KR20110110715A - 연료 전지 시스템의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동방법은, 연료 탱크로부터 연료 공급이 없는 상태에서 연료전지 스택에서 전력을 생성하고, 상기 전력의 출력 전류가 증가하도록 상기 전력의 출력 전압을 목표 전압까지 감소시키고, 상기 출력 전류의 증가율을 측정하고, 상기 출력 전류의 증가율이 목표 증가율보다 낮을 때 상기 연료전지 스택으로 연료의 공급을 개시하고, 그리고 목표 전류 수준으로 상기 출력 전류를 유지하도록 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템의 구동 방법{OPERATING METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템의 구동 방법 및 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료와 산화제를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료 전지의 산화제로는 순수 산소(또는 산소가 다량 함유되어 있는 공기)를 이용하며, 연료로는 순수 수소(또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질 하여 생성된 수소가 다량 함유된 연료)를 사용한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 측면은 농도 센서 없이 용이하게(또는 안정적으로) 연료전지 스택으로 연료를 공급할 수 있는 연료 전지 스택의 구동 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동방법은, 연료 탱크로부터 연료 공급이 없는 상태에서 연료전지 스택에서 전력을 생성하고, 상기 전력의 출력 전류가 증가하도록 상기 전력의 출력 전압을 목표 전압까지 감소시키고, 상기 출력 전류의 증가율을 측정하고, 상기 출력 전류의 증가율이 목표 증가율보다 낮을 때 상기 연료전지 스택으로 연료의 공급을 개시하고, 그리고 목표 전류 수준으로 상기 출력 전류를 유지하도록 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 전력을 생성하는 단계는, 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전력의 상기 출력 전압이 개방 회로 전압 수준으로 안정화될 때까지 상기 연료전지 스택을 구동하는 것을 포함할 수 있다. 상기 전력의 출력 전압을 감소시키는 단계에서, 상기 출력 전압은 상기 목표 전압에 도달할 때까지 감소시킬 수 있다.
상기 목표 증가율은 0 A/s 보다 더 크지 않도록 설정되며, 상기 목표 증가율은 -0.5 A/s 내지 0 A/s 의 범위에 속하도록 설정될 수 있다. 상기 출력 전압은 상기 목표 전압으로 유지될 수 있다.
상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 단계는, 제1 기간 동안 상기 연료를 공급하고, 제2 기간 동안 상기 연료의 공급을 중단하는 단계를 포함한다. 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 단계는, 상기 연료를 상기 연료 탱크로부터 혼합기로 공급하도록 연료 펌프를 구동하는 것을 포함할 수 있다. 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 단계는, 상기 혼합기에서, 상기 연료 탱크로부터 공급된 상기 연료와 물을 혼합하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 연료 펌프는 비례(proportional) 제어기, 비례적분(proportional-integral, PI) 제어기, 비례적분미분(proportional-integral-derivative, PID) 제어기로 이루어지는 군에서 선택된 제어기에 의해 제어될 수 있다.
상기 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동방법은, 상기 목표 전압으로 상기 출력 전압을 유지하고, 상기 연료전지 스택에서 온도를 측정하고, 상기 측정된 온도가 한계 온도보다 더 클 때 상기 목표 전압을 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 목표 전압을 감소시키는 단계는, 상기 감소된 목표 전압에서 상기 출력 전압을 유지하도록 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 상기 한계 온도는 기준 운전 온도보다 2% 내지 10% 더 높게 설정될 수 있다.
상기 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동방법은, 상기 목표 전압으로 상기 출력 전압을 유지하고, 상기 연료전지 스택을 냉각하도록 구성된 냉각팬으로 공급되는 구동 전력을 측정하고, 상기 측정된 구동 전력이 한계 구동 전력보다 더 높을 때 상기 목표 전압을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 한계 구동 전력은 기준 구동 전력보다 5% 내지 20% 더 크게 설정되며, 상기 기준 구동 전력은 상기 냉각팬의 최대 사용 전력의 70%로 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 시스템은, 연료 탱크로부터 연료 공급이 없는 상태에서 연료전지 스택에서 전력을 생성하는 수단; 상기 전력의 출력 전류가 증가하도록 상기 전력의 출력 전압을 목표 전압까지 감소시키는 수단; 상기 출력 전류의 증가율을 측정하는 수단; 상기 출력 전류의 증가율이 목표 증가율보다 낮을 때 상기 연료전지 스택으로 연료의 공급을 개시하는 수단; 및 목표 전류 수준으로 상기 출력 전류를 유지하도록 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 수단을 포함한다.
상기 연료전시 스택에서의 상기 연료 농도를 제어하는 수단은, 제1 기간 동안 상기 연료를 공급하는 수단; 및 상기 제2 기간 동안 상기 연료의 공급을 중단하는 수단을 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택에서의 상기 연료 농도를 제어하는 수단은, 상기 목표 전압으로 상기 출력을 유지하는 수단; 상기 연료전지 스택에서 온도를 측정하는 수단; 및 상기 측정된 온도가 한계 온도보다 더 클 때 상기 목표 전압을 감소시키는 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구동 시스템은, 연료 탱크로부터 연료 공급이 없는 상태에서 전력을 생성하도록 구성된 연료전지 스택; 상기 전력의 출력 전류가 증가하도록 상기 전력의 출력 전압을 목표 전압까지 감소시키고, 상기 출력 전류의 증가율을 측정하도록 구성된 주변기기; 및 상기 출력 전류의 증가율이 목표 증가율보다 낮을 때 상기 연료전지 스택으로 연료의 공급을 개시하고, 목표 전류 수준으로 상기 출력 전류를 유지하도록 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다.
상기와 같이 본 발명에 따르면 저항체들과 펌프를 이용하여 압력의 변화에 관계없이 정밀한 유량의 연료를 연료 전지 스택으로 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 도 2에 나타난 연료 전지 시스템의 구동 방법에 따를 경우 시간에 따른 전압 및 전류 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 따른 스택의 전압, 전류, 전력량, 연료 농도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 따른 스택의 전류와 연료 농도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 따른 스택 온도와 애노드 온도, 및 외부 온도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법으로 운전을 재개시할 때, 스택의 전력, 전압, 전류, 연료 농도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법으로 운전을 재개시할 때 스택의 전류와 연료 농도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
연료 전지 시스템에서 균일한 양의 연료를 공급하는 것은 중요하다. 20W급 직접 메탄올형 연료 전지 시스템의 경우, 0.03cc/min의 유량이 변화하면 약 10%의 연료 효율 차이가 발생한다. 이러한 유량의 변화는 운전 농도, 운전 온도, 및 운전 압력 등의 운전 상태 변화를 유발하여 연료 전지 스택의 안정성을 저하시키고 수명을 감소시키는 원인이 된다.
미세 유량 제어를 위한 가장 보편적인 방법은 정밀 농도 센서 및 고정밀 펌프를 사용하는 것이다.
그러나 정밀 농도 센서는 온도가 변화하면 농도를 정밀하게 측정할 수 없는 문제가 있다. 온도에 따라 농도 센서를 보정하는 방법이 있으나, 연료 전지 스택에서 발생하는 열에 의하여 온도 센서가 영향을 받으므로 주변 온도에 따라 정확하게 보정하기 어려운 문제가 있다.
또한, 연료 전지 시스템을 장시간 사용하는 경우, 정밀 농도 센서는 영점이 변화하여 농도 측정에 오차가 발생하는 문제가 있다.
또한, 저유량 고정밀 펌프의 경우, 이물질의 유입에 취약하고 장시간 사용시 성능의 저하가 심하여 내구성이 약한 문제가 있다. 저유량 고정밀 펌프는 통상적으로 실험실에서 사용하기 위해 제조된 것으로서, 이물질이 많은 연료를 오랜 시간 공급하는 곳에 사용되기에는 내구성이 취약한 문제가 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템 개략적으로 도시한 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(101)은 메탄올과 산소의 직접적인 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell) 방식을 채용할 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 산소와 반응시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다. 또한, 연료를 수소가 풍부한 개질가스로 개질하고 상기 개질가스를 산화시켜 전기를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC)로 이루어질 수도 있다.
이러한 연료 전지 시스템(101)에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 포함한다.
그리고 본 연료 전지 시스템(101)은 수소와 반응하는 산화제로서 공기를 사용할 수 있으며, 별도의 저장 수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수도 있다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(101)은 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료 전지 스택(30)과 연료 전지 스택(30)으로 연료를 공급하는 연료 탱크(12)와, 전기 생성을 위한 산화제를 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 산화제 펌프(21), 및 연료 전지 스택(30)과 연료 탱크(12) 사이에 설치된 혼합기(16)를 포함한다.
연료 탱크(12)에는 제1 연료 펌프(14)가 연결 설치되어 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(12)에 저장된 액상의 연료를 연료 탱크(12)의 내부로부터 배출시킨다. 본 실시예에서 연료 탱크(12)에 저장된 연료는 메탄올로 이루어질 수 있다. 한편, 산화제 펌프(21)는 공기를 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 역할을 한다.
혼합기(16)는 연료 탱크(12)에서 공급된 연료와 상기 연료전지로부터 회수관을 통해 회수된 물을 혼합하여 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 역할을 한다. 혼합기(16)와 연료 전지 스택(30) 사이에는 혼합기(16)에 저장된 연료를 연료 전지 스택(30)으로 공급하는 제2 연료 펌프(18)가 설치된다.
연료 전지 스택(30)은 연료와 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부들(35)을 구비한다.
각각의 전기 생성부(35)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 포함하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전해 집합체(Membrane Electrode assembly: MEA)(31) 및, 연료와 산화제를 막-전극 집합체(31)로 공급하기 위한 세퍼레이터(당 업계에서는 바이폴라 플레이트라고도 한다.) (32, 33)를 포함한다.
전기 생성부(35)는 막-전극 집합체(31)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(32, 33)가 각각 배치된 구조를 갖는다. 세퍼레이터(32, 33)는 막-전극 집합체(31)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 집합체(31)의 양측에 각각 연료통로와 공기통로를 형성한다. 이 때 연료통로는 막-전극 집합체(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 공기통로는 막-전극 집합체(31)의 캐소드 전극 측에 배치된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시켜, 캐소드 전극의 산소와 반응하여 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다
이로써 상기 애노드 전극에서는 산화 반응을 통해 수소를 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해한다. 그리고 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동되고, 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 세퍼레이터(33)를 통해 이웃하는 막-전극 집합체(31)의 캐소드 전극으로 이동되는데 이 때 전자의 흐름으로 전류를 발생시킨다. 또한 캐소드 전극에서는 이동된 프로톤 및 전자와 산소의 환원 반응을 통해 수분이 생성된다.
본 연료 전지 시스템(101)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(35)가 연속적으로 배치됨으로써 연료 전지 스택(30)을 구성하게 된다. 연료 전지 스택(30)의 일측에는 연료 전지 스택(30)의 냉각을 위한 냉각팬(36)이 설치된다. 연료 전지 스택(30)의 발전 중에는 많은 열이 발생하는 바, 냉각팬(36)을 연료 전지 스택(30)으로 공기를 공급하여 연료 전지 스택(30)의 온도를 낮추는 역할을 한다.
본 실시예에 따른 연료 전지 스택(30)은 용량인 작은 30w급 연료 전지 스택(30)으로 이루어진 것을 예로서 설명한다. 다만 이는 예시적인 것이며 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
연료 전지 스택에는 주변기기(50)와 부하(62)가 전기적으로 연결 설치된다. 주변기기(50)는 전압 센서(52)와 전류 센서(53), 및 컨버터(51)를 포함한다. 전압 센서(52)는 연료 전지 스택(30)의 전압(즉, 출력 전압)을 측정하며, 전류 센서(53)는 연료 전지 스택의 전류(즉, 출력 전류)를 측정한다. 또한, 컨버터(51)는 연료 전지 스택(30)에서 생성된 전력의 출력 전압과 출력 전류를 부하에서 사용할 수 있도록 보정하는 역할을 한다. 컨버터(51)는 부하(62)와 연결되어 부하(62)에 전력을 공급한다. 상기 연료전지 시스템(101)은 상기 측정된 전압과 전류에 따라 상기 제1 연료 펌프(14)의 구동을 제어하는 제어기(40)를 또한 포함한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 도 2에 나타난 연료 전지 시스템의 구동 방법에 따를 경우 시간에 따른 전압 및 전류 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 대하여 살펴본다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(101)의 구동 방법은 연료 공급 없는 운전 개시 단계(S101)와 전압 감소 단계(S102)와 전류 증가율 측정 단계(S103)와 연료 공급 개시 단계(S104), 및 전류 추종 연료 공급 단계(S105)를 포함한다.
연료 공급 없는 운전 개시 단계(S101)에서는 연료 전지 시스템(101)의 운전 개시 시에 연료의 공급을 중단한 상태에서 연료 전지 스택(30)에 컨버터(51)를 연결하여 운전을 개시한다. 이 때, 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)을 확인하여 안정적인 값이 될 때까지 일정한 전압으로 연료 전지 시스템(101)을 운전한다. 개방 회로 전압이 안정화되면 출력 전압(스택 전압)을 목표 전압(Vso)까지 소정의 속도(예를 들어, 일정한 속도)로 낮춘다(예를 들어, 상기 컨버터(51)가 상기 출력 전압을 낮춘다). 출력 전압을 낮추면 (일정한 전력을 유지하기 위하여) 전류(스택 전류)가 증가하는 바, 전류는 지속적으로 증가하지 못하고 증가하다가 다시 감소하게 된다. 이는 연료 전지 스택(30) 내부에 잔류하는 연료가 발전에 참여하다가 모두 소모되었기 때문이다. 전류가 감소하기 시작하는 때가 연료 전지 스택(30) 내부의 연료 농도가 최소화된 때로 볼 수 있다.
전류 증가율 측정 단계(S103)는 전류의 증가 속도를 측정하여 전류 증가율이 목표 증가율(Irso) 보다 작은지를 판단한다. 연료 공급 개시 단계(S104)는 전류 증가율이 목표 증가율(Irso)보다 작은 경우에 연료 전지 스택(30)으로 연료의 공급을 개시한다. 이 때, 목표 증가율(Irso)은 0 (A/s) 내지 -0.5(A/s)의 범위에 속하도록 설정될 수 있다.
한편, 전류 추종 연료 공급 단계(S105)에서는 연료의 공급이 개시된 후, 연료 전지 스택(30)에서 목표 전류(Iso)가 출력될 수 있도록 연료의 농도를 전류의 출력에 따라 조절한다. 이때, 연료 전지 스택(30)의 출력 전압은 컨버터에 의하여 목표 전압(Vso)으로 일정하게 고정된다. 목표 전압(Vso)과 목표 전류(Iso)는 연료 전지 시스템의 종류에 따라 적정하게 설정될 수 있다. 예를 들어 정격 출력이 60W인 연료 전지 시스템인 경우에는 목표 전압이 1.5V이고 목표 전류가 40A로 설정될 수 있으며, 정격 출력이 300W인 연료 전지 시스템인 경우에는 목표 전압이 6V이고 목표 전류가 50A로 설정될 수 있다.
전류 추종 연료 공급 단계(S105)는 혼합기로(16)의 연료 공급과 연료 공급 중단을 반복하는 단계를 포함한다. 본 실시예에서는 저정밀 펌프인 제1 연료 펌프(14)가 사용되는 바, 설정된 기간에서 연료의 공급과 연료 공급 중단을 실시하면(예를 들어, 제1 기간 동안 연료의 공급이 실시되고, 제2 기간 동안 연료의 공급이 중단되면), 전체 기간 동안 균일한(일정한) 양의 연료가 공급된 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 제1 연료 펌프(14)에 의해 공급될 수 있는 최대 연료량의 1/10을 공급하고자 할 때, 상기 제1 연료 펌프(14)는 설정된 기간의 1/10동안(예를 들어, 상기 제1 기간이 설정된 기간의 1/10이 될 수 있음)은 연료를 공급하고 설정된 기간의 9/10 동안(예를 들어, 상기 제2 기간이 설정된 기간의 9/10이 될 수 있음)은 연료의 공급을 중단하면 원하는 정밀도(예를 들어, 원하는 양의 연료 공급)를 얻을 수 있게 된다. 혼합기(16)로 유입된 연료는 물과 충분히 혼합되어 연료 전지 스택으로 유입되므로 균일한(또는 안정적인) 농도를 확보할 수 있다.
이와 같이 출력 전압이 목표 전압(Vso)으로 고정되고, 연료의 농도에 따라 출력 전류가 변화하게 되면 연료 전지 스택(30)의 손상을 최소화 또는 감소할 수 있다. 반대로, 컨버터를 이용하여 강제로 목표 전류(Iso)를 출력하는 경우에는 강제로 반응을 일으켜서 연료 전지 스택(30)이 손상되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
연료의 농도는 연료 탱크(12)에서 나오는 연료의 양에 따라 결정되므로 제1 연료 펌프(14)의 작동이 전류량에 따라 상기 제어기(40)로 제어되는 바, 제1 연료 펌프(14)의 제어는 비례(proportional, P) 제어, 비례적분(proportional-integral, PI) 제어, 비례적분미분(proportional-integral-derivative, PID) 제어 등 일반적으로 적용되는 다양한 방법으로 제어될 수 있다. P, PI, PID 제어 등은 널리 알려져 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면 상기 제어기(40)는 출력 전류에 따라 연료의 공급량을 제어하여 농도 센서 없이도 출력 전류를 목표 전류(Iso)로 유지하므로 보다 용이하게 연료를 공급할 수 있다. 또한, 혼합기(16)에서 고농도 연료와 물이 혼합되어 연료 전지 스택(30)으로 공급되므로 저정밀 펌프를 사용할 수 있다. 제어기(40)(예를 들어, PID 제어기 등)로 저정밀 펌프를 사용하여 연료 탱크(12)에서 혼합기(16)로 일정한 양의 연료를 주기적으로 공급하면 안정적인 농도의 연료를 지속적으로(또는 안정적으로) 공급하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 운전 개시 시에는 연료 전지 스택(30)의 온도가 낮고 발전이 활발하게 이루어지지 않는다. 이 때, 연료의 농도를 조절하여 목표 전류를 출력하려면 연료 전지 스택(30)으로 고농도의 연료가 공급되며 이에 따라 연료 전지 스택(30)이 손상되는 문제가 발생한다. 그러나 본 실시예에 따르면 연료 탱크(12)로부터 연료 공급 없이 운전을 개시하고, 연료 전지 스택(30) 내부의 연료 농도를 최소화 시킨 상태에서 연료를 공급하므로 목표 전류 출력하도록 연료(예를 들어, 더 낮은 농도의 연료)를 공급하더라도 고농도의 연료가 공급되지 아니한다. 또한, 연료 전지 스택(30) 내부의 잔류 연료를 이용하여 운전이 개시되고 연료 전지 스택(30)의 온도가 상승된 상태에서 연료가 공급되므로 원활하게 목표 전류를 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(102)은 연료 전지 스택(30)에 설치된 온도 센서(38)를 더 포함한다. 온도 센서(38)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(102)의 구동 방법은 제1 목표 전압 하에서의 전류 추종 연료 공급 단계(S201)와 연료 전지 스택 온도 측정 단계(S202)와 전압 감소 단계(S203), 및 제2 목표 전압 하에서의 전류 추종 연료 공급 단계(S204)를 포함한다.
제1 목표 전압 하에서의 전류 추종 연료 공급 단계(S201)는 목표 전류(Iso)를 출력할 수 있도록 연료 전지 스택(30)으로 연료의 농도를 조절하여 공급한다. 이때, 출력 전압은 제1 목표 전압(Vso1)으로 유지되는 정전압(CV) 운전이 된다.
한편, 연료 전지 스택 온도 측정 단계(S202)에서는 연료 전지 스택(30)의 온도를 측정하여 연료 전지 스택(30)의 온도가 한계 온도(Tsl)보다 높은지를 판단한다. 연료 전지 시스템(102)을 오랜 시간 구동할 때, 연료 전지 스택(30)의 성능이 저하되므로 제1 목표 전압(Vso1) 조건에서 목표 전류를 출력하지 못하게 된다. 이 경우, 목표 전류(Iso)를 출력하기 위해서 고농도의 연료(또는 부가적인 연료)가 연료 전지 스택(30)으로 공급되는 문제가 발생한다. 고농도의 연료가 공급되면 연료 전지 스택(30)에서 과도한 열이 발생될 뿐만 아니라 연료 전지 스택(30)이 손상된다. 본 실시예에서는 연료 전지 스택(30)을 냉각하기 위해서 일측에 냉각팬(36)이 설치되며 냉각팬(36)은 일정한 속도로 회전하도록 설정된다. 이에 따라 연료 전지 스택 온도 측정 단계(S202)에서는 온도 센서(38)를 이용하여 연료 전지 스택(30)의 온도가 한계 온도(Tsl)보다 높은지를 판단할 수 있다.
여기서 한계 온도(Tsl)는 기준 운전 온도보다 2% 내지 10% 높은 온도로 설정된다. 기준 운전 온도는 연료 전지 시스템의 종류에 따라서 상이한 바, 한계 온도(Tsl)는 기준 운전 온도에 따라 적합하게 설정될 수 있다. 기준 운전 온도가 62℃인 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC)를 예로 들면, 한계 온도(Tsl)는 63.4℃ 내지 68.2℃의 범위 내의 온도로 설정될 수 있다.
전압 감소 단계(S203)는 연료 전지 스택(30)의 온도가 한계 온도(Tsl)보다 높은 경우에는 제1 목표 전압(Vso1)에서 제2 목표 전압(Vso2)으로 목표 전압을 감소시킨다. 연료 전지 스택(30)의 성능 저하에 따라서 목표 전압을 감소시키면 목표 전류를 출력하더라도 연료의 농도가 과도하게 높아지지 않는다.
제2 목표 전압(Vso2) 하에서의 전류 추종 연료 공급 단계(S204)에서는 제2목표 전압(Vso2)으로 전압을 고정한 채 목표 전류(Iso)가 출력되도록 상기 연료 펌프(14)를 제어한다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 장시간 운전 중 연료 전지 스택(30)의 성능이 저하된 경우에도 농도 센서 없이, 연료의 농도가 과도하게 높아지는 것을 방지하면서 안정적으로 연료를 공급할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 따른 스택의 전압(V_stack), 전류(I_stack), 전력량(P_stack), 연료 농도(MeOH)를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 따른 스택의 전류(I_stack)와 연료 농도(MeOH)를 나타낸 그래프이며, 도 8은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법에 따른 스택 온도(T_stack)와 애노드 온도(T_anode), 및 외부 온도(T_external)를 나타낸 그래프이다.
도 6 내지 도 8을 참조하여 설명하면, 상기한 그래프에 적용된 연료 전지는 30W의 정격 출력을 갖고, 정격 전압이 20V이며, 정격 전류가 1.5A인 연료 전지이다.
먼저 도 7에 도시된 바와 같이 시동 시에는 제1 실시예와 같이 운전하여 농도의 변화가 0.63M 내지 0.9M로 안정적으로 나타났다. 또한, 시동 이후, 240분 내지 430분 사이에는 연료 농도의 변화가 0.68M 내지 0.72M로 매우 안정적인 것이 확인 되었다.
도 6 내지 도 8에 나타난 바와 같이, 운전 개시 후, 200분에 근접할 때에는 연료의 농도가 증가하고, 연료 전지 스택의 온도가 약 65℃까지 상승하는 것을 볼 수 있다. 200분에 연료 전지 스택(30)의 목표 전압을 22V에서 21V로 낮추었을 때, 연료의 농도가 잠깐 감소한 후, 230분 이후에는 연료의 농도가 안정적으로 유지되었다. 또한, 이 때 연료 전지 스택(30)의 온도 및 전압, 전류, 출력이 모두 안정적으로 유지되었다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법으로 운전을 재개시할 때, 스택의 전력(P_stack), 전압(V_stack), 전류(I_stack), 연료 농도(MeOH)를 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법으로 운전을 재개시할 때 스택의 전류(I_stack)와 연료 농도(MeOH)를 나타낸 그래프이다.
도 8와 도 10은 연료 전지 시스템의 목표 전압을 낮춘 상태에서 운전을 재개시할 때, 상태를 나타낸다. 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 시동 후, 30분 후에는 공급되는 연료의 농도가 안정적인 상태로 되며, 전류 및 전력도 안정적으로 출력되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 제1 실시예와 제2 실시예에 따르면 시동 시와 운전 중에 농도 센서 없이도 목표 전류에 추종하여 안정적인 농도의 연료를 공급할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11 및 도 12를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(103)은 냉각팬(36)의 구동 전력을 측정하는 전력 센서(37)를 더 포함한다. 전력 센서(37)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템과 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(103)의 구동 방법은 제1 목표 전압(Vso1) 하에서의 전류 추종 연료 공급 단계(S301)와 냉각팬(36) 구동 전력(Pf) 측정 단계(S302)와 전압 감소 단계(S303), 및 제2 목표 전압(Vso2) 하에서의 전류 추종 연료 공급 단계(S304)를 포함한다.
제1 목표 전압(Vso1) 하에서의 전류 추종 연료 공급 단계(S301)는 목표 전류(Iso)를 출력할 수 있도록 연료 전지 스택으로 연료의 농도를 조절하여 공급한다. 이때, 전압은 제1 목표 전압(Vso1)으로 일정하게 유지된다.
한편, 냉각팬(36) 구동 전력(Pf) 측정 단계(S302)에서는 전력 센서(37)로 냉각팬(36)의 구동 전력(Pf)을 측정하여 냉각팬(36)의 구동 전력(Pf)이 한계 구동 전력(Pfl)보다 높은지를 판단한다.
연료 전지 시스템(102)을 오랜 시간 구동할 때, 연료 전지 스택(30)의 성능이 저하되므로 제1 목표 전압(Vso1) 조건에서 목표 전류를 출력하지 못하게 된다. 이 경우, 목표 전류(Iso)를 출력하기 위해서 고농도의 연료가 연료 전지 스택(30)으로 공급되는 문제가 발생한다. 고농도의 연료가 공급되면 연료 전지 스택(30)에서 과도한 열이 발생될 뿐만 아니라 연료 전지 스택(30)이 손상된다.
본 실시예에서는 연료 전지 스택(30)이 일정한 온도를 유지할 수 있도록 연료 전지 스택(30) 내부의 온도가 상승하면 냉각팬(36)의 회전 속도가 증가하도록 설정된다. 이에 따라 연료 전지 스택(30)에서 과도한 열이 발생하면 냉각팬(36)의 구동 전력(Pf)이 증가하여 냉각팬(36)의 회전 속도가 상승하고 냉각팬(36)의 구동 전력(Pf)이 한계 구동 전력(Pfl)보다 높은지를 판단할 수 있다.
여기서 한계 구동 전력(Pfl)는 기준 구동 전력보다 5% 내지 20% 높은 전력으로 설정된다. 기준 구동 전력은 연료 전지 시스템의 크기에 따라서 상이한 바, 한계 구동 전력(Pfl)는 기준 구동 전압에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 기준 구동 전력이 최대 사용 전력의 70%일 경우, 한계 구동 전력(Pfl)은 최대 사용 전력의 73.5% 내지 84%가 된다.
전압 감소 단계(S303)는 냉각팬(36)의 구동 전력(Pf)이 한계 구동 전력(Pfl)보다 높은 경우에는 제1 목표 전압(Vso1)에서 제2 목표 전압(Vso2)으로 목표 전압을 감소시킨다. 연료 전지 스택(30)의 성능 저하에 따라서 목표 전압을 감소시키면 목표 전류를 출력하더라도 연료의 농도가 과도하게 높아지지 않는다.
제2 목표 전압(Vso2) 하에서의 전류 추종 연료 공급 단계(S304)에서는 제2목표 전압(Vso2)으로 전압을 고정한 채 목표 전류(Iso)가 출력되도록 연료 펌프를 제어한다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 장시간 운전 중 연료 전지 스택(30)의 성능이 저하된 경우에도 농도 센서 없이, 연료의 농도가 과도하게 높아지는 것을 방지하면서 안정적으로 연료를 공급할 수 있다.
상기에서는 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.
101, 102, 103: 연료 전지 시스템 12: 연료 탱크
14: 제1 연료 펌프 16: 혼합기
18: 제2 연료 펌프 21: 산화제 펌프
30: 연료 전지 스택 36: 냉각팬
31: 막-전극 집합체 32, 33: 세퍼레이터
35: 전기 생성부 36: 냉각팬
37: 전력 센서 38: 온도 센서
40: 제어기 50: 주변기기
51: 컨버터 52: 전압 센서
53: 전류 센서 62: 부하

Claims (20)

  1. 연료 탱크로부터 연료 공급이 없는 상태에서 연료전지 스택에서 전력을 생성하고,
    상기 전력의 출력 전류가 증가하도록 상기 전력의 출력 전압을 목표 전압까지 감소시키고,
    상기 출력 전류의 증가율을 측정하고,
    상기 출력 전류의 증가율이 목표 증가율보다 낮을 때 상기 연료전지 스택으로 연료의 공급을 개시하고,
    목표 전류 수준으로 상기 출력 전류를 유지하도록 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는
    단계를 포함하는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력을 생성하는 단계는, 상기 연료전지 스택에서 생성되는 전력의 상기 출력 전압이 개방 회로 전압 수준으로 안정화될 때까지 상기 연료전지 스택을 구동하는 것을 포함하는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력의 출력 전압을 감소시키는 단계에서, 상기 출력 전압은 상기 목표 전압에 도달할 때까지 감소하는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 증가율은 0 A/s 보다 더 크지 않도록 설정되는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 목표 증가율은 -0.5 A/s 내지 0 A/s 의 범위에 속하도록 설정되는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 전압은 상기 목표 전압으로 유지되는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 단계는,
    제1 기간 동안 상기 연료를 공급하고,
    제2 기간 동안 상기 연료의 공급을 중단하는 단계를 포함하는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 단계는,
    상기 연료를 상기 연료 탱크로부터 혼합기로 공급하도록 연료 펌프를 구동하는 것을 포함하는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 단계는,
    상기 혼합기에서, 상기 연료 탱크로부터 공급된 상기 연료와 물을 혼합하는 것을 더 포함하는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 펌프는 비례(proportional) 제어기, 비례적분(proportional-integral, PI) 제어기, 비례적분미분(proportional-integral-derivative, PID) 제어기로 이루어지는 군에서 선택된 제어기에 의해 제어되는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 전압으로 상기 출력 전압을 유지하고,
    상기 연료전지 스택에서 온도를 측정하고,
    상기 측정된 온도가 한계 온도보다 더 클 때 상기 목표 전압을 감소시키는
    단계를 더 포함하는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 목표 전압을 감소시키는 단계는, 상기 감소된 목표 전압에서 상기 출력 전압을 유지하도록 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 것을 포함하는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 한계 온도는 기준 운전 온도보다 2% 내지 10% 더 높게 설정되는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 전압으로 상기 출력 전압을 유지하고,
    상기 연료전지 스택을 냉각하도록 구성된 냉각팬으로 공급되는 구동 전력을 측정하고,
    상기 측정된 구동 전력이 한계 구동 전력보다 더 높을 때 상기 목표 전압을 감소시키는
    단계를 포함하는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 한계 구동 전력은 기준 구동 전력보다 5% 내지 20% 더 크게 설정되는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 기준 구동 전력은 상기 냉각팬의 최대 사용 전력의 70%로 설정되는, 연료전지 시스템의 구동방법.
  17. 연료 탱크로부터 연료 공급이 없는 상태에서 연료전지 스택에서 전력을 생성하는 수단;
    상기 전력의 출력 전류가 증가하도록 상기 전력의 출력 전압을 목표 전압까지 감소시키는 수단;
    상기 출력 전류의 증가율을 측정하는 수단;
    상기 출력 전류의 증가율이 목표 증가율보다 낮을 때 상기 연료전지 스택으로 연료의 공급을 개시하는 수단; 및
    목표 전류 수준으로 상기 출력 전류를 유지하도록 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하는 수단
    을 포함하는, 연료전지 시스템의 구동 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 연료전시 스택에서의 상기 연료 농도를 제어하는 수단은,
    제1 기간 동안 상기 연료를 공급하는 수단; 및
    상기 제2 기간 동안 상기 연료의 공급을 중단하는 수단을 포함하는, 연료전지 시스템의 구동 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서의 상기 연료 농도를 제어하는 수단은,
    상기 목표 전압으로 상기 출력을 유지하는 수단;
    상기 연료전지 스택에서 온도를 측정하는 수단; 및
    상기 측정된 온도가 한계 온도보다 더 클 때 상기 목표 전압을 감소시키는 수단
    을 포함하는, 연료전지 시스템의 구동 시스템.
  20. 연료 탱크로부터 연료 공급이 없는 상태에서 전력을 생성하도록 구성된 연료전지 스택;
    상기 전력의 출력 전류가 증가하도록 상기 전력의 출력 전압을 목표 전압까지 감소시키고, 상기 출력 전류의 증가율을 측정하도록 구성된 주변기기; 및
    상기 출력 전류의 증가율이 목표 증가율보다 낮을 때 상기 연료전지 스택으로 연료의 공급을 개시하고, 목표 전류 수준으로 상기 출력 전류를 유지하도록 상기 연료전지 스택에서의 연료 농도를 제어하도록 구성된 제어기
    를 포함하는, 연료전지 시스템의 구동 시스템.
KR1020110027642A 2010-04-01 2011-03-28 연료 전지 시스템의 구동 방법 KR101309154B1 (ko)

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US13/037,217 2011-02-28
US13/037,217 US20110244351A1 (en) 2010-04-01 2011-02-28 Operating method of fuel cell system

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