KR20090058837A - 연료전지 시스템 및 그 수소 퍼지 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지스택 내의 플러딩 현상을 방지하도록 수소 퍼지 작업을 실시하는 연료전지 시스템 및 그 수소 퍼지 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지스택, 연료전지스택에 수소를 공급하는 수소 공급부, 및 연료전지스택을 통과하여 배출되는 수소의 흐름을 제어하는 퍼지 제어부를 포함한다. 그리고, 수소 공급부는 연료전지스택의 수소 공급라인에 설치되어 외부 제어신호에 따라 선택적으로 개폐되는 수소 공급 밸브를 포함한다. 퍼지 제어부는 연료전지스택의 수소 배출라인에 설치되어 외부 제어신호에 따라 선택적으로 개폐하는 퍼지 밸브, 및 연료전지스택과 퍼지 밸브 사이에 설치되어 기 설정된 양의 수소가 저장되는 완충 탱크를 포함한다.
연료전지, 수소, 퍼지, 감압, 밸브, 탱크, 플러딩
Description
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지스택 내의 플러딩 현상을 방지하도록 수소 퍼지 작업을 실시하는 연료전지 시스템 및 그 수소 퍼지 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 연료 전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유한 연료 가스와, 산소를 함유하는 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지와 열을 연속적으로 발생시킨다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 출력특성이 탁월하며, 작 동온도가 낮고, 아울러 빠른 시동 및 응답특성을 갖는다.
이러한 고분자 전해질형 연료전지를 이용하여 구성한 연료전지 시스템은 이동용 전원 또는 배터리 대체전원으로 이용되는데, 비교적 단순한 구성요소들로 이루어진 다음과 같은 구조를 갖는다. 연료전지 시스템은 산화제 가스로서 공기를 연료전지스택에 직접 공급하고, 연료 가스로서 압축용기에 저장된 순수(純粹) 수소를 연료전지스택에 공급한다. 그리고, 연료전지 시스템은 연료전지스택 내에서 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전기 에너지를 발생시킨다.
연료전지스택은 캐소드 반응을 통해 공기에 함유된 산소를 사용하고, 캐소드 채널 내에 발생된 물과 미반응된 공기를 외부로 배출시킨다. 연료전지스택은 연료 가스의 출구를 차단한 데드 엔드(Dead-end) 방식이 적용된다. 하지만, 연료전지 시스템은 이러한 데드 엔드 방식을 적용하더라도, 애노드 채널 내에 생성된 물을 배출시키기 위해 주기적으로 연료 가스의 출구를 개방하여 수소를 외부로 배출시킨다. 이러한 수소 배출 작동은 통상적으로 수소 퍼지 방법이라 한다.
연료전지스택 내에 발생되는 물은 주로 캐소드 채널에서 발생되고, 물의 확산 작용에 의해 전해질막을 거쳐 애노드 채널 내로 전달된다. 애노드 채널 내에 존재하는 물은 연료 가스인 수소가 전극으로 공급되는 것을 방해하여, 연료전지스택의 발전 성능을 저하시키며, 이를 통상적으로 플러딩(Flooding)현상이라 지칭한다.
즉, 기존 연료전지 시스템은 이러한 플러딩 현상을 방지하기 위해서 수소 퍼지 방법을 수행한다. 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법으로는 일정한 주기로 퍼 지 밸브를 개방하는 방법, 연료전지 전압이 기 설정된 값 이하로 저하된 조건에서 퍼지 밸브를 개방하는 방법, 및 상술한 두 가지 방법을 조합하여 실시하는 방법이 적용되고 있다. 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 수소 배출 압력이 높을수록, 퍼지 밸브를 개방하는 주기가 짧을수록, 퍼지 밸브를 개방하는 시간이 길수록 좋아진다.
하지만, 이와 같은 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 수소 배출 압력을 높일수록, 전해질 막 양측에 위치한 수소와 공기 사이의 압력 차이가 높아진다. 이로 인해 기존 연료전지 시스템은 전해질 막에 가해지는 물리적인 압력으로 인해 전해질 막의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 퍼지 밸브의 개방 주기를 짧게 설정하거나 퍼지 밸브 개방 시간을 길게 설정할 수도 있지만, 그로 인해 연료전지스택에서 사용되지 못하고 외부로 배출되는 수소의 양이 함께 증가하여, 연료전지스택의 수소 이용률이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지스택 내에 발생되는 플러딩 현상을 방지하도록 수소 퍼지 작동을 수행하는 연료전지 시스템 및 그 수소 퍼지 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수소 퍼지 작동을 수행하면서도 종래에 비해 외부로 배출되는 수소의 양을 감소시킴으로써 연료전지스택 내에서의 수소 이용률을 향상시키는 연료전지 시스템 및 그 수소 퍼지방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지스택, 상기 연료전지스택에 상기 수소를 공급하는 수소 공급부, 및 상기 연료전지스택을 통과하여 배출되는 상기 수소의 흐름을 제어하는 퍼지 제어부를 포함한다. 상기 수소 공급부는 상기 연료전지스택의 수소 공급라인에 설치되어 외부 제어신호에 따라 선택적으로 개폐되는 수소 공급 밸브를 포함한다. 상기 퍼지 제어부는 상기 연료전지스택의 수소 배출라인에 설치되어 외부 제어신호에 따라 선택적으로 개폐하는 퍼지 밸브, 및 상기 연료전지스택과 상기 퍼지 밸브 사이에 설치되어 기 설정된 양의 상기 수소가 저장되는 완충 탱크를 포함한다.
상기 수소 공급부는 상기 수소를 압축된 상태로 저장하는 수소 저장원, 및 상기 수소 공급 밸브와 상기 연료전지스택 사이에 설치되면서 상기 수소를 기 설정 된 압력으로 조절하는 감압 밸브를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 수소와 산소를 연료전지스택 내로 공급하고 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 발전단계, 상기 연료전지스택의 후방에 위치한 퍼지 밸브를 차단 상태로 유지하며, 기 설정된 수소 퍼지 조건인지를 판단하는 수소 퍼지 판별 단계, 상기 수소 퍼지 조건에서 상기 연료전지스택으로 공급되는 상기 수소의 흐름을 차단하는 수소 공급 차단 단계, 상기 연료전지스택의 셀전압이 저하된 상태에서 상기 수소를 상기 연료전지스택으로 다시 공급하는 수소 공급 재개 단계, 및 상기 연료전지스택과 상기 퍼지 밸브 사이에 위치한 완충 탱크에 상기 수소가 수용되고, 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 수소를 외부로 배출시키는 수소 배출 단계를 포함한다.
상기 연료전지 발전단계는 상기 연료전지스택을 기동한 후 상기 연료전지스택이 기 설정된 제1 기준 전압의 전기 에너지를 생성하는 경우에 상기 퍼지 밸브를 차단 상태로 전환시킨다.
상기 수소 퍼지 판별 단계는 상기 수소 퍼지 조건으로서 상기 연료전지스택에 상기 수소를 공급한 시간이 기 설정된 시간을 경과하였는지를 판단한다.
상기 수소 공급 재개 단계는 상기 연료전지스택이 상기 제1 기준 전압에 비해 낮은 기 설정된 제2 기준 전압 이하로 저하된 상태에서 상기 수소를 상기 연료전지스택으로 다시 공급한다.
상기 수소 배출 단계는 상기 완충 탱크에 수용되는 물이 기 설정된 수위 이상인 조건에서 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 수소를 외부로 배출시킨다.
상기 수소 배출 단계는 상기 완충 탱크에 수용되는 물이 기 설정된 수위 미만인 조건에서도 상기 연료전지스택이 상기 제1 기준 전압에 비해 낮은 전기 에너지를 생성하는 경우에 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 수소를 외부로 배출시킨다.
연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 상기 수소 배출 단계 이후에 상기 연료전지스택이 상기 제1 기준 전압 이상으로 전기 에너지를 생성하는 경우에 상기 퍼지 밸브를 차단 상태로 전환시키는 퍼지 밸브 차단 단계를 더 포함한다.
연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 상기 퍼지 밸브 차단 단계 이후에 상기 수소가 상기 연료전지스택으로 공급되는 시간을 다시 계산하여 상기 수소 퍼지 조건인지를 판단하는 수소 퍼지 초기화 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지스택과 퍼지 밸브 사이에 완충 탱크를 설치하고서 수소 공급 라인에 설치된 수소 공급 밸브의 개폐를 제어함으로써, 수소 퍼지 작동에 의해 연료전지스택의 내부에서 발생되는 플러딩 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 그 수소 퍼지 방법은 수소 퍼지 작동을 실시하더라도 종래에 비해 외부로 배출되는 수소의 양이 최소화될 뿐만 아니라, 수소의 이용률도 높아지는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 완충 탱크를 구비함으로써, 급격하게 부하가 증가하는 조건에서도 연료전지스택 내에서 수소 부족 현상이 발생되지 않고 안정적으로 수소가 공급되는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지스택(10)을 구비한다. 이런 연료전지스택(10)은 수소 공급부(20)로부터 수소를 공급 받으며, 산소 공급부(30)로부터 산소를 공급 받는다.
수소 공급부(20)는 순수(純粹) 수소 또는 발전연료를 개질한 개질가스와 같은 연료 가스를 연료전지스택(10)으로 공급한다. 이를 위해 수소 공급부(20)는 수소를 압축된 상태로 저장하는 수소 저장원(21)을 구비한다. 수소 공급부(20)는 수소 저장원(21)와 연료전지스택(10) 사이의 연료 공급라인에 순차적으로 설치되는 수소 공급 밸브(22)와 감압 밸브(23)를 더 구비한다.
수소 공급 밸브(22)는 외부 제어신호에 따라 선택적으로 개폐하면서, 수소 저장원(21)으로부터 연료전지스택(10)으로 유입되는 수소의 흐름을 차단할 수 있다. 감압 밸브(23)는 수소 공급라인으로 공급되는 고압의 수소를 기 설정된 압력으로 조절하여, 일정한 압력의 수소를 연료전지스택(10)으로 유입시킨다.
산소 공급부(30)는 공기 펌프와 같은 장비를 이용하여, 산소를 함유하는 대기 중의 공기를 연료전지스택(10)에서 공급한다. 그러면, 연료전지스택(10)은 공기에 함유된 산소를 전기화학적으로 반응시키고, 미반응된 공기를 외부로 배출시킨다.
퍼지 제어부(40)는 연료전지스택(10) 내부에서 발생되는 플러딩(flooding) 현상을 해소하기 위해서 수소 퍼지 작동을 실시하는 구성요소이다. 이런 퍼지 제어부(40)는 연료전지스택(10)을 통과한 수소를 외부로 배출시키는 수소 배출라인에 설치된다.
이를 위해 퍼지 제어부(40)는 외부 제어신호에 따라 선택적으로 수소의 흐름을 차단하거나 유동시키는 퍼지 밸브(41)를 구비한다. 그리고, 퍼지 제어부(40)는 연료전지스택(10)과 퍼지 밸브(41) 사이에 위치하면서, 기 설정된 양의 수소를 수용하는 완충 탱크(42)를 구비한다.
완충 탱크(42)는 기 설정된 체적 이상의 내부 공간이 마련되어, 이러한 내부 공간에 수소가 수용된다. 완충 탱크(42)는 기액 분리막과 같은 부재가 내부 공간에 설치됨으로써, 수소에 함유된 물이 분리되도록 한다. 이와 같이 완충 탱크(42)는 수소가 저장되는 공간일 뿐만 아니라, 수소와 함께 배출된 물이 저장된다. 이때 완충 탱크(42)에서의 수소 압력은 연료전지스택(10)이 정상적인 발전과정을 지속하는 상태에서 감압 밸브(23)에서 설정되는 수소의 압력으로 유지된다.
아래에서는 이와 같은 연료전지 시스템을 이용하여, 연료전지스택(10)에서 플러딩 현상이 발생되는 경우에 실시되는 수소 퍼지 방법에 대해 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 수소 퍼지 제1 단계에서 구성요소들의 작동관계 및 수소 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 정상적인 연료전지 발전단계에서 연료전지스택(10) 내의 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하면서 전기 에너지를 생성한다. 이와 같은 연료전지 발전단계에서는 연료전지 시스템의 퍼지 밸브(41)가 수소의 흐름(50)을 차단하는 상태로 유지되며, 도 2에 도시된 수소의 흐름(50)과 같이 연료전지스택(10)으로 수소가 공급되게 유지된다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 수소 퍼지 제2 단계에서 구성요소들의 작동관계 및 수소 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 연료전지스택(10)에서 전기화학반응이 지속되는 경우에 연료전지스택(10)의 내부에서 플러딩 현상이 발생될 수 있다. 연료전지 시스템은 플러딩 현상과 같이 연료전지스택의 발전성능이 불안정해지는 조건에서 수소 퍼지 작동을 실시한다. 연료전지 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 수소 공급 밸브(22)를 차단 상태로 전환시키고, 연료전지스택(10)으로 추가적인 수소가 공급되지 않는다.
그러면, 연료전지 시스템은 도 3에 도시된 수소의 흐름(51)과 같이 완충 탱크(42)에 수용되던 수소가 연료전지스택(10)으로 유입되어, 이러한 완충 탱크(42)의 수소가 연료전지스택(10)에서 소비된다. 연료전지 시스템은 수소 공급 차단 단계가 지속되는 경우에 연료전지스택(10)에서 수소 부족으로 인해 셀전압이 저하된다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 수소 퍼지 제3 단계에서 구성요소들의 작동관계 및 수소 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템은 연료전지스택(10)의 셀전압이 기 설정된 값으로 저하된 상태에서 수소 공급 밸브(22)를 개방함으로써, 수소를 연료전지스택(10)으로 다시 공급한다. 연료전지스택(10)은 수소 부족으로 인해 내부 압력이 낮은 상태이기 때문에, 과량의 수소는 내부 압력 차이에 의해 순간적으로 급속하게 연료전지스택(10)의 내부로 공급된다.
이와 같은 과량의 수소는 도 4에 도시된 수소의 흐름(52)과 같이 연료전지스택(10)의 내부에 축적된 물과 함께 연료전지스택(10)의 수소 배출라인으로 배출된다. 그리고, 연료전지스택(10)으로부터 배출된 수소는 완충 탱크(42)에 수용되고, 완충 탱크(42)의 내부 압력이 감압 밸브(23)에서 설정된 수소의 압력에 동일하게 유지될 때까지 지속적으로 공급된다.
연료전지 시스템은 이와 같은 수소 퍼지 작동을 주기적으로 실시함으로써, 수소를 외부로 배출시키지 않고서도 연료전지스택(10) 내에 축적된 물을 제거한다. 다만, 연료전지 시스템은 수소로부터 분리된 물이 완충 탱크(42)의 내부 공간에 다량 존재하거나, 연료전지스택(10)의 셀전압이 기 설정된 기준 전압보다 낮을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 이와 같은 조건 하에서 도 5에 도시된 수소의 흐름(53)과 같이 퍼지 밸브(41)를 개방하여, 수소를 외부로 배출시킨다. 이와 같이 연료전지 시스템은 수소 퍼지 작동을 실시하더라도 종래에 비해 외부로 배출되는 수소의 양을 최소화하면서, 수소의 이용률을 극대화시킨다.
더욱이 연료전지 시스템은 외부 부하에서 필요로 하는 전력량이 높아짐에 따라 연료전지스택(10)의 부하가 급격하게 증가하여, 일시적으로 연료전지스택(10)의 수소 배출라인 부근에서 수소가 부족해질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지스택(10)에서 일시적인 수소가 부족하더라도, 도 6에 도시된 수소의 흐름(54, 55)과 같이 완충 탱크(42)에 수용된 수소가 압력 차에 의해 연료전지스택(10)으로 공급된다. 이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 급격하게 부하가 증가하는 조건에서도 연료전지스택(10) 내에서 수소 부족 현상이 발생되지 않고, 연료전지스택(10)의 성능 감소없이 안정적으로 작동될 수 있다.
아래에서는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법을 각 단계별로 자세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법으로서, 수소 퍼지 단계로 진입하기 전에 수행하는 연료전지 기동단계를 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 다음과 같은 조건에서 수소 퍼지 작동을 수행하도록 설정된다.
먼저 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 연료전지스택(10)을 기동하면서, 수소 공급 밸브(22)와 퍼지 밸브(41)를 개방된 상태로 유지한다. 그러면, 수소 저장원(21)으로부터 공급되는 수소는 연료전지스택(10)에서 사용된 후에 외부로 배출된다. 연료전지스택(10)은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생 성하며, 개회로 전압(OCV)이 정상범위(0.9~1.1V)인 조건에서 연료전지스택(10)의 전기 에너지를 외부 부하의 전력원으로 공급한다.
그런 다음에는 연료전지스택(10)의 셀전압이 기 설정된 제1 기준 전압에 비해 높으면 퍼지 밸브(41)를 차단 상태로 전환시키고, 수소 퍼지 단계로 변경된다. 이때 제1 기준 전압은 전류에 따라 사전에 설정된 셀전압을 의미한다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법으로서, 수소 퍼지 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 1, 도 7, 및 도 8에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 수소 퍼지 단계로 변경된 후에 수소 퍼지 작동을 실시하는 수소 퍼지 조건에 해당하는지를 판별한다. 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 연료전지스택(10)에 수소를 공급한 시간이 기 설정된 시간(퍼지 주기)을 경과했는지를 판별하고서, 수소 퍼지 작동을 실시할지 판별한다. 이와 같은 수소 퍼지 판별 단계는 일정한 퍼지 주기로 설정할 수 있지만, 연료전지스택(10)의 외부 부하에 따라 퍼지 주기를 조절하는 것이 바람직하다. 즉, 연료전지스택(10)에 걸리는 외부 부하가 커질수록, 퍼지 주기를 짧게 설정한다.
연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 이와 같이 퍼지 주기가 도달된 시점에서 수소의 흐름을 차단하는 상태로 수소 공급 밸브(22)를 전환한다. 그러면, 연료전지스택(10)은 수소 부족으로 인해 전기화학반응이 감소되면서, 셀전압이 점진적으로 낮아진다.
연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 연료전지스택(10)의 셀전압이 기 설정 된 제2 기준 전압 이하로 저하된 상태에서 수소를 연료전지스택(10)으로 다시 공급한다. 제2 기준 전압은 전류에 따라 사전에 설정된 셀전압으로서, 제1 기준 전압에 비해 낮다. 그러면, 과량의 수소가 수소 공급 밸브(22)의 개방과 함께 연료전지스택(10) 내부로 공급되고, 연료전지스택(10)의 내부에 축적된 물과 함께 연료전지스택(10)으로부터 배출된다. 이렇게 연료전지스택(10)으로부터 배출된 수소는 완충 탱크(42)에 수용되고, 완충 탱크(42)의 내부 압력이 감압 밸브(23)에서 설정된 수소의 압력에 동일하게 유지될 때까지 지속적으로 공급된다.
완충 탱크(42)에는 수소 뿐만 아니라, 수소로부터 분리된 물이 수용된다. 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 이런 완충 탱크(42)에 수용되는 물이 기 설정된 수위 이상인 조건에서 퍼지 밸브(41)를 개방하여, 수소를 외부로 배출시킨다. 이때 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 완충 탱크(42)에 수용되는 물이 기 설정된 수위 미만인 조건에서도 연료전지스택(10)의 셀전압이 기 설정된 제1 기준 전압에 비해 낮으면 퍼지 밸브(41)를 개방하여, 수소를 외부로 배출시킨다. 그리고, 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 연료전지스택(10)의 셀전압이 제1 기준 전압에 비해 높다면, 퍼지 밸브(41)를 개방하지 않고서 타이머를 초기화하면서 수소 퍼지 작동을 다시 시작한다.
이와 같이 수소 배출 단계를 수행한 후에는 연료전지스택(10)에서 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하면서, 연료전지스택(10)의 셀전압이 상승한다. 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 연료전지스택(10)의 셀전압이 기 설정된 제1 기준 전압 이상인 경우에 퍼지 밸브(41)를 차단 상태로 전환시킨다.
연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 이와 같이 퍼지 밸브(41)를 차단한 후에 타이머를 초기화하고서, 수소가 연료전지스택(10)으로 공급되는 시간을 다시 계산한다. 그리고, 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법은 수소 퍼지 조건인 퍼지 주기를 판별하고서, 상기와 같은 수소 퍼지 작동을 다시 수행한다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성요소들을 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 수소 퍼지 제1 단계에서 구성요소들의 작동관계 및 수소 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 수소 퍼지 제2 단계에서 구성요소들의 작동관계 및 수소 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 수소 퍼지 제3 단계에서 구성요소들의 작동관계 및 수소 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 수소 퍼지 제4 단계에서 구성요소들의 작동관계 및 수소 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 수소 퍼지 단계에서 발생될 수 있는 수소 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법으로서, 수소 퍼지 단계로 진입하기 전에 수행하는 연료전지 기동단계를 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법으로서, 수소 퍼지 단계를 나타낸 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지스택 20 : 연료 공급부
21 : 수소 저장원 22 : 수소 공급 밸브
23 : 감압 밸브 30 : 공기 공급부
40 : 퍼지 제어부 41 : 퍼지 밸브
42 : 완충 탱크
Claims (10)
- 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 연료전지스택;상기 연료전지스택에 상기 수소를 공급하는 수소 공급부; 및상기 연료전지스택을 통과하여 배출되는 상기 수소의 흐름을 제어하는 퍼지 제어부;를 포함하고,상기 수소 공급부는 상기 연료전지스택의 수소 공급라인에 설치되어 외부 제어신호에 따라 선택적으로 개폐되는 수소 공급 밸브를 포함하며,상기 퍼지 제어부는 상기 연료전지스택의 수소 배출라인에 설치되어 외부 제어신호에 따라 선택적으로 개폐하는 퍼지 밸브, 및 상기 연료전지스택과 상기 퍼지 밸브 사이에 설치되어 기 설정된 양의 상기 수소가 저장되는 완충 탱크를 포함하는 연료전지 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소 공급부는 상기 수소를 압축된 상태로 저장하는 수소 저장원, 및 상기 수소 공급 밸브와 상기 연료전지스택 사이에 설치되면서 상기 수소를 기 설정된 압력으로 조절하는 감압 밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
- 수소와 산소를 연료전지스택 내로 공급하고 전기화학반응에 의해 전기 에너 지를 생성하는 연료전지 발전(發電)단계;상기 연료전지스택의 후방에 위치한 퍼지 밸브를 차단 상태로 유지하며, 기 설정된 수소 퍼지 조건인지를 판단하는 수소 퍼지 판별 단계;상기 수소 퍼지 조건에서 상기 연료전지스택으로 공급되는 상기 수소의 흐름을 차단하는 수소 공급 차단 단계;상기 연료전지스택의 셀전압이 저하된 상태에서 상기 수소를 상기 연료전지스택으로 다시 공급하는 수소 공급 재개 단계; 및상기 연료전지스택과 상기 퍼지 밸브 사이에 위치한 완충 탱크에 상기 수소가 수용되고, 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 수소를 외부로 배출시키는 수소 배출 단계;를 포함하는연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 연료전지 발전단계는 상기 연료전지스택을 기동한 후 상기 연료전지스택이 기 설정된 제1 기준 전압의 전기 에너지를 생성하는 경우에 상기 퍼지 밸브를 차단 상태로 전환시키는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 수소 퍼지 판별 단계는 상기 수소 퍼지 조건으로서 상기 연료전지스택에 상기 수소를 공급한 시간이 기 설정된 시간을 경과하였는지를 판단하는 연료전 지 시스템의 수소 퍼지 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 수소 공급 재개 단계는 상기 연료전지스택이 상기 제1 기준 전압에 비해 낮은 기 설정된 제2 기준 전압 이하로 저하된 상태에서 상기 수소를 상기 연료전지스택으로 다시 공급하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 수소 배출 단계는 상기 완충 탱크에 수용되는 물이 기 설정된 수위 이상인 조건에서 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 수소를 외부로 배출시키는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 수소 배출 단계는 상기 완충 탱크에 수용되는 물이 기 설정된 수위 미만인 조건에서도 상기 연료전지스택이 상기 제1 기준 전압에 비해 낮은 전기 에너지를 생성하는 경우에 상기 퍼지 밸브를 개방하여 상기 수소를 외부로 배출시키는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 수소 배출 단계 이후에 상기 연료전지스택이 상기 제1 기준 전압 이상 으로 전기 에너지를 생성하는 경우에 상기 퍼지 밸브를 차단 상태로 전환시키는 퍼지 밸브 차단 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 퍼지 밸브 차단 단계 이후에 상기 수소가 상기 연료전지스택으로 공급되는 시간을 다시 계산하여 상기 수소 퍼지 조건인지를 판단하는 수소 퍼지 초기화 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 수소 퍼지 방법.
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