KR20120045819A

KR20120045819A - 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법

Info

Publication number: KR20120045819A
Application number: KR1020100107637A
Authority: KR
Inventors: 이현재; 전의식
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2012-05-09

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에서 생성되는 전류 크기에 따라 수소 공급 압력을 가변시키는 동시에 수소 및 공기 공급 압력 차이를 일정하게 유지시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 수소 공급 압력의 최대치 및 최소치 제한을 둔 상태에서 연료전지 스택의 전류 또는 출력 증가에 따라 스택에 공급되는 수소 공급 압력을 선형적으로 증가시키는 동시에 수소 공급 압력과 공기 공급 압력간의 차이를 일정한 수준으로 유지시켜, 스택의 출력 성능이 저출력 구간 뿐만 아니라 고출력 구간에서도 원할하게 발휘될 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법{Method for controlling hydrogen supply pressure of fuel cell}

본 발명은 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에서 생성되는 전류 크기에 따라 수소 공급 압력을 가변시키는 동시에 수소 및 공기 공급 압력 차이를 일정하게 유지시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA)를 포함하고 있다.

첨부한 도 4에서 보듯이, 막-전극 어셈블리(16)는 수소 이온이 전달되는 고분자 전해질막을 사이에 두고, 양측에 각각 수소가 공급되는 연료극(12, anode)과 공기가 공급되는 공기극(14, cathode)이 적층되는 구성을 가지며, 다수의 막-전극 어셈블리가 분리판과 함께 순차적으로 적층된 것을 연료전지 스택(10)이라 한다.

이러한 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하도록 공그블로워 및 가습기를 포함하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있으며, 전기에너지의 생성을 위하여 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 에어블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.

한편, 연료전지 스택의 연료극에 수소를 공급할 때 적용되는 종래의 수소 공급 압력은 수소 공급압이 출력에 따라 변하지 않는 고정압력 방식를 채택하고 있다.

즉, 연료전지 스택의 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 형성되는 연료극(anode) 채널과 공기극(cathode) 채널 사이의 압력차를 고려하지 않고, 수소 공급 압력을 일정한 수준의 고정압력으로 설정하고 있다.

그러나, 도 3의 그래프에서 보듯이 연료전지 스택에서 중/고전류가 생성되는 경우, 수소 공급을 위한 인가 압력 대비 실제 수소 공급 압력값이 떨어지는 현상이 발생되는 문제점이 있었다.

결국, 중/고전류 출력시 수소 공급 압력이 떨어지게 되면, 어느 시점에서부터 스택의 출력 성능이 떨어지게 되는 문제점이 발생하게 된다.

이렇게 중/고전류 출력시 수소 공급 압력이 떨어지는 이유는 중/고전류 이상 영역에서 응축수 배출 능력 감소로 인한 전기 화학 반응 속도가 떨어질 수 있고, 또한 중/고전류 이상 영역에서 순간적인 역전압 발생으로 인한 스택 손상의 가능성이 있기 때문이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 기존 수소 공급 압력을 고정압 방식에서 수소를 공급하는 장치인 이젝터(Ejector)의 용량을 증대하는 방식으로 보완하고 있으나, 이젝터의 용량 확대에 한계가 있고, 제조 원가가 상승하는 요인이 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 수소 공급 압력의 최대치 및 최소치 제한을 둔 상태에서 연료전지 스택의 전류 또는 출력 증가에 따라 스택에 공급되는 수소 공급 압력을 선형적으로 증가시키는 동시에 수소 공급 압력과 공기 공급 압력간의 차이를 일정한 수준으로 유지시켜, 스택의 출력 성능이 저출력 구간 뿐만 아니라 고출력 구간에서도 원할하게 발휘될 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 연료전지 스택의 전류 또는 출력 증가에 따른 수소 공급 목표압력을 설정하는 단계와; 연료전지 스택의 시동 온 단계와; 연료전지 스택의 운전중 전류 또는 출력 증가시, 스택에 공급되는 수소 공급 압력을 수소 공급 목표압력에 맞추어 선형적 또는 비선형적으로 증가시키는 제어 단계와; 비선형적으로 증가하는 수소 공급 압력과 공기 공급 압력간의 차이값을 일정한 수준으로 유지시키는 제어 단계; 를 통하여, 저출력 구간을 비롯하여 고출력 구간에서도 스택의 출력 성능이 유지될 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법을 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 기존의 수소 공급 압력을 고정압 방식에서 탈피하여, 연료전지 스택의 전류 또는 출력이 증가하는 구간이 시작될 때, 스택에 공급되는 수소 공급 압력을 미리 설정된 수소 공급 목표압력에 맞추어 선형적 또는 비선형적으로 증가시키는 제어를 실시하는 동시에 수소 공급 압력과 공기 공급 압력간의 차이를 일정한 수준으로 유지시키는 제어 방식을 채택함으로써, 스택의 출력 성능이 저출력 구간 뿐만 아니라 중/고전류를 생성하는 고출력 구간에서도 원할하게 발휘될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법에 의거 수소 공급 압력이 선형적으로 증가하는 것을 설명하는 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법에 의거 수소 공급 압력이 비선형적으로 증가하는 것을 설명하는 그래프,
도 3은 기존의 수소 공급 압력이 연료전지 스택의 고출력시 떨어지는 것을 설명하는 그래프,
도 4는 연료전지 시스템 구성을 설명하는 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 기존에는 고정압 방식으로 수소 공급 압력을 공급함에 따라, 스택의 중/고전류 출력시 수소 공급을 위한 인가 압력 대비 실제 수소 공급 압력값이 떨어지는 현상이 발생되는 문제점이 있었으며, 이를 해결하기 위하여 본 발명은 스택의 중/고전류 출력시 스택에 공급되는 수소 공급 압력을 선형적 또는 비선형적으로 증가시키되, 수소 공급 압력과 공기 공급 압력간의 차이를 일정한 수준으로 유지시키는 제어를 함으로써, 스택의 출력 성능이 저출력 구간 뿐만 아니라 중/고전류를 생성하는 고출력 구간에서도 원할하게 발휘될 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 연료전지 스택의 출력 증가에 따른 수소 공급 목표압력을 설정하는 단계가 선행된다.

즉, 연료전지 스택의 시동 온이 이루어진 후, 전류 또는 출력이 증가되는 구간이 시작되면, 이에 맞추어 수소 공급 압력이 도 1에서 보듯이 선형적으로 증가하거나 또는 도 2에서 보듯이 비선형적으로 증가되도록 미리 연료전지 스택의 출력 증가에 따른 수소 공급 목표압력을 설정하는 로직을 제어부에 입력하는 단계가 선행된다.

이때, 상기 수소 공급 목표압력(H₂ Target P)은 연료전지 스택의 운전중 스택 입구 및 출구에서 측정된 공기 압력값, 스택 입구 및 출구에서 측정된 수소 압력값, 요구되는 출력을 위해 스택에 공급되는 공기유량값들을 측정하고, 각 항에 상수값을 취한 후, 각 항들을 모두 합한 값으로 설정되도록 제어부의 제어로직이 변경된다.

이렇게 수소 공급 목표압력(H₂ Target P)을 스택 입구 및 출구에서 측정된 공기 압력값과 선행 시험을 통해 얻어진 상수값을 곱한 값, 스택 입구 및 출구에서 측정된 수소 압력값과 선행 시험을 통해 얻어진 상수값을 곱한 값, 현재 요구되는 출력을 위해 스택에 공급되는 공기유량값과 선행 시험을 통해 얻어진 상수값을 곱한 값, 그리고 스택 출구쪽 수소극의 수소 압력이 맞은 편 공기극의 공기 압력보다 높게 설정되도록 취해진 상수값(F)을 모두 합한 값으로 설정함에 따라, 스택 출구쪽 수소극의 수소 압력이 맞은 편 공기극의 공기 압력보다 높아지게 되고, 동시에 고전류 및 고출력 구간에서 수소 공급 압력이 떨어지지 않게 된다.

특히, 상기 상수값(F)은 스택에 공급되는 공기 공급 압력과 수소 공급 압력간의 차이값(ΔP)으로서, 현재 수소 공급 압력과 공기 공급 압력간의 차이를 일정한 수준으로 유지시키는 제어 인자가 된다.

이렇게 수소 공급 목표압력이 설정되어 제어부에 입력된 상태에서, 연료전지 스택의 시동 온이 이루어진 후, 스택의 출력 증가 구간이 시작되면, 스택에 공급되는 수소 공급 압력을 상기와 같이 미리 설정된 수소 공급 목표압력 설정 로직에 맞추어 선형적 또는 비선형적으로 증가시키는 제어가 이루어진다.

보다 상세하게는, 스택의 전류 및 출력 증가 구간에서, 아래의 수학식1에 기재된 바와 같이,

ⅰ)스택 입구에서 측정된 현재 공기 공급 압력값(Stack Air Inlet Pressure)과 미리 정해진 상수값(A)를 곱한 값과,

ⅱ)스택 출구에서 측정된 현재 공기 배출 압력값(Stack Air Outlet Pressure)과 미리 정해진 상수값(B)를 곱한 값과,

ⅲ)스택 입구에서 측정된 현재 수소 공급 압력값(Stack H₂ Inlet Pressure)과 미리 정해진 상수값(C)를 곱한 값과,

ⅳ)스택 출구에서 측정된 현재 수소 배출 압력(Stack H₂ Outlet Pressure)과 미리 정해진 상수값(D)를 곱한 값과,

ⅴ)현재 스택에 요구되는 출력에서의 스택에 공급되는 공기유량값(Air flow rate @ commanded current or power)과 미리 정해진 상수값(E)를 곱한 값과,

ⅵ) 스택에 공급되는 현재의 공기 공급 압력과 수소 공급 압력간의 차이값(ΔP)를 나타내는 상수값(F),

들을 합한 값으로 이루어진 수소 공급 목표압력(H₂Tagrget P)이 실질적인 수소 공급 압력이 되도록 제어함으로써, 스택의 출력 증가 구간에서 스택에 공급되는 수소 공급 압력이 선형적 또는 비선형적으로 증가하여, 결국 고전류 및 고출력 구간에서 수소 공급 압력이 떨어지지 않게 된다.

이와 같이, 연료전지 스택의 전류 또는 출력이 증가하는 구간이 시작될 때, 스택에 공급되는 수소 공급 압력을 미리 설정된 수소 공급 목표압력에 맞추어 선형적 또는 비선형적으로 증가시키는 제어를 실시하는 동시에 수소 공급 압력과 공기 공급 압력간의 차이를 일정한 수준으로 유지시키는 제어 방식을 채택함으로써, 스택의 출력 성능이 저출력 구간 뿐만 아니라 중/고전류를 생성하는 고출력 구간에서도 원할하게 발휘될 수 있다.

10 : 연료전지 스택
12 : 연료극
14 : 공기극
16 : 막-전극 어셈블리

Claims

연료전지 스택의 출력 증가에 따른 수소 공급 목표압력을 설정하는 단계와;
연료전지 스택의 시동 온 단계와;
연료전지 스택의 운전중 출력 증가시, 스택에 공급되는 수소 공급 압력을 수소 공급 목표압력에 맞추어 선형적 또는 비선형적으로 증가시키는 단계;
로 이루어지는 제어를 통하여, 저출력 구간을 비롯하여 고출력 구간에서도 스택의 출력 성능이 유지될 수 있도록 한 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법.
청구항 1에 있어서,
선형적 또는 비선형적으로 증가하는 수소 공급 압력과, 공기 공급 압력간의 차이값을 일정한 수준으로 유지시키는 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 수소 공급 목표압력은 스택 입구 및 출구에서 측정된 공기와 수소 공급 압력값과, 현재 요구되는 전류 또는 출력을 위해 스택에 공급되는 공기유량값과, 상수값을 합한 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 수소 공급 목표압력(H₂Tagrget P)은:
ⅰ)스택 입구에서 측정된 현재 공기 공급 압력값(Stack Air Inlet Pressure)과 미리 정해진 상수값(A)를 곱한 값과,
ⅱ)스택 출구에서 측정된 현재 공기 배출 압력값(Stack Air Outlet Pressure)과 미리 정해진 상수값(B)를 곱한 값과,
ⅲ)스택 입구에서 측정된 현재 수소 공급 압력값(Stack H₂ Inlet Pressure)과 미리 정해진 상수값(C)를 곱한 값과,
ⅳ)스택 출구에서 측정된 현재 수소 배출 압력(Stack H₂ Outlet Pressure)과 미리 정해진 상수값(D)를 곱한 값과,
ⅴ)현재 스택에 요구되는 출력에서의 스택에 공급되는 공기유량값(Air flow rate @ commanded current or power)과 미리 정해진 상수값(E)를 곱한 값과
ⅵ) 스택에 공급되는 현재의 공기 공급 압력과 수소 공급 압력간의 차이값(ΔP)를 나타내는 상수값(F),
들을 합한 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 상수값(F)은 현재 수소 공급 압력과 공기 공급 압력간의 차이를 일정한 수준으로 유지시키는 제어 인자로서 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 수소 공급 압력 설정 방법.