KR101459849B1 - 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 맥동 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 연료극내에 잔존하는 물을 원할하게 배출시킴과 함께 연료 이용률을 극대화시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지의 연료극으로 공급되는 수소에 대한 맥동 압력 크기 및 주기를 조절하여, 연료극내에 잔존하는 물을 원할하게 배출시킴과 함께 연료극의 연료 이용률을 극대화시킬 수 있고, 연료전지 시스템의 운전 안전성을 보다 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템의 맥동 운전 방법{Oscillation operation for fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 연료극내에 잔존하는 물을 원할하게 배출시킴과 함께 연료 이용률을 극대화시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급 시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
연료전지 시스템의 구성 중 연료공급 시스템의 구성 및 동작을 첨부한 도 1a를 참조로 살펴보면, 연료탱크로부터 수소공급라인(18)을 따라 공급되는 연료가 연료전지의 연료극 입구(14)를 통해 연료전지의 연료극(12, anode)으로 들어간 후, 전기 생성을 위한 반응을 마친 다음, 일부 미반응 수소는 연료극 출구(16)를 통해 배출된다.
이때, 상기 연료전지의 연료극 운전압력은 도 1b에서 보듯이 연료전지 운전 시간에 관계없이 일정한 압력으로 유지된다.
또한, 상기 연료극 출구(16)를 통해 배출되는 미반응 수소의 일부는 재순환 장치(20: 예를 들어, 재순환 블로워모터)의 구동으로 연료극 입구(14)로 재순환되고, 나머지 수소는 물과 함께 수소퍼지밸브(22)를 통과하여 외부로 배출된다.
이렇게 연료전지의 연료극 출구(16)측에 재순환 장치(20)를 연결하여, 연료전지의 연료극(12)에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 연료극 입구(14)로 재순환시켜 연료극의 물 배출을 위한 용도 등으로 재사용하고 있다.
한편, 연료전지의 연료극내 채널에는 전기 생성을 위한 반응에 의하여 물이 생성되어 잔존하게 되며, 이 잔존하는 물은 연료전지의 연료극을 구성하는 촉매층의 부식을 초래할 수 있으므로, 원할하게 배출시켜주는 것이 바람직하다.
이를 위해, 첨부한 도 2a에 도시된 바와 같이 수소공급라인의 임의 위치에 연료극으로 공급되는 연료 운전압력을 유동시키기 위한 별도의 맥동 발생 장치(24)가 설치되고 있다.
상기 재순환장치(20)의 작동에 의하여 미반응 수소가 연료전지의 연료극(12)으로 다시 공급될 때, 상기 맥동 발생 장치(24)의 맥동 작동력에 의하여 연료극(12) 내로 공급되던 수소는 맥동에 의한 유동 흐름력을 발생시키고, 이때의 유동 흐름력에 의하여 연료극(12)의 내부에 잔존하는 물이 움직여져 연료극 출구(16)쪽으로 배출 제거됨으로써, 연료전지 시스템의 운전 안정성을 향상시킬 수 있다.
보다 상세하게는, 연료(수소)가 연료전지의 연료극(12)으로 공급되기 전에 맥동 발생 장치(24)에서 상한값과 하한값으로 반복 조절하는 맥동 유동 압력(도 2b 참조) 즉, 수소 공급 압력을 발생시킴으로써, 연료극(12)내로 들어가는 수소에 맥동에 의한 유동 흐름력이 발생되고, 이 유동 흐름력에 의하여 연료전지의 연료극(12) 채널 내부에 잔존해 있는 물이 움직여져 연료극 출구(16)쪽으로 배출 제거됨으로써, 연료전지 시스템의 운전 안정성을 향상시킬 수 있고, 물 배출을 위한 수소퍼지밸브의 퍼지 주기도 길게 연장할 수 있다.
이와 같이, 상기 맥동 발생 장치를 이용하면 도 3a에서 보듯이 기존 맥동 미적용과 비교하여 연료극의 채널 내부에 잔존하는 물 배출 속도를 2배 이상 증가시켜 연료극의 플러딩(Flooding) 현상을 억제할 수 있고, 그에 따라 연료전지 시스템의 운전 안정성을 향상시킬 수 있다.
그러나, 맥동 발생 장치의 지나친 맥동에 의하여 다음과 같은 단점도 상존하고 있다.
첫째, 맥동 발생 장치의 지나친 맥동에 의하여 연료극내의 물배출이 과다하게 이루어져 연료극 채널의 수분이 과도하게 감소하는 단점이 있다.
즉, 맥동 발생 장치에 의한 연속적인 맥동 발생으로 인하여, 연료극 채널 내부의 물이 과다 배출됨에 따라, 오히려 연료극 채널의 과다한 수분 감소가 초래되고, 그에 따라 공기극으로부터 연료극쪽으로 액적(liquid H2O) 이동량이 증가하여 공기극의 수분도 감소함으로써, 연료극 및 공기극을 포함하는 연료전지 전체에 건조(dry) 현상이 발생하여 연료전지 성능 및 내구성이 감소하는 문제점이 있다.
둘째, 연료극 운전압력이 지속적으로 맥동압력으로 유지됨에 따라, 연료극에 높은 운전압력 구간이 발생하여 연료극에서 공기극으로 크로스오버되는 연료량이 증가하는 등의 원인으로 인하여, 도 3b에서 보듯이 연료(수소) 소모량이 기존 맥동 미적용에 비하여 2.6% 증가하여 연료이용률이 떨어지고, 연료이용률이 떨어진 만큼 연료전지 시스템 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지의 연료극으로 공급되는 수소에 대한 맥동 운전압력 크기 및 주기를 조절하는 맥동 제어를 실시하여, 연료극내에 잔존하는 물을 원할하게 배출시킴과 함께 연료극의 연료 이용률을 극대화시킬 수 있고, 연료전지 시스템의 운전 안전성을 보다 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료극 출구에 연결된 수소퍼지밸브의 개방 주기 동안, 연료전지의 연료극으로 공급되는 연료에 대한 맥동 운전압력 크기 및 주기를 조절하는 맥동 제어를 실시하여, 연료극내 물 배출과 연료극의 연료 이용률을 최적으로 유지시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 맥동 제어는 연료전지 시스템의 현재 출력이 기준 출력 이하일 때 실시되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연료전지 시스템의 현재 출력이 기준 출력 이하이면, 맥동 제어를 위하여 수소퍼지밸브의 개방 주기를 증가시키는 제어와, 수소퍼지밸브의 열림 시간을 단축시키는 제어와, 연료 재순환를 위한 재순환 장치의 회전수 축소 제어가 선행되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 맥동 제어는 연료전지 시스템의 최대 출력의 40% 이하에서만 실시되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 맥동 제어는 N번의 맥동 구간과, 일정 운전압력으로 이루어지는 N번의 맥동 구간 사이의 미맥동 구간을 반복 실시하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 맥동 제어는 수소퍼지밸브의 연료 퍼지 후, 닫힘 순간 부터 그 다음 퍼지시 열림 전까지의 개방 주기 동안 실시되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 맥동 제어시 총 맥동 유지 시간은 수소퍼지밸브 개방 주기의 약 50% 이하를 유지하도록 한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 맥동 제어는 연료전지 저출력 구간에서 실시되고, 중출력 및 고출력 구간에서는 미실시되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 연료극으로 공급되는 수소에 대한 맥동 운전압력 크기 및 주기를 조절하는 맥동 제어를 실시하되, 수소퍼지밸브의 개방 주기 동안 N번의 맥동 운전압력 구간과, 일정 운전압력으로 이루어지는 미맥동 구간을 반복 실시하는 등의 제어를 통하여, 연료극내에 잔존하는 물을 원할하게 배출시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료극의 연료 이용률을 극대화시킬 수 있다.
특히, 기존의 연료극 맥동 운전 방법 대비 연료(수소) 사용량 감소를 통한 연료전지의 연료 이용률(= 연료전지의 연비)을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 연료전지 시스템의 운전 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 기존의 지나친 맥동에 의하여 연료가 공기극으로 넘어가는 크로스오버량 증가 현상 및 연료극의 드라이 현상 등을 방지할 수 있다.
또한, 맥동 유동 최적화에 따른 연료 배출 주기 및 연료 배출 밸브 개방 시간을 최적화하여, 연료 사용량 감소 및 연료 이용률(연비) 증가를 도모할 수 있다.
도 1a는 연료전지 시스템의 연료공급 시스템의 구성을 나타낸 개략도,
도 1b는 도 1a의 연료공급 시스템의 연료공급을 위한 운전압력을 나타낸 그래프,
도 2a는 연료전지 시스템의 연료공급 시스템에 맥동 발생 장치가 구성된 일례를 나타낸 개략도,
도 2b는 도 2a의 맥동 발생 장치에 의한 맥동 운전압력을 나타낸 그래프,
도 3a 및 도 3b는 맥동 발생 장치의 맥동 운전압력에 의한 물 배출 속도 및 연료(수소) 소모량을 나타낸 그래프,
도 4a 내지 도 4c는 연료공급 시스템에 맥동 발생 장치가 구성된 다른 예를 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법의 일 실시예를 나타낸 개략도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법의 다른 실시예를 나타낸 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법을 설명하는 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2a 및 도 4a를 참조하면, 연료전지의 연료극 입구(14)와 연결되는 수소공급라인(18)과 연료극 출구(16)와 연결되는 수소배출라인(26)이 재순환라인(28)으로 연결되어 있고, 재순환라인(28)에는 연료극 출구(16)로부터 배출되는 미반응수소를 원할한 물 배출을 위하여 연료극 입구(14)를 통해 연료극(12)내로 재순환시키는 재순환 장치(20)가 장착된다.
도 2a에서 보듯이, 연료극으로 공급되는 연료 운전압력을 유동시키기 위한 별도의 맥동 발생 장치(24)가 수소공급라인(18)의 임의 위치에 설치되거나, 도 4a에서 보듯이 수소배출라인(26)의 임의 위치에 설치된다.
따라서, 수소탱크로부터 새로운 수소가 연료전지의 연료극(12)으로 공급되거나, 또는 재순환장치(20)의 작동에 의하여 미반응 수소가 연료전지의 연료극(12)으로 다시 공급될 때, 상기 맥동 발생 장치(24)의 맥동 작동력에 의하여 연료극(12) 내로 공급되던 수소는 맥동에 의한 유동 흐름력을 발생시키고, 이때의 유동 흐름력에 의하여 연료극(12)의 내부에 잔존하는 물이 움직여서 연료극 출구(16)쪽으로 용이하게 배출될 수 있다.
첨부한 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 재순환라인(28)에 재순환 장치(20)가 장착되지 않은 채 별도의 맥동 발생 장치(24)가 수소공급라인(18) 또는 수소배출라인(26)의 임의 위치에 설치된다.
이때, 상기 재순환 장치(20)는 미반응 수소를 물배출을 위한 유동 유체가 되도록 연료극으로 재순환시키는 역할을 하므로, 별도의 맥동 발생 장치(24)가 설치되는 경우에는 설치하지 않아도 된다.
즉, 수소탱크로부터의 새로운 수소가 맥동 발생 장치(24)의 맥동 압력에 의하여 연료극으로 들어가 물 배출 작용을 원할하게 수행하게 되므로, 재순환 장치(20)를 생략하여도 무방하다.
여기서, 상기와 같이 재순환 장치의 설치 유무에 상관없이 수소공급라인 또는 수소배출라인의 임의 위치에 설치된 맥동 발생 장치를 기반으로 하는 본 발명의 맥동 제어 방법을 첨부한 도 4 내지 도 6을 참조로 설명하면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 상기 재순환장치(20)의 작동에 의하여 미반응 수소 또는 연료탱크로부터의 새로운 수소가 수소공급라인(18)을 따라, 연료전지의 연료극(12)으로 공급될 때, 상기 맥동 발생 장치(24)에서 맥동 압력을 발생시키는 맥동 제어를 실시함으로써, 연료극(12) 내로 공급되던 수소는 맥동 압력에 의한 유동 흐름력을 발생시키게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 맥동 발생 장치의 맥동 제어는 연료전지의 연료극내에 잔존하는 물을 원할하게 배출시킴과 함께 연료 이용률을 극대화시킬 수 있는 수준으로 조절되며 실시된다.
즉, 본 발명의 맥동 제어는 연료극 출구에 연결된 수소퍼지밸브의 개방 주기 동안, 연료전지의 연료극으로 공급되는 연료에 대한 맥동 운전압력 크기 및 주기를 조절하는 맥동 제어를 실시하되, 연료극내 물 배출과 연료극의 연료 이용률을 최적으로 유지시킬 수 있는 수준으로 실시하는 점에 특징이 있다.
여기서, 상기 수소퍼지밸브의 개방 주기는 수소퍼지밸브가 열려서 물과 함께 수소가 배출된 후, 다시 닫힘 순간 부터 그 다음 퍼지시 열림 전까지의 개방 주기를 말한다.
본 발명의 맥동 제어에 대한 바람직한 실시예로서, 첨부한 도 5에서 보듯이 수소퍼지밸브의 개방 주기 동안, 맥동 발생 장치의 맥동 작동에 따른 N번의 맥동 구간과, 맥동 발생 장치의 맥동 미작동에 따라 일정 운전압력으로 이루어지는 미맥동 구간이 반복된다.
이때, 상기 N번의 맥동 구간에서는 맥동 발생 장치에서 상한값과 하한값으로 맥동 압력을 반복 제공함으로써, 연료(수소)가 연료전지의 연료극으로 공급되기 전에 연료극내로 들어가는 수소에 맥동에 의한 유동 흐름력이 발생되고, 이 유동 흐름력에 의하여 연료전지의 연료극 채널 내부에 잔존해 있는 과량의 물만이 연료극 출구로 용이하게 배출 제거될 수 있고, 그에 따라 원할한 물배출 성능을 유지하여 연료전지 시스템의 운전 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 기존에 연료극 운전압력이 지속적인 맥동압력으로 유지됨에 따라 연료 이용률이 저하되는 점과 달리, 맥동 유동 최적화에 따른 연료 배출 주기 및 연료 배출 밸브 개방 시간을 최적화하여 연료 사용량 감소 및 연료 이용률(연비) 증가를 도모할 수 있다.
이때, 상기 N번의 맥동 구간에 의한 맥동압력 유지 시간은 수소퍼지밸브 개방 주기의 약 50% 이하로 유지되도록 함으로써, 기존에 지나친 맥동에 의하여 연료극내의 물배출이 과다하게 이루어져 건조 현상이 발생되지 않도록 한다.
이러한 본 발명의 맥동 제어는 연료전지 시스템의 현재 출력이 기준 출력 이하일 때만 실시하도록 한다.
보다 상세하게는, 본 발명의 맥동 제어를 첨부한 도 6에서 보듯이 연료전지 시스템의 최대 출력의 40% 이하인 저출력 구간에서만 실시하고, 최대 출력 40% 이상인 중출력 및 고출력 구간에서는 미실시하는 것이 바람직하다.
본 발명의 맥동 제어를 연료전지 시스템의 최대 출력의 40% 이하인 저출력 구간에서만 실시하는 이유는 연료전지 시스템의 최대 출력 40% 이상인 중출력 및 고출력 영역에서는 연료(수소) 공급 유량 증가로 물(liquid H2O) 제거가 원활하므로, 물 배출을 위한 맥동 압력 운전이 불필요하기 때문이고, 또한 연료전지 시스템의 최대 출력 40% 이상의 중/고출력 영역에서는 맥동 유동 적용 시, 연료극 압력이 과도하게 높아져 연료전지 시스템의 불안정성을 유발하는 원인이 될 수 있기 때문이다.
한편, 본 발명의 맥동 제어에 의하여, 수소퍼지밸브의 개방 주기를 기존에 비하여 증가시킬 수 있고, 수소퍼지밸브의 열림 시간을 단축시킬 수 있으며, 또한 연료 재순환를 위한 재순환 장치의 회전수 축소 제어가 이루어질 수 있다.
즉, 기존에는 연료극에 대한 지속적인 맥동 압력이 제공됨에 따라, 미반응 수소와 함께 물 배출이 과도하게 이루어지고, 이 과도한 물배출을 위하여 수소퍼지밸브의 개방 주기를 짧게 가져갈 수 밖에 없었지만, 본 발명에서는 맥동 압력 크기 및 주기를 조절하여 제공함에 따라 미반응 수소 및 물배출을 위한 수소퍼지밸브의 개방 주기를 길게 가져가는 동시에 열림 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 맥동 제어에 의하여, 연료극에서의 연료 이용률이 증가하는 동시에 연료 소모량이 감소됨에 따라, 연료극에서의 미반응 수소량을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 재순환을 위한 수소량도 감소하게 되므로, 재순환 장치의 회전수를 축소시켜 재순환 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.
12 : 연료극
14 : 연료극 입구
16 : 연료극 출구
18 : 수소공급라인
20 : 재순환 장치
22 : 수소퍼지밸브
24 : 맥동 발생 장치
26 : 수소배출라인
28 : 재순환 라인

Claims (8)

  1. 연료극 출구에 연결된 수소퍼지밸브의 개방 주기 동안, 연료전지의 연료극으로 공급되는 연료에 대한 맥동 운전압력 크기 및 주기를 조절하는 맥동 제어를 실시하여, 연료극내 물 배출과 연료극의 연료 이용률을 최적으로 유지시킬 수 있도록 하며,
    상기 맥동 제어는 N번의 맥동 구간과, 일정 운전압력으로 이루어지는 N번의 맥동 구간 사이의 미맥동 구간을 반복 실시하고,
    상기 맥동 제어는 수소퍼지밸브의 연료 퍼지 후, 닫힘 순간 부터 그 다음 퍼지시 열림 전까지의 개방 주기 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 맥동 제어는 연료전지 시스템의 현재 출력이 기준 출력 이하일 때 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 연료전지 시스템의 현재 출력이 기준 출력 이하이면, 맥동 제어를 위하여 수소퍼지밸브의 개방 주기를 증가시키는 제어와, 수소퍼지밸브의 열림 시간을 단축시키는 제어와, 연료 재순환를 위한 재순환 장치의 회전수 축소 제어가 선행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 맥동 제어는 연료전지 시스템의 최대 출력의 40% 이하에서만 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 맥동 제어시 총 맥동 유지 시간은 수소퍼지밸브 개방 주기의 약 50% 이하를 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 맥동 제어는 연료전지 저출력 구간에서 실시되고, 중출력 및 고출력 구간에서는 미실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 맥동 운전 방법.
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