KR101135528B1 - 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 단위 셀들의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)제1 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원과, ⅲ)제2 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급원과, ⅳ)상기 제2 연결라인 상에 설치되어 상기 연료와 산화제의 산화 촉매 반응으로서 열을 발생시키는 버너과, ⅴ)상기 제1 연결라인과 상기 제2 연결라인을 연결하는 제3 연결라인에 설치되어 연료와 산화제를 상기 버너로 공급하기 위한 믹싱 밸브와, ⅵ)상기 버너에 설치되어 전원으로서 열을 발생시키며 그 열을 상기 버너에 제공하는 히터를 포함한다.
연료전지, 냉시동, 버너, 히터

Description

냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 차량의 냉 시동성을 개선하기 위한 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 전지가 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 이 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.
또한 상기 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 세퍼레이터(Separator)가 위치한다.
따라서, 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소 쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 산소 쪽은 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응을 한다.
즉, 수소가 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급되는 바, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 세퍼레이터를 통하여 캐소드로 전달된다.
이에, 캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 세퍼레이터를 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나 서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
그런데, 주위의 온도가 0℃ 이하로 하강된 겨울철에 저온 방치된 자동차를 시동할 경우, 스택 내부의 외부 온도에 의해 결빙되어 있기 때문에, 역전압에 의한 냉 시동이 불가능해진다.
이를 해결하기 위해 종래 기술에서는 외부의 회로를 이용하여 연료 전지에 열을 제공하는 방법이 있으나, 전류 출력과 셀 전압 밸런싱 등의 평형이 요구된다는 문제점을 안고 있다.
그리고, 종래 기술에서는 다른 방법으로 수소와 산소의 혼합 가스를 애노드 혹은 캐소드 측에 바로 주입하여 수소와 산소가 물로 변환되면서 반응가스와 물의 모든 에너지가 열로 변환되도록 하는 방법이 있으나, 이 경우는 믹싱 챔버 등의 여러 부품이 추가적으로 구비되어야 한다는 문제점을 내포하고 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 수소와 산소의 혼합 가스를 그 혼합 가스의 산화 촉매 반응을 통해 열을 발생시키는 버너를 이용하여 가열하고, 단위 전지에서 혼합 가스의 반응열을 통해 전체 스택의 온도를 상승시킴으로써 차량의 냉 시동성을 개선할 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 단위 셀들의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)제1 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원과, ⅲ)제2 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급원과, ⅳ)상기 제2 연결라인 상에 설치되어 상기 연료와 산화제의 산화 촉매 반응으로서 열을 발생시키는 버너과, ⅴ)상기 제1 연결라인과 상기 제2 연결라인을 연결하는 제3 연결라인에 설치되어 연료와 산화제를 상기 버너로 공급하기 위한 믹싱 밸브와, ⅵ)상기 버너에 설치되어 전원으로서 열을 발생시키며 그 열을 상기 버너에 제공하는 히터를 포함한다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템은, 상기 스택에 설치되어 그 스택의 온도를 감지하고, 감지 신호를 제어기로 출력하는 온도 센서를 포함할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 히터는 배터리와 전기적으로 연결되게 설치될 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템은, 상기 버너의 후단에서 상기 제1 연결라인과 제2 연결라인을 연결하는 제4 연결라인을 더 포함할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템은, 상기 버너에서 가열된 연료와 산화제를 상기 제4 연결라인을 통해 상기 단위 셀들의 애노드로 공급할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템은, 상기 버너의 후단측 상기 제2 연결라인에 상기 제4 연결라인의 유로를 선택적으로 개폐시키기 위한 3-웨이 밸브가 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 단위 셀들의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)제1 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원과, ⅲ)제2 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급원과, ⅳ)상기 제2 연결라인 상에 설치되어 상기 연료와 산화제의 산화 촉매 반응으로서 열을 발생시키는 제1 버너와, ⅴ)상기 제1 연결라인과 상기 제2 연결라인을 연결하는 제3 연결라인에 설치되어 연료와 산화제를 상기 제1 버너로 공급하기 위한 믹싱 밸브와, ⅵ)상기 버너에 설치되어 전원으로서 열을 발생시키며 그 열을 상기 버너에 제공하는 히터와, ⅶ)상기 스택의 캐소드 배출 측에 설치되어 상기 스택에서 배출되는 상기 연료와 산화제를 산화 촉매 반응으로서 제거하는 제2 버너를 포함한다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 차량의 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, ⅰ)스택의 온도를 판단하는 단계와, ⅱ)상기 스택의 온도가 기설정된 (-)온도 이상으로 판단되면, 연료와 산화제를 혼합하여 버너로 공급하며, 상기 버너에서 가열된 연료와 산화제를 스택으로 공급하는 단계와, ⅲ)상기 스택의 온도가 기설정된 (+)온도 이상인지를 판단하는 단계와, ⅳ)상기 스택의 온도가 기설정된 (+)온도 이상으로 판단되면, 연료와 산화제를 상기 스택으로 각각 공급하며 연료 전지 시스템의 정상 구동이 이루어지는 단계를 포함한다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅱ)단계에서 상기 스택의 온도가 기설정된 (-)온도 미만으로 판단되면, 히터를 가동하여 버너를 예열하며, 연료와 산화제를 혼합하여 버너로 공급하여 그 버너에서 가열된 연료와 산화제를 상기 스택으로 공급할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅱ)단계에서 상기 스택의 애노드로 연료를 공급하고, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 캐소드로 공급할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅱ)단계에서 믹싱 밸브를 개방하여 연료와 산화제를 혼합하고, 상기 (ⅳ)단계에서 상기 믹싱 밸브를 폐쇄할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅲ)단계에서 상기 스택의 온도가 기설정된 (+)온도 미만으로 판단되면, 상기 (ⅱ)단계에서 상기 스택의 캐소드로 연료와 산화제를 공급할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅱ)단계에서, 상기 스택의 애노드로 연료를 공급하고, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 애노드로 공급할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅱ)단계에서, 상기 스택의 애노드로 연료를 공급하고, 상기 스택의 캐소드로 연료를 공급하며, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 캐소드로 공급할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅱ)단계에서, 상기 스택의 애노드로 연료를 공급하고, 상기 스택의 캐소드로 연료를 공급하며, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 애노드로 공급할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅱ)단계에서, 상기 스택의 애노드와 캐소드로 연료를 동시에 공급하고, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 캐소드로 공급할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅱ)단계에서, 상기 스택의 애노드와 캐소드로 연료를 동시에 공급하고, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 애노드로 공급할 수 있다.
상기 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 상기 (ⅱ)단 계에서, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 애노드와 캐소드로 동시에 공급할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 차량의 냉 시동 조건에서 스택의 온도를 상승시키기 위해 단위 셀들의 캐소드로 공급되는 연료와 공기를 버너의 산화 촉매에 의한 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 발생되는 열로 가열할 수 있으므로, 단위 셀들의 캐소드에서 연료 중의 수소와 공기 중의 산소가 환원 반응을 일으키며 발생하는 열에 의해 전체 스택의 온도를 빠른 시간 안에 상승시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 차량의 냉 시동 시, 버너에 의해 가열된 연료와 공기를 단위 셀들의 캐소드로 공급하고, 단위 셀들에서 화학적으로 반응하며 발생되는 열을 전체 스택에 골고루 제공함으로 전체 스택의 해동이 용이하다는 잇점이 있다.
또한, 본 실시예에서는 단위 셀들에서 출력되는 전류를 이용하여 스택을 가열하는 방식과 달리 화학 반응을 통해 냉 시동이 가능하므로 전류 출력과 셀 전압 밸런싱 등의 평형을 맞출 필요가 없으며, 연료와 공기를 혼합하여 단위 셀들의 캐소드로 공급하기 위한 믹싱 챔버 등을 필요로 하지 않으므로 전체 시스템의 구성을 단순화시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 자동차에 구성되는 것으로, 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 이루어진다.
여기서, 연료는 연료 전지 시스템(100)이 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성되는 경우, 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수 있다.
그리고, 연료는 연료 전지 시스템(100)이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우, 당 업계에서 "리포머(Reformer)"라고 하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다. 그러나 이하에서는 산화제를 편의 상 공기라고 칭한다.
이와 같은 연료 전지 시스템(100)은 주위의 온도가 0℃ 이하로 하강된 겨울 철에 저온 방치된 자동차를 시동할 경우, 본 실시예에서 스택(10)의 온도를 기설정값(0도) 이상으로 상승시켜 적용 차량의 냉 시동성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과, 연료 공급원(20)과, 공기 공급원(30)과, 버너(40)와, 믹싱 밸브(50)와, 히터(60)와, 제어기(90)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
상기 스택(10)은 다수의 단위 셀들(11)을 연속적으로 배열한 전기 발생 집합체로서 이루어지는 바, 각각의 단위 셀(11)은 연료 및 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서 구비된다.
여기서, 각 단위 셀(11)은 상술한 바 있는 연료에 따라 고분자 전해질형 연료 전지로 이루어질 수 있으며, 직접 산화형 연료 전지로서 이루어질 수도 있다.
상기 단위 셀들(11)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(도면에 도시하지 않음)과, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터를 포함한다.
이 경우, 세퍼레이터는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 어셈블리의 밀착면으로 연료 및 공기를 유동시키기 위한 채널을 각각 형성하고 있다.
그리고, 막-전극 어셈블리는 일면에 애노드 전극(이하에서는 편의상 "애노드" 라고 한다)을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극(이하에서는 편의상 "캐소드" 라고 한다)을 형성하며, 이들 애노드와 캐소드 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.
애노드는 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드로 이동시키는 기능을 하게 된다.
그리고, 캐소드는 애노드 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.
여기서, 상기와 같은 스택(10)에는 그 스택(10)의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기(90)로 출력하는 온도 센서(15)를 구비하고 있다.
그리고, 상기 스택(10)은 단위 셀들(11)의 애노드와 연결되는 퍼지라인(17) 및 그 퍼지라인(17)에 설치되는 퍼지 밸브(18)를 구비하고, 단위 셀들(11)에서 생성되는 수분과 미반응 공기를 배출하는 공기 배출라인(19)을 구비하고 있다.
상기 연료 공급원(20)은 앞서 설명한 바 있는 연료를 스택(10)에 있어 단위 셀들(11)의 애노드로 공급하기 위한 것으로서, 제1 연결라인(21)을 통해 스택(10)과 연결되게 설치된다.
여기서, 상기 제1 연결라인(21)에는 그 연결라인(21)의 유로를 선택적으로 개폐시키기 위한 개폐 밸브(23)가 설치된다.
상기 공기 공급원(30)은 공기를 스택(10)에 있어 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급하기 위한 것으로서, 통상적인 구조의 에어 블로워(air blower)로서 구비되며, 제2 연결라인(31)을 통해 스택(10)과 연결되게 설치된다.
본 실시예에서, 상기 버너(40)는 뒤에서 더욱 설명하는 믹싱 밸브(50)의 조작으로서 연료 공급원(20)으로부터 공급되는 연료와, 공기 공급원(30)으로부터 공급되는 공기를 제공받아 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 열을 발생시키기 위한 것이다.
이 경우, 상기 버너(40)는 소용량의 버너 용기에 산화 촉매가 충진된 구조로서 이루어지며, 기설정된 임계 온도 이상에서 산화 촉매에 의한 연료와 공기의 산화 촉매 반응으로서 일정 온도의 열을 발생시킬 수 있다.
상기 버너(40)는 제2 연결라인(31) 상에 설치되며 연료와 공기의 일부를 산화 촉매에 의한 산화 촉매 반응으로서 열을 발생시키는 것으로 사용하고, 그 열을 통해 나머지의 연료와 공기를 가열한 상태로 제2 연결라인(31)을 통해 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급하게 된다.
이러한 버너(40)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 촉매 방식 버너(catalystic burner)로서 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서, 상기 믹싱 밸브(50)는 연료 공급원(20)으로부터 공급되는 연료와 공기 공급원(30)으로부터 공급되는 공기를 혼합하여 버너(40)로 공급하기 위한 것이다.
상기 믹싱 밸브(50)는 언급한 바 있는 제1 연결라인(21)과 제2 연결라인(31)을 연결하는 제3 연결라인(51)에 설치되며, 제어기(90)로부터 제공되는 전기적인 제어 신호에 의해 제3 연결라인(51)의 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 통상적인 구조의 밸브장치로서 이루어진다.
본 실시예에서, 상기 히터(60)는 버너(40)의 온도가 낮으면 산화 촉매가 반응하지 않으므로, 산화 촉매의 활성화를 위해 그 버너(40)에 기설정된 임계 온도 이상의 열을 제공하기 위한 것이다.
상기 히터(60)는 전원으로서 열을 발생시키는 구조로서 이루어지며, 버너(40)에 설치되고, 배터리(80)와 전기적으로 연결되게 설치된다.
상기에서, 제어기(90)는 전기적인 제어 신호로서 연료 전지 시스템(100)의 전반적인 구동을 제어하기 위한 것으로서, 위에서 언급한 바 있는 밸브들(23, 50), 히터(60) 등의 작동을 제어한다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도면을 참조하면, 우선 운전자가 차량을 운행하기 위하여 시동 키를 온(on) 조작하게 되면, 제어기(90: 도 1 참조)는 온도 센서(15: 도 1 참조)로부터 입력되는 스택(10: 도 1 참조)의 온도 신호를 통해 차량이 냉 시동 조건인가를 판단한다.
즉, 본 실시예에서 제어기(90)는 차량의 냉 시동 조건에서, 스택(10)의 온도가 0도 미만이면서(S1 단계) 기설정된 (-)온도(대략 -10도) 이상인가를 판단한 다(S2 단계).
이어서, 상기 S1 단계 및 S2 단계에서 스택의 온도가 0도 미만이면서 기설정된 (-)온도 이상으로 판단되면, 도 3a에서와 같이 연료 공급원(20)을 통해 연료를 스택(10)으로 공급하는데, 개폐 밸브(23)를 개방한 상태에서 제1 연결라인(21)을 통해 연료를 단위 셀들(11)의 애노드로 공급한다(S3 단계).
다음, 제어기(90)는 믹싱 밸브(50)에 제어 신호를 인가하여 제3 연결라인(51)을 개방하고, 공기 공급원(30)을 작동시킨다.
그러면, 연료 공급원(20)으로부터 공급되는 연료의 일부, 및 공기 공급원(30)으로부터 공급되는 공기는 제2 연결라인(31)에서 혼합된 상태로 버너(40)에 제공된다(S4 단계).
이 후, 상기 버너(40)에서는 연료와 공기의 일부가 산화 촉매를 통해 산화 촉매 반응을 일으키며 열을 발생시키고, 상기한 연료와 공기의 나머지 대부분은 열을 제공받아 가열된 상태로 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급된다(S5 단계).
따라서, 본 실시예에서는 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급되는 연료와 공기를 버너(40)를 통해 가열하므로, 그 캐소드 입구 부분의 촉매 온도를 빠르게 상승시킬 수 있게 되고, 그 캐소드에서 연료 중의 수소와 공기 중의 산소가 환원 반응을 일으키며 발생하는 열에 의해 점차적으로 전체 캐소드의 온도가 상승하게 되며, 이로 인해 전체 스택(10)의 온도를 높일 수 있게 된다.
상술한 바와 같은 과정을 거친 후, 제어기(90)는 온도 센서(15)를 통해 제공되는 감지 신호를 제공받아 스택(10)의 온도가 0도 이상인지를 판단한다(S6 단계).
상기 S6 단계에서 스택(10)의 온도가 0도 이상인 것으로 판단되면, 본 실시예에서는 연료 전지 시스템(100)의 정상 구동이 이루어진다(S7 단계).
즉, 도 3b에서와 같이 제어기(90)를 통해 믹싱 밸브(50)를 조작하여 제3 연결라인(51)을 폐쇄한 상태에서, 연료 공급원(20)으로부터 연료를 제1 연결라인(21)을 통해 단위 셀들(11)의 애노드로 공급하고, 공기 공급원(30)으로부터 공기를 제2 연결라인(31)을 통해 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급하게 되면, 스택(10)의 단위 셀들(11)에서는 연료 중에 함유된 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키게 된다.
한편, 제어기(90)는 상기 S6 단계에서 스택(10)의 온도가 0도 미만인 것으로 판단되면, 상기 S3 단계 이후의 과정을 반복한다.
다른 한편으로, 상기 S2 단계의 냉 시동 조건에서, 스택(10)의 온도가 0도 미만이면서(S1 단계) 기설정된 (-)온도(대략 -10도) 미만으로 판단되면, 도 3c에서와 같이 연료 공급원(20)을 통해 연료를 스택(10)으로 공급하는데, 개폐 밸브(23)를 개방한 상태에서 제1 연결라인(21)을 통해 연료를 단위 셀들(11)의 애노드로 공급한다(S11 단계).
다음, 제어기(90)는 배터리(80)의 전원을 히터(60)에 인가한다. 그러면, 히터(60)는 배터리(80)의 전원을 인가받아 열을 발생시키고, 그 열을 버너(40)에 제공한다(S12 단계).
이 후, 일정 시간 동안 히터(60)를 통해 버너(40)를 예열하여 그 버너(40)가 기설정된 임계 온도 이상으로 예열되면, 제어기(90)는 배터리(80)로부터 히터(60) 로 인가되는 전원을 차단한다(S13 단계).
다음, 제어기(90)는 믹싱 밸브(50)에 제어 신호를 인가하여 제3 연결라인(51)을 개방하고, 공기 공급원(30)을 작동시킨다.
그러면, 연료 공급원(20)으로부터 공급되는 연료의 일부, 및 공기 공급원(30)으로부터 공급되는 공기는 제2 연결라인(31)에서 혼합된 상태로 버너(40)에 제공된다(S14 단계).
이 후, 상기 버너(40)에서는 연료와 공기의 일부가 산화 촉매를 통해 산화 촉매 반응을 일으키며 열을 발생시키고, 상기한 연료와 공기의 나머지 대부분은 열을 제공받아 가열된 상태로 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급된다(S15 단계).
따라서, 본 실시예에서는 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급되는 연료와 공기를 버너(40)를 통해 가열하므로, 그 캐소드 입구 부분의 촉매 온도를 빠르게 상승시킬 수 있게 되고, 그 캐소드에서 연료 중의 수소와 공기 중의 산소가 환원 반응을 일으키며 발생하는 열에 의해 점차적으로 전체 캐소드의 온도가 상승하게 되며, 이로 인해 전체 스택(10)의 온도를 높일 수 있게 된다.
상술한 바와 같은 과정을 거친 후, 제어기(90)는 온도 센서(15)를 통해 제공되는 감지 신호를 제공받아 스택(10)의 온도가 0도 이상인지를 판단한다(S16 단계).
상기 S16 단계에서 스택(10)의 온도가 0도 이상인 것으로 판단되면, 본 실시예에서는 언급한 바 있는 S7 단계에서와 같이 연료 전지 시스템(100)의 정상 구동이 이루어진다.
이와 같이 연료 전지 시스템(100)의 정상 구동은 도 3b를 참조하여 앞서 설명한 바 있으므로, 이하에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 제어기(90)는 상기 1S6 단계에서 스택(10)의 온도가 0도 미만인 것으로 판단되면, 상기 S13 단계 이후의 과정을 반복한다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 따르면, 겨울철에 저온 방치된 자동차를 냉 시동할 때, 상술한 바와 같은 일련의 과정을 통해 스택(10)의 온도를 기설정값 이상으로 상승시킬 수 있기 때문에, 동절기 자동차의 냉 시동성을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 차량의 냉 시동 조건에서 스택(10)의 온도를 상승시키기 위해 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급되는 연료와 공기를 버너(40)의 산화 촉매에 의한 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 발생되는 열로 가열할 수 있으므로, 단위 셀들(11)의 캐소드에서 연료 중의 수소와 공기 중의 산소가 환원 반응을 일으키며 발생하는 열에 의해 전체 스택(10)의 온도를 빠른 시간 안에 상승시킬 수 있게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 차량의 냉 시동 시, 버너(40)에 의해 가열된 연료와 공기를 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급하고, 단위 셀들(11)에서 화학적으로 반응하며 발생되는 열을 전체 스택(10)에 골고루 제공함으로 전체 스택(10)의 해동이 용이하다는 잇점이 있다.
또한, 본 실시예에서는 단위 셀들(11)에서 출력되는 전류를 이용하여 스택을 가열하는 방식과 달리 화학 반응을 통해 냉 시동이 가능하므로 전류 출력과 셀 전 압 밸런싱 등의 평형을 맞출 필요가 없으며, 연료와 공기를 혼합하여 단위 셀들(11)의 캐소드로 공급하기 위한 믹싱 챔버 등을 필요로 하지 않으므로 전체 시스템(100)의 구성을 단순화시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 연료와 산화제의 산화 촉매 반응으로서 스택(10)으로 공급되는 연료와 산화제를 가열하기 위한 버너(40)(편의 상 "제1 버너"라고 한다)와 별도로 스택(10)의 캐소드 배출 측에 설치되는 제2 버너(70)를 더 포함하고 있다.
상기 제2 버너(70)는 제1 버너(40)와 동일한 구조로서 이루어지며, 스택(10)의 캐소드에서 반응하지 않고 배출되는 연료와 산화제의 혼합 가스를 산화 촉매 반응으로서 제거하는 기능을 하게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템(200)의 나머지 구성, 제어 방법 및 작용 효과는 전기 실시예에서와 같으므로, 이하에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템(300)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 버 너(140)의 후단에서 제1 연결라인(121)과 제2 연결라인(131)을 연결하는 제4 연결라인(171)을 더 포함하고 있다.
즉, 본 실시예는 전기 실시예에서와 같이 상기 버너(140)에서 가열된 연료와 산화제를 제4 연결라인(171)을 통해 단위 셀들(111)의 애노드로 공급할 수 있는 구조로서 이루어진다.
이를 위해 본 실시예에서는 버너(140)의 후단측 제2 연결라인(131)에 제4 연결라인(171)의 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 3-웨이 밸브(175)가 설치된다.
따라서 본 실시예에 의하면, 우선 연료 전지 차량의 냉 시동 조건에서, 연료 공급원(120)으로부터 공급되는 연료와 공기 공급원(130)으로부터 공급되는 공기를 믹싱 밸브(150)를 통해 혼합하여 버너(140)로 공급한다.
그러면, 상기 버너(140)에서는 연료와 공기의 일부가 산화 촉매를 통해 산화 촉매 반응을 일으키며 열을 발생시키게 되고, 그 버너(140)에서 가열된 연료와 공기의 나머지 대부분은 3-웨이 밸브(175)에 의해 제4 연결라인(171)을 통하여 스택(110)의 단위 셀들(111)의 애노드로 공급된다.
여기서, 스택(110)의 온도가 0도 미만이면서 기설정된 (-)온도(대략 -10도) 미만으로 판단되면, 제어기(190)는 배터리(180)의 전원을 히터(160)에 인가하여 그 히터(160)에서 발생하는 열을 버너(140)에 제공한다.
이로써, 본 실시예에서는 연료 전지 차량의 냉 시동 조건에서 연료 중의 수소와 공기 중의 산소가 스택(110)에서 환원 반응을 일으키며 발생하는 열에 의해 전체 스택(110)의 온도를 높일 수 있게 된다.
한편, 본 실시예에서는 제어기(190)를 통해 믹싱 밸브(150)와 3-웨이 밸브(175)를 제어하여 다음에서와 같은 다양한 방법으로 연료 전지 차량의 냉 시동성을 개선할 수 있다.
본 실시예에서는 스택(110)의 애노드로 연료를 공급한 후, 그 스택(110)의 캐소드로 연료를 공급하고, 버너(140)를 거친 연료와 산화제를 스택(110)의 캐소드로 공급할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 스택(110)의 애노드로 연료를 공급한 후, 그 스택(110)의 캐소드로 연료를 공급하고, 버너(140)를 거친 연료와 산화제를 스택(110)의 애노드로 공급할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 스택(110)의 애노드와 캐소드로 연료를 동시에 공급하고, 버너(140)를 거친 연료와 산화제를 그 스택(110)의 캐소드로 공급할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 스택(110)의 애노드와 캐소드로 연료를 동시에 공급하고, 버너(140)를 거친 연료와 산화제를 그 스택(110)의 애노드로 공급할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 버너(140)를 거친 연료와 산화제를 스택(110)의 애노드와 캐소드로 동시에 공급할 수도 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템(300)의 나머지 구성, 제어 방법 및 작용 효과는 전기 실시예에서와 같으므로, 이하에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

Claims (18)

  1. 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 단위 셀들의 집합체로서 이루어지는 스택;
    제1 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원;
    제2 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급원;
    상기 제2 연결라인 상에 설치되어 상기 연료와 산화제의 산화 촉매 반응으로서 열을 발생시키는 버너;
    상기 제1 연결라인과 상기 제2 연결라인을 연결하는 제3 연결라인에 설치되어 연료와 산화제를 상기 버너로 공급하기 위한 믹싱 밸브; 및
    상기 버너에 설치되어 전원으로서 열을 발생시키며 그 열을 상기 버너에 제공하는 히터를 포함하며,
    상기 버너에서 가열된 연료와 산화제를 상기 단위 셀들의 캐소드로 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스택에 설치되어 그 스택의 온도를 감지하고, 감지 신호를 제어기로 출력하는 온도 센서를 포함하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 히터는 배터리와 전기적으로 연결되게 설치되는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 버너의 후단에서 상기 제1 연결라인과 제2 연결라인을 연결하는 제4 연결라인을 더 포함하고,
    상기 버너에서 가열된 연료와 산화제를 상기 제4 연결라인을 통해 상기 단위 셀들의 애노드로 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 버너의 후단측 상기 제2 연결라인에 상기 제4 연결라인의 유로를 선택적으로 개폐시키기 위한 3-웨이 밸브가 설치되는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템.
  7. 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 단위 셀들의 집합체로서 이루어지는 스택;
    제1 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 공급원;
    제2 연결라인을 통해 상기 스택과 연결되게 구비되어 상기 스택으로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급원;
    상기 제2 연결라인 상에 설치되어 상기 연료와 산화제의 산화 촉매 반응으로서 열을 발생시키는 제1 버너;
    상기 제1 연결라인과 상기 제2 연결라인을 연결하는 제3 연결라인에 설치되어 연료와 산화제를 상기 제1 버너로 공급하기 위한 믹싱 밸브;
    상기 버너에 설치되어 전원으로서 열을 발생시키며 그 열을 상기 버너에 제공하는 히터; 및
    상기 스택의 캐소드 배출 측에 설치되어 상기 스택에서 배출되는 상기 연료와 산화제를 산화 촉매 반응으로서 제거하는 제2 버너
    를 포함하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템.
  8. 연료 전지 차량의 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
    ⅰ)스택의 온도를 판단하는 단계;
    ⅱ)상기 스택의 온도가 기설정된 (-)온도 이상으로 판단되면, 연료와 산화제를 혼합하여 버너로 공급하며, 상기 버너에서 가열된 연료와 산화제를 스택으로 공 급하는 단계;
    ⅲ)상기 스택의 온도가 기설정된 (+)온도 이상인지를 판단하는 단계; 및
    ⅳ)상기 스택의 온도가 기설정된 (+)온도 이상으로 판단되면, 연료와 산화제를 상기 스택으로 각각 공급하며 연료 전지 시스템의 정상 구동이 이루어지는 단계
    를 포함하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계에서,
    상기 스택의 온도가 기설정된 (-)온도 미만으로 판단되면, 히터를 가동하여 버너를 예열하며, 연료와 산화제를 혼합하여 버너로 공급하여 그 버너에서 가열된 연료와 산화제를 상기 스택으로 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계에서,
    상기 스택의 애노드로 연료를 공급하고, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 캐소드로 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계에서 믹싱 밸브를 개방하여 연료와 산화제를 혼합하고, 상기 (ⅳ)단계에서 상기 믹싱 밸브를 폐쇄하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅲ)단계에서 상기 스택의 온도가 기설정된 (+)온도 미만으로 판단되면, 상기 (ⅱ)단계에서 상기 스택의 캐소드로 연료와 산화제를 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계에서,
    상기 스택의 애노드로 연료를 공급하고, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 애노드로 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계에서,
    상기 스택의 애노드로 연료를 공급하고, 상기 스택의 캐소드로 연료를 공급하며, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 캐소드로 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계에서,
    상기 스택의 애노드로 연료를 공급하고, 상기 스택의 캐소드로 연료를 공급하며, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 애노드로 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  16. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계에서,
    상기 스택의 애노드와 캐소드로 연료를 동시에 공급하고, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 캐소드로 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  17. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계에서,
    상기 스택의 애노드와 캐소드로 연료를 동시에 공급하고, 상기 연료와 산화제를 상기 스택의 애노드로 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  18. 제8 항에 있어서,
    상기 (ⅱ)단계에서,
    상기 연료와 산화제를 상기 스택의 애노드와 캐소드로 동시에 공급하는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지 시스템의 제어 방법.
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