KR20120004816A - 연료전지 시스템의 운전 방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 운전 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120004816A
KR20120004816A KR1020100065501A KR20100065501A KR20120004816A KR 20120004816 A KR20120004816 A KR 20120004816A KR 1020100065501 A KR1020100065501 A KR 1020100065501A KR 20100065501 A KR20100065501 A KR 20100065501A KR 20120004816 A KR20120004816 A KR 20120004816A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
air
stack
temperature
hydrogen
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020100065501A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101282679B1 (ko
Inventor
김세훈
안병기
손익제
이종현
Original Assignee
현대자동차주식회사
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 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020100065501A priority Critical patent/KR101282679B1/ko
Publication of KR20120004816A publication Critical patent/KR20120004816A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101282679B1 publication Critical patent/KR101282679B1/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
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content 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
    • H01M8/04082—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
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the 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
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode 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
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature 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
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
    • 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
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04455—Concentration; Density 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
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04686—Failure or abnormal function of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04768—Pressure; Flow of the coolant
    • 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)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 공급되는 가스 공급 온도 및 스택으로부터 배출되는 냉각수 배출 온도를 기반으로, 가스의 공급 압력, 유량, 상대습도 등을 조절하여, 연료전지 시스템의 운전을 최적화시키는 동시에 그 운전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 운전 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 스택으로 공급되는 공기블로워 후단의 공기 공급 온도를 측정하는 단계와; 스택으로부터 배출되는 냉각수 배출 온도를 측정하는 단계와; 스택으로 공급되는 수소 공급 온도를 측정하는 단계와; 스택으로 공급되는 공기블로워 후단의 공기중 산소 농도를 측정하는 단계와; 측정된 공기 공급 온도와 냉각수 배출 온도의 차이를 비교하여, 스택에 공급되는 공기의 상대습도를 조절하는 단계와; 측정된 산소 농도에 따라 스택에 공급되는 공기의 공급 압력 및 공급 유량을 조절하는 단계와; 수소 재순환 블로워 고장시, 측정된 수소 공급 온도와 냉각수 배출 온도의 차이를 비교하여 수소의 공급압력 및 상대습도를 조절하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법을 제공한다.

Description

연료전지 시스템의 운전 방법{Method for operating fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 운전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 공급되는 가스 공급 온도 및 스택으로부터 배출되는 냉각수 배출 온도를 기반으로, 가스의 공급 압력, 유량, 상대습도 등을 조절하여, 연료전지 시스템의 운전을 최적화시키는 동시에 그 운전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 운전 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템과, 실질적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택 등으로 크게 나누어진다.
상기 연료전지 시스템의 운전 중, 연료공급시스템의 수소저장탱크로부터 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되고, 공기공급 시스템의 공기블로워에 의하여 대기중의 공기가 연료전지 스택의 공기극(cathode)으로 공급된다.
따라서, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 스택내의 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 생성하게 된다.
이러한 연료전지 시스템의 운전 효율을 향상시키기 위하여, 전체 시스템 또는 각 시스템 구성별로 운전에 필요한 여러 제어 인자(연료가스 양론비, 상대습도, 온도, 압력 등)를 최적으로 제어해야 한다.
종래 기술의 일례로서, 미국등록특허 US 6,939,631에는 스택 운전 온도(냉각수 출구 온도, 연료극 및/또는 공기극의 출구온도)에 따라 스택으로 공급되는 공급가스의 운전 압력 및 화학적 양론비(SR)를 제어하고, 이러한 제어와 연동하여 공급가스의 습도까지 제어하여, 연료전지 시스템의 효율 증대 및 스택 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 그 운전법이 개시되어 있는 바, 연료전지 시스템의 제어 로직 단순화 및 기산출된 데이터를 이용한 제어 로직 적용시 습도센서의 제거가 가능한 장점이 있지만, 겨울철과 같은 동절기에 공기블로워를 통과해 가습기로 공급되는 가스의 습도가 낮은 경우, 스택의 공기 입구측 습도가 감소되어 스택의 성능이 저하되는 문제점이 있고, 스택 성능 저하에 의한 발열량 증대로 스택 운전 온도가 증가된 후에 공급 가스의 운전 압력 및 화학 양론비를 제어하는 시간 지연(delay time) 현상이 발생하는 문제점이 있다
종래 기술의 다른 예로서, 미국공개특허 US 2007/2087041에는 스택으로 공급되는 공기의 상대습도를 일정 수준으로 유지하기 위하여, 가습기 전단의 공기 유량, 가습기 후단 및 스택 전단의 공기 온도, 스택 출구의 공기 압력, 스택 운전온도 조절을 위한 냉각수 유량 및 라디에이터 방열량 등을 제어하여 공기의 상대습도를 조절하고, 공기의 상대습도 감소를 방지하기 위해 스택 출력을 제한하는 연료전지 시스템의 운전방법이 개시되어 있는 바, 스택의 운전 중 워터 밸런스(water balance) 유지가 가능하고, 스택 효율 및 내구성 향상, 스택 운전 안정성 증대를 도모할 수 있는 장점이 있지만, 공기의 상대습도를 제어하기 위한 변수가 너무 많아 전체 시스템을 제어하기 위한 로직이 복잡해지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 스택으로 공급되는 공기블로워의 후단 또는 가습기 전단의 공기 공급 온도와, 스택으로부터 배출되는 냉각수 배출 온도를 측정 비교하고, 비교된 온도 차이를 기반으로 겨울철 외기 온도 저하시 스택으로 공급되는 공기의 상대습도(RH)를 조절함으로써, 상대습도의 감소로 인한 스택의 성능 저하를 방지하는 동시에 스택의 출력 성능을 증대시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템 운전 방법을 제공하는데 주된 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 스택으로 들어가는 공기블로워 후단의 공기 중 산소 농도를 측정하고, 측정된 농도에 따라 공기 공급 압력 및 유량을 증대시켜 고지대에서의 산소 농도 감소를 상쇄시키는 동시에 공급되는 공기의 가습 성능을 유지시킬 수 있도록 한 점에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 수소 재순환 블로워의 고장시 스택으로 들어가는 수소 공급 온도(수소 입구 온도)와 스택에서 배출되는 냉각수 배출 온도를 측정 비교하여 스택으로 공급하는 수소 공급 압력을 제어함으로써, 스택으로 들어가는 수소의 상대습도 감소로 인하여 스택의 성능이 저하되는 것을 방지하는 동시에 스택의 출력 성능을 증대시킬 수 있도록 한 점에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스택으로 공급되는 공기블로워 후단의 공기 공급 온도를 측정하는 단계와; 스택으로부터 배출되는 냉각수 배출 온도를 측정하는 단계와; 스택으로 공급되는 수소 공급 온도를 측정하는 단계와; 스택으로 공급되는 공기블로워 후단의 공기중 산소 농도를 측정하는 단계와; 측정된 공기 공급 온도와 냉각수 배출 온도의 차이를 비교하여, 스택에 공급되는 공기의 상대습도를 조절하는 단계와; 측정된 산소 농도에 따라 스택에 공급되는 공기의 공급 압력 및 공급 유량을 조절하는 단계와; 수소 재순환 블로워 고장시, 측정된 수소 공급 온도와 냉각수 배출 온도의 차이를 비교하여 수소의 공급압력 및 상대습도를 조절하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법을 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 스택에 공급되는 공기의 상대습도를 조절하는 단계에서, 공기 공급 온도가 냉각수 배출 온도보다 기준치 이상으로 낮으면 공급 공기의 상대습도를 증가 조절하고, 공기 공급 온도가 냉각수 배출 온도보다 기준치 이상으로 높으면 공급 공기의 상대습도를 감소 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 공급 공기의 상대습도 증가 조절은, 공기 공급 압력을 증가시키는 동시에 공기 공급 유량을 감소시키고, 스택에 공급되는 냉각수 유량을 증가시킴으로써, 공기 공급 온도가 상승하는 동시에 냉각수 배출 온도가 하강하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 공급 공기의 상대습도 감소 조절은, 스택에 공급되는 공기 공급 유량을 감소시키거나 냉각수 유량을 감소시킴으로써, 공기 공급 온도가 하강하는 동시에 냉각수 배출 온도가 상승하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 산소 농도가 기준치 이하이면, 스택으로 공급되는 공기의 공급 압력 및 공급 유량을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 수소 재순환 블로워 고장시, 수소 공급 온도가 냉각수 배출 온도에 비하여 낮으면, 스택으로 공급되는 수소 공급 압력을 증가시킴으로써, 수소의 상대습도가 증가 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 수소 재순환 블로우 고장시, 스택으로부터 배출되는 수소의 퍼지 주기를 단축시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 공기 공급 압력은 가습기의 출구단에 설치되는 후단 압력 조절기에 의하여 조절되고, 상기 공기 공급 유량은 공기블로워의 RPM 제어를 통해 조절되며, 상기 수소 공급 압력은 스택의 수소 입구단에 설치되는 레귤레이터에 의하여 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 공기블로워의 후단 또는 가습기 전단의 공기 공급 온도와, 냉각수 배출 온도를 측정 비교하고, 비교된 온도 차이를 기반으로 공기 공급 압력 및 유량, 그리고 냉각수 공급유량 등을 가감하여 스택으로 공급되는 공기의 상대습도(RH)를 조절함으로써, 겨울철에 공기의 상대습도 감소로 인한 스택의 성능 저하를 방지하는 동시에 스택의 출력 성능을 증대시킬 수 있다.
물론, 공기의 상대습도를 감소 조절하고자, 공기 유량을 감소시켜 시스템 효율 증대 효과를 도모할 수 있다.
또한, 스택에 공급되는 공기 중 산소 농도를 측정하고, 측정된 농도에 따라 공기 공급 압력 및 유량을 증대시켜셔, 산소 농도가 저하되는 것을 상쇄시키는 동시에 공급 공기의 가습 성능을 유지시킴으로써, 기존에 고지대에서의 산소 농도 감소로 스택 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 수소 재순환 블로워의 고장시 수소 공급 온도와 냉각수 배출 온도를 측정 비교하여 스택으로 공급하는 수소 공급 압력을 증가시켜 수소의 상대습도가 증가되도록 함으로써, 수소의 상대습도 감소로 인하여 스택의 성능이 저하되는 것을 방지하는 동시에 스택의 출력 성능을 증대시킬 수 있다.
또한, 수소 재순환 블로워의 고장시, 수소 공급 압력을 증가시킴에 따라 스택으로부터 배출되는 수소 퍼지 유속도 증가하고, 이 증가된 유속의 영향으로 스택내의 물 배출성이 보다 좋아지는 잇점이 있다.
도 1은 본 발명에 따은 연료전지 시스템의 운전 방법을 위한 시스템 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 시스템의 운전중 공기 공급 온도, 냉각수 배출 온도, 수소 공급 온도, 공기중 산소 농도 등을 측정하여, 스택으로 공급되는 가스(공기 및 수소)의 압력 및 유량, 그리고 습도 등을 최적 수준으로 조절함으로써, 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
연료전지 시스템의 구성을 도 1을 참조로 살펴보면, 연료전지 스택(10)에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템(20)과, 연료전지 스택(10)에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템(30)과, 연료전지 스택(10)의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템(40)과, 실질적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택(10) 등으로 크게 나누어진다.
상기 연료공급 시스템(20)의 구성 및 동작을 보면, 연료탱크(미도시됨)로부터 레귤레이터(22)를 통과한 수소(연료)가 수소입구밸브(미도시됨)를 거쳐 연료전지 스택의 수소극(anode)으로 들어간 후, 전기 생성을 위한 반응을 마친후, 일부는 수소 재순환 라인의 수소 재순환 블로워(24)에 의하여 입구측으로 재순환되고 나머지는 수소퍼지밸브(26)를 거쳐 외부로 배출된다.
상기 공기공급 시스템(30)의 구성 및 동작을 보면, 필터(32)에 의하여 여과된 외부공기를 공기블로워(34)가 흡입하여 가습기(36)로 공급하고, 가습기(36)에 공급된 건조공기는 가습기내를 통과하는 배출가스(연료전지 스택에서 반응을 마친 습한 공기)에 의하여 가습된 후, 연료전지 스택(10)으로 공급된다.
즉, 연료전지 스택으로부터 배출된 배출가스 즉, 습윤공기가 가습기(36)내에 유입되면, 가습기(36)내에 다발로 배치된 중공사막의 내부로 모세관 작용에 의하여 들어가서 중공사막내를 통과하는 건조공기를 가습시키게 되고, 나머지 수분이 분리되어진 습윤공기(air)는 가습기(36)의 출구를 통해 외부로 배출된다.
상기 열 및 물관리 시스템(40)은 스택내에서 전기 생성을 위한 수소와 산소가 반응할 때 많은 반응열을 생성하므로 이를 방열시키기 위한 시스템으로서, 스택(10)에서 배출된 냉각수가 워터펌프(42)의 펌핑력에 의하여 냉각수 순환라인(44)을 따라 스택용 라디에이터(46)로 들어가서 그 온도가 하강되도록 냉각된 후, 스택(10)으로 다시 공급되어 스택에 대한 냉각을 실시하게 된다.
한편, 상기 공기블로워의 후단이면서 가습기의 전단 위치에 제1온도센서(T1)와 산소의 온도를 측정하는 산소센서(50)가 설치되고, 연료전지 스택의 캐소드(공기극) 입구 및 출구에는 각각 제2 및 제3온도센서(T2,T3)가 설치되며, 또한 연료전지 스택의 냉각수 입구 및 출구에는 각각 제4 및 제5온도센서(T4,T5)가 설치되고, 연료전지 스택의 수소 입구 및 출구에도 각각 제6 및 제7온도센서(T6,T7)가 설치된다.
여기서, 상기한 연료전지 시스템 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 연료전지 시스템 운전 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 연료전지 시스템의 운전중, 각 온도센서들의 센싱 및 산소센서의 센싱이 동시에 이루어진다.
즉, 스택(10)에 공급되는 공기블로워(34) 후단의 공기 공급 온도를 제1온도센서(T1)에서 측정하고, 스택(10)으로부터 배출되는 냉각수 배출 온도를 제5온도센서(T5)에서 측정하며, 또한 스택(10)으로 공급되는 수소 공급 온도를 제6온도센서(T6)에서 측정하고, 스택(10)으로 공급되는 공기블로워(34) 후단의 공기중 산소 농도를 산소센서(50)에 측정하게 된다.
이때, 제1온도센서(T1)에서 측정된 공기 공급 온도와 제5온도센서(T5)에서 측정된 냉각수 배출 온도의 차이를 제어부(미도시됨)에서 비교하여, 스택에 공급되는 공기의 상대습도를 증가 또는 감소 조절하게 된다.
보다 상세하게는, 스택에 공급되는 공기블로워(34) 후단의 공기 공급 온도가 냉각수 배출 온도보다 기준치 이상으로 낮으면(동절기에는 외기 온도가 낮음에 따라 공기 공급 온도가 더 낮을 수 밖에 없음), 즉 공기 공급 온도가 냉각수 배출 온도보다 낮되 그 온도 차이가 기준범위를 벗어나면, 스택에 공급되는 공급 공기의 상대습도를 증가시키는 조절이 이루어진다.
이에, 스택에 공급되는 공급 공기의 상대습도를 증가시키는 조절은, 스택에 공급되는 공기 공급 압력을 증가시키는 동시에 공기 공급 유량을 감소시키고, 이와 함께 냉각수 공급 유량을 증가시킴으로써, 공기 공급 온도가 상승하는 동시에 냉각수 배출 온도가 하강하여 이루어진다.
다시 말해서, 스택에 공급되는 공기 공급 압력을 증가시키는 동시에 공기 공급 유량을 감소시킴에 따라 공기 공급 온도가 상승되고, 스택에 공급되는 저온의 냉각수 공급 유량을 증가시킴에 따라 냉각수 배출 온도가 하강할 수 밖에 없고, 결국 공기 공급 온도가 상승함에 따라 공기의 상대습도가 증가하게 된다.
이렇게 함으로써, 겨울철 외기 온도 저하시 스택에 공급되는 공기의 상대습도 감소로 인한 스택 성능 저하를 방지하는 동시에 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있다.
반면에, 여름철과 같이 스택에 공급되는 공기블로워(34) 후단의 공기 공급 온도가 냉각수 배출 온도보다 기준치 이상으로 높으면, 즉 공기 공급 온도가 냉각수 배출 온도보다 높되, 그 온도 차이가 기준범위를 벗어나면, 스택에 공급되는 공급 공기의 상대습도를 감소시키는 조절이 이루어진다.
이에, 스택에 공급되는 공급 공기의 상대습도를 감소시키는 조절은, 스택에 공급되는 공기 공급 유량을 감소시키거나 냉각수 공급 유량을 감소시킴으로써, 공기 공급 온도가 하강하는 동시에 냉각수 배출 온도가 상승하여 이루어진다.
다시 말해서, 공기 공급 유량을 감소시킴에 따라 공기 공급 온도가 다소 낮아질 수 밖에 없고, 동시에 냉각수 공급 유량을 감소시킴에 따라 스택에서 냉각을 마치고 나온 냉각수 배출 온도가 상승할 수 밖에 없으므로, 공기블로워 후단의 공기 공급 온도와 스택에서 배출되는 냉각수 배출 온도간의 편차를 줄이는 동시에 공기 공급 온도가 하강함에 따라 공기의 상대습도가 적정 수준으로 감소하게 된다.
이렇게 여름철과 같은 외기 온도 상승시에도 스택에 공급되는 공기의 상대습도를 적정 수준으로 유지시켜 스택의 출력 성능을 유지시킬 수 있다.
이때, 상기 가습기(36)의 출구단에 설치되는 후단 압력 조절기(38)의 흡입 압력 상승 제어에 의하여 공기 공급 압력이 증가될 수 있고, 공기블로워(34)의 RPM 하강 제어를 통해 공기 공급 유량을 감소시킬 수 있다.
한편, 스택에 공급되는 공기블로워 후단의 공기 공급 온도가 냉각수 배출 온도보다 낮거나 높되, 기준범위를 벗어나지 않으면 연료전지 시스템은 계속 정상적으로 운전되도록 한다.
본 발명에 따르면, 공기블로워(34) 후단의 공기중 산소 농도 측정이 이루어진 후, 측정된 산소 농도에 따라 스택에 공급되는 공기 공급 압력 및 공기 공급 유량을 조절하는 단계가 진행된다.
상기 산소센서(50)에서 측정된 산소 농도가 기준치 이하이면, 연료전지 시스템이 고지대에서 운전중인 것으로 판정하여, 스택으로 공급되는 공기 공급 압력 및 공기 공급 유량을 증가시킴으로써, 스택에서 실질적으로 수소와 반응하는 산소량을 보상해주도록 한다.
따라서, 연료전지 시스템이 산소 농도가 희박한 고지대에서 운전되는 경우, 스택에 공급되는 공기중 산소 농도 감소로 인하여 스택 성능이 저하되는 것을 방지하는 동시에 스택 출력 성능을 유지시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 수소 재순환 블로워(24)의 고장시, 측정된 수소 공급 온도와 냉각수 배출 온도의 차이를 비교하여 수소 공급 압력 및 수소의 상대습도를 조절하는 단계가 진행된다.
즉, 수소측 재순환블로워 고장시, 스택의 애노드로 공급되는 수소의 상대습도가 감소됨에 따라 스택 성능이 저하되는 현상이 발생될 수 있으므로, 수소 공급 압력 및 수소의 상대습도를 조절하는 단계가 진행된다.
이에, 스택(10)으로부터 배출되는 냉각수 배출 온도를 제5온도센서(T5)에서 측정하고, 스택(10)으로 공급되는 수소 공급 온도를 제6온도센서(T6)에서 측정한 결과, 수소 공급 온도가 냉각수 배출 온도에 비하여 낮으면, 스택(10)의 수소 입구단에 설치되는 레귤레이터(22)의 조절에 의하여 스택으로 공급되는 수소 공급 압력을 증가시키게 된다.
따라서, 수소 재순환 블로워 고장시, 스택의 애노드로 공급되는 수소의 부족량을 수소 공급 압력 증가에 따라 보상할 수 있고, 스택내로 들어간 수소가 고온의 냉각수에 의하여 기화되어 결국 수소의 상대습도가 증가된다.
한편, 수소 재순환 블로우 고장시, 스택의 애노드로 공급되는 수소의 부족량을 더 보상하기 위하여, 스택으로부터 배출되는 수소의 퍼지 주기를 단축시키는 제어가 동시에 이루어진다.
10 : 연료전지 스택 20 : 연료공급 시스템
22 : 레귤레이터 24 : 수소 재순환 블로워
26 : 수소퍼지밸브 30 : 공기공급 시스템
32 : 필터 34 : 공기블로워
36 : 가습기 38 : 압력조절기
40 : 열 및 물관리 시스템 42 : 워터펌프
44 : 냉각수 순환라인 46 : 라디에이터
50 : 산소센서 T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7 : 온도센서

Claims (12)

  1. 스택으로 공급되는 공기블로워 후단의 공기 공급 온도를 측정하는 단계와;
    스택으로부터 배출되는 냉각수 배출 온도를 측정하는 단계와;
    측정된 공기 공급 온도와 냉각수 배출 온도의 차이를 비교하여, 스택에 공급되는 공기의 상대습도를 조절하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택으로 공급되는 공기블로워 후단의 공기중 산소 농도를 측정하는 단계와;
    측정된 산소 농도에 따라 스택에 공급되는 공기 공급 압력 및 공기 공급 유량을 조절하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택으로 공급되는 수소 공급 온도를 측정하는 단계와;
    수소 재순환 블로워 고장시, 측정된 수소 공급 온도와 냉각수 배출 온도의 차이를 비교하여 수소 공급 압력 및 수소의 상대습도를 조절하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택에 공급되는 공기의 상대습도를 조절하는 단계에서,
    공기 공급 온도가 냉각수 배출 온도보다 기준치 이상으로 낮으면 공급 공기의 상대습도를 증가 조절하고, 공기 공급 온도가 냉각수 배출 온도보다 기준치 이상으로 높으면 공급 공기의 상대습도를 감소 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 공급 공기의 상대습도 증가 조절은,
    스택에 공급되는 공기 공급 압력을 증가시키는 동시에 공기 공급 유량을 감소시키고, 냉각수 유량을 증가시킴으로써, 공기 공급 온도가 상승하는 동시에 냉각수 배출 온도가 하강하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 공급 공기의 상대습도 감소 조절은,
    스택에 공급되는 공기 공급 유량을 감소시키거나 냉각수 유량을 감소시킴으로써, 공기 공급 온도가 하강하는 동시에 냉각수 배출 온도가 상승하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 산소 농도가 기준치 이하이면, 스택으로 공급되는 공기의 공급 압력 및 공급 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  8. 청구항 3에 있어서,
    수소 재순환 블로워 고장시, 수소 공급 온도가 냉각수 배출 온도에 비하여 낮으면, 스택으로 공급되는 수소 공급 압력을 증가시킴으로써, 수소의 상대습도가 증가 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  9. 청구항 3 또는 청구항 8에 있어서,
    또한, 수소 재순환 블로우 고장시, 스택으로부터 배출되는 수소의 퍼지 주기를 단축시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기 공급 압력은 가습기의 출구단에 설치되는 후단 압력 조절기에 의하여 조절되는 것을 특징으로 연료전지 시스템의 운전 방법.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기 공급 유량은 공기블로워의 RPM 제어를 통해 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 수소 공급 압력은 스택의 수소 입구단에 설치되는 레귤레이터에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 운전 방법.
KR1020100065501A 2010-07-07 2010-07-07 연료전지 시스템의 운전 방법 KR101282679B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100065501A KR101282679B1 (ko) 2010-07-07 2010-07-07 연료전지 시스템의 운전 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100065501A KR101282679B1 (ko) 2010-07-07 2010-07-07 연료전지 시스템의 운전 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120004816A true KR20120004816A (ko) 2012-01-13
KR101282679B1 KR101282679B1 (ko) 2013-07-12

Family

ID=45611218

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100065501A KR101282679B1 (ko) 2010-07-07 2010-07-07 연료전지 시스템의 운전 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101282679B1 (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101313880B1 (ko) * 2012-09-17 2013-10-01 한국에너지기술연구원 정치형 연료전지 시스템의 효율 관리 방법
KR20150057723A (ko) * 2013-11-20 2015-05-28 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템
KR20170007110A (ko) * 2015-07-08 2017-01-18 삼성전자주식회사 전기화학 전지 및 그의 운전 방법
CN105183027B (zh) * 2015-10-10 2017-11-07 南京信息工程大学 一种用于云室的气体湿度自动控制系统
US9847537B2 (en) 2014-07-02 2017-12-19 Hyundai Motor Company System and method of controlling air blower for fuel cell vehicle
WO2018028948A1 (en) 2016-08-09 2018-02-15 Unilever N.V. A filter unit adapted as a pre-filter system for water filtration comprising multiple filters in a single filter housing
US10476091B2 (en) 2016-04-01 2019-11-12 Hyundai Motor Company Fuel cell purging control method

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004349067A (ja) 2003-05-21 2004-12-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
KR100527469B1 (ko) 2003-10-10 2005-11-09 현대자동차주식회사 연료 전지 스택의 온도/습도 제어장치 및 방법
US20070287041A1 (en) 2006-06-09 2007-12-13 Alp Abdullah B System level adjustments for increasing stack inlet RH
JP2008258040A (ja) 2007-04-06 2008-10-23 Toyota Motor Corp 加湿水量推定装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101313880B1 (ko) * 2012-09-17 2013-10-01 한국에너지기술연구원 정치형 연료전지 시스템의 효율 관리 방법
KR20150057723A (ko) * 2013-11-20 2015-05-28 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템
US9847537B2 (en) 2014-07-02 2017-12-19 Hyundai Motor Company System and method of controlling air blower for fuel cell vehicle
KR20170007110A (ko) * 2015-07-08 2017-01-18 삼성전자주식회사 전기화학 전지 및 그의 운전 방법
CN105183027B (zh) * 2015-10-10 2017-11-07 南京信息工程大学 一种用于云室的气体湿度自动控制系统
US10476091B2 (en) 2016-04-01 2019-11-12 Hyundai Motor Company Fuel cell purging control method
WO2018028948A1 (en) 2016-08-09 2018-02-15 Unilever N.V. A filter unit adapted as a pre-filter system for water filtration comprising multiple filters in a single filter housing

Also Published As

Publication number Publication date
KR101282679B1 (ko) 2013-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101282679B1 (ko) 연료전지 시스템의 운전 방법
JP5156797B2 (ja) 燃料電池システム
US7348083B2 (en) Fuel cell system
US6855442B2 (en) Fuel cell and method of operating same
JP2009016170A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置
KR101795224B1 (ko) 연료전지 시스템
US9012100B2 (en) Fuel cell system
US6939629B2 (en) Humidifying system for a fuel cell
JP2009037762A (ja) 燃料電池システムの制御装置
US20070054167A1 (en) Fuel cell system and method of operating a fuel cell system
KR101610063B1 (ko) 연료 전지 시스템
KR101966449B1 (ko) 연료전지 시스템의 공기 공급장치 및 에어 블로어 압력 조절방법
US7479335B2 (en) Anode humidification
KR20120009631A (ko) 공급가스 조절이 가능한 연료전지 시스템
JP5411901B2 (ja) 燃料電池システム
JP5374043B2 (ja) 乾燥ガスが供給される膜燃料電池を含む発電システム
JP6136185B2 (ja) 燃料電池システム
KR101299797B1 (ko) 고분자전해질 연료전지의 가습시스템
KR100986385B1 (ko) 연료전지 시스템의 공기 공급 제어 장치 및 방법
JP2000048838A (ja) 燃料電池装置の制御方法
KR101189245B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치
KR20120045819A (ko) 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법
KR20120000956A (ko) 연료 전지 시스템 및 그의 가습장치
JP2004235093A (ja) 燃料電池システム
KR101736102B1 (ko) 연료전지 시스템 및 그 제어방법

Legal Events

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

Payment date: 20160630

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180628

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190627

Year of fee payment: 7