KR101078794B1 - 연료전지시스템 및 상기 연료전지시스템의 순환비산출방법 - Google Patents

연료전지시스템 및 상기 연료전지시스템의 순환비산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시스템 운전 시, 공급가스가 순환가스와 만나는 합류부에서의 동결을 억제가능한 연료전지시스템 및 상기 시스템의 순환비산출방법을 제공한다. 상기 연료전지시스템에 있어서, 연료전지로부터 배출되는 순환가스는 가스공급원으로부터의 공급가스와 합류된 후, 연료전지로 공급되도록 되어 있다. 공급가스의 유량에 대한 순환가스의 유량의 비율은 순환가스 중의 수증기의 응축잠열을 고려하여 설정된다. 상기 공급가스의 유량에 대한 순환가스의 유량의 비율은 상기 합류부에서의 열평형 계산 시에 응축잠열을 고려하여 설정될 수 있다.

Description

연료전지시스템 및 상기 연료전지시스템의 순환비산출방법{FUEL BATTERY SYSTEM AND METHOD FOR CALCULATING CIRCULATION RATIO IN THE FUEL BATTERY SYSTEM}
본 발명은 연료전지로부터 배출되는 가스가 연료전지에 공급될 가스와 합류하는 연료전지시스템 및 상기 시스템의 순환비산출방법에 관한 것이다.
지금까지, 연료전지로부터 배출되는 수소오프가스가 고압수소탱크로부터 배출되는 수소가스와 합류하여, 다시 연료전지에 공급되는 연료전지시스템이 널리 알려져 왔다. 이러한 연료전지시스템에 있어서는, 고압수소탱크로부터 연료전지로 연장하는 공급로를 따라 중간쯤에서, 수소오프가스를 공급로로 되돌리기 위한 순환로가 연결된다.
일반적으로, 연료전지에서의 전기화학반응에 의해 물이 생성되므로, 수소오프가스는 많은 수증기를 함유한다. 그러므로, 시스템 정지 후 빙점 아래에서, 수소오프가스 중의 수증기가 순환로 등에서 응축되고, 응축된 물이 동결할 수도 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 일본특허출원공개 제2005-93110호에 개시된 연료전지시스템에서는, 순환로의 압력 등이 시스템 정지 후에 상승되어, 순환로에서 동결하는 것을 억제하도록 물의 응고점이 낮게 된다.
또한, 고압수소탱크 내의 수소가스의 온도는 가스 소비에 의한 단열팽창으로 인하여 저하된다. 연료전지시스템의 운전(이하, 종종 "시스템 운전"이라고도 함)이 빙점 아래의 외부공기온도에서 행해지면, 상기 외부공기온도 아래의 수소가스가 수소오프가스와 합류한다. 그러므로, 합류부에서는, 수소오프가스 중의 수증기가 냉각되고, 최종적으로 동결할 수 있다. 하지만, 종래의 연료전지시스템에서는, 시스템 운전 시의 동결이 고려되지 않아, 추가적인 개선이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 시스템 운전 시, 연료전지에 공급될 가스와 연료전지로부터 배출될 가스의 합류부에서의 동결을 억제할 수 있는 연료전지시스템 및 상기 시스템의 순환비산출방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지시스템에서는, 연료전지로부터 배출되는 순환가스가 가스공급원으로부터의 공급가스와 합류하여 상기 연료전지에 공급된다. 더욱이, 상기 공급가스의 유량에 대한 순환가스의 유량(이 비율을 이하 "순환비"라고 함)은 순환가스 중의 수증기의 응축잠열을 고려하여 설정된다.
또한, 본 발명의 또다른 연료전지시스템은 연료전지, 공급가스의 가스공급원, 상기 가스공급원으로부터 상기 연료전지로 상기 공급가스를 공급하기 위한 공급로, 상기 연료전지로부터 배출되는 순환가스를 상기 공급로로 되돌리기 위한 순환로, 및 상기 공급가스가 상기 순환가스와 만나는 합류부를 포함하여 이루어진다. 더욱이, 상기 순환비는 상기 순환가스 중의 수증기의 응축잠열을 고려하여 설정된다.
이러한 구성에 따르면, 순환비를 설정하기 위하여, 상기 순환가스에 포함된 수증기의 응축잠열이 고려된다. 그 결과, 순환가스가 공급가스와 합류가능하여, 합류순환가스 중의 수증기가 공급가스에 의해 냉각되거나 동결되지 않게 된다. 그러므로, 시스템 운전 시, 공급가스와 순환가스의 합류부에서의 동결이 억제될 수 있게 된다. 따라서, 동결 등의 억제 시에 전용 외부 히터가 합류부에 배치될 필요가 없게 된다.
상기 가스공급원은 연료시스템의 소스(source)이고, 상기 공급가스와 순환가스는 연료전지의 연료극에 공급되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 동결이 억제되는 상태에서, 연료시스템의 순환가스가 연료전지의 연료극으로 순환 및 공급될 수 있게 된다.
"공급가스"는 수소가스로 대표되는 연료가스와 개질(reforming) 처리가 행해지는 경우의 수소리치연료가스를 포함하는 개념을 의미한다. 상기 "공급가스"는 주로 수소가스를 함유하는 가스이지만, 수소가스 이외의 가스(예컨대, CNG)일 수도 있다. "순환가스"는 주로 연료전지로부터 배출되는 수소오프가스 및 수증기를 포함한다. 또한, 상기 "순환가스"는 예컨대 수소오프가스 및 수증기 이외에 연료전지 내에서 크로스-리킹(cross-leaking)되는 질소가스를 포함한다.
상기 순환비는 상기 응축잠열을 고려하여 상기 순환가스와 공급가스의 합류부에서의 열평형의 산출에 의하여 설정되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 상기 합류부에서의 열평형이 더욱 정확하게 계산될 수 있다. 더욱이, 상기 순환비는 계산 결과를 토대로 설정되므로, 상기 합류부에서의 동결이 억제될 수 있게 된다.
상기 순환비는, 상기 공급가스와 상기 순환가스를 조합한 후에 구성되는 합류가스의 온도가 사전설정된 온도보다 더 높도록 응축잠열을 고려하여 설정되는 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 순환비는 예컨대 합류가스의 온도가 물이 동결하는 온도보다 더 높도록 설정되어, 합류 이후의 동결이 억제될 수 있게 된다.
상기 사전설정된 온도는 상기 합류가스의 압력에서의 물의 응고점 이상인 것이 더욱 바람직하다. 결과적으로, 합류가스가 물이 동결하기 시작하는 온도보다 더 높은 온도에 도달하므로, 합류 이후 동결이 더욱 억제될 수 있다.
여기서, 합류가스의 압력이 760 mmHG 보다 더 높은 경우, 물의 응고점은 0℃ 아래로 저하된다. 그러므로, 합류가스의 압력이 760 mmHG 보다 더 높은 경우에는, 합류가스의 온도가 0℃ 보다 더 높도록 순환비가 설정되면, 상기 순환비는 합류 이후 동결을 억제하는 관점에서 볼 때 안전측으로 설정된다. 그러므로, 바람직한 일 구성에서는, 사전설정된 온도가 0℃일 수도 있다.
상기 순환비의 하한값은 상기 응축잠열을 고려하여 설정되는 것이 바람직하다. 시스템 운전 시의 순환가스의 온도는 연료전지의 발전으로 인해 상승하지만, 순환비의 유량이 공급가스의 유량보다 더 낮을 때에는, 가스들이 상호 합류한 후의 수증기가 응축되어 동결할 수도 있다. 그러므로, 상기 하한값은 합류 이후 동결을 억제하기 위한 순환비로 설정될 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템은 공급가스와 순환가스의 합류부에 공급될 상기 순환가스의 유량을 제어할 수 있는 순환장치를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 상기 순환장치는 순환가스의 유량을 용이하게 제어할 수 있다.
상기 순환장치는, 상기 공급가스의 온도, 상기 순환가스의 압력 및 외부공기온도 중 하나 이상을 근거로 하여, 상기 순환비를 가변시킬 수도 있는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 연료전지시스템은 상기 가스공급원으로부터 상기 가스입구까지 연장하는 공급로 및 상기 연료전지의 가스출구로부터 순환로와 공급로 사이의 합류부까지 연장하는 순환로를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지시스템의 순환비산출방법은, 연료전지로부터 배출되는 순환가스가 가스공급원으로부터의 공급가스와 합류하여 연료전지에 공급되는 연료전지시스템의 순환비를 산출하는 방법이다. 상기 방법은 상기 순환가스 중의 수증기의 응축잠열을 고려하여 상기 순환가스와 상기 공급가스의 합류부에서의 열평형을 계산하는 단계, 및 계산 결과를 토대로, 상기 순환비를 설정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 상기 순환비는 합류 이후 순환가스 중의 수증기가 공급가스에 의해 냉각 또는 동결되지 않도록 설정될 수 있다. 결과적으로, 연료전지시스템의 운전 시, 합류부에서의 동결이 억제될 수 있게 된다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또다른 연료전지시스템은 고압탱크로부터 연료전지에 공급될 연료가스가 연료전지로부터 배출될 연료가스와 합류하는 합류부를 포함하여 이루어진다. 더욱이, 상기 연료전지시스템은 상기 합류부에서 수분이 동결하는 경우 또는 동결이 예측되는 경우, 상기 연료전지로부터 배출될 상기 연료가스의 유량에 대한 상기 고압탱크로부터 상기 연료전지에 공급될 상기 연료가스의 유량의 비율을 변경하도록 설정된다.
이러한 구성에 따르면, 수분이 합류부에서 동결하는 경우, 연료가스의 비율은 예컨대 동결된 수분을 해동하기 위한 비율로 변경될 수 있다. 합류부에서의 동결이 예측되는 경우, 상기 연료가스의 비율은 수분이 동결하지 않도록 변경될 수 있다. 그러므로, 상기 시스템 운전 시, 상기 합류부에서의 동결이 억제될 수 있게 된다.
이 경우, 상기 비율은 상기 연료전지의 부하 및 상기 고압탱크로부터 상기 연료전지에 공급될 상기 연료가스의 상태를 토대로 결정되며, 상기 상태는 상기 고압탱크로부터 상기 연료전지에 공급될 상기 연료가스의 온도를 포함하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지시스템의 구성도;
도 2는 본 발명에 따른 연료전지시스템의 순환비산출방법에서 사용하기 위한 계산모델을 도시한 도면; 및
도 3은 도 2의 계산모델을 이용한 계산 결과를 도시하고, 순환비와 순환가스온도간의 관계를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지시스템 및 상기 시스템의 순환비산출방법을 첨부도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지시스템(1)은 연료전지(2), 산화가스배관시스템(3), 연료가스배관시스템(4), 냉매배관시스템(5) 및 제어장치(7)를 포함한 다. 상기 연료전지시스템(1)은 차량과 같은 이동체 상에 탑재되고, 차량의 전원에 전력을 공급한다.
상기 연료전지(2)는 예컨대 고체고분자전해질형으로 구성되고, 다수의 단일셀이 적층되는 스택구조를 가진다. 각각의 단일셀은 이온교환막으로 형성된 전해질의 일 면에 공기극을, 상기 전해질의 타 면에 연료극을, 그리고 상기 공기극과 연료극을 양 측으로부터 그 사이에 끼우도록 배치되는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비한다. 산화가스는 세퍼레이터 중 하나의 산화가스유로(2a)에 공급되고, 연료가스는 나머지 다른 하나의 세퍼레이터의 연료가스유로(2b)에 공급된다. 상기 연료전지(2)는 공급되는 연료가스와 공급되는 산화가스간의 전기화학반응으로 인하여 발전을 행한다. 상기 연료전지(2)에서의 전기화학반응은 발열반응이고, 상기 고체고분자전해질형의 연료전지(2)의 온도는 대략 60 내지 70 ℃ 정도이다.
상기 산화가스배관시스템(3)은 산화가스로서 공기(산소)를 연료전지(2)에 공급한다. 상기 산화가스배관시스템(3)은 공급로(11) 및 배출로(12)를 구비한다. 상기 연료전지(2)에 공급될 산화가스는 공급로(11)를 통과한다. 상기 공급로(11)에는 필터(13)를 통해 산화가스를 흡인하는 컴프레서(14) 및 상기 컴프레서(14)에 의한 압력 하에 공급될 산화가스를 가습시키는 가습기(15)가 제공된다. 연료전지(2)로부터 배출되는 산화오프가스는 배출로(12)를 통과한다. 산화오프가스는 배압조정밸브(16)를 통과하여, 가습기(15)에서 수분교환이 된 다음, 최종적으로 배기가스로서 시스템에서 대기중으로 배출된다.
상기 연료가스배관시스템(4)은 연료가스로서 수소가스를 연료전지(2)에 공급 한다. 상기 연료가스배관시스템(4)은 수소가스공급원(21), 공급로(22), 순환로(23), 펌프(24) 및 퍼지로(25)를 구비한다. 상기 수소가스공급원(21)은 예컨대 고압탱크, 수소흡장합금 등으로 구성되고, 예컨대 35 MPa 또는 70 MPa의 수소가스가 저장될 수 있도록 구성된다.
수소가스공급원(21)으로부터 연료전지(2)에 공급될 수소가스는 공급로(22)를 통과한다. 상기 공급로(22)의 상류단은 수소가스공급원(21)과 연통하고, 그 하류단은 연료전지(2)의 연료가스입구(8)와 연통한다. 수소가스공급원(21)의 오리지날밸브(26)가 개방되면, 수소가스가 공급로(22)로 배출된다. 수소가스의 압력은 최종적으로 압력조정밸브(27)와 같은 압력저감밸브에 의해 예컨대 200 kPa 정도로 감소되어, 상기 가스를 연료가스입구(8)를 통해 연료가스유로(2b)에 공급하게 된다. 수소가스의 연료전지(2)로의 공급압력은 연료전지(2)의 소요 출력(부하)을 토대로 조정된다는 점에 유의한다. 상기 공급로(22)에는 합류부(A)의 상류측에 차단밸브(28)가 제공된다.
상기 순환로(23)는 연료전지(2)로부터 배출되는 순환가스를 순환로와 공급로(22) 사이의 합류부(A)로 복귀시킨다. 상기 순환로(23)의 상류단은 연료전지(2)의 연료가스출구(9)와 연통하고, 그 하류단은 합류부(A)에서 공급로(22)와 연통한다. 순환시스템(29)의 유로는 순환로(23), 공급로(22)의 합류부(A)의 하류측유로 및 연료가스유로(2b)를 순서대로 상호 연통시켜 구성된다.
여기서, 하기 설명에서 사용하기 위한 "공급가스", "순환가스" 및 "합류가스"는 다음과 같이 정의된다.
상기 "공급가스"는 수소가스공급원(21)으로부터 연료전지(2)에 공급될 연료가스이고, 여기서는 수소가스공급원(21)으로부터 공급로(22)의 일부분을 통해 합류부(A)로 흐르는 수소가스이다. 상기 공급가스는 고압탱크 내의 순도 100% 의 수소가스로 제한되지 않고, 상기 가스가 예컨대 개질 처리되어야 하는 경우에는 수소리치연료가스일 수도 있다는 점에 유의한다.
상기 "순환가스"는 연료전지(2)로부터 배출될 연료가스이고, 여기서는 연료전지(2)의 연료가스출구(9)로부터 순환로(23)를 통해 합류부(A)로 흐르는 가스이다. 상기 순환가스는 주로 연료전지(2)로부터 배출되는 수소가스(이하, 종종 수소오프가스라고도 함)이고, 수증기와 질소가스를 포함하는 가스이다. 수증기는 주로 연료전지(2)의 발전반응에 의해 생성되는 생성수를 증발시켜 얻어지고, 순환가스 내에 포함된다. 상기 질소가스는 이온교환막을 통해 연료전지(2)의 공기극으로부터 연료극을 통과하여, 소위 크로스-리킹되어, 상기 가스가 순환가스 내에 포함되게 된다. 상기 순환가스는 합류부(A)에서 공급가스와 합류하여 연료전지(2)에 공급된다.
상기 "합류가스"는 공급가스가 순환가스와 합류부(A)에서 만난 후에 생성되는 가스로서, 상기 합류부(A)로부터 공급로(22)의 일부분을 통해 연료가스입구(8)로 유동한다.
상기 펌프(24)(순환장치)는 공급로(22)에 대한 압력 하에 순환로(23)에서 순환가스를 공급한다. 상기 펌프(24)는 다양한 유형으로 구성될 수도 있고, 예컨대 용적형으로 구성된다. 상기 펌프(24)는 예컨대 3상교류모터(도시안됨) 및 상기 모 터의 구동축에 연결된 임펠러를 구비한 컴프레서부를 포함한다. 상기 모터의 구동, 정지 및 회전수는 제어장치(7)에 의하여 제어된다. 상기 펌프(24)에서, 모터의 회전수는 임펠러의 회전수를 제어하도록 제어가능하여, 합류부(A)에 대한 압력 하에 공급될 순환가스의 유량이 제어될 수 있게 된다.
상기 퍼지로(25)는 분기되어 순환로(23)에 연결된다. 상기 퍼지로(25)에는 차단밸브로서 퍼지밸브(33)가 제공된다. 연료전지시스템(1)이 운전되는 경우, 상기 퍼지밸브(33)가 적절하게 개방되어, 순환가스 내의 불순물이 수소오프가스와 함께 수소희석기(도시안됨)로 배출된다. 퍼지밸브(33)가 개방되면, 순환가스 중의 불순물의 농도가 저하되고, 순환가스 중의 수소의 농도가 증가한다. 여기서, 순환가스 중의 불순물은 순환가스 내에 함유된 생성수와 같은 수분 이외에 상술된 질소가스를 포함한다.
복수의 온도센서(61, 62)와 압력센서(63, 64)가 연료가스배관시스템(4)에 배치된다. 상기 온도센서(61)는 합류부(A)의 상류측에서 공급로(22)를 따라 배치되고, 상기 공급가스의 온도를 검출한다. 상기 온도센서(62)는 순환로(23)를 따라 배치되고, 순환가스의 온도를 검출한다. 상기 압력센서(63)는 합류부(A)의 하류측에서 공급로(22)를 따라 배치되고, 합류가스의 압력을 검출한다. 상기 압력센서(64)는 순환로(23)를 따라 배치되고, 순환가스의 압력을 검출한다. 상기 연료가스배관시스템(4)에는 타 온도센서와 타 압력센서가 배치될 수도 있고, 센서들의 개수와 위치들의 설계는 적절하게 변경될 수도 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 공급가스의 압력, 순환가스의 압력 및 합류가스의 온도를 검출하는 각종 센서들이 배치될 수도 있다.
상기 냉매배관시스템(5)은 연료전지(2)에 냉매를 공급하여 연료전지(2)를 냉각시킨다. 상기 냉매배관시스템(5)은 냉매유로(41), 냉각펌프(42), 라디에이터(43), 우회유로(44) 및 전환밸브(45)를 구비한다. 상기 냉매유로(41)는 연료전지(2)의 냉각유로(2c)와 연통한다. 상기 냉각유로(41)는 연료전지(2)의 냉매입구 부근에 배치된 온도센서(46) 및 상기 연료전지(2)의 냉매출구 부근에 배치된 온도센서(47)를 구비한다. 상기 온도센서(47)에 의해 검출될 냉매온도는 연료전지(2)의 내부온도(이하, 연료전지(2)의 온도라고 함)를 반영한다. 상기 냉각펌프(42)는 상기 냉매유로(41)를 따라 배치된다. 상기 라디에이터(43)는 연료전지(2)로부터 배출되는 냉매를 냉각시킨다. 상기 우회유로(44)는 라디에이터(43)를 우회한다. 상기 전환밸브(45)는 라디에이터(43)와 우회유로(44)를 통해 냉각수의 순환을 설정한다.
상기 제어장치(7)는 일반적으로 시스템 전체를 제어한다. 상기 제어장치(7)는 CPU, ROM 및 RAM이 탑재되는 마이크로컴퓨터로 구성된다. 상기 CPU는 후술하는 펌프(24)의 제어와 같은 제어 및 각종 처리를 행하기 위한 제어프로그램에 따라 원하는 연산을 실행한다. 상기 ROM은 CPU에 의해 처리될 제어프로그램과 제어데이터를 저장하고, 후술하는 순환비를 저장한다. 상기 RAM은 주로 제어처리용 각종 연산 영역으로서 사용된다. 상기 제어장치(7)는 가스시스템(3, 4) 및 냉매시스템(5)에서 사용하기 위한 각종 온도센서(46, 47, 61, 62)와 압력센서(63, 64) 및 연료전지시스템(1)이 설치되는 외부공기온도 등을 검출하기 위한 외부공기온도센서(51)의 검출 신호들을 입력하고, 상기 제어장치는 펌프(24)와 같은 각종 구성요소들로 제어 신호들을 출력한다.
다음으로, 본 실시예에 따른 연료전지시스템(1)의 순환비산출방법을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
상기 "순환비"는 공급가스의 유량에 대한 순환가스의 유량의 비율이고, 하기 수학식 1로 정의된다.
CRE = MRE/MSUP
여기서, CRE은 순환비이고, MRE은 순환가스의 유량이며, MSUP은 공급가스의 유량이다. 연료전지(2)의 발전을 수반하는 연료전지(2)의 수소가스의 소비는 공급가스의 유량 MSUP과 일치한다는 점에 유의한다.
보통, 수소가스공급원(21)의 공급가스의 온도는 가스 소비를 수반하는 단열팽창으로 인하여 저하된다. 그러므로, 연료전지시스템(1)이 저온 환경 하에서, 예컨대 빙점 아래의 외부공기온도에서 운전되는 경우, 상기 공급가스의 온도는 빙점 아래로 저하된다. 다른 한편으로, 순환가스는 예컨대 60 내지 70 ℃의 범위에서 연료전지(2)의 운전 온도에 근접한 온도를 갖는다. 공급가스가 합류부(A)에서 순환가스와 합류하면, 상기 공급가스의 온도는 순환가스에 의해 상승되는 반면, 상기 순환가스 내의 수증기와 수소오프가스는 공급가스에 의해 냉각된다. 합류가스의 온도가 물의 응고점 아래로 저하되면, 상기 순환가스의 수증기가 응축되어 물을 구성하게 된 다음, 얼음으로 변하게 된다.
본 발명자는 합류부(A)에서의 열평형에 주목하여, 연료전지시스템(1)에 적절한 순환비 CRE, 구체적으로는 순환가스 중의 수증기가 최종적으로 얼음으로 변하지 못하는 순환비 CRE를 계산하기 위하여 도 2에 도시된 계산모델을 작성하였다. 상기 계산모델에서는, 합류부(A)에서의 합류가스온도 T0 에 도달하기 위해 공급가스에 필요한 수용될 열량이 상기 순환가스가 합류가스온도 T0 에 도달할 때에 배출될 열량에 상기 순환가스 중의 모든 수증기가 물로 변할 때의 응축잠열을 더함으로써 얻어지는 값과 같다고 가정한다.
그러므로, 상기 계산모델에서, 합류부(A)에서의 공급가스의 유량이 1(일)이고, 순환가스의 유량이 CRE 라고 가정하면, 상기 합류부(A)에서의 열평형이 하기 수학식 2로 표현되는 바와 같이 계산될 수 있다.
(T0-TSup)×1×Cp(H2) = (TRE-T0)×CRE×Cp(H2/H20/N2)+Q×CRE×(P[T]/PRE)
상기 사용된 부호들은 다음과 같다.
TSup : 공급가스의 온도 [℃]
TRE : 순환가스의 온도 [℃]
T0 : 합류가스의 온도 [℃]
Cp(H2) : 수소의 정압몰비열 [kJ/kmol·K]
Cp(H2/H20/N2) : 순환가스의 평균정압몰비열 [kJ/kmol·K]
Q : 수증기의 응축잠열 [kJ/g]
P[T] : 순환가스온도 TRE 에서의 포화수증기압 [kPa]
PRE : 순환가스의 압력 [kPa]
수학식 2의 우변의 제2항 "Q×CRE×(P[T]/PRE)"은 순환가스 중의 모든 수증기가 물로 변할 때의 응축잠열을 나타낸다.
여기서, 잠열 Q는 순환가스온도 TRE 와 다르지만, 예컨대 연료전지(2)의 온도 또는 순환가스온도 TRE 의 최대 온도가 기준으로 설정될 수도 있다. 그 이유는, 온도가 높아질수록, 잠열 Q이 낮아지게 되므로, 동결을 억제하는 관점에서 볼 때 안전측에서 계산이 행해질 수 있기 때문이다. 예를 들어, 연료전지(2)의 온도가 70 ℃의 최대값을 가지는 경우, 잠열은 2.331 kJ/g를 나타내므로, 상기 단위는 잠열 Q의 값으로 변환된다. 본 실시예에서는, 70 ℃에서의 잠열이 수학식 2의 잠열 Q로 치환되어, 상기 수학식을 계산하게 된다.
상기 포화수증기압 P[T]는 순환가스온도 TRE 와 다르지만, 상기 순환가스온도 TRE 는 예컨대 상술된 바와 같이 60 내지 70 ℃ 이다. 본 실시예에서는, 70 ℃에서의 포화수증기압이 수학식 2의 포화수증기압 P[T] 로 치환되어, 상기 수학식을 계산하게 된다.
상기 순환가스압력 PRE 은 연료전지(2)의 출구압력에 대응한다. 상기 순환가스압력 PRE 은 공급가스압력에서와 동일한 방식으로 연료전지(2)의 부하와 함께 변동되고, 예컨대 고부하에서는 압력 P1 에 도달하고, 저부하에서는 압력 P1 보다 더 낮은 압력 P2 에 도달한다. 본 실시예에서는, 이들 압력 P1 및 P2 가 수학식 2의 순환가스압력 PRE 으로 치환되어, 상기 수학식을 계산하게 된다.
상술된 계산모델에서는, 물의 비열이 수증기의 비열인 것으로 가정한다. 그 이유는 가스의 비열이 액체의 비열보다 더 작으므로, 상기 계산이 동결을 억제하는 관점에서 안전측에서 행해질 수 있기 때문이다. 또한, 상기 비열은 이상기체의 비열이라고 가정한다. 그 이유는 온도로 인한 차이가 거의 없기 때문이다.
나아가, 상기 계산모델에서는, 순환가스가 포화증기인 것으로 가정한다. 또한, 합류부(A)에서 배관으로부터 수용되는 열이 고려되지 않고, 동결의 억제 관점에서 안전측에서 계산이 행해진다고 가정한다. 순환가스의 평균몰비열 Cp(H2/H20/N2) 은 수소, 수증기 및 질소의 정압몰비열의 평균이지만, 이들 가스들간의 몰비열의 차이는 작으므로, 수소의 정압몰비열이 타 실시예에서의 Cp(H2/H20/N2) 에 사용될 수도 있다는 점에 유의한다.
더욱이, 상술된 계산모델에서는, 합류가스의 온도 T0 가 합류가스의 압력에서 물의 응고점으로 설정될 수도 있다. 상기 합류가스의 압력은 연료전지(2)의 부하에 의해 변동한다. 하지만, 압력이 예컨대 상술된 바와 같이 200 kPa 인 경우에 는, 압력값이 101.3 kPa(거의 760 mmHG와 같음)보다 더 크므로, 이러한 압력에서의 물의 응고점은 0℃ 보다 더 낮게 된다. 결과적으로, 0℃ 보다 더 낮은 물의 응고점이 수학식 2의 합류가스온도 T0 로 치환될 수도 있다.
하지만, 본 실시예에서는, 0℃가 수학식 2의 합류가스온도 T0 로 치환되어 상기 수학식을 계산하게 된다. 그 이유는 합류가스온도 T0 가 합류가스압력에서 물의 응고점보다 더 높은 0℃로 설정되어, 그로 인해 동결의 억제 관점에서 볼 때 안전측에서 계산이 행해질 수 있게 되기 때문이다. 수학식 2에서 T0 = 0 이라고 가정하면, 하기 수학식 3은 다음과 같다.
- TSupCp(H2) = TRECRECp(H2/H20/N2)+QCRE(P[T]/PRE)
그 후, 순환비 CRE 가 수학식 3에서 변수라고 가정하면, 합류가스온도가 0℃일 때의 순환가스온도 TRE 가 계산되었다. 여기서, 연료전지시스템(1) 또는 상기 시스템(1)이 탑재된 차량이 소정의 저온(예컨대, -20℃) 환경에 설치된 경우를 가정하면, 공급가스온도 TSup 및 순환가스압력 PRE의 4가지 조합이 계산되었다. 4가지 조합의 계산 결과들이 도 3의 곡선 L1 내지 L4로 도시되어 있다.
곡선 L1은 (TSup, PRE) = (T1, P1) 인 경우이다.
곡선 L2는 (TSup, PRE) = (T1, P2) 인 경우이다.
곡선 L3은 (TSup, PRE) = (T2, P1) 인 경우이다.
곡선 L4는 (TSup, PRE) = (T2, P2) 인 경우이다.
T1 < T2 및 P1 > P2 라는 점에 유의한다.
여기서, 온도 T1은 연료전지시스템(1)의 연속 운전 시의 공급가스온도이고, 예컨대 -20℃ 보다 충분히 더 낮은 온도이다. 온도 T2는 연료전지시스템(1)의 기동 시의 공급가스온도이고, 예컨대 -20℃에 근접한 온도이다. 연료전지시스템(1)의 연속 운전 시, 연료전지(2)는 발전을 행하고, 발생된 전력으로 인해 차량이 주행할 수 있다는 점에 유의한다.
도 3을 분석하기로 한다. 우선, 곡선 L1을 주목한다. 상기 합류가스온도는 곡선 L1의 윗쪽 영역에서 0℃를 초과하고, 곡선 L1의 아랫쪽 영역에서 0℃ 미만이다. 이는 또한 다른 곡선 L2 내지 L4에도 적용되며, 상기 합류가스온도는 곡선 L2 내지 L4 각각의 윗쪽 영역에서 0℃를 초과하고, 곡선 L2 내지 L4 각각의 아랫쪽 영역에서 0℃ 아래로 저하된다.
더욱이, 곡선 L1 및 L2를 주목하면, 임의의 순환비 CRE 에서, 보다 더 높은 순환가스압력 PRE 을 갖는 곡선 L1은 0℃의 합류가스온도를 달성하기 위하여 높은 순환가스온도 TRE 를 필요로 한다. 나아가, 곡선 L1 및 L3을 주목하면, 임의의 순환비 CRE 에서, 보다 더 낮은 공급가스압력 TSup 을 갖는 곡선 L1은 0℃의 합류가스온 도를 달성하기 위하여 높은 순환가스온도 TRE 를 필요로 한다.
여기서, 순환비 CRE 가 순환비 C1 내지 C4 중 하나인 경우를 검토하기로 한다. C1 < C2 < C3 < C4의 관계에 있다는 점에 유의한다.
곡선 L1 및 L2로 도시된 바와 같이, 순환비가 C1 이면, 순환가스온도 TRE 는 0℃ 이상의 합류가스온도가 달성되도록 대략 70℃ 이상이 되어야 한다. 하지만, 순환가스온도 TRE는 상술된 바와 같이 60 내지 70℃의 범위 내에 있으므로, 이러한 요건이 충족될 수 없게 된다. 즉, 순환비 CRE 가 -20℃의 저온 환경에서 C1 로 설정된다고 가정하면, 합류가스온도는 시스템(1)의 연속 운전 시 0℃ 아래로 저하되고, 결과적으로는 순환가스 중의 수증기가 최종적으로 합류부(A)에서 동결한다. 그 결과, 상기 순환비 CRE 는 순환비 C1 로 설정될 수 없게 된다는 것을 볼 수 있다.
순환비가 C2이면, 0℃ 이상의 합류가스온도를 달성하기 위한 순환가스온도 TRE 가 곡선 L2의 조건에서 대략 52℃ 이상이 되어야 하고, 곡선 L1의 조건에서는 대략 59℃ 이상이 되어야 한다. 상기 순환가스 TRE 가 60 내지 70℃의 범위 내에 있는 것으로 간주하면, 상기 순환비 CRE 는 C2 로 설정될 수도 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 곡선 L1의 조건에서는, 순환가스압력 PRE 이 높고, 즉 연료전지(2)가 곡선 L2의 조건에 비해 고부하를 가질 수 있다. 상기 순환비 CRE 를 C2 로 설정하기 위해서는, 저부하에서의 연료전지(2)의 연속 운전 시에 여유 가 있는 것으로 말할 수 있지만, 고부하에서의 연료전지(2)의 연속 운전 시(예컨대, 고속 주행 시)에는 여유가 있다고 말할 수 없다. 특히, -20℃ 보다 더 낮은 저온 환경에서는, 곡선 L1 및 L2가 상향으로 평행하게 이동하므로, 상기 합류부(A)에서의 동결을 피할 수 없게 되고, 상기 순환비 CRE 가 C2 로 설정될 수 없게 된다고 할 수 있다.
순환비가 C3 이면, 0℃ 이상의 합류가스온도를 달성하기 위한 순환가스온도 TRE 가 곡선 L1의 조건에서 대략 41℃ 이상이 되어야 한다. 상기 순환가스 TRE 가 60 내지 70℃의 범위 내에 있으므로, 상기 순환비가 C3 으로 설정되더라도, 상기 시스템(1)의 연속 운전 시에 합류부(A)에서의 동결을 피할 수 있는 것으로 판정될 수 있다.
더욱이, 순환비가 C3 이면, 0℃ 이상의 합류가스온도를 달성하기 위한 순환가스온도 TRE 가 곡선 L3의 조건에서 대략 25℃ 이상이 되어야 한다. 즉, 순환비가 C3 이면, 상기 순환가스온도 TRE 가 상기 시스템(1)의 기동 시에 동결을 억제하기 위하여 대략 25℃ 정도이어야 한다. 하지만, 상기 시스템(1)의 기동 시, 순환가스온도 TRE 는 충분히 상승하지 못하고, 대략 25℃에 도달하지 못한다. 하지만, 30℃ 이하에서의 순환가스에 의하면, 극소량의 수증기가 순환가스 중에 포함되므로, 온도의 상승 시 결로수의 동결로 인한 공급로(22)의 폐색(closing)을 피할 수 있다고 판정될 수 있다. 그러므로, 상기 순환비가 C3 으로 설정되더라도, 상기 시스템(1)의 기동 시의 합류부(A)에서의 동결로 인한 유로의 폐색 발생을 피할 수 있는 것으로 판정될 수 있다.
상기 순환비가 C4 로 설정되면, 순환가스온도 TRE 의 소요값이 순환비 C3 에 비해 경감(감소)된다. 그러므로, 순환비가 C4 로 설정되더라도, 합류부(A)에서의 동결로 인한 유로의 폐색을 상기 시스템(1)의 연속 운전과 기동 시에 회피할 수 있게 된다. 하지만, 순환비 CRE 가 높으면, 상기 펌프(24)의 회전수(모터회전수 또는 임펠러회전수)가 높고, 상기 펌프(24)의 소비전력이 높다. 그 결과, 순환비 CRE 가 과도하게 높으면, 연료전지시스템(1) 전체의 효율이 저하된다. 상술된 고려사항으로부터, 순환비 CRE 의 목표값이 예컨대 합류부(A)에서의 동결이 억제될 수 있고 연료전지시스템(1) 전체의 효율에 손해를 끼치지 않는 C3 으로 설정될 수도 있다는 것을 도출할 수 있다.
본 실시예의 순환비 CRE를 산출하기 위한 상술된 방법에 따르면, 순환가스 중의 수증기의 응축잠열은 합류부(A)에서의 열평형의 계산 시에 고려되므로, 상기 합류부(A)에서의 열평형이 정확하게 계산될 수 있다. 더욱이, 열평형 계산의 결과를 토대로, 합류부(A)에서의 수증기의 동결로 인한 유로의 폐색을 피할 수 있는 순환비 CRE 는 시스템(1) 전체의 효율에 손상을 입히지 않을 정도의 값으로 설정될 수 있다. 그러므로, 빙점 아래의 연료전지시스템(1)의 운전 시에도, 합류부(A)에서의 동결이 억제될 수 있고, 동결의 억제 시 전용 외부 히터 등이 합류부(A)에 설치될 필요가 없게 된다.
또다른 실시예에 있어서, 상기 제어장치(7)는 연료전지시스템(1)의 상황에 따라 순환비 CRE 를 변경할 수도 있다. 예를 들어, 수분이 합류부(A)에서 동결하는 경우, 순환비 CRE 가 변경될 수도 있다. 이 경우, 합류부(A)에서 동결된 수분이 해동되도록 순환비 CRE 를 변경하는 것이 바람직하고, 상기 순환비 CRE 를 증가시키는 것도 바람직하다. 이와 유사하게, 합류부(A)에서의 동결이 예측되는 경우, 순환비 CRE 가 변경될 수도 있다. 이 경우, 합류부(A)에서 동결이 발생하지 않도록 순환비 CRE 를 변경하는 것이 바람직하고, 상기 순환비 CRE 를 증가시키는 것도 바람직하다. 순환비 CRE 가 증가되면, 순환가스의 유량 MRE 이 증가한다는 것을 의미한다는 점에 유의한다.
상기 제어장치(7)는 예컨대 펌프(24)의 소비전력 및 공급로(22)의 압력을 토대로, 수분의 동결이 합류부(A)에서 발생하였는 지의 여부와 수분의 동결 가능성이 있는 지의 여부를 판정할 수 있다. 예를 들어, 펌프(24)의 소비전력이 사전설정된 임계값보다 더 큰 경우, 합류부(A)에서 수분이 동결된 것으로 판정한다.
순환비 CRE 가 변경되면, 순환비 CRE 의 상한값이 시스템(1) 전체의 효율을 고려하여 결정될 수도 있고, 상기 순환비 CRE 의 하한값은 수증기의 동결을 고려하여 결정될 수도 있다. 예를 들어, 상기 순환비 CRE 의 상한값은 C4 로 설정될 수도 있 고, 하한값은 C2 또는 C3 으로 설정될 수도 있다. 합류부(A)에서의 수분의 동결 시 또는 동결 예측 시에 변경될 상기 순환비 CRE 는 연료전지(2)의 부하 및 공급가스의 상태(예컨대, 공급가스온도 TSup)를 토대로 기술될 수도 있다. 예를 들어, 연료전지(2)가 고부하를 가지면, 순환비 CRE 는 저부하에 비해 증가될 수도 있다. 공급가스온도 TSup 가 낮으면, 상기 순환비 CRE 는 온도가 높은 경우에 비해 증가될 수도 있다.
상기 순환비 CRE 는 펌프(24)를 제어하여 변경될 수도 있다. 예를 들어, 상기 펌프(24)의 순환비 CRE 는 공급가스온도 TSup, 순환가스압력 PRE 및 외부공기온도 중 하나 이상을 토대로 변경될 수도 있고, 상기 순환비 CRE 는 순환비 CRE 의 상한값과 하한값을 포함하는 이들 요소들(TSup, PRE 및 외부공기온도)을 토대로 적절하게 설정될 수도 있다. 그러므로, 연료전지시스템(1)에서는, 공급가스온도 TSup, 순환가스압력 PRE 및 외부공기온도의 조건들에 대응하는 순환비 CRE 의 데이터가 제어장치(7)의 ROM에 맵으로 저장될 수도 있다.
그 후, 연료전지시스템(1)에서는, 기동 또는 운전 시, 공급가스온도 TSup, 순환가스압력 PRE 및 외부공기온도 중 하나 이상이 센서에 의해 검출될 수도 있고, 최적의 순환비 CRE 가 상기 검출 결과를 토대로 ROM으로부터 판독되어, 상기 순환비를 CRE 로 설정 또는 변경시킬 수도 있다. 여기서, 상기 공급가스온도 TSup 는 예컨대 온도센서(61)에 의하여 검출될 수도 있고, 상기 순환가스압력 PRE 는 예컨대 압력센서(64)에 의하여 검출될 수도 있으며, 상기 외부공기온도는 외부공기온도센서(51)에 의해 검출될 수도 있다.
본 발명의 연료전지시스템(1)은 상술된 차량 이외에도 2륜 이상의 차량, 기차, 항공기, 선박 및 로봇과 같은 여타의 이동부재 상에 탑재될 수 있다. 상기 연료전지시스템(1)은 고정형일 수도 있고, 코제너레이션시스템에 통합될 수도 있다. 상술된 예시에서는, 애노드시스템(연료시스템)가스의 순환비가 기술되었지만, 본 발명이 캐소드시스템(산화가스시스템)가스의 순환비의 계산에도 적용가능하다는 점은 자명하다.

Claims (14)

  1. 연료전지시스템에 있어서,
    연료전지;
    공급가스의 가스공급원;
    상기 가스공급원으로부터 상기 연료전지로 상기 공급가스를 공급하기 위한 공급로;
    상기 연료전지로부터 배출되는 순환가스를 상기 공급로로 되돌리기 위한 순환로; 및
    상기 공급가스가 상기 순환가스와 만나는 합류부를 포함하여 이루어지되,
    상기 공급가스의 유량에 대한 상기 순환가스의 유량이 상기 순환가스 중의 수증기의 응축잠열을 고려하여 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지는 공기극과 연료극을 포함하고,
    상기 가스공급원은 연료시스템의 가스공급원이며,
    상기 공급가스와 상기 순환가스는 상기 연료극에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공급가스의 유량에 대한 상기 순환가스의 유량은, 상기 응축잠열을 고려하여 상기 합류부에서의 열평형의 산출에 의하여 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급가스의 유량에 대한 상기 순환가스의 유량은, 상기 공급가스와 상기 순환가스를 조합하여 구성되는 합류가스의 온도가 사전설정된 온도보다 더 높도록 상기 응축잠열을 고려하여 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 사전설정된 온도는 상기 합류가스의 압력에서의 물의 응고점 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 사전설정된 온도는 0℃인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급가스의 유량에 대한 상기 순환가스의 유량의 하한값은 상기 응축잠열을 고려하여 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합류부에 공급될 상기 순환가스의 유량을 제어하도록 구성된 순환장치를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 순환장치는, 상기 공급가스의 온도, 상기 순환가스의 압력 및 외부공기온도 중 하나 이상을 토대로, 상기 공급가스의 유량에 대한 상기 순환가스의 유량을 가변시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지는 가스입구와 가스출구를 포함하고,
    상기 공급로는 상기 가스공급원으로부터 상기 가스입구까지 연장하며,
    상기 순환로는 상기 가스출구로부터 상기 합류부까지 연장하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 연료전지로부터 배출되는 순환가스가 가스공급원으로부터의 공급가스와 합류하여 상기 연료전지에 공급되는 연료전지시스템의 순환비산출방법에 있어서,
    상기 순환가스 중의 수증기의 응축잠열을 고려하여 상기 순환가스와 상기 공급가스의 합류부에서의 열평형을 계산하는 단계; 및
    계산 결과를 토대로, 상기 공급가스의 유량에 대한 상기 순환가스의 유량을 설정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 순환비산출방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지는 공기극과 연료극을 포함하고,
    상기 가스공급원은 연료시스템의 가스공급원이며,
    상기 공급가스와 상기 순환가스는 상기 연료극에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 순환비산출방법.
  13. 연료전지시스템에 있어서,
    연료전지;
    고압탱크;
    상기 고압탱크로부터 상기 연료전지에 공급될 연료가스가 상기 연료전지로부터 배출될 연료가스와 만나는 합류부; 및
    상기 합류부에서 수분이 동결하는 경우 또는 동결이 예측되는 경우, 상기 연료전지로부터 배출될 상기 연료가스의 유량에 대한 상기 고압탱크로부터 상기 연료전지에 공급될 상기 연료가스의 유량의 비율을 변경 및 설정하는 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 비율은 상기 연료전지의 부하 및 상기 고압탱크로부터 상기 연료전지에 공급될 상기 연료가스의 상태를 토대로 결정되며,
    상기 상태는 상기 고압탱크로부터 상기 연료전지에 공급될 상기 연료가스의 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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