KR20230092359A - 연료전지의 회복 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

연료전지의 회복 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

복수 개의 단위셀로 구성되며, 수소 및 공기를 각각 공급받아 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지로 수소를 공급하는 수소공급장치; 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급장치; 연료전지의 출력 전류에 따라 기설정된 기준 셀전압과 단위셀의 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하고, 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이 또는 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택의 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 이상감지부; 및 이상감지부에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시키도록 공기공급장치를 제어하는 회복제어부;를 포함하는 연료전지의 회복 제어 시스템 및 방법이 소개된다.

Description

연료전지의 회복 제어 시스템 및 방법 {RECOVERY CONTROL SYSTEM AND METHOD OF FUELCELL}
본 발명은 연료전지의 회복 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 연료전지의 공기 공급 부족을 감지하고, 이를 회복하는 제어 기술에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치이다. 기본적으로 산화, 환원 반응을 이용한다는 점에서 화학 전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지 반응을 하는 화학 전지와는 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 시스템 외부로 제거되는 점에서 차이가 있다. 최근에는 연료전지 발전시스템이 실용화되고 있으며, 연료전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 화학 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 및 연료전지 스택의 수소극으로 수소를 공급하는 연료 공급장치가 포함된다. 즉, 연료전지 스택의 공기극(Cathode)에는 산소가 포함된 공기를 공급하고, 연료전지 스택의 수소극(Anode)에는 수소를 공급하는 것이다.
고체 고분자 연료전지(Proton Exchange Membrane / Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 산소와 수소의 화학반응으로 전기를 발생시키고 부가적으로 열과 물을 생성한다. 고체 고분자 연료전지의 화학 반응식은 아래와 같다.
Figure pat00001
차량의 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 내구성을 확보하기 위하여 저전력 구간에서 전압 상한 제어 및 저유량 제어를 실시하며, 에너지 발전 효율을 향상시키기 위하여 연료전지 스택의 발전 정지 제어(FC Stop 모드) 기능을 갖는다.
다만, 연료전지 시스템의 전압 상한 제어 및 저유량 제어, 또는 발전 정지 제어 이후 연료전지 스택을 재기동하는 경우에 연료전지 스택에 공기 부족 현상이 발생하여 연료전지 스택의 발전 성능이 저하되는 문제가 있었다.
이러한 공기 부족 현상을 해결하기 위하여, 종래 기술은 연료전지 스택의 성능 곡선(전류-전압 곡선)으로 공기 부족 현상을 감지하고, 공기 공급을 위한 목표 전류량을 증가시킴으로써 공기 공급 유량의 절대값을 증대시켰다.
그러나 종래 기술에 따르면, 연료전지 스택 단품의 성능만을 진단하는 것으로, 연료전지의 발전 정지 제어 또는 배터리의 출력 보조 등에 의해 발생하는 실제 차량의 영향을 반영하지 못하는 문제가 있었다. 또한, 이를 해결하기 위하여 단순히 공기 공급 유량을 과급하거나 또는 회전속도의 상승 기울기를 고정함으로써 연료전지 스택의 거동에 따른 회복운전이 고정되는 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1847835 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 시스템이 적용된 실제 차량에서 연료전지의 공기 공급 부족을 감지하고, 이에 따라 연료전지의 공기 공급을 증대시키는 연료전지의 회복 제어에 관한 기술을 제공하고자 함이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명에 따른 연료전지의 회복 제어 시스템은 복수 개의 단위셀로 구성되며, 수소 및 공기를 각각 공급받아 전력을 발전하는 연료전지; 연료전지로 수소를 공급하는 수소공급장치; 연료전지로 공기를 공급하는 공기공급장치; 연료전지의 출력 전류에 따라 기설정된 기준 셀전압과 단위셀의 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하고, 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이 또는 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택의 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 이상감지부; 및 이상감지부에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시키도록 공기공급장치를 제어하는 회복제어부;를 포함한다.
연료전지에서 전력을 발전하는 중인지 여부 및 연료전지의 출력 전류가 기설정된 기준 전류 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 조건판단부;를 더 포함하고, 이상감지부는, 조건판단부에서 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지할 수 있다.
연료전지의 발전 정지가 해제된 시점으로부터 기설정된 시간 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 조건판단부;를 더 포함하고, 이상감지부는, 조건판단부에서 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지할 수 있다.
연료전지의 출력 전류가 증가하는지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 조건판단부;를 더 포함하고, 이상감지부는, 조건판단부에서 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지할 수 있다.
연료전지의 발전 전력을 저장하도록 충전하거나, 또는 연료전지의 발전 전력을 보조하도록 방전하는 배터리; 및 연료전지와 배터리 사이에 배치되어 전력을 컨버팅하는 컨버터;를 더 포함하고, 이상감지부는, 연료전지의 출력 전류가 감소하는 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 컨버터의 전압 제어에 대한 이상을 감지하고, 회복제어부는, 이상감지부에서 전압 제어에 대한 이상 감지시, 컨버터의 연료전지측 전압을 상향하도록 컨버터를 제어할 수 있다.
회복제어부는, 이상감지부에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 이전값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기공급장치의 회전속도에 대한 증가율을 제어할 수 있다.
회복제어부는, 이상감지부에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 공기공급장치의 회전속도에 대한 목표값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기 공급에 대한 화학양론비를 증가시킬 수 있다.
회복제어부는, 공기 공급에 대한 화학양론비를 기설정된 기준 기압과 대기압 사이의 비율을 적용하여 증가시킬 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명에 따른 연료전지의 회복 제어 방법은 연료전지의 출력 전류에 따라 기설정된 기준 셀전압과 연료전지에 포함된 단위셀의 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계; 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이 또는 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택의 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 단계; 및 공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시키도록 공기공급장치를 제어하는 단계;를 포함한다.
기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계 이전에, 연료전지에서 전력을 발전하는 중인지 여부 및 연료전지의 출력 전류가 기설정된 기준 전류 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 단계;를 더 포함하고, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계는, 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출할 수 있다.
기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계 이전에, 연료전지의 발전 정지가 해제된 시점으로부터 기설정된 시간 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 단계;를 더 포함하고, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계는, 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출할 수 있다.
공기 공급에 대한 이상을 감지하는 단계 이전에, 연료전지의 출력 전류가 증가하는지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고, 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 단계는, 연료전지의 출력 전류가 증가하는 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지할 수 있다.
출력 전류가 증가하는지 여부를 판단하는 단계 이후에, 연료전지의 출력 전류가 감소하는 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지와 배터리 사이에서 전력을 컨버팅하는 컨버터의 전압 제어에 대한 이상을 감지하는 단계; 및 전압 제어에 대한 이상 감지시 컨버터의 연료전지측 전압을 상향하도록 컨버터를 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
공기공급장치를 제어하는 단계에서는, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 이전값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기공급장치의 회전속도에 대한 증가율을 제어할 수 있다.
공기공급장치를 제어하는 단계에서는, 공기공급장치의 회전속도에 대한 목표값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기 공급에 대한 화학양론비를 증가시킬 수 있다.
공기공급장치를 제어하는 단계에서는, 기설정된 기준 기압과 대기압 사이의 비율을 적용하여 공기 공급에 대한 화학양론비를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지의 회복 제어 시스템 및 방법에 따르면, 연료전지 스택을 포함하는 시스템 전체의 작동 상태에 따른 연료전지 스택의 거동을 반영함으로써 연료전지 스택의 공기 공급에 대한 이상을 정확하게 감지하는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지 스택의 출력 전압 또는 셀전압의 저하에 따른 거동을 반영하여 연료전지 스택의 공기 공급을 증대시킴으로써 회복 성능을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 회복 제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 연료전지의 공기 공급 부족에 따른 전류-전압 곡선(I-V Curve)를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 회복 제어 방법의 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 회복 제어 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 회복 제어 시스템은 복수 개의 단위셀로 구성되며, 수소 및 공기를 각각 공급받아 전력을 발전하는 연료전지(10); 연료전지(10)로 수소를 공급하는 수소공급장치(20); 연료전지(10)로 공기를 공급하는 공기공급장치(30); 연료전지(10)의 출력 전류에 따라 기설정된 기준 셀전압과 단위셀의 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하고, 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이 또는 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지(10) 스택의 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 이상감지부(50); 및 이상감지부(50)에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지(10) 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시키도록 공기공급장치(30)를 제어하는 회복제어부(60);를 포함한다.
연료전지(10)는 복수의 셀이 적층된 연료전지 스택(10, Stack)일 수 있고, 연료전지 스택(10)에 포함된 각 단위셀은 수소극(Anode)으로 수소를 공급 받고, 산소극(Cathode)으로 산소가 포함된 공기를 공급 받아 전력을 발전할 수 있다.
연료전지(10)의 내부에는 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)가 포함될 수 있다.
부하장치(70)는 연료전지(10)와 전기적으로 연결된 전력 소모장치로, 연료전지(10)에서 발전한 전력을 공급 받을 수 있다. 특히, 부하장치(70)는 요구 전력의 대부분을 연료전지(10)로부터 공급 받고, 배터리(90)는 에너지 버퍼 역할로 부족한 전력을 보충하거나 잉여 전력을 저장할 수 있다.
일 실시예로, 부하장치(70)는 차량의 구동모터일 수 있고, 이외에 연료전지(10) 스택에 공기를 공급하는 공기 블로워 또는 공기 압축기 등의 공기공급장치(30)이거나, 연료전지(10) 스택을 냉각하는 냉각수를 공급하는 냉각펌프이거나, 또는 COD 저항 등의 전력 소모장치일 수 있다.
연료전지(10)와 부하장치(70)는 메인버스단으로 연결되고, 그 사이에서 컨버터(80)를 통해 배터리(90)와 연결될 수 있다. 컨버터(80)는 배터리(90)를 충전시키거나 또는 배터리(90)를 방전시키도록 양방향으로 전력을 컨버팅하는 양방향 컨버터(80)(BHDC: Bidirectional High voltage DC/DC Converter)일 수 있다. 배터리(90)는 복수 개의 셀로 구성되어 전력을 충전하거나 방전할 수 있다.
수소공급장치(20)는 연료전지(10)에 포함된 복수 개의 단위셀에 수소를 각각 공급하는 장치일 수 있다. 특히, 수소공급장치(20)는 연료전지(10)에 지속적으로 수소를 공급할 수 있다. 일 실시예로, 수소공급장치(20)에는, 연료전지(10)의 연료극으로 수소가 포함된 기체를 재순환시키는 재순환라인, 수소가 내부에 저장된 저장탱크 및 재순환라인과 저장탱크 사이에 마련되어 재순환동력을 발생시키는 이젝터 등의 구성이 포함될 수 있다.
공기공급장치(30)는 연료전지(10)에 포함된 복수 개의 단위셀에 산소가 포함된 공기를 각각 공급하는 장치일 수 있다. 특히, 공기공급장치(30)는 연료전지(10)에 선택적으로 공기를 공급할 수 있다. 더 구체적으로, 공기공급장치(30)는 연료전지(10)의 발전 정지(FC Stop) 상태에서 공기 공급을 중단할 수 있고, 연료전지(10)에서 전력을 발전하는 상태에서만 공기를 공급할 수 있다. 또한, 연료전지(10)의 전압상한제어 및 저유량제어 상태에서는 연료전지(10)로 공급하는 공기량을 조절할 수 있다.
일 실시예로, 공기공급장치(30)에는 외부에서 연결된 공기공급라인 및 공기를 유동시키는 공기블로어 또는 공기압축기가 포함되고, 추가적으로 공기배출라인에 마련된 압력조절밸브 등이 더 포함될 수 있다.
이상감지부(50)는, 기설정된 기준 셀전압과 단위셀의 측정 셀전압 사이의 차이를 산출할 수 있다. 일 실시예로, 이상감지부(50)는 기준 셀전압에서 측정 셀전압을 감산한 (Δ셀전압)을 산출할 수 있다.
여기서, 기준 셀전압은 연료전지(10)의 출력 전류에 따라 기설정된 것으로, 공장 출고시 연료전지(10) 스택의 초기 성능(BOL: Birth Of Life)과 교체가 요구되는 연료전지(10) 스택의 말기 성능(EOL: End Of Life) 사이의 평균값으로 연료전지(10)의 출력 전류에 따라 테이블 또는 맵으로 기설정될 수 있다.
측정 셀전압은 연료전지(10)의 단위셀의 출력 전압을 센싱한 값으로, 전압 센서를 이용하여 단위셀의 출력 전압을 직접 측정하거나, 또는 연료전지(10)의 출력 전압을 단위셀의 개수로 제산하여 간접적으로 측정할 수 있다.
또한, 이상감지부(50)는 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이 또는 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지(10) 스택의 공기 공급에 대한 이상을 감지할 수 있다.
일 실시예로, 이상감지부(50)는 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이가 0보다 큰 경우(기준 셀전압>측정 셀전압)에 연료전지(10) 스택의 공기 공급에 대한 이상이 발생한 것으로 감지할 수 있다.
또한, 이상감지부(50)는 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이가 증가하는 경우(
Figure pat00002
>
Figure pat00003
)에 연료전지(10) 스택의 공기 공급에 대한 이상이 발생한 것으로 감지할 수 있다. 이 경우, 회복제어부(60)는 즉각적으로 연료전지(10) 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시키도록 공기공급장치(30)를 제어할 수 있다.
다른 실시예로, 이상감지부(50)는 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이가 연속적으로 증가하지 않더라도, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이가 0보다 큰 경우(기준 셀전압>측정 셀전압)에 연료전지(10) 스택의 공기 공급에 대한 이상이 발생한 것으로 감지할 수 있다.
회복제어부(60)는, 이상감지부(50)에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 연료전지(10) 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시키도록 공기공급장치(30)를 제어할 수 있다.
특히, 회복제어부(60)는 단순히 공기 공급에 대한 이상 감지시에 연료전지(10) 스택에 공급하는 공기 유량의 절대값을 증가시키는 것이 아니라, 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지(10) 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 이상감지부(50), 회복제어부(60) 및 조건판단부(40) 등의 구성은 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 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
본 발명의 회복 제어에 따르면, 연료전지(10) 스택의 출력 전압 또는 셀전압의 저하에 따른 거동을 반영하여 연료전지(10) 스택의 공기 공급을 증대시킴으로써 회복 성능을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 2는 연료전지(10)의 공기 공급 부족에 따른 전류-전압 곡선(I-V Curve)를 도시한 것이다.
도 2를 더 참조하면, 연료전지(10)의 전류-전압 곡선(I-V Curve)은 출력 전류가 증가됨에 따라 출력 전압이 감소되고, 출력 전압이 증가됨에 따라 출력 전류가 감소되는 경향을 갖는다.
다만, 도시한 것과 같이 연료전지(10)의 공기 공급 부족이 발생하는 경우에는 연료전지(10) 스택의 출력 전압 또는 셀전압의 급격하게 저하되는 셀처짐 또는 셀빠짐 현상이 발생한다.
연료전지(10)에서 전력을 발전하는 중인지 여부 및 연료전지(10)의 출력 전류가 기설정된 기준 전류 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 조건판단부(40);를 더 포함하고, 이상감지부(50)는, 조건판단부(40)에서 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지할 수 있다.
조건판단부(40)는 이상감지부(50)에서의 공기 공급에 대한 이상 감지 이전에 사전 조건을 판단함으로써 사전 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 조건판단부(40)는 연료전지(10)에서 전력을 발전하는 중인 경우에 사전 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
반대로, 조건판단부(40)는 연료전지(10)에서 전력의 발전이 중단된 상태(FC Stop 상태 또는 시스템 종료 상태)로 판단하면 공기 공급에 대한 이상을 감지할 필요가 없는 것으로 판단하여 사전 조건을 만족하지 못한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 조건판단부(40)는 연료전지(10)의 출력 전류가 기설정된 기준 전류 이하인 경우를 판단함으로써 사전 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 조건판단부(40)는 연료전지(10)의 출력 전류가 기설정된 기준 전류 이하인 경우에 사전 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
즉, 조건판단부(40)는 연료전지(10)의 단위셀이 고전위에 노출되지 않도록 전압을 유지하는 전압상한제어 상태 또는 연료전지(10)에 공급하는 공기량을 감소시키는 저유량제어 상태인 경우에만 사전 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
다른 실시예로, 연료전지(10)의 발전 정지가 해제된 시점으로부터 기설정된 시간 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 조건판단부(40);를 더 포함하고, 이상감지부(50)는, 조건판단부(40)에서 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지할 수 있다.
즉, 조건판단부(40)는 연료전지(10)의 발전 정지가 해제되어 연료전지(10)를 재기동하는 시기에 연료전지(10)로 공급하는 공기량이 부족한 상태이므로, 사전 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 연료전지(10)의 출력 전류가 증가하는지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 조건판단부(40);를 더 포함하고, 이상감지부(50)는, 조건판단부(40)에서 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지할 수 있다.
구체적으로, 조건판단부(40)는 연료전지(10)의 출력 전류의 변화(
Figure pat00004
, 연료전지(10) 출력 전류의 현재값-이전값)를 이용하여 연료전지(10)의 출력 전류가 증가하는지 여부를 판단하고, 연료전지(10)의 출력 전류가 증가하는 것으로 판단한 경우에 사전 조건을 만족한 것으로 판단할 수 있다.
이에 따라, 연료전지(10) 스택을 포함하는 시스템 전체의 작동 상태에 따른 연료전지(10) 스택의 거동을 반영함으로써 연료전지(10) 스택의 공기 공급에 대한 이상을 정확하게 감지하는 효과를 갖는다.
추가로, 연료전지(10)의 발전 전력을 저장하도록 충전하거나, 또는 연료전지(10)의 발전 전력을 보조하도록 방전하는 배터리(90); 및 연료전지(10)와 배터리(90) 사이에 배치되어 전력을 컨버팅하는 컨버터(80);를 더 포함하고, 이상감지부(50)는, 연료전지(10)의 출력 전류가 감소하는 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 컨버터(80)의 전압 제어에 대한 이상을 감지하고, 회복제어부(60)는, 이상감지부(50)에서 전압 제어에 대한 이상 감지시 컨버터(80)의 연료전지(10)측 전압을 상향하도록 컨버터(80)를 제어할 수 있다.
조건판단부(40)에서 연료전지(10)의 출력 전류의 변화(
Figure pat00005
, 연료전지(10) 출력 전류의 현재값-이전값)를 이용하여 연료전지(10)의 출력 전류가 증가하는지 여부를 판단하고, 연료전지(10)의 출력 전류가 감소하는 것으로 판단한 경우에 이상감지부(50)는 컨버터(80)의 전압 제어에 대한 이상을 감지할 수 있다.
더 구체적으로, 컨버터(80)의 전압이 연료전지(10)의 발전 정지시 360[V]로 감소하는 영향으로 인해 연료전지(10)의 성능 곡선(전류-전압 곡선)이 이상 거동이 보이는 경우가 있는데, 이 때에는 연료전지(10)의 출력 전류가 감소하면서 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이는 일정하게 유지되는 특징을 가진다.
회복제어부(60)는, 이상감지부(50)에서 전압 제어에 대한 이상 감지시 컨버터(80)의 연료전지(10)측 전압을 상향하도록 컨버터(80)를 제어할 수 있다. 즉, 회복제어부(60)는 컨버터(80)의 전압 제어에 대한 이상 감지시 연료전지(10) 측의 전압 또는 컨버터(80)의 기준 전압을 상향하도록 컨버터(80)를 제어할 수 있다.
회복제어부(60)는, 이상감지부(50)에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 이전값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기공급장치(30)의 회전속도에 대한 증가율을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지(10)의 회복 제어 시스템.
일 실시예로, 회복제어부(60)는 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 이용하여 연료전지(10)로 공급하는 공기 유량의 상승 기울기(증가율)을 제어할 수 있다. 구체적으로, 회복제어부(60)는 기설정된 기본 상승율에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 이전값(
Figure pat00006
)과 현재값(
Figure pat00007
) 사이의 비율(
Figure pat00008
/
Figure pat00009
)을 적용하여 공기 유량의 증가율을 제어할 수 있다.
특히, 회복제어부(60)는 공기 유량의 증가율을 제어하기 위하여, 공기공급장치(30)의 회전속도에 대한 증가율을 제어할 수 있다.
더 구체적으로, 회복제어부(60)는 하기와 같은 수식으로 공기 유량의 증가율 또는 공기공급장치(30)의 회전속도에 대한 증가율을 제어할 수 있다. 여기서, 기설정된 기본 상승율은 1.2로 설정하였다.
Figure pat00010
또한 회복제어부(60)는, 이상감지부(50)에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 공기공급장치(30)의 회전속도에 대한 목표값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기 공급에 대한 화학양론비(SR: Stoichiometry Ratio)를 증가시킬 수 있다.
구체적으로, 공기 공급에 대한 화학양론비(SR: Stoichiometry Ratio)는 연료전지(10)의 요구되는 출력 전류에 따른 산소량과 연료전지(10)로 공급하는 산소량 사이의 비율일 수 있다. 즉, 공기 공급에 대한 화학양론비를 증가시킨다는 것은 연료전지(10)로 공급하는 공기 공급량을 간접적으로 증대시키는 것이다.
또한 회복제어부(60)는, 공기 공급에 대한 화학양론비를 기설정된 기준 기압과 대기압 사이의 비율을 적용하여 증가시킬 수 있다.
더 구체적으로, 회복제어부(60)는 하기와 같은 수식으로 공기 공급에 대한 화학양론비를 설정할 수 있다. 여기서, 기설정된 기본 상승율은 1.2로 설정하였고, 공기공급장치(30)의 회전속도에 대한 목표값과 현재값은 각각
Figure pat00011
및
Figure pat00012
이며, 공기공급장치(30)의 회전속도에 대한 현재값에는 보정계수 0.98을 적용하였다. 또한, 기설정된 기준 기압은 100[kPa]으로 설정하였고, 현재 상태의 대기압은 AP 이다.
Figure pat00013
따라서, 회복제어부(60)는 연료전지(10)로 공급하는 공기 유량을 간접적으로 증대시키며, 공기공급장치(30)의 가동 비율과 차량의 고도에 따른 대기압 변화를 반영하여 화학양론비를 설정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 회복 제어 방법의 순서도이다.
도 3을 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(10)의 회복 제어 방법은 연료전지(10)의 출력 전류에 따라 기설정된 기준 셀전압과 연료전지(10)에 포함된 단위셀의 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계(S200); 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이 또는 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지(10) 스택의 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 단계(S400); 및 공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지(10) 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시키도록 공기공급장치(30)를 제어하는 단계(S500);를 포함한다.
기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계(S200) 이전에, 연료전지(10)에서 전력을 발전하는 중인지 여부 및 연료전지(10)의 출력 전류가 기설정된 기준 전류 이하인지 여부를(S110) 기반으로 사전 조건을 판단하는 단계(S100);를 더 포함하고, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계(S200)는, 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출할 수 있다.
기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계(S200) 이전에, 연료전지(10)의 발전 정지가 해제된 시점으로부터 기설정된 시간 이하인지 여부(S120)를 기반으로 사전 조건을 판단하는 단계(S100);를 더 포함하고, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계(S200)는, 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출할 수 있다.
공기 공급에 대한 이상을 감지하는 단계(S400) 이전에, 연료전지(10)의 출력 전류가 증가하는지 여부를 판단하는 단계(S300);를 더 포함하고, 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 단계(S400)는, 연료전지(10)의 출력 전류가 증가하는 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지할 수 있다.
출력 전류가 증가하는지 여부를 판단하는 단계(S300) 이후에, 연료전지(10)의 출력 전류가 감소하는 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지(10)와 배터리(90) 사이에서 전력을 컨버팅하는 컨버터(80)의 전압 제어에 대한 이상을 감지하는 단계(S600); 및 전압 제어에 대한 이상 감지시 컨버터(80)의 연료전지(10)측 전압을 상향하도록 컨버터(80)를 제어하는 단계(S700);를 더 포함할 수 있다.
공기공급장치(30)를 제어하는 단계(S500)에서는, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 이전값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기공급장치(30)의 회전속도에 대한 증가율을 제어할 수 있다.
공기공급장치(30)를 제어하는 단계(S500)에서는, 공기공급장치(30)의 회전속도에 대한 목표값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기 공급에 대한 화학양론비를 증가시킬 수 있다.
공기공급장치(30)를 제어하는 단계(S500)에서는, 기설정된 기준 기압과 대기압 사이의 비율을 적용하여 공기 공급에 대한 화학양론비를 증가시킬 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 : 수소공급장치
30 : 공기공급장치 40 : 조건판단부
50 : 이상감지부 60 : 회복제어부
70 : 부하장치 80 : 컨버터
90 : 배터리

Claims (16)

  1. 복수 개의 단위셀로 구성되며, 수소 및 공기를 각각 공급받아 전력을 발전하는 연료전지;
    연료전지로 수소를 공급하는 수소공급장치;
    연료전지로 공기를 공급하는 공기공급장치;
    연료전지의 출력 전류에 따라 기설정된 기준 셀전압과 단위셀의 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하고, 산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이 또는 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택의 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 이상감지부; 및
    이상감지부에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시키도록 공기공급장치를 제어하는 회복제어부;를 포함하는 연료전지의 회복 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    연료전지에서 전력을 발전하는 중인지 여부 및 연료전지의 출력 전류가 기설정된 기준 전류 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 조건판단부;를 더 포함하고,
    이상감지부는, 조건판단부에서 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 발전 정지가 해제된 시점으로부터 기설정된 시간 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 조건판단부;를 더 포함하고,
    이상감지부는, 조건판단부에서 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 출력 전류가 증가하는지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 조건판단부;를 더 포함하고,
    이상감지부는, 조건판단부에서 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    연료전지의 발전 전력을 저장하도록 충전하거나, 또는 연료전지의 발전 전력을 보조하도록 방전하는 배터리; 및
    연료전지와 배터리 사이에 배치되어 전력을 컨버팅하는 컨버터;를 더 포함하고,
    이상감지부는, 연료전지의 출력 전류가 감소하는 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 컨버터의 전압 제어에 대한 이상을 감지하고,
    회복제어부는, 이상감지부에서 전압 제어에 대한 이상 감지시, 컨버터의 연료전지측 전압을 상향하도록 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    회복제어부는, 이상감지부에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 이전값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기공급장치의 회전속도에 대한 증가율을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    회복제어부는, 이상감지부에서 공기 공급에 대한 이상 감지시, 공기공급장치의 회전속도에 대한 목표값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기 공급에 대한 화학양론비를 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    회복제어부는, 공기 공급에 대한 화학양론비를 기설정된 기준 기압과 대기압 사이의 비율을 적용하여 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 시스템.
  9. 연료전지의 출력 전류에 따라 기설정된 기준 셀전압과 연료전지에 포함된 단위셀의 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계;
    산출한 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이 또는 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택의 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 단계; 및
    공기 공급에 대한 이상 감지시, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지 스택에 공급하는 공기 유량을 증대시키도록 공기공급장치를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 회복 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계 이전에, 연료전지에서 전력을 발전하는 중인지 여부 및 연료전지의 출력 전류가 기설정된 기준 전류 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계는, 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계 이전에, 연료전지의 발전 정지가 해제된 시점으로부터 기설정된 시간 이하인지 여부를 기반으로 사전 조건을 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 단계는, 사전 조건을 만족한 것으로 판단한 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    공기 공급에 대한 이상을 감지하는 단계 이전에, 연료전지의 출력 전류가 증가하는지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    공기 공급에 대한 이상을 감지하는 단계는, 연료전지의 출력 전류가 증가하는 것으로 판단한 경우에 공기 공급에 대한 이상을 감지하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    출력 전류가 증가하는지 여부를 판단하는 단계 이후에, 연료전지의 출력 전류가 감소하는 경우에 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 변화를 기반으로 연료전지와 배터리 사이에서 전력을 컨버팅하는 컨버터의 전압 제어에 대한 이상을 감지하는 단계; 및
    전압 제어에 대한 이상 감지시 컨버터의 연료전지측 전압을 상향하도록 컨버터를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    공기공급장치를 제어하는 단계에서는, 기준 셀전압과 측정 셀전압 사이의 차이에 대한 이전값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기공급장치의 회전속도에 대한 증가율을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    공기공급장치를 제어하는 단계에서는, 공기공급장치의 회전속도에 대한 목표값과 현재값 사이의 비율을 적용하여 공기 공급에 대한 화학양론비를 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    공기공급장치를 제어하는 단계에서는, 기설정된 기준 기압과 대기압 사이의 비율을 적용하여 공기 공급에 대한 화학양론비를 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 회복 제어 방법.
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