KR20230046392A - 연료전지 시스템의 운전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지의 셀 전압 정보를 수집하고, 수집된 셀 전압 정보에 따라 역전압 취약셀을 선별하는 셀 진단 단계; 선별된 역전압 취약셀에 관한 운전 조건을 확인하여, 미리 결정된 취약 운전 조건에 따라 분류하는 운전 조건 분류 단계; 및 분류된 취약 운전 조건에 따른 연료 보상 제어를 실시하는 보상 운전 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법과 이를 이용한 연료전지 시스템의 운전 제어 장치가 소개된다.

Description

연료전지 시스템의 운전 제어 장치 및 방법 {MEHTOD FOR CONTROLING OPERATION OF FEUL CELL SYSTEM AND FUEL CELL CONTROL SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템의 운전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 운전 중 발생하는 비가역 열화를 방지하여 스택 내구성 증대시킬 수 있는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지는 전기 에너지 또는 전력을 발생시키기 위해 수소와 산소 사이의 전기화학 반응을 이용하는 전기화학적 장치이다. 특히, 차량에 널리 적용되는 고분자 전해질 연료전지 시스템에 있어서, 물은 공기극(cathode)과 연료극(anode) 사이 전극막으로 수소 이온(H+)을 전달하는 매개체 역할을 하기 때문에 전해질막의 수분 함수율을 일정수준 이상으로 유지하는 것이 연료전지 성능과 직결된다.
예를 들어, 물이 부족한 드라이(dry) 조건의 경우 전해질막의 수분 함수율이 낮아져서 전극의 저항이 증가하여 연료전지 성능이 감소하게 되고, 수분이 너무 많은 플러딩(flooding) 조건의 경우에는 공기극(cathode)과 연료극(anode)에서 공기와 수소가 공극되는 채널에 물이 응축되어 정상적으로 전극에 반응 기체가 공급되지 않아 연료전지 셀 전압이 급격히 떨어지게 된다. 전술한 드라이 조건이나 플러딩 조건에서 연료전지가 지속적으로 운전이 되는 경우 열화가 가속화되는 문제가 발생한다.
연료전지는 사용 시간이 증가함에 따라 물리적 변형과 같은 비가역적인 열화가 진행될 수 밖에 없으며, 이러한 열화에 따라 전술한 것과 같은 드라이 조건 및 플러딩 조건과 같은 동작 특성이 변화할 수 있다.
따라서, 연료전지 열화를 가속화시키는 운전조건을 회피하여 연료전지의 내구성 및 효율을 향상시키기 위한 연료전지 시스템의 운전 제어 기술이 요구된다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2016-0116498 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 시스템 내에서 역전압 발생 가능성이 높은 셀들을 사전 선별하고, 선별된 셀들이 반복적으로 취약조건에 노출되는 것을 방지함으로써 연료전지 셀의 비가역 열화를 방지하는 것에 목적이 있다.
특히, 본 발명에서는 가역 열화의 회복 및 비가역 열화 노출을 감소시키기 위한 보상 운전 모드를 제시하고, 이러한 보상 운전 모드를 통해 스택 내구성을 증대시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 비가역 열화에 노출될 취약 조건의 셀들을 선별하고, 이들 선별된 셀들을 취약 조건 별로 분류하여 진단하고, 진단 결과에 따른 단계적인 보상 운전 모드를 실시하는 것에 또 다른 목적이 있다.
또한, 이러한 단계적인 보상 운전 모드를 통해, 최적화된 보상 운전 제어를 구현하고, 불필요한 연료 과공급을 방지하여 연료 효율을 개선하는 것에 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서는 연료전지의 셀 전압 정보를 수집하고, 수집된 셀 전압 정보에 따라 역전압 취약셀을 선별하는 셀 진단 단계; 선별된 역전압 취약셀에 관한 운전 조건을 확인하여, 미리 결정된 취약 운전 조건에 따라 분류하는 운전 조건 분류 단계; 및 분류된 취약 운전 조건에 따른 연료 보상 제어를 실시하는 보상 운전 단계;를 포함할 수 있다.
셀 진단 단계에서는, 셀 전압 편차가 제1 기준전압 이상인 셀을 역전압 취약셀로 선별할 수 있다.
셀 진단 단계에서는, 셀 전압 편차가 제1 기준전압 이상인 셀을 역전압 취약셀로 선별할 수 있다.
연료 보상 제어는 수소 공급량 증가 제어 또는 애노드 내 수소 비율 증가 제어 중 어느 하나의 제어일 수 있다.
취약 운전 조건은 연료전지 온도, 전류 밀도, 전류 밀도의 변화, 수소 공급 유량과 애노드 내 질소 혼입비를 포함하는 그룹 내의 인자들로부터 결정되는 운전 조건 중 2 이상의 운전 조건을 포함할 수 있다.
운전 조건 분류 단계에서, 취약 운전 조건이 애노드 내 질소 혼입비에 따라 결정되는 제1 운전 조건 그룹으로 분류된 경우, 보상 운전 단계에서는, 애노드 내 질소 혼입비를 기준 혼입비 이하로 감소시키는 연료 보상 제어를 실시할 수 있다.
운전 조건 분류 단계에서, 취약 운전 조건이 연료전지 온도, 전류 밀도, 전류 밀도의 변화 또는 수소 공급 유량에 따라 결정되는 제2 운전 조건 그룹으로 분류된 경우, 보상 운전 단계에서는, 애노드 수소 공급량을 증가시키는 연료 보상 제어를 실시할 수 있다.
보상 운전 단계에서, 취약 운전 조건에 따른 연료 보상 제어를 실시하고 미리 설정된 시간이 경과된 시점까지 선별된 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 상기 제1 기준전압 이상인 경우, 제1 운전 조건 그룹의 경우, 애노드 수소 공급량을 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시하고, 제2 운전 조건 그룹의 경우, 애노드 수소 공급량과 캐소드 공기 공급량을 함께 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시할 수 있다.
보상 운전 단계에서의 연료 보상 제어 중, 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 제2 기준전압 미만으로 떨어지는 경우, 연료 보상 제어를 종료하고, 역전압 취약셀의 셀 번호 및 해당되는 취약 운전 조건에 대한 정보를 저장할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 장치에서는, 수소 공급 라인과 공기 공급 라인을 통해 각각 수소와 공기를 공급받는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치에 있어서, 수소 공급 라인 상에 수소 공급량을 제어할 수 있도록 설치되는 제1 밸브; 애노드 배출 가스를 재순환시키기 위한 수소 재순환 라인을 퍼지시키기 위한 제2 밸브; 및 연료전지의 셀 전압 정보를 포함하는 연료전지 상태 정보를 수집하여, 수집된 셀 전압 정보에 따라 역전압 취약셀을 선별하고, 취약 운전 조건 분류에 따른 연료 보상 제어를 실시하도록 구성된 제어기를 포함하는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치를 제공한다.
제어기는 연료전지의 셀 전압 편차를 확인하여, 셀 전압 편차가 제1 기준전압 이상인 셀을 역전압 취약셀로 선별할 수 있다.
제어기에 의해 실시되는 연료 보상 제어는, 제1 밸브의 개도량을 증가시키는 수소 공급량 증가 제어 또는 제2 밸브를 개방하여 수소 재순환 라인 내 가스를 퍼지시키는 애노드 내 수소 비율 증가 제어 중 어느 하나의 제어일 수 있다.
취약 운전 조건은 연료전지 온도, 전류 밀도, 전류 밀도의 변화, 수소 공급 유량과 애노드 내 질소 혼입비를 포함하는 그룹 내의 인자들로부터 결정되는 운전 조건 중 2 이상의 운전 조건으로 분류되고, 제어기에 의해, 취약 운전 조건이 애노드 내 질소 혼입비에 따라 결정되는 제1 운전 조건 그룹으로 분류된 경우, 제어기는, 애노드 내 질소 혼입비가 기준 혼입비 이하로 감소하도록 제2 밸브를 개방시키는 연료 보상 제어를 실시할 수 있다.
제어기에 의해, 취약 운전 조건이 연료전지 온도, 전류 밀도, 전류 밀도의 변화 또는 수소 공급 유량에 따라 결정되는 제2 운전 조건 그룹으로 분류된 경우, 제어기는, 애노드 수소 공급량을 증가시키기 위해 제1 밸브의 개도량을 증가시킬 수 있다.
공기 공급 라인 상에 공기 공급량을 제어할 수 있도록 설치되는 공기 압축기;를 더 포함하고, 제어기는, 연료 보상 제어를 실시하고 미리 설정된 시간이 경과된 시점까지 선별된 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 상기 제1 기준전압 이상인 경우, 제1 운전 조건 그룹의 경우, 제1 밸브를 개방하여 애노드 수소 공급량을 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시하도록 구성되고, 제2 운전 조건 그룹의 경우, 공기 압축기를 구동시켜 캐소드 공기 공급량을 추가로 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시할 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템의 운전 제어 장치 및 방법에 따르면, 반복적으로 발생하는 역전압 진입 현상을 미리 대응할 수 있으므로, 스택의 영구 손상을 방지하고 스택 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 열화를 방지를 위한 최적 운전 제어 기술을 제공함으로써, 탄소 부식을 방지하고, 셀 내 전극 편차를 완화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 부반응을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 진단/학습 결과에 따른 2단계의 보상 운전 모드를 제공함으로써, 가역 열화 회복 후 연료 과공급을 방지하여 연료 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 장치 및 방법을 적용함에 따라, 애노드 전극 내 역전압 방지용 촉매의 수명을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법의 단계들을 개략적으로 설명하고 있는 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 취약 운전 조건 모니터링 후 2단계의 보상 운전 모드가 실시되는 예를 나타내는 흐름도.
연료전지 스택은 그 운전 과정에서 열화로 인한 성능 저하 문제가 발생한다.
연료전지 스택 내 열화는 가역적으로 성능 회복이 가능한 가역 열화와 비가역적인 성능 저하가 발생하는 비가역적 열화로 구분될 수 있다. 대표적인 비가역적 열화를 유발하는 것으로 역전압 문제를 들 수 있다. 연료전지의 역전압 발생은 연료전지 내 플러딩, 낮은 온도 조건, 수소 공급 장치의 이상 등의 다양한 원인에 의해 발생될 수 있다.
일반적으로, 연료전지의 역전압은 애노드 측 수소가 부족해지는 현상에 기인할 수 있으며, 역전압 발생 시 연료전지 셀 성능에 매우 치명적인 악영향을 미치게 된다. 이러한 수소 부족 현상은 특히 애노드로 공급되는 수소의 불균일한 공급 및 분배, 급가속 운전 시와 같이 갑작스러운 연료전지 부하 요구량 증가, 연료전지 시동(Start-up) 등 저온, 저유량의 운전조건에서 자주 발생할 수 있다. 이와 같이 애노드 측 수소 부족 현상이 발생하는 경우, 애노드 전압이 증가하고, 이로 인해 일시적 또는 지속적인 역전압이 발생하게 된다. 연료전지 역전압 발생 시, 일시적으로는 가역열화가 진행되고, 지속될 경우 비가역 열화, 즉 영구 열화를 유발할 수 있다.
본 발명에서는 연료전지의 내구성을 증대시키기 위한 방법 중 하나로, 비가역 열화를 방지를 위한 연료전지의 역전압 회피 운전 방법 및 이를 구현하기 위한 운전 제어 장치를 설명한다.
특히, 본 발명에서는 연료전지 시스템의 운전 중 역전압 취약셀을 사전에 선별하고, 선별된 셀 별로 취약 운전조건을 분류하고 선별할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 본 발명에서는 분류된 취약 운전 조건에 적합한 보상 운전 모드를 미리 설정하고, 각 취약 운전 조건에 적합한 보상 운전 모드로 연료전지 시스템이 작동되도록 구성될 수 있다.
이와 관련, 역전압 방지를 위한 보상 운전 모드로는 애노드 화학양론비(Stoichiometric Ratio, 이하, 'SR')를 증가시키는 제어, 또는 애노드 측 수소 재순환 비율 감소(즉, 수소 순도 증가), 또는 애노드 SR 및 캐소드 SR 증가시키는 제어와 같이 구성할 수 있다.
또한, 보상 운전 모드는 진단 및 학습 단계가 존재할 수 있으며, 연료전지 스택의 전압을 모니터링하여 가역 열화가 회복되었는지 여부를 판단하고, 가역 열화 회복 완료로 판단 시 보상 운전 모드를 중단시켜, 연료 과공급을 방지하여 연비를 개선하기 위한 종료 로직을 포함하도록 구성될 수 있다.
이상과 같은 과정을 통해, 역전압 가능성이 높은 셀을 사전 선별하고 선별된 취약 셀에 대한 보상 운전 제어를 실시함으로써, 취약 셀이 반복적으로 취약조건에 노출 되는 것을 사전에 방지하여 가열 열화를 회복하고, 비가역 열화가 일어나지 않도록 하는 것에 본 발명의 의의가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 장치 및 방법을 상세히 설명한다.
도 1은 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 스택(10)의 캐소드에는 공기를 공급하기 위한 공기 공급 시스템(20)이 연결되고, 애노드에는 수소를 공급하기 위한 수소 공급 시스템(30)이 연결된다.
상기 공기공급 시스템(20)은 외부공기를 흡입하여 가습기쪽으로 압축 전달하는 공기 압축기(21)와, 압축된 공기가 적정한 습도를 가지도록 가습시키는 가습기(22)를 포함할 수 있다.
공기 압축기는 회전수를 가변 제어함에 따라 캐소드로 공급되는 공기의 공급량을 가변 제어할 수 있도록 구성된다. 따라서, 공기 압축기의 회전수를 증감 제어함에 따라 캐소드 SR을 직접적으로 증감 제어할 수 있다.
가습기(22)를 통과한 공기는 공기 공급 라인(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 제2 공기 공급 라인(24)을 통해 가습기(22) 측으로 재공급될 수 있다. 이 때, 상기 제2 공기 공급 라인(24) 상에는 공기재순환밸브(25)가 설치될 수 있다. 이러한 공기재순환밸브(25)는 3-웨이 밸브로 구성될 수 있으며, 상기 공기 재순환밸브(25)의 개도를 제어함에 따라 가습기 상류로 캐소드 출구 공기 일부를 재순환시켜 총 공기 유량을 상향시킬 수 있다. 또한, 가습기(22)의 일측에는 공기압력조절밸브(26)가 설치되며, 가습에 참여하지 못한 습윤공기는 공기압력조절밸브(26)를 거쳐 공기배기라인(27)을 따라 외부로 배출된다. 이러한 공기압력조절밸브(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.
상기 수소 공급 시스템(30)에서는 수소공급밸브(31)를 통해 공급되는 수소가 이젝터(32)를 통해 애노드(12) 측으로 공급된다. 이러한 이젝터(32) 전 후단에는 압력을 검출하기 위한 수소 압력 센서(42)가 설치될 수 있다.
애노드로 공급된 수소 중 반응에 미참여한 일부 수소는 수소 재순환 라인(34)을 통해 애노드의 전단부로 재순환되어 다시 애노드로 공급될 수 있다. 연료전지 스택 운전 시, 스택의 캐소드에 공급된 공기 중의 질소와 공기극에서 생성된 생성수(물 및 수증기)들이 스택 내부의 전해질막을 통해 애노드 측으로 크로스오버(crossover)됨에 따라 애노드 내의 불순물이 축적될 수 있다. 이러한 애노드 내의 불순물은 반응에 미참여한 수소와 함께 외부로 배출될 수 있으며, 이를 위해 수소 재순환 라인 상에는 퍼지밸브가 설치될 수 있다.
한편, 수소 재순환 라인에는 응축수를 포집하기 위한 워터 트랩(35)이 애노드 출구 측에 설치될 수 있다. 또한, 이러한 워터 트랩(35) 내에 포집된 응축수를 배출하기 위한 드레인 밸브가 설치될 수 있다. 도 1에서는 별도의 퍼지 밸브를 설치하지 않고, 드레인 밸브에 의해 응축수 배출과 수소 퍼지 기능을 동시에 수행할 수 있는 시스템을 도시하고 있다. 이러한 시스템에서는 반응에 미참여한 일부 수소와 함께 워터 트랩 내의 응축수가 함께 배출될 수 있다.
상기 워터 트랩(35)내에는 워터 트랩 내 수위를 감지하기 위한 수위감지센서(미도시)가 설치되고, 이 수위감지센서를 통해 응축수의 수위가 임계치 이상인 것으로 확인되면, 워터트랩 하단의 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 1에서와 같이 공기 공급 시스템의 가습기(22) 측으로 전달되어 가습에 활용될 수도 있다.
또한, 연료전지에는 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 채널(13)이 설치될 수 있으며, 상기 냉각수 채널을 통과하는 냉각수 온도를 제어하기 위한 냉각수 공급장치를 포함할 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 설치될 수 있다.
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. 또한, 연료전지 시스템에는 연료전지 스택의 출력 전압과 관련된 정보를 검출하기 위한 전압 검출부(41)가 설치될 수 있다. 바람직하게는, 전압 검출부(41)를 통해 연료전지 스택 내 각 셀들의 전압 편차를 검출하도록 구성할 수 있다. 여기서, 검출하고자 하는 스택 내 각 셀들의 전압 편차라 함은, 스택의 평균 전압과 각 셀의 전압의 차이를 의미하는 것일 수 있다.
예를 들어, 본 발명에서의 연료전지 시스템은 복수의 단위 셀들이 적층되어 이루어지는 연료전지 스택을 포함할 수 있으며, 연료전지 스택 내 각 셀들의 전압을 측정할 수 있는 수단을 포함할 수 있다. 이러한 전압 측정 수단을 통해 각 셀 별 전압이 측정되면, 각각의 측정 전압값을 이용하여 스택 내 전체 셀의 평균 전압을 산출할 수 있으며, 산출된 평균 전압과 특정 셀의 전압 간의 차이값이 해당 특정 셀의 셀 전압 편차로 결정될 수 있다.
이와 관련, 본 발명에서의 전압 검출부(41)는 각 셀의 셀 전압 편차를 산출하기 위한 전압 관련 정보를 검출하거나 또는 직접 셀 전압 편차를 산출할 수 있는 수단을 의미하는 것일 수 있다. 따라서, 상기 전압 검출부(41)는 스택 내의 각 셀의 전압을 검출할 수 있는 센서들을 포함하는 장치일 수 있으며, 또는 다른 스택 상태 정보로부터 셀 전압 및 셀 전압 편차를 산출할 수 있는 산출 수단을 추가로 포함하는 장치일 수도 있다.
제어부(40)는 연료전지 시스템 내의 각종 센서류(42, 43, 44) 및 전압검출부(41)로부터 수득한 정보로부터 연료전지 시스템의 운전을 제어하는 것으로, 공기 압축기(21)와 각종 밸브류(25, 26, 31, 36) 등 연료전지 시스템 내 동작 가능한 구성들을 총괄적으로 제어하기 위한 구성이다.
특히, 제어기(40)는 연료전지 스택의 각 셀 전압 편차를 검출한 결과를 바탕으로, 역전압 발생 가능성이 높은 셀을 사전 선별하고, 이들 셀들에 비가역 열화가 발생하는 것을 방지하기 위하여 단계적으로 보상 운전 제어를 실시할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(40)는 전압 검출부(41)로부터 셀 전압 편차에 관한 정보를 제공받을 수 있으며, 이를 토대로 셀 전압 편차가 기준치 이상인 경우 역전압이 발생할 수 있는 위험 셀로 판단할 수 있다. 이를 위해, 제어기(40)에는 각 셀의 셀 전압 편차 정보로부터 셀 별 역전압 위험을 판단할 수 있는 역전압 위험 판단부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 미리 분류된 역전압 위험 발생의 취약 조건 리스트들을 저장하고 있는 메모리부를 포함할 수 있으며, 이 메모리부에 저장된 취약 조건 리스트들을 참조하여 현재 문제 시되는 취약 조건을 리스트 내 분류 별로 카테고리화하기 위한 조건 분류부를 더 포함할 수 있다.
또한, 제어기(40) 내에는 역전압 위험을 해소하기 위한 보상 운전 제어를 실시하기 위한 보상 운전 제어부가 포함될 수 있으며, 보상 운전 제어는 메모리부에 저장된 취약 조건 별로 설정된 보상 운전 제어 로직에 따라 진행될 수 있다. 따라서, 판단부에 의해 보상 운전 제어가 필요한 것으로 판단되고, 이 때의 운전 조건이 미리 설정된 취약 조건 분류에 따라 결정되는 경우, 보상 운전 제어부는 분류된 취약 조건에 관한 보상 운전 제어 로직을 참조하여 애노드 수소 공급을 개선하기 위한 제어를 실시하게 된다.
이러한 보상 운전 제어의 경우, 앞서 설명한 바와 같이 (i) 애노드 화학양론비(Stoichiometric Ratio, 이하, 'SR')를 증가시키는 제어, 또는 (ii)애노드 측 수소 재순환 비율 감소(즉, 수소 순도 증가), 또는 (iii) 애노드 SR 및 캐소드 SR를함께 증가시키는 제어들로 이루어질 수 있으며, 이러한 (i) ~ (iii) 의 제어들이 사전에 분류된 취약 조건에 따라 매칭되어 미리 결정되어 있을 수 있다.
따라서, 보상 운전 제어부는 위 (i) ~ (iii) 제어를 실시하기 위해, 수소 공급 라인 상의 수소 공급 밸브, 수소 재순환 라인 상의 퍼지 밸브(또는 드레인 밸브), 공기 공급 라인 상의 공기 압축기의 동작을 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.
이러한 제어기(40)는 연료전지 제어기(FCU)일 수 있으며, 또한 그 하위 제어기로, 다양한 센서들로부터 검출된 연료전지 또는 그 주변의 상태 정보를 기반으로 역전압 취약셀을 판정하고, 역전압 방지를 위한 보상 운전 제어를 실시하기 위한 별도의 하위 제어기일 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 장치는 도 1의 제어기 자체를 의미하는 것일 수 있으며, 또는 이러한 제어기가 부착된 연료전지 시스템 전체 또는 연료전지 시스템의 일부 구성일 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 장치는 수소 공급 라인과 공기 공급 라인을 통해 각각 수소와 공기를 공급받는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치일 수 있다. 이러한 예에서는, 수소 공급 라인 상에 수소 공급량을 제어할 수 있도록 설치되는 제1 밸브(예를 들어, 수소 공급 밸브)와 애노드 배출 가스를 재순환시키기 위한 수소 재순환 라인을 퍼지시키기 위한 제2 밸브(예를 들어 퍼지 밸브) 및 이들 밸브들을 제어하기 위한 제어기를 포함할 수 있다. 또한, 제어기는 연료전지의 셀 전압 정보를 포함하는 연료전지 상태 정보를 수집하여, 수집된 셀 전압 정보에 따라 역전압 취약셀을 선별하고, 취약 운전 조건 분류에 따른 연료 보상 제어를 실시하도록 구성될 수 있다. 특히, 제어기는 연료전지의 셀 전압 편차를 확인하여, 셀 전압 편차가 제1 기준전압(Vref1) 이상인 셀을 역전압 취약셀로 선별할 수 있다. 이와 관련, 제1 기준전압(Vref1)은 역전압을 방지할 수 있도록 설정되는 값으로, 역전압 발생 전 또는 역전압이 발생하게 되더라도 매우 짧은 시간 내에 발생하여 가역적으로 회복할 수 있는 수준을 유지할 수 있도록 설정되는 값이다. 이러한 제1 기준전압(Vref1) 값은 실험적으로 결정될 수 있으며, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이러한 제1 기준전압(Vref1) 값은 15mV 내지 25mV의 범위 내 값일 수 있다. 예를 들어, 제1 기준전압(Vref1)은 20mV일 수 있다.
제어기에 의해 실시되는 연료 보상 제어는, 제1 밸브의 개도량을 증가시키는 수소 공급량 증가 제어 또는 제2 밸브를 개방하여 수소 재순환 라인 내 가스를 퍼지시키는 애노드 내 수소 비율 증가 제어 중 어느 하나의 제어일 수 있으며, 캐소드 내 공급 공기량을 증가시키는 제어를 포함할 수도 있다.
또한, 취약 운전 조건은 연료전지 온도, 전류 밀도, 전류 밀도의 변화, 수소 공급 유량과 애노드 내 질소 혼입비에 결정되는 운전 조건들로 분류될 수 있다. 미리 분류된 취약 운전 조건들은 불균등 연료 공급이 발생할 수 있는 조건에 대하여 미리 분류된 조건일 수 있다.
예를 들어, 취약 운전 조건들은 기준 온도 이하의 저온으로 연료전지 스택이 동작하는 저온 동작의 경우, 또는 짧은 시간(기준 시간 이내)에 저전류 밀도 이하에서 중전류 밀도 이상으로 전류 밀도가 급변하는 급가속의 경우가 될 수 있다. 이와 관련, 저온 동작 시, 기준 온도는 50℃ 또는 45℃ 또는 40℃ 또는 35℃ 일 수 있다. 또한, 저전류 밀도는 0.24A/㎤, 0.20A/㎤, 0.16A/㎤, 0.12A/㎤ 일 수 있으며, 중전류 밀도는 0.56A/㎤, 0.52A/㎤, 0.48A/㎤, 0.44A/㎤ 일 수 있다. 저온 동작 관련 기준 시간은 1초 내지 5초 범위 내의 값으로 구성될 수 있다.
또한, 취약 운전 조건들은 저유량 조건 또는 재순환 질소 과다 조건을 포함할 수 있다. 이와 관련, 저유량 조건은 앞서의 저전류 밀도 이하가 일정 시간 이상 지속되는 경우로 설정될 수 있다. 재순환 질소 과다 조건은 애노드 측 재순환 시 질소혼입비가 과다해지는 상태를 말하는 것으로, 예를 들어 애노드 전체 SR 기준 질소 혼입비가 임계 비율 이상으로 혼입된 경우를 의미할 수 있다. 이와 관련, 질소 혼입비의 임계 비율(기준 혼입비, A%)은 8%, 10%, 12%, 15%일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 역전압 취약셀이 회복되었는지 여부를 판단할 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 보상 운전 모드를 해제하기 위한 제2 기준전압(Vref2) 값이 설정되고, 이 제2 기준전압(Vref2) 값 미만으로 셀 전압 편차가 떨어지는 경우, 역전압 취약셀이 가역적으로 회복되어 역전압 발생 위험이 해소된 상태로 판단하게 된다. 여기서, 제2 기준전압(Vref2)은 12mV 이하의 값일 수 있으며, 바람직하게는 5mV 내지 12mV 범위에서 결정되는 값일 수 있다. 예를 들어, 제2 기준전압(Vref2)은 10mV일 수 있다.
역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 제2 기준전압(Vref2) 미만으로 떨어지는 경우, 제어기는 연료 보상 제어를 종료할 수 있다. 이 때, 제어기는 내부 메모리부에 역전압 취약셀의 셀 번호 및 해당되는 취약 운전 조건에 대한 정보를 저장할 수 있다. 이러한 저장 정보는 미리 설정된 기간(예를 들어, 3개월) 동안 저장될 수 있으며, 해당 기간 내에 동일한 사유(동일 취약 운전조건)로 동일한 셀에 대한 보상 운전 제어가 반복적으로 발생하는 경우, 해당 취약 운전 조건의 경우에는 셀 전압 편차 이상 유무와는 무관하게 지속적으로 보상 운전 모드를 실시하고, 해당 데이터를 저장하도록 구성할 수 있다. 이 경우 역전압 발생으로 인한 스택의 비가역 열화가 우려되는 상황이므로, 연료전지 시스템 점검 필요를 알리는 경보를 송출하도록 구성할 수도 있다.
한편, 선별된 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 상기 제1 기준전압(Vref1) 이상인 경우, 즉 여전히 해당 셀에 대한 역전압 위험이 존재하는 경우에는 역전압 위험을 해소하기 위한 추가 보상 제어를 실시할 수 있도록 구성된다. 이러한 추가 보상 제어는 취약 운전 조건 별로 서로 다른 추가 보상 제어가 실시될 수 있으며, 예를 들어 질소 혼입비를 요구 혼입비(B%)까지 감소시킨 후에는 애노드 SR을 증가시키거나, 또는 이미 애노드 SR을 증가시킨 경우, 캐소드 SR과 애노드 SR을 함께 증가시키는 제어가 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법의 단계들을 개략적으로 설명하고 있는 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 취약 운전 조건 모니터링 후 2단계의 보상 운전 모드가 실시되는 예를 보다 구체적으로 설명하고 있는 흐름도이다.
이하, 첨부의 도 2 및 도 3의 흐름도를 참조하여, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법의 각 과정을 단순화시켜 설명한 것이다.
도 2에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법은, 역전압 취약셀을 검출하고(S201), 검출된 역전압 취약셀에 대한 취약 운전 조건을 결정하고(S202), 취약 운전 조건에 따른 보상 운전 모드로 동작하는 단계(S203)을 포함한다.
역전압 취약셀을 검출하는 단계(S201)는, 연료전지의 셀 전압 정보를 수집하고, 수집된 셀 전압 정보에 따라 역전압 취약셀을 선별하는 셀 진단 단계를 의미할 수 있다. 또한, 취약 운전 조건을 결정하는 단계(S202)는, 선별된 역전압 취약셀에 관한 운전 조건을 확인하여, 미리 결정된 취약 운전 조건에 따라 분류하는 운전 조건 분류 단계일 수 있다. 또한, 보상 운전 모드로 동작하는 단계(S203)는, 분류된 취약 운전 조건에 따른 연료 보상 제어를 실시하는 보상 운전 단계일 수 있다.
한편, 보상 운전 모드로 동작함에 있어서, 보상 운전 모드의 해제 조건은 회복 조건을 충족하였는지 여부(예를 들어, 셀 전압 편차가 회복에 관한 기준 전압값 이하로 떨어졌는지 여부; S204)에 따라 결정될 수 있다. 회복 조건을 충족하지 못한 경우, 보상 운전 모드를 유지하고, 회복 조건을 충족한 경우, 보상 운전 모드를 해제하고(S205), 정상 운전으로 복귀할 수 있다. 보상 운전 모드를 유지함에 있어서, 도 3에서와 같이 단계적인 보상 운전 모드가 순차적으로 진행될 수 있다.
도 3의 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서는 구체적인 취약 운전 조건들을 나열하고 있으며, 이들 취약 운전 조건 별로 불균등 연료 공급을 해소하기 위한 고유의 연료 보상 모드들을 가질 수 있도록 구성하는 점에서 특징이 있다. 이와 관련, 도 3의 예에서는 불균등 연료 공급이 발생하고 있는지 여부를 확인하게 되는데, 이는 역전압 위험 셀 발생 시 취약 운전 조건을 모니터링함으로써 확인될 수 있다. 또한, 취약 운전 조건 모니터링 결과에 따라 미리 분류된 조건 카테고리 별로 결정된 보상 운전 제어가 실시될 수 있으며, 이러한 보상 운전 제어는 최적 제어를 위해 단계적으로 실시될 수 있다.
도 3를 참조하면, 좌측 박스(S311 ~ S315가 도시된 박스)는 역전압 취약셀 및 취약 운전 조건을 모니터링하는 일련의 과정을 의미한다. 또한, 가운데 박스(S321 ~ S324)는 1차 보상 제어 모드를 의미하고, 우측 박스(S331 ~ S334)는 2차 보상 제어 모드를 의미한다.
먼저 좌측 박스(S311 ~ S315가 도시된 박스)에 표시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서는 4개의 취약 운전 조건이 설정되는 예를 도시하고 있다. 4개의 취약 운전 조건을 포함하는 도 3의 예는 하나의 예시일 뿐이며, 취약 운전 조건으로 도 3의 예 중 2 이상의 예를 포함하는 실시예 또는 도 3에 제시되지 않은 취약 운전 조건들을 추가로 포함하는 실시예들로 달리 구현될 수 있다.
다만, 취약 위험 조건은 애노드 측 질소 혼입비와 관련된 조건(즉, 애노드 측 불순물과 관련된 조건)과, 애노드 측 수소 공급량과 관련된 조건으로 구분될 수 있다. 애노드 측 질소 혼입비와 관련된 조건의 경우, 제1 운전 조건 그룹으로, 애노드 측 질소 혼입비를 낮추기 위한 제어가 보상 운전 제어로 시행될 수 있다. 이러한 제1 운전 조건 그룹에 대한 보상 운전 제어로 재순환 라인 퍼지를 위한 제어, 예를 들어 퍼지 밸브(또는 드레인 밸브)를 개방시키는 제어가 적용될 수 있다. 이 경우, 애노드 측 질소혼입비는 일정 수준 이하(예를 들어, 요구 혼입비 B% 이하)로 유지되어야 하고, 바람직하게는 5% 이하에서 선택된 요구 혼입비(B%) 이하로 유지되도록 제어될 수 있다.
반면, 애노드 측 수소 공급량과 관련된 조건의 경우, 제2 운전 조건 그룹으로, 애노드 측 수소 공급에 문제를 해결하기 위해 애노드 SR을 증가시키는 제어, 예를 들어 수소 공급 밸브의 개도량을 증가시키는 제어가 실시될 수 있다. 이 경우, 증가되는 애노드 SR은 5% 내지 15% 범위 내에서 선택된 증가량에 의한 값일 수 있다.
도 3의 예에서는 취약 운전 조건의 예로써, ① 낮은 스택 운전 온도(즉, 기준 온도 이하의 스택 운전 온도), ② 급가속(저전류 밀도에서 중전류 밀도로 급증), ③ 저유량 조건(일정 시간 동안 기준 전류 밀도 또는 기준 유량 이하 유지) ④ 질소 재순환 과다인 경우를 예시하고 있으며, 각각의 구체적인 예는 앞서 설명한 바 있다.
이러한 취약 운전 조건들은 단독 또는 2 이상의 조건들이 조합되어 발생될 수 있으며, 이들 취약 운전 조건들 단독 또는 이들의 조합된 경우 각각이 카테고리화 되어 제어기 내에 저장될 수 있다.
제어기는 여러 센서들로부터 제공받는 정보들로부터 취약 운전 조건들을 실시간으로 확인할 수 있으며, 특히 현재 셀 전압 편차가 제1 기준전압(Vref1) 이상인 역전압 취약셀이 선별되었는지 여부에 따라 운전 모드를 결정하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 셀 전압 편차가 모두 제1 기준전압(Vref1) 미만인 경우, ① 저온 조건( S311), ② 급가속 조건(S312), ③ 저유량 조건(S313) ④ 질소 재순환 과다 조건(S314)을 불문하고 정상 운전을 유지하게 된다(S315).
반면, 특정 셀의 셀 전압 편차가 제1 기준전압(Vref1) 이상인 경우 해당 셀을 역전압 취약셀로 선별할 수 있으며, 이 경우 현재 모니터링된 취약 운전 조건에 따른 보상 운전 모드를 실시하게 된다.
도 3에서와 같이, ① 저온 조건(S311), ② 급가속 조건(S312), ③ 저유량 조건(S313) 중 어느 하나의 조건으로 선별된 경우, 즉 제2 운전 조건 그룹에서는 애노드 SR을 증가시키는 1차 보상 운전 모드를 실시할 수 있다(S321). 반면, ④ 질소 재순환 과다 조건(S314)으로 결정되는 경우, 즉 제1 운전 조건 그룹에서는 질소 혼입비를 감소시키는 1차 보상 운전 모드를 실시하게 된다(S322).
현재 운전 조건이 여러 취약 운전 조건이 조합된 경우라면, 제1 운전 조건 그룹과 제2 운전 조건 그룹의 포함여부에 따라 지정된 1차 보상 운전 모드를 병행하여 실시할 수 있다. 예를 들어, ① 저온 조건(S311), ② 급가속 조건(S312), ④ 질소 재순환 과다 조건(S314)을 모두 충족하는 경우, 애노드 SR을 증가시키는 1차 보상 운전 모드와 질소 혼입비를 감소시키는 1차 보상 운전 모드가 함께 실시될 수 있다. 한편, 제2 운전 조건 그룹 내의 취약 운전 조건이 복수 개 조합되는 경우, 단일한 취약 운전 조건일 때와 동일한 애노드 SR 증가 제어를 실시할 수 있으나, 이와는 달리 조합된 그룹 내 조건의 개수에 따라 애노드 SR 증가 가중치를 적용할 수도 있다. 이 경우, ① 저온 조건(S311), ② 급가속 조건(S312), ③ 저유량 조건(S313) 중 어느 하나의 조건 단독인 경우에 비하여, ① 저온 조건( S311), ② 급가속 조건(S312), ③ 저유량 조건(S313) 중 2 이상의 조건이 조합된 경우에는 애노드 SR 증가 비율이 단독인 경우에 비해 더 크게 설정할 수도 있다. 또한, 조합된 조건 수에 따라 증가된 가중치를 적용할 수도 있으며, 각 조건 별로 애노드 SR 증가율에 차등을 둘 수도 있다. 이와 같은 조건 별 가중치를 차등 적용하는 예의 경우, 불필요한 애노드 연료 공급을 줄일 수 있어, 최적 연료 공급 제어를 구현할 수 있다.
1차 보상 운전 모드는 미리 설정된 시간 동안 실시될 수 있으며, 미리 설정된 시간 내에 연료 보상 제어 해제 조건을 충족하는 경우(예를 들어, 역전압 취약셀의 셀 전압 편차가 제2 기준전압 미만으로 떨어지는 경우), 1차 보상 운전 모드를 해제시키고(S323), 역전압 취약셀의 셀 번호 및 해당되는 취약 운전 조건에 대한 정보를 제어기 내에 저장할 수 있다(S324).
한편, 1차 보상 운전 모드가 실시되었음에도 불구하고, 미리 설정된 시간이 경과된 시점까지 선별된 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 상기 제1 기준전압 (Vref1) 이상인 경우(즉, 여전히 역전압 취약셀로 판정되는 경우), 2차 보상 운전 모드로 진입하도록 구성할 수 있다. 이러한 2차 보상 운전 모드는, 도 3에서와 같이, 제1 운전 조건 그룹의 경우, 애노드 수소 공급량을 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시하고, 제2 운전 조건 그룹의 경우, 애노드 수소 공급량과 캐소드 공기 공급량을 함께 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시하도록 설정할 수 있다. 또한, 이러한 추가 연료 보상 제어는 셀 전압 편차가 제1 기준전압(Vref1) 미만으로 떨어지는 경우라 하더라도, 연료 보상 제어 해제 조건은 제2 기준전압(Vref2) 이상을 유지하는 경우, 즉 셀 전압 편차가 제2 기준전압(Vref2) 이상, 제1 기준전압(Vref1) 미만의 범위로 확인되는 경우, 추가 연료 보상 제어가 실시되도록 구성될 수 있다.
2차 보상 운전 모드와 관련, 제1 운전 조건 그룹, 즉 질소 혼입량 과다 시의 경우, 수소 재순환 라인 퍼지를 통해 질소 혼입비를 낮추었음에도 셀 전압 편차가 충분히 저하되지 않는 경우에 필요하다. 이러한 경우, 애노드 SR을 증가시켜 애노드 측으로 연료를 과급하게 되고, 이를 통해 역전압 발생을 방지시키게 된다(S332).
한편, 제2 운전 조건 그룹과 관련, 애노드 SR 증가로도 셀 전압 편차가 충분히 저하되지 않는 경우, 애노드 SR과 함께 캐소드 SR을 증가시켜 과유량 조건을 구현하도록 제어할 수 있다(S331). 이와 관련, 애노드 SR은 앞서 단계 S321에서 증가된 애노드 SR을 유지하도록 제어될 수도 있으며, 또는 앞서 단계 S321에서 증가된 애노드 SR에 비하여 추가로 증가된 애노드 SR일 수 있다.
1차 보상 운전 모드는 미리 설정된 시간 동안 실시될 수 있으며, 미리 설정된 시간 내에 연료 보상 제어 해제 조건을 충족하는 경우(예를 들어, 역전압 취약셀의 셀 전압 편차가 제2 기준전압(Vref2) 미만으로 떨어지는 경우), 1차 보상 운전 모드를 해제시킬 수 있다(S333). 앞서와 마찬가지로, 역전압 취약셀의 셀 번호 및 해당되는 취약 운전 조건에 대한 정보는 제어기 내에 저장될 수 있다.
미리 설정된 기간 내에 동일한 사유(동일 취약 운전조건)로 동일한 셀에 대한 보상 운전 제어가 반복적으로 실행되는 경우, 해당 취약 운전 조건이 나타나게 되면, 셀 전압 편차 이상 유무와는 무관하게 지속적으로 보상 운전 모드를 실시하도록 제어기 내 설정이 변경될 수 있으며(S334), 이러한 설정 변경 기록은 제어기 내에 저장될 수 있으며, 바람직하게는 관리 서버로 해당 정보가 전송될 수 있다.
2차 보상 운전 모드를 통해서도, 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 충분히 낮아지지 않는 경우, 즉 회복 조건에 도달하지 못하는 경우, 2차 보상 운전 모드를 종료하고 관련 제어를 원복시킨 다음 해당 기록을 저장할 수 있다. 또한, 이와는 달리, 2차 보상 운전 모드를 유지한 상태에서 관련 기록을 저장할 수도 있다. 이러한 경우, 셀에 대한 비가역 열화가 의심될 수 있으므로, 스택 내구 관리를 위해 사용자에게 관련 정보를 안내하도록 구성할 수 있다.
이를 통해, 역전압 취약셀을 관리 서버를 통해 관리할 수 있으며, 역전압 취약셀과 관련된 정보들을 사용자에게 제공하도록 운용될 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 스택 11: 애노드
12: 캐소드
20: 공기 공급장치
21: 공기 압축기 22: 가습기
23: 공기 공급 라인 24: 공기복귀라인
26: 공기압력조절밸브 27: 공기배출라인
30: 수소 공급장치
31: 연료공급밸브 32: 이젝터
33: 수소 공급 라인 34: 수소재순환라인
35: 워터트랩 36: 드레인 밸브
40: 제어기 41 전압 검출부
42: 압력 센서 43: 전류 센서
44: 냉각수 온도 센서

Claims (15)

  1. 연료전지의 셀 전압 정보를 수집하고, 수집된 셀 전압 정보에 따라 역전압 취약셀을 선별하는 셀 진단 단계;
    선별된 역전압 취약셀에 관한 운전 조건을 확인하여, 미리 결정된 취약 운전 조건에 따라 분류하는 운전 조건 분류 단계; 및
    분류된 취약 운전 조건에 따른 연료 보상 제어를 실시하는 보상 운전 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 진단 단계에서는,
    셀 전압 편차가 제1 기준전압 이상인 셀을 역전압 취약셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 보상 제어는 수소 공급량 증가 제어 또는 애노드 내 수소 비율 증가 제어 중 어느 하나의 제어인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 취약 운전 조건은 연료전지 온도, 전류 밀도, 전류 밀도의 변화, 수소 공급 유량과 애노드 내 질소 혼입비를 포함하는 그룹 내의 인자들로부터 결정되는 운전 조건 중 2 이상의 운전 조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 운전 조건 분류 단계에서, 상기 취약 운전 조건이 애노드 내 질소 혼입비에 따라 결정되는 제1 운전 조건 그룹으로 분류된 경우,
    상기 보상 운전 단계에서는, 애노드 내 질소 혼입비를 기준 혼입비 이하로 감소시키는 연료 보상 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 운전 조건 분류 단계에서, 상기 취약 운전 조건이 연료전지 온도, 전류 밀도, 전류 밀도의 변화 또는 수소 공급 유량에 따라 결정되는 제2 운전 조건 그룹으로 분류된 경우,
    상기 보상 운전 단계에서는, 애노드 수소 공급량을 증가시키는 연료 보상 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 보상 운전 단계에서, 상기 취약 운전 조건에 따른 연료 보상 제어를 실시하고 미리 설정된 시간이 경과된 시점까지 선별된 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 상기 제1 기준전압 이상인 경우,
    상기 제1 운전 조건 그룹의 경우, 애노드 수소 공급량을 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시하고,
    상기 제2 운전 조건 그룹의 경우, 애노드 수소 공급량과 캐소드 공기 공급량을 함께 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 보상 운전 단계에서의 상기 연료 보상 제어 중,
    상기 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 제2 기준전압 미만으로 떨어지는 경우, 상기 연료 보상 제어를 종료하고, 상기 역전압 취약셀의 셀 번호 및 해당되는 취약 운전 조건에 대한 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법.
  9. 수소 공급 라인과 공기 공급 라인을 통해 각각 수소와 공기를 공급받는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치에 있어서,
    상기 수소 공급 라인 상에 수소 공급량을 제어할 수 있도록 설치되는 제1 밸브;
    애노드 배출 가스를 재순환시키기 위한 수소 재순환 라인을 퍼지시키기 위한 제2 밸브; 및
    연료전지의 셀 전압 정보를 포함하는 연료전지 상태 정보를 수집하여, 수집된 셀 전압 정보에 따라 역전압 취약셀을 선별하고, 취약 운전 조건 분류에 따른 연료 보상 제어를 실시하도록 구성된 제어기를 포함하는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는 연료전지의 셀 전압 편차를 확인하여,
    상기 셀 전압 편차가 제1 기준전압 이상인 셀을 역전압 취약셀로 선별하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기에 의해 실시되는 상기 연료 보상 제어는,
    상기 제1 밸브의 개도량을 증가시키는 수소 공급량 증가 제어 또는 상기 제2 밸브를 개방하여 상기 수소 재순환 라인 내 가스를 퍼지시키는 애노드 내 수소 비율 증가 제어 중 어느 하나의 제어인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 취약 운전 조건은 연료전지 온도, 전류 밀도, 전류 밀도의 변화, 수소 공급 유량과 애노드 내 질소 혼입비를 포함하는 그룹 내의 인자들로부터 결정되는 운전 조건 중 2 이상의 운전 조건으로 분류되고,
    상기 제어기에 의해, 상기 취약 운전 조건이 애노드 내 질소 혼입비에 따라 결정되는 제1 운전 조건 그룹으로 분류된 경우,
    상기 제어기는, 애노드 내 질소 혼입비가 기준 혼입비 이하로 감소하도록 상기 제2 밸브를 개방시키는 연료 보상 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어기에 의해, 상기 취약 운전 조건이 연료전지 온도, 전류 밀도, 전류 밀도의 변화 또는 수소 공급 유량에 따라 결정되는 제2 운전 조건 그룹으로 분류된 경우,
    상기 제어기는, 애노드 수소 공급량을 증가시키기 위해 상기 제1 밸브의 개도량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 공기 공급 라인 상에 공기 공급량을 제어할 수 있도록 설치되는 공기 압축기;를 더 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 연료 보상 제어를 실시하고 미리 설정된 시간이 경과된 시점까지 선별된 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 상기 제1 기준전압 이상인 경우,
    상기 제1 운전 조건 그룹의 경우, 상기 제1 밸브를 개방하여 애노드 수소 공급량을 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시하도록 구성되고,
    상기 제2 운전 조건 그룹의 경우, 상기 공기 압축기를 구동시켜 캐소드 공기 공급량을 추가로 증가시키는 추가 연료 보상 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어기에 의해 실시되는 상기 연료 보상 제어 중,
    상기 역전압 취약셀에 대한 셀 전압 편차가 제2 기준전압 미만으로 떨어지는 경우, 상기 제어기는 상기 연료 보상 제어를 종료하고, 상기 역전압 취약셀의 셀 번호 및 해당되는 취약 운전 조건에 대한 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 제어 장치.
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