KR101091681B1 - 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차가운 외기를 압축하여 상온까지 승온시킨 상태로 연료전지 스택에 공급하여, 연료전지의 냉시동에 걸리는 시간을 크게 단축시킬 수 있도록 한 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치 및 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 공기블로워와, 캐소드 출구측에 장착된 공기차단밸브를 포함하는 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치에 있어서, 상기 연료전지 스택에 스택의 온도를 감지하는 온도센서를 장착하고, 연료전지 스택의 캐소드 출구측에 배압밸브를 장착하여, 연료전지 스택의 냉시동시 상기 배압밸브를 여는 동시에 공기차단밸브를 닫아서 상기 공기블로워로부터 스택의 캐소드로 공급되는 공기 압력을 상승시키는 동시에 압력 상승에 따른 압축열로 공기 온도를 승온시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치 및 방법을 제공한다.

연료전지, 냉시동, 공기 압축열, 온도센서, 배압밸브, 승온, 캐소드

Description

공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치 및 방법{Fuel cell cold starting device and method using adiabatic air compression}

본 발명은 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차가운 외기를 압축하여 상온까지 승온시킨 상태로 연료전지 스택에 공급하여, 연료전지의 냉시동에 걸리는 시간을 크게 단축시킬 수 있도록 한 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치 및 방법에 관한 것이다.

환경 친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템 구성은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있다.

현재 연료전지 자동차에는 해결해야 할 문제점들중 가장 시급하고도 어려운 문제중 하나는 냉시동성 확보에 있다.

즉, 연료전지의 가장 큰 난제 중 하나는 연료전지가 영하의 온도에 노출된 채로 장기간 보관된 후, 초기 시동시 연료전지로부터 부하를 인가하면 전기화학 반응에 의해 스택의 캐소드에서 발생되는 물이 스택 자체의 냉기와 캐소드로 공급되는 빙점 이하의 공기로 인해 결빙되어, 스택의 각 유로 및 가스확산층을 폐색하는 동시에 캐소드 촉매층으로 공기 공급을 차단하게 되고, 결국 스택 전압이 일정하게 유지되지 않게 되는 등 냉시동성 확보에 어려움에 있다.

이러한 냉시동성 확보를 위한 기존의 방법중 하나는 히터를 이용하여 냉각수를 급속해동시키는 방법이 있고, 다른 하나는 공기공급 시스템 라인에 히터를 설치하여 공기를 승온시키는 방법이 있다.

기존의 히터를 이용한 냉각수 해동 방법을 실현하기 위하여 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)과 연결되는 열 및 물관리계(TMS, Thermal Management System) 라인에 냉각수 순환용 펌프(20)와, 냉각수 승온을 위한 히터(30)와, 물 보충 및 기포제거를 위한 리저버(40) 등이 장착된다.

따라서, 연료전지 차량의 스타트업 및 셧다운시 연료극의 수소와 공기극의 산소를 반응시켜 발생하는 전기에너지 또는 별도의 보조 배터리로부터 공급되는 전기에너지가 열에너지로 소비되는 동시에 이 열에너지를 전달받은 스택내의 냉각수가 급속 승온되도록 함으로써, 연료전지 스택이 일정 온도 이상에서 작동될 수 있다.

기존의 히터를 이용한 공기 승온 방법은 공기블로워(50)를 포함하는 공기공급라인상에 별도로 장착된 공기 승온용 히터(미도시됨)를 통해 공기를 승온시킨 후 스택으로 공급하는 방법으로서, 승온된 공기에 의하여 스택에서 생성된 물과 냉각수 등의 결빙 해소가 이루어짐과 함께 연료전지 스택이 일정 온도 이상에서 작동될 수 있다.

그러나, 기존의 히터를 이용하여 냉각수 또는 공기를 승온시키는 방법은 다음과 같은 단점이 있다.

첫재, 히터를 작동시켜 연료전지 스택의 온도를 적정 수준으로 상승시키는 시간이 수분 이상으로 많이 소요되어, 실질적인 스택의 정상 운전이 이루어지는 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

둘째, 연료전지 스택을 운전하지 않는 상태에서, 히터를 작동하기 위한 필요 전원으로 배터리를 사용해야 함에 따라, 배터리의 용량을 증가시켜야 하는 단점이 있다.

셋째, 공기 승온을 위해 공기 공급라인에 공기 승온용 히터를 부착할 경우, 부품수 증가 및 그에 따른 원가 상승을 초래하고, 구성부품의 배열 설계가 복잡해지는 등의 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 공기블로워를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 압축하는 동시에 공기 압축에 따른 압축열에 의하여 공기를 승온시킴으로써, 연료전지 캐소드에서 발생되는 물의 결빙을 억제하여 원활한 냉시동성을 제공함과 함께 연료전지의 냉시동에 걸리는 시간을 크게 단축시킬 수 있도록 한 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 공기블로워와, 캐소드 출구측에 장착된 공기차단밸브를 포함하는 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치에 있어서, 상기 연료전지 스택에 스택의 온도를 감지하는 온도센서를 장착하고, 연료전지 스택의 캐소드 출구측에 배압밸브를 장착하여, 연료전지 스택의 냉시동시 상기 배압밸브를 여는 동시에 공기차단밸브를 닫아서 상기 공기블로워로부터 스택의 캐소드로 공급되는 공기 압력을 상승시키는 동시에 압력 상승에 따른 압축열로 공기 온도를 승온시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 온도센서는 캐소드측의 물의 결빙 온도를 감지할 수 있도록 연료전지 스택의 내부에 존재하는 엔드플레이트 표면에 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배압밸브의 열림각은 캐소드 출구에서 배출되는 공기량중 공기블로워의 출구측 공기압력을 상승시킬 수 있는 량 만큼만을 배출시킬 수 있는 크기로 설정된 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 연료전지 스택의 온도를 감지하는 제1단계와; 연료전지 스택의 온도가 빙점 이하이면, 캐소드 출구에 장착된 공기차단밸브를 닫힘으로 제어하는 동시에 캐소드 출구에 장착된 배압밸브를 열림으로 제어하는 제2단계와; 공기블로워의 구동으로 유입된 공기가 공기블로워의 출구를 통해 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 제3단계와; 상기 공기블로워의 출구를 빠져나온 순간부터 상승되는 공기압력에 의하여 공기 압축열이 발생되는 제4단계와; 상기 공기 압축열에 의하여 스택으로 공급되는 공기의 승온이 이루어지는 제5단계와; 승온된 공기에 의하여 캐소드에서의 물 결빙 상태가 해제되는 제6단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 제2단계에서, 상기 배압밸브가 열리는 동시에 공기차단밸브가 닫히면, 상기 공기블로워의 출구측과, 연료전지 스택 내부의 캐소드와, 캐소드 출구측에 위치한 배압밸브는 공기압 상승 및 공기압축열 발생을 위한 하나의 공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐소드에서의 물 결빙 해제후, 연료전지 스택에서 생산되는 전기에너지를 냉각수 순환라인에 장착된 냉각수 히터에서 열에너지로 소비하여, 냉각수의 급속 승온이 이루어지는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐소드 출구측 공기온도가 스택의 정상 운전 수준인 임계치 이상이 되면, 상기 공기차단밸브를 열림으로 제어하는 동시에 배압밸브를 닫힘으로 제어하여 냉시동 과정을 종료하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 냉시동시 스택에 공급되는 공기를 히터 등과 같은 별도의 승온 장치없이 공기 압축열을 이용하여 상온까지 승온시켜 공급함으로써, 연료전지 캐소드에서 발생되는 물의 결빙을 억제하여 원활한 냉시동성을 제공할 수 있다.

또한, 공기 승온 및 냉각수 승온을 동시에 진행하여 연료전지의 냉시동에 걸리는 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치 를 설명하는 개략도이다.

통상, 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지 스택의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기블로워와 같은 공기공급장치에 의하여 대기중의 공기가 직접 연료전지 스택의 공기극(cathode)으로 공급된다.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이 온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.

이러한 작동을 하는 연료전지 스택의 냉시동성을 개선하고자, 본 발명은 연료전지 스택에 공급되는 차가운 공기를 히터 등과 같은 별도의 승온 장치없이 공기 압축열을 이용하여 상온까지 승온시켜 공급함으로써, 연료전지 캐소드에서 발생되는 물의 결빙을 억제하여 원활한 냉시동성을 제공하는데 주안점이 있다.

이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(10)의 온도(캐소드측의 물의 결빙 온도)를 감지할 수 있도록 연료전지 스택(10)의 내부에 존재하는 엔드플레이트(미도시됨) 표면에 온도센서(50)를 장착하고, 연료전지 스택(10)내의 캐소드측으로 공급되는 공기를 압축하기 위하여 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구측에 배압밸브(60)를 장착시킨다.

상기 온도센서(50)는 연료전지 스택(10)내의 엔드플레이트에서 공기블로워(70)를 통해 들어오는 외기의 온도, 그리고 스택 자체의 온도가 빙점 이하임을 감지하여, 그 감지신호를 제어부(미도시됨)로 전송한다.

상기 제어부는 온도센서(50)의 신호가 빙점 이하임을 판단하여, 연료전지 스택(10)의 캐소드 즉, 공기극 출구에 장착된 공기차단밸브(80)가 닫힘이 되도록 제어 명령하고, 상기 배압밸브(60)가 열림이 되도록 제어 명령한다.

한편, 상기 공기차단밸브(80)는 연료전지 시동 오프시 스택의 출구측으로부터 스택의 내부로 공기가 역류하여 유입되는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 연료 전지의 시동 온시에만 열리고, 연료전지의 시동 오프시에는 자동으로 닫히게 된다.

이와 같이, 빙점 이하의 연료전지 스택을 냉시동할 때, 스택의 캐소드 출구측에 장착된 공기차단밸브(80)가 닫히는 동시에 최소 열림각의 배압밸브(60)를 열림 작동시킨 후, 공기블로워(70)를 구동시키게 된다.

이때, 상기 배압밸브(60)는 공기블로워(70)로부터 스택(10)으로 공급되는 공기압을 상승시키기 위한 수단으로서, 스택(10)의 캐소드 출구에서 배출되는 공기량중 일부량만을 배출시키는 열림각을 갖기 때문에 공기블로워(70)의 출구측 공기에 대한 압력을 상승시키는 역할을 하게 된다.

이에, 상기 공기블로워(70)의 입구로부터 공급되는 외부 공기는 공기블로워(70)의 출구로 빠져나갈 때, 그 압력이 상승되고, 상승된 압력에 의하여 발생되는 공기 압축열로 인하여, 스택(10)으로 공급되는 공기의 온도가 승온된다.

보다 상세하게는, 상기 배압밸브(60)가 열리는 동시에 공기차단밸브(80)가 닫힌 상태가 되면, 상기 공기블로워(70)의 출구측으로부터 스택(10) 내부의 캐소드측을 경유하여 스택(10)의 출구측에 위치한 배압밸브(60)까지 공기압 상승을 위한 하나의 공간이 되므로, 상기 공기블로워(70)의 입구로부터 유입되는 공기는 공기블로워(70)의 출구로 배출되는 순간부터 그 압력이 상승하게 되고, 압력 상승에 따른 공기압축열이 발생하여, 결국 스택(10)으로 공급되는 공기의 온도가 승온된다.

따라서, 승온된 공기가 스택(10)으로 공급됨으로 인해, 빙점 이하 상태에서 캐소드에서 발생되었던 물의 결빙이 해제될 수 있고, 결빙 해제에 따라 연료전지 스택에서 정상적으로 전기를 생산하게 된다.

연이어, 상기 연료전지 스택(10)에서 생성된 전기에너지를 냉각수 순환라인에 장착된 냉각수 히터(30)가 열에너지로 소비하면서 작동하게 되며, 이에 연료전지 초기 시동시 냉각수의 급속 승온이 이루어져 일정 온도 이상에서 연료전지가 작동된다.

이때, 승온된 냉각수에 의하여 연료전지 스택(10)의 온도가 정상 작동 수준까지 상승하게 되면, 제어부는 연료전지 스택을 상압의 정상 운전 조건으로 복귀시키고자, 닫혀 있던 공기차단밸브(80)를 열림으로 제어하는 동시에 배압밸브(60)를 닫힘으로 제어하여 냉시동 과정을 종료시키게 된다.

한편, 공기압축열의 발생 원리를 살펴보면, 공기가 존재하는 공간 부피가 줄어들면, 그 안에 퍼져 있던 공기 입자들이 움직일 수 있는 공간이 줄어들게 되어 공기입자들은 더 많이 충돌하고 그 결과 열이 발생하는 것이 원리이며, 예를들어 1입방미터의 공간내에 100칼로리의 열량을 갖는 공기를 압축하여 공기가 존재하는 공간을 0.5입방미터의 공간으로 줄이면, 줄어든 공간에 있는 열은 배 차이가 나는 200칼로리의 열량이 되는 원리에 의하여 공기 압축열이 발생되는 것이다.

여기서, 본 발명에 따른 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치의 제어 방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도이다.

연료전지 스택의 냉시동시, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지의 애노드(anode: 연료극)으로 공급되고, 공기블로워의 작동에 의하여 대기중의 공기 가 직접 연료전지의 캐소드(cathode: 공기극)으로 공급된다.

이때, 온도센서(50)에서 스택(10)의 온도를 빙점 이하인 0℃ 이하로 감지하게 되면, 제어부의 제어 명령에 의하여 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구측에 장착된 공기차단밸브(80)는 닫히게 되고, 동시에 배압밸브(60)는 열리게 된다.

따라서, 상기 공기블로워(70)의 출구측과, 스택(10) 내부의 캐소드와, 스택(10)의 캐소드 출구측에 위치한 배압밸브(60)는 공기압 상승을 위한 공간이 되므로, 상기 공기블로워(70)의 입구로부터 유입되는 공기는 공기블로워(70)의 출구로 배출되는 순간부터 그 압력이 상승하게 되고, 압력 상승에 따라 공기압축열이 발생하게 되며, 이 공기압축열에 의하여 공기는 승온된 상태가 되어 스택으로 공급된다.

이때, 공기블로워(70)의 출구측에서 압축열에 의해 승온된 공기 온도는 단열압축으로 다음의 수학식1에 의하여 계산될 수 있다.

T2 = T1 * (P2/P1) ^ ((λ-1)/ λ)

위의 수학식1에서, λ = 공기비열 1.4, T1 = 공기블로워의 입구측 공기온도, T2 = 공기블로워의 출구측 공기온도, P1 = 공기블로워의 입구측 공기압력, P2 = 공기블로워의 출구측 공기압력.

예를 들어, 공기블로워의 입구측 공기온도(T1)가 -20℃이고, 입구측 공기압력이 1.0 bar인 상압 상태에서, 공기블로워의 출구측으로 공기를 배출하면서 공기의 압력을 1.4bar 정도까지 압축하게 되면, T2 = (-20 + 273) * (1.4/1.0) ^ ((1.4-1.0)/1.4) = 5.5℃ 가 된다.

이와 같이, 공기블로워(70)의 입구로부터 유입되는 빙점 이하의 공기가 공기블로워의 출구로 배출되는 순간부터 그 압력이 상승하게 되면, 공기압축열에 의하여 약 5.5℃ 정도로 승온된 상태가 되어 스택으로 공급될 수 있다.

따라서, 승온된 공기가 스택(10)으로 공급됨으로 인해, 빙점 이하 상태에서 캐소드에서 발생되었던 물의 결빙이 해제되고, 결빙 해제에 따라 연료전지 스택(10)에서 정상적으로 전기를 생산하게 되며, 이 생성된 전기에너지를 냉각수 순환라인에 장착된 냉각수 히터(30)에서 열에너지로 소비하여, 결국 냉각수의 급속 승온이 이루어짐과 함께 연료전지가 일정 온도 이상에서 작동하게 된다.

이렇게 공기블로워(70)와 냉각수 히터(30)의 작동이 이루어진 후, 연료전지 스택(10)의 캐소드 출구측 공기온도가 스택의 정상 운전 수준인 임계치 이상이 되면, 연료전지 스택(10)을 상압의 정상 운전 조건으로 복귀시키고자, 닫혀 있던 공기차단밸브(80)를 열림으로 제어하는 동시에 배압밸브(60)를 닫힘으로 제어하여 냉시동 과정을 종료하게 된다.

도 1은 종래의 연료전지 냉시동 장치를 설명하는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치를 설명하는 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지 스택

20 : 냉각수 순환용 펌프

30 : 히터

40 : 리저버

50 : 온도센서

60 : 배압밸브

70 : 공기블로워

80 : 공기차단밸브

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 연료전지 스택의 온도를 감지하는 제1단계;

   연료전지 스택의 온도가 빙점 이하이면, 캐소드 출구에 장착된 공기차단밸브를 닫힘으로 제어하는 동시에 캐소드 출구에 장착된 배압밸브를 열림으로 제어하는 제2단계;

   공기블로워의 구동으로 유입된 공기가 공기블로워의 출구를 통해 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 제3단계;

   상기 공기블로워의 출구를 빠져나온 순간부터 상승되는 공기압력에 의하여 공기 압축열이 발생되는 제4단계;

   상기 공기 압축열에 의하여 스택으로 공급되는 공기의 승온이 이루어지는 제5단계;

   승온된 공기에 의하여 캐소드에서의 물 결빙 상태가 해제되는 제6단계;

   로 이루어지며,

   상기 캐소드에서의 물 결빙 해제후, 연료전지 스택에서 생산되는 전기에너지를 냉각수 순환라인에 장착된 냉각수 히터에서 열에너지로 소비하여, 냉각수의 급속 승온이 이루어지는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 제2단계에서,

   상기 배압밸브가 열리는 동시에 공기차단밸브가 닫히면, 상기 공기블로워의 출구측과, 연료전지 스택 내부의 캐소드와, 캐소드 출구측에 위치한 배압밸브는 공기압 상승 및 공기압축열 발생을 위한 하나의 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 방법.
6. 삭제
7. 청구항 4에 있어서,

   상기 캐소드 출구측 공기온도가 스택의 정상 운전 수준인 임계치 이상이 되면, 상기 공기차단밸브를 열림으로 제어하는 동시에 배압밸브를 닫힘으로 제어하여 냉시동 과정을 종료하는 것을 특징으로 하는 공기 압축열을 이용한 연료전지 냉시동 방법.

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