KR20240067689A - 연료전지시스템 및 연료전지시스템 제어방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지스택과 연결되어 연료전지스택을 가열하는 COD히터; COD히터의 구동을 제어하는 스위치; 및 연료전지스택의 승온 필요시, 연료전지스택의 필요 열량과 연료전지스택의 발전에 따른 자체 발열량의 차이인 목표 발열량을 구하고, 목표 발열량을 통하여 COD히터를 제어하는 스위치의 턴온(Turn On) 시간을 도출하며, 도출된 턴온 시간에 따라 스위치를 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지시스템이 소개된다.

Description

연료전지시스템 및 연료전지시스템 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM CONTROL METHOD}
본 발명은 연료전지스택의 시동 등에 따른 승온이 필요할 경우, COD히터를 통하여 연료전지스택을 승온시키는 연료전지시스템 승온 제어에 관한 것이다.
연료전지는 외부에서 수소와 공기를 공급받아 연료전지스택 내부에서 전기화학(electrochemistry)반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 연료전지차량(FCEV), 발전용 연료전지 등 다양한 분야에서의 전력원으로 사용될 수 있다.
연료전지시스템은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지스택, 연료전지스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 연료전지스택의 애노드(Anode, 연료극)로 공급하며, 공기공급시스템은 공기압축기를 작동시켜 흡입한 외부공기를 연료전지스택의 캐소드(Cathode, 공기극)로 공급한다.
연료전지스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
연료전지스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.
연료전지 내부에서 이루어지는 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[애노드에서의 반응] 2H2(g) → 4H+(aq.) + 4e-
[캐소드에서의 반응] O2(g) + 4H+(aq.) + 4e- → 2H2O(l)
[전체반응] 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 전기에너지 + 열에너지
상기 반응식에 나타낸 바와 같이 애노드에서는 수소 분자가 분해되어 4개의 수소이온과 4개의 전자가 생성된다. 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류(전기에너지)를 생성하고, 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 되며, 전기화학반응의 부산물로서 물과 열이 생성된다.
한편, 연료전지시스템에서는 연료전지의 시동시 효율 등을 고려하여 적절한 운전온도를 맞추어야 할 필요가 있다. 연료전지시스템은 연료전지스택의 승온을 위해 저항 소자인 COD(Cathode Oxygen Depletion)히터를 활용하여 전기에너지를 열에너지로 전환하여 연료전지스택을 승온시키고 있다. 종래 COD히터는 단순 저항체로써 릴레이 ON/OFF를 통해 COD히터에 인가되는 전류를 제어했으나 이러한 방식의 경우 온오프시 화재 위험 등이 있어, 근래에는 IGBT 타입의 스위치를 이용한 COD히터를 활용하고 있다. IGBT 타입의 스위치를 이용한 COD히터는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통해 전류량을 제어하여 COD히터에 인가되는 전류를 제어하고 있다.
도 2는 COD히터의 PWM 제어에 따른 연료전지스택의 온도변화를 나타낸 그래프로, PWM 방식의 스위치로 COD히터를 제어할 경우 COD히터에 인가되는 전류가 가변주기(ON/OFF주기)에 따라 흔들림이 발생하고, COD히터와 연료전지스택은 동일한 고전압 버스단에 함께 연결되어 있기 때문에 연료전지스택의 출력 전류 또한 떨리게 된다. 연료전지스택 전류 떨림은 연료전지스택 발전 출력의 불안정을 야기하고 내구성에 부정적인 영향을 미친다는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2019-0060593 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따르면 연료전지스택의 전류 떨림을 억제하여 스택 출력의 안정성을 향상할 수 있다. 또한, 연료전지스택 외 공기압축기 등의 내구성에 악영향을 미치는 요인을 제거하여 연료전지시스템이 입는 데미지를 최소화 할 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지스택과 연결되어 연료전지스택을 가열하는 COD히터; COD히터의 구동을 제어하는 스위치; 및 연료전지스택의 승온 필요시, 연료전지스택의 필요 열량과 연료전지스택의 발전에 따른 자체 발열량의 차이인 COD히터의 목표 발열량을 구하고, COD히터의 목표 발열량을 통하여 COD히터를 제어하는 스위치의 턴온(Turn On) 시간을 도출하며, 도출된 턴온 시간에 따라 스위치를 제어하는 제어부;를 포함한다.
스위치의 턴온 시간은 COD히터의 목표 발열량을 COD히터의 최대 발열량으로 나누어 도출될 수 있다.
제어부는 단위시간을 설정하고 COD히터의 목표 발열량을 COD히터의 최대 발열량과 단위시간으로 나누어 스위치의 턴온 시간을 도출될 수 있다.
스위치의 턴온 시간이 경과면 단위시간과 턴온 시간의 차이만큼 스위치를 턴오프(Turn Off)될 수 있다.
단위시간은 COD히터의 통신 및 제어에 필요한 최소시간 이상일 수 있다.
단위시간은 연료전지스택의 발전에 따른 자체 발열량을 고려하지 않았을 때, COD히터만을 이용하여 연료전지스택을 승온시키는데 소요되는 시간 이하일 수 있다.
제어부는 연료전지시스템의 냉각매체의 온도가 일정값 이하이며, 일정 시간 이상 유지되는 경우 연료전지스택의 승온이 필요하다고 판단할 수 있다.
제어부는 연료전지스택의 승온이 진행중이면 냉각매체의 온도가 목적하는 온도 이하인 경우에만 연료전지스택의 승온이 필요하다고 판단할 수 있다.
단위시간은 1초 이상의 값을 가지며, 도출된 턴온 시간만큼 COD히터에 의해 연료전지스택이 가열될 수 있다.
단위시간은 1초 이상의 값을 가지며, COD히터의 목표 발열량을 COD히터의 최대 발열량으로 나눈 값을 단위시간으로 나누었을 때, 1 이상의 값을 가지는 경우 단위시간동안 스위치를 턴온할 수 있다.
스위치는 IGBT 스위치이며, 제어부는 단위시간 동안 IGBT 스위치를 풀턴온(Full Turn On) 및 풀턴오프(Full Turn Off)로 제어함으로써 COD히터를 제어할 수 있다.
연료전지스택의 필요 열량은 아래의 수식을 통해 산출될 수 있다.
연료전지스택의 발전에 따른 자체 발열량은 아래의 수식을 통해 산출될 수 있다.
앞서 개시된 연료전지시스템을 제어하는 방법으로서, 연료전지시스템 제어방법은 제어부에서 연료전지스택의 승온 필요 여부를 판단하는 단계; 제어부에서 연료전지스택의 필요 열량 및 연료전지스택의 발전에 따른 자체 발열량의 차이를 통해 COD히터의 목표 발열량을 구하는 단계; 목표 발열량을 통해 COD히터를 제어하는 스위치의 턴온(Turn On) 시간을 도출하는 단계; 턴온 시간동안 COD히터를 발열하는 단계;를 포함한다.
스위치의 턴온(Turn On) 시간을 도출하는 단계는, 제어부가 단위시간을 설정하고 목표 발열량을 COD히터의 최대 발열량과 단위시간으로 나누어 스위치의 턴온 시간을 도출할 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템 및 연료전지시스템 제어방법에 따르면, 연료전지스택 전류 떨림에 의한 부정적인 영향을 최소화 할 수 있다. 즉, 연료전지스택의 전류 떨림을 억제하여 스택 출력의 안정성을 향상할 수 있다. 연료전지스택 외 공기압축기 등의 내구성에 악영향을 미치는 요인을 제거하여 연료전지시스템이 입는 데미지를 최소화 할 수 있다. 또한, IGBT 타입의 COD히터를 활용하여 시동 직후 또는 운전중 저온 구간을 회피하고 연료전지스택을 최적 온도, 습도 조건에서 운전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략도.
도 2는 COD히터의 PWM 제어에 따른 연료전지스택의 온도변화를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 스위치 제어에 의한 연료전지스택의 온도변화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템 제어방법의 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
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.
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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "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.
연료전지스택은 최적의 효율을 위해 적당한 온도 조건을 만족할 필요가 있다. 따라서, 겨울철 장기간 방치 후 시동이나, 겨울철 IDLE 상태가 지속되는 경우에 승온을 위해 COD히터가 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지시스템(100)의 개략도이며, 이와 같이 연료전지스택(110)의 승온이 필요한 경우, COD히터(130)는 연료전지시스템(100)의 냉각매체유동라인(190) 내의 냉각매체를 가열하고 가열된 냉각매체는 연료전지스택(110)으로 열에너지를 전달하여 연료전지스택(110)의 승온이 진행되게 된다.
종래에는 릴레이 타입의 온/오프 제어를 사용하였으나 근래에는 IGBT 타입의 COD를 사용하여 PWM 방식으로 온/오프를 제어한다. 근래 PWM 방식은 도 2와 같이COD(PWM 신호)가 떨림에 따라 연료전지스택 전류와 연료전지스택 출력 떨림 및 공기압축기 RPM 떨림이 함께 발생한다는 문제가 있다. 이에 따라, 연료전지스택의 출력 불안정, 내구성능에 부정적인 영향을 미치는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 PWM 방식을 차용하지 않고 도출된 턴온 시간만큼 COD히터에 전류를 계속 인가하는 새로운 방식을 차용하여 연료전지스택 전류 떨림 등의 문제를 해결하였다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 대하여 상세히 서술한다.
연료전지시스템(100)은 연료전지스택(110)과 연결되어 연료전지스택(110)을 가열하는 COD히터(130); COD히터(130)의 구동을 제어하는 스위치(150); 및 연료전지스택(110)의 승온 필요시, 연료전지스택(110)의 필요 열량과 연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량의 차이인 COD히터(130)의 목표 발열량을 구하고, 목표 발열량을 통하여 COD히터(130)를 제어하는 스위치(150)의 턴온(Turn On) 시간을 도출하며, 도출된 턴온 시간에 따라 스위치(150)를 제어하는 제어부(170);를 포함한다.
도 1 및 3을 참조하면, COD히터(130)는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 일종의 저항으로 냉각매체유동라인(190) 내의 냉각매체를 가열한다. 가열된 냉각매체는 냉각매체유동라인(190) 내에서 유동하며 연료전지스택(110)에 열을 전달한다. 이에 따라, 연료전지스택(110)의 온도는 상승하게 된다.
한편, 스위치(150)는 COD히터(130)에 전류를 인가하는 구성으로, 제어부(170)에 의해 턴온 및 턴오프 상태가 제어되며, 턴온 상태가 되면 COD히터(130)에 전류를 인가한다. 스위치는 IGBT 스위치일 수 있으며, 스위치(150)는 제어부(170)에 의해 풀턴온(Full Turn On) 및 풀턴오프(Full Turn Off)로 제어됨으로써 COD히터(130) 또한 턴온 시간 동안 발열이 지속될 수 있다.
즉, 종래 PWM 방식은 짧은 시간(ms)을 주기로 ON/OFF 가 반복되었다면, 본 발명에 따른 방식은 도출된 턴온 시간동안은 스위치(150)의 턴온 상태를 계속 유지한다.
한편, 제어부(170)는 연료전지스택(110) 및 스위치(150)와 통신하며 이들을 제어하는 구성이다. 제어부(Controller)(170)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어부(170)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.
제어부(170)는 다음과 같은 수학식 1, 수학식 2를 통해 연료전지스택(110)의 필요 열량과 연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량을 구할 수 있다.
즉, 연료전지스택(110)을 목적 온도까지 승온시키는데 필요한 열용량은 냉각매체의 온도를 승온시키는데 필요한 열량과 연료전지스택(110)이 필요한 열량의 합이다. 따라서, 연료전지스택(110)의 질량과 비열을 곱해 얻은 연료전지스택(110)의 열용량과 냉각매체의 질량과 비열을 곱해 얻은 냉각매체의 열용량을 더한 후에 온도변화량(승온 목적 온도 - 현재 온도)을 곱하면 연료전지스택(110)의 필요 열량을 얻을 수 있다.
다만, 연료전지스택(110)은 발전 중에 발생하는 에너지의 일부를 열에너지의 형태로 생성하므로, 연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량에 따른 연료전지스택(110)의 온도 상승을 고려할 필요가 있다. 연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량은 하기 [수학식 2]를 통해 도출할 수 있다.
연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량은 개방회로전압 전압에서 현재 운전 전압에 의한 전압 손실 구간의 에너지를 연료전지스택(110)의 순간 발열량으로 보고, 이것이 연료전지스택가동시간동안 일정하게 유지될 것을 가정하여 연료전지스택가동시간(t)과 연료전지스택전류(Va)를 곱하여 얻을 수 있다.
여기서, 연료전지스택가동시간은 하기 서술할 단위시간을 사용할 수 있다.
한편, 제어부(170)는 연료전지스택(110)의 필요 열량과 연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량의 차이를 연산하여 COD히터의 목표 발열량을 구할 수 있다.
즉, COD히터의 목표 발열량은 [수학식 1]과 [수학식 2]의 차이로부터 얻어질 수 있다. 이후, 제어부는 COD히터(130)의 목표 발열량을 COD히터(130)의 최대 발열량으로 나누어 턴온 시간을 도출한다. 그리고 제어부(170)는 도출된 턴온 시간만큼 스위치(150)의 턴온 상태를 유지하고, 스위치(150)의 턴온 시간이 경과하면 스위치를 턴오프(Turn Off) 한다.
본 발명은 종래 PWM 방식을 사용하지 않기 때문에 COD히터(130) 펄스의 떨림이 적게 발생해 연료전지스택(110) 출력의 안정성을 유지할 수 있는 것이다.
또한, 도 2 및 3을 참조하면, PWM 방식 제어를 사용할 때와 본 발명에 따른 방식의 제어를 사용할 때 온도 그래프의 기울기를 살펴보면 승온 효과는 동일하거나, 적어도 일부 구간에서는 본 발명에 따른 방식의 제어를 사용할 때 더 가파른 기울기를 가지면서 더 뛰어난 승온효과를 보였다.
한편, 제어부(170)는 단위시간을 설정하고 목표 발열량을 COD히터(130)의 최대 발열량으로 나눈 값을 단위시간으로 나누어 스위치의 턴온 시간을 도출할 수 있다. 여기서 단위시간은 스위치(150) 턴온 시간과 턴오프 시간의 합이라고 볼 수 있다.
즉, 단위시간은 턴온 시간과 턴오프 시간을 정하는 기준이 되는 하나의 주기라고 할 수 있으며, 턴온 시간과 턴오프 시간의 비를 구하고 이를 이용하여 턴온 시간과 턴오프 시간을 구할 수 있는 것이다.
단위시간은 임의의 값이 될 수 있다. 하지만, 단위시간을 너무 짧게 잡으면 COD히터(130) 목표 발열량 추정치의 정확도는 높지만 COD히터 온/오프 제어 간격이 짧아지면서 연료전지시스템(100)의 출력 불안정 등의 문제가 있을 수 있다. 반대로, 단위시간을 너무 길게 잡으면 연료전지시스템(100)의 안정성은 높지만 COD히터(130) 목표 발열량의 추정치의 정확도가 떨어진다. 따라서, 적절한 단위시간을 시험에 의해 결정할 필요가 있다.
단위시간의 하한인 최소시간, 상한인 최대시간을 설명하면, COD히터(130)의 통신 및 제어에 필요한 시간이 최소시간이 될 수 있다. 즉, 단위시간의 최소시간은 COD히터(130)와 제어부(170)의 통신, 그에 따른 COD히터(130)의 응답 및 작동 시간 등을 고려하여 결정할 수 있다. 약 0.5초에서 1초 정도의 값이 단위시간의 최소시간이 될 수 있다.
또한, 연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량을 고려하지 않고, COD히터(130)만을 이용하여 연료전지스택(110)을 목적하는 온도까지 승온시키는데 소요되는 시간이 최대시간이 될 수 있다.
정리하자면, 단위시간은 턴온과 턴오프 상태의 비율을 정하기 위해 도입되는 개념이다. 만약, 단위시간을 설정하지 않고 턴온 시간을 도출하는 경우에는 단위시간이 1초인 것으로 볼 수 있다. 가장 적절한 단위시간은 시험에 의해 획득될 수 있으며, 1초 내지 20초의 범위에서 단위시간을 설정하는 것이 가장 적절하다.
예를 들어, 단위시간을 1초로 설정한 경우, 목표 발열량을 COD히터 최대 발열량으로 나눈 값이 0.5 라면 턴온 시간은 0.5초이며 0.5초가 지난 후 0.5초만큼 스위치(150)를 턴오프하는 것이다.
단위시간을 5초로 설정한 경우, 목표 발열량을 COD히터 최대 발열량으로 나눈 값이 0.8 라면 턴온 시간은 4이며 4초가 지난 후 1초만큼 스위치(150)를 턴오프하는 것이다.
한편, 목표 발열량을 COD히터(130)의 최대 발열량과 단위시간으로 나누었을 때, 1 이상의 값을 가지는 경우 단위시간동안 스위치(150)를 턴온할 수 있다.
즉, 목표 발열량을 COD히터(130)의 최대 발열량과 단위시간으로 나누었을 때 1 이상의 값이 도출되는 경우, 단위시간 동안 스위치(150)의 턴온 상태를 유지해야 하며, 스위치(150)는 턴오프 상태로 전환되지 않는다.
이 경우 COD히터(130)의 발열 및 연료전지스택(110)의 승온에 따라 이후 제어되는 스위치(150) 턴온 시간은 점차 감소하며, 스위치(150)의 턴온 시간은 점점 0으로 수렴하여 연료전지스택의 승온이 완료된다.
한편, 겨울철 장기간 방치 후 시동이나, 겨울철 IDLE 상태가 지속되는 경우 등, 연료전지스택(110)의 승온이 필요한지 여부는 제어부(170)가 연료전지시스템(100)의 냉각매체의 온도 조건과 시간 조건에 따라 판단하게 된다.
즉, 도 4를 참조하면, 제어부(170)는 연료전지시스템(100)의 냉각매체 온도가 일정값(T1) 이하이며, 일정 시간(t1) 이상 유지되는 경우에는 연료전지스택(110)의 승온이 필요하다고 판단할 수 있다.
이와 같이, 온도 조건과 시간 조건을 동시에 만족할 경우에만 연료전지스택(110)의 승온이 필요하다고 판단하면, 온도 조건만 가지고 승온 필요 여부를 판단할 때보다 빈번한 승온 제어 진입을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 이미 연료전지스택(110)의 승온이 진행중인 경우에 제어부(170)는 냉각매체의 온도 조건만으로 연료전지스택(110)의 승온을 지속할 지 여부를 판단할 수 있다. 이러한 경우는 이미 연료전지스택(110)의 승온이 진행 중인 경우이기 때문에 승온을 시작할 지를 결정하는 것과는 다르다.
즉, 도 4를 참조하면, 이미 승온을 하고 있는 상태라면, 시간 조건을 살피지 않고, 냉각매체가 목표 온도에 도달했는지만을 살피고, 도달했다면 승온을 중단할 것이고, 도달하지 않았다면 승온을 지속하는 것이다. 여기에 있어서 시간 조건은 고려할 필요가 없다.
즉, COD히터(130)가 가동중인 경우에는 승온 중인 경우로 볼 수 있고, 그에 따라 이 경우에는 냉각매체의 온도가 일정 온도 이하인 경우에만 연료전지스택(110)의 승온 유지가 필요하다고 판단할 수 있다. 이와 같이 승온의 시작 판단과 유지 판단을 달리함으로서 상황에 따른 정확한 제어가 가능해진다.
또한, 상기 연료전지시스템(100)을 제어하는 방법으로서, 제어부(170)에서 연료전지스택(110)의 승온 필요 여부를 판단하는 단계(S100); 제어부(170)에서 연료전지스택(110)의 필요 열량 및 연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량의 차이를 통해 목표 발열량을 구하는 단계(S200); 목표 발열량을 통해 COD히터(130)를 제어하는 스위치(150)의 턴온(Turn On) 시간을 도출하는 단계(S300); 턴온 시간동안 COD히터(130)를 발열하는 단계(S400);를 포함하는 연료전지시스템 제어방법이 개시된다.
구체적으로, 도 4를 참조하면, 연료전지스택(110)의 승온 필요 여부를 판단하는 단계(S100)는 연료전지시스템(100)의 냉각매체의 온도 조건과 시간 조건에 따라 연료전지스택(110)의 승온 필요 여부를 판단하는 단계이다.
즉, S110 에서 나타나듯, 연료전지스택(110)의 냉각매체 온도가 T1 이하이며, t1 시간 이상 지속될 경우에 연료전지스택(110)의 승온이 필요한 것으로 판단하고 제어부(170)는 연료전지스택(110)의 필요 열량 및 연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량의 차이를 통해 COD히터의 목표 발열량을 구하는 단계(S200)로 진입하게 된다.
목표 발열량을 구하는 단계(S200)로 진입하게 되면, 제어부는 상술한 바와 같이 연료전지스택(110)의 필요 열량 및 연료전지스택(110)의 발전에 따른 자체 발열량의 차이를 통해 COD히터(130)의 목표 발열량을 도출한다.
이후, 제어부는 스위치 턴온 시간을 도출(S300)하는데, 스위치 턴온 시간은 상술한 바와 같이 COD히터(130)의 목표 발열량을 COD히터(130)의 최대 출력으로 나누어 도출할 수 있다.
이후, 제어부는 도출된 턴온 시간만큼 스위치를 턴온 상태로 유지하고 턴온 시간만큼 COD히터(130)를 발열시킨다.
이후, 제어부(170)는 연료전지스택(110)의 냉각매체 온도 조건만을 가지고 연료전지스택의 승온을 지속할 지 여부를 판단하는 단계(S120)를 거치며, 연료전지스택의 냉각매체의 온도가 T2 미만일 경우 스위치 턴온 시간을 도출하여 연료전지스택의 승온을 지속한다.
구체적으로, 제어부가 스위치 턴온 시간을 도출했더라도 현재 COD히터(130) 제어가 수행중인지 여부를 판단(S4100)하고 COD히터가 제어중이라면 COD히터(130)의 제어가 완료될 때까지 대기(S420)하고 COD히터(130)의 제어가 완료되면 도출된 스위치(150) 턴온 시간만큼 COD히터를 발열(S430)하게 되는 것이다.
한편, 스위치의 턴온(Turn On) 시간을 도출하는 단계(S300)는, 제어부(170)가 단위시간을 설정하고 목표 발열량을 COD히터(130)의 최대 발열량으로 나눈 값을 단위시간으로 나누어 스위치(150)의 턴온 시간을 도출하는 단계일 수 있다.
단위시간의 의미와 효과에 대해서는 연료전지시스템과 동일하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지시스템 제어 방법에 따라 연료전지스택(110)의 온도를 안정적으로 승온시킬 수 있으며, 본 발명에 따른 방식으로 COD히터(130)를 제어하여 연료전지스택(110)의 출력을 안정적으로 발생시킬 수 있다. 또한, 연료전지스택의 내구성능도 증가하게 되는 효과가 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 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 : 연료전지시스템
110 : 연료전지스택
130 : COD히터
150 : 스위치
170 : 제어부

Claims (15)

  1. 연료전지스택과 연결되어 연료전지스택을 가열하는 COD히터;
    COD히터의 구동을 제어하는 스위치; 및
    연료전지스택의 승온 필요시, 연료전지스택의 필요 열량과 연료전지스택의 발전에 따른 자체 발열량의 차이인 COD히터의 목표 발열량을 구하고, COD히터의 목표 발열량을 통하여 COD히터를 제어하는 스위치의 턴온(Turn On) 시간을 도출하며, 도출된 턴온 시간에 따라 스위치를 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    스위치의 턴온 시간은 COD히터의 목표 발열량을 COD히터의 최대 발열량으로 나누어 도출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 단위시간을 설정하고 COD히터의 목표 발열량을 COD히터의 최대 발열량과 단위시간으로 나누어 스위치의 턴온 시간을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    스위치의 턴온 시간이 경과하면 단위시간과 턴온 시간의 차이만큼 스위치를 턴오프(Turn Off)하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    단위시간은 COD히터의 통신 및 제어에 필요한 최소시간 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    단위시간은 연료전지스택의 발전에 따른 자체 발열량을 고려하지 않았을 때, COD히터만을 이용하여 연료전지스택을 승온시키는데 소요되는 시간 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 연료전지시스템의 냉각매체의 온도가 일정값 이하이며, 일정 시간 이상 유지되는 경우 연료전지스택의 승온이 필요하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제어부는 연료전지스택의 승온이 진행중이면 냉각매체의 온도가 목적하는 온도 이하인 경우에만 연료전지스택의 승온이 필요하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    단위시간은 1초 이상의 값을 가지며, 도출된 턴온 시간만큼 COD히터에 의해 연료전지스택이 가열되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 청구항 3에 있어서,
    단위시간은 1초 이상의 값을 가지며, COD히터의 목표 발열량을 COD히터의 최대 발열량으로 나눈 값을 단위시간으로 나누었을 때, 1 이상의 값을 가지는 경우 단위시간동안 스위치를 턴온하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    스위치는 IGBT 스위치이며, 제어부는 단위시간 동안 IGBT 스위치를 풀턴온(Full Turn On) 및 풀턴오프(Full Turn Off)로 제어함으로써 COD히터를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    연료전지스택의 필요 열량은 아래의 수식을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    연료전지스택의 발전에 따른 자체 발열량은 아래의 수식을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  14. 청구항 1의 연료전지시스템을 제어하는 방법으로서,
    제어부에서 연료전지스택의 승온 필요 여부를 판단하는 단계;
    제어부에서 연료전지스택의 필요 열량 및 연료전지스택의 발전에 따른 자체 발열량의 차이를 통해 COD히터의 목표 발열량을 구하는 단계;
    목표 발열량을 통해 COD히터를 제어하는 스위치의 턴온(Turn On) 시간을 도출하는 단계;
    턴온 시간동안 COD히터를 발열하는 단계;를 포함하는 연료전지시스템 제어방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    스위치의 턴온(Turn On) 시간을 도출하는 단계는, 제어부가 단위시간을 설정하고 목표 발열량을 COD히터의 최대 발열량과 단위시간으로 나누어 스위치의 턴온 시간을 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템 제어방법.
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