KR101113644B1 - 연료전지 시스템의 퍼징 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 퍼징 방법에 관한 것으로서, 불순물 배출성능을 향상시켜 종래의 배출 퍼징에 비해 더욱 안정적인 스택 출력을 얻을 수 있도록 하고 전기화학반응의 향상으로 연비 향상에 보다 기여할 수 있는 개선된 퍼징 방법을 제공하고자 하는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 수소공급라인에서 연료전지 스택의 전단에 재순환되는 수소가 통과하도록 재순환퍼지밸브를 구비하고, 수소재순환밸브를 개방한 상태에서 수소 재순환 블로워를 구동시켜 수소 재순환 라인의 공급압을 상승시킨 뒤, 상기 재순환퍼지밸브를 주기적으로 개폐하여 스택으로의 수소 공급압을 펄스 형태로 제어해줌으로써, 상기 펼스 형태의 압력 상태로 제어되는 공급 수소에 의하여 스택 내 퍼징이 이루어지도록 하는 연료전지 시스템의 퍼징 방법이 개시된다.

연료전지, 스택, 퍼징, 수소, 퍼지밸브, 배출 퍼징, 수소 재순환, 재순환 블로워

Description

연료전지 시스템의 퍼징 방법{Purging method for fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 퍼징 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택으로부터 수분 및 질소 등의 불순물을 배출하여 스택 내 전기화학반응을 향상시키고 수소 이용률을 증대시키며 안정적인 스택 출력을 이루기 위한 연료전지 시스템의 퍼징 방법에 관한 것이다.

환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템의 구성은, 반응가스의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급시스템(Fuel Processing System, FPS)과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급시스템(Air Processing System, APS)과, 연료전지 스택의 전기화학반응 부산물인 열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템(Thermal Management System, TMS)과; 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기 등으로 나누어 볼 수 있다.

여기서, 수소공급시스템은 수소탱크, 고압/저압 레귤레이터, 수소공급밸브, 수소 재순환 장치 등을 포함하고, 공기공급장치는 공기블로워, 가습기 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템은 전동물펌프(냉각수 펌프), 물탱크, 라디에이터 등을 포함한다.

상기 수소공급시스템의 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 고압/저압 레귤레이터를 차례로 거친 뒤 낮은 압력으로 연료전지 스택으로 공급되며, 수소 재순환 장치에서는 재순환 라인에 블로워를 설치하여 스택의 애노드(수소극)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.

한편, 연료전지 시스템에서 스택의 운전에 따라 캐소드(공기극)에 공급된 공기 중의 질소와 캐소드에서 생성된 생성수들이 전해질막을 통해 크로스오버(crossover)되어 애노드측으로 이동해 온다.

이때, 질소는 수소의 분압을 낮춤으로써 스택의 성능을 저하시키고, 생성수는 유로를 막음으로써 수소의 이동을 저해하므로, 주기적인 애노드의 퍼지를 통해 스택의 안정적인 성능을 확보해야 한다. 이를 위해 통상 연료전지 시스템에는 수소 퍼지를 위한 밸브가 구비된다.

첨부한 도 1은 통상의 연료전지 시스템에서 수소공급시스템의 구성 및 수소퍼지밸브의 설치 상태를 도시한 개략도로서, 도시된 바와 같이, 수소공급시스템(10)은 수소저장시스템(수소탱크)(11), 고압 레귤레이터(HPR)(13), 저압 레귤레 이터(LPR)(14), 수소공급밸브(12,15), 수소 재순환 블로워(17), 수소재순환밸브(16)를 포함하여 구성된다.

또한 스택(1)의 애노드 출구측 라인에 수소퍼지밸브(18)를 설치하여 대기와의 압력차를 이용해 애노드의 수소를 주기적으로 배출함으로써, 분리판의 수분 및 질소 등의 불순물을 함께 배출 및 제거하고, 수소 이용률을 높이게 된다. 스택 내 불순물의 배출시에는 수소 농도 증가, 기체 확산도 및 반응성 향상의 장점이 있게 된다.

상기 수소퍼지밸브(18)는 수소 농도 관리를 위해 연료전지 시스템 제어기의 명령에 따라 주기적으로 개폐하는 전자식 제어밸브로서, 이를 열어줄 경우 스택(1) 내 수분 및 질소 등 불순물이 대기로 배출될 수 있게 된다.

차량 운전시 수소공급밸브(15)는 상시 개방 상태이므로 수소 공급압은 일정한 바, 수소퍼지밸브(18)를 열면 스택(1) 내부(대기압에 비해 상대적으로 고압)와 대기 간의 압력차 발생으로 수소를 불순물과 함께 대기로 배출할 수 있고, 스택 출력을 유지할 수가 있는 것이다.

그러나, 수소 배기측의 밸브(18)를 이용한 종래의 배출 퍼징의 경우, 스택과 대기 간의 압력차를 이용하므로, 일정한 압력으로 수소가 공급되더라도 스택(1) 내에서 수소 소모로 인한 자연 저압 상태가 발생하면, 수소 배기에 의한 퍼징에 어려움이 발생할 수 있다.

이는 수분 및 질소 등의 불순물에 대한 배출성능 저하, 전기화학반응의 저하는 물론 안정적인 스택 출력을 저해하는 요인이 될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 불순물 배출성능을 향상시켜 종래의 배출 퍼징에 비해 더욱 안정적인 스택 출력을 얻을 수 있도록 하고 스택 내 전기화학반응의 향상으로 연비 향상에 기여할 수 있는 보다 개선된 연료전지 시스템의 퍼징 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택 내 불순물을 배출하기 위한 연료전지 시스템의 퍼징 방법에 있어서,

수소공급라인에서 연료전지 스택의 전단에 재순환되는 수소가 통과하도록 재순환퍼지밸브를 구비하고,

수소재순환밸브를 개방한 상태에서 수소 재순환 블로워를 구동시켜 수소 재순환 라인의 공급압을 상승시킨 뒤, 상기 재순환퍼지밸브를 주기적으로 개폐하여 스택으로의 수소 공급압을 펄스 형태로 제어해줌으로써, 상기 펼스 형태의 압력 상태로 제어되는 공급 수소에 의하여 스택 내 퍼징이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에서, 상기 재순환퍼지밸브의 주기적인 개폐시 재순환퍼지밸브 전단에 위치한 수소공급밸브는 닫힘 상태로 유지하여, 상기 수소 재순환 라인을 통해 공급된 재순환 수소의 공급압을 펄스 형태로 제어함으로써, 재순환 수소만으 로 스택 내 퍼징이 이루어지도록 할 수 있다.

또한 상기 재순환퍼지밸브의 작동이 제어기에 의해 제어되되,

상기 제어기는,

차량 시동시 상기 수소공급밸브와 재순환퍼지밸브를 모두 열어 수소저장시스템의 수소가 수소공급라인을 통해 연료전지 스택에 공급되도록 한 뒤, 수소공급밸브와 재순환퍼지밸브를 다시 닫고, 수소재순환밸브 개방 및 수소 재순환 블로워 구동 후 상기 재순환퍼지밸브를 주기적으로 개폐 제어하도록 한다.

또한 상기 재순환퍼지밸브의 주기적인 개폐시 재순환퍼지밸브의 전단에 위치한 수소공급밸브를 상시 개방한 상태로 유지할 수도 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 퍼징 방법에 의하면, 종래의 배출 퍼징에 비해 불순물 배출성능을 향상시켜 더욱 안정적인 스택 출력을 얻을 수 있고, 스택 내 전기화학반응의 향상으로 연비 향상에 기여할 수 있게 된다.

특히, 펄스 형태의 압력 상태로 제어되는 공급측 수소에 의해 스택의 퍼징이 이루어짐으로써, 스택 내 자연 저압 상태에서도 재순환퍼지밸브의 전단이 후단보다 고압이 되어 더욱 안정적인 퍼징 및 스택 출력이 이루어질 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 연료전지 시스템의 퍼징 방법에 관한 것으로서, 전기화학반응이 잘 일어나게 연료전지 스택 내 불순물의 배출성능을 향상시켜 종래의 배출 퍼징에 비해 더욱 안정적인 스택 출력을 얻을 수 있도록 하고 스택 내 전기화학반응의 향상으로 연비 향상에 보다 기여할 수 있는 개선된 퍼징 방법을 제공하고자 하는 것이다.

첨부한 도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 퍼징 방법을 보여주는 도면으로서, 도 2a는 재순환퍼지밸브(19)가 닫힌 상태를, 도 2b는 재순환퍼지밸브(19)가 열린 상태를 나타내는 도면이다.

이하, 본 명세서에서 수소공급밸브라 함은 저압 레귤레이터(14) 후단의 수소공급밸브(15)를 말하는 것으로서, 통상 연료전지 스택(1)의 정상 운전시에는 연료인 수소 공급을 위해서 상기 수소공급밸브(15)가 상시 개방된 상태로 유지되기 때문에, 종래의 경우 연료전지 스택(1)의 애노드 입구에 최종 공급되는 수소의 압력이 일정하게 유지된다.

도시된 바와 같이, 본 발명에서는 연료전지 시스템에 발명의 목적을 달성하고자 재순환퍼지밸브(19)를 추가로 구비한다.

상기 재순환퍼지밸브(19)는 연료전지 스택(1)을 퍼징(기존의 배출 퍼징과는 별도)할 목적으로 추가 설치되는 밸브로서, 수소저장시스템(수소탱크)(10)로부터 스택(1)으로 연료인 수소가 공급되는 수소공급라인(10a)에서 수소공급밸브(15)의 후단 및 연료전지 스택(1)의 전단에 위치된다.

특히, 재순환퍼지밸브(19)는 수소공급라인(10a)과 수소 재순환 블로워(17)가 설치된 수소 재순환 라인(10b)이 만나는 위치의 후단에 위치하도록 스택 애노드의 입구측에 설치되어 재순환 수소가 통과할 수 있게 구비된다.

본 발명은 수소 재순환 블로워(17)의 전단과 후단의 수소 압력차(도 2a에서 P1-P2)를 이용하여 퍼징 조건을 형성하는데 주된 특징이 있는 것으로, 기존의 배출 퍼징과 같은 기능이 일어나도록 수소 재순환 블로워(17)와 재순환퍼지밸브(19)를 제어하여, 수소를 스택 애노드 전단의 공급측에서 고압으로 밀어내는 형태의 공급 퍼징이 일어나도록 하는 것이다.

이러한 본 발명의 퍼징시에는, 수소재순환밸브(16)를 개방하고, 수소 재순환 블로워(17)를 구동하여 재순환 라인(10b) 및 이후 배관의 공급압을 상승시키는 동시에, 재순환퍼지밸브(19)를 주기적으로 개폐하는 바, 이렇게 수소 재순환 블로워(17)의 구동으로 재순환되는 수소의 고압이 형성된 상태에서 재순환퍼지밸브(19)가 주기적으로 개폐되면, 재순환퍼지밸브(19)가 열릴 때마다 주기적으로 고압의 수소 공급압이 스택 애노드의 입구측에 걸리게 된다.

상기와 같이 수소 재순환 블로워(17)가 구동되고 재순환퍼지밸브(19)가 주기적으로 개폐 작동하는 본 발명의 퍼징은, 수소공급밸브(15)가 상시 개방된 상태로 연료인 수소가 스택(1)에 공급되는 동안 실시될 수 있고, 또는 재순환 공급 퍼징의 시기를 별도로 두어 수소공급밸브(15)를 닫아준 상태에서 수소재순환밸브(16)의 개방, 수소 재순환 블로워(17)의 구동, 재순환퍼지밸브(19)의 주기적인 개폐 작동을 통해 고압의 재순환 수소 공급압으로 퍼징이 이루어지도록 할 수도 있다.

도 2a와 도 2b는 수소공급밸브(15)를 닫아 재순환되는 수소만으로 고압 공급압이 주기적으로 작용하도록 하는 상태를 나타낸 것으로, 도 2a와 같은 재순환퍼지밸브(19)의 차단 상태, 도 2b와 같은 재순환퍼지밸브(19)의 개방 상태를 주기적으로 반복하여 재순환되는 수소의 공급압을 펄스 형태로 제어하게 된다.

첨부한 도 3은 종래의 수소 공급압과 본 발명의 퍼징시 수소 공급압을 비교하여 나타낸 도면으로서, 도 3의 경우는 수소공급밸브(15)를 개방한 상태에서 퍼징이 이루어지는 수소 공급압 상태를 나타낸 것이다.

도면에서, 퍼지 오프(OFF)는 재순환퍼지밸브(19)가 닫힌 상태를, 퍼지 온(ON)은 재순환퍼지밸브(19)가 열린 상태를 나타내며, 이러한 주기적인 퍼지 온/오프 제어, 즉 재순환퍼지밸브(19)의 주기적인 개폐 제어는, 기본적으로 수소재순환밸브(16)가 개방되고 수소 재순환 블로워(17)가 구동되는 상태에서 이루어진다.

도면에서, 본 발명의 수소 공급압은, 수소공급밸브(15)가 열려 연료인 수소가 스택(1)으로 공급되는 상태에서, 수소 재순환 블로워(17)의 구동 및 재순환퍼지밸브(19)의 주기적인 개폐시 스택(1)의 애노드에 공급되는 수소 공급압을 나타낸 것으로, 재순환퍼지밸브(19)가 열릴 때마다 수소 공급압이 급격히 증가하는 펄스 형태의 제어상태를 보이게 된다.

반면, 종래의 수소 공급압은 수소공급밸브가 상시 개방된 상태에서 일정한 압력 상태를 보인다.

도시된 바와 같이, 본 발명에서는 스택 퍼징을 위해 재순환퍼지밸브(19)를 주기적으로 개폐하여 스택(1)으로의 수소 공급압을 펄스 형태로 제어한다.

이와 같이 재순환퍼지밸브(19)를 주기적으로 개폐하여 수소를 공급하는 경우, 밸브(19)가 닫혔을 때 밸브 전단에서 순간적으로 고압(P1)이 형성되고, 밸브가 열렸을 때 고압의 수소가 밸브 후단으로 배출되면서 스택(1)의 애노드에 순간적으로 고압의 수소가 공급되게 된다.

물론, 밸브(19)가 닫혀 있는 짧은 시간 동안, 밸브 전단에 순간적으로 고압이 형성되지만, 스택(1)에는 밸브 차단으로 인해 수소가 공급되지 않으므로, 이때의 수소 공급압은 '0'이 된다.

또한 스택(1) 내부에서 수소가 소모되면서 자연 저압 상태가 발생할 때, 재순환퍼지밸브(19)의 전단(P1)이 후단(P2)보다 고압이 되므로, 자연 저압 상태가 발생하는 것과 상관없이 안정적인 퍼징 및 스택 출력이 가능해진다.

상기와 같이 재순환퍼지밸브(19)가 닫힌 뒤 열릴 때(퍼지 오프 후 온)마다 고압의 수소가 스택(1)의 애노드측에 공급되면서, 도 3과 같은 펼스 형태의 공급압 상태를 보이게 되며, 펄스 형태로 고압 수소가 스택의 애노드에 공급되는 동시에, 스택 전후단의 압력 차이 및 수소 재순환 블로워 전후단의 압력 차이(도 2a에서 P1-P2)에 의하여, 불순물이 스택(1)의 애노드로부터 배출되는 퍼징이 이루어지게 된다.

첨부한 도 4는 기존의 배출 퍼징과 본 발명의 퍼징(재순환 공급 퍼징)이 이루어지는 순서도로서, 각 퍼징시의 밸브 상태를 보여주고 있으며, 본 발명의 퍼징은 수소공급밸브(15)를 닫은 상태로 재순환되는 수소에 의한 공급 퍼징 상태를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 기존의 배출 퍼징시에는 수소공급밸브(15)의 개방 상태, 수소재순환밸브(16) 및 재순환퍼지밸브(19)의 닫힘 상태에서 수소퍼지밸브(18)를 주기적으로 개폐하고, 본 발명의 공급 퍼징시에는 수소공급밸브(15)의 닫힘 상태, 수소재순환밸브(16)의 개방 상태, 수소퍼지밸브(16)의 닫힘 상태를 유지하면서 재순환퍼지밸브(19)를 주기적으로 개폐하게 된다.

본 발명에서 재순환퍼지밸브(19)의 제어는 제어기, 예컨대 연료전지 시스템 제어기(미도시됨)가 수행하되, 차량 시동시에는 수소공급밸브(15)와 재순환퍼지밸브(19)를 모두 열어 수소를 공급하고, 스택(1)의 애노드 내에 수소가 채워진 상태에서 본 발명의 퍼징을 위해 수소공급밸브(15)와 재순환퍼지밸브(19)를 일단 다시 닫아준 뒤, 수소퍼지밸브(16)를 열고 수소 재순환 블로워(17)를 구동시켜 재순환 공급압을 상승시킨다.

이후 상기 연료전지 시스템 제어기가 재순환퍼지밸브(19)를 주기적으로 개폐 제어하여 재순환 수소에 의한 스택 내 퍼징이 이루어지도록 한다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 수소 재순환 블로워(17)를 구동시키는 동시에 재순환퍼지밸브(19)를 주기적으로 개폐하여 수소 공급압을 펄스 형태로 제어해줌으로써, 스택 전후단의 압력 차이 및 수소 재순환 블로워 전후단의 압력 차이를 이용해 공급 수소에 의한 스택 내 퍼징을 유도하고, 이를 통해 보다 안정적인 퍼징과 스택 출력, 불순물 배출성능 향상, 전기화학반응 및 연비 향상을 기대할 수 있게 된다.

연료전지 스택에서 수분 및 질소 등의 불순물이 배출되면, 수소 농도 증가, 수소 이용률 상승, 기체 확산도 및 반응성 향상이 이루어지고, 특히 본 발명에서와 같이 고압 수소를 공급하여 퍼징하는 경우 그로 인한 와류 발생 및 기체 혼합 유도에 의해 반응적인 측면에서 유리해진다.

도 1은 통상의 연료전지 시스템에서 수소공급시스템의 구성 및 수소퍼지밸브의 설치 상태를 도시한 개략도,

도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 퍼징 방법을 보여주는 도면으로서, 도 2a는 수소공급밸브가 닫힌 상태를, 도 2b는 수소공급밸브가 열린 상태를 나타내는 도면,

도 3은 종래의 수소 공급압과 본 발명의 퍼징시 수소 공급압을 비교하여 나타낸 도면,

도 4는 기존의 배출 퍼징과 본 발명의 공급 퍼징이 이루어지는 순서도로서, 각 퍼징시의 밸브 상태를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연료전지 스택 15 : 수소공급밸브

16 : 수소재순환밸브 17 : 수소 재순환 블로워

18 : 수소퍼지밸브 19 : 재순환퍼지밸브

Claims (4)

1. 삭제
2. 연료전지 스택 내 불순물을 배출하기 위한 연료전지 시스템의 퍼징 방법에 있어서,

   수소공급라인에서 연료전지 스택의 전단에 재순환되는 수소가 통과하도록 재순환퍼지밸브를 구비하고,

   수소재순환밸브를 개방한 상태에서 수소 재순환 블로워를 구동시켜 수소 재순환 라인의 공급압을 상승시킨 뒤, 상기 재순환퍼지밸브를 주기적으로 개폐하여 스택으로의 수소 공급압을 펄스 형태로 제어해줌으로써, 상기 펼스 형태의 압력 상태로 제어되는 공급 수소에 의하여 스택 내 퍼징이 이루어지도록 되어 있으며,

   상기 재순환퍼지밸브의 주기적인 개폐시 재순환퍼지밸브 전단에 위치한 수소공급밸브는 닫힘 상태로 유지하여, 상기 수소 재순환 라인을 통해 공급된 재순환 수소의 공급압을 펄스 형태로 제어함으로써, 재순환 수소만으로 스택 내 퍼징이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 퍼징 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 재순환퍼지밸브의 작동이 제어기에 의해 제어되되,

   상기 제어기는,

   차량 시동시 상기 수소공급밸브와 재순환퍼지밸브를 모두 열어 수소저장시스템의 수소가 수소공급라인을 통해 연료전지 스택에 공급되도록 한 뒤, 수소공급밸브와 재순환퍼지밸브를 다시 닫고, 수소재순환밸브 개방 및 수소 재순환 블로워 구동 후 상기 재순환퍼지밸브를 주기적으로 개폐 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 퍼징 방법.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 재순환퍼지밸브의 주기적인 개폐시 재순환퍼지밸브의 전단에 위치한 수소공급밸브를 상시 개방한 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 퍼징 방법.

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