KR101481310B1 - 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료극에서 배출되는 수소를 가습기 입구단을 통하여 공기극으로 퍼지되도록 함으로써, 연료전지 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 차량의 아이들 구간 또는 정상 주행 중, 연료극에서 배출되는 수소를 가습기의 입구단을 통하여 공기극내로 퍼지시켜, 공기극으로 퍼지된 수소가 공기와 반응하여 물을 생성하면서 연료전지 셀의 전압 및 전위를 강하시키는 요인으로 작용되도록 함으로써, 연료전지 셀의 고전위 노출을 방지하는 동시에 연료전지 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법{Hydrogen purging device and method for fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료극에서 배출되는 수소를 가습기 입구단을 통하여 공기극으로 퍼지되도록 함으로써, 연료전지 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(10)과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급계(20)와, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급계(30)와, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리계 등을 포함한다.
상기 공기공급계(30)는 외부공기를 흡입하여 가습기(32)쪽으로 공급하는 공기블로워(31)와, 스택(10)의 공기극에서 배출되는 습윤공기를 이용하여 공기블로워(31)에서 공급되는 건조공기를 가습하여 공기극(cathode)으로 제공하는 가습기(32)를 포함하여 구성된다.
상기 연료공급계(20)는 새로운 수소 연료를 연료극(anode)에 공급하는 것 이외에 연료극에서 퍼지된 미반응 수소를 연료극으로 재순환시킬 수 있도록 연료극의 출구쪽에 차례로 연결되는 워터트랩(21)과 수소 재순환 블로워(22)를 포함하여 구성된다.
상기 연료전지 스택의 운전 중, 연료극에 축적된 질소나 물 등은 스택의 성능을 저하시키기 때문에 연료극에 대한 주기적인 수소 퍼지를 실시하여 배출시키고 있다.
이때, 상기 연료극에 대한 수소 퍼지시, 물과 함께 배출되는 일부의 수소는 재사용을 위하여 워터트랩(21)을 통과한 후, 수소 재순환 블로워(22)의 작동에 의하여 연료극으로 재순환 공급되고, 나머지 일부의 수소는 수소퍼지라인(23)을 따라 공기공급계의 가습기(32)의 셸 사이드(shell side)를 통해 외부로 배출된다.
참고로, 상기 가습기(32)는 공기블로워(31)로부터 공급되는 건조공기 흐름공간과, 공기극에서 배출되는 습윤공기 흐름공간이 중공사막을 사이에 두고 구분되어 있고, 수소퍼지라인이 가습기의 셸 사이드(shell side)를 지나가게 된다.
상기와 같이 연료극에 대한 수소 퍼지를 실시하는 이유는 연료전지 시스템의 운전 중 연료극에 질소 및 수증기가 누적되어 새롭게 공급되는 수소의 농도를 낮아지게 하므로, 질소 및 물 등을 제거하여 연료전지 셀의 내구성을 확보하고자 함에 있다.
그러나, 연료극으로부터 물과 함께 퍼지되는 수소는 수소퍼지라인을 따라 가습기의 셸 사이드(shell side)를 통해 외부(대기)로 배출됨에 따라, 수소 배출 농도에 대한 안전규제를 충족시키지 못하는 경우가 발생하는 문제점이 있다.
한편, 연료전지 차량의 아이들 구간에서 일시적으로 연료전지 셀 전압을 강하시키면 연료전지의 내부구성들이 고전위에 노출되는 것을 최소화하여 연료전지 셀의 내구성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
아이들 구간에서 연료전지 셀에 대한 내구성을 확보하기 종래 방법으로서, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 연료전지의 연료극 및 공기극에 별도의 저항체를 연결하여, 연료전지 차량의 아이들 구간에서 연료전지 셀의 전압을 저항체(부하)를 통해 임의로 강하시키는 방안을 적용하였는 바, 이 경우 저항체에 인가되는 전압을 생성하기 위하여 별도의 수소 연료가 추가적으로 소모되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 차량의 아이들 구간 또는 정상 주행 중, 연료극에서 배출되는 수소를 가습기의 입구단을 통하여 공기극내로 퍼지시켜, 공기극으로 퍼지된 수소가 공기와 반응하여 물을 생성하면서 연료전지 셀의 전압 및 전위를 강하시키는 요인으로 작용되도록 함으로써, 연료전지 셀의 고전위 노출을 방지하는 동시에 연료전지 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 구현예로서, 스택의 공기극에서 배출되는 습윤공기를 이용하여 공기블로워에서 공급되는 건조공기를 가습하여 공기극으로 제공하는 가습기와, 연료극의 출구쪽에 차례로 연결되는 워터트랩 및 수소 재순환 블로워를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치에 있어서, 상기 워터트랩의 수소 출구와 가습기의 입구 간을 공기극으로 수소를 퍼지하기 위한 공기극용 수소퍼지라인으로 연결하여, 아이들 구간 및 주행시 연료스택의 연료극에서 배출되는 수소가 공기극으로 퍼지될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 공기극용 수소퍼지라인에는 공기극으로의 수소 퍼지를 허용하거나 차단하는 밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다른 구현예로서, 연료전지 스택의 연료극으로부터 수소가 퍼지되는 제1단계와; 퍼지된 수소가 가습기의 입구단으로 공급되는 제2단계와; 가습기의 입구단으로 공급된 수소가 공기와 함께 가습기를 통과하여 연료전지 스택의 공기극으로 최종 퍼지되는 제3단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1 내지 제3단계는 연료전지 차량의 아이들 구간 및 정상 주행시 주기적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 아이들 구간에 진입시, 제1 내지 제3단계에 따라 수소가 공기극으로 퍼지되고, 연료전지 셀 전압이 기준전압 이하로 강하되면 제1 내지 제3단계에 따라 수소가 공기극으로 퍼지되는 것을 중단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정상 주행시 연료전지 셀의 일정 전하량 이상인 경우, 제1 내지 제3단계에 따라 수소가 공기극으로 퍼지되고, 연료전지 셀들의 전압 편차가 일정수준 이상이면 제1 내지 제3단계에 따라 수소가 공기극으로 퍼지되는 것을 중단하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 수소 퍼지시 연료극에서 배출되는 수소를 외기로 배출시키지 않고, 가습기의 입구단을 통하여 공기극내로 퍼지시키고, 공기극으로 퍼지된 수소가 공기와 반응하여 물을 생성하면서 연료전지 셀의 전압 및 전위를 강하시키는 요인으로 작용되도록 함으로써, 연료전지 셀의 고전위 노출을 방지하는 동시에 연료전지 내구성을 향상시킬 수 있다.
특히, 연료전지 차량의 아이들 구간에서 연료극에서 배출되는 수소를 공기극으로 퍼지시킴으로써, 연료전지 셀 전압을 일시적으로 강하시킬 수 있고, 셀 전압 강하에 따른 연료전지 내부구성(전해질막, 촉매층 등)이 고전위에 노출되는 것을 방지하여 연료전지 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지의 운전 사이클이 증가할수록 연료전지의 내구성이 저하되어 전체적인 연료전지 셀 전압이 하강하지만, 본 발명은 연료전지 셀 전압의 강하율을 약 3배 정도 완화시킬 수 있고, 결국 운전 사이클의 증가 대비 연료전지의 내구성 저하를 더디게 진행시킬 수 있다.
또한, 기존에는 연료극에서 배출되는 수소가 외기로 배출됨에 따라, 수소 배출농도 안전규제를 충족시키지 못하는 경우가 발생할 수 있지만, 본 발명은 수소를 공기극으로 배출하므로, 수소 배출농도 안전규제를 충족시킬 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치에 대한 구성도,
도 2는 종래의 아이들 구간에서 셀 전압을 강하시키는 방식을 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치를 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법을 나타낸 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지가 이루어지는 아이들 구간을 나타낸 개략도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법을 적용한 운전을 한 경우와, 일반 운전을 한 경우의 운전 사이클에 따른 셀 전압 강하율을 비교 측정한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3을 참조하면, 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 공기공급계(30)는 외부공기를 흡입하여 가습기(32)쪽으로 공급하는 공기블로워(31)와, 스택(10)의 공기극에서 배출되는 습윤공기를 이용하여 공기블로워(31)에서 공급되는 건조공기를 가습하여 공기극(cathode)으로 제공하는 가습기(32)를 포함하여 구성되어 있다.
또한, 연료전지 스택(10)의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급계(20)는 새로운 수소 연료를 연료극(anode)에 공급하는 것 이외에 연료극에서 퍼지된 미반응 수소를 연료극으로 재순환시킬 수 있도록 연료극의 출구쪽에 차례로 연결되는 워터트랩(21)과 수소 재순환 블로워(22)를 포함하여 구성되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 워터트랩(21)의 수소 출구와 가습기(32)의 입구(공기블로워로부터 가습기로 공기가 들어가는 입구) 간을 공기극으로 수소를 퍼지하기 위한 공기극용 수소퍼지라인(40)으로 연결하여, 아이들 구간 및 그 후의 정상 주행시 연료전지 스택의 연료극에서 배출되는 수소가 공기극으로 퍼지될 수 있도록 한다.
이때, 상기 공기극용 수소퍼지라인(40)에는 공기극으로의 수소 퍼지를 허용하거나 연료전지 셀 전압이 기준전압 이하로 강하되면 공기극으로의 수소 퍼지를 차단하도록 솔레노이드 형태의 밸브(42)가 장착된다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 수소 퍼지 방법을 첨부한 도 3 및 도 4를 참조로 설명하면 다음과 같다.
연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 정상 주행 중, 도심 운전의 신호 대기 상황 등과 같은 주정차 상황에 직면하여 차량이 아이들 구간으로 진입하면, 본 발명의 수소 퍼지 방법이 실행된다.
본 발명의 수소 퍼지 방법은 연료전지 스택의 연료극으로부터 수소가 퍼지되는 제1단계와, 퍼지된 수소가 가습기의 입구단으로 공급되는 제2단계와, 가습기의 입구단으로 공급된 수소가 공기와 함께 가습기를 통과하여 연료전지 스택의 공기극으로 최종 퍼지되는 제3단계의 순서로 진행된다.
상기 제1단계에서, 연료극으로부터 수소가 퍼지되면, 물과 함께 수소가 배출되는 바, 물은 워터트랩(21)의 내부공간에 가두어지게 되고, 수소는 워터트랩(21)의 내부공간을 통과한다.
상기 제2단계에서, 워터트랩(21)을 통과한 퍼지된 수소는 공기극용 수소퍼지라인(40)을 따라 가습기(32)의 입구단으로 공급되며, 이때 수소퍼지라인(40)에 장착된 밸브(42)는 수소 퍼지를 위하여 열림 상태로 제어된다.
상기 제3단계에서, 가습기(32)의 입구단 즉, 공기블로워(31)로부터의 건조공기가 들어가는 입구단으로 공급된 수소는 공기블로워(31)로부터의 공기와 함께 가습기(32)를 통과하여 연료전지 스택(10)의 공기극으로 최종 퍼지된다.
이렇게 아이들 구간에서, 연료전지 스택의 공기극으로 퍼지된 수소는 공기극내에서 공기와 반응하여 물을 생성하면서 연료전지 셀의 전압 및 전위를 강하시키는 요인으로 작용한다.
즉, 상기 공기극으로 퍼지된 수소는 연료전지 스택의 전기 생성에 참여하기 위하여 공기극으로 공급된 공기의 일부와 물을 생성하는 반응을 하게 되므로, 전기 생성에 참여하기 위한 공기의 양이 줄어들면서 연료전지 셀의 전압 및 전위가 일시적으로 강하될 수 있다.
본 발명의 시험예로서, 연료전지 스택(20 cell PEMFC 스택)을 포함한 연료전지 시스템을 실제 주행 모드로 운전하되, 총 600사이클(1사이클: 1hr)의 운전 시간으로 운전하였고, 첨부한 도 5에서 보듯이 아이들 구간에서 약 10분 간 수소를 공기극으로 퍼지시키며 운전하는 시험을 실시하였다.
그 결과, 공기극으로의 수소 퍼지 시 아이들 구간에서 셀 전압이 0.945V → 0.821V로 낮아짐을 알 수 있었다.
따라서, 아이들 구간에서 연료전지 셀의 전압 강하에 따라 연료전지의 내부구성(전해질막, 촉매층 등)이 고전위에 노출되어 부식이 촉진되는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 연료전지 내구성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 연료극에서 퍼지되는 수소를 외부로 배출시키지 않고, 공기극으로 퍼지하여 전압을 강하시키는 요인이 되도록 함으로써, 연료전지의 전압 강하에 따라 내부구성(전해질막, 촉매층 등)이 고전위에 노출되는 것을 방지하여 연료전지 내구성을 향상시킬 수 있고, 수소를 공기극으로 퍼지하므로 수소 배출농도 안전규제를 항상 충족시킬 수 있다.
한편, 상기와 같이 제1 내지 제3단계에 따라 수소를 공기극으로 퍼지하여 연료전지 셀의 전압을 강하시키되, 연료전지 셀 전압이 기준전압 이하로 강하되면 연료전지의 운전 상태가 비정상적이 될 수 있으므로, 연료전지 셀 전압이 기준전압 이하로 강하되면 수소가 공기극으로 퍼지되는 것을 중단시킨다.
이때, 수소가 공기극으로 퍼지되는 것을 중단시키고자, 공기극용 수소퍼지라인(40)에 장착된 밸브(42)가 닫힘으로 제어된다.
본 발명의 수소 퍼지 방법은 아이들 구간 뿐만 아니라, 아이들 구간을 지나서 정상 주행 재시작 시 연료전지 셀의 일정 전하량 이상인 경우에도 실행된다.
즉, 상기한 제1 내지 제3단계에 따른 수소 퍼지 방법이 정상 주행시 연료전지 셀의 전하량이 일정 수준 이상인 경우에도 실행되어, 연료전지의 내부 구성들이 고전위에 노출되는 것을 최소화시키도록 하고, 연료전지 셀들의 전압 편차가 일정수준 이상으로 벌어지면 수소가 공기극으로 퍼지되는 것을 중단시킨다.
본 발명의 다른 시험예로서, 종래 대비 본 발명의 수소 퍼지 방법에 대한 연료전지 내구성 시험을 아래와 같이 실시하였다.
* 시험 대상 : 20 cell PEMFC 스택
* 시험 장비 : 소형 브레드보드(breadboard)
참고로, 연료전지 시스템이 실험실에 설치된 경우 이를 브레드보드(Breadboard)라고 한다.
* 운전 조건
- 운전온도: 58 ℃
- 공기 양론비: 2.2
- 공기 가습 방식: 막가습기 적용
- 수소공급계 운전 방식: 수소 재순환
- 누적 운전시간: 600 사이클(1사이클 : 1hr)
상기 운전 조건을 기반으로 공기극으로 수소를 퍼지하지 않고 외부로 배출시키는 일반 운전을 실시하고, 또한 본 발명의 수소 퍼지 방법에 따라 공기극에 수소를 퍼지하며 연료전지 시스템의 운전을 실시한 후, 연료전지 셀의 열화율 및 셀전압 강하율을 측정하였다.
그 측정 결과, 열화율(@ 0.6 A/㎠)은 공기극에 대한 수소 퍼지시 2.99%, 일반 운전시 6.59%로 나타났고, 셀전압 강하율(@ 0.6 A/㎠)은 공기극에 대한 수소 퍼지시 -25.7 μV/hr, 일반 운전시 -74 μV/hr로 나타나, 동일 운전 사이클 대비 셀 전압 강화율을 3배 정도 완화시킬 수 있음을 알 수 있었다.
즉, 연료전지의 운전 사이클이 증가할수록 연료전지의 내구성이 저하되어 전체적인 연료전지 셀 전압이 강하되는 것으로 알려져 있지만, 본 발명은 종래의 일반운전 대비 동일 사이클 운전시 연료전지 셀 전압의 강하율을 약 3배 정도 완화시킬 수 있음을 알 수 있었고, 이는 연료전지의 운전 사이클의 증가 대비 연료전지의 내구성 저하를 더디게 진행시킬 수 있음을 의미한다.
10 : 연료전지 스택
20 : 연료공급계
21 : 워터트랩
22 : 수소 재순환 블로워
30 : 공기공급계
31 : 공기블로워
32 : 가습기
40 : 공기극용 수소퍼지라인
42 : 밸브

Claims (6)

  1. 스택의 공기극에서 배출되는 습윤공기를 이용하여 공기블로워에서 공급되는 건조공기를 가습하여 공기극으로 제공하는 가습기와, 연료극의 출구쪽에 차례로 연결되는 워터트랩 및 수소 재순환 블로워를 포함하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치에 있어서,
    상기 워터트랩의 수소 출구와 가습기의 입구 간을 공기극으로 수소를 퍼지하기 위한 공기극용 수소퍼지라인으로 연결하여, 아이들 구간 및 주행시 연료스택의 연료극에서 배출되는 수소가 공기극으로 퍼지될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기극용 수소퍼지라인에는 공기극으로의 수소 퍼지를 허용하거나 차단하는 밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 장치.
  3. 연료전지 스택의 연료극으로부터 수소가 퍼지되는 제1단계와;
    퍼지된 수소가 가습기의 입구단으로 공급되는 제2단계와;
    가습기의 입구단으로 공급된 수소가 공기와 함께 가습기를 통과하여 연료전지 스택의 공기극으로 최종 퍼지되는 제3단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 내지 제3단계는 연료전지 차량의 아이들 구간 및 정상 주행시 주기적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 아이들 구간에 진입시, 제1 내지 제3단계에 따라 수소가 공기극으로 퍼지되고, 연료전지 셀 전압이 기준전압 이하로 강하되면 제1 내지 제3단계에 따라 수소가 공기극으로 퍼지되는 것을 중단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 정상 주행시 연료전지 셀의 일정 전하량 이상인 경우, 제1 내지 제3단계에 따라 수소가 공기극으로 퍼지되고, 연료전지 셀들의 전압 편차가 일정수준 이상이면 제1 내지 제3단계에 따라 수소가 공기극으로 퍼지되는 것을 중단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
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