KR20230022721A - Method and system for estimating relitive humidity during feul cell stop - Google Patents
Method and system for estimating relitive humidity during feul cell stop Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230022721A KR20230022721A KR1020210104835A KR20210104835A KR20230022721A KR 20230022721 A KR20230022721 A KR 20230022721A KR 1020210104835 A KR1020210104835 A KR 1020210104835A KR 20210104835 A KR20210104835 A KR 20210104835A KR 20230022721 A KR20230022721 A KR 20230022721A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- fuel cell
- stack
- vapor pressure
- relative humidity
- temperature
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 159
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 38
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 16
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 11
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 11
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 7
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000003915 air pollution Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
- H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
- H01M8/0435—Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
- H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
- H01M8/0441—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Fuzzy Systems (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 연료전지 시스템의 상대습도 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 유량 변화가 없는 연료전지 정지 상태에서 적용가능한 상대습도 추정 장치 및 이를 이용한 상대습도 추정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method and device for estimating relative humidity in a fuel cell system, and more particularly, to a device for estimating relative humidity applicable in a stationary state of a fuel cell without a change in air flow rate and a method for estimating relative humidity using the same.
연료전지는 스택 내에서 수소와 산소의 전기화학 반응에 의하여 수소의 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 에너지 변환장치로서, 전동 모빌리티의 엔진, 발전기 등 적용 분야가 확대되고 있다. 또한 대기환경 오염에 대한 우려가 점차 증대됨에 따라 전기차, 수소연료전지차 등 친환경 차량에 대한 수요가 급증하고 있고, 세계 각국에서도 다양한 환경 규제에 대응하기 위해 위와 같은 친환경 차량이 주목받고 있다.A fuel cell is an energy conversion device in which chemical energy of hydrogen is converted into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in a stack, and application fields such as engines and generators of electric mobility are expanding. In addition, as concerns about air pollution gradually increase, the demand for eco-friendly vehicles such as electric vehicles and hydrogen fuel cell vehicles is rapidly increasing.
본 발명은 연료전지 시스템 내 상대 습도를 추정하기 위한 기술에 관한 것이다. 연료전지 시스템 내의 상대 습도는 여러 물리적인 상황에 따른 추정값들에 의해 산출되고 있으며, 노이즈를 줄이기 위한 기술들이 채용되고 있다.The present invention relates to a technique for estimating relative humidity in a fuel cell system. Relative humidity in the fuel cell system is calculated by estimated values according to various physical conditions, and techniques for reducing noise are employed.
특히, 종래 상대 습도 추정 기술에 따르면, 연료전지 정지 상태에서는 상대 습도 추정 로직을 동일하게 적용하기 어렵기 때문에 고정된 상대습도값을 적용하는 문제점이 존재하였다. 이에 연료전지 정지 상태에서도 고정된 상대습도값이 아니라 비교적 정확하게 현재 상대습도값을 추종할 수 잇는 상대 습도 추정 기술이 요구된다.In particular, according to the conventional relative humidity estimation technology, it is difficult to equally apply the relative humidity estimation logic when the fuel cell is stopped, so there is a problem of applying a fixed relative humidity value. Accordingly, there is a need for a relative humidity estimation technology capable of relatively accurately following the current relative humidity value, rather than a fixed relative humidity value, even when the fuel cell is stopped.
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.The matters described as the background art above are only for improving understanding of the background of the present invention, and should not be taken as an admission that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 차량 부품에서 제어 가능한 변수를 이용하여 운전 조건 별 스택의 전압 안정성 상태를 진단하고, 진단 결과에 따라 연료전지 열화를 방지하는 기술을 제공하고자 함이다.The present invention has been proposed to solve these problems, and is intended to provide a technology for diagnosing the voltage stability state of a stack for each driving condition using variables controllable in vehicle components and preventing fuel cell deterioration according to the diagnosis result. .
특히, 본 발명에서는 연료전지 열화를 방지함에 있어서, 셀 성능 저하의 원인 및 발생 위치를 규명하고, 가역/비가역 열화 여부와 같은 구체적인 진단 결과를 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.Particularly, in preventing fuel cell deterioration, another object of the present invention is to identify the cause and occurrence location of cell performance deterioration and to provide specific diagnosis results such as reversible/irreversible deterioration.
또한, 본 발명에서는 연료전지 열화에 대한 진단 결과에 따라 적합한 열화 회피 운전을 실시함으로써 연료전지 시스템 내의 최선의 셀 내 물수지 상태를 확보하고 전압 안정성을 유지하여 연료전지 시스템의 내구 수명을 증대하는 것에 또 다른 목적이 있다.In addition, in the present invention, by performing a suitable deterioration avoidance operation according to the diagnosis result of fuel cell deterioration, the best intra-cell water balance in the fuel cell system is secured and voltage stability is maintained to increase the durability of the fuel cell system. It has another purpose.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 상대습도 추정 방법은, 연료전지 정지 여부를 확인하는 단계; 연료전지 정지 시, 아래 수학식 1에 의해 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 계산하는 절대수증기압 계산 단계;To achieve the above object, a method for estimating relative humidity of a fuel cell stack according to the present invention includes the steps of checking whether the fuel cell is stopped; An absolute vapor pressure calculation step of calculating an absolute vapor pressure according to a change in thermal energy by Equation 1 below when the fuel cell is stopped;
수학식 1: Equation 1:
(Pabs: 절대수증기압, PSatVprT2: 연료전지 정지 후 온도에서의 포화수증기압, T1: 연료전지 정지 이전의 스택 온도, T2: 연료전지 정지 후의 스택 온도)(P abs : absolute water vapor pressure, P SatVprT2 : saturated water vapor pressure at the temperature after fuel cell shutdown, T 1 : stack temperature before fuel cell shutdown, T 2 : stack temperature after fuel cell shutdown)
상기 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 현재 수증기압으로 하고, 미리 산출된 현재 온도에서의 포화수증기압을 이용하여 상대습도 추정값을 도출하는 단계;를 포함한다.and deriving an estimated relative humidity value by using the absolute vapor pressure according to the change in thermal energy as the current vapor pressure and using the pre-calculated saturated vapor pressure at the current temperature.
상기 연료전지 정지 여부를 확인하는 단계에서는, 공급 공기 유량과 공기차단밸브 및 공기압력밸브의 폐쇄 여부를 확인하여 연료전지 정지 여부를 판단할 수 있다.In the step of checking whether the fuel cell is stopped, it is possible to determine whether the fuel cell is stopped by checking whether the supply air flow rate and whether the air shut-off valve and the air pressure valve are closed.
상기 연료전지 정지 여부 확인 단계에서는, 공급 공기 유량 변화가 '0'이고, 공기 블로워 미동작, 상기 공기차단밸브 및 상기 공기압력밸브가 모두 폐쇄된 상태인 경우, 연료전지 정지로 판단할 수 있다.In the step of checking whether the fuel cell is stopped, when the supply air flow rate change is '0', the air blower is not operating, and both the air blocking valve and the air pressure valve are closed, it may be determined that the fuel cell is stopped.
상기 연료전지 정지 여부 확인 단계에서, 상기 연료전지 정지 상태가 아닌 것으로 판단된 경우, 아래 수학식 2에 따라 유량에 따른 절대수증기압을 계산하는 단계; 및In the step of checking whether the fuel cell is stopped, if it is determined that the fuel cell is not stopped, calculating an absolute vapor pressure according to the flow rate according to Equation 2 below; and
수학식 2: Equation 2:
상기 유량에 따른 절대수증기압을 현재 수증기압으로 하고, 미리 산출된 현재 온도에서의 포화수증기압을 이용하여 상대습도 추정값을 도출하는 단계;가 수행될 수 있다.A step of deriving an estimated relative humidity value using the absolute vapor pressure according to the flow rate as the current vapor pressure and using the pre-calculated saturated vapor pressure at the current temperature; may be performed.
상기 현재 온도에서의 포화수증기압은 연료전지 정지 후의 스택 온도에 따라 아래 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.The saturated water vapor pressure at the current temperature may be calculated by Equation 3 below according to the stack temperature after the fuel cell is stopped.
수학식 3: Equation 3:
(PSatVpr: 포화수증기압, T: 스택 온도)(P SatVpr : saturation vapor pressure, T: stack temperature)
상기 스택 온도는 스택 입구 온도와 스택 출구 온도의 산술 평균에 의해 결정될 수 있다.The stack temperature may be determined by an arithmetic mean of a stack inlet temperature and a stack outlet temperature.
본 발명의 연료전지 스택의 상대습도 추정 장치는 연료전지 스택의 온도를 검출하는 온도센서; 연료전지 스택의 압력을 검출하는 압력센서; 상기 온도센서에서 검출된 스택 온도 및 상기 압력센서에 의해 검출된 스택 압력을 포함하는 정보들로부터 연료전지 스택의 상대습도를 추정하는 상대습도 추정기;를 포함하며,An apparatus for estimating the relative humidity of a fuel cell stack of the present invention includes a temperature sensor for detecting the temperature of the fuel cell stack; a pressure sensor that detects the pressure of the fuel cell stack; A relative humidity estimator for estimating the relative humidity of the fuel cell stack from information including the stack temperature detected by the temperature sensor and the stack pressure detected by the pressure sensor;
상기 상대습도 추정기는, 연료전지 정지 시, 상기 수학식 1에 의해 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 계산하고, 상기 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 현재 수증기압으로 하고, 미리 산출된 현재 온도에서의 포화수증기압을 이용하여 상대습도 추정값을 도출하도록 구성된다.The relative humidity estimator calculates the absolute water vapor pressure according to the change in thermal energy by Equation 1 when the fuel cell is stopped, sets the absolute vapor pressure according to the change in thermal energy as the current vapor pressure, and calculates the saturated vapor pressure at the current temperature calculated in advance. It is configured to derive an estimated value of relative humidity using
본 발명의 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법 및 장치에 따르면, 연료전지 정지로 인해 기체의 유동성이 없는 상태라 하더라도, 캐소드 출구 수증기압과 온도를 고려하여 상대 습도를 추정할 수 있는 새로운 추정 방법을 제시 한다.According to the method and apparatus for estimating relative humidity during fuel cell shutdown of the present invention, a new estimation method capable of estimating relative humidity in consideration of the water vapor pressure and temperature at the outlet of the cathode even when there is no fluidity of gas due to fuel cell shutdown is proposed. do.
특히, 본 발명의 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법 및 장치에 따르면, 연료전지 정지 시에도 연료전지 스택의 상대 습도를 추정 가능하므로, 연료전지 정지 해제 시에도 상대 습도 추종성을 개선할 수 있다.In particular, according to the method and apparatus for estimating relative humidity when the fuel cell is stopped, the relative humidity of the fuel cell stack can be estimated even when the fuel cell is stopped, and thus the followability of the relative humidity can be improved even when the fuel cell is stopped.
따라서, 본 발명에 따르면, 연료전지 정지 후 연료전지가 재시동되는 경우에 발생할 수 있는 상대 습도 추종에 관한 시간 지연을 줄일 수 있으므로, 연료전지 시스템의 출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the time delay related to tracking the relative humidity, which may occur when the fuel cell is restarted after stopping the fuel cell, and thus has an effect of improving the output of the fuel cell system.
도 1a는 일반 주행 중에서의 연료전지 시스템의 공기 공급계.
도 1b는 연료전지 정지 시의 공기 공급계.
도 2는 연료전지 정지 시 상대 습도를 고정값으로 출력하는 경우 발생하는 상대 습도 추정에 관한 시간 지연을 나타낸 그래프.
도 3a은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 장치가 적용된 연료전지 시스템의 공기 공급계에 있어서, 일반 주행 상태에서의 공기 공급계 구성도.
도 3b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 장치가 적용된 연료전지 시스템의 공기 공급계에 있어서, 연료전지 정지 시의 공기 공급계 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법의 순서도.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법의 순서도.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법에 의해 상대습도 추종성이 개선된 것을 나타내는 그래프.1A is an air supply system of a fuel cell system during normal running;
1B is an air supply system when the fuel cell is stopped.
2 is a graph showing a time delay for estimating the relative humidity that occurs when the relative humidity is output as a fixed value when the fuel cell is stopped;
3A is a block diagram of an air supply system in a normal driving state in an air supply system of a fuel cell system to which an apparatus for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped according to an embodiment of the present invention is applied;
3B is a configuration diagram of an air supply system when a fuel cell is stopped in an air supply system of a fuel cell system to which an apparatus for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped according to an embodiment of the present invention is applied;
4 is a flowchart of a method for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart of a method for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped according to another embodiment of the present invention.
6 is a graph showing that relative humidity followability is improved by a method for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택의 열화 방지 방법 및 시스템을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method and system for preventing deterioration of a fuel cell stack according to various embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
연료전지 차량은 운행 도중에 필요한 경우 연료전지의 발전을 정지시키고 재개하는 과정을 거치는 데, 이를 연료전지 정지(Fuel Cell Stop)과 연료전지 재시동(Fuel Cell Restart)이라 한다. 연료전지 차량에서는 운전자의 요구 출력에 따라 이러한 연료전지 정지와 재시동 과정을 반복하게 된다. A fuel cell vehicle goes through a process of stopping and resuming power generation of a fuel cell, if necessary, during operation, which is called a fuel cell stop and a fuel cell restart. In a fuel cell vehicle, such a process of stopping and restarting the fuel cell is repeated according to a driver's requested output.
연료전지 시스템의 성능을 확보하기 위해, 연료전지 스택 내의 전해질막에 대한 적절한 습도관리가 중요하며, 이를 위해 스택의 캐소드로 공급되는 공기를 적절하게 가습하여 적정 수준의 상대습도를 유지시키고 있다. 캐소드로 공급되는 공기는 가습기에 의해 가습되며, 가습된 공기 공급량에 따라 스택 내 상대습도가 가변될 수 있다.In order to secure the performance of the fuel cell system, it is important to properly manage the humidity of the electrolyte membrane in the fuel cell stack, and for this, air supplied to the cathode of the stack is properly humidified to maintain an appropriate level of relative humidity. The air supplied to the cathode is humidified by a humidifier, and the relative humidity in the stack may vary according to the amount of humidified air supplied.
도 1a는 일반 주행 중에서의 연료전지 시스템의 공기 공급계의 구성도로서, 일반 주행 중, 공기 공급계의 유량 변화를 기반으로 캐소드 출구의 상대습도값을 추정하는 모델을 설명하기 위한 것이다.FIG. 1A is a block diagram of an air supply system of a fuel cell system during normal driving, and is intended to explain a model for estimating a relative humidity value at a cathode outlet based on a change in flow rate of the air supply system during normal driving.
공기 공급계는 외부공기를 흡입하여 캐소드로 공급할 수 있도록 구성되며, 캐소드를 통과한 공기는 외부로 배출될 수 있다. 이를 위해, 공기 공급계는 외부 공기를 압축 전달하기 위한 공기 블로워가 포함되며, 캐소드 측으로 공기 유입을 차단할 수 있도록 공기차단밸브가 캐소드 입구 측에 설치될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 캐소드 입구 전단에는 공급 공기가 적정한 습도를 가지도록 가습시키기 위한 가습기가 포함될 수 있다. 상기 공기 블로워를 통해 압축 전달된 공기는 공기차단밸브를 통해 캐소드로 유입되며, 캐소드 출구 측의 공기압력밸브를 통해 외부로 배출될 수 있다.The air supply system is configured to take in external air and supply it to the cathode, and the air passing through the cathode can be discharged to the outside. To this end, the air supply system includes an air blower for compressed and delivered external air, and an air shut-off valve may be installed at the cathode inlet side to block air inflow to the cathode. Also, although not shown, a humidifier for humidifying supplied air to have an appropriate humidity may be included at a front end of the cathode inlet. Air compressed and delivered through the air blower is introduced into the cathode through the air shutoff valve, and may be discharged to the outside through the air pressure valve at the outlet of the cathode.
특히, 도 1a의 경우 연료전지 차량의 일반 주행 중인 상태를 나타낸 것으로, 공기 블로워는 공기 공급을 위해 회전(예를 들어, 15,000 rpm 이상)하고, 공기차단밸브 및 공기압력밸브는 모두 개방 상태이다.In particular, in the case of FIG. 1A , the fuel cell vehicle is in a normal running state, the air blower rotates (for example, 15,000 rpm or more) to supply air, and the air shutoff valve and the air pressure valve are both open.
이와 같은 도 1a의 "일반 주행 중" 상태에서는 외기의 유입과 배출이 지속적으로 일어나는 열린계 상태로, 캐소드의 입출구단에서 공기 흐름으로 인한 유량 오차가 존재하는 경우이다. 따라서, 이러한 열린계 상태에서는 유량 변화를 기반으로 상대습도(relative humidity; RH) 값의 추정이 가능하다.In the "normal driving" state of FIG. 1A, an open system state in which the inflow and discharge of outside air continuously occurs, and there is a flow rate error due to air flow at the inlet and outlet ends of the cathode. Therefore, in such an open system state, it is possible to estimate a relative humidity (RH) value based on a change in flow rate.
이러한 유량 기반의 상대습도 추정 방식에서는 캐소드 출구에서의 유량에 따른 절대수증기압과 현재 온도에서의 포화수증기압을 계산하여 상대습도를 산출하게 된다. 이 때, 캐소드 출구에서의 절대수증기압은 캐소드 출구에서 유량에 따라 산출된 현재 수증기압을 의미한다.In this flow rate-based relative humidity estimation method, the relative humidity is calculated by calculating the absolute vapor pressure according to the flow rate at the outlet of the cathode and the saturated vapor pressure at the current temperature. At this time, the absolute vapor pressure at the cathode outlet means the current vapor pressure calculated according to the flow rate at the cathode outlet.
유량 변화를 기반으로 한 상대습도 추정은 아래 수학식 1 내지 수학식 3으로부터 산출가능하다.Relative humidity estimation based on flow rate change can be calculated from Equations 1 to 3 below.
먼저, 상대습도는 포화수증기압과 현재 수증기압을 기반으로, 아래 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.First, the relative humidity can be calculated by Equation 1 below based on the saturated vapor pressure and the current vapor pressure.
또한, 캐소드 출구에서의 유량에 따른 절대수증기압은 아래 수학식 2에 의해 산출될 수 있으며, 이는 상대습도 산출을 위한 현재 수증기압을 의미한다.In addition, the absolute vapor pressure according to the flow rate at the outlet of the cathode can be calculated by Equation 2 below, which means the current vapor pressure for calculating the relative humidity.
(PCaOutVpr: 캐소드 출구단 수증기 압력, PCaOutTot: 캐소드 출구단 전체 압력, mCaOutVpr: 캐소드 출구단 수증기 유량, MAir: 공기 분자량, mCaOutAir: 캐소드 출구단 공기 유량, MH2O: 물 분자량)(P CaOutVpr : water vapor pressure at the cathode outlet, P CaOutTot : total pressure at the cathode outlet, m CaOutVpr : water vapor flow rate at the cathode outlet, M Air : air molecular weight, m CaOutAir : air flow rate at the cathode outlet, M H2O : water molecular weight)
또한, 상대습도 산출을 위한 포화수증기압(PSatVpr)은 스택 내부 온도(T)에 대한 함수이며, 아래 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.In addition, the saturation vapor pressure (PSatVpr) for calculating the relative humidity is a function of the stack internal temperature (T) and can be calculated by Equation 3 below.
(PSatVpr: 포화수증기압, T: 스택 온도)(P SatVpr : saturation vapor pressure, T: stack temperature)
반면, 도 1b에서는 "연료전지 정지" 상태에서의 공기 공급계를 도시하고 있다. 도 1b에서 도시된 바와 같이, "연료전지 정지" 상태에서는 공기 블로워는 구동을 정지한 상태(회전수 0rpm)이며, 공기차단밸브 및 공기압력밸브는 모두 닫힌 상태가 된다. 즉, "연료전지 정지" 상태의 공기 공급계는 닫힌계 상태로, 캐소드 입출구단에서의 유량 변화가 존재하지 않는 상태이다.On the other hand, FIG. 1B shows an air supply system in a “fuel cell stop” state. As shown in FIG. 1B, in the "fuel cell stop" state, the air blower is in a stopped state (rotational speed of 0 rpm), and both the air shutoff valve and the air pressure valve are closed. That is, the air supply system in the "fuel cell stop" state is in a closed system state, and there is no change in flow rate at the inlet and outlet of the cathode.
따라서, 연료전지 정지 시에는 공기 유량의 변화가 없기 때문에 유량 변화를 기반으로 한 상대습도 추정 로직을 적용할 수는 없으며, 임시로 고정값(예를 들어, 20%)을 상대습도 추정값으로 적용하게 된다.Therefore, since there is no change in the air flow rate when the fuel cell is stopped, it is not possible to apply the relative humidity estimation logic based on the flow rate change, and temporarily apply a fixed value (eg, 20%) as the relative humidity estimation value. do.
평균적으로 70~80%의 습도를 유지하는 시스템에서, 고정된 20%의 상대습도 추정값으로부터 연료전지 구동에 적합한 수준인 70~80% 의 상대습도값으로 변화시키는데는 일정 수준 이상의 시간이 소요된다.In a system that maintains an average humidity of 70 to 80%, it takes more than a certain level of time to change from a fixed estimated relative humidity of 20% to a value of 70 to 80% that is suitable for driving a fuel cell.
이와 관련, 도 2에서는 연료전지 정지 해제 후, 상대습도값이 고정값(20%)에서부터 실제 계산값으로 도달하기까지 소요되는 시간 지연으로 인해 출력 저하가 발생하는 예를 도시한 그래프이다.In this regard, FIG. 2 is a graph illustrating an example in which output degradation occurs due to a time delay required for the relative humidity value to reach an actual calculated value from a fixed value (20%) after the fuel cell is stopped.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 정지 구간에서는 미리 설정된 고정값(도 2의 예에서는 20%)로 상대습도 추정값이 결정되며, 연료전지 정지가 해제된 이후, 상대습도값이 고정값으로부터 실제 계산값까지 도달하는데 시간 지연이 발생하게 된다.As shown in FIG. 2, in the fuel cell stop section, the estimated relative humidity value is determined as a preset fixed value (20% in the example of FIG. 2), and after the fuel cell stop is released, the relative humidity value is actually changed from the fixed value. There will be a time delay to reach the calculated value.
이러한 시간 지연으로 인해, 해당 구간에서의 목표 화학양론비(SR) 값이 상대적으로 낮게 설정되게 되므로, 실제 필요한 공기량 보다 공급되는 공기량이 줄어드는 문제가 발생한다. 따라서, 이러한 공급 공기의 유량 저하로 인해 요구되는 수준의 출력을 얻어내지 못하게 되는 바, 연료전지 정지가 해제되는 시점에서의 출력 저하가 발생하게 된다.Due to this time delay, since the target stoichiometric ratio (SR) value in the corresponding section is set relatively low, a problem occurs in that the amount of air supplied is less than the amount of air actually required. Therefore, a required level of output cannot be obtained due to the decrease in the flow rate of the supply air, and thus, the decrease in output occurs at the point in time when the stop of the fuel cell is canceled.
본 발명에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법 및 장치에서는 이러한 연료전지 정지 해제 후 발생할 수 있는 시간 지연으로 인한 출력 저하 문제를 해소하기 위해, 연료전지 정지 시에는 상대습도에 대한 고정값을 활용하지 않고, 스택 내부 온도와 스택 내부 증발량을 고려하여 상대습도를 추정하는 새로운 기술을 제시한다.In the method and apparatus for estimating relative humidity during fuel cell shutdown according to the present invention, a fixed value for relative humidity is not used during fuel cell shutdown in order to solve the problem of output degradation due to time delay that may occur after the fuel cell shutdown is canceled. Instead, we present a new technique for estimating the relative humidity by considering the temperature inside the stack and the amount of evaporation inside the stack.
이와 관련, 도 3a 및 도 3b에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 장치가 적용된 공기 공급계를 도시하고 있다. 특히, 도 3a은 일반 주행 상태에서의 공기 공급계의 구성 및 상태를 도시한 것이고, 도 3b는 연료전지 정지 시의 공기 공급계의 구성 및 상태를 도시한 것이다. 또한, 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법에 관한 순서도를 도시하고 있다.In this regard, FIGS. 3A and 3B illustrate an air supply system to which an apparatus for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped according to an embodiment of the present invention is applied. In particular, FIG. 3A shows the configuration and state of the air supply system in a normal running state, and FIG. 3B shows the configuration and state of the air supply system when the fuel cell is stopped. In addition, FIG. 4 shows a flowchart of a method for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped according to an embodiment of the present invention.
도 3a와 도 3b는 앞서 설명한 도 1a 및 도1b의 구성들과 기본적으로 동일한 공기 공급계(100)를 포함하고 있다. 따라서, 공기 블로워(110), 공기차단밸브(120), 캐소드(130), 공기압력밸브(140)의 구성에 대해서는 앞서 설명한 바 있으므로, 상세한 설명을 생략한다.3A and 3B include an
도 3a는 도 1a와 마찬가지로, 연료전지가 동작하는 일반 주행 상태를 나타내는 것으로, 공기 블로워는 공기 공급을 위해 회전(예를 들어, 15,000 rpm 이상)하고, 공기차단밸브 및 공기압력밸브는 모두 개방 상태인 열린계 상태를 나타내고 있다.FIG. 3A, like FIG. 1A, shows a general driving state in which the fuel cell operates, the air blower rotates (for example, 15,000 rpm or more) to supply air, and the air shutoff valve and the air pressure valve are both open. represents the open state.
반면, 도 3b에서는 도 1b에서와 마찬가지로, "연료전지 정지" 상태에서의 공기 공급계를 도시하고 있다. 도 3b에서 도시된 바와 같이, "연료전지 정지" 상태에서는 공기 블로워는 구동을 정지한 상태(회전수 0rpm)이며, 공기차단밸브 및 공기압력밸브는 모두 닫힌 상태가 된다. 이러한 "연료전지 정지" 상태의 공기 공급계는 닫힌계 상태로, 캐소드 입출구단에서의 유량 변화가 존재하지 않게 되는 바, 유량 변화에 의존하지 않는 상대 습도 추정 기술이 적용된다.On the other hand, in FIG. 3b, as in FIG. 1b, the air supply system is shown in the “fuel cell stop” state. As shown in FIG. 3B, in the "fuel cell stop" state, the air blower is in a stopped state (rotational speed of 0 rpm), and both the air shutoff valve and the air pressure valve are closed. The air supply system in the "fuel cell stop" state is in a closed system state, and there is no change in flow rate at the inlet/outlet end of the cathode, so a relative humidity estimation technique that does not depend on the change in flow rate is applied.
도 3a와 도 3b를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 상대습도 추정 장치는 스택 내의 온도를 측정하기 위한 온도센서(150) 및 압력센서(160) 및 연료전지 시스템 내부의 각종 데이터들을 저장하는 데이터 저장부(200)와, 상대습도 추정을 위한 RH 추정기(300)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.Referring to FIGS. 3A and 3B , an apparatus for estimating the relative humidity of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes a
이와 관련, 상기 데이터 저장부(200)는 연산을 처리하기 위한 프로세서 내의 데이터 버퍼 또는 플래시 메모리와 같이 프로세서와 별도로 구비되는 메모리 소자 등일 수 있다. 상기 데이터 저장부에서는 연료전지 시스템의 제어 알고리즘을 수행하기 위한 기초가 되는 다양한 정보들이 저장될 수 있으며, 상기 RH 추정기(상대습도 추정기)는 이러한 데이터 저장부로부터 필요한 정보를 수득할 수 있다. 다만, 이러한 데이터 저장부는 본 발명을 실시하는 데 있어서 필수적인 요소는 아니며, 상기 RH 추정기는 상대습도 추정을 위해 필요한 정보를 연료전지 시스템 내의 특정한 구성요소들로부터 직접 전달받을 수 있다. 예를 들어, 상기 RH 추정기는 온도 센서와 압력 센서로부터 각각 검출된 스택 온도 및 스택 압력에 대한 값들을 입력받을 수 있다. 또한, 상기 RH 추정기는 공기 블로워(110), 공기차단밸브(120) 및 공기압력밸브(140)와 연결되어, 각각의 구성들로부터 공기 블로워 동작 여부, 밸브 개폐 등과 같은 정보를 직접 입력받을 수 있다.In this regard, the
따라서, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 스택의 상대습도 추정 장치는 이러한 스택 내부 정보를 활용하여 도 4 및 도 5에서와 같은 상대 습도 추정 방법을 적용할 수 있는 형태라면 제한 없이 적용될 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the apparatus for estimating the relative humidity of a fuel cell stack according to a preferred embodiment of the present invention can be applied without limitation as long as the relative humidity estimation method as shown in FIGS. 4 and 5 can be applied using the internal information of the stack. should be interpreted as
본 발명에 따른 연료전지 스택의 상대습도 추정 장치는 상기 RH 추정기를 통해 연료전지 정지 시 변화하는 포화수증기압과 스택 내부의 증발량을 고려하여 상대습도 값을 산출하는 것에 특징이 있다.An apparatus for estimating relative humidity of a fuel cell stack according to the present invention is characterized in that the relative humidity value is calculated by considering the saturation vapor pressure that changes when the fuel cell is stopped and the amount of evaporation inside the stack through the RH estimator.
특히, 본 발명의 바람직한 실시예에서의 RH 추정기는 증발량에 따른 절대수증기압을 계산하고, 계산된 증발량에 따른 절대수증기압을 현재 수증기압으로 하여 상대습도를 산출하게 된다.In particular, the RH estimator in the preferred embodiment of the present invention calculates the absolute water vapor pressure according to the amount of evaporation, and calculates the relative humidity using the calculated absolute vapor pressure according to the amount of evaporation as the current water vapor pressure.
RH 추정기에서의 상대습도가 산출되는 원리를 구체적으로 살펴보면, 앞서의 수학식 1에서 설명된 것처럼, 상대습도는 현재의 수증기압과 현재 온도에서의 포화수증기압의 비로 계산된다. 여기서, 현재 온도에서의 포화수증기압은 스택 내부 오노에 따른 포화수증기압을 계산함으로써 산출될 수 있다.Looking in detail at the principle of calculating the relative humidity in the RH estimator, as described in Equation 1 above, the relative humidity is calculated as the ratio of the current water vapor pressure and the saturated water vapor pressure at the current temperature. Here, the saturated vapor pressure at the current temperature may be calculated by calculating the saturated vapor pressure according to the inside of the stack.
한편, 현재의 수증기압을 산출함에 있어서, 본 발명에서는 연료전지 정지 시 공기차단밸브와 공기압력밸브가 닫힘 상태를 유지하기 때문에, 스택 내부가 밀봉 상태를 유지하는 닫힌계가 된다는 점에 주목한다. 즉, 스택 내부는 밀봉 상태가 도기 때문에, 캐소드 출구에 존재하는 절대수증기압을 변화시키는 요소는 증발량이 되며, 포화수증기압은 스택 내부의 온도에 따라 변하게 된다. 증발량 변화는 액체가 증발하면서 흡수된 열에너지와 같다. Meanwhile, in calculating the current vapor pressure, it is noted that in the present invention, since the air shutoff valve and the air pressure valve remain closed when the fuel cell is stopped, the inside of the stack becomes a closed system maintaining a sealed state. That is, since the inside of the stack is in a sealed state, a factor that changes the absolute vapor pressure existing at the outlet of the cathode is the amount of evaporation, and the saturation vapor pressure changes according to the temperature inside the stack. The change in evaporation is equal to the heat energy absorbed by the liquid as it evaporates.
연료전지 정지 상태에서의 캐소드 출구의 상대습도를 추정함에 있어서, 아래 수학식 4 및 수학식 5에서와 같은 아스만 습도계에 의한 수증기압 및 상대습도의 계산식을 활용할 수 있다. 아래 수학식에서는 습구온도계에서 빼앗긴 열에너지와 건구온도계 열에너지의 차이를 통해 절대수증기압을 계산할 수 있다.In estimating the relative humidity at the outlet of the cathode when the fuel cell is stopped, the formulas for calculating water vapor pressure and relative humidity by an Assman hygrometer as shown in Equations 4 and 5 below can be used. In the equation below, the absolute vapor pressure can be calculated through the difference between the thermal energy taken from the wet bulb thermometer and the thermal energy from the dry bulb thermometer.
(e: 수증기압, E: 건구온도의 포화수증기압, E': 습구온도의 포화증기압, t: 건구온도, t': 습구온도, p:당시 기압, A: 상수(습구무결빙: 0.50, 습구결빙: 0.44)(e: water vapor pressure, E: saturated vapor pressure at dry-bulb temperature, E': saturated vapor pressure at wet-bulb temperature, t: dry-bulb temperature, t': wet-bulb temperature, p: air pressure at the time, A: constant (wet-bulb no-icing: 0.50, wet-bulb no-icing : 0.44)
위 수학식 4, 5와 관련, 빼앗긴 열에너지의 차이는 증발량과 같기 때문에, '습구온도 = 연료전지 정지 이후의 온도', '건구온도 = 연료전지 정지 이전의 온도'라고 할 수 있다.Regarding Equations 4 and 5 above, since the difference in heat energy taken away is equal to the amount of evaporation, it can be said that 'wet bulb temperature = temperature after fuel cell shutdown' and 'dry bulb temperature = temperature before fuel cell shutdown'.
이를 통해, 위 수학식 4, 5를 연료전지 정지 상태의 시스템에 적용하면 아래와 같은 수학식 6 및 수학식 7을 도출할 수 있다.Through this, when Equations 4 and 5 above are applied to the system in a stopped state of the fuel cell, Equations 6 and 7 can be derived.
(Pabs: 현재 수증기압(증발량에 따른 절대수증기압), PSatVprT2: 연료전지 정지 후 온도에서의 포화수증기압, T1: 연료전지 정지 이전의 스택 온도, T2: 연료전지 정지 후의 스택 온도)(P abs : current water vapor pressure (absolute vapor pressure according to the amount of evaporation), P SatVprT2 : saturated water vapor pressure at the temperature after fuel cell shutdown, T 1 : stack temperature before fuel cell shutdown, T 2 : stack temperature after fuel cell shutdown)
(Pabs(증발량): 증발량에 따른 절대수증기압, PSatVpr(스택온도): 스택 내부 온도에 따른 포화수증기압)(P abs (evaporation amount): Absolute vapor pressure according to the amount of evaporation, P SatVpr (stack temperature): saturated vapor pressure according to the temperature inside the stack)
한편, Pabs를 산출함에 있어서, 연료전지 정지 전후의 포화수증기압 변화는 그리 크지 않기 때문에, 수학식 6에 적용되는 연료전지 정지 후 온도에서의 포화수증기압(PSatVprT2)은 미리 계산해 놓은 연료전지 정지 전 온도에서의 포화수증기압(PSatVprT1)이 대신 적용될 수도 있다.On the other hand, in calculating Pabs, since the change in saturated water vapor pressure before and after fuel cell shutdown is not very large, the saturated water vapor pressure (P SatVprT2 ) at the temperature after fuel cell shutdown applied to Equation 6 is the temperature before fuel cell shutdown calculated in advance. The saturation vapor pressure at P SatVprT1 may be applied instead.
이와 관련, 연료전지 정지 전후의 포화수증기압은 스택 온도에 따라 결정되는 값으로, 앞서의 수학식 3에 따라 계산될 수 있다. 이와 관련, 스택 온도는 온도센서(150)에 의해 검출될 수 있으며, 스택의 입구 및 출구에 각각 온도센서가 부착된 시스템의 경우, 스택 온도는 스택 입구 온도와 스택 출구 온도의 산술 평균에 의해 결정될 수 있다.In this regard, the saturation vapor pressure before and after stopping the fuel cell is a value determined according to the stack temperature, and may be calculated according to Equation 3 above. In this regard, the stack temperature may be detected by the
이와 같은 상대습도 추정식을 통해, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 연료전지 스택의 상대습도 추정 장치 및 방법에서는 연료전지 정지 바로 이전의 절대수증기압에 현재 가변적인 요소인 온도, 증발량에 따른 변화를 적용함으로써 연료전지 정지 시의 캐소드 출구 상대습도 추정의 정확성을 개선할 수 있게 된다.Through such a relative humidity estimation formula, in the apparatus and method for estimating the relative humidity of a fuel cell stack according to a preferred embodiment of the present invention, the change according to the temperature and the amount of evaporation, which are currently variable elements, to the absolute water vapor pressure immediately before the fuel cell is stopped. By applying this, it is possible to improve the accuracy of estimating the relative humidity at the outlet of the cathode when the fuel cell is stopped.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 스택의 상대습도 추정 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method for estimating relative humidity of a fuel cell stack according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5 .
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 상대습도 추정 방법은 시동 완료 및 주행 중 상황에서(S401), 현재 온도에서의 포화수증기압을 계산하는 단계(S402)를 실시할 수 있다. 본 단계의 경우, 연료전지 정지(Fc Stop) 상태 이전의 스택 온도에서의 포화수증기압을 계산하게 된다.Referring to FIG. 4 , in the method for estimating the relative humidity of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, a step of calculating a saturation vapor pressure at a current temperature (S402) is performed in a situation in which starting is completed and driving is performed (S401). can In this step, the saturation vapor pressure at the stack temperature before the Fc Stop state is calculated.
이후, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 상대습도 추정 방법에서는 연료전지 정지 여부를 확인하고(S403), 연료전지 정지 시에는 앞서의 수학식 6에 따라 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 계산하는 절대수증기압 계산 단계(S405)가 실시될 수 있다.Thereafter, in the method for estimating the relative humidity of the fuel cell stack according to the present invention, it is checked whether the fuel cell is stopped (S403), and when the fuel cell is stopped, the absolute water vapor pressure is calculated according to the change in thermal energy according to Equation 6 above. Step S405 may be performed.
이와 관련, 도 4에서와 같이, 연료전지 정지 여부를 확인함에 있어서, 공급 공기 유량 변화 유무, 공기 블로워 동작 여부와 공기차단밸브 및 공기압력밸브의 폐쇄 여부를 확인하여 연료전지 정지 여부를 판단할 수 있다(S404). 따라서, RH 추정기에서는 공급 공기 유량 변화가 '0'이고, 상기 공기 블로워 구동 정지, 상기 공기차단밸브 및 상기 공기압력밸브가 모두 폐쇄된 상태인지를 최종적으로 확인하여 연료전지 정지 상태인지를 재검증할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 재검증에 따라, 만일 연료전지 정지 상태가 아닌 것으로 판단되면, 제어 지령 등을 재확인하여 연료전지 정지 상태인지를 다시 확인하는 단계로 회귀할 수 있다.In this regard, as shown in FIG. 4, in checking whether the fuel cell is stopped, it is possible to determine whether the fuel cell is stopped by checking whether the supply air flow rate has changed, whether the air blower is operating, and whether the air shutoff valve and the air pressure valve are closed. Yes (S404). Therefore, in the RH estimator, it is finally checked whether the supply air flow rate change is '0', the air blower operation is stopped, the air shutoff valve, and the air pressure valve are all closed to reverify whether the fuel cell is stopped. can Although not shown, if it is determined that the fuel cell is not in the stopped state according to the reverification, it is possible to return to a step of checking again whether the fuel cell is in the stopped state by reconfirming a control command or the like.
단계 S405를 통해 절대수증기압 계산되면, 이를 토대로 상대습도 추정값을 도출하는 단계(S420)이 실시된다.When the absolute vapor pressure is calculated through step S405, a step of deriving an estimated value of relative humidity based on the calculated value (S420) is performed.
본 단계에서는 앞서의 수학식 7에서와 같이, 계산된 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 현재 수증기압으로 하고, 미리 산출된 현재 온도에서의 포화수증기압을 이용하여 상대습도 추정값을 도출하게 된다. 이 때, 현재 온도에서의 포화수증기압은 앞서 단계 S402에서 계산된 값이 사용될 수 있다.In this step, as in Equation 7 above, the absolute water vapor pressure according to the calculated thermal energy change is set as the current water vapor pressure, and the estimated relative humidity is derived using the previously calculated saturated water vapor pressure at the current temperature. At this time, the value previously calculated in step S402 may be used as the saturation vapor pressure at the current temperature.
한편, 단계S403에서 연료전지 정지 상태가 아닌 것으로 판정되면, 유량에 따른 절대수증기압을 계산하는 단계(S412)가 실시되고, 계산된 절대수증기압을 기반으로 하여 상대습도 추정값이 도출되는 단계가 실시된다(S420). 이 경우, 공급 공기 유량, 공기 블로워 동작 여부와 공기차단밸브 및 공기압력밸브의 개방 여부를 확인하여 연료전지 정상 구동 여부를 검증할 수 도 있다(S411).Meanwhile, if it is determined in step S403 that the fuel cell is not in a stopped state, a step of calculating the absolute water vapor pressure according to the flow rate (S412) is performed, and a step of deriving an estimated value of relative humidity based on the calculated absolute water vapor pressure is performed ( S420). In this case, it is also possible to verify whether the fuel cell is normally driven by checking the supply air flow rate, whether the air blower is operating, and whether the air shutoff valve and the air pressure valve are open (S411).
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법의 순서도이다.5 is a flowchart of a method for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped according to another embodiment of the present invention.
도 5의 각 단계와 관련, 단계 505에서 연료전지 정지(Fc Stop) 후 온도에서의 포화수증기압을 계산하는 단계를 제외하고는, 도 4의 실시예의 각 단계들과 실질적으로 동일하다.Each step of FIG. 5 is substantially the same as the step of the embodiment of FIG. 4 except for the step of calculating the saturation vapor pressure at the temperature after the fuel cell is stopped (Fc Stop) in step 505 .
따라서, 시동 완료 및 주행 중 상황에서(S501), 현재 온도에서의 포화수증기압을 계산하는 단계(S502), 연료전지 정지 여부를 확인하는 단계(S403), 공급 공기 유량 변화 유무, 공기 블로워 동작 여부와 공기차단밸브 및 공기압력밸브의 폐쇄 여부를 확인하여 연료전지 정지 여부를 검증하는 단계(S404), 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 계산하는 절대수증기압 계산 단계(S506)은 각각의 대응되는 단계와 동일하다. 마찬가지로, 가 실시될 수 있다. 연료전지 정상 구동 여부를 검증하는 단계(S511) 및 유량에 다른 절대수증기압을 계산하는 단계(S512) 및 상대습도 추정값 도출 단계(S520) 또한 대응되는 도 4의 단계들과 실질적으로 동일하다.Therefore, in the case of completion of startup and driving (S501), calculating the saturated vapor pressure at the current temperature (S502), checking whether the fuel cell is stopped (S403), whether or not the supply air flow rate has changed, whether or not the air blower is operating, and The step of verifying whether the fuel cell is stopped by checking whether the air shutoff valve and the air pressure valve are closed (S404) and the step of calculating the absolute vapor pressure according to the change in thermal energy (S506) are the same as the respective corresponding steps. . Similarly, can be implemented. The step of verifying whether the fuel cell is normally operated (S511), the step of calculating the absolute vapor pressure different from the flow rate (S512), and the step of deriving the estimated relative humidity (S520) are also substantially the same as the corresponding steps of FIG. 4 .
다만, 도 5의 예의 경우, 앞서 도 4의 예와는 달리, 연료전지 정지 전의 스택 온도에 따라 계산된 포화수증기압의 계산값 외에 연료전지 정지 후의 스택 온도에서의 포화수증기압을 계산하고, 계산된 값을 열에너지 변화에 의한 절대수증기압(Pabs) 산출(S506) 및 상대습도 추정값 도출(S520)에 적용한다는 점에서 차이가 있다.However, in the case of the example of FIG. 5, unlike the example of FIG. 4, the saturated vapor pressure at the stack temperature after the fuel cell is stopped is calculated in addition to the calculated value of the saturated vapor pressure according to the stack temperature before the fuel cell is stopped, and the calculated value There is a difference in that is applied to the calculation of the absolute vapor pressure (Pabs) by the change in thermal energy (S506) and the derivation of the estimated relative humidity (S520).
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법에 의해 상대습도 추종성이 개선된 것을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing that relative humidity followability is improved by a method for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 연료전지 정지 구간에서 상대습도의 고정값을 이용하는 것에 비하여 상대 습도 추종성이 개선되는 바, 시간 지연을 단축시켜 연료전지 시스템의 출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6 , it can be confirmed that there is an effect of improving the output of the fuel cell system by shortening the time delay since the followability of the relative humidity is improved compared to using a fixed value of the relative humidity in the fuel cell stop section. .
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.Although shown and described in relation to specific embodiments of the present invention, it is known in the art that the present invention can be variously improved and changed without departing from the technical spirit of the present invention provided by the claims below. It will be self-evident to those skilled in the art.
100: 공기 공급계
110: 공기 블로워
120: 공기차단밸브
130: 캐소드
140: 공기압력밸브
150: 온도센서
160: 압력센서
200: 데이터 저장부
300: RH 추정기100: air supply system
110: air blower
120: air shutoff valve
130: cathode
140: air pressure valve
150: temperature sensor
160: pressure sensor
200: data storage unit
300: RH estimator
Claims (11)
연료전지 정지 시, 아래 수학식 1에 의해 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 계산하는 절대수증기압 계산 단계;
수학식 1:
(Pabs: 절대수증기압, PSatVprT2: 연료전지 정지 후 온도에서의 포화수증기압, T1: 연료전지 정지 이전의 스택 온도, T2: 연료전지 정지 후의 스택 온도)
상기 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 현재 수증기압으로 하고, 미리 산출된 현재 온도에서의 포화수증기압을 이용하여 상대습도 추정값을 도출하는 단계;
를 포함하는 연료전지 스택의 상대습도 추정 방법.
Checking whether the fuel cell is stopped;
An absolute vapor pressure calculation step of calculating an absolute vapor pressure according to a change in thermal energy by Equation 1 below when the fuel cell is stopped;
Equation 1:
(P abs : absolute water vapor pressure, P SatVprT2 : saturated water vapor pressure at the temperature after fuel cell shutdown, T 1 : stack temperature before fuel cell shutdown, T 2 : stack temperature after fuel cell shutdown)
Deriving an estimated relative humidity value by using the absolute vapor pressure according to the change in thermal energy as the current vapor pressure and using the pre-calculated saturated vapor pressure at the current temperature;
Relative humidity estimation method of a fuel cell stack comprising a.
상기 연료전지 정지 여부를 확인하는 단계에서는
공급 공기 유량과 공기차단밸브 및 공기압력밸브의 폐쇄 여부를 확인하여 연료전지 정지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상대습도 추정 방법.
The method of claim 1,
In the step of checking whether the fuel cell is stopped,
A method for estimating the relative humidity of a fuel cell stack, characterized in that determining whether the fuel cell is stopped by checking the supply air flow rate and whether an air shutoff valve and an air pressure valve are closed.
상기 연료전지 정지 여부 확인 단계에서는,
공급 공기 유량 변화가 '0'이고, 공기 블로워 미동작, 상기 공기차단밸브 및 상기 공기압력밸브가 모두 폐쇄된 상태인 경우, 연료전지 정지로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 시 상대습도 추정 방법.
The method of claim 2,
In the step of checking whether the fuel cell is stopped,
A method for estimating relative humidity when a fuel cell is stopped, characterized in that it is determined that the fuel cell is stopped when the supply air flow rate change is '0', the air blower is not operating, and both the air shutoff valve and the air pressure valve are closed. .
상기 연료전지 정지 여부 확인 단계에서, 상기 연료전지 정지 상태가 아닌 것으로 판단된 경우, 아래 수학식 2에 따라 유량에 따른 절대수증기압을 계산하는 단계; 및
수학식 2:
상기 유량에 따른 절대수증기압을 현재 수증기압으로 하고, 미리 산출된 현재 온도에서의 포화수증기압을 이용하여 상대습도 추정값을 도출하는 단계;
가 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상대습도 추정 방법.
The method of claim 1,
In the step of checking whether the fuel cell is stopped, if it is determined that the fuel cell is not stopped, calculating an absolute vapor pressure according to the flow rate according to Equation 2 below; and
Equation 2:
Deriving an estimated relative humidity value using the absolute vapor pressure according to the flow rate as the current vapor pressure and using the pre-calculated saturated vapor pressure at the current temperature;
Method for estimating relative humidity of a fuel cell stack, characterized in that is performed.
상기 현재 온도에서의 포화수증기압은 연료전지 정지 후의 스택 온도에 따라 아래 수학식 3에 의해
수학식 3:
(PSatVpr: 포화수증기압, T: 스택 온도)
산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상대습도 추정 방법.
The method of claim 1,
The saturated water vapor pressure at the current temperature is obtained by Equation 3 below according to the stack temperature after the fuel cell is stopped.
Equation 3:
(P SatVpr : saturation vapor pressure, T: stack temperature)
A method for estimating the relative humidity of a fuel cell stack, characterized in that it is calculated.
상기 스택 온도는 스택 입구 온도와 스택 출구 온도의 산술 평균에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상대습도 추정 방법.
The method of claim 5,
The method of estimating relative humidity of a fuel cell stack, characterized in that the stack temperature is determined by an arithmetic average of a stack inlet temperature and a stack outlet temperature.
연료전지 스택의 압력을 검출하는 압력센서;
상기 온도센서에서 검출된 스택 온도 및 상기 압력센서에 의해 검출된 스택 압력을 포함하는 정보들로부터 연료전지 스택의 상대습도를 추정하는 상대습도 추정기;를 포함하며,
상기 상대습도 추정기는,
연료전지 정지 시, 아래 수학식 1에 의해 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 계산하고,
수학식 1:
(Pabs: 절대수증기압, PSatVprT2: 연료전지 정지 후 온도에서의 포화수증기압, T1: 연료전지 정지 이전의 온도, T2: 연료전지 정지 후의 온도)
상기 열에너지 변화에 따른 절대수증기압을 현재 수증기압으로 하고, 미리 산출된 현재 온도에서의 포화수증기압을 이용하여 상대습도 추정값을 도출하도록 구성된 연료전지 스택의 상대습도 추정 장치.
a temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell stack;
a pressure sensor that detects the pressure of the fuel cell stack;
A relative humidity estimator for estimating the relative humidity of the fuel cell stack from information including the stack temperature detected by the temperature sensor and the stack pressure detected by the pressure sensor;
The relative humidity estimator,
When the fuel cell is stopped, the absolute water vapor pressure according to the change in thermal energy is calculated by Equation 1 below,
Equation 1:
(P abs : absolute water vapor pressure, P SatVprT2 : saturated water vapor pressure at the temperature after fuel cell shutdown, T 1 : temperature before fuel cell shutdown, T 2 : temperature after fuel cell shutdown)
An apparatus for estimating relative humidity of a fuel cell stack configured to derive an estimated relative humidity value by using an absolute vapor pressure according to the change in thermal energy as a current vapor pressure and using a pre-calculated saturated vapor pressure at a current temperature.
상기 상대습도 추정기는 공급 공기 유량과 공기차단밸브 및 공기압력밸브의 폐쇄 여부를 확인하여 연료전지 정지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상대습도 추정 장치.
The method of claim 7,
The relative humidity estimator determines whether the fuel cell is stopped by checking the supply air flow rate and whether the air shutoff valve and the air pressure valve are closed.
상기 상대습도 추정기는 공급 공기 유량 변화가 '0'이고, 공기 블로워 미동작, 상기 공기차단밸브 및 상기 공기압력밸브가 모두 폐쇄된 경우, 연료전지 정지로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 정지 시 상대습도 추정 장치.
The method of claim 8,
The relative humidity estimator determines that the fuel cell is stopped when the supply air flow rate change is '0', the air blower is not operating, and both the air shutoff valve and the air pressure valve are closed. humidity estimator.
상기 현재 온도에서의 포화수증기압은 연료전지 정지 후의 스택 온도에 따라 아래 수학식 2에 의해
수학식 2:
(PSatVpr: 포화수증기압, T: 스택 온도)
산출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상대습도 추정 장치.
The method of claim 7,
The saturation vapor pressure at the current temperature is obtained by Equation 2 below according to the stack temperature after the fuel cell is stopped.
Equation 2:
(P SatVpr : saturation vapor pressure, T: stack temperature)
An apparatus for estimating relative humidity of a fuel cell stack, characterized in that the calculation.
상기 온도 센서는 스택 입구 온도 센서와 스택 출구 온도 센서를 포함하고,
상기 스택 온도는 상기 스택 입구 온도 센서에 의해 검출되는 스택 입구 온도와 상기 스택 출구 온도 센서에 의해 검출되는 스택 출구 온도의 산술 평균에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상대습도 추정 장치.
The method of claim 10,
The temperature sensor includes a stack inlet temperature sensor and a stack outlet temperature sensor,
The stack temperature is determined by an arithmetic average of a stack inlet temperature detected by the stack inlet temperature sensor and a stack outlet temperature detected by the stack outlet temperature sensor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210104835A KR20230022721A (en) | 2021-08-09 | 2021-08-09 | Method and system for estimating relitive humidity during feul cell stop |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210104835A KR20230022721A (en) | 2021-08-09 | 2021-08-09 | Method and system for estimating relitive humidity during feul cell stop |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20230022721A true KR20230022721A (en) | 2023-02-16 |
Family
ID=85325752
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020210104835A KR20230022721A (en) | 2021-08-09 | 2021-08-09 | Method and system for estimating relitive humidity during feul cell stop |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20230022721A (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101795245B1 (en) | 2016-04-19 | 2017-11-07 | 현대자동차주식회사 | Apparatus for controlling fuel cell stack and method threreof |
-
2021
- 2021-08-09 KR KR1020210104835A patent/KR20230022721A/en active Search and Examination
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101795245B1 (en) | 2016-04-19 | 2017-11-07 | 현대자동차주식회사 | Apparatus for controlling fuel cell stack and method threreof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10249896B2 (en) | System and method for controlling fuel cell vehicle | |
CN105810977B (en) | System and method for controlling fuel cell of vehicle | |
CN110224159B (en) | Fuel cell system, mobile body provided with same, and wind speed derivation method therefor | |
JP2007035389A (en) | Fuel cell system and its control method | |
JP6376184B2 (en) | Fuel cell system and vehicle | |
CA2589589A1 (en) | Fuel cell system with exhaust recycle | |
KR20190108304A (en) | Hydrogen concentration estimation method and system of fuel cell | |
WO2006126746A1 (en) | Fuel cell system and method of operating fuel cell | |
JP2007052937A (en) | Fuel cell system and its operation method | |
JP2003297399A (en) | Fuel cell system | |
US20240030478A1 (en) | Method and system for controlling operation of fuel cell | |
KR20210053088A (en) | Deterioration estimating system and hydrogen supply system and method including thereof | |
US8338042B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2003168467A (en) | Control equipment of fuel cell system for vehicle | |
EP3021402B1 (en) | Fuel cell system and fuel cell system control method | |
JP5757230B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP2008282794A (en) | Fuel cell system | |
JP2008305700A (en) | Fuel cell system | |
KR20230022721A (en) | Method and system for estimating relitive humidity during feul cell stop | |
JP2011216415A (en) | Fuel cell system and film wet condition determination method for the same | |
JP5309558B2 (en) | Fuel cell system | |
KR20210074834A (en) | Integrated emission apparatus for fuel cell system and method thereof | |
JP2009158268A (en) | Fuel cell system | |
KR20230018241A (en) | Method for compensating air flow rate during discharging hydrogen off-gas in feul cell system and apparatus using the same | |
CN112635800B (en) | System and method for estimating hydrogen concentration of fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination |