KR20240017606A - 연료전지 시스템의 제어방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 제어방법 Download PDF

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Abstract

제어기에서 연료전지의 애노드 내부 수소 농도의 감소 운전 모드에서 연료전지의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계, 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계, 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상에 기반하여 연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계 및 제어기에서 연료전지의 성능이 저하된 것으로 판단된 경우 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 시스템의 제어방법 {CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템의 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 연료전지의 출력전류와 출력전압에 기반하여 도출된 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 통해 연료전지의 성능 저하 여부를 판단할 수 있는 연료전지 시스템의 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 수소전기차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등이 있다.
특히 수소전기차에 탑재되는 연료전지는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치를 의미한다.
수소전기차에 적용되는 연료전지 시스템은 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 외부도선을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소 이온과 전자, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물이 생성되며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기 에너지가 생산된다.
한편, 연료전지 시스템은 장기간 사용할 경우 점차 연료전지의 성능이 저하된다. 연료전지의 성능 저하는 크게 '회복 불가능한 성능 저하'와 '회복 가능한 성능 저하'의 2가지로 구분될 수 있다.
회복 불가능한 성능 저하를 일으키는 원인에는 연료전지의 촉매 담지체 부식(Catalyst support corrosion), 촉매 활성의 손실(Loss of catalyst activity) 및 전해질막의 핀홀 현상(Pinhole formation in the cell membrane) 등이 있다.
그리고 회복 가능한 성능 저하를 일으키는 원인으로는 전해질막의 건조 현상(Membrane drying out), 촉매의 산화피막 형성(Catalyst oxide formation) 및 연료전지의 애노드 및 캐소드 측의 물질 축적(Build-up of contaminants on both anode and cathode side of the stack) 등이 있다.
차량에 탑재된 연료전지 시스템은, 차량이 신호대기와 같이 일시적으로 정차하거나 내리막길을 장시간 주행하는 경우 회생제동을 실시하므로, 연료전지의 출력이 낮은 상태로 유지된다. 연료전지의 출력이 낮은 상태에서는, 주행풍 등 외부 환경 변화에 의해 연료전지를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에서 온도 분포의 구배가 증가하는 현상이 발생할 수 있다. 그리고 이러한 현상은 외기 온도가 낮은 동절기에 특히 빈번하게 발생한다.
이와 같이 연료전지를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에서 온도 분포의 구배가 증가하는 경우, 전체 반응면적에서 온도가 높은 구간과 낮은 구간이 존재하게 된다. 그리고 연료전지 내부에서 전기화학반응의 부산물로서 생성된 물은 액체 상태와 기체 상태의 2가지 상태로 존재하므로, 액상의 물은 물의 밀도 차이에 의해 저온부에서 고온부로 이동하고 기상의 물은 고온부에서 저온부로 이동하게 된다(물의 이동 현상, Heat pipe effect).
이러한 물의 이동 현상은 온도 분포의 구배가 클수록 더 심해지며, 이에 따라 전체 반응면적 중 일부는 과도한 물에 의해 반응성이 저하되거나(국부적인 플러딩(Flooding) 현상), 물이 부족하여 전해질막이 건조해짐에 따라(국부적인 드라이아웃(Dry-out) 현상) 과전압 손실이 증가되는 문제가 있다. 이는 회복 가능한 성능 저하 원인에 해당하나, 회복 제어를 제때 실시하지 않으면, 회복 불가능한 성능 저하 원인으로 발전할 수 있다.
그러나 현재 양산되고 있는 연료전지 시스템은, 연료전지의 온도 제어를 위한 열 관리 시스템에서 냉각유로의 입구와 출구 온도만을 측정하여, 연료전지를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에 대한 온도 분포의 구배를 직접적으로는 물론 간접적으로도 확인할 수 없는 한계가 있다.
이에, 연료전지의 과전압 손실이 발생하는 상황을 인지하여 연료전지 내부 셀 전체의 반응면적에 대한 온도 분포 구배가 과도한 상황을 간접적으로 판단함으로써, 연료전지의 성능 회복 제어를 제때에 실시할 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.
US 8450018 B2
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지의 출력전류와 출력전압에 기반하여 도출된 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 통해 연료전지의 과전압 손실이 발생하는 상황을 인지함으로써 연료전지의 성능 저하 여부를 판단하고, 연료전지의 성능이 저하된 것으로 판단된 경우 성능 회복 운전 모드를 자동으로 실시할 수 있는 연료전지 시스템의 제어방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 제어기에서 연료전지의 애노드 내부 수소 농도의 감소 운전 모드에서 연료전지의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계, 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계, 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상에 기반하여 연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계 및 제어기에서 연료전지의 성능이 저하된 것으로 판단된 경우 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서 연료전지의 애노드 내부 수소 농도의 감소 운전 모드는, 반응 후 수소의 재순환량이 증대되는 모드인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서는 제어기에서 미리 마련된 필터링 조건을 만족하는 연료전지의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서 미리 마련된 필터링 조건은, 연료전지의 출력전류에 따른 출력전압 분포가 미리 마련된 기준범위 이내이고, 연료전지의 출력전류가 미리 마련된 기준값을 초과하는 경우인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서는 제어기에서 시간의 변화에 따른 연료전지의 출력전류와 출력전압 데이터를 수집하고, 수집한 데이터의 개수가 미리 마련된 개수에 도달하는 경우 수집한 데이터에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서는 제어기에서 수집한 데이터와 연료전지의 작동시 과전압 손실이 반영된 이론전압 관계식에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 최소자승법에 기반하여 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상을 연료전지의 성능 파라미터로 저장하고, 연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 저장된 연료전지의 성능 파라미터가 미리 마련된 비교값을 초과하는 경우 연료전지의 성능이 저하된 것으로 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서는 제어기에서 시간의 변화에 따른 연료전지의 출력전류와 출력전압 데이터를 수집하고, 수집한 데이터의 개수가 미리 마련된 개수에 도달시 수집한 데이터에 기반하여 주기적으로 I-V 특성 곡선을 도출하며, I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계에서는 주기적으로 도출된 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상을 연료전지의 성능 파라미터로 저장하되, 앞서 저장된 연료전지의 성능 파라미터를 후에 저장된 연료전지의 성능 파라미터로 업데이트할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 저장된 연료전지의 성능 파라미터가 미리 마련된 비교값 이하인 경우 연료전지의 성능 파라미터가 미리 마련된 오차범위를 초과하는지 여부를 더 판단하고, 연료전지의 성능 파라미터가 미리 마련된 오차범위를 초과하는 경우 연료전지의 성능이 저하된 것으로 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계에서 미리 마련된 오차범위는 미리 마련된 초기값을 기준으로 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 연료전지 시스템의 차기 시동시, 미리 마련된 초기값을 연료전지 시스템의 전기 시동시 저장된 연료전지의 성능 파라미터로 대체할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계에서는 제어기에서 미리 마련된 제1 데이터맵에 기반하여 연료전지의 캐소드로 공급되는 공기의 화학양론비를 상승 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계에서는 제어기에서 미리 마련된 제2 데이터맵에 기반하여 연료전지의 캐소드에서 배출되는 공기의 압력이 증대되도록 공기압력밸브의 개도를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계에서는 제어기에서 미리 마련된 제3 데이터맵에 기반하여 연료전지의 냉각라인으로 공급되는 냉각수의 유량이 증대되도록 냉각수 펌프의 회전수를 제어할 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템의 제어방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 연료전지의 출력전류와 출력전압에 기반하여 도출된 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 통해 연료전지의 과전압 손실이 발생하는 상황을 인지함으로써 연료전지의 성능 저하 여부를 판단할 수 있다.
둘째, 연료전지의 성능이 저하된 것으로 판단된 경우 성능 회복 운전 모드를 실시함으로써, 연료전지를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에 대한 온도 분포를 균일하게 제어할 수 있다.
셋째, 연료전지를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에 대한 온도 분포를 균일하게 제어함으로써, 온도 분포 구배에 따른 물의 이동 현상이 가속화되어 회복 불가능한 성능 저하의 원인으로 발전되는 것을 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에서, 연료전지의 애노드 내부 수소 농도의 감소 운전 모드를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에서, I-V 특성 곡선을 설명하기 위한 그래프.
도 4는 연료전지의 성능이 저하됨에 따라, I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값이 변화되는 것을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, I-V 특성 곡선의 기울기를 연료전지의 성능 파라미터로 저장한 경우에 관하여 설명하기 위한 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)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 여러 실시형태에 대한 구성 및 작용원리를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법에서 연료전지(100)의 애노드(110) 내부 수소 농도의 감소 운전 모드를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법에서 I-V 특성 곡선을 설명하기 위한 그래프이고, 도 4는 연료전지(100)의 성능이 저하됨에 따라 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값이 변화되는 것을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 I-V 특성 곡선의 기울기를 연료전지(100)의 성능 파라미터로 저장한 경우에 관하여 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은, 제어기에서 연료전지(100)의 애노드(110) 내부 수소 농도의 감소 운전 모드에서 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200), 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계(S300), 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상에 기반하여 연료전지(100)의 성능 저하 여부를 판단하는 단계(S400) 및 제어기에서 연료전지(100)의 성능이 저하된 것으로 판단된 경우 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계(S500)를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은, 연료전지(100)의 과전압 손실이 발생하는 상황을 인지하여 연료전지(100) 내부 셀 전체의 반응면적에 대한 온도 분포 구배가 과도한 상황을 간접적으로 판단함으로써, 연료전지(100)의 성능 회복 제어를 제때에 실시할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
이를 위해, I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200)에서는 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출한다. 여기서 I-V 특성 곡선이란, 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압의 관계를 나타내는 곡선으로서, I는 연료전지(100)의 출력전류를 의미하고, V는 연료전지(100)의 출력전압을 의미한다.
I-V 특성 곡선은 연료전지(100)의 성능에 따라 기울기 또는 절편값이 변화하므로, 기울기 또는 절편값이 변화하는 경향성을 통해 연료전지(100)의 성능을 판단할 수 있다. 이에, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은, 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계(S300)를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은, 도출된 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상을 기준으로 연료전지(100)의 성능을 판단할 수 있다(S400). 구체적으로, I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 통해 연료전지(100)의 과전압 손실이 발생하는 상황을 인지함으로써 연료전지(100)의 성능 저하 여부를 판단할 수 있다.
과전압 손실은 연료전지(100) 내부의 전기화학반응 과정에서 불가피하게 발생하는 손실을 의미하며, 크게 활성화 손실(Activation loss), 농도 손실(Concentration loss) 및 저항 손실(Ohmic loss)의 3가지로 구분된다. 각 손실에 대해서는 추후 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200)의 작용원리를 구체적으로 살펴보면서 함께 설명하기로 한다.
계속하여 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은, 연료전지(100)의 성능이 저하된 것으로 판단된 경우 성능 회복 운전 모드를 실시할 수 있다(S500).
여기서 성능 회복 운전 모드는, 연료전지(100)를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에 대한 온도 분포가 균일하게 되도록 제어하는 모드를 의미한다. 이에 따라, 온도 분포 구배에 따른 물의 이동 현상이 가속화되어 회복 불가능한 성능 저하의 원인으로 발전되는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다. 참고로, 성능 회복 운전 모드의 구체적인 제어방법에 대해서는 후술하기로 한다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 각 단계가 갖는 차별적 특징을 중심으로 구체적인 제어방법 및 작용원리를 개별적으로 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법에서 연료전지(100)의 애노드(110) 내부 수소 농도의 감소 운전 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200)에서 연료전지(100)의 애노드(110) 내부 수소 농도의 감소 운전 모드는, 반응 후 수소의 재순환량이 증대되는 모드인 것을 특징으로 할 수 있다.
배경기술에서 살펴본 바와 같이, 연료전지(100) 차량에 적용되는 연료전지(100) 시스템은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지(100) 셀들을 적층시킨 연료전지(100)스택, 연료전지(100)스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지(100)스택의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템 등을 포함한다.
도 2의 우측에는 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템을 도시하였고, 도 2의 좌측에는 연료전지(100)의 애노드(110)로 연료인 수소를 공급하는 연료공급 시스템을 도시하였다.
공기공급 시스템은 공기압축기(320)를 통해 흡입한 외부공기를 연료전지(100)의 캐소드(120)로 공급하고, 연료공급 시스템은 수소탱크(미도시) 내부의 압축수소를 감압하여 연료전지(100)의 애노드(110)로 공급한다.
구체적으로, 공기공급 시스템은 외부로부터 연료전지(100)의 캐소드(120)로 공기가 공급되는 공기공급라인(300) 및 반응 후 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인(310)이 마련된다.
공기공급라인(300)의 전단에는 외기를 흡입하는 공기압축기(320)가 마련되고, 공기공급라인(300)의 후단은 캐소드(120)와 연결된다. 공기배출라인(310)에는 제어기에서 공기압축기(320)의 외기 흡입량을 적정 수준으로 제어할 수 있도록 캐소드(120)에서 배출되는 공기의 압력을 조절하는 공기압력밸브(330)가 마련될 수 있다.
다음으로, 연료공급 시스템은 수소탱크(미도시)로부터 연료전지(100)의 애노드(110)로 수소가 공급되는 수소공급라인(200) 및 미반응 수소를 외부로 배출하는 수소배출라인(210)이 마련된다.
수소공급라인(200)의 전단에는 압축수소가 저장된 수소탱크(미도시)가 마련되고, 수소공급라인(200)의 후단은 애노드(110)와 연결된다. 수소탱크(미도시)와 애노드(110) 사이에는 수소공급밸브(240)와 이젝터(230)가 순차적으로 마련될 수 있다. 수소공급밸브(240)는 수소탱크(미도시)로부터 애노드(110)로 공급되는 수소의 유량을 조절하며, 이젝터(230)는 고압의 수소를 노즐을 이용하여 분사함으로써 압축수소를 감압하는 역할을 한다.
수소배출라인(210)의 전단은 애노드(110)와 연결되고, 후단은 수소배출밸브(250)를 통해 외부 배기라인과 연결된다. 수소배출라인(210)을 통해 배출되는 배기가스에는 미반응 수소가 포함되므로, 과도한 수소 가스의 배출을 방지하기 위해 연료전지(100) 차량의 수소 배기 농도는 현재 전 세계적으로 공통된 법규에 따라 제한되고 있다.
현재 전 세계적으로 적용 중인 GTR 법규에 따른 연료전지(100) 시스템에서 배기되는 수소 가스의 허용 농도는 최대 8% 이하이고, 3초 간 측정 평균이 4%를 초과하지 않아야 한다.
따라서 상기 GTR 법규를 준수하기 위해 상용 연료전지(100) 차량에는 수소배출라인(210)을 통해 배출되는 미반응 수소를 수소공급라인(200)으로 재순환시키는 수소재순환라인(220)을 더 포함하여, 과도한 수소 가스의 배출을 방지하고 있다.
즉, 도 2에서 A 방향은 미반응 수소가 수소배출라인(210)으로부터 수소재순환라인(220)으로 유입되어 재순환되는 것을 표현하고 있는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200)에서 연료전지(100)의 애노드(110) 내부 수소 농도의 감소 운전 모드는, 도 2에 도시된 바와 같이 반응 후 수소의 재순환량이 증대되도록 제어되는 상태를 의미한다.
이때, 수소배출밸브(250)는 차단되어 수소가 외부로 배출되지 않으며, 수소의 재순환량 증대에 따라 점차 애노드(110) 내부의 수소 농도가 감소하게 된다. 연료전지(100)의 I-V 특성 곡선은, 이와 같이 애노드(110) 내부의 수소 농도가 감소하는 상태에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값의 변화 양상이 명확히 표현된다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200)에서는 연료전지(100)의 애노드(110) 내부 수소 농도의 감소 운전 모드에서 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출하는 것이다.
그러나 연료전지(100) 차량의 주행시 항상 위와 같은 운전 모드에서 연료전지(100) 시스템을 구동하는 것은 아니므로, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은 기본적으로 연료전지(100) 시스템의 정상 운전 모드를 전제로 할 수 있다.
즉, 연료전지(100) 시스템의 정상 운전 모드 중, 수소 농도 감소 운전 모드가 수행되는 시점에서 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출할 수 있다.
이에, 도 1에서는 연료전지(100) 시스템을 시동하고(S110), 연료전지(100) 시스템의 이상 여부를 점검하며(S120), 연료전지(100) 시스템에 이상이 없는 경우 정상 운전을 수행하는 단계(S130)를 포함하여 도시하고 있다.
여기서 연료전지(100) 시스템의 이상 여부 점검은, 일반적으로 연료전지(100) 차량의 시동시 수행되는 연료전지(100) 시스템의 정상 구동 여부 확인 과정으로 이해될 수 있다. 즉, 운전자가 차량의 시동을 시도하는 경우, FCU(Fuel-cell Control Unit)는 수소탱크(미도시)의 밸브를 개방하고 제어기의 작동을 확인하며 전체적인 시스템의 사용을 위하여 고전압을 승압하고 인가한다. 이때, 연료전지(100)의 절연저항 및 고전압 점검 등 시스템 고장 여부에 관한 진단이 함께 수행될 수 있으며, 시스템의 정상 구동에 아무런 문제가 없는 경우, 연료전지(100) 차량의 시동이 완료된다(S100).
또한, 연료전지(100) 시스템의 이상 여부를 점검하는 경우(S120), 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법에서 제어변수로 사용되는 초기값(K_0)을 선언할 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법에서 I-V 특성 곡선을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200)에서는 제어기에서 미리 마련된 필터링 조건을 만족하는 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출할 수 있다(S210, S220, S230, S240).
이때, '미리 마련된 필터링 조건'은, 연료전지(100)의 출력전류에 따른 출력전압 분포가 미리 마련된 기준범위 이내이고, 연료전지(100)의 출력전류가 미리 마련된 기준값을 초과하는 경우를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
도 3에서 x축은 연료전지(100)의 출력전류를 나타낸 것이고, y축은 연료전지(100)의 출력전압을 나타낸 것이다. 이때, 연료전지(100)의 출력전류가 0에 근접한 구간에서는 출력전압 분포가 과도하게 넓게 형성됨을 알 수 있다. 이와 같이 출력전압 분포가 과도하게 넓게 형성되는 경우, I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값의 변화 양상을 명확히 파악할 수 없게 된다. 그러나 출력전류가 0에 근접한 구간에서는 차량의 요구출력에 따른 목표출력을 추종하기 위해 출력전압이 급격하게 상승할 수 밖에 없다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200)에서는 상기 구간을 회피하기 위해 연료전지(100)의 출력전류에 따른 출력전압 분포가 미리 마련된 기준범위 이내이고, 연료전지(100)의 출력전류는 미리 마련된 기준값을 초과하는 경우를 필터링 조건으로 하는 것이다.
즉, 여기서 '미리 마련된 기준범위'란, 출력전류에 따른 출력전압의 분포가 과도하게 넓지 않은 상태에 해당하는 것으로 볼 수 있는 적정 기준범위를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 그리고 '미리 마련된 기준값'이란 연료전지(100)의 출력전압 분포가 과도하게 넓지 않은 상태에서 출력전류의 최소값을 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은, 이와 같은 필터링 조건을 만족하는 연료전지(100)의 출력전류와 출력전류에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200)에서는 제어기에서 시간의 변화에 따른 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압 데이터를 수집하고(S210), 수집한 데이터의 개수가 미리 마련된 개수에 도달하는 경우 수집한 데이터에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출할 수 있다(S230, S240).
여기서 '미리 마련된 개수'란, 제어조건에 따라 달라질 수 있는 설정값으로서, 제어기에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
연료전지(100)의 I-V 특성 곡선은 출력전류와 출력전압의 관계를 의미하므로, 일정량 이상의 출력전류와 출력전압 데이터가 필요하다. 따라서 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은 시간의 변화에 따라 변동되는 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압 데이터를 수집한다.
수집한 데이터 중 상술한 필터링 조건을 만족하지 않는 데이터는 I-V 특성 곡선의 도출에 활용하지 않고, 제어기에 내장된 메모리(미도시)에 단순 수집 데이터로 저장된다(S221).
수집한 데이터 중 필터링 조건을 만족하는 데이터가 미리 마련된 개수에 도달하면, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은 수집한 데이터에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출한다.
이때 I-V 특성 곡선은, 연료전지(100)의 작동시 과전압 손실이 반영된 이론전압 관계식 및 상기 수집한 데이터에 기반하여 도출될 수 있다.
연료전지(100)의 작동시 과전압 손실이 반영된 이론전압 관계식은 하기 수식 1과 같이 표현된다.
[수식 1]
상기 수식 1에서 ''은 연료전지(100)의 실제 출력전압을 의미하고, ''은 이론적으로 계산된 연료전지(100)의 출력전압(이하, '이론전압'이라 한다.)을 의미하며, ''은 과전압 손실(이하, '손실전압'이라 한다.)을 의미한다.
여기서 손실전압은 활성화 과전압(), 농도 과전압() 및 저항 과전압()의 합으로 표현되며, 각각 앞서 언급한 활성화 손실(Activation loss, ), 농도 손실(Concentration loss, ) 및 저항 손실(Ohmic loss, )에 대응한다.
구체적으로, 활성화 손실()은 촉매의 활성면적 감소에 따라 전극 표면의 반응속도가 느려지는 경우 발생하는 손실을 의미하고, 농도 손실()은 전기화학반응에 따라 전극 표면에서 반응 물질의 농도가 저하시 반응 물질이 충분히 공급되지 않은 경우 발생하는 손실을 의미하며, 저항 손실()은 전해질을 통한 이온의 흐름 또는 전극을 통과하는 전자의 흐름에 대한 직접적인 저항에 의해 발생하는 손실을 의미한다.
이러한 손실전압()은 하기 수식 2와 같이 전류에 관한 관계식으로 표현될 수 있다.
[수식 2]
상기 수식 2에서 ''는 연료전지(100) 관련 기술분야에서 과전압 손실을 나타내는 일반적인 기호에 해당하고, ''는 전극 평형 상태에서의 교환 전류를, ''는 전극 경계면에 관한 상수값을, ''는 순방향 및 역방향 반응 전류의 차이를, ''는 순방향 반응에 대한 확산 전류 제한값을, ''는 전극 간 저항을, ''는 캐소드(120) 측에 국부적으로 작용하는 전류를 의미한다. 그리고 수식 2에는 기체상수(), 절대온도(), 패러데이 상수() 및 전기화학반응 중 전달된 전자의 몰수()가 포함되어 있다.
상기 수식 2는 연료전지(100) 내부의 전기화학반응시 분극현상에 의한 과전압 손실과 전류의 상관관계를 나타낸 것으로서, 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항에 해당하므로 이를 도출하는 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
계속하여, 상기 수식 1에서 이론전압()은 하기 수식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수식 3]
상기 수식 3에서 ''은 표준상태를 기준으로 온도와 압력이 변화하는 경우 도출된 열역학적 표준전압을 의미한다. 이러한 열역학적 표준전압()은 표준상태를 기준으로 압력이 일정한 상태에서 도출된 표준전압()과 온도가 일정한 상태에서 도출된 표준전압()의 합으로 표현될 수 있다.
여기서 표준상태를 기준으로 압력이 일정한 상태에서 도출된 표준전압()은 하기 수식 4와 같이 도출된다.
[수식 4]
연료전지(100) 내부에서 수소와 산소의 자발적인 산화-환원 반응에 의해 발생하는 전기에너지의 최대량은 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)의 변화량으로 표현될 수 있다. 즉, 상기 수식 4는 깁스 자유에너지에 기반하여 도출된 것으로서, 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항에 해당하므로 이를 도출하는 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
계속하여, 표준상태를 기준으로 온도가 일정한 상태에서 도출된 표준전압()은 하기 수식 5와 같이 도출된다.
[수식 5]
연료전지(100) 내부에서 이루어지는 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[애노드(110)에서의 반응] 2H2(g) ↔ 4H+(aq.) + 4e-
[캐소드(120)에서의 반응] O2(g) + 4H+(aq.) + 4e- ↔ 2H2O(l)
[전체반응] 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 전기에너지 + 열에너지
상기 반응식에 나타난 바와 같이 애노드(110)에서는 수소 분자가 분해되어 4개의 수소이온과 4개의 전자가 생성된다. 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류(전기에너지)를 생성하고, 수소이온은 전해질막(130)을 통해 캐소드(120)로 이동하여 환원극 반응을 하게 되며, 전기화학반응의 부산물로서 물과 열이 생성된다.
상기 반응식에서 애노드(110) 또는 캐소드(120)에서의 반응은 네른스트 방정식(Nernst equation)으로 각각 표현될 수 있다. 수식 5에서는 각각 '(애노드(110)에서의 반응)'와 '(캐소드(120)에서의 반응)'로 표현하고 있다. 즉, 상기 수식 5는 네른스트 방정식에 기반하여 도출된 것으로서, 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항에 해당하므로 이를 도출하는 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
결론적으로, 상기 수식 4 및 수식 5를 통해 수식 3을 도출하고, 도출된 수식 3과 수식 2를 수식 1에 대입하여 정리하면, 하기 수식 6과 같이 연료전지(100)의 출력전압과 출력전류에 관한 관계식이 도출된다.
[수식 6]
여기서 ''은 연료전지(100)의 출력전압을 의미하고, ''는 연료전지(100)의 출력전류를 의미한다. 상기 수식 6에 기반하여 x축을 '(전류의 자연로그값)'로 설정하고, y축을 '(전압)'으로 설정하여 그래프로 나타내면 본 발명에서 활용하고자 하는 연료전지(100)의 I-V 특성 곡선이 도출된다.
즉, 이러한 원리에 의해 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서는 제어기에서 수집한 데이터와 연료전지(100)의 작동시 과전압 손실이 반영된 이론전압 관계식에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출하는 것이다.
한편, 도 4는 연료전지(100)의 성능이 저하됨에 따라 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값이 변화되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계(S300)에서는 제어기에서 최소자승법에 기반하여 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출할 수 있다(S310).
상기 수식 6에서 A는 I-V 특성 곡선의 절편값(y축의 절편값을 의미하며, 이하 같다.)을 의미하고, B는 I-V 특성 곡선의 기울기를 의미한다. 그리고 도 4에서는 연료전지(100)의 열화상태에 따라 I-V 특성 곡선을 각각 도시하고 있다.
구체적으로, 도 4의 상단에는 열화가 진행되지 않은 연료전지(100)의 I-V 특성 곡선을 도시하였으며, 도 4의 하단에는 열화가 진행된 연료전지(100)의 I-V 특성 곡선을 도시하고 있다.
여기서 열화가 진행되지 않은 연료전지(100)란 프레시(Fresh) 상태(Beginning of Life, BOL)의 연료전지(100)로서 초기 연료전지(100)를 의미하고, 열화가 진행된 연료전지(100)란 열화에 따라 요구수명(End of Life, EOL)이 경과하여 교체가 필요한 연료전지(100)를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
도 4를 살펴보면, 연료전지(100)의 상태가 BOL에서 EOL로 진행될수록 I-V 특성 곡선의 기울기가 점점 가파르게 변화되며, 특정 전류 지점에서는 기울기 자체가 변경되는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 연료전지(100)의 성능이 저하될수록 I-V 특성 곡선의 기울기가 점점 가파르게 변화된다. 이에 따라, I-V 특성 곡선의 절편값은 점점 더 증가하게 된다.
따라서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 어느 하나를 기준으로 하여 연료전지(100)의 성능을 판단할 수 있게 되는 것이다.
이때, I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값은 최소자승법에 기반하여 도출될 수 있다. 최소자승법이란 특정한 방정식의 파라미터를 구하는 방법으로서, '수집한 각각의 데이터들이 특정한 방정식으로부터 벗어난 정도(이하, 'Residual'라 한다.)'를 제곱하여, 각기 도출된 'Residual의 제곱'들의 총합을 최소화함으로써 파라미터를 구하는 방법을 의미한다.
본 발명에 있어서 I-V 특성 곡선의 기울기 및 절편값은 후술하는 바와 같이 연료전지(100)의 성능 파라미터로 저장될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은 최소자승법이라는 간단한 로직을 활용하여 연료전지(100)의 성능 파라미터를 도출할 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 I-V 특성 곡선의 기울기를 연료전지(100)의 성능 파라미터로 저장한 경우에 관하여 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계(S300)에서는 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상을 연료전지(100)의 성능 파라미터로 저장하고(S320), 연료전지(100)의 성능 저하 여부를 판단하는 단계(S400)에서는 제어기에서 저장된 연료전지(100)의 성능 파라미터가 미리 마련된 비교값을 초과하는 경우 연료전지(100)의 성능이 저하된 것으로 판단할 수 있다(S410).
앞서 최소자승법에 기반하여 도출된 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값은 연료전지(100)의 성능 파라미터로 저장된다. 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은 I-V 특성 곡선의 기울기만을 연료전지(100)의 성능 파라미터로 활용할 수도 있고, I-V 특성 곡선의 절편값만을 연료전지(100)의 성능 파라미터로 활용할 수도 있으며, I-V 특성 곡선의 기울기와 절편값을 동시에 연료전지(100)의 성능 파라미터로 활용할 수도 있을 것이다.
다만, 이하의 본 명세서에서는 본 발명의 이해를 돕기 위해 I-V 특성 곡선의 기울기만을 연료전지(100)의 성능 파라미터로 활용하는 경우를 예시로 하여 설명하기로 한다.
앞서 살펴본 바와 같이, 연료전지(100)의 성능이 저하될수록 I-V 특성 곡선의 기울기가 점점 가파르게 변화되고, I-V 특성 곡선의 절편값은 점점 더 증가한다.
따라서 I-V 특성 곡선의 기울기를 연료전지(100)의 성능 파라미터로 저장한 경우, 기울기의 절대값이 클수록 연료전지(100)의 성능 파라미터가 큰 값으로 도출된다. I-V 특성 곡선의 기울기가 가파를수록 기울기의 절대값이 커지므로, 연료전지(100)의 성능이 저하될수록 연료전지(100)의 성능 파라미터가 큰 값으로 도출된다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 연료전지(100)의 성능 저하 여부를 판단하는 단계(S400)에서 '미리 마련된 비교값'이란, 연료전지(100)의 성능 저하에 따라 회복 제어가 필요한 시점을 판단할 수 있는 최소 기울기를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. (물론, I-V 특성 곡선의 절편값을 연료전지(100)의 성능 파라미터로 저장한 경우에는 연료전지(100)의 성능 저하에 따라 회복 제어가 필요한 시점을 판단할 수 있는 최소 절편값을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.)
보다 구체적으로 도 5를 참조하여 살펴본다. 도 5에서는 미리 마련된 비교값을 '37'으로 설정한 경우 도출된 연료전지(100)의 성능 파라미터를 도시한 것이다.
도 5에서 본 발명에 따른 제어를 적용한 경우 BOL 상태의 연료전지(100)는, 항상 비교값(37)보다 낮은 값의 성능 파라미터가 도출되어 연료전지(100)의 성능이 저하되지 않은 것으로 판단되었다.
반면, 본 발명에 따른 제어를 적용한 경우 EOL 상태의 연료전지(100)는, 첫번째 도출된 성능 파라미터(K_1)에서 연료전지(100)의 성능이 저하된 것으로 판단되어, 후술할 회복 제어(성능 회복 운전 모드)를 실시하였다. 그러나 두번째 도출된 성능 파라미터(K_2)에서도 여전히 연료전지(100)의 성능이 저하된 것으로 판단되었으며, 세번째 도출된 성능 파라미터(K_3)에서는 회복 제어의 실시에 따라 연료전지(100)의 성능이 회복된 것을 알 수 있다.
여기서 연료전지(100)의 성능 파라미터는 n번 이상 무수히 많이 도출될 수 있다. 구체적으로, 앞서 언급한 필터링 조건을 만족하는 데이터의 개수가 미리 마련된 개수에 도달한 경우를 하나의 사이클로 하여, 각 사이클마다 연료전지(100)의 성능 파라미터를 도출할 수 있다.
예를 들어, 100개의 데이터가 수집되면 연료전지(100)의 성능 파라미터를 도출하는 것으로 설정된 경우, 1~100개까지의 데이터에 기반하여 도출된 성능 파라미터는 'K_1'과 같이 저장되며, 101~200개까지의 데이터에 기반하여 도출된 성능 파라미터는 'K_2'와 같이 저장된다.
이때, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은, 앞서 저장된 성능 파라미터를 후에 저장된 성능 파라미터로 업데이트할 수 있다.
예를 들어, 성능 파라미터가 'K_4'까지 저장된 경우 'K_4'는 'K_3'에 해당하는 값으로 업데이트되고, 업데이트된 'K_3' 값을 기준으로 'K_2' 값이 업데이트되며, 최종적으로 'K_1' 값으로 업데이트된다. 결국, 가장 최종적으로 저장된 성능 파라미터가 'K_1'으로 저장된다.
즉, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계(S200)에서는 제어기에서 시간의 변화에 따른 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압 데이터를 수집하고, 수집한 데이터의 개수가 미리 마련된 개수에 도달시 수집한 데이터에 기반하여 주기적으로 I-V 특성 곡선을 도출하며, I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계(S300)에서는 주기적으로 도출된 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상을 연료전지(100)의 성능 파라미터로 저장하되, 앞서 저장된 연료전지(100)의 성능 파라미터를 후에 저장된 연료전지(100)의 성능 파라미터로 업데이트할 수 있다(S330).
이와 같이 성능 파라미터 저장값을 업데이트함으로써, 무수히 많이 도출되는 성능 파라미터에 따라 데이터의 용량에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있으며, 제어 로직을 단순화할 수 있는 장점이 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 연료전지(100)의 성능 저하 여부를 판단하는 단계(S400)에서는 제어기에서 저장된 연료전지(100)의 성능 파라미터가 미리 마련된 비교값 이하인 경우 연료전지(100)의 성능 파라미터가 미리 마련된 오차범위를 초과하는지 여부를 더 판단하고, 연료전지(100)의 성능 파라미터가 미리 마련된 오차범위를 초과하는 경우 연료전지(100)의 성능이 저하된 것으로 판단(S420)할 수 있다.
앞서 본 바와 같이, 연료전지(100)의 성능 파라미터가 미리 마련된 비교값 이하인 경우 연료전지(100)의 성능이 저하되지 않은 것으로 판단된다. 그러나 이는 연료전지(100) 내부에 국부적인 플러딩 현상과 같이 과전압 손실을 과도하게 증가시키는 요인들이 존재하지 않는 것을 의미하는 것에 불과하다. 즉, 연료전지(100)의 장시간 구동시 열화가 진행됨에 따른 성능 저하는 판단할 수 없는 한계가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 연료전지(100)의 성능 저하 여부를 판단하는 단계(S400)에서는 연료전지(100)의 성능 파라미터가 미리 마련된 오차범위를 초과하는지 여부를 더 판단한다.
연료전지(100)의 성능 파라미터가 일정 수준 이상 급격하게 변동되는 경우, 과전압에 의해 연료전지(100)의 성능이 더 크게 감소하는 현상이 발생한 것을 의미한다. 즉, 본 발명에 있어서 미리 마련된 오차범위란, 연료전지(100)의 성능 파라미터가 일정 수준 이상 급격하게 변동되는 경우에 해당하는지 여부를 판단할 수 있는 최소한의 오차범위를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
이때, 미리 마련된 오차범위는 미리 마련된 초기값을 기준으로 설정될 수 있다(S420). 여기서 미리 마련된 초기값은 앞서 연료전지(100) 시스템의 이상 여부를 점검하는 단계(S120)에서 선언된 초기값을 의미한다.
초기값은 제어조건에 따라 달리 설정될 수 있으며, 제어기에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다. 도 5에서는 초기값이 30으로 설정된 경우를 기준으로 하여 도시하였다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 연료전지(100)의 성능 저하 여부를 판단하는 단계(S400)에서는 제어기에서 연료전지(100) 시스템의 차기 시동시, 미리 마련된 초기값을 연료전지(100) 시스템의 전기 시동시 저장된 연료전지(100)의 성능 파라미터로 대체할 수 있다(S430, S440).
즉, 초기값은 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 첫번째 제어를 수행하는 경우에 한해 제어기의 메모리에 저장된 값이 사용된다. 이후에는 연료전지(100) 차량의 주행에 따라 주기적으로 도출되어 저장된 성능 파라미터(K_1)가 존재하는 경우(S430), 'K_1'을 초기값(K_0)으로 대체하여 본 발명에 따른 제어를 수행한다. 참고로, 여기서 K_1은 앞서 살펴본 바와 같이 최종적으로 저장된 성능 파라미터를 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계(S500)에서는 후술할 3가지 방법을 활용하여 연료전지(100)의 성능이 회복되도록 제어할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계(S500)에서는 제어기에서 미리 마련된 제1 데이터맵에 기반하여 연료전지(100)의 캐소드(120)로 공급되는 공기의 화학양론비를 상승 제어할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계(S500)에서는 제어기에서 미리 마련된 제2 데이터맵에 기반하여 연료전지(100)의 캐소드(120)에서 배출되는 공기의 압력이 증대되도록 공기압력밸브(330)의 개도를 제어할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계(S500)에서는 제어기에서 미리 마련된 제3 데이터맵에 기반하여 연료전지(100)의 냉각라인으로 공급되는 냉각수의 유량이 증대되도록 냉각수 펌프의 회전수를 제어할 수 있다.
우선, 화학양론비(Stoichiometric Ratio, SR)는 연료전지(100)의 성능을 판단하는 인자에 해당하는 것으로서, 화학반응에서 반응물과 생성물의 상대적 비율을 의미한다.
앞서 언급한 연료전지(100) 내부에서 이루어지는 전기화학반응식에 따르면, 공기의 화학양론비는 공기 중의 산소 분자 1몰개를 기준으로 발생되는 전류(전기에너지)의 양을 의미한다.
즉, 공기의 공급량 대비 생성되는 전류량이 높을수록 공기의 화학양론비는 크게 도출되며, 공기의 공급량이 동일한 상태에서 생성되는 전류량이 높을수록 연료전지(100)의 성능이 높은 것으로 판단할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법의 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계(S500)에서는 제어기에서 미리 마련된 제1 데이터맵에 기반하여 연료전지(100)의 캐소드(120)로 공급되는 공기의 화학양론비를 상승 제어함으로써, 연료전지(100)의 성능이 회복되도록 하는 것이다.
여기서 미리 마련된 제1 데이터맵은, 공기공급라인(300)을 통해 공급되는 공기의 최소 유량에 관하여 다수의 실험을 통해 도출된 데이터맵으로서, 제어기에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
다음으로, 공기배출라인(310)에 마련된 공기압력밸브(330)의 개도를 조절하는 경우, 공기압축기(320)를 통해 공기공급라인(300)으로 유입되는 공기의 작동 압력을 조절할 수 있다. 즉, 공기압축기(320)의 동일한 RPM에서 공기압력밸브(330)의 개도를 증가시키는 경우 캐소드(120)로 유입되는 공기의 유량을 증가시켜 셀 내부의 응축 수분을 제거하여 국부적인 플러딩 현상을 해소하는데 도움을 주거나 캐소드(120)로 유입되는 공기의 유량은 유지하면서도 공기압축기(320) 구동에 필요한 요구전력이 감소되어 연료전지(100) 시스템의 전체 효율이 상승되는 효과가 있다.
여기서 미리 마련된 제2 데이터맵은, 공기압축기(320)를 통해 공기공급라인(300)으로 유입되는 공기의 작동 압력과 공기압력밸브(330)의 개도량의 상관관계에 관하여 다수의 실험을 통해 도출된 데이터맵으로서, 제어기에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
마지막으로, 냉각수 펌프의 회전수 제어에 대해 살펴본다. 연료전지(100) 내부에서 일어나는 전기화학반응은 발열 반응에 해당하므로, 연료전지(100)의 장시간 구동시 연료전지(100)가 과열될 수 있다. 냉각수 펌프는 냉각수의 순환을 통해 연료전지(100)가 과열되는 것을 방지한다.
한편, 차량에 탑재된 연료전지(100) 시스템은 차량이 신호대기와 같이 일시적으로 정차하거나 내리막길을 장시간 주행하는 경우 회생제동을 실시하므로, 연료전지(100)의 출력이 낮은 상태로 유지된다. 연료전지(100)의 출력이 낮은 상태에서는, 주행풍 등 외부 환경 변화에 의해 연료전지(100)를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에서 온도 분포의 구배가 증가하는 현상이 발생할 수 있다.
이와 같이 연료전지(100)를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에서 온도 분포의 구배가 증가하는 경우, 연료전지(100) 내부에서는 물의 이동 현상에 의해 국부적인 플러딩 또는 드라이아웃 현상이 발생할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지(100) 시스템의 제어방법은, 연료전지(100)의 냉각라인으로 공급되는 냉각수의 유량이 증대되도록 냉각수 펌프의 회전수를 제어함으로써, 연료전지(100)를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에서 온도 분포의 구배를 최소화하고자 한다.
여기서 미리 마련된 제3 데이터맵은, 연료전지(100)의 캐소드(120) 입구부와 출구부 온도 차이에 따른 냉각수 펌프의 회전수에 관하여 다수의 실험을 통해 도출된 데이터맵으로서, 제어기에 내장된 메모리(미도시)에 저장될 수 있다.
따라서 상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지(100) 시스템의 제어방법에 따르면, 연료전지(100)의 출력전류와 출력전압에 기반하여 도출된 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 통해 연료전지(100)의 과전압 손실이 발생하는 상황을 인지함으로써 연료전지(100)의 성능 저하 여부를 판단할 수 있고, 연료전지(100)의 성능이 저하된 것으로 판단된 경우 성능 회복 운전 모드를 실시함으로써, 연료전지(100)를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에 대한 온도 분포를 균일하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 연료전지(100)를 구성하는 각 셀 전체의 반응면적에 대한 온도 분포를 균일하게 제어함으로써, 온도 분포 구배에 따른 물의 이동 현상이 가속화되어 회복 불가능한 성능 저하의 원인으로 발전되는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다.
발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 연료전지
110 : 애노드
120 : 캐소드
130 : 전해질막
140 : 가스확산층
200 : 수소공급라인
210 : 수소배출라인
220 : 수소재순환라인
230 : 이젝터
240 : 수소공급밸브
250 : 수소배출밸브
300 : 공기공급라인
310 : 공기배출라인
320 : 공기압축기
330 : 공기압력밸브

Claims (15)

  1. 제어기에서 연료전지의 애노드 내부 수소 농도의 감소 운전 모드에서 연료전지의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출하는 단계;
    제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계;
    제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상에 기반하여 연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계; 및
    제어기에서 연료전지의 성능이 저하된 것으로 판단된 경우 성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서 연료전지의 애노드 내부 수소 농도의 감소 운전 모드는, 반응 후 수소의 재순환량이 증대되는 모드인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서는 제어기에서 미리 마련된 필터링 조건을 만족하는 연료전지의 출력전류와 출력전압에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서 미리 마련된 필터링 조건은, 연료전지의 출력전류에 따른 출력전압 분포가 미리 마련된 기준범위 이내이고, 연료전지의 출력전류가 미리 마련된 기준값을 초과하는 경우인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서는 제어기에서 시간의 변화에 따른 연료전지의 출력전류와 출력전압 데이터를 수집하고, 수집한 데이터의 개수가 미리 마련된 개수에 도달하는 경우 수집한 데이터에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서는 제어기에서 수집한 데이터와 연료전지의 작동시 과전압 손실이 반영된 이론전압 관계식에 기반하여 I-V 특성 곡선을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 최소자승법에 기반하여 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계에서는 제어기에서 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상을 연료전지의 성능 파라미터로 저장하고,
    연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 저장된 연료전지의 성능 파라미터가 미리 마련된 비교값을 초과하는 경우 연료전지의 성능이 저하된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    I-V 특성 곡선을 도출하는 단계에서는 제어기에서 시간의 변화에 따른 연료전지의 출력전류와 출력전압 데이터를 수집하고, 수집한 데이터의 개수가 미리 마련된 개수에 도달시 수집한 데이터에 기반하여 주기적으로 I-V 특성 곡선을 도출하며,
    I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값을 도출하는 단계에서는 주기적으로 도출된 I-V 특성 곡선의 기울기 또는 절편값 중 적어도 하나 이상을 연료전지의 성능 파라미터로 저장하되, 앞서 저장된 연료전지의 성능 파라미터를 후에 저장된 연료전지의 성능 파라미터로 업데이트하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 저장된 연료전지의 성능 파라미터가 미리 마련된 비교값 이하인 경우 연료전지의 성능 파라미터가 미리 마련된 오차범위를 초과하는지 여부를 더 판단하고, 연료전지의 성능 파라미터가 미리 마련된 오차범위를 초과하는 경우 연료전지의 성능이 저하된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계에서 미리 마련된 오차범위는 미리 마련된 초기값을 기준으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    연료전지의 성능 저하 여부를 판단하는 단계에서는 제어기에서 연료전지 시스템의 차기 시동시, 미리 마련된 초기값을 연료전지 시스템의 전기 시동시 저장된 연료전지의 성능 파라미터로 대체하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계에서는 제어기에서 미리 마련된 제1 데이터맵에 기반하여 연료전지의 캐소드로 공급되는 공기의 화학양론비를 상승 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계에서는 제어기에서 미리 마련된 제2 데이터맵에 기반하여 연료전지의 캐소드에서 배출되는 공기의 압력이 증대되도록 공기압력밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    성능 회복 운전 모드를 실시하는 단계에서는 제어기에서 미리 마련된 제3 데이터맵에 기반하여 연료전지의 냉각라인으로 공급되는 냉각수의 유량이 증대되도록 냉각수 펌프의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
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