KR20190063313A - Apparatus for controlling fan of open cathode type fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오픈 캐소드 타입의 연료전지에서 외부의 부하가 변동되더라도, 연료전지 스택의 온도를 일정하게 유지해 주고, 또한 연료전지 전기화학반응에 필요한 최적의 공기량을 공급할 수 있도록 하는, 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fan control apparatus for an open cathode type fuel cell, and more particularly, to a fan control apparatus for an open cathode type fuel cell that maintains the temperature of the fuel cell stack constant even when an external load varies in an open cathode type fuel cell, And more particularly to a fan control apparatus of an open cathode type fuel cell which can supply an optimum amount of air required for a reaction.
최근 화석연료의 고갈과 환경오염 문제를 경감시키기 위하여 신재생에너지 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 그중에서 연료전지는 수소의 화학적 에너지를 촉매 반응을 통해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. Recently, renewable energy research and development has been actively carried out to reduce the exhaustion of fossil fuels and environmental pollution problems. Among them, a fuel cell is a device that directly converts the chemical energy of hydrogen into electric energy through a catalytic reaction.
상기 수소를 이용한 연료전지는 기존의 내연기관에서 사용하는 연소방식보다 2~3배 더 높은 효율을 얻을 수 있으며, 환경오염 물질의 발생을 최소화시킬 수 있는 친환경적인 에너지원으로서, 지속적인 연구 개발을 통해 다양한 분야로 상용화되고 있다. The hydrogen-based fuel cell is an environmentally friendly energy source capable of achieving an efficiency two to three times higher than that of conventional combustion engines and minimizing the generation of environmental pollutants. And is being commercialized in various fields.
이러한 연료전지는 기존의 백업용 전원으로 사용되는 이차전지를 대체할 전원으로도 각광 받고 있으며, 빠른 응답 속도, 저온 운전, 높은 시스템 안정성, 높은 전력 밀도와 발전 효율, 연료의 범용성 등의 장점이 있는 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC)(이하, 간단히 '연료전지'로 기재할 수 있음)를 적용하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.Such a fuel cell is attracting attention as a substitute for a secondary battery used as a conventional backup power source, and has a high response speed, low temperature operation, high system stability, high power density, power generation efficiency, BACKGROUND ART [0002] Research is underway to apply a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) (hereinafter simply referred to as a " fuel cell ").
한편 오픈 캐소드(Open cathode) 타입 연료전지(또는 오픈 캐소드 타입 연료전지 시스템)는 외부로 개방된 캐소드(cathode) 구조를 가지며, 별도의 유량 공급장치를 사용하지 않고, 개방된 캐소드(cathode) 유로에 에어 블로워(air blower)(또는 냉각 팬(FAN))를 사용하여 외부 공기를 공급한다. 즉, 오픈 캐소드 타입 연료전지(또는 오픈 캐소드 타입 연료전지 시스템)는 별도의 외부 냉각시스템 없이 공급되는 외부 공기를 이용하여 스택을 직접 냉각시킨다. 따라서 수 냉각 시스템에 비해서 구조가 간단하고 가격이 저렴하여 중소형 연료전지에 많이 사용되어지는 방식이다.On the other hand, an open cathode type fuel cell (or an open cathode type fuel cell system) has a cathode structure that is open to the outside and does not use a separate flow rate supply device, Use an air blower (or cooling fan (FAN)) to supply outside air. That is, the open cathode type fuel cell (or the open cathode type fuel cell system) directly uses the external air supplied without a separate external cooling system to cool the stack directly. Therefore, the structure is simpler and the price is lower than that of the water cooling system, which is widely used in small and medium sized fuel cells.
다만 냉각 팬을 구동시키는 전력원은 연료전지 자체의 전력을 사용하므로, 온도를 떨어뜨리기 위하여 팬(즉, 냉각 팬)의 속도를 높이거나 공기 공급을 급격하게 증가시키면, 연료전지의 전체 네트 파워가 감소하게 된다. 반대로 네트 파워를 증가시키기 위하여 공기 팬 모터의 속도를 감소시키면, 연료전지가 일정 온도 이상으로 상승하여 연료전지 내의 수분이 부족하게 됨으로써, 연료전지의 출력 성능이 저하되는 위험이 있거나, 또는 공기 공급이 부족하게 되어 불충분한 전기화학 반응으로 인하여 연료전지의 성능 저하와 더불어 장시간 사용 시 연료전지의 수명이 짧아지는 치명적인 문제점이 있다. However, since the power source for driving the cooling fan uses the power of the fuel cell itself, if the speed of the fan (that is, the cooling fan) is increased or the air supply is suddenly increased to lower the temperature, . On the contrary, if the speed of the air fan motor is decreased to increase the net power, there is a danger that the fuel cell will rise above a certain temperature and the water in the fuel cell will become insufficient, thereby deteriorating the output performance of the fuel cell, There is a problem that the performance of the fuel cell deteriorates due to an insufficient electrochemical reaction due to the lack thereof, and the life of the fuel cell is shortened when the fuel cell is used for a long time.
즉, 현재 오픈 캐소드 타입의 연료전지는 단순 공기 제어를 수행하기 때문에 높은 부하가 걸릴시 온도를 떨어뜨리기 위하여 과도한 팬 속도를 내기 때문에 전력 소모가 많고, 반대로 낮은 부하가 걸릴시 온도 상승을 위하여 팬의 스피드를 낮게 설정함으로써 필요 이상으로 온도가 증가하는데, 이 경우에는 멤브레인의 수분 증발로 인한 내부 저항 증가로 연료전지의 파워 손실이 많으며, 최악의 경우 공기 부족 현상을 일으켜 연료전지 시스템의 셧다운 현상이 발생하기도 한다. 이는 팬의 스피드가 과도하게 낮아지면서 전기반응에 필요한 공기 부족 현상을 초래하기 때문이다.That is, since the open cathode type fuel cell performs simple air control, it consumes a large amount of electric power because it causes an excessive fan speed in order to lower the temperature when a high load is applied. On the other hand, By setting the speed too low, the temperature increases more than necessary. In this case, the internal resistance increases due to evaporation of moisture from the membrane, resulting in a large power loss of the fuel cell. In the worst case, the air shortage occurs and the shutdown phenomenon of the fuel cell system occurs It is also said. This is because the speed of the fan becomes excessively low and causes an air shortage required for the electric reaction.
상술한 바와 같이 오픈 캐소드 타입의 연료전지는 일정한 온도를 유지하기 위한 제어가 부재하여 외부 부하 변동에 따라 온도 변화가 심하고, 또한 공기 공급 및 냉각을 동시에 실현하는 공기 팬의 단순 제어로 인하여 연료전지의 수분이 과포화 되어 성능이 저하되거나, 수분 부족으로 인하여 멤브레인의 수명이 단축되는 현상이 있고 연료전지에서 얻을 수 있는 네트 파워가 최적화되지 않는 문제점이 있다.As described above, in the open cathode type fuel cell, there is no control for maintaining a constant temperature, so that the temperature is greatly changed in accordance with the external load fluctuation, and the simple control of the air fan, There is a phenomenon in which water is supersaturated to deteriorate the performance or the membrane life is shortened due to the lack of water, and the net power obtained from the fuel cell is not optimized.
따라서 연료전지 운영 환경에 맞게 공기 팬 속도를 가변함으로써, 연료전지의 성능을 최적으로 만족시키면서 연료전지의 네트 파워를 최대로 유지시켜주기 위한 방법이 필요한 상황이다.Therefore, there is a need for a method for maximizing the net power of the fuel cell while optimally satisfying the performance of the fuel cell by varying the air fan speed according to the operating environment of the fuel cell.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1734760호(2017.05.02. 등록, 연료전지 스택의 제어 장치 및 그 방법)에 개시되어 있다. BACKGROUND ART [0002] The background art of the present invention is disclosed in Korean Registered Patent No. 10-1734760 (Registered, Fuel Cell Stack Control Apparatus and Method Thereof).
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 오픈 캐소드 타입의 연료전지에서 외부의 부하가 변동되더라도, 연료전지 스택의 온도를 일정하게 유지해 주고, 또한 연료전지 전기화학반응에 필요한 최적의 공기량을 공급할 수 있도록 하는, 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided an open-cathode fuel cell, which is designed to solve the above-mentioned problems, and which can maintain the temperature of the fuel cell stack at a constant level, And it is an object of the present invention to provide a fan control apparatus of an open cathode type fuel cell which can supply an optimum amount of air required for a battery electrochemical reaction.
본 발명의 일 측면에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치는, 오픈 캐소드 타입 연료전지 시스템의 연료전지에 공기를 공급하는 팬 모터; 제어부의 제어에 따라 펄스폭 변조 방식으로 상기 팬 모터의 속도를 제어하는 팬 모터 구동부; 및 상기 연료전지의 운영 환경에 맞게 상기 팬 모터의 속도를 상기 팬 모터 구동부를 통해 가변하는 상기 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.An apparatus for controlling a fan of an open cathode type fuel cell according to an aspect of the present invention includes: a fan motor for supplying air to a fuel cell of an open cathode type fuel cell system; A fan motor driving unit for controlling the speed of the fan motor by a pulse width modulation method under the control of the control unit; And the control unit changing the speed of the fan motor through the fan motor driving unit according to the operating environment of the fuel cell.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 팬 모터 구동부를 통합할 수 있으며, 펄스폭을 크게 하여 상기 팬 모터의 속도를 빨라지게 하거나, 펄스폭을 작게 하여 상기 팬 모터의 속도가 줄어들게 하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit may integrate the fan motor driving unit, increase the pulse width to increase the speed of the fan motor, or decrease the pulse width to reduce the speed of the fan motor .
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 연료전지의 전류 변화에 따른 온도 조건을 만족하면서 최대의 네트 파워를 출력하기 위해 필요한 과산소 비율을 계산하는 레퍼런스 거버너; 및 연료전지 시스템에서 출력되는 실제 과산소 비율(
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 최대의 네트 파워를 출력하기 위해 필요한 과산소 비율을 계산하기 위하여, 아래의 수학식1과 같은 유량 방정식을 적용하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit applies a flow rate equation as shown in the following
(수학식 1)(1)
여기서 
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 측정된 
(수학식 2)(2)
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 아래의 수학식 3을 이용해 과산소 비율(
(수학식 3)(3)
이때 
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 연료전지에 인가되는 전류 값(
(수학식 4)(4)
여기서 
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 연료전지의 온도 제어를 위하여, 아래의 수학식 5를 이용한 오픈 캐소드 타입 연료전지의 열 모델링를 실시하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit performs thermal modeling of the open cathode type fuel cell using the following equation (5) for temperature control of the fuel cell.
(수학식 5)(5)
여기서 m은 연료전지 질량, c는 비열, T는 온도, 
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 수소 고위발열량으로부터 생성되는 이상(ideal) 에너지에서 실제(real) 생성되는 에너지의 차(
(수학식 6)(6)
여기서 I는 스택의 전류, E th 는 Nernst 전압, V st 는 스택의 전압을 의미한다.Where I is the current of the stack, E th is the Nernst voltage, and V st is the voltage of the stack.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 Nernst 전압을 아래의 수학식 7을 이용해 산출하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the controller calculates the Nernst voltage using the following equation (7).
(수학식 7)(7)
여기서 P H2 와 P O2 는 각각 스택 내의 수소와 산소의 분압을 의미한다.Where P H2 and P O2 represent the partial pressures of hydrogen and oxygen in the stack, respectively.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 오픈 캐소드 타입의 연료전지에서 외부의 부하가 변동되어도, 연료전지 스택의 온도를 일정하게 유지해주고 연료전지 전기화학반응에 필요한 최적의 공기량을 공급할 수 있도록 함으로써, 연료전지 시스템의 최대 네트 파워를 얻을 수 있도록 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an open cathode type fuel cell capable of maintaining a constant temperature of the fuel cell stack and supplying an optimum amount of air required for a fuel cell electrochemical reaction even when an external load is varied , So that the maximum net power of the fuel cell system can be obtained.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 제어부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련하여, 외부 부하 변화에 따른 연료전지의 네트 출력을 구한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 최적의 온도를 유지하기 위한 듀티비 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 최대 네트 출력 맵과 최적 온도 맵을 혼합한 새로운 듀티비 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 최적 네트 파워 맵을 이용하여 실제 연료전지를 구동하였을 때 부하 변동에 따른 공기 과급율을 비교한 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 과온도 방지와 최적의 출력을 구하는 듀티비 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 세 가지의 방법으로 팬 모터를 구동하였을 때의 온도 변화를 보여주는 그래프.
도 9는 본 실시예를 적용하지 않은 경우, 60W의 일정한 파워를 상용 제품에 적용할 경우 시스템이 자동 셧다운 되는 시간을 나타낸 그래프.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fan control apparatus of an open cathode type fuel cell according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 2 is an exemplary diagram showing a more specific configuration of the control unit in FIG. 1; FIG.
3 is a graph showing a net output of a fuel cell according to an external load change, in accordance with an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph of duty ratio for maintaining an optimal temperature, in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is a new duty ratio graph combining a maximum net output map and an optimal temperature map, in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph comparing an air boosting rate according to a load variation when an actual fuel cell is driven using an optimum net power map according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 7 is a graph illustrating a duty ratio graph for obtaining over-temperature protection and optimal output according to an embodiment of the present invention; FIG.
8 is a graph showing temperature changes when the fan motor is driven by three methods according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing a time during which the system is automatically shut down when a constant power of 60 W is applied to a commercial product when the present embodiment is not applied.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다. Hereinafter, an embodiment of a fan control apparatus and method of an open cathode type fuel cell according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In this process, the thicknesses of the lines and the sizes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms described below are defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user, the operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a fan control apparatus for an open cathode type fuel cell according to an embodiment of the present invention; FIG.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치는, 제어부(110), 및 팬 모터 구동부(120)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the fan control apparatus of an open cathode type fuel cell according to the present embodiment includes a
그리고 본 실시예에서, 팬 모터(130), 연료전지(140), 수소 공급부(150), DC/DC 컨버터(160), 및 부하(즉, 외부 부하)(170)를 포함하여 연료전지 시스템이라고 할 수 있다. 따라서 연료전지 시스템의 구성은 통상적이라고 할 수 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.In this embodiment, the fuel cell system includes the
상기 제어부(110)는 연료전지(140)의 운영 환경에 맞게 팬 모터(130)의 속도를 상기 팬 모터 구동부(120)를 통해 가변한다. 이때 본 실시예에서는 상기 제어부(110)와 팬 모터 구동부(120)를 구분하여 설명하지만, 실시예에 따라서는 상기 제어부(110)가 팬 모터 구동부(120)를 통합할 수도 있다.The
상기 팬 모터 구동부(120)는 상기 제어부(110)의 제어에 따라 펄스폭 변조 방식으로 상기 팬 모터(130)의 속도(즉, 회전 속도)를 제어한다. The fan
예컨대 펄스폭이 크면 팬 모터(130)의 속도가 빨라지며 펄스폭이 작아지면 팬 모터(130)의 속도가 줄어든다.For example, when the pulse width is large, the speed of the
상기 팬 모터(130)는 팬의 회전을 통해 연료전지(140)의 공기를 공급한다.The
아울러 도면에는 구체적으로 도시되어 있지 않지만, 본 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치는, 적어도 하나 이상의 센서(예 : 온도센서, 전류센서, 공기(산소) 유량센서 등)를 포함하는 센서부(미도시)를 포함할 수 있다.Although not specifically shown in the drawings, the fan control apparatus for an open cathode type fuel cell according to the present embodiment includes at least one sensor (for example, a temperature sensor, a current sensor, an air (oxygen) And a sensor unit (not shown).
도 2는 상기 도 1에 있어서, 제어부(110)의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이, 제어부(110)는 레퍼런스 거버너(111), 및 비례적분 제어기(112)를 포함한다.2, the
상기 레퍼런스 거버너(reference governor)(111)는 연료전지(140)의 전류 변화에 따른 온도 조건을 만족하면서 최대의 네트 파워를 출력하기 위한 과공기(또는 과산소) 비율을 계산한다.The
상기 비례적분 제어기(PI controller)(112)는 실제 과공기(또는 과산소) 비율(
본 실시예에 따른 오픈 캐소드 타입 연료전지의 전기화학 반응에 필요한 필요 산소량을 계산하고 측정하기 위하여, 상기 제어부(110)는 아래의 수학식1과 같은 유량 방정식을 이용한다.In order to calculate and measure the required oxygen amount required for the electrochemical reaction of the open cathode type fuel cell according to the present embodiment, the
여기서 
그리고 유입 공기의 변화율 
여기서 과산소 비율을 
이때 
상기 수학식 4에서 
따라서 유량센서를 이용하여 공기의 유입 변화량 및 연료전지 출력 전류를 측정한 후, 상기 
또한, 연료전지의 온도 제어를 위하여 오픈 캐소드 타입 연료전지의 열모델링이 필요하며 그 식은 아래의 수학식 5와 같이 표현되어진다.In addition, thermal modeling of an open cathode type fuel cell is required for temperature control of the fuel cell, and the equation is expressed by Equation (5) below.
상기 수학식 5에서 m은 연료전지 질량, c는 비열, T는 온도, 
상기 수학식 6에서 I는 스택의 전류, E th 는 Nernst 전압, V st 는 스택의 전압을 표시하며, Nernst 전압은 아래의 수학식 7과 같다.In Equation (6), I represents the current of the stack, E th represents the Nernst voltage, and V st represents the voltage of the stack, and the Nernst voltage is expressed by Equation (7) below.
위 식에서 P H2 와 P O2 는 각각 스택 내의 수소와 산소의 분압을 표시한다. Where P H2 and P O2 denote the partial pressures of hydrogen and oxygen in the stack, respectively.
한편 
으로 표시되어지며, 
따라서 유량 속도와 스택 온도를 측정함으로써 
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련하여, 외부 부하 변화에 따른 연료전지의 네트 출력을 구한 그래프로서, 최적 듀티비 맵을 구하기 위하여, 연료전지 외부 전류 변동에 따른 최대 네트 파워 맵과 온도 맵을 복합하여 결정하였다. FIG. 3 is a graph showing a net output of a fuel cell according to an external load change according to an embodiment of the present invention. In order to obtain an optimum duty ratio map, a maximum net power map and a temperature map .
도 3에 도시된 바와 같이, 외부 부하에 따라 네트 출력이 얻어지는 듀티비가 변함을 알 수 있으며, 최대의 네트 출력을 얻는 듀티비를 연결하여 맵을 얻을 수 있다. As shown in FIG. 3, it can be seen that the duty ratio at which the net output is obtained varies according to the external load, and the map can be obtained by connecting the duty ratio for obtaining the maximum net output.
도 3의 오른쪽 하단은 외부 부하 변화량에 따른 최대 네트 출력을 보장하는 듀티비 맵으로써, 0.1에서 0.55까지 전류에 따라 듀티비가 변화함을 알 수 있다. The lower right end of FIG. 3 is a duty ratio map that guarantees the maximum net output according to the external load change amount, and it can be seen that the duty ratio changes according to the current from 0.1 to 0.55.
또한 도 3에 도시된 바와 같이 듀티비를 높이면(즉 공기 팬 모터의 속도를 증가 시키면) 연료전지의 온도를 떨어뜨릴 수 있고, 또한 충분한 양의 공기를 공급할 수는 있으나, 팬 모터(130)의 동력도 연료전지(140)에서 공급되어지므로 네트 출력은 오히려 떨어짐을 알 수 있다. 반면, 듀티비를 낮추면 충분한 양의 공기가 공급되어지지 않거나, 또는 연료전지(140)의 온도가 상승하므로, 오히려 연료전지 시스템의 네트 출력이 떨어지게 된다.As shown in FIG. 3, when the duty ratio is increased (that is, the speed of the air fan motor is increased), the temperature of the fuel cell can be decreased and a sufficient amount of air can be supplied. The power is also supplied from the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 최적의 온도를 유지하기 위한 듀티비 그래프이며, 이에 도시된 바와 같이 듀티비가 낮으면 공기 팬 모터 속도가 낮게 되어 충분한 양의 공기가 유입되지 못하므로, 연료전지 반응이 활발하지 못하여 온도가 떨어지고, 반면에 듀티비를 일정 값 이상 높이면 과도하게 냉각되어 온도가 떨어지면서 네트 출력도 줄어드는 단점이 있다. 도 4의 오른쪽 하단의 도면은 최적의 온도를 유지하는 듀티비 맵을 표시한다.4 is a graph of duty ratio for maintaining an optimum temperature according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, when the duty ratio is low, the air fan motor speed is low and a sufficient amount of air can not be introduced. The fuel cell reaction is not active and the temperature is lowered. On the other hand, if the duty ratio is increased over a certain value, it is cooled excessively and the temperature is lowered and the net output is also decreased. The diagram at the lower right of FIG. 4 shows a duty ratio map that maintains the optimum temperature.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 최대 네트 출력 맵과 최적 온도 맵을 혼합한 새로운 듀티비 그래프이다.5 is a graph illustrating a new duty ratio graph combining a maximum net output map and an optimal temperature map, according to an embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이 저출력 구간에서는 최적 온도 맵을, 고출력 구간에서는 최대 네트 출력 맵을, 혼합하여 새로운 듀티 비 맵을 적용한다. As shown in FIG. 5, a new duty ratio map is applied by mixing the optimum temperature map in the low output period and the maximum net output map in the high output period.
이러한 듀티비 맵을 적용하였을 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 과산소 공급 비율(Oxygen Excess Ratio)은 1 이상이 되므로, 공기 결핍 현상에 의한 연료전지의 성능 저하 또는 연료전지 시스템의 셧-다운과 같은 현상이 없음을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, when the duty ratio map is applied, the Oxygen Excess Ratio becomes 1 or more, so that the performance degradation of the fuel cell due to the air deficiency phenomenon or the shut- It can be seen that there is no such phenomenon.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 최적 네트 파워 맵을 이용하여 실제 연료전지를 구동하였을 때 부하 변동에 따른 공기 과급율을 비교한 그래프이다.FIG. 6 is a graph comparing the air charge rate according to load variation when an actual fuel cell is driven using an optimal net power map, according to an embodiment of the present invention.
이때 도 6에서 점선으로 도시된 기준(reference)은, 본 실시예에서 제안한 알고리즘을 사용할 경우, 외부 출력에 따른 듀티비 값(즉 공기 과급율) 변화를 나타내며, 비례적분 제어를 적용한 결과 녹색선과 같이 듀티비 값을 잘 추종함을 알 수 있다. The reference shown by a dotted line in FIG. 6 indicates a change in the duty ratio value (i.e., the air boost ratio) according to the external output when the algorithm proposed in the present embodiment is used. As a result of applying the proportional integral control, The duty ratio value is well followed.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 공기 부족현상을 일으키지 않도록, 공기 과급율(Oxygen Excess Ratio) 값이 모든 구간에서 1을 초과함을 알 수 있으며, 이로부터 연료전지의 운전이 원활함을 알 수 있다.Also, as shown in FIG. 6, it can be seen that the value of the air excess ratio (Oxygen Excess Ratio) exceeds 1 in all the ranges so as not to cause the air shortage phenomenon. have.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 과온도 방지와 최적의 출력을 구하는 듀티비 그래프로서, 본 실시예에 따른 방법을 적용하였을 경우의 네트 출력을 비교한 그래프이다. FIG. 7 is a graph comparing net output when the method according to the present embodiment is applied, as a duty ratio graph for obtaining over-temperature protection and optimum output according to an embodiment of the present invention.
도 7에서 파란색 선은 최대 출력을 나타내는 네트 출력선이고, 빨간색 선은 과온도 방지를 적용한 네트 출력선이며, 노란색 선은 본 실시예에서 제안한 과온도 방지와 최적의 출력을 뽑아내는 듀티비 맵을 적용한 네트 출력 값을 표시한 출력선이다.In FIG. 7, the blue line is the net output line representing the maximum output, the red line is the net output line applying the over-temperature protection, and the yellow line is the duty ratio map for extracting the over- It is an output line that shows the applied net output value.
도 7을 참조하면, 저출력 구간에서는 큰 차이가 없음을 알 수 있지만 출력이 커질수록 본 실시예에서 제안한 듀티비 맵을 적용한 네트 출력값이 과온도 방지 네트 출력 값보다 출력이 높음을 알 수 있으며, 도 3의 듀티비를 사용하여 얻은 최대 출력값을 나타내는 네트 출력 값에 비해 큰 차이가 없음을 알 수 있다. Referring to FIG. 7, it can be seen that there is no large difference in the low output period. However, it can be seen that as the output increases, the net output value using the duty ratio map proposed in the present embodiment is higher than the over temperature preventing net output value. The net output value obtained by using the duty ratio of " 3 "
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 세 가지의 방법으로 팬 모터를 구동하였을 때의 온도 변화를 보여주는 그래프이며, 이에 도시된 바와 같이 파란색인 최대 출력 맵은 온도가 계속 상승하여 연료전지 적정 외부온도인 30oC를 훨씬 초월하여 50oC 이상 온도가 올라감을 알 수 있으며, 이 경우 멤브레인 내부의 수분이 증발하여 멤브레인 막의 저항값이 증가함으로 연료전지의 출력이 급격히 떨어짐을 예상할 수 있으며, 장시간 이런 현상이 지속될 경우 연료전지 수명에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. FIG. 8 is a graph showing a temperature change when the fan motor is driven by three methods according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, It is possible to know that the temperature of 50 ° C or more rises beyond the external temperature of 30 ° C. In this case, the moisture of the membrane evaporates and the resistance value of the membrane membrane increases, so that the output of the fuel cell can be expected to drop sharply If this phenomenon continues for a long time, the life of the fuel cell may be seriously affected.
그러나 본 실시예에 따른 최적 출력 듀티비 맵을 사용할 경우, 온도가 30oC 부근에서 잘 제어됨을 알 수 있으므로, 본 실시예에 따른 방법을 사용함으로써 최대 네트 출력을 갖고서 장시간 연료전지를 구동할 수 있음을 알 수 있다. However, when the optimal output duty ratio map according to the present embodiment is used, it can be seen that the temperature is well controlled at around 30 ° C. Therefore, by using the method according to the present embodiment, .
도 7과 도 8을 종합하면, 도 3의 최대 출력 듀티비만 사용하였을 경우 최대 네트 출력을 얻을 수 있지만, 장시간 사용 시 도 8에 도시된 바와 같이 온도가 올라가서 연료전지 수명에 악영향을 끼친다. 한편 도 4의 최적 온도 출력 듀티비만 사용하였을 경우 최적의 온도를 유지할 수 있지만 도 7에서와 같이 네트 출력이 저하됨을 알 수 있다. 그러나 본 실시예에서와 같이 최적 출력 듀티비 맵을 사용할 경우, 최대 네트 워크 출력에 근접한 출력을 얻을 수 있으며 최적 온도를 동시에 유지할 수 있기 때문에 장시간 운전이 가능함을 알 수 있다. 7 and 8, when the maximum output duty ratio of FIG. 3 is used, the maximum net output can be obtained. However, when the fuel cell is used for a long time, the temperature rises as shown in FIG. 8 and adversely affects the life of the fuel cell. On the other hand, if only the optimal temperature output duty ratio of FIG. 4 is used, the optimum temperature can be maintained, but the net output is decreased as shown in FIG. However, when the optimum output duty ratio map is used as in the present embodiment, it is possible to obtain an output close to the maximum network output and maintain the optimum temperature at the same time, so that it is possible to operate for a long time.
도 9는 본 실시예를 적용하지 않은 경우, 60W의 일정한 파워를 상용 제품에 적용할 경우 시스템이 자동 셧다운 되는 시간을 나타낸 그래프로서, 본 실시예를 적용하지 않고 단순 출력 제어를 사용하는 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 저전력 구간에서는 팬 모터(130)가 저속도로 구동되어 장시간 운전 시 결국 온도가 상승하여 2분만에 연료전지 운전이 정지(셧 다운)됨을 알 수 있다. FIG. 9 is a graph showing a time during which the system is automatically shut down when a constant power of 60 W is applied to a commercial product without applying the present embodiment. When simple output control is used without applying the present embodiment, 9, in the low power period, the
그러나 본 실시예를 적용하였을 경우 저전력과 고전력 구간에서 모두 셧 다운 없이 장시간 사용할 수 있음을 알 수 있다.However, when the present embodiment is applied, it can be seen that both low-power and high-power sections can be used for a long time without shutdown.
상술한 바와 같이 본 실시예는 오픈 캐소드 타입 연료전지를 주 에너지원으로 사용하는 자동차, 항공기, 선박, 휴대폰 및 스탠드용 연료전지 시스템에서 최대 네트 출력과 온도 상승 방지 및 충분한 산소 공급을 보장할 수 있도록 하는 효과가 있다.As described above, the present embodiment provides a fuel cell system for an automobile, an aircraft, a ship, a cellular phone, and a stand that uses an open cathode type fuel cell as a main energy source to prevent a maximum net output and temperature rise, .
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, I will understand the point. Accordingly, the technical scope of the present invention should be defined by the following claims.
110 : 제어부 111 : 레퍼런스 거버너
112 : 비례적분 제어기 120 : 팬 모터 구동부
130 : 팬 모터 140 : 연료전지
150 : 수소 공급부 160 : DC/DC 컨버터
170 : 부하110: control unit 111: reference governor
112: Proportional Integral Controller 120: Fan motor drive
130: Fan motor 140: Fuel cell
150: hydrogen supply unit 160: DC / DC converter
170: Load
Claims (10)
제어부의 제어에 따라 펄스폭 변조 방식으로 상기 팬 모터의 속도를 제어하는 팬 모터 구동부; 및
상기 연료전지의 운영 환경에 맞게 상기 팬 모터의 속도를 상기 팬 모터 구동부를 통해 가변하는 상기 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
A fan motor for supplying air to the fuel cell of the open cathode type fuel cell system;
A fan motor driving unit for controlling the speed of the fan motor by a pulse width modulation method under the control of the control unit; And
And a controller for changing the speed of the fan motor through the fan motor driving unit according to the operating environment of the fuel cell.
팬 모터 구동부를 통합할 수 있으며,
펄스폭을 크게 하여 상기 팬 모터의 속도를 빨라지게 하거나,
펄스폭을 작게 하여 상기 팬 모터의 속도가 줄어들게 하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
The apparatus of claim 1,
The fan motor drive can be integrated,
The speed of the fan motor is increased by increasing the pulse width,
And the pulse width is reduced to reduce the speed of the fan motor.
연료전지의 전류 변화에 따른 온도 조건을 만족하면서 최대의 네트 파워를 출력하기 위해 필요한 과산소 비율을 계산하는 레퍼런스 거버너; 및
연료전지 시스템에서 출력되는 실제 과산소 비율(
3. The apparatus of claim 2,
A reference governor for calculating a ratio of oxygen required for outputting a maximum net power while satisfying a temperature condition according to a current change of the fuel cell; And
The actual oxygen ratio output from the fuel cell system (
최대의 네트 파워를 출력하기 위해 필요한 과산소 비율을 계산하기 위하여,
아래의 수학식1과 같은 유량 방정식을 적용하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
(수학식 1)
여기서
The apparatus of claim 3,
To calculate the oxygen and oxygen ratios needed to output the maximum net power,
Wherein a flow rate equation as shown in the following equation (1) is applied.
(1)
here
상기 측정된
(수학식 2)
5. The apparatus of claim 4,
The measured
(2)
아래의 수학식 3을 이용해 과산소 비율(
(수학식 3)
이때
The apparatus of claim 3,
Using the following equation (3), the oxygen ratio (
(3)
At this time
연료전지에 인가되는 전류 값(
(수학식 4)
여기서
7. The apparatus of claim 6,
The current value applied to the fuel cell (
(4)
here
연료전지의 온도 제어를 위하여, 아래의 수학식 5를 이용한 오픈 캐소드 타입 연료전지의 열 모델링를 실시하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
(수학식 5)
여기서 m은 연료전지 질량, c는 비열, T는 온도,
The apparatus of claim 3,
Characterized in that thermal modeling of the open cathode type fuel cell is performed using the following equation (5) for the temperature control of the fuel cell.
(5)
Where m is the fuel cell mass, c is the specific heat, T is the temperature,
상기 수소 고위발열량으로부터 생성되는 이상(ideal) 에너지에서 실제(real) 생성되는 에너지의 차(
(수학식 6)
여기서 I는 스택의 전류, E th 는 Nernst 전압, V st 는 스택의 전압을 의미한다.
9. The apparatus according to claim 8,
The difference of the energy actually generated from the ideal energy generated from the hydrogen high-calorific value
(6)
Where I is the current of the stack, E th is the Nernst voltage, and V st is the voltage of the stack.
상기 Nernst 전압을 아래의 수학식 7을 이용해 산출하는 것을 특징으로 하는 오픈 캐소드 타입 연료전지의 팬 제어 장치.
(수학식 7)
여기서 P H2 와 P O2 는 각각 스택 내의 수소와 산소의 분압을 의미한다.10. The apparatus according to claim 9,
Wherein the Nernst voltage is calculated by using the following equation (7). ≪ EMI ID = 7.0 >
(7)
Where P H2 and P O2 represent the partial pressures of hydrogen and oxygen in the stack, respectively.
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2017
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