KR102625501B1 - 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템 - Google Patents

공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102625501B1
KR102625501B1 KR1020210105445A KR20210105445A KR102625501B1 KR 102625501 B1 KR102625501 B1 KR 102625501B1 KR 1020210105445 A KR1020210105445 A KR 1020210105445A KR 20210105445 A KR20210105445 A KR 20210105445A KR 102625501 B1 KR102625501 B1 KR 102625501B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
air
supply
air compressor
Prior art date
Application number
KR1020210105445A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230023867A (ko
Inventor
백상철
강석현
Original Assignee
테라릭스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 테라릭스 주식회사 filed Critical 테라릭스 주식회사
Priority to KR1020210105445A priority Critical patent/KR102625501B1/ko
Publication of KR20230023867A publication Critical patent/KR20230023867A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102625501B1 publication Critical patent/KR102625501B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04783—Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0687—Reactant purification by the use of membranes or filters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 작동 종료 후 스크류 방식의 공기압축기를 통해 연료전지 공기극에 수소를 공급하도록 하여 공기압축기가 버퍼탱크의 역할을 하면서 저농도의 일정한 유량으로 수소를 공급할 수 있도록 함으로써, 고농도 수소에 의한 국부적 손상없이 강력한 환원제인 수소의 공급을 통한 전극의 부식 방지가 가능하도록 하고, 수소공급장치와 공기압축기의 배관 연결을 통해 시스템의 구성이 이루어지도록 하여 장치의 소형화와 구조의 단순화가 가능하도록 하는 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템에 관한 것이다.

Description

공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템{A Fuel Cell System Capable of Preventing Oxidation for Cathode}
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 작동 종료 후 스크류 방식의 공기압축기를 통해 연료전지 공기극에 수소를 공급하도록 하여 공기압축기가 버퍼탱크의 역할을 하면서 저농도의 일정한 유량으로 수소를 공급할 수 있도록 함으로써, 고농도 수소에 의한 국부적 손상없이 강력한 환원제인 수소의 공급을 통한 전극의 부식 방지가 가능하도록 하고, 수소공급장치와 공기압축기의 배관 연결을 통해 시스템의 구성이 이루어지도록 하여 장치의 소형화와 구조의 단순화가 가능하도록 하는 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는데에도 이용될 수 있다.
연료전지는 여러 종류가 존재하나 아래 특허문헌과 같이 높은 전력 밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)이 주로 사용되고 있으며, 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극접합체에는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성된다. 이때, 애노드(Anode)에는 수소가 공급되고 캐소드(Cathode)에는 공기가 공급되어 공기에 포함된 산소와 수소의 반응을 통한 전기가 생산된다.
한편, 연료전지는 운전후 정지시 부하가 제거되면서 스택의 전압은 OCV 상태를 유지하게 되는데, 1Vdc/cell의 전압으로도 전극의 탄소 부식이 발생하는 산화 상태가 유지되어 연료전지 수명을 급격히 단축시키게 된다.
따라서, 연료전지의 운전 종료 후 전압이 가능한 0.8V/cell 이하로 유지되도록 하기 위해 공기극의 수분 및 산소를 제거하도록 하고 있으나, 산소의 제거후에도 전극 및 GDL의 미세기공에 남아있는 산소에 의해 셀 전압이 다시 상승하여 산소를 모두 제거하는데에 오랜 시간이 걸리고 그 사이에 전극의 부식이 발생하는 문제가 있으며, 산소의 제거시 공기극이 음압 상태가 됨에 따라 물리적 응력에 연료전지에 구조적 문제를 발생시키고, 대기중의 공기가 다시 유입되어 셀 전압이 상승함에 따라 전극의 부식이 지속적으로 발생하는 문제가 있다.
(특허문헌) 등록특허공보 제10-2131702호(2020. 07. 02. 등록)"연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명은 연료전지의 작동 종료 후 스크류 방식의 공기압축기를 통해 연료전지 공기극에 수소를 공급하도록 하여 공기압축기가 버퍼탱크의 역할을 하면서 저농도의 일정한 유량으로 수소를 공급할 수 있도록 함으로써, 고농도 수소에 의한 국부적 손상없이 강력한 환원제인 수소의 공급을 통한 전극의 부식 방지가 가능하도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 수소공급장치를 공기압축기와 연결시켜 수소의 공급이 이루어지도록 하여 기존 연료전지시스템 구성에 배관만을 추가하여 시스템이 구성되도록 함으로써 장치의 소형화와 구조의 단순화가 가능하도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 공기압축기 스크류의 저속 회전을 통해 공기압축기 내부에 남아있는 공기와 수소의 고른 혼합이 가능하도록 하여 일정농도 이하로의 일정한 수소 공급이 원활하게 이루어지도록 하고, 공기압축기 내부의 잔여산소 제거를 통해 공기압축기 내부의 부식도 최소화할 수 있도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 공기압축기 내의 혼합기배출부 상에 수소를 일정농도 이하로 공급하기 위한 가스 믹서와 수소센서가 설치되도록 하여, 추가적인 구성의 설치없이 산화방지를 위한 수소 공급이 가능하도록 함으로써, 시스템의 부피를 최소화할 수 있도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 연료전지 내의 수분 및 산소 제거후 공기극에 일정농도 이하의 수소가 일정 압력 이상으로 채워지도록 하고, 연료전지에서 발생하는 전압이 일정정도 이하가 될 때까지 수소의 공급이 계속되도록 하여 잔존산소가 완전히 제거된 상태를 지속적으로 유지할 수 있도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 연료전지의 작동시 스크류 방식의 공기압축기에 연료전지에서 순환되는 물을 공급하여 높은 압력의 가습된 공기가 연료전지에 공급되도록 함으로써, 막가습기 등의 별도 가습장치 없이 연료전지 시스템의 소형화가 가능하도록 하며, 연료전지의 성능 및 내구성 향상, 부하 변동성 확보가 가능하도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 공기압축기로부터 연료전지로 공급되는 혼합공기에서 응축된 물을 물순환장치로 순환시키도록 함으로써, 응축수가 연료전지로 유입되는 것을 차단하고 시스템에서 순환하는 물의 효율적 이용과 장치의 소형화가 가능하도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 공기압축기의 작동정도와 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 번갈아 상승시키며 혼합공기의 압력을 설정된 압력까지 상승시키도록 하여, 높은 압력의 공기를 효율적으로 공급할 수 있도록 하는 연료전지시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지에 수소를 공급하는 수소공급장치와, 연료전지에 공기를 공급하는 스크류 방식의 공기압축기와, 시스템의 작동을 조절하는 제어장치와, 산소 및 수소의 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지를 포함하고, 상기 수소공급장치는 연료전지의 작동 종료 후 상기 공기압축기를 통해 연료전지에 수소를 공급하도록 하는 것을 특징으로한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 수소공급장치는 연료전지에 공급할 수소를 보관하는 수소탱크와, 상기 수소탱크로부터 공급되는 유량을 측정하는 수소유량센서와, 상기 수소탱크로부터 연료전지 또는 공기압축기로의 수소 공급을 선택적으로 조절하는 비례제어밸브와, 상기 비례제어밸브와 연료전지의 수소극 사이를 연결하여 수소극으로 직접 수소가 공급되도록 하는 전지공급관과, 상기 비례제어밸브와 공기압축기 사이를 연결하여 수소탱크로부터 공급되는 수소가 공기압축기를 통과하여 연료전지의 공기극으로 공급되도록 하는 압축기공급관을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 압축기공급관은 상기 공기압축기로의 수소의 공급을 조절하는 공급밸브와, 공기의 역류를 방지하는 공기체크밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 공기압축기는 공기압축기 내에 공기가 유입되는 통로를 형성하는 공기공급부와, 공기압축기 내에서 회전하며 공기를 압축하는 스크류와, 공기압축기를 통과하는 공기가 연료전지로 공급되도록 하는 혼합기배출부를 포함하고, 상기 공기압축기는 상기 수소공급장치로부터의 수소 공급시 상기 공기공급부로부터의 공기 공급을 차단하고 상기 스크류의 저속 회전을 통해 공기압축기 내부에 남아있는 공기와 수소를 혼합시켜 상기 혼합기배출부를 통한 연료전지 공기극으로의 수소 공급이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 혼합기배출부는 수소와 공기를 일정 농도로 혼합시키는 가스믹서와, 수소의 농도를 측정하는 수소센서를 포함하여, 일정농도 이하의 수소를 포함한 공기를 연료전지로 공급하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 제어장치는 상기 공기압축기의 공기 공급을 통해 상기 연료전지 공기극의 수분을 제거하는 수분제거부와, 수분 제거 후 연료전지에 대한 저항의 연결을 통해 연료전지 내 잔여 산소를 제거하는 산소제거부와, 산소 제거 후 상기 공기압축기를 통해 공기극에 수소를 충진하는 수소공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 수소공급부는 연료전지 공기극의 부피에 따라 총 수소공급량을 결정하는 수소공급량결정모듈과, 상기 수소공급장치를 작동시켜 공기압축기를 통해 연료전지 공기극으로 수소가 공급되도록 하는 수소공급개시모듈과, 상기 공기압축기를 저속 회전시켜 공기와 수소의 혼합이 이루어지도록 하는 압축기작동모듈과, 연료전지 공기극의 압력을 측정하여 일정 압력까지 수소의 공급이 이루어지도록 하는 압력인지모듈과, 수소가 공급되는 동안 상기 가스믹서를 통해 공급되는 수소의 농도를 일정농도 이하로 유지시키는 수소농도조절모듈과, 수소가 공급되는 동안 연료전지에서 발생되는 전압을 측정하는 전압측정모듈과, 측정된 전압이 일정전압 아래로 떨어지는 경우 수소의 공급을 중단하는 수소공급정지모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지로부터 배출되는 물을 순환시켜 연료전지를 냉각시키는 물순환장치를 포함하고, 상기 공기압축기는 공기압축기 내부에 상기 물순환장치로부터 공급되는 물을 공급하는 물공급부를 포함하여, 공기극에 대한 공기의 공급시 상기 물공급부를 통해 공급되는 물이 공기압축기의 열에 의해 기화되어 가습된 혼합공기가 연료전지로 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 물공급부는 상기 물순환장치로부터 공급되는 물이 공기압축기 내로 공급되도록 하는 공급펌프와, 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 측정하는 유량센서와, 상기 공기압축기를 통한 수소의 공급시 수소의 역류를 차단하는 체크밸브를 포함하고, 상기 혼합기배출부는 혼합공기에서 응축된 물을 상기 물순환장치로 배출시키는 응축수배출트랩과, 상기 물순환장치로의 응축수의 배출을 조절하는 순환밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 제어장치는 연료전지의 작동을 위한 혼합공기의 압력을 조절하는 압력조절부를 포함하고, 상기 압력조절부는 상기 공기압축기의 작동을 개시하는 작동개시모듈과, 상기 공기압축기로부터 연료전지로 공급되는 혼합공기의 압력을 측정하는 압력측정모듈과, 상기 압력측정모듈에 의해 측정된 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 상기 공기압축기의 작동정도를 일정단위 상승시키는 작동상승모듈과, 혼합공기의 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 상기 물공급부에 의한 물공급 유량을 일정단위 증가시키는 물공급추가모듈과, 물공급의 추가에도 혼합공기의 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 설정값에 도달할 때까지 상기 작동상승모듈 및 물공급추가모듈을 번갈아 작동시키는 반복작동모듈과, 혼합공기의 압력이 설정값에 도달하는 경우 연료전지에 대한 수소의 공급을 통해 연료전지의 작동을 개시하는 연료전지작동모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 연료전지의 작동 종료 후 스크류 방식의 공기압축기를 통해 연료전지 공기극에 수소를 공급하도록 하여 공기압축기가 버퍼탱크의 역할을 하면서 저농도의 일정한 유량으로 수소를 공급할 수 있도록 함으로써, 고농도 수소에 의한 국부적 손상없이 강력한 환원제인 수소의 공급을 통한 전극의 부식 방지가 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 수소공급장치를 공기압축기와 연결시켜 수소의 공급이 이루어지도록 하여 기존 연료전지시스템 구성에 배관만을 추가하여 시스템이 구성되도록 함으로써 장치의 소형화와 구조의 단순화가 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 공기압축기 스크류의 저속 회전을 통해 공기압축기 내부에 남아있는 공기와 수소의 고른 혼합이 가능하도록 하여 일정농도 이하로의 일정한 수소 공급이 원활하게 이루어지도록 하고, 공기압축기 내부의 잔여산소 제거를 통해 공기압축기 내부의 부식도 최소화할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 공기압축기 내의 혼합기배출부 상에 수소를 일정농도 이하로 공급하기 위한 가스 믹서와 수소센서가 설치되도록 하여, 추가적인 구성의 설치없이 산화방지를 위한 수소 공급이 가능하도록 함으로써, 시스템의 부피를 최소화할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 연료전지 내의 수분 및 산소 제거후 공기극에 일정농도 이하의 수소가 일정 압력 이상으로 채워지도록 하고, 연료전지에서 발생하는 전압이 일정정도 이하가 될 때까지 수소의 공급이 계속되도록 하여 잔존산소가 완전히 제거된 상태를 지속적으로 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 연료전지의 작동시 스크류 방식의 공기압축기에 연료전지에서 순환되는 물을 공급하여 높은 압력의 가습된 공기가 연료전지에 공급되도록 함으로써, 막가습기 등의 별도 가습장치 없이 연료전지 시스템의 소형화가 가능하도록 하며, 연료전지의 성능 및 내구성 향상, 부하 변동성 확보가 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 공기압축기로부터 연료전지로 공급되는 혼합공기에서 응축된 물을 물순환장치로 순환시키도록 함으로써, 응축수가 연료전지로 유입되는 것을 차단하고 시스템에서 순환하는 물의 효율적 이용과 장치의 소형화가 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 공기압축기의 작동정도와 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 번갈아 상승시키며 혼합공기의 압력을 설정된 압력까지 상승시키도록 하여, 높은 압력의 공기를 효율적으로 공급할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성도
도 2는 도 1의 공기압축기의 구성도
도 3은 제어장치의 구성을 나타내는 블럭도
도 4는 도 3의 수분제거부의 구성을 나타내는 블럭도
도 5는 도 3의 산소제거부의 구성을 나타내는 블럭도
도 6은 도 3의 수소공급부의 구성을 나타내는 블럭도
도 7은 연료전지시스템의 작동 종료 후 산화방지를 위한 작동 과정을 나타내는 순서도
도 8은 도 7의 일 작동예를 나타내는 순서도
도 9는 도 3의 압력조절부의 구성을 나타내는 블럭도
도 10은 도 3의 고장판단부의 구성을 나타내는 블럭도
도 11은 도 10의 정상범위설정모듈의 구성을 나타내는 블럭도
도 12는 도 3의 오염판단부의 구성을 나타내는 블럭도
도 13은 압력조절부의 작동과정을 나타내는 순서도
도 14는 압력조절부의 일 작동예를 나타내는 순서도
이하에서는 본 발명에 따른 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하고, 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템을 도 1 내지 도 14를 참조하여 설명하면, 상기 연료전지시스템은 연료전지(4)에 수소를 공급하는 수소공급장치(1)와, 연료전지(4)에 공기를 공급하는 스크류 방식의 공기압축기(2)와, 시스템의 작동을 조절하는 제어장치(3)와, 산소 및 수소의 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지(4)와, 연료전지(4)로부터 배출되는 물을 순환시켜 연료전지를 냉각시키는 물순환장치(5)를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지의 보관시 연료전지에 잔존하거나 유입되는 산소에 의해 전압이 생성되어 전극이 부식되는 문제를 차단하기 위해 연료전지의 작동 종료 후 연료전지의 공기극에 수소의 주입이 이루어지도록 한다. 다시 말해, 앞서 배경기술에서 설명한 바와 같이 연료전지의 작동 종료 후 수소 및 산소를 제거하더라도 연료전지 내 미세기공에 잔존하는 산소가 존재하고, 공기극 내 음압 형성으로 인해 외부 공기가 다시 유입되어 전압이 상승하는 문제가 있으므로, 본 발명에서는 수소 및 산소의 제거 후 공기극에 수소를 주입하여 전압 형성을 차단하도록 한다.
다만, 고농도의 수소가 한꺼번에 공기극으로 공급될 경우 공기극 전체에 수소가 공급되지 못하고 오히려 높은 농도의 수소와 미량의 산소가 반응하여 국부적인 전극 손상을 일으키게 된다. 따라서, 본 발명에서는 연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기(2)를 이용하여 저농도의 수소가 공기극으로 일정하게 공급되도록 하여 안정적인 수소의 주입을 통해 전극의 손상을 막을 수 있도록 하였다.
다시 말해, 본 발명에서는 스크류 타입의 공기압축기(2)에 수소를 공급하여 공기압축기(2)가 버퍼 탱크의 역할을 하도록 하면서, 공기압축기(2)의 출구에는 가스믹서(231)의 형성을 통해 수소가 일정농도 이하를 유지하면서 연료전지(4)의 공기극으로 공급될 수 있도록 하였으며, 공기압축기(2) 스크류(22)의 저속 회전을 통해 공기압축기(2) 내에 잔존하는 공기와 수소를 고르게 혼합하여 일정농도 이하로의 수소 주입이 원활하고 일정하게 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 연료전지시스템은 기존 연료전지시스템에서 수소를 공급하는 수소공급장치(1)와 공기를 공급하는 공기압축기(2)를 그대로 연결하여 저농도의 수소 공급이 이루어지도록 함으로써, 시스템의 소형화와 구성의 간소화가 가능하도록 한다.
뿐만 아니라, 상기 연료전지시스템은 연료전지(4)의 작동시에 공기극에 대한 공기의 공급이 공기압축기(2)를 통해 이루어지도록 하여 높은 압력의 공기를 공급할 수 있도록 하고, 특히 물순환장치(5)에 의해 연료전지(4)를 순환하는 냉각수가 공기압축기(2)로 공급되어 냉각 및 기밀을 위한 유체로 사용하도록 함으로써, 공기압축기(2)에서 높은 압력의 가습된 공기를 발생시켜 연료전지(4)로 공급될 수 있도록 한다.
종래 연료전지(4)의 공기극으로 공급되는 공기는 산화환원 반응을 통해 전압을 형성하고 수분을 연료전지 내부에 전달하며, 압력 제어를 통해 수분 배출 및 제어에 핵심 역할을 하며, 촉매 표면에 전달되는 양이나 농도에 따라 전체 시스템의 성능을 결정한다. 따라서, 연료전지의 주요 성능 인자로 공기의 공급압력, 운전온도, 상대습도를 들 수 있으며, 높은 공급압력, 운전온도, 상대습도를 가질 때 연료전지의 성능을 높일 수 있는 것으로 알려져 있다.
이에 따라, 연료전지의 개발 초기에는 높은 압력으로 공기를 공급하기 위해 다양한 컴프레서의 개발이 진행되었으나, 컴프레서로 공급되는 오일로 인해 공기 품질이 나빠지고 소비전력이 높다는 문제가 있었으며, 이에 따라 대부분의 연료전지에서 아래 특허문헌과 같은 블로워를 사용하여 공기를 공급하도록 하고 있다.
다만, 블로워의 경우 공급할 수 있는 공기의 압력에 한계가 있고, 고속회전에 따른 발열에 따라 공기의 온도가 높아져 상대습도가 떨어지게 되며, 이에 따라 막가습기와 같은 별도의 가습장치를 설치하도록 하고 있다.
따라서, 종래 블로워를 채용한 연료전지 시스템은 복잡하고 굵은 배관의 막가습기로 인해 시스템 전체 부피를 증가시키고 복잡하게 만드는 문제가 있어 연료전지의 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 또한, 블로워의 압력 한계로 인해 연료전지 성능의 한계가 발생하고, 공기 공급의 불균일 발생으로 전압 불균형이 발생하며, 연료전지 내 물을 적절하게 제거하지 못하여 촉매에 수막을 형성하고 공기와의 접촉을 차단하게 되며, 부하변동에 따라 공기 부족 현상이 발생하여 연료전지의 비가역적 손상을 일으키는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 막가습기와 같은 복잡하고 많은 부피를 차지하는 가습장치 없이도 높은 상대습도를 가진 공기를 연료전지(4)에 공급하도록 할 수 있고, 이를 통해 전극의 손상을 방지하고 내구성을 향상시키며 장치가 소형화되도록 할 수 있다. 또한, 공기압축기(2)를 통해 높은 압력의 공기를 공급함에 따라 연료전지(4)의 성능을 향상시키고 연료전지(4) 스택 전체에 대한 고른 공기의 공급이 가능하도록 하며, 연료전지(4) 내 물의 배출 또한 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 상기 연료전지시스템은 높은 압력의 공기 공급을 통해 부하의 잦은 변동에도 공기의 부족 현상에 따른 연료전지의 비가역적 손상을 방지하도록 할 수 있으며, 연료전지(4)에서 순환되는 냉각수를 공기압축기(2)로 공급하도록 함에 따라 부하가 증가할 경우 냉각수 유량도 함께 증가하게 되어 공기압축기(2)에 대한 냉각수의 공급이 원환하게 이루어지도록 할 수 있고, 이를 통해 연료전지(4)로 공급되는 공기의 높은 습도 유지가 안정적으로 이루어지도록 할 수 있다.
상기 수소공급장치(1)는 연료전지(4)에 수소를 공급하는 구성으로, 연료전지(4)의 작동을 위한 수소의 공급뿐만 아니라, 연료전지(4)의 작동 종료후 공기극에도 수소를 주입할 수 있도록 한다. 특히, 상기 수소공급장치(1)는 연료전지(4) 작동 후의 수소 공급시 상기 공기압축기(2)를 통해 공기극으로 수소의 주입이 이루어지도록 하여 저농도의 수소가 일정하게 공기극으로 주입될 수 있도록 하며, 기존 연료전지(4)의 수소극으로 수소를 공급하는 구성에 공기압축기(2)로 연결되는 배관만을 추가하도록 하여 시스템의 소형화를 유지할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 수소공급장치(1)는 수소탱크(11), 수소유량센서(12), 비례제어밸브(13), 전지공급관(14), 압축기공급관(15)을 포함할 수 있다.
상기 수소탱크(11)는 시스템에 사용되는 수소를 저장하는 구성으로, 연료전지(4)의 작동시에는 연료전지(4)의 수소극으로, 연료전지(4)의 작동 종료 후에는 공기압축기(2)를 통해 연료전지(4)의 공기극으로 공급되도록 할 수 있다.
상기 수소유량센서(12)는 상기 수소탱크(11)로부터 공급되는 수소의 유량을 측정하는 구성으로, 일정 유량의 수소가 수소극 또는 공기극으로 공급될 수 있도록 한다.
상기 비례제어밸브(13)는 연료전지(4)의 수소극 또는 공기극에 대한 수소의 공급을 선택적으로 조절하는 구성으로, 상기 전지공급관(14) 및 압축기공급관(15)과 연결되어 각각으로의 수소 공급을 조절하도록 한다.
상기 전지공급관(14)은 비례제어밸브(13)와 연료전지(4)의 수소극(Anode)를 연결하는 구성으로, 연료전지(4)의 작동시 수소가 공급되는 통로를 형성하도록 한다.
상기 압축기공급관(15)은 비례제어밸브(13)와 공기압축기(2)를 연결하는 구성으로, 연료전지(4)의 작동 종료시 수소탱크(11)의 수소가 공기압축기(2)를 거쳐 연료전지(4)의 공기극(Cathode)로 공급되도록 할 수 있다. 상기 압축기공급관(15)은 상기 공기압축기(2)의 후술할 공기공급부(21)에 연결되도록 할 수 있으며, 공기압축기(2)의 전단에서 수소의 공급이 이루어지도록 할 수 있다. 따라서, 상기 압축기공급관(15)은 연료전지(4)의 작동 종료 후 공기압축기(2) 전단에 수소를 공급하면서 공기압축기(2) 내부에 남아있는 공기와 수소가 혼합되며 일정농도 이하의 수소가 공기극으로 공급될 수 있도록 한다. 또한, 상기 압축기공급관(15) 상에는 공급밸브(151)가 형성되어 수소의 공급을 조절하도록 할 수 있으며, 특히 공기체크밸브(152)가 추가적으로 형성되어 공기압축기(2)의 공기가 수소공급장치(1)로 역류하는 것을 막을 수 있도록 한다.
상기 공기압축기(2)는 외부 공기를 압축하여 연료전지(4)로 공급되도록 하는 구성으로, 연료전지(4)의 공기극으로 압축공기가 공급되도록 한다. 다만, 상기 공기압축기(2)는 연료전지(4)의 작동 종료 후에는 상기 수소공급장치(1)로부터 수소를 공급받아 연료전지(4)로 공급되도록 한다. 상기 공기압축기(2)는 스크류 방식으로 형성되도록 할 수 있으며, 수소의 공급시에는 스크류(22)를 저속으로 회전시키며 공기압축기(2) 내에 남아있는 공기와 수소의 혼합이 이루어지도록 한다. 따라서, 공기압축기(2)는 수소의 공급시 일정한 농도와 유량으로 공급될 수 있도록 하여 버퍼탱크의 역활을 하도록 할 수 있다. 또한, 상기 공기압축기(2)는 연료전지(4)의 작동시에는 공기극으로 외부 공기를 공급하도록 하며, 특히 상기 물순환장치(5)로부터 냉각수를 공급받아 냉각 및 기밀 유지용으로 사용되도록 한다. 따라서, 상기 공기압축기(2)는 내부에 공급되는 물이 스크류(22)의 회전에 따른 열에 의해 기화되어 외부 공기와 혼합되며, 높은 습도를 가진 혼합공기가 연료전지(4)로 공급될 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 공기압축기(2)는 공기공급부(21), 스크류(22), 혼합기배출부(23), 물공급부(24)를 포함할 수 있다.
상기 공기공급부(21)는 외부공기를 공기압축기(2)에 공급하는 구성으로, 공기압축기(2)의 전단에 형성되어 외부공기가 유입되는 통로를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 공기공급부(21)에는 에어필터(211)가 형성되어 외부로부터 유입되는 공기에서 이물질 등을 제거하도록 한다. 또한, 상기 공기공급부(21) 상에는 상기 수소공급장치(1)의 압축기공급관(15)이 연결되어 수소탱크(11)로부터 수소의 공급이 이루어지도록 할 수 있으며, 공기압축기(2)의 전단을 통해 수소의 공급이 이루어지도록 할 수 있다. 따라서, 상기 공기공급부(21)는 공기압축기(2)의 전단을 통한 수소의 공급을 통해 수소의 공급과 함께 공기압축기(2) 내부에 있는 산소를 제거하여 공기압축기(2) 내부 부품의 부식을 막는데도 기여할 수 있다. 이를 위해, 상기 공기공급부(21) 상에는 조절밸브(212)가 형성되어 공기의 공급을 조절하도록 하며, 연료전지(4)의 작동 종료 후 수소공급장치(1)로부터 수소의 공급이 이루어지는 경우에는 조절밸브(212)를 폐쇄하여 공기의 공급을 막도록 한다.
상기 스크류(22)는 공기압축기(2) 내부에서 회전하는 구성으로, 연료전지(4)의 작동시에는 공기공급부(21)를 통해 공급되는 공기를 압축하여 높은 압력의 공기가 연료전지(4)로 공급되도록 한다. 그리고, 상기 스크류(22)는 연료전지(4)의 작동 종료 후 수소의 공급시에는 저속으로 회전하여 수소와 공기의 혼합이 이루어지도록 하고, 균일하게 혼합되는 수소가 일정한 농도로 연료전지(4)에 공급될 수 있도록 한다.
상기 혼합기배출부(23)는 공기압축기(2)에서 공기를 배출하는 구성으로, 연료전지(4)의 공기극과 연결되도록 한다. 특히, 상기 혼합기배출부(23)는 수소의 공급시에는 일정한 농도 이하로 수소가 일정하게 공급될 수 있도록 하며, 연료전지(4)의 작동시에는 물공급부(24)에 의해 공급되는 물이 기화되어 공기공급부(21)에 의해 공급되는 공기와 혼합됨으로써 높은 상대습도의 혼합공기가 연료전지(4)로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 상기 혼합기배출부(23)는 혼합공기에서 발생되는 응축된 물을 별도로 배출시켜 물순환장치(5)로 순환되도록 하여 응축수가 연료전지(4)로 유입되는 것을 차단하고 효율적인 물의 사용이 가능하도록 한다. 따라서, 상기 혼합기배출부(23)는 저농도 수소의 공급, 고압·고습도의 공기 공급을 위한 구성들이 공기압축기(2) 내의 혼합기배출부(23)에 형성되도록 하여 별도 구성의 설치가 필요없도록 하고, 이를 통해 시스템을 소형화할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 혼합기배출부(23)는 가스믹서(231), 수소센서(232), 공급조절밸브(233), 응축수배출트랩(234), 순환밸브(235)를 포함할 수 있다.
상기 가스믹서(231)는 공기와 수소를 일정 비율로 혼합하여 수소가 일정농도를 갖도록 하는 구성으로, 바람직하게는 2% 이하의 농도로 유지될 수 있도록 한다.
상기 수소센서(232)는 혼합기배출부(23)를 통과하는 수소의 농도를 측정하는 구성으로, 측정된 농도를 통해 가스믹서(231)의 작동이 조절되도록 하고, 앞서 설명한 바와 같이 수소가 2% 이하의 농도로 유지될 수 있도록 한다.
상기 공급조절밸브(233)는 연료전지(4)의 공기극에 대한 수소 또는 공기의 공급을 조절하는 구성으로, 수소 또는 공기의 공급시 개방되도록 한다.
상기 응축수배출트랩(234)은 혼합기배출부(23)에서 발생되는 응축수를 배출시키는 구성으로, 일정량의 응축수가 고이는 경우 배출이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 순환밸브(235)는 혼합기배출부(23)와 물순환장치(5) 사이에 형성되어 응축수의 순환을 조절하는 구성으로, 바람직하게는 상기 물순환장치(5)의 냉각수탱크(52)와의 사이에 형성되도록 할 수 있으며, 응축수배출트랩(234)을 통과하는 응축수가 냉각수탱크(52)로 모여져 다시 냉각수로 시스템을 순환할 수 있도록 한다.
상기 물공급부(24)는 연료전지(4)의 작동시 공기압축기(2) 내부에 냉각 및 기밀을 위한 물을 공급하는 구성으로, 상기 물순환장치(5)와 연결되어 연료전지(4)에서 순환되는 냉각수를 공급받도록 할 수 있다. 따라서, 상기 물공급부(24)는 기존 연료전지시스템 내의 물순환장치(5)에 공기압축기(2)와 연결되는 배관만을 연결하여 공기압축기(2)에 대한 물의 공급이 이루어지도록 할 수 있으므로, 연료전지시스템의 소형화가 가능하도록 할 수 있다. 또한, 상기 물공급부(24)에 의해 공기압축기(2) 내부로 공급되는 물은 공기압축기(2)의 열에 의해 기화되어 상기 공기공급부(21)를 통해 유입되는 공기와 혼합되며, 이를 통해 별도의 가습장치 없이도 높은 상대습도를 가진 혼합공기가 연료전지(4)로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 상기 물공급부(24)는 공기압축기(2)로 공급되는 물의 유량을 조절하여 적절한 압력과 습도의 혼합공기가 연료전지(4)로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 상기 물공급부(24)는 공기압축기(2)를 통한 수소의 공급시에는 물의 공급이 차단되도록 하며, 이때 수소 또는 공기가 물공급부(24)로 유입되는 것을 차단하도록 한다. 이를 위해 상기 물공급부(24)는 공급펌프(241), 유량센서(242), 체크밸브(243)를 포함하도록 할 수 있다.
상기 공급펌프(241)는 물순환장치(5)와 연결되어 공기압축기(2)로 냉각수가 공급되는 동력을 제공하는 구성으로, 물순환장치(5)의 이온필터(54)와 연결되도록 할 수 있다. 또한, 상기 공급펌프(241)는 제어장치(3)의 후술할 압력조절부(34)에 의해 그 작동이 조절되도록 할 수 있으며, 작동의 조절을 통해 공기압축기(2)로부터 배출되는 혼합공기가 설정된 압력까지 상승할 수 있도록 한다.
상기 유량센서(242)는 공기압축기(2)로 공급되는 물의 유량을 측정하는 구성으로, 상기 공급펌프(241)와 공기압축기(2) 사이에 형성되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 유량센서(242)는 공기압축기(2)로 공급되는 물의 유량에 맞추어 공급펌프(241)의 작동을 조절하도록 할 수 있다. 후술할 압력조절부(34)에서 일정단위로 물의 공급이 증가되도록 할 수 있다.
상기 체크밸브(243)는 물공급부(24) 상에 형성되어 수소 또는 공기의 역류를 차단하는 구성으로, 공기압축기(2)를 통한 수소의 공급시 물공급부(24)에 의한 물의 공급이 중단되므로, 수소 또는 공기가 물공급부(24)를 통해 유출되어 일정한 농도로의 수소 공급이 원활하게 이루어지지 못하는 것을 막을 수 있도록 한다.
상기 제어장치(3)는 연료전지시스템의 작동을 제어하는 구성으로, 시스템 내부에 내장될 수 있다. 상기 제어장치(3)는 연료전지(4)의 작동 종료 후 전극의 산화방지를 위해 먼저 연료전지(4)의 공기극에 공기를 공급하여 공기극의 수분을 제거하도록 하고, 수분의 제거 후에는 연료전지에 대한 저항의 연결을 통해 연료전지(4) 내 잔여 산소를 제거하도록 하며, 산소의 제거 후에는 상기 공기압축기(2)를 통해 공기극에 대한 수소의 주입이 이루어질 수 있도록 한다. 또한, 상기 제어장치(3)는 연료전지(4)의 작동시에는 공기압축기(2)로부터 공기극으로 공급되는 공기가 일정 압력을 갖도록 상기 스크류(22) 및 물공급부(24)의 작동을 조절하도록 하고, 공기압축기(2)로부터 배출되는 혼합공기의 온도에 따라 공기압축기(2)의 고장을 진단할 수 있도록 하며, 연료전지의 출력 상태에 따라 공기압축기(2)의 오염을 감지할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 제어장치(3)는 수분제거부(31), 산소제거부(32), 수소공급부(33), 압력조절부(34), 고장판단부(35), 오염판단부(36)를 포함할 수 있다.
상기 수분제거부(31)는 연료전지(4)의 작동 종료 후 공기극의 수분을 배출시켜 제거하는 구성으로, 공기극을 통한 공기의 공급을 통해 수분의 배출이 이루어지도록 할 수 있다. 상기 수분제거부(31)는 공기극의 압력이 일정압력이 될 때까지 공기를 공급하도록 할 수 있으며, 공기의 공급 후 연료전지(4)를 밀폐시켜, 즉 연료전지(4)와 연결되는 밸브를 모두 폐쇄하여 연료전지(4)가 밀폐된 상태가 되도록 한다. 이를 위해, 상기 수분제거부(31)는 작동정지수신모듈(311), 공기공급모듈(312), 압력감지모듈(313), 공기공급중지모듈(314), 연료전지밀폐모듈(315)을 포함할 수 있다.
상기 작동정지수신모듈(311)은 연료전지(4)의 작동이 종료되는 정보를 수신하는 구성으로, 상기 공기압축기(2) 및 수소공급장치(1)의 작동이 중단되는 정보를 수신하도록 한다.
상기 공기공급모듈(312)은 연료전지(4)의 작동 종료 후 연료전지(4)의 공기극에 공기를 공급하여 수분을 제거하도록 하는 구성으로, 상기 공기압축기(2)만을 다시 작동시켜 공기의 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 압력감지모듈(313)은 공기극이 일정 압력에 도달하는 것을 감지하는 구성으로, 일정 압력에 도달할 때까지 공기의 공급이 계속되도록 하며, 일 예로 0.3barg의 압력이 될 때까지 공기가 공급되도록 할 수 있다.
상기 공기공급중지모듈(314)은 공기극에 대한 공기의 공급을 중단하는 구성으로, 상기 압력감지모듈(313)에 의해 일정압력에 도달하는 것이 감지되면 상기 공기압축기(2)의 작동을 중지하여 공기의 공급이 중단되도록 할 수 있다.
상기 연료전지밀폐모듈(315)은 수분의 제거 후 연료전지(4)를 밀폐시키는 구성으로, 연료전지(4)와 연결되는 밸브들을 모두 차단하여 연료전지(4) 내가 밀폐된 상태가 되도록 한다.
상기 산소제거부(32)는 수분제거부(31)에 의한 수분 제거후 연료전지(4) 내에 잔존하는 산소를 제거하는 구성으로, 연료전지(4)에 대한 저항의 연결을 통해 전류가 흐르도록 함으로써 연료전지(4) 내의 산소를 제거하도록 한다. 상기 산소제거부(32)는 연료전지(4)에서 발생되는 전압이 일정전압 이하로 내려가는 것을 감지하여 잔존산소가 제거되는 것을 확인하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 산소제거부(32)는 밀폐정보수신모듈(321), 저항연결모듈(322), 전압감지모듈(323)을 포함할 수 있다.
상기 밀폐정보수신모듈(321)은 상기 연료전지밀폐모듈(315)에 의해 연료전지(4)가 밀폐되는 정보를 수신하는 구성으로, 수분의 제거를 감지하여 산소의 제거 동작이 개시될 수 있도록 한다.
상기 저항연결모듈(322)은 연료전지(4) 스택의 +, - 극에 저항을 연결하여 소량의 전류가 흐르도록 하는 구성으로, 공기극 및 채널에 남아있는 잔존 산소들의 소모가 이루어지도록 한다.
상기 전압감지모듈(323)은 연료전지(4)의 전압이 일정값 아래로 내려가는 것을 감지하는 구성으로, 이를 통해 잔존 산소가 제거되는 것을 확인하도록 할 수 있으며, 일 예로 0.1V 아래로 전압이 내려가는 것을 확인하도록 할 수 있다. 상기 전압감지모듈(323)에 의해 전압이 일정값 아래로 내려가는 것이 확인되는 경우 상기 수소공급부(33)에 의해 수소의 공급이 이루어지도록 한다.
상기 수소공급부(33)는 상기 산소제거부(32)에 의한 잔존 산소의 제거후 공기극에 수소를 주입하는 구성으로, 수소의 주입을 통해 연료전지 내 전압의 발생을 통한 전극 손상의 문제를 방지하도록 하며 공기극 내 음압을 해소하여 외부 공기의 유입을 차단할 수 있도록 한다. 특히, 상기 수소공급부(33)는 일정 농도 이하로 수소의 공급이 이루어지도록 하여 고농도 수소의 공급을 통한 전극의 국부적인 손상을 막을 수 있도록 한다. 따라서, 상기 수소공급부(33)는 앞서 설명한 바와 같이 공기압축기(2)를 통해 수소의 공급이 이루어지도록 하면서 연료전지(4) 공기극의 부피에 따라 총 수소의 공급량을 먼저 결정하여 공기극의 수소 농도가 일정 농도 이상으로 올라가지 않도록 한다. 또한, 상기 수소공급부(33)는 공기압축기(2)를 통해 수소와 공기를 혼합시키면서 공기극의 일정 압력까지 수소의 공급이 이루어지도록 하고, 이때 수소의 농도가 일정농도를 초과하지 않도록 수소의 공급이 조절되도록 한다. 그리고 상기 수소공급부(33)는 공기극의 전압이 일정값 아래로 떨어지는 경우 연료전지(4) 내에 산소가 완전히 제거된 것으로 판단하여 수소의 공급을 중단하도록 한다. 이를 위해, 상기 수소공급부(33)는 수소공급량결정모듈(331), 수소공급개시모듈(332), 압축기작동모듈(333), 압력인지모듈(334), 수소농도조절모듈(335), 전압측정모듈(336), 수소공급정지모듈(337)을 포함할 수 있다.
상기 수소공급량결정모듈(331)은 공기극으로 공급되는 총 수소의 양을 결정하는 구성으로, 공기극의 부피를 기준으로 수소의 공급량을 결정하도록 하여 공기극 내 수소의 농도가 일정농도를 초과하지 않도록 한다. 일 예로, 상기 수소공급량결정모듈(331)은 총 수소공급량을 8.0737ln(x) - 38 과 같은 식(x는 공기극의 부피)에 의해 결정하도록 할 수 있다.
상기 수소공급개시모듈(332)은 공기극에 대한 수소의 공급을 개시하는 구성으로, 상기 전압감지모듈(323)에 의해 일정전압 감지 후 상기 공기압축기(2)를 통해 수소의 공급이 이루어지도록 할 수 있다. 이때, 상기 수소공급개시모듈(332)은 비례제어밸브(13)의 작동을 통해 수소탱크(11)로부터 공기압축기(2)로 수소가 공급되도록 하며 공기압축기(2)의 작동을 통해 공기극으로 수소가 공급될 수 있도록 한다.
상기 압축기작동모듈(333)은 수소의 공급 개시 후 공기압축기(2)를 작동시키는 구성으로, 공기압축기(2)의 스크류(22)를 저속 회전시켜 공기압축기(2) 내에 남아있는 공기와 수소공급장치(1)로부터 공급되는 수소의 혼합이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 압력인지모듈(334)은 공기극의 압력이 일정압력에 도달하는 것을 인지하는 구성으로, 일 예로 0.3barg에 도달하는 것을 인지하도록 할 수 있으며, 일정압력에 도달할 때까지 수소의 공급이 계속되도록 한다.
상기 수소농도조절모듈(335)은 공기극으로 수소가 공급되는 동안 수소의 농도를 일정농도 이하로 조절시키는 구성으로, 상기 수소센서(232)에 의해 측정되는 농도에 따라 상기 가스믹서(231)의 작동을 조절하여 일정 농도 이하로 조절하도록 할 수 있으며, 바람직하게는 2%의 농도 이하로 조절되도록 한다.
상기 전압측정모듈(336)은 공기극의 전압을 측정하는 구성으로, 전압이 일정전압 이하로 떨어지는 것을 감지하여 공기극에 산소가 완전히 제거되는 것을 확인할 수 있도록 한다. 상기 전압측정모듈(336)은 일 예로 전압이 0.05V 아래로 떨어지는 것을 감지하도록 할 수 있다.
상기 수소공급정지모듈(337)은 전압이 일정전압 이하로 떨어지는 경우 수소의 공급을 중단하는 구성으로, 상기 수소공급장치(1), 공기압축기(2)의 작동을 중단하도록 한다. 따라서, 연료전지(4)의 공기극에는 산소가 완전히 제거되고 수소가 충진된 상태가 되어 잔존 산소에 의한 전압 발생을 차단하고, 외부 공기의 유입도 차단하여 전극의 산화를 방지하도록 할 수 있다.
상기 압력조절부(34)는 공기압축기(2)로부터 배출되는 공기가 일정 압력을 갖도록 공기압축기(2)를 제어하는 구성으로, 바람직하게는 2 ~ 3barg의 압력을 갖도록 할 수 있다. 따라서, 상기 압력조절부(34)는 높은 압력의 공기를 연료전지(4)에 공급되도록 하여 연료전지의 성능을 향상시키고, 연료전지(4) 내 물의 배출이 효과적으로 이루어지도록 하며, 잦은 부하 변동에도 안정적인 공기의 공급이 이루어지도록 할 수 있다. 특히, 상기 압력조절부(34)는 공기의 압력을 증가시키기 위해 공기압축기(2)의 작동 정도만을 높이는 것이 아니라 상기 물공급부(24)로부터 공급되는 물의 유량을 함께 번갈아 증가시키도록 하여 효율적인 압력의 상승이 이루어지도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 압력조절부(34)는 작동개시모듈(341), 공기압측정모듈(342), 작동상승모듈(343), 물공급추가모듈(344), 연료전지작동모듈(346)을 포함할 수 있다.
상기 작동개시모듈(341)은 시스템의 작동을 개시하는 구성으로, 상기 공기압축기(2) 및 물순환장치(5)의 작동이 개시되도록 할 수 있다.
상기 공기압측정모듈(342)은 상기 혼합기배출부(23)에서 배출되는 혼합공기의 압력을 측정하는 구성으로, 바람직하게는 상기 연료전지(4)로 유입되는 공기의 압력을 측정하도록 할 수 있으며, 혼합공기의 적정 압력을 설정하여 설정된 압력까지 압력의 상승이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 작동상승모듈(343)은 공기압측정모듈(342)에 의한 혼합공기의 압력측정 결과, 설정된 압력에 미치지 못하는 경우 공기압축기(2)의 작동정도를 일정 단위 상승시키는 구성으로, 상기 스크류(22)의 회전속도를 높이도록 할 수 있으며, 일 예로 도 14에 도시된 바와 같이 초기 작동정도의 1%를 높이도록 할 수 있다.
상기 물공급추가모듈(344)은 상기 물공급부(24)에서 공급되는 물의 유량을 증가시키는 구성으로, 상기 공급펌프(241)의 작동 정도를 높이도록 한다. 상기 물공급추가모듈(344)은 일정 단위로 공급펌프(241)의 작동 정도를 높이도록 할 수 있으며, 일 예로 초기 작동정도의 1%를 높이도록 할 수 있고, 상기 유량센서(242)에 의해 측정되는 유량에 따라 작동정도의 상승이 이루어지도록 할 수도 있다.
상기 반복작동모듈(345)은 상기 작동상승모듈(343) 및 물공급추가모듈(344)을 반복하여 번갈아 작동시키는 구성으로, 상기 공기압측정모듈(342)에 의해 측정되는 압력이 설정된 압력에 도달할 때까지 반복하여 작동되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 반복작동모듈(345)은 작동상승모듈(343) 및 물공급추가모듈(344)이 일정 단위로 작동정도의 상승이 이루어질 때마다 공기압측정모듈(342)에 의해 혼합공기의 압력을 측정하도록 하며, 설정된 압력으로 상승할 때까지 작동상승모듈(343) 및 물공급추가모듈(344)을 번갈아 작동시키도록 한다.
상기 연료전지작동모듈(346)은 혼합공기의 압력이 설정된 압력까지 상승한 후 연료전지(4)를 작동시키는 구성으로, 연료전지(4)의 수소극(Anode)를 통한 수소의 공급을 통해 전기의 생산이 이루어질 수 있도록 한다. 따라서, 상기 연료전지작동모듈(346)은 연료전지(4)로 공급되는 공기가 충분한 압력까지 상승한 후 연료전지(4)의 작동이 이루어지도록 하여 성능 및 내구성 향상이 가능하도록 하고, 효율적인 연료전지(4)의 작동이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 고장판단부(35)는 공기압축기(2)의 고장을 판단하는 구성으로, 공기압축기(2)로 공급되는 냉각수의 온도와 혼합공기의 온도차에 따라 공기압축기(2)의 고장을 검출하도록 한다. 상기 공기압축기(2)는 상기 물공급부(24)를 통해 공급되는 물이 공기압축기(2) 내의 열에 의해 기화함에 따라 공기와 혼합되고, 그 온도가 증가하여 냉각수 공급 온도에서 10 ~ 20℃ 상승한 온도를 갖게 되는데, 혼합공기의 온도가 냉각수 온도보다 20℃를 초과하는 경우에는 공기압축기(2)의 작동 이상이나 공기압축기(2) 내 물 공급의 이상으로 판단할 수 있다. 따라서, 상기 고장판단부(35)는 냉각수의 공급온도와 혼합공기의 온도를 모니터링하여 냉각수 온도와 혼합공기의 온도차가 정상상태로 판단할 수 있는 일정정도를 초과하는 경우에는 공기압축기(2)의 고장으로 판단하도록 한다. 이를 위해, 상기 고장판단부(35)는 냉각수온도측정모듈(351), 혼합기온도측정모듈(352), 정상범위설정모듈(353), 온도비교모듈(354), 고장진단모듈(355)을 포함할 수 있다.
상기 냉각수온도측정모듈(351)은 공기압축기(2)로 공급되는 냉각수의 온도를 측정하는 구성으로, 상기 공급펌프(241)를 거친 냉각수의 온도를 측정하도록 할 수 있다.
상기 혼합기온도측정모듈(352)은 상기 혼합기배출부(23)를 통해 배출되는 혼합공기의 온도를 측정하는 구성으로, 상기 공기압축기(2)의 출구단에서 혼합공기의 온도를 측정하도록 할 수 있다.
상기 정상범위설정모듈(353)은 냉각수 및 혼합공기의 온도차에 대한 정상범위를 설정하는 구성으로, 일반적으로 혼합공기는 냉각수보다 10~20℃ 높은 온도를 갖게 되므로, 온도차가 20℃를 넘는 경우 공기압축기(2)의 이상으로 판단하도록 할 수 있다. 다만, 공기압축기(2)의 작동정도가 높아질수록 혼합공기의 온도도 높아지게 되므로, 상기 정상범위설정모듈(353)은 작동정도에 따른 온도차의 변화를 산출하여 그 관계를 분석하고, 이를 온도차의 정상범위에 반영하도록 할 수도 있다. 이를 위해, 상기 정상범위설정모듈(353)은 작동정도설정모듈(353a), 온도변화수신모듈(353b), 변화정도산출모듈(353c), 작동정도수신모듈(353d), 정상범위산출모듈(353e)을 포함할 수 있다.
상기 작동정도설정모듈(353a)은 공기압축기(2)의 작동정도를 설정하는 구성으로, 작동정도에 따른 냉각수와 혼합공기의 온도차의 변화를 산출하기 위해 다양한 작동정도의 설정이 이루어지도록 할 수 있으며, 일 예로 스크류(22)의 회전속도를 단계별로 설정하도록 할 수 있다.
상기 온도변화수신모듈(353b)은 공기압축기(2)의 작동정도에 따른 온도차 정보를 수신하는 구성으로, 상기 냉각수온도측정모듈(351) 및 혼합기온도측정모듈(352)에 의해 측정되는 냉각수 및 혼합공기 온도를 이용하여 온도차 정보를 수집하도록 한다.
상기 변화정도산출모듈(353c)은 공기압축기(2)의 작동정도에 따른 온도차의 변화정도를 산출하는 구성으로, 상기 작동정도설정모듈(353a)에 의해 설정되는 작동정도와 온도변화수신모듈(353b)에 의해 수집되는 작동정도에 따른 온도차 정보를 이용하여 작동정도와 온도차의 상관관계를 도출할 수 있도록 한다.
상기 작동정도수신모듈(353d)은 현재 작동중인 공기압축기(2)의 작동정도를 수신하는 구성으로, 작동정도에 따라 온도차의 정상범위가 산출될 수 있도록 한다.
상기 정상범위산출모듈(353e)은 공기압축기(2)의 작동정도에 따른 온도차에 관한 정상범위를 산출하는 구성으로, 기준 온도차에 대해 작동정도에 따라 온도차의 변화정도를 반영하여 정상범위가 산출되도록 할 수 있다. 일 예로, 상기 정상범위산출모듈(353e)은 냉각수와 혼합공기의 온도차가 20℃를 넘는 경우 공기압축기(2)의 이상으로 판단하도록 하면서, 공기압축기(2)의 작동정도가 증가할 수록 변하는 온도차의 변화 정도를 반영하여 기준이 되는 20℃의 온도차를 수정하도록 할 수 있다.
상기 온도비교모듈(354)은 상기 정상범위설정모듈(353)에 의해 설정되는 온도차와 실제 작동중인 공기압축기(2)의 온도차 정보를 비교하는 구성으로, 상기 냉각수온도측정모듈(351) 및 혼합기온도측정모듈(352)에 의해 측정되는 냉각수 및 혼합공기 온도정보를 이용하여 온도차를 비교하도록 한다.
상기 고장진단모듈(355)은 냉각수 및 혼합공기의 온도차가 정상범위를 넘는 경우 공기압축기(2)의 고장으로 진단하는 구성으로, 경고신호를 출력하여 공기압축기(2) 자체의 작동 또는 공기압축기(2)로 공급되는 냉각수의 공급계통에 관한 점검을 실시할 수 있도록 한다.
상기 오염판단부(36)는 공기압축기(2)로 공급되는 냉각수 또는 공기의 오염을 진단하는 구성으로, 연료전지(4)의 출력에 따라 오염의 확인이 이루어지도록 할 수 있다. 종래 연료전지의 경우 냉각수 또는 공기의 오염이 발생하더라도 장시간에 걸쳐 연료전지의 비가역적 손상을 진행시키게 되어 연료전지의 이상을 발견할 때에는 이미 연료전지가 모두 손상된 상태가 된다. 그러나 본 시스템에 사용되는 스크류 형태의 공기압축기(2)는 공기 또는 냉각수의 오염에 매우 민감한 특징을 갖는바, 공기압축기(2)로 공급되는 공기 또는 냉각수에 오염이 발생할 경우 연료전지(4)의 성능에 즉각적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 상기 오염판단부(36)는 연료전지(4)의 출력이 떨어지는 경우 즉각적으로 공기압축기(2)의 공기 또는 냉각수의 오염정도를 확인하도록 하여 연료전지의 비가역적 손상이 발생하기 전에, 가역적 손상 수준에서 연료전지를 보호하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 오염판단부(36)는 출력측정모듈(361), 한계값설정모듈(362), 오염확인모듈(363), 오염경고모듈(364)을 포함할 수 있다.
상기 출력측정모듈(361)은 연료전지(4)의 출력을 측정하는 구성으로, 연료전지(4)로부터 발생되는 전압, 전류의 측정이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 한계값설정모듈(362)은 연료전지(4)의 이상으로 판단할 수 있는 출력의 한계값을 설정하는 구성으로, 한계값 이하로 출력이 떨어지는 경우 먼저 공기압축기(2)에 대한 오염의 확인이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 오염확인모듈(363)은 공기압축기(2)의 오염을 확인하는 구성으로, 공기압축기(2)로 공급되는 공기 및 냉각수의 오염도를 확인하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 오염확인모듈(363)은 공기질측정모듈(363a), 수질측정모듈(363b)을 포함할 수 있다.
상기 공기질측정모듈(363a)은 공기압축기(2)로 공급되는 공기의 오염도를 측정하는 구성으로, 공기공급부(21)의 에어필터(211) 후단에 형성되어 공기의 질을 측정하도록 할 수 있다.
상기 수질측정모듈(363b)은 공기압축기(2)로 공급되는 냉각수의 오염도를 확인하는 구성으로, 상기 물공급부(24) 상에 형성되어 냉각수의 수질이 측정되도록 할 수 있다.
상기 오염경고모듈(364)은 공기질측정모듈(363a) 또는 수질측정모듈(363b)에 의한 확인 결과 공기 또는 냉각수의 오염이 발생한 경우 이에 대한 경고신호를 출력하는 구성으로, 경고신호를 통해 공기 또는 냉각수에 대한 점검이 이루어질 수 있도록 한다. 따라서, 상기 오염판단부(36)는 연료전지(4)의 비가역적 손상이 발생하기 전에 공기 또는 냉각수의 오염을 감지할 수 있어, 공기 또는 냉각수의 오염에 따른 연료전지(4)의 비가역적 손상을 막도록 할 수 있다.
상기 연료전지(4)는 산소와 수소의 반응을 통해 전기를 발생시키는 구성으로, 스택이 적층되어 형성되는 일반적인 연료전지가 적용될 수 있으며, 상기 수소공급장치(1)를 통해 수소극에 수소를 공급받고, 상기 공기압축기(2)를 통해 공기극에 공기를 공급받아 작동이 이루어지도록 한다. 또한, 상기 연료전지(4)의 작동 종료시에는 공기압축기(2)를 통해 공기극으로 수소를 공급받아 전극의 부식이 방지되도록 한다.
상기 물순환장치(5)는 연료전지(4)를 위한 냉각수를 순환시키는 구성으로, 종래 연료전지시스템과 동일하게 형성될 수 있으며, 다만 순환되는 냉각수가 상기 물공급부(24)를 통해 공기압축기(2)로 공급되어 순환될 수 있도록 한다. 상기 물순환장치(5)는 냉각부(51), 냉각수탱크(52), 순환펌프(53), 이온필터(54)를 포함할 수 있다.
상기 냉각부(51)는 상기 연료전지(4)를 통과하여 온도가 상승한 냉각수를 다시 냉각시키는 구성으로, 일반적인 라디에이터로 형성될 수 있다.
상기 냉각수탱크(52)는 시스템에서 순환되는 냉각수를 저장하는 구성으로, 상기 냉각부(51)와 연결되어 냉각된 냉각수를 저장할 수 있다. 또한, 상기 냉각수탱크(52)는 연료전지(4) 내의 반응에 따라 발생되는 물도 수용하여 냉각수로 이용될 수 있도록 하고, 상기 응축수배출트랩(234) 및 순환밸브(235)를 통해 혼합기배출부(23)에서 배출되는 응축수도 수용하여 냉각수로 순환되도록 할 수 있다.
상기 순환펌프(53)는 냉각수를 순환시키는 동력을 제공하는 구성으로, 상기 냉각수탱크(52)로부터 연료전지(4)로 냉각수가 공급될 수 있도록 한다.
상기 이온필터(54)는 냉각수에서 이온을 제거하는 구성으로, 탈이온수를 생성하여 공기압축기(2) 및 연료전지(4)로 공급되도록 하여 장치의 손상을 방지할 수 있도록 한다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 수소공급장치 11: 수소탱크 12: 수소유량센서
13: 비례제어밸브 14: 전지공급관 15: 압축기공급관
151: 공급밸브 152: 공기체크밸브 2: 공기압축기
21: 공기공급부 211: 에어필터 212: 조절밸브
22: 스크류 23: 혼합기배출부 231: 가스믹서
232: 수소센서 233: 공급조절밸브 234: 응축수배출트랩
235: 순환밸브 24: 물공급부 241: 공급펌프
242: 유량센서 243: 체크밸브 3: 제어장치
31: 수분제거부 32: 산소제거부 33: 수소공급부
34: 압력조절부 35: 고장판단부 36: 오염판단부
4: 연료전지 5: 물순환장치 51: 냉각부
52: 냉각수탱크 53: 순환펌프 54: 이온필터

Claims (10)

  1. 연료전지에 수소를 공급하는 수소공급장치와,
    연료전지에 공기를 공급하는 스크류 방식의 공기압축기와,
    시스템의 작동을 조절하는 제어장치와,
    산소 및 수소의 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료전지를 포함하고,
    상기 수소공급장치는 연료전지의 작동 종료 후 상기 공기압축기를 통해 연료전지에 수소를 공급하도록 하며,
    상기 수소공급장치는,
    연료전지에 공급할 수소를 보관하는 수소탱크와, 상기 수소탱크로부터 공급되는 유량을 측정하는 수소유량센서와, 상기 수소탱크로부터 연료전지 또는 공기압축기로의 수소 공급을 선택적으로 조절하는 비례제어밸브와, 상기 비례제어밸브와 연료전지의 수소극 사이를 연결하여 수소극으로 직접 수소가 공급되도록 하는 전지공급관과, 상기 비례제어밸브와 공기압축기 사이를 연결하여 수소탱크로부터 공급되는 수소가 공기압축기를 통과하여 연료전지의 공기극으로 공급되도록 하는 압축기공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기공급관은
    상기 공기압축기로의 수소의 공급을 조절하는 공급밸브와, 공기의 역류를 방지하는 공기체크밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공기압축기는
    공기압축기 내에 공기가 유입되는 통로를 형성하는 공기공급부와, 공기압축기 내에서 회전하며 공기를 압축하는 스크류와, 공기압축기를 통과하는 공기가 연료전지로 공급되도록 하는 혼합기배출부를 포함하고,
    상기 공기압축기는 상기 수소공급장치로부터의 수소 공급시 상기 공기공급부로부터의 공기 공급을 차단하고 상기 스크류의 저속 회전을 통해 공기압축기 내부에 남아있는 공기와 수소를 혼합시켜 상기 혼합기배출부를 통한 연료전지 공기극으로의 수소 공급이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 혼합기배출부는
    수소와 공기를 일정 농도로 혼합시키는 가스믹서와, 수소의 농도를 측정하는 수소센서를 포함하여, 일정농도 이하의 수소를 포함한 공기를 연료전지로 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어장치는
    상기 공기압축기의 공기 공급을 통해 상기 연료전지 공기극의 수분을 제거하는 수분제거부와, 수분 제거 후 연료전지에 대한 저항의 연결을 통해 연료전지 내 잔여 산소를 제거하는 산소제거부와, 산소 제거 후 상기 공기압축기를 통해 공기극에 수소를 충진하는 수소공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 수소공급부는
    연료전지 공기극의 부피에 따라 총 수소공급량을 결정하는 수소공급량결정모듈과, 상기 수소공급장치를 작동시켜 공기압축기를 통해 연료전지 공기극으로 수소가 공급되도록 하는 수소공급개시모듈과, 상기 공기압축기를 저속 회전시켜 공기와 수소의 혼합이 이루어지도록 하는 압축기작동모듈과, 연료전지 공기극의 압력을 측정하여 일정 압력까지 수소의 공급이 이루어지도록 하는 압력인지모듈과, 수소가 공급되는 동안 상기 가스믹서를 통해 공급되는 수소의 농도를 일정농도 이하로 유지시키는 수소농도조절모듈과, 수소가 공급되는 동안 연료전지에서 발생되는 전압을 측정하는 전압측정모듈과, 측정된 전압이 일정전압 아래로 떨어지는 경우 수소의 공급을 중단하는 수소공급정지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 연료전지시스템은
    연료전지로부터 배출되는 물을 순환시켜 연료전지를 냉각시키는 물순환장치를 포함하고,
    상기 공기압축기는 공기압축기 내부에 상기 물순환장치로부터 공급되는 물을 공급하는 물공급부를 포함하여, 공기극에 대한 공기의 공급시 상기 물공급부를 통해 공급되는 물이 공기압축기의 열에 의해 기화되어 가습된 혼합공기가 연료전지로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 물공급부는
    상기 물순환장치로부터 공급되는 물이 공기압축기 내로 공급되도록 하는 공급펌프와, 공기압축기로 공급되는 물의 유량을 측정하는 유량센서와, 상기 공기압축기를 통한 수소의 공급시 수소의 역류를 차단하는 체크밸브를 포함하고,
    상기 혼합기배출부는,
    혼합공기에서 응축된 물을 상기 물순환장치로 배출시키는 응축수배출트랩과, 상기 물순환장치로의 응축수의 배출을 조절하는 순환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제어장치는
    연료전지의 작동을 위한 혼합공기의 압력을 조절하는 압력조절부를 포함하고,
    상기 압력조절부는,
    상기 공기압축기의 작동을 개시하는 작동개시모듈과, 상기 공기압축기로부터 연료전지로 공급되는 혼합공기의 압력을 측정하는 공기압측정모듈과, 상기 공기압측정모듈에 의해 측정된 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 상기 공기압축기의 작동정도를 일정단위 상승시키는 작동상승모듈과, 혼합공기의 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 상기 물공급부에 의한 물공급 유량을 일정단위 증가시키는 물공급추가모듈과, 물공급의 추가에도 혼합공기의 압력이 설정값에 미치지 못하는 경우 설정값에 도달할 때까지 상기 작동상승모듈 및 물공급추가모듈을 번갈아 작동시키는 반복작동모듈과, 혼합공기의 압력이 설정값에 도달하는 경우 연료전지에 대한 수소의 공급을 통해 연료전지의 작동을 개시하는 연료전지작동모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
KR1020210105445A 2021-08-10 2021-08-10 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템 KR102625501B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210105445A KR102625501B1 (ko) 2021-08-10 2021-08-10 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210105445A KR102625501B1 (ko) 2021-08-10 2021-08-10 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230023867A KR20230023867A (ko) 2023-02-20
KR102625501B1 true KR102625501B1 (ko) 2024-01-17

Family

ID=85329256

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210105445A KR102625501B1 (ko) 2021-08-10 2021-08-10 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102625501B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050260480A1 (en) * 2004-05-18 2005-11-24 Thomas Hild Cathode humidification of a PEM fuel cell through exhaust gas recirculation into a positive displacement compressor

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101240979B1 (ko) * 2010-11-17 2013-03-11 현대자동차주식회사 연료전지의 냉시동성 개선을 위한 직접 가열 퍼징 장치 및 방법
KR101551024B1 (ko) * 2013-12-23 2015-09-08 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템의 시동 제어 방법
KR101592391B1 (ko) * 2013-12-30 2016-02-05 현대자동차주식회사 연료 전지 스택의 수소 공급 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050260480A1 (en) * 2004-05-18 2005-11-24 Thomas Hild Cathode humidification of a PEM fuel cell through exhaust gas recirculation into a positive displacement compressor

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230023867A (ko) 2023-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2659957C (en) Fuel cell system
JP4905182B2 (ja) 燃料電池システム
US8071243B2 (en) Fuel cell system
US8247121B2 (en) Fuel cell system with purging and method of operating the same
CN101262068B (zh) 用于自适应性氢排放策略的电池堆穿越率的在线检测
US8778549B2 (en) Fuel cell system
CN102347499B (zh) Pem燃料电池系统中的低阳极氢分压的诊断和补救
US9614235B2 (en) Fuel cell system and method of controlling the system
US9077003B2 (en) Fuel cell system
US20090035630A1 (en) Fuel cell system and shutdown method of the same
CN104051757B (zh) 对于燃料电池系统中空气流量误差的补救措施
CN106549176A (zh) Gen2阳极氢气浓度估算的验证和校正
JP4984019B2 (ja) 固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池の運転方法
WO2009005158A1 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置
CN102916206B (zh) 利用基于hfr阴极进口rh模型与传感器反馈比较确定水蒸汽传递单元故障并且用于诊断代码和信息
US20170250416A1 (en) Fuel cell control method and fuel cell system
US7582371B2 (en) Fuel cell system having fuel and water controlling means
JP2007242449A (ja) 燃料電池システム
KR102625501B1 (ko) 공기극 산화방지가 가능한 연료전지시스템
US8445149B2 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
JP2005302648A (ja) 水素濃度推定方法及び燃料電池システム
JP5077723B2 (ja) 燃料電池劣化診断装置
KR102625500B1 (ko) 공기압축기를 이용한 연료전지시스템
CN103915641B (zh) 诊断燃料电池湿化问题的方法
JP4582390B2 (ja) 燃料電池劣化診断装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant