KR20240015423A - 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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박준영
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Abstract

입구측과 출구측 사이의 유량을 조절하며, 입구측이 연료전지스택의 애노드와 연결된 워터트랩과 연결되고, 출구측이 외부 배기라인과 연결된 배출밸브, 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 응축수 생성량과 배출량의 차이를 통해 오차값을 도출하고, 배출밸브 차단상태에서 오차값을 통해 애노드의 응축수 생성량을 보정하며 보정된 응축수 생성량이 미리 마련된 제1 기준값을 초과하는 경우 배출밸브를 개방 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법 {SYSTEM AND METHOD FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 연료전지스택 애노드의 응축수 생성량 추정값을 보정하고, 보정된 응축수 생성량에 기반하여 배출밸브를 개방 제어하는 연료전지 시스템 및 그 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 연료전지스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치를 의미한다.
연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지스택, 연료전지스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지스택의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 연료전지스택의 애노드(Anode, 연료극)로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기압축기를 작동시켜 흡입한 외부공기를 연료전지스택의 캐소드(Cathode, 공기극)로 공급한다.
연료전지스택의 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.
연료전지의 성능은 수소와 산소의 반응효율이 높을수록 향상될 수 있다. 그런데 연료전지스택 내부에서 전해질 막을 통해 애노드로 넘어오는 이물질(질소, 물 등)이 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 이물질을 함께 배출 및 제거하고, 수소의 이용률을 높이는 것이다.
또한, 연료전지의 애노드 측에는 전기화학반응의 부산물인 물을 모아서 공기가습기로 배출하는 워터트랩이 마련될 수 있다. 이때, 워터트랩에는 공기가습기로 물을 배출하는 배수라인이 연결되며, 배수라인에는 워터트랩 내부의 물을 배출하는 드레인밸브가 구비된다.
그러나 퍼지밸브는 애노드 내의 수소 농도에 기반하여 제어되고, 워터트랩 내부의 물은 수위측정센서를 통해 측정한 워터트랩의 수위에 기반한 드레인밸브의 제어를 통해 배출된다. 이와 같이 제어되는 경우, 퍼지밸브와 드레인밸브 및 수위측정센서가 별도로 필요한 단점이 있다.
이에, 특허문헌 1(KR 10-2021-0074834 A)에 개시된 바와 같이, 종래 퍼지밸브와 드레인밸브를 통합한 통합밸브를 적용하면서 수위측정센서 없이도 통합밸브를 제어할 수 있는 기술이 제안된 바 있다.
그러나 이러한 종래기술은 애노드의 응축수(물) 생성량이 실제 생성량보다 적게 추정되는 경우 통합밸브가 개방되지 않아, 응축수가 워터트랩의 용량을 초과하여 연료전지스택 내부에 물이 과도하게 축적되는 플러딩(Flooding) 현상이 발생할 수 있다.
또한, 차량의 운전자가 급가속을 시동하는 경우, 차량의 요구출력 만족을 위해 애노드의 수소 농도를 빠르게 확보할 필요가 있다. 그러나 위와 같이 응축수가 워터트랩의 용량을 초과한 상태에서는 통합밸브를 개방하더라도 응축수가 배출되는 시간동안 기체의 배출이 불가능하여 애노드의 수소 농도를 빠르게 확보할 수 없는 문제가 있다.
따라서 애노드의 응축수 생성량을 보다 정확하게 추정할 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 10-2021-0074834 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지스택 애노드의 응축수 생성량 추정값을 보정하여 애노드의 응축수 생성량을 보다 정확히 추정하고, 보정된 응축수 생성량에 기반하여 배출밸브를 개방 제어함으로써 제어의 신뢰성을 향상할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 입구측과 출구측 사이의 유량을 조절하며, 입구측이 연료전지스택의 애노드와 연결된 워터트랩과 연결되고, 출구측이 외부 배기라인과 연결된 배출밸브, 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 응축수 생성량과 배출량의 차이를 통해 오차값을 도출하고, 배출밸브 차단상태에서 오차값을 통해 애노드의 응축수 생성량을 보정하며 보정된 응축수 생성량이 미리 마련된 제1 기준값을 초과하는 경우 배출밸브를 개방 제어하는 제어기를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 배출밸브 개방상태에서 배출밸브의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블을 도출하고, 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 응축수가 배출되는 동안의 제1 차압 누적량을 산출하고, 제1 차압 누적량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 기체 배출량을 계산하고, 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 제1 차압 누적량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 기체가 배출되는 동안의 제2 차압 누적량을 산출하고, 제2 차압 누적량과 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출시간을 계산하며, 응축수 배출시간 동안의 배출밸브 차압을 적분하여 제1 차압 누적량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 차압 테이블에서 배출밸브의 차단시점부터 역순으로 누적한 차압의 누적량이 제2 차압 누적량과 일치하는 시간을 응축수 배출시간으로 계산할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 배출밸브 차단상태에서 연료전지스택 애노드의 수소 농도를 추정하고, 애노드의 수소 농도가 미리 마련된 제2 기준값 미만인 경우 배출밸브를 개방할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 보정된 응축수 생성량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출 지연시간을 계산하고, 응축수 배출 지연시간 동안 연료전지스택 내부 기체의 확산량에 기반하여 애노드의 수소 농도를 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 제어기에서 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 응축수 생성량과 배출량의 차이를 통해 오차값을 도출하는 단계, 제어기에서 배출밸브 차단상태에서 오차값을 통해 애노드의 응축수 생성량을 보정하는 단계 및 제어기에서 보정된 응축수 생성량이 미리 마련된 제1 기준값을 초과하는 경우 배출밸브를 개방 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 배출밸브 개방상태에서 배출밸브의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블을 도출하고, 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계에서는 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 응축수가 배출되는 동안의 제1 차압 누적량을 산출하고, 제1 차압 누적량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 기체 배출량을 계산하고, 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 제1 차압 누적량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 기체가 배출되는 동안의 제2 차압 누적량을 산출하고, 제2 차압 누적량과 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출시간을 계산하며, 응축수 배출시간 동안의 배출밸브 차압을 적분하여 제1 차압 누적량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 차압 테이블에서 배출밸브의 차단시점부터 역순으로 누적한 차압의 누적량이 제2 차압 누적량과 일치하는 시간을 응축수 배출시간으로 계산할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 애노드의 응축수 생성량을 보정하는 단계 이후에는 제어기에서 보정된 응축수 생성량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출 지연시간을 계산하는 단계를 더 포함하고, 배출밸브를 개방 제어하는 단계에서는 제어기에서 배출밸브 차단상태에서 응축수 배출 지연시간 동안 연료전지스택 내부 기체의 확산량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 수소 농도를 추정하고, 애노드의 수소 농도가 미리 마련된 제2 기준값 미만인 경우 배출밸브를 개방할 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 별도의 장치를 부가하지 않고도 배출밸브의 개방시 애노드의 기체 배출량과 배출밸브의 차압에 기반하여 응축수 생성량 추정값을 보정할 수 있다.
둘째, 연료전지스택 애노드의 응축수 생성량 추정값을 보정함으로써 애노드의 응축수 생성량을 보다 정확히 추정할 수 있다.
셋째, 보정된 응축수 생성량에 기반하여 배출밸브를 개방 제어함으로써 제어의 신뢰성을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 순서도.
도 3은 배출밸브의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출하는 과정을 나타낸 도면.
도 4는 응축수 배출 지연시간이 반영된 애노드 수소 농도에 기반하여 배출밸브를 개방 제어하는 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, 300)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기(300)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 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 순서도이며, 도 3은 배출밸브(100)의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출량을 산출하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 4는 응축수 배출 지연시간이 반영된 애노드(410) 수소 농도에 기반하여 배출밸브(100)를 개방 제어하는 것을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 입구측과 출구측 사이의 유량을 조절하며, 입구측이 연료전지스택(400)의 애노드(410)와 연결된 워터트랩(110)과 연결되고, 출구측이 외부 배기라인과 연결된 배출밸브(100), 배출밸브(100) 개방상태에서 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 생성량과 배출량의 차이를 통해 오차값을 도출하고, 배출밸브(100) 차단상태에서 오차값을 통해 애노드(410)의 응축수 생성량을 보정하며 보정된 응축수 생성량이 미리 마련된 제1 기준값을 초과하는 경우 배출밸브(100)를 개방 제어하는 제어기(300)를 포함한다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 도 1을 참조하여 일반적인 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 우선 살펴보기로 한다.
도 1의 우측에는 연료전지스택(400)에 연료인 수소를 공급하는 연료공급 시스템을 도시하였고, 도 1의 좌측에는 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템을 도시하였으며, 도 1의 중앙부에는 연료전지스택(400)의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템을 도시하였다.
연료공급 시스템은 수소탱크(210) 내부의 압축수소를 감압하여 연료전지스택(400)의 애노드(410)로 공급하고, 공기공급 시스템은 공기압축기(500)를 작동시켜 흡입한 외부공기를 연료전지스택(400)의 캐소드(420)로 공급하며, 열 관리 시스템은 냉각장치(720)를 구동하여 냉각라인(700)을 따라 냉각수를 순환시킴으로써 연료전지스택(400)이 전기화학반응에 따라 과열되는 것을 방지한다.
구체적으로, 연료공급 시스템은 수소탱크(210)로부터 연료전지스택(400)의 애노드(410)로 수소가 공급되는 수소공급라인 및 미반응 수소를 외부로 배출하는 수소배출라인이 마련된다.
수소공급라인의 전단에는 압축수소가 저장된 수소탱크(210)가 마련되고, 수소공급라인의 후단은 애노드(410)와 연결된다. 수소탱크(210)와 애노드(410) 사이에는 공급밸브(200), 수소 노즐압 센서(230), 이젝터(220) 및 수소 저압 센서(240)가 순차적으로 마련된다.
공급밸브(200)는 수소탱크(210)로부터 애노드(410)로 공급되는 수소의 유량을 조절하며, 이젝터(220)는 고압의 수소를 노즐을 이용하여 분사함으로써 압축수소를 감압하는 역할을 한다. 수소 노즐압 센서(230)는 공급밸브(200)로부터 이젝터(220)로 유입되는 수소의 압력을 측정하고, 수소 저압 센서(240)는 이젝터(220)를 거쳐 애노드(410)로 유입되는 수소의 압력을 측정한다.
수소배출라인의 전단은 애노드(410)와 연결되고 후단은 외부 배기라인과 연결된다. 수소배출라인을 통해 배출되는 유체에는 미반응 수소와 전기화학반응의 부산물인 응축수(물)가 함께 존재한다. 따라서 수소배출라인에는 응축수를 모아서 외부로 배출하는 워터트랩(110)이 마련될 수 있으며, 응축수는 외부로 배출되기 전에 공기가습기(600)로 유입되어 캐소드(420)로 공급되는 공기의 가습에 활용될 수 있다.
그리고 워터트랩(110)과 공기가습기(600) 사이에는 배출밸브(100)가 마련될 수 있다. 여기서 배출밸브(100)는 종래 퍼지밸브와 드레인밸브 각각의 기능을 하나로 통합한 통합밸브를 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.
다음으로, 공기공급 시스템은 외부로부터 연료전지스택(400)의 캐소드로 공기가 공급되는 공기공급라인(510) 및 반응 후 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인(520)이 마련된다. 도 1에서는 생략하였으나, 공기공급 시스템에도 공기의 압력을 측정하는 복수의 센서가 구비될 수 있음은 본 발명의 기술분야에 있어서 자명하다.
공기공급라인(510)의 전단에는 외기를 흡입하는 공기압축기(500)가 마련되고, 공기공급라인(510)의 후단은 캐소드(420)와 연결된다. 연료전지에서 수분(물)은 수소 이온의 전달 매개체 역할을 한다. 따라서 공기압축기(500)를 통과한 공기는 캐소드(420)로 유입되기 전 공기가습기(600)에 의해 적절히 가습될 수 있다.
참고로, 공기가습기(600)는 공기공급라인(510)과 공기배출라인(520)에 동시에 마련될 수 있다. 공기가습기(600)는 일반적으로 내부에 수분이 투과될 수 있는 별도의 막이 형성된다. 이러한 막을 기준으로 하여 그 내부는 루멘 사이드(Lumen side), 외부는 쉘 사이드(Shell side)라고 한다.
공기공급라인(510) 상에서 공기가습기(600)로 유입되는 공기는 루멘 사이드를 통과하고, 공기배출라인(520) 상에서 공기가습기(600)로 재유입되는 공기는 쉘 사이드로 유입된다. 공기배출라인(520) 상에서 공기가습기(600)로 재유입되는 공기에는 전기화학반응에 따라 발생한 소량의 수분이 포함되어 있으므로, 이러한 수분이 쉘 사이드에서 루멘 사이드로 투과되면서 공기를 가습하게 된다.
계속하여, 열 관리 시스템은 냉각수가 순환되는 냉각라인(700), 냉각라인(700)에 마련되어 냉각수의 유동을 발생시키는 냉각장치(720) 및 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도 측정 센서가 구비될 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 연료전지스택(400)과 고전압 라인(미도시)으로 연결되어 연료전지로부터 전원을 공급받아 차량의 부하(미도시)에 전원을 공급하는 고전압 정션박스(미도시)가 마련될 수 있다. 고전압 라인(미도시)에는 연료전지스택(400)에서 생성된 전류의 세기를 측정하는 전류 센서(미도시)가 마련될 수 있다. 여기서 차량의 부하란, 차량의 모터, 히터, 에어컨 및 냉각팬 등 전원의 공급을 필요로 하는 기타 고전압 보기류를 포함하는 것으로 이해함이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 상술한 수소 노즐압 센서(230), 수소 저압 센서(240), 냉각수 온도 센서(710) 및 전류 센서(미도시)에서 측정된 측정값들에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 생성량을 추정하되, 응축수 생성량 추정값을 후술할 소정의 방법에 따라 보정하고, 보정된 응축수 생성량에 기반하여 배출밸브(100)를 개방 제어하고자 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(300)는 '배출밸브(100) 개방상태'에서 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 생성량과 배출량의 차이를 통해 오차값을 도출할 수 있다.
여기서 애노드(410)의 응축수 배출량을 산출하는 구체적인 원리에 대해서는 후술하기로 한다.
애노드(410)의 응축수 생성량은 수소와 공기의 압력, 냉각수의 온도, 연료전지스택(400)의 출력전류 등에 기반하여 미리 마련된 데이터맵을 통해 추정할 수 있다. 애노드(410)의 응축수 생성량을 추정하는 구체적인 방법 내지 작용원리는 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
계속하여 본 발명의 제어기(300)는 도출된 오차값을 통해 '배출밸브(100) 차단상태'에서 애노드(410)의 응축수 생성량을 보정하고, 보정된 응축수 생성량이 미리 마련된 제1 기준값을 초과하는 경우 배출밸브(100)를 개방 제어할 수 있다.
즉, 본 발명의 제어기(300)는 배출밸브(100) 개방상태와 차단상태에서 애노드(410)의 응축수 생성량을 각각 도출한다. '배출밸브(100) 개방상태에서 도출된 애노드(410)의 응축수 생성량'은 오차값을 도출하는 데에 활용되며, '배출밸브(100) 차단상태에서 도출된 애노드(410)의 응축수 생성량'은 최종적인 보정의 대상이 되는 것이다.
참고로, 여기서 미리 마련된 제1 기준값은, 워터트랩(110)의 수용 가능 용량을 초과하거나 연료전지스택(400) 내부에 물이 과도하게 축적되는 플러딩 현상이 발생할 위험이 있는 것으로 판단할 수 있는 최소 기준값으로 이해될 수 있다. 제1 기준값은 다수의 실험에 따라 데이터화되어 제어기(300)에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
결과적으로, 보정된 응축수 생성량에 기반하여 배출밸브(100)를 개방 제어함으로써 제어의 신뢰성을 향상할 수 있고, 연료전지스택(400)의 플러딩 현상 및 워터트랩(110)의 용량 초과 현상을 방지하여 연료전지의 성능이 개선되는 효과가 있다.
이하, 애노드(410)의 응축수 배출량을 산출하는 원리에 대해 도 3을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3은 배출밸브(100)의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출량을 산출하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(300)는 배출밸브(100) 개방상태에서 배출밸브(100)의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블을 도출하고, 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출량을 산출할 수 있다.
도 3에서 A 구간은 응축수만 배출되는 구간을 의미하고, B 구간은 기체(수소와 질소 등)와 응축수가 혼합 배출되는 구간을 의미하며, C 구간은 기체만 배출되는 구간을 의미한다.
그리고 도 3에서 D 영역은 '애노드(410)의 기체 배출량'을 의미하고, E 영역은 '제2 차압 누적량'을 의미하며, F 영역은 '제1 차압 누적량'을 의미하고, G 영역은 '애노드(410)의 응축수 배출량'을 의미한다. 여기서 제1 차압 누적량 및 제2 차압 누적량에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 도 3의 x축에서 '0 ~ T3' 영역은 배출밸브(100)의 개방 시점부터 차단 시점까지를 의미하는 것으로서, 본 발명에 있어서 '배출밸브(100) 개방상태'와 동일한 의미로 이해함이 바람직하다. 그리고 '0 ~ T1' 영역은 응축수의 배출 예상 시간을 의미하고, 'T2 구간'은 기체의 배출 예상 시간을 의미한다.
본 발명에 있어서 '차압 테이블(Differential Pressure Table)'은 x축을 밸브의 개방 시간(Valve Opening Time)으로 설정하고, y축을 배출밸브(100)의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압(이하, '배출밸브(100)의 차압'이라 한다.)으로 설정한 그래프로서 도출될 수 있다. 즉, 차압 테이블은 배출밸브(100)의 개방상태에서 시간에 따른 배출밸브(100)의 차압 변화를 그래프로서 도시한 것으로 이해될 수 있다.
그리고 본 발명의 제어기(300)는 이러한 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출량을 산출할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(300)는 차압 테이블에서 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수가 배출되는 동안의 제1 차압 누적량(F)을 산출하고, 제1 차압 누적량(F)에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출량(G)을 산출할 수 있다.
일정한 구간을 통과하는 기체의 유량(Q)은, 동일한 구간의 입구부와 출구부 압력의 차압(△P)에 비례한다. 즉, 'Q = △P × Cons.'와 같이 표현될 수 있으며, 여기서 'Cons.'는 중력가속도와 유체의 속도 및 비중량에 따라 달라질 수 있는 비례상수를 의미한다.
따라서 본 발명의 제어기(300)는, 제1 차압 누적량(F)에 '응축수가 배출되는 동안의 비례상수'를 곱하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출량(G)을 산출할 수 있다.
한편, 제1 차압 누적량(F)은 배출밸브(100) 개방상태에서 계산된 연료전지스택(400) 애노드(410)의 기체 배출량(D)과 차압 테이블에 기반하여 산출될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(300)는 기체 배출량(D)과 차압 테이블에 기반하여 차압 테이블에서 연료전지스택(400) 애노드(410)의 기체가 배출되는 동안의 제2 차압 누적량(E)을 산출하고, 제2 차압 누적량(E)과 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출시간을 계산하며, 응축수 배출시간 동안의 배출밸브(100) 차압을 적분하여 제1 차압 누적량(F)을 산출할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(300)는 차압 테이블에서 배출밸브(100)의 차단시점부터 역순으로 누적한 차압의 누적량이 제2 차압 누적량(E)과 일치하는 시간을 응축수 배출시간으로 계산할 수 있다.
배출밸브(100) 개방상태에서 계산된 연료전지스택(400) 애노드(410)의 기체 배출량(D)은, 애노드(410)로 공급되는 수소의 유량, 애노드(410)에서 소모되는 수소의 유량 및 애노드(410) 내부 기체의 유량 변화에 기반하여 도출된다.
구체적으로, 애노드(410)로 공급되는 수소의 유량은 수소 노즐압 센서(230)에서 측정한 수소의 압력 측정값과 수소 저압 센서(240)에서 측정한 수소의 압력 측정값의 차이에 기반하여 도출되고, 애노드(410)에서 소모되는 수소의 유량은 이상기체 상태 방정식(Ideal Gas Equation)에 기반하여 도출되며, 애노드(410) 내부 기체의 유량 변화는 보일-샤를의 법칙(Boyle-Charle's law)에 기반하여 도출될 수 있다.
상술한 애노드(410)의 기체 배출량(D), 애노드(410)로 공급되는 수소의 유량, 애노드(410)에서 소모되는 수소의 유량 및 애노드(410) 내부 기체의 유량 변화를 도출하는 구체적인 방법 내지 작용원리는 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
계속하여, 본 발명의 제어기(300)는 기체 배출량(D)과 차압 테이블에 기반하여 차압 테이블에서 연료전지스택(400) 애노드(410)의 기체가 배출되는 동안의 제2 차압 누적량(E)을 산출한다.
앞서 살펴본 바와 같이, 일정한 구간을 통과하는 기체의 유량(Q)은 동일한 구간의 입구부와 출구부 압력의 차압(△P)에 비례하므로, 기체 배출량(D)를 '기체가 배출되는 동안의 비례상수'로 나누면 제2 차압 누적량(E)을 산출할 수 있다.
그리고 본 발명의 제어기(300)는 제2 차압 누적량(E)과 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출시간을 계산한다.
구체적으로, 애노드(410)의 응축수 배출시간은 차압 테이블에서 배출밸브(100)의 차단시점부터 역순으로 누적한 차압의 누적량이 제2 차압 누적량(E)과 일치하는 시간으로 계산될 수 있다.
도 3에서는 차압 테이블에서 배출밸브(100)의 차단 시점인 'T3'부터 역순으로 누적한 차압의 누적량이 제2 차압 누적량(E)와 일치하는 시간을 'T1'으로 도시하고 있다.
본 발명의 제어기(300)는 이와 같이 도출된 응축수 배출시간 동안의 배출밸브(100) 차압을 적분하여 제1 차압 누적량(F)를 산출하며, 산출된 제1 차압 누적량(F)에 '응축수가 배출되는 동안의 비례상수'를 곱하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출량(G)을 최종적으로 산출하게 되는 것이다.
결과적으로, 기존의 연료전지 시스템에서 쉽게 도출할 수 있는 애노드(410)의 기체 배출량(D)과 배출밸브(100)의 차압(차압 테이블을 활용하므로)에 기반하여 응축수 배출량을 산출할 수 있다.
그리고 산출된 응축수 배출량과 배출밸브(100) 개방상태에서 애노드(410)의 응축수 생성량의 차이를 통해 오차값을 도출하고, 도출된 오차값을 통해 배출밸브(100) 차단상태에서 애노드(410)의 응축수 생성량을 보정함으로써, 기존의 연료전지 시스템에 별도의 구성들을 추가적으로 부가하지 않고도 응축수 생성량을 보다 정확히 추정할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(300)는 배출밸브(100) 차단상태에서 연료전지스택(400) 애노드(410)의 수소 농도를 추정하고, 애노드(410)의 수소 농도가 미리 마련된 제2 기준값 미만인 경우 배출밸브(100)를 개방할 수 있다.
배경기술에서 살펴본 바와 같이, 차량의 외부로 배출되는 배기가스에는 소량의 미반응 수소가 포함되므로, 과도한 수소 가스의 배출을 방지하기 위해 연료전지 차량의 수소 배기 농도는 현재 전 세계적으로 공통된 법규에 따라 제한되고 있다.
현재 전 세계적으로 적용 중인 GTR 법규에 따른 연료전지 시스템에서 배기되는 수소 가스의 허용 농도는 최대 8% 이하이고, 3초 간 측정 평균이 4%를 초과하지 않아야 한다.
즉, 본 발명에 있어서 '미리 마련된 제2 기준값'은 상기 GTR 법규의 수소 배기 농도 기준을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
구체적으로, 애노드(410)의 수소 농도가 상기 GTR 법규의 수소 배기 농도 기준 미만인 경우 배출밸브(100)를 개방하고, 애노드(410)의 수소 농도가 상기 GTR 법규의 수소 배기 농도 기준 이상인 경우에는 배출밸브(100)의 차단상태를 유지한다.
참고로 애노드(410)의 수소 농도는, 애노드(410) 내부의 수소 몰수를 애노드(410) 내부의 전체 기체 몰수로 나누어 도출될 수 있다. 애노드(410) 내부에는 수소 기체 외에도 캐소드(420)로부터 확산된 질소 및 전기화학반응의 부산물(물)이 기화된 수증기가 함께 존재한다. 따라서 애노드(410) 내부의 전체 기체 몰수에서 질소와 수증기의 몰수를 제외하면 애노드(410) 내부의 수소 몰수를 도출할 수 있다.
애노드(410) 내부의 전체 기체 몰수는 이상기체 상태 방정식에 기반하여 도출되고, 질소와 수증기의 몰수는 각 기체가 퍼지를 통해 배출되는 단위시간당 유량 및 픽의 확산법칙(Fick's law)에 기반하여 도출될 수 있다.
상술한 애노드(410) 내부의 전체 기체, 질소 및 수증기의 몰수를 도출하는 구체적인 방법 내지 작용원리는 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 3은 배출밸브(100)의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출량을 산출하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 4는 응축수 배출 지연시간이 반영된 애노드(410) 수소 농도에 기반하여 배출밸브(100)를 개방 제어하는 것을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(300)는 보정된 응축수 생성량에 기반하여 연료전지스택(400) 애노드(410)의 응축수 배출 지연시간을 계산하고, 응축수 배출 지연시간 동안 연료전지스택(400) 내부 기체의 확산량에 기반하여 애노드(410)의 수소 농도를 추정할 수 있다.
도 4에서 H는 종래기술에 따라 도출된 애노드(410)의 수소 농도 추정값을 나타낸 곡선이고, I는 본 발명에 따라 응축수 배출 지연시간이 반영된 애노드(410) 수소 농도 추정값을 나타낸 곡선이다.
그리고 도 4에서 J는 응축수 배출 지연시간이 반영된 애노드(410) 수소 농도 추정값에 따라 종래기술에 비해 수소 농도의 추정값이 저하된 정도를 나타내며, K는 응축수 배출 지연시간이 반영된 응축수의 배출 예상 시간을 의미하는 것으로 이해될 수 있고, L은 응축수의 배출이 완료되는 지점을 나타낸 것이다.
참고로, 응축수 배출 지연시간이 반영된 응축수의 배출 예상 시간(K)은 앞서 도출된 응축수 배출시간(T1)보다 크게 도출될 수도 있고, 작게 도출될 수도 있다.
즉, 도 4는 응축수의 추정량보다 실제 응축수의 생성량이 적은 경우(응축수 배출 지연시간이 음의 값을 갖는 상황)를 기준으로 도시하고 있는 것으로서, 응축수 배출 지연시간이 반영된 응축수의 배출 예상 시간(K)이 앞서 도출된 응축수 배출시간(T1)보다 작게 도출된 상황에 해당한다.
이 경우, 종래기술에 비해 배출밸브(100)의 개방 시작 시간을 앞당길 수 있으므로 애노드(410) 내부의 수소 농도가 부족한 상황을 방지할 수 있게 된다.
도 4와 달리, 응축수의 추정량보다 실제 응축수의 생성량이 많은 경우에는, 응축수 배출 지연시간이 양의 값을 갖는 상황에 해당하므로, 응축수 배출 지연시간이 반영된 응축수의 배출 예상 시간(K)이 앞서 도출된 응축수 배출시간(T1)보다 크게 도출된 상황에 해당한다.
이 경우, 종래기술에 비해 배출밸브(100)의 개방 종료 시간을 늘림으로써, 워터트랩(110)의 수용 가능 용량이 초과되는 것을 방지하고, 연료전지스택(400) 내부에 물이 과도하게 축적되는 플러딩 현상을 최소화할 수 있게 된다.
계속하여, 본 발명의 제어기(300)는 응축수 배출 지연시간 동안 연료전지스택(400) 내부 기체의 확산량에 기반하여 애노드(410)의 수소 농도를 추정할 수 있다.
여기서 기체의 확산량이란, 픽의 확산법칙(Fick's law)에 기반하여 계산된 수소와 질소의 크로스 오버(Cross-Over)에 따른 몰수를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제어기(300)는 응축수 배출 지연시간 동안 캐소드(420)의 질소가 애노드(410)로 확산되는 몰수 및 애노드(410)의 수소가 캐소드(420)로 확산되는 몰수를 각각 계산한다. 계산된 각 몰수에 따라 수소와 질소의 변화량이 도출되므로, 각 기체의 변화량에 기반하여 애노드(410)의 수소 농도를 추정할 수 있게 되는 것이다.
애노드(410)의 수소 농도 추정에 관한 보다 구체적인 방법 내지 작용원리는 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 제어기에서 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 응축수 생성량과 배출량의 차이를 통해 오차값을 도출하는 단계(S100), 제어기에서 배출밸브 차단상태에서 오차값을 통해 애노드의 응축수 생성량을 보정하는 단계(S210, S220) 및 제어기에서 보정된 응축수 생성량이 미리 마련된 제1 기준값을 초과하는 경우 배출밸브를 개방 제어하는 단계(S500, S510)를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계(S100)에서는 제어기에서 배출밸브 개방상태에서 배출밸브의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블(S120)을 도출하고, 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출할 수 있다(S180).
참고로, 본 발명에 있어서 '배출밸브(100) 개방상태'는 배출밸브(100)의 개방 시점부터 차단 시점까지를 의미하므로, 차압 테이블은 배출밸브(100)의 차단 전까지 지속적으로 도출되는 것으로 이해함이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은 배출밸브(100)의 개방 후, 배출밸브의 차단 조건을 만족하는 경우(S130) 배출밸브를 차단할 수 있다(S140). 여기서 '배출밸브의 차단 조건'은, 보정된 응축수 생성량이 제1 기준값 이하이거나 애노드(410)의 수소 농도가 제2 기준값 이상인 경우를 포함하여, 더 이상 배출밸브(100)를 개방할 필요가 없어진 모든 상태를 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계(S100)에서는 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 응축수가 배출되는 동안의 제1 차압 누적량을 산출하고(S170), 제1 차압 누적량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출할 수 있다(S180).
계속하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계(S100)에서는 제어기에서 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 기체 배출량을 계산하고(S110), 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 제1 차압 누적량을 산출할 수 있다(S170).
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계(S100)에서는 제어기에서 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 기체가 배출되는 동안의 제2 차압 누적량을 산출하고(S150), 제2 차압 누적량과 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출시간을 계산하며(S160), 응축수 배출시간 동안의 배출밸브 차압을 적분하여 제1 차압 누적량을 산출할 수 있다(S170).
그리고 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 오차값을 도출하는 단계(S100)에서는 제어기에서 차압 테이블에서 배출밸브의 차단시점부터 역순으로 누적한 차압의 누적량이 제2 차압 누적량과 일치하는 시간을 응축수 배출시간으로 계산할 수 있다(S160).
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 애노드의 응축수 생성량을 보정하는 단계(S210, S200) 이후에는 제어기에서 보정된 응축수 생성량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출 지연시간을 계산하는 단계(S300)를 더 포함하고, 배출밸브를 개방 제어하는 단계(S500, S510)에서는 제어기에서 배출밸브 차단상태에서 응축수 배출 지연시간 동안 연료전지스택 내부 기체의 확산량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 수소 농도를 추정하고(S400), 애노드의 수소 농도가 미리 마련된 제2 기준값 미만인 경우 배출밸브를 개방할 수 있다(S410).
상술한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 각 단계에 있어서, 제어기(300)에 의한 구체적인 제어방법 내지 작용원리는 앞서 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.
따라서 상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 별도의 장치를 부가하지 않고도 배출밸브(100)의 개방시 애노드(410)의 기체 배출량과 배출밸브(100)의 차압에 기반하여 응축수 생성량을 보정함으로써, 애노드(410)의 응축수 생성량을 보다 정확히 추정할 수 있으며, 보정된 응축수 생성량에 기반하여 배출밸브(100)를 개방 제어함으로써 제어의 신뢰성이 향상되는 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 : 배출밸브
110 : 워터트랩
200 : 공급밸브
210 : 수소탱크
220 : 이젝터
230 : 수소 노즐압 센서
240 : 수소 저압 센서
300 : 제어기
400 : 연료전지스택
410 : 애노드
420 : 캐소드
500 : 공기압축기
510 : 공기공급라인
520 : 공기배출라인
600 : 공기가습기
700 : 냉각라인
710 : 냉각수 온도 센서
720 : 냉각장치

Claims (15)

  1. 입구측과 출구측 사이의 유량을 조절하며, 입구측이 연료전지스택의 애노드와 연결된 워터트랩과 연결되고, 출구측이 외부 배기라인과 연결된 배출밸브;
    배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 응축수 생성량과 배출량의 차이를 통해 오차값을 도출하고, 배출밸브 차단상태에서 오차값을 통해 애노드의 응축수 생성량을 보정하며 보정된 응축수 생성량이 미리 마련된 제1 기준값을 초과하는 경우 배출밸브를 개방 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 배출밸브 개방상태에서 배출밸브의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블을 도출하고, 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제어기는 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 응축수가 배출되는 동안의 제1 차압 누적량을 산출하고, 제1 차압 누적량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제어기는 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 기체 배출량을 계산하고, 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 제1 차압 누적량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제어기는 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 기체가 배출되는 동안의 제2 차압 누적량을 산출하고, 제2 차압 누적량과 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출시간을 계산하며, 응축수 배출시간 동안의 배출밸브 차압을 적분하여 제1 차압 누적량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제어기는 차압 테이블에서 배출밸브의 차단시점부터 역순으로 누적한 차압의 누적량이 제2 차압 누적량과 일치하는 시간을 응축수 배출시간으로 계산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 배출밸브 차단상태에서 연료전지스택 애노드의 수소 농도를 추정하고, 애노드의 수소 농도가 미리 마련된 제2 기준값 미만인 경우 배출밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제어기는 보정된 응축수 생성량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출 지연시간을 계산하고, 응축수 배출 지연시간 동안 연료전지스택 내부 기체의 확산량에 기반하여 애노드의 수소 농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1의 연료전지 시스템의 제어방법으로서,
    제어기에서 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 응축수 생성량과 배출량의 차이를 통해 오차값을 도출하는 단계;
    제어기에서 배출밸브 차단상태에서 오차값을 통해 애노드의 응축수 생성량을 보정하는 단계; 및
    제어기에서 보정된 응축수 생성량이 미리 마련된 제1 기준값을 초과하는 경우 배출밸브를 개방 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    오차값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 배출밸브 개방상태에서 배출밸브의 입구측 압력과 출구측 압력의 차압 테이블을 도출하고, 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    오차값을 도출하는 단계에서는 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 응축수가 배출되는 동안의 제1 차압 누적량을 산출하고, 제1 차압 누적량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    오차값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 배출밸브 개방상태에서 연료전지스택 애노드의 기체 배출량을 계산하고, 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 제1 차압 누적량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    오차값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 기체 배출량과 차압 테이블에 기반하여 차압 테이블에서 연료전지스택 애노드의 기체가 배출되는 동안의 제2 차압 누적량을 산출하고, 제2 차압 누적량과 차압 테이블에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출시간을 계산하며, 응축수 배출시간 동안의 배출밸브 차압을 적분하여 제1 차압 누적량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    오차값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 차압 테이블에서 배출밸브의 차단시점부터 역순으로 누적한 차압의 누적량이 제2 차압 누적량과 일치하는 시간을 응축수 배출시간으로 계산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    애노드의 응축수 생성량을 보정하는 단계 이후에는 제어기에서 보정된 응축수 생성량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 응축수 배출 지연시간을 계산하는 단계;를 더 포함하고,
    배출밸브를 개방 제어하는 단계에서는 제어기에서 배출밸브 차단상태에서 응축수 배출 지연시간 동안 연료전지스택 내부 기체의 확산량에 기반하여 연료전지스택 애노드의 수소 농도를 추정하고, 애노드의 수소 농도가 미리 마련된 제2 기준값 미만인 경우 배출밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
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