KR20040015012A - 연료전지의 운전방법 및 전원장치 - Google Patents

Abstract

복잡한 시스템을 필요로 하지 않고 공기유로의 방해가 되는 수분의 응집을 억제하는 연료전지의 운전방법 및 전원장치이다. 공기 및 연료기체를 공급하여 연료전지보다 기전력을 취출하는 연료전지의 운전 방법에 있어서, 배기 상대습도를 감시하면서 공기의 흡기량을 제어한다. 구체적으로는 배기 상대습도가 일정의 습도이하로 되도록 공기의 흡기량을 제어한다. 전원장치의 구성으로서는 공기공급부, 공기 배출구, 및 연료기체공급부를 갖는 연료전지를 전원으로서 갖추고, 공기배출부에 습도센서가 설치되는 동시에 이 습도센서로부터의 정보에 의해 공기공급부에 있어서의 공기공급량을 제어하는 제어기구가 설치되어 있다.

Description

연료전지의 운전방법 및 전원장치{Operating method of fuel cell and power supply}

연료전지는 연료기체인 수소 및 산소(공기)를 공급하는 것으로 발전체에 있어서 기전력을 발생시키는 장치이고, 통상 전해질막(프로톤 전도체막)을 기체전극에 끼워진 구조를 가지고, 소망의 기전력을 얻을 수 있는 구조로 되어 있다. 이와 같은 연료전지는 전기자동차나 하이브리드식 차량으로의 응용이 크게 기대되고 있고, 자동차등의 차량에 탑재한다고 말하는 용도의 외, 경량화나 소형화가 용이하다고 말하는 이점을 활용하고, 현 상태의 건전지나 충전식전지와는 다른 새로운 용도로의 응용, 예를 들면 휴대가능한 기기로의 응용이 연구되고 있다.

그런데 일반적으로 연료전지에서는 연료전지 내부의 캐소드전극에 있어서, 산소와 수소가 화학반응하고, 그 결과 수분이 생성한다. 생성한 수분은 응축하여 액체로 되고, 산소가스유로로 넘쳐흘러 나오기 때문에 산소가스의 확산을 방지하게 된다. 그 결과 효율적인 반응을 할 수 없게 되고, 출력저하를 초래한다고하는 문제를 포함하고 있다.

수분의 발생원은 상기 수소와 산소의 반응에 의한 생성수 외, 가습된 수소측기체에 포함되는 수분이 프로톤과 동시에 전해질막을 통과하여 캐소드측에 침출하여 온 수분, 흡입한 공기중에 원래 포함되는 수분, 최초에서 유로에 결로하고 있는 수분등을 들 수 있다. 상기 출력저하를 방지하는데는 공기유로의 방해가 되는 이러한 수분을 배제할 필요가 있지만, 이들 전부를 검지하여 최적인 제어를 행하고자 하면 팽대한 시스템이 필요하게 되고, 소형으로 저코스트인 시스템에는 적합하지 않다.

본 발명은 이러한 종래의 실정에 감안해서 제안된 것이고, 복잡한 시스템을 필요로 하지 않고 공기유로의 방해가 되는 수분의 응집을 억제하는 것이 가능한 연료전지의 운전방법, 또는 전원장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 산소와 연료기체(예를 들면 수소)의 화학반응에 의해 기전력을 얻는 연료전지의 운전방법에 관한 것이고, 또한 이러한 연료전지를 전원으로 하는 전원장치에 관한 것이다.

도 1은 연료전지의 기본적인 구조예를 나타내는 분해사시도이다.

도 2는 연료전지의 전극의 구성예를 나타내는 개략단면도이다.

도 3은 본 발명에 적용한 연료전지 운전시스템의 일예를 나타내는 모식도이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 연료전지의 운전방법은 공기 및 연료기체를 공급하여 연료전지에서 기전력을 취출하는 연료전지의 운전방법에 있어서, 배기 상대온도를 감시하면서 공기의 흡기량을 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다. 또 본 발명의 전원장치는 공기공급부, 공기배출부, 및 연료기체공급부를 갖는 연료전지를 전원으로서 갖추고, 상기 공기배출부에 습도센서가 설치되는 동시에, 이 습도센서로부터의 정보에 의해 상기 공기공급부에 있어서의 공기공급량을 제어하는 제어기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

연료전지에 있어서는 다양한 원인으로 수분이 내부에 발생하고, 그 양도 경우에 의해 일정하지 않다. 연료전지의 위치가 되는 환경, 운전상황등에 의해 연료전지 내부의 온도가 변화하고, 그것에 따라서 포화수증기압도 현저하게 변화한다. 그렇지만 어떻게 되는 상황에 있어서도 연료전지내부의 수증기가 응축하는 상황은 그 온도에서의 상대습도를 감시하면 파악할 수 있다. 여기서 연료전지의 배기온도와 배기 상대습도는 연료전지 내부의 온도와 습도를 반영하고 있다. 따라서 연료전지의 배기온도와 배기 상대습도를 감시함으로써, 연료전지 내부의 수분이 응집을 개시하는 포인트를 파악할 수 있고, 감시결과에 의거해서 흡기량을 조정하여 배기를 일정의 습도이하로 유지함으로써 수분의 응축이 억제된다.

이하 본 발명을 적용한 연료전지의 운전방법 및 전원장치의 구성에 대해서 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

최초로 연료전지의 기본적인 구성 및 기동력이 발생하는 메카니즘에 대해서 설명한다. 도 1은 연료전지의 일 구성예를 나타내는 것이다. 연료전지는 도 1에 나타내는 바와 같이, 연료기체인 수소가 접하는 연료극(1)과, 동일하게 공기(산소)가 접하는 공기극(2)을 전해질(3)을 거쳐서 중합시켜서 이루는 것이고, 그 양측을 집전체(4)에 끼워 넣음으로써 구성되어 있다. 집전체(4)는 집전성능이 높고 산화수증기 분위기 하에서도 안정한 미밀질의 흑연등으로 이루어지고, 전해극(1)과 대향하는 면에는 수소가 공급되는 수평방향의 홈(4a)이, 공기극(2)과 대향하는 면에는 공기가 공급되는 수직방향의 홈(4b)이 형성되어 있다.

상기 연료극(1)이나 공기극(2)은 도 2에 나타내는 바와 같이, 전해질(3)을 끼워서 형성되어 있고, 각각 가스확산전극(1a, 1a)과 촉매층(1b, 1b)으로 된다. 여기서 가스확산전극(1a, 1b)은 다공질재료등으로 이루고, 촉매층(1b, 1b)은 예를 들면 백금 등의 전극촉매를 담지시킨 카본입자와 전해질의 혼합물로 된다.

연료전지는 이상을 기체단위(연료전지셀)로서 이것을 복수 적층한 스택(stack)구조를 가지고 있고, 이들 복수의 연료전극셀이 직렬 접속됨으로써 소정의 전압을 얻을 수 있는 구성으로 되어 있다.

상기 구성의 연료전지에 있어서는 수소가스를 상기 연료극(1)과 접하도록 집전체(4)에 형성된 홈(4a)내에 유입시키는 동시에 공기(산소)를 상기 공기극(2)과 접하도록 홈(4b)내에 유입시키면, 연료극(1)측에서는 반응식

H2 → 2H+ + 2e-

에서 표시되는 반응이 일어나는 동시에 공기극(2)측에서는 반응식

1/2O2 + 2H+ + 2e- →H2O

에서 표시되는 반응이 일어나고, 전체에서는

H2 + 1/2O2 →H2O

에서 표시되는 반응이 일어나게 된다. 즉 연료극(1)에서 수소가 전자를방출하여 프로톤화하고, 전해질(3)을 통해서 공기극(2)측으로 이동하고, 공기극(2)에서 전자의 공급을 받아서 산소와 반응한다. 이러한 전기화학 반응에 의거해서 기전력이 발생한다.

도 3은 상기와 같은 구성을 갖는 연료전지의 운전시스템의 일예를 나타내는 것이다. 여기서 연료전극(10)의 공기극에는 공기공급부인 에어펌프(11)에 의해 공기가 보내진다. 연료극에는 연료공급부인 수소저장탱크(12)에서 연료기체인 수소가 공급된다.

상기 연료전지운전시스템에 있어서는 제어기구인 CPU(13)가 설치되어 있고, 각종 제어를 행하는 구성으로 되어 있다. 예를 들면 공기를 공급하는 에어펌프(11)는 캐소드극(연료극)에서의 반응에 필요한 산소를 공급하기 위해 공기를 압축하여 공기유로(14)에 보내주기 위해 설치되어 있는 것이지만, 그 제어전압은 상기 CPU에 의해 제어되어 있다. 구체적으로는 CPU(13)에서 DA컨버터(15)를 거쳐서 제어전압이 출력된다. 이 제어전압이 에어펌프(11)의 드라이브앰프(16)에 가해지고, 에어펌프(11)에 의해 보내지는 공기의 양이 제어된다.

한편 공기유로(14)의 말단에 연속해서 반응이 끝난 공기가 배출되는 공기배출부에는 배기 상대습도를 감시하기 위한 습도센서(17)가 설치되어 있고, 이 습도센서(17)의 출력전압은 AD컨버터(18)를 거쳐서 AD변환되고, CPU(13)에 입력된다. 또 연료전지(10)에는 부하(19)에 흐르는 출력전류를 검지하기 위한 전류검지장치(20)가 설치되어 있고, 검지된 전류치는 AD컨버터(21)에 의해 AD변환되어서 역시 CPU(13)에 취입된다.

상기 구성의 연료전지 운전시스템은 연료전지 내부에 있어서 발생하는 생성수의 상태를 검출하여 컨트롤하는 수단, 장치를 갖춘 저코스트로 소형, 또는 간이적인 시스템이고, 복잡한 시스템이 불필요한 신규의 시스템이다. 앞에서도 기술한 바와 같이, 연료전지에서는 연료전지 내부의 캐소드전극에 있어서, 산소와 수소가 화학반응하고, 그 결과 수분이 생성한다. 생성한 물은 응축하여 액체로 되고, 산소가스유로에 흘러넘쳐 나오기 위해 산소가스의 확산을 방지하게 된다. 이것에 의해 효율적인 반응을 할 수 없게되고, 출력 저하를 초래한다. 상기 시스템은 이것을 피하기 위해 수분을 증산(蒸散)시켜 연료전지의 외부로 배출하는 것을 의도하고 있고, 이하 그것을 위한 수순에 대해서 설명한다.

먼저 연료전지(10)에 있어서는 출력전류에 비례한 산소량이 필요하게 되기 때문에 최저한 이 량을 만족하는 공기유량이 필요하다. 그래서 부하(19)에 흐르는 출력전류치(I)가 전류검출장치(20)에 의해 검지되고, AD컨버터(21)에 의해 AD변환되어서 CPU(13)에 취입된다. CPU(13)는 출력전류에 따라서 공기를 흐르기 위한 제어전압(V0)을 발생한다.

V0 = K1 ×I(단 K1은 소정의 계수이다.)

다음에 에어펌프(11)의 만들어내는 공기의 흐름에 의해 동시에 공기유로의 방해가 되는 수분을 증산시켜 배출하는 것을 고려한다. 여기서 수분의 발생원은 수분+산소의 반응에 의한 생성수, 가습된 수소측 기체에 포함되는 수분이 프로톤과 함께 전해질막을 통과하여 캐소드측에 침출 하여온 수분, 흡입한 공기중에 원래 포함되는 수분, 최초에서 유로에 결로하고 있는 수분등이 고려된다. 단 이들 전부를 검지하여 최적인 제어를 행하게 하면, 팽대한 시스템으로 되고, 소형의 저코스트한 시스템에는 적합하지 않다.

이들을 총합적으로 판단하면, 배기의 상대습도를 감시함으로써 연료전지내부의 수분량을 예측할 수 있는 것이 고려된다. 즉, 기액상평술상태에 있어서, 연료전지 내부에 공기를 유입시키면 포화수증기량까지는 수분의 증산이 행하여지기 때문에 배기의 상대온도는 상승한다. 역으로 내부의 수분이 적은 경우에는 배출수증기량은 흡입수증기량에 거의 동등하다. 상술과 같이, 연료전지에 있어서는 다양한 원인에서 수분이 내부에 발생하고, 그 양도 경우에 의해 일정하지 않는다. 또 연료전지의 값이 되는 환경, 운전상황등에 의해 연료전지 내부의 온도가 변화하고, 그것에 따라서 포화수중기압도 현저하게 변화한다. 그렇지만, 이와 같은 상황에 있어서도 연료전지 내부의 수증기가 응축하는 상황은 그 온도에서의 상대습도를 감시하면 파악할 수 있다.

또 연료전지에 가까운 배기출구에서의 배기온도와 배기 상대습도는 연료전지 내부에서의 온도와 습도를 좋게 반영하고 있기 때문에 이들 배기온도, 배기 상대습도를 감시함으로써 연료전지내부의 상태를 파악할 수 있다. 예를 들면 배기의 상대 습도가 높게 되고, 100%에 가까운 경우 연료전지의 내부에 있어서, 수분의 응집이 개시되는 상태에 가깝게 있다고 판단할 수 있다. 이와 같이 연료전지 내부의 수분이 응집을 하는 포인트는 배기상대습도(Rh)를 감시하여 에어펌프(11)에 의한 흡기량을 조절하고, 배기를 어느 일정의 습도이하로 유지함으로써 수분의 응집을 억제할 수 있게 된다.

실제로는 흡기량에 비례하는 에어펌프(11)의 제어전압(V)을 습도센서(17)로 검지되는 배기상대습도(Rh)에 대하여,

V = K2 ×Rh + V0(K2는 소정의 계수이다.)

로 되는 전압을 CPU(13)에서 연산하고, 배기상대습도가 높게 된다면, 공기의 흡기량을 증가시키는 방향으로 드라이브앰프(16)에 제어전압을 부여함으로써 배기상대습도를 일정하게 유지할 수 있다.

여기서 예를 들면 10℃이하로 말하는 저온에서는 포화수증기압이 낮기 때문에 수분의 증산이 활발하지 않으므로 공기의 흡기량을 증가하여도 증산효과가 적지만, 통상 운전온도인 50℃∼80℃정도의 온도범위에서는 이 제어에 의해 효과적으로 수분에 의한 공기유로의 폐색을 억제할 수 있고, 나아가서는 출력의 저하를 피하면서 안전운전을 실현하는 것이 가능하다.

이상 본 발명을 적용한 연료전지의 운전방법, 전원장치에 대해서 설명하였지만, 본 발명이 상기의 예에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면 수소공급측에 가습기를 설치하고, 수소를 가습제어하는 시스템에도 적용가능하다.

이상의 설명에서도 밝힌 바와 같이, 본 발명에 의하면, 복잡한 시스템을 필요로 하는 것은 아니고, 최소한의 센서와 간단한 시스템에서 공기유로의 방해가 되는 수분의 응집을 억제할 수 있고, 소형으로 저가격의 연료전지 운전시스템이나 전원장치를 구축하는 것이 가능하다. 또 이것에 의해 출력의 저하 없이 안전 운전이 가능하다.

Claims (11)

1. 공기 및 연료기체를 공급하여 연료전지에서 기전력을 취출하는 연료전지의 운전방법에 있어서, 배기 상대습도를 감시하면서 공기의 흡기량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
2. 제 1항에 있어서,

   배기 상대습도가 일정의 습도이하로 되도록 공기의 흡기량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
3. 제 1항에 있어서,

   배기 상대습도가 높게 되었을 때에 공기의 흡기량이 증가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
4. 제 1항에 있어서,

   연료기체를 가습하여 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
5. 제 1항에 있어서,

   연료기체가 수소인 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
6. 공기공급부, 공기배출부, 및 연료기체공급부를 갖는 연료전지를 전원으로 갖추고, 상기 공기배출부에 습도센서가 설치되는 동시에 이 습도센서로부터의 정보에 의해 상기 공기공급부에 있어서의 공기공급량을 제어하는 제어기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 공기공급부는 공기를 공급하기 위한 펌프를 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 전원장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 습도센서로부터의 정보에 따라서 상기 제어기구에서 상기 펌프의 제어전압이 출력되는 것을 특징으로 하는 전원장치.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 연료전지의 출력전류를 검출하는 전류검출장치를 갖추고, 당해 전류검출장치에 의해 검지된 출력전류치에 따라서 상기 제어기구에서 상기 펌프의 제어전압이 출력되는 것을 특징으로 하는 전원장치.
10. 제 6항에 있어서,

    상기 연료기체공급부는 공급하는 연료기체를 가습제어하는 가습기를 갖춘 것을 특징으로 하는 전원장치.
11. 제 6항에 있어서,

    상기 연료기체공급부에서 공급되는 연료기체가 수소인 것을 특징으로 하는 전원장치.