KR20060024900A - 분산형 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지스택을 다수개의 소형연료전지스택으로 분산시켜 수소 및 공기를 제어함으로써, 연료전지스택의 효율을 향상시키고 수명 및 내구성을 증대시키며, 일부 연료전지스택의 고장시에도 자동차의 주행을 가능하게 할 수 있는 분산형 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 격판에 의해 수소유로와 공기유로가 서로 분리되어 형성된 다수개의 소형연료전지스택과, 상기 소형연료전지스택에 구비된 수소유로의 입구 및 출구에 각각 설치된 수소조절밸브와, 상기 소형연료전지스택에 구비된 공기유로의 입구 및 출구에 각각 설치된 공기조절밸브와, 자동차의 운전상태에 따른 요구출력에 따라 상기 수소조절밸브 및 공기조절밸브를 조절하여 전체출력을 제어할 수 있도록 설치된 제어부를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하면, 연료전지 시스템의 전체 효율이 향상되고, 연료전지스택의 내구성도 향상되며, 연료전지스택의 일부가 손상된 경우에도 자동차를 운행할 수 있으므로, 운전자의 편의를 도모할 수 있다.
분산형, 연료전지스택, 출력모드, 수소조절밸브, 공기조절밸브

Description

분산형 연료전지 시스템{Seperated Type Fuel Cell System}
도 1은 종래의 일체형 연료전지 시스템을 도시한 구성도,
도 2는 연료전지스택의 단위셀에서의 전기화학반응을 보여주는 설명도,
도 3은 본 발명에 따른 분산형 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 연료전지스택 12: 공기공급기
14: 고압수소탱크 16: 수소재순환장치
20: 단위전지 21: 전해질막
22: 연료극 23: 공기극
30: 제어부 32: 격판
40: 소형연료전지스택 A1,A2,A3,A4: 공기조절밸브
B1,B2,B3,B4: 수소조절밸브 C1,C2,C3,C4: 출력검출수단
D1,D2,D3,D4: 재순환제어밸브
본 발명은 분산형 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전 지스택을 다수개의 소형연료전지스택으로 분산시켜 수소 및 공기를 제어함으로써, 연료전지스택의 효율을 향상시키고 수명 및 내구성을 증대시키며, 일부 소형연료전지스택의 고장시에도 자동차의 주행을 가능하게 할 수 있는 분산형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전온도가 낮으며 부식 및 전해질 손실이 적다는 장점을 가지고 있어 군사용이나 우주선의 동력원으로 개발되기 시작하였으나, 현재는 출력 밀도가 높고 장치가 간단하여 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 자동차의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 최근 활발히 진행중이다.
자동차에 사용되는 종래의 연료전지 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지스택에 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기터보차저(12)와 상기 연료전지스택에 수소를 공급하는 고압수소탱크(14) 및 미반응 수소가스를 포집하여 재순환시키는 수소재순환장치(16) 등을 포함하여 구성되고, 이 경우 연료전지스택은 단 하나만을 사용하였다.
자동차에 사용되는 연료전지시스템은 상기한 구성부품 이외에도, 가솔린 등 기타 연료로부터 수소를 만들어내는 개질기와, 온도를 조절하기 위해 냉각수를 순환시키는 물공급부 등이 포함된다.
한편, 상기 연료전지스택은 전기를 발생시키는 다수개의 단위전지가 적층된 형태로 이루어져 있고, 각 단위전지에는 공기공급을 위한 유로와 수소공급을 위한 유로가 연결되어있다.
도 2는 상기 단위 전지의 전기화학반응을 개념적으로 나타내기 위해 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 수소가스(H2) 또는 연료가 연료극(22)측의 유로홈에 공급됨과 동시에 상기 공기극(23)측의 유로홈에 공기가 공급되면 상기 연료극(22)에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+ 과 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소이온은 전해질막(21)을 통해 반대편 공기극(23)으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(22)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(23)으로 이동한 수소이온은 공기극(23)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.
연료전지스택 내부의 단위전지간에는 공기유로와 수소유로가 서로 분리되어 연결되어 있고, 외부의 공기공급기에 의해 압축된 공기는 단 하나의 유입구를 통해 상기 연료전지스택 내부로 공급되고, 연료전지스택 내부의 복잡한 공기유로를 통해 단위전지에까지 공급된다.
고압수소탱크에서 공급되는 수소가스도 단 하나의 유입구를 통해 연료전지스택 내부로 공급된다.
상기한 종래 연료전지시스템에서는 각각 단 하나의 유입구를 통해 수소가스 및 공기를 공급하므로 매우 큰 용량의 공기공급기가 필요하고 자동차의 운전상황에 따른 요구출력에 관계없이 모든 단위전지에서 전기화학반응이 일어나므로, 연료전지시스템의 전체효율이 감소하고, 모든 단위전지가 전기화학반응에 따른 발열에 의해 항상 높은 온도에 노출되어있으므로 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
또한 외부 충격 또는 내부 부식에 의해 연료전지스택의 내부구조 중 일부의 유로가 막히거나 손상을 입는 경우 전체 연료전지스택의 가동을 중지하여야 하므로, 상기 연료전지스택을 탑재한 자동차가 주행중 안전사고의 위험이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료전지스택을 격판을 이용하여 다수개의 소형연료전지스택으로 나누고 자동차의 요구출력에 따라 선택적으로 일부 소형연료전지스택만을 가동시킴으로써 공기공급기의 용량 및 수소가스의 압력을 낮출 수 있고, 이에 따라 시스템 전체효율을 향상시키고 내구성을 향상시킬 수 있는 분산형 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 연료전지스택의 일부가 손상된 경우에도, 전체 시스템을 중단하지 않고, 손상된 부분만 가동을 중단하고 나머지 부분은 가동할 수 있는 분산형 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공기공급기와 고압수소탱크 및 수소재순환장치를 포함하여 구성되고, 자동차의 동력수단으로 사용되는 연료전지시스템에 있어서, 격판에 의해 수소유로와 공기유로가 서로 분리되어 형성된 다수개의 소형연료전지스택과, 상기 소형연료전지스택에 구비된 수소유로의 입구 및 출구에 각각 설치된 수소조절밸브와, 상기 소형연료전지스택에 구비된 공기유로의 입구 및 출구에 각각 설치된 공기조절밸브와, 상기 수소재순환장치와 상기 소형연료전지스택의 사이에 각각 구비되는 재순환조절밸브와, 자동차의 운전상태에 따른 요구출력에 따라 상기 수소조절밸브 및 공기조절밸브를 조절하여 전체출력을 제어할 수 있도록 설치된 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은 상기 소형연료전지스택을 4개로 구성하는 경우, 하나의 소형연료전지스택만이 가동되는 저출력모드에서는, 상기 소형연료전지스택의 가동순서가 1→3→2→4 순번으로 이루어지고, 2개의 소형연료전지스택만이 가동되는 중간출력모드에서는, 상기 소형연료전지스택중 1번과 3번 또는 2번과 4번이 결합되어 가동되는 것이다.
그 외의 다른 특징은 상기 출력검출수단은 연료전지스택의 고장여부를 진단하는 작용을 하는 것을 특징으로 하고, 고장상태로 확인된 소형연료전지스택은 가동을 중지하고 나머지 연료전지스택으로 출력모드에 따라 조합 선택하여 가동하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 분산형 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
본 발명에 따른 분산형 연료전지 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 격판(32)에 의해 분리된 다수개의 소형연료전지스택(40)과, 각 소형연료전지스택(40)에 공급되는 공기량을 조절하기 위한 공기조절밸브(A)와, 각 소형연료전지스택(40)에 공급되는 수소량을 조절하기 위한 수소조절밸브(B)와, 상기 소형연료전지스택(40)의 출력량을 검출하는 출력검출수단(C)과, 상기 각 공기조절밸브 및 수소조절밸브의 작동을 제어하기 위한 제어부(40)로 구성된 것이다.
더욱 상세히 설명하면, 상기 소형연료전지스택(40)은 격판(32)에 의해 수소유로와 공기유로가 서로 분리되어 형성된 연료전지스택으로서, 각 소형연료전지스택(40)은 수소가스 및 공기의 공급이 독립적으로 이루어지고, 전기화학반응에 의한 전기발생도 독립적으로 이루어진다.
상기 공기조절밸브(A1,A2,A3,A4)는 상기 각 소형연료전지스택(40)의 공기극에 공급되는 공기량을 조절하기 위해 공기유로의 입구에 설치되는 조절밸브로서, 이러한 공기조절밸브(A)에는 개도에 의해 공급량을 조절하는 기계식 회전밸브 또는 전후진 거리에 따라 공급량을 조절하는 전자식 솔레노이드 밸브 등을 포함한다.
상기 수소조절밸브(B1,B2,B3,B4)는 상기 각 소형연료전지스택(40)에 공급되는 수소량을 조절하기 위해 수소유로의 입구에 설치되는 조절밸브이다.
상기 소형연료전지스택(40)에 공급되는 수소가스는 개질기에서 얻어지는 수소를 가압하여 고압수소탱크(14)에 저장된 가스로서, 연료전지스택(40)의 연료극으로 공급되고, 미반응 수소가스는 수소재순환장치(16)를 통해 재순환된다.
상기 출력검출수단(C1,C2,C3,C4)은 각 소형연료전지스택(40)의 출력량을 검출하여 제어부(30)로 송신하도록 각 소형연료전지스택(40-1,40-2,40-3,40-4)에 설치된 것으로서, 전력량 검출을 위해 전압계와 전류계를 포함하고 있다.
상기 제어부(30)는 자동차의 운전상황에 따른 요구출력에 따라 상기 각 소형 연료전지스택(40-1,40-2,40-3,40-4)에 설치된 수소조절밸브(B1,B2,B3,B4) 및 공기조절밸브(A1,A2,A3,A4)를 제어하고, 일부 소형연료전지스택이 고장난 경우 고장난 연료전지스택을 제외하고 나머지 연료전지스택 중에서 선택하여 가동되도록 제어하기도 한다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 도 3를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
자동차가 저속운전상황으로서 요구출력이 낮은 저출력모드에서는, 다수개의 소형연료전지스택(40-1,40-2,40-3,40-4) 중에서 하나의 연료전지스택만 가동되도록 한다. 이러한 경우 다수개의 소형연료전지스택(40-1,40-2,40-3,40-4)이 골고루 가동되어 효율 및 내구성이 향상되도록, 순번을 정해 일정주기를 기준으로 가동 및 정지를 반복하는 작용을 한다.
특히, 상기 소형연료전지스택을 4개로 구성하는 경우에는, 도 3과 같이, 소형연료전지스택에 1 내지 4까지 순번을 정해놓고, 그 가동순서를 1→3→2→4 순번으로 한다. 이러한 순번으로 가동시키는 이유는, 현재 가동중인 연료전지스택과 이어서 가동되는 연료전지스택을 정지중인 연료전지스택을 사이에 두고 떨어뜨려 놓음으로서, 냉각효율을 향상시키고자 함이다.
더욱 상세하게 설명하면, 처음 저출력모드에서 1번 연료전지스택(40-1)이 가동된 후, 요구출력이 변화되었다가 두 번째 저출력모드로 전환된 경우 또는 일정주기후에 가동 연료전지스택을 전환시키고자 하는 경우에는, 3번 연료전지스택(40-3)을 가동시킨다. 만일 곧 이어 2번 연료전지스택(40-2)을 가동시킨다면 그 발열량에 의해 옆에 맞닿아 있는 1번 연료전지스택(40-1)의 온도에 영향을 주게 되므로 1번 연료전지스택(40-1)에도 계속하여 냉각수를 공급하여야 하므로 냉각효율이 저하되기 때문이다.
그 후, 세 번째 저출력모드에서는 3번 연료전지스택(40-3)을 가동하고, 이어서 네 번째 저출력모드에서는 4번 연료전지스택(40-4)을 가동한다.
상기에서 가동되는 소형연료전지스택 이외의 나머지 연료전지스택은 가동을 중단하게 되므로, 중단중인 연료전지스택의 수소 및 공기공급배관에 설치된 수소조절밸브와 공기조절밸브는 완전히 닫혀서, 수소 및 공기의 공급이 차단된다.
또한, 중단중인 소형연료전지스택의 경우에는 수소재순환장치에서 공급되는 미반응 수소도 재순환조절밸브가 닫혀 공급이 차단된다.
상기와 같이, 4개의 소형연료전지스택을 골고루 가동시킴으로써 전체 효율을 향상시키고, 서로 떨어져 있는 연료전지스택을 순서대로 가동시킴으로써 냉각효율을 향상시키고자 함이다.
한편, 가속시나 고속운전으로 요구출력이 조금 상승되는 중출력모드에서는, 2개의 소형연료전지스택의 가동이 필요하게 되는데, 이러한 경우에는 1번과 3번 연료전지스택(40-1,40-3) 또는 2번과 4번 연료전지스택(40-2,40-4)을 결합하여 가동시킨다.
이와같이, 서로 떨어져 있는 연료전지스택을 같은 시기에 가동시킴으로써 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
물론, 등판 가속이나 급출발시와 같이 고출력이 요구되는 고출력모드에서는, 상기 다수개의 소형연료전지스택 모두가 가동되어 출력량을 크게 한다.
다른 한편, 상기 다수개의 소형연료전지스택의 일부가 손상으로 인하여 가동을 정지하여야 하는 경우에는, 상기 출력검출수단(C1,C2,C3,C4)이 연료전지스택의 고장여부를 진단하고, 고장상태로 확인된 소형연료전지스택은 가동을 중지하고 나머지 연료전지스택 중에서 요구출력모드에 따라 선택, 조합하여 가동한다.
소형연료전지스택의 고장여부의 진단은 상기 제어부(30)에 기준 출력값을 미리 지정해 놓고, 상기 출력검출수단(C1,C2,C3,C4)에 의해 측정된 실제 출력값이 그 기준 출력값 보다 작은 경우에는 고장상태로 판단할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 소형연료전지스택의 조합쌍의 결정은 제어부에 입력된 각종 데이터를 바탕으로 상황에 맞춰 다르게 제어되도록 할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형실시가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술사상은 상기한 실시예에 한정되지 아니한다.
상술한 본 발명에 따른 분산형 연료전지 시스템에 의하면, 다수개의 소형연료전지스택으로 나누어 구성시켜 자동차의 요구출력에 따라 선택적으로 일부 연료전지스택만을 가동시킴으로써 공기공급기의 용량 및 수소가스의 압력을 낮출 수 있다.
이에 따라 공기공급기의 에너지 소비를 저감시키고, 수소가스의 압력을 낮출 수 있으므로 연료전지 시스템의 전체 효율이 향상되고, 연료전지스택의 내구성도 향상되는 효과를 갖는다.
또한, 연료전지스택의 일부가 손상된 경우에도, 전체 시스템을 중단하지 않고 손상된 부분만 가동을 중단하고 나머지 부분을 가동하여 자동차를 운행할 수 있으므로, 운전자의 편의를 도모할 수 있다.

Claims (6)

  1. 공기공급기와 고압수소탱크 및 수소재순환장치를 포함하여 구성되고, 자동차의 동력수단으로 사용되는 연료전지시스템에 있어서,
    격판에 의해 수소유로와 공기유로가 서로 분리되어 형성된 다수개의 소형연료전지스택과,
    상기 소형연료전지스택에 구비된 수소유로의 입구 및 출구에 각각 설치된 수소조절밸브와,
    상기 소형연료전지스택에 구비된 공기유로의 입구 및 출구에 각각 설치된 공기조절밸브와,
    상기 수소재순환장치와 상기 소형연료전지스택의 사이에 각각 구비되는 재순환조절밸브와,
    자동차의 운전상태에 따른 요구출력에 따라 상기 수소조절밸브 및 공기조절밸브를 조절하여 전체출력을 제어할 수 있도록 설치된 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분산형 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소형연료전지스택에는 출력량을 검출하여 제어부에 송신할 수 있는 출력검출수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 분산형 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소형연료전지스택은 4개로 구성되는 것을 특징으로 하는 분산형 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    하나의 소형연료전지스택만이 가동되는 저출력모드에서는, 상기 소형연료전지스택의 가동순서가 1→3→2→4 순번으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분산형 연료전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    2개의 소형연료전지스택이 가동되는 중간출력모드에서는, 상기 소형연료전지스택중 1번과 3번 또는 2번과 4번이 결합되어 가동되는 것을 특징으로 하는 분산형 연료전지 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 출력검출수단은 연료전지스택의 고장여부를 진단하는 작용을 하는 것을 특징으로 하고, 고장상태로 확인된 소형연료전지스택은 가동을 중지하고 나머지 연료전지스택으로 출력모드에 따라 조합 선택하여 가동하는 것을 특징으로 하는 분산형 연료전지 시스템.
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