KR101448773B1

KR101448773B1 - 연료 전지 시스템 및 그의 운전 방법

Info

Publication number: KR101448773B1
Application number: KR1020130032332A
Authority: KR
Inventors: 이남우; 김민수
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 서울대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-08
Also published as: US20140295309A1; DE102013225528A1; KR20140117197A

Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템은 ⅰ)연료 전지들의 집합체로 이루어진 스택과, ⅱ)연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛과, ⅲ)연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급유닛과, ⅳ)공기 공급유닛으로부터 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로와, 수소 공급유닛으로부터 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급경로를 연결하는 연결부를 포함하며, 스택의 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 시, 연결부를 통해 수소를 공기극으로 공급할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그의 운전 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND OPERATION METHOD OF THE SAME}

본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지의 플러딩(flooding) 문제를 해결할 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 운전 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 연료 전지에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다.

예를 들면, 연료 전지 시스템은 연료 전지 차량에 채용되며, 연료 전지를 통해 생산된 전기 에너지로 전기 모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.

이러한 연료 전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 연료 전지들의 집합체인 스택과, 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치와, 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급장치를 구비하고 있다.

또한, 연료 전지 시스템은 연료극으로부터 배출되는 수소를 연료극으로 재순환시키는 수소 재순환유닛을 더 구비하고 있다.

한편, 스택은 운전 초기에 최적 작동 온도(대략 65~80℃) 이하의 온도에서 동작하게 되므로, 연료 전지 내부에 다량의 응축수가 잔존하는 플러딩(flooding) 현상을 야기시킬 수 있다.

이러한 응축수는 연료 전지의 가스 확산층(GDL) 내에 잔존하는데, 스택의 장기간 사용 시 가스 확산층의 발수성 물질이 벗겨지면서 그 가스 확산층의 특성이 변하기 때문에 제거되기가 쉽지 않다.

연료 전지의 내부에 잔존하는 응축수를 제거하기 위한 일반적인 방법으로는 연료 전지의 내부로 공기를 과급하는 방법을 예로 들 수 있다.

그러나, 이와 같은 방법은 공기 과급을 통한 전력의 손실을 야기시킬 수 있고, 가스 확산층 내부의 응축수를 효과적으로 제거하지 못하고 있다.

본 발명의 실시예들은 스택의 최적 작동 온도 도달 전인 저온 동작 시에 공기극으로 수소를 주입하여 연료 전지 내부에 잔존하는 응축수를 직접적으로 제거할 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 운전 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지들의 집합체로 이루어진 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급유닛과, ⅳ)상기 공기 공급유닛으로부터 상기 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로와, 상기 수소 공급유닛으로부터 상기 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급경로를 연결하는 연결부를 포함하며, 상기 스택의 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 시, 상기 연결부를 통해 상기 수소를 상기 공기극으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연결부는 상기 공기 공급경로와 수소 공급경로를 연결하는 연결 라인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연결 라인에는 적어도 하나의 솔레노이드 밸브가 설치될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지들의 집합체로 이루어진 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하며, 상기 연료극으로부터 배출되는 배출 수소를 상기 연료극으로 재순환시키는 수소 공급유닛과, ⅳ)상기 공기 공급유닛으로부터 상기 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로와, 상기 배출 수소를 상기 수소 공급유닛으로 공급하기 위한 수소 배출경로를 연결하는 연결부를 포함하며, 상기 스택의 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 시, 상기 연결부를 통해 상기 배출 수소를 상기 공기극으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 스택의 최적 운전 온도는 65~80℃를 만족하고, 상기 스택의 저온 운전 온도는 10~40℃를 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연결부는 상기 공기 공급경로와 상기 수소 배출경로를 연결하는 연결 라인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연결 라인은 상기 연료 전지 내부의 수소를 퍼지시키는 퍼지 라인으로서 이루어질 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은, (a) 스택의 운전 온도를 감지하고, (b)상기 스택의 운전 온도가 기 설정된 최적 운전 온도 이하인지를 판단하며, (c)상기 스택의 운전 온도가 기 설정된 최적 운전 온도 이하인 것으로 판단되면, 상기 스택 내 연료 전지의 연료극으로 공급되거나 그 연료극에서 배출되는 수소를 연결 라인을 통해 상기 연료 전지의 공기극으로 공급하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 공기 공급유닛으로부터 상기 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로와, 수소 공급유닛으로부터 상기 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급경로를 연결하는 상기 연결 라인을 통해 상기 수소를 상기 공기극으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 공기 공급유닛으로부터 상기 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로와, 상기 연료극으로부터 배출되는 배출 수소를 수소 공급유닛으로 공급하기 위한 수소 배출라인을 연결하는 상기 연결 라인을 통해 상기 배출 수소를 상기 공기극으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 상기 연결 라인에 설치된 솔레노이드 밸브를 통해 상기 공기극으로 공급되는 수소의 양을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 운전 방법에 있어서, 상기 기 설정된 스택의 최적 운전 온도는 65~80℃를 만족할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 스택의 상온 시동 직후 인 저온 운전 조건에서, 수소를 연료전지들의 공기극으로 미량 주입함으로써 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 발생되는 열로서 연료전지들에 잔존하는 응축수를 증발 및 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 열로서 연료전지들의 촉매층의 수증기압을 상승시킴으로써 기체 확산층에 잔존하는 물을 효과적으로 제거할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 연료전지들의 내부로 공기를 과급하는 종래 기술과 달리, 미량의 수소를 공기극으로 주입하여 연료전지들에 잔존하는 물을 직접적으로 제거할 수 있으므로, 연료전지들에서 발생하는 플러딩 문제에 유동적으로 대처할 수 있으며, 공기의 과급 시 초래되는 전력 소모를 줄일 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작용 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 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.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 발전 시스템으로, 그 전기 에너지로서 전기 모터를 구동시키는 연료 전지 차량에 적용될 수 있다. 이하에서는 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료를 수소로 정의하며, 산화제를 공기로 정의한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10), 공기 공급유닛(20) 및 수소 공급유닛(30)을 포함하고 있다.

스택(10)은 촉매층과 가스 확산층(GDL)(도면에 도시되지 않음)을 포함하는 공기극(11)과 연료극(12)으로 이루어진 연료전지들(15)의 집합체로서 구성될 수 있다.

스택(10)은 수소 공급유닛(30)으로부터 수소를 공급받고 공기 공급유닛(20)으로부터 공기를 제공받아 공기극(11)과 연료극(12)에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

공기 공급유닛(20)은 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 연료 전지들(15)의 공기극(11)으로 공급하는 공기 블로워(air blower)를 포함할 수 있다.

이 경우, 공기 공급유닛(20)과 공기극(11)은 그 공기 공급유닛(20)으로부터 공기극(11)으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로(17)를 통해 연결될 수 있다.

수소 공급유닛(30)은 수소를 가스 형태로 압축 저장하며 그 수소를 연료전지들(15)의 연료극(12)으로 공급하는 수소 탱크(도면에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

여기서, 수소 공급유닛(30)은 연료전지들(15)의 연료극(12)으로부터 배출되는 수소를 그 연료극(12)으로 재순환시킬 수도 있다.

이를 위해 수소 공급유닛(30)은 연료극(12)으로부터 배출되는 수소와, 수소 탱크로부터 공급되는 수소를 믹싱하고 그 믹싱 수소를 연료극(12)으로 공급할 수 있는 믹싱 탱크 및 재순환 블로워(도면에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

이하에서는 수소 공급유닛(30)을 통해 연료극(12)으로 공급되는 수소를 "공급 수소"로 명명하며, 연료극(12)으로부터 배출되는 수소를 "배출 수소"로 명명한다.

이 경우, 수소 공급유닛(30)과 연료극(12)의 수소 입구 측은 수소 공급경로(31)를 통해 연결될 수 있으며, 그 수소 공급유닛(30)과 연료극(12)의 수소 출구 측은 수소 배출경로(33)를 통해 연결될 수 있다.

즉, 수소 공급경로(31)는 상기한 공급 수소를 연료극(12)으로 공급하기 위한 것이며, 수소 배출경로(33)는 상기한 배출 수소를 수소 공급유닛(30)으로 공급하기 위한 것이다.

한편, 상기한 바와 같은 연료 전지 시스템(100)은 연료극(12)에 축적된 물(응축수)을 배출하기 위해 그 연료극(12)를 퍼지시키기 위한 수소 퍼지유닛(40)을 더 포함할 수 있다.

수소 퍼지유닛(40)은 위에서 언급한 바 있는 수소 배출경로(33)에 연결되는 수소 퍼지라인(41)과, 그 수소 퍼지라인(41)에 설치되는 퍼지 밸브(43)를 포함할 수 있다.

상기한 수소 공급유닛(30)의 수소 재순환 구조 및 수소 퍼지유닛(40)의 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기에서와 같은 연료 전지 시스템(100)은 운전 초기에 스택(10)이 최적 작동 온도 이하의 저온 운전 온도 조건에서 동작하게 되므로, 연료전지들(15) 내부에 다량의 응축수가 잔존하는 플러딩(flooding) 현상을 야기시킬 수 있다.

여기서, 스택(10)의 최적 운전 온도 조건은 65~80℃를 만족하며, 그 스택(10)의 저온 운전 온도 조건은 10~40℃를 만족할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 스택(10)의 최적 작동 온도 도달 전인 저온 동작 시, 공기극(11)으로 미량의 수소를 주입하여 연료전지들(15) 내부에 잔존하는 응축수를 직접적으로 제거할 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 스택(10)의 저온 운전 조건에서 연료전지들(15)의 플러딩 문제를 해결하기 위해, 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 수소를 미량 주입함으로써 수소와 산소의 전기적인 반응에 의해 생성되는 열을 이용하여 응축수를 수증기로 상변화시키며 제거할 수 있는 연료 전지 시스템(100)을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)는 스택(10)의 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 조건에서, 공급 수소를 연료전지(15)의 공기극(11)으로 공급할 수 있는 연결부(50)를 더 포함하고 있다.

본 발명의 실시예에서, 연결부(50)는 위에서 언급한 바 있는 공기 공급경로(17)와 수소 공급경로(31)를 연결하는 연결 라인(51)을 포함할 수 있다.

이러한 연결 라인(51)은 스택(10)의 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 조건에서, 수소 공급유닛(30)으로부터 수소 공급경로(31)를 통해 연료전지들(15)의 연료극(12)으로 공급되는 공급 수소의 일부를 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 공급하기 위한 것이다.

즉, 수소 공급유닛(30)으로부터 수소 공급경로(31)를 통해 연료전지들(15)의 연료극(12)으로 공급되는 공급 수소의 일부는 연결 라인(51)을 통해 공기 공급경로(17)로 공급되고, 그 공기 공급 경로(17)를 통해서 공기와 함께 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 공급될 수 있다.

연결 라인(51)에는 도면에 미도시된 제어기에 의해 그 연결 라인(51)의 유로를 선택적으로 개폐시키는 적어도 하나의 솔레노이드 밸브(53)가 설치되어 있다. 예를 들면, 솔레노이드 밸브(53)는 공기 공급경로(17) 및 수소 공급경로(31) 측에서 연결 라인(51)에 각각 설치될 수 있다.

여기서, 연결 라인(51)을 통해 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 공급되는 공급 수소의 양은 제어기(도면에 도시되지 않음)를 통해 솔레노이드 밸브(53)의 개폐 주기를 제어함으로써 조절될 수 있다.

이와 같은 공급 수소의 양은 스택(10)의 운전 온도 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서 어느 특정한 값으로 한정하지 않는다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작동 및 운전 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템(100)의 초기 운전 시, 공기 공급유닛(20)으로부터 공급되는 공기를 공기 공급경로(17)를 통해 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 공급한다.

이와 동시에, 수소 공급유닛(30)은 수소 탱크(도면에 도시되지 않음)로부터 공급되는 수소를 수소 공급경로(31)를 통해 연료전지들(15)의 연료극(12)으로 공급한다.

그러면, 연료전지들(15)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키며, 연료극(12)에서 반응하고 남은 수소(배출 수소)를 배출하고, 그 수소(배출 수소)를 수소 배출경로(33)를 통해 수소 공급유닛(30)으로 공급한다.

이에, 수소 공급유닛(30)은 연료극(12)으로부터 배출되는 배출 수소와, 수소 탱크로부터 공급되는 수소를 믹싱하고 그 믹싱 수소(공급 수소)를 수소 공급경로(31)를 통해 연료전지들(15)의 연료극(12)으로 공급한다.

여기서, 연료전지들(15)의 공기극(11)에서 반응하고 남은 공기와, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성된 물은 공기 배출라인(19)을 통해 배출될 수 있다.

그리고, 스택(10)은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 열에 의해 온도(운전 운도)가 상승하게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템(100)의 초기 운전 시, 도면에 미도시된 온도 센서를 통해 스택(10)의 운전 온도를 감지하고(S11 단계), 그 감지 신호를 제어기(도면에 도시되지 않음)로 출력한다.

그러면, 제어기는 스택(10)이 기 설정된 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 조건인지를 판단한다(S12 단계). 이 때스택(10)의 최적 운전 온도 조건은 65~80℃를 만족하며, 그 스택(10)의 저온 운전 조건은 10~40℃를 만족한다.

상기 S12 단계에서, 스택(10)이 기 설정된 최적 운전 온도 이하의 저온 조건에서 운전하는 것으로 판단되면, 연료전지들(15) 내부에 다량의 응축수가 잔존하는 플러딩(flooding) 현상을 야기시킬 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 제어기를 통해 연결 라인(51)의 솔레노이드 밸브(53)에 전기적인 신호를 인가하여 그 연결 라인(51)의 유로를 개방시킨다(S13 단계).

이에, 수소 공급유닛(30)으로부터 수소 공급경로(31)를 통해 연료전지들(15)의 연료극(12)으로 공급되는 공급 수소의 일부는 연결 라인(51)을 통해 공기 공급경로(17)로 공급되고, 그 공기 공급 경로(17)를 통해서 공기와 함께 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 공급된다(S14 단계).

따라서, 본 발명의 실시예에서는 스택(10)의 저온 운전 조건에서 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 미량의 수소를 공급함으로써 연료전지들(15)에서 발생하는 열을 극대화할 수 있다.

즉, 연료전지들(15)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 열을 발생시키는데, 이러한 열은 연료전지들(15) 내부에 잔존하는 응축수를 상변화시키며 제거할 수 있다(S15 단계).

여기서, 연결 라인(51)을 통해 공기극(11)으로 공급된 미량의 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 생성된 열은 그 반응에 의해 생성되는 응축수 및 연료전지들(15)에 잔존하는 응축수를 수증기로 상변화시키기에 충분하다.

한편, 연결 라인(51)을 통해 공기극(11)으로 미량의 수소를 공급하면, 스택(10)의 전압은 감소하게 되는데, 그 만큼 연료전지들(15)에서는 추가적인 열이 발생하게 된다.

또한, 상기한 열로 인해 연료전지들(15)의 촉매층에서의 수증기압은 반응기체를 유동시키기 위한 세퍼레이터(도면에 도시되지 않음)의 유동 경로에 작용하는 수증기압 보다 높아지게 된다.

따라서, 촉매층에서의 수증기압은 기체 확산층(GDL) 내부에 잔존하는 물방울을 세퍼레이터의 유동 경로 쪽으로 밀어내는데 사용됨으로써 기체 확산층 내부의 응축수를 외부로 원활하게 배출시킬 수 있다.

다른 한편으로, 상기와 같이 수소를 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 미량 주입하는 방법은 스택(10)의 냉 시동 시에 그 스택(10)의 온도를 빠르게 올리기 위한 방법으로 사용될 수도 있다.

그러나, 이 경우는 전압이 떨어지면서 발생하는 열을 이용하고, 스택(10)의 온도가 어느 정도 올라가면 공기극(11)의 수소 주입을 중지시키므로, 도 3의 "A" 영역에서와 같이 촉매층에서의 수증기압은 스택(10)의 온도가 올라가더라도 큰 변화가 없다.

즉, 스택(10)의 냉 시동 시에 수소를 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 미량 주입하는 방법은 촉매층에서 수증기압의 증가가 거의 없기 때문에 기체 확산층(GDL)에 잔존하는 물을 제거하지 못하게 된다.

하지만, 본 발명의 실시예에서는 도 3의 "B" 영역에서와 같이, 스택(10)의 상온 시동 직후 인 저온 운전 조건(10~40℃)에서, 수소를 연료전지들(15)의 공기극(11)에 미량 주입함으로써 스택(10)의 온도가 높아질수록 촉매층에서의 수증기압이 빠르게 상승하게 되므로, 상술한 바 있는 작용에 의해 기체 확산층(GDL)에 잔존하는 물을 제거할 수 있다.

상술한 바와 같이 스택(10)의 저온 운전 조건에서 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 미량의 수소를 주입하여 연료전지들(15)에 잔존하는 물을 제거한 상태에서, 제어기를 통해 스택(10)의 운전 온도가 저온 운전 조건을 초과하는 운전 온도인 것으로 판단되면, 본 발명의 실시예에서는 제어기를 통해 솔레노이드 밸브(53)를 작동시켜 연결 라인(51)의 유로를 폐쇄시킨다.

그러면, 스택(10)은 공기 공급유닛(20)으로부터 공기를 제공받고, 수소 공급유닛(30)으로부터 공급 수소를 제공받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 정상적인 운전을 수행한다(S16 단계).

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 스택(10)의 상온 시동 직후 인 저온 운전 조건(10~40℃)에서, 수소를 연료전지들(15)의 공기극(11)에 미량 주입함으로써 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 발생되는 열로서 연료전지들(15)에 잔존하는 응축수를 증발 및 제거할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 연료전지들(15)의 내부로 공기를 과급하는 종래 기술과 달리, 미량의 수소를 공기극(11)으로 주입하여 연료전지들(15)에 잔존하는 물을 직접적으로 제거할 수 있으므로, 연료전지들(15)에서 발생하는 플러딩 문제에 유동적으로 대처할 수 있고, 공기의 과급 시 초래되는 전력 소모를 줄일 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

이하에서 앞서 개시한 구성 요소들과 동일한 기능을 하는 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 전기 실시예의 구조를 기본으로 하며, 연결부(150)로서 공기 공급경로(17)와 수소 배출경로(33)를 연결하는 연결 라인(151)을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 연결 라인(151)은 스택(10)의 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 조건에서, 연료전지들(15)의 연료극(12)을 통해 배출되는 배출 수소의 일부를 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 공급하기 위한 것이다.

즉, 연료전지들(15)의 연료극(12)으로부터 배출되며 수소 배출경로(33)를 통해 수소 공급유닛(30)으로 공급되는 배출 수소의 일부는 연결 라인(151)을 통해 공기 공급경로(17)로 공급되고, 그 공기 공급경로(17)를 통해서 공기와 함께 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 공급될 수 있다.

이와 같은 연결 라인(151)에는 도면에 미도시된 제어기에 의해 그 연결 라인(151)의 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 솔레노이드 밸브(53)가 설치되어 있다.

여기서, 연결 라인(151)을 통해 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 공급되는 배출 수소의 양은 제어기(도면에 도시되지 않음)를 통해 솔레노이드 밸브(53)의 개폐 주기를 제어함으로써 조절될 수 있다.

이와 같은 배출 수소의 공급량은 스택(10)의 운전 온도 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서 어느 특정한 값으로 한정하지 않는다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 스택(10)의 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 조건에서, 연료전지들(15)의 연료극(12)으로부터 배출되며, 수소 배출경로(33)를 통해 수소 공급유닛(30)으로 공급되는 배출 수소의 일부를 연결 라인(151)을 통해 연료전지들(15)의 공기극(11)으로 공급할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기한 연결 라인(151)은 연료전지들(15) 내부의 수소를 퍼지시키는 기능을 하는 수소 퍼지라인(159)으로 이루어질 수 있다.

즉, 이와 같은 연결 라인(151)은 전기 실시예에서와 같은 수소 퍼지라인을 공기 공급경로(17)에 연결함으로써 연료전지들(15) 내부의 수소를 퍼지시키는 기능을 하게 된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시예에서와 같으므로, 이하에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10... 스택 11... 공기극
12... 연료극 15... 연료전지
17... 공기 공급경로 19... 공기 배출라인
20... 공기 공급유닛 30... 수소 공급유닛
31... 수소 공급경로 33... 수소 배출경로
40... 수소 퍼지유닛 41, 159... 수소 퍼지라인
43... 퍼지 밸브 50, 150... 연결부
51, 151... 연결 라인 53... 솔레노이드 밸브

Claims

연료 전지들의 집합체로 이루어진 스택;
상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛;
상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하는 수소 공급유닛; 및
상기 공기 공급유닛으로부터 상기 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로와, 상기 수소 공급유닛으로부터 상기 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급경로를 연결하는 연결부
를 포함하며,
상기 스택의 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 시, 상기 연결부를 통해 상기 수소를 상기 공기극으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 연결부는,
상기 공기 공급경로와 수소 공급경로를 연결하는 연결 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 연결 라인에는 적어도 하나의 솔레노이드 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
연료 전지들의 집합체로 이루어진 스택;
상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급유닛;
상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하며, 상기 연료극으로부터 배출되는 배출 수소를 상기 연료극으로 재순환시키는 수소 공급유닛; 및
상기 공기 공급유닛으로부터 상기 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로와, 상기 배출 수소를 상기 수소 공급유닛으로 공급하기 위한 수소 배출경로를 연결하는 연결부
를 포함하며,
상기 스택의 최적 운전 온도 이하의 저온 운전 시, 상기 연결부를 통해 상기 배출 수소를 상기 공기극으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제1 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 스택의 최적 운전 온도는 65~80℃를 만족하고, 상기 스택의 저온 운전 온도는 10~40℃를 만족하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 연결부는,
상기 공기 공급경로와 상기 수소 배출경로를 연결하는 연결 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 연결 라인에는 적어도 하나의 솔레노이드 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 연결 라인은,
상기 연료 전지 내부의 수소를 퍼지시키는 퍼지 라인으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
스택의 운전 온도를 감지하고;
상기 스택의 운전 온도가 기 설정된 최적 운전 온도 이하인지를 판단하며;
상기 스택의 운전 온도가 기 설정된 최적 운전 온도 이하인 것으로 판단되면, 상기 스택 내 연료 전지의 연료극으로 공급되거나 그 연료극에서 배출되는 수소를 연결 라인을 통해 상기 연료 전지의 공기극으로 공급하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
제9 항에 있어서,
공기 공급유닛으로부터 상기 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로와, 수소 공급유닛으로부터 상기 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급경로를 연결하는 상기 연결 라인을 통해 상기 수소를 상기 공기극으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
제9 항에 있어서,
공기 공급유닛으로부터 상기 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급경로와, 상기 연료극으로부터 배출되는 배출 수소를 수소 공급유닛으로 공급하기 위한 수소 배출라인을 연결하는 상기 연결 라인을 통해 상기 배출 수소를 상기 공기극으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
제10 항 또는 제11 항에 있어서,
상기 연결 라인에 설치된 솔레노이드 밸브를 통해 상기 공기극으로 공급되는 수소의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
제9 항에 있어서,
상기 기 설정된 스택의 최적 운전 온도는 65~80℃를 만족하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.