KR20240016691A - Fuel cell system and flushing control method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수소탱크 및 연료전지 스택을 연결하는 수소공급라인 상의 수소 공급을 조절하는 수소공급밸브, 상기 연료전지 스택의 수소극의 수소를 배출하는 퍼지밸브, 및 상기 연료전지 스택의 시동 전에 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하여, 상기 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면 상기 수소공급밸브 및 상기 퍼지밸브를 제어하여 상기 연료전지 스택의 수소극의 플러싱을 수행하는 제어기를 포함한다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a hydrogen supply valve that regulates the supply of hydrogen on a hydrogen supply line connecting a hydrogen tank and a fuel cell stack, a purge valve that discharges hydrogen from the hydrogen electrode of the fuel cell stack, and detecting the separation history of the hydrogen supply pipe before starting the fuel cell stack, and controlling the hydrogen supply valve and the purge valve to perform flushing of the hydrogen electrode of the fuel cell stack when the separation history of the hydrogen supply pipe is detected. Includes a controller that
Description
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 플러싱 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and its flushing control method.
연료전지 시스템은 연료전지 스택을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 수소가 연료전지 스택의 연료로 사용되는 경우 지구환경문제를 해결하는 대안이 될 수 있으므로 연료전지 시스템에 대한 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다. A fuel cell system can generate electrical energy using a fuel cell stack. For example, if hydrogen is used as a fuel for a fuel cell stack, it can be an alternative to solving global environmental problems, so continuous research and development is being conducted on fuel cell systems.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 관리 시스템(thermal management system, TMS) 및 연료전지시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지시스템 제어기를 포함할 수 있다.The fuel cell system consists of a fuel cell stack that generates electrical energy, a fuel supply device that supplies fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, an air supply device that supplies oxygen from the air, an oxidizing agent necessary for electrochemical reactions, to the fuel cell stack, and fuel. A thermal management system (TMS) that removes the reaction heat of the cell stack to the outside of the system, controls the operating temperature of the fuel cell stack, and performs a water management function, and a fuel cell system controller that controls the overall operation of the fuel cell system. It can be included.
연료전지 시스템에서는 연료전지 스택에서 연료인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출하게 된다. In a fuel cell system, electricity is generated by reacting hydrogen as a fuel with oxygen in the air in the fuel cell stack, and heat and water are discharged as reaction by-products.
이러한 연료전지 시스템은 수소 공급 방식에 따라 관통 방식, 데드 엔드 방식 및 재순환 방식 등으로 나눌 수 있다. 여기서, 발전용 연료전지는 일산화탄소 등 개질 과정에서 발생한 이물질의 침투가 이루어질 수 있으므로 주로 관통 방식을 취하며, 이동식 연료전지는 순수 수소를 충전해서 사용하므로 주로 데드 엔드 방식 또는 재순환 방식을 취한다. 이동식 연료전지를 구비한 장비들 중 소형의 무인기는 구성이 간단하여 무게가 가벼운 데드 엔드 방식을 사용하고, 자동차나 건설기계는 높은 출력과 갖은 출력 변동 시에도 플러싱을 예방할 수 있는 재순환 방식을 주로 사용한다.These fuel cell systems can be divided into through-type, dead-end, and recirculating types depending on the hydrogen supply method. Here, fuel cells for power generation mainly use the penetrating method because foreign substances generated during the reforming process, such as carbon monoxide, can infiltrate, and mobile fuel cells mainly use the dead end method or recirculation method because they are used by charging pure hydrogen. Among equipment equipped with mobile fuel cells, small unmanned aerial vehicles use the dead end method, which has a simple configuration and is light in weight, while automobiles and construction equipment mainly use the recirculation method, which can prevent flushing even during high output and various output fluctuations. do.
특히, 데드 엔드 방식과 재순환 방식은 수소극에 출구가 없으므로, 수소극에 이물질이 침투하면 플러싱(퍼지) 전까지는 이물질의 자연적인 배출이 불가능하다. 이는 수소 농도 저하의 원인이 되어서 연료전지의 성능과 수명을 저하시키므로, 이물질의 유입을 방지하는 것이 중요하다. 이에, 수소 공급 시 이물질이 침투하는 것을 예방하기 위해, 일반적으로 고정형 수소탱크를 설치하여 수소탱크에서 연료전지까지 배관을 분리하지 않도록 설계되고 있다.In particular, the dead end method and the recirculation method do not have an outlet at the hydrogen electrode, so if foreign substances penetrate the hydrogen electrode, natural discharge of the foreign substances is not possible until flushing (purge). This causes a decrease in hydrogen concentration, which reduces the performance and lifespan of the fuel cell, so it is important to prevent the inflow of foreign substances. Accordingly, in order to prevent foreign substances from infiltrating when supplying hydrogen, a fixed hydrogen tank is generally designed so that the piping from the hydrogen tank to the fuel cell is not separated.
한편, 무인기는 이동 중 수소 충전소까지 접근이 어려운 경우가 있어서, 교환형 수소탱크가 설치되고 있다. 이에, 무인기의 수소탱크 교환 시 수소공급배관을 통한 이물질의 유입이 불가피한 실정이다. 물론, 퍼지 제어를 통해 이물질을 배출하기도 하기만, 연료전지 스택의 운전 중 잦은 퍼지는 과도한 수소 배출로 인해 연료 효율이 떨어지게 된다.Meanwhile, because it is sometimes difficult for unmanned aerial vehicles to access hydrogen charging stations while moving, exchangeable hydrogen tanks are being installed. Accordingly, when replacing the hydrogen tank of an unmanned aerial vehicle, the inflow of foreign substances through the hydrogen supply pipe is inevitable. Of course, foreign substances are discharged through purge control, but frequent purging during operation of the fuel cell stack reduces fuel efficiency due to excessive hydrogen emissions.
본 발명의 일 실시예에 따른 목적은, 연료전지 시동 전에 수소공급배관에 이물질 투입이 가능한 분리 이력을 탐지하고, 탐지 결과에 따라 수소극의 플러싱(Flushing)을 연속으로 수행하여 이물질이 배출되도록 함으로써 연료전지 스택의 성능 저하를 방지하는 연료전지 시스템 및 그의 플러싱 제어 방법을 제공함에 있다.The purpose of an embodiment of the present invention is to detect separation history that allows foreign substances to be introduced into the hydrogen supply pipe before starting the fuel cell, and to discharge the foreign substances by continuously flushing the hydrogen electrode according to the detection results. To provide a fuel cell system and its flushing control method that prevent performance degradation of the fuel cell stack.
본 발명의 일 실시예에 따른 다른 목적은, 수소공급배관을 복수 개의 구역으로 분류하여 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하고, 분리 이력이 탐지된 구역을 기반으로 플러싱 부피 및 수소극의 수소 농도를 계산하여 플러싱을 수행함으로써 과도한 수소 배출을 방지하는 연료전지 시스템 및 그의 플러싱 제어 방법을 제공함에 있다.Another object according to an embodiment of the present invention is to classify the hydrogen supply pipe into a plurality of zones, detect the separation history of the hydrogen supply pipe for each zone, and determine the flushing volume and hydrogen electrode based on the zone in which the separation history was detected. The present invention provides a fuel cell system that prevents excessive hydrogen emissions by calculating hydrogen concentration and performing flushing, and a method for controlling its flushing.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수소탱크 및 연료전지 스택을 연결하는 수소공급라인 상의 수소 공급을 조절하는 수소공급밸브, 상기 연료전지 스택의 수소극의 수소를 배출하는 퍼지밸브, 및 상기 연료전지 스택의 시동 전에 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하여, 상기 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면 상기 수소공급밸브 및 상기 퍼지밸브를 제어하여 상기 연료전지 스택의 수소극의 플러싱을 수행하는 제어기를 포함한다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a hydrogen supply valve that regulates the supply of hydrogen on a hydrogen supply line connecting a hydrogen tank and a fuel cell stack, a purge valve that discharges hydrogen from the hydrogen electrode of the fuel cell stack, and detecting the separation history of the hydrogen supply pipe before starting the fuel cell stack, and controlling the hydrogen supply valve and the purge valve to perform flushing of the hydrogen electrode of the fuel cell stack when the separation history of the hydrogen supply pipe is detected. Includes a controller that
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 수소탱크 및 상기 연료전지 스택을 연결하는 수소공급라인을 복수 개의 구역으로 분할하고, 상기 분할된 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the controller divides the hydrogen supply line connecting the hydrogen tank and the fuel cell stack into a plurality of zones, and detects the separation history of the hydrogen supply pipe for each divided zone. .
일 실시예에서, 상기 수소공급라인은, 상기 수소탱크와 수소탱크밸브 사이에서 수소탱크 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제1 구역, 상기 수소탱크밸브와 수소탱크공급밸브 사이에서 수소탱크의 카트리지 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제2 구역, 상기 수소탱크공급밸브와 수소차단밸브 사이에서 압력센서 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제3 구역, 상기 수소차단밸브와 수소공급밸브 사이에서 배관 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제4 구역, 및 상기 수소공급밸브와 상기 연료전지 스택 사이에서 상기 연료전지 스택의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제5 구역으로 분류된 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the hydrogen supply line is a first zone that detects the separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of the hydrogen tank between the hydrogen tank and the hydrogen tank valve, and the hydrogen supply line between the hydrogen tank valve and the hydrogen tank supply valve. A second zone detecting the separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of the tank cartridge, a third zone detecting the separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of the pressure sensor between the hydrogen tank supply valve and the hydrogen shutoff valve, and the hydrogen A fourth zone detecting a history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the pipe between the blocking valve and the hydrogen supply valve, and separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the fuel cell stack between the hydrogen supply valve and the fuel cell stack. It is characterized by being classified into the 5th zone that detects history.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 현재 수소탱크의 압력에서 직전 운전 시의 수소탱크 압력을 차감한 값이 기 설정된 제1 기준압력을 초과하는 경우, 상기 제1 구역 또는 상기 제2 구역에서 상기 수소탱크의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the controller, when the value obtained by subtracting the pressure of the hydrogen tank during the previous operation from the current pressure of the hydrogen tank exceeds the preset first reference pressure, removes the hydrogen tank from the first zone or the second zone. It is characterized by detecting the history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the tank.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 제1 구역 또는 상기 제2 구역에서 상기 수소탱크의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 제2 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, when the controller detects a history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the hydrogen tank in the first zone or the second zone, flushing corresponding to the volume of the hydrogen supply pipe in the second zone It is characterized by setting the volume.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 제3 구역의 수소공급라인 상에 배치된 수소공급압력센서에 의해 측정된 압력이 기 설정된 제2 기준압력 미만이면, 상기 제3 구역에서 상기 수소공급압력센서의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the controller detects the hydrogen supply pressure sensor in the third zone when the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor disposed on the hydrogen supply line in the third zone is less than the preset second reference pressure. It is characterized by detecting the history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 제3 구역에서 상기 수소공급압력센서의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 제3 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, when a separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of the hydrogen supply pressure sensor is detected in the third zone, the controller sets the flushing volume in response to the volume of the hydrogen supply pipe in the third zone. It is characterized by:
일 실시예에서, 상기 제어기는, 제3 구역(Z3)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우, 상기 수소차단밸브를 개방하고, 상기 수소차단밸브를 개방하기 전에 수소공급압력센서에 의해 측정된 압력에서 상기 수소차단밸브를 개방한 후에 상기 수소공급압력센서에 의해 측정된 압력을 차감한 값이 기 설정된 제3 기준압력을 초과하면, 상기 제4 구역에서 배관 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the controller opens the hydrogen shutoff valve when the separation history of the hydrogen supply pipe is not detected in the third zone (Z3), and uses a hydrogen supply pressure sensor before opening the hydrogen shutoff valve. If the value obtained by subtracting the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor after opening the hydrogen shutoff valve from the measured pressure exceeds the preset third reference pressure, the hydrogen supply pipe due to pipe replacement in the fourth zone It is characterized by detecting separation history.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 제4 구역에서 배관 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 제4 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the controller is characterized in that, when a history of separation of the hydrogen supply pipe due to pipe replacement in the fourth zone is detected, the flushing volume is set in response to the volume of the hydrogen supply pipe in the fourth zone. .
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 제1 구역 내지 상기 제4 구역에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우, 공기공급라인 및 수소공급라인 상에 배치된 밸브를 개방하여 상기 연료전지 스택으로 공기 및 수소를 공급하고, 스택 기준 전압에서 스택 측정 전압을 차감한 값이 기 설정된 기준전압을 초과하면, 상기 제5 구역에서 상기 연료전지 스택의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, when the separation history of the hydrogen supply pipe is not detected in the first to fourth zones, the controller opens the valve disposed on the air supply line and the hydrogen supply line to form the fuel cell stack. supplies air and hydrogen, and when the value obtained by subtracting the stack measurement voltage from the stack reference voltage exceeds the preset reference voltage, the separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of the fuel cell stack is detected in the fifth zone. It is characterized by
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 제5 구역에서 상기 연료전지 스택의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 제5 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, when a separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of the fuel cell stack is detected in the fifth zone, the controller sets the flushing volume corresponding to the volume of the hydrogen supply pipe in the fifth zone. It is characterized by
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 분할된 각 구역 중 하나 이상에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 연료전지 스택의 수소극의 압력이 기 설정된 운전 상한 압력이 될 때까지 상기 수소공급밸브를 개방하여 상기 수소극으로 수소를 공급하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, when the controller detects a history of separation of the hydrogen supply pipe in one or more of the divided zones, the controller supplies the hydrogen until the pressure of the hydrogen electrode of the fuel cell stack reaches a preset upper operating limit pressure. The valve is opened to supply hydrogen to the hydrogen electrode.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 수소극의 압력이 상기 운전 상한 압력 이상이 되면, 상기 수소공급밸브를 차단하고, 상기 퍼지밸브를 개방하여 수소 퍼지를 수행하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the controller, when the pressure of the hydrogen electrode exceeds the upper operating limit pressure, blocks the hydrogen supply valve and opens the purge valve to perform hydrogen purge.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 플러싱 부피에 기초하여 상기 수소극의 수소 농도를 계산하고, 상기 계산된 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과할 때까지 상기 수소공급밸브 및 상기 퍼지밸브를 반복적으로 제어하여 상기 연료전지 스택의 수소극의 플러싱을 연속으로 수행하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the controller calculates the hydrogen concentration of the hydrogen electrode based on the flushing volume, and operates the hydrogen supply valve and the purge valve until the calculated hydrogen concentration of the hydrogen electrode exceeds the reference concentration. It is characterized in that flushing of the hydrogen electrode of the fuel cell stack is performed continuously by repetitive control.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 계산된 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과하면, 상기 수소극의 플러싱을 종료하고, 상기 연료전지 스택을 시동 시키는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the controller terminates flushing of the hydrogen electrode and starts the fuel cell stack when the calculated hydrogen concentration of the hydrogen electrode exceeds the reference concentration.
일 실시예에서, 상기 수소탱크는, 교환형 수소탱크인 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the hydrogen tank is characterized as an exchangeable hydrogen tank.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택은, 공기극의 배출 유로가 차단된 상태로 구동하는 데드 엔드 방식인 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the fuel cell stack is characterized by a dead end type in which the fuel cell stack is operated with the discharge passage of the air electrode blocked.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 플러싱 제어 방법은, 연료전지 스택의 시동 전에 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 단계, 및 상기 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 수소탱크 및 상기 연료전지 스택을 연결하는 수소공급라인 상의 수소 공급을 조절하는 수소공급밸브와, 상기 연료전지 스택의 수소극의 수소를 배출하는 퍼지밸브를 제어하여 상기 연료전지 스택의 수소극의 플러싱을 수행하는 단계를 포함한다.In addition, the flushing control method of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes detecting the separation history of the hydrogen supply pipe before starting the fuel cell stack, and when the separation history of the hydrogen supply pipe is detected, the hydrogen tank And performing flushing of the hydrogen electrode of the fuel cell stack by controlling a hydrogen supply valve that regulates the supply of hydrogen on the hydrogen supply line connecting the fuel cell stack and a purge valve that discharges hydrogen from the hydrogen electrode of the fuel cell stack. It includes steps to:
일 실시예에서, 상기 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 단계는, 상기 수소탱크 및 상기 연료전지 스택을 연결하는 수소공급라인을 복수 개의 구역으로 분할하고, 상기 분할된 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 단계, 및 상기 분할된 각 구역 중 하나 이상에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 해당 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the step of detecting the separation history of the hydrogen supply pipe includes dividing the hydrogen supply line connecting the hydrogen tank and the fuel cell stack into a plurality of zones, and dividing the hydrogen supply line into a plurality of zones for each divided zone. Detecting the separation history, and when the separation history of the hydrogen supply pipe is detected in one or more of the divided zones, setting the flushing volume corresponding to the volume of the hydrogen supply pipe in the corresponding zone. do.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택의 수소극의 플러싱을 수행하는 단계는, 상기 분할된 각 구역 중 하나 이상에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 연료전지 스택의 수소극의 압력이 기 설정된 운전 상한 압력이 될 때까지 상기 수소공급밸브를 개방하여 상기 수소극으로 수소를 공급하는 단계, 상기 수소극의 압력이 상기 운전 상한 압력 이상이 되면, 상기 수소공급밸브를 차단하고, 상기 퍼지밸브를 개방하여 수소 퍼지를 수행하는 단계, 상기 플러싱 부피에 기초하여 상기 수소극의 수소 농도를 계산하는 단계, 상기 계산된 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과할 때까지 상기 수소공급밸브 및 상기 퍼지밸브를 반복적으로 제어하여 상기 연료전지 스택의 수소극의 플러싱을 연속으로 수행하는 단계, 및 상기 계산된 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과하면, 상기 수소극의 플러싱을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the step of performing flushing of the hydrogen electrode of the fuel cell stack includes, when a separation history of the hydrogen supply pipe is detected in one or more of the divided zones, the pressure of the hydrogen electrode of the fuel cell stack is increased. Supplying hydrogen to the hydrogen electrode by opening the hydrogen supply valve until the set operating upper limit pressure is reached; when the pressure of the hydrogen electrode exceeds the operating upper limit pressure, blocking the hydrogen supply valve, and shutting off the purge valve performing a hydrogen purge by opening, calculating the hydrogen concentration of the hydrogen electrode based on the flushing volume, and purging the hydrogen supply valve and the purge until the calculated hydrogen concentration of the hydrogen electrode exceeds the standard concentration. Continuously performing flushing of the hydrogen electrode of the fuel cell stack by repeatedly controlling a valve, and terminating flushing of the hydrogen electrode when the calculated hydrogen concentration of the hydrogen electrode exceeds a reference concentration. It is characterized by
일 실시예에서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 플러싱 제어 방법은, 상기 수소극의 플러싱이 종료되면, 상기 연료전지 스택을 시동 시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the flushing control method of the fuel cell system according to the present invention further includes the step of starting the fuel cell stack when flushing of the hydrogen electrode is completed.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시동 전에 수소공급배관에 이물질 투입이 가능한 분리 이력을 탐지하고, 탐지 결과에 따라 수소극의 연속 플러싱을 통해 이물질이 배출되도록 함으로써 연료전지 스택의 성능 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention, the separation history that allows foreign substances to be introduced into the hydrogen supply pipe is detected before starting the fuel cell, and the foreign substances are discharged through continuous flushing of the hydrogen electrode according to the detection results, thereby reducing the performance of the fuel cell stack. There is a preventable effect.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소공급배관을 복수 개의 구역으로 분류하여 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하고, 분리 이력이 탐지된 구역을 기반으로 수소극의 수소 농도를 계산하여 플러싱을 수행함으로써 과도한 수소 배출을 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the hydrogen supply pipe is classified into a plurality of zones, the separation history of the hydrogen supply pipe is detected for each zone, and the hydrogen concentration of the hydrogen electrode is calculated based on the zone in which the separation history was detected. This has the effect of preventing excessive hydrogen discharge by performing flushing.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급배관에 발생 가능한 이물질 투입 이벤트를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급배관의 탐지 구역을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급배관의 구역별 탐지 이력에 따른 플러싱 부피를 정의한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 수소 농도 변화를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 플러싱 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급배관의 분리 이력 탐지 동작의 흐름을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram illustrating a foreign matter input event that may occur in a hydrogen supply pipe according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram showing the detection zone of a hydrogen supply pipe according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing a control block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram defining the flushing volume according to the detection history for each section of the hydrogen supply pipe according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are diagrams showing changes in hydrogen concentration in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating the operation flow of a flushing control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing the flow of a separation history detection operation of a hydrogen supply pipe according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through illustrative drawings. When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, when describing embodiments of the present invention, if detailed descriptions of related known configurations or functions are judged to impede understanding of the embodiments of the present invention, the detailed descriptions will be omitted.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term. Additionally, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense unless explicitly defined in the present application. No.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(100)을 포함하며, 연료전지 스택(100)의 수소극과 연결되어 연료전지 스택(100)으로 공급되는 수소가 이동되는 수소공급라인, 연료전지 스택(100)의 공기극과 연결되어 연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기가 이동되는 공기공급라인, 반응 부산물인 수분(물)이나 미 반응 기체 등을 외부로 배출하기 위한 배출라인 및 퍼지라인을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system includes a
연료전지 스택(100)(또는, '연료전지'로 참조될 수 있다.)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. The fuel cell stack 100 (or may be referred to as a ‘fuel cell’) is a structure capable of producing electricity through a redox reaction between fuel (e.g., hydrogen) and an oxidizing agent (e.g., air). It can be formed as
일 예로, 연료전지 스택(100)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(gas diffusion layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함할 수 있다. As an example, the
연료전지 스택(100)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 수소극 인 애노드로 공급되고, 공기는 공기극 인 캐소드로 공급될 수 있다. In the
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달될 수 있다. The hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons (electrons) by the catalyst in the electrode layer formed on both sides of the electrolyte membrane, and only hydrogen ions are selectively passed through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane, and transferred to the cathode. At the same time, electrons can be transferred to the cathode through the conductive gas diffusion layer and separator plate.
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킬 수 있다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성될 수 있다.At the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device, causing a reaction to generate water. Due to the movement of hydrogen ions that occurs at this time, a flow of electrons occurs through the external conductor, and current can be generated through this flow of electrons.
일 예로, 연료전지 스택(100)은 캐소드의 배출 유로가 차단된 상태로 구동하는 데드 엔드 방식일 수 있다.As an example, the
수소공급라인은 수소탱크(110)와 연료전지 스택의 수소극을 연결하는 라인으로, 수소공급라인에는 수소탱크(110), 수소탱크밸브(Hydrogen Valve, HV)(112), 수소충전용체크밸브(Hydrogen Check Valve, HCV)(114), 수소탱크공급밸브(Hydrogen Supply Valve, HSV)(116), 수소공급압력조절밸브(Pressure Regulating Valve, PRV)(118), 수소공급압력센서(Medium Pressure sensor, MP)(119), 수소차단밸브(Fuel Cut-off Valve, FCV)(120), 수소공급밸브(Fuel Supply Valve, FSV)(122), 수소이젝터(Fuel Ejector, FEJ)(124) 등이 배치될 수 있다.The hydrogen supply line is a line connecting the
수소탱크(110)는 연료전지 스택(100)의 수소극으로 공급되는 수소를 저장하는 수소 저장소로서, 복수 개가 구비될 수 있다. 여기서, 수소탱크(110)는 교환형 수소탱크로서, 개별 수소탱크(110)를 충전이 완료된 수소탱크로 교환하거나, 복수의 수소탱크(110)와 연결되는 카트리지를 교환하는 것이 가능하다. The
각 수소탱크(110)의 출구에는 수소탱크밸브(HV)(112)가 배치될 수 있다. 여기서, 수소탱크밸브(HV)(112)는 각 수소탱크(110)로부터 공급되는 수소 공급량을 조절하거나, 충전구를 통해 유입된 수소의 충전량을 조절할 수 있다.A hydrogen tank valve (HV) 112 may be placed at the outlet of each
한편, 각 수소탱크(110)는 충전구를 통해 유입된 충전용 수소가 충전할 수도 있다. 이때, 충전구에는 수소충전용체크밸브(HCV)(114)가 배치되어, 충전구를 통해 공급되는 충전용 수소를 조절하는 역할을 한다.Meanwhile, each
수소탱크공급밸브(HSV)(116)는 복수 개의 수소탱크(110)에서 수소극으로 공급되는 수소 공급량을 조절하는 역할을 한다. The hydrogen tank supply valve (HSV) 116 serves to control the amount of hydrogen supplied from the plurality of
수소공급압력조절밸브(PRV)(118)는 연료전지 스택(100)의 수소극으로 공급되는 수소의 압력을 조절하는 역할을 한다. 연료전지 스택(100)의 내부로 유입되는 수소 압력이 높으면 내부 파열 및 손상이 발생할 수 있기 때문에 공급되는 수소의 압력의 관리는 매우 중요하다. 이에, 수소공급압력센서(MP)(119)가 수소공급라인을 통해 연료전지 스택(100)으로 공급되는 수소의 압력을 측정하면, 수소공급압력조절밸브(PRV)(118)는 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 수소 압력에 기초하여 수소공급라인을 통해 공급되는 수소의 압력을 조절한다.The hydrogen supply pressure control valve (PRV) 118 serves to control the pressure of hydrogen supplied to the hydrogen electrode of the
수소차단밸브(FCV)(120)는 수소공급라인에서 수소탱크(110)와 수소공급밸브(FSV)(122) 사이에 배치되며, 수소탱크(110)로부터 배출된 수소가 연료전지 스택(100)으로 공급되는 것을 차단하는 역할을 한다. 수소차단밸브(FCV)(120)는 연료전지 시스템의 시동 온(On) 상태에서 개방되고, 시동 오프(Off) 상태에서 폐쇄되도록 제어될 수 있다.The hydrogen blocking valve (FCV) 120 is disposed between the
수소공급밸브(FSV)(122)는 수소공급라인에서 수소차단밸브(FCV)(120)와 수소이젝터(FEJ)(124) 사이에 배치되며, 연료전지 스택(100)으로 공급되는 수소압력을 조절하는 역할을 한다. 일 예로, 수소공급밸브(FSV)(122)는 수소공급라인의 압력이 감소되면 개방되어 수소가 공급되도록 하고, 수소공급라인의 압력이 증가되면 폐쇄되도록 제어될 수도 있다.The hydrogen supply valve (FSV) 122 is disposed between the hydrogen cutoff valve (FCV) 120 and the hydrogen ejector (FEJ) 124 in the hydrogen supply line, and controls the hydrogen pressure supplied to the
수소이젝터(FEJ)(124)는 수소공급라인에서 수소공급밸브(FSV)(122)와 연료전지 스택(100) 사이에 배치되며, 수소공급밸브(FSV)(122)를 통과한 수소에 압력을 가하여 연료전지 스택(100)으로 공급하는 역할을 한다. The hydrogen ejector (FEJ) 124 is placed between the hydrogen supply valve (FSV) 122 and the
수소공급라인은 연료전지 스택(100)의 출구와 수소이젝터(FEJ)(124)를 연결함으로써 수소의 순환루트를 형성할 수 있다. 따라서, 수소이젝터(FEJ)(124)에 의해 배출된 수소는 연료전지 스택(100) 내에서 공기와 반영하여 전기 에너지를 발생시키고, 미 반응된 수소는 연료전지 스택(100)의 출구로 배출되어 수소이젝터(FEJ)(124)로 재유입될 수 있다. 이 경우, 미 반응된 수소를 수소이젝터(FEJ)(124)로 재유입하여 다시 연료전지 스택(100)으로 공급되도록 함으로써 수소의 반응 효율을 증대시키도록 한다.The hydrogen supply line can form a hydrogen circulation route by connecting the outlet of the
연료전지 스택(100)의 수소극에서 미 반응된 수소가 재순환하는 과정에서 수소공급라인에 존재하는 수분은 응축될 수 있다. 이때, 응축된 물(응축수)은 연료전지 스택(100)의 수소극에서 미 반응된 수소가 수소이젝터(FEJ)(124)로 이동되는 수소공급라인 상의 일 지점과 가습기(Air Humidifier, AHF)(130)를 연결하는 제1 배출라인을 통해 배출될 수 있다.In the process of recirculating unreacted hydrogen at the hydrogen electrode of the
제1 배출라인 상에는 워터트랩(Fuel Water Trap, FWT)(136) 및 드래인밸브(Fuel Drain Valve, FDV)(138)가 배치될 수 있다.A water trap (Fuel Water Trap, FWT) 136 and a drain valve (Fuel Drain Valve, FDV) 138 may be disposed on the first discharge line.
워터트랩(FWT)(136)은 수소공급라인의 일 지점에서 제1 배출라인으로 유입된 응축수를 저장하는 역할을 한다. The water trap (FWT) 136 serves to store condensate flowing into the first discharge line at one point of the hydrogen supply line.
드래인밸브(FDV)(138)는 워터트랩(FWT)(136)에 저장된 응축수를 제1 배출라인을 따라 가습기(AHF)(130)로 배출하는 역할을 한다. 여기서 드래인밸브(FDV)(138)는 워터트랩(FWT)(136)에 저장된 응축수가 일정 수위를 초과하기 전까지 닫힘 상태가 되고, 워터트랩(FWT)(136)에 저장된 응축수가 일정 수위를 초과하면 개방되어 제1 배출라인을 따라 응축수가 배출되도록 제어될 수 있다.The drain valve (FDV) 138 serves to discharge condensate stored in the water trap (FWT) 136 to the humidifier (AHF) 130 along the first discharge line. Here, the drain valve (FDV) 138 is closed until the condensate stored in the water trap (FWT) 136 exceeds a certain level, and the condensate stored in the water trap (FWT) 136 exceeds a certain level. This can be controlled to open and discharge condensate along the first discharge line.
공기공급라인에는 공기압축기(Air Compressor, ACP)(132), 가습기(AHF)(130) 및 공기차단밸브(Air Cut-off Valve, ACV)(128) 등이 배치될 수 있다.An air compressor (ACP) 132, a humidifier (AHF) 130, and an air cut-off valve (ACV) 128 may be installed in the air supply line.
공기압축기(ACP)(132)는 공기공급라인에서 외부 공기(ambient air)를 흡입하는 공기흡입구와 가습기(AHF)(130) 사이에 배치되며, 외부공기를 흡입하여 압축하고, 압축된 공기를 공급하는 역할을 한다.The air compressor (ACP) 132 is disposed between the air intake port that sucks in external air (ambient air) from the air supply line and the humidifier (AHF) 130, sucks in external air, compresses it, and supplies compressed air. It plays a role.
가습기(AHF)(130)는 공기공급라인에서 공기압축기(ACP)(132)와 공기차단밸브(ACV)(128) 사이에 배치되며, 공기압축기(ACP)(132)에 의해 흡입 및 압축된 공기의 습도를 조절하여 연료전지 스택(100)의 공기극으로 공급하는 역할을 한다. 가습기(AHF)(130)는 입구로 공기압축기(ACP)(132)에 의해 압축된 공기가 유입되면, 유입된 공기에 수분을 공급하여 습도를 조절할 수 있다. 일 예로, 가습기(AHF)(130)는 제1 배출라인을 통해 유입된 응축수 또는 연료전지 스택(100)의 공기극과 가습기(AHF)(130)를 연결하는 제2 배출라인을 통해 배출된 공기에 포함된 수분을 이용하여 공기압축기(ACP)(132)로부터 공급된 공기를 가습할 수 있다. The humidifier (AHF) 130 is disposed between the air compressor (ACP) 132 and the air shutoff valve (ACV) 128 in the air supply line, and uses the air sucked and compressed by the air compressor (ACP) 132. It serves to control the humidity and supply it to the air electrode of the
가습기(AHF)(130)는 제1 배출라인과 연결될 수 있다. 이에, 가습기(AHF)(130)는 제1 배출라인을 통해 유입된 응축수를 이용하여 공기압축기(ACP)(132)로부터 공급된 공기에 수분을 공급할 수 있다.The humidifier (AHF) 130 may be connected to the first discharge line. Accordingly, the humidifier (AHF) 130 can supply moisture to the air supplied from the air compressor (ACP) 132 using condensed water introduced through the first discharge line.
또한, 가습기(AHF)(130)는 제2 배출라인을 통해 연료전지 스택(100)의 공기 배출구와 연결되며, 연료전지 스택(100)의 공기극에서 배출된 공기는 제2 배출라인을 통해 가습기(AHF)(130)로 유입될 수 있다. 여기서, 연료전지 스택(100)의 공기극에서 배출된 공기는 수분을 포함하고 있기 때문에, 가습기(AHF)(130)는 연료전지 스택(100)의 공기극에서 배출된 공기와 공기압축기(ACP)(132)로부터 공급되는 공기의 수분 교환으로 가습이 이루어지도록 한다. 이와 같이, 가습기(AHF)(130)에 의해 수분이 공급된 공기는 연료전지 스택(100)의 공기극으로 유입되어 수소와 반응한 다음 물을 생성시키게 된다.In addition, the humidifier (AHF) 130 is connected to the air outlet of the
한편, 가습기(AHF)(130)는 제3 배출라인을 통해 외부 배출구와 연결되며, 제2 배출라인을 통해 유입된 공기를 제3 배출라인을 통해 외부로 배출한다. 이때, 제3 배출라인에는 공기극압력조절기(Air Pressure Controller, APC)(134)가 배치될 수 있다.Meanwhile, the humidifier (AHF) 130 is connected to an external outlet through a third discharge line, and discharges air introduced through the second discharge line to the outside through the third discharge line. At this time, an air pressure controller (APC) 134 may be placed in the third discharge line.
공기차단밸브(ACV)(128)는 연료전지 스택(100) 및 가습기(AHF)(130)를 연결하는 공기공급라인 상에 배치되며, 가습기(AHF)(130)로부터 배출된 수소가 연료전지 스택(100)의 공기극으로 공급되는 것을 차단하거나, 연료전지 스택(100)의 공기극으로 공급되는 공기의 압력을 조절할 수 있다. 일 예로, 공기차단밸브(ACV)(128)는 연료전지 시스템의 시동 온(On) 상태에서 개방되고, 시동 오프(Off) 상태에서 폐쇄되도록 제어될 수 있다.The air cut-off valve (ACV) 128 is disposed on the air supply line connecting the
또한, 공기차단밸브(ACV)(128)는 연료전지 스택(100)과 가습기(AHF)(130)를 연결하는 제2 배출라인과도 연결될 수 있다. 공기차단밸브(AC)(128)는 연료전지 스택(100)의 공기극에서 배출된 공기가 제2 배출라인을 통해 가습기(AHF)(130)로 공급되는 것을 차단하거나, 연료전지 스택(100)의 공기극에서 가습기(AHF)(130)로 배출되는 공기의 압력을 조절할 수 있다.Additionally, the air shutoff valve (ACV) 128 may be connected to a second discharge line connecting the
도 1에서는 공기차단밸브(ACV)(128)가 공기공급라인과 제2 배출라인에 통합 배치된 것을 도시하였으나, 공기공급라인 상에 배치된 제1 공기차단밸브(미도시)와 제2 배출라인 상에 배치된 제2 공기차단밸브(미도시)가 각각 분리된 형태로 구현될 수도 있다.In Figure 1, the air shutoff valve (ACV) 128 is shown to be integrated in the air supply line and the second discharge line, but the first air shutoff valve (not shown) and the second discharge line are disposed on the air supply line. The second air blocking valves (not shown) disposed on the top may be implemented in separate forms.
한편, 수소이젝터(FEJ)(124)에서 연료전지 스택(100)의 수소극으로 공급되는 수소가 이동하는 수소공급라인 상의 일 지점에는 퍼지라인이 연결되며, 퍼지라인 상에는 퍼지밸브(Fuel-line Purge Valve, FPV)(126)가 배치될 수 있다.Meanwhile, a purge line is connected to a point on the hydrogen supply line where hydrogen supplied from the hydrogen ejector (FEJ) 124 to the hydrogen electrode of the
퍼지밸브(FPV)(126)는 연료전지 스택(100) 및 수소공급라인 등의 수소 농도를 관리하기 위해 개폐되는 밸브로서, 연료전지 스택(100) 및 수소공급라인의 수소 농도가 소정 범위를 유지할 수 있도록 하는 역할을 한다.The purge valve (FPV) 126 is a valve that opens and closes to manage the hydrogen concentration of the
연료전지 스택(100)은 수소와 공기를 발전시켜 전기 에너지를 발생시키며, 이러한 연료전지 스택(100)이 정상 상태로 운전되는 동안 퍼지밸브(FPV)(126)는 닫힘 상태가 된다.The
여기서, 연료전지 스택(100)을 공급되는 공기는 산소 외에 질소 등을 포함하는데, 수소극과 공기극의 질소 분압 차이에 의해 크로스 오버가 생겨 셀 전압이 감소하게 된다. 이에, 퍼지밸브(FPV)(126)는 잔류 수소를 배출하여 수소극 내의 수소 농도를 높임으로써 질소 농도를 낮추어 스택 성능이 유지되도록 한다. 퍼지밸브(FPV)(126)는 연료전지 스택(100)에서 소정 기간 동안 생성된 전류를 적분하여 계산된 전하량이 목표 전하량을 초과하는 경우 개방되어 수소를 퍼지함으로써 수소극 내의 수소 농도가 소정량 이상 유지되도록 제어될 수 있다.Here, the air supplied to the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급배관에 발생 가능한 이물질 투입 이벤트를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급배관의 탐지 구역을 도시한 도면이다.Figure 2 is a diagram showing a foreign matter input event that may occur in a hydrogen supply pipe according to an embodiment of the present invention, and Figure 3 is a diagram showing a detection zone of a hydrogen supply pipe according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 교환형 수소탱크(110)가 적용되기 때문에, 수소탱크(110)를 교환하는 과정에서 수소공급배관 내부로 이물질이 유입될 수 있는 가능성이 발생한다. 따라서, 연료전지 시스템은 수소탱크 분리 이벤트(E1)가 발생하거나 혹은 수소탱크(110)의 카트리지 분리 이벤트(E2)가 발생하는 지를 탐지할 수 있다. Referring to FIG. 2, since the fuel cell system according to an embodiment of the present invention uses an
또한, 연료전지 시스템은 압력 센서, 수소공급배관 또는 연료전지 스택을 교환하는 과정에서 수소공급배관 내부로 이물질이 유입될 수 있는 가능성이 발생할 수도 있다. 따라서, 연료전지 시스템은 압력 센서 분리 이벤트(E3), 수소공급배관 분리 이벤트(E4) 또는 연료전지 스택 분리 이벤트(E5)가 발생하는 지를 탐지할 수 있다.Additionally, in the fuel cell system, there may be a possibility that foreign substances may flow into the hydrogen supply pipe during the process of replacing the pressure sensor, hydrogen supply pipe, or fuel cell stack. Accordingly, the fuel cell system can detect whether a pressure sensor separation event (E3), a hydrogen supply pipe separation event (E4), or a fuel cell stack separation event (E5) occurs.
여기서, 연료전지 시스템은 각각의 분리 이벤트(E1~E5)를 용이하게 탐지하기 위하여, 수소공급라인을 복수 개의 탐지 구역으로 분류하고, 각 구역별로 분리 이벤트가 발생하는지를 탐지할 수 있다.Here, in order to easily detect each separation event (E1 to E5), the fuel cell system can classify the hydrogen supply line into a plurality of detection zones and detect whether a separation event occurs in each zone.
도 3에 도시된 바와 같이, 수소탱크 분리 이벤트(E1)는 수소탱크(110)와 수소탱크밸브(HV)(112) 사이에서 발생할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템은 수소탱크(110)와 수소탱크밸브(HV)(112) 사이의 구역을 수소탱크 분리 이벤트(E1)를 탐지하기 위한 제1 구역(Z1)으로 분류할 수 있다.As shown in FIG. 3, a hydrogen tank separation event (E1) may occur between the
또한, 수소탱크(110)의 카트리지 분리 이벤트(E2)는 수소탱크밸브(HV)(112)와 수소탱크공급밸브(HSV)(116) 사이에서 발생할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템은 수소탱크밸브(HV)(112)와 수소탱크공급밸브(HSV)(116) 사이의 구역을 수소탱크(110)의 카트리지 분리 이벤트(E2)를 탐지하기 위한 제2 구역(Z2)으로 분류할 수 있다.Additionally, a cartridge separation event (E2) of the
또한, 압력 센서 분리 이벤트(E3)는 수소탱크공급밸브(HSV)(116)와 수소차단밸브(FCV)(120) 사이에서 발생할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템은 수소탱크공급밸브(HSV)(116)와 수소차단밸브(FCV)(120) 사이의 구역을 압력 센서 분리 이벤트(E3)를 탐지하기 위한 제3 구역(Z3)으로 분류할 수 있다.Additionally, a pressure sensor separation event (E3) may occur between the hydrogen tank supply valve (HSV) 116 and the hydrogen shutoff valve (FCV) 120. Therefore, the fuel cell system may classify the area between the hydrogen tank supply valve (HSV) 116 and the hydrogen shut-off valve (FCV) 120 as the third zone (Z3) for detecting the pressure sensor separation event (E3). You can.
또한, 공급 배관 분리 이벤트(E4)는 수소차단밸브(FCV)(120)와 수소공급밸브(FSV)(122) 사이에서 발생할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템은 수소차단밸브(FCV)(120)와 수소공급밸브(FSV)(122) 사이의 구역을 공급 배관 분리 이벤트(E4)를 탐지하기 위한 제4 구역(Z4)으로 분류할 수 있다.Additionally, a supply pipe separation event (E4) may occur between the hydrogen cutoff valve (FCV) 120 and the hydrogen supply valve (FSV) 122. Therefore, the fuel cell system can classify the area between the hydrogen cutoff valve (FCV) 120 and the hydrogen supply valve (FSV) 122 as the fourth zone (Z4) for detecting the supply pipe separation event (E4). there is.
또한, 연료전지 스택 분리 이벤트(E5)는 수소공급밸브(FSV)(122)와 연료전지 스택(100) 사이에서 발생할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템은 수소공급밸브(FSV)(122)와 연료전지 스택(100) 사이의 구역을 연료전지 스택 분리 이벤트(E5)를 탐지하기 위한 제5 구역(Z5)으로 분류할 수 있다. 여기서, 수소공급밸브(FSV)(122)와 연료전지 스택(100) 사이의 수소공급라인 상에 배치된 수소이젝터(FEJ)(124)는 상시 개방되어 있기 때문에 구역 분류 시 고려되지 않을 수 있다.Additionally, a fuel cell stack separation event (E5) may occur between the hydrogen supply valve (FSV) 122 and the
본 발명의 실시예에서는 수소공급배관을 분리하기 위한 다섯 개의 이벤트(E1~E5)를 실시예로 언급하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the embodiment of the present invention, five events (E1 to E5) for separating the hydrogen supply pipe are mentioned as examples, but the present invention is not limited thereto.
이에, 연료전지 시스템은 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하고, 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 구역에 대응되는 플러싱 부피 및 수소극의 수소 농도를 결정할 수 있으며, 결정된 수소극의 수소 농도에 따라 연료전지 스택(100)의 시동 전에 수소극 플러싱을 수행할 수 있다. 여기서, 플러싱은 수소극에 수소를 주입하고 퍼지를 수행하는 동작으로, 연료전지 스택(100)의 시동 전에 수소극으로 수소 주입 및 퍼지를 반복적으로 수행함으로써 이물질을 배출하여 수소극의 수소 농도를 증대시킬 수 있다.Accordingly, the fuel cell system can detect the separation history of the hydrogen supply pipe for each zone, determine the flushing volume and hydrogen concentration of the hydrogen electrode corresponding to the zone where the separation history of the hydrogen supply pipe was detected, and determine the hydrogen concentration of the determined hydrogen electrode. Depending on the concentration, hydrogen electrode flushing may be performed before starting the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 연료전지 시스템은 감지부(410) 및 제어기(450)를 포함할 수 있다. Figure 4 is a diagram showing a control block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the fuel cell system may include a
감지부(410)는 연료전지 시스템의 각 구성들의 상태 및 각 구성들 간의 동작 상태 등을 감지하는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. The
일 예로서, 감지부(410)는 수소탱크(110)의 압력 및 온도를 감지하는 센서, 수소공급배관 내의 수소의 압력, 온도 및 유량 등을 감지하는 센서, 연료전지 스택 내 수소의 압력, 온도, 농도 등을 감지하는 센서 등을 포함할 수 있다. 또한, 감지부(410)는 연료전지 스택 내 공기의 압력, 온도 등을 감지하는 센서를 더 포함할 수 있다. 또한, 감지부(410)는 연료전지 시스템에서 수소 및 공기가 이동하는 라인 상에 배치된 각 구성의 상태, 예를 들어, 밸브의 개방 또는 차단 상태 등을 감지하는 센서를 더 포함할 수도 있다.As an example, the
제어기(450)는 연료전지 시스템의 각 구성들과 연결되어 연료전지 시스템의 전반적인 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 제어부(430)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다.The
제어기(450)는 연료전지 시스템의 시동 전에, 도 3과 같이 분류된 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하고, 탐지된 각 구역별 수소공급배관의 부피에 기초하여 플러싱 부피를 설정한다. 각 구역별 수소공급배관의 분리 이력 탐지 결과에 따른 플러싱 부피는 도 5의 실시예를 참조하도록 한다.Before starting the fuel cell system, the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급배관의 구역별 탐지 이력에 따른 플러싱 부피를 정의한 도면이다. 도 3 및 5를 참조하면, 제어기(450)는 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소탱크(110)의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다. Figure 5 is a diagram defining the flushing volume according to the detection history for each section of the hydrogen supply pipe according to an embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 3 and 5, the
여기서, 제어기(450)는 현재 수소탱크(110)의 압력에서 직전 운전 시의 수소탱크(110)의 압력을 차감한 값이 기 설정된 제1 기준압력(P1)을 초과하는지를 판단한다. 이때, 제어기(450)는 현재 수소탱크(110)의 압력에서 직전 운전 시의 수소탱크(110)의 압력을 차감한 값이 기 설정된 제1 기준압력(P1)을 초과하면 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소탱크(110)의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한 것으로 결정한다. 제어기(450)는 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 제2 구역(Z2)의 수소공급배관의 부피(V2)에 대응하여 플러싱 부피(Vp)를 'V2'로 설정한다.Here, the
한편, 제어기(450)는 현재 수소탱크(110)의 압력에서 직전 운전 시의 수소탱크(110)의 압력을 차감한 값이 기 설정된 제1 기준압력(P1)을 초과하지 않으면, 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 것으로 결정한다. 이와 같이, 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우, 제어기(450)는 플러싱 부피(Vp)를 '0'으로 설정한다.Meanwhile, the
또한, 제어기(450)는 제3 구역(Z3)에서 수소공급압력센서(MP)(119)의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다. 여기서, 제어기(450)는 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력이 기 설정된 제2 기준압력(P2) 미만인지를 판단한다. 이때, 제어기(450)는 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력이 기 설정된 제2 기준압력(P2) 미만이면 제3 구역(Z3)에서 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한 것으로 결정한다.Additionally, the
제어기(450)는 제3 구역(Z3)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 제3 구역(Z3)의 수소공급배관의 부피(V3)에 대응하여 플러싱 부피(Vp)를 설정한다. 만일, 앞서 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 경우에는 이전에 설정된 플러싱 부피(Vp)에 제3 구역(Z3)의 수소공급배관의 부피(V3)를 더하여 'V2+V3'으로 설정할 수 있다. 물론, 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우에는 제3 구역(Z3)의 수소공급배관의 부피(V3)에 대응하여 플러싱 부피(Vp)를 'V3'으로 설정할 수 있다.When the separation history of the hydrogen supply pipe in the third zone (Z3) is detected, the
여기서, 제3 구역(Z3)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 경우, 제어기(450)는 제4 구역(Z4) 및 제5 구역(Z5)에서의 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하지 않을 수 있다.Here, when the separation history of the hydrogen supply pipe is detected in the third zone (Z3), the
한편, 제어기(450)는 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력이 기 설정된 제2 기준압력(P2) 미만이 아니면, 제3 구역(Z3)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 것으로 결정한다. 이와 같이, 제3 구역(Z3)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우, 플러싱 부피(Vp)는 '0'으로 설정한다. 만일, 앞서 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 경우에는 이전에 설정된 플러싱 부피(Vp) 'V2'를 유지할 수 있다.Meanwhile, if the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor (MP) 119 is not less than the preset second reference pressure (P2), the
또한, 제어기(450)는 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다. 여기서, 제어기(450)는 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하기에 앞서, 수소공급밸브(FSV)(122)를 차단한 상태에서 수소차단밸브(FCV)(120)를 개방한다. 이때, 제어기(450)는 수소차단밸브(FCV)(120)를 개방하기 전에 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력에서 수소차단밸브(FCV)(120)를 개방한 후에 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력을 차감한 값이 기 설정된 제3 기준압력(P3)을 초과하면, 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한 것으로 결정한다.Additionally, the
제어기(450)는 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 제4 구역(Z4)의 수소공급배관의 부피(V4)에 대응하여 플러싱 부피(Vp)를 설정한다. 만일, 앞서 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 경우에는 이전에 설정된 플러싱 부피(Vp)에 제4 구역(Z4)의 수소공급배관의 부피(V4)를 더하여 'V2+V4'로 설정할 수 있다. 물론, 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우에는 제4 구역(Z4)의 수소공급배관의 부피(V4)에 대응하여 플러싱 부피(Vp)를 'V4'로 설정할 수 있다.When the separation history of the hydrogen supply pipe in the fourth zone (Z4) is detected, the
여기서, 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 경우, 제어기(450)는 제5 구역(Z5)에서의 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하지 않을 수 있다.Here, when the separation history of the hydrogen supply pipe is detected in the fourth zone (Z4), the
한편, 제어기(450)는 수소공급밸브(FSV)(122)를 개방하기 전에 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력에서 수소공급밸브(FSV)(122)를 개방한 후에 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력을 차감한 값이 기 설정된 제3 기준압력(P3)을 초과하지 않으면, 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 것으로 결정한다. 이와 같이, 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우, 플러싱 부피(Vp)는 '0'으로 설정한다. 만일, 앞서 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 경우에는 이전에 설정된 플러싱 부피(Vp) 'V2'를 유지할 수 있다.Meanwhile, the
또한, 제어기(450)는 제5 구역(Z5)에서 연료전지 스택(100)의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다. 여기서, 제어기(450)는 제1 구역(Z1) 내지 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우에 한하여, 공기극에 공기를 공급한 후에 수소탱크밸브(HV)(112), 수소탱크공급밸브(HSV)(116), 수소차단밸브(FCV)(120) 및 수소공급밸브(FSV)(122)를 차례로 개방하여 수소를 공급한 상태에서, 제5 구역(Z5)에 대한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다. 이때, 제어기(450)는 스택 기준 전압에서 스택 측정 전압을 차감한 값이 기 설정된 기준전압(V1)을 초과하면, 제5 구역(Z5)에서 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한 것으로 결정한다.Additionally, the
제어기(450)는 제5 구역(Z5)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 제5 구역(Z5)의 수소공급배관의 부피(V5)에 대응하여 플러싱 부피(Vp)를 'V5'로 설정할 수 있다.When the separation history of the hydrogen supply pipe in the fifth zone (Z5) is detected, the
한편, 제어기(450)는 스택 기준 전압에서 스택 측정 전압을 차감한 값이 기 설정된 기준전압(V1)을 초과하지 않으면, 제5 구역(Z5)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 것으로 결정한다. 이와 같이, 제5 구역(Z5)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우, 플러싱 부피(Vp)는 '0'으로 설정한다. Meanwhile, the
제어기(450)는 각 구역별 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 것으로 확인되면, 연료전지 스택의 시동 전에 수소극 플러싱을 수행한다.If the
이를 위해, 제어기(450)는 어느 하나 또는 그 이상의 구역에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 경우, 플러싱이 필요한 부피(Vn), 다시 말해, 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 구역의 부피를 확인한다. 여기서, 플러싱이 필요한 부피(Vn)는 수소공급배관의 분리 이력으로 인하여 이물질이 침투함에 따라 수소 농도가 기준치 이하로 감소한 구역의 부피를 의미한다.For this purpose, when the separation history of the hydrogen supply pipe is detected in one or more zones, the
또한, 제어기(450)는 플러싱이 불필요한 부피(Vr), 다시 말해, 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 구역의 부피 또한 확인한다. 여기서, 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 구역은 이물질이 침투하지 않은 구역이므로, 플러싱이 불필요한 부피(Vr)는 수소 농도가 100% 인 구역의 부피를 의미한다.In addition, the
여기서, 플러싱이 필요한 부피(Vn) 및 플러싱이 불필요한 부피(Vr)는 각 구역별 수소공급배관의 분리 이력 탐지 과정에서 설정된 플러싱 부피(Vp)에 기초하여 확인될 수 있다.Here, the volume that requires flushing (Vn) and the volume that does not require flushing (Vr) can be confirmed based on the flushing volume (Vp) set in the process of detecting the separation history of the hydrogen supply pipe for each zone.
제어기(450)는 플러싱이 필요한 부피(Vn) 및 플러싱이 불필요한 부피(Vr)가 확인되면, 수소극 플러싱을 수행한다. 이때, 제어기(450)는 수소극 플러싱을 위해 수소공급밸브(FSV)(122)를 개방하여 수소극으로 수소를 공급한다. 제어기(450)는 수소극의 압력이 운전 상한 압력(MOP)이 될 때까지 수소공급밸브(FSV)(122)를 개방할 수 있다. 이 경우, 제어기(450)는 수소공급밸브(FSV)(122) 뿐만 아니라 수소탱크밸브(HV)(112), 수소탱크공급밸브(HSV)(116) 및 수소차단밸브(FCV)(120) 또한 차례로 개방할 수 있다.The
제어기(450)는 수소극의 압력이 운전 상한 압력(MOP) 이상이 되면, 수소공급밸브(FSV)(122)를 차단함으로써 수소 공급이 차단되도록 한다.When the pressure of the hydrogen electrode exceeds the upper operating limit pressure (MOP), the
제어기(450)는 수소극으로의 수소 공급을 차단한 이후에 퍼지밸브를 개방하여 퍼지가 이루어지도록 한다.After blocking the supply of hydrogen to the hydrogen electrode, the
제어기(450)는 수소극의 수소 농도를 계산하여, 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과할 때까지 수소 공급 및 퍼지를 반복 수행함으로써 연속 플러싱이 이루어지도록 한다. The
여기서, 제어기(450)는 수소극의 농도 계산 시 아래 [수학식 1]을 참조하여 계산하도록 한다.Here, the
[수학식 1]에서, Hc2는 수소 주입 시의 수소극의 수소 농도, Hc1은 수소 주입 직전의 수소극의 수소 농도를 의미하며, Vn은 플러싱이 필요한 부피, Vr은 플러싱이 불필요한 부피를 의미한다. 또한, MOP(Maximum Operating Pressure)는 수소 주입 시의 운전 상한 압력, 그리고 AP(Atmospheric Pressure)는 퍼지 후 압력을 의미한다.In [Equation 1], H c2 is the hydrogen concentration of the hydrogen electrode at the time of hydrogen injection, H c1 is the hydrogen concentration of the hydrogen electrode immediately before hydrogen injection, Vn is the volume that requires flushing, and Vr is the volume that does not require flushing. it means. Additionally, MOP (Maximum Operating Pressure) refers to the upper operating pressure during hydrogen injection, and AP (Atmospheric Pressure) refers to the pressure after purge.
이와 같이, 연속 플러싱이 이루어지면 이물질이 배출되면서 수소극의 수소 농도가 점차 증가하게 되는데, 플러싱이 필요한 부피가 클수록 연속 플러싱 횟수가 증가할 수 있다. 제어기(450)는 연속 플러싱에 의해 수소극의 수소 농도가 점차 증가함에 따라, 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과하면, 플러싱을 종료하고 연료전지 스택의 시동이 이루어지도록 한다.In this way, when continuous flushing is performed, foreign substances are discharged and the hydrogen concentration in the hydrogen electrode gradually increases. As the volume requiring flushing becomes larger, the number of continuous flushing may increase. As the hydrogen concentration of the hydrogen electrode gradually increases through continuous flushing, the
따라서, 연료전지 스택의 시동 전에 수소극의 연속 플러싱을 통해 이물질을 제거하고 수소 농도를 회복함으로써 연료전지 스택의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.Therefore, the performance of the fuel cell stack can be prevented from being deteriorated by removing foreign substances and restoring the hydrogen concentration through continuous flushing of the hydrogen electrode before starting the fuel cell stack.
물론, 제어기(450)는 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않으면, 수소극의 플러싱 없이 바로 연료전지 스택을 시동시킬 수 있다.Of course, if the separation history of the hydrogen supply pipe is not detected, the
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 수소 농도 변화를 도시한 도면으로서, 도 6a는 연료전지 스택의 시동 전에 이물질의 유입 상황을 탐지하거나, 이물질의 유입 상황이 탐지된 경우 플러싱을 수행하지 않고 바로 연료전지 스택을 시동하는 실시예를 나타낸 것이고, 도 6b는 연료전지 스택의 시동 전에 이물질의 유입 상황을 탐지하고, 연속 플러싱을 통해 이물질을 배출한 이후에 연료전지 스택을 시동하는 실시예를 나타낸 것이다. FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating changes in hydrogen concentration in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG. 6A is a diagram showing the inflow of foreign substances before starting the fuel cell stack, or when the inflow of foreign substances is detected. This shows an embodiment in which the fuel cell stack is started immediately without performing flushing, and Figure 6b shows the inflow of foreign substances before starting the fuel cell stack, and after the foreign substances are discharged through continuous flushing, the fuel cell stack This shows an example of starting up.
도 6a에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택의 시동 전에 이물질의 유입 상황을 탐지하지 않고 바로 연료전지 스택을 시동 시키는 경우, 이물질로 인해 수소 농도가 많이 떨어져 있으며, 수소 농도 회복을 위해 잦은 수소 퍼지를 수행할 뿐만 아니라, 수소 퍼지 시간이 길어 짐에 따라 수소를 낭비하게 된다.As shown in Figure 6a, when the fuel cell stack is started immediately without detecting the inflow of foreign substances before starting the fuel cell stack, the hydrogen concentration drops significantly due to the foreign substances, and frequent hydrogen purges are required to restore the hydrogen concentration. Not only that, but as the hydrogen purge time increases, hydrogen is wasted.
이에 반해, 도 6b에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택의 시동 전에 이물질의 유입 상황을 탐지하면, 연속 플러싱을 수행함으로써 수소 농도를 회복한 이후에 연료전지 스택의 시동이 가능하게 된다. 이 경우, 수소 퍼지 시간이 단축되어 수소가 손실되는 것을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지 스택의 수소극으로 이물질이 유입되는 것을 미연에 방지함으로써 연료전지 스택의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 6b, if the inflow of foreign substances is detected before starting the fuel cell stack, starting the fuel cell stack is possible after recovering the hydrogen concentration by performing continuous flushing. In this case, not only can the hydrogen purge time be shortened to prevent hydrogen loss, but also the performance of the fuel cell stack can be prevented from being deteriorated by preventing foreign substances from entering the hydrogen electrode of the fuel cell stack.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The operational flow of the fuel cell system according to the present invention configured as described above will be described in more detail as follows.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 플러싱 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급배관의 분리 이력 탐지 동작의 흐름을 도시한 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating the operation flow of a flushing control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a diagram showing the flow of a separation history detection operation of a hydrogen supply pipe according to an embodiment of the present invention. This is a drawing.
먼저, 도 7을 참조하면, 연료전지 시스템은 사전에 수소공급배관에 대해 분류된 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다(S110). 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 과정에 대한 세부 동작은 도 8을 참조한다.First, referring to FIG. 7, the fuel cell system detects the separation history of the hydrogen supply pipe for each zone classified in advance for the hydrogen supply pipe (S110). Refer to FIG. 8 for detailed operation of the process of detecting the separation history of the hydrogen supply pipe for each zone.
도 8을 참조하면, 연료전지 시스템은 플러싱 부피(Vp)의 초기값을 '0'으로 설정한다(S210). 이후, 연료전지 시스템은 현재 수소탱크(110)의 압력에서 직전 운전 시의 수소탱크(110)의 압력을 차감한 값이 기 설정된 제1 기준압력(P1)을 초과하는 경우(S220), 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소탱크(110)의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다(S230). 이 경우, 연료전지 시스템은 제2 구역(Z2)의 수소공급배관의 부피(V2)에 대응하여 플러싱 부피(Vp)에 'V2'를 추가한다(S240).Referring to FIG. 8, the fuel cell system sets the initial value of the flushing volume (Vp) to '0' (S210). Thereafter, when the value obtained by subtracting the pressure of the
연료전지 시스템은 'S220' 과정에서 현재 수소탱크(110)의 압력에서 직전 운전 시의 수소탱크(110)의 압력을 차감한 값이 기 설정된 제1 기준압력(P1)을 초과하지 않으면, 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 것으로 결정한다. In the 'S220' process, if the value obtained by subtracting the pressure of the
다음으로, 연료전지 시스템은 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력이 기 설정된 제2 기준압력(P2) 미만이면(S250), 제3 구역(Z3)에서 수소공급압력센서(MP)(119)의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다(S260). 이 경우, 연료전지 시스템은 제3 구역(Z3)의 수소공급배관의 부피(V3)에 대응하여 플러싱 부피(Vp)에 'V3'을 추가한다(S270). 이때, 'S220' 및 'S230' 과정을 통해 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되었다면, 'S240' 과정에서 Vp는 'V2'가 되므로, 'S270' 과정에서 Vp는 'V2+V3'이 된다. 한편, 'S220' 과정에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않았다면, Vp는 '0'이므로, 'S270' 과정에서 Vp는 'V3'이 된다.Next, if the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor (MP) 119 is less than the preset second reference pressure (P2) (S250), the fuel cell system detects the hydrogen supply pressure sensor ( Detect the separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of MP) (119) (S260). In this case, the fuel cell system adds 'V3' to the flushing volume (Vp) corresponding to the volume (V3) of the hydrogen supply pipe in the third zone (Z3) (S270). At this time, if the separation history of the hydrogen supply pipe is detected in the first zone (Z1) or the second zone (Z2) through the 'S220' and 'S230' processes, Vp becomes 'V2' in the 'S240' process, so ' In the 'S270' process, Vp becomes 'V2+V3'. Meanwhile, if the separation history of the hydrogen supply pipe was not detected in the 'S220' process, Vp is '0', so in the 'S270' process, Vp becomes 'V3'.
한편, 연료전지 시스템은 'S250' 과정에서 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력이 기 설정된 제2 기준압력(P2) 미만이 아니면, 제3 구역(Z3)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 것으로 결정하고, 다음 제4 구역(Z4)에 대한 탐지 동작을 수행한다.Meanwhile, if the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor (MP) 119 in the 'S250' process is not less than the preset second reference pressure (P2), the fuel cell system connects the hydrogen supply pipe in the third zone (Z3). It is determined that the separation history of is not detected, and then a detection operation is performed for the fourth zone (Z4).
이에, 연료전지 시스템은 수소차단밸브(FCV)(120)를 개방하고(S280), 수소차단밸브(FCV)(120)를 개방하기 전에 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력에서 수소차단밸브(FCV)(120)를 개방한 후에 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력을 차감한 값이 기 설정된 제3 기준압력(P3)을 초과하면(S290), 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다(S300). 이 경우, 연료전지 시스템은 제4 구역(Z4)의 수소공급배관의 부피(V4)에 대응하여 플러싱 부피(Vp)에 'V4'를 추가한다(S310). 이때, 'S220' 및 'S230' 과정을 통해 제1 구역(Z1) 또는 제2 구역(Z2)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되었다면, 'S240' 과정에서 Vp는 'V2'가 되므로, 'S310' 과정에서 Vp는 'V2+V4'가 된다. 한편, 'S220' 과정에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않았다면, Vp는 '0'이므로, 'S310' 과정에서 Vp는 'V4'가 된다.Accordingly, the fuel cell system opens the hydrogen blocking valve (FCV) 120 (S280), and the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor (MP) 119 before opening the hydrogen blocking valve (FCV) 120. If the value obtained by subtracting the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor (MP) 119 after opening the hydrogen blocking valve (FCV) 120 exceeds the preset third reference pressure (P3) (S290), The separation history of the hydrogen supply pipe is detected in the fourth zone (Z4) (S300). In this case, the fuel cell system adds 'V4' to the flushing volume (Vp) corresponding to the volume (V4) of the hydrogen supply pipe in the fourth zone (Z4) (S310). At this time, if the separation history of the hydrogen supply pipe is detected in the first zone (Z1) or the second zone (Z2) through the 'S220' and 'S230' processes, Vp becomes 'V2' in the 'S240' process, so ' In the process of ‘S310’, Vp becomes ‘V2+V4’. Meanwhile, if the separation history of the hydrogen supply pipe was not detected in the 'S220' process, Vp is '0', so in the 'S310' process, Vp becomes 'V4'.
한편, 연료전지 시스템은 'S290' 과정에서 수소차단밸브(FCV)(120)를 개방하기 전에 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력에서 수소차단밸브(FCV)(120)를 개방한 후에 수소공급압력센서(MP)(119)에 의해 측정된 압력을 차감한 값이 기 설정된 제3 기준압력(P3)을 초과하지 않으면, 제4 구역(Z4)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 것으로 결정하고, 다음 제5 구역(Z5)에 대한 탐지 동작을 수행한다. Meanwhile, the fuel cell system opens the hydrogen blocking valve (FCV) 120 at the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor (MP) 119 before opening the hydrogen blocking valve (FCV) 120 in the 'S290' process. If the value obtained by subtracting the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor (MP) (119) after opening does not exceed the preset third reference pressure (P3), the separation history of the hydrogen supply pipe in the fourth zone (Z4) It is determined that this has not been detected, and a detection operation for the next fifth zone (Z5) is performed.
연료전지 시스템은 'S210' 내지 'S310' 과정을 수행한 이후에 Vp가 '0'이 아니면(S320), 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 것으로 판단하여 제5 구역(Z5)에 대한 수소공급배관의 분리 이력 탐지 동작을 수행하지 않는다.If Vp is not '0' (S320) after performing processes 'S210' to 'S310', the fuel cell system determines that the separation history of the hydrogen supply pipe has been detected and supplies hydrogen to the fifth zone (Z5). Pipe separation history detection operation is not performed.
한편, 'S320' 과정에서 Vp가 '0'이 아니면(S320), 이전 과정들을 통해 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 것이므로, 연료전지 시스템은 제5 구역(Z5)에 대한 수소공급배관의 분리 이력 탐지 동작을 수행한다.Meanwhile, if Vp is not '0' in the 'S320' process (S320), the separation history of the hydrogen supply pipe was not detected through the previous processes, so the fuel cell system is connected to the hydrogen supply pipe to the fifth zone (Z5). Perform separation history detection operation.
이에, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(100)의 공기공급라인 및 수소공급라인 상에 배치된 밸브를 개방하여 공기극으로 공기를 공급하고, 수소극으로 수소를 공급한다(S330).Accordingly, the fuel cell system opens the valves disposed on the air supply line and the hydrogen supply line of the
이후, 연료전지 시스템은 스택 기준 전압에서 스택 측정 전압을 차감한 값이 기 설정된 기준전압(V1)을 초과하면(S340), 제5 구역(Z5)에서 수소공급배관의 분리 이력을 탐지한다(S350). 이 경우, 'S320' 과정에서 플러싱 부피(Vp)는 '0'이므로, 연료전지 시스템은 플러싱 부피(Vp)를 'V5'로 설정한다(S360). Afterwards, when the value obtained by subtracting the stack measurement voltage from the stack reference voltage exceeds the preset reference voltage (V1) (S340), the fuel cell system detects the separation history of the hydrogen supply pipe in the fifth zone (Z5) (S350) ). In this case, since the flushing volume (Vp) is '0' in the 'S320' process, the fuel cell system sets the flushing volume (Vp) to 'V5' (S360).
한편, 연료전지 시스템은 'S340' 과정에서 스택 기준 전압에서 스택 측정 전압을 차감한 값이 기 설정된 기준전압(V1)을 초과하지 않으면, 제5 구역(Z5)에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 것으로 결정한다.Meanwhile, the fuel cell system detects the separation history of the hydrogen supply pipe in the 5th zone (Z5) if the value obtained by subtracting the stack measurement voltage from the stack reference voltage during the 'S340' process does not exceed the preset reference voltage (V1). Decide that it didn't work out.
다시 도 7을 참조하면, 연료전지 시스템은 도 8의 과정들을 통해 각 구역에서 수소공급배관의 탐지 이력이 있으면(S120), 연료전지 스택의 시동 전에 수소극 플러싱을 수행한다.Referring again to FIG. 7, if there is a detection history of a hydrogen supply pipe in each zone through the processes of FIG. 8 (S120), the fuel cell system performs hydrogen electrode flushing before starting the fuel cell stack.
이를 위해, 연료전지 시스템은 플러싱이 필요한 부피(Vn) 및 플러싱이 불필요한 부피(Vr)를 확인하고(S130), 수소극의 압력이 운전 상한 압력(MOP)이 될 때까지 수소공급밸브(FSV)(122)를 개방하여 수소극으로 수소를 공급한다(S140, S150).To this end, the fuel cell system checks the volume that requires flushing (Vn) and the volume that does not require flushing (Vr) (S130), and operates the hydrogen supply valve (FSV) until the pressure of the hydrogen electrode reaches the upper operating limit pressure (MOP). (122) is opened to supply hydrogen to the hydrogen electrode (S140, S150).
이후, 연료전지 시스템은 'S150' 과정에서 수소극의 압력이 운전 상한 압력(MOP) 이상이 되면, 수소공급밸브(FSV)(122)를 차단하고(S160), 퍼지밸브를 개방한다(S170). 이 과정에서, 수소극의 이물질이 배출되게 된다.Afterwards, when the pressure of the hydrogen electrode exceeds the upper operating limit pressure (MOP) in the 'S150' process, the fuel cell system blocks the hydrogen supply valve (FSV) 122 (S160) and opens the purge valve (S170). . In this process, foreign substances in the hydrogen electrode are discharged.
이후, 연료전지 시스템은 수소극의 수소 농도를 계산하여(S180), 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과할 때까지 'S140' 내지 'S190' 과정을 반복 수행함으로써 연속 플러싱이 이루어지도록 한다. Afterwards, the fuel cell system calculates the hydrogen concentration of the hydrogen electrode (S180) and repeatedly performs 'S140' to 'S190' processes until the hydrogen concentration of the hydrogen electrode exceeds the standard concentration to ensure continuous flushing.
'S140' 내지 'S180' 과정을 반복 수행함으로써 연속 플러싱이 이루어지면, 이물질이 배출되면서 수소극의 수소 농도가 점차 증가하게 된다. 이에, 연료전지 시스템은 'S190' 과정에서 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과하면, 플러싱을 종료하고 연료전지 스택의 시동이 이루어지도록 한다(S200).When continuous flushing is performed by repeatedly performing the 'S140' to 'S180' processes, foreign substances are discharged and the hydrogen concentration in the hydrogen electrode gradually increases. Accordingly, if the hydrogen concentration of the hydrogen electrode exceeds the standard concentration in process 'S190', the fuel cell system ends flushing and starts the fuel cell stack (S200).
따라서, 연료전지 스택의 시동 전에 수소극의 연속 플러싱을 통해 이물질을 제거하고 수소 농도를 회복함으로써 연료전지 스택의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.Therefore, the performance of the fuel cell stack can be prevented from being deteriorated by removing foreign substances and restoring the hydrogen concentration through continuous flushing of the hydrogen electrode before starting the fuel cell stack.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations will be possible to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be construed as being included in the scope of rights of the present invention.
100: 연료전지 스택
110: 수소탱크
112: 수소탱크밸브(HV)
114: 수소충전용체크밸브(HCV)
116: 수소탱크공급밸브(HSV)
118: 수소공급압력조절밸브(PRV)
119: 수소공급압력센서(MP)
120: 수소차단밸브(FCV)
122: 수소공급밸브(FSV)
124: 수소이젝터(FEJ)
126: 퍼지밸브(FPV)
410: 감지부
450: 제어기100: fuel cell stack 110: hydrogen tank
112: Hydrogen tank valve (HV) 114: Hydrogen charging check valve (HCV)
116: Hydrogen tank supply valve (HSV) 118: Hydrogen supply pressure control valve (PRV)
119: Hydrogen supply pressure sensor (MP) 120: Hydrogen shutoff valve (FCV)
122: Hydrogen supply valve (FSV) 124: Hydrogen ejector (FEJ)
126: purge valve (FPV) 410: detection unit
450: controller
Claims (21)
상기 연료전지 스택의 수소극의 수소를 배출하는 퍼지밸브; 및
상기 연료전지 스택의 시동 전에 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하여, 상기 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면 상기 수소공급밸브 및 상기 퍼지밸브를 제어하여 상기 연료전지 스택의 수소극의 플러싱을 수행하는 제어기;
를 포함하는 연료전지 시스템.A hydrogen supply valve that regulates hydrogen supply on the hydrogen supply line connecting the hydrogen tank and the fuel cell stack;
A purge valve that discharges hydrogen from the hydrogen electrode of the fuel cell stack; and
Detecting the separation history of the hydrogen supply pipe before starting the fuel cell stack, and controlling the hydrogen supply valve and the purge valve to perform flushing of the hydrogen electrode of the fuel cell stack when the separation history of the hydrogen supply pipe is detected. controller;
A fuel cell system including.
상기 제어기는,
상기 수소탱크 및 상기 연료전지 스택을 연결하는 수소공급라인을 복수 개의 구역으로 분할하고, 상기 분할된 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 1,
The controller is,
A fuel cell system characterized in that the hydrogen supply line connecting the hydrogen tank and the fuel cell stack is divided into a plurality of zones, and the separation history of the hydrogen supply pipe is detected for each divided zone.
상기 수소공급라인은,
상기 수소탱크와 수소탱크밸브 사이에서 수소탱크 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제1 구역, 상기 수소탱크밸브와 수소탱크공급밸브 사이에서 수소탱크의 카트리지 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제2 구역, 상기 수소탱크공급밸브와 수소차단밸브 사이에서 압력센서 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제3 구역, 상기 수소차단밸브와 수소공급밸브 사이에서 배관 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제4 구역, 및 상기 수소공급밸브와 상기 연료전지 스택 사이에서 상기 연료전지 스택의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 제5 구역으로 분류된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 2,
The hydrogen supply line is,
A first zone detecting a history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the hydrogen tank between the hydrogen tank and the hydrogen tank valve, separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the cartridge of the hydrogen tank between the hydrogen tank valve and the hydrogen tank supply valve A second zone for detecting the history, a third zone for detecting the history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the pressure sensor between the hydrogen tank supply valve and the hydrogen shutoff valve, and a third zone for detecting the history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the pipe between the hydrogen tank supply valve and the hydrogen supply valve. Classified into a fourth zone that detects the separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of the fuel cell stack between the hydrogen supply valve and the fuel cell stack, and a fifth zone that detects the separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of the fuel cell stack. Characterized by a fuel cell system.
상기 제어기는,
현재 수소탱크의 압력에서 직전 운전 시의 수소탱크 압력을 차감한 값이 기 설정된 제1 기준압력을 초과하는 경우, 상기 제1 구역 또는 상기 제2 구역에서 상기 수소탱크의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 3,
The controller is,
If the value obtained by subtracting the hydrogen tank pressure during the previous operation from the current pressure of the hydrogen tank exceeds the preset first reference pressure, the hydrogen supply piping due to replacement of the hydrogen tank in the first zone or the second zone A fuel cell system characterized by detecting separation history.
상기 제어기는,
상기 제1 구역 또는 상기 제2 구역에서 상기 수소탱크의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 제2 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 4,
The controller is,
When a history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the hydrogen tank is detected in the first zone or the second zone, the flushing volume is set in accordance with the volume of the hydrogen supply pipe in the second zone. battery system.
상기 제어기는,
상기 제3 구역의 수소공급라인 상에 배치된 수소공급압력센서에 의해 측정된 압력이 기 설정된 제2 기준압력 미만이면, 상기 제3 구역에서 상기 수소공급압력센서의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 3,
The controller is,
If the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor disposed on the hydrogen supply line in the third zone is less than the preset second reference pressure, the hydrogen supply pipe is separated due to replacement of the hydrogen supply pressure sensor in the third zone. A fuel cell system characterized by detecting history.
상기 제어기는,
상기 제3 구역에서 상기 수소공급압력센서의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 제3 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 6,
The controller is,
A fuel cell system, characterized in that when a separation history of the hydrogen supply pipe due to replacement of the hydrogen supply pressure sensor is detected in the third zone, the flushing volume is set in accordance with the volume of the hydrogen supply pipe in the third zone.
상기 제어기는,
상기 제3 구역에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우, 상기 수소차단밸브를 개방하고, 상기 수소차단밸브를 개방하기 전에 수소공급압력센서에 의해 측정된 압력에서 상기 수소차단밸브를 개방한 후에 상기 수소공급압력센서에 의해 측정된 압력을 차감한 값이 기 설정된 제3 기준압력을 초과하면, 상기 제4 구역에서 배관 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 3,
The controller is,
If the separation history of the hydrogen supply piping is not detected in the third zone, the hydrogen shutoff valve is opened, and the hydrogen shutoff valve is opened at the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor before opening the hydrogen shutoff valve. A fuel cell characterized in that it detects the history of separation of the hydrogen supply pipe due to pipe replacement in the fourth zone when the value obtained by subtracting the pressure measured by the hydrogen supply pressure sensor exceeds the preset third reference pressure. system.
상기 제어기는,
상기 제4 구역에서 배관 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 제4 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 8,
The controller is,
A fuel cell system characterized in that, when a history of separation of the hydrogen supply pipe due to pipe replacement in the fourth zone is detected, the flushing volume is set in accordance with the volume of the hydrogen supply pipe in the fourth zone.
상기 제어기는,
상기 제1 구역 내지 상기 제4 구역에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되지 않은 경우, 공기공급라인 및 수소공급라인 상에 배치된 밸브를 개방하여 상기 연료전지 스택으로 공기 및 수소를 공급하고, 스택 기준 전압에서 스택 측정 전압을 차감한 값이 기 설정된 기준전압을 초과하면, 상기 제5 구역에서 상기 연료전지 스택의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 3,
The controller is,
If no separation history of the hydrogen supply pipe is detected in the first to fourth zones, the valves disposed on the air supply line and the hydrogen supply line are opened to supply air and hydrogen to the fuel cell stack, and the stack A fuel cell system characterized in that, when the value obtained by subtracting the stack measurement voltage from the reference voltage exceeds a preset reference voltage, a history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the fuel cell stack is detected in the fifth zone.
상기 제어기는,
상기 제5 구역에서 상기 연료전지 스택의 교체로 인한 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 제5 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 10,
The controller is,
When a history of separation of the hydrogen supply pipe due to replacement of the fuel cell stack is detected in the fifth zone, the flushing volume is set in accordance with the volume of the hydrogen supply pipe in the fifth zone.
상기 제어기는,
상기 분할된 각 구역 중 하나 이상에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 연료전지 스택의 수소극의 압력이 기 설정된 운전 상한 압력이 될 때까지 상기 수소공급밸브를 개방하여 상기 수소극으로 수소를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 2,
The controller is,
When a separation history of the hydrogen supply pipe is detected in one or more of the divided zones, the hydrogen supply valve is opened until the pressure of the hydrogen electrode of the fuel cell stack reaches the preset upper operating limit pressure, and hydrogen is supplied to the hydrogen electrode. A fuel cell system characterized in that it supplies.
상기 제어기는,
상기 수소극의 압력이 상기 운전 상한 압력 이상이 되면, 상기 수소공급밸브를 차단하고, 상기 퍼지밸브를 개방하여 수소 퍼지를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 12,
The controller is,
When the pressure of the hydrogen electrode exceeds the upper operating limit pressure, the hydrogen supply valve is blocked and the purge valve is opened to perform hydrogen purge.
상기 제어기는,
상기 수소공급배관의 분리 이력이 탐지된 구역의 수소공급밸브의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 확인하고, 상기 플러싱 부피에 기초하여 상기 수소극의 수소 농도를 계산하여, 상기 계산된 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과할 때까지 상기 수소공급밸브 및 상기 퍼지밸브를 반복적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 13,
The controller is,
Check the flushing volume in response to the volume of the hydrogen supply valve in the area where the separation history of the hydrogen supply pipe was detected, calculate the hydrogen concentration of the hydrogen electrode based on the flushing volume, and calculate the hydrogen concentration of the hydrogen electrode. A fuel cell system characterized in that the hydrogen supply valve and the purge valve are repeatedly controlled until the concentration exceeds the standard concentration.
상기 제어기는,
상기 계산된 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과하면, 상기 수소극의 플러싱을 종료하고, 상기 연료전지 스택을 시동 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 14,
The controller is,
A fuel cell system, wherein when the calculated hydrogen concentration of the hydrogen electrode exceeds the reference concentration, flushing of the hydrogen electrode is terminated and the fuel cell stack is started.
상기 수소탱크는,
교환형 수소탱크인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 1,
The hydrogen tank is,
A fuel cell system characterized by an exchangeable hydrogen tank.
상기 연료전지 스택은,
공기극의 배출 유로가 차단된 상태로 구동하는 데드 엔드 방식인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 1,
The fuel cell stack is,
A fuel cell system characterized by a dead end type that operates with the discharge passage of the air electrode blocked.
상기 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 수소탱크 및 상기 연료전지 스택을 연결하는 수소공급라인 상의 수소 공급을 조절하는 수소공급밸브와, 상기 연료전지 스택의 수소극의 수소를 배출하는 퍼지밸브를 제어하여 상기 연료전지 스택의 수소극의 플러싱을 수행하는 단계;
를 포함하는 연료전지 시스템의 플러싱 제어 방법.Detecting the separation history of the hydrogen supply pipe before starting the fuel cell stack; and
When a history of separation of the hydrogen supply pipe is detected, a hydrogen supply valve that regulates the hydrogen supply on the hydrogen supply line connecting the hydrogen tank and the fuel cell stack and a purge valve that discharges hydrogen from the hydrogen electrode of the fuel cell stack are installed. Controlling and flushing the hydrogen electrode of the fuel cell stack;
A flushing control method for a fuel cell system including.
상기 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 단계는,
상기 수소탱크 및 상기 연료전지 스택을 연결하는 수소공급라인을 복수 개의 구역으로 분할하고, 상기 분할된 각 구역별로 수소공급배관의 분리 이력을 탐지하는 단계; 및
상기 분할된 각 구역 중 하나 이상에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 해당 구역의 수소공급배관의 부피에 대응하여 플러싱 부피를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 플러싱 제어 방법.In claim 18,
The step of detecting the separation history of the hydrogen supply pipe is,
Dividing the hydrogen supply line connecting the hydrogen tank and the fuel cell stack into a plurality of zones, and detecting a separation history of the hydrogen supply pipe for each divided zone; and
A flushing control method for a fuel cell system, comprising the step of setting a flushing volume corresponding to the volume of the hydrogen supply pipe in the corresponding zone when a separation history of the hydrogen supply pipe is detected in one or more of the divided zones. .
상기 연료전지 스택의 수소극의 플러싱을 수행하는 단계는,
상기 분할된 각 구역 중 하나 이상에서 수소공급배관의 분리 이력이 탐지되면, 상기 연료전지 스택의 수소극의 압력이 기 설정된 운전 상한 압력이 될 때까지 상기 수소공급밸브를 개방하여 상기 수소극으로 수소를 공급하는 단계;
상기 수소극의 압력이 상기 운전 상한 압력 이상이 되면, 상기 수소공급밸브를 차단하고, 상기 퍼지밸브를 개방하여 수소 퍼지를 수행하는 단계;
상기 플러싱 부피에 기초하여 상기 수소극의 수소 농도를 계산하는 단계;
상기 계산된 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과할 때까지 상기 수소공급밸브 및 상기 퍼지밸브를 반복적으로 제어하는 단계; 및
상기 계산된 수소극의 수소 농도가 기준 농도를 초과하면, 상기 수소극의 플러싱을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 플러싱 제어 방법.In claim 19,
The step of flushing the hydrogen electrode of the fuel cell stack includes:
When a separation history of the hydrogen supply pipe is detected in one or more of the divided zones, the hydrogen supply valve is opened until the pressure of the hydrogen electrode of the fuel cell stack reaches the preset upper operating limit pressure, and hydrogen is supplied to the hydrogen electrode. supplying;
When the pressure of the hydrogen electrode exceeds the upper operating limit pressure, blocking the hydrogen supply valve and opening the purge valve to perform hydrogen purge;
calculating the hydrogen concentration of the hydrogen electrode based on the flushing volume;
Repeatedly controlling the hydrogen supply valve and the purge valve until the calculated hydrogen concentration of the hydrogen electrode exceeds the reference concentration; and
A flushing control method for a fuel cell system, comprising: terminating flushing of the hydrogen electrode when the calculated hydrogen concentration of the hydrogen electrode exceeds the reference concentration.
상기 수소극의 플러싱이 종료되면, 상기 연료전지 스택을 시동 시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 플러싱 제어 방법.In claim 20,
A method for controlling flushing of a fuel cell system, further comprising starting the fuel cell stack when flushing of the hydrogen electrode is completed.
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