KR101438957B1 - 연료전지 시스템 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 이상 여부를 판별할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소와 산소가 공급되어 전기화학적 반응으로 전기를 발생시키는 스택, 상기 스택에 연결되어 상기 스택으로부터 배출되는 제1 물 배출량을 측정하는 유량 측정부, 상기 스택에 연결되어 상기 스택에서 발생되는 제1 출력전류량을 측정하는 출력 측정부 및 상기 제1 출력전류량에 따른 상기 제1 물 배출량과 임의의 수소와 산소의 공급량에 따른 제2 출력전류량에 따라 정해지는 제2 물 배출량에 근거하여 상기 스택의 이상 여부를 판별하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템 및 그의 제어 방법을 제공할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그의 제어 방법{Fuel cell system and control method of the same}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 이상 여부를 판별할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지는 복수의 단위 셀들이 연속적으로 배치된 스택 어셈블리(Stack Assembly)로 구성되며, 단위 셀들에 연료인 수소와 산화제인 산소를 제공하여 전기 에너지를 생산한다.
연료전지 스택을 구성하는 단위 셀들 중에서 어느 하나의 셀에서 성능저하 가 발생되거나 고장이 발생되면 연료전지 스택의 전체 성능을 저하시켜 안정된 동작을 제공하지 못하는 현상이 발생한다. 종래에는 연료전지 스택의 각 단위 셀에서 출력되는 전압 및 전류를 직접 측정하여 연료전지 스택의 성능을 진단하고 있다.
종래의 연료전지 스택의 성능 진단 시스템은 모니터링 단자를 연료전지 스택을 구성하는 모든 단위 셀들의 단자에 접속시키고, 커넥터 케이블을 이용하여 측정기와 측정장치(TS)을 연결하여 각 단위 셀(C)에서 출력되는 전압값 및 전류값을 검출함으로써 전압이 불량한 단위 셀을 검출하였다.
이러한 종래의 기술은 연료전지 스택의 단위 셀 각각에 측정기의 모니터링 단자를 접속시켜야 하는 번거로움이 발생되고, 측정 작업이 오래 걸리는 문제점이 발생하며 연료전지 스택을 차량에서 반드시 분리하여야 하는 번거로움이 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 연료전지 스택으로부터의 물 배출량을 측정하여 연료전지의 이상 여부를 판별할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 연료전지 스택으로부터의 물 배출량을 측정하여 상기 물 배출량이 고장진단 기준의 벗어났는지 여부를 통해 연료전지의 이상 여부를 판별할 수 있는 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 수소와 산소가 공급되어 전기화학적 반응으로 전기를 발생시키는 스택, 상기 스택에 연결되어 상기 스택으로부터 배출되는 제1 물 배출량을 측정하는 유량 측정부, 상기 스택에 연결되어 상기 스택에서 발생되는 제1 출력전류량을 측정하는 출력 측정부 및 상기 제1 출력전류량에 따른 상기 제1 물 배출량과 임의의 수소와 산소의 공급량에 따른 제2 출력전류량에 따라 정해지는 제2 물 배출량에 근거하여 상기 스택의 이상 여부를 판별하는 제어부를 포함한다.
상기 제1 출력전류량과 상기 제2 출력전류량이 동일한 경우, 상기 제어부는 상기 제1 물 배출량과 상기 제2 물 배출량을 비교할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 물 배출량이 상기 제2 물 배출량 보다 작은 경우에 상기 스택을 이상 상태로 판단할 수 있다.
여기서, 상기 제1 물 배출량과 상기 제1 출력전류량은 정방향의 비례관계를 가질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은, 수소와 산소를 공급하여 스택의 전기화학적 반응을 개시하는 단계, 유량 측정부를 이용하여 스택으로부터 배출되는 제1 물 배출량을 측정하는 단계, 출력 측정부로 상기 스택에서 발생하는 제1 출력전류량을 측정하는 단계 및 제어부를 이용하여 상기 제1 출력전류량에 따른 상기 제1 물 배출량과 임의의 수소와산소의 공급량에 따른 제2 출력전류량에 따라 정해지는 제2 물 배출량에 근거하여 상기 스택의 이상 여부를 판별하는 단계를 포함한다.
상기 스택의 이상 여부를 판별하는 단계에서, 상기 제1 출력전류량과 상기 제1 출력전류량이 동일한 경우에, 상기 제어부는 상기 제1 물 배출량과 상기 제2 물 배출량을 비교할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 제1 물 배출량이 상기 제2 물 배출량 보다 작은 경우에 상기 스택을 이상 상태로 판단할 수 있다.
여기서, 상기 제1 물 배출량과 상기 제1 출력전류량은 정방향의 비례관계를 가질 수 있다.
상기 스택의 이상 여부를 판별하는 단계 이후에, 상기 스택의 운전모드를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 스택의 운전모드를 선택하는 단계에서, 상기 스택이 이상 상태라고 판단될 경우, 상기 제어부는 상기 연료전지 시스템이 물을 배출시키는 운전으로 전환되도록 제어하거나 상기 연료전지 시스템이 운전을 종료하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 스택의 운전모드를 선택하는 단계에서, 상기 스택이 이상 상태가 아니라고 판단될 경우, 상기 제어부는 상기 연료전지 시스템이 정상운전모드를 지속하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 스택으로부터의 물 배출량을 측정하여 상기 물 배출량이 고장진단 기준의 벗어났는지 여부를 통해 연료전지의 이상 여부를 판별할 수 있는 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 연료전지 스택으로부터의 물 배출량을 측정하여 연료전지의 이상 여부를 판별할 수 있는 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템의 제어 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)은, 수소와 산소가 공급되어 전기화학적 반응으로 전기를 발생시키는 스택(30), 스택(30)에 연결되어 스택(30)으로부터 배출되는 제1 물 배출량을 측정하는 유량 측정부(40), 스택(30)에 연결되어 스택(30)에서 발생되는 제1 출력전류량을 측정하는 출력 측정부(50) 및 상기 제1 출력전류량에 따른 제1 물 배출량과 임의의 수소와 산소의 공급량에 따른 제2 출력전류량에 따라 정해지는 제2 물 배출량에 근거하여 스택(30)의 이상 여부를 판별하는 제어부(80)를 포함한다. 제어부(80)는 스택(30)에서 발생되는 전류의 누적량을 기준으로 연료와 공기(산소)의 공급량을 제어하는 역할도 할 수 있다.
상기 연료전지 시스템(1)은, 탄화수소계열의 연료를 공급하는 연료공급부(10), 연료공급부(10)에 연결되어 수소를 생성시키는 개질기(20), 제1 출력전류량과 제2 출력전류량을 비교하는 연산부(60), 스택(30)의 출력측에 연결되어 직류전기를 교류전기로 전환시켜 공급하는 전력변환기(70) 및 제어부(80)에 연결되어 제어부(80)가 판별하는 스택(30)의 이상 여부를 표시하거나 알려주는 알람부(90)를 더 포함할 수 있다.
스택(30)은 다수의 단위 셀 들이 연속적으로 배열되어 구성되며, 연료인 수소와 공기(산소)의 전기 화학적 반응으로 전기 에너지를 생성한다. 단위 셀은 막-전극 어셈블리와 막-전극 어셈블리의 사이에 도전성을 지닌 플레이트 형태의 세퍼레이터(Separator)를 포함하며, 세퍼레이터에는 막-전극 어셈블리의 밀착면으로 연료 및 공기를 유동시키기 위한 채널이 형성된다.
막-전극 어셈블리의 일면에는 공급된 수소를 수소 이온(Proton)과 전자로 분해하는 전극/촉매층인 애노드(Anode, 양극)가 형성되고, 다른 일면에는 수소와 산소를 반응시키는 전극/촉매층인 캐소드(Cathode, 음극)가 형성된다. 한편, 스택(30) 중심부에는 촉매가 코팅된 멤브레인이 배치된다.
세퍼레이터에 형성된 채널의 일측에는 수소를, 다른 일측에는 공기(산소)를 유입시킨다. 이때, 애노드에서는 수소가 멤브레인 표면의 촉매작용으로 수소 양이온과 전자로 분해된다(하기 식 (1) 참조). 여기서, 전자는 양극 플레이트(Bi-polar Plate)를 통해 흘러가고, 수소 양이온은 멤브레인을 통해서 캐소드 쪽으로 흘러가게 된다. 멤브레인을 통과하여 흘러간 수소 양이온은 캐소드의 산소 음이온과 결합하여 전기 화학적 환원반응에 의해 물을 생성(하기 식 (2) 참조)하고, 동시에 전자의 흐름으로부터 전기 에너지를 생성하게 된다.
H2 --> 2H + 2e- --- 식 (1)
4H + O2 + 4e- --> 2H2O --- 식 (2)
즉, 스택(30)에서는 수소와 산소의 전기 화학적 반응으로 물이 생성되고, 이 물 배출량은 전기량과 비례하게 된다. 따라서, 스택(30)에서 발생되는 물을 적절하게 배출시키지 않을 경우에는 지속적으로 스택(30) 내부에 물이 누적되면서 수소의 확산을 방해하여 새로운 수소와 산소의 반응을 저해하게 된다. 이에 따라, 스택(30)의 출력전류가 감소할 뿐만 아니라, 이 물이 얼게 되는 경우에는 연료전지 시스템(1)의 시동을 불가능하게 하여 예열 시간이 길어지게 된다.
이를 감안하여, 도 2a 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제어부(80)는 출력 측정부(50)에서 측정된 제1 출력전류량에 따른 제1 물 배출량과 임의의 수소와 산소의 공급량에 따른 제2 출력전류량에 따라 정해지는 제2 물 배출량을 비교하여 스택(30)의 이상 여부를 판별할 수 있다.
이하에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)의 제어 방법을 설명한다.
먼저, 유량 측정부(40)를 이용하여 스택(30)으로부터 배출되는 제1 물 배출량을 측정한다(S310). 다음, 출력 측정부(50)로 스택(30)에서 발생하는 제1 출력전류량을 측정한다(S320). 마지막으로, 제어부(80)를 이용하여 제1 출력전류량에 따른 제1 물 배출량과 임의의 수소와 산소의 공급량에 따른 제2 출력전류량에 따라 정해지는 제2 물 배출량을 비교하여 스택(30)의 이상 여부를 판별한다(S330).
상기 스택(30)의 이상 여부를 판별하는 단계(S330) 이전에, 연료전지 시스템(1)의 제1 출력전류량과 임의의 수소와 산소의 공급량에 따라 정해지는 제2 출력전류량을 비교하는 단계(S325)를 더 포함할 수 있다.
스택(30)에 공급되는 임의의 수소와 산소의 양에 따른 제2 출력전류량이 연료전지 시스템(1)의 제1 출력전류량과 동일한 조건이라면, 스택(30)에서 배출되는 제1 물 배출량 역시 제2 출력전류량에 따라 정해지는 제2 물 배출량과 동일해야 한다. 즉, 이상적인 경우의 연료전지 시스템(1)에서는 유량 측정부(40)에서 측정된 제1 물 배출량이 동일 출력인 제2 출력전류에 따른 제2 물 배출량과 같은 값을 가질 것이다. 하지만, 스택(30)에서 발생되는 물이 적절하게 배출되지 않을 경우에는 제1 출력전류량에 따른 제1 물 배출량이 이상적인 경우 보다 작아질 것이다.
따라서, 스택(30)의 이상 여부를 판별하는 단계(S330)에서, 제1 출력전류량과 제1 출력전류량이 동일한 조건이라면, 제어부(80)는 제1 물 배출량이 제2 물 배출량 보다 작은 경우에 스택(30)을 이상 상태로 판단할 수 있다.
도 1, 도 2a 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법에서, 상기 스택(30)의 이상 여부를 판별하는 단계(S330) 이후에, 스택(30)이 이상 상태라고 판단하면, 제어부(80)가 판별하는 스택(30)의 이상을 표시하거나 알려주는 알람 단계(S335-1)를 더 포함할 수 있다.
다음, 스택(30)의 운전모드를 선택하는 단계(S335-2)에서는, 스택(30)의 이상에 따라서 연료전지 시스템(1)은 제어부(80)에 의해 연료전지 시스템(1)이 물을 배출시키는 운전으로 전환되도록 제어될 수 있다.
상기 스택(30)의 이상 여부를 판별하는 단계(S330) 이후에, 스택(30)이 이상 상태가 아니라고 판단되면, 연료전지 시스템(1)은 제어부(80)에 의해 정상운전모드를 지속하도록 제어될 수 있다.
도 1, 도 2b 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법에서, 상기 스택(30)의 이상 여부를 판별하는 단계(S330) 이후에, 스택(30)이 이상 상태라고 판단하면, 제어부(80)가 판별하는 스택(30)의 이상을 표시하거나 알려주는 알람 단계(S335-1)를 더 포함할 수 있다.
이후, 제어부(80)는 스택(30)의 이상을 감지하여 연료전지 시스템(1)의 운전을 종료할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예와 같이, 상기 스택(30)의 이상 여부를 판별하는 단계(S330) 이후에, 스택(30)이 이상 상태가 아니라고 판단하면, 제어부(80)는 연료전지 시스템(1)이 정상운전모드를 지속하는 단계(S335-2)를 더 포함하도록 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택으로부터의 물 배출량을 측정하여 상기 물 배출량이 고장진단 기준의 벗어났는지 여부를 통해 연료전지의 이상 여부를 판별할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 제어 방법을 제공할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1 : 연료전지 시스템 10 : 연료공급부
20 : 개질기 30 : 스택
40 : 유량 측정부 50 : 출력 측정부
60 : 연산부 70 : 전력변환기
80 : 제어부 90 : 알람부

Claims (16)

  1. 수소와 산소가 공급되어 전기화학적 반응으로 전기를 발생시키는 스택;
    상기 스택에 연결되어 상기 스택으로부터 배출되는 제1 물 배출량을 측정하는 유량 측정부;
    상기 스택에 연결되어 상기 스택에서 발생되는 제1 출력전류량을 측정하는 출력 측정부; 및
    상기 제1 출력전류량에 따른 상기 제1 물 배출량과 임의의 수소와 산소의 공급량에 따른 제2 출력전류량에 따라 정해지는 제2 물 배출량에 근거하여 상기 스택의 이상 여부를 판별하는 제어부;를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 출력전류량과 상기 제2 출력전류량이 동일한 경우,
    상기 제어부는 상기 제1 물 배출량과 상기 제2 물 배출량을 비교하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 물 배출량이 상기 제2 물 배출량 보다 작은 경우에 상기 스택을 이상 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 물 배출량과 상기 제1 출력전류량은 정방향의 비례관계를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 출력전류량과 상기 제2 출력전류량을 비교하는 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부에 연결되어 상기 제어부가 판별하는 상기 스택의 이상 여부를 표시하거나 알려주는 알람부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 수소와 산소를 공급하여 스택의 전기화학적 반응을 개시하는 단계;
    유량 측정부를 이용하여 스택으로부터 배출되는 제1 물 배출량을 측정하는 단계;
    출력 측정부로 상기 스택에서 발생하는 제1 출력전류량을 측정하는 단계; 및
    제어부를 이용하여 상기 제1 출력전류량에 따른 상기 제1 물 배출량과 임의의 수소와 산소의 공급량에 따른 제2 출력전류량에 따라 정해지는 제2 물 배출량에 근거하여 상기 스택의 이상 여부를 판별하는 단계;를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스택의 이상 여부를 판별하는 단계에서,
    상기 제1 출력전류량과 상기 제2 출력전류량이 동일한 경우에,
    상기 제어부는 상기 제1 물 배출량과 상기 제2 물 배출량을 비교하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 물 배출량이 상기 제2 물 배출량 보다 작은 경우에 상기 스택을 이상 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 물 배출량과 상기 제1 출력전류량은 정방향의 비례관계를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 스택의 이상 여부를 판별하는 단계 이전에,
    상기 제1 출력전류량과 상기 제2 출력전류량을 비교하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 스택의 이상 여부를 판별하는 단계 이후에,
    상기 제어부가 판별하는 상기 스택의 이상 여부를 표시하거나 알려주는 알람 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 스택의 이상 여부를 판별하는 단계 이후에,
    상기 스택의 운전모드를 선택하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스택의 운전모드를 선택하는 단계에서,
    상기 스택이 이상 상태라고 판단될 경우,
    상기 제어부는 상기 연료전지 시스템이 물을 배출시키는 운전으로 전환되도록 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 스택의 운전모드를 선택하는 단계에서,
    상기 스택이 이상라고 판단될 경우,
    상기 제어부는 상기 연료전지 시스템이 운전을 종료하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 스택의 운전모드를 선택하는 단계에서,
    상기 스택이 이상 상태가 아니라고 판단될 경우,
    상기 제어부는 상기 연료전지 시스템이 정상운전모드를 지속하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
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