KR100849127B1 - 연료전지스택 및 그 촉매재생 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 발생시키는 연료전지 스택 및 그 촉매재생 운전방법에 관한 것으로서, 다수 개가 직렬로 배열되며 전기화학반응에 의해 전류를 발생시키는 단위 셀(cell), 단위 셀들의 가장 외측의 양 단부에 각각 위치하는 엔드 플레이트, 단위 셀들에 각각 접촉하여 전압을 검출하는 전압검출 핀, 및 단위 셀들에 각각 연결되며 단위 셀들의 각 출력전압값에 따라 해당되는 단위 셀의 부하와 전압을 제어하여 촉매재생을 유도하는 촉매재생 회로보드를 구비한다. 이와 같이 본 발명의 연료전지스택은 단위 셀들이 장기간의 운전으로 그 전력 생산 효율이 저하되거나 그 내구성이 저하되는 이상을 감지하여 촉매재생 운전조작으로 그 성능을 회복시키는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 전기화학반응시 발생되는 습도, 주위의 온도 및 진동 발생에도 큰 영향을 받지 않고, 전압검출 핀이 단위 셀들에 보다 긴밀하게 접촉되면서 보다 정확한 단위 셀들의 전압을 검출할 수 있는 장점이 있다.
연료전지, 막전극접합체, 촉매재생, 전압검출, 셀

Description

연료전지스택 및 그 촉매재생 운전방법{Fuel Cell Stack and Operating Method for Catalyst Cleaning Thereof}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 촉매재생이 가능한 연료전지스택의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 셀 전압을 검출하는 구성요소를 나타내기 위해 연료전지스택의 일부를 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지스택의 각 셀 전압을 검출하기 위한 회로도이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지스택의 각 셀들을 촉매재생하기 위한 회로도이다.
도 5는 도 1에 도시된 연료전지스택이 발전하지 않는 상태에서의 촉매재생 운전방법에 대한 흐름도이다.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지스택이 발전하는 과정에서의 촉매재생 운전방법에 대한 흐름도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
100 : 연료전지스택 110 : 셀(cell)
120 : 엔드 플레이트 130 : 고정틀
140 : 전압검출 핀 150 : 촉매재생 회로도
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 발생시키는 연료전지 스택에 관한 것이며, 더 상세하게는 단위 셀들이 장기간의 운전으로 그 전력 생산 효율이 저하되거나 그 내구성이 저하되는 이상을 감지하여 촉매재생 운전조작으로 그 성능을 회복시키는 연료전지 스택 및 그 촉매재생 운전방법에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지(PEFC)는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 고분자 전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극 및 분리판으로 이루어지며, 특히 수소를 함유한 연료 가스와, 산소를 함유하는 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기와 열을 동시에 발생시킨다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 출력특성이 탁월하며 작동온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답특성을 가지고 있어서, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.
이와 같은 연료전지는 막전극접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)와 분리판으로 이루어진 단위 셀로 지칭되며, 이런 다수 개의 단위 셀들이 모여서 연료전지스택을 구성한다. 즉, 연료전지스택은 단위 셀의 기전력이 대략 1V 이하이기 때문에 다수 개의 단위 셀들이 직렬로 적층되고, 단위 셀들의 가장 외측 단부에 엔드 플레이트가 각각 체결됨으로써 상호 연결된다. 이때, 연료전지스택은 각 단위 셀들간의 전기적인 접촉성능을 향상시키기 위해서 타이로드(Tie-Rod), 밴드와 같은 체결수단을 이용하여, 단위 셀들과 엔드 플레이트를 적절한 압력으로 체결시킨다.
연료전지스택은 장기간의 전기화학반응으로 인해 전력 발생 효율이 저하되거나, 그 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 즉, 종래기술의 연료전지스택은 막전극접합체(MEA)의 연료측 전해질막에 일산화탄소(CO)가 피복되거나, 공기측 전해질막에 백금촉매 불순물이 흡착되거나, 전기화학반응의 부산물인 물을 외부로 배출하는 가스 확산층(GDL; Gas Diffusion Layer)의 기능이 저하되는 요인에 의한 문제점이 발생된다.
그래서, 종래기술의 연료전지스택은 상기와 같은 문제점으로 인한 전력 생산성능 저하현상을 방지하기 위해 다음과 같은 방법이 사용될 수 있다. 즉, 종래에는연료전지스택이 전력 생산을 중지한 상태에서 외부 전원으로 각각의 단위 셀들에 0.6V ~ 0.8V의 전압을 인가하는 방법, 탄화수소가스, 불활성가스 또는 물을 공급하여 산소를 치환하는 방법, 환원제를 공급하는 방법 등이 공지되어 있다. 하지만, 종래기술에 따른 연료전지스택의 전력 생산성능 저하 방지방법은 연료전지스택에 직접 적용할 수 없는 기술이거나, 현재까지 전력 생산성능 저하를 방지하는 효과가 여전히 미흡한 기술이다.
또한, 종래기술에 따른 연료전지스택은 그 이상 유무를 판단하기 위해 각각의 단위 셀들의 전압을 측정하도록 형성된다. 즉, 종래기술의 연료전지스택은 단 위 셀의 분리판에 형성된 구멍을 통해 전압검출 핀을 접촉시키거나, 발포성 수지 패드 또는 전도성이 높은 재질을 삽입시키는 방식으로 막전극접합체에서 발생되는 전압을 측정한다. 하지만, 상기 종래기술에 따른 연료전지스택의 전압검출 방식은 전기화학반응시 발생되는 습도, 주위의 온도 및 진동 발생여부에 따라 전압 검출값이 달라져서 그 신뢰성이 낮은 문제점도 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 단위 셀들이 장기간의 운전으로 그 전력 생산 효율이 저하되거나 그 내구성이 저하되는 이상을 감지하여 촉매재생 운전조작으로 그 성능을 회복시키는 연료전지 스택 및 그 촉매재생 운전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전기화학반응시 발생되는 습도, 주위의 온도 및 진동 발생에도 큰 영향을 받지 않고 보다 정확하게 단위 셀들의 전압을 검출하는 연료전지스택을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 연료전지스택은 다수 개가 직렬로 배열되며 전기화학반응에 의해 전류를 발생시키는 단위 셀(cell), 상기 단위 셀들의 가장 외측의 양 단부에 각각 위치하는 엔드 플레이트, 상기 단위 셀들에 각각 접촉하여 전압을 검출하는 전압검출 핀, 및 상기 단위 셀들에 각각 연결되며, 상기 단위 셀들의 각 출력전압값에 따라 해당되는 단위 셀의 부하와 전압을 제어하여 촉매재생을 유도하는 촉매재생 회로보드를 포함한다.
상기 단위 셀들이 배열되는 길이 방향의 측부에 위치하면서 상기 엔드 플레이트에 고정되는 고정틀을 더 포함하고, 상기 전압검출 핀은 상기 고정틀에 의해 지지되는 것이 바람직하다.
상기 전압검출 핀은 그 내부에 수용되면서 그 길이방향으로 탄성력을 제공하는 스프링, 및 상기 스프링에 의해 탄성 지지되면서 상기 단위 셀에 접촉되는 단부는 포함하고, 상기 전압검출 핀의 단부는 다수 개의 탐침부들이 돌출 형성된 형상으로 상기 단위 셀에 접촉되는 것이 바람직하다.
상기 촉매재생 회로보드는 상기 전압검출 핀들에 의해 상기 단위 셀들에 연결되는 전압검출 회로를 포함하고, 상기 전압검출 회로는 인접하는 한 쌍의 단위 셀들 사이에 직렬로 연결되는 2개의 제1 저항(R)들, 및 상기 2개의 제1 저항(R)들과 병렬로 연결되면서 그 사이의 전압값에 따라 선택적으로 도통되는 제1 션트 레귤레이터(IC)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전압검출 회로는 상기 2개의 제1 저항(R)들 사이에서 상기 제1 션트 레귤레이터와 함께 연결되면서 상기 제1 션트 레귤레이터의 도통여부를 인식하여 신호를 전달하는 제1 포토 커플러(PC)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 촉매재생 회로보드는 인접하는 4개의 단위 셀들이 전류를 생산하는 하나의 전력 단위체로 각각 분류되어 상기 전력 단위체에서 발생되는 전류의 흐름을 선택적으로 차단함으로써 상기 전력 단위체 내의 단위 셀들이 촉매재생되게 제어하는 촉매재생 회로를 더 포함하고, 상기 촉매재생 회로는 상기 전력 단위체들 사이에 직렬로 연결되는 2개의 제2 저항(R)들, 상기 2개의 제2 저항(R)들과 병렬로 연 결되면서 그 사이의 전압값에 따라 선택적으로 도통되는 제2 션트 레귤레이터(IC), 상기 제2 션트 레귤레이터(IC)와 병렬로 연결되는 부하저항, 및 상기 부하저항이 병렬 연결되는 지점에서 부하저항 방향으로의 전류흐름을 선택적으로 차단하는 트랜지스터(TR)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 촉매재생 회로는 상기 2개의 저항(R)들 사이에서 상기 션트 레귤레이터(IC)와 함께 연결되면서 외부에 신호를 전달하는 포토 커플러(PC ; Photo Coupler)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
연료전지스택의 발전 정지시 촉매재생 운전방법은 상기 단위 셀들에 의해 생산되는 전력에 의해 작동되는 부하를 정지시키는 제1 단계, 상기 단위 셀들에 공급되는 연료가스와 공기를 중단시키는 제2 단계, 상기 촉매재생 회로에 의해 단위 셀들이 촉매재생되는 제3 단계, 상기 단위 셀들의 각 셀 전압을 검출하는 제4 단계, 및 상기 제4 단계에서 검출되는 셀 전압이 설정된 전압값 이내로 유지되는 경우에 촉매재생 제어가 중지되고, 셀 전압이 설정된 전압값을 초과하는 경우에 촉매재생이 지속되는 제5 단계를 포함한다.
연료전지스택의 발전 중 촉매재생 운전방법은 상기 단위 셀들에 의해 생산되는 스택 전원에 의해 작동되는 발전부하의 소비전원을 계통전원으로 전환하여 상기 단위 셀들의 발전부하를 감소시키는 제1 단계, 상기 단위 셀들에 공급되는 연료가스와 공기를 감소시키는 제2 단계, 상기 촉매재생 회로에 의해 단위 셀들이 촉매재생되는 제3 단계, 상기 단위 셀들에서 측정되는 스택 전압이 설정된 값 이상으로 유지될 때까지 발전부하를 선형적으로 증가시켜 발전 과부하를 회복시키는 제4 단 계, 및 상기 촉매재생 제어를 중지시키고, 발전부하의 소비전원을 계통전원에서 스택 전원으로 다시 전환시키는 제5 단계를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 촉매재생이 가능한 연료전지스택의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 셀 전압을 검출하는 구성요소를 나타내기 위해 연료전지스택의 일부를 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지스택(100)은 전기화학반응에 의해 전류를 발생시키는 다수 개의 단위 셀(110)들을 구비한다. 이런 단위 셀(110)은 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)로서 고분자 전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극 및 분리판으로 이루어진 막전극접합체와, 이런 막전극접합체의 양쪽에 각각 위치하는 분리판으로 구성된다. 그러면, 단위 셀(110)들은 수소를 함유한 연료 가스와, 산소를 함유하는 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전류를 발생시킨다. 단위 셀(110)의 기전력은 대략 1V 이하이기 때문에, 다수 개의 단위 셀(110)들이 직렬로 적층된다.
이런 단위 셀(110)들의 가장 외측에는 엔드 플레이트(120)가 각각 위치함으로써 상호 연결된다. 이때, 연료전지스택(100)은 각 단위 셀(110)들간의 전기적인 접촉성능을 향상시키기 위해서 타이로드(Tie-Rod), 밴드와 같은 체결수단을 이용하여, 단위 셀(110)들과 엔드 플레이트(120)를 균일한 압력으로 체결시킨다.
연료전지스택(100)은 단위 셀(110)들이 배열되는 길이 방향의 측부에 위치하면서 단위 셀(110)들과 엔드 플레이트(120)를 상호 연결시키는 고정틀(130)을 더 구비한다. 고정틀(130)은 일정 길이 이상을 갖는 바(bar) 형상으로서, 아래에서 후술할 전압검출 핀(140)과 촉매재생 회로보드(150)를 지지한다. 이런 고정틀(130)은 단위 셀(110)들과 직접 접촉하지 않고서 일정한 간격을 유지한 상태로 위치하고, 그 양 단부가 체결 나사(131)에 의해 엔드 플레이트(120)와 체결 고정된다.
전압검출 핀(140)은 고정틀(130)에 의해 지지되면서 단위 셀(110)들 각각에 하나씩 접촉하여 전압을 검출한다. 이런 전압검출 핀(140)은 도 2에 보다 상세하게 도시된다. 전압검출 핀(140)은 그 내부에 수용되면서 그 길이방향으로 탄성력을 제공하는 스프링(141), 및 스프링(141)에 의해 탄성 지지되면서 단위 셀(110)에 접촉되는 단부(142)로 이루어진다. 전압검출 핀(140)의 단부(142)는 다수 개의 탐침부들이 뾰족하게 돌출 형성된 형상이다. 종래기술에 따른 연료전지스택은 전기화학반응시 발생되는 습도변화, 접촉저항 증가, 및 열저항 증가 등으로 부정확한 전압이 검출된다. 하지만, 본 실시예의 전압검출 핀(140)은 상기와 같이 스프링(141)의 탄성력으로 지지되어, 단부(142)가 외부 진동에도 단위 셀(110)에 보다 견고하게 밀착된다. 또한, 전압검출 핀(140)의 단부(142)는 다수 개의 탐침부(probe)들이 단위 셀(110)에 약간 파고 들면서, 단위 셀(110)과 보다 확실하게 접촉된다. 이로 인해, 본 실시예는 주변 여건에 큰 영향을 받지 않고, 단위 셀(110)의 전압을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
촉매재생 회로보드(150 ; Cell Voltage Monitoring Board)는 다수 개의 전압검출 핀(140)들이 각각 연결되며, 단위 셀(110)들의 각 전압값에 따라 해당되는 단위 셀(110)의 부하와 전압을 제어하여 촉매재생을 유도한다. 이를 위해 촉매재생 회로보드(150)는 그 기판 상에 전압검출 회로와 촉매재생 회로가 각각 실장된다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지스택의 각 셀 전압을 검출하기 위한 회로도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전압검출 회로는 전압검출 핀(140)들이 단위 셀(110)들에 연결되어, 다수 개의 단위 셀(110)들 중에서 전력생산 성능이 저하된 비정상적인 단위 셀(110)을 검출한다.
즉, 전압검출 회로는 인접하는 한 쌍의 단위 셀(TP)들 사이에 직렬로 연결되는 2개의 저항(R)들, 2개의 저항(R)들과 병렬로 연결되면서 그 사이의 전압값에 따라 선택적으로 도통되는 션트 레귤레이터(IC ; Referance Shunt Regulator), 및 2개의 저항(R)들 사이에서 션트 레귤레이터(IC)와 함께 연결되면서 션트 레귤레이터(IC)의 도통여부를 인식하여 신호를 전달하는 포토 커플러(PC ; Photo Coupler)를 기본 구성요소로 구비한다. 그리고, 전압검출 회로는 상기 기본 구성요소들이 한 쌍의 단위 셀(TP)들마다 추가적으로 직렬 연결되어, 최종적으로 외부로 신호를 전달하는 셀전압 검출선과 접지선을 통해 인출된다. 그리고, 전압검출 회로는 다음과 같은 원리에 의해 비정상적인 단위 셀(TP) 영역을 검출한다.
즉, 본 실시예는 동작전원이 0.9V이고, 비교적 낮은 전압인 0.696V까지 검출할 수 있는 션트 레귤레이터(IC)가 사용된다. 그리고, 단위 셀(TP)은 무부하 발전시 셀의 최고전압이 0.8V ~ 1V 범위이며, 정격부하 발전시 셀의 최저전압이 0.7V ~ 0.8V에 해당한다. 따라서, 전압검출 회로는 한 쌍의 단위 셀(TP)을 기준으로 1.4V ~ 2.0V가 발생될 수 있으며, 2개의 저항(R1, R2)의 분지전압으로 션트 레귤레이터(IC)의 동작에 따라 감지한다. 이때, 전압검출 회로는 정상 동작시 R1=1.2㏀, R2=10㏀이고, IC의 Vref=0.696V인 조건을 갖는다. 따라서, IC의 V reference 전압 계산법에 따르면 다음과 같다.
Vref = { R2 / (R1+R2) } X { (TP~TP1간 전압(V) }
Vref = { 10㏀ / (1.2㏀+10㏀) } X (1.4V~2.0V) = 1.25V~1.79V
따라서, 전압검출 회로는 회로 내의 전압값이 션트 레귤레이터(IC)의 설정된Vref(0.696V)보다 전위가 높아서, 션트 레귤레이터(IC)의 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)간이 상호 도통된다. 그러면, 포토 커플러(PC)에서는 다이오드(DIODE)측이 동작 발광하고, 수신 단인 트랜지스터(Transistor)측이 수신하면서 상호 도통된다.
이와 같은 전압검출 회로 내의 구성은 한 쌍의 단위 셀(TP)들마다 동일하게직렬로 연결된다. 그러면, 전압검출 회로는 포토 커플러(PC)의 직렬 회로 연결이 끊김이 없다면 셀 전압검출이 정상적으로 이루지는 것으로 인식한다.
반면, 전압검출 회로는 비정상 동작시 동일하게 R1=1.2㏀, R2=10㏀, IC의 Vref=0.696V인 조건을 갖더라도, 비정상적인 단위 셀(TP~TP1)들간의 전압값에 따라 그 결과가 달라진다. IC의 V reference 전압 계산법에 따르면 다음과 같다.
Vref = { 10㏀ / (1.2㏀+10㏀) } X (0V~0.78V) = 0V~0.696V 이다.
따라서, 전압검출 회로는 회로 내의 전압값이 션트 레귤레이터(IC)의 설정된Vref(0.696V) 보다 전위가 낮아서, 션트 레귤레이터(IC)의 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)간이 도통이 되지 않는다. 그러면, 전압검출 회로는 포토 커플러(PC)의 직렬 회로 연결에서 끊김이 발생되면서, 스택이 비정상 상태인 것으로 인식된다. 결국, 전압검출 회로는 하나의 단위 셀(TP) 전압이 0.39V(0.78V/2) 이하인 경우에 비정상 신호로 예측된다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지스택의 각 셀들을 촉매재생하기 위한 회로도이다.
도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 촉매재생 회로는 인접하는 4개의 단위 셀들이 전류를 생산하는 최소의 단위인 전력 단위체로 각각 분류되고, 전력 단위체에서 발생되는 전류의 흐름을 선택적으로 차단함으로써 전력 단위체 내의 단위 셀들이 촉매재생되게 제어된다.
즉, 촉매재생 회로는 전력 단위체들 사이에 직렬로 연결되는 2개의 제2 저항(R)들, 2개의 저항(R)들과 병렬로 연결되면서 그 사이의 전압값에 따라 선택적으로 도통되는 션트 레귤레이터(IC), 2개의 저항(R)들 사이에서 션트 레귤레이터(IC)와 함께 연결되면서 외부에 신호를 전달하는 포토 커플러(PC ; Photo Coupler), 션 트 레귤레이터(IC)와 병렬로 연결되는 부하저항, 및 부하저항이 병렬 연결되는 지점에서 부하저항 방향으로의 전류흐름을 선택적으로 차단하는 트랜지스터(TR)를 구비한다. 그리고, 촉매재생 회로는 상기 기본 구성요소들이 4개의 단위 셀(TP)들마다 추가적으로 직렬 연결되어, 최종적으로 외부에서 신호가 전달되는 촉매재생 신호선과 접지선을 통해 회로가 완성된다.
전력 단위체는 저항을 제외한 트랜지스터(TR), 포토 커플러(PC), 션트 레귤레이터(IC)가 작동되기 위해서 최소한 다음과 같은 전압범위를 가져야 한다.
TR1의 Vbe(Sat. V) + PC의 Vce(Sat. V) + IC의 (Anode~Cathode간 Vka)
= 0.85V(TR1의Vbe) + 0.2V(PC의Vce)+0.9V(IC의Vka) = 1.95V
즉, 전력 단위체는 촉매재생 제어를 하기 위해서 1.95V 보다 높은 대략 2.0V의 전압범위를 가져야 하고, 촉매재생 조작시 안정적인 동작전압 조건이 0.5V 이므로 적어도 4개의 단위 셀(TP)들(예, 0.5V X 4셀 = 2.0V) 이상으로 각각 분류되어야 한다.
그리고, 촉매재생 회로는 촉매재생 신호가 입력되면, 직렬로 연결된 다수의 전력 단위체들에서 동시에 동작된다. 전력 단위체는 정상 운행시 최대 2.6V(0.65V X 4셀, 발전시 최소 낮은전압) ~ 3.8V(0.95V X 4셀, 무부하시 최대 높은 전압) 범위내에서 동작되며, 포토 커플러(PC)에 입력되는 외부명령(포토 다이오드 측에 전류가 유입됨을 의미함)에 의하여 포토 커플러(PC)가 도통되면서 촉매재생 제어가 시작된다.
그러면, 전력 단위체에서는 4개의 단위 셀(2.6V~3.8V)들을 R1(2㏀)과 R2(1.07㏀)가 전압분지로 전위상태를 검출하고, 검출된 전압(Vref)이 션트 레귤레이터(IC, Vref=0.696V)에 인식된다. IC의 V reference 전압 계산법에 따르면 다음과 같다.
Vref = { R2 / (R1+ R2) } x 4셀 전압
= { 1.07㏀ / (2.0㏀ + 1.07㏀) } x 4셀 전압 = 0.348㏀ x 4셀 전압
이를 역산하여,
4셀 전압 = Vref / { R2 / (R1+ R2) }
= 0.696V / { 1.07㏀ / (2.0㏀ + 1.07㏀) } = 2.0 V
첫째, 촉매재생 회로는 해당 전력 단위체가 4셀 전압 ≥ 2.0V 의 조건을 만족하는 경우에, 션트 레귤레이터(IC)와 트랜지스터(TR)가 전류흐름으로 도통되면서, 부하저항(R4)에도 4개의 단위 셀(TP)에서 생산되는 전류가 유동된다.
단, 부하저항(R4)은 트랜지스터(TR)에서 흐를 수 있는 최대 전류 이하이면서, 발전시 회로가 동작하여도 트랜지스터(TR)가 소손되지 않도록 설정된다. 즉, 트랜지스터(TR)에서 흐를 수 있는 최대 전류용량은 20V/5A 이고, 4개 단위 셀(TP)들에서의 최대 전압은 3.8V(0.95V X 4셀, 무부하시 최대 높은 전압)이다. 그러므로 부하저항(R4)는 트랜지스터(TR)의 최대 전류의 1/2 이하(전류 마진확보를 위하여 1/2 전류치로 설정)로 제한하고, 4개의 단위 셀(TP)들의 최대 전압 3.8V시 2.5A 이하로 설정된다. 따라서, 부하저항(R4)을 계산하면 다음과 같다.
부하저항(R4) = 4셀의 최대전압(V) / TR1에 최대로 흘릴 전류 설정치(I)
= 3.8V / 2.5A = 1.52Ω
따라서, 부하저항(R4)는 1.52Ω 이상으로 설정하여 트랜지스터(TR)을 보호하는 것이 바람직하다.
둘째, 촉매재생 회로는 해당 전력 단위체가 4셀 전압 < 2.0V 의 조건을 만족하는 경우에, 션트 레귤레이터(IC)와 트랜지스터(TR)에서의 전류흐름이 차단되면서, 부하저항(R4)에 4개의 단위 셀(TP)들에서 생산되는 전류가 유동되지 않는다. 따라서, 해당되는 영역의 전력 단위체는 단위 셀(TP)들에서의 셀 전압이 상승한다.
셋째, 촉매재생 회로는 상기 첫 번째 동작과 두 번째 동작을 션트 레귤레이터(IC)가 Vref=0.696V를 기준으로 반복 동작되게 설정되므로, 이런 반복동작에 의하여 4개의 단위 셀(TP)들 전압이 2.0V이고, 각 단위 셀(TP)이 각각 0.5V의 정전압(Cell Voltage Regulation)으로 유지되게 제어된다.
단, 촉매재생 회로는 회로 보호를 위해 부하저항에서 정한 최대전류의 제한치를 넘어 갈 경우(4개 단위 셀의 전류 공급량이 제한 전류량 보다 큰 경우, 스택에 주입되는 수소와 산소량이 충분할 경우) 부하저항의 한계로 인하여 셀 전압이 회복하게 된다.
이와 같은 촉매재생 조작은 연료전지스택(100)이 발전하지 않는 상태와 연료전지스택(100)이 발전하는 과정에서 실시될 수 있으며, 그 연료전지스택(100)의 촉매재생 운전방법은 다음과 같다.
도 5는 도 1에 도시된 연료전지스택이 발전하지 않는 상태에서의 촉매재생 운전방법에 대한 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 연료전지스택의 발전이 정지되면, 단위 셀들에 의해 생산되는 전력에 의해 작동되는 인버터와 같은 부하를 정지시킨다. 그러면, 연료전지스택은 부하가 제거됨으로써 아이들(idle) 상태로 유지된다. 그런 다음에는 연료전지스택에 공급되는 연료가스와 공기를 중단시키고, 촉매재생 회로에서 단위 셀들이 촉매재생되게 제어한다. 그런 다음에는 단위 셀들의 각 셀 전압을 검출한다. 그런 다음에는 검출되는 셀 전압이 설정된 정전압(0.5V) 이내로 유지되는 경우에 10초 정도의 지속 시간을 유지한 후에 촉매재생 제어가 중지되고, 검출되는 셀 전압이 설정된 정전압(0.5V)을 초과하는 경우에 촉매재생이 지속 반복된다. 마지막으로는 시스템 완료단계로 개질기 또는 연료전지스택 내의 퍼지 작업이 실시됨으로써, 시스템이 발전 정지된다.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지스택이 발전하는 과정에서의 촉매재생 운전방법에 대한 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 상기 도 5와 달리 연료전지스택이 발전하는 과정 중에 촉매재생 조작이 실시되므로, 연료전지스택이 감당할 수 있는 최대의 발전량을 감안하여 연료전지스택의 정격 발전량을 30% 만큼 감소시킨 상태에서 촉매재생 조작이 실시된다. 그리고, 본 실시예는 촉매재생 동작시 연료전지스택의 전압이 순간적으로 낮아져서 각종 주변장치(BOP)의 제어전원이 다운될 수 있는 가능성이 있으므로,　AC/DC 컨버터(converter)를 통해 계통전원을 각종 주변장 치(BOP)의 전원으로 공급 전환하는 특징이 있다.
먼저, 연료전지스택의 촉매재생 운전방법은 단위 셀들에 의해 생산되는 스택 전원에 의해 작동되는 발전부하의 소비전원을 계통전원으로 전환하여 단위 셀들의 발전부하를 30% 정도 감소시킨다. 이런 상태에서 단위 셀들에 공급되는 연료가스와 공기량을 30% 감소시키고, 촉매재생 회로에서의 신호에 따라 단위 셀들이 촉매재생된다.
그런 다음에는 발전부하를 선형적으로 증가시키면서 단위 셀들에서의 반응가스 이용률을 높인다. 그리고, 본 실시예는 스택 전압을 감지하여, 스택 전압이 설정된 값(42V) 이상으로 증가하고 일정 시간(10초 ~ 20초) 유지시킴으로써 발전 과부하를 회복시킨다. 이런 촉매재생 조작은 설정된 횟수(3회)만큼 반복되는 것이 바람직하다.
그런 다음에는 촉매재생 제어를 중지시키고, 발전부하의 소비전원을 계통전원에서 스택전원으로 다시 전환시킨다.
다만, 다른 실시예로서 연료전지스택의 촉매재생 운전방법은 상기 연료가스와 공기량을 30% 감소시키는 단계에서 연료극과 공기극 중 어느 한쪽 극의 반응가스 공급량만 정격부하에서의 공급량 보다 30%만큼 감소시킨 후에 촉매재생 조작 단계를 실시할 수 있다. 그러면, 상기 반응가스 이용률을 높이는 단계에서는 한쪽 전극 쪽만 반응가스 이용률이 높아지게 된다. 이와 같이 다른 실시예는 연료전지스택의 연료극과 공기극에서 반응가스 이용률을 동시에 높이지 않고, 연료극과 공기극에서의 반응가스 이용률을 교대로 높이는 방법으로 촉매재생조작을 실시할 수 도 있다. 이때, 다른 실시예의 연료가스와 공기량을 30% 감소시키는 단계에서는 연료극 이용률이 85% - 95% 범위 내에서, 공기극 이용률이 65% - 75% 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 실시예는 발전 중에도 촉매재생 조작을 안정적으로 실시 할 수 있어, 연료전지스택의 촉매성능을 보다 안정적으로 유지시키면서도 연료전지스택의 내구성도 향상될 수 있다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지스택은 단위 셀들이 장기간의 운전으로 그 전력 생산 효율이 저하되거나 그 내구성이 저하되는 이상을 감지하여 촉매재생 운전조작으로 그 성능을 회복시키는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 전기화학반응시 발생되는 습도, 주위의 온도 및 진동 발생에도 큰 영향을 받지 않고, 전압검출 핀이 단위 셀들에 보다 긴밀하게 접촉되면서 보다 정확한 단위 셀들의 전압을 검출할 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 다수 개가 직렬로 배열되며 전기화학반응에 의해 전류를 발생시키는 단위 셀(cell);
    상기 단위 셀들의 가장 외측의 양 단부에 각각 위치하는 엔드 플레이트;
    상기 단위 셀들에 각각 접촉하여 전압을 검출하는 전압검출 핀; 및
    상기 단위 셀들에 각각 연결되며, 상기 단위 셀들의 각 출력전압값에 따라 해당되는 단위 셀의 부하와 전압을 제어하여 촉매재생을 유도하는 촉매재생 회로보드를 포함하고,
    상기 촉매재생 회로보드는 상기 전압검출 핀들에 의해 상기 단위 셀들에 연결되는 전압검출 회로를 포함하고,
    상기 전압검출 회로는 인접하는 한 쌍의 단위 셀들 사이에 직렬로 연결되는 2개의 제1 저항(R)들, 및 상기 2개의 제1 저항(R)들과 병렬로 연결되면서 그 사이의 전압값에 따라 선택적으로 도통되는 제1 션트 레귤레이터(IC)를 포함하며,
    상기 전압검출 회로는 상기 2개의 제1 저항(R)들 사이에서 상기 제1 션트 레귤레이터와 함께 연결되면서 상기 제1 션트 레귤레이터의 도통여부를 인식하여 신호를 전달하는 제1 포토 커플러(PC)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  6. 다수 개가 직렬로 배열되며 전기화학반응에 의해 전류를 발생시키는 단위 셀(cell);
    상기 단위 셀들의 가장 외측의 양 단부에 각각 위치하는 엔드 플레이트;
    상기 단위 셀들에 각각 접촉하여 전압을 검출하는 전압검출 핀; 및
    상기 단위 셀들에 각각 연결되며, 상기 단위 셀들의 각 출력전압값에 따라 해당되는 단위 셀의 부하와 전압을 제어하여 촉매재생을 유도하는 촉매재생 회로보드를 포함하고,
    상기 촉매재생 회로보드는 상기 전압검출 핀들에 의해 상기 단위 셀들에 연결되는 전압검출 회로를 포함하고,
    상기 전압검출 회로는 인접하는 한 쌍의 단위 셀들 사이에 직렬로 연결되는 2개의 제1 저항(R)들, 및 상기 2개의 제1 저항(R)들과 병렬로 연결되면서 그 사이의 전압값에 따라 선택적으로 도통되는 제1 션트 레귤레이터(IC)를 포함하며,
    상기 촉매재생 회로보드는 인접하는 4개의 단위 셀들이 전류를 생산하는 하나의 전력 단위체로 각각 분류되어 상기 전력 단위체에서 발생되는 전류의 흐름을 선택적으로 차단함으로써 상기 전력 단위체 내의 단위 셀들이 촉매재생되게 제어하는 촉매재생 회로를 더 포함하고,
    상기 촉매재생 회로는 상기 전력 단위체들 사이에 직렬로 연결되는 2개의 제2 저항(R)들, 상기 2개의 제2 저항(R)들과 병렬로 연결되면서 그 사이의 전압값에 따라 선택적으로 도통되는 제2 션트 레귤레이터(IC), 상기 제2 션트 레귤레이터(IC)와 병렬로 연결되는 부하저항, 및 상기 부하저항이 병렬 연결되는 지점에서 부하저항 방향으로의 전류흐름을 선택적으로 차단하는 트랜지스터(TR)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 촉매재생 회로는 상기 2개의 저항(R)들 사이에서 상기 션트 레귤레이터(IC)와 함께 연결되면서 외부에 신호를 전달하는 포토 커플러(PC ; Photo Coupler)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  8. 청구항 7에 기재된 연료전지스택의 촉매재생 운전방법에 있어서,
    상기 단위 셀들에 의해 생산되는 전력에 의해 작동되는 부하를 정지시키는 제1 단계;
    상기 단위 셀들에 공급되는 연료가스와 공기를 중단시키는 제2 단계;
    상기 촉매재생 회로에 의해 단위 셀들이 촉매재생되는 제3 단계;
    상기 단위 셀들의 각 셀 전압을 검출하는 제4 단계; 및
    상기 제4 단계에서 검출되는 셀 전압이 설정된 전압값 이내로 유지되는 경우에 촉매재생 제어가 중지되고, 셀 전압이 설정된 전압값을 초과하는 경우에 촉매재생이 지속되는 제5 단계;를 포함하는 연료전지스택의 촉매재생 운전방법.
  9. 청구항 7에 기재된 연료전지스택의 촉매재생 운전방법에 있어서,
    상기 단위 셀들에 의해 생산되는 스택 전원에 의해 작동되는 발전부하의 소비전원을 계통전원으로 전환하여 상기 단위 셀들의 발전부하를 감소시키는 제1 단계;
    상기 단위 셀들에 공급되는 연료가스와 공기를 감소시키는 제2 단계;
    상기 촉매재생 회로에 의해 단위 셀들이 촉매재생되는 제3 단계;
    상기 단위 셀들에서 측정되는 스택 전압이 설정된 값 이상으로 유지될 때까지 발전부하를 선형적으로 증가시켜 발전 과부하를 회복시키는 제4 단계; 및
    상기 촉매재생 제어를 중지시키고, 발전부하의 소비전원을 계통전원에서 스택 전원으로 다시 전환시키는 제5 단계를 포함하는 연료전지스택의 촉매재생 운전방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제5 단계에 앞서 상기 제4 단계는 설정된 횟수만큼 반복되는 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 촉매재생 운전방법.
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