KR20120061282A - 연료전지 시스템 시동 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 시스템의 시동 시, 애노드에 공급되는 수소의 공급속도를 조절하여, 애노드에 잔존하는 공기와 수소간의 계면 형성 시간을 단축시키는 동시에 계면 형성에 따른 과전압 발생을 방지할 수 있도록 한 연료전지 시스템 시동 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 시스템의 정지 상태에서 시동 시, 애노드에 존재하는 산소의 농도값에 따라, 애노드에 공급되는 수소의 공급속도를 조절하여, 애노드에 잔존하는 공기와의 계면 형성 시간을 단축시키는 동시에 계면 형성에 따른 과전압 발생을 방지할 수 있고, 불필요한 수소 소모도 줄일 수 있는 연료전지 시스템 시동 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 시스템의 정지 상태에서 시동 시, 애노드에 존재하는 산소의 농도값에 따라, 애노드에 공급되는 수소의 공급속도를 조절하여, 애노드에 잔존하는 공기와의 계면 형성 시간을 단축시키는 동시에 계면 형성에 따른 과전압 발생을 방지할 수 있고, 불필요한 수소 소모도 줄일 수 있는 연료전지 시스템 시동 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.
Description
본 발명은 연료전지 시스템 시동 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 시동 시, 애노드에 공급되는 수소의 공급속도를 조절하여, 애노드에 잔존하는 공기와 수소간의 계면 형성 시간을 단축시키는 동시에 계면 형성에 따른 과전압 발생을 방지할 수 있도록 한 연료전지 시스템 시동 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 정지 상태에서, 보통 스택의 캐소드(Cathode)로 공기가 유입된 후, 기체확산층 및 전해질막을 통한 확산(Diffusion) 과정을 거쳐 애노드(Anode)쪽에도 공기가 유입되어 존재하게 된다.
즉, 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템의 시동 오프, 즉, 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량의 시동 오프 시에는 연료전지에 공기와 수소 공급이 중단되지만, 시동 오프 상태가 장시간 유지되는 경우 애노드에 남아 있던 수소가 전해질 막을 통과하여 캐소드으로 넘어가게 되어, 애노드 압력이 캐소드 압력에 비해 낮아지게 되고, 결국 입출구가 막혀 있는 애노드에 음압이 형성되며, 결국 애노드와 캐소드의 압력 차이로 인해 캐소드에 있던 산소가 애노드로 확산된다.
이러한 연료전지 시스템의 정지 상태에서 시동 시, 공기공급수단의 구동에 의하여 스택의 캐소드로 공기가 공급되는 동시에 수소탱크로부터의 수소가 스택의 애노드로 공급된다.
이때, 연료전지 시스템의 시동 시, 애노드쪽으로 수소가 공급될 때, 공급된 수소와 애노드에 존재하던 공기가 서로 만나서 수소/공기(산소) 계면이 형성되고, 수소/공기 계면 형성에 따라 캐소드측에 과전압이 형성된다.
이렇게 캐소드에 과전압이 생성되면, 캐소드 전극의 부식을 초래하게 되고, 수 십~수 백 사이클(Cycle) 만에 스택의 성능 저하 현상이 발생되는 문제점이 있다.
다시 말해서, 연료전지 시스템의 시동(On)이 이루어지면, 애노드에 수소가 정식으로 공급되는 동시에 이 수소는 잔존하던 산소와 계면을 형성하는 동시에 화학 반응 현상이 발생되고, 이에 캐소드에서 고전위의 포텐셜이 발생하여 카본 부식이 일어나게 되며, 결국 캐소드의 카본 촉매가 유실되면서 그 활성화가 감소되어 연료전지 성능 감소를 유발하는 열화 현상이 발생하게 된다.
이러한 열화 현상이 유발되면, 연료전지에서 생성되는 전압의 강하 현상이 발생하여 내구 수명에 영향을 미치게 된다.
즉, 첨부한 도 3a 및 도 3b에서 보듯이 애노드의 산소 농도가 0% 또는 1% 인 경우에는 시동 온/오프 사이클이 몇 천회 이상 반복되더라도, 셀 전압이 강하되는 현상이 없었지만, 첨부한 도 3c 및 도 3d에서 보듯이 애노드의 산소 농도가 10% 또는 20% 이상인 경우에는 시동 온/오프 사이클이 반복될수록 셀 전압이 강하되는 것을 알 수 있고, 결국 연료전지 시스템의 내구성 저하 및 전체 시스템이 불안정하게 되어 잦은 셧다운(ShutDown)이 초래될 수 있다.
연료전지 시스템의 시동 시 상기와 같이 과전압이 발생하는 것을 방지하기 위한 종래 기술로서, 저항 등의 더미 로드(Dummy Load) 연결을 통해 전압을 하강시키는 프로세스가 일반적으로 사용되고 있으나, 연료의 불균일 공급 발생 시 스택의 셀에 역전압 현상이 발생될 가능성 있고, 역전압에 의하여 스택에 치명적인 성능 저하가 발생할 우려가 있다.
따라서, 연료전지 시스템의 정지 후, 애노드측에 유입된 공기(산소)에 의해 시동 시 형성되는 수소/공기(산소) 계면에 의한 과전압의 방지 혹은 최소화가 연료전지 스택의 내구성 향상을 위한 가장 중요한 공정 중 하나라 하겠다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료전지 시스템의 정지 상태에서 시동 시, 애노드에 존재하는 산소의 농도값에 따라, 애노드에 공급되는 수소의 공급속도를 조절하여, 애노드에 잔존하는 공기와의 계면 형성 시간을 단축시키는 동시에 계면 형성에 따른 과전압 발생을 방지할 수 있고, 불필요한 수소 소모도 줄일 수 있는 연료전지 시스템 시동 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 스택의 애노드내 존재하는 산소의 농도를 측정하는 농도측정기와; 상기 애노드의 입구단에 배치되는 수소공급유속 조절수단과; 상기 애노드에 공급되는 수소 유속이 조절되도록 농도측정기의 산소 농도 신호값을 수신하는 동시에 수소공급유속 조절수단을 제어하는 제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 시동 장치를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 연료전지 시스템의 시동 온과 동시에 연료전지 스택의 애노드에 존재하는 산소의 농도를 측정하는 단계와; 산소의 농도에 따라, 애노드에 공급하는 수소의 공급유속을 조절하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 시동 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 산소의 농도가 기준값 이상이면 수소의 공급유속이 고속으로 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 산소의 농도가 기준값 이하이면 수소의 공급유속이 저속으로 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 정지시 스택의 애노드로 공기가 유입된 후, 시동 시에 애노드에 공급하는 수소의 속도를 고속으로 공급하여 수소/공기간의 계면이 형성되는 것을 최소화하는 동시에 계면 형성에 따라 캐소드에서 과전압이 발생되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
이렇게 캐소드에서의 과전압 생성을 최소화함에 따라, 캐소드 전극의 내구성을 유지할 수 있다.
특히, 애노드에 존재하는 산소의 농도를 측정하여, 측정된 농도에 따라 수소 공급속도를 조정하여, 불필요하게 수소가 소모되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 시동 방법을 구현하기 위한 구성도,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 시동 방법에 따라, 애노드에 공급되는 수소 공급 속도를 조절하여 셀전압 변화를 측정한 V-I 곡선 그래프,
도 3a 내지 도 3d는 연료전지 시스템의 시동 시, 애노드에 잔존하는 공기량에 따라 셀 전압이 변화하는 것을 측정한 V-I 곡선 그래프.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 시동 방법에 따라, 애노드에 공급되는 수소 공급 속도를 조절하여 셀전압 변화를 측정한 V-I 곡선 그래프,
도 3a 내지 도 3d는 연료전지 시스템의 시동 시, 애노드에 잔존하는 공기량에 따라 셀 전압이 변화하는 것을 측정한 V-I 곡선 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
연료전지 시스템의 시동 시, 연료전지 스택의 애노드의 산소 농도가 높을수록 더 높은 과전압이 형성되어, 캐소드 전극에 대한 부식이 가속화되고, 결국 캐소드의 카본 촉매가 유실되면서 그 활성화가 감소되어 연료전지 성능 감소를 유발하는 열화 현상이 발생하는 것으로 알려져 있다.
본 발명은 연료전지 시스템의 시동 시, 애노드 측에 형성되는 수소/공기(산소) 계면 형성 시간을 단축시키고자, 스택의 애노드로 공급되는 수소의 유입 속도를 상승시켜 공급함으로써, 결과적으로 연료전지 시스템의 시동 시 발생하는 캐소드 전극의 부식을 저감시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
그러나, 연료전지 시스템의 시동 시마다 수소의 유입 속도를 상승시키는 것은 수소의 소모량이 늘어나는 요인이 되고, 결국 수소 연비 저감을 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명은 연료전지 시스템의 시동 시, 불필요한 과량의 수소 소모를 막기 위하여, 애노드에 유입된 산소의 농도가 특정값 이상일 경우에만, 애노드에 고속으로 수소를 공급하고, 산소의 농도가 특정값 이하일 경우에는 정상속도에 따른 유량의 수소를 공급하도록 한 점에 또 다른 특징이 있다.
이를 위한 본 발명의 연료전지 시스템 시동을 위한 구성을 살펴보면, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(10)의 애노드(12)내 존재하는 산소의 농도를 측정하는 농도측정기(16)와, 상기 애노드(12)의 입구단에 배치되는 수소공급유속 조절수단(18)과, 연료전지 시스템의 시동 시 애노드(12)에 공급되는 수소 유속이 조절되도록 농도측정기(16)의 산소 농도 신호값을 수신하는 동시에 수소공급유속 조절수단(18)의 작동을 제어하는 제어기(20)를 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 수소공급유속 조절수단(18)은 수소를 고압으로 전환시키거나 유속을 가감시키는 고압펌프 또는 수소의 유량을 증가 또는 감소시키는 유량제어밸브 등 통상의 유속조절수단을 사용할 수 있다.
이때, 상기 연료전지 스택(10)의 애노드(12)의 입출구에 장착된 밸브(22,24)와, 캐소드(14)의 입출구에 장착된 밸브(26,28)는 연료전지 시스템의 시동 오프시 닫히게 되어 스택내로 더 이상 기체(수소 및 공기)가 공급되는 것을 차단하지만, 시동 오프 시간이 장시간 지속되면 아주 미량의 공기가 스택내로 유입되므로, 공기의 유입을 원천적으로 차단할 수 없다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 연료전지 시스템 시동 방법을 설명하면 다음과 같다.
연료전지 시스템의 정지 상태에서, 연료전지 스택의 캐소드로 공기가 유입된 후, 기체확산층 및 전해질막을 통한 확산 과정을 거쳐 애노드쪽에도 공기가 유입되어 존재하게 된다.
이러한 상태에서, 연료전지 시스템의 시동 온이 되면, 애노드(10)쪽의 산소 농도를 농도측정기(16)에서 측정한 후, 그 측정 신호를 제어기(20)에 전송하게 된다.
연이어, 상기 제어기(20)에서 산소의 농도에 따라, 애노드에 공급하는 수소의 공급유속을 조절하고자, 애노드(12)의 입구단에 배치된 수소공급유속 조절수단(18)의 작동을 제어하게 된다.
예를 들어, 상기 수소공급유속 조절수단(18)이 펌프로 적용된 경우에는 펌프의 회전수를 증가시키는 제어를 하여, 애노드에 대한 수소 공급을 고압 또는 빠른 유속으로 공급하거나, 펌프의 회전수를 정속으로 제어하여 정상적인 속도로 수소가 공급되도록 한다.
이렇게 산소의 농도가 기준값 이상이면 애노드에 대한 수소의 공급유속이 고속으로 조절됨으로써, 수소의 빠른 유속 및 공급량 증가로 인하여 애노드에 형성되는 수소/공기 계면 형성 시간을 크게 단축하여, 캐소드에서 과전압이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 캐소드 전극의 내구성을 유지시킬 수 있다.
본 발명의 시험예로서, 연료전지 시스템의 시동 온/오프를 반복하면서 수소 공급 유속별로 셀 전압을 측정하였다.
즉, 연료전지 시스템의 시동 온/오프를 수백 내지 수천회 사이클 반복하되, 시동 온 시 수소공급 유속을 정상수준(A)으로 한 경우(도 2a 참조)와, 수소공급 유속을 정상수준에 3배(3A)로 한 경우(도 2b 참조)와, 수소공급 유속을 정상수준에 5배(5A)로 한 경우(도 2c 참조)에 대한 셀 전압을 측정하였는 바, 그 결과 수소 유속이 느리면 수백 사이클에서 셀 전압 강하 현상이 나타나고, 수소 유속이 빠를수록 수천 사이클에서 셀 전압 강하가 나타남을 알 수 있었고, 결국 수소 공급 유속이 빠를수록 성능 열화가 더디게 나타남을 알 수 있었다.
또한, 산소의 농도가 기준값 이하이면 애노드에 대한 수소의 공급유속이 저속으로 조절되도록 함으로써, 불필요한 수소 소모를 줄일 수 있다.
즉, 애노드에 잔존하는 공기(산소)의 농도가 캐소드 전극 부식에 영향을 미칠 정도가 아닌 경우에는 불필요하게 높은 유속 및 큰 유량의 수소 공급을 하지 않고, 수소의 공급유속을 정상적인 수준으로 유지하여 수소 소모량을 줄일 수 있다.
10 : 연료전지 스택
12 : 애노드
14 : 캐소드
16 : 농도측정기
18 : 수소공급유속 조절수단
20 : 제어기
22,24,26,28 : 밸브
12 : 애노드
14 : 캐소드
16 : 농도측정기
18 : 수소공급유속 조절수단
20 : 제어기
22,24,26,28 : 밸브
Claims (4)
- 연료전지 스택의 애노드내 존재하는 산소의 농도를 측정하는 농도측정기와;
상기 애노드의 입구단에 배치되는 수소공급유속 조절수단과;
상기 애노드에 공급되는 수소 유속이 조절되도록 농도측정기의 산소 농도 신호값을 수신하는 동시에 수소공급유속 조절수단을 제어하는 제어기;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 시동 장치.
- 연료전지 시스템의 시동 온과 동시에 연료전지 스택의 애노드에 존재하는 산소의 농도를 측정하는 단계와;
산소의 농도에 따라, 애노드에 공급하는 수소의 공급유속을 조절하는 단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 시동 방법.
- 청구항 2에 있어서,
산소의 농도가 기준값 이상이면 수소의 공급유속이 고속으로 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 시동 방법.
- 청구항 2에 있어서,
산소의 농도가 기준값 이하이면 수소의 공급유속이 저속으로 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템 시동 방법.
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