KR20230109447A - 연료전지시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

일정 전류밀도를 유지하도록 상대습도, 온도 및 압력 조건을 설정하여 연료전지 내부의 응축수 발생을 조절함과 아울러, 공기극 압력 임펄스를 주입하여 과도하게 생성된 응축수를 제거하여 연료전지의 운전 중 성능 열화를 완화시키는 연료전지시스템 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지시스템 및 그 제어방법 {FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 일정 전류밀도를 유지하도록 상대습도, 온도 및 압력 조건을 설정하여 연료전지 내부의 응축수 발생을 조절함과 아울러, 공기극 압력 임펄스를 주입하여 과도하게 생성된 응축수를 제거하여 연료전지의 운전 중 성능 열화를 완화시키는 연료전지시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학(electrochemistry) 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 연료전지는 연료전지 차량 등에 적용되며, 연료전지를 통해 생산된 전기 에너지로 전기 모터를 작동시켜 차량을 구동한다.
일반적으로, 고분자 전해질막 연료전지(PEFC, Polymer electrolyte fuel cell)는 복수의 단위셀들이 적용된 연료전지스택을 포함한다. 각각의 단위셀에서, 애노드와 캐소드는 전극막의 양측에 배치되어 전극막 어셈블리(MEA, Membrane electrode assembly)를 형성하고, MEA는 세퍼레이터(바이폴러판)의 사이에 배치된다. 연료전지에 있어서 연료인 수소가 애노드(연료극)로 공급되고, 산소는 캐소드(공기극 또는 산소극)로 공급된다.
애노드에 공급된 수소는 전극/촉매전극층에서 촉매에 의해 수소이온 및 전자로 분해된다. 수소이온은 양이온 교환 막인 전극막을 통해 캐소드로 이송되고, 전자는 기체확산층(GDL, Gas diffusion layer)과 분리판을 통해 캐소드로 이송된다. 전극막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 이송된 전자는 캐소드에서 산소와 반응하여 물을 생성한다.
이때, 발생되는 물(응축수)은 촉매층의 활성 표면적을 줄여 전극 반응에 손실을 주며, 물질전달저항을 증가시켜 전압강하를 일으켜 연료전지의 성능을 악화시키는 문제가 있다. 한편, 연료전지에서 수분은 수소이온의 전달 매개체 역할을 하기 때문에 연료전지의 작동을 위해서는 반드시 적절한 수분이 필요하다.
즉, 소위 응축수가 넘치는 플러딩(Flooding) 현상 뿐만 아니라, 응축수가 너무 부족한 드라이아웃(Dry-out) 현상의 경우에도 연료전지의 성능 저하가 발생하므로, 연료전지 내에 발생되는 응축수는 적절하게 조절될 필요가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 종래 연료전지 차량은 정상상태로 장기간 운전 중 문제 발생시, 일시적으로 연료전지 시스템을 정지 또는 휴지하여 워터밸런스를 맞춘 후 재가동할 수밖에 없는 실정이다.
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 10-2012-0064204 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 일정 전류밀도를 유지하도록 상대습도, 온도 및 압력 조건을 설정하여 연료전지 내부의 응축수 발생을 조절함과 아울러, 공기극 압력 임펄스를 주입하여 과도하게 생성된 응축수를 제거하여 연료전지의 운전 중 성능 열화를 완화시키는 연료전지시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은, 제어부에서 연료전지의 목표 상대습도를 도출하는 단계, 제어부에서 연료전지의 목표 상대습도를 달성할 수 있는 연료전지의 운전조건을 도출하는 단계, 제어부에서 도출된 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하고, 연료전지의 출력전압을 측정하는 단계 및 제어부에서 연료전지의 출력전압이 목표 출력 전압기준 미만인 경우 임펄스를 형성하여 연료전지에 공기를 공급하도록 연료전지의 공기공급부를 제어하는 단계를 포함한다.
목표 상대습도를 도출하는 단계에서는 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 도출하고, 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 도출하며, 운전조건을 도출하는 단계에서는 도출된 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출할 수 있다.
애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도는 차량의 목표 출력 전압기준을 설정하고, 설정된 목표 출력 전압기준에 따른 전류밀도를 설정하여, 설정된 전류밀도가 균일하게 유지되도록 하는 상대습도일 수 있다.
목표 상대습도를 도출하는 단계에서는 도출된 채널의 목표 온도/압력조건을 통해 연료전지 채널을 제외한 반응부의 예상 상대습도를 도출하고, 반응부의 예상 상대습도가 반응부의 목표 상대습도를 만족하도록 채널의 목표 온도/압력조건을 보정하며, 운전조건을 도출하는 단계에서는 보정된 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출할 수 있다.
목표 상대습도를 도출하는 단계에서는 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 온도/압력조건이 각각 최소온도/최대압력조건 범위에 해당하지 않는 경우, 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 보정하고, 보정된 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 재도출하며, 운전조건을 도출하는 단계에서는 재도출된 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출할 수 있다.
목표 상대습도를 도출하는 단계에서는 보정된 채널의 온도/압력조건이 각각 최소온도/최대압력조건 범위에 해당하지 않는 경우, 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 보정하고, 보정된 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 재도출하며, 운전조건을 도출하는 단계에서는 재도출된 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출할 수 있다.
공기공급부를 제어하는 단계는, 측정된 출력전압을 목표 출력 전압기준과 비교하여, 그 비교결과에 따라, 연료전지의 공기공급부를 제어하여 공기극 압력 임펄스를 형성하는 단계 및 형성된 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입하는 단계로 이루어질 수 있다.
형성된 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입하는 단계 이후에는, 공기극 압력 임펄스의 주입에 따른 출력전압을 측정하고 목표 출력 전압기준과 비교하여, 그 비교결과에 따라, 연료전지의 공기공급부를 제어하여 공기극 압력 임펄스를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제어부에서 측정되는 공기극 압력 임펄스의 주입에 따른 출력전압은, 미리 설정된 시간마다 측정되는 구간전압일 수 있다.
공기극 압력 임펄스를 형성하는 단계 이후에는, 형성된 공기극 임펄스 압력값과 미리 설정된 한계 압력값을 비교하여, 그 비교결과에 따라, 공기극 압력 임펄스의 연료전지에의 주입여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
형성된 공기극 임펄스 압력값이 미리 설정된 한계 압력값에 도달한 경우, 제어부에서 목표 출력 전압기준에 따른 전류밀도를 보정할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템은, 애노드와 캐소드 측 채널부 및 양 채널부 사이의 반응부로 구성된 연료전지 스택, 연료전지 스택의 애노드 측 채널부에는 수소를 공급하는 수소공급부, 연료전지 스택의 캐소드 측 채널부에는 공기를 공급하는 공기공급부, 연료전지의 목표 상대습도 및 목표 상대습도에 따른 운전조건을 도출하고, 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하며, 연료전지의 출력전압을 측정하고, 출력전압이 목표 출력 전압기준 미만인 경우 임펄스를 형성하여 연료전지에 공기를 공급하도록 연료전지의 공기공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 연료전지시스템 및 그 제어방법에 따르면, 일정 전류밀도를 유지하도록 상대습도, 온도 및 압력 조건을 설정하여 연료전지 내부의 응축수 발생을 조절함과 아울러, 공기극 압력 임펄스를 주입하여 과도하게 생성된 응축수를 제거하여 연료전지의 운전 중 성능 열화를 완화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 제어방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 연료전지스택의 내부 위치 별 상대습도 분포를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 제어방법에서 공기극 압력 임펄스를 주입하기 전 연료전지스택 내부 상태를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 및 그 제어방법에 따른 운전조건을 적용하여 전압강하가 개선되는 것을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템을 나타낸 도면.
이 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 여러 실시형태에 대한 구성 및 작용원리를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 제어방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 제어방법에서 공기극 압력 임펄스를 주입하기 전 연료전지스택 내부 상태를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은 제어부에서 연료전지의 목표 상대습도를 도출하는 단계(S200, S210, S220, S230, S240), 제어부에서 연료전지의 목표 상대습도를 달성할 수 있는 연료전지의 운전조건을 도출하는 단계(S300), 제어부에서 도출된 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하고, 연료전지의 출력전압을 측정하는 단계(S400) 및 제어부에서 연료전지의 출력전압이 목표 출력 전압기준 미만인 경우 임펄스를 형성하여 연료전지에 공기를 공급하도록 연료전지의 공기공급부를 제어하는 단계(S500, S510, S511, S520, S530)를 포함한다.
일반적으로 연료전지스택은 애노드, 캐소드, 촉매층, 확산층 및 멤브레인으로 구성된다. 연료전지스택의 애노드 측에 공급된 수소는 전극/촉매전극층에서 촉매에 의해 수소이온 및 전자로 분해되고, 수소이온과 전자는 캐소드에서 산소와 반응하여 물을 생성한다. 이때 발생되는 물(응축수)은 물질전달저항을 증가시켜 전압강하를 일으키는데, 이러한 전압강하는 캐소드 측 촉매층 계면의 상대습도에 비례하는 경향이 있다.
전압강하는 연료전지의 성능 악화에 직결되므로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템 제어방법은, 제어부에서 연료전지의 목표 상대습도를 도출하여 이러한 전압강하를 개선하고자 하는 것이다. 즉, 전압강하를 개선시키는 목표 상대습도에 따른 운전조건을 도출하여(S300), 도출된 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어함으로써, 연료전지의 성능 열화를 개선할 수 있게 되는 것이다.
참고로, 본 명세서에서는 목표 상대습도에 따른 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하는 상태를 정상상태 또는 정상상태 운전으로 정의하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은 연료전지 차량 등에 적용될 수 있으며, 차량의 주행 중에는 차량의 주행속도 또는 도로의 경사면 등에 따라 요구되는 연료전지의 목표 출력전압이 변화된다. 따라서 다양한 주행 상황에 따라, 정상상태 운전시 실제 연료전지의 출력전압을 측정하여 목표 출력 전압기준과 비교할 필요성이 있다.
즉, 도 1에서 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하고, 연료전지의 출력전압을 측정하는 단계(S400)는 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법이 적용된 차량의 주행 중 야기될 수 있는 다양한 주행 상황에 대처하기 위한 것으로 이해될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은, 제어부에서 연료전지의 출력전압이 목표 출력 전압기준 미만인 경우 임펄스를 형성하여 연료전지에 공기를 공급하도록 연료전지의 공기공급부를 제어하는 단계(S500, S510, S511, S520, S530)를 포함한다.
연료전지시스템을 장시간 정상상태로 운전시키면, 연료전지의 단위셀 내에 응축수가 축적되게 된다. 앞서 본 바와 같이, 응축수는 물질전달저항을 증가시켜 전압강하를 일으키므로, 응축수가 과도하게 축적된 플러딩(Flooding) 상태에서는 연료전지의 출력전압이 목표 출력 전압기준보다 낮게 측정된다.
따라서 이러한 경우, 과도하게 축적된 응축수를 적절하게 제거할 필요가 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은, 임펄스를 형성하여 연료전지에 공기를 공급하도록 연료전지의 공기공급부를 제어(S500, S510, S511, S520, S530)함으로써, 형성된 임펄스를 통해 과도하게 축적된 응축수를 제거하는 것이다. 도 3에서 이러한 응축수 제거 전 후 상태가 도시되어 있으며, 이에 대해서는 이하, 개시된 발명의 각 단계의 구성 및 작용원리를 구체적으로 살펴보면서 추가적으로 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법의 목표 상대습도를 도출하는 단계(S200, S210, S220, S230, S240)에서는 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 도출하고(S200), 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 도출하며(S210), 운전조건을 도출하는 단계에서는 도출된 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출할 수 있다(S300).
상대습도란 특정한 온도에서의 수증기의 압력을 그 온도의 포화 수증기의 압력으로 나눈 것을 말하므로, 상대습도는 온도와 압력에 관한 함수로 표현된다. 따라서 목표 상대습도를 설정하게 되면, 이에 따른 목표 온도/압력조건이 도출되게 된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 제어방법은, 목표 상대습도를 도출하는 단계(S200, S210, S220, S230, S240)에서 연료전지의 애노드와 캐소드 측 채널 각각의 목표 상대습도를 도출하고(S200), 이에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 도출한다(S210). 나아가, 운전조건을 도출하는 단계(S300)에서는 이와 같이 도출된 온도/압력조건에 따른 운전조건을 도출하게 되는 것이다. 결국, 도출된 운전조건에 따라 연료전지를 제어하여 정상상태 운전을 함으로써, 연료전지의 성능 열화를 개선할 수 있게 된다.
이때, 채널의 목표 온도/압력조건에 따라 도출되는 운전조건은, 별도로 구비된 냉각수가 흐르는 냉각장치로 온도를 조절하며, 수소공급부 및 공기공급부로부터 연료전지로 공급되는 기체가스의 압력을 조절함으로써 달성될 수 있다.
한편, 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도는 차량의 목표 출력 전압기준을 설정하고, 설정된 목표 출력 전압기준에 따른 전류밀도를 설정하여, 설정된 전류밀도가 균일하게 유지되도록 하는 상대습도일 수 있다(S100).
연료전지의 핵심 부품인 촉매층의 열화는 전류밀도가 높은 부분에서 더 빠르게 진행된다. 따라서, 연료전지의 내구성 및 안정적인 운전을 위해서는 반응면적 전체에 걸쳐, 균일한 전류밀도 분포가 형성됨이 바람직하다. 전류밀도의 분포는 애노드와 캐소드 측 채널의 상대습도의 영향을 받으므로, 전류밀도의 균일도를 향상시키기 위해서는 채널의 상대습도를 조절할 필요성이 있다.
이에, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 제어방법은, 일정한 전류밀도를 설정하고, 설정된 전류밀도가 균일하게 유지되도록 하는 상대습도를 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도로 하여 연료전지의 운전을 제어함으로써, 궁극적으로 안정적인 정상상태 운전을 달성하면서, 연료전지의 내구성도 확보할 수 있게 되는 것이다.
한편, 차량의 다양한 주행 상황에 따라, 요구되는 연료전지의 목표 출력전압이 변화됨은 앞에서 본 바와 같다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 제어방법에 따라 설정되는 일정한 전류밀도는, 차량의 주행 중 수시로 변화되는 연료전지의 목표 출력 전압기준에 대응하여 도출되는 전류밀도로 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 제어방법의 목표 상대습도를 도출하는 단계(S200, S210, S220, S230, S240)에서는 도출된 채널의 목표 온도/압력조건을 통해 연료전지 채널을 제외한 반응부의 예상 상대습도를 도출하고(S220), 반응부의 예상 상대습도가 반응부의 목표 상대습도를 만족하도록 채널의 목표 온도/압력조건을 보정하며(S230), 운전조건을 도출하는 단계에서는 보정된 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출할 수 있다(S300).
여기서, 반응부란 연료전지스택에서 애노드 및 캐소드 측 채널을 제외한 나머지 부분을 의미한다. 즉, 본 명세서에서는 일반적인 연료전지스택의 구성 중 애노드 및 캐소드를 제외한 촉매층, 확산층 및 멤브레인 영역을 모두 포함한 영역을 반응부로 정의하여 설명한다.
또한, 반응부의 예상 상대습도에 대해, 도 2를 참조하여 추가적으로 살펴본다. 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 연료전지스택의 내부 위치 별 상대습도 분포가 그래프로 도시되어 있다.
앞서 본 바와 같이, 애노드에 공급된 수소가 촉매에 의해 수소이온 및 전자로 분해되고, 수소이온과 전자는 캐소드에서 산소와 반응하여 물을 생성하므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 애노드 측 채널의 목표 상대습도보다 캐소드 측 채널의 목표 상대습도가 높게 설정된다.
애노드 측 채널의 목표 상대습도와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도가 다르게 설정됨에 따라, 반응부의 상대습도 분포는 도 2에 표시된 영역(A)과 같이 일정한 그레디언트(gradient)를 형성할 수 있다. 즉, 다수의 실험을 통해 그레디언트 값들을 측정함으로써, 반응부의 목표 상대습도의 오차범위 분포 데이터를 확보할 수 있다.
이와 같이 데이터화된 분포 값은 반응부의 목표 상대습도로서 제어부의 주기억장치에 저장된다. 이를 채널의 목표 온도/압력조건을 통해 도출된 반응부의 예상 상대습도와 비교한다. 비교결과에 따라, 반응부의 예상 상대습도가 반응부의 목표 상대습도의 범위를 벗어나는 경우, 채널의 목표 온도/압력조건을 보정하여 예상 상대습도를 재도출하고, 재도출된 예상 상대습도가 목표 상대습도를 만족할 때까지 비교하는 과정을 반복한다.
예상 상대습도가 목표 상대습도를 만족하게 되면, 이때의 채널의 목표 온도/압력조건에 따라, 연료전지의 운전조건이 도출되는 것이다. 결국, 도출된 운전조건에 따라 연료전지를 제어하여 정상상태 운전을 함으로써, 연료전지의 성능 열화를 개선할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법의 목표 상대습도를 도출하는 단계(S200, S210, S220, S230, S240)에서는 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 온도/압력조건이 각각 최소온도/최대압력조건 범위에 해당하지 않는 경우, 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 보정하고, 보정된 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 재도출하며(S240), 운전조건을 도출하는 단계에서는 재도출된 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출할 수 있다(S300).
상대습도는 단위 기체가 저온 및 고압일수록 높아지고, 반대로 고온 및 저압일수록 낮아진다. 즉, 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도가 일정 이상 높아지지 않도록 애노드와 캐소드 측 채널의 최소온도/최대압력조건을 제한조건으로 설정하여 목표 상대습도가 과도하게 높아지는 것을 방지하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법의 목표 상대습도를 도출하는 단계(S200, S210, S220, S230, S240)에서는 보정된 채널의 온도/압력조건이 각각 최소온도/최대압력조건 범위에 해당하지 않는 경우, 애노드와 캐소드 층 채널의 목표 상대습도를 보정하고, 보정된 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 재도출하며(S240), 운전조건을 도출하는 단계에서는 재도출된 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출할 수 있다(S300).
이는, 반응부의 예상 상대습도가 반응부의 목표 상대습도를 만족하도록 채널의 목표 온도/압력조건을 보정하는 경우에도 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도가 일정 이상 높아지지 않도록 하기 위해, 보정된 채널의 목표 온도/압력조건에 위와 동일한 제한조건을 설정하여 목표 상대습도가 과도하게 높아지는 것을 방지하는 것이다.
즉, 촉매층을 포함하고 있는 반응부의 목표 상대습도가 과도하게 높아지는 것을 방지함으로써, 촉매층 계면의 상대습도에 비례하여 발생하는 전압강하를 일정 범위 내에서 완화시킬 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법의 공기공급부를 제어하는 단계(S500, S510, S511, S520, S530)는, 측정된 출력전압을 목표 출력 전압기준과 비교하여(S500), 그 비교결과에 따라, 연료전지의 공기공급부를 제어하여 공기극 압력 임펄스를 형성하는 단계(S510) 및 형성된 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입하는 단계(S520)로 이루어질 수 있다.
앞서 본 바와 같이, 연료전지시스템을 장시간 정상상태로 운전시키면, 연료전지의 단위셀 내에 응축수가 축적되게 된다. 그리고, 응축수가 과도하게 축적된 플러딩(Flooding) 상태에서는 연료전지의 출력전압이 목표 출력 전압기준보다 낮게 측정된다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은 연료전지의 출력전압을 측정하고, 출력전압이 목표 출력 전압기준 범위를 만족하는지 판단한다(S500).
구체적으로, 출력전압이 목표 출력 전압기준 범위를 만족하는 경우, 연료전지의 정상상태 운전을 유지한다. 출력전압이 목표 출력 전압기준 범위를 벗어나는 경우, 플러딩 상태에 해당하므로, 과도하게 축적된 응축수를 제거하기 위해 제어부에서 연료전지의 공기공급부를 제어한다.
한편, 응축수가 과도하게 축적된 플러딩 상태에 대해, 도 3을 참조하여 살펴본다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 제어방법에서 공기극 압력 임펄스를 주입하기 전 연료전지스택 내부 상태를 나타낸 도면이다.
연료전지 내부의 기체확산층은 일반적으로 다수의 미세기공층이 형성되어 있으며, 미세기공층은 촉매층에서 발생한 물을 연료전지의 셀 밖으로 배출하는 역할을 수행한다. 이러한 미세기공층은 도 3에 도시된 바와 같이, 제한된 전기화학반응 영역(Closed Pore, CP), 활성화된 전기화학반응 영역(Transport Pore, TP), 부분적으로 제한된 전기화학반응 영역(Dead-end Pore, DP)으로 구분될 수 있다. 연료전지의 운전 중 발생하는 응축수는 부분적으로 제한된 전기화학반응 영역(DP)에 축적되게 된다.
이와 같이 축적된 응축수는 공기공급부를 통해 고압의 공기를 주입함으로써 부분적으로 제한된 전기화학반응 영역(DP)으로부터 활성화된 전기화학반응 영역(TP)으로 배출되고, 고압 공기의 흐름을 따라 함께 흐름으로써 제거될 수 있다.
이에 대해 구체적으로 살펴보면, 제어부는 공기공급부에서 일정 주기로 고압공기가 형성되도록 임펄스를 발생시킨다. 즉, 제어부는 공기극 압력 임펄스를 형성하며, 형성된 임펄스를 연료전지 내부로 주입함으로써, 과도하게 축적된 응축수를 제거하는 것이다.
한편, 형성된 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입하는 단계(S520) 이후에는, 공기극 압력 임펄스의 주입에 따른 출력전압을 측정하고 목표 출력 전압기준과 비교하여, 그 비교결과에 따라, 연료전지의 공기공급부를 제어하여 공기극 압력 임펄스를 보정하는 단계(S530)를 더 포함할 수 있다.
즉, 형성된 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입한 후, 이에 따라 변경되는 출력전압을 측정하여 목표 출력 전압기준 범위를 만족하는지 판단함으로써, 과도하게 축적된 응축수의 적절한 배출 여부를 확인할 수 있게 되는 것이다.
구체적으로, 공기극 압력 임펄스의 주입에 따른 출력전압이 목표 출력 전압기준 범위를 만족하는 경우, 더 이상 공기극 압력 임펄스를 형성하여 주입할 필요가 없으므로, 제어부는 연료전지의 공기공급부의 제어를 중단하고, 연료전지의 정상상태 운전을 유지한다. 공기극 압력 임펄스의 주입에 따른 출력전압이 목표 출력 전압기준 범위를 벗어나는 경우, 여전히 플러딩 상태에 해당하므로, 과도하게 축적된 응축수를 제거하기 위해 제어부는 연료전지의 공기공급부를 계속 제어한다.
제어부는 공기극 압력 임펄스를 보정하여 그 압력 값을 증가시키고, 보정된 고압의 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입하여, 앞서 주입된 공기극 압력 임펄스에 의해 배출되지 않고 남아있는 응축수를 추가적으로 제거한다.
이때, 제어부에서 측정되는 공기극 압력 임펄스의 주입에 따른 출력전압은, 미리 설정된 시간마다 측정되는 구간전압일 수 있다.
차량의 주행 중 측정되는 출력전압 값은 일반적으로 파장의 형태로 측정되므로, 매 순간마다 측정되는 전압 값의 편차가 발생하게 된다. 따라서, 일정한 시간 간격을 구간으로 설정하여 구간전압을 측정할 필요가 있다. 즉, 측정된 구간전압의 평균 전압을 출력전압으로 하여 목표 출력전압기준과 비교하고, 출력전압이 목표 출력전압기준 범위를 만족하는지 판단하는 것이다.
이와 같이 구간전압을 출력전압으로 활용하는 경우 출력전압의 편차에 따른 오차를 감소시키는 효과가 있다. 즉, 보다 정밀하게 측정된 출력전압을 목표 출력전압기준과의 비교에 활용함으로써 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 공기극 압력 임펄스를 형성하는 단계(S510) 이후에는, 형성된 공기극 임펄스 압력값과 미리 설정된 한계 압력값을 비교하여, 그 비교결과에 따라, 공기극 압력 임펄스의 연료전지에의 주입여부를 결정하는 단계(S511)를 더 포함할 수 있다.
연료전지에서 수분은 수소이온의 전달 매개체 역할을 한다. 따라서 연료전지의 작동을 위해서는 반드시 적절한 수분이 필요하므로, 응축수가 넘치는 플러딩 현상 뿐만 아니라, 응축수가 너무 부족한 드라이아웃(Dry-out) 현상의 경우에도 연료전지의 성능 저하가 발생하게 된다.
이러한 드라이아웃 현상의 발생을 방지하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은, 연료전지 내부로 주입되는 공기극 압력 임펄스를 미리 설정된 한계 임펄스 압력과 비교하여, 공기극 압력 임펄스의 추가적인 주입 여부를 결정하는 것이다(S511).
구체적으로, 연료전지 내부로 주입되는 공기극 압력 임펄스가 미리 설정된 한계 임펄스 압력에 도달하는 경우, 공기극 압력 임펄스의 주입을 중단함으로써, 응축수가 너무 부족한 드라이아웃 현상을 방지한다. 연료전지 내부로 주입되는 공기극 압력 임펄스가 미리 설정된 한계 임펄스 압력에 도달하지 않은 경우, 여전히 플러딩 상태에 해당하므로, 제어부는 공기극 압력 임펄스를 보정하여 그 압력 값을 증가시키고, 보정된 고압의 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입하여, 앞서 주입된 공기극 압력 임펄스에 의해 배출되지 않고 남아있는 응축수를 추가적으로 제거한다.
이와 같이 공기극 압력 임펄스의 주입 여부를 결정함으로써, 연료전지 내부에 발생되는 응축수가 적절하게 조절되어, 플러딩 현상 및 드라이아웃 현상 모두를 방지할 수 있게 된다.
나아가, 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은, 형성된 공기극 임펄스 압력값이 미리 설정된 한계 압력값에 도달한 경우, 제어부에서 목표 출력 전압기준에 따른 전류밀도를 보정할 수 있다.
연료전지 내부로 주입되는 공기극 압력 임펄스가 미리 설정된 한계 임펄스 압력에 도달하는 경우, 공기극 압력 임펄스의 주입을 중단하더라도, 이미 드라이아웃 현상이 발생할 수 있다. 또한, 드라이아웃 현상이 발생하지 않더라도 연료전지 내부의 상대습도가 낮아진 상태이므로 목표 출력 전압기준을 만족하기 위해서는 다시 적절한 상대습도로 조절될 필요성이 있다.
한편, 공기극 압력 임펄스를 주입하는 경우, 주입 직후 연료전지 내부의 캐소드 측 공기입구부의 전류밀도가 일시적으로 상승하게 된다. 따라서 공기극 압력 임펄스를 주입하는 단계를 1회 내지 수차례 수행한 후, 다시 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 조절하기 위해서는 목표 출력 전압기준에 따른 전류밀도를 다시 재설정할 필요성이 있다.
이에, 본 발명에 따른 연료전지시스템 제어방법은, 형성된 공기극 임펄스 압력값이 미리 설정된 한계 압력값에 도달한 경우, 제어부에서 목표 출력 전압기준에 따른 전류밀도를 보정함으로써, 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 다시 적절한 상대습도로 조절하는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 및 그 제어방법에 따른 운전조건을 적용하여 전압강하가 개선되는 것을 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지시스템은, 애노드와 캐소드 측 채널부(110, 120) 및 양 채널부 사이의 반응부(130)로 구성된 연료전지 스택(100), 연료전지 스택의 애노드 측 채널부(110)에 수소를 공급하는 수소공급부(200), 연료전지 스택의 캐소드 측 채널부(120)에 공기를 공급하는 공기공급부(300), 연료전지의 목표 상대습도 및 목표 상대습도에 따른 운전조건을 도출하고, 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하며, 연료전지의 출력전압을 측정하고, 출력전압이 목표 출력 전압기준 미만인 경우 임펄스를 형성하여 연료전지에 공기를 공급하도록 연료전지의 공기공급부(300)를 제어하는 제어부(400)를 포함할 수 있다.
여기서, 반응부(130)란 연료전지 스택(100)에서 애노드 및 캐소드 측 채널(110, 120)을 제외한 나머지 부분을 의미함은 앞서 본 바와 같다. 연료전지 스택(100)의 애노드 측 채널부(110)에는 수소공급부(200)로부터 수소가스가 공급되며, 연료전지 스택(100)의 캐소드 측 채널부(120)에는 공기공급부(300)로부터 공기가 공급된다. 제어부(400)는 연료전지의 목표 상대습도 및 목표 상대습도에 따른 운전조건을 도출하며, 도출된 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하고, 연료전지의 운전시 발생되는 출력전압을 측정하며, 출력전압이 목표 출력 전압기준 미만인 경우 공기극 압력 임펄스를 형성하여 연료전지 내부로 주입되도록 공기공급부(300)를 제어한다. 제어부(400)에서 이루어지는 목표 상대습도 및 운전조건의 도출, 운전조건에 따른 연료전지의 운전 제어, 출력전압의 측정 및 공기공급부의 제어방법은 각각 앞서 살펴본 바와 같다.
한편, 도 4를 참조하면, 시간에 따라 셀 당 전압이 감소하는 경향이 발생하는 것을 알 수 있다. 이는, 연료전지의 장기간 운전시 응축수가 연료전지의 내부에 축적됨으로 인해 전압강하가 발생하기 때문이다.
이때, 본 발명에 따른 운전조건을 적용한 경우(10)와 본 발명에 따른 운전조건을 적용하지 않은 경우(20)를 비교하면, 운전조건을 적용한 경우에 전압강하가 덜 발생하는 것을 알 수 있다.
결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 및 그 제어방법에 따른 운전조건을 적용시, 연료전지시스템의 장시간 정상상태 운전 중 발생하는 전압강하가 개선되며, 이를 통해 출력을 회복하여 연료전지시스템의 성능 열화를 완화시키는 효과가 있다.
발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 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 : 운전조건 제어 적용시 시간에 따른 전압강하 곡선
20 : 운전조건 제어 미적용시 시간에 따른 전압강하 곡선
100 : 연료전지 스택
110 : 애노드 측 채널부
120 : 캐소드 측 채널부
130 : 반응부
200 : 수소공급부
300 : 공기공급부
400 : 제어부
A : 반응부의 상대습도 분포 측정 영역
CP : 제한된 전기화학반응 영역
DP : 부분적으로 제한된 전기화학반응 영역
TP : 활성화된 전기화학반응 영역
S100 : 목표 출력 전압기준에 따른 전류밀도를 설정하는 단계
S200 : 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 도출하는 단계
S210 : 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 도출하는 단계
S220 : 반응부의 예상 상대습도를 도출하는 단계
S230 : 반응부의 예상 상대습도가 반응부의 목표 상대습도를 만족하도록 채널의 목표 온도/압력조건을 보정하는 단계
S240 : 채널의 목표 온도/압력조건이 최소온도/최대압력조건 범위에 해당하는지 여부를 판단하는 단계
S300 : 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출하는 단계
S400 : 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하고, 연료전지의 출력전압을 측정하는 단계
S500 : 측정된 출력전압을 목표 출력 전압기준과 비교하는 단계
S510 : 공기극 압력 임펄스를 형성하는 단계
S511 : 형성된 공기극 임펄스 압력값이 미리 설정된 한계 압력값에 도달 여부를 판단하는 단계
S520 : 형성된 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입하는 단계
S530 : 공기극 압력 임펄스의 주입에 따른 출력전압을 측정하는 단계

Claims (12)

  1. 제어부에서 연료전지의 목표 상대습도를 도출하는 단계;
    제어부에서 연료전지의 목표 상대습도를 달성할 수 있는 연료전지의 운전조건을 도출하는 단계;
    제어부에서 도출된 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하고, 연료전지의 출력전압을 측정하는 단계; 및
    제어부에서 연료전지의 출력전압이 목표 출력 전압기준 미만인 경우 임펄스를 형성하여 연료전지에 공기를 공급하도록 연료전지의 공기공급부를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    목표 상대습도를 도출하는 단계에서는 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 도출하고, 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 도출하며, 운전조건을 도출하는 단계에서는 도출된 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도는 차량의 목표 출력 전압기준을 설정하고, 설정된 목표 출력 전압기준에 따른 전류밀도를 설정하여, 설정된 전류밀도가 균일하게 유지되도록 하는 상대습도인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    목표 상대습도를 도출하는 단계에서는 도출된 채널의 목표 온도/압력조건을 통해 연료전지 채널을 제외한 반응부의 예상 상대습도를 도출하고, 반응부의 예상 상대습도가 반응부의 목표 상대습도를 만족하도록 채널의 목표 온도/압력조건을 보정하며, 운전조건을 도출하는 단계에서는 보정된 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    목표 상대습도를 도출하는 단계에서는 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 온도/압력조건이 각각 최소온도/최대압력조건 범위에 해당하지 않는 경우, 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 보정하고, 보정된 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 재도출하며, 운전조건을 도출하는 단계에서는 재도출된 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    목표 상대습도를 도출하는 단계에서는 보정된 채널의 온도/압력조건이 각각 최소온도/최대압력조건 범위에 해당하지 않는 경우, 애노드와 캐소드 측 채널의 목표 상대습도를 보정하고, 보정된 채널의 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건을 재도출하며, 운전조건을 도출하는 단계에서는 재도출된 목표 상대습도에 따른 채널의 목표 온도/압력조건에 따른 연료전지의 운전조건을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    공기공급부를 제어하는 단계는,
    측정된 출력전압을 목표 출력 전압기준과 비교하여, 그 비교결과에 따라, 연료전지의 공기공급부를 제어하여 공기극 압력 임펄스를 형성하는 단계; 및
    형성된 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    형성된 공기극 압력 임펄스를 연료전지로 주입하는 단계 이후에는,
    공기극 압력 임펄스의 주입에 따른 출력전압을 측정하고 목표 출력 전압기준과 비교하여, 그 비교결과에 따라, 연료전지의 공기공급부를 제어하여 공기극 압력 임펄스를 보정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    제어부에서 측정되는 공기극 압력 임펄스의 주입에 따른 출력전압은, 미리 설정된 시간마다 측정되는 구간전압인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    공기극 압력 임펄스를 형성하는 단계 이후에는,
    형성된 공기극 임펄스 압력값과 미리 설정된 한계 압력값을 비교하여, 그 비교결과에 따라, 공기극 압력 임펄스의 연료전지에의 주입여부를 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    형성된 공기극 임펄스 압력값이 미리 설정된 한계 압력값에 도달한 경우, 제어부에서 목표 출력 전압기준에 따른 전류밀도를 보정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
  12. 애노드와 캐소드 측 채널부 및 양 채널부 사이의 반응부로 구성된 연료전지 스택;
    연료전지 스택의 애노드 측 채널부에는 수소를 공급하는 수소공급부;
    연료전지 스택의 캐소드 측 채널부에는 공기를 공급하는 공기공급부;
    연료전지의 목표 상대습도 및 목표 상대습도에 따른 운전조건을 도출하고, 운전조건에 따라 연료전지의 운전을 제어하며, 연료전지의 출력전압을 측정하고, 출력전압이 목표 출력 전압기준 미만인 경우 임펄스를 형성하여 연료전지에 공기를 공급하도록 연료전지의 공기공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지시스템.
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