KR20060070091A - 연료전지 운전장치 평가용 목업스택 - Google Patents

연료전지 운전장치 평가용 목업스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기공급, 수소공급 및 열/물관리의 3가지 시스템으로 이루어진 연료전지 운전장치의 평가에 있어서, 실제 전기화학반응을 수반하지 않고 모사식에 따라 전기화학반응에 따른 열, 가스압력 및 습도를 조절할 수 있도록 구성된 연료전지 운전장치 평가용 목업스택에 관한 것으로서, 실제 화학반응을 수반하지 않고도 연료전지자동차의 요구 출력에 따른 모사식에 의해 발열량, 소모되는 가스의 양 및 내부 습도를 조절할 수 있도록 발열수단, 유량조절수단, 가습수단 및 상기 각 수단들의 작용을 모사식에 따라 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하면, 목업스택의 작동에 의해 실제 화학반응과 동일한 모사가 스택내부에서 이루어지기 때문에, 평가비용이 절감될 뿐 아니라, 취급이 간단하고 운전미숙으로 인한 오작동의 우려가 없으므로 평가의 정확성이 크게 증대되는 효과를 갖는다.
연료전지, 운전장치, 목업스택, 모사식

Description

연료전지 운전장치 평가용 목업스택{Mock-up Stack for Valuation of a Fuel Cell Balance of Plant}
도 1은 연료전지스택의 단위셀의 작용상태를 나타내는 개념도,
도 2는 실제 연료전지스택을 나타내는 사시도 및 요부확대도,
도 3은 본발명에 따른 목업스택의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 연료전지스택 11: 전해질막
12: 연료극 13: 공기극
20: 전해질막 21: 분리판
22: 공기유로 23: 냉각수유로
24: 수소유로 25: 전극
31: 공기통로 32: 냉각수 통로
33: 수소 통로 40: 목업스택
41: 히터 42: 유량 조절기
43: 가습장치 44: 펌프
50: 제어부
본 발명은 연료전지 운전장치 평가용 목업스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기공급, 수소공급 및 열/물관리의 3가지 시스템으로 이루어진 연료전지 운전장치의 평가에 있어서, 실제 전기화학반응을 수반하지 않고 모사식에 따라 전기화학반응에 따른 열, 가스압력 및 습도를 조절할 수 있도록 구성된 연료전지 운전장치 평가용 목업스택에 관한 것이다.
연료전지 자동차는 종래의 내연기관의 엔진 역할을 하는 연료전지스택에 수소와 대기중의 산소를 공급하여 생성된 전기에너지를 기계적 에너지로 변환하여 자동차를 구동하게 되는 것으로, 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 전기 화학적 환원반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.
상기와 같은 전기화학반응에 의해, 연료전지스택은 내부에 발열현상이 일어나므로 냉각장치가 요구되고, 또한 수소가스 및 공기중 산소의 소모가 일어나므로 외부로부터 항상 일정압력의 수소가스 및 공기를 공급해주어야 하고, 전기화학반응의 부산물로 수분이 발생한다.
또한, 실제 연료전지스택은 도 2에 도시된 바와 같이, 전극(25)이 구비된 다수개의 전해질막(20) 사이마다 분리판(21)이 구비되고, 각 전해질막(20)과 분리판(21)에는 공기유로(22), 냉각수유로(23), 수소유로(24)가 연결되어 있다.
연료전지 자동차의 경우, 연료전지 스택의 최적 운전을 위하여 연료인 수소와 대기중의 산소를 공급해주며 연료전지 운전중에 필요한 열, 가스 및 물 관리를 위한 장치가 필요한데, 이를 연료전지 운전장치(BOP: Balance of Plant)라 한다.
즉, 운전장치는 냉각장치, 공기 및 수소공급장치, 물관리 시스템으로 구성되어 있으며, 이러한 시스템들은 각각 공기터보차저, 수소재순환 펌프, 라디에이터 및 컨덴서 등의 핵심부품과 이 부품들의 특성으로 나타나는 습도, 온도, 압력, 가스유량 등을 측정하여 제어시스템으로 입력신호를 전송하는 센서류 및 이러한 센서의 입력신호를 받아서 부품들이 원하는 성능을 나타낼 수 있도록 제어하여 출력신호를 부품으로 전달하는 제어부를 포함하고 있다.
종래에 개발된 연료전지 운전장치의 평가장치에 있어서는, 연료전지 운전장치의 각 시스템 및 부품의 성능 평가를 위해서 실제 연료전지 스택과 연계하여 습도, 온도, 압력 및 가스유량 등의 성능과 제어평가를 수행하여야 하였으므로, 고가 의 연료전지스택으로 인하여 평가비용이 높아지고, 취급이 어려우며, 운전미숙으로 인한 오작동 에러가 자주 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 실제 전기화학반응을 수반하지 않고 모사식에 따라 전기화학반응에 따른 열, 가스압력 및 습도를 조절할 수 있도록 구성된 연료전지 운전장치 평가용 목업스택을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실제 화학반응을 수반하지 않고도 연료전지자동차의 요구 출력에 따른 모사식에 의해 발열량, 소모되는 가스의 양 및 내부 습도를 조절할 수 있도록 발열수단, 유량조절수단, 가습수단 및 상기 각 수단들의 작용을 모사식에 따라 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 발열수단은 다수개의 히터로 구성되고, 상기 유량조절수단은 모사식에 의해 계산된 수소 소모량만큼 외부 수소배출량을 조절하도록 목업스택의 수소유로에 설치된 제1 유량조절기와, 모사식에 의해 계산된 공기소모량만큼 외부 공기배출량을 조절하도록 목업스택의 공기유로에 설치된 제2 유량조절기를 포함하며, 상기 가습수단은 목업스택 내부에 설치된 가습장치와 상기 가습장치에 일정압력의 물을 공급하기 목업스택의 외부에 설치된 펌프로 구성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본발명에 따른 목업스택의 구성도이며, 일부의 도면부호는 종래기술의 설명에서 사용된 부호가 인용된다.
본 발명에 따른 연료전지 운전장치 평가용 목업스택은 도 3에 도시된 바와 같이, 발열수단과 유량조절수단과 가습수단 및 제어부를 포함하여 구성된다.
더욱 상세히 설명하면, 상기 발열수단은 다수개의 히터(41)로 구성되고, 상기 히터(41)는 모사식에 따라 발열량을 조절되도록 설치되어진다.
즉, 목업스택(40) 내부에 구비된 히터(41)에 보내지는 전류량을 조절함으로써 연료전지스택의 요구출력량에 따라 발열량을 제어하게 되는데, 이 때 상기 발열량은 [발열량(Watts) = 스택출력 ×{(1.25 ÷셀 평균전압) - 1 }] 계산식에 따른다.
또한, 상기 유량조절수단은, 연료전지스택의 요구 출력에 따라 모사식에 의해 계산된 수소 소모량 및 공기소모량만큼을 배출 조절하도록 목업스택(40) 내부에 설치된 설치된 다수개의 유량조절기(42)로 구성된다.
더욱 상세하게는 상기 유량조절기(42)는 수소 소모량만큼 외부로 수소를 배출하도록 목업스택(40) 내부의 수소유로(24)에 설치된 제1 유량조절기와, 모사식에 의해 계산된 공기소모량만큼 외부로 공기를 배출하도록 목업스택의 공기유로(22)에 설치된 제2 유량조절기로 구성된다.
목업스택 내부에 설치된 상기 유량조절수단에 작용하는 가스 소모량에 대한 모사식은, 실제 연료전지스택에 대한 요구 출력량이 0~240 ㎾ 인 경우를 기준으로 하기와 같다
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,
여기서, 상기 수소 이용률 및 공기 이용률은 연료전지스택의 종류나 구조에 따라 달라지는 변수이다.
즉, 상기 제1 유량조절기는 상기 모사식에 의해 계산된 수소가스 소모량만큼을 외부로 배출하고, 제2 유량조절기는 상기 모사식에 의해 계산된 공기 소모량만큼을 외부로 배출함으로써, 실제 연료전지스택의 가스 소모현상을 모사하여 수소 및 공기측 각각의 압력차이가 실제 연료전지스택과 동일하게 나타나도록 작용한다.
한편, 상기 가습수단은 목업스택(40) 내부에 설치된 가습장치(43)와, 상기 가습장치(43)에 일정 압력의 물을 공급하기 위해 목업스택(40)의 외부에 설치된 펌프(44)로 구성된다.
상기 가습수단의 물생성량 모사식은, 실제 연료전지스택에 대한 요구 출력량이 0~240 ㎾ 인 경우를 기준으로 [물생성량(㎏/s) = 9.34 ×10-7 ×(스택출력 ÷셀 평균전압)]과 같은 계산식을 사용하고, 상기 결과값에 따라 목업스택(40) 내부의 가습장치(43)를 통해 목업스택 내부로 수분을 공급함으로써 실제 연료전지스택의 내부와 동일한 환경을 갖도록 한다.
상기 제어부(50)는 자동차의 출력에 따른 모사식에 따라 앞서 설명한 발열수 단, 유량조절수단 및 가습수단의 동작을 제어하기 위해 설치한다. 여기서, 상기 제어부의 작용을 돕기 위한 주행센서 등이 요구되지만, 이러한 센서등은 통상의 기술을 사용하는 것이므로, 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
상기와 같이 구성된 본발명에 따르면, 연료전지 시스템은 목업스택(40)의 작동에 의해 실제 화학반응과 동일한 모사가 연료전지스택 내부에서 이루어지게 되므로, 고가의 실제 연료전지스택을 사용하지 않고도 연료전지 운전장치의 평가가 가능해진다.
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 연료전지 운전장치 평가용 목업스택에 의하면, 연료전지 목업스택의 작동에 의해 실제 화학반응과 동일한 모사가 스택내부에서 이루어지게 되므로, 고가의 연료전지스택을 사용하지 않고도 연료전지 운전장치의 평가가 가능해진다.
따라서, 평가비용이 절감될 뿐 아니라, 취급이 간단하고 운전미숙으로 인한 오작동의 우려가 없으므로 평가의 정확성이 크게 증대되는 효과를 갖는다.

Claims (8)

  1. 실제 화학반응을 수반하지 않고도 연료전지 자동차의 요구 출력에 따른 모사식에 의해 발열량, 가스 소모량 및 스택내부의 습도를 조절할 수 있도록 발열수단, 유량조절수단, 가습수단 및 상기 각 수단들의 작용을 모사식에 따라 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 운전장치 평가용 목업스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열수단은 다수개의 히터로 구성되고, 상기 히터는 모사식에 따라 발열량을 조절하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전장치 평가용 목업스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발열수단의 발열작용은 하기의 모사식에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전장치 평가용 목업스택.
    발열량(Watts) = 스택출력 ×{(1.25 ÷셀 평균전압) - 1 }
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유량조절수단은, 모사식에 의해 계산된 수소 소모량만큼 외부 수소배출 량을 조절하도록 목업스택의 수소유로에 설치된 제1 유량조절기와, 모사식에 의해 계산된 공기소모량만큼 외부 공기배출량을 조절하도록 목업스택의 공기유로에 설치된 제2 유량조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전장치 평가용 목업스택.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유량조절수단의 가스 배출량은 하기의 제1식 및 제2식으로 된 모사식의 가스 소모량에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전장치 평가용 목업스택.
    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,
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가습수단은 목업스택 내부에 설치된 가습장치와, 상기 가습장치에 일정압력의 물을 공급하기 목업스택의 외부에 설치된 펌프로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 운전장치 평가용 목업스택.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가습수단은 모사식에 따라 연료전지스택 내부에 가습작용을 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 운전장치 평가용 목업스택.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가습수단의 물생성량은 하기의 모사식에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 운전장치 평가용 목업스택.
    물생성량(㎏/s) = 9.34 ×10-7 ×(스택출력 ÷셀 평균전압)
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