KR20100091021A - 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20100091021A
KR20100091021A KR1020090010293A KR20090010293A KR20100091021A KR 20100091021 A KR20100091021 A KR 20100091021A KR 1020090010293 A KR1020090010293 A KR 1020090010293A KR 20090010293 A KR20090010293 A KR 20090010293A KR 20100091021 A KR20100091021 A KR 20100091021A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
oxidant gas
fuel cell
gas flow
flow path
value
Prior art date
Application number
KR1020090010293A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101052914B1 (ko
Inventor
안철수
김호석
홍병선
신미남
Original Assignee
(주)퓨얼셀 파워
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)퓨얼셀 파워 filed Critical (주)퓨얼셀 파워
Priority to KR1020090010293A priority Critical patent/KR101052914B1/ko
Publication of KR20100091021A publication Critical patent/KR20100091021A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101052914B1 publication Critical patent/KR101052914B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04619—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예는 연료전지스택의 운전 중, 산화제가스유로에서 발생되는 응축수를 제거하여, 운전 안정성 및 효율성을 향상시키는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 냉각수를 이용하여 설정수준의 온도상태를 유지하면서 연료가스와 산화제가스를 이용하여 직류전력을 발생하는 연료전지스택, 상기 연료전지스택의 산화제가스유로 입력단에 연결되어 산화제가스 압력을 감지하는 압력센서, 상기 연료전지스택의 산화제가스유로 출력단에 설치되어 산화제가스 배출을 제어하는 솔레노이드밸브, 상기 산화제가스유로 출력단에 상기 솔레노이드밸브와 병렬로 제공되는 바이패스관로, 및 상기 직류전력을 교류전력으로 변환하며, 상기 연료전지스택의 운전 중, 감지한 직류전압 값과 교류전력 값을 각 설정 값과 비교하고, 상기 산화제가스 압력 값을 설정 값 범위와 비교하여, 상기 솔레노이드밸브를 폐쇄 또는 개방 제어하는 인버터를 포함한다.
Figure P1020090010293
연료전지스택, 응축수, 연료가스, 산화제가스유로, 가스확산층, 촉매층

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법 {Fuel Cell System and Method Controlling Thereof}
본 발명은 연료전지스택의 운전 중, 산화제가스유로에서 발생되는 응축수를 제거하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 시스템은 수소이온 교환특성을 갖는 고분자 전해질막을 사용한다. 고분자 전해질막은 연료가스와 산화제가스를 선택적으로 수송하여 전기화학적 반응을 일으킴으로써 전력을 발생시킨다.
예를 들면, 연료전지 시스템에 사용되는 연료전지스택은 막-전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와 세퍼레이터(separator)를 교대로 적층하며, 적층된 양 끝에 집전판을 배치하여 전력을 추출하는 구조를 가진다.
세퍼레이터는 MEA의 양면 각각에 마주하는 연료가스유로와 산화제가스유로를 가진다. 연료가스유로들 사이 및 산화제가스유로들 사이에 형성되는 냉각수유로는 냉각수를 순환시켜 세퍼레이터와 MEA로 형성되는 단위 셀을 설정된 온도 수준으로 유지시킨다.
MEA는 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막을 사이에 두고 양면에 배치되는 전극들 즉, 연료가스 측에 구비되는 애노드전극과 산화제가스 측에 구비되는 캐소드전극을 포함한다. 수소이온은 고분자 전해질막을 통하여 애노드전극 측에서 캐소드전극 측으로 이동하여 산화제가스와 반응함으로써, 산화제가스유로 내에 물을 생성한다.
산화제가스유로에 생성된 물은 산화제가스유로 내에서 응축수를 형성하므로 산화제가스의 흐름을 방해하고, 실질적으로 산화제가스유로의 일측를 형성하는 가스확산층 및 촉매층에 수분량을 증대시켜 연료가스인 수소와 산화제가스인 산소의 반응을 방해한다.
또한 산화제가스유로에 생성된 물은 산화제가스를 가습하기 위하여 캐소드전극 측에서 공급되는 수증기와 반응하여 응축수를 형성하므로 산화제가스 및 수증기의 배출을 방해한다. 따라서 연료전지스택에서 발생되는 직류전압, 직류전력에서 변환된 교류전력 및 연료전지스택의 성능이 감소한다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지스택의 운전 중, 산화제가스유로에서 발생되는 응축수를 제거하여, 운전 안정성 및 효율성을 향상시키는 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 냉각수를 이용하여 설정수 준의 온도상태를 유지하면서 연료가스와 산화제가스를 이용하여 직류전력을 발생하는 연료전지스택, 상기 연료전지스택의 산화제가스유로 입력단에 연결되어 산화제가스 압력을 감지하는 압력센서, 상기 연료전지스택의 산화제가스유로 출력단에 설치되어 산화제가스 배출을 제어하는 솔레노이드밸브, 상기 산화제가스유로 출력단에 상기 솔레노이드밸브와 병렬로 제공되는 바이패스관로, 및 상기 직류전력을 교류전력으로 변환하며, 상기 연료전지스택의 운전 중, 감지한 직류전압 값과 교류전력 값을 각 설정 값과 비교하고, 상기 산화제가스 압력 값을 설정 값 범위와 비교하여, 상기 솔레노이드밸브를 폐쇄 또는 개방 제어하는 인버터를 포함한다.
상기 압력센서는 상기 산화제가스유로 입력단과 상기 산화제가스를 공급하는 공기펌프 사이에 배치될 수 있다.
상기 산화제가스를 가습하는 가습기는 상기 압력센서와 상기 산화제가스유로 입력단 사이에 배치될 수 있다.
상기 솔레노이드밸브는 상기 산화제가스유로 출력단을 상기 가습기에 연결할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법은, 연료전지스택 출력의 직류전압 값, 교류전력 값 및 산화제가스유로 입력단에서 산화제가스의 압력 값을 감지하는 감지단계, 상기 감지단계에서 감지한 상기 직류전압 값 및 상기 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하는지를 판단하는 제1 판단단계, 상기 직류전압 값 및 상기 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하면, 산화제가스유로 출력단을 폐쇄하는 폐쇄단계, 상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하는 가를 판단하는 제2 판단단계, 및 상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하면, 산화제가스유로 출력단을 개방하는 개방단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법은, 상기 감지단계에서 상기 개방단계를 통하여 상기 산화제가스유로 출력단의 폐쇄/개방의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하는 제3 판단단계, 및 상기 반복 횟수가 설정 값과 같으면 상기 감지단계에서 상기 제3 판단단계로 한 주기를 완성하고, 상기 주기의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하고 끝내는 제4 판단단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 판단단계는, 상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에서 유지되는 유지시간이 설정 값 범위에 속하는가를 더 판단할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법은. 연료전지스택 출력의 직류전압 값, 교류전력 값 및 산화제가스유로 입력단에서 산화제가스의 압력 값을 감지하는 감지단계, 상기 감지단계에서 감지한 상기 직류전압 값 및 상기 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하는지를 판단하는 제1 판단단계, 상기 직류전압 값 및 상기 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하면, 상기 산화제가스 유량을 설정 값만큼 줄이는 유량저감단계, 상기 산화제가스 유량 감소 후, 상기 산화제가스유로 출력단을 폐쇄하는 폐쇄단계, 상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하는가를 판단하는 제2 판단단계, 및 상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하면, 산화제가스유로 출력단을 개방하는 개방단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법은, 상기 감지단계 에서 상기 개방단계를 통하여 상기 산화제가스유로 출력단의 폐쇄/개방의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하는 제3 판단단계, 상기 반복 횟수가 설정 값과 같으면 상기 산화제가스 유량을 회복시키는 유량회복단계, 및 상기 감지단계에서 상기 유량회복단계로 한 주기를 완성하고, 상기 주기의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하고 끝내는 제4 판단단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 산화제가스유로의 입력단에 압력센서를, 출력단에 솔레노이드밸브를 각각 설치하여, 압력센서의 감지신호에 따라 솔레노이드밸브의 폐쇄/개방 작동을 반복적으로 수행하므로 산화제가스유로에서 발생되는 물 및 응축수를 제거하는 효과가 있다. 따라서 연료전지스택의 운전 안정성 및 효율성이 향상된다. 즉 연료전지스택의 산화제가스유로의 일측를 형성하는 가스확산층과 촉매층 및 산화제가스유로에 연결되는 배관라인에 발생되는 물 및 응축수를 제거함으로써, 가스확산층의 발수력 저하가 줄어들고, 촉매층의 촉매 작용 및 연료전지스택의 성능이 유지된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요 소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도1을 참조하면, 연료전지 시스템(100)은 냉각수를 이용하여 설정수준의 온도상태를 유지하면서 연료가스와 산화제가스를 이용하여 직류전력을 발생하는 연료전지스택(10)을 포함한다.
연료전지스택(10)에는 연료가스와 산화제가스 및 냉각수가 각각 공급 및 배출된다. 연료가스는 수소를 포함한다. 일례로서, 연료전지스택(10)에 수소 가스가 직접 공급될 수 있고, 탄화수소계열의 연료에서 치환된 수소 가스가 공급될 수도 있다.
본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 연료전지스택(10)의 연료가스유로(도2참조, 141)에 배관라인(11)으로 연결되는 개질기(20)를 포함한다. 개질기(20)는 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시켜서 연료전지스택(10)에 공급한다.
개질기(20)는 공지의 구성을 적용할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다. 개략적으로 설명하면, 개질기(20)는 연료, 물 및 공기를 공급받아서 수소 가스를 생성하여 배관라인(11)을 통하여 연료전지스택(10)에 공급하고, 연료전지스택(10)에서 반응된 가스를 배출한다.
본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 연료전지스택(10)의 산화제가스유로(도2 참조, 151)에 배관라인(12)으로 연결되는 공기펌프(30)를 포함한다. 공기펌프(30)는 산화제가스를, 일례로서, 산소를 포함하는 공기를 연료전지스택(10)에 공 급한다.
개질기(20)에서 공급되는 개질가스, 즉 수소를 포함하는 연료가스와 공기펌프(30)에서 공급되는 공기, 즉 산소를 포함하는 산화제가스는 연료전지스택(10)에서 서로 전기화학적 반응을 일으키면서 전력을 발생시킨다. 이때, 연료전지스택(10)에서는 열이 발생된다.
본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 연료전지스택(10)에 냉각수를 공급하여 연료전지스택(10)의 온도를 설정수준으로 유지하는 냉각기(미도시)를 포함한다. 냉각기는 공지의 구성을 적용할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다. 다만, 냉각기에 대한 구성은 도1에 도시된 바와 같이, 연료전지스택(10)의 일측에 냉각수가 공급되고 다른 일측에 연료전지스택(10)의 열을 흡수한 냉각수가 배출되는 정도로 개시된다.
가습기(40)는 산화제가스를 공급하는 배관라인(12)에 설치되어 공기펌프(30)에서 공급되는 공기에 습기를 가함으로써 가습된 공기, 즉 가습된 산화제가스가 연료전지스택(10)의 산화제가스유로로 공급되게 한다.
가습기(40)는 연료전지스택(10)에서 배출되는 산화제가스의 폐열을 이용하여 가습 작용한다. 열교환기(50)는 가습기(40)에 연결되어 산화제가스의 폐열을 회수한다. 수분리기(60)는 열교환기(50)에 연결되어 열교환기(50)에서 응축된 응축수를 회수한다.
본 실시예의 연료전지 시스템(100)은 연료가스와 산화제가스를 이용하여 연료전지스택(10)에서 발생된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터(70)를 더 포 함한다. 또한 인버터(70)는 연료전지스택(10)에 연결되어 연료전지스택(10) 운전시, 발생되는 직류전압, 직류전력를 감지하며 직류전력을 교류전력으로 변환하여 각각의 값들을 설정 값과 비교한다.
도2는 도1의 연료전지스택에서 단위 셀의 부분 단면도이다. 도2를 참조하여, 직류전압의 직류전력을 발생시키는 연료전지스택(10)의 구조를 단위 셀을 예로 들어 설명한다.
즉 연료전지스택(10)은 MEA(13)와 MEA(13)의 양면에 제공되는 한 쌍의 세퍼레이터(14, 15)를 포함한다. MEA(13)는 수소이온만을 선택적으로 통과시키는 고분자 전해질막(133), 그 양쪽에 각각 형성된 한 쌍의 애노드전극(131)과 캐소드전극(132)을 포함한다. 연료가스 측 세퍼레이터(14)는 연료가스를 공급하는 연료가스유로(141)를 형성한다. 산화제가스 측 세퍼레이터(15)는 산화제가스를 공급하는 산화제가스유로(151)를 형성한다.
MEA(13)에서, 연료가스유로(141) 측의 애노드전극(131) 외측에, 가스확산층(161)이 형성되어 연료가스를 촉매층(171)으로 이동시키고 반응 부산물인 물을 배출한다. 산화제가스유로(151) 측의 캐소드전극(132) 외측에, 가스확산층(162)이 형성되어 연료가스를 촉매층(172)으로 이동시키고 반응 부산물인 물을 배출한다. 즉 가스확산층(161, 162)은 다공성 물질로 형성되어, 애노드전극(131) 측 세퍼레이터(14)에 형성된 연료가스유로(141)로부터 전달되는 수소함유 연료가스를 애노드전극(131)으로 공급하고, 캐소드전극(132) 측 세퍼레이터(15)에 형성된 산화제가스유로(151)로부터 공급되는 산소함유 산화제가스를 캐소드전극(132)으로 공급한다.
또한, 애노드전극(131) 측 세퍼레이터(14) 및 캐소드전극(132) 측 세퍼레이터(15)는 MEA(13)의 반대측에 냉각수유로(142, 152)를 각각 구비하여, 냉각수의 순환을 가능케 하므로 전력 발생시 발생되는 열을 회수할 수 있게 한다.
한편, 제1 실시예의 연료전지 시스템(100)은 산화제가스유로(151)에 연결된 배관라인(12)에 설치되고 인버터(70)에 전기적으로 연결되는 압력센서(18) 및 솔레노이드밸브(19)를 포함한다.
압력센서(18)는 연료전지스택(10)의 산화제가스유로(151) 입력단에 설치되어, 공기펌프(30)에서 배관라인(12)을 통하여 연료전지스택(10)의 산화제가스유로(151)로 공급되는 공기, 즉 산화제가스의 압력을 감지한다. 솔레노이드밸브(19)는 연료전지스택(10)의 산화제가스유로(151) 출력단에 설치되어, 연료전지스택(10) 내부의 압력을 조절하면서 내부 응축수를 배출한다.
압력센서(18) 및 솔레노이드밸브(19)는 연료전지스택(10) 운전 중, 산화제가스유로(151) 및 이에 연결되는 배관라인(12)에서 발생되는 물 및 응축수를 제거하여 연료전지스택(10)의 운전 안정성 및 효율성을 향상시킬 수 있게 한다.
또한 산화제가스유로(151) 출력단에는 바이패스관로(191)가 솔레노이드밸브(19)와 병렬로 제공된다. 바이패스관로(191)는 솔레노이드밸브(19)가 폐쇄된 상태에서도 연료전지스택(10) 내부에서 반응한 산화제가스를 산화제가스유로(151)로부터 배출하여, 산화제가스의 공급을 가능케 함으로써 연료전지스택(10)의 정상적인 운전을 보장한다. 솔레노이드밸브(19) 및 바이패스관로(191)는 연료전지스택(10)의 하부에 형성되는 출력단에 연결된 배관라인(12)에 설치되므로 산화제가스 의 하방 흐름을 구현한다.
도3은 도1의 연료전지 시스템을 이용하는 본 발명의 제1 실시예에 따를 연료전지 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다. 도3을 참조하여, 연료전지 시스템(100)의 제어방법에 대하여 설명한다.
제1 실시예의 연료전지 시스템 제어방법은 감지단계(ST10), 제1 판단단계(ST20), 폐쇄단계(ST30), 제2 판단단계(ST40) 및 개방단계(ST50)를 포함한다.
감지단계(ST10)는 연료전지스택(10)의 운전으로 출력되는 직류전압 값, 직류전력 값을 변환한 교류전력 값 및 압력센서(18)에 의한 산화제가스유로(151) 입력단의 산화제가스 압력 값을 감지한다.
제1 판단단계(ST20)는 감지단계(ST10)에서 감지한 직류전압 값, 변환한 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하는지를 판단한다. 예를 들면, 설정 값은, 직류전압 값이 0 내지 50V이고, 교류전력이 0 내지 990W를 포함하며, 연료전지 시스템(100)의 조건에 따라 변경될 수 있다.
폐쇄단계(ST30)는 제1 판단단계(ST20)에서, 직류전압 값 및 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소한 것으로 판단되면, 솔레노이드밸브(19)를 폐쇄 제어하여, 산화제가스유로(151)의 출력단을 폐쇄한다. 즉 산화제가스유로(151) 또는 배관라인(12)에 물 및 응축수가 많이 생겨 연료전지스택(10)의 성능이 저하되는 것으로 판단하고, 변환기(70)는 응축수를 배출하기 위한 준비를 한다.
제2 판단단계(ST40)는 압력센서(18)의 감지신호에 의하여, 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하는가를 판단한다. 예를 들면, 산화제가스의 압력에 대 한 설정 값은 18 내지 21kPA을 포함한다. 솔레노이드밸브(19)의 폐쇄로 인하여 산화제가스유로(151) 및 배관라인(12)의 압력이 상승하게 되는데, 압력 상승은 연료전지스택(10)의 안전 범위 내에서 진행되어야 하므로 인버터(70)는 감지한 압력 값과 설정 값을 비교한다.
개방단계(ST50)는 감지한 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하면, 솔레노이드밸브(19)를 개방 제어하여, 산화제가스유로(151)의 출력단을 개방한다. 즉 산화제가스유로(151) 및 배관라인(12)에 생성된 응측수는 고압의 연료전지스택(10) 내부에서 솔레노이드밸브(19)를 통하여 배출된다.
또한 본 실시예의 연료전지 시스템 제어방법은 제3 판단단계(ST60) 및 제4 판단단계(ST70을 더 포함할 수 있다. 보다 효과적인 제어를 위하여, 제1 실시예의 연료전지 시스템 제어방법은 감지단계(ST10)에서 개방단계(ST50)를 통하여 제어되는 산화제가스유로(151)의 출력단을 폐쇄 및 개방 작동을 반복적으로 수행한다.
제3 판단단계(ST60)는 이와 같이 솔레노이드밸브(19)를 폐쇄 및 개방하는 제어의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단한다. 예를 들면, 반복 횟수는 2 내지 5회를 포함한다. 반복 횟수가 설정 값과 같으면, 산화제가스유로(151) 및 배관라인(12)의 물 및 응축수를 일정 양 배출한 것으로 판단한다.
더욱 효과적인 제어를 위하여, 제1 실시예의 연료전지 시스템 제어방법은 감지단계(ST10)에서 제3 판단단계(ST60)를 통하여 제어되는 산화제가스유로(151)의 출력단을 폐쇄 및 개방 작동을 반복적으로 수행한 것을 한 주기로 정의하고, 이 주기를 또 반복적으로 수행한다.
제4 판단단계(ST70)는 주기의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하고, 주기의 반복 횟수가 설정 값과 같으면, 솔레노이드밸브(19)의 폐쇄 및 개방 제어를 끝낸다. 예를 들면, 주기를 반복하는 주기 간격은 12시간 이내 범위에서 선택적으로 적용될 수 있다.
이와 같이, 감지단계(ST10)에서 개방단계(ST50)를 통하여 산화제가스유로(151) 및 배관라인(12)에 생성된 응측수를 압력 차이를 이용하여 배출하고, 솔레노이드밸브(19)의 폐쇄 및 개방을 반복적으로 수행하며, 이러한 반복적 수행을 한 주기로 하여 이 주기를 반복적으로 수행하므로, 응축수의 배출은 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 산화제가스유로(151) 및 이에 연결되는 배관라인(12)에서 발생되는 물 및 응축수를 제거하므로 산화제가스유로(151) 측에 형성되는 가스확산층(162) 및 촉매층(172)의 수분 및 응축수를 제거한다. 따라서 가스확산층(162)의 발수성 저하가 줄어들고, 촉매층(172)의 촉매 활성이 유지된다. 즉 연료전지스택(10)은 안정적으로 운전되어 고효율 및 고성능을 유지한다.
도4는 도1의 연료전지 시스템을 이용하는 본 발명의 제2 실시예에 따를 연료전지 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다. 제2 실시예의 제어방법을 제1 실시예의 제어방법과 비교하여, 서로 다른 부분에 대하여 설명한다.
도4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법에서, 제2 판단단계(ST240)는 압력센서(18)의 감지신호에 의하여, 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하며, 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에서 유지되는 유지시간이 설정 값 범위에 속하는 가를 판단한다. 예를 들면, 산화제가스의 압력에 대한 설정 값은 18 내지 21kPA을 포함하고, 이 설정 값 범위에서 유지되는 유지시간의 설정 값은 1 내지 5분을 포함한다.
제2 실시예의 제2 판단단계(ST240)는 산화제가스 압력에 대한 감지한 압력 값과 설정 값을 비교하고, 이에 더하여, 산화제가스 압력의 설정 값 범위 내에서 유지되는 시간을 추가로 더 판단하여, 연료전지 시스템(200)의 안정성을 더 향상시킨다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 제2 실시예의 연료전지 시스템(200)을 제1 실시예의 연료전지 시스템(100)과 비교하여, 서로 다른 부분에 대하여 설명한다.
도5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 제1 실시예의 연료전지 시스템(100)에서 바이패스배관(191)를 제거한 구성과 동일하다. 따라서 연료전지스택(10)의 산화제가스유로(151)의 출력단에는 솔레노이드밸브(19)가 설치된다. 산화제가스유로(151) 및 배관라인(12)에 생성되는 물 및 응축수는 솔레노이드밸브(19)를 통하여 배출된다.
도6은 도5의 연료전지 시스템을 이용하는 본 발명의 제3 실시예에 따를 연료전지 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다. 도6을 참조하면, 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법은 제1 실시예의 연료전지 시스템 제어방법에 비하여, 제1 판단단계(ST20)와 폐쇄단계(ST230) 사이에 유량저감단계(ST21)를 더 포함한다.
유량저감단계(ST21)는 직류전압 값 및 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하면, 산화제가스 유량을 설정 값만큼 줄인다. 산화제가스 유량을 줄이는 방법은 솔레노이드밸브(19)의 폐쇄량을 조절하거나 공기펌프(30)에서 공급되는 산화제가스 양을 줄이는 방법으로 가능하다. 유량저감단계(ST21)는 솔레노이드밸브(19)를 폐쇄하기 전에 먼저 유량을 감소하여 솔레노이드밸브(19)의 폐쇄에 따라 산화제가스 양이 급격하게 줄어드는 것을 방지한다.
폐쇄단계(ST230)은 산화제가스 유량 감소 후, 솔레노이드밸브(19)를 폐쇄하여 산화제가스유로(151) 출력단을 폐쇄한다.
제3 실시예에 따른 연료전지 시스템 제어방법은 제1 실시예의 연료전지 시스템 제어방법에 비하여, 제3 판단단계(ST60)와 제4 판단단계(ST270) 사이에 유량회복단계(ST61)를 더 포함한다.
유량회복단계(ST61)는 반복 횟수가 설정 값과 같으면 산화제가스 유량을 회복시킨다. 산화제가스 유량을 회복하는 방법은 솔레노이드밸브(19)의 개방량을 조절하거나 공기펌프(30)에서 공급되는 산화제가스 양을 늘리는 방법으로 가능하다. 유량회복단계(ST61)는 솔레노이드밸브(19)를 개방하기 전에 먼저 유량을 회복하여 솔레노이드밸브(19)의 개방에 따라 산화제가스 양이 급격하게 증가하는 것을 방지한다.
제3 실시예의 연료전지 시스템 제어방법은 감지단계(ST10)에서 유량회복단계(ST61)를 통하여 산화제가스유로(151)의 출력단을 폐쇄 및 개방을 반복적으로 수행한 것을 한 주기로 하고, 이 주기를 또 반복적으로 수행하게 된다.
제4 판단단계(ST270)는 주기의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하고, 주기의 반복 횟수가 설정 값과 같으면, 솔레노이드밸브(19)의 폐쇄 및 개방 제어를 끝낸다.
이상을 통해 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 것은 당연하다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도2는 도1의 연료전지스택에서 단위 셀의 부분 단면도이다.
도3은 도1의 연료전지 시스템을 이용하는 본 발명의 제1 실시예에 따를 연료전지 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도4는 도1의 연료전지 시스템을 이용하는 본 발명의 제2 실시예에 따를 연료전지 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도6은 도5의 연료전지 시스템을 이용하는 본 발명의 제3 실시예에 따를 연료전지 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 연료전지 시스템 10 : 연료전지스택
20 : 개질기 30 : 공기펌프
40 : 가습기 50 : 열교환기
60 : 수분리기 70 : 인버터
11, 12 : 배관라인 13 : MEA
131 : 애노드전극 132 : 캐소드전극
133 : 고분자 전해질막 14, 15 : 세퍼레이터
141 : 연료가스유로 142, 152 : 냉각수유로
151 : 산화제가스유로 161, 162 : 가스확산층
171, 172 : 촉매층 18 : 압력센서
19 : 솔레노이드밸브 191 : 바이패스관로

Claims (9)

  1. 냉각수를 이용하여 설정수준의 온도상태를 유지하면서 연료가스와 산화제가스를 이용하여 직류전력을 발생하는 연료전지스택;
    상기 연료전지스택의 산화제가스유로 입력단에 연결되어 산화제가스 압력을 감지하는 압력센서;
    상기 연료전지스택의 산화제가스유로 출력단에 설치되어 산화제가스 배출을 제어하는 솔레노이드밸브;
    상기 산화제가스유로 출력단에 상기 솔레노이드밸브와 병렬로 제공되는 바이패스관로; 및
    상기 직류전력을 교류전력으로 변환하며, 상기 연료전지스택의 운전 중, 감지한 직류전압 값과 교류전력 값을 각 설정 값과 비교하고, 상기 산화제가스 압력 값을 설정 값 범위와 비교하여, 상기 솔레노이드밸브를 폐쇄 또는 개방 제어하는 인버터를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 압력센서는 상기 산화제가스유로 입력단과 상기 산화제가스를 공급하는 공기펌프 사이에 배치되는 연료전지 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 산화제가스를 가습하는 가습기는 상기 압력센서와 상기 산화제가스유로 입력단 사이에 배치되는 연료전지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 솔레노이드밸브는 상기 산화제가스유로 출력단을 상기 가습기에 연결하는 연료전지 시스템.
  5. 연료전지스택 출력의 직류전압 값, 교류전력 값 및 산화제가스유로 입력단에서 산화제가스의 압력 값을 감지하는 감지단계;
    상기 감지단계에서 감지한 상기 직류전압 값 및 상기 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하는지를 판단하는 제1 판단단계;
    상기 직류전압 값 및 상기 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하면, 산화제가스유로 출력단을 폐쇄하는 폐쇄단계;
    상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하는가를 판단하는 제2 판단단계; 및
    상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하면, 산화제가스유로 출력단을 개방하는 개방단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 감지단계에서 상기 개방단계를 통하여 상기 산화제가스유로 출력단의 폐쇄/개방의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하는 제3 판단단계; 및
    상기 반복 횟수가 설정 값과 같으면 상기 감지단계에서 상기 제3 판단단계로 한 주기를 완성하고, 상기 주기의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하고 끝내는 제4 판단단계를 더 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 판단단계는,
    상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에서 유지되는 유지시간이 설정 값 범위에 속하는가를 더 판단하는 연료전지 시스템 제어방법.
  8. 연료전지스택 출력의 직류전압 값, 교류전력 값 및 산화제가스유로 입력단에서 산화제가스의 압력 값을 감지하는 감지단계;
    상기 감지단계에서 감지한 상기 직류전압 값 및 상기 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하는지를 판단하는 제1 판단단계;
    상기 직류전압 값 및 상기 교류전력 값이 각각 설정 값 이하로 감소하면, 상기 산화제가스 유량을 설정 값만큼 줄이는 유량저감단계;
    상기 산화제가스 유량 감소 후, 기 산화제가스유로 출력단을 폐쇄하는 폐쇄단계;
    상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하는가를 판단하는 제2 판단단계; 및
    상기 산화제가스의 압력 값이 설정 값 범위에 속하면, 산화제가스유로 출력단을 개방하는 개방단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 감지단계에서 상기 개방단계를 통하여 상기 산화제가스유로 출력단의 폐쇄/개방의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하는 제3 판단단계;
    상기 반복 횟수가 설정 값과 같으면 상기 산화제가스 유량을 회복시키는 유량회복단계; 및
    상기 감지단계에서 상기 유량회복단계로 한 주기를 완성하고, 상기 주기의 반복 횟수가 설정 값과 같은가를 판단하고 끝내는 제4 판단단계를 더 포함하는 연료전지 시스템 제어방법.
KR1020090010293A 2009-02-09 2009-02-09 연료전지 시스템 및 그 제어방법 KR101052914B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090010293A KR101052914B1 (ko) 2009-02-09 2009-02-09 연료전지 시스템 및 그 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090010293A KR101052914B1 (ko) 2009-02-09 2009-02-09 연료전지 시스템 및 그 제어방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100091021A true KR20100091021A (ko) 2010-08-18
KR101052914B1 KR101052914B1 (ko) 2011-07-29

Family

ID=42756379

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090010293A KR101052914B1 (ko) 2009-02-09 2009-02-09 연료전지 시스템 및 그 제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101052914B1 (ko)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005251576A (ja) * 2004-03-04 2005-09-15 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよびこれを搭載する移動体
JP2007280676A (ja) * 2006-04-04 2007-10-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008171746A (ja) * 2007-01-15 2008-07-24 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2008181768A (ja) * 2007-01-25 2008-08-07 Equos Research Co Ltd 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
KR101052914B1 (ko) 2011-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4468994B2 (ja) 燃料電池システム
US20070087233A1 (en) System and method of controlling fuel cell shutdown
EP1276163B1 (en) Solid polymer fuel cell
US8956775B2 (en) Fuel cell system and method of detecting abnormality of fuel cell system
JP5596758B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
US9147896B2 (en) Fuel cell system comprising an anode pressure controller
WO2005071781A1 (ja) 燃料電池システム
KR20200055345A (ko) 연료전지 시스템 및 그 제어방법
CN107004876B (zh) 用于断开燃料电池堆叠的方法以及燃料电池系统
WO2005108851A1 (ja) 燃料ガス貯蔵供給装置
JP2006310109A (ja) 燃料電池発電システム
JP5092418B2 (ja) 燃料電池システム
US20100221620A1 (en) Fuel cell system and operation method thereof
JP4946087B2 (ja) 燃料電池システム
JP4542911B2 (ja) 燃料電池システムの掃気処理装置及び掃気処理方法
JP5241187B2 (ja) 燃料電池システム
JP4727642B2 (ja) 水素製造発電システムの運転方法
JP5109284B2 (ja) 燃料電池システム
KR101052914B1 (ko) 연료전지 시스템 및 그 제어방법
JP2006172935A (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
JP2010192292A (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
JP2021166151A (ja) 燃料電池システム
KR101558355B1 (ko) 연료 전지의 응축수 및 불순물 배출 방법
JP2008176986A (ja) 燃料電池および燃料電池システム
JP2009134977A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140707

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150724

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160725

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170725

Year of fee payment: 7