KR102463708B1

KR102463708B1 - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR102463708B1
Application number: KR1020170134078A
Authority: KR
Inventors: 권순우; 이준용
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2017-10-16
Publication date: 2022-11-07
Also published as: KR20190042311A

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 공기를 연료전지 스택의 공기극에 공급하는 공기 공급 라인과, 상기 공기극을 통과한 상기 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 라인을 구비하는 공기 순환 라인; 상기 공기 공급 라인과 상기 공기 배출 라인을 연결하는 바이패스 라인; 및 상기 공기 배출 라인을 유동하는 상기 공기를 상기 바이패스 라인을 통해 상기 공기 공급 라인에 전달 가능하도록 상기 공기의 유동 경로를 절환 가능한 공기 유로 절환 밸브를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템{System of fuel cell}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물 관리 시스템과, 실질적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 포함한다.

연료전지 시스템 운전 중, 연료 공급 시스템의 수소 저장 탱크로부터 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되고, 공기 공급 시스템의 공기 압축기에 의하여 외부의 공기가 연료전지 스택의 공기극(cathode)으로 공급된다.

연료극으로 공급된 수소는 연료극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리된다. 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극으로 이동하게 되며, 공기극에 공급된 공기는 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 생성하게 된다.

이러한 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 시스템이 적용된 연료전지 차량의 감속 등과 같은 원인으로 인해 스택 요구 전류가 감소되는 경우에, 공기극에 대한 공기 공급량(이하, '공기 공급량'이라고 함)을 그대로 유지하면 스택에 dry가 발생하거나 불필요한 에너지 소모로 인해 연비가 낮아질 우려가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 스택 요구 전류의 감소폭에 비례하도록 공기 공급량을 줄이는 것이 바람직하다. 그런데 공기 공급량을 측정할 수 있도록 스택에 설치되는 공기 유량 센서는, 미리 정해진 한계 유량 미만의 공기 공급량에 대해서는 공기 유량을 인식할 수 없는 구조 상의 한계를 갖는다. 이로 인해, 종래의 연료전지 시스템은, 스택 요구 전류가 적은 경우에도 적어도 공기 유량 센서가 인식 가능한 한계 유량 이상만큼 공기극에 공기를 공급할 수밖에 없어, 스택에 dry가 발생하거나 불필요한 에너지의 소모로 인해 연비가 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 공기극에 대한 공기의 공급량 자체는 일정 수준 이상으로 유지하면서도 공기극에 대한 산소의 공급량은 스택 요구 전류에 맞춰 조절 가능하도록 구조를 개선한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명은 공기를 연료전지 스택의 공기극에 공급하는 공기 공급 라인과, 상기 공기극을 통과한 상기 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 라인을 구비하는 공기 순환 라인; 상기 공기 공급 라인과 상기 공기 배출 라인을 연결하는 바이패스 라인; 및 상기 공기 배출 라인을 유동하는 상기 공기를 상기 바이패스 라인을 통해 상기 공기 공급 라인에 전달 가능하도록 상기 공기의 유동 경로를 절환 가능한 공기 유로 절환 밸브를 포함함으로써 달성된다.

상기 공기 공급 라인과 상기 공기 배출 라인을 각각 선택적으로 개폐 가능한 공기 차단 유닛을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 공기 차단 유닛은, 상기 공기 공급 라인의 미리 정해진 제1 지점과, 상기 공기 배출 라인의 미리 정해진 제2 지점을 각각 선택적으로 개폐 가능하고, 상기 바이패스 라인은, 상기 제1 지점에 비해 상기 공기 공급 라인의 하류 측에 위치하는 상기 공기 공급 라인의 미리 정해진 제3 지점과, 상기 제2 지점에 비해 상기 공기 배출 라인의 상류 측에 위치하는 상기 공기 배출 라인의 미리 정해진 제4 지점을, 서로 연결하도록 마련되는 것이 바람직하다.

상기 공기 차단 유닛은, 상기 제1 지점을 개폐 가능하도록 상기 제1 지점에 설치되는 제1 개폐 밸브; 및 상기 제2 지점을 개폐 가능하도록 상기 제2 지점에 설치되는 제2 개폐 밸브를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 공기 유로 절환 밸브는 상기 공기 배출 라인과 상기 바이패스 라인의 연결 지점에 설치되는 삼방 밸브인 것이 바람직하다.

상기 공기 순환 라인을 유동하는 상기 공기의 유량을 측정하도록 상기 공기 순환 라인에 설치되는 공기 유량 센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 스택의 요구 전류가 미리 정해진 기준 전류 미만인 경우에 상기 공기 배출 라인을 유동하는 상기 공기가 상기 바이패스 라인을 통해 상기 공기 공급 라인에 전달되도록 상기 유로 절환 밸브를 제어하는 제어 유닛을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제어 유닛은, 상기 요구 전류가 상기 기준 전류 미만인 경우에, 상기 공기극에 공급되는 상기 공기 중에 포함된 산소의 농도를 기준으로 상기 공기극에 공급되는 상기 공기의 공급량을 조절 가능하도록 상기 공기 차단 유닛을 제어하는 것이 바람직하다.

상기 산소의 농도를 산출 가능한 산소 농도 산출 유닛을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 스택 요구 전류에 따라 공기의 유동 경로를 절환하여 공기극에 대한 공기 공급량을 기준 유량 이상만큼 항시 확보 가능하게 하여 스택에 flooding이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 연료전지 시스템의 효율성과 안전성을 향상시키는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시하는 구조도,
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 스택 요구 전류가 기준 전류 미만인 경우에, 공기극에 공기를 공급하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 2에 도시된 공기 순환 루프에 공기를 공급하거나 또는 공기 순환 루프로부터 공기를 배출하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 스택 요구 전류가 기준 전류 이상인 경우에, 공기극에 공기를 공급하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 제어 순서를 도시하는 흐름도.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 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. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시하는 구조도이다.

본 발명의 연료전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 스택(10)에 공기를 공급하는 공기 공급 라인(110)과, 스택(10)을 통과한 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 라인(120)을 구비하는 공기 순환 라인(100); 공기 공급 라인(110)과 공기 배출 라인(120)을 각각 선택적으로 개폐 가능한 공기 차단 유닛(150); 공기 공급 라인(110)과 공기 배출 라인(120)을 연결하는 바이패스 라인(130); 공기 배출 라인(120)을 통과하는 공기를 바이패스 라인(130)을 통해 공기 공급 라인(110)에 전달 가능하도록 공기의 유동 경로를 절환 가능한 유로 절환 밸브(140); 및 연료전지 시스템의 전반적인 구동을 제어하는 제어 유닛(180) 등을 포함할 수 있다.

먼저, 공기 순환 라인(100)은 연료전지 스택(이하 '스택(10)'이라고 함)에 연결되며, 스택(10)에 공기를 공급하거나 또는 스택(10)을 통과한 공기를 배출하여 공기가 순환되게 한다.

스택(10)은, 전해질막의 양쪽에서 전기 화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)와, 막전극접합체의 일면에 적층되고 연료인 수소를 공급받는 애노드(anode 12, 이하 '연료극'이라고 함)와, 막전극접합체의 일면에 적층되고 산화제인 산소를 공급받는 캐소드(cathode 11, 이하 '공기극'이라고 함)로 이루어진다. 공기극(11)에는 공기의 산소량을 산출 가능한 산소 농도 산출 유닛(13)이 구비된다. 한편 산소 농도 산출 유닛(13)을 통해 산출되는 산소 농도(잔류 산소량)는 초기 산소량과 시간당 필요한 산소량에 대한 적분값의 차이로 산출한다. 이때 시간당 필요한 산소량(g/s)은 산소 분자량 * 스택 요구 전류 * 셀 개수 / 4 / F와 같은 계산식으로 산출된다. 여기서 F는 Faraday 상수이고, 1F는 96485 C/mol이다.

공기 순환 라인(100)은, 외부의 공기를 스택(10)의 공기극(11)에 공급하는 공기 공급 라인(110)과, 공기극(11)을 통과한 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 라인(120)을 구비한다.

공기 공급 라인(110)은 외부의 공기를 공기극(11)으로 공급할 수 있도록 공기극(11)의 유입구(11a)와 연료전지 시스템의 외부를 연결한다. 이러한 공기 공급 라인(110)에는, 공기 공급 라인(110)을 통해 외부로부터 유입된 공기를 압축하여 공기극(11)을 향해 토출하는 공기 압축기(111)와, 공기 공급 라인(110)을 유동하는 공기의 유량을 측정 가능한 공기 유량 센서(160)와, 공기 공급 라인(110)을 유동하는 공기의 압력을 측정 가능한 공기 압력 센서(112) 등이 설치될 수 있다.

공기 배출 라인(120)은 공기극(11)을 통과한 공기를 외부로 배출할 수 있도록 공기극(11)의 배출구(11b)와 연료전지 시스템의 외부를 연결한다.

이러한 공기 배출 라인(120)에는 공기 압축기(111)의 구동을 제어하기 위한 공기 압축기 제어기(170)와, 공기극(11)을 통과한 공기의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(113) 등이 설치될 수 있다.

한편, 공기 공급 라인(110)과 공기 배출 라인(120)에는 공기 공급 라인(110)을 따라 공기극(11)으로 공급되는 공기를 가습 가능한 가습기(190)가 설치될 수 있다. 이러한 가습기(190)는, 외부로부터 상대적으로 건조한 상태로 유입되어 공기 공급 라인(110)을 따라 유동하는 공기와, 공기극(11)에서 습한 상태로 배출되어 공기 배출 라인(120)을 따라 유동하는 공기를 수분 교환하여, 공기 공급 라인(110)을 유동하는 공기를 가습할 수 있다. 이러한 가습기(190)는, 연료전지 시스템에 적용되는 일반적인 가습기와 동일한 구조를 가지므로, 이에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

다음으로, 공기 차단 유닛(150)은, 공기 공급 라인(110)의 미리 정해진 제1 지점(101)과, 공기 배출 라인(120)의 미리 정해진 제2 지점(102)을 각각 선택적으로 개폐 가능하도록 마련된다. 여기서 제1 지점(101)이란, 공기 공급 라인(110) 상의 특정 지점에 설정된 가상의 지점으로서, 공기 압축기(111)에 비해 외부 쪽에 위치하도록 설정되는 것이 바람직하다. 제2 지점(102)이란, 공기 배출 라인(120) 상의 특정 지점에 설정된 가상의 지점으로서, 후술할 유로 절환 밸브(140)에 비해 외부 쪽에 위치하도록 설정되는 것이 바람직하다. 설명의 편의를 위해 이하에서는, 공기 공급 라인(110)의 경우에는 외부 쪽으로 갈수록 공기 공급 라인(110)의 상류 측에 위치하고 스택(10) 쪽으로 갈수록 공기 공급 라인(110)의 하류 측에 위치한다고 설명하며, 공기 배출 라인(120)의 경우에는 스택(10) 쪽으로 갈수록 공기 배출 라인(120)의 상류 측에 위치하고 외부 쪽으로 갈수록 공기 배출 라인(120)의 하류 측에 위치하는 것으로 설명하기로 한다.

이러한, 공기 차단 유닛(150)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 공기 차단 유닛(150)은, 제1 지점(101)을 개폐 가능하도록 제1 지점(101)에 설치되는 제1 개폐 밸브(151)와, 제2 지점(102)을 개폐 가능하도록 제2 지점(102)에 설치되는 제2 개폐 밸브(152)를 포함할 수 있다. 그러면, 제1 개폐 밸브(151)를 이용해 공기의 공급 양상을 제어할 수 있고, 제2 개폐 밸브(152)를 이용해 공기의 배출 양상을 제어할 수 있다.

다음으로, 바이패스 라인(130)은 공기 공급 라인(110)의 미리 정해진 제3 지점(103)과, 공기 배출 라인(120)의 미리 정해진 제4 지점(104)을 서로 연결하도록 마련된다. 여기서 제3 지점(103)이란 제1 지점(101)에 비해 공기 공급 라인(110)의 하류 측에 위치한 특정 지점에 설정된 가상의 지점을 말하고, 제4 지점(104)이란 제2 지점(102)에 비해 공기 배출 라인(120)의 상류 측에 위치한 특정 지점에 설정된 가상의 지점을 말한다.

다음으로, 유로 절환 밸브(140)는, 공기 배출 라인(120)을 유동하는 공기를 바이패스 라인(130)을 통해 공기 공급 라인(110)에 전달 가능하도록, 공기 배출 라인(120)을 유동하는 공기의 유동 경로를 절환 가능하게 한다.

유로 절환 밸브(140)는, 공기 배출 라인(120)과 바이패스 라인(130)의 연결 지점 즉, 공기 배출 라인(120)의 제4 지점(104)에 설치된다. 유로 절환 밸브(140)는 삼방 밸브인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 유로 절환 밸브(140)는, 유로 절환 밸브(140)에 도달한 공기가 공기 배출 라인(120)을 통해 외부로 배출되거나 바이패스 라인(130)을 통해 공기 공급 라인(110)으로 재전달되도록, 유로 절환 밸브(140)에 도달한 공기의 유동 경로를 선택적으로 절환할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 스택 요구 전류가 기준 전류 미만인 경우에, 공기극에 공기를 공급하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 공기 순환 루프에 공기를 공급하거나 또는 공기 순환 루프로부터 공기를 배출하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템에서 스택 요구 전류가 기준 전류 이상인 경우에, 공기극에 공기를 공급하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

다음으로, 제어 유닛(180)은, 공기 차단 유닛(150), 공기 압축기(111), 공기 압축기 제어기(170), 유로 절환 밸브(140) 등의 제어를 포함한 연료전지 시스템의 전반적인 구동을 제어하기 위한 부재이다.

제어 유닛(170)은, 차량 주행에 따른 토크 발생 시 스택(10)에 요구되는 스택 요구 전류를 산출한다. 스택 요구 전류는, 통상적인 토크 산출 방식에 의해 운전자 목표 토크를 산출하고, 운전자 목표 토크를 통해 운전자 요구 전류를 산출하고, 이를 통해 스택 요구 전류를 산출하게 된다. 예를 들어, 차량 주행에 있어 운전자 의지를 나타내는 가속 페달 신호(운전자 가속 페달 조작에 따른 신호)와 현재의 주행 차속을 나타내는 차속 신호를 통해 운전자 목표 토크를 산출할 수 있고, 이러한 운전자 목표 토크는 출력 관련 인자들(차속, 스택 전압, 모터 효율 등)과 다음의 수학식1에 의해 계산되어 운전자 요구 전류를 산출할 수 있다.

[수학식1]

여기서, 차속은 주행 중인 차량의 속도이고, 스택 전압은 스택의 전압이고, 모터 효율은 모터의 토크와 속도에 따라 미리 정의된 효율이다.

이러한 제어 유닛(180)은, 이처럼 산출한 스택 요구 전류가 미리 정해진 기준 전류 미만인 경우에, 공기극(11)에 대한 공기 공급량을 미리 정해진 기준 유량 이상으로 유지시킴과 동시에 공기극(11)에 대한 산소 공급량을 스택 요구 전류에 맞춰 조절할 수 있도록, 공기 차단 유닛(150)과 유로 절환 밸브(140)를 제어할 수 있다.

예를 들어, 제어 유닛(180)은, 스택 요구 전류가 기준 전류 미만인 경우에, 도 2에 도시된 바와 같이 공기 공급 라인(110)의 제1 지점(101)과 공기 배출 라인(120)의 제2 지점(102)이 폐쇄되도록 공기 차단 유닛(150)의 제1 개폐 밸브(151)와 제2 개폐 밸브(152)를 제어함과 함께, 공기 배출 라인(120)의 제4 지점(104)에 도달한 공기가 바이패스 라인(130)을 통해 공기 공급 라인(110)의 제3 지점(103)에 전달되도록 유로 절환 밸브(140)를 제어한다. 그러면, 공기 순환 라인(100)과 바이패스 라인(130)에는, 제3 지점(103)과 공기극(11)의 유입구(11a) 사이에 위치하는 공기 공급 라인(110)의 일부 구간과, 공기극(11)과, 공기극(11)의 배출구(11b)와 제4 지점(104) 사이에 위치하는 공기 배출 라인(120)의 일부 구간과, 바이패스 라인(130)을 따라 공기가 순환되는 공기 순환 루프(R)가 형성된다. 이때, 제1 개폐 밸브(151)에 의해 제1 지점(101)이 폐쇄됨으로 인해 공기 공급 라인(110)에는 외부의 공기가 유입되지 못하고, 제2 개폐 밸브(152)에 의해 제2 지점(102)이 폐쇄됨으로 인해 공기 배출 라인(120)을 유동하는 공기는 외부로 배출되지 못한다. 이로 인해, 아래의 표 1과 같이, 공기 순환 루프(R)를 순환하는 공기에 포함된 산소의 양은 시간이 경과됨에 따라, 공기극(11)을 통과하는 산소와 연료극(12)을 통과하는 수소가 반응됨으로써 점진적으로 줄어들고, 공기 순환 루프(R)를 통과하는 공기에 포함된 질소 기타 기체의 양은 유지된다.

공기유량(kg/h)	산소량	질소량
10	2	8
9	1	8
8.1	0.1	8

위와 같이 공기 순환 루프(R)를 형성하면, 공기극(11)에 공급되는 질소의 양은 그대로 유지시키면서도 공기극(11)에 공급된 산소의 양은 스택 요구 전류에 맞춰 줄일 수 있다. 이를 통해, 연료전지 시스템은, 스택 요구 전류가 기준 전류 미만인 경우에, 공기극(11)에 대한 공기 공급량 자체는 미리 정해진 기준 유량 이상으로 유지하면서도 공기극(11)에 대한 산소의 공급량은 스택 요구 전류에 맞춰 줄일 수 있다. 공기 공급량의 기준 유량은 공기 유량 센서(160)의 한계 유량인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 연료전지 시스템은, 공기극(11)에 대한 공기 공급량을 기준 유량 이상만큼 항시 확보 가능하므로, 이를 통해 스택(10)에 flooding이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 공기극(11)의 각 영역에 산소를 균일하게 공급할 수 있고, 공기극(11)에 대한 공기 공급량을 공기 유량 센서(160)의 측정 가능 범위 내에서 피드백 제어 가능하여 외란에 강건한 공기 공급량 제어를 실시할 수 있다.

한편, 제어 유닛(180)은, 스택 요구 전류가 기준 전류 미만인 경우에, 공기 차단 유닛(150)의 제1 개폐 밸브(151)와 제2 개폐 밸브(152)를 이용해 공기 공급 라인(110)의 제1 지점(101)과 공기 배출 라인(120)의 제2 지점(102)을 폐쇄하는 것을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 제어 유닛(180)은 공기극(11)에 공급되는 공기 중 산소의 농도가 미리 정해진 기준 농도 이상으로 유지되도록, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 개폐 밸브(151)와 제2 개폐 밸브(152)의 개도를 선택적으로 조절할 수 있다. 즉, 제어 유닛(180)은 외부의 공기가 공기 공급 라인(110)을 통해 공기 순환 루프(R)에 추가적으로 공급되거나, 공기 순환 루프(R)를 순환하는 일부의 공기가 공기 배출 라인(120)을 통해 외부로 배출되도록, 제1 개폐 밸브(151)와 제2 개폐 밸브(152)의 개도를 선택적으로 조절 가능한 것이다. 이때 제어 유닛(180)은, 산소 농도 산출 유닛(13)으로부터 입력 받은 산소 농도를 기준으로 제1 개폐 밸브(151)와 제2 개폐 밸브(152)의 개도를 조절하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 제어 유닛(180)은, 스택 요구 전류가 기준 전류 이상인 경우에, 도 4에 도시된 바와 같이 공기 공급 라인(110)의 제1 지점(101)과 공기 배출 라인(120)의 제2 지점(102)이 개방되도록 공기 차단 유닛(150)의 제1 개폐 밸브(151)와 제2 개폐 밸브(152)를 제어함과 함께, 공기 배출 라인(120)의 제4 지점(104)에 도달한 공기가 바이패스 라인(130)으로 유입되지 않도록 유로 절환 밸브(140)를 제어한다. 그러면 제1 개폐 밸브(151)와 제2 개폐 밸브(152)가 개방되어 외부의 공기가 공기 공급 라인(110)에 공급되고, 공기극(11)을 통과한 공기는 공기 배출 라인(120)을 통해 외부로 배출된다.

도 5는 본 발명의 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 제어 순서를 도시하는 흐름도이다.

본 발명의 연료전지 시스템을 제어하는 순서에 대해 설명하면 아래와 같다.

먼저, 제어 유닛(180)을 통해 연료전지 스택(10)의 요규 전류가 미리 정해진 기준 전류 미만인지 여부를 판단한다(S 10).

다음으로, 스택(10)의 요구 전류가 미리 정해진 기준 전류 미만인 경우에는, 공기 차단 유닛(150)의 제1 개폐 밸브(151)와 제2 개폐 밸브(152)를 폐쇄하고, 바이패스 라인(130)을 개방하여 공기 순환 루프(R)가 형성되게 한다(S 20).

한편, 스택(10)의 요구 전류가 미리 정해진 기준 전류 이상인 경우에는, 바이패스 라인(130)을 폐쇄하고, 공기 차단 유닛(150)의 제1 개폐 밸브(151)와 제2 개폐 밸브(152)를 개방하여 공기 배출 라인(120)을 유동하는 공기를 외부로 배출하고, 공기 공급 라인(110)을 통해 공기극(11)으로 공기가 공급되도록 한다(S 50).

다음으로, 스택(10)의 요구 전류와 미리 정해진 기준 전류의 차이에 따라 바이패스 라인(130)을 개방하거나 폐쇄한 후에는 공기 압력 센서(112)를 통해 공기 공급량을 측정하고, 산소 농도 산출 유닛(13)을 통해 산소 농도를 측정한다(S 30).

다음으로, 공기 공급 라인(110)의 공기 공급량과 스택(10)의 산소 농도를 측정한 이후에 공기 유량 센서(160)를 통해 공기 유량을 측정하고, 측정된 공기 유량에 따라 공기를 선택적으로 공급한다(S 40). 즉, 공기 유량 센서(160)를 통해 측정된 공기 유량에 따라 스택(10)에 대한 공기 공급량을 기준 유량 이상만큼 항시 확보 가능하므로 스택(10)에 flooding이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 스택
11 : 공기극
12 : 연료극
100 : 공기 순환 라인
110 : 공기 공급 라인
120 : 공기 배출 라인
130 : 바이패스 라인
140 : 유로 절환 밸브
150 : 공기 차단 유닛

Claims

공기를 연료전지 스택의 공기극에 공급하는 공기 공급 라인과, 상기 공기극을 통과한 상기 공기를 외부로 배출하는 공기 배출 라인을 구비하는 공기 순환 라인;
상기 공기 공급 라인과 상기 공기 배출 라인을 연결하는 바이패스 라인; 및
상기 공기 배출 라인을 유동하는 상기 공기를 상기 바이패스 라인을 통해 상기 공기 공급 라인에 전달 가능하도록 상기 공기의 유동 경로를 절환 가능한 유로 절환 밸브;
상기 공기 공급 라인의 미리 정해진 제1 지점을 개폐 가능하도록 상기 제1 지점에 설치되는 제1 개폐 밸브, 및 상기 제1 개폐 밸브와 개별적으로 상기 공기 배출 라인의 미리 정해진 제2 지점을 개폐 가능하도록 상기 제2 지점에 설치되는 제2 개폐 밸브를 포함하는 공기 차단 유닛; 및
상기 공기극에 공급되는 상기 공기 중에 포함된 산소의 농도를 산출하는 산소 농도 산출 유닛;을 포함하되,
상기 바이패스 라인의 일단은 상기 제1 지점과 상기 연료전지 스택의 사이에 위치하도록 상기 공기 공급 라인에 정의되는 제3 지점에 연결되고, 상기 바이패스 라인의 다른 일단은 상기 연료전지 스택과 상기 제2 지점의 사이에 위치하도록 상기 공기 배출 라인에 정의되는 제4 지점에 연결되며,
상기 제1 개폐 밸브 및 상기 제2 개폐 밸브는 상기 공기극에 공급되는 상기 산소의 농도에 기초하여 상기 제1 지점 및 상기 제2 지점을 선택적으로 개폐하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
삭제
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 유로 절환 밸브는 상기 공기 배출 라인과 상기 바이패스 라인의 연결 지점에 설치되는 삼방 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 공기 순환 라인을 유동하는 상기 공기의 유량을 측정하도록 상기 공기 순환 라인에 설치되는 공기 유량 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 스택의 요구 전류가 미리 정해진 기준 전류 미만인 경우에 상기 공기 배출 라인을 유동하는 상기 공기가 상기 바이패스 라인을 통해 상기 공기 공급 라인에 전달되도록 상기 유로 절환 밸브를 제어하는 제어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 제어 유닛은, 상기 요구 전류가 상기 기준 전류 미만인 경우에, 상기 공기극에 공급되는 상기 공기 중에 포함된 산소의 농도를 기준으로 상기 공기극에 공급되는 상기 공기의 공급량을 조절 가능하도록 상기 공기 차단 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
삭제