KR101438617B1 - 연료전지 시스템의 운전방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 운전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은, 스택의 각 셀에서 생성되는 전압들을 연산하고 전압안정성조건을 만족시키는지 판단하는 단계, 상기 전압안정성조건이 만족되지 않으면, 수분밸런스조건과 수소공급조건을 만족시키는지 판단하는 단계, 상기 수분밸런스조건과 상기 수소공급조건을 모두 만족시키는 것으로 판단되면, 상기 전압안정성조건을 완화하여 재설정하는 단계, 상기 스택의 각 셀에서 생성되는 전압들이 재설정된 전압안정성조건을 만족시키는지 판단하는 단계, 및 상기 재설정된 전압안정성조건이 만족시키면, 상기 스택을 정상적으로 운전하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 스택의 특정 셀에서 전압강하가 일어나더라도 수소가 안정적으로 공급되고, 물밸런스가 안정적으로 유지되면, 정상적으로 스택을 운전함으로써 스택의 운전 전력을 저감시키고 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 운전방법{OPERATING METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 공기극으로 공기를 공급받고 연료극으로 수소를 공급받아서 이들을 서로 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생성하는 연료전지 시스템의 운전방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 시스템이 탑재된 연료 전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
여기서, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
이러한 연료전지 시스템은 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.
이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, 연료전지의 연료극에서는 미반응된 수소와, 공기극에서 넘어온 수분이 응축된 응축수를 배출하는데, 그 미반응된 수소는 수소 재순환장치를 통하여 연료전지 스택으로 공급되고, 응축수는 워터 트랩에 저장되며 외부로 배출된다.
그리고, 연료전지 시스템에서는 미반응 수소의 재순환 시, 연료전지 스택의 연료극에서 발생되는 이물질을 제거하기 위해 수소를 퍼지시키고 있다.
한편, 연료 전지 시스템에서 가스 또는 냉각수가 정상적으로 분배되지 않게되면, 특정 셀의 성능이 저하되어 열화가능성이 증가하고, 이를 방지하고자 전류제한 기능이 적용되고 있다.
아울러, 특정 셀의 성능이 저하되면, 퍼지밸브를 통해서 수소와 수분과 같은 이물질을 퍼지시키고, 수소블로워의 회전수를 증가시키며, 공기블로워의 회전수를 증가시킴으로서 셀의 성능을 회복하기도 한다.
그러나, 상기와 같이 블로워의 회전수를 늘리고, 이물질을 배출하는 동작은 전체적인 전기에너지의 소모를 증가시키고, 전체적인 차량의 연료소모를 증가시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 특정 셀의 성능이 저하되더라도 스텍 자체에서 소모되는 운전 전력을 저감시킴으로써 전체적인 연료전지의 효율을 증가시킬 수 있는 연료전지 시스템의 운전방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법은, 스택의 각 셀에서 생성되는 전압들을 연산하고 전압안정성조건을 만족시키는지 판단하는 단계, 상기 전압안정성조건이 만족되지 않으면, 수분밸런스조건과 수소공급조건을 만족시키는지 판단하는 단계, 상기 수분밸런스조건과 상기 수소공급조건을 모두 만족시키는 것으로 판단되면, 상기 전압안정성조건을 완화하여 재설정하는 단계, 상기 스택의 각 셀에서 생성되는 전압들이 재설정된 전압안정성조건을 만족시키는지 판단하는 단계, 및 상기 재설정된 전압안정성조건이 만족시키면, 상기 스택을 정상적으로 운전하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 재설정된 전압안정성조건이 만족되지 않으면, 상기 스택을 비정상적으로 운전하여 출력전류를 제한하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 스택의 각 셀에서 생성되는 전압들의 평균값을 연산하고, 최소값을 선택하고, 상기 최소값을 상기 평균값으로 나눈 값이 설정값 이상이면, 상기 전압안정성조건이 만족되는 것으로 판단할 수 있다.
상기 최소값을 상기 평균값으로 나눈 값이 설정값 미만이면, 상기 전압안정성조건이 만족되지 않는 것으로 판단할 수 있다.
상기 수분밸런스조건은 수소극의 응축수 퍼지밸브의 개방주기를 이용하여 판단될 수 있다.
상기 수소공급조건은 수소를 공급하는 수소블로워의 회전수와 공급압력을 이용하여 판단될 수 있다.
상기 수소공급조건은 수소 퍼지의 주기를 기초로 판단될 수 있다.
상기 개방주기가 설정된 범위에 포함되면 상기 수분밸런스조건이 만족되는 것으로 판단하고, 상기 수소블로워의 회전수와 공급압력이 설정된 범위에 포함되거나 상기 퍼지 주기가 설정된 범위에 포함되면 상기 수소공급조건이 만족되는 것으로 판단할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템의 운전방법은, 스택의 특정 셀에서 전압강하가 일어나더라도 수소가 안정적으로 공급되고, 물밸런스가 안정적으로 유지되면, 정상적으로 스택을 운전함으로써 스택의 운전 전력을 저감시키고 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소펌프기능에 의한 시간에 따른 셀의 전압을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소펌프기능에 의한 전류밀도에 따른 셀의 전압을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 특정 셀의 전압강하를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법을 보여주는 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 스택(120), 필터(100), 공기블로워(105), 가습기(110), 비례제어밸브(130), 이젝터(135), 재순환밸브(150), 퍼지밸브(140), 워터트랩(145), 라디에이터(160), 물펌프(165), 개도조절밸브(170), 및 제어부(180)를 포함한다.
상기 제어부(180)는 각 구성요소를 제어하여 상기 스택(120)의 연료극(anode)과 공기극(cathod)으로 공급되는 수소와 산소를 제어하여 전기를 생성한다. 여기서, 상기 스택(120)의 내부 상세구조에 대해서는 공지기술을 참조하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 스택(120)이 저온(섭씨 35도 이하)으로 운전되는 상태에서, 수소측(연료극, anode) 분리판(미도시)에서 수분발생으로 극부적으로 수소부족현상이 발생하고, 연료극의 담지체가 부식될 수 있고, 연료극으로 넘어온 산소에 의한 공기극의 담지체가 부식될 수 있다.
다만, 수소가 정상적으로 공급되는 조건에서 공기가 부족하게 되면, 수소펌프기능(hydrogen pump function)에 의해서 공기출구측의 수소농도가 증가하고 열화는 발생하지 않는다. 여기서, 상기 스택(120)의 수소펌프기능에 대해서는 공지기술을 참조하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소펌프기능에 의한 시간에 따른 셀의 전압을 보여주는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소펌프기능에 의한 전류밀도에 따른 셀의 전압을 보여주는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 셀의 전압을 나타낸다.
스택이 운전되는 동안에서 실시예로써 케이스1(case 1), 케이스2(case 2), 및 케이스3(case 3)에서 각각 셀의 전압강하가 일어나지 않았다.
아울러, 도 3을 참조하면, 가로축은 전류밀도를 나타내고 세로축은 셀의 전압을 나타낸다. 그리고, 기준셀을 기준으로 100시간 운전된 셀의 전압이 저하되지 않았다.
즉, 수소가 정상적으로 공급되고, 공기가 부족하게 공급되는 상황에서 연료극과 공기극 사이의 수소펌프기능에 의해서 공기출구 측의 수소농도가 증가하고 열화로 인한 전압강하는 발생하지 않는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 특정 셀의 전압강하를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가로축은 셀의 채널번호를 나타내고, 세로축은 셀의 전압을 나타낸다. 도시한 바와 같이, 특정 셀에서 전압이 낮게 나오는 전압강하 현상이 발생한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 5를 참조하면, S500에서 상기 스택(120)이 정상적으로 운전된다. S510에서 상기 스택(120)의 셀들이 전압안정성기준을 만족시키는지 판단된다.
좀 더 상세하게 설명하면, 상기 제어부(180)는 상기 스택(120)의 각 셀에서 생성되는 전압을 감지하고, 감지되는 전압값들의 평균값을 연산하고, 그 최소값을 선택한다. 그리고, 상기 제어부(180)는 상기 최소값을 상기 평균값으로 나눈다. 그리고, 상기 제어부(180)는 상기 최소값을 상기 평균값으로 나누어서 연산된 나눈값이 설정된 전압안정성기준(예를 들어, 0.8) 보다 작은지 판단한다.
상기 나눈값이 상기 전압안정기준보다 작은 것으로 판단되면, S520을 수행하고, 상기 나눈값이 상기 전압안정기준 이상으로 판단되면, S550에서 상기 스택은 정상적으로 운전된다.
S520에서, 물밸런스조건과 수소공급조건이 만족되는지 판단된다. 상기 두 가지 조건들이 모두 만족되면, S540을 수행하고, 두 가지 조건 중 적어도 하나가 만족되지 않으면, S530이 수행된다.
상기 물밸런스조건은 상기 스택(120)의 수소극(연료극, anode)에 대응하는 상기 퍼지밸브(140)의 개방주기와 개방시간 등이며, 상기 퍼지밸브(140)의 개방주기 또는 개방시간이 설정값을 만족하는 지가 판단된다.
상기 물밸런스조건에서 퍼지밸브의 퍼지주기의 산출방법은 전하량 기준 가중치 부여 합산값에 밸브의 오픈주기를 곱하고, 여기에 밸브의 오픈시간을 곱한 값으로 판단될 수 있다. 그리고, 밸브의 오픈횟수를 기준으로 퍼지 주기를 선정할 수 있다. 그리고, 누적 운전 시간 기준에 따른 퍼지 주기도 산출가능하다.
상기 수소공급조건은 출력되는 전류(전하량)를 기준으로 상기 스택(120)으로 수소를 공급하는 수소블로워(미도시)의 회전수와 공급압력을 이용하여 판단되며, 상기 수소블로워의 회전수 또는 공급압력이 설정값을 만족하는 지가 판단된다.
아울러, 상기 수소공급조건은 수소 퍼지밸브의 퍼지 주기를 기초로 판단될 수 있다. 즉, 수소 퍼지밸브의 퍼지 주기가 설정된 범위에 포함되면 상기 수소공급조건이 만족되는 것이다. 여기서, 수소 퍼지 밸브의 퍼지주기는 전하량(전류*시간)에 따라서 미리 설정될 수도 있다.
S530에서 상기 스택(120)의 출력 전류를 제한하는 운전을 수행하여 상기 스택의 셀을 보호한다.
S540에서 상기 스택(120)의 셀들이 전압안정성기준을 만족시키는지 판단된다.
좀 더 상세하게 설명하면, 상기 제어부(180)는 상기 스택(120)의 각 셀에서 생성되는 전압을 감지하고, 감지되는 전압값들의 평균값을 연산하고, 그 최소값을 선택한다. 그리고, 상기 제어부(180)는 상기 최소값을 상기 평균값으로 나눈다. 그리고, 상기 제어부(180)는 상기 최소값을 상기 평균값으로 나누어서 연산된 나눈값이 설정된 전압안정성기준(예를 들어, 0.2) 보다 작은지 판단한다.
상기 나눈값이 상기 전압안정기준보다 작은 것으로 판단되면, S560을 수행하고, 상기 나눈값이 상기 전압안정기준 이상으로 판단되면, S550에서 상기 스택은 정상적으로 운전된다.
S560에서 상기 스택(120)의 출력 전류를 제한하는 운전을 수행하여 상기 스택의 셀을 보호한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 필터 105: 공기블로워
110: 가습기 120: 스택
130: 비례제어밸브 135: 이젝터
140: 퍼지밸브 145: 워터트랩
150: 재순환밸브 160: 라디에이터
165: 물펌프 170: 개도조절밸브
180: 제어부

Claims (8)

  1. 스택의 각 셀에서 생성되는 전압들을 연산하고, 그 연산된 값이 전압안정성조건을 만족시키는지 판단하는 단계;
    상기 전압안정성조건이 만족되지 않으면, 수분밸런스조건과 수소공급조건을 만족시키는지 판단하는 단계;
    상기 수분밸런스조건과 상기 수소공급조건을 모두 만족시키는 것으로 판단되면, 상기 전압안정성조건을 완화하여 재설정하는 단계;
    상기 스택의 각 셀에서 생성되는 전압들을 연산하고, 그 연산된 값이 재설정된 전압안정성조건을 만족시키는지 판단하는 단계; 및
    상기 재설정된 전압안정성조건이 만족시키면, 상기 스택을 정상적으로 운전하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  2. 제1항에서,
    상기 재설정된 전압안정성조건이 만족되지 않으면, 상기 스택을 비정상적으로 운전하여 출력전류를 제한하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  3. 제1항에서,
    상기 스택의 각 셀에서 생성되는 전압들의 평균값을 연산하고, 최소값을 선택하고, 상기 최소값을 상기 평균값으로 나눈 값이 설정값 이상이면, 상기 전압안정성조건이 만족되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  4. 제3항에서,
    상기 최소값을 상기 평균값으로 나눈 값이 설정값 미만이면, 상기 전압안정성조건이 만족되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  5. 제1항에서,
    상기 수분밸런스조건은 수소극의 응축수 퍼지밸브의 개방주기를 이용하여 판단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  6. 제1항에서,
    상기 수소공급조건은 수소를 공급하는 수소블로워의 회전수와 공급압력을 이용하여 판단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  7. 제1항에서,
    상기 수소공급조건은 수소 퍼지의 주기를 기초로 판단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
  8. 제5 내지 7항 중 어느 한 항에서,
    상기 개방주기가 설정된 범위에 포함되면 상기 수분밸런스조건이 만족되는 것으로 판단하고, 상기 수소블로워의 회전수와 공급압력이 설정된 범위에 포함되거나 상기 퍼지 주기가 설정된 범위에 포함되면 상기 수소공급조건이 만족되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전방법.
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