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KR101856290B1 - 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치 - Google Patents

연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치 Download PDF

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KR101856290B1
KR101856290B1 KR1020150117778A KR20150117778A KR101856290B1 KR 101856290 B1 KR101856290 B1 KR 101856290B1 KR 1020150117778 A KR1020150117778 A KR 1020150117778A KR 20150117778 A KR20150117778 A KR 20150117778A KR 101856290 B1 KR101856290 B1 KR 101856290B1
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심지현
김대종
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 운전조건 중 냉각수 온도 및 워터밸런스를 고려하여 시스템 운전조건 중 냉각수 공기 이론비를 가변 제어함으로써 운전압력 감소 시 스택 성능의 저하를 방지할 수 있는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 상압 연료전지 시스템에서 스택의 운전을 전반적으로 제어하는 연료전지 제어부를 포함하며, 상기 연료전지 제어부는 스택의 현재 흡기압력과 현재 출력 및 현재 외기온도를 모니터링한 결과 스택의 운전 상태가 정상이되 상기 현재 흡기압력이 감소중인 것으로 판단되면 스택의 냉각수 온도 대 공기량의 이론비인 공기이론비의 범위를 변경 조정함으로써 스택 내 공기공급량을 증대되게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치를 제공한다.

Description

연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치 {Stack performance improvement device of fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온 및 저압의 운전 조건에서 스택 성능을 개선하여 연비를 향상하기 위한 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템 중 상압 운전 조건에 있는 스택 성능은 외부 환경(외부온도, 대기압력 등)의 변화에 따라 성능이 급격하게 변화된다. 특히, 대기압력이 감소됨에 따라, 스택 성능은 이와 비례하여 급격히 저하된다. 압축기를 사용하는 가압 연료전지 시스템에서는 스택 운전 압력을 제어하여 이를 극복할 수 있으나, 압력 제어 하드웨어가 없는 상압 연료전지 시스템의 경우에는 유량으로 공기량을 제어하기 때문에 압력에 따른 성능 감소가 불가피하다(도 1 참조).
이러한 상압 연료전지 시스템은 소음, 안정성, 보기류의 파워 소모가 적어 효율이 높은 장점이 있으나, 운전 압력에 취약한 부분이 차량에서 성능 저하를 초래하는 문제점으로 제기된다. 결국 차량의 다양한 환경 조건 중 고도 증가에 따른 대기압력 감소는 스택 효율을 떨어뜨리고 연비에 악영향을 미치게 된다.
이와 더불어 통상 차량용 연료전지 스택은 다양한 환경에 성능 저하 없이 운전 가능하도록 요구된다. 환경 조건 중 압력 변화에 의한 스택 성능/효율이 비례하게 변화된다. 따라서 공기의 양(질량)으로 스택 반응이 제어되는 연료전지 시스템의 경우 해발 고도가 증가(대기압 감소)함에 따라 유발되는 스택 성능 감소에 취약하다.
한편, 고지 조건에서 차량의 성능이 저하되는 것은 내연기관 차량에서도 발견할 수 있는 현상이다. 내연기관의 경우 고지 보정을 통해 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한 공기에 대해 압력제어가 가능한 연료전지 시스템에서도 스택 운전압력을 강제로 올려 고지에 따른 압력 보상 제어가 가능하다. 단, 이러한 시스템은 효율이 낮고 소음이 큰 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 스택의 운전조건 중 냉각수 온도 및 워터밸런스를 고려하여 시스템 운전조건 중 냉각수 공기 이론비를 가변 제어함으로써 운전압력 감소 시 스택 성능의 저하를 방지할 수 있는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 상압 연료전지 시스템에서 스택의 운전을 전반적으로 제어하는 연료전지 제어부를 포함하며, 상기 연료전지 제어부는 스택의 현재 흡기압력과 현재 출력 및 현재 외기온도를 모니터링한 결과 스택의 운전 상태가 정상이되 상기 현재 흡기압력이 감소중인 것으로 판단되면 스택의 냉각수 온도 대 공기량의 이론비인 공기이론비의 범위를 변경 조정함으로써 스택 내 공기공급량을 증대되게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 연료전지 제어부는 공기이론비 상한치는 고정하고 공기이론비 하한치를 상승 변경하여 공기이론비의 범위를 축소하며, 구체적으로 공기이론비 하한치에 공기이론비 보정치를 합산하여 상기 공기이론비 하한치를 상승 변경한다.
여기서, 상기 공기이론비 보정치는 스택의 흡기압력이 감소함에 따라 비례하여 증가하는 값으로, 공기이론비 하한치의 증가에 따른 스택 내 공기공급량의 증가를 제한하기 위하여 최대 보정치가 설정된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 연료전지 제어부는 공기이론비의 범위 변경시 스택의 워터밸런스를 유지하기 위하여 냉각수 목표온도를 하향 제어하며, 구체적으로 현재 냉각수 목표온도에 냉각수 목표온도 보정치를 합산하여 냉각수 목표온도 값을 변경 조정한다.
여기서, 상기 냉각수 목표온도 보정치는 그 크기값이 현재 외기온도가 감소함에 따라 비례하여 증가하는 음(-)의 값으로, 현재 외기온도에 따른 스택의 냉각수 목표온도 감소를 제한하기 위하여 최대 보정치가 설정된다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치에 의하면, 상압 연료전지 시스템에서 대기압의 감소에 따른 스택 운전 압력 감소시 냉각수 공기 이론비의 범위 및 냉각수 목표온도를 보정하여 변경함으로써 스택의 워터밸런스(Water Balance)가 유지되는 제한 조건 내에서 스택 내 산소 분압을 증가시켜 스택의 성능 저하를 개선할 수 있고, 따라서 저온 및 저압 조건의 고지 등판 시 스택 성능을 개선하여 차량 연비 향상 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 상압 연료전지 시스템 및 가압 연료전지 시스템의 스택 운전시 공기 압력의 변동 상태를 나타낸 개략도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 방법을 나타낸 개략적인 순서도
도 3은 본 발명에 따른 스택 성능 개선 방법에 따라 저온 저압의 고지 조건에 대한 보정을 위한 냉각수 공기 이론비 보정치(Offset) 및 냉각수 목표온도 보정치를 나타낸 개략적인 그래프
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 알려진 바와 같이, 흡기압력을 강제로 높여 제어가능한 가압 연료전지 시스템에서는 대기압력이 감소하여도 공기압출기를 이용한 압력제어를 통해 일정한 압력(스택 내 운전압력)을 유지하여 스택 내 산소 분압 유지가 가능하나, 보기류의 소모 에너지 증가 및 소음, 고가의 압축기 사용 등 단점이 크다. 그리고, 상압 연료전지 시스템의 경우 흡기 압력을 제어할 수는 없으나, 보기류 소모 에너지가 적어 시스템 효율이 높고 소음, 비용, 운전성 측면에서 유리한 이점이 있다. 그러나 상압 연료전지 시스템은 흡기압력의 감소에 따라 스택 성능이 저하된다.
이에 본 발명에서는 연료전지 시스템의 흡기압력 감소에 따른 스택 성능 저하 현상을 개선하기 위하여, 특히 공기 유량으로 운전압력이 제어되는 상압 연료전지 시스템의 흡기압력 감소에 따른 스택 성능 저하를 방지하기 위하여, 대기압(외기압) 감소시 스택 내에 공기를 추가 공급하여 스택의 성능 저하를 방지하도록 한다.
공기 유량으로 운전압력이 제어되는 상압 연료전지 시스템은 대기압 보정(산소 분압 증가)을 위해 스택에 공급되는 공기 유량만 증가시킬 경우 스택이 건조해지는 드라이(Dry) 현상이 발생하여 성능이 급격히 저하된다.
따라서 본 발명에서는 대기압 감소시 스택으로 공기를 추가 공급하여도 스택이 건조해지는 드라이 현상을 방지하기 위하여, 냉각수 목표온도(스택 활성화를 위한 냉각수 운전온도)를 가변 제어하여 스택의 워터밸런스(Water Balance)가 유지되는 제한 조건 내에서 스택 내 산소 분압을 증가시킨다.
통상 스택 온도는 스택 내 냉각수 온도로 대표할 수 있으며, 이때 스택 성능과 연관된 인자 중 상대습도(RH, %)는 냉각수 온도와 직접적으로 연관되어 있다. 냉각수 온도를 낮춰 상대습도를 강제로 증가시킬 경우 스택에 공기 공급을 추가로 할 수 있어서 지상 대비 저온/저압 조건의 고지에서 스택의 성능 저하를 방지하고 효율을 증가시킬 수 있다.
다시 말하면, 본 발명에서는 대기압 감소시 스택에 공기를 추가 공급하여 대기압을 보정하는 경우, 스택의 운전조건 중 냉각수 온도 및 워터밸런스를 고려하여 시스템 운전조건 중 냉각수 공기 이론비(스택 내 냉각수 온도와 공기량의 이론비로서, 이하 '공기이론비'라고 함)를 가변 제어함으로써 대기압 감소로 인한 운전 압력 감소시 스택 성능을 개선할 수 있도록 한다.
상기 공기이론비는 스택의 냉각수 온도와 공기량에 따라 스택의 운전상태 및 워터밸런스를 정상으로 유지할 수 있는 일정 범위(하한치 ~ 상한치)의 값으로 사전 도출하여 설정된다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 상압 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 방법을 나타낸 개략적인 순서도이고, 도 3은 저온 저압의 고지 조건에 대한 보정을 위한 공기이론비 보정치(Offset) 및 냉각수 목표온도 보정치를 나타낸 개략적인 그래프이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 연료전지 제어부는 상압 연료전지 시스템에서 스택의 운전을 전반적으로 제어하는 것으로서, 차량의 운전(즉, 스택 운전) 중 연료전지 스택의 운전압력이 일정 시간(일시적 현상이 아님을 판단하기 위해 설정한 일정 시간임) 동안 정상압력 수준보다(혹은 스택이 정상 상태임을 판별하기 위해 설정한 임계값보다) 낮게 유지됨을 인지하게 되면, 현재 스택 출력과 현재 외기온도 및 실제(현재) 스택에 공급되는 공기압력으로서 현재 흡기압력을 모니터링하여 스택 상태를 파악한다.
도면으로 나타내지는 않았으나, 상기 현재 흡기압력은 차량 내 연료전지 시스템의 공기공급계 중 흡기압력측정부에 의해 모니터링되고, 상기 현재 외기온도는 연료전지 차량의 외기온도측정부에 의해 모니터링된다. 상기 압력측정부와 외기온도측정부는 감지한 신호를 실시간으로 연료전지 제어부로 전송한다.
상기 연료전지 제어부에서는 모니터링한 현재 스택 출력과 현재 흡기압력 값 및 현재 외기온도 값을 각각 출력기준값과 압력기준값 및 온도기준값과 비교하여 판단한 결과, 현재 스택 출력이 설정한 출력기준값 이하일 때 현재 흡기압력이 압력기준값 이하이고 현재 외기온도가 설정한 온도기준값 이하이면 스택의 운전 상태가 정상적인 것으로 판단하되, 현재 흡기압력이 일정하게 유지되지 않고 점차 감소하는 중이면, 스택의 운전압력 감소에 따른 성능 감소를 예측하여 스택 성능 증대를 위해 공기이론비 하한치를 변경 결정하고, 스택의 워터밸런스 유지를 위해 냉각수 목표온도를 변경 결정한다.
여기서, 상기 압력기준값과 출력기준값 및 온도기준값은 스택 상태(스택의 운전 상태)를 정상인지 판단하기 위하여 사전 평가를 통해 도출하여 설정된 값이다.
대기압이 점차 감소하는 저온, 저압의 고지 조건에서는 냉각수 운전온도의 하향으로 공기이론비 하한치를 상승시킬 수 있고, 이로 인하여 스택 내 외기 유입량이 증대되어 스택 내 산소 분압을 증가시킬 수 있다.
따라서, 상기 공기이론비 하한치를 증가시킴으로써 냉각수 운전온도를 하향시킬 수 있고 그에 따라 스택 내 공기공급량을 증대할 수 있다.
여기서, 공기이론비 상한치는 소정의 값으로 고정되고, 공기이론비 하한치가변경되어서 공기이론비의 범위가 가변 제어된다.
좀더 구체적으로 설명하면, 연료전지 제어부에서는 스택의 운전 중 모니터링한 현재 스택 출력이 출력기준값 이하일 때 현재 외기온도가 온도기준값 미만이고 현재 흡기압력이 압력기준값 미만이면 스택의 운전 상태 및 워터밸런스가 정상(스택 운전 조건이 정상)인 것으로 판단한다. 이렇게 스택의 운전 상태가 정상일 때 현재 흡기압력(대기압)이 점차 감소하는 중이면, 공기이론비의 하한치 내지 상한치 중 하한치 값에 보정값(공기이론비 보정치)을 합산하여 현재 공기이론비 하한치를 변경 조정한다.
도 3을 참조하여 설명하면, 상기 공기이론비 보정치는 흡기압력이 감소함에 따라 비례하여 증가하는 값으로 설정되고, 최대 보정치(공기이론비 보정치의 최대값)가 사전 설정되어서 현재 흡기압력이 일정 압력(임계값) 이하로 감소하여도 과도하게 공기 과급이 되지 않도록 한다.
다시 말해, 상기 공기이론비 보정치는 최대 보정치가 설정됨으로써 공기이론비 하한치의 증가에 따른 스택 내 공기공급량의 증가를 제한하여 과도한 공기 과급을 방지한다.
이에 따라, 현재 흡기압력 값이 고도 0m의 대기압보다 작은 압력기준값 미만일 때, 공기이론비 하한치는 현재 흡기압력이 감소됨에 따라 비례하여 증가하게 되고 현재 흡기압력이 임계값 이하가 되면 최대 보정치가 합산된 값으로서 최대값(공기이론비 하한치의 최대값)으로 유지된다.
이렇게 공기이론비 하한치를 변경한 연료전지 제어부에서는 스택의 워터밸런스 유지를 위해, 현재 냉각수 목표온도 값에 보정값(냉각수 목표온도 보정치)을 합산하여 현재 냉각수 목표온도를 변경 조정한다.
도 3을 참조하면, 냉각수 목표온도 보정치는 그 크기값이 외기온도가 감소함에 따라 비례하여 증가하는 값으로 설정되고, 최대 보정치(냉각수 목표온도의 최대 보정치)가 사전 설정되어서 현재 냉각수 목표온도가 일정 온도(임계값) 이하로 감소하여도 냉각수 운전온도가 과도하게 낮아지는 것을 방지한다.
다시 말해, 상기 냉각수 목표온도 보정치는 최대 보정치가 설정됨으로써 현재 외기온도의 감소에 따른 냉각수 운전온도의 감소를 제한하여 과도한 냉각수 온도 저하를 방지한다.
여기서, 상기 냉각수 목표온도 보정치는 음(-)의 값으로서 현재 냉각수 목표온도에 합산됨으로써 현재 냉각수 목표온도는 하향 변경된다.
즉, 현재 냉각수 목표온도 값이 고도 0m의 외기온도보다 낮은 온도기준값 미만일 때, 냉각수 목표온도는 현재 외기온도가 감소됨에 따라 비례하여 감소하게 되고 현재 외기온도가 임계값 이하가 되면 최대 보정치가 합산된 값으로서 최소값(냉각수 목표온도의 최소값)으로 유지된다.
이와 같이 상기 연료전지 제어부에서는 스택 상태 및 워터밸런스가 정상인 상태에서 스택의 흡기압력이 점차 감소하게 되면, 현재 흡기압력에 따라 공기이론비 보정치를 결정하고, 스택의 워터밸런스 유지를 위해 냉각수 목표온도 보정치를 현재 외기온도에 따라 결정하여서, 상기 결정한 보정치를 각각 현재 공기이론비 하한치 및 현재 냉각수 목표온도와 합산하여 현재 공기이론비 하한치와 현재 냉각수 목표온도를 보정함으로써 현재 스택 운전조건을 유지한 상태에서 스택 성능의 저하를 개선할 수 있게 된다.
이러한 본 발명에 의하면 겨울철 같은 낮은 외기온에 차량이 방치될 경우 HPR(high pressure regulator)의 동작 불량에 의해 수소 라인압 과다로 인한 상압 연료전지 시스템의 시동 실패 문제를 극복할 수 있다. 기존 시동 초기 때는 수소 라인 압력이 기준값 이상이면 상압 연료전지 시스템의 시동 절차를 거치지 않아 상압 연료전지 시스템의 시동 실패 소지가 많았던 반면, 본 발명을 적용하는 경우 퍼지 밸브를 이용해 수소 퍼지를 하여 라인 압력 과다에 대한 문제를 해결한 후, 정상 시동을 가능하게 할 수 있다. 낮은 외기온에 방치될 경우 HPR내 오링 수축에 의한 미세 리크(leak)가 발생하여 수소 라인압이 정상 범위 밖에 있어도 차량 시동시 원활한 상압 연료전지 시스템의 시동 성공이 가능하게 된다. 이후 수소 라인압의 정상 수준 이후에는 시스템 온도가 상승되어 반복 시동시에도 정상 범위를 유지하게 되지만, 낮은 외기온에서 다시 방치시에는 동일 문제 현상이 발생하기 때문에 본 기술의 상시 적용이 필요하다. 아울러, 본 발명에 의하면 저온 고지에서 냉각수 제어가 용이하다.
또한, 고지 특성인 저온 조건에서 플로딩(Flooding) 문제를 방지할 수 있고, 고지 운전은 등/강판으로 이루어져 있으므로 차량 부하가 증가되는(출력이 높게 요구되는) 등판 구간에서 연비/성능을 동시에 개선할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (9)

  1. 상압 연료전지 시스템에서 스택의 운전을 전반적으로 제어하는 연료전지 제어부를 포함하며,
    상기 연료전지 제어부는 스택의 현재 흡기압력과 현재 출력 및 현재 외기온도를 모니터링한 결과 스택의 운전 상태가 정상이되 상기 현재 흡기압력이 감소중인 것으로 판단되면 스택의 냉각수 온도 대 공기량의 이론비인 공기이론비의 범위를 변경 조정함으로써 스택 내 공기공급량을 증대되게 하고, 상기 공기이론비의 범위 변경 시 스택의 워터밸런스를 유지하기 위하여 냉각수 목표온도를 하향 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 제어부는 공기이론비 상한치는 고정하고 공기이론비 하한치를 상승 변경하여 공기이론비의 범위를 축소하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료전지 제어부는 공기이론비 하한치에 공기이론비 보정치를 합산하여 상기 공기이론비 하한치를 상승 변경하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 공기이론비 보정치는 스택의 흡기압력이 감소함에 따라 비례하여 증가하는 값인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 공기이론비 보정치는 공기이론비 하한치의 증가에 따른 스택 내 공기공급량의 증가를 제한하기 위하여 최대 보정치가 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 제어부는 현재 냉각수 목표온도에 냉각수 목표온도 보정치를 합산하여 냉각수 목표온도 값을 하향 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 냉각수 목표온도 보정치는 그 크기값이 현재 외기온도가 감소함에 따라 비례하여 증가하는 음(-)의 값인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 냉각수 목표온도 보정치는 현재 외기온도에 따른 스택의 냉각수 목표온도 감소를 제한하기 위하여 최대 보정치가 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치.
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