래프.
도 5b는 운전 제어 방식에 따른 내구 시험 중 최초 7시간 내구시험 결과를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 나타내는 순서도.1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system;
2 is a configuration diagram showing a fuel cell system reaction/drive unit;
3A is a configuration diagram illustrating a driving state of a fuel cell control device according to an embodiment of the present invention under normal operating conditions;
3B is a configuration diagram illustrating a driving state of a fuel cell control device according to an embodiment of the present invention under high-temperature/high-output driving conditions;
4 is a graph between time and differential pressure (air pressure-hydrogen pressure) conceptually showing that pressure control is performed by a fuel cell control method according to a preferred embodiment of the present invention.
5A is a graph showing the results of a 100-hour endurance test according to driving control methods;
5B is a graph showing the results of an endurance test for the first 7 hours among endurance tests according to driving control methods;
6 is a flowchart illustrating a fuel cell control method according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 제어 장치 및 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a fuel cell control apparatus and method according to various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system.
연료전지 시스템은 수소와 공기를 공급받아 작동하는 연료전지를 포함한다. 이러한 연료전지는 연료극(anode), 공기극(cathode)를 포함하며, 연료전지를 냉각시키기 위한 냉각수 채널이 형성된다. 연료극에는 수소가 공급 및 배출될 수 있도록 수소 공급/배출 시스템이 연결되고, 공기극에는 공기가 공급 및 배출될 수 있도록 공기 공급/배출 시스템이 연결된다. 또한, 냉각수 채널에는 냉각수 공급 및 배출이 가능하도록 냉각수 공급/배출 시스템이 연결된다.The fuel cell system includes a fuel cell that operates by receiving supply of hydrogen and air. Such a fuel cell includes an anode and a cathode, and a coolant channel for cooling the fuel cell is formed. A hydrogen supply/discharge system is connected to the fuel electrode to supply and discharge hydrogen, and an air supply/discharge system is connected to the air electrode to supply and discharge air. In addition, a cooling water supply/discharge system is connected to the cooling water channel to supply and discharge the cooling water.
또한, 연료전지 시스템은 스택 전류와 전압을 모니터링하기 위한 전류/전압 모니터링 시스템(300), 연료전지 내의 온도, 압력, 가습 등을 제어하기 위한 오도/압력/가습 등 조건 제어 시스템(400) 및 시스템 내 전기 부품의 제어 및 구동을 위한 전기 제어/구동 시스템(500)을 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system includes a current/
또한, 연료전지 시스템의 상태를 진단하고, 진단 결과에 따라 연료전지를 제어하기 위한 연료전지 시스템 상태 진단/제어기(200)이 포함될 수 있다.In addition, a fuel cell system state diagnosis/
도 2는 수소 및 공기를 공급하여 발전하기 위한 연료전지 시스템의 반응/구동부를 개략적으로 도시한 것이다.2 schematically illustrates a reaction/drive unit of a fuel cell system for generating power by supplying hydrogen and air.
도 2를 참조하면, 연료 전지 스택(10)의 캐소드(공기극)에는 공기를 공급하기 위한 공기 공급/배출 시스템(110)으로 공기 공급 장치(20)이 연결되고, 애노드(연료극)에는 수소를 공급하기 위한 수소 공급/배출 시스템으로 수소 공급 장치(30)이 연결된다.Referring to FIG. 2 , an air supply/
상기 공기 공급 장치(20)는 외부공기를 흡입하여 가습기쪽으로 압축 전달하는 공기압축기(21)와, 압축된 공기가 적정한 습도를 가지도록 가습시키는 가습기(22)를 포함할 수 있다. 가습기(22)를 통과한 공기는 공기공급라인(23)을 거쳐 캐소드(11)를 통과하면서 애노드(12) 측 수소와 반응하게 된다. 상기 가습기(22)는 연료전지 반응 후에 배출되는 습윤 기체의 수분과 외기로부터 공급되는 공기를 서로 수분 교환시키는 막가습기가 주로 사용될 수 있다. 이를 위해, 상기 캐소드 출구로부터 배출된 공기는 공기복귀라인(24)을 통해 가습기(22) 측으로 재공급될 수 있다. 또한, 가습기(22)의 일측에는 공기 압력 조절 밸브(26)가 설치되며, 가습에 참여하지 못한 습윤공기는 공기 압력 조절 밸브(26)를 거쳐 공기배기라인(27)을 따라 외부로 배출된다. 이러한 공기 압력 조절 밸브(26)의 경우, 공기 압축기(21)의 회전 속도를 조절함과 동시에 또는 그 독자적으로 밸브 개도를 조절함에 따라 캐소드로 공급되는 공기 가압력을 조절할 수 있다. The
상기 수소 공급 장치(30)에서는 공급밸브(31)를 통해 공급되는 수소가 이젝터(32) 및 수소공급라인(33)를 통해 애노드(12) 측으로 공급된다. 이러한 이젝터(32) 전 후단에는 압력을 검출하기 위한 압력 센서들(41, 42)이 설치될 수 있다.In the
한편, 애노드로 공급된 수소 중 반응에 미참여한 일부 수소는 수소재순환라인(34)을 통해 애노드의 전단부로 재순환되어 다시 애노드로 공급될 수 있다. 이 때, 반응에 미참여한 일부 수소와 함께 애노드 내의 응축수가 함께 배출되는데, 이 응축수를 포집하기 위한 워터 트랩(35)이 애노드 출구 측에 설치된다. Meanwhile, among the hydrogen supplied to the anode, some of the hydrogen not participating in the reaction may be recycled to the front end of the anode through the
상기 워터 트랩(35)의 하단에는 드레인 밸브(36)가 설치되고, 이 드레인 밸브(36)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 경우 드레인 밸브(36)를 통해 배출된 응축수는 공기배기라인(27)을 따라 외부로 배출될 수 있으며, 도 2에서와 같이 공기 공급 장치의 가습기(22) 측으로 전달되어 가습에 활용될 수도 있다.A
애노드로 공급된 수소와 캐소드로 공급된 공기는 연료전지 스택 내에서 반응하여 발전하게 되는데, 연료전지 스택에는 반응으로 생성된 스택 전류를 측정하기 위한 전류 센서(43)가 설치될 수 있다.Hydrogen supplied to the anode and air supplied to the cathode react and generate electricity within the fuel cell stack. A
또한, 연료전지에는 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 채널(13)이 설치될 수 있으며, 상기 냉각수 채널을 통과하는 냉각수 온도를 제어하기 위한 냉각수 공급장치를 포함한다. 이러한 냉각수 공급 장치에는 냉각수를 펌핑하기 위한 냉각수 펌프(51)과 열교환을 통해 냉각수 온도를 조절하기 위한 라디에이터(53)를 포함한다. 이러한 라디에이터(53)은 냉각수 공급 라인에서 분기되어 설치되는데, 상기 라디에이터(53)를 통과하는 냉각수 유량을 제어하기 위한 냉각수 온도 조절 밸브(52)가 상기 냉각수 공급 라인 상에 설치된다. 이러한 냉각수 온도 조절 밸브는 도 2에서와 같이 3-웨이 밸브로 구성될 수 있으며, 이러한 냉각수 온도 조절 밸브의 개도량을 제어함으로써 냉각수 온도를 요구 조건에 따라 조절할 수 있다. 또한 냉각수 공급 장치에는 냉각수 온도를 측정하기 위한 냉각수 온도 센서(44)가 설치될 수 있으며, 바람직하게는 냉각수 온도 센서(44)는 연료전지 스택의 출구 측 냉각수 온도를 측정할 수 있도록 설치된다.In addition, a cooling
도 2와 관련, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 제어 장치는, 연료전지의 온도를 확인하기 위한 온도 센서, 연료전지의 전류를 확인하기 위한 전류 센서, 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압을 조정하기 위한 압력 조절 밸브 및 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하기 위한 제어기를 포함할 수 있다. 이와 관련, 전류 센서는 연료전지의 스택 전류를 검출하기 위한 전류 센서(43)일 수 있으며, 온도 센서는 스택 출구의 냉각수 온도를 측정할 수 있는 냉각수 온도 센서(44)일 수 있다. 다만, 언급된 센서들은 하나의 예시일 뿐이며, 스택이 열화될 위험에 있는 고온, 고출력 운전 조건을 특정할 수 있는 수단이라면 제한 없이 적용될 수 있다.2, the fuel cell control device according to a preferred embodiment of the present invention includes a temperature sensor for checking the temperature of the fuel cell, a current sensor for checking the current of the fuel cell, and a differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure. It may include a controller for controlling the opening amount of the pressure regulating valve and the pressure regulating valve for adjusting. In this regard, the current sensor may be the
상기 제어기는 도 1의 연료전지 시스템 상태 진단/제어기(200)일 수 있으며, 또한 그 하위 제어기로, 온도 센서 및 전류 센서로부터 검출된 연료전지 온도 및 전류 정보를 기반으로 압력 조절 밸브의 개도량을 직접 제어할 수 있는 제어기일 수 있다.The controller may be the fuel cell system state diagnosis/
또한, 상기 압력 조절 밸브는 공기 공급 압력을 조절할 수 있는 공기 압력 조절 밸브(26)일 수 있다. 다만, 본 발명에서의 압력 조절 밸브는 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압을 적절히 제어하기 위한 것이므로, 이러한 압력 조절 밸브 이외에도 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압을 조정할 수 있는 것이라면 적용 가능하다. 다만, 스택의 적절한 출력 확보를 위해, 수소 압력은 미리 설정된 수소 공급 압력에 따라 유지하는 것이 바람직하며, 따라서 차압 조건을 충족하기 위해 공기 공급 압력을 제어하는 공기 압력 조절 밸브를 적용하는 것이 보다 효과적일 수 있다.In addition, the pressure control valve may be an air
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 공기 압력 조절 밸브에 형상기억합금으로 이루어진 부품을 적용하여, 일정한 온도 조건에서 상기 형상기억합금의 형상 변화에 따라 밸브의 개도량이 변경되도록 구성할 수도 있다. 이러한 실시예에서는 고온 조건에서 공기 공급 압력이 증가되는 방향으로 밸브 개도량이 직접 변화되도록 구성되어야 한다.On the other hand, in another embodiment of the present invention, by applying a part made of a shape memory alloy to the air pressure control valve, the opening degree of the valve may be changed according to the shape change of the shape memory alloy under a constant temperature condition. In this embodiment, the valve opening amount should be directly changed in a direction in which the air supply pressure is increased under a high temperature condition.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 제어기는 온도 센서와 전류 센서의 검출값에 따라 정상 운전 조건인지, 고온/고출력 운전 조건(연료전지 열화 위험 조건)인지를 판별하여, 해당 운전 조건에 따라 다른 압력 제어를 실시하는 것에 특징이 있다. 특히, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 고온/고출력 운전 조건에서는 캐소드 측 공기 공급 압력을 상대적으로 증가시켜 스택 열화율을 감소시킨다는 점에 특징이 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the controller determines whether it is a normal operating condition or a high-temperature/high-output operating condition (fuel cell deterioration risk condition) according to the detection values of the temperature sensor and the current sensor. It is characterized by control. In particular, a preferred embodiment of the present invention is characterized in that the stack deterioration rate is reduced by relatively increasing the air supply pressure on the cathode side under high temperature/high power operating conditions.
이와 같은 스택 열화율 감소로 인한 내구 개선 효과가 발생하는 것은 아래와 같이 설명될 수 있다.The occurrence of the durability improvement effect due to the decrease in the stack deterioration rate can be explained as follows.
고온/고출력 운전 시 드라이로 인한 오믹(Ohmic) 저항이 증가하는데, 물의 역확산(캐소드→애노드) 증대 시 드라이를 완화시킬 수 있다. 따라서, 고온/고출력 구간에서는 캐소드 측의 공기 공급 압력을 증대시키는 제어가 필요할 수 있다. During high-temperature/high-output operation, ohmic resistance increases due to dryness, but when reverse diffusion of water (cathode → anode) increases, dryness can be alleviated. Therefore, in a high-temperature/high-output period, control to increase the air supply pressure on the cathode side may be required.
반면, 드라이 정도가 낮은 경우에는 애노드 측 액적 등대로 인한 부반응 존재 가능성이 있으며, 따라서 애노드 측의 압력 조건을 유지할 필요가 있다.On the other hand, when the drying degree is low, there is a possibility of side reactions due to light droplets on the anode side, and therefore, it is necessary to maintain the pressure condition on the anode side.
이러한 관점에서 본 발명의 바람직한 구현예에서는 운전 조건에 따라 가변적으로 압력 제어를 수행하는 방식을 적용하게 된다.From this point of view, in a preferred embodiment of the present invention, a method of variably performing pressure control according to operating conditions is applied.
이와 관련, 도 3a와 도 3b는 도 1 및 도 2에서 설명한 연료전지 시스템에 있어서, 운전 조건 별로 다른 압력 제어를 실시하는 예를 설명하기 위해 제공된다.In this regard, FIGS. 3A and 3B are provided to explain an example of performing different pressure control for each operating condition in the fuel cell system described in FIGS. 1 and 2 .
특히, 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 제어 장치의 정상 운전 조건에서의 압력 제어 상태를 나타낸 것이고, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 제어 장치의 고온/고출력 운전 조건에서의 압력 제어 상태를 나타낸 것이다.In particular, FIG. 3A shows a pressure control state in a normal operating condition of the fuel cell control device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B shows a high-temperature/high-output operation of the fuel cell control device according to an embodiment of the present invention. It shows the pressure control state in the condition.
도 3a는 전류 센서에서 검출된 전류가 기준 전류 이하이거나, 온도 센서에서 검출된 온도가 기준 온도 이하인 정상 운전 조건에 대한 것이다. 일반적인 연료전지 시스템에서는 정상 운전 조건에서 수소 측 압력이 공기 측 압력 보다 높은 상태에서 운전이 된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 구현예에서도, 이러한 정상 조건에서는 수소 공급 압력이 공기 공급 압력 보다 더 크도록 설정된다. 이와 관련, 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압은 제1 조정압력이 되도록 미리 설정될 수 있으며, 바람직하게는 상기 제1 조정압력은 -10kPa의 압력일 수 있다.3A illustrates a normal operating condition in which the current detected by the current sensor is less than or equal to the reference current or the temperature detected by the temperature sensor is less than or equal to the reference temperature. In a general fuel cell system, the hydrogen side pressure is higher than the air side pressure under normal operating conditions. Accordingly, even in a preferred embodiment of the present invention, the hydrogen supply pressure is set to be greater than the air supply pressure under these normal conditions. In this regard, the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure may be set in advance to be the first adjustment pressure, and preferably, the first adjustment pressure may be -10 kPa.
반면, 기준 온도 이상 및 기준 전류 이상의 조건(예, 80도 이상, 300A 이상)에 해당되는 고온/고출력 운전이 지속되는 경우, 연료전지의 내구성에 나쁜 영향을 끼치게 된다. On the other hand, if high-temperature/high-power operation corresponding to the conditions of more than the reference temperature and more than the reference current (eg, 80 degrees or more, 300 A or more) is continued, durability of the fuel cell is adversely affected.
이를 개선하기 위해, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 제어 장치에서는, 도 3b에서와 같이, 고온/고출력 운전 조건(연료전지 열화 위험 조건)에서는 공기 압력 조절 밸브를 폐쇄하여 공기 공급 압력을 높이는 제어를 실시하게 된다. 여기서, 공기 압력 조절 밸브를 폐쇄한다는 의미는 밸브를 즉각적으로 완전히 닫아 공기 유동을 차단한다는 의미는 아니고, 밸브의 개도량을 점진적으로 줄이면서 공기 공급 압력을 높여가는 것을 의미한다.In order to improve this, in the fuel cell control device according to a preferred embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3B, the air pressure control valve is closed to increase the air supply pressure under high temperature/high power operating conditions (fuel cell deterioration risk condition). control will be exercised. Here, the meaning of closing the air pressure control valve does not mean that the valve is completely closed immediately to block the air flow, but rather means that the air supply pressure is increased while gradually reducing the opening amount of the valve.
따라서, 전류 센서에서 검출된 전류가 기준 전류를 초과하고, 온도 센서에서 검출된 온도가 기준 온도를 초과하는 고온/고출력 운전 조건(연료전지 열화 위험 조건)에 도달 한 경우, 제어기는 공기 압력 조절 밸브를 점진적으로 폐쇄하면서 공기 공급 압력이 수소 공급 압력 보다 커지도록 제어하게 된다.Therefore, when the current detected by the current sensor exceeds the reference current and the temperature detected by the temperature sensor reaches a high-temperature/high-power operation condition (a condition at risk of deterioration of the fuel cell) that exceeds the reference temperature, the controller operates the air pressure control valve. While gradually closing, the air supply pressure is controlled to be greater than the hydrogen supply pressure.
이러한 고온/고출력 운전 조건(연료전지 열화 위험 조건)에서는, 공기 공급 압력이 수소 공급 압력에 비해 낮아진 상태에서 연료전지 운전이 이루어진다.Under such high-temperature/high-output operating conditions (conditions at risk of deterioration of the fuel cell), fuel cell operation is performed in a state where the air supply pressure is lower than the hydrogen supply pressure.
특히, 연료전지 시스템이 고온/고출력 운전 조건(연료전지 열화 위험 조건)에 도달 한 것으로 판단된 경우, 제어기는 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하여, 미리 설정된 기준 시간 동안 공기 공급 압력을 선형적으로 증가시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제2 조정 압력이 되도록 제어할 수 있다. 이와 관련, 상기 제2 조정 압력은 10kPa의 압력일 수 있다.In particular, when it is determined that the fuel cell system has reached a high-temperature/high-output operating condition (fuel cell deterioration risk condition), the controller controls the opening amount of the pressure control valve to linearly adjust the air supply pressure for a preset reference time. It is possible to control the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure to be the preset second adjustment pressure. In this regard, the second adjustment pressure may be a pressure of 10 kPa.
한편, 연료전지 운전 시 제어 안정성을 도모하기 위해, 공기 공급 압력을 증가 시키는 제어는 온도 및 전류 측정값이 기준값을 초과한 경우 즉각적으로 실시되지 않도록 구성하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 제어기는 일정 시간 이상 고온 및 고출력 상태를 유지하는 경우에만 공기 공급 압력을 증대시키는 제어를 수행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 고온/고출력 조건에 일정 시간 미만으로 노출되는 경우에는 도 3b와 같은 압력 제어가 실시되지 않을 수 있다.On the other hand, in order to promote control stability during fuel cell operation, it is more preferable to configure the control of increasing the air supply pressure so that it is not immediately performed when the measured values of temperature and current exceed reference values. That is, the controller preferably performs control of increasing the air supply pressure only when the high temperature and high output conditions are maintained for a predetermined period of time or longer. In this case, when exposed to high temperature/high power conditions for less than a predetermined time, pressure control as shown in FIG. 3B may not be performed.
따라서, 공기 공급 압력을 증압시키는 압력 제어 조건의 경우, 시간, 온도 및 전류값이 모두 기준값을 초과한 경우만으로 한정될 수 있다.Accordingly, the pressure control condition for increasing the air supply pressure may be limited only when all of the time, temperature, and current values exceed the reference values.
연료전지 시스템은 운전 조건이 실시간으로 변하기 때문에, 전류 센서, 온도 센서는 전류 및 온도값을 실시간으로 모니터링하고, 제어기는 그 모니터링 결과를 반영하여 운전 조건에 따라 가변적으로 압력 제어를 실시할 수 있다.Since the operating conditions of the fuel cell system change in real time, the current sensor and the temperature sensor monitor the current and temperature values in real time, and the controller reflects the monitoring results to variably control the pressure according to the operating conditions.
도 4는 연료전지 시스템의 운전 조건에 따라 압력 제어가 가변적으로 실시되는 것을 나타내는 시간과 차압(공기압력-수소압력) 간의 그래프이다.4 is a graph between time and differential pressure (air pressure-hydrogen pressure) showing that pressure control is variably performed according to operating conditions of the fuel cell system.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템이 정상 운전 상태(A, 차압이 제1 조정압력인 상태)에서 고온/고출력 운전 조건으로 변경되면, 공기 공급 압력을 점진적으로 증가시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압을 제2 조정압력까지 증가시키게 된다. 이 경우, 제어기는 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하여 미리 설정된 기준 시간(예를 들어, 4시간) 동안 공기 공급 압력을 선형적으로 증가시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제2 조정압력(10kPa)이 되도록 제어할 수 있다.As shown in FIG. 4 , when the fuel cell system is changed from a normal operating state (A, a state in which the differential pressure is the first control pressure) to a high-temperature/high-output operating condition, the air supply pressure is gradually increased to increase the air supply pressure and hydrogen The differential pressure between the supply pressures is increased to the second control pressure. In this case, the controller controls the opening amount of the pressure regulating valve to linearly increase the air supply pressure for a preset reference time (eg, 4 hours) so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure is reduced to the second preset pressure. It can be controlled so that it becomes an adjustment pressure (10 kPa).
차압은 제2 조정압력까지 증가된 이후, 제2 조정압력을 유지하게 되는데, 고온/고출력 운전 조건을 벗어나 정상 운전 조건에서 연료전지가 운전되는 경우, 다시 차압을 감소시키는 제어가 이루어지게 된다. 즉, 도 4의 "B"에서와 같이, 정상 운전 조건으로 변경됨에 따라, 제어기는 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하여 미리 설정된 기준 시간(예를 들어, 4시간) 동안 공기 공급 압력을 선형적으로 감소시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력(-10kPa)이 되도록 제어할 수 있다. 이러한 압력 제어는 도 4에서와 같이 운전 조건의 변경에 따라 지속적으로 가변 제어될 수 있으며, 이러한 압력의 가변 제어를 통해 연료전지 스택 내구성을 증대시킬 수 있다.After the differential pressure is increased to the second regulated pressure, the second regulated pressure is maintained. When the fuel cell is operated under normal operating conditions out of high temperature/high power operating conditions, control to reduce the differential pressure is performed again. That is, as shown in "B" of FIG. 4, as the normal operating conditions change, the controller controls the opening amount of the pressure regulating valve to linearly adjust the air supply pressure for a preset reference time (eg, 4 hours). It can be controlled so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes a preset first adjustment pressure (-10 kPa). Such pressure control may be continuously and variably controlled according to changes in operating conditions as shown in FIG. 4 , and durability of the fuel cell stack may be increased through such variable pressure control.
이와 관련, 도 5a 및 도 5b에서는 고온/고출력 조건 시의 압력 가변 제어를 통해 내구성이 개선되는 효과를 보여주는 실험 데이터이다. .In this regard, FIGS. 5A and 5B are experimental data showing an effect of improving durability through variable pressure control under high temperature/high power conditions. .
도 5a는 운전 제어 방식에 따른 100시간 내구시험 결과를 도시한 것이고, 도 5b는 운전 제어 방식에 따른 내구 시험 중 최초 7시간 내구시험 결과를 도시한 것이다. 특히, 이들 도면에서는 애노드 대비 캐소드 측 기체 공급 압력을 증대시키는 경우, 고온/고출력 운전 조건에서 애노드 측 압력이 높게 설정된 경우에 비해 내구시험 중 열화율이 감소하는 경향을 보이는 것을 분명하게 확인할 수 있다.5A shows the result of a 100-hour endurance test according to the driving control method, and FIG. 5B shows the result of the first 7-hour endurance test among the endurance tests according to the driving control method. In particular, in these drawings, it can be clearly seen that when the gas supply pressure on the cathode side compared to the anode is increased, the degradation rate during the durability test tends to decrease compared to when the anode side pressure is set high under high temperature/high power operating conditions.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제어 방법을 나타내는 순서도이다.6 is a flowchart illustrating a fuel cell control method according to an embodiment of the present invention.
연료전지가 시동 온(ON) 되어 연료전지 시스템이 동작하면, 일반적인 정상 운저 조건에서는 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력 상태를 유지하도록 압력 제어가 이루어진다.When the fuel cell is turned on and the fuel cell system operates, pressure control is performed so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure is maintained at a preset first adjustment pressure state under normal operating conditions.
한편, 연료전지 시스템 동작 중, 제어기에서는 전류 센서에서 검출된 전류값이 기준 전류를 초과하는지 여부(S501) 및 냉각수 온도 센서에서 검출된 냉각수 출구 온도값이 기준 온도를 초과하는지를 판단한다(S502). 도 6에서는 이러한 전류 및 온도 체크 단계가 순차적으로 실시되는 것으로 도시되었으나, 전류 및 온도 체크 단계는 병렬적으로 또는 선후가 바뀌어 실시될 수도 있다.Meanwhile, while the fuel cell system is operating, the controller determines whether the current value detected by the current sensor exceeds the reference current (S501) and whether the coolant outlet temperature value detected by the coolant temperature sensor exceeds the reference temperature (S502). In FIG. 6 , the current and temperature check steps are illustrated as sequentially performed, but the current and temperature check steps may be performed in parallel or reversed.
연료전지의 전류 및 온도가 각각 기준 전류 및 기준 온도를 초과하는 고온/고출력 운전 조건(열화 위험 조건)에 도달 한 경우, 공기 공급 압력이 수소 공급 압력 보다 커지도록 압력을 제어하는 공기 측 증압 단계(S503)가 실시될 수 있다.When the current and temperature of the fuel cell reach a high-temperature/high-output operating condition (deterioration risk condition) exceeding the reference current and reference temperature, respectively, an air-side pressure boosting step of controlling the pressure so that the air supply pressure becomes greater than the hydrogen supply pressure ( S503) may be performed.
이러한 공기 측 증압 단계에서는 미리 설정된 기준 시간 동안 공기 공급 압력을 선형적으로 증가시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제2 조정 압력이 되도록 압력을 제어(즉, 공기 공급 압력 = 수소 공급 압력 + 제2 조정 압력)할 수 있다.In this air-side pressure boosting step, the air supply pressure is linearly increased for a preset reference time to control the pressure so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes the preset second adjustment pressure (ie, air supply pressure = hydrogen supply). pressure + second adjustment pressure).
한편, 제어기에서는 연료전지의 온도 및 전류 조건을 지속적으로 모니터링하여, 센서에 의해 검출된 온도값과 전류값이 각각 기준값을 초과하는 고온/고출력 운전 조건(열화 위험 조건)을 유지하는지 여부를 확인할 수 있다(S504).Meanwhile, the controller continuously monitors the temperature and current conditions of the fuel cell to check whether the temperature value and the current value detected by the sensor maintain high temperature/high power operating conditions (deterioration risk conditions) exceeding the reference values, respectively. Yes (S504).
확인 결과, 고온/고출력 운전 조건(열화 위험 조건)을 유지하는 경우, 공기 공급 압력이 수소 공급 압력 보다 높은 상태를 유지하게 되고(S505), 시동 오프(S506) 까지 단계 S504의 운전 조건 확인 단계 이하를 반복한다. 반면, 고온/고출력 운전 조건(열화 위험 조건)을 벗어나 정상 운전 조건에 돌입하게 되는 경우, 제어기는 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 압력을 제어(즉, 공기 공급 압력 = 수소 공급 압력 - 제2 조정 압력)하는 공기 측 감압 단계가 실시될 수 있다(S507).As a result of the check, when the high-temperature/high-output operating conditions (deterioration risk conditions) are maintained, the air supply pressure remains higher than the hydrogen supply pressure (S505), and the operation condition confirmation step of step S504 is maintained until the ignition is turned off (S506). repeat On the other hand, when the high-temperature/high-output operating conditions (deterioration risk conditions) enter normal operating conditions, the controller controls the pressure so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes a preset first adjustment pressure (ie, air supply pressure). Supply pressure = hydrogen supply pressure - second adjustment pressure) may be performed (S507).
이러한 공기 측 감압 단계(S507)에서는 미리 설정된 기준 시간 동안 공기 공급 압력을 선형적으로 감소시켜 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 압력을 제어할 수 있다.In the air-side depressurization step (S507), the air supply pressure is linearly reduced for a preset reference time, so that the pressure difference between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure is controlled to a preset first adjustment pressure.
이 후, 제어기에서는 연료전지의 온도 및 전류 조건을 실시간으로 모니터링하여, 센서에 의해 검출된 온도값과 전류값이 각각 기준값 이하인 정상 운전 상태를 유지하는지 여부를 확인할 수 있다(S508). Thereafter, the controller may monitor the temperature and current conditions of the fuel cell in real time to check whether the temperature value and the current value detected by the sensor are maintained in a normal operating state, each equal to or less than a reference value (S508).
확인 결과, 정상 운전 조건을 유지하는 경우, 공기 공급 압력이 수소 공급 압력 보다 낮은 상태를 유지하게 되고(S509), 시동 오프(S510) 까지 단계 S508의 운전 조건 확인 단계 이하를 반복한다. 한편, 확인 결과, 고온/고출력 운전 조건(열화 위험 조건)으로 다시 진입하는 경우, 공기 측 증압 단계(S503)가 다시 실시될 수 있다.As a result of the check, when normal operating conditions are maintained, the air supply pressure remains lower than the hydrogen supply pressure (S509), and the operation condition check step of step S508 and below are repeated until the ignition is turned off (S510). Meanwhile, as a result of the check, when the high temperature/high power driving condition (deterioration risk condition) is again entered, the air-side pressure boosting step (S503) may be performed again.
따라서, 연료전지가 운행을 계속하는 동안, 연료전지의 온도 및 전류를 실시간으로 모니터링한 결과에 기반하여, 운전 조건에 따라 공기 공급 압력과 수소 공급 압력 간의 차압을 지속적으로 가변 제어함으로써, 연료전지의 열화를 방지하고 연료전지의 내구성을 증대시킬 수 있다.Therefore, while the fuel cell continues to operate, based on the result of monitoring the temperature and current of the fuel cell in real time, the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure is continuously variably controlled according to the operating conditions, thereby increasing the efficiency of the fuel cell. Deterioration can be prevented and durability of the fuel cell can be increased.
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.Although shown and described in relation to specific embodiments of the present invention, it is known in the art that the present invention can be variously improved and changed without departing from the technical spirit of the present invention provided by the claims below. It will be self-evident to those skilled in the art.
10: 연료전지 스택
11: 연료극(애노드)
12: 공기극(캐소드)
13: 냉각수 채널
20: 공기 공급장치
21: 공기 압축기
22: 가습기
23: 공기공급라인
24: 공기복귀라인
26: 공기압력조절밸브
27: 공기배출라인
30: 수소 공급장치
31: 연료공급밸브
32: 이젝터
33: 수소공급라인
34: 수소재순환라인
35: 워터트랩
36: 드레인 밸브
41, 42: 압력 센서
43: 전류 센서
44: 냉각수 온도 센서10: fuel cell stack 11: fuel electrode (anode)
12: air cathode (cathode) 13: cooling water channel
20: air supply
21: air compressor 22: humidifier
23: air supply line 24: air return line
26: air pressure control valve 27: air discharge line
30: hydrogen supply
31: fuel supply valve 32: ejector
33: hydrogen supply line 34: hydrogen recycle line
35: water trap 36: drain valve
41, 42: pressure sensor 43: current sensor
44: coolant temperature sensor
Claims (11)
상기 연료전지의 전류가 기준 전류를 초과하고, 상기 연료전지의 온도가 기준 온도를 초과하는 열화 위험 조건에 도달 한 경우, 공기 공급 압력이 수소 공급 압력 보다 커지도록 압력을 제어하는 공기 측 증압 단계;를 포함하고,
상기 공기 측 증압 단계는 상기 연료전지의 온도 또는 전류가 상기 열화 위험 조건을 벗어날 때까지 유지되는 연료전지 제어 방법.
Checking the temperature and current of the fuel cell during operation of the fuel cell system; and
an air-side pressure boosting step of controlling a pressure so that an air supply pressure becomes greater than a hydrogen supply pressure when the current of the fuel cell exceeds the reference current and the temperature of the fuel cell reaches a deterioration risk condition exceeding the reference temperature; including,
The air-side pressure boosting step is maintained until the temperature or current of the fuel cell deviate from the deterioration risk condition.
상기 연료전지의 전류가 상기 기준 전류 이하이거나, 상기 연료전지의 온도가 상기 기준 온도 이하인 정상 운전 조건으로 확인된 경우, 상기 공기 공급 압력과 상기 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 방법.
The method of claim 1,
When the current of the fuel cell is equal to or less than the reference current or the temperature of the fuel cell is determined to be a normal operating condition that is equal to or less than the reference temperature, the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes a preset first adjustment pressure. A fuel cell control method characterized in that the pressure is controlled.
상기 공기 측 증압 단계에서는 미리 설정된 기준 시간 동안 상기 공기 공급 압력을 선형적으로 증가시켜 상기 공기 공급 압력과 상기 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제2 조정 압력이 되도록 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 방법.
The method of claim 1,
In the air-side pressure boosting step, the air supply pressure is linearly increased for a preset reference time to control the pressure so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes a preset second adjustment pressure. Battery control method.
상기 공기 측 증압 단계 이후, 상기 연료전지의 온도 및 전류를 다시 확인하여, 상기 연료전지의 전류가 상기 기준 전류 이하이거나, 상기 연료전지의 온도가 상기 기준 온도 이하인 정상 운전 조건으로 확인된 경우, 미리 설정된 기준 시간 동안 상기 공기 공급 압력을 선형적으로 감소시켜 상기 공기 공급 압력과 상기 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 압력을 제어하는 공기 측 감압 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 방법.
The method of claim 3,
After the air-side pressure boosting step, the temperature and current of the fuel cell are checked again, and when the current of the fuel cell is equal to or less than the reference current or the temperature of the fuel cell is determined to be a normal operating condition that is equal to or less than the reference temperature, in advance An air-side pressure reducing step of controlling the pressure so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes a preset first adjustment pressure by linearly reducing the air supply pressure for a set reference time; characterized in that it further comprises. A fuel cell control method.
상기 공기 측 감압 단계는 상기 연료전지의 온도 및 전류가 상기 열화 위험 조건에 도달할 때 까지 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 방법.
The method of claim 4,
The air-side pressure reduction step is maintained until the temperature and current of the fuel cell reach the deterioration risk condition.
상기 공기 측 증압 단계에서는, 공기 공급 장치 내의 공기 압력 조절 밸브를 점진적으로 폐쇄하여 공기 공급 압력을 선형적으로 증가시키고,
상기 공기 측 감압 단계에서는, 상기 공기 압력 조절 밸브를 점진적으로 개방하여 공기 공급 압력을 선형적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 방법.
The method of claim 4,
In the air side pressure boosting step, the air pressure regulating valve in the air supply device is gradually closed to linearly increase the air supply pressure;
In the air-side pressure reducing step, the air pressure control valve is gradually opened to linearly reduce the air supply pressure.
상기 연료전지의 전류를 확인하기 위한 전류 센서;
공기 공급 장치에서의 공기 공급 압력과 수소 공급 장치에서의 수소 공급 압력 간의 차압을 조정하기 위한 압력 조절 밸브; 및
상기 온도 센서 및 상기 전류 센서로부터 검출된 연료전지 온도 및 전류 정보를 기반으로 상기 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하는 제어기;를 포함하고,
상기 전류 센서에서 검출된 전류가 기준 전류를 초과하고, 상기 온도 센서에서 검출된 온도가 기준 온도를 초과하는 열화 위험 조건에 도달 한 경우, 상기 제어기는 상기 공기 공급 압력이 수소 공급 압력 보다 커지도록 상기 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 장치.
a temperature sensor for checking the temperature of the fuel cell;
a current sensor for checking the current of the fuel cell;
a pressure regulating valve for adjusting a differential pressure between the air supply pressure in the air supply device and the hydrogen supply pressure in the hydrogen supply device; and
A controller controlling the opening amount of the pressure control valve based on the fuel cell temperature and current information detected from the temperature sensor and the current sensor;
When the current detected by the current sensor exceeds the reference current and the temperature detected by the temperature sensor reaches a deterioration risk condition exceeding the reference temperature, the controller sets the air supply pressure to be greater than the hydrogen supply pressure. A fuel cell control device characterized in that for controlling the opening amount of a pressure regulating valve.
상기 전류 센서에서 검출된 전류가 상기 기준 전류 이하이거나, 상기 온도 센서에서 검출된 온도가 상기 기준 온도 이하인 정상 운전 조건으로 확인된 경우, 상기 제어기는 상기 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하여, 상기 공기 공급 압력과 상기 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 장치.
The method of claim 7,
When the current detected by the current sensor is equal to or less than the reference current or the temperature detected by the temperature sensor is determined to be a normal operating condition that is equal to or less than the reference temperature, the controller controls the opening amount of the pressure control valve to remove air A fuel cell control device characterized in that for controlling the differential pressure between the supply pressure and the hydrogen supply pressure to be a preset first adjustment pressure.
상기 열화 위험 조건에 도달 한 것으로 판단된 경우, 상기 제어기는 상기 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하여, 미리 설정된 기준 시간 동안 상기 공기 공급 압력을 선형적으로 증가시켜 상기 공기 공급 압력과 상기 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제2 조정 압력이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 장치.
The method of claim 7,
When it is determined that the deterioration risk condition has been reached, the controller controls the opening amount of the pressure control valve to linearly increase the air supply pressure for a preset reference time, thereby increasing the air supply pressure and the hydrogen supply pressure. A fuel cell control device characterized in that the control is performed so that the differential pressure between the spaces becomes a preset second adjustment pressure.
상기 제어기는 상기 열화 위험 조건에 도달한 이후, 실시간으로 상기 전류 센서 및 상기 온도 센서의 검출값을 확인하여, 검출된 전류값이 상기 기준 전류 이하이거나, 검출된 온도값이 상기 기준 온도 이하인 정상 운전 조건으로 확인된 경우, 상기 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하여 미리 설정된 기준 시간 동안 상기 공기 공급 압력을 선형적으로 감소시켜 상기 공기 공급 압력과 상기 수소 공급 압력 간의 차압이 미리 설정된 제1 조정압력이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 장치.
The method of claim 9,
After the deterioration risk condition is reached, the controller checks the detected values of the current sensor and the temperature sensor in real time, so that the detected current value is equal to or less than the reference current value or the detected temperature value is equal to or less than the reference temperature value for normal operation. When the condition is confirmed, the air supply pressure is linearly reduced for a preset reference time by controlling the opening amount of the pressure regulating valve so that the differential pressure between the air supply pressure and the hydrogen supply pressure becomes the preset first adjustment pressure. A fuel cell control device, characterized in that for controlling to be.
상기 온도 센서는 연료전지 스택 출구에 설치되는 냉각수 온도 센서이고,
상기 전류 센서는 연료전지의 스택 전류를 검출하는 스택 전류 센서이고,
상기 압력 조절 밸브는 공기 공급 압력을 조절할 수 있는 공기 압력 조절 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 제어 장치.
The method of claim 7,
The temperature sensor is a coolant temperature sensor installed at the outlet of the fuel cell stack,
The current sensor is a stack current sensor for detecting a stack current of a fuel cell,
The fuel cell control device, characterized in that the pressure control valve is an air pressure control valve capable of adjusting the air supply pressure.
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