KR20240010988A - 연료전지 차량의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템 - Google Patents

연료전지 차량의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템 Download PDF

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양성호
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Abstract

제어부에서 수소공급라인을 통해 연료전지로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계, 제어부에서 수소의 비정상공급시 수소공급라인 또는 수소탱크의 압력에 기반하여 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계 및 제어부에서 연료전지를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 공기공급부를 제어함으로써 연료전지의 발전을 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템이 소개된다.

Description

연료전지 차량의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템 {CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR FUEL CELL OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 연료전지 차량의 주행 중 연료전지로 공급되는 수소량이 부족한 경우 연료전지의 발전이 불가능한 경우에만 연료전지를 셧다운함으로써, 연료전지 차량의 주행 지속성 및 연료전지의 내구성을 향상할 수 있는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템에 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.
한편, 연료공급 시스템의 수소탱크에 저장된 수소는 연료전지에서 요청하는 수소량 또는 그 이상으로 상시 공급되어야 한다. 연료전지에서 요청하는 수소량은 차량의 요구출력에 따라 연료전지에서 소모하는 수소량을 의미한다.
즉, 연료전지에서 소모하는 수소량 대비 수소탱크로부터 연료전지로 공급되는 수소량이 적은 경우, 연료전지로 공급되는 수소량이 부족한 것으로 판단할 수 있다. 그리고 연료전지 차량의 주행 중 연료전지로 공급되는 수소량이 부족한 것으로 판단되는 경우, 현재 상용 연료전지 차량은 연료전지를 셧다운하게 된다.
한편, 수소탱크에 설치되는 수소공급밸브 내부에는 수소의 공급속도가 비정상적으로 빠른 경우 수소의 공급을 순간적으로 차단하는 장치(이하, '과공급방지밸브(Excess Flow Valve, EFV)'라 한다.)를 필수적으로 장착하도록 법규로써 규정하고 있다.
따라서 수소탱크에 저장된 잔존 수소량이 실제로 부족한 경우 뿐만 아니라, 과공급방지밸브가 작동한 경우에도, 연료전지 차량의 주행 중 연료전지로 공급되는 수소량이 부족한 것으로 판단될 수 있다.
그러나 현재 상용 연료전지 차량은, 연료전지 차량의 주행 중 연료전지로 공급되는 수소량이 부족한 것으로 판단된 경우, 그 원인(수소탱크의 잔존 수소량 부족 또는 과공급방지밸브 작동)에 대해서는 아무런 구분없이 연료전지를 셧다운하고 있다.
이에 따라, 연료전지의 셧다운 및 재시동 빈도수가 증가하게 되고, 이는 연료전지의 내구성 및 수명에 악영향을 준다. 따라서 수소탱크에 저장된 잔존 수소량이 실제로 부족하여 연료전지의 발전이 불가능한 경우에만 연료전지를 셧다운하도록 제어할 필요가 있다.
그리고 엔진 구동을 위해 필요한 최소 연료량이 존재하는 기존의 내연기관 차량과 달리, 연료전지 차량의 경우 연료전지 구동을 위해 필요한 최소 연료량이 존재하지 않는다. 따라서 소량의 수소를 공급하더라도 해당 수준만큼의 전기 에너지 발전량을 통해 차량의 지속 운전이 가능하다.
즉, 수소탱크의 잔존 수소량 부족시에는 연료전지를 셧다운하면서도, 과공급방지밸브가 작동한 경우와 같이 연료전지의 발전이 가능한 경우에는 수소탱크로부터 공급되는 수소량만큼의 전기 에너지 발전량을 통해 차량의 지속 운전이 가능하도록 제어할 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 10-2018-0069306 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 차량의 주행 중 연료전지로 공급되는 수소량이 부족한 경우 연료전지의 발전이 불가능한 경우에만 연료전지를 셧다운함으로써, 연료전지 차량의 주행 지속성 및 연료전지의 내구성을 향상할 수 있는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법은, 제어부에서 수소공급라인을 통해 연료전지로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계, 제어부에서 수소의 비정상공급시 수소공급라인 또는 수소탱크의 압력에 기반하여 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계 및 제어부에서 연료전지를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 공기공급부를 제어함으로써 연료전지의 발전을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량과 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 비교하여 수소의 정상공급 여부를 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량보다 많은 경우 수소가 비정상공급되는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 수소공급라인의 압력을 측정하고, 수소공급라인의 압력이 최소값보다 낮은 경우 연료전지를 셧다운할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 수소탱크의 압력을 측정하고, 수소탱크의 압력이 최소값보다 낮은 경우 연료전지를 셧다운할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 미리 마련된 기준시간 동안 수소탱크의 압력 변화율을 측정하고, 수소탱크의 압력 변화율이 미리 마련된 제1 기준값보다 낮은 경우 연료전지를 셧다운할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 미리 마련된 기준시간 동안 연료전지의 발전을 중단하고, 연료전지의 발전이 중단된 상태에서 수소탱크의 압력 변화율을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 연료전지를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지에서 소모되는 수소량과 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 비교하고, 비교 결과에 따라 연료전지에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부를 제어함으로써 연료전지의 발전을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량보다 많은 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 감소되도록 공기공급부를 제어하고, 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량보다 적은 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 증가되도록 공기공급부를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량보다 적은 경우 미리 마련된 기준비율을 감소 보정하고, 연료전지에서 소모되는 수소량이 보정된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부를 제어하되, 수소공급라인의 압력과 공기공급부의 압력 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하도록 공기공급부를 통해 공급되는 공기량을 제한할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 수소공급라인의 압력과 공기공급부의 압력 차이가 미리 마련된 제2 기준값 이하인 경우 미리 마련된 제2 기준값을 감소 보정하고, 수소공급라인의 압력과 공기공급부의 압력 차이가 보정된 제2 기준값을 초과하도록 공기공급부를 통해 공급되는 공기량을 제한할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계 이후에는, 제어부에서 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고, 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소탱크가 충전된 것으로 판단된 경우 보정된 기준비율을 초기화할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계 이후에는, 제어부에서 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고, 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소탱크가 충전된 것으로 판단된 경우 보정된 기준값을 초기화할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템은, 수소탱크와 수소공급라인으로 연결된 연료전지, 연료전지에 공기를 공급하는 공기공급부 및 수소공급라인을 통해 연료전지로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단하고, 수소의 비정상공급시 수소공급라인 또는 수소탱크의 압력에 기반하여 연료전지의 셧다운 여부를 판단하며, 연료전지를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 공기공급부를 제어함으로써 연료전지의 발전을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 연료전지 차량의 연료전지 제어방법 및 그 제어시스템에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 연료전지 차량의 주행 중 연료전지로 공급되는 수소량이 부족한 경우 연료전지의 발전이 불가능한 경우에만 연료전지를 셧다운하여, 연료전지의 빈번한 셧다운 및 재시동이 감소됨에 따라 연료전지의 내구성 및 수명을 향상할 수 있다.
둘째, 연료전지 차량의 주행 중 연료전지로 공급되는 수소량이 부족하더라도 연료전지의 발전이 가능한 경우에는 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 연료전지의 발전을 제어함으로써 차량의 주행 지속성을 향상할 수 있다.
셋째, 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 연료전지의 발전을 제어하되, 연료전지로 공급되는 공기량을 제한하여 산소의 크로스오버(Cross-Over) 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템을 나타낸 도면.
도 4는 연료전지의 애노드측 압력과 캐소드측 압력의 차이에 따라 연료전지의 전압이 일시적으로 강하된 후 회복되는 현상을 설명하기 위한 그래프.
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, 400)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기(400)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 차량의 연료전지(100) 제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 연료전지(100)의 발전을 제어하는 단계를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 4는 연료전지(100)의 애노드(110)측 압력과 캐소드(120)측 압력의 차이에 따라 연료전지(100)의 전압이 일시적으로 강하된 후 회복되는 현상을 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 연료전지 차량에 적용되는 연료전지(100) 시스템의 일반적인 구성요소들을 우선 살펴보면서, 이와 달리 본 발명의 구성요소 및 각 단계가 갖는 차별적 특징을 함께 설명하기로 한다.
연료전지 차량에 적용되는 연료전지(100) 시스템은, 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 포함하여 구성된다.
즉, 연료전지 차량에 적용되는 연료전지(100) 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이 애노드(110)와 캐소드(120)를 포함하는 연료전지(100), 애노드(110)로 연료인 수소를 공급하는 수소공급부(300), 캐소드(120)로 공기를 공급하는 공기공급부(200) 및 각 구성요소들을 제어하는 제어부(400)로 이루어질 수 있다.
수소공급부(300)에는 수소가 저장되는 수소탱크(310)가 마련되어 연료전지(100)의 애노드(110)와 수소공급라인(320)을 통해 연결된다. 그리고 수소탱크(310)에는 수소탱크(310)로부터 연료전지(100)의 애노드(110)로 수소를 공급하거나 차단하도록 제어되는 수소공급밸브(미도시)가 설치될 수 있다.
그리고 수소공급밸브(미도시) 내부에는 수소의 공급속도가 비정상적으로 빠른 경우 수소의 공급을 순간적으로 차단하는 장치(과공급방지밸브(Excess Flow Valve, EFV, 330)를 의미한다.)를 필수적으로 장착하도록 법규로써 규정하고 있다.
참고로, 도 3에서는 과공급방지밸브(330)가 수소탱크(310)의 수소공급밸브 내부가 아닌 수소공급라인(320)에 마련되는 것으로 도시하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 수소탱크(310)와 분리하여 표현한 것일 뿐, 이러한 도면의 형상에 의해 본 발명의 내용이 제한되는 것으로 보아서는 아니된다.
공기공급부(200)에는 차량의 외부공기를 흡입하는 공기압축기(210), 흡입된 공기를 가습하여 연료전지(100)로 공급하는 공기가습기(220)가 마련된다. 그리고 공기가습기(220)와 연료전지(100)의 캐소드(120) 사이에 마련되는 공기공급밸브(230)가 설치될 수 있다. 공기공급밸브(230)는 공기의 공급 또는 차단 기능을 수행한다.
수소공급부(300)는 수소탱크(310) 내부의 압축수소를 감압하여 연료전지(100)의 애노드(110)로 공급하고, 공기공급부(200)는 공기압축기(210)를 작동시켜 흡입한 외부공기를 연료전지(100)의 캐소드(120)로 공급한다. 연료전지(100)에 공급된 수소와 산소는 전기화학반응을 통해 전기 에너지를 생성한다. 따라서 차량의 요구출력에 따라 수소와 산소의 공급 유량이 적절히 조절되어야 한다.
예를 들어, 차량의 요구출력에 따라 연료전지(100)에서 소모되는 수소량보다 수소탱크(310)로부터 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 적은 경우, 전기 에너지 생성을 위해 필요한 수소량이 부족하여 차량의 요구출력을 충족할 수 없게 된다.
이에, 현재 상용 연료전지 차량은 연료전지 차량의 주행 중 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 부족한 것으로 판단되는 경우 연료전지(100)를 셧다운하도록 제어한다.
현재 상용 연료전지 차량은, 다음의 2가지 경우에 해당하는 경우 연료전지 차량의 주행 중 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 부족한 것으로 판단한다.
즉, 수소탱크(310) 내부에 저장된 잔존 수소량이 차량의 요구출력 충족을 위해 연료전지(100)에서 소모되는 수소량보다 부족한 경우(이하, '수소탱크(310)의 잔존 수소량 부족'이라 한다.)와 '과공급방지밸브(330)가 작동한 경우'에 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 부족한 것으로 판단한다.
수소탱크(310)의 잔존 수소량 부족시에는 연료전지(100)의 지속적인 발전이 어려운 바, 연료전지(100)를 셧다운하고 고전압 배터리를 활용하여 차량을 구동시킨다. 그리고 차량의 운전자가 수소탱크(310) 내부에 수소를 충전하도록 경고등을 점등하는 등 알림 기능이 작동하도록 제어될 수 있다.
과공급방지밸브(330)가 작동한 경우에는 수소의 공급이 차단됨에 따라 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 감소한다. 그 결과 차량의 요구출력에 따라 연료전지(100)에서 소모되는 수소량보다 수소탱크(310)로부터 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 적어지고, 이에 따라 연료전지(100)가 셧다운될 수 있다.
즉, 수소탱크(310)의 잔존 수소량이 충분한 상태에서 과공급방지밸브(330)가 작동한 경우, 불필요하게 연료전지(100)가 셧다운됨으로써 연료전지 차량의 주행 지속성이 저하되며, 연료전지(100)의 빈번한 셧다운 및 재시동이 반복됨에 따라 연료전지(100)의 내구성 및 수명이 단축되는 단점이 있다.
이에, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법 및 그 제어시스템은 연료전지 차량의 주행 중 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 부족한 것으로 판단된 경우, 그 원인(수소탱크(310)의 잔존 수소량 부족 또는 과공급방지밸브(330) 작동)을 구분하여 각 원인별 적합한 제어를 실시함으로써, 연료전지(100)의 불필요한 셧다운을 방지하고자 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 각 단계 및 구성요소들이 갖는 핵심적 특징들을 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법은, 제어부에서 수소공급라인을 통해 연료전지로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계(S110, S120), 제어부에서 수소의 비정상공급시 수소공급라인 또는 수소탱크의 압력에 기반하여 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계(S210, S220, S230, S240, S250) 및 제어부에서 연료전지를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 공기공급부를 제어함으로써 연료전지의 발전을 제어하는 단계(S300)를 포함한다.
제어부에서 수소공급라인을 통해 연료전지로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계(S110, S120)는, 기본적으로 연료전지가 정상 운전되는 상태(S110)를 전제로 한다.
즉, 연료전지 차량의 주행 중 수소공급라인(320)을 통해 연료전지(100)로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단하여, 수소가 정상적으로 공급되고 있는 경우에는 본 발명에 따른 제어과정의 수행 없이, 연료전지(100)를 정상 구동하게 된다.
제어부에서 수소의 비정상공급시 수소공급라인 또는 수소탱크의 압력에 기반하여 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계(S210, S220, S230, S240, S250)는, 연료전지 차량의 주행 중 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 부족한 것으로 판단된 경우, 그 원인(수소탱크(310)의 잔존 수소량 부족 또는 과공급방지밸브(330) 작동)을 구분하는 단계로 이해될 수 있다.
제어부는 연료전지로 공급되는 수소량이 수소탱크의 잔존 수소량 부족에 기인하는 것으로 판단된 경우, 연료전지를 셧다운한다(S250).
이와 달리, 과공급방지밸브(330)의 작동이 원인인 것으로 판단된 경우, 연료전지(100)의 지속적인 발전이 가능하므로 연료전지(100)를 셧다운하지 않고 다음 단계를 수행한다.
즉, 제어부에서 연료전지를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우, 제어부는 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 공기공급부를 제어함으로써 연료전지의 발전을 제어한다(S300).
앞서 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계(S110, S120)에서 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량(수소 공급량)이 연료전지(100)에서 소모되는 수소량(수소 소모량)보다 적은 것으로 판단된 바, 본 단계(S300)에서는 수소 소모량이 수소 공급량을 추종하도록 제어되는 것이다.
연료전지 차량은 기존의 내연기관 차량과 달리, 연료전지(100) 구동을 위해 필요한 최소 연료량이 존재하지 않으므로, 소량의 수소 공급량에 맞추어 수소를 소모함으로써 차량의 지속 운전을 가능하게 할 수 있다.
이에 따라, 연료전지(100)의 불필요한 셧다운을 방지하여 연료전지(100)의 내구성 및 수명을 향상할 뿐만 아니라, 차량의 주행 지속성이 향상되는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 각 단계가 갖는 핵심적 특징들을 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계(S110, S120)에서는 제어부(400)에서 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 비교하여 수소의 정상공급 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량보다 많은 경우 수소가 비정상공급되는 것으로 판단할 수 있다(S120).
연료전지(100)의 정상 운전 상황(연료전지 차량의 주행 중)에서, 본 발명에 따른 제어부(400)는 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 지속적으로 비교한다.
수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량 및 연료전지(100)에서 소모되는 수소량은 연료전지(100)의 애노드(110) 입구측과 출구측에 마련되는 수소압력센서(미도시) 또는 수소유량센서(미도시)에 의해 측정할 수 있다. 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량 및 연료전지(100)에서 소모되는 수소량을 측정하는 구체적인 방법 내지 작용원리는 본 기술분야에서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량보다 많은 경우 본 발명에 따른 제어부(400)는 수소가 비정상공급되는 것으로 판단한다.
이때, 본 발명에 따른 제어부(400)는 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량보다 많은 상황이 일정시간 이상 지속될 경우에 한해 수소가 비정상공급되는 것으로 판단하는 것으로 이해함이 바람직하다.
이는, 차량의 운전자가 순간적으로 고출력을 요구하는 경우, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량보다 일시적으로 많아질 수 있기 때문이다.
결과적으로, 이와 같이 연료전지(100)의 정상 운전 상태에서 수소의 소모량과 수소의 공급량을 비교함으로써, 수소의 비정상공급 상황을 인지하여 적절히 대응할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계(S210, S220, S230, S240, S250)에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 수소공급라인의 압력을 측정하고, 수소공급라인의 압력이 최소값보다 낮은 경우 연료전지를 셧다운할 수 있다(S210).
수소공급부(300)의 수소공급라인(320)은 기본적으로 최소 압력이 설정된다. 이는, 수소탱크(310)로부터 연료전지(100)의 애노드(110)로 공급된 수소가 수소탱크(310)로 역류하는 것을 방지하여 연료전지(100) 시스템의 내구성 및 안정성을 확보하기 위함이다.
따라서 수소공급라인(320)의 압력이 최소값보다 낮은 경우, 연료전지(100)를 지속적으로 발전할 수 없으므로 본 발명에 따른 제어부(400)는 연료전지(100)를 셧다운한다.
이와 달리, 수소공급라인(320)의 압력이 최소값보다 높은 경우, 연료전지(100)를 지속적으로 발전할 수 있으므로 본 발명에 따른 제어부(400)는 연료전지(100)를 셧다운하지 않고, 다음 단계의 제어를 수행한다.
참고로, 수소공급라인(320)의 압력은 앞서 언급한 수소압력센서(미도시) 또는 수소유량센서(미도시)에 의해 측정할 수 있다. 수소공급라인(320)의 압력을 측정하는 구체적인 방법 내지 작용원리는 본 기술분야에서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
계속하여, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계(S210, S220, S230, S240, S250)에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 수소탱크의 압력을 측정하고, 수소탱크의 압력이 최소값보다 낮은 경우 연료전지를 셧다운할 수 있다(S220).
이는, 수소탱크(310)의 잔존 수소량을 판단하기 위한 단계로 이해될 수 있다.
즉, 본 발명의 제어부(400)는 수소탱크(310)의 압력이 최소값보다 낮은 경우 수소탱크(310) 내부의 수소가 대부분 소진되어 더이상 연료전지(100)로 수소를 공급할 수 없는 상황으로 판단한다.
따라서 수소탱크(310)의 압력이 최소값보다 낮은 경우, 연료전지(100)를 지속적으로 발전할 수 없으므로 본 발명에 따른 제어부(400)는 연료전지(100)를 셧다운한다.
이와 달리, 수소탱크(310)의 압력이 최소값보다 높은 경우, 연료전지(100)를 지속적으로 발전할 수 있으므로 본 발명에 따른 제어부(400)는 연료전지(100)를 셧다운하지 않고, 다음 단계의 제어를 수행한다.
참고로, 수소탱크(310)의 압력은 수소탱크(310) 내부에 마련되는 수소압력센서(미도시) 또는 수소유량센서(미도시)에 의해 측정할 수 있다. 수소탱크(310)의 압력을 측정하는 구체적인 방법 내지 작용원리는 본 기술분야에서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계(S210, S220, S230, S240, S250)에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 미리 마련된 기준시간 동안 수소탱크의 압력 변화율을 측정하고, 수소탱크의 압력 변화율이 미리 마련된 제1 기준값보다 낮은 경우 연료전지를 셧다운할 수 있다(S240).
이때, 본 발명에 따른 제어부는 수소의 비정상공급시 미리 마련된 기준시간 동안 연료전지의 발전을 중단하고(S230), 연료전지의 발전이 중단된 상태에서 수소탱크의 압력 변화율을 측정할 수 있다(S230, S240).
수소탱크(310)는 예기치 못한 원인에 의해 수소가 누설되는 현상이 발생할 수 있다. 즉, 본 단계(S230, S240)는 수소탱크의 누설 여부를 확인하기 위한 단계로 이해될 수 있다.
수소탱크(310) 내부의 수소가 누설되는 경우, 수소탱크(310)의 압력이 지속적으로 감소된다. 이에, 본 발명의 제어부(400)는 미리 마련된 기준시간 동안 수소탱크(310)의 압력 변화율을 측정하여, 압력 변화율이 음의 기울기를 갖는 경우 수소가 누설되는 것으로 판단한다.
여기서 미리 마련된 기준시간은 설계조건에 따라 달리 설정될 수 있는 값으로써, 다수의 실험을 통해 데이터화되어 제어부(400)에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다. 미리 마련된 기준시간은 도 1에서 T1으로 표현하여 나타내고 있다.
그리고 미리 마련된 제1 기준값은, 압력 변화율이 음의 기울기를 갖는지 여부를 확인하기 위한 설정된 값으로 이해될 수 있으며, 보다 구체적으로는 정수 '0'의 값으로 표현할 수 있다.
즉, 미리 마련된 기준시간 동안 수소탱크(310)의 압력 변화율이 0보다 작은 경우, 수소탱크(310)의 압력이 지속적으로 감소함을 의미하며, 이에 따라 수소가 누설되는 것으로 판단할 수 있다.
따라서 미리 마련된 기준시간 동안 수소탱크(310)의 압력 변화율(△수소탱크(310) 압력/△T1)이 제1 기준값(0)보다 낮은 경우, 연료전지(100)를 지속적으로 발전할 수 없으므로 본 발명에 따른 제어부(400)는 연료전지(100)를 셧다운한다.
이와 달리, 미리 마련된 기준시간 동안 수소탱크(310)의 압력 변화율이 제1 기준값보다 높은 경우, 연료전지(100)를 지속적으로 발전할 수 있으므로 본 발명에 따른 제어부(400)는 연료전지(100)를 셧다운하지 않고, 다음 단계의 제어를 수행한다.
결과적으로, 이와 같은 일련의 과정을 통해 연료전지(100)의 불필요한 셧다운을 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 연료전지(100)의 내구성 및 수명이 향상되고, 차량의 주행 지속성을 향상할 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계(S300)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계(S300)에서는 제어부(400)에서 연료전지(100)를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 비교하고, 비교 결과에 따라 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부(200)를 제어함으로써 연료전지(100)의 발전을 제어할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제어부(400)는 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량보다 많은 경우 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 감소되도록 공기공급부(200)를 제어하고, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량보다 적은 경우 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 증가되도록 공기공급부(200)를 제어할 수 있다.
이때, 본 발명의 제어부(400)는 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량보다 적은 경우 미리 마련된 기준비율을 감소 보정하고, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 보정된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부(200)를 제어할 수 있다.
도 2를 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다. 우선, 본 단계(S300) 이전에 수행된 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계(S110, S120)에서 수소의 공급량이 소모량보다 적은 상태로 판단된 바, 초기에는 수소 소모량을 A% 감소시키도록 제어된다(S311). 여기서 A%는 미리 마련된 기준비율의 예시로서, 설계 조건에 따라 달리 설정될 수 있다.
본 발명의 제어부(400)는 수소 소모량을 A% 감소시킨 후, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S312).
비교 결과, 수소 공급량이 수소 소모량보다 적은 경우에는 수소 소모량을 동일한 기준비율(A%)만큼 감소시키고(S313), 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S314).
위와 같은 과정은 수소 소모량이 수소 공급량과 일치하거나 소정의 오차범위 이내에 도달할 때까지 반복 수행된다(S340).
한편, 수소 소모량이 과도하게 감소되어 수소 공급량보다 수소 소모량이 적어진 경우, 본 발명의 제어부(400)는 미리 마련된 기준비율(A%)을 감소 보정하고, 보정된 기준비율(B%)에 따라 수소 소모량이 가변되도록 공기공급부(200)를 제어한다(S321). 즉, 도 1에서 B는 A보다 작은 값으로 이해함이 바람직하다.
본 발명의 제어부(400)는 수소 소모량을 B% 감소시킨 후, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S322).
비교 결과, 수소 공급량이 수소 소모량보다 적은 경우에는 수소 소모량을 동일한 기준비율(B%)만큼 감소시키고(S323), 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S324).
반면, 수소 소모량이 과도하게 감소되어 수소 공급량보다 수소 소모량이 적어진 경우, 본 발명의 제어부(400)는 보정된 기준비율(B%)을 감소 보정하고, 보정된 기준비율(C%)에 따라 수소 소모량이 가변되도록 공기공급부(200)를 제어한다(S331). 즉, 도 1에서 C는 B보다 작은 값으로 이해함이 바람직하다.
본 발명의 제어부(400)는 수소 소모량을 C% 감소시킨 후, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S332).
비교 결과, 수소 공급량이 수소 소모량보다 적은 경우에는 수소 소모량을 동일한 기준비율(C%)만큼 감소시키고(S333), 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S334).
그리고 위와 같은 과정은 수소 소모량이 수소 공급량과 일치하거나 소정의 오차범위 이내에 도달할 때까지 반복 수행된다(S340).
정리하면, 도 1에서 'A, B, C'는 본 발명의 미리 마련된 기준비율 또는 보정된 기준비율을 의미하는 것으로서, 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과할 뿐, 제어과정이 진행됨에 따라 더 늘어날 수 있는 것으로 이해함이 바람직하다.
즉, 본 발명의 제어부(400)는 수소 공급량이 수소 소모량과 일치하거나 소정의 오차범위 이내에 도달할 때까지 상기 기준비율에 따라 수소 소모량이 가변되도록 공기공급부(200)를 제어함으로써 연료전지(100)의 발전을 제어한다.
그리고 수소 공급량이 수소 소모량과 일치하거나 소정의 오차범위 이내에 도달한 경우, 소정의 시간(T2) 동안 현재 기준비율이 유지되도록 제어할 수 있다.
참고로 여기서 '소정의 오차범위' 및 '소정의 시간(T2)'은 설계 조건에 따라 달리 설정될 수 있는 값으로서, 제어부(400)에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
결과적으로, 위와 같이 미리 마련된 기준비율을 보정하고, 보정된 기준비율에 따라 수소 소모량이 가변되도록 제어함으로써, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 보다 효율적으로 추종할 수 있는 효과가 있다.
한편, 위와 같이 제어하는 과정에서, 연료전지(100)의 애노드(110)측 압력과 캐소드(120)측 압력의 차이가 감소할 수 있다. 이 경우, 산소가 애노드(110)에서 캐소드(120)로 크로스오버(Cross-Over)되는 문제가 발생할 수 있다. 산소의 크로스오버 현상 발생시, 캐소드(120)의 촉매층이 비가역적으로 열화되어 연료전지(100)의 내구성이 저하된다. 따라서 연료전지(100)의 애노드(110)로 공급되는 공기공급량을 추가적으로 제어할 필요가 있으며, 이와 관련하여 도 4를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 4는 연료전지(100)의 애노드(110)측 압력과 캐소드(120)측 압력의 차이에 따라 연료전지(100)의 전압이 일시적으로 강하된 후 회복되는 현상을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계(S300)에서는 제어부(400)에서 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부(200)를 제어하되, 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한할 수 있다.
도 4에서 x축은 시간의 흐름을 나타내고, y축은 연료전지(100)의 출력(FC Power), 연료전지(100)의 애노드(110)측 압력(Anode Pressure), 연료전지(100)의 캐소드(120)측 압력(Cathode Pressure), 연료전지(100)의 평균 출력전압(Average FC Voltage) 및 연료전지(100)의 최저 출력전압(Minimum FC Voltage)을 의미한다.
즉, 도 4의 D는 시간의 흐름에 따른 연료전지(100)의 출력 변화를 나타낸 곡선이고, E는 시간의 흐름에 따른 연료전지(100)의 애노드(110)측 압력 변화를 나타낸 곡선이며, F는 시간의 흐름에 따른 연료전지(100)의 캐소드(120)측 압력 변화를 나타낸 곡선이고, G는 시간의 흐름에 따른 연료전지(100)의 평균 출력전압 변화를 나타낸 곡선이며, H는 시간의 흐름에 따른 연료전지(100)의 최저 출력전압 변화를 나타낸 곡선으로 이해될 수 있다.
이때, 도 4의 I 영역을 살펴보면, 연료전지(100)의 애노드(110)측 압력과 캐소드(120)측 압력의 차이가 일시적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 이와 동시에 도 4의 J 영역을 살펴보면, 연료전지(100)의 평균 출력전압과 최저 출력전압이 일시적으로 강하되는 것을 알 수 있다.
연료전지(100) 시스템은 산소의 크로스오버 현상을 방지하기 위해, 애노드(110)측 압력이 캐소드(120)측 압력보다 상시 높게 유지되며, 애노드(110)측 압력과 캐소드(120)측 압력의 차이가 감소하는 경우, 산소가 크로스오버되거나 위와 같이 연료전지(100)의 출력전압이 일시적으로 강하되어 연료전지(100)의 성능 저하가 발생한다.
따라서 애노드(110)측 압력과 캐소드(120)측 압력의 차이를 일정 수준 이상으로 유지할 필요가 있으며, 도 4의 K 구간을 살펴보면 애노드(110)측 압력과 캐소드(120)측 압력의 차이를 유지함으로써 연료전지(100)의 출력전압이 회복되는 것을 알 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 제어부(400)는 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부(200)를 제어하되, 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한함으로써, 애노드(110)측 압력과 캐소드(120)측 압력의 차이를 일정 수준 이상으로 유지하고자 한다.
이때, 본 발명의 제어부(400)는 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 미리 마련된 제2 기준값 이하인 경우 미리 마련된 제2 기준값을 감소 보정하고, 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 보정된 제2 기준값을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한할 수 있다.
도 2를 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다. 우선, 앞서 살펴본 바와 같이, 본 단계(S300) 이전에 수행된 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계(S110, S120)에서 수소의 공급량이 소모량보다 적은 상태로 판단된 바, 초기에는 수소 소모량을 A% 감소시키도록 제어된다(S311).
이와 동시에, 본 발명의 제어부(400)는 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 'αkpa'을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한한다(S311).
참고로, 수소공급라인(320)은 연료전지(100)의 애노드(110)측과 연결되므로 수소공급라인(320)의 압력을 통해 애노드(110)측 압력을 판단할 수 있으며, 공기공급부(200)는 연료전지(100)의 캐소드(120)측과 연결되므로 공기공급부(200)의 압력을 통해 캐소드(120)측 압력을 판단할 수 있다.
본 발명의 제어부(400)는 수소 소모량을 A% 감소시킴과 동시에 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 'αkpa'을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한한 후, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S312).
비교 결과, 수소 공급량이 수소 소모량보다 적은 경우에는 수소 소모량을 동일한 기준비율(A%)만큼 감소시킨다. 이때, 수소 소모량의 감소에 따라 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 감소되므로, 본 발명의 제어부(400)는 미리 마련된 제2 기준값(αkpa)을 감소 보정하고, 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 보정된 제2 기준값(βkpa)을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한한다(S313). 즉, 도 1에서 β는 α보다 작은 값으로 이해함이 바람직하다.
본 발명의 제어부(400)는 수소 소모량을 A% 감소시킴과 동시에 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 보정된 제2 기준값(βkpa)을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한한 후, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S314).
비교 결과, 수소 공급량이 수소 소모량보다 적은 경우에는 수소 소모량을 동일한 기준비율(A%)만큼 감소시킴과 동시에 보정된 제2 기준값(βkpa)을 감소 보정하고, 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 보정된 제2 기준값(γkpa)을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한한다(S315). 즉, 도 1에서 γ는 β보다 작은 값으로 이해함이 바람직하다.
위와 같은 과정은 수소 소모량이 수소 공급량과 일치하거나 소정의 오차범위 이내에 도달할 때까지 반복 수행된다(S340).
한편, 앞서 살펴본 바와 같이, 수소 소모량이 과도하게 감소되어 수소 공급량보다 수소 소모량이 적어진 경우, 본 발명의 제어부(400)는 보정된 기준비율(A%)을 감소 보정하고, 보정된 기준비율(B%)에 따라 수소 소모량이 가변되도록 공기공급부(200)를 제어한다(S321).
이 경우, 본 발명의 제어부(400)는 수소 소모량을 B% 감소시킴과 동시에 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 'αkpa'을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한한 후, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S322).
비교 결과, 수소 공급량이 수소 소모량보다 적은 경우에는 수소 소모량을 동일한 기준비율(B%)만큼 감소시킨다. 이와 동시에 본 발명의 제어부(400)는 미리 마련된 제2 기준값(αkpa)을 감소 보정하고, 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 보정된 제2 기준값(βkpa)을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한한다(S323).
본 발명의 제어부(400)는 수소 소모량을 B% 감소시킴과 동시에 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 보정된 제2 기준값(βkpa)을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한한 후, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량과 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 다시 비교한다(S324).
비교 결과, 수소 공급량이 수소 소모량보다 적은 경우에는 수소 소모량을 동일한 기준비율(B%)만큼 감소시킴과 동시에 보정된 제2 기준값(βkpa)을 감소 보정하고, 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 보정된 제2 기준값(γkpa)을 초과하도록 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한한다(S325).
위와 같은 과정은 수소 소모량이 수소 공급량과 일치하거나 소정의 오차범위 이내에 도달할 때까지 반복 수행되며(S340), 도 2에 도시된 바와 같이 수소 소모량의 감소 비율이 C%로 보정된 경우에도 동일한 방식으로 반복 수행된다(S331 내지 S335).
정리하면, 도 1에서 'α, β, γ'는 본 발명의 미리 마련된 제2 기준값 또는 보정된 제2 기준값을 의미하는 것으로서, 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과할 뿐, 제어과정이 진행됨에 따라 더 늘어날 수 있는 것으로 이해함이 바람직하다.
즉, 본 발명의 제어부(400)는 수소 공급량이 수소 소모량과 일치하거나 소정의 오차범위 이내에 도달할 때까지 상기 제2 기준값에 따라 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한함으로써, 수소공급라인(320)의 압력과 공기공급부(200)의 압력 차이가 제2 기준값을 초과하도록 제어한다.
그리고 수소 공급량이 수소 소모량과 일치하거나 소정의 오차범위 이내에 도달한 경우, 소정의 시간(T2) 동안 현재의 제2 기준값이 유지되도록 제어할 수 있다.
결과적으로, 위와 같이 미리 마련된 제2 기준값을 보정하고, 보정된 제2 기준값에 따라 공기공급부(200)를 통해 공급되는 공기량을 제한함으로써, 산소의 크로스오버 문제 및 연료전지(100)의 출력전압이 일시적으로 강하되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계(S300) 이후에는, 제어부에서 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계(SS410, S420, S430)를 더 포함하고, 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계(SS410, S420, S430)에서는 제어부에서 수소탱크가 충전된 것으로 판단된 경우(S410) 보정된 기준비율을 초기화할 수 있다(S420).
또한, 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계(SS410, S420, S430)에서는 제어부에서 수소탱크가 충전된 것으로 판단된 경우(S410) 보정된 기준값을 초기화할 수 있다(S420).
여기서 수소탱크(310)의 충전이란, 차량의 정비소 등에서 수소탱크(310) 내부의 수소를 충전하는 것을 의미한다. 수소탱크(310)의 충전이 수행되는 경우, 앞서 차량의 주행 지속을 위해 수행된 연료전지(100)의 발전 제어 과정에서 보정된 기준비율 또는 보정된 기준값을 초기화할 필요가 있다.
이에, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법의 연료전지의 발전을 제어하는 단계(S300) 이후에는, 제어부에서 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계(SS410, S420, S430)를 더 포함하여, 수소탱크가 충전된 것으로 판단된 경우(S410) 보정된 기준비율 또는 보정된 기준값을 초기화하고자 한다(S420).
보정된 기준비율 또는 보정된 기준값을 초기화한 후에는, 연료전지의 정상 운전을 수행할 수 있다(S430).
그리고 본 발명의 제어부(400)는 이와 같이 연료전지(100)가 정상적으로 운전되는 상태에서, 수소공급라인(320)을 통해 연료전지(100)로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단할 수 있다.
즉, 수소탱크(310)의 충전 후 연료전지 차량을 주행하는 경우에 있어서도, 수소의 정상공급 여부를 판단하여 상술한 일련의 제어과정이 반복적으로 수행될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어시스템을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어시스템은, 수소탱크(310)와 수소공급라인(320)으로 연결된 연료전지(100), 연료전지(100)에 공기를 공급하는 공기공급부(200) 및 수소공급라인(320)을 통해 연료전지(100)로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단하고, 수소의 비정상공급시 수소공급라인(320) 또는 수소탱크(310)의 압력에 기반하여 연료전지(100)의 셧다운 여부를 판단하며, 연료전지(100)를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 공기공급부(200)를 제어함으로써 연료전지(100)의 발전을 제어하는 제어부(400)를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어시스템의 각 구성요소 및 그 구체적인 작용원리는 앞서 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어방법에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.
따라서 상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지 차량의 연료전지(100) 제어시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지 차량의 주행 중 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 부족한 경우 연료전지(100)의 발전이 불가능한 경우에만 연료전지(100)를 셧다운하여, 연료전지(100)의 빈번한 셧다운 및 재시동이 감소됨에 따라 연료전지(100)의 내구성 및 수명이 향상되며, 연료전지 차량의 주행 중 연료전지(100)로 공급되는 수소량이 부족하더라도 연료전지(100)의 발전이 가능한 경우에는 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 연료전지(100)의 발전을 제어함으로써 차량의 주행 지속성을 향상할 수 있다.
또한, 연료전지(100)에서 소모되는 수소량이 수소공급라인(320)을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 연료전지(100)의 발전을 제어하되, 연료전지(100)로 공급되는 공기량을 제한하여 산소의 크로스오버 현상을 방지할 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
110 : 애노드
120 : 캐소드
200 : 공기공급부
210 : 공기압축기
220 : 공기가습기
230 : 공기공급밸브
300 : 수소공급부
310 : 수소탱크
320 : 수소공급라인
330 : 과공급방지밸브
400 : 제어부

Claims (15)

  1. 제어부에서 수소공급라인을 통해 연료전지로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계;
    제어부에서 수소의 비정상공급시 수소공급라인 또는 수소탱크의 압력에 기반하여 연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계; 및
    제어부에서 연료전지를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 공기공급부를 제어함으로써 연료전지의 발전을 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량과 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 비교하여 수소의 정상공급 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    수소의 정상공급 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량보다 많은 경우 수소가 비정상공급되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 수소공급라인의 압력을 측정하고, 수소공급라인의 압력이 최소값보다 낮은 경우 연료전지를 셧다운하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 수소탱크의 압력을 측정하고, 수소탱크의 압력이 최소값보다 낮은 경우 연료전지를 셧다운하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 미리 마련된 기준시간 동안 수소탱크의 압력 변화율을 측정하고, 수소탱크의 압력 변화율이 미리 마련된 제1 기준값보다 낮은 경우 연료전지를 셧다운하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    연료전지의 셧다운 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소의 비정상공급시 미리 마련된 기준시간 동안 연료전지의 발전을 중단하고, 연료전지의 발전이 중단된 상태에서 수소탱크의 압력 변화율을 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 연료전지를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지에서 소모되는 수소량과 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 비교하고, 비교 결과에 따라 연료전지에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부를 제어함으로써 연료전지의 발전을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량보다 많은 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 감소되도록 공기공급부를 제어하고, 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량보다 적은 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 증가되도록 공기공급부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량보다 적은 경우 미리 마련된 기준비율을 감소 보정하고, 연료전지에서 소모되는 수소량이 보정된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 연료전지에서 소모되는 수소량이 미리 마련된 기준비율만큼 가변되도록 공기공급부를 제어하되, 수소공급라인의 압력과 공기공급부의 압력 차이가 미리 마련된 제2 기준값을 초과하도록 공기공급부를 통해 공급되는 공기량을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    연료전지의 발전을 제어하는 단계에서는 제어부에서 수소공급라인의 압력과 공기공급부의 압력 차이가 미리 마련된 제2 기준값 이하인 경우 미리 마련된 제2 기준값을 감소 보정하고, 수소공급라인의 압력과 공기공급부의 압력 차이가 보정된 제2 기준값을 초과하도록 공기공급부를 통해 공급되는 공기량을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    연료전지의 발전을 제어하는 단계 이후에는,
    제어부에서 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소탱크가 충전된 것으로 판단된 경우 보정된 기준비율을 초기화하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    연료전지의 발전을 제어하는 단계 이후에는,
    제어부에서 수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    수소탱크의 충전 여부를 판단하는 단계에서는 제어부에서 수소탱크가 충전된 것으로 판단된 경우 보정된 기준값을 초기화하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
  15. 수소탱크와 수소공급라인으로 연결된 연료전지;
    연료전지에 공기를 공급하는 공기공급부; 및
    수소공급라인을 통해 연료전지로 공급되는 수소의 정상공급 여부를 판단하고, 수소의 비정상공급시 수소공급라인 또는 수소탱크의 압력에 기반하여 연료전지의 셧다운 여부를 판단하며, 연료전지를 셧다운하지 않는 것으로 판단된 경우 연료전지에서 소모되는 수소량이 수소공급라인을 통해 공급되는 수소량을 추종하도록 공기공급부를 제어함으로써 연료전지의 발전을 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지 차량의 연료전지 제어시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180069306A (ko) 2016-12-15 2018-06-25 현대자동차주식회사 연료전지 차량에 탑재되는 수소차단밸브의 제어 방법

Patent Citations (1)

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