KR100911562B1 - 연료전지 스택 ｏｃｖ 제거 및 과전압 상승 방지를 위한장치 및 방법 - Google Patents

연료전지 스택 ｏｃｖ 제거 및 과전압 상승 방지를 위한장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치 및 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 OCV를 제거하기 위한 부하로서 라디에이터를 이용하고 인가되는 전압을 조절하기 위해 DC-DC 컨버터를 사용함으로써, 기존 차량의 레이아웃 및 차량부품을 활용하고 이를 통해 원가를 감소시키며 장치를 위해 필요한 공간을 절약할 수 있는 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해,
연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에 연결된 릴레이;
상기 연료전지 스택 및 릴레이에 연결되어 전압을 변환시키는 DC-DC 컨버터;
상기 DC-DC 컨버터에 연결되어 OCV를 제거하는 부하역할을 하는 라디에이터;
상기 릴레이 및 DC-DC 컨버터를 제어하는 제어부;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치 및 방법을 제공한다.
연료전지, OCV, 과전압, 부하, VLD, COD, 라디에이터, 블로워.

Description

연료전지 스택 ＯＣＶ 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치 및 방법 {Method And Apparatus For Eliminating Fuel Cell Stack OCV And Preventing Over-Voltage}
본 발명은 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치 및 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 OCV를 제거하기 위한 부하로서 라디에이터를 이용하고 이를 위해 DC-DC 컨버터를 사용함으로써, 기존 차량의 레이아웃 및 차량부품을 활용하고 이를 통해 원가를 감소시키며 장치를 위해 필요한 공간을 절약할 수 있는 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템으로서, 연료전지는 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적 인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.
일반적인 연료 전지 시스템은 연료가스와 산소가 전기 화학적으로 반응하여 화학에너지가 전기에너지로 변환되도록 이루어진 스택과, 수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하기 위한 연료공급부와, 산소 또는 공기를 포함하는 산화제를 상기 스택으로 공급하기 위한 산화제공급부, 및 상기 스택으로부터 생성된 직류 전력을 적정 전압의 외부 부하 공급용 전력으로 변환시키기 위한 출력 변환기를 포함하며, 또한 제어장치와, 상기 스택의 생성 전원을 저장하기 위한 배터리를 더 포함할 수 있다.
상기 스택은 연료에 함유된 수소 가스와 공기를 제공받아 산화 및 환원 반응을 유도하여 최종적으로 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나 이상의 단위전지를 포함되어 구성될 수 있다. 상기 단위전지는 전기를 발생시키는 주요 부분으로서, 엔드플레이트에 의해 외부로부터 보호를 받고, 수소가스와 공기를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(MEA:Membrane & Electrode Assembly)와 연료가스와 공기를 전극-전해질 합성체를 공급하기 위한 적어도 하나 이상의 세퍼레이트로 이루어진 하나의 단위 전지 셀로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 스택은 이와 같은 단위 전지 셀복수개를 연속적으로 배치한 집합체로서, 상기 연속 배치된 단위 전지 셀이 전기적으로는 직렬 연결되어 외부 부하를 구동시키기에 충분한 전압을 생성하게 된다.
한편, 상기와 같은 연료전지는 스타트업(start-up) 또는 스타트다운(start-down)시 OCV(open circuit voltage)가 발생할 수 있고 과전압 상승이 일어날 수 있 다.
따라서 상기와 같은 연료전지 스택의 OCV를 제거하고, 과전압 상승을 방지 하기 위하여 종래에는 일반적으로 알려져 있는 저항체(VLD, COD 등)를 이용하여 전압을 강하시키는 단순한 원리를 사용하였다.
이하, 도1 및 도2를 참조하여 종래 기술에 따른 OCV를 제거하기 위한 연료전지의 스타트업(start up) 과정에 대하여 설명한다.
일반적으로 셧 다운(shut down) 시, 연료전지의 내부 양극(anode)과 음극(cathode)에는 공기만이 존재한다.
그러나 연료전지를 스타트업하는 경우, OCV가 존재하고 양극에 산소가 존재하여, 음극의 탄소가 고갈될 수 있다.
따라서 양극의 산소를 신속히 제거하기 위하여 산소공급밸브(CV620)을 닫고 수소공급밸브(CV600)를 개방한다.
또한 발생하는 OCV를 제거하기 위해 부하(VLD)와 연결한다.
이후 OCV가 강하하면 산소공급밸브(CV620)을 개방하여 재순환 라인부의 산소를 소진하여 양극(anode)의 산소 소진을 완료한다.
이후 부하(VLD)와의 연결을 해제하고, 스택 전압과 셀 전압 센싱으로 수소가 완전히 소진되었음을 확인한 후, 공기 블로워를 동작시킨다.
이하, 연료전지의 스타트다운(start down) 후의 과정에 대하여 설명한다.
연료전지의 스타트업 과정과 마찬가지로, 스타트다운 후에도 OCV가 존재하고 양극에 산소가 존재하여 음극의 탄소가 고갈될 우려가 있다.
이럴 경우, 양극과 음극에 공기 환경을 만들어야 하는데, 이를 위해서는 다음과 같은 방법이 있다.
ⅰ) 수소공급밸브를 닫아서 수소공급을 중지하고 공기블로워를 중지하는 방법, ⅱ) 수소 공급을 중지하고 공기블로워를 작동시키며 부하(VLD)를 연결하는 방법, ⅲ) 수소 공급을 중지하고 공기 블로워를 중지하며 부하(VLD)를 연결하는 방법의 세 가지 방법이 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 OCV 제거 및 과전압 상승 방법은, 부하(VLD)의 부피가 매우 크므로 자동차 내에 한정된 공간 내에 배치되기에 어려운 점이 있으며, 그 비용이 또한 많이 소모된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존 차량의 레이아웃 및 차량 부품을 활용하고 이를 통해 원가를 감소시키고 차량의 중량을 줄여 동력 성능을 확보할 수 있는 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치는,
연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에 연결된 릴레이;
상기 연료전지 스택 및 릴레이에 연결되어 전압 크기를 변환시키는 DC-DC 컨버터;
상기 DC-DC 컨버터에 연결되어 OCV를 제거를 위한 부하역할을 하는 라디에이터;
상기 릴레이 및 DC-DC 컨버터를 제어하는 제어부;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제어부 및 라디에이터에 연결되어 전원을 공급하는 전원공급부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원공급부는 12V 차량용 배터리인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 또 다른 태양인 상기 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치를 이용한 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 방법에 있어서,
연료전지 스타트업(start-up)시,
상기 릴레이를 닫는(close) 단계;
상기 연료전지 스택의 출력전압과 제1 기준값과 비교하는 단계;
상기 연료전지 스택의 출력전압이 제1 기준값보다 작은 경우, 상기 릴레이를 여는(open) 단계;
OCV 값을 제2 기준값과 비교하는 단계;
상기 OCV 값이 제2 기준값 보다 큰 경우, 부하에 전압을 인가하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치를 이용한 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 방법에 있어서,
연료전지 스타트다운(start-down)시,
부하에 인가된 전압을 차단하는 단계;
공기블로워를 닫고 수소블로워를 여는 단계;
상기 릴레이를 닫는(close) 단계;
상기 연료전지 스택의 출력전압과 제1 기준값과 비교하는 단계;
상기 연료전지 스택의 출력전압이 제1 기준값보다 작은 경우, 수소블로워를 닫는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치 및 방법에 의하면, 기존 차량의 레이아웃 및 차량 부품을 활용할 수 있고, 간단한 컨버터 추가만으로 연료전지 성능을 확보할 수 있으며, 이를 통해 원가를 감소시키고 차량의 부피 및 중량을 줄여 차량의 성능을 향상시킬 수 있다.
삭제
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
상기에서 언급한 바와 같이, 일반적으로 연료전지의 스타트업 및 스타트다운시 연료전지에는 OCV 및 양극에 산소가 존재한다. 이러한 양극에 남아있는 산소를 제거하기 위하여 수소 공급을 실시하지만, 국부적으로는 여전히 산소가 존재하며, 이러한 산소의 존재로 인하여 화학적 반응에 의해 OCV가 발생하게 되고, 이는 연료전지의 성능을 급격히 저하시켜, 연료전지를 빌드업(build up)하기 위한 BOP 부품 및 전기동력시스템의 각 부품에 전기적인 충격 또는 오류를 발생시킬 수 있다.
따라서 이러한 OCV를 제거하기 위하여 일반적으로 연료전지를 VLD 또는 COD(carbon oxidation depletion)와 같은 저항체에 연결하여 발생한 전압을 제거한다.
그러나 상기와 같은 VLD 또는 OCD의 경우 그 부피가 매우 크고 비용 또한 상당하므로, 본 발명에서는 VLD 또는 OCD와 같은 저항체 대신 자동체 내에 존재하는 라디에이터를 부하로 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명한다.
연료전지 스택(31)과 부하(36:BOP부품 및 전기동력시스템의 각 부품)간에는 퓨즈(32), 제1 및 제2릴레이(33,34), 다이오드(35)에 의하여 연결되고, 상기 연료전지 스택과 라디에이터(39)간에는 제3릴레이(37)와 DC-DC컨버터(38)에 의하여 연결되며, DC-DC 컨버터에는 제어부(40)가 연결된다.
이러한 연결 상태에서, 상기 연료전지 스택(31)은 퓨즈(32) 및 제1 릴레이(33), 다이오드(35), 제2 릴레이(34)를 통하여 부하(load)(36)에 전압을 인가하게 된다.
한편, 연료전지 스택에서 생성된 OCV(oppen circuit voltage)를 제거하기 위하여, 연료전지 스택(31)은 제3 릴레이(37), DC-DC 컨버터(38)를 통해 라디에이터(39)에 연결되어 있는 바, 상기 라디에이터(39)는 OCV를 제거 내지 저감시키기 위한 부하로 작용하게 된다.
또한 상기 제어부(40)는 DC-DC 컨버터(38)를 제어하고, 제3 릴레이(37) 또한 제어할 수 있다.
또한 전원공급부(41)는 상기 라디에이터(39) 및 제어부(40)에 전원을 공급하는 역할을 하며, 일반적으로 차량 내에 존재하는 12V 차량용 배터리를 통해 구성할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 스택에서 발생하는 OCV 제거 방법에 대하여 설명한다.
먼저 연료전지가 스타트업(start-up) 되는 경우, 상기 연료전지 스택(31)과 DC-DC컨버터(38)간에 연결된 제3 릴레이(37)를 닫아(S404)줌으로써, 연료전지 스택(31)에서 발생되는 OCV 즉, 통상 연료전지 스택에서 출력되는 전압으로서 부하가 걸리지 않은 상태의 전압을 말하는 OCV가 라디에이터(39)를 부하로 하여 제거 내지 저감되도록 한다.
다음으로, 상기 연료전지 스택의 출력전압(통상 연료전지 스택에서 출력되는 셀 전압으로서 부하가 걸린 상태의 전압을 의미하며, 여기서는 라디에이터를 부하로 하여 걸린 전압을 의미함)이 사용자에 의하여 결정된 제1 기준값 보다 작은 경우(S406), 상기 제3 릴레이(37)를 개방시킨다(S408).
이때, 상기 제1기준값은 상기 제3 릴레이(37)를 통해 라디에이터(39) 부하에 걸리기 전의 전압인 OCV가 된다.
따라서, 상기 라디에이터(39) 부하에 걸린 전압인 상기 연료전지 스택의 출력전압이 상기 라디에이터(39) 부하에 걸리기 전의 무부하 전압인 OCV를 의미하는 제1기준값보다 작으면 OCV가 저감된 것으로 판정하여 상기 제3릴레이(37)를 개방시키게 된다.
한편, 상기 제3릴레이(37)를 개방시킴에 따라 연료전지 스택에서 출력되는 전압은 라디에이터(39) 부하에 걸리지 않은 상태가 되므로, 연료전지 스택에서 출력되는 전압은 OCV가 된다.
이후, 다시 OCV 값과 사용자에 의하여 결정된 제2 기준값을 비교(S410)하여, OCV 값이 제2 기준값 보다 큰 경우 상기 제1 릴레이(33) 및 제2 릴레이(34)를 닫아(S412) 부하(36)에 전압을 인가하여 스타트업 과정을 종료(S424)한다.
이때, 상기 제2기준값은 부하(36)를 용이하게 구동시키기 위한 연료전지 스택의 최소 출력전압이다.
따라서, 상기 라디에이터(39) 부하가 해제된 후에 연료전지 스택(10)에서 출력되는 전압인 OCV가 상기 제2기준값보다 크면, 부하(36)를 용이하게 구동시킬 수 있는 것으로 판정되어, 상기 제1 릴레이(33) 및 제2 릴레이(34)를 닫아(S412) 부하(36)에 전압을 인가하여 스타트업 과정을 종료(S424)하게 되는 것이다.
다음으로 연료전지가 스타트다운(start-down) 되는 경우, 상기 제1 릴레이(33)와 제2 릴레이(34)를 개방(S414)하여 부하(36)에 인가되는 전압을 차단하고, 양극(anode)에 존재하는 산소를 제거하기 위해 공기블로워를 닫고 수소블로워를 개방(S416)한다.
좀 더 상세하게는, 산소 공급이 더 이상 공급되지 않게 공기블로워를 닫고, 양극(수소극)에 잔존하는 산소를 제거하기 위해 수소블로워를 열어서 양극으로 수소를 공급함으로써, 스택내에서의 수소와 산소간의 전기화학적 반응에 의하여 전기가 생성되며, 이때의 전기도 부하가 걸리지 않은 상태인 OCV가 된다.
이후, 위와 같이 발생되는 OCV를 제거하기 위하여 상기 제3 릴레이(37)를 닫아(S418) DC-DC 컨버터(38)를 통해 전압을 변환한 후 라디에이터(39)를 부하로 사용하여 OCV를 라디에이터(39)로 흘리게 됨으로써, OCV가 저감 내지 제거된다.
이후, 연료전지 스택(31)의 출력 전압값과 상기의 제1 기준값을 비교(420)하여 출력 전압값이 제1 기준값 보다 작아진 경우 수소블로워를 닫고(S422) 스타트다운 과정을 종료(S424)한다.
마찬가지로, 상기 라디에이터(39) 부하에 걸린 전압인 상기 연료전지 스택의 출력전압이 상기 라디에이터(39) 부하에 걸리기 전의 OCV인 제1기준값보다 작으면 OCV가 저감된 것으로 판정하여 상기 제3릴레이(37)를 개방시키게 되고, 이에 수소블로워를 닫고(S422) 스타트다운 과정을 종료(S424)한다.
상기에서 제1 기준값 및 제2 기준값은 사용자에 의하여 결정되는 임의의 상수로서, 예를 들어 5V 또는 4.5V 등과 같이 결정될 수 있다.
이처럼 상기와 같은 본 발명에 의하면, 기존 차량의 레이아웃 및 차량 부품을 활용하고 이를 통해 원가를 감소시킬 수 있으며, 차량의 중량을 줄여 동력 성능 을 확보할 수 있다.
또한 직류-직류 컨버터를 사용함으로써 차량에 12VDC 라디에이터 혹은 고전압 라디에이터가 장착되어 있더라도 이에 구분없이 라디에이터를 부하로 사용하여 연료전지에서 발생하는 OCV를 제거하고 과전압 발생을 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료 전지 내에 발생하는 OCV 제거를 위한 밸브의 제어 흐름을 나타낸 도면,
도 2는 양극(anode) 및 음극(cathode)에서의 화학반응을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지의 OCV 제거 및 과전압 발생 방지 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지의 OCV 제거 및 과전압 발생 방지 방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
CV600 : 수소탱크에 의한 수소공급밸브
CV610 : 재순환 블로워에 의한 수소공급밸브
CV620 : 산소공급밸브
31 : 연료전지 스택 32 : 퓨즈
33 : 제1 릴레이 34 : 제2 릴레이
35 : 다이오드 36 : 부하
37 : 제3 릴레이 38 : DC-DC 컨버터
39 : 라디에이터 40 : 제어부
41 : 전원공급부

Claims (5)

  1. 연료전지 스택(31)과, 부하(36)와, 라디에이터(39)를 포함하는 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치에 있어서,
    상기 연료전지 스택(31)과 부하(36)간에 연결되는 제1 및 제2릴레이(33,34)와;
    상기 연료전지 스택(31)과 OCV를 제거를 위한 부하역할을 하도록 한 상기 라디에이터(39)간에 연결되는 제3릴레이(37)와;
    상기 제3릴레이(37)와 라디에이터(39)간에 전압 크기를 변환시키기 위해 연결되는 DC-DC 컨버터(38)와;
    상기 릴레이(33,34,37) 작동 제어 및 DC-DC 컨버터(38)의 작동제어를 위한 제어부(40)와;
    상기 제어부(40) 및 라디에이터(39)에 연결되어 전원을 공급하는 전원공급부인 12V 차량용 배터리;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 연료전지 스타트업(start-up)시,
    연료전지 스택(31)과 라디에이터(39)간에 연결된 제3릴레이(37)를 닫아서, 스택(31)의 OCV가 라디에이터(39)를 부하로 하여 제거되는 단계와;
    상기 연료전지 스택의 출력전압과 제1 기준값과 비교하는 단계;
    상기 연료전지 스택의 출력전압이 제1 기준값보다 작은 경우, 상기 제3릴레이(37)를 여는(open) 단계;
    상기 제3릴레이(37)가 열림에 따라, 무부하 상태가 된 상기 연료전지 스택의 OCV 값을 제2 기준값과 비교하는 단계;
    상기 OCV 값이 제2 기준값 보다 큰 경우, 부하(36)에 전압을 인가하는 단계;
    로 이루어지고,
    연료전지 스타트다운(start-down)시,
    부하(36)에 인가된 전압을 차단하는 단계;
    공기블로워를 닫고 수소블로워를 열어서 상기 연료전지 스택에 잔존하는 산소와 수소간의 전기화학적 반응을 일으키는 단계와;
    연료전지 스택(31)과 라디에이터(39)간에 연결된 상기 제3릴레이(37)를 닫아서, 상기 전기화학적 반응에 의한 스택(31)의 OCV가 라디에이터(39)를 부하로 하여 제거되는 단계와;
    상기 연료전지 스택의 출력전압과 제1 기준값과 비교하는 단계;
    상기 연료전지 스택의 출력전압이 제1 기준값보다 작은 경우, 수소블로워를 닫는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스택 OCV 제거 및 과전압 상승 방지를 위한 방법.
  5. 삭제
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