KR100645557B1

KR100645557B1 - 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템 및 그방법

Info

Publication number: KR100645557B1
Application number: KR1020040079007A
Authority: KR
Inventors: 김영렬
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-11-15
Also published as: KR20060030212A

Abstract

고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템 및 그 방법이 개시된다. 개시된 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템은, 연료전지 스택과; 상기 연료전지 스택의 일측에 설치되어 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기 등을 가습시키는 가습기와; 상기 가습기의 전방에 설치되어 상기 가습기로 공기가 공급되도록 배치된 공기공급라인에 설치되어 공기를 공급하는 공기블로워와; 상기 공기블로워로부터 공급되는 공기를 필요에 따라 공급되도록 상기 공기공급라인에 설치된 3방향밸브와; 플러딩 발생시 상기 연료전지 스택에 가습공기 대신에 건조공기를 직접 보내도록 상기 연료전지 스택과 직접 연결 설치된 공기가습 바이패스밸브와; 상기 공기가습 바이패스밸브로 공기가 공급될 때 상기 가습기로 공기의 공급이 차단되도록 하는 공기가습 차단밸브;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 플러딩에 의한 성능저하를 신속하게 회복할 수 있고, 플러딩의 빠른 회복으로 회복의 지연에 따른 수소의 연소에 의한 전극의 손상을 방지할 수 있는 이점이 있다.

연료전지, 플러딩, 고분자 전해질

Description

고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR RECOVERING THE CATHODE FLOODING FOR PEM FUEL CELL AND METHOD FOR THE SAME}

도 1은 일반적인 고분자 연료전지 시스템의 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11: 연료전지 스택

12: 가습기

13: 수소공급 셧오프밸브

14: 퍼지조절밸브

15: 공기블로워

16: 3방향밸브

17: 공기가습 차단밸브

18: 공기가습 바이패스밸브

19: 압력조절밸브

본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 신속한 성능회복을 이루고, 연료전지 내구성 저하를 방지하기 위한 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

후술하는 본 발명은 연료전지의 운전기술에 관한 것으로, 고분자 연료전지 시스템은, 수소와 산소가 연료전지에 공급되어 연료전지에서 전기화학반응에 의하여 전기를 생성하며 공기가 공급되는 양극에는 물이 생성된다. 자동차용 연료전지로서 고분자 전해질(Polymer Electrolyte Membrane)형 연료전지는 수분이 전해질 막을 통한 수소 양이온의 이동 메커니즘을 좌우하기 때문에 연료전지 내의 가습 상태는 중요하다.

그러나, 연료전지 양극에서는 전기화학반응에 의해서 물이 발생되고 전해질막을 가습하는 것과 균형이 깨지면 수분이 전극에 부착되는 플러딩(Flooding) 현상이 발생하여 오히려 연료전지의 전압을 떨어뜨리는 성능저하를 가져올 수 있다.

더욱이, 상기한 플러딩이 지속되면 고분자 전해질막을 통과한 수소 양이온이 산소와 결합하지 못하고 전자와 결합하게 됨으로써 다시 수소가 되어 연소하게 됨으로써 연료전지의 전극을 손상시키게 된다.

도 1에는 고분자 연료전지 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 연료전지 운전기술에 대한 연료전지 운전 시스템은, 연료전지 스택(1)과, 가습기(2)와, 수소공급 셧오프밸브(3)와, 수소퍼징밸브(4) 및 공기블로워(5)로 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 종래기술은 연료전지의 전압이 저하되어 플러딩이 예측되면 공기블로워(5)를 통한 공기 공급 유량을 증대시켜 수분의 증발 및 배출을 기하고 있으나, 플러딩의 해소와 이에 따른 연료전지 전압의 회복에 걸리는 시간 지연이 있으며 나아가서 회복을 완전히 보장 할 수 없는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 연료전지의 신속한 성능회복이 이루어지도록 한 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템은, 연료전지 스택과; 상기 연료전지 스택의 일측에 설치되어 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기 등을 가습시키는 가습기와; 상기 가습기의 전방에 설치되어 상기 가습기로 공기가 공급되도록 배치된 공기공급라인에 설치되어 공기를 공급하는 공기블로워와; 상기 공기블로워로부터 공급되는 공기를 필요에 따라 공급되도록 상기 공기공급라인에 설치된 3방향밸브와; 플러딩 발생시 상기 연료전지 스택에 가습공기 대신에 건조공기를 직접 보내도록 상기 연료전지 스택과 직접 연결 설치된 공기가습 바이패스밸브와; 상기 공기가습 바이패스밸브로 공기가 공급될 때 상기 가습기로 공기의 공급이 차단되도록 하는 공기가습 차단밸브와; 상기 연료전지 스택의 후방으로 설치되어 공기가 배출되도록 하는 공기배출라인의 일측에 설치되어 플러딩이 발생하면 연료전지내의 공기 공급 압력을 높여 연료전지 전극면에서 공기의 분압을 증가시켜 연료전지의 전기화학 반응을 촉진시켜 연료전지의 전압을 회복시키도록 설치된 압력조절밸브;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복방법은, (a) 실제공기유량 대 이론필요유량의 비와, 공기압을 소정치로 하고, 가습을 온한 상태에서 셀전압을 측정하는 단계와; (b) 상기 단계 (a)에서 측정한 셀전압과 그 하한치를 비교하여 상기 셀전압보다 상기 하한치가 더 큰지 판단하는 단계와; (c) 상기 단계 (b)의 조건을 만족하는 경우, 상기 실제공기유량 대 이론필요유량의 비 및 상기 공기압을 소정치의 2배로 증대시키고, 상기 가습을 오프시키는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 개략도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템은, 연료전지 스택(11)과, 이 연료전지 스택(11)의 일측에 설치되어 연료전지 스택(11)에 공급되는 공기 등을 가습시키는 가습기(12)와, 이 가습기(12)의 전방에 설치되어 가습기(12)로 공기가 공급되도록 배치된 공기공급라인에 설치되어 공기를 공급하는 공기블로워(15)와, 이 공기블로워(15)로부터 공급되는 공기를 필요에 따라 공급되도록 상기 공기공급라인에 설치된 3방향밸브(16)와, 플러딩 발생시 상기 연료전지 스택(11)에 가습공기 대신에 건조공기를 직접 보내도록 연료전지 스택(11)과 직접 연결 설치된 공기가습 바이패스밸브(18)와, 이 공기가습 바이패스밸브(18)로 공기가 공급될 때 가습기(12)로 공기의 공급이 차단되도록 하는 공기가습 차단밸브(17)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 연료전지 스택(11)의 후방으로 설치되어 공기가 배출되도록 하는 공기배출라인의 일측에 설치되어 플러딩이 발생하면 연료전지 스택(11) 내의 공기 공급 압력을 높여 연료전지 스택(11)의 전극면에서 공기의 분압을 증가시켜 연료전지 스택(11)의 전기화학 반응을 촉진시켜 연료전지 스택(11)의 전압을 회복시키도록 압력조절밸브(19)가 설치된다.

한편, 도 2에서 설명되지 않은 참조부호 13 및 14는 수소공급 셧오프밸브 및 수소퍼징밸브를 각각 나타내 보인 것이다.

도 3에는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복방법은, 우선, 실제공기유량(A) 대 이론필요유량(F)의 비와, 공기압을 소정치로 하고, 가습을 온(ON)한 상태에서 셀전압을 측정한다.(단계와 110,120)

상기 단계 120에서 측정한 셀전압과 그 하한치를 비교하여 셀전압보다 하한치가 더 큰지 판단한다.(단계 130)

상기 단계 130의 조건을 만족하는 경우, 즉 셀전압보다 하한치가 더 크면, 실제공기유량 대 이론필요유량의 비(A/F) 및 상기 공기압을 소정치의 2배(소정치*2)로 증대시키고, 상기 가습을 오프(OFF)시킨다.(단계 140,150,160)

한편, 상기 단계 130의 조건을 만족하지 못하는 경우, 즉 셀전압보다 하한치가 더 크지 않으면, 본 제어를 처음부터 재 수행토록 한다.

그리고 상기 단계 160을 수행한 후, 상기 단계 120에서 수행한 상기 셀전압의 측정부터 재 수행토록 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템 및 그 방법은, 수소와 공기중의 산소와 전기화학반응을 통해 전기를 발생시키는 고분자 연료전지의 운전기술에 관한 것으로 공기가 공급되는 연료전지 양극에는 전기 화학 반응으로 생성된 물이 전극에 부착되는 소위 플러딩 현상을 일으키면 연료전지의 전압이 떨어지는 등의 성능저하가 일어나게 되고, 나아가서는 수소가 연소되는 현상이 발생되어 전극을 손상시키기 때문에 이를 해소하는 시스템 및 방법을 마련하여 플러딩에 의한 연료전지의 성능저하 및 열화를 막고자 하는 것에 관한 것이다.

전술한 바와 같이, 종래의 운전기술에서는 플러딩에 의한 연료전지 전압 저하시 공기의 유량을 증대시키는 것만을 마련하고 있어, 플러딩을 완전히 해소하지 못하고 있다.

반면, 본 발명에서는 공기의 유량 증대를 통한 수분의 증발과 배출 촉진 뿐 만 아니라, 공기의 압력을 증대시켜 산소의 공급량을 증대시켜 반응을 촉진시킴으로써 연료전지의 전압을 회복시킬 수 있으며, 더욱이 공기의 가습을 행하지 않도록 공기공급 시스템을 구성하여 플러딩을 조기에 제거하고 연료전지 전압을 회복시킬 수 있다.

이를 보다 구체적으로 설명한다.

고분자 전해질형 연료전지의 공기측 양극에서의 플러딩을 조기에 해소하여 연료전지의 성능을 회복시키고 나아가서 연료전지를 보호하고자 공기블로워(15)를 통한 공기 유량을 증대시키는 것 이외에 공기의 압력을 증대시켜 반응 전극면에서 산소의 분압을 증대시켜 전압을 회복시킨다.

그리고 공급 공기의 습도를 저하시켜 플러딩의 해소와 연료전지 전압 회복의 시간 지연을 줄이고 연료전지 전극을 보호하여 연료전지시스템의 성능 향상과 내구성을 향상시킨다.

이를 위해 본 발명에 따른 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 공기공급라인에 3방향밸브(16) 또는 2개의 밸브로 공기가습 차단밸브(17)와 공기가습 바이패스밸브(18)를 각각 설치하여 플러딩이 예측되면 가습기(12)를 거치지 않고 바로 연료전지 스택(11)으로 공급되도록 한다.

또한 공기배출라인에 압력조절밸브(19)를 설치하여 연료전지 스택(11) 내의 공기 압력을 증대시킬 수 있도록 한다.

이에 따른 공기 공급측 운전은 도 3을 참조로 하여 전술한 바와 같이, 연료전지 스택(11)의 전압이 하한치 이하로 떨어져 플러딩이 예상되면 공기블로워(15)를 통한 유량 증대와 압력조절밸브(19)를 통한 공기압력 증대, 그리고 상기 3방향밸브(16) 또는 2개의 공기가습 차단밸브(17)와 공기가습 바이패스밸브(18)의 작동을 통해 플러딩의 해소와 연료전지 전압 회복을 신속하게 달성할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템 및 그 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

자동차용으로 쓰이는 고분자 전해질형 연료전지에서 가장 문제가 되는 공기측 양극에서 수분이 전극면에 붙는 플러딩이 발생되면 이에 따라 발생되는 연료전지의 성능 저하 및 내구성저하에 대하여 플러딩을 신속히 해소시키는 고분자형 연료전지 시스템의 공급시스템의 구성과 운전 기술을 마련함으로써 연료전지의 신속한 성능회복을 이룰 수 있다.

그리고 상기와 같이 플러딩의 빠른 회복으로 회복의 지연에 따른 수소의 연소에 의한 전극의 손상을 방지함에 따라 연료전지 내구성 저하를 방지 할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

연료전지 스택과;

상기 연료전지 스택의 일측에 설치되어 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기 등을 가습시키는 가습기와;

상기 가습기의 전방에 설치되어 상기 가습기로 공기가 공급되도록 배치된 공기공급라인에 설치되어 공기를 공급하는 공기블로워와;

상기 공기블로워로부터 공급되는 공기를 필요에 따라 공급되도록 상기 공기공급라인에 설치된 3방향밸브와;

플러딩 발생시 상기 연료전지 스택에 가습공기 대신에 건조공기를 직접 보내도록 상기 연료전지 스택과 직접 연결 설치된 공기가습 바이패스밸브와;

상기 공기가습 바이패스밸브로 공기가 공급될 때 상기 가습기로 공기의 공급이 차단되도록 하는 공기가습 차단밸브와;

상기 연료전지 스택의 후방으로 설치되어 공기가 배출되도록 하는 공기배출라인의 일측에 설치되어 플러딩이 발생하면 연료전지내의 공기 공급 압력을 높여 연료전지 전극면에서 공기의 분압을 증가시켜 연료전지의 전기화학 반응을 촉진시켜 연료전지의 전압을 회복시키도록 설치된 압력조절밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복시스템.
삭제
(a) 실제공기유량 대 이론필요유량의 비와, 공기압을 소정치로 하고, 가습을 온한 상태에서 셀전압을 측정하는 단계와;

(b) 상기 단계 (a)에서 측정한 셀전압과 그 하한치를 비교하여 상기 셀전압보다 상기 하한치가 더 큰지 판단하는 단계와;

(c) 상기 단계 (b)의 조건을 만족하는 경우, 상기 실제공기유량 대 이론필요유량의 비 및 상기 공기압을 소정치의 2배로 증대시키고, 상기 가습을 오프시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복방법.
제3항에 있어서,

상기 단계 (b)의 조건을 만족하지 못하는 경우, 본 제어를 처음부터 재 수행토록 하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복방법.
제3항에 있어서,

상기 단계 (c)를 수행한 후, 상기 단계 (a)에서 수행한 상기 셀전압의 측정부터 재 수행하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 양극 플러딩 회복방법.