KR20240043517A - 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

수소공급라인에 마련된 이젝터, 이젝터 전단의 수소공급라인에 마련되어 수소탱크로부터 유입되는 수소의 압력을 측정하는 수소압력센서, 수소압력센서 전단의 수소공급라인에 마련되어 수소탱크로부터 연료전지스택의 애노드로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 공급밸브, 수소배출라인에 마련된 배출밸브 및 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하고, 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브를 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법 {SYSTEM AND METHOD FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하고, 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브의 피드백 제어를 수행할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근 내연기관 차량의 환경적인 이슈로 인하여 전기자동차 등 친환경 차량의 보급이 확대되고 있으며, 일반적으로 전기자동차(Electronic Vehicle, EV)는 전기 에너지에 의해 구동되는 모터의 구동력을 이용하여 주행하는 자동차를 가리킨다.
이러한 전기자동차에는 기존의 내연기관과 함께 차량용 고전압 배터리에 충전된 전기 에너지를 사용하여 모터에 구동력을 제공하는 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지를 통해 생성된 전기 에너지를 사용하여 모터에 구동력을 제공하는 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등이 있다.
특히 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치를 의미한다.
연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지스택, 연료전지스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지스택의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 연료전지스택의 애노드(Anode, 연료극)로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기압축기를 작동시켜 흡입한 외부공기를 연료전지스택의 캐소드(Cathode, 공기극)로 공급한다.
연료전지스택의 애노드에 수소가 공급되면 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소 이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소 이온과 전자, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물이 생성되며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기 에너지가 생산된다.
이러한 연료전지에 있어서, 반응 기체(공기 중의 산소와 수소)의 공급량은 연료전지 차량의 요구출력 기타 운전 환경에 따라 정밀하게 조절되는 것이 바람직하다. 따라서 일반적으로 연료전지 시스템은 반응 기체의 압력을 측정하기 위한 압력 센서들(수소압력센서와 공기압력센서 등)을 구비한다.
특히, 연료전지 시스템은 연료전지스택의 애노드로 공급되는 수소의 목표 압력(수소의 목표 압력은 차량의 요구출력에 따라 설정된다.)을 추종하기 위해 수소압력센서의 측정값에 기반하여 수소탱크로부터 연료전지스택의 애노드로 수소를 공급하는 공급밸브의 피드백 제어를 수행한다.
그러나 수소압력센서는 그 특성상 옵셋(Off-set) 발생이 불가피하여 이에 따라 수소의 압력 측정값에 오차가 발생할 수 있고, 장기간 사용시 수소압력센서 자체에 고장이 발생할 수도 있다. 이에 따라, 연료전지스택의 애노드 내부 수소의 과다 또는 부족 현상이 발생하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 종래의 연료전지 시스템은 2개의 수소압력센서를 구비하여 각 센서 측정값의 평균을 기준으로 공급밸브의 피드백 제어를 수행하고, 각 센서의 측정값 차이가 소정의 기준값을 초과하는 경우 센서의 고장을 판단하며, 배출밸브를 개방한 상태에서 대기압에 기반한 수소압력센서의 옵셋 보정을 수행하는 기술이 제안된 바 있다.
그러나 이러한 종래기술은 각 수소압력센서의 측정값이 모두 실제 압력보다 낮거나 높게 측정되는 경우, 동일한 방향의 센서 옵셋이 발생하여 압력센서의 고장 상황 판단이 불가능한 한계가 있다.
더욱이, 각 수소압력센서가 동시에 고장이 발생하거나 과도한 옵셋이 동시에 발생하는 경우 연료전지 시스템의 시동 및 운전 자체가 불가능하게 되는 문제가 있다.
따라서 위와 같이 복수의 수소압력센서에서 동시에 문제가 발생하는 상황에서도 수소의 압력을 추정할 수 있는 기술의 제공이 시급한 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2018-0121212 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하고 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브의 피드백 제어를 수행함으로써, 복수의 수소압력센서에서 동시에 문제가 발생하더라도 수소의 압력을 추정할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 수소공급라인에 마련된 이젝터, 이젝터 전단의 수소공급라인에 마련되어 수소탱크로부터 유입되는 수소의 압력을 측정하는 수소압력센서, 수소압력센서 전단의 수소공급라인에 마련되어 수소탱크로부터 연료전지스택의 애노드로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 공급밸브, 수소배출라인에 마련된 배출밸브 및 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하고, 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브를 제어하는 제어기를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 수소압력센서에서 측정된 수소의 압력을 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 초기 압력으로 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력과 수소의 목표 배출 유량을 산출하고, 수소의 목표 공급 압력에 기반하여 공급밸브를 제어하며, 수소의 목표 배출 유량에 기반하여 배출밸브를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 연료전지스택의 요구전류에 기반하여 수소의 목표 공급 유량을 도출하고, 수소의 목표 공급 유량 및 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 수소의 압력 추정값에 기반하여 애노드 내부의 수소 농도 추정값을 도출하고, 수소 농도 추정값에 기반하여 수소의 목표 배출 유량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하고, 도출된 기체의 유량 변화량에 기반하여 애노드 내부의 압력 변화량을 산출하며, 산출된 압력 변화량에 기반하여 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 공급밸브가 개방되고 배출밸브가 차단된 상태에서 애노드 내부 수소의 소모량 및 애노드 내부로 공급되는 수소의 공급량을 산출하고, 산출된 수소의 소모량 및 공급량에 기반하여 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 공급밸브가 개방되고 배출밸브가 차단된 상태에서 연료전지스택의 출력전류에 기반하여 애노드 내부 수소의 소모량을 산출하고, 수소의 압력 추정값 및 공급밸브가 개방되고 배출밸브가 차단된 상태에서 수소압력센서에서 측정된 수소의 압력에 기반하여 애노드 내부로 공급되는 수소의 공급량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 공급밸브가 차단되고 배출밸브가 개방된 상태에서 애노드 내부 수소의 소모량 및 배출밸브를 통해 배출되는 기체의 배출량을 산출하고, 산출된 수소의 소모량 및 기체의 배출량에 기반하여 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 공급밸브가 차단되고 배출밸브가 개방된 상태에서 연료전지스택의 출력전류에 기반하여 애노드 내부 수소의 소모량을 산출하고, 수소의 압력 추정값 및 공급밸브가 차단되고 배출밸브가 개방된 상태에서 배출밸브의 입구부와 출구부의 압력 차이에 기반하여 배출밸브를 통해 배출되는 기체의 배출량을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기는 공급밸브와 배출밸브가 모두 차단된 상태에서 연료전지스택의 출력전류에 기반하여 애노드 내부 수소의 소모량을 산출하고, 산출된 수소의 소모량에 기반하여 애노드 내부 기체의 유체 변화량을 도출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 제어기에서 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 단계 및 제어기에서 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 단계는, 제어기에서 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 단계, 제어기에서 도출된 기체의 유량 변화량에 기반하여 애노드 내부의 압력 변화량을 산출하는 단계 및 제어기에서 산출된 압력 변화량에 기반하여 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 단계는, 제어기에서 애노드 내부 수소의 소모량을 산출하는 단계, 공급밸브 또는 배출밸브 중 어느 하나가 개방된 상태인 경우 제어기에서 애노드 내부로 공급되는 수소의 공급량을 산출하거나, 배출밸브를 통해 배출되는 기체의 배출량을 산출하는 단계 및 제어기에서 산출된 수소의 소모량, 공급량 및 기체의 배출량에 기반하여 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 공급밸브와 배출밸브를 제어하는 단계는, 제어기에서 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력과 수소의 목표 배출 유량을 산출하는 단계, 제어기에서 수소의 목표 공급 압력에 기반하여 공급밸브를 제어하는 단계 및 제어기에서 수소의 목표 배출 유량에 기반하여 배출밸브를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정함으로써, 복수의 수소압력센서에서 동시에 문제가 발생하더라도 수소의 압력을 추정할 수 있다.
둘째, 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브의 피드백 제어를 수행함으로써, 연료전지스택의 애노드 내부 수소의 과다 또는 부족 현상을 방지할 수 있다.
셋째, 상기 애노드 내부 수소의 과다 또는 부족 현상을 방지함으로써, 연료전지스택의 내구성 및 차량의 연비를 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 순서도.
도 3은 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 것을 설명하기 위한 도면.
도 4는 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 듀티 펄스를 가변 제어하는 것을 나타낸 도면.
도 5는 공급밸브와 배출밸브의 개방 듀티 펄스를 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, 500)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기(500)나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 여러 실시형태에 대한 구성 및 작용원리를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 순서도이며, 도 3은 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 듀티 펄스를 가변 제어하는 것을 나타낸 도면이며, 도 5는 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 개방 듀티 펄스를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 수소공급라인(10)에 마련된 이젝터(100), 이젝터(100) 전단의 수소공급라인(10)에 마련되어 수소탱크(11)로부터 유입되는 수소의 압력을 측정하는 수소압력센서(200), 수소압력센서(200) 전단의 수소공급라인(10)에 마련되어 수소탱크(11)로부터 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 공급밸브(300), 수소배출라인(20)에 마련된 배출밸브(400) 및 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력을 추정하고, 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400)를 제어하는 제어기(500)를 포함한다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 도 1을 참조하여 일반적인 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 우선 살펴보기로 한다.
도 1의 우측에는 연료전지스택(600)에 연료인 수소를 공급하는 연료공급 시스템을 도시하였고, 도 1의 좌측에는 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템을 도시하였으며, 도 1의 중앙부에는 연료전지스택(600)의 온도를 제어하기 위해 냉각수 등을 활용한 열 관리 시스템을 도시하였다.
연료공급 시스템은 수소탱크(11) 내부의 압축수소를 감압하여 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 공급하고, 공기공급 시스템은 공기압축기(31)를 작동시켜 흡입한 외부공기를 연료전지스택(600)의 캐소드(620)로 공급하며, 열 관리 시스템은 냉각장치(52)를 구동하여 냉각라인(50)을 따라 냉각수를 순환시킴으로써 연료전지스택(600)이 전기화학반응에 따라 과열되는 것을 방지한다.
구체적으로, 연료공급 시스템은 수소탱크(11)로부터 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 수소가 공급되는 수소공급라인(10) 및 미반응 수소를 외부로 배출하는 수소배출라인(20)이 마련된다.
수소공급라인(10)의 전단에는 압축수소가 저장된 수소탱크(11)가 마련되고, 수소공급라인(10)의 후단은 애노드(610)와 연결된다. 수소탱크(11)와 애노드(610) 사이에는 공급밸브(300), 수소압력센서(200) 및 이젝터(100)가 순차적으로 마련된다.
공급밸브(300)는 수소탱크(11)로부터 애노드(610)로 공급되는 수소의 유량을 조절하고, 이젝터(100)는 고압의 수소를 노즐을 이용하여 분사함으로써 압축수소를 감압하는 역할을 수행하며, 수소압력센서(200)는 수소탱크(11)로부터 공급밸브(300)를 거쳐 이젝터(100)로 유입되는 수소의 압력을 측정한다.
수소배출라인(20)의 전단은 애노드(610)와 연결되고 후단은 외부 배기라인과 연결된다. 수소배출라인(20)을 통해 배출되는 유체에는 미반응 수소와 전기화학반응의 부산물인 응축수(물)가 함께 존재한다. 따라서 수소배출라인(20)에는 응축수를 모아서 외부로 배출하는 워터트랩(21)이 마련될 수 있으며, 응축수는 외부로 배출되기 전에 공기가습기(41)로 유입되어 캐소드(620)로 공급되는 공기의 가습에 활용될 수 있다. 그리고 워터트랩(21)과 공기가습기(41) 사이에는 미반응 수소와 물을 외부로 배출하는 배출밸브(400)가 마련될 수 있다.
한편, 일반적인 연료전지 시스템은 수소탱크(11)로부터 공급밸브(300)를 거쳐 이젝터(100)로 유입되는 수소의 압력을 측정하는 센서(도 1에 도시된 본 발명에 따른 수소압력센서(200)를 의미한다.)와 함께, 이젝터(100)를 거쳐 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력을 측정하는 센서(이하, '수소저압센서'라 한다.)를 구비하도록 마련될 수 있다. 즉, 수소저압센서는 도 1의 A 지점에 설치되는 것으로서, 수소저압센서에서 측정된 수소의 압력에 기반하여 애노드(610) 내부의 수소 압력을 추정함이 일반적이다.
이때, 수소저압센서의 옵셋 또는 고장 발생에 따른 오차를 최소화하기 위해, 종래의 연료전지 시스템은 복수의 수소저압센서를 구비하여 각 센서의 측정값 평균에 기반하여 공급밸브(300)의 피드백 제어를 수행한 바 있다.
그러나 앞서 배경기술에서 살펴본 바와 같이, 복수의 수소저압센서에서 동시에 문제가 발생하는 경우(예를 들어, 각 수소저압센서의 측정값이 모두 실제 압력보다 낮거나 높게 측정되어 동일한 방향의 센서 옵셋이 발생하는 경우), 애노드(610) 내부의 수소 압력을 정밀하게 추정할 수 없게 된다.
이에, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 수소탱크(11)로부터 공급밸브(300)를 거쳐 이젝터(100)로 유입되는 수소의 압력 측정값에 기반하여 이젝터(100)를 거쳐 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력(도 1에서 A 지점의 압력을 의미한다.)을 추정하고자 한다. 그리고 이젝터(100)를 거쳐 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력에 기반하여 최종적으로는 애노드(610) 내부의 수소 압력을 추정할 수 있게 된다.
이에 따라, 복수의 수소저압센서에서 동시에 문제가 발생하거나, 수소저압센서 자체가 없는 경우(연료전지 시스템이 도 1에 도시된 바와 같이 구성되는 경우)에도 애노드(610) 내부의 수소 압력을 추정할 수 있는 효과가 있다.
참고로, 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력은, 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 달리 추정될 수 있다. 이와 관련한 구체적인 작용원리는 후술하기로 한다.
다음으로, 공기공급 시스템은 외부로부터 연료전지스택(600)의 캐노드로 공기가 공급되는 공기공급라인(30) 및 반응 후 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인(40)이 마련된다. 도 1에서는 생략하였으나, 공기공급 시스템에도 공기의 압력을 측정하는 복수의 센서가 구비될 수 있음은 본 발명의 기술분야에 있어서 자명하다.
공기공급라인(30)의 전단에는 외기를 흡입하는 공기압축기(31)가 마련되고, 공기공급라인(30)의 후단은 캐소드(620)와 연결된다. 연료전지에서 수분(물)은 수소 이온의 전달 매개체 역할을 한다. 따라서 공기압축기(31)를 통과한 공기는 캐소드(620)로 유입되기 전 공기가습기(41)에 의해 적절히 가습될 수 있다.
참고로, 공기가습기(41)는 공기공급라인(30)과 공기배출라인(40)에 동시에 마련될 수 있다. 공기가습기(41)는 일반적으로 내부에 수분이 투과될 수 있는 별도의 막이 형성된다. 이러한 막을 기준으로 하여 그 내부는 루멘 사이드(Lumen side), 외부는 쉘 사이드(Shell side)라고 한다.
공기공급라인(30) 상에서 공기가습기(41)로 유입되는 공기는 루멘 사이드를 통과하고, 공기배출라인(40) 상에서 공기가습기(41)로 재유입되는 공기는 쉘 사이드로 유입된다. 공기배출라인(40) 상에서 공기가습기(41)로 재유입되는 공기에는 전기화학반응에 따라 발생한 소량의 수분이 포함되어 있으므로, 이러한 수분이 쉘 사이드에서 루멘 사이드로 투과되면서 공기를 가습하게 된다.
계속하여, 열 관리 시스템은 냉각수가 순환되는 냉각라인(50), 냉각라인(50)에 마련되어 냉각수의 유동을 발생시키는 냉각장치(52) 및 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도 센서(51)가 구비될 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 연료전지스택(600)과 고전압 라인(미도시)으로 연결되어 연료전지로부터 전원을 공급받아 차량의 부하(미도시)에 전원을 공급하는 고전압 정션박스(미도시)가 마련될 수 있다. 고전압 라인(미도시)에는 연료전지스택(600)에서 생성된 전류의 세기를 측정하는 전류 센서(미도시)가 마련될 수 있다. 여기서 차량의 부하란, 차량의 모터, 히터, 에어컨 및 냉각팬 등 전원의 공급을 필요로 하는 기타 고전압 보기류를 포함하는 것으로 이해함이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(500)는, 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400)를 제어할 수 있다. 이때, 공급밸브(300)와 배출밸브(400)는 상술한 수소압력센서(200), 냉각수 온도 센서(51) 및 전류 센서(미도시)에서 측정된 측정값들에 기반하여 도출되는 특정 조건들에 따라 제어될 수 있다. 여기서 특정 조건들에 대해서는 후술하기로 한다.
결과적으로, 본 발명의 제어기(500)는 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400)를 제어하되, 수소의 압력 추정값을 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 달리 추정함으로써, 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 피드백 제어를 수행하고자 한다.
이에 따라, 애노드(610) 내부에 수소의 과다 또는 부족 현상을 방지할 수 있으며, 궁극적으로 연료전지스택(600)의 내구성 및 차량의 연비가 향상되는 효과가 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 피드백 제어를 수행하는 원리에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(500)는 수소압력센서(200)에서 측정된 수소의 압력을 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 초기 압력으로 추정할 수 있다. 이는 도 2에 도시된 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에서, 'S300'으로 표현되어 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제어기(500)는 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400)를 제어하되, 수소의 압력 추정값을 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 달리 추정함으로써, 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 피드백 제어를 수행한다.
이때, 수소의 압력 추정값은 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 제어를 수행하기 이전에는 추정할 수 없다. 따라서 수소의 초기 압력 추정값(PE,0)은 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 달리 추정하는 대신, 수소압력센서(200)에서 측정된 수소의 압력을 수소의 초기 압력으로 추정하여 사용하는 것이다.
본 발명의 제어기(500)는 이와 같이 추정된 수소의 초기 압력(PE,0)에 기반하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400)를 제어하고, 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 수소의 압력 추정값(PE,n=1,2,3…)을 달리 추정함으로써, 초기 제어(n=0) 이후의 제어과정(n=1,2,3…)에 있어서 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 피드백 제어를 수행할 수 있게 되는 것이다.
이하, 본 발명에 있어서 '수소의 압력 추정값에 기반한 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 제어과정' 및 '공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 수소의 압력 추정값을 달리 추정하는 과정'에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
우선, '수소의 압력 추정값에 기반한 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 제어과정'에 대해 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(500)는 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력과 수소의 목표 배출 유량을 산출하고, 수소의 목표 공급 압력에 기반하여 공급밸브(300)를 제어하며, 수소의 목표 배출 유량에 기반하여 배출밸브(400)를 제어할 수 있다.
즉, 본 발명의 제어기(500)는 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력을 산출하고, 산출된 수소의 목표 공급 압력에 기반하여 공급밸브(300)를 제어할 수 있으며(도 2에서 S210 및 S230으로 표현함), 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 배출 유량을 산출하고, 산출된 수소의 목표 배출 유량에 기반하여 배출밸브(400)를 제어할 수 있다(도 2에서 S220 및 S240으로 표현함).
이때, 수소의 목표 공급 압력은 수소의 압력 추정값 및 수소의 목표 공급 유량에 기반하여 산출될 수 있다(도 2에서 S212로 표현함). 여기서 수소의 목표 공급 유량은 연료전지스택(600)의 요구전류에 기반하여 도출될 수 있다(도 2에서 S211로 표현함).
연료전지스택(600)의 요구전류는 차량의 요구출력에 따라 결정되는 값으로서, 캐소드(620)로 공급되는 공기의 목표 유량과 냉각수 온도 센서(51)의 측정값에 기반하여 미리 마련된 데이터맵에 근거하여 결정될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(500)는 연료전지스택(600)의 요구전류에 기반하여 수소의 목표 공급 유량을 도출하고, 수소의 목표 공급 유량 및 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력을 산출할 수 있다.
그리고 본 발명의 제어기(500)는 이와 같이 산출된 수소의 목표 공급 압력을 추종하도록 공급밸브(300)의 개방 또는 차단을 제어한다. 이때, 공급밸브(300)의 개방 또는 차단 제어는 도 5에 도시된 바와 같이 일정한 듀티 펄스 제어를 활용할 수 있으며, 이와 관련한 구체적인 제어방법 내지 작용원리에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(500)는 수소의 압력 추정값에 기반하여 애노드(610) 내부의 수소 농도 추정값을 도출하고, 수소 농도 추정값에 기반하여 수소의 목표 배출 유량을 산출할 수 있다(도 2에서 S221 및 S222로 표현함).
즉, 수소의 목표 배출 유량은 수소의 압력 추정값에 기반하여 도출된 수소 농도 추정값에 기반하여 산출될 수 있다. 여기서 수소 농도 추정값은, 연료전지스택(600)의 애노드(610) 내부 기체의 확산량과 수소의 압력 추정값에 기반하여 추정할 수 있다. 참고로, 기체의 확산량이란, 픽의 확산법칙(Fick's law)에 기반하여 계산된 수소와 질소의 크로스 오버(Cross-Over)에 따른 몰수를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제어기(500)는 기체의 확산에 따른 수소의 압력 추정값의 변화량을 계산한다. 즉, 캐소드(620)의 질소가 애노드(610)로 확산되는 몰수 및 애노의 수소가 캐소드(620)로 확산되는 몰수를 각각 계산하고, 이상기체 상태 방정식(Ideal Gas Equation)에 적용하여 수소의 압력 추정값 변화량을 계산한다. 계산된 수소의 압력 추정값 변화량은 각 기체가 퍼지를 통해 배출되는 단위시간당 유량 계산에 활용된다.
애노드(610)의 수소 농도 추정에 관한 보다 구체적인 방법 내지 작용원리는 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
결국, 본 발명의 제어기(500)는 이와 같이 산출된 수소의 목표 배출 유량을 추종하도록 배출밸브(400)의 개방 또는 차단을 제어한다. 앞서 공급밸브(300)의 경우와 마찬가지로, 배출밸브(400)의 개방 또는 차단 제어는 도 5에 도시된 바와 같이 일정한 듀티 펄스 제어를 활용할 수 있으며, 이와 관련한 구체적인 제어방법 내지 작용원리에 대해서는 후술하기로 한다.
다음으로, '공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 수소의 압력 추정값을 달리 추정하는 과정'에 대해 살펴보기로 한다.
이에 대한 설명에 앞서, 도 3 내지 도 5를 참조하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 듀티 펄스를 가변 제어시, 수소압력센서(200)에서 측정된 수소의 압력과 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력이 변화되는 경향을 살펴보기로 한다.
도 3은 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 듀티 펄스를 가변 제어하는 것을 나타낸 도면이며, 도 5는 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 개방 듀티 펄스를 설명하기 위한 도면이다.
우선, 도 5에서 'G 구간'은 공급밸브(300) 또는 배출밸브(400)의 개방시를 나타내며, 'H 구간'은 공급밸브(300) 또는 배출밸브(400)의 차단시를 나타낸다. 그리고 도 3에서 B, C, D, E, F 구간은 각각 도 4에서 b, c, d, e, f 구간에 대응하는 것으로 이해함이 바람직하다.
또한, 도 3 및 도 4에서 각 구간은 독립적인 것으로 이해되어야 한다. 즉, 각 구간은 서로 연속적인 관계에 있는 것이 아니며, 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 수소압력센서(200)에서 측정된 수소의 압력과 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력이 변화되는 경향을 설명하기 위해 임의로 구분한 구간에 불과하다.
먼저, 도 3의 B 구간 및 도 4의 b 구간을 살펴본다. 도 4의 b 구간에서는 공급밸브(300)의 개방 듀티 펄스만이 제어되고, 배출밸브(400)는 항시 차단 상태로 제어된다. 이때, 도 4의 b 구간에 대응하는 도 3의 B 구간에서는 공급밸브(300)의 개방 상태에 따라 수소압력센서(200)에서 측정된 수소의 압력(Hydrogen Pressure measured by Sensor)이 수소의 목표 공급 압력(Target supply pressure of Hydrogen)을 추종하도록 제어되고, 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력(Hydrogen Pressure(Estimated))이 애노드(610) 내부 수소의 실제 압력(Hydrogen Pressure(Actual))을 추종하도록 제어됨을 알 수 있다. 참고로, 위와 같이 제어되는 도 3의 B 구간 및 도 4의 b 구간의 경향은, 도 3의 F 구간 및 도 4의 f 구간의 경우에도 동일하다.
다음으로, 도 3의 C 구간 및 도 4의 c 구간을 살펴본다. 도 4의 c 구간에서는 배출밸브(400)의 개방 듀티 펄스만이 제어되고, 공급밸브(300)는 항시 차단 상태로 제어된다. 이때, 도 4의 c 구간에 대응하는 도 3의 C 구간에서는 배출밸브(400)의 개방 상태에 따라 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력(Hydrogen Pressure(Estimated))이 애노드(610) 내부 수소의 실제 압력(Hydrogen Pressure(Actual))을 추종하도록 제어됨을 알 수 있다. 이때, 공급밸브(300)는 항시 차단 상태이므로, 수소압력센서(200)에서 측정된 수소의 압력(Hydrogen Pressure measured by Sensor)은 공급되는 수소의 유량이 감소함에 따라 선형적으로 변화하게 된다. 참고로, 위와 같이 제어되는 도 3의 C 구간 및 도 4의 c 구간의 경향은, 도 3의 E 구간 및 도 4의 e 구간의 경우에도 동일하다.
도 3의 D 구간 및 도 4의 d 구간에서는 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 개방 듀티 펄스가 동시에 제어된다. 이때, 공급밸브(300)가 개방되면 배출밸브(400)는 반드시 차단 상태로 제어되며, 배출밸브(400)가 개방되면 공급밸브(300)는 반드시 차단 상태로 제어된다. 즉, 공급밸브(300)와 배출밸브(400)가 동시에 개방된 상태로 제어되지는 않는다. 왜냐하면 본 발명의 제어기(500)에 따른 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 제어는 기본적으로 수소의 목표 공급 압력 및 애노드(610) 내부 수소의 실제 압력을 추종하도록 함을 목적으로 하는데, 공급밸브(300)와 배출밸브(400)를 동시에 개방하는 경우 수소의 유입과 동시에 배출되는 수소가 발생하므로 제어의 목적에 반하기 때문이다.
결과적으로, 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 개방 또는 차단 상태에 따라 수소압력센서(200)에서 측정된 수소의 압력(Hydrogen Pressure measured by Sensor)이 수소의 목표 공급 압력(Target supply pressure of Hydrogen)을 추종하도록 제어되므로, 연료전지스택(600)의 애노드(610) 내부 수소의 과다 또는 부족 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력(Hydrogen Pressure(Estimated))이 애노드(610) 내부 수소의 실제 압력(Hydrogen Pressure(Actual))을 추종하도록 제어되므로, 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력을 추정하여 애노드(610) 내부 수소의 실제 압력을 추정할 수 있는 장점이 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(500)는 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량을 도출하고, 도출된 기체의 유량 변화량에 기반하여 애노드(610) 내부의 압력 변화량을 산출하며, 산출된 압력 변화량에 기반하여 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력을 추정할 수 있다.
여기서 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 구체적인 작용원리에 대해서는 후술하기로 한다. 애노드(610) 내부의 압력 변화량은, 도출된 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량을 이상기체 상태 방정식에 적용하여 산출될 수 있으며, 산출된 애노드(610) 내부의 압력 변화량을 이전 제어에서 추정된 수소의 압력 추정값에 보정함으로써 다음 제어에서 사용될 수소의 압력 추정값을 도출할 수 있다.
참고로, 애노드(610) 내부의 압력 변화량을 산출하는 경우, 연료전지스택(600)의 현재 온도 및 애노드(610) 내부의 부피에 관한 정보가 활용되고, 이와 관련한 구체적인 작용원리는 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 앞서 도 3 내지 도 5를 참조하여 살펴본 바와 같이, 본 발명에 있어서 공급밸브(300)와 배출밸브(400)는 어느 하나만 개방된 상태로 제어되거나, 모두 차단된 상태로 제어될 수 있다. 즉, '공급밸브(300)가 개방되고 배출밸브(400)가 차단된 상태', '공급밸브(300)가 차단되고 배출밸브(400)가 개방된 상태' 및 '공급밸브(300)와 배출밸브(400)가 모두 차단된 상태'의 3가지 경우로 구분되며, 각 경우에 있어서 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 과정이 달리 제어된다. 이하, 각 경우에 있어서 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 과정에 대해 구체적으로 살펴본다.
우선, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(500)는 공급밸브(300)가 개방되고 배출밸브(400)가 차단된 상태에서 애노드(610) 내부 수소의 소모량 및 애노드(610) 내부로 공급되는 수소의 공급량을 산출하고, 산출된 수소의 소모량 및 공급량에 기반하여 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량을 도출할 수 있다.
이때, 애노드(610) 내부 수소의 소모량(QU)은, 공급밸브(300)가 개방되고 배출밸브(400)가 차단된 상태에서 연료전지스택(600)의 출력전류에 기반하여 산출될 수 있다.
그리고 애노드(610) 내부로 공급되는 수소의 공급량(QS)은, 공급밸브(300)가 개방되고 배출밸브(400)가 차단된 상태에서 수소압력센서(200)에서 측정된 수소의 압력 및 수소의 압력 추정값에 기반하여 산출될 수 있다.
구체적으로, 애노드(610) 내부로 공급되는 수소의 공급량(QS)은 공급밸브(300)가 개방되고 배출밸브(400)가 차단된 상태에서 수소압력센서(200)에서 측정한 수소의 압력 측정값 및 이전 제어과정에서 추정한 수소의 압력 추정값의 차이에 기반하여 산출되고, 애노드(610) 내부 수소의 소모량(QU)은 이상기체 상태 방정식에 기반하여 산출된다.
그리고 산출된 수소의 공급량(QS) 및 소모량(QU)에 기반하여 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량(QT)을 도출한다. 이때, 공급밸브(300)가 개방되고 배출밸브(400)가 차단된 상태에서는 도 2의 'S113'에 도시된 바와 같이, 'QS - QU - QT = 0'의 관계식이 적용될 수 있다.
상술한 애노드(610) 내부로 공급되는 수소의 공급량(QS), 애노드(610) 내부 수소의 소모량(QU)을 산출하는 구체적인 방법 내지 작용원리는 본 발명의 기술분야에 있어서 자명한 사항인 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
다음으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(500)는 공급밸브(300)가 차단되고 배출밸브(400)가 개방된 상태에서 애노드(610) 내부 수소의 소모량 및 배출밸브(400)를 통해 배출되는 기체의 배출량을 산출하고, 산출된 수소의 소모량 및 기체의 배출량에 기반하여 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량을 도출할 수 있다.
이때, 애노드(610) 내부 수소의 소모량은, 공급밸브(300)가 차단되고 배출밸브(400)가 개방된 상태에서 연료전지스택(600)의 출력전류에 기반하여 산출될 수 있다.
그리고 배출밸브(400)를 통해 배출되는 기체의 배출량은, 공급밸브(300)가 차단되고 배출밸브(400)가 개방된 상태에서 배출밸브(400)의 입구부와 출구부의 압력 차이 및 수소의 압력 추정값에 기반하여 산출될 수 있다.
여기서, 애노드(610) 내부 수소의 소모량(QU)은 앞서 설명한 바와 동일한 방법에 의해 산출되는 바, 이에 대한 반복 설명은 생략한다.
배출밸브(400)를 통해 배출되는 기체의 배출량(QE)은, 수소의 공급량(QS)에서 수소의 소모량(QU) 및 기체의 변화량(QT)을 제외한 값으로 표현될 수 있는데, 본 제어과정에서는 공급밸브(300)가 차단된 상태이므로, 수소의 공급량이 존재하지 않는다.
따라서, 최종적으로 도출되는 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량(QT)은, 도 2의 'S123'에 도시된 바와 같이, 'QU - QT = QE'의 관계식이 적용된다.
계속하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어기(500)는 공급밸브(300)와 배출밸브(400)가 모두 차단된 상태에서 연료전지스택(600)의 출력전류에 기반하여 애노드(610) 내부 수소의 소모량을 산출하고, 산출된 수소의 소모량에 기반하여 애노드(610) 내부 기체의 유체 변화량을 도출할 수 있다.
본 제어과정의 경우에도 마찬가지로, 애노드(610) 내부 수소의 소모량(QU)은 앞서 설명한 바와 동일한 방법에 의해 산출되는 바, 이에 대한 반복 설명은 생략한다.
이 경우, 공급밸브(300)와 배출밸브(400)가 모두 차단되어 수소의 공급량(QS) 및 수소의 소모량(QU)이 모두 존재하지 않으므로, 최종적으로 도출되는 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량(QT)은, 도 2의 'S133'에 도시된 바와 같이, 'QU - QT = 0'의 관계식이 적용된다.
결론적으로, 위와 같이 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 개방 또는 차단 상태마다 애노드(610) 내부 기체의 유량 변화량을 달리 도출하도록 제어됨으로써, 이젝터(100) 후단에서 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력(PE,n=1,2,3…)을 명확히 추정할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은, 제어기에서 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 단계(S100) 및 제어기에서 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브를 제어하는 단계(S200)를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 단계(S100)는, 제어기에서 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 단계(S110, S120, S130), 제어기에서 도출된 기체의 유량 변화량에 기반하여 애노드 내부의 압력 변화량을 산출하는 단계(S140) 및 제어기에서 산출된 압력 변화량에 기반하여 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 단계(S110, S120, S130)는, 제어기에서 애노드 내부 수소의 소모량을 산출하는 단계(S111, S121, S131), 공급밸브 또는 배출밸브 중 어느 하나가 개방된 상태인 경우 제어기에서 애노드 내부로 공급되는 수소의 공급량을 산출하거나, 배출밸브를 통해 배출되는 기체의 배출량을 산출하는 단계(S112, S122) 및 제어기에서 산출된 수소의 소모량, 공급량 및 기체의 배출량에 기반하여 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 단계(S113, S123, S133)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 공급밸브와 배출밸브를 제어하는 단계(S200)는, 제어기에서 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력과 수소의 목표 배출 유량을 산출하는 단계(S210, S220), 제어기에서 수소의 목표 공급 압력에 기반하여 공급밸브를 제어하는 단계(S230) 및 제어기에서 수소의 목표 배출 유량에 기반하여 배출밸브를 제어하는 단계(S240)를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어방법의 각 단계에 있어서, 제어기에 의한 구체적인 제어방법 내지 작용원리는 앞서 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.
따라서 상술한 바와 같이 본 발명의 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 공급밸브(300)와 배출밸브(400) 각각의 개방 또는 차단 상태마다 연료전지스택(600)의 애노드(610)로 유입되는 수소의 압력을 추정함으로써, 복수의 수소저압센서에서 동시에 문제가 발생하더라도 수소의 압력을 추정할 수 있다.
또한, 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브(300)와 배출밸브(400)의 피드백 제어를 수행함으로써, 연료전지스택(600)의 애노드(610) 내부 수소의 과다 또는 부족 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라, 수소의 과다 현상에 의한 연료전지스택(600)의 열화 및 수소의 부족 현상에 의한 차량의 연비 저하를 최소화하여 연료전지스택(600)의 내구성 및 차량의 연비가 향상되는 장점이 있다.
발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 수소공급라인
11 : 수소탱크
20 : 수소배출라인
21 : 워터트랩
30 : 공기공급라인
31 : 공기압축기
40 : 공기배출라인
41 : 공기가습기
50 : 냉각라인
51 : 냉각수 온도 센서
52 : 냉각장치
100 : 이젝터
200 : 수소압력센서
300 : 공급밸브
400 : 배출밸브
500 : 제어기
600 : 연료전지스택
610 : 애노드
620 : 캐소드

Claims (15)

  1. 수소공급라인에 마련된 이젝터;
    이젝터 전단의 수소공급라인에 마련되어 수소탱크로부터 유입되는 수소의 압력을 측정하는 수소압력센서;
    수소압력센서 전단의 수소공급라인에 마련되어 수소탱크로부터 연료전지스택의 애노드로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 공급밸브;
    수소배출라인에 마련된 배출밸브; 및
    공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하고, 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브를 제어하는 제어기;를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 수소압력센서에서 측정된 수소의 압력을 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 초기 압력으로 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력과 수소의 목표 배출 유량을 산출하고, 수소의 목표 공급 압력에 기반하여 공급밸브를 제어하며, 수소의 목표 배출 유량에 기반하여 배출밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제어기는 연료전지스택의 요구전류에 기반하여 수소의 목표 공급 유량을 도출하고, 수소의 목표 공급 유량 및 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    제어기는 수소의 압력 추정값에 기반하여 애노드 내부의 수소 농도 추정값을 도출하고, 수소 농도 추정값에 기반하여 수소의 목표 배출 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제어기는 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하고, 도출된 기체의 유량 변화량에 기반하여 애노드 내부의 압력 변화량을 산출하며, 산출된 압력 변화량에 기반하여 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제어기는 공급밸브가 개방되고 배출밸브가 차단된 상태에서 애노드 내부 수소의 소모량 및 애노드 내부로 공급되는 수소의 공급량을 산출하고, 산출된 수소의 소모량 및 공급량에 기반하여 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제어기는 공급밸브가 개방되고 배출밸브가 차단된 상태에서 연료전지스택의 출력전류에 기반하여 애노드 내부 수소의 소모량을 산출하고, 수소의 압력 추정값 및 공급밸브가 개방되고 배출밸브가 차단된 상태에서 수소압력센서에서 측정된 수소의 압력에 기반하여 애노드 내부로 공급되는 수소의 공급량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 6에 있어서,
    제어기는 공급밸브가 차단되고 배출밸브가 개방된 상태에서 애노드 내부 수소의 소모량 및 배출밸브를 통해 배출되는 기체의 배출량을 산출하고, 산출된 수소의 소모량 및 기체의 배출량에 기반하여 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제어기는 공급밸브가 차단되고 배출밸브가 개방된 상태에서 연료전지스택의 출력전류에 기반하여 애노드 내부 수소의 소모량을 산출하고, 수소의 압력 추정값 및 공급밸브가 차단되고 배출밸브가 개방된 상태에서 배출밸브의 입구부와 출구부의 압력 차이에 기반하여 배출밸브를 통해 배출되는 기체의 배출량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 6에 있어서,
    제어기는 공급밸브와 배출밸브가 모두 차단된 상태에서 연료전지스택의 출력전류에 기반하여 애노드 내부 수소의 소모량을 산출하고, 산출된 수소의 소모량에 기반하여 애노드 내부 기체의 유체 변화량을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 1의 연료전지 시스템의 제어방법으로서,
    제어기에서 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 단계; 및
    제어기에서 수소의 압력 추정값에 기반하여 공급밸브와 배출밸브를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 단계는,
    제어기에서 공급밸브와 배출밸브 각각의 개방 또는 차단 상태마다 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 단계;
    제어기에서 도출된 기체의 유량 변화량에 기반하여 애노드 내부의 압력 변화량을 산출하는 단계; 및
    제어기에서 산출된 압력 변화량에 기반하여 이젝터 후단에서 연료전지스택의 애노드로 유입되는 수소의 압력을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 단계는,
    제어기에서 애노드 내부 수소의 소모량을 산출하는 단계;
    공급밸브 또는 배출밸브 중 어느 하나가 개방된 상태인 경우 제어기에서 애노드 내부로 공급되는 수소의 공급량을 산출하거나, 배출밸브를 통해 배출되는 기체의 배출량을 산출하는 단계; 및
    제어기에서 산출된 수소의 소모량, 공급량 및 기체의 배출량에 기반하여 애노드 내부 기체의 유량 변화량을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    공급밸브와 배출밸브를 제어하는 단계는,
    제어기에서 수소의 압력 추정값에 기반하여 수소의 목표 공급 압력과 수소의 목표 배출 유량을 산출하는 단계;
    제어기에서 수소의 목표 공급 압력에 기반하여 공급밸브를 제어하는 단계; 및
    제어기에서 수소의 목표 배출 유량에 기반하여 배출밸브를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어방법.
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