KR100633552B1 - 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로써, 특히, 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 연료전지 스택의 공기극에서 급격히 소모되는 산소의 농도저하를 방지하여 과부하에 의한 전기 화학적 충격으로부터 연료전지 스택을 보호하며, 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지시스템에 관한 것이다.

Description

연료전지시스템{fuel cell system}
도 1은 종래의 연료전지 시스템을 도시한 계통도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지시스템을 도시한 계통도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템을 도시한 계통도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연료전지 스택 200 : 공기공급펌프
210 : 공기공급관 230 : 유량조절밸브
300 : 흡착식 공기필터 400 : 산소공급장치
410 : 공기압축기 500 : 제어부
510 : 제 1전자제어밸브 530 : 제 2전자제어밸브
550 : 입력부 600 : 가속페달
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형(AFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염 (MCFC), 고체산화물(SOFC) 및 고분자 전해질 연 료전지(PEMFC)로 분류된다.
상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)는, 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 전해질의 증발 위험이 없으며, 단위 면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있어 타 연료전지에 비하여 출력특성이 월등히 높고 작동 온도가 낮을 뿐 아니라 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는다.
이러한 고분자 전해질 연료전지 시스템으로서, 한국 공개특허 공개번호 제 2003-0078973호의 공보에 제시되어 있다. 이 공보에 따르면, 도 1에 도시한 바와 같이, 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하는 연료전지스택부(110)와, 수소(H2)를 포함한 액체연료를 연료전지스택부(110)의 연료극(113)에 공급하는 연료공급부(120)와, 연료전지스택부(110)의 공기극(114)에 공기를 공급하는 공기공급부(130)와, 공기공급부(130)의 중간에 설치하여 공기를 가습하는 공기가습부(140)와, 연료전지스택부(110)의 공기극(113)을 통과한 물을 다시 공기과급부(130)로 순환시키는 물순환부(150)와, 연료전지스택부(110)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(160)와, 상기한 각 부(110)(120)(130)(140)(150)(160)를 적절히 조절하는 제어부(미도시)로 구성된다. 이때, 공기공급부(130)는 대기 중의 공기를 펌핑하는 공기압축기(131)와, 공기압축기(131)를 연료전지스택부(110)의 공기극(114)에 연결하는 공기공급관(132)으로 이루어진다. 공기압축기(131)의 입구 측에는 흡입되는 공기를 정화하기 위한 공기필 터(133)를 설치한다.
그러나, 전술한 구성의 연료전지 시스템은 다음과 같은 문제가 있다.
연료전지에 공급되는 공기에 포함될 수 있는 불순물(분진, NOx, SOx, 유기용매 등)을 제거하기 위한 흡착식 필터를 장착하여 불순물이 제거된 공기를 스택에 공급하는 방식을 취하고 있다. 이상의 시스템은 단순히 깨끗한 공기를 공급하기 위한 장비로 연료전지의 근본적인 성능향상을 도모하기가 힘들고 제어의 개념이 포함되어 있지 않다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 연료전지 스택의 공기극에서 급격히 소모되는 산소의 농도저하를 방지하여 과부하에 의한 전기 화학적 충격으로부터 연료전지 스택을 보호하며, 내구성을 향상시킬 수 있으며, 나아가, 기존의 연료전지 자동차의 가속 및 발진 등 과부하 시에 보조 동력원으로 사용되는 2차 전지의 기능을 대체함으로써, 2차 전지의 크기를 줄이거나 삭제할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지시스템은 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에 공기를 펌핑하는 공기공급펌프; 상기 공기공급펌프에 흡입되는 공기를 정화시키는 흡착식 공기필터; 상기 연료전지 스택과 상기 공기공급펌프의 유로에 연결되어, 공기 중 산소를 분리하여 공급해주는 산소공급장치를 포함하여 이루어진다.
이 구성에 의하면, 연료전지 자동차의 고분자전해질 연료전지 스택의 공기극에 공급되는 공기의 산소부하를 높임으로써, 연료전지의 근본적인 성능향상을 꾀할 수 있다.
전술한 구성에서, 상기 산소공급장치는 병렬로 연결되고, 상기 산소공급장치의 작동을 제어하는 제어부가 더 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제어부는 가속페달의 변위를 입력받아, 시간에 따른 가속페달의 변위차가 설정치 이상일 때 상기 산소공급장치가 작동되도록 제어할 수 있다.
이렇게 되면, 산소공급장치의 작동은 가속, 발진 및 시동 등의 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 운전되도록 제어함으로써, 산소농도가 높아진 공기가 공급되어, 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.
나아가, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 전압을 입력받아, 시간에 따른 연료전지 스택의 전압 변위차가 설정치 이상일 때 상기 산소공급장치가 작동되도록 제어할 수 있다.
다른 실시예로써, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 전압을 입력받아, 연료전지 스택의 전압이 기준치 이하로 떨어질 때 산소공급장치가 작동되도록 제어할 수 있다.
이로써, 연료전지 자동차의 가속, 발진 및 시동 등의 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 연료전지 스택의 공기극에서 급격히 소모되는 산소의 농도저하를 방 지하여 과부하에 의한 전기 화학적 충격으로부터 연료전지 스택을 보호하며, 내구성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 기존의 연료전지 자동차의 가속 및 발진 등 과부하 시에 보조 동력원으로 사용되는 2차 전지의 기능을 대체함으로써, 2차 전지의 크기를 줄이거나 삭제할 수 있다.
한편, 상기 산소공급장치의 입구 측에는 흡입되는 공기를 압축시키기 위한 공기압축기 더 구비될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
참고적으로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지시스템을 도시한 계통도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 연료전지시스템은 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 하는 연료전지 스택(100)과, 연료전지 스택(100)에 공기를 펌핑하는 공기공급펌프(200)와, 공기공급펌프(200)의 입구 측에 흡입되는 공기를 정화시키기 위한 흡착식 공기필터(300)와, 연료전지 스택(100)과 공기공급펌프(200)의 유로에 연결되는 산소공급장치(400)를 포함하여 이루어진다.
연료전지 스택(100)은 다수 개의 싱글셀을 적층한 것으로, 각 싱글셀은 전해 질 막을 사이에 두고 양측에 적층되는 연료극과 공기극으로 이루어지며, 자세한 구조는 상기 종래기술에서 제시한 공보를 참조하기로 한다.
연료전지 스택(100)에 공기를 펌핑하는 공기공급펌프(200)는 연료전지 스택(100)의 공기극에 공기공급관(210)으로 연결된다.
공기공급펌프(200)의 출구 측에는 유량을 조절할 수 있도록 유량조절밸브(230)가 설치된다.
공기공급펌프(200)의 입구 측에는 흡입되는 공기를 정화시키기 위한 흡착식 공기필터(300)가 장착되며, 기체 분리막, 제올라이트, 활성탄 등의 분자 체를 필터로 이용할 수 있다.
연료전지 스택(100)과 공기공급펌프(200)의 유로, 즉, 공기공급관(210)에는 산소공급장치(400)가 연결된다.
이때, 산소공급장치(400)는 공기공급관(210)에 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.
여기서, 산소공급장치(400)는 공기 중 산소를 분리하여 공급해주는 장치이다.
이러한 산소공급장치(400)의 사용 시 필요한 압력은 공기 공급용 터보 컴프레서(~5bar)를 사용하여 조달할 수 있으며, 산소공급장치(400)의 구조와 관련하여 이와 구조 및 기능이 유사한 산소공급장치가 한국 등록 실용신안 등록번호 제 20-0213572호의 공보에 상세하게 기술되어 있으므로, 이와 관련된 구체적인 작동 메커니즘은 상기 제시된 공보를 참조하기로 하고 본 발명의 특징적인 작용효과만 한정 하여 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 도 2 및 도 3에서 산소공급장치(400)를 통해 산소의 농도가 높은 공기가 공기공급관(210)에 공급되는 유로만 도시하였지만, 상대적으로 질소의 농도가 높아진 잔류공기가 배출되는 배출 덕트도 구비되어 있음을 유의하기 바란다.
이렇게, 산소공급장치(400)가 구비되면, 연료전지 자동차의 고분자전해질 연료전지 스택(100)의 공기극에 공급되는 공기의 산소부하를 높임으로써, 연료전지의 근본적인 성능향상을 꾀할 수 있다.
공기공급펌프(200)와 산소공급장치(400) 사이에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 두 개의 전자제어밸브(510, 530)가 설치된다.
한편, 산소공급장치(400)의 운전은 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 작동되도록 제어부(500)가 산소공급장치(400)의 작동을 제어할 수 있다.
그 실시예로써, 제어부(500)에 신호를 입력하는 입력부(550)에서 가속페달(600)로부터 가속페달(600)의 변위를 입력받아, 시간에 따른 가속페달(600)의 변위차가 설정치 이상[(dY/dt)≥ c]일 때 산소공급장치(400)가 작동되도록 전자제어밸브(510, 530) 및 공기공급펌프(200)를 제어할 수 있다.
즉, 시간에 따른 가속페달(600)의 변위차가 설정치 이상일 때, 제어부(500)는 제 1전자제어밸브(510)를 닫아주고 제 2전자밸브를 열어줌으로써, 공기공급펌프(200)를 통해 펌핑된 공기가 산소공급장치(400)를 통과하고, 산소농도가 높아진 공기는 연료전지 스택(100)에 공급되는 것이다.
이렇게, 산소공급장치(400)의 작동은 가속, 발진 및 시동 등의 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 운전되도록 제어함으로써, 산소농도가 높아진 공기가 공급되어, 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.
한편, 산소공급장치(400)의 운전을 제어하는 제어부(500)의 다른 실시예로써, 제어부(500)는 시간에 따른 연료전지 스택(100)의 전압 변위차가 설정치 이상일 때[dV/dt > c'] 또는, 연료전지 스택(100)의 전압이 기준치 이하로 떨어질 때 [Vtotal<Vmin] 산소공급장치(400)가 작동되도록 전자제어밸브(510, 530) 및 공기공급펌프(200)를 제어할 수 있다.
이렇게, 연료전지 자동차의 가속, 발진 및 시동 등의 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 연료전지 스택(100)의 공기극에서 급격히 소모되는 산소의 농도저하를 방지하여 과부하에 의한 전기 화학적 충격으로부터 연료전지 스택(100)을 보호하며, 내구성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 기존의 연료전지 자동차의 가속 및 발진 등 과부하 시에 보조 동력원으로 사용되는 2차 전지의 기능을 대체함으로써, 2차 전지의 크기를 줄이거나 삭제할 수 있다.
한편, 상기의 실시예에서는, 산소공급장치에 필요한 압력을 공기 공급용 터보 컴프레서를 통하여 공급받았지만, 도 3에 도시한 바와 같이, 산소공급장치(400)의 입구 측에는 독립적인 공기압축기(410)가 더 구비될 수 있다.
공기압축기(410)는 흡입되는 공기를 압축하여, 산소공급장치(400)의 사용 시 필요한 압력을 공급한다.
공기압축기(410) 외 다른 구성은 상기 제 1실시예의 구조 및 기능과 유사하므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
입력부(550)에서 가속페달변위 및 연료전지 스택(100)의 전압을 입력받아, 입력된 신호를 바탕으로 제어부(500)에서 공기압축기(410) 및 제 1,2제어밸브(510, 530)를 제어한다.
즉, 상기 실시예에서처럼 산소공급장치(400)의 운전은 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 작동되도록 제어부(500)가 제어할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 산소공급장치(400)를 공기공급관(210)에 병렬로 연결하여 이에 따라 설명하였지만, 직렬로 연결하여 연료전지 차량의 운전조건에 관계없이 항상 산소농도가 높은 공기를 연료전지 스택(100)에 공급할 수도 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 연료전지시스템에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 하 는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 공기를 펌핑하는 공기공급펌프와, 공기공급펌프에 흡입되는 공기를 정화시키는 흡착식 공기필터와, 연료전지 스택과 공기공급펌프의 유로에 연결되는 산소공급장치를 포함하여 이루어짐으로써, 연료전지 자동차의 고분자전해질 연료전지 스택의 공기극에 공급되는 공기의 산소부하를 높임으로써, 연료전지의 근본적인 성능향상을 꾀할 수 있다.
둘째, 산소공급장치의 작동은 가속, 발진 및 시동 등의 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 운전되도록 제어함으로써, 산소농도가 높아진 공기가 공급되어, 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.
셋째, 연료전지 자동차의 가속, 발진 및 시동 등의 급격한 연료전지 출력을 요구할 때 연료전지 스택의 공기극에서 급격히 소모되는 산소의 농도저하를 방지하여 과부하에 의한 전기 화학적 충격으로부터 연료전지 스택을 보호하며, 내구성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 기존의 연료전지 자동차의 가속 및 발진 등 과부하 시에 보조 동력원으로 사용되는 2차 전지의 기능을 대체함으로써, 2차 전지의 크기를 줄이거나 삭제할 수 있다.

Claims (6)

  1. 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에 공기를 펌핑하는 공기공급펌프;
    상기 공기공급펌프에 흡입되는 공기를 정화시키는 흡착식 공기필터;
    상기 연료전지 스택과 상기 공기공급펌프의 유로에 연결되어, 공기 중 산소를 분리하여 공급해주는 산소공급장치를 포함하여 이루어지는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산소공급장치는 병렬로 연결되고, 상기 산소공급장치의 작동을 제어하는 제어부가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는 가속페달의 변위를 입력받아, 시간에 따른 가속페달의 변위차가 설정치 이상일 때 상기 산소공급장치가 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 전압을 입력받아, 시간에 따른 연료전 지 스택의 전압 변위차가 설정치 이상일 때 상기 산소공급장치가 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료전지 스택의 전압을 입력받아, 연료전지 스택의 전압이 기준치 이하로 떨어질 때 산소공급장치가 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 산소공급장치의 입구 측에는 흡입되는 공기를 압축시키기 위한 공기압축기 더 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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