KR20090039441A - 연료전지 시스템 및 그 초기 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 시스템 및 그 초기 구동 방법에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 스택, 및 시스템 기동 기간 중 연료전지 스택의 출력단자 양단 간에 걸리는 출력전압을 정격전압보다 기동전압으로 제어하는 기동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 연료전지 스택 내의 멤브레인이 탈수되어 있는 상태에서도 스택에 악영향을 주지않고 시스템을 신속히 기동시킬 수 있다.
연료전지, 공기호흡형(air breathing), 멤브레인, 탈수, 기동 전압, 기동 시간 단축
Description
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 순환 공기가 캐소드로 공급되는 공기호흡형 연료전지 시스템 및 이 시스템의 신속한 기동을 위한 초기 구동 방법에 관한 것이다.
공기호흡형 연료전지(air breading fuel cell)는 대기 중의 순환 공기가 자연 대류에 의해 캐소드로 공급되는 방식의 연료전지이다. 이러한 방식의 연료전지 스택은 작은 크기로 제작할 수 있으므로 휴대용 전기장치의 전원 등으로 적합하다.
한편, 전술한 공기호흡형 연료전지 방식으로 제작된 연료전지 스택은 캐소드가 대기 중에 노출되어 있으므로 연료전지 스택을 오랜 시간 방치한 경우 멤브레인이 탈수(dehydration)되는 문제점이 있다. 멤브레인이 탈수되면 기동시 연료전지 스택의 운전이 안정화되는데 오랜 시간 예컨대 약 15분 이상이 소요되며, 그것은 공기호흡형 연료전지 스택의 성능 향상을 위하여 해결되어야 할 기술적 과제들 중 하나이다.
본 발명의 목적은 시스템 기동시 연료전지 스택의 출력전압을 정격전압보다 낮은 전압으로 제어함으로써 스택의 기동 시간을 크게 단축할 수 있는 연료전지 초기 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 연료전지 초기 구동 방법을 이용함으로써 스택 내의 멤브레인의 탈수 상태에서도 실질적으로 스택에 악영향을 주지 않고 스택을 신속하게 기동시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 연료전지 스택; 및 기동 기간 중 상기 연료전지 스택의 출력단자들 양단 간에 걸리는 출력전압을 정격전압보다 낮은 기동전압으로 제어하는 기동제어부를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 연료전지 스택 및 상기 연료전지 스택에 결합하는 기동제어부를 구비한 연료전지 시스템의 초기 구동 방법에 있어서, (a) 연료를 공급하여 연료전지 스택을 기동시키는 단계; 및 (b) 기동 기간 중에 연료전지 스택의 출력단자들 양단 간에 걸리는 출력전압을 정격전압보다 낮은 기동전압으로 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 초기 구동 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 기동전압은 상기 연료전지 스택의 최저 구동전압을 포함한다. 또한, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료로서의 수소 유량은 연료전지 스택 의 정상 운전시에 요구되는 화학량론적(stoichiometric) 유량보다 낮게 설정되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 의하면 시스템 기동시 연료전지 스택의 출력전압을 정격전압보다 낮은 전압으로 제어함으로써 시스템 기동 시간을 크게 단축할 수 있다. 더욱이, 장시간 미사용 등의 원인에 의해 스택 내의 멤브레인이 탈수되어 있는 상태에서도 실질적으로 스택에 악영향을 주지 않고 스택을 신속하게 기동시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 도면의 각 구성요소의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있다. 그리고 두 구성요소가 연결되었다는 것은 직접적인 연결뿐만 아니라 또 다른 구성요소를 게재한 연결도 포함한다. 아울러, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(10)은 연료전지 스택(20), 및 기동제어부(30)를 포함하여 이루어진다.
본 실시예의 연료전지 시스템(10)은 시스템 기동 기간 중에 연료전지 스택(20)의 출력전압을 정격전압보다 낮은 전압(이하 기동전압이라 함)으로 유지하기 위한 기동제어부(30)를 포함하는 것을 주된 특징으로 한다. 여기서, 정격전압은 연료전지 스택(20)의 제작시 셀당 적정 전압에 셀의 개수를 곱하여 얻어지는 전압으로부터 스택 내부의 손실, 예컨대 활성 손실(kinetic loss), 저항 손실(ohmic loss), 및 물질전달 손실(mass transport loss)을 뺀 전압이 될 수 있다.
연료전지 스택(20)은 애노드(anode), 캐소드(cathode) 및 이들 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질(electrolyte)로 이루어지는 셀(cell) 또는 막전극집합체(membrane electrode assembly; MEA)를 포함하며, 애노드에 공급되는 연료와 캐소드에 공급되는 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 장치를 포함한다. 애노드는 애노드 전극과 이 애노드 전극에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하는 애노드 분리판(separator)을 포함할 수 있고, 캐소드는 캐소드 전극과 이 캐소드 전극에 연료를 공급하기 위한 유로 또는 홀을 구비하는 캐소드 분리판을 포함할 수 있다.
연료전지 스택(20)은 고분자 전해질 연료전지(proton exchange membrane fuel cell) 방식 또는 직접 액체 연료전지(direct liquid fuel cell) 방식으로 구현되는 것이 바람직하며, 더욱이 공기호흡형 연료전지(air breathing fuel cell) 방식으로 구현되는 것이 더욱 바람직하다. 공기호흡형 연료전지는 캐소드 전극이 대기 중에 노출되고 자연 대류에 의한 순환 공기(ambient air)가 캐소드 전극으로 공급되는 구조를 구비한다.
연료전지 스택(20)이 공기호흡형 연료전지 방식으로 이루어진 경우, 연료전지 스택(20)을 오랜 시간 사용하지 않다가 다시 사용할 때, 연료전지 스택(20)의 멤브레인은 통상 탈수(dehydration) 상태이므로 스택(20)의 출력이 안정화되는데 오랜 시간이 소요되지만, 본 발명에서는 시스템 기동시 탈수 상태인 스택(20)의 안정화를 위하여 운전 전압을 잠시 동안 강제적으로 낮추어 운전함으로써 기동 초기에 캐소드에서 자체적으로 발생한 물을 이용하여 스택(20)의 막전극집합체(MEA)를 먼저 수화(hydration)시킨 후에 기동 과정을 진행함으로써 연료전지 스택(20)을 안정적이면서 신속하게 기동시킬 수 있다.
게다가, 시스템 기동시 연료전지 스택(20)의 출력전압을 낮게 유지하면서 막전극집합체의 수화 정도에 적합하도록 연료전지 스택(20)에 공급되는 수소 유량을 감소시키면 스택(20)의 막전극집합체의 수화가 더욱 신속하게 진행될 수 있기 때문에 시스템의 안정적이고 신속한 기동에 더욱 유리하다. 예컨대, 수소 유량은 스택(20)의 정상 운전시에 요구되는 화학량론적 요구유량의 1.2배보다 낮게 설정되는 것이 바람직하다.
기동제어부(30)는 연료전지 스택(20)의 출력단자 양단에 전기적으로 연결되며, 시스템 기동시 연료전지 스택(20)의 출력전압을 정격전압보다 낮은 일정한 전압 또는 정격전압보다 낮은 불규칙한 전압으로 낮출 수 있는 장치로 구현된다. 예를 들면, 기동제어부(30)는 연료전지 스택(20)의 출력 성능 평가를 위하여 연료전지 스택(20)의 출력단자에 연결되는 직류 전자 부하(DC electronic load)와 유사한 출력전압 또는 출력전력 조절 기능을 구비한 장치로 구현될 수 있다.
한편 본 발명의 연료전지 시스템(10)은 기동 운전 모드에서 연료전지 스택(20)에 기동제어부(30)를 연결하고 정상 운전 모드에서 연료전지 스택(20)에 외 부 부하를 연결하는 스위칭 수단을 추가로 포함할 수 있다. 그리고 본 발명의 연료전지 시스템(10)은 연료전지 스택(20)에 연료 및/또는 산화제를 공급하는 반응물 공급장치를 추가로 포함할 수 있다. 게다가, 본 발명의 연료전지 시스템(10)은 상기 반응물 공급장치 및/또는 외부 부하에 전력을 공급하는 이차전지 등의 보조전원이나, 연료전지 스택 및/또는 보조전원의 전력을 변환하여 외부 부하 등에 전달하는 컨버터나, 또는 연료전지 시스템(10)의 작동을 전체적으로 제어하는 제어장치를 추가로 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템에 채용가능한 시스템의 주요 부분에 대한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 연료전지 스택(20)의 두 출력단자가 케이블(22)을 통해 기동제어부(30)에 연결된다. 연료전지 스택(20)은 소정의 내부 저항(R)을 구비하며 출력단자 양단 간의 전압이 V1으로 설정되어 있다. 기동제어부(30)는 스위치(Q1), 증폭기(A1), 제어전원(E1), 제1 저항(R1), 및 제2 저항(R2)을 구비한다. 스위치(Q1)는 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구현될 수 있다.
스위치 Q1은 제1 전극, 제2 전극, 및 제어전극을 구비하며, 상기 제1 전극은 연료전지 스택(20)의 제1 출력단자에 연결된다. 증폭기 A1은 포지티브(positive) 입력단, 네거티브(negative) 입력단, 및 출력단을 구비하며, 상기 출력단은 스위치 Q1의 제어전극에 연결된다. 제1 저항 R1은 일단 및 타단을 구비하며, 상기 일단은 연료전지 스택(20)의 제2 출력단자에 연결되고, 상기 타단은 스위치 Q1의 제2 전극에 연결된다. 제어전원 E1은 일단 및 타단을 구비하며, 상기 일단은 증폭기 A1의 포지티브 입력단에 연결되고, 상기 타단은 제1 저항 R1의 일단에 연결된다.
전술한 연료전지 시스템(10)에 있어서, 제어전원 E1의 제어전압 V2과 제1 저항 R1의 양단에 걸리는 전압은 차동 증폭기 A1에 의해 비교되며, 차동 증폭기 A1의 출력 전압에 의해 스위치 Q1가 구동된다. 제어전압 V2를 연료전지 스택(20)의 출력전압 V1보다 낮게 설정하면, 시스템 기동시 연료전지 스택(20)의 출력전압 V1이 제어전압 V2과 동일한 전압으로 낮아진다.
본 실시예에서 제시한 회로의 기동제어부(30)는 단지 일례이며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다시 말하면, 연료전지 스택(20)의 출력전압 V1을 검출하기 위한 검출부, 상기 검출부에서 검출되는 출력전압과 내부의 제어전압을 비교하는 비교부, 및 상기 검출부와 직렬로 연료전지 스택(20)의 출력단자들에 연결되며 상기 비교부의 출력신호에 응답하여 온오프 작동하는 스위칭부를 포함한다면 본 발명에 채용가능하다. 여기서, 검출부는 상기 제1 저항 R1에 대응하며, 비교부는 상기 증폭기 A1에 대응한다. 한편, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 스위치(Q1)에 의한 전압 강하를 무시하고, 제1 저항 R1에 걸리는 전압이 연료전지 스택(20)의 출력전압에 대응하는 것을 설명하고 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 기동 조건을 설명하기 위한 그래프이다. 도 3은 시스템 기동시 시간 경과에 따른 연료전지 스택의 셀 전압을 보여준다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 시스템 기동시 기동제어부는 기동후 t1까지의 시간 동안 연료전지 스택의 출력전압을 약 0.62V/cell의 정격전 압(V1)보다 낮은 약 0.25V/cell의 운전 전압(V2)으로 스택의 기동 조건을 유지한다.
본 발명에 있어서, 연료전지 스택의 출력전압은 스택(20)에 대하여 기설정된 정격전압(V1)보다 낮으면서 스택(20)을 정상적으로 기동시킬 수 있는 최저 구동전압 이상으로 설정되는 것이 바람직하다. 최저 구동전압은, 스택(20) 내부의 여러 가지 원인-예컨대, 일시적인 연료 및/또는 산화제의 공급 부족 등-에 의해 하나 이상의 셀에 역전압이 걸리는 경우 스택(20)은 갑자기 운전 정지할 수 있는데, 이러한 현상을 방지하면서 스택을 정상 운전시키기 위한 최저 전압을 가리키며, 대략 0.2V/cell로 채용될 수 있다. 이러한 최저 구동전압은 캐소드 전극 측의 전기화학적 반응에 의해 얻어질 수 있는 이론적인 전압에 기초하여 1차적으로 얻어지며, 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층을 구성하는 재료의 종류나, 사용되는 연료 및/또는 산화제, 애노드 전극 및 캐소드 전극과 이것들에 접촉하는 분리판 간의 접촉 저항 등에 따라 약간 변동될 수 있다.
한편 시스템 기동시 스택의 출력전압이 최저 구동전압 아래로 떨어지면, 시스템 기동에 문제가 발생할 수 있으므로, 기동제어부(30)는 스택(20)의 출력전압이 최저 구동전압보다 낮아지지 않도록 시스템 기동을 제어하는 것이 바람직하다. 또한 기동제어부(30)는 기동 시간 단축 효과를 높이기 위하여 시스템 기동시 스택(20)의 출력전압을 최저 구동전압으로부터 최저 구동전압보다 약간 높은 구동전압으로 유지하는 것이 바람직하다. 예컨대, 연료전지 스택(20)의 정격전압이 0.5V/cell 내지 0.7V/cell의 범위에 있고, 최저 구동전압이 0.2V/cell인 경우, 기 동제어부(30)는 스택(20)의 출력단자 양단에 걸리는 전압을 0.2V/cell 내지 0.3V/cell의 범위로 제어할 수 있는데, 이 경우, 시스템의 기동 시간을 더욱 효과적으로 단축할 수 있다.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템의 초기 구동 방법에 대한 순서도이다.
연료전지 시스템의 작동과정을 도 1 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 연료전지 스택(20)에 연료 및/또는 산화제를 공급하여 연료전지 시스템(10)을 기동시킨다(S10). 연료전지 시스템(10)은 외부에서 입력되거나 내부에서 발생하는 기동 요구 신호에 의해 기동할 수 있다. 여기서 기동 요구 신호는 기동 스위치의 작동 신호와 같이 사용자 조작에 의한 외부 발생적인 신호뿐만 아니라, 기동예약설정이나 타이머 등에 의한 신호와 같이 시스템 제어장치의 내부 발생적인 신호를 포함한다. 여기서 시스템 제어장치는 마이크로프로세서나 플립플롭을 이용한 논리회로를 포함한다.
다음, 연료전지 스택(20)에 기동제어부(30)가 연결된다. 기동제어부(30)는 연료전지 스택(20)의 출력전압을 정격전압보다 낮은 기동전압으로 제어한다(S20). 상기 단계 S20에 있어서, 시스템 기동시 연료전지 스택(20)의 출력전압을 정격전압보다 낮게 유지함으로써, 기동 초기에 스택(20) 내의 캐소드에서 자체적으로 생성되는 물을 이용하여 막전극집합체를 수화할 수 있을 뿐 아니라 기동 초기 기동전압보다 높은 정격전압에 의해 아직까지 탈수 상태에 있는 막전극집합체의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 단계 S20과 함께, 시스템의 신속하고 안정적인 기 동을 더욱 효과적으로 수행하기 위하여 연료전지 스택(20)에 공급되는 연료로서의 수소 유량을 정상 운전시의 요구요량보다 낮게 설정할 수 있다.
그 후, 기동제어부(30)는 스택(20)의 출력전압이 정격전압보다 낮은 전압으로 유지되고 있는 상태에서 스택 온도가 기준 온도 이상인가를 판단하여 기동제어 과정을 종료할 수 있다(S30, S40). 기준 온도는 스택(20)의 종류나 구조에 따라 달라질 수 있는데, 공기호흡형 연료전지 스택의 경우, 대략 50 내지 70℃ 범위에서 설정될 수 있다. 또한, 기동제어부(30)는 전술한 단계 S30에서 스택 전압이 정격전압보다 낮은 전압으로 유지되지 않거나, 전술한 단계 S60에서 스택 기동 시간으로부터 일정 시간이 경과한 후에도 스택 온도가 기준 온도에 도달하지 않으면, 본 기동제어 과정을 수행할 수 없는 상태로 판단하고 스택 이상 또는 시스템 이상을 경보할 수 있다(S50, S70).
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템의 기동 특성에 대한 비교 실험 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 공기호흡형 연료전지 스택에 수소 유량을 화학량론적 유량의 1.2 배로 공급하면서 스택의 기동 운전 전압을 0.2V/cell로 유지한 본 발명의 실싱예와, 동일한 공기호흡형 연료전지 스택에 동일한 수소 유량을 공급한 상태에서 스택의 기동 운전 전압을 0.6V로 유지한 비교예의 실험 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 연료전지 시스템은 약 1분의 기동 시간을 나타내었고, 비교예의 경우에는 약 15분의 기동 시간을 나타내었다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 기동 시간을 크게 단축할 수 있다.
한편, 전술한 본 발명은 시스템 기동시 연료전지 스택에서 생성되는 전기를 효과적으로 이용할 수 있다. 예컨대, 시스템 기동시 연료전지 스택에서 생성되는 전기를 이용하여 시스템 내의 보조전원을 충전하거나, 또는 연료전지 스택에 결합된 다른 장치-예컨대, BOP(balance of plants)-에 전기 에너지를 공급할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 회로도이다.
도 6을 참조하면, 연료전지 시스템(10a)은 연료전지 스택(20), 기동제어부(30), 시스템의 단독기동 모드와 충전기동 모드의 전환을 위한 스위칭 수단(31), 및 충전회로부를 포함하여 이루어진다. 충전회로부는 보조전원(32), 보조전원(32)을 충전하는 충전회로(33), 및 충전회로(33)를 제어하는 충전제어회로(34)를 포함한다.
본 실시예의 연료전지 시스템(10a)은 연료전지 스택(20)을 신속하게 기동시키기 위하여 시스템 기동 기간 중에 연료전지 스택(20)의 출력전압을 정격전압보다 낮은 전압으로 유지할 뿐 아니라 기동 기간 중에 연료전지 스택(20)에서 생산되는 전기 에너지를 보조전원(32)에 충전하는 것을 주된 특징으로 한다.
스위칭 수단(31)은 시스템 기동시 연료전지 스택(20)의 출력단자가 기동제어부(30) 또는 충전회로(33)에 선택적으로 연결되도록 작동한다. 전술한 스위칭 수단(31)은 접점을 갖는 기계적 스위치나, 무접점 방식의 반도체 스위치로 구현될 수 있다. 스위칭 수단(31)은 연료전지 시스템의 전반적인 제어를 위한 제어장치나 충전회로(33)의 제어를 위한 충전제어회로(34)에 의해 제어될 수 있다. 스위칭 수단(31)과 제어장치의 연결 및/또는 작용 관계는 당업자에게 자명하므로 그것에 대 한 설명은 생략한다.
보조전원(32)은 시스템 기동시 연료전지 스택(20)에서 생성되는 전기 에너지에 의해 충전될 수 있다. 보조전원(32)은 시스템 기동이 완료된 후 전동기, 노트북, 휴대전화, BOP 등과 같이 스택(20)에 연결되는 외부 및/또는 내부 부하의 요구에 따라 부하에 전력을 공급하도록 배치될 수 있다.
또한 보조전원(32)은 다른 보조전원과 한 조를 이루어 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 보조전원(32)과 다른 보조전원은 시스템 기동시 그것들의 충전 상태에 따라 둘 중 어느 하나가 충전되도록 배치될 수 있고, 이 경우, 연료전지 스택(20)에 의해 충전되는 것은 도 6a에 도시된 보조전원(32)이 되며, 부하에 전력을 공급하는 것은 다른 보조전원이 된다. 전술한 보조전원들은 슈퍼캐패시터, 이차전지, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
참고로, BOP는 시스템 작동시 연료전지 스택(20)의 애노드로 연료를 공급하기 위한 장치를 포함한다. 또한 BOP는 캐소드로 산화제를 공급하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 아울러, BOP는 시스템 효율 향상을 위하여 미반응 연료를 재사용(recycling) 하기 위한 순환장치나 연료전지 시스템(10a)의 물 관리 및 열 관리를 위한 별도의 장치를 추가로 구비할 수 있다. 전술한 BOP는 연료전지 시스템 제어를 위한 제어장치, 연료 및/또는 산화제 공급을 위한 반응물 공급장치(reactant supply)로 구현될 수 있으며, 반응물 공급장치는 연료 및/또는 산화제를 일정 압력으로 공급하거나 일정 압력하에서 공급되는 유량을 조절하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 전술한 BOP로는 펌프, 송풍기, 밸브 등이 이용될 수 있다.
충전회로(33)는 연료전지 스택(20)에서 생성되는 전기 에너지를 이용하여 보조전원(32)을 충전하기 위한 장치이다. 연료전지 시스템 기동시 연료전지 스택(20)의 출력전압은 정상 운전시의 정격전압보다 낮다. 따라서 충전회로(33)는 연료전지 시스템의 기동 운전시와 정상 운전시에 따라서 달라지는 스택(20)의 출력전압을 고려하여 스택(20)의 출력으로 보조전원(32)을 충전할 수 있도록 구성된다. 충전제어회로(34)는 연료전지 시스템의 기동시와 정상 운전시에 따라서 달라지는 스택(20)의 출력전압에 따라 충전회로(33)의 작동을 제어한다. 전술한 충전회로(33), 및 충전제어회로(34)의 구성은 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로 그것에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 연료전지 시스템(10a)의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 연료전지 시스템에 결합된 제어장치는 시스템 기동시 스위칭 수단(31)의 노드 a와 노드 b를 접속시킴으로써 연료전지 스택(20)의 출력단자를 기동제어부(30)에 연결한다. 이 경우, 기동제어부(30)는 도 7에 참조부호 C1로 도시한 바와 같이 스택(20)의 출력단자 양단 간에 걸리는 전압을 정격전압보다 낮은 소정의 시동전압으로 낮춘다.
그 후, 스택(20)의 출력전압이 원하는 낮은 전압에 도달하였을 때 제어장치는 스위칭 수단(31)의 노드 a와 노드 c를 접속시킴으로써 연료전지 스택(20)의 출력단자를 충전회로(33)에 연결한다. 이 경우, 충전회로(33)에 연결된 보조전원(32)은 연료전지 스택(20)의 전기 에너지에 의해 충전되며, 연료전지 스택(20)의 출력전압은 도 7에 참조부호 D1로 도시한 바와 같이 소정의 낮은 시동전압으로부터 소 정의 전압으로 서서히 높아진다. 여기서, 제어장치는 스택(20)의 출력전압이 정격전압보다 낮은 전압에서 다시 시동전압을 낮춰지도록 스위칭 수단(31)을 작동시킬 수 있다.
다음, 제어장치는 도 7에 참조부호 C2, D2, C3, D3, C4, 및 D4로 나타낸 바와 같이 시동전압과 정격전압 사이에서 스위칭 수단(31)의 노드 a와 노드 b의 접속 및 노드 a와 노드 c의 접속을 번갈아 수행한다. 전술한 과정에 의하면, 시스템 기동시에 스택(20)의 평균적인 출력전압이 정격전압보다 낮아진다.
본 실시예에 의하면, 연료전지 시스템(10a)의 기동시 스택(20)의 출력전압을 실질적으로 정격전압보다 낮은 전압으로 낮추면서 스택(20)의 출력전력으로 보조전원(32)을 충전할 수 있다.
한편, 본 발명은 공기호흡형 연료전지 시스템에 적용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들면, 캐소드 전극이 대기 중에 노출되지 않는 연료전지 스택을 구비한 시스템에도 적용가능하다. 즉, 본 발명은 공기호흡형 방식이 아닌 기존의 연료전지 스택에서 스택의 장시간 미사용에 따라 멤브레인이 탈수되어 있는 상태에서도 실질적으로 막전극집합체에 악영향을 거의 주지 않고 스택을 신속하고 안정적으로 기동시킬 수 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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템의 주요 부분에 채용가능한 회로도.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템의 기동 조건을 설명하기 위한 그래프.
도 4는 본 발명의 연료전지 초기 구동 방법에 대한 순서도.
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템의 기동 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략도.
도 7은 도 6의 연료전지 시스템의 작동원리를 설명하기 위한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10, 10a : 연료전지 시스템
20 : 연료전지 스택
22 : 케이블
30 : 기동제어부
31 : 스위칭 수단
32 : 보조전원
33 : 충전회로
34 : 충전제어회로
Claims (18)
- 연료전지 스택; 및기동 기간 중 상기 연료전지 스택의 출력단자들 양단 간에 걸리는 출력전압을 정격전압보다 낮은 기동전압으로 제어하는 기동제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 기동제어부는,상기 연료전지 스택의 상기 출력전압을 검출하기 위한 검출부;상기 검출부에서 검출되는 상기 출력전압과 내부의 제어전압을 비교하는 비교부; 및상기 검출부와 직렬로 상기 연료전지 스택의 출력단자들에 연결되며 상기 비교부의 출력신호에 응답하여 온오프 작동하는 스위칭부를 포함하는 연료전지 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 기동제어부는,제1 전극, 제2 전극 및 제어전극을 구비하며, 상기 제1 전극이 상기 연료전지 스택의 제1 출력단자에 연결되는 스위치;상기 스위치의 상기 제2 전극과 상기 연료전지 스택의 제2 출력단자에 연결되는 제1 저항;출력단이 상기 스위치의 상기 제어전극에 연결되는 증폭기; 및상기 연료전지 스택의 상기 제2 출력단자측에 연결되는 상기 제1 저항의 일단과 상기 증폭기의 포지티브 입력단 사이에 연결되는 제어전원을 포함하되,상기 증폭기는 상기 제어전원에 의한 제어전압과 상기 스위치의 상기 제2 전극측에 연결되는 상기 제1 저항의 타단으로부터 입력되는 네거티브 입력을 비교하고, 상기 연료전지 스택의 상기 출력전압이 상기 제어전압과 일치되도록 상기 스위치를 온오프 하기 위한 신호를 출력하는 연료전지 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 기동전압은 상기 연료전지 스택의 최저 구동전압을 포함하는 연료전지 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 연료전지 스택에 공급되는 연료의 수소 유량은 화학량론적 요구유량의 1.2배보다 작은 연료전지 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 연료전지 스택에 대하여 상기 기동제어부와 병렬 접속되는 충전회로부; 및상기 연료전지 스택과 상기 기동제어부 및 상기 연료전지 스택과 상기 충전회로부의 접속을 선택적으로 수행하는 스위칭 수단을 더 포함하는 연료전지 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 충전회로부는,상기 연료전지 스택에 결합하는 보조전원;상기 보조전원의 충전을 위하여 상기 연료전지 스택의 출력전력을 변환하는 충전회로; 및상기 충전회로를 제어하기 위한 충전제어회로를 포함하는 연료전지 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 연료전지 스택에 연료, 산화제, 및 이들 모두 중 어느 하나를 공급하는 반응물 공급장치; 및상기 기동 기간 중에 상기 반응물 공급장치에 전력을 공급하는 또 다른 보조전원을 더 포함하는 연료전지 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 기동제어부는 상기 연료전지 스택의 상기 출력전압과 상기 제어전압의 비가 5 : 3 내지 7 : 2의 범위에 존재하도록 작동하는 연료전지 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 연료전지 스택은 고분자 전해질 연료전지 방식 또는 직접 액체 연료전지 방식으로 이루어지는 연료전지 시스템.
- 제 10 항에 있어서,상기 연료전지 스택은 공기호흡형 연료전지 방식으로 이루어지는 연료전지 시스템.
- 연료전지 스택 및 상기 연료전지 스택에 결합하는 기동제어부를 구비한 연료전지 시스템의 초기 구동 방법에 있어서,(a) 연료를 공급하여 상기 연료전지 스택을 기동시키는 단계; 및(b) 기동 기간 중에 상기 연료전지 스택의 출력단자들 양단 간에 걸리는 출력전압을 정격전압보다 낮은 기동전압으로 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 초기 구동 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 기동전압은 상기 연료전지 스택의 최저 구동전압을 포함하는 연료전지 초기 구동 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 연료전지 스택에 공급되는 연료의 수소 유량을 화학량론적 필요유량보다 낮게 낮추는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템.
- 제 12 항에 있어서,상기 기동전압으로 제어되는 상기 연료전지 스택의 출력전력을 상기 연료전지 스택에 전기적으로 연결된 BOP에 공급하는 단계를 더 포함하는 연료전지 초기 구동 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 기동전압으로 제어되는 상기 연료전지 스택의 출력전력을 상기 연료전지 스택에 전기적으로 연결된 충전제어부에 공급하는 단계를 더 포함하는 연료전지 초기 구동 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 (b) 단계에서 상기 기동제어부는 상기 출력전압과 상기 기동전압의 비가 5 : 3 내지 7 : 2의 범위에 존재하도록 작동하는 연료전지 초기 구동 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 연료전지 스택은 공기호흡형 연료전지 방식으로 이루어지는 연료전지 초기 구동 방법.
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