KR20240000239A - 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

연료전지 차량의 연료전지 제어시스템 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

내부에 복수의 셀이 마련된 연료전지, 연료전지 내부로 수소를 공급하는 수소공급라인, 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소를 수소공급라인으로 재순환시키는 수소재순환라인 및 연료전지의 출력전압과 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단하고, 연료전지에 이상이 있는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템 및 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 연료전지 제어시스템 및 제어방법 {CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR FUEL CELL OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어함으로써 연료전지의 출력전압 최적화를 도모하고, 연료전지 내부의 국부적인 열화를 방지할 수 있는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
최근 내연기관 차량의 환경적인 이슈로 인하여 전기자동차 등 친환경 차량의 보급이 확대되고 있으며, 일반적으로 전기자동차(Electronic Vehicle, EV)는 전기 에너지에 의해 구동되는 모터의 구동력을 이용하여 주행하는 자동차를 가리킨다.
이러한 전기자동차에는 기존의 내연기관과 함께 차량용 고전압 배터리에 충전된 전기 에너지를 사용하여 모터에 구동력을 제공하는 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지를 통해 생성된 전기 에너지를 사용하여 모터에 구동력을 제공하는 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등이 있다.
특히 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지 스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치를 의미한다.
연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 연료전지 스택의 애노드(Anode, 연료극)로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기압축기를 작동시켜 흡입한 외부공기를 연료전지 스택의 캐소드(Cathode, 공기극)로 공급한다.
연료전지 스택의 애노드에 수소가 공급되면 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소 이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소 이온과 전자, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물이 생성되며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기 에너지가 생산된다.
이때, 전기화학반응에 따라 생성된 물은 배기가스(미반응 수소 및 산소)와 함께 차량의 외부로 배출된다. 배기가스에는 소량의 미반응 수소가 포함되므로, 과도한 수소 가스의 배출을 방지하기 위해, 현재 전 세계적으로 연료전지 차량의 수소 배기 농도를 법규로서 제한하고 있다.
현재 전 세계적으로 적용 중인 GTR(Global Technical Regulation) 법규에 따른 연료전지 시스템에서 배기되는 수소 가스의 허용 농도는 최대 8% 이하이고, 3초 간 측정 평균이 4%를 초과하지 않아야 한다.
한편, 연료전지 차량의 기술분야에 있어서 연료전지의 성능을 향상시키는 것은 과거에서부터 현재를 거쳐 미래에 이르기까지 가장 중요하게 개선되어야 하는 기본적인 과제에 해당한다.
종래, 연료전지의 성능 향상을 위해 미반응 수소를 연료전지의 애노드로 재순환시키는 수소재순환장치를 부가하여 수소의 재사용을 도모한 바 있다. 수소재순환장치는 수소 공급의 신뢰성을 높이고 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 장치로서, 그 재순환 방식으로는 이젝터를 이용하는 방식, 블로워를 이용하는 방식, 이젝터와 블로워를 함께 이용하는 방식 등 여러가지 방식이 알려져 있다.
또한, 연료전지에서는 스택 내부의 전해질 막을 통해 애노드로 넘어오는 질소, 물 및 수증기 등의 이물질이 많아질수록 애노드 내의 수소량이 줄어들게 되어 반응효율이 떨어질 수 있다. 따라서 정해진 주기에 맞추어 이물질 및 수소의 퍼지를 실시하는 퍼지밸브가 마련될 수 있다.
즉, 연료전지의 애노드 출구측에 수소 퍼지를 위한 퍼지밸브를 설치하여 애노드의 수소를 주기적으로 배출함으로써 질소, 물 등의 이물질을 함께 배출 및 제거하고, 수소 이용률을 높이는 것이다.
이와 같이 연료전지 내 이물질의 배출시에는 수소 농도 증가, 수소 이용률 증대, 가스 확산도 및 반응성 향상의 장점이 있게 된다.
한편, 연료전지 내부의 셀 중에서 전기화학반응이 집중적으로 이루어지는 셀이 존재할 수 있으며, 이와 같이 국부적인 반응 집중 현상 발생시 연료전지 내부의 셀 간 열화정도에 차이가 발생할 수 있다.
이는 연료전지의 성능 저하의 원인이 되며, 이를 해소하기 위해서는 연료전지의 전류 분포를 균등하게 제어할 필요가 있다. 그리고 연료전지의 전류 분포는 연료전지의 애노드로 공급되는 수소의 유량 및 농도에 따라 상이하게 변동된다.
그러나 상술한 종래 기술들은 단순히 연료전지의 최고 출력전압을 구현함으로써 연료전지의 성능 개선을 시도할 뿐, 연료전지의 전류 분포는 고려하지 않아 연료전지 내 셀 간 국부적인 반응 집중으로 인한 열화도 차이를 방지할 수 없는 한계가 있다.
따라서 단순히 연료전지의 최고 출력전압을 구현할 뿐만 아니라, 연료전지의 전류 분포까지 함께 고려하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 기술의 제공이 시급한 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 10-1567238 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어함으로써 연료전지의 출력전압 최적화를 도모하고, 연료전지 내부의 국부적인 열화를 방지할 수 있는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템 및 제어방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템은, 연료전지, 연료전지 내부로 수소를 공급하는 수소공급라인, 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소를 수소공급라인으로 재순환시키는 수소재순환라인 및 연료전지의 출력전압과 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단하고, 연료전지에 이상이 있는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하는 제어기를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템의 제어기는 연료전지의 열화도를 판단하고, 연료전지의 열화도에 따른 연료전지의 출력전압과 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템의 제어기는 차량의 주행 중 연료전지의 출력전압과 출력전류를 기록하고, 차량의 직전 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류 대비 차량의 현재 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류에 기반하여 연료전지의 열화도를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템의 제어기는 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만이거나 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지에 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템의 제어기는 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우 연료전지로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템의 제어기는 연료전지로 유입되는 수소의 유량이 증가하도록 수소공급라인을 제어하고, 수소공급라인으로 재순환되는 미반응 수소의 유량은 감소하도록 수소재순환라인을 제어함으로써 연료전지로 유입되는 수소의 농도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템은, 수소재순환라인 전단에 마련되어 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서를 더 포함하고, 제어기는 센서에서 측정된 미반응 수소의 농도가 미리 마련된 제3 기준값 미만인 경우 연료전지로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템의 제어기는 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량이 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템은, 수소재순환라인 전단에 마련되어 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서를 더 포함하고, 제어기는 센서에서 측정된 미반응 수소의 농도가 미리 마련된 제3기준값 미만인 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량이 증가하도록 수소공급라인을 제어하고, 수소공급라인으로 재순환되는 미반응 수소의 유량은 유지되도록 수소재순환라인을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템은, 수소재순환라인 전단에 마련되어 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서를 더 포함하고, 제어기는 센서에서 측정된 미반응 수소의 농도가 미리 마련된 제3기준값 이상인 경우 수소공급라인으로 재순환되는 미반응 수소의 유량이 증가되도록 수소재순환라인을 제어하고, 연료전지로 신규 유입되는 수소의 유량은 유지되도록 수소공급라인을 제어함으로써 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법은, 제어기에서 연료전지의 출력전압과 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계 및 제어기에서 연료전지에 이상이 있는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계 이전에는, 제어기에서 연료전지의 열화도를 판단하는 단계를 더 포함하고, 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 열화도와 미리 마련된 제1 기준값 및 제2 기준값에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 열화도를 판단하는 단계에서는 제어기에서 차량의 주행 중 연료전지의 출력전압과 출력전류를 기록하고, 차량의 직전 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류 대비 차량의 현재 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류에 기반하여 연료전지의 열화도를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만이거나 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지에 이상이 있는 것으로 판단하고, 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우 연료전지로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어하며, 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량이 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계 이후에는, 제어기에서 수소재순환라인 전단에 마련되어 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서에서 측정된 미반응 수소의 농도를 미리 마련된 제3 기준값과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하여 연료전지의 출력전압을 최적화함으로써, 연료전지의 성능을 향상할 수 있다.
둘째, 연료전지의 출력전압과 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 판단한 연료전지의 이상 여부에 기반하여 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어함으로써, 연료전지의 출력전압 최적화와 동시에 연료전지 내부의 국부적인 열화를 방지할 수 있다.
셋째, 적용 차량에 따라 연료전지의 출력전압 최적화 또는 연료전지 내부의 국부적인 열화 방지 중 어느 하나를 우선 수행하도록 제어함으로써, 적용 차량마다 달리 요구되는 목표 성능을 효과적으로 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 순서도.
도 4는 수소공급라인으로 재순환되는 미반응 수소의 유량이 증가하는 경우 유효 반응 면적이 감소하는 것을 나타낸 도면.
이 명세서 전체에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 제어기(Controller, 500)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기(500)나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 여러 실시형태에 대한 구성 및 작용원리를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어방법의 순서도이며, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어방법의 순서도이고, 도 4는 수소공급라인(200)으로 재순환되는 미반응 수소의 유량이 증가하는 경우 유효 반응 면적이 감소하는 것을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템은, 연료전지(100), 연료전지(100) 내부로 수소를 공급하는 수소공급라인(200), 연료전지(100) 내부를 통과한 미반응 수소를 수소공급라인(200)으로 재순환시키는 수소재순환라인(300) 및 연료전지(100)의 출력전압과 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지(100)의 이상 여부를 판단하고, 연료전지(100)에 이상이 있는 경우 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인(200) 또는 수소재순환라인(300)을 제어하는 제어기(500)를 포함한다.
배경기술에서 살펴본 바와 같이, 연료전지(100) 차량에 동력원으로써 사용되는 연료전지(100)는 일반적으로 복수의 연료전지(100) 셀들을 적층시킨 연료전지(100) 스택의 형태로 마련된다. 이하의 본 명세서에서 '연료전지(100)'는 복수의 연료전지(100) 셀들을 적층시킨 연료전지(100) 스택과 동일한 의미로 사용하기로 한다. 즉, 본 명세서에서 연료전지(100)라 함은 내부에 복수의 셀이 마련된 것을 전제로 한다.
이러한 연료전지(100)를 포함한 연료전지(100) 제어시스템은, 연료전지(100) 내부로 연료인 수소를 공급하는 수소공급라인(200)과 연료전지(100) 내부로 공기를 공급하는 공기공급라인(600)이 필요하며, 본 발명에 따른 연료전지(100) 제어시스템에서는 연료전지(100) 내부에 공급된 수소 중 반응하지 않고 배출되는 수소(미반응 수소)를 수소공급라인(200)으로 재순환시키는 수소재순환라인(300)을 더 포함한다.
이에, 도 1에서는 연료전지(100), 수소공급라인(200)과 수소배출라인(400), 공기공급라인(600)과 공기배출라인(700) 및 수소재순환라인(300)을 개략적으로 도시하였으며, 수소공급라인(200) 또는 수소재순환라인(300)을 제어하는 제어기(500)를 함께 도시하고 있다.
여기서 제어기(500)는, 연료전지(100)에 이상이 있는 경우 수소공급라인(200) 또는 수소재순환라인(300)을 제어함으로써, 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도를 가변시킬 수 있다.
한편, 연료전지(100)의 성능을 판단하는 인자로써 '수소의 화학양론비(Stoichiometric Ratio, SR)'가 활용될 수 있다. 화학양론비란 화학반응에서 반응물과 생성물의 상대적 비율을 의미한다. 연료전지(100) 내부에서 이루어지는 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[애노드에서의 반응] 2H2(g) → 4H+(aq.) + 4e-
[캐소드에서의 반응] O2(g) + 4H+(aq.) + 4e- → 2H2O(l)
[전체반응] 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 전기에너지 + 열에너지
상기 반응식에 나타낸 바와 같이 애노드에서는 수소 분자가 분해되어 4개의 수소이온과 4개의 전자가 생성된다. 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류(전기에너지)를 생성하고, 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 되며, 전기화학반응의 부산물로서 물과 열이 생성된다.
상기 반응식에 따르면, 수소의 화학양론비는 2개의 수소 분자를 기준으로 발생되는 전류(전기에너지)의 양을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
즉, 수소 공급량 대비 생성되는 전류량이 높을수록 수소의 화학양론비는 크게 도출되며, 수소 공급량이 동일한 상태에서 출력전류량이 높을수록 연료전지(100)의 성능이 높은 것으로 판단할 수 있다.
그리고 연료전지(100)의 성능은 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압의 관계를 나타내는 'I-V 특성 커브'를 통해 그 경향성을 판단할 수 있다. 즉, I-V 특성 커브란 연료전지(100)의 성능 곡선을 나타낸 것으로서 I는 연료전지(100)의 출력전류를 의미하고, V는 연료전지(100)의 출력전압을 의미한다. 참고로, 여기서 I-V 커브의 경향성은 연료전지(100)에 관한 기술분야에 있어서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
결과적으로, 연료전지(100)의 성능을 판단함에 있어, 수소의 화학양론비 및 연료전지(100)의 출력전압 등 다양한 인자가 활용될 수 있다.
한편, 연료전지(100)는 장기간 사용시 연료전지(100) 내부 셀이 열화되는 현상이 발생한다. I-V 특성 커브에 따르면 연료전지(100)의 열화가 진행될수록 연료전지(100)의 출력전압이 동일 전류 대비 하강하는 전압 강하 현상이 발생하여 연료전지(100)의 성능이 저하된다.
이때, 연료전지(100) 내부의 특정한 영역에 전기화학반응이 집중되는 현상(이하, '국부적인 반응 집중 현상'이라 한다.)이 발생할 수 있다.
왜냐하면 연료전지(100) 내부로 공급된 수소 기체는 기본적으로 확산(Diffusion) 과정에 기반하여 이동하기 때문이다. 즉, 수소 기체는 연료전지(100) 내부에서 확산 압력에 의해 이동되므로, 확산 압력이 낮은 경우 연료전지(100) 내부의 셀 중 수소 기체가 도달하지 않는 영역이 발생할 수 있다.
이에 따라 전기화학반응이 집중되는 셀은 나머지 셀에 비해 상대적으로 열화 현상이 빠르게 발생할 수 있다. 결국, 연료전지(100) 내부의 셀 간 열화정도에 차이가 발생하게 되고, 이러한 차이가 심화될수록 상대적으로 열화정도가 높은 셀의 열화 진행속도가 가속화되어 연료전지(100)의 수명이 단축되는 문제를 초래한다.
따라서 연료전지(100)의 성능 및 수명 향상을 위해서는, 위와 같은 국부적인 반응 집중 현상이 발생하는 것을 최소화할 필요가 있다.
이때, 국부적인 반응 집중 현상을 판단하기 위해 연료전지(100) 내부의 전류 분포가 활용될 수 있다. 연료전지(100) 내부의 확산압력이 낮아 국부적인 반응 집중 현상이 발생하는 경우, 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 발생한다.
즉, 연료전지(100) 내부의 전류 분포란, 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 상이하게 출력되는 전류의 분포를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 연료전지(100) 내부의 전류 분포는 다수의 실험에 의해 데이터맵으로 도출될 수 있고, 도출된 데이터맵은 본 발명에 따른 제어기(500)에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
또한, 연료전지(100) 내부의 전류 분포를 통해, 연료전지(100) 내부의 셀 각각의 출력전류 간 표준편차를 도출할 수도 있다. 연료전지(100) 내부의 전류 분포와 마찬가지로, 연료전지(100) 내부의 셀 각각의 출력전류 간 표준편차도 다수의 실험에 의해 실험값으로 도출될 수 있고, 도출된 실험값은 본 발명에 따른 제어기(500)에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
각 셀의 출력전류 간 표준편차가 낮을수록 전류 분포가 균등한 것으로 이해될 수 있고, 반대로 각 셀의 출력전류 간 표준편차가 높을수록 전류 분포가 균등하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 그리고 전류 분포가 균등할수록 국부적인 반응 집중 현상이 최소화되므로, 연료전지(100) 내부의 셀 간 열화정도의 차이를 최소화하여 연료전지(100)의 성능을 개선할 수 있게 된다.
결과적으로, '연료전지(100) 내부의 전류 분포 및 그 표준편차(이하, '연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이'라 한다.)'의 제어를 통해 연료전지(100)의 성능을 개선할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템의 제어기(500)는, 연료전지(100)의 성능 판단 및 개선을 위해 '연료전지(100)의 출력전압'과 '연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이'에 기반하여 연료전지(100)의 이상 여부를 판단하고자 한다.
그리고 '연료전지(100)의 출력전압'과 '연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이'는 연료전지(100)로 공급되는 수소의 유량 및 농도에 따라 변동된다.
따라서 본 발명의 제어기(500)는, 연료전지(100)에 이상이 있는 것으로 판단된 경우 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인(200) 또는 수소재순환라인(300)을 제어함으로써, 연료전지(100)의 성능이 개선되는 효과를 달성하고자 하는 것이다.
참고로, 본 발명에 있어서 '연료전지(100)의 이상 여부'란, '연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우' 또는 '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 경우' 중 어느 하나를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
이와 관련하여, 도 2 내지 도 3의 순서도에서는 '연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우'를 '전압 이상(S311)'으로 기재하여 도시하고 있으며, '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 경우'는 '전류 분포 이상(S321)'과 같이 기재하여 도시하였다.
이하, 본 발명의 제어기(500)에 의한 구체적인 제어과정 및 그 작용원리에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템의 제어기(500)는 연료전지(100)의 열화도를 판단하고, 연료전지(100)의 열화도에 따른 연료전지(100)의 출력전압과 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지(100)의 이상 여부를 판단할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 연료전지(100)의 열화가 진행될수록 연료전지(100)의 출력전압이 동일 전류 대비 하강하는 전압 강하 현상이 발생하고, 국부적인 반응 집중 현상이 발생할 경우(연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 클 경우) 연료전지(100)의 열화 진행속도가 가속화된다.
즉, 연료전지(100)의 출력전압과 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이는 연료전지(100)의 열화도를 종속변수로 한다.
따라서 본 발명의 제어기(500)는 연료전지(100)의 열화도를 먼저 판단할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 제어기(500)는 차량의 주행 중 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류를 기록하고, 차량의 직전 주행시 기록된 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류 대비 차량의 현재 주행시 기록된 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류에 기반하여 연료전지(100)의 열화도를 판단할 수 있다.
참고로, 이하의 본 명세서에서는 연료전지(100) 차량의 시동 개시시점부터 종료시점까지를 하나의 주행 사이클로 하여 '1 DC(Driving Cycle)'로 표현하기로 한다. 즉, 연료전지(100) 차량의 '현재 주행'이란 현재 주행 사이클을 의미하며, '직전 주행'이란 직전 주행 사이클을 의미한다. 예를 들어, 직전 주행 사이클을 '1 DC'로 보면, 현재 주행 사이클은 '2 DC'가 된다.
우선, 본 발명의 제어기(500)는 차량의 주행 중 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류를 기록한다. 여기서 '차량의 주행 중'이란 하나의 주행 사이클(1 DC)을 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다. 즉, 연료전지(100) 차량의 주행 사이클마다 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류가 기록되는 것이다.
예를 들어, 직전 주행 사이클을 '1 DC'로 보고, 현재 주행 사이클을 '2 DC'로 볼 경우, 본 발명의 제어기(500)는 차량의 직전 주행(1 DC)시 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류를 기록하고, 차량의 현재 주행(2 DC)시에도 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류를 기록한다.
그리고 본 발명의 제어기(500)는 차량의 직전 주행시 기록된 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류을 차량의 현재 주행시 기록된 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류를 비교하여 연료전지(100)의 열화도를 판단한다. 이때, 차량의 주행 중 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류는 I-V 특성 커브의 형태로 변환되어 제어기(500)에 내장된 메모리(미도시)에 기록될 수 있다.
I-V 특성 커브에 따르면, 연료전지(100)의 열화가 진행될수록 동일 전류 대비 연료전지(100)의 출력전압이 하강하는 전압 강하 현상이 발생한다.
즉, 차량의 직전 주행시 기록된 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류에 기반한 I-V 특성 커브 및 차량의 현재 주행시 기록된 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류에 기반한 I-V 특성 커브의 차이에 따라 연료전지(100)의 열화도를 판단할 수 있다.
계속하여 본 발명의 제어기(500)는 판단된 연료전지(100)의 열화도에 따른 연료전지(100)의 출력전압과 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지(100)의 이상 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제어기(500)는 연료전지(100)의 열화도가 판단되면, 해당 열화도에 따라 미리 마련된 기준값에 기반하여 연료전지(100)의 이상 여부를 판단할 수 있다. 여기서 미리 마련된 기준값이란, 연료전지(100)의 열화도마다 다수의 실험을 통해 도출된 '연료전지(100)의 출력전압과 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이'에 관한 실험값으로 이해함이 바람직하다. 미리 마련된 기준값은 제어기(500)에 내장된 메모리(미도시)에 일련의 데이터값으로 저장될 수 있으며, 이에 대한 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.
결과적으로, 위와 같이 연료전지(100)의 열화도를 판단하고, 열화도에 따른 연료전지(100)의 출력전압에 기반하여 연료전지(100)의 이상 여부를 판단함으로써, 연료전지(100)의 열화도에 따른 영향이 반영되어 최적화된 출력전압을 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 열화도에 따른 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지(100)의 이상 여부를 판단함으로써 연료전지(100) 내부의 국부적인 열화 현상을 추가적으로 판단할 수 있고, 이에 따른 적절한 제어를 수행함으로써 연료전지(100) 내부의 각 셀이 불균등하게 열화되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템의 제어기(500)는 연료전지(100)의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만이거나 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지(100)에 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템의 제어기(500)에 내장된 메모리(미도시)에는 연료전지(100)의 열화도에 따라 미리 마련된 기준값이 일련의 데이터값으로 저장될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 '연료전지(100)의 이상 여부'란, '연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우' 또는 '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 경우' 중 어느 하나를 의미한다.
따라서 본 발명에 있어서 미리 마련된 제1 기준값은 연료전지(100)의 출력전압이 정상인 것으로 판단되는 최소 기준전압을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
즉, 연료전지(100)의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우 연료전지(100)의 출력전압이 연료전지(100)의 최소 기준전압보다 낮은 상태에 해당하여, 연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우로 판단되는 것이다.
그리고 미리 마련된 제2 기준값은 연료전지(100) 내부 전류 분포의 균일도에 관한 것으로서, 연료전지(100) 내부의 전류 분포가 균일한 것으로 판단할 수 있는 최대값을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 여기서 연료전지(100) 내부 전류 분포의 균일도는, 연료전지(100) 내부 셀들의 출력전류 간 표준편차를 의미하는 것으로 이해하여도 무방하다.
즉, 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지(100) 내부의 전류 분포 균일도가 최대값보다 높은 상태에 해당하여, 연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 것으로 판단되는 것이다.
결국, 이러한 원리에 따라 본 발명에 있어서 '연료전지(100)의 이상 여부'는 위와 같이 '연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우' 또는 '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 경우' 중 어느 하나의 경우로 판단될 수 있다.
이하, 각각의 경우에 있어서 연료전지(100)의 이상 여부를 해소하기 위한 구체적인 제어과정 및 원리에 대해 개별적으로 살펴보기로 한다.
우선, '연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 것으로 판단된 경우'에 대하여 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템의 제어기(500)는 연료전지(100)의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인(200) 및 수소재순환라인(300)을 제어할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템의 제어기(500)는 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량이 증가하도록 수소공급라인(200)을 제어하고, 수소공급라인(200)으로 재순환되는 미반응 수소의 유량은 감소하도록 수소재순환라인(300)을 제어함으로써 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도를 증가시킬 수 있다.
연료전지(100)의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우, 연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우에 해당하므로, 기본적으로 연료전지(100)의 출력전압을 높여야 한다.
연료전지(100) 제어시스템에서 연료전지(100)의 출력전압을 높이기 위해서는 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량 또는 농도를 증가시켜야 한다. 이는 수소공급라인(200) 및 수소재순환라인(300)을 적절하게 제어하여 구현할 수 있다.
이와 관련하여 도 1을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다. 도 1에서 X는 수소공급라인(200)을 통해 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량을 의미하고, Y는 수소재순환라인(300)을 통해 수소공급라인(200)으로 재순환되는 기체의 유량을 의미하며, Z는 수소배출라인(400)을 통해 차량의 외부로 배출되는 기체 중 질소(N2)의 농도를 의미한다.
연료전지(100)의 내부에서는 수소공급라인(200)을 통해 유입된 수소와 공기공급라인(600)을 통해 유입된 공기 중 산소가 반응하여 전기에너지를 생성하고 부산물로서 물과 열을 생성한다.
공기는 대략 78%의 질소와 21%의 산소(O2), 기타 아르곤(Ar) 및 이산화탄소(CO2) 등으로 이루어져 있다. 즉, 공기는 대부분 질소로 구성되며, 이러한 질소는 연료전지(100) 내부의 전기화학반응 과정에서 캐소드에서 생성된 물과 함께 크로스 오버(Cross-Over)되어 애노드 측으로 이동할 수 있다.
이에 따라, 수소배출라인(400)을 통해 차량의 외부로 배출되는 기체와 수소재순환라인(300)을 통해 수소공급라인(200)으로 재순환되는 기체에는 미반응 수소와 함께 다량의 질소가 포함되어 수소의 분압이 낮아지게 된다.
따라서 수소재순환라인(300)을 통해 수소공급라인(200)으로 재순환되는 기체의 유량(Y)이 증가하면, 수소의 분압이 낮은 상태의 기체가 재순환됨에 따라 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도는 감소하게 된다.
이때, 수소공급라인(200)을 통해 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량(X)을 일정하게 제어하면 연료전지(100)로 유입되는 수소의 전체 유량은 증가한다. 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 연료전지(100)로 유입되는 수소의 전체 유량은 하기 수식과 같이 표현될 수 있다.
[수식] 연료전지(100)로 유입되는 수소의 전체 유량 = X + Y(1 - Z / 100)
상기 수식을 참고하면, 수소공급라인(200)을 통해 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량(X)이 일정한 경우 연료전지(100)로 유입되는 수소의 전체 유량이 증가하는 것을 쉽게 알 수 있다.
정리하면, 수소의 재순환량이 증가할 경우 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도는 감소하고 수소의 유량은 증가한다.
또한, 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 감소하는 경우 연료전지(100)의 출력전압이 감소한다. 이와 관련하여 도 4를 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 4는 수소공급라인(200)으로 재순환되는 미반응 수소의 유량이 증가하는 경우 유효 반응 면적이 감소하는 것을 나타낸 도면이다.
도 4에서 좌측에 도시된 그림은 수소의 재순환량을 증가시키기 전 연료전지(100) 내부에서 수소가 전기화학반응을 위해 반응면(Reaction surface)에 인접해 있는 상태를 개력적으로 나타낸 것이고, 우측에 도시된 그림은 수소의 재순환량을 증가시킨 후의 상태를 개략적으로 나타낸 것이다.
수소의 재순환량 증가 전의 경우(도 4의 좌측 그림) 반응면과 인접한 수소의 개수가 3개인 반면, 수소의 재순환량이 증가된 후(도 4의 우측 그림)에는 반응면과 인접한 수소의 개수가 2개에 불과하여, 수소의 유효 반응 면적이 감소하는 것을 알 수 있다.
즉, 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 감소하는 경우, 수소의 유효 반응 면적이 감소한다. 결과적으로 수소의 유효 반응 면적이 감소함에 따라 연료전지(100)의 출력전압이 감소하게 된다.
한편, 수소공급라인(200)을 통해 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량(X)이 증가하면, 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도 및 전체 유량이 동시에 증가하게 된다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템의 제어기(500)는 연료전지(100)의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우, 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량이 증가하도록 수소공급라인(200)을 제어하고, 수소공급라인(200)으로 재순환되는 미반응 수소의 유량은 감소하도록 수소재순환라인(300)을 제어함으로써, 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 한다.
그리고 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 증가됨에 따라 유효 반응 면적이 증가하므로, 연료전지(100)의 출력전압이 상승하여 연료전지(100)의 성능이 개선되는 효과가 있다.
이때, 연료전지(100)로 유입되는 기체의 전체 유량(X + Y)은 일정하게 유지되도록 제어됨이 바람직하다. 다시 말해, 수소공급라인(200)을 통해 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량(X)이 증가되는 만큼 수소재순환라인(300)을 통해 수소공급라인(200)으로 재순환되는 기체의 유량(Y)은 감소되도록 제어됨이 바람직하다.
왜냐하면, 연료전지(100)로 유입되는 기체의 전체 유량(X + Y)이 변동되면, 연료전지(100) 내부의 확산압력이 변화하기 때문이다. 연료전지(100) 내부의 확산압력이 낮아지는 경우 연료전지(100) 내부 전류 분포의 균일도가 떨어진다. 이에 따라, 연료전지(100) 내부에서 국부적인 반응 집중 현상이 심화되며, 결과적으로 연료전지(100) 내부의 각 셀들이 불균등하게 열화되는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 본 발명의 제어기(500)는 '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 것으로 판단된 경우' 연료전지(100) 내부의 확산압력을 높이도록 제어할 수 있는데, 이는 후술할 별도의 제어과정으로 처리된다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템은, 수소재순환라인(300) 전단에 마련되어 연료전지(100) 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서(310)를 더 포함하고, 제어기(500)는 센서(310)에서 측정된 미반응 수소의 농도가 미리 마련된 제3 기준값 미만인 경우 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인(200) 및 수소재순환라인(300)을 제어할 수 있다.
배경기술에서 살펴본 바와 같이, 차량의 외부로 배출되는 배기가스에는 소량의 미반응 수소가 포함되므로, 과도한 수소 가스의 배출을 방지하기 위해 연료전지(100) 차량의 수소 배기 농도는 현재 전세계적으로 공통된 법규에 따라 제한되고 있다.
현재 전 세계적으로 적용 중인 GTR(Global Technical Regulation) 법규에 따른 연료전지(100) 시스템에서 배기되는 수소 가스의 허용 농도는 최대 8% 이하이고, 3초 간 측정 평균이 4%를 초과하지 않아야 한다.
그런데 연료전지(100)의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인(200) 및 수소재순환라인(300)을 제어하므로, 상기 GTR 법규의 수소 배기 농도 기준을 초과할 우려가 있다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템은, 수소재순환라인(300) 전단에 마련되어 연료전지(100) 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서(310)를 더 포함할 수 있다.
그리고 본 발명의 제어기(500)는 센서(310)에서 측정된 미반응 수소의 농도를 높이더라도 상기 GTR 법규의 수소 배기 농도 기준을 초과할 우려가 없는 경우에 한해, 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인(200) 및 수소재순환라인(300)을 제어한다.
이에 따라, 수소 배기 농도의 규제를 준수하면서도 연료전지(100)의 출력전압을 최적화할 수 있는 장점이 있다.
다음으로, '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 것으로 판단된 경우'에 대하여 살펴보기로 한다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템의 제어기(500)는 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량이 증가되도록 수소공급라인(200) 및 수소재순환라인(300)을 제어할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템은, 수소재순환라인(300) 전단에 마련되어 연료전지(100) 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서(310)를 더 포함하고, 제어기(500)는 센서(310)에서 측정된 미반응 수소의 농도가 미리 마련된 제3기준값 미만인 경우 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량이 증가하도록 수소공급라인(200)을 제어하고, 수소공급라인(200)으로 재순환되는 미반응 수소의 유량은 유지되도록 수소재순환라인(300)을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명의 제어기(500)는 센서(310)에서 측정된 미반응 수소의 농도가 미리 마련된 제3기준값 이상인 경우 수소공급라인(200)으로 재순환되는 미반응 수소의 유량이 증가되도록 수소재순환라인(300)을 제어하고, 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량은 유지되도록 수소공급라인(200)을 제어함으로써 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량을 증가시킬 수 있다.
연료전지(100)의 출력전압이 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우, 연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 경우에 해당하므로, 연료전지(100) 내부의 전류 분포가 균등하게 되도록 제어해야 한다.
연료전지(100) 내부의 확산압력이 낮아지는 경우 연료전지(100) 내부 전류 분포의 균일도가 떨어진다. 이에 따라, 연료전지(100) 내부에서 국부적인 반응 집중 현상이 심화되며, 결과적으로 연료전지(100) 내부의 각 셀들이 불균등하게 열화되는 문제가 발생한다.
따라서 본 발명의 제어기(500)는 연료전지(100)의 출력전압이 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우, 연료전지(100) 내부의 확산압력을 높임으로써 연료전지(100) 내부의 전류 분포가 균등하게 되도록 제어하고자 한다.
연료전지(100) 제어시스템에서 연료전지(100) 내부의 확산압력을 높이기 위해서는 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량을 증가시켜야 한다. 이는 수소공급라인(200) 및 수소재순환라인(300)을 적절하게 제어하여 구현할 수 있다.
도 1을 참조하여 구체적으로 살펴보면, ① 수소공급라인(200)을 통해 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량(X)을 증가시키거나, ② 수소재순환라인(300)을 통해 수소공급라인(200)으로 재순환되는 기체의 유량(Y)을 증가시킴으로써 수소의 유량 증가를 달성할 수 있다.
이에, 본 발명의 제어기(500)는 기본적으로 상기 ① 또는 ②와 같이 수소공급라인(200) 및 수소재순환라인(300)을 제어함으로써 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량이 증가되도록 한다.
구체적으로, ①과 같이 제어하는 경우 본 발명의 제어기(500)는, 수소공급라인(200)을 통해 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량(X)이 증가되도록 수소공급라인(200)을 제어하고, 수소재순환라인(300)을 통해 수소공급라인(200)으로 재순환되는 기체의 유량(Y)은 유지되도록 수소재순환라인(300)을 제어한다.
②와 같이 제어하는 경우 본 발명의 제어기(500)는, 수소재순환라인(300)을 통해 수소공급라인(200)으로 재순환되는 기체의 유량(Y)이 증가되도록 수소재순환라인(300)을 제어하고, 수소공급라인(200)을 통해 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량(X)은 유지되도록 수소공급라인(200)을 제어한다.
그런데 상기 ① 또는 ②와 같이 수소공급라인(200) 및 수소재순환라인(300)을 제어하는 경우, 연료전지(100)를 통과한 수소의 농도에서 차이가 발생한다.
구체적으로, ①과 같이 제어하는 경우에는 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 증가함에 따라, 반응 후 배출되는 수소의 농도 역시 증가하게 된다.
반면, ②와 같이 제어하는 경우에는 연료전지(100)로 유입되는 수소의 농도가 감소함에 따라, 반응 후 배출되는 수소의 농도가 감소하게 된다.
그리고 앞서 언급한 바와 같이, 연료전지(100) 차량은 전 세계적으로 적용 중인 GTR 법규에 따라 수소의 배기 농도가 제한된다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템은, 수소재순환라인(300) 전단에 마련되어 연료전지(100) 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서(310)를 더 포함하고, 제어기(500)는 센서(310)에서 측정된 미반응 수소의 농도를 높이더라도 GTR 법규의 수소 배기 농도 기준을 초과할 우려가 없는 경우에는 ①과 같이 제어하며, GTR 법규의 수소 배기 농도 기준을 초과할 우려가 있는 경우에는 ②와 같이 제어하고자 한다.
이에 따라, 수소 배기 농도의 규제를 준수하면서도 연료전지(100) 내부의 전류 분포를 균등화할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 순서도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법은, 제어기에서 연료전지의 출력전압과 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계(S310, S311, S320, S321) 및 제어기에서 연료전지에 이상이 있는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하는 단계(S510, S520, S530)를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계(S310, S311, S320, S321) 이전에는, 제어기에서 연료전지의 열화도를 판단하는 단계(S100, S200)를 더 포함하고, 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계(S310, S311, S320, S321)에서는 제어기에서 연료전지의 열화도와 미리 마련된 제1 기준값 및 제2 기준값에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단할 수 있다(S310, S320).
또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 열화도를 판단하는 단계(S100, S200)에서는 제어기에서 차량의 주행 중 연료전지의 출력전압과 출력전류를 기록하고(S100), 차량의 직전 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류 대비 차량의 현재 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류에 기반하여 연료전지의 열화도를 판단할 수 있다(S200).
그리고 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계(S310, S311, S320, S321)에서는 제어기에서 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만이거나 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지에 이상이 있는 것으로 판단하고(S310, S320), 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하는 단계(S510, S520, S530)에서는 제어기에서 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우 연료전지로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어하며(S510), 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량이 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어할 수 있다(S520, S530).
한편, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계(S310, S311, S320, S321) 이후에는, 제어기에서 수소재순환라인 전단에 마련되어 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서에서 측정된 미반응 수소의 농도를 미리 마련된 제3 기준값과 비교하는 단계(S410, S420)를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어방법의 각 단계에 있어서, 제어기(500)에 의한 구체적인 제어방법 내지 작용원리는 앞서 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.
참고로, 도 2에서는 '연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우(전압 이상)'를 해소하기 위한 제어를 먼저 실시한 후, '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 경우(전류 분포 이상)'를 해소하기 위한 제어를 실시하고 있다.
반면, 도 3에서는 '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 경우(전류 분포 이상)'를 해소하기 위한 제어를 먼저 실시한 후, '연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우(전압 이상)'를 해소하기 위한 제어를 실시하고 있다.
이는, 적용 차량마다 요구되는 목표 성능이 상이한 경우, 각각의 목표 성능을 효과적으로 달성하기 위한 것으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 버스나 트럭과 같은 대형 차량(이하, '고내구 차량'이라 한다.)의 경우 장거리 운행이 잦고, 승객 또는 화물의 운송시 안정성이 문제되므로, 일반적인 차량에 비해 연료전지(100)의 내구성 향상이 중요시된다.
반면, 스포츠카 등 자동차 경주용 차량(이하, '고출력 차량'이라 한다.)의 경우 급가속 또는 급정거에 따라 순간적으로 고출력을 요구하는 경우가 많으므로, 일반적인 차량에 비해 연료전지(100)의 출력 성능 향상이 중요시된다.
즉, 고내구 차량의 경우 연료전지(100)의 열화에 따른 연료전지(100)의 내구성 저하를 방지하는 것이 중요하며, 고출력 차량의 경우 수소공급라인(200)을 통해 연료전지(100)로 신규 유입되는 수소의 유량(X)은 유지하면서도 출력전압을 높임으로써 최소한의 연료를 사용하여 최대한의 출력 성능을 확보하는 것이 중요하다.
이에, 본 발명에 따른 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템 및 제어방법은, 고내구 차량의 경우에는 도 2와 같이 제어하고, 고출력 차량의 경우에는 도 3과 같이 제어하여 적용 차량마다 요구되는 목표 성능을 효과적으로 달성할 수 있다.
구체적으로, 고내구 차량의 경우에는 '연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우(전압 이상)'를 해소하기 위한 제어를 먼저 실시한 후, '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 경우(전류 분포 이상)'를 해소하기 위한 제어를 실시함으로써, 최종적으로 전류 분포가 균등하게 되도록 제어된다.
이에 따라, 연료전지(100) 내부의 국부적인 반응 집중 현상이 최소화되어 연료전지(100) 셀의 불균등 열화 및 열화 진행속도의 가속화가 방지되므로, 연료전지(100)의 내구성 저하를 확실하게 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 고출력 차량의 경우에는 '연료전지(100) 내부의 전류 분포가 비정상적으로 불균일한 경우(전류 분포 이상)'를 해소하기 위한 제어를 먼저 실시한 후, '연료전지(100)의 출력전압이 비정상적으로 낮은 경우(전압 이상)'를 해소하기 위한 제어를 실시함으로써, 최종적으로 연료전지(100)의 출력전압이 개선되도록 제어된다.
결과적으로, 위와 같이 적용 차량에 따라 최종 결과가 달리 도출되도록 제어의 순서를 가변함으로써, 적용 차량마다 달리 요구되는 목표 성능을 효과적으로 달성할 수 있는 효과가 있다.
따라서 상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지(100) 차량의 연료전지(100) 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 연료전지(100)로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인(200) 또는 수소재순환라인(300)을 제어하여 연료전지(100)의 출력전압을 최적화함으로써, 연료전지(100)의 성능을 향상할 뿐만 아니라, 연료전지(100)의 출력전압과 연료전지(100) 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 판단한 연료전지(100)의 이상 여부에 기반하여 수소공급라인(200) 또는 수소재순환라인(300)을 제어함으로써, 연료전지(100) 내부의 국부적인 열화를 방지할 수 있다.
또한, 적용 차량에 따라 연료전지(100)의 출력전압 최적화 또는 연료전지(100) 내부의 국부적인 열화 방지 중 어느 하나를 우선 수행하도록 제어함으로써, 적용 차량마다 달리 요구되는 목표 성능을 효과적으로 달성할 수 있는 장점이 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.
100 : 연료전지
200 : 수소공급라인
300 : 수소재순환라인
310 : 센서
400 : 수소배출라인
500 : 제어기
600 : 공기공급라인
700 : 공기배출라인

Claims (15)

  1. 연료전지;
    연료전지 내부로 수소를 공급하는 수소공급라인;
    연료전지 내부를 통과한 미반응 수소를 수소공급라인으로 재순환시키는 수소재순환라인; 및
    연료전지의 출력전압과 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단하고, 연료전지에 이상이 있는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 연료전지의 열화도를 판단하고, 연료전지의 열화도에 따른 연료전지의 출력전압과 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제어기는 차량의 주행 중 연료전지의 출력전압과 출력전류를 기록하고, 차량의 직전 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류 대비 차량의 현재 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류에 기반하여 연료전지의 열화도를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만이거나 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지에 이상이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우 연료전지로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제어기는 연료전지로 유입되는 수소의 유량이 증가하도록 수소공급라인을 제어하고, 수소공급라인으로 재순환되는 미반응 수소의 유량은 감소하도록 수소재순환라인을 제어함으로써 연료전지로 유입되는 수소의 농도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    수소재순환라인 전단에 마련되어 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서;를 더 포함하고,
    제어기는 센서에서 측정된 미반응 수소의 농도가 미리 마련된 제3 기준값 미만인 경우 연료전지로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량이 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    수소재순환라인 전단에 마련되어 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서;를 더 포함하고,
    제어기는 센서에서 측정된 미반응 수소의 농도가 미리 마련된 제3기준값 미만인 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량이 증가하도록 수소공급라인을 제어하고, 수소공급라인으로 재순환되는 미반응 수소의 유량은 유지되도록 수소재순환라인을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    수소재순환라인 전단에 마련되어 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서;를 더 포함하고,
    제어기는 센서에서 측정된 미반응 수소의 농도가 미리 마련된 제3기준값 이상인 경우 수소공급라인으로 재순환되는 미반응 수소의 유량이 증가되도록 수소재순환라인을 제어하고, 연료전지로 신규 유입되는 수소의 유량은 유지되도록 수소공급라인을 제어함으로써 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  11. 제어기에서 연료전지의 출력전압과 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계; 및
    제어기에서 연료전지에 이상이 있는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량을 증가시키거나 수소의 농도가 가변되도록 수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계 이전에는,
    제어기에서 연료전지의 열화도를 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 열화도와 미리 마련된 제1 기준값 및 제2 기준값에 기반하여 연료전지의 이상 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    연료전지의 열화도를 판단하는 단계에서는 제어기에서 차량의 주행 중 연료전지의 출력전압과 출력전류를 기록하고, 차량의 직전 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류 대비 차량의 현재 주행시 기록된 연료전지의 출력전압과 출력전류에 기반하여 연료전지의 열화도를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만이거나 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지에 이상이 있는 것으로 판단하고,
    수소공급라인 또는 수소재순환라인을 제어하는 단계에서는 제어기에서 연료전지의 출력전압이 미리 마련된 제1 기준값 미만인 경우 연료전지로 유입되는 수소의 농도가 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어하며, 연료전지 내부의 각 셀마다 출력전류의 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하는 경우 연료전지로 유입되는 수소의 유량이 증가되도록 수소공급라인 및 수소재순환라인을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    연료전지의 이상 여부를 판단하는 단계 이후에는,
    제어기에서 수소재순환라인 전단에 마련되어 연료전지 내부를 통과한 미반응 수소의 농도를 측정하는 센서에서 측정된 미반응 수소의 농도를 미리 마련된 제3 기준값과 비교하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
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