KR20080040465A - 연료전지 장치의 운전제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 장치의 운전제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지 장치의 운전제어 방법은 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택의 출력 전류를 감시하는 단계; 및 출력 전류가 기준 전류를 초과할 때 연료전지 스택의 캐소드 유입구 측에 결합된 공기압축장치를 제어하여 출력 전류의 초과요구전류량에 상응하도록 산화제의 공급량을 일정량 증가시키는 단계를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 의하면, 연료전지 장치에 결합된 동적 부하의 변화에 신속하게 대응함으로써 연료전지 장치의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있고 연료전지 장치의 전체적인 출력 밀도를 향상시킬 수 있다.

연료 전지, 캐소드, 콤프레서, 공기 공급 압력, 출력 밀도

Description

연료전지 장치의 운전제어 방법{Method for Operating Fuel Cell System}

도 1은 일반적인 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 운전제어 방법이 채용된 연료전지 장치를 보여주는 블록도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 운전제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 출력 특성을 보여주는 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 연료전지 스택

12 : 연료공급장치

14 : 공기압축장치

16 : 제어장치

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동적 부하에 의한 요구전력의 증가시 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기의 공급 압력을 증가시켜 스택의 출력 밀도를 신속히 증가시킴으로써 효과적으로 동적 부하에 대응할 수 있으며 전체적인 출력밀도를 향상시킬 수 있는 연료전지 장치의 운전제어 방법에 관한 것이다.

연료전지(fuel cell)는 연료 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 발전 시스템으로써 저공해와 고효율의 이점이 있다. 특히 연료전지는 저장 및 운송이 용이한 석유 에너지, 천연가스, 메탄올 등의 에너지원을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있기 때문에 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 구분할 수 있으며, 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

고분자 전해질형 연료전지는 수소 이온(proton) 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 특성을 가지며, 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고, 아울러 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원, 분산형 현지설치용 발전기, 군수용 비상전원, 우주선용 전원 등의 다양한 분야에 응용하기에 적합하다.

직접 메탄올형 연료전지(direct methanol fuel cell: DMFC)는 수소 이온을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하며, 연료로써 액상의 메탄올 수용액을 애노드에 직접 공급할 수 있는 구조를 갖는다. DMFC는 연료 개질기를 사용하지 않으며 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 전술한 고분자 전해질형 연료전지보다 휴대용이나 소형 연료전지 구조에 더욱 적합하다.

도 1은 일반적인 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지 스택(10)은 기본적으로 고분자 전해질막(1)과 이 전해질막(1)의 양면에 접합되는 애노드 전극(2) 및 캐소드 전극(3)을 포함한다. 전해질막(1), 애노드 전극(2) 및 캐소드 전극(3)은 소위 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly: MEA)로 불리는 단위전지를 구성한다. 전기화학적 반응성, 이온 전도성, 전자 전도성, 연료 또는 산화제 전달성, 부산물 전달성, 계면 안정성 등에 대한 성능 향상을 위해 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3)은 금속촉매층(2a; 3a)과 확산층(diffusion layer)(2b; 3b)을 각각 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 연료전지 스택(10)은 단위전지와 단위전지 사이에 설치되는 바이폴라 플레이트(5)와, 단위전지의 일측면과 엔드 플레이트(6a) 사이에 설치되는 모노폴라 플레이트(5a)와, 또 다른 단위전지의 타측면과 또 다른 엔드 플레이트(6b) 사이에 설치되는 또 다른 모노풀라 플레이트(5b)를 포함한다. 이들 플레이트(5)는 전기적 절연 특성을 구비하며 그것들의 일면 또는 양면에는 연료 공급을 위한 유동유로(flow field)(a1) 및/또는 산화제 공급을 위한 유동유로(a2)가 설치 된다. 복수의 단위전지와 플레이트들(5, 5a, 5b)의 적층체는 한 쌍의 엔드 플레이트(6a, 6b)와 체결부재(7)에 의해 가압된 채로 고정된다.

전술한 연료전지 스택(10)의 작동원리는 다음과 같다. 먼저 애노드 전극(2)에 메탄올 수용액이나 개질가스와 같은 수소를 함유한 연료가 공급되고 캐소드 전극(3)에 공기와 같은 산소를 함유한 산화제가 공급되면, 애노드측 금속촉매층(2a)에서 연료와 물이 반응하여 수소 이온을 생성하고, 생성된 수소 이온은 고분자 전해질막(1)을 통해 캐소드 전극(3)으로 이동한다. 캐소드측 금속촉매층(3a)에서 수소 이온과 전자 그리고 산소가 반응하여 물을 생성한다. 이때, 애노드측 금속촉매층(2a)에서 생성된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드측 금속촉매층(3a)으로 이동하면서 화학반응을 통해 얻어진 자유에너지의 변화량을 전기에너지로 전환하게 된다.

전술한 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지 스택의 출력밀도를 향상시키는 종래 방법들 중 하나로는 PSA(pressure swing adsorption) 등의 산소발생장치나 멤브레인(membrane)을 이용하여 공기로부터 산소를 뽑아내어 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 산소 분율을 증가시킴으로써 출력밀도를 높이는 방법이 있다.

그러나 산소발생장치를 이용한 연료전지 시스템은 산소발생장치를 설치해야 하며, 이 산소발생장치의 구동을 고압을 제공할 수 있는 장치가 추가적으로 요구되므로 연료전지 시스템의 구조가 복잡해지고 무게와 부피가 증가되는 단점이 있다.

게다가 산소발생장치를 이용한 연료전지 시스템은 약 79%의 질소와 약 21%의 산소로 이루어진 공기 중에서 산소만을 뽑아내어 사용하기 때문에 연료전지 스택의 캐소드에 공급되던 기존의 공기 공급 유량에 비해 유량이 감소하며, 따라서 연료전 지 스택의 캐소드와 애노드의 내부 압력이 낮아져 연료전지 스택의 출력 밀도를 높이는데 한계가 있다.

한편, 종래의 대부분의 연료전지 시스템에서는 시스템의 기동시 제어장치나 펌프 등의 주변장치(balance of plants: BOP)에 초기 전력을 제공하고, 연료전지 시스템에 결합된 외부 부하의 과도한 전력 요구시 외부 부하에 전력을 공급하기 위한 보조 전원을 구비한다. 보조 전원으로는 통상 연료전지 시스템의 잉여 전력으로 충전가능한 2차전지, 캐패시터, 슈퍼캐패시터 등이 사용된다. 따라서, 종래의 대부분의 연료전지 시스템에서는 보조 전원의 충전상태를 확인하고 이를 관리해야 하기 때문에 고가의 제어장치를 사용해야하는 단점이 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로써, 본 발명의 목적은 연료전지 스택의 캐소드에 공기압축장치를 설치하고 이 공기압축장치를 간단히 제어하여 캐소드에 공급되는 산소의 몰분율을 높이면서 전체적인 공기 공급 유량도 증가시켜 연료전지 스택의 출력 밀도 증가를 손쉽게 제어하며, 이러한 제어 방법을 토대로 연료전지 스택에 결합된 외부 부하의 동적 변화에 의해 요구되는 초과 전력에 즉각적으로 대응할 수 있는 연료전지 장치의 운전제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택의 출력 전류를 감시하는 단계; 및 출력 전류가 기준 전류를 초과할 때 연료전지 스택의 캐소드 유입구 측에 결합된 공기압축장치를 제어하여 출력 전류의 초과요구전류량에 상응하도록 산화제의 공급량을 일정량 증가시키는 단계를 포함하는 연료전지 장치의 운전제어 방법을 제공할 수 있다.

전술한 연료전지 장치의 운전제어 방법은 출력 전류가 기준 전류 이하일 때 공기압축장치를 제어하여 산화제의 공급량을 기준 공급량에 상응하도록 조절하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 기준 전류 및 기준 공급량은 연료전지 스택의 최적 및 최대 출력 밀도 조건하에서의 운전시의 연료전지 스택에서 생성되는 출력 전류 및 연료전지 스택으로 공급되는 산화제의 공급량에 각각 대응된다.

또한 연료전지 장치의 운전제어 방법은 출력 전류가 기준 전류 이하일 때 연료전지 스택의 출력 전류의 적어도 일부를 보조 전원에 공급하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 연료전지 장치의 운전제어 방법에 채용되는 연료전지 스택은 산화제가 접촉하는 캐소드 전극의 액티브 영역이 캐소드 전극의 전체 면적의 50% 이상, 90% 이하인 구조를 갖는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 운전제어 방법이 채용 된 연료전지 장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예의 연료전지 장치는 연료전지 스택(10), 연료공급장치(12), 공기압축장치(14) 및 제어장치(16)를 구비하며, 노트북이나 텔레비전 등의 외부 부하(18)에서 요구하는 전력이 증가할 때, 이에 대응하여 제어장치(16)가 공기압축장치(14)를 제어하여 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공급되는 공기 공급량 또는 산소 분압을 증가시킴으로써 연료전지 스택(10)의 출력 밀도를 신속하게 증가시키는 것을 주된 특징으로 한다.

연료전지 스택(10)은 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 발전 시스템이다. 연료전지 스택(10)은 연료가 유입되는 애노드 유입구, 미반응 연료와 애노드측 반응생성물 등의 애노드 유출물이 배출되는 애노드 배출구, 산화제가 유입되는 산화제 유입구, 및 미반응 산화제와 캐소드측 반응생성물 등의 캐소드 유출물이 배출되는 캐소드 배출구를 구비한다. 전술한 연료전지 스택(10)은 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질형 연료전지나 직접 메탄올형 연료전지로 구현될 수 있다.

특히 연료전지 스택(10)은 산화제가 접촉하는 캐소드 전극의 액티브 영역이 캐소드 전극의 전체 면적의 50% 이상이고, 설계상의 한계인 대략 90% 이하인 구조를 갖는 것이 바람직하다. 연료전지 스택(10)의 캐소드 전극의 액티브 영역을 한정한 이유는 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공급되는 산소 분압을 증가시켜 연료전지 스택(10)의 출력 전류를 향상시키기 위하여 공기공급장치(14)의 출력을 증가시킬 때, 공기공급장치(14)의 출력 증가에 따라 연료전지 스택(10)의 캐소드측 산소 분 압이 정비례하여 증가하는 스택 구조가 본 발명을 적용하기에 매우 바람직하기 때문이다. 연료전지 스택(10)의 출력 전류는 전류 밀도 × 액티브 영역의 면적이 된다.

연료공급장치(12)는 연료전지 스택(10)의 애노드에 연료를 공급하기 위한 장치이다. 연료공급장치(12)는 순수 수소, 메탄올 수용액, 가솔린, 디젤 등의 연료를 저장하기 위한 연료저장용기, 연료저장용기에 저장된 연료의 일정량을 연료전지 스택(10)으로 공급하기 위한 펌프, 블로우(blower), 밸브 등의 액티브 BOP(balance of plants), 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 발생시키는 연료개질기 등을 구비할 수 있다.

공기압축장치(14)는 연료전지 스택(10)의 캐소드 유입구에 결합되며, 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공급되는 공기의 공급량을 원하는 만큼 증가 또는 감소시킨다.

특히 제어장치(16)에 감지된 외부 부하(18)의 요구 전력이 기준 전력을 초과하여 증가하는 경우, 공기압축장치(14)는 연료전지 스택(10)의 캐소드측 산소 분압을 일정량 증가시켜 연료전지 스택(10)의 출력 밀도를 향상시킨다. 여기서 일정량은 외부 부하(18)의 요구 전력에서 기준 전력을 뺀 초과요구전력에 대응된다. 요구 전력은 요구 전류 또는 요구 전압으로, 기준 전력은 기준 전류 또는 기준 전압으로, 그리고 초과요구전력은 초과요구전류 또는 초과요구전압으로 대체될 수 있다.

또한 제어장치(16)에 감지된 외부 부하(18)의 요구 전력이 기준 전력 이하인 경우, 공기압축장치(14)는 연료전지 스택(10)의 캐소드측 산소 분압을 기준 분압으 로 조절하여 연료전지 스택(10)의 출력 밀도가 최적 출력 밀도가 되도록 한다. 여기서, 최적 출력 밀도는 연료전지 스택(10)의 구조 및 특성에 따라 안정적으로 장시간 운전가능한 최대 출력 밀도를 나타내며, 기준 분압은 최적 출력 밀도에서의 스택 운전시 캐소드에 공급되는 산소 분압을 나타낸다.

전술한 공기압축장치(14)는 소위 콤프레서(compressor)를 가리킨다. 전술한 공기압축장치(14)를 이용한 본 발명의 운전제어 방식은 외부 부하(18)의 동적 변화에 신속히 대응하면서 연료전지 스택(10)이 최적 운전 분위기에서 지속적으로 운전하도록 할 수 있다.

제어장치(16)는 연료전지 스택(10)의 출력 전류, 출력 전압, 온도 등을 검출하는 센서로부터 검출된 신호를 받고, 받은 신호를 토대로 출력 전류, 출력 전압 및 온도를 감지하며, 특히 감지된 출력 전류 또는 출력 전력에 상응하여 공기압축장치(14)의 출력을 제어한다. 전술한 제어장치(16)는 마이크로프로세서나 플립플롭을 이용한 논리회로로 구현될 수 있다.

한편, 전술한 연료전지 장치에서 공기압축장치(14)를 사용함으로써 연료전지 스택(10)의 출력 전력 자체가 감소할 수 있지만, 앞서 언급한 바와 같이 캐소드 전극의 액티브 영역을 적절한 값으로 설계하면, 연료전지 스택(10)에서 실제 얻어지는 순수 출력(net power)은 증가될 수 있다. 예를 들면, 20개의 단위전지로 구성된 연료전지 스택의 경우 전류 밀도를 5000A/㎥으로 뽑을 때 캐소드측의 공기 도입 압력에 따른 출력(power)에 대한 계산 결과가 다음과 같다.

캐소드 도입 기압	스택 Power	공기압축장치 Power	Net Power
1.1 atm	149	1	148
2.0 atm	188	9	179
3.0 atm	218	15	203

표 1에서 순수 출력은 스택 출력에서 공기압축장치 출력을 뺀 출력이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 운전제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 먼저 본 발명의 연료전지 장치의 운전제어 방법에 적합한 연료전지 스택을 준비한다(S10). 여기서 연료전지 스택은 캐소드 액티브 영역이 전체 캐소드 영역의 50% 이상, 90% 이하인 스택을 가리킨다.

다음, 제어장치에서 연료전지 스택의 출력 전류 및/또는 출력 전압을 감지한다(S12). 전류 및/또는 전압의 감지는 제어장치에 탑재된 아날로그-디지털 변환기에 의해 구현될 수 있다.

다음, 제어장치는 감지된 출력 전류 및/또는 출력 전압과 기설정된 기준 전류 및/또는 기준 전압을 비교한다. 이때, 제어장치는 감지된 출력 전류가 기준 전류를 초과하는가를 판단할 수 있다(S14).

상기 단계(S14)의 판단 결과, 감지된 출력 전류 및/또는 전압이 기준 전류 및/또는 전압을 초과하였으면, 제어장치는 공기압축장치를 제어하여 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기 공급량을 일정량 증가시킨다. 이때 제어장치는 추가적으로 요구되는 전류 또는 전력에 상응하여 연료전지 스택의 캐소드측 산소 분압이 증가되도록 공기압축장치의 출력을 제어한다(S16). 상기 단계(S14)의 판단 결과, 감지된 출력 전류 및/또는 전압이 기준 전류 및/또는 전압을 초과하지 않았으면, 상기 단계(S12)로 돌아간다.

다음, 제어장치는 상기 단계(S16) 이후에 감지된 출력 전류 및/또는 출력 전압과 기설정된 기준 전류 및/또는 기준 전압을 비교한다. 이때, 제어장치는 감지된 출력 전류가 기준 전류 이하인가를 판단할 수 있다(S18).

상기 단계(S18)의 판단 결과, 상기 단계(S16) 이후에 감지된 출력 전류 및/또는 전압이 기준 전류 및/또는 전압 이하이면, 제어장치는 공기압축장치를 제어하여 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기 공급량을 기준 공급량을 조절한다. 이때 제어장치는 연료전지 스택이 최적 및 최대 출력 밀도로 장시간 운전할 수 있는 조건으로 복귀되도록 공기압축장치의 출력을 기준 출력으로 제어한다(S20). 그리고, 제어장치는 연료전지 스택의 출력 전류 중 외부 부하에 공급하고 남는 전류를 보조 전원에 공급하여 보조 전원을 충전시킬 수 있다(S22). 상기 단계(S18)의 판단 결과, 상기 단계(S16) 이후에 감지된 출력 전류 및/또는 전압이 기준 전류 및/또는 전압 이하가 아니면, 본 운전제어 과정을 종료한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 출력 특성을 보여주는 그래프이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 운전제어 방법이 채용된 연료전지 장치에서는 연료전지 스택에 결합된 외부 부하의 변동에 따라 연료전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기(F_air)의 공급량을 제어함으로써 신속하게 외부 부하의 변동에 대응할 수 있다.

도 4에서 외부 부하는 연료전지 스택의 출력 전류(I_stack)에 대응하여 변동되며, 연료전지 스택의 애노드에 공급되는 연료(F_fuel)의 공급량은 충분한 것으로 가정한다. 그리고 연료전지 스택의 출력(P_stack)은 연료전지 스택의 출력 전류(I_stack)와 출력 전압(V_stack)의 곱으로 표시되며, 이와 함께 연료전지 스택의 온도(T_stack)도 표시되어 있다.

본 발명의 연료전지 장치의 운전제어 방법을 기존의 연료전지 시스템에서 임의의 시간 간격으로 반복적으로 적용하면, 보조 전원을 이용하지 않도록 외부 부하의 변동에 신속히 대응할 수 있고 연료전지 장치의 출력 밀도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 보조 전원의 사용 빈도를 감소시켜 보조 전원의 수명을 연장시키고, 보조 전원의 과방전에 의해 연료전지 장치의 기동이 어려워지는 문제 등을 미연에 방지할 수 있으므로 연료전지 장치의 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 장점이 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 동적 부하에 의해 전류 또는 전력 요구가 증가하는 경우, 연료전지 스택의 캐소드에 결합된 공기압축장치를 제어하여 요구되는 전류 또는 전력에 상응하여 캐소드에 공급되는 산소 분압을 일정 량 증가시킴으로써 동적 부하의 부하 변동에 신속하게 대응할 수 있으며, 연료전지 장치의 전체적인 출력밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택의 출력 전류를 감시하는 단계; 및

   상기 출력 전류가 기준 전류를 초과할 때 상기 연료전지 스택의 캐소드 유입구 측에 결합된 공기압축장치를 제어하여 상기 출력 전류의 초과요구전류량에 상응하도록 상기 산화제의 공급량을 일정량 증가시키는 단계를 포함하는 연료전지 장치의 운전제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 출력 전류가 상기 기준 전류 이하일 때 상기 공기압축장치를 제어하여 상기 산화제의 공급량을 기준 공급량에 상응하도록 조절하는 단계를 더 포함하는 연료전지 장치의 운전제어 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 기준 전류 및 상기 기준 공급량은 상기 연료전지 스택의 최적 및 최대 출력 밀도 조건하에서의 운전시의 상기 연료전지 스택의 출력 전류 및 상기 연료전지 스택으로 공급되는 상기 산화제의 공급량에 각각 대응되는 연료전지 장치의 운전제어 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 출력 전류가 상기 기준 전류 이하일 때 상기 연료전지 스택의 출력 전류의 적어도 일부를 보조 전원에 공급하는 단계를 더 포함하는 연료전지 장치의 운전제어 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 연료전지 스택은 상기 산화제가 접촉하는 캐소드 전극의 액티브 영역이 상기 캐소드 전극의 전체 면적의 50% 이상, 90% 이하인 연료전지 장치의 운전제어 방법.

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