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KR102829876B1 - Control system and method of hydrogen purge valve - Google Patents

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KR102829876B1
KR102829876B1 KR1020210106387A KR20210106387A KR102829876B1 KR 102829876 B1 KR102829876 B1 KR 102829876B1 KR 1020210106387 A KR1020210106387 A KR 1020210106387A KR 20210106387 A KR20210106387 A KR 20210106387A KR 102829876 B1 KR102829876 B1 KR 102829876B1
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hydrogen
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최성범
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기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 수소퍼지밸브의 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 연료전지시스템 내 수소를 배출하기 위한 수소퍼지밸브의 제어에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시형태에 따른 수소퍼지밸브의 제어방법은, 연료전지시스템의 운전 영역을 판단하는 단계; 상기 운전 영역에 따라 수소퍼지밸브의 작동 조건을 결정하는 단계; 및 결정된 상기 작동 조건에 따라 수소퍼지밸브를 작동시키는 단계를 포함한다.The present invention relates to a control system and a control method for a hydrogen purge valve, and more particularly, to control of a hydrogen purge valve for discharging hydrogen in a fuel cell system. A control method for a hydrogen purge valve according to some embodiments of the present invention includes: a step of determining an operating range of a fuel cell system; a step of determining an operating condition of a hydrogen purge valve according to the operating range; and a step of operating the hydrogen purge valve according to the determined operating condition.

Description

수소퍼지밸브의 제어시스템 및 제어방법{CONTROL SYSTEM AND METHOD OF HYDROGEN PURGE VALVE}Control system and method of hydrogen purge valve {CONTROL SYSTEM AND METHOD OF HYDROGEN PURGE VALVE}

본 발명은 수소퍼지밸브의 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 연료전지시스템 내 수소를 배출하기 위한 수소퍼지밸브의 제어에 관한 것이다. The present invention relates to a control system and control method for a hydrogen purge valve, and more specifically, to control of a hydrogen purge valve for discharging hydrogen in a fuel cell system.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 에너지원이다. 연료전지의 친환경성 측면으로 인해 최근에는 연료전지와 관련된 연구가 활발하게 진행 중에 있다. 그 중 자동차 산업분야에서도 연료전지가 적용되는 차량에 대한 관심이 대두되고 있다. Fuel cells are energy sources that produce electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. Due to the environmental friendliness of fuel cells, research on fuel cells has been actively conducted recently. Among them, interest in vehicles that use fuel cells is growing in the automobile industry.

차량에서는 단위 셀을 복수 개 적층한 연료전지 스택이 적용되고 있다. 연료전지 스택에서는 공기와 수소가스가 단위 셀의 발전부인 EGA (Electricity-Generating Assembly, 전기 발생 접합체)의 양면에 공급된다. 공급된 공기와 수소 각각 공기극과 수소극에서 이온화하고 전기화학반응을 함으로써 전기가 생산된다. In vehicles, fuel cell stacks are applied by stacking multiple unit cells. In the fuel cell stack, air and hydrogen gas are supplied to both sides of the EGA (Electricity-Generating Assembly), which is the power generation part of the unit cell. The supplied air and hydrogen are ionized at the air electrode and the hydrogen electrode, respectively, and an electrochemical reaction occurs to produce electricity.

연료전지 가동 시 EGA의 주요한 역할 중 하나는, EGA의 양면에 공급되는 공기와 수소가스가 양 면의 전극에서 이온화하여 전기화학 반응을 할 수 있도록 공기와 수소가스가 서로 혼합되지 않게 하는 것이다. EGA의 열화로 인해 공기와 수소가스가 서로 반대측으로 넘어가게 된다면 연료전지의 출력에 악영항을 미칠 수 있고, 결국에는 연료전지의 성능과 수명을 단축시킬 수 있다. 구체적으로, 공기극으로 넘어간 수소의 직접 연소반응 등 각종 화학반응에 의해 생성 전압이 낮아지면서 연료전지의 출력을 악화시킨다. 또한, 공기극으로 넘어간 수소의 발열반응으로 인해 주위온도가 급격히 높아지면서 연료전지의 성능과 수명을 단축시킬 수 있다. One of the main roles of the EGA when the fuel cell is in operation is to prevent the air and hydrogen gas supplied to both sides of the EGA from mixing with each other so that they can ionize at the electrodes on both sides and undergo an electrochemical reaction. If the air and hydrogen gas flow to opposite sides due to deterioration of the EGA, it can have a negative effect on the output of the fuel cell, ultimately shortening the performance and life of the fuel cell. Specifically, the output of the fuel cell deteriorates as the voltage generated is lowered by various chemical reactions, such as direct combustion reactions of the hydrogen that flows to the cathode. In addition, the performance and life of the fuel cell can be shortened as the ambient temperature rapidly increases due to the exothermic reaction of the hydrogen that flows to the cathode.

따라서, 수소와 산소가 상대 극으로 넘어가게 되는 원인을 발견하고 이에 대한 해결책을 강구하는 경우 연료전지의 내구 향상에 도움이 될 것이다.Therefore, if we discover the cause of hydrogen and oxygen moving to opposite poles and devise a solution for this, it will be helpful in improving the durability of fuel cells.

등록특허공보 제10-1113649호 (등록일자: 2012.02.01)Patent Registration No. 10-1113649 (Registration Date: 2012.02.01)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, The present invention has been devised to solve the above-described problems,

연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 수소퍼지밸브의 제어방법을 제공하고자 한다. The present invention aims to provide a method for controlling a hydrogen purge valve that can improve the durability of a fuel cell.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The purpose of the present invention is not limited to the purposes mentioned above, and other purposes not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs (hereinafter referred to as 'ordinary skilled worker') from the description below.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다. In order to achieve the purpose of the present invention as described above and to perform the characteristic functions of the present invention described below, the features of the present invention are as follows.

본 발명의 일부 실시형태에 따른 수소퍼지밸브의 제어방법은, 연료전지시스템의 운전 영역을 판단하는 단계; 상기 운전 영역에 따라 수소퍼지밸브의 작동 조건을 결정하는 단계; 및 결정된 상기 작동 조건에 따라 수소퍼지밸브를 작동시키는 단계를 포함한다. A method for controlling a hydrogen purge valve according to some embodiments of the present invention comprises: a step of determining an operating range of a fuel cell system; a step of determining an operating condition of a hydrogen purge valve according to the operating range; and a step of operating the hydrogen purge valve according to the determined operating condition.

본 발명의 일부 실시형태에 따른 수소퍼지밸브의 제어시스템은, 연료전지시스템 내 수소를 배출하기 위해 일정 주기로 일정 시간 개방 후 폐쇄되도록 구성되는 수소퍼지밸브; 및 상기 연료전지시스템의 운전 영역에 따라 수소퍼지밸브의 작동 조건을 제어하도록 구성되는 제어기를 포함한다.A control system for a hydrogen purge valve according to some embodiments of the present invention includes a hydrogen purge valve configured to open for a predetermined period of time and then close at predetermined intervals to discharge hydrogen within a fuel cell system; and a controller configured to control an operating condition of the hydrogen purge valve according to an operating range of the fuel cell system.

본 발명에 따르면, 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 수소퍼지밸브의 제어방법이 제공된다. According to the present invention, a method for controlling a hydrogen purge valve capable of improving the durability of a fuel cell is provided.

본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those described above, and other effects not mentioned will be clearly recognized by those skilled in the art from the description below.

도 1은 수소 퍼지 시 연료전지의 압력 변화를 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 수소퍼지밸브 제어시스템의 구성도를 도시하고,
도 3은 종래 수소퍼지밸브 작동방식을 도시하고,
도 4는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 수소퍼지밸브의 제어방법의 흐름도를 도시하고,
도 5는 본 발명에 따른 제어방법의 제어요소를 도시하고,
도 6 내지 9는 본 발명에 따른 제어방법이 연료전지시스템의 여러 운전 영역에 적용되는 적용예를 도시하고,
도 10은 본 발명에 따른 제어방법에 의해 수소 퍼지 시 연료전지의 압력 변화를 도시한다.
Figure 1 illustrates the pressure change of a fuel cell during hydrogen purge.
Figure 2 illustrates a configuration diagram of a hydrogen purge valve control system according to the present invention.
Figure 3 illustrates the operation method of a conventional hydrogen purge valve.
Figure 4 illustrates a flow chart of a method for controlling a hydrogen purge valve according to some embodiments of the present invention.
Figure 5 illustrates a control element of a control method according to the present invention.
Figures 6 to 9 illustrate application examples in which the control method according to the present invention is applied to various operating areas of a fuel cell system.
Figure 10 illustrates the pressure change of a fuel cell during hydrogen purging by a control method according to the present invention.

발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The specific structural and functional descriptions presented in the embodiments of the invention are merely exemplified for the purpose of explaining embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms. In addition, it should not be construed as being limited to the embodiments described in this specification, but should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다. Meanwhile, in the present invention, the terms first and/or second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited to the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, within the scope of the rights according to the concept of the present invention, the first component may be named the second component, and similarly, the second component may also be named the first component.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.When it is said that an element is "connected" or "connected" to another element, it should be understood that it may be directly connected or connected to that other element, but that there may be other elements in between. On the other hand, when it is said that an element is "directly connected" or "in direct contact with" another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions used to describe the relationship between elements, such as "between" and "directly between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted similarly.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. Like reference numerals throughout the specification represent like elements. Meanwhile, the terminology used herein is for the purpose of describing embodiments only and is not intended to limit the present invention. In the present specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise. The terms "comprises" and/or "comprising" as used herein do not exclude the presence or addition of one or more other elements, steps, operations, and/or elements mentioned.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

본 출원인은 EGA(Electricity-Generating Assembly)의 열화현상을 모사하기 위하여 장기간 연료전지를 운전하여 EGA의 상태를 살펴보았다. The present applicant operated a fuel cell for a long period of time to simulate the deterioration phenomenon of the Electricity-Generating Assembly (EGA) and examined the state of the EGA.

여기에서 EGA에 공기가 유입되는 공기 입구부의 국부적인 열화로부터 열화가 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 공기가 유입되는 공기면의 공기 입구부가 수소면보다 열화된 면적이 큰 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 공기 입구부에서 열화가 시작되고 전극이 소실되면서 반대측 수소면의 전극 열화가 진행되는 것을 알 수 있다. 이러한 경우 열화된 부분을 통해 내구 기밀 특성이 깨지게 되어 각 면의 가스가 서로 교환되게 되고 결국 성능 저하가 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이러한 열화가 급격히 커지게 되어 구멍이 생기면 수소와 산소의 급격한 반응으로 인한 국부 온도가 증가하게 된다. 이는 분리판에까지 구멍을 형성하여 연료전지의 가동이 더 이상 불가능하게 될 수 있다.Here, it was confirmed that deterioration progresses from local deterioration of the air inlet section where air is introduced into the EGA. It was confirmed that the deteriorated area of the air inlet section of the air side where air is introduced is larger than that of the hydrogen side. Through this, it was confirmed that deterioration starts at the air inlet section and, as the electrode is lost, electrode deterioration of the opposite hydrogen side progresses. In this case, it was confirmed that the durable sealing characteristics are broken through the deteriorated section, causing the gases of each side to exchange with each other, ultimately resulting in a decrease in performance. In addition, if this deterioration rapidly increases and a hole is formed, the local temperature increases due to the rapid reaction between hydrogen and oxygen. This may form a hole in the separator, making operation of the fuel cell no longer possible.

이와 같이 공기 입구부의 열화가 진행되는 원인은, 먼저, EGA내에서 산소 분압이 가장 높은 지점은 상대적으로 공기압이 가장 높은 공기 입구부라는 점에서 찾을 수 있다. 따라서, 수소극 측으로 크로스오버되어 넘어가는 산소의 양 또한 다른 지점에 비해 클 수밖에 없다. 막을 통해 넘어간 산소는 수소극의 백금(Pt) 촉매에서 산소 라디칼을 발생시킨다. 발생된 산소 라디칼은 아이오노머(ionomer)의 열화를 촉진하여 전해질막은 점점 얇아지게 되면서 기밀 특성이 점점 악화된다. The reason why the air inlet deteriorates in this way is that, first of all, the point where the oxygen partial pressure is the highest in the EGA is the air inlet where the air pressure is the highest. Therefore, the amount of oxygen that crosses over to the hydrogen electrode cannot but be greater than at other points. The oxygen that crosses over through the membrane generates oxygen radicals at the platinum (Pt) catalyst of the hydrogen electrode. The generated oxygen radicals promote the deterioration of the ionomer, and the electrolyte membrane becomes thinner and thinner, and the sealing properties deteriorate.

또한, 산소가 막을 통해 수소극 측으로 넘어갈 경우 공기극 측의 전극 부식을 야기할 수 있다. 수소극으로 넘어간 산소에 의해 수소극 내에 산소와 수소가 같이 존재하게 되면 공기극의 국부적인 전압 상승이 발생하게 된다. 이는 공기극의 전극을 부식시키고 공기 입구부의 국부적인 전극 탈리 등을 야기시키는 원인이 될 수 있다. In addition, if oxygen passes through the membrane to the hydrogen electrode, it can cause electrode corrosion on the air electrode side. If oxygen and hydrogen coexist in the hydrogen electrode due to the oxygen passing to the hydrogen electrode, a local voltage increase occurs at the air electrode. This can cause corrosion of the air electrode and cause local electrode detachment at the air inlet.

또한, 수소 퍼지로 인한 압력 저하를 꼽을 수 있다. 연료전지 운전 시 공기극에서는 수소극으로 질소가 확산하게 되어 수소극의 농도가 점차 낮아지게 된다. 수소극의 농도가 낮아지게 되면 국부적인 수소 부족현상이 발생하여 전극 열화를 발생시키고 성능 저하가 일어날 수 있다. 따라서, 수소극의 농도를 일정 농도 이상으로 유지하기 위하여, 연료전지 시스템에서는 수소 가스를 주기적으로 배출하는 수소 퍼지(H2 purge)가 수행된다. In addition, pressure drop due to hydrogen purge can be cited. When the fuel cell is operated, nitrogen diffuses from the air electrode to the hydrogen electrode, and the concentration of the hydrogen electrode gradually decreases. If the concentration of the hydrogen electrode decreases, a local hydrogen shortage phenomenon may occur, causing electrode deterioration and performance degradation. Therefore, in order to maintain the concentration of the hydrogen electrode above a certain concentration, the fuel cell system performs hydrogen purge (H 2 purge) that periodically discharges hydrogen gas.

수소 퍼지를 위해 사용되는 밸브는 주로 솔레노이드 밸브, 모터 방식의 로터리 솔레노이드(rotary solenoid)등이 사용되고 있다. 밸브의 ON/OFF 제어를 통하여 순간적으로 밸브를 열어 수소극 측의 수소 및 기타 기체가 배출된다. 이때 순간적으로 배출되는 기체의 흐름 때문에 압력이 순간적으로 낮아지게 되며, 하강한 압력을 보상하기 위해 수소 공급 밸브를 통하여 수소가 공급된다.The valves used for hydrogen purge are mainly solenoid valves, motor-driven rotary solenoids, etc. Through ON/OFF control of the valve, the valve is opened momentarily, and hydrogen and other gases on the hydrogen electrode side are discharged. At this time, the pressure is momentarily lowered due to the flow of gas discharged momentarily, and hydrogen is supplied through the hydrogen supply valve to compensate for the lowered pressure.

이와 같이 공급되는 수소는 100% 농도이므로 연료전지 내의 수소 농도는 일정 수준 이상을 유지할 수 있게 된다. 하지만 이러한 ON/OFF 형태의 밸브 제어로는, 도 1과 같이, 수소 출구압의 압력을 저하시킨다. 수소 출구압의 압력 저하는 공기 입구압과 수소 출구압의 압력 차이를 줄이게 되므로 공기극 측의 산소가 수소 출구부쪽으로 막을 통해 쉽게 넘어갈 수 있는 환경을 형성한다. 수소 퍼지는 연료전지가 운전하는 동안 주기적으로 필수적으로 작동되므로 공기가 수소극의 수소 출구부 부분으로 지속적으로 넘어가게 되는 환경을 만들게 된다. 이러한 영향으로 공기 입구부 막 열화를 야기하게 되어 연료전지의 내구 상품성에 저하를 초래한다. Since the hydrogen supplied in this way has a concentration of 100%, the hydrogen concentration inside the fuel cell can be maintained above a certain level. However, with this ON/OFF type valve control, the pressure of the hydrogen outlet pressure is reduced, as shown in Fig. 1. The reduction in the pressure of the hydrogen outlet pressure reduces the pressure difference between the air inlet pressure and the hydrogen outlet pressure, thereby creating an environment in which oxygen on the air electrode side can easily pass through the membrane toward the hydrogen outlet. Since the hydrogen purge is necessarily operated periodically while the fuel cell is operating, an environment in which air continuously passes through the hydrogen outlet portion of the hydrogen electrode is created. This influence causes deterioration of the membrane at the air inlet portion, which reduces the durability and marketability of the fuel cell.

또한, 급격한 퍼지에 의해 수소극 측의 급격한 압력 저하는 공기극 측에서 수소극측 방향으로 물리적인 변형을 야기할 수 있다. 이는 전극 탈리, 부분적인 형태 변형 등 EGA의 내구 저하를 발생시키는 요인이 될 수 있다. In addition, a rapid pressure drop on the hydrogen electrode side due to rapid purge can cause physical deformation from the air electrode side to the hydrogen electrode side. This can be a factor causing a decrease in the durability of the EGA, such as electrode detachment and partial shape deformation.

결국 공기 입구부는 EGA의 타 부분에 비해 상대적으로 취약한 조건 하에 있다. 따라서, 연료전지의 초기 운전 시에는 큰 문제가 없으나 장기간 운전 시 공기 입구부의 열화가 나타나게 된다. Ultimately, the air inlet is under relatively vulnerable conditions compared to other parts of the EGA. Therefore, there is no major problem during the initial operation of the fuel cell, but deterioration of the air inlet appears during long-term operation.

특히, 연료전지 시스템이 가압 운전 중심의 고출력 운전 시스템으로 변화함에 따라 수소극 측 압력은 높아지게 되므로 급격한 퍼지에 의한 수소극의 압력 저하에 대한 제어는 필수적인 요소가 되고 있다. In particular, as the fuel cell system changes to a high-output driving system centered on pressurized driving, the pressure on the hydrogen electrode side increases, so control of the pressure drop at the hydrogen electrode due to rapid purge is becoming an essential element.

따라서, 본 발명은 급격한 퍼지에 의한 수소극 측의 급격한 압력 저하를 방지하고 공기 입구부의 산소가 수소극 측으로 넘어가지 않게 할 수 있는 수소퍼지밸브의 제어방법을 통해 연료전지의 내구 향상을 도모하고자 한다. Accordingly, the present invention seeks to improve the durability of a fuel cell through a method for controlling a hydrogen purge valve that can prevent a rapid pressure drop on the hydrogen electrode side due to rapid purge and prevent oxygen at the air inlet from flowing to the hydrogen electrode side.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수소퍼지밸브의 제어시스템은 제어기(100) 및 수소퍼지밸브(200)를 포함한다. As shown in FIG. 2, the control system of the hydrogen purge valve according to the present invention includes a controller (100) and a hydrogen purge valve (200).

제어기(100)는 수소퍼지밸브(200)의 최대개도면적(A), 개도비율(B) 및 개도시간(C) 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된다. 제어기(100)는 연료전지시스템의 제어기일 수도 있고, 수소퍼지밸브(200)의 제어를 위해 별개로 마련되는 제어기라도 좋다. The controller (100) is configured to control at least one of the maximum opening area (A), opening ratio (B), and opening time (C) of the hydrogen purge valve (200). The controller (100) may be a controller of a fuel cell system, or may be a controller separately provided for controlling the hydrogen purge valve (200).

수소퍼지밸브(200)는 작동에 의해 연료전지시스템의 수소를 퍼지하도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 수소퍼지밸브(200)는 개도비율, 개도시간과 개도면적이 제어기(100)에 의해 제어될 수 있는 유형의 밸브라면 어느 것이든 사용될 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에 따르면, 수소퍼지밸브(200)는 PWM (Pulse Width Modulation) 솔레노이드 밸브이다. 본 발명의 일부 구현예에 따르면, 수소퍼지밸브(200)는 회전 솔레노이드 밸브(rotary solenoid valve)이다. The hydrogen purge valve (200) is configured to purge hydrogen of the fuel cell system by operation. According to the present invention, the hydrogen purge valve (200) may be any type of valve in which the opening ratio, opening time, and opening area can be controlled by the controller (100). According to some embodiments of the present invention, the hydrogen purge valve (200) is a PWM (Pulse Width Modulation) solenoid valve. According to some embodiments of the present invention, the hydrogen purge valve (200) is a rotary solenoid valve.

종래 퍼지 제어방법은 밸브의 ON/OFF 제어로 순간적으로 밸브를 개방하여 수소 및 기타 기체를 배출하게 하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 특정 시점에서 밸브의 개도면적은 순간적으로 100%가 되고, 미리 설정된 시간 시간동안 개방 상태를 유지한 뒤 밸브가 닫히게 되어 있었다. 그러나 본 발명에 따르면, 수소 퍼지 시 밸브의 개도면적을 서서히 증가시킨다. 따라서, 본 발명은 수소 등을 포함하는 기체(이하 '배출기체')는 서서히 배출되고 압력의 큰 변화 없이 배출이 요구되는 양의 수소 등의 기체를 배출할 수 있다. The conventional purge control method instantaneously opens the valve by ON/OFF control of the valve to discharge hydrogen and other gases. As illustrated in Fig. 3, at a specific point in time, the opening area of the valve instantaneously becomes 100%, and the valve is closed after maintaining the open state for a preset time. However, according to the present invention, the opening area of the valve is gradually increased during hydrogen purge. Therefore, according to the present invention, a gas including hydrogen or the like (hereinafter, “discharged gas”) is gradually discharged, and a gas such as hydrogen that is required to be discharged can be discharged without a significant change in pressure.

본 발명의 일부 실시형태에 따른 수소퍼지밸브의 제어방법은 연료전지시스템의 출력에 따라 수소퍼지밸브(200)의 최대개도면적(A), 시간에 따른 개도면적의 변화량(이하 개도비율(B)) 및 개도시간(C) 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된다. A method for controlling a hydrogen purge valve according to some embodiments of the present invention is configured to control at least one of a maximum opening area (A), a change in the opening area over time (hereinafter, an opening ratio (B)), and an opening time (C) of a hydrogen purge valve (200) according to the output of a fuel cell system.

도 4를 참조하면, 먼저, 제어기(100)는 연료전지시스템의 운전 영역을 탐지한다(S20). 연료전지시스템의 운전 영역은 외부에서 연료전지시스템에 입력되는 출력 요구일 수 있다. 예를 들어, 운전 영역은 차량 운전자의 가속 의지 등에 기초하여 판단될 수 있다. Referring to Fig. 4, first, the controller (100) detects the operating range of the fuel cell system (S20). The operating range of the fuel cell system may be an output request input to the fuel cell system from the outside. For example, the operating range may be determined based on the vehicle driver's will to accelerate, etc.

본 발명의 구현예에 따르면, 운전 영역은 저출력, 중저출력, 중상출력 및 고출력 영역 중 적어도 일부를 포함한다. 저출력 영역은 연료전지시스템의 최대 출력이 가장 낮은 영역이고, 중저출력 영역은 저출력 영역보다 최대 출력이 높은 영역이고, 중상출력 영역은 중저출력 영역보다는 최대 출력이 높되, 고출력 영역보다는 최대 출력이 낮은 운전 영역에 해당한다. 비제한적인 예로서, 저출력 영역은 최대 출력이 대략 30% 이하, 중저출력 영역은 최대 출력이 대략 30 내지 60%, 중상출력 영역은 최대 출력이 대략 60 내지 90%, 고출력 영역은 최대출력이 대략 90~100%로 분류될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the operating range includes at least a portion of low power, medium-low power, medium-high power, and high power ranges. The low power range is a range in which the maximum output of the fuel cell system is the lowest, the medium-low power range is a range in which the maximum output is higher than that of the low power range, and the medium-high power range is a range in which the maximum output is higher than that of the medium-low power range but lower than that of the high power range. As a non-limiting example, the low power range can be classified as having a maximum output of about 30% or less, the medium-low power range as having a maximum output of about 30 to 60%, the medium-high power range as having a maximum output of about 60 to 90%, and the high power range as having a maximum output of about 90 to 100%.

제어기(100)는 탐지된 운전 영역에 따라 수소 퍼지 시의 수소퍼지밸브(200)의 최대개도면적(A), 개도비율(B) 또는 개도시간(C)을 결정한다(S40). 각 출력 영역별로 수소퍼지밸브(200)의 작동 조건인 최대개도면적(A), 개도비율(B) 또는 개도시간(C)은 미리 결정되어 저장부(120)에 저장될 수 있다. 제어기(100)는 해당 운전 영역에 맞는 작동 조건을 저장부(120)로부터 획득할 수 있다. The controller (100) determines the maximum opening area (A), opening ratio (B), or opening time (C) of the hydrogen purge valve (200) during hydrogen purge according to the detected operating area (S40). The maximum opening area (A), opening ratio (B), or opening time (C), which are the operating conditions of the hydrogen purge valve (200) for each output area, can be determined in advance and stored in the storage (120). The controller (100) can obtain the operating conditions suitable for the corresponding operating area from the storage (120).

도 5를 참조하면, 최대개도면적(A)은 해당 출력 영역에서 수소 퍼지 시 최대로 열릴 개방면적이다. 최대개도면적(A)은 미리 결정된 바에 따라 100%일 수도 있고, 80%일 수도 있으며, 다른 크기일 수도 있다. 즉, 최대개도면적(A)은 수소 퍼지를 위해 수소퍼지밸브(200)가 최대로 열릴 수 있는 면적이 어느 정도인가를 말한다. 최대개도면적(A)이 클 경우 많은 양의 배출기체가 배출될 수 있게 된다. Referring to FIG. 5, the maximum opening area (A) is the maximum opening area that can be opened when purging hydrogen in the corresponding output area. The maximum opening area (A) can be 100%, 80%, or other sizes as determined in advance. In other words, the maximum opening area (A) refers to the area that the hydrogen purge valve (200) can open to the maximum for purging hydrogen. If the maximum opening area (A) is large, a large amount of exhaust gas can be discharged.

개도비율(B)은 시간에 따른 개도면적의 변화량으로 정의될 수 있다. 특히, 수소 퍼지 초기 또는 종료 시 시간에 따라 어떤 크기의 속도로 수소퍼지밸브(200)를 개방할 것인지를 의미한다. 개도비율(B)이 작으면 작을수록 수소퍼지밸브(200)는 천천히 열리게 된다. 이에 의해 퍼지 시 수소압의 변동폭을 줄일 수 있고 수소압을 안정적으로 유지할 수 있다. The opening ratio (B) can be defined as the amount of change in the opening area over time. In particular, it means the speed at which the hydrogen purge valve (200) will be opened over time at the beginning or end of the hydrogen purge. The smaller the opening ratio (B), the more slowly the hydrogen purge valve (200) opens. This can reduce the fluctuation range of the hydrogen pressure during the purge and can stably maintain the hydrogen pressure.

개도시간(C)은 수소퍼지밸브(200)가 열린 상태를 유지하는 총 시간이다. 즉, 수소퍼지밸브(200)가 열리기 시작한 시점부터 다시 닫히는 시점까지의 시간을 말한다. 개도시간(C)은 퍼지 양을 결정하게 되므로 연료전지시스템의 수소농도를 결정하게 된다. The opening time (C) is the total time that the hydrogen purge valve (200) remains open. In other words, it refers to the time from the time the hydrogen purge valve (200) starts to open to the time it closes again. The opening time (C) determines the amount of purge, and therefore the hydrogen concentration of the fuel cell system.

수소퍼지밸브(200)의 이러한 작동 조건이 결정되면 제어기(100)는 결정된 작동 조건으로 수소퍼지밸브(200)를 작동시킨다(S60). 이하에서는 예시적인 작동 조건으로 수소퍼지밸브(200)를 작동시킬 때의 제어를 살펴보고자 한다. When the operating conditions of the hydrogen purge valve (200) are determined, the controller (100) operates the hydrogen purge valve (200) with the determined operating conditions (S60). Hereinafter, the control when operating the hydrogen purge valve (200) with exemplary operating conditions will be examined.

도 6 내지 9에는 각 운전 영역별 예시적인 제어도가 도시되어 있다. 제어기(100)는 각 출력 또는 운전 영역별로 최대개도면적(A), 개도비율(B) 또는 개도시간(C)을 조절하여 연료전지시스템에서 퍼지 시 수소압의 큰 변동 없이 안정적으로 수소를 공급할 수 있다. Figures 6 to 9 illustrate exemplary control diagrams for each operating region. The controller (100) can stably supply hydrogen without a large fluctuation in hydrogen pressure during purge in the fuel cell system by controlling the maximum opening area (A), opening ratio (B), or opening time (C) for each output or operating region.

도 6은 저출력 영역에 해당한다. 최대 출력이 낮은 저출력 영역에서는 연료전지시스템 내 수소압이 낮다. 따라서, 빠른 속도로 수소가 빠져나갈 수 있도록 개도비율(B)이 크고, 최대개도면적(A)도 100%에 이르게 한다. Figure 6 corresponds to the low-power region. In the low-power region where the maximum output is low, the hydrogen pressure within the fuel cell system is low. Therefore, the opening ratio (B) is large so that hydrogen can escape at a fast rate, and the maximum opening area (A) is also made to reach 100%.

도 7은 중저출력 영역의 제어를 도시한다. 중저출력 영역의 경우 최대개도면적(A)은 100%로 하되, 수소압이 저출력 영역보다는 높으므로 개도비율(B)을 작게 하여 수소압의 급격한 변동을 방지하고 충분한 배출기체가 배출될 수 있도록 개도시간(C)을 연장시킨다. Figure 7 illustrates the control of the medium-low power region. In the medium-low power region, the maximum opening area (A) is set to 100%, but since the hydrogen pressure is higher than in the low power region, the opening ratio (B) is made small to prevent rapid changes in hydrogen pressure and the opening time (C) is extended so that sufficient exhaust gas can be discharged.

도 8은 중상출력 영역의 제어를 도시한다. 중상출력 영역의 경우 수소압이 비교적 높을 것이므로 최대개도면적(A)은 80%로 감소시킨다. 또한, 급격한 수소압의 변동을 방지할 수 있도록 개도비율(B) 또한 중저출력의 경우보다 작게 한다. Figure 8 illustrates the control of the medium-high output region. In the medium-high output region, the hydrogen pressure will be relatively high, so the maximum opening area (A) is reduced to 80%. In addition, the opening ratio (B) is also made smaller than in the medium-low output region to prevent rapid changes in hydrogen pressure.

도 9는 고출력 영역의 제어를 도시한다. 고출력 운전 영역에서는 수소압이 높으므로 개도면적이 작더라도 수소가 배출되는 양이 많아지게 된다. 따라서, 최대개도면적(A)은 대략 40%까지만 이르도록 할 수 있다. 또한, 수소압의 급격한 변동을 방지하기 위하여 개도비율(B)은 비교적 완만하게, 작게 한다. 다만, 이러한 경우 수소 퍼지량이 적을 수 있으므로 수소농도 저하를 방지하기 위해 개도시간(C)을 비교적 긴 시간으로 조절하여 연료전지 운전 시 수소농도를 조절할 수 있게 한다. 즉, 세 가지 요인을 적절히 조절할 수 있다. Fig. 9 illustrates the control of the high-power region. In the high-power operation region, since the hydrogen pressure is high, even if the opening area is small, the amount of hydrogen discharged increases. Therefore, the maximum opening area (A) can be set to only about 40%. In addition, in order to prevent rapid fluctuations in hydrogen pressure, the opening ratio (B) is made relatively gentle and small. However, in this case, since the hydrogen purge amount may be small, the opening time (C) is adjusted to a relatively long time to prevent a decrease in hydrogen concentration, so that the hydrogen concentration can be controlled during fuel cell operation. In other words, three factors can be appropriately controlled.

연료전지시스템의 경우, 특히, 차량용 연료전지시스템의 경우 연료전지시스템의 운전 영역 내지는 차량의 출력에 따라 소모되는 전류가 결정된다. 그리고 소모되는 전류에 따라서 소모되는 수소와 산소의 양이 결정된다. 소모되는 연료인 수소와 산소의 원활한 공급을 위해 소모 전류가 증가함에 따라 수소압과 공기압을 증가시키는 운전 방식을 사용하고 있다. In the case of fuel cell systems, especially in the case of vehicle fuel cell systems, the current consumed is determined according to the operating range of the fuel cell system or the output of the vehicle. And the amount of hydrogen and oxygen consumed is determined according to the current consumed. In order to smoothly supply the hydrogen and oxygen, which are the fuels consumed, an operating method is used that increases the hydrogen pressure and air pressure as the current consumed increases.

따라서, 단순히 개도면적만을 제어하는 경우 수소압이 전류에 따라 가변하는 시스템에서 적절한 제어를 할 수 없게 된다. 예를 들어, 개도면적의 제어 속도나 개도면적이 동일한 상황에서 수소압이 낮은 경우에는 수소는 배출되는 유량이 적고 퍼지밸브 오픈 시 수소압의 변동은 적을 것이다. 그러나 개도면적의 제어 속도나 개도면적이 동일한 상황에서 수소압이 높을 경우에는 수소가 배출되는 유량은 많고 상대적으로 수소압의 변동은 매우 클 것이다. Therefore, if only the opening area is controlled, proper control cannot be achieved in a system where the hydrogen pressure varies depending on the current. For example, if the hydrogen pressure is low when the control speed or the opening area is the same, the hydrogen discharge flow rate will be small and the hydrogen pressure fluctuation when the purge valve is opened will be small. However, if the hydrogen pressure is high when the control speed or the opening area is the same, the hydrogen discharge flow rate will be large and the hydrogen pressure fluctuation will be relatively very large.

이에 본 발명은 수소퍼지밸브의 최대개도면적뿐만 아니라 시간에 따른 개도면적의 변화량, 개도시간을 연료전지시스템의 출력 또는 운전 영역에 따라 다르게 제어함으로써, 수소압의 크기에 따라 수소압의 급격한 변동이 일어나는 것을 방지할 수 있다. Accordingly, the present invention controls not only the maximum opening area of the hydrogen purge valve, but also the change in the opening area over time and the opening time differently according to the output or operating range of the fuel cell system, thereby preventing a rapid change in hydrogen pressure depending on the size of the hydrogen pressure.

본 발명에 따르면, 수소퍼지밸브(200)의 개도면적을 시간에 따라 변화시키는 경우 배출기체의 배출속도를 제어할 수 있게 되므로 배출기체가 급격히 빠져나가는 것을 방지할 수 있고, 수소 출구압의 급격한 압력 저하를 방지할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수소 퍼지 시 수소 출구압의 큰 변화가 없다. 종래 출구압 변화를 도시한 도 1과 비교하여 본 발명은 수소 출구압의 급격한 변화를 방지할 수 있고, 따라서 이에 수반되는 문제점을 해결할 수 있다. According to the present invention, when the opening area of the hydrogen purge valve (200) is changed over time, the discharge speed of the exhaust gas can be controlled, so that the exhaust gas can be prevented from escaping rapidly, and a rapid decrease in the hydrogen outlet pressure can be prevented. As shown in Fig. 10, according to the present invention, there is no significant change in the hydrogen outlet pressure during hydrogen purge. Compared to Fig. 1, which shows a change in the conventional outlet pressure, the present invention can prevent a rapid change in the hydrogen outlet pressure, and thus solve the accompanying problems.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the attached drawings, and it will be apparent to a person skilled in the art to which the present invention pertains that various substitutions, modifications, and changes are possible within a scope that does not depart from the technical spirit of the present invention.

100: 제어기 120: 저장부
200: 수소퍼지밸브 A: 최대개도면적
B: 개도비율 C: 개도시간
100: Controller 120: Storage
200: Hydrogen purge valve A: Maximum opening area
B: Opening rate C: Opening time

Claims (13)

연료전지시스템의 운전 영역을 판단하는 단계로서, 상기 운전 영역은 상기 연료전지시스템의 최대 출력에 따라 나뉘는 복수의 운전 영역을 포함하는 단계;
상기 운전 영역에 따라 수소퍼지밸브의 작동 조건을 결정하는 단계로서, 상기 작동 조건은 상기 운전 영역에 따라 결정되는 수소퍼지밸브의 최대개도면적, 개도비율인 시간에 따른 개도면적의 변화량 또는 개도시간 중 적어도 일부를 포함하는 단계; 및
결정된 상기 작동 조건에 따라 수소퍼지밸브를 작동시키는 단계;
를 포함하고,
상기 수소퍼지밸브를 작동시키는 단계는,
상기 복수의 운전 영역 중 상기 연료전지시스템의 최대 출력이 더 큰 운전 영역으로 갈수록 상기 개도비율을 감소시키는 단계를 포함하는 것인 수소퍼지밸브의 제어방법.
A step for determining an operating range of a fuel cell system, wherein the operating range includes a plurality of operating ranges divided according to the maximum output of the fuel cell system;
A step for determining an operating condition of a hydrogen purge valve according to the above-mentioned operating range, wherein the operating condition includes at least a part of a maximum opening area of the hydrogen purge valve determined according to the above-mentioned operating range, an opening ratio, a change in the opening area according to time, or an opening time; and
A step of operating a hydrogen purge valve according to the determined operating conditions;
Including,
The steps for operating the above hydrogen purge valve are:
A method for controlling a hydrogen purge valve, comprising a step of reducing the opening ratio as the operating range in which the maximum output of the fuel cell system is greater among the plurality of operating ranges.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 최대개도면적은 상기 수소퍼지밸브가 특정 퍼지 시 최대로 열리는 면적인 것인 수소퍼지밸브의 제어방법. A method for controlling a hydrogen purge valve according to claim 1, wherein the maximum opening area is an area at which the hydrogen purge valve opens to the maximum during a specific purge. 청구항 1에 있어서, 상기 개도시간은 상기 수소퍼지밸브가 퍼지 시 열림이 유지되는 총 시간인 것인 수소퍼지밸브의 제어방법. A method for controlling a hydrogen purge valve according to claim 1, wherein the opening time is the total time that the hydrogen purge valve remains open during purge. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 운전 영역은 저출력 영역 및 고출력 영역을 포함하고, 상기 고출력 영역은 상기 저출력 영역보다 연료전지시스템의 최대 출력이 큰 영역인 것인 수소퍼지밸브의 제어방법. A method for controlling a hydrogen purge valve according to claim 1, wherein the plurality of driving regions include a low output region and a high output region, and the high output region is a region in which the maximum output of the fuel cell system is greater than that of the low output region. 청구항 6에 있어서, 상기 고출력 영역에서는 상기 개도비율을 상기 저출력 영역에서보다 작게 하는 것인 수소퍼지밸브의 제어방법. A method for controlling a hydrogen purge valve according to claim 6, wherein the opening ratio is made smaller in the high output range than in the low output range. 청구항 6에 있어서, 상기 고출력 영역에서는 상기 최대개도면적을 상기 저출력 영역에서보다 작게 하는 것인 수소퍼지밸브의 제어방법.A method for controlling a hydrogen purge valve according to claim 6, wherein the maximum opening area is made smaller in the high output region than in the low output region. 청구항 6에 있어서, 상기 고출력 영역에서는 상기 개도시간을 상기 저출력 영역에서보다 길게 하는 것인 수소퍼지밸브의 제어방법.A method for controlling a hydrogen purge valve according to claim 6, wherein the opening time is made longer in the high output range than in the low output range. 청구항 6에 있어서, 상기 복수의 운전 영역은 고출력 영역 및 저출력 영역 사이의 중출력 영역을 더 포함하는 것인 수소퍼지밸브의 제어방법. A method for controlling a hydrogen purge valve according to claim 6, wherein the plurality of driving regions further include a medium power region between a high power region and a low power region. 청구항 10에 있어서, 상기 중출력 영역에서는 상기 저출력 영역보다 개도비율 및 최대개도면적은 작게 하고, 개도시간을 더 길게 조절하는 것인 수소퍼지밸브의 제어방법. A method for controlling a hydrogen purge valve according to claim 10, wherein in the medium power range, the opening ratio and maximum opening area are made smaller and the opening time is adjusted to be longer than in the low power range. 연료전지시스템 내 수소를 배출하기 위해 일정 주기로 일정 시간 개방 후 폐쇄되도록 구성되는 수소퍼지밸브; 및
상기 연료전지시스템의 운전 영역에 따라 수소퍼지밸브의 작동 조건을 제어하도록 구성되는 제어기;
를 포함하고, 상기 제어기는,
상기 연료전지시스템의 운전 영역을 판단;
상기 운전 영역에 따라 수소퍼지밸브의 작동 조건을 결정; 및
결정된 상기 작동 조건에 따라 수소퍼지밸브를 작동시키도록 구성되고,
상기 운전 영역은 상기 연료전지시스템의 최대 출력에 따라 나뉘는 복수의 운전 영역을 포함하고,
상기 작동 조건은 상기 운전 영역에 따라 결정되는 수소퍼지밸브의 최대개도면적, 개도비율인 시간에 따른 개도면적의 변화량 또는 개도시간 중 적어도 일부를 포함하고,
상기 제어기는,
상기 복수의 운전 영역 중 상기 연료전지시스템의 최대 출력이 더 큰 운전 영역으로 갈수록 상기 개도비율을 감소시키도록 구성되는 것인 수소퍼지밸브의 제어시스템.
A hydrogen purge valve configured to open and close for a certain period of time at regular intervals to discharge hydrogen within the fuel cell system; and
A controller configured to control the operating conditions of a hydrogen purge valve according to the operating range of the above fuel cell system;
, and the controller comprises:
Determining the operating range of the above fuel cell system;
Determine the operating conditions of the hydrogen purge valve according to the above operating range; and
It is configured to operate the hydrogen purge valve according to the determined operating conditions,
The above driving range includes multiple driving ranges divided according to the maximum output of the fuel cell system,
The above operating conditions include at least a portion of the maximum opening area of the hydrogen purge valve, the change in the opening area over time, which is the opening ratio, or the opening time, which is determined according to the operating range.
The above controller,
A control system for a hydrogen purge valve configured to reduce the opening ratio as the operating range in which the maximum output of the fuel cell system is greater among the above-mentioned multiple operating ranges.
삭제delete
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