KR20110036448A - 연료전지의 공기유량 제어방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 운전시 반응수 축적으로 인한 스택 성능저하와 열화방지를 위해 공기유량을 보상 제어하는 것이다.

본 발명은 정상시동 상태에서 스택을 구성하는 다수개의 셀 중에서 최소 셀 전압과 평균 셀 전압을 측정하는 과정, 셀 전압간의 관계로부터 특정 셀의 이상여부를 판정하는 과정, 특정 셀의 이상여부에 따라 I-V 특성에 따른 공기 과급량을 결정하는 과정, 블로워를 통해 결정된 과급 공기량을 스택에 공급하여 특정 셀의 채널이나 반응면을 막고 있는 물을 불어내는 과정을 포함한다.

연료전지, 생성수, 스택, 성능저하, 반응면

Description

연료전지의 공기유량 제어방법 및 장치{METHOD FOR AIR FLOW CONTROLLING OF FUEL CELL AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지시스템의 운전시 반응수 축적으로 인한 스택(Stack) 성능저하와 열화방지를 위해 공기유량을 보상 제어하는 연료전지의 공기유량 제어방법 및 장치에 관한 것이다.

연료전지는 연료인 수소와 산화제인 산소의 화학반응에 의해 전기를 발생시키고 반응 부산물로 열과 물을 배출시킨다.

연료전지는 스택에 수소 공급이 충분하게 이루어질 때 전류밀도에 따른 적절한 공기 공급량이 실험적으로 밝혀져 있으나 운전상태의 변화, 시동 및 셧다운 조건에 따라 연료전지의 상태는 매우 유동적이다.

종래에는 수소의 공급이 충분한 상태에서 스택의 상태를 고려하지 않고 운전 온도만을 고려하여 과급비를 조절하고, 이에 따라 공기공급을 제어하였다.

그러나 이러한 공기공급의 제어는 성능이 상대적으로 떨어지는 연료전지 셀의 상태를 충분하게 고려하지 못하게 되며 반복적인 열화조건을 유발하게 되어 출력 저하를 가져오는 문제점을 발생시킨다.

연료전지는 운전 후 상온에서 방치되게 되면 고온의 운전상태에서 존재하던 수증기가 미처 외부로 배출되지 못하고, 물로 응축되어 연료전지 내부에 액상의 물로 존재하게 된다.

또한, 연료전지가 온도를 쉽게 상승시킬 수 없을 정도의 저출력 구간 운전을 지속하게 되면 연료전지 내부의 캐소우드(Cathode)측에서 생기는 생성수가 쉽게 배출되지 못하는 경우도 있다.

이렇게 생성된 액상의 물은 특정 셀의 채널이나 반응면을 막아 수소와 산소의 반응 면적을 줄이는 결과를 가져오게 되며, 반응 면적이 줄어든 셀의 성능은 다른 정상적인 셀의 성능에 비해 상대적으로 떨어지게 된다.

셀의 성능저하가 일정시간 이상 지속될 경우에는 차량의 안전을 위해 셧다운 모드로 진입하게 되고, 이러한 성능 저하 현상이 반복될 경우에 그 특정 셀은 영구적인 성능 저하를 발생시키고, 영구적인 성능 저하가 발생된 특정 셀의 성능으로 인해 전체 연료전지가 비정상적으로 운전되는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 연료전지시스템의 시동 초기 또는 저온 운전시에 액상의 생성수에 의한 스택내 특정 셀의 성능 저하를 감지하고, 현재의 운전성능에 따른 공기유량의 보상제어로 액상의 생성수를 제거하여 특정 셀의 성능저하를 미연에 방지시켜 연료전지 스택의 안정된 성능을 제공하기 위한 것이다.

또한, 고온의 정상 운전시 캐소우드에서 과도하게 생성되는 물로 인하여 발생될 수 있는 특정 셀의 성능저하를 미연에 방지하여 연료전지 스택의 안정된 성능을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 연료전지의 공기유량 제어방법은, 정상시동 상태에서 스택을 구성하는 다수개의 셀 중에서 최소 셀 전압과 평균 셀 전압을 측정하는 과정; 상기 측정된 셀 전압간의 관계로부터 특정 셀의 이상여부를 판정하는 과정; 상기 특정 셀의 이상여부에 따라 I-V 특성에 따른 공기 과급량을 결정하는 과정; 블로워를 통해 결정된 과급 공기량을 스택에 공급하여 특정 셀의 채널이나 반응면을 막고 있는 물을 불어내는 과정을 포함한다.

본 발명의 특징에 따른 연료전지의 공기유량 제어장치는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생성하는 스택, 상기 스택에 공기를 공급하는 블로워, 상기 블로워의 작동을 제어하는 블로워 제어기, 상기 스택에 공급되는 공기를 가습하는 가습기를 포함하는 연료전지시스템에 있어서,

시동 상태에서 스택을 구성하는 복수개의 셀 중에서 최소 셀 전압과 평균 셀 전압을 측정하여 셀 전압의 차이가 설정된 임계값 이상이면 최소 셀 전압을 출력하는 특정 셀이 액상 생성수에 의한 이상으로 판정하고,

스택의 I-V 특성으로부터 최소 전압에 대한 전류밀도를 산출하여 공기 과급량을 결정한 다음 스택에 공급되는 공기유량을 보정하는 연료전지 제어기를 더 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 공기유량의 보상 제어를 통해 상대적으로 반응 수 축적에 취약한 셀의 반복적인 열화 및 그에 따른 스택의 성능저하를 방지하여 안정된 성능을 제공하는 효과가 있다.

또한, 시동 초기 빈번하게 일어나는 저온 상태에서의 성능 저하로 인한 차량 셧다운 방지하고, 정상 운전 온도에 도달한 후에 캐소우드에서 발생되는 과도한 생성수에 의한 스택 성능저하를 방지하여 연료전지의 안정된 성능이 제공되는 효과가 있다.

아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 연료전지시스템은 블로워(100)와 블로워 제어기(200)와 공기유량센서(300), 가습기(400), 스택(500) 및 연료전지 제어기(600)을 포함한다.

블로워(100)는 블로워 제어기(200)의 제어에 따라 동작되어 가습기(400)에 공기를 공급한다.

블로워 제어기(200)는 연료전지 제어기(600)의 제어에 따라 블로워(100)의 작동을 제어하여 가습기(400)에 공기를 공급한다.

공기유량센서(300)는 가습기(400)에 공급되는 공기의 유량을 검출하여 그에 대한 정보를 연료전지 제어기(600)에 제공한다.

가습기(400)는 블로워(300)를 통해 공급되는 공기가 충분한 이온 전도성을 갖도록 하기 위하여 설정된 방식으로 공기를 가습하여 스택(500)에 공급한다.

스택(500)는 복수개의 셀로 구성되는 연료전지로, 전해질막을 경계로 수소와 공기(산소)의 화학반응을 통해 전기를 생성하여 도시되지 않은 부하에 전원으로 공급한다.

연료전지 제어기(600)는 스택(500)에서의 전기 생성에 필요한 제반적인 동작을 제어하며, 시동 초기 또는 저온 운전시에 스택(500)을 구성하는 복수개의 셀 중에서 최소 전압을 출력하는 최소 셀 전압과 평균 셀 전압(전체전압)을 측정하여 셀 전압의 차이가 설정된 임계값 이상이면 최소 셀 전압을 출력하는 특정 셀이 액상의 생성수에 의한 영향으로 정상적인 성능을 발휘하지 못하는 것으로 판정한다.

또한, 시동 초기 또는 저온 운전시에 스택(500)을 구성하는 복수개의 셀 중에서 최소 전압을 출력하는 최소 셀 전압과 평균 셀 전압(전체전압)을 측정하여 셀 전압의 비율이 설정된 임계값 이상이면 최소 셀 전압을 출력하는 특정 셀이 액상의 생성수에 의한 영향으로 정상적인 성능을 발휘하지 못하는 것으로 판정한다.

그리고, 연료전지의 I-V 특성으로부터 최소 전압에 대한 전류밀도를 산출하고, 전류 밀도에 따라 기 설정된 보상 메카니즘을 적용하여 공기 과급량을 결정한 다음 블로워 제어기(200)를 통해 블로워(100)의 작동을 제어하여 가습기(400)를 통해 스택(500)에 공급되는 공기량을 보정한다.

즉, 스택(500)에 정상적인 공급량 보다 많은 공기량을 공급시켜 최소 전압이 출력되는 특정 셀의 채널이나 반응면을 막고 있는 액상의 물을 불어내어 정상적인 출력 전압을 갖도록 한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에 따른 연료전지시스템에서 셀 성능 저하 방지를 위해 공기유량을 제어하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 연료전지의 성능은 도 3과 I-V 특성으로 표시할 수 있다.

연료전지의 성능은 열화가 진행되지 않은 초기에는 (2)와 같은 I-V 특성으로 전류밀도 대비 높은 전압으로 나타나지만 운전 시간이 누적되어 스택의 열화가 진행될수록 (1)의 방향으로 성능 저하가 진행되며, (7)과 같은 중기의 I-V 특성을 거쳐 말기에는 (8)과 같은 I-V 특성으로 전류밀도 대비 낮은 전압으로 나타나 연료전지 출력에 제한을 발생시키게 된다.

그러나, 이런 지속성 반복성에 의한 자연적인 성능 저하 이외에도, 연료전지 내부의 상태에 따라 일시적인 성능저하도 발생한다.

이러한 일시적인 성능저하는 운전조건 개선에 따라 방지 할 수 있으나, 반복 발생될 경우 연료전지 셀 조립체 중 특정 셀에만 반복적인 충격을 가하게 되어 결국 특정 셀의 영구적 성능저하를 유발하는 원인이 된다.

연료전지의 특성상 구성되는 수백개의 셀 중 어느 하나의 셀이라도 회복하기 힘든 성능저하가 일어날 경우 전체 스택을 운전할 수 없게 된다.

따라서, 일시적인 성능저하를 막아 줄 수 있는 제어가 필요하며, 일시적인 성능 저하는 공기 공급계, 수소 공급계, 냉각계 등의 원인에 의해 발생하므로, 본 발명에서는 공기 공급계에서 발생할 수 있는 일시적 성능저하의 누적을 방지하고자 한다.

이에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.

연료전지시스템의 정상 시동이 이루어지면 블로워 제어기(200)는 연료전지 제어기(600)의 제어에 따라 블로워(100)의 동작을 제어하여 가습기(400)를 통해 스택(500)에 설정된 공기유량을 공급하여 전기가 생성되도록 한다(S101)(S102).

상기와 같이 정상시동에 따라 스택(500)에서 전기의 생성이 진행되면 연료전기 제어기(600)는 스택(500)을 구성하는 수백개 셀에서 생성되는 각각의 셀 전압을 검출 분석하여 최소 셀 전압(최소 전압을 출력하는 셀의 전압)을 측정한다(S103).

그리고, 스택(500) 전체 전압, 바람직하게는 스택(500)을 구성하는 전체 셀의 평균 전압(평균 셀 전압)을 측정한다(S104).

이후, 상기 S103에서 측정된 최소 셀 전압과 평균 셀 전압을 비교하여 셀 전압의 차이 혹은 비율를 검출하고(S105), 검출된 셀 전압의 차이 혹은 비율이 설정된 임계값을 초과하는지 판단한다(S106).

상기 S106의 판단에서 설 전압의 차이 혹은 비율이 설정된 임계값을 초과하는 상태이면 특정 셀에 이상이 발생한 것으로 판정하고(S107), 스택(500)의 I-V 특 성에서 최소 전압 및 전류밀도를 산출한다(S108).

즉, 도 3과 같이 연료전지 성능이 (2)와 같은 초기 상태의 I-V 특성을 유지할 경우에는 (4)와 같은 운전 전류밀도에서는 (5)와 같은 평균 셀 전압의 분포를 보이게 된다.

그러나 아래 중 어느 하나의 이유로 특정 셀의 성능저하가 발생할 경우, (6)과 같은 성능을 보인다.

1. 60℃ 이상 고온 운전 후 차량 셧다운 후 상온으로 온도가 내려올 때 스택 내부에서 수증기 상태로 존재하던 물이 다 빠져나오지 못하고 액상의 물로 응축되어 특정 셀의 채널이나 반응면을 가리고 있는 상태.

2. 초기 시동시 프리히팅 및 수퍼캡 프리차지 과정에서 운전온도 포화 수증기압 대비 과도한 물의 생성으로 특정 셀의 채널이나 반응면을 가리고 있는 상태.

상기한 어느 하나의 이유로 스택(500)을 구성하는 수백개의 셀 중에서 특정 셀의 성능 저하가 발생하게 되면 스택(500) 내부에 문제가 생겼다고 판단한다.

도 3에서 (6)과 같은 셀 전압의 출력은 (3)과 같은 전류 밀도에서 가능한 성능이므로 (2)와 같은 전류 밀도의 특성을 가지고 있음에도 불구하고 성능저하가 일어난 특정 셀은 (3)과 같은 전류 밀도로 운전되고 있다고 판단한다.

이것은 캐소우드에서 생성된 생성수가 제거 및 증발되지 못하고 특정 셀의 채널이나 반응면을 가리고 있어 단위 면적당 뽑아내야 하는 전류가 높아지게 된다.

따라서, 성능저하가 발생된 특정 셀에는 단위 면적당 전류 밀도에 해당하는 공기를 공급해 주어야 하는데, 연료전지의 운전 시간에 따라 점진적, 전체적인 성 능 저하도 일어나고 있으므로 현재의 운전성능을 감지하고, 그 성능을 기준으로 공기 과급 비중을 결정한다(S109).

상기 S109에서 현재의 운전성능을 기준으로 공기 과급량이 결정되면 연료전지 제어기(600)는 블로워 제어기(200)를 통해 블로워(100)의 송풍량을 조정하여 스택(500)에 더 많은 공기유량을 과급시킨다.

따라서, 과급되는 공기유량은 특성 셀의 채널이나 반응면을 가리고 있는 물을 불어내어 외부로 배출시킴으로써 해당 셀에서의 성능 저하가 발생되지 않고 정상적인 전압이 출력되도록 한다.

상기한 과정을 통해 스택(100)내에서 생성되는 물의 안정된 배출이 이루어져 최소 셀 전압과 평균 셀 전압의 차이가 설정된 임계값 이하를 유지하게 되면 연료전지 제어기(600)는 스택(500)의 I-V 상태를 저장하고(S110), 도시되지 않은 부하에서 요구되는 전기량의 발전하는 정상제어를 실행한다(S111).

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기유량 제어절차를 도시한 흐름도이다.

도 3은 연료전지의 I-V 특성을 도시한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 블로워 200 : 블로워 제어기

300 : 공기유량센서 400 : 가습기

400 : 스택 500 : 연료전지제어기

Claims (5)

1. 정상시동 상태에서 스택을 구성하는 다수개의 셀 중에서 최소 셀 전압과 평균 셀 전압을 측정하는 과정;

   상기 측정된 셀 전압간의 관계로부터 특정 셀의 이상여부를 판정하는 과정;

   상기 특정 셀의 이상여부에 따라 I-V 특성에 따른 공기 과급량을 결정하는 과정;

   블로워를 통해 결정된 과급 공기량을 스택에 공급하여 특정 셀의 채널이나 반응면을 막고 있는 물을 불어내는 과정;

   을 포함하는 연료전지의 공기유량 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 특정 셀의 이상여부 판정은, 상기 측정된 최소 셀 전압과 평균 셀 전압의 차이를 비교하여 셀 전압의 차이가 임계값 이상이면 특정 셀의 이상으로 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기유량 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 특정 셀의 이상여부 판정은,

   상기 측정된 최소 셀 전압과 평균 셀 전압의 비율을 비교하여 셀 전압의 비율이 임계값 이상이면 특정 셀의 이상으로 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 의 공기유량 제어방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 I-V 특성에 따른 공기 과급량의 결정은 운전시간의 누적에 따라 변화되는 스택의 운전 성능을 적용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 공기유량 제어방법.
5. 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생성하는 스택, 상기 스택에 공기를 공급하는 블로워, 상기 블로워의 작동을 제어하는 블로워 제어기, 상기 스택에 공급되는 공기를 가습하는 가습기를 포함하는 연료전지시스템에 있어서,

   시동 상태에서 스택을 구성하는 복수개의 셀 중에서 최소 셀 전압과 평균 셀 전압을 측정하여 셀 전압의 차이가 설정된 임계값 이상이면 최소 셀 전압을 출력하는 특정 셀이 액상 생성수에 의한 이상으로 판정하고,

   스택의 I-V 특성으로부터 최소 전압에 대한 전류밀도를 산출하여 공기 과급량을 결정한 다음 스택에 공급되는 공기유량을 보정하는 연료전지 제어기;

   를 더 포함하는 연료전지의 공기유량 제어장치.

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