KR100381531B1

KR100381531B1 - 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가장치

Info

Publication number: KR100381531B1
Application number: KR10-2001-0005466A
Authority: KR
Inventors: 이원용; 김창수; 양태현; 박구곤; 오재기
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2003-04-23
Also published as: KR20020065118A

Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지를 실제 사용하기 전에 연료전지의 성능을 실험하고 평가하기 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명의 장치는, 수소 가스 저장 탱크가 연결된 수소 가스 배관과 질소 가스 저장 탱크가 연결된 질소 배관의 합류점 및 산소 배관과 압축 공기 배관의 합류 배관과 상기 질소 배관의 합류점에서 각각 분기되어 연료전지 스택으로 연결되는 주 배관과 연료전지 스택에서 반응 완료된 가스를 배출하는 두 배출 배관으로 구성되는 반응 가스 공급 시스템(100)과, 상기 일측 배출 배관에서 분기되어 일측 주배관에 연결되는 수소 가스 회수 시스템(200)과, 냉각수 저장 탱크와 냉각수 펌프 및 열교환기가 구비되며 연료전지 스택을 통하여 주배관에 설치된 가습기와 냉각수 저장 탱크로 연결되는 냉각 시스템(300)과, 주 배관과 배출 배관에 설치된 기액 분리기로부터 솔레노이드 밸브를 통하여 냉각수 저장탱크로 연결되며 중력을 이용한 물 회수 시스템(400)과, 마이크로 프로세서 내지는 컴퓨터로 구성된 자동제어 및 측정시스템과 계측기의 신호가 입력되고 밸브 등의 제어 신호와 솔레노이드 밸브 등을 위한 온/오프 신호를 출력하는 신호변환기 및 연료전지 스택의 전기 부하조절 시스템으로 이루어진 제어 시스템(500)으로 구성된다.

본 발명의 장치는 고분자 전해질 연료전지를 수동조작 없이 연료전지의 정격 성능을 단시간에 정확하게 평가할 수 있으며 장기간에 걸친 운전 성능 변화도 자동으로 측정할 수 있을 뿐 아니라, 가습을 위한 물공급 장치와 기액분리기를 통한 물회수 장치 그리고 물 정화 장치를 냉각시스템과 연계하여 자동으로 운전되도록 하여 실험 중 외부에서 별도로 물교환이나 물 보충장치 없이 실제적인 연료전지 시스템 운전 조건에서 장기간 연료전지를 운전할 수 있는 장점이 있다.

Description

고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치{Automatic performance test and evaluation apparatus for polymer electrolyte fuel cell power generation systems}

본 발명은 고분자 전해질 연료전지를 실제 사용하기 전에 연료전지의 성능을 실험하고 평가하기 위한 장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 고분자 전해질 연료전지의 개발과 성능 시험을 위해 실제 운전 조건과 동일한 조건 하에서 연료전지를 가동시킬 수 있는 운전설비 특히, 고분자 전해질 연료 전지에 사용되는 연료가스와 산화제의 이용율 및 압력을 조절하는 연료전지 운전설비에 필요한 냉각 장치와, 온도 제어장치와, 가습장치와, 습도 제어장치와, 단위전지의 전압 및 온도 분포 측정장치 등으로 구성되어 연료전지의 전력 부하와 전체 운전설비의 상태와 성능을 자동으로 설정하고 측정할 수 있도록 한 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치에 관한 것이다.

연료전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서 기존의 연소 기관이나 충·방전형 전지와는 달리 고효율의 청정에너지 변환장치이며, 연소과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을동시에 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다.

상기 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 전해질 연료전지로 분류되며, 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지는, 고체인 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질 관리가 용이하고 전해질에 의한 부식이나 전해질의 증발 위험이 없으며, 단위 면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 특징이 있다.

그리고, 고분자 전해질 연료전지는 타 연료전지에 비하여 출력특성이 월등히 높은 동시에 작동 온도가 낮을 뿐 아니라, 설비 유지 및 보수가 간편하고, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 연료로서 수소 이외의 메탄올이나 에탄올, 천연가스 등을 개질하여 사용할 수 있기 때문에, 연료의 수송과 저장이 용이하여 자동차용 등과 같은 이동용 전원이나 주택과 공공 건물 등의 분산용 전원 및 전자기기용 소형전원으로 이용하기 위하여 개발이 활발히 추진되고 있다.

상기 고분자 전해질 연료전지 스택 본체는, 고분자 이온교환막인 고체의 전해질막을 중심으로 그 양쪽면에 연료극 및 공기극을 열간 가압에 의하여 부착시킨 단위 전지로 이루어지며, 상기의 단위 전지를 여러 층으로 적층하여 수 W에서 수백 KW에 이르는 연료전지 발전시스템을 구성하게 된다.

고분자 전해질 연료전지를 구성하는 단위 전지에서 전기가 생성되는 과정은 다음과 같다.

고분자 전해질 연료전지의 연료 중에 함유된 수소 가스가 연료극의 표면에서 촉매와의 반응을 통하여 전자를 빼앗겨 수소 이온이 되고, 이 수소 이온들은 전해질막을 통과하여 연료극 반대측의 공기극으로 이동하게 되는 동시에, 촉매 반응으로 생성된 전자들은 외부 회로를 따라 이동함으로써 전기가 생성 된다.

한편, 외부 회로를 따라 공기극으로 이동한 전자는 산소 가스를 환원시켜 산소 이온으로 변화시키고, 이 산소 이온은 상기 전해질막을 통과하여 공기극으로 이동한 수소 이온과 공기극 표면에서 반응함으로써 물을 생성하게 된다.

즉, 고분자 전해질 연료전지의 이온 전도성 전해질막은 양극과 전해질 계면의 촉매 표면에서 생성된 수소 양이온을 음극과 전해질 계면의 촉매 표면으로 이동시켜 음극으로 공급되는 산소와 양극으로부터 외부회로를 따라 이동해 온 전자가 반응하여 물을 생성하도록 해준다.

이때, 상기 전해질막은 적절히 수분을 함유하고 있어야 하며, 반응 온도도 전해질의 성능이 저하되지 않는 범위에서 가능한 고온을 유지하여야 수소 원자의 이온화, 수소 이온의 전도, 물생성 반응이 연속적으로 용이하게 일어날 수 있기 때문에, 고분자 전해질 연료전지에는 전해질막의 습도와 온도를 조절해주기 위한 가습장치와 온도제어를 위한 냉각장치가 필수적으로 구비되어야 한다.

그리고, 고분자 전해질 연료전지 발전 장치의 전기출력은 연료전지의 기본적인 특성 외에 연료전지의 제조와 연료전지를 구성하는 장치나 부품들의 구성 기술에 의해 좌우될 수 있으며, 연료전지의 연료 가스와 산화제 가스의 압력, 가스 이용율, 습도, 본체의 운전 온도 등에 의해서도 영향을 받게 된다.

따라서, 제작중이거나 제작된 연료전지의 성능 평가와 최적의 에너지 변환을 위한 운전 조건을 실제 상태와 같은 실험 조건에서 찾을 수 있도록 연료전지의 실험과 성능 평가를 위한 장치는 연료전지의 개발에 있어서 무엇보다 중요하다.

종래의 연료전지 성능 실험 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이 연료가스, 산화제 가스, 실험 전후 반응가스 제거를 위한 질소 가스 및 압축 공기를 공급하기 위한 가스 저장 탱크(11)(12)(13)(14)와, 상기 각 탱크로부터 시작되는 가스 공급 배관 초입에 설치된 수동 제어 밸브(11A)(12A)(13A)(14A) 및 역지밸브(11B)(12B)(14B)와, 연료 가스 배관과 질소 가스 배관의 합류 지점에 설치된 3방향 밸브(3V) 및 역지밸브(AV)와, 질소 가스 배관의 분기 배관(P)과 산화제 배관 및 압촉 공기 배관의 합류배관(P') 사이에 설치된 3방향 밸브(3V') 및 역지밸브(AV')와, 상기 두 3방향 밸브(3V)(3V')에서 각각 분기되어 연료전지 스택(1)으로 연결되는 주배관(MP)(MP') 상에 설치되는 유량계(F)(F') 및 온도제어기(TC)(TC')가 구비된 가습기(H)(H')와, 온도 제어기(TC")가 구비되고 연료전지 스택(1)의 냉각을 위하여 열교환기(15A)와 3방향 밸브(3V") 그리고 냉각수 저장 탱크(15B) 및 냉각수 펌프(15C)로 구성되는 냉각장치(15)와, 연료전지 스택(1) 내에서의 반응 가스 압력을 조절해 주는 후압 조절계(CV)(CV')가 설치되며 반응 후의 잔여 가스를 배출하기 위한 가스 배출관(P")으로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 연료전지 성능 실험 장치를 살펴보면, 국내 특허 제0259021호에는 전기 히터로 물을 증발시켜 연료전지를 가습하고, 가습량은 가열된 물의 증발 온도를 조절하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기와 같은 증발식 가습 방법은 가습에 사용되는 전기 사용량이 많아 연료전지에서 발생된 전기 에너지의 대부분을 소비해야 하는 문제점이 있어 실제 발전설비에는 적용할 수 없을 뿐 아니라, 가열된 증기로 인해 공급가스의 온도도 실제와 다르게 변하는 단점이 있기 때문에, 이를 보완하기 위해서는 반응가스의 온도 조절을 위한 별도의 가열기나 냉각시스템이 부착되어야 하는 단점이 있다.

또한, 연료전지 발전 시스템의 효율을 높이기 위하여 냉각설비와 가습설비가 연계시켜 고온의 냉각수를 가습에 이용해야 하는 실제 설비와는 다른 장치나 부품들이 독립적으로 구성되기 때문에 연료전지 설비의 실제 운전 조건을 찾는데 어려움이 있다.

그리고, 상기 특허 제0259021호에 개시된 가습설비는, 가습설비 외부에 구비된 물 보충 캡을 개방한 후 가습에 필요한 물을 공급해야 하는 수동식 설비이기 때문에, 연료전지 발전설비를 장기간에 걸쳐 운전할 경우에는 물 보충에 어려움이 있을 뿐 아니라, 가습설비 내부에 있는 물과 공급되는 물의 온도에 차이가 있을 경우에는 가습 설비 내부에서 혼합된 상기 두 물의 온도가 가습에 필요한 온도까지 균일화 될 때까지 적절한 가습과 실험 조건을 유지하기가 어렵다.

또한, 종래의 장치는 대부분 단기간의 성능 실험을 위주로 한 것으로, 장시간 걸친 성능 실험을 할 경우에 발생할 수 있는 냉각수의 오염 문제를 해결하기 위한 설비가 구성되어 있지 않기 때문에 연료전지에서 발생된 전기가 오염된 냉각수를 통해 누전되어 성능이 저하되거나 사고가 발생할 수가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지 발전 시스템의 실험 및 성능 평가 장치가 갖는 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 고분자 전해질 연료전지의 실제 운전 조건과 같은 상태 하에서 연료전지의 성능에 중요한 영향을 미치는 반응 가스 압력, 가스 이용율, 가습량 및 연료전지 스택의 온도를 자동으로 조절하고, 연료전지 발전 시스템의 실험 기간 중 가습과 냉각을 위한 위한 물의 부족과 오염에 의한 재보충 및 교체가 없이도 연료전지 발전시스템의 장·단기적인 운전성능 평가와 최적의 운전 조건을 자동으로 찾을 수 있는 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 고분자 전해질 연료전지용 성능 실험장치의 개략 구성도.

도 2는 본 발명 장치의 개략 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 자동제어시스템의 입출력 신호

((도면의 주요 부분에 부호의 설명))

1. 연료전지 스택 11.온도 센서

100. 반응 가스 공급 시스템 110. 수소 가스 저장 탱크

120. 질소 가스 저장 탱크 130. 산소 가스 저장 탱크

140. 압축 공기 저장 탱크 150,160. 주배관

170,180. 배출 배관 200. 수소 가스 회수 시스템

202. 수소 압축기 203. 압력 조절계

300. 냉각 시스템 301. 냉각수 저장 탱크

315. 전기전도계 304. 이온 제거 필터

400. 물 회수 시스템 500. 제어 시스템

502.신호변환기

본 발명의 상기 목적은, 냉각수를 이용하여 별도의 물보충 없이 반응 가스를 노즐 분사방식에 의하여 지속적으로 가습시켜 주는 가습기와, 연료전지 내에서의 반응으로 생성된 물과 가습기에 필요 이상으로 공급된 물을 회수하기 위한 기액분리기와, 장기 운전에 따른 냉각수의 오염을 방지하고 오염도를 측정하기 위한 이온제거 필터 및 전기전도계와, 연료전지 스택을 구성하는 단위전지들의 전압분포를 측정할 수 있는 측정 장치와, 컴퓨터를 이용한 자동 제어 및 성능 평가 장치에 의하여 달성된다.

본 발명의 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치는 반응 가스 공급 시스템과, 수소 가스 회수 시스템과, 냉각 시스템과, 물 회수 시스템과, 컴퓨터를 이용한 제어 시스템으로 구성된다.

본 발명 장치를 구성하는 상기 반응 가스 공급 시스템은, 반응 가스, 질소,압축 공기 등의 기체들을 연료전지 스택에 공급하는 동시에 반응 후의 가스를 연료전지 스택 외부로 배출시키는 역할을 하며, 연료전지 스택으로 공급되는 상기 기체들의 공급 배관에는 가습기, 기액 분리기, 온도 센서 등이 설치되고, 반응 후의 기체들은 온도 센서, 압력 조절 밸브, 기액 분리기를 통하여 물이 제거된 상태로 배출된다.

수소 가스 회수 시스템은 순수 수소를 연료로 사용할 경우 본체 내에서 반응후의 잔여 수소를 배출시키지 않고 회수하는 장치이며, 냉각 시스템은 냉각수 저장 탱크, 냉각수 펌프, 열교환기 등으로 구성되어 연료전지 스택의 냉각과 상기 가습기에 필요한 물을 공급하는 역할을 하는 동시에 이온제거 필터와 전기전도계가 설치되어 물의 오염 정도를 파악하고 방지할 수 있고, 물 회수 시스템은 상기 반응 가스 공급 시스템의 기체 공급 배관과 배출 배관에 설치된 기액 분리기로부터 분리된 물을, 솔레노이드 밸브를 통하여 회수하는 역할을 한다.

본 발명의 목적과 자세한 기술적 특성 및 작용 효과는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 다음의 상세한 설명에 의하여 명확하게 이해될 것이다.

도 2에 본 발명 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치의 연결 상태를 보인 개략적인 구성도를 도시하였다.

도시된 바와 같이 가스 공급 시스템과 냉각 시스템 및 물 회수 시스템 그리고 컴퓨터를 이용한 제어 시스템으로 구성되는 발명의 장치의 각 시스템을 살펴보면 다음과 같다.

가스 공급 시스템(100)은, 연료전지에 필요한 반응가스를 공급하고 반응 완료된 가스를 배출하는 역할을 하는 것으로, 수소 검출기(114)가 부착된 솔레노이드 밸브(111)와 수동 제어 밸브(112) 및 역지 밸브(113)가 설치된 수소 가스배관(HP)에 연결된 수소 가스 저장 탱크(110)와, 수동 제어 밸브(121) 및 역지 밸브(122)가 설치되며 상기 수동 제어 밸브(121)와 역지 밸브(122) 사이에서 분기되는 질소 분기 배관(NP')을 형성하는 질소 배관(NP)이 연결된 질소 가스 저장 탱크(120)와, 각각 역지 밸브(131)(141)가 설치된 산소 가스 배관(OP)과 압축 공기 배관(AP)에 연결된 산소 가스 저장 탱크(130) 및 압축 공기 저장 탱크(140)와, 수소 배관(HP)과 질소 배관(NP) 및 산소 배관(OP)과 압축 공기 배관(AP)의 두 합류 지점에 각각 설치된 3방향 밸브(115)(142)와, 상기 질소 배관(NP)의 수동 제어 밸브(121)와 역지 밸브(122) 사이에서 분기되며 역지 밸브(123)가 설치된 질소 분기 배관(NP')과 산소 배관(OP) 및 압축 공기 배관(AP)의 합류 배관(TP)을 연결하는 및 3방향 밸브(124)와, 상기 질소 분기 배관(NP')과 합류 배관(TP)을 연결하는 3방향 밸브(124) 및 수소 배관(HP)과 질소 배관(NP)의 합류 지점에 설치된 3방향 밸브(115)의 두 밸브로부터 각각 분기되어 온도 센서(11)가 설치된 연료전지 스택(1)으로 연결되며 유량계(151)(161)와 유량제어 밸브(152)(162) 그리고 가습기(153)(163) 및 기액 분리기(154)(164)가 각각 설치된 주 배관(150)(160)과, 압력 제어 밸브(172)(182)와 기액 분리기(173)(183) 및 솔레노이드 밸브(174) 내지는 수동 제어 밸브(184)가 각각 설치되어 연료전지 스택에서 반응 완료된 가스를 외부로 배출하는 배출 배관(170)(180)으로 구성되며, 상기 주 배관(150)(160)에는압력 센서(155)(165)와 온도 센서(156)(166) 및 습도 센서(157)(167)가, 배출 배관(170)(180)에는 온도 센서(171)(181)가 각각 구비된다.

수소 가스 회수 시스템(200)은 일측 배출 배관(170)에 설치된 기액 분리기(173)에서 분리되는 수소를 회수하기 위한 것으로, 배출 배관(170)의 기액 분리기(173)와 솔레노이드 밸브(174) 사이에서 분기되어 일측 주배관(150)에 설치된 유량 제어 밸브(152)와 가습기(153) 사이로 연결되며, 수동 제어 밸브(201), 수소 압축기(202), 압력 조절계(203), 필터(204), 유량계(205), 역지 밸브(206) 등이 일련의 순서로 설치된다.

냉각 시스템(300)은 연료전지 스택(1)의 과열을 방지하고 주 배관(150)(160)에 설치된 가습기(153)(163)에 필요한 물을 공급하는 두 가지 역할을 수행하며, 냉각수 저장 탱크(301)와 냉각수 펌프(302) 및 열교환기(309)로 구성된다. 그리고, 냉각수 저장 탱크(301)로부터 공급되는 물은 필터(305)를 거친 후, 배출 가스에서 냉각수를 이요와여 가스에 함유된 수분을 응축시키기 위하여 상기 배출 배관(170)(180)에 설치된 기액 분리기(173)(183)의 열교환기(173A)(183A)를 거쳐 연료전지 스택(1)으로 공급되며, 가습 펌프(311)가 연료전지 스택(1)에서 가열된 물의 일부를 가열된 상태 그대로 자동 제어 밸브(313)(314)를 통하여 주배관(150)(160)에 설치된 가습기(153)(163)로 공급함으로써, 가습에 필요한 물을 가열하는 데 필요한 에너지를 절약할 수 있는 특징이 있고, 가습기로 공급되지 않은 물은 열교환기(309)를 통하여 냉각수 저장 탱크(301)로 회수된다. 또한, 순환되는 냉각수의 오염 정도를 파악하기 위한 전기전도계(315)와 이온 물질을 제거하기위하여 솔레노이드 밸브(303)가 연결된 이온 제거 필터(304)가 구비되고, 냉각수 저장 탱크(301)로부터 물을 자동 배출시키기 위하여 수위 센서(L)와 연계된 솔레노이드 밸브(310)가 설치된 드레인 배관(DP)이 냉각수 저장 탱크(301) 하부에 연결되며, 열교환기(309) 직전에 3방향 밸브(308)가 설치되어 연료전지 스택(1)의 통과 전후 물의 온도를 측정하는 온도 센서(306)(307)의 설정값에 따라 순환하는 물을 열교환기(309)에 통과시키지 않고 직접 냉각수 저장 탱크(301)로 인입시킬 수 있는 바이패스 배관(BP)이 구비된다.

물 회수 시스템은(400), 주 배관(150)(160)과 배출 배관(170)(180)에 설치된 기액 분리기(154)(164)(173)(183)에서 가스로부터 분리되어 모아진 물을 냉각수 저장 탱크(301)로 회수하는 역할을 하며, 상기 각 기액 분리기(154)(164)(173)(183)로부터 냉각수 저장탱크(301)로 연결되는 배관과 각 기액 분리기(154)(164)(173)

(183)에 설치된 수위 센서(L)에 연동된 제어 시스템에 의하여 자동 작동되는 솔레노이드 밸브(401)(402)(403)(404)로 구성되며, 이때 냉각수 저장 탱크(301)는 상기 기액 분리기(154)(164)(173)(183)보다 낮은 위치에 설치되어 물은 중력에 의해 냉각수 저장 탱크(301)로 회수된다. 그러나, 상기 냉각수 저장 탱크(301)를 기액 분리기 보다 낮은 위치에 설치할 수 없을 경우에는 기액 분리기보다 낮은 위치에 수위 센서가 설치된 보조 물 저장탱크(도면 미도시)를 설치한 후, 물 회수 펌프(도면 미도시)를 이용하여 보조 물 저장 탱크에 모아진 물을 물 저장 탱크(301)로 회수하는 방식을 적용하는 것도 바람직하다,

그리고, 컴퓨터를 이용한 제어 시스템(500)은, 연료전지 스택에 연결되는 본발명 장치의 운전 상태를 제어하면서 성능 평가에 필요한 자료를 측정 분석하는 역할을 하며, 마이크로 프로세서 내지는 컴퓨터로 구성된 자동제어 및 측정시스템(501)과 자동제어 및 측정시스템(501)의 명령에 의해 계측기의 신호를 입력하고 밸브등의 제어 신호와 솔레노이드 밸브 등을 위한 온/오프 신호를 출력하는 신호변환기(502) 및 연료전지 스택의 전기 부하조절 시스템(503)으로 구성된다.

특히, 연료전지 시스템은 전기 부하에 따른 연료와 산화제의 유량에 따라 성능이 좌우되는 바, 직접적인 유량보다는 전기 부하에 대한 상대값인 이용율이 중요한 운전 변수가 될 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템에서는 주어진 전기 부하를 위해 필요한 이론적인 반응 가스 유량보다 많은 양의 유량이 공급되어야 하며, 상기와 같은 유량은 다음의 식 1과 같은 이용율로 표시한다.

그리고, 상기 식 1과 같이 표현되는 이용율의 제어를 위해서는 부하 전류에 비례하는 유량의 계산이 필요하며, 컴퓨터나 마이크로 프로세서로 구성된 자동제어기의 연산 기능을 통해 계산된 이용율을 설정값으로 하여 부하 변화에 관계없이 실시간으로 상기 이용율을 제어하게 된다.

도 3에 본 발명 장치의 가동에 필요한 각종 입력값들과, 그에 따른 출력값들을 표시하였다.

즉, 연료 가스 유량, 수소 순환 유량, 산화제 가스 유량 등이 본 발명 장치에 설치된 같이 각종 센서에 의하여 측정된 아날로그 전기 신호가 신호 변환 장치(502)에 입력되면, 상기 신호들은 마이크로 프로세서 내지는 컴퓨터로 구성된 자동제어 및 측정시스템(501)에 의하여 아날로그 및 디지탈의 두 가지 제어 신호를 출력하게 되어 본 발명의 장치를 작동시키고 제어하게 된다.

그리고, 연료전지의 성능을 측정하기 위해서는, 우선 설정된 부하로 변화시키기 전에 주어진 이용율과 설정 부하를 이용하여 계산된 유량을 설정값으로 하여 유량 제어를 통해 미리 유량을 공급한 후 전기 부하를 투입해야 한다.

상기와 같이 하는 것은, 부하가 증가할 경우 부하를 미리 변화시키거나 부하와 유량을 동시에 변화시키면 유량 지연에 의해 부하에 해당하는 충분한 유량에 도달할 때까지 과부하 상태가 되어 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있기 때문이다.

또한, 연료전지 스택에 충분한 가스를 공급된 후 부하를 변화시키면 연료가스와 산화제가스의 반응량이 변화하게 되고, 연료전지 스택 내의 온도와 압력 역시 변화하므로 각 상태값에 대한 피드-백 제어를 계속적으로 수행한 후, 제어 시스템에서 설정된 정상 상태에 도달하게 되면 연료전지의 성능을 측정한다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 장치는 고분자 전해질 연료전지를 수동조작 없이 연료전지의 성능 평가에 필요한 반응가스의 압력, 이용율, 온도, 가습량, 그리고 전기 부하를 컴퓨터나 마이크로 프로세서로 이루어진 자동제어기와 구동기에 의해 조절하는 동시에, 운전 상태는 물론 연료전지 본체의 전류 전압 특성과 효율, 연료사용율과 각 단위 전지의 전압분포를 측정, 분석할 수 있도록 하여 연료전지의 정격 성능을 단시간에 정확하게 평가할 수 있으며 장기간에 걸친 운전 성능 변화도 자동으로 측정할 수 있다.

특히, 가습을 위한 물공급 장치와 기액분리기를 통한 물회수 장치 그리고 물 정화 장치를 냉각시스템과 연계하여 자동으로 운전되도록 하여 실험 중 외부에서 별도로 물교환이나 물 보충장치 없이 실제적인 연료전지 시스템 운전 조건에서 장기간 연료전지를 운전할 수 있도록 하였으며, 가습과 냉각을 위해 동시에 사용되는 냉각수의 정화를 위해 이온제거 필터를 설치하고 전기전도계로 냉각수의 오염상태를 모니터링하면서 장기 운전 성능을 측정하여 평가할 수 있는 장점이 있다.

Claims

수소 검출기(114)와 수소 가스 저장 탱크(110)가 연결되며 수소 검출기(114)가 연결된 솔레노이드 밸브(111)와 수동 제어 밸브(112) 및 역지 밸브(113)가 일련의 순서로 설치된 수소 가스 배관(HP)과 질소 가스 저장 탱크(120)가 연결된 질소 배관(NP)의 합류점 및 산소 배관(OP)과 압축 공기 배관(AP)의 합류 배관(TP)과 상기 질소 배관(NP)의 합류점에서 각각 분기되어 연료전지 스택(1)으로 연결되는 주 배관(150)(160)과 연료전지 스택(1)에서 반응 완료된 가스를 배출하는 두 배출 배관(170)(180)으로 구성되는 반응 가스 공급 시스템(100)과;

상기 반응 가스 공급 시스템을 구성하는 일측 배출 배관(170)의 기액 분리기(173)와 솔레노이드 밸브(174) 사이에서 분기되어 일측 주배관(150)에 설치된 유량 제어 밸브(152)와 가습기(153) 사이로 연결되며, 수동 제어 밸브(201), 수소 압축기(202), 압력 조절계(203), 필터(204), 유량계(205), 역지 밸브(206) 등이 일련의 순서로 설치되는 수소 가스 회수 시스템(200)과;

전기 전도계(315)와 솔레노이드 밸브(303)가 구비된 이온 제거 필터(304)가 연결되며 물을 자동으로 배출시키기 위한 솔레노이드 밸브(310)가 구비된 드레인 배관(DP)이 하부에 연결된 냉각수 저장 탱크(301)와 냉각수 펌프(302) 및 열교환기(309)가 구비되며 냉각수 저장 탱크(301)로부터 상기 배출 배관(170)(180)에 설치된 기액 분리기(173)(183)를 통하여 연료전지 스택(1)으로 연결되고 연료전지 스택(1)을 통하여 주배관(150)(160)에 설치된 가습기(153)(163)와 냉각수 저장 탱크(301)로 연결되는 냉각 시스템(300)과;

상기 냉각수 저장 탱크(301) 보다 높은 위치에 있도록 주 배관(150)(160)과 배출 배관(170)(180)에 설치된 기액 분리기(154)(164)(173)(183)로부터 솔레노이드 밸브(401)(402)(403)(404)를 통하여 냉각수 저장탱크(301)로 연결되는 물 회수 시스템(400)과;

마이크로 프로세서 내지는 컴퓨터로 구성된 자동제어 및 측정시스템(501)과 계측기의 신호가 입력되고 밸브 등의 제어 신호와 솔레노이드 밸브 등을 위한 온/오프 신호를 출력하는 신호변환기(502) 및 연료전지 스택의 전기 부하조절 시스템(503)으로 이루어진 제어 시스템(500)으로 구성됨을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치.
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제 1항에 있어서, 상기 질소 배관(NP)은 수동 제어 밸브(121)와 역지 밸브(122) 사이에서 분기되어 일측은 수소 배관(HP)과 3방향 밸브(115)에 의해 합류되고, 타측은 다른 역지 밸브(123)를 통과한 후 산소 배관(OP)과 압축 공기 배관(AP)의 합류 배관(TP)과 3방향 밸브(124)에 의해 합류됨을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치.
제 1항에 있어서, 상기 산소 배관(OP)과 압축 공기 배관(AP)은 3방향 밸브(142)에 의하여 합류된 후, 질소 배관(NP)의 분기 배관(NP')과 3방향 밸브(124)에서 합류되는 합류 배관(TP)을 형성함을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치.
제 1항에 있어서, 상기 주 배관(150)(160)에는 유량계(151)(161)와 유량제어 밸브(152)(162) 그리고 가습기(153)(163) 및 기액 분리기(154)(164)가 각각 설치되며, 압력 센서(155)(165)와 온도 센서(156)(166) 및 습도 센서(157)(167)가 각각 구비됨을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치.
제 1항에 있어서, 상기 두 배출 배관(170)(180)에는 온도 센서(171)(181)가 각각 구비되며, 압력 제어 밸브(172)(182)와 기액 분리기(173)(183) 및 솔레노이드 밸브(174)내지는 수동 제어 밸브(184)가 각각 설치됨을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치.
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제 1항에 있어서, 상기 냉각 시스템(300)에는 온도 센서(306)(307)가 구비되고, 냉각수 열교환기(309)와 함께 3방향 밸브(308)가 설치되어 냉각수가 상기 냉각수 열교환기(309)를 통하지 않고 냉각수 저장 탱크(301)로 직접 인입될 수 있는 바이패스 배관(BP)이 구비됨을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지를 위한 자동 실험 및 성능 평가 장치.
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