KR101748275B1 - 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 방법은 상기 반응에 따른 부산물이 상기 스택으로부터 가습기에 배기된 후 배기관을 통해 배출하는 단계와 상기 부산물의 수소 농도가 소정 기준치 이상이 되는 특정 조건을 감지하는 단계와 상기 특정 조건이 감지되면, 상기 배기관의 일측에 장착된 공기 분사 장치로 공기를 공급하여 상기 배기관을 통해 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 연료 전지 시스템에서의 보다 효과적으로 수소 배출 농도를 제어할 수 있는 장점이 있다.

Description

연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING HYDROGEN EMISSION CONCENTRATION OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게 연료 전지 시스템에서 배기 가스에 포함된 수소 농도를 저감시키는 것이 가능한 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료 전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기(산소) 공급 장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 배출하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리계(Thermal Management System, TMS) 및 연료 전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료 전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
이러한 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생시키고, 반응 부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
차량용으로 가장 주목 받는 연료 전지 타입은 연료 전지 중 가장 높은 전력 밀도를 갖는 이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell 혹은 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)이며, 이는 낮은 작동 온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력 변환 반응 시간을 갖는 특징이 있다.
이온 교환막 연료 전지에 탑재되는 연료 전지 스택은 수소 이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기 화학 반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성되며, 수소와 산소(공기)가 공급될 때 연료전지반응에 의해 전류를 생성한다.
연료 전지 시스템에 있어서, 배출 가스에 포함된 수소 가스로 인한 폭발 또는 발화의 위험을 최소화하기 위해 배출 가스의 수소 농도가 소정 기준치 이하로 유지될 수 있도록 제어되어야 한다.
하지만, 연료 전지 시스템의 수소 퍼지 밸브를 통해 배출되는 수소 가스 및 스택 내 애노드 채널과 캐소드 채널 사이의 기체 농도 차이에 따른 크로스오버 현상으로 공기 배출 라인을 통해 배기되는 수소 가스는 배기 시스템을 통해 배출될 수 있다.
현재 전 세계적으로 적용 중인 GTR 법규에 따른 연료 전지 시스템에서 배기되는 수소 가스의 허용 농도는 최대 8% 이하이고, 3초 측정 평균이 4%를 초과하지 않아야 한다.
따라서, 수소를 연료로 사용하는 연료 전지 차량은 모든 운전 조건에서 항상 일정 수준 이하의 수소 농도를 가진 배기 가스가 배출될 수 있도록 제어되어야 한다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연료 전지 시스템의 배기 장치의 일측에 공기 분사 장치를 추가 구비함으로써, 고농도의 수소 가스가 배기되는 것을 미연에 방지하는 것이 가능한 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 가습기 전단의 공기를 가습기 후단에 구비된 공기 분사 장치를 통해 전단 방향으로 분사시킴으로써, 배기계를 통해 고농도의 수소 가스가 배출되는 것을 차단하는 것이 가능한 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 방법은 상기 반응에 따른 부산물이 상기 스택으로부터 가습기에 배기된 후 배기관을 통해 배출하는 단계와 상기 부산물의 수소 농도가 소정 기준치 이상이 되는 특정 조건을 감지하는 단계와 상기 특정 조건이 감지되면, 상기 배기관의 일측에 장착된 공기 분사 장치로 공기를 공급하여 상기 배기관을 통해 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 부산물은 상기 스택의 캐소드 채널을 통해 배기되는 공기, 상기 스택의 애노드 채널을 통해 배기되는 수소 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 특정 조건은 상기 부산물에 포함된 수소 가스의 농도가 소정 기준치 이상으로 올라가는 구간이 발생되는 조건을 포함할 수 있다.
또한, 상기 부산물에 포함된 수소 가스의 농도가 소정 기준치 이상으로 올라가는 구간은 차량 시동 후 소정 시간 이내의 저유량 구간을 포함하되, 상기 저유량 구간은 상기 가습기로부터 상기 스택의 캐소드 채널로 공급되는 공기의 양에 기반하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 공기 분사 장치를 통해 상기 배기관에 분사되는 공기에 의해 상기 배기관의 유로 방향에 수직으로 에어 커튼이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 형성된 에어 커튼에 의해 상기 배기관 내 뭉쳐진 상기 수소 가스가 상기 분사된 공기와 희석된 후 상기 가습기 방향으로 역류될 수 있다.
또한, 상기 수소 배출 농도 제어 방법은 상기 특정 조건이 감지되면, 상기 배기관 내 에어 커튼이 주기적으로 형성되도록 상기 공기 분사 장치로의 상기 공기 공급을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 방법은 상기 반응에 따른 부산물이 상기 스택으로부터 가습기에 배기된 후 배기관을 통해 배출하는 단계와 상기 부산물의 수소 농도가 소정 기준치 이상이 되는 특정 조건을 감지하는 단계와 상기 특정 조건이 감지되면, 상기 가습기 후단 일측에 장착된 공기 분사 장치로 공기를 공급하여 상기 배기관을 통해 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 특정 조건은 상기 스택의 캐소드 채널에 공급되는 공기의 양, 상기 스택 내 애노드 채널의 퍼징 시점 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 공기 분사 장치에 공급되는 공기로 압축기로부터 상기 가습기에 공급되는 압축 공기가 이용될 수 있다.
또한, 차량 초기 시동에 따른 저유량 구간 동안 상기 공기 분사 장치로의 공기 공급은 차단되고 상기 압축기가 구동되되, 상기 압축 공기에 의해 상기 부산물의 수소 농도가 희석된 후 상기 배기관을 통해 상기 부산물이 배출될 수 있다.
또한, 차량 정상 주행에 따른 고유량 구간 동안 상기 공 기 분사 장치로의 공기 공급이 개시되되, 상기 공기 분사 장치를 통해 상기 가습기 후단에 분사되는 공기에 의해 상기 부산물에 포함된 수소 가스가 희석된 후 상기 가습기 전단으로 이동될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치는 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택과 가습된 공기를 상기 스택의 캐소드 채널에 공급하고, 상기 스택의 반응 부산물이 배기되는 가습기와 상기 가습기에 압축 공기를 제공하는 압축기와 상기 배기된 부산물을 외부로 배출시키기 위한 배기관과 노즐을 통해 공기를 분사하여 상기 부산물의 수소 농도를 저감시키는 공기 분사 장치와 상기 부산물의 수소 농도가 소정 기준치 이상이 되는 특정 조건이 감지되면, 상기 공기 분사 장치를 구동시키는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소 배출 농도 제어 장치는 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 공기 분사 장치로의 공기 공급을 제어하기 위한 역유로밸브를 더 포함하되, 상기 역유로밸브를 통해 소정 주기로 상기 공기 공급이 ON/OFF 제어되어 상기 배기관을 통해 배기되는 수소 농도가 저감될 수 있다.
또한, 상기 수소 배출 농도 제어 장치는 상기 스택의 애노드 채널의 배기를 제어하기 위한 수소 퍼지 밸브를 더 포함하되, 상기 수소 퍼지 밸브가 개방되면, 상기 공기 분사 장치에 상기 공기가 공급될 수 있다.
또한, 상기 특정 조건은 초기 차량 시동 후 수초 동안의 저유량 구간을 포함할 수 있다.
또한, 상기 노즐을 통해 분사되는 공기에 의해 상기 배기관 내 에어 커튼이 형성되되, 상기 배기관 내 뭉쳐진 상기 수소 가스가 상기 분사된 공기와 희석된 후 상기 가습기 방향으로 역류될 수 있다.
이때, 상기 노즐을 통해 분사되는 공기는 상기 가습기에서 상기 스택의 캐소드 채널로 공급되는 공기일 수 있다.
또한, 상기 노즐을 통해 분사되는 공기에 의해 상기 가습기 후단의 수소 가스가 희석된 후 상기 가습기의 전단으로 유로가 형성될 수 있다.
이때, 상기 노즐을 통해 분사되는 공기는 상기 가습기에 공급되는 압축 공기가 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 상기한 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 및 해당 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 연료 전지 시스템의 일측에 전단의 공기를 후단을 통해 전단 방향으로 분사하는 공기 분사 장치를 추가 구비함으로써, 배기 가스의 높은 수소 농도를 일정 수준 이하로 저감시키는 것이 가능한 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 가습기 전단의 공기를 가습기 후단에 구비된 공기 분사 장치를 통해 전단 방향으로 분사시킴으로써, 배기계를 통해 고농도의 수소 가스가 배출되는 것을 차단하는 것이 가능한 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택 내 수소의 농도 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 분사 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하에서는 연료 전지 시스템의 기본 동작 및 구조를 간단히 설명하기로 한다.
일반적으로 수소를 연료로 하는 연료 전지 시스템은 수소 가스를 스택에 공급하기 위한 수소 탱크, 압축 공기를 스택에 공급하기 위한 압축기, 물 생성 반응을 통해 전력을 생산하는 스택, 스택의 배기 가스를 배출하기 위한 배기 시스템 등을 포함하여 구성될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 연료 전지 시스템의 구성 태양에 따라 새로운 구성 요소가 추가로 장착될 수 있음을 주의해야 한다. 일 예로, 연료 전지 시스템은 스택의 냉각에 사용될 물을 공급하는 물탱크가 추가로 구비될 수도 있다.
연료 전지 시스템의 스택에서 수소는 양극인 애노드(anode, '연료극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 음극인 캐소드(cathode, '공기극' 혹은 '산소극'이라고도 함)로 공급된다.
양극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 음극으로 전달된다.
이때, 음극에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기 공급 장치에 의해 음극으로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응이 일어난다.
수소 이온의 이동에 따라 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생되며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
이러한 이온교환막 연료 전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[연료극에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-
[공기극에서의 반응] O2 + 4H++ 4e-→ 2H2O
[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지
상기 반응에서 수소 이온은 고분자막을 통과해 지나가야만 하는데, 수소의 막 투과성은 물 함유량의 함수로 결정되고, 반응이 진행됨에 따라 물(수증기)이 발생하여 반응 기체와 막을 가습하게 된다.
가스가 건조한 경우에는 반응으로 생성된 물 전량이 공기를 가습하는데 쓰여 고분자막이 말라 버리며, 따라서, 연료 전지를 적절하게 가동하기 위해서는 고분자막이 습하게 유지되어야 한다. 왜냐하면 수소이온의 투과성은 막에 함유된 물의 함수로 결정되기 때문이다.
막이 너무 젖어 있을 경우에는 기체확산층(이하, GDL이라 함)의 기공이 막히게 되어 반응기체가 촉매에 접촉하지 못하는 경우가 발생하며, 이러한 이유로 막의 물 함유량을 적절히 유지하는 것은 매우 중요하다.
또한, 연료 전지는 산화제로서 순수 산소가 아닌 대기의 공기를 공급받는다. 하지만, 대기의 공기 습도는 막을 젖어있게 하는데 충분히 습하지 않으며, 따라서 연료 전지로 공급되기 전에 공기는 연료 전지의 원활한 작동을 위해서 충분히 가습되는 것이 바람직하다.
한편, 연료 전지 시스템의 스택은 단위 셀을 반복적으로 적층하여 쌓은 구조이며, 이때 단위 셀은 수소와 산소가 반응하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 최소한의 연료 전지 구성 요소이다.
이러한 단위 셀 구조는 분리판, GDL, MEA가 적층된 구조이며, 여기서 분리판은 MEA와 GDL의 구조적 지지, 발생한 전류의 수집 및 전달, 반응기체의 수송, 반응생성물의 수송 및 제거, 그리고 반응열 제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당하는 연료 전지의 핵심 부품이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 스택(Stack, 10), 제1 내지 제2 밸브(20, 30), 제1 내지 제2 압축기(40, 50), 라디에이터(Radiator, 60) 및 물탱크(Water Reservoir, 70)를 포함하여 구성될 수 있다. 다만, 연료 전지 시스템(100)의 각 구성 요소들을 전기적인 제어 신호를 통해 제어하는 연료 전지 시스템 제어기(미도시)가 연료 전지 시스템(100)에 포함될 수 있음을 주의해야 한다.
스택(10)은 양극인 애노드(11)와 음극인 캐소드(12)를 포함하여 구성될 수 있으며, 애노드(11)와 캐소드(12) 사이의 물 생성 반응에 따라 전기 에너지와 수증기를 발생시킨다. 이때, 스택(10) 내 생성된 전력은 애노드(11)를 통해 출력될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 증발냉각식일 수 있으며, 스택(10) 내 발생되는 열을 냉각시키기 위한 물과 스택(10) 내 물 생성 반응을 발생시키기 위한 산화제인 공기가 각각 물 공급 라인(81)과 공기 공급 라인(82)을 통해 캐소드(12)에 공급될 수도 있다.
이때, 캐소드(12)에 주입되는 공기량 및 공기의 압력은 각각 제2 밸브(30) 및 제1 압축기(40)에 의해 각각 제어될 수 있다.
연료 전지 시스템은 스택(10)의 목표 운전 온도에 기반하여 캐소드(12)에 주입되는 공기량과 압력이 제어될 수 있다. 물 생성 반응에 따라 스택(10)에서 발생되는 열은 상기 물 공급 라인(81)을 통해 캐소드(12)로 공급된 물을 증발시켜 수증기를 발생시키며, 이때, 발생되는 수증기의 증발 잠열로 스택(10)의 냉각이 이루어진다. 물론, 스택(10) 내부에서의 물 생성 반응에 의해서도 고온의 수증기가 발생될 수 있다.
스택(10) 내 발생된 고온의 수증기는 캐소드(12)의 일측에 연결된 공기 배출 라인(83)을 통해 제2 압축기(50)에 전달될 수 있다. 이때, 공기 배출 라인(83)을 통해 배출되는 수증기는 거의 포화 상태일 수 있다.
물의 증발 잠열은 섭씨 80도에서 약 2300kJ/kg이며, 현열에 비해 대단히 많은 열을 필요로 한다.
스택(10) 내 물의 증발은 온도가 높고 압력이 낮을수록 유리하며, 스택(10)의 캐소드(12)에 공급되는 공기에 포함된 증발 가능한 수증기량도 온도가 높고, 압력이 낮은 경우 증가하게 된다.
따라서, 캐소드(12)에 공급된 물을 잘 증발시키기 위해서는 캐소드(12) 내 온도는 높아야 하고, 압력은 낮아야 한다. 하지만, 스택(10)의 성능을 높이기 위해서는 캐소드(12)의 온도와 압력이 적절히 유지되어야 한다.
일 예로, 캐소드(12) 내의 압력은 제1 압축기(40) 및 제2 압축기(50)를 제어하여 조절될 수 있다. 다른 일 예로, 캐소드(12) 내의 압력은 제2 밸브, 제1 압축기(40) 및 제2 압축기(50)를 제어하여 조절될 수도 있다.
라디에이터(60)에 공급되는 고온 다습한 수증기의 압력은 제2 압축기(50)에 의해 제어될 수 있다.
라디에이터(60)는 고온/고압의 다습한 수증기가 가지고 있는 열을 방열하여 응축수를 생성할 수 있다. 상세하게, 상기 방열에 따라 라디에이터(60)에서의 온도가 낮아지고 압력은 상승하여 절대습도가 낮아지므로 수증기가 물로 응축될 수 있다.
라디에이터(60)에 의해 응축된 물-이하 설명의 편의를 위해 응축수라 명함-의 양은 라디에이터(60) 출구의 온도 및 공기량에 따라 출구의 총 압력을 제어하여 조절될 수 있다. 여기서, 라디에이터(60) 출구의 총 압력은 제2 압축기(50) 및 제1 밸브(20)를 통해 제어될 수 있다.
상세하게, 외기 온도 및 방열해야 하는 절대 열량에 따라 라디에이터(60) 출구의 온도 및 공기량이 결정될 수 있으며, 결정된 출구의 온도 및 공기량에 따라 제1 밸브(20)를 통해 배기되는 수증기량-즉, 라디에이터(60)에 공급되는 수증기량 - 라디에이터(60)에 의해 응축된 물의 량-은 출구의 총 압력을 제어하여 조절될 수 있다. 즉, 차량 내 습도는 제2 압축기(50) 및 제1 밸브(20)를 통한 라디에이터(60) 출구의 총 압력을 제어하여 조절될 수 있다.
라디에이터(60)에서의 응축수량은 공기량이 적고, 온도가 낮으며, 압력이 높을수록 증가할 수 있다.
라디에이터(60)에서 응축된 물은 라디에이터(60)의 출구 일측에 구비된 별도의 응축수 배관(84)을 통해 물탱크(70)로 전달될 수 있으나 이는 하나의 실시예에 불과하며 라디에이터(60)에 의해 응축된 물을 물탱크(70)로 전달하는 방법은 한정되지 않는다. 일 예로, 라디에이터(60)에는 응축된 물을 응축수 배관(84)을 통해 물탱크(70)로 전달하기 위한 배수 펌프(미도시)가 별도로 구비될 수도 있다. 다른 일 예로, 라디에이터(60)에서 응축된 물을 제2 압축기(50)를 통한 압력 제어에 의해 응축수 배관(84)을 통해 물탱크(70)에 전달될 수도 있다.
라디에이터(60) 출구로 배기되는 냉각 공기는 어느 정도 수증기를 포함하는 가습 공기일 수 있으며, 라디에이터 배기 라인(85)을 통해 제1 밸브(20)에 전달된 후 연료 전지 시스템(100) 밖으로 배출될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기에 포함된 수증기량과, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기의 수증기량을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 만약, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 수증기량이 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 수증기량보다 많은 경우, 물탱크(70)에 유지되는 물의 양은 점차적으로 감소할 수 있다. 이는, 캐소드(12)에 충분한 물이 공급되지 않은 스택(10) 내부의 온도가 상승하는 결과를 야기시킬 수 있다.
또한, 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기에 포함된 수증기량과, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기의 수증기량을 일정하게 유지하는 것은 물탱크(70)에 물을 보충해야 하는 불편을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 전체적인 연료 전지 시스템의 성능을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 대기 공기의 특성, 스택(10)의 목표 운전 온도, 스택(10)의 목표 출력 전력량 등에 기반하여 적응적으로 제1 내지 제2 밸브(20, 30), 제1 내지 제2 압축기(50) 중 적어도 하나를 제어함으로써, 연료 전지 시스템의 성능을 일정하게 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기한 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기에 포함된 수증기량과, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기의 수증기량을 일정하게 유지시킴으로써, 차량 내 실내 습도를 차량 외부의 습도와 유사 또는 동일하게 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 제2 밸브(30)를 통해 주입되는 대기 공기를 통해 캐소드(12) 내에서 증발 가능한 수증기량(mvap)을 산출하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.
대기 공기를 통해 캐소드(12) 내에서 증발 가능한 수증기량(m vap )은 라디에이터(60)의 출구를 통해 배출되는 응축수를 제외환 수증기량-즉, 제1 밸브(20)를 통해 배출되는 공기에 포함된 수증기량-을 제어를 위한 목표 값으로 설정될 수 있다.
대기 공기를 통해 캐소드(12) 내에서 증발 가능한 수증기량(m vap )은 하기 수식 1에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112016019803248-pat00001
상기 수식 1에서 보여지는 바와 같이, 증발 가능한 수증기량(m vap )를 제어하기 위한 변수는 캐소드(12)에 공급되는 공기량-공기 SR에 비례-, 캐소드(12) 내 총 압력, 대기 공기의 상대 습도 및 포화 수증기압을 포함한다.
스택(10)의 캐소드(12)의 경우, 열이 충분히 잘 공급되므로 물이 증발하기 좋은 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 캐소드(12)에 의해 배출되는 공기는 상대습도는 거의 포화 상태에 가까울 수 있다. 따라서, 스택(10)의 온도를 목표 수준으로 조절하기 위해서는 캐소드(12)에 주입되는 공기량과 캐소드(12) 내 압력을 제어함으로써, 캐소드(12)에서의 수분 증발량을 조절할 수 있다.
연료 전지 시스템(100)에서 궁극적으로 제어하고 싶은 변수는 스택(10)의 운전 온도이며, 캐소드(12) 내에서의 수증기 증발량 및 증발 잠열이 제어되지 않는 경우, 냉각이 제대로 이루어지지 않아 스택(10) 내부 온도가 상승하게 될 수 있다. 이러한 문제 해결을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 캐소드(12)에 주입되는 공기량 및 압력을 제어하여 스택(10)에서의 수증기 증발량 및 증발 잠열을 제어하고 목표 온도를 유지시키고, 상기 수증기 증발량에 따라 라디에이터(60)의 방열량 및 압력을 제어함으로써, 일정량의 물이 물탱크에 유지될 수 있도록 할 수 있다.
상기한 도 1의 증발냉각식의 연료 전지 시스템(100)은 본 발명의 일 실시예에 따라 적용 가능한 연료 전지 시스템이며, 이에 한정되지는 않으며, 다른 형태와 구조를 가지는 연료 전시 시스템이 본 발명에 적용될 수도 있음을 주의해야 한다. 일 예로, 상기한 도 1에서는 스택(10)의 냉각이 캐소드(12)에 공급되는 물의 양을 조절하여 이루어지는 것으로 설명되고 있으나 이는 하나의 실시예에 불과하며, 스택 내 별도의 냉각 채널이 구성되어 과열된 스택을 냉각시킬 수도 있음을 주의해야 한다. 또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 압축기를 통해 주입된 압축 공기를 가습하여 스택의 캐소드에 공급하고, 배출된 공기 및 수소 가스를 배기관을 통해 배출시키는 가습기를 포함하여 구성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택 내 수소의 농도 변화를 설명하기 위한 도면이다.
연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 장치로서, 정상적인 발전을 위해서는 적절한 농도의 수소와 산소가 각각 애노드와 캐소드에 공급되어야 한다.
산소의 경우, 정상적인 운전 기간에는 에어 블로워를 통해 끊임없이 공기가 연료 전지 스택에 공급되고, 사용된 공기는 연료 전지 스택의 공기 배기구를 통해 배출되므로, 항상 일정한 농도의 산소가 스택에 공급될 수 있다.
그러나, 상기한 도 2를 참조하면, 수소의 경우, 스택 내 수소의 이용율을 높이기 위한 목적으로 수소의 배출구가 닫힌 상태로 운영되며, 이에 따라 시간이 지날수록 불순물이 연료 전지의 수소 채널에 쌓이게 된다. 여기서, 수소 채널에 쌓이는 불순물은 수소 탱크로부터 공급되는 불순물, 캐소드에서 MEA를 통해 넘어온 질소 가스, 셀의 온도 상승에 따라 증발한 수증기 등을 포함할 수 있다. 물론, 캐소드에서 MEA를 통해 애노드 방향으로 산소 가스가 넘어올 수 있으나, 이 경우, 산소 가스는 애노드 촉매에서 수소 가스와 반응하여 바로 소모될 수 있다. 또한, 애노드 쪽의 수소 가스 역시, MEA를 통해 캐소드 방향으로 전달될 수 있으나, 이 경우의 수소 가스는 대부분 캐소드 촉매에서 산소 가스와 반응하여 바로 소모될 수 있다.
불순물의 농도가 높아짐에 따라, 애노드 촉매에 전달되는 수소의 양은 감소하게 되며, 이는 전반적인 연료 전지 성능을 저하시킬 수 있다. 이를 막기 위해, 현재 출시되고 있는 대부분의 연료 전지 차량은 일정 주기마다 또는 일정량의 수소가 소모되면 애노드 채널의 배출 가스를 밖으로 배출시켜 애노드 채널 내 수소 농도를 일정 수준 이상으로 유지되도록 제어되고 있다. 하지만, 애노드 채널에서의 수소 농도를 실시간으로 측정하는 것은 현실적으로 쉽지 않은 문제점이 있다. 상세하게, 수소 탱크로부터 수소 가스와 함께 스택에 공급되는 불순물의 누적량은 수소 탱크에 저장된 가스 분석을 통해 계산될 수 있으나, MEA 양단의 기체 압력 차이에 의해 발생되는 스택 내 가스 이동-즉, 크로스오버-의 영향을 실측하거나 계산하는 것은 용이하지 않은 문제점이 있다.
일반적으로, 스택 구동 전 스택 내의 수소 농도는 매우 높을 수 있다. 이에 따라, 애노드 채널에서 캐소드 채널로 크로스오버된 수소 가스의 농도는 높을 수 있다. 이때, 연료 전지 차량의 시동이 ON되어, 스택이 구동되면, 캐소드 채널에는 적은 양의 공기-즉, 저유량의 공기-가 주입될 수 있다. 캐소드 채널에 쌓인 수소 가스는 공기 유입에 따라 공기 배기 라인을 통해 배기될 수 있다. 이때의 배기 공기에 포함된 수소 가스의 농도는 매우 높을 수 있다. 또한, 초기 스택 구동 시 캐소드 채널 내 수소 농도를 일정 수준 유지하기 위해 수소 퍼징 밸브가 열릴 수 있다. 이때, 애노드 채널 내 쌓인 불순물과 함께 일부 반응하지 않은 수소 가스가 수소 퍼징 밸브를 통해 배기될 수 있다.
따라서, 초기 차량 시동 시의 배기 가스에 포함된 수소 가스의 농도는 다른 시점에 비해 상대적으로 높을 수 있다. 따라서, 초기 차량 시동 시 배기 가스에 포함된 수소 가스의 농도를 제어하는 것이 중요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 배출 농도 제어 장치는 초기 차량 시동 시 공기 분사 장치로 압축 공기 또는 스택 입력 공기를 공급하여 배기관을 통해 배출되는 수소 가스의 농도를 저감시킬 수 있다.
일반적으로, 차량이 고출력으로 정상 운행되는 동안에는 고유량의 공기가 스택에 공급되므로 활발한 물 생성 반응이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 스택 내 반응되지 않거나 크로스오버된 수소 가스의 양은 현저히 작아질 수 있으며, 퍼지 시 저농도의 수소 가스가 배기관을 통해 배출될 수 있다. 이 경우, 공기 분사 장치에 압축 공기 또는 스택 입력 공기가 공급되지 않도록 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 수소 배출 농도 제어 장치(300)는 크게 스택(STACK, 310), 수소 퍼지 밸브(320), 수소공급부(330), 압축기(340), 가습기(350), 역유로밸브(360), 공기 분사 장치(361), 배기관(370) 및 제어부(380)를 포함하여 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위함일 뿐 본 발명의 다른 일 실시예는 보다 많거나 적은 구성 요소들을 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
스택(310)은 애노드 채널(311), 막전극접합체(MEA, 312) 및 캐소드 채널(313)을 포함할 수 있으나, 이는 설명의 편의를 위함일 뿐, 스택(310)은 냉각 채널과 같은 구성 요소를 더 포함하여 구성될 수 있음을 주의해야 한다.
수소공급부(330)는 수소 공급 라인(301)을 통해 스택(310)의 애노드 채널(311)에 수소 가스를 공급할 수 있다. 이때, 공급되는 수소 가스의 양은 스택의 출력 전력 및 목표 운전 온도 등에 기반하여 제어부(380)에 의해 동적으로 제어될 수 있다.
수소 퍼지 밸브(320)는 애노드 채널(311)에 쌓인 불순물을 배출하고 애노드 채널 내 수소 농도를 일정 수준으로 유지하기 위해 사용될 수 있다. 일 예로, 제어부(380)는 애노드 채널(311)의 퍼징 시점을 결정하고, 결정된 퍼징 시점에 따라 수소 퍼지 밸브(320)를 열어 애노드 채널(311)에 쌓인 불순물 및 수소 가스가 수소 배기 라인(302)을 통해 가습기(350)에 전달될 수 있도록 제어할 수 있다.
스택(310)은 공기 공급 라인(303)을 통해 공급되는 산소와 수소 공급 라인(301)을 통해 공급되는 수소의 반응을 통해 전력을 생산한다. 이때, 사용된 공기는 공기 배기 라인(304)을 통해 가습기(350)에 전달될 수 있다.
상세하게, 공기 공급 라인(303)를 통해 공급되는 가습된 압축 공기는 스택(310)의 캐소드 채널(313)에 공급되며, 수소 공급 라인(301)을 통해 공급되는 수소 가스는 애노드 채널(311)에 공급된다. 이때, 캐소드 채널(313)에 공급되는 공기의 양은 제어부(380)가 압축기(340)의 출력 공기압을 제어하여 제어될 수 있다.
가습기(350)는 압축기(340)를 통해 공급된 공기를 가습한 후 가습된 압축 공기를 캐소드 채널(313)에 공급함과 동시에, 애노드 채널(311) 및 캐소드 채널(313)에서 배출된 가스를 배기관(370)을 통해 외부로 배출시킬 수 있다.
초기 차량 시동 시 배기관(370)을 통해 배출되는 가스의 수소 농도는 소정 기준치를 초과할 수 있다. 만약, 고농도의 수소 가스가 배기관을 통해 외부에 배출되는 경우, 폭발과 화재의 위험이 높아질 수 있다.
이를 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 배출 농도 제어 장치(300)는 압축기(340)의 출력 라인에서 분기된 압축 공기를 공급받도록 구성된 역유로밸브(360) 및 역유로밸브(360)의 출력 라인(341)과 연결되어 가습기(350)의 일측에 장착되는 공기 분사 장치(361)를 포함할 수 있다. 여기서, 공기 분사 장치(361)는 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 가습기(350) 후단과 배기관(370) 입구 사이에 장착될 수 있으며, 가습기(350) 전단 방향-즉, 압축기(340)로부터 공기가 주입되는 방향-으로 유로가 형성될 수 있도록 고압의 공기를 분사시킬 수 있다. 이때, 역유로밸브(360)의 구동은 제어부(380)에 의해 제어될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
일 예로, 제어부(380)는 차량 시동이 ON된 경우, 소정 시간 동안 역유로밸브(360)가 소정 주기로 ON/OFF되도록 제어할 수 있다. 이 경우, 공기 분사 장치(360)의 노출을 통해 배기되는 공기의 압력에 의해 뭉쳐진 수소 가스는 분산될 수 있으며, 그에 따라 배기관을 통해 배기되는 수소 가스의 최대 농도 및 단위 시간 동안의 평균 농도는 저감될 수 있다.
일 실시예에 따른 역유로밸브(360)는 소정 주기로 밸브를 ON/OFF 제어하는 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
일반적으로, 초기 차량 시동 후, 2~3초 동안 가습기(350)에서 배출되는 수소 농도는 매우 높을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 배출 농도 제어 장치(300)는 소정 기준치 이상의 농도를 가지는 수소 가스가 배기관(370)을 통해 배출되지 않도록, 특정 시점 또는(및) 특정 조건에서 역유로밸브(360)를 제어할 수 있다. 여기서, 특정 시점 또는(및) 특정 조건은 차량 시동이 최초 ON된 시점, 시동 ON 상태에서 일시 정차 후 다시 주행하는 시점, 저유량 시점, 고유량 시점 등을 포함할 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 해당 연료 전지 시스템의 특성 및 구조에 따라 적응적으로 역유로밸브(360)의 제어 시점이 다르게 설정될 수 있음을 주의해야 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소 배출 농도 제어 장치(300)는 초기 차량 시동 시에 스택에서 배기된 부산물에 포함된 고농도의 수소 가스를 희석시키기 위해 압축기(340)를 구동시킬 수 있다. 이 경우, 압축기(340)에 의해 가습기(350)에 공급된 공기와 수소 가스는 희석된 후 배기관(370)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이때, 제어부(380)는 역유로밸브(360)를 제어하여 공기 분사 장치(361)에 압축 공기가 공급되지 않도록 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 예에 따른 수소 배출 농도 제어 장치(300)는 차량 정상 주행에 따른 고유량 구간에서 수소 퍼지 밸브(320)가 개방된 경우, 역유로밸브(360)를 제어하여 공기 분사 장치(361)에 압축 공기가 공급될 수 있도록 제어할 수 있다. 이 경우, 수소 퍼지 밸브(320)를 통해 가습기(350)로 배출된 부산물에는 애노드 채널에서 반응되지 않고 남은 수소 가스가 포함될 수 있으며, 해당 수소 가스는 공기 분사 장치(361)를 통해 분사된 공기에 희석되어 외부로 배출될 수 있다.
연료 전지 스택(310)의 캐소드 채널(313)에는 질소, 산소 및 수증기가 존재하고, 애노드 채널(311)에는 수소와 수증기가 존재한다.
각각의 채널에 존재하는 가스는 MEA(312)를 기준으로 양 채널 내 가스의 농도 차이-즉, 압력 차이-에 따라 MEA(312)를 거쳐 크로스오버(Crossover)될 수 있다.
여기서, 가스 i의 MEA 투과도 J i 는 하기 수식 2의 픽스 법칙(Fick's law)에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112016019803248-pat00002
Figure 112016019803248-pat00003
질소는 일반 대기 중에 약 80%의 부피를 차지하고 있으므로, 캐소드 채널(313) 내 기체 중 대부분의 부피를 차지한다. 반면, 애노드 채널(311)에는 공기가 공급되지 않으므로, 공기의 농도는 거의 0에 가깝다. 따라서, 상기 수식 1에 따라 캐소드 채널(313)과 애노드 채널(311)의 질소 농도 차이에 따라 일정량의 질소가 캐소드 채널(313)에서 애노드 채널(311)로 이동하여 애노드 채널(311)에 불순물로 쌓일 수 있다.
산소는 일반 대기 중에 약 20%의 부피를 차지하며 애노드 채널(311)에서의 산소 농도는 거의 0에 가깝다. 따라서, 상기 수식 1에 따라 캐소드 채널(313)과 애노드 채널(311)의 산소 농도 차이에 따라 일정량의 산소가 캐소드 채널(313)에서 애노드 채널(311)로 이동한다. 하지만, 애노드 채널(311)로 넘어간 산소는 애노드 촉매상의 수소와 반응하여 모두 물로 변환되므로 애노드 채널(311)에 쌓이는 산소는 존재하지 않을 수 있다. 애노드 촉매상에서의 물 생성 반응에 의해 소진된 수소의 양만큼 수소 탱크를 통해 애노드 채널(311)로 수소 가스가 지속적으로 공급되는 경우, 애노드 채널(311)상에서의 수소 농도는 일정하게 유지될 수 있다.
애노드 채널(311)의 수소 역시 위의 수식 1에 따라 크로스오버되어 캐소드 채널(313)로 이동할 수 있다. 이동된 수소는 캐소드 촉매상에서 산소와 반응하여 물이 된다. 따라서 캐소드 채널(313)상에 산소가 존재하는 한, 캐소드 채널(313)의 수소 농도는 0이라 말할 수 있다. 위의 수식 1에서 보면 MEA(312)를 넘어오는 수소의 양은 MEA(312) 양단의 수소의 농도 차이가 클 수록 커진다. 그러나 캐소드 채널(313)의 수소 농도는 산소가 존재하는 한 항상 0이다. 따라서 애노드 채널(311)의 수소 농도가 커질수록 보다 많은 양의 수소가 캐소드 채널(313)로 크로스오버된다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 수소 배출 농도 제어 장치(400)는 크게 스택(STACK, 410), 수소 퍼지 밸브(420), 수소공급부(430), 압축기(440), 가습기(450), 역유로밸브(460), 제1 내지 제2 공기 분사 장치(461, 462), 배기관(470) 및 제어부(480)를 포함하여 구성될 수 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위함일 뿐 본 발명의 다른 일 실시예는 보다 많거나 적은 구성 요소들을 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
일 예로, 스택(410)은 애노드 채널(411), 막전극접합체(MEA, 412) 및 캐소드 채널(413)을 포함할 수 있으나, 이는 설명의 편의를 위함일 뿐, 스택(410)의 세부 구성은 상기 예로 한정되지는 않는다.
수소공급부(430)는 수소 공급 라인(401)을 통해 스택(410)의 애노드 채널(411)에 수소 가스(H2)를 공급할 수 있다. 이때, 공급되는 수소 가스의 양은 스택의 목표 출력 전력 및(또는) 목표 운전 온도 등에 기반하여 제어부(480)에 의해 결정된 후 동적으로 제어될 수 있다.
수소 퍼지 밸브(420)는 애노드 채널(411)에 쌓인 불순물을 배출하고 애노드 채널(411) 내 수소 농도를 일정 수준 이상으로 유지하기 위해 사용될 수 있다. 일 예로, 제어부(480)는 애노드 채널의 수소 농도(분압), 불순물 농도(분압), 목표 출력 전력, 목표 운전 온도 중 적어도 하나에 기반하여 적응적으로 애노드 채널(411)의 퍼징 시점을 결정할 수 있다. 또한, 제어부(480)는 결정된 퍼징 시점에 수소 퍼지 밸브(420)를 열어 애노드 채널(411)에 쌓인 불순물 및 잔여 수소 가스가 수소 배기 라인(402)을 통해 가습기(450)에 전달될 수 있도록 제어할 수 있다.
스택(410)은 공기 공급 라인(403)을 통해 공급되는 산소와 수소 공급 라인(301)을 통해 공급되는 수소의 반응을 통해 전력을 생산한다. 이때, 사용된 공기는 공기 배기 라인(404)을 통해 가습기(450)에 전달될 수 있다.
상세하게, 공기 공급 라인(403)를 통해 공급되는 가습된 압축 공기는 스택(410)의 캐소드 채널(413)에 공급되며, 수소 공급 라인(401)을 통해 공급되는 수소 가스는 애노드 채널(411)에 공급된다. 이때, 캐소드 채널(413)에 공급되는 공기의 양은 제어부(480)가 압축기(440)의 출력 공기압을 제어하여 제어할 수 있다.
가습기(450)는 압축기(440)를 통해 공급된 공기를 가습한 후 가습된 압축 공기를 캐소드 채널(413)에 공급함과 동시에, 애노드 채널(411) 및 캐소드 채널(413)에서 배출된 가스를 배기관(470)을 통해 외부로 배출시킬 수 있다.
초기 차량 시동 시 배기관(470)을 통해 배출되는 가스에 포함된 수소 가스의 농도는 소정 기준치를 초과할 수 있다. 만약, 고농도의 수소 가스가 배기관(470)을 통해 외부에 배출되는 경우, 폭발과 화재의 위험이 높아질 수 있다.
이를 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 배출 농도 제어 장치(400)는 공기 공급 라인(403)과 연결된 역유로밸브(460) 및 역유로밸브(460)의 출력 라인(463)과 연결되어 배기관(470)의 일측에 장착되는 제1 내지 제2 공기 분사 장치(361, 362)를 포함할 수 있다. 일 예로, 역유로밸브(460)는 제어부(480)에 의해 제어될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
일 예로, 제어부(480)는 차량 시동이 ON된 경우, 소정 시간 동안 역유로밸브(460)가 소정 주기로 ON/OFF되도록 제어할 수 있다. 이 경우, 공기 분사 장치(460)에 구비된 노출을 통해 배기되는 공기의 압력은 배기관(470) 내 에어 커튼을 형성하여 뭉쳐진 수소 가스가 배기관(470)을 통해 배출되는 것을 지연 및 차단시킬 수 있을 뿐만 아니라 뭉쳐진 수소 가스가 분산 배출될 수 있도록 제어함으로써 배기관(470)을 통해 배기되는 수소 가스의 최대 농도를 저감시킬 수 있다. 일 예로, 제어부(480)는 소정 기준치 이상인 고농도의 수소 가스가 배기관(470)을 통해 배출될 것이 예상되는 경우, 도면 번호 465와 같은 솔레노이드 제어 신호를 역유로밸브(460)에 송출하여 소정 주기로 배기관(470)에 에어 커튼이 형성되도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 역유로밸브(460)는 소정 주기로 밸브를 ON/OFF 제어하도록 구성된 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)일 수 있으나 이에 한정되지는 않으며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 역유로밸브(460)는 별도의 엑츄에이터가 없는 벤츄리관만을 이용하여 구성될 수도 있다.
일반적으로, 초기 차량 시동 후, 2~3초 동안 가습기(450)에서 배출되는 수소 가스의 농도는 매우 높을 수 있다. 특히, 수소 가스는 공기 보다 질량이 작으므로, 배기관(470)의 공기 층 위에 뭉쳐서 배출될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 배출 농도 제어 장치(400)는 소정 기준치 이상의 농도를 가지는 수소 가스가 배기관(470)을 통해 배출되지 않도록, 특정 시점 또는(및) 특정 조건에서 역유로밸브(460)를 제어할 수 있다. 여기서, 특정 시점 또는(및) 특정 조건은 차량 시동이 최초 ON된 시점, 시동 ON 상태에서 일시 정차 후 다시 주행하는 시점, 저유량 시점, 고유량 시점 등을 포함할 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 해당 연료 전지 시스템의 특성 및 구조에 따라 적응적으로 역유로밸브(460) 제어 시점이 설정될 수 있다.
도 4를 참조하면, 가습기(450)에서 스택(410)의 캐소드 채널(413)에 공급되는 공기 유로의 압력(P2)는 가습기(450)에서 배기관(470)으로 흐르는 유로의 압력(P1)에 비해 항상 큰 값을 갖는다. 따라서, 역유로밸브(460)가 제어되어 공기 분사 장치(461 및 462)를 통해 고압의 공기가 배출되면 배기관(470)에 주기적인 에어 커튼이 형성될 수 있으며, 그에 따라 고농도의 뭉쳐진 수소 가스가 공기와 혼합 및 역류되어 소정 기준치 이하의 농도로 분산되어 배출될 수 있다.
상기한 도 4의 예에서는 배기관(470)의 일측에 장착되는 공기 분사 장치의 개수가 2개인 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 배기관에 장착되는 공기 분사 장치의 개수 및 위치는 특별히 한정되지 않는다.
연료 전지 시스템의 배기계 내 수소 가스는 후단으로 진행할수록 상단부에 뭉쳐서 위치할 수 있으며, 특정 조건-예를 들면, 차량 시동 ON된 시점-에서는 고농도의 수소 가스가 뭉쳐서 배출될 수도 있다.
배기관 내 공기의 유동이 있는 경우, 배기관 내 수소 가스는 뭉쳐서 배출될 수 있다.
또한, 배기관 내 공기의 유동이 없는 경우, 배기관 내 수소 가스는 공기보다 가벼우므로 배기관의 상단부에 뭉쳐서 존재할 수도 있다.
따라서, 고농도의 뭉쳐진 수소 가스가 배기관을 통해 한번에 배출되는 것을 차단하기 위한 제어 장치를 구비함으로써 배기관을 통해 배출되는 수소 가스의 농도가 소정 기준치 이하로 유지될 수 있도록 제어하는 것이 중요하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 분사 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 공기 분사 장치(600)는 역유로밸브를 통해 주입된 공기를 이용하여 배기관 내 에어 커튼을 생성함으로써, 배기관 내 역유로를 형성하고 배기관 내 뭉쳐진 수소 가스를 공기와 희석시키기 위한 적어도 하나의 노즐(610)을 포함하여 구성될 수 있다. 일 예로, 도면 부호 600a에 도시된 바와 같이, 공기 분사 장치(600)의 노즐(610)은 배기관을 통해 배기되는 유로 방향-즉, 가습기로부터 배기관을 통해 배출되는 공기+수소 가스의 배기 방향-에 수직으로 에어 커튼이 형성되도록 고압 공기를 배출시킬 수 있다. 또 다른 일 예로, 도면 부호 600b를 참조하면, 공기 분사 장치(600)의 노즐(610)은 배기관을 통해 배기되는 뭉쳐진 수소 가스가 공기(층)와 보다 잘 희석될 수 있도록 나선 형태의 고압 공기를 유로 방향에 수직으로 분사시킬 수도 있다.
또 다른 일 예로, 공기 분사 장치(600)는 역유로밸브를 통해 주입된 가습기 전단의 공기를 가습기 후단을 통해 전단 방향으로 분사함으로써, 배기관을 통해 고농도의 수소 가스가 배출되는 것을 차단할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 수소 배출 농도 제어 장치는 역유로밸브 구동이 중단된 상태에서 연료 전지 스택이 구동되면 스택에서 배출된 가스(공기+수소 가스)가 배기 시스템을 통해 외부로 배출되도록 제어할 수 있다(S710 내지 S720).
수소 배출 농도 제어 장치는 스택 구동 중 역유로밸브 구동을 위한 특정 조건이 감지되면, 역유로밸브의 주기적인 ON/OFF 제어를 통해 공기 분사 장치로 고압 공기를 공급하여 배기관 내에 에어 커튼 형성시킬 수 있다(S730 내지 S740). 일 예로, 상기 특정 조건은 차량 시동 후 2~3초 구간일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 스택에서 배출되는 수소 가스의 농도-즉, 배기관을 통해 외부로 배출되는 기체에 포함된 수소 가스의 비율-가 소정 기준치 이상으로 높아지는 조건이면 충분하다.
수소 배출 농도 제어 장치는 상기한 730 단계에서 감지된 특정 조건이 해제되었는지 여부를 판단할 수 있다(S750).
판단 결과, 상기 감지된 특정 조건이 해제된 경우, 수소 배출 농도 제어 장치는 역유로밸브 구동을 중단시킬 수 있다. 물론, 감지된 특정 조건이 해제될 때까지 수소 배출 농도 제어 장치는 상기한 740 단계를 수행하여 고농도의 수소 가스가 배기관을 통해 외부로 배출되는 것을 차단시킬 수 있다.
이상의 도 6의 실시예는 수소 배출 농도 제어 장치가 역유로밸브 구동을 위한 특정 조건이 감지되면 역유로밸브를 주기적으로 ON/OFF 제어하여 배기관내 에어 커튼을 생성함으로써, 고농도의 수소 가스가 배출되는 것을 차단하는 점을 중심으로 설명되고 있으나 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소 배출 농도 제어 장치는 역유로밸브 구동을 위한 특정 조건이 감지되면, 역유로밸브를 개방하여 가습기 전단의 고압 공기가 가습기 후단 일측에 장착된 공기 분사 장치에 공급되고, 공기 분사 장치는 구비된 적어도 하나의 노즐을 통해 공급된 전단의 공기를 가습기 전단 방향으로 분사하여 가습기 후단의 고농도 수소 가스가 분사된 공기에 의해 희석되어 저농도의 수소 가스가 배기계를 통해 배출될 수 있도록 구성될 수 있다.
상기와 같이 설명된 연료 전지 시스템의 수소 배출 농도 제어 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 해당 장치에 다운로드되어 실행될 수도 있다.
또한, 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 방법에 있어서,
    상기 반응에 따른 부산물이 상기 스택으로부터 가습기에 배기된 후 배기관을 통해 배출하는 단계;
    상기 부산물의 수소 농도가 소정 기준치 이상이 되는 특정 조건을 감지하는 단계; 및
    상기 특정 조건이 감지되면, 상기 배기관의 일측에 장착된 공기 분사 장치로 공기를 공급하여 상기 배기관을 통해 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 단계
    를 포함하고, 상기 공기 분사 장치를 통해 상기 배기관에 분사되는 공기에 의해 상기 배기관의 유로 방향에 수직으로 에어 커튼이 형성되는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부산물은 상기 스택의 캐소드 채널을 통해 배기되는 공기, 상기 스택의 애노드 채널을 통해 배기되는 수소 가스 중 적어도 하나를 포함하는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 특정 조건은 상기 부산물에 포함된 수소 가스의 농도가 소정 기준치 이상으로 올라가는 구간이 발생되는 조건을 포함하는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부산물에 포함된 수소 가스의 농도가 소정 기준치 이상으로 올라가는 구간은 차량 시동 후 소정 시간 이내의 저유량 구간을 포함하되, 상기 저유량 구간은 상기 가습기로부터 상기 스택의 캐소드 채널로 공급되는 공기의 양에 기반하여 결정되는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 형성된 에어 커튼에 의해 상기 배기관 내 뭉쳐진 상기 수소 가스가 상기 분사된 공기와 희석된 후 상기 가습기 방향으로 역류되는 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 특정 조건이 감지되면, 상기 배기관 내 에어 커튼이 주기적으로 형성되도록 상기 공기 분사 장치로의 상기 공기 공급을 제어하는 단계를 더 포함하는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기 분사 장치를 통해 분사되는 공기의 방향은 상기 배기관의 유로 방향에 반대 방향인 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  9. 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택이 구비된 연료 전지 시스템에서의 수소 배출 농도 제어 방법에 있어서,
    상기 반응에 따른 부산물이 상기 스택으로부터 가습기에 배기된 후 배기관을 통해 배출하는 단계;
    상기 부산물의 수소 농도가 소정 기준치 이상이 되는 특정 조건을 감지하는 단계; 및
    상기 특정 조건이 감지되면, 상기 가습기 후단 일측에 장착된 공기 분사 장치로 공기를 공급하여 상기 배기관을 통해 배출되는 수소의 농도를 저감시키는 단계
    를 포함하고, 차량 정상 주행에 따른 고유량 구간 동안 상기 공기 분사 장치로의 공기 공급이 개시되되, 상기 공기 분사 장치를 통해 상기 가습기 후단에서 분사되는 공기에 의해 상기 부산물에 포함된 수소 가스가 희석된 후 상기 가습기 전단으로 이동되는 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 특정 조건은 상기 스택의 캐소드 채널에 공급되는 공기의 양, 상기 스택 내 애노드 채널의 퍼징 시점 중 적어도 하나에 의해 결정되는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 공기 분사 장치에 공급되는 공기로 압축기로부터 상기 가습기에 공급되는 압축 공기가 이용되는 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    차량 초기 시동에 따른 저유량 구간 동안 상기 공기 분사 장치로의 공기 공급은 차단되고 상기 압축기가 구동되되, 상기 압축 공기에 의해 상기 부산물의 수소 농도가 희석된 후 상기 배기관을 통해 상기 부산물이 배출되는 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 연료인 수소와 산화제인 공기를 반응시켜 전력을 생산하는 스택;
    가습된 공기를 상기 스택의 캐소드 채널에 공급하고, 상기 스택의 반응 부산물이 배기되는 가습기;
    상기 가습기에 압축 공기를 제공하는 압축기;
    상기 배기된 부산물을 외부로 배출시키기 위한 배기관;
    노즐을 통해 공기를 분사하여 상기 부산물의 수소 농도를 저감시키는 공기 분사 장치; 및
    상기 부산물의 수소 농도가 소정 기준치 이상이 되는 특정 조건이 감지되면, 상기 공기 분사 장치를 구동시키는 제어부
    를 포함하고, 상기 노즐을 통해 분사되는 공기에 의해 상기 가습기 후단의 수소 가스가 희석된 후 상기 가습기의 전단으로 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 공기 분사 장치로의 공기 공급을 제어하기 위한 역유로밸브를 더 포함하되, 상기 역유로밸브를 통해 소정 주기로 상기 공기 공급이 ON/OFF 제어되어 상기 배기관을 통해 배기되는 수소 농도가 저감되는 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 스택의 애노드 채널의 배기를 제어하기 위한 수소 퍼지 밸브를 더 포함하되, 상기 수소 퍼지 밸브가 개방되면, 상기 공기 분사 장치에 상기 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 특정 조건은 초기 차량 시동 후 수초 동안의 저유량 구간을 포함하는, 수소 배출 농도 제어 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 노즐을 통해 분사되는 공기에 의해 상기 배기관 내 에어 커튼이 형성되되, 상기 배기관 내 뭉쳐진 상기 수소 가스가 상기 분사된 공기와 희석된 후 상기 가습기 방향으로 역류되는 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 노즐을 통해 분사되는 공기는 상기 가습기에서 상기 스택의 캐소드 채널로 공급되는 공기인 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 장치.
  20. 삭제
  21. 제14항에 있어서,
    상기 노즐을 통해 분사되는 공기는 상기 가습기 전단에 공급되는 압축 공기가 이용되는 것을 특징으로 하는, 수소 배출 농도 제어 장치.
  22. 제1항 내지 제4항, 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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