KR101866045B1 - 연료전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

저온 또는 저전류 환경에서 연료전지 시스템이 운용되는 경우 연료전지 셀 내에서 발생하는 응축수를 효과적으로 제거할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다. 상기 연료전지 시스템은, 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 제공받아 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공급가스의 습도를 조절하며 발열 소재를 포함하는 가습기; 상기 배출가스의 온도를 검출하는 온도 센서; 및 상기 배출가스의 온도에 기반하여 상기 발열 소재의 발열 여부를 결정하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온 또는 저전류 환경에서 연료전지 시스템이 운용되는 경우 연료전지 셀 내에서 발생하는 응축수를 효과적으로 제거할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동하기 위한 전기 에너지를 발생시켜 차량을 구동시킬 수 있다.
이러한 연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치 및 연료전지 스택의 온도가 과도하게 상승되는 것을 방지하기 위한 냉각수 공급 장치를 구비하고 있다.
한편, 고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템의 공기 공급장치는 연료전지로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 구비하고 있다.
예를 들면, 가습기는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기 중의 수분을 이용하여 공기 공급장치의 공기 압축기를 통해 공급되는 건조한 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급한다.
그러나, 연료전지 스택이 초기 시동 등과 같이 연료전지 저온 및 저전류 영역에서 동작하는 경우, 스택 내부에서 발생하는 응축수가 원활하게 증발되지 못하여 셀 내부 물이 고이는 플러딩이 발생할 수 있다. 이러한 플러딩으로 인해 연료전지 스택을 구성하는 다수의 셀 중 일부에서 원하는 출력을 발생하지 못하는 셀빠짐 현상 일어나는 문제가 발생할 수 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2010-0002303 A KR 10-2011-0063366 A
이에 본 발명은, 저온 또는 저전류 환경에서 연료전지 시스템이 운용되는 경우, 연료전지 셀의 성능 저하 없이 연료전지 셀 내에서 발생하는 응축수를 효과적으로 제거할 수 있는 연료전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 제공받아 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공급가스의 습도를 조절하며 발열 소재를 포함하는 가습기;
상기 배출가스의 온도를 검출하는 온도 센서; 및
상기 배출가스의 온도에 기반하여 상기 발열 소재의 발열 여부를 결정하는 제어부;
를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가습기는 상기 공급가스가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스에 설치되어 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 케이스 내로 유입시키는 입력 포트를 포함하며, 상기 발열 소재는 상기 내부 공간 또는 상기 입력 포트에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발열 소재는 전기적 에너지를 열 에너지로 변환하는 전도성 발열 소재일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전도성 발열 소재는 상기 내부 공간을 형성하는 면의 표면 또는 상기 배출가스가 통과하는 상기 입력 포트 내면 도포되는 전도성 발열 고분자 물질일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전도성 발열 소재는 상기 내부 공간을 형성하는 면의 표면 또는 상기 배출가스가 통과하는 상기 입력 포트 내면에 부착되는 전도성 발열 고분자 물질로 이루어진 발열 섬유일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전도성 발열 소재는 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전압이 인가됨으로써 발열될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 연료전지 스택의 전압 출력단과 상기 전도성 발열 소재 사이에 마련되어 상기 전도성 발열 소재에 상기 연료전지 스택의 전압을 인가 차단하는 스위치부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 온도에 기반하여 상기 스위치부의 온/오프를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 스위치부를 온시키고 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 스위치부를 오프시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 발열 소재를 발열하도록 제어하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 발열 소재가 발열 되지 않도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높게 결정될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
연료전지 스택에 공급되는 공급가스가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스와 상기 케이스에 설치되어 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 케이스 내로 유입시키는 입력 포트 및 상기 내부 공간 또는 상기 입력 포트에 배치되는 발열 소재를 포함하는 연료전지용 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 배출 가스의 온도를 검출하는 단계; 및
상기 배출가스의 온도에 기반하여 상기 발열 소재의 발열 여부를 결정하는 단계;
를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 결정하는 단계는, 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 발열 소재를 발열하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 발열 소재가 발열 되지 않도록 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발열 소재는 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전압이 인가됨으로써 발열 되는 전도성 발열 소재이며, 상기 결정하는 단계는, 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 연료전지 스택의 전압 출력단과 상기 전도성 발열 소재 사이에 마련된 스위치부를 온 시켜 상기 전도성 발열 소재에 상기 연료전지 스택의 전압을 인가하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 스위치부를 오프 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높게 결정될 수 있다.
상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 가습기 내부 공간 또는 연료전지 스택의 배출가스를 공급받는 가습기의 입력 포트에 설치된 전도성 발열 소재를 통해 연료전지 스택으로 제공되는 공급 가스를 가열함으로써, 저온/저전류 환경에서 연료전지 셀 내의 응축수를 증발 제거하여 플러딩을 예방할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 가습기 내부 공간 또는 연료전지 스택의 배출가스를 공급받는 가습기의 입력 포트에 설치된 전도성 발열 소재에 선택적으로 전기적 에너지를 공급하여 발열을 제어할 수 있으므로, 저온/저전류 환경에서 플러딩을 예방하는데 그치지 않고, 연료전지 스택이 과도하게 온도 상승하여 성능 저하가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
특히, 상기 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지 스택의 배출가스 온도에 기반하여 전도성 발열 소재의 발열 여부를 제어함으로써, 공급 가스의 가열 및 비가열이 요구되는 환경을 정확하게 판단하여 제어가 가능하다.
또한, 상기 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 연료전지 셀의 가스 확산층에 전도성 발열 고분자 물질을 코팅하여 기공의 구조를 변화시킴으로써 셀 자체에서 발생하는 전기화학적 반응에 영향을 주는 종래 응축수 제거 기술과는 달리, 가습기를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 압축 공기의 온도를 제어하여 셀 내 응축수를 제거함으로써, 셀 자체에서 발생하는 전기화학적 반응에 직접적인 영향을 미치지 않고 그에 따른 성능 저하의 문제를 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 연료전지용 가습기의 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 연료전지용 가습기에 적용되는 전도성 발열 소재의 설치 구조의 예를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템 및 그 제어 방법을 적용한 경우의 연료전지 스택 성능과 통상적인 연료전지 시스템의 연료전지 스택 성능을 비교하는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지용 가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은, 크게 연료전지 스택(1)과 연료전지용 가습기(10)와 온도 센서(20) 및 제어부(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1에서 실선은 연료(수소)/공기 등과 같은 가스의 흐름을 도시한 선이며, 점선은 전기적 에너지, 즉 전력이 흐르는 경로를 도시한 선이며, 일점쇄선은 제어를 위한 신호의 경로를 도시한 선이다.
연료전지 스택(1)은 연료극으로 연료(예를 들어, 수소) 공기극으로 공기를 공급받아 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 복수의 셀을 포함할 수 있다. 특히 연료전지 스택(1)은 가습기(10)에 의해 습도가 조절된 공기를 공기극으로 제공받을 수 있다. 경우에 따라서는, 연료가스 역시 또 다른 별도의 가습기에 의해 습도가 조절되어 연료전지 스택(1)의 연료극으로 공급될 수도 있다.
가습기(10)는 연료전지 스택(1)에 공급되어 전기 화학반응에 사용된 후 배출되는 공기 중의 수분을 이용하여 연료전지 스택(1)으로 제공되는 공기의 습도를 조절하는 요소이다. 통상, 가습기(10)는 공기 압축기(3)를 통해 스택(1)으로 공급되는 건조한 공기를 가습하고, 가습된 공기를 연료전지 스택(1)으로 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 가습기(10)는 연료전지 스택(1)이 정상동작 온도 범위에서 정상동작 전류로 동작하는 하는 경우, 전술한 것과 같은 습윤 공기를 스택(1)으로 제공하도록 동작하나, 저온 및 저전류 동작환경에서는 공기를 가열하여 습도가 제거된 고온의 공기를 연료전지 스택(1)으로 제공함으로써 스택(1) 내 셀의 응축수를 증발시키도록 작동한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 가습기(10)는 전기적 에너지를 공급받아 이를 열 에너지로 변환하여 발열하는 특징을 갖는 요소를 포함할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에서, 가습기(10)는 연료전지 스택(1)의 작동에 의해 생성되는 전기적 에너지를 제공받을 수 있다.
이러한, 본 발명의 고유한 가습기(10)에 대한 설명은 이후 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 온도 센서(20)는 연료전지 스택(1)에서 배출되는 배출가스의 온도를 검출하기 위해 마련된다. 특히, 온도 센서(20)는 연료전지 스택(1)에서 전기 화학반응에 사용된 후 배출되는 공기의 온도를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은 초기 운전 시 저온 또는 저전류 환경에서 연료전지 스택(1)을 신속하게 일정 수준의 온도로 상승시키고자 하는 것이다. 따라서, 연료전지 스택(1)의 배출공기 온도는 연료전지 스택(1)의 온도를 유추할 수 있는 인자가 될 수 있으며, 연료전지 시스템 초기 운전 시 연료전지 스택(1)의 배출 공기의 온도를 상승시키도록 연료전지 시스템을 제어함으로써 연료전지 스택의 온도 상승을 달성할 수 있다. 여기서, 가습기(10)는 연료전지 스택(1)에서 배출되는 습윤 공기를 제공받아 연료전지 스택(1)에 공급되는 공기의 습도를 조절하는 요소이므로 연료전지 스택(1)의 공기 출구에서 가습기(10)로 제공되는 습윤 공기의 온도가 중요한 의미를 갖는다.
따라서, 온도 센서(20)는, 연료전지 스택(1)의 배출공기가 입력되는 가습기(10)의 입력 포트(110)에 설치되어 가습기(1)로 입력되는 연료전지 스택(1) 배출 공기의 온도를 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제어부(30)는 연료전지 스택(1)의 저온 및 저전류 동작환경에서 고온의 공기를 스택(1)으로 제공하도록 제어할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에서 가습기(10)는 연료전지 스택(1)에서 출력되는 전기적 에너지를 공급받아 이를 열 에너지로 변환하여 발열하는 특징을 갖는다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(1)의 전력 출력단과 가습기(10) 사이에 제어부(30)의 제어에 의해 동작하는 스위치부(40)를 더 포함할 수 있다.
제어부(30)는 온도 센서(20)에서 검출되는 연료전시 스택(1)의 배출 가스 온도를 모니터링하고, 검출된 온도가 사전 설정된 기준 온도 미만일 때 스위치부(40)를 턴온하여 연료전지 스택(1)의 출력 전력이 가습기(10)로 제공되도록 할 수 있다. 또한, 제어부(30)는 검출된 온도가 사전 설정된 기준 온도 이상이 되는 경우, 스위치부(40)를 턴오프하여 연료전지 스택(1)의 과도한 온도 상승을 차단할 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태에서, 연료전지 시스템은, 연료 공급/배출 라인에 마련되는 각종 밸브류, 공기 공급/배출 라인에 마련되는 각종 밸브류(2, 4) 및 연료전지 스택(1)에 공급되는 압축 공기를 생성하는 공기 압축기(3) 등을 포함할 수 있으며, 이들은 제어부(30)의 제어에 의해 동작이 제어될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 가습기의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 가습기(10)는 공기 압축기(3)에서 배출되는 압축 공기가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스(11) 및 내부 공간의 표면에 배치되는 발열 소재(12)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 가습기(10)는 연료전지 스택(1)에서 배출되는 습윤 공기를 제공받기 위한 입력 포트(110)가 마련될 수 있으며, 발열 소재(12)는 입력 포트(110)의 내면에도 배치될 수 있다.
도 2에 도시된 예에서, 발열 소재(12)는 케이스(11)의 내부 공간 표면과 입력 포트(110)의 내면 전체에 배치되고 있으나, 필요에 따라서 케이스(11)의 내부 공간 표면 중 일부에 배치되거나 입력 포트(110)의 내면에만 배치되는 등 다양한 배치 구조로 변형이 가능하다.
도 2는 연료전지용 가습기(10)의 단면을 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지 스택(1)으로 공급되는 건조한 압축 공기가 통과하는 내부 공간에는 필요에 따라 공기에 수분을 공급할 수 있는 다양한 구조의 막이 형성되거나, 수분 공급의 효율을 향상시키기 위해 공기가 통과하는 경로를 다양하게 변경하기 위한 구조물들이 배치될 수 있으나, 이해의 편의를 위해 이러한 부수적 요소들은 도시를 생략하였다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 가습기(10)는 압축 공기가 통과하는 내부 공간의 내벽 또는 입력 포트(110)의 내면에 발열 소재(12)를 채용함으로써 연료전지 스택(1)으로 공급되는 압축 공기를 가열할 수 있다. 이를 통해, 고온의 압축공기가 연료전지 스택(1)으로 공급될 수 있으며, 연료전지 스택(1)이 저온 또는 저전류 동작 환경인 경우에 고온의 압축 공기가 연료전지 스택(1) 내 각 셀에서 발생하는 응축수를 증발시켜 플러딩이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 가습기(10)의 내부 공간의 내벽 또는 입력 포트(110)의 내면에 배치되는 발열 소재는 전술한 것과 같이 연료전지 스택(1)으로부터 제공받은 전기적 에너지를 열 에너지로 변환하는 전도성 발열 소재가 될 수 있다. 특히, 전도성 발열 소재는 케이스(11)의 내부 공간의 내벽 또는 입력 포트(110)의 내면에 직접 도포되는 전도성 발열 고분자 물질이나, 케이스(11)의 내부 공간의 내벽 또는 입력 포트(110)의 내면에 부착되는 전도성 발열 고분자 물질로 제작된 발열 섬유가 될 수 있다.
전도성 발열 물질이 직접 도포되는 실시형태에서는, 전도성 발열 소재(12)에 전기적 에너지를 공급하기 위해, 가습기(10)의 내부 공간에는 전위차를 갖는 전압이 각각 인가되는 제1 단자부 및 제2 단자부가 배치될 수 있으며, 전도성 발열 소재(12)는 제1 단자부 및 제2 단자부와 접촉하도록 배치될 수 있다.
또한, 발열 섬유가 부착되는 실시형태에서는, 부착하고자 하는 영역의 형상에 부합하도록 발열 섬유를 성형하고 발명 섬유의 서로 이격된 단부에 제1 단자부 및 제2 단자부를 설치한 후 전위차를 갖는 전압이 제1 단자부 및 제2 단자부에 인가되게 할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 연료전지용 가습기에 적용되는 전도성 발열 소재의 설치 구조의 예를 도시한 도면이다.
먼저, 도 3은 전도성 발열 물질이 직접 도포되는 실시형태를 도시한 것으로, 가습기(10)의 내부 공간을 형성하는 표면 또는 입력 포트(110)의 내면에는 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14)가 배치될 수 있으며, 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14) 사이에 소정의 패턴을 갖도록 전도성 발열 소재(12)가 배치될 수 있다. 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14)는 전도성 발열 소재(12)를 통해 전력이 흐를 수 있는 통로를 형성하게 되고, 이를 통해 제1 단자부(13), 전도성 발열 소재(12) 및 제2 단자부(14)의 순으로 흐르는 전류에 의해 전도성 발열 소재(12)에서 발열이 이루어지게 할 수 있다.
더욱 구체적으로, 복수의 제1 단자부(13)와 복수의 제2 단자부(14)는 서로 번갈아 나란히 소정 간격 이격 되어 가습기(10) 내부 공간을 형성하는 면에 부착되는 형태로 배치될 수 있으며, 전도성 발열 소재(12)는 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14) 사이에 일정한 패턴을 갖도록 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 여러 실시형태 중 하나의 예를 도시한 것으로, 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14) 및 전도성 발열 소재(12)의 배치구조는 가습기의 내부 구조나 공기가 흐르는 내부공간의 형상에 따라 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
또한, 도 3의 예에서, 제1 단자부(13)가 연료전지 스택(1)의 전력 출력단에 연결되고, 제2 단자부(14)가 접지된 것으로 도시된다.
본 발명의 여러 실시형태는, 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14)는 상호 전위차를 갖도록 구성되어 두 단자부 사이에 배치된 전도성 발열 소재(12)로 전류가 흘러 전도성 발열 소재(12)에서 발열이 발생하면 되는 것으로, 제1 단자부(13)와 제2 단자부(14)는 도 3에 도시된 것 이외에 다른 방식으로 전기적 에너지를 공급받도록 전기적 연결이 형성될 수 있다.
다음으로, 도 4는 발열 섬유가 부착되는 실시형태에서 적용되는 발열 소재의 예를 도시한 것이다. 특히, 도 4의 예는 입력 포트(110)의 내벽에 설치되는 발열 소재의 구조를 도시한 것으로, 전도성 발열 고분자 물질로 이루어진 발열 섬유(12')는 그것이 부착되는 입력 포트(110)의 내면 형상과 같이 원통형으로 말린 형태로 성형될 수 있으며, 원통의 상단과 하단에는 제1 단자부(13')와 제2 단자부(14')가 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 것과 같이, 설치하고자 하는 위치에 대응되는 형상으로 성형된 발열 소재는 해당 위치에 접착제 등을 이용하여 부착될 수 있으며, 전위차를 갖는 전압이 제1 단자부(13') 및 제2 단자부(14')에 인가되게 함으로써 발열 섬유에 의한 가열이 이루어질 수 있다.
가습기(10)가 연료전지 시스템 내부에 구비되는 점을 고려하고, 충분한 크기의 전위차를 제1 단자부(13, 13')와 제2 단자부(14, 14')에 공급하기 위해서, 발열 소재(12, 12')는 전술한 바와 같이 연료전지 스택(1)의 전력 출력단으로부터 전기적 에너지를 공급받도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 제1 단자부(13, 13')가 연료전지 스택(1)의 전력 출력단에 연결되고, 제2 단자부(14, 14')가 접지될 수 있다. 다른 예로, 제1 단자부(13, 13')가 연료전지 스택(1)의 전력 출력단 중 (+) 단자에 연결되고 제2 단자부(14, 14')가 연료전지 스택(1)의 전력 출력단 중 (-) 단자에 연결되는 구성도 가능하다.
특히, 가습기(10) 내부 공간에 설치된 단자부(13, 13', 14, 14')로 전기적 에너지를 공급하는 외부의 전력 공급라인에는 전술한 스위치부(40)가 설치되어, 연료전지 스택(1)의 배출 공기의 온도에 기반하여 제어부(30)가 스위치부(40)를 제어함으로써 필요한 상황에 적절하게 발열 소재(12, 12')의 발열 여부를 제어할 수 있다.
제어부(30)는 온도 센서(20)에서 검출되는 온도에 기반하여 발열 소재(12, 12')의 발열 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 온도 센서(20)에서 배출되는 배출공기의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우, 연료전지 스택(1)이 저온 상태인 것으로 판단하고 신속한 승온을 위해서 발열 소재(12, 12')의 발열이 이루어지도록 제어할 수 있다. 도 1과 같은 실시형태에서, 제어부(30)는 온도 센서(20)에서 검출되는 배출공기의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 스위치부(40)를 온 시켜 연료전지 스택(1)의 출력 전력이 가습기(10)에 설치된 발열 소재(12, 12')에 인가되게 함으로써 발열 소재(12, 12')의 발열이 이루어지게 한다. 또한, 제어부(30)는 온도 센서(20)에서 검출되는 배출공기의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 높은 경우 스위치부(40)를 오프 시켜 연료전지 스택(1)의 출력을 차단함으로써 발열 소재(12, 12')의 발열을 중단시킬 수 있다.
여기서, 기준 온도는 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수의 온도를 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택의 냉각수 제어 목표 온도를 설정하여 냉각수 온도 제어를 수행하는데, 가습기 자체에 이한 냉각분을 고려하여 기준 온도는 연료전지 스택 냉각수 제어의 목표 온도보다 높게 결정되는 것이 바람직하다. 다만, 기준 온도가 과도하게 높게 설정되는 경우 연료전지 스택(1)의 과열이 발생할 수 있으므로 연료전지 스택 냉각수 제어의 목표 온도보다 높은 범위에서 적절하게 결정되어야 할 것이다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은, 가습기(10) 내부 공간에 설치된 전도성 발열 소재에 선택적으로 전기적 에너지를 공급할 수 있으므로, 저온/저전류 환경에서 플러딩을 예방하는데 그치지 않고, 연료전지 스택(1)이 과도하게 온도 상승하여 성능 저하가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은, 가스 확산층에 전도성 발열 고분자 물질을 코팅하여 기공의 구조를 변화시킴으로써 셀 자체에서 발생하는 전기화학적 반응에 영향을 주는 종래 기술과는 달리, 가습기(10)를 통해 연료전지 스택(1)으로 공급되는 압축 공기의 온도를 제어하여 셀 내 응축수를 제거함으로써, 셀 자체에서 발생하는 전기화학적 반응에 직접적인 영향을 미치지 않고 그에 따른 성능 저하의 문제를 해소할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템 및 연료전지 제어 방법이 적용된 연료전지 스택 성능과 일반적인 연료전지 시스템의 연료전지 스택 성능을 비교하는 도면이다. 특히, 도 5는 셀 내부 응축수를 제거하기 위한 구성을 포함하지 않는 일반적인 연료전지 시스템의 실험결과를 도시한 것이고 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템의 실험결과를 도시한 것이다.
도 5 및 도 6에 도시된 결과를 도출한 실험에서, 연료전지 시스템의 운전온도는 -20 ℃이고, 공기 양론비는 2:2이며, 공기 가습 방식은 막가습기를 적용하였고, 수소공급계 운전 방식은 수소 재순환 방식을 적용하였다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 일반적인 연료전지 시스템에서는 저온의 운전환경에 의해 셀 내부의 응축수가 다량 발생하여 연료전지 스택을 구성하는 다수의 셀 중 4 개의 셀이 정상적인 출력이 이루어지지 않는 셀 빠짐 현상이 발생하였으며, 각 셀간의 출력 편차도 크게 나타났다.
이에 반해, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 시스템은 가습기(10) 내부의 발열 소재에 의해 연료전지 스택(1) 내로 고온의 압축 공기가 공급됨으로써 셀 내부의 응축수를 증발 제거시킴으로써 셀 빠짐 현상이 완전하게 제거되었으며, 특히 각 셀간의 출력도 거의 일정하게 유지되었다.
본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1: 연료전지 스택 10: 연료전지용 가습기
11: 케이스 12, 12': 발열 소재
110: 입력 포트 13, 13': 제1 단자부
14, 14': 제 2 단자부 20: 온도센서
30: 제어부 40: 스위치부

Claims (15)

  1. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 제공받아 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공급가스의 습도를 조절하며 발열 소재를 포함하는 가습기;
    상기 배출가스의 온도를 검출하는 온도 센서; 및
    상기 배출가스의 온도에 기반하여 상기 발열 소재의 발열 여부를 결정하는 제어부;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가습기는 상기 공급가스가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스에 설치되어 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 케이스 내로 유입시키는 입력 포트를 포함하며,
    상기 발열 소재는 상기 내부 공간 또는 상기 입력 포트에 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열 소재는 전기적 에너지를 열 에너지로 변환하는 전도성 발열 소재인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전도성 발열 소재는 상기 내부 공간을 형성하는 면의 표면 또는 상기 배출가스가 통과하는 상기 입력 포트 내면 도포되는 전도성 발열 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 전도성 발열 소재는 상기 내부 공간을 형성하는 면의 표면 또는 상기 배출가스가 통과하는 상기 입력 포트 내면에 부착되는 전도성 발열 고분자 물질로 이루어진 발열 섬유인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 전도성 발열 소재는 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전압이 인가됨으로써 발열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 전압 출력단과 상기 전도성 발열 소재 사이에 마련되어 상기 전도성 발열 소재에 상기 연료전지 스택의 전압을 인가 차단하는 스위치부를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 온도에 기반하여 상기 스위치부의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 스위치부를 온시키고 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 스위치부를 오프시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에서 검출된 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 발열 소재를 발열하도록 제어하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 발열 소재가 발열 되지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 연료전지 스택에 공급되는 공급가스가 통과하는 내부 공간을 갖는 케이스와 상기 케이스에 설치되어 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배출가스를 상기 케이스 내로 유입시키는 입력 포트 및 상기 내부 공간 또는 상기 입력 포트에 배치되는 발열 소재를 포함하는 연료전지용 가습기를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 배출 가스의 온도를 검출하는 단계; 및
    상기 배출가스의 온도에 기반하여 상기 발열 소재의 발열 여부를 결정하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 결정하는 단계는, 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 발열 소재를 발열하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 발열 소재가 발열 되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 발열 소재는 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전압이 인가됨으로써 발열 되는 전도성 발열 소재이며,
    상기 결정하는 단계는, 상기 배출가스의 온도가 사전 설정된 기준 온도보다 낮은 경우 상기 연료전지 스택의 전압 출력단과 상기 전도성 발열 소재 사이에 마련된 스위치부를 온 시켜 상기 전도성 발열 소재에 상기 연료전지 스택의 전압을 인가하며, 상기 기준 온도 이상인 경우 상기 스위치부를 오프 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  15. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 기준 온도는 상기 연료전지 스택의 냉각수 제어의 목표 온도보다 더 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 제어 방법.
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