KR20060033519A - 목업스택이 구비된 연료전지 운전장치의 압력손실 측정장치 - Google Patents

목업스택이 구비된 연료전지 운전장치의 압력손실 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 운전장치에 있어서,실제 전기화학반응없이 모사식에 의해 연료전지스택 및 가스배관에 의한 압력손실을 측정할 수 있는 목업스택이 구비된 연료전지운전장치의 압력손실 측정장치에 관한 것으로서, 연료전지자동차의 운전장치에 있어서, 실제 화학반응을 수반하지 않고도 연료전지자동차의 요구 출력에 따른 모사식에 의해 소모되는 가스의 양을 조절할 수 있는 목업스택과; 상기 목업스택의 공기유로 및 수소유로의 입구측에 설치된 입구측 압력센서와; 상기 목업스택의 공기유로 및 수소유로의 출구측에 설치된 출구측 압력센서와; 상기 목업스택의 작동을 제어하는 동시에, 상기 입구측 및 출구측의 압력센서에서 측정된 압력값을 입력받아 비교연산하여, 전체 운전장치의 압력손실을 측정,평가하도록 설치된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 연료전지 운전장치의 압력손실에 대한 평가비용이 저렴해지고, 평가기간도 단축될 수 있다.
연료전지, 목업스택, 유량조절기, 압력손실 측정장치

Description

목업스택이 구비된 연료전지 운전장치의 압력손실 측정장치{Measurement Apparatus for a Pressure Loss of a Fuel Cell BOP with Mock-up Stack}
도 1은 연료전지스택의 단위셀의 작용상태를 나타내는 개념도,
도 2는 연료전지스택에 연결된 수소 및 공기 공급배관을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 목업스택이 구비된 연료전지운전장치의 압력손실 측정장치를 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 단위전지 11: 전해질막
12: 연료극 13: 공기극
20: 연료전지스택 22: 공기터보차저
23: 공기배관 24: 고압수소탱크
25: 수소배관 26: 개질기
27: 마그네틱 밸브 28: 냉각수 배관
A1,A2,B1,B2: 압력센서 30: 목업(Mock-up)스택
32: 제1 유량조절기 34: 제2 유량조절기
40: 제어부
본 발명은 목업스택이 구비된 연료전지 운전장치의 압력손실 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 운전장치에 있어서,실제 전기화학반응없이 모사식에 의해 연료전지스택 및 가스배관에 의한 압력손실을 측정할 수 있는 목업스택이 구비된 연료전지 운전장치의 압력손실 측정장치에 관한 것이다.
종래의 내연기관 자동차가 화석연료와 공기중의 산소를 엔진 내에서 폭발시킴으로써, 화석연료의 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 구동되는 것과 달리, 연료전지 자동차는 종래의 내연기관의 엔진 역할을 하는 연료전지스택에 수소와 대기중의 산소를 공급하여 생성된 전기에너지를 기계적 에너지로 변환하여 자동차를 구동하게 된다.
근래에는, 연료전지가 내연기관보다 효율이 높고 공해 배출량이 적으므로, 종래의 내연기관을 대체할 유망한 대체수단으로 각광받고 있다.
연료전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료극(12), 공기극(13) 및 이들 두개의 극 사이에 배치된 전해질막(11)을 포함하여 구성되고, 그 작용은 수소가스(H2) 또는 연료가 연료극(12)측에 공급됨과 동시에 상기 공기극(13)측에 공기가 공급되면 상기 연료극(12)에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+ 과 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소이온은 전해질막(11)을 통해 반대편 공기극(13)으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(12)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(13)으로 이동한 수소이온은 공기극(13)으로 공급되는 산소와 전 기 화학적 환원반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.
즉, 연료전지스택 내부의 전기화학반응에 의해 수소가스의 소모가 일어나므로, 외부로부터 항상 일정압력의 수소가스를 공급해주어야 연료전지의 효율을 높일 수 있다.
또한, 연료전지차량에서 사용되는 연료전지시스템은, 고압의 수소가 충전되어있는 고압수소탱크(24)와, 이 수소탱크에 충전되어 있는 수소가스를 운반하는 수소배관(25)와, 상기 고압수소탱크와 수소배관의 사이에 설치되어 밸브의 개폐동작에 의해 가스를 단속하는 마그네틱 밸브(27)와, 수소배관(25)로부터 공급되는 수소가스를 일정한 압력으로 감압하는 레귤레이터(미도시)와, 이 레귤레이터에서 감압된 수소를 공급받아 이를 공기중의 산소와 반응시켜 전력을 발생하는 연료전지스택(20)과, 이 연료전지스택에 의해 발생된 전력에 의해 구동력을 발생하는 모터(미도시)로 구성된다.
이와 같이 구성된 연료전지시스템은, 차량에 시동이 걸리지 않은 상태일 때 마그네틱 밸브(27)가 오프되어 있어서 고압수소탱크(24)에 충전된 수소가스가 수소배관(25)로 공급되지 않게 되나, 차량에 시동을 걸고자 이그니션 키를 온(on)하면 배터리로부터 마그네틱 밸브로 전류가 인가되어 마그네틱 밸브(27)가 개방되고 고압수소탱크(24)에 충전된 수소가스가 수소배관(25)를 통해 연료전지스택(20)으로 공급된다. 한편, 상기 고압수소탱크(24)에 충진되는 수소가스는 개질기(26)를 통해서 생산될 수 있다.
연료전지 자동차의 운행에서는, 연료전지스택의 운전중 전기화학반응에 의해 발열현상, 물생성 뿐 아니라 가스소모현상이 발생하므로, 이러한 가변요소를 고려하여 연료전지스택 및 운전장치의 설계를 하여야 한다.
특히, 연료전지 운전장치의 설계에 있어서, 연료전지스택 내부의 유로 및 배관에 의한 압력손실을 최소화하는 것이 필수적이다. 왜냐하면 연료전지 자동차의 전체 시스템의 효율을 높이기 위한 방법으로서, 연료전지스택 및 가스배관에 의한 압력손실이 낮을수록 연료전지 운전장치 부품들의 동력소비를 최소화 할 수 있어 전체 시스템의 효율이 증가되기 때문이다.
연료전지 자동차의 운전장치에 있어서 압력손실을 측정하는 방법으로는, 연료전지스택에 연결된 수소 및 공기배관의 입구와 출구에서의 압력차이를 측정함으로써 그 손실량을 알 수 있다.
종래에는 연료전지 운전장치에 실제 연료전지스택을 연결하여 압력손실을 측정하였기 때문에, 고가의 연료전지스택으로 인하여 측정비용이 높아지고, 취급이 어려우며, 운전미숙 및 오작동에 의한 에러가 자주 발생하는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 목업(Mock-up)스택을 이용하여 평가비용을 저감시켰을 뿐 아니라, 신속하고 정확한 압력손실을 측정하여 운전장치의 설계에 반영할 수 있도록 목업스택이 구비된 연료전지운전장치의 압력손실 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료전지자동차의 운전장치에 있어서, 실제 화학반응을 수반하지 않고도 연료전지자동차의 요구 출력에 따른 모사식에 의해 소모되는 가스의 양을 조절할 수 있는 목업스택과; 상기 목업스택의 공기배관과 수소배관 및 냉각수배관의 입구측에 설치된 입구측 압력센서와; 상기 목업스택의 공기배관과 수소배관 및 냉각수배관의 출구측에 설치된 출구측 압력센서와; 상기 목업스택의 작동을 제어하는 동시에, 상기 입구측 및 출구측의 압력센서에서 측정된 압력값을 입력받아 비교연산하여, 전체 운전장치의 압력손실을 측정,평가하도록 설치된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 목업스택의 내부에는, 수소가스가 통과할 수 있는 수소유로와 공기가 통과할 수 있는 공기유로 및 냉각수가 통과할 수 있는 냉각수 유로가 형성되어 있고, 상기 수소유로에는 모사식에 의해 계산된 수소소모량만큼 외부 배출량을 조절하는 제1 유량조절기가 구비되고, 상기 공기유로에는 모사식에 의해 계산된 공기소모량만큼 외부 배출량을 조절하는 제2 유량조절기가 구비되며, 상기 제1 및 제2 유량조절기는 제어부에 의해 제어된다.
또한, 냉각수 유로에도 냉각수의 온도에 의해 변화되는 압력의 변화를 조절할 수 있는 압력제어기가 설치된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 목업스택이 구비된 연료전지운전장치의 압력손실 측정장치를 나타내는 구성도로서, 일부의 도면부호는 종래기술의 설명에서 사용된 부 호가 인용된다.
본 발명에 따른 목업스택이 구비된 연료전지운전장치의 압력손실 측정장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 모사식에 따라 연료전지스택의 화학반응에 의한 가스 소모량을 모사하도록 구성된 목업스택(30)과, 상기 목업스택(30)의 수소배관 및 공기배관(25,23)의 입구측에 설치된 입구측 압력센서(A1,B1)와, 상기 목업스택(30)의 가스배관 출구측에 설치된 출구측 압력센서(A2,B2)와, 상기 목업스택을 제어하는 동시에 상기 입구측 및 출구측의 압력센서에서 측정된 압력값을 입력받아 연료전지 운전장치의 압력손실을 측정하도록 설치된 제어부(40)를 포함하여 구성된다.
더욱 상세히 설명하면, 상기 목업스택(Mock-up)(30)은 실제 연료전지스택을 대신하여 운전장치 전체 시스템과 연계가 가능하도록 실제 연료전지스택과 유사한 구조를 가지고 있다.
본 발명에 따른 연료전지 목업스택의 구성을 살펴보면, 목업스택(30)의 외관은 실제 연료전지스택과 동일한 형태로서, 상기 목업스택(30)에 수소배관(25), 공기배관(23) 및 냉각수 배관(28)이 연결되어 있고, 목업스택(30) 내부에는 수소유로와 공기유로 및 냉각수 유로가 형성되어 있다.
또한, 상기 목업스택(30) 내부에는 수소와 공기에 대한 제1 및 제2 유량조절기(MFC: Mass Flow Controller)(32,34)와 강제 배기를 위한 수소배기구 및 공기배기구가 설치되어, 실제 연료전지스택의 운전 중 전기화학반응에 의해 소비되는 가스량 만큼 강제배기가 가능하도록 하였다.
즉, 상기 수소유로에는 모사식에 의해 계산된 수소 소모량만큼 외부 배출량 을 조절하는 제1 유량조절기(32)가 구비되고, 상기 공기유로에는 모사식에 의해 계산된 공기 소모량만큼 외부 배출량을 조절하는 제2 유량조절기(34)가 구비된다.
또한, 냉각수 유로에도 냉각수의 온도에 의해 변화되는 압력의 변화를 조절할 수 있는 압력제어기가 설치된다.
상기 입구측 압력센서(A1,B1)는 상기 목업스택(30)에 연결된 공기배관 및 수소배관의 입구측에 설치되고, 상기 출구측 압력센서(A2,B2)는 상기 목업스택(30)에 연결된 공기배관 및 수소배관의 출구측에 설치되고, 도면에 도시되지는 않았으나 냉각수배관(28)의 입,출구에 압력센서가 설치되어 냉각수배관에서의 압력손실을 측정할 수 있도록 한다.
상기 제어부(40)는, 모사식에 따라 상기 목업스택(30)의 작동을 제어하는 동시에, 상기 입구측 및 출구측의 압력센서(A1,B1,A2,B2)와 냉각수배관의 입출구에 설치된 압력센서에서 측정된 압력값을 입력받아 비교연산함으로써 전체 운전장치의 압력손실을 평가하여 출력한다.
즉, 상기 목업스택(30)에 연결된 공기배관(23) 및 수소배관(25)에서 뿐 아니라 냉각수배관(28)에서의 압력손실을 측정할 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 도 3를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
목업스택(30)의 가스 소모량 모사식은, 실제 연료전지스택에 대한 요구 출력량이 0~240 ㎾ 인 경우를 기준으로 하기와 같다.
<모사식>
제1식: 수소가스 소모량(㎏/s) = 1.05 ×10-8 ×수소 이용률 ×스택출력 ÷셀 평균전압,
제2식: 공기 소모량(㎏/s) = 3.57 ×10-7 ×공기 이용률 ×스택출력 ÷셀 평균전압,
제3식: 냉각수 유량(㎏/h) = 냉각수 흡수열량(㎉/h) ÷{냉각수 비열(㎉/㎏·℃) ×입출구 온도차(℃)}
여기서, 상기 수소 이용률 및 공기 이용률은 연료전지스택의 종류나 구조에 따라 달라지는 변수이다.
제1 유량조절기(32)는 상기 모사식에 의해 계산된 수소가스 소모량만큼을 외부로 배출하고, 제2 유량조절기(34)는 상기 모사식에 의해 계산된 공기 소모량만큼을 외부로 배출함으로써, 실제 연료전지스택의 가스 소모현상을 모사하여 수소 및 공기측 각각의 압력차이가 실제 연료전지스택과 동일하게 나타나도록 작용한다.
이때, 제어부(40)는 상기와 같은 모사식에 의한 결과값에 따라 상기 제1 및 제2 유량조절기(32,34)를 제어하는 한편, 목업스택(30)에 연결된 수소배관(25)과 공기배관(23) 및 냉각수배관(28)의 입구 및 출구에서의 압력차이를 측정하여 압력손실을 계산하게 된다.
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 기 술사상은 상기한 실시예에 한정되지 아니한다.
본 발명은 독립적으로 또는 통합적으로 각 연료전지 운전시스템에 대하여 연료전지스택 및 가스배관의 압력손실을 측정하고자 할 때, 고가이며 취급이 어려운 실제 연료전지스택 대신에 저가이고 취급이 쉬우며 실제 전기화학반응을 모사할 수 있는 목업스택을 이용함으로써, 연료전지 운전장치의 압력손실에 대한 평가비용이 저렴해지고, 평가기간도 단축될 수 있다.
더 나아가, 목업스택을 사용할 경우 다른 변수를 제외시킬 수 있으므로, 좀 더 정확한 압력손실에 대한 평가가 이루어지므로, 연료전지 운전장치의 설계를 최적화시킬 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (4)

  1. 연료전지자동차의 운전장치에 있어서,
    실제 화학반응을 수반하지 않고도 연료전지자동차의 요구 출력에 따른 모사식에 의해 소모되는 가스의 양을 조절할 수 있는 목업스택과;
    상기 목업스택의 공기배관과 수소배관 및 냉각수배관의 입구측에 설치된 입구측 압력센서와;
    상기 목업스택의 공기배관과 수소배관 및 냉각수배관의 출구측에 설치된 출구측 압력센서와;
    상기 목업스택의 작동을 제어하는 동시에, 상기 입구측 및 출구측의 압력센서에서 측정된 압력값을 입력받아 비교연산하여, 전체 운전장치의 압력손실을 측정,평가하도록 설치된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 목업스택이 구비된 연료전지 운전장치의 압력손실 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목업스택의 내부에는, 수소가스가 통과할 수 있는 수소유로와 공기가 통과할 수 있는 공기유로 및 냉각수가 통과할 수 있는 냉각수 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 목업스택이 구비된 연료전지 운전장치의 압력손실 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수소유로에는 모사식에 의해 계산된 수소소모량만큼 외부 배출량을 조절하는 제1 유량조절기가 구비되고, 상기 공기유로에는 모사식에 의해 계산된 공기소모량만큼 외부 배출량을 조절하는 제2 유량조절기가 구비되는 것을 특징으로 하는 목업스택이 구비된 연료전지 운전장치의 압력손실 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유량조절기는, 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 상기 목업스택이 구비된 연료전지 운전장치의 압력손실 측정장치.
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