KR102327543B1 - 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법 및 이를 이용한 제어 시스템 - Google Patents

무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법 및 이를 이용한 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무가습 연료전지 스택에 연료를 공급하여 가동하는 운전 단계; 상기 연료전지 스택의 실시간 전압을 계측하는 모니터링 단계; 및 설정 전압과 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압의 차이값을 산출하고, 상기 차이값이 0 보다 큰 경우 퍼징을 수행한 후 이어서 운전 단계를 재수행하고, 상기 차이값이 0 보다 작거나, 0 인 경우 모니터링 단계를 재수행하며, 상기 모니터링 단계의 재수행 수에 따라 퍼징 주기가 변화되는 제어 단계;를 포함하는 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법에 관한 것이다. 이를 통해, 본 발명은 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법 및 이를 이용한 제어 시스템에 있어서, 가동 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 퍼징 주기 및 퍼징 시간을 자동 제어하여 스택의 성능을 최적화하고, 수소 소모량을 저감하는 효과를 구현한다.

Description

무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법 및 이를 이용한 제어 시스템{SELF REGULATING CONTROL METHOD FOR FUEL CELL STACK AND CONTROL SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법 및 이를 이용한 제어 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cells)는 장치 내에 연속적으로 연료 및 산화제를 공급하여 발생하는 산화 및 환원 반응을 통해 발생하는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시킨다.
일반적으로 연료전지는 산화전극, 환원전극, 수소 양이온의 이동이 가능한 분리막, 연료의 공급 및 생성수를 배출하는 유로 등을 포함하는 연료전지 스택과 전자 공급, 집전 등을 수행하기 위한 주변장치로 구성될 수 있다.
외부에서 연료전지로 공급된 연료는 산화전극에서 촉매에 의해 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 분리막을 통해 환원전극으로 이동하며, 분리된 전자는 외부도선을 통해 환원전극 이동한다. 이때, 외부에서 공급된 산소가 전자와 결합하여 전기 에너지를 발생시키고, 수소 이온과 산소 이온이 반응하여 물을 생성한다.
이러한 연료전지에서, 수소 이온은 분리막 내에 존재하는 물을 통해 이동하기 때문에 연료전지가 더 좋은 성능을 나타내기 위해서는 분리막을 충분히 수화시켜 수소 이온 통로를 확보하는 것이 중요하다.
최근에는 분리막의 가습을 위해 연료전지 스택에 별도의 가습기를 추가로 장착하는 방안이 이용되고 있다. 그러나, 가습기를 장착하는 경우 연료전지 스택의 부피를 저감하기 어려울 뿐만아니라, 스택 단가를 상승시켜 해당 기술의 실제 적용성을 낮추는 단점이 있다. 또한, 가습량 조절에 실패할 경우 생성수가 과도하게 발생되어 오히려 수소 이온의 이동을 막는 플러딩 현상을 발생시키고, 수소 이온 부족 현상을 일으켜 분리막 열화의 원인이 될 수 있다.
따라서, 무가습 연료전지 스택의 가동 시 수소 유로에 축적된 과량의 물이 퍼징을 통해 주기적으로 배출되도록 하면서도, 퍼징 주기 및 퍼징 시간을 자동제어하여 스택의 성능을 최적화하고, 수소 소모량을 최소화할 수 있는 방법에 대한 개발 요구가 높아지고 있다.
이와 관련하여, 종래에는 퍼징 주기 및 퍼징 시간을 일정하게 반복 가동하는 무가습 연료전지의 자동 제어 방법이 제안되어 있으나, 외기의 온도, 습도와 같은 외부 환경에 따라 성능의 편차가 크게 발생하거나, 가동이 중단되는 셧다운 현상이 발생할 수 있다. 또한, 이의 해결을 위해, 전압의 변화를 측정하여 퍼징 주기와 퍼징 시간을 변경하여 입력하는 방안이 시도되고 있으나, 전압의 변화에 따른 퍼징 주기와 퍼징 시간을 수동으로 산출하여 입력하여야 하거나, 자동화하더라도 성능 변화에 따라 적합한 퍼징 주기와 퍼징 시간을 산출하기 위해 복잡한 연산, 또는 다회의 시행착오가 포함된 연산이 필요하므로 상용화하기 쉽지 않다.
본 발명의 하나의 목적은 무가습 연료전지 스택의 가동 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 외부 환경 변화 또는 연료전지의 성능 변화를 반영하여 퍼징 주기를 자동 제어할 수 있고, 분리막의 수화 효율을 최적화하여 스택의 성능을 향상시키며, 퍼징 횟수를 저감하여 수소 소모량을 낮추는 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법 및 이를 이용한 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는 무가습 연료전지 스택에 연료를 공급하여 가동하는 운전 단계; 연료전지 스택의 실시간 전압을 계측하는 모니터링 단계; 및 설정 전압과 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압의 차이값이 하기 식 1을 만족하는 경우 퍼징을 수행하고, 이어서 모니터링 단계를 재수행하며, 상기 차이값이 하기 식 1을 불만족하는 경우 퍼징을 수행하지 않고, 바로 모니터링 단계를 재수행하는 것에 의해, 퍼징 주기가 변화되는 제어 단계; 를 포함하는 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법에 관한 것이다.
[식 1]
( Ve - Vt ) > 0
상기 식 1에서, Ve는 설정 전압이고, Vt는 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압이다.
본 발명의 다른 구현예는 무가습 연료전지 스택에 연결되어 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부와 유로로 연결되고, 공급받은 연료에 함유된 수소를 전기화학적으로 산화시켜 전기를 발생시키는 무가습 연료전지 스택; 상기 무가습 연료전지 스택과 유로로 연결되어 퍼징용 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 연료 공급부와 무가습 연료전지 스택을 연결하는 유로 및 무가습 연료전지 스택과 가스 공급부를 연결하는 유로에 설치되어, 연료의 공급량을 조절하는 유량 조절기; 상기 무가습 연료 전지 스택에 설치되어 실시간 전압을 모니터링하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부로부터 계측된 값을 전달 받아 운전 상태를 조절하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 설정 전압과 전압 측정부에서 전달받은 실시간 전압의 차이값을 산출하고, 상기 차이값이 상기 식 1을 만족하는 경우 유량 조절기에 신호를 전달하여 퍼징을 수행하고, 이어서 모니터링 단계를 재수행하며, 상기 차이값이 상기 식 1을 불만족하는 경우 퍼징을 수행하지 않고, 바로 전압 측정부에 신호를 전달하여 모니터링 단계를 재수행하는 것에 의해, 퍼징 주기가 변화되는 것을 특징으로 하는 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 시스템에 관한 것이다.
상기 구현예들에서, 상기 설정 전압은 하기 식 2에 따라 결정되는 것일 수 있다.
[식 2]
Ve = N × VL × p
상기 식 2에서, N은 연료전지 스택의 셀 수, VL은 연료전지 스택의 정격 부하에서 측정된 셀 전압(V), p는 0.01 내지 0.99의 상수이다.
상기 구현예들에서, 상기 제어 단계에서 퍼징 수행 시간은 1회 당 1ms 내지 600s일 수 있다.
상기 구현예들에서, 상기 연료전지 스택은 가동 중 전기화학 반응에 의해 발생한 생성수를 캐소드(cathode) 측 분리판 유로에서 애노드(anode) 측 분리판 유로로 역확산시키는 것에 의해, 분리막에 수분을 자가 공급하는 것일 수 있다.
상기 구현예들에서, 상기 연료전지 스택은 -10℃ 내지 40℃의 온도에서 가동되는 것일 수 있다.
본 발명은 무가습 연료전지 스택의 가동 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 외부 환경 변화 또는 연료전지의 성능 변화를 반영하여 퍼징 주기를 자동 제어할 수 있고, 분리막의 수화 효율을 최적화하여 스택의 성능을 향상시키며, 퍼징 횟수를 저감하여 수소 소모량을 낮추는 효과를 구현한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법의 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1과 실시예 2의 가동 시간에 따른 스택 전압 측정 결과를 나타낸다.
도 3은 비교예 1 내지 5의 가동 시간에 따른 스택 전압 측정 결과를 나타낸다.
도 4는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5의 가동 5 시간 후 측정한 전력 발생량을 그래프로 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5의 가동 5 시간 후 측정한 퍼징 수행 횟수를 그래프로 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5의 퍼징 자동 제어 양상을 그래프로 나타낸 것이다.
본 발명의 일 구현예는 무가습 연료전지의 자동 제어 방법에 관한 것으로, 무가습 연료전지 스택에 연료를 공급하여 가동하는 운전 단계; 연료전지 스택의 실시간 전압을 계측하는 모니터링 단계; 및 설정 전압과 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압의 차이값이 하기 식 1을 만족하는 경우 퍼징을 수행하고, 이어서 모니터링 단계를 재수행하며, 상기 차이값이 하기 식 1을 불만족하는 경우 퍼징을 수행하지 않고, 바로 모니터링 단계를 재수행하는 것에 의해, 퍼징 주기가 변화되는 제어 단계; 를 포함함으로써, 무가습 연료전지를 최적 성능으로 자동 제어한다.
[식 1]
( Ve - Vt ) > 0
상기 식 1에서, Ve는 설정 전압이고, Vt는 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압이다.
이를 통해, 본 발명은 무가습 연료전지 스택의 가동 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 외부 환경 변화 또는 연료전지의 성능 변화를 반영하여 퍼징 주기를 자동 제어할 수 있고, 퍼징 횟수를 저감하여 수소 소모량을 낮추는 효과를 구현한다.
또한, 본 발명은 가습 설비를 생략하면서도 분리막에 수분을 자가 공급할 수 있고, 분리막의 수화 효율을 최적화하여 스택의 성능을 향상시키며, 보다 넓은 온도 범위에서 외부 환경 변화에 따른 셧다운의 발생을 방지하여 안정적으로 연료전지 스택을 가동하는 효과를 구현한다.
또한, 본 발명은 전압의 변화에 따른 퍼징 주기와 퍼징 시간을 자동화하는데에 있어, 성능 변화에 따라 적합한 퍼징 주기와 퍼징 시간을 산출하기 위해 복잡한 연산, 이를 위한 고비용의 연산 설비, 또는 다수의 시행착오가 포함된 연산 과정을 생략할 수 있는 효과가 있어, 상용성이 매우 우수하다.
본 출원서에서, 사용되는 용어 퍼징(purging)은 연료전지 기술분야에서 통용되는 퍼지(purge) 동작을 의미한다. 또한, 퍼징 주기는 연속되는 퍼징이 종료된 시점에서부터 다음 차례의 퍼징이 시작되는 시점까지의 시간을 의미한다.
이하, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법을 각 단계에 따라 구체적으로 설명한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법의 순서도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법은 운전 단계; 모니터링 단계; 및 제어 단계;를 포함하며, 제어 단계에서의 판단 결과에 따라 퍼징을 수행하거나 모니터링 단계를 재수행한다.
본 발명의 무가습 연료 전지 스택의 최적 성능 자동 제어 방법에서 운전 단계는 연료전지 스택에 연료를 공급하여 가동하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 운전 단계에서 가동은 연료를 무가습 연료전지 스택에 공급하여, 산화-환원 반응에 의한 전기를 발생시키는 것을 의미한다.
구체적으로, 무가습 연료 전지 스택의 가동은 연료를 정해진 유량에 따라 무가습 연료전지 스택에 외기와 동일한 온도로 공급하는 것일 수 있다. 이때, 연료의 공급 유량은 예를 들면, 0.2bar 내지 0.5bar(또는 stoi. 1 내지 stoi. 3의 유량)일 수 있다. 이러한 경우, 연료전지 스택의 성능을 최적화하고, 수소 소모량을 저감하면서도, 연료전지의 전력 발생량을 종래와 동등한 정도로 구현하거나, 더욱 향상된 정도로 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 외기의 온도 또는 가동 온도는 -10℃ 내지 40℃일 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 자동 제어 방법은 -10℃ 내지 10℃ 또는 30℃ 내지 40℃와 같이 실온 범위를 벗어나는 경우와, 10℃ 내지 30℃와 같은 실온 범위를 모두 포함하는 온도 범위에서 가동 안정성이 현저하게 우수하다. 이러한 경우, 본 발명의 무가습 연료 전지 스택의 최적 성능 자동 제어 방법은 종래의 무가습 연료전지의 자동 제어 방법에서 발생하던 외부 환경 변화에 의해 셧다운 빈도가 증가하거나 전기 출력 성능이 저감되는 문제점을 해결하는 효과를 갖는다.
상기 연료는 일반적으로 연료전지에 사용가능한 탄화수소 연료라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 탄화수소 연료는 천연가스, 알코올, 액화석유가스, 나프타, 가스화된 석탄 등일 수 있다. 이러한 경우, 다양한 에너지 자원의 확보가 가능하면서도, 연료를 열분해하지 않고 이용할 수 있어 친환경적 특성이 더욱 우수하다.
또한, 상기 연료전지에 사용가능한 산화제는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 공기, 염소, 이산화염소 등일 수 있다. 이러한 경우, 연료전지 스택의 성능을 최적화하면서도 친환경적 이점 및 경제적인 이점을 구현할 수 있다.
상기 연료 및 산화제 등은 각각 별도의 공급 수단을 구비함으로써, 연료전지 외부로부터 연속적으로 공급될 수 있으며, 공급 방식은 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 무가습 연료 전지 스택의 최적 성능 자동 제어 방법에서 모니터링 단계는 연료전지 스택의 실시간 전압을 계측하는 것으로, 실시간 전압을 계측 방법은 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 상기 계측은 연료전지 스택에 설치된 전압 측정 설비를 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 무가습 연료 전지 스택의 최적 성능 자동 제어 방법에서 제어 단계는 설정 전압과 실시간 전압의 차이값을 산출하고, 하기 식 1에 따라 퍼징 수행 여부를 판단한다.
[식 1]
( Ve - Vt ) > 0
상기 식 1에서, Ve는 설정 전압이고, Vt는 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압이다.
구체적으로, 상기 제어 단계는 설정 전압과 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압의 차이값이 상기 식 1을 만족하는 경우 퍼징을 수행하고, 이어서 모니터링 단계를 재수행하며, 상기 설정 전압과 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압의 차이값이 하기 식 1을 불만족하는 경우 퍼징을 수행하지 않고, 바로 모니터링 단계를 재수행하는 것에 의해, 퍼징 주기가 변화된다.
상기 식 1에서, 설정 전압(Ve)은 사용자가 상기 연료 전지의 가동을 위해 얻고자 목적하는 전압값 또는 성능 최적화를 위해 목적하는 전압 이하로 설정된 전압값일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 설정 전압(Ve)은 제어 단계 이전에 미리 결정된 목표 전압값으로 입력될 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 무가습 연료 전지 스택의 최적 성능 자동 제어 방법은 외부 환경 변화에 따른 성능 변화값을 반영하여 자동으로 연료전지 스택의 성능을 최적화할 수 있고, 플러딩을 방지하고, 퍼징 횟수를 더욱 저감하는 효과를 구현할 수 있다.
상기 미리 결정된 목표 전압값은 연료전지 스택의 사양에 따라 변경되는 값으로 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 50W 내지 100W의 공냉식 연료전지 스택을 기준으로 11V 내지 13V일 수 있다.
다른 구체예에서, 상기 설정 전압(Ve)은 하기 식 2에 따라 미리 결정되어 입력되는 것일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 무가습 연료 전지 스택의 최적 성능 자동 제어 방법은 외부 환경 변화에 따른 성능 변화값을 반영하여 자동으로 연료전지 스택의 성능을 최적화할 뿐만아니라, 연료전지스택에 포함된 분리막의 함습량 변화를 간접적으로 감지하여 수화 효율을 향상시킬 수 있도록 퍼지하여, 연료전지 스택의 성능을 최적화하는 효과를 구현할 수 있다.
[식 2]
Ve = N × VL × p
상기 식 2에서, N은 연료전지 스택의 셀 수, VL은 연료전지 스택의 정격 부하에서 측정된 셀 전압(단위: V), p는 0.01 내지 0.99의 상수이다.
상기 식 2는 연료전지 스택의 셀 수와 정격 전압에서의 셀 전압(단위: V)값을 반영하여 설정 전압을 결정함으로써, 전압 모니터링을 통해 분리막의 수화 효율 변화를 간접적으로 판단할 수 있다. 또한, 상기 p는 0.01 내지 0.99의 상수로, 식 2는 상기 셀 수와 셀 전압에 대해 1% 내지 99%의 강하율을 지정하여 결정할 수 있으며, 이를 통해 분리막에서 플러딩이 일어나게될 시점을 미리 예측하여 퍼징이 수행되도록 할 수 있다.
상기 식 2에서, p는 0.01 내지 0.99, 구체적으로 0.1 내지 0.9, 보다 구체적으로 0.1 내지 0.8일 수 있다. 상기 범위 내에서, 분리막에서 플러딩이 일어나게될 시점을 미리 예측하여 퍼징이 수행되는 정도를 제어하고, 분리막의 수화 효율을 최적화하여 연료전지 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 제어 단계에서, 설정 전압과 실시간 전압의 차이값이 하기 식 1을 만족하는 경우는 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압(Vt)이 설정 전압(Ve)보다 작은 경우를 의미한다. 이러한 경우, 분리막에서 전기화학전 반응에 의해 발생하는 생성수의 플러딩에 의해 저전압이 발생한 이상 운영 상태일 수 있으므로, 즉시 퍼징을 수행함으로써 이상 운영 상태를 해소하도록 자동 제어할 수 있다. 또한, 퍼징을 수행하고, 이어서 모니터링 단계를 재수행함으로써, 이상 운영 상태가 해소되는 시점까지 퍼징을 2회 이상 연속적으로 수행할 수 있다. 즉, 상기 제어 단계는 이상 운영 상태가 해소되는 시점까지 퍼징이 2회 이상 연속적으로 수행되도록하여 1회 당 퍼징 수행 시간을 변경하지 않으면서도 퍼징 시간을 연료전지의 성능 변화에 맞추어 증가하도록 제어할 수 있다. 이러한 경우, 퍼징 수행 시간을 실시간 전압 변화에 따라 변경하는 번거로움을 해소하면서도, 실시간 전압 변화에 따라 퍼징 시간을 자동 제어하고, 연료전지 스택의 성능을 효율적으로 최적화할 수 있다. 또한, 상기 제어 단계를 통해 퍼징 수행 시간을 전압에 맞추어 변경하기 위한 복잡한 고비용의 연산 또는 제어 설비를 생략할 수 있다.
상기 제어 단계에서, 설정 전압과 실시간 전압의 차이값이 하기 식 1을 불만족하는 경우는 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압(Vt)과 설정 전압(Ve)이 같거나, 실시간 전압(Vt)이 설정 전압(Ve) 보다 큰 경우를 의미한다. 이러한 경우, 운영 상태를 정상 운영 상태로 판단하고, 모니터링 단계를 재수행하여 퍼징 주기를 자동 제어할 수 있다. 또한, 퍼징을 수행하지 않고, 바로 모니터링 단계를 2회 이상 연속적으로 재수행함으로써, 이상 운영 상태가 발생하게 되는 시점까지 퍼징 주기를 연장할 수 있다. 즉, 상기 제어 단계는 이상 운영 상태가 발생하게 되는 시점까지 모니터링 단계가 2회 이상 연속적으로 수행되도록 하여 퍼징 주기를 연료전지의 성능 변화에 맞추어 증가하도록 제어할 수 있다. 이러한 경우, 퍼징 주기를 실시간 전압 변화에 따라 변경하는 번거로움을 해소하면서도, 실시간 전압 변화에 따라 퍼징 주기를 자동 제어하고, 연료전지 스택의 성능을 효율적으로 최적화할 수 있다.
특히, 상기 제어 단계는 동일한 퍼징 주기를 일정하게 반복 가동하는 종래의 무가습 연료전지의 자동 제어 방법에서 발생하는 외기의 온도, 습도와 같은 외부 환경에 변화에 의해 출력 성능의 편차가 큰 문제, 가동이 중단되는 셧다운 현상이 발생하는 문제를 방지할 수 있다.
상기 제어 단계에서 퍼징은, 상기 모니터링의 재수행 수에 따라 퍼징 주기가 변화된다. 이를 통해 연료 전지의 성능 변화에 따라 퍼징 주기와 퍼징 시간이 자동으로 변경되도록 제어될 수 있다.
상기 제어 단계에서 퍼징 방법은 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 상기 퍼징은 무가습 연료전지 스택에 연료를 일정한 압력으로 공급하고 있는 상태에서, 수소 출구 측의 밸브를 개방하여 수소를 주입한 후, 퍼징 완료 후 수소 출구 측의 밸브를 닫는 방식으로 무가습 연료전지 스택 내의 내기를 수소로 치환하는 것일 수 있다.
상기 제어 단계에서, 퍼징 수행 시간은 1회 당 1ms 내지 600s, 구체적으로, 10초 내지 500초, 보다 구체적으로, 30초 내지 300초 일 수 있다. 상기 범위 내에서, 연료전지 스택의 성능을 최적화하면서도 수소 소모량을 더욱 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법에서 상기 연료전지 스택은 가동 중 전기화학 반응에 의해 발생한 생성수를 캐소드(cathode) 측 분리판 유로에서 애노드(anode) 측 분리판 유로로 역확산시키는 것에 의해, 분리막에 수분을 자가 공급하는 것일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법은 분리막의 수화 정도를 최적화하여 수소 이온 통로를 확보하여 가습기 등의 별도 구비를 생략하면서도, 우수한 연료전지 성능을 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 전술한 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법을 이용한 무가습 연료전지의 자동 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 시스템은 무가습 연료전지 스택에 연결되어 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부와 유로로 연결되고, 공급받은 연료에 함유된 수소를 전기화학적으로 산화시켜 전기를 발생시키는 무가습 연료전지 스택; 상기 무가습 연료전지 스택과 유로로 연결되어 퍼징용 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 연료 공급부와 무가습 연료전지 스택을 연결하는 유로 및 무가습 연료전지 스택과 가스 공급부를 연결하는 유로에 설치되어, 연료의 공급량을 조절하는 유량 조절기; 상기 무가습 연료 전지 스택에 설치되어 실시간 전압을 모니터링하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부로부터 계측된 값을 전달 받아 연료전지의 운전 상태를 조절하는 제어부; 를 포함한다.
상기 제어부는 설정 전압과 전압 측정부에서 전달받은 실시간 전압의 차이값을 산출하고, 상기 차이값이 상기 식 1을 만족하는 경우 유량 조절기에 신호를 전달하여 퍼징을 수행하고, 이어서 모니터링 단계를 재수행하며, 상기 차이값이 상기 식 1을 불만족하는 경우 퍼징을 수행하지 않고, 바로 전압 측정부에 신호를 전달하여 모니터링 단계를 재수행하는 것에 의해, 퍼징 주기가 변화되는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
( Ve - Vt ) > 0
상기 식 1에서, Ve는 설정 전압이고, Vt는 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압이다.
이를 통해, 본 발명은 가동 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 외부 환경 변화 또는 연료전지의 전압 발생량 변화를 반영하여 퍼징 주기 및 퍼징 시간을 자동 제어할 수 있고, 분리막의 수화 효율을 향상시켜 스택의 성능을 최적화하며, 수소 소모량을 저감할 수 있는 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 시스템을 제공한다.
상기 식 1에서, 설정 전압은 사용자가 상기 연료 전지의 가동을 위해 얻고자 목적하는 전압을 의미하고, 실시간 전압은 모니터링 단계에서 정해진 방식에 따라 계측된 연료전지의 실시간 전압 값을 의미한다.
상기 식 1에서, 설정 전압(Ve)은 사용자가 상기 연료 전지의 가동을 위해 얻고자 목적하는 전압값 또는 성능 최적화를 위해 목적하는 전압 이하로 설정된 전압값일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 설정 전압(Ve)은 제어 단계 이전에 미리 결정된 목표 전압값으로 입력될 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 무가습 연료 전지 스택의 최적 성능 자동 제어 방법은 외부 환경 변화에 따른 성능 변화값을 반영하여 자동으로 연료전지 스택의 성능을 최적화할 수 있고, 플러딩을 방지하고, 퍼징 횟수를 더욱 저감하는 효과를 구현할 수 있다.
상기 미리 결정된 목표 전압값은 연료전지 스택의 사양에 따라 변경되는 값으로 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 50W 내지 100W의 공냉식 연료전지 스택을 기준으로 11V 내지 13V일 수 있다.
다른 구체예에서, 상기 설정 전압(Ve)은 하기 식 2에 따라 미리 결정되어 입력되는 것일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 무가습 연료 전지 스택의 최적 성능 자동 제어 방법은 외부 환경 변화에 따른 성능 변화값을 반영하여 자동으로 연료전지 스택의 성능을 최적화할 뿐만아니라, 연료전지스택에 포함된 분리막의 함습량 변화를 간접적으로 감지하여 수화 효율을 향상시킬 수 있도록 퍼지하여, 연료전지 스택의 성능을 최적화하는 효과를 구현할 수 있다.
[식 2]
Ve = N × VL × p
상기 식 2에서, N은 연료전지 스택의 셀 수, VL은 연료전지 스택의 정격 부하에서 측정된 셀 전압(단위: V), p는 0.01 내지 0.99의 상수이다.
상기 식 2는 연료전지 스택의 셀 수와 정격 전압에서의 셀 전압(단위: V)값을 반영하여 설정 전압을 결정함으로써, 전압 모니터링을 통해 분리막의 수화 효율 변화를 간접적으로 판단할 수 있다. 또한, 상기 p는 0.01 내지 0.99의 상수로, 식 2는 상기 셀 수와 셀 전압에 대해 1% 내지 99%의 강하율을 지정하여 결정할 수 있으며, 이를 통해 분리막에서 플러딩이 일어나게될 시점을 미리 예측하여 퍼징이 수행되도록 할 수 있다.
상기 식 2에서, p는 0.01 내지 0.99, 구체적으로 0.1 내지 0.9, 보다 구체적으로 0.1 내지 0.8일 수 있다. 상기 범위 내에서, 분리막에서 플러딩이 일어나게될 시점을 미리 예측하여 퍼징이 수행되는 정도를 제어하고, 분리막의 수화 효율을 최적화하여 연료전지 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 제어부는 제어부는 설정 전압과 전압 측정부에서 전달받은 실시간 전압의 차이값을 산출하고, 상기 차이값이 상기 식 1을 만족하는 경우 유량 조절기에 신호를 전달하여 퍼징을 수행하고, 이어서 전압 측정부에 신호를 전달하여 모니터링 단계를 재수행하며, 상기 차이값이 상기 식 1을 불만족하는 경우 퍼징을 수행하지 않고, 바로 전압 측정부에 신호를 전달하여 모니터링 단계를 재수행하는 것에 의해, 퍼징 주기가 변화되는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적인 제어 방법과 이의 효과에 관한 설명은 전술한 바와 같다.
본 발명의 제어 시스템에서 무가습 연료전지 스택에 유로를 통해 연결되어 연료를 공급하는 연료 공급부의 형상, 크기, 재질 등은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 연료 공급부는 연료전지에 사용 가능한 연료인 천연가스, 알코올, 액화석유가스, 나프타, 가스화된 석탄 등의 공급이 가능한 장치일 수 있다.
본 발명의 제어 시스템에서 무가습 연료전지 스택은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 공급받은 연료를 산화시킬 수 있는 산화 촉매층을 포함하는 산화전극, 상기 산화전극으로부터 생성된 수소 양이온을 이동시킬 수 있는 분리막, 이동된 수소 양이온을 이용하여 산화제를 환원시킬 수 있는 환원 촉매층을 포함하는 환원전극 및 분리판(세퍼레이터) 등을 포함하는 하나 이상의 단위 전지; 및/또는 상기 단위 전지로부터 발생한 전류를 변환시키는 집전판, 절연판, 고전압 단자 등의 연료전지 주변 장치;를 포함할 수 있다.
본 발명의 제어 시스템은 무가습 연료전지 스택에 유로를 통해 연결되어 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 더 구비할 수 있으며, 이러한 산화제 공급부의 형상, 크기, 재질 등은 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 제어 시스템에서 무가습 연료전지 스택에 유로를 통해 연결되어 퍼징용 가스를 공급하는 가스 공급부의 형상, 크기, 재질 등은 특별히 제한되지 않는다.
구체적으로, 상기 가스 공급부는 퍼징 시, 무가습 연료전지 스택에 연료를 일정한 압력으로 공급하고 있는 상태에서, 수소 출구 측의 밸브를 개방한 후 수소를 주입하여, 퍼징 완료 후 수소 출구 측의 밸브를 닫아, 무가습 연료전지 스택 내의 내기를 수소로 치환하는 방법으로 퍼징을 수행할 수 있다.
상기 퍼징 수행 시간은 1회 당 1ms 내지 600s, 예를 들면, 10초 내지 500초, 30초 내지 300초 일 수 있다. 이러한 경우, 연료전지 스택의 성능을 최적화하면서도 수소 소모량을 저감할 수 있다.
본 발명의 제어 시스템에서 상기 연료 공급부와 무가습 연료전지 스택을 연결하는 유로 및 무가습 연료전지 스택과 가스 공급부를 연결하는 유로에는 각각 설치 유량 조절기가 설치되어, 연료의 공급량을 조절한다. 이때, 유량 조절 신호는 제어부로부터 전달 받을 수 있다.
본 발명의 제어 시스템에서 상기 무가습 연료 전지 스택에는 전압 측정부가 설치되어 실시간 전압을 모니터링할 수 있으며, 상기 전압 측정부의 형상, 크기, 측정 방식 등은 특별히 제한되지 않는다.
또한, 본 발명의 제어 시스템에서 상기 연료전지 스택은 가동 중 전기화학 반응에 의해 발생한 생성수를 캐소드(cathode) 측 분리판 유로에서 애노드(anode) 측 분리판 유로로 역확산시키는 것에 의해, 분리막에 수분을 자가 공급하는 것일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법은 분리막의 수화 정도를 최적화하여 수소 이온 통로를 확보하여 가습기 등의 별도 구비를 생략하면서도, 우수한 연료전지 성능을 구현할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
수소를 공급하는 연료 공급부; 산화제인 공기를 공급하는 산화제 공급부; 상기 연료 공급부 및 산화제 공급부 각각와 유로로 연결되어, 공급받은 연료에 함유된 수소를 전기 화학적으로 산화시키는 산화 전극, 산화 전극에서 발생한 수소 양이온을 환원 전극으로 이동시키는 분리막(고분자 전해질 막), 산화제를 공급받은 전자를 통해 환원시키는 환원 전극 및 분리판(세퍼레이터)을 포함하여, 산화 환원 반응에 의해 전기를 발생시키는 무가습 연료전지 스택; 상기 무가습 연료전지 스택과 유로로 연결되어 퍼징용 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 연료 공급부와 무가습 연료전지 스택을 연결하는 유로 및 무가습 연료전지 스택과 가스 공급부를 연결하는 유로에 설치되어, 연료의 공급량을 조절하는 유량 조절기; 상기 무가습 연료 전지 스택에 설치되어 실시간 전압을 모니터링하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부로부터 계측된 값을 전달 받아 운전 상태를 조절하는 제어부; 를 포함하는 연료전지 시스템을 구성하였다.
상기 무가습 연료전지 스택은 제조사 CNL, 70W급, 공냉식 스택이었으며, H2를 데드엔드 방식으로 0.5 bar 공급하면서, 해당 장치의 정격부하인 0.3 A/cm2에서 5 시간 동안 가동하였다.
또한, 상기 설정 전압인 12.22V는 하기 식 2를 통해 산출하였다.
[식 2]
Ve = N × VL × p
상기 식 2에서, N은 연료전지 스택의 셀 수, VL은 연료전지 스택의 정격 부하에서 측정된 셀 전압(V), p는 0.01 내지 0.99의 상수이다. 상기 무가습 연료전지 스택(제조사 CNL, 70W급, 공냉식 스택)에서, N은 20, VL은 0.65이었으며, p는 0.94로 지정하였고, 이에 따라 설정 전압이 12.22V로 산출되었다.
상기 시스템에 설정 전압을 12.22V로 결정하여 제어부에 입력하고, 도 1에 표시된 순서도와 같은 방법으로 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 시스템을 가동시킨 후, 시간에 따른 스택 전압 출력값을 측정하였다.
상기와 같이 측정된 실시간 전압을 하기 식 1에 대입하여, 설정 전압인 12.22V 보다 큰 경우 퍼징을 수행하지 않고 모니터링 단계를 재수행하며, 측정된 제2전압이 설정 전압인 12.22V 보다 작거나 같은 경우 퍼징이 1회 당 1초 동안 수행되도록 제어하였다.
[식 1]
( Ve - Vt ) > 0
상기 식 1에서, Ve는 설정 전압이고, Vt는 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압이다.
실시예 1에서의 시간에 따른 출력 전압을 1초 단위로 측정하여 도 2에 그래프로 나타내었다.
실시예 2
전술한 실시예 1의 설정 전압을 12.7V로 결정하여 제어부에 입력한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 시스템을 가동시킨 후, 시간에 따른 스택 전압 출력값을 측정하였다. 실시예 2에서의 시간에 따른 출력 전압을 1초 단위로 측정하여 도 2에 그래프로 나타내었다.
비교예 1 내지 5
상기 실시예 1과 달리 시간 제어 방법으로 구성한 시스템에 대하여, 동일 가동 조건에서 퍼징 주기를 40초(비교예 1), 1분(비교예 2), 2분(비교예 3), 3분(비교예 4), 5분(비교예 5) 동안 일정 간격으로 유지하면서 1초간 퍼징을 수행하는 방법으로 무가습 연료전지의 제어 시스템을 가동시킨 후, 시간에 따른 스택 전압 출력값을 1초 단위로 측정하였다. 결과는 도 3에 나타내었다.
<성능 평가 및 평가 결과>
(1) 스택 전압: 실시예 1 내지 실시예 2 및 비교예 1 내지 5의 가동 시간에 따른 연료전지 스택 전압 범위를 측정하여 표 1에 나타내고, 1초 간격으로 연료전지 스택 전압을 측정한 결과를 도 2 및 도 3 그래프로 나타내었다.
- 평가 결과 : 도 2와 도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법에 따른 실시예 1 및 2 및 퍼징 주기를 고정하여 일괄적인 자동 제어를 수행한 비교예 1 내지 5 는 스택 전압이 약 12V 내지 13V로 유사한 정도의 전압 범위를 구현하였다. 또한, 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5 모두 공기출구 측 온도가 35℃ 내지 40℃의 범위로 정상 가동됨을 확인하였다.
(2) 전력 발생량 : 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5의 가동 5 시간 후 측정한 전력 발생량을 표 1 및 도 4에 나타내었다.
- 평가 결과 : 도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법에 따른 실시예 1 및 2는 가동 5시간 후 전력 발생량이 337Wh 내지 343Wh이고, 비교예 1 내지 5는 328Wh 내지 343Wh으로, 실시예와 비교예가 동등하거나 비교예가 실시예에 못미치는 정도를 구현하였다.
(3) 퍼징 수행 횟수 : 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5의 가동 5 시간 후 측정한 퍼징 수행 횟수를 표 1 및 도 5에 나타내었다. 퍼징 수행 횟수 증가는 수소 사용량의 증가로 이어지므로, 퍼징 수행 횟수 저감은 수소 소모량의 저감을 의미한다.
- 평가 결과 : 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법에 따른 실시예 1은 가동 5 시간 후 수행된 퍼징 횟수가 약 40회로 수소 소모량 저감의 효과가 현저함을 확인하였다. 실시예 2도 약 210회로 비교예와 동등하거나 향상된 수준의 스택 전압 및 전력 발생량을 구현하면서도 수소 소모량 저감의 효과가 있음을 확인하였다.
(4) 셧다운 방지능 : 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5를, 외기의 온도가 -10℃인 외부 환경 조건에서 가동하여 전력 발생량 측정하였다. 가동 후 5시간 동안의 셧다운 발생 정도를 측정하고, 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 평가 시간 동안 셧다운이 4회 이상 발생하는 경우 "불량", 1회 내지 3회 발생하는 경우 "양호", 셧다운이 0회 발생하는 경우 "우수"로 표시하였다.
- 평가 결과 : 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법에 따른 실시예 1 내지 2는 외부 환경 조건에 따라 퍼징 주기와 퍼징 시간을 자동으로 변경하여 반영하는 것이 가능하여 셧다운 방지능이 현저하게 우수하였다. 반면, 퍼징 주기와 퍼징 시간이 고정된 비교예 1 내지 5는 퍼징 주기와 퍼징 시간을 자동화하는 것은 가능하나, 자동으로 변경하여 반영하는 것은 불가능하였으며, 이에 따라 외부 환경 변화에 따라 갑작스러운 스택의 셧 다운이 발생하였다. 반면, 비교예 3 내지 5는 퍼징 주기를 2분 이상으로 설정하여 외부 환경 변화에 대응하기 어려움에 따라 셧다운 발생 정도가 퍼징 주기에 비례하여 증가하였으며, 특히 퍼징 주기가 5분인 비교예 5의 경우 셧다운이 빈번하게 발생하여 실제 조업에 적용하기 어려움이 있음을 알 수 있다.
(5) 퍼징 자동 제어 여부 : 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 5의 퍼징 자동 제어 양상을 그래프로 도 6에 나타내었다. 설정 전압의 계측과 퍼징을 자동화하고, 퍼징 수행 시간과 퍼징 주기가 성능 변화에 따라 자동 제어되는 경우 "○"로 표시하고, 설정 전압의 계측과 퍼징을 자동화할 수는 있으나, 퍼징 수행 시간과 퍼징 주기가 성능 변화에 따라 자동 제어되지 않는 경우 "×"로 표시하였다.
- 평가 결과 : 도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법에 따른 실시예 1 내지 2는, 각 퍼징 수행 전에 스택의 상태를 전압으로 자동으로 모니터링되며, 이에 따라 퍼징 수행 시간과 퍼징 주기가 성능 변화에 따라 변화하며, 연료전지 스택의 성능을 최적화하기 위해 자동 제어됨을 확인 할 수 있다.
반면, 퍼징 주기와 퍼징 시간이 고정된 비교예 1 내지 5는 퍼징 주기와 퍼징 시간을 자동화하는 것은 가능하나, 성능 변화에 따라 자동으로 제어를 변경하여 반영하는 것은 불가능하여 그래프가 변동이 없는 직선 상태로 표시되었다.
평가 항목 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5
스택 전압 범위 (V) 12~13 12~13 12~13 12~13 12~13 12~13 12~13
전력 발생량 (Wh) 337 343 329 341 343 337 328
퍼징 수행 횟수 40 210 390 280 140 90 60
셧다운 방지능 우수 우수 양호 양호 불량 불량 불량
퍼징 자동 제어 여부 ○ ○ × × × × ×
상기 평가 결과를 통해, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법 및 이를 이용한 제어 시스템이 가동 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 퍼징 주기 및 퍼징 시간을 자동 제어하여 스택의 성능을 최적화하고, 수소 소모량을 저감하는 효과를 구현함을 알 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법에 따른 실시예 1 내지 2는 전력 발생량을 종래와 동일 또는 향상된 정도로 구현하면서도, 퍼징 수행 횟수를 저감하고, 셧다운의 발생 없이 스택 전압을 자동으로 모니터링하고, 퍼징 주기와 시간을 성능 변화에 따라 변화시켜 자동 제어함으로써 성능을 자동으로 최적화 할 수 있다.
반면, 퍼징 주기와 퍼징 시간이 고정된 비교예 1 내지 5 중 비교예 1 내지 2는 실시예와 동일 전력 발생량을 유지하는 경우 퍼징 수행 횟수의 저감이 어려웠다. 또한, 비교예 3 내지 5는 퍼징 주기를 2분 이상으로 증가시킴으로써 수소 소모량을 낮출 수 있었으나, 셧다운을 방지하기 어려웠으며, 연료전지의 성능 변화에 따라 자동으로 제어를 변경하여 반영하는 것은 불가능하였다.

Claims (10)

  1. 무가습 연료전지 스택에 연료를 공급하여 가동하는 운전 단계;
    연료전지 스택의 실시간 전압을 계측하는 모니터링 단계; 및
    설정 전압과 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압의 차이값이 하기 식 1을 만족하는 경우 퍼징을 수행하고, 이어서 모니터링 단계를 재수행하며,
    상기 차이값이 하기 식 1을 불만족하는 경우 퍼징을 수행하지 않고, 바로 모니터링 단계를 재수행하는 것에 의해, 퍼징 주기가 변화되는 제어 단계;를 포함하는 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법이며,
    상기 설정 전압은 하기 식 2에 따라 결정되는 것이며,
    상기 연료전지 스택은 가동 중 전기화학 반응에 의해 발생한 생성수를 캐소드(cathode) 측 분리판 유로에서 애노드(anode) 측 분리판 유로로 역확산시키는 것에 의해, 분리막에 수분을 자가 공급하는 것인 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법:
    [식 1]
    ( Ve - Vt ) > 0
    상기 식 1에서, Ve는 설정 전압이고, Vt는 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압이다.
    [식 2]
    Ve = N × VL × p
    상기 식 2에서, N은 연료전지 스택의 셀 수, VL은 연료전지 스택의 정격 부하에서 측정된 셀 전압(V), p는 0.01 내지 0.99의 상수이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 단계에서 퍼징 수행 시간은 1회 당 1ms 내지 600s인 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은 -10℃ 내지 40℃의 온도에서 가동되는 것인 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 방법.

  6. 무가습 연료전지 스택에 연결되어 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부와 유로로 연결되고, 공급받은 연료에 함유된 수소를 전기화학적으로 산화시켜 전기를 발생시키는 무가습 연료전지 스택;
    상기 무가습 연료전지 스택과 유로로 연결되어 퍼징용 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 연료 공급부와 무가습 연료전지 스택을 연결하는 유로 및 무가습 연료전지 스택과 가스 공급부를 연결하는 유로에 설치되어, 연료의 공급량을 조절하는 유량 조절기;
    상기 무가습 연료 전지 스택에 설치되어 실시간 전압을 모니터링하는 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부로부터 계측된 값을 전달 받아 운전 상태를 조절하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제어부는 설정 전압과 전압 측정부에서 전달받은 실시간 전압의 차이값을 산출하고,
    상기 차이값이 하기 식 1을 만족하는 경우 유량 조절기에 신호를 전달하여 퍼징을 수행하고, 이어서 모니터링 단계를 재수행하며,
    상기 차이값이 하기 식 1을 불만족하는 경우 퍼징을 수행하지 않고, 바로 전압 측정부에 신호를 전달하여 모니터링 단계를 재수행하는 것에 의해, 퍼징 주기가 변화되는 것인, 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 시스템이며,
    상기 설정 전압은 하기 식 2에 따라 결정되는 것이며,
    상기 연료전지 스택은 가동 중 전기화학 반응에 의해 발생한 생성수를 캐소드(cathode) 측 분리판 유로에서 애노드(anode) 측 분리판 유로로 역확산시키는 것에 의해, 분리막에 수분을 자가 공급하는 것을 특징으로 하는 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 시스템:
    [식 1]
    ( Ve - Vt ) > 0
    상기 식 1에서, Ve는 설정 전압이고, Vt는 모니터링 단계에서 계측된 실시간 전압이다.
    [식 2]
    Ve = N × VL × p
    상기 식 2에서, N은 연료전지 스택의 셀 수, VL은 연료전지 스택의 정격 부하에서 측정된 셀 전압(V), p는 0.01 내지 0.99의 상수이다.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 퍼징을 수행하는 시간은 1회 당 1ms 내지 600s인 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 시스템.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은 -10℃ 내지 40℃의 온도에서 가동되는 것인 무가습 연료전지의 최적 성능 자동 제어 시스템.
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