KR101124990B1 - 연료전지 셧다운 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 셧다운 방법에 관한 것으로서, 빙점 이하의 온도에서 연료전지 시스템을 시동 오프(연료전지 콜드 셧다운)할 때 냉시동 실패의 근본 원인이 되는 연료전지 스택 내부의 물을 보다 확실히 제거해줄 수 있는 방법에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 시스템의 시동 오프가 검출되면, 외기온도가 설정된 기준온도 미만인지를 판정하는 단계와; 상기 외기온도가 기준온도 미만이면, 연료전지 스택으로의 수소 공급은 정상으로 유지한 상태에서, 연료전지 스택의 출력으로 연료전지 보기류 및 스택 부하를 작동시켜, 연료전지 스택을 웜업하는 단계와; 공기공급장치에 의해 공급되는 공기를 상기 스택 부하로 통과시켜 히팅되는 공기를 연료전지 스택의 캐소드에 공급하여 스택 내에 존재하는 물을 제거하는 공기 공급 퍼징 단계와; 상기 물 제거 단계 후 공기 공급을 중지하여 연료전지 시스템을 오프시키는 단계;를 포함하는 연료전지 셧다운 방법이 개시된다.
연료전지, 스택 부하, 공기, 히팅, 퍼징, 물 제거, 셧다운, 시동 오프, 축전수단, 배터리

Description

연료전지 셧다운 방법{Fuel cell shutdown method}
본 발명은 자동차에 적용되는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 시동 오프시 연료전지 스택의 내부에 존재하는 물을 효과적으로 제거할 수 있는 연료전지 셧다운 방법에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
첨부한 도 1은 일반적인 연료전지 시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 수소공급장치(110)는 수소탱크(111), 수소공급밸브(112), 고압/저압 레귤레이터(113,114), 수소 재순환 장치(116) 등을 포함하고, 공기공급장치(120)는 공기블로워(122), 가습기(123) 등을 포함한다.
수소공급장치(110)에서는 수소탱크(111)의 고압 수소가 고압/저압 레귤레이터(113,114)를 차례로 거치면서 압력 조절되어 연료전지 스택(200)(애노드)로 공급되며, 수소 재순환 장치(116)에서는 스택(200)의 애노드(연료극/수소극) 출구단에 이젝터(115)와 수소 재순환 블로워(117)를 설치하여 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
공기공급장치(120)에서는 공기블로워(122)에 의해 공급되는 건조한 공기가 가습기(123)를 통과하는 동안 연료전지 스택(200)의 캐소드(공기극/산소극)에서 배출된 습한 배출가스와 수분 교환하여 가습된 뒤 연료전지 스택(200)(캐소드)으로 공급된다.
스택(200)의 애노드 출구단에는 수소 퍼지를 위한 밸브(131)를 구비하여 애노드에 축적된 질소 및 물 등의 이물질을 배출시키며, 워터트랩(132)은 스택에서 생성되는 물을 모아 배출한다.
이와 같이 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 산화제인 산소의 전기화학 반응에 의해 전기를 발생시키며, 반응 부산물로는 열과 물을 배출하게 된다.
한편, 연료전지 자동차에서 가장 큰 난제 중 하나는 냉시동성 확보이다. 연료전지 시스템이 빙점(0℃) 이하의 온도에 노출된 채로 장기간 보관되면(Cold Soaking), 스택 내부를 포함하여 밸브류 등 시스템 각 구성부에 존재하는 물이 얼 어붙게 되면서 시동이 어렵게 된다.
특히, 스택 내부에서 결빙이 일어나면, 각 유로 및 가스확산층을 폐색하는 동시에 반응가스가 원활하게 공급되지 못해 정상적인 전기화학 반응이 일어나지 않게 되며, 스택 전압이 일정하게 유지되지 않는 등 냉시동성 확보에 어려움이 있게 된다.
연료전지 시스템의 냉시동 향상을 위해서는 스택을 순환하는 냉각수를 히터로 가열하여 스택 내부를 급속 해동시키는 방법 등 다양한 기술이 적용되고 있으나, 이와 더불어 시동 오프시(연료전지 셧다운시) 스택 등 시스템의 상태를 관리해 주는 것이 필요하다.
예를 들면, 빙점 이하에서 시동 오프할 때 연료전지 스택의 내부에 존재하는 물을 미리 제거해주는 것이다. 주위의 온도가 빙점 이하인 조건에서 시동을 오프하는 경우 스택 내부에 생성된 물을 제거해 주어야만 차기 시동에서 안정성을 확보할 수 있다. 만약 주위 온도가 빙점 이하인 조건에서 물을 제거하지 않고 시동을 오프하게 되면 스택 내부의 표면이 얼어붙게 되어 시동이 불가능해진다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 빙점 이하의 온도에서 시동 오프가 검출되는 경우 연료(수소)나 산화제(공기)의 퍼징을 통해 막 전극 어셈블리 내부 등 스택에 존재하는 물을 제거하여 냉시동성을 향상시키는 기술이 다양하게 제시된 바 있다.
예를 들어 "US6479177"에는 시동 오프시 영하의 온도 조건인 경우 드라이 가스를 퍼징하여 연료전지 스택 내부의 물을 제거하는 기술이 개재되어 있고, "US6887598"에는 시동 오프시 가습 정지 및 공기 공급 증대를 통해 연료전지 스택 내부의 수분을 제거하는 기술이 개재되어 있다.
또한 "US7270903"에는 장시간 냉각(Soaking)된 상태에서 써모스탯으로 온도를 판단한 후 영하이면 공기 퍼징을 실행하여 연료전지 스택 내부의 물을 제거하는 기술이 개재되어 있고, "US7344795"에는 시동 오프시 연료전지 스택 내의 물을 제거하기 위해 가습기 및 인터쿨러를 바이패스한 공기를 퍼징시키는 기술이 개재되어 있다.
그 밖에 가습기(123)로 공급되는 스택(200)의 배출가스를 차단하여, 가습기에서 가습이 중단된 상태로, 공기블로워(122)에 의해 가습기를 통과한 건조 공기를 스택의 캐소드에 퍼징함으로써 캐소드 내 물을 제거한 뒤 시동을 오프하는 방법 등이 제시된 바 있다.
그러나, 상기한 기술들은 스택 내부의 물을 완전히 제거하지 못하여 빙점 이하의 온도에서 시동 오프 후 차기 냉시동시에 안정적인 시동성을 확보하지 못하는 문제점이 있다.
특히, 드라이 가스를 퍼징하는 것만으로는 스택 내부의 물을 제거하는 것이 완벽하지 않으며, 캐소드 채널 등 스택 내 유로뿐만 아니라 멤브레인(전해질막) 내부의 물을 제거하는 것이 용이하지 않다.
스택 내부에 온도를 높인 히팅 가스를 공급하는 방법이 적합하나 별도의 히터가 없이는 히팅량이 부족하고, 공기 압축기의 발생 열로 히터 사용을 대신할 수 있으나 블로워를 사용하는 상압 시스템에서는 그 발생 열이 부족하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 빙점 이하의 온도에서 시동을 오프(연료전지 셧다운)할 때 냉시동 실패의 근본 원인이 되는 스택 내부의 물을 보다 확실히 제거해줄 수 있는 방안을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 시스템의 시동 오프가 검출되면, 외기온도가 설정된 기준온도1 미만인지를 판정하는 단계와; 상기 외기온도가 기준온도1 미만이면, 연료전지 스택으로의 수소 공급은 정상으로 유지한 상태에서, 연료전지 스택의 출력으로 연료전지 보기류 및 스택 부하를 작동시켜, 연료전지 스택을 웜업하는 단계와; 공기공급장치에 의해 공급되는 공기를 상기 스택 부하로 통과시켜 히팅되는 공기를 연료전지 스택의 캐소드에 공급하여 스택 내에 존재하는 물을 제거하는 공기 공급 퍼징 단계와; 상기 물 제거 단계 후 공기 공급을 중지하여 연료전지 시스템을 오프시키는 단계;를 포함하는 연료전지 셧다운 방법을 제공한다.
여기서, 상기 히팅 공기에 의한 퍼징 단계가 진행되는 동안 연료전지 스택의 온도가 상승하여 설정된 기준온도2를 초과하는지를 판정하는 단계와; 연료전지 스택의 온도가 기준온도2를 초과하면, 일정시간 동안 보조동력원인 축전수단의 출력 으로 상기 연료전지 보기류 및 스택 부하를 작동시켜, 공기공급장치 및 스택 부하를 통해 공급 및 히팅되는 공기를 연료전지 스택의 캐소드에 공급하여 물을 제거하는 퍼징 단계;를 추가로 진행한 후, 공기 공급을 중지하여 연료전지 시스템을 오프시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 셧다운 방법에 의하면, 빙점 이하의 온도에서 연료전지 시스템을 셧다운(콜드 셧다운)시킬 때, 연료전지 스택의 출력으로 연료전지 보기류 및 저항타입의 스택 부하를 작동시켜, 상기 스택 부하에 의해 히팅된 공기를 이용해 스택의 캐소드를 퍼징해줌으로써, 스택 부하의 작동을 위해 스택의 출력이 이루어지는 동안, 멤브레인 내부의 물이 채널부로 이동되도록 하면서, 채널부 내로 이동된 물을 생성수와 함께 보다 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
또한 스택의 출력을 이용하는 동안 스택이 웜업되어 온도가 상승하고, 이후 스택 온도가 설정된 온도에 도달하면, 보조동력원인 축전수단(예, 배터리)의 출력을 이용하여 스택 부하를 작동시킴과 동시에 히팅된 공기를 공급하여 퍼징해주는 단계를 추가로 실시함으로써, 시스템 셧다운 전에 보다 효과적인 물 제거가 가능해진다.
특히, 히팅 공기를 공급하기 위한 히팅수단으로서, 연료전지 시스템에 기 구비된 스택 부하(시스템 셧다운시 스택 전류 소모를 위해 사용됨)를 이용하므로, 별도의 히팅수단이 추가로 설치될 필요가 없는 이점이 있다.
이렇게 연료전지의 셧다운시 히팅 공기의 공급 퍼징을 통해 물을 확실히 제거해줌으로써, 연료전지의 냉시동성을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
연료전지 시스템의 냉시동이 실패하는 가장 큰 원인은 스택 내부에 존재하는 물이다. 따라서, 빙점 이하의 온도에서 시동을 오프할 때 근본 원인이 되는 스택 내부의 물 제거를 확실하게 해주면 냉시동성 문제를 해소할 수 있게 된다. 이에 본 발명에서는 스택 내 막 전극 어셈블리의 멤브레인 내부에 존재하는 물을 채널부로 이동시킨 뒤 건조하고 가열된 가스를 공급하는 방법이 이용된다.
첨부한 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(200), 반응가스를 공급하는 수소공급장치(110) 및 공기공급장치(120), 스택 애노드의 수소 퍼지를 위한 수소퍼지밸브(131), 스택 내부의 물을 모아 배출하는 워터트랩(132)(애노드 워터트랩 예시)을 포함하여 구성된다.
수소공급장치(110)는 수소탱크(111), 수소공급밸브(112), 고압/저압 레귤레이터(113,114), 이젝터(115), 수소 재순환 장치(116) 등을 포함하고, 공기공급장 치(120)는 공기블로워(122), 가습기(123) 등을 포함한다.
일반적인 연료전지 시스템에서와 같이 수소탱크(111)의 고압 수소가 고압/저압 레귤레이터(113,114)를 차례로 거치면서 압력 조절되어 연료전지 스택(200)(애노드)로 공급되며, 스택(200)의 애노드(연료극/수소극) 출구단에 수소 재순환 블로워(117)가 설치되어 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 애노드로 재순환시켜 수소의 재사용을 도모한다.
또한 공기블로워(122)에 의해 공급되는 건조한 공기가 가습기(123)를 통과하는 동안 스택(200)의 캐소드(공기극/산소극)에서 배출된 습한 배출가스에 의해 가습된 뒤 연료전지 스택(캐소드)으로 공급된다.
스택(200)의 애노드 출구단에는 수소퍼지밸브(131)가 구비되어 애노드에 축적된 질소 및 물 등의 이물질을 배출시키며, 스택에서 생성되는 물은 워터트랩(132)에 모아 배출한다.
이와 더불어, 본 발명의 물 제거 및 셧다운 과정이 구현되는 연료전지 시스템에서는 물 제거를 위해 드라이 가스(건조 공기)로 스택 내부를 퍼징하는 구성, 보다 효과적인 물 제거를 위해 퍼지용 드라이 가스를 히팅 공급하기 위한 구성을 포함한다.
여기서, 별도 하드웨어의 추가 없이 드라이 가스를 스택 내부(캐소드)로 공급 퍼징하여 물을 제거하는데 기존의 공기공급장치(120)가 이용될 수 있고, 이때 드라이 가스로는 공기블로워(122)에 의해 강제 송풍되는 건조 공기(외기)가 사용된다.
통상의 연료전지 시스템에서 반응가스로서 스택(200)에 공급되는 공기는 가습을 위해 가습기(123)를 통과해야 하므로, 기존의 공기공급장치(120)를 이용하여 건조 공기를 스택 내부로 공급 퍼징하기 위해서는, 가습기를 통과하지 않도록 공기를 바이패스시키거나, 공기가 통과하는 가습기의 수분공급원을 차단해주어야 한다.
중공사막(hollow fiber)을 이용하는 가스 대 가스(gas to gas) 막가습기의 경우, 스택(200)의 캐소드에서 배출되는 습한 배출가스를 가습기(123)가 공급받아 수분공급원을 활용하므로, 수분공급원을 차단시키는 방법으로는 스택의 배출가스를 가습기 전단의 배기라인(201)에서 가습기를 통과하지 않도록 바이패스밸브(202)를 통해 바이패스시키거나 외부로 배출하는 방법이 이용될 수 있다.
물론, 상기의 공급 퍼징을 위해 공기블로워(122)에 의해 공급되는 건조 공기를 가습기(123)를 경유하지 않는 별도 바이패스라인을 통해 바이패스시킨 뒤 스택(200)의 캐소드로 공급하는 것도 가능하다.
또한 본 발명에서는 물 제거를 위한 건조 공기를 히팅시키기 위한 구성으로서, 연료전지 셧다운시 캐소드 산소 소진 및 스택 전압 제거를 위해 사용되는 스택 부하(133)가 이용된다.
상기 스택 부하(133)는 통상의 셧다운 과정에서 스택으로 부하를 발생시켜 캐소드 내 잔존하는 산소를 소진하고 스택 전압을 제거해 주는데 사용하는 것으로, 통상 제어기에 의해 릴레이(134)가 온(On) 됨과 동시에 스택 전류를 인가받아 발열을 통해 소모하는 수동부하인 저항(스택 연결 저항)이 사용된다.
따라서, 연료전지 시스템에 존재하는 기존의 스택 부하(133)를 이용하면 별 도의 공기 히팅을 위한 히팅수단이 추가로 설치될 필요가 없고, 공기공급장치(120)의 공기공급라인(121)을 통해 공급되는 건조 공기를 스택 부하(133)에 통과시켜 스택 내부로 공급하는 공기 입구측 배관(135) 및 공기의 유동방향을 제어하는 밸브류(136)만 추가하면 된다.
도 2를 참조하면, 공기블로워(122)에 의해 스택(200)의 캐소드로 공급되는 공기가 스택 부하(133), 즉 스택 연결 저항을 지나도록 배관(135)이 추가되고, 상기 스택 연결 저항(133)의 발열을 통해 히팅된 건조 공기가 스택의 캐소드에 공급될 수 있도록 시스템이 구성됨을 볼 수 있다.
스택 부하(133)를 지나도록 추가되는 배관(135)은 공기공급라인(131)에 설치되는 바이패스라인을 형성하는 바, 이 바이패스라인(135)은 공기공급라인(131)을 통해 공급되는 건조 공기가 스택 부하(133)로 바이패스된 뒤 스택(200)의 캐소드로 공급될 수 있게 해준다.
이에 공기공급장치(120)에 의해 공급되는 건조 공기가 스택 부하(133)를 거치지 않고 바로 직접 스택(200)의 캐소드로 공급되는 경로와 스택 부하(133)를 거쳐 스택(200)의 캐소드로 공급되는 경로 중 선택된 어느 하나로 흐를 수 있게 된다.
또한 두 경로 중 하나를 통해 공기가 공급될 수 있도록 건조 공기의 유동방향을 제어하는 밸브수단(136)이 설치되며, 이 밸브수단(136)으로는 공기공급라인(131)에서 바이패스라인(135)이 분기되는 위치에 설치되는 3-웨이 밸브가 될 수 있다.
이렇게 건조 공기가 스택 부하(133)를 선택적으로 통과하도록 하는 바이패스라인(135) 및 밸브수단(136)을 설치함으로써 건조 공기가 스택(200)의 캐소드로 바로 공급되지 않고 스택 부하(133)를 거치도록 할 수 있는 바, 시스템 셧다운시 발열하는 스택 부하(133)에 의해 히팅된 건조 공기가 스택(200)의 캐소드로 공급될 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 스택 캐소드의 물 제거를 위한 공기 공급 퍼징에 있어서 시스템 셧다운시 스택 전류를 인가받아 발열 작동하도록 구비되어 있는 기존의 스택 부하(133)를 이용함으로써 히터 등 별도 장치의 추가 없이 건조 공기를 히팅하여 공급할 수 있는 장점이 있다.
이하, 상기와 같은 시스템 구성을 통해 스택 내부의 효과적인 물 제거와 시스템 셧다운이 이루어지는 과정을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 첨부한 도 3은 본 발명이 구현되는 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 연료전지 셧다운 과정에서 공기 공급 상태 및 전력 공급 상태를 나타내는 시스템 작동도이다. 또한 첨부한 도 5는 본 발명에 따른 연료전지의 물 제거 및 셧다운 과정을 나타내는 순서도이다.
도 3의 파워넷 구성을 설명하면, 주동력원인 연료전지 스택(200)과 함께 보조동력원으로 사용되는 축전수단인 배터리(고전압 배터리)(300)가 병렬로 접속되며, 여기서 배터리(300)는 DC/DC 컨버터(310)를 매개로 하여 연료전지 스택(200)의 출력 측인 메인 버스단(400)에 연결된다. 상기 두 동력원, 즉 연료전지 스택(200)과 배터리(300)가 메인 버스단(400)을 통해 시스템 내 각 부하에 대해서 병 렬로 접속되는 구조이다.
또한 구동모터(420)를 회전시키기 위한 인버터(410)가 메인 버스단(400)을 통해 연료전지 스택(200) 및 배터리(300)의 출력 측에 연결되어, 제어기(500)에서 인가되는 제어신호에 따라 연료전지 스택 또는 배터리에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 구동모터(420)를 구동시킨다.
DC/DC 컨버터(310)는 연료전지 스택(200)에서 출력되는 전력을 DC/DC 컨버팅하여 배터리(300)에 충전되도록 공급하거나, 배터리(300)에서 출력되는 전력을 DC/DC 컨버팅하여 연료전지 시스템 내 각 부하에 공급한다. 또한 제동 제어시에는 구동모터(420)에서 발생하는 회생에너지를 DC/DC 컨버팅하여 배터리(300)에 충전되도록 공급한다.
시스템 부하로서 연료전지 구동을 위해 필요한 보기류(Balance Of Plant, BOP)(100)가 연료전지 스택(200) 출력 또는 배터리(고전압 배터리)(300) 출력에 의해 구동되도록 메인 버스단(400)에 연결되어 있다. 연료전지 보기류(100)는 수소공급장치(110)의 수소 재순환 블로워(도 2에서 도면부호 117), 공기공급장치(120)의 공기블로워(도 2에서 도면부호 122), 냉각수 순환을 위한 물공급장치(물 펌프)(130) 등을 포함한다.
또한 연료전지 스택(200)의 출력 측 메인 버스단(400)에 서지 전압이 연료전지 스택으로 공급되는 것을 차단하기 위한 역전압 방지 다이오드(401)가 설치되고, 역전압 방지 다이오드(401)의 후단에는 스택 부하(133)가 연결된다. 상기 스택 부하(133)의 후단에는 제어기(500)의 제어신호에 따라 연료전지 스택(200)의 출력 을 온/오프 제어하는 메인 릴레이(402)가 설치되고, 메인 릴레이(402)의 후단에 상기한 연료전지 보기류(100), DC/DC 컨버터(310), 배터리(300), 인버터(410) 및 구동모터(420)가 연결된다.
상기 스택 부하(133)는 상술한 바와 같이 연료전지 셧다운시 스택 내 산소 소진 및 전압 제거를 위해 사용되는 저항타입의 수동부하로서, 메인 버스단(400)을 통해 스택(200) 출력 측에 연결되며, 제어기(500)에서 인가되는 제어신호에 의해 온/오프 스위칭되는 릴레이(134)의 동작에 따라 선택적으로 전원을 공급받아 동작된다.
본 발명에서 스택 부하(133)는 산소 소진 및 전압 제거를 위한 스택 전류 소모의 용도 외에 스택 내부의 물 제거를 위한 공기 공급 퍼징시 공기공급장치(120)에 의해 스택(200)의 캐소드에 공급되는 건조 공기를 히팅시키는데 추가로 사용되며, 이때는 연료전지 스택(200)의 전원 혹은 배터리(300)의 전원을 공급받아 동작된다.
제어기(500)는 연료전지 시스템의 구동에 따른 제반적인 동작을 제어하는 것으로, 스택 내부 온도를 검출하는 온도센서(203)와 전류검출기(403), 전압검출기(403,405)의 정보를 분석하여 시스템 구동에 필요한 최적의 전원이 출력될 수 있도록 피드백 제어한다.
상기한 파워넷 구성에서 본 발명에 따른 셧다운 과정을 각 단계별로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 셧다운 과정에서는 크게 스택 내부의 물 제거 과정을 실시한 뒤, 캐소드 내 산소를 소진하면서 스택 전압을 제거하는 일반 셧다운 과정을 실시하는 것으로 진행된다.
본 발명에 따른 스택 내부의 물 제거 과정에서는 기본적으로 공기공급장치(120)에 의해 공급되는 공기를 스택 부하(133)를 이용해 히팅한 뒤 스택(200)의 캐소드에 공급하여 퍼징하게 된다.
상기 스택 부하(133)는 제어기(500)의 제어신호에 의해 릴레이(134)가 온(On) 된 상태에서 전원을 공급받아 작동하는데, 물 제거 과정에서는 퍼징 가스(공기)를 히팅할 목적으로 사용되고, 일반 셧다운 과정에서는 캐소드 내 산소 소진 및 스택 전압 제거를 위해 스택 전류를 소모하는 목적으로 사용된다.
상기한 물 제거 과정에서 공급되는 공기는, 도 3의 구성에서, 바이패스밸브(202)를 통해 스택(200)의 배출가스를 가습기(123)를 통과하지 않도록 바이패스시켜 가습기의 수분공급원을 차단한 뒤, 공기블로워(122)에 의해 공급되는 건조 공기가 될 수 있다.
이 건조 공기는 밸브수단(136)에 의해 선택된 경로를 따라 스택 부하(133)를 통과하여 히팅된 뒤, 공급 퍼징 가스로서 스택(200)의 캐소드로 공급되어 캐소드 내 존재하는 물을 캐소드 출구측 배기라인(201)으로 배출하게 된다.
상기 바이패스밸브(202)와 밸브수단(136)(예, 3-웨이 밸브)은 모두 제어기(500)의 제어신호에 따라 동작하는 전자식 제어밸브로서, 제어기(500)가 시동 오프를 검출한 상태에서 인가하는 제어신호에 의해 건조 공기가 스택 부하(133)를 통과할 수 있도록 동작이 제어된다.
상기 밸브수단(136)은 제어기(500)에 의한 밸브 개도량 제어를 통해 스택 부하(133)를 통과하는 건조 공기의 양이 제어되도록 구성될 수 있으며, 이 경우 스택(200)에 공급되는 건조 공기, 즉 히팅 가스의 온도가 제어될 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기한 물 제거 과정은 스택 부하(133)의 작동 전원으로서 스택(200)의 출력을 이용하는 스택 웜업 퍼징 과정과, 배터리(300)의 출력을 이용하는 스택 무부하 퍼징 과정으로 구분하여 실시될 수 있다.
도 4a는 스택 워엄 퍼징 과정을 나타낸다. 스택 웜업 퍼징 과정에서는 스택(200)의 캐소드로 히팅 가스(히팅된 공기)를 공급하기 위해 스택의 출력만을 이용하므로(연료전지 단독 모드/배터리 아이들 모드), 이때 스택(200)이 수소공급장치(110)에 의해 공급되는 수소와 공기공급장치(120)에 의해 공급되는 히팅 가스인 공기를 반응가스로 사용하여 전기에너지를 생성하고, 이로써 스택(200)으로부터 인가되는 전류에 의해 스택 부하(133)가 발열하게 된다. 이러한 스택 부하(133)의 발열로 이를 통과하는 공기가 히팅된 후 스택(200)의 캐소드로 공급될 수 있게 된다.
이와 같이 스택 출력이 이루어지는 동안 공기블로워 및 수소 재순환 블로워, 물 펌프 등 연료전지 구동에 필요한 보기류(100)는 스택 출력에 의해 구동되며, 스택(200)이 자체적으로 웜업됨과 동시에 스택 부하(133)에 의해 히팅된 공기가 캐소드로 들어가 퍼징하므로 물 제거가 용이해진다.
또한 스택(200)으로부터 전류가 인가됨에 따라 멤브레인 내에 존재하는 물이 채널부로 이동하게 되고, 채널부로 이동한 물과 연료전지 반응에 의해 생성된 생성 수를 히팅 가스의 공급 퍼징을 통해 동시에 제거하게 된다.
공기가 스택 부하(133)를 통과하는 동안 스택 부하의 냉각은 공냉식 방법으로 유지된다.
반면, 도 4b는 스택 무부하 퍼징 과정을 나타낸다. 스택 무부하 퍼징 과정은 스택(200)의 온도가 일정 온도로 상승한 후에 이루어지는 물 제거 과정으로, 보조동력원인 배터리(300)의 출력만으로 스택 부하(133)를 작동시켜 스택(200)의 캐소드에 공급되는 공기를 가열하게 된다.
이때, 스택 부하(133)의 릴레이(134)를 온(On)으로 유지한 상태에서 DC/DC 컨버터(310)의 부스트 제어를 통해 배터리(300)의 전압을 부스팅하여 메인 버스단(400)의 전압을 상승시키고, 이로써 배터리(300)의 출력만으로 스택 부하(133)의 작동을 담당하게 한다.
이와 함께 공기블로워 및 수소 재순환 불로워 등 보기류(100) 역시 배터리(300)의 출력에 의해 구동되도록 한다. 이렇게 스택 무부하 상태에서 배터리 출력으로 작동하는 스택 부하(133)에 의해 공기를 히팅하여 스택(200)의 캐소드에 퍼징함으로써 추가적인 물 제거가 이루어지게 된다.
다음으로, 상기의 공기 공급 퍼징을 통한 물 제거 과정이 모두 완료되면, 공기 공급을 중단하고 수소 공급은 유지한 상태로 캐소드 내 산소 소진 및 스택 전압 제거하는 일반 셧다운 과정을 진행한다. 도 4c는 물 제거 후 셧다운이 진행되는 상태를 나타낸다.
연료전지 셧다운시에는 공기공급장치(120)의 공기블로워의 구동을 중지시켜 공기 공급을 차단하고, 수소공급장치(110)는 계속 구동시켜 수소의 공급상태는 유지한다. 이때, 메인 릴레이(402)는 오프시켜 스택 부하(133)로의 배터리(300)의 출력은 차단하지만, 수소 공급은 유지되므로 수소공급장치(110)의 수소 재순환 블로워 등은 배터리(300)의 출력으로 계속 구동시킨다.
이후 연료전지 스택(200)의 전압이 제거되면, 수소공급장치(110)의 구동을 중지시켜 수소 공급을 중지하고, DC/DC 컨버터(310)를 통해 배터리 출력을 차단하여 시스템을 완전 오프시킨다.
상기와 같은 본 발명의 연료전지 셧다운 과정을 도 5의 순서도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
연료전지 시스템이 정상적으로 작동하여 부하를 동작시키는 시동 온 상태에서, 제어기가 키 신호 입력으로 시동 오프를 검출하면(S101) 콜드 셧다운 버튼이 작동되었는지를 판단한다(S102).
콜드 셧다운 버튼이 작동되지 않았으면, 공기의 공급은 중단(공기공급장치의 공기블로워 구동 중지)하고, 애노드로의 수소 공급은 계속 유지한 상태로, 메인 릴레이(402)를 차단한 뒤, 스택 부하(133)를 이용하여 스택 전류를 소모시켜 줌으로써(스택 부하의 릴레이(134) 온) 캐소드 산소 소진 및 스택 전압을 제거하는 정상적인 셧다운 과정을 진행하여 시스템을 오프시킨다(S103,S120).
반면, 콜드 셧다운 버튼의 작동이 검출되면, 외기온센서를 통해 외기온도를 검출하여 설정된 기준온도1(Tcold) 미만인지를 판단한다(S104).
여기서, 설정된 기준온도1(Tcold) 이상인 상태이면, 연료전지 시스템의 주변온도가 상온을 유지하는 상태(스택 내부의 결빙이 발생하지 않는 상태)로 판정하여, 상기한 정상적인 셧다운 과정을 진행하여 시스템을 오프시킨다(S105,S120).
그러나, 외기온도가 설정된 기준온도1(Tcold) 미만이면, 연료전지 시스템의 주변온도가 빙점 이하의 온도를 유지하는 것으로 판정하여 스택 내부의 물을 제거하기 위해 스택 웜업 퍼징 과정과 스택 무부하 퍼징 과정을 순차적으로 진행한 뒤. 메인 릴레이(402) 차단, 스택 부하(133)를 이용한 캐소드 산소 소진 및 전압 제거를 수행하는 셧다운 과정을 진행하여 시동을 오프시키게 된다.
즉, 빙점 이하의 온도에서 우선 스택 웜업 퍼징 수행을 위해 배터리 아이들 모드(연료전지 단독 모드)(도 4a의 모드)로 진입하게 되는데(S106), 이때 제어기(500)가 연료전지 스택(200)에 부하를 발생시키도록 릴레이(134)를 온(On) 시켜 스택 부하(133)를 연결한다(S107).
또한 연료전지 단독 모드에서는, 스택(200)의 애노드로 공급되는 수소의 공급상태를 유지하면서(수소 재순환 블로워 등 수소공급장치의 상태 유지), 공기공급장치(120)의 공기블로워(도 2에서 도면부호 122)를 계속해서 구동시키되, 제어기(500)가 밸브수단(도 2에서 도면부호 136)을 제어하여 공기공급장치(120)에 의해 공급되는 공기가 스택 부하(133)를 통과할 수 있도록 한다.
이때, 공기가 스택 부하(133)에 의해 히팅되어 스택(200)의 캐소드로 공급되며(S108), 정상적으로 공급되는 수소와 함께 히팅된 공기가 스택(200)에 공급되어 반응가스로 사용되므로, 반응가스의 전기화학 반응에 의해 연료전지 스택의 출력상태가 유지된다.
연료전지 단독 모드에서, DC/DC 컨버터(310)의 제어를 통해 보조동력원인 축전수단, 즉 배터리(300)의 전원은 차단한 상태로, 스택 부하(133)는 연료전지 스택(200)의 출력에 의해서만 작동하고, 또한 연료전지 스택(20)의 출력만으로 공기블로워(122), 수소 재순환 블로워(도 2에서 도면부호 117) 등 연료전지 구동에 필요한 보기류(100)가 구동된다.
또한 스택(200) 내 연료전지 반응 및 스택 출력이 이루어지는 동안 스택은 자체 발열을 통해 웜업되어 온도가 상승하게 되며, 스택의 전류 인가로 인해 멤브레인 내부에 존재하는 물이 캐소드의 채널부로 이동하게 되고, 이때 히팅된 공기가 스택의 캐소드로 공급됨으로써 채널부로 이동한 물과 생성수가 동시에 제거된다.
이후 제어기(500)는 온도센서(203)를 통해 검출되는 연료전지 스택(200)의 온도가 설정된 기준온도2(Ta)를 초과하는지를 판단하고(S109), 기준온도2(Ta)를 초과하면 스택 무부하 퍼징 수행을 위해 배터리 부스트 모드(도 4b의 모드)를 진행하게 된다(S110).
이때, 제어기(500)는 연료전지 스택(200)의 출력을 중지시키는 동시에 DC/DC 컨버터(310)의 부스트 제어를 통해 배터리(300)의 출력만으로 스택 부하(133)의 작동을 담당하도록 하는 바, 릴레이(134)를 온(On)으로 계속 유지하여 스택 부하(133)를 작동시킨다.
이러한 배터리 부스트 모드에서 애노드의 수소 공급은 계속 유지한 상태로 공기공급장치(120)에 의해 공급되는 공기가 스택 부하(133)를 통과하며, 이에 히팅된 공기가 스택(200)의 캐소드로 공급되면서 그 내부에 존재하는 물을 제거하는 퍼징이 수행된다(S111).
배터리 부스트 모드에서는 배터리(300)의 출력만으로 공기블로워 및 수소 재순환 밸브 등 연료전지 보기류(100)를 구동시키므로 연료전지 스택은 무부하 상태를 유지하게 된다.
이렇게 배터리(300)의 단독 전원으로 스택 부하(133)를 발열시켜 수행되는 스택 무부하 퍼징이 진행되는 동안, 제어기(500)는 설정시간(t1)이 경과되었는지를 판단하는데(S112), 설정시간(t1)이 경과되었음을 판단하게 되면, 애노드의 수소 공급은 계속 유지한 상태로 공기공급장치(공기블로워)(120)의 구동을 중지시킨 뒤(S113), 정상적인 연료전지 셧다운 과정을 진행하게 된다.
이때, 공기의 공급은 중단되고, 애노드로의 수소 공급은 계속 유지한 상태로, 메인 릴레이(402)를 차단한 뒤(S114), 스택 부하(133)를 이용하여 스택 전류를 소모시켜 줌으로써(스택 부하의 릴레이(134) 온(On)) 캐소드 산소 소진 및 스택 전압을 제거하는 정상적인 셧다운 과정을 진행하여 시스템을 오프시킨다.
상기 셧다운 과정에서 연료전지(스택)의 전압이 제거되면, 수소공급밸브를 닫고 수소 재순환 밸브의 구동을 중지시키는 등 연료전지 스택(200)의 애노드로 공급되던 수소의 공급을 중단하고(S115,S116), 보조동력원인 배터리(300)의 전원을 차단한 상태로 하여(S117) 완전한 시스템 오프가 이루어지게 된다(S118).
첨부한 도 6은 본 발명에 따른 연료전지 셧다운 과정에서 시스템의 주요 인자의 변화를 보여주는 도면으로서, 시간에 따른 연료전지 스택의 전압 및 출력 상태, 배터리의 전류 상태, 연료전지 스택의 캐노드로 공급되는 공기공급량, 연료전지 스택의 온도를 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 시동 오프 검출 후 콜드 셧다운 과정에서 스택 웜업 퍼징이 개시되면, 스택 부하를 연료전지 스택에 연결하고, 배터리 출력은 차단한 상태에서(배터리 전류 차단), 연료전지 스택에서만 출력이 이루어지고, 이러한 스택 웜업 퍼징 과정(연료전지 단독 모드(배터리 아이들 모드))에서 연료전지 스택의 온도는 점차 상승한다.
이러한 스택 웜업 퍼징 과정에서는 멤브레인 내부에 존재해 있던 물이 캐소드의 채널부로 이동한 뒤, 채널부로 이동한 물이 캐소드 내에서 생성된 생성수와 함께 히팅된 공기의 퍼징에 의해 제거된다.
이어 스택 무부하 퍼징이 개시되면, 연료전지 스택의 출력은 차단되고, 배터리에서만 출력이 이루어지는데, 이러한 스택 무부하 퍼징 과정(배터리 단독 모드)에서 히팅된 공기의 퍼징에 의해 캐스드의 채널부에 잔존해 있던 물이 제거되게 된다.
이후 물 제거가 완료되면, 연료전지 스택의 전압을 제거하는 정상적인 셧다운 과정이 진행되며, 이 과정에서 공기의 공급을 중단한 상태로 수소의 공급을 유지하여 캐소드 내 산소를 소진하게 되고, 이때 배터리의 출력 전류는 수소의 공급 을 위해 수소 재순환 블로워 등을 구동하는데 사용된다.
연료전지 스택의 산소 소진 및 전압 제거가 완료되면, 배터리의 출력을 차단하는 등의 과정을 거쳐 시스템의 오프를 완료하게 된다.
도시한 예에서, 물 제거 과정의 초반, 즉 스택 웜업 퍼징 과정에서 연료전지 스택의 출력 전류 프로파일을 일정한 값으로 설정됨을 예시하였으나, 스택 부하의 저항값 조정 등을 통해 연료전지 스택의 출력 전류는 다양한 프로파일로 조정할 수 있다.
또한 스택의 전류 인가로 채널부로 이동하는 물의 양은 증가하지만, 생성수가 많아지므로, 전류의 크기는 최적화가 필요할 수 있다. 예를 들어 점차 증가하다가 점차 감소하는 프로파일로 설정할 수 있으며, 그 구현은 배터리 파워 어시스트 양 제어로 가능하다.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명이 구현되는 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 연료전지 셧다운 과정에서 공기 공급 상태 및 전력 공급 상태를 나타내는 시스템 작동도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지의 물 제거 및 셧다운 과정을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 셧다운 과정에서 시스템의 주요 인자의 변화를 보여주는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연료전지 보기류 110 : 수소공급장치
117 : 수소 120 : 공기공급장치
122 : 공기블로워 123 : 가습기
133 : 스택 부하(스택 연결 저항) 134 : 릴레이
135 : 바이패스라인 136 : 밸브수단(3-웨이 밸브)
200 : 연료전지 스택 300 : 배터리
310 : DC/DC 컨버터 401 : 메인 릴레이
410 : 인버터 420 : 구동모터
500 : 제어기

Claims (9)

  1. 연료전지 시스템의 시동 오프가 검출되면, 외기온도가 설정된 기준온도1 미만인지를 판정하는 단계와;
    상기 외기온도가 기준온도1 미만이면, 연료전지 스택으로의 수소 공급은 정상으로 유지한 상태에서, 연료전지 스택의 출력으로 연료전지 보기류 및 스택 부하를 작동시켜, 연료전지 스택을 웜업하는 단계와;
    공기공급장치에 의해 공급되는 공기를 상기 스택 부하로 통과시켜 히팅되는 공기를 연료전지 스택의 캐소드에 공급하여 스택 내에 존재하는 물을 제거하는 공기 공급 퍼징 단계와;
    상기 물 제거 단계 후 공기 공급을 중지하여 연료전지 시스템을 오프시키는 단계;
    를 포함하는 연료전지 셧다운 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외기온도에 대한 기준온도1은 빙점으로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셧다운 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 시스템의 시동 오프 검출에서 외기온도가 기준온도1 이상이면 정상적으로 공기 공급을 중지하여 연료전지 시스템을 오프시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 셧다운 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준온도1 미만으로 판정한 이후 스택 내의 물을 제거하는 공기 공급 퍼징 단계는, 연료전지 스택의 출력만으로 연료전지 보기류 및 저항타입의 스택 부하를 작동시키는 연료전지 단독 모드로 진행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셧다운 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 히팅 공기에 의한 퍼징 단계가 진행되는 동안 연료전지 스택의 온도가 상승하여 설정된 기준온도2를 초과하는지를 판정하는 단계와;
    연료전지 스택의 온도가 기준온도2를 초과하면, 일정시간 동안 보조동력원인 축전수단의 출력으로 상기 연료전지 보기류 및 스택 부하를 작동시켜, 공기공급장치 및 스택 부하를 통해 공급 및 히팅되는 공기를 연료전지 스택의 캐소드에 공급하여 물을 제거하는 퍼징 단계;
    를 추가로 진행한 후, 공기 공급을 중지하여 연료전지 시스템을 오프시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 셧다운 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기준온도2를 판정한 이후 물을 제거하는 단계는 축전수단의 출력만으로 연료전지 보기류 및 스택 부하를 작동시키는 축전수단 단독 모드로 진행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셧다운 방법.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 축전수단은 배터리인 것을 특징으로 하는 연료전지 셧다운 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    연료전지 시스템의 시동 오프 검출에서 연료전지 시스템이 완전 오프되기까지 연료전지 스택으로의 수소 공급은 정상적으로 실행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 셧다운 방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 스택 부하는 연료전지 시스템의 시동 오프시 산소 소진 및 전압 제거를 위해 사용하는 스택 전류 소모용 스택 연결 부하인 것을 특징으로 하는 연료전지 셧다운 방법.
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